JP5669384B2 - 圧電駆動式バルブ及び圧電駆動式流量制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、圧電アクチュエータを利用して弁体を開閉制御することにより流体流量を制御する圧電駆動式バルブ及び該圧電駆動式バルブを備える圧電駆動式流量制御装置に関する。
従来、この種の圧電駆動式バルブ及び圧電駆動式流量制御装置が広く知られている(例えば、特許文献1、2等)。
従来の圧電駆動式バルブを備える圧電駆動式流量制御装置の一例を、図2〜図6を参照して以下に説明する。図2において、1は弁本体、1aは弁本体に設けた孔部、2は金属ダイヤフラム弁体、3はダイヤフラム押え、4は押えアダプター、8aはボール、9は下部受台、10は圧電アクチュエータ、11は上部受台、12は位置決め用袋ナット、13はロックナット、14は保護ケース、15はコネクター、18は皿ばねを積み重ねた弾性部材である。また、23は圧電アクチュエータ支持筒体、24は筒体固定・ガイド体、25はOリング、26は割りベース、27は取付用ボルト、28はベアリングである。
尚、図2に示した例では、下部受台9と圧電アクチュエータ10との間に別途に形成したボール8aを介挿するようにしているが、圧電アクチュエータ10の下端面の中央に先端が球面状の突起体を一体的に形成し、これをボール8aとして下部受台9へ接当させる構成とすることもある。
弁本体1はステンレス鋼製であり、弁室の一部を形成する孔部1a及び流体入口、流体出口、流体通路、弁室及び弁座等を夫々備えている。また、金属ダイヤフラム弁体2はニッケルクロム合金鋼の薄板により形成されており、中央部が上方へ僅かに膨出した逆皿形に形成されている。尚、金属ダイヤフラム弁体2の形状は平板状であってもよく、また、材質もステンレス鋼やインコネル合金やその他の合金鋼であってもよい。更に、金属ダイヤフラム弁2は、1枚のダイヤフラムを使用するか、或いは、2〜3枚のダイヤフラムを積層したダイヤフラム弁体とすることもある。
金属ダイヤフラム2は、前記弁座と対向状に弁室内へ配設され、押えアダプター4、割りベース26及び筒体固定・ガイド体24を介設して取付けボルト27を弁本体1へ締め込むことにより、ダイヤフラム2の外周縁が弁本体1側へ気密に保持固定されている。尚、前記押えアダプター4、筒体固定・ガイド体24、割りベース26等はステンレス鋼等の金属製である。
圧電アクチュエータ(ピエゾスタック)10の支持筒体23は、熱膨脹率の小さなインバー材により円筒状に形成されており、図3及び図4に示すように、上方部は圧電アクチュエータ10を収納する太径部23cに、またその下方部は下部受台9及び弾性部材18等を収納する縮径された円筒状の縮径部23dが形成されている。
また、支持筒体23の最下端部はダイヤフラム押え3を嵌着するための腔部23eが形成されており、ここに図2に示す如くダイヤフラム押え3が挿入固定されている。
図3は支持筒体23の縦断面図、図4は図3のイーイ視断面図であり、支持筒体23の太径部23cと縮径部23dの境界近傍には、その外壁部の両側部を一定の長さ及び深さに亘って削除することにより、図5の割りベース片26aを両側から対向状に挿入組合せするための孔部23aが形成されている。即ち、孔部23aの両側から、後述する割りベース26を形成する半割り状の割りベース片26aが対向状に組み付けされ、筒体固定・ガイド体24により割りベース26として一体的に保持固定される。尚、割りベース片26aを組付けする前に縮径部23dの底部23bへ図2に示す如く弾性部材18が挿着されることは勿論である。
図5は割りベース26の組付け状態を示す平面図、図6は図5のイーイ視断面図である。図5及び図6からも明らかなように、各割りベース片26aは上壁26bを備えた短円筒体の下端外周に鍔部26cを形成すると共に、上壁26bに挿通孔26dと嵌合部26eを形成したものを、中央部から二つ割りにしたものであり、両割りベース片26aを対向状に組み付けることにより割りベース26が形成されている。
即ち、図2に示すように、鍔部26cは筒体固定・ガイド体24の下端により押圧力を受けて押えアダプター4を押圧する作用をし、また、前記挿通孔26dは支持筒体23の縮径部の壁体を挿通させるものであり、更に前記嵌合部26eは下部受台9と支持筒体23の壁体間に位置して、3つの部材9、23、26の位置決めを行なう作用をするものである。
ベアリング28はベアリング受28aと小球28bとから形成されており、上部受台11の上方に配設され、位置決め用袋ナット12の回動を円滑化する。
尚、図2に示された制御弁は、圧力式流量制御装置用の制御弁として主に使用されるため、図2に示す如く、弁本体1にオリフィスガイド30a、ガスケット30b、オリフィス30c等から成るオリフィス取付部30と、圧力センサ31a、ガスケット31b、コネクター31c、押えフランジ31d、固定用ボルト31e等から成る圧力センサ取付部31と、接続ガイド29a、ガスケット29b等から成る一次接続部29等が設けられている。また32は、保護ケース14内に設けた圧電アクチュエータ等のための制御回路取付板である。
圧力式流量制御装置は、オリフィス上流側圧力P1を下流側圧力P2の約2倍以上に保持した状態下に於いてオリフィス上流側の制御弁により前記圧力P1を調整し、これによってオリフィス下流側の流量QcをQc=KP1(但し、Kは常数)により演算して所定の設定値に制御することを基本原理とするものであり、特開平8−338546号等に開示されている。
制御弁の組立ては、弁本体1の孔部1a内へ金属ダイヤフラム弁体2、押えアダプター4、ダイヤフラム押え3を固定した圧電アクチュエータ支持筒体23、弾性部材18、割りベース26、下部受台9の順に組み付け、筒体固定・ガイド体24を介して支持筒体23を弁本体1へ挿着する。次に、支持筒体23内へボール8a、圧電アクチュエータ10、上部受台11、ベアリング28の順に挿着し、位置決め材12を形成する位置決め袋ナットの締込量を調整することにより、圧電アクチュエータ10による金属ダイヤフラム弁体2の作動ストロークを設定値に微調整する。
筒体固定・ガイド体24の締込み固定により、前述の如く割りベース26と支持筒体23と下部受台9と弾性部材18とダイヤフラム押え3とダイヤフラム弁体2等は、全て所定の位置に整然と自動的に固定されると共に、位置決め材12の締込みによりボール8aや圧電アクチュエータ10、支持筒体23等の軸芯は極めて高精度に一致されることになる。
図2を参照して、制御回路(図示省略)からコネクター15を介して開弁信号が入力(入力電圧0〜120v)されると、圧電アクチュエータ10は設定値(0〜45μmの間)だけ伸長する。
これにより、約40〜80kgfの押し上げ力が支持筒体23に働き、筒体固定・ガイド体24のOリング25により軸芯を保持された状態で支持筒体23が弾性部材18の弾性力に抗して上記設定値だけ上昇する。その結果、ダイヤフラム弁体2がその弾性力によって弁座から離座し、開弁される。
逆に、開弁入力がoffになると、圧電アクチュエータ10が元の長さ寸法の状態に復帰し、その結果、弾性部材18の弾性力により圧電アクチュエータ支持筒体23の底部が下方向へ押し下げられ、ダイヤフラム押え3により金属ダイヤフラム弁体2が弁座へ当座し、閉弁状態となる。
尚、開弁ストロークが45μmで弁座の口径1mmφの場合、弁の全閉から全開に至る所要作動時間は約30msec以下である。
特許第4119109号公報 特許第4113425号公報
上記圧電駆動式バルブに内蔵されている圧電アクチュエータは、いわゆる金属密封型積層圧電アクチュエータと呼ばれるもので、積層された圧電素子(ピエゾスタックともいう。)が金属ケース内に密封されており、許容温度範囲が例えば−20〜120℃である。そのため、制御する流体の温度に制限があった。
そこで、本発明は、圧電アクチュエータの許容温度範囲を超える温度の流体でも制御可能な圧電駆動式バルブ及び圧電駆動式流体制御装置を提供することを主たる目的とする。
上記目的を達成するため、本発明に係る圧電式駆動バルブは、流体流路を備える弁本体と、前記流体流路を開閉するための弁体と、圧電素子の伸張を利用して前記弁体を開閉駆動するための圧電アクチュエータと、前記圧電アクチュエータを前記流体流路から遠ざけるように持上げ支持するとともに、前記流体流路を流れる流体から前記圧電アクチュエータへ伝わる熱を放熱するための放熱スペーサと、前記圧電アクチュエータ及び前記放熱スペーサの双方を収容して支持するとともに、前記弁本体に対して上下動可能に支持された支持筒体と、を有し、該支持筒体は、該放熱スペーサと同じ熱膨張係数を有する材料で形成されており、前記弁体は、自己弾性復帰型の金属ダイヤフラムによって形成され、前記弁体が前記流体流路を閉鎖するように前記支持筒体を付勢する弾性部材と、前記支持筒体の側壁を通過して前記放熱スペーサの下部に延び、前記圧電アクチュエータが伸張したときに前記弾性部材の弾性力に抗して前記支持筒体を持上げて前記弁体が前記流体流路を開通させるように、前記放熱スペーサを支持する支持部と、を有し、前記放熱スペーサは、前記流体流路を流れる流体から受けた熱が該放熱スペーサの下端部から上端部へ伝熱する間の放熱により該上端部の温度が前記圧電アクチュエータの耐熱温度以下となるように、前記下端部と上端部との間の長さが設定されていることを特徴とする。
前記支持筒体は、前記圧電アクチュエータを収容する第1筒部と、前記放熱スペーサを収容する第2筒部とを有し、前記第1筒部と第2筒部とが共通の収容空間を形成するように連結可能に構成され、前記第1筒部及び前記第2筒部が前記放熱スペーサと同じ熱膨張係数を有する材料で形成されていることが好ましい。
前記弁体は、自己弾性復帰型の金属ダイヤフラムによって形成され、前記支持筒体は、上下動可能に支持され、前記弁体が前記流体流路を閉鎖するように前記支持筒体を付勢する弾性部材と、前記支持筒体の側壁を通過して前記放熱スペーサの下部に延び、前記圧電アクチュエータが伸張したときに前記弾性部材の弾性力に抗して前記支持筒体を持上げて前記弁体が前記流体流路を開通させるように、前記放熱スペーサを支持する支持部と、を有することが好ましい。
前記放熱スペーサは、インバー材で形成されていることが好ましい。
前記放熱スペーサは、前記圧電アクチュエータと同じ形状及び寸法を有していることが好ましい。
前記放熱スペーサは、前記流体流路を流れる流体から受けた熱が該放熱スペーサの下端部から上端部へ伝熱する間の放熱により該上端部の温度が前記圧電アクチュエータの耐熱温度以下となるように、前記下端部と上端部との間の長さが設定されていることが好ましい。
また、上記目的を達成するため、本発明に係る圧電駆動式流量制御装置は、上記した本発明に係る圧電駆動式バルブを備えることを特徴とする。
本発明に係る圧電駆動式流量制御装置は、前記弁体の下流側の流体流路に介在されたオリフィスと、該オリフィスと前記弁体の間の流体流路に配設された圧力センサと、該圧力センサの検出値に基づいて前記圧電アクチュエータを制御する制御部と、を更に有することが好ましい。
本発明に係る圧電駆動式流量制御装置は、前記弁体の上流側に配置した熱式の流量センサによって圧電アクチュエータを制御するように構成しても良い。
本発明に係る圧電駆動式流量制御装置の一実施形態を示す中央縦断面図である。 従来の圧電駆動式流量制御装置の縦断面図である。 図2の圧電駆動式流量制御装置の構成部品である支持筒体を示す縦断面図である。 図3のイ−イ視断面図である。 圧電駆動式流量制御装置の構成部品を拡大して示す平面図である。 図5のイ−イ視断面図である。
以下、本発明に係る圧電駆動式バルブを備える圧電駆動式流量制御装置の実施形態について、図1を参照して説明する。なお、以下の説明において、図2〜図6を用いて説明した従来の圧電駆動式流量制御装置と同一又は類似の構成部分については、同符号を付して、重複説明を省略することがある。
圧電駆動式流量制御装置は、図1に示すように、流体流路1bを開閉するための弁体2と、弁体2を開閉駆動するための圧電アクチュエータ10と、圧電アクチュエータ10を流体流路1bから遠ざけるように持上げ支持するとともに、流体流路1bを流れる流体から圧電アクチュエータ10へ伝わる熱を放熱するための放熱スペーサ40を有している。
圧電駆動式流量制御装置は、さらに、圧電アクチュエータ10及び放熱スペーサ40の双方を収容して支持する支持筒体23Aを備えることができ、支持筒体23Aは、少なくとも放熱スペーサ40を収容する部分が放熱スペーサ40と同じ材料で形成されている。
弁体2は、図示例においては、自己弾性復帰型の金属ダイヤフラムが採用されている。金属ダイヤフラムは、ニッケルクロム合金鋼等の薄板により形成されており、中央部が上方へ僅かに膨出した逆皿形に形成されている点は、従来と同様である。
圧電アクチュエータ10は、圧電素子を積層したピエゾスタックを金属容器内に密封した金属密封型積層圧電アクチュエータを用いることができ、この種の金属密封型積層圧電アクチュエータは、例えば株式会社日本セラテック等から販売されているものを使用することができる。
支持筒体23Aは、図示例のように、圧電アクチュエータ10を収容する第1筒部23Uと、放熱スペーサ40を収容する第2筒部23Lとを有し、第1筒部23Uと第2筒部23Lとが共通の収容空間を形成するように連結可能に構成することができる。図示例では、第1筒部23Uと第2筒部23Lとが、互いに螺子結合されている。また、図示例において、第2筒部23Lは、図2に示す従来の支持筒体23と同形状であり、従来の支持筒体23を利用することも可能である。なお、支持筒体23Aは、図示例のように第1筒部23Uと第2筒部23Lとが別体ではなく、一体構造とすることもできる。
第2筒部23Lは、放熱スペーサ40と同じ材料で形成されている。第2筒部23Lは、インバー、スーパーインバー、ステンレスインバー等のインバー材のように熱膨張係数の小さい材料(好ましくは、2×10−6/K以下)で形成されることが好ましい。第1筒部23Uも熱膨張係数の小さい材料で形成することが好ましく、第2筒部23Lと同じ材料で形成することができる。なお、放熱スペーサ40は、放熱効率の観点から、金属、合金等の高熱伝導性材料が好ましく、その点でもインバー材は適している。
放熱スペーサ40は、流体流路1bを流れる流体から受けた熱を放熱スペーサ40の下端部から上端部へ伝える間に放熱することにより、放熱スペーサ40の上端部の温度、即ち、図示例では、放熱スペーサ40と圧電アクチュエータ10とが接する箇所の温度が、圧電アクチュエータ10の耐熱温度以下となるように、放熱スペーサ40の長さ(高さ寸法)が設定されている。
好ましくは、放熱スペーサ40は、図示例のように、圧電アクチュエータ10と高さ及び直径が同じ円柱状に形成される。そうすることで、第2筒部23Lは、従来において圧電アクチュエータ10を収容するために用いられていた支持筒体をそのまま利用することができる。図示例の放熱スペーサ40は、図2に示された従来の下部受台9に相当する部分が、放熱スペーサ40の下部に一体的に形成されている。
支持筒体23Aは、上下動可能に支持されている。割りベース26の上壁26bは、支持筒体23Aの側壁下部に形成された孔部23aを通過して放熱スペーサ40の下部に延び、放熱スペーサ40を支持する支持部を構成している。また、図示例において、弾性部材18は、支持部を構成する割りベース26の上壁26bの下部に収容されている。したがって、弾性部材18は、支持部を構成する割りベース26の上壁26bからの抗力により、弁体2が流体流路1bを閉鎖するように、支持筒体23Aを図の下方に付勢する。一方、圧電アクチュエータ10は、通電により伸張することにより、支持部を構成する割りベース26の上壁26b、及び上壁26bに支持されている放熱スペーサ40からの抗力により、弾性部材18の弾性力に抗して支持筒体23Aを図の上方へ持上げる。支持筒体23Aが持上げられると、弁体2を形成している金属ダイヤフラムが弾性復帰して流体流路1bを開通させる。
図2に示す従来装置と同様に、図1に示す本発明装置例においても、弁体2の下流側の流体流路1bにオリフィス30cが介在されている。オリフィス30cと弁体2の間の流体流路1bに圧力センサ31aが配設されている。圧電駆動式流量制御装置の外部に設けられた制御部(図示せず。)は、圧力センサ31aの検出値に基づいて圧電アクチュエータ10を制御する。図示しない前記制御部は、例えば、オリフィス上流側圧力P1を下流側圧力P2の約2倍以上に保持した状態下に於いてオリフィス上流側の制御弁により前記圧力P1を調整することによって、オリフィス下流側の流量QcをQc=KP1(但し、Kは常数)により演算して所定の設定値になるように圧電アクチュエータ10を制御する。
上記構成を有する圧電駆動式流量制御装置は、放熱スペーサ40は、圧電アクチュエータ10を持上げ支持しているため、圧電アクチュエータ10が弁体2を開閉駆動する駆動経路上に配置されることとなる。すなわち、放熱スペーサ40は、圧電アクチュエータ10の伸張方向、即ち、圧電素子積層方向の長さ寸法を実質的に延長するエクステンション構造を形成する。
また、放熱スペーサは、圧電アクチュエータ10を流体流路1bから遠ざけるようにリフトアップした位置に支持しているので、流体流路1bを流れる高温流体の熱の一部は、圧電アクチュエータ10に伝熱する前に、放熱スペーサ40によって放熱される。その結果、流体流路1bを流れる流体の温度が圧電アクチュエータの許容温度範囲を超えていても、圧電アクチュエータ10の温度を許容温度範囲内に抑えることが可能となる。
したがって、放熱スペーサ40は、圧電アクチュエータ10による弁体2の開閉駆動を確保しつつ、熱源となる流体流路から遠ざける働きをする。
さらに、放熱スペーサ40と圧電アクチュエータを収容して支持している支持筒体23Aは、少なくとも放熱スペーサ40を収容する部分が放熱スペーサ40と同じ材料で形成されているため、放熱スペーサ40の熱による伸びと、放熱スペーサ40の周囲を囲む部分の支持筒体23Aの熱による伸びとを、等しいかほぼ等しくすることができる。その結果、例えば50μm以下という微小リフトのバルブリフトを制御する場合であっても、精度よく制御することが可能となる。
次に、実施例として、温度降下を測定した実験結果を表1に示す。実験に使用した圧電駆動式流量制御装置は、図1に示すものと同じ構造である。使用した圧電アクチュエータは、株式会社日本セラテック社製金属密封型積層圧電アクチュエータPRB3060であり、直径13mm、高さ寸法47.4mm、仕様書の使用温度範囲が−20〜120℃である。使用した放熱スペーサは、インバー(Fe−36%Ni)で形成してある。支持筒体も、上部筒体、下部筒体ともにインバー(Fe−36%Ni)製とした。弾性部材(皿バネ)は、SUS631製である。流体流路を流れる流体の温度を250℃に調整し、図1に示す各測定ポイントA点〜D点を、熱電対温度計によって測定した。
Figure 0005669384
上記表1の結果から、圧電アクチュエータ下部での温度が、金属ダイヤフラム部の温度に比較して、かなり低くなっていることが分かる。すなわち、制御する流体の温度が250℃であっても、圧電アクチュエータ下部の温度は90℃となっており、保障された使用温度範囲内にある。
次に、比較例として、図2に示された形式の従来の圧電駆動式流量制御装置について、図2に示す各測定ポイントE点〜H点を測定することにより、同様の温度降下測定試験を実施した結果を下の表2に示す。なお、比較例の実験装置は、上記実施例と同じ金属密封型積層圧電アクチュエータを用い、構成材料も同じものを使用した。流体流路を流れる流体温度は、150℃に設定した。
Figure 0005669384
上記表2の結果から、圧電アクチュエータ下部の温度は、流体温度(150℃)に比べてあまり下がっていないことが分かる。比較例では、制御する流体の温度が150℃の場合、圧電アクチュエータ下部の温度が130℃であり、使用保証温度範囲を超えてしまっている。
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において変更することが可能である。例えば、上記実施形態においては圧力制御式の流量制御装置について説明したが、本発明は、圧力制御式以外の制御方式、例えば、熱式センサによる熱式の流量制御装置(所謂マスフローコントローラ、MFC)にも適用可能である。また、上記実施形態においては自己弾性による弾性復帰型の金属ダイヤフラム弁体を備える流体制御装置について説明したが、本発明は、金属ダイヤフラム以外の弁体についても適用可能であることは当業者であれば自明である。
1b 流体流路
10 圧電アクチュエータ
23A 支持筒体
23U 第1筒部
23L 第2筒部
18 弾性部材
40 放熱スペーサ

Claims (7)

  1. 流体流路を備える弁本体と、
    前記流体流路を開閉するための弁体と、
    圧電素子の伸張を利用して前記弁体を開閉駆動するための圧電アクチュエータと、
    前記圧電アクチュエータを前記流体流路から遠ざけるように持上げ支持するとともに、前記流体流路を流れる流体から前記圧電アクチュエータへ伝わる熱を放熱するための放熱スペーサと、
    前記圧電アクチュエータ及び前記放熱スペーサの双方を収容して支持するとともに、前記弁本体に対して上下動可能に支持された支持筒体と、を有し、
    該支持筒体は、該放熱スペーサと同じ熱膨張係数を有する材料で形成されており、
    前記弁体は、自己弾性復帰型の金属ダイヤフラムによって形成され、
    前記弁体が前記流体流路を閉鎖するように前記支持筒体を付勢する弾性部材と、
    前記支持筒体の側壁を通過して前記放熱スペーサの下部に延び、前記圧電アクチュエータが伸張したときに前記弾性部材の弾性力に抗して前記支持筒体を持上げて前記弁体が前記流体流路を開通させるように、前記放熱スペーサを支持する支持部と、を有し、
    前記放熱スペーサは、前記流体流路を流れる流体から受けた熱が該放熱スペーサの下端部から上端部へ伝熱する間の放熱により該上端部の温度が前記圧電アクチュエータの耐熱温度以下となるように、前記下端部と上端部との間の長さが設定されていることを特徴とする圧電駆動式バルブ。
  2. 前記支持筒体は、前記圧電アクチュエータを収容する第1筒部と、前記放熱スペーサを収容する第2筒部とを有し、前記第1筒部と第2筒部とが共通の収容空間を形成するように連結可能に構成され、前記第1筒部及び前記第2筒部が前記放熱スペーサと同じ熱膨張係数を有する材料で形成されていることを特徴とする請求項1に記載の圧電駆動式バルブ。
  3. 前記放熱スペーサは、インバー材で形成されていることを特徴とする請求項1または2に記載の圧電駆動式バルブ。
  4. 前記放熱スペーサは、前記圧電アクチュエータと同じ形状及び寸法を有していることを特徴とする請求項1〜3の何れかに記載の圧電駆動式バルブ。
  5. 請求項1〜4の何れかに記載の圧電駆動式バルブを備えた圧電駆動式流量制御装置。
  6. 前記弁体の下流側の流体流路に介在されたオリフィスと、該オリフィスと前記弁体の間の流体流路に配設された圧力センサと、該圧力センサの検出値に基づいて前記圧電アクチュエータを制御する制御部と、を更に有することを特徴とする請求項5に記載の圧電駆動式流量制御装置。
  7. 前記弁体の上流側に配置した熱式の流量センサによって圧電アクチュエータを制御することを特徴とする請求項5に記載の圧電駆動式流量制御装置。
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