JP2010209962A - 流体切替弁 - Google Patents

Abstract

【課題】複数種類の流体の切り替えを行う流体切替弁において、体格の小型化を図るとともに、流体の切替時間の短縮化を図る。
【解決手段】円錐状に形成された円錐状凹部３２を有する本体部２と、円錐状凹部３２と略相似形状の円錐状凸部４２を円錐状凹部３２内に配置することにより、円錐状凹部３２と円錐状凸部４２との間に形成された円錐状隙間５と、本体部２における円錐状隙間５の外周側に配置され、円錐状隙間５に互いに異なる流体を流入させる複数の入口部６と、円錐状隙間５の縮径側端部と連通し、円錐状隙間５内の流体を外部に流出させる出口部７とを設け、複数の入口部６を同一円周上に配置し、円錐状隙間５を、入口部６から円錐状隙間５に流入した流体が螺旋状に流れて出口部７に導かれるように構成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ガス分析装置等に使用される流体切替弁に関するものである。

一般に、ガスクロマトグラフでは、供給部から供給された試料ガスを検出器で測定する際、試料成分を含まないキャリアガス単体（参照ガス）に対しても同じ条件で測定を行い、両者を比較することにより成分の同定を行う。このため、供給部出口と検出器との間に流体切替弁を設け、試料ガスと参照ガスとを短時間で切り替えて検出器に送るようにしている。このような流体切替弁では、流体を切り替える際に、流体切替弁内に充満している流体を他の流体で外部に押し出す必要がある。

ところで、容器内に存在している空気を効率良く不活性ガスに切り替える装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この装置では、外周面に複数の吐出口が設けられた円板状の吐出部材を容器内に配置し、複数の吐出口から螺旋状に不活性ガスを噴射することで、容器内の空気を外部に押し出している。

特開２００５−１０４５６９号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の装置を流体切替弁に適用した場合、流体切替弁内に配置された吐出部材の複数の吐出口から流体が螺旋状に噴射されるので、吐出部材の真下部分は流体が流れにくい、いわゆるデッドスペースとなってしまう。さらに、複数種類の流体の切り替えを行うためには、複数の吐出部材を流体切替弁内に配置する必要があるため、流体切替弁の体格が大型化するという問題がある。また、複数の吐出口から噴射された流体が流体切替弁内で互いにぶつかり合い、スムーズに流れないので、流体の切り替えに多大な時間を要するという問題がある。

本発明は上記点に鑑みて、複数種類の流体の切り替えを行う流体切替弁において、体格の小型化を図るとともに、流体の切替時間の短縮化を図ることを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、円錐状に形成された円錐状凹部（３２）を有する本体部（２）と、円錐状凹部（３２）と略相似形状の円錐状凸部（４２）を円錐状凹部（３２）内に配置することにより、円錐状凹部（３２）と円錐状凸部（４２）との間に形成された円錐状隙間（５）と、本体部（２）における円錐状隙間（５）の外周側に配置され、円錐状隙間（５）に互いに異なる流体を流入させる複数の入口部（６）と、円錐状隙間（５）の縮径側端部と連通し、円錐状隙間（５）内の流体を外部に流出させる出口部（７）とを備え、複数の入口部（６）は、同一円周上に配置されており、円錐状隙間（５）は、入口部（６）から円錐状隙間（５）に流入した流体が螺旋状に流れて出口部（７）に導かれるように構成されていることを特徴としている。

このように、円錐状凹部（３２）と円錐状凸部（４２）とにより円錐状隙間（５）を形成し、この円錐状隙間（５）を流体が螺旋状に流れるように構成することで、円錐状隙間（５）において入口部（６）から流入した流体を一方向にスムーズに流すことができる。これにより、円錐状隙間（５）内に残存している残存流体を入口部（６）から流入した流体により素早く外部へ押し出すことができるので、流体の切替時間の短縮化を図ることが可能となる。

また、複数の入口部（６）を、円錐状隙間（５）の外周側に同一円周上に配置することで、流体切替弁内部のデッドスペースを縮小することができるので、体格を小型化することが可能となる。

また、請求項２に記載の発明では、円錐状隙間（５）に流入する流体の流れ方向が、前記同一円の径方向に対して傾斜していることを特徴としている。

これによれば、円錐状隙間（５）に流入する流体の流れを強制的に変えて螺旋状に流すことができるので、流体の切替時間の短縮化をより一層図ることが可能となる。

また、請求項３に記載の発明では、円錐状凹部（３２）と円錐状凸部（４２）の間の距離が、出口部（７）に近づく程大きくなっていることを特徴としている。

これによれば、円錐状凸部（４２）の高さ方向に垂直な断面における円錐状隙間（５）の断面積を当該高さ方向で一定とすることができるので、円錐状隙間（５）の出口部（７）近傍で流体の流れが滞らないようにできる。

また、請求項４に記載の発明のように、円錐状隙間（５）の拡径側端部には、リング状に形成されたリング部材（９）が設けられており、リング部材（９）の外周面は、円錐状凹部（３２）の内周面と接触しており、リング部材（９）の内周面は、円錐状凸部（４２）の外周面から離間して配置されており、リング部材（９）における複数の入口部（６）に対応する部位には、リング部材（９）の外周面と内周面とを貫通する複数の貫通孔（９１）が形成されており、個々の入口部（６）は、対応する貫通孔（９１）を介して円錐状隙間（５）と連通していてもよい。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本発明の実施形態に係る流体切替弁１の概略構成を示す模式図である。 本発明の実施形態に係る流体切替弁１を示す断面図である。 図２のＡ−Ａ断面図である。 窒素の供給開始からの経過時間と残留酸素濃度との関係を示す特性図である。 従来の一般的な流体切替装置を示す概略断面図である。

本発明の一実施形態について図１〜図５に基づいて説明する。本実施形態の流体切替弁は、ガス分析装置（ガスクロマトグラフ）における流体供給部出口と検出器との間に設けられ、複数種類の試料ガス（流体）を切り替えて検出器に送るものである。

図１は、本実施形態に係る流体切替弁１の概略構成を示す模式図である。本実施形態の流体切替弁１は、複数種類の流体を切り替え可能に構成されている。流体切替弁１には、複数の流体供給部１０から互いに異なる種類の流体が供給されるようになっている。

図２は、本実施形態に係る流体切替弁１を示す断面図である。図２に示すように、流体切替弁１の本体部２の一面２ａ（図２の紙面下方側の面）には、他面２ｂ（図２の紙面上方側の面）側に窪んだ窪み部３が形成されている。この窪み部３は円筒状凹部３１と円錐状凹部３２とから構成されている。

円筒状凹部３１は、半径が互いに異なる第１円筒状凹部３１ａおよび第２円筒状凹部３１ｂを有している。第１円筒状凹部３１ａは、第２円筒状凹部３１ｂより半径が大きく、第２円筒状凹部３１ｂよりも一面２ａ側において第２円筒状凹部３１ｂと連続して形成されている。円錐状凹部３２は、第２円筒状凹部３１ｂよりも他面２ｂ側において第２円筒状凹部３１ｂと連続して形成され、第２円筒状凹部３１ｂから離れるにつれて縮径する形状を有している。

窪み部３内には、当該窪み部３に対応する形状の突出部材４が配置されている。突出部材４は、円筒状凹部３１と略同一形状の台座部４１と、円錐状凹部３２に対して一回り小さな略相似形状の円錐状凸部４２とから構成されている。

円錐状凸部４２は、台座部４１と連続して形成され、台座部４１から離れるにつれて縮径する形状を有している。また、円錐状凸部４２は、円錐状凹部３２内に配置されている。これにより、円錐状凹部３２と円錐状凸部４２との間には、円錐状隙間５が形成されている。

台座部４１における第２円筒状凹部３１ｂと対応する部位には、Ｏリング等のシール部材４３が取り付けられており、台座部４１と第２円筒状凹部３１ｂとの間から円錐状隙間５内の流体が外部に漏れることを防止している。また、突出部材４は、円錐状凸部４２を円錐状凹部３２内に配置した状態で、本体部２にボルト締めにより固定されている。

本体部２には、円錐状隙間５の拡径側端部、すなわち台座部４１に近い側（一面２ａ側）の端部と連通し、円錐状隙間５に互いに異なる種類の流体を流入させる複数の入口部６が形成されている。また、本体部２には、円錐状隙間５の縮径側端部、すなわち台座部４１から遠い側（他面２ｂ側）の端部と連通し、円錐状隙間５内の流体を外部に流出させる出口部７が形成されている。なお、円錐状隙間５の拡径側端部は、円錐状凸部４２の拡径側端部、すなわち円錐の底面と対応しており、円錐状隙間５の縮径側端部は、円錐状凸部４２の縮径側端部、すなわち円錐の頂点と対応している。

また、本実施形態では、円錐状隙間５を形成する円錐状凹部３２および円錐状凸部４２の間の距離が、出口部７に近づく程大きくなっている。

図１および図２に示すように、本体部２の側面（図２の紙面左右側の面）には、流体供給部１０からの流体を入口部６を介して円錐状隙間５内に噴射するための噴射ノズル８が複数接続されている。この噴射ノズル８としては、例えば自動車用燃料噴射装置に用いられる、先端部にノズル内の流体通路を開閉するバルブを有する噴射ノズルを用いることができる。

噴射ノズル８は、制御部１００からの制御信号に基づいて当該噴射ノズル８内のバルブ（図示せず）を開閉するように構成されている。したがって、本実施形態の流体切替弁１は、複数の噴射ノズル８のバルブを開閉することにより、出口部７から流出する流体の種類を切り替えるようになっている。

図２に示すように、複数の噴射ノズル８には、Ｏリング等のシール部材８１がそれぞれ取り付けられており、噴射ノズル８と本体部２との間から円錐状隙間５内の流体が外部に漏れることを防止している。また、複数の噴射ノズル８は、本体部２にボルト締めによりそれぞれ固定されている。

図３は図２のＡ−Ａ断面図である。図３に示すように、複数の入口部６は、円錐状隙間５の外周側にそれぞれ配置されている。また、複数の入口部６は、同一円周上に配置されている。換言すると、複数の入口部６は、１つの仮想円の円周上に並んで配置されている。

図２および図３に示すように、円錐状隙間５の拡径側端部には、リング状に形成されたリング部材９が設けられている。リング部材９の外周面は、本体部２、より詳細には円錐状凹部３２の内周面と接触している。リング部材９の内周面は、円錐状凸部４２の外周面から離間して配置されている。このリング部材９の内周面と円錐状凸部４２の外周面との間に形成される隙間は、円錐状隙間５の一部を構成している。

リング部材９における複数の入口部６に対応する部位には、リング部材９の外周面と内周面とを貫通する複数の貫通孔９１が形成されている。個々の入口部６は、対応する貫通孔９１を介して円錐状隙間５と連通している。

本実施形態では、複数の貫通孔９１は、リング部材９の径方向に対して傾斜するようにそれぞれ形成されている。すなわち、複数の貫通孔９１は、複数の入口部６が並んで配置されている仮想円の径方向に対して傾斜するようにそれぞれ形成されている。また、複数の貫通孔９１におけるリング部材９の径方向に対する傾斜角度は、互いに等しくなっている。また、本実施形態では、複数の貫通孔９１は、円錐状凸部４２の高さ方向（図２の上下方向）に垂直な方向と平行にそれぞれ形成されている。

続いて、上記構成の流体切替弁１の作動について説明する。

制御部１００からの制御信号により、噴射ノズル８におけるバルブが開けられると、流体供給部１０から供給された流体が噴射ノズル８を介して入口部６から噴射される。入口部６から噴射された流体は、リング部材９の貫通孔９１を通って円錐状隙間５に流入する。そして、入口部６から噴射された流体は、円錐状隙間５において、速い流れの周囲を粘性抵抗で引きずりながら出口部７に向かって螺旋状に流れる。このとき、リング部材９の貫通孔９１は、リング部材９の径方向に対して傾斜するように形成されているので、入口部６から噴射されて円錐状隙間５に流入する流体の流れ方向は、リング部材９の径方向に対して傾斜している。

ここで、本実施形態の流体切替弁１において、空気から窒素への流体の切り替えを行う際の残留酸素濃度の測定を行った。具体的には、流体切替弁１内に空気を充満させた後、噴射ノズル８から窒素を５０００ｃｃ／分で供給した場合における、窒素の供給開始からの経過時間と流体切替弁１内の残留酸素濃度との関係を求めた。なお、空気には、酸素が２１％の割合で含まれているものとする。

図４にその結果を示す。図４中の実線ａが本実施形態の流体切替弁１での測定結果を示している。図４に示すように、本実施形態の流体切替弁１では、残留酸素濃度が０．０１％になるまでの経過時間は５秒であった。なお、残留酸素濃度が０．０１％以下となれば、流体切替弁１内の空気がほぼ完全に窒素に切り替わったとみなすことができる。

ところで、比較のため、従来の一般的な流体切替装置の構成を図５に示す。従来の一般的な流体切替装置は、互いに異なる流体を本体部Ｊ２の流体通路Ｊ５に供給する複数の入口部Ｊ６を備えている。複数の入口部Ｊ６は、一直線上に並んで配置されている。また、流体通路Ｊ５の長手方向、すなわち複数の入口部Ｊ６の配置方向の一端部には、流体通路Ｊ５から流体を流出させる出口部Ｊ７が設けられている。

ここで、従来の一般的な流体切替装置において、本実施形態の流体切替弁１と同様に、空気から窒素への切り替えを行う際の残留酸素濃度の測定を行った。具体的には、流体通路Ｊ５内に空気を充満させた後、入口部Ｊ６から窒素を５０００ｃｃ／分で流体通路Ｊ５内に供給した場合における、窒素の供給開始からの経過時間と流体通路Ｊ５内の残留酸素濃度との関係を求めた。その結果を図４中の破線ｂに示す。

従来の一般的な流体切替装置では、図４に示すように、残留酸素濃度が０．０１％になるまでの経過時間は９０秒であった。したがって、本実施形態の流体切替弁１では、従来の一般的な流体切替装置と比較して、残留酸素濃度が０．０１％になるまでの経過時間がかなり（約８５秒）短くなったと言える。

以上説明したように、円錐状凹部３２と円錐状凸部４２とにより円錐状隙間５を形成し、この円錐状隙間５を流体が螺旋状に流れるようにすることで、円錐状隙間５において入口部６から流入した流体を一方向にスムーズに流すことができる。これにより、円錐状隙間５内に残存している残存流体を入口部６から流入した新たな流体により素早く外部へ押し出すことができるので、流体の切替時間の短縮化を図ることが可能となる。そしてこれにより、成分誤差のほとんどない切り替えを行うことができる。

また、複数の入口部６を、円錐状隙間５の外周側に同一円周上に配置することで、流体切替弁１内部のデッドスペースを縮小することができるので、体格を小型化することが可能となる。

また、リング部材９の貫通孔９１を、リング部材９の径方向に対して傾斜するように形成し、入口部６から噴射されて円錐状隙間５に流入する流体の流れ方向を、リング部材９の径方向に対して傾斜させることで、円錐状隙間５に流入する流体の流れを強制的に変えて螺旋状に流すことができる。これにより、流体の切替時間の短縮化をより一層図ることが可能となる。

また、円錐状凹部３２と円錐状凸部４２の間の距離を出口部７に近づく程大きくすることで、円錐状凸部４２の高さ方向に垂直な断面における円錐状隙間５の断面積を当該高さ方向で一定とすることができるので、円錐状隙間５の出口部７近傍で流体の流れが滞らないようにできる
（他の実施形態）
なお、上記実施形態では、本発明の流体切替弁１を、ガス分析装置に適用した例について説明したが、これに限らず、燃料種類を切り替える燃料供給装置に適用してもよい。具体的には、エタノールをバイオエタノールに切り替える燃料供給装置に適用することができる。

また、上記実施形態では、流体切替弁１を、流体切替弁１内の残存流体を他の１種類の流体に切り替えるように構成した例について説明したが、これに限らず、流体切替弁１内の残存流体を他の２種類以上の流体に切り替えるように構成してもよい。

また、上記実施形態では、突出部材４を本体部２にボルト締めにより固定した例について説明したが、突出部材４と本体部２とを溶接等の接合手段によって接合することにより固定してもよい。

また、上記実施形態では、複数の貫通孔９１を、複数の入口部６が並んで配置されている仮想円の径方向に対して傾斜するようにそれぞれ形成した例について説明したが、これに限らず、複数の入口部６が並んで配置されている仮想円の径方向と平行にそれぞれ形成してもよい。

また、上記実施形態では、複数の貫通孔９１を、円錐状凸部４２の高さ方向に垂直な方向と平行にそれぞれ形成した例について説明したが、これに限らず、円錐状凸部４２の高さ方向に垂直な方向に対して傾斜するようにそれぞれ形成してもよい。

２ 本体部
５ 円錐状隙間
６ 入口部
７ 出口部
９ リング部材
３２ 円錐状凹部
４２ 円錐状凸部
９１ 貫通孔

Claims (4)

1. 円錐状に形成された円錐状凹部（３２）を有する本体部（２）と、
   前記円錐状凹部（３２）と略相似形状の円錐状凸部（４２）を前記円錐状凹部（３２）内に配置することにより、前記円錐状凹部（３２）と前記円錐状凸部（４２）との間に形成された円錐状隙間（５）と、
   前記本体部（２）における前記円錐状隙間（５）の外周側に配置され、前記円錐状隙間（５）に互いに異なる流体を流入させる複数の入口部（６）と、
   前記円錐状隙間（５）の縮径側端部と連通し、前記円錐状隙間（５）内の流体を外部に流出させる出口部（７）とを備え、
   前記複数の入口部（６）は、同一円周上に配置されており、
   前記円錐状隙間（５）は、前記入口部（６）から前記円錐状隙間（５）に流入した前記流体が螺旋状に流れて前記出口部（７）に導かれるように構成されていることを特徴とする流体切替弁。
2. 前記円錐状隙間（５）に流入する前記流体の流れ方向が、前記同一円の径方向に対して傾斜していることを特徴とする請求項１に記載の流体切替弁。
3. 前記円錐状凹部（３２）と前記円錐状凸部（４２）の間の距離が、前記出口部（７）に近づく程大きくなっていることを特徴とする請求項１または２に記載の流体切替弁。
4. 前記円錐状隙間（５）の拡径側端部には、リング状に形成されたリング部材（９）が設けられており、
   前記リング部材（９）の外周面は、前記円錐状凹部（３２）の内周面と接触しており、
   前記リング部材（９）の内周面は、前記円錐状凸部（４２）の外周面から離間して配置されており、
   前記リング部材（９）における前記複数の入口部（６）に対応する部位には、前記リング部材（９）の外周面と内周面とを貫通する複数の貫通孔（９１）が形成されており、
   個々の前記入口部（６）は、対応する前記貫通孔（９１）を介して前記円錐状隙間（５）と連通していることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の流体切替弁。

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