JPS6396369A - デジタルバルブ - 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、流体の流量制御など流体のプロセスコントロ
ールに使用する調節弁の一種である２進法デジタルバル
ブに関し、特にこのオリフィス部分の改良に関する。

〔従来の技術〕

２進法デジタルバルブは開または閉のいずれかの状態を
取る要素バルブを複数個集合させたパルプであり、詳細
は文献、例えば雑誌「計装４１９８５年２巻２８．隘１
２．第２６頁から第３０頁まで、および雑誌「配管技術
Ｊ　１９８６年、隘１．第１５６頁から第１５９頁まで
に記載されている。

このデジタルバルブの概略を説明すると、以下のとおり
である。開または閉の状態を取る各要素バルブは各々オ
リフィスを有しており、このオリフィスはその要素バル
ブが開のとき通過する流体の量をその径によって規制し
て変えている。

次にデジタルバルブが仮にＮ個の要素バルブを有してお
り、各要素バルブのオリフィス断面積の比が２°　：２
’：２２：・・・・・・、　ＬＩＮ−２）２８−１とす
ると、このパルプはＮビットのデジタルバルブであると
いう。デジタルバルブはこのビット数Ｎが大きい程、分
解能が高いという特長を持っている。

次に第５図に従来の例えば４個の要素バルブａ。

ｂ、ｃ、ｄからなる４ビツトのデジタルバルブの一例を
示す。

バルブ本体１の端部両側は他の配管部品と接続するため
の接続口であり、右側の接続口が流入口１０であり、左
側の接続口が流出口１）である。

バルブ本体１の水平方向中間部の下部にあけられた流入
流路８は流入口１０と連通しており、同じく上部にあけ
られた流出流路９は流出口に連通している。これら流入
流路８と流出流路９との間は隔壁１３があり、これらは
仕切られている。この隔壁１３には４個の貫通孔がおい
ており、各々の貫通孔に弁座６が（６ａ、　　６　ｂ、
　　６　ｃ、　　６　ｄ）嵌着または螺合している。こ
の弁座６の各々、６ａ。

６ｂ、６ｃ、６ｄはオリフィス７を有し、各々のオリフ
ィス７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄの断面積比は等止縁数的で
あり、すなわち２°　：２１　：２２　：２３（１：　
２　：　４　：　８）である。

次にプランジャー４はソレノイド５を内蔵したアクチュ
エータ２及びスプリング２０によって上下移動し、この
プランジャー４の下端部に弾性体材料からできた弁体３
が固定されている。ここでプランジャー４．ソレノイド
５．アクチュエータ２）スプリング２０および弁体３は
各々４個の要素バルブ全てに設けである。この弁体３が
前記した弁座６に接触しているとき、この要素バルブは
閉であり、それらが離れているときこの要素バルブは開
である。各要素バルブは各プランジャー４ａ、４ｂ、４
ｃ、４ｄの上下移動により開または閉のいずれ力′の状
態を取る。

４個の各要素バルブのオリフィス断面積比が１＝２：４
：８であるので、各要素バルブの開・閉によって、この
デジタルバルブは全開から１，２゜３．４．・・・・・
・１３，１４．１５　（１＋２＋４＋８−１５）の開度
を取ることができる。

次にデジタルバルブの制御系は（図示はなし）一般的に
デジタルバルブの流出口１）以降の流量等を検知し、こ
の信号を設定値と比較し、この比較結果をデジタル信号
に変換し、このデジタル信号によってアクチュエータ２
を介してプランジャー４を上下移動し、各要素バルブを
開か閉のいずれかに作動させて制御を行うフィードバン
ク制御である。このデジタルバルブによれば再現性のよ
り精密な流量制御は勿論、流体の圧力制御をも行うこと
ができる。

Ｃ発明が解決しようとする問題点３ 以上説明した従来のデジタルバルブの問題点を第６図を
用いて説明する。第６図は要素バルブａ。

ｂ、ｃ、ｄの弁体３および弁座６の部分を示したもので
あり、要素バルブａ、ｂ、ｃ、ｄはオリフィス７の径の
み異なり、この他は同形状かつ同寸法である。ここでオ
リフィス７ａの断面積を１とするとオリフィス７ｂの断
面積は２）オリフィス７Ｃの断面積は４、オリフィス７
ｄの断面積は８である。そこで、要素パルプａ、ｂ、ｃ
、ｄのオリフィス断面積の比は１：２：４１であるがこ
れらのオリフィス７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄを通過する流
体の流量比は厳密に言えば１：２：４：８ではない。

これはオリフィス７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄの長さが同じ
であるのでオリフィス径の小さいオリフイス７ａの方が
オリフィス７ｄに比較してオリフィスの通過抵抗が大き
く、オリフィスの流体通過に際する圧力損失が大きい。

オリフィス７を通過する流体の量はオリフィスの断面積
とオリフィスを通過する流体の平均流速の積であるので
、圧力損失による流体の平均流速が下がると、オリフィ
ス７を通過する流体の量はオリフィス面積に比例せず少
なくなる。

従ってオリフィス径の小さいオリフィス７ａを通過する
流体量はオリフィス径の大きいオリフィス７ｄを通過す
る流体量の１７８より少ない。この１７８はオリフィス
７ａとオリフィス７ｄの断面積比である。

本発明はオリフィスを通過する流体の流量がオリフィス
の断面積に比例するようにすることを目的としている。

〔問題点を解決するための手段〕

以上の問題点を解決するため、すなわち、オリフィスを
通過する流体の流量がオリフィスの断面積に比例するよ
うにするため、本発明のデジタルバルブはオリフィスの
形状およびオリフィスの長さをオリフィスの直径に比例
させた寸法および同じ形状、相似形にしたデジタルバル
ブである。すなわち両端部に流入口および流出口を有し
、中間部に前記流入口と連通ずる流入流路とこの流入流
路と隔壁によって隔った前記流出口と連通ずる流出流路
とを有するバルブ本体と、前記隔壁に前記流入流路と流
出流路を連通ずる貫通孔を複数個あけ、この複数個の各
貫通孔に装着した弁座と、下部先端に弾性体材料の弁体
を固定し、かつ上下移動することによって前記弁体が前
記弁座と接触したり離れたりする複数個のプランジャー
と、からなるデジタルバルブにおいて、前記複数個の各
弁座に通過する流体の流量を規制するオリフィスを形成
し、各オリフィスの通過する流体の流れ方向断面は各々
相似形であることを特徴とするデジタルバルブである。

〔作　用〕

本発明によるデジタルバルブのオリフィスは、例えばそ
の長さがオリフィスの直径に比例している。すなわち本
発明によるデジタルバルブの小径オリフィスはその長さ
が、従来のデジタルバルブの小径オリフィスの長さより
短かい。従ってこれらのオリフィスを通過する流体の圧
力損失は、本発明によるデジタルバルブのオリフィスの
方が低い。オリフィスの圧力損失が低いと圧力損失に伴
うオリフィスを通過する流体の平均流速が落ちることも
少なく、それだけ大径オリフィスの平均流速と小径オリ
フィスの平均流速との差が小さい。

すなわち、オリフィス断面積に比例した流量を得ること
ができる。

さらにオリフィスの長さをオリフィスの直径に比例した
だけでなく、オリフィス部の形状を相似形にしても同様
の作用がある。

〔実施例〕

第１図に本発明による第１実施例を示し、第１図は従来
のデジタルバルブの要素バルブａ、　　ｂ。

ｃ、ｄを示した第６図における弁座６のオリフィス７の
部分を改良したものを示す。従って、本第１実施例は第
１図に示す他の部品について第５図に示す従来のデジタ
ルバルブと同じである。第１図における弁座６について
以下に説明する。

弁座６のオリフィス？ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄは流体の流
れ方向直角断面は円形であり、その面積比は１：２：４
：８であり、それらの直径比に直すとにｚ”Ｔ：２：、
’”＝）（−となりおよそ１：１．４：２：２．８であ
る。

次にオリフィス７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄの長さしは、従
来のデジタルバルブのそれが一定であっタノニ対し、オ
リ７、ｒスフａ、７ｂ、７ｃ、７ｄの直径りに比例した
ｍＤとする（ｍは正の整数）。

第１図の第１実施例ではｍ＝ｌとなっており、オリフィ
スの長さＬａ、Ｌｂ、Ｌｃ、Ｌｄはそれぞれオリフィス
の直径Ｄ　ａ　＋　Ｄ　ｂ　ｒ　Ｄ　ｃ　、　Ｄ　ｄと
等しい。オリフィス７の通過する流体の流れ方向断面は
、すなわち、弁座６の縦断面で見たオリフィス７は正方
形である。尚、ｍが１以外の場合、弁座６の縦断面で見
たオリフィス７は縦横比が一定の長方形である。

本第１実施例は以上説明したようにオリフィスの長さＬ
をオリフィスの直径りに比例させたことが主な特徴であ
るが、次にオリフィス７における通過流体の流れ方向前
後について説明する。

第１図の要素バルブａ、ｂ、ｃ、ｄにおいて、オリフィ
ス７の上側、すなわち流れ方向側は流出流路９であり、
弁座に形成したオリフィス７は弁座６の上端部にある。

次にオリフィス７の下側、すなわち流れ方向の逆側は弁
座６に形成した流路であり、流入流路８とオリフィス７
との間に位置する。

この弁座６に形成した流路は特にその形状を規定しない
が、流入流路８からオリフィス７へスムーズに流れるよ
うにして本実施例では、前記の弁座流路がオリフィス７
のすぐ下側でオリフィス７の直径より徐々に大きくなる
テーバとなっている。

この子−パは弁座流路の全長にわたって形成されている
。

第１図の要素バルブｄは、弁座６ｄの高さが他の要素パ
ルプのそれと同じであり、その径に比較して低い。従っ
て、弁座６ｄの流路の長さが短かく、すなわちテーパ部
の長さが短かくなっている。

本実施例によるデジタルパルプは、各要素バルブのオリ
フィスの長さがその径に比例しているので、小径オリフ
ィスを通過する流体の圧力損失と大径オリフィスのそれ
との差が少なくなった。それだけオリフィスを通過する
流体の平均流速も各オリフィスについて差が少ない。従
って、オリフィス断面積に比例した流量を得ることがで
きる。

各要素バルブａ、ｂ、ｃ、ｄを通過流体の流量がその各
々のオリフィス７ａ、ｂ、ｃ、ｄの断面積に比例すると
次のような効果がある。

前述したとおり、各要素バルブａ、ｂ、ｃ、ｄのオリフ
ィス断面積比が１）：４：８であるので開度を０．１，
２，３，４．５．・・・１３，１４゜１５と取ることが
できる。

従来のデジタルバルブは各要素バルブのオリフィス断面
積比が１＝２：４：８であっても、その流量比は小径オ
リフィスの方が平均流速が低いから１：２：４：８とは
ならず、例えば０．９：２７４．４：８．８のようにな
る。従って開度が０．１゜２．３，４，５．・・・・・
・であってもその開度におけるデジタルバルブの流量は
０．０．９，２．２．９゜４．４，５．３．・・・・・
・となり、開度と流量が比例しない欠点がある。

本第１実施例はこの欠点を解消する効果がある、すなわ
ち、デジタルバルブの開度と流量が比例する効果がある
。

次に第２図は本発明によるデジタルバルブの第２実施例
を示す。第２図の第２実施例は第１図の第１実施例と弁
座６に形成したオリフィス７の位置が異なり、オリフィ
ス７の位置が流出流路９の側ではなく、流入流路８側に
ある。さらに各弁座６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄの高さをで
きるだけオリフィス直径りに比例させてその約２倍とし
た。従って、弁座６の流路のテーパ部の長さとオリフィ
ス７の長さがほぼ等しくそれぞれオリフィス直径に等し
くした。

ただし、要素バルブｄについてはオリフィス直径が大き
く、第２実施例において、オリフィスの長さはオリフィ
ス直径と等しくしたが、弁座６ｄのテーバ部流路はそれ
より短かくした。これは要素バルブｄの高さが要素バル
ブａの高さより極端に大きくなるため、バランスを考え
て最大の要素バルブｄの高さを少し低くしたことによる
。

さらに各要素バルブａ、ｂ、ｃ、ｄが開のとき、弁座６
の上端部と弁体３の下端部との距離をオリフィス７の直
径りに比例させてＤ／２とした。この第２実施例による
デジタルバルブはオリフィスの長さだけでなく、弁座６
のテーパ部流路の長さもオリフィス径に比例させたので
、第１実施例のデジタルパルプ以上にオリフィス７の流
量はその断面積に比例する効果がある。

次に第３図および第４図に第３の実施例を示す。

この第３実施例は第２実施例におけるオリフィス７部の
形状を変えたものである。

第４図を用いて、オリフィス部の形状について説明する
。第４図はオリフィスの通過する流体の流れ方向断面を
示したものである。

オリフィス７の直径はＤであり、弁座６の高さすなわち
流れ方向の長さはＤに比例したｍＤであリ、第４図では
１．５Ｄである。

第４図においては弁座６のオリフィスと弁座６の流路部
が明確に区別できないが、一応最小直径部あたりをオリ
フィス７、直径の比較的大きい下部を流路部とする。

オリフィス７の上端部、すなわち流出流路９側の角の壁
面は半径ＲがｎＤでＤに比例する円形であり、第４図に
おいてはＲ＝Ｄ／４である。この角の壁面の円形部の範
囲は（９０°＋α）であり、この円形部の下側は円形部
終端点における円形部の接線である。第４図においてα
は１５゛であるが、一般的にαはＯ〈αく９０°である
。第３図は第４図の弁座６を隔壁１３に嵌装した各要素
バルブａ、ｂ、ｃ、ｄの図面である。

本第３実施例によるデジタルバルブもオリフィス断面積
に比例した流量を得ることができることは勿論、オリフ
ィスの流れ方向断面において円形部があるのでスムーズ
に流れる効果もある。また、第３実施例におけるオリフ
ィス７部は流出流路９の側にあるが、これを流入流路８
側にしてもよい。

以上筒１．第２．第３実施例を説明したが、ここで各々
実施例のオリフィスの流れ方向断面積形状を具体的に示
した。一般的にはオリフィスの流れ方向断面形状が同じ
形状、すなわち相似形であればよい。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によるデジタルバルブは各要
素バルブのオリフィスを通過する流体の流量がオリフィ
スの断面積に比例する効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による第１実施例を示す各要素バルブの
縦断面図、第２図は第２実施例を示す各要素バルブの縦
断面図、第３図は第３実施例を示す各要素バルブの縦断
面、第４図は第３実施例の弁座部分の縦断面図、第５図
は従来のデジタルバルブの主要部縦断面図、第６図は従
来のデジタルバルブの各要素バルブの縦断面図である。 第１ 要素バルブａ 要素バルブＣ 要素バルブｂ 要素バルブｄ 要素バルブｑ 要素バルブＣ ２図 要素バルブｂ 要素バルブｄ 要素バルブＱ 要素バルブＣ 図 要素バルブｂ 要素バルブｄ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）両端部に流入口および流出口を有し、中間部に前
   記流入口と連通する流入流路とこの流入流路と隔壁によ
   って隔った前記流出口と連通する流出流路とを有するバ
   ルブ本体と、前記隔壁に前記流入流路と流出流路を連通
   する貫通孔を複数個あけ、この複数個の各貫通孔に装着
   した弁座と、下部先端に弾性体材料の弁体を固定し、か
   つ上下移動することによって前記弁体が前記弁座と接触
   したり離れたりする複数個のプランジャーとからなるデ
   ジタルバルブにおいて、前記複数個の各弁座に通過する
   流体の流量を規制するオリフィスを形成し、各オリフィ
   スの通過する流体の流れ方向断面は各々相似形であるこ
   とを特徴とするデジタルバルブ。
2. （２）特許請求の範囲第１項において、前記オリフィス
   はその通過する流体の流れ方向直角断面は円形であり、
   その通過する流体の流れ方向断面は縦横比一定の長方形
   であることを特徴とするデジタルバルブ。
3. （３）特許請求の範囲第１項において、前記オリフィス
   直径をＤとしたとき、前記オリフィスの通過する流体の
   流れ方向断面におけるオリフィス壁面は、前記弁体側が
   Ｒ＝ｎＤの円形で結び円形部が９０°＋α°（０＜α＜
   ９０°）の範囲であり、この円形部の下側は円形部終端
   点における接線を結んで形成したことを特徴とするデジ
   タルバルブ。
4. （４）特許請求の範囲第２項または第３項において、前
   記弁座に形成したオリフィスが前記流入流路側にあるこ
   とを特徴とするデジタルバルブ。