JP6692213B2 - 流量調整弁 - Google Patents

Description

本発明は、弁室及び弁口（オリフィス）が設けられた弁本体と、リフト量に応じて前記弁口を流れる流体の流量を変化させる弁体とを備えた流量調整弁に係り、特に、ヒートポンプ式冷暖房システム等において冷媒流量を調整するのに好適な流量調整弁に関する。

流量調整弁における弁開度（リフト量）と流量との関係、すなわち、流量特性としては、リニア特性とイコールパーセント特性とがよく知られている。リニア特性は、弁開度の変化に対する流量の変化率が一定である特性を言い、イコールパーセント特性は、弁開度の変化率が流量に比例する特性を言う。

図５は、イコールパーセント特性が得られるようにされた流量調整弁の一例の要部を示している。図示例の流量調整弁２は、ヒートポンプ式冷暖房システム等において冷媒流量を調整するために使用されるもので、弁室６、逆立円錐台面からなる弁座８、及び円筒面からなる弁口１５が設けられた弁本体５と、弁座８からのリフト量に応じて弁口１５を流れる流体の流量を変化させる弁体２０とを備え、弁体２０は、例えば特許文献１等に所載の如くの、雄ねじが設けられた弁軸、雌ねじが設けられたガイドステム、及びステッピングモータ等で構成されるねじ送り式昇降駆動機構により、弁座８に接離するように昇降せしめられる。

弁体２０は、弁座８に着接する着座面部２２と、該着座面部２２の下側に連なる、流量特性としてイコールパーセント特性を得るための楕球状の曲面部２３とを有する。曲面部２３は、卵の下半分に類似した形状を有しており、その外周面は上端２３ａから下端２３ｂにかけて次第に曲がり具合がきつく（曲率が大きく）なっている。

かかるイコールパーセント特性が得られるようにされた流量調整弁２においては、図５において太線矢印で示される如くに、冷媒流れ方向が弁室６→弁口１５であるとき、冷媒が曲面部２３に沿って流れるが、弁口１５通過時に急激な圧力変動、冷媒剥離現象が生じやすく、それに伴い、渦やキャビテーションが発生・成長しやすくなり、比較的大きな騒音が発生するという問題があった。

なお、上記のようにイコールパーセント特性を得るために、弁体２０に楕球状の曲面部２３を設けることは加工コスト、費用対効果等の面から問題があるので、図６に示される如くの、イコールパーセント特性に近似した特性が得られるようにされた流量調整弁３が開発されている。図示例の流量調整弁３は、弁室形成部材６Ａが固着された弁本体５と、弁座８からのリフト量に応じて弁口１０’を流れる流体の流量を変化させる弁体３０とを備える。前記弁口１０’は、口径がＤ１’の円筒状部１１ａ’とそれに連なる円錐台状部１１ｂ’とからなる第１弁口部１１’と、口径がＤ２’の円筒状部１２ａ’とそれに連なる円錐台状部１２ｂ’とからなる第２弁口部１２’とで構成されている。なお、第２弁口部１２’の下部外周には、不図示の管継手が連結される連結部１７が設けられている。

弁体３０は、弁座８に着座する着座面部３２と、該着座面部３２の下側に連なる、流量特性としてイコールパーセント特性に近似した特性を得るための曲面部３３とを有する。曲面部３３は、楕球面を疑似するように先端に近づくに従って制御角（弁体３０の中心軸線Ｏと平行な線との交差角）が段階的に大きくされた複数段（ここでは５段）の逆円錐台状のテーパ面部３３Ａ〜３３Ｅを有しており、最上段のテーパ面部３３Ａの第１制御角θ１は、通常、３°＜θ１＜１５°（ここでは５°）に設定され、最下段のテーパ面部３３Ｅは先の尖った円錐面となっている。

一方、特許文献２には、通常のリニア特性が得られるようにされた流量調整弁において、弁口の寸法形状を特定のものとして、上記した如くの、弁口通過時における圧力変動や冷媒剥離現象等に起因して発生する騒音を抑制するようにしたものが開示されている。

特開２０１２−１７２８３９号公報 特許第５６９６０９３号公報

しかしながら、特許文献２に所載の流量調整弁においては、弁口長を相当長く設定する必要があるため、圧力損失が大きくなり、適正な冷媒流量が得られ難いという問題があり、さらに、弁口の寸法形状は、リニア特性用の弁体に合わせたものであるので、上記したイコールパーセント特性及びそれに近似した特性を持つ流量調整弁に適用しても、十分な騒音低減効果は得られない。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、弁口通過時における圧力変動や冷媒剥離現象に起因して発生する騒音を効果的に低減できるとともに、圧力損失の低減等も図ることのできる流量調整弁を提供することにある。

前記目的を達成すべく、本発明に係る流量調整弁は、基本的には、弁室及び弁口が設けられた弁本体と、リフト量に応じて前記弁口を流れる流体の流量を変化させる曲面部を持つ弁体とを備え、前記曲面部の曲率ないし制御角が先端に近づくに従って連続的又は段階的に大きくされている流量調整弁であって、前記弁体における曲面部は、楕球面部、先端に近づくに従って制御角が段階的に大きくされた複数段の逆円錐台状のテーパ面部、又は、前記楕球面部と一段もしくは複数段の前記テーパ面部との組み合わせにより構成され、流量特性としてイコールパーセント特性あるいはそれに近似する特性を得られるように設計されており、前記弁口の口径が前記弁室から離れるに従って４段階以上で順次大きくされ、前記弁口を構成する各弁口部は、円筒状部とそれに連なる円錐台状部とで構成され、前記弁室側に位置する第１弁口部に連なる第２弁口部の弁口長は、前記第２弁口部に連なる第３弁口部の弁口長及び該第３弁口部に連なる第４弁口部の弁口長より長くされ、前記第１弁口部の体積をＶ１、前記第２弁口部の体積をＶ２、前記第３弁口部の体積をＶ３、及び前記第４弁口部の体積をＶ４として、Ｖ２＞Ｖ４＞Ｖ３＞Ｖ１とされ、前記第４弁口部に対する前記第２弁口部の体積比（Ｖ２／Ｖ４）＝１.４、かつ、前記第３弁口部に対する前記第２弁口部の体積比（Ｖ２／Ｖ３）＞１.６とされていることを特徴としている。

本発明に係る流量調整弁では、弁口の口径が弁室から離れるに従って４段階以上で順次大きくされる（Ｄ１＜Ｄ２＜Ｄ３＜Ｄ４）ので、弁口通過時において冷媒圧力が徐々に回復し、圧力変動が抑えられるとともに、整流化が図られる。加えて、Ｖ２＞Ｖ４＞Ｖ３＞Ｖ１とされ、さらに、体積比（Ｖ２／Ｖ４）＞１.４、かつ、体積比（Ｖ２／Ｖ３）＞１.６とされることにより、圧力変動や冷媒剥離現象に伴う渦やキャビテーションの発生・成長が確実に抑えられて流れが一層円滑となるので、イコールパーセント特性及びそれに近似した特性を持つ流量調整弁において、騒音レベルを相当低くすることができる。

さらに、弁口部を４段以上持ち、かつ、それらの口径が順次大きくされているので、第２弁口部の弁口長Ｌ２（又は第１弁口部の弁口長Ｌ１）が特許文献２に所載のものや図５に示されるイコールパーセント特性を持つ流量調整弁より短くなる。そのため、圧力損失が小さくなり、適正な冷媒流量を得ることができる。

（Ａ）は、本発明に係る流量調整弁の一実施形態における要部断面図、（Ｂ）は、（Ａ）に示される弁口を構成する４段の弁口部の弁口長及び体積の説明に供される図。 図１に示される如くの流量調整弁における各弁口部の体積の大小関係、体積比の範囲設定等のために用意された試作弁＃１〜＃４（１２種）及び従来品（試作弁＃５）における各弁口部の体積を示すグラフ。 流れ方向が弁室→弁口で流量が小（Ａ）及び流量が大（Ｂ）のときにおける騒音レベル［ｄＢ］の実測値を試作弁＃１〜＃５毎に示すグラフ。 流れ方向が弁口→弁室で流量が小（Ａ）及び流量が大（Ｂ）のときにおける騒音レベル［ｄＢ］の実測値を試作弁＃１〜＃５毎に示すグラフ。 イコールパーセント特性が得られるようにされた流量調整弁の一例の要部を示す部分断面図。 （Ａ）は、イコールパーセント特性に近似した特性が得られるようにされた流量調整弁の一例の要部断面図、（Ｂ）は、（Ａ）に示される弁口を構成する２段の弁口部の体積の説明に供される図。

以下、本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。

図１（Ａ）は、本発明に係る流量調整弁の一実施形態における要部断面図、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示される弁口を構成する４段の弁口部の弁口長及び体積の説明に供される図である。なお、図１においては、前述した図６に示される従来の流量調整弁３の各部に対応する部分には共通の符号が付されている。

図示実施形態の流量調整弁１は、前述した図６に示される従来の流量調整弁３と同様に、ヒートポンプ式冷暖房システム等において冷媒流量を調整するために使用されるもので、イコールパーセント特性に近似した特性が得られるようにされている。すなわち、弁室形成部材６Ａが固着されるとともに、本発明の特徴部分である、弁室６に開口する弁口１０（詳細は後述）が設けられた弁本体５と、弁座８からのリフト量に応じて弁口１０を流れる流体の流量を変化させる弁体３０とを備える。弁体３０は、図６に示される従来の流量調整弁３と同一構成で、弁座８に着座する着座面部３２と、該着座面部３２の下側に連なる、流量特性としてイコールパーセント特性に近似した特性を得るための曲面部３３とを有する。曲面部３３は、楕球面を疑似するように先端に近づくに従って制御角（弁体３０の中心軸線Ｏと平行な線との交差角）が段階的に大きくされた複数段（ここでは５段）の逆円錐台状のテーパ面部３３Ａ〜３３Ｅを有しており、最上段のテーパ面部３３Ａの第１制御角θ１は、３°＜θ１＜１５°（ここでは５°）に設定され、最下段のテーパ面部３３Ｅは先の尖った円錐面となっている。

前記弁口１０は、その口径が弁室６から離れるに従って４段階に順次大きくされている。すなわち、弁口１０は、弁室６側から順次、口径がＤ１の円筒状部１１ａとそれに連なる円錐台状部１１ｂとからなる第１弁口部１１、口径がＤ２の円筒状部１２ａとそれに連なる円錐台状部１２ｂとからなる第２弁口部１２、口径がＤ３の円筒状部１３ａとそれに連なる円錐台状部１３ｂとからなる第３弁口部１３、及び口径がＤ４の円筒状部１４ａとそれに連なる円錐台状部１４ｂとからなる第４弁口部１４を有し、各弁口部１１〜１４の口径の大きさは、Ｄ１＜Ｄ２＜Ｄ３＜Ｄ４とされている。

また、図１（Ｂ）に示される如くに、各弁口部１１、１２、１３、１４の弁口長（中心軸線Ｏに沿う方向の長さ）をそれぞれＬ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４とすれば、Ｌ２はＬ３及びＬ４より長くされている。

さらに、第１弁口部１１の体積をＶ１、第２弁口部１２の体積をＶ２、第３弁口部１３の体積をＶ３、第４弁口部１４の体積をＶ４とすれば、Ｖ２はＶ３及びＶ４より大きくされている。より詳細には、Ｖ２＞Ｖ４＞Ｖ３＞Ｖ１とされている。さらに具体的には、第４弁口部１４に対する第２弁口部１２の体積比（Ｖ２／Ｖ４）＞１.４、かつ、第３弁口部１３に対する第２弁口部１２の体積比（Ｖ２／Ｖ３）＞１.６とされている。

なお、弁口１０の外周には、不図示の管継手が連結される連結部１７が設けられている。

上記体積の大小関係（Ｖ２＞Ｖ４＞Ｖ３＞Ｖ１）、体積比（Ｖ２／Ｖ４）、（Ｖ２／Ｖ３）の範囲設定等は、各弁口部１１〜１４の口径Ｄ１〜Ｄ４、弁口長Ｌ１〜Ｌ４、体積Ｖ１〜Ｖ４、体積比等を変えた多数の流量調整弁１を試作してそれら（試作弁）の騒音レベルを測定し、その測定結果を考察することにより導き出されたもので、以下、これについて詳細かつ具体的に説明する。

〔試作弁の構成〕
ここでは、多数の試作弁のうち、図２に示される如くの、第２弁口部１２の体積Ｖ２が３種類（Ｖ２Ａ、Ｖ２Ｂ、Ｖ２Ｃ）ずつある４組（＃１、＃２、＃３、＃４）の試作弁（合計１２種類）が代表して採択されている。また、試作弁＃５として、図６に示される従来の２段弁口の流量調整弁３（従来品と称する）が採択されている。

上記３種類のＶ２のうちのＶ２Ａは、各試作弁＃１、＃２、＃３、＃４におけるＶ４の１.４倍（Ｖ２Ａ＝Ｖ４×１.４）とされ、このＶ２がＶ２Ａである試作弁が＃１Ａ、＃２Ａ、＃３Ａ、＃４Ａとされ、上記３種類のＶ２のうちのＶ２Ｂは、各試作弁＃１、＃２、＃３、＃４におけるＶ４の１.２倍（Ｖ２Ｂ＝Ｖ４×１.２）とされ、このＶ２がＶ２Ｂである試作弁が＃１Ｂ、＃２Ｂ、＃３Ｂ、＃４Ｂとされ、上記３種類のＶ２のうちのＶ２Ｃは、各試作弁＃１、＃２、＃３、＃４におけるＶ４の１.０倍（Ｖ２Ｃ＝Ｖ４×１.０）、つまり、Ｖ２Ｃ＝Ｖ４とされ、このＶ２がＶ２Ｃである試作弁が＃１Ｃ、＃２Ｃ、＃３Ｃ、＃４Ｃとされている。

各試作弁＃１（＃１Ａ、＃１Ｂ、＃１Ｃ）、＃２（＃２Ａ、＃２Ｂ、＃２Ｃ）、＃３（＃３Ａ、＃３Ｂ、＃３Ｃ）、＃４（＃４Ａ、＃４Ｂ、＃４Ｃ）における各弁口部１１〜１４の体積Ｖ１、Ｖ２（Ｖ２Ａ、Ｖ２Ｂ、Ｖ２Ｃ）、Ｖ３、Ｖ４の大きさは、＃１＜＃２＜＃３＜＃４となっている。

また、各試作弁＃１、＃２、＃３、＃４におけるＶ４とＶ３との体積比率は（Ｖ４＞Ｖ３の範囲で）一定とされ、さらに、各試作弁＃１、＃２、＃３、＃４におけるＶ３はＶ２の０.６倍（Ｖ３＝Ｖ２×０.６）で一定とされている。

従来品＃５における第１弁口部１１’の体積Ｖ１’は、試作弁＃４のＶ１と同じにされ、第２弁口部１２’の体積Ｖ２’は、試作弁＃４のＶ４（＝Ｖ２Ｃ）と同じにされている。

なお、各試作弁＃１〜＃４における第１弁口部１１の口径Ｄ１の具体的寸法は、＃１のＤ１：１.３ｍｍ、＃２のＤ１：１.５ｍｍ、＃３のＤ１：２.０ｍｍ、＃４のＤ１：２.２ｍｍとされ、また、試作弁＃１Ａの各弁口部１１〜１４の口径Ｄ１〜Ｄ４の具体的寸法は、Ｄ１：１.３ｍｍ、Ｄ２：３.１ｍｍ、Ｄ３：４.２ｍｍ、Ｄ４：４.７ｍｍとされている。

〔試作弁の騒音レベルの測定結果〕
上記した如くの試作弁#１、#２、#３、#４、及び#５（従来品）の騒音レベルの測定結果を図３及び図４に示す。図３は、流れ方向が弁室６→弁口１０で（Ａ）流量が小及び（Ｂ）流量が大のとき、また、図４は、流れ方向が弁口１０→弁室６で（Ａ）流量が小及び（Ｂ）流量が大のとき、における各試作弁#１、#２、#３、#４、#５の騒音レベルの実測値とクリアすべき要求値との差を示しており、マイナス値が大きいほど（レベル０より下側ほど）騒音が低いことを示している。

図３（Ａ）、（Ｂ）及び図４（Ａ）、（Ｂ）のグラフから、流れ方向及び流量がいずれの場合も、４段の弁口部１１〜１４の口径の大きさがＤ１＜Ｄ２＜Ｄ３＜Ｄ４とされた４組（１２種類）の試作弁#１、#２、#３、#４は、２段弁口の従来品#５より騒音が低くなっていることがわかる（特に流量が小のとき）。

また、図３（Ａ）、図４（Ａ）のグラフから、流れ方向が弁室６→弁口１０で流量が小のとき、及び、流れ方向が弁口１０→弁室６で流量が小のときのいずれも、Ｖ２がＶ２Ａ（Ｖ４×１.４）の場合に騒音が最も低く（例えば、流れ方向が弁室６→弁口１０では、要求値より６ｄＢ程度も低い）、次いでＶ２がＶ２Ｂ（Ｖ４×１.２）の場合に騒音が低くなっており（例えば、流れ方向が弁室６→弁口１０では、要求値より２〜４ｄＢ程度低い）、Ｖ２がＶ２Ａ及びＶ２Ｂの場合には騒音レベルの要求値をクリアできることがわかる。なお、Ｖ２がＶ２Ｃ（＝Ｖ４）の場合は、騒音レベルの要求値をクリアできない場合もあることがわかる。

一方、図３（Ｂ）、図４（Ｂ）のグラフから、流れ方向が弁室６→弁口１０で流量が大のとき、及び、流れ方向が弁口１０→弁室６で流量が大のときのいずれも、Ｖ２がＶ２Ａ（Ｖ４×１.４）の場合に騒音が最も低く、この場合には騒音レベルの要求値をクリアできることがわかる。なお、Ｖ２がＶ２Ｂ（Ｖ４×１.２）及びＶ２Ｃ（＝Ｖ４）の場合は、騒音レベルの要求値をクリアできない場合もあることがわかる。

以上の測定結果を考察すると、各試作弁＃１、＃２、＃３、＃４において、Ｖ４をＶ３より大きくしたもとで、Ｖ４に対してＶ２を大きくするほど騒音レベルが低くなる傾向があることがわかる。かかる考察に基づいて、本実施形態の流量調整弁１では、上述したように、Ｖ２をＶ３及びＶ４より大きく、より詳細には、Ｖ２＞Ｖ４＞Ｖ３＞Ｖ１とし、さらに具体的には、体積比（Ｖ２／Ｖ４）＞１.４、かつ、体積比（Ｖ２／Ｖ３）＞１.６と設定している。

〔作用効果〕
上記のような構成とされた本実施形態の流量調整弁１では、弁口１０の口径が弁室６から離れるに従って４段階で順次大きくされている（Ｄ１＜Ｄ２＜Ｄ３＜Ｄ４）ので、弁口通過時において冷媒圧力が徐々に回復し、圧力変動が抑えられるとともに、整流化が図られる。加えて、Ｖ２＞Ｖ４＞Ｖ３＞Ｖ１とされ、さらに、体積比（Ｖ２／Ｖ４）＞１.４、かつ、体積比（Ｖ２／Ｖ３）＞１.６とされることにより、圧力変動や冷媒剥離現象に伴う渦やキャビテーションの発生・成長が確実に抑えられて流れが一層円滑となるので、上記した試作弁#１、#２、#３、#４の騒音レベル測定結果からもわかるように、イコールパーセント特性及びそれに近似した特性を持つ流量調整弁において、騒音レベルを相当低くすることができる。

さらに、弁口部を４段持ち、かつ、それらの口径が順次大きくされているので、第２弁口部１２の弁口長Ｌ２（又は第１弁口部１１の弁口長Ｌ１）が特許文献２に所載のものや図５に示されるイコールパーセント特性を持つ流量調整弁２より短くなる。そのため、圧力損失が小さくなり、適正な冷媒流量を得ることができる。

ここで、本実施形態の流量調整弁１は、上記した試作弁#１、#２、#３、#４の騒音レベル測定結果からもわかるように、特に流量が小のときの騒音低減効果が大きい。これは、本実施形態の流量調整弁１を冷暖房システムの冷媒流量の調整に使用する場合において、小流量で運転されるおやすみモードが選択されているとき（就寝時）等に、運転音を従来のものより相当低くできることを意味しており、極めて有用であると考えられる。

なお、上記した実施形態では、イコールパーセント特性に近似した特性を持つ流量調整弁１に本発明を適用した場合について説明したが、これに限られる訳ではなく、本発明は、図５に示される如くのイコールパーセント特性を持つ流量調整弁２は勿論のこと、特許文献１、２等に所載のリニア特性を持つ流量調整弁にも適用できる。

また、弁体における曲面部は、上記実施形態では、先端側ほど制御角が段階的に大きくされた複数段の逆円錐台状のテーパ面部で構成されているが、これに限られる訳ではなく、図５に示される如くの楕球面部、あるいは、該楕球面部の下端部（楕球冠部分）を切除した構成でもよいし、さらに、楕球面部と一段もしくは複数段の逆円錐台状のテーパ面部との組み合わせ等により構成してもよい。

さらに、上記した実施形態では、弁口を４段構成としているが、弁口を５段以上の構成としてもよいことは勿論である。

１ 流量調整弁
５ 弁本体
６ 弁室
１０ 弁口
１１ 第１弁口部
１２ 第２弁口部
１３ 第３弁口部
１４ 第４弁口部
３０ 弁体
３３ 曲面部
Ｄ１ 第１弁口部の口径
Ｄ２ 第２弁口部の口径
Ｄ３ 第３弁口部の口径
Ｄ４ 第４弁口部の口径
Ｌ１ 第１弁口部の弁口長
Ｌ２ 第２弁口部の弁口長
Ｌ３ 第３弁口部の弁口長
Ｌ４ 第４弁口部の弁口長
Ｖ１ 第１弁口部の体積
Ｖ２ 第２弁口部の体積
Ｖ３ 第３弁口部の体積
Ｖ４ 第４弁口部の体積
#１、#２、#３、#４ 試作弁

Claims (1)

1. 弁室及び弁口が設けられた弁本体と、リフト量に応じて前記弁口を流れる流体の流量を変化させる曲面部を持つ弁体とを備え、前記曲面部の曲率ないし制御角が先端に近づくに従って連続的又は段階的に大きくされている流量調整弁であって、
   前記弁体における曲面部は、楕球面部、先端に近づくに従って制御角が段階的に大きくされた複数段の逆円錐台状のテーパ面部、又は、前記楕球面部と一段もしくは複数段の前記テーパ面部との組み合わせにより構成され、流量特性としてイコールパーセント特性あるいはそれに近似する特性を得られるように設計されており、
   前記弁口の口径が前記弁室から離れるに従って４段階以上で順次大きくされ、
   前記弁口を構成する各弁口部は、円筒状部とそれに連なる円錐台状部とで構成され、
   前記弁室側に位置する第１弁口部に連なる第２弁口部の弁口長は、前記第２弁口部に連なる第３弁口部の弁口長及び該第３弁口部に連なる第４弁口部の弁口長より長くされ、
   前記第１弁口部の体積をＶ１、前記第２弁口部の体積をＶ２、前記第３弁口部の体積をＶ３、及び前記第４弁口部の体積をＶ４として、Ｖ２＞Ｖ４＞Ｖ３＞Ｖ１とされ、
   前記第４弁口部に対する前記第２弁口部の体積比（Ｖ２／Ｖ４）＝１.４、かつ、前記第３弁口部に対する前記第２弁口部の体積比（Ｖ２／Ｖ３）＞１.６とされていることを特徴とする流量調整弁。

Images