气体流量调节装置及质量流量控制器的制作方法

本实用新型涉及流量控制领域，具体地，涉及一种气体流量调 节装置及质量流量控制器。

背景技术：

气体质量流量控制器(Mass Flow Controller，MFC)用于对气 体质量流量进行精密测量及控制。它们在半导体和集成电路工艺、特 种材料学科、化学工业、石油工业、医药、环保和真空等多种领域的 科研和生产中有着重要的应用。

气体质量流量控制器通常由分流器、流量测量装置、流量调节 装置以及控制电路板等装置组成。分流器用于按预定流量比例将气体 分流至流量测量装置和分流器的内部通道中；气体流量调节装置设置 在气体通道上，用于调节气体通道中的气体流量。控制电路板用于接 收来自流量测量装置发送的流量检测信号，并根据该流量检测信号进 行计算，并根据计算结果控制气体流量调节装置调节通过气体通道中 的气体流量，直至该气体流量与设定流量值一致。

现有的流量调节装置的阀芯部件、阀口部件结构复杂，制造加 工难度大，废品率高，而且与气体接触的零件数量较多，由于对与气 体接触的零件有特殊的材料要求和表面处理要求，导致零件加工难 度、制作成本较高。此外，现有的流量调节装置利用两个簧片的弹性 作用来实现阀芯部件与阀口部件的接触密封或分离，但是，在阀开启、 关闭和调节流量时，簧片会频繁压缩、复位变形，容易疲劳失效，造 成阀部件故障率高，影响装置的正常使用。

技术实现要素：

本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提 出了一种气体流量调节装置及质量流量控制器，其不仅可以简化结 构、减少与气体接触的零件数量，而且可以避免因簧片失效而带来的 故障。

为实现本实用新型的目的而提供一种气体流量调节装置，包括：

阀口部件，在所述阀口部件中设置有第一进气通道；

推杆部件，在所述推杆部件中设置有第一通孔，且在所述第一 通孔中设置有推杆，所述推杆的第一端面与所述第一进气通道的出气 端相对；并且，所述推杆通过弹性隔膜与所述推杆部件弹性连接；

驱动组件，用于驱动所述推杆沿靠近或远离所述第一进气通道 的方向移动，以使所述推杆的第一端面与所述第一进气通道的出气端 接触密封或者分离。

可选的，在所述阀口部件与推杆部件之间设置有环形的开度调 整垫片，用于调节在所述推杆的第一端面与所述第一进气通道的出气 端接触密封时，所述弹性隔膜的形变量。

可选的，所述驱动组件包括：

固定件，位于所述推杆部件的远离所述推杆的第一端面的一侧；

压缩弹簧，设置在所述固定件与所述推杆之间；

连接腔体，位于所述固定件的远离所述压缩弹簧的一侧，且所 述连接腔体的一端贯穿所述固定件，并与所述压缩弹簧的靠近所述推 杆的一端连接；所述连接腔体与所述固定件形成封闭空间，且在所述 封闭空间中填充有压电材料；通过调节向所述压电材料施加的电压大 小，来调节所述压电材料的伸长量，从而调节所述连接腔体随所述压 电材料的伸长沿远离所述推杆的方向的位移量。

可选的，所述压缩弹簧处于被压缩状态，以在所述压电材料未 通电时，在所述压缩弹簧的弹性作用下，使所述推杆的第一端面与所 述第一进气通道的出气端接触密封。

可选的，在所述阀口部件中还设置有第一出气通道，所述第一 出气通道的进气端在所述推杆的第一端面与所述第一进气通道的出 气端分离时，与所述第一进气通道的出气端连通；

所述气体流量调节装置还包括通道部件，所述通道部件位于所 述阀口部件的远离所述推杆部件的一侧，且与所述阀口部件相互叠 置，并且在所述通道部件中设置有第二进气通道和第二出气通道，其 中，所述第二进气通道的出气端与所述第一进气通道的进气端对接； 所述第二出气通道的进气端与所述第一出气通道的出气端对接。

可选的，在所述通道部件的朝向所述阀口部件的表面用作通道 密封面，且在所述通道密封面上设置有凹槽，所述阀口部件设置在所 述凹槽中；

所述推杆部件包括本体，所述第一通孔设置在所述本体中，且 所述本体与所述阀口部件相互叠置；在所述本体的外周壁上环绕设置 有凸台，所述凸台叠置在所述通道密封面上，且在所述凸台与所述通 道密封面之间设置有第一密封件。

可选的，在所述阀口部件的与所述推杆部件相对的表面上设置 有第一环形凹槽；并且，在所述第一环形凹槽的底面上设置有沿所述 第一环形凹槽的周向间隔设置的多个第二通孔，其中一个所述第二通 孔用作所述第一出气通道。

可选的，在所述阀口部件的与所述通道部件相对的表面上还设 置有第二环形凹槽，所述第二环形凹槽与每个所述第二通孔连通。

可选的，在所述阀口部件与所述通道部件之间，且环绕在所述 第一进气通道的内周壁设置有第二密封件。

可选的，所述驱动组件包括直线驱动源。

作为另一个技术方案，本实用新型还提供一种质量流量控制器， 其包括本实用新型提供的上述气体流量调节装置。

可选的，还包括：

流入接口；

气体通道，所述气体通道的进气端与所述流入接口连接；所述 气体流量调节装置设置在所述气体通道上，用于调节所述气体通道中 的气体流量；

流出接口，与所述气体通道的出气端连接。

可选的，还包括：

控制电路板，用于接收来自所述流量测量装置发送的流量检测 信号，并对所述流量检测信号与设定流量值进行差计算，并根据计算 结果控制所述气体流量调节装置调节通过所述气体通道中的气体流 量，直至该气体流量与所述设定流量值一致。

本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型提供的气体流量调节装置，其在推杆部件中设置有 第一通孔，且在该第一通孔中设置有推杆，该推杆的第一端面与第一 进气通道的出气端相对；并且，推杆通过弹性隔膜与推杆部件弹性连 接。通过利用驱动组件驱动推杆沿靠近或远离第一进气通道的方向移 动，以使推杆的第一端面与第一进气通道的出气端接触密封或者分 离，可以实现气体通道的关闭或开启，同时通过调节推杆的位移量， 可以实现对气体流量的调节。上述推杆部件借助推杆和弹性隔膜，可 以具有阀芯和推杆的双重功能，从而可以简化结构、减少与气体接触 的零件数量，进而可以降低加工和产品成本。同时，采用上述弹性隔 膜代替簧片，可以避免因簧片失效而带来的故障，从而可以提高装置 的可靠性。

本实用新型提供的质量流量控制器，其通过采用本实用新型提 供的上述气体流量调节装置，不仅可以简化结构、减少与气体接触的 零件数量，从而可以降低加工和产品成本；而且还可以避免因簧片失 效而带来的故障，从而可以提高装置的可靠性。

附图说明

图1为现有的流量调节装置的局部剖视图；

图2为本实用新型实施例提供的流量调节装置的剖视图；

图3为图2中I区域的放大图；

图4为本实用新型实施例采用的阀口部件与推杆部件在密封接 触时的剖视图；

图5为本实用新型实施例采用的推杆部件的剖视图；

图6为本实用新型实施例采用的阀口部件的剖视图；

图7为本实用新型实施例提供的质量流量控制器的剖视图。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本实用新型的技术方案，下 面结合附图来对本实用新型提供的气体流量调节装置及质量流量控 制器进行详细描述。

图1为现有的流量调节装置的局部剖视图。请参阅图1，流量测 量装置包括推杆1、阀口部件2、阀芯部件4、簧片5、阀套6、通道 部件7。其中，阀芯部件4通过簧片5与阀套6弹性连接；阀口部件 4设置在阀芯部件4上方；推杆1贯穿阀口部件2，并与阀芯部件4 接触。在驱动装置(图中未示出)不通电时，在簧片5的弹力作用下， 阀芯部件4与阀口部件2密封接触，此时二者的密封面之间的间隙3 为0，气体通道关闭。在驱动装置驱动推杆1下降时，推杆1推动阀 芯部件4向下移动一定的距离，阀芯部件4与阀口部件2分离，二者 的密封面之间的间隙3保持一定的尺寸，此时，气体依次沿通道1a →2a→3a→4a→5a→6a流动。

在上述流量调节装置中，需要利用推杆1、阀口部件2、阀芯部 件4、簧片5、阀套6、通道部件7来实现气体通道的关闭或开启以 及流量的调节，结构较复杂，制造加工难度大，废品率高。而且，阀 口部件2、阀芯部件4和阀套6均与气体接触，且密封面的面积较大， 这对密封面的平行度、平面度和表面粗糙度的要求较高，零件加工难 度、制作成本较高。此外，现有的流量调节装置利用两个簧片5的弹 性作用来实现阀芯部件4与阀口部件2的接触密封或分离，但是，在 阀开启、关闭和调节流量时，簧片5会频繁压缩、复位变形，容易疲 劳失效，造成阀部件故障率高，影响装置的正常使用。

为了解决上述问题，请一并参阅图2至图6，本实用新型实施例 提供了一种流量调节装置，包括推杆部件8、阀口部件9和驱动组件， 其中，在阀口部件9中设置有第一进气通道91，用于将气体输送至 推杆部件8与阀口部件9之间的间隙E中。具体的，第一进气通道 91为沿竖直方向贯通阀口部件9的通孔。在实际应用中，可以根据 实际流量需要设计该通孔的孔径。

在推杆部件8中设置有第一通孔81，该第一通孔81沿竖直方向 贯通推杆部件8，且在该第一通孔81中设置有推杆82，该推杆82 的第一端面82a与第一进气通道91的出气端(上端)相对；并且， 推杆82通过弹性隔膜10与推杆部件8弹性连接。弹性隔膜10能够 在推杆82下移时，发生弹性形变，从而实现推杆82的复位。并且， 弹性隔膜10能够将推杆部件8与阀口部件9之间的间隙E中的气体 与第一通孔81位于弹性隔膜10上方的空间隔离，从而保证气体的密 封性。具体地，弹性隔膜10呈环状，且弹性薄膜10的内环边缘与推 杆82的外周壁连接，弹性薄膜10的外环边缘与第一通孔81的孔壁 连接。

驱动组件用于驱动推杆82沿靠近或远离第一进气通道91的方 向移动，以使推杆82的第一端面82a与第一进气通道91的出气端接 触密封或者分离，从而可以实现气体通道的关闭或开启。而且，通过 调节推杆82的位移量，可以调节推杆部件8与阀口部件9之间的间 隙E的大小，从而可以实现对气体流量的调节。

上述推杆部件8借助推杆82和弹性隔膜10，可以具有阀芯和推 杆的双重功能，从而可以简化结构。同时，与气体接触的零件只有推 杆部件8、阀芯部件9和弹性隔膜10，从而可以减少与气体接触的零 件数量，进而可以降低加工和产品成本。同时，与现有技术相比，采 用上述弹性隔膜10代替簧片，可以避免因簧片失效而带来的故障， 从而可以提高装置的可靠性。

在本实施例中，驱动组件采用压电陶瓷驱动结构，其具有输出 驱动力大(一般为几百甚至上千牛顿)、控制精度高、结构紧凑、响 应时间短、电磁污染小和功耗低等的优点。如图2所示，该驱动组件 包括固定件14、压缩弹簧16和连接腔体，其中，固定件14位于推 杆部件8的远离推杆82的第一端面82a的一侧(推杆部件8的上侧)， 且固定在固定座20上。压缩弹簧16设置在固定件14与推杆82之间。 连接腔体由连接套筒17和设置在连接套筒17上端的盖板19构成， 该连接套筒17位于固定件14的远离压缩弹簧16的一侧，且连接套 筒17的下端贯穿固定件14，并与压缩弹簧16的靠近推杆82的一端 (压缩弹簧16的下端)连接。连接套筒17、盖板19和固定件14形 成封闭空间，且在该封闭空间中填充有压电材料18，例如压电陶瓷， 该压电材料18能够将电能转换为机械能，具体地，通过调节向压电 材料18施加的电压大小，可以调节压电材料18的伸长量。当压电材 料18沿X方向伸长△x的位移量时，连接套筒17在压电材料18的 带动下克服压缩弹簧16的弹力沿远离推杆82的方向移动△x的位移 量，同时推杆82在弹性隔膜10的复位作用下向上移动△x的位移量， 此时推杆82的第一端面82a与第一进气通道91的出气端分离，如图 3所示，从而气体通道开启；同时，通过调节向压电材料18施加的 电压大小，可以调节推杆部件8与阀口部件9之间的间隙E的大小， 从而可以实现对气体流量的调节。

可选的，压缩弹簧16始终处于被压缩状态，这样，在压电材料 18未通电时，在压缩弹簧16的弹力作用下，可以使推杆82的第一 端面82a与第一进气通道91的出气端接触密封，从而实现常闭功能。

可选的，在阀口部件9与推杆部件8之间设置有环形的开度调 整垫片11，用于调节在推杆82的第一端面82a与第一进气通道91 的出气端接触密封时，弹性隔膜10的形变量。如图3所示，阀口部 件9与推杆部件8分别具有彼此相对的两个相对面(9a，8a)，开度 调整垫片11位于两个相对面(9a，8a)之间。如图4所示，开度调 整垫片11越厚，则在推杆82的第一端面82a与第一进气通道91的 出气端接触密封时，弹性隔膜10的形变量越大。

在本实施例中，在阀口部件9中还设置有第一出气通道92，该 第一出气通道92的进气端在推杆82的第一端面82a与第一进气通道 94的出气端分离时，与第一进气通道91的出气端连通。具体地，如 图3所示，当推杆82的第一端面82a与第一进气通道94的出气端分 离时，气体经由第一进气通道91进入推杆部件8与阀口部件9之间 的间隙E，然后自第一出气通道92流出。

在本实施例中，气体流量调节装置还包括通道部件12，该通道 部件12位于阀口部件9的远离推杆部件8的一侧(阀口部件9的下 侧)，且与阀口部件9相互叠置，并且在通道部件12中设置有第二 进气通道121和第二出气通道122，其中，第二进气通道121的出气 端与第一进气通道91的进气端(下端)对接；第二出气通道122的 进气端与第一出气通道92的出气端(下端)对接。

当推杆82的第一端面82a与第一进气通道94的出气端分离时， 气体依次经由第二进气通道121和第一进气通道91进入推杆部件8 与阀口部件9之间的间隙E，然后依次经由第一出气通道92和第二 出气通道122流出。

在本实施例中，如图5所示，在通道部件12的朝向阀口部件9 的表面用作通道密封面，且在该通道密封面上设置有凹槽124，阀口 部件9设置在凹槽124中。并且，推杆部件8包括本体，第一通孔 81设置在该本体中，且本体与阀口部件9相互叠置；在本体的外周 壁上环绕设置有凸台，该凸台的下表面83用作密封面叠置在上述通 道部件12的通道密封面上，且在凸台与通道密封面之间设置有第一 密封件，该第一密封件例如为密封垫片。这样，可以减小推杆部件8 与阀口部件9的密封面面积，降低加工难度，从而可以降低加工成本。

在本实施例中，如图6所示，在阀口部件9与推杆部件8相对 的表面(阀口部件9的上表面)上设置有第一环形凹槽93；并且， 在该第一环形凹槽93的底面上设置有沿第一环形凹槽93的周向间隔 设置的多个第二通孔94，其中一个第二通孔用作第一出气通道92， 与第二出气通道122连通。上述第一环形凹槽93将所有的第二通孔 94连通。

借助上述第一环形凹槽93和第二通孔94，可以允许将推杆部件 8与阀口部件9之间的间隙E设计得足够小，从而可以提高响应速度， 缩短响应时间。上述第一环形凹槽93和第二通孔94的尺寸(例如第 一环形凹槽93的深度，第二通孔94直径)可以根据实际流量而设定。

可选的，在阀口部件9的与通道部件12相对的表面上还设置有 第二环形凹槽95，该第二环形凹槽95与每个第二通孔94连通。第 二环形凹槽95的作用与上述第一环形凹槽93的作用相同。

在本实施例中，在阀口部件9与通道部件12之间，且环绕在第 一进气通道91的周围设置有第二密封件13，用于对阀口部件9与通 道部件12之间的间隙进行密封，避免第一进气通道91中的气体自该间隙泄漏。

需要说明的是，在本实施例中，驱动组件采用压电陶瓷驱动结 构驱动推杆82沿靠近或远离第一进气通道91的方向移动，但是本实 用新型并不局限于此，在实际应用中，还可以采用直线驱动源驱动推 杆82沿靠近或远离第一进气通道91的方向移动。该直线驱动源例如 为直线电机、音圈电机、电动推杆等。

作为另一个技术方案，本实用新型实施例还提供一种质量流量 控制器，其包括本实用新型实施例提供的上述气体流量调节装置。

在本实施例中，如图7所示，质量流量控制器还包括壳体101、 气体流量调节装置102、气体通道103、流入接口104、流量测量装 置105、气体通道103和流出接口107，其中，气体通道103的进气 端与流入接口104连接；气体流量调节装置102设置在气体通道103 上，用于调节气体通道103中的气体流量；流出接口107与气体通道 103的出气端连接。

在本实施例中，质量流量控制器还包括控制电路板106，用于接 收来自流量测量装置105发送的流量检测信号，并对该流量检测信号 与设定流量值进行差计算，并根据计算结果控制气体流量调节装置 102调节通过气体通道103中的气体流量，直至该气体流量与设定流 量值一致。这样，可以使气体质量流量始终为设定流量值。可选的， 控制电路板106还可以提供数字通讯功能，能够与计算机进行数据交 互，从而实现计算机的远程控制。

本实用新型实施例提供的质量流量控制器，其通过采用本实用 新型实施例提供的上述气体流量调节装置，不仅可以简化结构、减少 与气体接触的零件数量，从而可以降低加工和产品成本；而且还可以 避免因簧片失效而带来的故障，从而可以提高装置的可靠性。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本实用新型的原 理而采用的示例性实施方式，然而本实用新型并不局限于此。对于本 领域内的普通技术人员而言，在不脱离本实用新型的精神和实质的情 况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本实用新型 的保护范围。