JP2018512547A - バルブ・シート - Google Patents

Abstract

開示されるのは、他の構成の中でも特に、バルブ・シートを備えたバルブである。そのバルブ・シート(1)は、バルブの第１チャンバ(11)に連絡するよう構成された第１流路を提供する内部パス(5)を備えている。バルブ・シート(1)は、これも第１チャンバ(11)に連絡するよう構成された少なくとも１つの外部パス(6)を備えている。バルブ・シート(1)は、さらに、バルブのシーリングに面する領域であって、第２チャンバ(12)に接続されるよう構成された領域を備えていて、当該領域は、内側シーリング・エッジ(3)および外側シーリング・エッジ(2)を有している。バルブが開位置にあるとき、バルブ・シート(1)が第１チャンバ(11)と第２チャンバ(12)との間での流れを許容することとなり、その際、内部パス(5)および少なくとも１つの外部パス(6)内の流れは、内側シーリング・エッジ(3)および外側シーリング・エッジ(2)のそれぞれを介して第２チャンバと連絡している前記領域を通って流れる。

Description

本件開示は、バルブ・シートに関する。本件開示は、さらにバルブに関する。

バルブ・シートとは、バルブが接する表面、またはバルブが押圧する表面として説明することができる。バルブ・シートは、個別の構成要素として形成することができる。あるいは、バルブ構成の他パーツと一体的に形成されてもよい。

バルブ・シートは、それが使用される態様に応じて、異なる様々な方法で形成することができる。

バルブのオペレーションを改善するための一定の要求が存在する。従って、改善されたバルブ・シートが求められており、さらには、バルブ・シートを備えたバルブも必要とされている。

本発明の目的は、改善されたバルブ・シートを提供することである。

この目的および（または）他の目的は、添付の特許請求の範囲で特定されるバルブ・シートおよびバルブによって、少なくとも部分的に達成される。

本件発明者によって認識されたように、従来のバルブ・シートでは、バルブの全ストロークを最大の効率をもって使用することができない。これは、少なくとも部分的には、従来の代表的なバルブ・シートの幾何学的形状が、バルブ・シートのノズル領域とストローク長との相互作用に関し最適化されておらず、バルブ・ストロークが必要以上に長くなっているからである。ストロークが長いバルブに関する経験上の一般的不利益は、開いている時間が長いこと、および摩耗が大きいことである。電気機械バルブでは、エンドポイントにあるバルブを操作するとき、長ストロークであれば作動力がかなり小さくなる。その理由は、遠い距離においては、磁力が小さくなるからである。

したがって、本発明の目的は、今日あるバルブ・シートの不利益を解消し、あるいは少なくとも低減すること、そして、バルブ・ストロークを短くすることが可能なバルブおよびバルブ・シートを提供することである。このことは、バルブ・シートにおけるオリフィスの幾何学的形状を、これまでと同じまたは増加した流量を確保したままストロークを短くすることが可能なように設計することで達成される。しかも、それと同時に、作動媒体からの反力は、これまでと同じか、あるいは一層低減させることができる。

１つの実施形態によれば、バルブに使用するバルブ・シートが提供される。バルブ・シートは内部パスを備えており、この内部パスは、第１流路を提供するオリフィスとして形成されることができる。内部パスは、第１チャンバ（バルブの入口となり得る）に連絡するよう構成できる。さらにバルブ・シートは、これも第１チャンバに連絡するよう構成された少なくとも１つの外部パスを備える。バルブ・シートは、さらに、バルブのシーリングに面する領域（シーリング領域）を有する。シーリング領域は、第２チャンバ（バルブの出口となり得る）に接続されるよう構成される。シーリング領域は、内側シーリング・エッジおよび外側シーリング・エッジを有する。バルブが開位置にあるとき、バルブ・シートが、第１チャンバと第２チャンバとの間で作動媒体が流れることを許容することとなる。開状態において、内部パスおよび外部パス内の流れは、内側シーリング・エッジおよび外側シーリング・エッジのそれぞれを介して第２チャンバと連絡している前記領域を通って流れる。
したがって、バルブ内の流れは、２つの異なる方向から、内側シーリング・エッジおよび外側シーリング・エッジを介して、バルブのシーリング領域に入る（あるいは、シーリング領域から出て行く）。これにより、シーリング領域のトータルの周囲長を、シーリング領域における周囲長がたった１箇所である従来のバルブ・シートと比較して、大きくすることができる。周囲長が増加することで、バルブ内で作動するプランジャに要求されるストローク長を小さくすることができ、有利である。

１つの実施形態によれば、シーリング領域は、バルブ・シートに形成される凹部の頂部領域である。

１つの実施形態によれば、内側シーリング・エッジは丸い形状である。さらに、いくつかの実施形態では、外側シーリング・エッジも丸い形状である。内側シーリング・エッジと外側シーリング・エッジは、同じ面内に位置していてもよい。

１つの実施形態によれば、外部パスが少なくとも２つ設けられる。

１つの実施形態によれば、内部パスは、少なくとも２つの供給チャネルを介して供給を受ける。

１つの実施形態によれば、バルブは、電磁弁であってもよい。バルブは、作動媒体として空気を使用するよう構成されていてもよい。

内側および外側のシーリング・エッジを備えたシーリング領域を有するバルブ・シートを備えたバルブを提供することで、バルブ内でプランジャのシーリング表面でシールされるシーリング領域のトータルの周囲長を、バルブ／バルブ・シートのサイズの割りに増大させることができる。
実現されたように、シールされる領域の周囲長が大きくなったことで、バルブ・シートの端部とバルブの可動シーリング表面との間における流量を維持したまま、プランジャのストロークを短くすることができた。ストロークが短くなったことで、開いている時間も短くできるという利点が実現された。さらに、摩耗も低減した。電気機械バルブにおいては、特に作動エンドポイントにおいて、作動力がかなり大きくなった。

本発明を、非限定的な例として添付図面を参照しつつ、より詳細に説明する。
バルブ・シートの軸方向断面図。 バルブ・シートの半径方向断面図。 ノーマルクローズ型の電気機械バルブ内に配置されたバルブ・シートの軸方向断面図（閉じた状態にある）。 ノーマルクローズ型の電気機械バルブ内に配置されたバルブ・シートの軸方向断面図（開いた状態にある）。 側方から見たバルブ・シートの断面図。

以下の説明では、バルブ・シートが設けられたバルブは、図３、４に示されるように、電気機械バルブである。しかしながら、本明細書で説明される原理は、そのようなバルブに限定されるものではなく、あらゆるタイプのバルブに適用することができる。

図１では、バルブ内で使用するための一例であるバルブ・シート１を、軸方向断面で図示している。いくつかの実施形態では、バルブ・シートは凹部４を備え、この凹部４が、内側シーリング・エッジ３および外側シーリング・エッジ２を有する。１つの実施形態においては、内側および外側のシーリング・エッジ２、３は同一平面内に位置している。シーリング・エッジ２、３は、１つの実施形態では、本質的に丸い形状であってもよい。

内側シーリング・エッジ３の内側では、内部パス５が、供給チャネル８を介して、バルブの入口チャンバ１１（図３参照）とダイレクトに連通している。外側シーリング・エッジ２の外側では、外部パス６も、バルブの入口チャンバ１１（図３参照）に接続される。
このようにして、内部パス５および外部パス６の両方が、バルブの作動媒体に接続される。外部パス６および内部パス５における圧力は同じである。それは、内部パス５および外部パス６の両方が入口チャンバ１１と接続されているからである。さらに、バルブ・シート１の凹部４は、パス９および１０（図３参照）を介して、バルブ出口チャンバ１２に接続される。

図２では、図１のバルブ・シートを半径方向断面図で示している。図２から分かるように、バルブ・シート１に複数の外部パス６を設けることができる。外部パス６の各々は、バルブ入口に接続される。外部パス６の数は、適切なあらゆる個数とすることができる。例えば、１〜２０の範囲であらゆる個数とすることができる。
いくつかの実施形態では、外部パス６が１個だけであってもよい。いくつかの実施形態では、少なくとも２つの外部パス６が設けられる。図２の実施形態では、８個の外部パス６が提供されているが、より多くの個数としてもよい。

図３では、図１、２に示したバルブ・シート１を備えるバルブを、軸方向断面図で示している。図３のバルブは、ノーマルクローズ型の電気機械バルブであって、閉じた状態にある。

図３に示した例示的なバルブの実施形態では、バルブは、プランジャ１６と協働するスプリング１５を備える。スプリング付勢されたプランジャ１６は、シーリング１７を有する端部セクションを備えている。シーリング１７は、シーリング・エッジ３、２と協働するものであって、同シーリング・エッジ３、２と接触することで、バルブの入口側（１１、６、８、５）を出口側（４、９、１０、１２）から分断する。このことは、プランジャ１６の接触端のシーリング１７が、プランジャ１６に面する凹部４の開口を閉じることで達成される。
この例では、バルブはノーマルクローズ型である。すなわち、プランジャをバルブ・シートに接する位置から持ち上げる操作が行われない場合は、バルブは閉位置にある。コイル１４に通電して電磁気力でプランジャ１６を移動させると、プランジャ・シーリング領域１７とバルブ・シートと分断しているプランジャ１６が持ち上げられて、バルブ内の流路が開く。これにより、バルブ内の作動媒体がバルブを通して流れることが可能となる。こうして、バルブは、開位置となる。
開位置は、図４に示されており、そこでは、作動媒体がバルブを通して流れることができる。このようにして、シーリング１７をバルブ・シート１へ押し付ける力が除去され、もはや、プランジャ１６とバルブ・シート１との間はシールされていないこととなる。従って、バルブが開いているとき、作動媒体は、バルブの入口チャンバから出口チャンバへと流れ込むことができる。
この例では、媒体が流れる方向は、入口チャンバ１１から出口チャンバ１２へ向かう方向であると考えられる。しかし、流れの方向が反対方向である場合も想定される。従って、流れ方向は、出口チャンバ１２から入口チャンバ１１へ向かう反対方向へと、同等に変更することができる。

バルブのバルブ本体１３に対するバルブ・シート１の機械的取り付けは、特定の用途に適するあらゆる態様を採用できる。この例示的実施形態では、バルブ・シート１の側面に形成されたネジ７によって、バルブ・シート１がバルブ本体１３に取り付けられている。

図５では、外部パス（ここでは外部パス６）および内部パス（ここでは内部パス５）を経由した入口チャンバからの流れ、および凹部４を経由した出口チャンバへの流れ、を図示している。図５中に矢印で示したように、流れは、２つの異なるシーリング・エッジ２、３を通って、凹部４のシーリング・エリアに入ることができる。１つの流れは、入口パス（ここでは、水平の供給チャネル８）を経由するものであって、供給チャネル８は、バルブ入口からの流れを、オリフィス（ここでは、バルブ・シート１の中心に鉛直方向に位置している内部パス５）へと向ける。
いくつかの実施形態では、多くの供給チャネル８が、バルブ入口とオリフィスとの間に延在して設けられる。いくつかの実施形態では、少なくとも２つの入口パスが設けられる。ここでは、４本の供給チャネル８が設けられている。
バルブが開位置にあってシーリングが解除されていると、中央のオリフィスからの流れは、内側シーリング・エッジ３を通って凹部４のシーリング・エリアに入る。同時に、外部パス６（これもバルブ入口に接続されている）から外側シーリング・エッジ２を通って、１つの流れが凹部４に入る。バルブ・シート１上の内側および外側シーリング・エッジを通って凹部４に入る流れは、バルブ・シートを出て、パス１０を通ってバルブ出口に向かう。パス１０は凹部４と接続されていて、当該流れを、鉛直方向にパス９ヘと導く。パス９は、バルブ出口に接続されている。

上の通り、本明細書で説明したバルブ・シート１は内部パス５を備えていてもよく、その周囲は、内側シーリング・エッジ３を形成している。バルブ・シートのシール面に存在する（内周長および外周長の両方を有する）出口領域を通して、作動媒体を出口へと流すことによって、バルブのシーリング１７に面するシール面に存在する出口領域におけるトータルの周囲長を大きくすることができる。プランジャのシーリング１７と接触する出口領域における周囲長を大きくさせた当該構成により、バルブの作動が改善される。

このように、本明細書で説明した実施形態によれば、バルブのシーリング（ここでは、プランジャ１６のシーリング１７）でシールされるよう構成された出口領域における周囲長が大きくなる。出口領域は、内側長および外側長の両方を有する。出口領域は、例えばここで説明し図２に示したように、リング形状であってもよい。しかし、出口領域に内周長および外周長の両方が存在する限り、他の形状であってもよい。
内周長および外周長は、同一平面内にあってもよいが、異なる平面内にあってもよい。それは、バルブの入口を出口からシールするために設けられるシーリングの幾何学形状に依存する。この例では、シーリング１７は大略フラットであり、内周長および外周長（この例では、シーリング・エッジ２、３）は、同一平面内に位置している。このように、プランジャ１６のシーリング１７と、シーリング・エッジ２、３との接触領域は、フラットであってもよい。しかし、フラットである必要はない。
出口領域（例えば、この例における凹部４）の周囲は、このように、外側シーリング・エッジ２および内側シーリング・エッジ３の両方を備える。従来のバルブ・シートと比較して、バルブのプランジャのシール面と接触する出口領域のトータルの周囲長は、バルブ／バルブ・シートの相対的サイズの割りには大きくなる。
判明したことであるが、プランジャから見た出口領域（バルブ内での流れ方向に応じて、入口領域である場合もある）の周囲長を増大させると、シーリング・エッジ３、２とバルブの可動シール面１７（この例では、シーリング１７が設けられたプランジャ１６のフラット面）との間に流れ領域を保持しつつ、プランジャのストロークを短くすることができる。
内部パス（ここでは内部パス５）および外部パス（ここでは、それを囲む外部パス６）は、バルブの入口チャンバ１１に接続されており、したがって、圧力は同じである。バルブ・シート１の凹部４の出口領域は出口に接続されていて、バルブが閉じられているとき、入ってくる作動媒体から分離されている。

開いている時の差圧［Ｆ＝Ｐ＊Ａ］に打ち勝つのに必要な力を計算するために、出口領域の面積だけを考慮に入れることとする。内部パス５は入口チャンバ１１と同じ圧力を有するので、内部パス５の面積は寄与しない。

出口領域の周囲長を計算するとき、内側シーリング・エッジ３の周囲長および外側シーリング・エッジ２周囲長の両方が含まれることになっている。

プランジャのストローク長が作動媒体の流れを制限しない場合、バルブ・シートの出口領域の周囲長を選択することで、作動媒体を流すための面積がストローク長にマッチし、かつそれに制限はされないことを確実とする。一般式は、下のように書くことができる。

ストローク長＊ノズル周囲長 ≧ ノズル面積

例： 流れの面積が２５ｍｍ^２である場合について、ストローク長の比較

内側エッジ３または外側エッジ２は、特定の形状または寸法のものには限定されない。内周長および外周長の両方を有するバルブ・シートの開口を通して、バルブの一方のチャンバから他方のチャンバへの流れが存在するバルブ・シートを提供することで、シール領域におけるトータルの周囲長が大きくなる、そして、バルブのプランジャの相対的ストローク長によりバルブ・シート内での流れが改善される。

上述の実施形態では、バルブ・シートが固定で、シーリングが可動であるとの設定である。しかしながら、さらにバルブ・シートが、シーリングに向かって可動であることも想定される。いくつかの実施形態では、バルブ・シートとシーリングの両方が互いに近づくように可動である。

異なる実施形態における特徴を組み合わせることができるし、明示的に説明していない限りある１つの実施形態の特徴が不可欠なものではない、ということを理解しておくべきである。従って、当業者であれば、特定の実施態様において、どの特徴および寸法が好適であるのかを選択することができる。上述のバルブおよびバルブ・シートは、バルブが大略円筒形状の電気機械バルブであって、大略円筒形状のバルブ・シートを伴っていて、作動媒体として空気を使用するよう設計された、実施形態として説明されている。
しかしながら、本明細書で説明した原理は、一般的な形状である他タイプのバルブにも適用可能であり、例えば、液体の作動媒体をする他タイプのバルブにも適用可能である。バルブは、ノーマルクローズ型として設計することも、ノーマルオープン型として設計することも可能である。内側および外側のシーリング・エッジの形状は別の形状であってもよく、例えば、楕円や矩形である。

Claims (11)

1. バルブに使用するバルブ・シート（１）であって、当該バルブ・シート（１）は、バルブの第１チャンバ（１１）に連絡するよう構成された第１流路を提供する内部パス（５）を備えていて、
   当該バルブ・シート（１）は、これも第１チャンバ（１１）に連絡するよう構成された少なくとも１つの外部パス（６）を備えていて、
   当該バルブ・シート（１）は、さらに、バルブのシーリングに面する領域であって、第２チャンバ（１２）に接続されるよう構成された領域を備えていて、当該領域は、内側シーリング・エッジ（３）および外側シーリング・エッジ（２）を有しており、
   バルブが開位置にあるとき、バルブ・シート（１）が第１チャンバ（１１）と第２チャンバ（１２）との間での流れを許容することとなり、その際、内部パス（５）および少なくとも１つの外部パス（６）内の流れは、内側シーリング・エッジ（３）および外側シーリング・エッジ（２）のそれぞれを介して第２チャンバと連絡している前記領域を通って流れる、バルブ・シート。
2. 凹部（４）を備えており、当該凹部（４）の頂部が、バルブのシーリングに面する上記領域を形成している、請求項１記載のバルブ・シート。
3. 上記内側シーリング・エッジ（３）が丸い、請求項１または２記載のバルブ・シート。
4. 上記外側シーリング・エッジ（２）が丸い、請求項１〜３のいずれか１つに記載のバルブ・シート。
5. 上記内側シーリング・エッジ（３）と外側シーリング・エッジ（２）が同じ面内に位置している、請求項１〜４のいずれか１つに記載のバルブ・シート。
6. 上記外部パス（６）が少なくとも２つ設けられている、請求項１〜５のいずれか１つに記載のバルブ・シート。
7. 上記内部パス（５）は少なくとも２つの供給チャネル（８）を介して供給を受ける、請求項１〜６のいずれか１つに記載のバルブ・シート。
8. 請求項１〜７のいずれか１つに記載のバルブ・シートを備える、バルブ。
9. 電磁弁である、請求項８記載のバルブ。
10. バルブが閉位置にあるときに上記凹部（４）をシールするよう構成されたシーリング（１７）を備える、請求項８または９記載のバルブ。
11. 空気弁である、請求項８〜１０のいずれか１つに記載のバルブ

Images