JP5066678B2 - 磁歪式ガスバルブ - Google Patents

Description

本発明は、弁体を磁歪複合合金で駆動させる磁歪式ガスバルブに関する。

従来から、電動式のガスバルブとして、モータ式、圧電式、磁歪式等が考えられてきた。
その中でも磁歪式ガスバルブは非接触での駆動が可能であるため、微小な流量の制御が必要となる分野において、近年大変注目され始めている。

例えば、磁歪式ガスバルブとしては、図９に示す通り、特許文献１に記載の流体粉体制御バルブ２２が挙げられる。これは、流入口２３より流入した流体がノズル部２４を通過しここで流量を制御されて流出口２５より流出する。ノズル部２４は磁歪磁性体２６の一部または直接連結されることにより構成され、その外周は密閉容器２７によって密閉される。ノズル部の間隙の制御は密閉容器２７の外側に設置した電磁コイル２８に制御部２９より供給される制御電流にて行われる。制御部２９より電磁コイル２８に電流を供給すると磁歪磁性体２６を通過する電磁界が発生し、これにより磁歪効果によりその長さ方向が変化しノズル部２４の間隙が制御される。
特許第２６８７２１３号

しかしながら、圧電式のガスバルブの場合、圧電素子の電極をガス中に配置せざるを得ない。このため、ガスの種類によっては爆発等の危険があった。それを回避するため、圧電素子をガスに触れないように膜状部材等を間に介することも考えられるが、その場合、制御性が大幅に悪化し、微小な流量の制御が困難となっていた。

また、上記特許文献１による磁歪式ガスバルブでは、ある程度以上の容積をもつバルク状の磁歪材料を用いるため、その変形量が少なく、その長さ方向の変形を利用する場合には、必要な変形量を得るためにはある程度長さが必要となり、小型化には限界があるという問題点があった。また、圧縮コイルバネやダイヤフラムを介してピストンを駆動させると、ピストンは原点に戻らないこともあり、制御性が悪化する。

したがって、本発明は、磁歪式ガスバルブにおける上記の問題点を解決するため、電極等がガスもしくはその他の流体に非接触で構成され、且つ簡略な構成で微小な流量を制御でき、容易に小型化が可能な磁歪式ガスバルブを提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、磁歪の符号が正負反対の２種類の合金から構成される磁歪複合合金を用いた磁歪式ガスバルブにおいて、前記磁歪の符号が正負反対の２種類の合金の内、正磁歪材はＦｅ−Ｇａ合金を用い、前記磁歪複合合金の厚さ寸法を０．０１〜１ｍｍとし、前記磁歪複合合金に弁体を備えており、非磁性体で形成されるハウジング内に流体の流路を形成し、前記ハウジングを隔てて前記流路と界磁コイルを配置することによって、前記流体と前記界磁コイルとが非接触となるように構成されたことを特徴とする磁歪式ガスバルブとしている。

請求項２記載の発明は、前記磁歪複合合金が短冊形状であって、前記磁歪複合合金に備えられた前記弁体と、前記磁歪複合合金をその内壁に固定するハウジングと、界磁コイルと、前記ハウジングと前記界磁コイルとを包含する外装ケースと、から構成されたことを特徴とする請求項１記載の磁歪式ガスバルブとしている。

前記磁歪複合合金は、磁歪の符号が正負反対の２種類の合金から構成されるため、磁場が印加されると、正磁歪材が伸長し、負磁歪材が収縮し、前記磁歪複合合金は撓むように変形する。この変形により、前記磁歪複合合金に備えられた弁体が移動することによってバルブとして機能させることが可能となる。

請求項３記載の発明は、前記磁歪複合合金は、片持ち状態で前記ハウジングの内壁に固定されたことを特徴とする請求項１〜２記載の磁歪式ガスバルブとしている。

前記磁歪複合合金は、短冊形状で片持ち状態で固定されると、その先端の変位を大きく確保することが可能となる。

請求項４記載の発明は、前記磁歪複合合金は、両持ち状態で前記ハウジングの内壁に固定されたことを特徴とする請求項１〜２記載の磁歪式ガスバルブとしている。

前記磁歪複合合金は、短冊形状で両持ち状態で固定されると、片持ち状態よりも変位量は小さくなるが、前記弁体を前記弁座へ押し付ける閉塞力が高くなり、より高い圧力で使用する場合に有効である。

請求項５記載の発明は、前記磁歪複合合金が円板形状であって、前記磁歪複合合金に備えられた前記弁体と、前記磁歪複合合金の外周をその内壁に固定するハウジングと、界磁コイルと、前記ハウジングと前記界磁コイルとを包含する外装ケースと、から構成され、前記磁歪複合合金の外周を前記ハウジングの内壁に固定したことを特徴とする請求項１記載の磁歪式ガスバルブとしている。

前記磁歪複合合金は、円板形状でその外周を固定されると、短冊形状で両持ち状態で固定されるよりもさらに前記弁体を前記弁座へ押し付ける閉塞力が高くなる。よってさらに高い圧力で使用する場合に有効である。

請求項６記載の発明は、前記ハウジングと前記外装ケースとを一体形成したことを特徴とする請求項２〜５記載の磁歪式ガスバルブとしている。

前記ハウジングと前記外装ケースとを一体形成することにより、部品点数の低減が可能となる。

請求項７記載の発明は、前記弁体と、流体が流入する弁座と、が線接触となることを特徴とする請求項１〜６記載の磁歪式ガスバルブとしている。

本発明の磁歪式ガスバルブは、短冊形状もしくは円板形状の磁歪複合合金をハウジング内に固定し、ハウジングを隔てて流路と界磁コイルを配置するため、ガス等の流体が、界磁コイルと非接触であり、起爆要素が取り除かれ、安全なバルブを形成することができる。また、高い応答性を備える磁歪材を用いることによって、微小な流量の制御が可能となる。さらに、短冊形状もしくは円板形状の磁歪複合合金を用いるため、従来のバルク状の磁歪材よりも、変位量を確保でき、容易に小型化が可能となる。また、磁歪複合合金・弁体・界磁コイル・ハウジングから構成される本ガスバルブは、部品点数も少なく、安価に製造可能である。また弁体と弁座が線接触としたことにより、単位面積当たりの閉塞力はより高くなり、遮断はより優れたものとなる。よって、高精度な制御が可能となる。

以下、本発明に係る磁歪式ガスバルブについて、添付図面を参照して説明する。本発明における磁気磁歪式ガスバルブは、磁歪複合合金・弁体・界磁コイル・ハウジングから構成される。

第１の実施例における断面図を図１に示す。この磁歪式ガスバルブ1は、磁歪複合合金２・弁体３・ハウジング４・界磁コイル５・外装ケース６から構成される。前記磁歪複合合金２は、磁歪の符号が正負反対の２種類の合金から構成される。このとき、正磁歪材２ａとしては、Ｆｅ−Ｇａ合金、負磁歪材２ｂとしてはＮｉ基合金を用いる。しかしそれぞれ反対の磁歪特性が得られれば良く、正磁歪材２ａとしては、Ｆｅ−Ｘ（Ｘ＝Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｌ）合金のいずれかでも構わない。また、この正負磁歪材の板厚は０．０１〜１ｍｍの短冊形状で形成される。そして、前記正磁歪材２ａと前記負磁歪材２ｂの接合には、接着剤を用いるが、放電焼結法等により、高温・高圧下での処理により接合しても構わない。

前記弁体３は、図２に示す通り、前記ハウジング４に設けられた弁座７と線接触となる形状を有し、前記磁歪複合合金２の端部に備えられる。このとき、前記弁体３は、使用する流体の影響を受けない材質で形成される。

前記ハウジング４は、非磁性体で形成され、前記磁歪複合合金２の前記弁体３を備えてない側の端部をその内壁に固定し、前記磁歪複合合金２の片持ち構造とする。

前記界磁コイル５は、前記ハウジング４外周に配置され、前記ハウジング４で流路と隔てられ、前記ハウジング４とともに前記外装ケース６に含包される。このとき、前記ハウジング４と前記外装ケース６とを一体成型し、前記界磁コイル５をその内部に配置しても良い。

次に第１の実施例における磁歪式ガスバルブ１の駆動機構の説明図を図３に示す。これによると、前記正磁歪材２ａと前記負磁歪材２ｂが接合され、前記正磁歪材２ａ側に、前記弁体３が設けられる。図３（ａ）は、前記弁体３が弁座７を塞ぎ、閉塞時を示している。図３（ｂ）では、前記磁歪複合合金２に磁場が印加され、前記正磁歪材２ａが伸長し、前記負磁歪材２ｂが収縮し、前記磁歪複合合金２の一端が前記ハウジング４の内壁に固定されているため、前記磁歪複合合金２が図中上方向へ撓み、前記弁座７が開放される。

また、図４に、本実施例における印加磁場に対する流量変化を示す。これは、板厚１００μｍのＦｅ−２９．６ａｔ％Ｐｄ合金（正磁歪材）と、板厚５０μｍのＮｉ基合金（負磁歪材）とを接着し、長さ２０ｍｍの磁歪複合合金を作製し、これを片持ち状態で固定し、印加磁場に対する流量変化をグラフ化したものである。

測定条件としては、印加磁場Ｈ＝０Ｏｅの時、磁歪ガスバルブの流入口側と流出口側の圧力差PをＰ_０＝４００Ｐａとし、磁場Ｈ＝０から４２０Ｏeを印加して流出口側の流量変化を測定した。

これによると、印加磁場Ｈに対し、流出口側の流量Ｑは徐々に増大し、Ｈ＝４２０Ｏｅの時、Ｑ＝１６ｃｃ／ｍｉｎであり、印加磁場で微小な流量の制御が可能であることが分かる。

第２の実施例における断面図を図５に示す。この磁歪式ガスバルブ８は、磁歪複合合金９・弁体１０・ハウジング１１・界磁コイル１２・外装ケース１３から構成される。前記磁歪複合合金９は、磁歪の符号が正負反対の２種類の合金から構成される。このとき、正磁歪材９ａとしては、Ｆｅ−Ｇａ合金、負磁歪材９ｂとしてはＮｉ基合金を用いる。しかしそれぞれ反対の磁歪特性が得られれば良く、正磁歪材９ａとしては、Ｆｅ−Ｘ（Ｘ＝Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｌ）合金のいずれかでも構わない。また、この正負磁歪材の板厚は０．０１〜１ｍｍの短冊形状で形成される。そして、前記正磁歪材９ａと前記負磁歪材９ｂの接合には、接着剤を用いるが、放電焼結法等により、高温・高圧下での処理により接合しても構わない。

前記弁体１０は、図６に示す通り、前記ハウジング１１に設けられた弁座１４と線接触となる形状を有し、前記磁歪複合合金９の中央部に備えられる。このとき、前記弁体１０は、使用する流体の影響を受けない材質で形成される。

前記ハウジング１１は、非磁性体で形成され、前記磁歪複合合金９の両端をその内壁に固定することで、前記磁歪複合合金９の両持ち構造とする。

前記界磁コイル１２は、前記ハウジング１１外周に配置され、前記ハウジング１１で流路と隔てられ、前記ハウジング１１とともに前記外装ケース１３に含包される。このとき、前記ハウジング１１と前記外装ケース１３とを一体成型し、前記界磁コイル１２をその内部に配置しても良い。

本実施例によると、第１の実施例と同様に、磁場を印加することによって、前記磁歪複合合金９が撓むが、その両端を前記ハウジング１１の内壁に固定されているため、その中央部に備えられた前記弁体１０が上下方向へ動作し、弁座１４の開放・閉塞を行うことが可能である。また本実施例では、片持ち状態よりも変位量は小さくなるが、前記弁体を前記弁座へ押し付ける閉塞力が高くなり、より高い圧力で使用する場合に有効となる。

第３の実施例における断面図を図７に示す。この磁歪式ガスバルブ１５は、磁歪複合合金１６・弁体１７・ハウジング１８・界磁コイル１９・外装ケース２０から構成される。前記磁歪複合合金１６は、磁歪の符号が正負反対の２種類の合金から構成される。このとき、正磁歪材１６ａとしては、Ｆｅ−Ｇａ合金、負磁歪材１６ｂとしてはＮｉ基合金を用いる。しかしそれぞれ反対の磁歪特性が得られれば良く、正磁歪材１６ａとしては、Ｆｅ−Ｘ（Ｘ＝Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｌ）合金のいずれかでも構わない。また、この正負磁歪材の板厚は０．０１〜１ｍｍの円板形状で形成される。そして、前記正磁歪材１６ａと前記負磁歪材１６ｂの接合には、接着剤を用いるが、放電焼結法等により、高温・高圧下での処理により接合しても構わない。

前記弁体１７は、図８に示す通り、前記ハウジング１８に設けられた弁座２１と線接触となる形状を有し、前記磁歪複合合金１６の中央部に備えられる。このとき、前記弁体１７は、使用する流体の影響を受けない材質で形成される。

前記ハウジング１８は、非磁性体で形成され、円板形状である前記磁歪複合合金１６の外周部をその内壁に固定する。

前記界磁コイル１９は、前記ハウジング１８外周に配置され、前記ハウジング１８で流路と隔てられ、前記ハウジング１８とともに前記外装ケース２０に含包される。このとき、前記ハウジング１８と前記外装ケース２０とを一体成型し、前記界磁コイル１７をその内部に配置しても良い。

上記３実施例では、正磁歪材側に弁体を設けることにより、磁場印加時にバルブが開放する構成としたが、正磁歪材と負磁歪材とを逆に配置し、負磁歪材側に弁体を設けることにより、磁場印加時にバルブが閉塞する構成とすることも可能である。

本実施例によると、第１、２の実施例と同様に、磁場を印加することによって、前記磁歪複合合金１６が撓むが、その外周を前記ハウジング１８の内壁に固定されているため、その中央部に備えられた前記弁体２０が上下方向へ動作し、弁座２１の開放・閉塞を行うことが可能である。また本実施例では、片持ち状態・両持ち状態よりもさらに変位量は小さくなるが、前記弁体を前記弁座へ押し付ける閉塞力はさらに高くなり、さらにより高い圧力で使用する場合に有効となる。

本発明における第１の実施例を示す断面図である。 第１の実施例における磁歪複合合金と弁体の斜視図である。 第１の実施例における磁歪式ガスバルブ１の駆動機構の説明図である。 第１の実施例における印加磁場に対する流量変化を示すグラフである。 本発明における第２の実施例を示す断面図である。 第２の実施例における磁歪複合合金と弁体の斜視図である。 本発明における第３の実施例を示す断面図である。 第３の実施例における磁歪複合合金と弁体の斜視図である。 従来の磁歪式ガスバルブを示す説明図である。

符号の説明

１、８、１５ 磁歪式ガスバルブ
２、９、１６ 磁歪複合合金
３、１０、１７ 弁体
４、１１、１８ ハウジング
５、１２、１９ 界磁コイル
６、１３、２０ 外装ケース
７、１４、２１ 弁座
２２ 流体粉体制御バルブ
２３ 流入口
２４ ノズル部
２５ 流出口
２６ 磁歪磁性体
２７ 密閉容器
２８ 電磁コイル
２９ 制御部

Claims (7)

1. 磁歪の符号が正負反対の２種類の合金から構成される磁歪複合合金を用いた磁歪式ガスバルブにおいて、
   前記磁歪の符号が正負反対の２種類の合金の内、正磁歪材はＦｅ−Ｇａ合金であって、
   前記磁歪複合合金は、厚さ０．０１〜１ｍｍの板状であって、
   前記磁歪複合合金に弁体を備えており、
   非磁性体で形成されるハウジング内に流体の流路を形成し、前記ハウジングを隔てて前記流路と界磁コイルを配置することによって、前記流体と前記界磁コイルとが非接触であるように構成されたことを特徴とする磁歪式ガスバルブ。
2. 前記磁歪複合合金は短冊形状であって、前記磁歪複合合金に備えられた前記弁体と、前記磁歪複合合金をその内壁に固定するハウジングと、界磁コイルと、前記ハウジングと前記界磁コイルとを包含する外装ケースと、から構成されたことを特徴とする請求項１記載の磁歪式ガスバルブ。
3. 前記磁歪複合合金は、片持ち状態で前記ハウジングの内壁に固定されたことを特徴とする請求項１〜２記載の磁歪式ガスバルブ。
4. 前記磁歪複合合金は、両持ち状態で前記ハウジングの内壁に固定されたことを特徴とする請求項１〜２記載の磁歪式ガスバルブ。
5. 前記磁歪複合合金は円板形状であって、前記磁歪複合合金に備えられた前記弁体と、前記磁歪複合合金の外周をその内壁に固定するハウジングと、界磁コイルと、前記ハウジングと前記界磁コイルとを包含する外装ケースと、から構成され、前記磁歪複合合金の外周を前記ハウジングの内壁に固定したことを特徴とする請求項１記載の磁歪式ガスバルブ。
6. 前記ハウジングと前記外装ケースとを一体形成したことを特徴とする請求項２〜５記載の磁歪式ガスバルブ。
7. 前記弁体と、流体が流入する弁座と、が線接触となることを特徴とする請求項１〜６記載の磁歪式ガスバルブ。

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