(57)【要約】以下を備える、流体流れ制御を提供するためのニードルバルブアセンブリ：モーターと；内側にネジ山が切られたバルブ本体と；ネジが進むように該内側にネジ山が切られたバルブ本体と係合されて、このモーターによって回転可能にかつ往復するように駆動される、外側にネジ山が切られたプランジャー。ここで該バルブ本体は、流体入り口と、流体出口と、該流体入り口と流体出口との間にフローチャンバを備え、該フローチャンバは、フローチャンバ壁とフローチャンバ出口とを備え、該プランジャーは、可撓性ニードル部材を備え、該可撓性ニードル部材は、該フローチャンバ出口内で往復して、該フローチャンバ出口を通って可変性流れ制御を提供し、そしてリップシールを備え、該リップシールは、該プランジャーおよび可撓性ニードル部材の往復の間に該フローチャンバ壁と係合して、該プランジャーと可撓性ニードル部材との間にシールを提供する。
2007535648.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ニードルバルブアセンブリにおいて流体流れ制御を提供する方法であって、該方法は、以下：
ニードルバルブアセンブリを提供する工程であって、該ニードルバルブアセンブリは、モーターと、内側にネジ山が切られたバルブ本体と、ネジが進むように該内側にネジ山が切られたバルブ本体と係合されて、該モーターによって回転可能にかつ往復するように駆動される、外側にネジ山が切られたプランジャーとを備え、該バルブ本体は、流体入り口と、流体出口と、該流体入り口と該流体出口との間にフローチャンバとを備え、該フローチャンバは、フローチャンバ壁とフローチャンバ出口とを備え、該プランジャーは、可撓性ニードル部材を備え、該可撓性ニードル部材は、該フローチャンバ出口内で往復して、該フローチャンバ出口を通って可変性流れ制御を提供し、該可撓性ニードル部材は、リップシールを備え、該リップシールは、該プランジャーおよび該可撓性ニードル部材の往復の間に該フローチャンバ壁を係合して、該プランジャーと該可撓性ニードル部材との間にシールを提供する、工程；
流体流れを、該ニードルバルブアセンブリの該流体入り口に供給する工程；
可変性流れ制御を、該ニードルバルブアセンブリにおいて、該フローチャンバ出口における該可撓性ニードル部材の往復を介して提供する工程；
該フローチャンバ壁と、該可撓性ニードル部材のリップシールとをシールするように係合して、該フローチャンバ壁と該リップシールとの間の流体流れを妨げる工程、
を包含する、方法。
【請求項２】
前記可撓性ニードル部材は、該可撓性ニードル部材に一体化して形成された前記リップシールを備える一部品の部材である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記モーターは、少なくとも２４ステップ／回転を含むステッパーモーターである、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記モーターおよび前記プランジャーは、それぞれに歯車を備え、該プランジャーの歯車  対  該モーターの歯車の歯車比は、少なくとも１：１である、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記モーターは、ステッパーモーターであり、該モーターおよび前記プランジャーは、それぞれに歯車を備える、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記ニードルバルブアセンブリは、空気から酸素ガスを分離するためのガス分離デバイスの流れ制御機構の一部であり、前記方法は、該ガス分離デバイスを用いて、空気から酸素ガスを分離する工程、および該ニードルバルブアセンブリを用いて、流れ制御機構において生成物流れを制御する工程を包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
流体流れ制御を提供するためのニードルバルブアセンブリであって、該ニードルバルブアセンブリは、以下：
モーターと；
内側にネジ山が切られたバルブ本体と；
ネジが進むように該内側にネジ山が切られたバルブ本体と係合されて、該モーターによって回転可能にかつ往復するように駆動される、外側にネジ山が切られたプランジャーと；
を備え、
ここで該バルブ本体は、流体入り口と、流体出口と、該流体入り口と該流体出口との間にフローチャンバとを備え、該フローチャンバは、フローチャンバ壁とフローチャンバ出口とを備え、該プランジャーは、可撓性ニードル部材を備え、該可撓性ニードル部材は、該フローチャンバ出口内で往復して、該フローチャンバ出口を通って可変性流れ制御を提供し、該可撓性ニードル部材は、リップシールを備え、該リップシールは、該プランジャーおよび該可撓性ニードル部材の往復の間に該フローチャンバ壁と係合して、該プランジャーと該可撓性ニードル部材との間にシールを提供する、
ニードルバルブアセンブリ。
【請求項８】
前記可撓性ニードル部材は、該可撓性ニードル部材に一体化して形成された前記リップシールを備える一部品の部材である、請求項７に記載のニードルバルブアセンブリ。
【請求項９】
前記モーターは、少なくとも２４ステップ／回転を含むステッパーモーターである、請求項７に記載のニードルバルブアセンブリ。
【請求項１０】
前記モーターおよび前記プランジャーは、それぞれに歯車を備え、該プランジャーの歯車  対  該モーターの歯車の歯車比は、少なくとも１：１である、請求項７に記載のニードルバルブアセンブリ。
【請求項１１】
前記モーターは、ステッパーモーターであり、該モーターおよび前記プランジャーは、それぞれに歯車を備える、請求項７に記載のニードルバルブアセンブリ。
【請求項１２】
前記ニードルバルブアセンブリは、空気から酸素ガスを分離するためのガス分離デバイスの流れ制御機構の一部である、請求項１１に記載のニードルバルブアセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（発明の分野）
本発明の分野は、一般に、流体流れ制御のためのニードルバルブ、特に、酸素濃縮器における生成物流れの制御のためのニードルバルブに関する。
【背景技術】
【０００２】
（発明の背景）
酸素濃縮器は、慢性閉塞性肺疾患を有する患者を処置するために、在宅医療市場において一般的に使用されている。市場に出ているこれらの酸素濃縮器の幅広い利用性に起因して、これらのデバイスの市場は、非常に価格競争が激しく、かつ将来においてもよりいっそう競争が激しくなることが予測される。この市場において競争に勝ち続けるためには、酸素濃縮器システムにおけるあらゆる構成要素と関連した製造コストを削減することが重要である。流れ測定および制御システムは、コスト削減され得る濃縮器システム全体の一局面である；しかし、より安価な流れシステムは、十分な精度および信頼性を提供する場合にのみ、存続可能である。
【０００３】
市販の酸素濃縮器は、一般に、生成物ガスの流れを制御するために、２つの技術のうちの一方を利用する。最も一般的なのは、手動で制御されるニードルバルブと組み合わされたロタメーター（フローティングボールを備える流量計）である。ロタメーターは、安価であり得るが、精度を維持するためには、それらはしばしば圧力調整器と結合される。この調整器と組み合わされたとしても、ロタメーターの下流の圧力変動に起因して、これらニードルバルブ／ロタメーターの組み合わせは、約１０％の精度を提供し、この精度は、大部分の在宅医療用酸素濃縮器には十分である。それにも拘わらず、調整器と一旦組み合わされると、この制御方法は、安価であるとは考えられない。
【０００４】
別の一般的な技術は、圧力調整器と組み合わせてオリフィス板を使用することである。このオリフィス板は、通常、１０以上の精密オリフィスを備え、各々は、正確な圧力が供給側に提供されると、正確な流れを提供する。この調整器は、その供給側に一定の圧力を提供するために使用される。このオリフィス板／調整器の組み合わせは、ユーザーが特定の生成物流れを提供するために、特定のオリフィスにダイヤルを合わせられるようにすることによって機能する。この流れ制御の方法は、一般に、ロタメーターより精度が高い；しかし、これはやはり、より高価でありかつ下流の圧力変動に起因して、不正確になりやすい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
酸素濃縮器のための低コストで正確な流れ制御システムが明らかに必要である。この目的を達成する１つの方法は、酸素濃縮器中の酸素濃度を測定するために、音波システムのますます一般的になってきている用途を利用する。追加のコストが無視できるほどであるので、これらの音波システムは、濃度に加えて、酸素流れを測定するために改変され得る。この流れ測定を、安価な、モーターを備えたバルブと結合すると、低コストで正確な流れ制御システムがもたらされる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
（発明の要旨）
これらの問題などを解決するために、本発明の一局面は、ニードルバルブアセンブリにおいて流体流れ制御を提供する方法に関する。この方法は、以下の工程を包含する：ニードルバルブアセンブリを提供する工程であって、このニードルバルブアセンブリは、モーターと、内側にネジ山が切られたバルブ本体と、ネジが進むようにこの内側にネジ山が切られたバルブ本体と係合されて、このモーターによって回転可能にかつ往復するように駆動される、外側にネジ山が切られたプランジャーとを備え、このバルブ本体は、流体入り口と、流体出口と、この流体入り口と流体出口との間にフローチャンバとを備え、このフローチャンバは、フローチャンバ壁とフローチャンバ出口とを備え、このプランジャーは、可撓性ニードル部材を備え、この可撓性ニードル部材は、このフローチャンバ出口内で往復して、このフローチャンバ出口を通って可変性流れ制御を提供し、この可撓性ニードル部材は、リップシールを備え、このリップシールは、このプランジャーと可撓性ニードル部材の往復の間にこのフローチャンバ壁を係合して、このプランジャーと可撓性ニードル部材との間にシールを提供する、工程；流体流れを、このニードルバルブアセンブリの流体入り口に供給する工程；可変性流れ制御を、このニードルバルブアセンブリにおいて、このフローチャンバ出口における可撓性ニードル部材の往復を介して提供する工程；このフローチャンバ壁と、この可撓性ニードル部材のリップシールとをシールするように係合して、このフローチャンバ壁とリップシールとの間の流体流れを妨げる工程。
【０００７】
本発明のさらなる局面は、流体流れ制御を提供するためのニードルバルブアセンブリに関する。このニードルバルブアセンブリは、モーターと；内側にネジ山が切られたバルブ本体と；ネジが進むようにこの内側にネジ山が切られたバルブ本体と係合されて、このモーターによって回転可能にかつ往復するように駆動される、外側にネジ山が切られたプランジャーとを備え、ここでこのバルブ本体は、流体入り口と、流体出口と、この流体入り口と流体出口との間にフローチャンバとを備え、このフローチャンバは、フローチャンバ壁とフローチャンバ出口とを備え、このプランジャーは、可撓性ニードル部材を備え、この可撓性ニードル部材は、このフローチャンバ出口内で往復して、このフローチャンバ出口を通って可変性流れ制御を提供し、この可撓性ニードル部材は、リップシールを備え、このリップシールは、このプランジャーと可撓性ニードル部材の往復の間にこのフローチャンバ壁と係合して、このプランジャーと可撓性ニードル部材との間にシールを提供する。
【０００８】
本発明のさらなる局面は、このバルブの可撓性ニードル部材の可撓性で弾性の性質に関する。その材料の可撓性の性質により、完全なシールを保証するために、先行技術と比較して、このバルブをシールするために必要とされるトルク量、およびバルブ構成要素において必要とされる精度が減少される。
【０００９】
本発明のさらなる局面は、可変性下流の圧力効果の下で、流れを調節する能力に関する。制御エレクトロニクスおよび測定エレクトロニクスと結合された本発明は、このデバイスが上流圧力効果にも下流圧力効果にも関係なく、設定点の値で流れを維持することを可能にする。
【００１０】
本発明のさらなる局面は、ニードルバルブアセンブリに必要とされる少数の部品である。より少数の部品によって、本願にとって重要であるバルブの低い製造コストがもたらされる。
【００１１】
さらなる目的および利点は、以下に記載される図面および好ましい実施形態の詳細な説明を見れば、当業者に明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、ガス分離デバイスの一実施形態の単純な概略図である。
【図２】図２は、ニードルバルブアセンブリの一実施形態の斜視図である。
【図３】図３は、図２のニードルバルブアセンブリの部分断面図である。
【図４】図４は、図３のニードルバルブアセンブリの一部の拡大断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
（好ましい実施形態の詳細な説明）
図１を参照すると、まず、本発明の一実施形態に従って構築されたガス分離デバイス１０が、ニードルバルブアセンブリ１００の一実施形態を説明する前に記載される。このガス分離デバイス１０は、圧縮機２０と、圧力スイング吸着（ＰＳＡ）モジュールまたは濃縮器３０と、測定機構４０と、流れ制御機構５０とを備え得る。使用時に、供給流体（例えば、外気）は、この圧縮機２０へ引き込まれ得、高圧下でＰＳＡモジュール３０に送達され得る。このＰＳＡモジュール３０は、所望される生成物流体（例えば、酸素）を供給流体（例えば、空気）から分離し、排気流体を排出する。この生成物流体の特徴（例えば、流れ／純度）は、測定機構４０によって測定され得る。生成物流体の送達は、流れ制御機構５０で制御され得る。
【００１４】
図２〜４を参照すると、ガス分離デバイス１０の流れ制御機構５０において使用するために理想的なニードルバルブアセンブリ１００の一実施形態が、ここで記載されている。このニードルバルブアセンブリ１００は、一部品のバルブ本体１２０とモーター１３０とを備える。このモーター１３０は、このモーター１３０をこのバルブ本体１２０のモーターマウントボス１５０に取り付けるためのモーターマウント１４０を備える。ネジ山が切られたファスナー（示されず）が、このモーターマウント１４０をモーターマウントボス１５０に固定するために使用され得る。このバルブ本体１２０は、このニードルバルブアセンブリ１００を、このガス分離デバイス１０の別の構成要素に取り付けるためのさらなるマウンティングボス１６０を備え得る。電力および制御（ｐｏｗｅｒ  ａｎｄ  ｃｏｎｔｒｏｌ）は、電気的コネクター１７０を通してモーター１３０に供給され得る。モーター歯車１８０（図３）は、モーターシャフト１９０上に保持される。このモーター１３０は、モーターシャフト１９０とモーター歯車１８０とを時計回りまたは反時計回りの様式に回転させるステッパーモーターである。示される実施形態において、このモーター１３０は、１０ｐｓｉｇの供給圧力でおよそ４分の１リットル／分の流れ分解能（ｆｌｏｗ  ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ）を提供する、４８ステップ／回転のステッパーモーターである。他の実施形態において、このモーター１３０は、より大きなステップ／回転でより純度の高い分解能、またはより少ないステップ／回転でより速い応答を提供するために、４８ステップ／回転より大きくてもよいし、小さくてもよい。
【００１５】
プランジャー２１０を往復させかつ回転させる歯車付きねじ２００は、モーター歯車１８０と作動可能に係合され得る。示される実施形態において、この歯車付きねじ２００  対  モーター歯車１８０の歯車比は、４：１である。この歯車比は、このニードルバルブアセンブリ１００のトルクおよび分解能に影響を及ぼす。代替的実施形態において、モーター１３０は、トルクが十分に小さいときに、モーター歯車１８０なしで直接駆動として機能し得る。別の代替的実施形態において、この歯車付きねじ２００  対  モーター歯車１８０の歯車比は、より大きなシステムにおいて必要とされ得る増大した分解能およびより高いトルクを提供するために必要なだけ大きくできる（例えば、１００：１）。回転するプランジャー２１０は、外側ネジ山２１４を備えるプランジャーシャフト２１２と、穴２１８とを備え、この外側ネジ山は、ねじが進むようにバルブ本体１２０の内側ネジ山２１６と係合する。弾性で可撓性の一部品ニードル部材２２０は、この穴２１８内に受容されるシャフト２３０と、ヘッド２４０とを備える。好ましい実施形態において、このシャフト２３０および穴２１８は、回転するプランジャー２１０が回転されるときに、可撓性ニードル部材２２０もまた回転するように、円形でない（例えば、矩形の）断面を有する。このニードル部材２２０のヘッド２４０は、先端部分２５０と、一体化したリップシール２６０とを備える。代替的実施形態において、このリップシール２６０は、ニードル部材２２０とは別個の要素であってもよい。
【００１６】
図３および図４を参照すると、このバルブ本体１２０は、入り口通路２８０を有する入り口２７０と、出口通路３００を有する出口２９０と、フローチャンバ壁３１２を備えるフローチャンバ３１０とを備える。このニードル部材２２０の先端部分２５０は、フローチャンバ３１０中に配置される。出口通路３００およびフローチャンバ３１０の境界付近に、このバルブ本体１２０は、フローチャンバ出口ポート３２０を備える。出口通路壁３３０は、その出口ポート３２０における一方の側で終わる。
【００１７】
図２〜４を参照すると、このニードルバルブアセンブリ１００はここで、使用するときのものが記載される。このモーター１３０は、モーターシャフト１９０を時計回りまたは反時計回りの様式で回転させ、モーター歯車１８０を、反対の様式で回転させる。モーター歯車１８０を回転させると、歯車付きねじ２００と外側にネジ山が切られたプランジャー２１０とが回転する。内側にネジ山が切られたバルブ本体１２０内で、外側にネジ山が切られたプランジャー２１０を回転させると、プランジャー２１０と、従って弾性のニードル部材２２０とが、モーター１３０の回転の方向に依存して、バルブ本体１２０内で往復する。フローチャンバ出口ポート３２０の中へおよびその外への頂部の動きは、ニードルバルブアセンブリ１００の中に可変オリフィスを作り出す。フローチャンバ出口ポート３２０に向かうこの弾性のニードル部材２２０の動きの増大により、先端部分２５０がフローチャンバ出口ポート３２０をさらに遮断し、さらに、入り口通路２８０、フローチャンバ３１０、および出口通路３００を通る流体流れを阻害または停止する。このニードル部材２２０の可撓性で弾性の性質は、このニードル部材２２０がフローチャンバ出口ポート３２０に向かって動かされるときに、先端部分２５０が曲がりかつ出口通路壁３３０に対してシールすることを可能にする。この可撓性で弾性のニードル部材２２０は、同軸要件を緩和し、ニードルバルブアセンブリ１００を通る流れを減少または停止させるために、モーター１３０によって必要とされるトルクを最小にする。この弾性のニードル部材２２０がフローチャンバ出口ポート３２０から離れる動きが増大されると、先端部分２５０がさらに引っ込んで、フローチャンバ出口ポート３２０における開口を増大させ、さらに、入り口通路２８０、フローチャンバ３１０、および出口通路３００を通る流体流れを増大させる。リップシール２６０およびニードル部材２２０に対して圧力をかけると、先端部分２５０が係合されたままになる。従って、ニードル部材２２０の往復運動を制御することによって、ニードルバルブアセンブリ１００を通る流体流れが制御される。この弾性のニードル部材２２０がバルブ本体１２０の中で往復する間に、この可撓性で弾性のリップシール２６０は、フローチャンバ壁３１２をシールするように係合して、バルブ本体１２０のこの部分を通って流体流れが逃げないようにする。このリップシール２６０は、弾性の一部品ニードル部材２２０と一体化して形成される。上記のように、代替的実施形態において、このリップシール２６０は、弾性のニードル部材２２０とは別個であってもよい。このリップシール２６０は、バルブ本体１２０内でシールするためのガスケットまたはｏ−リングの必要性をとり除く。このリップシール２６０はさらに、フローチャンバ３１０の容積を最小にし、さらにニードルバルブアセンブリ１００のサイズを縮小することを可能にする。他の型のガスケットと比較すると、このリップシール２６０、そして具体的には、リップシール２６０の小さなサイズおよび小さな直径は、ニードルバルブアセンブリ１００を作動させるためにモーター１３０によって必要とされるトルクを低くするように機能する。一体化されたリップシール２６０を使用すると、ｏ−リングまたは外部リップシール（これは、設計をさらに複雑にする）の必要性が取り除かれる。従って、リップシール２６０の主な利点は、部品の数を減らすことによるコストの削減と、モーターによって必要とされるトルクを減少させることである。
【００１８】
４８ステップ／回転ステッパーモーター、および歯車付きねじ２００とモーター歯車１８０の歯車比４：１を利用すると、閉じた位置と完全な流れの位置との間に約１２０ステップが提供される。代替的実施形態において、ステップの回数を多くするかまたは少なくすることは、より正確な調節またはより速い調節のいずれかを提供するように指定され得る。ニードルバルブアセンブリ１００における流れ制御の分解能は、モーター１３０と歯車比との関数であるので、圧力差分解能は、これら２つの変数を調節することによって、ニードルバルブアセンブリ１００において増大または減少され得る。歯車付きねじ２００およびモーター歯車１８０との間でより高い歯車比を利用すると、正確な流体流れ制御、および１０ｐｓｉｇで約４分の１リットル／分より低い改善した流れ制御精度のために、より小さなモーター１３０が使用されることを可能にし、そしてニードル部材２２０の正確な動きを可能にする。しかし、この精度は、歯車比およびステッパーモーターを変更することによって調節され得る。
【００１９】
代替的実施形態において、その弾性のニードル部材２２０のヘッド２４０、フローチャンバ３１０、および出口通路３００は、流れ制御の増大したまたは減少した分解能を可能にするために、図１〜３に示されるものより長くて狭くてもよいし、より短くて広くてもよい。
【００２０】
このニードルバルブアセンブリ１００は、３つの主要部品からなる：１）ステッパーモーター１３０、２）内側にネジ山が切られたバルブ本体１２０、および３）ニードル部材２２０を備える外側にネジ山が切られたプランジャー２１０。ニードルバルブアセンブリ１００のこの単純な構成によって、ニードルバルブアセンブリ１００がより小さくなり、より小数の部品を有し、より正確になり（閉じたループ制御エレクトロニクスと結合される場合）、過去のニードルバルブアセンブリより製造コストが安価になる。このことにより、ニードルバルブアセンブリ１００が、ガス分離デバイス１０の流れ制御機構５０において流れ制御を提供するための経済的手段となる。
【００２１】
本明細書に記載される実際の概念においてなおさらなる変更および改変が、添付の特許請求の範囲によって規定される本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく容易になされ得ることは、当業者に容易に明らかである。
【図１】
2007535648.tif 000003
【図２】
2007535648.tif 000004
【図３】
2007535648.tif 000005
【図４】
2007535648.tif 000006
【国際調査報告】
2007535648.tif 000007