JP2004162733A

JP2004162733A - 高温対応バルブ

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Publication number: JP2004162733A
Application number: JP2002325850A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Nakamura; 浩之中村; Tadahiro Yasuda; 忠弘安田; Yoshiro Kimura; 美良木村
Original assignee: Stec KK
Current assignee: Stec KK
Priority date: 2002-11-08
Filing date: 2002-11-08
Publication date: 2004-06-10
Anticipated expiration: 2022-11-08
Also published as: JP4499984B2

Abstract

【課題】高温の制御対象の流体であっても正確に流量制御することができる高温対応バルブを提供する。
【解決手段】制御対象である流体の流路２ａ，２ｂを開閉する弁体３を備えたバルブ基体１Ａと、このバルブ基体１Ａに取り付けられて弁体３の操作部３ａを操作するピエゾスタック５を備えたアクチュエータ１Ｂとを有するバルブであって、アクチュエータ１Ｂとバルブ基体１Ａとの間に位置することでピエゾスタック５の操作を弁体３に伝達すると共に弁体３側から伝達した熱を放熱する断熱スペーサ１０を有し、この断熱スペーサ１０がピエゾスタックの熱膨張係数以下の熱膨張係数の材料からなる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、可変流量バルブなどに組み込まれて流量調整するための流路絞りを行なうバルブであって、特に高温の流体を制御可能とした高温対応バルブに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５は、制御対象である流体の流量を制御するために流量センサと流量制御バルブとを組み合わせた流量制御バルブ２０の一例を示す図である。図５において、２は内部に流路２ａ，２ｂを形成してなる弁ブロック、３はこの弁ブロック２の一面において両流路２ａ，２ｂの開放端に当接してこれを開閉する例えばダイヤフラム弁などの弁体、４はこの弁体３の外周を押さえるように固定するスペーサ、５は弁体３の操作部３ａに当接して伸縮によって弁体３の開閉を制御する圧電素子からなるピエゾスタック、６はこのピエゾスタック５のカバー、７はスペーサ４の凹部４ａに嵌合する凸部７ａを形成すると共に内周部に前記カバー６を螺合するスペーサ押さえ、８はスペーサ押さえ７，スペーサ４を貫通し、弁ブロック２に形成された雌ねじ部に螺合することで、スペーサ押さえ７およびスペーサ４を固定する締付けネジである。
【０００３】
上記のように流量制御バルブ２０のアクチュエータ１Ｂとしてピエゾスタック５を用いることで、ピエゾスタック５は応答が極めて高速であるので、高速の流量制御を行なうことができる。なお、弁ブロック２と弁体３とスペーサ４の構成は種々考えられるので、本明細書ではこれらの部材２〜４からなる構造をバルブ基体１Ａとして表現する。同様に、ピエゾスタック５やそのカバー６さらにはスペーサ押さえ７の詳細な構成も種々に考えられので、前記弁体３を操作するピエゾスタック５やそのカバー６、さらには本例の場合スペーサ押さえ７の部分を加えてアクチュエータ１Ｂとして表現する。上記構成の流量制御バルブ２０の制御対象である流体には種々のものが考えられ、とりわけ半導体プロセスに組み込まれる流量制御バルブは高温の流体を制御対象とすることも考えられる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、流量制御バルブのアクチュエータ１Ｂとしてのピエゾスタック５は、その作動可能な上限温度が１２０℃であり、この温度を越えると伸び量が著しく少なくなるため作動しない。このため、高温プロセス用の流量制御バルブ２０のアクチュエータ１Ｂにピエゾスタック５を用いた場合には、例えば２００℃の高温の流体を用いた場合に、従来タイプのものではピエゾスタック部分が１５０℃になり、その作動可能な上限温度を越えていたため使用できなかった。
【０００５】
また、バルブ基体１Ａとアクチュエータ１Ｂの間に放熱効果の高いヒートシンクを設けたとすると、一般的に放熱効果の高いヒートシンクは熱伝達率が高いので、弁ブロック２からの熱がピエゾスタック５に容易に伝達され、これがピエゾスタック５に悪影響を及ぼすことが考えられる。加えて、放熱効果の高いヒートシンクは一般的にアルミなどの金属で形成されるので、その熱膨張が大きいという問題もある。つまり、ピエゾスタック５の伸びは５０μｍ程度しかないために、ヒートシンクの熱膨張がピエゾスタック５の操作量よりも大きくなって、これを使用できなかった。
【０００６】
本発明は、上述の事柄を考慮に入れてなされたものであって、その目的は、高温の制御対象の流体であっても正確に流量制御することができる高温対応バルブを提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の高温対応バルブは、制御対象である流体の流路を開閉する弁体を備えたバルブ基体と、このバルブ基体に取り付けられて弁体の操作部を操作するピエゾスタックを備えたアクチュエータとを有するバルブであって、アクチュエータとバルブ基体との間に位置することでピエゾスタックの操作を弁体に伝達すると共に弁体側から伝達した熱を放熱する断熱スペーサを有し、この断熱スペーサがピエゾスタックの熱膨張係数以下の熱膨張係数の材料からなることを特徴としている。（請求項１）
【０００８】
すなわち、前記高温対応バルブを用いて高温の制御対象を流量制御すると、断熱スペーサはバルブ基体と接触する部分において制御対象である流体とほゞ同じ程度の温度になるが、断熱スペーサ内において温度勾配が生じてピエゾスタックと接触する部分においては低温になる。したがって、ピエゾスタックは制御対象の流体からの熱を直接受けることがなくなり、断熱スペーサのピエゾスタックが接触する部分は断熱スペーサによって生じる温度勾配に応じて流体の温度より低くなるので、それだけ高温の流体の流量制御を行うことができる。
【０００９】
また、断熱スペーサが制御対象の流体から熱を受けて膨張することがあったとしても、この熱膨張係数がピエゾスタックの熱膨張係数と同じかこれよりも小さい材料からなるので、これがピエゾスタックによる操作量よりも大きくなることがない。つまり、断熱スペーサの熱膨張によって流量制御が不能になるという事態を防止できる。
【００１０】
前記断熱スペーサがピエゾスタックの操作部と弁体の操作部とを連結する棒状の第１部材と、この第１部材を摺動自在に収容する貫通孔を有すると共にアクチュエータの外周部とバルブ基体を一定の間隔をおいて接合するように所定の長さを有する第２部材とからなり、第１部材の長さが第２部材の長さと同じであるスペーサ本体を有する場合（請求項２）には、バルブ基体とアクチュエータとの間に断熱スペーサを挟むことで、これを高温対応バルブとすることができ、それだけ製造コストを削減することができる。
【００１１】
また、第２部材は第１部材を摺動自在に収容するものであるから、第１部材に生じる温度勾配と第２部材に生じる温度勾配をほゞ同程度にすることができる。すなわち、第１部材に生じる熱膨張と第２部材に生じる熱膨張はほゞ同程度生じるので、互いの熱膨張をキャンセルし、ピエゾスタックによる操作量は断熱スペーサの熱膨張に影響を受けることなく弁体に伝達させることができる。
【００１２】
前記スペーサ本体が熱伝導率の低い材料からなる場合（請求項３）には、スペーサの長さを抑えながら前記温度勾配を大きく取ることができるので、全体として小型化を達成できる。
【００１３】
前記スペーサ本体がセラミックからなる場合（請求項４）には、耐熱性や堅牢性に優れており、信頼性が高くなる。
【００１４】
前記断熱スペーサがその外周に、熱伝導率の優れた筒状で、さらに外周に複数段の冷却フィンを設けてなる放熱体を有する場合（請求項５）には、放熱体と前記第１部材および第２部材とからなる二重構造によって、断熱スペーサの放熱効果を高めて、より多くの熱を放射できる。つまり、ピエゾスタックの動作温度を確保するための断熱スペーサの大きさを小さくすることができる。また、複数段の冷却フィンは温度勾配のある断熱スペーサの温度をそれぞれの位置において冷却できる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。図１は本発明の高温対応バルブ１の構成を示す図であって、この高温対応バルブ１は図５に示した従来の流量制御バルブ２０と同じく種々の構成からなるバルブ基体１Ａとアクチュエータ１Ｂとを有する。また、図１において、図５と同じ符号を付した部分は同一または同等の部材であるから、その詳細な説明を省略する。
【００１６】
図１において、１０はスペーサ４の上部に形成された凹部４ｂに係合する凸部１０ａを下面に形成してなる断熱スペーサである。この断熱スペーサ１０は、例えばピエゾスタック５の操作部５ａと弁体３の操作部３ａとを連結する棒状の第１部材１１（以下、押えピンともいう）と、この第１部材１１を摺動自在に収容する貫通孔１２を有しアクチュエータ１Ｂの外周部（すなわち、カバー６の下端の外周部）からバルブ基体１Ａの外周部までの距離を一定にして接合するように所定の長さを有する第２部材１３とからなるスペーサ本体１４、および、このスペーサ本体１４のさらに外周部に配置された熱伝導率の優れた筒状で、さらに外周に複数段の冷却フィン１５ａを設けてなる放熱体１５からなる。
【００１７】
前記スペーサ本体１４を構成する第１部材１１と第２部材１３は何れもピエゾスタック５の熱膨張係数以下の熱膨張係数の材料からなり、ピエゾスタック５はセラミックを積層してなるものである。つまり、セラミックなど磁器の熱膨張係数は２×１０^−６〜６×１０^−６〔１／℃〕であるから、スペーサ本体１４は２×１０^−６〜６×１０^−６〔１／℃〕以下の材料からなることが必要である。さらに、前記スペーサ本体１４を構成する第１部材１１と第２部材１３は熱伝導率の小さいものであることが望ましい。そして、本例の場合、第１部材１１と第２部材１３がセラミックスからなる。
【００１８】
すなわち、セラミックスなどの磁器の熱伝導率は２５〔Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１〕であるから、スペーサ本体１４を構成する材料の熱伝導率は２５〔Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１〕以下であることが望ましい。これらの条件を満足する材料としては、セラミックスの他に、例えばアンバー（鉄６４％ニッケル３６％の合金）やガラスなどを挙げることができる。
【００１９】
図２は前記スペーサ本体１４の構成を示す分解斜視図であり、図３は断熱スペーサ１０の縦断面図である。図２，３に示すように、第１部材１１はほゞ円柱形状であり、上下に前記ピエゾスタック５（図１参照）および弁体３の操作部５ａ，３ａに対して接触する球体ｂを保持する凹部１１ａを形成している。
【００２０】
第２部材１３は中心部に前記第１部材１１を摺動自在に保持する貫通孔１２を形成してなるほゞ円柱形状であり、その下端部に前記凹部４ａ（図１参照）に嵌合する凸部１０ｂを形成し、上端部に前記凸部７ａを嵌入する凹部１０ｂを形成している。また、凹部４ａ，１０ｂの形状は同じにしており、凸部１０ａは凹部４ａの深さより少し低く形成してあり、第１部材１１の長さｌは第２部材１３の高さｈ（長さ）と同じに形成してある。
【００２１】
１３ａは第２部材１３の外周の下端部に形成されたフランジであり、１３ｂはネジ止め用の貫通孔である。また、図３に示す第２部材１３の直径Ｄは放熱体１５の内径よりも僅かに小さく形成しており、放熱体１５と第２部材１３の取り付け部はシリコンなどの可撓性の接着剤を用いて取付ける。
【００２２】
前記放熱体１５は例えばアルミなどの熱伝導性に優れた材料からなり、その下端部１５ｂにおいてスペーサ本体１４（特に前記第２部材１３のフランジ１３ａ）に密着している。また、放熱体１５の外周に複数段設けた冷却フィン１５ａは周囲空気との接触面積を広げて放熱効果を高めると共に、不必要な出っ張りを無くすように数ｍｍ程度の幅となるように構成している。
【００２３】
図４は前記高温対応バルブ１における熱の伝わり方を示す図である。図４に示すように、制御対象の流体から伝達した熱は放熱板１５に対して下方の弁体３側から伝達されて先ず放熱板１５の温度が上昇し、放熱板１５が熱によって膨張することがあっても、スペーサ本体１４との間の接触部にシリコン接着剤が介在し、その歪みが吸収される。つまり、放熱体１５が熱によって幾らか膨張してもこれによって第２部材１３に歪み力が生じることはない。
【００２４】
図４において、矢印Ａに示すように、前記スペーサ本体１４の下端側から第２部材１３に伝達された熱は温度勾配を形成しながら上方に拡散し、さらに温度勾配を形成しながら矢印Ｂに示すように第１部材１１に伝達し、情報に拡散した熱だけがピエゾスタック５に伝わる。一方、前記スペーサ本体１４の下端側から第２部材１３に伝達されたの熱の大半は、矢印Ｃに示すように放熱板８に伝達されて外気に放出される。また、前記第２部材１３内をさらに伝達した熱が、矢印Ｄに示すように第２部材１３の上端からスペーサ押さえ７に伝達し、スペーサ押さえ７を介してカバー６に伝達する。
【００２５】
これによって、断熱スペーサ１４の下端部分においては流体からの熱によって例えば２００℃程度の高温になったとしても、断熱スペーサ１４によって温度勾配が形成されてこの断熱スペーサ１４の上端部分においては少なくとも１２０℃以下に引き下げることができる。また、本例のように、冷却フィン１５ａを縦方向に複数段並べて形成することで、一番下の冷却フィン１５ａが例え２００℃に近い高温になったとしてもこれが放熱体１５伝いに上方に伝達する前に各部の冷却フィン１５ａによって冷却されるので、各部の熱をそれぞれの高さ位置で効率よく冷却できる。また、アクチュエータ１Ｂの上部では１００℃以下を保つことができる。
【００２６】
また、本例のスペーサ本体１４を構成する第１部材１１および第２部材１３はいずれもセラミックからなり、その熱膨張係数（熱による線膨張率）がピエゾスタック５と同じである。したがって、スペーサ本体１４によって生じる熱膨張はピエゾスタック５のこれと同じ程度であるから、その操作量に悪影響を与えるものではなく、高温の流体を制御するときにも流量制御が可能である。なお、このスペーサ本体１４の熱膨張係数は小さければ小さいほど好ましい。さらに、スペーサ本体１４によって形成される温度勾配は大きく取れれば取れるほどよいので、その熱の伝導率は小さければ小さいほどスペーサ本体１４を小型化することができる。これらの条件を満たす材料としては、セラミックの他にもアンバーやガラスなどを用いることができる。
【００２７】
【発明の効果】
本発明の高温対応バルブは、高温の流体であってもピエゾスタックを用いた高精度の流量制御を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の高温対応バルブの一例を全体的に示す縦断面図である。
【図２】前記高温対応バルブのスペーサ本体を分解して示す斜視図である。
【図３】前記高温対応バルブの断熱スペーサの構成を示す縦断面図である。
【図４】前記高温対応バルブにおける熱の流れを説明する図である。
【図５】従来の流量制御バルブの構成を説明する図である。
【符号の説明】
１…高温対応バルブ、１Ａ…バルブ基体、１Ｂ…アクチュエータ、２ａ，２ｂ…流路、３…弁体、３ａ…操作部、５…ピエゾスタック、１０…断熱スペーサ、１１…第１部材、１２…貫通孔、１３…第２部材、１４…スペーサ本体、１５…放熱体、１５ａ…冷却フィン、ｌ，ｈ…長さ。

Claims

制御対象である流体の流路を開閉する弁体を備えたバルブ基体と、このバルブ基体に取り付けられて弁体の操作部を操作するピエゾスタックを備えたアクチュエータとを有するバルブであって、アクチュエータとバルブ基体との間に位置することでピエゾスタックの操作を弁体に伝達すると共に弁体側から伝達した熱を放熱する断熱スペーサを有し、この断熱スペーサがピエゾスタックの熱膨張係数以下の熱膨張係数の材料からなることを特徴とする高温対応バルブ。
前記断熱スペーサがピエゾスタックの操作部と弁体の操作部とを連結する棒状の第１部材と、この第１部材を摺動自在に収容する貫通孔を有すると共にアクチュエータの外周部とバルブ基体を一定の間隔をおいて接合するように所定の長さを有する第２部材とからなり、第１部材の長さが第２部材の長さと同じであるスペーサ本体を有する請求項１に記載の高温対応バルブ。
前記スペーサ本体が熱伝導率の低い材料からなる請求項２に記載の高温対応バルブ。
前記スペーサ本体がセラミックからなる請求項３に記載の高温対応バルブ。
前記断熱スペーサがその外周に、熱伝導率の優れた筒状で、さらに外周に複数段の冷却フィンを設けてなる放熱体を有する請求項１〜４の何れかに記載の高温対応バルブ。