(57)【要約】【課題】高温下であっても、大流量の流体の制御をでき、流体に生じる圧力損失の低減も図れる流量制御方法および流量制御弁を提供する。【解決手段】弁体２を中空のベローズ部３によって保持させ、前記ベローズ部３の内部に収容されるガスＧの量を調整して、ベローズ部３を伸縮させることにより、上流側からの流体Ｆを導出する開口１に対して前記弁体２を近接・離間させ、前記開口１から導出される流体Ｆの流量を制御する。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
弁体を中空のベローズ部によって保持させ、前記ベローズ部の内部に収容されるガスの量を調整して、ベローズ部を伸縮させることにより、上流側からの流体を導出する開口に対して前記弁体を近接・離間させ、前記開口から導出される流体の流量を制御することを特徴とする流量制御方法。
【請求項２】
前記ベローズ部内にガスを導入する導入路と、ベローズ部内のガスを外部に導出するための導出路とを設け、前記導入路または導出路のいずれか一方または両方において、その内部を流れるガスの流量を調整することにより、前記ベローズ部の内部に収容されるガスの量の調整を行う請求項１に記載の流量制御方法。
【請求項３】
上流側からの流体を導出する開口に対して近接・離間することにより、前記開口から導出される流体の流量を制御する弁体を備えた流量制御弁であって、前記弁体を保持する中空のベローズ部と、このベローズ部内にガスを導入する導入路と、前記ベローズ部内のガスを導出するための導出路とを備えたことを特徴とする流量制御弁。
【請求項４】
前記導入路および導出路のいずれか一方または両方に、連通空間を介して連通する上流側開口および下流側開口と、前記上流側開口および下流側開口のいずれか一方に対して近接・離間するバルブ基体を有するピエゾ方式の流体制御バルブとを備え、この流体制御バルブによって、前記上流側開口から下流側開口に向けて流れるガスの流量を調整するように構成されたガス流量調整部を設けてある請求項３に記載の流量制御弁。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、流体流量を制御するマスフローコントローラなどに用いられる流量制御方法および流量制御弁に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えばマスフローコントローラの弁体を駆動する方式として、従来より、熱膨張部材を熱膨張させてその変位を利用して弁体の位置制御を行うようにした所謂サーマル方式、電磁力とばね力との平行により弁体の位置制御を行うようにした所謂ソレノイド方式、ピエゾスタックの歪力により弁体の位置制御を行うようにした所謂ピエゾ方式の３種が一般的である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記サーマル方式およびソレノイド方式は、その構造上、高温域（８０℃以上）での使用に不向きとされている。一方、ピエゾ方式は、３種の方式の中では、前記高温域での使用に最も適しているが、バルブの開度（最大変位量）が小さいため、大流量の流体を制御するという点および流体に生じる圧力損失の低減を図る（低圧損化を図る）という点では、上記３種の方式の中で最も劣る。すなわち、前記ピエゾバルブ方式における弁体の最大変位量は数十μｍであり、大流量仕様でかつ低圧損仕様のマスフローコントローラを実現するために十分な変位量ではなかった。
【０００４】
この発明は上述の事柄に留意してなされたもので、その目的は、高温下であっても、大流量の流体の制御をでき、流体に生じる圧力損失の低減も図れる流量制御方法および流量制御弁を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の流量制御方法は、弁体を中空のベローズ部によって保持させ、前記ベローズ部の内部に収容されるガスの量を調整して、ベローズ部を伸縮させることにより、上流側からの流体を導出する開口に対して前記弁体を近接・離間させ、前記開口から導出される流体の流量を制御する（請求項１）。
【０００６】
また、前記ベローズ部内にガスを導入する導入路と、ベローズ部内のガスを外部に導出するための導出路とを設け、前記導入路または導出路のいずれか一方または両方において、その内部を流れるガスの流量を調整することにより、前記ベローズ部の内部に収容されるガスの量の調整を行うとしてもよい（請求項２）。
【０００７】
上記の構成からなる本発明では、高温下であっても、大流量の流体の制御をでき、流体に生じる圧力損失の低減も図れる流量制御方法を提供することができる。
【０００８】
すなわち、伸縮性に富んだベローズ部内にガスを導入しつつ、ベローズ部内のガスを適宜に抜きつづけることにより、ベローズ部を自在に膨張・収縮させ、これによって、このベローズ部に保持された弁体を前記開口に対して近接・離間させ、開口からその下流側に流れる流体の流量を制御すればよく、前記ベローズ部および弁体に耐熱性を付与しておくことにより、高温下（例えば、８０℃以上）であっても実施することができるのである。
【０００９】
また、前記ベローズ部を構成する屈曲部分の数を増減することにより、ベローズ部の長さおよび弁体のストロークを自在に調整できることから、従来のピエゾ方式の流量制御弁による流量制御方法では到底得られなかった弁体のストローク（変位量）を実現できるとともに、大流量の流体をも制御でき、流体に生じる圧力損失の低減も図れる。
【００１０】
さらに、従来のピエゾ方式の流量制御弁による流量制御方法では、弁体のストロークの拡大を図ることが難しかったことから、大流量の流体を制御しようとする場合には、前記流体が流れる流路を広げることにより、流体の流量を確保していたため、流量制御弁自体あるいは流量制御弁を有する装置自体が大きくなってしまうという欠点があったが、本発明の流量制御方法では、上述したように、前記弁体のストロークの拡大を容易に図ることができるため、前記流路などを広げるなどせずとも、流体の流量を確保できるのであり、ひいては、この流量制御方法に用いる流量制御弁自体あるいは流量制御弁を有する装置自体をコンパクトにすることが可能となる。
【００１１】
本発明の流量制御弁は、上流側からの流体を導出する開口に対して近接・離間することにより、前記開口から導出される流体の流量を制御する弁体を備えた流量制御弁であって、前記弁体を保持する中空のベローズ部と、このベローズ部内にガスを導入する導入路と、前記ベローズ部内のガスを導出するための導出路とを備えた（請求項３）。
【００１２】
上記の構成からなる本発明では、高温下であっても、大流量の流体の制御をでき、流体に生じる圧力損失の低減も図れる流量制御弁を提供することができる。その他、上記流量制御弁によって得られる効果は、上記流量制御方法によって得られる効果と同じである。
【００１３】
また、前記導入路および導出路のいずれか一方または両方に、連通空間を介して連通する上流側開口および下流側開口と、前記上流側開口および下流側開口のいずれか一方に対して近接・離間するバルブ基体を有するピエゾ方式の流体制御バルブとを備え、この流体制御バルブによって、前記上流側開口から下流側開口に向けて流れるガスの流量を調整するように構成されたガス流量調整部を設けてあるとしてもよい（請求項４）。
【００１４】
上記の構成からなる本発明では、ピエゾ方式の前記流体制御バルブに電気信号を送ることにより、ベローズ部内に送られるガスの流量を制御し、最終的には開口から導出される流体の流量を制御するように構成してあることから、従来からあるピエゾ方式の流量制御弁で用いられていた電気的制御系をほとんど変更することなく利用することができ、ひいては、従来からあるピエゾ方式の流量制御弁に少し改良を加えるだけで実現できるのであり、開発コストおよび製造コストなどの削減を図ることも可能となる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施例を、図を参照しながら説明する。
図１は、本発明の第一実施例に係る流量制御方法を実施するための流量制御弁Ｄの構成を概略的に示す説明図である。
流量制御弁Ｄは、例えば、その上流側または下流側に設けられるマスフローメータ（図示せず）とでマスフローコントローラを構成するものであり、上流側からの流体Ｆを導出する開口１に対して近接・離間することにより、前記開口１から導出される流体Ｆの流量を制御する弁体２と、この弁体２を保持する中空でかつ伸縮性に富んだベローズ部３と、このベローズ部３内にガスＧを導入する導入路４と、前記ベローズ部３内のガスＧを導出するための導出路５とを備えている。
【００１６】
前記弁体２は、例えば、テフロン（登録商標）などの樹脂からなり、前記ベローズ部３の下端側に取り付けられている。
【００１７】
前記ベローズ部３は、耐熱性を有する材料からなり、ほぼ円筒形状の部材である。また、前記ベローズ部３は、内周壁と外周壁とからなる二重（管）構造をしており、内周壁および外周壁のいずれにも、その軸方向（伸縮方向）に連なる複数の屈曲部分３ａ，３ａ…が設けられているとともに、その外周壁と内周壁との間に形成される隙間をできるだけ小さくすることにより、内部の容積を可能な限り小さくしてある。
【００１８】
前記導入路４の途中には、ガス流量調整部６が設けられている。このガス流量調整部６は、連通空間７を介して連通する上流側開口８および下流側開口９と、前記上流側開口８に対して近接・離間するバルブ基体１０を有するピエゾ方式の流体制御バルブ１１とを備え、この流体制御バルブ１１によって、前記上流側開口８から下流側開口９に向けて流れるガスＧの流量を調整するように構成されている。
【００１９】
前記流体制御バルブ１１は、ダイヤフラム１０ａによって前記上流側開口８から離間する方向に付勢される前記バルブ基体１０と、バルブ押さえ部材１２を介して前記バルブ基体１０を前記上流側開口８側へと付勢するピエゾアクチュエータ１３とを有している。
【００２０】
前記ピエゾアクチュエータ１３は、ピエゾ素子（図示せず）を積層してなるピエゾスタックを、これとほぼ同じ長さの筒状のケース１３ａ内に収容してあり、前記ピエゾスタックに対して電圧を印加し、圧電現象によって各ピエゾ素子をそれぞれ歪ませ、この歪みを前記バルブ押さえ部材１２に伝達するようにしてある。
【００２１】
上記の構成からなる流体制御バルブ１１では、前記ピエゾスタックに印加する電圧を調整することにより、前記上流側開口８とバルブ基体１０との間に形成される隙間の大きさが変化し、これによって、上流側開口８から連通空間７を経て下流側開口９へと向かうガスＧの流量が調整されることになる。
【００２２】
また、本実施例の流量制御弁Ｄでは、例えば、その上流側または下流側に接続された前記マスフローメータからの電気信号に基づいて前記流体制御バルブ１１が制御されるように構成してある。
【００２３】
なお、上記流体制御バルブ１１は、上記の構成からなるものに限られず、一般的なピエゾ方式の流体制御バルブと同様に構成してもよい。
【００２４】
また、前記導入路４における前記下流側開口９から前記ベローズ部３までの流路は、できるだけ短くなるように構成されており、言い換えれば、前記ガス流量調整部６は、前記ベローズ部３にできるだけ近い位置に配置されているのである。
【００２５】
前記導出路５は、前記導入路４に比して、径が細く形成されており、これによって、導出路５を流れる前記ガスＧの流量が規制されることになる。
【００２６】
次に、上記の構成からなる流量制御弁Ｄの動作について説明する。
まず、前記ベローズ部３は、前記ガスＧが供給されていない状態では、ベローズ部３自体の収縮力（前記屈曲部分３ａ，３ａ…の弾性力・復元力）により、縮んだ状態となっており、このとき、前記弁体２は開口１から最も離れた状態となっており、前記開口１から導出される流体Ｆの流量が最大となる。
【００２７】
そして、前記導入路４の上流側から導入路４内にガスＧを供給すると、このガスＧは、前記ガス流量調整部６を経てベローズ部３内に至り、ベローズ部３内から前記導出路５へと導出されるのである。
【００２８】
ここで、前記導入路４からベローズ部３内に供給されるガスＧの流量が、ベローズ部３から導出路５へと導出されるガスＧの流量よりも大きくなると、ベローズ部３の内部に収容されるガスＧの量が増え、これにより、ベローズ部３内におけるガスＧの圧力が高まることになる。そして、前記ガスＧの圧力とベローズ部３自体の収縮力との平衡を保つようにして、ベローズ部３が伸びることになる。
【００２９】
上記のようにベローズ部３が伸びると、弁体２が開口１へと近づくことになり、前記開口１から導出される流体Ｆの流量が小さくなる。そして、前記ベローズ部３がある程度伸びて、前記弁体２が開口１の周縁に当接し、開口１が閉塞された状態では、開口１から導出される流体Ｆの流量がゼロとなるのである。
【００３０】
反対に、前記導入路４からベローズ部３内に供給されるガスＧの流量が、ベローズ部３から導出路５へと導出されるガスＧの流量よりも小さくなると、ベローズ部３の内部に収容されるガスＧの量が減り、これにより、ベローズ部３内におけるガスＧの圧力が低下することになる。また、この低下に伴って、前記ガスＧの圧力とベローズ部３自体の収縮力との平衡を保つようにして、ベローズ部３が縮み、開口１から導出される流体Ｆの流量が増加することとなる。
【００３１】
そして、本実施例では、前記導入路４を流れるガスＧの流量を、前記ガス流量調整部６によって調整して、ベローズ部３内に収容されるガスＧの量を調整するのであり、これによって、ベローズ部３が伸縮することにより、上流側からの流体Ｆを導出する開口１に対して前記弁体２が近接・離間し、前記開口１から導出される流体Ｆの流量が制御されるのである。
【００３２】
上記の構成からなる流量制御弁Ｄでは、高温下での使用に適したピエゾ方式の流体制御バルブ１１と伸縮性に富んだベローズ部３とを直結し、前記流体制御バルブ１１で流量制御されたガスＧをベローズ部３内に導入しつつ、ベローズ部３内のガスＧを適宜に抜きつづけることにより、ベローズ部３を自在に膨張・収縮させ、これによって、このベローズ部３に保持された弁体２を前記開口１に対して近接・離間させて、開口１からその下流側に流れる流体Ｆの流量を制御するのであり、前記ベローズ部３および弁体２に耐熱性を付与しておくことにより、本実施例の流量制御弁Ｄを高温下（例えば、８０℃以上）であっても用いることができるのである。
【００３３】
また、上記流量制御弁Ｄでは、前記ベローズ部３を構成する屈曲部分３ａ，３ａ…の数を増減することにより、ベローズ部３の長さおよび弁体２のストロークを自在に調整できることから、従来のピエゾ方式の流量制御弁では到底得られなかった弁体のストローク（変位量）を実現できるとともに、大流量の流体Ｆをも制御でき、流体Ｆに生じる圧力損失の低減も図れる。
【００３４】
さらに、従来のピエゾ方式の流量制御弁では、弁体（本実施例の弁体２に相当する部材）のストロークの拡大を図ることが難しかったことから、大流量の流体を制御しようとする場合には、前記流体が流れる流路（例えば、本実施例の開口１に相当する部分）を広げることにより、流体の流量を確保していたため、流量制御弁自体あるいは流量制御弁を有する装置自体が大きくなってしまうという欠点があったが、本実施例の流量制御弁Ｄでは、前記ベローズ部３が、制御できる流量の小さいピエゾ方式の流体制御バルブ１１の増幅器としての役割を果たしているのであり、加えて、上述したように、前記弁体２のストロークの拡大を容易に図ることができるため、前記開口１などを広げるなどせずとも、流体Ｆの流量を確保できるのであり、ひいては、流量制御弁Ｄ自体あるいは流量制御弁Ｄを有する装置自体をコンパクトにすることが可能となる。
【００３５】
また、前記ベローズ部３の内部の容積を可能な限り小さくしてあり、かつ前記ガス流量調整部６を、前記ベローズ部３にできるだけ近い位置に配置してあることから、ガス流量調整部６の制御に対するベローズ部３の応答性が極めてよくなっているのであり、ひいてはベローズ部３の制御にかかる時間が短縮されることにより、その制御がなされるまでの間に無駄に流れてしまう流体Ｆを少なくして、流体Ｆの節約をも図ることが可能となる。
【００３６】
また、本実施例の流量制御弁Ｄでは、ピエゾ方式の前記流体制御バルブ１１に電気信号を送ることにより、ガスＧの流量を制御し、最終的に流体Ｆの流量を制御するように構成してあることから、従来からあるピエゾ方式の流量制御弁で用いられていた電気的制御系をほとんど変更することなく利用することができ、ひいては、従来からあるピエゾ方式の流量制御弁に少し改良を加えるだけで実現できるのであり、開発コストおよび製造コストなどの削減を図ることも可能となる。
【００３７】
なお、本実施例の流量制御方法によって得られる効果は、上記流量制御弁Ｄによって得られる効果とほぼ同じであることから、その説明を省略する。
【００３８】
図２は、本発明の第二実施例に係る流量制御方法を実施するための流量制御弁Ｄ２　の構成を概略的に示す説明図である。なお、上記実施例に示したものと同一構造の部材については、同じ符号を付しその説明を省略する。
第二実施例の流量制御弁Ｄ２　は、第一実施例の流量制御弁Ｄに比して、前記ガス流量調整部６が、導入路４中ではなく導出路５中に設けられている点で異なる。
【００３９】
上記流量制御弁Ｄ２　およびこの流量制御弁Ｄ２　を用いる流量制御方法によっても、第一実施例の流量制御弁Ｄおよび流量制御方法と同様の効果を得ることができる。
【００４０】
なお、第一実施例では前記ガス流量調整部６を導入路４のみに設けてあり、第二実施例では前記ガス流量調整部６を導出路５のみに設けているが、このような構成に限るものではなく、例えば、前記ガス流量調整部６を導入路４および導出路５の両方に設けるようにしてもよい。
【００４１】
【発明の効果】
上記の構成からなる本発明によれば、高温下であっても、大流量の流体の制御をでき、流体に生じる圧力損失の低減も図れる流量制御方法および流量制御弁を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一実施例に係る流量制御方法を実施するための流量制御弁の構成を概略的に示す説明図である。
【図２】本発明の第二実施例に係る流量制御方法を実施するための流量制御弁の構成を概略的に示す説明図である。
【符号の説明】
１…開口、２…弁体、３…ベローズ部、Ｄ…流量制御弁、Ｆ…流体、Ｇ…ガス。
【図１】
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【図２】
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