KR101366018B1 - 압전 구동식 밸브 및 압전 구동식 유량 제어 장치 - Google Patents

압전 구동식 밸브 및 압전 구동식 유량 제어 장치 Download PDF

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카오루 히라타
마사아키 나가세
노브카즈 이케다
료우스케 도히
코우지 니시노
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가부시키가이샤 후지킨
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Abstract

압전 액츄에이터의 사용 범위 온도를 초과하는 온도의 유체이여도 제어 가능한 압전 구동식 밸브 및 압전 구동식 유체 제어 장치를 제공한다. 유체 유로(1b)를 개폐하기 위한 밸브체(2)와, 압전 소자의 신장을 이용해서 밸브체(2)를 개폐 구동하기 위한 압전 액츄에이터(10)와, 압전 액츄에이터(10)를 유체 유로(1b)로부터 멀어지도록 들어 올려 지지함과 아울러, 유체 유로(1b)를 흐르는 유체로부터 압전 액츄에이터(10)로 전달되는 열을 방열하기 위한 방열 스페이서(40)를 구비하고, 또한, 바람직하게는, 압전 액츄에이터(10) 및 방열 스페이서(40) 쌍방을 수용해서 지지하는 지지 통체(23A)를 갖고, 지지 통체(23A)는 적어도 방열 스페이서(40)를 수용하는 부분이 방열 스페이서(40)와 동일한 열팽창계수를 갖는 재료로 형성되어 있다.

Description

압전 구동식 밸브 및 압전 구동식 유량 제어 장치{PIEZOELECTRICALLY DRIVEN VALVE AND PIEZOELECTRICALLY DRIVEN FLOW VOLUME CONTROL APPARATUS}
본 발명은 압전 액츄에이터를 이용해서 밸브체를 개폐 제어함으로써 유체 유량을 제어하는 압전 구동식 밸브 및 상기 압전 구동식 밸브를 구비하는 압전 구동식 유량 제어 장치에 관한 것이다.
종래, 이 종류의 압전 구동식 밸브 및 압전 구동식 유량 제어 장치가 널리 알려져 있다(예컨대, 특허문헌 1, 2 등).
종래의 압전 구동식 밸브를 구비하는 압전 구동식 유량 제어 장치의 일례를 도 2~도 6을 참조해서 이하에 설명한다. 도 2에 있어서 1은 밸브 본체, 1a는 밸브 본체에 형성된 구멍부, 2는 금속 다이어프램 밸브체, 3은 다이어프램 압박부, 4는 압박 어댑터, 8a는 볼, 9는 하부 수용대, 10은 압전 액츄에이터, 11은 상부 수용대, 12는 위치 결정용 캡너트, 13은 로크 너트(locknut), 14는 보호 케이스, 15는 커넥터, 18은 접시 스프링을 겹쳐 쌓은 탄성 부재이다. 또한, 23은 압전 액츄에이터 지지 통체, 24는 통체 고정ㆍ가이드체, 25는 O링, 26은 분할 베이스, 27은 설치용 볼트, 28은 베어링이다.
또한, 도 2에 나타낸 예에서는 하부 수용대(9)와 압전 액츄에이터(10) 사이에 별도로 형성한 볼(8a)을 끼워넣도록 하고 있지만, 압전 액츄에이터(10)의 하단면 중앙에 선단이 구면 형상의 돌기체를 일체적으로 형성하고, 이것을 볼(8a)로서 하부 수용대(9)에 접촉시키는 구성으로 하는 것도 있다.
밸브 본체(1)는 스테인레스강제이며, 밸브실의 일부를 형성하는 구멍부(1a) 및 유체 입구, 유체 출구, 유체 통로, 밸브실 및 밸브 시트 등을 각각 구비하고 있다. 또한, 금속 다이어프램 밸브체(2)는 니켈 크롬 합금강의 박판에 의해 형성되어 있고, 중앙부가 상방에 약간 돌출된 역(逆)접시형으로 형성되어 있다. 또한, 금속 다이어프램 밸브체(2)의 형상은 평판 형상이여도 좋고, 또한, 재질도 스테인레스강이나 인코넬 합금이나 그 외의 합금강이여도 좋다. 또한, 금속 다이어프램 밸브체(2)는 1장의 다이어프램을 사용하거나 또는 2~3장의 다이어프램을 적층한 다이어프램 밸브체로 하는 것도 있다.
금속 다이어프램 밸브체(2)는 상기 밸브 시트와 대향 형상으로 밸브실 내에 배치되고, 압박 어댑터(4), 분할 베이스(26) 및 통체 고정ㆍ가이드체(24)를 끼워 설치해서 설치 볼트(27)를 밸브 본체(1)에 체결함으로써 금속 다이어프램 밸브체(2)의 외주 가장자리가 밸브 본체(1)측에 기밀하게 유지 고정되어 있다. 또한, 상기 압박 어댑터(4), 통체 고정ㆍ가이드체(24), 분할 베이스(26) 등은 스테인레스강 등의 금속제이다.
압전 액츄에이터[피에조 스택(Piezo Stack)](10)의 압전 액츄에이터 지지 통체(23)는 열팽창률이 작은 인바(invar)재에 의해 원통 형상으로 형성되어 있고, 도 3 및 도 4에 나타내는 바와 같이, 상방부는 압전 액츄에이터(10)를 수납하는 굵은 직경부(23c)에, 또한 그 하방부는 하부 수용대(9) 및 탄성 부재(18) 등을 수납하는 축경(縮徑)된 원통 형상의 축경부(23d)가 형성되어 있다.
또한, 지지 통체(23)의 최하단부는 다이어프램 압박부(3)를 끼움 부착하기 위한 오목부(23e)가 형성되어 있고, 여기에 도 2에 나타낸 바와 같이 다이어프램 압박부(3)가 삽입 고정되어 있다.
도 3은 압전 액츄에이터 지지 통체(23)의 종단면도, 도 4는 도 3의 (가)-(가)로 바라본 단면도이고, 압전 액츄에이터 지지 통체(23)의 굵은 직경부(23c)와 축경부(23d)의 경계 근방에는 그 외벽부의 양측부를 일정한 길이 및 깊이에 걸쳐 삭제함으로써 도 5의 분할 베이스 편(26a)을 양측으로부터 대향 형상으로 삽입 조합시키기 위한 구멍부(23a)가 형성되어 있다. 즉, 구멍부(23a)의 양측으로부터 후술하는 분할 베이스(26)를 형성하는 반 분할 형상의 분할 베이스 편(26a)이 대향 형상으로 맞붙여지고, 통체 고정ㆍ가이드체(24)에 의해 분할 베이스(26)로서 일체적으로 유지 고정된다. 또한, 분할 베이스 편(26a)을 장착하기 전에 축경부(23d)의 저부(23b)에 도 2에 나타낸 바와 같이 탄성 부재(18)가 삽입 장착된다.
도 5는 분할 베이스(26)의 맞붙임 상태를 나타내는 평면도이고, 도 6은 도 5의 (가)-(가)로 바라본 단면도이다. 도 5 및 도 6으로부터도 명확해지는 바와 같이, 각 분할 베이스 편(26a)은 상벽(26b)을 구비한 짧은 원통체의 하단 외주에 플랜지부(26c)를 형성함과 아울러, 상벽(26b)에 관통 구멍(26d)과 감합부(26e)를 형성한 것을 중앙부로부터 2개로 분할한 한 것이며, 양 분할 베이스 편(26a)을 대향 형상으로 맞붙임으로써 분할 베이스(26)가 형성되어 있다.
즉, 도 2에 나타내는 바와 같이, 플랜지부(26c)는 통체 고정ㆍ가이드체(24)의 하단에 의해 압박력을 받아 압박 어댑터(4)를 압박하는 작용을 하고, 또한, 상기 관통 구멍(26d)은 압전 액츄에이터 지지 통체(23)의 축경부(23d)의 벽체를 관통시키는 것이며, 또한 상기 감합부(26e)는 하부 수용대(9)와 지지 통체(23)의 벽체 사이에 위치해서 3개의 부재(9,23,26)의 위치 결정을 행하는 작용을 한다.
베어링(28)은 베어링 수용부(28a)와 작은 구체(28b)로 형성되어 있고, 상부 수용대(11)의 상방에 배치되어 위치 결정용 캡너트(12)의 회전 운동을 원활화한다.
또한, 도 2에 나타내어진 제어 밸브는 압력식 유량 제어 장치용 제어 밸브로서 주로 사용되므로, 도 2에 나타내는 바와 같이, 밸브 본체(1)에 오리피스 가이드(30a), 개스킷(30b), 오리피스(30c) 등으로 이루어지는 오리피스 부착부(30)와, 압력 센서(31a), 개스킷(31b), 커넥터(31c), 압박 플랜지(31d), 고정용 볼트(31e) 등으로 이루어지는 압력 센서 부착부(31)와, 접속 가이드(29a), 개스킷(29b) 등으로 이루어지는 1차 접속부(29) 등이 설치되어 있다. 또한 32는 보호 케이스(14) 내에 설치한 압전 액츄에이터 등을 위한 제어 회로 부착판이다.
압력식 유량 제어 장치는 오리피스 상류측 압력(P1)을 하류측 압력(P2)의 약 2배 이상으로 유지한 상태하에서 오리피스 상류측의 제어 밸브에 의해 상기 압력(P1)을 조정하고, 이것에 의해 오리피스 하류측의 유량(Qc)을 Qc=KP1(단, K는 상수)에 의해 연산해서 소정의 설정값으로 제어하는 것을 기본 원리로 하는 것이며, 일본 특허 공개 평8-338546호 등에 개시되어 있다.
제어 밸브의 조립은 밸브 본체(1)의 구멍부(1a) 내로 금속 다이어프램 밸브체(2), 압박 어댑터(4), 다이어프램 압박부(3)를 고정한 압전 액츄에이터 지지 통체(23), 탄성 부재(18), 분할 베이스(26), 하부 수용대(9)의 순서로 맞붙여지고, 통체 고정ㆍ가이드체(24)를 통해서 압전 액츄에이터 지지 통체(23)를 밸브 본체(1)에 삽입 장착한다. 이어서, 압전 액츄에이터 지지 통체(23) 내로 볼(8a), 압전 액츄에이터(10), 상부 수용대(11), 베어링(28)의 순서로 삽입 장착하고, 위치 결정재를 형성하는 위치 결정용 캡너트(12)의 체결량을 조정함으로써 압전 액츄에이터(10)에 의한 금속 다이어프램 밸브체(2)의 작동 스트로크를 설정값으로 미세 조정한다.
통체 고정ㆍ가이드체(24)의 체결 고정에 의해 상술한 바와 같이 분할 베이스(26)와 지지 통체(23)와 하부 수용대(9)와 탄성 부재(18)와 다이어프램 압박부(3)와 다이어프램 밸브체(2) 등은 모두 소정의 위치에 정연하게 자동적으로 고정됨과 아울러, 위치 결정용 캡너트(12)의 체결에 의해 볼(8a)이나 압전 액츄에이터(10), 지지 통체(23) 등의 축심은 매우 고정밀하게 일치되게 된다.
도 2를 참조해서 제어 회로(도시 생략)로부터 커넥터(15)를 통해 밸브 개방 신호가 입력(입력 전압 0~120v)되면 압전 액츄에이터(10)는 설정값(0~45㎛의 사이)만큼 신장된다.
이에 따라, 약 40~80kgf의 밀어 올림력이 압전 액츄에이터 지지 통체(23)에 작용하고, 통체 고정ㆍ가이드체(24)의 O링(25)에 의해 축심을 유지된 상태에서 압전 액츄에이터 지지 통체(23)가 탄성 부재(18)의 탄성력에 저항해서 상기 설정값만큼 상승한다. 그 결과, 다이어프램 밸브체(2)가 그 탄성력에 의해 밸브 시트로부터 이간되어 밸브 개방된다.
반대로, 밸브 개방 입력이 off가 되면 압전 액츄에이터(10)가 원래의 길이 치수의 상태로 복귀하고, 그 결과, 탄성 부재(18)의 탄성력에 의해 압전 액츄에이터 지지 통체(23)의 저부가 아래 방향으로 밀어 내려지고, 다이어프램 압박부(3)에 의해 금속 다이어프램 밸브체(2)가 밸브 시트에 접촉하여 밸브 폐쇄 상태가 된다.
또한, 밸브 개방 스트로크가 45㎛이고 밸브 시트의 구경이 1㎜φ인 경우에 밸브의 완전 폐쇄로부터 완전 개방에 이르는 소정 작동 시간은 약 30msec 이하이다.
일본 특허 제4119109호 공보 일본 특허 제4113425호 공보
상기 압전 구동식 밸브에 내장되어 있는 압전 액츄에이터는 소위 금속 밀봉형 적층 압전 액츄에이터로 칭해지는 것으로서, 적층된 압전 소자(피에조 스택이라고도 한다.)가 금속 케이스 내에 밀봉되어 있고, 허용 온도 범위가 예컨대 -20~120℃이다. 이 때문에, 제어하는 유체의 온도에 제한이 있었다.
그래서, 본 발명은 압전 액츄에이터의 허용 온도 범위를 초과하는 온도의 유체이여도 제어 가능한 압전 구동식 밸브 및 압전 구동식 유체 제어 장치를 제공하는 것을 주된 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에 의한 압전 구동식 밸브는, 유체 유로를 개폐하기 위한 밸브체와, 압전 소자의 신장을 이용해서 상기 밸브체를 개폐 구동하기 위한 압전 액츄에이터와, 상기 압전 액츄에이터를 상기 유체 유로로부터 멀어지도록 들어 올려 지지함과 아울러 상기 유체 유로를 흐르는 유체로부터 상기 압전 액츄에이터로 전달되는 열을 방열하기 위한 방열 스페이서와, 상기 압전 액츄에이터 및 상기 방열 스페이서 쌍방을 수용해서 지지하는 지지 통체를 구비하며, 상기 지지 통체는 상기 압전 액츄에이터를 수용하는 제 1 통부와 상기 방열 스페이서를 수용하는 제 2 통부를 갖고, 상기 제 1 통부와 제 2 통부가 공통의 수용 공간을 형성하도록 서로 나사 결합되어 있는 것을 특징으로 한다.
상기 제 2 통부는 상기 방열 스페이서와 동일한 열팽창계수를 갖는 재료로 형성되어 있는 것이 바람직하다.
삭제
상기 밸브체는 자기 탄성 복귀형의 금속 다이어프램에 의해 형성되고, 상기 지지 통체는 상하 이동 가능하게 지지되고, 상기 밸브체는 상기 유체 유로를 폐쇄하도록 상기 지지 통체를 바이어싱(biasing)하는 탄성 부재와, 상기 지지 통체의 측벽을 통과해서 상기 방열 스페이서의 하부로 연장되고, 상기 압전 액츄에이터가 신장했을 때에 상기 탄성 부재의 탄성력에 저항해서 상기 지지 통체를 들어 올려 상기 밸브체가 상기 유체 유로를 개통시키도록 상기 방열 스페이서를 지지하는 지지부를 갖는 것이 바람직하다.
상기 방열 스페이서는 인바재로 형성되어 있는 것이 바람직하다.
상기 방열 스페이서는 상기 압전 액츄에이터와 동일한 형상 및 치수를 갖고 있는 것이 바람직하다.
상기 방열 스페이서는 상기 유체 유로를 흐르는 유체로부터 받은 열이 상기 방열 스페이서의 하단부로부터 상단부로 열 전도되는 동안의 방열에 의해 상기 상단부의 온도가 상기 압전 액츄에이터의 내열온도 이하가 되도록 상기 하단부와 상단부 사이의 길이가 설정되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에 의한 압전 구동식 유량 제어 장치는 상기한 본 발명에 의한 압전 구동식 밸브를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 압전 구동식 유량 제어 장치는 상기 밸브체의 하류측의 유체 유로에 개재된 오리피스와, 이 오리피스와 상기 밸브체 사이의 유체 유로에 배치된 압력 센서와, 이 압력 센서의 검출값에 의거해서 상기 압전 액츄에이터를 제어하는 제어부를 더 갖는 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 압전 구동식 유량 제어 장치는 상기 밸브체의 상류측에 배치한 열식의 유량 센서의 검출값에 의거해서 상기 압전 액츄에이터를 제어하도록 구성해도 좋다.
도 1은 본 발명에 의한 압전 구동식 유량 제어 장치의 일실시형태를 나타내는 중앙 종단면도이다.
도 2는 종래의 압전 구동식 유량 제어 장치의 종단면도이다.
도 3은 도 2의 압전 구동식 유량 제어 장치의 구성 부품인 지지 통체를 나타내는 종단면도이다.
도 4는 도 3의 (가)-(가)로 바라본 단면도이다.
도 5는 압전 구동식 유량 제어 장치의 구성 부품을 확대해서 나타내는 평면도이다.
도 6은 도 5의 (가)-(가)로 바라본 단면도이다.
이하, 본 발명에 의한 압전 구동식 밸브를 구비하는 압전 구동식 유량 제어 장치의 실시형태에 대해서 도 1을 참조해서 설명한다. 또한, 이하의 설명에 있어서 도 2~도 6을 이용해서 설명한 종래의 압전 구동식 유량 제어 장치와 동일하거나 또는 유사한 구성 부분에 대해서는 동일한 부호를 붙여서 중복된 설명을 생략하는 것이 있다.
압전 구동식 유량 제어 장치는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 유체 유로(1b)를 개폐하기 위한 밸브체(2)와, 밸브체(2)를 개폐 구동하기 위한 압전 액츄에이터(10)와, 압전 액츄에이터(10)를 유체 유로(1b)로부터 멀어지도록 들어 올려 지지함과 아울러 유체 유로(1b)를 흐르는 유체로부터 압전 액츄에이터(10)로 전달되는 열을 방열하기 위한 방열 스페이서(40)를 갖고 있다.
압전 구동식 유량 제어 장치는 압전 액츄에이터(10) 및 방열 스페이서(40) 쌍방을 수용해서 지지하는 지지 통체(23A)를 더 구비할 수 있고, 지지 통체(23A)는 적어도 방열 스페이서(40)를 수용하는 부분이 방열 스페이서(40)와 동일한 재료로 형성되어 있다.
밸브체(2)는 도시예에 있어서는 자기 탄성 복귀형의 금속 다이어프램이 채용되어 있다. 금속 다이어프램은 니켈 크롬 합금강 등의 박판에 의해 형성되어 있고, 중앙부가 상방으로 약간 돌출된 역 접시형으로 형성되어 있는 점은 종래와 같다.
압전 액츄에이터(10)는 압전 소자를 적층한 피에조 스택을 금속 용기 내에 밀봉한 금속 밀봉형 적층 압전 액츄에이터를 이용할 수 있고, 이 종류의 금속 밀봉형 적층 압전 액츄에이터는, 예컨대 가부시키가이샤 니혼 세라테크 등으로부터 판매되고 있는 것을 사용할 수 있다.
지지 통체(23A)는 도시예와 같이 압전 액츄에이터(10)를 수용하는 제 1 통부(23U)와, 방열 스페이서(40)를 수용하는 제 2 통부(23L)를 갖고, 제 1 통부(23U)와 제 2 통부(23L)가 공통의 수용 공간을 형성하도록 연결 가능하게 구성할 수 있다. 도시예에서는 제 1 통부(23U)와 제 2 통부(23L)가 서로 나사 결합되어 있다. 또한, 도시예에 있어서 제 2 통부(23L)는 도 2에 나타내는 종래의 압전 액츄에이터 지지 통체(23)와 동일한 형상이며, 종래의 압전 액츄에이터 지지 통체(23)를 이용하는 것도 가능하다. 또한, 지지 통체(23A)는 도시예와 같이 제 1 통부(23U)와 제 2 통부(23L)가 별체가 아니라 일체의 구조로 할 수도 있다.
제 2 통부(23L)는 방열 스페이서(40)와 동일한 재료로 형성되어 있다. 제 2 통부(23L)는 인바, 슈퍼 인바, 스테인레스 인바 등의 인바재와 같이 열팽창계수가 작은 재료(바람직하게는 2×10-6/K 이하)로 형성되는 것이 바람직하다. 제 1 통부(23U)도 열팽창계수가 작은 재료로 형성하는 것이 바람직하고, 제 2 통부(23L)와 동일한 재료로 형성할 수 있다. 또한, 방열 스페이서(40)는 방열 효율의 관점에서 금속, 합금 등의 고열 전도성 재료가 바람직하고, 이 점에서도 인바재는 적합하다.
방열 스페이서(40)는 유체 유로(1b)를 흐르는 유체로부터 받은 열을 방열 스페이서(40)의 하단부로부터 상단부로 전달하는 동안에 방열함으로써 방열 스페이서(40)의 상단부의 온도, 즉 도시예에서는 방열 스페이서(40)와 압전 액츄에이터(10)가 접하는 개소의 온도가 압전 액츄에이터(10)의 내열온도 이하가 되도록 방열 스페이서(40)의 길이(높이 치수)가 설정되어 있다.
바람직하게는, 방열 스페이서(40)는 도시예와 같이 압전 액츄에이터(10)와 높이 및 직경이 동일한 원기둥 형상으로 형성된다. 이렇게 함으로써 제 2 통부(23L)는 종래에 있어서 압전 액츄에이터(10)를 수용하기 위해 이용되고 있었던 압전 액츄에이터 지지 통체를 그대로 이용할 수 있다. 도시예의 방열 스페이서(40)는 도 2에 나타내어진 종래의 하부 수용대(9)에 상당하는 부분이 방열 스페이서(40)의 하부에 일체적으로 형성되어 있다.
지지 통체(23A)는 상하 이동 가능하게 지지되어 있다. 분할 베이스(26)의 상벽(26b)은 지지 통체(23A)의 측벽 하부에 형성된 구멍부(23a)를 통과해서 방열 스페이서(40)의 하부로 연장되고, 방열 스페이서(40)를 지지하는 지지부를 구성하고 있다. 또한, 도시예에 있어서 탄성 부재(18)는 상기 지지부를 구성하는 분할 베이스(26)의 상벽(26b) 하부에 수용되어 있다. 따라서, 탄성 부재(18)는 상기 지지부를 구성하는 분할 베이스(26)의 상벽(26b)으로부터의 저항력에 의해 밸브체(2)가 유체 유로(1b)를 폐쇄하도록 지지 통체(23A)를 도면의 하방으로 바이어싱한다. 한편, 압전 액츄에이터(10)는 통전에 의해 신장됨으로써 상기 지지부를 구성하는 분할 베이스(26)의 상벽(26b), 및 상벽(26b)에 지지되어 있는 방열 스페이서(40)로부터의 저항력에 의해 탄성 부재(18)의 탄성력에 저항해서 지지 통체(23A)를 도면의 상방으로 들어 올린다. 지지 통체(23A)가 들어 올려지면 밸브체(2)를 형성하고 있는 금속 다이어프램이 탄성 복귀해서 유체 유로(1b)를 개통시킨다.
도 2에 나타내는 종래 장치와 마찬가지로 도 1에 나타내는 본 발명 장치예에 있어서도 밸브체(2)의 하류측의 유체 유로(1b)에 오리피스(30c)가 개재되어 있다. 오리피스(30c)와 밸브체(2) 사이의 유체 유로(1b)에 압력 센서(31a)가 배치되어 있다. 압전 구동식 유량 제어 장치의 외부에 설치된 제어부(도시 생략.)는 압력 센서(31a)의 검출값에 의거해서 압전 액츄에이터(10)를 제어한다. 도시하지 않은 상기 제어부는, 예컨대 오리피스 상류측 압력(P1)[압력 센서(31a)의 검출값]을 하류측 압력(P2)(도시하지 않은 압력 검출기에 의한 검출값)의 약 2배 이상으로 유지한 상태하에서 오리피스 상류측의 제어 밸브[제어되어야 할 밸브체(2)]에 의해 상기 압력(P1)을 조정함으로써 오리피스 하류측의 유량(Qc)을 Qc=KP1(단, K는 상수)에 의해 연산해서 소정의 설정값이 되도록 압전 액츄에이터(10)를 제어한다.
상기 구성을 갖는 압전 구동식 유량 제어 장치는 방열 스페이서(40)는 압전 액츄에이터(10)를 들어 올리고 있으므로 압전 액츄에이터(10)가 밸브체(2)를 개폐 구동하는 구동 경로 상에 배치되게 된다. 즉, 방열 스페이서(40)는 압전 액츄에이터(10)의 신장 방향, 즉 압전 소자 적층 방향의 길이 치수를 실질적으로 연장하는 익스텐션 구조를 형성한다.
또한, 방열 스페이서는 압전 액츄에이터(10)를 유체 유로(1b)로부터 멀어지도록 리프트 업한 위치에 지지하고 있으므로 유체 유로(1b)를 흐르는 고온 유체의 열의 일부는 압전 액츄에이터(10)에 열 전도되기 전에 방열 스페이서(40)에 의해 방열된다. 그 결과, 유체 유로(1b)를 흐르는 유체의 온도가 압전 액츄에이터의 허용 온도 범위를 초과하고 있어도 압전 액츄에이터(10)의 온도를 허용 온도 범위 내로 억제할 수 있게 된다.
따라서, 방열 스페이서(40)는 압전 액츄에이터(10)에 의한 밸브체(2)의 개폐 구동을 확보하면서 열원이 되는 유체 유로로부터 멀어지게 하는 작용을 한다.
또한, 방열 스페이서(40)와 압전 액츄에이터(10)를 수용해서 지지하고 있는 지지 통체(23A)는 적어도 방열 스페이서(40)를 수용하는 부분이 방열 스페이서(40)와 동일한 재료로 형성되어 있으므로 방열 스페이서(40)의 열에 의한 신장과, 방열 스페이서(40)의 주위를 둘러싸는 부분의 지지 통체(23A)의 열에 의한 신장을 같거나 거의 같게 할 수 있다. 그 결과, 예컨대 50㎛ 이하라는 미소 리프트의 밸브 리프트를 제어할 경우이여도 고정밀하게 제어할 수 있게 된다.
이어서, 실시예로서 온도 강하를 측정한 실험 결과를 표 1에 나타낸다. 실험에 사용한 압전 구동식 유량 제어 장치는 도 1에 나타내는 것과 동일한 구조이다. 사용한 압전 액츄에이터는 가부시키가이샤 니혼 세라테크사제 금속 밀봉형 적층 압전 액츄에이터 PRB3060이며, 직경 13㎜, 높이 치수 47.4㎜, 사양서의 사용 온도 범위가 -20~120℃이다. 사용한 방열 스페이서는 인바(Fe-36%Ni)로 형성되어 있다. 지지 통체도 상부 통체, 하부 통체 모두 인바(Fe-36%Ni)제로 하였다. 탄성 부재(접시 스프링)는 SUS631제이다. 유체 유로를 흐르는 유체의 온도를 250℃로 조정하고, 도 1에 나타내는 각 측정 포인트 A점~D점을 열전대온도계에 의해 측정했다.
측정 포인트 측정 온도
(250℃ 설정시)
A점(압전 액츄에이터 상부) 58℃
B점(압전 액츄에이터 하부) 90℃
C점(방열 스페이서 하부) 235℃
D점(금속 다이어프램부) 250℃
상기 표 1의 결과로부터 압전 액츄에이터 하부에서의 온도가 금속 다이어프램부의 온도와 비교해서 상당히 낮게 되어 있는 것을 알았다. 즉, 제어하는 유체의 온도가 250℃이여도 압전 액츄에이터 하부의 온도는 90℃로 되어 있고, 보장된 사용 온도 범위 내에 있다.
이어서, 비교예로서 도 2에 나타내어진 형식의 종래의 압전 구동식 유량 제어 장치에 대해서 도 2에 나타내는 각 측정 포인트 E점~H점을 측정함으로써 같은 온도 강하 측정 시험을 실시한 결과를 아래의 표 2에 나타낸다. 또한, 비교예의 실험 장치는 상기 실시예와 동일한 금속 밀봉형 적층 압전 액츄에이터를 이용하고, 구성 재료도 동일한 것을 사용했다. 유체 유로를 흐르는 유체 온도는 150℃로 설정했다.
측정 포인트 측정 온도
(150℃ 설정시)
E점(압전 액츄에이터 상부) 65℃
F점(압전 액츄에이터 중부) 78℃
G점(압전 액츄에이터 하부) 130℃
H점(금속 다이어프램부) 150℃
상기 표 2의 결과로부터 압전 액츄에이터 하부의 온도는 유체 온도(150℃)에 비해서 그다지 내려가 있지 않은 것을 알았다. 비교예에서는 제어하는 유체의 온도가 150℃인 경우에 압전 액츄에이터 하부의 온도가 130℃이고, 사용 보증 온도 범위를 초과해 버리고 있다.
본 발명은 상기 실시형태에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 취지를 일탈하지 않는 범위에 있어서 변경하는 것이 가능하다. 예컨대, 상기 실시형태에 있어서는 압력 제어식의 유량 제어 장치에 대해서 설명했지만, 본 발명은 압력 제어식 이외의 제어방식, 예컨대 열식 센서에 의한 열식의 유량 제어 장치[소위 매스 플로우 컨트롤러(Mass Flow Controller), MFC]에도 적용 가능하다. 또한, 상기 실시형태에 있어서는 자기 탄성에 의한 탄성 복귀형의 금속 다이어프램 밸브체를 구비하는 유체 제어 장치에 대해서 설명했지만, 본 발명은 금속 다이어프램 이외의 밸브체에 대해서도 적용 가능한 것은 당업자라면 자명한 것이다.
1b : 유체 유로 10 : 압전 액츄에이터
23A : 지지 통체 23U : 제 1 통부
23L : 제 2 통부 18 : 탄성 부재
40 : 방열 스페이서

Claims (10)

  1. 유체 유로를 개폐하기 위한 밸브체와,
    압전 소자의 신장을 이용해서 상기 밸브체를 개폐 구동하기 위한 압전 액츄에이터와,
    상기 압전 액츄에이터를 상기 유체 유로로부터 멀어지도록 들어 올려 지지함과 아울러 상기 유체 유로를 흐르는 유체로부터 상기 압전 액츄에이터로 전달되는 열을 방열하기 위한 방열 스페이서와,
    상기 압전 액츄에이터 및 상기 방열 스페이서 쌍방을 수용해서 지지하는 지지 통체를 구비하며,
    상기 지지 통체는 상기 압전 액츄에이터를 수용하는 제 1 통부와 상기 방열 스페이서를 수용하는 제 2 통부를 갖고, 상기 제 1 통부와 제 2 통부가 공통의 수용 공간을 형성하도록 서로 나사 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 압전 구동식 밸브.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 통부가 상기 방열 스페이서와 동일한 열팽창계수를 갖는 재료로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 압전 구동식 밸브.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 밸브체는 자기 탄성 복귀형의 금속 다이어프램에 의해 형성되고,
    상기 지지 통체는 상하 이동 가능하게 지지되고,
    상기 밸브체는 상기 유체 유로를 폐쇄하도록 상기 지지 통체를 바이어싱하는 탄성 부재와,
    상기 지지 통체의 측벽을 통과해서 상기 방열 스페이서의 하부로 연장되고, 상기 압전 액츄에이터가 신장했을 때에 상기 탄성 부재의 탄성력에 저항해서 상기 지지 통체를 들어 올려 상기 밸브체가 상기 유체 유로를 개통시키도록 상기 방열 스페이서를 지지하는 지지부를 갖는 것을 특징으로 하는 압전 구동식 밸브.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 방열 스페이서는 인바재로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 압전 구동식 밸브.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 방열 스페이서는 상기 압전 액츄에이터와 동일한 형상 및 치수를 갖고 있는 것을 특징으로 하는 압전 구동식 밸브.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 방열 스페이서는 상기 유체 유로를 흐르는 유체로부터 받은 열이 상기 방열 스페이서의 하단부로부터 상단부로 열 전도되는 동안의 방열에 의해 상기 상단부의 온도가 상기 압전 액츄에이터의 내열온도 이하가 되도록 상기 하단부와 상기 상단부 사이의 길이가 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 압전 구동식 밸브.
  8. 제 1 항, 제 3 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 기재된 압전 구동식 밸브를 구비한 것을 특징으로 하는 압전 구동식 유량 제어 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 밸브체의 하류측의 유체 유로에 개재된 오리피스와, 이 오리피스와 상기 밸브체 사이의 유체 유로에 배치된 압력 센서와, 이 압력 센서의 검출값에 의거해서 상기 압전 액츄에이터를 제어하는 제어부를 더 갖는 것을 특징으로 하는 압전 구동식 유량 제어 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 밸브체의 상류측에 배치한 열식의 유량 센서의 검출값에 의거해서 상기 압전 액츄에이터를 제어하는 것을 특징으로 하는 압전 구동식 유량 제어 장치.
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