JP2006233987A - 流体流量調整方法及び流体流量調整用バルブ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 超微小流量の制御に適した微細な流量制御が適正に行える流体流量調整方法を提供する。
【解決手段】 内空部２１で流体流路を構成する可撓性チューブ２を押圧部材３により半径方向から押圧して流体Ｍの流量を調整する流体流量調整方法であって、前記押圧部材３により前記チューブ２を半径方向から押圧して該チューブの横断面形状を偏平化させた際の流路高さＨの変化に伴う該チューブ２の開口面積Ｓの変化と、チューブ内壁面２ａ，２ｂと流体Ｍとの摩擦抵抗の変化との二つの要素に従って流体Ｍの流量調整を行う。
【選択図】 図３

Description

この発明は、例えば半導体製造、バイオ、医療、食品製造などの各種産業分野における各種流体の輸送配管などに適用され、とくに超微小流量の制御に適した流体流量調整方法ならびに流体流量調整用バルブ装置に関する。

一般に、流体流量調整用バルブ装置では、流路の開口面積の変化を流量調整の手段として用いている。例えば半導体製造分野などで使用される流体調整用バルブ装置としては、いわゆるピンチバルブが知られている。従来のピンチバルブとして、本体上に収容されて、流体流路となる弾性チューブの上方に、ハンドル操作で下降変移可能な挟圧体を配置し、挟圧体を下降させないときは、チューブが変形せず、流路が全開となり、ハンドル操作で挟圧体を最下降位置まで変移させると、チューブの横断面形状が一の字形となって流路が全閉するようにしたものが知られている（例えば、特開２００３−１７２４６４号公報（特許文献１）参照）。
特開２００３−１７２４６４号公報

ところが、上記した従来のバルブ装置では、あくまでも流路の開口面積の変化を流量調整手段としているだけであり、チューブを押圧しないバルブ全開状態からチューブに対する最大押し込み量でのバルブ全閉状態までの間で、チューブの内壁面と流体との摩擦抵抗を考慮したものではなく、単に開閉バルブ程度の機能しか発揮できなかった。つまり、バルブ全開状態からバルブ全閉状態までの間での微妙な流量調整はできず、従って、超微細流量の制御には対応しにくいという難点があった。

この発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、超微小流量の制御に適した微細な流量制御が適正に行える流体流量調整方法ならびに流体流量調整用バルブ装置を提供することを課題としている。

上記課題を解決するために、本発明者は、ピンチバルブの改善について鋭意検討するなかで、チューブを半径方向から押圧して横断面形状が略長方形のような偏平状に変形できるように構成した場合に、偏平流路の長さを適切に選ぶことにより、偏平流路の入口と出口における圧力損失に比して、その間の偏平流路内壁面と流体の摩擦による圧力損失が十分大きくなるように設計することができ、流量の小さな領域において、弁特性が摩擦圧力損失によって支配されることを見出し、本発明を完成するに到った。

前記摩擦圧力損失支配の関係がもたらす利点は、極めて微小な流量の領域が偏平流路の高さが比較的大きな領域で実現されることであり、この特性は超微小流量を調節するとき、格段の効果が発揮される。

このことから、上記課題は、以下の手段によって解決されるものである。
本発明の第１の形態は、内空部で流体流路を構成する可撓性チューブを押圧部材により半径方向から押圧して流体の流量を調整する流体流量調整方法であって、前記押圧部材により前記チューブを半径方向から押圧して該チューブの横断面形状を偏平化させた際の流路高さの変化に伴う偏平流路の入口と出口における圧力損失の変化と、その間の偏平流路内壁面と流体との摩擦による圧力損失の変化との二つの要素に従って流体の流量調整を行う流体流量調整方法である。

本発明の第２の形態は、前記第１の形態において、前記押圧部材が、前記チューブの管軸方向で一定の長さを有している流体流量調整方法である。

本発明の第３の形態は、前記第２の形態において、前記押圧部材におけるチューブ押圧面が、偏平化された際のチューブの横断面形状が略長方形に変形するように、平面状に形成されている流体流量調整方法である。

本発明の第４の形態は、内空部で流体流路を構成する前記可撓性チューブと、前記チューブを半径方向から押圧して該チューブの横断面形状が偏平状になるように変形させることが可能な押圧部材と、前記押圧部材を前記チューブの半径方向に変移させる押圧部材用駆動手段と、前記チューブが偏平化された際の流路高さの変化に伴う偏平流路の入口と出口における圧力損失の変化と、その間の偏平流路内壁面と流体との摩擦による圧力損失の変化との二つの要素に従って流体の流量調整行う制御手段とを備えている流体流量調整用バルブ装置である。

本発明の第５の形態は、前記第４の形態において、前記押圧部材が、前記チューブの管軸方向で一定の長さを有している流体流量調整バルブ装置である。

本発明の第１の形態によれば、押圧部材が可撓性チューブを押圧しない時は、該チューブの開口面積が最大でバルブ全開状態となり、押圧部材が可撓性チューブを押圧して偏平状に変形させ、最大押し込み量になると、前記チューブの開口面積がゼロとなり、バルブ全閉状態となる。前記押圧部材の長さを適切に選ぶことにより、可撓性チューブの横断面形状を偏平化させてバルブ全閉状態に近づく過程において、偏平流路の入口と出口における圧力損失に比して、その間の偏平流路内壁面と流体との摩擦による圧力損失を十分に大きくすることができる。つまり、弁特性が摩擦圧力損失によって支配される。この摩擦圧力損失支配の関係がもたらす利点として、偏平流路の高さが比較的大きな領域において極めて微小な流量を流通させることができ、微小流量の微妙な調整が容易に達成される。

本発明の第２の形態によれば、押圧部材で押圧されたチューブが該押圧部材の長さに対応して管軸方向で一定の長さ分が変形されるから、偏平流路内壁面と流体との摩擦による圧力損失の変化が一層大きくなり、流体を一層微細に調整することができる。

本発明の第３の形態によれば、押圧部材の押圧面が平面であるから、チューブが該押圧部材で押されて扁平化した場合、横断面形状が略長方形となり、押圧部材の幅方向の全域で流路高さが同じになるとともに、摩擦による圧力損失の変化もその幅方向全域で一様な状態となる。

本発明の第４の形態によれば、押圧部材が可撓性チューブを押圧しない時は、該チューブの開口面積が最大でバルブ全開状態となり、押圧部材が可撓性チューブを押圧して偏平状に変形させ、最大押し込み量になると、前記チューブの開口面積がゼロとなり、バルブ全閉状態となる。前記チューブが偏平化されてバルブ全閉状態に近づくほど、流路高さが小さくなって偏平流路の入口と出口における圧力損失が急速に小さくなる一方、その間の偏平流路の対向する内壁面が近づくことにより摩擦による圧力損失の変化が急速に増大（流速が低下）する。従って、偏平流路の入口と出口における圧力損失の要素に摩擦による圧力損失の変化の要素が加わり、流体の微妙な調整が容易に達成される。

本発明の第５の形態によれば、押圧部材で押圧されたチューブが該押圧部材の長さに対応して管軸方向で一定の長さ分が変形されるから、前記偏平流路内壁面と流体との摩擦による圧力損失の変化が一層大きくなり、流体を一層微細に調整することができる。

以下、この発明の実施形態を図面に従って説明する。
図１は、この発明の実施形態にかかる流体流量調整方法を運用するための流体流量調整用バルブ装置を示す正面図、図２は、図１のＸ−Ｘ線に沿った断面図である。図１および図２において、この流体流量調整用バルブ装置は、チューブ受け台１と、前記可撓性チューブ２と、前記可撓性チューブ２に対する押圧部材３と、押圧部材用駆動装置４と、制御部５とを備えている。

前記チューブ受け台１には、可撓性チューブ２の管軸方向（流体Ｍの流れに沿った方向）へ沿ったチューブ支持用凹所１１が形成されており、可撓性チューブ２は、この凹所１１内を通過させてある。この凹所１１は、押圧部材３で押圧される際の可撓性チューブ２の位置ずれを防止したり、前記押圧部材３の上下方向の変移をガイドする役目を有している。勿論、この凹所１１の限らず、他の位置決め／ガイド部材を設けることも可能であり、また、これら凹所１１などの位置決め／ガイド部材を省いた構成も可能である。

前記可撓性チューブ２は、その内空部２１で流体Ｍの流路を構成するものであり、前記押圧部材３の押圧力を受けて適正に弾性変形できる材質と繰り返し変形に耐えることが可能な強度を有しておればよく、ここでは、超微小流量の制御用として、例えば合成樹脂などから外径が約３．７５ｍｍ、内径が約１．２５ｍｍに成形されている。前記押圧部材３は、前記凹所１１内で前記可撓性チューブ２を半径方向（ここでは、上下方向）から押圧するものであり、その下面３ａがチューブ押圧面として設定されており、前記凹所１１内において上下方向へ変移可能に配設されている。

この押圧部材３の最上昇位置（図１、図２）では、可撓性チューブ２に対して押し込み量がゼロであり、これはバルブ全開状態となる。また、押圧部材３の最下降位置では、可撓性チューブ２に対して最大押し込み量であり、これはバルブ全閉状態となる（図５）。

この押圧部材３は、前記バルブ全開状態から可撓性チューブ２を押圧して図３および図４に示すように、偏平状に弾性変形させるために、前記バルブ全開状態から全閉状態までのどの状態の押し込み位置でも該チューブ２を十分横断している程度の幅寸法（図１）Ｗを有し、また、チューブ２の管軸方向では、所定の長さ寸法（図２，図３）Ｌを有する板体で構成されている。なお、前記押圧部材３の押圧面３ａの形状は任意であるが、この例では、偏平化された際のチューブ２の横断面形状が略長方形に変形するように、平面状に形成されている。

前記押圧部材用駆動装置４は、押圧部材３を微小変移させるために、例えば圧電素子が使用されており、例えばそのアクチュエータ部４Ａの下端４ａに前記押圧部材３が周知の連結／接合手段により連結／接合されている。勿論、駆動装置４は、圧電素子に限らず、小型シリンダ装置やモータによる昇降機構などを採用することも可能である。

前記制御部５は、前記可撓性チューブ２が偏平化された際の流路２１の偏平高さＨの変化に伴う偏平流路の入口と出口における圧力損失の変化と、その間の偏平流路内壁面と流体との摩擦による圧力損失の変化との２つの要素を、チューブ２の開口面積Ｓの変化と、前記流路高さ方向で対向するチューブ内壁面２ａ、２ｂと流体Ｍとの摩擦抵抗の変化との２つの要素として周知の手段で検出させ、その検出結果、つまり、チューブの開口面積Ｓの変化と、偏平化されたチューブ２の対向する内壁面２ａ，２ｂと流体Ｍとの間の摩擦抵抗の変化とに従って前記押圧部材３の変移を制御して流体の流量調整を行うようになっている。なお、この制御部５は、例えばパーソナルコンピュータからなる。

つぎに、前記流体流量調整バルブ装置による流体流量調整方法について説明する。前記押圧部材３の最上昇位置では、可撓性チューブ２に対する押し込み量がゼロであり、バルブ全開状態である。駆動装置４により押圧部材３を下降変移させると、該押圧部材３で前記チューブ２が半径方向（ここでは上方）から押圧されて弾性変形しはじめる。押圧部材３による押し込み量が増すと、チューブ２は、横断面形状が偏平状に弾性変形する。

前記押圧部材３の最大押し込み位置では、チューブ２が図５に示すように、完全に潰れたように弾性変形し、その横断面形状が一の字状になる。つまり、チューブ２の開口面積Ｓがゼロになり、バルブ全閉状態になる。前記チューブ２は、横断面形状が偏平状に変形した前記流路２１の高さ（図４）Ｈが小さくなって前記全閉状態に限りなく近づくと、可撓性チューブ２の開口面積Ｓが指数関数的に減少していく一方、チューブ２における流路高さＨが小さくなって対向する内壁面２ａ，２ｂと流体Ｍとの摩擦抵抗が指数関数的に上昇する。

前記制御部５では、前記チューブ２の開口面積Ｓと摩擦抵抗との二つの要素に従って所望の流量になるように前記駆動装置４を介して押圧部材３の変移を制御するから、これにより、超微小流量においての流量調整を的確に調整することが可能となった。

なお、押圧部材３におけるチューブ押圧面３ａは、平面にこだわらないが、この例のように、平面にしてあると、チューブ２を押圧して偏平化した場合、チューブ２の横断面形状が略長方形になる。つまり、押圧部材３の幅Ｗ全域での流路高さＨが同じになり、また、摩擦抵抗も押圧部材３の幅Ｗ全域で均一になる。

ここで、流体Ｍとしての水を使用し、押圧部材３として、チューブ２を横断する方向の幅Ｗが２ｍｍで、管軸方向の長さＬが１０ｍｍの板体を配置し、微小流量制御を行う実験を行った。この実験により得られた可撓性チューブ２における流路高さＨと流量との特性は図６に示す。図６から明らかなように、横断面形状が偏平状に変形した可撓性チューブ２の流路２１の高さＨの変化と、可撓性チューブ２における摩擦抵抗の変化からバルブ全閉状態に近づくにつれて、流量が急激に小さくなることが分かった。

また、前記押圧部材３として、管軸方向の長さＬが１０ｍｍ、２０ｍｍ、４０ｍｍ、６０ｍｍのものの４個を用意して、前記と同様に実験を行った。この実験により得られた可撓性チューブ２における流路高さＨと流量との特性は図７に示す。図７から明らかなように、押圧部材３の管軸方向の長さＬが長いもの程、流路高さＨの変化に伴う流量変化が大きくなり、流量調整が微細に制御できることが分かった。

ところで、この例では、押圧部材３の長さＬが一番小さいものが１０ｍｍであったが、これよりも小さい押圧部材３であっても、前記可撓性チューブ２を偏平化した際に前記開口面積Ｓの変化と前記摩擦抵抗の変化との２つの要素から、バルブ全開状態からバルブ全閉状態の間で流量を微妙に制御できる。

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・設計変更などをその技術的範囲内に包含することは云うまでもない。

本発明に係る流体流量調整方法及び流体流量調整用バルブ装置によれば、偏平流路の高さが比較的大きな領域において極めて微小な流量を流通させることができ、微小流量の高精度な調整を容易に行うことができる。従って、本発明は、半導体製造、バイオ、医療、食品製造などの各種産業分野における各種流体の輸送配管などに適用され、超微小流量の制御に適した流体流量調整方法及び流体流量調整用バルブ装置として用いることができる。

この発明の実施形態にかかる流体流量調整方法を運用するための流体流量調整用バルブ装置を示す正面図である。 図１のＸ−Ｘ線に沿った断面図である。 押圧部材で可撓性チューブを押圧して偏平化した状態を示す断面図である。 図３のＹ−Ｙ線に沿った断面図である。 押圧部材で可撓性チューブを押圧してバルブ全閉にした状態の断面図である。 一定の長さの押圧部材を使用して実測した流量と可撓性チューブの流路高さとの関係を示す特性図である。 押圧部材の長さを変えてそれぞれ実測した流量と可撓性チューブの流路高さとの関係を示す特性図である。

符号の説明

２ 可撓性チュ−ブ
２ａ 可撓性チュ−ブの内壁面
２ｂ 可撓性チュ−ブの内壁面
３ 押圧部材
３ａ チューブ押圧面
４ 駆動手段
５ 制御手段
２１ 流路（チューブ内空部）
Ｈ 流路高さ
Ｌ 押圧部材の長さ
Ｍ 流体
Ｓ 可撓性チュ−ブの開口面積

Claims (5)

1. 内空部で流体流路を構成する可撓性チューブを押圧部材により半径方向から押圧して流体の流量を調整する流体流量調整方法であって、
   前記押圧部材により前記チューブを半径方向から押圧して該チューブの横断面形状を偏平化させた際の流路高さの変化に伴う偏平流路の入口と出口における圧力損失の変化と、その間の偏平流路内壁面と流体との摩擦による圧力損失の変化との二つの要素に従って流体の流量調整を行うことを特徴とする流体流量調整方法。
2. 前記押圧部材は、前記チューブの管軸方向で一定の長さを有している請求項１に記載の流体流量調整方法。
3. 前記押圧部材におけるチューブ押圧面は、偏平化された際のチューブの横断面形状が略長方形に変形するように、平面状に形成されている請求項２に記載の流体流量調整方法。
4. 内空部で流体流路を構成する前記可撓性チューブと、
   前記チューブを半径方向から押圧して該チューブの横断面形状が偏平状になるように変形させることが可能な押圧部材と、
   前記押圧部材を前記チューブの半径方向に変移させる押圧部材用駆動手段と、
   前記チューブが偏平化された際の流路高さの変化に伴う偏平流路の入口と出口における圧力損失の変化と、その間の偏平流路内壁面と流体との摩擦による圧力損失の変化との二つの要素に従って流体の流量調整行う制御手段と、
   を備えていることを特徴とする流体流量調整用バルブ装置。
5. 前記押圧部材は、前記チューブの管軸方向で一定の長さを有している請求項４に記載の流体流量調整バルブ装置。

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