(57)【要約】【課題】流量の広領域で調整圧が比較的平坦である圧力調節弁を提供する。【解決手段】圧力調節弁が弁座を備えた弁ボアを有する弁胴を具備し、該弁ボアは、該弁座に最も近いその上流端から下流端に向かって、直径が非均一に増加する部分を有する。該弁ボアに少なくとも部分的に収容される弁頭は、該弁座に対して閉位置に付勢偏倚され、該弁座から離間した開位置に移動して該弁ボア内に流体が流れるのを許容する。【選択図】図２
2005042919.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧力調節弁であって、
弁座を備えた弁ボアを有する弁胴を具備し、該弁ボアは、該弁座に最も近いその上流端から下流端に向かって、直径が非均一に増加する少なくとも一つの部分を有し、
該弁ボアに少なくとも部分的に収容される弁頭を具備し、該弁頭は、該弁座に対して閉位置に付勢偏倚され、該弁座から離間した開位置に移動して該弁ボア内に流体が流れるのを許容し、
少なくとも該弁頭が該弁座から移動した時に境界角が形成され、該境界角は該弁胴の縦軸と境界線との間の角度であり、該境界線は該弁ボアに最も近い該弁頭上の点と該弁頭に最も近い該弁ボア上の点を通る線であり、該境界角は該弁頭が該弁座から離れるに従って増加する、ことを特徴とする上記圧力調節弁。
【請求項２】
前記圧力調節弁は、前記弁頭を前記弁座に対して付勢偏倚するスプリングを具備し、該スプリングが該弁頭の下流に配置されて、該弁頭が該弁座から離れるに従って該スプリングの変位が増加することを特徴とする請求項１記載の圧力調節弁。
【請求項３】
前記弁ボアは凹部を有し、該凹部はその直径が該凹部の下流に向かって非線型に増加する直径を有することを特徴とする請求項１記載の圧力調節弁。
【請求項４】
前記凹部は概して弓形であることを特徴とする請求項１記載の圧力調節弁。
【請求項５】
前記弁ボアは少なくとも部分的に、線型に傾斜した複数区分により形成され、前記弁ボアは全体としてその軸方向全体長さに渡って非線型に傾斜したことを特徴とする請求項１記載の圧力調節弁。
【請求項６】
前記弁頭は球形の弁球であり、該弁球の直径は、該弁座の領域で該弁ボアの直径より大きいことを特徴とする請求項１記載の圧力調節弁。
【請求項７】
前記境界線は、前記弁球の中心と、前記弁球に最も近い前記弁ボアの点とを通ることを特徴とする請求項６記載の圧力調節弁。
【請求項８】
前記境界線は、前記線型に傾斜した複数の区分により形成される前記弁ボアの部分内に形成され、前記弁頭が前記弁座から離間している時に、前記境界線は、前記弁頭の少なくとも幾つかの位置で、前記弁ボアに垂直であることを特徴とする請求項５記載の圧力調節弁。
【請求項９】
前記スプリングはコイルスプリングであり、前記弁頭が前記弁座から離れるに従って前記弁頭に作用する前記スプリングのバネ力が増加し、前記弁ボアは、前記境界角が前記スプリングの該バネ力の関数として増加するように構成されたことを特徴とする請求項２記載の圧力調節弁。
【請求項１０】
前記境界角が、前記スプリングのバネ力の関数として増加して、前記弁頭が前記弁座から離れる距離に従って前記弁頭に作用する増加するバネ力に対抗するように構成されたことを特徴とする請求項９記載の圧力調節弁。
【請求項１１】
前記境界角は、前記弁頭が前記弁座から離れる距離に応じて増加して、前記圧力調節弁を通る流体流が、毎時約１０〜２５０リットルの流量の範囲で、略一定圧となることを特徴とする請求項１０記載の圧力調節弁。
【請求項１２】
前記弁頭が弁球を有し、前記圧力調節弁はスプリングを有し、該スプリングは該弁球を前記弁座に対して付勢偏倚し、該スプリングは、該弁球の下流に配置されて、前記弁頭が前記弁座から離れる距離に従って、該スプリングの変位量が増加することを特徴とする請求項１記載の圧力調節弁。
【請求項１３】
前記弁ボアは凹部を有し、該凹部は、該凹部の下流に向かって非線型に増加する直径を有することを特徴とする請求項１２記載の圧力調節弁。
【請求項１４】
前記凹部は概して弓形であることを特徴とする請求項１３記載の圧力調節弁。
【請求項１５】
前記弁ボアは少なくとも部分的に、線型に傾斜した複数区分により形成され、前記弁ボアは、その軸方向全体長さに渡って、全体として非線型に傾斜したことを特徴とする請求項１２記載の圧力調節弁。
【請求項１６】
前記スプリングはコイルスプリングであり、前記弁頭が前記弁座から離れるに従って前記弁頭に作用する前記スプリングのバネ力が増加し、前記弁ボアは、前記境界角が前記スプリングの該バネ力の関数として増加するように構成されたことを特徴とする請求項１２記載の圧力調節弁。
【請求項１７】
前記境界角が、前記スプリングのバネ力の関数として増加して、前記弁頭が前記弁座から離れる距離に従って前記弁頭に作用する増加するバネ力に対抗するように構成されたことを特徴とする請求項１６記載の圧力調節弁。
【請求項１８】
前記境界角は、前記弁頭が前記弁座から離れる距離に応じて増加して、前記圧力調節弁を通る流体流が、毎時約１０〜２５０リットルの流量の範囲で、略一定圧となることを特徴とする請求項１７記載の圧力調節弁。
【請求項１９】
前記弁頭が弁球を有し、該弁球は、前記弁座に対して閉位置に付勢偏倚され、前記弁座から離間した開位置に移動して該弁球の周辺で前記弁ボアを通る流体の流れを許容し、該弁球の前記弁座に対する各位置で、該弁球の各有効面積に流体圧が作用して、該弁球を前記弁座から離れる方向に移動させ、該流体が作用する該弁球の該有効面積が、前記弁球が前記弁座から離れる距離に応じて、増加することを特徴とする請求項１記載の圧力調節弁。
【請求項２０】
前記弁ボアの前記非均一に増加する部分は、概して弓形であることを特徴とする請求項１９記載の圧力調節弁。
【請求項２１】
前記弁ボアの前記非均一に増加する部分は、少なくとも部分的に、線型に傾斜した複数区分により形成され、前記弁ボアはその軸方向全体長さに渡って全体として非線型に傾斜したことを特徴とする請求項１９記載の圧力調節弁。
【請求項２２】
圧力調節弁の製造方法であって、
弁胴内に弁ボアを形成し、該弁ボアは弁座と直径非均一部とを有し、該直径を該弁座からの離間距離に応じて増加するように構成する工程と、
該弁ボア内に弁球を挿入し、該弁球の直径は、該弁座の領域では該弁ボアの直径より大きく、該弁ボアの該直径非均一部の領域では該弁ボアの直径より小さく構成する工程と、
スプリングを少なくとも部分的に該ボア内に挿入し、該スプリングの一端が該弁座の方に該弁球を付勢するように構成する工程と、を具備し、
少なくとも該弁頭が該弁座から移動した時に境界角が形成され、該境界角は該弁ボアの縦軸と境界線との間の角度であり、該境界線は該弁ボアに最も近い該弁頭上の点と該弁頭に最も近い該弁ボア上の点を通る線であり、
該弁ボアを形成する工程において、該境界角が、該弁頭が該弁座から離れるに従って、増加するように、該弁ボアの該直径非均一部を形成する、
ことを特徴とする上記方法。
【請求項２３】
前記弁ボアを形成する工程において、前記弁ボアの前記直径非均一部を形成することが、
前記弁頭が前記弁座から離れる複数位置で前記スプリングのバネ力を計算すること、
前記弁球の各該位置で流体が所定圧力で前記スプリングのバネ力を相殺するように前記弁球の有効面積を算出すること、
前記弁球の各該位置で算出された各有効面積に対応する境界角を算出すること、
前記弁ボアを前記弁球の該各必要位置で算出した該境界角になるような形にすることとを、含む請求項２２記載の方法。
【請求項２４】
前記有効面積および境界角は、前記弁球が前記弁座から離れるのに応じて増加する前記弁球に作用する前記バネ力を相殺するように、前記弁球に流体力を及ぼすように選択され、前記弁球の前記弁座に対する位置のある範囲で、前記圧力調節弁が略一定の圧力を維持することを特徴とする請求項２３記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は弁に関し、より詳しくは、特に流体圧力調節弁に関する。
【背景技術】
【０００２】
流体配管系統には、構成機器を保護するため等の理由により、圧力リリーフ弁等の弁が配置され、その系統の運転時の安全を確保する。液体およびガスを含む流体の圧力を調整するために使用される従来技術の弁には、種々のものがある。ある弁は、球又はボール弁体を有し、その弁体は弁座に対してスプリング又は他の機構により付勢されて弁をシールし、最初の開口圧およびリリーフ圧を調節する。開口圧に到達すると、そのボール弁体は弁座から離れて、流体が弁座を通って流れる。圧力が低下してリリーフ圧に戻ると、そのボール弁体はその偏倚機構により弁座上に戻る。
【０００３】
ある弁は円筒または円錐台形のボアを有して、特に高流量率時に、流量が変わると運転圧が不適切に変化する。これらの弁は、一般的には、非常に高い流体圧が要求されて、弁が開き過ぎて、流量に応じて運転特性が変化することがある。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
圧力調節弁が、非均一に傾斜した弁ボアを有し、その弁ボアは、下流に向かって直径が増加している。弁球と弁ボアの間に形成される間隙に対応する境界角は、それらの間の間隙が最も小さい領域で、弁球が弁ボアの弁座から離れる距離に応じて増加する。
【０００５】
境界角が増加すると、上流側流体圧が作用する弁球の有効面積は増加して、上流流体により弁球に掛かる力は増加する。これに関して、境界角の変化、従って弁球の有効面積の変化は、例えば、弁球を弁座に対して付勢するスプリングのバネ定数により調節される。ある形態では、その弁は圧力リリーフ弁として使用され得て、境界角、従って弁球の有効面積は、その弁が弁座から離れる距離に応じて、弁球に作用する増加したバネ力を相殺する。故に、リリーフ弁に対して、流量の広領域で、比較的平坦な又は一定な圧力曲線が得られる。無論、その弁は圧力リリーフ弁以外の用途にも使用できる。
【０００６】
現在好適なある実施例では、弁ボアは、円錐台形である弁座と、その弁座の下流側の凹部とを有する。その凹部は、非線型又は非均一であり、好ましくは弓型に傾斜している。他の現在好適なある実施例では、その弁ボアは、線型に傾斜した部分を複数有して、それらの傾斜角は変化していて、その弁ボアは、その軸方向の長さに渡って、全体的には非直線又は非線型の傾斜である。
【０００７】
本発明のこれら及び他の目的・特徴・優位性は、以下の好適実施例の詳細な記載、請求項の記載、及び添付図により明瞭に理解される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図面をより詳細に説明すると、図１〜３は圧力調節弁１０を図示し、圧力調節弁１０は、弁胴１２と弁球１６とを有する。弁胴１２の内部に、弁ボア１４が形成されている。この実施例では、弁球１６は真球として図示されていて、弁ボア１４内に配置されて、そのボアを通る流体流量を調節する。ある現在好適な実施例では、圧力調節弁１０は圧力リリーフ弁として作動する。弁球１６は、例えばスプリング１８により、弁ボア１４の弁座２０に対して、付勢されて偏倚する。弁座２０は弁球の直径より小さい直径である。弁球１６が弁座２０に座すると、流体は弁ボア１４を通って流れない。弁座２０の上流の流体圧が所定最大流体圧を越えると、弁球１６はスプリング１８の付勢力に対向する流体力により動かされて、弁球１６と弁ボア１４との間に流路又は間隙２２（例えば、図５〜７参照）を生じて、そこを通って流体が流れる。流体圧力が所定最大流体圧以下になると、弁球１６は弁座２０上に戻って座する。
【０００９】
圧力調節弁１０の運転圧は、スプリング１８の最初のバネ力とバネ定数により調整され得て、弁座２０に対して弁球１６を付勢する。その最初のバネ力は、スプリング１８の最初の圧縮量を変えることにより、好ましくは、スプリング１８の後側に弁ボア１４内に押し込めたスプリング座２４の位置を変えることにより、調整できる。好ましくは、スプリング座２４は弁ボア１４に止まりばめされ、又、スプリング座２４は流体が流れる開口２６を有する。
【００１０】
現在好適な実施例では、弁座２０が、弁ボア１４の概して線型に傾斜した円錐台部２８内に形成される。この円錐台部２８は、軸方向および径方向外側に延設されて、その下流端で転移点３０に至る。転移点３０の下流で、凹部３２が弁ボア１４内に形成される。
【００１１】
凹部３２は、その上流端から下流端に向けて増加する直径を有する。凹部３２の直径は、円錐台部２８内と相違して線型には増加しない。むしろ、弁ボア１４は、凹部３２の領域で少し曲がっており又は弓形である。従って、凹部３２が、その下流部では、その直径が弁ボア１４の曲線の関数として増加する。弁胴１２と弁ボア１４との間の最小間隙又は流路間隙２２は、弁球１６が弁座２０から離れる軸方向の距離の関数として変わる。最小間隙又は流路間隙２２は、弁球１６の最も近接した弁ボア１４の部分により形成される。この間隙は、弁球が弁座に対して移動すると変わる。
【００１２】
図４〜７には、図１〜３のものとは形状が少し違う弁ボア有する置換実施例が図示されていて、境界角αが弁ボア１４の軸３４と境界線３６との間に形成される。境界線３６は弁頭と弁ボア１４との間の最小距離線である。言い換えれば、境界線３６は弁頭上の点と弁ボア１４上の点とを結ぶ、弁頭と弁ボアとの間の最小間隙に重なる。弁頭である真球弁球１６では、境界線３６は、弁球１６の中心と、弁球１６に最も近接した弁ボア１４の点とを通る。図５に見られるように、少なくとも凹部３２と弁球１６とに関して、境界線３６は、その弁球に最も近い弁ボアの位置において、弁ボアの接線３８に垂直である。図４〜７に示したように、弁球１６が弁座２０から更に離間するのに応じて、境界角αは増加する。これは下流に延びるに応じて、弁ボア１４の凹部３２の径が非線型に増加するからである。
【００１３】
運転中は、弁球１６の有効面積は、弁座２０の上流にある流体により作用され、境界角αと共に増加する。境界角αが増加すると、上流流体圧に影響される弁球１６の有効面積もまた増加する。ある流体圧では、弁球１６の増加有効面積は上流流体圧により弁球に作用する力を増加させる。又、ベルヌーイ効果と呼ばれる要因があり、間隙２２内を流れる流体速度により弁球に働く圧力を減少させる。このベルヌーイ効果は、弁球１６の所定位置で、最小流路間隙２２を減らすと減少する上流流体圧で生じる。この力は、スプリング１８の力を相殺する。この上流流体圧による力は、弁球１６が弁座２０から離れるのに応じて増加して、スプリング１８を更に圧縮する。従って、圧力調節弁１０では、スプリング１８が更に圧縮され増加したバネ力を、弁球１６が弁座２０から更に離れると弁球１６の有効面積の増加により又は間隙２２の減少により、相殺するように設計され得る。このように、圧力調節弁１０は望ましい圧力曲線を提供するように構成され、流量の広領域で応答する。例えば、圧力調節弁１０は、図９に示すように、流量の広領域で比較的平坦な曲線になるように設計され得る。流量は、毎時約１０又は２０リットルから毎時約２００リトルまで変わる。流体流量はより大きくても良く、毎時２５０リットル程でも、要すればそれ以上でも良い。無論、応答圧力または曲線は、圧力調節弁の用途に応じて適切に変更できる。
【００１４】
弁圧力調節弁１０を設計する一つの方法は、弁球１６と弁ボア１４との間で、弁球１６の種々の移動位置で、弁球に作用するバネ力を適切に相殺するように、スプリング１８のバネ力の関数として変わる最小間隙を決めることである。言い換えれば、弁球１６がある距離移動すると、ボールに作用するバネ力は容易に算出されて、この力は弁球１６に作用する流体力の関数である反対方向の力を相殺する。弁球１６に作用する流体力は、上流流体圧、軸方向位置、境界角、最小流路間隙２２の関数なので、電算流体ダイナミック（ＣＦＤ）解析又は他の数値解析法により計算され得る。この解析では、間隙２２が減少するとその力は増加し、間隙２２が増加するとその力は減少する。このように、凹部３２の形状または周縁形状は、圧力調節弁１０が必要な圧力特性又は圧力応答を有するように、比較的正確に繰り返し演算で決められる。
【００１５】
弁球が閉じられると、即ち、弁球１６が弁座２０に座すると、境界角αは好ましくは、約５°と約８５°のに間であり、より詳しくは、３５°と７５°の間である。非常に小さい境界角では、上流流体圧に曝される弁球１６の面積は比較的小さく、その応答性に悪影響を与える。一方、最初の境界角が大きいと、閉塞するまたは弁球が弁座２０に付着する傾向がある等の問題が生じる。又、非常に大きい境界角αで始まると、弁球１６が移動する時に境界角αの増加量を低下させる。何故ならば、球形弁球の最大境界角は９０°であり、流体流の方向と垂直の弁球直径と一致するからである。即ち、９０°の境界角αは弁球１６の最大有効面積を形成する。
【００１６】
図４〜７に示す実施例では、境界角αは約６５°の法線角から図５に示す約６８°まで増加し、弁球１６は、弁座２０上の閉鎖位値から移動して弁座２０から離れる。図６では、弁球１６は、図５よりも更に弁座２０から離れて、境界角αは約７４°である。最終的に、図７に示すように、弁球１６が更に弁座２０から離れて、境界角αは約８５°の法線角である。これらの代表的角度は、現在好適な実施例を説明するものであり、この発明を限定することを意図していない。
【００１７】
円錐台部２８はより安定した境界角αを提供し、弁球１６が弁座２０に座している時に、特に、プラスチックを膨張させる液体燃料内に漬けられるプラスチック弁体の使用による生じる弁胴１２内の変化の影響を最小にする。境界角αは、線型傾斜面の円錐台部２８内では一定なので、この領域における弁ボア直径の変化は、弁球１６を異なった軸方向位置で円錐台部２８に係合させるが、境界角αを変えない。従って、その変化は、上流流体により作用する弁球１６の有効面積を変えない。このように、圧力調節弁１０の“開口”又は最初の開口圧は、ハウジングのその形状には影響を受けない。
【００１８】
要すれば、弁ボア１４は円錐台部２８を設けずに形成しても良い。弁ボア１４は、前述の実施例の凹部３２について説明したように、非線型又は非均一傾斜角にされ得る。その非均一傾斜は、軸方向距離増分に対する弁ボア１４の直径の変化率を変える。置換例として、図８に示すように、弁胴１２’は弁ボア１４’を有し、弁ボア１４’は、互いに異なった角度で配置された複数の直線傾斜区分４０を有する。各区分４０は各直線傾斜を有するが、弁ボア１４は、その全長に渡って全体としては直線傾斜ではない。また、図８に示すように、境界線３６は、弁球１６に最も近い線形区分に概して垂直である。境界角αは弁ボア１４’の軸３４と境界線３６との間の角度である。
【００１９】
無論、更に他の変化例・配置はこの分野の技術者には可能であることは明らかである。この発明の現在好適な実施例の記載は、説明のためであり発明を限定するものではない。幾つかの置換構成・配置を開示したが、この技術の通常の技術者が、請求項に記載したこの発明に範囲に入る他の構成・配置が可能なのは明らかである。例えば，弁頭は球形に図示しているが、これに限定されず、弁頭はその弁の用途又は使用に応じて他の形状又は配置にすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の現在好適な実施例である圧力調節弁の端面図である。
【図２】図１の線２−２に概して沿って見た断面図である。
【図３】図１の線３−３に概して沿って見た断面図である。
【図４】圧力調節弁の他の実施例の部分断面図であり、弁座上に閉位置にある弁球を図示している。
【図５】図４と同様な部分断面図であり、その弁は弁座から第１距離移動している。
【図６】図４と同様な部分断面図であり、その弁は弁座から第２距離移動している。
【図７】図４と同様な部分断面図であり、その弁は弁座から第３距離移動している。
【図８】本発明の現在好適な他の実施例による圧力調節弁の部分断面図である。
【図９】ある圧力調節弁の圧力曲線を示すグラフである。
【符号の説明】
【００２１】
１０  圧力調節弁
１２  弁胴
１４  弁ボア
１６  弁球
１８  スプリング
２０  弁座
２２  間隙
２４  スプリング座
２６  開口
２８  円錐台部
３０  転移点
３２  凹部
３４  軸
３６  境界線
３８  接線
４０  直線傾斜区分
α    境界角
【図１】
2005042919.tif 000003
【図２】
2005042919.tif 000004
【図３】
2005042919.tif 000005
【図４】
2005042919.tif 000006
【図５】
2005042919.tif 000007
【図６】
2005042919.tif 000008
【図７】
2005042919.tif 000009
【図８】
2005042919.tif 000010
【図９】
2005042919.tif 000011