JP2006153141A

JP2006153141A - エントランスチャンネル付微小流量制御装置。

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Publication number: JP2006153141A
Application number: JP2004344439A
Authority: JP
Inventors: Kotohiko Sekoguchi; 言彦世古口
Original assignee: Fujikin Inc
Current assignee: Fujikin Inc
Priority date: 2004-11-29
Filing date: 2004-11-29
Publication date: 2006-06-15

Abstract

【目的】流体の微小流量を正確に制御するために、流体流動の不安定を誘起することなく所要の弁特性を実現するため、絞り溝の入口側にエントランスチャンネルを付置することによって、メインチャンネルの断面積を流動方向に単調に変化させても所要の弁特性が実現できる微小流量制御装置を提供することである。
【構成】本発明に係る微小流量制御装置２は、流体の微小流量を制御するメインチャンネル２４ｍの始端２４ａに先行してエントランスチャンネル２４ｅが配置されているので、メインチャンネル２４ｍに流入する前に制御される流体に流動抵抗が付与される。弁の全開近傍における大きな開口断面２５が流体流出口として選択されても、流体にはその前段階でエントランスチャンネル２４ｅにより流動抵抗が付与されているから、流量の急激な変化を抑制することができメインチャンネル２４ｍの直線的な断面積変化に対しリニア型の弁特性を実現できる。
【選択図】図３

Description

本発明は、液体や気体の流量を制御する流量制御装置に関し、更に詳細には、マイクロサイズ等の極微小サイズの流路・流体動作環境・反応器等における流体（液体や気体）の微小流量を制御する微小流量制御装置に関する。

近年、半導体技術やナノ技術等に代表される超微細技術が新しい技術として注目されている。こうした技術動向の中で、反応容積がナノリッターからマイクロリッターの微細空間における化学反応、いわゆるマイクロリアクタを対象として反応収率の向上、反応時間の短縮、環境負荷の軽減などを目的とした新しい研究開発が推進されようとしている。このような微細空間に供給する液体あるいは気体については、既存の技術にはない微小かつ正確な流量制御が不可欠とされている。

従来、流体の微小流量調整に使用される弁の形式としては、通常、ニードル弁タイプが用いられる。ニードル弁は、弁の開放後に流量が急激に増大するため、前記した微細空間に供給される流量、例えば、液体については最大流量が１０ｍｌ／ｍ〜１ｍｌ／ｍ、気体については１〜０．０１ｓｃｃｍの微小流量を調整する手段として使用することは困難であり、従ってこのような目的に適した新しい微小流量制御技術の開発が必要となっている。

ニードル弁タイプとは異なる方式の微小流量制御弁の先行技術として、特開２００１−１８７９７７号（特許文献１）及び特開２００３−２７８９３４号（特許文献２）が公表されている。この先行技術のいずれもが流体の流量を制御する絞り溝を円弧状に配置した形状を特徴としている。
特開２００１−１８７９７７号公報特開２００３−２７８９３４号公報

図２１は、特許文献１に記載されている従来の電動流量制御弁の縦断面図である。電動流量制御弁２００はステップロータを駆動源として、ロータ組立体２０１と弁本体組立体２０２とロータ組立体２０１の外周に配置されたコイル組立体２０６から構成されている。弁本体組立体２０２は筒状の弁室２０７を備え、その軸線方向直下に出口継手２１２が設けられ、弁室２０７と入口継手２１４の境界部に弁座２０８が形成されている。弁座２０８に隣接して弁体２１０が密接回動可能に配置され、弁室２０７の側部に形成された入口継手２１４から流入した流体の流量を制御する。

図２２は、図２１の電動流量制御弁における弁本体の組立分解斜視図である。弁本体は中心軸Ｚを中心として弁座２０８と弁体２１０から構成され、弁座２０８と弁体２１０との間には絞り溝２２４を形成した金属弁２２２が配置されている。弁座２０８には出口流路２０８ａが設けられ、弁体２１０に入口流路用溝部２１０ｃが形成されている。入口継手２１４から流入した流体は、弁体２１０に形成された入口流路用溝部２１０ｃを経て、金属弁２２２に形成された絞り溝２２４に導かれ、弁座２０８にある出口流路２０８ａの軸Ｚを中心とする回転角度により流量を制御され、弁座２０８に形成されたＬ字状の出口流路２０８ａから出口継手２１２へ導かれる。この弁座２０８の回転は上部に配置されたステップモータにより行われる。

図２３は、図２１の電動流量制御弁における弁本体の金属弁２２２に形成された絞り溝２２４の平面図である。Ｚ軸を中心として半径Ｒの円弧上に絞り溝２２４が形成され、深さは一定で、幅は先端部が最大で後端部に向かって次第に狭くなる形状を有している。絞り溝２２４の始端２２４ａには、入口流路用溝部２１０ｃに連通する貫通孔２０９が形成されている。この貫通孔２０９から導入された流体の流量は、弁座２０８に形成されたＬ字状の出口流路２０８ａのＺ軸を中心とする回転角度により制御される。

従って、流体流量を微小に調整するためには、弁座２０８を微小回転することが重要になる。しかし、回転による円周変位量は円半径と回転角度の積に比例するので、円半径が大きい場合には回転角度量は相対的に小さくなる。一般に、ニードル弁に限らず、図２１の電動流量制御弁の場合にも、開弁直後の極めて僅かな円周変位量を精細に制御するには、回転角度もまた精細に制御する必要があるが、円半径が大きい場合には回転角度の調整を一層微細としなければならなくなり、それだけ微小流量制御が難しくなることを意味している。他方、円半径が小さい場合には、そのような円弧状絞り溝を正確に刻設することが逆に困難になる。従って、円弧状絞り溝では、円半径が必然的に大きくなり、微小角度制御の困難性が出現する。

図２４は、従来型微小流量制御装置における弁本体の概略拡大説明図である。絞り溝２２４の始端２２４ａから終端２２４ｂまでの長さをＬ_０とし、出口流路２０８ａが形成する絞り溝２２４の開口断面２２５から絞り溝の終端２２４ｂまでの長さをＬとする。開口部の長さＬとその最大長さＬ_０との比をＬ^*とする。Ｌ^*は０〜１の範囲で変化し、弁が直線的に移動する場合はリフトの無次元長さを意味する（相対トラベルともいう）。以下では、Ｌ^*を無次元リフトと称する。

本発明者等は、図２４に示される微小流量制御装置の弁開度と流量の関係、即ち流量特性が、流体の物性値及び最大流量の大きさによってどのように影響を受けるかについて検討した。なお、流量調整弁の流量特性は弁特性ともいわれ、これにはリニア特性とイコールパーセンテージ特性とがあり、通常、いずれかの特性を付与するように設計される。微小流量制御装置の流量特性にみられる基本的特徴を、リニア型の弁特性を付与する場合について説明する。図２５は、弁特性をリニア型とするために絞り溝の断面積を流れの方向にどのように変化させる必要があるかについて示している。

図２５は、従来型微小流量制御装置における絞り溝の直径Ｄと流量との相関図である。流体は粘度が０．０３１６Ｐａ・ｓのトランス油で、流入口と流出口の圧力差が０．１ＭＰａ、Ｌ_０は１０ｍｍ、絞り溝は長方形の断面を有し、高さ０．５ｍｍ一定で、溝の始端におけるアスペクト比（縦横比）が０．５の場合である。溝の断面積は、始端の位置における断面積に対する比、即ち無次元断面積Ａ^*の変化として示されている。また、流量は弁が全開したときの最大流量に対する比、即ち無次元流量Ｑ^*がとられている。リニア特性及びイコールパーセンテージ特性のいずれにおいても開弁直後に生じるＱ^*の値をＱ^* _０とすると、その逆数１／Ｑ^* _０は当該弁の流量調整能力を開弁直後の流量の倍数で表したときの大きさに相当しており、これをレンジアビリティ（以下、Ｒ_Ａと書く）という。図２５ではＲ_Ａ＝２０の場合を示している。図が明らかにしているように、絞り溝の断面積は無次元リフトに対して単調に変化するのではなく、Ｌ^*＝０〜１の間で最大値を取る曲線となる。このことは、流路断面積の拡大部が出現することを意味する。一般的傾向として、流量が大きくなり、粘度が低くなるにつれて無次元断面積Ａ^*の最大値は著しく大きな値をとるようになる。従って、マイクロリアクタで問題とされる１０ｍｌ／ｍあるいはこれ以下のきわめて微小な流量の場合には、粘度の比較的低い流体においても急峻なピークを持つ曲線となるという性質がある。このような性質は、溝の加工を困難にするだけでなく、流路断面積の急拡大に伴う流れの剥離を誘発し、流動特性を不安定にする可能性がある。また、使用条件の変化に対して、弁特性がリニア型から逸脱した流量変化をもたらすことになる。以上の性質は、弁特性がイコールパーセンテージ特性の場合についても同様に現れ、問題になりうるものである。

一方、特開２００３−２７８９３４号（特許文献２）に記載されている電動流量制御弁は上部弁と下部弁から構成され、上部弁の開閉により流体圧力を下部弁に付加して弁の密閉性を高めている。しかし、特許文献１に記載の電動流量制御弁と機構的に同様であるから、流路断面積の急拡大に伴う流体の流れの剥離を誘発し、流動特性を不安定にするなどの上記問題点を有している。本発明者等はこの問題を解決すべく鋭意研究した結果、絞り溝の前段に流動圧力を付与することを着想して本発明を完成させたものである。

本発明の目的は、流体の微小流量を安定かつ正確に制御するために、図２５に見られるような流れの急拡大部を形成することによる流動の不安定を誘起することなく、所要の弁特性を実現することにある。すなわち、絞り溝の入口側にエントランスチャンネルを付置することによって、絞り溝の断面積を流動方向に単調に変化させても所要の弁特性が実現できる微小流量制御装置を提供することである。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり本発明の第１の形態は、流体を導入する流入路と、この流入路から導入された流体を始端から終端に向けて流動させる絞り溝と、この絞り溝を所望の位置まで密閉できる流量調整部材と、この流量調整部材により開口される前記絞り溝の所望断面である流体流出口と、この流体流出口から流出する流体を導出する流出路から構成され、前記絞り溝は始端から終端に向けて断面積が減少するように形成され、この絞り溝の始端位置に先行して流動抵抗を発揮させるエントランスチャンネルを形成した微小流量制御装置である。

本発明の第２の形態は、エントランスチャンネルの断面積は一定に形成され、その断面積は絞り溝の始端断面積と等しく形成される微小流量制御装置である。

本発明の第３の形態は、エントランスチャンネルの断面積は流体の流動方向に増大するように形成され、しかも絞り溝の始端断面積に連続するように形成される微小流量制御装置である。

本発明の第４の形態は、絞り溝は弁体の平面に直線状又は略直線状に形成され、流量調整部材は前記平面上を摺接する流量調整スライダであり、弁体と流量調整スライダを相対移動自在に設けた微小流量制御装置である。

本発明の第５の形態は、絞り溝は軸状部材の外周面に軸方向に形成され、流量調整部材は軸状部材の外周面に摺接する挿通孔を有した孔状部材であり、軸状部材と挿通孔を有した孔状部材を軸方向に相対移動自在に設けた微小流量制御装置である。

本発明の第６の形態は、絞り溝は回転可能な弁体の平面に同心的に円弧状に形成され、流量調整部材は前記平面に回転摺接可能な流量調整スライダであり、弁体と流量調整スライダを相対回転移動自在に設けた微小流量制御装置である。

本発明の第７の形態は、絞り溝の断面形状は半円形、半楕円形、三角形、矩形又は台形等の加工の可能な任意の形状で、前期絞り溝の深さが一定又は変化する形状である微小流量制御装置である。

本発明の第８の形態は、流量調整スライダに加圧装置が付設され、流量調整スライダと弁体平面との接触圧を調節できる微小流量制御装置である。

本発明の第９の形態は、流体を流通させる弁孔と、流体流出側となる前記弁孔の開口部から弁孔内に進退自在に挿入される弁棒と、前記弁孔開口縁と弁棒周面により形成される流体流出口となる環状開口部と、弁棒を弁孔内に進入させるに従って前記環状開口部の面積が減少する微小流量制御装置において、前記弁棒の先端に先端方向に向かって弁棒の断面積が等しいか増大するエントランス先端部を形成する微小流量制御装置である。

本発明の第１０の形態は、流体を流通させる弁孔と、流体流入側となる前記弁孔の開口部から弁孔内に進退自在に挿入される弁棒と、この弁棒先端周縁と弁孔周面により形成される流体流出口となる環状開口部と、前記弁棒先端を弁孔内に進入させるに従って前記環状開口部の面積が減少する微小流量制御装置において、前記弁孔開口部に流体流入側に向かってエントランス部周りの流路開口部面積が等しいか減少するエントランス弁孔部を形成する微小流量制御装置である。

本発明の第１の形態によれば、流体の微小流量を制御する絞り溝の始端に先行してエントランスチャンネルが配置されているので、絞り溝に流入する前に制御される流体に流動抵抗が付与される。以下、エントランスチャンネルと区別するために絞り溝をメインチャンネルと称し、メインチャンネルとエントランスチャンネルとを総称して絞り溝と称す。弁の全開近傍における大きな開口断面が流体流出口として選択されても、流体にはその前段階で、エントランスチャンネルにより流動抵抗が付与されているから、流量の急激な変化を抑制することができる。エントランスチャンネルを付置することによって、メインチャンネルの断面積変化を直線に近いものとしても、所要のリニア型の弁特性を実現することができる。

本発明の第２の形態によれば、エントランスチャンネルの断面積は一定であるから、付与される抵抗の大きさはエントランスチャンネルの長さに比例する。この流動抵抗は、流体の粘度や密度などの物性、エントランスチャンネルの断面形状などにより変化する。このエントランスチャンネルの長さを調整することにより任意の流動抵抗を設定することができる。また、エントランスチャンネルの断面積はメインチャンネルの始端断面積と等しく形成されるので、流体の流線は乱れることがなく、しかもメインチャンネルの始端における流量の連続性を保証でき、微小流量を正確に制御することができる。

本発明の第３の形態によれば、エントランスチャンネルの断面積は流体の流動方向に増大するように形成されるので、付与される流動抵抗はエントランスチャンネルの距離に比例する以上に大きく形成することができる。従って、このエントランスチャンネルは、等断面で形成されているエントランスチャンネルよりも短く形成しても、同等の効果を発現することができる。また、メインチャンネルの始端断面に連続するように形成されるので、制御される流体の流線は乱れることがなく、微小流量を正確に制御することができる。

本発明の第４の形態によれば、流体の微小流量を制御する絞り溝（メインチャンネル及びエントランスチャンネル）が弁体の平面に形成され、この絞り溝が形成された弁体の平面に流量調整部材である流量調整スライダが摺接され、弁体と流量調整スライダが相対移動自在に設けられているので、流量調整スライダの位置を微小に変化させるだけで、流体の微小流量を容易に制御することができる。流体の漏洩防止のために前記流量調整スライダは前記弁体平面に密着摺接してもよいし、スライダと弁体平面間にパッキング等の漏洩防止用の中間部材を介装してもよい。絞り溝が直線状又は略直線状に形成され、その断面が絞り溝の始端から終端に向かって減少し、流動抵抗を生じる溝の長さは流量調整スライダを絞り溝の始端から終端に向かって移動させるにつれて増加するので、流量調整スライダを絞り溝の直線方向に微小変位することにより、流量調整スライダにより形成される絞り溝の断面積と長さを正確に微小変化させることができる。絞り溝の断面積の変化には絞り溝の幅だけでなく、その深さをも変化させて最適な断面積変化を付与することが可能である。従って、本発明に係る微小流量制御装置は流体の微小流量を容易に、しかも正確に制御することができる。更に、流体の微小流量を制御する絞り溝が直線状又は略直線状に形成されるから絞り溝の加工が容易である。

本発明の第５の形態によれば、流体の微小流量を制御する絞り溝が軸状部材の外周面に軸方向に形成され、流量調整部材が前記軸状部材の外周面に摺接する挿通孔を有した孔状部材で構成されているので、前記絞り溝と流量調整部材との密着度は高く、流体の漏流が発生することがない。従って、流体の微小流量を高精度に制御することができるだけでなく、絞り溝と流量調整部材との密着度を高める為の圧接装置が簡単になり、制御装置を安価に製作することができる。また、機構が簡単なので耐久性やメンテナンスにおいても利点がある。孔状部材の挿通孔の形状は軸状部材の形状と同一で、円形、楕円形、多角形等の加工上容易な形状を任意に設定できる。

本発明の第６の形態によれば、流体の微小流量を制御する絞り溝が回転可能な弁体の平面に円弧状に形成されるので、この弁体の平面に回転摺接可能な流量調整部材を回転制御するだけで、流体の微小流量を制御することができる。絞り溝が円弧状に形成されているので、直線状絞り溝よりも長く設定でき、流体の微小流量をより精密に制御することができる。また、弁体構造の小型化が可能となり駆動装置を含めた微小流量制御装置全体を小型化することができ、省エネルギーの観点からも利点がある。

本発明の第７の形態によれば、流体の微小流量を制御する絞り溝の断面形状は特定の形状とすることなく、半円形、半楕円、三角形、矩形又は台形等の各種に形成することができるので、加工方法に適した断面形状を選択できる。半円形の場合には、角部が無いため付着物を生じにくい利点がある。

本発明の第８の形態によれば、流量調整スライダに加圧装置を付設でき、流量調整スライダと弁体平面との接触圧を調節することができる。その結果、流体の一次側と二次側との圧力差に応じて流量調整スライダと弁体平面との接触圧を調節でき、流量調整スライダと弁体平面との高密着度を維持することができる。流体の漏流も発生することがないので、精度の高い流量制御が可能となり、流体の種類に応じて流量調整スライダと弁体平面との接触圧を調節して、流体の微小流量を正確に制御することができる。

本発明の第９の形態によれば、流体を流通させる弁孔と、流体流出側となる前記弁孔の開口部から弁孔内に進退自在に挿入される弁棒と、前記弁孔開口縁と弁棒周面により形成される流体流出口となる環状開口部と、弁棒を弁孔内に進入させるに従って前記環状開口部の面積が減少する微小流量制御装置において、前記弁棒の挿入側先端に先端方向に向かって等断面又は増加断面を有するエントランス先端部が形成されているので、制御される流体に流入段階で流動抵抗を付与することができる。流動抵抗を付与された流体は、弁の全開近傍で暴流することがなく、流量の単調制御が実現できる。流体の微小流量制御には種々の要因が関与しているが、特に流体の流量特性において、この微小流量制御装置の弁特性は好適である。この微小流量制御装置は、弁孔、弁棒及びエントランス先端部が軸対称に形成されているので、流体に生じる流動抵抗が軸対称性を有し、流体の流線が乱れることが少ない。従って、この微小流量制御装置の弁特性は、流体の微小流量を正確に制御する上で利点がある。

本発明の第１０の形態によれば、流体を流通させる弁孔と、流体流入側となる前記弁孔の開口部から弁孔内に進退自在に挿入される弁棒の先端と、この弁棒先端周縁と弁孔周面により形成される流体流出口となる環状開口部と、前記弁棒先端を弁孔内に進入させるに従って前記環状開口部の面積が減少する微小流量制御装置において、前記弁孔開口部に流体流入側に向かって前記開口部の断面積が等しいか減少するエントランス弁孔部が形成されているので、制御される流体に流入段階で流動抵抗を付与することができる。流動抵抗を付与された流体は、弁の全開近傍で暴流することがなく、弁棒の軸方向の変位に応じて流体の微小流量を正確に制御することができる。この微小流量制御装置は、弁孔及び弁棒が軸対称に形成されているので、流体に生じる流動抵抗が軸対称性を有し、流体の流線が乱れることが少ない。従って、この微小流量制御装置は、流体の微小流量を正確に制御できる弁特性を有している。

以下に、本発明に係る電動流量制御弁の実施形態を図により説明する。

図１は本発明に係る微小流量制御装置の概略説明図である。微小流量制御装置の基本構造は、弁体２３と弁体２３の上面をスライドする流量調整スライダ１２から構成されている。弁体２３には流体の流量を調節するためにエントランスチャンネル２４ｅとメインチャンネル２４mで構成される付き絞り溝２４が流量調整スライダ１２と摺接する面に形成されているほか、流体の流入孔２６と流出孔２８が設けられている。メインチャンネル２４mは始端２４ａから終端２４ｂに向かって細く絞られている。メインチャンネル２４mの始端２４ａにはエントランスチャンネル２４ｅが配置され、流体に流動抵抗を付与することができる。流入孔２６から矢印方向に導入された流体は、エントランスチャンネル付き絞り溝２４に導かれてエントランスチャンネル２４ｅで流動抵抗を付与され、続くメインチャンネル２４ｍにて所要の微小流量に制御され、流出孔２８から矢印方向へ流出する。

図２は本発明に係る微小流量制御装置の概略縦断面図である。制御される流体は弁体２３に設けられた流入孔２６から矢印方向へ流入し、エントランスチャンネル付き絞り溝２４へ導かれる。流体にはエントランスチャンネル２４ｅとメインチャンネル２４mの始端２４ａから開口断面２５までの間で流動抵抗を付与される。この流動抵抗のうちメインチャンネルによる流動抵抗は、流量調整スライダ１２の水平移動に伴うメインチャンネル流路長Ｌｑの伸縮によって調整され、流量制御がなされる。

図３は本発明に係るエントランスチャンネル付き絞り溝の断面斜視図である。（３Ａ）は絞り溝の断面の形状が半円形又は半楕円形であるエントランスチャンネル付き絞り溝２４の断面斜視図である。（３Ｂ）はエントランスチャンネル付き絞り溝の断面の形状がＶ字型である絞り溝２４の断面斜視図である。（３Ｃ）は絞り溝の断面の形状が長方形型であるエントランスチャンネル付き絞り溝２４の断面斜視図である。（３Ｄ）は絞り溝の断面の形状が逆台形型であるエントランスチャンネル付き絞り溝２４の断面斜視図である。エントランスチャンネル付き絞り溝２４はメインチャンネル２４ｍとエントランスチャンネル２４ｅから構成されている。メインチャンネル２４ｍは始端２４ａの断面が最大で終端２４ｂに行くほど小さくなるよう絞られ、始端２４ａと終端２４ｂとの距離をＬ_０とする。エントランスチャンネル２４ｅは、メインチャンネル２４ｍの最大断面積に等しい等断面積をもって接続される空間から構成されている。（３Ａ）において流量調整スライダ１２の水平摺動により形成されるメインチャンネル２４ｍの開口断面２５とその終端２４ｂとの長さをＬとし、開口断面２５の直径をＤとすると、直径Ｄはエントランスチャンネル付き絞り溝２４の軸方向変位により決定される。

図４は本発明に係る強化エントランスチャンネル付き絞り溝２４の断面斜視図である。（４Ａ）は絞り溝の断面の形状が半円形である強化エントランスチャンネル付き絞り溝２４の断面斜視図である。（４Ｂ）は絞り溝の断面の形状がＶ字型である強化エントランスチャンネル付き絞り溝２４の断面斜視図である。（４Ｃ）は絞り溝の断面の形状が箱型である強化エントランス付き絞り溝２４の断面斜視図である。（４Ｄ）は絞り溝の断面の形状が逆台形型である強化エントランスチャンネル付き絞り溝２４の断面斜視図である。強化エントランスチャンネル付き絞り溝２４はメインチャンネル２４ｍと強化エントランスチャンネル２４ｅから構成されている。強化エントランス２４ｅとは、エントランスチャンネルがメインチャンネル２４ｍの始端２４ａに向かって広がった空間を有し、メインチャンネル２４ｍの始端２４ａの断面と等断面で繋がって、エントランスチャンネルが付与する流動抵抗よりも高い流動抵抗を流体に付与できる。

図５は本発明に係るアール型エントランスチャンネル付き絞り溝２４の断面斜視図である。ここでアール型とはエントランスチャンネルの断面の拡がり方が直線的でなく曲線的であることを意味する。（５Ａ）は絞り溝の断面の形状が半円形であるアール型エントランスチャンネル付き絞り溝２４の断面斜視図である。（５Ｂ）は絞り溝の断面の形状がＶ字型であるアール型エントランス付き絞り溝２４の断面斜視図である。（５Ｃ）は絞り溝の断面の形状が箱型であるアール型エントランスチャンネル付き絞り溝２４の断面斜視図である。（５Ｄ）は絞り溝の断面の形状が逆台形型であるアール型エントランスチャンネル付き絞り溝２４断面斜視図である。アール型エントランスチャンネル２４は、流動抵抗をより一層高めるためにエントランスチャンネルがメインチャンネル２４ｍの始端２４ａに向かってアール状に広がった空間を有している。このアール形状は外側に向かったアール状でも、内側に向かったアール状のいずれでもよい。

図６はニードル弁型微小流量制御装置の概略拡大説明図である。（６Ａ）は閉弁状態におけるニードル弁型微小流量制御装置の縦断面図である。ニードル弁型微小流量制御装置１１０は、針弁（軸状部材）１２３とこの針弁の外周面に摺接する挿通孔を有した孔状部材１１２から構成されている。針弁（軸状部材）１２３には絞り溝１２４が設けられ、流体の微小流量を制御するために、針弁（軸状部材）１２３の先端１２３ａから基端１２３ｂに向かって断面積が減少するように形成されている。絞り溝１２４のメインチャンネル１２４ｍの終端１２４ｂと針弁１２３の基端１２３ｂとの間隔は限りなくゼロに近いものとする。（６Ｂ）は閉弁状態におけるニードル弁型微小流量制御装置のａａ’線における断面図である。針弁（軸状部材）１２３に形成された絞り溝１２４が摺接する挿通孔を有した孔状部材１１２により密閉されている。（６Ｃ）は開弁状態におけるニードル弁型微小流量制御装置の縦断面図である。針弁１２３を上方に摺動させてその先端１２３ａから導入された流体は、エントランスチャンネル１２４ｅに導かれて流動抵抗を付与され、メインチャンネル１２４ｍが呈する流動抵抗の大小により微小流量に制御され、開口断面２５から矢印方向に流出する。

図７は本発明に係るロータリ型微小流量制御装置の概略拡大説明図である。このロータリ型微小流量制御装置は円筒状の弁体２３と流量調整ディスクスライダ１２から構成されている。円筒状の弁体２３には円弧状の絞り溝２４が形成され、絞り溝２４はメインチャンネル２４ｍとエントランスチャンネル２４ｅから構成されている。エントランスチャンネル２４ｅはメインチャンネル２４ｍの始端２４ａに先行して配置され、始端２４ａの断面と等しい断面の空間から構成されている。また、流体の流動抵抗をより高める為に前記始端２４ａに向かって広がりながら連続した断面から構成される強化エントランスチャンネル２４ｅがある。流量調整ディスクスライダ１２には流出誘導流路と一体となった流出口２８が配置され、円筒状の弁体２３には流入口２６が配置されている。流体は流入口２６から矢印方向へ導入されて、絞り溝２４に導かれエントランスチャンネル２４ｅを経てメインチャンネル２４ｍの開口断面２５の位置を調整することにより微小流量に制御される。制御された流体は、流量調整ディスクスライダ１２に形成された流出誘導流路と一体となった流出口２８より流出する。

図８は図７におけるロータリ型微小流量制御装置の組立分解斜視図である。このロータリ型微小流量制御装置は円筒状の弁体２３と流量調整ディスクスライダ１２から構成され、流量調整ディスクスライダ１２が弁体２３に対して摺動回転する機構となっている。流体の流量は、流量調整ディスクスライダ１２に形成された流出誘導流路と一体となった流出口２８の回転変位により形成されるエントランスチャンネル２４ｅの入り口からメインチャンネル２４ｍの開口断面２５までの流動抵抗により微小に制御され、矢印Ｏ方向への回転変位で増加する一方、矢印Ｓ方向への回転変位で減少して流出口２８から流出する。

図９は針弁の先端にエントランスチャンネルを付置したニードル弁型微小流量制御装置の概略拡大説明図である。ニードル弁型微小流量制御装置１１０は針弁１２３と弁座１１２から構成され、針弁１２３の先端には円柱からなるエントランスチャンネル１２３ｅが付置されている。針弁１２３を上下に摺動して流体の流量を制御する。弁座１１２に設けられた流入孔１２６から矢印方向へ導入された流体は、針弁１２３の先端に付置されているエントランスチャンネル１２３ｅにより流動抵抗を付与される。流動抵抗を付与された流体は、針弁１２３の上下摺動に応じて正確に微小流量に制御されて、流入孔１２６の反対側に形成された流出孔１２８から流出する。付置されるエントランスチャンネル１２３ｅの端部の形状は、曲面でもよく任意の形状である。

図１０は針弁の先端に強化エントランスチャンネルを付置したニードル弁型微小流量制御装置の概略拡大説明図である。針弁型微小流量制御装置１１０は針弁１２３と弁座１１２から構成され、針弁１２３の先端には異形円柱からなる強化エントランスチャンネル１２３ｅが付置されている。強化エントランスチャンネル１２３ｅは針弁１２３の先端から広がった異型円柱から構成され、前記エントランスチャンネルより高い流動抵抗を流体に付与できる。弁座１１２に設けられた流入孔１２６から矢印方向へ導入された流体は、強化エントランスチャンネル１２３ｅによりエントランスチャンネルが付与する流動抵抗より高い流動抵抗を付与される。この流体は、針弁１２３の上下摺動に応じて正確に微小流量に制御され、流入孔１２６の反対側に形成された流出孔１２８から流出する。付置される強化エントランスチャンネル１２３ｅの端部の形状は、曲面でもよく任意の形状である。

図１１は弁座にエントランスチャンネルを形成したニードル弁型微小流量制御装置の概略拡大説明図である。ニードル弁型微小流量制御装置１１０は弁座１１２と針弁１２３から構成されている。弁座１１２に形成された流入孔１２６の断面は針弁１２３の基端１２３ａの断面より大きく形成され、流出孔１２８の断面は針弁１２３の先端１２３bの断面より小さく形成され、全体として断面が、流入孔１２６から流出孔１２８へと減少している。この減少の形状が直線的でも曲線的でもよい。流入孔１２６には等断面からなるエントランス弁孔１１２ｅが設けられて、流入孔１２６から導入された流体に流動抵抗を付与し、針弁１２３の上下摺動により形成される弁座１１２と針弁１２３との環状間隙１２５の大小により微小流量に制御され、弁座１１２の流入孔１２６の対向側に設けられた流出孔１２８から流出する。

図１２は弁座に強化エントランスチャンネルを形成したニードル弁型微小流量制御装置の概略拡大説明図である。流入孔１２６には流出孔１２８に向かって断面が増加するように形成された強化エントランスチャンネル１１２ｅが設けられ、流入孔１２６から導入された流体に前記エントランスチャンネルより高い流動抵抗を付与することができる。流動抵抗を付与された流体は前記と同様、針弁１２３の上下摺動により形成される弁座１１２と針弁１２３との環状間隙１２５の大小により微小流量に制御され、弁座１１２の流入孔１２６の対向側に設けられた流出孔１２８から流出する。強化エントランスチャンネル１１２ｅの形状は直線状でも曲線状でもよい。

実施例として、本発明に係る微小流量制御装置の駆動体に圧電体を用いた場合と、ステップモーターを用いた場合を挙げた。これらの微小流量制御装置の弁本体は全く同構造である。

図１３は実施例１における圧電体の駆動による微小流量制御装置の縦断面図である。微小流量制御装置２は弁本体１０とそれを作動させる駆動体３０から構成され、駆動体３０は弁本体１０にボルトなど一般的な方法で固着されている。例えば、接着法、融着法、圧着法などが利用できる。

弁本体１０はブロックＡとブロックＢから形成され、ブロックＡには流量調整スライダ１２が配置され、ブロックＢは弁体２３を構成し流量調整スライダ１２との摺接面に絞り溝２４が形成されている。流量調整スライダ１２にはコイルバネ１６が配置され、圧力板１４を介して流量調整スライダ１２に鉛直方向の分力を付与している。圧力板１４と流量調整スライダ１２との間には緩衝材２２が設けられ、流量調整スライダ１２の水平方向運動の円滑性と鉛直方向の分力の調整を図っている。弁体２３には流入口２６と流出口２８が配置され、流入口２６は絞り溝２４の始端２４ａと連通している。流入口２６から導入された流体は、終端２４ｂが絞られた絞り溝２４を通過して、流量調整スライダ１２により形成された絞り溝２４の始端２４ａから開口断面２５までの流動抵抗の大きさにより制御され、流量調整スライダ１２に形成された凹部１８を経て流出口２８から流出する。

弁本体１０を作動させる駆動体３０は、円筒状部材３１から構成され内部に弁棒３２が配置されている。円筒状部材３１と弁棒３２との間には押圧バネ３４が設けられ、ロッド２０を介して基準位置である流量停止位置に流量調整スライダ１２を移動している。積層圧電体３６に電圧を印加すると積層圧電体３６の長さが伸び、弁本体１０に固定された固定部３８を基準面とし、弁棒３２が矢印方向に移動して、ロッド２０を介して流量調整スライダ１２を同方向に摺動させる。具体的な仕様においては適宜調製するものとする。

図１４は実施例１に係る微小流量制御装置の流量停止位置における弁本体の拡大縦断面図である。調整スライダ１２に形成された凹部１８の外縁部１８ａにより絞り溝２４は遮蔽されるので、流入口２６は密閉され導入された流体は停止する。弁体２３と流量調整スライダ１２の密着度はコイルバネ１６により圧力板１４を介して形成される。圧力板１４と流量調整スライダ１２との間には緩衝材２２が設けられ、コイルバネ１６の圧力を適度に調整している。流量調整スライダ１２は圧電体の水平方向の移動により、ロッド２０を介して水平方向に摺動する。

図１５は実施例１に係る微小流量制御装置の流量制御位置における弁本体の拡大縦断面図である。弁体２３に摺接する流量調整スライダ１２をロッド２０により矢印の方向へ摺動して、流量調整スライダ１２に形成された凹部１８を介して流入口２６と流出口２８は連通し、流入口２６から導入された流体の流量は流量調整スライダ１２に設けられた凹部１８の外縁部１８ａにより形成された開口断面２５から絞り溝２４の始端２４ａまでの流動抵抗の大きさにより制御され、凹部１８を経て流出口２８から流出する。

本実施例においては、密閉性及び磨耗性の観点から弁体２３には耐食性を有する金属を使用し、流量調整スライダ１２には軟質性の弾力性に富む合成樹脂を使用したが、密閉性及び磨耗性を有するならばその材質は問わない。緩衝材２２の材質は流量調整スライダ１２の水平方向運動の円滑性と鉛直方向の分力の調整を確保できる、弾力性に富む合成樹脂が好ましい。圧力板１４の材質には耐食性を有する金属又は硬質の合成樹脂を使用する。

図１６は実施例２に係るステップモータの駆動による微小流量制御装置の縦断面図である。ステップモータによる微小流量制御装置６０は、弁本体７０と弁本体７０を制御する回転駆動体８０と回転駆動体８０を外包するケース９０の外周に配置された電動コイル１００から構成されている。弁本体７０の構造は前記本実施形態１と同様であるので、以下の記述において弁本体については、実施例１と同じ図番号を使用する。

回転駆動体８０はマグネット８２と一体的に形成されたロータ８４と、ロータ８４の回転運動を上下運動に変換するマイクロネジ８６から構成されており、ロータ８４は合成樹脂製で軽量に形成され、ケース９０の軸受け９２とマイクロネジ８６の上端部により支持され、水平方向に回転する構造になっている。マイクロネジ８６は軸受け台８７にベアリング８８により固定され、ロータ８４の回転運動を鉛直方向の運動に微小変換でき、ロッド２０を介して弁本体の流量調整スライダを微小摺動させることができる。

図１７は実施例２に係るステップモータの駆動による微小流量制御装置の弁本体の拡大縦断面図である。弁本体７０の構造は実施例１と同様であるが、ロッド２０を鉛直軸方向に配置できるので、流入口２６及び流出口２８を水平方向に配置できる。

図１８は実施例２に係るステップモータの駆動による微小流量制御装置の弁本体の拡大斜視図である。弁本体１０の構造は実施例１と同様であり、ブロックＡとブロックＢから構成され、ブロックＡには流量調整スライダ１２が配置され、ロッド２０を介して鉛直方向に移動する構造になっている。ブロックＢは弁本体１０のベースとなる弁体２３を構成し、流入口２６と流出口２８が設けられている。絞り溝２４は流量調整スライダ１２に摺接するよう形成され、絞り溝２４の基端部（最大断面部）で流入口２６と結合している。弁本体１０のブロックＡとブロックＢはボルトなどで接合され、弁本体１０の気密性はＯリングなどにより保持されている。

図１９は実施例におけるエントランスチャンネル付き微小流量制御装置の弁本体の概略説明図である。Ｌ_０は絞り溝２４のメインチャンネルの距離を示し、Ｌｅはエントランスチャンネルの距離で、Ｌは絞り溝２４の終端２４ｂと流量調整スライダ１２の末端との距離（リフト）を示す。Ｄは絞り溝２４の半円形断面の直径を示し、流量調整スライダ１２を矢印方向に摺動することによりリフトＬ及び絞り溝２４の直径Ｄは増加する。流体としてトランス油を用いて、リフトＬと絞り溝の直径及び流量との相関関係を調べて、その結果を図２０に示した。

図２０は実施例におけるエントランスチャンネル付き微小流量制御装置における、流量調整スライダの軸方向変化に対する絞り溝の直径（半円形断面）と流量との相関図である。横軸は無次元リフト（Ｌ^*=Ｌ／Ｌ_０）を示し、縦軸は絞り溝２４の直径Ｄ（ｍｍ）と流量Ｑ（ｍｌ／ｍ）を示している。流体の種類はトランス油（粘度μ：０．０３１６Ｐａ・ｓ）で、流入口と流出口との圧力差は０．１ＭＰａで、メインチャンネルの長さＬ_０とエントランスチャンネルの長さＬｅは１０ｍｍである。

図２０における弁特性は、レンジアビリティＲ_Ａが無限大（流量が開弁直後で０、弁の全開時に１００％となるように流量調製ができる特性）で、リニア特性を呈する場合を示している。一般に、このような弁特性を付与するためには溝の軸線に沿うメインチャンネルの断面積変化が複雑な曲線になるが、図の場合にはエントランスチャンネル効果によって直線的に変化する断面積となり、半円形の直径としては無次元長さＬ^*の平方根に比例する曲線となっている。図２０の例にみられるように、エントランスチャンネルの長さを適切に与えれば、メインチャンネルの軸方向断面積変化を直線もしくは単調に変化する曲線とすることによって所要の弁特性を実現することができる。チャンネルの断面積変化を単純化することは、絞り溝の加工を容易にし、より正確な弁特性を付与することに寄与するものである。

全ての実施例において、液漏れ又はガス漏れを防止するために、前記流量調整スライダを前記弁体又は軸状部材と密着して摺接するように配設するか、若しくは前記流量調整スライダと弁体又は軸状部材との間に漏れ防止用のパッキング材を挿入してもよい。本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明を構成する成分要素を含んでおれば本発明の作用及び効果を奏するものである。従って、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲における種々の変形例、設計変更なども本発明の技術的範囲内に抱合されることは云うまでもない。

本発明に係る微小流量制御装置は流体の微小流量を正確に制御できるので、マイクロサイズやナノサイズのリアクタ管の超微細技術分野のみならず、ファインケミカル分野、ナノ技術分野、バイオ技術分野などの広範囲の先端技術分野に活用することができる。

本発明に係る微小流量制御装置の概略説明図である。本発明に係る微小流量制御装置の概略縦断面図である。本発明に係るエントランスチャンネル付き絞り溝の断面斜視図である。本発明に係る強化エントランスチャンネル付き絞り溝２４の断面斜視図である。本発明に係るアール型エントランスチャンネル付き絞り溝の断面斜視図である。ニードル弁型微小流量制御装置の概略拡大説明図である。本発明に係るロータリ型微小流量制御装置の概略拡大説明図である。図７におけるロータリ型微小流量制御装置の組立分解斜視図である。針弁の先端にエントランスチャンネルを付置したニードル弁型微小流量制御装置の概略拡大説明図である。針弁の先端に強化エントランスチャンネルを付置したニードル弁型微小流量制御装置の概略拡大説明図である。弁座にエントランスチャンネルを形成したニードル弁型微小流量制御装置の概略拡大説明図である。弁座に強化エントランスチャンネルを形成したニードル弁型微小流量制御装置の概略拡大説明図である。実施例１に係る圧電体の駆動による微小流量制御装置の縦断面図である。実施例１に係る微小流量制御装置の流量停止位置における弁本体の拡大横断面図である。実施例１に係る微小流量制御装置の流量制御位置における弁本体の拡大横断面図である。実施例２に係るステップモータの駆動による微小流量制御装置の縦断面図である。実施例２に係るステップモータの駆動による微小流量制御装置の弁本体の拡大縦断面図である。実施例２に係るステップモータの駆動による微小流量制御装置の弁本体の拡大斜視図である。実施例におけるエントランスチャンネル付き微小流量制御装置の弁本体の概略説明図である。実施例におけるエントランスチャンネル付き微小流量制御装置における、流量調整スライダの軸方向変化に対する絞り溝の直径と流量との相関図である。特許文献１に記載されている従来の電動流量制御弁の縦断面図である。図２１の電動流量制御弁における弁本体の組立分解斜視図である。図２１の電動流量制御弁における弁本体の金属弁２２２に形成された絞り溝２２４の平面図である。従来型微小流量制御装置における弁本体の概略拡大説明図である。従来型微小流量制御装置における絞り溝の直径Ｄと流量との相関図である。

符号の説明

２微小流量制御装置
１０弁本体
１２流量調整スライダ
１４圧力板
１６コイルバネ
１８貯留部
２０ロッド
２２緩衝材
２３弁体
２４絞り溝
２４ａ始端
２４ｂ終端
２４ｅエントランスチャンネル
２４ｍメインチャンネル
２５開口断面
２６流入口
２８流出口
３０駆動体
３１円筒状部材
３２弁棒
３４押圧バネ
３６積層圧電体
３８固定部
６０ステップモータによる微小流量制御装置
７０弁本体
８０回転駆動体
８２マグネット
８４ロータ
８６マイクロネジ
８７軸受け台
８８ベアリング
９０ケース
１００電動コイル
１１０ニードル弁型微小流量制御装置
１１２挿通孔を有した孔状部材
１１２ａ外縁部
１１２ｅエントランス弁孔
１２３針弁（軸状部材）
１２３ａ先端
１２３ｂ基端
１２３ｅエントランスチャンネル
１２４絞り溝
１２４ａ始端
１２４ｂ終端
１２４ｅエントランスチャンネル
１２４ｍメインチャンネル
１２５環状間隙
２００電動流量制御弁
２０１ロータ組立体
２０２弁本体組立体
２０３マグネット
２０４ロータ
２０６コイル組立体
２０７弁室
２０８弁座
２０８ａ出口流路
２０９貫通孔
２１０弁体
２１０ｃ入口流路用溝部
２１２出口継手
２１４入口継手
２２２金属弁
２２４絞り溝
２２４ａ絞り溝の始端
２２５開口断面
Ａ断面積
Ａ^* 無次元断面積
Ｄ直径
Ｌ^* 無次元リフト
Ｌリフト
Ｌ_０メインチャンネルの全長
Ｌｅエントランスチャンネルの長さ
Ｌｑ流体の流路長
Ｑ流量
Ｑ^＊無次元流量
Ｑ^＊ _０開弁直後の無次元流量
Ｒ半径
Ｒ_Ａレンジャビリティ

Claims

流体を導入する流入路と、この流入路から導入された流体を始端から終端に向けて流動させる絞り溝と、この絞り溝を所望の位置まで密閉できる流量調整部材と、この流量調整部材により開口される前記絞り溝の所望断面積である流体流出口と、この流体流出口から流出する流体を導出する流出路から構成され、前記絞り溝は始端から終端に向けて断面積が減少するように形成され、この絞り溝の始端位置に先行して流動抵抗を発揮させるエントランスチャンネルを形成することを特徴とする微小流量制御装置。
前記エントランスチャンネルの断面積は一定に形成され、その断面積は前記絞り溝の始端断面積と等しく形成される請求項１に記載の微小流量制御装置。
前記エントランスチャンネルの断面積は流体の流動方向に増大するように形成され、しかも絞り溝の始端断面積に連続するように形成される請求項１に記載の微小流量制御装置。
前記絞り溝は弁体の平面に直線状又は略直線状に形成され、前記流量調整部材は前記平面上を摺接する流量調整スライダであり、弁体と流量調整スライダを相対移動自在に設けた請求項１、２又は３に記載の微小流量制御装置。
前記絞り溝は軸状部材の外周面に軸方向に形成され、前記流量調整部材は前記軸状部材の外周面に摺接する挿通孔を有した孔状部材であり、軸状部材と挿通孔を有した孔状部材を軸方向に相対移動自在に設けた請求項１、２又は３に記載の微小流量制御装置。
前記絞り溝は回転可能な弁体の平面に同心的に円弧状に形成され、前記流量調整部材は前記平面に回転摺接可能な流量調整スライダであり、弁体と流量調整スライダを相対回転移動自在に設けた請求項１、２又は３に記載の微小流量制御装置。
前記絞り溝の断面形状は半円形、半楕円形、三角形、矩形又は台形等の加工の可能な任意の形状で、前期絞り溝の深さが一定又は変化する形状である請求項１、２又は３に記載の微小流量制御装置。
前記流量調整スライダに加圧装置が付設され、流量調整スライダと弁体平面との接触圧を調節できる請求項４，６又は７に記載の微小流量制御装置。
流体を流通させる弁孔と、流体流出側となる前記弁孔の開口部から弁孔内に進退自在に挿入される弁棒と、前記弁孔開口縁と弁棒周面により形成される流体流出口となる環状開口部と、弁棒を弁孔内に進入させるに従って前記環状開口部の面積が減少する微小流量制御装置において、前記弁棒の先端に先端方向に向かって弁棒の断面積が等しいか増大するエントランス先端部を形成することを特徴とする微小流量制御装置。
流体を流通させる弁孔と、流体流入側となる前記弁孔の開口部から弁孔内に進退自在に挿入される弁棒と、この弁棒先端周縁と弁孔周面により形成される流体流出口となる環状開口部と、前記弁棒先端を弁孔内に進入させるに従って前記環状開口部の面積が減少する微小流量制御装置において、前記弁孔開口部に流体流入側に向かってエントランス部周りの流路開口部面積が等しいか減少するエントランス弁孔部を形成することを特徴とする微小流量制御装置。