WO2023228915A1 - 渦流型流量調節弁 - Google Patents

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WO2023228915A1
WO2023228915A1 PCT/JP2023/019009 JP2023019009W WO2023228915A1 WO 2023228915 A1 WO2023228915 A1 WO 2023228915A1 JP 2023019009 W JP2023019009 W JP 2023019009W WO 2023228915 A1 WO2023228915 A1 WO 2023228915A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
protrusion
vortex
flow path
vortex chamber
end wall
Prior art date
Application number
PCT/JP2023/019009
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
康太 隈元
Original Assignee
旭有機材株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 旭有機材株式会社 filed Critical 旭有機材株式会社
Publication of WO2023228915A1 publication Critical patent/WO2023228915A1/ja

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16K—VALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K13/00—Other constructional types of cut-off apparatus; Arrangements for cutting-off

Definitions

  • the present invention relates to a flow control valve used in fluid transport piping in various industrial fields such as chemical factories, semiconductor manufacturing fields, liquid crystal manufacturing fields, and food fields.
  • Needle valves are commonly used for flow rate adjustment in various industrial fields.
  • a tapered tip of a valve body called a needle is inserted into a valve seat having a through hole, and the peripheral surface of the tip of the needle is The flow rate of the fluid flowing through the gap between the needle and the valve seat is adjusted by moving them closer and further away to change the gap between the needle and the valve seat.
  • the gap between the needle and the valve seat is narrower than in other flow paths. In particular, near the lower limit of the flow rate range in which the needle valve is used, the gap between the needle and the valve seat becomes extremely narrow.
  • the gap between the needle and the valve seat is narrow, and especially near the lower limit of the flow rate range in which the needle valve is used, the gap between the needle and the valve seat is very narrow. For this reason, if the coaxiality of the needle and valve seat is poor, when adjusting the flow rate to a low flow rate, the needle and valve seat, which should not normally be in contact, will come into contact and slide, causing wear on the needle and valve seat. Sometimes. When such wear occurs, the relationship between the gap between the needle and the valve seat, that is, the opening degree of the needle valve, and the flow rate changes, making it difficult to adjust the flow rate accurately. Furthermore, particles generated due to wear are mixed into the fluid.
  • the spiral fluid element disclosed in Patent Document 2 includes a vortex chamber having an output port in the center, and an input nozzle that is connected to the outer periphery of the vortex chamber and controls the direction of fluid from the input port toward the output port. and a control nozzle that ejects a controlled flow that turns the fluid ejected from this input nozzle into a vortex in the vortex chamber near the outlet to the vortex chamber, and the control nozzle that ejects the fluid ejected from the control nozzle in the interference region.
  • the flow collides with the jet stream ejected from the input nozzle and is deflected, creating a vortex flow within the vortex chamber.
  • the output flow rate is controlled by creating a pressure difference between the interference region and the output port and increasing the flow resistance.
  • a flow rate control valve is required to adjust the flow rate of the control flow, and there remains a risk that particles may be mixed into the control flow.
  • an object of the present invention is to solve the problems existing in the prior art and provide a flow rate regulating valve in which contact between the valve body and the valve seat does not occur in the region in contact with the fluid to be controlled.
  • the present invention provides a vortex chamber defined by a cylindrical peripheral wall, a first end wall and a second end wall provided at both ends of the peripheral wall and facing each other, and an inlet flow path.
  • an inlet flow path extending along the center axis and opening to the peripheral side wall; and an outlet flow path extending along the center axis of the outlet flow path and opening to the first end wall;
  • the fluid flowing into the vortex chamber forms a vortex flow and flows out from the outlet flow path, the inlet flow path having a central axis that is aligned with the center of the first end wall and the center of the first end wall.
  • the swirl flow control valve is provided so as to pass through a position away from the center axis of the swirl chamber that connects the center of the second end wall, and the swirl flow control valve is located at one of the first end wall and the second end wall. further comprising: a protrusion that protrudes into the vortex chamber; and a drive unit that moves the protrusion toward and away from the other of the first end wall and the second end wall within the vortex chamber; Provided is a whirlpool type flow rate control valve that adjusts the flow rate of fluid flowing out from the outlet channel by movement of the outlet flow path.
  • a vortex chamber is defined by a cylindrical circumferential wall and a first end wall and a second end wall facing each other provided at both ends of the cylindrical circumferential wall, and an inlet opening in the circumferential wall.
  • the inlet flow path is provided such that the center axis of the inlet flow path passes through a position apart from the center axis of the vortex chamber connecting the center of the first end wall and the center of the second end wall of the vortex chamber, and An outlet flow path opens in the end wall of 1. Therefore, the fluid flowing in from the inlet channel becomes a swirling flow in the vortex chamber and flows in a spiral shape, and then flows out from the outlet channel.
  • a pressure loss occurs depending on the length of the swirling flow (that is, the length of the streamline of the swirling flow) from inflowing through the inlet flow path to outflowing from the outlet flow path.
  • the swirling flow collides with a protrusion provided on one of the first end wall and the second end wall so as to protrude into the vortex chamber, and a portion of the swirling flow that collides with the protrusion It takes a short cut and flows towards the outlet channel.
  • the gap between the top of the protruding portion and the other of the first end wall and the second end wall decreases, and the gap between the protruding portion and the second end wall decreases. Since the proportion of swirling flows that collide increases, the proportion of swirling streams that take a shortcut and flow toward the outlet flow path increases. On the other hand, when the protruding part separates from the other of the first end wall and the second end wall, the gap between the top of the protruding part and the other of the first end wall and the second end wall increases.
  • the proportion of the swirling flow that passes through the gap without colliding with the protrusion increases, the proportion of the swirling flow that takes a short cut and flows toward the outlet flow path decreases.
  • the pressure loss of the fluid that occurs while flowing from the inlet channel to the outlet channel in the vortex chamber is due to the streamline of the swirling flow (vortex flow) from the inlet channel to the outlet channel. proportional to length. Therefore, when the proportion of the swirling flow that collides with the protrusion and takes a short cut toward the outlet channel increases, the length of the streamline of the swirling flow from the inlet channel to the outlet channel decreases as a whole. The pressure loss is reduced and the flow rate leaving the outlet channel is increased.
  • the protrusion provided on one of the first end wall and the second end wall is brought close to the other of the first end wall and the second end wall using the driving section. By separating them, it becomes possible to adjust the flow rate of the fluid flowing out from the outlet channel.
  • the protrusion is provided at a position eccentric from the center axis of the swirl chamber.
  • the center of the vortex chamber becomes the center of the vortex flow. Therefore, by arranging the protrusion in this manner, the swirling flow (vortex) within the vortex chamber easily collides with the protrusion.
  • the protrusion is provided so that at least a portion thereof overlaps an extension of the inlet flow path into the vortex chamber. If the protrusion is arranged so as to overlap the extension of the inlet channel, the fluid flowing into the vortex chamber from the inlet channel reliably collides with the protrusion, making it easier to obtain the above-mentioned effects.
  • the first end wall and the second end wall have a circular or elliptical shape.
  • the cross section of the vortex chamber perpendicular to the center axis of the vortex chamber that is, the circumferential side wall of the vortex chamber, also has a circular or elliptical shape, the fluid flows along the circumferential side wall and a vortex flow is easily generated.
  • the outlet flow path may be provided such that the center axis of the outlet flow path extends through a position apart from the center axis of the inlet flow path.
  • the outlet flow path may be provided such that the outlet flow path axis extends on the center axis of the vortex chamber.
  • the outlet flow path may be provided such that the outlet flow path axis extends through a position offset from the center axis of the vortex chamber toward the center axis of the inlet flow path.
  • the protruding portion may be provided at a position offset from the central axis of the outlet flow path.
  • the protrusion may have a circular cross section or an elliptical cross section.
  • the drive unit may drive the protrusion to change the length of the protrusion into the vortex chamber.
  • the protrusion may be provided on the second end wall.
  • the first end wall may be made of a diaphragm
  • the protrusion may be attached to the diaphragm
  • the drive section may drive the protrusion via the diaphragm.
  • a vortex flow is generated in the vortex chamber, and the protrusion is moved relative to the other end wall opposite to one end wall provided with the protrusion, thereby changing the proportion of the swirling flow that collides with the protrusion.
  • the proportion of the swirling flow that collides with the protrusion and takes a short cut toward the outlet channel changes, and the length of the streamline of the swirling flow from the inlet channel to the outlet channel increases or decreases as a whole. do.
  • the protrusion provided on one of the first end wall and the second end wall is brought close to the other of the first end wall and the second end wall using the driving section.
  • FIG. 1 is a partially cutaway perspective view showing the overall configuration of a swirl flow control valve according to a first embodiment of the present invention, with a portion cut away so that the inside can be seen.
  • FIG. 2 is a plan view of the vortex flow control valve shown in FIG. 1, viewed from above in FIG. 1;
  • FIG. 2 is a side view of the vortex flow control valve shown in FIG. 1 when viewed from the side of FIG. 1;
  • FIG. 2 is an explanatory diagram schematically showing the flow in the vortex chamber of the vortex flow control valve shown in FIG. 1 when viewed from above in FIG. 1;
  • FIG. 2 is an explanatory diagram schematically showing the flow in the vortex chamber of the vortex flow control valve shown in FIG.
  • FIG. 2 is an explanatory diagram schematically showing a flow in a state where a protruding portion does not protrude into the vortex chamber of the vortex flow control valve shown in FIG. 1 .
  • FIG. 2 is an explanatory diagram schematically showing a flow in a state in which a protruding portion slightly protrudes into the vortex chamber of the vortex flow control valve shown in FIG. 1 .
  • FIG. 8 is an explanatory diagram schematically showing a flow in a state in which a protrusion protrudes further into the vortex chamber of the vortex flow control valve shown in FIG. 1 than in FIG. 7;
  • FIG. 8 is an explanatory diagram schematically showing a flow in a state in which a protrusion protrudes further into the vortex chamber of the vortex flow control valve shown in FIG. 1 than in FIG. 7;
  • FIG. 7 is a side view showing a swirl flow control valve according to a second embodiment of the present invention. It is an explanatory diagram for explaining the configuration and dimensions of the swirl flow control valve used in the experiment, and shows the swirl flow control valve from above with the upper end wall (second end wall) removed. ing.
  • FIG. 2 is an explanatory diagram for explaining the configuration and dimensions of the swirl flow control valve used in the experiment, and shows the swirl flow control valve viewed from the side.
  • FIG. 2 is a piping diagram showing the arrangement of a vortex flow rate control valve, measurement equipment, and adjustment equipment used in an experiment.
  • the protrusion was placed at an angular position of 90° and displaced by distances of 3.5 mm, 5.5 mm, and 7.5 mm from the center of the vortex chamber, respectively. It is a line graph plotting the relationship between the protrusion length and the flow rate Q (flow rate from the outlet flow path) when the protrusion length is arranged.
  • the protrusions were located at positions deviated from the center of the vortex chamber by distances of 3.5 mm, 5.5 mm, and 7.5 mm at an angular position of 180°. It is a line graph plotting the relationship between the protrusion length and the flow rate Q when the protrusion length is arranged.
  • FIG. 14 is an explanatory diagram for explaining the protrusion of the vortex flow control valve used in the numerical simulation using the vortex flow control valve shown in FIG. 13; It shows.
  • FIG. 14 is an explanatory diagram for explaining the protrusion of the vortex flow control valve used in the numerical simulation using the vortex flow control valve shown in FIG. 13; It shows.
  • FIG. 14 is an explanatory diagram for explaining the protrusion of the vortex flow control valve used in the numerical simulation using the vortex flow control valve shown in FIG. It shows.
  • a protrusion with a cross section of shape 1 is placed at an angular position of 90° and offset by a distance of 3.5 mm from the center of the vortex chamber.
  • FIG. 3 is a bar graph showing a comparison of the flow rate difference ⁇ Q when the length of the protrusion part is changed from 0.5 mm to 3.5 mm for each shape of the protrusion part under the conditions of .
  • a numerical simulation using the swirl type flow control valve shown in Fig. 13 under the condition that the protrusion is located at an angular position of 90° and a distance of 7.5 mm from the center of the swirl chamber, It is a bar graph showing a comparison of the flow rate difference ⁇ Q when the length of the protruding part is changed from 0.5 mm to 3.5 mm for each shape of the part.
  • FIG. 13 In a numerical simulation using the vortex flow control valve shown in FIG.
  • the protrusions with a cross section of shape 3 are located at angular positions of 90° at distances of 3.5 mm, 5.5 mm, and 7.5 mm from the center of the vortex chamber, respectively.
  • 3 is a line graph plotting the relationship between the protruding length and the flow rate Q when the protruding portion is disposed at a position deviated by .
  • the position of the inlet flow path relative to the center of the vortex chamber was changed under the condition that the protrusion having a cross section of shape 1 was placed at the center of the vortex chamber.
  • a protrusion having a cross section of shape 1 is placed at an angular position of 90° and offset by 7.5 mm from the center of the swirl chamber.
  • the flow rate difference ⁇ Q is compared when the length of the protruding portion is changed from 0.5 mm to 3.5 mm at each inlet flow path position. This is a bar graph shown.
  • a protrusion having a cross section of shape 1 is placed at an angular position of 90° and offset by 7.5 mm from the center of the swirl chamber.
  • the vortex flow rate control valve 11 includes a cylindrical circumferential wall 13 extending along the central axis, and a first end wall 15 and a second end wall 15 and second end walls provided at both ends of the circumferential wall 13 in the direction of the central axis. It includes an end wall 17, an inlet flow path 19, an outlet flow path 21, a protrusion 23, and a drive unit 25 that drives the protrusion 23.
  • the first end wall 15 and the second end wall 17 have the same shape and are provided so as to close the end of the circumferential side wall 13 in the central axis direction. 15 and the second end wall 17 constitutes a vortex chamber 27.
  • a center axis O of the vortex chamber which extends to connect the center of the first end wall 15 and the center of the second end wall 17 , coincides with the center axis of the circumferential wall 13 .
  • the center of the 1st end wall 15 and the center of the 2nd end wall 17 mean the gravity center position of the 1st end wall 15 and the 2nd end wall 17, respectively.
  • the first end wall 15 and the second end wall 17 are circular, and the circumferential wall 13 is cylindrical.
  • the shapes of the first end wall 15 and the second end wall 17 are not limited to circular shapes, but may be elliptical, triangular, or square if a vortex can be generated in the vortex chamber 27. It can be any shape, such as a polygonal shape.
  • the inlet flow path 19 extends along the inlet flow path center axis P1 perpendicular to the vortex chamber center axis O, and is open to the peripheral wall 13.
  • the inlet flow path center axis P1 extends through the center of the cross section of the inlet flow path 19.
  • the outlet flow path 21 extends from the vortex chamber 27 to the outside along an outlet flow path center axis P2 that is parallel to the vortex chamber center axis O, and is open to the first end wall 15 of the vortex chamber 27. .
  • the outlet flow path center axis P2 extends through the center of the cross section of the outlet flow path 21.
  • both the inlet channel 19 and the outlet channel 21 are constituted by circular tubes having a circular cross-sectional shape.
  • the cross sections of the inlet flow path 19 and the outlet flow path 21 are not limited to circular shapes, but may also be polygonal shapes such as elliptical shapes or square shapes.
  • the inlet flow path 19 is configured by a straight circular tube, but it may have another shape such as a nozzle shape as long as the fluid can flow into the vortex chamber 27. .
  • the inlet flow path 19 is provided so that the center axis P1 of the inlet flow path passes through an eccentric position away from the center axis O of the vortex chamber. Therefore, the fluid flowing in from the inlet channel 19 hits the circumferential wall 13 in the vortex chamber 27 and flows along the circumferential wall 13 to generate a swirling flow, which turns into a vortex and flows toward the outlet channel 21 from the outlet channel 21. leak.
  • the inlet flow path 19 is preferably provided so that the fluid flowing into the vortex chamber 27 from the inlet flow path 19 flows along the circumferential wall 13 in order to easily generate a swirling flow.
  • the outlet flow path 21 can be formed at any point in the first end wall 15. It can be provided at any location. That is, the outlet flow path 21 is located at a position where the outlet flow path center axis P2 is distant from the inlet flow path center axis P1 so that the fluid that has flowed into the vortex chamber 27 from the inlet flow path 19 does not directly flow out from the outlet flow path 21. It is sufficient if it is provided so as to extend through the.
  • the inlet flow path 19 extends in the tangential direction of the cylindrical circumferential wall 13 and is connected to the circumferential wall 13 such that the inlet flow path center axis P1 is parallel to the tangential line. flows from the inlet channel 19 into the vortex chamber 27 substantially tangentially to the circumferential wall 13 .
  • the outlet flow path 21 is opened to the first end wall 15, and the outlet flow path center axis P2 passes through the center of the first end wall 15, that is, the outlet flow path center axis P2 is aligned with the vortex chamber center axis. It is provided so as to extend above O. With this configuration, the fluid flowing in from the inlet channel 19 flows along the circumferential wall 13 in the vortex chamber 27 to generate a swirling flow, and gradually approaches the center while spirally moving toward the outlet channel 21. It's flowing.
  • the protruding part 23 is provided on the second end wall 17 so as to protrude into the vortex chamber 27 toward the first end wall 15, and is driven by the drive part 25 to move the center of the vortex chamber within the vortex chamber 27. It is movable along a movement axis extending parallel to the axis O. By moving the protrusion 23 within the vortex chamber 27 by the drive unit 25, the distance (i.e., the gap) between the top of the protrusion 23 extending from the second end wall 17 and the opposing first end wall 15 is reduced. ) can be changed.
  • a cylinder mechanism is used as the drive unit 25, which can change the length of the protrusion 23 into the vortex chamber 27.
  • the drive unit 25 is not limited to a cylinder mechanism, and moves the protrusion 23 within the vortex chamber 27 to connect the top of the protrusion 23 extending from the second end wall 17 and the first opposing part.
  • the distance that is, the gap
  • other appropriate mechanisms such as an electric actuator can be used.
  • the drive unit can employ various drive methods such as a manual type, an air drive type, and an electric type.
  • the protrusion 23 has a columnar shape, and the cross section of the protrusion 23 perpendicular to the movement axis can have any shape.
  • the cross section of the protrusion 23 can be, for example, circular, elliptical, polygonal such as square, triangular, or diamond-shaped, or plate-shaped.
  • the protrusion 23 has a cylindrical shape with a circular cross section.
  • the protruding portion 23 can also have a conical shape or a polygonal pyramid shape, and a step or a groove may be provided on the circumferential side of the columnar or conical shape.
  • the protrusion 23 is arranged so that at least a part of the protrusion 23 is connected to the inlet flow path into the vortex chamber 27 so that the swirling flow of the fluid flowing into the vortex chamber 27 from the inlet flow path 19 collides with the protrusion 23 more quickly. It is preferable that they be arranged so as to overlap on an extension of 19. However, since a vortex is generated in the vortex chamber 27 as described above, if the movement axis of the protrusion 23 is not provided so as to extend on the outlet flow path center axis P2, that is, the protrusion 23 is not connected to the outlet flow path 21. If they are not provided at opposing positions, they will collide with the vortex within the vortex chamber 27. Therefore, the position of the protrusion 23 is not particularly limited as long as it is offset from the position facing the outlet flow path 21.
  • the inlet flow path 19 is provided so that the inlet flow path center axis P1 passes through an eccentric position away from the vortex chamber center axis O. Therefore, when the protrusion 23 does not protrude into the vortex chamber 27, the fluid flowing in from the inlet channel 19 generates a swirl flow within the vortex chamber 27, as shown in FIG. It heads toward the outlet channel 21 while winding up, and flows out from the outlet channel 21. On the other hand, when the protrusion 23 protrudes into the vortex chamber 27, the fluid that can flow through the gap between the top of the protrusion 23 and the first end wall 15 is limited to the flow shown in FIGS. As shown by line 29, the swirl continues to maintain the vortex.
  • the fluid having the protrusion 23 on the streamline flows through the gap between the outer circumferential surface of the protrusion 23 and the circumferential side wall 13, as shown by the streamline 31 in FIGS. 4 and 5.
  • the flow curves greatly inward along the circumferential surface of the protruding portion 23, or flows along the inner circumferential surface of the protruding portion 23 as shown by streamlines 33 in FIGS. 4 and 5.
  • the flow curves inward significantly and flows through a short cut to the outlet flow path 21.
  • the fluid that flows into the vortex chamber 27 from the inlet flow path 19, turns into a vortex flow, heads toward the outlet flow path 21, and flows out from the outlet flow path 21 produces a pressure loss corresponding to the distance traveled.
  • the flow to the outlet flow path 21 is reduced.
  • the ratio of the fluid flowing through the short cut increases, the pressure loss of the fluid flowing from the inlet channel 19 to the outlet channel 21 decreases as a whole, and the flow rate of the fluid flowing out from the outlet channel 21 increases. That is, as shown in FIG. 8, the protrusion 23 is moved in a direction in which the top of the protrusion 23 approaches the first end wall 15, so that the top of the protrusion 23 and the first end wall 15 are separated.
  • the flow rate of fluid exiting the outlet channel 21 can be increased by reducing the gap between the protrusions 23 and the first end wall 15, while spacing the top of the projection 23 from the first end wall 15, as shown in FIG.
  • the flow rate of the fluid flowing out from the outlet channel 21 can be reduced.
  • the present inventor moved the protrusion 23 within the vortex chamber 27 so as to change the gap between the top of the protrusion 23 and the first end wall 15, thereby making it possible to contact the part that comes into contact with the target fluid. It has been found that the flow rate of the fluid flowing out from the outlet flow path 21 can be adjusted without providing a contact part, and it can function as a flow rate control valve.
  • the flow rate adjustment by the protrusion 23 is performed so that the fluid flowing from the inlet channel 19 becomes a vortex in the vortex chamber 27 and flows toward the outlet channel 21, and the protrusion 23 obstructs this vortex.
  • the rate at which the protrusion 23 obstructs the vortex flow could be changed by moving the protrusion 23 within the vortex chamber 27. Therefore, the shape of the vortex chamber 27 and the positions of the inlet channel 19 and the outlet channel 21 are not limited as long as a vortex can be generated in the vortex chamber 27, and as long as the protrusion 23 obstructs the vortex.
  • the position of the protrusion 23 is not limited.
  • the cross-sectional shape of the protrusion 23 is not limited either. That is, in the vortex flow control valve 11 according to the present invention, a wide range of combinations of configurations are possible.
  • the protrusion 23 may be moved within the vortex chamber 27 to change the distance between the top of the protrusion 23 and the first end wall 15.
  • the diaphragm 17' functions not only as the second end wall but also as a drive for driving the protrusion 23.
  • the diaphragm 17' only needs to be able to move the protruding part 23 while supporting the protruding part 23, so only a part of the second end wall 17 is used as the diaphragm 17', and the diaphragm 17' protrudes into the vortex chamber 27.
  • the portion 23 may be supported. Note that in FIG.
  • the configuration of the vortex flow control valve 11' of the second embodiment is the same as the vortex flow control valve 11' of the first embodiment, except that the protruding part 23 is moved within the vortex chamber 27 by a diaphragm 17' instead of the drive part 25.
  • the operation of the swirl flow control valve 11' of the second embodiment is also the same as that of the swirl flow control valve 11 of the first embodiment. The same applies to the point that the flow rate is adjusted by changing the distance (gap) between the projection 15 and the top of the protrusion 23. Therefore, detailed explanation of the configuration and operation will be omitted here.
  • the swirl chamber 27 has a cylindrical shape with a diameter of 20 mm and a height of 4 mm, and a diameter of 4 mm and a length of 15 mm.
  • a circular tube-shaped inlet flow path 19 is connected to the circumferential wall 13 so as to extend tangentially, and a circular tube-shaped outlet flow path 21 with a diameter of 4 mm and a length of 10 mm extends along the center axis O of the vortex chamber.
  • the road center axis P2 is connected to the first end wall 15 such that it passes through the center of the first end wall 15.
  • the protrusion 23 has a cylindrical shape with a diameter of 5 mm, and is deviated by 7 mm from the center of the vortex chamber 27 toward the inlet channel 19 in a direction perpendicular to the inlet channel center axis P1 of the inlet channel 19. It is placed in the specified position. Further, as shown in FIG.
  • the pressure difference between the upstream pressure PU and the downstream pressure PD of the swirl flow control valve 11 is adjusted by a pressure regulation valve 35 disposed upstream of the swirl flow control valve 11, while changing the length of the protrusion 23 of the swirl flow control valve 11, the flow rate is measured by a flow meter 37 disposed upstream of the swirl flow control valve 11 (specifically, downstream of the pressure control valve 35).
  • the upstream pressure PU and the downstream pressure PD were measured by an upstream pressure gauge 39 and a downstream pressure gauge 41 installed upstream and downstream of the swirl flow control valve 11, respectively.
  • FIG. 12 is a graph plotting the relationship between the length (mm) of the protrusion 23 and the flow rate Q (L/min) obtained through an experiment.
  • the symbol “ ⁇ ” indicates that the differential pressure between the upstream pressure PU and the downstream pressure PD is 0.05 MPa
  • the symbol “ ⁇ ” indicates that the differential pressure is 0.1 MPa
  • the symbol “ ⁇ ” indicates that the differential pressure is 0.05 MPa.
  • the relationship between the length (mm) of the protrusion 23 and the flow rate Q (L/min) in the case of 2 MPa is shown.
  • FIG. 12 under any differential pressure conditions, there is a correlation between the length of the protrusion 23 and the flow rate Q, and the longer the protrusion 23 is, the larger the flow rate Q is. Therefore, it was confirmed that by changing the length of the protrusion 23, the flow rate Q can be changed and the flow rate Q can be adjusted and controlled. It was also confirmed that the flow rate Q increased as the differential pressure increased.
  • the simulation is performed in such a manner that the vortex chamber 27 has a cylindrical shape with a diameter of 20 mm and a height of 4 mm, and the inlet channel center axis P1 is separated from the center of the vortex chamber 27 by 7.5 mm.
  • the inlet channel is shaped like a circular tube with a diameter of 4 mm so that the right end of the inlet channel 19 in the figure passes through the center of the vortex chamber 27 and is located 15 mm away from a line perpendicular to the center axis P1 of the inlet channel.
  • a circular tube-shaped outlet passage 21 with a diameter of 4 mm and a length of 10 mm extends along the swirl chamber center axis O, and the outlet passage center axis P 2 is connected to the center of the first end wall 15 . This is done under the condition that it is connected to the first end wall 15 so as to pass through.
  • the protrusion 23 is assumed to have a cylindrical shape with a diameter of 4 mm, and its central axis is located at various angular positions (0°, 45°, 90°, 135°, 180°, 270°) of the vortex chamber 27. They are provided at positions offset from the center by various distances (3.5 mm, 5.5 mm, 7.5 mm) toward the peripheral wall 13, and the length is from 0.5 mm to 3.5 mm.
  • the amount of change in the flow rate Q (hereinafter referred to as "flow rate difference ⁇ Q”) was determined by changing the flow rate within the range of . As shown in FIG.
  • the "angular position" of the protrusion 23 is parallel to the center axis P1 of the inlet flow path and toward the side closer to the inlet flow path 19 passing through the center of the vortex chamber 27.
  • the direction of the extending axis is 0°, and it is defined as the angle that the axis extending from the center of the vortex chamber 27 through the center of the protrusion 23 makes with respect to the 0° axis counterclockwise around the center of the vortex chamber 27. .
  • FIG. 14 shows the relationship between the angular position (°) of the protrusion 23 and the flow rate difference ⁇ Q (L/min) obtained when the length of the protrusion 23 was changed from 0.5 mm to 3.5 mm in the simulation.
  • This is a graph plotting.
  • the symbol " ⁇ " indicates that the center axis of the protrusion 23 is placed at a position offset by a distance of 3.5 mm from the center of the vortex chamber 27, and the symbol “ ⁇ ” indicates that the center axis of the protrusion 23 is located at a position eccentric from the center of the vortex chamber 27.
  • ⁇ indicates the case where the center axis of the protrusion 23 is placed at a position eccentric by a distance of 7.5 mm from the center of the vortex chamber 27.
  • the relationship between the angular position (°) of the protrusion 23 and the flow rate difference ⁇ Q (L/min) is shown.
  • the inlet channel 19 is connected to the circumferential wall 13 so as to extend generally tangentially to the circumferential wall 13, and the outlet channel 21 is connected to the first end wall 15 so as to extend from the center of the vortex chamber 27.
  • ⁇ Q can be caused.
  • 15 and 16 show the protrusions obtained when the protrusions 23 were provided at angular positions of 90° and 180° and the length of the protrusions 23 was varied from 0.5 mm to 3.5 mm in the simulation, respectively.
  • 23 is a line graph plotting the relationship between length (mm) and flow rate (L/min).
  • the symbol " ⁇ " indicates that the central axis of the protrusion 23 is located at an angular position of 90 degrees and is eccentric by 3.5 mm from the center of the vortex chamber 27, and the symbol " ⁇ " indicates the center of the protrusion 23.
  • the symbol “ ⁇ ” means that the central axis of the protrusion 23 is located at an angular position of 90° and located 7 mm from the center of the vortex chamber 27.
  • the relationship between the length (mm) of the protrusion 23 and the flow rate (L/min) when the protrusion 23 is placed at a position eccentric by .5 mm is shown.
  • FIG. 1 In addition, in FIG. 1
  • the symbol “ ⁇ ” indicates that the central axis of the protrusion 23 is located at an angular position of 180 degrees and is eccentric by 3.5 mm from the center of the vortex chamber 27, and the symbol “ ⁇ ” indicates that the protrusion 23 If the central axis of the protrusion 23 is at an angular position of 180° and the center axis of the protrusion 23 is located at a position offset by 5.5 mm from the center of the vortex chamber 27, the symbol “ ⁇ ” indicates that the central axis of the protrusion 23 is at an angular position of 180° and the center of the vortex chamber 27
  • the inlet channel 19 is connected to the circumferential wall 13 so as to extend generally tangentially to the circumferential wall 13
  • the outlet channel 21 is connected to the first end wall 15 so as to extend from the center of the vortex chamber 27. Under these conditions, it is possible to adjust and control the flow rate Q by changing the length of the protrusion 23, regardless of the position of the protrusion 23.
  • the cross-sectional shape 1 is a circular shape with a diameter of 4 mm, as shown in FIG. 17A
  • the cross-sectional shape 2 is a diamond shape with a diagonal length of 4 mm, as shown in FIG. 17B.
  • the cross-sectional shape 3 is a square shape with one side of 4 mm, as shown in FIG. 17C.
  • the protrusion 23 was arranged in the direction in which the vortex first hits the corner of the diamond shape, and in the case of cross-sectional shape 3, the protrusion 23 was arranged in the direction in which the vortex was received by the square surface.
  • FIG. 18 shows the results obtained when the protrusion 23 is provided so that the central axis is located at an angular position of 90° and offset by 3.5 mm from the center of the vortex chamber 27, and FIG. This is the result obtained when the protrusion 23 is provided so that the central axis is located at an angular position of 90° and offset by 7.5 mm from the center of the vortex chamber 27.
  • the inlet channel 19 is connected to the circumferential wall 13 so as to extend generally tangentially to the circumferential wall 13, and the outlet channel 21 is connected to the first end wall 15 so as to extend from the center of the vortex chamber 27. It can be seen that under the condition that the protrusion 23 is connected to the flow rate Q, the flow rate Q can be changed and the flow rate difference ⁇ Q can be generated by changing the length of the protrusion 23, regardless of the cross-sectional shape of the protrusion 23.
  • the flow rate difference ⁇ Q depending on the position of the protrusion 23 including the result when the protrusion 23, which is not shown here, is placed at an angular position of 90° and at a position offset by 5.5 mm from the center of the vortex chamber 27. From the comparison, the flow rate difference ⁇ Q is larger for shape 2 (diamond-shaped cross section) than shape 1 (circular cross section), and the flow rate difference ⁇ Q is even larger for shape 3 (square cross section) than shape 2. I found out that it is.
  • FIG. 20 shows a protrusion 23 obtained when a protrusion 23 having a cross section of shape 3 is provided at an angular position of 90° and the length of the protrusion 23 is varied from 0.5 mm to 3.5 mm in the simulation. It is a line graph plotting the relationship between the length (mm) and the flow rate Q (L/min).
  • the symbol " ⁇ " indicates that the center axis of the protrusion 23 is located at an angular position of 90 degrees and is eccentric by 3.5 mm from the center of the vortex chamber 27, and the symbol “ ⁇ " indicates the center of the protrusion 23.
  • the symbol “ ⁇ ” means that the central axis of the protrusion 23 is located at an angular position of 90° and located 7 mm from the center of the vortex chamber 27.
  • the relationship between the length (mm) of the protrusion 23 and the flow rate (L/min) when the protrusion 23 is placed at a position eccentric by .5 mm is shown.
  • the inlet channel 19 is connected to the circumferential wall 13 so as to extend generally tangentially to the circumferential wall 13, and the outlet channel 21 is connected to the first end wall 15 so as to extend from the center of the vortex chamber 27. Under these conditions, it is possible to adjust and control the flow rate Q by changing the length of the protrusion 23, regardless of the cross-sectional shape of the protrusion 23.
  • the position of the inlet channel 19 is determined by the center of the vortex chamber 27 and the inlet flow of the inlet channel 19 relative to the difference between the diameter of the cylindrical vortex chamber 27 and the diameter of the circular tube-shaped inlet channel 19 divided by 2. It was defined as the ratio (%) of the distance to the road center axis P1. This is because the inlet channel 19 can be provided close to the circumferential wall 13 only up to a position where the inlet channel center axis P1 is separated from the circumferential wall 13 by the radius of the inlet channel 19.
  • the cylindrical protrusion 23 with a diameter of 4 mm is provided at an angular position of 90°, and the outlet flow path 21 is connected to the first end wall 15 so as to extend from the center of the vortex chamber 27.
  • simulations were performed for cases where the position of the inlet flow path 19 with respect to the outlet flow path 21 was 0%, 25%, 50%, 75%, 94%, and 100%.
  • FIGS. 21 to 23 show various positions of the protrusion 23 when the position of the inlet channel 19 relative to the outlet channel 21 is changed to 0%, 25%, 50%, 75%, 94%, and 100%.
  • ⁇ Q flow rate differences
  • FIG. 21 shows the results obtained when the protrusion 23 is provided so that the central axis is located at the center of the vortex chamber 27, and
  • FIG. 23 shows the results obtained when the protrusion 23 is provided at a position eccentric by 5.5 mm from the center, and FIG. This is the result obtained when the protrusion 23 was provided so as to be placed at a position eccentric by .5 mm.
  • the white bar graphs represent that when the protrusion 23 is short, the flow rate is relatively large, and when the protrusion 23 is long, the flow rate is relatively small.
  • the black bar graph represents that when the protrusion 23 is short, the flow rate is relatively small, and when the protrusion 23 is long, the flow rate is relatively large.
  • the protrusion 23 is eccentric from the center of the vortex chamber 27. , regardless of the position of the inlet flow path 19, except when the inlet flow path center axis P1 of the inlet flow path 19 passes through the center of the vortex chamber 27 (that is, when the position of the inlet flow path 19 is 0%). First, it can be seen that by changing the length of the protrusion 23, the flow rate Q can be changed and a significant flow rate difference ⁇ Q can be produced.
  • the protruding part 23 when the protruding part 23 is provided at the center of the vortex chamber 27 (that is, the protruding part 23 is provided at an angular position of 90 degrees and a distance of 0 mm eccentric from the center of the vortex chamber 27). Regardless of the position of the protrusion 23, the longer the protrusion 23, the lower the flow rate. This means that under the condition that the outlet channel 21 is connected to the first end wall 15 so as to extend from the center of the vortex chamber 27, if the protrusion 23 is provided at the center of the vortex chamber 27, the protrusion 23 is disposed facing the outlet flow path 21, and the longer the protrusion 23 becomes, the more the flow path area for the fluid flowing into the outlet flow path 21 is reduced.
  • the protrusion 23 is extended from the center of the vortex chamber 27.
  • the inlet channel 19 is located at a position from 50% to 100%.
  • the position of the outlet channel 21 was defined by the angular position defined similarly to the angular position of the protrusion 23 and the distance X from the center of the vortex chamber 27, as shown in FIG.
  • the position of the outlet flow path 21 indicated by a two-dot chain line in FIG. 13 is expressed as a position at a distance X from an angular position of 0°.
  • the inlet flow path 19 was provided such that the inlet flow path center axis P1 was located at a distance of 8 mm from the center of the vortex chamber 27, and the cylindrical protrusion 23 with a diameter of 4 mm was located at an angular position of 90°.
  • the vortex chamber 27 was provided at a position offset from the center of the vortex chamber 27 by a distance of 7.5 mm.
  • FIGS. 24 and 25 show different angular positions of the outlet flow path 21 when the distance X of the outlet flow path 21 from the center of the vortex chamber 27 is changed to 0 mm, 0.25 mm, 0.5 mm, 1 mm, and 2 mm.
  • ⁇ Q flow rate differences
  • FIG. 24 shows the results obtained when the outlet flow path 21 is provided at an angular position of 90°
  • FIG. 25 shows the results obtained when the outlet flow path 21 is provided at an angular position of 180°. be.
  • the inlet flow path 19 is provided such that the inlet flow path center axis P1 is located at a distance of 8 mm from the center of the vortex chamber 27, and the cylindrical protrusion 23 with a diameter of 4 mm is provided.
  • the flow rate Q can be adjusted by changing the length of the protrusion 23 regardless of the position of the outlet flow path 21. It can be seen that it is possible to generate a flow rate difference ⁇ Q by changing ⁇ Q. That is, it is possible to adjust the flow rate Q by changing the length of the protrusion 23 without depending on the outlet channel 21.
  • FIG. 26 shows the results when the length of the protrusion 23 is changed from 0.5 mm to 3.5 mm when the outlet flow path 21 is provided eccentrically from the center of the vortex chamber 27 at an angular position of 90° in the simulation. It is a line graph plotting the relationship between the obtained length (mm) of the protrusion 23 and the flow rate Q (L/min).
  • the symbol “ ⁇ ” indicates that the outlet channel 21 is provided at the center of the vortex chamber 27, and the symbol “ ⁇ ” indicates that the outlet channel 21 is located at an angular position of 90° by 0.25 mm from the center of the vortex chamber 27.
  • the symbol " ⁇ " indicates the exit flow when the outlet flow path 21 is installed at an angular position of 90° and an eccentric position of 0.5 mm from the center of the vortex chamber 27. If the channel 21 is provided at an angular position of 90° and offset by 1 mm from the center of the swirl chamber 27, the symbol “*" indicates that the outlet channel 21 is provided at an angular position of 90° and offset by 2 mm from the center of the swirl chamber 27.
  • the relationship between the length (mm) of the protrusion 23 and the flow rate (L/min) when the protrusion 23 is provided at a certain position is shown.
  • the inlet flow path 19 is provided such that the center axis P1 of the inlet flow path is located at a distance of 8 mm from the center of the vortex chamber 27, and the cylindrical protrusion 23 with a diameter of 4 mm is located at an angular position of 90°.
  • the outlet flow path 21 is provided at an eccentric position of 7.5 mm from the center of the vortex chamber 27 and the outlet flow path 21 is provided at an angular position of 90°.
  • the present invention is not limited to the illustrated embodiments.
  • a cylindrical vortex chamber 27 is employed, but if a vortex can be generated within the vortex chamber 27, an elliptical or polygonal cylindrical vortex chamber may be employed. is also possible.
  • the flow rate Q can be changed by changing the gap between the top of the protrusion 23 and the end wall facing it, the protrusion 23 is located not at the second end wall 17 but at the first end. It may be provided on the wall 15.

Landscapes

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Abstract

渦流型流量調節弁（１１）は、筒形状の周側壁（１３）とその両端に設けられた第１の端壁（１５）及び第２の端壁（１７）とによって規定される渦室（２７）と、入口流路中心軸線（Ｐ１）に沿って延び且つ周側壁（１３）に開口する入口流路（１９）と、出口流路中心軸線（Ｐ２）に沿って延び且つ第１の端壁（１５）に開口する出口流路（２１）と、第１の端壁（１５）及び第２の端壁（１７）の一方から渦室（２７）内に突出する突出部（２３）と、渦室（２７）内で第１の端壁（１５）及び第２の端壁（１７）の他方に対して突出部（２３）を接近離反させる駆動部（２５）とを備える。入口流路（１９）は、入口流路中心軸線（Ｐ１）が渦室中心軸線（Ｏ）から離れた位置を通るように設けられており、突出部（２３）の移動により出口流路（２１）から流出する流体の流量が調節される。

Description

渦流型流量調節弁
　本発明は、化学工場、半導体製造分野、液晶製造分野、食品分野などの各種産業分野における流体輸送配管に使用される流量調節弁に関する。
　各種産業分野における流量の調節の用途では、ニードル弁を使用することが一般的である。例えば特許文献１に記載されているように、ニードル弁は、貫通孔を有する弁座にニードルと呼ばれる弁体のテーパ状の先端部を挿入し、弁座に対してニードルの先端部の周面を接近離反させてニードルと弁座との隙間を変化させることにより、ニードルと弁座との隙間を流通する流体の流量を調節する。流量の微調節を可能にするために、ニードル弁では、ニードルと弁座との隙間が他の流路と比較して狭くなっている。特に、ニードル弁の使用流量範囲の下限付近では、ニードルと弁座との隙間が非常に狭くなる。
特許第５１４４８８０号公報 実公昭５９－５２０９号公報
　上述したように、ニードル弁では、ニードルと弁座との隙間が狭く、特に、ニードル弁の使用流量範囲の下限付近ではニードルと弁座との隙間が非常に狭い。このため、ニードルと弁座との同軸性が悪いと、低流量に調節する際に、本来は接触しないはずのニードルと弁座とが接触して摺動し、ニードル及び弁座の摩耗が生じることがある。このような摩耗が生じると、ニードルと弁座との隙間すなわちニードル弁の開度と流量との関係が変化し、正確な流量への調節が困難になる。また、摩耗により生じたパーティクルが流体中に混入する。このような流体中へのパーティクルの混入は特に半導体製造分野では大きな問題となる。電動アクチュエータを用いてニードルを駆動して、フィードバック制御などにより頻繁に流量の調節を行う場合には、ニードルを常に往復動させることになるため、上述の問題が特に顕著となる。また、ニードル弁の開度と流量との関係が変化すると、フィードバック制御などにおける制御パラメータの再調整が必要になる。このような場合、実質的には寿命として交換されることが多く、維持コストの増加を招く。
　弁体と弁座との摺動が生じることを回避する方法としては、例えば特許文献２に開示されているように、旋回流を利用した渦巻型流体素子を利用する方法がある。特許文献２に開示の渦巻型流体素子は、中心部に出力口を有する渦室と、この渦室の外周部に連設し、かつ入力口からの流体を出力口に向け方向規制する入力ノズルと、この入力ノズルから噴出される流体を、その渦室への出口近傍において、渦室内で渦流とする制御流を噴出する制御ノズルとよりなっており、干渉領域において制御ノズルから噴出される制御流を入力ノズルから噴出される噴流に衝突させて偏向させ、渦室内に渦流を生じさせる。渦流を生じさせることにより、干渉領域と出力口との間に圧力差を生じさせて流量抵抗を大きくすることによって、出力流量を制御する。しかしながら、このような渦巻型流体素子では、弁体と弁座との接触は生じないが、流量の制御のためには、制御ノズルから噴出される制御流の流量調整が必要になる。したがって、制御流の流量調整において流量調節弁が必要となってしまい、結局、制御流中へのパーティクルの混入の恐れが残る。
　よって、本発明の目的は、従来技術に存する問題を解決して、制御対象となる流体に接する領域内で、弁体と弁座との接触が生じない流量調節弁を提供することにある。
　本発明は、上記目的に鑑み、筒形状の周側壁と該周側壁の両端に設けられ互いと対向する第１の端壁及び第２の端壁とによって規定される渦室と、入口流路中心軸線に沿って延び且つ前記周側壁に開口する入口流路と、出口流路中心軸線に沿って延び且つ前記第１の端壁に開口する出口流路とを備え、前記入口流路から流入する流体が前記渦室内で渦流をなして前記出口流路から流出する渦流型流量調節弁であって、前記入口流路は、前記入口流路中心軸線が前記第１の端壁の中心と前記第２の端壁の中心とを結ぶ渦室中心軸線から離れた位置を通るように設けられており、前記渦流型流量調節弁は、前記第１の端壁及び前記第２の端壁の一方から前記渦室内に突出する突出部と、前記渦室内で前記第１の端壁及び前記第２の端壁の他方に対して前記突出部を接近離反させる駆動部とをさらに備え、前記突出部の移動により前記出口流路から流出する流体の流量を調節するようにした渦流型流量調節弁を提供する。
　上記渦流型流量調節弁では、筒形状の周側壁とその両端に設けられた互いに対向する第１の端壁及び第２の端壁とによって渦室が規定されており、周側壁に開口する入口流路の入口流路中心軸線が渦室の第１の端壁の中心と第２の端壁の中心とを結ぶ渦室中心軸線から離れた位置を通るように入口流路が設けられ、第１の端壁に出口流路が開口している。したがって、入口流路から流入する流体は、渦室内で旋回流となって渦状に流れた後に、出口流路から流出する。この結果、入口流路から流入して出口流路から流出するまでの旋回流の長さ（すなわち渦流の流線の長さ）に応じて圧力損失が生じる。また、旋回流（渦流）は、渦室内に突出するように第１の端壁及び第２の端壁の一方に設けられた突出部に衝突し、突出部に衝突した旋回流の一部が出口流路へ向かってショートカットして流れる。第１の端壁及び第２の端壁の他方に対して突出部が接近すると、突出部の頂部と第１の端壁及び第２の端壁の他方との隙間が減少して突出部と衝突する旋回流の割合が増えるので、出口流路へ向かってショートカットして流れる旋回流の割合が増加する。反対に、第１の端壁及び第２の端壁の他方に対して突出部が離反すると、突出部の頂部と第１の端壁及び第２の端壁の他方との隙間が増加して突出部と衝突せずに隙間を通過する旋回流の割合が増えるので、出口流路へ向かってショートカットして流れる旋回流の割合が減少する。上述したように、渦室内で入口流路から出口流路まで流れる間に生じる流体の圧力損失は、入口流路から流入して出口流路へ流出するまでの旋回流（渦流）の流線の長さに比例する。したがって、突出部に衝突して出口流路へ向かってショートカットして流れる旋回流の割合が増加すると、入口流路から出口流路への旋回流の流線の長さが全体として減少して、圧力損失が減少し、出口流路から流出する流量が増加する。一方、突出部に衝突して出口流路へ向かってショートカットして流れる旋回流の割合が減少すると、入口流路から出口流路への旋回流の流線の長さが全体として増加して、圧力損失が増加し、出口流路から流出する流量が減少する。このような特性を利用して、駆動部を用いて、第１の端壁及び第２の端壁の一方に設けられた突出部を第１の端壁及び第２の端壁の他方に接近離反させることにより、出口流路から流出する流体の流量を調節することが可能となる。
　上記渦流型流量調節弁では、前記突出部が前記渦室中心軸線から偏心した位置に設けられていることが好ましい。渦室内では、渦室の中心が渦流の中心となる。したがって、このように突出部を配置することによって、渦室内の旋回流（渦流）が突出部に衝突しやすくなる。
　前記突出部は、少なくとも一部が前記渦室内への前記入口流路の延長上に重なるように、設けられていることがさらに好ましい。入口流路の延長上に重なるように突出部が配置されていれば、入口流路から渦室内に流入する流体が確実に突出部に衝突するので、上述した効果を得やすくなる。
　また、前記第１の端壁及び前記第２の端壁が円形状又は楕円形状であることが好ましい。この場合、渦室中心軸線に垂直な渦室の断面すなわち渦室の周側壁も同様に円形状又は楕円形状になるので、流体が周側壁に沿って流れて渦流が円滑に生じやすくなる。
　一つの実施形態として、前記出口流路は、前記出口流路中心軸線が前記入口流路中心軸線から離れた位置を通って延びるように設けられているようにしてもよい。
　他の実施形態として、前記出口流路は、前記出口流路軸線が前記渦室中心軸線上に延びるように設けられているようにしてもよい。
　前記出口流路は、前記出口流路軸線が前記渦室中心軸線から前記入口流路中心軸線へ向かって偏位した位置を通って延びるように設けられているようにしてもよい。
　前記突出部が前記出口流路中心軸線から偏位した位置に設けられているようにしてもよい。
　前記突出部は、円形断面又は楕円形断面を有しているようにしてもよい。
　前記駆動部は、前記突出部を駆動して前記渦室内への前記突出部の突出長さを変化させるようにしてもよい。
　また、前記突出部が前記第２の端壁に設けられていてもよい。この場合、前記第１の端壁がダイヤフラムからなり、前記突出部が前記ダイヤフラムに取り付けられ、前記駆動部が前記ダイヤフラムを介して前記突出部を駆動するようにすることができる。
　本発明によれば、渦室内に渦流を生じさせ、突出部を設けた一方の端壁と対向する他方の端壁に対して突出部を移動させて突出部と衝突する旋回流の割合を変化させることによって、突出部に衝突して出口流路へ向かってショートカットして流れる旋回流の割合が変化して、入口流路から出口流路への旋回流の流線の長さが全体として増減する。このような特性を利用して、駆動部を用いて、第１の端壁及び第２の端壁の一方に設けられた突出部を第１の端壁及び第２の端壁の他方に接近離反させることにより、出口流路から流出する流体の流量を調節することが可能となり、制御対象流体と接する領域内に弁体及び弁座を設ける必要がなくなり、弁体と弁座との接触部をなくすことが可能となる。したがって、弁体及び弁座の摩耗による流量制御のためのパラメータの再設定が必要となることがなく、流体へのパーティクルの混入も抑制することができる。
内部が見えるように一部を破断して、本発明の第１の実施形態による渦流型流量調節弁の全体構成を示す部分破断斜視図である。 図１に示されている渦流型流量調節弁を図１の上方から見た平面図である。 図１に示されている渦流型流量調節弁を図１の側方から見た側面図である。 図１に示されている渦流型流量調節弁の渦室内における流れを図１の上方から見て模式的に示した説明図である。 図１に示されている渦流型流量調節弁の渦室内における流れを図１の側方から見て模式的に示した説明図である。 図１に示されている渦流型流量調節弁の渦室内に突出部が突出していない状態における流れを模式的に示した説明図である。 図１に示されている渦流型流量調節弁の渦室内に突出部が少し突出した状態における流れを模式的に示した説明図である。 図１に示されている渦流型流量調節弁の渦室内に突出部が図７よりもさらに突出した状態における流れを模式的に示した説明図である。 本発明の第２の実施形態による渦流型流量調節弁を示した側面図である。 実験において使用した渦流型流量調節弁の構成及び寸法を説明するための説明図であり、上側の端壁（第２の端壁）を除去した渦流型流量調節弁を上方から見た状態を示している。 実験において使用した渦流型流量調節弁の構成及び寸法を説明するための説明図であり、渦流型流量調節弁を側方から見た状態を示している。 実験で使用した渦流型流量調節弁、測定機器及び調節機器の配置を示した配管図である。 図１０Ａ及び図１０Ｂに示されている渦流型流量調節弁を用いた実験によって得られた、上流圧力と下流圧力との差圧を変えたときの突出部長さと流量との関係の測定結果をプロットしたグラフである。 数値シミュレーションにおける渦流型流量調節弁の突出部及び出口流路の位置の定義を説明するための説明図であり、上側の端壁（第２の端壁）を除去した渦流型流量調節弁を上方から見た状態を示している。 図１３に示されている渦流型流量調節弁を用いた数値シミュレーションにより得られた、突出部の位置と突出部の長さを０．５ｍｍから３．５ｍｍまで変化させたときの流量差ΔＱ（出口流路からの流量の変化量）との関係をプロットしたグラフである。 図１３に示されている渦流型流量調節弁を用いた数値シミュレーションにおいて、突出部が角度位置９０°に渦室中心からそれぞれ距離３．５ｍｍ、５．５ｍｍ及び７．５ｍｍだけ偏位した位置に配置されている場合における突出部長さと流量Ｑ（出口流路からの流量）との関係をプロットした折れ線グラフである。 図１３に示されている渦流型流量調節弁を用いた数値シミュレーションにおいて、突出部がそれぞれ距離３．５ｍｍ、５．５ｍｍ及び７．５ｍｍだけ角度位置１８０°に渦室中心から偏位した位置に配置されている場合における突出部長さと流量Ｑとの関係をプロットした折れ線グラフである。 図１３に示されている渦流型流量調節弁を用いた数値シミュレーションにおいて使用した渦流型流量調節弁の突出部を説明するための説明図であり、円形断面形状（形状１）を有する突出部を示している。 図１３に示されている渦流型流量調節弁を用いた数値シミュレーションにおいて使用した渦流型流量調節弁の突出部を説明するための説明図であり、ひし形断面形状（形状２）を有する突出部を示している。 図１３に示されている渦流型流量調節弁を用いた数値シミュレーションにおいて使用した渦流型流量調節弁の突出部を説明するための説明図であり、正方形断面形状（形状３）を有する突出部を示している。 図１３に示されている渦流型流量調節弁を用いた数値シミュレーションにおいて、形状１の断面を有した突出部が角度位置９０°に渦室中心から距離３．５ｍｍだけ偏位した位置に配置されている条件下で、突出部の各形状について突出部長さを０．５ｍｍから３．５ｍｍまで変化させたときの流量差ΔＱを比較して示した棒グラフである。 図１３に示されている渦流型流量調節弁を用いた数値シミュレーションにおいて、突出部が角度位置９０°に渦室中心から距離７．５ｍｍだけ偏位した位置に配置されている条件下で、突出部の各形状について突出部長さを０．５ｍｍから３．５ｍｍまで変化させたときの流量差ΔＱを比較して示した棒グラフである。 図１３に示されている渦流型流量調節弁を用いた数値シミュレーションにおいて、形状３の断面を有した突出部が角度位置９０°に渦室中心からそれぞれ３．５ｍｍ、５．５ｍｍ及び７．５ｍｍだけ偏位した位置に配置されている場合における突出部長さと流量Ｑとの関係をプロットした折れ線グラフである。 図１３に示されている渦流型流量調節弁を用いた数値シミュレーションにおいて、形状１の断面を有する突出部が渦室中心に配置されている条件下で渦室中心に対する入口流路の位置を変化させた場合に、各入口流路の位置において突出部の長さを０．５ｍｍから３．５ｍｍまで変化させたときの流量差ΔＱを比較して示した棒グラフである。 図１３に示されている渦流型流量調節弁を用いた数値シミュレーションにおいて、形状１の断面を有する突出部が角度位置９０°に渦室中心から５．５ｍｍだけ偏位した位置に配置されている条件下で渦室中心に対する入口流路の位置を変化させた場合に、各入口流路の位置において突出部長さを０．５ｍｍから３．５ｍｍまで変化させたときの流量差ΔＱを比較して示した棒グラフである。 図１３に示されている渦流型流量調節弁を用いた数値シミュレーションにおいて、形状１の断面を有する突出部が角度位置９０°に渦室中心から７．５ｍｍだけ偏位した位置に配置されている条件下で渦室中心に対する入口流路の位置を変化させた場合に、各入口流路の位置において突出部長さを０．５ｍｍから３．５ｍｍまで変化させたときの流量差ΔＱを比較して示した棒グラフである。 図１３に示されている渦流型流量調節弁を用いた数値シミュレーションにおいて、形状１の断面を有する突出部が角度位置９０°に渦室中心から７．５ｍｍだけ偏位した位置に配置されている条件下で角度位置９０°に渦室中心に対する出口流路の位置（距離）を変化させた場合に、各出口流路の位置において突出部長さを０．５ｍｍから３．５ｍｍまで変化させたときの流量差ΔＱを比較して示した棒グラフである。 図１３に示されている渦流型流量調節弁を用いた数値シミュレーションにおいて、形状１の断面を有する突出部が角度位置９０°に渦室中心から７．５ｍｍだけ偏位した位置に配置されている条件下で角度位置１８０°に渦室中心に対する出口流路の位置（距離）を変化させた場合に、各出口流路の位置において突出部長さを０．５ｍｍから３．５ｍｍまで変化させたときの流量差ΔＱを比較して示した棒グラフである。 図１３に示されている渦流型流量調節弁を用いた数値シミュレーションにおいて、形状１の断面を有する突出部が角度位置９０°に渦室中心から７．５ｍｍだけ偏位した位置に配置されている条件下で角度位置９０°に渦室中心に対する出口流路の位置（距離）をそれぞれ０ｍｍ、０．２５ｍｍ、０．５ｍｍ、１ｍｍ及び２ｍｍに変化させた場合における突出部長さと流量Ｑとの関係をプロットした折れ線グラフである。
　以下、図面を参照して、本発明による渦流型流量調節弁の実施の形態を説明する。
　最初に、図１から図３を参照して、第１の実施形態の渦流型流量調節弁１１の全体構成を説明する。
　渦流型流量調節弁１１は、中心軸線に沿って延びる筒形状の周側壁１３と、周側壁１３の中心軸線方向の両端に互いに対向するように設けられた第１の端壁１５及び第２の端壁１７と、入口流路１９と、出口流路２１と、突出部２３と、突出部２３を駆動する駆動部２５とを備える。第１の端壁１５と第２の端壁１７とは同じ形状を有し、周側壁１３の中心軸線方向の端部を閉塞するように設けられており、周側壁１３と第１の端壁１５と第２の端壁１７とによって取り囲まれた空間が渦室２７を構成している。第１の端壁１５の中心と第２の端壁１７の中心とを結ぶように延びる渦室中心軸線Ｏは、周側壁１３の中心軸線と一致している。なお、本明細書において、第１の端壁１５の中心及び第２の端壁１７の中心とはそれぞれ第１の端壁１５及び第２の端壁１７の重心位置を意味する。図示されている実施形態では、第１の端壁１５及び第２の端壁１７は円形状であり、周側壁１３は円筒形状となっている。しかしながら、第１の端壁１５及び第２の端壁１７の形状は円形状に限定されるものではなく、渦室２７内に渦流を生じさせることができれば、楕円形状、三角形状や四角形状のような多角形状など任意の形状とすることができる。
　入口流路１９は、渦室中心軸線Ｏと垂直な入口流路中心軸線Ｐ１に沿って延び、周側壁１３に開口している。入口流路中心軸線Ｐ１は入口流路１９の断面の中心を通るように延びている。また、出口流路２１は、渦室２７から外部へ渦室中心軸線Ｏと平行な出口流路中心軸線Ｐ２に沿って延びており、渦室２７の第１の端壁１５に開口している。出口流路中心軸線Ｐ２は出口流路２１の断面の中心を通るように延びている。図示されている実施形態では、入口流路１９及び出口流路２１は共に円形断面形状を有する円管によって構成されている。しかしながら、入口流路１９及び出口流路２１の断面は、円形状に限定されるものではなく、楕円形状や四角形状のような多角形状とすることも可能である。また、図示されている実施形態では、入口流路１９は、ストレート形状の円管によって構成されているが、渦室２７内に流体を流入させることができれば、ノズル形状など他の形状としてもよい。
　入口流路１９は、入口流路中心軸線Ｐ１が渦室中心軸線Ｏから離れた偏心位置を通るように設けられている。したがって、入口流路１９から流入した流体は、渦室２７内で周側壁１３に当たって周側壁１３に沿って流れて旋回流を生じ、渦流となって出口流路２１へと向かい出口流路２１から流出する。入口流路１９は、旋回流を生じやすくするために、入口流路１９から渦室２７内に流入する流体が周側壁１３に沿って流れるように設けられることが好ましい。一方、出口流路２１は、入口流路１９から渦室２７内に流入した流体が渦流を生じた後に出口流路２１から流出するようになっていれば、第１の端壁１５の任意の位置に設けることができる。すなわち、出口流路２１は、入口流路１９から渦室２７内に流入した流体がそのまま出口流路２１から流出しないように、出口流路中心軸線Ｐ２が入口流路中心軸線Ｐ１から離れた位置を通って延びるように設けられていればよい。
　図示されている実施形態では、入口流路１９は、円筒形状の周側壁１３の接線方向に延びて入口流路中心軸線Ｐ１が接線と平行となるように周側壁１３に接続されており、流体が入口流路１９から渦室２７内に周側壁１３に対して実質的に接線方向に流入するようになっている。また、出口流路２１は、第１の端壁１５に開口し、出口流路中心軸線Ｐ２が第１の端壁１５の中心を通るように、すなわち出口流路中心軸線Ｐ２が渦室中心軸線Ｏ上に延びるように、設けられている。このような構成により、入口流路１９から流入した流体が渦室２７内で周側壁１３に沿って流れて旋回流を生じ、徐々に中心部へ近づきながら渦状に出口流路２１へと向かって流れるようになっている。
　突出部２３は、第１の端壁１５に向かって渦室２７内に突出するように第２の端壁１７に設けられており、駆動部２５によって駆動されて渦室２７内で渦室中心軸線Ｏと平行に延びる移動軸線に沿って移動可能になっている。駆動部２５によって突出部２３を渦室２７内で移動させることによって、第２の端壁１７から延びる突出部２３の頂部とこれと対向する第１の端壁１５との間の距離（すなわち隙間）を変えることができる。図示されている実施形態では、駆動部２５として、渦室２７内への突出部２３の突出長さを変化させることができるシリンダ機構が用いられている。しかしながら、駆動部２５は、シリンダ機構に限定されるものではなく、渦室２７内で突出部２３を移動させて第２の端壁１７から延びる突出部２３の頂部とこれと対向する第１の端壁１５との間の距離（すなわち隙間）を変えることができれば、例えば電動アクチュエータなど他の適宜の機構を使用することができる。また、駆動部は、手動式、エア駆動式、電動式など様々な駆動方式を採用することができる。
　突出部２３は柱形状であり、移動軸線に垂直な突出部２３の断面は任意の形状とすることができる。突出部２３の断面は、例えば円形状、楕円形状や、四角形状、三角形状、ひし形形状などの多角形状や、板状とすることができる。図示されている実施形態では、突出部２３は円形断面を有した円柱形状となっている。また、突出部２３は、円錐形状、多角錘形状にすることも可能であり、柱形状や錘形状の周側面に段差や溝が設けられていてもよい。
　突出部２３は、入口流路１９から渦室２７内に流入した流体の旋回流がより早く突出部２３に衝突するように、少なくとも突出部２３の一部が渦室２７内への入口流路１９の延長上に重なるように配置されることが好ましい。しかしながら、渦室２７内では上述したように渦流が生じるので、突出部２３の移動軸線が出口流路中心軸線Ｐ２上に延びるように設けられていなければ、すなわち突出部２３が出口流路２１と対向した位置に設けられていなければ、渦室２７内において渦流と衝突する。したがって、出口流路２１と対向する位置から偏位させた位置であれば特に突出部２３の位置は限定されるものではない。
　次に、図４から図８を参照して、本発明の渦流型流量調節弁１１における作用を説明する。
　上述したように、入口流路１９は、入口流路中心軸線Ｐ１が渦室中心軸線Ｏから離れた偏心位置を通るように設けられている。したがって、突出部２３が渦室２７内に突出していない場合には、図６に示されているように、入口流路１９から流入した流体は、渦室２７内で旋回流を生じて、渦を巻きながら出口流路２１へと向かい、出口流路２１から流出する。一方、突出部２３が渦室２７内に突出している場合には、突出部２３の頂部と第１の端壁１５との隙間を通って流れることができる流体は、図４や図５の流線２９に示されているように、そのまま旋回を続けて渦流を維持する。また、流線上に突出部２３がある流体は、図４や図５の流線３１に示されているように、突出部２３の外周面と周側壁１３との隙間を通って流れた後に突出部２３の周面に沿って内側に大きく曲がって流れたり、図４及び図５の流線３３に示されているように、突出部２３の内側の外周面に沿って流れて突出部２３を回避した後に内側に大きく曲がって流れ、出口流路２１へショートカットして流れる。入口流路１９から渦室２７内に流入して渦流となって出口流路２１へ向かい出口流路２１から流出する流体は、流れた距離に応じた圧力損失を生じる。したがって、上述したように突出部２３により流体がショートカットして流れるようになると、渦室２７内で入口流路１９から出口流路２１までの流線の長さが短くなって圧力損失が減少する。その結果、流量が増加するようになる。
　突出部２３の頂部を第１の端壁１５に接近させる方向に突出部２３を移動させて、突出部２３の頂部と第１の端壁１５との隙間を減少させると、出口流路２１へショートカットして流れる流体の比率が増加して、全体として入口流路１９から出口流路２１まで流れる流体の圧力損失が減少し、出口流路２１から流出する流体の流量が増加する。すなわち、図８に示されているように、突出部２３の頂部を第１の端壁１５に接近させる方向に突出部２３を移動させて、突出部２３の頂部と第１の端壁１５との隙間を減少させることによって、出口流路２１から流出する流体の流量を増加させることができる一方、図７に示されているように、突出部２３の頂部を第１の端壁１５から離間させる方向に突出部２３を移動させて、突出部２３の頂部と第１の端壁１５との隙間を増加させることによって、出口流路２１から流出する流体の流量を減少させることができる。本発明者は、このように、突出部２３の頂部と第１の端壁１５との隙間を変化させるように渦室２７内で突出部２３を移動させることによって、対象流体と接する部位に当接部を設けることなく、出口流路２１から流出する流体の流量を調節し、流量調節弁として機能させ得ることを見出した。
　突出部２３による流量調節は、上述したように、入口流路１９から流入する流体が渦室２７内で渦流となって出口流路２１へ向かって流れ、突出部２３がこの渦流を阻害するよう配置され、渦室２７内で突出部２３を移動させることによって突出部２３が渦流を阻害する割合を変化させることができれば、可能となる。したがって、渦室２７内に渦流を生じさせることができる限り、渦室２７の形状、入口流路１９と出口流路２１の位置は限定されるものではなく、突出部２３が渦流を阻害する限り、突出部２３の位置は限定されるものではない。また、突出部２３の断面形状も限定されるものではない。すなわち、本発明による渦流型流量調節弁１１では、幅広い構成の組み合わせが可能である。
　例えば、図９に示されている第２の実施形態の渦流型流量調節弁１１’のように、第２の端壁をダイヤフラム１７’によって構成して、突出部２３をダイヤフラム１７’によって渦室２７内に支持し、ダイヤフラム１７’を駆動することによって、渦室２７内で突出部２３を移動させ、突出部２３の頂部と第１の端壁１５との距離を変化させるようにしてもよい。この場合、ダイヤフラム１７’が、第２の端壁としてだけでなく、突出部２３を駆動する駆動部としても機能する。ダイヤフラム１７’は、突出部２３を支持しつつ突出部２３を移動させることができればよいので、第２の端壁１７の一部のみをダイヤフラム１７’とし、ダイヤフラム１７’によって渦室２７内に突出部２３を支持するようにしてもよい。なお、図９において、図１に示されている第１の実施形態と共通する構成要素には、同じ参照符号が付されている。第２の実施形態の渦流型流量調節弁１１’の構成は、駆動部２５に代えてダイヤフラム１７’によって突出部２３が渦室２７内で移動することを除いて、第１の実施形態の渦流型流量調節弁１１と同様であり、第２の実施形態の渦流型流量調節弁１１’の作用も第１の実施形態の渦流型流量調節弁１１の作用と同様であり、第１の端壁１５と突出部２３の頂部との距離（隙間）を変化させることで流量の調節が行われる点でも同様である。したがって、ここでは、構成及び作用の詳細な説明は省略する。
　以下に、図１に示されている第１の実施形態の渦流型流量調節弁１１と同様の構成の渦流型流量調節弁における実験又は数値シミュレーションにより得た、突出部２３の長さ、突出部２３の位置、突出部２３の形状、入口流路１９の位置、出口流路２１の位置などと、流体の流量又は流量変化量との関係を説明する。以下の説明では、説明を分かりやすくするために、実験又は数値シミュレーションで使用される渦流型流量調節弁の各構成について、渦流型流量調節弁１１と同じ参照符号を付する。
　最初に、実際に作製した渦流型流量調節弁１１を用いた実験によって得られた突出部２３の長さと流体の流量Ｑとの関係を説明する。図１０Ａ及び図１０Ｂに示されているように、実験に使用された渦流型流量調節弁１１では、渦室２７が直径２０ｍｍ、高さ４ｍｍの円筒形状を有し、直径４ｍｍ、長さ１５ｍｍの円管形状の入口流路１９が接線方向に延びるように周側壁１３に接続され、直径４ｍｍ、長さ１０ｍｍの円管形状の出口流路２１が渦室中心軸線Ｏに沿って延び且つ出口流路中心軸線Ｐ２が第１の端壁１５の中心を通るように第１の端壁１５に接続されている。また、突出部２３は、直径５ｍｍの円柱形状を有し、入口流路１９の入口流路中心軸線Ｐ１と垂直な方向に渦室２７の中心から入口流路１９へ向かって７ｍｍ分だけ偏位させた位置に配置されている。また、図１１に示されているように、渦流型流量調節弁１１の上流に配置された圧力調整弁３５により渦流型流量調節弁１１の上流圧力ＰＵ及び下流圧力ＰＤの差圧を調整し、渦流型流量調節弁１１の突出部２３の長さを変えながら、渦流型流量調節弁１１の上流（詳細には、圧力調整弁３５の下流）に配置された流量計３７によって流量を測定すると共に、渦流型流量調節弁１１の上流及び下流にそれぞれ設置された上流圧力計３９及び下流圧力計４１によって上流圧力ＰＵ及び下流圧力ＰＤを測定した。
　図１２は、実験により得られた突出部２３の長さ（ｍｍ）と流量Ｑ（Ｌ／分）との関係をプロットしたグラフである。図１２において、記号「●」は上流圧力ＰＵと下流圧力ＰＤの差圧が０．０５ＭＰａの場合、記号「▲」は差圧が０．１ＭＰａの場合、記号「■」は差圧が０．２ＭＰａの場合の、突出部２３の長さ（ｍｍ）と流量Ｑ（Ｌ／分）との関係を示す。図１２から分かるように、いずれの差圧条件でも、突出部２３の長さと流量Ｑとの間に相関関係が成立しており、突出部２３が長くなるほど流量Ｑが大きくなっている。したがって、突出部２３の長さを変えることによって流量Ｑを変化させ、流量Ｑを調節、制御することが可能であることが確認された。また、差圧が大きくなるほど、流量Ｑが大きくなることが確認された。
　次に、数値シミュレーション（以下、単にシミュレーションと記載する。）による解析結果を説明する。以下の説明では、シミュレーションは、特に記載が無い限り、渦室２７が直径２０ｍｍ、高さ４ｍｍの円筒形状を有し、入口流路中心軸線Ｐ１が渦室２７の中心から７．５ｍｍだけ離れた位置を通り且つ入口流路１９の図中の右端が渦室２７の中心を通り入口流路中心軸線Ｐ１と垂直な線から１５ｍｍだけ離れて位置するように直径４ｍｍの円管形状の入口流路１９が周側壁１３に接続され、直径４ｍｍ、長さ１０ｍｍの円管形状の出口流路２１が渦室中心軸線Ｏに沿って延び且つ出口流路中心軸線Ｐ２が第１の端壁１５の中心を通るように第１の端壁１５に接続されている条件下で行われている。
　まず、渦室２７における突出部２３の位置の影響をシミュレーションにより確認した。ここでは、突出部２３は、直径４ｍｍの円柱形状を有するものとし、その中心軸線が様々な角度位置（０°，４５°，９０°，１３５°，１８０°，２７０°）において渦室２７の中心から周側壁１３へ向かって様々な距離（３．５ｍｍ、５．５ｍｍ、７．５ｍｍ）だけ偏位させた位置に配置されるように設けられ、その長さを０．５ｍｍから３．５ｍｍの範囲で変化させて流量Ｑの変化量（以下、「流量差ΔＱ」と記載する。）を求めた。なお、突出部２３の「角度位置」は、図１３に示されているように、入口流路中心軸線Ｐ１と平行で且つ渦室２７の中心を通って入口流路１９に近い側へ向って延びる軸の方向を０°とし、渦室２７の中心から突出部２３の中心を通るように延びる軸線が渦室２７の中心周りに反時計回りに０°の軸に対してなす角度として定義した。
　図１４は、シミュレーションにおいて突出部２３の長さを０．５ｍｍから３．５ｍｍまで変化させたときに得られた突出部２３の角度位置（°）と流量差ΔＱ（Ｌ／分）との関係をプロットしたグラフである。図１４において、記号「■」は突出部２３の中心軸線が渦室２７の中心から距離３．５ｍｍだけ偏心した位置に配置された場合、記号「▲」は突出部２３の中心軸線が渦室２７の中心から距離５．５ｍｍだけ偏心した位置に配置された場合、記号「●」は突出部２３の中心軸線が渦室２７の中心から距離７．５ｍｍだけ偏心した位置に配置された場合における突出部２３の角度位置（°）と流量差ΔＱ（Ｌ／分）との関係を示す。
　図１４から、入口流路１９が周側壁１３の概略接線方向に延びるように周側壁１３に接続され、出口流路２１が渦室２７の中心から延びるように第１の端壁１５に接続されている条件下では、突出部２３の角度位置及び突出部２３が渦室２７の中心から偏心した距離に関わらず、突出部２３の長さを変化させることによって、流量Ｑを変化させて流量差ΔＱを生じさせることができることが分かる。また、突出部２３が渦室２７の中心から離れて設けられているほど、すなわち突出部２３が渦室２７の周側壁１３の近くに設けられているほど、広い範囲での流量調節が可能になり、特に突出部２３が９０°から１８０°の範囲の角度位置に設けられているときに、広い範囲での流量調節が可能になることが分かる。これは、流体が入口流路１９から渦室２７の周側壁１３に沿うように流入して渦流となる場合、突出部２３が周側壁１３の近くで、入口流路１９から流入する流体の渦流の始点の近くに配置されるほど、渦流が出口流路２１へ向かってショートカットする効果を得やすいためであると推測される。
　図１５及び図１６は、それぞれ、シミュレーションにおいて角度位置９０°及び１８０°に突出部２３を設けて突出部２３の長さを０．５ｍｍから３．５ｍｍまで変化させたときに得られた突出部２３の長さ（ｍｍ）と流量（Ｌ／分）との関係をプロットした折れ線グラフである。図１５において、記号「■」は突出部２３の中心軸線が角度位置９０°で渦室２７の中心から３．５ｍｍだけ偏心した位置に配置された場合、記号「▲」は突出部２３の中心軸線が角度位置９０°で渦室２７の中心から５．５ｍｍだけ偏心した位置に配置された場合、記号「●」は突出部２３の中心軸線が角度位置９０°で渦室２７の中心から７．５ｍｍだけ偏心した位置に配置された場合における突出部２３の長さ（ｍｍ）と流量（Ｌ／分）との関係を示す。また、図１６において、記号「■」は突出部２３の中心軸線が角度位置１８０°で渦室２７の中心から３．５ｍｍだけ偏心した位置に配置された場合、記号「▲」は突出部２３の中心軸線が角度位置１８０°で渦室２７の中心から５．５ｍｍだけ偏心した位置に配置された場合、記号「●」は突出部２３の中心軸線が角度位置１８０°で渦室２７の中心から７．５ｍｍだけ偏心した位置に配置された場合における突出部２３の長さ（ｍｍ）と流量（Ｌ／分）との関係を示す。
　図１５及び図１６から、突出部２３が角度位置９０°と角度位置１８０°のいずれの位置に設けられている場合でも、突出部２３の長さが長くなるほど、また、突出部２３が渦室２７の中心から離れて設けられているほど、流量Ｑが大きくなっていることが分かる。特に、突出部２３が渦室２７の中心から５．５ｍｍ以上離れていると、突出部２３の長さと流量Ｑとの相関性が高くなっている。また、ここには示されていないが、突出部２３が角度位置０°、４５°、１３５°及び２７０°の位置にそれぞれ設けられている場合でも、突出部２３の長さが長くなるほど、流量Ｑが大きくなっており、突出部２３の長さと流量Ｑとに相関性があることが確認された。したがって、入口流路１９が周側壁１３の概略接線方向に延びるように周側壁１３に接続され、出口流路２１が渦室２７の中心から延びるように第１の端壁１５に接続されている条件下では、突出部２３の位置に関わらず、突出部２３の長さを変えることによって流量Ｑを変化させ、流量Ｑを調節、制御することが可能である。
　次に、突出部２３の断面形状の影響をシミュレーションにより確認した。ここでは、図１７Ａ～図１７Ｃに示されている三つの断面形状、すなわち断面形状１、断面形状２及び断面形状３をそれぞれ有する突出部２３を用いた場合についてシミュレーションを行った。断面形状１は、図１７Ａに示されているように、直径４ｍｍの円形形状であり、断面形状２は、図１７Ｂに示されているように、対角線の長さが４ｍｍのひし形形状であり、断面形状３は、図１７Ｃに示されているように、一辺が４ｍｍの正方形状である。なお、断面形状２の場合は渦流がひし形形状の角に最初に当たる向きに突出部２３を配置し、断面形状３の場合は渦流を正方形の面で受ける向きに突出部２３を配置した。
　図１８及び図１９は、それぞれ、突出部２３の各断面形状について、突出部２３の長さを０．５ｍｍから３．５ｍｍまで変化させたときにシミュレーションで得られた流量差ΔＱ（Ｌ／分）を比較して示す棒グラフである。図１８は、中心軸線が角度位置９０°に渦室２７の中心から３．５ｍｍだけ偏心した位置に配置されるように突出部２３が設けられた場合に得られた結果であり、図１９は、中心軸線が角度位置９０°に渦室２７の中心から７．５ｍｍだけ偏心した位置に配置されるように突出部２３が設けられた場合に得られた結果である。
　図１８及び図１９から、入口流路１９が周側壁１３の概略接線方向に延びるように周側壁１３に接続され、出口流路２１が渦室２７の中心から延びるように第１の端壁１５に接続されている条件下では、突出部２３の断面形状に関わらず、突出部２３の長さを変化させることによって、流量Ｑを変化させ流量差ΔＱを生じさせることができることが分かる。また、ここには示されていない突出部２３が角度位置９０°に渦室２７の中心から５．５ｍｍだけ偏心した位置に配置された場合の結果も含めた突出部２３の位置による流量差ΔＱの比較から、突出部２３が渦室２７の中心から離れて設けられているほど、すなわち突出部２３が渦室２７の周側壁１３の近くに設けられているほど、より広い範囲での流量調節が可能になることが分かった。これは、上述したように、流体が入口流路１９から渦室２７の周側壁１３に沿うように流入して渦流となる場合、突出部２３が周側壁１３の近くで、入口流路１９から流入する流体の渦流の始点の近く配置されるほど、渦流が出口流路２１へ向かってショートカットさせる効果を得やすいためであると推測される。さらに、ここには示されていない突出部２３が角度位置９０°に渦室２７の中心から５．５ｍｍだけ偏心した位置に配置された場合の結果も含めた突出部２３の位置による流量差ΔＱの比較から、形状１（円形状断面）よりも形状２（ひし形形状断面）の方が流量差ΔＱが大きくなり、形状２よりも形状３（正方形状断面）の方が流量差ΔＱがさらに大きくなっていることが分かった。これは、円形状断面の突出部２３よりも、角が渦流に最初に当たる向きにひし形形状断面の突出部２３を配置した場合や面で渦流を受けるように正方形状断面の突出部２３を配置した場合の方が、渦流を出口流路２１へ向けてショートカットさせる効果を得やすいためであると推測される。また、渦流が面に当たるようにすれば、長方形状や板状でも、同様に渦流を出口流路２１へ向けてショートカットさせ、流量差ΔＱを大きくする効果を得ることができると推測される。
　図２０は、シミュレーションにおいて角度位置９０°に形状３の断面を有した突出部２３を設けて突出部２３の長さを０．５ｍｍから３．５ｍｍまで変化させたときに得られた突出部２３の長さ（ｍｍ）と流量Ｑ（Ｌ／分）との関係をプロットした折れ線グラフである。図２０において、記号「■」は突出部２３の中心軸線が角度位置９０°で渦室２７の中心から３．５ｍｍだけ偏心した位置に配置された場合、記号「▲」は突出部２３の中心軸線が角度位置９０°で渦室２７の中心から５．５ｍｍだけ偏心した位置に配置された場合、記号「●」は突出部２３の中心軸線が角度位置９０°で渦室２７の中心から７．５ｍｍだけ偏心した位置に配置された場合における突出部２３の長さ（ｍｍ）と流量（Ｌ／分）との関係を示す。
　図２０から、突出部２３の断面形状が正方形状の場合でも、突出部２３の断面形状が円形状である場合と同様に、突出部２３の長さが長くなるほど、また、突出部２３が渦室２７の中心から離れて設けられているほど、流量Ｑが大きくなっていることが分かる。ここには示されていないが、突出部２３の断面形状がひし形形状の場合でも、同様に、突出部２３の長さが長くなるほど、また、突出部２３が渦室２７の中心から離れて設けられているほど、流量Ｑが大きくなっている。したがって、入口流路１９が周側壁１３の概略接線方向に延びるように周側壁１３に接続され、出口流路２１が渦室２７の中心から延びるように第１の端壁１５に接続されている条件下では、突出部２３の断面形状に関わらず、突出部２３の長さを変えることによって流量Ｑを変化させ、流量Ｑを調節、制御することが可能である。
　次に、渦室２７における入口流路１９の位置の影響をシミュレーションにより確認した。入口流路１９の位置は、円筒形状の渦室２７の直径と円管形状の入口流路１９の直径との差を２で割った値に対する渦室２７の中心と入口流路１９の入口流路中心軸線Ｐ１との距離の比率（％）として定義した。これは、入口流路１９は、その入口流路中心軸線Ｐ１が周側壁１３から入口流路１９の半径分だけ離れた位置までしか、周側壁１３に近づけて設けることができないからである。ここでは、直径４ｍｍの円柱形状の突出部２３が角度位置９０°に設けられると共に、出口流路２１が渦室２７の中心から延びるように第１の端壁１５に接続されている条件下で、出口流路２１に対する入口流路１９の位置が０％、２５％、５０％、７５％、９４％、１００％の場合について、シミュレーションを行った。
　図２１から図２３は、様々な突出部２３の位置について、出口流路２１に対する入口流路１９の位置を０％、２５％、５０％、７５％、９４％、１００％に変えたときに、突出部２３の長さを０．５ｍｍから３.５ｍｍまで変化させて得られた流量差ΔＱ（Ｌ／分）を比較して示す棒グラフである。図２１は、中心軸線が渦室２７の中心に配置されるように突出部２３が設けられた場合に得られた結果であり、図２２は、中心軸線が角度位置９０°に渦室２７の中心から５．５ｍｍだけ偏心した位置に配置されるように突出部２３が設けられた場合に得られた結果であり、図２３は、中心軸線が角度位置９０°に渦室２７の中心から７．５ｍｍだけ偏心した位置に配置されるように突出部２３が設けられた場合に得られた結果である。なお、図２１から図２３において、白抜きの棒グラフは、突出部２３が短いときに相対的に流量が多くなり、突出部２３が長いときに流量が相対的に少なくなることを表しており、黒塗りの棒グラフは、突出部２３が短いときに流量が相対的に少なくなり、突出部２３が長いときに流量が相対的に多くなることを表している。
　図２１から図２３を参照すると、出口流路２１が渦室２７の中心から延びるように第１の端壁１５に接続されている条件下では、突出部２３が渦室２７の中心から偏心した位置にある場合、入口流路１９の入口流路中心軸線Ｐ１が渦室２７の中心を通るとき（すなわち入口流路１９の位置が０％のとき）を除き、入口流路１９の位置に関わらず、突出部２３の長さを変化させることによって、流量Ｑを変化させ顕著な流量差ΔＱを生じさせることができることが分かる。これは、入口流路１９の入口流路中心軸線Ｐ１が渦室２７の中心を通らないと、入口流路１９から流入した流体は渦室２７内で渦流を生じさせるので、突出部２３が渦室２７の中心から偏心した位置に設けられていることで、突出部２３によって渦の流れの向きを変わらせて出口流路２１へショートカットして流れる効果が得られるようになるためであると推測される。したがって、突出部２３の長さにより流量Ｑを調節するためには、入口流路１９は入口流路中心軸線Ｐ１が渦室２７の中心を通らないように設ける必要がある。一方、図２１から分かるように、突出部２３が渦室２７の中心に設けられているとき（すなわち、突出部２３が角度位置９０°に渦室２７の中心から距離０ｍｍだけ偏心した位置に設けられているとき）、突出部２３の位置に関わらず、突出部２３が長くなるほど、流量が少なくなる。これは、出口流路２１が渦室２７の中心から延びるように第１の端壁１５に接続されている条件下では、突出部２３が渦室２７の中心に設けられていると、突出部２３が出口流路２１と対向して配置されることになり、突出部２３が長くなるほど出口流路２１へ流れ込む流体のための流路面積を減少させることになるからであると推測される。渦室２７を渦室中心軸線Ｏ方向に見たときに、突出部２３が出口流路２１と一部でも重なる場合には、同様に、突出部２３が長くなるほど、流量が少なくなると推測される。
　また、図２２と図２３とから、出口流路２１が渦室２７の中心から延びるように第１の端壁１５に接続されている条件下では、突出部２３が渦室２７の中心から７．５ｍｍだけ偏心させた位置に設けられているとき、すなわち突出部２３が渦室２７の周側壁１３にほぼ隣接する位置に設けられているとき、５０％から１００％の位置に入口流路１９を設けることによって、すなわち入口流路中心軸線Ｐ１が渦室２７の中心側よりも周側壁１３側に近くなるように入口流路１９を設けることにより、より広い範囲での流量調節が可能になることが分かった。これは、突出部２３が渦室２７の周側壁１３の近くに設けられており且つ入口流路１９の入口流路中心軸線Ｐ１が渦室２７の周側壁１３の近くに位置するときは、渦流のショートカット効果がより大きくなるためであると推測される。
　最後に、渦室２７における出口流路２１の位置の影響をシミュレーションにより確認した。出口流路２１の位置は、図１３に示されているように、突出部２３の角度位置と同様の定義の角度位置と、渦室２７の中心からの距離Ｘとにより定義した。例えば、図１３において二点鎖線で示されている出口流路２１の位置は、角度位置０°に距離Ｘの位置と表す。シミュレーションでは、入口流路中心軸線Ｐ１が渦室２７の中心から距離８ｍｍだけ離れた位置に配置されるように入口流路１９が設けられ、直径４ｍｍの円柱形状の突出部２３が角度位置９０°に渦室２７の中心から距離７．５ｍｍだけ偏心した位置に設けられるものとした。
　図２４及び図２５は、異なる出口流路２１の角度位置について、渦室２７の中心からの出口流路２１の距離Ｘを０ｍｍ、０．２５ｍｍ、０．５ｍｍ、１ｍｍ、２ｍｍに変えたときに、突出部の長さを０．５ｍｍから３．５ｍｍまで変化させて得られた流量差ΔＱ（Ｌ／分）を比較して示す棒グラフである。図２４は、出口流路２１が角度位置９０°に設けられた場合に得られた結果であり、図２５は、出口流路２１が角度位置１８０°に設けられた場合に得られた結果である。
　図２４及び図２５から、入口流路中心軸線Ｐ１が渦室２７の中心から距離８ｍｍだけ離れた位置に配置されるように入口流路１９が設けられ、直径４ｍｍの円柱形状の突出部２３が角度位置９０°に渦室２７の中心から距離７．５ｍｍだけ偏心した位置に設けられる条件下では、出口流路２１の位置に関わらず、突出部２３の長さを変化させることによって、流量Ｑを変化させ流量差ΔＱを生じさせることができることが分かる。すなわち、出口流路２１によらず、突出部２３の長さを変化させることによって流量Ｑを調節することが可能である。また、ここには示されていない出口流路２１が角度位置０°及び角度位置２７０°に設けられた場合の結果を含めた出口流路２１の位置による流量差ΔＱの比較から、角度位置９０°に渦室２７の中心から偏心させ位置に出口流路２１が設けられていると、より広い範囲での流量調節が可能になることが分かった。これは、突出部２３も角度位置９０°に設けられており、突出部２３によって曲げられた渦流がより早く出口流路２１に到達しやすくなり、渦流を出口流路２１へ向けてショートカットさせる効果を得やすくなるためであると推測される。
　図２６は、シミュレーションにおいて角度位置９０°に渦室２７の中心から偏心させて出口流路２１を設けた場合に、突出部２３の長さを０．５ｍｍから３．５ｍｍまで変化させたときに得られた突出部２３の長さ（ｍｍ）と流量Ｑ（Ｌ／分）との関係をプロットした折れ線グラフである。図２６において、記号「●」は出口流路２１が渦室２７の中心に設けられた場合、記号「■」は出口流路２１が角度位置９０°に渦室２７の中心から０．２５ｍｍだけ偏心した位置に設けられた場合、記号「◆」は出口流路２１が角度位置９０°に渦室２７の中心から０．５ｍｍだけ偏心した位置に設けられた場合、記号「▲」は出口流路２１が角度位置９０°に渦室２７の中心から１ｍｍだけ偏心した位置に設けられた場合、記号「＊」は出口流路２１が角度位置９０°に渦室２７の中心から２ｍｍだけ偏心した位置に設けられた場合における突出部２３の長さ（ｍｍ）と流量（Ｌ／分）との関係を示す。
　図２６から、渦室２７の中心から出口流路２１までの距離に関わらず、突出部２３の長さが長くなるほど、流量Ｑが大きくなっていることが分かる。したがって、入口流路中心軸線Ｐ１が渦室２７の中心から距離８ｍｍだけ離れた位置に配置されるように入口流路１９が設けられ、直径４ｍｍの円柱形状の突出部２３が角度位置９０°に渦室２７の中心から距離７．５ｍｍだけ偏心した位置に設けられ、出口流路２１が角度位置９０°に設けられる条件下では、渦室２７の中心からの出口流路２１の位置に関わらず、突出部２３の長さを変えることによって流量Ｑを調節、制御することが可能である。また、図２６から、出口流路２１が渦室２７の中心から離れて設けられているほど、流量Ｑが大きくなっていることが分かる。したがって、より大きな流量を得るためには、渦室２７の中心からできるだけ遠くに出口流路２１を設けることが好ましい。
　以上、図示されている実施形態を参照して、本発明による渦流型流量調節弁を説明したが、本発明は図示されている実施形態に限定されるものではない。例えば、図示されている実施形態では、円筒形状の渦室２７が採用されているが、渦室２７内に渦流を生じさせることができれば、楕円や多角形の筒状の渦室を採用することも可能である。また、突出部２３の頂部とこれと対向する端壁との隙間を変化させることによって流量Ｑを変化させることができるので、突出部２３は、第２の端壁１７ではなく、第１の端壁１５に設けられてもよい。
　１１　　渦流型流量調節弁
　１３　　周側壁
　１５　　第１の端壁
　１７　　第２の端壁
　１７’　　ダイヤフラム
　１９　　入口流路
　２１　　出口流路
　２３　　突出部
　２５　　駆動部
　２７　　渦室

Claims (12)

  1. 　筒形状の周側壁と該周側壁の両端に設けられ互いと対向する第１の端壁及び第２の端壁とによって規定される渦室と、入口流路中心軸線に沿って延び且つ前記周側壁に開口する入口流路と、出口流路中心軸線に沿って延び且つ前記第１の端壁に開口する出口流路とを備え、前記入口流路から流入する流体が前記渦室内で渦流をなして前記出口流路から流出する渦流型流量調節弁であって、
    　前記入口流路は、前記入口流路中心軸線が前記第１の端壁の中心と前記第２の端壁の中心とを結ぶ渦室中心軸線から離れた位置を通るように設けられており、前記渦流型流量調節弁は、前記第１の端壁及び前記第２の端壁の一方から前記渦室内に突出する突出部と、前記渦室内で前記第１の端壁及び前記第２の端壁の他方に対して前記突出部を接近離反させる駆動部とをさらに備え、前記突出部の移動により前記出口流路から流出する流体の流量を調節することを特徴とする渦流型流量調節弁。
  2. 　前記突出部が前記渦室中心軸線から偏心した位置に設けられている、請求項１に記載の渦流型流量調節弁。
  3. 　前記突出部は、少なくとも一部が前記渦室内への前記入口流路の延長上に重なるように、設けられている、請求項２に記載の渦流型流量調節弁。
  4. 　前記第１の端壁及び前記第２の端壁が円形状又は楕円形状である、請求項１に記載の渦流型流量調節弁。
  5. 　前記出口流路は、前記出口流路中心軸線が前記入口流路中心軸線から離れた位置を通って延びるように設けられている、請求項１から請求項４の何れか一項に記載の渦流型流量調節弁。
  6. 　前記出口流路は、前記出口流路軸線が前記渦室中心軸線上に延びるように設けられている、請求項５に記載の渦流型流量調節弁。
  7. 　前記出口流路は、前記出口流路軸線が前記渦室中心軸線から前記入口流路中心軸線へ向かって偏位した位置を通って延びるように設けられている、請求項５に記載の渦流型流量調節弁。
  8. 　前記突出部が前記出口流路中心軸線から偏位した位置に設けられている、請求項５に記載の渦流型流量調節弁。
  9. 　前記突出部は、円形断面又は楕円形断面を有している、請求項５に記載の渦流型流量調節弁。
  10. 　前記駆動部は、前記突出部を駆動して前記渦室内への前記突出部の突出長さを変化させる、請求項５に記載の渦流型流量調節弁。
  11. 　前記突出部が前記第２の端壁に設けられている、請求項５に記載の渦流型流量調節弁。
  12. 　前記第２の端壁がダイヤフラムからなり、前記突出部が前記ダイヤフラムに取り付けられ、前記駆動部が前記ダイヤフラムを介して前記突出部を駆動する、請求項１１に記載の渦流型流量調節弁。
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