JP6059542B2 - 排気圧力／流量コントローラ - Google Patents

Description

本発明は、局所排気装置や乾燥機等の排気圧力や排気流量を制御する排気圧力／流量コントローラに関する。

一般に、各種研究所や半導体製造工場、化学工場等には、有害ガスや臭気等の拡散を防止するために、ドラフトチャンバー等の局所排気装置が設けられている。

この局所排気装置は一般に、ダクトの下流側に設けられたファンにより、有害ガスをフードから吸引させる。フードから吸引された有害ガスは、除害処理を行った後、ダクトを通じてファンに送られ、ファンの下流側に設けられた排気ダクトから大気中に排出される。このような局所排気装置のダクトには、排気圧力を制御するためのダンパーが介装されているのが一般的である。

図１５は、従来の局所排気装置の一例を示す構成図である。図１５中、８０１はフードである。フード８０１は、ダクト８０３ａ、８０３ｂを介してファン８０５の吸引側に接続されている。ファン８０５の排出側には、排気ダクト８０７が接続されている。ダクト８０３ａと８０３ｂとの間には、ダンパー９００が介装されている。９０１はダンパー９００を構成するハウジングであり、その両端開口部はそれぞれダクト８０３ａ、８０３ｂの一端と気密に接続されている。

図１６は、従来のダンパー９００の一例を示す構成図である。図１６中、９０１は、両端開口の筒状のハウジングであり、その筒内には円盤状の弁体ディスク９０３が弁軸９０４の回りに沿って回動可能に取り付けられている。弁体ディスク９０３は、アクチュエータ９０５により回動される。弁体ディスク９０３の回動に応じて弁の開度は変化する。これにより、ハウジング９０１の両端に接続されるダクトの排気圧力や排気流量を調整する。即ち、排気圧力を下げたい場合（負圧を大きくしたい場合）には弁体ディスク９０３を回動させてダクト内の流路を広くし、排気圧力を上げたい場合（負圧を小さくしたい場合）にはダクト内の流路を狭くする。同様に排気流量を増やしたい場合には弁体ディスク９０３を回動させてダクト内の流路を広くし、排気流量を減らしたい場合にはダクト内の流路を狭くする。

特許文献１には、このようなダンパーを用いて構成する流量制御バルブが記載されている。このダンパーは、以下に記載する問題を有している。

排気圧力や排気流量は、弁体ディスクの回動により生じる弁体ディスクとハウジングとのクリアランスで調整される。僅かなクリアランス変化に対し、調整量の変動が大きいため、圧力センサや流量計でのフィードバック制御に際するＰＩＤ等の制御定数を求めることが容易でない。また、条件によっては、弁体ディスクの回動が収束せず、設定した圧力値や流量値に対して実値が設定値前後で変動する。

また、弁体ディスクを回転させるためにハウジング外部にアクチュエータが必要になり、ダンパー装置が大型化、重量化する。摺動部を有するため、耐久性に乏しい場合もある。さらに、アクチュエータによる弁体ディスクの回転角度を細かく制御できるように構成する場合、ダンパー装置が高価格になる。

特許文献２には、膨張により内径が変化するゴム膨張バルブを用いた排気圧力／流量コントローラが開示されている。この排気圧力／流量コントローラは摺動部を有さないため、耐久性が高い。しかし、大口径のダクトに接続する場合、ゴム膨張バルブのゴム部の面積が大きくなり過ぎて装置が大型化するとともに、ゴム部を装置内に保持することが難しくなる。更にゴム部の膨張・収縮、即ちバルブの開閉に要する制御用気体の体積が大きくなるため、バルブの応答性が低下しやすい。 そのため、排気圧力／流量の細かな制御が困難となる。

特開２００９−３１８６６号公報 特開２０１２−５３５３０号公報

本発明は、排気圧力、排気流量を制御するコントローラであって、高い応答性及び制御性を有し、小型で耐食性、耐久性に優れる排気圧力／流量コントローラを提供することを目的とする。

本発明者は、排気圧力／流量コントローラのバルブに、外径が変化するアクチュエータを用いることに想到した。このアクチュエータを用いると、大口径のダクトに接続する場合であっても装置を小型化でき、ゴム部の面積を小さくすることができるため、バルブの応答性を高くすることができる。また、ダンパー制御を精度良く行うことが可能であり、摺動部を有さないため耐食性、耐久性にも優れることを見出し、本発明を完成するに至った。

上記目的を達成する本発明は、以下に記載するものである。

〔１〕貫通流路を有するバルブボディと、
前記貫通流路内に配置され、膨張部材と前記膨張部材を含んで形成される気密空洞とを有するアクチュエータと、
前記気密空洞内に制御用気体を給気又は排気することにより、前記アクチュエータの外径を増大又は減少させて、前記貫通流路の流路断面積を変化させる給排気制御手段と、
を有することを特徴とする排気圧力／流量コントローラ。

〔２〕前記アクチュエータが、
両端開口の筒状の膨張部材と、
前記膨張部材の筒内に挿入され、前記膨張部材の各端を密封して取り付けたコア部材と、
を有する〔１〕に記載の排気圧力／流量コントローラ。

〔３〕前記コア部材が、
前記膨張部材の一端を密封して取り付けた部材Aと、前記膨張部材の他端を密封して取り付けた部材Bと、からなり、
部材Aと部材Bとが互いの距離を遠ざけるように付勢されているコア部材である〔２〕に記載の排気圧力／流量コントローラ。

〔４〕前記貫通流路の流路方向とその軸心を平行にして前記貫通流路内に挿入されたリング状のオリフィスをさらに有する〔１〕に記載の排気圧力／流量コントローラ。

本発明の排気圧力／流量コントローラ（以下、「本排気圧力／流量コントローラ」ともいう）はダンパー制御を精度良く行うことが可能であり、摺動部を有さないため耐久性、耐食性にも優れる。また、本排気圧力／流量コントローラは、大きな貫通流路を有する場合であっても応答速度を向上させやすい。

図１は、バルブの内部構造の一例を示す説明図である。 図２は、図１のＡ１−Ａ２に沿う面を示す断面図である。 図３は、図１の膨張部材が膨張した際におけるバルブの内部構造を示す説明図である。 図４は、図３のＢ１−Ｂ２に沿う面を示す断面図である。 図５は、本排気圧力／流量コントローラの一構成例を示す説明図である。 図６は、図１における貫通流路内における気体の流れを模式的に示す説明図である。 図７は、図３における貫通流路内における気体の流れを模式的に示す説明図である。 図８は、バルブの内部構造の他の例を示す説明図である。 図９は、バルブの内部構造のさらに他の例を示す説明図である。 図１０は、図９の膨張部材が膨張した際のバルブの内部構造を示す説明図である。 図１１は、バルブの内部構造のさらに他の例を示す説明図である。 図１２は、図１１の膨張部材が膨張した際のバルブの内部構造を示す説明図である。 図１３（ａ）〜（ｃ）は、それぞれオリフィスの形態の一例を示す説明図である。 図１４は、本発明の排気圧力／流量コントローラが組み込まれて構成される局所排気装置の一例を示す構成図である。 図１５は、従来の局所排気装置の一例を示す構成図である。 図１６は、従来のダンパーの一構成例を示す構成図である。

以下、２つの実施態様を挙げて本発明を詳細に説明する。

〈第１実施態様〉
図５は本発明の排気圧力／流量コントローラの一構成例を示す説明図である。図５中、１００は排気圧力／流量コントローラである。排気圧力／流量コントローラ１００は、バルブ１０とこれを制御する給排気コントローラ３１とから構成される。

バルブ１０は、貫通流路１３が形成されているバルブボディ１１と、前記貫通流路１３内に配置されるアクチュエータ２０と、から構成されている。

バルブボディ１１は両端が開口した筒状であり（図１においては円筒形状）、不図示のダクトに介装される。アクチュエータ２０は、筒状の膨張部材２３と、膨張部材２３の筒内に挿入されているコア部材２１とからなる。

給排気コントローラ３１には、気体供給管３３の一端が接続されている。気体供給管３３の他端は圧力源（不図示）に接続されている。給排気コントローラ３１には、制御用気体給排気管３５の一端が接続されており、制御用気体給排気管３５の他端はアクチュエータ２０側に接続されている（後述）。

図１は、バルブ１０の内部構造の一構成例を示す説明図である。円筒形状のバルブボディ１１内には貫通流路１３が形成されている。貫通流路１３内には、アクチュエータ２０がビス１７によって固定具１５に固定されている。

アクチュエータ２０は、両端が開口した筒状の膨張部材２３と、この膨張部材２３の筒内に挿入されたコア部材２１とから構成されている。膨張部材２３の一端２３ａと他端２３ｂとはそれぞれカシメ具２２ａ、２２ｂによって密封された状態でコア部材２１に取り付けられている。これにより、コア部材２１と膨張部材２３との間に気密空洞２９が形成される。コア部材２１には制御用気体給排気路２５が形成されており、接続口２７を介して制御用気体給排気管３５の一端と接続されている。

次にこの排気圧力／流量コントローラ１００の動作を説明する。図２は、図１のＡ１−Ａ２線に沿う面を示す断面図である。図２は、気密空洞２９内に制御用気体が給気されていない状態である。この状態においては、コア部材２１の外周面に、膨張部材２３の内周がほぼ密着しており、従って貫通流路１３の流路方向に直交する面における貫通流路１３の流路断面積は最大に拡がっている（以下、この面積を「最大流路断面積」ともいう）。図３、４は、それぞれ図１、２のバルブの気密空洞２９内に制御用気体が給気された状態を示す説明図である。気密空洞２９内に制御用気体を給気していくと、膨張部材２３の膨張によってアクチュエータ２０の外径が増大して、これにより貫通流路１３の流路断面積が減少する（以下、この面積を「最小流路断面積値」ともいう）。一方、気密空洞２９内の制御用気体を排気していくと膨張部材２３が収縮してアクチュエータ２０の外径が減少する。従って、気密空洞２９内において、制御用気体を給排気することにより、貫通流路１３の断面積を自在に変更できる。上記最大流路断面積値は最小流路断面積値の２倍以上であり、５倍以上が好ましい。

図６、７は、それぞれ図１、３のバルブの貫通流路１３内における気体の流れを模式的に示す説明図である。図中、矢印は気体の流れ方向を示す。図６においては、アクチュエータ２０の外径が最小となっている。この状態においては、流路内で気体の流れを妨げるものは固定具１５、コア部材２１及び収縮している膨張部材２３である。一方、図７においては、流路内で気体の流れを妨げるものは固定具１５、コア部材２１及び膨張している膨張部材２３である。そのため、膨張部材２３を膨張させてアクチュエータ２０の外径を変化させることにより、貫通流路１３内における気体の流れを制御することができる。

バルブ１０は、上記の構造の他、以下に説明する構造が例示される。

図８は、バルブの内部構造の他の例を示す説明図である。アクチュエータ３２０は複数の膨張部材２３を含んでいても良い。

図９、１０は、バルブの内部構造のさらに他の一例を示す説明図である。図９、１０中、１１０はバルブである。バルブ１１０は、貫通流路１１３が形成されているバルブボディ１１１と、前記貫通流路１１３内に配置されるアクチュエータ１２０と、から構成されている。バルブボディ１１１は両端が開口した筒状であり（図９においては円筒形状）、不図示のダクトに介装される。

円筒形状のバルブボディ１１１内には貫通流路１１３が形成されている。貫通流路１１３内には、アクチュエータ１２０がビス１１７によって固定具１１５に固定されている。

アクチュエータ１２０は、両端が開口した筒状の膨張部材１２３と、この膨張部材１２３の筒内に挿入されたコア部材１２１ａ（部材Ａ）、１２１ｂ（部材Ｂ）と、から構成されている。膨張部材１２３の一端１２３ａは、カシメ具１２２ａによって密封されてコア部材１２１ａに取り付けられている。膨張部材１２３の他端１２３ｂは、カシメ具１２２ｂによって密封されてコア部材１２１ｂに取り付けられている。これにより、コア部材１２１ａ及び１２１ｂと、膨張部材１２３と、によって気密空洞１２９が形成される。

コア部材１２１ａは固定具１１５に取り付けられており、コア部材１２１ｂはコア部材１２１ａとバネ１２４によって連結されている。コア部材１２１ｂは、貫通流路１１３の流路方向と略平行にスライド可能になっている。コア部材１２１ｂは、コア部材１２１ａとの距離を遠ざけるようにバネ１２４及び膨張部材１２３の張力によって付勢されている。コア部材１２１ａには給排気路１２５が形成されており、接続口１２７を介して制御用気体給排気管（不図示）の一端と接続されている。

次にこのバルブ１１０の動作を説明する。図９は、気密空洞１２９内に制御用気体が給気されていない状態である。この状態においては、コア部材１２１ｂはバネ１２４及び膨張部材１２３の張力によって付勢されており、膨張部材１２３の一端１２３ａと他端１２３ｂとの距離は最大となっている。即ち、アクチュエータ１２０の外径は最小となっており、貫通流路１１３の断面積は最大に拡がっている。

この状態から、気密空洞１２９内に制御用気体を給気していくと、膨張部材１２３の膨張に伴ってバネ１２４が縮み、コア部材１２１ｂがコア部材１２１ａに近づく（図１０）。これにより、アクチュエータ１２０の外径が増大して、貫通流路１１３の流路断面積が減少する。一方、気密空洞１２９内の制御用気体を排気していくと、バネ１２４及び膨張部材１２３の張力による付勢によってコア部材１２１ｂがコア部材１２１ａから遠ざかるとともにアクチュエータ１２０の外径が減少する。従って、気密空洞１２９内において、制御用気体を給排気することにより、貫通流路１１３の断面積を自在に変更できる。

〈第２実施態様〉
第２の実施態様における排気圧力／流量コントローラは、第１の実施態様におけるバルブの貫通流路内に、その貫通流路と軸心を平行にして配置されたリング状のオリフィスをさらに有している。

図１１、１２はオリフィスを有するバルブの内部構造を示す説明図である。２１０はバルブである。図１及び３に記載のバルブ１０と同一の構成については同一の符号を付してその説明を省略する。バルブ２１０の貫通流路１３内には、その流路方向と軸心を平行にして、円形の開口を有するリング状のオリフィス２２６が挿入されている。このオリフィス２２６は、膨張部材２３とバルブボディ１１との間に配置され、膨張部材２３近傍における貫通流路１３の形状を変化させて排気圧力の制御の精度を向上させる役割を有する。

オリフィスの形状は特に限定されないが、例えば図１３に記載される形状を好ましく用いることができる。図１３（ａ）、（ｂ）に記載のオリフィスは、その内側の形状が、膨張時における膨張部材２３の外側の形状に沿って形成されている。そのため、オリフィスを用いない場合と比較して、より広い制御面積を確保でき、高精度の制御が可能になる。

図１３（ｃ）に記載のオリフィスは、開口部が偏芯して形成されている。この形状のオリフィスを用いる場合、少流量時における制御の精度を特に向上させることができる。即ち、少流量時において、膨張部材２３の外周の一部をオリフィス２２６の内周の一部と当接させて封止するとともに、残部において流量を制御するため、高精度の制御が可能になる。

オリフィスの開口径は、バルブボディの内径に対して８０〜９９％であることが好ましく、８５〜９８％であることが特に好ましい。オリフィスの開口は、円形に限らず、楕円形や多角形であっても良い。

〈排気圧力／流量コントローラの使用態様〉
本発明の排気圧力／流量コントローラ１００は、例えば局所排気装置に組み込まれて使用される。図１４は、本発明の排気圧力コントローラ１００が組み込まれて構成される局所排気装置の一例を示す構成図である。図１４中、５０１はフードである。フード５０１は、ダクト５０３ａの一端に接続され、ダクト５０３ａの他端は、バルブボディ１１の一端と接続されている。バルブボディ１１の他端は、ダクト５０３ｂの一端が接続され、ダクト５０３ｂの他端は、ファン５０５の吸引側に接続されている。ファン５０５の排出側には、排気ダクト５０７の一端が接続され、排気ダクト５０７の他端は開放されている。

フード５０１から吸引される有害ガスは、ダクト５０３ａ、５０３ｂを通って、ファン５０５へ移動し、排気ダクト５０７から大気に放出される。排気圧力／流量コントローラ１００はダクトに介装されて排気圧力を適宜調整する。

排気圧力／流量コントローラ１００の上流側（ダクト５０１側）の排気圧力を上げる場合（負圧を小さくする場合）には、給排気コントローラ３１は貫通流路１３の流路断面積を減少させるように動作する。即ち、給排気コントローラ３１は、圧縮気体（制御用気体）を制御用気体給排気管３５を通じてアクチュエータ２０側に送る。アクチュエータ２０側に送られた制御用気体は、接続口２７、給排気路２５を通って気密空洞２９内に供給されることにより、膨張部材２３を膨張させてアクチュエータ２０の外径を増大させ、その状態を保持する。これにより、貫通流路１３の流路断面積は減少する。

排気圧力コントローラ１００の上流側（ダクト５０１側）の排気圧力を下げる場合（負圧を大きくする場合）には、給排気コントローラ３１は貫通流路１３の流路断面積を増大させるように動作する。即ち、給排気コントローラ３１は圧力保持状態を解除し、気密空洞２９内の制御用気体を外部に排出させる。膨張部材２３は、気密空洞２９内に充填されて保持されている制御用気体が排出されると、ゴムの弾性力により収縮する。その結果、アクチュエータ２０の外径は減少して貫通流路１３の流路断面積は増大する。

〈膨張部材〉
膨張部材は、制御用気体の圧力によって膨張させることができる材料によって構成されていることを要する。例えば、シリコンゴムやクロロプレンゴムのゴムチューブ等の材料で構成することができる。膨張部材としては、上記説明の膨張部材の他、特開２０１１−１３７５１６号公報に開示される流体注入型アクチュエータを用いることもできる。

〈付勢部材〉
図９において、付勢部材はバネを用いたが、これに限定されず、ゴム等の弾性材料を用いることもできる。

〈圧力、流量の計測手段〉
本排気圧力／流量コントローラには、流量計測手段を備えていても良い。差圧式流量計、熱線式流量計、カルマン渦式流量計など公知の流量計測手段を用いることができる。

〈給排気コントローラ〉
給排気コントローラとしては、任意の量の制御用気体を気密空洞内に供給して保持できる物であればどのような物を用いても良い。圧力源や差圧検出手段は給排気コントローラと一体であってもよい。

〈制御用気体〉
制御用気体はどのような物であっても良いが、経済性の観点から空気や窒素ガスが好ましい。

１００・・・排気圧力／流量コントローラ
１０、１１０、２１０、３１０・・・バルブ
１１、１１１・・・バルブボディ
１３、１１３・・・貫通流路
１５、１１５・・・固定具
１７、１１７・・・ビス
２０、１２０、２２０、３２０・・・アクチュエータ
２１、１２１ａ、１２１ｂ・・・コア部材
２２ａ、２２ｂ、１２２ａ、１２２ｂ・・・カシメ部材
２３、１２３・・・膨張部材
２３ａ、１２３ａ・・・膨張部材の一端
２３ｂ、１２３ｂ・・・膨張部材の他端
１２４・・・バネ
２５、１２５・・・制御用気体給排気路
２２６・・・オリフィス
２７、１２７・・・接続口
２９、１２９・・・気密空洞
３１・・・給排気コントローラ
３３・・・気体供給管
３５・・・制御用気体給排気管
５００・・・局所排気装置
５０１・・・フード
５０３ａ、５０３ｂ・・・ダクト
５０５・・・ファン
５０７・・・排気ダクト
８００・・・局所排気装置
８０１・・・フード
８０３ａ、８０３ｂ・・・ダクト
８０５・・・ファン
８０７・・・排気ダクト
９００・・・ダンパー
９０１・・・ハウジング
９０３・・・弁体ディスク
９０４・・・弁軸
９０５・・・アクチュエータ

Claims (2)

1. 貫通流路を有するバルブボディと；
   前記貫通流路内に配置され、両端開口の筒状の膨張部材と、前記膨張部材の筒内に挿入され、前記膨張部材の各端を密封して取り付けたコア部材と、前記膨張部材を含んで形成される気密空洞とを有するアクチュエータと；
   前記気密空洞内に制御用気体を給気又は排気することにより、前記アクチュエータの外径を増大又は減少させて、前記貫通流路の流路断面積を変化させる給排気制御手段と；
   を有し、
   前記コア部材が、前記膨張部材の一端を密封して取り付けた部材Aと、前記膨張部材の他端を密封して取り付けた部材Bと、からなり、
   部材Aと部材Bとが互いの距離を遠ざけるように付勢されているコア部材であることを特徴とする排気圧力／流量コントローラ。
2. 貫通流路を有するバルブボディと；
   前記貫通流路内に配置され、膨張部材と前記膨張部材を含んで形成される気密空洞とを有するアクチュエータと；
   前記気密空洞内に制御用気体を給気又は排気することにより、前記アクチュエータの外径を増大又は減少させて、前記貫通流路の流路断面積を変化させる給排気制御手段と；
   前記貫通流路の流路方向とその軸心を平行にして前記貫通流路内に挿入されたリング状のオリフィスと；
   を有することを特徴とする排気圧力／流量コントローラ。
   
   

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