JP2005504238A

JP2005504238A - 流量調整装置

Info

Publication number: JP2005504238A
Application number: JP2003531071A
Authority: JP
Inventors: ヴィリヘンペルマン
Original assignee: ミクロメカトロニークテクノロギースアーゲー
Priority date: 2001-09-21
Filing date: 2002-09-20
Publication date: 2005-02-10
Also published as: EP1427956B1; WO2003027549A1; DE10146625A1; DE50209731D1; US20050126646A1; EP1427956A1

Abstract

本発明は少なくとも2個のコントロールディスクからなる流量調整装置に関し、コントロールディスクは互いに同軸上に配置され、互いに隙間なく並べられ、共通軸の周りで相対的に回転する。コントロールディスクは軸方向に貫通している偏心したスルーボアを有しており、互いに接する両側面上に、各々スルーボアを起点とする凹部を有し、凹部はコントロールディスクの軸の周りで円弧に沿って延在している。従って相対的な回転によって対面する両凹部の一部のみが重複する。
【選択図】図２

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は流量調整装置に関し、特に液体の流量調節装置に関する。
【発明の開示】
【０００２】
本発明の目的は、流路と流量とを調節する流量調整装置を提供することである。
【０００３】
本発明によれば、本目的は請求項1に記載の特徴により達成される。隣接するディスクの側面上で凹部がスルーボアから横方向に延在していることによって、ディスクが互いに相対的に回転した場合、重複の程度を変えることが可能となる。これによって、例えば、スルーボアをフラッシュさせる最大流量から、先細の凹部の末端部を僅かに重複させることによる微小流量まで調節することが可能となる。この方法により、流量を段差なくマイクロリットルやナノリットルの範囲まで調整することが可能となる。
【実施例】
【０００４】
図1においては、参照番号1は流量調整装置を示しており、矢印X及びYで示されている軸方向に液体が流れる。流量調整装置のハウジング2の上部に、取付部2'を介して、カップリング及びシールアダプタ3が設置されており、その上にモータハウジング4が固定されている。モータハウジング4には、例えば、直流モータまたはリニアモータが設置されている。電子制御手段による制御装置5がモータハウジング4上に設置されている。
【０００５】
図2は流量調整装置1の縦断面図を示している。ネジ切り部6'を備えたネジとめ式スリーブ6がハウジング2の管状部2''にねじ込まれており、ネジとめ式スリーブ6は別途形成されているネジ切り部6''によって、管状ハウジング部2''上に支持されているハウジング部7を支えている。参照番号8はシールを示しており、例えば２つのハウジング部2と7との間に設けられたO−リングである。ネジ切り部6'は、例えば、右回りネジとして設計され、一方、ネジ切り部6''は左回りネジとして設計される。このようにして、2つのハウジング部2と7とがネジとめ式スリーブ6によって固定され、互いに強く結合する。
【０００６】
ハウジング部7の中央ボアには、差込み式固定シャフト9が挿入されている。差込み式シャフト9の周囲にはギザギザ形状、すなわち、かみ合わせが設けられており、対応するハウジングボアのギザギザ形状と係合している。図示した実施例においては、9個のコントロールディスク10乃至18が当該差込み式シャフト9上に配置されている。第１コントロールディスク10と反対側末端部のコントロールディスク18とは差込み式シャフト9のギザギザ形状によって静止位置に固定されている。コントロールディスク12、14及び16も同様である。一方、中間コントロールディスク11、13、15及び17はボア径より大きいため、差込み式シャフト9上で回転自在である。コントロールディスク10乃至18は、ハウジング2の凹部に設置されているカップスプリング19によって互いに隙間無く並べられている。コントロールディスク10乃至18はスリーブ形状のウォームギア21によって囲まれている。ウォームギア21は、図6に示すようにウォームシャフト22によって回転することが可能になっており、モータハウジング4内に配置されている駆動モータによって回転する。回転自在コントロールディスク11、13、15及び17は、各々、ウォームギア21に接続している。一方、静止コントロールディスク10、12、14、16及び18はスリーブ形状のウォームギア21の内径上を滑動する。すなわち、静止コントロールディスクの外径はスリーブ形状のウォームギア21の内径よりも小さい。図示した実施例においては、回転自在コントロールディスクは、図5に示されるように、心出しグラブネジ（centering grub screw）23によってウォームギア21に遊び無く接続されている。例えば、４個の楔形状のキャリア溝24が回転自在コントロールディスクの外周上に形成されており(図4)、その溝24の中に心出しグラブネジ23の楔形状の先端部が係合している。図5に示されているように、これら心出しグラブネジは六角ソケットを備えている。
【０００７】
コントロールディスク17の存在する領域には、スリーブ形状のウォームギア21の外周部に、ウォームシャフト22のネジに係合するウォームネジ20が設けられている。スリーブ形状のウォームギア21は、両末端部のスライドベアリング26によって両ハウジング部2及び7に回転自在に支持されている。
【０００８】
シール27が2つのハウジング部2及び7の各ケースの末端面に設けられており、静止ディスク10及び18の側面を支持している。両ハウジング部2及び7は、各々、外部ネジ及びフランジコーン部29を有した接続部28を備えており、接続ホース52をネジ止めする。ホース52またはバンドル管がリベットナット51によって接続部28に漏れないように接続される。
【０００９】
コントロールディスク10乃至18は、各々、スルーボア30を有しており、図3及び4が示すように、スルーボアは個々のコントロールディスクにおいて軸方向に偏心して配置されている。静止コントロールディスク10において、コントロールディスクの片面32上に、スルーボア30を起点として軸から距離ｒの位置に凹部31が配置されている。凹部31は幅及び深さが徐々に減少するようになっており、軸から距離ｒを保って軸の周りで円弧状に延在している。図3の実施例に示すように、先細の凹部31は側面32上で軸周りにほぼ半円周に亘って延在している。コントロールディスク10の反対側の面は滑らかで、スルーボア30のみを有している。
【００１０】
図4は回転自在コントロールディスクを示しており、例えば、コントロールディスク11を示している。回転自在コントロールディスク11の側面33上には、静止コントロールディスク10の側面32に対面して、凹部31aが形成されており、該凹部はスルーボア30を起点にしてほぼ半円周に亘って徐々に先細りになっており、反対向きに延在しているのを除いてコントロールディスク10の凹部31と同等となるように設計されている。コントロールディスク10の凹部31はスルーボア30を起点にして時計回りに延在しているが、コントロールディスク11上の対面する側面33上の凹部31aは反対向きに延在している。よって、両スルーボア30を一致させると、軸に対して凹部31aは時計回りに延在し、対面するコントロールディスク上の凹部31は反時計回りに延在する。コントロールディスク10に相対させてコントロールディスク11を回転することによって、２つの凹部31及び31aが僅かに重なり合う終点に至るまで、流路断面積を凹部31及び31aに沿って連続的に減少させることが可能となる。かかる終点においては、最小流路断面積のみが確保されている。
【００１１】
側面33の反対面上には、回転自在コントロールディスク11は対応する凹部31bを有しており、図4の破線に示されるように、凹部31bはスルーボア30を起点にしている。凹部31bは側面33上の凹部31aとは反対向きであって、コントロールディスク10の凹部31と同じ向きに延在している。
【００１２】
同様に、静止コントロールディスク12においては、凹部31a及び31bが両側面上で円弧に沿って先細りするように設計されている。凹部31a及び31bの配置及び設計に関しては、コントロールディスク11乃至17は同等であり、各凹部は円弧に沿って幅及び深さが連続的に減少している。反対側末端部の静止コントロールディスク18は、コントロールディスク10に対して鏡面反転の関係で設計されており、凹部31が片面のみに設けられている。
【００１３】
図2においては、全コントロールディスク10乃至18のスルーボア30はフラッシュ位置（flush position）として示されており、よってボア30の直径に対応した最大直径チャネル（channel）が貫通している。流路チャネル35は取付部28を起点にしており、ハウジング部2及び7の中で曲がった構造によって延在しており、これによりコントロールディスク10及び18の偏心スルーボア30をフラッシュする。1実施例としては、流路チャネル35の内径及びスルーボア30の内径は5 mmであり、例えば、凹部31は幅及び深さがスルーボア30を起点にしてゼロになるまで連続して減少している。
【００１４】
回転自在コントロールディスク11、13、15及び17は、静止コントロールディスク10、12、14、16及び18に対してウォームギア21によって同時に回転するので、互いに接しているコントロールディスクの両側面間に、凹部31、31a、31b等の重複に対応する同等の流路断面積を生じる。
【００１５】
スロットル位置に対応して連続して流路断面積が減少することによって、入口Xから流入する液体の高圧力を、出口Yまで各スロットル位置において段階的に減少することが可能となる。1つスロットルを他のスロットルの後方に位置することによって、2乃至300 barの差圧を段階的に減少することが可能となり、マイクロリットルからナノリットルの範囲の微小流量であっても可能となる。
【００１６】
図2で示される状態からコントロールディスクが互いに相対的に回転した場合、凹部31、31a、31b等の重複部分での断面積が減少することによりスロットル位置が形成され、各スロットル位置の間に断面積が拡大するチャネル部分が形成される。なぜならば、1つのスロットル位置から流出する流体が次のスロットル位置に到達するまで全断面積を有するスルーボア30を介して流れるからである。このようにして、スロットル位置間の拡大を伴った段階的なスロットルが得られ、圧力が減少する。
【００１７】
かかる流量調整装置はバイオテクノロジ、ファインケミストリ、及び種々の分野に適用され得る。
【００１８】
実施例に示される9個のコントロールディスクの替わりに、少数または多数のコントロールディスクを備えても良い。例えば、ただ1個の回転自在コントロールディスクを静止コントロールディスク10及び18の間に設けても良い。
【００１９】
コントロールディスクはセラミック材料や他のテフロン（Teflon）等のプラスチック（synthetic）から製造され得る。互いに接する側面はスムーズに形成され、よってカップスプリング19の付勢によって互いに隙間無く接している。更に、圧力補償チャネル(図示せず)が各コントロールディスクに設けられており、流量調整装置の軸方向に働く圧力を補償する。
【００２０】
回転自在コントロールディスク11、13、15及び17の中央ボア34は、差込み式シャフト9のかみ合わせ部の外側直径と同等か、または僅かに大きな内径を有している。よって、これら回転自在コントロールディスクは差込み式シャフト上で容易に回転することが可能である。楔形状のキャリア溝24によって、回転自在コントロールディスクを心出しグラブネジ23によって隙間無くウォームギア21に係合させることが可能となる。
【００２１】
図2で示される位置に対応するスルーボア30の向きにおいては、すなわち、断面積が最大である状態が連続している場合は、洗浄液を装置内に流すことが可能である。更に、流量調整装置内にボールを通して流路チャネルを洗浄することも可能である。
【００２２】
図6はウォームギア21をウォーム22を介して駆動させる手段の例を図示しており、ウォーム22はハウジングの取付部2'内に回転自在に取付けられている。図示されている実施例においては、ウォッブルロッド（wobble rod）40がハウジング取付部2'の中でウォーム22とシャフト41との間に取付けられており、硬質メンブレン42を介してガイドされている。硬質メンブレン42は一方においてウォッブルロッド40との結合部位を形成し、他方においてハウジングを駆動装置からシールする。
【００２３】
参照番号43はウォーム22のラジアル・スライド・ベアリングを示している。ウォーム22はその反対側末端部にアキシャル・ベアリング44を備えており、更に、ラジアル・ベアリング45を介してハウジング内に取付けられている。参照番号46はアキシャル・ベアリング44とメンブレン42を支持しているリング47との間のスペーサリングを示している。リング47の外周部は、O−リング48等のシール部材によってハウジングからシールされている。
【００２４】
シール用楔（sealing shim）(図示せず)及び対応するベアリングがシャフト41に備わっている。
【００２５】
図1に示されるように、目視用窓50をカップリング及びシーリングアダプタ3に設けることが可能であり、この窓50を通して流量調整装置の駆動装置に対するシール状態をモニタすることが可能である。
【００２６】
上述の流量調整装置は微量注入設備（micro-dosing fixture）を構成して微量の流量を制御することも可能である。
【００２７】
本発明の更なる実施例においては、側面凹部31は、流量調整装置の適用分野に応じて、凹部31の幅や深さがスルーボア30を起点としてゼロまで減少している図示した形状以外の形状をとることも可能である。従って、例えば、重複する状態において、両凹部にスルーボア30の流路断面積に対応する流路断面積を形成することが可能であり、これによりコントロールディスクを相対的に回転させることによって、スルーボア30が互いにフラッシュ状態である装置内での最短の流路を形成する位置を起点として、連続するスルーボア30間に形成される装置内の流路チャネルを円周方向に伸長することによって長くすることが可能である。図7は図3に対応するものを示しており、コントロールディスクの凹部31'と対面する凹部とによってチャネルを形成し、該チャネルの断面積はスルーボア30の断面積と一致し、該チャネルは約45°の角度範囲に亘って延在している。なお、この凹部31'はより大きな角度範囲に亘って延在することも可能である。
【００２８】
更に、図7におけるコントロールディスクの実施例においては、スロットル位置は対面する両凹部31'の末端部のみにおける重複によって形成することが可能である。この目的のため、末端部を曲線的な構造とする替わりに一点に向けて先細りさせることが可能である。かかる実施例においては、スロットル位置間の容積は、凹部の拡大によって円周方向においてスルーボア30に向けて増大する。
【００２９】
上述したように、重複する両凹部31'による円周方向に延在する本チャネルは、スルーボア30の流路断面積に一致する流路断面積を有することが可能であり、粘着物やその同等品などの高粘度流体に適用される。しかし、かかる両凹部31'は図示したものに比べてより短い円周部分で先細りさせるように設計することも可能であり、これによって、両凹部31'が重複した際、流路断面積が減少するような接続チャネルをスルーボア30間に得ることが可能となる。かかる設計においては、例えば、図3に示す凹部31は半円周の替わりに円周の約4分の1に亘って延在する。
【００３０】
加えて、両凹部31によって形成される流路断面積を、円周に沿って変化する凹部31の形状によって変化させることが可能である。例えば、円周方向に沿って延在する凹部31に、ギザギザ（indents）や凹部内に向けた突き出し（bulges）を設けたり、重複する両凹部31によって形成されるチャネル内に障害物を設置したり、断面積を変化したりすることが考えられる。これにより更に装置内を流れる流体に所定の混合運動が生じる。
【００３１】
上述の流量調整装置においては、スルーボア30の直径は、例えば、5 mmである。しかし、より大きな流路断面積を流量調整装置に設けることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】制御装置を備えた流量調整装置の斜視図である。
【図２】複数のコントロールディスクを備えた流量調整装置の実施例の縦断面図を示している。
【図３】静止コントロールディスクの斜視図を示している。
【図４】回転自在コントロールディスクの斜視図を示している。
【図５】ウォームギア上への回転自在コントロールディスクの結合が示されている。
【図６】ウォームギアの駆動手段の断面図が示されている。
【図７】コントロールディスクの他の実施例が示されている。
【符号の説明】
【００３３】
１流量調整装置
２、７ハウジング
３シールアダプタ
４モータハウジング
５制御装置
６ネジとめ式スリーブ
９差込み式シャフト
１０〜１８コントロールディスク
２１ウォームギア
２２ウォームシャフト
３０スルーボア
３１、３１a、３１b、３１’ 凹部

Claims

互いに同軸上に配置され、互いに隙間無く並べられた少なくとも3個のコントロールディスク(10、11、18)からなる流量調整装置であって、静止コントロールディスク(10、18)間に並べられているコントロールディスク(11)は駆動装置によって回転自在であり、前記コントロールディスクは軸方向に沿って貫通する偏心したスルーボア(30)を有しており、互いに接する側面(32、33)上には、各々、前記スルーボア(30)を起点とする凹部(31、31a、31b)を有し、前記凹部は前記コントロールディスクの前記軸の周りで円弧に沿って延在し、よって前記コントロールディスクが互いに相対的に回転した場合、対面する前記凹部の一部のみが重複することを特徴とする流量調整装置。
前記コントロールディスクの対面する側面に形成されている前記凹部(31、31a、31b)は前記スルーボア(30)を起点にして円周方向において反対向きに延在していることを特徴とする請求項1記載の流量調整装置。
前記凹部(31)の幅と深さとが、前記スルーボア(30)を起点にしてゼロになるまで減少していることを特徴とする請求項1記載の流量調整装置。
回転自在コントロールディスク及び静止コントロールディスク(11乃至17)が静止末端ディスク(10、18)の間に替わりに配置され、前記静止コントロールディスク(12、14、16)が前記末端ディスク(10、18)の間に配置され、前記回転自在コントロールディスクが各々両側面に円弧形状の凹部(31)を有することを特徴とする請求項1記載の流量調整装置。
前記静止コントロールディスク(10、12、14、16、18)が、それらを貫通するシャフト(9)に固定されており、前記回転自在コントロールディスク(11、13、15、17)が外周上に回転駆動機構との係合手段(24)を有していることを特徴とする請求項4記載の流量調整装置。
前記回転自在コントロールディスクが外周上に楔形状の心出し溝(24)を有しており、前記心出し溝(24)内に心出しグラブネジ(23)が遊びなく係合しており、前記回転自在コントロールディスクは前記コントロールディスクを覆う回転自在スリーブ(21)を介してガイドされていることを特徴とする請求項5記載の流量調整装置。
前記コントロールディスクを覆う前記スリーブ(21)の外周上にウォームねじやま(20)が設けられており、駆動モータによって回転するウォーム(22)が係合することを特徴とする請求項6記載の流量調整装置。
前記コントロールディスクが2部分からなるハウジング(2、7)内に配置されており、両部分がネジとめ式のスリーブ(6)によって互いに結合されていることを特徴とする請求項1記載の流量調整装置。
前記コントロールディスクがスプリング(19)によって前記軸方向に互いに並べて保持されていることを特徴とする請求項1記載の流量調整装置。