(57)【要約】      （修正有）【課題】自動車排気ガスサンプリングなどの圧力の変動する流路において、高感度、高精度でしかも正負の圧力に亘って調整が可能な外部パイロット式高感度圧力調整弁を実現する。【解決手段】外部パイロット式圧力調整弁１の中でも環境大気圧との差圧が正負に変化しても制御可能にするにはダイアフラム１１などの隔壁や弁の作動に必要とされる逃がしの気体を無くし、ダイアフラムを含めて可動部材の動きに対する摩擦などの抵抗を少なくした気密な流路を構成し、弁の流量制御部４０を円錐状の内外面の接触構造として適切な角度差と弾性を持たせて流量の締め切りから全開まで摩擦抵抗無く流量制御可能とし、ダイアフラムなど隔壁面積を120 cm2以上確保するとともにパイロット圧と２次圧との圧力差を調整するバネ力を0.05 N 程度の高感度で伝達できる機構を採用した。こうした手段の組み合わせにより高い分解能と精度をもつ外部パイロット式高感度圧力弁を構成した。【選択図】図１
2008223912.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ある一定圧力範囲に調整された圧力を環境大気圧力に対して正圧から負圧の範囲に亘って外部圧力の変動に対応して制御する外部パイロット式調圧弁において、圧力調整のための流量調節弁として滑らかな円錐内面の頂角をほぼ30〜40゜の範囲として中心部を円形断面の出口側流体通路となし、さらにその通路の中心軸に沿った通路面よりも小さい断面の連結棒を貫通させた固体側部材と、その円錐内面に適合して同一の中心軸を有して滑らかな円錐外面の頂角がほぼ16〜26゜であって1/2頂角の差がほぼ4〜8゜となるように構成した頂面の円錐外面から固定部の円錐内面に通じる流路を精密な制御部に構成し、可動部が外部パイロット圧と本装置の出口圧すなわち弁の２次圧との差を受けるダイアフラムの力と調整用のバネ力とを連結棒が受ける構造に形成し、先端はやや幅の狭い円環状として固定部材内面と緻密な接触が可能な円錐状外面を有する可動側部材とで構成した有効断面積の変化できる円環流路であって、締め切り可能で連結棒の押す力を受けて可動部材の軸方向位置により流路断面積が変化できる圧力調整弁の構造をもつ外部パイロット式高感度圧力調整弁の構造。
【請求項２】
請求項１の外部パイロット式高感度圧力調整弁において、外部パイロット圧力と内部の２次圧とを受けて10 Pａ 以内の圧力感度で可動部材の移動に働くダイアフラムは、装置を小型にする一方の制約を前提にすると受圧膜の面積をほぼ0.012m2 以上0.015m2 以内にして弁を動かす力の感度を0.15 N 以内の高感度にする必要があり、この感度を弁の可動側の軸方向の変位0.05 mm として考慮すると圧力調整のバネに関するバネ定数とバネ力の伝達力も0.05 N 程度の力の感度や摩擦などのよる力の損失が問題となる。受圧膜と調整バネの力を弁の可動部材に伝達する機構において、バネ力を損失なく受けて変位精度を確保し、受圧膜の傾斜などの影響を少なくできる機構として例えばクラピングスクリューなどを用いてその力を伝達する先端のボールを回転自由に受ける滑らかな凹面を有する受圧膜中心の固定部材を配置した外部パイロット式高感度圧力調整弁の構造。
【請求項３】
請求項１または２の外部パイロット式高感度圧力調整弁において外部からのパイロット圧と、本調整弁の２次圧の圧力を両面に受けて僅かな差の力を可動部に伝達するダイアフラムとして剛性の小さい軟質で耐久性のあるシリコーンゴム膜などと剛性のある薄板を用いる複合構造において、中心部にアルミ板など軽量で剛性の高い板材を受圧面積の大部分の面積に配置して柔軟なゴム膜の周辺部を剛性の影響は小さく気密は確実に保つ構成とし、ダイアフラムの中心部に2枚のアルミを気密に接合保持するようにバネ力と差圧力とを伝達する中心固定部材にO−リングなどを配置する溝を設けてシール部材により確実に気密性を確保するとともにダイアフラムの変位による力の変化を極力少なくして差圧による力だけを調整弁の可動部材に伝達するようにした外部パイロット式高感度圧力調整弁の構造。
【請求項４】
請求項１，２または３の外部パイロット式高感度圧力調整弁において、ダイアフラムおよび可動部材にかかる力を外部から調節する装置としてダイアフラムの中心軸上のボディに気密性を保ち軸方向にコイルバネの取り付け位置を移動させる一組の装置として、ボディに取り付けられる取付部材の外側にネジを設けその先端の円筒面部にO−リングを配置して、ボディ内部の気密性を確保するとともに、取付部材の内側には圧力調整のバネを取り付けた円筒部を持つ軸方向に3 mm 以上移動調整でき、ボディ外部から調節できる細目ネジを配置してその先端側にO−リングを円筒部に配置して気密性を確実に保つようにし、さらにその先端にバネを取り付けた構造とし、圧力調整弁を稼動状態においても気密性を保ちながらバネ力を調整できるように構成した外部パイロット式高感度圧力調整弁の構造。
【請求項５】
ガスの1次圧入り口に接続する２次圧ガス通路と前記ガスの２次圧出口に接続しかつ２次圧室に連通する２次圧ガス通路と、
前記１次圧ガス通路と２次圧ガス通路との間に設けられ、円錐内面を有する固定バルブと前記円錐内面と同心状をなし前記円錐内面の中心軸方向に可動の円錐外面を有し前記円錐内面と前記円錐外面との間が前記中心軸方向の位置によって定まる円環状の横断面を持つ円環状流路を形成しかつ前記円環状流路を遮断可能な可動バルブとを有する流路調整部と、
ボディー内に形成されるパイロット圧室と前記２次圧室とを気密に区画していて前記可動バルブを駆動して可動バルブの前記中心軸方向の位置を規定するダイアフラムと、
前記ダイアフラムの動きを前記可動バルブに伝達する伝達部材と、
前記パイロット圧室の圧力と前記２次圧室の圧力との圧力差を調節するバネ力を前記ダイアフラムに作用させるオフセット圧調整用バネと、
前記オフセット圧調整用バネのバネ力をボディーの外から調節するバネ力調節装置と、を有することを特徴とする外部パイロット式圧力調整弁。
【請求項６】
前記可動バルブにバネ力を作用させる可動バルブ押し圧バネと、
前記可動バルブ押し圧バネのバネ力を前記ボディーの外から調節する可動バルブ押し圧バネ力調節装置と、
を有することを特徴とする外部パイロット式圧力調整弁。
【請求項７】
前記円錐内面の頂角が30〜40°であり、前記円錐外面の頂角が16〜26°であり、かつ1/2頂角の差が4〜8°であることを特徴とする請求項５記載の外部パイロット式圧力調整弁。
【請求項８】
前記パイロット圧室の圧力と２次圧室の圧力との圧力差を調節するオフセット圧力調整用バネのバネ力の感度は0.05 N であることを特徴とする請求項５記載の外部パイロット式圧力調整弁。
【請求項９】
前記外部パイロット式圧力調整弁は、CFVを用いた流量調節弁における前記CFVの入り口圧力を調整する外部パイロット式圧力調整弁であることを特徴とする請求項５記載の外部パイロット式圧力調整弁
【請求項１０】
前記外部パイロット式圧力調整弁は、前記ガスが希釈ガスであって、被希釈ガスを常に一定比率の前記希釈ガスで希釈するガス希釈装置におけるそれぞれのガス流路に設けたCFVを用いた流量調整弁のうちの被希釈ガス通路の流量調整弁のCFVの入り口圧力をパイロット圧として希釈ガス通路の流量調整弁のCFVの入り口圧力を調整する外部パイロット式圧力調整弁であることを特徴とする請求項５記載の外部パイロット式圧力調整弁
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
【０００２】
流体とくに気体を取り扱う産業において流量制御と圧力調整を必要とすることが多いが、とくにある変動する指定圧力に対応した圧力調整を必要とする産業分野。
【技術の背景】
【０００３】
２種類の気体を一定比率で混合するときなどには流量制御に信頼性の高いそれぞれのCFV（Ｃritical Flow Venturi）を利用して両方のCFVの入り口圧が同一になるように圧力制御して比較的簡便な装置で流量制御することが考えられている。これまでは一方のCFVの入り口圧をパイロット圧として他方のCFVの入り口圧を制御する構成である。これはCFV入り口圧が環境大気圧よりも高いすなわち正圧の場合に限られていてパイロット圧が大気圧より低い負圧の場合には適用できず、しかも圧力制御の感度は大体2 kPa 程度であって1 kPa 以内の高感度を必要とする制御は困難であった。パイロット圧が環境大気圧に比して正から負にかけて変化するような場合には従来技術では応用できるものが無い実情で、最近の自動車排気ガス計測技術の中の希釈装置では排ガス流量をCFVで一定に保つようにして清浄乾燥ガスで一定比率に希釈する必要があり、パイロット圧（ゲージ圧）として＋1 kPa 〜−2 kPa の範囲で変化する条件で0.1 kPa よりも高い感度で制御できることが要求される。
自動車排気ガスを清浄乾燥空気で一定比率に希釈する場合、排気ガスの温度は露点以上にして一定に保つことが可能であるが、CFVの入り口圧はエンジンの運転条件により絶えず変動するだけでなく、負圧から正圧にかけて変化する。清浄な希釈ガスもCFVを用いて流量制御するが、排気ガス流量を制御する一方のCFVの入り口圧に同調して他方の希釈ガスCFVの入り口圧を制御する必要がある。しかし、これまでは実用に耐える入り口圧の制御に利用できる外部パイロット式圧力調整弁がなかった。これに代わる制御システムとしてはやむを得ず精密な流量計を含む流量コントローラ２組が用いられてきた。このような制御システムはコスト面の問題だけでなく応答時間や精度など性能的にも問題があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前記の流量制御システムはCFVの入り口圧をゲージ圧として正から負にかけて制御する装置で、その絶対圧力はほぼ100 kPa 近傍であり、CFVの場合には0.1 % レベルの流量精度が要求される。したがって入り口圧力の制御の制度は0.1 kPa 以内にする必要がある。圧力は受圧面積に比例した力として検知できるので例えばダイアフラムを用いるとき面積を大きくすれば感度を増すことができるが、通常は形状に制約があって受圧面積を0.015 m2 以上にすることは困難である。こうした制約を前提としさらに圧力制御の応答性として0.1 程度の外部パイロット式高感度圧力調整弁を具現することが課題である。
また一方。0.1 % 以内の精度で制御できる流量コントローラ2組に比して大きさおよびコスト、応答性などの性能の点で有利にできることも課題である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
パイロット圧が正圧から負圧へかけて変化してもそれの対応した２次圧の制御を行うには環境大気など圧力制御系の外部への通路を完全に無くするとともに、弁構造の流量制御部材の動きを極めて圧力に対して高感度にしかつ流量の完全な遮断から圧力差に対応できる必要がある。このために弁の主要部の構造として適切な頂角の差を有する二つの同軸円錐面の接触による流量制御とした。さらに受圧膜の面積を適切に確保すると共に軸方向の動きに対する膜を含めての抵抗をできるだけ小さくする工夫を施した。バネ力や摩擦抵抗などを0.15 N 程度の感度で弁の可動部材に伝達できるようにたとえばクランピング・スクリューなど小さな抵抗で変位して力を伝達できる部材を利用した。さらにまた、外部から微細な圧力のオフセットを調整できるようにバネ力を調節する機構として気密を保って外部からバネ長を可変できるようにした。
【発明の効果】
【０００６】
本発明においては可動部分を含めて環境大気との連絡通路を無くしており、パイロット圧が大気圧よりも高い場合も低い場合も同様に2次側が吸引あるいは排出されるときにその圧力を正負に亘って制御できる。
【０００７】
本発明においては弁の流路構造として円錐面の接触離脱を利用しているので、完全な流量遮断から微少流量や必要な流量まで連続的に制御できる特徴を有している。しかも適切な円錐断面の頂角の差を持っているので接触離脱が極めてスムーズに行われる。
【０００８】
本発明においてはパイロット圧と２次圧とを受ける膜およびアルミ板は十分な面積を確保しており、例えば10 Pa （１ mm H２O ） の差圧から生じる力が0.015 m2 の面積で0.15 N 程度であり、膜やバネの変位に対する摩擦や抵抗をこのレベル以下に抑制する工夫を施しているので、圧力制御の感度レベルもほぼ10 Pa が確保できる。
【０００９】
本発明においてはパイロット圧に対する２次圧の偏差を調整する機構を備えており、調整弁が作動中に外部から気密を保ちながらパイロット圧と２次圧との差圧をある範囲内で調節することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明は2 つの異なる成分の流体を一定の定められた比率の流量で混合するときに例えばそれぞれのCFV で流量規制する場合の各入り口圧を常に同一または一定差に制御するときに用いられる圧力調整弁で、一方のCFV 入り口圧をパイロット圧とし他方のCFV 入り口圧を制御するときに用いられる。図１に例示する自動車排気ガスを清浄なガスにより希釈する装置における一定比率の流量制御では、排気ガスの露点以上の温度に保持された恒温槽101で一定温度に制御された一方の流路の排気ガス102 がCFV 103 で一定流量に規制されるが、そのときCFV の入り口圧力P1 は自動車の運転条件の変化に応じて変動する。他方の清浄な希釈ガス105 の流量は減圧弁106 で一定圧に制御され圧力計117 で確認されて同じ恒温槽101 内で熱交換管路108 を経由して同じ一定温度制御されてCFV 107 で流量を規制されるが、その入り口圧P２ は排気ガス側と同じP1 にする必要がある。この場合の流路構成においては自動車110 の排気ガス111 を排気流量計112 で測定した後に排気ガスの一部を分岐管路113 を経由して抽出し排気ガスサンプルを熱交換管路114 で温度調節してCFV 103 に導入する。その入り口圧力P1 を分岐管115 から外部パイロット式高感度圧力調整弁1に外部圧力として導く。2つのCFV 103 と107 はともに下流側の圧力を入口側圧力の一定比率以下の圧力で圧力計118 でモニターされて吸引されるときに、入り口圧力と温度に応じて下流側圧力などに影響されないで一定値を確保できる。入り口圧力が絶対圧で100 kPa 程度で流量精度を0.1 % 以内に制御する必要があり、こうした流量制御システムでは外部パイロット式高感度圧力調整弁1の性能が極めて重要になる。なお図１において116 は希釈清浄ガスを所定温度に調整する熱交換管路、圧力モニター117 は希釈清浄ガスの減圧弁出力圧力計、圧力計118 は２つのCFV 出口圧力確認用のモニター、混合された希釈ガス119 は図示していない吸引ポンプで一定圧力以下に吸引されて加圧されてバッグに採取される。またサンプル以外の自動車排気ガスは排出管120 から系外に排出される。
【００１１】
図２には本発明の外部パイロット式高感度圧力調整弁1 の全体的な構造を例示する。図においてパイロット圧は入り口6 から導入されてダイアフラム11 の上部側空間のパイロット圧室2 を満たし、調整弁の２次圧がダイアフラム11 の下部空間の２次圧室3 を満たしている。減圧調整するガスはこの場合の1次圧として入り口5 から導入され、固定バルブ25 と可動バブル26 が形成する通路を経由して減圧され圧力を調節され２次圧として２次圧ガス通路35 を経由して出口4 から排出される。ダイアフラム11 は中心部に取付部材14 を配置してアルミ板12 と13 を両側に配して締め付けナット16 で一体化され、周辺部を上部ボディ20 と下部ボディ10 の間に気密に取り付けられる。上部ボディ20 には外部中心から調節可能なオフセット圧（パイロット圧と２次圧との差圧）調整用の調整ネジ7 が取付ナット9 を介して取り付けられ、先端に取り付けたバネ8 によりオフセット圧を調整できるようにしてある。調整ネジ7 は取付ナット9 との間をO―リング31 で気密に保たれ、取付ナット9 は上部ボディ20 との間にO―リング32 を介して気密を確保する。バネ8 の一端には例えばクランピング・スクリュー19 が装着され、その先端のボール29 が取付部材14 の上部の凹面33 に無視できる抵抗で接して微力な力を損失無く伝達する。取付部材14 の下部凸面34 は可動バブル26 に連結された連結ロッド24 と連結したピストン23 に接して力の伝達をする。固定バルブ25 の下部中心の円錐内面21 は頂角30° 以上40° 未満で極めて滑らかな仕上げとし、これに接する可動バルブ26 の上部の円錐面は中心部に連結ロッド24 を保持しているが外面は極めて滑らかな仕上げの頂角16° 以上26° 以下に構成されて、接する半頂角の差が4°〜8°程度になるようにして、接した時には完全密閉になり、僅かな力で離脱できるような構成と材質にする。ピストン23 には通気孔27 が、可動バルブ26 には通気孔28 が設けられ、通気孔27 からは２次圧が２次圧室3 に導入され、通気孔28 からは1次圧のガス全量が高感度圧力調整弁1 の流路調整部40 に供給される。固定バルブ25 は下部ボディ10 にO―リング30 により気密に固定され２次圧ガス通路35 から出口4 に連絡される。可動バルブ26 は下部に調整バネ36 を保持し、外部から重力影響や1次圧の僅かな影響などを調節できるようにO―リング39 で気密に保ったネジ37 とO―リング41 で気密を保たれた取付ナット38 を介して設けてある。
【００１２】
図３には流路調整部40 の詳細図解が示してあるが、固定された円錐内面21 に対して軸方向に動く可動バルブ26 の円錐外面22 とで構成する円環状流路43 断面積が流量と２次圧力に支配的な影響をする。連結ロッド24 が可動バルブ26 を押し下げる力が変化すると絞りの作用をする円環状流路43 の断面積が変化し、流路抵抗が変化する。この変化が２次圧を調整することになり、パイロット圧との平衡が保たれる。また固定環状流路42 以降の流路断面積は変化しない。
【００１３】
例えば図１のような流路において本発明の外部パイロット式高感度圧力調整弁1 を配置したとき、排気ガス102 のCFV 103 の入り口圧は分岐点115 から取り出されパイロットの入り口6 に導入される。この圧力は自動車排気の分岐管路113 の圧力から管路の抵抗だけ減じた圧であるが、主には自動車の運転条件により0.5 kPa 程度絶えず変動する。このパイロット圧力と同一になるように圧力調整弁1 の２次圧が制御されCFV 103 の入り口圧となる。外部パイロット式高感度圧力調整弁1 においては希釈清浄ガスの入り口5 から流路調節部40 の流路で減圧されるが、これには入り口5 の圧力の影響は少なくダイアフラム11 に働くパイロット圧と２次圧が主に影響して可動バルブ26 を軸方向に移動させて円環状流路43 の横断面積を調整して流量制御して結果的には圧力制御をすることになる。
【実施例】
【００１４】
本発明の外部パイロット式高感度圧力弁を用いてCFV 入り口圧を制御した実施例を図４と図５にしめす。図４の実験流路構成において51 は加圧空気源で減圧弁52 で圧力制御され圧力計53 で供給された外部パイロット式高感度圧力調整弁1 への供給圧がモニターされる。外部パイロット圧はピストン式加圧・減圧器59 で＋20 kPa から−20 ｋPa程度の範囲で10 Pa の読み取りが可能なデジタル圧力計55 でモニターしながら圧力調整弁1 に加えられる。圧力調整弁1 の２次圧は10 Pa の読み取り可能なデジタル圧力計54 で測定され、CFV 56 で流量規制され吸引ポンプ58 で充分に低い圧力を圧力計57 により確認しながら吸引され大気にガス60 として排出される。
図５は図４による実験結果の一例で、パイロット圧0 ｋPa において本発明の外部パイロット式高感度圧力調整弁1 の２次圧を0 ｋPa，1 ｋPa に調節して設定しそれぞれパイロット圧を正圧から負圧に亘って変化させたときの出口２次圧の測定結果である。図示されたように圧力調整弁はこの範囲では完璧にパイロット圧に応じて圧力調整をしており、オフセット圧を調節しても充分な特性を示している。
【産業上の可能性】
【００１５】
本発明の外部パイロット式高感度圧力調整弁は大気圧に対して正から負にかけてパイロット圧に応じて２次圧を10 ｋPa 程度の高感度と0.1 ｋPa 以内の精度で圧力制御することが可能であり、CFV を用いるなどの精密な流量制御に広く用いることができる。自動車排気ガスの測定だけでなく、精密な圧力制御を必要とする広範な産業分野で用いられる可能性がある。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明を必要とする自動車排気ガスの希釈サンプリング装置の一部流路例
【図２】本発明の外部パイロット式高感度圧力調整弁の構造例を示す断面図
【図３】本発明の外部パイロット式高感度圧力調整弁の流路調節部の詳細図
【図４】本発明の外部パイロット式高感度圧力調整弁の性能実験の流路構成図
【図５】本発明の外部パイロット式高感度圧力調整弁の実測例を示す圧力関係図
【符号の説明】
【００１７】
１  本発明の外部パイロット式高感度圧力調整弁
２  パイロット圧室
３  ２次圧室
４  出口
５  1次圧ガス入り口
６  パイロット圧入り口
７  調整ネジ
８  バネ
９  取付ナット
１０  下部ボディ
１１  ダイアフラム
１２  アルミ板
１３  アルミ板
１４  取付部材
１５  O―リング
１６  締め付けナット
１９  クランピング・スクリュー
２０  上部ボディ
２１  固定バルブ円錐内面
２２  可動バルブ円錐外面
２３  ピストン
２４  連結ロッド
２５  固定バルブ
２６  可動バルブ
２７  ピストンの通気孔
２８  可動バルブの通気孔
２９  先端のボール
３０  固定バルブのO−リング
３１  調整ネジのO−リング
３２  取付ナットのO−リング
３３  取付部材の凹面
３４  取付部材の凸面
３５  2 次ガス通路
３６  調節バネ
３７  調節ネジ
３８  取付ナット
３９  調節ネジのO−リング
４０  流路調節部
４１  取付ナットのO−リング
４２  固定環状流路
４３  円環状流路
５１  実験用加圧空気源
５２  減圧弁
５３  圧力計
５４  デジタル圧力計（10 Pa 精度）
５５  デジタル圧力計（10 Pa 精度）
５６  CFV
５７  圧力計
５８  吸引ポンプ
５９  ピストン式加圧・減圧器
６０  排出ガス
１１５  分岐点
【図１】
2008223912.tif 000003
【図２】
2008223912.tif 000004
【図３】
2008223912.tif 000005
【図４】
2008223912.tif 000006
【図５】
2008223912.tif 000007