JP2006138399A5 - - Google Patents
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Description
本発明は、流量を精密かつ任意に調節できる流量調節弁に関する。
従来から流体の微小流量を精密に制御できる調節弁として精密ニードル弁が知られている。ここで使用されるニードルとして流量範囲に応じて10数種類のMAXCV値(弁が全開のときのCV値)を有するものが用意されている。またニードルの材質を適宜選択することによって、温度変化に応じてニードルとオリフィス部との口径(外径)差を変化させて温度補償を行うことも知られている(特許文献1参照)。
また、従来、流量の任意調整が可能で調節範囲の広い絞り弁が知られている(特許文献2参照)。この絞り弁は弁本体の流体通路の内周面に雌ねじを形成すると共に抵抗子の外周面の一部に雌ねじに螺合する雄ねじを形成し、両者のねじ螺合の隙間を流体通路とするものである。
実公昭52−52261号公報
特開2000−179748号公報
小林清志、飯田嘉宏共著,「新版 移動論」,第11刷,株式会社朝倉書店,1997年10月,p.48
ここで、従来の精密ニードル弁には、次のような解決すべき課題があった。すなわち、全く温度補償をしていないニードル弁の場合には温度変化1℃当たりの誤差が、約0.4%であるが、温度補償をしているとして市販されている上記のニードル弁においても、温度補償により、誤差が1℃当たり、0.3%程度にしか改善されていない。
ほとんどすべての用途において、この誤差は小さいことが望ましく、温度補償としては、少なくとも、誤差を1℃当たり0.1%以下に抑えることが望ましい。
また、市販されているニードル弁の流量調整範囲は比較的狭い流量範囲なため使用者は多種類の流量調節範囲の製品の中から、用途に適した流量範囲のものを選定しなければならないが、予測を誤れば、また別の流量範囲のものを購入しなおすことなどが必要になり、不便であった。
ほとんどすべての用途において、この誤差は小さいことが望ましく、温度補償としては、少なくとも、誤差を1℃当たり0.1%以下に抑えることが望ましい。
また、市販されているニードル弁の流量調整範囲は比較的狭い流量範囲なため使用者は多種類の流量調節範囲の製品の中から、用途に適した流量範囲のものを選定しなければならないが、予測を誤れば、また別の流量範囲のものを購入しなおすことなどが必要になり、不便であった。
また上記従来の絞り弁は、流体通路としてねじ螺合の隙間の有効断面積を変化させて絞り開度に変化を与えるものであるが、温度変化による流量の変化については補償するものではない。
本発明は以上の課題を解決するためになされたもので、多回転でどの位置でも回転角度に対する流量変化率が一定である流量調節弁および温度変化があっても流量が変化しない流量調節弁を提供することを目的とする。
図10(a)に示すように、気体の粘度は温度上昇に伴って増加し、気体の流量抵抗が大となる。このため、温度上昇に伴って流体調節弁を流れる気体の流量が減少する。一方、温度上昇したときに、流体通路の長さを短尺化し気体の流量抵抗が小さくなるようにすれば、気体の流量を増加することができる。
また、図10(b)に示すように、液体の粘度は温度上昇に伴って減少し、液体の流量抵抗が小となる。このため、温度上昇に伴って流体調節弁を流れる液体の流量が増加する。一方、温度上昇したときに、液体通路の長さを長尺化し液体の流量抵抗が大きくなるようにすれば、液体の流量を減少することができる。
このように、気体と液体の粘度が温度変化に対して反対の性質を持っているが、逆向きの補正動作を適宜行わせることにより、温度変化があっても流量が変化しない流量調節弁を得ることが可能である。
本発明は、流量を広い範囲で調整でき、かつどの調整位置でも、操作軸の回転角度に対する流量変化が一定な絞り弁を得るものである。また、流体の粘性係数の増加による流量の減少と、流体の流量抵抗の減少による流量の増加とを相殺して、流量の温度依存性をなくすようにするものである。
本発明を実現するために、弁体の流体通路を、深さが漸減する三角溝とした場合の可変絞りについて説明する。
先ず、断面形状が正三角形流路に層流状態で流体が流れる場合の流量Qを求める。
図7に示す半径rの円管状の流路27に流体が流れる場合の流量は、ハーゲン・ポアズイユの式により求められる。この式は次の(1)式で表される。
Q=πr4Δp/8μL (1)
ここで、Qは円管を流れる流体の流量、rは円管の半径、Δpは円管の入り口と出口の流体の、流れ方向の圧力差、μは流体の粘性係数、Lは円管の入り口から出口までの管長である。
図7に示す半径rの円管状の流路27に流体が流れる場合の流量は、ハーゲン・ポアズイユの式により求められる。この式は次の(1)式で表される。
Q=πr4Δp/8μL (1)
ここで、Qは円管を流れる流体の流量、rは円管の半径、Δpは円管の入り口と出口の流体の、流れ方向の圧力差、μは流体の粘性係数、Lは円管の入り口から出口までの管長である。
図8に示す断面形状が正三角形の流路28に流体が流れる場合も、同様に計算をする。
この場合に、移動論(非特許文献1参照)より、正三角形の高さをhとすると、この流路は、下記の(2)式で表される半径reの仮想円管の円管状の流路と等価なものとして計算をすることができる。
re=h/3 (2)
hは、図8に示すように正三角形の高さ(溝の深さ)である。
この場合に、移動論(非特許文献1参照)より、正三角形の高さをhとすると、この流路は、下記の(2)式で表される半径reの仮想円管の円管状の流路と等価なものとして計算をすることができる。
re=h/3 (2)
hは、図8に示すように正三角形の高さ(溝の深さ)である。
(2)を(1)に代入して層流状態での流量Qを求める。
Q=πh4Δp/648μL (3)
円管内を流れる流体に対する円管の流量抵抗Rは、R=Δp/Q であるから、これを(3)式に代入すると、次の(4)式となる。
R=648μL/πh4 (4)
Q=πh4Δp/648μL (3)
円管内を流れる流体に対する円管の流量抵抗Rは、R=Δp/Q であるから、これを(3)式に代入すると、次の(4)式となる。
R=648μL/πh4 (4)
図9に示すような長手方向に深さが漸減する、断面形状が正三角形の流路29に、粘性係数μの流体が流れる場合の流量抵抗Rを求める。
正三角形溝の深さhが、長手方向に指数関数的に漸減する場合を考える。
流路29の入り口の座標をx=0とする。x軸を、流路の長手方向に平行に設定すると、x点での溝の深さh(x)は、次式で表すことができる。
ここで、aとbは任意の定数、eは自然対数の底である。
h(x)=ae-bx (5)
正三角形溝の深さhが、長手方向に指数関数的に漸減する場合を考える。
流路29の入り口の座標をx=0とする。x軸を、流路の長手方向に平行に設定すると、x点での溝の深さh(x)は、次式で表すことができる。
ここで、aとbは任意の定数、eは自然対数の底である。
h(x)=ae-bx (5)
(4)、(5)式から、流路29の長手方向のある微小区間での流体抵抗は、
dR=648μ・dx/π(ae-bx)4 (6)
と表すことができる。故に、
dR/dx=648μ・e4bx/πa4 (7)
dR=648μ・dx/π(ae-bx)4 (6)
と表すことができる。故に、
dR/dx=648μ・e4bx/πa4 (7)
流路29の長手方向にみて、マイナス方向の無限遠から、位置xまでの流量抵抗は上式を積分して、
R(x)=162μ・e4bx/πa4b (8)
無限遠から位置xまでの正三角形溝を流れる流量は、下式で表される。
Q(x)=πa4b・e-4bx・Δp/162μ (9)
R(x)=162μ・e4bx/πa4b (8)
無限遠から位置xまでの正三角形溝を流れる流量は、下式で表される。
Q(x)=πa4b・e-4bx・Δp/162μ (9)
この(9)式は、長手方向に深さが漸減する断面形状が正三角形で全長がxの流路に、粘性係数がμの流体が流れたときの、流体の流量を求める計算式である。この式から、流路長xや流体のμと流量との関係を算出できる。
本発明は、それぞれ次のような構成により実現することができる。
〈構成1〉
互いに軸方向に摺動可能に嵌合された操作軸およびハウジングと、
この操作軸およびハウジングの少なくともいずれか一方の摺動面に流体通路を形成する溝と、
前記ハウジングに対して前記操作軸を軸方向に移動させる操作軸移動機構とを有し、
前記操作軸の軸方向の任意の位置において前記操作軸の一定移動量に対する前記流体通路の流量の変化の割合が一定になるように、前記溝を、前記流体通路を流れる流体の流量抵抗が長さ方向に沿って漸減又は漸増するように形成した流量調節弁。
〈構成1〉
互いに軸方向に摺動可能に嵌合された操作軸およびハウジングと、
この操作軸およびハウジングの少なくともいずれか一方の摺動面に流体通路を形成する溝と、
前記ハウジングに対して前記操作軸を軸方向に移動させる操作軸移動機構とを有し、
前記操作軸の軸方向の任意の位置において前記操作軸の一定移動量に対する前記流体通路の流量の変化の割合が一定になるように、前記溝を、前記流体通路を流れる流体の流量抵抗が長さ方向に沿って漸減又は漸増するように形成した流量調節弁。
溝を、流体通路を流れる流体の流量抵抗が長さ方向に沿って指数関数的に変化するように形成することにより、流量を広い範囲で調整でき、かつどの調整位置でも、操作軸の一定移動量に対する流量変化が一定な絞り弁を得ることができる。操作軸の一定移動量とは、例えば、ハウジングに螺合支持された操作軸を回転させながら一定移動する場合には、操作軸の回転角度の変位量である。操作軸の一定の回転数に対する流量変化の割合が、絞りの強さに関係なくどの位置でも一定で広い調整範囲を持つ。
従って、広い調整範囲に対応するための多種の弁を用意しておく必要がなく、容量選定作業がかなり簡単である。
なお、溝により形成される流体通路とは、溝の全長のうち、操作軸又はハウジングの接触面により同溝の開口面が閉塞されている部分の流体通路をいう。溝はピッチが一定のものだけでなく、一定でないものも含むものである。
従って、広い調整範囲に対応するための多種の弁を用意しておく必要がなく、容量選定作業がかなり簡単である。
なお、溝により形成される流体通路とは、溝の全長のうち、操作軸又はハウジングの接触面により同溝の開口面が閉塞されている部分の流体通路をいう。溝はピッチが一定のものだけでなく、一定でないものも含むものである。
〈構成2〉
前記操作軸とハウジングとの間に設けられ、かつこれらのいずれか一方に固定され他方に摺動する補助スリーブを有し、
前記操作軸とハウジングとを、互いに熱膨張係数の異なる材料により構成し、
温度変化により、前記溝の流体通路の区間が変化することによる流量変化量と流体の粘性抵抗が変化することによる流量変化量とが打ち消し合うように、前記溝の形状を選定した上記構成1の流量調節弁。
前記操作軸とハウジングとの間に設けられ、かつこれらのいずれか一方に固定され他方に摺動する補助スリーブを有し、
前記操作軸とハウジングとを、互いに熱膨張係数の異なる材料により構成し、
温度変化により、前記溝の流体通路の区間が変化することによる流量変化量と流体の粘性抵抗が変化することによる流量変化量とが打ち消し合うように、前記溝の形状を選定した上記構成1の流量調節弁。
構成2により、流量の温度依存性をなくす効果が得られる。すなわち、弁使用中に温度変化に伴い、流体通路長の変化による流体の流量抵抗の変化量と、同時に、流体の粘性抵抗の変動による流量変化量とを相殺するようにした。適用する流体に応じて、操作軸とハウジングとの各材質と溝の形状とを適切に選定することにより、一定の流量を設定しておいたとき、温度変化があっても流量が変化しないようにした。従って流量の温度依存性がなく流量の温度補償ができる。
なお、溝により形成される流体通路とは、溝の全長のうち、操作軸又はハウジングの接触面により同溝の開口面が閉塞されている部分の流体通路をいう。この流体通路の区間(位置)を変化させれば、溝の深さが変化するので流量抵抗を変えることができる。溝はピッチが一定のものだけでなく、一定でないものも含むものである。
なお、溝により形成される流体通路とは、溝の全長のうち、操作軸又はハウジングの接触面により同溝の開口面が閉塞されている部分の流体通路をいう。この流体通路の区間(位置)を変化させれば、溝の深さが変化するので流量抵抗を変えることができる。溝はピッチが一定のものだけでなく、一定でないものも含むものである。
〈構成3〉
前記補助スリーブは、前記操作軸に設けられた溝と接している部分が前記ハウジング内の空間に延出している上記構成2の流量調節弁。
前記補助スリーブは、前記操作軸に設けられた溝と接している部分が前記ハウジング内の空間に延出している上記構成2の流量調節弁。
補助スリーブの、操作軸に設けられた溝と接している部分がハウジング内の空間に延出していることにより、その延出部分の内、外周面に加わる流体圧が等圧であり、この延出部分には機械的強度が要求されないから、肉厚を薄くすることができる。延出部分の肉厚を薄くできることにより、操作軸との嵌め合い精度を下げることができる。
〈構成4〉
前記補助スリーブと、これに摺動可能に接する操作軸又は前記ハウジングとを、同一材料、または熱膨張係数が接近した材料により構成した上記構成2または3の流量調節弁。
前記補助スリーブと、これに摺動可能に接する操作軸又は前記ハウジングとを、同一材料、または熱膨張係数が接近した材料により構成した上記構成2または3の流量調節弁。
温度変化により、補助スリーブとこれに摺動可能に接する操作軸又はハウジングとの間に、径方向に隙間が生じた場合には、流体が溝内の流体通路以外に、径方向に生じた隙間を通じて流動するようになって所定の目的が達成できなくなる。構成3は、そのような温度変化による径方向の隙間の発生を防止する効果を奏する。
〈構成5〉
前記操作軸およびハウジングとが互いに嵌合され、前記溝が前記操作軸とハウジングの各接触面にそれぞれ設けられ、互いに螺合して流体通路を形成し、
前記操作軸の軸方向の任意の位置において前記操作軸の一定回転角度に対する、前記流体通路の流量の変化の割合が一定になるように、前記両溝を、前記流体通路を流れる流体の流量抵抗が長さ方向に沿って漸減又は漸増するように形成した上記構成1の流量調節弁。
前記操作軸およびハウジングとが互いに嵌合され、前記溝が前記操作軸とハウジングの各接触面にそれぞれ設けられ、互いに螺合して流体通路を形成し、
前記操作軸の軸方向の任意の位置において前記操作軸の一定回転角度に対する、前記流体通路の流量の変化の割合が一定になるように、前記両溝を、前記流体通路を流れる流体の流量抵抗が長さ方向に沿って漸減又は漸増するように形成した上記構成1の流量調節弁。
溝を、流体通路を流れる流体の流量抵抗が長さ方向に沿って指数関数的に変化するように形成することにより、流量を広い範囲で調整でき、かつどの調整位置でも、操作軸の回転角度に対する流量変化が一定な絞り弁を得ることができる。
以下、本発明の実施の形態を実施例毎に詳細に説明する。
図1は、実施例1の流体調節弁を示す縦断面図である。
図1において、実施例1の流体調節弁10は、操作軸12と、操作軸12の終端側外周に嵌着された補助スリーブ18と、操作軸12及び補助スリーブ18に、互いに軸方向に移動可能に嵌合されたハウジング20とを備えている。補助スリーブ18の外周面の、一方にスパイラルの溝14が形成され、他方にOリングを介在させたシール部26が設けられている。
図1において、実施例1の流体調節弁10は、操作軸12と、操作軸12の終端側外周に嵌着された補助スリーブ18と、操作軸12及び補助スリーブ18に、互いに軸方向に移動可能に嵌合されたハウジング20とを備えている。補助スリーブ18の外周面の、一方にスパイラルの溝14が形成され、他方にOリングを介在させたシール部26が設けられている。
操作軸12は、ねじ溝13が設けられてハウジング20の一端20aに螺合支持され、かつハウジング内の他端20b側に終端16が位置するようにされている。操作軸12の一端につまみ15が設けられている。このつまみ15を正転あるいは逆転することにより、操作軸12をハウジング20に対して軸方向に往復移動させることができる。このような構成がハウジング20に対して操作軸12を軸方向に移動させる操作軸移動機構である。しかし、本発明における操作軸移動機構は、これに限定されるものではなく、図示を省略したが、操作軸12をハウジング20に対して摺動可能に支持し、シリンダ等の往復駆動装置により操作軸12を軸方向に往復動させる構成も含むものである。
ハウジング20の他端20bに開けた開口が一方の流体出入口22とされ、ハウジングの側面に開けた開口が他方の流体出入口24とされている。溝14は、ハウジング20の内周面に設けられた縮径部20cによって一部が閉塞され、残部が露出されている。
ハウジング20の一方の流体出入口22と他方の流体出入口24との間に、溝14を通じて流体通路が形成されている。ここで、溝14により形成される流体通路とは、溝14の全長のうち、ハウジング20の縮径部20cとの接触により同溝の開口面が閉塞されている部分(X1)の流体通路をいう。
この実施例では、流体は、矢印で示すように一方の流体出入口22から流入し、溝14を経て他方の流体出入口24から流出する。この流体の流れは逆方向でもかまわない。
この実施例では、流体は、矢印で示すように一方の流体出入口22から流入し、溝14を経て他方の流体出入口24から流出する。この流体の流れは逆方向でもかまわない。
つまみ15を持って操作軸12を回転すると、ねじ溝13によって操作軸12と共に補助スリーブ18が長手方向に移動し、溝14の外面がハウジング20の縮径部20cの内周面に沿って摺動するようにされている。操作軸12を回転したとき、補助スリーブ18も共に回転してもよいが、回転しないで長手方向に移動するようにしてもよい。
操作軸12とハウジング20とは、互いに熱膨張係数の異なる材料により構成されている。ハウジング20と補助スリーブ18とは、同一材料、又は熱膨張係数が接近した材料により構成されている。例えば、操作軸12を真鍮等の金属材料で構成したとき、ハウジング20と補助スリーブ18をナイロンやフッ素樹脂等のプラスチック材料で構成する。
溝14は、後述するように、操作軸12の軸方向の任意の位置において操作軸12の一定移動量に対する流体通路の流量の変化の割合が一定になるように、流体通路を流れる流体の流量抵抗が長さ方向に沿って指数関数的に漸減又は漸増するように形成されている。溝14をこのように構成した場合は流量を広い範囲で調整でき、かつどの調整位置でも、操作軸の回転角度の変位量に対する流量変化が一定な絞り弁を得ることができる。
また、溝14の形状を、温度変化により、溝14の流体通路の区間(位置)が変化することによる流量変化量と流体の粘性抵抗が変化することによる流量変化量とが打ち消し合うように選定する。溝14の流体通路の長さが一定のままでも、抵抗要素になる区間(位置)を変化させれば、溝14の深さが変化するので流量抵抗を変えることができる。このようにした場合には流量の温度依存性をなくす効果が得られる。この効果については後述する。
以上のように構成した流量調整弁10を、次のようにした場合について考える。
すなわち、溝14の横断面形状を、長手方向に沿って深さが指数関数的に漸減する正三角形とする。操作軸とハウジングの軸方向の有効な(膨張係数の違いによる温度補償に有効な)長さを60mmとする。操作軸12には真鍮C3604BDを使用し、ハウジング20及び補助スリーブ18にはナイロン66を使用する。真鍮C3604BDの熱膨張係数(熱膨張係数)は、2×10-5/℃であり、ナイロン66の熱膨張係数は、9×10-5/℃である。従って、操作軸12とハウジング20の熱膨張係数の差は、7×10-5/℃である。
すなわち、溝14の横断面形状を、長手方向に沿って深さが指数関数的に漸減する正三角形とする。操作軸とハウジングの軸方向の有効な(膨張係数の違いによる温度補償に有効な)長さを60mmとする。操作軸12には真鍮C3604BDを使用し、ハウジング20及び補助スリーブ18にはナイロン66を使用する。真鍮C3604BDの熱膨張係数(熱膨張係数)は、2×10-5/℃であり、ナイロン66の熱膨張係数は、9×10-5/℃である。従って、操作軸12とハウジング20の熱膨張係数の差は、7×10-5/℃である。
空気の粘性係数μは、摂氏0度から摂氏100度に温度上昇すると、1.73倍になる。前述の(9)式から、粘性係数が1.73倍に増えると、流量は1.73分の1に減少する。
一方、摂氏0度から摂氏100度に温度上昇すると、流体通路の部分での操作軸12とハウジング20の相対的な位置ずれ量は0.42mmである。このとき、溝14による流体通路長は相対的に短くなる。なお、操作軸12の長手方向の熱伸縮差操作軸の半径方向の熱伸縮差は、操作軸の長手方向の熱伸縮差に比べて無視できないので、操作軸12とハウジング20との間に補助スリーブ18を介在させている。
従って、0.42ミリの位置ずれで溝14を流れる空気の流量が1.73倍に増えるように、溝14を設計すればよい。この割合から、操作軸12の長手方向に0.5mmだけ流体通路の長さを縮めたときに、流量が2分の1になるように、溝14を設計するとよいことが分かる。逆に言えば、操作軸12を長手方向に0.5mmだけ伸ばしたとき流量抵抗が2倍になるように溝14の構造を設計するとよい。
操作軸12の直径を6mmとし、スパイラルピッチが1mmならば、0.5mmでは溝14は半周分で、長さは9mmになる。
すなわち、溝14の長さが9mm増えると流量抵抗が2倍になるように溝14を設計すると、上記の条件を満たす。
操作軸12上の位置に応じた溝14の深さhの計算は、上記の(9)式を利用すればよい。
すなわち、溝14の長さが9mm増えると流量抵抗が2倍になるように溝14を設計すると、上記の条件を満たす。
操作軸12上の位置に応じた溝14の深さhの計算は、上記の(9)式を利用すればよい。
上記の式で、マイナス無限遠からゼロまでの流量抵抗が、ゼロから+9mmまでの流量抵抗に等しければよい。
e4bx0.9(cm)=2
b=19.254
Δpが105 Pa(パスカル)のとき、流量が10-5m3/sec(=600ml/min)に設計する。
(9)式から、
πa4b×105/162μ=10-5
μ=1.38×10-5 (m2/s)
a4=162μ×10-10/πb
a=4.38×10-4
h(x)=4.38×10-4e-19.254x
e4bx0.9(cm)=2
b=19.254
Δpが105 Pa(パスカル)のとき、流量が10-5m3/sec(=600ml/min)に設計する。
(9)式から、
πa4b×105/162μ=10-5
μ=1.38×10-5 (m2/s)
a4=162μ×10-10/πb
a=4.38×10-4
h(x)=4.38×10-4e-19.254x
操作軸12を真鍮(C3604BD)とし、ハウジングをナイロン66として流体調節弁を作ったとき、操作軸12を2分の1回転すると流量抵抗が2倍になり、1回転だと4倍、2回転だと16倍、N回転だと4のN乗倍になるように溝の形状やピッチを設計すると、空気の流量抵抗の温度依存性をなくした流体調節弁を実現できる。
なお、操作軸12をステンレス鋼で構成し、ハウジング20及び補助スリーブ18を四フッ化エチレン樹脂で構成してもよい。操作軸12の熱膨張係数よりも補助スリーブ18及びハウジング20の熱膨張係数が大きく選定されている。
溝14を気体が流れる場合、操作軸12とハウジング20の各熱膨張係数と補助スリーブ18の溝14の形状は、温度上昇により気体の粘性係数が増加し流量が減少する気体の流量減少量と、同時に、温度変化により流体通路の区間が溝14の流体抵抗が小さくなる方向に変化し流体抵抗が下がって流量が増加する気体の流量増加量とが等しくなるように、使用する気体に応じて選定されている。なお、溝14を液体が流れる場合には、粘度が気体と温度変化に対して反対の性質を持っているので、逆向きの補正動作を適宜行わせることにより、同様の動作を行わせることができる。
使用する流体に応じて、操作軸とハウジングの各熱膨張係数と溝の形状を選定すると、流量の温度依存性がなく流量の温度補償ができる。
流量の温度補償は、ハウジングと操作軸の各熱膨張による長手方向の変位差を利用しているが、溝を設けた部分、すなわち補助スリーブと、この溝の外面に接する円筒面部分、すなわちハウジングとは同じ熱膨張係数の材料で構成することが好ましい。
流量の温度補償は、ハウジングと操作軸の各熱膨張による長手方向の変位差を利用しているが、溝を設けた部分、すなわち補助スリーブと、この溝の外面に接する円筒面部分、すなわちハウジングとは同じ熱膨張係数の材料で構成することが好ましい。
こうすることによって、両者の隙間が径方向に広がって流量が大きく変化したり、同隙間が径方向に減少しすぎて操作軸が動かなくなること等を防止できる。溝14を、操作軸12の縦断面からみて正三角形の断面形状をなし正三角形溝の深さが長手方向に指数関数的に漸減するものとした場合は、所望の形状を得るための設計及び製作が容易である。
図2は、実施例2の流体調節弁を示す縦断面図である。
図2において、実施例2の流体調節弁30は、ハウジング34の一端側内周の縮径部34aにスパイラルの溝33を設け、操作軸31の終端側外周に嵌着された補助スリーブ32の外周面を、溝33の外面に沿って往復動するようにしたものである。他の構成は、図1に示した構成と同じである。図2中、35はつまみ、36は一方の流体出入口、38は他方の流体出入口、39はシール部をそれぞれ示している。
図2において、実施例2の流体調節弁30は、ハウジング34の一端側内周の縮径部34aにスパイラルの溝33を設け、操作軸31の終端側外周に嵌着された補助スリーブ32の外周面を、溝33の外面に沿って往復動するようにしたものである。他の構成は、図1に示した構成と同じである。図2中、35はつまみ、36は一方の流体出入口、38は他方の流体出入口、39はシール部をそれぞれ示している。
つまみ35を持って操作軸31を回転すると、ねじ溝37によって操作軸31と共に補助スリーブ32が長手方向に移動し、溝33の外面がハウジング34の縮径部34aの内周面に沿って摺動するようにされている。操作軸31を回転したとき、補助スリーブ32も共に回転してもよいが、回転しないで長手方向に移動するようにしてもよい。
溝33を気体が流れる場合、操作軸31の熱膨張係数よりも補助スリーブ32及びハウジング34の熱膨張係数が大きくなるように選定され、温度上昇により気体の粘性係数が増加し流量が減少する気体の流量減少量と、同時に、温度変化により流体通路の長さが減少し流体抵抗が下がって流量が増加する気体の流量増加量とが等しくなるように、使用する気体に応じて操作軸とハウジングの各熱膨張係数と溝の形状を選定するようにしたものである。なお、溝33を液体が流れる場合にも、逆向きの補正動作を適宜行わせることにより、同様の動作を行わせることができる。
実施例1とは溝がハウジング側に設けられている点が相違するが、同様の効果が得られる。使用する流体の流量の温度依存性をなくし、流量の温度補償ができる。
図3は、実施例3の流体調節弁を示す縦断面図である。
図3において、実施例3の流体調節弁40は、操作軸41と、操作軸41の終端側外周に嵌着された補助スリーブ42と、操作軸41及び補助スリーブ42に嵌合されたハウジング43とを備えている。補助スリーブ42の外周面にスパイラルの溝44が形成されている。操作軸41の中間部の外周上にはOリングを介在させたシール部46が設けられている。
図3において、実施例3の流体調節弁40は、操作軸41と、操作軸41の終端側外周に嵌着された補助スリーブ42と、操作軸41及び補助スリーブ42に嵌合されたハウジング43とを備えている。補助スリーブ42の外周面にスパイラルの溝44が形成されている。操作軸41の中間部の外周上にはOリングを介在させたシール部46が設けられている。
操作軸41は、ねじ溝47が設けられてハウジング43の一端43aに螺合支持され、かつハウジング内の他端43b側に終端48を有するようにされている。操作軸41の一端につまみ45が固着されている。ハウジング43の他端43bに開けた開口が一方の流体出入口48とされ、ハウジングの側面に開けた開口が他方の流体出入口49とされている。溝44は、ハウジング43の側面の縮径部43cによって一部が閉塞され、残部が露出されている。
ハウジング43の一方の流体出入口48と他方の流体出入口49との間に、溝44を通じて流体通路が形成されている。この実施例では、流体は、矢印で示すように一方の流体出入口48から流入し、溝44を経て他方の流体出入口49から流出する。この流体の流れは逆方向でもかまわない。
つまみ45を持って操作軸41を回転すると、ねじ溝47によって操作軸41と共に補助スリーブ42が長手方向に移動し、溝44の外面がハウジング43の縮径部43cの内周面に沿って摺動するようにされている。操作軸41を回転したとき、補助スリーブ42も共に回転してもよいが、回転しないで長手方向に移動するようにしてもよい。
補助スリーブ42及びハウジング43を真鍮、ステンレス鋼のいずれかで構成し、操作軸41をナイロン66、四フッ化エチレン樹脂のいずれかで構成し、補助スリーブ42及びハウジング43の熱膨張係数よりも操作軸41の熱膨張係数が大きくなるように選定されている。
溝44を気体が流れる場合、操作軸41とハウジング43の各熱膨張係数と溝44の形状は、温度上昇により気体の粘性係数が増加し流量が減少する気体の流量減少量と、同時に、温度変化により流体通路の長さが減少し流体抵抗が下がって流量が増加する気体の流量増加量とが等しくなるように、使用する気体に応じて適宜選定されている。なお、溝44を液体が流れる場合にも、逆向きの補正動作を適宜行わせることにより、同様の動作を行わせることができる。
実施例3の流体調節弁40は、実施例1とは補助スリーブ42及びハウジング43の熱膨張係数よりも操作軸41の熱膨張係数が大きく選定されている点が相違するが、同様の効果が得られる。流量の温度依存性をなくし、流量の温度補償ができる。
図4は、実施例4の流体調節弁を示す縦断面図である。
図4において、実施例4の流体調節弁50は、スパイラルの溝51をハウジング52の側面の縮径部52aに設け、操作軸53の終端側外周に嵌着された補助スリーブ54の外周面を、溝51の外面に沿って摺動するようにしたものである。他の構成は、図3に示した構成と同じである。図4中、55はつまみ、56は一方の流体出入口、57は他方の流体出入口、58はシール部をそれぞれ示している。
図4において、実施例4の流体調節弁50は、スパイラルの溝51をハウジング52の側面の縮径部52aに設け、操作軸53の終端側外周に嵌着された補助スリーブ54の外周面を、溝51の外面に沿って摺動するようにしたものである。他の構成は、図3に示した構成と同じである。図4中、55はつまみ、56は一方の流体出入口、57は他方の流体出入口、58はシール部をそれぞれ示している。
つまみ55を持って操作軸53を回転すると、ねじ溝54によって操作軸53と共に補助スリーブ54が長手方向に移動し、溝51の外面がハウジング52の縮径部52aの内周面に沿って摺動するようにされている。操作軸53を回転したとき、補助スリーブ54も共に回転してもよいが、回転しないで長手方向に移動するようにしてもよい。
補助スリーブ54及びハウジング52を真鍮、ステンレス鋼のいずれかで構成し、操作軸53をナイロン66、四フッ化エチレン樹脂のいずれかで構成されている。溝51を気体が流れる場合、操作軸53とハウジング52の各熱膨張係数と溝51の形状は、温度上昇により気体の粘性係数が増加し流量が減少する気体の流量減少量と、同時に、温度変化により流体通路の長さが減少し流体抵抗が下がって流量が増加する気体の流量増加量とが等しくなるように、使用する気体に応じて適宜選定されている。なお、溝51を液体が流れる場合にも、逆向きの補正動作を適宜行わせることにより、同様の動作を行わせることができる。
実施例3とは溝51がハウジング52側に設けられている点が相違するが、同様の効果が得られる。流量の温度依存性をなくし、流量の温度補償ができる。
図5は、実施例5の流体調節弁を示す縦断面図である。
図5において、実施例5の流体調節弁60は、終端側の外周面に溝61が形成された操作軸62と、この操作軸62の終端側外周に圧入され、かつ溝61の開口を開閉する補助スリーブ63を内周に固設したハウジング64とを備えている。
図5において、実施例5の流体調節弁60は、終端側の外周面に溝61が形成された操作軸62と、この操作軸62の終端側外周に圧入され、かつ溝61の開口を開閉する補助スリーブ63を内周に固設したハウジング64とを備えている。
操作軸62は、他方端側の外周面にねじ溝65が設けられてハウジング64の一端64aに螺合支持され、かつハウジング内の他端64b側に終端を有するようにされている。操作軸62の中間部の外周上にはOリングを介在させたシール部69が設けられている。操作軸62の外方端につまみ66が設けられている。
ハウジング64の他端に開けた開口が一方の流体出入口67とされ、かつハウジングの側面に開けた開口が他方の流体出入口68とされている。一方の流体出入口67と他方の流体出入口68との間に、補助スリーブ63により一部の開口が閉じられた溝61を通じて流体通路が形成されている。
補助スリーブ63は、操作軸62に設けられた溝61と接している部分63aがハウジング64内の空間に延出している。この延出部分63aの内周面には溝61の流体通路内の流体圧が加わっており、またその外周面には、溝61の流体通路内の流体圧とほぼ同じ圧力の、流体出入口68近傍の流体圧が加わっている。すなわち、延出部分63aの内、外周面には同一流体圧が加わることから、流体圧の大小にかかわらずその影響を受けない。このため、補助スリーブ63の肉厚を薄くすることができる。補助スリーブ63が薄肉のため、溝61を設けた操作軸62との圧入の度合いを強くすることができる。補助スリーブ63が厚肉の場合に比べると、補助スリーブ63と操作軸62との嵌め合い精度を高めることができる。
つまみ45を持って操作軸62を回転すると、他方の流体出入口68に露出する溝61の一部が操作軸62の長手方向に移動するようにされている。
ハウジング64をナイロン66、四フッ化エチレン樹脂のいずれかで構成し、操作軸62及び補助スリーブ63を真鍮、ステンレス鋼のいずれかで構成し、操作軸62の熱膨張係数よりも補助スリーブ63及びハウジング64の熱膨張係数が大きくなるように選定されている。
ハウジング64をナイロン66、四フッ化エチレン樹脂のいずれかで構成し、操作軸62及び補助スリーブ63を真鍮、ステンレス鋼のいずれかで構成し、操作軸62の熱膨張係数よりも補助スリーブ63及びハウジング64の熱膨張係数が大きくなるように選定されている。
溝61を気体が流れる場合、操作軸62とハウジング64の各熱膨張係数と溝61の形状は、温度上昇により気体の粘性係数が増加し流量が減少する気体の流量減少量と、同時に、温度変化により流体通路の長さが相対的に減少し流体抵抗が下がって流量が増加する気体の流量増加量とが等しくなるように、使用する気体に応じて適宜選定されている。なお、溝61を液体が流れる場合にも、逆向きの補正動作を適宜行わせることにより、同様の動作を行わせることができる。
使用する気体に応じて、操作軸とハウジングの各熱膨張係数と溝の形状を選定すると、流量の温度依存性がなく流量の温度補償ができる。
図6は、実施例6の流体調節弁の一部を示す縦断面図である。
図6に示す実施例6の流体調節弁70は、操作軸71と、操作軸71に嵌合されたハウジング72とを備えている。流体調節弁70は全体構成としては、図示を省略したが、図1ないし5に示した実施例における操作軸とこの操作軸に嵌合されたハウジングの構成と基本的に同じである。
図6に示す実施例6の流体調節弁70は、操作軸71と、操作軸71に嵌合されたハウジング72とを備えている。流体調節弁70は全体構成としては、図示を省略したが、図1ないし5に示した実施例における操作軸とこの操作軸に嵌合されたハウジングの構成と基本的に同じである。
一方の流体出入口73と他方の流体出入口74との間における操作軸71とハウジング72の各接触面、すなわち、操作軸71の外周面とハウジング72の内周面に、互いに螺合して流体通路を形成する溝75、76がそれぞれ形成されている。
両溝75、76は、操作軸の軸方向の任意の位置において操作軸の一定回転角度に対する、流体通路の流量の変化の割合が一定になるように、流体通路を流れる流体の流量抵抗が長さ方向に沿って指数関数的に漸減又は漸増するように形成されている。例えば、操作軸71を1回転する毎に流量が半減するように形成される。
両溝75、76は、操作軸の軸方向の任意の位置において操作軸の一定回転角度に対する、流体通路の流量の変化の割合が一定になるように、流体通路を流れる流体の流量抵抗が長さ方向に沿って指数関数的に漸減又は漸増するように形成されている。例えば、操作軸71を1回転する毎に流量が半減するように形成される。
このような溝75、76は、例えば、次のようにして形成される。
すなわち、操作軸71の一端部の外周面にテーパを設け、このテーパ面上にねじ溝75を設ける。一方、ハウジング72の円筒状の内周面に、操作軸71のねじ溝に合致するねじ溝76を設ける。次に、操作軸71のねじ溝75の山部を、上記した条件を満たすように切削する。操作軸71のねじ溝75の山部は、図示したように操作軸71の先端に向かって漸次深く切削される。
すなわち、操作軸71の一端部の外周面にテーパを設け、このテーパ面上にねじ溝75を設ける。一方、ハウジング72の円筒状の内周面に、操作軸71のねじ溝に合致するねじ溝76を設ける。次に、操作軸71のねじ溝75の山部を、上記した条件を満たすように切削する。操作軸71のねじ溝75の山部は、図示したように操作軸71の先端に向かって漸次深く切削される。
このように構成することによって、流量を広い範囲で調整でき、かつどの調整位置でも、操作軸71の回転角度に対する流量変化が一定な絞り弁を得ることができる。すなわち、操作軸71の一定の回転数に対する流量変化の割合が絞りの強さがどの位置でも一定で広い調整範囲を持つ弁が得られる。
上記した各実施例においては、プラスチックと金属の組み合わせのような熱膨張係数が大きく異なる2種類の材料の熱膨張差を利用して温度補償を行っているが、本発明は、これに限定されるものでなく、温度により機械的変形を起こすバイメタル、液体封入体の駆動要素等を利用する方法も本発明に含まれるものである。本発明は、流体流量を大幅に調整させる比例弁、直動弁、ダンパー等に好適に適用できる。
10 流体調節弁
12 操作軸
13 ねじ溝
14 溝
15 つまみ
16 終端
18 補助スリーブ
20 ハウジング
22 一方の流体出入口
24 他方の流体出入口
26 シール部
12 操作軸
13 ねじ溝
14 溝
15 つまみ
16 終端
18 補助スリーブ
20 ハウジング
22 一方の流体出入口
24 他方の流体出入口
26 シール部
Claims (5)
- 互いに軸方向に摺動可能に嵌合された操作軸およびハウジングと、
この操作軸およびハウジングの少なくともいずれか一方の摺動面に流体通路を形成する溝と、
前記ハウジングに対して前記操作軸を軸方向に移動させる操作軸移動機構とを有し、
前記操作軸の軸方向の任意の位置において前記操作軸の一定移動量に対する前記流体通路の流量の変化の割合が一定になるように、前記溝を、前記流体通路を流れる流体の流量抵抗が長さ方向に沿って漸減又は漸増するように形成した流量調節弁。 - 前記操作軸とハウジングとの間に設けられ、かつこれらのいずれか一方に固定され他方に摺動する補助スリーブを有し、
前記操作軸とハウジングとを、互いに熱膨張係数の異なる材料により構成し、
温度変化により、前記溝の流体通路の区間が変化することによる流量変化量と流体の粘性抵抗が変化することによる流量変化量とが打ち消し合うように、前記溝の形状を選定した請求項1の流量調節弁。 - 前記補助スリーブは、前記操作軸に設けられた溝と接している部分が前記ハウジング内の空間に延出している請求項2の流量調節弁。
- 前記補助スリーブと、これに摺動可能に接する操作軸又は前記ハウジングとを、同一材料、または熱膨張係数が接近した材料により構成した請求項2または3の流量調節弁。
- 前記操作軸およびハウジングとが互いに嵌合され、前記溝が前記操作軸とハウジングの各接触面にそれぞれ設けられ、互いに螺合して流体通路を形成し、
前記操作軸の軸方向の任意の位置において前記操作軸の一定回転角度に対する、前記流体通路の流量の変化の割合が一定になるように、前記両溝を、前記流体通路を流れる流体の流量抵抗が長さ方向に沿って漸減又は漸増するように形成した請求項1の流量調節弁。
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