(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
弁本体内に組み込まれ流体の流れを減速し、運動エネルギを圧力に変換する流体制御弁用ディフューザにおいて、
前記流体制御弁用ディフューザは、中空円錐形に形成され、
前記流体制御弁用ディフューザの底部は、前記中空円錐形の周壁が開口縁を形成するように開口し、
前記流体制御弁用ディフューザは、その中空円錐形の頂部の内角度が９０°以下で、前記周壁に多数の小孔が形成されており、前記頂部が上流側を向くことを特徴とする流体制御弁用ディフューザ。
【請求項２】
請求項１記載の流体制御弁用ディフューザにおいて、前記底部には、前記周壁における前記小孔が形成された円錐部分から径方向の外側に突出する突部が形成され、
前記突部は、前記弁本体の流出口に通路壁の下流端が径方向の外側に拡がるように形成された凹部に嵌合し、
前記円錐部分は、前記弁本体の通路壁に接触していることを特徴とする流体制御弁用ディフューザ。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載のディフューザを一つ備えた流体制御弁であって、
前記ディフューザは、弁本体内の弁体より下流側に組み込まれていることを特徴とする流体制御弁。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体の流れを減速し、運動エネルギを圧力に変換する流体制御弁用ディフューザおよび流体制御弁に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
被制御流体の流量や圧力を制御する流体制御弁において、流体圧力を著しく減圧する場合とか流速が早い場合には、弁の絞り部分で発生する流れの乱れによって異常に高い騒音が発生したり、キャビテーションが発生する。この場合、圧縮性流体においては振動、騒音が発生し易く、非圧縮性流体においてはキャビテーションが発生し易い。キャビテーションが発生すると、流量低下、弁の腐食（キャビテーションエロージョン）、さらには振動、騒音等の原因となり、弁の性能や耐久性等を著しく低下させる。
【０００３】
そこで、このようなキャビテーションの発生を防止する従来技術として、例えば特許文献１〜３に開示されている弁が知られている。
【０００４】
特許文献１に開示されている流体制御弁は、弁本体の下流側となる配管接続口にキャビテーションの発生を抑制または防止するためにオリフィスプレートを設けたものである。このオリフィスプレートは、平板な多孔板で構成されている。このような多孔板からなるオリフィスプレートを弁体の下流側に配設すると、バルブ全体として流体を２段減圧、すなわちシートリングと弁体とで形成される絞り部によって一次減圧した後、オリフィスプレートによってさらに二次減圧するため、絞り部単体による一段減圧に比べて減圧効果が大きく、キャビテーションの発生を低減または防止することができるとしている。
【０００５】
特許文献２に記載されている弁装置は、弁本体内の流通路を上流側と下流側に仕切る隔壁に形成した開口に有底円筒形のケージを貫通させて設け、このケージの上流側周壁に第１の多孔を形成し、底部中央にケージ内方に突出する筒状の突部を設け、この筒状突部の周壁に第２の多孔を互いに対向するように、かつこの第２の多孔を通過する流体の流れがケージ底部の凹部（前記筒状突部を取り囲む空間）によって形成される通路と直交するように形成したものである。このような弁装置によれば、筒状突部の小孔を通過した噴流を互いに衝突させることによりその運動エネルギを低減するため、噴流が弁本体の内底面に直接衝突せず、弁本体の振動、騒音、下流側配管の共振、キャビテーション気泡の発生等を効果的に防止することができるとしている。
【０００６】
特許文献３に記載されている蒸気変換弁は、ケージ型弁胴の下流側に、未気化冷却水の蒸発を促進するとともに減圧部で発生する騒音エネルギが下流に伝達するのを防止するディフューザプレートを配設している。このディフューザプレートは、多孔板によって平板に近い笠状に形成されている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−５９５８３号公報
【特許文献２】特開平８−９３９６４号公報
【特許文献３】特開昭６１−１５３０８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１に記載された流体制御弁は、平板な多孔板からなるディフューザを用いているので、キャビテーションを抑制する効果が小さいという問題があった。すなわち、平板の多孔板の場合は、小孔から噴流するときの広がり角（約１８０°程度）が大きいために、流体が小孔から急速度で噴流すると、小孔から出た噴流が互いに衝突することなく、そのまま下流に流れていくために、キャビテーションや騒音の原因となる。
【０００９】
特許文献２に記載されている流体制御弁は、流体の流れの方向を略直角な方向に変換することにより、流体を第２の多孔を通ってケージの筒状突部内に流入させているため、弁の最大流量が小さくなり、最大流量を大きくしようとすると弁を大きくしなければならないという問題があった。また、筒部の各多孔の流速が均一でないために、キャビテーションを抑制する効果も小さい。
【００１０】
特許文献３に記載されている蒸気変換弁は、笠状のディフューザの頂部の内角度が大きいため、特許文献１に記載されている平板な多孔板からなるディフューザと同様に、キャビテーションの発生を抑制または防止する効果が小さいという問題があった。
【００１１】
本発明は上記した従来の問題を解決するためになされたもので、その目的とするところはキャビテーションの発生をより確実に抑制または防止することができ、また最大流量の減少を抑えることができる流体制御弁用ディフューザおよび流体制御弁を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために本発明に係る流体制御弁用ディフューザは、弁本体内に組み込まれ流体の流れを減速し、運動エネルギを圧力に変換する流体制御弁用ディフューザにおいて、前記流体制御弁用ディフューザは、中空円錐形に形成され、前記流体制御弁用ディフューザの底部は、前記中空円錐形の周壁が開口縁を形成するように開口し、前記流体制御弁用ディフューザは、その中空円錐形の頂部の内角度が９０°以下で、前記周壁に多数の小孔が形成されており、前記頂部が上流側を向くものである。
【００１３】
請求項２記載の流体制御弁用ディフューザは、請求項１に記載した流体制御弁用ディフューザにおいて、前記底部には、前記周壁における前記小孔が形成された円錐部分から径方向の外側に突出する突部が形成され、前記突部は、前記弁本体の流出口に通路壁の下流端が径方向の外側に拡がるように形成された凹部に嵌合し、前記円錐部分は、前記弁本体の通路壁に接触しているものである。
また、本発明に係る流体制御弁は、上記ディフューザを一つ備え、このディフューザを弁本体内の弁体より下流側に組み込んだものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明においては、ディフューザを中空円錐形に形成したので、ディフューザの内径が円錐形ベンチュリー管のように下流側に緩やかに拡大する。ディフューザの頂部の内角度（開き角）を９０°以下にしておくと、多孔から出た噴流が互いに衝突することによりキャビテーションの発生を抑制でき、液体圧力回復係数の大きい弁を実現できる。また、小孔からディフューザ内に流れる流体は、偏向角度が小さいので、弁として必要な最大流量を確保することができ弁の大型化を回避することができる。
【００１５】
ディフューザの頂部の内角度が９０°以下であると、流体の偏向角度が小さく、最大流量の減少を抑えることができ、キャビテーションの発生が少ない。内角度が９０°以上であると、多孔から出た流れが互いに衝突することによるキャビテーション抑制効果が少なくなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明を図面に示す実施の形態に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明を回転型弁に適用した一実施の形態を示す断面図、図２は弁体の斜視図、図３はディフューザの断面図、図４（ａ）〜（ｃ）は回転型弁の動作を説明するための図で、（ａ）は回転型弁の全開状態を示す図、（ｂ）は中間開度状態を示す図、（ｃ）は全閉状態を示す図である。これらの図において、全体を符号１で示す回転型弁は、貫通孔からなる流通路３を有し配管４の途中に接続された弁本体２と、この弁本体２の内部中央に設けられ前記流通路３を開閉制御する回転自在なバルブプラグ５と、このバルブプラグ５を外部から回転操作する弁軸６等を備えている。
【００１７】
前記弁本体２は、全体形状が逆Ｔ字状の管体に形成されており、両側および上方の３方向に開放している。
【００１８】
前記バルブプラグ５は、略半球状で内部がくりぬかれた殻構造体からなる弁体５Ａと、この弁体５Ａの上下面にそれぞれ一体に設けられた円筒状の軸受部５Ｂ，５Ｃとで構成されている。弁体５Ａには、流量特性部（以下、開口部という）７と、球面着座部８が形成されている。開口部７は、弁体５Ａの内外を連通させる略銀杏の葉のような形状の開口からなり、イコールパーセンテイジ特性を有している。球面着座部８は、弁体５Ａの外周面側に弁軸６の回転方向に長く延在する帯状に形成されている。上側の軸受部５Ｂは、前記弁軸６の内端部６Ａに嵌合されて溶接等により一体的に接合されている。一方、下側の軸受部５Ｃは弁本体２の内底面中央部に設けたガイド９によって回転自在に軸支されている。
【００１９】
前記弁軸６は、バルブプラグ５と共に回転型弁１の駆動系を形成するもので、上端部が蓋部材１１に設けた弁軸用孔１２をシート状ガイド、Ｏリング、グランド部品等のシール部材１４等を介して回転自在に貫通しており、蓋部材１１の上方に突出する突出端６Ｂには図示を省略した電動アクチュエータが連結されている。蓋部材１１は、弁本体２の上方に開口する蓋取付孔１５にガスケット１６を介して嵌合され、ボルト（図示せず）によって固定されている。
【００２０】
前記弁本体２の流通路３内で前記バルブプラグ５より上流側である流入口側流通路部３Ａには、シートリング２０と、このシートリング２０を前記バルブプラグ５の球面着座部８に押し付けるシートリテーナ２１が組み込まれている。
【００２１】
前記シートリング２０は筒状体に形成されて、前記弁本体２の流入口流通路部３Ａに摺動自在に嵌挿され、外周面にはシートスプリング２２が装着されている。シートリテーナ２１は同じく円筒体からなり、流入口側流通路部３Ａに螺合によって組み込まれ、内端部がシートリング２０の外周面に嵌合し、前記シートスプリング２２を押圧することにより、シートリング２０をバルブプラグ５の球面着座部８に所定圧をもって圧接している。
【００２２】
一方、前記流通路３の下流側である流出口側開口部３Ｂには、流通路３内を流れる流体３０の流れを減速してその運動エネルギーを圧力に変換し、キャビテーションの発生を抑制するディフューザ３１が組み込まれている。このディフューザ３１は、底部３４が開放する中空円錐形に形成され、周面には多数の小孔３２が形成され、頂部３３が上流側を指向し、底部３４が下流側となるように流出口側流通路部３Ｂ内に組み込まれている。
【００２３】
ディフューザ３１の頂部３３の内角度θの大きさによって流体３０の流れ方が大きく変化する。内角度θが小さいときには、多孔から出た流れが互いに衝突することによるキャビテーション抑制効果が少なくなる。このため、内角度θとしては、９０°以下に設定されることが好ましい。
【００２４】
次に、上記構造からなる回転型弁１の動作を図４に基づいて説明する。
図４（ａ）は、回転型弁１の全開状態を示す。この全開状態において、バルブプラグ５は、弁軸６により時計方向に最大角度回動されて開口部７がシートリング２０の内側開口部と一致している。このため、流体３０はバルブプラグ５とディフューザ３１によって二段減圧され下流側に流れている。すなわち、バルブプラグ５の開口部７は流路断面積を絞ることにより流体３０を減圧し通過流速を抑える。また、ディフューザ３１の小孔３２は同じく流路断面積を絞ることにより流体３０を減圧し通過流速を抑える。
【００２５】
また、ディフューザ３１は、小孔３２を通過するときに流体３０の流れをディフューザ３１の中心方向に偏向し、通過した後はディフューザ３１内で互いに衝突させることにより運動エネルギを低減させる。また、流れの偏向角度が小さいため、弁を大型化させることなく必要な最大流量を確保することができる。これは、ディフューザ３１の頂部３３の内角度θを９０°以下に形成したことによる効果である。ディフューザ３１の内角度θを９０°以下にする理由は、キャビテーションの発生を抑制し、圧力回復係数ＦL 値を大きくするためである。
【００２６】
図５は回転型弁１において、ディフューザ３１の内角度θに対する圧力回復係数ＦL 値を実測した図である。
従来の回転弁は一般にＦL ＝０．５〜０．７程度である。キャビテーションエロージョンの発生しにくいグローブ弁は、一般にＦL ＝０．８〜０．９以上であるため、本発明に係る回転弁１においてもＦL ＝０．８〜０．９以上になることが好ましい。このため、ディフューザ３１の内角度θを９０°以下にすれば、ＦL ≧０．８とすることができる。
【００２７】
バルブプラグ５を所要角度回動させて図４（ｂ）に示すように回転型弁１を中間開度に切り替えると、バルブプラグ５の開口部７は絞られて断面積が減少する。したがって、開口部７を通る流体３０の圧力が降下して流速が急激に速くなる。しかしながら、この中間開度においても、開口部７を通過した流体３０は、ディフューザ３１によって絞られ運動エネルギが減じられた後、徐々に圧力回復するので、全開時と同様にキャビテーションの発生が抑えられる。
【００２８】
バルブプラグ５を図４（ｃ）に示すように全閉状態に切り替えると、バルブプラグ５の開口部７がシートリング２０の外側に完全に退出し、球面着座部８がシートリング２０の下流側開口部を塞ぐ。したがって、バルブプラグ５は流通路３を完全に遮断し、流体３０の流れを止める。
【００２９】
図６は本発明を単座調節弁に適用した他の実施の形態を示す断面図である。
全体を符号５０で示す単座調節弁５０は、内部中央に流通路５２を流入口側通路５２ａと流出口側通路５２ｂに仕切る仕切壁５３が設けられた弁本体５１と、この弁本体５１内に上下動自在に配設されたバルブプラグ５４と、このバルブプラグ５４を上下動させる弁軸５５と、前記バルブプラグ５４に対応して前記仕切壁５３の開口部５６に嵌め込まれ全閉時に前記バルブプラグ５４が着座する着座部５７ａを有するシートリング５７と、前記バルブプラグ５４を摺動自在に保持する筒状ガイド５８等を備え、前記弁本体５１の流出口側通路５２ｂ内に前述した中空円錐形のディフューザ３１を組み込んだものである。なお、単座調節弁５０のバルブプラグ５４による流体制御動作は周知の通りであるため、その説明を省略する。
【００３０】
このような単座調節弁５０においても、中空円錐形のディフューザ３１を備えているので、上記した回転型弁１と同様にキャビテーションや騒音の発生を防止することができることは明らかであろう。
【００３１】
図７は本発明を三方ボール弁に適用した他の実施の形態を示す断面図である。
同図において、三方ボール弁６０は、第１、第２の流入口通路６２，６３と流出口通路６４を有する弁本体６１と、この弁本体６１内に回動自在に組み込まれたボールプラグ６５と、前記弁本体６１を貫通し前記ボールプラグ６５を回動させる弁軸６６とを備えている。第１、第２の流入口通路６２，６３は、弁軸６６の軸線と直交し、ボールプラグ６５を介して対向し、第１、第２の配管６７，６８に連通している。流出口通路６４は、第１、第２の流入口通路６２，６３に対して直交するように前記弁軸６６の軸線上に位置して前記した中空円錐形のディフューザ３１が組み込まれており、第３の配管６９に連通している。
【００３２】
前記ボールプラグ６５は、外周面に開口する第１、第２、第３のポート７０，７１，７２と嵌合孔７３を有している。第１、第２のポート７０，７１は、ボールプラグ６５の外周面で弁軸６６の軸線と直交する方向において回転方向に９０°離間して形成されており、前記第１、第２の流入口通路６２，６３と流出口通路６４との連通を可能にしている。第３のポート７２は、第１、第２のポート７０，７１に対して直交するように形成され、前記流出口通路６４に常時連通している。嵌合孔７３には、前記弁軸６６の内端が嵌合している。なお、７４はシートリング、７５は上蓋である。
【００３３】
このような三方ボール弁６０は、弁軸６６によってボールプラグ６５を９０°の角度範囲内で図７において左右方向に往復回動させることによりボールプラグ６５によって独立した２つの流路を形成することができる。すなわち、ボールプラグ６５を回動させて第１のポート７０を第１の流入口通路６２に対して全開状態とし、第２のポート７１を第２の流入口通路６３に対して全閉状態にすると、第１のポート７０と第３のポート７２を介して第１の流入口通路６２と流出口通路６４を接続する流路が形成される。したがって、第１の配管６７より第１の流入口通路６２に導かれた流体３０は、第１のポート７０−ボールプラグ６５の内部−第３のポート７２−流出口通路６４−ディフューザ３１を通って第３の配管６９に流れる。流体３０は、ディフューザ３１の小孔３２を通過することにより、運動エネルギが減じられ、キャビテーションの発生が抑えられる。
【００３４】
この状態からボールプラグ６５を右方向に９０°回動させて第１のポート７０を第１の流入口通路６２に対して全閉状態、第２のポート７１を第２の流入口通路６３に対して全開状態に切り替えると、第２のポート７１と第３のポート７２を介して第２の流入口通路６３と流出口通路６４を接続する流路が形成される。したがって、第２の配管６８に導かれた流体３０’は、第２の流入口通路６３−第２のポート７１−ボールプラグ６５の内部−第３のポート７２−流出口通路６４−ディフューザ３１を通って第３の配管６９に流れる。このときも流体３０’は、ディフューザ３１の小孔３２を通過することにより、運動エネルギが減じられ、キャビテーションの発生が抑えられる。
【００３５】
また、図７に示す状態からボールプラグ６５を右方向に４５°回動させて第１、第２のポート７０，７１を第１、第２の流入口通路６２，６３に対して中間開度にすると、第１、第２、第３のポート７０，７１，７２を介して第１、第２の流入口通路６２，６３と流出口通路６４を接続する流路が形成される。このため、第１、第２の配管６２，６３を流れる流体３０，３０’は第１、第２のポート７０，７１を通ってボールプラグ６５内に導かれることにより混合され、第３のポート７２−流出口通路６４−ディフューザ３１を通って第３配管６９に流れる。このときも流体３０と３０’の混合流体は、ディフューザ３１の小孔３２を通過することにより、運動エネルギが減じられ、キャビテーションの発生が抑えられる。
【００３６】
なお、上記した実施の形態は、回転型弁１と単座調節弁５０に適用した例を示したが、本発明はこれに何ら限定されるものではなく、他の型式の流体制御弁にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明を回転型弁に適用した一実施の形態を示す断面図である。
【図２】弁体の斜視図である。
【図３】ディフューザの断面図である。
【図４】（ａ）はボール弁の全開状態を示す図、（ｂ）は中間開度状態を示す図、（ｃ）は全閉状態を示す図である。
【図５】圧力回復係数とディフューザの内角度との関係を示す図である。
【図６】本発明を単座調節弁に適用した他の実施の形態の断面図である。
【図７】本発明を三方ボール弁に適用した他の実施の形態の断面図である。
【符号の説明】
【００３８】
１…回転型弁、２…弁本体、３…流通路、５…バルブプラグ、６…弁軸、７…流量特性部、３１…ディフューザ、３２…小孔、３３…頂部、θ…頂部の内角度。
【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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