JP2009115311A - 弁要素内に軸方向の流れを有する流量制御閉鎖弁 - Google Patents

Abstract

【課題】流量制御が相対的に正確で、確実な遮断を行なう弁要素を提供する。
【解決手段】弁ユニット１０は、内腔２１と入口ポート４１、出口である開口部３０のポート４２と円筒内壁３３を有する実質的に剛体のハウジング３７を有し、内腔２１内に密嵌される実質的に剛体の弁要素１５は、軸方向に延在する内部穴２３と、外面１９と穴２３との間で弁要素壁を貫通する絞り孔１８を有する。ハウジング３７内腔２１内において弁要素１５が第１の位置に移動すると、内腔の開口部３０内で第１の位置に配置され、第１のチャンバ４３及び第２のチャンバ４４間で流体の第１の流量を可能にする。弁要素１５が第２の位置に移動すると、絞り孔１８が第１の位置とは異なる第２の位置に配置され、第１のチャンバ４３及び第２のチャンバ４４間の流体の第２の流量を可能にする。
【選択図】図３

Description

本発明は、流量制御閉鎖弁に関する。

流体の流れを制御する弁には、様々な設計がある。多くは、流量調節機能及び遮断機能を含む。例えば、一般住宅用蛇口は、一般的に、通常は水の流れをシールするゴム座金を含む、弁要素の位置を制御するねじが切られた軸部を有する。ハンドルで軸部を一方向に回転させると、弁要素の座金が弁座に付勢され、水流を遮断する。反対方向に軸部を回転させると、座金が弁座から持ち上がって、流量の制御が可能となる。

ボール弁及び仕切弁は、流量制御機能及び遮断機能を組み合わせた他のタイプの弁である。

これらの弁の各々には、長所と短所がある。ねじが切られた軸部を有する弁は、複数方向回転式アクチュエータを必要とするが、極めて正確な流量制御及び確実な遮断を得られる。しかしながら、住宅所有者であれば誰でも知っているように、これらの弁のシール座金には定期的な交換が必要である。ボール弁及び仕切弁は、回転式アクチュエータで操作することができるが、流量制御において相対的に正確さに劣る。

短ストローク線形アクチュエータにより操作可能であり、かつ、流量制御が相対的に正確である弁には、多くの長所がある。確実な遮断を行なうこともできるこのような弁の方が、はるかに望ましい。

流体の流量を制御する絞り弁は、内腔を画定する円筒内壁を有するハウジングを備える。内腔は、一端に第１の開口部と、これから離間して円筒壁に配置される第２の開口部とを有し、かつ、流動空間を備える。流動空間は、少なくとも一部が縁部により画定される。

実質的に剛体の弁要素は、内腔内に密嵌される外面を有し、内腔と弁要素との間での漏れを妨げる。弁要素は、第１の端部から第２の端部に向かって軸方向に延在し、かつ、弁要素の外面とともに壁を画定する内穴を有する。絞り孔は、弁要素の外面と弁要素穴との間で弁要素壁を貫通する。

弁要素は、ハウジング内腔において第１の位置に移動可能であり、絞り隙間内の流動空間縁部の一部を第１の位置に配置することにより、絞り孔の一部を流動空間の一部と位置合わせして、第１のチャンバと第２のチャンバとの間で流体の第１の流量を可能にする。弁要素を第２の位置に摺動させると、絞り孔が第１の位置とは異なる第２の位置に配置され、第１のチャンバと第２のチャンバとの間で流体の第２の流量を可能にする。流動は、弁要素穴内において軸方向の流動ベクトルと絞り孔を通る半径方向の流動ベクトルとを有する。

流動空間縁部は第１の開口部と第２の開口部との間に位置していてもよく、あるいは、両開口部の１つ自体が縁部を形成していてもよい。
一実施形態においては、弁要素は、弁要素が第３の位置にあるときに通路開口部と係合して通路開口部を遮断するシール要素を有し、これにより流体流動に対して弁を閉鎖する。

別の実施形態においては、弁要素は、弁要素の端部に対してシール連結されている中央部と、ハウジングに対してシール連結されている周辺部とを有するダイヤフラムを具備する。ダイヤフラムは前記チャンバの一部を画定し、ポートの１つを介する以外に弁からの流体流動を防止し、又は、弁自体を介する以外にポート間の流動を防止する。

さらに他の実施形態は、絞り孔について様々な形状を有する。これらの絞り孔の一部は、弁要素壁の一連の近接する穴又は隙間を含むことができる。

図１及び図２は、流体流量の正確な制御を可能にするための、本発明を実施する弁ユニット１０の使用に適した実質的に剛体の弁要素１５の第１の実施形態を示す。弁要素１５は、軸線に沿って整合される第１及び第２の端面２０及び２７と、端面２０及び２７の間に延在する略円筒形の外面１９とを有する。代表的な実施形態においては、外面１９は円筒形である。弁要素１５は、第１の端面２０から第２の端面２７まで軸方向に延在する穴２３を有する。穴２３及び外面１９は、これらの間に管状壁１７を画定する。

壁１７の孔又はスロット１８は、端面２０及び２７の間において選択された距離が得られるように軸方向に延在し、かつ、端面２０及び２７から選択された距離だけ離間して配置される。孔１８は、外面１９と穴２３との間で半径方向に延在し、流体が穴２３と外面１９を包囲する領域との間で流動することを可能にする。弁要素１５のこれらの特徴に関して「軸方向に」という場合には、従来どおり、円筒外面１９の軸線２２に沿って延在することを意味する。孔１８は、流体の最大所望流量を可能にするために十分な大きさの通路を形成すべきである。単一の孔１８が図１乃至図４に示されているが、複数の孔を設けることも可能であり、これについては以下に開示する。

図３及び図４の断面図は、弁要素１５が組み込まれた弁ユニット１０を示す。図３は、閉状態時の弁１０を示し、図４は、部分開状態時の弁１５を示す。
弁ユニット１０は、寸法がハウジング３７と適合する弁要素１５により部分的に占有された状態で図３及び図４に示す円筒穴又は内腔２１を有する略剛体のハウジング３７を有する。内腔２１は、環状内面３４を有し、かつ、ハウジング３７の一部を成す壁３３により画定される。内腔２１は、通常、円筒形の横断面を有するが、他の柱筒形断面が有利な用途もある。内腔２１の開放端は、この実施形態においては、入口ポートとして機能する第１のポート４１を形成する。

弁ユニット１０は、全体が符号４３にて示される入口チャンバを有する。弁ユニット１０の出口チャンバは、全体が符号４４にて示される。小さな部分のみが示されている壁４９は、符号４３に示す入口チャンバ及び符号４４に示す出口チャンバを物理的に分離しており、内腔２１及び弁要素１５を介する以外には流体が入り口チャンバ４３と出口チャンバ４４との間を流動することができない。

弁ユニット１０の実施形態においては、弁要素１５の外面１９は、内腔２１内に密嵌されており、かつ、内腔２１内において両方向矢印で示すように様々な軸方向位置のうち任意の位置に摺動することができる。「密嵌」とは、外面１９が、外面１９及び内面３４の間で最大でもごく少量の流体しか漏れないようにする内面３４とのシール界面を形成する形状及び寸法を有することを意味する。外面１９及び内面３４は、流体が全く漏れないほど緊密に互いに嵌合させてもよい。あるいは、本設計に外面１９及び内面３４の間にＯリングなどのシール要素を組み込み、流体の漏れを妨げる、又は防止することができる。このようなシール要素を用いた設計における外面１９も、内腔２１内で「密嵌される」とみなされるものである。

別の実施形態においては、外面１９及び内面３４の間に小さな隙間を意図的に形成して、外面１９及び内面３４の間で幾分の流体の流動又は漏れを可能にしてもよい。このような隙間により、弁要素１５の位置に関係なく、制限された流量の流体が弁１０を通るが、これについては更に詳細に後述する。

内腔２１の開放端から離間して配置される開口部すなわち窓３０は、内腔２１まで環状壁３３を貫通する。開口部３０は、壁３３を通って延在し、内腔２１から壁３３を通る流動を可能にする。開口部３０は、軸方向における一端において縁部又は角部２９を有する。外部開口部３０は、この実施形態においては、出口ポートとして機能する第２のポート４２を形成する。開口部３０は、所定の距離が得られるように軸方向に延在し、かつ、流体の所望される最大流量を可能にするために十分な角度幅を有するべきである。この実施形態においては、孔１８は、開口部３０と角度方向においてほぼ整合した状態に保持されるべきである。

図４は、第１のポート４１から軸方向に穴２３に入る、矢印３６にて示される流体の流動を示す。図に示すように、その後、流体の流動方向はほぼ９０°変化して半径方向の流れになる。この実施形態においてはポート４１が入口ポートとして示されるが、実際は、ポート４１又はポート４２のいずれかが入口ポートとして機能し、他方が出口ポートとして機能することができる。

図３及び図４は、内腔２１内において２つの異なる位置にある弁要素１５を示す。図４に示すように開口部３０との重なり部分を形成するように縁部２９に対して孔１８を位置決めすることにより、流体の流動を可能にするオリフィス３８を形成する。このオリフィス３８の寸法は、内腔２１内の弁要素１５の軸方向における位置を変えることにより変化させることができる。図３及び図４の両方向矢印は、対向する壁３４により閉塞される孔１８の一部分を制御又は変更するために、弁要素１５が内腔２１内で軸方向に動くことができることを示す。隙間３０及び絞り孔１８の重なり部分により形成されるオリフィス３８の寸法により、弁１０を通る流体の流量が制御される。

図３及び４は、弁要素１５のための位置決め機構を示すものではない。様々な位置決め手段を用いることができる。例えば、機械式のリンクを第２の端面２７にて弁要素１５に連結して、ハウジング３７の孔（図示せず）を介して右方向にハウジング３７の外側へ突出させてもよい。機械式のリンクとハウジング３７との間のシール機構は、内腔２１から流体漏れを妨げるものである。線形アクチュエータ又は他の制御装置は、このリンクを介して弁要素１５に力を加え、任意の所望の位置に弁要素１５を位置決めして、正確にかつ繰り返し流体流動を制御することができる。

図３に示す弁要素１５の位置は、閉鎖中の弁１０に対応する。弁要素１５と通路２１との間にシールが形成され、かつ一切の流体漏れを防止するために適した構造体においては、図３の弁要素１５の位置は、それ自体が流体流動の遮断を可能にするために適切である。

図５及び図６は、流量制御弁１０の変更例である流量制御弁１０’を示す。弁１０の様々な構成要素及び特徴に類似する、図５乃至図７に示される弁１０’の構成要素及び特徴についての符号は、同様の数字部分を有する。

弁１０’は、第１及び第２のポート４１’及び４２’を有する剛体ハウジング３７’を備える。流体は、ポート４１’及び４２’のうちの１つに流れ込んで、他方から流れ出る。図５に示す矢印は、流体流動の１本の経路を示す。

ハウジング３７’は、ポート４１’に連通する入口チャンバ５４と、ポート４２’に連通する出口チャンバ５５とを有する。出口チャンバ５５は、一部はハウジング３７’の壁により、一部はキャップ５９により、また一部はダイヤフラム５０により画定される。キャップ５９は、図示しないが当業者であれば容易に考えつくであろう手段により、ハウジング３７’の頂面に装着される。ダイヤフラム５０は、周辺部でキャップ５９の頂面に装着される。キャップ５９とハウジング３７’との装着部、及びダイヤフラム５０とハウジング３７’との装着部が、チャンバ５５内の流体の一切の漏れをシールする。ダイヤフラム５０をキャップ５９に装着する種々の代替構成が可能であり、このような代替構成は、当業者であれば容易に考え付くであろう。

ハウジング３７’は、チャンバ５４をチャンバ５５に接続する内部内腔２１’も有する。内腔２１’は柱筒形であるべきであり、一般的に円筒形をなす。環状縁部２９’は、内腔２１’の上端を画定する。シール面５３は、半径方向において縁部２９’の外側にある。

図５及び図６に示す剛体弁要素１５’は、図１乃至図４に示す弁要素１５と機能的に類似するものであり、穴２３’及びスロットなどの孔１８’は、穴２３から弁要素１５’の外部領域までを連通させる。図５及び図６の実施形態においては、弁要素１５’の一部は内腔２１’の外部にあり、穴２３’は、弁要素１５’のこの外部にある部分までのみ延在する。

弁要素１５’は、ハウジング３７’の内部構造体の一部を成す弁座５３に対向する面を有する拡大肩部６５を有する。肩部６５及び弁座５３の一部あるいはＯリングが構成するシール要素は、確実な弁遮断を行うために、肩部６５の一部を形成することができる。

ダイヤフラム５０は、弁要素１５’の上面に、かつ、弁要素１５’上で担持される突出部５６に連結される。また、ダイヤフラム５０と突出部５６との連結は、チャンバ５５内の流体の漏れを生じさせにくくする。ダイヤフラム５６は撓曲し、弁要素１５’の軸方向への移動を可能にする。突出部５６は、弁要素１５’を軸方向において位置決めするアクチュエータに連結してもよい。

弁要素１５’の下部は、内腔２１’の断面形状に適合し、かつ、内腔２１’と密嵌する断面形状を有する。弁要素１５’は、内腔２１’内で軸方向に移動することができる。縁部２９’は、流体が流れることができる孔１８’の部分の一端を画定する。図３及び図４の弁の場合と同様に、孔１８’が内腔２１’の縁部２９’を越えて延在する距離は、流体が流動することができる孔１８’の領域を決定する。弁要素１５’を可能な限り下方にずらすと、Ｏリング６５が弁座５３をシールし、弁１０’を通る全ての流体流動を妨げる。

図７は、Ｏリング６８がダイヤフラム５０の機能に代わってチャンバ５５をシールする弁１０’の変形例を示す。
図８は、図１及び図２の弁要素１５の代わりに用いることができる弁要素１５ａを示す。弁要素１５ａは、断面がほぼ台形状をなす孔１８ａを有する。孔１８ａがより多く暴露されるほど、比例してより多くの流体の流動を可能にする、比例して大きなオリフィスが形成される。

図９及び図１０は、また、図３及び図４の弁要素１５に代えて用いることができる弁要素を示す。図９は、図３及び図４に示すようなハウジング３７内で使用される弁要素１５ｂを示す。弁要素１５ｂは、弁要素１５ｂの管状壁を貫通し、かつ、集合して孔１８ｂを構成する、隣接する２列の小穴を符号７１及び７２にて示される場所に有する。これらの穴は、穴２３と弁要素１５ｂの外部領域との間の連通を可能にする。好適な実施形態においては、符号７１及び７２における個々の穴は、図示されるように、弁要素１５ｂの軸線と整合された主軸線を有する楕円形の断面形状を有することができる。符号７１にて列を成す個々の穴は、符号７２にて列を成す個々の穴と軸方向において互い違いになるように配置することができる。孔１８ｂのこの設計により、結果的に、隙間３０内で暴露される符号７１及び７２にて列を成す穴が増えるにつれて、流量はすんなりとは増大しない。

図１０は、図３及び図４に示すハウジング内で使用される更なる別の弁要素１５ｅを示す。孔１８ｅは、図８の弁要素１５ａの孔１８ａに類似するものである。しかしながら、孔１８ｅを画定する側壁９２は若干湾曲しており、孔１８ｅの狭い（左）端部の一部が隙間３０内にあるときに、流体が流動できる相対的に小さな領域が暴露される。その後、孔１８ｅの湾曲壁９２により、流体が流動できる領域が形成され、この領域は、ハウジング３７の穴２１内の弁要素１５ｅが軸方向左側に移動することにより、弁要素１５ｅの軸方向の移動に比例するよりも急激に増大する。

図１０においては、孔１８ｅ内の端部壁８９が、孔１８ｅの内部に対して凹状をなして示されている。壁８９は、壁９２と融合させることができる。そのように融合させたときに、この特徴部分は、キャビテーション又は乱流を誘発する可能性がある孔１８ｅの角部をなくす。

図１１は、弁要素１５ｆが穴２１内にある状態の弁１０の別の変形例である弁１０ｆを示す。弁要素１５ｆは、第１の端部及び外面１９と交差するスロット又は面取り部である特徴部分９０を有する。特徴部分９０は、孔１８が完全に隙間３０の外側にあるときに符号９１にて示すような流体流動を提供する。状況に応じて、常時少量の流体が流動することが望ましいと考えられる場合があるが、特徴部分９０はこのような流動を提供する。

図１２及び図１３は、ハウジング３７の穴２１（図３及び図４参照）内で軸方向に摺動するように設計された弁要素１５ｇの更なる変形例を示す。弁要素１５ｇはスロット１８ｇを有し、複数のブリッジ９０は、スロット１８ｇの幅にわたって横方向に取り付けられ、かつ、隣接するブリッジ９０間で、又は、ブリッジ９０とスロット１８ｇの端部との間で複数の隣接する開口部９１を画定する。各ブリッジ９０の外面は、弁要素外面１５ｇの延長部から凹状をなすように形成することができる。

弁要素１５ｇは、弁要素１５に類似する作動の仕方をする。横方向のブリッジ９０により、スロット１８ｇの構造的な完全性が向上し、かつ、弁要素１５ｇの位置の関数として異なる流量特性が得られる。

図１４は、スロット１８ｈに掛かる個々のブリッジ９０ａの設計の更なる変形例を示す。ブリッジ９０ａは、非矩形の断面形状を有し、図１４においてはその断面形状が三角形として示される。ブリッジ９０ａのテーパ形状又は三角形の断面は、スロット１８ｈを介して穴２３へと内方に方向づけられた流れの乱れを低減することができる。

図１４は、また、ブリッジ９０ａよりも大きな断面を有するブリッジ９０ｂを示す。低流動条件により、スロット１８ｈにわたる圧力降下が最大となる。断面が大きいほど、より効果的にこの圧力の増大に抵抗することができ、高い圧力降下によるブリッジ９０ｂの破壊を防止する。

弁の制御要素の斜視図。 弁の制御要素の断面図。 制御要素が閉位置にある弁の断面図。 制御要素が開位置にある弁の断面図。 部分的開状態にある本発明の弁の商業レベルの実施形態の断面図。 閉状態にある本発明の弁の商業レベルの実施形態の断面図。 図５及び図６に示す弁の第１の代替実施形態の断面図。 図１に示す弁要素の第１の代替実施形態の斜視図。 図１に示す弁要素の第２の代替実施形態の斜視図。 図１に示す弁要素の第３の代替実施形態の斜視図。 図１に示す弁要素に類似する第４の代替実施形態の断面図。 図１に示す弁要素に類似する第５の代替実施形態の斜視図。 図１２に示す弁要素の断面図。 図１２及び１３に示す弁要素の代替実施形態の断面図。

Claims (18)

1. ａ）内腔を画定する円筒内壁と、前記内腔の少なくとも一端に開口部とを有する実質的に剛体のハウジングであって、該ハウジングは第１及び第２のチャンバを有し、前記第１のチャンバは、前記開口部において前記ハウジングの内腔と連通し、前記第２のチャンバが前記内腔の外部にあり、前記円筒壁が、前記内腔と前記第２のチャンバとの間での流体流動を可能にする流動空間の少なくとも一部を画定する縁部を有する、ハウジングと、
   ｂ）長手方向軸線が間に延在する第１及び第２の端部と、これら両端部の間に延在し、かつ、形状及び寸法が前記内腔の円筒壁とほぼ適合する円筒外面とを有する、前記内腔内に配置される実質的に剛体の弁要素であって、該弁要素は、ｉ）前記ハウジングの第１のチャンバと連通する、前記第１の端部から前記第２の端部に向かって軸方向に延在する穴と、ｉｉ）前記弁要素の外面と前記弁要素穴との間で前記弁要素壁を貫通する絞り孔とを備え、前記弁要素は、前記第１のチャンバと前記第２のチャンバとの間で流体の第１の流量を可能にするように、ハウジング内腔内において絞り隙間内の縁部を第１の位置に配置する第１の位置に移動可能であり、かつ、前記弁要素は、前記第１のチャンバと前記第２のチャンバとの間で流体の第２の流量を可能にするように、前記絞り孔内の縁部を第１の位置とは異なる第２の位置に移動可能であり、前記流動が、前記弁要素穴内の軸方向の成分と前記絞り孔を通る半径方向成分とを有する、弁要素と
   を備える絞り弁。
2. 環状面がその端部において前記内腔開口部を包囲し、前記環状面と前記内腔との交差部が前記縁部を形成する、請求項１に記載の弁。
3. 前記弁要素が、前記内腔を包囲する前記環状面と対向する環状肩部を有し、前記環状肩部及び前記環状面のうち一方がシール要素を担持する、請求項２に記載の弁。
4. 前記弁要素の環状肩部が前記シール要素を担持する、請求項３に記載の弁。
5. 周縁部にて前記ハウジングに、かつ、中央部にて前記弁要素に連結されるダイヤフラムをさらに備え、該ダイヤフラムが前記第２のチャンバの一部を画定する、請求項２に記載の弁。
6. 前記ハウジングが、前記内腔から離間して、かつ前記内腔と整合するように配置された、前記弁要素を包囲する内部円筒穴を備え、かつ、前記内部円筒穴と前記弁要素との間で前記流動空間を閉鎖するシールを備える、請求項２に記載の弁。
7. 中央部が前記弁要素の第２の端部にシール連結され、かつ周縁部が前記ハウジングにシール連結されるダイヤフラムを備える、請求項１に記載の弁。
8. 前記ハウジングが、前記内腔及び前記開口部を介して前記第１及び第２のチャンバ間が連通するように、前記第２のチャンバから前記内腔まで延在する開口部を有し、該開口部は、前記第１のチャンバから離間して配置され、かつ、その端部において前記縁部により軸方向に画定される、請求項１に記載の弁。
9. 前記弁要素の長手方向軸線に沿って延在する非平行側面が前記絞り孔を画定する、請求項１に記載の弁。
10. 前記弁要素の長手方向軸線に沿ってほぼ延在する湾曲した側面が前記絞り孔を画定する、請求項１に記載の弁。
11. 前記弁要素の長手方向軸線に沿って位置合わせして前記弁要素に設けられた一連の開口部が、前記絞り孔を形成する、請求項１に記載の弁。
12. 前記長手方向軸線を横切る方向に延びるブリッジが、前記弁要素の長手方向軸線に沿って前記一連の開口部を画定する、請求項１１に記載の弁。
13. 前記ブリッジのうちの少なくとも１つが、前記弁要素の穴を画定する前記表面とほぼ整合した内面と、前記隣接する弁要素外壁から凹状をなすように形成された外面とを有する、請求項１２に記載の弁。
14. 前記ブリッジのうちの少なくとも１つがテーパ状をなす断面形状を有する、請求項１３に記載の弁。
15. 前記開口部のうち隣接した開口部からなる第１の対の間隔が、前記開口部のうち隣接した開口部からなる第２の対の間隔とは異なる、請求項１１に記載の弁。
16. 前記弁要素の長手方向軸線を横切る方向に離間して配置された前記弁要素の一連の開口部が、前記絞り孔を形成する、請求項１に記載の弁。
17. 前記一連の開口部が、前記弁要素の長手方向軸線に沿って離間して配置される、請求項１６に記載の弁。
18. 前記弁要素が、前記第１の端部及び前記外面と交差する特徴部分を備え、前記弁要素は、前記ハウジングの流動空間と前記特徴部分の一部とが整合する位置を有し、かつ、該位置にあるときには流体の流動を可能にする、請求項１に記載の弁。

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