JP2009150555A - 流量調節弁 - Google Patents

Abstract

【課題】温度補償を有効にする絞り弁を提供する。
【解決手段】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（２０）と、この操作軸（１２）およびハウジング（２０）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スパイラル溝（１４）と、ハウジング（２０）に対して前記操作軸（１２）を軸方向に移動させる操作軸移動機構とを有し、操作軸（１２）の軸方向の任意の位置において前記操作軸（１２）の一定移動量に対する前記流体通路の流量の変化率が指数関数的な傾きで表したとき一定になるようにスパイラル溝（１４）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ハーゲン・ポアズイユの式により求められる指数関数的に漸減又は漸増するように形成し、操作軸（１４）とハウジング（２０）とを互いに熱膨張係数の異なる材料により構成した。
【選択図】図１

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。

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スパイラル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ｒ_e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。
ｒ_e＝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）

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）

（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・ｅ^4ｂｘ／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・ｅ^4ｂｘ／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、以下の構成により実現することができる。
（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スパイラル溝と、
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率が指数関数的な傾きで表したとき一定になるように、前記スパイラル溝を、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ハーゲン・ポアズイユの式により求められる指数関数的に漸減又は漸増するように形成し、
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、
温度変化での、前記スパイラル溝の流体通路位置の変化による流量変化量と流体の粘性抵抗の変化による流量変化量とが打ち消し合うように、前記スパイラル溝の形状を選定した流量調節弁。
（２） 前記流体通路位置の変化は、流体通路の部分での操作軸とハウジングとの相対的な位置ずれによる変化である上記（１）の流量調節弁。
（３） 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する上記（１）または（２）の流量調節弁。
（４） 前記補助スリーブは、前記操作軸に設けられたスパイラル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（３）の流量調節弁。
（５） 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（３）または（４）の流量調節弁。
（６） 前記ハーゲン・ポアズイユの式は、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、流体の流量を表す下記（９）式である上記（１）〜（５）のいずれかの流量調節弁。
Ｑ（ｘ）＝πａ⁴ｂ・ｅ^-4ｂｘ・Δｐ／１６２μ （９）
（ａとｂは任意の定数、ｅは自然対数の底）
（７） 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スパイラル溝と、
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率が指数関数的な傾きで表したとき一定になるように、前記スパイラル溝を、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ハーゲン・ポアズイユの式により求められる指数関数的に漸減又は漸増するように形成した流量調節弁。

スパイラル溝を、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、スパイラル溝により形成される流体通路とは、スパイラル溝の全長のうち、操作軸又はハウジングの接触面により同スパイラル溝の開口面が閉塞されている部分の流体通路をいう。スパイラル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。

上記構成により、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スパイラル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、スパイラル溝により形成される流体通路とは、スパイラル溝の全長のうち、操作軸又はハウジングの接触面により同スパイラル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、スパイラル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。スパイラル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。

補助スリーブの、操作軸に設けられたスパイラル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。

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、流体がスパイラル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。上記構成の補助スリーブは、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。

スパイラル溝を、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。スパイラル溝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、スパイラル溝１４を通じて流体通路が形成されている。ここで、スパイラル溝１４により形成される流体通路とは、スパイラル溝１４の全長のうち、ハウジング２０の縮径部２０ｃとの接触により同スパイラル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、スパイラル溝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、スパイラル溝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。

スパイラル溝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。スパイラル溝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、スパイラル溝１４の形状を、温度変化により、スパイラル溝１４の流体通路の区間の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。つまり、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する。スパイラル溝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の位置を変化させれば、スパイラル溝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、スパイラル溝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、操作軸の長手方向の熱伸縮差によりスパイラル溝１４による流体通路までの長さは相対的に短くなる。なお、操作軸１２の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ミリの位置ずれでスパイラル溝１４を流れる空気の流量が１．７３倍に増えるように、スパイラル溝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だけ流体通路までの長さを縮めたときに、流量が２分の１になるように、スパイラル溝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倍になるようにスパイラル溝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ではスパイラル溝１４は半周分で、長さは９mmになる。
すなわち、スパイラル溝１４の長さが９mm増えると流量抵抗が２倍になるようにスパイラル溝１４を設計すると、上記の条件を満たす。
操作軸１２上の位置に応じたスパイラル溝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。
ｅ^{4ｂｘ0．9（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乗倍になるようにスパイラル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。

スパイラル溝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のスパイラル溝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スパイラル溝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、スパイラル溝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スパイラル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、スパイラル溝を設けた部分、すなわち補助スリーブと、このスパイラル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。スパイラル溝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、スパイラル溝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、スパイラル溝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。

スパイラル溝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、温度変化により操作軸の流体通路までの長さが減少し、流路の位置がずれ、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スパイラル溝の形状を選定するようにしたものである。なお、スパイラル溝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とはスパイラル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。スパイラル溝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、スパイラル溝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、スパイラル溝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、スパイラル溝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。

スパイラル溝４４を気体が流れる場合、操作軸４１とハウジング４３の各熱膨張係数とスパイラル溝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までの長さが減少し、流路の位置がずれ、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、スパイラル溝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、スパイラル溝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、スパイラル溝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。スパイラル溝５１を気体が流れる場合、操作軸５３とハウジング５２の各熱膨張係数とスパイラル溝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までの長さが減少し、流路の位置がずれ、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、スパイラル溝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とはスパイラル溝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、終端側の外周面にスパイラル溝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、かつスパイラル溝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スパイラル溝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に設けられたスパイラル溝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の内周面にはスパイラル溝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、スパイラル溝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、スパイラル溝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に露出するスパイラル溝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。

スパイラル溝６１を気体が流れる場合、操作軸６２とハウジング６４の各熱膨張係数とスパイラル溝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までの長さが相対的に減少し、流路の位置がずれ、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、スパイラル溝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スパイラル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。

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スパイラル溝７５、７６がそれぞれ形成されている。
両スパイラル溝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。

このようなスパイラル溝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。

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。

実施例１の流体調節弁を示す縦断面図である。 実施例２の流体調節弁を示す縦断面図である。 実施例３の流体調節弁を示す縦断面図である。 実施例４の流体調節弁を示す縦断面図である。 実施例５の流体調節弁を示す縦断面図である。 実施例６の流体調節弁の一部を示す縦断面図である。 半径ｒの円管状の流路に流体が流れる場合の流量を求める式の説明図である。 断面形状が正三角形の流路に流体が流れる場合の流量を求める式の説明図である。 断面形状が正三角形の流路に、粘性係数μの流体が流れる場合の流量抵抗Ｒを求める式の説明図である。 気体と液体の粘度の温度変化を示す線図である。

１０ 流体調節弁
１２ 操作軸
１３ ねじ溝
１４ スパイラル溝
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 (7)

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スパイラル溝と、
   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率が指数関数的な傾きで表したとき一定になるように、前記スパイラル溝を、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ハーゲン・ポアズイユの式により求められる指数関数的に漸減又は漸増するように形成し、
   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、
   温度変化での、前記スパイラル溝の流体通路位置の変化による流量変化量と流体の粘性抵抗の変化による流量変化量とが打ち消し合うように、前記スパイラル溝の形状を選定した流量調節弁。
2. 前記流体通路位置の変化は、流体通路の部分での操作軸とハウジングとの相対的な位置ずれによる変化である請求項１の流量調節弁。
3. 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する請求項１または２の流量調節弁。
4. 前記補助スリーブは、前記操作軸に設けられたスパイラル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３の流量調節弁。
5. 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３または４の流量調節弁。
6. 前記ハーゲン・ポアズイユの式は、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、流体の流量を表す下記（９）式である請求項１〜５のいずれかの流量調節弁。
   Ｑ（ｘ）＝πａ⁴ｂ・ｅ^-4ｂｘ・Δｐ／１６２μ （９）
   （ａとｂは任意の定数、ｅは自然対数の底）
7. 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スパイラル溝と、
   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率が指数関数的な傾きで表したとき一定になるように、前記スパイラル溝を、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ハーゲン・ポアズイユの式により求められる指数関数的に漸減又は漸増するように形成した流量調節弁。

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