JPS62159869A - 低騒音弁 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、低騒音弁に係り、特にケージの周壁に設けら
れた流体制御用窓の開度を該ケージ内に摺動自在に挿入
された弁プラグで制御するケージ弁において、弁プラグ
内空洞共鳴による強い分離前の発生を抑止し、騒音を低
減するようにしたものである。

〔従来の技術〕

従来、この種のケージ弁は第６図に示す如く構成されて
いる。これを同図に基づいて概略説明すると、１は弁本
体で、内部が仕切壁２によって上流側通路３と下流側通
路４とに仕切られている。

５は弁本体１の上部開口端に嵌合され、かつ複数個のボ
ルト６によって固定された上蓋で、この上蓋５と前記仕
切壁２との間にはそれぞれ円筒状に形成されたシートリ
ング７とケージ８が積層配置されている。この場合、シ
ートリング７は仕切壁２に設けられた取付用孔９にバッ
キング１０を介して嵌合固定され、下端開口部が下流側
通路４に連通している。一方、ケージ８は前記弁本体１
の上側開口部より該弁本体１内に挿入され、上蓋５によ
り前記シートリング７上に圧接されている。

ケージ８の周壁には、所望の流量特性に応じた形状を有
しケージ内部と上流側通路３とを連通させる複数個の流
体制御用窓１１が周方向に等配されて形成されている。

また、ケージ８の内孔には、上蓋５の貫通孔１３にパツ
キン１２を介して摺動自在に挿通された弁棒１４の下端
に取付けられた略カップ状の弁プラグ１５が摺動自在に
嵌合されており、この弁プラグ１５の下端には前記シー
トリング７の上端開口部に設けられた弁座１６に全閉時
において着座する下着座部１７が設けられている。また
、弁プラグ１５の上端外周部にも前記ケージ８の内周面
に形成された弁座１Ｂに着座する上着座部１９が設けら
れている。弁プラグ１５の内部に設けられ、該プラグの
底面に開放する空洞２０は、弁プラグ１５の底面に作用
する圧力を平均化するための緩＠察を形成し、これによ
って不規則かつ不均一な圧力が弁プラグ１５の上面に形
成された小孔２１を通って弁プラグ上面に作用するのを
防止し、弁プラグ１５の釣合状態を改善。

換言すれば弁棒力を安定化させている。

なお、２２は上蓋５とケージ８との間に介在されたメツ
。キンである。

このように構成されていることにより、自動制御装置に
よる駆動部の作動または手動操作によって弁棒１４を上
下動させると、弁プラグ５がこれと一体的に移動してそ
の外周壁よりケージ８の流体制御用窓１１の開度、すな
わち開口面積を変化させ、これによって上流側流路３か
ら流体制御用窓１１およびシートリング７ｔ−通って下
流側流路４に流れる被制御流体の流量が制御される。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかるに、以上のようなケージ型弁により圧縮性のある
流体（空気、蒸気等）の圧力、流量制御をする際に、上
流側流路３内の圧力Ｐ１と下流側流路４内の圧力Ｐ２と
の圧力比、すなわち弁圧力比Ｐ　１／Ｐｚが流体の物性
により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、強い分離量が発生し、第７図実線で示される
ように全体騒音レベルを著しく（約１０ｄＢ程度）上げ
る場合がある（なお、第７図は弁容量Ｃｙ”２０．Ｐｔ
＝ｌＩＭＰａの場合を示す）。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（第１図参照）の長さく衝
突位置までであるからケージ８の内径の半径に等しい）
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
１問題は深刻である。かつ、この分離量はその発生の機
構上数秒オーダの間欠性をもって発生し、聴覚で認識す
るに非常に不快な特性を呈す。

ここで述べている分離量とは、弁プラグ内空洞２０が本
来的にもつ音響固有モード（これは空洞内の波動方程式
を解いて、その固有値から定まり、高次のモードにわた
って無数に存在するうのうちのひとつないし複数個のモ
ードが噴流と干渉した結果、励起され発生するものであ
り、２〜６０径のケージ型弁では数ＫＨｚオーダに位置
する分離量が発生し、聴覚の最も敏感な帯域に一致する
ため極めて不快なものである。

次に、この分離量の発生原理について述べておく。第８
図に示すように各流量制御用窓１１からケージ８内に流
れ込む噴流Ｊはプラグ下面中央で衝突（Ｃは噴流衝突面
）するが、そ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は上部に隣接し
ているプラグ空洞２０に当然伝播する。このランダムな
音響波のうちプラグ空洞固有モードの周波数に一致する
ものは積極的に空洞２０の固有モードを励起する（いわ
ゆる共鳴現象で、Ｅは励起された空洞音響モードを示す
）。しかして、空洞２０内の気体がそれぞれの固有姿態
で振動すると、その圧力変動は逆に噴流Ｊを刺激する。

この刺激は空洞２０５ｉｌｌからの音響波Ｂを介して行
なわれる。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。この結果
、噴流Ｊは特定の形態をとって周期的に振動する。この
ようにして周期的となった噴流Ｊの衝突現象により再び
圧力波Ａがプラグ空洞２０へ伝播する。

かくして、噴流Ｊと弁プラグ空洞共鳴モードとの間で音
響波を介してのフィードバックループが形成されること
となり、強い分離音が発生することとなる。

ケージ型弁の場合には本願発明者の詳細な研究によシ、
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９図に説明のために分
離音発生の領域を示す。なお、ここでｄは噴流径をｄ、
ｔは噴流長である。

形態　（１） 噴流径が比較的太＜（３＜ｔ／ｄ＜４　　）　、弁圧力
比２〜３程度の場合（図中■の領域）。噴流と周囲気体
とが混合するせん断層に外部から（即ちプラグ空洞側か
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。

なお、この場合渦の発生周波数はｆ＝Ｓｔｘ丁（但し、
ｆは周波数ＫＨｚ、Ｓｔはストロ・ハル数、Ｕは噴流速
度ｍ／Ｓ、ｄは噴流径ｍ）で求められ、ｓｔ中０．３を
とって発生する。この場合には噴流の噴伽形態から衝突
面が双極子音源となり、空洞内にて双極子音源によυ励
期されう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） 噴流の径が細い（ｚ／ａ＞４）場合（図中■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。噴流がこの形態で振動する場合
には、噴流を含む円形面上にさながら四極子音源が発生
するかの様な圧力場を形成するために、隣接したプラグ
空洞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、空洞２０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。したがって、衝突位置の中央から周辺
に移動する非定常性にもとづき分離音発生の間欠性が現
われる。噴流径が非常に太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分離音は発生し
ない。

したがって、ここで解決しようとする問題は。

第９図に示した領域■■で発生する分離音についでであ
る。この成分が抑制できれば、この領域での全体騒音レ
ベルを著しく下げる（約１０ｄＢ）こととなり、かつ騒
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顕著に有利となる
ものである。

なお、ケージ型弁において騒音の発生を防止するものと
して１例えば実公昭５３−１６９６８号、実公昭５５−
２３０９８号等が知られているが、これらはいずれも被
制御流体の流下エネルギを減殺するもので、流下エネル
ギが減少すると大型弁にもかかわらず升容量を少なくす
るという不都合を有している。

〔問題点を解決するだめの手段〕

本発明に係る低騒音弁は上述したような問題を解決すべ
くなされたもので、その第１の目的は、周壁に設けられ
た流体制御用窓を有する筒状のケージと、このケージ内
に摺動自在に配設され前記流体制御用窓の開度を変化さ
せるカップ状の弁プラグとを備えた弁において１通気性
を有し、被制御流体と弁プラグ内空洞との間での音響波
の授受を妨げる音響抵抗部材によって前記弁プラグの開
口部を閉塞したものである。

また１本発明の第２の目的は１周壁に設けられた流体制
御用窓を有する筒状のケージと、このケージ内に摺動自
在に配設され前記流体制御用窓の開度を変化させるカッ
プ状の升プラグとを備えた弁において、通気性を有し、
被制御流体と升プラグ内空洞との間での音響波の授受を
妨げる音響抵抗部材によって前記弁プラグの開口部を閉
塞し、かつＪｆ’プラグ内に消音用充填体を充填したも
のである。

〔作用〕

本発明においては被制御流体と弁プラグ内空洞との間で
の音響波の授受を音響抵抗部材が抑制防止するので、分
離音の発生を防止する。

また１本発明においては音響抵抗部材が音響波の授受を
抑止し、消音用充填体が弁プラグ内空洞の共鳴を抑止す
るので、分離音の発生をより一層防止し、消音効果をさ
らに増大させる。

〔実施例〕

以下１本発明を図面に示す実施例に基づいて詳細に説明
する。

第１図は本発明の低騒音弁に使用されるケージと弁プラ
グの断面図、第２図は音響抵抗部材の平面図である。こ
れらの図において、第６図と同一構成部材２部分につい
ては同一符号を以って示し。

その説明を省略する。ケージ８の内周壁で流体制御用窓
１１の下部には、全閉時において弁プラグ１５の下着座
部１７が着座する弁座１６が形成されている。これは第
６図に示した従来構造におけるシートリングＴの弁座１
６を省略したもので。

ケージ８の下端部を仕切壁２の取付用孔９に嵌合するこ
とによりシートリングＴ自体の廃止を可能にしでいる。

換ゴすれば、ケージ８の一部がシートリングを構成して
いる。勿論、これに限らす第６図構成のケージであって
もよいことは云うまでもない。

前記弁プラグ１５の下端開口部は本発明を特徴づける音
響抵抗部材３０によって閉塞されている。

この音響抵抗部材３０は、前記流体制御用窓１１よりケ
ージ８内に流入する噴流と、弁プラグ内空洞２０との間
での音響波の授受を断つためのもので、第２図および第
３図に示すようにメツシュの小さい金網、多孔質板等で
構成されることにより、十分な通気性を有している。こ
れは、前述した通り空洞２０が弁プラグ１５の底面に作
用する圧力を平均化し、不規則かつ不均一な圧力が小孔
２１を通って弁プラグ上面に作用するのを防止する上で
必要とされる。この場合、多孔質板は金網に比べて圧力
を受ける表面積が大きく、空洞２０の緩衝室としての機
能を低下させる虞れがあるので。

表面、すなわちケージ８内に臨む面の表面＆を可能な限
り小さくするべく、第３図に示すように小孔３１の形状
を角錐形にし、かつ密接させることが望ましい。また、
板厚も薄いことが望ましい。

そして、音響抵抗部材３０は、その周縁部が前記弁プラ
グ１５の下端開口部にロー付は等によって固定されてい
る。音響抵抗部材３０の取付は位置は、弁プラグ１５の
下端面からの距離ｄが小であることが望ましく、これは
音響抵抗部材３０の表面と、該抵抗部材３０から弁プラ
グ１５の下端までのケージ内面によって囲豊れた凹部３
２が空洞２０と同様の作用をし、噴流同士の衝突による
不安定波動と共鳴するのを防止するためであるうかくし
て、このような構成からなるケージ弁によれば、噴流Ｊ
の衝突により発生する茜いゲインの周期的擾乱の空洞２
０への伝搬をぜ＃抵抗部材３０が妨げるので、前記噴流
Ｊとを洞２０との間で音響波を介してのフィードバック
レープ系が形成されず、したがって弁プラグ内空洞によ
る分離音の発生を抑止あるいは低減することができる。

また、音響抵抗部材３０は十分な通気性を有するので、
空洞２０の緩衝室としての機能を低下させることがない
。

実際に、上記構成によるケージ弁を用いて実験を行なっ
たところ、第７図一点鎖線で示すようにケージ弁の騒音
レベルが２〜７程度の弁圧力比（Ｐｔ／Ｐ２）において
約１０ｄＢ低減され、低騒音ケージ弁が得られることを
確認した。

第４図は本発明の他の実施例を示すケージと弁プラグの
断面図である。この実施例は弁プラグ１５の下端開口部
を上記実施例と同様の音響抵抗部材３０で閉塞すると共
に空洞２０内に、金タワシからなる消音用充填体３５を
充填したものである。

消音用充填体３５としては金タワシに限らず、第５図に
示す短小の管片３６とか鋼球などの使用も可能であり、
要は消音用充填体相互間に流体の通過する隙間が形成さ
れ、音響抵抗部材３０と同様、空洞２０の緩衝室として
の機能を低下させないものであれば何でもよい。

このような構成においては、消音用充填体３５が流体の
擾乱による空洞２０の共鳴を直接抑制防止するので、第
１図に示した実施例に比べてより一層騒音を低減し得る
利点を有する。第７図破線は本実施例構造による全体騒
音レベルを示す。

なお、本発明においては圧縮性流体に対しての理論で説
明したが、これに限らず非圧縮性流体にも適用されるも
のである。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明に係る低騒音弁は、通気性を
有する音響抵抗部材で升プラグの開口部を閉塞したので
、ケージ内に流入する噴流と弁プラグ内空洞との間での
音響波の授受を妨げることができ、したがって空洞によ
る強い分離音が発生せず、低ｊ音弁を提供することがで
きる。また、本発明は弁プラグ内に消音用充填体を充填
し、弁プラグ内空洞自体の共鳴を抑止するようにしたの
で消弁効果かさらに向上し、靜しゆくな運転を実現する
。また、分離音の発生を抑止した結果、騒音レベルが全
圧力比に亘って単調に変化する特性となり、騒音予測の
立場からも非常に有利となる。

゛また、構造が簡単で、製造も容易であるため。

安価な低騒音弁の提供が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る低騒音弁の一実施例を示示すケー
ジと弁プラグの断面図、第２図および第３図はそれぞれ
音響抵抗部材の平面図および断面図、第４図は本発明の
他の実施例を示すケージと弁プラグの断面図、第５図は
消音用充填体の他の実施例を示す斜視図、第６図はケー
ジ弁の従来例を示す断面図、第７図は弁圧力比と騒音レ
ベルの関係を示す図１Ｍ８図は分離音発生のメカニズム
を示す図、第９図は分離音が発生する領域を示す図であ
る。 １・・・・弁本体、２・・・・仕切壁、３・・・・上流
側流路、４・・・・下流側流路、７・・・・シートリン
グ、８・・・・ケージ、１１・・・・流体制御用窓、１
５・・・・弁プラグ、２０・・・・空洞、３０・・・・
音響抵抗部材、３５・・・φ消音用充填体。 特許出願人　　山武ハネウェル株式会社代　理　人　　
山　川　政　樹（ほか２名〕第２区 第４図 第５図 第６図 ＋　　　　　　　　２　　　　　３５１０２０−升斤〃
代Ｐ７Ｐ２ り１［−に＝８／り貢；紹蚤１ビ／ｄ 手続補正書（定式） 特許庁長官殿　　　　　　　　　　　６１．４．１５１
、事件の表示 昭和ＧＯ年特　　許願第２ｃｒｇｌａｇ号２、発明の名
称 ・■　馬４蚤＃ ３　補正をする者

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）周壁に設けられた流体制御用窓を有する筒状のケ
   ージと、このケージ内に摺動自在に配設され前記流体制
   御用窓の開度を変化させるカツプ状の弁プラグとを備え
   た弁において、通気性を有し、被制御流体と弁プラグ内
   空洞との間での音響波の授受を妨げる音響抵抗部材によ
   つて前記弁プラグの開口部を閉塞したことを特徴とする
   低騒音弁。
2. （２）周壁に設けられた流体制御用窓を有する筒状のケ
   ージと、このケージ内に摺動自在に配設され前記流体制
   御用窓の開度を変化させるカツプ状の弁プラグとを備え
   た弁において、通気性を有し、被制御流体と弁プラグ内
   空間との間での音響波の授受を妨げる音響抵抗部材によ
   つて前記弁プラグの開口部を閉塞し、かつ弁プラグ内に
   消音用充填体を充填したことを特徴とする低騒音弁。