JP2005090555A - 減圧調節弁 - Google Patents

Abstract

【課題】 高圧流体によるキャビテーションを効果的に抑制しうる安価で寿命の長い減圧調整弁を提供する。
【解決手段】 流体入口２と流体出口３の間に減圧装置４と弁プラグ５を備える減圧調整弁において、該減圧装置４は複数の屈折通路を有する２種の環状円盤を重積する構造とし、２種１組として重積方向にも屈折通路を形成した構成とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は減圧装置内を弁体が摺動して昇降することにより減圧装置に多数開口された連通孔を開閉して流量を調整する減圧調節弁に関し、特に高圧流体に用いる減圧調節弁であって騒音やキャビテーションを抑制する減圧調節弁に関する。

従来、高圧流体に用いる減圧調節弁は、複数の直角屈曲を持つ流通孔を備えた減圧装置を有し、高圧流体が減圧装置内を流通する際に流通孔の流路の曲がりにより圧力水頭エネルギーを損失させて流体の減圧を図るものが一般的である。しかし、多曲の流通孔を持つ複雑な構造から工作上の困難があり、従来の技術では製造コストが非常に高くつくのが問題である。

たとえば、特許文献１には、オリフィス孔を持つ中空筒状の減圧用ケージを複数密嵌合させて、流体がオリフィス孔と環状室を通過するたびに減圧するようにした多曲流路を有する減圧調節弁が開示されている。開示発明の減圧調節弁は、環状室で流体が混合するため適切な設計が難しい上、総合した減圧能力が十分でないのに、弁に高圧流体を流した際に、オリフィスの前後で生じる高差圧により流体にキャビテーションが生じ、大きな騒音や振動が発生したり、オリフィス孔のエロージョンが起って弁の寿命が短くなる問題があった。

また、２枚１組の環状円板を多数積上げて複雑な形状の減圧装置を組み上げる減圧調節弁も考案されている。環状円板の一方に円板の外縁から内縁にかけて断続的に穿孔や切り欠きが設けてあり、他方にはそれに相補的な穿孔が設けてあって、２枚を重ねることでそれぞれの切り欠きと穿孔を連結して円板の外縁から内縁に通じる連通孔を設け、上下から切り欠きや穿孔を設けない仕切板で挟み込むことで他の切り欠きや穿孔と干渉しないようにして流体流路を確保し、これらを多数積上げて減圧装置を組み上げるものである。
しかし、２枚１組の環状円板の一方にしか流通孔が開口していないことや、隣接の環状円板に対する遮断のために２枚一組の環状円板の上下に穴加工をしない仕切板を配さねばならないことから、減圧装置の内外表面における流通孔の開口の配置に設計上の制限が生じて弁体ストロークに対する流通孔の開口面積の変化が不連続になり、弁特性が非線形になるため制御が煩雑となることが問題であった。

このような問題に対する方策として、本願出願人は、すでに特許文献２や特許文献３により、減圧装置内に極めて多数の屈折を持った多曲流路を備えて減圧能力が大きく連続した流量特性を持たせることができる高圧流体用減圧調節弁を開示している。
たとえば、特許文献２に開示した減圧調節弁は、図１２および図１３に示すように、内縁から外縁方向へ多数の角形の穿孔が放射状に並んだ環状円板と、それに相補的な穿孔を持つ環状円板を２枚組み合わせることにより多数の垂直方向の直角曲がりを持つ連通孔を形成し、それぞれの円板の穿孔が形成されていない部位を隣接の円板に対する遮断に用いて流体流路を確保し、さらに各々の円板に穿孔のパターンをオスメス併持させ、両方の円板が流入口と流出口を持つようにして流量特性を連続化し、上記問題を解決したものである。しかし、工業的には、この減圧調節弁に組み込む環状円板はレーザー加工で切り出して作成するが、多数の角孔を穿鑿しなければならないために成形に非常に時間が掛かり、製作コストが高くつく問題があった。

このように従来は、高圧流体を効率的に減圧することができる寿命の長い減圧調節弁は提供できたが、これを安価に提供することは難しかった。
特開平９−６０７６３号公報 特開平１１−２４８０３２号公報 特開平１１−２４１７８５号公報

本発明が解決しようとする課題は、高圧流体によるキャビテーションを効果的に抑制しうる安価で寿命の長い減圧調節弁を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の減圧調節弁は流体入口と流体出口の間に弁体を内装した減圧装置を備え、減圧装置が２枚１組となる環状円板を複数段積み上げて形成されており、２枚１組の環状円板がそれぞれ内縁から円板半ばまで達する内向切り欠きと、外縁から該円板半ばまで達する外向切り欠きを１つ以上備え、２枚の環状円板の内向切り欠きと外向切り欠きを円板半ばで連接することにより、減圧装置の内外を連通する１回以上の屈折を持った連通孔を形成したものであることを特徴とする。

なお、内向切り欠きと外向切り欠きのどちらか若しくは両方が１回以上屈曲しているのが望ましく、さらに屈曲が直角であるのが好ましい。
さらに、２枚１組の環状円板のそれぞれが内向切り欠きと外向切り欠きを併せ持ち、環状円板の両方が連通孔の入口と出口を持つようにするとよい。
また、２枚１組の環状円板の形状を同一のものとし、一方の円板に対して他方の円板を円周方向に所定角度回転させて重設することによって内向切り欠きと外向切り欠きを連接して連通孔を形成するようにすることができる。

さらに、切り欠きと切り欠きの間に存在する平板部分が、環状円板の組を複数段積み上げた際に流通孔同士の干渉を遮断する様に形成するのが好ましい。
この場合において、２枚１組の環状円板の切り欠きの配列が、上下に配設される２枚１組の環状円板に対して、円心を通る直線に関して線対称であるようにすると便利である。
さらに、各環状円板における切り欠きの屈曲方向が線対称に配列されて流体が屈曲するときに発生するモーメントを相殺するようになっていることが好ましい。

本発明の減圧調節弁では、流体入口から流入した高圧流体が、減圧装置に形成された多曲流路を通過する際に流路の曲がりにより圧力水頭エネルギーを段階的に失い、所定圧まで減圧されて流体出口から流出する。流体の流量は減圧装置内にそなわった弁体により、弁座から弁体までの距離、即ち弁ストロークに応じて調整される。

本発明の減圧調節弁は、レーザー加工により切出した円板を重設することで多曲流路をもつ減圧装置を形成する。そのため、立体的な切削成型が必要なく、製作コストを非常に安くすることができ、従来に比べて大幅に安価な減圧調節弁を提供することができる。また、円板に設ける切り欠きの形状を変更することで流体流路の形状を自由に設計できるので、減圧能力を細かく調整することができ、目的に応じた減圧装置の形成が非常に容易である。
なお、レーザー加工は連続線の切出し加工が非常に高速であるが穿孔加工には時間がかかる。本発明の減圧調節弁は、内縁、外縁それぞれを一筆で切出せる形状の環状円板を用いるため、従来技術に対して加工時間が短くなり、大幅に製作コストを低減することができる。ちなみにあるレーザ加工機では、１個の穿孔に２０秒かかるのに対して連続切削では１分間に８ｍの切削が可能である。

本発明の減圧調節弁では、減圧装置内の流路が交絡しないので、要求される減圧能力に対応した流路の屈折状態を容易に設計することができる。特に、切り欠きの屈曲を直角にしたものでは、圧力水頭エネルギーの損失状態が十分把握されているので、減圧装置の減圧能力の設定が容易になる。
２枚１組の環状円板のそれぞれが内向切り欠きと外向切り欠きを併せ持つようにしたものでは、減圧装置の垂直方向に関して開口部の存在位置を分散させることができ、弁ストロークにより流体流量の微調整が可能になる。
この場合において、環状円板それぞれに配される切り欠きの配列パターンを同一なものにし、一方を他方に対して円周方向に所定角度回転させて組み合わせるようにすると、円板部品の設計・製作および取り扱いが非常に簡素になるため、製作コストを削減し安価な減圧調節弁を作製することができる。

切り欠きと切り欠きの間に存する平板部分を流通孔同士の遮断に用いるようにしたものでは、環状円板を積設して減圧装置を組み上げる際に連通孔の開口を持たない仕切板を挟む必要がない。したがって、垂直方向に関して連通孔の開口が一様に存在するようにし、弁ストロークに対して連通孔の開口面積を連続的に変化させるようにできる。その結果、弁ストロークと高圧流体の流入量の関係が一定の関数に基づくようになり、制御が非常に簡易になる。

この場合、切り欠きの配列が円心を通る直線に関して線対称となる環状円板の組を１組ずつ交互に重設するようにすると、切り残された平板部分が適切に流通孔同士を遮断するようなるため、設計の手間が省ける。また、これによると平板部分の割合を小さくすることができるので、減圧装置に配設可能な流通孔の数を増やすことができ、減圧装置の減圧能力の選択の幅が広がる。さらに、同一パターンの環状円板を用い、それぞれ天地を入れ替えながら積上げて減圧装置を組み上げることができるので、大量生産が可能になりコスト削減につながる。なお、この形式の減圧調節弁では連通孔の右曲りの屈曲と左曲りの屈曲が同数となり、高圧流体が水平方向の屈曲を通過するときに発生するモーメントが相殺し合う。したがって、減圧装置に掛かる応力が減少する利点がある。

以下、実施例を用いて本発明の減圧調節弁を詳細に説明する。

図１は本発明の１実施例における減圧調節弁の断面図である。本実施例の減圧調節弁１は流体入口２と流体出口３の間に減圧装置４と弁プラグ５が圧力バランスシリンダ６と弁シール７により密閉されて備わっており、図では弁プラグ５が弁座８に着座して流体入口２から流体出口３への流通を遮断している。弁プラグ５はステム９に駆動されて減圧装置４内を摺動して昇降し、減圧装置４の内表面に多数存在する連通孔の開口部を開閉して流体入口２から流体出口３へ流れる流体量を調整するようになっている。

図２は本実施例の減圧装置の断面概念図である。本実施例の減圧装置４は１対の環状円板１０、１１ともう１対の環状円板１２、１３とを交互に繰り返し積上げて形成されている。
図３、図４はそれぞれ環状円板１０、１１の１例を示す平面図である。それぞれに円板外縁から円板半ばに達する外向切り欠き１４、１４’と、円板内縁から円板半ばに達する内向切り欠き１５、１５’が備わっており、図示した例では、外向切り欠き１４、１４’は２回、内向切り欠き１５、１５’は４回直角に屈曲している。
図５は環状円板１０、１１を重ねた状態の平面透視図、図６は環状円板１０、１１を重ねた状態の流通孔部分の拡大平面透視図、図７は流通孔部分を流通孔に沿って示す断面図である。

環状円板１０の外向切り欠き１４と環状円板１１の内向切り欠き１５’が円板半ばの先端部で連接し、減圧装置４を組み上げた際に外向切り欠き１４から流入した流体が内向切り欠き１５’へ流出するようになる。同様に環状円板１０の切り欠き１５と環状円板１１の外向切り欠き１４’が円板半ばで連接し、外縁から内縁に通じる連通孔１６を形成している。
外向切り欠き１４’と内向切り欠き１５を連接することによって外縁と内縁を連通するそれぞれ独立した連通孔が形成される。連通孔１６は水平方向に６回、垂直方向に２回、計８回の直角屈曲が形成されており、高圧流体を流通孔１６に通した際の減圧能力が確保されている。
なお、流体の性状や条件が異なる場合は、その条件などに従って適切な減圧能力を与えるために必要な屈曲条件は異なる。連通孔の屈曲が直角である場合は、メカニズムの実験的また理論的な解析が十分できているので、適切な屈曲数や屈曲位置を比較的簡単に決定することができる。

図８、図９は別の対の環状円板１２、１３それぞれの平面図である。この１対の環状円板１２、１３は先の１対の環状円板１０、１１に対して対称の関係にある。すなわち、環状円板１０、１１を天地入れ換えた状態になっていて、外向切り欠き１７、１７’と内向切り欠き１８，１８’の屈曲形状が反対向きになっているので、これら切り欠きで形成される連通孔１６における屈曲の方向が逆になっている。図示した例では、環状円板１２、１３を重ねると、環状円板１０、１１を重ねた場合と同様に外縁から内縁に通じる計８回の直角屈曲を持つ連通孔を形成する。

なお、流体が流れることにより環状円板に与える回転モーメントは、２つの環状円板対で逆方向になって相殺されるので、減圧装置全体として受ける回転モーメントはゼロあるいはごく小さなものとなる。
また、１枚の環状円板ごとに対称な形状を有する切り欠きを同数ずつ形成して、流体の屈曲により生じる回転モーメントを相殺するようにすることもできる。たとえば、隣同士やいくつかの数ごとに切り欠きを対称形としてもよいし、環状円板の中心線に関して線対称になるように切り欠きを配置してもよい。

図１０は第１対の環状円板１１と第２対の環状円板１２を重ねた状態の平面図である。第１対の環状円板１１の切り欠きと第２対の環状円板１２の平板部分、第２対の環状円板１２の切り欠きと第１対の環状円板１１の平板部分がそれぞれ接し、第１対と第２対の切り欠き同士が連接しないようになっている。図示しないが、第２対の環状円板１３と第１対の環状円板１０の関係も同様である。これにより、環状円板１０〜１３を順に積上げた時に第１対の環状円板１０、１１で形成される連通孔と第２対の環状円板１２、１３で形成される連通孔が干渉しないようになっている。

図１１は本実施例の減圧装置４の内表面を示す一部立面図である。環状円板１０、１１、１２、１３が順に積上げられており、内向切り欠き１５、１５’，１８，１８’が減圧装置の内面に開口している。本実施例の減圧装置４は環状円板１０、１１、１２、１３の間に仕切板を挿入しないので、減圧装置４の垂直方向に関して全域に一様に同数の開口がある。この場合は、弁ストロークと開口面積が比例関係になる。なお、開口の分布を調整することにより、任意の制御特性を実現することができるので、制御対象に従って適切な制御特性を選択することができる。

環状円板１０〜１３はレーザー切削により素材平板ら切出して形成することができる。環状円板１０〜１３をそれぞれレーザーカッターの走査プログラムを変更して成形することもできるし、環状円板１０〜１３の切り欠きの配列パターンを同一のものとすれば、同一の走査プログラムによって得た環状円板を向き・方向を当てはめながら積上げて減圧装置４を形成してもよい。

本発明の減圧調節弁は、各種条件における高圧流体に対して的確にキャビテーションを抑制するように設計でき、かつ制御特性を向上させ、従来と比較して加工時間を短縮し、極めて安価に製作することができる。

本発明の１実施例における減圧調節弁の断面図である。 本実施例の減圧装置の断面概念図である。 環状円板１０の平面図である。 環状円板１１の平面図である。 環状円板１０、１１を重ねた状態の平面透視図である。 環状円板１０、１１を重ねた状態の流通孔部分の拡大平面透視図である。 図６における流通孔部分を流通孔に沿って切り開いた断面図である。 環状円板１２平面図である。 環状円板１３の平面図である。 環状円板１１と環状円板１２を重ねた状態の平面図である。 本実施例の減圧装置の内表面一部立面図である。 従来技術の減圧調節弁に用いる環状円板を２枚重ねた状態の平面図である。 図１２の減圧調節弁における連通項の状態を示す断面図である。

符号の説明

１ 減圧調節弁
２ 流体入口
３ 流体出口
４ 減圧装置
５ 弁プラグ
６ 圧力バランスシリンダ
７ 弁シール
８ 弁座
９ ステム
１０、１１、１２、１３ 環状円板
１４、１４’，１７，１７’ 外向切り欠き
１５、１５’，１８，１８’ 内向切り欠き
１６ 連通孔

Claims (8)

1. 流体入口と流体出口の間に中空筒型の減圧装置と該減圧装置内を摺動して昇降する弁体とを内装した弁体装着室を備え、該減圧装置に該減圧装置内表面と外表面を連通する複数の独立した連通孔を設けてあって、前記弁体が該減圧装置内を昇降することによって該連通孔を開閉して前記流体入口と前記流体出口の間を流れる流体量を調整する減圧調整弁であって、前記減圧装置が２枚１組となる環状円板を複数段積み上げて形成されており、該２枚１組の環状円板の一方が内縁から該円板半ばまで達する内向切り欠きを１つ以上備え、他方が外縁から該円板半ばまで達する外向切り欠きを１つ以上備え、該２枚１組の環状円板を重接し該円板半ばで該内向切り欠きと該外向切り欠きを連接することにより１回以上の屈折を持った前記連通孔を形成することを特徴とする減圧調整弁。
2. 前記内向切り欠きと前記外向切り欠きのどちらか若しくは両方が１回以上屈曲していることを特徴とする請求項１に記載の減圧調整弁。
3. 前記屈曲が直角であることを特徴とする請求項２に記載の減圧調整弁。
4. 前記２枚１組の環状円板のそれぞれが前記内向切り欠きと前記外向切り欠きを併せ持つことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の減圧調整弁。
5. 前記２枚１組の環状円板の形状が同一であって、一方の円板に対して他方の円板を円周方向に所定角度回転させて重接することにより前記内向切り欠きと前記外向切り欠きを連接して前記連通孔を形成することを特徴とする請求項４に記載の減圧調整弁。
6. 前記内向切り欠き同士および外向切り欠き同士の間に存在する平板部分が、前記２枚１組となる環状円板を複数段積み上げる際に前記流通孔同士の干渉を遮断することを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の減圧調整弁。
7. 前記２枚１組の環状円板の前記内向および外向切り欠きの配列が、上下に配設される該２枚１組の環状円板について、互いに対称であることを特徴とする請求項４から６に記載の減圧調整弁。
8. 前記環状円板の前記内向および外向切り欠きが、個々の環状円板内において、対称な形状を有する切り欠きを同数ずつ配置したものであって、流体の屈曲により生じる回転モーメントを相殺するようにすることを特徴とする請求項４から６に記載の減圧調整弁。
   

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