(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
円形の目盛が付された基板と、前記基板の目盛と概ね同じ半径の回転円板とを有し、
前記基板と回転円板は基板の円形の目盛が外周に配置されるように回転円板が重ねられてその中心点で回転可能に連結され、
前記基板の目盛りには、円周方向に流量の値が対数で付されると共に、圧力の値も対数で流量と同一方向に付され、
前記回転円板の外周に付された目盛りには流量調節弁のノブの回転数の値が付されるとともに、流体の粘性係数の値が対数で付され、
所定の流体の流量を決定するに際し、前記粘性係数の目盛りから流体に対応する値の目盛りを選択し、これと流体の圧力の目盛が一致するように回転円板を回転させ、このときの前記基板の所望とする流量の目盛の位置に対応する回転円板の流量調節弁のノブの回転数の値が、流量調節弁のノブの回転位置として直読できる流量調節弁のダイヤル位置決定用スケール。
【請求項２】
上記回転円板の回転数の目盛は、下記式（１）に従って設定され、かつバルブの理想特性からの誤差に対応して、目盛間隔が補正されている請求項１の流量調節弁のダイヤル位置決定用スケール。
Ｑ＝ρ×ΔＰ×Ｒ        式（１）
［Ｑ：流量［m3/ｓ］、ρ：流体の粘性抵抗[Pa・s]、ΔP：抵抗要素出入り口の差圧[Pa]、R：抵抗要素の抵抗］
【請求項３】
互いに軸方向に摺動可能に嵌合された摺動軸および摺動円筒面と、前記摺動軸を軸方向に移動させる移動機構とを有し、
前記摺動軸および摺動円筒面の少なくとも一方の摺動面にはその特定領域が流体通路となるテーパー溝が形成され、このテーパー溝は長さ方向に沿って流路抵抗が漸減または漸増する形状になっている流量調節弁に用いられる請求項１または２の流量調節弁のダイヤル位置決定用スケール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各種流体の流量調節に用いられる流量調節用弁を使用するに際し、流量調節用弁のバルブ開度を目標流量になるように設定するための目盛付き操作ノブに用いられるダイヤル位置決定用スケールに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来市販されているダイヤル目盛付きニードル弁は、操作用回転ノブの部分に、回転数を表示するためのダイヤルが付され、あるいは取り付けられている。使用者は、このダイヤルの位置と流量の関係を把握することにより、目標流量の設定を行うことができるようになっている。また、このダイヤルを用いることで、一度決めたニードル弁の弁開度は、同じ目盛の位置まで回すことにより、容易に再現が可能になるという利便性があった。
【０００３】
しかし、従来の目盛付き流量調節弁を使用する場合、流体の流量が層流域では絞り弁の出入口の差圧に比例するため、使用者は圧力の補正を行ってから目盛位置を求めなければならないという問題があった。また、流体の種類が異なると、粘性抵抗が異なってしまい同じデータが使えないという問題もある。このように、目盛付きであると無いとに関わらず、従来の流量調節弁には、流したい流量を流すために、操作用回転ノブをどのダイヤル位置まで回せばよいかを簡便に決定できる手段が殆ど無いというのが実状であった。
【非特許文献１】小林清志、飯田嘉宏共著，「新版  移動論」，第２２刷，株式会社朝倉書店，１９９７年１０月，ｐ．３０、ｐ．４８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、流量調節弁の開度を目標流量に設定する時に、使用者が、流体の粘性係数や、流量調節弁の出入り口の差圧を簡単に補正でき、簡便かつ容易に流量の設定が行えるようにするためのダイヤル位置決定用スケールを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
管路等の抵抗要素を通る粘性流体の流量は、レイノルズ数が臨界点より小さい層流領域では、下記の式（１）で計算することが出来る。
Ｑ＝ρ×ΔＰ×Ｒ        （１）
ここで、
Ｑ：流量［m3/ｓ］
ρ：流体の粘性抵抗[Pa・s]
ΔP：抵抗要素出入り口の差圧[Pa]
R：抵抗要素の抵抗
である。
【０００６】
この関係を計算尺のように容易に計算できるよう、スケールを構成すれば、使用者はガスの種類や流体出入り口の差圧が異なっても、容易に抵抗要素となる流量調節弁の操作回転ノブのダイヤル位置を設定するための目標値を知ることが可能である。つまり、本発明のスケールは、流量調節弁のノブのダイヤル位置を、正確かつ簡便に読取ることが出来るように構成している。従って、使用者は、流量をより正確に設定することが可能となる。
【０００７】
すなわち、上記目的は以下の本発明の構成により達成される。
（１）  円形の目盛が付された基板と、前記基板の目盛と概ね同じ半径の回転円板とを有し、
前記基板と回転円板は基板の円形の目盛が外周に配置されるように回転円板が重ねられてその中心点で回転可能に連結され、
前記基板の目盛りには、円周方向に流量の値が対数で付されると共に、圧力の値も対数で流量と同一方向に付され、
前記回転円板の外周に付された目盛りには流量調節弁のノブの回転数の値が付されるとともに、流体の粘性係数の値が対数で付され、
所定の流体の流量を決定するに際し、前記粘性係数の目盛りから流体に対応する値の目盛りを選択し、これと流体の圧力の目盛が一致するように回転円板を回転させ、このときの前記基板の所望とする流量の目盛の位置に対応する回転円板の流量調節弁のノブの回転数の値が、流量調節弁のノブの回転位置として直読できる流量調節弁のダイヤル位置決定用スケール。
（２）  上記回転円板の回転数の目盛は、下記式（１）に従って設定され、かつバルブの理想特性からの誤差に対応して、目盛間隔が補正されている上記（１）の流量調節弁のダイヤル位置決定用スケール。
Ｑ＝ρ×ΔＰ×Ｒ        式（１）
［Ｑ：流量［m3/ｓ］、ρ：流体の粘性抵抗[Pa・s]、ΔP：抵抗要素出入り口の差圧[Pa]、R：抵抗要素の抵抗］
（３）  互いに軸方向に摺動可能に嵌合された摺動軸および摺動円筒面と、前記摺動軸を軸方向に移動させる移動機構とを有し、
前記摺動軸および摺動円筒面の少なくとも一方の摺動面にはその特定領域が流体通路となるテーパー溝が形成され、このテーパー溝は長さ方向に沿って流路抵抗が漸減または漸増する形状になっている流量調節弁に用いられる上記（１）または（２）の流量調節弁のダイヤル位置決定用スケール。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、スケールの回転円板を動かすという簡単な操作で、極めて容易に目標の流量が設定できる。また、流体の種類が変わっても、差圧が変わっても容易に対応でき、適用範囲が広く、汎用性が高い。
【０００９】
さらに、同様の操作をソフトウエアで行わせることで、さらに容易に流量設定を行わせることができ、しかも、流量調整弁に合わせた補正や流体の種類、温度、圧力差等に関する設定もきめ細かく行わせることができ、さらに高精度の流量設定を行わせることができる。しかも、資源を浪費しないため環境にも貢献できるという利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の流量調節弁のダイヤル位置決定用スケールは、例えば図１に示すように矩形状の基板１の上に円形の回転板２を重ねその中心点で回転可能に連結している。そして上記基板１上の円周方向に流量の値３と圧力の値４を対数目盛で反時計方向に増加するように付している。この目盛りは、前記回転板より僅かに大きな半径を有するように形成され、回転円板を重ねたときに、その外周に目盛りが配置されるようになっている。また上記回転板２には、操作ノブのダイヤル位置の値を、流量とノブ回転数のデータをもとに流量に合致するような位置に目盛付けを施して反時計方向に増加するように付している。さらに、この回転円板２には、流体の種類の記号８が付属する流体の粘性抵抗の値５を対数目盛で反時計方向増加するように付している。
【００１１】
このような構成の流量調節弁のダイヤル位置決定用スケールを用いることで、操作ノブにダイヤル目盛の付いた流量調節弁を使用して目標値の流量を流そうとする場合、流す流体の粘性係数の値と、流した状態での調節弁の出入り口の差圧の値とを、スケールの基板と回転円板目盛り位置で特定し、この位置に回転円板の目盛を合わせ、目標流量の位置のダイヤルの回転位置を読み取り、その位置までダイヤルを回転操作するという簡単な操作で、容易に所望の流量のダイヤル位置が得られるようになる。
【００１２】
つまり、使用者は先ず流体の種類と温度によって決まる粘性抵抗の値５を、使用している圧力値の目盛４の位置に合わせ、次に、目標流量の位置を流量目盛り５から探し、その位置での操作ノブの回転数６を読み取り、流量調節弁のノブを回転操作して目盛をその位置に合わすことによって、目標の流量を流すことができる。
【００１３】
このため、流体の種類が、空気、N2 ガス、アルゴンガスなどと異なる場合でも、最初に粘性係数目盛５を圧力値４に合わせば、目標流量のノブのダイヤル位置を知ることができる。粘性係数の値は、冷媒に用いられるクロロフルオロカーボンガスや、多くの炭化水素ガスでも、専門書などに詳述されているので、非常に多くの種類のガスの流量設定を行うことが可能である。また、仕様頻度の高い流体の種類に関しては、予め目盛りに表示しておくことで、作業効率が格段に向上する。
【００１４】
本発明の流量調節弁のダイヤル位置決定用スケールは、紙、樹脂材料により形成されたフィルム、板状体、金属板など印刷、刻印が可能で所定の強度を有する種々の材料を用いることができる。また、基板においては矩形の他、円形、楕円形、長方形、任意の多角形、曲線を有する任意の形状など種々の形状とすることができる。基板の目盛りや回転板の目盛りは、印刷や刻印などで形成され、両者が重ならないように同心円状に対向するように形成配置されている。基板目盛りの流量と圧力の範囲の割合は特に限定されるものではないが、流量：圧力の円弧の範囲の比で８：２〜６：４程度である。また、回転円板のダイヤル位置と粘性の目盛りの範囲の比は、特に限定されるものではないがダイヤル位置：粘性の円弧の範囲の比で７：３〜９：１程度である。
【００１５】
本発明の流量調節弁のダイヤル位置決定用スケールに用いられている各種パラメータ、、流体流量値、流体圧力値、操作ノブのダイヤル位置の値、流体の粘性抵抗の値やその範囲は、特に限定されるものではなく、使用する流体や、流量調節弁の仕様、性能等に併せて最適なもにすればよい。各パラメータの目盛りの位置や範囲は、使用する流体の種類などから下記の関数などを用いて導き出してもよいし、実測した値を基に決めてもよい。また、使用する流体も前記のガスに限定されることなく他のガスや、水、薬液、有機溶媒などの液体等、任意の流体を用いることができる。
【００１６】
本発明では上記のようなスケールを用いることなく、ソフトウエアで同様な操作を行わせてもよい。具体的には、上記式（１）の各種パラメータを入力してこれを式（１）に従って計算させればよい。このとき、抵抗要素の抵抗Ｒが、操作ノブのダイヤル位置になるので、予め使用する流量調節弁の抵抗要素を、上記スケールで求めたのと同様の手法で流量とノブ回転数のデータをもとに、流量に対応するようなデータとして求めればよい。つまり、式（１）のＲとノブのダイヤル位置とを対応させるデータベース、テーブルを作成し、あとは式（１）に従ってパラメータを入力させて計算すればよい。
【００１７】
このようなソフトウエアを有するダイヤル位置決定装置としては、ウインドウズ等の一般的なＯＳが作動することのできるプロセッサーを備えたパソコン（ＰＣ）に上記のような計算プログラムを導入することで容易に実現できる。また、このようなプログラムは、ＦＤ、ＭＤ、ＨＤ等の通常用いられている磁気ディスクや、ＣＤ、ＤＶＤ等の光学ディスク、フラッシュメモリなどの半導体メモリ等、一般的な記録媒体に記憶させて頒布したり、販売したりして、容易に他のＰＣに移植することができる。さらに、インターネット、イーサーネット、無線通信等の通信手段により、頒布、販売してもよい。
【００１８】
さらに、メーカで流量調節弁を校正し、そのデータをソフトウエアに添付させることでより精度の高い流量設定を行わせることもできる。すなわち、流量調節弁を校正する際、例えば気体の場合は窒素ガス、液体の場合は純水で校正する。そして、校正データファイルとして、例えば“ｃｓｖファイル”等の特定データファイルを作成し、これを上記計算ソフトに添付したり、後から頒布して読み込ませるようにすればよい。このような“ｃｓｖファイル”はEXCELファイルからｃｓｖファイル出力メニューで容易に得ることができる。“ｃｓｖファイル”はASCIIファイルであるので人間が読むことができ、メンテナンスやチェックにも便利である。
【００１９】
次に、本発明のダイヤルゲージ、プログラムの応用例として、流体の粘性係数が未知の場合における１点校正による特定流量でのダイアル位置決定の手法について説明する。
【００２０】
粘性係数が未知の流体や、混合ガス等２種以上の混合物等において、粘性係数を計算で求める煩雑さを回避したい場合がある。このようなとき、ある圧力条件のもとで、あるダイヤル回転位置での流量を測定することによって、そのダイヤル位置に測定した流量を、回転円板を回し、一致させ、あるいはプログラムを動作させることで、「１点校正」することにより、ダイヤル位置決定スケールの回転位置を決定することが可能である。
【００２１】
圧力条件と粘性のどちらか、または両方とも未知の場合でも、あるダイヤル回転数の位置での流量が分かれば、差圧と流体の粘性係数が変化しない限り、それ以外のバルブのダイヤル位置での流量は比例関係にあり、一義的に決まるからである。このような「１点校正」の手法により、ある狭い範囲の流量計しか持ち合わせていない場合でも、その流量計の測定範囲以外の範囲の流量でも、使用した流量計と「同程度」の誤差で流量を設定することが可能となる。
【００２２】
同様に、プログラム方式の場合にも、予め、バルブ開度と流量の関係は記録媒体に記憶されているので、上記のような１点校正が可能で、使用者は、１点で正確に流量が測定できれば、あとはこのプログラムにより、希望の流量を流すための、ダイヤル回転位置を知ることが可能である。
【００２３】
次に、本発明を実施するうえで特に好ましい流量調節弁の構成について説明する。図７は本発明の流量調節弁の原理を示す一部断面図である。図７において、流体はハウジング３２１の流体入口３０１から入り、流体出口３０２から出てゆく。テーパー溝が形成されている摺動軸（以下「摺動軸」と呼ぶ）３３０は、ハウジング３２１の内周面に設けられた縮径部３２１ａの摺動円筒面によって一部が閉塞され、残部が露出されている。
【００２４】
摺動軸３３０の摺動部３３２の外周の摺動面は、ハウジング３２１の中央の縮径部３２１ａの摺動円筒面に密接した嵌合状態になっているため、入口３０１から流入した流体は、摺動軸３３０のテーパー溝３３３の中を通って、出口３０２から流出する。ガイド部３３１を介して摺動軸３３０を軸方向に動かすことによりテーパー溝３３３の三角溝の大きさが変化し、結果として流路抵抗が変化するので、流量を変化させることが可能になる。
【００２５】
図８は三角形断面を持ち溝の深さが幾何級数的に変化する流路の立体図である。図７の溝３３３は図８のように深さが幾何級数的に変化する正三角形の溝４０１が、円筒面に加工されたものである。流体は流体入口４０２から正三角形の溝内に流入し、流体出口４０３から流出する。図７の摺動軸３３０が軸方向に移動するにつれて、区間４０４が移動し、流路抵抗が変化する。
【００２６】
ハーゲン・ポアズイユ(Hagen-Poiseuille)の法則により、層流状態の円管内の流れでは流量は通常直径の４乗に比例して大きくなる。非円形流路の場合にも、その流路形状に応じた「水力学的相当直径」により、流量はその相当直径の４乗に比例することが知られている。（非特許文献１参照）従って、三角溝の深さが１０分の１になると、流量は１０のマイナス４乗すなわち１万分の１に小さくなる。三角形の溝の深さを指数関数的に減少させて軸の外周に成形することにより、指数関数的に流量を少なくすることが可能である。
【００２７】
例えば溝の深さが平均１．５mmの区間と溝の深さが平均で１０分の１の０．１５mmの区間での流量を考えると、深さが１０分の１になることから、流量は１００００の１になる。つまり、溝の深さが平均１．５mmの区間で流量が１L/minの条件の場合、溝の深さが０．１５mmの区間では、０．１mL/minということになる。正確には、指数関数になっている区間につき、三角形の流路の管路抵抗で積分計算を行って計算する必要がある。
【００２８】
この流量調節弁は、テーパー溝の一部の領域が流路を構成するように摺動軸および摺動円筒面の長さを決定する。つまり、摺動軸が摺動円筒面を摺動することで、摺動軸と摺動円筒面の密着している部分の領域が変化し、この部分にある特定領域のテーパー溝だけが流路となる。そして、この特定領域の溝部分が変化すると流体抵抗も変化するので流量が調節される。つまり溝の特定位置には特定の流体抵抗が対応するので、流路を構成する溝の位置を変えれば流体抵抗も変化する。
【００２９】
摺動軸と摺動円筒面が密着嵌合する領域は、図７のように一方が他方に対して短くなるようにして他方の一部分だけに密着・嵌合するようにしてもよいし、入れ子状に端部同士が密着・嵌合する状態から徐々に全体が密着・嵌合する状態に移行するような構造でもよい。ここで、”密着・嵌合”とは、円筒状ないし円柱状の摺動軸の外周面が円筒状のハウジング内周面である摺動円筒面に隙間なく密接して、テーパー溝以外に流体が存在できない領域をいう。従って、溝全体の流体抵抗を決定する部分は、摺動軸が摺動円筒面と密着・嵌合している領域から密着・嵌合していない部分に移行する開放端に相当する部分のうち、流体抵抗が大きい側である。摺動軸および摺動円筒面の大きさや長さも、形成する溝や流量調節弁の性能や、仕様、仕様環境、流体の種類などにより最適なものに調整すればよい。
【００３０】
テーパー溝の断面形状は、上記例に限らず何れの形状も選択することができる。つまり、上記式などに従い流体抵抗が漸増または漸減することが可能な形状であれば、四角形や三角形、あるいは半円形等、どのような形状でもよい。しかしながら、加工の容易性や流体抵抗を算出する作業の容易性を考慮すると、上記のような正三角形が最も好ましい。
【００３１】
テーパー溝の数は、１本でも複数本でもよいが、ごみの付着による目詰まりでの特性劣化の影響を防止するためには複数本設けることが好ましい。また、テーパー溝を長て方向にどの様な形状で形成するかも任意でよく、直線状でもスパイラル状でも、ジグザグや蛇行したような形態でもよい。主にコストや目詰まり防止の観点からは直線状が好ましく、調整範囲を広くとりたい場合にはスパイラル状が好ましい。
【００３２】
摺動軸および摺動円筒面の材質としては、特に限定されるものではなく、流量調節弁に通常使用されている材料を使用すればよい。また、求められる流量調節弁の性能や、仕様、仕様環境、流体の種類などにより最適なものにすればよい。耐薬品性や加工のし易さ、温度特性などの観点からは、フッ化エチレン樹脂、ナイロン樹脂等も好ましく、特にナイロン６６、三フッ化または四フッ化エチレン樹脂が好適に用いられる。また、本体ボディや操作軸などの構成材料は真鍮、ステンレス鋼等の金属で構成してもよい。
【００３３】
流量調節弁は、材料や溝構造の設定により、積極的な温度補正を行わせることができる。気体の粘度は温度上昇に伴って増加し、気体の流量抵抗が大となる。このため、温度上昇に伴って流体調節弁を流れる気体の流量が減少する。一方、温度上昇したときに、流体通路の長さを短尺化し気体の流量抵抗が小さくなるようにすれば、気体の流量を増加することができる。
【００３４】
また、液体の粘度は温度上昇に伴って減少し、液体の流量抵抗が小となる。このため、温度上昇に伴って流体調節弁を流れる液体の流量が増加する。一方、温度上昇したときに、液体通路の長さを長尺化し液体の流量抵抗が大きくなるようにすれば、液体の流量を減少することができる。
【００３５】
このように、気体と液体の粘度が温度変化に対して反対の性質を持っているが、逆向きの補正動作を適宜行わせることにより、温度変化があっても流量が変化しない流量調節弁を得ることが可能である。
【００３６】
すなわち、溝の形状を、温度変化により、溝の流体通路の区間（位置）が変化することによる流量変化量と流体の粘性抵抗が変化することによる流量変化量とが打ち消し合うように設定すればよい。溝の流体通路の長さが一定のままでも、抵抗要素になる区間（位置）を変化させれば、溝の深さが変化するので流量抵抗を変えることができる。このようにした場合には流量の温度依存性をなくす効果が得られる。
【００３７】
具体的には、テーパー溝の横断面形状を、長手方向に沿って深さが指数関数的に漸減する正三角形とした場合、摺動軸を移動させる操作軸を金属などで構成し、摺動円筒面を有するスリ−ブや本体ボディを構成する材料を樹脂材料で構成すると両者の間に熱膨張係数の差が生じる。例えば、真鍮とナイロン樹脂との熱膨張係数の差は７×１０-5／℃である。また、空気の粘性係数μは、摂氏０度から摂氏１００度に温度上昇すると、１．７３倍になる。上記式から、粘性係数が１．７３倍に増えると、流量は１．７３分の１に減少する。一方、摂氏０度から摂氏１００度に温度上昇すると、流体通路の部分での操作軸とハウジングの相対的な位置ずれ量が生じる。このとき、テーパー溝による流体通路は相対的に移動し、流路での流体抵抗は減少する。こうして、粘性係数の増加分を打ち消すような溝の形状を設定することで温度補償が行われる。
【００３８】
流量の温度補償は、ハウジングと操作軸の各熱膨張による長手方向の変位差を利用しているが、テーパー溝を設けた部分、すなわち摺動軸と、このテーパー溝の外面に接する摺動円筒面部分、すなわちハウジングとは同じ熱膨張係数の材料で構成することが好ましい。また、本体ボディの材料が異なる場合には補助スリーブを設けてもよい。こうすることによって、両者の隙間が径方向に広がって流量が大きく変化したり、同隙間が径方向に減少しすぎて操作軸が動かなくなること等を防止できる。
【００３９】
本発明のゲージやソフトウエア、装置を適用する上で、上記のような流量調節弁を用いることが好ましい。この流量調節弁はバルブの操作角度に対する流量の変化率が全域で一定になることを目標に設計された、いわゆる「イーコールパーセント特性」のバルブである。そして、完全にこの特性が実現されていれば、ノブの回転角度は常に一定間隔目盛でよいはずである。なお、実際にはこの理想特性とのズレを生じる場合があるが、ズレを補正するように、ゲージの操作ノブ回転目盛の間隔を補正したり、校正データをソフトウエアに読み込ませて補正することで高い精度を確保することができる。
【００４０】
本発明は、上記構成の流量調節弁に好ましく適用することができるが、これに限定されるものではなく、通常用いられている流量調節弁に応用することも可能である。また、流量調節弁の操作ノブに、回転数と１回転以内の位置とを表示可能なアナログ、あるいはデジタルのダイヤルゲージを取り付けてもよい。
【実施例１】
【００４１】
以下本発明の実施例について図面を参照しつつ詳細に説明する。図１は本発明のダイヤル位置決定用スケールの一実施例を示示す平面図である。図に示される、ダイヤル位置決定用スケールは、矩形な紙や樹脂等で形成された基板１と、円形の紙や樹脂等で形成された回転円板２を有する。この基板１と回転円板２はその中心点位置の穴にカシメ軸，ハトメ軸等の支軸７を挿通することにより回転可能に連結されている。なお、図示例では基板の外形についての記載を省略している。
【００４２】
この実施例では、空気、N2 ガス、アルゴンガスなど、ガスの流量を、圧力１０ｋPa前後の５〜２０ｋPaの範囲で調節できるようにしたダイヤル位置決定用スケールについて説明する。また、この実施例では、調節可能流量範囲が０．１mL/min以下〜１０L/min以上の１０の５乗倍以上の非常に広い流量範囲を調節できる流量調節弁についての例を示しているが、より調節範囲の狭い調節弁の場合でも、本発明を適用することは可能である。
【００４３】
前記基板１には、円形の目盛りが形成されている。この円形の目盛りは、円周の外周側に反時計方向にそれぞれ対数で、設定目標流量値３と、流量調節弁の入り口と出口の差圧の値４とが記載されている。
【００４４】
前記回転円板２には、粘性抵抗５が対数目盛で記載されており、また、流量調節弁のノブの回転数を示すダイヤル目盛の値６が記載されている。この回転円板の回転数の目盛は、バルブの理想特性からの誤差を補正するため、目盛間隔を補正するように設定することができるようになっている。
【００４５】
この実施例の流量調節バルブは、好ましくはバルブの操作角度に対する流量の変化率が全域で一定になることを目標に設計された、いわゆる「イーコールパーセント特性」のバルブを用いる。このようなバルブは、完全にこの特性が実現されていれば、ノブの回転角度は常に一定間隔目盛でよいはずであるが、実際にはこの理想特性とのズレを生じるため、ズレを補正するように、この操作ノブ回転目盛の間隔を補正している。
【００４６】
次に、本発明によるダイヤル位置決定用スケールを用いて、使用者が実際に操作する実例を示す。一例として、アルゴンガスを１００mL流したい場合を想定して説明する。この場合、アルゴンガスのボンベ出口のレギュレータを０．３MPa程度に設定し、次に流量設定弁の入り口前に取り付けたレギュレータの圧力を、１０kPaに設定する。そして、回転スケールの下側にある、粘性係数のスケール８のアルゴンガス（Ａｒ）の位置が、その外側の基板にある圧力目盛４の１０kPa（図１に矢印で示す）の位置に一致するように、回転円板を回転する。
【００４７】
次いで、基板１の流量のスケール３において、目標流量である１００mL/minの目盛り位置を探し、その目盛り位置での内側にある回転円板のダイヤル回転位置目盛６の回転数の数値を読み取る。いま、図１において、前記目標流量１００mL/minの目盛り位置は、時計位置で午前１０時付近の短針の位置にあり、その内側にあるダイヤルの回転数の目盛６を読み取ると、１５回転と１６回転の中間になる。そこで、このダイヤル目盛りの中間にある、０．２回転刻みの補助目盛から小数点以下の回転数を読み取ると、このときのノブのダイヤル位置は約１５．５回転と読取れる。
【００４８】
そこで、流量調節弁に取り付けられているダイヤルノブを回して、このダイヤル位置に合わせることにより、アルゴンガスを１００mL/min流すことが可能になる。
【００４９】
この実施例では、回転方向は、反時計周りに大きくなるようにしているが、これを時計回りとし、それに従って他の目盛を反対方向にしたものでもよい。また、スケールの位置関係で圧力目盛４を回転円板側にし、粘性抵抗の目盛５を基板側にしてもよい。また基板の形状は本明細書では矩形としているが、円形や任意の形状など用途、材質、機能などにより形状はいかなるものであってもかまわない。
【実施例２】
【００５０】
実施例１で作成したスケールに倣い、式（１）の計算に基づきダイヤル回転位置目盛を導き出すソフトウエアを作成した。ソフトウエアは、Ｃ言語、ビジュアルベーシック等一般に用いられているものとし、ここではＣ言語を用いた。操作画面や処理の流れも通常この種のソフトで行われている手法に倣って作成した。
【００５１】
次に、希望流量に対するダイアル位置の算出手順について説明する。図３は希望流量に対するダイアル位置の算出手順を示すフローチャートである。
【００５２】
まず、バルブの使用環境のデータを入力する。通常、バルブ使用環境としては、流体種類、温度および圧力を指定する。なお、流体種類と温度から粘性係数が定まるので、この実施例ではバルブ環境環境の設定を粘性係数（Ｍ２）と圧力（Ｐ２）の２つのパラメータを入力することにより行った（Ｓ１）。
【００５３】
次に、校正データベースから校正データを読み込み（Ａ）、ハーゲンポアズイユの式から実際のバルブ使用環境でのダイアル位置（Ｄ）に対する流量（Ｑ２）のデータを作成した。実際の算出方法としては、以下の演算を行った。
Ｑ２＝（Ｐ２／Ｐ１）（Ｍ１／Ｍ２）Ｑ１
得られたデータから使用データベースを作成した（Ｓ２）。
【００５４】
得られた使用データベースを流量を対数化した対数化流量（log（Ｑ２））のデータベースに変換した。
Ｄ−＞log（Ｑ２）
これは、実際のダイヤル位置（Ｄ）と流量との関係が対数化した数値に比例するからである（Ｓ３）。
【００５５】
次いで、希望する流量Ｑ sを入力すると、得られた対数化流量（log（Ｑ２））のデータベースから希望する流量（Ｑ s）に対応するダイアル位置（Ｄ s）が算出される。本発明で好ましく用いられる流量調節弁を使用する場合、流量の対数値がダイアル位置に比例するので、線形補完を使用することで流量（Ｑ s）に対応するダイアル位置（Ｄ s）が算出できる（Ｓ５）。
Ｄ s＜−Ｑ s
【００５６】
得られた流量（Ｑ s）に対応するダイアル位置（Ｄ s）データをディスプレイ画面に表示するかプリンタ、その他の出力装置に出力することで一連の作業が終了する（Ｓ６）。
【００５７】
次に、流量調節弁（以下バルブと略記する）のダイアル位置算出に先立ち行われるバルブ校正環境でのバルブの校正作業について説明する。図４は、このような校正作業の流れを示すフローチャートである。
【００５８】
通常、バルブ校正環境としては、流体種類、温度および圧力を指定する。なお、流体種類と温度から粘性係数が定まるので、この実施例ではバルブ校正環境の設定を粘性係数（Ｍ１）と圧力（Ｐ１）の２つのパラメータを入力することにより行った。バルブ校正環境の設定は、前記粘性係数（Ｍ１）と圧力（Ｐ１）に限定されるものではなく、流体種類や温度で規定してもよく、さらに他のパラメータを導入してもよい。設定されたバルブ校正環境におけるバルブの各ダイヤル位置（Ｄ）に対する流量（Ｑ１）を測定する（Ｓ１）。
【００５９】
流量を測定するダイアル位置やデータ数は任意であり、使用するバルブの精度や、要求されるデータの精度、使用する流体の種類、予想される変動幅などにより最適なデータを得られるようにすればよい。通常、少なくとも各ダイアル目盛り位置で測定してデータを取得すればよい。
【００６０】
得られた測定データを基に、各ダイアル位置（Ｄ）に対する流量（Ｑ１）のデータベースを作成した（Ｓ１２）。そして、作成したデータベースを所定の記憶領域に格納した（Ｓ１３）。これにより校正データベースが準備された。
【００６１】
得られた計算ソフトをウインドウズが動作可能な汎用のＰＣにインストールし、このソフトを起動させて初期設定を行った。ソフトウエアの初期設定として、校正ファイルを入力した。この校正ファイルは、メーカでバルブを校正した際に作成したものである。校正は気体の場合は窒素ガス、液体の場合は純水で行われた。校正データファイルとして、“ｃｓｖファイル”が用いられた。
【００６２】
まず、プログラムを起動させると図５に示すような主画面が表示される。このとき、校正データは任意の値が入力されているので正規のデータを入力する必要がある。そこで、校正データ変更ボタンをクリックして校正データを読み込ませる。すると、校正データの”圧力”、”温度”、”粘性”に適正な数値が表示される。
【００６３】
また、初期設定として、左欄の定義ガス、未定義ガス、水、水以外、一点校正のいずれかを選択する。次いで、主画面から、メニュー選択、必要なパラメータの入力をして、最後に、希望する流量を指定して、計算ボタンをクリックするとバルブ位置が計算され、表示された。
【００６４】
このときの画面の状態を図６に示す。この画面の、Blackの欄の”８”は、２針式ダイヤルの黒い針の位置を指示し、Redの欄の数字”９．７”は、赤い針の位置を指示している。２針式ダイヤルは回転数と１回転以内の数を示し、黒が回転数、赤が１回転以内の位置を示すようになっている。また、前記Red欄の小数点以上の数字”９”はダイヤル一回転を２５としたときの割合、即ち９/２５を指示する。小数点以下の数字”７”はダイヤル（１/２５）回転を１０としたときの割合を示す。以上のようにして、極めて容易に所望の流量に対応したダイヤル目盛り位置が得られる。
【実施例３】
【００６５】
実施例１および２において、任意のダイヤル回転数の位置での流量を石鹸膜流量計を用いて正確に測定した。得られた流量におけるダイヤル位置から、粘性係数を割り出した。
【００６６】
得られた粘性係数を用いることで任意の流量におけるダイアル位置を決定することが可能になることがわかった。
【実施例４】
【００６７】
図８に示すような構成の流量調節弁を作成し、実施例１のゲージと実施例２のソフトウエアを導入したPCを用いてダイヤル位置を決定して評価を行った。
【００６８】
図８は、本発明に好ましく用いられる流量調節弁の一構成例を示す縦断面図である。この流量調節弁は、本体ボディ１０、スリーブ２０、摺動軸３０、移動機構４０、ノブ５０およびＯリング６１〜６５等から構成されている。
【００６９】
ノブ５０は流量調節弁の流量を調整する際に操作するもので、移動機構４０の操作軸４２に固定されている。移動機構４０は、ノブ５０により軸を回転させることにより摺動軸３０を軸方向に移動させる操作軸４２と、操作軸４２の回転が伝わらないように操作軸４２と摺動軸３０を連結する連結部４１とから構成される。操作軸４２は、そのネジ部４３を介して本体ボディ１０のネジ部１０ａと螺合される。
【００７０】
連結部４１は操作軸４２の回転トルクが摺動軸３０に伝わらないように操作軸４２とテーパー溝付摺動軸３０とを連結する構造であれば、図示例に限定されることなく他の周知な機械構造を用いてよい。
【００７１】
摺動軸３０は、図８に示されるガイド部３１、摺動部３２、テーパー溝３３及び保持部３４から構成される。ガイド部３１は上部の長ナット４１ｄのネジ穴を介して子ネジ４１ｃと接続され、外周部に２つのＯ−リング溝が設けられ、外周部が本体ボディ１０の内側の面に沿って軸方向に移動可能となっている。
【００７２】
上記２つのＯ−リング溝には摺動軸シール用Ｏ−リング６１，６２が取り付けられ、中央部の段付き部に締切り用Ｏ−リング６３が装着される。摺動部３２には、外周部に流体通路を形成する深さが長さ方向に沿って漸減又は漸増し、並行した複数本の溝からなるテーパー溝３３が形成されている。摺動部３２に続く、摺動軸３０の先端付近には締切用Ｏ−リング６４を取り付けるための保持部３４が設けられている。
【００７３】
スリーブ２０は、円筒形状の一端（上部）が開口し、他端（底部）が閉じた形状となっており、摺動軸３０と反対の方向、すなわち下方から本体ボディ１０の内側に取り付けられ、スリーブ円筒部２１の内周に形成された摺動円筒面２１ａが、摺動軸３０と互いに軸方向に摺動可能に嵌合される。
【００７４】
スリーブ２０の長手方向中央部の外径部分には、Ｏ−リング溝が設けられ、該Ｏ−リング溝内にＯ−リング６５が設けられて、本体ボディ１０の内周面でシールすることにより、流体が入口側から出口側へリークすることを防止する。スリーブ２０の中央部下方のスリーブ穴底部２３の段穴部分には、テーパー溝３３により形成される流体通路から流れてきた流体を本体ボディ１０の出口１４に導くために、外径から半径方向にスリーブ出口穴２４が設けられている。
【００７５】
ここで、テーパー溝３３により形成される流体通路とは、テーパー溝３３の全長のうち、スリーブ２０の先端側の摺動円筒面２１ａが摺動軸３０の摺動部３２と嵌合した部分（図７の縮径部３２１ａに相当）によりテーパー溝３３の開口面が閉塞されている部分をいう。
【００７６】
また、スリーブ円筒部２１の外周面と本体ボディ１０の内周面の間には、本体ボディ１０の入口１１から流入して入口底穴１２を経由した流体を、テーパー溝３３により形成される前記流体通路に導くための流路空間が形成されている。
【００７７】
次に、図８の流量調節弁の動作について説明する。本体ボディ１０の流体入口１１から流入した流体は、入口底穴１２及び、スリーブ円筒部２１の外周面と本体ボディ１０の内周面の間の流路空間を通り、３本の溝からなるテーパー溝３３により形成される流体通路の部分を通過し、スリーブ穴底部２３及びスリーブ出口穴２４を経由した後、流体出口１４から外部に流出する。ノブ５０を正転あるいは逆転することにより、摺動軸３０を本体ボディ１０に対して軸方向に往復移動させることにより、テーパー溝３３の大きさを変化させて、流量を調節する。
【００７８】
ノブ５０を持って操作軸４２を回転すると、操作軸４２と共に摺動軸３０が図面垂直方向である長手方向に移動し、テーパー溝３３を持つ摺動部３０の外面がスリーブ２０の摺動円筒面２１ａの縮径部に沿って摺動する。操作軸４２を回転したとき、摺動軸３０は追従して回転することなく、長手方向に移動するが、その動作の詳細を次に示す。
【００７９】
ノブ５０と摺動軸３０の間にはノブ５０の回転を摺動軸３０に伝達しないようにするための、連結部４１を介在させている。ノブ５０の回転操作を行うと、操作軸４２は操作軸ネジ部４３と本体ボディ１０のネジ部を介してネジ結合しているため、本体ボディ１０に対して前進・後退をし、これに伴い摺動軸３０を前進・後退させるが、操作軸４２の回転動作は、連結部４１でトルクが伝達されないので、Ｏ−リング６１，６２の摩擦抵抗などにより、摺動軸３０は回転せずに前進・後退を行う。
【００８０】
本実施例の流量調節バルブはバルブの操作角度に対する流量の変化率が全域で一定になることを目標に設計された、いわゆる「イーコールパーセント特性」のバルブであるが、完全にこの特性が実現されていれば、ノブの回転角度は常に一定間隔目盛でよいはずであるが、実際にはこの理想特性とのズレを生じるため、ズレを補正するように、ゲージの操作ノブ回転目盛の間隔を補正し、ソフトに校正データを読み込ませている。
【００８１】
その結果、ゲージを用いた場合も、ソフトウエアを導入したPCで計算した場合にも、極めて効率よく高精度で、所望の流量に対する操作ノブのダイヤル位置を決定できることがわかった。これは、空気、N2 ガス、およびアルゴンガスの気体を用いた場合でも、水、エタノール、およびガソリンの液体を用いた場合でも同様の効果が得られることがわかった。また、他の市販されている一般的な流量調節弁においても、直線性を有する可変範囲においては本発明が有効であることがわかった。
【００８２】
本明細書において、流量調節弁の入り口圧力を圧力と表しているが、正確には流量調節弁の入り口と出口の差圧である。しかし、出口圧力は多くの場合大気圧に近い場合が多く、近似的に単なる圧力として表している。この場合の圧力は、大気圧に対するゲージ圧の意味である。
【産業上の利用可能性】
【００８３】
本発明の流量調節弁のダイヤル位置決定用スケールは、気体、液体などの流体制御に用いられる流量調節弁に用いることで、高精度でしかも容易に所望の流量に対するダイヤル位置を決定することができる。このため、作業効率が向上し、流量調節弁の選定ミスも少なくなるので、流量調節弁を使用する広範な分野での応用が期待できる。
【００８４】
従来の多くの流量計の誤差は、フルスケールに対して±E％という形で規定されており、フルスケール付近では、±E％での測定が可能であるが、例えばフルスケールの１０％程度の小さな流量を測定しようとすると、誤差は読取り値の±１０×E%と、１０倍もの大きな誤差を見込まなければならなくなる。これに対して、本発明のダイヤル位置決定の方法では、全領域で予め、例えば「石鹸膜流量計」のような高精度な流量計により、ダイヤル位置と流量の関係を測定するため、全領域で、フルスケールに対する誤差ではなく、読み取り誤差で設定値の誤差を見込むことができる。
【００８５】
温度、圧力によって、粘性係数が変化することがあっても、上記の「１点校正」の手法を用いることにより、どんな流体でも、流れが粘性流である限り、広範囲な流量が設定可能である。１点校正した流量の精度に応じて見込まれる精度により、広範囲な流量の設定が可能となるのである。
【００８６】
数十年前から、「質量流量計」あるいは「マスフローメータ」と呼ばれる流量計が広く普及するようになっており、この流量計を使った、マスフローコントローラーが、半導体産業を始め、今日のハイテク産業を支える重要な技術になっている。マスフローメータも、他の原理の流量計と同じように、誤差規定はフルスケールの±何％という形になっている。従って、フルスケールに対して、１０％以下といった小さい流量になると誤差が大きくなる。
【００８７】
広い範囲の流量を高精度で設定したい時には、このマスフローメータのフルスケール付近で流量を測定し、ダイヤル位置を決定することにより、圧力・温度を大幅に変えない限りマスフローでは測定できない微少流量まで、ダイヤル位置で流量を設定することが可能である。
【００８８】
マスフローメータでは、流体に熱を加え、僅かな温度上昇を測定することにより流量を測定している。流量に関与した信号を得ることは可能であるが、センサとして信号を取り出す部分の現象は極めて複雑で、明快な理論式は存在しない。流体により、熱伝導率、比熱などの物性が異なるため、マスフローメータは、１種類の流体専用になっていることが多い。内部プログラムにより数種類の流体に対応可能としたものもあるが、多くの場合、例えば空気用のマスフローメータをアルゴン、ヘリウムなど、違うガス種の流体には使えない。面積式流量計でも、テーパ状のガラス管の中の球体が重力と下からのガスの動圧とが釣り合う位置で流量を読み取ることが可能であるが、球体の前後での流体の流れは複雑になり、単純な理論式は存在せず、「流量係数」といった係数を、導入して説明しているだけであり、同じ流量計では１種類の流体にしか使えない。
【００８９】
これに対して、本発明の方式では、基本的に流れが粘性流となっているため、ハーゲンポアズイユの式と実測値が近い値になり、明確な理論に従って各パラメータを制御することができる。このことから、任意の条件の１点で流量とニードルバルブの回転位置を測定し、ダイヤル回転位置を決めれば、あとはどんな流体でも、温度圧力条件さえ保持すればそのまま使用することができる。
【００９０】
また、圧力が変化する場合には、粘性流の流量は、差圧に比例するので、簡単に補正が可能である。本発明により、上記の校正を行うことにより、混合ガスでも、成分未知のガスでも、１点で、体積流量を測定すれば、広範囲の流量が設定可能になる。以上のように本発明は、流体の流量制御の分野での応用範囲が極めて広く、産業上極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】本発明の一実施例を示す正面図である。
【図２】希望流量に対するダイアル位置の算出手順を示すフローチャートである
【図３】バルブの校正作業の流れを示すフローチャートである
【図４】本発明のソフトウエアを起動したときに表示される主画面を示す図である。
【図５】本発明のソフトウエアの主画面における計算結果を示した部分を示す図である。
【図６】本発明に好ましく使用される流量調節弁の基本構成を示す一部断面図である。
【図７】三角形断面を持ち溝の深さが幾何級数的に変化する流路の立体図である。
【図８】実施例３で用いられた流量調節弁の基本構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００９２】
１  基板
２  回転円板
３  流量目盛
４  圧力目盛
５  粘性係数目盛
６  操作ノブダイヤル位置の目盛
７  支軸
８  代表的な流体の記号
９  回転円板の支軸穴
【要約】      （修正有）【課題】流量調節弁の開度を目標流量に設定する時、流体の粘性係数や、流量調節弁の出入り口の差圧を簡単に補正でき、簡便かつ容易に流量の設定が行える、流量調節弁のダイヤル位置決定用装置、流量調節弁のダイヤル位置決定用プログラムと記憶媒体を提供する。【解決手段】円形の目盛３，４が付された基板１と、回転円板２とを有し、基板１の目盛３，４が外周に配置されるように回転円板２を重ねてその中心点７で回転可能に連結されており、基板には流量の値と圧力の値が対数で付され、回転円板には流量調節弁のノブの回転数の値と、流体の粘性係数の値が対数で付され、流体の流量を決定する際に前記粘性係数の目盛りから流体の値を選択し、これと流体の圧力の目盛が一致するように円板を回転させ、このときの基板の流量の目盛に対応する回転円板の流量調節弁のノブの回転数の値が、ノブの回転位置として直読できる流量調節弁のダイヤル位置決定用スケール。【選択図】図１【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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