JP2012102832A - バルブ - Google Patents

Abstract

【課題】小流量から微小流量まで、流通／遮断時に流体のカットオフをシャープに行う、省電力で高精度のバルブを提供する。
【解決手段】電磁石６の流通／遮断パルスを、空気が封入された制御室部５の、移動式バルブ４の制御ヘッド４−ａにモールドした永久磁石４−ｅにより、バルブの吸引／反発動作は抵抗が殆どなく高速で移動を行う。移動式バルブ内部の流入口４−ｃから流出口４−ｄに流通する液体は、遮断パルスによるバルブのスライドで、流出口４−ｄとシリンダ側面の流出穴３−ｂがクローズし、流路は遮断される。ほぼ同時に流入口４−ｃが閉口し、バルブも閉じる。遮断パルスオフ後、永久磁石４−ｅと電磁石の芯は吸引状態を保持し、遮断状態を維持する。電磁石６に流通パルスを出力すると、反発力を受けた移動式バルブ４は流入槽内２−ｂの永久磁石４−ｆが外側の磁性体１０と吸引状態になり、パルスオフ後も吸引を継続する。
【選択図】図１

Description

本発明は管内を流通する液体を目的により遮断したり通過させたりする装置に用いるバルブであり、時間制御や外部センサー制御等の方法により、極微量から一定量まで微小誤差で流通(オン)／遮断(オフ)が可能な、流量を制御することのできるバルブ及びバルブの制御方法に関するものである。

現在のバルブは主にソレノイド(コイル)とプランジャー(稼動鉄片)，スプリングによる流路の直接開閉構造が主であるため、プランジャー室と液体流通室の分断に困難を要し、オン動作とオフ動作において液体を跳ね飛ばし、誤差が大きく精度が悪い。
プランジャーのオン動作において発熱があり、長時間のオン動作ではさらに発熱し、温度上昇により動作が鈍化する傾向にある。スプリングの耐久性も問題点であった。
さらにオン，オフ動作速度が約２０ｍｓ（平均）と高速とはいえず、シャープに流量をオンオフすることが困難であるという問題点があった。速度や精度を追及すると外形も大きく高価になる。医療や化学薬品，ケミカルを使う場合に困難を要する。さらにプランジャーを使用するため小型化が困難である。特許文献1に一部類似する電磁バルブが開示されている。
特許文献１は電磁石を２個使用し、バルブ(プランジャー)に丸長の電磁石１個使用している。
流入口１個に対して流出口が２個であり、必ずどちらか一方に流出するが、２個の電磁石に通電がない場合、永久磁石はヨーク１，２の中間に位置し、流出口Ａ，Ｂの両方に流出する。さらに動作はプランジャーと同じ為、動作が俊敏にならない。特許文献１は流入路の液圧によりプラスチックケースが横方向に抑えられ、移動時の立上りが鈍くなる可能性を有し、さらに２個の電磁石は常時給電が必要で、発熱も大きくなり動作の鈍化が生じる要因の一つになる。また形状も小さくできない。この構造では遮断時に流体のカットオフがシャープに行なえず、流量誤差が大きい。

特開平8-138932号公報

本発明は流量制御における動作速度、発熱、遮断誤差という問題点を解消し、且つ、カットオフがシャープで確実な閉塞状態を維持し、発熱を抑えた省エネルギーに特に優れたバルブを提供するものである。

この発明の請求項１に係る流体遮断バルブは、流入口を備えた入路槽部、流出口を備えたシリンダー部と制御室部からなるハウジングケースとハウジングケース内に設置された移動式バルブと、移動式バルブを作動させる電磁石で構成されたバルブであって、
ハウジングケースは、
１．制御室部は電磁石のオンオフにより移動式バルブの移動を可能とする空間部を有し、移動式バルブの制御ヘッドが突出しており、
２．入路槽部は側面に流入口を備え、移動式バルブの遮断ヘッドと、液体をプールする流入槽を有し、且つ磁性体を有する底部を一体とした構造であり、
３．シリンダー部は中央部に空間があり、該空間に移動式バルブが挿入されており、
空間の側面に流出口があり、
４．移動式バルブは円柱の電磁石側に制御ヘッド、入路槽部側に遮断ヘッドを有し、制御ヘッド及び 遮断ヘッドが中央部より５〜３０φ大きく、制御ヘッドの電磁石側に樹脂でモールドした永久 磁石が取付けてあり、制御室部側の永久磁石を電磁石の作動によりスライドする構造であり、入路槽部側に０．１〜１０ｍｍの流入口、内部に０．１〜１０ｍｍの流通路、空間の側面側に０．１〜１０ｍｍの流出口を有し、流入口・流通路・流出口が連通しており、
５．電磁石は制御室部に隣接しており、移動式バルブの制御ヘッドに取付けた永久磁石との吸引と反発により、移動式バルブをスライドさせる
ことにより流量制御をおこなうものである。

バルブのサイズにより、流入口、流出口の穴径と位置は変わり、流量と遮断誤差も変わる。ハウジングケースのサイズは、外形３φ〜１００φで長さ１５〜１２０mmの樹脂、又は非磁性体金属を用いて作成し、電磁石も外形３φ〜１００φで長さ５〜８０mmとし、用途により組合せを選択し、最大外形１００φで長さ２００ｍｍまで製作可能とする。制御室部の移動式バルブの動作空間部はバルブ制御ヘッドのサイズにより大きさが異なり、永久磁石と電磁石の隔離壁も磁力の強さにより、厚みが異なる。入路槽部は流入口を構造により側面又は中心底部に備えることとし、移動式バルブの遮断ヘッドの大きさにより、流入槽と磁性体取付穴のサイズも異なる。
制御室部は移動式バルブの移動を制御する空間に有する、永久磁石を備えた制御ヘッドを瞬時に移動する為、空間部には空気又は不活性ガスを封入し、移動抵抗を小さくすると同時に、制御ヘッドに装備した永久磁石と電磁石の芯が、サイズにより０．３〜８．０ｋｇの吸引力が得られる隙間とし、壁にはりつかないこととし、且つ移動式バルブの移動による空間部の空気の量に変化がないものとする。
入路槽部は液体が流入する流入口と、液体をプールする流入槽を備え、バルブのサイズにより、流入口と流入槽の大きさは異なり、流入口は仕様により側面又は底面中心に設定されるものとし、流通状態を維持する遮断ヘッドと吸引する磁性体は、流入口の仕様により底部の流入路を妨げない位置に取付られる。
シリンダー部は中央部に空間があり、該空間に移動式バルブが挿入されており、空間の側面に流出口が設定されている。バルブのサイズにより基本構造に変更はないが、中央部の空間と空間の側面にある流出口の穴径と穴位置は変更になり、流通／遮断を行う流量と遮断時の誤差が変わる。シリンダー部はサイズと磁力の大きさにより長さが変わる。
移動式バルブのサイズはバルブのサイズと流量により異なるが外部センサーにより遮断や流通を行う場合、液体の遮断誤差が小さく、漏洩がなく閉塞を完全に行うことが重要な為、高速移動と遮断時の高い吸引力維持が要求され、制御ヘッドに取付られた永久磁石の吸引力と電磁石の芯の隙間が大切である。又、流通時の移動式バルブの状態維持は遮断ヘッドに取付た永久磁石と底部の磁性体で行われる。同サイズのバルブにおいて移動式バルブの流通路の穴径を変えることで流量の変更が可能であり、制御ヘッド及び遮断ヘッドが中央部より５〜３０φ大きいのは、永久磁石の取り付けと閉塞を完全に行うためである。流通路は入路槽部側に０．１〜３０ｍｍの流入口、内部に０．１〜３０ｍｍの流通路、空間の側面側に０．１〜３０ｍｍの流出口を有し、流入口・流通路・流出口が連通している。
移動式バルブの流入口は遮断ヘッドと円柱の境界より１〜５ｍｍの円柱の側面に流入口を設け、円柱の中心の流通パイプを通過し、さらに円柱のセンターから２〜５ｍｍ制御ヘッド側に設けた流出口と接続した構造とし、液体の流通を妨げないように０．５〜２ｍｍ程度の深さの溝が刻まれ、シリンダ側面の流出穴に接続する。さらにスライドにより流体を遮断するため液体の跳ねや垂が極めて少ない。
電磁石は制御室部に隣接しており、バルブのサイズと移動式バルブの制御ヘッドに取付けた永久磁石の吸引力により電磁石のサイズを決め、さらにパルスドライブの吸引と反発により、移動式バルブをスライドさせるため、制御ヘッドに取付けた永久磁石と電磁石の芯の距離は、反発パルスによる移動式バルブが流通動作と状態維持が十分であり、且つ遮断パルスによる応答が俊敏であるように設定する。

樹脂は主にポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を使用しケミカル等の化学薬品に対応するが、ＡＢＳ樹脂、ポリスチレン（ＰＳ）、アクリル樹脂、ポリエチレン、ジュラコン等、その他の材質も該当することはいうまでもない。金属はアルミニュームが一般的であるが、用途により他の磁性体を含む金属も使用対象とする。
使用する外部センサーはフォト(光)センサーが主であるが、液体や検出方法によりタッチスイッチや静電スイッチ、他も用いる。
永久磁石は丸型を使用し直径１〜１２ｍｍで、厚さ１〜５ｍｍを用いて、吸着力が０．０３ｋｇ〜３ｋｇのネオジム磁石Ｎ−４０（市販品）が使用可能とするが、外形１００ｍｍのバルブを制作する場合は丸型で２０〜５０φ、厚さ５〜１０ｍｍで、吸着力が５〜２５ｋｇを移動式バルブの外側両面に使用する。電磁石の電流パルスは移動式バルブの吸引力を考慮して５〜１，０００ｍｓのパルス幅を必要とする流体の種類は液体、気体が主であるが、粘度の大きい液体や気体は移動式バルブの遮断口近辺に付着しやすく、遮断時の閉塞が不十分になるため不向きであり、さらに遮断時間が長い場合は凝固する可能性がある液体にも不向きであるが、透明度に関しては問題になることはない。

入路槽部側の移動式バルブの遮断ヘッドのシリンダー側及び制御室部側の制御ヘッドのシリンダー側に弾性体を有することとし、遮断時の閉塞をより強固にし維持する。

遮断ヘッドの入路槽部側に樹脂でモールドした永久磁石を取付けた、移動式バルブを有することとし、入路槽部の底部に取付た磁性体と流入状態の維持を継続する。

流出路側に設けた流量センサーにより流量制御を行うことが可能なバルブであり主に使用するセンサーは赤外線（ＩＲ）センサーであり、ＬＥＤ可視光線（ＯＰ）とフォトトランジスタの組合せを使用したオプトセンサー他がある。

この発明のバルブの制御方法は、パルス制御による電磁石と両端に永久磁石を取付た移動式バルブと流入槽の外側に取付た磁性体(純鉄又は永久磁石，他)と位置センサーで構成し、吸引移動又は反発移動は電磁石と移動式バルブの永久磁石が直接実行するステップと、電磁石の芯と移動式バルブの永久磁石の吸引と入路槽の底部に取付た磁性体(永久磁石又は純鉄，他)と移動式バルブの永久磁石の吸引は、パルス消滅後の動作維持ステップである。小型仕様は電磁石の実行ステップは電磁石に電流方向を変えて５〜５０ｍｓの制御パルスを出力し、移動式バルブのオン(流通)／オフ(遮断)動作を行う。形状や流量が大きなバルブは、電磁石の仕様が異なるため、パルス幅の時間も最大３００ｍｓ〜１０００ｍｓ必要になる。外部赤外線センサーによりバルブのオン(流通)／オフ(遮断)動作を行う場合は赤外線センサーが光を受光している時が流通状態でバルブオン(流通)とし、光が遮断されるとバルブオフ(遮断)とする。

形状の小型化が可能なため、高速動作によるバルブ移動が可能で、且つスライド動作により流体の流通／遮断を行う為、流体のカットオフをシャープに行い、さらにバルブ移動をパルスドライブ方式で行う為、省電力で高精度の流量制御が可能なバルブを提供することができる。

本発明のバルブの実施形態を示す遮断時の断面図又は概略構成図 本発明のバルブの実施形態を示す流通時の断面図又は概略構成図 図１に用いられている移動式バルブの断面図 本発明の他の実施形態を示す断面図１ 本発明の他の実施形態を示す断面図２

本発明は実施例１を図１，図２，図３に基づいて詳細に説明する。
図１は移動式バルブの遮断状態を示す断面図又は構成図であり、図２は移動式バルブの流通状態を示す断面図又は構成図であり、図３は図１、図２に於ける移動式バルブの構造を示す断面図である。図１、２において１は流体を貯蔵するタンクであり、流入路２−ａはタンクとバルブを接続する。１2は例えば樹脂、またはアルミ等と電磁石で形成されるバルブ本体であり、外形は１５φで長さ２０ｍｍの樹脂部11（又はアルミ部）と、１５φで長さ１５ｍｍの電磁石６を使用した。ここでは樹脂としてＰＴＦＥを用いている。１２はパルス制御装置であり、赤外線センサーやプログラム、又マニュアル等によるオン／オフパルスを電磁石６に出力する。移動式バルブ４は制御ヘッド４−ａに５φの厚み１．５ｍｍで吸着力が０．６ｋｇの永久磁石４−ｅをモールドし、遮断ヘッド４−ｂには３φの厚み２．０ｍｍで吸着力が０．３ｋｇの永久磁石４−ｆをモールドした。制御ヘッド４−ａは電磁石６の出力パルスにより、遮断動作、遮断動作維持、流通動作を行い、遮断ヘッド４−ｂは流通動作維持のみを担う。

図１において２は樹脂で形成された入路槽部で中央部に流入層２−ｂが設けられ、側面に流入路２−ａ（貫通穴）が形成され、底部に磁性体（永久磁石又は、純鉄でも可能）１０と磁気センサー７が取付られている。さらに流入層２−ｂには、移動式バルブの遮断ヘッド４−ｂが配置されている。
３は樹脂で形成されたシリンダ部で、中央に移動式バルブ４の可動部が配置される空間３−ａを設け、側壁に流体を流出する流出穴３−ｂが設けられている。５は樹脂で形成されたバルブ制御室部で円柱の中央に、移動式バルブ４の制御ヘッド４−ａの移動を可能とするバルブ収納室５−ａ、上部は薄い壁を隔てて電磁石の芯６−ａに隣接している。バルブ収納室５−ａには空気や不活性ガスを封入し、制御ヘッド４−ａの動作抵抗を軽減する。

図３の４は樹脂で形成された移動式バルブで、断面図にもとづいて説明する。
移動式バルブ４の断面図はシリンダ３に対する円柱と、円柱より５φ大きい４−ａ制御ヘッドと３φ大きい４−ｂ遮断ヘッドが設けられ、制御ヘッド４−ａの外側に永久磁石４−ｅ，遮断ヘッド４−ｂの外側に永久磁石４−ｆがモールドされている。流通路は遮断ヘッド４−ｂと円柱の境界より２ｍｍの円柱の側面に０．５ｍｍの流入口４−ｃを設け、円柱の中心に１ｍｍの流通パイプを作成し、接続するが、さらに円柱のセンターから３ｍｍ制御ヘッド側に設けた０．５ｍｍの流出口４−ｄと接続した構造とした。さらに円柱には液体の流通を妨げないように０．５ｍｍ程度の深さの溝が刻まれ、シリンダ側面の１ｍｍの流出穴３−ｂと流通状態時に接続可能な位置に設定されている。

次に実施例１におけるバルブの遮断動作について、図１に基づいて説明する。まず移動式バルブ４の遮断動作は、パルス制御装置１２から電磁石６へ出力する遮断パルス（吸引）により行う。遮断及び遮断維持状態の場合、パルス制御装置１２から電磁石６へ、吸引パルス（遮断）を出力すると、本体上部に設置された電磁石６の極性（Ｎ／Ｓ）により、制御バルブ収納室５−ａ内に配置された、制御ヘッド４−ａの永久磁石４−ｅが吸引され、流入路を閉口し、制御パルスがオフした後も遮断状態を維持する。この時制御バルブ４−ａと電磁石の芯６−ａは、最大0.５ｍｍの隙間で吸引状態を維持する。この隙間は流体を遮断し、且つ閉塞状態を保つに十分な引力を得られる隙間とする。遮断後、移動式バルブの流通路は遮断ヘッド４−ｂに近い側面の流入口４−ｃと、移動式バルブ４の真ん中よりやや制御ヘッド４−ａよりの流出溝を有する流出口４−ｄは閉口し、液体の流通は停止する。遮断状態時はスライドしたバルブで流出口を閉口する。

図２に基づいて流通及び流通維持状態を説明する。パルス制御装置１２から電磁石６へ反発パルスが出力されると、電磁石６に対して制御ヘッド４−ａ永久磁石１４−ｅは、移動式バルブ４を電磁石６から遠ざけ、流入口を開口する。この時移動式バルブ４の永久磁石２４−ｆは、磁性体１０と吸引状態になり制御パルス終了後も、開口状態を維持する。流入槽２−ｂから移動式バルブ４の内部定流穴４−ｃから４−ｄを通過した液体は流出穴３−ｂへ流通する。その後、流出路８を通過して外部へ出力する。さらに４−ａテーパ部分は制御室５とシリンダー３を遮断し、制御室５側のパッキン９は制御室５への流体の浸入を防止する。
制御可能な流量は移動式バルブ４の内部に設けられた穴径４−ｃと４−ｄに依存する。流量は流速と内管の面積で決まる為、同じ形状でも内管の面積により用途が大きくなる。
１の液体タンクにつながっている流入口を通過した液体(又は、気体でも可能)は移動式バルブの内径により異なった流量を制御することが可能である。

移動式バルブ４は３ｍｍ程度の少ない移動により流通と遮断を行う為、高速度でバルブの制御が可能である。さらに移動量が少ないことで、より小型化が実現可能になる。
移動式バルブの遮断方法は移動するバルブ内の液体がスライドにより停止する為、バルブ動作時の液体の跳ねや押出し等の余分な液体の流出が発生しない。
この遮断方法により高精度で極少量の誤差を達成可能にしました。

制御室５に空気(又は不活性ガスが好ましい)が封入されている為、電磁石６による移動式バルブ４の移動抵抗が小さく高速動作を実現する。
電磁石６のパルス制御装置１２は、各種センサー又はプログラムによりオンオフパルスを出力するが、時間又は各種センサーにより制御されるスライドバルブ４のオフ（遮断）パルスは半導体素子の遅延のみで、高精度で液量の遮断を行います。

なお、上記実施例１、では移動式バルブ用いたバルブの構造と動作について説明したが、形状や制御方法はこれに限定するものではない。

本発明の実施例２を図４に基づいて詳細に説明する。
実施例２は液体の流入口と流出口がバルブの中心に設定されたことが実施例１と異なる。
タンク１から流入路２−ａを通過した液体は入路槽部２の流入槽２−ｂにプールする。電磁石６の流通パルスにより、移動式バルブ４が電磁石から遠ざかり、遮断バルブ４−ｂは開口し、永久磁石４−ｆは磁性体１０と吸引状態になり、状態を維持する。流入槽２−ｂ内の液体は、移動式バルブ４内の流入口４−ｄから流出口４−ｃを流通して流出穴３−ｂから流出路８へ流出する。
又、構造も流入槽カバー１４と流出路カバー１５が追加されている。外形は２５φで長さ５０ｍｍと大きくなっているが、動作構造や制御方法は実施例１とほとんど同じであり、移動式バルブや電磁石も同等品が使用可能である。図４は移動式バルブ４の遮断状態を示す断面図又は構成図であり、移動式バルブ４の流通状態は、バルブ４の制御ヘッドが電磁石６から離れた状態を想定し、遮断ヘッド４−ｂの永久磁石４−ｆが外部の磁性体１０と吸引状態にあることを想定することにより移動式バルブの流入路４−ｃと流出路４−ｄは接続され流体は流出路８へ流出する。

本発明の実施例３を図５に基づいて詳細に説明する。
実施例３は液体の流入口と流出口及び移動式バルブがバルブの中心に設定されたため、電磁石と制御ヘッドの永久磁石の中心に穴があいていることと、移動式バルブには制御ヘッドのみであり、実施例１及び２と大きく異なる。この構造はノズルを長くできることが特徴である。
タンク１から流入路２−ａを通過した液体は入路槽部２２の流入槽２２−ａにプールする。
流通動作は電磁石２６の流通パルスにより、移動式バルブ２４が電磁石から遠ざかり、磁性体２３−ａと吸引状態になり、この状態を維持する。流入口２４−ｃは入路槽２２−ａで開口し、流出口２４−ｄと接続した流出穴２１−ａから流出路８へ液体が流出する。
遮断動作は電磁石２６が遮断パルスにより、制御ヘッド２４−ａを吸引すると、流入口２４−ｃは入路槽２２−ａから電磁石側に移動し、閉口すると同時に流出口２４−ｄも流出路８と切離され流出路８の液体流出が停止する。制御室部２５の収納室２５−ａは空気が封入され、動作抵抗は小さい。

１ 液体タンク
２ 入路槽部
２−ａ 流入路
２−ｂ 流入槽
３ シリンダ部
３−ａ シリンダー穴
３−ｂ 流出穴
４ 移動式バルブ
４−ａ 制御ヘッド
４−ｂ 遮断ヘッド
４−ｃ 液体入路穴
４−ｄ 液体出路穴
４−ｅ 永久磁石１
４−ｆ 永久磁石２
５ 制御室部
５−ａ 収納室
６ 電磁石
６−ａ 電磁石の芯
７ 位置センサー
８ 流出路
９ 遮断パッキン
１０ 磁性体／純鉄
１１ ハウジングケース
１２ 本体
１３ パルス制御器
１４ 流入槽カバー
１５ 流出路カバー
２１ ノズル部
２１−ａ 流出穴
２２ 入路槽部
２２−ａ 入路槽
２３ 入路槽ベース
２３−ａ 磁性体
２４ 移動式バルブ
２４−ａ 制御ヘッド
２４−ｂ 永久磁石１
２４−ｃ 流入口
２４−ｄ 流出口
２５ 制御室部
２５−ａ 収納室
２６ 電磁石

Claims (4)

1. 流入口を備えた入路槽部、流出口を備えたシリンダー部と制御室部からなるハウジングケースとハウジングケース内に設置された移動式バルブと、移動式バルブを作動させる電磁石で構成されたバルブであって、ハウジングケースは、
   １．制御室部は電磁石のオンオフにより移動式バルブの移動を可能とする空間部を有し、
   移動式バルブの制御ヘッドが突出しており、
   ２．入路槽部は側面に流入口を備え、移動式バルブの遮断ヘッドと、液体をプールする流入槽を有し、且つ磁性体を有する底部を一体とした構造であり、
   ３．シリンダー部は中央部に空間があり、該空間に移動式バルブが挿入されており、空間の側面に流出口があり、
   ４．移動式バルブは円柱の電磁石側に制御ヘッド、入路槽部側に遮断ヘッドを有し、制御ヘッド及び遮断ヘッドが中央部より５〜３０φ大きく、制御ヘッドの電磁石側に樹脂でモールドした永久磁石が取付けてあり、制御室部側の永久磁石を電磁石の作動によりスライドする構造であり、入路槽部側に０．１〜１０ｍｍの流入口、内部に０．１〜１０ｍｍの流通路、空間の側面側に０．１〜１０ｍｍの流出口を有し、流入口・流通路・流出口が連通しており、
   ５．電磁石は制御室部に隣接しており、移動式バルブの制御ヘッドに取付けた永久磁石との吸引と反発により、移動式バルブをスライドさせる、
   ことにより流量制御をおこなうことを特徴とするバルブ。
2. 入路槽部側の移動式バルブの遮断ヘッドのシリンダー側及び制御室部側の制御ヘッドのシリンダー側に弾性体を有する移動式バルブであることを特徴とする請求項１記載のバルブ。
3. 遮断ヘッドの入路槽部側に樹脂でモールドした永久磁石を取付けた、移動式バルブを有することを特徴とする請求項１又は２記載のバルブ。
4. 流出路側に設けた流量センサーにより流量制御を行うことを特徴とする請求項１〜３に記載のバルブ。
   

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