(57)【要約】単一流体の流れを二つの流れに分割するスプリッタ弁。弁はスターリング・エンジンに対するバーナと補助バーナを有するＤＣＨＰシステムに用いることを主目的とする。弁には、単一流体の流れを二つの流れに転流する比を変化させるためのオリフィス（１０）を横切る位置でその範囲に亘り回転できるベーン（５）を含む。オリフィスはベーンの角位置と転流される二つの流れに対する流体の比との間に事実上直線的な関係が存在するよう輪郭が形成される。鑽孔プレート（４）又は絞り（１３）のような層流形成装置をベーン（５）の下流側の二つの流れに設けることができる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
単一流体の流れを二つの流れに分割するスプリッタ弁であって、単一流体の流れを二つの流れに転流する比を変化させるためのオリフィスを横切る位置の範囲に亘り回転できるベーンを含み、ベーンの角位置と転流される二つの流れに対する流体の比との間に事実上直線的な関係が存在するようにオリフィスの輪郭が形成されるスプリッタ弁。
【請求項２】
請求項1に記載するスプリッタ弁と、スプリッタ弁の下流側における二つの流れのうちの少なくとも一方に対する層流形成装置を備える弁装置。
【請求項３】
一つ又は各層流形成装置が複数の開口を有するプレートである請求項２に記載の弁装置。
【請求項４】
一つ又は各層流形成装置が絞られた通路を備える傾斜面である請求項２又は３に記載の弁装置。
【請求項５】
第一、第二バーナと、空気供給源と、空気の供給を第一バーナに送る流れと第二バーナに送る流れに分割するスプリッタ弁と、空気とミキシングするため可燃燃料を供給する手段と、機器の必要条件に従い可燃燃料の流量と各バーナに送られる空気の比率を制御する制御装置と、スプリッタ弁の下流側に配される第一バーナに送られる流れと第二バーナに送られる流れの少なくとも一方に対する層流形成装置とを備える加熱機器。
【請求項６】
一つ又は各層流形成装置が複数の開口を伴うプレートである請求項５に記載の加熱機器。
【請求項７】
一つ又は各層流形成装置が絞られた通路を備える傾斜面である請求項５又は６に記載の加熱機器。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は単一流体の流れを二つの流れに分割するスプリッタ弁に関する。
【０００２】
このような弁は当業者には知られており、液体又はガスの取扱いができる幾つかの形式のものがあるが、主として粉体、乾燥した固体及びスラリの取扱いに用いられる。
【０００３】
スプリッタ弁には二つの主要な形式のものがある。一つは、二つの出口間で流入する流れを配分すべくその位置を調整できるポペットを含むY管転流器である。スプリッタの第二の形式は主として液体に用いられる。可動部品を使用せず、流動する流れが空気圧差動ポンプの操作により変えられる。
【０００４】
米国特許第4,169,354号明細書には空気/ガス転流器が開示されている。これには二本の平行ダクト内に方向設定される流れの配分を変化させるためバタフライ弁が使用される。米国特許第3,905,193号明細書には各出口ダクトに方向設定される流れの配分を排気マニフォールドの真空により制御し、排気システムから吐出される空気の流れを転流するダイヤフラム弁が開示されている。
【０００５】
米国特許第5,184,592号明細書には二つの出口からの流出流に可変的な流れを形成するプレミックス流量のための転流器弁が開示されている。その用途は、弁により大気が吸引される内燃機関に対するものである。スプリッタ弁はミキシング後、プレヒータ内に送り込まれる流入給気の配分を変化させるために使用される。予熱の程度は燃料密度：即ち給気と、それによるトルクを変化させるために採用される。スプリッタ弁の構成は従来のスロットルに代わる設計である。弁設計の実詳細は開示されていない。
【０００６】
本発明の主たる目的はガス燃焼家庭用機器、特にリニヤ・フリー・ピストン・スターリング・エンジンを使用した家庭用複合熱/動力システムに適用することである。このような装置にあって、スターリング・エンジンは所定の量の熱を供給できる。しかし、家庭で用いる熱の総合的な必要条件を満たすには、補助バーナが必要である。スターリング・エンジン・バーナと補助バーナは共に燃料と空気の供給を必要とする。二つの供給は別々に行うことができる。しかし、これにより複雑化し、一方のバーナからの高温ガスが休止バーナを介して逆吸引される問題ともなる。従って、好ましくは二つのバーナには単一ファンから空気を供給し、次いでスプリッタ弁を介し個別の流れに分割する。
【０００７】
しかし、現状では、二つのバーナへの適正な流量を確保すべくスプリッタ弁を制御することは単純なベーン型転流器弁の非線形動作特性によって複雑になる。ベーンが一方の端位置から他方に移動するとき、このような弁からの各通路を介しての流量の変動は均一でない。ベーンが接続部の中心を横切るとき、各出口における流量の変化が極めて僅かであることが確認されている。このような設計では出口毎に流量変化合計の約80%がベーン位置の稼動範囲20%の範囲で発生する。各流れの流量をファン速度とベーン位置の組合せで制御する必要があるとき、安定した堅実な制御は実現が難しい。
【０００８】
本発明の第一の態様によれば、単一流体の流れを二つの流れに分割するスプリッタ弁が設けられ、その弁には単一流体の流れを二つの流れに転流される比を変化させるべくオリフィスを横切る位置の範囲に亘り回転できるベーンが含まれるが、ベーンの角位置と二つの流れに転流される流体の比との間に事実上直線的な関係が存在するようにオリフィスの輪郭（プロファイル）が形成される。
【０００９】
所定の輪郭を形成したオリフィスがベーンの角度関係と二つの流れに転流される流体の比との間に事実上直線的な関係を形成するため、弁の移動範囲に亘り堅実な流量制御が行われる。
【００１０】
この形式のスプリッタ弁は弁を介して通過する流体に著しい乱流を発生させることがある。これは流路の性質に整合するよう適合化させた設計変更により克服することができる。このような変更が、弁の下流側のいずれかの流路の内面に沿い延び、流動面積を低減し、それを再度拡大する傾斜路の追加を含む場合は、流れの方向を設定し乱流を最小化するように位置決めされる。代わる設計において、スプリッタ弁下流側二つの流れの各々に層流形成装置が設けられる。
【００１１】
層流形成装置は好ましくは複数の開口を伴うプレートであるが、流体が内部を流れる複数のチューブを効果的に形成するもので、流動方向に有意寸法をもつ装置でもよい。
【００１２】
本発明のこの態様も第一の態様とは独立して使用されて良い。この場合、発明の第二の態様は第一、第二バーナ、空気供給源、空気の供給を第一バーナに送り込まれる流れと第二バーナに送り込まれる流れに分割するスプリッタ弁、空気とミキシングのため可燃燃料を送り込む手段、機器の必要条件により決まる可燃燃料の流量と各バーナに送り込まれる空気の割合を制御するコントローラ、及び第一バーナに送り込まれる流れとスプリッタ弁の下流に位置決めした第二バーナに送り込まれる流れの各々に対する層流形成装置、を含む加熱機器として広く定義できる。
【００１３】
層流形成装置は好ましくは複数の開口を伴うプレートであるが、流体が内部を流れる複数のチューブを効果的に形成するもので、流動方向に有意寸法をもつ装置でもよい。
【００１４】
本発明によるスプリッタ弁の例を添付図面を参照して説明する。
【００１５】
図１の弁鋳物は図３に示すよう湾曲形状の空気入口ポート１を有する。二つの出口ポート２、３が弁鋳物から導かれる。これらの内の第一には鑽孔プレート１４が設けられる。出口ポートへのダクト接続は底部プレートで、出口パーツへのダクト接続は上部プレート（記載省略）で行われる。
【００１６】
入口ダクト１と出口ダクト２，３との間にはサーボ・モータ（記載省略）で制御されるスピンドル６を中心に回転できるベーン５を含むスプリッタ弁が配される。ベーン移動の二つの限界点でベーン５を座受けすべく鋳物には二つの弁座７、８が設けられる。弁が弁座７で座受けされると、流れの事実上全量が第二出口３に向けられ、他方、弁が弁座８で座受けされると、流れの事実上全量が第一出口２に方向設定される。ベーン５の直近上流側には輪郭を形成したプレート９が配され、その下流側面にはベーン５の動きに適応するアーチ形状が用意される。
【００１７】
図２に輪郭プレートを詳しく示す。これにはプレート９により画定される輪郭を形成したオリフィス１０が示される。オリフィス１０は中心線１１を中心に対称である。ベーン５がこの中心線上に位置決めされると、均一な流量が二つの出口ダクト２、３に転流される。オリフィス１０は全体の流れが中心線１１に向けて集中しようとするように輪郭が形成される。オリフィスの厳密な輪郭は以下に述べる理由から機能的に決定される。
【００１８】
矩形（郵便箱形）オリフィスにより得られることになる流動特性を図５に示す。即ち、図１、図２に示す弁に輪郭を形成したプレート9が存在しなければ、これが輪郭となろう。X軸にはグラフの中心に０°として示される中心線からのベーン角度が、他方、Y軸には二つの出口ポートから流出する流れの百分比が示される。線分３０には一方の出口への流量が示され、線分３１には他の出口への流量が示される。中心線から離れたかなりな角度に亘りベーンを移動しても二つの出口への流量に影響が殆どないか、皆無であることが直に明らかである。従って、この移動範囲では流れの制御を利用することはできない。流量に生じる著しい変化が認められるのは弁がいずれかの側の弁閉鎖位置に比較的接近するときに限られる。
【００１９】
対照的に図６には輪郭が形成されるオリフィスの影響が示される。線分４０は一方の出口への流量を表し、他方、線分４１は他の出口への流量を表す。両線分は図５における対応の線分に比べ、ほぼ直線的である。明らかに真の直線性を達成するのは実際上不可能である。しかし、図６から明らかなことはベーン角度に何らかの変化があれば、二つのポートへの流量に顕著な変化が生じることになる。従って、流量は現状でベーン角度の全範囲に亘り遥かに高い精度で制御できる。これにより両バーナの一層正確な制御ができるようになり、その結果、動力と熱の出力に対する制御精度が強化されることになる。
【００２０】
二つのバーナへの流量は単にファン速度を変化させ、弁の位置を調整することで制御できる。図１、図２の弁に対する経験的なデータを用い形成される制御マップを図７に示す。一方のバーナからの必要とされる出力が図７に左から右への一組の曲線で示され、他方、他のバーナに対し必要とされる出力は右から左への曲線により示される。必要なファン速度とベーン位置は二つの曲線の交点に得られる。バーナ流量の総ての組合せに対するベーン角度を伴うファン速度の厳密な変化は、下流ガス流路の設計が該当する流量に著しい影響をもつことになるため、経験的に求められてきた。
【００２１】
スプリッタ弁の設計にツイン・バーナ・ガス燃焼機器における現在の使用範囲を超えた用途の可能性が得られよう。いかようなデュアル・バーナ・システムにもこの様な弁を組み入れることができよう。潜在的な用途には換気システム、あるいは工業プロセスが含まれる。
【００２２】
ベーン５は座受けされるとき気密シールを形成しないことに注目すべきである。これは、ベーンが設計される対象となるガス燃焼家庭用機器の場合、問題ではなく、それは必ず休止バーナに対し確実なパージング空気流が供給されるという有利になることさえある。実際に、パージ流の存在を確実にするためベーンを貫通する小さな穴を設けてもよい。
【００２３】
発明の基礎をなす理論は以下の通りである。
【００２４】
二つの個別出口ダクトに沿った空気の流量はファンの速度と各ダクトの相対的な流動抵抗によって決まる。ダクトの相対的な流動抵抗は空気の流量を分割するそれぞれの断面積（ファン出口に直接後続する）により左右される。
【００２５】
ファン速度と、それによるスプリッタ弁に流入する空気流量合計値が与えられる場合、二つの個別出口ダクトに沿った空気の流量はそれぞれの断面積により決まる。伝統的な流体力学によればバーナ又は他のリストリクションによる圧力降下はこの断面積の逆二乗に従い変化することが示される。
【００２６】
圧力降下は両バーナに亘り(バーナはその面積が変化しないためこれら圧力降下は固定される)、更にベーンの位置により面積が変化するに従ってスプリッタ弁の各アームに亘り発生する。
【００２７】
各アームにおける圧力降下合計、即ちバーナによる圧力損プラススプリッタ弁による圧力損が等しくなければならぬことは別な条件である。
【００２８】
郵便箱形状のオリフィスの場合、空気流下流領域毎の開口面積はベーンの角度と直接的、且つ直線的な関係にある。
【００２９】
各領域における下流管路の固定された圧力損が無視でき、且つ等しければ、領域間での流量の分割比は主としてスプリッタ弁における相対的なオリフィス面積により決まるであろう。矩形堰の輪郭ではこの場合、直線的な弁特性が形成されよう。しかし、実際上、下流管路での圧力損はかなりなもので、かつ等しくはない。このため、設備した弁の特性を直線的にするにはベーン角度に関してオリフィス面積を非線形にする必要がある。実用テストに当たっては図２に示すような二重アーチ形堰輪郭がガス燃焼機器の用途では十分機能することが確認されている。
【００３０】
特定バーナに対する空気流量の平滑、直線的な制御に実際に必要とされるものは各領域に亘り生じる固定圧力降下と可変圧力降下の和の平方根の比がベーン角度に従い直線的に変化するよう堰を輪郭形成することである。これは適正な輪郭形成をした堰を使用することで特定の流体回路に対して経験的に達成できよう。
【００３１】
図６に加熱機器に対するガス系統が示される。ここでスプリッタ弁5は図１に示すとおりである。空気は制御信号６２を介し制御される可変速度ＤＣファン６０により入口６１からスプリッタ弁に送られる。この流量は制御信号６３の制御に従い先に説明したように分割される。分割された流量は次いで層流形成装置４を通過する。これら層流形成装置は鑽孔プレート（その一つを図１に示す）の形又は“ハニカム”配列を効果的に形成する一組のチャンネルの形をとることができる。これら装置の開口面積を最大化し装置に発生する圧力降下が最小化される。
【００３２】
代わる層流形成装置が出口３への管路に配されているところが図１に示される。これは流れが通過する絞り通路を形成する傾斜面１２の形をとる。出口3の下部壁にも流れの平滑化を促すため１４で示される傾斜路が設けられる。
【００３３】
エンジン・バーナ６８又は補助バーナ６９への供給前にガバナ弁６７の制御に従い可燃ガス６６とのミキシングが内部で行われるベンチュリ６５に各層流化された流れが流入する。
【００３４】
エンジン・バーナ６８への出口２に鑽孔プレート４が示され、補助バーナ６９への出口３に傾斜面１２が示されるが、いずれかの形式の層流形成装置をいずれかの出口に使用できよう。
【００３５】
特定の用途に対し堰を設計し、次いで、各出口からの流量を制御するため、例えばブロワ速度とスプリッタ弁の角度に従い制御される２チャンネル・ガス系統の場合、若干数の計算を行うことができる。
【００３６】
基本的な関係
１．乱流を仮定したときの領域に沿った容積流量（実用サイズで実際に用いられている装置と機器における一般的なケース）
Ｑ＝Ｋ．ｄＰ              （１）
上式において、
ｄＰは領域を横切る流れが遭遇する圧力降下の合計、
Ｋは領域の形状、肌ざわり及び断面積を反映する形状係数。
【００３７】
２．ブロワ又はファンからの容積出力
Ｑ＝ｆ（ｄＰ、ｖ、Ｎ）
上式において、
ｄｐはファン前後に亘り生じる圧力上昇、
ｖは動粘度、
Ｎはロータの速度。
【００３８】
良好な近似に対しては：
Ｑ∝Ｎ                      （２）
【００３９】
３．恒温プロセスを仮定したときの流量の保存：
Ｑfan＝Ｑ1＋Ｑ２              （３）
上式において、
Ｑfanは図８の照合番号６１で示される構成のブロワにより誘導される流量、
Ｑ1は図８の照合番号２で示され、領域１から流出される流量、
Ｑ2は図８の照合番号３で示され、領域２から流出される流量
【００４０】
４．一つの入口と出口を伴う領域での圧力降下の総和では、ｄｐ合計値は個々のｄｐ成分の和に等しい。従って、
ｄＰ１＝Σ（△Ｐ1v＋ｄＰ1F）      （４ａ）
ｄＰ２＝Σ（△Ｐ2v＋ｄＰ2F）      （４ｂ）
上式において、
△Ｐ1vはスプリッタ弁により与えられる領域１に対する可変入口区域で発生する可変圧力降下、
△Ｐ2vはスプリッタ弁により与えられる領域１に対する可変入口区域で発生する可変圧力降下、
ｄＰ1Fは領域１に沿い生じる固定圧力降下の和、
ｄＰ2Fは領域２に沿い発生する固定圧力降下の和である。
【００４１】
流量分割比
１．以下の条件を満たすよう領域１（Ｑ1）と領域２（Ｑ2）における流量の比をＲとする：
Ｒ＝Ｑ1／Ｑ2 
しかし、式１から：
Ｒ＝Ｋ1・ｄＰ1／Ｋ2・ｄＰ1
又は、Ｘ＝Ｋ1／Ｋ2  とすると：
Ｒ＝Ｘ．ｄＰ1/ｄＰ2
２．式4から：
Ｒ＝Ｘ．Σ（△Ｐ1v＋ｄＰ1F）/（△Ｐ2F＋ｄＰ2F）      （５）
３．要求されていることは：
Ｒ＝ｆ（θ）
そして、好ましくは一次関数であること：
Ｒ∝θ
従って、
Ｒ＝Ｚ.θ
上式においてＺは比例定数である。
【００４２】
このことは下式を必要とすることが示唆される：
Ｘ．（△Ｐ1v＋ｄＰ1F）/（△Ｐ2v＋ｄＰ2F）＝Ｚ.θ              （６）
弁輪郭の設計に対しての重要点は式6が満たされるよう両△Ｐ1vと△Ｐ2vがベーン角度θに従い変化することを確実にすることである。
【００４３】
二つの領域からの流量容積の無段階制御
式（２）、（３）から
Ｑ1＋Ｑ2∝Ｎ
Ｑ1＋Ｑ2＝Ｙ．Ｎ
上式においてＹは比例定数で、
Ｑ1＝Ｙ．Ｎ−Ｑ2
Ｑ1＝Ｙ．Ｎ−Ｑ1/Ｒ
従って、Ｑ1＝Ｙ．Ｎ／（１＋１/Ｒ）                            （７）
そして、式（６）から：
Ｒ＝Ｘ．（△Ｐ1v＋ｄＰ1F）／（△Ｐ2v＋ｄＰ2F）＝Ｚ．θ    （８）
これら二つの式によりＱ1とＱ2がファン速度Ｎとベーン角度θに関連づけられる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】トップ・プレートを取外した弁鋳物の斜視図を示す。
【図２】輪郭を形成したオリフィスを記載する図1の線分A―A全長に亘る断面を示す。
【図３】図１に記載する線分Y―Y全長に亘る断面を示す。
【図４】図１に記載する線分X―X全長に亘る断面を示す。
【図５】均等なオリフィスの流動特性をグラフで示す。
【図６】輪郭を形成したオリフィスの流動特性を同じようにグラフで示す。
【図７】デュアル・バーナに対するベーン角度とファン速度の制御マップを示す。
【図８】デュアル・バーナ・システムへの空気/ガス供給源の概要図を示す。
【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】
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【国際調査報告】
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2006525478.tif 000013
2006525478.tif 000014
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