JPH10500198A - 調整バルブ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 流体例えば空気のようなガス流の調整バルブにして特に麻酔装置に用いる調整バルブである。本調整バルブはバルブハウジング（１）と調整ハウジング（２）とよりなる。バルブハウジング（１）は流れのインレット（３）を有しこれはバルブシート（４）とバルブチェンバ（５）とに導かれ、アウトレット（６）はこのバルブチェンバ（５）に接続される。更に、バルブシート（４）と共働してバルブハウジングを通流する流れを調整するバルブエレメントがある。永久磁石（１７）とヨーク構成体（１５、１６）とが環状エアギャップ（９）を形成しここにラジアル磁界を作る。コイルを巻いた管状成形体がこの磁界内で可動である。バルブプレートが成型体の１端に配置され、成型体はスプリングワッシャ（７′、７″）の形態で膜に支承される。成型体には螺旋状スプリング（１９）もある。給電されるとコイルがスプリングに坑する力を発しバルブプレートをバルブシートから所定距離におくがこの距離は電流の大きさに依存し、所定のガス流がバルブを通して得られる。このガス流は電流の大きさに比例する。本調整バルブには磁芯がなく、コイルが殆ど摩擦形態で動くからヒステリシスは殆どない。

Description

【発明の詳細な説明】 調整バルブ 発明の属する技術分野 本発明は例えば空気、酸素、窒素ガスのような流体の流れを比例制御する調整 バルブにかかる。 この調整バルブはＵＳ−Ａ−４７０２２４２号明細書に記載のように特に麻酔 装置とか集中治療呼吸器とか入院患者への呼吸ガスの呼吸調整装置に特に利用さ れている。 従来の技術 ガス流を制御するバルブはいろいろな形態で公知である。その１つはガスをラ ジアル流としてギャップを通流せしめることである。このようなバルブにおいて は流れは一定の圧力差においてギャップの高さに実質上比例する。 このようなバルブは環状のバルブシートに直面したスピンドル上に置かれたデ ィスクによってギャップ高さが決定されるようにして調節されるのが通常である 。 スピンドルの軸方向変位がギャップ高さを変化する。この変位は通常ソレノイ ドによってなされるが、他の形式の可動手段もある。 然しこのような従来型の調整バルブは多くの欠点を有する。例えばバルブの調 整範囲はしばしば非常に狭く、バルブが比例バルブである時はこの範囲は少なく ともリニアな特性ではある。 更に、バルブは屡々ソレノイドの磁性材料に基づくヒステリシスを有する。こ のヒステリシスはバルブが開いている時 と閉じている時とによって違った特性カーブとなる。 上述の制御スピンドルは案内とか、ある形式の支承体のものにおいては通常ス ライドし、このため摩擦力が発生しこれがヒステリシスを生じることとなる。更 に、この摩擦力はこれに打ち勝つある範囲において、バルブの調整中、バルブを 段階的に或いは制御されない状態で動かすことになる。ＵＳ−Ａ−４６４３３９ ４号明細書及びＪＰ−Ａ−５９−７３６８０号明細書に開示されている形式の調 整バルブではバルブエレメントがこのような摩擦力が生ずるように案内されてい る。 本発明の概要 本発明の目的はこのようなギャップバルブの調整用の構成を開発し、流れとな るべくは電流であるその制御量との間に実質上リニアな関係を有する調整バルブ を得ることである。 更に本発明の目的は非常に精度が高く、流れ調整に対する値に反復性のある調 整バルブを得ることである。 更に本発明の別の目的は、従来型ソレノイドバルブが持っているような摩擦力 及び磁気ヒステリシスを出来るだけ排除することである。 これら目的を達成するため、本発明調整バルブにおいては請求の範囲に規定す るような特徴を有する。 本発明調整バルブにおいては摩擦力が生ぜずバルブにおける唯一の可動部であ る成型体及びこれに接続された部品は軽量とした。このようにして、流れ調節中 に、可動部質量による制御がかからないオーバシューティングなく迅速反応性、 良好な応答性が得られる。可動部は自由に支持されているの で流れ調節に影響する摩擦がない。この形式の磁気系はリニア特性を有しヒステ リシスがない。バルブにおける力の平衡は入力圧力とバルブ内の螺旋状スプリン グだけで決まる。 この螺旋状スプリングはリーフスプリングとは異なり通常はリニア特性を有す る。 市場で手に入る一般のリニアバルブは可動部が鉄でできているソレノイドバル ブとしての構造である。このソレノイドはノンリニア特性を有し、もし（入力に 対して流れが比例する）リニアバルブを得たければ、このようなバルブにおける スプリングをノンリニアとしなければならない。これを達成するためにはこのよ うなバルブにおけるスプリングを特別形状のリーフスプリングとせねばならない 。 図面の簡単な説明 本発明の好ましい実施例についてより詳細に図面について説明する。 図１は本発明による調整バルブの好ましい実施例の断面図である。 図２は図１の第２の作動位置を示す図１と同様な図である。 図３は図１の調整バルブに用いるスプリングワッシャの平面図である。 図４は流れと電気的調整量、本実施例の場合は電流の大きさとの間の関係を示 すグラフである。 図５は図３のスプリングワッシャの変形を示す平面図である。 図６は図１及び図２における調整バルブのバルブシート及 びバルブエレメントの拡大断面図である。 図７はバルブシート及びバルブエレメントの変形を示す図６と同様の図である 。 発明の詳細な説明 図１は、本発明に係る調整バルブの断面を示した好ましい実施例を示す。 調整バルブはバルブハウジング１及び調整ハウジング２より構成されている。 バルブハウジングは到来する流れのためのインレット３より構成されており、そ の流れはバルブシート４にて止まる。バルブシート４は円筒状バルブチェンバ５ 内の中央に配置された孔（オリフィス）を有し、また当該バルブチェンバ５の他 端にはアウトレット６が設けられている。 バルブチェンバ５は、図１に示されているように好ましくは円形膜７により下 方向に限界が定められている。膜中央において、当該バルブシート４の真正面に 位置する所に平面ラバープレート８があり、当該ラバープレート８は当該バルブ シート４に対してシールの形成が可能となっている。膜はその周辺部分に沿いバ ルブハウジング１と調整ハウジング２との間において固定装着されている。 膜７の裏側には、ラバープレートの前方に、管状成型体１０が配置されている 。当該管状成型体１０はナット１１を使って膜７に固定されており、またその管 状成型体はアルミニウム製であることが好ましい。管状成型体上には電導ワイヤ であるコイル１２がある。コイル１２の両端は調整ハウジング２の壁を貫通して いる端子１３と端子１４にそれぞれ接 続されている。 管状成型体は、２個の継鉄１５、１６により形成されるリング状エアーギャッ プ９内に位置する。ラジアル方向磁場はそれら継鉄によってまた継鉄１５、１６ の間に位置する永久磁石１７（円型の）を使うことによってリング状エアーギャ ップ９内に維持される。エアーギャップの高さはリング状の第１の継鉄１５によ り決められている。コイル１２と管状成型体１０は、エアーギャップ９内におい て継鉄１５，１６に接触することなく自由に可動である。 調整ハウジング２は、リング状エアーギャップ９が明確に区画されかつ可能な 限り軸対称であるように特定位置に継鉄１５，１６及び永久磁石１７をしっかり 保持するような構造を具備する。またネジ（図１には示されていない）が装着さ れている中央穴１８がある。螺旋状スプリング１９はネジと上記の膜との間にコ イル内おいて軸方向に配置されている。 以上、上記の調整ハウジングは音響スピーカの内部に大変良く似ていることが 理解されよう。また調整バルブの実際上の実施例においては、分解された音響ス ピーカが使用されるが、その際音響スピーカ膜は前記の膜と交換される。 膜７の詳細は図３に示されている。当該膜は、当該図に示されているように幾 つかの窪み２１を有する円形鋼ワッシャ７′により構成されている。当該窪みは 、可能な限り長い３つの部分リング状のスプリング化したレッグ２２を形成する 。 このようにすることで、スプリング力が大きすぎることな く、好ましい程度の力に抑えられる。管状成型体１０は図３の破線２３で示され ているようにスプリングワッシャ７′に接している。当該スプリングワッシャの 中央にはネジとナットに使用されるための穴２４が設けられている。 このようにして、スプリングワッシャ周辺に対する当該ワッシャ中央での軸方 向変位が、ある限界を有しつつ本質的には変形力に比例するようなスプリングワ ッシャが得られる。また、スプリングワッシャは管状成型体が常に十分に軸方向 を向いて配列されるようにするため、管状成型体が傾斜する傾向に対して抵抗し ている。 上記の説明から、調整バルブの機能は十分に明瞭であると思われる。電流が端 子１３，１４に流され、そしてコイル１２を通過する。電流は永久磁石１７及び エアーギャップ内の継鉄１５，１６によって形成された放射状磁場と共に働く。 従って、与えられた電流方向にしたがって２方向の内の一方にコイルを軸方向変 位させるような力が励起される。その場合、その力は電流に正比例している。 コイルには図１に示すように螺旋状スプリング１９及び膜７またはスプリング ワッシャ７′によって上方向に初期荷重が与えられている。従ってラバープレー ト８は所定の力を利用してバルブシート４に対して押圧されているため、インレ ットは閉じている。電流が増大して行くと、電流と磁場から生じる力は前記スプ リング力と流入圧力がラバープレート上に生じさせる圧力との合力は相反するよ うになり、やがて打ち消し合うことになる。それによって、バルブシートが開き 、インレット３からの流れがバルブチェンバ５及びアウト レット６に得られることとなる。 電流が更に増加されると、コイルと膜は相反するスプリング力により決定づけ られる新たな安定位置までへとより一層の下方向変位をする。これによって、ラ バープレート８とラバーシート４との間の距離もまた増大する。バルブシートを 通過したガス流はラバープレートとバルブシートとの間の距離に十分比例する。 ガス流とコイル内電流との関係は図４からより明確となる。この曲線から分か るように、流れは電流強さが約0.3Ａまではほとんどゼロであり、その際スプリ ング力は本質的には相反した状態にある。約0.5Ａからちょうど1.1Ａを越えるあ たりまではガス流は電流強さにほとんど比例しており、当該範囲は図４に基づい て形成された実施例に関して言えば流入圧３kp/cm²及び流出圧0.1kp/cm²におい て毎分約３０から２００リッタの間でのガス流に相当する。 ガス流と電流強さとの線形関係は、バルブシート及びラバープレートについて の正確な設計によって改善もしくは影響される。スプリング特性としての線形性 もまた影響される。 図６はバルブシート４及びバルブエレメント８の拡大図である。バルブシート はバルブチェンバ５の表面から外方向へ突出しているニップル２５から構成され る。ニップル２５は表面が研磨された下端２６を有する。バルブエレメントは、 ナット１１から構成されこれはさら穴２７があり、この中にバルブプレート８が 配置される。当該プレート８と下端２６との間の距離はガス流が通過するための ギャップを形成している。 コイルは、数回巻き、好ましくは６０−８０回巻きの導電性の銅線より成り、 その際当該銅線がエアーギャップ９内の空間をより良く利用できるように矩形断 面を有する。音響スピーカ技術からの他に知られた特性や特色もまた本発明に適 用され得る。 図示の調整バルブ内の管状成型体は鉄心がないため大変軽量となり、従って非 常に迅速な製造が可能となる。また鉄心がないため、調整の精度や反復性に影響 を及ぼす残留磁気又は残留ひずみが生じない。 管状成型体は膜のみにより支持されており、継鉄に接することなくエアーギャ ップ内で変位する。従って、摩擦発生のない管状成型体は容易に運動可能となる 。本発明によれば大変正確で反復性のある調整が達成しうる。 １つ又はそれ以上の螺旋状スプリング１９及び穴１８内のネジ並びにナット１ １は、磁石という観点からすれば磁気が帯びにくくまた出来るだけ軽量となるよ うにプラスチック材料又はアルミニウムから作るのが適切であろう。 膜７又はスプリングワッシャ７′は良好なスプリング特性を有するように鉄か ら製作され得る。 バルブチェンバ５内の空気はスプリングワッシャ７′の穴を通過し膜下空間へ と降りて行く。従って、バルブチェンバ内のガス圧は膜には影響を及ぼさないし またコイルには閉じた位置状態での力以外はいかなる力をも負担させない。また その際流入圧力はラバープレート上に働いている。本調整ハウジングはガスが周 辺から漏れ出ることのないように封じ込められている。 スプリングワッシャ７′はガスが膜上に封じ込められるようにシーリング膜を 設けても良い。このようにすることでアウトレットでの圧力は膜上に働き、この 圧力変化はギャップ高さに作用する。しかしながらアウトレットでの圧力は大気 圧に非常に近くかつ十分に一定なので、この作用は本発明適用に際して実際上の 問題を生じない。膜は管状成型体がエアーギャップの対称軸と同軸上に配列され るように保持する機能を有する。必要なスプリング力は螺旋状スプリングにより 与えられる。 図５は膜７を形成するスプリングワッシャの変形を示す。このスプリングワッ シャ７″は４本のラジアル脚３１を有し、軸方向に所定のスプリング効果と横方 向に安定性を与える。このスプリングワッシャはいろいろな変形が当業者に考え られることは明らかであろう。 ヨーク１５，１６は強磁性体から作られコイルの磁界による飽和のおそれはな い。 永久磁石は勿論望むなら電磁石に取り替えられる。このようにして電流と力と に２次式関係を得ることが出来る。即ちバルブプレートとバルブシートとの間の 距離と電流とに２次式関係を得ることが出来る。永久磁石は一般的構造であるか 或はコバルトーサマリュウム等のような上質な永久磁石材料から作る。 変形としてバルブシート４はＯ−リングシールとして形成し、ゴム板８は例え ば硬質プラスチックに取り替えることも出来る。成型体は鋳型で鋳造し中心部分 がプレートを形成するように高くすることも出来る。またこの成型体はこの中に スプリングワッシャ即ち膜７を一体化し部品点数を減らすことも出来る。 バルブシートとバルブエレメントとは円錐の共働部材とし、コイルのストロー クは長くはなるが同じ作用が得られるようにすることが出来る。この実施例は図 ７により詳細に示す。バルブシートは円錐内面３５としバルブエレメントはこれ に相補的に形成された円錐部分３６として形成される。閉路位置において確実な シールをなすためバルブエレメントは円錐部分の根本にゴムシール３７を設けて もよい。本実施例においては円錐形にした部分は正確に回転対称であり、調整バ ルブの特性に影響を与えるような斜めであってはならないことが重要である。 本発明は好ましい実施例について説明したが、本明細書を読んだ当業者は色々 な点を変更出来、この当業者に明白な変更は本発明の範疇に属するものと考える 。本発明は請求の範囲のみで限定されるものである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ， ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ)， ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，Ｃ Ｈ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ， ＫＺ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，Ｍ Ｎ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＴ，ＵＡ， ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ 【要約の続き】 がなく、コイルが殆ど摩擦形態で動くからヒステリシス は殆どない。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．麻酔装置とか集中治療呼吸器とかの例えば呼吸ガスの流量調整用の調整バル ブであって、 流体のインレット（３）、 該インレット（３）と接続されたバルブシート（４）、 該バルブシート（４）と接続されたバルブチェンバ（５）、 該バルブチェンバ（５）と接続された流体のアウトレット（６）、 上記バルブシート（４）と共働するよう、且つ上記調整バルブを通流する流 れを調整するよう配置されたバルブエレメント（８）、及び、 該バルブエレメント（８）に接続され上記バルブシート（４）とバルブエレ メント（８）との距離を調節する調節ユニット（２）とよりなる調整バルブにお いて、 環状エアギャップ（９）を形成し、該環状エアギャップ（９）に磁界を作る ように接続配備されたヨーク構成体（１５，１６）、 上記バルブエレメント（８）がコイル（１０）の１端に配置されたコイル構 成体（１０及び或は１２）、 上記バルブエレメント（８）が上記バルブシート（４）の前面に直接配置さ れ、上記コイル構成体（１０及び或は１２）が上記エアギャップ（９）内で自由 に動けるように上記コイル構成体（１０及び或は１２）を支持する膜（７）、 上記コイル構成体（１０）内の中心に配置された螺旋状スプリング（１９） によって形成され、上記バルブエレメント（８）を上記バルブシート（４）に向 かったり離れたするように予め付勢するようにするスプリング構成体（１９，７ ）とを具備してなり、 然して、上記コイル構成体に供給される電流が上記スプリング構成体に対抗 する力を発し、上記バルブエレメントを上記バルブシートから所定の距離に置き 、この距離は上記電流の大きさに依存するようにしたことを特徴とする調バルブ 。 ２．上記膜が本質的にリニアなスプリング特性を持ったスプリングワッシャ（７ ′，７″）により形成されることを特徴とする前記請求項１記載の調整バルブ。 ３．上記螺旋状スプリング（１９）の１端に作用し配置され、上記調整バルブが 閉じられた位置にある時、バルブプレート（８）と上記バルブシートとの接触圧 を調整するよう調整ねじが配備されたことを特徴とする前記請求項１或は２記載 の調整バルブ。 ４．上記バルブエレメント（８）が膜（７）に取りつけられたナット（１１）と 、成型体（１０）と、該ナット（１１）の凹み（２７）を埋めるゴム板とよりな ることを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の調整バルブ。 ５．上記バルブシートがバルブチェンバ（５）の表面から外方に延び且つ平面を なす外縁（２６）を備えたニップル（２５）よりなることを特徴とする前記請求 項４に記載の調整バルブ。 ６．上記バルブエレメント（８）が円錐形部分（３６）よりなり、上記バルブシ ート（４）がこれに相補形をした部分（３５）よりなることを特徴とする前記請 求項のいずれかに記載の調整バルブ。 ７．上記膜（７）が成型体の案内によって形成され、これがエアギャップ（９） と同心になっていることを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の調整バルブ 。