本発明の流量調節弁は、互いに軸方向に� ��動可能に密着対向配置されて嵌合状態にあ� ��摺動軸および摺動円筒面と、前記摺動軸を� ��方向に移動させる移動機構とを有し、前記� ��動軸および摺動円筒面の少なくとも一方の� ��動面にはその特定流域が流体通路となる複� ��のテーパー溝が形成され、このテーパー溝� ��長さ方向、つまり流体通路の一端から他端� ��向に沿って流路抵抗が漸減または漸増する� ��状になっている。

 このように、流体の流量調節をテーパー� ��により行うことで、広範囲に正確な流量調� ��を行うことができる。また、摺動軸および� ��動円筒面の材料を適当なものに選定し、か� ��テーパー溝の形状を調整することで温度変� ��による誤差を極めて小さなものとすること� ��できる。

 従来の可変絞りは、上記図17に示される� �うに丸穴にテーパ円筒棒を挿入して、円環� �の隙間の大きさを少しずつ小さく変えて、� �路抵抗を増加させている。これに対し、本� �明の流量調節弁は、溝で構成される流路の� �面の大きさを少しずつ小さくしている。円� �状の摺動軸の外周面もしくは穴の内周面で� �る摺動円筒面に正三角形状などの溝を直線� �るいはスパイラル状等として設け、前記外� �面に密接する内径の穴である摺動円筒面に� �入する。そして、溝の深さが漸増または漸� �するように形成し、摺動軸および摺動円筒� �の一方の一部の領域と他方の一部の領域と� �密着・嵌合することで、その特定領域の溝� �部分だけが流路になるようにしている。こ� �ため、摺動軸が動くことで特定領域が移動� �、溝の流体抵抗が変化し、流量を調節する� �とができる。

 この溝は、必要とされる流体抵抗の変化� ��に従って任意に高精度で形成することがで� ��、加工も比較的容易である。また、溝の長� ��や大きさを任意に設定することで、可変範� ��や変化率も任意に、しかも広範囲に変化さ� ��ることができる。このため、簡単な構造で� ��広範囲に高精度の流量調節を行うことがで� ��る。テーパー溝は1本より多い、複数の本数 であれば特に限定されるものではないが、特 性の劣化を防止する観点からは3本以上が望� �しい。しかし、あまり本数が増えすぎると� �造コストが増大し、小型化が困難になり、� �度が劣化するなどの弊害が生じる。このた� �、通常の使用形態であれば5ないし6本以下が 好ましい。

 次に、図を参照しつつ本発明の構成につ� ��て説明する。図1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1において、� �体はハウジング321の流体入口301から入り、� �体出口302から出てゆく。テーパー溝が形成� �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、� �部が露出されている。

 摺動軸330の摺動部332の外周の摺動面は、� ��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。

 図2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1の� �333は図2のように深さが幾何級数的に変化す� ��正三角形の溝403が、円筒面に加工されたも� ��である。流体は流体入口402から正三角形の� ��内に流入し、流体出口401から流出する。図1 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。

 ハーゲン・ポアズイユ(Hagen-Poiseuille)の法� ��により、層流状態の円管内の流れでは流量� ��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� ��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� �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。

 例えば溝の深さが平均1.5mmの区間と溝の� �さが平均で10分の1の0.15mmの区間での流量を� �えると、深さが10分の1になることから、流� �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。

 ここで、ハーゲン・ポアズイユの法則を用� ��た流体抵抗の求め方についてより詳細に説� ��する。なお、ハーゲン・ポアズイユの式は� ��一般的な流体工学の教科書等に記載されて� ��るので、詳細についてはそれらを参照され� ��い。ここで、半径r、長さLの円管内を粘性� �数μの流体が差圧δpで流れるときの、層流状 態の流量Qは、下記(1)のハーゲン・ポアズイ� �の式で表され、流路の抵抗Rは(2)式になる。
 Q=Rδp              (1)
 R=8μL/πr ⁴            (2)

 次に、流路の形状が1辺の長さaの正三角� �の場合について考察する。三角形の流路に� �ける流量は、デンマーク大学(Technical Universi ty of Denmark)マイクロ&ナノテクノロジー学 部(MIC : Department of Micro and Nanotechnology)Dr.  Henric Bruusの"Lecture notes second edition, fall 200 5, TheoreticaL microfluidics", p35(非特許文献2)の� �クション2.4.4において、Fig2.6(c)に示される断 面三角形の流路について検討されている。こ のセクションで示されている流量(flow rate)Q� �求める式2.37から上記に従って流路抵抗Rを求 めると下記式(3)式が導き出される。

              (3)
ここで、正三角形の高さをhとすると、

               (4)
(3) (4)式より、高さの正三角形流路の抵抗は� ��式になる。

             (5)

 次に、長手方向に深さが漸減する場合の流� ��抵抗を求める。
 正三角形溝の深さが、長手方向に指数関数� ��に漸減する場合を考えた場合、L=xとすると� ��溝の深さは次式で表される。

             (6)
 (5)、(6)式から、長手方向のある微小区間で� ��抵抗は

                 (7)
 となり、長手方向に、区間x-Lからxまでの抵 抗は、上式を積分すると、

                (8)
となる。

 この(8)式は、長手方向に深さが漸減する� ��面形状が正三角形で全長がLの流路に、粘性 係数がμの流体が流れたときの、流体の流体� ��抗を求める計算式である。この式から、流� ��長Lや流体のμと流体抵抗・流量との関係を� ��出できる。

 このように、テーパー溝の断面形状は上� ��式に従って求めることができるが、実際に� ��を形成したモデルで検証したデータ等を基� ��溝形状を決定してもよい。溝の断面形状を� ��体的にどのようなものにするかは、求めら� ��る流量調節弁の性能や、仕様、仕様環境、� ��体の種類などにより最適なものに調整すれ� ��よい。

 本発明ではテーパー溝の一部の領域が流� ��を構成するように摺動軸および摺動円筒面� ��長さを決定する。つまり、摺動軸が摺動円� ��面を摺動することで、摺動軸と摺動円筒面� ��密着している部分の領域が変化し、この部� ��にある特定領域のテーパー溝だけが流路と� ��る。そして、この特定領域の溝部分が変化� ��ると流体抵抗も変化するので流量が調節さ� ��る。つまり、溝の特定位置には特定の流体� ��抗が対応するので、流路を構成する溝の位� ��を変えれば流体抵抗も変化する。

 摺動軸と摺動円筒面が密着嵌合する領域� ��、図1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の流路が存在 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、使用環 境、流体の種類などにより最適なものに調整 すればよい。

 テーパー溝の断面形状は、上記例に限ら� ��何れの形状も選択することができる。つま� ��、上記式などに従い流体抵抗が漸増または� ��減することが可能な形状であれば、四角形� ��三角形、あるいは半円形など、どのような� ��状でもよい。しかしながら、加工の容易性� ��流体抵抗を算出する作業の容易性を考慮す� ��と、上記のような正三角形が最も好ましい� ��また、テーパー溝を長手方向、つまり流路� ��一端から他端までをどのような形状で形成� ��るかも任意でよく、直線状でもスパイラル� ��でも、ジグザグや蛇行したような形態でも� ��い。主にコストや目詰まり防止の観点から� ��直線状が好ましく、調整範囲を広くとりた� ��場合にはスパイラル状など湾曲したリ、蛇� ��した形状が好ましい。スパイラルは、この� ��でも加工が容易な形状として推奨される。� ��た、摺動軸と摺動円筒面に雄ねじと雌ねじ� ��形成し、このねじの一部、例えば雄ねじの� ��じ山の一部を除去することで、雌ねじの谷� ��溝を構成するようにしてもよい。

 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� ��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� ��、仕様環境、流体の種類などにより最適な� ��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� ��樹脂、ナイロン樹脂等も好ましく、特にナ� ��ロン66、四フッ化エチレン樹脂、三フッ化� �チレン樹脂が好適に用いられる。また、本� �ボディや操作軸などの構成材料は真鍮、ス� �ンレス鋼等の金属で構成してもよい。

 本発明の流量調節弁は、材料や溝構造の� ��定により、積極的な温度補正を行わせるこ� ��ができる。気体の粘度は温度上昇に伴って� ��加し、気体の流量抵抗が大となる。このた� ��、温度上昇に伴って流体調節弁を流れる気� ��の流量が減少する。一方、温度上昇したと� ��に、流体通路の長さを短尺化し気体の流量� ��抗が小さくなるようにすれば、気体の流量� ��増加することができる。

 また、液体の粘度は温度上昇に伴って減� ��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� ��流量が増加する。一方、温度上昇したとき� ��、液体通路の長さを長尺化し液体の流量抵� ��が大きくなるようにすれば、液体の流量を� ��少することができる。

 このように、気体と液体の粘度が温度変� ��に対して反対の性質を持っているが、逆向� ��の補正動作を適宜行わせることにより、温� ��変化があっても流量が変化しない流量調節� ��を得ることが可能である。

 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� �よる流量変化量と流体の粘性抵抗が変化す� �ことによる流量変化量とが打ち消し合うよ� �に設定すればよい。溝の流体通路の長さが� �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。

 具体的には、テーパー溝の横断面形状を、� ��手方向に沿って深さが指数関数的に漸減す� ��正三角形とした場合、摺動軸を移動させる� ��動機構の駆動軸ないし操作軸を金属などで� ��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� ��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。

 流量の温度補償は、ハウジングと移動機� ��の操作軸の各熱膨張による長手方向の変位� ��を利用しているが、テーパー溝を有す摺動� ��筒面の外面に接する部分、すなわち摺動軸� ��、このテーパー溝を設けた部分である摺動� ��筒面部分、すなわちハウジングとは同じ熱� ��張係数の材料で構成することが好ましい。� ��た、本体ボディの材料が異なる場合には補� ��スリーブを設けてもよい。こうすることに� ��って、両者の隙間が径方向に広がって流量� ��大きく変化したり、同隙間が径方向に減少� ��すぎて操作軸が動かなくなること等を防止� ��きる。

 次に、本発明の応用例として、流体の粘� ��係数が未知の場合における1点校正による特 定流量でのダイヤル位置決定の手法について 説明する。

 粘性係数が未知の流体や、混合ガス等2種 以上の流体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、導きだし「1点校正」することにより� �ダイヤルの回転位置を決定することが可能� �ある。

 圧力条件と粘性のどちらか、または両方� ��も未知の場合でも、あるダイヤル回転数の� ��置での流量が分かれば、差圧と流体の粘性� ��数が変化しない限り、それ以外のバルブの� ��イヤル位置での流量は比例関係にあり、一� ��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。

 温度、圧力によって、粘性係数が変化す� ��ことがあっても、上記の「1点校正」の手法 を用いるにより、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� �れる精度により、広範囲な流量の設定が可� �となるのである。

 広い範囲の流量を高精度で設定したい時� ��は、マスフローメータの精度がよいフルス� ��ール付近で流量を測定し、ダイヤル位置を� ��定することにより、圧力・温度を大幅に変� ��ない限りマスフローでは測定できない微少� ��量まで、ダイヤル位置で流量を設定するこ� ��が可能である。

 次に、上記の流量調節弁に好適に使用で� ��、その他の流量調節弁にも適用可能で、流� ��調節弁のダイヤル位置を容易に決定可能な� ��量調節弁のダイヤル位置決定用スケール、� ��ログラム等について説明する。

 ダイヤル位置決定用スケールは、例えば� ��12に示すように矩形状の基板1の上に円形の� ��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� �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� �ル位置の値を、流量とノブ回転数のデータ� �もとに流量に合致するような位置に目盛付� �を施して反時計方向に増加するように付し� �いる。さらに、この回転円板2には、流体の� ��類の記号8が付属する流体の粘性抵抗の値5� �対数目盛で反時計方向増加するように付し� �いる。

 このような構成の流量調節弁のダイヤル� ��置決定用スケールを用いることで、操作ノ� ��にダイヤル目盛の付いた流量調節弁を使用� ��て目標値の流量を流そうとする場合、流す� ��体の粘性係数の値と、流した状態での調節� ��の出入り口の差圧の値とを、スケールの基� ��と回転円板目盛り位置で特定し、この位置� ��回転円板の目盛を合わせ、目標流量の位置� ��ダイヤルの回転位置を読み取り、その位置� ��でダイヤルを回転操作するという簡単な操� ��で、容易に所望の流量のダイヤル位置が得� ��れるようになる。

 つまり、使用者は先ず流体の種類と温度� ��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� �流量の位置を流量目盛り5から探し、その位� ��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。

 このため、流体の種類が、空気、N ₂  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� �できる。粘性係数の値は、冷媒に用いられ� �クロロフルオロカーボンガスや、多くの炭� �水素ガスでも、専門書などに詳述されてい� �ので、非常に多くの種類のガスの流量設定� �行うことが可能である。また、仕様頻度の� �い流体の種類に関しては、予め目盛りに表� �しておくことで、作業効率が格段に向上す� �。

 本発明の流量調節弁のダイヤル位置決定� ��スケールは、紙、樹脂材料により形成され� ��フィルム、板状体、金属板など印刷、刻印� ��可能で所定の強度を有する種々の材料を用� ��ることができる。また、基板においては矩� ��の他、円形、楕円形、長方形、任意の多角� ��、曲線を有する任意の形状など種々の形状� ��することができる。基板の目盛りや回転板� ��目盛りは、印刷や刻印などで形成され、両� ��が重ならないように同心円状に対向するよ� ��に形成配置されている。基板目盛りの流量� ��圧力の範囲の割合は特に限定されるもので� ��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� �と粘性の目盛りの範囲の比は、特に限定さ� �るものではないがダイヤル位置:粘性の円弧� ��範囲の比で7:3~9:1程度である。

 本発明の流量調節弁のダイヤル位置決定� ��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� ��ヤル位置の値、流体の粘性抵抗の値やその� ��囲は、特に限定されるものではなく、使用� ��る流体や、流量調節弁の仕様、性能等に併� ��て最適なもにすればよい。各パラメータの� ��盛りの関係は、好ましくは上記式(1)に従っ� ��設定される。各パラメータの目盛りの位置� ��範囲は、使用する流体の種類などから上記� ��関数などを用いて導き出してもよいし、実� ��した値を基に決めてもよい。また、使用す� ��流体も前記のガスに限定されることなく他� ��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。

 本発明では上記のようなスケールを用い� ��ことなく、ソフトウエアで同様な操作を行� ��せてもよい。具体的には、上記式(1)の各種� ��ラメータを入力してこれを式(1)に従って計� ��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� �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� �よい。

 このようなソフトウエアを有するダイヤ� ��位置決定装置としては、ウインドウズ等の� ��般的なOSが作動することのできるプロセッ� �ーを備えたパソコン(PC)に上記のような計算� ��ログラムを導入することで容易に実現でき� ��。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、C D、DVD等の光学ディスク、フラッシュメモリ� �どの半導体メモリ等、一般的な記録媒体に� �憶させて頒布したり、販売したりして、容� �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 。

 さらに、メーカで流量調節弁を校正し、� ��のデータをソフトウエアに添付させること� ��より精度の高い流量設定を行わせることも� ��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� ��純水で校正する。そして、校正データファ� ��ルとして、例えば“csvファイル”等の特定� ��ータファイルを作成し、これを上記計算ソ� ��トに添付したり、後から頒布して読み込ま� ��るようにすればよい。このような“csvファ� ��ル”はEXCELファイルからcsvファイル出力メ� �ューで容易に得ることができる。“csvファ� �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。

 また、本発明のプログラムは、ゲージと� ��なり紙、樹脂等の構成材料を必要とせず、� ��極的にはプログラムに関する情報をPC等の� �効装置に導入するだけでダイヤル位置決定� �作を行うことができるので、資源の節約に� �貢献でき、地球環境にも優しい。

 また、本発明のダイヤルゲージ、プログ� ��ムにおいても、流体の粘性係数が未知の場� ��における上記の1点校正による特定流量での ダイヤル位置決定の手法を用いることができ る。

 例えば、ダイヤルゲージを用いた場合、� ��る圧力条件のもとで、流量調節弁のあるダ� ��ヤル回転位置での流量を測定し、そのダイ� ��ル位置と測定した流量を回転円板を回させ� ��一致させることで、上記同様1点校正するこ とができる。

 同様に、プログラム方式の場合にも、予� ��、バルブ開度と流量の関係は記録媒体に記� ��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� �れば、あとはこのプログラムにより、希望� �流量を流すための、ダイヤル回転位置を知� �ことが可能である。

 本発明のゲージやソフトウエア、装置を� ��用する上で、上記のような流量調節弁を用� ��ることが好ましい。この流量調節弁はバル� ��の操作角度に対する流量の変化率が全域で� ��定になることを目標に設計された、いわゆ� ��「イーコールパーセント特性」のバルブで� ��る。そして、完全にこの特性が実現されて� ��れば、ノブの回転角度は常に一定間隔目盛� ��よいはずである。なお、実際にはこの理想� ��性とのズレを生じる場合があるが、ズレを� ��正するように、ゲージの操作ノブ回転目盛� ��間隔を補正したり、校正データをソフトウ� ��アに読み込ませて補正することで高い精度� ��確保することができる。

 本発明は、上記構成の流量調節弁に好ま� ��く適用することができるが、これに限定さ� ��るものではなく、通常用いられている流量� ��節弁に応用することも可能である。また、� ��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 。

 次に、本発明のより具体的な実施の形態� ��ついて図面を参照しつつ詳細に説明する。