JP2571335B2

JP2571335B2 - 定流量弁

Info

Publication number: JP2571335B2
Application number: JP5004838A
Authority: JP
Inventors: 学斉藤
Original assignee: Fuji Bellows Co Ltd
Current assignee: Fuji Bellows Co Ltd
Priority date: 1993-01-14
Filing date: 1993-01-14
Publication date: 1997-01-16
Anticipated expiration: 2012-01-16
Also published as: JPH06235470A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、水を代表とする流体
を、その供給圧力の変動に拘らず、一定流量で装置へ供
給することができる定流量弁に関するものである。特
に、本発明に係る定流量弁は、例えば、給湯用温水器に
おける給水管路に設置して給湯湯温の安定化を図った
り、また、高温熱処理炉並びにエアーコンプレッサー等
の冷却水給水管路に設置して運転の安定化と節水化を図
ったり、さらには、便器等の水洗洗浄装置（ボールタッ
プ等）の給水管路に設置して節水化を図る等、幅の広い
利用を可能とするものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、住宅に供給される水道水の供給
圧力は、０．３〜７．０kg/cm²とバラツキがある。この
要因としては、山や谷等の地域差、水道配設管の能力不
足、供給量に対する需要量等が考えられる。そして、例
えば、給湯用温水器には、水道水の供給圧力にバラツキ
があっても支障がないように定流量弁が備え付けられて
いる。その定流量弁の一般的な構造例として、実公平４
−１０４５０号公報の第４図に示されるものがある。そ
のような定流量弁１００を示す図１０において、１０１
は弁箱、１０２は基端部室、１０３は弁箱本体、１０４
は液体入口、１０５は蓋、１０７は箱体、１０８は液体
出口、１０９は一次液圧室、１１１は筒状弁体、１１２
は二次液圧室、１１３は大径筒状部、１１５は弁開放度
調整用フランジ、１１７は中間部、１１９はオリフィ
ス、１２１は弁体開放方向押圧用ばねである。この定流
量弁１００においては、液体入口１０４，１０４から筒
状弁体１１１の中間部１１７と弁箱１０１との間の一次
液圧室１０９内に供給された液体は、基端部室１０２と
筒状弁体１１１内の二次液圧室１１２内を通り、オリフ
ィス１１９を経て液体出口１０８へ順次流通する。

【０００３】このような定流量弁１００は、図９の圧力
流量特性線図に実線で示されるように、その弁の前後に
おける差圧が１．０〜１．５kg/cm²に達しないと設定流
量（図示では２０l/min）が満足されないことが実験結
果から判明している。即ち、これでは、前述した水道水
の供給圧力がそのバラツキ下限の０．３kg/cm²の地域で
は、給湯用温水器の健全な使用ができないことになり、
利用者は不満を覚えることになる。従来は、そのような
低圧側での圧力損失を改善するための手段として、弁口
径を大きくしたり、または、特公昭６２−３５５７４号
公報に示されるように、弁を二つ設けることによって、
弁部の通過孔面積を拡大して通過抵抗値を下げて対処し
ていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前者のよう
に、弁口径を大きくする手法では、弁筐体そのものが大
型となり、コスト高となってしまう。また、後者のよう
に、弁を二つ設ける手法では、弁構造が複雑になって、
コスト高となり、その割には改善の向上効果が少ない等
の問題があった。なお、図１０や前記特公昭６２−３５
５７４号公報に示されるような従来の定流量弁では、そ
もそもの構成部品が多く、しかも、その部品形状が複雑
であって、部品製作の加工工数並びに組立工数が多くな
り、コスト高となり、安価な定流量弁の供給ができなか
った。このため、本来的に多くの利用分野が見込める割
には市場の拡大がままにならないところがあった。

【０００５】そこで、本発明の目的は、圧力損失が少な
く、例えば、水道水の供給圧力が０．３kg/cm²以下の低
圧地域における給湯用温水器等の健全な使用を可能とす
ると共に、構造を簡略化することにより、部品点数を少
なくし、部品形状も簡素化して、加工工数並びに組立工
数を大幅に改善し、低コストによる安価な定流量弁を提
供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】以上の課題を解決すべく
本発明は、流体の流路に設置され、流体の圧力変動に応
じて流体の通過孔面積を可変とする弁体を備える定流量
弁において、前記弁体を、前記流体の圧力変動に応じて
伸縮動作するコイル状ばねにより形成して、このコイル
状ばねの各巻線間の隙間を、前記流体の圧力変動に応じ
て可変となる前記通過孔面積に対応させると共に、前記
コイル状ばねの各巻線間の隙間による前記通過孔面積
と、前記コイル状ばねを境にした前記流体の差圧の平方
根との積がほぼ一定になるように、前記コイル状ばねの
ばね荷重特性を非線形に設定してなることを特徴とす
る。

【０００７】

【作用】弁体をなすコイル状ばねは、流体の圧力変動に
応じて伸縮動作し、その各巻線間の隙間による通過孔面
積が、流体の圧力変動に応じて可変となる。しかも、こ
の弁体をなすコイル状ばねのばね荷重特性は、その各巻
線間の隙間による通過孔面積と、これを境にした流体の
差圧の平方根またはコイル状ばねの変位による発生力の
平方根との積がほぼ一定になる非線形特性なので、例え
ば、水道水の供給圧力が０．３kg/cm²以下の低圧地域に
おいて、流体の通過抵抗の発生が少なく、圧力損失が非
常に少ないものとなる。

【０００８】

【実施例】以下に、本発明に係る定流量弁の実施例を図
１乃至図９に基づいて説明する。先ず、図１乃至図４は
本発明の第１実施例を示すもので、この第１実施例に係
る定流量弁１０の使用開始前の状態を示した図１におい
て、１１は弁筐体、１２は流路、１３は入口、１５は出
口、２１は弁支持板、２３は通孔、２５は軸受筒体、３
１はばね受板、３３はガイド軸、３５は止輪、４１は弁
体をなすコイル状ばねである。

【０００９】弁筐体１１は、その筒状体内を流路１２と
して、一端に入口１３を、他端に出口１５を有するもの
で、入口１３側の外周に設けたテーパーねじ１４と出口
１５側の外周に設けたテーパーねじ１６により、例え
ば、図示せぬ給湯用温水器の給水管路に接続される。こ
の弁筐体１１の中間部１７内の出口１５側には、流路１
２を直角に分断するように弁支持板２１が形成されてい
る。この弁支持板２１には、その円周方向に複数の通孔
２３，２３，…が形成されると共に、中央に出口１５側
へ延びる軸受筒体２５が形成されている。この軸受筒体
２５内の軸受孔２６は、弁支持板２１の上面に開口して
いる。

【００１０】そして、上端に円板状のばね受板３１を備
えるガイド軸３３が、軸受孔２６内に摺動自在および回
動自在に組み付けられると共に、そのばね受板３１下面
と、弁支持板２１上面の弁筐体中間部１７との段部２２
との間には、弁体をなす円錐形状のコイル状ばね４１が
介設されている。即ち、この弁体をなす円錐形状のコイ
ル状ばね４１は、その小径部側をばね受板３１下面に当
接し、大径部側を弁支持板２１上面の段部２２に当接し
て、しかも、若干圧縮された状態となっており、軸受筒
体２５から出口１５側へ突出するガイド軸３３の端部に
形成した環状溝部３４に止輪３５が嵌着されている。

【００１１】こうして、弁筐体１１内には、その流路１
２を塞ぐようにしてばね受板３１と弁体をなす円錐形状
のコイル状ばね４１が組み付けられている。そして、流
路１２内に入口１３から流入する水道水の圧力、即ち、
一次側圧力Ｐ１は、ばね受板３１のガイド軸３３断面
と、弁体をなす円錐形状のコイル状ばね４１の各巻線４
３，４３，…の上面（ばね素線展開長さの上面に相当す
る）に万遍なく作用する。

【００１２】定流量弁１０としての弁開閉コントロール
のための受圧面積Ａは、図２に示される粒状模様の範囲
が最大で、コイル状ばね４１は、図３および図４に示さ
れるように、その動作形態は、その巻線４３が大径側か
ら接触を開始して、変位量が進むにつれて順次小径側に
移行されることから、図７に割合で示されたように、後
述する通過孔面積Ｓにほぼ比例する形で減少する。定流
量弁４０は、水圧の変化を上記のような受圧面積Ａで感
知して応動するようになっている。ここで、弁体をなす
円錐形状のコイル状ばね４１は、図３および図４に示さ
れるように、各巻線４３，４３，…が各々の大径側の内
側に順次接触するよう小径側に向かって螺旋状に形成さ
れいるため、その最大変位時には一枚の円板形状にな
る。

【００１３】図３および図４は流量コントロールの安定
状態を示した縦断側面図であり、図示のように、コイル
状ばね４１の小径側の巻線４３，４３，４３，４３，…
は互いに接触しておらず、その間に隙間４５，４５，４
５，４５，…を保っている。この隙間４５，４５，４
５，４５，…の周長総計が、この安定時の流体を制御す
る通過孔面積Ｓとなる。また、各巻線４３，４３，…の
接触部において、その接触面からの流体の漏洩は、定流
量弁としての機能が確保できる程度であることが要求さ
れる。さらに、弁支持板２１は、上述のような変位時に
おける弁体をなす円錐形状のコイル状ばね４１のバック
アップ機能を有する。この弁体をなす円錐形状のコイル
状ばね４１を境にして流体圧力は、一次側圧力Ｐ１から
二次側圧力Ｐ２へ変化する。

【００１４】ところで、流体の流量Ｑは、一般に、下記
の式によって表される。Ｑ＝αＳＶ＝αＳ√（２ｇ（Ｐ１−Ｐ２）／ｒ）＝αＳ√（２ｇ△Ｐ／ｒ）・・・（１）ここで、αは係数、Ｓは流体の通過孔面積、ｇは重力の
加速度、Ｐ１は一次側圧力、Ｐ２は二次側圧力、ｒは流
体の比重、Ｖは流体速度、△Ｐ＝Ｐ１−Ｐ２である。
α，ｇ，ｒは係数並びに定数であることから、（１）式
を整理して、定流量を制御するための条件を探ると、Ｑ∝Ｓ√△Ｐ・・・（２）このように、流量Ｑが一定なる条件は、通過孔面積Ｓ
と、弁体をなすコイル状ばね４１を境にした差圧の平方
根（√△Ｐ）の積が一定になることである。

【００１５】連続的に変化する△Ｐの１ポイントにおけ
る△Ｐと弁体をなすコイル状ばね４１とのバランスは下
記の式によって表される。 △ＰＡ＝ＫＬ=Ｆ・・・（３） △Ｐ＝Ｆ／ＡＱ∝Ｓ√（Ｆ／Ａ）・・・（４）式中、Ｋはばね４１のばね定数、Ａは受圧面積、Ｌはば
ね４１の変位量、Ｆはばね４１の変位による発生力を表
す。図７は弁体をなす円錐形状のコイル状ばね４１の変
位量Ｌに対する通過孔面積Ｓの変化状況を表した特性線
図であり、図示のように、密着側に向かうにしたがって
減少する右下がりの非線形特性となっている。従って、
前記（２）式を満足させるためには、コイル状ばね４１
の変位荷重特性を「右上がり」となるようにすることに
よって、上述した通過孔面積Ｓの「右下がり」特性を補
正するようにすれば良いことが判る。

【００１６】図８は弁体をなす円錐形状のコイル状ばね
４１の変位量Ｌに対するばね荷重Ｆの変化状況を表した
特性線図であり、図示のように、密着側に向かうにした
がって増加する右上がりの非線形特性となっている。即
ち、この「右上がり」特性は、本実施例のように、円錐
形状のコイル状ばね４１にすることによって得ることが
できる。しかしながら、実際面においては、受圧面積Ａ
も通過孔面積Ｓと同様に「右下がり」となっていること
から、ばね４１の変位特性を決定するに当たっては、
（３）（４）式の関係を確保しながら、通過孔面積Ｓを
考慮して、実験によって確認して決定されるものであ
る。

【００１７】以上のばね特性（通過孔面積Ｓの右下がり
特性と、ばね荷重Ｆの右上がり特性）は円錐形状のコイ
ル状ばね４１をもって成し得たものであるが、図５に示
したような一般的な円筒形状のコイル状ばね５１によっ
ても可能である。このような弁体をなす円筒形状のコイ
ル状ばね５１の場合は、各巻線５３，５３，…のピッチ
を、その円筒形状の一端側で小さく、徐々に大きくして
他端側で最大になるような不等間ピッチによる構成とす
る。なお、この場合の受圧面積Ａは、その円筒形状のコ
イル状ばね５１のコイル中心径によって決まり、円錐形
状のものとは異なる。図中、５５は巻線５３，５３間の
隙間である。

【００１８】また、前記第１実施例の弁体をなす円錐形
状のコイル状ばね４１の場合においても、各巻線４３，
４３，…毎にピッチを変えることにより、ばね特性の非
線形カーブの度合を自由に調整することによって、さら
なる特性補正の効果を挙げて、前記（２）式に近付ける
ことが可能である。

【００１９】次に、前記第１実施例の弁体をなす円錐形
状のコイル状ばね４１を備えた定流量弁１０についての
動作説明をする。図１、図３および図４において、図示
せぬ給湯用温水器の使用が開始されて、入口１３に流体
の流れがあると、ばね受板３１と弁体をなす円錐形状の
コイル状ばね４１の上面によって構成される受圧面積Ａ
に、その水道水の供給圧力が作用する。これによりコイ
ル状ばね４１が押されて、図１の状態から図３に示され
る状態に変化する。

【００２０】即ち、コイル状ばね４１は、その円錐形状
の大径側から密着を開始して、この密着は小径側まで進
み、一端は全閉に近い状態になるが、コイル状ばね４１
自体の変位による発生力Ｆの反力を受けて、弁開側に押
し戻される。そして、また、受圧面積Ａの作用力によっ
て弁閉側に押し戻されるような動作が繰り返されて、設
定流量値で安定する。実際には、この動作の繰り返しは
瞬時にして完了する。図３および図５はその安定状態を
示したものである。また、その安定時は、図８の特性線
図においては、その中間位置にあたる。このような安定
状態の時に、前述した（２）式が成立し、実際の流体は
前記（１）式にしたがってコントロールされて使用され
る。

【００２１】ここで、既述した通り、水道水の供給圧力
は、実際には、０．３〜７．０kg/cm²とバラツキがあ
り、その問題となる低圧側（０．３kg/cm²）における定
流量弁１０の状態を考察すると、前記受圧面積Ａに作用
する圧力が小さいことは、弁体をなす円錐形状のコイル
状ばね４１の変位量が少ないことになり、この状態は、
丁度、図１の状態に近いものであることが予測される。
この図１から明らかなように、コイル状ばね４１の巻線
隙間４５，４５，４５，４５，４５，…が、各巻線４
３，４３，４３，４３，４３，…に跨って充分に有り、
従って、弁部の通過孔面積Ｓは、その各巻線隙間４５，
４５，４５，４５，４５，…とその周長の積であること
から、従来品の定流量弁とは比較にならないほど多いも
のとなる。この状況は図７に示される特性の左側に相当
する。このような低圧側での状態が、図９の特性線図に
点線で示される特性の左側に相当する。よって、流体の
通過抵抗の発生が少なく、圧力損失が非常に少ないもの
となる。

【００２２】次に、図６に示した本発明の第２実施例に
ついて説明する。この第２実施例に係る定流量弁６０
は、給水管路６１内に挿入して直接組み付けるタイプの
ものである。即ち、給水管路６１内を直角に分断するよ
うに弁支持板７１を組み込んでいる。この弁支持板７１
は、前記第１実施例と同様に、複数の通孔７３，７３，
…、軸受筒体７５、軸受孔７６を有すると共に、給水管
路６１内に安定させる支持筒７７を一体に設けてなる。
この支持筒７７は、給水管路６１内の上流側に向かう段
部６２に当接して、外周面の環状溝７８内にＯリング等
のシール部材７９を組み付けて、給水管路６１内と気密
的な関係にある。

【００２３】そして、前記第１実施例と同様に、ばね受
板８１を備えるガイド軸８３を、軸受孔７６内に摺動自
在および回動自在に組み付けると共に、そのばね受板８
１下面と、弁支持板７１上面の支持筒７７との段部７２
との間に、弁体をなす円錐形状のコイル状ばね９１を介
設している。なお、軸受筒体７５から下流側へ突出する
ガイド軸８３端部の環状溝部８４に止輪８５が嵌着され
ており、９３は巻線、９５はその間の隙間である。こう
して、給水管路６１内に、その流路を塞ぐようにしてば
ね受板８１と弁体をなす円錐形状のコイル状ばね９１を
備える弁支持板７１を直接組み付けている。この第２実
施例に係る定流量弁６０によっても、前記第１実施例と
同様の機能が得られるものであり、また、前記第１実施
例と比較して、弁筐体を省略できることから、コストを
さらに低減できるという利点も得られる。

【００２４】なお、以上の実施例においては、給湯用温
水器の給水管路に設置する定流量弁として、給湯湯温の
安定化を図ったが、本発明に係る定流量弁の用途は、こ
れに限定されるものではなく、高温熱処理炉並びにエア
ーコンプレッサー等の冷却水給水管路に設置して運転の
安定化と節水化を図ったり、さらには、便器等の水洗洗
浄装置（ボールタップ等）の給水管路に設置して節水化
を図る等、幅の広い利用が可能である。また、本発明に
係る定流量弁は、適用する機器並びに装置等の供給側に
設置する他、製品としての安価な供給が可能となれば、
機器並びに装置等の出口側に設置して使用することもで
きる。例えば、一つの例として、一般家庭において、大
型の給湯用温水器を設置して炊事場、お風呂、シャワー
等の一般給湯の他に、各部屋に熱交換器を配置して給湯
する暖房装置を利用することが多くなっている。

【００２５】このように、一台の給湯用温水器を使って
多数の箇所へ給湯する場合に問題になることは、各機器
並びに装置の設置の状態、即ち、給湯用温水器からの距
離、高さ、継手数等が相違することによる流体抵抗の差
から、各々への給湯流量に差が出てしまうことがある。
そこで、各給湯分配管の入口に本発明に係る定流量弁を
設けて、流量の安定化を図るようにすれば、上述のよう
な問題も改善できる。また、本発明に係る定流量弁の具
体的な配置の仕方や流量制御すべき流体の種類等も任意
であり、その他、具体的な細部構造等についても適宜に
変更可能であることは勿論である。

【００２６】

【発明の効果】以上のように、本発明に係る定流量弁に
よれば、例えば、水道水の供給圧力の低圧側における圧
力損失を０．２kg/cm²以下と少なくできることから、水
道水の供給圧力が０．３kg/cm²の低圧地域であっても、
例えば、給湯用温水器の場合に、設定流量（実施例では
２０l/min）を充分に供給することができる。従って、
給湯用温水器の健全な使用ができるばかりでなく、充分
な湯の使用ができることから、利用者に満足を与えるこ
とができる。また、本発明に係る定流量弁は、従来品の
弁体に代えて、コイル状ばねに定流量コントロール機能
を与えたことにより、弁の構造を簡略化できると共に、
部品も簡略化できたことから、量産化が可能となり、工
数の大幅な低減が可能である。従って、性能の良い定流
量弁を安価に広く提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る定流量弁の第１実施例を示すもの
で、使用開始前の状態を示した縦断側面図である。

【図２】図１の矢印Ａ−Ａ線に沿って弁筐体等を断面で
示した受圧面積を説明する破断平面図である。

【図３】流量コントロールの安定状態を示した縦断側面
図である。

【図４】図３のＢ部の拡大図である。

【図５】弁体をなすコイル状ばねの変更例を示す破断側
面図である。

【図６】本発明に係る定流量弁の第２実施例を示すもの
で、使用開始前の状態を示した縦断側面図である。

【図７】本発明に係る定流量弁による弁体の通過孔面積
（受圧面積）特性線図である。

【図８】本発明に係る定流量弁による弁体のばね荷重特
性線図である。

【図９】本発明に係る定流量弁と従来の定流量弁との圧
力損失を比較する圧力流量特性線図である。

【図１０】従来の定流量弁の一般的な構造例を示す縦断
側面図である。

【符号の説明】

１０，６０本発明に係る定流量弁１１弁筐体１２流路１３入口１５出口２１，７１弁支持板２２，７２段部２３，７３通孔２５，７５軸受筒体３１，８１ばね受板３３，８３ガイド軸３５，８５止輪４１，５１，９１弁体をなすコイル状ばね４３，５３，９３巻線４５，５５，９５隙間６１給水管路６２段部７７支持筒７９シール部材

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】流体の流路に設置され、流体の圧力変動
に応じて流体の通過孔面積を可変とする弁体を備える定
流量弁において、前記弁体を、前記流体の圧力変動に応じて伸縮動作する
コイル状ばねにより形成して、このコイル状ばねの各巻線間の隙間を、前記流体の圧力
変動に応じて可変となる前記通過孔面積に対応させると
共に、前記コイル状ばねの各巻線間の隙間による前記通過孔面
積と、前記コイル状ばねを境にした前記流体の差圧の平
方根との積がほぼ一定になるように、前記コイル状ばね
のばね荷重特性を非線形に設定してなることを特徴とす
る定流量弁。