JP2007064290A - 熱動弁 - Google Patents

Abstract

【課題】 通電を継続することなく弁体の開放状態を保持することが可能であると供に小型化及び高信頼性化が可能な熱動弁を提供する。
【解決手段】 所定の主流路と、該主流路を開/閉する弁体と、外部からの通電に基づいて弁体を駆動すると共に熱によって弁体の駆動状態を維持するアクチュエータと、外部から供給される熱エネルギによってアクチュエータを加熱することにより弁体の駆動状態を保持する保持手段とを具備する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、熱動弁に関する。

例えば特開２００４−１９７８６８号公報には、通電を継続することなく弁体の開放状態を保持することが可能な熱動弁が開示されている。この熱動弁は、通電加熱による変形機構１７の変形によって開放状態とされた弁体１６を、保持機構１８を用いて機械的に保持することによって開放状態を維持するものであり、弁体１６の開放状態を保持するために変形機構１７への通電を不必要とすることにより、消費電力を低減するものである。
上記保持機構１８は、保持部材３３が上方に移動しながら作動軸３１の円周方向に回転させることにより各係合片４５を係止突起４２の係止溝４４に係入した第２位置Ｐ２から第１位置Ｐ１に切替え配置することにより、弁体１６を開放状態に保持するものである。
特開２００４−１９７８６８号公報

ところで、上記従来の熱動弁では、通電を継続することなく弁体の開放状態を保持することは可能であるものの、弁体の開放状態を保持するための構造が機械的に複雑な構造をしており、したがって小型化が困難であると供に信頼性を向上させることことが困難である。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、通電を継続することなく弁体の開放状態を保持することが可能であると供に小型化及び高信頼性化が可能な熱動弁を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、第１の解決手段として、所定の主流路と、該主流路を開/閉する弁体と、外部からの通電に基づいて前記弁体を駆動すると共に熱によって前記弁体の駆動状態を維持するアクチュエータと、外部から供給される熱エネルギによって前記アクチュエータを加熱することにより弁体の駆動状態を保持する保持手段とを具備する、という手段を採用する。

第２の解決手段として、上記第１の手段において、保持手段は、主流路を流れる流体を加熱することによりアクチュエータを加熱する、という手段を採用する。

第３の解決手段として、上記第２の手段において、保持手段は、主流路に設けられ、当該主流路の流体と発熱体から得られる排熱とを熱交換することにより主流路の流体を加熱する熱交換器である、という手段を採用する。

第４の解決手段として、上記第１〜第３いずれかの手段において、低温流体によって弁体を冷却することにより弁体の保持状態を解除する保持解除手段をさらに備える、という手段を採用する。

第５の解決手段として、上記第４の手段において、保持解除手段は、主流路から分岐した分岐流路を開/閉する第２の弁体と、外部からの通電に基づいて前記第２の弁体を駆動する第２のアクチュエータと、前記分岐流路を流れる流体で弁体を冷却する冷却手段とを具備する、という手段を採用する。

第６の解決手段として、上記第５の手段において、流体の流動方向において主流路と分岐流路との分岐点の下流側かつ弁体の上流側に設けられ、主流路を開/閉する第３の弁体と、外部からの通電に基づいて前記第３の弁体を駆動する第３のアクチュエータと、をさらに備える、という手段を採用する。

第７の解決手段として、上記第１〜第６いずれかの手段において、弁体は主流路の一部を構成する開口の両側に一対設けられる、という手段を採用する。

第８の解決手段として、上記第１〜第７いずれかの手段において、アクチュエータは、通電発熱による変形によって弁体を駆動する形状記憶合金である、という手段を採用する。

第９の解決手段として、上記第８の手段において、アクチュエータは、バネ状に形成され、保持手段による加熱によって収縮あるいは伸張することにより弁体の駆動状態を保持する、という手段を採用する。

第１０の解決手段として、上記第１〜第９いずれかの手段において、弁体がバイメタルであり、アクチュエータは前記バイメタルを加熱するヒータである、という手段を採用する。

第１１の解決手段として、上記第１〜第９いずれかの手段において、弁体及びアクチュエータはバイメタルである、という手段を採用する。

第１２の解決手段として、上記第１〜第１１いずれかの手段において、弁体を付勢する弾性手段が弁体に付設される、という手段を採用する。

第１３の解決手段として、上記第１〜第１２いずれかの手段において、所定の加工が施された層材料を積層することにより、少なくとも主流路と弁体とが形成される、という手段を採用する。

本発明によれば、熱によって弁体の駆動状態を維持するアクチュエータを、外部から供給される熱エネルギによって加熱することにより弁体の開/閉状態を保持する保持手段を備えるので、簡単な構成で弁体の開/閉状態を保持する。したがって、熱動弁の小型化及び高信頼性化を図ることが容易である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係わる熱動弁Ａの外形を示す斜視図、また図２は熱動弁Ａの分解斜視図である。

熱動弁Ａは、図２に示すように、弁装置として必要な構成要素（弁体、アクチュエータ及び各種流路等）を内部に配置・形成するための加工が施された層部材Ｌ1〜Ｌ7を積層して構成されており、その外形サイズは、図１に示すように縦が３０ｍｍ、横が２０ｍｍ、高さが約１０ｍｍと極めて小型に形成されている。７つの層部材Ｌ1〜Ｌ7のうち、層部材Ｌ1は基板部材、層部材Ｌ2及びＬ6はガスケット、層部材Ｌ3は終了用熱交換部材、層部材Ｌ4は弁体用部材、層部材Ｌ5は主流路用部材、層部材Ｌ7は保持用熱交換部材である。

このような熱動弁Ａは、主流路用部材Ｌ5に形成された流入口ａ1と基板部材Ｌ1に形成された流出口ａ2とを備えている。これら流入口ａ1と流出口ａ2とは、通過規正の対象流体である主流体（気体あるいは液体）の出入り口であり、主流体が通過する主流路の一部を構成するものである。また、この熱動弁Ａは、図１に示すように外部駆動源である熱源Ｂ及び電源Ｃによって駆動されるようになっており、熱源Ｂから供給される加熱用流体の流入口ａ3と当該加熱用流体の流出口ａ4とが保持用熱交換部材Ｌ7に形成されている。熱源Ｂは、例えば上記主流体の供給を受けて動作する発熱機器であり、排熱（熱エネルギ）を加熱用流体として流入口ａ3に供給する。なお、詳細は後述するが、電源Ｃは所定電圧の直流電源であり、後述する弁体を通電駆動するためのものである。

続いて、図３は、本熱動弁Ａの内部構造を示す縦断面図である。なお、この図３では、便宜上ガスケットＬ2，Ｌ6を省略している。
この図３において、主流体について示される矢印は主流路a5を示している。この主流路a5は、図示するように上記流入口ａ1と流出口ａ2とを連通させる主流体の通過路であり、途中部位に主弁体ａ6が設けられている。主弁体ａ6は、上記電源Ｃによって駆動されることによって、終了用熱交換部材Ｌ3に形成されると共に主流路a5の一部を構成する開口ａ7を開／閉する。

主流路a5において上記主弁体ａ6の上流側には、主流路ａ5から分岐する分岐流路ａ8が形成されており、当該分岐流路ａ8と主流路ａ5との分岐点には分岐流路ａ8を開/閉する終了弁体ａ9（第２の弁体）が設けられている。この終了弁体ａ9は、上記電源Ｃによって駆動されることによって、終了用熱交換部材Ｌ3に形成されると共に分岐流路ａ8の一部を構成する開口ａ10を開／閉する。

また、主流路a5において、上記分岐点と主弁体ａ6との間には、保持用熱交換部材Ｌ7によって構成される加熱用熱交換器ａ11が設けられている。この加熱用熱交換器ａ11は、本実施形態における保持手段であり、上記主流路ａ5と、当該主流路ａ5に対向配置されると共に上記流入口ａ3と流出口ａ4とを連通させる加熱用流路ａ12とから構成されている。このような加熱用熱交換器ａ11は、主流体を加熱用流体との熱交換によって加熱するものである。また、終了用熱交換部材Ｌ3における分岐流路は、主弁体ａ6と対峙して設けられており、当該主弁体ａ6を冷却するための冷却用熱交換器ａ13を構成している。この冷却用熱交換器ａ13は、終了弁体ａ9と共に保持解除手段を構成している。

続いて、主弁体ａ6及び終了弁体ａ9の詳細構造について、図４を参照して説明する。主弁体ａ6及び終了弁体ａ9は、図３に示すように弁体用部材Ｌ4によって形成されているが、詳細には変形することによって各々の流路を開閉する弁本体ａ14と当該弁本体ａ14の片面に一体に設けられたアクチュエータａ15とによって構成されている。アクチュエータａ15は、例えば図４に示すようにワイヤー状の形状記憶合金（ワイヤー状形状記憶合金）であり、上記電源Ｃからの給電によって発熱変形することによって弁本体ａ14を駆動する。すなわち、アクチュエータａ15は、通電が遮断されている状態では形状記憶合金が規定形状となって弁本体ａ14を変形させることなく流路を閉じる一方、通電が開始されると形状記憶合金が発熱して収縮することにより弁本体ａ14を湾曲させて流路を開く。

また、図５は、上記アクチュエータａ15の変形例を示す図である。この変形例に係るアクチュエータａ15は、上述したワイヤー状形状記憶合金ではなく、図示するようにコイル状の形状記憶合金（コイル状形状記憶合金）であり、一端が弁本体ａ14に、他端が当該弁本体ａ14に対峙する主流路用部材Ｌ5の壁面に接続されている。このようなコイル状形状記憶合金は、通電が遮断されている状態では規定形状つまり伸張状態となって弁本体ａ14を変形させることなく流路を閉じる一方、通電が開始されると発熱して収縮することにより弁本体ａ14を湾曲させて流路を開く。

図６は、上記主弁体ａ6及び終了弁体ａ9の別の構成例を示す図である。この構成例は、主弁体ａ6及び終了弁体ａ9を２枚の異種金属と貼り合わせたバイメタルを利用して構成するものである。図６（ａ）に示す構成例は、主弁体ａ6及び終了弁体ａ9をバイメタルのみで構成するものであり、バイメタルへの通電／非通電を切替えることによってバイメタルを湾曲状態あるいは規定の平坦状態に切替えて流路を開閉するものである。一方、図６（ｂ）に示す構成例は、弁本体ａ14をバイメタルで構成し、アクチュエータａ15をバイメタルの片面に貼り付けられたヒータによって構成するものであり、ヒータへの通電／非通電を切替えることによってバイメタルを湾曲状態あるいは規定の平坦状態に切替えて流路を開閉するものである。

図７及び図８は、上記主弁体ａ6及び終了弁体ａ9のさらなる変形例を示すものである。図７の変形例は、主弁体ａ6あるいは終了弁体ａ9を付勢する圧縮バネａ16（弾性手段）を各々追加装備したものである。各圧縮バネａ16は、一端が主弁体ａ6あるいは終了弁体ａ9に接続され、他端が主弁体ａ6、終了弁体ａ9に各々対峙する主流路用部材Ｌ5の壁面に各々接続されている。これら圧縮バネａ16は、主弁体ａ6が主流路ａ5を閉じている状態において、主弁体ａ6を終了用熱交換部材Ｌ3に押し付けるので、開口ａ7を確実に閉塞させることができ、また終了弁体ａ9が分岐流路ａ8を閉じている状態において、終了弁体ａ9を終了用熱交換部材Ｌ3に押し付けるので、開口ａ10を確実に閉塞させることができる。

一方、図８の変形例は、上記主弁体ａ6及び終了弁体ａ9を開口ａ7及び開口ａ10の両端に設けるものである。このような変形例では、開口ａ7及び開口ａ10の両端の差圧が大きい場合において開口ａ7及び開口ａ10を確実に閉塞させることができる。

次に、図９及び図１０を参照して、このように構成された熱動弁Ａの動作について詳しく説明する。
主弁体ａ6は、規定状態において主流路ａ5を閉じる、つまり開口ａ7を閉塞させるが、電源Ｃからの通電が開始されると、アクチュエータａ15によって湾曲変形させられて主流路ａ5を開状態とする。この結果、主流路ａ5には主流体が流入口ａ1から流出口ａ2に向けて流れる。

このようにして主流路が開放されると、主流体の供給を受けた熱源Ｂは動作を開始して加熱用流体を加熱用流路ａ12に供給する。この結果、加熱用熱交換器ａ11における加熱用流体と主流体との熱交換によって主流体が主弁体ａ6の湾曲状態を保持し得る温度（保持温度）まで加熱される。すなわち、加熱用流体の温度及び加熱用熱交換器ａ11の熱交換性能は、主流体を上記保持温度まで加熱できるように設定されているので、主弁体ａ6の上流において主流体が保持温度まで加熱されることにより、主弁体ａ6は、電源Ｃからの通電が停止しても、湾曲状態つまり開状態を維持する。

換言すると、加熱用熱交換器ａ11は、電源Ｃからの通電が停止しても、主弁体ａ6の湾曲状態つまり主流路の開状態を保持させる保持手段として機能する。熱動弁Ａは、このような保持手段を具備しているので、電源Ｃのアクチュエータａ15への通電による電力消費を抑制することができると共に、保持手段が加熱用熱交換器ａ11という極めて簡単な構造で構成されているので、小型化かつ高信頼性化が可能である。

続いて、このようにして開状態が保持されている主流路を閉じる動作について、図１０を参照して説明する。
主流路を閉じるためには、電源Ｃから終了弁体ａ9に通電を行う。この通電によって終了弁体ａ9が閉状態から開状態に移行し、この結果、分岐流路における主流体の流通が開始される。そして、この分岐流路の主流体は、冷却用熱交換器ａ13の作用により主弁体ａ6を冷却する。主弁体ａ6は、加熱用熱交換器ａ11の作用により湾曲状態つまり主流路ａ5の開放状態を保持していたが、冷却用熱交換器ａ13の作用により、加熱用熱交換器ａ11によって加熱されていない主流体によって冷却され、この結果、主流路ａ5の開放状態を保持し得なくなり、規定の形状に戻って主流路ａ5を閉塞する。

また、主流路をより確実に閉じるための構成として、図１１に示す構成例が考えられる。すなわち、この構成例は、上記加熱用熱交換器ａ11の上流かつ主流路と分岐流路の分岐点に主流路を開閉する第２の終了弁体ａ17を備えたものである。この第２の終了弁体ａ17は、上述した主弁体ａ6及び終了弁体ａ9と同様に弁本体ａ14（第３の弁体）とアクチュエータａ15（第３のアクチュエータ）とから構成されたものであり、ノーマリＯＮ型、つまり通電しない状態では図１１（ａ）に示すように湾曲して主流路を開状態とするが、電源Ｃからの通電によって図１１（ｂ）に示すように主流路を閉じるものである。このような第２の終了弁体ａ17への通電と共に終了弁体ａ9への通電を行うことにより、主流路が閉じると共に分岐流路が開放される。したがって、主流体が全て分岐流路に流れるので、冷却用熱交換器ａ13によって主弁体ａ6が確実に冷却され、もって主弁体ａ6が確実に閉状態となる。

このような本実施形態によれば、熱源Ｂから供給される加熱用流体によって主弁体ａ6の開状態を維持するアクチュエータａ15と、上記加熱用流体によってアクチュエータａ15を加熱することにより主弁体ａ6の開状態を保持する加熱用熱交換器ａ11とを備えるので、主弁体ａ6の開状態を保持するための構成が簡単であり、よって熱動弁Ａの小型化及び高信頼性化が極めて容易である。特に、本熱動弁Ａでは、上記アクチュエータａ15と加熱用熱交換器ａ11とを採用することにより、縦３０ｍｍ、横２０ｍｍ、高さ約１０ｍｍという小型化を実現することが可能であると共に高信頼性を実現している。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような構成が考えられる。
（１）上記実施形態では、加熱用熱交換器ａ11を保持手段とすることにより簡単な構成で主弁体ａ6の開状態を保持するようにした。この加熱用熱交換器ａ11は保持手段として最も構成が簡単で小型化が容易なものとして採用したのであって、本発明における保持手段は、外部から供給される熱エネルギを用いて主弁体ａ6の開状態を保持し得るものであれば何でも良く、加熱用熱交換器ａ11に限定されるものではない。

（２）また、上記実施形態では、熱動弁Ａから主流体の供給を受けて動作する発熱機器を外部の熱源Ｂとし、当該発熱機器の排熱を主弁体ａ6の開状態の保持に利用するものであるが、熱エネルギとしては、このような発熱機器の排熱に限定されない。排熱を利用することによって主弁体ａ6の開状態の保持に要するエネルギ・コストを低減することが可能となるが、エネルギ・コストを考慮する必要がないアプリケーションの場合には、排熱以外の熱エネルギを用いても良い。

（３）上記実施形態では、アクチュエータとして形状記憶合金、バイメタルあるいはヒータを用いたが、本発明のアクチュエータは、これに限定されるものでない。熱エネルギーによって駆動されるものであれば、他の手段であっても良い。
（４）上記実施形態では、保持解除手段として冷却用熱交換器ａ13を用いたが、本発明の保持解除手段はこれに限定されるものでない。

本発明の一実施形態に係わる熱動弁の外形を示す斜視図である。 本発明の一実施形態に係わる熱動弁の基本構造を示す分解斜視図である。 本発明の一実施形態に係わる熱動弁の内部構造を示す縦断面図である。 本発明の一実施形態に係わる熱動弁において、主弁体ａ6及び終了弁体ａ9の詳細構造を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係わる熱動弁において、アクチュエータａ14の変形例を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係わる熱動弁において、主弁体ａ6及び終了弁体ａ9の別の構成例を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係わる熱動弁において、主弁体ａ6及び終了弁体ａ9のさらなる変形例を示す第1の模式図である。 本発明の一実施形態に係わる熱動弁において、主弁体ａ6及び終了弁体ａ9のさらなる変形例を示す第２の模式図である。 本発明の一実施形態に係わる熱動弁において、主流路の開動作を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係わる熱動弁において、主流路の閉動作を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係わる熱動弁において、主流路をより確実に閉じるための構成例を示す模式図である

符号の説明

Ｌ1〜Ｌ7…層部材、ａ1，ａ3…流入口、ａ2，ａ4…流出口、a5…主流路、ａ6…主弁体、ａ7，ａ10…開口、ａ8…分岐流路、ａ9…終了弁体、ａ11…加熱用熱交換器、ａ12…加熱用流路、ａ13…冷却用熱交換器、ａ14…弁本体、ａ15…アクチュエータ、ａ16…圧縮バネ、ａ17…第２の終了弁体

Claims (13)

1. 所定の主流路と、
   該主流路を開/閉する弁体と、
   外部からの通電に基づいて前記弁体を駆動すると共に熱によって前記弁体の駆動状態を維持するアクチュエータと、
   外部から供給される熱エネルギによって前記アクチュエータを加熱することにより弁体の駆動状態を保持する保持手段と
   を具備することを特徴とする熱動弁。
2. 保持手段は、主流路を流れる流体を加熱することによりアクチュエータを加熱することを特徴とする請求項１記載の熱動弁。
3. 保持手段は、主流路に設けられ、当該主流路の流体と発熱体から得られる排熱とを熱交換することにより主流路の流体を加熱する熱交換器であることを特徴とする請求項２記載の熱動弁。
4. 低温流体によって弁体を冷却することにより弁体の保持状態を解除する保持解除手段をさらに備えることを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載の熱動弁。
5. 保持解除手段は、
   主流路から分岐した分岐流路を開/閉する第２の弁体と、
   外部からの通電に基づいて前記第２の弁体を駆動する第２のアクチュエータと、
   前記分岐流路を流れる流体で弁体を冷却する冷却手段と
   を具備することを特徴とする請求項４記載の熱動弁。
6. 流体の流動方向において、主流路と分岐流路との分岐点の下流側かつ弁体の上流側に設けられ、主流路を開/閉する第３の弁体と、
   外部からの通電に基づいて前記第３の弁体を駆動する第３のアクチュエータと、
   をさらに備えることを特徴とする請求項５記載の熱動弁。
7. 弁体は主流路の一部を構成する開口の両側に一対設けられることを特徴とする請求項１〜６いずれかに記載の熱動弁。
8. アクチュエータは、通電発熱による変形によって弁体を駆動する形状記憶合金であることを特徴とする請求項１〜７いずれかに記載の熱動弁。
9. アクチュエータは、バネ状に形成され、保持手段による加熱によって収縮あるいは伸張することにより弁体の駆動状態を保持することを特徴とする請求項８記載の熱動弁。
10. 弁体がバイメタルであり、アクチュエータは前記バイメタルを加熱するヒータであることを特徴とする請求項１〜９いずれかに記載の熱動弁。
11. 弁体及びアクチュエータはバイメタルであることを特徴とする請求項１〜９いずれかに記載の熱動弁。
12. 弁体を付勢する弾性手段が弁体に付設されることを特徴とする請求項１〜１１いずれかに記載の熱動弁。
13. 所定の加工が施された層材料を積層することにより、少なくとも主流路と弁体とが形成されることを特徴とする請求項１〜１２いずれかに記載の熱動弁。

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