(57)【要約】【課題】薬液や極めて純度の高い液体などの流量制御用の制御弁であって、従来の制御弁における問題点を解決した流量制御弁を提供すること。【解決手段】ソレノイド１７によって駆動されるアクチュエータ７、８と油圧による力の増幅手段６，７，８，９とをダイアフラム４と組み合わせることにより、小型、低消費電力でありながら強力なテフロン（登録商標）製のダイアフラム弁を実現している。力の増幅手段は、大小異なる断面積を有するシリンダ部を含むシリンダ６とシリンダ部内に充填されたオイル９とにより主として構成される。力の増幅比は、シリンダ部の断面積比となる。力の増幅手段の上方には、ばね１４によって付勢されたプランジャ１５が設けられ、プランジャ１５がソレノイド１７によって駆動され、プランジャ１５の駆動力は、上記力の増幅手段によって増幅されてダイアフラム４に伝達されて弁の開度が調整される。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ソレノイドで駆動されるアクチュエータによって、弁座に当接されるダイアフラムを変位させることによって開閉するようになされた流体流量制御弁であって、
前記アクチュエータが第１及び第２のアクチュエータ部材を含み、同第１のアクチュエータ部材と第２のアクチュエータ部材との中間に、互いに連通した大小断面積が異なり且つオイルを充填封止されたオイル通路を設け、前記ソレノイドによって前記第２のアクチュエータ部材に付与される力が、前記オイル通路内のオイルに伝達され且つ増幅されて第１のアクチュエータ部材に伝達され、同増幅された力を受けて前記第１のアクチュエータ部材が前記ダイアフラムを変位させるようになされたことを特徴とする弁。
【請求項２】
流体の流量を任意に制御する比例制御弁であって、
流体の流入口と流出口と同流入口から流出口に至る流体流路とを備え、同流路の一部に弁座を有するオリフィスを備えたベースと、
一方の面が前記弁座に当接するように配置されて、同弁座との間に弁を形成しているダイアフラムと、
同ダイアフラムの前記弁座と反対側の面に当接するように設けられ、ソレノイドによって作動せしめられて前記ダイアフラムを変位させる第１及び第２のアクチュエータ部材と、
力の増幅手段であって、大小異なる断面積のシリンダ部を有するシリンダを含み、同シリンダは、前記異なる断面積のシリンダ部にまたがるようにオイルが充填されるオイル通路が設けられ且つ両端が変位可能に取り付けられた前記第１及び第２のアクチュエータ部材によって封止されている、力の増幅手段と、を含み、
前記ソレノイドによって前記第２のアクチュエータ部材に付与される力が、前記シリンダ内のオイルに伝達され且つ増幅されて第１のアクチュエータ部材に伝達され、同増幅された力を受けて前記第１のアクチュエータ部材が前記ダイアフラムを変位させるようになされている弁。
【請求項３】
請求項２に記載の弁であって、
前記第１のアクチュエータ部材が一端が開口した中空筒状に形成されており、第２のアクチュエータ部材が前記第１のアクチュエータ部材の中空部分に嵌挿される中実円筒状に形成されており、前記第１のアクチュエータ部材が押し込まれると前記オイルによって第２のアクチュエータ部材が押し上げられるように前記オイルの通路を設けることにより、前記第１のアクチュエータ部材と第２のアクチュエータ部材との動作方向が逆になるように構成したことを特徴とする弁。
【請求項４】
請求項２に記載の弁であって、
前記力の増幅手段が、両端が封止され且つ大小異なる断面積の部分を有し且つ内部にオイルを充填封止したベローズを含むことを特徴とする弁。
【請求項５】
請求項１ないし４のうちのいずれか一の項に記載の弁であって、
前記ダイアフラムの少なくとも一部がテフロン（登録商標）で構成されていることを特徴とする弁。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、流体の流量を任意に制御する比例制御弁に関する。
【背景技術】
【０００２】
薬液や極めて純度の高い液体などの流量制御用の制御弁には、金属イオン等の混入を防ぐために、テフロン（登録商標）製の弁が使用される。また、薬液流量の精密な制御を行うために、弁開度を任意に制御できるダイアフラムタイプの弁が使用される。テフロン（登録商標）等からなるダイアフラムは、流体の内圧を直接受けるため、この圧力に負けないための大きな力がアクチュエータに付与される必要がある。一般に、この種の用途のアクチュエータとしては、精密ギヤとステッピングモータを組み合わせたリニアーアクチュエータが使用されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
しかしながら、このようなリニアーアクチュエータは、コストが高いこと、ギヤのバックラッシュにより微妙な制御が困難であること、応答速度が遅いこと、制御回路が複雑になることなどの問題がある。
【特許文献１】米国特許第６，１４５，５３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、上記従来の流量制御用弁の問題点を解決することを目的としてなされたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために、本発明においては、ソレノイドによって駆動されるアクチュエータと油圧による力の増幅手段とをダイアフラムと組み合わせることにより、小型、低消費電力でありながら強力なテフロン（登録商標）製のダイアフラム弁を実現している。
【０００６】
具体的には、本発明の制御弁においては、ベースをテフロン（登録商標）製とし、同ベースには、流体の流入口と流出口と同流入口から流出口に至る流体流路とが設けられ、同流路の一部には弁座が形成されたオリフィスが設けられている。一方の面がこの弁座に当接して前記オリフィスを塞ぐようにダイアフラムが配置されて、弁座とダイアフラムとの間に弁が形成される。
【０００７】
ダイアフラムの弁座と反対側の面に当接するように、油圧による力の増幅手段を設ける。力の増幅手段は、大小異なる断面積のシリンダ部を有するシリンダを含み、同シリンダには、前記異なる断面積のシリンダ部にまたがるようにオイルが充填される。シリンダの下端には、第１のアクチュエータ部材が変位可能に嵌挿され、同第１のアクチュエータ部材の下端はダイアフラムの片面に当接している。シリンダの上端には、第２のアクチュエータ部材が変位可能に嵌挿されている。前記第１及び第２のアクチュエータ部材は、オイルシールによってシリンダに対して封止されている。第２のアクチュエータ部材は、ソレノイドによって作動せしめられるプランジャに当接している。
【０００８】
ソレノイドが電気的に付勢されるとプランジャが作動せしめられ、プランジャの力が第２のアクチュエータ部材に伝達される。第２のアクチュエータ部材に伝達された力は、シリンダ内のオイルに伝達され且つ増幅されて第１のアクチュエータ部材に伝達され、同増幅された力を受けて前記第１のアクチュエータ部材がダイアフラムを変位させて弁の開度が制御される。力の増幅率は、シリンダ部の断面積比に比例する。ストロークは、力の増幅率に逆比例して小さくなる。
【発明の効果】
【０００９】
薬液等の流量制御においては、制御流体への影響を無くすためにテフロン（登録商標）等の比較的堅牢なダイアフラムを使用せざるを得ず、このようなダイアフラムは、堅牢であるが故に大きな作動力が必要である。更に、ダイアフラム弁においては、ダイアフラムに大きな流体圧が直接かかるため、この流体圧に対向するためにも大きな作動力が必要である。本発明の制御弁においては、力増幅手段を導入することにより、比較的小さな力を増幅して使用することができ、従来の簡単な構造を生かしつつ高出力のダイアフラム弁が実現された。従って、構造が簡単であることによりコストが低く、ギヤのバックラッシュ等が無くて微妙な制御が可能であり、応答速度も速く、制御回路も比較的簡単である。
【００１０】
例えば、テフロン（登録商標）ダイアフラムの外径が１３ｍｍの場合には、流体の内圧は３ｋｇ/ｃｍ2Ｇで３０Ｎ以上の力が必要であり且つ０．１乃至０．２ｍｍ以上のストロークが必要になる。また、テフロン（登録商標）ダイアフラムは、時間経過によるクリープ変形があるため、それをカバーするためには０．５ｍｍ程度の動作範囲が望ましい。小型のソレノイドの場合、プランジャーが磁極に吸着される時ならば数Ｗの入力で３０Ｎの力を得ることができるが、プランジャーが磁極から離れると力は急激に低下する。従って、０．３ｍｍのストロークで３０Ｎの力を得るためには、大型のソレノイドと数十Ｗの入力が必要とされ、実用的でない。
【００１１】
しかしながら、図１に示すように、本発明の弁においては、例えば、８Ｗの入力、１ｍｍストローク、２０Ｎ弱の力のソレノイドと、４倍の増幅手段とを使用した場合に、０．２５ｍｍのストロークで８０Ｎの力、０．５ｍｍのストロークで６０Ｎの力を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図２は、ソレノイド通電時に弁が開となる本発明の流体制御弁の実施形態の全体構成を示したものである。
図２の制御弁においては、ベース１はテフロン（登録商標）によって作られている。ベース１には、流体を流すための流体入口２と流体出口３と、流体入口２から流体出口３に至る流体流路とが設けられている。同流体流路の途中にオリフィスが設けられ、同オリフィスには弁座５が設けられている。弁座５を塞ぐように、テフロン（登録商標）製のダイアフラム４が配置されている。ダイアフラム４は、弁頭の役目を果たし、弁座５との間に流体流量制御弁を形成している。すなわち、ダイアフラム４が制御された量だけ変位せしめられて弁座５との間に変位量に応じた流体流路が形成され、同通路内を制御された流量の液体が通過する。
【００１３】
ダイアフラム４上には、油圧による力の増幅手段が設けられている。力増幅手段は、主として、直径の異なる第１のシリンダ部及び第２のシリンダ部を含んでいるシリンダ６と、同２つのシリンダ内に各々摺動可能に嵌入されている第１のアクチュエータ部材７及び第２のアクチュエータ部材８と、これらのアクチュエータ部材間に充填されたオイル９とにより構成されている。図３に詳細に図示されているように、第１のアクチュエータ部材７が、シリンダ６の直径が大きい方の第１のシリンダ部内に嵌入される。次いで、オイル９が充填され、その後、第２のアクチュエータ部材８が、シリンダ６の直径の小さい方の第２のシリンダ部内に嵌入される。第１のアクチュエータ部材の長手方向の寸法は、アクチュエータの全動作範囲内で、シリンダ６内に充填されたオイル９が直径の大きい第１のシリンダ部と直径の小さい第２のシリンダ部とにまたがるような寸法とされている。第１のアクチュエータ部材７の長手方向中間部分及び第２のアクチュエータ部材８の長手方向中間部分には、各々、オイルが漏れないようにオイルシール１０，１１が取り付けられている。シリンダ６はシリンダハウジング１２に囲繞され、シリンダハウジング１２はベース１に固定されている。
【００１４】
第２のアクチュエータ部材８の上方には、プランジャの一部である当接部材１３が第２のアクチュエータ部材８に当接するように設けられている。当接部材１３は、板ばね１４を介してプランジャ本体１５に固定されており、プランジャ本体１５及び当接部材１３は、一体として、板ばね１４の付勢力によって常に第１のアクチュエータ部材８を下方へ押圧している。板ばね１４は、ばね押さえ１６によって固定されている。図４は、板ばね１４及びばね押さえ１６の平面図である。
【００１５】
プランジャ本体１５は、ソレノイドコイル１７内に長手方向に移動可能に挿入されている。ソレノイドコイル１７が電気的に付勢されて電磁力が発生すると、プランジャ本体１５は、電磁力によって、当接部材１３と共に板ばね１４の付勢力に打ち勝って吸引される。ソレノイドコイル１７は、ソレノイドケース１８内に嵌入固定されている。ソレノイドケース１８の上端には、ソレノイドキャップ１９がネジ止めされている。ソレノイドキャップ１９の中心には穴が形成されており、同穴に心棒２０が摺動自在に嵌挿されている。心棒２０は、図５に示すように、中心に段付きの縮径先端部分２１を有している。縮径先端部分２１は、プランジャ本体１５の上端に設けられた相補形の穴内に長手方向に圧入固定されている。ソレノイドキャップ１９の上部には、図４に示したものと同じ板ばね１４が、同ばね押さえ１６によって固定されている。心棒２０は、ソレノイドキャップ１９の上部で板ばね１４の中心に固定ネジ２４によって固定されている。心棒２０がソレノイドキャップ１９及びプランジャ本体１５を貫通して延びていることにより、プランジャ本体１５の中心合わせがなされ、プランジャ本体１５が軸線方向に動く際の芯振れが抑制され、プランジャ本体１５の円滑な動作が確保される。
【００１６】
次に、このような構成を有する制御弁の動作を説明する。図２の制御弁は、ソレノイドコイルに無通電の状態では、板ばね１４の付勢力によってプランジャ本体の当接部材１３が第２のアクチュエータ部材８を押圧し、同押圧力は、オイル９及び第１のアクチュエータ部材７を介してダイアフラム４にかかっている。従って、無通電状態では、ダイアフラム４は弁座５に押し付けられて流体流路は閉じられ、所謂ノーマルクローズの弁を形成している。ソレノイドコイル１７が通電されると、それによって発生した電磁力によって、プランジャ本体１５及び当接部材１３が板ばね１４の付勢力に打ち勝って上方に吸引されて弁が開かれる。このようにして、供給電力に応じた開度で弁が開かれ、弁を通る流体の流量が制御できる。
【００１７】
次に、本発明の制御弁における力増幅手段の原理を説明する。上記したように、シリンダ６は、直径が大きい第１のシリンダ部分と、直径が比較的小さい第２のシリンダ部分とから構成され、この２つのシリンダ部分にまたがるようにオイル９が充填されている。オイル内の油圧は一定であるので、直径が小さい第２のシリンダ部分にかけられた力は、オイルの油圧によって直径が大きい第１のシリンダ部分の大きい面積に亘って均一に分配され、シリンダの断面積比だけ増幅される。一方、ストロークは、力の増幅率に逆比例して小さくなる。従って、プランジャの駆動力は、力増幅手段によって増幅されてダイアフラムに伝達されて弁の開度が調整される。
【００１８】
図６は、力の増幅手段として、内部をシリコンオイル９’で封止したベローズ２２を用いた実施形態を示している。この場合には、シリンダを用いるものに比べて応答性が改善される。
【００１９】
図７は、第1のアクチュエータ部材と第2のアクチュエータ部材の動作方向を反転させて、プランジャ本体１５が上方に移動せしめられたときに弁を閉とするようになされた実施形態を示している。図７に示すように、第２のアクチュエータ部材８’は、第１のアクチュエータ部材７’内に嵌挿されるような構造となっている。図２に示した実施形態と同様に、第１のアクチュエータ部材７’及び第２のアクチュエータ部材８’には、オイルの漏れを防止するために、各々、オイルシール１１’及び１０’，１０”が取り付けられている。図２の場合と同様に、第１のアクチュエータ部材７’と第２のアクチュエータ部材８’との間には、オイル９が充填されている。第1のアクチュエータ部材７’には、オイルがシリンダ６’側へ移動するための穴７”が設けられている。このような構造とされた第１のアクチュエータ部材７’及び第２のアクチュエータ部材８’は、シリンダ６’内に挿入され、第１のアクチュエータ部材７’の上面にコイルばね２３が配置される。更に、第１のアクチュエータ部材７’及び第２のアクチュエータ部材８’並びにコイルばね２３が挿入されたシリンダ６’がシリンダハウジング１２’に組み付けられる。このように組立てられた組立体は、図２と同様にしてベース１に固定される。他の構成は図２と同様である。ソレノイドコイル１７が電気的に付勢されたときにプランジャ本体１５は板ばね１４の付勢力に打ち勝って吸引される。ソレノイドコイル１７が電気的に付勢されてプランジャ本体１５が上方に吸引されると、第２のアクチュエータ部材８’が上方に移動し、オイル充填部の面積比によって増幅された量だけ第１のアクチュエータ部材７’にかかる力が弱くなる。増幅された量だけ付与される力が弱まった第１のアクチュエータ部材７’は、コイルばね２２の付勢力により下方に移動せしめられ、ダイアフラム４が変位せしめられて制御弁が閉じられる。
【産業上の利用可能性】
【００２０】
本発明は、上記したように、薬液や高純度の液体の流量制御用として特に有用であるけれども、当然のことながら、他の流体の流量制御用としても適宜利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の制御弁における増幅手段によるアクチュエータの力の増幅を示すグラフである。
【図２】本発明の制御弁の一実施形態の全体構成を示す断面図である。
【図３】本発明の制御弁における増幅手段の一実施形態を示す断面図である。
【図４】本発明の制御弁における板ばね及びばね押さえの平面図である。
【図５】本発明の制御弁におけるプランジャ部材及び心棒を示す断面図である。
【図６】本発明の制御弁における増幅手段の別の実施形態を示す断面図である。
【図７】本発明の制御弁における増幅手段の更に別の実施形態を示す断面図である。
【符号の説明】
【００２２】
１  ベース、    ２  流体入口、
３  流体出口、    ４  ダイアフラム、
５  弁座、    ６  シリンダ、    ６’  シリンダ、
７  第１のアクチュエータ部材、    ７’  第１のアクチュエータ部材
８  第２のアクチュエータ部材、    ８’  第２のアクチュエータ部材
９  オイル、    ９’  シリコンオイル、
１０、１１  オイルシール、    １０’、１０”、１１’  オイルシール、
１２  シリンダハウジング、    １２’  シリンダハウジング、
１３  当接部材、    １４  板ばね、    １５  プランジャ本体、
１６  ばね押さえ、    １７  ソレノイドコイル、
１８  ソレノイドケース、    １９  ソレノイドキャップ、
２０  心棒、    ２１  段付きの縮径先端部分、
２２  ベローズ、    ２３  コイルばね、
２４  固定ネジ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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