JPH0755414Y2

JPH0755414Y2 - 流量制御弁

Info

Publication number: JPH0755414Y2
Application number: JP1989024768U
Authority: JP
Inventors: 昭和地; 英夫渋川; 峯久林
Original assignee: 大倉電気株式会社
Priority date: 1989-03-06
Filing date: 1989-03-06
Publication date: 1995-12-20
Anticipated expiration: 2004-03-06
Also published as: JPH02116071U

Description

【考案の詳細な説明】産業上の利用分野本考案は各種流体の流量を制御する流量制御弁に関し、
とくに弁口が設けられたノズル接弁面とフラッパとの微
小間隙を制御することにより弁口径を大きくすることな
しに比較的大きな流量を制御する制御弁に関する。

従来の技術電熱式熱膨張素子の一端にフラッパを取付け、熱膨張素
子の伸縮によりフラッパを変位させてノズルとフラッパ
との間の間隙を制御する形式の流量制御弁が古くから使
われている。この流量制御弁には、熱膨張利用のためス
トロークが約40μｍ程度に限られて大流量の制御ができ
ず、レスポンスの遅い欠点があった。

最近、いわゆる積層圧電素子（以下、圧電素子とい
う。）が開発され、典型的な圧電素子として厚さ0.115m
mで一辺5mmの正方形の圧電材料薄片と電極とを交互に数
百枚積み重ね高さ約20mmの寸法を有する高温焼結したセ
ラミック製品が市販されている。この圧電素子は、150V
DCの最高駆動電圧の印加に応じて約16μｍの微小な伸び
を生ずる。また、伸びないように機械的に拘束して駆動
電圧を印加すると最大で約85kgfの力を発生する。スト
ロークは微小であるが力持ちである点に着目し、ストロ
ークを機械的に拡大することにより制御弁やワイヤドッ
ト式プリントヘッド等に利用されている。

上記市販の圧電素子を３段継ぎにしても有効ストローク
としては約40μｍ程度に過ぎない。小さなストロークで
大流量を制御するにはノズル径を大きくすることが考え
られるが、圧力差の悪影響やスペースの制限で大径ノズ
ルの許容されない場合が多い。他方、圧電素子は熱電式
に比してレスポンスが極めて良好であるので機械的なて
こなどによるストローク増幅を組込んで使用する場合が
ある。しかし、全体的に構造が複雑である欠点を免れな
い。

ノズル径を大きくせずしかも微小ストロークで大流量を
制御する方法として実公昭62-6374号公報及び特開昭62-
24088号公報は、環状弁口を有するノズルとこの環状弁
口の内外でノズル接弁面に接する２条の環状突起のある
フラッパとを用いた構造及びこの構造においてフラッパ
にかかる圧力差の軽減方法を開示している。

考案が解決しようとする課題上記実公昭62-6374号公報及び特開昭62-24088号公報の
方法は、突起１条のフラッパ使用の場合に比し約２倍の
流量を制御することができるもの、ノズルとフラッパの
両者に複雑な機械加工を要するので高価となる欠点があ
る。

従って、本考案の目的はフラッパの平滑な端面により大
流量制御ができる微小ストロークの流量制御弁を提供
し、もって従来技術の上記欠点を解決するにある。

問題点を解決するための手段第1A図及び第1B図の実施例を参照するに、本考案は、ノ
ズル50の接弁面52の弁口53をフラッパ５（第2B図）の平
滑な端面で開閉する制御弁において、ノズル50の接弁面
52上で閉曲線となる弁口周縁の長さがフラッパ５の端面
の外周長さより長い前記弁口53、前記弁口周縁に沿う薄
幅の連続帯状面を接弁面52に残し該接弁面52から凹入し
且つフラッパ側空間（第2B図参照）と連通する複数の対
向溝54、及び前記連続帯状面を頂面とする前記弁口53と
対向溝54との間の隔壁55を備えてなる構成を用いる。

作用まず上記ノズル50及びフラッパ５が設けられた流量制御
弁の実施例を第2A図及び第2B図により説明し、次いでそ
の実施例における本考案の流量制御弁の作用を説明す
る。

第2A図及び第2B図においてベース１の入口２へ流体が流
量Q₁で流入し、出口３から流量Q₂で流出する。ベース１
の中央開口に「Ｏ」リング４を介してノズル50が載置さ
れ、フラッパ５がリターンばね７によりノズル50から離
される方向の力を受けながら支承される。ベース１の頂
面に「Ｏ」リング８を介して載置されたフランジ９がね
じ10によりベース１に固定され、ねじ10の締付けで
「Ｏ」リング４、８が適宜圧縮される。

圧電素子17を保持する剛性筒体11の下端面とフランジ９
の頂面との間にダイヤフラム12を介在させ、溶接部13に
おいて剛性筒体11の下端、フランジ９の頂面及びダイヤ
フラム12の三者を気密に一体化して結合する。好ましく
は、剛性筒体11を以下に述べる金属製とし、金属製のダ
イヤフラム12によって可撓性シール部材を構成し、溶接
部13をレーザ溶接によって形成する。ダイヤフラム12は
中央に開口を有し、センターロッド14の軸部がこれを下
向きに貫通して延在するが、センターロッド14の基部は
ダイヤフラム12の上側に留る。カラー15が下方からセン
ターロッド14の軸部に嵌合し、プロジェクション溶接部
16でセンターロッド14の基部、ダイヤフラム12からなる
シール部材の中央開口周縁部及びカラー15の三者が気密
に一体的に結合される。

センターロッド14の頂面には、防湿機能を有する絶縁材
18で被覆された圧電素子17の下端が接着され、そのセン
ターロッド14の下端は、リターンばね７により押上げら
れているフラッパ５に当接する。圧電素子17の上端に温
度補償棒19が接着される。剛性筒体11の上端がキャップ
20とダイヤフラム21とによって封止され、温度補償棒19
の頂面がダイヤフラム21の下側表面に当接する。剛性筒
体11の上端、キャップ20及びダイヤフラム21の三者は、
溶接部22において一体化され気密に結合される。好まし
くは、溶接部22をレーザ溶接によって形成する。剛性筒
体11の駆動部空間25には乾燥ガスが封入され、圧電素子
17を湿気から防護する。

調整ねじ23がキャップ20のねじ孔を介してダイヤフラム
21の上側表面に当接する。調整ねじ23の回転によるその
上下動が、ダイヤフラム21、温度補償棒19、圧電素子17
及びセンターロッド14を介してフラッパ５に伝達される
ので、ノズル50とフラッパ５との間の間隙ｇを調整ねじ
23の回転により調整することができる。ロックナット24
は、調整ねじ23を所要位置に締付けて制御弁の開度設定
を維持する。

ハーメチックシール端子26を介して圧電素子17からのリ
ード線27を外部へ引出す。

動作を説明するに、圧電素子17が長さ60mmであり150VDC
の駆動電圧に対し約40μｍの伸びを示すとすると、駆動
電圧が0Vの時にノズル50とフラッパ５との間の間隙ｇが
最大約40μｍとなるように調整ねじ23により設定をす
る。第2B図の構造では150VDCの駆動電圧が印加された時
に、上記間隙ｇがｇ＝０となり、リークを無視すれば流
出流量がQ₂＝０となる。図示例の制御弁は、電源オフ時
に圧電素子17への印加電圧が零となり最大流量が流れる
ので常開形（normally open）である。後述のように、
簡単な修正によって図示例の制御弁を常閉形（normally
close）にできることは当業者には明らかである。

圧電素子17の熱膨張係数は約−6x10^-6（1/℃）という負
の値であるので、剛性筒体11は膨張係数が殆ど零である
インバー等の金属製とすることが望ましい。温度補償棒
19の材料としては、膨張係数が大きいアルミニウム合金
やオーステナイト系ステンレス鋼等を使用し、間隙ｇの
大きさが殆ど温度の影響を受けないようにする。

第1A図及び第1B図の実施例のノズル50の作用を説明す
る。ノズル50の厚さｔを貫通して貫通孔H₀、H₁、H₂、H₃、
H₄、H₅、H₆、H₇、H₈が形成される。ノズル50の接弁面52に穿
たれたばね座溝51はリターンばね７を座着させるための
ものである。中央の貫通孔H₀以外の貫通孔H₁-H₈の上端
には、接弁面52からの深さがｈである弁口53がエッチン
グなどによって形成される。中央の貫通孔H₀は、接弁面
52まで一様な断面で延在するのでそのまま弁口53として
も作用する。第1A図の平面図において、弁口53にドット
を付して示す。

本考案によれば、フラッパ側空間６と常時連通する対向
溝54をエッチングなどによってノズル50の接弁面52に適
当に穿ち、接弁面52側の弁口53の周縁と対向溝54の周縁
との間に隔壁55を形成する。第1A図の平面図において、
対向溝54に一点鎖線の陰影を付して示す。隔壁55の幅ｗ
は、圧電素子17のストローク、即ちフラッパ５のストロ
ークが40μｍ程度であるときには、100-300μｍ程度と
することが望ましい。

弁口53の深さｈおよび対向溝54の深さｄ（第4B図）は、
流体の流れに支障が生じない深さとすべきである。

ノズル50とフラッパ５の間隔ｇが零（ｇ＝０）のとき、
フラッパ５の平滑な端面（この場合底面）がノズル50上
の隔壁55の接弁面と密着し弁口53を閉塞することにより
制御弁を閉じ、流体の流量Ｑを零（Ｑ＝０）にする。こ
の時、弁口53に上流側（一次）圧力p₁が作用すると共
に、対向溝54には下流側（二次）圧力p₂が作用する。

圧電素子17の付勢によりフラッパ５を引上げてノズル50
から離し上記間隔ｇを有限な大きさとすれば、流体は矢
印ｆで示される様に弁口53から隔壁55を越え間隙ｇを通
ってフラッパ側空間６へ流出する。流出する流体の流量
Ｑは間隙ｇの大きさを調節することによって制御され
る。間隙ｇが最大値g_maxのとき最大流量Q_maxが流れ、そ
の最大流量Q_maxを上記最大間隙g_max及び隔壁55の全長Ｌ
に比例させることができる。

本考案者は、制御弁で制御できる流量に関係する定数と
して次の弁効果係数αを定義した。

α＝L/｛π（Dn-2w）｝ここに、Dnは第1B図に示されるノズル50の有効外径、ｗ
は隔壁55の幅、Ｌは弁口53の内縁に沿って測った隔壁55
の全長である。第1A図及び第1B図のノズル50の上記弁効
果係数αは約2.5であり、同一有効外径Dnで同一ストロ
ークを有する従来の単孔式制御弁に比し本考案による制
御弁は約2.5倍の最大流量を制御できるものと推定され
る。

こうして本考案の目的である「フラッパの平滑な端面に
より大流量制御ができる微小ストロークの流量制御弁」
の提供が達成される。

実施例第３図は、貫通孔を中心孔H₀のみとし、弁口53を中央孔
H₀の上端に放射状に穿ち、対向溝54をこの弁口53に対向
させて形成し、弁口53と対向溝54との間に隔壁55を設け
た実施例を示す。この構造によれば長い全長Ｌの隔壁55
が得られ、上記弁効果係数αが約3.0になる。図示形状
の弁口53及び対向溝54はフォトエッチングにより効率的
に形成することができる。

第4A図及び第4B図は、環状の弁口53及び環状の対向溝54
を中央貫通孔H₀の回りに同心的に交互に形成し、弁口53
を他の貫通孔H₁-H₄の上端と連通させ、対向溝54を放射
状流出口57に連通させた実施例を示す。この実施例で
は、対向溝54の深さｄは貫通孔H₁-H₄の上端と連通した
弁口53の深さｈより浅くなければならない。この構造に
よれば非常に長い全長Ｌの隔壁55が得られ、上記弁効果
係数αが５弱になる。第4A図及び第4B図の対向溝54を流
出口57に連通するための局部的掘削は放電加工によるの
が便利である。

本考案は図示実施例に限定されるものではなく各種変形
が可能である。例えば、以上の説明において駆動要素と
して用いた圧電素子の代りに、磁歪素子、電磁素子、熱
膨張素子などを使うことができる。ねじ送り式マニュア
ル制御弁、空気圧式ダイヤフラム駆動の制御弁などとす
ることもできる。流体の流れの向きを逆にしても作用効
果になんら変化がない。ノズルとフラッパの何れを変位
させてもよいが、フラッパ変位方式が一般的に簡単な構
造となる。

半導体装置製造関係の制御弁においては、粒子の発生を
防止するため、接ガス部品に有機材料を避け、例えばノ
ズルとフラッパの両者をステンレス鋼製としそれらの接
触面を鏡面仕上げして相互摺動時にも粒子発生のない構
造とし、密封部材もベローズではなくダイヤフラムとす
ることができる。

リークが許されないストップ弁の場合には、フラッパの
押圧力を大きくし、経時的な変形・粒子発生やかじりを
防止するためノズルとフラッパの一方を硬度の高い異種
材料とすることもできる。例えばアルミナ製フラッパと
金属製ノズルとの組合せである。図示例の常開形弁を常
閉形弁とするため、ノズルを上下裏返し、フラッパを下
側からノズル板に押付け、中央孔H₀貫通のセンターロッ
ドでフラッパを押下げるようにすることができる。

ノズルの隔壁55の形状は図示例に限定されず他の各種形
状のものが可能である。加工にもフォトエッチングのほ
か切削加工、放電加工、サンドブラスト加工、レーザ加
工等の各種手法を利用することができる。ノズルやフラ
ッパの外形も円形に限定されない。

考案の効果以上詳細に説明した如く、本考案による流量制御弁は、
ノズルの接弁面の弁口をフラッパの平滑な端面で開閉す
る制御弁において、ノズルの接弁面上で閉曲線となる弁
口周縁の長さがフラッパの端面の外周長さより長い前記
弁口、弁口周縁に沿う薄幅の連続帯状面を前記接弁面に
残し該接弁面から凹入し且つフラッパ側空間と連通する
複数の対向溝、及び前記連続帯状面を頂面とする弁口と
対向溝との間の隔壁を備えてなる構成を用いるので、次
の効果を奏する。

（イ）簡単な構造のノズルとフラッパにより大流量の
制御をする制御弁が提供される。

（ロ）構造が簡単で制御弁を容易に小型化することが
できる。

（ハ）ノズルとフラッパの大きさを一定とするなら
ば、従来より小さなストロークで大流量を制御すること
ができる。

（ニ）積層圧電素子や熱膨張素子等の微小ストローク
素子で駆動することができる。

（ホ）駆動素子のストロークを微小にしダイヤフラム
等のシール部材の応力の安全率を高めることができる。

（ヘ）構造が簡単で低コスト量産ができる。

（ト）ノズルの弁口と接するフラッパの端面は平滑で
あれば足りるので、異種材料の使用が可能である。

（チ）フラッパに作用する圧力差（p₁-p₂）による力
が従来より減少するので、大きな圧力差まで使用するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第1A図はノズルの一実施例の平面図、第1B図はその線IB
-IBにおける縦断面図、第2A図は流量制御弁の一実施例
の平面図、第2B図はその線IIB-IIBにおける縦断面図、
第３図はノズルの他の実施例の平面図、第4A図はノズル
のさらに他の実施例の平面図、第4B図はその線IVB-IVB
における縦断面図である。１……ベース、２……入口、３……出口、４、８……Ｏ
リング、５……フラッパ、６……フラッパ側空間、７…
…リターンばね、９……フランジ、10……ねじ、11……
剛性筒体、12、21……ダイヤフラム、13、22……溶接
部、14……センターロッド、15……カラー、16……プロ
ジェクション溶接部、17……圧電素子、18……絶縁材、
19……温度補償棒、20……キャップ、23……調整ねじ、
24……ロックナット、25……駆動部空間、26……シール
部、27……リード線、50……ノズル、51……ばね座溝、
52……接弁面、53……弁口、54……対向溝、55……隔
壁、57……流出口。

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

【請求項１】ノズルの接弁面の弁口をフラッパの平滑な
端面で開閉する制御弁において、前記ノズルの接弁面上
で閉曲線となる弁口周縁の長さが前記フラッパの端面の
外周長さより長い前記弁口、前記弁口周縁に沿う薄幅の
連続帯状面を前記接弁面に残し該接弁面から凹入し且つ
フラッパ側空間と連通する複数の対向溝、及び前記連続
帯状面を頂面とする前記弁口と対向溝との間の隔壁を備
えてなる流量制御弁。
【請求項２】請求項１記載の流量制御弁において、前記
フラッパを可動フラッパとしてなる流量制御弁。
【請求項３】請求項１記載の流量制御弁において、前記
ノズルを可動ノズルとしてなる流量制御弁。
【請求項４】請求項１記載の流量制御弁において、前記
フラッパとノズルのいずれかに結合され且つ前記フラッ
パの端面とノズルの接弁面との間隔を制御する積層圧電
素子を備えてなる流量制御弁。