JPH10110846A - 容器切替式流体素子 - Google Patents

容器切替式流体素子

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JPH10110846A
JPH10110846A JP28342896A JP28342896A JPH10110846A JP H10110846 A JPH10110846 A JP H10110846A JP 28342896 A JP28342896 A JP 28342896A JP 28342896 A JP28342896 A JP 28342896A JP H10110846 A JPH10110846 A JP H10110846A
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JP
Japan
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pressure side
valve
side pipe
container
pressure
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JP28342896A
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Ippei Torigoe
一平 鳥越
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 構造が単純で小型の微小流量調節装置を提供
する。 【解決手段】 間欠的に開閉する弁2によって、容器1
を高圧側管路3と低圧側管路4とに交互に間欠的に接続
することにより、弁の間欠開閉周波数に比例した平均流
量の流体を、容器1を介して高圧側管路から低圧側管路
へ汲みだす。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、微小な流量を制御する
ための装置、とくに、容器を高圧側と低圧側に交互に接
続して、弁の開閉周波数に比例した平均流量の流体を、
容器を介して高圧側から低圧側へ汲みだす容器切替式流
体素子に係わる。
【0002】
【従来の技術】流量の調節をおこなうには、通常、調節
弁が用いられる。従来の調節弁は、いずれも、流体の流
路が可変となっていて、バルブプラグを動かすなどの機
械的な手段で流路断面積を調整して、流量を調節してい
る。微小流量の調節には、ニードルバルブが使用される
ことが多いが、やはり、ニードル型のバルブプラグを動
かして流路断面積を調整している。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】機械的に流路断面積を
変化させる従来の調節弁では、バルブプラグ等を移動さ
せるためのアクチュエーターやアクチュエーターの位置
決めをするためのポジショナー等を用いる。このため、
流量調節装置全体の構造は複雑となる。微小な流量の調
節を目的とする調節弁では、弁差圧が小さくなるため弁
本体は小型化が可能であるが、流路の隙間が微小になる
ため、工作や組立てに精度が要求され、また、弁制御に
も高い精度を要求される。このため、微小流量調節装置
全体では、やはり構造は複雑になり、価格も高くなる。
本発明の目的は、構造が単純な小型で低価格の微小流量
調節装置を実現することである。
【0004】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明においては、間欠的に開閉する弁によって、
容器を高圧側管路と低圧側管路に交互に間欠的に接続
し、前記弁の間欠開閉周波数に比例する平均流量の流体
を、高圧側管路から低圧側管路へ流す。
【0005】
【作用】間欠的に開閉する弁を用いて容器を高圧側管路
と低圧側管路に交互に接続すると、容器によって流体が
高圧側から低圧側へ汲みだされる。弁の開閉の一周期に
汲みだされる流体の量は、高圧側と低圧側の流体の圧力
および温度と容器の容積とで決まる。このような流体素
子において、弁の開閉周期を変化させると、単位時間内
に容器によって汲みだす回数が変化するから、流体の平
均流量を調節することができる。すなわち、高圧側管路
と低圧側管路の間の等価的な流体抵抗を、弁の開閉周波
数によって変化させることができる。
【0006】
【実施例】図1は、本発明の第一実施例である。図1に
おいて、1は容積V0 の容器、2は、高圧側管路3およ
び低圧側管路4ならびに容器1に接続された弁である。
5は高圧側管路に取り付けられた容積V1 の圧力溜、6
は低圧側管路に取り付けられた容積V2 の圧力溜であ
る。高圧側管路から低圧側管路へは容器1を介して気体
が流れており、圧力溜5、圧力溜6および容器1内には
気体が充満している。圧力溜5および圧力溜6の中の圧
力はそれぞれP1 およびP2 、それぞれの圧力溜の中の
温度は室温T0 に等しい。なお、圧力溜5および6は、
その容積が容器1の容積に較べてはるかに大きく作られ
ている。7は制御回路であり、弁2に対して制御信号を
出力している。弁2に対する制御信号は、図2に示すよ
うに、容器1と高圧側管路3とを周波数fで間欠的に接
続し、一方、容器1と低圧側管路4とを、高圧側とπだ
けずれた位相で間欠的に接続するような信号である。
【0007】弁2がこのように制御されたとき、容器1
内の圧力P0 は、図2のように、高圧側圧力溜5の圧力
1 と低圧側圧力溜6の圧力P2 が交番する矩形波信号
となる。容器1が高圧側管路3に接続されると、容器1
には高圧側管路から気体が流入し、圧力はP1 に等しく
なる。このときの容器1内の気体の状態方程式を考える
と、
【0008】
【数1】
【0009】である。ここで、M1 は容器1内の気体の
質量、Rは気体定数、mは気体の分子量である。次に、
容器1が低圧側管路4に接続されると、容器1内の気体
の一部は低圧側管路に流出し、圧力がP2 に下がる。こ
のときの容器1内の気体の状態方程式は、容器1内の気
体の質量をM2 として、
【0010】
【数2】
【0011】となる。すなわち、容器1が弁2によって
高圧側管路3と低圧側管路4に交互に接続されることに
より、弁開閉の一周期τについて質量(M1 −M2 )だ
けの気体が、高圧側から低圧側へ汲みだされることにな
る。このように、容器1には、弁2の開閉の一周期ごと
に間欠的に気体が流入・流出するが、管路に圧力溜が設
置されているため、間欠的な流れは平滑され、高圧側圧
力溜5へ流入する流れおよび低圧側圧力溜6から流出す
る流れは、どちらもほぼ定常流となる。そして、その単
位時間当たりの質量流量Qはf(M1 −M2 )に等し
い。従って、弁2の開閉周波数fを変えることで、質量
流量Qを調節することができる。また、数1および数2
から分かるように、M1 およびM2 は容器1の容積V0
に比例するから、容積の異なる容器を使うことで、様々
の流量レンジの調節弁を実現することができる。
【0012】なお、実際には、弁2が切替わった後、容
器1内の圧力は、過渡状態を経て定常状態に達する。こ
のため、容器1内の圧力波形は、詳細に見れば図2に示
した矩形波形とは異なり、図3に示すように、弁の切り
替わった直後に過渡応答波形が現れたのちにP1 または
2 に収束する波形となる。一般に管路中の気体はイナ
ータンスを持っているから、弁が開いた瞬間に容器1へ
流入あるいは流出することはできない。管路のイナータ
ンスが大きいと、過渡状態の持続時間は長くなり、過渡
応答が収束するまでに長い時間がかかる。本実施例で
は、圧力溜5および6を設置し、圧力溜と容器1の間を
短く接続することで、圧力溜と容器1の間の管路のイナ
ータンスを小さくし、過渡状態の持続期間が短くなるよ
うにしている。すなわち、本実施例の圧力溜5および6
は、前記のように間欠的な流れを平均する平滑コンデン
サーの役割とともに、過渡応答を改善するバイパスコン
デンサーの役割を果たしている。本実施例においては、
弁2の開いている期間τ1 を過渡状態の持続時間より十
分に長くなるように設定しているので、弁2の開いてい
る期間内に、容器1内の気体の状態は、数1または数2
で示される状態に達する。従って、弁の切り替わった直
後に過渡状態の期間が存在しても、容器1によって汲み
だされる気体の質量は影響を受けない。
【0013】(第二実施例)図4は、気体の微小流量測
定に応用した本発明の第二実施例である。図4におい
て、1は容積V0 の容器である。11は、高圧側管路3
と容器1を間欠的に接続する弁、12は、低圧側管路4
と容器1を間欠的に接続する弁である。5は、高圧側管
路3に取り付けられた容積V1 の圧力溜、6は、高圧側
管路4に取り付けられた容積V2 の圧力溜である. 圧力
溜5および6の中の気体の圧力はそれぞれP1 およびP
2 、また温度はそれぞれT1 およびT2 である。13
は、容器1内の気体の温度を測定する温度計、14は、
容器1内の圧力を検出している圧力計である。15は、
信号処理装置で、高圧側の弁11および低圧側の弁12
に制御信号を出力するとともに、温度計13および圧力
計14からの信号を受けて、流量を計算して、指示計器
16に出力している。
【0014】信号処理装置15から弁11および12に
加えられる制御信号VC11およびVC12は、図5に示す
ような信号である。このような弁制御により、容器1は
高圧側管路3と低圧側管路4に交互に接続されるので、
圧力計14の出力は、図5のように、P1 とP2 の間を
交番する周期τの矩形波信号となる。また、本実施例で
は、圧力溜中の気体の温度が室温に平衡していない場合
を想定しており、この場合、温度計13の出力も、高圧
側の温度T1 と低圧側の温度T2 の間を交番する周期τ
の矩形波信号となる。容器1が高圧側管路3と接続され
ている期間の、容器1内の気体の状態方程式は、容器内
の気体の質量をM1 として
【0015】
【数3】
【0016】である。一方、容器1が低圧側管路4と接
続されている期間の、容器1内の気体の状態方程式は、
容器内の気体の質量をM2 として
【0017】
【数4】
【0018】である。高圧側管路3と接続された期間に
は容器1内へ気体が流入し、容器1が低圧側管路4に接
続された期間には気体は低圧管路側へ流出する。その量
は、弁開閉の一周期τごとに(M1 −M2 )であり、単
位時間当たりの平均質量流量Qはf(M1 −M2 )であ
る。(M1 −M2 )は、数3および数4より
【0019】
【数5】
【0020】となる。今、弁開閉周波数fと数5のm、
R、V0 は既知であるから、質量流量Qは、圧力計14
および温度計13の出力から計算することが出来る。な
お、本実施例においても、実際には、弁が切替わった
後、容器1内の気体の状態は、過渡状態を経て定常状態
に達する。本実施例では、管路に圧力溜5および6を設
置して過渡応答の持続時間を短くした上で、容器1が高
圧側管路3または低圧側管路4に接続されている期間τ
1 が、過渡応答の持続時間より十分に長くなるように制
御信号を設定している。
【0021】本実施例では、容器1に圧力計14および
温度計13を取り付けて、容器1内の圧力および温度を
測定しているが、高圧側管路3または低圧側管路4に接
続されている期間の容器1内の圧力および温度を測定す
ることが目的であるから、圧力計および温度計は二つの
圧力溜に取り付けてあっても構わない。この場合、容器
1に取り付ける場合の倍の数の圧力計と温度計が必要で
あるが、逆に、圧力計および温度計に要求される応答速
度の点では、容器1に取り付ける場合よりもずっと遅い
物でよい。また、本実施例では、高圧側管路3と容器1
を断続するための高圧側の弁11と、低圧側管路4と容
器1を断続するための低圧側の弁12の二つの弁を用い
ているが、三つのポートを持った一つの弁を用いて、容
器1を高圧側管路と低圧側管路に交互に接続しても構わ
ないことは言うまでもない。
【0022】第一実施例および第二実施例において、容
器1について見ると気体は間欠的に流入・流出している
が、管路中に設置された圧力溜の働きにより、高圧側圧
力溜5に流入する流れ、および低圧側圧力溜から流出す
る流れは、ともに定常流となる。従って、管路の流量調
節や流量測定に本発明の流体素子を用いることによっ
て、管路の流れに非定常成分が発生するということは無
い。管路中の流れが間欠的となっても支障がなく、ま
た、圧力溜がなくても、過渡応答の持続時間が弁の接続
時間τ1 に比べて十分に小さい場合には、圧力溜5また
は6は必ずしも設置する必要はない。
【0023】
【発明の効果】本発明の流体素子は、間欠的に開閉する
弁を用いて容器を高圧側管路と低圧側管路に交互に接続
し、容器によって流体を高圧側から低圧側に汲みだす構
造を有している。流量の調節は、弁の開閉周波数を変え
ることで行い、従来の調節弁と異なって、バルブプラグ
等の位置を精密に制御する必要が無い。このため、流量
調節装置の構造は従来に比べて格段に単純化され、小型
化、低価格化が可能になる。微小な流量の制御に適用す
る場合は、弁は小さな差圧の下で単純な開閉動作をする
だけなので、シリコン微細加工技術を用いて作製された
ような非常に小型の弁でも使用できる。構造が単純で、
小型、低価格の流量調節装置を実現できることが本発明
の固有の効果である。
【0024】また、本発明の流体素子を流量の測定に適
用した場合には、通常の流量計の測定範囲の下限以下の
微小な流量を、簡便かつ高精度に測定することができ
る。構造が単純で、低価格な微小流量測定装置を実現で
きることも、本発明の効果である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第一実施例である。
【図2】第一実施例における信号の波形図である。
【図3】圧力波形の詳細図である。
【図4】本発明の第二実施例である。
【図5】第二実施例における信号の波形図である。
【符号の説明】
1 容器 2 弁 3 高圧側管路 4 低圧側管路 5、6 圧力溜 7 制御回路 11、12 弁 13 温度計 14 圧力計 15 信号処理装置 16 指示計器

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 容器(1)と、上記容器を高圧側管路
    (3)と低圧側管路(4)に交互に間欠的に接続する弁
    (2)とを有し、前記弁の間欠開閉周波数に比例する平
    均流量の流体を、前記容器を介して高圧側管路から低圧
    側管路へ流すことを特徴とする容器切替式流体素子。
JP28342896A 1996-10-03 1996-10-03 容器切替式流体素子 Pending JPH10110846A (ja)

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JP28342896A JPH10110846A (ja) 1996-10-03 1996-10-03 容器切替式流体素子

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JP28342896A JPH10110846A (ja) 1996-10-03 1996-10-03 容器切替式流体素子

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JPH10110846A true JPH10110846A (ja) 1998-04-28

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JP (1) JPH10110846A (ja)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020009110A1 (ja) * 2018-07-03 2020-01-09 住友重機械工業株式会社 極低温冷凍機の圧縮機

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020009110A1 (ja) * 2018-07-03 2020-01-09 住友重機械工業株式会社 極低温冷凍機の圧縮機

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