(57)【要約】【課題】長期にわたる使用が可能で、しかも構造が単純な流量制御装置を提供する。【解決手段】本発明に係る流量制御装置１Ａは、管路２の一部を構成する主管路３と、入口端２ａ側において主管路３に隣接した、主管路３よりも内径が小さい絞り管路４と、主管路３と絞り管路４との境界８に接するように、主管路３内に配置された磁性流体５と、出口端２ｂの圧力よりも高い圧力で入口端２ａから管路２内に非磁性流体を送り込む流体供給源７と、管路２内に磁場を生じさせる磁場印加部６Ａと、磁場印加部６Ａを制御することにより、境界８における磁場の磁束密度を変化させる制御部１０Ａとを備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
管路内を入口端から出口端に向かって通流する非磁性流体の量を制御する流量制御装置であって、
前記管路の一部を構成する主管路と、
前記入口端側において前記主管路に隣接した前記管路の別の一部を構成する、前記主管路よりも内径が小さい絞り管路と、
前記主管路と前記絞り管路との境界に接するように、前記主管路内に配置された磁性流体と、
前記出口端の圧力よりも高い圧力で前記入口端から前記管路内に前記非磁性流体を送り込む流体供給源と、
前記管路内に磁場を生じさせる磁場印加部と、
前記磁場印加部を制御することにより、前記境界における前記磁場の磁束密度を変化させる制御部と、
を備えたことを特徴とする流量制御装置。
【請求項２】
前記磁場印加部は、前記管路の周囲に配置されたソレノイドコイルであり、
前記制御部は、前記ソレノイドコイルに接続された可変電流源を含み、前記ソレノイドコイルに流れる電流を変化させることにより前記磁束密度を変化させることを特徴とする請求項１に記載の流量制御装置。
【請求項３】
前記磁場印加部は、前記管路の周囲に配置されたソレノイドコイルであり、
前記制御部は、前記ソレノイドコイルに接続された定電流源と、前記非磁性流体の通流方向に沿って前記ソレノイドコイルを移動させ得るコイル位置制御部とを含み、前記ソレノイドコイルと前記境界との位置関係を変化させることにより前記磁束密度を変化させることを特徴とする請求項１に記載の流量制御装置。
【請求項４】
前記磁場印加部は、前記管路の周囲に配置された永久磁石であり、
前記制御部は、前記非磁性流体の通流方向に沿って前記永久磁石を移動させ得る磁石位置制御部を含み、前記永久磁石と前記境界との位置関係を変化させることにより前記磁束密度を変化させることを特徴とする請求項１に記載の流量制御装置。
【請求項５】
前記出口端における前記非磁性流体の流量を計測する流量計測部をさらに備え、
前記制御部は、前記流量計測部によって計測された流量が予め定められた目標流量となるように前記磁場印加部をフィードバック制御することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の流量制御装置。
【請求項６】
前記非磁性流体は、前記磁性流体と混ざり合わない気体または液体であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の流量制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流路内における流体の流量を制御するための流量制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１０に、従来から使用されている一般的な流量制御装置（マスフローコントローラ）の概略構成を示す。同図に示すように、流量制御装置１００は、流路１０１と、流路１０１の途中に移動可能に設けられた弁１０２と、弁１０２を移動させる電磁式のアクチュエータ１０３と、アクチュエータ１０３を駆動する駆動部１０４と、入力された目標流量に基づいて駆動部１０４を制御する制御部１０７とを備える。また、流量制御装置１００は、流量制御の精度を上げるために、弁１０２よりも上流側において流路１０１から分岐したバイパス流路１０５と、バイパス流路１０５内の温度分布に基づいて流量を計測する流量計測部１０６とをさらに備える。制御部１０７は、流量計測部１０６によって計測された実際の流量と目標流量との間にズレがある場合、駆動部１０４およびアクチュエータ１０３を介して弁１０２の位置を微調整し、上記ズレをゼロに近づける。
【０００３】
流量制御装置１００の構成および動作原理は、例えば、非特許文献１および非特許文献２に開示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】“マスフローコントローラーの原理と構造について”、［online］、エフコン株式会社、［平成２７年４月３０日検索］、インターネット＜URL：http://www.fcon-inc.jp/MFC/Principle/Principle.html＞
【非特許文献２】“マスフローコントローラとは”、［online］、株式会社堀場エステック、［平成２７年４月３０日検索］、インターネット＜URL：http://www.horiba.com/jp/horiba-stec/products/mass-flow-technology/what-is-a-mass-flow-controller/＞
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記従来の流量制御装置１００は、弁１０２の移動により機械的に流量を制御するため、弁１０２およびその周辺部が損耗して比較的早期に機械的寿命が訪れてしまうという問題があった。また、流量制御装置１００は、構造が複雑なので、小型化および製造コストの低減が困難であるという問題もあった。
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その課題とするところは、長期にわたる使用が可能で、しかも構造が単純な流量制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明に係る流量制御装置は、管路内を入口端から出口端に向かって通流する非磁性流体の量を制御する流量制御装置であって、前記管路の一部を構成する主管路と、前記入口端側において前記主管路に隣接した前記管路の別の一部を構成する、前記主管路よりも内径が小さい絞り管路と、前記主管路と前記絞り管路との境界に接するように、前記主管路内に配置された磁性流体と、前記出口端の圧力よりも高い圧力で前記入口端から前記管路内に前記非磁性流体を送り込む流体供給源と、前記管路内に磁場を生じさせる磁場印加部と、前記磁場印加部を制御することにより、前記境界における前記磁場の磁束密度を変化させる制御部と、を備えたことを特徴とする。
【０００８】
上記磁場印加部は、例えば、前記管路の周囲に配置されたソレノイドコイルによって構成することができる。
この場合、上記制御部は、例えば、以下に示すいずれかの構成をとり得る。
（１）前記ソレノイドコイルに接続された可変電流源を含み、前記ソレノイドコイルに流れる電流を変化させることにより前記磁束密度を変化させる。
（２）前記ソレノイドコイルに接続された定電流源と、前記非磁性流体の通流方向に沿って前記ソレノイドコイルを移動させ得るコイル位置制御部とを含み、前記ソレノイドコイルと前記境界との位置関係を変化させることにより前記磁束密度を変化させる。
【０００９】
上記磁場印加部は、前記管路の周囲に配置された永久磁石によって構成することもできる。
この場合、上記制御部は、以下に示す構成をとり得る。
（３）前記非磁性流体の通流方向に沿って前記永久磁石を移動させ得る磁石位置制御部を含み、前記永久磁石と前記境界との位置関係を変化させることにより前記磁束密度を変化させる。
【００１０】
上記流量制御装置は、前記出口端における前記非磁性流体の流量を計測する流量計測部をさらに備え、前記制御部は、前記流量計測部によって計測された流量が予め定められた目標流量となるように前記磁場印加部をフィードバック制御することが好ましい。
【００１１】
なお、上記流量制御装置は、前記磁性流体と混ざり合わない任意の気体または液体の流量を制御することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、長期にわたる使用が可能で、しかも構造が単純な流量制御装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１実施例に係る流量制御装置の概略構成図である。
【図２】第１実施例に係る流量制御装置による流量制御の原理を示す図である。
【図３】第１実施例に係る流量制御装置において発生する磁場の分布を示すグラフである。
【図４】第１実施例に係る流量制御装置による流量制御の結果を示すグラフである。
【図５】第１実施例における、印加電流と磁束密度の関係を示すグラフである。
【図６】本発明の第２実施例に係る流量制御装置の概略構成図である。
【図７】第２実施例に係る流量制御装置による流量制御の原理を示す図である。
【図８】本発明の第３実施例に係る流量制御装置の概略構成図である。
【図９】本発明の変形例に係る流量制御装置の概略構成図である。
【図１０】従来の流量制御装置の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、添付図面を参照しつつ、本発明に係る流量制御装置の実施例および変形例について説明する。
【００１５】
［第１実施例］
図１に、本発明の第１実施例に係る流量制御装置１Ａを示す。同図に示すように、流量制御装置１Ａは、入口端２ａおよび出口端２ｂを有する管路２と、管路２内に配置された磁性流体５と、管路２内に制御対象となる非磁性流体を送り込む流体供給源７と、管路２内に磁場を生じさせるソレノイドコイル６Ａと、ソレノイドコイル６Ａを制御する制御部１０Ａとを備えている。
【００１６】
管路２は、円形の断面を有するアクリル製のパイプによって構成されている。管路２は、その一部分が内径φ３を有する主管路３となっている。また、管路２は、入口端２ａ側において主管路３に隣接した一部分が内径φ４（ただし、φ４＜φ３）を有する絞り管路４となっている。
【００１７】
本実施例では、主管路３よりも肉厚を厚くすることによって絞り管路４が形成されるとともに、主管路３および絞り管路４が縦方向に並んで配置されている。また、本実施例では、管路２の出口端２ｂは大気開放されているので、出口端２ｂにおける圧力ＰＯＵＴは大気圧（≒１００［ｋＰａ］）である。また、本実施例では、主管路３および絞り管路４以外の部分の管路２の内径がφ３となっているが、これは任意に変更可能である。
【００１８】
磁性流体５は、主管路３と絞り管路４との境界８に接するように、主管路３内に配置されている。本実施例では、磁性流体５として、株式会社フェローテック製のポリα−オレフィンベースの磁性流体“ＭＳＧＰ５０”を使用した。また、本実施例では、絞り管路４を通じて磁性流体５が流れ落ちるのを防ぐために、境界８に逆止弁を設けた。
【００１９】
流体供給源７は、管路２の入口端２ａに接続されている。流体供給源７は、出口端２ｂの圧力ＰＯＵＴよりも高い圧力で、入口端２ａから管路２内に非磁性流体を送り込む。すなわち、本発明では、入口端２ａの圧力ＰＩＮと出口端２ｂの圧力ＰＯＵＴとの間に、ＰＩＮ＞ＰＯＵＴの関係が成立していなければならない。本実施例では、流体供給源７によって、非磁性流体としての空気が管路２内に送り込まれる。
【００２０】
ソレノイドコイル６Ａは、本発明の「磁場印加部」に相当するものである。ソレノイドコイル６Ａは、管路２の周囲において複数回巻回された１本の導線によって構成されている。この導線に電流が流れると、当該電流に応じた磁場が管路２内に発生する。
【００２１】
ソレノイドコイル６Ａは、発生した磁場の磁束が境界８を通過するような位置に配置されている。本実施例では、ソレノイドコイル６Ａの上端が境界８よりもやや下方にくるように、ソレノイドコイル６Ａが配置されている。以下、本実施例の説明においては、ソレノイドコイル６Ａの上端の高さを高さ方向の基準位置（Ｚ＝０［ｍｍ］）とする。
【００２２】
制御部１０Ａは、定電圧源１１と、可変抵抗素子１２と、入力された目標流量に基づいて可変抵抗素子１２の抵抗値を制御する抵抗値制御部１３とを備えている。抵抗値制御部１３が可変抵抗素子１２の抵抗値を変化させると、それに応じてソレノイドコイル６Ａに向かって流れていく電流（以下、「印加電流Ｉ」という）が変化する。具体的には、抵抗値制御部１３が可変抵抗素子１２の抵抗値を減少させると印加電流Ｉは増加し、抵抗値制御部１３が可変抵抗素子１２の抵抗値を増加させると印加電流Ｉは減少する。このように、定電圧源１１、可変抵抗素子１２および抵抗値制御部１３は、可変電流源として機能する。
【００２３】
印加電流Ｉが０［Ａ］である場合、すなわち、ソレノイドコイル６Ａが磁場を発生させていない場合、流体供給源７から供給された空気は、入口端２ａの圧力ＰＩＮと出口端２ｂの圧力ＰＯＵＴとの差ΔＰに応じた大きさの気泡となって磁性流体５中を通過し、出口端２ｂに到達する（図２（Ａ）参照）。圧力差ΔＰを大きくすると、気泡が大きくなるとともに当該気泡の発生頻度が増加し、空気の流量Ｑは増加する。一方、圧力差ΔＰを小さくすると、気泡が小さくなるとともに当該気泡の発生頻度が減少し、流量Ｑは減少する。
【００２４】
圧力差ΔＰを図２（Ａ）における圧力差ΔＰと同一としつつ、印加電流ＩをＩ１（ただし、Ｉ１＞０［Ａ］）まで増加させると、ソレノイドコイル６Ａが生じさせた磁場によって境界８近傍における磁性流体５の磁気体積力が増加し、境界８近傍において磁性流体５の圧力が高まる。言い換えると、入口端２ａと出口端２ｂとの間に、出口端２ｂよりも圧力の高い領域が現れる。これにより、空気の流量Ｑは、入口端２ａの圧力ＰＩＮと出口端２ｂの圧力ＰＯＵＴとの差ΔＰではなく、入口端２ａの圧力ＰＩＮと磁性流体５の境界８近傍における圧力との差ΔＰ’（ただし、ΔＰ’＜ΔＰ）によって定まることとなる。すなわち、印加電流Ｉを増加させると、圧力差ΔＰが少なくなったかのような状態が作り出され（図２（Ｂ）参照）、その結果、流量Ｑは減少する。
【００２５】
圧力差ΔＰを図２（Ａ），（Ｂ）における圧力差ΔＰと同一としつつ、印加電流ＩをＩ２（ただし、Ｉ２＞Ｉ１）まで増加させると、ソレノイドコイル６Ａが生じさせた磁場によって境界８近傍における磁性流体５の磁気体積力がさらに増加し、圧力差ΔＰがさらに少なくなったかのような状態となる（図２（Ｃ）参照）。その結果、流量Ｑはさらに減少する。
【００２６】
このように、本実施例に係る流量制御装置１Ａによれば、圧力差ΔＰを一定に保ちつつ印加電流Ｉを増減させることにより、非磁性流体である空気の流量Ｑを制御することができる。特に、流量制御装置１Ａによれば、機械的な弁１０２（図１０参照）によって流量を制御する従来の流量制御装置が苦手とする広い範囲での非磁性流体の流量制御が可能となり、さらに、機械的なリークが起こり得ないため、高精度な流量制御が可能となる。
【００２７】
また、流量制御装置１Ａによれば、機械的な弁１０２が不要で、しかも構造が単純なので、長寿命化および低コスト化を図ることができる。また、流量制御装置１Ａによれば、磁性流体５を通過する際に非磁性流体に含まれる不純物が該磁性流体５によって捕えられるので、非磁性流体を高純度化することもできる。
【００２８】
次に、本実施例に係る流量制御装置１Ａを用いた実験の結果について説明する。なお、本実験では、流量制御装置１Ａの各部の寸法等を以下の通りとした。
・境界８の高さ：Ｚ＝２０［ｍｍ］
・磁性流体５の液面の高さ：Ｚ＝１５０［ｍｍ］（＝２０［ｍｍ］＋１３０［ｍｍ］）
・主管路３の内径φ３：１０［ｍｍ］
・絞り管路４の内径φ４：１．０［ｍｍ］
・ソレノイドコイル６Ａの材質：ポリアミドイミド銅線
・ソレノイドコイル６Ａの巻回数：５８５６巻
【００２９】
まず、高さＺおよび印加電流Ｉを変えながら、ガウスメータによって管路２内の磁束密度Ｂを計測し、図３に示すグラフを得た。このグラフは、高さＺを大きくするにつれて磁束密度Ｂが小さくなること、および印加電流Ｉを大きくするにつれて磁束密度Ｂが大きくなることを示している。上記の通り、境界８の高さはＺ＝２０［ｍｍ］である。図３によれば、印加電流Ｉを０．２［Ａ］〜１．４［Ａ］の範囲で変化させることにより、境界８における磁束密度Ｂを２．６１［ｍＴ］〜１８．１６［ｍＴ］の範囲で変化させることができることが分かる。
【００３０】
続いて、印加電流Ｉおよび圧力差ΔＰを変えながら、出口端２ｂ近傍における空気の流量Ｑを計測し、図４に示すグラフを得た。このグラフは、どの圧力条件においても、印加電流Ｉを増加させるにつれて流量Ｑが減少し、印加電流Ｉを減少させるにつれて流量Ｑが増加することを示している。また、このグラフは、印加電流Ｉを増減させるだけで、流量Ｑを広範囲にわたって制御できることを示している。
【００３１】
なお、印加電流Ｉと境界８における磁束密度Ｂとの間には、図５に示す通り、比例関係がある。したがって、図４のグラフは、境界８における磁束密度Ｂを増減させるだけで、流量Ｑを広範囲にわたって制御できることを示しているとも言える。
【００３２】
［第２実施例］
図６に、本発明の第２実施例に係る流量制御装置１Ｂを示す。同図に示すように、流量制御装置１Ｂは、管路２内に磁場を生じさせるソレノイドコイル６Ｂを備えている点、およびソレノイドコイル６Ｂを制御する制御部１０Ｂを備えている点において流量制御装置１Ａと相違しているが、その他の点については流量制御装置１Ａと同一の構成を有している。
【００３３】
ソレノイドコイル６Ｂは、ソレノイドコイル６Ａと同様、管路２の周囲において複数回巻回された１本の導線によって構成されている。この導線に電流が流れると、当該電流に応じた磁場が管路２内に発生する。
【００３４】
ソレノイドコイル６Ｂは、不図示のスライド機構を有し、当該スライド機構によって上下に移動することができる。以下、本実施例の説明においては、図６に示す位置にあるときのソレノイドコイル６Ｂの上端の高さ方向の位置をＺ＝０［ｍｍ］とする。
【００３５】
制御部１０Ｂは、定電圧源１１と、抵抗素子１４と、入力された目標流量に基づいてソレノイドコイル６Ｂの位置を制御するコイル位置制御部１５とを備えている。定電圧源１１および抵抗素子１４は、ソレノイドコイル６Ｂに一定の印加電流Ｉを印加する、定電流源として機能する。
【００３６】
ソレノイドコイル６Ｂの上端の位置がＺ＝−Ｚ１［ｍｍ］である場合（図７（Ａ）参照）、すなわち、Ｚ＝±０［ｍｍ］である場合（図７（Ｂ）参照）よりもソレノイドコイル６Ｂの高さ方向の中心が境界８から遠ざかると、境界８における磁束密度Ｂは、図７（Ｂ）における磁束密度Ｂよりも減少する。その結果、境界８近傍における磁性流体５の磁気体積力が減少し、圧力差ΔＰが大きくなったかのような状態となり、流量Ｑは増加する。
【００３７】
ソレノイドコイル６Ｂの上端の位置がＺ＝＋Ｚ１［ｍｍ］である場合（図７（Ｃ）参照）、すなわち、Ｚ＝±０［ｍｍ］である場合よりもソレノイドコイル６Ｂの高さ方向の中心が境界８に接近すると、境界８における磁束密度Ｂは、図７（Ｂ）における磁束密度Ｂよりも増加する。その結果、境界８近傍における磁性流体５の磁気体積力が増加し、圧力差ΔＰが小さくなったかのような状態となり、流量Ｑは減少する。
【００３８】
このように、本実施例に係る流量制御装置１Ｂによれば、圧力差ΔＰおよび印加電流Ｉを一定に保ちつつソレノイドコイル６Ｂの位置を変化させることにより、非磁性流体である空気の流量Ｑを制御することができる。もちろん、流量制御装置１Ｂによれば、流量制御装置１Ａと同様、長寿命化、低コスト化、および非磁性流体の高純度化を図ることもできる。
【００３９】
［第３実施例］
図８に、本発明の第３実施例に係る流量制御装置１Ｃを示す。同図に示すように、流量制御装置１Ｃは、出口端２ｂにおける流量Ｑを計測する流量計測部１７と、ソレノイドコイル６Ａを制御する制御部１０Ｃを備えている点において流量制御装置１Ａと相違しているが、その他の点については流量制御装置１Ａと同一の構成を有している。
【００４０】
制御部１０Ｃは、定電圧源１１と、可変抵抗素子１２と、入力された目標流量および流量計測部１７によって計測された実際の流量Ｑに基づいて可変抵抗素子１２の抵抗値を制御する抵抗値制御部１６とを備えている。第１実施例と同様、定電圧源１１、可変抵抗素子１２および抵抗値制御部１６は、可変電流源として機能する。
【００４１】
目標流量のみに基づいて可変抵抗素子１２の抵抗値を制御する場合は、温度等の影響で、実際の流量Ｑと目標流量との間にズレが生じる場合がある。しかしながら、本実施例に係る流量制御装置１Ｃによれば、流量計測部１７によって計測された実際の流量Ｑに基づいてこのズレを修正することができるので、より高精度に非磁性流体である空気の流量Ｑを制御することができる。
【００４２】
［変形例］
以上、本発明の第１〜第３実施例について説明してきたが、本発明はこれらの構成に限定されるものではない。
【００４３】
例えば、各実施例の絞り管路４は、図９に示すように、管路２内に固定されたオリフィス１８によって形成されていてもよい。
【００４４】
また、第２実施例の制御部１０Ｂは、入力された目標流量および流量計測部によって計測された実際の流量Ｑに基づいてソレノイドコイル６Ｂの位置を制御してもよい。
【００４５】
また、第２実施例では、ソレノイドコイル６Ｂの代わりに円筒形の永久磁石を用いてもよい。この場合は、定電圧源１１および抵抗素子１４からなる定電流源が不要となるため、装置構成が単純化され、さらに低コスト化を図ることができる。
【００４６】
また、磁性流体５としての“ＭＳＧＰ５０”、および非磁性流体としての空気は単なる一例であり、適宜変更することができる。ただし、本発明では、非磁性流体が磁性流体５中を通過する際に、両者が混ざり合わないことが必要である。このような非磁性流体と磁性流体５との組み合わせとしては、ＭＳＧＰ５０と有機系以外の気体（例えば、空気、酸素、窒素、二酸化炭素、アルゴン）との組み合わせ、タイホーコーザイ製の水ベースの磁性流体“Ｗ−４０”と有機系の気体との組み合わせ等がある。
【００４７】
また、主管路３および絞り管路４の隣接方向は縦方向に限定されない。
【００４８】
また、非磁性流体の温度は、磁性流体５を沸騰および凝固させない限りにおいて、特に限定されない。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明は、医療分野における各種医療用ガス（酸素等）の流量制御、半導体製造および液晶パネル製造等のエレクトロニクス分野にける各種ガス（窒素、アルゴン等）の流量制御等に適用することができる。また、本発明は、機械的なリークが起こり得ないことから、宇宙空間における各種気体・液体の流量制御にも適している。
【符号の説明】
【００５０】
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ    流量制御装置
２    管路
２ａ    入口端
２ｂ    出口端
３    主管路
４    絞り管路
５    磁性流体
６Ａ，６Ｂ    ソレノイドコイル（磁場印加部）
７    流体供給源
８    境界
１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ    制御部
１１    定電圧源
１２    可変抵抗素子
１３    抵抗値制御部
１４    抵抗素子
１５    コイル位置制御部
１６    印加電流調整部
１７    流量計測部
１８    オリフィス
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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