JP7390701B2 - 定流量弁 - Google Patents

Description

本発明は、トイレ等の給水管路に設けられ、水すなわち流体の圧力の変動に拘わらず、一定の流量で流体を供給することができる定流量弁に関する。

特許文献１には、流体の圧力変動に応じて伸縮動作するコイル状ばねを弁体とする定流量弁が記載されている。この定流量弁では、流体の圧力が増加すると、コイル状ばねが縮んで巻線の隙間が狭くなることで流量が減少し、流体の圧力が減少すると、コイル状ばねが伸びて巻線の隙間が広くなることで流量が増加する結果、定流量弁を流れる流量が圧力変動に拘わらず一定となる。

特許文献２には、ゴム等の弾力性のある材料からなり、中央に円孔からなる弁口が形成された円板状の弁体を弁箱に支持して、流体が弁体の弁口を通過するようにした定流量弁が記載されている。この定流量弁では、液体の圧力が高くなると、弁体が撓んで弁口の開度が狭まって流量が調節される。

しかし、特許文献１の定流量弁では、弁体であるコイル状ばねの流体の圧力に対する伸縮量の調整が困難であり、特許文献２の定流量弁でも、ゴムからなる弁体の流体の圧力に対する変形量の調整が困難であるという問題があった。

特許文献３には、配管の内径に対して隙間を設けて配設された弁体と、該弁体を弾性支持し、かつ、中央付近に流路を有するゴム等の弾性体からなる支持部材とを備えた定流量弁が記載されている。この定流量弁では、弁体と支持部材の当接面に凹み部が設けられ、この凹み部により弁体の外周面と支持部材の流路とを連通させる絞り流路が形成されている。給水源の圧力が上昇すると、弾性体からなる支持部材の一部が変形して凹み部に入り込み、絞り流路の流路面積が減少することで、流路が一定になるように制御されるとされている。

しかし、特許文献３の定流量弁では、流体の圧力が弁体に作用したときに弁体が弾性体の支持部材を圧接する力によって、支持部材の一部が変形して凹み部に入り込むので、流体の圧力の変化は支持部材の変形に直接影響しない。流量が少ない低圧の領域には適しているが、流量が多い高圧の領域には適していない。

特開平６－２３５４７０号公報 実開平３－４９８４号公報 特許第４３４８９７２号明細書

本発明は、前記従来の問題点に鑑みてなされたもので、流体の圧力に対する弁体の変形量を容易に調整することができる定流量弁を提供することを課題とする。また、低圧から高圧まで流体の広範囲の圧力に対する流量を一定に制御することができる定流量弁を提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、第１の手段では、
流体の流路に配置され、弾性体からなる弁体と、
前記弁体を支持する座面を有する弁支持体と、を備えた定流量弁であって、
前記弁体は、前記流路に面する受圧面と、前記受圧面と反対側にあって前記座面に支持される支持面とを有する円板状であり、
前記弁支持体の前記座面に前記弁体の前記支持面の一部に面するように溝が形成され、
前記溝の一端は、前記弁支持体に形成された流入口と連通し、前記溝の他端は、前記弁支持体に形成された流出口に連通し、
前記弁支持体は、前記流路の壁面より小径の円柱状であり、
前記流路の上流側に位置する前記弁支持体の上流側端面に、前記弁体を収容する凹部が形成され、前記凹部の底に前記座面が形成され、
前記流路の下流側に位置する前記弁支持体の下流側端面に、前記流出口が形成され、
前記弁支持体の外周面に、前記流入口が形成されている。

弁筐体の流路を流れる流体の圧力は、弁体の受圧面に作用する。弁体は、弁支持体の座面に支持されているが、受圧面に作用する流体の圧力に応じて、座面の一部に形成された溝に向かって撓み変形する。この結果、溝の断面が変化し、流入口から溝に流入する流体の流量が変化する。溝の幅を変更することにより、流体の圧力に対する弁体の変形量を調整できる。

第２の手段では、
前記溝は、前記弁支持体の半径方向に延在し、
前記流出口は、前記弁支持体の軸方向に延在する流出路を介して前記溝に連通している。

第３の手段では、前記弁支持体は、前記下流側端面の外周部で前記流路の壁面に支持されている。

第４の手段では、前記溝は、前記弁支持体の前記座面に複数形成され、前記複数の溝は、それぞれ溝幅が異なる。

第５の手段では、前記複数の溝のうち、幅が最小の溝の深さは、他の溝の深さより深く形成されている。

本発明によれば、溝の幅を変更するだけで、流体の圧力に対する弁体の変形量を容易に調整することができる。また、溝幅の異なる複数の溝を設けることで、低圧から高圧まで流体の広範囲の圧力に対する流量を一定に制御することができるという効果を有する。

本発明の第１実施形態に係る定流量弁の平面図。 図１の定流量弁のII-II線断面図。 図２の定流量弁のIII-III線断面図。 定流量弁の溝の形状の変形例を示す断面図。 弁支持体の平面図。 弁支持体の正面図。 弁支持体の底面図。 弁支持体の左側面図。 流体圧力と溝に入り込む弁体の断面積との関係を示すグラフ。 本発明の第２実施形態に係る定流量弁の平面図。 図１０の定流量弁のXI-XI線断面図。 図１０の定流量弁のXII-XII線断面図。 図１１の定流量弁のXIII-XIII線断面図。 図１１の定流量弁のXIV-XIV線断面図。 図１２の定流量弁のXV-XV線断面図。 弁支持体の平面図。 弁支持体の正面図。 弁支持体の底面図。 弁支持体の左側面図。 弁支持体の右側面図。 実施例１の定流量弁における流体圧力と流量の関係を示すグラフ（ａ）、及び、実施例２の定流量弁における流体圧力と流量の関係を示すグラフ（ｂ）。

以下、本発明の実施形態を添付図面に従って説明する。

＜第１実施形態＞
図１、図２は、本発明の第１実施形態に係る定流量弁１を示す。定流量弁１は、図示しない給水源と供給先との間の配管の途中に配設される弁筐体２の内部に固定されている。弁筐体２の両端には、雄ねじ３が形成され、給水源と供給先との間の配管に接続可能になっている。弁筐体２の内部には、矢印方向に流れる流路４が形成されている。また、弁筐体２の内面には、定流量弁１を支持する段部５が形成されている。

定流量弁１は、弁体６と、弁支持体７とからなる。なお、定流量弁１は、弁筐体２を含めて定流量弁１ということがある。

弁体６は、エチレン・プロピレン・ジエンゴム（ＥＰＤＭ）等の高分子化合物からなる高弾性体である。弁体６は、円板状で、流路４の上流側に面する円形の受圧面６ａと、受圧面６ａと反対側の円形の支持面６ｂと、外周面６ｃとを有する。

弁支持体７は、流路４の壁面より小径の円柱状であり、流路４の上流側に位置する上流側端面７ａと、流路４の下流側に位置する下流側端面７ｂと、流路４の壁面に面する外周面７ｃとを有する。弁支持体７の上流側端面７ａには、図５に示すように、弁体６を収容する円形の凹部８が形成され、該凹部８の底に弁体６の支持面６ｂを支持する座面９が形成されている。弁支持体７の外周面７ｃには、図８に示すように、略三日月形の流入口１０が形成されるとともに、Ｏリング１１が収容される外周溝１２が形成されている。弁支持体７の下流側端面７ｂには、図７に示すように、矩形の流出口１３が形成されている。

弁支持体７の座面９には、図２、図５に示すように、弁体６の支持面６ｂの一部に面するように、溝１４が形成されている。溝１４は、弁支持体７の座面９の外周部から略中央部まで半径方向に延在している。溝１４の底面は、図３に示すように、弁体６が変形して溝１４内に入り込んだ時の弁体６の形状に倣うように湾曲した形状を有している。図２に示すように、溝１４の半径方向外側の一端は、流入口１０と連通し、溝１４の半径方向内側の他端は、弁支持体７の軸方向に延在する流出路１５を介して流出口１３に連通している。

弁支持体７の流入口１０は、溝１４の断面積以上の断面積を有する。流出路１５は、溝１４の幅と略同じ幅を有し、溝１４の断面積以上の断面積を有する。流出口１３は、流出路１５の断面積以上の断面積を有する。

弁体６は、弁支持体７の座面９に接着されてもよいし、ねじ止めされてもよい。あるいは、弁支持体７の凹部８の外周縁に挿入したピンによって抜け止めされてもよい。

弁支持体７は、上流側端面７ａが流路の上流側を向くように、下流側端面７ｂの外周縁で、流路４の段部５に支持されている。弁支持体７は、外周溝７ｃに装着されたＯリング１１を介して流路４の壁面に対してシールされている。弁支持体７と流路４の壁面との間には隙間が形成され、該隙間は弁支持体７の外部流路１６を形成している。

次に、第１実施形態の定流量弁１の作用について説明する。

図２において、給水源から弁筐体２の流路４に流れてきた流体（本実施例では水）は、弁体６の受圧面６ａに当たって、弁筐体２の内壁面と弁支持体７の外周面７ｃとの間の隙間の外部流路１６を流れ、弁支持体７の流入口１０から、溝１４、流出路１５を通過して、流出口１３より弁筐体２の下流側へ流れて、図示しない供給先に供給される。

弁筐体２内の流体の圧力が上昇すると、図２及び図３中２点鎖線で示すように、弁体６の支持面６ｂに支持されていない溝１４と対向する部分が、弁体６の受圧面６ａに作用する流体の圧力に応じて、溝１４に向かって撓み変形する。この結果、溝１４の断面が変化し、流入口１０から溝１４に流入する流体の流量が変化する。

弁体６の一部が、溝１４に入り込んで流路を絞るので、溝１４の部分をオリフィスとみなすことができる。このため、定流量弁１を流れる流量は、次のオリフィスの流量計算式により計算することができる。

Ｑ＝ＣＡ√（２Ｐ／ρ）
ここで、各記号は次の内容を示す。
Ｑ：流量（m³/sec）
Ｃ：流量係数
Ａ：流路面積（m²）
Ｐ：流体圧力（Pa）
ρ：流体の密度（kg/m³）

流路面積Ａは、次式によって算出することができる。

Ａ＝Ａvalve－Ａrubber
ここで、各記号は次の内容を示す。
Ａvalve：溝の流路断面積（m²）
Ａrubber：溝に入り込んだ弁体の断面積（m²）

図９は、溝１４の幅Ｗと流体圧力Ｐとを変化させたときの溝１４に入り込んだ弁体６の断面積Ａrubberをコンピュータシミュレーションで求めて、溝１４の幅Ｗごとに、流体圧力Ｐに対する弁体６の断面積Ａの変化を表したものである。図９から、次のことが分かる。溝１４の幅Ｗが大きい場合（Ｗ＝１０ｍｍ、９ｍｍ）、流体圧力Ｐが一定以上になると、弁体６が溝１４の底に当接するので、弁体６の断面積Ａは変化しない。また、溝１４の幅Ｗが小さい場合（Ｗ＝１ｍｍ、２ｍｍ）、流体圧力Ｐが増加しても弁体６の撓みが少ないので、弁体６の断面積Ａは殆ど変化しない。したがって、溝１４の幅を変更することにより、流体の圧力に対する弁体６の変形量を調整し、定流量弁１を流れる流量を制御することができる。

弁体６が、溝１４の底に完全に当接すると、流体の流れが阻止されるので、最小限の流量を確保するためにも、撓んだ弁体６の面と溝１４の底との間に隙間が形成されるように、図４（ａ）に示すように、溝１４の底を平坦にして、撓みが少ない弁体６の両端部と溝１４の底の両側とに隙間が生じるようにしたり、図４（ｂ）に示すように、溝１４の底面を深くして、撓んだ弁体６が当たらないようにすることが好ましい。

＜第２実施形態＞
図１０、図１１、図１２は、本発明の第２実施形態に係る定流量弁２１を示す。この定流量弁２１では、図１６に示すように、弁支持体７の座面９に溝幅の異なる３つの溝、すなわち、第１溝１４ａ、第２溝１４ｂ、第３溝１４ｃを形成するとともに、各溝１４ａ,１４ｂ,１４ｃに連通する流入口１０ａ,１０ｂ,１０ｃ（図１７，１９，２０参照）、流出路１５ａ,１５ｂ,１５ｃ（図１３，１４，１５参照）、流出口１３ａ,１３ｂ,１３ｃ（図１８参照）が、それぞれ別箇に形成されている。これにより、第１溝１４ａ、第２溝１４ｂ、第３溝１４ｃの３つの溝を流通する独立した３つの内部流路１７ａ，１７ｂ，１７ｃが形成されている。

第１溝１４ａ、第２溝１４ｂ、第３溝１４ｃは、図１６に示すように、弁支持体７の座面９の中心から放射状に延在している。第１溝１４ａ、第２溝１４ｂ、第３溝１４ｃの各幅を、Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３とすると、Ｗ１＞Ｗ２＞Ｗ３であり、互いに干渉しないように、周方向に間隔が開けられている。

図１３、図１４に示すように、溝幅が大きい第１溝１４ａの底面と第２溝１４ｂの底面とは、弁体６の撓みに沿う曲面に形成されている。これに対し、図１５に示すように、最も小さいＷ３の幅を有する第３溝１４ｃの底面は、撓んだ弁体６が当接しないように、深くかつ、平坦に形成されている。これにより、第１溝１４ａと第２溝１４ｂとが、撓んだ弁体６で塞がれても、第３溝１４ｃは、弁体６で塞がれないようにして、最小限の流量が確保されている。

次に、第２実施形態の定流量弁２１の作用について説明する。

図１１、図１２において、給水源から弁筐体２に流れてきた流体（本実施例では水）は、弁体６の受圧面６ａに当たって、弁筐体２の壁面と弁支持体７の外周面７ｃとの間の隙間の外部流路１６を流れ、弁支持体７の３つの流入口１０ａ,１０ｂ,１０ｃから、それぞれの溝１４ａ,１４ｂ,１４ｃ、流出路１５ａ,１５ｂ,１５ｃを通過して、流出口１３ａ,１３ｂ,１３ｃより弁筐体２の下流側へ流れて、図示しない供給先に供給される。

弁筐体２内の流体の圧力が上昇すると、図１３、図１４、図１５中２点鎖線で示すように、弁体６の座面９に支持されていない３つの溝１４ａ,１４ｂ,１４ｃと対向する部分が、弁体６の受圧面６ａに作用する流体の圧力に応じて、３つの溝１４ａ,１４ｂ,１４ｃに向かって撓み変形する。この結果、３つの溝１４ａ,１４ｂ,１４ｃの断面が変化し、３つの流入口１０ａ,１０ｂ,１０ｃから溝１４ａ,１４ｂ,１４ｃに流入する流体の流量が変化する。

３つの内部流路を流れる流量は、前述の数式Ｑ＝ＣＡ√（２Ｐ／ρ）によって、それぞれ算出可能である。流体圧力の変化に対する流量の変化は、各溝１４ａ,１４ｂ,１４ｃによって異なる。

すなわち、溝幅が第３溝１４ｃよりも大きい第１溝１４ａと第２溝１４ｂとにおいて、低圧域では、弁体６の撓みが小さく、開口面積が大きいため、オリフィスの効果が小さく、圧力の増加に対して流量が大きく増加する。中圧域では、オリフィスの効果が大きくなるため、圧力の増加に対して流量の変化が少なく、定流量弁１としての効果が高い領域である。溝幅が大きい第１溝１４ａの定流量弁としての効果が高い定流量域は、第２溝１４ｂの定流量域より、低圧側にある。高圧域では、弁体６が溝１４ａ,１４ｂの底に近接するため、圧力の増加に対して流量が減少し、弁体６が溝１４ａ,１４ｂの底に当接すると、流れが阻止されて流量はゼロになる。

溝幅が最も小さい第３溝１４ｃにおいて、低圧域では、弁体６の撓みが小さく、開口面積が大きいため、第１溝１４ａと第２溝１４ｂと同様に、オリフィスの効果が小さく、圧力の増加に対して流量が大きく増加する。中圧域では、オリフィスの効果が若干大きくなるが、弁体６と溝１４ｃの底との間の隙間が大きいため、圧力の増加に対して流量が増加する。高圧域では、弁体６の撓み量としては、中圧域から殆ど変化しなくなるので、圧力の増加に対して流量が増加してゆく。

本第２実施形態の定流量弁２１は、第１溝１４ａ、第２溝１４ｂ、第３溝１４ｃを有するそれぞれ内部流路１７ａ，１７ｂ，１７ｃを有しているため、第１溝１４ａの弁体６による低圧域の定流量制御作用と、第２溝１４の弁体６による中圧域の定流量制御作用と、第３溝１４ｃの弁体６による高圧域の流量維持作用とにより、低圧域から高圧域までの広い圧力範囲で、定流量制御作用を有する。

径１４ｍｍ、厚さ５ｍｍのＥＰＤＭ製の弁体を、溝幅の異なる３つの溝を有する外径１６．８ｍｍの弁支持体に装着した定流量弁を２種類作成した。

図２０（ａ）は、溝幅Ｗが１０ｍｍ、７ｍｍ、４ｍｍの３つの溝を有する定流量弁を用い、流体圧力を０から１．２ＭＰａまで変化させて、流量を求めた。０．０５ＭＰａから１．２ＭＰａまでの広い圧力範囲で、１０．０～１６．０L/minの定流量を確保することができた。

図２０（ｂ）は、溝幅Ｗが１０ｍｍ、６ｍｍ、２ｍｍの３つの溝を有する定流量弁を用い、流体圧力を０から１．２ＭＰａまで変化させて、流量を求めた。０．０５ＭＰａから１．２ＭＰａまでの広い圧力範囲で、１０．０～１６．０L/minの定流量を確保することができた。

前記実施例のように、３つの溝幅を調整することで、要求される流量の範囲内で、広範囲の圧力の変動に対して一定の流量を確保することができる。

本発明は、以上の実施形態に限るものではなく、特許請求の範囲に記載の発明の要旨から逸脱することなく、種々変更が可能である。例えば、弁支持体の溝の数は３つに限らず、２個、４個、あるいは、それ以上にすることができる。また、弁体は円形に限らず、溝の数に合わせて矩形、三角形、あるいは、多角形とすることができる。

１…定流量弁
２…弁筐体
４…流路
６…弁体
６ａ…受圧面
６ｂ…支持面
６ｃ…外周面
７…弁支持体
７ａ…上流側端面
７ｂ…下流側端面
７ｃ…外周面
８…凹部
９…座面
１０…流入口
１３…流出口
１４…溝
１５…流出路
１６…外部流路
１７…内部流路
２１…定流量弁

Claims (5)

1. 流体の流路に配置され、弾性体からなる弁体と、
   前記弁体を支持する座面を有する弁支持体と、を備えた定流量弁であって、
   前記弁体は、前記流路に面する受圧面と、前記受圧面と反対側にあって前記座面に支持される支持面とを有する円板状であり、
   前記弁支持体の前記座面に前記弁体の前記支持面の一部に面するように溝が形成され、
   前記溝の一端は、前記弁支持体に形成された流入口と連通し、前記溝の他端は、前記弁支持体に形成された流出口に連通し、
   前記弁支持体は、前記流路の壁面より小径の円柱状であり、
   前記流路の上流側に位置する前記弁支持体の上流側端面に、前記弁体を収容する凹部が形成され、前記凹部の底に前記座面が形成され、
   前記流路の下流側に位置する前記弁支持体の下流側端面に、前記流出口が形成され、
   前記弁支持体の外周面に、前記流入口が形成されていることを特徴とする定流量弁。
2. 前記溝は、前記弁支持体の半径方向に延在し、
   前記流出口は、前記弁支持体の軸方向に延在する流出路を介して前記溝に連通していることを特徴とする請求項１に記載の定流量弁。
3. 前記弁支持体は、前記下流側端面の外周部で前記流路の壁面に支持されていることを特徴とする請求項２に記載の定流量弁。
4. 前記溝は、前記弁支持体の前記座面に複数形成され、前記複数の溝は、それぞれ溝幅が異なることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の定流量弁。
5. 前記複数の溝のうち、幅が最小の溝の深さは、他の溝の深さより深く形成されていることを特徴とする請求項４に記載の定流量弁。

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