JPH0599369A - 流体制御弁 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 構成が簡単で、小流量から大流量にわたる広
い範囲の流体を精度よく、しかも、高速に制御すること
ができる有用な流体制御弁を提供すること。 【構成】 オリフィス５を開閉する弁体10のアクチュエ
ータ15を形状記憶合金で形成し、このアクチュエータ15
に通電したときに生ずるアクチュエータ15の形態の変化
により、弁体10を変位させるようにしている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えばマスフローコン
トローラなどのように、気体や液体などの各種流体を制
御する流体制御弁に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えばマスフローコントローラの弁体を
駆動する方式として、従来より、 熱膨張部材を熱膨張させてその変位を利用して弁体
の位置制御を行うようにした所謂サーマル方式（例えば
特公昭51ー 29531号公報、特公昭59ー 28794号公報公報
参照）や、 電磁力とばね力との平衡により弁体の位置制御を行
うようにした所謂ソレノイド方式（例えば特公昭61ー 3
9556号公報、特公昭62ー1150号公報参照）や、 ピエゾスタックの歪力により弁体の位置制御を行う
ようにした所謂ピエゾ方式（例えば実開昭60ー245885号
公報参照） などがある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記従
来技術には次のような問題点があった。すなわち、前記
の方式のものにおいては、熱膨張体を加熱してこれを
熱膨張させているので、熱膨張体が所定長さになるまで
に時間がかかり、応答速度が比較的遅い（約５秒程度）
と共に、熱容量を小さくして熱膨張性を良好にするため
熱膨張体をそれほど大径にすることができず、撓み易い
ため、オリフィスを開閉する精度がそれほど高くなく、
また、変位量および推力が小さいため、制御できる流量
範囲が狭く、さらに、構造が複雑であるといった問題点
がある。

【０００４】そして、前記の方式のものにおいては、
応答速度は速い（ 0.5秒程度）ものの、可動鉄心などの
部材が制御対象である流体に接触するため、腐食性の強
い流体の制御には不向きであるなど適用範囲が限定され
る他、推力が大きくなく、しかも、可動部のストローク
が大きくなるに伴って推力が小さくなるため、均一な推
力を得ることができないといった欠点があり、制御でき
る流量範囲が狭く、さらに、構成が大掛かりであるとい
った問題点がある。

【０００５】また、前記の方式のものにおいては、応
答速度が早く、構造的にも簡単であるが、変位量が例え
ば数10μｍ程度と極めて小さく、従って、制御できる流
量範囲が狭いといった問題点がある。

【０００６】本発明は、上述の事柄に留意してなされた
もので、その目的とするところは、構成が簡単で、変位
量が大きく、一つの構造体で、小流量（例えば100cc／m
in）から大流量（例えば10ｍ³ ／min ）にわたる広い範
囲の流体を精度よく、しかも、高速に制御することがで
きる有用な流体制御弁を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明に係る流体制御弁は、オリフィスを開閉する
弁体のアクチュエータを形状記憶合金で形成し、このア
クチュエータに通電したときに生ずるアクチュエータの
形態の変化により、弁体を変位させるようにしている。

【０００８】この場合、アクチュエータを線状体に形成
してもよく、また、コイル状体に形成してもよい。

【０００９】

【作用】例えば流体制御弁が、その弁体がばねによって
オリフィス方向に付勢され、オリフィスを常時閉鎖する
ように構成された所謂常閉型である場合、ある温度以上
になると収縮する形状記憶合金を、その常温時、線状に
した状態でアクチュエータとして弁体に接続する。そし
て、このアクチュエータに例えば直流電圧を印加して通
電すると、これが自己発熱して温度が上昇し、前記ある
温度以上になると、アクチュエータの形態が収縮し、こ
れによって弁体がオリフィスから離間して、オリフィス
が開放されるのである。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の実施例を、図面を参照しなが
ら説明する。

【００１１】図１は、本発明の第１実施例に係る流体制
御弁の一例としてのマスフローコントローラを示し、こ
の図において、１は本体、２はこの本体１内に形成され
た流路、３，４はそれぞれ本体１の端部に形成された流
体の入口ポート、出口ポートである。本体１の上面部に
は流路２に臨む開放空間が形成してあり、この開放空間
内に、流路２と連通したオリフィス５を備えたオリフィ
スブロック６が設けられている。７，８はシール部材で
ある。

【００１２】９はオリフィスブロック６を覆うようにし
て本体１の上面に突設されたケースで、このケース９内
には、オリフィス５を開閉するための弁体10が設けられ
ている。この弁体10はゴムまたは金属などよりなる仕切
り部材を兼ねたダイヤフラムよりなり、これに連設され
た弁軸部11には、ケース９と弁体10の上部との間に介装
された圧縮ばね12が外嵌してあり、このばね12によって
オリフィス５方向に常時付勢されて、オリフィス５を閉
じるように構成されている。

【００１３】13は弁体10を駆動するアクチュエータ部
で、次のように構成されている。すなわち、ケース９の
上方にはホルダケース14が連設され、その内部には形状
記憶合金よりなるアクチュエータ15が設けられている。
このアクチュエータ15は、その上端側がホルダケース14
に螺着されたナット状体16に保持された固定部17に固定
され、下端側が弁軸部11の上端部18と結合されている。
そして、この実施例において、前記アクチュエータ15
は、例えば直径が 1.3mm、長さ20mmの線状体よりなり、
その両端には電極19, 20が形成され、直流または交流の
電圧が図外のリード線を介して印加できるようにしてあ
り、通電によって自己発熱して、ある温度以上になると
収縮して例えばＳ字状に変形するように構成されてい
る。なお、21は電極20へのリード線導入部である。

【００１４】22は弁体10よりも例えば上流側に設けられ
るマスフローメータ部で、流路２に臨むようにして開設
された測定流路入口23と測定流路出口24との間を接続す
る薄肉毛細管25に２つの熱式質量流量センサ26が巻設さ
れており、この熱式質量流量センサ26は、図外の制御部
に設けられたブリッジ回路に接続されている。27は流路
２に形成される定分流比特性を有するバイパス素子、2
8, 29はシール部材である。

【００１５】上記構成のマスフローコントローラにおい
ては、弁体10は、常時、直線状のアクチュエータ15と共
に、圧縮ばね12によってオリフィス５方向に付勢され、
オリフィス５を閉鎖している。従って、この状態におい
ては、流体が流れることがない。そして、アクチュエー
タ15に例えば適宜の大きさの直流電圧を印加して通電す
ると、アクチュエータ15が自己発熱し、その温度が上昇
する。そして、この温度がある温度以上になると、アク
チュエータ15が収縮し、これによって、弁体10は圧縮ば
ね12に抗するようにしてオリフィス５から離間して、オ
リフィス５が開放され、所望の流量の流体が流れるので
ある。

【００１６】そして、アクチュエータ15は細い線状体で
あるから、設定温度以上になるまでの時間が短い。ま
た、アクチュエータ15への通電を停止して、アクチュエ
ータ15の温度が低下すると、アクチュエータ15は長くな
り、弁体10は圧縮ばね12によってオリフィス５方向に付
勢され、オリフィス５を閉鎖する。従って、応答性よく
流体を制御することができる。

【００１７】上述の第１実施例は、弁体10がオリフィス
５を常時閉鎖している所謂常閉型のマスフローコントロ
ーラであったが、これを常開型に構成してもよい。

【００１８】すなわち、図２は、本発明の第２実施例を
示し、この実施例では、オリフィスブロック６を覆うよ
うにして本体１の上面にベースブロック30を設け、この
ベースブロック30の上方に本体１にケース９を設けてい
る。そして、ケース９の上部には、弁軸部11を挿通ガイ
ドするためのガイド部材31を設けている。また、弁軸部
11とベースブロック30との間には、弁軸部11を常時上方
に、すなわち、オリフィス５から離間する方向に付勢す
る圧縮ばね32を設けている。さらに、弁軸部11の上端部
にはナット状体33を螺着すると共に、このナット状体33
とケース９との間に、形状記憶合金よりなる線状体のア
クチュエータ34を２本張設している。なお、35, 36はア
クチュエータ34の両端に形成される電極、37は電極36へ
のリード線導入部である。

【００１９】このように構成された常開型のマスフロー
コントローラにおいては、弁体10は、常時、圧縮ばね32
によってオリフィス５から離間する方向に付勢され、オ
リフィス５を開放している。従って、この状態において
は、オリフィス５の開度に応じて流体が流れる。そし
て、アクチュエータ34に通電すると、上述の実施例と同
様に、アクチュエータ34が収縮し、これによって、弁体
10は圧縮ばね32に抗するようにしてオリフィス５方向に
移動して、オリフィス５が閉鎖される。

【００２０】なお、アクチュエータ15への通電を停止し
て、アクチュエータ15の温度が低下すると、アクチュエ
ータ15は長くなり、弁体10は圧縮ばね32の付勢力によっ
てオリフィス５から離間する。

【００２１】上記各実施例においては、アクチュエータ
15, 34は何れも線状体であったが、これをコイル状体に
形成してもよい。

【００２２】すなわち、図３は、本発明の第３実施例を
示し、この実施例では、オリフィスブロック６を覆うよ
うにして本体１の上面に突設されたケース９の上方にば
ね保持ブロック38を螺着し、このばね保持ブロック38と
弁体10との間に、形状記憶合金よりなるコイルばね39を
設け、このコイルばね39によって弁体10を常時オリフィ
ス５から離間するように付勢すると共に、コイルばね39
の両端に電極40, 41を設け、これらの電極40, 41にリー
ド線42, 43を接続してある。

【００２３】このように構成された常開型のマスフロー
コントローラにおいては、弁体10は、常時、圧縮ばね39
によってオリフィス５から離間する方向に付勢され、オ
リフィス５を開放している。従って、この状態において
は、オリフィス５の開度に応じて流体が流れる。そし
て、コイルばね39に通電すると、コイルばね39が発熱し
て伸長し、これによって、弁体10はオリフィス５方向に
移動して、オリフィス５が閉鎖される。つまり、この実
施例では、コイルばね39がアクチュエータを兼ねている
のである。

【００２４】なお、アクチュエータであるコイルばね39
への通電を停止して、コイルばね39の温度が低下する
と、コイルばね39は収縮して通常の形態になり、弁体10
はコイルばね39の付勢力によってオリフィス５から離間
する。

【００２５】そして、上述の実施例においては、弁体10
はダイヤフラムで形成され、仕切り部材と兼用されてい
たが、このような形状にする必要はなく、弁体として棒
状のものを用い、この周囲に伸縮自在なベローを設ける
ようにしてもよい。

【００２６】また、上述の実施例においては、アクチュ
エータ15, 34,39に通電し、それ自体が自己発熱して温
度上昇するように構成してあったが、これに代えて、ア
クチュエータ15, 34, 39の近傍に他の熱源を設け、この
熱源によって温度上昇する所謂傍熱タイプに構成しても
よい。さらに、本発明は、マスフローコントローラ以外
の流体制御弁に適用してもよいことは勿論である。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る流体
制御弁は、オリフィスを開閉する弁体のアクチュエータ
を形状記憶合金で形成し、このアクチュエータに通電し
たときに生ずるアクチュエータの形態の変化により、弁
体を変位させるようにしているので、次のような優れた
効果を奏する。

【００２８】 電圧または電流による制御であるから
ソレノイド方式と同程度の速い応答速度（ 0.5秒程度）
が得られる。 弁体のストロークを大きくとれるので、小流量から
大流量まで幅広く制御することができる。 運動の変換機構が不要であるから、高精度の位置決
め制御を行うことができ、その結果、流量変動が少ない
ので高精度の制御を行うことができる。 回転モータ方式に比べて部品点数が少なく、小型化
することができると共に、構造も簡単であるからメンテ
ナンスが容易である。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の第１実施例に係る流体制御弁
を示す断面図である。

【図２】図２は、本発明の第２実施例に係る流体制御弁
を示す断面図である。

【図３】図３は、本発明の第３実施例に係る流体制御弁
を示す断面図である。

【符号の説明】

５…オリフィス、10…弁体、15, 34, 39…アクチュエー
タ。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 オリフィスを開閉する弁体のアクチュエ
   ータを形状記憶合金で形成し、このアクチュエータに通
   電したときに生ずるアクチュエータの形態の変化によ
   り、弁体を変位させるようにしたことを特徴とする流体
   制御弁。
2. 【請求項２】 アクチュエータが線状体である請求項１
   に記載の流体制御弁。
3. 【請求項３】 アクチュエータがコイル状体である請求
   項１に記載の流体制御弁。