JP2007162788A - エントランス絞り溝付微小流量制御装置の設計方法、 - Google Patents
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Abstract
【構成】 流体を導入する流入路12と、導入された流体を始端から終端に向けて流動させるメイン絞り溝6が形成された弁体2と、流量調整部材により任意断面で開口される流体流出口20と、この流体流出口20から流出する流体を導出する流出路14から構成される微小流量制御装置において、前記メイン絞り溝6の始端位置に連通的に先行するエントランス絞り溝8を設け、前記エントランス絞り溝8及びメイン絞り溝6を流動する流体の運動量方程式から導出された関係式に基づいて所望の流動抵抗を発揮するようにエントランス絞り溝8の寸法を決定するエントランス絞り溝付微小流量制御装置の設計方法である。
【選択図】 図1
Description
uρ(du/dz)+(λ/DH)(1/2)u2ρ+dP/dz=0
(ここで、uは流速、ρは密度、zは流体の流動方向座標、λは摩擦係数、DHは絞り溝断面積の等価直径、Pは圧力)で表されるエントランス絞り溝付微小流量制御装置の設計方法である。
u=G/(ρA)及びλ=64μA/(GDH)
(ここで、Gは質量流量、ρは流体の密度、Aは流体流出口の断面積、μは流体の粘性係数)に基づいて演算されるエントランス絞り溝付微小流量制御装置の設計方法である。
LEC=L0/(dG*/dL*)L*=1
で与えられるエントランス絞り溝付微小流量制御装置の設計方法である。
LEC=L0
とするエントランス絞り溝付微小流量制御装置の設計方法である。
LEC=L0/(dG*/dL*)
で与えられるエントランス付微小流量制御装置の設計方法である。
G*=G0 *+(1−G0 *)L*
(ここで、G0 *はL*=0におけるG*の値)で表されるリニア型であり、G0 *=1/RA(1≦RA≦∞)で表されるとき、前記臨界長さLECが
LEC=L0/(1−1/RA)
で与えられるエントランス絞り溝付微小流量制御装置の設計方法である。
G*=G0 *(1−L*)
(ここで、G0 *はL*=0におけるG*の値)で表されるイコールパーセンテイジ型であり、G0 *=1/RA(1≦RA≦∞)で表されるとき、前記臨界長さLECが
LEC=L0/lnRA
で与えられるエントランス絞り溝付微小流量制御装置の設計方法である。
AE(z)=AEQ+{(AE0−AEQ)/LEQ}・z
(ここで、AEQはエントランス絞り溝の始端断面積、AE0は前記メイン絞り溝の始端位置に最近接するエントランス絞り溝の終端断面積、LEQはエントランス絞り溝の長さ、zは流体の流動方向座標)で与えられるエントランス絞り溝付微小流量制御装置の設計方法である。
LEQ=(AEQ/AE0){L0/(1−G0 *)}
=(AEQ/AE0){L0/(1−1/RA)}
をもつエントランス絞り溝付微小流量制御装置の設計方法である。
uρ(du/dz)+(λ/DH)(1/2)u2ρ+dP/dz=0 ・・・(1)
(ここで、uは流速、ρは密度、zは流体の流動方向座標、λは摩擦係数、DHは絞り溝断面積の等価直径、Pは圧力)を適用することによって、前記関係式を導出することができる。ここで、任意の断面形状を有する絞り溝に対しては、DH=4A/Uで定義される等価直径DHを用いる。
u=G/(ρA)・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(2)
と表されるから、前記関係式は、絞り溝の断面積A及び質量流量Gを変数又はパラメータとして含むことができ、所望の弁特性とエントランス絞り溝の寸法の関係を明確に表すことができる。更に、前記絞り溝内の流動を層流とみなすことにより、前記摩擦係数λが流体のレイノルズ数Reにのみに依存して
λ=64/Re・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(3)
ここで、レイノルズ数は次式で定義される。
Re=DHu/(μ/ρ)) ・・・・・・・・・・・・・・・・・(4)
従って、
λ=64μA/(GDH) ・・・・・・・・・・・・・・・・・・(5)
となるから、前記摩擦係数λを容易に導出することができる。
LEC=L0/(dG*/dL)L*=1 ・・・・・・・・・・・・・・・(6)
で与え、所望の弁特性の下で、前記運動量方程式を解くことによってメイン絞り溝の無次元断面積A*(=A/AE)を決定することができる。このようにして得られるA*は、L*=1の近傍においてG*=A*となり、更にA*は軸方向に単調に変化するという特徴を有する。このような設計手法は、流体の圧縮性の有無、絞り溝の断面形状が軸方向に相似形であるか否か、また弁特性がリニア型であるかイコールパーセンテイジ型であるか否かを問わず、適用できるものである。
LEC=L0 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(7)
と与え、A*=L*とすることによって、G*=L*となる弁特性を実現することができる。臨界長さLECがLEC=L0に設定されたエントランス絞り溝と、これに連通するメイン絞り溝から構成される流路に対して前記運動量方程式を適用すると、弁特性とメイン絞り溝の無次元断面積A*との関係として、G*=A*=L*が導出される。従って、前記エントランス絞り溝をLEC=L0に設定すれば、前記メイン絞り溝の断面の寸法をA*=L*となるように決定することにより、流量Gが流体流出口の位置Lの定数倍となる単純な弁特性を前記微小流量制御装置に付与することができ、高精度な微小流量の制御を容易に行なうことができる。
LEC=L0/(dG*/dL*)・・・・・・・・・・・・・・・・・(8)
で与え、所望の弁特性の下で前記運動量方程式を解くことによって軸方向に単調に変化するメイン絞り溝の無次元断面積A*を決定することができる。
G*=G0 *+(1−G0 *)L*・・・・・・・・・・・・・・・・・(9)
で表されるリニア型のときには、前記臨界長さLECが
LEC=L0/(1−1/RA) ・・・・・・・・・・・・・・・・(10)
で与えられるから、前記メイン絞り溝の長さL0及びレンジアビリティRAを与えれば、前記リニア型の弁特性を付与するエントランス絞り溝の臨界長さを簡易に決定することができる。無次元流量G* 0は弁の流量調整能力を開弁直後の流量の倍数で表したときの大きさに相当しており、レンジアビリティRAは、G* 0の逆数1/G* 0で定義され、全閉状態(L*=0)近傍における弁特性を特徴付ける量である。
G*=G0 *(1−L*)・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(11)
で表されるイコールパーセンテイジ型であり、G0 *はL*=0におけるG*の値でG0 *=1/RA(1≦RA≦∞)で表されるとき、前記臨界長さLECが
LEC=L0/lnRA・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(12)
で与えられるから、イコールパーセンテイジ型の弁特性を実現するエントランス絞り溝の長さを決定することができる。
AE(z)=AEQ+{(AE0−AEQ)/LEQ}・z ・・・・・(13)
で与えられるから、前記エントランス絞り溝による流動抵抗が増大すると共に、このエントランス絞り溝における流体の圧力損失を容易に見積もることができる。すなわち、所望の弁特性を与えるエントランス絞り溝の寸法が簡易に決定される。
LEQ=(AEQ/AE0)(L0/(1−G0 *))
=(AEQ/AE0)(L0/(1−1/RA *))・・・・・・・(14)
で与えられるから、リニア型の弁特性を微小流量制御装置に付与するエントランス絞り溝の長さを容易に決定することができる。
uρ(du/dz)+(λ/DH)(1/2)u2ρ+dP/dz=0 ・・・(1)
(ここで、uは流速、ρは密度、zは流体の流動方向座標、λは摩擦係数、DHは絞り溝の等価直径、Pは圧力)を本発明に係る絞り溝4に適用する。uは絞り溝断面内の平均流速、ρは密度、流体の流動方向をz軸(流動方向座標zと呼ぶ)とする。更に、前記メイン絞り溝の長さがL0、前記エントランス絞り溝の長さがLEで与えられ、前記流量調整スライダ10の位置座標L(「リフト」と呼ぶ)は、前記メイン絞り溝の終端の位置でL=0、始端の位置でL=L0となる。また、前記前記流量調整スライダ10の位置は、LをL0で規格化した無次元リフトL*=L/L0及びメイン絞り溝の始端位置を原点としてL0で規格化された無次元座標ζ*=1−L*によって示される。
DH={(2π)0.5/(1+π/2)}・A0.5 ・・・・・(15)
となる。半円形以外の断面形状であっても、内側に入り組んだ表面を有しない相似な断面形状であれば、周長UはA0.5に比例するという関係があるから、式(15)にみられるDH∝A0.5が成り立つ。
図7は、本発明に係る運動量方程式の計算過程図である。前記運動量方程式(1)を式(1−1)として再渇している。流速uは流体の連続条件から質量流量Gと次式によって関係付けられている。
u=G/(ρA) ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(2)
層流に対する摩擦係数λは、既出の以下の式で表される。
λ=64μA/(uDH) ・・・・・・・・・・・・・・・・・・(5)
式(2)と(5)を前記運動量方程式(1−1)に代入して整理すると、式(1−2)が得られる。
ζ=(z−LE)/L0 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・(16)
で定義され、dzをdζへ変数変換すると、
dz=L0dζ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(17)
が得られる。
G*=G0 *+(1−G0 *)・L*・・・・・・・・・・・・・(4−1)
で与えられ、ここで、G0 *は、L*=0におけるG*の値であり、レンジアビリティRAとは次の関係がある。
G0 *=1/RA ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(4−2)
前記メイン絞り溝の終端が理想的な形状を有する場合、全閉状態(L*=0)近傍おける流量は、弁特性に従って連続的に0に近付いていくが、そのような終端形状を現実に形成することは不可能である。弁特性を式で表す場合、初期流量G* 0又はレンジアビリティRAを導入する。前記リニア型の弁特性はレンジアビリティRAを用いて、
G*=1/RA+(1−1/RA)・L*・・・・・・・・・・・・(4−3)
で表される。この式(4−3)の(dG*/L*)を求めると、
(dG*/L*)=(1−1/RA)・・・・・・・・・・・・・(4−4)
となる。式(4−3)及び式(4−4)を関係式(2−4)に代入すると、流体の種類及び絞り溝の形状を限定しない、リニア型弁特性に対する臨界長さの一般関係式(4−5)が導出される。
A*=1/RA+(1−1/RA)・L* ・・・・・・・・・・・・(4−8)
なる関係を有している。更に、レンジアビリティが無限大のとき、前記関係式(4―7)から、臨界長さLECは
LEC=L0・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(4−9)
となる。従って、非圧縮性流体を扱う微小流量制御装置にリニア型の弁特性を付与するには、メイン絞り溝の断面の形状を相似形とし、その長さL0とエントランス絞り溝の臨界長さLECとを等しくとればよい。
G*=G0 *1−L*=(1/RA)1−L*・・・・・・・・・・・・(4−10)
で与えられ、この式(4−10)から(dG*/L*)を求めると、
(dG*/L*)=−G*・lnG0 *=G*lnRA・・・・・(4−11)
となり、この式(4−11)を式(2−4)に代入すると、流体の種類及び絞り溝の形状を限定しない、図16に示すイコールパーセンテイジ型弁特性に対する臨界長さの一般関係式(4−12)が導出される。リニア型と同様の方法により、図16の関係式(4−13)及び(4−14)が得られる。
LEC=L0/lnRA・・・・・・・・・・・・・・・・・・(4−15)
となる。前記エントランス絞り溝の準臨界長さを採用することは、断面形状の相似・非相似を問わず、または流体の非圧縮性・圧縮性の有無によらず、実際的で且つ有効である。
図20は、本発明に係る短縮エントランス絞り溝の長さの導出過程図である。断面積Aを有するエントランス絞り溝の微小区間dzおける摩擦圧力降下dPは、図20の式(5−1)のようになる。ここで、流速u、摩擦係数λ、等価直径DHとして既出の以下の関係式
u=G/(ρA)・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(2)
λ=64μA/(uDH) ・・・・・・・・・・・・・・・・・・(5)
DH={(2π)0.5/(1+π/2)}・A0.5 ・・・・・・(15)
を式(5−1)に代入すると、式(5−2)が得られる。この式(5−2)をエントランス絞り溝の全長に亘って積分すると、エントランス絞り溝における摩擦圧力降下ΔPEQを表す式(5−3)が得られる。ここで、断面積Aが流動方向座標zに対して線型に変化するとすると、前記断面積Aは式(5−4)で与えられ、この式を微分した式(5−5)により式(5−3)を変数変換して積分を実行すると、最終的な摩擦圧力降下式(5−6)が得られる。同様に、エントランス絞り溝の断面積が一定の場合の摩擦圧力降下ΔPEを与える式(5−7)が得られる。この圧力降下ΔPEと先に求めたΔPEQを等値することによって、式(5−6)と式(5−7)から短縮エントランス絞り溝の長さを与える式(5−8)が得られる。この式(5−8)が明らかにしているように、エントランス絞り溝の断面積を始端断面に向かって縮小させることにより、断面積AEが一定のときに比べ、(AEQ/AE)倍だけエントランス絞り溝の長さを短縮することができる。
4 絞り溝
6 メイン絞り溝
8 エントランス絞り溝
10 流量調整スライダ
10a 摺接位置
10b 矢印
12 流入路
14 流出路
15 流入部
16 エントランス絞り溝の始端断面
18 メイン絞り溝の始端端面
19 エントランス絞り溝の終端断面
20 流体流出口
22 流出部
24 摺動範囲
24a 全開位置
24b 全閉位置
26 管路
26a 微小円柱
102 金属弁
103 弁体
103a 入口流路用溝部
104 絞り溝
110 弁座
113 貫通孔
114 出口流路
114a 弁出口
Claims (12)
- 流体を導入する流入路と、この流入路から導入された流体を始端から終端に向けて流動させるメイン絞り溝が形成された弁体と、このメイン絞り溝を任意の位置まで密閉できる流量調整部材と、この流量調整部材により前記メイン絞り溝の任意断面で開口される流体流出口と、この流体流出口から流出する流体を導出する流出路から構成される微小流量制御装置において、前記メイン絞り溝の始端位置に連通的に先行するエントランス絞り溝を設け、前記エントランス絞り溝及びメイン絞り溝を流動する流体の運動量方程式から導出された関係式に基づいて所望の流動抵抗を発揮するようにエントランス絞り溝の寸法を決定することを特徴とするエントランス絞り溝付微小流量制御装置の設計方法。
- 前記メイン絞り溝の断面積が始端から終端に向かって単調に減少するとき、前記流体流出口の位置が始端から終端に向かって移動するに従い、前記流体流出口から流出する流体の流量が単調に減少するように、前記エントランス絞り溝の寸法を決定する請求項1に記載のエントランス絞り溝付微小流量制御装置の設計方法。
- 前記流体の運動量方程式が、
uρ(du/dz)+(λ/DH)(1/2)u2ρ+dP/dz=0
(ここで、uは流速、ρは密度、zは流体の流動方向座標、λは摩擦係数、DHは絞り溝断面積の等価直径、Pは圧力)で表される請求項1又は2に記載のエントランス絞り溝付微小流量制御装置の設計方法。 - 前記運動量方程式が
u=G/(ρA)及びλ=64μA/(GDH)
(ここで、Gは質量流量、ρは流体の密度、Aは流体流出口の断面積、μは流体の粘性係数)に基づいて演算される請求項3に記載のエントランス絞り溝付微小流量制御装置の設計方法。 - 前記メイン絞り溝の終端の位置をL=0、流体流出口の位置をL=L、始端の位置をL=L0、流体流出口がL=L0にあるときの流量をGM、流体流出口がL=Lにあるときの流量をG、L*=L/L0、G*=G/GM、L*=1における(dG*/dL*)の値を(dG*/dL*)L*=1としたとき、エントランス絞り溝の臨界長さLECが
LEC=L0/(dG*/dL*)L*=1
で与えられる請求項4に記載のエントランス絞り溝付微小流量制御装置の設計方法。 - 前記流体が非圧縮性流体であり、メイン絞り溝の任意断面の形状が相互に相似形であるとき、弁特性がG*=L*で表されるリニア型に対する臨界長さLECを
LEC=L0
とする請求項5に記載のエントランス絞り溝付微小流量制御装置の設計方法。 - 前記メイン絞り溝の終端の位置をL=0、流体流出口の位置をL=L、始端の位置をL=L0、流体流出口がL=L0にあるときの流量をGM、流体流出口がL=Lにあるときの流量をG、L*=L/L0、G*=G/GM、前記メイン絞り溝の任意断面の形状が相互に非相似形で、弁特性がリニア型であるとき、前記臨界長さLECが
LEC=L0/(dG*/dL*)
で与えられる請求項4に記載のエントランス絞り溝付微小流量制御装置の設計方法。 - 弁特性が
G*=G0 *+(1−G0 *)L*
(ここで、G0 *はL*=0におけるG*の値)で表されるリニア型であり、G0 *=1/RA(1≦RA≦∞)で表されるとき、前記臨界長さLECが
LEC=L0/(1−1/RA)
で与えられる請求項5又は7に記載のエントランス絞り溝付微小流量制御装置の設計方法。 - 弁特性が
G*=G0 *(1−L*)
(ここで、G0 *はL*=0におけるG*の値)で表されるイコールパーセンテイジ型であり、G0 *=1/RA(1≦RA≦∞)で表されるとき、前記臨界長さLECが
LEC=L0/lnRA
で与えられる請求項5又は7に記載のエントランス絞り溝付微小流量制御装置の設計方法。 - 前記エントランス絞り溝の断面積が前記メイン絞り溝の始端位置に向かって単調に増加するエントランス絞り溝を具備する請求項1〜4のいずれかに記載のエントランス絞り溝付微小流量制御装置の設計方法。
- 前記エントランス絞り溝の断面積AE(z)が流動方向座標zに沿って線型に増加し、前記断面積AE(z)が
AE(z)=AEQ+{(AE0−AEQ)/LEQ}・z
(ここで、AEQはエントランス絞り溝の始端断面積、AE0は前記メイン絞り溝の始端位置に接するエントランス絞り溝の終端断面積、LEQはエントランス絞り溝の長さ、zは流体の流動方向座標)で与えられる請求項10に記載のエントランス絞り溝付微小流量制御装置の設計方法。 - 前記メイン絞り溝の終端の位置をL=0、始端の位置をL=L0、流体流出口がL=0にあるときの流量をG0、流体流出口がL=L0にあるときの流量をGM、G0 *=G0/GM、RA=1/G0 *とし、前記エントランス絞り溝内の摩擦圧力降下が,前記臨界長さLECを有する一様な断面積のエントランス絞り溝の呈する摩擦圧力降下に等価な大きさをとるものとして得られる下記のエントランス絞り溝の長さ
LEQ=(AEQ/AE0){L0/(1−G0 *)}
=(AEQ/AE0){L0/(1−1/RA)}
をもつ請求項11に記載のエントランス絞り溝付微小流量制御装置の設計方法。
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