2021 Fiscal Year Research-status Report

Development of a small flow control valve capable of micro-flow control

Research Project

Project/Area Number	20K04248
Research Institution	Kansai University
Principal Investigator	廣岡大祐関西大学, システム理工学部, 准教授 (10634016)
Project Period (FY)	2020-04-01 – 2023-03-31
Keywords	流体制御機器 / 圧電素子 / アクチュエータ
Outline of Annual Research Achievements	本研究では，空気圧アクチュエータ制御用に連続的な微小流量の調整が可能な小型制御弁の開発を行っている．開発している制御弁では，空気管路内部に弁体として微粒子を封入した制御弁であり，圧電素子によりオリフィス上の微粒子の微小な運動を制御することで，高応答で微細流量の制御が可能となる．2021年度は2020年度に作成した，流量調節時に，空気圧影響下における微粒子の運動挙動が観察可能なシステムを用いて，流量特性評価を行った．このシステムを用いて，微粒子挙動観察と同時に印加電圧と流量特性を計測することで，本研究で提案している制御弁駆動原理の基礎的特性を明らかにした．さらに，手動の絞り弁と高応答の圧力計を組み合わせ，デジタルフィルタによるノイズ除去を行うことで，制御弁の応答性能を測定した．実験の結果より，この駆動原理において，数ml/minの流量を20ms以下のスケールで制御可能なことを示した．これらの結果を踏まえて，本制御弁の基本的な動作特性と応答性に関しての議論をまとめ，英語論文として発表した．また，観察システムにハイスピードカメラを搭載することで，観察の精度を向上させることが可能となった．ハイスピードカメラによる撮影結果より，制御弁内での微粒子の運動を詳細に分析し，制御流量の高精度化に必要な条件を推定した．この結果と2020年度の成果である制御弁の駆動原理と小型に関する推定をもとに，実用的な制御弁の基本構造を決定し，有限要素法を用いたシミュレーションを行い，試作機を設計した．
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 2021年度は2020年度に作成した観察システムを用いることで，制御弁流量調整時の空気圧影響下での微粒子の挙動を観察し，制御弁の流量特性と微粒子の運動挙動を同時に測定することで，制御弁の駆動原理に関する基礎的データを収集した．また流量特性からは評価が難しい制御弁の応答性を，手動の絞り弁と圧力計を用いることで，応答時間の測定より評価する方法を提案した．これらの結果より，制御弁の流量制御特性，応答性を評価し，本研究で提案する制御弁の駆動原理が，微小流を連続調整する制御弁に適した特性を有することを明らかにし，その有用性に関する内容をまとめた英語論文を執筆した．さらに観察システムにハイスピードカメラを搭載し，流量調節時の微粒子の運動を詳細に観察することで，制御流量の微小化に必要な条件を明らかにした．これらの結果を踏まえ，2020年度の成果である制御弁の駆動に最適な駆動条件，制御方法と組み合わせることで，本研究の最終的な目標である，制御弁の小型化，実用化を目指した試作機の基本構造を決定し，有限要素法のシミュレーションにより駆動条件を確認した．シミュレーション結果より，制御弁の小型化が実現可能な構造が明らかになり，実用化に近づけることが出来た．
Strategy for Future Research Activity	2022年度は過去の結果をもとに，実用的な流量制御を想定した試作機を作製し，その特性を評価する．試作機は実際に空気圧アクチュエータを制御することを想定し，排気・吸気の切り替え，流量の調節が可能な三方向弁とする．すでに基本的なモデルを用いたシミュレーションに成功しており，排気ポート，吸気ポートと内部の管路の配置を最適化することで，三方向弁として作製を行う．この試作機では2020年度に明らかになった，制御弁の駆動に最適な駆動条件，制御方法を用いることで，制御弁の小型化，駆動時の省電力化が実現できる見込みである．この試作機を用いて，流量特性，応答性の評価を行う．さらに駆動時の印加電圧と電流を測定することで，駆動に必要な電力の評価，安定的な制御手法を確認する．これらの結果を踏まえ，空気圧アクチュエータの制御を行い，本研究で提案する制御弁の特性を明らかにする．
Causes of Carryover	当初計画では，2021年度中に論文を執筆する予定になっており，掲載費用を計上していた．しかし，論文の掲載時期が2022年度にずれこんだため，当初計画と差額が生じた．生じた差額は2022年度に論文掲載料として，使用する予定である．2022年度は制御弁の小型試作機の製作，および制御実験のシステム構築が主な課題となるため，試作費および部品の購入代が主な使用用途となる予定である．