JP2007192269A - 圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 弁室7a′及び弁座7cを形成したボディ7と、弁室7a′内に配設され、弁座7cに当離座する金属ダイヤフラム8と、ボディ7側に固定されたアクチュエータボックス10と、アクチュエータボックス10内に配設され、電圧の印加により下方へ伸長して金属ダイヤフラム押え12を介して金属ダイヤフラム8を押圧する圧電素子13と、金属ダイヤフラム8が弁座7cへ当座したときに圧電素子13の伸長を吸収すると共に、弁座7c等へ所定の押圧力を印加する皿バネ機構14と、圧電素子13に常時上向きの圧縮力を加えると共に、圧電素子13に加わる圧縮力を外部から調整可能な予圧機構21とから構成する。
【選択図】 図2
Description
図6は制御弁のシート部への負荷と圧電素子に印加する電圧との関係をグラフ化したものであり、図6のグラフからも明らかなように皿バネ付の制御弁の方が皿バネ無しの制御弁に比べてシート部への負荷が極めて小さいことが判る。
即ち、制御弁を温度が100℃以上のような高温環境下に於いて使用する場合には、圧電素子を収容する支持筒体(アクチュエータボックス)の熱膨張によって、圧電素子の上端部と支持筒体の上端部に螺着した調整用袋ナットとの間に隙間が発生し、圧電素子の伸長時にその発生力が金属ダイヤフラムへ確実且つ良好に伝わらず、高精度な流量制御が困難になると云う問題があった。特に、圧電素子の変位量が極僅かであるため、制御弁を構成する各部材(支持筒体等)の僅かの熱膨張でも、その流量制御特性に大きな影響を与えることになる。
この問題(支持筒体の熱膨張による隙間の発生)を解決するためには、制御弁自体を予め圧電素子に外部から200N程度の圧縮力を加えられるような構造の制御弁とすることが好ましいが、このような制御弁は未だ開発されていないのが現状である。
しかし、これらの制御弁に使用されている復帰弾性体や荷重ばねは、何れも制御弁の部材(変位拡大機構や弁棒)を元の位置に復帰させるためのものである。又、復帰弾性体や荷重ばねは、何れも制御弁の内部に配設されているため、大きな弾性力を有する復帰弾性体や荷重ばねを使用した場合には、復帰弾性体や荷重ばねが大きいために制御弁自体が大型化すると云う問題があった。然も、内部に復帰弾性体や荷重ばねを配設した制御弁に於いては、その弾性力を調整したい場合には、制御弁を分解して内部の復帰弾性体や荷重ばねを別のものと交換したりしなければならず、制御弁の分解及び組立に極めて手数が掛かると云う問題があった。
(1)即ち、本発明の圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁は、圧電素子に常時上向きの圧縮力を加える予圧機構を備えているため、例えば、制御弁を高温環境下に於いて使用する場合に、圧電素子を収容するアクチュエータボックスが熱膨張により伸びても、予圧機構を介して圧電素子に常時一定の圧縮力を加えることができる。その結果、本発明の圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁は、圧電素子の伸長時にその発生力を金属ダイヤフラムへ確実且つ良好に伝達することができ、高精度な流量制御を行える。
(2)本発明の圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁は、予圧機構により圧電素子を常時上方へ圧縮しているため、圧電素子の重量が金属ダイヤフラムに掛かると云うことがなく、金属ダイヤフラムに掛かる重量を軽減することができ、金属ダイヤフラムがその弾性力により弁座から離座するときに金属ダイヤフラムに掛かる負担が小さくなり、金属ダイヤフラムの延命化を図れる。
(3)本発明の圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁は、圧電素子を常時加圧する予圧機構の予圧バネをアクチュエータボックスの周囲に配設すると共に、アクチュエータボックスの外側に位置する第2予圧治具に螺着した予圧調整用ナットにより圧電素子に加わる圧縮力を調整できるようにしているため、大きな弾性力を有する予圧バネを使用した場合でも、アクチュエータボックス等が大型化すると云うことがなく、又、制御弁自体を分解することなく圧電素子に加わる圧縮力を自由に調整することができる。
(4)本発明の圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁は、予圧機構の第2予圧治具、予圧調整用ナット及び予圧バネをアクチュエータボックスの周囲に配設しているため、組立も比較的簡単且つ容易に行える。
(5)本発明の圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁は、金属ダイヤフラムの上面側に配設したダイヤフラム押えと圧電素子との間に、金属ダイヤフラムが弁座へ当座したときに圧電素子の伸長を吸収すると共に、弁座及び金属ダイヤフラムの弁座に接触する部分(シート部)へ所定の押圧力を印加する皿バネ機構を介設しているため、金属ダイヤフラムが弁座に当座した後は皿バネ機構が圧電素子の伸長を吸収することになり、圧電素子の大きな発生力が直にシート部に掛かると云うことがなく、金属ダイヤフラム及び弁座の損傷を防止することができる。
(6)本発明の圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁は、皿バネ機構が、上方が開放された収納空間を形成したダイヤフラム押えホルダーと、ダイヤフラム押えホルダーの収納空間に配設された複数枚の皿バネと、最上位の皿バネの上面に載置されたボール受けと、ダイヤフラム押えホルダーに上下方向へ移動調整自在に螺着され、皿バネの反発力を調整すると共に、ボール受け及び皿バネを抜け止めするバネ調整用ナットとから成り、バネ調整用ナットの締め込み量を調整することによって、皿バネの反発力を調整できる構成としているため、皿バネを別の皿バネと交換することなく、皿バネの反発力を自由に調整することができる。
図1は本発明の実施の形態に係るノーマルオープン型の圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁1を圧力式流量制御装置用の制御弁として用いたものであり、前記圧力式流量制御装置は、圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁1と、圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁1の上流側に接続された入口側ブロック2と、圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁1の下流側に接続された出口側ブロック3と、圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁1の下流側に設けた流量制御用のオリフィス4と、オリフィス4の上流側に設けられてオリフィス4の上流側圧力を検出する圧力センサー5と、圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁1の上流側に設けたガスケットフィルター6と、圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁1を制御する制御回路(図示省略)等から構成されており、オリフィス4上流側圧力によりオリフィス通過流量を演算しながら圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁1の開閉によりオリフィス通過流量を制御するようにしたものである。
このボディ7の上流側には、ボディ7の入口側通路に連通する導入通路2aと、導入通路2aの出口側に形成されたフィルター挿着孔2bと、流体の漏洩を検査するためのリークポート2cとを夫々備えたステンレス材製の入口側ブロック2が複数本のボルト(図示省略)により接続されている。又、ボディ7の下流側には、ボディ7の出口通路7dに連通する排出通路3aと、排出通路3aの入口側に形成されたオリフィス挿着孔3bと、流体の漏洩を検査するためのリークポート3cとを夫々備えたステンレ材製の出口側ブロック3が複数本のボルト(図示省略)により接続されている。
尚、金属ダイヤフラム8の材質は、ステンレス鋼やインコネル、その他の合金鋼であっても良く、又、複数枚の金属ダイヤフラム8を積層した金属ダイヤフラム8であっても良い。
尚、圧電素子13には、使用温度範囲が−20℃〜150℃の積層タイプのものが使用されている。
尚、ダイヤフラム押えホルダー22、ボール受け24及びバネ調整用ナット25は、熱膨張率の小さなインバー材により夫々形成されている。又、ダイヤフラム押え12は、ポリイミドや熱膨張率の小さなインバー材により形成されている。
このとき、圧電素子13には、予圧機構21により圧電素子13を常時上方へ圧縮する圧縮力が加えられているため、例えば、制御弁1を高温環境下に於いて使用した場合に、圧電素子13を収容するアクチュエータボックス10等が熱膨張により伸びても、圧電素子13の上端部と調整用袋ナット19との間に隙間が生じることがなく、予圧機構21を介して圧電素子13に常時一定の圧縮力を加えることができる。その結果、この圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁1は、圧電素子13の伸長時にその発生力を金属ダイヤフラム8側へ確実且つ良好に伝達することができる。
金属ダイヤフラム8が弁座7cへ当座した後は、圧電素子13の下端部とダイヤフラム押え12との間に介設した皿バネ機構14が圧電素子13の伸長を吸収し、シート部(弁座7c及び金属ダイヤフラム8の弁座7cに接触する部分から成る)には皿バネ23の変位量に応じた反発力が印加される。その結果、この圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁1は、圧電素子13の大きな発生力が直にシート部に掛かると云うことがなく、金属ダイヤフラム8及び弁座7cの損傷を防止することができる。
このとき、圧電素子13には、予圧機構21により圧電素子13を常時上方へ圧縮する圧縮力が加えられているため、圧電素子13の重量が金属ダイヤフラム8に掛かると云うことがなく、金属ダイヤフラム8に掛かる重量はダイヤフラム押え12と皿バネ機構14の重さとなる。その結果、この圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁1は、金属ダイヤフラム8に掛かる重量を軽減することができ、金属ダイヤフラム8がその弾性力により弁座7cから離座するときに金属ダイヤフラム8に掛かる負担が小さくなって金属ダイヤフラム8の延命化を図れる。
又、圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁1は、予圧機構21の第2予圧治具27、予圧調整用ナット29及び予圧バネ30をアクチュエータボックス10の周囲に配設しているため、組立も比較的簡単且つ容易に行える。
更に、この圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁1は、皿バネ機構14が、上方が開放された収納空間を形成したダイヤフラム押えホルダー22と、ダイヤフラム押えホルダー22の収納空間に配設された複数枚の皿バネ23と、最上位の皿バネ23の上面に載置されたボール受け24と、ダイヤフラム押えホルダー22に上下方向へ移動調整自在に螺着され、皿バネ23の反発力を調整すると共に、ボール受け24及び皿バネ23を抜け止めするバネ調整用ナット25とから成り、バネ調整用ナット25の締め込み量を調整することによって、皿バネ23の反発力を調整できる構成としているため、皿バネ23を別の皿バネ23と交換することなく、皿バネ23の反発力を自由に調整することができる。
Claims (3)
- 上方が開放された弁室(7a′)の底面に弁座(7c)を形成したボディ(7)と、弁室(7a′)内に外周縁部を密封した状態で弁座(7c)と対向状に配設され、下方への押圧により弁座(7c)へ当座すると共に、押圧力の喪失時にその弾性力により弁座(7c)から離座する金属ダイヤフラム(8)と、金属ダイヤフラム(8)の上面側に配設したダイヤフラム押え(12)と、弁室(7a′)の上方に配設され、下端部がボディ(7)側に固定されたアクチュエータボックス(10)と、アクチュエータボックス(10)内に配設され、電圧の印加により下方へ伸長してダイヤフラム押え(12)を介して金属ダイヤフラム(8)を押圧する圧電素子(13)と、ダイヤフラム押え(12)と圧電素子(13)との間に介設され、金属ダイヤフラム(8)が弁座(7c)へ当座したときに圧電素子(13)の伸長を吸収すると共に、弁座(7c)及び金属ダイヤフラム(8)の弁座(7c)に接触する部分から成るシート部へ所定の押圧力を印加する皿バネ機構(14)と、圧電素子(13)と皿バネ機構(14)との間及びアクチュエータボックス(10)の周囲に配設され、圧電素子(13)に常時上向きの圧縮力を加えると共に、圧電素子(13)に加わる圧縮力を外部から調整可能な予圧機構(21)とから構成したことを特徴とするノーマルオープン型の圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁。
- 予圧機構(21)は、圧電素子(13)の直下位置に配設され、圧電素子(13)の下端面にボール(16)を介して当接する円盤状の第1予圧治具(26)と、アクチュエータボックス(10)の外周面に上下動自在に嵌合された筒状の第2予圧治具(27)と、第1予圧治具(26)及び第2予圧治具(27)に貫通状に挿着され、第1予圧治具(26)と第2予圧治具(27)を連結すると共に、アクチュエータボックス(10)に形成した縦長のガイド孔(10c)に沿って上下動する連結ピン(28)と、第2予圧治具(27)の上端部外周面に上下方向へ移動調整自在に螺着された予圧調整用ナット(29)と、上端部が予圧調整用ナット(29)に当接する状態でアクチュエータボックス(10)の周囲に配設され、第1予圧治具(26)と連結ピン(28)と第2予圧治具(27)と予圧調整用ナット(29)とを押し上げて圧電素子(13)を常時加圧する予圧バネ(30)とから成り、予圧調整用ナット(29)の締め込み量を調整することによって、圧電素子(13)に加わる圧縮力を調整できる構成とした請求項1に記載のノーマルオープン型の圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁。
- 皿バネ機構(14)は、下端部にダイヤフラム押え(12)が挿着され、上端部に上方が開放された収納空間(22b)を形成したダイヤフラム押えホルダー(22)と、ダイヤフラム押えホルダー(22)の収納空間(22b)に配設された複数枚の皿バネ(23)と、最上位の皿バネ(23)の上面に載置され、上面中心部に予圧機構(21)の第1予圧治具(26)に当接するボール(15)が支持載置されるボール受け(24)と、ダイヤフラム押えホルダー(22)の上端部外周面に上下方向へ移動調整自在に螺着され、皿バネ(23)の反発力を調整すると共に、ボール受け(24)及び皿バネ(23)を抜け止めするバネ調整用ナット(25)とから成り、バネ調整用ナット(25)の締め込み量を調整することによって、皿バネ(23)の反発力を調整できる構成とした請求項1又は請求項2に記載のノーマルオープン型の圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁。
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