JP7847876B2 - 流量スロットルバルブ - Google Patents

Description

本出願は、高圧ポンプによりシステムに圧送される流量の圧力を一定に保ち、２０ｂａｒ未満の圧力レベルで逆浸透装置のシステム圧を維持するためのリジェクトバルブとして特に適している流量スロットルバルブである。

リジェクトとして逆浸透モジュールから出る量を調整することにより、モジュールにある圧力を調節できる一方、水は同時に高圧ポンプによりモジュールに供給されるということが知られている。モジュールは、従来の標準化された管状圧力容器及びそこに内蔵されている逆浸透膜を指す。食塩水の流れがモジュールを通過すると、膜は食塩水から真水を分離する。真水から分離された残りの濃縮物はリジェクトと呼ばれる。

逆浸透システムにおいて、膜の数とタイプは供給量の制限を決定する。

水中に溶解している固体、主に塩の濃度（ＴＤＳ＝ｔｏｔａｌ ｄｉｓｓｏｌｖｅｄ ｓｏｌｉｄｓ、総溶解固形物）が高いほど、水の浸透圧は高くなる。膜が食塩水から真水を分離するために、モジュール内の圧力はモジュールを流れる濃縮物の逆浸透圧と少なくとも同じでなければならない。膜により分離された真水の量は出力と呼ばれる。出力量およびリジェクト量の合計は、供給量に等しい。

フローリストリクタ穴などの一定調整がリジェクト側で使用される場合、水の塩分濃度が変化するにつれて、システム内の圧力も変化するという問題がある。処理する水の温度も膜の出力に大きな影響を及ぼし、それに伴ってリジェクト量も変化する。一定調整による別の問題は、膜の劣化に伴って膜の出力が低減するということであり、供給量に対してリジェクトの量は増加する。一定調整は、供給量が一定であり、膜の出力が一定である状況においてのみ適切である。

毎時数十リットルの出力を備える汽水用小型逆浸透装置において、リジェクトの流れの調整は通常、システムの圧力ポンプが起動すると、望ましい調整レベルに調整される手動調節可能なニードルバルブを使って行われる。この装置の主な問題は、膜の出力はシステムがしばらく使用された後で安定し始めるということである。

特に、逆浸透システムが、中間電池なしでソーラーパネルから得られたエネルギーで動作する場合、リジェクトバルブの手動調節が常に必要である。これは、太陽の放射照度（ｋＷ／ｍ^２）が変化するにつれて、ソーラーパネルから得られる電力が変化するからである。そのため、システムのインバータ制御の高圧ポンプの回転速度も変化し、その結果、システムの供給量及びリジェクト量が変化する。

本発明によるスロットルバルブの目的は、供給量の変化に関係なく逆浸透システムの圧力を一定に保ち、所定のシステム圧において機能的に信頼できるものにすることである。

本発明によるバルブはばね駆動である。バルブは、流出チャネルのフロー開口部を調節し、流入側に狭い端を有するコーンを備える。以下に説明されるように、コーンは流れ方向において流出チャネルに移動するにつれて上昇し、流出チャネルの流出開口部の断面積も上昇する。

チェックバルブ、圧力リリーフバルブ、安全バルブ、バイパスバルブなどのばね駆動の既知のバルブは、構造的には互いに似ているが、それらの動作原理及び使用目的は異なる。

構造的には、本発明によるスロットルバルブはチェックバルブに似ているが、その機能と使用目的は、チェックバルブ、圧力リリーフバルブ、冷凍機用スロットルバルブ、その他上記バルブのそれとは異なる。それは、流量変化に応じて流路断面積が安定的に調節されるバルブであり、バルブはシステム圧を一定に保つ。これは、上記の他のバルブでは実現されない。

公報ＪＰ３０７９２５８Ｕはチェックバルブを記述し、その構造は本発明によるスロットルバルブに似ている。そこにおいて、ばねはコニカルバルブシートの壁に対してバルブ閉塞コーンを押す。コーンはバルブシートの奥深くに収まり、コーンはその周りに取り付けられているシールリングを有する。バルブの使用目的は、閉じているときに、流入方向と逆方向からの流入を防ぐことである。コーンは大部分がシート内にあるため、バルブを開こうとする流入圧は主にコーンのステム端に及び、コーン自体にはほとんど及ばない。流入によりコーンおよびコーンのステムに及ぶ力が、ばねによりコーンに及ぶ反対の力を超過すると、コーンは突然上昇し、それによってチャネルが開く。その後すぐに、コーンとコーンのコニカルシートとの間の流圧はほぼゼロになる。これは、流速が互いに近くに位置する壁間で大きく増加するからである。公報で開示されているタイプのバルブでは、コーンに及ぶ流入圧は非常に小さいため、バルブが開くときに、ばね力はコーンをシートに引っ張り戻す。その発生を防ぐため、流入量は十分に大きく、ばね力は小さくなければならない。そうでない場合、コーンがシートを叩き始める（乱調現象）。コーンに及ぶばね力が大きくなるほど、この乱調現象は悪化する。したがって、ばねはできる限り緩くし、流動がなくなった後にシートにコーンを戻す程度で設計しなければならない。実際、このタイプのチェックバルブは常に最大限開いているか、完全に閉じている。このチェックバルブの構造は、流量が変化するにつれて流入圧を維持することには適していない。

公報ＷＯ２０１４１６８７６８は、本発明によるバルブに構造において似ているバルブを記述する。これは、システム内の圧力が何らかの理由で上昇したときに、海中の高圧環境においてシステムの内部ガス圧の突然の圧力解放のためのものである。これは、液体の流れや流入圧の維持を目的としていない。液体が流れることにより、上記公報で記述されたチェックバルブと同じ問題に直面する。

公報ＵＳ２０１７／００３０６１６Ａ１は、冷凍機用スロットルバルブとして動作するバルブを記載し、コンプレッサにより加圧された冷媒液は、バルブを流れると蒸発する。バルブコーンは流出チャネルの縁に対して配置されている。バルブコーンが流出チャネルで詰まることを防ぐ試みにおいて、流出チャネルの縁には、冷媒液が連続的に流れることができるようにするための小さな溝が提供される。提案された解決策による問題は、コンプレッサにより圧送される液体の量が上昇するにつれてコーンが上昇し始めるときに、液体の流れの圧力によりコーンに及ぶ力が減少する一方、バルブを閉じようとするばねによるコーンに及ぶ力は上昇する。その他の力がない場合、バルブは突然閉じ、その後すぐに開き、コーンは流出チャネルの縁を叩き始める（乱調現象）。公報のバルブにおいて、コーンによって閉じられるフローチャネルの隣に一定の穴を備える追加のチャネルを加えることにより、最大流量でのコーンの上昇を低減することでこの現象を軽減するように試みている。公報は、提案される解決策が最大流量において乱調現象を取り除けないと指摘している。しかしながら、問題が、コーンが上昇し始めるすべての流量において発生するということは明らかである。

本発明によるスロットルバルブは、添付の請求項１に記載されている特徴を基にして上述の問題（乱調現象）を解決する。本発明によるスロットルバルブのばね駆動コーンは流量の変化に従って上昇及び下降し、プリセットされたシステム圧を一定に保つ。

本発明によるスロットルバルブは、本体内に中央で配置され、スロットルバルブの管状の本体の流路断面積よりも小さい流れに垂直の断面積を有する流出チャネルを有する。流出チャネルの流れ開口部を調節するコーンの狭い直径端は流入側にある。コーンの大きな直径端は、コーンを通過するステムに開放可能に支持され、ステムに垂直に配置されているリストリクタ部材からなる、直径端に支持されるモーションリストリクタを有し、リストリクタ部材はリストリクタ部材に支持されるリストリクタ脚部を有し、リストリクタ脚部はリストリクタ部材から流出チャネルの流出端を取り囲む平面まで伸びている。

リストリクタ脚部は、ばねにより流出チャネルに与えられる力により、流出チャネルの端の周囲に対して押圧されることを回避するようにコーンの動きを制限し、その結果、コーンは常にリストリクタ脚部間を流れ、さらにリストリクタ部材と本体との間のチャネルを流れることを可能にする均一に取り囲むバイパスフローを可能にする。このバイパスフローの流量はリストリクタ脚部の長さを調節することにより調節できる。図２。

本体の内面にほぼ接しているサポートプレートは、流入側のコーンのステムに支持されており、加圧された圧縮ばねの一端は、その反対の端が本体に支持されているが、当該サポートプレートに支持されている。

流れによりモーションリストリクタにわたって圧力差が発生し、流れ方向においてモーションリストリクタのリストリクタ部材に力が及び、その力は、流量が増加するにつれて増加し、その力の大きさは、流れ方向においてリストリクタ部材と本体との間のチャネルの断面積を調節することにより調節できる。また、流れによりリストリクタ部材に動的圧力が発生し、動的圧力は流れ方向においてリストリクタ部材に追加の力を与える。

サポートプレートには流れを許容するチャネルが提供されている。流れに対して垂直なチャネルの断面積は、流れによりサポートプレートにわたって望ましい大きさの圧力差が発生し、同様に流れ方向においてサポートプレートに力が及び、その力は、流量が増加するにつれて増加し、バルブを閉じようとするばね力の増加に抵抗することに寄与するように配置される。

流れ方向においてモーションリストリクタ及びサポートプレートに与えられる前述の力は、上昇するコーンにより発生する力の増加と、流圧によりコーンに与えられる力の減少に抵抗する。これらの抵抗力により、コーンの上昇高さは自動的に調節され、システム圧を一定に維持し、それにより乱調現象は発生しない。

逆浸透システムに対してリジェクトバルブとして操作されるとき、本発明によるスロットルバルブは、逆浸透ユニット高圧ポンプの電気モータをインバータ経由でソーラーパネルから得られた電気を使って直接操作することができ、モータの回転速度と、相応して供給流量はソーラーパネルから得られる電力に従って変化する。モータの回転速度の変化により、真水の流量と、相応して単位時間あたりの逆浸透システムにより作られるリジェクトの流量は変化する。

次に、本発明によるスロットルバルブの構造と操作は、図１から３を参照して詳細を説明する。

バルブコーンがコニカルシート上に支持されている従来技術のチェックバルブを示す。 最も低い位置においてコーン３を備える本発明によるスロットルバルブの構造の縦断面を示す。 本発明によるバルブの操作を示す。

図２：
－スロットルバルブは管状の本体１を含み、流れはその一端から入り、本体１には円断面を備える流出チャネル２が提供されている。
－コーン３は、コーンの狭い端が流入側にあり、コーンはコーン３を通過するステム４上に軸方向で支持されるように流出チャネル２に配置されている。
－サポートプレート５は流入側でステム４に支持され、サポートプレート５はステム４に沿って移動可能であり、本体１の内面にほぼ接している。
－ステム４を取り囲む加圧された圧縮ばね６は、流出チャネル２とサポートプレート５との間に提供され、圧縮ばね６はその一端がサポートプレート５に支持され、その他端が本体１に支持される。
－サポートプレート５には１つ以上の流れを許容するチャネル１０が提供されている。
－モーションリストリクタはコーン３の大きな直径端に支持され、モーションリストリクタはコーン３を通過するステム４に解放可能に支持され、リストリクタ部材７から流出チャネル２の流出端を取り囲む平面９に伸びるリストリクタ部材に支持されるリストリクタ脚部８を有するリストリクタ部材７からなる。
－流れを許容するチャネル１１はリストリクタ部材７と本体１との間に形成される。
－リストリクタ脚部８、ばね６により与えられる力により流出チャネル２の端の周囲に対して押圧されることを回避するように、コーン３の動きを制限する。リストリクタ脚部８により、コーン３は、コーン３が最も低い位置にあるときに、均一に取り囲むバイパスフローを常に可能にし、それによって流れはリストリクタ脚部８の間を通過し、さらにチャネル１１を通過することができる。バイパスフローの流量はリストリクタ脚部８の長さを調節することにより調節することができる。

図３：
－スロットルバルブにより生成される圧力はｐ１である。
－流出チャネル２の流出端とリストリクタ部材７との間の圧力はｐ２である。流出チャネル２にわたる圧力差は（ｐ１－ｐ２）である。
－リストリクタ部材７にわたる圧力差は（ｐ２－ｐ０）であり、圧力差とリストリクタ部材７上に与えられる力の大きさは、流れに垂直のリストリクタ部材７の断面積の大きさを調節することにより調節できる。
－流れによりサポートプレート５に与えられる力の大きさは、流れに垂直のチャネル１０の断面積を調節することにより調節できる。

流出チャネル２の流圧は主に速度に変換する（ベルヌーイの定理）。流出チャネル２の端における流速は、式ｖ＝Ｃ_Ｄ（２ｇＨ）^１／２から得られる。圧力ヘッドＨは流れを調整するチャネルにわたる圧力差に相当する。

流出チャネル２の貫流量は式Ｑ＝Ｃ_Ｄ・Ａ・（２ｇ・Ｈ）^１／２よりほぼ得られる。式中、Ｑは［ｍ^３／ｓ］、Ｃ_Ｄはチャネル形状に依存する定数、Ａ［ｍ^２］はチャネルの断面積、ｇは９．８１ｍ／ｓ^２、Ｈ［ｍ］は圧力ヘッドであり、例えば流出チャネル２にわたる圧力差（ｐ１－ｐ２）である。

同様の式は、リストリクタ部材７及びサポートプレート５にわたる流圧差を得るためにも使用される。

次に、本発明によるバルブの実施形態を説明する。

実施形態において解決される問題：
コーン３が流出チャネル２を完全に閉じる場合、高圧ポンプにより生成される圧力はバルブを開こうとしてコーン３に力を与える。システムの目標圧に達した場合にのみ、コーン３が上昇し始めるために、予圧ばね６により同じ大きさの抵抗力が発生しなければならない。バルブが開くとき、流圧が与えられるコーン３の断面積は減少する一方、バルブを閉じようとするばね６により生成される力は上昇する。コーン３に作用する別の力がない場合、バルブは突然閉じ、その後すぐに開く（乱調現象）。

解決策：
リストリクタ部材７と、必要に応じて本発明のスロットルバルブのサポートプレート５に与えられる流れの方向に平行な力は、バルブを閉じようとする力の増加に対して抵抗する。

この例示的な実施形態において、高圧ポンプにより圧送される流量は５～８ｍ^３／ｈである。システムの目標圧は１０．５～１１ｂａｒである。流れはスロットルバルブから０ｂａｒ_ｇの周囲圧力まで続く。

スロットルバルブの寸法：
－本体１の内径は３０ｍｍである。
－流出チャネル２は１６ｍｍの直径と、２ｃｍ^２の断面積を有する。
－コーン３のコーン角は３４度である。
－圧縮ばね６は１８５ｍｍの自由長さ、３．７６ｍｍのワイヤ径、３．５５Ｎ／ｍｍのばね定数を有する。
－流れに垂直のリストリクタ部材７の断面積は３．７ｃｍ^２である。
－リストリクタ部材７と本体１との間のチャネル１１の断面積は１．５ｍｍ^２である。

モーションリストリクタのリストリクタ脚部８の長さは、コーン３が最も低い位置にあり、ｐ１－ｐ２＝１０ｂａｒであるときに、５ｍ^３／ｈの流量がコーンを通過できる（図２）ように定義されている。この場合、流出チャネル２の流出端におけるコーン３の断面積は１．７ｃｍ^２であり、相応して、コーン３を過ぎて環状フロー開口部の許容する流れの断面積は０．３ｃｍ^２である。流れは、流れ方向でコーン３に１７０Ｎの力を与える。リストリクタ部材７にわたる圧力差（Ｐ２－Ｐ０＝０．４ｂａｒ）は、リストリクタ部材７に１５Ｎの力を与える。コーン３が正しい位置にとどまるために、ばね６により生成される力は前述の力の合計、つまり１８５Ｎと等しくなければならない。このことは、ばね６が１３３ｍｍの長さに予圧されることを意味する。コーン３のステム４の流入側端はコーン３と同じ圧力を受けるので、流出チャネル２の流出端におけるコーン３の断面積は計算において使用されている。

－５．５ｍ^３／ｈの流量、つまりバルブが開いた直後において、流出端におけるコーン３の断面積２は１．６７ｃｍ^２である。この場合、流圧により生成された１６７Ｎの力を受けている。リストリクタ部材７にわたる圧力差は０．５ｂａｒであるため、リストリクタ部材７は１９Ｎの力を受ける。ばね３はさらに０．２５ｍｍ圧縮されるので、ばねにより生成される力は１Ｎ増加し、つまり１８６Ｎとなる。１６７Ｎ＋１９Ｎ＝１８６Ｎであり、特に、リストリクタ部材７は追加で流れの動的圧力を受けているので、バルブは開いたままである。

－最大流量８ｍ^３／ｈ、流出チャネル２にわたる圧力差１０ｂａｒである場合、コーン３は１．５ｍｍ上昇し、コーンを取り囲む環状フロー開口部の断面積は０．５ｃｍ^２に増加した。相応して、流出チャネル２の流出端におけるコーン３の断面積は１．５０ｃｍ^２に減少し、それによって流圧により生成され、コーン３に与えられた力は１５０Ｎである。ばね３により生成される力は５Ｎ増加し、つまり１８９Ｎとなった。８ｍ^３／ｈの流量により、モーションリストリクタのリストリクタ部材７にわたる１．１ｂａｒを超える圧力差が発生する。この場合、流れによりリストリクタ部材７により与えられる力は４１Ｎである。１５０Ｎ＋４１Ｎ＞１８９Ｎであり、特にリストリクタ部材７は流れの動的圧力も受けて、流れの方向と平行の追加の力が発生するので、バルブは閉じない。

流量が８ｍ^３／ｈである場合、リストリクタ部材にわたる圧力差は１．１ｂａｒであるため、流出チャネル２の流入側の圧力は、流出チャネル２にわたる圧力差が１０ｂａｒになるように、１１．１ｂａｒでなければならない。

サポートプレート５内のチャネル１０のサイズは、サポートプレート５にわたる圧力差に影響を及ぼすようにしてよい。サポートプレート５はコーン３のステム４上で支持されているため、流れ方向におけるサポートプレート５上に与えられる力の大きさは、必要に応じてばね６によりコーン３に与えられる力に抵抗するように使用してよい。

前述の力の結果、コーン３は異なる流量において自動的に平衡状態に入り、本発明によるスロットルバルブはシステム圧を望ましいレベルにおいて基本的に一定に保つ。

Claims (3)

1. 高圧ポンプによりシステムに圧送される流量の圧力を一定に保ち、２０ｂａｒ未満の圧力レベルにおいて逆浸透装置のシステム圧を維持するためのリジェクトバルブとして特に適切である流量スロットルバルブであって、前記バルブは管状の本体（１）を含み、流れは前記管状の本体の一端から入り、前記本体（１）には円断面の中央流出チャネル（２）が提供され、前記本体内に流入側に狭い端が配置されているコーン（３）を有し、ステム（４）に沿って可動するサポートプレート（５）が前記流入側で支持される前記ステム（４）上で軸方向に支持され、
   前記サポートプレート（５）の外端は前記本体（１）の内面にほぼ接し、
   前記サポートプレート（５）には、そこを通る流れのためのチャネル（１０）が設けられ、
   前記ステム（４）を取り囲む加圧された圧縮ばね（６）は前記流出チャネル（２）と前記サポートプレート（５）との間に提供され、前記圧縮ばね（６）は一端が前記サポートプレート（５）に支持され、他端が本体（１）に支持されており、
   モーションリストリクタ（７、８）は前記コーン（３）の大きな直径端に支持され、前記モーションリストリクタ（７、８）はリストリクタ部材（７）及び前記リストリクタ部材（７）に支持され、前記リストリクタ部材（７）から前記流出チャネル（２）の流出端を取り囲む平面（９）に伸びるリストリクタ脚部（８）からなり、前記リストリクタ脚部（８）は、前記コーンが前記ばね（６）により生成される力により前記流出チャネル（２）の前記流出端の周囲に対して押圧されることを回避するように前記コーン（３）の動きを制限するように適用される結果、前記コーン（３）は常に前記リストリクタ脚部（８）の間を流れ、さらに前記リストリクタ部材（７）と前記本体（１）との間の流れを許容するチャネル（１１）を流れることを可能にする均一に取り囲むバイパスフローを可能にすることを特徴とする、
   前記流量スロットルバルブ。
2. 前記ステム（４）上の前記サポートプレート（５）の位置は、前記ステムの前記軸方向において調節可能であることを特徴とする、請求項１に記載のバルブ。
3. 前記ステム（４）は前記コーン（３）を通過し、前記リストリクタ部材（７）は前記ステム（４）に解放可能に支持されることを特徴とする、請求項１または２に記載のバルブ。