JP3556276B2

JP3556276B2 - 流体の流量を変化させる弁装置

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Publication number: JP3556276B2
Application number: JP17702594A
Authority: JP
Inventors: ジェーゴードンダニエル
Original assignee: PE Corp
Current assignee: Applied Biosystems Inc
Priority date: 1993-07-30
Filing date: 1994-07-28
Publication date: 2004-08-18
Anticipated expiration: 2019-08-18
Also published as: US5329965A; AU692773B2; EP0636959B1; EP0636959A3; EP0636959A2; JPH0778032A; AU6879594A; CA2126496A1; DE69422098D1; CA2126496C; DE69422098T2

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は，流体の流量を変化させる弁装置，特に流体の流量のバイナリ制御（オン・オフ制御）とアナログ制御とを組み合わせたハイブリッド弁装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
流体の流量を維持し，また変化させることが必要な場合は多くあり，このために多くの調節装置が使用されている。例えば，設定されている流体流を短期間にわたって生ぜしめ，あるいは遮断することが必要な場合がある。また，流量を正確に選択しなければならないことがある。例えば，原子吸光分光光度計あるいはガスクロマトグラフィー若しくは液体クロマトグラフィーにおけるキャリヤガス若しくはキャリヤ液体の流量は正確に選択しなければならない。コンピュータ化された電子制御装置を有するこれらの装置においては，流量をセットし変化させるために流量メータに結合されたモータを使用するような従来の方法は，特に正確さが要求される場合には，容易には適用することができない。
【０００３】
最も伝統的な流量メータは作業流量範囲にわたって無段階に調整可能であって，必要とされる精度を有していない。別のクラスの流量制御装置はバイナリ流動制御装置を使用している。この場合多数の流動導管が並列に配置され，各流動導管はオン・オフ弁とこれに直列に接続されている精密オリフィスのような固定の流量絞り機構とを有している。各流動導管あるいは若干のオリフィスの大きさは異なっており，選択されたオリフィスの組み合わせ及び弁のオン・オフによって，流量を段階的に選択することができる。このような形式の１つの型の弁装置においては，各流動導管はその前の流動導管の２倍の流量で流体を通過させる（米国特許第２，９９９，４８２号明細書・同第３，７２６，２９６号明細書・同第３，７４６，０４１号明細書・同第４，７６８，５４４号明細書）。オリフィスの寸法は例えば米国特許第４，０３０，５２３号明細書及び同第４，６２８，９６１号明細書に記載されているように組み合わせることができ，これによって最大流量の１０％の増分（ｉｎｃｒｅｍｅｎｔ）の流量段階を生ぜしめることができる。
【０００４】
もっと新しいクラスの流量制御装置はソリッド・ステートの小型半導体チップ及び他の材料内に，集積回路を形成する技術と類似の技術を使用して，形成されている。このような装置及び技術は米国特許第４，８２１，９９７号明細書に詳細に記載されている。特別な装置は，雑誌ＳｅｎｓｏｒＢｕｓｉｎｅｓｓＤｉｇｅｓｔ，１，Ｎｏ．５，９−１１（１９９２年２月号）の記事 ”ＴｈｅＦｌｕｉｓｔｏｒＭｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｓＰｏｉｓｅｄｆｏｒＣｏｍｍｅ−ｒｃｉａｌｉｚａｔｉｏｎ”（署名なし）に記載されているフリュイスタ（Ｆｌｕｉｓｔｏｒ：登録商標）である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は，流量を正確に変化させる新規な弁装置を提供すること，特に適度のあるいは比較的に大きな流量を正確に変化させる弁装置を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この課題は本発明によるハイブリッド弁装置によって解決された。すなわち，本発明によるハイブリッド弁装置は，共通の流体入口と，全流体流を排出する共通の流体出口と，複数のバイナリ制御導管と，１つのアナログ制御導管と，制御装置とを備え，該バイナリ制御導管は所定の流量を有していて，共通の流体入口と共通の流体出口との間で互いに並列に接続されており，各バイナリ制御導管はバイナリ弁と所定の流量の流体を共通の出口に通過させる調節手段とを有しており，各バイナリ制御導管の所定の流量は，順次に選択されたバイナリ制御導管が別個にあるいは組み合わして最大の増分を含む増分で全流体流の流量を順次に増大させるように，選ばれており，該アナログ制御導管は共通の流体入口と共通の流体出口との間でバイナリ制御導管に対して並列に接続されていて，少なくとも最大の増分に等しい最大の流量までの選択された流量を通過させる無段階に調整可能な流量調節器を有しており，該制御装置は各バイナリ弁を選択された開放位置又は閉鎖位置に制御し，かつアナログ制御導管を通して選択された流量の流体流が通過するように流量調節器を制御して，これらの制御によって無段階に可変の選択可能な流量の全流体流が生ぜしめられるようになっており，バイナリ制御導管が１つの１次導管と１つ又は複数の２次導管とから成っていて，連続的な順序で所定の流量を増大させており，１次導管は１次流量を有しており，各２次導管の所定の流量は連続的な順序で前の順序のバイナリ制御導管の所定の流量よりも１次流量の２倍に等しい増分だけ大きい。
【０００７】
【発明の効果】
本発明の構成によって，流量が正確に変化せしめられる。調節手段は貫通オリフィスを有する固形部材として構成することができる。流量調節器は小型のソリッド・ステート装置として構成すると有利である。
【０００８】
バイナリ制御導管は１つの１次導管と１つ又は複数の２次導管とから成っており，有利には連続的な順序で所定の流量を増大させている。有利な１実施態様では，各２次導管の所定の流量は，連続的な順序で前の順序のバイナリ制御導管の所定の流量の２倍であり，１次導管の流量は所定の流量のうちで最もわずかである。別の実施態様では，１次導管の所定の流量は最少であり，各２次導管の所定の流量は連続的な順序で前の順序のバイナリ制御導管の所定の流量よりも１次導管の所定の流量の２倍に等しい増分だけ大きい。
【０００９】
【実施例】
以下においては図面に示した実施例に基づいて本発明の構成を具体的に説明する。
【００１０】
本発明によるハイブリッド弁装置１０は２つの区分，すなわちバイナリ区分６とアナログ区分８とから成っている。このようなハイブリッド弁装置は，原子吸光分光光度計において炎内にサンプル物質を噴射するためにキャリヤガスを制御するため，あるいはガスクロマトグラフィーのキャリヤガス若しくは液体クロマトグラフィーのキャリヤ液体を制御するために使用することができる。
【００１１】
バイナリ区分６内では，バイナリ流動に関係のある前述の任意の米国特許明細書に記載されているような形式で，オン・オフ弁及び絞り機構を有する複数の導管が使用されている。図示の実施例では，このような４つのバイナリ導管，すなわち第１の導管１２と第２の導管１４と第３の導管１６と第４の導管１８とが，共通の流体入口導管２０と共通の流体出口導管２２との間で，互いに並列に接続されている。流体出口導管２２は流体，図示の実施例ではガス，を使用箇所（図示せず）に排出する。各導管はそれを貫通するガス通路を開閉制御するバイナリ弁を有している。すなわち４つの導管のガス通路に第１の弁２４と第２の弁２６と第３の弁２８と第４の弁３０とが設けられている。これらの弁はソレノイド弁のように電気的に制御されるものである。実際の構造例は前記の米国特許明細書に記載されている。
【００１２】
バイナリ区分６は流体入口導管２０を介して圧縮ガス源３２に接続されている。流体入口導管２０は主ガス弁３４及び全流量を測定する流量計３６を有している。なお普通の圧力計３８を設けておくことができる。
【００１３】
各バイナリ導管は更にそれぞれガス絞り機構４２・４４・４６・４８を有している。これらのガス絞り機構は，バイナリ弁が開いているときに，所定のガス圧力で，それぞれ所定のガス流量を生ぜしめる。このガス絞りは調整可能な弁例えばニードル弁（図示せず）によって行うことができる。しかしながら，これらの弁は一度調整されると，通常はその調整された状態を維持する。逆に調整不能の精密オリフィスを有する固形部材を使用することもでき，その方が有利である。例えばオリフィスを有するサファイヤ部材は，コネティカット州トランブル（Ｔ−ｒｕｍｂｕｌｌ）のＯ’ＫｅｅｆｅＣｏｎｔｒｏｌｓＣｏ．社によって販売されている。
１実施例では，バイナリ導管の流量は２を公比とする等比数列となっている。第１の，つまり１次の，導管１２のガス絞り機構４２は，弁２４が開いている場合に，すべてのガス通路の流量のうち最も少ない流量を生ぜしめるように，選択されている。この最も少ない流量は「単位流量」を規定する。ほかのバイナリ導管，すなわち第２の導管１４・第３の導管１６及び第４の導管１８（以下においては２次導管と呼ぶ）の各々はこの順序で順次に流量を増大させるガス絞り機構を有している。第２のガス絞り機構４４は導管１４内に，その前の導管１２の所定の流量（単位流量）の２倍の所定の流量を生ぜしめる。第３のガス絞り機構４６は導管１６内に，その前の導管１４の所定の流量の２倍の所定の流量を生ぜしめる。第４のガス絞り機構４８は導管１８内に，その前の導管１６の所定の流量の２倍の所定の流量を生ぜしめる。付加的に並列に接続されているバイナリ導管（図示せず）はやはり同じようにしてその前のバイナリ導管の流量の２倍の所定の流量を有している。このようにして，第１の導管１２が「１」の単位流量を有しているものとすると，第２の導管は「２」の流量を有しており，第３の導管は「４」の流量を有しており，第４の導管は「８」の流量を有している。
【００１４】
バイナリ区分６は，種々のバイナリ弁を選択された組み合わせでオン又はオフにして，制御作用を行う。第１の弁２４だけがオンになっている場合には，バイナリ区分６の全流量は単位流量である。第２の弁２６だけがオンになっている場合には，バイナリ区分６の全流量は２（２単位）である。第１の弁２４及び第２の弁２６だけがオンになっている場合には，バイナリ区分６の全流量は３（３単位）である。第３の弁２８だけがオンになっている場合には，バイナリ区分６の全流量は４（４単位）である。第１の弁２４及び第３の弁２８だけがオンになっている場合には，バイナリ区分６の全流量は５（５単位）である。このようにして，最大の全流量は第１の弁２４から第４の弁３０まですべての弁がオンになっている場合の１５（１５単位）である。したがって，流量の範囲は単位流量を増分として段階的に刻まれている。流量段階の数（すべての弁がオフになっている場合の流量０の段階も含む）は２^ｎ（ただしｎは弁の数）である。したがって図示の実施例ではｎ＝４であるので，流量段階の数は１６である。もちろん実際の流量は共通の流体入口導管２０における流体圧力に関連しているので，この流体圧力をコンスタントに維持しておかなければならない。
【００１５】
実地において，バイナリ導管の流量を決定する調節手段は，すべてのバイナリ導管の流量を正確に２倍ずつ増大させるように構成することはできない。また後述するように，流量段階の増分を異ならせるような別の数列を使用することもできる。いずれの場合でも，最大の増分は把握しておかなければならない。増分が完全に同じである場合には，「最大の増分」はこれらの同じ増分の値を意味する。
【００１６】
ハイブリッド弁装置１０のアナログ区分８は，共通の流体入口導管２０と共通の流体出口導管２２との間で，バイナリ区分６に対して並列に接続されているアナログ制御導管５０を有している。このアナログ制御導管５０は，ゼロから，少なくともバイナリ区分６の最大の流量増分に等しい最大流量までの既知の流量を通過させる無段階に調整可能な流量調節器５２を有している。したがってアナログ区分８はバイナリ区分６の流量に加えて，無段階に調整された流量を通過させる。バイナリ区分６の調節制御とこの流量調節器５２の調節とによって，全流体流の，無段階に変化させることのできる選択可能な流量が生ぜしめられる。図示の実施例のように流量が２倍ずつ増大している４つのバイナリ導管が設けられている場合には，アナログ制御導管を含めた全流体流の最大流量は１６（あるいはそれよりもわずかに多い）である。アナログ制御導管の最大の流量は，バイナリ導管の流量増分よりもほんのわずかだけ（例えば５０％まで）多くしておくのが有利であり，これによって増分の誤差を完全に補填して，アナログ流量調節器のほとんど最大の正確さを維持することができる。
【００１７】
アナログ流量調節器５２は任意の構造のもの，例えばモータによって調節される精密ニードル弁を使用することができる。しかしながら，前記の米国特許第４，８２１，９９７号明細書に記載されているような集積電子回路を形成する技術に類似した技術を使用して，半導体チップ内に形成した小型のソリッド・ステート装置によってアナログ調節弁を構成するのが有利である。例えば，これに適した型の装置は，カリフォルニア州メンロパーク（ＭｅｎｌｏＰａｒｋ）のＲｅｄｗｏｏｄＭｉｃｒｏｓｙｓｔｅ−ｍｓ，Ｉｎｃ．社の装置フリュイスタ（Ｆｌｕｉｓｔｏｒ：登録商標）として前記雑誌の記事で紹介されている。同じような装置として，カリフォルニア州ミルピタス（Ｍｉｌ−ｐｉｔａｓ）のＩＣＳｅｎｓｏｒｓ社によって販売されているガスマイクロ弁，モデル４４２５がある。本明細書中において「ソリッド・ステート装置」とは半導体チップ内に形成されたこのような型の小型弁を意味するものとする。
【００１８】
前述のＲｅｄｗｏｏｄ社のフリュイスタはシリコンチップの基体を有し，この基体は囲まれたキャビティを有しており，このキャビティは，キャビティ内に密封された膨張可能な液体によって曲げられる単結晶シリコン膜によって仕切られている。電気抵抗ヒータが液体を加熱して膨張させる。パイレックスのウェーハが単結晶シリコン膜によって動かされ，基体を通る通路内の流量を電気抵抗中の加熱電流に応じて変化させる。センサ及び電子素子は有利にはシリコンチップ内に含まれており，ヒータと協働して，流量のフィードバック制御を行う。
【００１９】
制御装置５８がハイブリッド弁装置１０内に設けられていて，電気導線６０を介してバイナリ区分６の弁２４・２６・２８・３０を開閉制御し，電気導線６１を介して流量調節器５２を制御して，アナログ制御導管５０内に選択された流量を生ぜしめ，これら両方の制御によって，ハイブリッド弁装置１０を通る全流体流の流量範囲全体にわたって，無段階に変化させることのできる選択された流量が生ぜしめられる。この制御装置は簡単には１セットの手動ノブを有していてもよいが，本発明によるハイブリッド弁装置には，コンピュータ化した制御装置が特に適している。このようなコンピュータ化した制御装置は，本発明によるハイブリッド弁装置を使用する既に述べたような装置のコンピュータ内に組み込んでおくことができる。
【００２０】
コンピュータのプログラミングは選択された流量値を電気導線６０・６１内の信号に翻訳し，開かれるバイナリ弁はキーボード６２による入力によって，あるいはあらかじめ入れられて貯蔵されている値によって，あるいは弁装置を使用する装置のマスタプログラムによって計算された値によって，決定される。流量並びに装置の運転データその他の情報はモニタ６４に表示することができる。弁装置を調節制御するプログラミング手段は「Ｃ言語」のような普通のコンピュータ言語によって簡単に得られる。総合的なプログラムは例えばＤｉｇｉｔａｌＥｑｕｉｐｍｅｎｔＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ社のモデル＋３１６のコンピュータで作成することができる。ソリッド・ステート装置への電気信号の性質（例えばデジタル又はアナログ）は弁装置のメーカーの指示によって決定される。
【００２１】
以上の説明は，等比数列の４つのバイナリ導管及びアナログ区分について行ったものであり，この場合最大の流量は１６単位（あるいはそれよりもわずかに多い）である。しかしながら，別の数のバイナリ導管をアナログ区分と組み合わせて，バイナリ区分の流量増分に適合した適当な最大流量を有するアナログ流量調節器を使用することによって，所望の最大流量範囲及び正確さを生ぜしめることもできる。
【００２２】
また以上の説明は，２を公比とする等比数列の流量を有するバイナリ導管についてのものであって，最小の数，特に４よりも大きい数のバイナリ導管を効果的に使用することができるものである。しかしながら別の数列，例えば前記の米国特許第４，０３０，５２３号明細書に記載されているような数列を使用することもできる。この米国特許明細書に記載されている４つのバイナリ導管の数列は１・２・２・５であって，１０の段階で１０％の増分を生ぜしめることができる。
【００２３】
本発明の別の実施例では，１次導管の所定の流量は最小であり，各２次導管の所定の流量はその前のバイナリ導管の所定の流量よりも，１次導管の所定の流量の２倍だけ大きい。この場合，バイナリ導管が４つ設けられていると，流量の数列は１・３・５・７となる。これによって，１（例えば全流量３と全流量４との差）又は２（例えば全流量１と全流量３との差）の流量の増分を生ぜしめることができる。したがって，バイナリ区分の最大の流量変化の増分は２であり，アナログ制御導管は０から２までの流量を生ぜしめるように選択される。このハイブリッド弁装置の最大の流量は１８（１８単位）である。
【００２４】
流動オリフィスの寸法及びこれに相応する流量は正確な比で選択する必要はない。したがって本発明によれば，バイナリ導管は，最大の流量変化の増分を含む所定の増分（これは同一である必要はない）で全流量を増大させる。アナログ制御導管は，少なくとも最大の流量変化の増分に等しい最大の流量までの流量を通過させるこいとのできる調整可能な流量を有している。また，バイナリ区分内の１次導管が有している１次流量はどの２次導管の所定の流量よりも少なく，あるいは少なくとも多くない。
【００２５】
下の表は，２．１ｋｇ／ｃｍ２の入口圧力で公称毎秒０．１標準リットル（ＳＬＰＭ）の増分の空気流量増大を順次に生ぜしめる７つのオリフィスのセットの例を示したものである。これらのバイナリ導管は，バイナリ区分における最大の増分よりも多い約０．１５ＳＬＰＭの最大流量を有する前述のフリュイスタ（Ｆ−ｌｕｉｓｔｏｒ：登録商標）型のソリッド・ステートの流量調節器に対して並列に配置されている。
【００２６】

本発明の更に別の実施例は図２に示されており，図２においては図１のすべての素子が同じ数字を付けて示されている。これらの素子についての説明はここでは繰り返さない。しかしながら図２に示したハイブリッド弁装置１００においては，バイナリ区分６及びアナログ区分８は，付加的な流れを生ぜしめる付加的な導管１０２を並列に接続されている。この付加的な流れのためには，導管１０２が，バイナリ区分及びアナログ区分のどの導管の流量よりも著しく多い流量，例えばこれらの区分の最大の流量の１００倍の流量を有しているのが特に有利である。
【００２７】
図２に示すように，付加的な導管１０２は所定の流量を生ぜしめるために，精密オリフィス１０４あるいはほかの絞り手段を有している。この導管１０２は通常は開いているものであって，オン・オフ弁を必要としないが，有していてもよい。このハイブリッド装置１００は所定の最低流量を生ぜしめるものであって，必要とされる出力流量が通常極めて多いが，バイナリ区分及びアナログ区分内でわずかな流量範囲を調整しなければならないような場合に有利に使用される。主ガス弁３４が開かれると，流れは，付加的なオリフィス並びにプリセットされているバイナリ導管及びアナログ導管によって決定されている最大流に迅速に達する。あるいはバイナリ導管及びアナログ導管は，付加的な導管１０２によって最初の流れが達成された後に，初めて開くこともできる。
【００２８】
本明細書で述べたようなソリッド・ステート装置は本発明によるバイナリ導管に使用するのに特に適している。それはバイナリ区分の流量範囲を極めて正確に変化させることができるからである。ソリッド・ステート装置は大きな精度を有しているが，広い調節範囲を生ぜしめることはできない。精密オリフィスあるいはニードル弁などを有するバイナリ導管は調節範囲を広げ，しかもソリッド・ステート装置の正確さを維持する。等比数列のバイナリ導管は最小の数で適当に広い調節範囲を生ぜしめる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による弁装置の概略図である。
【図２】図１の弁装置に付加的な導管を設けた弁装置の概略図である。
【符号の説明】
６バイナリ区分，８アナログ区分，１０ハイブリッド弁装置，１２・１４・１６・１８導管，２０流体入口導管，２２流体出口導管，２４・２６・２８・３０弁，３２圧縮ガス源，３４主ガス弁，３６流量計，３８圧力計，４２・４４・４６・４８ガス絞り機構，５０アナログ制御導管，５２流量調節器，５８制御装置，６０及び６１電気導線，６２キーボード，６４モニタ，１００ハイブリッド弁装置，１０２導管，１０４精密オリフィス

Claims

共通の流体入口と，全流体流を排出する共通の流体出口と，複数のバイナリ制御導管と，１つのアナログ制御導管と，制御装置とを備え，該バイナリ制御導管は所定の流量を有していて，共通の流体入口と共通の流体出口との間で互いに並列に接続されており，各バイナリ制御導管はバイナリ弁と所定の流量の流体を共通の出口に通過させる調節手段とを有しており，各バイナリ制御導管の所定の流量は，順次に選択されたバイナリ制御導管が別個にあるいは組み合わして最大の増分を含む増分で全流体流の流量を順次に増大させるように，選ばれており，該アナログ制御導管は共通の流体入口と共通の流体出口との間でバイナリ制御導管に対して並列に接続されていて，少なくとも最大の増分に等しい最大の流量までの選択された流量を通過させる無段階に調整可能な流量調節器を有しており，該制御装置は各バイナリ弁を選択された開放位置又は閉鎖位置に制御し，かつアナログ制御導管を通して選択された流量の流体流が通過するように流量調節器を制御して，これらの制御によって無段階に可変の選択可能な流量の全流体流が生ぜしめられるようになっており，バイナリ制御導管が１つの１次導管と１つ又は複数の２次導管とから成っていて，連続的な順序で所定の流量を増大させており，１次導管は１次流量を有しており，各２次導管の所定の流量は連続的な順序で前の順序のバイナリ制御導管の所定の流量よりも１次流量の２倍に等しい増分だけ大きいことを特徴とする，流体の流量を変化させる弁装置。
付加的な流体導管が共通の流体入口と共通の流体出口との間でバイナリ制御導管及びアナログ制御導管に対して並列に接続されていて，付加的な所定の流量の流体を共通の流体出口に通過させる付加的な調節手段を有しており，この付加的な流体導管は通常は開いていて，付加的な所定の流量で最少の流れを共通の出口に通過させることを特徴とする，請求項１記載の弁装置。