(57)【要約】【課題】各吐出口に共通の吐出側流路の内部圧力が高まった場合においても流体の吐出口への逆流による漏れを確実に防止して、吐出側流路の吐出圧力の変動が少ないボール弁装置を提供する。【解決手段】高圧流体の吐出口１０を開閉するボール弁１２を備え、吐出口１０の周縁部の吐出側に、ボール弁１２が着座する弁座突起２０を形成し、その弁座突起２０の吐出口１０と反対側の背面２００が開口中心線Ｃに対してなす弁座傾斜角度θを鋭角に設定する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高圧流体の吐出口をボール弁により開閉するボール弁装置であって、
前記吐出口の周縁部の吐出側に、前記ボール弁が着座する弁座突起が形成され、
前記弁座突起の開口と反対側の背面が開口中心線に対してなす弁座傾斜角度が鋭角であるボール弁装置。
【請求項２】
請求項１において、前記弁座傾斜角度が１５〜６０°であるボール弁装置。
【請求項３】
請求項１または２において、前記弁座突起の高さが前記ボール弁の直径の０．１〜０．５倍であるボール弁装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばプランジャポンプのような、定流量の流体または高圧の流体を生成するシステムにおける流体の吐出口を開閉する用途全般に適用できるボール弁装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
前記プランジャポンプは、吸入および吐出工程を有したポンプであり、その吸入量はポンプ入力回転数に比例することから、流量は極めて正確である。そのため、プランジャポンプは、制御機能に優れており、回転数制御モータなどと組み合わせて、自動比例制御を行うことによって薬液などを注液する用途にも適用可能である。また、プランジャポンプは、高圧を発生させることができ、流入部および流出部が高圧である場合にも使用できることから、塗料などの粘性の強い流体を噴射させる用途や、高圧洗浄機などにも用いられている。
【０００３】
従来では、同一の前記プランジャポンプを三連に連結してなる三連式プランジャポンプ装置が知られており、この三連式プランジャポンプ装置は、カムの動きに正しく追従するメカニックリターン方式の三連特殊カム駆動方式を用いることにより、装置全体の吸入と吐出のスピードを全く同じにできる特徴を有している。したがって、この三連式プランジャポンプでは、３つのプランジャポンプを各々のピストンの位相が１２０度ずつ異なるように駆動制御することにより、個々の各プランジャポンプの周期的な動きによる脈動を抑制し、かつ、流量の定量性を保つことができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前記三連式プランジャポンプ装置では、周期的に圧力が急激に低下する問題がある。これは、１つのプランジャポンプに対応する吐出口を開閉するボール弁が開弁したのちに閉弁しようとする直前には、他のプランジャポンプの吐出側のボール弁が開いており、共通の吐出側流路の内部圧力が高くなっていることから、吐出側流路内の流体が前記１つのプランジャポンプの閉弁直前のボール弁と吐出口の弁座との隙間を通って吐出口内に漏洩してしまい、吐出側流路の圧力が周期的に低下する圧力変動が生じるものと思われる。
【０００５】
本発明は前記従来の問題に鑑みてなされたもので、各吐出口に共通の吐出側流路の内部圧力が高まった場合においても流体の吐出口への逆流による漏れを確実に防止して、吐出側流路の吐出圧力の変動が少ないボール弁装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記目的を達成するために、本発明は、高圧流体の吐出口をボール弁により開閉するボール弁装置であって、前記吐出口の周縁部の吐出側に、前記ボール弁が着座する弁座突起が形成され、前記弁座突起の開口と反対側の背面が開口中心線に対してなす弁座傾斜角度が鋭角である。
【０００７】
この構成によれば、ボール弁が吐出口を開弁した直後に、弁座突起の背面側には、吐出口から吐出側流路に押し出された高圧流体の流動によって渦が発生し、この渦が自身の慣性によってボール弁が閉弁状態になる時点まで存在し続ける。前記渦により閉弁直前にボール弁と吐出口との間隙から吐出口に逆流しようとする流れを抑制する。その結果、吐出側流路から送給する流体の流量と圧力をほぼ一定に維持することができ、三連式プランジャポンプ装置に適用した場合には、急激な圧力変動が周期的に発生するのを抑制することができる。
【０００８】
本発明において、好ましくは、前記弁座傾斜角度が１５〜６０°に設定されている。この構成によれば、ボール弁と吐出口との間隙から吐出口に逆流しようとする流れを抑制できる渦を効果的に形成することができる。弁座傾斜角度が１５°未満になると渦が生成され難く、また、弁座傾斜角度が６０°を越えると渦が弱くなる。
【０００９】
本発明において、好ましくは、前記弁座突起の高さが前記ボール弁の直径の０．１〜０．５倍に設定されている。この構成によれば、ボール弁が開弁したときに、そのボール弁が閉弁状態になる時点まで存在し続けることのできる強い渦を効果的に生成することができる。弁座突起の高さがボール弁の直径の０．１倍未満であると渦を効果的に生成することができない。また、弁座突起の高さがボール弁の直径の０．５倍を越えると渦が弱くなる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明のボール弁装置によれば、吐出口の周縁部の吐出側に、自身の開口と反対側の背面が開口中心線に対してなす弁座傾斜角度が鋭角である弁座突起を形成したから、ボール弁が吐出口を開弁した直後に弁座突起の背面側に渦を発生させて、この渦により閉弁直前にボール弁と吐出口との間隙から吐出口に逆流しようとする流れが抑制されるので、吐出側流路から送給する流体の流量と圧力をほぼ一定に維持することができる。したがって、このボール弁装置を三連式プランジャポンプ装置に適用することにより、急激な圧力変動の周期的な発生を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１Ａは、本発明の一実施形態に係るボール弁装置を適用した三連式プランジャポンプ装置１を示した概略断面図である。この三連式プランジャポンプ１は、３つのプランジャポンプ２Ａ〜２Ｃを連結して構成されており、各プランジャポンプ２Ａ〜２Ｃは同一構成であるから、これらプランジャポンプ２Ａ〜２Ｃの構成について、同一の符号を付して説明する。各プランジャポンプ２Ａ〜２Ｃは、駆動源のモータ３によりカム４を回転駆動して、そのカム４の回転によってピストン７を往復運動させる。各プランジャポンプ２Ａ〜２Ｃの各々のカム４は、３つのピストン７を位相が１２０度ずつ異なる相対関係で駆動するよう設定されており、ピストン７を同一速度で押し出し動作および引き込み動作を行わせるようになっている。
【００１２】
ピストン７により周期的に加圧される作動室８の吸入口９および吐出口１０は、復帰ばね１３，１４で付勢された球形の吸入側ボール弁１１および吐出側ボール弁１２で開閉されるようになっている。３つの吐出口１０から吐出された流体は、各吐出口１０の吐出側を連通させる吐出側流路１７を介して外部に送給される。吐出側流路１７の流出側（図の右側）には、圧力測定用凹所１８が形成されており、この圧力測定用凹所１８内に設けられた圧力計１９により吐出側流路１７内に流体の圧力が測定される。
【００１３】
前記三連式プランジャポンプ装置装置１に適用した本発明のボール弁装置は、図１Ｂに詳細を示すように、吐出口１０の周縁部の吐出側に、吐出側ボール弁１２が着座する弁座突起２０を形成し、この弁座突起２０を、吐出口１０の開口と反対側の背面２００が開口中心線Ｃ（後述の図３に図示）に対してなす弁座傾斜角度θが鋭角を有する形状としている。この弁座突起２０を設けたことにより、ボール弁１２が吐出口１０を開弁した直後に、弁座突起２０の背面側には、吐出口１０から吐出側流路１７に押し出された高圧流体の流動Ｆによって渦Ｓが発生し、この渦Ｓが、閉弁直前にボール弁１２と吐出口１０との間隙から吐出口１０に逆流しようとする流れを抑制するように作用する。これの詳細については後述する。
【００１４】
前記弁座突起２０を設けることによって吐出口１０を閉弁する直前に流体が吐出口１０に逆流する流体漏れを抑制できることを確認するために、図２ないし図４に示す二次元のモデルを作って実験を行った。二次元装置としたのは、吐出側ボール弁１２が閉弁する際の流体の漏れや吐出口１０の吐出側における流体の流れを観察し易いからである。
【００１５】
図２は、本発明の特徴とする弁座突起２０を設けない基本モデルであり、この基本モデルは、幅Ｗが１８０ｍｍ、高さＨが３２０ｍｍ、奥行きが１００ｍｍの透明アクリル製の角形外枠体２１の内方底部に、吐出口１０に対応した開口溝２２を有する流入口部材２３を嵌め込み、図１Ｂの吐出側ボール弁１２に相当する円筒弁１２Ａを流入口部材２３の上方開口部に当接させ、前記外枠体２１の内方上部に、外枠体２１の内周面に摺動するピストン２４を嵌合し、このピストン２４を作動杆２７によって上下動させるようになっている。ピストン２４は開口溝２２を通る流れを生成するためのものであり、プランジャポンプのピストン７（図１Ａ）とは異なる。円筒弁１２Ａは、直径Ｄ１Ａが６５ｍｍ、長さが１００ｍｍであり、開口溝２２は、幅Ｄが４０ｍｍ、長さが１００ｍｍ、貫通深さＬ（流入口部材２３の厚み）が１０ｍｍである。この基本モデルを、トレーサおよび水の入った水槽内に浸漬させた状態で、作動杆２７によってピストン２４を上下動させて水の流れを発生させ、この水の流れを左右両側からスライドを通した光を当て、高速度カメラで撮影し、その撮影結果を画像として保存し、ＰＩＶソフトを用いて水の流れを可視化した。
【００１６】
前記基本モデルの水の流れを観察した結果、ピストン１４の上動によって開口溝２２を開放した円筒弁１２Ａが。ピストン１４の下動に伴い開口溝２２を閉じる直前に、円筒弁１２Ａの周辺箇所の水が開口溝２２に向かう流れが発生して、その流れの水の一部が開口溝２２内に流入して漏れが生じたことが確認できた。
【００１７】
図３（ａ）および図４（ａ）は、本発明の実施形態に対応する二次元の第１および第２のモデルを示す概略縦断面図で、各々の（ｂ）は（ａ）の円ｂで囲った要部の拡大図である。外枠体２１、ピストン２４および作動杆２７は、基本モデルで用いたものと同様である。図３の第１の弁座突起付モデルは、流入口部材２８の開口溝２９の流出口の両側（上部開口側）に弁座突起２０Ａを設け、各弁座突起２０Ａにおける開口溝２９と反対側の背面２００と開口中心線Ｃとがなす弁座傾斜角度θ１を３０度に設定したものであり、図４の第２の弁座突起付モデルは、開口溝３１の両側の弁座傾斜角度θ１を４５度に設定したものである。図３の弁座突起２０Ａの高さｈおよび幅ｗは、１５．６ｍｍおよび９ｍｍであり、図４の弁座突起２０Ｂの高さｈおよび幅ｗは、１５．６ｍｍおよび１５．６ｍｍであった。
【００１８】
前記第１および第２のモデルでは、図３（ｂ）および図４（ｂ）に示すように、ピストン２４の上動によって円筒弁１２Ａが開口溝２９，３１を開いた直後に、弁座突起２０Ａ，２０Ｂの背面周囲には、開口溝２９，３１から外枠体２１内に流入する水の流れＦ１，Ｆ２によって渦Ｓ１，Ｓ２が発生し、この渦Ｓ１，Ｓ２が自身の慣性によって次に円筒弁１２Ａが開口溝２９，３１を閉じる状態となる時点まで存在し続ける。この渦Ｓ１，Ｓ２は、開口溝２９，３１から外枠体２１に向かう方向の回転流であるから、開口溝２９，３１から外枠体２１内に一旦流入した水は、ピストン２４の下動によって円筒弁１２Ａが開口溝２９，３１を閉じる直前に、ピストン２４の下動に伴い外枠体２１内の水の圧力が高まることにより、水が円筒弁１２Ａと開口溝２９，３１との間隙から開口溝２９，３１内に流入（逆流）しようとするが、この流れが前記渦Ｓ１，Ｓ２により抑制される。
【００１９】
流体の漏れの抑制効果は、図４（ｂ）に示す４５度の弁座傾斜角度θ１を有する弁座突起２０Ｂよりも、図３（ｂ）に示す３０°の弁座傾斜角度θ１を有する弁座突起２０Ａの方が顕著である。発明者の知見によれば、この弁座傾斜角度θ１は１５〜６０°の範囲内に設定するのが好ましく、２５〜５０°の範囲内に設定するのが一層好ましい。１５〜６０°の範囲内に設定すれば、円筒弁１２Ａと開口溝２９，３１との間隙から開口溝２９，３１に逆流しようとする流れを抑制できる渦Ｓ１，Ｓ２を効果的に形成できることが確認できた。これは、弁座傾斜角度θ１が１５°未満になると渦Ｓ１，Ｓ２が生成され難くなり、一方、弁座傾斜角度θ１が６０°を越えると渦Ｓ１，Ｓ２が弱くなる。図１Ｂに示す三次元の装置、すなわち、円形孔状の吐出口１０、ボール弁１２および環状の弁座突起２０も、定性的には図３および図４の二次元モデルと同一であるから、その好ましい弁座傾斜角度θも同一と考えられる。
【００２０】
図５（ａ）〜（ｃ）は、図１Ａの三連式プランジャポンプ装置１において、流体として水を用いて圧力を比較的低く設定した場合の、三次元化された基本モデル（弁座突起無し）、第１のモデルおよび第２のモデルにおける圧力変化の実測結果を示したものである。三次元化された各モデルは、図３および図４に示した二次元モデルよりも小さい断面寸法を有しており、ボール弁１２の直径Ｄ１は１９ｍｍ、円形孔からなる吐出口１０の直径Ｄ２は１３ｍｍであり、また、弁座突起２０の高さｈおよび幅ｗは、三次元化された第１のモデルにおいて４．３ｍｍおよび２．５ｍｍであり、三次元化された第２のモデルにおいて２．５ｍｍおよび２．５ｍｍであった。
【００２１】
図６（ａ）〜（ｃ）は、同様に水を用いて圧力を比較的高く設定した場合の三次元化された基本モデル、第１のモデルおよび第２のモデルにおける圧力変化の実測結果をそれぞれ示したものである。図７（ａ）〜（ｃ）は、流体としてグリセリンを用いて圧力を比較的低く設定した場合の三次元化された基本モデル、第１のモデルおよび第２のモデルにおける圧力変化の実測結果を示したものであり、図８（ａ）〜（ｃ）は、同様にグリセリン水溶液を用いて圧力を比較的高く設定した場合の三次元化された基本モデル、第１のモデルおよび第２のモデルにおける圧力変化の実測結果をそれぞれ示したものである。これらの図において、三次元化された第１のモデルおよび第２のモデルでは、基本モデルと比較して、周期的に発生する急激な圧力変動が抑制されていることがわかる。
【００２２】
前記実験結果をつぎのように評価した。すなわち、図９に示すように、周期的に発生する急激な圧力低下の変化量を、圧力が急激に低下するときの圧力低下の極小値と低下前の極大値との差Ａと、圧力低下後に圧力上昇するときの圧力低下の極小値と圧力上昇後の極大値との差Ｂとを用いて評価した。そのときの流体として水を用いたときの結果は、図１０に示す通りである。この評価結果から明らかなように、弁座突起２０を設けた場合に、これを設けない場合（ｎｏｒｍａｌ）と比較して、前記２種の差Ａ，Ｂが共に１５％〜４１．２％も小さくなっており、弁座突起２０を設けることによって流体の漏れを相当に抑制できることが確認できた。
【００２３】
また、図１Ｂの弁座突起２０の高さｈは、ボール弁１２の直径Ｄ１の０．１〜０．５倍の範囲内に設定すれば、ボール弁１２が開弁したときに、吐出側流路１７内に流入する水の流れＦによって、そのボール弁１２が閉弁状態になる時点まで存在し続けることのできる強い流れの渦Ｓを効果的に生成することができる。弁座突起２０の高さｈがボール弁１２の直径Ｄ１の０．１倍未満であると渦Ｓを効果的に生成することができず、また、弁座突起２０の高さｈがボール弁１２の直径Ｄ１の０．５倍を越えると渦Ｓが弱くなる。弁座突起２０の高さｈは、ボール弁１２の直径Ｄ１の０．２〜０．４倍の範囲内に設定することが一層好ましい。
【００２４】
さらに、ボール弁１２の直径Ｄ１と吐出口１０開口２２の直径Ｄ２との比Ｄ１／Ｄ２は、通常、１．３〜１．７に設定されるが、本発明の実施形態のように弁座突起２０を設ける場合には、前記比Ｄ１／Ｄ２を１．４〜１．６の範囲内に設定するのが好ましい。比Ｄ１／Ｄ２が１．３未満の場合には、ボール弁１２が吐出口１０に深く嵌まり込むので、弁離れが悪くなって応答性が低下し、比Ｄ１／Ｄ２が１．７を越えた場合には、平板弁に近づいて渦Ｓが効果的に発生し難くなって、液漏れが生じ易くなるからである。また、前記比Ｄ１／Ｄ２を１．４〜１．６の範囲内に設定すれば、二点鎖線で示すボール弁１２における弁座突起２０の先端の接触線の接線Ｌと弁座突起２０の背面２００とのなす角度αが９０〜１５０°となって、ボール弁１２が開弁したときに、吐出口１０から押し出された流体がボール弁１２に沿って渦Ｓが発生し易い流れとなる方向に導かれる。
【００２５】
図１１は本発明の他の実施の形態に係るボール弁装置を適用した三連プランジャポンプを示す一部の概略縦断面図であり、同図において、図１と同一のものには同一の符号を付してある。このボール弁装置では、弁座突起２０を設けるのに加えて、弁座突起２０に対向する管壁箇所に、開口面積を拡大した環状の拡張溝３２を設けたものである。この拡張溝３２は、図１Ｂで説明した渦Ｓの発達を促進するように作用するので、一層大きな渦を形成して、流体の漏れを一層効果的に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１Ａ】本発明の一実施形態に係るボール弁装置を適用した三連式プランジャポンプ装置を示した概略縦断面図である。
【図１Ｂ】同ボール弁装置の要部を示す拡大縦断面図である。
【図２】本発明の効果を検証するための二次元基本モデルを示す概略縦断面図である。
【図３】（ａ）は本発明の実施形態に対応する第１のモデルを示す概略縦断面図、（ｂ）は（ａ）の要部の拡大図である。
【図４】（ａ）は本発明の実施形態に対応する第２のモデルを示す概略縦断面図、（ｂ）は（ａ）の要部の拡大図である。
【図５】（ａ）〜（ｃ）は、流体として水を用いて圧力を比較的低く設定した場合の圧力変化の実測結果を示した特性図である。
【図６】（ａ）〜（ｃ）は、流体として水を用いて圧力を比較的高く設定した場合の圧力変化の実測結果を示した特性図である。
【図７】（ａ）〜（ｃ）は、流体としてグリセリン水溶液を用いて圧力を比較的低く設定した場合の圧力変化の実測結果を示した特性図である。
【図８】（ａ）〜（ｃ）は、流体としてグリセリン水溶液を用いて圧力を比較的高く設定した場合の圧力変化の実測結果を示した特性図である。
【図９】圧力変化を評価するための値を示す説明図である。
【図１０】実験結果の評価平均値を示す図である。
【図１１】本発明の他の実施形態に係るボール弁装置を適用した三連プランジャポンプを示す一部の概略断面図である。
【符号の説明】
【００２７】
１０  吐出口
１２  ボール弁
２０  弁座突起
２００  背面
Ｃ  開口中心線
θ  弁座傾斜角度
ｈ  弁座突起の高さ
Ｄ１  ボール弁の直径
【図１Ａ】
2006170432.tif 000003
【図１Ｂ】
2006170432.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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