JPH0255672B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、ケージ内を摺動する弁プラグを備え
た低騒音弁に関する。

〔従来の技術〕

一般に、ケージ弁は、流動の開始・停止または
流量の変更を行う弁の一種として知られており、
この中には騒音防止機能を備えた弁として低騒音
弁がある。

従来、この種の低騒音弁は第４図に示すように
構成されている。これを同図に基づいて説明する
と、同図において、符号１で示すものは弁本体
で、内部には隔壁２によつて上下に画成された上
流側通路３と下流側通路４を有しており、これら
両通路３，４は各々供給口５、吐出口６によつて
両側方に開口されている。７は筒状のケージで、
前記隔壁２のリング取付孔２ａに取り付けられた
シートリング８上に固定されており、その周壁に
は尖頭形状部分９ａを有する複数の流体制御用窓
９およびこれら流体制御用窓９の上方に位置する
弁座１０が設けられている。１１は弁軸１２によ
つて昇降するカツプ状の弁プラグで、前記ケージ
７の内部に摺動自在に配設されており、前記流体
制御用窓９の開口面積を制御するように構成され
ている。この弁プラグ１１の外周面には前記シー
トリング８の開口部８ａおよび前記ケージ７の前
記弁座１０に着座可能な下方着座部１３と上方着
座部１４が形成されており、その内部にはプラグ
下方に作用する圧力を平均化するための空洞部と
しての緩衝室１５が形成されている。なお、１６
は前記弁軸１２を摺動自在に軸支する上蓋で、ボ
ルト１７によつて前記弁本体１にパツキン１８を
介して固着されている。また、１９は前記緩衝室
１５の内外に開口する小孔で、前記弁軸１２の周
囲に位置し前記弁プラグ１１に穿設されている。

このように構成された低騒音弁においては、流
体が図中矢印で示すように供給口５から上流側通
路３を通過して流量制御用窓９を貫流し、ケージ
７内、シートリング８内および下流側通路４を通
過して吐出口６へと導かれる。このとき、流量制
御窓９を通過する流体は窓開口面積を変化させる
ことによりその流量が制御される。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところが、従来の低騒音弁においては、圧縮性
を有する流体（空気、蒸気等）の圧力、流量制御
をする際に、上流側通路３内の圧力P₁と下流側
流路４内の圧力P₂との圧力比（P₁／P₂）が流体
の物性によつて定まる閉塞点を越え噴流が超音速
領域を含む流れとなると、強い分離音が発生し、
騒音レベルが著しく（約10dB程度）上がる場合
がある。この現象は弁圧力比および弁リフトに依
存して発生する。すなわち、弁圧力比が２〜７程
度の範囲で噴流Ｊの長さ（ケージ７の内径に等し
い）が噴流径の約３倍以上になるような弁リフト
の範囲で発生するのである。このような弁圧力比
および弁リフトの範囲は通常の弁使用過程で頻繁
に使用される範囲でもあり、問題は深刻である。
しかも、この分離音はその発生の機構上数秒オー
ダの間欠性をもつて発生し、聴覚で認識するにき
わめて不快な特性を呈するのである。

なお、ここで述べる分離音とは、弁プラグ１１
内の空洞部が本来的にもつ音響固有モード（これ
はプラグ内空洞部の波動方程式を解いて、その固
有値から定まり、高次のモードに亘つて無数に存
在する。）が噴流と干渉した結果励起され発生す
るものであり、２〜6^B口径のケージ型低騒音弁で
は数ｋHzオーダに位置する分離音が発生し、聴覚
の最も敏感な帯域に一致する。

次に、第５図を用いてこの分離音の発生原理を
述べる。

同図に示すように各流量制御窓９からケージ７
内に流れ込む噴流Ｊは、プラグ下方中央で衝突
（Ｃ：噴流衝突面）するが、この結果必然的に広
帯域の圧力波（ランダムな音響波）Ａが発生す
る。この音響波Ａは上方に隣接している弁プラグ
１１内の空洞部に当然伝播される。このランダム
な音響波のうち空洞部の固有モードの周波数に一
致するものは積極的に空洞部の固有モードを励起
する。（これは、いわゆる共鳴現象であり、Ｅは
励起された空洞音響モードを示す。）そして、弁
プラグ１１内の流体が各々の固有姿態で振動する
と、その圧力変動は逆に噴流Ｊを刺激する。この
刺激は空洞部側からの音響波Ｂを介して行われ
る。本来、噴流Ｊは外部から与えられる刺激に対
して敏感であり、流れの条件（噴流のマツハ数お
よび噴流径と噴流長の比）に依存して影響を受け
る。

このようにして、噴流Ｊと空洞部共鳴モードと
の間で音響波を介してのフイードバツクループが
形成され、強い分離音が発生することになる。

因に、ケージ型低騒音弁の場合には、特に次の
２形態を呈して噴流Ｊが振動的となり分離音が発
生することが判明している。第６図に分離音発生
の領域ａ、ｂを示す。ここで、ｄおよびＬは各々
噴流径と噴流長である。

形態 (1) 噴流径が比較的大きく（３＜Ｌ／ｄ＜４）、弁
圧力比２〜３程度の場合（図中ａの領域）、噴流
と周囲流体とが混合するせん断層に外部（プラグ
空洞側）から周期的な刺激が加えられると、組織
的な大規模渦が形成される。この渦がケージ中央
で互いに衝突し合いその渦の発生周期に一致する
圧力パルス（音響波）を発生することになる。こ
の場合、渦の発生周波数はｆ＝S_t×Ｕ／ｄ（ｆ：
周波数、S_t：ストロ・ハル数、Ｕ：噴流速度、
ｄ：噴流径）で求められ、S_t≒0.3をとつて発生
する。そして、噴流の衝突形態から衝突面が双極
子音源となり、弁プラグ１１内で双極子音源によ
つて励起され得る音響モードが選択的に励起され
ることになり、強い分離音が発生する。

形態 (2) 噴流の径が小さい（Ｌ／ｄ＞４）の場合（図中
ｂの領域）には噴流が衝突面までの区間で対向し
ている噴流とすれ違い合うように振動する。この
形態で噴流が振動すると、噴流を含む円形面上に
さながら四極子音源が発生するかのような圧力場
を形成するために、隣接した弁プラグ１１内にも
四極子音源が励起される固有モードのみが励起さ
れ易くなり、卓越した分離音成分が成長すること
になる。

ところで、弁プラグ１１内の空洞部の音響固有
モードを励起するためには、必然的に励起源とし
ての衝突位置がケージ中央になければならない。
このため、衝突位置の中央から周辺に移動する非
定常性に基づき分離音発生の間欠性が現れる。噴
流径が非常に大きい場合および高圧力比の条件下
では衝突位置が中央で安定しないために分離音は
発生しない。

したがつて、ここで解決しようとする問題は、
第６図に示す領域ａ、ｂで発生する分離音につい
てである。この成分を抑制することができれば、
この領域で全体騒音レベルが著しく下がる
（10dB程度）ことになり、しかも騒音レベルの圧
力比に対する変化の特性を単調なものとすること
ができ、騒音予測の立場からも有利なものとな
る。

本発明はこのような事情に鑑みなされたもの
で、噴流と弁プラグ内との間に生じる音響波のフ
イードバツクループ形成を阻止することができ、
もつて騒音レベルを著しく下げることができる低
騒音弁を提供するものである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明に係る低騒音弁は、流体制御用窓の開口
面積を制御する弁プラグに内周面を凹凸面によつ
て形成したものである。

（作 用〕 本発明においては、噴流が衝突することにより
発生する圧力波のプラグ内周面での乱反射によつ
て共鳴音発生を抑制することができる。

〔実施例〕

第１図ａおよびｂは本発明に係る低騒音弁を示
す断面図と下面図で、同図以下において第３図お
よび第４図と同一の部材については同一の符号を
付し、詳細な説明は省略する。同図において、符
号２１で示す前記弁プラグ１１の内周面すなわち
前記緩衝室１５の壁面は、弁プラグ１１の横断面
が不規則で複数な例えば不等辺多角形状になるよ
うな凹凸面によつて形成されており、これにより
前記ケージ７の下部中央で噴流Ｊが衝突すること
により発生する圧力波が乱反射するように構成さ
れている。

このように構成された低騒音弁においては、各
流量制御用窓９からケージ７内に流れ込む噴流Ｊ
によつて発生する圧力波Ａが弁プラグ１１の内周
面２１に衝突して擾乱するため、その伝播モード
によつて弁プラグ１１の空洞固有モードを励起す
ることがない。すなわち、圧力波Ａの伝播モード
の周波数は乱反射によつて空洞固有モードの周波
数に一致しなくなるからである。この結果、噴流
Ｊと弁プラグ１１内との間に生じる音響波のフイ
ードバツクループ形成を阻止することができる。

なお、本実施例においては、弁プラグ１１の内
周面２１をプラグ横断面が不等辺多角形状になる
ような凹凸面によつて形成する例を示したが、本
発明はこれに限定されるものではなく、例えば第
２図に示すように弁プラグ１１の内周面２１に多
数の凸部２２，２２，……を設けることにより、
弁プラグ１１の内周面２１を凹凸面にするもので
もよく、また第３図に示すように内周面２１に多
数の凹部２３，２３，……を設けることにより、
その内面２１を凹凸面にするものでよい。さら
に、弁プラグ１１の内周面２１に凹部（図示せ
ず）および凸部（図示せず）を設けることにより
凹凸面を形成しても勿論よい。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、流体制御
用窓の開口面積を制御する弁プラグの内周面を凹
凸面によつて形成したので、噴流が衝突すること
により発生する圧力波のプラグ内周面での乱反射
によつて共鳴音発生を抑制することができる。し
たがつて、噴流と弁プラグ内との間に生じる音響
波のフイードバツクループ形成を阻止することが
できるから、騒音レベルを著しく下げることがで
きる。また、共鳴音発生の抑制は騒音レベルの圧
力比に対する変化の特性を単調なものとすること
ができるから、騒音予測の立場からも有利なもの
となる。

【図面の簡単な説明】

第１図ａおよびｂは本発明に係る低騒音弁を示
す断面図と下面図、第２図および第３図は他の実
施例を示す断面図、第４図は従来の低騒音弁を示
す断面図、第５図は分離音発生のメカニズムを説
明するための断面図、第６図は分離音が発生する
領域を示す図である。 ７……ケージ、９……流体制御用窓、１１……
プラグ、１２……弁軸、１５……緩衝室、１９…
…小孔、２１……内周面。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ その周壁に流体制御用窓を有する筒状のケー
   ジと、このケージの内部に摺動自在に配設され前
   記流体制御用窓の開口面積を制御するカツプ状の
   弁プラグとを備えた低騒音弁において、前記弁プ
   ラングの内周面を凹凸面によつて形成したことを
   特徴とする低騒音弁。