(57)【要約】【課題】複雑なアクチュエータを用いずに、精密な量の計量を行うことができるバルブ２０を提供する。【解決手段】  バルブ２０は、バルブシート２６を有するハウジング３４と、バルブシート２６に選択的に着座するバルブピン２２と、このバルブピン２２を支持する支持シェル３０とを有する。バルブピン２２と円筒形の支持シェル３０とは、符号２８の端部で溶接されている。ハウジング３４および支持シェル３０は熱膨張係数の大きいステンレススチールからなり、バルブピン２２は熱膨張係数の小さいタングステンからなる。ヒータ４２による加熱あるいは外部の熱によって両者が膨張すると、熱膨張差によってバルブピン２２がバルブシート２６から離れる。例えば流体の微小なサンプリングに好適である。【選択図】図１Ａ
2011179685.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バルブシートを有するハウジングと、
支持シェルによって支持されたバルブピンと、
を備え、
上記支持シェルおよび上記バルブピンは、温度変化に晒されたときに各々の動きが異なるように異なる熱膨張係数を有し、上記バルブピンがバルブシートに接近および離間してバルブとして動作するように構成されているバルブ。
【請求項２】
上記バルブピンは上記支持シェルよりも小さい熱膨張係数を有することを特徴とする請求項１に記載のバルブ。
【請求項３】
上記支持シェルおよび上記バルブピンの一方の熱膨張係数が、他方の熱膨張係数の少なくとも２倍大きいことを特徴とする請求項１に記載のバルブ。
【請求項４】
上記バルブシートから離れた方のバルブピンの端部と支持シェルの端部とが互いに固定されており、支持シェルの動きによってバルブシートに対するバルブピンの相対的な動きが生じることを特徴とする請求項１に記載のバルブ。
【請求項５】
上記バルブシートに対する上記バルブピンの相対的な動きを生じさせるように、ヒータを備えていることを特徴とする請求項１に記載のバルブ。
【請求項６】
上記ヒータが上記支持シェルを加熱し、該支持シェルを膨張させて上記バルブピンの動きを生じさせることを特徴とする請求項５に記載のバルブ。
【請求項７】
上記支持シェルは上記バルブシートを有する上記ハウジングに固定されており、上記支持シェルが上記バルブピンよりも大きな割合で膨張することで上記バルブピンの動きが生じることを特徴とする請求項６に記載のバルブ。
【請求項８】
上記バルブシートがダイアフラム部材内に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のバルブ。
【請求項９】
上記バルブシートは上記ダイアフラムにおける開口として形成されており、漏れ調整材料が該材料を通過して上記開口へ向かう流体を非常に精密な漏れ量として許容するように構成され、上記バルブピンが上記バルブシートから引き離されることで、非常に精密な量の流体が上記材料を通過してサンプリング用出口へと漏れることができる請求項８に記載のバルブ。
【請求項１０】
上記バルブピンがタングステンから形成され、上記支持シェルがステンレススチールから形成されていることを特徴とする請求項１に記載のバルブ。
【請求項１１】
上記支持シェルは、上記バルブピンを囲む円筒形の要素であることを特徴とする請求項１に記載のバルブ。
【請求項１２】
バルブシートを有するハウジングと、
支持シェルによって支持されたバルブピンと、
を備え、
上記支持シェルは上記バルブピンよりも大きな熱膨張係数を有し、温度変化に晒されたときに上記支持シェルの膨張が上記バルブピンよりも大きく、上記バルブピンがバルブシートに接近および離間してバルブとして動作し、
上記バルブシートから離れた方のバルブピンの端部と支持シェルの端部とが互いに固定されており、支持シェルの動きによってバルブシートに対するバルブピンの相対的な動きが生じるように構成され、
さらに、上記バルブシートに対する上記バルブピンの相対的な動きを生じさせるように、ヒータを備えているバルブ。
【請求項１３】
上記バルブピンがタングステンから形成され、上記支持シェルがステンレススチールから形成されていることを特徴とする請求項１２に記載のバルブ。
【請求項１４】
バルブの作動方法であって、
（ａ）バルブシートを有するハウジングを設け、
（ｂ）互いに異なる熱膨張係数を有するバルブピンと支持シェルとを接続し、
（ｃ）上記バルブピンおよび上記支持シェルが温度変化に応答して互いに異なる動きを生じ、上記バルブピンが上記バルブシートに接近および離間してバルブとして動作するようにしたバルブの作動方法。
【請求項１５】
上記支持シェルおよび上記バルブピンに熱を与えて上記バルブピンの動きを生じさせることを特徴とする請求項１４に記載のバルブの作動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、熱的に作動するバルブに関し、詳しくは、熱膨張係数が異なる材料を用いて、バルブピンがバルブシートに対し精密に移動するようにしたバルブに関する。
【背景技術】
【０００２】
ある箇所から他の箇所への流体の流れを制御するために、種々の用途において、バルブが利用されている。典型的なバルブでは、バルブシートがバルブピンを受けるようになっており、バルブピンがバルブシートに着座しているときに、上流側位置から下流側位置への流体の流れが阻止される。バルブピンはバルブシートに対し相対的に移動し、これによって流体の流れが許容される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
一般的に、バルブピンを動かすためのアクチュエータを備えている。アクチュエータを用いることで付加的な構成要素が必要であり、高価となる。さらに、アクチュエータでは精密な動きや十分なシールを実現できないことがあり得る。
【０００４】
バルブピンを構成する材料として、加熱および冷却によって膨張および収縮する材料を用いることが既に提案されている。このようなバルブでは、バルブピンが加熱されたときに該バルブピンが動き、流体の流れを許容する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明のバルブは、バルブシートを有するハウジングを備える。バルブピンが支持シェルによって支持されている。上記支持シェルおよび上記バルブピンは、温度変化に晒されたときに、支持シェルがバルブピンとは別に動くように、異なる熱膨張係数を有している。これにより、上記バルブピンがバルブシートに接近する動きおよびバルブシートから離間する動きが生じ、該バルブの動作が得られる。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１Ａ】この発明の第１実施例を示す断面図。
【図１Ｂ】この第１実施例のバルブシート部分のみを示す拡大図。
【図２】この発明の第２実施例を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
図１Ａは、バルブピン２２を備えたバルブ２０を示している。バルブピン２２は、バルブシート２６に選択的に着座する頭部２４を有しており、この選択的な着座により、上流側位置３５のポート３６からバルブシート２６を介して下流側接続部４０のポート３８へと向かう流体の流れを制御している。
【０００８】
上記バルブピン２２は、符号２８で示す箇所において支持シェル３０に接続されている。この支持シェル３０は、ハウジング３４の孔３１内に収容され、かつ符号３２で示す箇所においてハウジング３４に接続されている。これらの符号２８，３２の箇所での接続は、溶接や公知の他の技術を用いて行われ得る。上記支持シェル３０は、バルブピン２２の材料とは異なる熱膨張係数を有する材料でもって形成されている。この熱膨張係数の差は、例えば、一方の材料の熱膨張係数が他方の材料の熱膨張係数の少なくとも２倍となるように選択され得る。これによって比較的短い時間の間に十分な動きが得られ、例えば流体のサンプリング量を良好に制御することが可能となる。
【０００９】
一実施例においては、支持シェル３０およびハウジング３４はステンレススチール、特にステンレススチール３０４から形成されている。そして、バルブピン２２は、例えば、タングステンから形成されている。これらの材料によれば、ステンレススチールがタングステンの３倍ないし４倍の熱膨張係数でもって膨張する。
【００１０】
図１Ａの実施例では、支持シェル３０は円柱形のバルブピン２２を囲む円筒形の要素として示されているが、バルブピン２２をバルブシート２６に対し相対的に動くように支持する他の形態の支持シェル３０を用いることもできる。一例としては、間隙を有する複数の支持脚部、あるいは単一の支持脚部、によってバルブピン２２を支持し、該バルブピン２２とバルブシート２６との間の相対的な動きを生じさせるように構成することもできる。
【００１１】
熱に晒されたときに、支持シェル３０がバルブピン２２よりも熱膨張する。両者が互いに接続されていることから、バルブピン２２は図１Ａの左側へ動き、これにより、バルブピン２２の頭部２４が、図１Ｂに示すようなシール位置から図１Ａに示すような流体の流れを許容する位置へと移動する。このような膨張を生じさせるためにヒータ４２を設けることができる。あるいは、バルブ２０は、周囲環境の熱に応答してこのような動きを生じるものとすることもできる。
【００１２】
本発明は、バルブピン２２の非常に精密な動きを達成することができ、ポート３６とポート３８との間で極めて少量の流体を計量することが可能となる。このバルブ２０は、特に、少量に計量したガスを集めることが必要な用途に好適である。
【００１３】
上記実施例では、バルブピン２２の熱膨張係数が支持シェル３０やハウジング３４の熱膨張係数よりも小さいものとして説明したが、逆の関係とすることも可能である。さらに、上記実施例では、バルブ２０を動作させるために加熱を用いているが、他の実施例として、バルブ２０を動作させるために冷却を用いることも可能である。例えば、バルブピン２２および支持シェル３０の各々の選択した材料によっては、温度の上昇および下降に応答して受動的に開・閉するようにバルブ２０を構成することができる。
【００１４】
図２は、バルブ５１の他の実施例を示しており、バルブピン４３が支持シェル４４内に収容され、かつヒータコイル４６を備えている。バルブピン４３は、ダイアフラム５０の開口５４に選択的に受容される頭部４８を有しており、上記ダイアフラム５０は、その開口５４において、バルブピン４３に対するバルブシートとして機能する。このダイアフラム５０は、ハウジング５２内に固定されている。入口５６がチャンバ５７内へと延び、かつ出口５８がチャンバ５７の外へと延びている。負圧接続部６２が、ダイアフラム５０を挟んで反対側に設けられている。
【００１５】
図２の実施例においては、支持シェル４４およびバルブピン４３の材料や基本的構成は、図１Ａの実施例における支持シェル３０およびバルブピン２２と同様である。図２に示すように、支持シェル４４はハウジング５２内に支持されている。溶接部１００によってダイアフラム５０はハウジング５２内に固定されている。
【００１６】
粉末焼結金属などから構成されたフリット７０が設けられており、このフリット７０によって、所定時間内にその表面面積を通る漏洩量が、制御された量となる。この実施例では、負圧を与えた状態において、頭部４８が開口５４から引き離されるようにバルブ５１を単純に動作させることによって、非常に精密な量のガスをサンプリングすることができる。つまり、入口５６と出口５８との間を流れる流体の微少量のサンプリングが行える。このサンプルは、フリット７０を通して引き出され、かつ負圧接続部６２へと向かう。
【００１７】
図１Ａおよび図２の実施例においては、バルブピン２２，４３を、バルブシート２６あるいはダイアフラム５０の開口５４に対して、漏洩を防止すべく堅固な密接状態として確実なシールを得るように保持することができる。ダイアフラム５０を用いた実施例では、極低温環境での使用が可能となる。このような低温環境では、熱膨張に基づき支持シェル４４およびバルブピン４３がダイアフラム５０へ向かって引き寄せられ、強く密接する。柔軟性を有するダイアフラム５０はこのような動きを許容し、バルブ全体の損傷を回避する。バルブピンをバルブシートに対して堅固に強い力で押し付けるように可動バルブ部品を備えた従来のバルブでは、同じ強い力に打ち勝つ必要がある。しかしながら、材料の熱膨張によって動きを生じさせる開示した実施例では、従来のものよりも、大きな問題とならない。また、上記実施例では、ハウジングに対するバルブ要素の非常に精密な動きが得られ、精密な計量が達成される。
【００１８】
ある用途において、図１Ａの実施例のバルブ２０を、内部寸法が１００μｍ（０．００３９インチ）の溶融シリカ毛細管を封鎖するように形成した。２インチ（５０．８ｍｍ）の長さのタングステン製バルブピン２２を用い、温度を２００°Ｆ（９３．３３℃）上昇させたときに、バルブピン２２とバルブシート２６との間の間隙は０．００２９インチ（７３．６６μｍ）であった。この間隙は、１００μｍの毛細管の用途では好適なものである。バルブピン２２の径や支持シェル３０の壁の厚さは、バルブシート２６が材料の弾性限界範囲内で使用され得るとともに、ヘリウムの漏れ率が１０-10ＳＣＣＳ（立方センチメートル毎秒（標準状態下））未満となるように、選択され得る。当業者であれば、構成要素の熱膨張係数および具体的な寸法によって、上記のような気密状態の制御を達成するためのバルブピン２２と支持シェル３０との相対的な動きを計算することが可能である。
【００１９】
多くのバルブ用途においては、バルブピンおよびバルブシートの双方が製造後に研磨される。しかしながら、本実施例においては、バルブピンのみを研磨し、バルブシートは研磨しないことが望ましい。そして、初期のならし運転の間に、バルブシートの実際の形状が、漏れを阻止する非常に密でかつ正確な着座が得られるように形成される。
【００２０】
図１Ａおよび図２に示したバルブ２０，５１は、可動部品を具備せず、従って、信頼性が高いとともに、製造が単純となる。いわゆるデッドボリュームが非常に小さく、従って、漏れ率が低く、デッドボリュームが小さく、かつ高信頼性であることが要求される用途、例えば、ガスクロマトグラフィ、流れ切換デバイス、負圧システム、などの用途に最適である。勿論、他の寸法や材料を用いることも可能である。
【００２１】
以上、この発明の一実施例を説明したが、この発明は上記実施例に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。  
【図１Ａ】
2011179685.tif 000003
【図１Ｂ】
2011179685.tif 000004
【図２】
2011179685.tif 000005