(57)【要約】      （修正有）【課題】流体力学的騒音の発生を抑制でき、安い費用で効率的に製造できる流体減圧装置を提供。【解決手段】騒音発生の少ない流体減圧装置として、入口スロット３６、出口スロット３８、及びこれらを連結するプレナム４０で流体の流路を形成するディスク３０ａ〜３０ｄが積層される。この非対称スロット配列を有するディスク３０を、向きを変えて積層することにより、積層体内で上下方向流れのない所定の流路が形成される。高圧回収用入口段階と低圧回収用出口段階とを直列状態で連通することにより、騒音発生の少ない高効率の流体減圧ができる。【選択図】図４
2008286404.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
同心の外周と中心空洞部を有し、積層された複数のディスク；
各ディスクが、（ａ）ディスク中心からディスク外周に向かって部分的に延びた入口段階スロット、（ｂ）ディスク外周からディスク中心に向かって部分的に延びた出口段階スロット、及び（ｃ）ディスク内で延びた少なくとも１つのプレナム・スロットを有し：
上記入口段階スロットに流入した流体が、隣接ディスクのプレナム・スロットに流入し、さらに少なくとも１つのディスクの出口段階スロットに流れるよう、上記各ディスクが積層内で向きを変えて配置されており、流入した流体が上下に２分されて隣接ディスクのプレナム・スロットに流入して複数の半径方向外向き流れとなって、少なくとも１つのディスクの複数の出口段階スロットから流出するようにした流体減圧装置。
【請求項２】
上記隣接ディスクのプレナム・スロットが、あるディスクの流体入口段階スロットから、さらにそれに隣接するディスクの各出口段階スロットに流体を流すことができる請求項１記載の流体減圧装置。
【請求項３】
上記各流体入口段階スロットがディスク中心空洞から外側に向かって放射状に配列され、上記各流体出口段階スロットがディスク外周から内側に向かって放射状に配列されている請求項２記載の流体減圧装置。
【請求項４】
上記各流体入口段階スロットと各流体出口段階スロットが、いずれも各ディスクの周方向の一方の側に設けられている請求項３記載の流体減圧装置。
【請求項５】
上記プレナム・スロットが、上記各流体入口段階スロットと流体出口段階スロットに対して周方向の反対側に設けられている請求項４記載の流体減圧装置。
【請求項６】
積層体内での障害のない上下方向流れを防止するため、各ディスクの上記各入口段階スロットと各出口段階スロットとが、プレナム・スロットに対して非対称に配列されている請求項５記載の流体減圧装置。
【請求項７】
上記各入口段階スロットが、流れの剥離を防止する湾曲角部を有し、さらに、高圧回収を達成するため、下流に向かって広がる流路を形成している請求項１記載の流体減圧装置。
【請求項８】
上記各流体入口スロットが、上下に隣接する各ディスクのプレナム・スロットに連通する後部スロット部を有している請求項７項記載の流体減圧装置。
【請求項９】
上記各流体出口段階スロットが、低圧回収を達成するため、下流に向かって狭まる流路を形成している請求項８記載の流体減圧装置。
【請求項１０】
上記各流体出口段階スロットが、積層体内で隣接する各ディスクのプレナム・スロットに連通するスロット前方部を有している請求項９記載の流体減圧装置。
【請求項１１】
積層体内での障害のない上下流れを防止するため、各ディスクの各流体入口段階スロットと各流体出口段階スロットとが、プレナム・スロットに対して非対称に配列されている請求項１０記載の流体減圧装置。
【請求項１２】
入口圧力をプレナム圧力の２倍以上として、上記流体入口段階スロットで高圧回収ができるようにした請求項１記載の流体減圧装置。
【請求項１３】
プレナム圧力を出口圧力の２倍以上として、上記流体出口段階スロットで高圧回収ができるようにした請求項１記載の流体減圧装置。
【請求項１４】
各ディスクが、各段階スロットとプレナム・スロットを通して、収縮及び拡張する複数の流路を有している請求項１記載の流体減圧装置。
【請求項１５】
上記各段階が低圧回収段階で形成されている請求項１４記載の流体減圧装置。
【請求項１６】
ディスクの積層状態を保持するための溶接ビードがディスク外周に形成されている請求項１記載の流体減圧装置。
【請求項１７】
各ディスクが間隔を隔てた貫通孔を有し、この貫通孔に通して各ディスクを積層状態で保持するための棒状の結合部材を有している請求項１記載の流体減圧装置。
【請求項１８】
流体入口、流体出口、及びこれらを接続する弁箱流路；
上記弁箱流路内に設けられた弁シート；
上記弁シートと協動して弁箱流路内を流れる流体の流量を制御する弁操作部材；
上記弁シートに設置され、弁箱流路内を流れる流体の圧力を低下させる弁かご；
上記弁かごが、同心の外周と中心空洞部を有する複数のディスクを積層して構成され，  上記各ディスクが、（ａ）ディスク中心からディスク外周に向かって部分的に延びた流体入口段階スロット、（ｂ）ディスク外周からディスク中心に向かって部分的に延びた流体出口段階スロット、及び（ｃ）ディスク内で延びた少なくとも１つのプレナム・スロットを有しており；
上記ディスクが、積層体内で、流体が流体入口段階スロットから隣接する第２のディスクのプレナム・スロットに流入し、さらに少なくとも１つのディスクの出口段階スロットに流れるよう配置され、流体入口スロットを流れる流体が上下に２分割されて、複数の半径方向流れとなるプレナム・スロットに流入し、さらに少なくとも１つのディスクの複数の出口段階スロットに分配され；
上記弁かごが、騒音発生の少ない所定の流体減圧を行うようにした流量制御弁。
【請求項１９】
同心の外周と中心空洞部を有する複数の積層されたディスク；
上記各ディスクが、（ａ）ディスク中心からディスク外周に向かって部分的に延びた流体入口段階スロットと、ディスク外周からディスク中心に向かって部分的に延びた流体出口段階スロット、及び（ｂ）ディスク内で延びた少なくとも１つのプレナム・スロットを有し；
上記各ディスクが、積層体内で、流体が、あるディスクの入口段階スロットから、隣接するディスクのプレナム・スロットと少なくとも１つのディスクの流体出口段階スロットに流れるよう配置されており、入口段階スロットを通った流体が上下に２分割されてプレナム・スロットに流入して放射状の複数の流れとなり、少なくとも１つのディスクの複数の出口段階スロットから分散されて流出する流体減圧装置。
【請求項２０】
同心の外周と中心空洞部を有する複数の積層されたディスク；
上記ディスクが、第１ディスクと第２ディスクとからなり；
上記第１ディスクが、（ａ）ディスク中心からディスク外周に向かって部分的に延びた流体入口段階スロット、及び（ｂ）ディスク外周からディスク中心に向かって部分的に延びた流体出口段階スロットを有し；
上記第２ディスクが、（ｃ）ディスク内で延びた少なくとも１つのプレナム・スロットを有し、あるディスクの流体入口段階スロットから流入した流体が、隣接ディスクのプレナム・スロットと、少なくとも１つのディスクの流体出口段階スロットから流出するように、各ディスクが積層体内で配列されており、流体入口段階スロットを通った流体が上下に２分割されてプレナム・スロットに流入して複数の放射状流れとなり、少なくとも１つのディスクの複数の出口段階スロットから分散されて流出する流体減圧装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体エネルギーを放散する装置、特に流体を減圧する装置に関し、気体の流れについてはエネルギーの騒音への変換を少なくし、液体の流れについてはキャビテーション（空洞現象）の発生を抑えて騒音を少なくした流体減圧装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明に関係するいくつかの要因について項目別に考察する。特に、本発明の圧力低減装置に関して、（Ａ）空気力学的騒音、（Ｂ）製作、及び（Ｃ）流体力学的騒音に分けて以下に述べる。
【０００３】
（Ａ）空気力学的騒音
石油やガスの配管ライン、化学反応設備等の産業プロセス等において、流体を制御する場合に、しばしば流体の減圧が必要となる。流量制御弁や流量調節器等の流量調節が可能な流量抑制装置、及びディフーザ、サイレンサその他の背圧装置がこの用途に使用されている。ある用途における流量制御弁、及び／又は流量抑制装置の目的は、流量その他のプロセス変数の調節であるが、流量抑制に付随して流体の圧力が低下する。
【０００４】
加圧された流体には機械的エネルギーが内蔵されている。圧力の低下はこのエネルギーが関係する。このエネルギーは、流体全体の運動と局部的乱流とを含む流体の運動エネルギーとして現れる。乱流は流体の無秩序な運動である。しかし無秩序な運動にも瞬間的に見ると秩序がある。乱流（渦）が形成されても、すぐに小さな渦に分割されて消滅する。最終的に液体の粘性により、小さな渦が消滅して流体の運動エネルギーが熱に変換される。乱流によって生じる圧力と流速の変動が配管システムの構造部材に振動を発生させる。振動は、圧力保持部材（部材に強度があっても）の疲労破壊や摩耗、性能低下、又は取付機器に損傷をもたらす望ましくない現象である。振動による物理的損傷がなくても、振動が空気中に伝播すると耳に不快な騒音となる。
【０００５】
騒音防止に関する３つの基本的方法：
１）発生個所での振動の抑制。放散されるエネルギー量は用途によって異なるが、騒音の低減レベルは、流体エネルギーの音響エネルギーへの変換率の低減に基づく。
【０００６】
２）騒音エネルギーの吸収。産業設備での代表例として、ガラス繊維充填サイレサーがある。
【０００７】
３）騒音伝播の遮断。この例として厚肉のパイプがある。振動に変換される全エネルギーの一部は、流路の性質と流体の乱れ関係し、さらに流体に接する構造部材のエネルギー吸収特性に関係する。機械的エネルギーの騒音エネルギーへの変換量は、音響変換効率として知られている。流体の減圧に伴って生じる騒音や振動の低減について、いくつかの方法が知られている。
【０００８】
流体が気体である場合、次の４つの方法が使われる。
【０００９】
１）乱流が発生しやすいプロセスでは、一度に減圧せず、複数の小段階に分けて減圧すること。圧力低減段階として、通常、流路の収縮や拡大、又は流れの方向変換が使われる。いずれの場合も、流体の低速領域内で高速流体の噴流が形成される。このとき生ずる流体の乱流混合によって騒音を発生する。この減圧段階の前後での圧力変化が大きい場合は、噴流が流れを遮断したり、噴流の流速が音速に達して流体の内部で「衝撃」が発生する。この衝撃によって、流れの熱力学的状態が急激に変化する。例えば、圧力が著しく低下する。流入する乱流に衝撃が加わると広い周波数域の騒音が発生する。
【００１０】
２）高速噴流と乱流の固体面への接触を防止すること。いわゆるレイノルズ・ストレスと呼ばれる自由な流れにおける乱れが騒音の原因となる。しかし、固体面に乱流が接触すると共振の原因となる。流体の平均流速が小さい場合にも共振は有力な騒音源となり得る。
【００１１】
３）まず、流れを小さな流れに分割すること。この手法は多くの好ましい結果をもたらす。流路の寸法が小さくなると発生する渦の寸法も小さくなるため、渦の周波数が高くなる。そしてエネルギーが振動に変わることなく渦の消滅過程に移行する。第２に、小さな渦に含まれるエネルギーの大部分は、配管システムで吸収しにくい(騒音となって発散されやすい)高い周波数域のエネルギーである。従って実際の配管システムにおいて、流れを小さな流れに分割することは、発生する騒音の伝播を抑えるのに有効である。第３に、周波数の高い騒音は人間の耳に聞こえにくいため、これによっても見かけ上の騒音防止効果が得られる。第４に、小さな噴流の固体表面への衝突による共振を防止することは比較的容易である。最後に、各噴流が分割された流れの中で独立している限り、他の流れで発生する騒音と関係がないため、段階的減圧と同様に、全体としての騒音を低く抑えることができる。しかし、流体中の異物による流路閉塞があるため、流れの微少化には限度がある。
【００１２】
４）以上の対策の組み合わせ。圧縮性流体を段階的に減圧する場合の１つの問題は、減圧によって、次の段階に流れる流体の体積が増加することである。減圧段階での圧力比（入口圧／出口圧）が高い場合、その下流で、流体の体積増加に伴う流路断面積の増加が必要となる。従来の流れ抑制装置の多くは広がる流路を使用している。圧縮性流体に対するこれらの流れ抑制装置は、流体が半径方向外側に流れる環状のかご型壁が使用している。これは、流路が自然に拡大して広い流路断面積が得られる点で好ましい。
流体の減圧に伴って生ずる騒音と振動を抑制するための技術的課題は、流れの状態が効率よく制御でき、しかも安価に製造できる流路形状を得ることである。
【００１３】
（Ｂ）製造上の問題
騒音抑制部材の内部に適切な流路を設けるは、通常、費用がかかる。特殊な材料で流路を構成することも費用と入手の点で問題がある。環状の鋳造物又は棒状物を、広く使われているスリーブ、リング等の円筒状流路内の流れ抑制部材として使用することができる。しかし、材料の直径、長さ、厚み等の多くの要素の組み合わせて製作しなければならない。普通の板材から切り出したいろいろな内径／外径の環状ディスクをある高さに積層した弁かごが使用されている。シート状の鍛造物は、空隙ができにくい点で、環状鋳造物に比べて有利である。
【００１４】
積層用ディスクは、これまで、化学エッチング、ミル加工、放電加工(EDM)、鋳造、切り出し、パンチング、ドリル加工等によって製造されている。化学エッチングは、広く使われる加工技術であるが、弁かごの部品の加工用としては、寸法的に見て非常に高価となる。さらに、この加工方法では酸性廃液と溶解金属とが有害廃棄物となる。ミル加工は高価で、カッターの寸法によって被加工物の最小寸法が制約を受ける。ワイヤ放電加工は貫通加工に限られ、加工に時間がかかる。プランジ（突き当て）放電加工は凹部の加工に使われ、型の作成には適切であるが、ディスクの量産には適していない。鋳造は安価であるが、製品の種類ごとに型が必要となる。又、鋳造品は積層前に仕上げ加工が必要である。パンチングは打ち抜きに限られ、打ち抜き物の形状に応じた専用のダイを必要とし、打ち抜き後の製品が平面であるとは限らない。ダイの摩耗によって流路形状が変化し、流れ制御特性に悪影響を及ぼす。さらに、特に厚みが大きく寸法が小さいディスクの製造には不向きである。ドリル加工は、非対称流路やテーパ孔の加工に向かない。またドリル加工によって、環状かごの内部で隅部の丸み加工はできない。
【００１５】
切削方法として、プラズマ加工、レーザ加工、高圧水ジェット等がある。これらは貫通加工に限られる。しかし、従来の貫通加工によって流量抑制部材を安価に製造することはできない。例えば、セルフ(Self)に付与された米国特許第3,513,864号に記載の骨格ディスク(skeletal disk)では、加工個所が変わるごとにフレーム／ビーム・ジェットの頻繁な噴射・停止が必要である。この頻繁な噴射・停止と被加工物の移動が必要なことから加工長さ当たりの加工時間と加工費用が増大する。従って、効率よく安価な加工ができるディスクの形状が要求される。
【００１６】
さらに、コンピュータ数値制御(CNC)工作機械、キャド(CAD)システム、及び自動化されたインターフェースの普及により、型による製造（鋳造）に比べてコスト的に有利なソフトウェアに基づくCNC加工に移行しつつある。このソフトウェアを用いると、騒音防止が要求され、しぼしば特別な形状が必要となる特殊用途に有利である。
【００１７】
ディスクの積層体は、通常、ロー付け、ボルト止めによって組み立てられる。ディスクを互いに溶接して組み立てることもできる。
【００１８】
流量抑制部材の費用以外に、所定流量に対して必要な流量抑制部材の寸法が弁の寸法に関係し、これが弁全体の費用に影響を及ぼす。
【００１９】
従来の屈曲流路は、圧力を均一に低下させるのに効率の悪い流路である。所定の流路断面を通過する流量は、例えば、２段階減圧装置に比べて少ない。従って従来の屈曲流路に基づく流量抑制部材は、流路断面積と流路当たり段階数が大きいため、寸法が大きくなる。流量抑制部材の寸法が大きいことは、これを収容する大型で重く高価な弁を必要とし、弁を操作するアクチュエータも大型となる。
【００２０】
（Ｃ）流体動力学的騒音
液体の減圧に伴う動力学的騒音は発生機構が異なる。本発明による製作技術は、液体の流路についても有利である。実際の用途において、液体の減圧に伴って生じる騒音と振動の主な原因はキャビテーションである。キャビテーションは、液体が、流路内の圧力が蒸気圧以下となった領域を通過するときに発生する。気泡を発生した液体が、圧力が蒸気圧以上となった領域まで流れると気泡が消滅する。気泡の消滅に伴って騒音と振動が発生し、材料に損傷を与える。
【００２１】
この問題の解決手段の一つは、流路内の圧力を蒸気圧以上に保つことである。
気体の流れでは、しばしば複数の減圧段階が使用される。減圧の必要段数は、全体の圧力降下量、即ち圧力回収量に対する各段階での最低圧力降下量に関係する。圧力回収量は小さい方が望ましい。積層形式の流量抑制部材では、流れを直角方向に変換する形式の減圧段階がしばしば使われ、流れの変換個所で圧力回収が行われる。従って減圧段階としてより多くの流れ変換個所が必要となるが、減圧段階の数を増すに従い流量抑制物の複雑さが増し、弁全体の寸法と費用が増加する。
【００２２】
実際上、第１段目の段階（静圧が最大となる段階）での減圧量を大きくし、後続の各段での減圧量を次第に小さくするのが有利である。流れの方向変換による各減圧段階を有する流路は、断面拡大流路とも呼ばれる。
【００２３】
圧縮性流れでは、流路寸法が小さい方が有利である。少量のキャビテーションが生じる条件がしばしば許容される。多数の独立した小さな２相噴流（気体と液体とが混合した局部的な高速流）は、大きな２相噴流に比べて振動発生効率が小さくなる。
【００２４】
液体の流速制御は、原理的に、液体の振動及び騒音の間接的制御手段となる。
【００２５】
流速制御の目的は、液体の全体流動において局部的に静圧が低下するベルヌーイ作用を低減することである。この比較的高い静圧は、キャビテーション発生の原因となる圧力範囲が狭まる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２６】
騒音エネルギーへの変換、即ち流体力学的騒音の発生を抑制でき、しかも安い費用で効率的に製造できる流体減圧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】
【００２７】
上記課題を解決するため、本発明は、原理的に、積層された少なくとも２枚のディスクを有し、各ディスクが、流体を入口から出口に導く流路を有する流体減圧装置である。圧縮性流体については、流路中に高圧回収用の第１段階と、低圧回収用の第２段階とが直列に設けられている。ディスク積層体内での第１段階と第２段階との直列配置により、騒音発生を抑制した所定の流体減圧ができる。液体の減圧については、全ての段階を低回収率型とするのが望ましい。
【００２８】
本発明の流体減圧装置の別の実施形態では、同心の中心空洞部と外周とを有する複数のディスクが積層されている。各ディスクは、（ａ）ディスク中心からディスク外周に向かって部分的に延びた入口段階スロット、（ｂ）ディスク外周からディスク中心に向かった部分的に延びた出口段階スロット、及び（ｃ）ディスク内部で延びた少なくとも１つのプレナム・スロットを有している。ディスクは積層体内で、あるディスクの入口段階スロットを通過した流体が、隣接する別のディスクのプレナム・スロットを通って、流体の一部が少なくとも元のディスクの出口段階スロットから流出するように各ディスクが向きを変えて配置されており、入口段階スロットに流入した流体の流れは、上下に２分され、積層体内でさらに隣接するディスクの複数の出口段階スロットに分配されて排出される。
【００２９】
本発明の流体減圧装置の別の実施形態では、プレナムとスロットが交互に配列された、同様の積層用ディスクが使用される。各入口及び出口スロット群の間にプレナムが設けられている。
【００３０】
本発明の流体減圧装置の別の実施形態では、対になった２枚のディスクの部分積層体を多数積層しており、前記の入口及び出口スロットが全て一方のディスクに設けられ、プレナムが他方のディスクに設けられている。この実施形態では、他の実施形態のように、弁棒の出し入れに応じて滑らかに流れ抵抗を変えることはできない。２種類のディスクを使用する装置は、前記の１種類のディスクを使用する装置に比べて不利である。
【００３１】
本発明の流体減圧装置の別の実施形態では、７段の減圧段階を有しており、積層された各ディスクは、（ａ）ディスク中心からディスク外周に向かって部分的に延びた流体入口スロット、（ｂ）ディスク外周からディスク中心に向かって部分的に延びた出口段階スロット及び（ｃ）ディスク内部で延びた少なくとも１つのプレナム・スロットを有している。この実施形態では各スロットが、その段階の長手方向に、複数の（前記実施形態と比較して）収縮／拡張流路を形成している。さらに、流体がある段階から次の段階に移るとき、隣接するディスクのスロット及びプレナムを通過するよう、積層体内で各ディスクが向きを変えて積層されている。多数の減圧段階を有するこの実施形態では、積層体内でスロットの重なり部分が多くなって、好ましくない上下流が発生する。これは特に液体を減圧する場合に好ましくないが、積層体内で、ある高さごとにディスク間に薄い仕切り板を介在させることによって上下流を防止することができる。３段〜６段(又は７段以上)の減圧段階を持つ実施形態も当業者にとって容易に考えられる。
【００３２】
本発明の好ましい実施形態では、外周と中心空洞部を有する複数のディスクが積層され、各ディスクが互いに補い合うスロット群を形成している。従って、各ディスクは、ディスク中心からディスク外周に向かって部分的に延びた複数の流体入口段階スロットを有する同一のディスクである。各流体入口スロットの入口角部には流れの剥離を防止する丸みが付けられ、また騒音発生を抑えて高い減圧が達成されるよう流路にテーパーが付けられている。テーパー流路の終端部には上下に隣接したディスクのプレナムに連通させるための限定された寸法の後部スロットが形成されている。これらについては後に述べる。
【００３３】
各ディスクは、さらにディスク外周には、前記入口段階と周方向の同一側に出口段階が設けられ、ディスク中心に向かって部分的に延びた複数の出口段階スロットを有している。各出口段階スロットは、下流側の低回収段階として騒音の発生を抑えるため、下流に向かって狭まる流路となっている。また各出口段階スロットは上下に隣接するディスクのプレナムに連通するスロット前方部を有している。
【００３４】
さらに各ディスクは、前記入口及び出口段階スロットとは、周方向の反対側に、スロット状のプレナム部を有している。
【００３５】
積層体内では、上記のディスク４枚からなる部分積層体が使用される。第１ディスクの上に第２ディスクを逆向きに重ねて、第１ディスクの入口及び出口段階の上に第２ディスクのプレナム部が重なるようにする。第３ディスクは第１ディスクと同じ向きであるが裏返して第２ディスクに重ねる。これにより第３ディスクのプレナム部が第２ディスクの入口及び出口段階に重なる。最後に第４ディスクを第２ディスクと同じ向きであるが裏返して第３ディスクに重ねる。従って、第４ディスクの入口及び出口段階が第３ディスクのプレナム部に重なる。
【００３６】
また、各ディスクの各入口段階スロット及び各出口段階スロットは非対称に配置されている。この非対称配置により、積層体内において一つのディスクのプレナムを挟んでその上下に隣接するディスクの入口及び出口段階スロットが上下に重ならないため、積層体内での望ましくない上下流の発生を防止することができる。
【００３７】
従って、この望ましい実施形態では、積層されたディスクの中心空洞部に流入した流体は、高圧回収段階として形成された複数の入口スロットに流入する。入口スロットに流入した流体は、後部スロット部から上下に分割されて隣接ディスクのプレナム部に流入する。分割された流体は各プレナム部を放射状に流れて周方向に分散され、上下に隣接するディスクの外周に設けた低圧回収段階として形成された各出口スロットから分散されて流出する。
【００３８】
この実施形態を気体の流れに適用するときは、騒音発生を抑えるために、高圧回収段階での圧力比を約２以上で運転するのが望ましい。さらに低圧回収段階での圧力比を約２以下で運転するのが望ましい。これにより騒音が少なく効率のよい気体の減圧ができる。
以上に述べた実施形態の装置は、流体がディスク積層体内を外部に向かって放射状に流れる装置である。しかし、流体の入口と出口を逆にして、流体が積層体内を内部に向かって流れるようにすることも当業者に自明であろう。
【発明の効果】
【００３９】
本発明の原理に基づく流体減圧装置は、次のような構造上及び使用上の特徴と利点を有している。
【００４０】
１）流れの剥離と衝撃を抑制する流路形状により、空気力学的騒音の発生を最低限に抑えることができる。
【００４１】
２）液体の流れについては、流れの剥離を防止して圧力回収ができる流路形状によってキャビテーションの発生を防止することができる。
【００４２】
３）通常の材料で望ましい形状の流路を形成することにより、製品の在庫を減らし納期を短縮することができる。
【００４３】
４）装置内の流路形状については、数値制御されたレーザー又は高圧水噴射型工作機械などの最新加工装置により効率的に安価に製造することができる。
【００４４】
５）現在使用されている従来の屈曲流路形式のものに比べて減圧用部材の寸法が小さくなるため、弁全体の費用を安くすることができる。
【００４５】
６）弁開度に応じて減圧用部材の流路抵抗を滑らかに変わるため、弁の制御特性が向上する。
【００４６】
７）強固に組み立てられたディスク積層体を安価に製造でき、補修又は洗浄のための分解も容易である。
【００４７】
８）特別な用途の流体減圧部材を安価な加工費用で製造することができる。
【００４８】
従来の減圧装置では、流体が屈曲流路を半径方向にジグザグに流れ、入口と出口の高さも同一ではない。本発明の減圧装置では、流体が３次元的に流れるが、入口と出口は同一高さにある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４９】
本願発明の一実施形態を、図面を参照しつつ説明する。
【００５０】
まず図１には、流量制御弁１２内に設けられ、複数の積層ディスクを備えた弁かご１０形式の、本発明の原理に基づく流体減圧装置が図示されている。流量制御弁１２は、流体入口１６、流体出口１８及びこれらの間の流路２０を有する弁箱１４を備えている。
弁箱流路２０内にシート・リング２２が設けられ、弁操作部材２４と協動して弁かご１０の内部から外部に流れる流体の流量を制御する。弁かご１０は、ボンネット部に接続したかご保持装置２６と取付ボルト２８等の公知の取付手段によって、弁内に保持されている。弁かご１０は、積層された複数のディスクで構成され、各ディスクは図２に示す同一のディスク３０である。ディスク３０は、中心空洞部３２と環状外周部３４を有している。ディスク３０の一方の側には、複数の流体入口段階スロット３６がディスク中心３２からディスク外周３４に向かって部分的に延びており、複数の流体出口段階スロット３８がディスク外周３４からディスク中心３２に向かって部分的に延びている。
【００５１】
ディスク外周には、流体入口及び流体出口段階スロットとは周方向の反対側に、１個所又は複数個所にプレナム・スロット４０が形成され、流体入口及び出口段階スロットの一方の端部の近傍にある一方のプレナム端部４２から、流体入口及び出口スロットの他方の端部の近傍にある他方のプレナム端部４４にかけてディスク全体に延びている。プレナム４０には、又、中心空洞部３２に沿ったディスク内側部４１とディスク外周３４に沿ったディスク外側部４３とが設けられている。この内側部４１と外側部４３とを連結するブリッジ部４５が、プレナム・スロット４０を２つのプレナム部に分割している。
【００５２】
図２に示すように、各ディスクには、２つの孔４６が対向位置に設けられている。各ディスク３０を貫通する各孔４６には、各ディスクを積層するときに、１対の位置合わせピンが挿入される。図２から明らかなとおり、積層した各ディスク３０の孔４６に挿入されたピンは、弁かご１０の流路の妨げとならないように設けられ、弁かご１０外周の一連の溶接ビード４８（図１参照）が積層体を構成する各ディスク３０を強固に保持する。各入口段階スロット３６には、湾曲角部５０を形成して、第１入口段階を通る流れのディスク面からの剥離を防止している。又、各スロット３６内のテーパー側壁部５２が、流体入口段階の高圧回収段階を構成している。例えば、対向する側壁部５２が約１５°の内角でディスク外周方向に向かって広がっている。各スロット３６の端に、小寸法であるが、積層体内で隣接する上部及び下部ディスクのプレナム４０に流路を連通させる十分な大きさの後部スロット部５４が形成されている。これについては後に述べる。
【００５３】
各流体出口段階スロット３８が、上部及び下部の隣接ディスクのプレナム４０に連通する寸法のスロット前方部５６を有している。流路の両側壁部５８がディスク外周３４に向かって狭まり、各流路出口段階スロット３８が低圧回収段階を構成している。この高圧回収段階と低圧回収段階の組み合わが騒音の発生を少なくする。
【００５４】
騒音防止技術(Noise Control Engineering)の１９８４年１月及び２月号のハンスＤバウマン(Hans D．Baumann)による記事「調節弁で発生する騒音レベルに関する係数と要因(Coefficients and Factors relating to Acrodynamic Sound Level Generated by Throttling Valves)」を、特に本願の従来技術として参照されたい。この記事では、騒音エネルギーを圧力回収率の関数としてとらえている。この記事によると、騒音作用（換言すれば、騒音発生能力）は、圧力比（入口と出口の圧力比）を圧力回収率（ＦL値）で割った値の関数となる。整流域ではＦL値が低く、急激に開放する流体出口ではＦL値が１．０に近づく。入口流路が狭く出口に向かって狭まるテーパー流路によりＦL値を下げることができる。ＦL値を下げることは、５〜１０ｄＢの騒音を発生する圧力比２：１以上の流路において有効である。しかし、圧力比が低く（２：１以下）、騒音が５〜１０ｄＢ以下の場合は高いＦL値が望ましい。従ってスロット寸法と形状の範囲を、弁で通常使用される圧力の範囲に合わせて決めることができる。
【００５５】
本発明の好ましい実施形態によると、各入口の高圧回収段階３６での圧力比を２以上として、騒音発生を少なくしている。また、各出口の低圧回収段階３８での圧力比を２以下として騒音発生を少なくしている。これにより、弁かご１０で騒音を抑えた高効率の減圧ができる。
【００５６】
図２に示すとおり、ディスク３０の一端に記号Ａが付けられ、他端に記号Ｂが付けられている。これらの記号Ａ、Ｂは、本発明に基づいて積層される各ディスク３０の向きを示すのに役立つものである。また、図２からわかるように、各流体入口段階スロット３６はプレナム４０に対して対称には配列されいない。特に、図２の左側のプレナム端部４２に隣接する入口段階スロット３６は、右側のプレナム端部４４に隣接する入口段階スロット３６に比べて、プレナム端部４２により近い位置にある。各出口段階スロット３８についても、プレナム端部４２、４４に対して非対称に配列されている。このスロット配列は、本発明の重要な特徴点の一つであり、ディスク３０を図３に示すように積層したとき、各スロットが、障害のない上下方向流路が形成されないようにしている。従って、全ての流路が、実質的に、各入口段階スロット３６からプレナム４０を通って各出口段階スロット３８に出る流路となっている。
【００５７】
図３には、４枚の同一ディスク３０で形成した部分積層体の分解斜視図が示され、各ディスク３０の位置関係が容易にわかるようになっている。弁かご１０は、この図３に示す４枚のディスク３０で形成された部分積層体を上下に積み重ねて構成されている。
【００５８】
図３では、最下部のディスク３０ａが、図２のディスク３０と同様の状態で設置され、その上面に記号Ｂが見えている。その上のディスク３０ｂは、下部のディスク３０ａの記号Ｂの上にディスク３０ｂの記号Ａが来るように、ディスクが１８０°回転して設置されている。その上のディスク３０ｃは、その下のディスク３０ｂの記号Ａの上に記号Ｂが来るように図２のディスク３０が裏返して設置され、ディスク３０ｃの記号Ｂは見えない。最後に、最上部のディスク３０ｄは、その下のディスク３０ｃの見えていない記号Ｂの上に記号Ａが来るように図２のディスク３０を裏返して設置され、ディスク３０ｄの記号Ａは見えない。このように、見えていないディスク３０ｄの記号Ａとディスク３０ｃの記号Ｂ、及び見えているディスク３０ｂの記号Ａとディスク３０ａの記号Ｂが上下１列に並んだ状態で各ディスク３０が積層されている。
【００５９】
前記のとおり、流体入口段階スロット３６と流体出口段階スロット３８は、位置合わせピン孔４６、及び、特にプレナム端部４２、４４に対して非対称となっている。スロット３６、３８の非対称配置と、図３に示すディスク３０ａ〜３０ｄの選択配置により、ディスク積層体内部で障害のない上下方向流路が形成されない。さらに、この構成によると、障害のない上下方向流路を有するチャンバー内で生じる共振を防止することができる。
【００６０】
次に、図４、図５及び図６には、弁かご１０内を３次元的に流れる流体の流路を示す。説明を簡単化するために、図３及び図４で使用した、最下部ディスク３０ａの上に重なったディスク３０ｂ、３０ｃ及び３０ｄの符号を、流路を模式的に説明する図５及び図６にも使用する。まず、流体は中心空洞部３２から各流体入口段階スロット３６に入る。図と説明を簡単化するため、１つの流体入口段階スロット３６から複数の流体出口段階スロット３８まで、３次元的に流れる流体の流路について説明する。流体はディスク積層体内部を３次元的に流れるが、便宜上、流体の入口と出口を同一平面上に図示している。
【００６１】
１例として、流体はディスク３０ｂの流体入口段階スロット３６ａに流入する。流体はテーパー側壁５２の間を通って後部スロット部５４に流入し、後部スロット部５４から上下に分かれて、下部ディスク３０ａ及び上部ディスク３０ｃのプレナム４０に流入する。上下に２分された流体は、それぞれディスク３０ａのプレナム４０ａとディスク３０ｃのプレナム４０ｃ内を放射状に流れる。
【００６２】
次に流体は、各出口段階スロット３８のスロット前方部５６に達する。１例として、プレナム４０ａ、４０ｃ内の各流路がスロット前方部５６に達すると、上下に分かれてスロット前方部５６ａに流入し、その１つがディスク３０ｂの流体出口スロット３８ａを通って流出する。上記では、便宜上、２つのプレナムを通った流体が１つの出口スロットから流出する１つの流路について説明した。しかし、実際には、プレナム４０ａ、４０ｃ内で流体は放射状に流れて、さらに上下に分かれて複数の出口段階スロット３８から分散されて流出する。
【００６３】
例えば、図５に示すように、ディスク３０ｂに流入した流体は上下に２分されて下部ディスク３０ａと上部ディスク３０ｃに向かって流れ、各ディスクのプレナム４０ａ、４０ｃの内部を半径方向外側に向かって流れる。出口段階では、例えばプレナム４０ｃ内の流体は、一部が下部ディスク３０ｂの前方スロット部５６の各出口段階スロット３８（図６参照）に向かって下向きに流れ、残りの一部が上部ディスク３０ｄの前方スロット部56の各出口段階スロット38に向かって上向きに流れる。プレナム４０ａ内を半径方向外側に向かって流れる流体も同様に、上下に分かれて上部ディスク３０ｂと下部ディスク（図５では符号を省略）に流入する。
【００６４】
図６では、ディスク３０ｄ、３０ｂ及び図５で符号を省略したディスク内で、流体が周方向に分散され、最終的に半径方向に向かう複数の出口スロット３８から流出する状態を示している。例えばプレナム４０ｃ内の流体は周方向に分散され、複数の前方スロット部（５６ａ、５６ｂ、５６ｃ等）を通ってディスク３０ｂの複数の出口３８ａ、３８ｂ、３８ｃ等を通って流出する。従って、本発明の装置では、弁かご１０内の複数の出口スロットに流体を送り込む大容量のプレナムにより、出口段階スロットの一部が異物で閉塞しても装置全体の性能に大きな影響が生じない。これは、１つでも流路が閉塞すると全体の流れが停止する屈曲流路を使用した従来装置と比べて大きな利点となる。また、好ましい実施形態として、各ディスク３０が複数の流体入口と流体出口とを有するために、なめらかな絞りと流量の直線的性質が得られ、屈曲流路を有する従来の装置のように流れの停滞域が生じない。流路と流れの非直線的性質が望まれる場合は、一部のディスクの入口及び出口の数を変えることによって達成することができる。
【００６５】
図２の実施形態からわかるように、各スロットが周方向に分散して設けられているのではなく、２つのスロット群を形成している。また、内部圧力を等しくするためのプレナム・チャンバーが、１つの大きなチャンバーを形成するため、加工時に、フレーム／ビームの頻繁な噴射と停止が不要となる。又、プレナムの周長さ（加工長さ）を著しく短縮することができる。スロット群を形成することにより、積層して弁かご１０を形成するディスク３０が１種類ですむ。積層体内部の流路は、ディスクの向きを変えることによって形成することができる。ディスク上で２つ以上のスロット群を形成することもできる。図２に示す２つのスロット群を有するディスクは４枚で図３に示す部分積層体を形成することができる。
【００６６】
３つのスロット群を有するディスクは６枚で部分積層体を形成することができる。スロットの適切な配列により、所定の減圧を達成するためのディスクの枚数を減らし、減圧用部材の寸法を小さくして形状を単純化することができる。
【００６７】
図２に示したディスク３０では、ディスクの周方向の一方の側に全てのスロット群３６、３８が設けられ、他方の側にプレナム４０が設けられている。図７に示す別の形態のディスク６０では、スロット群が交互に配置されている。即ち、入口スロット６２、出口スロット６４、及びプレナム６６がディスクの全周に配置されている。プレナム６６は入口スロットと出口スロットの間に配置されている。プレナムとスロット群を交互に配置した図７に示すディスク６０によると、２枚のディスク６０で積層体内の部分積層体を形成することができ、積層体内で、入口スロットと出口スロットが同一高さにある３次元流れを形成することができる。しかし、図７の実施形態では、障害のない上下流を防止するためのスロットの非対称配置は困難である。図７に示すスロットとプレナムを交互配置の利点は、長いプレナム・チャンバーを有する図２及び図８のディスクに比べてディスクの剛性が高まることである。従って差圧を大きく取ることができる。
【００６８】
さらに、図７からわかるように、各流体出口段階６４では、スロットの側面６５が平行で、ディスク３０の側面５８のように傾斜していない。出口段階６４の平行側面は、傾斜側面に比べて、騒音防止の点では効率的ではない。しかし、傾斜側面に比べて平行側面は従来の方法によって容易に加工することができる。もちろん、必要に応じて出口段階６４の側面をディスク３０と同様に傾斜させて騒音防止効率を向上させることができる。
【００６９】
図８（Ａ）、図８（Ｂ）にさらに別の形態のディスクを示す。図８（Ａ）に示すディスク６８は、流体入口スロット７０と流体出口スロット７２がディスク６８の全周に設けられ、４つの集団（即ち、４群の入口スロット及び出口スロット）が形成されている。図８（Ｂ）に示すディスク７４は、ディスク６８と対となるディスクであって、周囲に４つのプレナム７６が設けられている。ディスク６８、７４では、前記実施形態と同様に、入口と出口を同一高さとして積層体内部で上下方向流れを防止した３次元流れを形成する部分積層体を形成するのに４枚のディスクが必要である。
【００７０】
図８（Ａ）、図８（Ｂ）の実施形態では、１種類のディスクを使用した前記の実施形態と異なり、２種類のディスクが必要である。又、直線的性質を有する前記の実施形態と異なり、弁プラグの押込み量に応じて流れの抵抗滑らかに変えることはできない。
【００７１】
減圧装置内部の圧力降下と流量を変更するため、積層されたディスクごとにスロット配列を変えることもできる。例えば、装置内のあるディスクのスロットの数を他のスロットの数に比べて少なくすることができる。これによると、１種類、又は２種類のディスクの利点が失われるが、流量特性（流れと絞り量）が変えられる点で望ましい。
【００７２】
図９には、流体入口段階スロット８０、流体出口段階スロット８２、及びプレナム８４を有し、さらにディスクに４個所の開口８６を有する別の形態のディスク７８を示す。開口８６は、ボルト８８を通して各ディスク７８を結合して積層するためのものである。ボルトを使用して積層するため、図１に示す溶接ビードは不要である。本発明では、ボルト８８がプレナムと内を通るため流量を減らすことにはならない。
【００７３】
以上に述べた本発明の実施形態では、入口段階から流入した流体がプレナムを通って出口段階から流出する２段階構造となっている。しかし、必要に応じて、さらに多くの減圧段階を設けることができる。
【００７４】
多数の減圧段階を有するディスクの１例として、図１０に７段の減圧段階を有するディスク９０を示し、図１１には、４枚のディスク９０を用いた部分積層体の斜視図を示す。図１０に示すとおり、ディスク９０には、流路が、１段目の入口スロット９２、プレナム９４、２段目のスロット９６、プレナム９８から最終段階の７段目の出口段階スロット１００に接続している。図１０に示すとおり、スロット９２、９６、１００は、スロットの長さ当たり、収縮／拡張のある複数の流路を形成している。
【００７５】
図１１の斜視図では、入口スロット９２から流入した流体が、４枚のディスク９０で構成される部分積層体の内部を３次元的に流れて入口スロット９２と同じ高さにある出口スロット１００から流出する。流体は積層体内に形成された７段の減圧段階を通過するが、原理的には、先に述べた２段階減圧と同様である。即ち、流体が１つの段階から、隣接ディスクのスロット、プレナムを通って次の段階に移るようになっている。７段の減圧段階を有する実施形態は液体の流れの減圧に特に有効である。しかし、積層体内では、多数のスロット部分が重なって望ましくない流体の上下流が生じやすくなるが、積層体内にある高さごとにディスク間に薄い仕切板を介在させることにより、この問題を解決することができる。その他、３段〜６段（又は７段以上）の減圧段階を持つ形態の実施は当業者にとって容易であろう。
【００７６】
以上の詳細な説明は理解を容易にするためのものであり、これに関する限定や改良は当業者にとって自明である。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
以上では、本発明の流体減圧装置の流量制御弁への適用について述べたが、本発明の適用はこれに限らない。本発明の装置は、配管中で固定された流量抑制装置として弁の上流側、又は下流側に設けることができ、また流量制御弁とは関係なく独立した位置に設けることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
本発明の新規な特徴事項は各請求項に記載されている。本発明は、添付図面に基づく詳細な説明によって明らかとなろう。なお、いくつかの図において、類似の部材に同一符号を使用している。
【図１】本発明の流体減圧装置を形成するディスク積層型の弁かごを内蔵した流量制御弁の断面図である。
【図２】図１に示すディスク積層体を形成するディスクの平面図である。
【図３】図２に示すディスク４枚を向きを変えて重ね合わせて部分積層体とした本発明の実施形態の斜視図である。
【図４】図１に示すディスク積層体の部分斜視図であり、その内部を通過する流体の流れを概念的に示す。
【図５】側方から見たディスク積層体内の流れの概念図である。
【図６】上方から見たディスク積層体内の流れの概念図である。
【図７】スロットとプレナムが交互に配置された別の実施形態のディスクの平面図である。
【図８（ａ）】一方のディスクに全てのスロットを設け、他方のディスクにプレナムに設けた、さらに別の実施形態の各ディスクの平面図である。
【図８（ｂ）】一方のディスクに全てのスロットを設け、他方のディスクにプレナムに設けた、さらに別の実施形態の各ディスクの平面図である。
【図９】ディスクを積層状態に保つボルトを有するさらに別の実施形態のディスクの平面図である。
【図１０】複数の流体処理段階を有するさらに別の実施形態のディスクの平面図である。
【図１１】図１０に示すディスク４枚を、向きを変えて重ね合わせて部分積層体とした本発明の実施形態の部分斜視図である。
【符号の説明】
【００７９】
１０  弁かご
１２  流量制御弁
１４  弁箱
１６  流体入口
１８  流体出口
３０  ディスク
３２  中心空洞部
３４  環状外周部
３６  流体入口段階スロット
３８  流体出口段階スロット
４０  プレナム
５４  後部スロット部
５６  スロット前方部
【図１】
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【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（ａ）】
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【図８（ｂ）】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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