一种集成式的磁悬浮流量控制器的制作方法

1.本发明涉及流量计量及控制技术领域的一种流量控制器及控制方法，具体涉及一种适用于超洁净场合的集成式磁悬浮流量控制器及控制方法。


背景技术：

2.半导体、生物医药、电子级化工等领域对颗粒物、离子等污染物十分敏感，对于生产工艺所需的液体或气体提出了非常高的洁净度要求，达到一定洁净度标准的材料或工艺称为超洁净材料或超洁净工艺。输送超洁净流体介质的流控元件，须做到严格杜绝内部介质与外界相通，要安全可靠耐腐蚀，同时流控元件本身的传感、调控过程中不能产生磨损和颗粒物。
3.在需要超洁净流体或腐蚀性流体输控的领域，常使用的超洁净流量控制器一般为超洁净流量计和超洁净阀的串联，由于需要满足不产生磨损和颗粒物，且要严格杜绝内部介质与外界相通，所以选用的超洁净流量计一般为全封闭式无运动部件的超声波流量计或文丘里流量计，其结构较复杂；而超洁净的控制阀一般选用隔膜阀，以超洁净树脂材料加工成柔性隔膜来控制阀口开度，在长期的调节致动中，隔膜会面临因长期高周疲劳而破裂的风险，而隔膜破裂带来的介质外泄漏后果是十分严重的。此外，在这些实例中，作为反馈传感器件的流量计与作为执行器件的控制阀是彼此独立分开的，这增大了其整体空间体积，限制了其在小空间场合(如狭小空间的半导体机台设备中)的应用。
4.另一方面，传统的浮子流量计具有结构紧凑，体积小，易于标定等优点；但传统浮子流量计中，浮子会面临避免碰撞、摩擦等问题，由此而产生的颗粒物会污染超纯的液体介质，同时，附壁摩擦会使小流量时的始动流量提高，降低传感器的分辨率。而传统的锥阀具有结构紧凑，疲劳性能可靠，流量控制线性度好等优点；但锥阀致动组件与壁面摩擦产生的颗粒脱落，以及因阀杆等致动件伸入阀腔时留有密封狭隙带来的外泄漏风险，严重制约了锥阀在超洁净流控领域的应用。


技术实现要素：

5.为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种集成式的磁悬浮流量控制器，可用于半导体、生物医药、电子级化工等领域的超洁净流体输控。
6.本发明所采用的技术方案是：
7.本发明包括底座、腔筒、上盖、超洁净浮子、驱动磁路和悬浮磁路；超洁净材料的底座、腔筒和上盖紧密装配并合围形成超洁净的主腔体，主腔体内部装有超洁净浮子；主腔体外周布置驱动磁路，驱动磁路的上下方布置悬浮磁路。
8.所述的腔筒下端口安装底座，腔筒上端口安装上盖，腔筒内安装超洁净浮子。
9.所述的主腔体具有与外部环境连通的入口流道和出口流道，入口流道开设在底座外侧面的一侧，入口流道经底座内部管道和腔筒内的底座上端面开设的孔连通，出口流道开设在上盖外侧面的另一侧，出口流道经上盖内部管道和腔筒内的上盖下端面开设的孔连
通。
10.所述的入口流道和出口流道分别在主腔体的两侧布置。
11.所述的驱动磁路主要由驱动电机、丝杠、连接台、t型滑套、连接支架、外永磁体组成，驱动电机固定安装在上盖上，驱动电机输出轴朝上和丝杠同轴连接，丝杠外通过螺纹套装有t型滑套，t型滑套通过连接台和连接支架的上端固定连接，连接支架下端固定安装有环形的外永磁体和悬浮磁路，外永磁体套装在腔筒外周围和主腔体内的超洁净浮子形成磁性吸附关系。
12.所述的上盖上设置有用于连接驱动电机的驱动电机插线口。
13.所述的t型滑套通过螺栓和连接台上的螺纹孔固定连接，连接台的周面开设凹槽，凹槽和连接支架顶部开孔孔壁的凸起相互嵌装形成轴向移动。
14.所述的外永磁体为halbach阵列磁体。
15.所述的悬浮磁路包括两组分别在外永磁体上方和下方的悬浮组件；每个悬浮组件包括了一个环形的电路板以及电路板上的一个悬浮线圈组和两个霍尔传感器组，悬浮线圈组均包括了沿环形的电路板周向间隔布置的四个悬浮线圈绕组，每个悬浮线圈绕组的轴向、每个霍尔传感器组的探测方向均朝向主腔体的径向布置，两个霍尔传感器组探测方向相互垂直布置。
16.所用霍尔传感器组包含但不仅限于霍尔传感器、ldc传感器(电感传感器)、电涡流传感器、超声波位置传感器等。
17.所述的外永磁体上方和下方的悬浮组件结构相同，以外永磁体的中心对称布置，形成互补关系。
18.所述的超洁净浮子包括上部的浮子主体和下部的浮子密封头，浮子主体下端经连接臂固定连接浮子密封头，浮子主体中心开设用于超洁净液体流通的通流孔，通流孔周围的浮子主体内部开设环形内腔，环形内腔中安装内嵌永磁体，内嵌永磁体外包覆超洁净材料隔离层。
19.所述的内嵌永磁体在注塑过程中嵌入超洁净材料，或以超洁净材料涂层、裹覆其表面，形成超洁净浮子，为保障超洁净特性，该流量控制器中所有与流体接触的壁面均使用超洁净材料。
20.所述的超洁净材料为含氟塑料，包括过氟烷氧基、聚四氟乙烯或聚偏二氟乙烯，或其任意组合。
21.所述流量控制所需要的传感元件、控制元件不分别设置流量传感器与执行阀，而是采用集成式设置，依靠超洁净浮子配合其位置检测与位置控制，同时实现流量计量与控制。
22.通过两个或多个径向悬浮磁路控制使得超洁净浮子在工作中是悬浮的、无摩擦的，对小流量兼具有高的计量精度。
23.需对多个外永磁体位置下超洁净浮子相对偏移量与流量的关系进行标定，形成“外永磁体位置-浮子偏移量-流量”的二维表格。
24.针对传统浮子流量计与传统锥阀在特殊超洁净流控应用场景下的局限性：
25.首先，改进了浮子流量计，将永磁体内嵌入浮子，同时其外表被超洁净材料层覆盖，形成可以被非接触式传感检测、驱动控制的超洁净浮子，并依靠霍尔传感与悬浮绕组，
外永磁体，7-上径向悬浮电路板，8-连接卡扣，9-出口流道，10-上盖，11-驱动电机，12-丝杠，13-连接台，14-t型滑套，15-螺纹孔，16-凹槽，17-主腔体，18-上悬浮线圈组，19-下悬浮线圈组，20-底座定位安装孔，21-上层线圈绕组a，22-上层霍尔传感器a，23-上层线圈绕组b，24-上层霍尔传感器b，25-上层线圈绕组c，26-上层线圈绕组d，27-下层线圈绕组a，28-下层线圈绕组b，29-下层霍尔传感器a，30-下层线圈绕组c，31-下层霍尔传感器b，32-下层线圈绕组d，33-驱动电机插线口，34-浮子密封头，35-连接臂，36-通流孔，37-内嵌永磁体，38-超洁净材料隔离层，39-超洁净材料盖，40-halbach阵列磁体，41-悬浮组件。
具体实施方式
46.下面结合附图以及实施方式对本发明进行进一步的描述。
47.如图1所示，磁悬浮流量控制器包括底座1、腔筒4、上盖10、超洁净浮子3、驱动磁路和悬浮磁路；超洁净材料的底座1、腔筒4和上盖10紧密装配并合围形成柱形的超洁净的主腔体17，主腔体17内部装有超洁净浮子3，具体地，腔筒4上下两端开口，腔筒4下端口密封安装底座1，腔筒4上端口密封安装上盖10，腔筒4内安装超洁净浮子3；主腔体17外周布置驱动磁路，驱动磁路的上下方布置悬浮磁路。
48.通过驱动磁路控制超洁净浮子3在超洁净室中的轴向定位，通过悬浮磁路控制超洁净浮子3在超洁净室中的径向定位和浮力检测。
49.主腔体17具有与外部环境连通的入口流道2和出口流道9，入口流道2开设在底座1外侧面的一侧，入口流道2经底座1内部管道和腔筒4内的底座1上端面开设的孔连通，出口流道9开设在上盖10外侧面的另一侧，出口流道9经上盖10内部管道和腔筒4内的上盖10下端面开设的孔连通。
50.入口流道2和出口流道9分别在主腔体17的两侧布置，超洁净主腔体内的流体流动更新，无流动死区。
51.对于本发明集成式的磁悬浮流量控制器，其整个流道结构如图3所示，入口流道2和出口流道9分别开设在控制器的左右两侧(如图4所示)，工作时，流体介质从入口流道2流入，冲击超洁净浮子3并使其相对于外永磁体6产生位移，流体介质流经并充满超洁净主腔体17，从出口流道9流出。
52.驱动磁路主要由驱动电机11、丝杠12、连接台13、t型滑套14、连接支架8、外永磁体6组成，驱动电机11固定安装在上盖10上，驱动电机11输出轴朝上和丝杠12同轴连接，丝杠12外通过螺纹套装有t型滑套14，t型滑套14通过连接台13和连接支架8的上端固定连接，连接支架8下端固定安装有环形的外永磁体6和悬浮磁路，外永磁体6套装在腔筒4外周围和主腔体17内的超洁净浮子3形成磁性吸附关系。连接支架8设置有滑动导向限位结构，驱动电机11运行带动丝杠12旋转进而经丝杠12和连接支架8之间形成的丝杠螺母滑动副带动连接支架8上下升降移动，进而带动外永磁体6及其中的悬浮磁路上下升降移动，进而控制超洁净浮子3的轴向位置，改变从入口流道2到出口流道9流经的流量大小。
53.如图2所示，上盖10上设置有用于连接驱动电机11的驱动电机插线口33，驱动电机11通过驱动电机插线口33输入外部控制信号，将t型滑套14在丝杠12上转换为直线运动，通过连接支架8拖动外永磁体6及其中的悬浮磁路运动，进而调节超洁净浮子3的位置以实现流量调节功能。
54.t型滑套14通过螺栓和连接台13上的螺纹孔15固定连接，连接台13的周面开设凹槽16，凹槽16和连接支架8顶部开孔孔壁的凸起相互嵌装形成轴向移动。
55.如图1、图9所示，驱动电机11通过丝杠12将电机的转动转换为t型滑套14的平动，t型滑套14上均布有螺纹孔15，通过螺钉连接t型滑套14和连接台13，连接台13两侧开设有凹槽16与连接支架8配合，进而拖动外永磁体6、上悬浮线圈组18、下悬浮线圈组19一起轴向运动。
56.驱动电机11优选但不仅限于步进电机，其控制信号从驱动电机插线口接入，电机需具有累积计步功能，其所固连的外永磁体位置由电机计步圈数得出。
57.悬浮磁路包括两组分别在外永磁体6上方和下方的悬浮组件41，主要由多个悬浮线圈绕组21、23、25、26、27、28、30、32和霍尔传感器组(22、24、29、31)及所在电路板5、7组成；
58.每个悬浮组件41包括了一个环形的电路板5、7以及电路板5、7上的一个悬浮线圈组和两个霍尔传感器组(22、24、29、31)探，悬浮线圈组均包括了沿环形的电路板5、7周向间隔布置的四个悬浮线圈绕组21、23、25、26、27、28、30、32，悬浮线圈绕组以圆柱形绕制，每个悬浮线圈绕组的轴向、每个霍尔传感器组的探测方向均朝向主腔体17的径向布置，两个霍尔传感器组探测方向相互垂直布置，一个霍尔传感器组可以布置在两个悬浮线圈绕组之间。
59.在外永磁体6的上下两侧各布置一个悬浮组件41形成超洁净浮子3的径向悬浮对，同时依靠两个悬浮组件41的上下层差动传感信号检测超洁净浮子3的轴向位置，实现超洁净浮子3运动的非接触式传感及控制。在保证流体介质的超洁净特性的前提下，进而能够实现流量检测计量及调节控制。
60.外永磁体6上方和下方的悬浮组件41结构相同，以外永磁体6的中心对称布置，形成互补关系，如图6和图7所示。
61.如图5所示，集成式的磁悬浮流量控制器为实现径向悬浮，设置有两层或两层以上的悬浮组件。具体实施设置上下两层的悬浮组件，其上下层的悬浮组件结构相同，布置互补；
62.上层的悬浮组件41包括上径向悬浮电路板7，上径向悬浮电路板7顶面布置四个上层线圈绕组构成的上悬浮线圈组18和两个上层霍尔传感器，四个上层线圈绕组和两个上层霍尔传感器电连接在上径向悬浮电路板7顶面；四个上层线圈绕组分别为上层线圈绕组a 21、上层线圈绕组b 23、上层线圈绕组c 25和上层线圈绕组d 26；两个上层霍尔传感器分别为上层霍尔传感器a 22和上层霍尔传感器b 24，上层霍尔传感器a 22用于检测y方向磁感应强度，上层霍尔传感器b 24用于检测x方向磁感应强度，每个上层线圈绕组所通的电流由控制电路根据传感反馈信号独立控制。
63.下层的悬浮组件41包括下径向悬浮电路板5，下径向悬浮电路板5底面布置四个下层线圈绕组构成的下悬浮线圈组18和两个下层霍尔传感器，四个下层线圈绕组和两个下层霍尔传感器电连接在下径向悬浮电路板5底面；四个下层线圈绕组分别为下层线圈绕组a 27、下层线圈绕组b 28、下层线圈绕组c 30和下层线圈绕组d 32；两个下层霍尔传感器分别为下层霍尔传感器a 29和下层霍尔传感器b 31，下层霍尔传感器a 29用于检测y方向磁感应强度，下层霍尔传感器b的31用于检测x方向磁感应强度，每个下层线圈绕组所通的电流
由控制电路根据传感反馈信号独立控制。
64.本发明中，由于超洁净浮子3内含有带有磁性的内嵌永磁体37，按照以下方式进行工作控制：
65.第一方面，通过驱动电机11工作带动外永磁体6上下升降移动，经外永磁体6和内嵌永磁体37形成磁性吸附关系带动超洁净浮子3在主腔体17内沿轴向上下升降移动；
66.第二方面，通过悬浮磁路中的两个悬浮组件41的悬浮线圈组在超洁净浮子3的上下两端控制超洁净浮子3在主腔体17内沿径向移动，使得超洁净浮子3外壁和主腔体17内壁不接触连接，不产生摩擦；
67.第三方面，通过悬浮磁路中的两个悬浮组件41的霍尔传感器分别检测超洁净浮子3在主腔体17内沿轴向的位置，进而获得从入口流道2进入流体冲击到超洁净浮子3的压力，进而获得从入口流道2进入流体的流速/流量，再反馈到驱动电机11控制外永磁体6沿轴向上下升降移动，进而带动超洁净浮子3也沿轴向上下升降移动，调节流速/流量。
68.由此实施，通过悬浮磁路的悬浮组件能够同时进行径向移动和调节流速/流量的功能实现。
69.上下层悬浮组件布置的互补关系如图3、图6、图7所示，其中，图6给出了上层悬浮组件中各元件的位置关系，图7给出了下层悬浮组件中各元件的位置关系。二者在轴向方向上上下对称，沿角方向位置相差180
°
。其工作时，工作准则和原理如下述：对于悬浮组件和超洁净浮子3，悬浮组件通过霍尔传感器组信号强度的变化，反馈给电路板判断处理，并独立控制调节线圈绕组的电流，对超洁净浮子3进行径向位置控制，使之在径向方向上成为负反馈的稳定系统。
70.例如：正常工作时，超洁净浮子3径向悬浮，当超洁净浮子3悬浮于正中时，设置此时各霍尔传感器信号大小为基准值，当霍尔传感器信号等于基准值时，线圈电流输入为0；当浮子3受到扰动产生x正方向的偏移，此时上下悬浮组件中的霍尔传感器信号组合则会：上层霍尔传感器a 22处磁感应传感信号减小，下层霍尔传感器b 31处磁感应传感信号增大，同时上层霍尔传感器b 24和下层霍尔传感器a 29处信号减小，则处理电路判定为浮子发生了x正方向的偏移，线圈绕组21、23、27、28同时产生对浮子内嵌永磁体吸附力的电流，线圈绕组25、26、30、32同时产生对浮子内嵌永磁体排斥力的电流，且浮子位置偏移量越大，线圈产生的电流越大，直到浮子重新回到对中位置，即，各霍尔传感器监测信号重新回到基准值，线圈绕组电流减小到0。反之，当浮子3受到扰动产生x负方向的偏移，则同理，线圈电流方向相反。
71.同样地，当浮子3受到扰动产生y正方向的偏移，此时上下悬浮组件中的霍尔传感器信号组合则会：上层霍尔传感器b 24处磁感应传感信号减小，下层霍尔传感器a 29处磁感应传感信号增大，同时上层霍尔传感器a 22和下层霍尔传感器b 31处信号减小，则处理电路判定为浮子发生了y正方向的偏移，线圈绕组23、26、28、32同时产生对浮子内嵌永磁体吸附力的电流，线圈绕组21、25、27、30同时产生对浮子内嵌永磁体排斥力的电流，且浮子位置偏移量越大，线圈产生的电流越大，直到浮子重新回到对中位置，即，各霍尔传感器监测信号重新回到基准值，线圈绕组电流减小到0。反之，当浮子3受到扰动产生y负方向的偏移，则同理，线圈电流方向相反。类似地，当浮子发生任意径向方向的位置偏移，则线圈电流也会按照x、y投影方向位移偏移量的大小线性叠加组合进行电流的调节，实现浮子的对中。
72.如图3、图6、图7所示，超洁净浮子3轴向的位置传感原理如下述：如图3所示，外永磁体6与内嵌永磁体37均沿直径方向进行充磁，按照这种充磁方式，浮子3的3个转动自由度具有正刚度，即浮子在转动方向上是被动悬浮、不需要主动控制的，即浮子3只会发生平动方向的偏移。根据最小磁阻原理，如果不考虑流体的冲击力和浮子3自身的重力，内嵌永磁体37与外永磁体6是跟随的，此时，霍尔传感器22与31的信号、24与29的信号，其绝对值理论上是相同的。当流体通流时，流体作用力冲击超洁净浮子3，浮子3中的内嵌永磁体37产生与外永磁体6的位移差，此位移差与当前流量的大小成正相关关系，流量越大，流体冲击力越大，则浮子3中的内嵌永磁体37产生与外永磁体6的位移差越大，在此位移差下，霍尔传感器22的信号幅值增大，霍尔传感器31的信号幅值减小，同样地，霍尔传感器24的信号幅值增大，霍尔传感器29的信号幅值减小，采集电路将霍尔传感器22与31的信号幅值、霍尔传感器24与29的信号幅值分别做差分，差分信号输入传感电路，作为流量传感的信号采集。
73.此外，驱动电机优11选但不仅限于步进电机，其控制信号从驱动电机插线口33接入，电机11需具有累积计步功能，其所固连的外永磁体6位置由电机计步圈数得出。上、下层悬浮磁路与外永磁体6固连，随外永磁体6被电机11一起轴向拖动，而由于外永磁体6的轴向绝对位置在变化，所述集成式的磁悬浮流量控制器需对各个外永磁体6位置下超洁净浮子相对偏移量与流量的关系进行标定，形成“外永磁体位置-浮子偏移量-流量”的二维表格，实际使用中，上述差分信号作为浮子偏移量和驱动电机11记录的外永磁体6位置信号一同输入传感处理电路，传感处理电路通过查表法得出当前流量。所述集成式的磁悬浮流量控制器对各个外永磁体6位置下超洁净浮子3相对偏移量与流量的关系进行的标定，外永磁体6的位置标定步长选择优选但不仅限于步进电机11步距角的整数倍。对于标定步长间隙中任意位置的流量-浮子偏移量对应关系，可以由相邻两个标定点位置的流量插值得到，通过减小位置标定的步长、密集标定点数，可以对该磁悬浮流量控制器的传感精度和控制精度进行提高。
74.结合图1，所述集成式磁悬浮流量控制器流量调节时工作情况如下：首先通过外置电路输入目标设定流量q1，和误差容限流量dq，通过上述“外永磁体位置-浮子偏移量-流量”检测当前流量，得出当前的流量信号q2，以
△
q＝q
1-q2为反馈量进行驱动电机11的控制，如丨
△
q丨》dq，则电机11在控制电路的信号输入下进行转动，进而拖动外永磁体6，改变其轴向位置，调整超洁净浮子3与阀口间的开度，完成流量调节。流量检测与比较时时进行，如
△
q》0，则外永磁体6在电机拖动下向上运动，阀口开度增大，流量增大；如
△
q《0，则外永磁体6在电机拖动下向下运动，阀口开度减小，流量减小；知道时时检测的流量满足丨
△
q丨《dq并稳定一段时间，流量调节完成，轴向开度控制停止。
75.如图8所示，该集成式的磁悬浮流量控制器在底座1上留有若干安装孔20，通过螺钉与其工作平台固连，值得注意的是，该集成式的磁悬浮流量控制器优选为垂直安装，如不采用垂直安装的特殊场合，在流量控制器安装完成后，需根据安装方向进行“流量校零”以补偿因超洁净浮子3的重力而引起的信号偏移。
76.超洁净浮子3如图10、图11所示，包括上部的浮子主体和下部的浮子密封头34，浮子主体下端经连接臂35固定连接浮子密封头34，浮子主体中心开设用于超洁净液体流通的通流孔36，通流孔36周围的浮子主体内部开设环形内腔，环形内腔中安装内嵌永磁体37，内嵌永磁体37外包覆超洁净材料隔离层38。
77.环形内腔上端开设环形口，环形口安置超洁净材料盖39以封闭环形内腔。
78.其中内嵌永磁体37平行域直径方向充磁，通过注塑的方式内嵌入超洁净材料隔离层38中，保证永磁体不与输送介质接触。连接臂35优选为3-4根，沿着圆周均布在浮子周围，浮子密封头34可与流道口紧密贴合并阻塞流道，通流孔36优选开设在浮子中央，起到更新流体与平衡压差的作用，入口流道2和出口流道9开设在主腔体17的两侧，主腔体17内的流体流动更新，无流动死区。
79.这样，超洁净浮子3内包含内嵌永磁体37和在内嵌永磁体37外包覆的超洁净材料隔离层38，以同时实现流量传感和流量控制功能。
80.为了适应高洁净度场合的需求，集成式的磁悬浮流量控制器内与流体接触的壁面应当是超洁净材料，内嵌永磁体37在注塑过程中嵌入超洁净材料，或以超洁净材料涂层、裹覆其表面，形成超洁净浮子3，可选的超洁净材料包括但不仅限于如过氟烷氧基(pfa)、聚四氟乙烯(ptfe)、聚偏二氟乙烯(pvdf)等含氟塑料或其任意组合。
81.如图12所示，外永磁体6为halbach阵列磁体，具体是由沿环形上的周向紧密布置的多个瓦片形磁块组成，各个瓦片形磁块的磁极方向不同形成halbach阵列。按照图12的方式对多块扇形永磁体进行阵列排布，其内圈宏观磁场仍为沿直径的方向，但磁感应强度更强，效率更高，可以以更小的体积实现控制、驱动、密封的效果，同时外部磁场泄漏更小，具有良好的自屏蔽效果，可以作为优选。
82.在本发明位置关系描述中，出现诸如术语“内”、“外”、“上”、“下”、“左”、“右”等指示方位或者位置关系的为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了方便描述实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或者元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
83.以上内容和结构描述了本发明产品的基本原理、主要特征和本发明的优点，本行业的技术人员应该了解。上述实例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都属于要求保护的本发明范围之内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。