要旨：電動ニードルバルブは手動式ニードルバルブや比例弁に比べ、デジタル制御、高感度、高速応答、ヒステリシスが小さいという特徴がある。本稿では、海外製品に対抗して開発されたスマート電気ニードルバルブの現地代替製品を紹介する。この製品は、同じ製品性能だけでなく、低コスト高性能を特徴としている。類似の国産電気ニードル弁と比較すると、小型で二次開発・応用の自由度が高いという特徴がある。また、24ビットADCと組み合わせることで、電動ニードル弁の精密な流量調整能力を実現することができる。

1. 概要

電動ニードルバルブは、針状の弁軸を持つ微調節可能なバルブで、主に空気の流れを調節するために使用されます。ニードルバルブの針状弁体は、弁口の揚程を徐々に大きくすることができ、力のアップダウンから連続的にきめ細かく調整することができる。精密な調節が可能な弁として、電気式ニードル弁は広く使用されており、主に気体の流量、真空度、圧力などのきめ細かな調節と制御に使用される。

針の位置を調整する一般的な方法として、ハンドホイールやハンドルがありますが、実験室や工業オートメーションの生産工程では、通常、コンピュータや他の制御機器に接続できるデジタル制御の針弁を必要とします。ニードルバルブの開度調整には デジタルプログラミング制御により制御されます。電気式ニードルバルブは、各種高精度分析機器、半導体プロセス装置、真空プロセス装置、高精度流量制御など、多くの分野で使用されています。

その他、比例弁と比較して、電気ニードル弁は高感度、ヒステリシスが小さいという特徴がある。そこで、KaoLuは電動ニードルバルブに対する市場の需要に応え、同じ技術指標性能を持ちながら、低コストで高性能なステッピングモーターコントローラーで駆動する電動ニードルバルブシリーズを開発しました。類似の局地的な電動ニードル弁と比較して、小型で二次開発・応用に柔軟性があるという特徴があります。当社の電動ニードルバルブFCシリーズと24bit ADCを組み合わせることで、極めて高い分解能の流量制御を実現することが可能です。

2. 既存の国産・外国製電気ニードル弁の比較

2.1 既存の局部用電動ニードル弁

現在、国内の電動ニードル弁は、一般的なニードル弁に従来のモーターアクチュエータを追加した構造を採用するのが一般的である。この構造の代表的な製品を図2-1に示します。モーターアクチュエーター構造を採用した電動ニードル弁は、以下のような特徴があります。

1. ①. 電源電圧は一般にAC220V（またはDC24V）、制御信号はDC0～10V（または4～20mA）です。
2. ②. ボールバルブやバタフライバルブの電動アクチュエータは、一般的に参考出品となり、膨大な量となる。
3. ③. 固有のターンダウン比は一般に50:1なので、調整・制御精度が悪い。
4. ④. 調整応答速度が遅く、深刻なラグ現象がある。切り替え時間が5秒以上ある。
5. ⑤. バルブのサイズは一般的に大きく、最小でも「1/4」にしか届かないので、より大きな流量の調整と制御に適しています。
6. ⑥. 全体の耐圧が高く、高圧・大流量の調整・制御に適しています。

2.2 既存の外国製電気ニードル弁

外国製の代表的な電気ニードルバルブとしては、図2-2に示すように、INFICON社、MKS社の製品がある。INFICON社の製品の型式はVDE016、MKS社の製品は「上流側流量調整弁」シリーズ（148J、154B、248Dを含む）である。

外国製電気ニードル弁の特筆すべき点は、小型で駆動制御のモジュールが独立しており、二次開発・使用に非常に便利なことである。図2-3は、外国製電気ニードル弁の主な技術指標である。

モデル	インフィコン VDE016-X	MKS 148J	MKS 154B	MKS 248D
バルブタイプ	ニードルバルブ
ドライバー	ステッピングモーター	電磁コイル
応答速度 (オープンからクローズまで)	3-4秒	15ms	/	15ms
標準サイズ	KF16	VTF 1/4インチ	スウェージロック1/2"	スウェージロック1/4"
お問い合わせ先	ステンレススチール	ステンレススチール、PTEFなど	ステンレスなど	ステンレススチール
圧力範囲	1×mbar	10気圧	/	10気圧
流量範囲	3× ~75L/分	0.01〜30L/min	0.2〜200L/min	0.1〜50L/min
リニアリティ	/
流量分解能	/	フルスケールの0.1〜0.2%	フルスケールの0.1%	0.1〜2% of フルスケール

 

外形寸法（mm）	60×60×152	85×38×100	/	70×38×85
動作温度範囲	5 ~ 40c	15 ~ 50c	-10 ~ 60c
シール	高速ページモード	メタル	伸縮性のある素材
制御信号	DC 0〜10V または RS232	DC 0〜10Vまたは4〜20mA
電源	DC24V (12W)	DC15〜24V

上記の技術指標から、INFICONの電動ニードル弁だけがステッパー制御方式を採用していること、MKSの製品は基本的に一般的なニードル電磁弁であり、電磁弁は一般的にヒステリシス現象が大きいことがわかります(図2-3 外国製電動ニードル弁の主要技術指標)。

現在の価格と比較すると、INFICONの電動ニードルバルブは駆動回路モジュールを搭載しており、全体の価格は2万元程度である。現在、MKSの主力商品である248Dは、価格が約8,000元。価格は約8,000元で、駆動回路モジュールの搭載が必要です。(約5,000元)が必要で、合計で約13,000元となる。

3. KaoLu 電動ニードルバルブ

KaoLuが開発したFC電動ニードルバルブは、従来の手動ニードルバルブの直径構造を変更し、弁軸の駆動に高精度なリニアステッピングモーターを採用したスマート電子式二方計量ニードルバルブである。電動ニードルバルブとその内部構造を図3-1に示す。

ステッピングモータ制御比例制御弁駆動部の分解能は、0.0127mm/step、0.0254/stepです。低差圧弁の連続運転が可能です(デューティ比100%)。停電時はFC電動ニードル弁の常時閉位置となります。

電磁弁と比較してステッピングモータ駆動モードの最大の利点は冷却動作であり、コイル加熱による制御動作の問題がなく、分解能が極めて高く、差圧が極めて小さく、動作圧力が高いことです。バルブの制御は、DC12V互換のロジックレベルとアナログ0～2.5VDC信号、またはRS485インターフェイスを使用した直接通信で行うことができます。その結果、2%以下のヒステリシス、フルスケールの2.5%以下の優れた直線性、2msの応答時間、数百万回の寿命という利点が得られます。詳細はこちら https://www.genndih.com/proportional-flow-control-valve.htm

モデル	FC-20	FC-120	FC-300	FC-1000
バルブタイプ	ニードルバルブ
ドライバー	バイポーラステッピングモータ制御
応答速度	0.8秒（開→閉）
標準サイズ	G 1/8"	G 3/8"
フルード	不活性ガス・液体
圧力範囲	-1～7 気圧	-1～5 気圧
流量範囲	3× ~75L/分	0.01〜30L/min	0.2〜200L/min	0.1〜50L/min
最大流量	50L/min @7bar	240L/min @7bar	290L/分 @7bar	600L/分 @7bar
リニアリティ	2%	0.1 ~ 1%	0.2 ~ 5%	11%

再現性 (フルスケール)	1%
流量分解能（ステップ長）	0.1L	0.1 ~ 0.2L	0.2 ~ 0.75L	1L
シフト解像度	12.7 um		25.4 um
動作温度範囲	0 ~ 84c
シール	標準的なFKMや他のシールも選択可能
制御信号	DC：0〜10V（または4〜20mA）
電源	DC: 24V (12W)

(図3-2 電気ニードル弁の主な技術指標)

FCシリーズの電気ニードルバルブは、必要な電源と制御信号を提供し、バイポーラステッピングモータのステッピング制御にDC信号を変換するためにステッピングモータ駆動回路モジュールが装備されています。また、RS485シリアルポート通信による直接制御も可能です。駆動回路モジュール，配線方法およびサイズを図3-3に示す。

4. 結論

要約すると、KaoLuが開発したFC電気ニードルバルブは、最先端のステッピングモータ駆動ダイナミック技術、技術指標を採用し、外国製品を超えて、また、低コストの高性能を持っています。