JP2018194086A - 液体比例弁 - Google Patents

Abstract

【課題】カムの回転角度により液体の流量を正確に制御できると共に、ヒステリシスがなく、長時間使用しても液体の流量を正確に制御できる液体比例弁を提供すること。
【解決手段】内部を液体が流れるチューブＴと、チューブＴを変形させることにより液体の流量を変化させる回転カム３０と、回転カム３０を回転させるモータ１１とを有する液体比例弁１において、モータ１１により回転カム３０が回転されたときの回転角度（入力電流）と、液体の流量がリニアな関係となるように、回転カム３０のカム面が形成されていること、を特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、内部を液体が流れるチューブと、チューブを変形させることにより液体の流量を変化させるカムと、カムを回転させる駆動手段とを有する液体比例弁に関するものである。

従来、特許文献１に記載されているように、内部を液体が流れるチューブを回転カムにより押圧して変形させ、液体の流量を制御する液体比例弁が公知である。

特開昭46-006181号公報

しかしながら、従来の液体比例弁には、次の問題があった。
カムの押圧によるチューブの直径の変化と、チューブの断面積の変化とは、特許文献１の図２に示されるように、リニアな関係にないため、カムの回転角度により液体の流量を正確に制御することが困難であった。
また、長時間使用したチューブにおいて、カムがチューブを押圧した後、カムのチューブへの押圧を減少したときに、変形したチューブが元の形状に戻るのに時間がかかる場合があるため、流量のヒステリシスが大きくなり、液体の流量を正確に制御することが困難となる恐れがあった。
従来、チューブを挟んでカムと対向する位置には、固定された固定部材が設けられていた。そのため、カムがチューブを押圧したときに、チューブと固定部材との間で擦れが生じ、チューブ内に大きな応力が発生し、繰り返し応力によりチューブが塑性変形して、液体の流量制御が不正確となる問題があった。

本発明は、上記問題点を解決するためのものであり、カムの回転角度により液体の流量を正確に制御できると共に、ヒステリシスがなく、長時間使用しても液体の流量を正確に制御できる液体比例弁を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の液体比例弁は、次のような構成を有している。
（１）内部を液体が流れるチューブと、チューブを変形させることにより液体の流量を変化させるカムと、カムを回転させる駆動手段とを有する液体比例弁において、駆動手段によりカムが回転されたときの回転角度と、液体の流量がリニアな関係となるように、カムのカム面が形成されていること、を特徴とする。

（２）（１）に記載の液体比例弁において、カム面が、カムの外周に形成されたカム凹部であり、チューブへの押圧が解除されるときに、チューブの側面をカム凹部の両壁面が押圧することにより、チューブを元の形状に戻すこと、を特徴とする。すなわち、カム凹部の底面がチューブを押圧したときに、チューブが変形して横に広がる量は決まっているので、カム凹部の両壁面間距離をチューブが広がったときの幅に採っている。

（３）（１）または（２）に記載の液体比例弁において、カム面には、全閉状態における接触点において突起が形成されていること、を特徴とする。
（４）（１）乃至（３）のいずれか１つに記載の液体比例弁において、カム面には、微小流量域においてチューブの中央部を押圧する押圧部が形成されていること、を特徴とする。
（５）（１）乃至（４）のいずれか１つに記載の液体比例弁において、チューブを挟んでカムと対向する位置に、カムの回転力により移動可能なスライド部材を有すること、を特徴とする。

本発明の液体比例弁は、次のような作用・効果を有する。
（１）内部を液体が流れるチューブと、チューブを変形させることにより液体の流量を変化させるカムと、カムを回転させる駆動手段とを有する液体比例弁において、駆動手段によりカムが回転されたときの回転角度と、液体の流量がリニアな関係となるように、カムのカム面が形成されていること、を特徴とするので、カムの回転角度を制御すれば、液体の流量をそのまま制御できるため、制御プログラムを単純化でき、コストダウンを実現できる。

（２）（１）に記載の液体比例弁において、カム面が、カムの外周に形成されたカム凹部であり、チューブへの押圧が解除されるときに、チューブの側面をカム凹部の両壁面が押圧することにより、チューブを元の形状に戻すこと、すなわち、カム凹部の底面がチューブを押圧したときに、チューブが変形して横に広がる量は決まっているので、カム凹部の両壁面間距離をチューブが広がったときの幅に採っていること、を特徴とするので、繰り返し使用していると、チューブが元に戻るのが遅れる傾向にあるが、カム凹部の両壁面がチューブを強制的に元の状態に戻すため、制御遅れを低減してヒステリシスを減少させることができ、液体の流量を正確に制御することができる。

（３）（１）または（２）に記載の液体比例弁において、カム面には、全閉状態における接触点において突起が形成されていること、を特徴とするので、全閉状態で突起がチューブに押しつぶされることより確実にチューブ内の液体の流れを止めることができる。

（４）（１）乃至（３）のいずれか１つに記載の液体比例弁において、カム面には、微小流量域においてチューブの中央部を押圧する押圧部が形成されていること、を特徴とするので、微小な液体の流量をより正確に制御することができる。

（５）（１）乃至（４）のいずれか１つに記載の液体比例弁において、チューブを挟んでカムと対向する位置に、カムの回転力により移動可能なスライド部材を有すること、を特徴とするので、スライド部材がチューブと一体的に移動するため、チューブが擦れることなく、チューブの変形を減少させ、チューブ内に発生する繰り返し応力を低減することができ、チューブが塑性変形して、液体の流量が不正確となるまでの時間を長くすることができる。

本発明の実施の形態である液体比例弁１の正面図の一部断面図である。 図１のＡＡ断面図である。 血液の体外循環システムの構成を示す図である。 図１１のグラフのＳ１の状態を示す図である。 図１１のグラフのＳ２の状態を示す図である。 図１１のグラフのＳ３の状態を示す図である。 図１１のグラフのＳ４の状態を示す図である。 図１１のグラフのＳ５の状態を示す図である。 図１１のグラフのＳ６の状態を示す図である。 図１１のグラフのＳ７の状態を示す図である。 回転カム３０の回転角度と流量の特性データを示す図である。 Ｓ１の状態におけるチューブＴとカム溝３３との関係を示す図である。 Ｓ４の状態におけるチューブＴとカム溝３３との関係を示す図である。 Ｓ７の状態におけるチューブＴとカム溝３３との関係を示す図である。 別の実施形態におけるＳ４の状態におけるチューブＴとカム溝３３との関係を示す図である。

本発明の液体比例弁１の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１に、本発明の実施の形態である液体比例弁１の正面図を示し、図２に図１のＡＡ断面図を示す。なお、図１においては、内部構造が見えるように、一部断面図としている。
本発明の液体比例弁１は、心臓手術において、血液を体外循環させるときに使用するものである。血液の体外循環システムの構成を図３に示す。
図３に示すように、人工心臓２に常に一定レベルで血液が貯蔵されている。

人工心臓２には、液体比例弁１が接続されている。液体比例弁１を出た血液は、体内に送血される。
体内から脱血された血液は、人工心臓２に蓄えられる。液体比例弁としては、本発明の液体比例弁１を使用している。
液体比例弁１は、制御装置に電気的に接続されている。
制御装置は、人工心臓２のレベルが常に一定になるように、液体比例弁１の開度を制御している。

次に、液体比例弁１の構造について説明する。図２に示すように、液体比例弁１は、本体部２３と駆動部１０とから構成されている。
本体部２３の図２の左面（図１の手前側面）には、開閉扉２４が蝶番２５により開閉可能に保持されている。開閉扉２４の内部には、チューブＴを収納するための凹部３４が形成されており、内部を血液が通過するチューブＴが収納されている。チューブＴの上面には、チューブＴを押圧して血液の流量を変化させるための回転カム３０が、回転軸２１に対してキー２９により固定されている。回転軸２１は、本体部２３に、一対のベアリング２２により回転可能に保持されている。チューブＴは、開閉扉２４の押圧部２７により、回転カム３０の前後少し離れた位置で、開閉扉２４が閉じられたときに位置決めされている。
チューブＴの下面、回転カム３０と対向する位置には、スライド部材２６がスライド機構２８に摺動可能に保持されている。スライド部材２６は、圧縮バネ３１により、図１の左方向に付勢されている。

次に、駆動部１０の構成を説明する。図２に示すように、駆動部１０には、駆動軸１２が回転可能に保持されている。駆動軸１２は、外部に突出して回転軸２１と一体に連結されている。駆動軸１２の右端は、ギア付きモータ１１の出力軸１１ａに一体的に接続されている。
また、駆動軸１２の外周には、ギア１３が固定されている。ギア１３に対して、ギア１４がギア結合している。ギア１４は、ギア軸１５により回転可能に保持されている。ギア軸１５には、回転角度を検出するためのポテンショメータ１６が接続されている。

次に、液体比例弁１の技術的本質部分である回転カム３０、チューブＴ、スライド部材２６の動きについて説明する。図１１に、回転カム３０の回転角度と流量の特性データを示す。横軸がカムの角度である。縦軸が流量で、単位は、Ｌ／分である。特性値Ｓの各点における回転カム３０とチューブＴの状態を図４〜図１０に示す。すなわち、図４はＳ１の状態、図５はＳ２の状態、図６はＳ３の状態、図７はＳ４の状態、図８はＳ５の状態、図９はＳ６の状態、図１０はＳ７の状態を示している。図４〜図１０において、（ｂ）は、回転カム３０がチューブＴを押圧している状態を示す断面図であり、（ａ）は、チューブＴが最もつぶされた箇所でのチューブＴの断面図である。流量は、最もつぶされた箇所の断面積（流路中最も断面積の小さい箇所における断面積）により決定される。

図４では、回転カム３０の回転角度Ｍ１＝０度であり、回転カム３０は、チューブＴと接触しておらず、チューブＴは全開状態である。本実施の形態では、全開状態におけるチューブＴの内径Ｌ１である。
回転カム３０のチューブＴとの接触面には、第１接触点３０１、第２接触点３０２、第３接触点３０３、最終点３０４が形成され、各々の接触点を結んで第１直線部３０５、第２直線部３０６、第３直線部３０７が形成されている。第１接触点３０１、第２接触点３０２、第３接触点３０３、最終点３０４はそれぞれ緩やかな角部で形成され、第３接触点３０３には、突起３０３ａが形成されている。

図５では、回転カム３０の回転角度Ｍ２＝１５度であり、回転カム３０は、チューブＴと第１接触点３０１で最も断面積が小さくなる状態で接触しており、チューブＴは少し閉じた状態である。本実施の形態では、図５の状態におけるチューブＴの内径Ｌ２（＝Ｌ１×０．５９）である。（ａ）は、（ｂ）のＢＢ断面図である。
図６では、回転カム３０の回転角度Ｍ３＝３０度であり、回転カム３０は、チューブＴと第１接触点３０１で最も断面積が小さくなる状態で接触しており、チューブＴは５％程度閉じた状態である。本実施の形態では、図６の状態におけるチューブＴの内径Ｌ３（＝Ｌ１×０．２６）である。断面積は５％程度閉じた状態である。（ａ）は、（ｂ）のＣＣ断面図である。

図７では、回転カム３０の回転角度Ｍ４＝５０度であり、回転カム３０は、チューブＴと第１接触点３０１で最も断面積が小さくなる状態で接触しており、チューブＴは３３％程度閉じた状態である。本実施の形態では、図７の状態におけるチューブＴの内径Ｌ４（＝Ｌ１×０．１１）である。断面積は３３％程度閉じた状態である。（ａ）は、（ｂ）のＤＤ断面図である。
図８では、回転カム３０の回転角度Ｍ５＝６８度であり、回転カム３０は、チューブＴと第２接触点３０２で最も断面積が小さくなる状態で接触しており、チューブＴは７５％程度閉じた状態である。本実施の形態では、図８の状態におけるチューブＴの内径Ｌ５（＝Ｌ１×０．０３）である。断面積は７５％程度閉じた状態である。（ａ）は、（ｂ）のＥＥ断面図である。

図９では、回転カム３０の回転角度Ｍ６＝８５度であり、回転カム３０は、チューブＴと第２直線部３０６で接触しており、チューブＴは１００％程度閉じた状態である。本実施の形態では、図９の状態におけるチューブＴの内径Ｌ６（＝Ｌ１×０）ｍｍである。断面積は１００％程度閉じた状態である。（ａ）は、（ｂ）のＦＦ断面図である。
図１０では、回転カム３０の回転角度Ｍ７＝９０度であり、回転カム３０は、チューブＴと第３接触点３０３の突起３０３ａで接触しており、突起３０３ａにより、チューブＴを少し押しつぶした状態（全閉状態）である。突起３０３ａがチューブＴを押しつぶすことにより、確実にチューブＴ内の液体の流れを止めることができる。本実施の形態では、図１０の状態におけるチューブＴは、１００％程度閉じた状態からさらに長さ（０．０４×Ｌ１）つぶした内径Ｌ７である。

図１２（ａ）に、図４におけるチューブＴとカム溝３３との関係を示す。図１３（ａ）に、図７におけるチューブＴとカム溝３３との関係を示す。図１４（ａ）に、図１０におけるチューブＴとカム溝３３との関係を示す。図１２〜図１４（ｂ）は、図４、７、１０の（ｂ）と同じ図である。なお、図１２、図１３、図１４の（ｂ）の回転カム３０は、図１２、図１３、図１４の（ａ）の回転カム３０の両端部の図を省略している。
図１２及び図１３に示すように、カム溝３３は、両壁面３３ａと底面３３ｂから成り、両壁面３３ａは、チューブＴの外側面と接触している。カム溝３３の底面３３ｂには、全閉状態における第３接触点３０３において突起３０３ａが形成されている。図１２では、カム溝３３の両壁面３３ａ間の距離は、Ｗ１であり、図１３では、カム溝３３の両壁面３３ａ間の距離は、Ｗ２である。

ここで、カム溝３３のカム面は当然チューブＴの最上外面と接触している。すなわち、カム溝３３の底面３３ｂがチューブＴを押圧したときに、チューブＴが変形して横に広がる量は決まっているので、カム溝３３の両壁面３３ａ間距離Ｗ１、Ｗ２をチューブが広がったときの幅に採っている。
図１４では、チューブＴをつぶしている。このときには、チューブＴが横方向にずれる可能性があるため、カム溝３３の両壁面３３ａはチューブＴの外側面に接触しないようにしている。カム溝３３の両壁面３３ａ間の距離は、Ｗ３である。
なお、カム溝３３は、請求項の「カム凹部」の一例である。

また、図１２の状態から図１３の状態に変化するときには、スライド部材２６は、図１２の位置から図１３の位置まで、右方向に移動している。スライド部材２６は、圧縮バネ３１により左方向に付勢されているが、回転カム３０が図１２の状態からチューブＴを押圧したときに、チューブＴは、回転カム３０により押圧されて右方向に移動する。チューブＴが移動するときに、スライド部材２６も同じ量だけ右方向に移動する。これにより、チューブＴとスライド部材２６は一体的に移動するため、チューブＴとスライド部材２６とが擦れることがなく、チューブＴの変形を小さくすることができる。
図１３から図１４への状態の変化の場合も、スライド部材２６は、チューブＴの移動と一体的に右方向に移動する。

回転カム３０を図４の状態から回転させて、図１０の状態になった後、モータ１１を逆転させて、図９、図８、図７、図６、図５、図４の状態へと戻る。このとき、つぶされた状態のチューブでは、特にチューブＴの両側面が大きな変形を受けるため、塑性変形が進み元の形状に戻るのが遅れる恐れがある。
本実施の形態では、図１３に示すように、常にカム溝３３の両壁面３３ａがチューブＴの外側面に接触しているため、チューブＴの側面が少し塑性変形を起こしている場合でも、強制的に元に戻すため、チューブＴの状態変化に遅れが生じる恐れがない。

図１１に示すように、全閉状態としては、Ｓ７、Ｓ６の状態が使用され、全開状態としては、Ｓ１、Ｓ２の状態が使用される。
そして、流量を制御するための比例区間としては、Ｓ３〜Ｓ６の区間が使用される。Ｓ３〜Ｓ６の区間では、図１１に示すように、横軸に示す回転カム３０の回転角度と、縦軸に示す流量とがほぼリニアな関係にあるため、血液の流量を、回転カム３０の回転角度（入力電流）によりそのまま制御できるため、制御装置を単純化して安価なものとすることができる。

以上詳細に説明したように、本実施の形態の液体比例弁１によれば、
（１）内部を液体が流れるチューブＴと、チューブＴを変形させることにより液体の流量を変化させる回転カム３０と、回転カム３０を回転させるモータ１１とを有する液体比例弁１において、モータ１１により回転カム３０が回転されたときの回転角度（入力電流）と、液体の流量がリニアな関係となるように、回転カム３０のカム面が形成されていること、を特徴とするので、回転カム３０の回転角度を制御すれば、液体の流量をそのまま制御できるため、制御プログラムを単純化でき、コストダウンを実現できる。

（２）（１）に記載の液体比例弁１において、カム面が、回転カム３０の外周に形成されたカム溝３３であり、チューブＴへの押圧が解除されるときに、チューブＴの側面をカム溝３３の両壁面３３ａが押圧することにより、チューブＴを元の形状に戻すこと、すなわち、カム溝３３の底面３３ｂがチューブＴを押圧したときに、チューブＴが変形して横に広がる量は決まっているので、カム溝３３の両壁面３３ａ間距離Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３をチューブＴが広がったときの幅に採っていること、を特徴とするので、繰り返し使用していると、チューブＴが元に戻るのが遅れる傾向にあるが、カム溝３３の両壁面３３ａがチューブＴを強制的に元の状態に戻すため、制御遅れを低減してヒステリシスを減少させることができ、液体の流量を正確に制御することができる。

（３）（１）または（２）に記載の液体比例弁１において、カム面には、全閉状態における第３接触点３０３において突起３０３ａが形成されていること、を特徴とするので、全閉状態で突起３０３ａがチューブＴを押しつぶすことにより確実に液体の流れを止めることができる。

（４）（１）乃至（３）のいずれか１つに記載の液体比例弁１において、チューブＴを挟んで回転カム３０と対向する位置に、回転カム３０の回転力により移動可能なスライド部材２６を有すること、を特徴とするので、スライド部材２６がチューブＴと一体的に移動するため、チューブＴがスライド部材２６と擦れることなく、チューブＴの変形を減少させ、チューブＴ内に発生する繰り返し応力を低減することができ、チューブＴが塑性変形して、液体の流量が不正確となるまでの時間を長くすることができる。

なお、本実施形態は単なる例示にすぎず、本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に、その要旨を逸脱しない範囲内で様々な改良、変形が可能である。
例えば、本実施の形態では、カム溝３３の底面３３ｂを平面で構成したが、図１５に示すように、Ｓ４等の状態の微小流量域において、チューブＴの中央部を押圧する押圧部３３ｃが形成されていても良い。これにより、さらに微小な液体の流量を正確に制御することができる。
また、本実施の形態では、血液の体外循環のために使用する液体比例弁について説明したが、血液以外の液体の比例弁として広く使用することができる。
また、本実施の形態では、カム面を複数の接触点と直線部で構成したが、曲線で構成しても良い。
また、本実施の形態では、スライド部材２６を回転カム３０の押圧力で移動させているが、スライド部材２６をモータ等の駆動手段を用いて回転カム３０の回転に合わせて自動的に移動させたり、弾性体を用いて移動させても良い。

１ 液体比例弁
１１ モータ
１６ ポテンショメータ
２６ スライド部材
３０ 回転カム
３３ カム溝
Ｔ チューブ

Claims (5)

1. 内部を液体が流れるチューブと、前記チューブを変形させることにより前記液体の流量を変化させるカムと、前記カムを回転させる駆動手段とを有する液体比例弁において、
   前記駆動手段により前記カムが回転されたときの回転角度と、前記液体の流量がリニアな関係となるように、前記カムのカム面が形成されていること、
   を特徴とする液体比例弁。
2. 請求項１に記載の液体比例弁において、
   前記カム面が、前記カムの外周に形成されたカム凹部であり、前記チューブへの押圧が解除されるときに、前記チューブの側面を前記カム凹部の両壁面が押圧することにより、前記チューブを元の形状に戻すこと、
   を特徴とする液体比例弁。
3. 請求項１または請求項２に記載の液体比例弁において、
   前記カム面には、全閉状態における接触点において突起が形成されていること、
   を特徴とする液体比例弁。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか１つに記載の液体比例弁において、
   前記カム面には、微小流量域において前記チューブの中央部を押圧する押圧部が形成されていること、
   を特徴とする液体比例弁。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか１つに記載の液体比例弁において、
   前記チューブを挟んで前記カムと対向する位置に、前記カムの回転力により移動可能なスライド部材を有すること、
   を特徴とする液体比例弁。

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