TWI416296B - 用於流體壓力裝置之節流機構 - Google Patents

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Description

用於流體壓力裝置之節流機構
本發明關於應用於流體壓力裝置(fluid pressure device)之節流機構(throttling structure)，該節流機構能夠調節壓力流體之壓力，且壓力流體可供應予和排出自流體壓力裝置。
日本特開平10-198433公報提供一種減壓閥(pressure-reducing valve)，可在所期望的預定壓力下，由壓力流體供應源供應空氣至流體壓力裝置。這種減壓閥可將主側(primary side)的壓力流體至對應於連接至第二側之壓力裝置所期望的壓力，並且供應壓力流體至第二側，壓力流體係由壓力流體供應源供應予該主側。
近年來，由降低能量消耗與降低成本之觀點而言，在如減壓閥之流體壓力裝置中必須減少壓力流體的消耗量。
本發明提供一種應用於流體壓力裝置之節流機構，該流體壓力裝置能夠減少壓力流體的消耗量，同時也可於造成壓力流體流過該流體壓力裝置時預防阻塞(clogging)。
本發明之特徵在於可應用於具有本體的流體壓力裝置之節流機構，該本體形成有供應有壓力流體之端口(port)，俾於該壓力流體實行壓力控制，該節流機制配備有導入有壓力流體之導入室(introduction chamber)，於導入室與端口之間提供連絡之連絡通道(communication passage)，以及節流機制，其係設置於連絡通道且具有供壓力流體流過之複數個流動通道(flow passage)，該流動通道的直徑小於該連絡通道，用於減少壓力流體的流量，其中，複數流動通道係沿著壓力流體的流向(flow direction)設置成彼此相鄰。
當以下說明書內容配合例示本發明較佳實施例之附加圖式時，將使得本發明的上述及其他特徵和優點變得更清楚易懂。
如第1圖所示，符號10代表應用了根據本發明用於流體壓力裝置之節流機構減壓閥。
如第1至4圖所示，減壓閥包含本體12、連接至本體12下側部分之覆蓋構件14、連接至本體12的上側部分之閥帽(bonnet)16以及設置於閥帽16之上側部分之可旋轉式操作構件18。
覆蓋構件14包含可透過0環封閉與阻栓塞形成於本體12中之下側部分之孔口之導引閥22、符合且由形成於導引閥22之上側部分之孔口所支承的本體24、符合且支承於形成於導引閥22之上側部分之凹槽中以及本體24的外部符合之擋板(damper)26、與擋板26的上側部分上的本體24的外部符合之墊圈28以及於墊圈28之上部與本體24的外部符合之彈性封件(elastic seal)30。本體24的設置，使其於擋板26的彈性作用下，能夠沿著軸向(箭頭A1與A2的方向)移動，該擋板26可由彈性材料所形成，如橡膠等。
本體12是由第一本體部分32接合覆蓋構件14所構成，第二本體部分34排列於第一本體部分32之上側部分第三本體部分36排列於第二本體部分34之更上側部分。第一本體部分32、第二本體部分34及第三本體部分36係藉由未描繪出之螺絲釘以整合的方式組合在一起。
主側端口38連接至流體壓力供應源(未圖示)而副側端口40連接至流體壓力裝置(未圖示)，該等端口個別形成於第一本體部分32之兩側表面。連絡通道42形成於主側端口38與副側端口40之間，用以促成兩者間之連絡。
再者，於第一本體部分32之內部，形成面向連絡通道42之座(seat)44。藉由透過密封構件(seal)30將本體24座落(seating)於座44，可中斷主側端口38與副側端口40間之連絡狀態。
另一方面，藉由將本體24往遠離座44的方向移動(箭頭A2的方向)，可建立主側端口38與副側端口40間之連絡狀態。
形成於第二本體部分34之流出端口(discharge port)46可於其一側開口，而形成於第三本體部分36之排放端口(bleed port)50可於其一側開口，並且啟動第三隔膜室80與外部間之連絡。
透過第一扣件52，可將第一隔膜54緊夾於第一本體部分32與第二本體部分34之間。另外，透過第二扣件56，可將第二隔膜58緊夾於第二本體部分34與第三本體部分36之間。
此外，可於第一隔膜54底下配置與副側端口40連絡之第一隔膜室48，而可於第一隔膜54與第二隔膜58之間配置與流出端口46連絡之第二隔膜室60。
另外，配置第一扣件52於第一隔膜54之中央部分，該第一扣件52接合本體24的邊緣。促成第一隔膜室48與第二隔膜室60間之連絡之通孔62係形成於第一扣件52。
此外，突起於面向第一隔膜室48的第一本體部分32之中央的終止構件64，係用以調整位於與座44相同軸上之第一扣件52的移動。
隔膜推壓構件66連同第三隔膜72及第四隔膜74以預定距離分離且由盤(disk)構件68與推壓構件70緊夾並設置於第三本體部分36與閥帽16之間。在此例中，第一彈簧76係排列於盤構件68之末端表面上，並且藉由第一彈簧76的彈性力量將第三隔膜72與第四隔膜74向下方推壓(在箭頭A2方向上)。
本發明提供噴嘴回壓室(導入室)78配置於第二本體部分34與第三本體部分36之間(如同第二隔膜室58與第三本體部分36所定義)。第三隔膜室81係配置於第三本體部分36之中央部分。
再者，第三隔膜室80的下面，具有噴嘴孔84之噴嘴86排列於圓柱形之主節(boss section)中。噴嘴回壓室78透過噴嘴孔84及透過貫穿第三本體部分36之下側部分之孔口與第三隔膜室80連絡。
此外，擋葉機制(flapper mechanism)88設置於第三隔膜室80之內部及噴嘴86的上方。擋葉機制88包含球體90、將球體90保留於主節82內部之閂鎖環(latch ring)92以及插入球體90與噴嘴86間之第二彈簧94。第二彈簧94在其彈性作用下，可驅使球體90朝向閂鎖環92該側。因此，球體90保留在抵接閂鎖環92的狀態。
擋葉機制88包含推壓構件70與壓力接收構件96。推壓構件70包含在其末端上之大凹部，其中該壓力接收構件96嵌入該凹部中。壓力接收構件96與球體90點接觸(point contact)，並且由硬度與包括鋼球之球體90相同或硬度較球體90更高之材料(如鋼)所形成。
此外，於球體90保留於主節82的狀態中，當藉由第一彈簧76的彈力向下推壓或移動推壓構件70時(於箭頭A2方向上)，球體90將朝向噴嘴86側移動，同時壓縮第二彈簧94，因此使得噴嘴86之噴嘴孔84關閉。另一方面，當藉由第一彈簧76形成之推壓構件70之推壓狀態解除時，於第二彈簧94之彈性作用下，推壓構件70向上移動，且球體90與噴嘴86分離。
如第3圖所示，噴嘴回壓室78經由噴嘴通道(連絡通道)98與主側端口38連絡。噴嘴通道98係連接至主側端口38之外周側，沿著第二與第三本體部分34與36之軸方向(箭頭A2與A1的方向)延伸，以放射方向(radial direction)彎繞於第三本體部分，且最終連接至連絡孔(開口)100，以與噴嘴回壓室78連絡。此外，節流機制106係設置於包括複數個(例如：四個)孔口板(orifice plate)104a至104d之噴嘴通道98內，該複數個孔口板能夠調整流經噴嘴通道98的壓力流體的流量至預定的流量。
構成節流機制106之孔口板104a至104d包含位於其中央的開口孔(流動通道)102，該等開口孔的直徑小於連絡通道之直徑，且形成於盤形薄板上，該等開口孔102之周圍邊緣可透過環封(annular seal)構件108黏著於第二本體部分34。此外，孔口板104a至104d可同軸地設置於噴嘴通道98中，且以預定距離相互分離的方式排列於其中，同時。亦即，孔口板104a至104d以多級的方式(multistage fashion)沿著噴嘴通道98延伸的方向上排列。
另外，可由主側端口38提供壓力流體至噴嘴通道98，該壓力流體流過配置於複數個孔口板104a至104d中之開口孔102，且直接流入噴嘴回壓室78。
另一方面，回授通道112配置於副側端口40與形成於第三隔膜72與第四隔膜74之間的第四隔膜室110間，用以建立第四隔膜室110與副側端口40間之連絡。回授通道112配置於接近本體24中心之噴嘴通道98的相反側上。
操作構件18包含以可轉動方式設置於閥帽16上側部分之手柄114、可轉動支承該手柄114之轉軸116，固定該手柄114和該轉軸116的位置之鎖螺帽118以及螺帽(nut)120與墊圈122，該螺帽120與墊圈122之間夾入托架(bracket)(未圖示)。與第一彈簧76接合且在箭頭A2方向上推壓第一彈簧76之接收構件124係配置於該手柄114之一端上。旋轉手柄114時，可於軸方向上移動轉軸116，將接收構件124朝向本體12之側推壓。
應用於根據本發明之用於流體壓力裝置之節流機構之減壓閥10基本上係建構成如前所述者。接著，將詳細說明本發明之操作與功效。
首先，壓力流體供應源(未圖示)透過管線等(未圖示)連接至主側端口38，而於壓力流體的供應下可驅動之流體壓力裝置(如圓柱或類似形狀)可連接至副側端口40。
上述預備操作完成後，不需旋轉手柄，即可設定成空隙存在於構成擋葉機制88之球體90與噴嘴86間之狀態。更具體地說，可不用啟用第一彈簧76的彈性作用力，而另一方面，第二彈簧94的彈力則施加於球體90，使得噴嘴86與球體90間維持預定的分離(如第2圖所示)。
於此例中，在供應至主側端口38之壓力流體已自該噴嘴通道98透過複數個孔口板104a至104d之開口孔102流至連絡孔100之後，將壓力流體導入噴嘴回壓室78，並通過噴嘴86與球體90間之空隙，並且導入第三隔膜室80。此外，由排放端口50將導入第三隔膜室80之壓力流體排出至外部。
更詳細的說，流經噴嘴通道98之壓力流體通過位於上游側最前端之孔口板104a之開口孔102，接著通至鄰近孔口板104b之側。此時，因為開口孔102之直徑D形成為小於噴嘴通道98之通道直徑，故當壓力流體流過且壓力流體之流量減少時，將發生壓力損失。此外，流量已減少的壓力流體將持續往下游方向流經孔口板104b、104c與104d，藉此進一步減少壓力流體之有效截面積(effective cross sectional area)，而該壓力流體將供應至噴嘴回壓室78。
因此，相較於未配備有節流機制106之傳統流體壓力裝置，在配置了由多個孔口板104a至104d組成之節流機制106後，即得藉由提供流經孔口板104a至104d之壓力流體至噴嘴回壓室78，而可減少壓力流體的流量。
於如前述之排放狀態中，手柄114係以預定方向轉動，且藉由第一彈簧76的彈力，透過盤件68向下推壓(於箭頭A2的方向上)推壓構件70。因此，球體90移動於一方向(箭頭A2之方向)以遠離閂鎖環92且與第二彈簧94的彈力相抗，如此，球體90即抵接於噴嘴86之噴嘴孔84且藉此關閉噴嘴孔84(如第4圖)。
因此，噴嘴回壓室78中之壓力(噴嘴回壓)上升，且在噴嘴86之回壓作用下，第二隔膜室58往箭頭A2的方向推壓。第二隔膜58、第一隔膜54及本體24一體地在箭頭A2的方向上移動，且本體24遠離座44。
接著，開啟連絡通道42以建立主側端口38與副側端口40間之連絡，且於副側端口40中之壓力流體之壓力上升。
另一方面，當副側端口40中之壓力流體之壓力上升至或高於預定壓力值時，壓力已上升至此之壓力流體即向上(於箭頭A1方向上)推壓第一隔膜54，並透過回授通道導入第四隔膜室110。接著，以壓力液體在相反於第一彈簧76之彈力的箭頭A1方向上之壓力，推壓第四隔膜74，同時帶動盤件68與推壓構件70往A1箭頭方向移動。
此時，由於第二彈簧94之彈力，球體90在箭頭A1方向上移動，組成擋葉機制88之球體90遠離噴嘴86(如第2圖所示)。接著，噴嘴回壓室78內的壓力流體通過噴嘴86與球體90間之空隙，且接著通過排放端口50並排出至空氣中。結果，噴嘴回壓室78之噴嘴回壓即迅速的下降。
如此，藉由快速地降低噴嘴86的回壓，第一隔膜54與第二隔膜58在箭頭A1的方向上上升，且本體24之末端遠離第一扣件52。此外，藉由擋板26的彈力，將本體24在箭頭A1方向上移動且座落於座44上。因此，藉由本體24關閉之第一扣件52之通孔62即置於開啟情形中，而壓力於副側端口40上升之壓力流體，經由通孔62導入第二隔膜室50。其後，自流出端口46將壓力流體排出至外部。
接下來，參照第5圖概要說明關於構成節流機制106的孔口板104a至104d相互分離之距離L與流經孔口板104a與104d之開口孔102之壓力流體的流量間的關係。
由第5圖可了解，當相鄰孔口板間之相對距離L設定為較長，則其有效截面積會逐漸縮減。當距離L達到預定範圍之後，將會停止流量的減少並實質上維持恆定。更具體地說，例如，如果孔口板104a與其相鄰孔口板104b間之距離L頗小，則上流側孔口板104a之開口孔102所節流之壓力流體連續地被導入至孔口板104b的開口孔102，而不需要完全展開至噴嘴通道98的通道直徑。因此，無法以孔口板104b獲得充分的節流效果。
相反地，如果確保孔口板104a與其相鄰孔口板104b間之距離L頗大，則以孔口板104a之開口孔102所節流之壓力流體立即展開至相當於噴嘴通道98之通道直徑，其後，因為流體再一次地流經孔口板104b之開口孔102，其複合有效截面積將適度地減少。
接下來，參照第6圖簡要說明由開口孔102之直徑D和組成節流機制106之孔口板104a至104b之分離距離L所形成的距離-直徑比(distance-diameterratio)L/D與未配置節流機制所減少的壓力流體流量ΔQ間之關係。
由第6圖可了解，只要將上述距離直徑比L/D設定為稍大，則壓力流體的流量將逐漸減少，因此使得減少的流量ΔQ增加。更具體地說，藉由設定距離L與開口孔的直徑D間之關係，例如距離直徑比L/D大於或等於約20，則可將壓力流體所減少的流量ΔQ最大化。
如前述之方式，根據本實施例，主側端口38與噴嘴回壓室78係透過配置於噴嘴通道98之由多個孔口板104a至104d所構成之節流機制106連通。孔口板104a與104d沿著噴嘴通道98排成一直線，且壓力流體被安排流經形成於孔口板104a與104d中央之開口孔102。接著，流經噴嘴通道98之壓力流體接續地流經其間以預定間距分離之孔口板104a至104d的開口孔102，藉此可縮減噴嘴通道98中之有效截面積。因此，將有助於減少壓力流體的消耗，也因此促進能源的節約，連帶可降低流體壓力裝置的運作成本。
再者，一般而言，如果欲減少包括具有單一節流件於其中之減壓閥的傳統流體壓力裝置所使用之壓力流體之消耗量，可預期進一步將節流件之直徑最小化，以藉此減少壓力流體的流量。然而，在節流件直徑較小的情況下，壓力流體內的灰塵等，將可能引發阻栓塞。
相反地，根據本實施例，組成節流機制106的孔口板104a至104d係複數同軸地設置於噴嘴通道98內，並可藉由使壓力流體接續流經開口孔102，逐步減少壓力流體的流量。因此，相較於在前述之單一節流件中形成較小直徑，開口孔102的直徑D可設定為較大。如此，便可抑止壓力流體內的灰塵等阻塞開口孔102，並且延長具有節流機制106之減壓閥10(流體壓力裝置)的維修週期，同時減少流體壓力裝置所需的維修操作。換言之，減壓閥10的可維護性(Maintainability)將增強。
關於前述之減壓閥10，已說明在噴嘴通道98中有複數個同軸排列且以預定距離相互分離之孔口板104a至104d之例。然而，本發明並不必然受限於此特徵。
舉例而言，如第7A圖所示，複數個節流孔103a至103d可直接設置於噴嘴通道98。於此例中，節流孔103a至103d係個別沿著噴嘴通道98之軸設置，且沿著軸方向以預定距離相互分離，並形成於壁部132之中央。如此，直接對噴嘴通道98提供複數個節流孔103a至103d，相較於先前討論的孔口板104a至104d，可減少構成節流機制的元件數量以及組裝的步驟。再者，如第7B圖所示，配置於噴嘴通道98中之複數孔口板104a至104b亦可安排成使得彼此在垂直於噴嘴通道98的軸之方向上相互偏移。附帶一提，在孔口板孔104a至104d以此方式相互偏移偏離中心的情況下，孔口板孔104a至104d不必沿著相同的軸方向彼此相互分離。
舉例而言，如第8圖所示，可應用依照第一變形例之節流機制156來取代根據先前實施例之節流機制106。於第一變形例中，設置單一孔口板104a於第二本體部分34之噴嘴通道98中，此外，其中中央具有節流孔150之孔口塊152a至152c係複數設置於噴嘴通道98以放射性向內的方向延伸於第三本體部分36之部分，且具有朝連絡孔100之側推動孔口塊152a至152c的第三彈簧154。
節流機制156包含複數個(例如：三個)孔口塊152a至152c。孔口塊152a至152c係形成具有對應噴嘴通道98的內直徑之外直徑之圓柱形。於其一端側形成有小直徑之節流孔150係個別開口至孔口塊152a至152c的內部。於孔口塊152a至152c中，節流孔150的小直徑區同軸地排列於連絡孔100之側，更具體而言，係於流經噴嘴通道98之壓力流體的下游側上，而第三彈簧154係插入於距離連絡孔100最遠之向上游側孔口塊152a與安裝於噴嘴通道98的開口端之栓塞158之間。因此，該複數個孔口塊152a至152c通常藉由第三彈簧154之彈力保持在被推壓向連絡孔100之側之狀態。
此外，在供應至噴嘴通道98之壓力流體流經孔口板104a之開口孔102後，該壓力流體需先流經位於上游側之孔口塊152a之節流孔150，並流經每一個孔口塊152b和152c之節流孔150，才可由連絡孔100供應至噴嘴回壓室78。
再者，如第9圖所示，可應用依照第二變形例之節流機制200來取代根據前述實施例之節流機制106。節流機制200之不同處在於設有栓塞202來取代構成一部份之根據第一變形例之節流機制156之第三彈簧154，其中栓塞158和孔口塊152a係整合為一個單元。
另一方面，本發明並不受限於如前所述之情形，亦即藉由多級排列複數個孔口板104a至104d或孔口塊152a至152c組成節流機制106與156。如第10A圖所示，相對於噴嘴通道98縮小直徑至一固定直徑之節流通道210可配置於噴嘴通道98之中間位置，使得噴嘴通道98與連絡孔100間之有效截面積減少。再者，如第10B圖所示，節流通道212的直徑可朝向噴嘴通道98之下游側逐漸擴大。
根據本發明之應用於流體壓力裝置之節流機構並不受限於前述之實施例。本發明可在不背離後附之申請專利範圍的實質下，作出各種不同的構造及變化。
10．．．減壓閥
12．．．本體
14．．．覆蓋構件
16．．．閥帽
18．．．開口構件
22．．．導引閥
24．．．本體
26．．．擋板
28、122．．．墊圈
30．．．密封構件
32．．．第一本體部分
34．．．第二本體部分
36．．．第三本體部分
38．．．主側端口
40．．．副側端口
42．．．連絡通道
44．．．座
46．．．流出端口
48．．．第一隔膜室
50．．．排放端口
52．．．第一扣件
54．．．第一隔膜
56．．．第二扣件
58．．．第二隔膜
60．．．第二隔膜室
62．．．通孔
64．．．終止構件
66．．．隔膜推壓構件
68．．．盤件
70．．．推壓構件
72．．．第三隔膜
74．．．第四隔膜
76．．．第一彈簧
78．．．噴嘴回壓室
80．．．第三隔膜室
82．．．噴嘴節
84．．．噴嘴孔
86．．．噴嘴
88．．．擋葉機制
90．．．球體
92．．．閂鎖環
94．．．第二彈簧
96．．．壓力接收構件
98．．．噴嘴通道
100．．．連絡孔
102．．．開口孔
104a至104d‧‧‧孔口板
106、156、200‧‧‧節流機制
108‧‧‧環封構件
110‧‧‧第四隔膜室
112‧‧‧回授通道
114‧‧‧手柄
116‧‧‧轉軸
118‧‧‧操作構件
120‧‧‧螺帽
124‧‧‧接收構件
130a至130d、140a至140d、 152a至152c‧‧‧孔口塊
150‧‧‧節流孔口
154‧‧‧第三彈簧
158、202‧‧‧栓塞
210、212‧‧‧節流通道
第1圖係顯示應用了根據本發明用於流體壓力裝置之節流機構之減壓閥的整體結構圖；
第2圖係顯示第1圖之減壓閥中之擋葉機構附近之放大剖面圖；
第3圖係顯示設置於第1圖之減壓閥中之噴嘴通道附近之放大剖面圖；
第4圖係顯示球體座落於第2圖之減壓閥中之噴嘴上之情形之放大剖面圖；
第5圖描繪顯示組成節流機制之孔口板之分離距離與流經孔口板開口之壓力流體流量間之關係之特性曲線圖；
第6圖描繪顯示由開口孔直徑與孔口板分離距離所形成之距離-直徑比與未配置節流機制之情形下所減少之壓力流體流量間之關係之特性曲線圖；
第7A圖描繪顯示複數個節流孔同軸地形成於噴嘴通道中之情形之變形例；
第7B圖描繪顯示複數個節流孔相對於噴嘴通道之軸垂直偏移之情形之另一變形例；
第8圖係顯示根據第一變形例之節流機制之放大剖面圖；
第9圖係顯示根據第二變形例之節流機制之放大剖面圖；
第10A圖係顯示具有實質上固定之直徑之節流通道於其中之節流機制之概要圖；以及
第10B圖係顯示具有節流通道於其中之節流機制之概要圖，其中該節流通道之直徑朝向其連絡通道孔側之方向逐漸擴張。
32‧‧‧第一本體部分
34‧‧‧第二本體部分
36‧‧‧第三本體部分
72‧‧‧第三隔膜
74‧‧‧第四隔膜
78‧‧‧噴嘴回壓室
98‧‧‧噴嘴通道
100‧‧‧連絡孔
102‧‧‧開口孔
104a至104d‧‧‧孔口板
106‧‧‧節流機制
108‧‧‧環封構件

Claims (4)

  1. 一種用於流體壓力裝置之節流機構，該流體壓力裝置具有本體，該本體形成有供應有壓力流體之端口，俾於該壓力流體實行壓力控制，該機構包括：導入室(78)，係導入有該壓力流體；連絡通道(98)，係提供該導入室(78)與該端口間之連絡；以及節流機制，係設置於該連絡通道(98)，且具有複數個有壓力流體流過之流動通道(102)，該等流動通道(102)之直徑小於該連絡通道(98)之直徑，用以減少上述壓力流體之流量，其中該複數個流動通道(102)沿著該壓力流體之流向設置成以預定間隔彼此相鄰並與該壓力流體之該流向平行排列，且進一步沿著該連絡通道(98)之延伸方向相互分離，並於垂直該連絡通道(98)之延伸方向之方向上互相偏離中央。
  2. 如申請專利範圍第1項之節流機構，其中，於該複數個流動通道(102)間，藉由改變於兩個相鄰流動通道間之距離(L)，以改變該壓力流體的流量。
  3. 如申請專利範圍第2項之節流機構，其中，於該複數個流動通道(102)間，兩個相鄰流動通道間之該距離(L)係設定為該流動通道之直徑(D)之至少20倍。
  4. 如申請專利範圍第1項之節流機構，其中，該流體壓力裝置復包括： 隔膜室(80)，係透過噴嘴(86)與該導入室(78)連絡；以及擋葉(88)，係設置於該隔膜室(80)，並利用該擋葉(88)相對於該噴嘴(86)之分離和遮擋動作，控制經由噴嘴(86)由該導入室(78)導入該隔膜室(80)之該壓力流體之流動，其中，該流體壓力裝置包括減壓閥(10)，其中，由一個端口所供應之壓力流體係減壓至所期望之壓力，並導向至另一個端口。
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