JP5606087B2

JP5606087B2 - 流量制御弁

Info

Publication number: JP5606087B2
Application number: JP2010022186A
Authority: JP
Inventors: 繁之林
Original assignee: Horiba Stec Co Ltd
Current assignee: Horiba Stec Co Ltd
Priority date: 2009-03-27
Filing date: 2010-02-03
Publication date: 2014-10-15
Anticipated expiration: 2030-02-03
Also published as: US20100243076A1; US8844901B2; JP2010230159A

Description

本発明は、例えばガスの流量を制御するマスフローコントローラ等に用いられる流量制御弁に関するものである。

従来、マスフローコントローラ等に用いられる流量制御弁としては、特許文献１に示すように、弁座部材に２つの内部流路が形成され、一方の内部流路は、一端が流入路に連通し、他端が弁座面に形成された１つの開口に連通するとともに、他方の内部流路は、一端が流出路に連通し、他端が弁座面に形成された１つの開口に連通する構造である。つまり、従来の流量制御弁は、流入路から流入する流体用の１つの開口と、流出路に流出する流体用の１つの開口とを有するものである。そして、このような弁座面にピエゾ素子等のアクチュエータにより駆動されるダイヤフラムを着座又は離座させることによって、流量を制御している。

これらの構造を有する流量制御弁では、流体の流量を大きくするためには、弁座面と着座面との距離（以下、開口度）を大きくする必要がある。また、弁座面に形成された流入口及び流出口の開口径を大きくする必要がある。

しかしながら、上記開口度を大きくする手法に関して言うと、ダイヤフラムの駆動手段であるピエゾ素子等のアクチュエータのストローク量に限界があり、また、ストローク量を大きくするためには、アクチュエータを大型化させる必要があり、流量制御弁全体が肥大化してしまうという問題がある。

また、流入口及び流出口の開口径を大きくする手法に関して言うと、開口径を大きくすると当然に弁座面の面積も大きくなり、その結果、流量制御弁全体が肥大化してしまうという問題がある。

特開２０００−１９７３７４号公報

そこで本発明は、上記問題点を一挙に解決するためになされたものであり、小型でありながら大流量の流体を流すことができる流量制御弁を提供することをその主たる所期課題とするものである。

すなわち本発明に係る流量制御弁は、流体が流れる流路に設けられ、上流側流路である流入路からの流体の流量を制御して下流側流路である流出路に流出させる流量制御弁であって、弁座面を有する弁座部材と、前記弁座面に着座する着座面を有する弁体部材と、を具備し、前記弁座面又は前記着座面の一方に複数の流入口及び複数の流出口が形成されており、それら流入口及び流出口が、着座状態において重ならないように形成され、前記流入口が形成された部材の内部に、前記流入路及び前記流入口に連通する内部流入路が形成され、前記流出口が形成された部材の内部に、前記流出路及び前記流出口に連通する内部流出路が形成され、前記流入口が、前記弁座面又は前記着座面の一方に形成された複数の環状の凹溝に形成されており、前記流出口が、前記弁座面又は前記着座面の一方に形成され、前記流入口が形成された凹溝とは異なる複数の環状の凹溝に形成されており、前記流入口が形成された複数の凹溝において、最外側の凹溝に形成された複数の前記流入口の開口面積の合計が、その他の前記各凹溝に形成された複数の前記流入口の開口面積の合計よりも一番大きいことを特徴とする。
ここで、前記流入口が形成された複数の凹溝において、内側の凹溝から外側の凹溝に行くに従って、前記凹溝に形成された複数の前記流入口の開口面積の合計が徐々に大きくなることが望ましい。

このようなものであれば、流入口及び流出口が弁座面又は着座面に複数形成されているので、小型でありながら大流量の流体を流すことができる。

流入口及び流出口間の圧力損失を低減して低差圧での流体の大流量化を可能にするためには、前記流入口及び流出口が弁座面に形成され、前記弁座部材に前記内部流入路及び内部流出路が形成されたものであり、前記流入口及び流出口が前記弁座面に形成された凹溝の底面に形成されていることが望ましい。

流入口及び流出口間の距離を可及的に小さくし、流入口の周囲長及び流出口の周囲長を可及的に大きくして、より一層圧力損失を低減するためには、前記流入口が形成された複数の凹溝及び前記流出口が形成された複数の凹溝が略同心円状に形成されており、前記流入口が形成された凹溝及び前記流出口が形成された凹溝が交互に形成されていることが望ましい。

流量制御弁の製作を容易にするとともに、弁座面又は着座面の面積を有効活用できるようにするためには、前記流入口及び流出口が放射状に設けられていることが望ましい。

また、本発明に係る流量制御弁は、流体が流れる流路に設けられ、上流側流路である流入路からの流体の流量を制御して下流側流路である流出路に流出させる流量制御弁であって、弁座面を有する弁座部材と、前記弁座面に着座する着座面を有する弁体部材と、を具備し、前記弁座面又は前記着座面の一方又は他方に流入口が形成され、前記弁座面又は前記着座面の一方又は他方に流出口が形成されており、それら流入口及び流出口が、着座状態において重ならないように形成され、前記流入口が形成された部材の内部に、前記流入路及び前記流入口に連通する内部流入路が形成され、前記流出口が形成された部材の内部に、前記流出路及び前記流出口に連通する内部流出路が形成され、前記流入口及び流出口が弁座面又は着座面に形成された複数の環状の凹溝に形成されており、前記流入口が形成された複数の凹溝において、最外側の凹溝に形成された複数の前記流入口の開口面積の合計が、その他の前記各凹溝に形成された複数の前記流入口の開口面積の合計よりも一番大きいことを特徴とする。

このようなものであれば、流入口及び流出口間の圧力損失を低減することができ、低差圧により大流量の流体を流すことができる。

さらに、本発明に係るマスフローコントローラは、流量センサと、前述した流量制御弁と、前記流量センサの出力する測定流量値と、目標流量である設定流量値に基づいて前記流量制御弁の弁開度を制御する制御部と、を具備することを特徴とする。

このように構成した本発明によれば、小型でありながら大流量の流体を流すことができる流量制御弁を提供することができる。

本発明の一実施形態に係るマスフローコントローラの全体模式図。同実施形態の部分拡大断面図。同実施形態に係る弁座部材の平面図。同実施形態に係る弁座部材の底面図。同実施形態における弁座部材のＡ−Ａ線断面図。同実施形態における弁座部材のＢ−Ｂ線断面図。変形実施形態に係る流量制御弁の全体模式図。変形実施形態に係る凸条の部分拡大断面図。

以下に、本発明に係る流量制御弁を組み込んだマスフローコントローラ１００の一実施形態について、図面を参照して説明する。なお、図１は本実施形態に係るマスフローコントローラ１００の全体模式図であり、図２は着座面及び弁座面を主として示す部分拡大断面図であり、図３は同実施形態の弁座部材４の平面図であり、図４は同実施形態の弁座部材４の底面図、図５は弁座部材４のＡ−Ａ線断面図であり、図６は弁座部材４のＢ−Ｂ線断面図である。

＜装置構成＞
本実施形態のマスフローコントローラ１００は、図１に示すように、流量センサ２及び流量制御弁３を一体的に有するものであり、流量センサ２の出力する測定流量値と、目標流量である設定流量値に基づいて流量制御弁３の弁開度を制御する制御部（図示しない）と、を具備する。

流量センサ２は、流体流路５１に臨むように開設された測定流路入口２ａと測定流路出口２ｂとの間を接続するたとえば薄肉毛細管よりなる導管２１に複数の抵抗体２２、２３を巻回してなるもので、これらの抵抗体２２、２３は、図示しないブリッジ回路に接続されている。

流量制御弁３は、その弁開度をアクチュエータによって変化させ得るように構成したものであって、制御部から電気信号である開度制御信号を与えられることによって前記アクチュエータを駆動し、その開度制御信号の値に応じた弁開度に調整して流体の流量を制御するものである。

具体的にこのものは、図１に模式図を示すように、弁口及び弁座一体型の弁座部材４を用いるとともに、この弁座部材４を収容する本体ブロック５のダイヤフラム設置面にシール部材を設け、このシール部材を挟持するように弁体部材であるダイヤフラム６を設けたノーマルオープンタイプの流量制御弁である。

本体ブロック５は、上流側接続ポート５Ａと下流側接続ポート５Ｂを有し、上流側接続ポート５Ａに繋がる流体流路（流入路）５１と下流側接続ポート５Ｂに繋がる流体流路（流出路）５２と、それら流入路５１及び流出路５２の間に設けられた収容凹部５３を有する。

流入路５１及び流出路５２は収容凹部５３の内面に開口しており、本実施形態では、流入路５１は、収容凹部５３の底面に開口する垂直流路５１１を有している。また、流出路５２は、収容凹部５３の側面下側に開口している。

収容凹部５３は、本体ブロック５の一面（本実施形態では上面）に開口するものであり、後述する弁座部材４を収容する。そして、弁座部材４が収容された状態において、弁座部材４の側周面と収容凹部５３を形成する側壁とにより、流出路５２と弁座部材４に形成された後述の内部流出路４２とを繋げる流路が形成される。

弁座部材４は、図３〜図６に示すように、概略回転体形状をなすものであり、一端面（上面）に弁座面４０１が形成されるとともに、当該弁座面４０１に弁口として開口する内部流路が形成されている。そして、弁座部材４が収容凹部５３に収容された状態において、流入路５１の収容凹部５３の底面開口を囲むように設けられ、弁座部材４の下面は、収容凹部５３の底面にメタルＯリング等のシール部材を介して液密に設けられる（図１参照）。つまり、流入路５１を流通する流体はすべて弁座部材４の内部流路に流入する。

具体的に弁座部材４は、弁体部材６であるダイヤフラムをダイヤフラム設置面に固定した状態において、当該ダイヤフラム６の側周縁部がスペーサ部材を介して弁座部材４を収容凹部５３下面に押圧して固定される。

弁体部材６は、本体ブロック５の収容凹部５３の開口を閉塞するように設けられたダイヤフラムであり、弁体部材６の側周縁は、収容凹部５３の上部開口の周縁部にメタルＯリング等のシール部材を介して液密に固定されている。また、ダイヤフラム６の中央部は、図１に示すように、アクチュエータ７により弁座部材４に対して進退移動し、弁座部材の弁座面４０１に着座又は離座する着座面６０１を有する。

アクチュエータ７は、電圧を印加した状態で膨張変形するピエゾ素子を複数枚積層して形成されるピエゾスタック７１を備え、当該ピエゾスタック７１は収容体７２内に収容され、真球７３を介して弁体部材６に押圧力を作用する。

しかして、本実施形態の弁座部材４の弁座面４０１には、図２に示すように、弁口である流入口４０１Ａ及び弁口である流出口４０１Ｂがそれぞれ複数設けられている。つまり、本実施形態の流量制御弁３は、流入路５１からの流体を分岐させて弁座面４０１に形成された複数の流入口４０１Ａに供給するとともに、その流体を弁座面４０１に形成された複数の流出口４０１Ｂから流出させて再び合流させて流出路５２に導くようにしている。

また、弁座部材４の弁座面４０１には、図５及び図６に示すように、同心円状に複数の環状の凹溝４０１Ｍが形成されており、当該凹溝４０１Ｍを仕切る凸条４０１Ｔの上面が弁体部材６と接触する。本実施形態では、弁座部材４の中心に内部流入路４１が形成され、当該内部流入路４１に同心円状となるように５つの凹溝４０１Ｍが形成され、５つの凸条４０１Ｔが形成されている。

そして、凹溝４０１Ｍの底面に内部流入路４１の一端である流入口４０１Ａが開口するように形成され、さらに流入口４０１Ａが形成された凹溝４０１Ｍとは異なる凹溝４０１Ｍの底面に内部流出路４２の一端である流出口４０１Ｂが開口するように形成されている。

より詳細には、図３等に示すように、流入口４０１Ａが形成される凹溝４０１Ｍと流出口４０１Ｂが形成される凹溝４０１Ｍとが交互になるように形成されている。これにより、弁座面４０１に着座面６０１が着座した状態において、流入口４０１Ａから流出口４０１Ｂに流体が流れることを防止することができる。また、弁座面４０１に形成された凸条４０１Ｔの上面が着座面６０１と接触するので、弁座面４０１と着座面６０１との接触面積を小さくすることができ、アクチュエータ７の押圧力が小さくても閉止性を向上させることができる。また、接触面積が小さいことにより圧力損失を低減することができる。その上、図２の部分拡大図に示すように、凸条４０１Ｔの高さａと凸条４０１Ｔの幅ｂとは、２ｂ＜ａとなるように構成している。これにより、一層圧力損失を低減でき、大流量の流体を流すことができる。

さらに、複数の流入口４０１Ａ及び複数の流出口４０１Ｂは、図２等に示すように、弁座部材４の中心に形成された流入口４０１Ａ（弁座面４０１の中心）を中心として放射状に形成され、径方向に略一列となるように形成されている。さらに、隣接する凹溝４０１Ｍに形成された流入口４０１Ａ及び流出口４０１Ｂが、弁座面４０１に形成された複数の流入口４０１Ａ及び流出口４０１Ｂの中で、最も接近するようにしている。

このように、同心円状に形成した凹溝４０１Ｍ毎に流入口４０１Ａ又は流出口４０１Ｂを設けているので、実質的に凹溝４０１Ｍの外径と同様の径を有する開口から流体が流出すると同視することができるとともに、流入口４０１Ａ及び流出口４０１Ｂの距離を小さくすることができ、圧力損失を低減することができ、大流量の流体を流すことができる。

内部流入路４１の構成は、図５及び図６に示すように、弁座部材４の下面から上方に所定位置まで軸方向に沿って形成された１つの大径路４１ｍと、当該大径路４１ｍに連通し、軸方向に沿って形成された複数の小径路４１ｎとからなる。小径路４１ｎは、それぞれ凹溝４０１Ｍの底面に形成された流入口４０１Ａに連通している。このような構成により、流入路５１からの流体は、内部流入路４１により分岐されて複数の流入口４０１Ａに供給される。

内部流出路４２の構成は、図５及び図６に示すように、弁座部材４の上面から下方に所定位置まで軸方向に沿って形成された複数の部分路（垂直路）４２ｍと、前記垂直路４２ｍに連通し、軸方向に直交して形成された部分路（水平路）４２ｎとからなる。垂直路４２ｍは、それぞれ凹溝４０１Ｍの底面に形成された流出口４０１Ｂに連通している。また、水平路４２ｎは、複数の垂直路４２ｍ（本実施形態では２つ又は３つ）に連通し、弁座部材４の側周面に開口している。このような構成により、流出路５２から内部流出路４２に流入した流体は、複数の流出口４０１Ｂ毎に合流される。そして、内部流出路４２を流れ出た流体は、弁座部材４の側周面及び収容凹部５３の内周面により形成される流路により合流され、流出路５２に導かれる。

＜流量制御弁３の動作＞
次に、このように構成した流量制御弁３の動作について説明する。

本実施形態の流量制御弁３は、ノーマルオープンタイプのものであり、アクチュエータ７に駆動電圧が印加されない状態において、弁座面４０１と着座面６０１は離間した状態（離座状態）である。この状態において、流入路５１を流れる流体は複数の流入口４０１Ａ及び複数の流出口４０１Ｂを介して流出路５２に流れる。

そして、アクチュエータ７に駆動電圧を印加すると、アクチュエータ７がダイヤフラムの弁座面４０１を弁座面４０１側に移動させて、弁座面４０１と着座面６０１とが押圧接触させる。このとき、流体は、弁座部材４の凹溝４０１Ｍの側面と着座面６０１とにより形成される空間に充満した状態で、流れが止まる。

次に流体を流す場合には、アクチュエータ７への駆動電圧の印加を止める。そうすると、ダイヤフラムの着座面６０１が弁座面４０１から離間して、流入口４０１Ａが形成された凹溝４０１Ｍ全体から流体が流出して、流出口４０１Ｂが形成された凹溝４０１Ｍに流れ込む。このとき、同心円状に形成された複数の凹溝４０１Ｍにおいて、隣接する凹溝４０１Ｍにそれぞれ設けられた流入口４０１Ａから流出口４０１Ｂに流体が流れる。

＜本実施形態の効果＞
このように構成した本実施形態に係るマスフローコントローラ１００によれば、流量制御弁３が小型でありながらも、流入口４０１Ａ及び流出口４０１Ｂ間の圧力損失を低減することができ、低差圧でも大流量の流体を流すことができるので、マスフローコントローラ１００においても小型でありながら大流量の流体を制御することができる。

＜その他の変形実施形態＞
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。以下の説明において前記実施形態に対応する部材には同一の符号を付すこととする。

例えば、本発明はノーマルクローズタイプの流量制御弁にも適用することができる。

このとき流量制御弁Ｚは、図７に示すように、本体ブロックＺ１の収容凹部Ｚ１１内に固定された弁座部材Ｚ２と、ダイヤフラムＺ３に連結され、本体ブロックＺ１の収容凹部Ｚ１１内において弁座部材Ｚ２に対して進退移動する弁体部材Ｚ４とを備えている。

弁体部材Ｚ４には、内部流入路Ｚ４１が複数形成されており、弁座部材Ｚ２側の着座面Ｚ４０１には複数の流入口Ｚ４０１Ａが形成されている。また、弁座部材Ｚ２には、内部流出路Ｚ２１が形成されており、弁体部材Ｚ４側の弁座面Ｚ２０１には複数の流出口Ｚ２０１Ａが形成されている。

さらに、弁座面Ｚ２０１には同心円状に複数の凹溝Ｚ２０１Ｍが形成され、当該凹溝Ｚ２０１Ｍの底面に流出口Ｚ２０１Ａが形成されている。そして、着座面Ｚ４０１と弁座面Ｚ２０１とが着座した状態において、流出口Ｚ２０１Ａが形成された流出口用凹溝Ｚ２０１Ｍに流入口Ｚ４０１Ａが開口しないようにしている。このとき、弁座部材Ｚ２には、弁体部材Ｚ４に形成された流入口Ｚ４０１Ａに対応して流入口用凹溝Ｚ２０１Ｎが形成されている。なお、流入口用凹溝は弁体部材Ｚ４の着座面Ｚ４０１に形成されてもよい。

また、前記実施形態では、流出口４０１Ｂ及び流入口４０１Ａを同心円状に形成した凹溝４０１Ｍに交互に形成するようにしているが、これに限られず、同一の凹溝４０１Ｍ内に流入口４０１Ａ及び流出口４０１Ｂが形成されない構成であれば良い。

さらに、前記実施形態では凹溝４０１Ｍを形成して圧力損失を可及的に小さくするようにしているが、流量のみを考えれば、凹溝４０１Ｍは無くてもよく、複数の流入口４０１Ａ及び複数の流出口４０１Ｂが形成されていれば良い。

前記実施形態では、弁座部材の弁座面に複数の流入口及び複数の流出口が形成されていたが、着座面に複数の流入口及び複数の流出口が形成されていても良いし、弁座面及び着座面の両方に流入口及び流出口が形成されていてもよい。

また、前記実施形態では、流量制御弁をピエゾバルブを用いて説明したが、ソレノイドバルブを用いても良い。ソレノイドバルブの場合、開口度がピエゾバブルに比べて大きいので、より小型で大流量の流体を流すことができる。

前記実施形態では、凸条４０１Ｔの高さａと凸条４０１Ｔの幅ｂとを２ｂ＜ａとなるように構成して、圧力損失を低減するようにしているが、その他、図８に示すように、凸条４０１Ｔの基端部を末広がりのテーパ形状としても良い。このとき、テーパ形状における凹溝４０１Ｍの底面となす角度θは、約６０度が好ましい。これによっても、一層圧力損失を低減でき、大流量の流体を流すことができる。

その他、前述した実施形態や変形実施形態の一部又は全部を適宜組み合わせてよいし、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

１００・・・マスフローコントローラ
２・・・流量センサ
３・・・流量制御弁
４・・・弁座部材
４１・・・内部流入路
４２・・・内部流出路
４０１・・・弁座面
４０１Ａ・・・流入口
４０１Ｂ・・・流出口
４０１Ｍ・・・凹溝（凹部）
５１・・・流入路
５２・・・流出路
６・・・弁体部材
６０１・・・着座面

Claims

流体が流れる流路に設けられ、上流側流路である流入路からの流体の流量を制御して下流側流路である流出路に流出させる流量制御弁であって、
弁座面を有する弁座部材と、
前記弁座面に着座する着座面を有する弁体部材と、を具備し、
前記弁座面又は前記着座面の一方に複数の流入口及び複数の流出口が形成されており、それら流入口及び流出口が、着座状態において重ならないように形成され、
前記流入口が形成された部材の内部に、前記流入路及び前記流入口に連通する内部流入路が形成され、前記流出口が形成された部材の内部に、前記流出路及び前記流出口に連通する内部流出路が形成され、
前記流入口が、前記弁座面又は前記着座面の一方に形成された複数の環状の凹溝に形成されており、
前記流出口が、前記弁座面又は前記着座面の一方に形成され、前記流入口が形成された凹溝とは異なる複数の環状の凹溝に形成されており、
前記流入口が形成された複数の凹溝において、最外側の凹溝に形成された複数の前記流入口の開口面積の合計が、その他の前記各凹溝に形成された複数の前記流入口の開口面積の合計よりも一番大きい流量制御弁。
前記流入口が形成された複数の凹溝において、内側の凹溝から外側の凹溝に行くに従って、前記凹溝に形成された複数の前記流入口の開口面積の合計が徐々に大きくなる請求項１記載の流量制御弁。
前記流入口及び流出口が弁座面に形成され、前記弁座部材に前記内部流入路及び内部流出路が形成されたものであり、
前記流入口及び流出口が前記弁座面に形成された凹溝の底面に形成されている請求項１又は２記載の流量制御弁。
前記流入口が形成された複数の凹溝及び前記流出口が形成された複数の凹溝が略同心円状に形成されており、
前記流入口が形成された凹溝及び前記流出口が形成された凹溝が交互に形成されている請求項３記載の流量制御弁。
前記流入口及び流出口が放射状に設けられている請求項１、２、３又は４記載の流量制御弁。
流体が流れる流路に設けられ、上流側流路である流入路からの流体の流量を制御して下流側流路である流出路に流出させる流量制御弁であって、
弁座面を有する弁座部材と、
前記弁座面に着座する着座面を有する弁体部材と、を具備し、
前記弁座面又は前記着座面の一方又は他方に流入口が形成され、前記弁座面又は前記着座面の一方又は他方に流出口が形成されており、それら流入口及び流出口が、着座状態において重ならないように形成され、
前記流入口が形成された部材の内部に、前記流入路及び前記流入口に連通する内部流入路が形成され、前記流出口が形成された部材の内部に、前記流出路及び前記流出口に連通する内部流出路が形成され、
前記流入口及び流出口が弁座面又は着座面に形成された複数の環状の凹溝に形成されており、
前記流入口が形成された複数の凹溝において、最外側の凹溝に形成された複数の前記流入口の開口面積の合計が、その他の前記各凹溝に形成された複数の前記流入口の開口面積の合計よりも一番大きい流量制御弁。
前記流入口が形成された複数の凹溝及び前記流出口が形成された複数の凹溝が略同心円状に形成されており、
前記流入口が形成された凹溝及び前記流出口が形成された凹溝が交互に形成されている請求項６記載の流量制御弁。
流量センサと、
請求項１乃至７のいずれか記載の流量制御弁と、
前記流量センサの出力する測定流量値と、目標流量である設定流量値に基づいて前記流量制御弁の弁開度を制御する制御部と、を具備するマスフローコントローラ。