JPH08334181A - 流体流量制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 流体流量制御装置において、速度を上げずに
衝撃波の反動もなく高圧力の流体中のエネルギー損失を
もたらす。 【解決手段】 流体用の軸方向に流れる直角ターン部１
９を有する通路１８を設ける。この通路１８はプラグ１
０の放射状の外面上、もしくは中をプラグが可動する環
状スリーブ内にある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明に属する技術分野】本発明は、流体流量制御装置
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】流体流量制御装置は、液体もしくは気体
の流量制御に使用したり、例えば、高圧力流体の速度制
御を備えるために使用することもできる。この一般的な
型の装置は、可変流体絞り制御バルブとして時には知ら
れ、摩擦性流路を有するとする米国特許第３、４５１、
４０４号と第３、５１４、０７４号、そして多数の角度
ターン流路を有するとする米国特許第３、４５１、４０
４号と第３、５１４、０７４号により例示されている。

【０００３】高圧力流体の流れの取り扱いにおいては、
エネルギー損失または高圧力降下を成すために高速短ス
ロート部を有するオリフィス法を利用することが通例で
あった。もし流体が、開放したオリフィスもしくはバル
ブの下流側で、液体状態で気化しやすい、つまり、蒸発
したり、気体状態に変化すれば、内破的に圧縮し、有害
な衝撃波、腐食などを引き起こす。また、バルブ内の流
体速度がライン内の流体速度を超えると、多くの不穏な
反動を起こす。最も深刻な問題は、液体の直接の衝突に
よってバルブ表面が急速に腐食することや外部粒子が中
に懸濁することである。さらに腐食するとキャビテーシ
ョンを引き起こす。キャビテーションとは流量制御用バ
ルブ（バルブトリム）の内部パーツとバルブ本体に対す
る蒸気の高速内破として定義される。

【０００４】腐食から生じる深刻な問題に加え、速度が
上昇するとまた、バルブの流量特性を予期しない不安定
なものとしてしまう。

【０００５】バルブ内の高流体速度によって生じる他の
問題としては、深刻な雑音の発生や、トリムの疲労、例
えばポリマーのような流体材料が退化する可能性がある
といったものがある。

【０００６】制御バルブの下流側へと流体が運ぶ雑音は
しばしば大きい。パイプで処理したりまたは阻止しなけ
れば、この雑音は結果的にバルブ出口から３フィートで
音圧レベルが１１０ｄＢから１７０ｄＢとなることもあ
る。この大きさの音源は、人員に対して有害で、しばし
ばその土地の居住者から苦情がでることとなる。

【０００７】マフラーやサイレンサーは一般的には、流
体伝搬雑音を２０ｄＢから３０ｄＢ程度しか減衰するこ
とができない。それゆえ、それらを用いても所望の音圧
レベルを得るのに部分的に成功を達成できたにすぎな
い。

【０００８】さらに、典型的な流路処理システム、すな
わちマフラーや耐熱被覆材（ｌａｇｇｉｎｇ）支持構造
などは非常に扱いにくくて高価なものであり、しばし
ば、雑音の流路処理の費用がバルブの費用を何倍も超過
することがある。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上記の問題を解決した
り改善するために、従来、流体中の摩擦や圧力降下を生
じさせるターン部を有する多数の小さくて長い流路に流
れを細分化することにより、速度を上げずに衝撃波の反
動もなく高圧力の流体中のエネルギー損失をもたらす装
置を導入し、このようにして装置のダメージや腐食を避
けてきた。そのような装置は例えば米国再発行特許第３
２１９７号において公開されている。それには、流体を
ターンさせてスタックの出入口間の長さより十分に長い
流路長を作るためスタックの出入口間に角度をなす多数
の個々の流路溝を囲む接触面を有する別々の部材の環状
スタック内に流路が与えられている。スタックはバルブ
ハウジングの流体流路内にマウントされ、環状構造物内
を可動なバルブプラグは流体が通過できるスタック内の
流路の数を制御する。

【００１０】この型の改良された装置が英国特許Ａ−２
２７３５７９号に公開されており、それには、円盤部材
のスタック内の少なくとも一つの流路が、円盤部材の出
入口領域の間に空所を有し、この空所はエネルギー損失
流路の断面積を広げるとしたことが示されている。

【００１１】エネルギー損失流路のスタックを有する流
体制御装置を組み込んだバルブは商業上非常に成功して
いる。

【００１２】本発明の目的は、この型の改良装置を提供
することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明の装置は、環状シ
リンダと、円筒状で該シリンダ内を軸方向に可動なプラ
グからなる流体流量制御装置において、流体の入口部が
該シリンダの一端と連係し、流体の出口部が該シリンダ
の他方の一端と連係し、流体流路が、前記プラグと前記
シリンダのなす配列を通じて軸方向に延び、面積が可変
な流路口と円周上に広がる多数の角度のあるターンを有
し、該シリンダに対してプラグを軸方向に移動するため
の手段を行使し、前記プラグが軸方向に移動するにつ
れ、流体の流れが通過できる流路口の面積と流体流路長
が変化するように配列することを特徴とするものであ
る。

【００１４】都合のよいことに、さらにシリンダの外部
にプラグが移動すれば、それに相当する流体の流れの増
加が得られる。

【００１５】一つの具体的な形態として、プラグの放射
状の外面上に、導管として形成された流路としてターン
部を有する軸方向の流路が与えられる。閉じた位置にあ
る装置では、シリンダの一端もしくはその近隣にある流
体入口部がプラグにより閉じられている。プラグがシリ
ンダの外部に移動すると、入口部が開けられ、プラグ上
にターン部を有する軸方向の流路の入口部とシリンダの
他方の一端にあるかもしくはそれのほうに向かう出口部
との間を伝搬することで流体の流れが始まる。プラグが
さらにシリンダの外部に徐々に移動すると、入口部がタ
ーン部を有する軸方向の流路長を短くし、そのためター
ン部の摩擦効果が低減する。しかしながら、望めば、こ
の流路はプラグの入口部の端から出口部の端まで、深さ
や幅といった断面が大きくすることもでき、それにより
摩擦の低減と同時に流量率の増加が達成できる。

【００１６】もう一つの具体的な形態として、環状シリ
ンダの内壁を形成するスリーブ内に、導管として形成さ
れた流路としてターン部を有する軸方向の流路が与えら
れる。この流路は多数の分離された開口部もしくは放射
状に指向する流路に伝搬し、スリーブの内部の流路の長
さに沿って伝搬し、プラグはスリーブ内で適合してい
る。スリーブの内部に伝搬するようにシリンダの一端に
もしくはその近隣に入口部が与えられる。プラグが完全
にスリーブ内にあるときは、シリンダの入口部に対して
反対側の端にあるかもしくはその近隣にある出口部への
流れは閉ざされる。プラグがシリンダとそのスリーブの
外部に移動すると、プラグが最初の放射状に指向した流
路を開くととたんに装置を通ずる流体の流れが始まる。
この放射状に指向した流路は、入口部に近接する軸方向
の流路の端にあるかもしくは隣接していることが望まし
く、そのためターン部を有する軸方向の流路の長さの大
部分あるいは全体に沿って流れる。プラグがさらにシリ
ンダスリーブの外部に移動すると、一つもしくはさらに
多くの放射状に指向した伝搬開口部を開き、それにより
装置を通る流れは増加するがその増加した流れは軸方向
の流路のより短い距離を移動することになり、ゆえに通
過するターン部はより少なくなる。

【００１７】さらに具体的な形態として、ターン部を有
する軸方向の流路の断面は入口部から出口部に向かって
大きくなるとしてもよい。

【００１８】シリンダとそのスリーブは、良好な密封性
を確保するためテーパ状にすることが望ましく、そのテ
ーパは入口部から出口部に向かってすることが望まし
い。

【００１９】シリンダとそのスリーブは、望めば例えば
鑞づけにより接合してもよい。

【００２０】上記した具体的な両形態においては、ター
ン部を有する多数の軸方向の流路はプラグの外周もしく
はスリーブを通じて与えられることが望ましい。そのよ
うな流路は例えば２本から１２本あってもよく、４本か
ら８本あることが望ましい。

【００２１】これらの軸方向の流路はプラグやスリーブ
の周りに等間隔で配置されてもよく、ある場合において
は、それらを軸方向に互い違いに配列することにより利
点が生じることもある。

【００２２】

【発明の効果】本発明の流体流量制御装置においては、
特にスリーブでの具体的な形態においては、平行の流れ
を形成する多数の流路は、ストロークに対し均一なＣｖ
を与えデッドゾーンを最小限にするようにすることもで
きる。

【００２３】本発明の装置は、可変に圧力を降下させる
状況において使用するのに特に適している。

【００２４】本発明の装置はまた、限定はしないが、比
較的小さくまたは中間の容量、例えば１から５０までの
Ｃｖのバルブを適用する際に特に有益である。

【００２５】本発明の装置は、（１）従来の多段式の流
量制御装置より少ない部品ですみ、（２）小さいバルブ
に大きい流路を設けることができる、（３）軸方向の流
れがプラグの長さに沿って圧力の降下を分配する、
（４）例えば電気放電ミリングなどにより比較的加工し
やすいステライト、カーバイドや他の様々な材料で部品
を作ることができる、などの利点がある。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の流体流量制御装置
の具体的な実施の形態について図を参照しながら説明す
る。

【００２７】本発明の第１の具体的な実施の形態を図１
から図３に示す。

【００２８】図１Ａは閉じた位置での流量制御装置の部
分断面図であり、図１Ｂは開いた位置での装置を示した
部分断面図であり、図２は図１ＢのＡ−Ａの方向での断
面図である。

【００２９】図１Ａ、図１Ｂ、図２において、装置１は
円筒状のプラグ１０を有し、そのプラグ１０はそれより
大きな直径の同軸上に延びた環部１１を有し、その環部
１１はプラグ１０に隣接する角度をなす座部１２を有す
る。

【００３０】プラグ１０は、環状シリンダ１５の内腔内
をバルブ心棒５１により軸方向に可動し、この環状シリ
ンダ１５は環部１１に隣接するその端部に環状座部１３
を有する。環部１１の座部１２は座部１３と連係して装
置において流体を隙間なく遮断させる。プラグ１０はシ
リンダ１５内で密接し、座部１３から離れたシリンダの
端部を通じて延びている。

【００３１】プラグ１０の外面には多数の軸方向に延び
た流路１８を有する。その流路の一つのみを図１Ａと図
１Ｂに図示したが、図２にはこの例においては４つの流
路を示している。それぞれの流路は、円周上に広がった
多数の直角ターン部１９を有する。円周上にというの
は、いかなる点においても円筒状のプラグの半径に対し
ほぼ直角である方向を意味する。

【００３２】この装置は流体入口部５０と流体出口部６
０を有し、その出口部６０は座部１３から離れたシリン
ダ１５の端部に形成させる。図１Ａには、プラグ１０が
シリンダ１５内に完全に挿入され、座部１２が座部１３
に係合している装置を示しており、これにより装置を通
ずる流体の流れを妨げている。

【００３３】心棒が動くことにより装置が開かれると、
入口部５０からの流体にさらされるプラグ１０の長さが
増加する。

【００３４】開口部の広がり方に依存して、流路１８の
開口側のより大きな部分が入口部５０からの流体にさら
されるようになる。装置がより開かれていくと、出口部
６０に到達する前に流体が横行しなければならない流路
の軸方向の長さは短くなる。また各々の流路１８におい
て流体がターン部１９を通過する数は小さくなってい
く。図１Ｂに示すように、装置が完全に開いた状態で
は、流体がバルブを通じて通過する際に、最も短い流路
１８の軸方向の長さを横行し、最も少ない数のターン部
１９を横行することになり、それゆえ流体の流れから除
去されるエネルギー量は最も少ない。

【００３５】一般的な密閉手段が、心棒５１とシリンダ
１５の上部の端壁部１５Ａとの間で確実に流体を逃がさ
ないようにするために付与され、そのため流体はプラグ
の出口端に向かって伝搬のみしかない。

【００３６】流路１８は、プラグ１０の入口（環部）端
から出口端に向かうにつれ、断面積、幅と深さが増加す
るとしてもよい。そのような形態の一つの流路１８の例
を図３に概略的に示す。このケースでは、シリンダ１５
からプラグ１０が引き出されるにつれ、流体が通過しな
ければならない流路１８の長さやターン部１９の数が減
少するだけでなく、流路１８の断面積も増加することに
より、プラグ１０が引き出されるにつれて流体に対する
流れ抵抗が減少する。プラグが軸方向に移動するにつ
れ、流体の流れが通過できる流路口の面積が変化する。

【００３７】本発明の第２の具体的な実施の形態を図４
から図６に示す。

【００３８】図４は本発明の第２の具体的な実施の形態
の一部を形成するシリンダとそのスリーブの透視図であ
り、図５は図４の線ＩＶ−ＩＶの断面図であり、図６は
図５の矢印Ａの方向に見た図である。

【００３９】この具体的な実施の形態において、プラグ
が中を可動するシリンダに適合する環状スリーブ２０内
の流路によって流れを絞ったり流れの抵抗を与えてい
る。

【００４０】環状スリーブ２０の外周直径はスリーブの
軸方向の長さに沿って減少し、そのためスリーブの直径
は流体入口部に最も近接するそれの端で最も小さい。ス
リーブのテーバは外部の固体シリンダ２１の内部テーパ
に適合し、スリーブ２０が流体を密閉するよう適合して
いる。スリーブ２０の内部直径は一定で、円筒状のプラ
グが中を移動できる内径を有している。

【００４１】スリーブ２０の外面には軸方向に延びる流
路２３の列を有し、各々の流路は円周上に広がった（す
なわち、スリーブの半径に対してほぼ直角である方向に
広がった）多数の直角のターン部２４を有する。各々の
流路２３は、スリーブの厚みを通じて広がる多数の軸方
向に等間隔に配置され放射状に指向した開口部２６を通
じて中環の内径２５に通じている。

【００４２】流れを開くために、各々の流路２３内で最
上の開口部２６をさらすようにプラグがスリーブ２０の
外部に十分に持ち上げられ移動する。流体はそのとき出
口部に向かって各々の流路２３の全長を流れることがで
き、それゆえ全ての直角ターン部を通り抜ける。プラグ
がさらにスリーブの外部に移動すると、各々の流路２３
に沿って連続する開口部がさらされ、そのため流れは増
加するが各々の連続する開口部を通る流れが通り抜ける
各々の流路２３に沿ったターン部の数はより少なくな
る。流体の流れが通過できる流路口の面積は、このよう
にプラグが軸方向に移動するにつれ変化する。

【００４３】さらに、図６に示すように、各々の流路２
３は入口端２３ａから出口端２３ｂに至るまで断面が大
きくなり、それゆえプラグがスリーブ２０の外部に移動
するにつれ、さらに流れが増加する。また、装置の出口
端に近い放射状に指向した開口部もしくは流路２６は入
口端に近いそれらよりも大きな断面積を有するとしても
よい。

【００４４】これを図７に流れ抵抗に関して図式で示し
たもので、プラグ２７が上下に移動するにつれ、プラグ
２７によってさらされる流路２３内のターン部２４に導
かれている開口部２６が多くなったり少なくなったりす
ることが示されている。

【００４５】図８には、たとえば電気放電ミルなど、タ
ーン部２４を有する流路２３をスリーブ２０の外面に切
り込み、一方でまた環状の壁厚を通じて開口部２６を切
り込むことのできるテンプレート３０を示す。

【００４６】テンプレートは流路２３に形が一致した細
長い本体３１を有し、その本体はターン部２４に一致し
た直角ターン部３２を有している。テンプレートは流路
２３の所望の深さに一致した深さ”ｘ”を有し（そのた
め”ｘ”は本体３１の長さに沿って変化してもよい）、
そしてスリーブ２０内の所望の伝搬開口部と一致した拡
張部３３を有する。拡張部３３を有する本体３１の深
さ”ｙ”はスリーブ２０の壁厚と等しい。

【図面の簡単な説明】

【図１Ａ】本発明の第１の具体的な実施の形態に従った
閉じた位置での流量制御装置の部分断面図

【図１Ｂ】本発明の第１の具体的な実施の形態に従った
閉じた位置での流量制御装置の部分断面図

【図２】図１ＢのＡ−Ａの方向での断面図

【図３】図１Ａと図１Ｂに示した装置の一部を形成する
プラグの外面図

【図４】本発明の第２の具体的な実施の形態の一部を形
成するシリンダとそのスリーブの透視図

【図５】図４の線ＩＶ−ＩＶの断面図

【図６】図５の矢印Ａの方向に見た図

【図７】本発明に従った装置を通ずる流路を示した概略
図

【図８】図５のスリーブ内の流路を作るために使われる
テンプレートの透視図

【符号の説明】

１ 装置 １０ プラグ １５ シリンダ １８ 流路 １９ ターン部 ２０ スリーブ ２１ シリンダ ２３ 流路 ２４ ターン部 ２６ 開口部 ３０ テンプレート

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 環状シリンダと、円筒状で該シリンダ内
   を軸方向に可動なプラグからなる流体流量制御装置にお
   いて、 流体の入口部が該シリンダの一端に連係し、 流体の出口部が該シリンダの他方の一端に連係し、 流体流路が、前記プラグと前記シリンダのなす配列を通
   じて軸方向に延びた可変面積の流路口と円周上に広がる
   多数の角度ターン部を有し、 前記シリンダに対して前記プラグを軸方向に移動するた
   めの手段を行使し、 前記プラグが軸方向に動くにつれ前記流体流路の長さが
   可変するように配列することを特徴とする流体流量制御
   装置。
2. 【請求項２】 前記流体の流れが通る前記流路口の面積
   が前記プラグが軸方向に移動するにつれ変化することを
   特徴とする請求項１記載の流体流量制御装置。
3. 【請求項３】 前記流体流路が多数の流路からなること
   を特徴とする請求項１記載の流体流量制御装置。
4. 【請求項４】 前記流体流路が、前記プラグと前記シリ
   ンダのなす配列上を軸方向に進むにつれて増加する断面
   積を有することを特徴とする請求項２記載の流体流量制
   御装置。
5. 【請求項５】 前記流体流路が前記プラグの放射状の外
   面を通じて広がることを特徴とする請求項１記載の流体
   流量制御装置。
6. 【請求項６】 前記流体流路が前記環状シリンダの内壁
   を形成するスリーブを通じて広がることを特徴とする請
   求項１記載の流体流量制御装置。
7. 【請求項７】 前記流体流路が前記スリーブ内を軸方向
   に延びる流路と結合する該スリーブの内面を通じて広が
   る放射状に指向した流路を有することを特徴とする請求
   項７記載の流体流量制御装置。
8. 【請求項８】 前記スリーブの外壁と前記シリンダの内
   壁がテーパ状であることを特徴とする請求項６記載の流
   体流量制御装置。