JP2021193507A - Flow control device - Google Patents

Abstract

To realize a flow control device capable of controlling flow within a desired range of flow rate fluctuation by suppressing the flow rate fluctuation with respect to a set flow rate value, easily responding to the magnitude of the set flow rate value, using repeatedly a control unit, and sending fluid without contaminating it.SOLUTION: A flow control device 1 is equipped with: an orifice 11 placed in a flow path 16 of a flow pipe portion 10 for sending an incompressible fluid; a pressure sensor 12 that measures a primary pressure P1, which is the pressure in the flow path 16 on the upstream side of the orifice 11, and a pressure sensor 13 that measures a secondary pressure P2, which is the pressure in the flow path 16 on the downstream side of the orifice 11; and an actuator 14 to change an opening area of the orifice 11 when a change in a pressure difference ΔP between the primary pressure P1 and the secondary pressure P2 is detected so as to maintain a pressure difference ΔP0 corresponding to the set flow rate value.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、流量制御装置に関する。 The present invention relates to a flow control device.

従来から、差圧式流量計を備えた流量制御装置がある。差圧式流量計は、オリフィスの上流側及び下流側のそれぞれに圧力センサを備え、オリフィスの上流側の圧力と下流側の圧力との間の圧力差に基づき流量を測定するものである。流量制御装置は、この流量測定値に基づき流量を制御する。 Conventionally, there is a flow control device equipped with a differential pressure type flow meter. The differential pressure type flow meter is provided with pressure sensors on the upstream side and the downstream side of the orifice, respectively, and measures the flow rate based on the pressure difference between the pressure on the upstream side and the pressure on the downstream side of the orifice. The flow rate control device controls the flow rate based on this flow rate measurement value.

例えば、特許文献１には、オリフィスの上流側及び下流側のそれぞれに圧力センサを有する差圧式量計、及び差圧式流量計で測定した流量測定値と、予め定めた目標とする設定流量値との差に基づき流管部の開口面積を制御する流量調整弁を備えた流量制御装置が提案されている。 For example, Patent Document 1 describes a flow rate measurement value measured by a differential pressure type quantimeter and a differential pressure type flow meter having pressure sensors on the upstream side and the downstream side of the orifice, respectively, and a predetermined set target flow rate value. A flow rate control device provided with a flow rate adjusting valve that controls the opening area of the flow pipe portion based on the difference between the two has been proposed.

特開２０１０−１８６２３４号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2010-186234

特許文献１に記載の流量制御装置は、オリフィスの上流側の圧力と下流側の圧力との間の圧力差から流量を算出し、設定流量値に対して測定流量値の差が許容範囲になるように流量調整弁の開度を制御している。流量調整弁は、送流中に常時流体に接触していることから、流量調整弁の加工及び組み立てなどの際に発生した細かい切粉や粉塵、流量調整弁の開閉の際に発生する摩耗粉や潤滑油などが不純物として流体に混入する虞がある。例えば、流体が医療用の薬液、化学薬品などの場合には、このような不純物の混入による流体の汚染は許されない。また、流体が医療用の薬液などの場合には、薬液に接触した流管部は再使用しないことが望ましいが、流管部と制御系を制御ユニットとして分離できる構成にはなっていない。 The flow rate control device described in Patent Document 1 calculates the flow rate from the pressure difference between the pressure on the upstream side and the pressure on the downstream side of the orifice, and the difference in the measured flow rate value with respect to the set flow rate value becomes an allowable range. The opening degree of the flow rate adjusting valve is controlled in this way. Since the flow control valve is in constant contact with the fluid during flow, fine chips and dust generated during processing and assembly of the flow control valve, and wear debris generated when the flow control valve is opened and closed. And lubricating oil may be mixed into the fluid as impurities. For example, when the fluid is a medical liquid, a chemical, or the like, contamination of the fluid due to the inclusion of such impurities is not allowed. Further, when the fluid is a medical liquid or the like, it is desirable not to reuse the flow pipe portion in contact with the chemical liquid, but the structure is such that the flow pipe portion and the control system can be separated as a control unit.

特許文献１の流量制御装置は、オリフィスの開口面積が一定であり、オリフィスの下流側に配設された流量調整弁によって流量を制御している。つまり、流量の制御範囲はオリフィスの開口面積に限定される。例えば、目標とする設定流量値を流量調整弁による流量調整可能範囲を超えて制御したい場合には、オリフィスの開口面積や流量調整弁の規格などを変えなければ実現できない。その結果、設定流量値を変更する場合には、設定流量に対応して流路系全体を交換しなければ実現できないという課題がある。 In the flow rate control device of Patent Document 1, the opening area of the orifice is constant, and the flow rate is controlled by the flow rate adjusting valve arranged on the downstream side of the orifice. That is, the control range of the flow rate is limited to the opening area of the orifice. For example, when it is desired to control the target set flow rate value beyond the flow rate adjustable range by the flow rate adjusting valve, it cannot be realized without changing the opening area of the orifice and the standard of the flow rate adjusting valve. As a result, when changing the set flow rate value, there is a problem that it cannot be realized unless the entire flow path system is replaced in response to the set flow rate.

また、特許文献１に記載の流量制御装置は、流量調整弁によって流量を制御している。流量調整弁は、モータなどのアクチュエータで流路の解放量を制御する。従って、流量調整弁による流路の開閉による場合には、圧力の変化、つまり流量の変化に対する応答性が低いこと、流量制御の分解能が低いことなどから、所望の流量変動幅に制御することは困難である。 Further, the flow rate control device described in Patent Document 1 controls the flow rate by a flow rate adjusting valve. The flow rate adjusting valve controls the amount of release of the flow path by an actuator such as a motor. Therefore, in the case of opening and closing the flow path by the flow rate adjusting valve, it is not possible to control the desired flow rate fluctuation range because the response to the pressure change, that is, the change in the flow rate is low, and the resolution of the flow rate control is low. Have difficulty.

そこで、本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、設定流量値に対する流量変動を抑えて所望の流量変動幅に制御することが可能であり、目標とする設定流量値の大小に容易に対応することができ、制御ユニットを繰り返し使用することが可能であり、かつ、流体を汚染させることなく送流することが可能な流量制御装置を実現しようとするものである。 Therefore, the present invention has been made to solve such a problem, and it is possible to suppress the flow rate fluctuation with respect to the set flow rate value and control it to a desired flow rate fluctuation range, and the target set flow rate value. It is an attempt to realize a flow rate control device that can easily cope with the size of the fluid, can use the control unit repeatedly, and can flow the fluid without contaminating it.

［１］本発明の流量制御装置は、非圧縮性の流体を送流する流管部の流路に配置されるオリフィスと、前記オリフィスより上流側の前記流路内の圧力である一次圧力を測定する圧力センサ、及び前記オリフィスより下流側の前記流路内の圧力である二次圧力の圧力を測定する圧力センサと、前記一次圧力と前記二次圧力との間の圧力差の変化を検出したときに、設定流量値に対応する圧力差を保持するように、前記オリフィスの開口面積を変更するアクチュエータと、を有していることを特徴とする。 [1] The flow control device of the present invention has an orifice arranged in a flow path of a flow tube portion for flowing an incompressible fluid and a primary pressure which is a pressure in the flow path on the upstream side of the orifice. A pressure sensor for measuring, a pressure sensor for measuring the pressure of the secondary pressure which is the pressure in the flow path downstream of the orifice, and a change in the pressure difference between the primary pressure and the secondary pressure are detected. It is characterized by having an actuator that changes the opening area of the orifice so as to maintain a pressure difference corresponding to a set flow rate value.

［２］本発明の流量制御装置においては、前記アクチェータは、電歪素子又は磁歪素子で構成されていることが好ましい。 [2] In the flow rate control device of the present invention, it is preferable that the actuator is composed of an electrostrictive element or a magnetostrictive element.

［３］本発明の流量制御装置においては、前記流管部は、シリコンＭＥＭＳチップで形成された下部プレート及び上部プレートを有し、前記下部プレートと前記上部プレートが接合されたオリフィスユニットで構成され、前記下部プレートは、前記アクチュエータが変位することによって前記オリフィスの開口面積を変更する第１変位部、前記流路内の圧力に応じて変位する第２変位部及び第３変位部を有し、前記流路の一部は、前記上部プレートに形成されたオリフィス溝で構成されていることが好ましい。 [3] In the flow control device of the present invention, the flow pipe portion has a lower plate and an upper plate formed of a silicon MEMS chip, and is composed of an orifice unit to which the lower plate and the upper plate are joined. The lower plate has a first displacement portion that changes the opening area of the orifice by displacement of the actuator, a second displacement portion and a third displacement portion that are displaced according to the pressure in the flow path. It is preferable that a part of the flow path is composed of an orifice groove formed in the upper plate.

［４］本発明の流量制御装置においては、前記上部プレートには、前記第１変位部に対向する位置に、前記第１変位部の変位形状に倣う斜面を有する凹部が形成されていることが好ましい。 [4] In the flow control device of the present invention, the upper plate is formed with a recess having a slope that imitates the displacement shape of the first displacement portion at a position facing the first displacement portion. preferable.

［５］本発明の流量制御装置においては、前記オリフィスユニットを着脱自在に装着することが可能な制御ユニットが、前記圧力センサ、前記アクチュエータ、及びこれらを支持するための支持手段によって構成されていることが好ましい。 [5] In the flow rate control device of the present invention, the control unit to which the orifice unit can be detachably attached is composed of the pressure sensor, the actuator, and a support means for supporting them. Is preferable.

［６］本発明の流量制御装置においては、開口面積が異なる流路を有する前記オリフィスユニットが複数種類準備されており、前記制御ユニットには、前記設定流量値に対応した開口面積の前記流路を有する前記オリフィスユニットが装着されることが好ましい。 [6] In the flow control device of the present invention, a plurality of types of orifice units having flow paths having different opening areas are prepared, and the control unit has the flow path having an opening area corresponding to the set flow rate value. It is preferable that the orifice unit having the above is mounted.

本発明の流量制御装置によれば、設定流量値に対する流量変動を抑えて所望の流量変動幅に制御することが可能であり、目標とする設定流量値を実現する仕様に容易に交換することができ、制御ユニットを繰り返し使用することが可能であり、かつ、流体を汚染させることなく送流することが可能となる。 According to the flow rate control device of the present invention, it is possible to suppress the flow rate fluctuation with respect to the set flow rate value and control the flow rate fluctuation range to a desired value, and it is possible to easily replace the specification with a specification that realizes the target set flow rate value. The control unit can be used repeatedly, and the fluid can be sent without contaminating the fluid.

流量制御装置１の概略構成を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the schematic structure of the flow rate control device 1. 制御部１５の主要構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the main structure of the control part 15. アクチュエータ１４が流管部１０を押圧し、流路１６にオリフィス１１を形成した状況を概念的に示す説明図である。It is explanatory drawing which conceptually shows the situation which the actuator 14 pressed the flow pipe part 10 and formed the orifice 11 in the flow path 16. 流量制御装置１を使用し、設定流量値に対して許容範囲内に流量を制御する方法を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the method of controlling the flow rate within the permissible range with respect to the set flow rate value by using the flow rate control device 1. 流量制御装置１の具体例の１例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows one example of the specific example of the flow rate control device 1. オリフィスユニット３０の構成例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structural example of an orifice unit 30. 下部プレート３３の裏面３３ａ側を見たときの平面図である。It is a top view when the back surface 33a side of the lower plate 33 is seen. 上部プレート３４を示し、図８（ａ）は接合面３４ａ側を見たときの平面図、図８（ｂ）は図８（ａ）のＡ−Ａ切断線で切断した断面図であり、一部を拡大して表す図である。The upper plate 34 is shown, FIG. 8A is a plan view when the joint surface 34a side is viewed, and FIG. 8B is a cross-sectional view cut along the AA cutting line of FIG. 8A. It is a figure which shows the part enlarged. オリフィス１１の開口面積を変更する状況を示す断面図であり、図６の切断線Ｂ−Ｂで切断した断面の一部である。It is a cross-sectional view which shows the situation which changes the opening area of an orifice 11, and is a part of the cross section cut by the cutting line BB of FIG.

以下、本発明に係る流量制御装置について、図１〜図９を参照しながら説明する。なお、以下に説明する各図は、実際の形状及び構成を簡略化して表す模式図及び説明図である。 Hereinafter, the flow rate control device according to the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 9. It should be noted that each of the figures described below is a schematic diagram and an explanatory diagram showing the actual shape and configuration in a simplified manner.

［流量制御装置１の構成］
図１は、流量制御装置１の概略構成を示す概念図である。流量制御装置１は、設定流量値を目標の値として流体を流すよう制御する装置である。設定流量値とは、例えば、流体が医療用の薬剤の場合、医師が処方した流量であって、予め設定された指定流量である。流量制御装置１は、流体を送流する流管部１０を有し、流管部１０の途中にはオリフィス１１が配置されている。図１において、矢印で示す方向が送流方向である。オリフィス１１は、オリフィス１１の開口面積（流体が流通する部分となるオリフィスにおける開口部の面積）を変えることが可能な可変型オリフィスである。オリフィス１１の上流側には圧力センサ１２が配設され、下流側には圧力センサ１３が配設されている。オリフィス１１の近傍には、オリフィス１１の開口面積及び断面形状を変更するためのアクチュエータ１４が配設される。流量制御装置１は、流量制御装置１の全体を制御するための制御部１５を有している。 [Structure of flow rate control device 1]
FIG. 1 is a conceptual diagram showing a schematic configuration of the flow rate control device 1. The flow rate control device 1 is a device that controls the flow of a fluid with a set flow rate value as a target value. The set flow rate value is, for example, a flow rate prescribed by a doctor when the fluid is a medical drug, and is a preset designated flow rate. The flow rate control device 1 has a flow pipe portion 10 for sending a fluid, and an orifice 11 is arranged in the middle of the flow pipe portion 10. In FIG. 1, the direction indicated by the arrow is the flow direction. The orifice 11 is a variable orifice capable of changing the opening area of the orifice 11 (the area of the opening in the orifice that is a portion through which the fluid flows). A pressure sensor 12 is arranged on the upstream side of the orifice 11, and a pressure sensor 13 is arranged on the downstream side. An actuator 14 for changing the opening area and the cross-sectional shape of the orifice 11 is arranged in the vicinity of the orifice 11. The flow rate control device 1 has a control unit 15 for controlling the entire flow rate control device 1.

流管部１０は、流体の送流方向（図１、図３に矢印で示す）に対して直交する断面の形状が円形又は矩形などの流路１６を有している。流管部１０は、オリフィス１１の上流側及び下流側において流路１６の内部を流通する流体の圧力の変動に対応して変位することが可能な変位部１０ａ及び変位部１０ｂを有し、オリフィス１１はアクチュエータ１４によって変位することが可能な変位部１０ｃを有している。流管部１０には、オリフィス１１より上流側から一定の圧力で、非圧縮性の流体が送流される。 The flow tube portion 10 has a flow path 16 having a circular or rectangular cross section orthogonal to the flow direction of the fluid (indicated by arrows in FIGS. 1 and 3). The flow pipe portion 10 has a displacement portion 10a and a displacement portion 10b that can be displaced in response to fluctuations in the pressure of the fluid flowing inside the flow path 16 on the upstream side and the downstream side of the orifice 11. 11 has a displacement portion 10c that can be displaced by the actuator 14. An incompressible fluid is sent to the flow tube portion 10 from the upstream side of the orifice 11 at a constant pressure.

圧力センサ１２は、オリフィス１１より上流側の流路内圧力（一次圧力Ｐ１とする）の変動に対応して変位する変位部１０ａの変位量を検出し、圧力値に変換する。圧力センサ１３は、オリフィス１１より下流側の流路内圧力（二次圧力とする）の変動に対応して変位する変位部１０ｂの変位量を検出し、圧力値に変換する。変位量を検出する手段としては、半導体歪ゲージ、ＦＢＧ光ファイバ式センサなどの接触式変位センサ、或いは、超音波変位センサ、光学式変位センサなどの非接触式変位センサを使用することが可能である。これらのセンサは、流量制御装置１の構造や変位部１０ａ，１０ｂの変位量、要求される圧力測定精度に対応して適宜選択することが可能である。 The pressure sensor 12 detects the amount of displacement of the displacement portion 10a that is displaced in response to the fluctuation of the pressure in the flow path (referred to as the primary pressure P1) on the upstream side of the orifice 11, and converts it into a pressure value. The pressure sensor 13 detects the amount of displacement of the displacement portion 10b that is displaced in response to the fluctuation of the pressure in the flow path (referred to as the secondary pressure) on the downstream side of the orifice 11, and converts it into a pressure value. As a means for detecting the amount of displacement, a contact type displacement sensor such as a semiconductor strain gauge or an FBG optical fiber type sensor, or a non-contact type displacement sensor such as an ultrasonic displacement sensor or an optical displacement sensor can be used. be. These sensors can be appropriately selected according to the structure of the flow control device 1, the amount of displacement of the displacement portions 10a and 10b, and the required pressure measurement accuracy.

アクチュエータ１４は、電歪素子又は磁歪素子で構成される。電歪素子としては、外部から電圧を印加することによって１方向に伸長する圧電素子が好適である。一方、磁歪素子としては、外部から磁界を与えることによって１方向に伸長する素子が好適である。電歪素子及び磁歪素子は、電圧又は磁界を与えることによって、オリフィス１１の開口面積を制御する。電歪素子及び磁歪素子は共に動作分解能を０．１μｍ以下に制御することが可能であり、測定流量の分解能を１μｌ／ｍｉｎに制御することが可能である。 The actuator 14 is composed of an electrostrictive element or a magnetostrictive element. As the electric distortion element, a piezoelectric element that expands in one direction by applying a voltage from the outside is suitable. On the other hand, as the magnetostrictive element, an element that expands in one direction by applying a magnetic field from the outside is suitable. The magnetostrictive element and the magnetostrictive element control the opening area of the orifice 11 by applying a voltage or a magnetic field. Both the magnetostrictive element and the magnetostrictive element can control the operating resolution to 0.1 μm or less, and can control the resolution of the measured flow rate to 1 μl / min.

図２は、制御部１５の主要構成を示すブロック図である。制御部１５は、一次圧力Ｐ１及び二次圧力Ｐ２それぞれを取り込む一対の圧力検出部２０、一次圧力Ｐ１と二次圧力Ｐ２との間の圧力差ΔＰを算出する差圧検出部２１、及び送流中における圧力差ΔＰの変動を検出する差圧比較部２２を有している。また、制御部１５は、差圧比較部２２の検出結果に基づき、圧力差ΔＰが設定流量値に対応する圧力差ΔＰ０になるようにオリフィス１１の開口面積を算出する開口面積算出部２３を有し、開口面積算出部２３の計算値に基づきアクチュエータ１４の変位量を決定しアクチュエータ１４を駆動するアクチュエータ制御部２４を有している。 FIG. 2 is a block diagram showing a main configuration of the control unit 15. The control unit 15 includes a pair of pressure detection units 20 that take in each of the primary pressure P1 and the secondary pressure P2, a differential pressure detection unit 21 that calculates the pressure difference ΔP between the primary pressure P1 and the secondary pressure P2, and a flow feed. It has a differential pressure comparison unit 22 for detecting fluctuations in the pressure difference ΔP inside. Further, the control unit 15 has an opening area calculation unit 23 that calculates the opening area of the orifice 11 so that the pressure difference ΔP becomes the pressure difference ΔP0 corresponding to the set flow rate value based on the detection result of the differential pressure comparison unit 22. The actuator control unit 24 is provided, which determines the displacement amount of the actuator 14 based on the calculated value of the opening area calculation unit 23 and drives the actuator 14.

流体を送流する場合において、オリフィス１１の開口面積が既知であって、一次圧力Ｐ１と二次圧力Ｐ２が分かれば、ベルヌーイの定理によって流量を算出することが可能である。流量制御装置１は、一次圧力Ｐ１と二次圧力Ｐ２との間の圧力差ΔＰ及びオリフィス１１の開口面積に基づき流量を演算することにより、随時又は定期的に流量を検知することが可能である。圧力検出部２０、差圧検出部２１及び流量演算部２５は、いわゆる差圧式流量計を構成している。オリフィス１１が流量に影響を与える要素としては、開口面積が支配的である。しかし、実際の流量は、オリフィス１１の断面形状などに影響される。そのことについて、図３を参照して説明する。なお、流量制御装置１は、流量演算部２５において算出した測定流量を時刻又は経過時間とともに表示する流量計、累積流量を記録する記録装置を付加する構成とすることが可能である。 When the fluid is sent, if the opening area of the orifice 11 is known and the primary pressure P1 and the secondary pressure P2 are known, the flow rate can be calculated by Bernoulli's theorem. The flow rate control device 1 can detect the flow rate at any time or periodically by calculating the flow rate based on the pressure difference ΔP between the primary pressure P1 and the secondary pressure P2 and the opening area of the orifice 11. .. The pressure detection unit 20, the differential pressure detection unit 21, and the flow rate calculation unit 25 constitute a so-called differential pressure type flow meter. The opening area is the dominant factor in which the orifice 11 affects the flow rate. However, the actual flow rate is affected by the cross-sectional shape of the orifice 11. This will be described with reference to FIG. The flow rate control device 1 can be configured to include a flow meter that displays the measured flow rate calculated by the flow rate calculation unit 25 together with the time or elapsed time, and a recording device that records the cumulative flow rate.

図３は、アクチュエータ１４が流管部１０を押圧し、流路１６にオリフィス１１を形成した状況を概念的に示す説明図である。なお、図３は、オリフィス１１の断面形状を模式的に説明するための図である。オリフィスプレートでオリフィスを形成する従来の一般的な構成と異なり、流量制御装置１においては、アクチュエータ１４が流管部１０を外側から直接押圧し、任意の開口面積を有するオリフィス１１を形成する。オリフィス１１は、送流方向（送流方向に直交する方向も含めて）になだらかに湾曲しつつ形成される。 FIG. 3 is an explanatory diagram conceptually showing a situation in which the actuator 14 presses the flow pipe portion 10 to form an orifice 11 in the flow path 16. Note that FIG. 3 is a diagram for schematically explaining the cross-sectional shape of the orifice 11. Unlike the conventional general configuration in which an orifice is formed by an orifice plate, in the flow control device 1, the actuator 14 directly presses the flow pipe portion 10 from the outside to form an orifice 11 having an arbitrary opening area. The orifice 11 is formed while being gently curved in the flow direction (including the direction orthogonal to the flow direction).

流量制御装置１における実際の流量は、オリフィス１１の開口面積、図３においてＬで示すオリフィス１１の変位領域（流路１６の変形領域）を含む三次元の断面形状と、動粘性などの流体の物性が影響した流量である。アクチュエータ１４の押し量によってオリフィス１１の開口面積が変化し、オリフィス１１の断面形状も変化する。従って、オリフィス１１の開口面積を直接測定したり、算出したりすることは困難である。そこで設定流量値で送流したときの一次圧力Ｐ１と二次圧力Ｐ２との間の圧力差ΔＰに基づき設定流量値で送流しているときの開口面積を推定し、この開口面積を実現するアクチュエータ１４の変位量を設定する。このようにすることによって、設定流量値で送流するための、基礎データとしての、圧力差ΔＰ、オリフィス１１の開口面積、及びアクチュエータ１４の変位量などを制御パラメータとして設定する。なお、以降の説明において記載するオリフィス１１の開口面積は、オリフィス１１の断面形状及び流体の物性の影響を含めた実質的な開口面積を表している。次いで、流量制御の方法について図４を参照して説明する。 The actual flow rate in the flow rate control device 1 is the opening area of the orifice 11, the three-dimensional cross-sectional shape including the displacement region of the orifice 11 (deformed region of the flow path 16) shown by L in FIG. 3, and the fluid such as kinematic viscosity. This is the flow rate affected by physical properties. The opening area of the orifice 11 changes depending on the pushing amount of the actuator 14, and the cross-sectional shape of the orifice 11 also changes. Therefore, it is difficult to directly measure or calculate the opening area of the orifice 11. Therefore, an actuator that estimates the opening area when flowing at the set flow rate value based on the pressure difference ΔP between the primary pressure P1 and the secondary pressure P2 when flowing at the set flow rate value, and realizes this opening area. The displacement amount of 14 is set. By doing so, the pressure difference ΔP, the opening area of the orifice 11, the displacement amount of the actuator 14, and the like as basic data for sending at the set flow rate value are set as control parameters. The opening area of the orifice 11 described in the following description represents a substantial opening area including the influence of the cross-sectional shape of the orifice 11 and the physical characteristics of the fluid. Next, the flow rate control method will be described with reference to FIG.

［流量制御方法］
図４は、流量制御装置１を使用し、設定流量値に対して許容範囲内に流量を制御する方法を示すフローチャートである。流量制御装置１の稼働開始に先立ち、設定流量値で流体を送流することを可能にする制御パラメータを設定しておく。すなわち、設定流量値で送流するときの圧力差ΔＰ０、オリフィス１１の実質的な開口面積、この開口面積を決定するアクチュエータ１４の変位量（印加する電圧）を設定する。流量制御装置１は、一次圧力Ｐ１と二次圧力Ｐ２との間の圧力差ΔＰの変化を検出した場合に、検出した圧力差ΔＰを圧力差ΔＰ０に近づけるようにアクチュエータ１４によってオリフィス１１の開口面積を変化させ、流量変動を一定範囲内に抑えて送流する。 [Flow control method]
FIG. 4 is a flowchart showing a method of controlling the flow rate within an allowable range with respect to the set flow rate value by using the flow rate control device 1. Prior to the start of operation of the flow rate control device 1, a control parameter that enables the fluid to be sent at the set flow rate value is set. That is, the pressure difference ΔP0 when flowing at the set flow rate value, the substantial opening area of the orifice 11, and the displacement amount (applied voltage) of the actuator 14 that determines this opening area are set. When the flow control device 1 detects a change in the pressure difference ΔP between the primary pressure P1 and the secondary pressure P2, the opening area of the orifice 11 is increased by the actuator 14 so that the detected pressure difference ΔP approaches the pressure difference ΔP0. Is changed, and the flow rate fluctuation is suppressed within a certain range.

複数の設定流量値（例えば、１μｌ／ｍｉｎ、２μｌ／ｍｉｎ・・・１０μｌ／ｍｉｎ）に対応するためには、設定流量値毎に対応する制御パラメータを設定する。この制御パラメータには、オリフィス１１の実質的な開口面積、圧力差ΔＰ０、アクチュエータ１４の変位量、及びアクチュエータ１４の変位量を決定するための電圧などが含まれる。図４に示すフローチャートに沿って流量制御方法について説明する。 In order to correspond to a plurality of set flow rate values (for example, 1 μl / min, 2 μl / min ... 10 μl / min), the corresponding control parameters are set for each set flow rate value. This control parameter includes a substantial opening area of the orifice 11, a pressure difference ΔP0, a displacement amount of the actuator 14, a voltage for determining the displacement amount of the actuator 14, and the like. The flow rate control method will be described with reference to the flowchart shown in FIG.

まず、目標となる設定流量値を設定する（ステップＳ１）。具体的には、設定流量値に対応するオリフィス１１の開口面積を有する流量制御装置１を選択する。制御装置１は、アクチュエータ１４による開口面積の制御可能な範囲の設定流量値毎に準備されており、設定流量値毎に対応する制御パラメータが設定されているものとする。送流を開始すると、圧力検出部２０は、一次圧力Ｐ１及び二次圧力Ｐ２を電気信号として取り込む（ステップＳ２）。次いで、差圧検出部２１は、一次圧力Ｐ１と二次圧力Ｐ２とを比較し圧力差ΔＰを算出する（ステップＳ３）。 First, a target set flow rate value is set (step S1). Specifically, the flow rate control device 1 having the opening area of the orifice 11 corresponding to the set flow rate value is selected. It is assumed that the control device 1 is prepared for each set flow rate value in the controllable range of the opening area by the actuator 14, and the control parameter corresponding to each set flow rate value is set. When the flow is started, the pressure detection unit 20 takes in the primary pressure P1 and the secondary pressure P2 as electric signals (step S2). Next, the differential pressure detection unit 21 compares the primary pressure P1 with the secondary pressure P2 and calculates the pressure difference ΔP (step S3).

次いで、送流中の圧力差ΔＰの変化を検出する（ステップＳ４）。圧力差ΔＰの変化がない場合、又は、圧力差ΔＰに変化があったとしても、検出した圧力差ΔＰと設定流量値に対応する圧力差ΔＰ０との差が許容可能な範囲であれば（ＮＯ）、その時の実際の流量が設定流量値と実質的に同等であると判断できることから、そのまま送流を継続する。 Next, the change in the pressure difference ΔP during the flow is detected (step S4). If there is no change in the pressure difference ΔP, or even if there is a change in the pressure difference ΔP, the difference between the detected pressure difference ΔP and the pressure difference ΔP0 corresponding to the set flow rate value is within an acceptable range (NO). ), Since it can be judged that the actual flow rate at that time is substantially the same as the set flow rate value, the flow rate is continued as it is.

圧力差ΔＰの変化があり、圧力差ΔＰと設定流量値に対応する圧力差ΔＰ０との差が許容可能な範囲を超えている場合には（ＹＥＳ）、実際の流量が設定流量値との差に許容できない差があると判断し、アクチュエータ１４を変位させ、設定流量値に対応する圧力差ΔＰ０に近づけるようにオリフィス１１の開口面積を変更し（ステップＳ５）、ステップＳ２から以降の工程を繰り返す。ここでいうオリフィス１１の開口面積は、前述したようにオリフィス１１の断面形状及び流体物性を考慮した実質的な開口面積である。なお、流量は、圧力差ΔＰの平方根（流速）とオリフィスの開口面積の積で計算することができる。ここでいう流量は体積流量及び質量流量のどちらにも対応可能である。 If there is a change in the pressure difference ΔP and the difference between the pressure difference ΔP and the pressure difference ΔP0 corresponding to the set flow rate value exceeds the allowable range (YES), the actual flow rate is the difference from the set flow rate value. The actuator 14 is displaced, the opening area of the orifice 11 is changed so as to approach the pressure difference ΔP0 corresponding to the set flow rate value (step S5), and the subsequent steps from step S2 are repeated. .. The opening area of the orifice 11 referred to here is a substantial opening area in consideration of the cross-sectional shape and fluid physical characteristics of the orifice 11 as described above. The flow rate can be calculated by multiplying the square root (flow velocity) of the pressure difference ΔP by the opening area of the orifice. The flow rate referred to here can correspond to both a volume flow rate and a mass flow rate.

設定流量値で送流する際の制御パラメータが既知であることから、設定流量値で送流する際の圧力差ΔＰ０と、実際に送流した時の圧力差ΔＰを比較することによって流量値の変化を算出することができる。逆に、流量値及び圧力差ΔＰに基づきオリフィス１１の実質的な開口面積を算出することができる。そこで、オリフィス１１の適切な開口面積となるように変位させる電圧又は磁界をアクチュエータ１４に与える。なお、アクチュエータ１４は、圧力差ΔＰが圧力差ΔＰ０から外れたことが検出されるまで初期の変位状態を維持している。 Since the control parameters for sending at the set flow rate value are known, the pressure difference ΔP0 for sending at the set flow rate value and the pressure difference ΔP for actually sending at the set flow rate value are compared to obtain the flow rate value. The change can be calculated. On the contrary, the substantial opening area of the orifice 11 can be calculated based on the flow rate value and the pressure difference ΔP. Therefore, a voltage or a magnetic field that is displaced so as to have an appropriate opening area of the orifice 11 is applied to the actuator 14. The actuator 14 maintains the initial displacement state until it is detected that the pressure difference ΔP deviates from the pressure difference ΔP0.

［流量制御装置１の具体例］
図５は、流量制御装置１の具体例の１例を示す断面図である。図５は、アクチュエータ１４が流路１６を開放している状態を表している。なお、流量制御装置１が送流可能な流体としては、非圧縮性の流体であれば特に限定されない。但し、以降の説明においては、流量制御装置１を医療用の薬液を送流するための装置として説明する。流量制御装置１は、流管部としてのオリフィスユニット３０及び制御ユニット３１を有している。また、流量制御装置１は、オリフィスユニット３０と制御ユニット３１とを着脱自在に固定する固定手段としてのホルダー３２を有している。 [Specific example of flow rate control device 1]
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a specific example of the flow rate control device 1. FIG. 5 shows a state in which the actuator 14 opens the flow path 16. The fluid that can be sent by the flow control device 1 is not particularly limited as long as it is an incompressible fluid. However, in the following description, the flow rate control device 1 will be described as a device for sending a medical liquid. The flow rate control device 1 has an orifice unit 30 and a control unit 31 as a flow pipe portion. Further, the flow rate control device 1 has a holder 32 as a fixing means for detachably fixing the orifice unit 30 and the control unit 31.

図５に示すように、オリフィスユニット３０は、下部プレート３３と上部プレート３４とから構成されている。下部プレート３３と上部プレート３４とは互いに接合されている。流路１６及びオリフィス１１は、下部プレート３３及び上部プレート３４の接合面に形成されている。なお、オリフィスユニット３０の詳しい構成については図６を参照して説明する。制御ユニット３１は、圧力センサ１２，１３、アクチュエータ１４、制御部１５及びこれらを支持する支持手段３５で構成されている。圧力センサ１２，１３、アクチュエータ１４、制御部１５は、回路基板３６で電気的に接続されると共に構造的に固定されている。支持手段３５は、ベースプレート３７及び押えプレート３８で構成されている。なお、支持手段３５は、ベースプレート３７のみで構成することも可能である。 As shown in FIG. 5, the orifice unit 30 is composed of a lower plate 33 and an upper plate 34. The lower plate 33 and the upper plate 34 are joined to each other. The flow path 16 and the orifice 11 are formed on the joint surface of the lower plate 33 and the upper plate 34. The detailed configuration of the orifice unit 30 will be described with reference to FIG. The control unit 31 includes pressure sensors 12, 13, actuators 14, control units 15, and support means 35 that support them. The pressure sensors 12, 13, the actuator 14, and the control unit 15 are electrically connected and structurally fixed by the circuit board 36. The support means 35 is composed of a base plate 37 and a holding plate 38. The support means 35 may be composed of only the base plate 37.

ホルダー３２には、薬液をオリフィスユニット３０に供給する流入ポート３９、及びオリフィスユニット３０から薬液を送り出す流出ポート４０を有している。流入ポート３９及び流出ポート４０は、流路１６を経由して連通している。図示は省略するが、流入ポート３９には、点滴装置又は輸液ポンプが接続され、流出ポート４０は注射針などを介して生体の静脈などに接続される。流入ポート３９からは、薬液が流路１６に対して一定の圧力で供給される。 The holder 32 has an inflow port 39 for supplying the chemical solution to the orifice unit 30, and an outflow port 40 for sending out the chemical solution from the orifice unit 30. The inflow port 39 and the outflow port 40 communicate with each other via the flow path 16. Although not shown, an infusion device or an infusion pump is connected to the inflow port 39, and the outflow port 40 is connected to a vein or the like of a living body via an injection needle or the like. The chemical solution is supplied from the inflow port 39 to the flow path 16 at a constant pressure.

ホルダー３２は、オリフィスユニット３０及び制御ユニット３１の対向する側面に沿って上部から下部まで延在された支持板部４１，４２を有している。支持板部４１，４２の先端部には内側を向く突起部４１ａ，４２ａが設けられており、突起部４１ａ，４２ａをベースプレート３７に係着させることによって、流入ポート３９及び流出ポート４０はオリフィスユニット３０に密着し流路１６に連通する。一方、オリフィスユニット３０は、制御ユニット３１に密着し、圧力センサ１２，１３は流路１６の圧力を検出することが可能状態となり、アクチュエータ１４はオリフィス１１の開口面積を制御することが可能な状態となる。突起部４１ａ，４２ａとベースプレート３７との間の係合を解除すれば、オリフィスユニット３０と制御ユニット３１を分解することができる。 The holder 32 has support plate portions 41 and 42 extending from the upper part to the lower part along the facing side surfaces of the orifice unit 30 and the control unit 31. The tip portions of the support plate portions 41 and 42 are provided with protrusions 41a and 42a facing inward, and by engaging the protrusions 41a and 42a to the base plate 37, the inflow port 39 and the outflow port 40 are made into an orifice unit. It adheres to 30 and communicates with the flow path 16. On the other hand, the orifice unit 30 is in close contact with the control unit 31, the pressure sensors 12 and 13 can detect the pressure in the flow path 16, and the actuator 14 can control the opening area of the orifice 11. It becomes. The orifice unit 30 and the control unit 31 can be disassembled by disengaging the engagement between the protrusions 41a and 42a and the base plate 37.

以上説明した構造によって、流量制御装置１は、自在に組み立てたり、分解したりすることが可能となる。薬液の設定流量値は、薬液の種類、粘性、患者の対格差などに応じて適宜設定される。設定流量値の大小によっては、これまで使用していた仕様のオリフィスユニットでは制御できない場合が生ずることがある。そのような場合にも、設定流量値に対応する流路１６の開口面積を有するオリフィスユニット３０を適宜選択し、ホルダー３２によって制御ユニット３１に装着すれば、所望の設定流量値に対応可能な流量制御装置１とすることができる。また、薬液に接触したオリフィスユニット３０及びホルダー３２は使用後に分別廃却する。圧力センサ１２，１３、アクチュエータ１４及び制御部１５を有する制御ユニット３１は、繰り返し使用することが可能であり、経済的な負担を抑えることや流量制御装置全体を廃却することによる環境負荷の低減を図ることが可能となる。 With the structure described above, the flow rate control device 1 can be freely assembled and disassembled. The set flow rate value of the chemical solution is appropriately set according to the type of the chemical solution, the viscosity, the patient's disparity, and the like. Depending on the magnitude of the set flow rate value, it may not be possible to control with the orifice unit of the specifications used so far. Even in such a case, if the orifice unit 30 having the opening area of the flow path 16 corresponding to the set flow rate value is appropriately selected and attached to the control unit 31 by the holder 32, the flow rate corresponding to the desired set flow rate value can be obtained. It can be the control device 1. Further, the orifice unit 30 and the holder 32 that have come into contact with the chemical solution are separately discarded after use. The control unit 31 having the pressure sensors 12 and 13, the actuator 14 and the control unit 15 can be used repeatedly, and the environmental load is reduced by suppressing the economic burden and eliminating the entire flow rate control device. It becomes possible to plan.

なお、図５に示す流量制御装置１は、ホルダー３２を用いた係着構造によって組み立てる構成としているが、これは１例であってホルダーなどによる係着構造に限定されるものではない。例えば、ねじ固定構造などにすることが可能であり、オリフィスユニット３０と制御ユニット３１との組み立てや分解が容易であれば、これらの組み立て構造に限定されない。また、流量制御装置１は、ホルダー３２を用いない構造も可能である。例えば、オリフィスユニット３０に流入ポート３９及び流出ポート４０を直接取り付け、オリフィスユニット３０及び制御ユニット３１の支持手段３５に、ねじなどの固定手段を使用することが可能なスペースを設けることによって、着脱自在な構成とすることが可能である。 The flow rate control device 1 shown in FIG. 5 is configured to be assembled by an anchoring structure using a holder 32, but this is only an example and is not limited to the anchoring structure by a holder or the like. For example, if it is possible to form a screw fixing structure and the orifice unit 30 and the control unit 31 can be easily assembled and disassembled, the structure is not limited to these. Further, the flow rate control device 1 can have a structure that does not use the holder 32. For example, the inflow port 39 and the outflow port 40 are directly attached to the orifice unit 30, and the support means 35 of the orifice unit 30 and the control unit 31 is provided with a space in which a fixing means such as a screw can be used so as to be detachable. It is possible to have a different configuration.

［オリフィスユニット３０の構成］
図６は、オリフィスユニット３０の構成例を示す断面図である。図７は、下部プレート３３の裏面３３ａ側を見たときの平面図、図８は、上部プレート３４を示し、図８（ａ）は接合面３４ａ側を見たときの平面図、図８（ｂ）は図８（ａ）のＡ−Ａ切断線で切断した断面図であり、一部を拡大して表す図である。図６〜図８を参照してオリフィスユニット３０の構成を説明する。流管部としてのオリフィスユニット３０は、下部プレート３３と上部プレート３４とから構成されている。オリフィスユニット３０は、フォトリソグラフィ技術を用いてシリコン基板を加工した所謂シリコンＭＥＭＳチップで形成される下部プレート３３及び上部プレート３４で構成されている。下部プレート３３及び上部プレート３４は、互いに接合面で密着接合されている。 [Structure of Orifice Unit 30]
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a configuration example of the orifice unit 30. 7 is a plan view when the back surface 33a side of the lower plate 33 is viewed, FIG. 8 is a plan view showing the upper plate 34, and FIG. 8A is a plan view when the joint surface 34a side is viewed. b) is a cross-sectional view cut along the AA cutting line of FIG. 8A, and is a partially enlarged view. The configuration of the orifice unit 30 will be described with reference to FIGS. 6 to 8. The orifice unit 30 as a flow pipe portion is composed of a lower plate 33 and an upper plate 34. The orifice unit 30 is composed of a lower plate 33 and an upper plate 34 formed of a so-called silicon MEMS chip obtained by processing a silicon substrate using photolithography technology. The lower plate 33 and the upper plate 34 are tightly joined to each other at the joint surface.

下部プレート３３には、裏面３３ａの中央部、裏面３３ａの右側及び左側のそれぞれに円盤状の薄肉の第１変位部４５、第２変位部４６及び第３変位部４７が形成されている（図６及び図７参照）。図６において矢印で示す方向は、薬液を送流する方向を表している。第１変位部４５はアクチュエータ１４によって変位可能なダイアフラムであり、以降ダイアフラム４５と記載する。第２変位部４６は一次圧力Ｐ１によって変位可能なダイアフラムであり、以降ダイアフラム４６と記載する。第３変位部４７は圧力Ｐ２によって変位可能なダイアフラムであり、以降ダイアフラム４７と記載する。なお、ダイアフラム４５，４６，４７の周囲は剛体で形成されている。 The lower plate 33 is formed with a disk-shaped thin-walled first displacement portion 45, a second displacement portion 46, and a third displacement portion 47 on the central portion of the back surface 33a and on the right and left sides of the back surface 33a, respectively (FIG. 6 and FIG. 7). The direction indicated by the arrow in FIG. 6 indicates the direction in which the drug solution is sent. The first displacement portion 45 is a diaphragm that can be displaced by the actuator 14, and will be hereinafter referred to as the diaphragm 45. The second displacement portion 46 is a diaphragm that can be displaced by the primary pressure P1, and will be hereinafter referred to as the diaphragm 46. The third displacement portion 47 is a diaphragm that can be displaced by the pressure P2, and will be hereinafter referred to as a diaphragm 47. The circumferences of the diaphragms 45, 46, and 47 are formed of a rigid body.

図６に示すように、ダイアフラム４５は２段構造を有し、最も薄い部分の中央に裏面３３ａ側に突出する円柱形状の突起部４８を有している。突起部４８の先端面はアクチュエータ１４に当接する。ダイアフラム４５を２段構造にすることによって、アクチュエータ１４によって押上げられたときに、ダイアフラム４５をドーム型に変位させることが可能となり、流体の送流圧力によって変形しない形状となる。ダイアフラム４６の中央には、裏面３３ａ側に突出する円柱形状の突起部４９を有している。突起部４９の先端面は、圧力センサ１２の変位検出面となる。また、ダイアフラム４７の中央には、裏面３３ａ側に突出する円柱形状の突起部５０を有している。突起部５０の先端面は、圧力センサ１３の変位検出面となる。下部プレート３３の上部プレート３４との接合面３３ｂは、平滑な平坦面である。圧力センサ１２，１３は、前述した接触式変位センサ又は非接触変位センサを使用する。 As shown in FIG. 6, the diaphragm 45 has a two-stage structure, and has a cylindrical protrusion 48 protruding toward the back surface 33a at the center of the thinnest portion. The tip surface of the protrusion 48 abuts on the actuator 14. By making the diaphragm 45 a two-stage structure, it is possible to displace the diaphragm 45 in a dome shape when it is pushed up by the actuator 14, and the shape is not deformed by the flow pressure of the fluid. At the center of the diaphragm 46, there is a cylindrical protrusion 49 protruding toward the back surface 33a. The tip surface of the protrusion 49 serves as a displacement detection surface of the pressure sensor 12. Further, in the center of the diaphragm 47, there is a cylindrical protrusion 50 protruding toward the back surface 33a. The tip surface of the protrusion 50 serves as a displacement detection surface of the pressure sensor 13. The joint surface 33b of the lower plate 33 with the upper plate 34 is a smooth flat surface. The pressure sensors 12 and 13 use the above-mentioned contact type displacement sensor or non-contact displacement sensor.

上部プレート３４の接合面３４ａ側には、オリフィス形成部の右側及び左側のそれぞれに円柱を抜いた形状の凹部５１，５２が形成されている（図６及び図８参照）。凹部５１の中央には、孔５３が開口されている。孔５３は、流入ポート３９（図５参照）に連通する孔である。凹部５１は下部プレート３３のダイアフラム４６の配置位置に重なるように配置されており、凹部５２は下部プレート３３のダイアフラム４７の配置位置に重なるように配置されている。凹部５２の中央には、孔５４が開口されている。孔５４は、流出ポート４０（図５参照）に連通する孔である。 On the joint surface 34a side of the upper plate 34, recesses 51 and 52 having a shape obtained by removing a cylinder are formed on the right side and the left side of the orifice forming portion, respectively (see FIGS. 6 and 8). A hole 53 is opened in the center of the recess 51. The hole 53 is a hole that communicates with the inflow port 39 (see FIG. 5). The recess 51 is arranged so as to overlap the arrangement position of the diaphragm 46 of the lower plate 33, and the recess 52 is arranged so as to overlap the arrangement position of the diaphragm 47 of the lower plate 33. A hole 54 is opened in the center of the recess 52. The hole 54 is a hole that communicates with the outflow port 40 (see FIG. 5).

凹部５１及び凹部５２は、オリフィス溝５５によって連通されている。オリフィス溝５５は、上部プレート３４を下部プレート３３に接合した状態で流路１６を構成する。オリフィス溝５５（流路１６）は、上部プレート３４を下部プレート３３に接合した状態、及びアクチュエータ１４が初期状態（電圧を印加しないとき）のときにオリフィス１１を構成する。凹部５１と凹部５２との中間位置には、上部プレート３４を下部プレート３３に接合したときにオリフィス１１の開口面積（断面形状）を変更することを可能にする変位可能領域１７が構成される（図８（ｂ）参照）。変位可能領域１７において、上部プレート３４には、ダイアフラム４５に対して対向する位置に、オリフィス溝５５を横切るように、ダイアフラム４５が変位したときのダイアフラム４５の形状に倣う斜面５６を有する凹部５７が形成されている、この斜面５６と下部プレート３３のダイアフラム４５によって実質的なオリフィス１１が構成される。次に、オリフィス１１の開口面積を変更する作用について図９を参照して説明する。 The recess 51 and the recess 52 are communicated with each other by an orifice groove 55. The orifice groove 55 constitutes the flow path 16 in a state where the upper plate 34 is joined to the lower plate 33. The orifice groove 55 (flow path 16) constitutes the orifice 11 when the upper plate 34 is joined to the lower plate 33 and when the actuator 14 is in the initial state (when no voltage is applied). At the intermediate position between the recess 51 and the recess 52, a displaceable region 17 that makes it possible to change the opening area (cross-sectional shape) of the orifice 11 when the upper plate 34 is joined to the lower plate 33 is configured ( See FIG. 8 (b)). In the displaceable region 17, the upper plate 34 has a recess 57 having a slope 56 that follows the shape of the diaphragm 45 when the diaphragm 45 is displaced so as to cross the orifice groove 55 at a position facing the diaphragm 45. The formed slope 56 and the diaphragm 45 of the lower plate 33 constitute a substantial orifice 11. Next, the action of changing the opening area of the orifice 11 will be described with reference to FIG.

図９は、オリフィス１１の開口面積を変更する状況を示す断面図であり、図６のＢ−Ｂ切断線で切断した断面の一部である。図９に示すように、アクチュエータ１４が初期位置にあるときには、ダイアフラム４５は仮想線４５ａで示す位置にあり、オリフィス溝５５は解放状態である。アクチュエータ１４を変位させると、ダイアフラム４５は上部プレート３４側に押し上げられ、ダイアフラム４５は４５ｂに示す位置に変位し、オリフィス１１の実質的な開口面積を縮小する。このことによって、流量を減少させることが可能となる。 FIG. 9 is a cross-sectional view showing a situation in which the opening area of the orifice 11 is changed, and is a part of a cross section cut along the BB cutting line of FIG. As shown in FIG. 9, when the actuator 14 is in the initial position, the diaphragm 45 is in the position indicated by the virtual line 45a, and the orifice groove 55 is in the open state. When the actuator 14 is displaced, the diaphragm 45 is pushed up toward the upper plate 34, the diaphragm 45 is displaced to the position shown in 45b, and the substantial opening area of the orifice 11 is reduced. This makes it possible to reduce the flow rate.

以上説明した流量制御装置１は、非圧縮性の流体を送流する流管部１０の流路１６に配置されるオリフィス１１と、オリフィス１１より上流側の流路１６内の圧力である一次圧力Ｐ１を測定する圧力センサ１２、及びオリフィス１１より下流側の流路１６内の圧力である二次圧力Ｐ２を測定する圧力センサ１３と、一次圧力Ｐ１と二次圧力Ｐ２との間の圧力差ΔＰの変化を検出したときに、設定流量値に対応する圧力差ΔＰ０を保持するように、オリフィス１１の開口面積を変更するアクチュエータ１４を有している。 In the flow control device 1 described above, the orifice 11 arranged in the flow path 16 of the flow tube portion 10 for flowing the incompressible fluid and the primary pressure which is the pressure in the flow path 16 on the upstream side of the orifice 11 The pressure difference ΔP between the pressure sensor 12 for measuring P1 and the pressure sensor 13 for measuring the secondary pressure P2 which is the pressure in the flow path 16 downstream of the orifice 11 and the primary pressure P1 and the secondary pressure P2. The actuator 14 has an actuator 14 that changes the opening area of the orifice 11 so as to maintain the pressure difference ΔP0 corresponding to the set flow rate value when the change in the pressure is detected.

従来技術の流量制御装置は、オリフィスの開口面積を一定とし、流量調整弁によって流量を制御する構成である。このような構成では、流量調整弁の加工及び組み立てなどの際に発生した細かい切粉や粉塵、流量調整弁の開閉の際に発生する摩耗粉や潤滑油などが不純物として流体に混入し、流体を汚染させる虞がある。しかし、本発明の流量制御装置１は、流路１６を変形させてオリフィス１１の開口面積を変更し流量を制御する装置であり、流量制御装置１の内部において、流体は流路１６の内壁にのみ接触することになるため、流体を汚染させることなく送流することが可能となる。 The flow control device of the prior art has a configuration in which the opening area of the orifice is constant and the flow rate is controlled by a flow rate adjusting valve. In such a configuration, fine chips and dust generated when processing and assembling the flow control valve, wear debris and lubricating oil generated when opening and closing the flow control valve are mixed into the fluid as impurities, and the fluid is mixed. May contaminate. However, the flow rate control device 1 of the present invention is a device that controls the flow rate by deforming the flow path 16 to change the opening area of the orifice 11, and inside the flow rate control device 1, the fluid flows to the inner wall of the flow path 16. Since only the contact is made, it is possible to send the fluid without contaminating it.

また、一次圧力Ｐ１と二次圧力Ｐ２との間の圧力差ΔＰに変化があったときに、流量の変動があったと判断し、圧力差ΔＰが予め設定されている設定流量値に対応する圧力差ΔＰ０になるようにアクチュエータ１４の変位量を制御し、オリフィス１１の実質的な開口面積を変更することによって、設定流量値に対する流量変動を抑え、所望の流量変動幅に制御することが可能となる。目標とする設定流量値を切り替えるためには、設定流量値の大小に対応する開口面積を有する流管部１０を選択することによって、容易に設定流量値の大小に対応することが可能となる。また、アクチュエータ１４は、流管部１０の外側からオリフィス１１を形成する構成であり、流体は流管部１０のみに接触することになるため、流体が汚染されることがない。また、流体が接触する流管部１０のみを使い捨てとし、圧力センサ１２，１３及びアクチュエータ１４などは、繰り返し使用することが可能となる。 Further, when the pressure difference ΔP between the primary pressure P1 and the secondary pressure P2 changes, it is determined that the flow rate has fluctuated, and the pressure difference ΔP corresponds to the preset set flow rate value. By controlling the displacement amount of the actuator 14 so as to have a difference ΔP0 and changing the substantial opening area of the orifice 11, it is possible to suppress the flow rate fluctuation with respect to the set flow rate value and control the flow rate fluctuation range to a desired value. Become. In order to switch the target set flow rate value, by selecting the flow pipe portion 10 having an opening area corresponding to the magnitude of the set flow rate value, it becomes possible to easily correspond to the magnitude of the set flow rate value. Further, the actuator 14 has a configuration in which the orifice 11 is formed from the outside of the flow pipe portion 10, and the fluid comes into contact with only the flow pipe portion 10, so that the fluid is not contaminated. Further, only the flow pipe portion 10 with which the fluid comes into contact is disposable, and the pressure sensors 12, 13 and the actuator 14 can be used repeatedly.

以上説明したように、流量制御装置１を用いることによって、設定流量値に対する流量変動を抑えて所望の流量変動幅に制御することが可能であり、目標とする設定流量値の大小に容易に対応することができ、圧力センサ１２，１３及びアクチュエータ１４などは繰り返し使用することが可能であり、かつ、流体を汚染させることなく送流することが可能となる。 As described above, by using the flow rate control device 1, it is possible to suppress the flow rate fluctuation with respect to the set flow rate value and control it to the desired flow rate fluctuation range, and it is possible to easily correspond to the magnitude of the target set flow rate value. The pressure sensors 12, 13 and the actuator 14 can be used repeatedly, and the fluid can be sent without contaminating the fluid.

流量制御装置１においては、アクチュエータ１４は、電歪素子又は磁歪素子で構成されている。電歪素子及び磁歪素子は、電圧又は磁界を与えることによって、一方方向に伸長し、オリフィス１１の開口面積を制御する。電歪素子及び磁歪素子は共に動作分解能を０．１μｍ以下に制御するが可能であり、実際の流量を１μｌ／ｍｉｎ単位で制御することが可能となり、設定流量値に対する流量変動を抑えて所望の流量変動幅に制御することが可能となる。 In the flow rate control device 1, the actuator 14 is composed of an electrostrictive element or a magnetostrictive element. The magnetostrictive element and the magnetostrictive element extend in one direction by applying a voltage or a magnetic field, and control the opening area of the orifice 11. Both the magnetostrictive element and the magnetostrictive element can control the operating resolution to 0.1 μm or less, and can control the actual flow rate in units of 1 μl / min, which is desired by suppressing the flow rate fluctuation with respect to the set flow rate value. It is possible to control the flow rate fluctuation range.

また、流管部１０は、シリコンＭＥＭＳチップで形成された下部プレート３３及び上部プレート３４を有し、下部プレート３３と上部プレート３４が接合されたオリフィスユニット３０で構成され、下部プレート３３は、アクチュエータ１４が変位することによってオリフィス１１の開口面積を変更する第１変位部であるダイアフラム４５、流路１６内の圧力に応じて変位する第２変位部であるダイアフラム４５及び第３変位部であるダイアフラム４７を有し、流路１６の一部は、上部プレート３４に形成されたオリフィス溝５５で構成されている。 Further, the flow pipe portion 10 has a lower plate 33 and an upper plate 34 formed of a silicon MEMS chip, and is composed of an orifice unit 30 to which the lower plate 33 and the upper plate 34 are joined, and the lower plate 33 is an actuator. The diaphragm 45 is a first displacement portion that changes the opening area of the orifice 11 by displacing 14, the diaphragm 45 is a second displacement portion that is displaced according to the pressure in the flow path 16, and the diaphragm is a third displacement portion. 47, and a part of the flow path 16 is composed of an orifice groove 55 formed in the upper plate 34.

下部プレート３３及び上部プレート３４は、半導体製造プロセスと同じ厳しいクリーン度の環境下でフォトリソグラフィ技術を用いてシリコン基板を加工した所謂シリコンＭＥＭＳチップで形成される。従って、オリフィスユニットからは金属加工などに伴う切粉や粉塵、流量調整弁の開閉の際に発生する摩耗粉や潤滑油などが不純物として流体に混入することがなく、流体（薬液など）を汚染させることなく送流することが可能となる。また、フォトリソグラフィ技術を用いることによって、ダイアフラム４５，４６、４７を任意の厚みや形状を高精度に形成することが可能であり、シリコンは耐薬性に優れているため、薬液などによって変質する虞がない。また、フォトリソグラフィ技術を用いることによって、下部プレート３３及び上部プレート３４を、機械加工などで形成うるよりも低コストで製造することができる。 The lower plate 33 and the upper plate 34 are formed of a so-called silicon MEMS chip obtained by processing a silicon substrate using a photolithography technique in an environment of the same severe cleanliness as that of a semiconductor manufacturing process. Therefore, chips and dust associated with metal processing, wear debris generated when opening and closing the flow control valve, lubricating oil, etc. do not enter the fluid as impurities from the orifice unit, and contaminate the fluid (chemical solution, etc.). It is possible to send the fluid without causing it. Further, by using photolithography technology, it is possible to form the diaphragms 45, 46, 47 with high accuracy in any thickness and shape, and since silicon has excellent chemical resistance, it may be deteriorated by a chemical solution or the like. There is no. Further, by using the photolithography technique, the lower plate 33 and the upper plate 34 can be manufactured at a lower cost than can be formed by machining or the like.

また、上部プレート３４には、ダイアフラム４５に対向する位置に、ダイアフラム４５の変位形状に倣う斜面５６を有する凹部５７が形成されている。この斜面５６及びオリフィス溝５５を含む凹部５７と、ダイアフラム４５とによって実質的なオリフィス１１が構成される。ダイアフラム４５はドーム形状に変位し、上部プレート３４側もドーム形状に倣った形状の凹部５７を有している。そのことによって、オリフィス１１の開口面積を縮小していっても流体抵抗の極端な増加を抑えることが可能となる。 Further, the upper plate 34 is formed with a recess 57 having a slope 56 that follows the displacement shape of the diaphragm 45 at a position facing the diaphragm 45. The recess 57 including the slope 56 and the orifice groove 55, and the diaphragm 45 form a substantial orifice 11. The diaphragm 45 is displaced into a dome shape, and the upper plate 34 side also has a recess 57 having a shape following the dome shape. As a result, it is possible to suppress an extreme increase in fluid resistance even if the opening area of the orifice 11 is reduced.

流量制御装置１は、オリフィスユニット３０を着脱自在に装着することが可能な制御ユニットが、圧力センサ１２，１３、アクチュエータ１４、及びこれらを支持するための支持手段３５によって構成されている。 In the flow rate control device 1, the control unit to which the orifice unit 30 can be detachably attached is composed of pressure sensors 12, 13, actuators 14, and support means 35 for supporting them.

このように構成することによって、オリフィスユニット３０と制御ユニット３１とは、容易に組み立てたり、分解したりすることが可能となる。従って、薬液が流れたオリフィスユニット３０を廃却（使い捨て）とし、圧力センサ１２，１３、アクチュエータ１４及び制御部１５などを含むオリフィスユニットより高価な制御ユニット３１は繰り返し使用することが可能となる。そのことによって、経済的な負担を抑えることや流量制御装置１全体を廃却することによる環境負荷の低減を図ることが可能となる。 With this configuration, the orifice unit 30 and the control unit 31 can be easily assembled and disassembled. Therefore, the orifice unit 30 through which the chemical solution has flowed is discarded (disposable), and the control unit 31, which is more expensive than the orifice unit including the pressure sensors 12, 13, the actuator 14, the control unit 15, and the like, can be used repeatedly. As a result, it is possible to reduce the economic burden and reduce the environmental load by abolishing the entire flow rate control device 1.

また、流量制御装置１においては、開口面積が異なる流路１６を有するオリフィスユニット３０が複数種類準備されており、制御ユニット３１には、設定流量値に対応した開口面積の流路１６を有するオリフィスユニット３０が装着される。 Further, in the flow rate control device 1, a plurality of types of orifice units 30 having flow paths 16 having different opening areas are prepared, and the control unit 31 has an orifice having a flow path 16 having an opening area corresponding to a set flow rate value. The unit 30 is mounted.

このような構成にすることによって、設定流量値を変更する場合に、流量制御装置１を設定流量値に対応して複数種類準備する必要はなく、流路１６の開口面積が異なるオリフィスユニット３０を複数種類準備しておき、設定流量値に対応するオリフィスユニット３０を選択することによって、設定流量値の大小に容易に対応することが可能となる。つまり、設定流量値の大小に対応して流量制御装置１全体を変更することなく、オリフィスユニット３０のみを適宜変更すればよい。 With such a configuration, when changing the set flow rate value, it is not necessary to prepare a plurality of types of the flow rate control device 1 corresponding to the set flow rate value, and the orifice unit 30 having a different opening area of the flow path 16 can be provided. By preparing a plurality of types and selecting the orifice unit 30 corresponding to the set flow rate value, it is possible to easily correspond to the magnitude of the set flow rate value. That is, only the orifice unit 30 may be appropriately changed without changing the entire flow rate control device 1 according to the magnitude of the set flow rate value.

１…流量制御装置、１０…流管部、１０ａ，１０ｂ，１０ｃ…変位部、１１…オリフィス、１２、１３…圧力センサ、１４…アクチュエータ、１５…制御部、１６…流路、１７…変位可能領域、２０…圧力検出部、２１…差圧検出部、２２…差圧比較部、２３…開口面積算出部、２４…アクチュエータ制御部、２５…流量演算部、３０…オリフィスユニット、３１…制御ユニット、３２…ホルダー、３３…下部プレート、３３ａ…裏面、３３ｂ…接合面、３４…上部プレート、３４ａ…接合面、３５…支持手段、３７…ベースプレート、３８…押えプレート、３９…流入ポート、４０…流出ポート、４５…ダイアフラム（第１変位部）、４６…ダイアフラム（第２変位部）、４７…ダイアフラム（第３変位部）、４８，４９，５０…突起部、５５…オリフィス溝、５６…斜面、５７…凹部、Ｐ１…一次圧力、Ｐ２…二次圧力、ΔＰ…圧力差、ΔＰ０…設定流量値に対応する圧力差 1 ... Flow control device, 10 ... Flow pipe section, 10a, 10b, 10c ... Displacement section, 11 ... Orifice, 12, 13 ... Pressure sensor, 14 ... Actuator, 15 ... Control section, 16 ... Flow path, 17 ... Displaceable Region, 20 ... Pressure detection unit, 21 ... Differential pressure detection unit, 22 ... Differential pressure comparison unit, 23 ... Opening area calculation unit, 24 ... Actuator control unit, 25 ... Flow calculation unit, 30 ... Orifice unit, 31 ... Control unit , 32 ... holder, 33 ... lower plate, 33a ... back surface, 33b ... joint surface, 34 ... upper plate, 34a ... joint surface, 35 ... support means, 37 ... base plate, 38 ... presser plate, 39 ... inflow port, 40 ... Outflow port, 45 ... diaphragm (first displacement part), 46 ... diaphragm (second displacement part), 47 ... diaphragm (third displacement part), 48, 49, 50 ... protrusion, 55 ... orifice groove, 56 ... slope , 57 ... concave, P1 ... primary pressure, P2 ... secondary pressure, ΔP ... pressure difference, ΔP0 ... pressure difference corresponding to the set flow rate value

Claims (6)

非圧縮性の流体を送流する流管部の流路に配置されるオリフィスと、
前記オリフィスより上流側の前記流路内の圧力である一次圧力を測定する圧力センサ、及び前記オリフィスより下流側の前記流路内の圧力である二次圧力の圧力を測定する圧力センサと、
前記一次圧力と前記二次圧力との間の圧力差の変化を検出したときに、設定流量値に対応する圧力差を保持するように、前記オリフィスの開口面積を変更するアクチュエータと、
を有している、
ことを特徴とする流量制御装置。 An orifice placed in the flow path of the flow pipe that sends incompressible fluid,
A pressure sensor that measures the primary pressure, which is the pressure in the flow path upstream of the orifice, and a pressure sensor that measures the pressure of the secondary pressure, which is the pressure in the flow path downstream of the orifice.
An actuator that changes the opening area of the orifice so as to maintain the pressure difference corresponding to the set flow rate value when the change in the pressure difference between the primary pressure and the secondary pressure is detected.
have,
A flow control device characterized by this. 請求項１に記載の流量制御装置において、
前記アクチェータは、電歪素子又は磁歪素子で構成されている、
ことを特徴とする流量制御装置。 In the flow rate control device according to claim 1,
The actuator is composed of an electrostrictive element or a magnetostrictive element.
A flow control device characterized by this. 請求項１または請求項２に記載の流量制御装置において、
前記流管部は、シリコンＭＥＭＳチップで形成された下部プレート及び上部プレートを有し、前記下部プレートと前記上部プレートが接合されたオリフィスユニットで構成され、
前記下部プレートは、前記アクチュエータが変位することによって前記オリフィスの開口面積を変更する第１変位部、前記流路内の圧力に応じて変位する第２変位部及び第３変位部を有し、
前記流路の一部は、前記上部プレートに形成されたオリフィス溝で構成されている、
ことを特徴とする流量制御装置。 In the flow rate control device according to claim 1 or 2.
The flow tube portion has a lower plate and an upper plate formed of a silicon MEMS chip, and is composed of an orifice unit to which the lower plate and the upper plate are joined.
The lower plate has a first displacement portion that changes the opening area of the orifice by displacement of the actuator, a second displacement portion and a third displacement portion that are displaced according to the pressure in the flow path.
A part of the flow path is composed of an orifice groove formed in the upper plate.
A flow control device characterized by this. 請求項３に記載の流量制御装置において、
前記上部プレートには、前記第１変位部に対向する位置に、前記第１変位部の変位形状に倣う斜面を有する凹部が形成されている、
ことを特徴とする流量制御装置。 In the flow rate control device according to claim 3,
The upper plate is formed with a recess having a slope that imitates the displacement shape of the first displacement portion at a position facing the first displacement portion.
A flow control device characterized by this. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の流量制御装置において、
前記オリフィスユニットを着脱自在に装着することが可能な制御ユニットが、前記圧力センサ、前記アクチュエータ、及びこれらを支持するための支持手段によって構成されている、
ことを特徴とする流量制御装置。 The flow rate control device according to any one of claims 1 to 4.
The control unit to which the orifice unit can be detachably attached is composed of the pressure sensor, the actuator, and a support means for supporting them.
A flow control device characterized by this. 請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の流量制御装置において、
開口面積が異なる流路を有する前記オリフィスユニットが複数種類準備されており、
前記制御ユニットには、前記設定流量値に対応した開口面積の前記流路を有する前記オリフィスユニットが装着される、
ことを特徴とする流量制御装置。 The flow rate control device according to any one of claims 1 to 5.
A plurality of types of the orifice units having flow paths having different opening areas are prepared.
The control unit is equipped with the orifice unit having the flow path having an opening area corresponding to the set flow rate value.
A flow control device characterized by this.

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