JP3639362B2

JP3639362B2 - Mass flow controller

Info

Publication number: JP3639362B2
Application number: JP28789395A
Authority: JP
Inventors: 武文金澤
Original assignee: Horiba Stec Co Ltd
Current assignee: Horiba Stec Co Ltd
Priority date: 1995-10-08
Filing date: 1995-10-08
Publication date: 2005-04-20
Anticipated expiration: 2015-10-08
Also published as: JPH09100930A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ガスや液体などの流量を制御するマスフローコントローラに関する。
【０００２】
【従来の技術】
前記マスフローコントローラの一つに、ノルマルクローズタイプ（常時閉路型）のものがある。このタイプのマスフローコントローラは、従来、図５に示すように、本体ブロック４１の上面に近い部分に、流路４２を形成したオリフィスブロック４３を設け、その下方に、流路４４を形成したノズルブロック４５をばね４６によって常時上方に付勢し、これによって、オリフィスブロック４３と当接してバルブ閉の状態になるように設け、本体ブロック４１の上面に設けられたピエゾスタックなどのアクチュエータ４７の下方への押下げ力を真球４８、プランジャ４９および押圧ピン５０を介してノズルブロック４５に伝えて、オリフィスブロック４３とノズルブロック４５との間に所定の隙間が生じ、バルブ開の状態になるように構成されていた。なお、図５において、５１，５２は本体ブロック４１に形成された流路で、流路４２，４４にそれぞれ接続されている。５３はプランジャ４９を上方に常時付勢しているばねである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記マスフローコントローラにおいては、弁まわりの部品点数が多いとともに、流路構造が複雑である。このため、粘度の高い流体の制御には不向きであるとともに、組立性やメンテナンス性が悪く、製作コストが嵩むといった不都合がある。
【０００４】
この発明は、上述の事柄に留意してなされたもので、その目的は、バルブ部分の構成を簡素化し、安価でメンテナンス性に優れたマスフローコントローラを提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、この発明のマスフローコントローラは、上面に弁口としての開口が開設された弁ブロックの上部にダイヤフラムを設け、このダイヤフラムの上面に、これを常時下方に押圧して前記弁口を閉塞させる押圧体を設け、アクチュエータの下方への押下げ力を上向き方向の力に変換して押圧体に伝達するピック体を押圧体の上方に設けてなり、前記ピック体がばね性を有する材料よりなり、かつ、アクチュエータの出力部に当接させた周部と、この周部から下方に折り曲げられた係止部とからなり、係止部の下面側を弁ブロック側の支点に保持させ、係止部の先端側を前記押圧体に係合させたことを特徴としている。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の詳細を、図を参照しながら説明する。
【０００７】
図１〜図４は、この発明の一つの実施の形態を示すもので、まず、図１において、１は本体ブロック、２，３は本体ブロック１に形成された流体入口、流体出口で、接続部材４，５が取り付けられている。６は本体ブロック１の流体入口２と流体出口３との間に形成される流体流路で、流体流量検出部７と流体流量制御部８とが設けられている。
【０００８】
前記流体流量検出部７は、流体流路６に臨むように開設された測定流路入口９と測定流路出口１０との間を接続する例えば薄肉毛細管よりなる導管１１に例えば熱式質量流量センサよりなる抵抗体１２Ａ，１２Ｂを巻回してなるもので、これらの抵抗体１２Ａ，１２Ｂは、図外のブリッジ回路に接続されている。１３は流体流路６に形成された定分流比特性を有するバイパス部である。
【０００９】
前記流体流量制御部８の構成を、図２をも参照しながら説明する。すなわち、本体ブロック１のバイパス部１３よりも下流側の流体流路６に弁ブロック１４が本体ブロック１の上面よりやや突出した状態で設けられる。この弁ブロック１４には、一端が弁ブロック１４よりも上流側の流体流路６Ａに連なり、他端が弁ブロック１４の上面で開口している流路１５が形成されるとともに、上方が弁ブロック１４の上面で開口し、下端が弁ブロック１４よりも下流側の流体流路６Ｂに連なる流路１６が前記流路１５を中心にして形成されている。
【００１０】
１７は弁ブロック１４の上面に載置される弁ブロック押さえ部材で、内部は中空になっている。そして、この押さえ部材１７と弁ブロック１４との間に挟持されるようにしてダイヤフラム１８が設けられる。このダイヤフラム１８は、後述する押圧体１９、ばね２０と協働して、図４（Ａ）に示すように、弁ブロック１４の上面の開口１５ａ，１６ａを常時閉塞する弁体として機能するもので、その厚みは、例えば０．１５ｍｍ程度で、ステンレス鋼など耐腐食性およびばね性に富む素材よりなる。
【００１１】
１９はダイヤフラム１８の上面に載置されるようにして設けられる押圧体で、上部外周にくびれ部分１９ａを備え、内部にばね２０の大半を収容するための空間１９ｂを備えた有底の筒体で、例えばステンレス鋼よりなる。２０は前記空間１９ｂに大半が収容され、後述するピエゾスタック２２の出力部２２ａ側の凹部２２ｂとの間に介装されるばねで、押圧体１９を常時下方に付勢している。したがって、ダイヤフラム１８は、常時下方に付勢されて弁ブロック１４の上面に密着し、弁ブロック１４に形成された流路１５の上部開口１５ａおよび流路１６の上部開口１６ａを閉塞する。２１はシール部材である。
【００１２】
２２はアクチュエータとしてのピエゾスタックで、複数のピエゾ素子を積層して形成してあり、弁ブロック押さえ部材１７の上方に立設された筒状のケース２３内に収容されている。このピエゾスタック２２の下端の出力部２２ａは、押圧体１９の上端面とやや離間しており、その凹部２２ｂにはばね２０の上端が当接している。また、ピエゾスタック２２の上部は、図示してないが、ケース２３の上部外周に形成したねじ部に螺着されるユニオンナット形状の調整ナットにより押圧保持されている。このピエゾスタック２２においては、所定の電圧を印加されることにより、出力部２２ａがばね２０の付勢力に抗して下方に移動し、下方への押下げ力が発生する。
【００１３】
２４はピエゾスタック２２の下方への押下げ力を上向き方向の力に変換して押圧体１９に伝達する手段としてのピック体で、例えば、ステンレス鋼板のように強度とばね性を有する素材よりなる厚さ０．３ｍｍ程度の円板状の素材を、図３（Ａ），（Ｂ）に示すように、８等分する線に沿って切り込み、中心部２４ａおよびこれと周部２４ｂとの間の部分２５ｃを切り欠き、下方にやや折り曲げられた係止部２４ｄを９０°ずつ形成したものである。
【００１４】
そして、このピック体２４は、その周部２４ｂをピエゾスタック２２の出力部２２ａに当接させ、係止部２４ｄの先端側を押圧体１９のくびれ部分１９ａに係合させるとともに、係止部２４ｄの下面側を弁ブロック押さえ部材１７の突出部１７ａに保持させるようにして設けられている。すなわち、ピック体２４は、突出部１７ａを支点として、第１種のてこのように保持されている。
【００１５】
上述した構成のマスフローコントローラの動作について、図４（Ａ），（Ｂ）をも参照しながら説明すると、ピエゾスタック２２に電圧が印加されてない状態（常時）においては、図４（Ａ）に示すように、押圧体１９とピエゾスタック２２の出力側との間に介装されたばね２０の付勢力により、押圧体１９が下方に押し下げられ、これによって、ダイヤフラム１８が弁ブロック１４の上面に密着し、弁ブロック１４に形成された流路１５の上部開口１５ａおよび流路１６の上部開口１６ａを閉塞し、バルブ閉の状態になっている。
【００１６】
上記バルブ閉の状態にあるとき、ピエゾスタック２２に所定の電圧が印加されると、その出力部２２ａが下方に移動し、押下げ方向の力が発生する。この力は、ピック体２４の周部２４ｂに作用し、つまり、周部２４ｂは、下向き方向の力が作用する力点となる。そして、この力点に働く力は第１種のてことしてのピック体２４の係止部２４ｄ側においては上向き方向の力となり、この力が押圧体１９のくびれ部１９ａに上向きの力として作用する。つまり、くびれ部１９ａに当接するピック体２４の係止部２４の先端側が作用点となる。
【００１７】
上述のように、ピエゾスタック２２によって発生された下向きの力は、ピック体２４によって、押圧体１９に対して上向きの力として作用する力に変換される。この上向きの力を受けた押圧体１９は、図４（Ｂ）に示すように、ばね２０の付勢力に抗して上方に持ち上げられるようになり、これにより、ダイヤフラム１８に対する押圧力が解除され、弁ブロック１４の上面に密着していたダイヤフラム１８が上方に移動して、前記上部開口１５ａ，１６ａが開放され、バルブ開の状態になる。このバルブ開の状態では、流路１５側から流路１６側に流体が流れることができる。
【００１８】
そして、ピエゾスタック２２に対する電圧の印加がなくなると、その出力部２２ａが上方に復帰し、ピック体２４に対する押下げ力もなくなるので、ピック体２４はばね２０の付勢力により下方に移動し、その押下げ力によりダイヤフラム１８は、弁ブロック１４の上面に再び密着し、図４（Ａ）に示す状態、すなわち、バルブ閉の状態に復帰する。
【００１９】
上記構成のマスフローコントローラにおいては、弁まわりの部品点数が少なくなり、流路の構造も簡単である。このため、粘度の高い流体をも容易に制御することができるとともに、組立性やメンテナンス性が向上し、それだけ、製作コストを低減することができる。
【００２０】
なお、上述のマスフローコントローラにおいては、流体流量検出部７を流体流量制御部８よりも上流側に設けてあるが、この配置を逆にしてもよい。
【００２１】
そして、上述の説明から理解されるように、ピエゾスタック２２は、その出力部２２ａに押し動かす力が出力され、したがって、ノルマルオープンタイプ（常時開路型）のマスフローコントローラのアクチュエータとして用いられることが多い。そして、上記実施の形態におけるマスフローコントローラにおいても、その構成部品は、ノルマルオープンタイプのものである。
【００２２】
このように、この発明によれば、ノルマルオープンタイプのバルブを使用してノルマルクローズタイプのバルブを得ることができ、これら両タイプにおける部品の共通化が図れることにより、組立ライン上における作り置きが可能になり、より一層合理化が可能になり、コストダウンが促進される。
【００２３】
なお、アクチュエータとしては、ピエゾスタックのほか、電磁方式、サーマル方式のものを用いてもよい。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、汎用性が広く、安価でメンテナンス性に優れたマスフローコントローラを効率よく得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一つの実施の形態におけるマスフローコントローラの構成を示す断面図である。
【図２】前記マスフローコントローラの要部の構成を示す断面図である。
【図３】前記マスフローコントローラにおいて用いるピック体の構成を示す図である。
【図４】前記マスフローコントローラの動作説明図である。
【図５】従来のマスフローコントローラの要部の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１４…弁ブロック、１５ａ，１６ａ…開口、１８…ダイヤフラム、１９…押圧体、２２…アクチュエータ、２４…ピック体。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a mass flow controller for controlling the flow rate of gas or liquid.
[0002]
[Prior art]
One of the mass flow controllers is a normally closed type (normally closed type). Conventionally, as shown in FIG. 5, this type of mass flow controller is provided with an orifice block 43 in which a flow path 42 is formed near a top surface of a main body block 41, and a nozzle block in which a flow path 44 is formed below the orifice block 43. 45 is always urged upward by a spring 46, and is thereby brought into contact with the orifice block 43 to be in a valve-closed state, and below an actuator 47 such as a piezo stack provided on the upper surface of the main body block 41. Is transmitted to the nozzle block 45 via the true sphere 48, the plunger 49, and the pressing pin 50, so that a predetermined gap is generated between the orifice block 43 and the nozzle block 45 so that the valve is opened. Was composed. In FIG. 5, reference numerals 51 and 52 denote flow paths formed in the main body block 41, which are connected to the flow paths 42 and 44, respectively. 53 is a spring which always urges the plunger 49 upward.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, the mass flow controller has a large number of parts around the valve and a complicated flow path structure. For this reason, it is unsuitable for control of a fluid with high viscosity, and there are disadvantages such as poor assemblability and maintainability and high manufacturing costs.
[0004]
The present invention has been made in consideration of the above-described matters, and an object thereof is to provide a mass flow controller that simplifies the configuration of the valve portion, is inexpensive, and has excellent maintainability.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the mass flow controller of the present invention is provided with a diaphragm on the upper surface of a valve block having an opening as a valve opening on the upper surface, and constantly presses the diaphragm downward on the upper surface of the diaphragm. A pressing body that closes the mouth is provided, and a pick body that converts the downward pressing force of the actuator into an upward force and transmits it to the pressing body is provided above the pressing body, and the pick body has a spring property. It consists of a peripheral part made of a material having contact with the output part of the actuator and a locking part bent downward from this peripheral part, and the lower surface side of the locking part is held at the fulcrum on the valve block side The distal end side of the locking portion is engaged with the pressing body .
[0006]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the details of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0007]
1 to 4 show an embodiment of the present invention. First, in FIG. 1, 1 is a main body block, 2 and 3 are fluid inlets and fluid outlets formed in the main body block 1, and are connected. Members 4 and 5 are attached. Reference numeral 6 denotes a fluid flow path formed between the fluid inlet 2 and the fluid outlet 3 of the main body block 1, and a fluid flow rate detector 7 and a fluid flow rate controller 8 are provided.
[0008]
The fluid flow rate detection unit 7 is, for example, a thermal mass flow sensor connected to a conduit 11 made of, for example, a thin capillary tube that connects a measurement flow channel inlet 9 and a measurement flow channel outlet 10 that are opened to face the fluid flow channel 6. These resistors 12A and 12B are connected to a bridge circuit (not shown). Reference numeral 13 denotes a bypass portion having a constant flow ratio characteristic formed in the fluid flow path 6.
[0009]
The configuration of the fluid flow rate control unit 8 will be described with reference to FIG. That is, the valve block 14 is provided in the fluid flow path 6 on the downstream side of the bypass portion 13 of the main body block 1 in a state of slightly protruding from the upper surface of the main body block 1. The valve block 14 has a flow path 15 having one end connected to the fluid flow path 6A upstream of the valve block 14 and the other end opened on the upper surface of the valve block 14, and the upper side is the valve block. A flow path 16 is formed around the flow path 15 and opens at the upper surface of 14, and the lower end is connected to the fluid flow path 6 </ b> B on the downstream side of the valve block 14.
[0010]
Reference numeral 17 denotes a valve block pressing member placed on the upper surface of the valve block 14, and the inside is hollow. A diaphragm 18 is provided so as to be sandwiched between the pressing member 17 and the valve block 14. The diaphragm 18 functions as a valve body that always closes the openings 15a and 16a on the upper surface of the valve block 14, as shown in FIG. 4A, in cooperation with a pressing body 19 and a spring 20 described later. The thickness is, for example, about 0.15 mm, and is made of a material rich in corrosion resistance and springiness such as stainless steel.
[0011]
Reference numeral 19 denotes a pressing body provided so as to be placed on the upper surface of the diaphragm 18. The bottomed cylinder includes a constricted portion 19 a on the outer periphery of the upper portion and a space 19 b for accommodating most of the spring 20 therein. For example, it is made of stainless steel. Reference numeral 20 denotes a spring which is mostly accommodated in the space 19b and is interposed between a concave portion 22b on the output portion 22a side of the piezo stack 22 which will be described later, and constantly urges the pressing body 19 downward. Accordingly, the diaphragm 18 is always urged downward to be in close contact with the upper surface of the valve block 14 and close the upper opening 15 a of the flow path 15 and the upper opening 16 a of the flow path 16 formed in the valve block 14. 21 is a seal member.
[0012]
Reference numeral 22 denotes a piezo stack as an actuator, which is formed by laminating a plurality of piezo elements, and is housed in a cylindrical case 23 erected above the valve block pressing member 17. The output portion 22a at the lower end of the piezo stack 22 is slightly separated from the upper end surface of the pressing body 19, and the upper end of the spring 20 is in contact with the recess 22b. Although not shown, the upper portion of the piezo stack 22 is pressed and held by an union nut-shaped adjustment nut that is screwed onto a screw portion formed on the outer periphery of the upper portion of the case 23. In the piezo stack 22, when a predetermined voltage is applied, the output portion 22a moves downward against the urging force of the spring 20, and a downward pressing force is generated.
[0013]
Reference numeral 24 denotes a pick body as a means for converting the downward pressing force of the piezo stack 22 into an upward force and transmitting it to the pressing body 19, and is made of a material having strength and springiness, such as a stainless steel plate. As shown in FIGS. 3 (A) and 3 (B), a disc-shaped material having a thickness of about 0.3 mm is cut along a line equally divided into eight parts, and between the central part 24a and the peripheral part 24b. The portion 25c is cut out, and the locking portion 24d slightly bent downward is formed by 90 °.
[0014]
The pick body 24 abuts the peripheral portion 24b on the output portion 22a of the piezo stack 22, engages the distal end side of the locking portion 24d with the constricted portion 19a of the pressing body 19, and the locking portion 24d. Is provided so that the lower surface side is held by the protruding portion 17 a of the valve block pressing member 17. That is, the pick body 24 is held in such a manner as the first type lever with the protruding portion 17a as a fulcrum.
[0015]
The operation of the mass flow controller configured as described above will be described with reference to FIGS. 4A and 4B. FIG. 4A shows a state in which no voltage is applied to the piezo stack 22 (always). As shown, the pressing body 19 is pushed downward by the urging force of the spring 20 interposed between the pressing body 19 and the output side of the piezo stack 22, whereby the diaphragm 18 is in close contact with the upper surface of the valve block 14. The upper opening 15a of the flow path 15 and the upper opening 16a of the flow path 16 formed in the valve block 14 are closed, and the valve is closed.
[0016]
When a predetermined voltage is applied to the piezo stack 22 when the valve is in the closed state, the output portion 22a moves downward to generate a force in the pressing direction. This force acts on the peripheral portion 24b of the pick body 24, that is, the peripheral portion 24b is a force point at which a downward force is applied. The force acting on this force point is an upward force on the side of the locking portion 24d of the first kind of pick body 24, and this force acts on the constricted portion 19a of the pressing body 19 as an upward force. That is, the point of action of the front end side of the locking portion 24 of the pick body 24 that comes into contact with the constricted portion 19a is an action point.
[0017]
As described above, the downward force generated by the piezo stack 22 is converted by the pick body 24 into a force that acts as an upward force on the pressing body 19. The pressing body 19 that has received this upward force is lifted upward against the urging force of the spring 20 as shown in FIG. 4B, whereby the pressing force on the diaphragm 18 is released. Then, the diaphragm 18 that is in close contact with the upper surface of the valve block 14 moves upward, and the upper openings 15a and 16a are opened, and the valve is opened. In this valve open state, fluid can flow from the flow path 15 side to the flow path 16 side.
[0018]
When no voltage is applied to the piezo stack 22, the output portion 22a returns to the upper side, and the pressing force to the pick body 24 is also eliminated. The diaphragm 18 comes into close contact with the upper surface of the valve block 14 by the lowering force, and returns to the state shown in FIG. 4A, that is, the valve closed state.
[0019]
In the mass flow controller configured as described above, the number of parts around the valve is reduced, and the flow path structure is simple. For this reason, it is possible to easily control a fluid having a high viscosity, to improve the assemblability and the maintenance, and to reduce the manufacturing cost accordingly.
[0020]
In the above-described mass flow controller, the fluid flow rate detection unit 7 is provided on the upstream side of the fluid flow rate control unit 8, but this arrangement may be reversed.
[0021]
As can be understood from the above description, the piezo stack 22 outputs a pushing force to the output portion 22a, and is therefore often used as an actuator of a normally open type (normally open type) mass flow controller. . And also in the mass flow controller in the said embodiment, the component is a normal open type.
[0022]
As described above, according to the present invention, a normally closed type valve can be obtained by using a normally open type valve, and parts in both types can be made common, so that preparation on the assembly line is possible. It becomes possible, rationalization becomes possible, and cost reduction is promoted.
[0023]
In addition to the piezo stack, an electromagnetic or thermal actuator may be used as the actuator.
[0024]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to efficiently obtain a mass flow controller that is versatile, inexpensive, and excellent in maintainability.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a mass flow controller according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a configuration of a main part of the mass flow controller.
FIG. 3 is a diagram showing a configuration of a pick body used in the mass flow controller.
FIG. 4 is an operation explanatory diagram of the mass flow controller.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a configuration of a main part of a conventional mass flow controller.
[Explanation of symbols]
14 ... Valve block, 15a, 16a ... Opening, 18 ... Diaphragm, 19 ... Pressing body, 22 ... Actuator, 24 ... Pick body.

Claims

A diaphragm is provided on the upper surface of the valve block having an opening as a valve opening on the upper surface, and a pressing body is provided on the upper surface of the diaphragm so as to block the valve opening by constantly pressing the diaphragm downward. A pick body that converts the pressing force into an upward force and transmits it to the pressing body is provided above the pressing body, and the pick body is made of a material having a spring property and is in contact with the output portion of the actuator. And a locking part bent downward from the peripheral part. The lower surface side of the locking part is held at a fulcrum on the valve block side, and the distal end side of the locking part is engaged with the pressing body. A mass flow controller characterized by being combined .