JP4292142B2 - Flow control valve - Google Patents
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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。 The present invention relates to a flow rate control valve capable of precisely and arbitrarily adjusting a flow rate.
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)。 Conventionally, a precision needle valve is known as a control valve capable of precisely controlling a minute flow rate of a fluid. As the needles used here, needles having 10 kinds of MAXCV values (CV values when the valve is fully opened) according to the flow range are prepared. It is also known to perform temperature compensation by appropriately selecting the material of the needle to change the difference in diameter (outer diameter) between the needle and the orifice portion according to the temperature change (see Patent Document 1).
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。
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。
Here, the conventional precision needle valve has the following problems to be solved. That is, in the case of a needle valve that is not temperature compensated at all, the error per 1 ° C. of temperature change is about 0.4%. The error is improved only to about 0.3% per 1 ° C. by the temperature compensation.
In almost all applications, it is desirable that this error be small, and for temperature compensation, it is desirable to limit the error to at least 0.1% per degree C.
In addition, since the flow rate adjustment range of a commercially available needle valve is a relatively narrow flow rate range, the user must select a flow rate range suitable for the application from a variety of flow rate adjustment range products. If the prediction is wrong, it is necessary to purchase a different flow rate range again, which is inconvenient.
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。 The conventional throttle valve changes the effective opening area of the screw thread gap as a fluid passage to change the throttle opening, but does not compensate for changes in flow rate due to temperature changes.
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。 The present invention has been made in order to solve the above problems, and includes a flow rate control valve in which the flow rate change rate with respect to the rotation angle is constant at any position at multiple positions, and a flow rate control valve in which the flow rate does not change even if there is a temperature change. The purpose is to provide.
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。 As shown in FIG. 10A, the viscosity of the gas increases as the temperature rises, and the flow resistance of the gas increases. For this reason, the flow rate of the gas flowing through the fluid control valve decreases as the temperature rises.
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。 Further, as shown in FIG. 10B, the viscosity of the liquid decreases as the temperature rises, and the flow resistance of the liquid becomes small. For this reason, the flow rate of the liquid flowing through the fluid control valve increases as the temperature rises.
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。 In this way, the viscosity of the gas and the liquid has the opposite properties to the temperature change, but the flow control valve that does not change the flow rate even if there is a temperature change by appropriately performing the reverse correction operation. It is possible to obtain.
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。 The present invention provides a throttle valve capable of adjusting the flow rate in a wide range and having a constant flow rate change with respect to the rotation angle of the operation shaft at any adjustment position. Also, the temperature dependence of the flow rate is eliminated by offsetting the decrease in the flow rate due to the increase in the fluid viscosity coefficient and the increase in the flow rate due to the decrease in the flow resistance of the fluid.
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。 In order to realize the present invention, a variable throttle when the fluid passage of the valve body is a triangular spiral groove whose depth gradually decreases will be described.
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。
First, the flow rate Q when the fluid flows in a laminar flow state through the equilateral triangular channel is obtained.
The flow rate when the fluid flows in the
Q = πr 4 Δp / 8 μL (1)
Here, Q is the flow rate of the fluid flowing through the circular tube, r is the radius of the circular tube, Δp is the pressure difference in the flow direction between the fluid at the inlet and the outlet of the circular tube, μ is the viscosity coefficient of the fluid, and L is the fluid's viscosity coefficient . The length of the pipe from the entrance to the exit.
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re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。
re=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。
The same calculation is performed when the fluid flows through the
In this case, than the movement theory (see Non-Patent Document 1), and the height of the equilateral triangle that is h, this flow path is a circular tubular imaginary circle tube radius r e of the formula (2) below It can be calculated as an equivalent of the flow path.
r e = h / 3 (2)
As shown in FIG. 8, h is the height of the equilateral triangle (depth of the groove).
(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)
Substituting (2) into (1), the flow rate Q in the laminar flow state is obtained.
Q = πh 4 Δp / 648 μL (3)
Since the flow resistance R of the circular pipe with respect to the fluid flowing in the circular pipe is R = Δp / Q, when this is substituted into the expression (3), the following expression (4) is obtained.
R = 648 μL / πh 4 (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)
The flow resistance R when the fluid having the viscosity coefficient μ flows through the
Consider a case where the depth h of the equilateral triangular groove decreases exponentially in the longitudinal direction.
The coordinate of the entrance of the
Here, a and b are arbitrary constants, and e is the base of the natural logarithm.
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・e4bx/πa4 (7)
From the equations (4) and (5), the fluid resistance in a minute section in the longitudinal direction of the
dR = 648 μ · dx / π (ae −bx ) 4 (6)
It can be expressed as. Therefore,
dR / dx = 648 μ · e 4bx / πa 4 (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・e4bx/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)
Looking at the longitudinal direction of the
R (x) = 162 μ · e 4bx / πa 4 b (8)
The flow rate flowing through the equilateral triangular groove from infinity to the position x is expressed by the following equation.
Q (x) = πa 4 b · e −4bx · Δp / 162 μ (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。 This equation (9) is a calculation formula for obtaining the flow rate of a fluid when a fluid having a viscosity coefficient μ flows through a channel having a regular triangular cross section whose depth gradually decreases in the longitudinal direction and a total length of x. . From this equation, the relationship between the flow path length x and the fluid μ and the flow rate can be calculated.
本発明は、それぞれ次のような構成により実現することができる。
〔構成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の割合が一定になるように、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。
The present invention can be realized by the following configurations.
[Configuration 1]
An operating shaft and a housing which are slidably fitted to each other in the axial direction;
And the spiral grooves forming a fluid passage on one of the sliding surfaces at least one of the operating shaft and the housing,
An operation shaft moving mechanism for moving the operation shaft in the axial direction with respect to the housing;
The flow rate resistance of the fluid flowing in the spiral groove is set so that the rate of change of the flow rate of the fluid passage with respect to the constant movement amount of the operation shaft is constant at an arbitrary position in the axial direction of the operation shaft. A flow control valve formed so as to decrease or increase exponentially along the length direction according to the Hagen-Poiseuille equation .
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。
By forming the spiral groove so that the flow resistance of the fluid flowing through the fluid passage changes exponentially along the length direction, the flow rate can be adjusted in a wide range, and the operation axis is constant at any adjustment position. A throttle valve having a constant flow rate change with respect to the amount of movement can be obtained. The constant movement amount of the operation shaft is, for example, the amount of displacement of the rotation angle of the operation shaft when the operation shaft that is screwed and supported by the housing is rotated. The rate of change in flow rate with respect to a fixed number of revolutions of the operating shaft is constant and has a wide adjustment range at any position regardless of the strength of the throttle.
Therefore, it is not necessary to prepare various valves for dealing with a wide adjustment range, and the capacity selection work is considerably simple.
The fluid passage formed by the spiral groove refers to a fluid passage in a portion of the entire length of the spiral groove where the opening surface of the spiral groove is closed by the operation shaft or the contact surface of the housing. The spiral groove includes not only a constant pitch but also a non-constant pitch.
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。 The fluid passage formed by the spiral groove refers to a fluid passage in a portion of the entire length of the spiral groove in which the opening surface of the spiral groove is closed by the operation shaft or the contact surface of the housing. If the section (position) of the fluid passage is changed, the depth of the spiral groove changes, so that the flow resistance can be changed. The spiral groove includes not only a constant pitch but also a non-constant pitch.
〔構成2〕
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し、この補助スリーブは、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構成1の流量調節弁。
[Configuration 2]
An auxiliary sleeve is provided between the operation shaft and the housing and is fixed to one of them and slides on the other. The auxiliary sleeve is in contact with a spiral groove provided on the operation shaft. The flow control valve according to the
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。 The portion of the auxiliary sleeve that is in contact with the spiral groove provided on the operating shaft extends into the space in the housing, so that the fluid pressure applied to the outer peripheral surface of the extended portion is equal, Since the extension portion does not require mechanical strength, the wall thickness can be reduced. By reducing the thickness of the extended portion, the fitting accuracy with the operation shaft can be lowered.
〔構成3〕
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構成1または2の流量調節弁。
[Configuration 3]
3. The flow rate control valve according to the
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。構成3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。 When there is a radial gap between the auxiliary sleeve and the operating shaft or housing that is slidably in contact with the auxiliary sleeve due to temperature changes, fluid was generated in the radial direction in addition to the fluid passage in the spiral groove. The fluid can flow through the gap and the predetermined purpose cannot be achieved. Configuration 3 has an effect of preventing the occurrence of a radial gap due to such a temperature change.
〔構成4〕
前記操作軸およびハウジングとが互いに嵌合され、前記スパイラル溝が前記操作軸とハウジングの各接触面にそれぞれ設けられ、互いに螺合して流体通路を形成し、
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回転角度に対する、前記流体通路の流量の変化の割合が一定になるように、前記両スパイラル溝を、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上記構成1の流量調節弁。
[Configuration 4]
The operation shaft and the housing are fitted to each other, and the spiral groove is provided on each contact surface of the operation shaft and the housing, and is screwed together to form a fluid passage,
The flow rate of the fluid flowing through the fluid passages so that the rate of change in the flow rate of the fluid passage is constant with respect to a constant rotation angle of the operation shaft at an arbitrary position in the axial direction of the operation shaft. The flow rate control valve according to the first aspect, wherein the resistance is formed so as to decrease or increase exponentially along the length direction according to the Hagen-Poiseuille equation.
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。 By forming the spiral groove so that the flow resistance of the fluid flowing through the fluid passage changes exponentially along the length direction, the flow rate can be adjusted in a wide range, and the operation shaft can be rotated at any adjustment position. A throttle valve having a constant flow rate change with respect to the angle can be obtained.
以下、本発明の実施の形態を実施例毎に詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail for each example.
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。
FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a fluid regulating valve of the first embodiment.
In FIG. 1, the
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。
The
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。
The opening opened in the other end 20 b of the
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。
A fluid passage is formed through the
In this embodiment, the fluid flows in from one fluid inlet / outlet port 22 as indicated by an arrow, and flows out from the other fluid inlet /
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。
When the operating
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。
The
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。
As will be described later, the
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(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。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(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。
Further, the shape of the
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。
Consider a case where the flow
That is, the cross-sectional shape of the
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。 The viscosity coefficient μ of air becomes 1.73 times as the temperature rises from 0 degrees Celsius to 100 degrees Celsius. From the above equation (9), when the viscosity coefficient increases 1.73 times, the flow rate decreases to 1.73.
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、スパイラル溝14による流体通路長は相対的に短くなる。なお、操作軸12の長手方向の熱伸縮差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。
On the other hand, when the temperature rises from 0 degrees Celsius to 100 degrees Celsius, the relative displacement between the
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。
Therefore, the
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。
If the diameter of the
That is, when the
Calculation of the depth h of the
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。
e4bx0.9(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
In the above formula, the flow resistance from minus infinity to zero should be equal to the flow resistance from zero to +9 mm.
e 4bx0.9 (cm) = 2
b = 19.254
When Δp is 10 5 Pa (pascal), the flow rate is designed to be 10 −5 m 3 / sec (= 600 ml / min).
From equation (9)
πa 4 b × 10 5 / 162μ = 10 -5
μ = 1.38 × 10 −5 (m 2 / s)
a 4 = 162 μ × 10 −10 / πb
a = 4.38 × 10 −4
h (x) = 4.38 × 10 −4 e -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。
When the
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。
The
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。
When gas flows through the
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。
If the coefficient of thermal expansion of the operating shaft and the housing and the shape of the spiral groove are selected according to the fluid to be used, the temperature of the flow rate can be compensated without temperature dependence.
The temperature compensation of the flow rate uses the longitudinal displacement difference due to each thermal expansion of the housing and the operating shaft, but the part provided with the spiral groove, that is, the auxiliary sleeve and the cylindrical surface part in contact with the outer surface of the spiral groove, That is, the housing is preferably made of a material having the same thermal expansion coefficient.
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。
By doing so, it is possible to prevent the gap between the two from expanding in the radial direction and the flow rate to change greatly, or the gap from being excessively reduced in the radial direction to prevent the operation shaft from moving. When the
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。
FIG. 2 is a longitudinal sectional view showing a fluid regulating valve of the second embodiment.
In FIG. 2, the
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。
When the operating
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、温度変化により流体通路の長さが減少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。
When the gas flows through the spiral groove 33, the thermal expansion coefficient of the
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。 Although the point from which Example 1 is provided with the spiral groove in the housing side is different, the same effect is acquired. The temperature dependence of the flow rate of the fluid used can be eliminated, and the temperature compensation of the flow rate can be performed.
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。
FIG. 3 is a longitudinal sectional view showing the fluid regulating valve of the third embodiment.
In FIG. 3, the fluid regulating valve 40 according to the third embodiment includes an operation shaft 41, an
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。
The operation shaft 41 is provided with a thread groove 47 and is screwed and supported to one
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。 A fluid passage is formed through a spiral groove 44 between one fluid inlet / outlet 48 and the other fluid inlet / outlet 49 of the housing 43. In this embodiment, the fluid flows from one fluid inlet / outlet 48 as indicated by an arrow, and flows out from the other fluid inlet / outlet 49 via the spiral groove 44. This fluid flow may be reversed.
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。
When the operating shaft 41 is rotated while holding the knob 45, the
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。
The
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の長さが減少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。 When the gas flows through the spiral groove 44, the thermal expansion coefficients of the operation shaft 41 and the housing 43 and the shape of the spiral groove 44 are the same as the gas flow rate decrease amount in which the gas viscosity coefficient increases and the flow rate decreases as the temperature rises. The length of the fluid passage is reduced by a temperature change, the fluid resistance is lowered, and the flow rate increase amount of the gas is increased, so that the flow rate is increased according to the gas used. Even when the liquid flows through the spiral groove 44, the same operation can be performed by appropriately performing the reverse correction operation.
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。
The fluid regulating valve 40 of the third embodiment is different from the first embodiment in that the thermal expansion coefficient of the operation shaft 41 is selected to be larger than the thermal expansion coefficients of the
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。
FIG. 4 is a longitudinal sectional view showing a fluid regulating valve of the fourth embodiment.
In FIG. 4, the
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。
When the
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の長さが減少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。
The
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。
The third embodiment is different from the third embodiment in that the spiral groove 51 is provided on the
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。
FIG. 5 is a longitudinal sectional view showing a fluid regulating valve of the fifth embodiment.
In FIG. 5, the
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。
The
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。
An opening opened at the other end of the
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。
In the auxiliary sleeve 63, a portion 63 a that is in contact with the spiral groove 61 provided in the
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。
When the operating
The
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の長さが相対的に減少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。
When the gas flows through the spiral groove 61, the thermal expansion coefficients of the
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。 If the coefficient of thermal expansion of the operating shaft and the housing and the shape of the spiral groove are selected according to the gas to be used, the flow rate does not depend on the temperature and the flow rate can be compensated.
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。
FIG. 6 is a longitudinal sectional view showing a part of the fluid regulating valve of the sixth embodiment.
A
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。
The fluid passage is formed by screwing into the contact surfaces of the operating
Both spiral
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。
That is, a taper is provided on the outer peripheral surface of one end of the
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。
With this configuration, it is possible to obtain a throttle valve in which the flow rate can be adjusted in a wide range and the flow rate change with respect to the rotation angle of the
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。 In each of the above-described embodiments, temperature compensation is performed using a difference in thermal expansion between two types of materials having greatly different thermal expansion coefficients such as a combination of plastic and metal, but the present invention is not limited to this. In addition, the present invention includes a method using a bimetal that causes mechanical deformation due to temperature, a driving element of a liquid enclosure, and the like. The present invention can be suitably applied to a proportional valve, a direct acting valve, a damper, and the like that greatly adjust the fluid flow rate.
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
DESCRIPTION OF
Claims (4)
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。 An operating shaft and a housing which are slidably fitted to each other in the axial direction;
A spiral groove that forms a fluid passage in the sliding surface of at least one of the operating shaft and the housing;
An operation shaft moving mechanism for moving the operation shaft in the axial direction with respect to the housing;
The spiral groove is formed so that the rate of change of the flow rate of the fluid passage with respect to a certain amount of movement of the operating shaft at a given position in the axial direction of the operating shaft is constant when expressed by an exponential slope. A flow control valve formed so that a flow resistance of a fluid flowing through a passage gradually decreases or increases exponentially obtained by the Hagen-Poiseuille equation along the length direction.
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回転角度に対する、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、前記両スパイラル溝を、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請求項1の流量調節弁。 The operation shaft and the housing are fitted to each other, and the spiral groove is provided on each contact surface of the operation shaft and the housing, and is screwed together to form a fluid passage,
The spiral grooves are arranged so that the rate of change of the flow rate of the fluid passage with respect to a constant rotation angle of the operating shaft at an arbitrary position in the axial direction of the operating shaft is constant when expressed by an exponential slope. 2. The flow control valve according to claim 1, wherein the flow resistance of the fluid flowing in the fluid passage is formed so as to gradually decrease or increase exponentially obtained by the Hagen-Poiseuille equation along the length direction.
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