(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。前記弁ボアに少なくとも部分的に収容される弁頭は、前記弁座に対して閉位置に付勢され、該弁座から離間した開位置に移動して前記弁ボア内に流体が流れるのを許容する。【選択図】図２
2007333207.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
弁座を備える弁ボアと長手軸とを有する弁胴と、
前記弁ボアに少なくとも部分的に収容される弁頭と、
少なくとも前記弁頭が前記弁座から変位したとき境界角が定められるように流体が流れる弁頭表面と弁ボア表面との間の隣接面と、を備え、そして
前記弁ボアは、前記長手軸を含む平面での断面において、前記弁座に最も近いその上流端から下流端に向かって、非均一に増加する直径を有する少なくとも一つの前記弁ボア表面を有し、
前記弁頭は、前記弁座に対して閉位置に付勢され、該弁頭の下流の前記弁ボアを通り流れる前記流体の圧力を調節するよう、係止させることなく、その付勢に対抗し前記弁座から離された開位置に移動自在であり、
前記境界角は前記弁胴の長手軸と境界線との間の角度であり、該境界線は前記弁ボア表面に最も近い前記弁頭表面上の点と、該弁頭表面に最も近い該弁ボア表面上の点を通る線であり、
前記弁ボアの下流に該弁ボアを通る流体の流量の範囲に亘り流体の比較的一定な圧力カーブを与えるように前記弁頭が前記弁座から離れるに従って増加するように、前記境界角が増加する、
ことを特徴とする圧力調節弁。
【請求項２】
前記弁頭を前記弁座に対して付勢するスプリングを備え、該スプリングが前記弁頭の下流に配置されて、該弁頭が前記弁座から離れるに従って前記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、該凹部の下流に向かって非直線的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】
前記凹部はアーチ状であることを特徴とする請求項３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、直線的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亘って非直線的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、前記弁座の領域で前記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、前記直線的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の内側に規定され、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、ばね定数を有する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定数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】
前記弁頭が前記弁座から離れる距離に従って大きくなるに従い増加する前記弁頭に作用するバネ力を相殺するように、前記境界角が前記スプリングのバネ定数の関数として増加する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、毎時約１０〜２５０リットルの弁をとおる流体の流量に対し、ほぼ一定の圧力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】
弁座を備える弁ボアと長手軸とを有する弁胴と、
弁球と、
前記長手軸と、前記弁球の中心と弁球表面に最も近い弁ボア表面とを通る直線と、の間の境界角を定める、前記弁ボア表面と前記弁球表面とを備え、そして
前記弁ボアは、前記長手軸を含む平面での断面において、前記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前記弁ボア表面を有し、
前記弁球は前記弁座に対して閉位置に付勢され、前記弁球の下流の前記弁ボアを通り流れる流体の圧力を調節するよう、係止させることなく、その付勢に対抗し前記弁座から離された開位置に移動自在であり、
前記弁ボアの下流に該弁ボアを通る流体の流量の範囲に亘って流体の比較的一定な圧力カーブを与えるように前記弁球が前記弁座から離れるに従って増加するように、前記境界角が増加する、
ことを特徴とする圧力調節弁。
【請求項１３】
前記弁球を前記弁座に対して付勢するスプリングを備え、該スプリングが前記弁球の下流に配置されて、該弁球が前記弁座から離れるに従って前記スプリングの変位が増加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】
前記弁ボアは凹部を有し、該凹部は、該凹部の下流に向かって、前記直径が非直線的に増加する少なくとも一つの面であることを特徴とする請求項１２記載の圧力調節弁。
【請求項１５】
前記凹部はアーチ状であることを特徴とする請求項１４記載の圧力調節弁。
【請求項１６】
前記弁ボアは少なくとも部分的に、直線的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亘って全体として非直線的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１７】
前記スプリングはコイルスプリングであり、前記弁球が前記弁座から離れるに従って前記弁球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１３記載の圧力調節弁。
【請求項１８】
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、前記弁球が前記弁座から離れる距離に従って前記弁球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１７記載の圧力調節弁。
【請求項１９】
前記境界角は、前記弁球が前記弁座から離れる距離に応じて、増加して、毎時約１０〜２５０リットルの弁をとおる流体の流量に対し、ほぼ一定の圧力となることを特徴とする請求項１８記載の圧力調節弁。
【請求項２０】
流体がその中を流れる弁ボアを有する弁胴と、
弁球と、を備え、そして
前記弁ボアは、弁座と、長手軸と、該長手軸を含む平面での断面において、前記弁座に最も近いその上流端から下流端に向かって、非均一に増加する直径を有する少なくとも一つの弁ボア表面とを有し、
前記弁球は前記弁座に対して閉位置に付勢され、前記弁球の下流の前記弁ボアを通り流れる流体の圧力を調節するよう、係止させることなく、その付勢に対抗し前記弁座から離された開位置に移動自在であり、
前記弁ボア表面と前記弁球表面は、前記弁座に対する前記弁球の与えられた位置に対して、前記弁座から離れる方向に前記弁球を変位させる流体により形成される前記弁球の有効表面積を与えるように構成され、
前記弁ボアの下流に該弁ボアを通る流体の流量の範囲に亘って流体の比較的一定な圧力カーブを与えるように前記弁球が前記弁座から離れるに従って増加するように、前記流体により形成された前記弁球の前記有効面積が増加する
ことを特徴とする圧力調節弁。
【請求項２１】
流体により作動する前記弁球の有効面積は、前記弁ボアの長手軸と、前記弁球と前記弁ボアとの間の最小距離を定める境界線との間で定義される境界角の関数であり、前記弁球が前記弁座から離れるに従って増加するように、該境界角は増加することを特徴とする請求項２０記載の圧力調節弁。
【請求項２２】
一つの前記弁ボア表面は、アーチ状であることを特徴とする請求項２０記載の圧力調節弁。
【請求項２３】
一つの前記弁ボア表面は、少なくとも部分的に、直線的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直線的に傾斜したことを特徴とする請求項２０記載の圧力調節弁。
【請求項２４】
長手軸と、弁座と、そして該長手軸を含む平面での断面において、前記弁座から離れるよう延びるにしたがって変化、増加する直径を有する少なくとも一つの非均一な弁ボア表面とを備える弁ボアを弁胴内に形成する工程と、
前記弁座の領域では前記弁ボアの前記直径より大きく、非均一な前記弁ボア表面の領域では前記弁ボアの前記直径より小さい直径を有する弁頭表面を備える弁頭を、前記弁ボア内に挿入する工程と、
停止部と係合していない前記弁頭を有しない前記弁座から離隔されるとき、スプリングの一端が前記弁座に向かって前記弁頭を付勢するように、該スプリングを少なくとも部分的に前記ボア内に挿入する工程と、
少なくとも前記弁頭が前記弁座から変位したとき、境界角が、前記長手軸と、前記弁ボア表面に最も近い前記弁頭表面上の点と該弁頭表面に最も近い前期弁ボア表面上の点とを通る境界線との間の角度で定義されるように、前記弁ボア表面と前記弁座表面を形成する工程と、を備え、そして
前記弁ボアを形成する工程が、前記番頭の下流に前記弁ボアを通る流体の流量の範囲に亘って流体の比較的一定な圧力カーブを与えるように前記弁球が前記弁座から離れるに従って増加するように前記境界角が増加するように、非均一な前記弁ボア表面を形成する工程を含む、
ことを特徴とする圧力調節弁の製造方法。
【請求項２５】
前記弁頭が前記弁座から離れるに従って増加するように境界角が増加するように非均一の前記弁ボア表面を形成することを含む前記弁ボアを形成する工程が、
前記弁座から離れた前記弁頭の各位置における前記スプリングのバネ力を計算すること、
所要の前記弁頭の各位置での前記スプリングのバネ力を相殺するように所定圧力の流体が作用する前記弁頭の有効面積を決めること、
前記弁頭の前記各位置について決められた各有効面積に対応する境界角を決めること、
前期弁ボアを、前記弁頭の前記各位置で決められた前記境界角を与える形状に形成すること、を含むことを特徴とする請求項２４記載の方法。
【請求項２６】
前記弁座に対する前記弁頭の位置の範囲に亘って前記圧力調節弁がほぼ一定の圧力を維持するように前記弁座から離れるに従って前記弁頭が増加するように、前記弁頭に作用する前記バネ力を相殺する正味の力を前記弁頭に与えるよう、前記有効面積および前記境界角が選択されることを特徴とする請求項２５記載の方法。
【請求項２７】
弁頭と、弁胴と、加圧された流体が選択的に流れる弁座と、を備える弁の製造方法であって、
該弁の上流と下流の静圧を決定する工程と、
前記上流の圧力と前記下流の圧力との差の関数として前記弁を通り流れる流体の速度を決定する工程と、
流量と前記流体の前記速度との関数として流れ面積を決定する工程と、
該流れ面積の関数として前記弁頭の寸法を決定する工程と、を有する
ことを特徴とする弁の製造方法。
【請求項２８】
前記弁頭の直径のおよそ７０％から９０％の間の直径を有する前記弁胴の入口穴を設ける工程を更に有することを特徴とする請求項２７記載の方法。
【請求項２９】
前記弁胴は、前記弁頭がその直径の２５％に等しい距離で前記弁座から変位するとき、前記弁頭と前記弁胴の間の半径方向のフローギャップが前記弁頭の直径の５％より小さくなるように構成された前記弁座のアーチ状断面の下流を有することを特徴とする請求項２７記載の方法。
【請求項３０】
前記フローギャップが、前記弁頭の直径の３％から４％の間であることを特徴とする請求項２７記載の方法。
【請求項３１】
前記弁胴は、前記弁頭がその直径の１５％に等しい距離で前記弁座から変位するとき、前記弁頭と前記弁胴の間の半径方向のフローギャップが前記弁頭の直径の３％より小さくなるように構成された前記弁座のアーチ状断面の下流を有することを特徴とする請求項２７記載の方法。
【請求項３２】
前記弁胴は、前記弁頭がその直径の６％に等しい距離で前記弁座から変位するとき、前記弁頭と前記弁胴の間の半径方向のフローギャップが前記弁頭の直径の２％より小さくなるように構成された前記弁座のアーチ状断面の下流を有することを特徴とする請求項２７記載の方法。
【請求項３３】
前記弁頭が前記弁座から複数の異なる距離に変位したときの前記弁全体に亘っての圧力低下について前記弁を検査する工程と、所望の圧力低下より高い圧力低下が存在する前記弁頭の位置の範囲で前記弁胴の形状を変更し、前記フローギャップを減少する工程とを更に有することを特徴とする請求項２７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、その系統の動作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付勢機構により弁座上に戻る。
【０００３】
円筒または円錐台形のボアを有する弁は、高い流量を含む、様々な流量での動作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、流量に応じて動作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、流量の広い領域で、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、非直線的又は非均一であり、好ましくはアーチ状に傾斜している。他の現在好適なある実施例では、その弁ボアは、直線的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直線的の傾斜である。
【実施例１】
【０００７】
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との間に流路面積又は流路間隙（フローギャップ）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。
【０００８】
圧力調節弁１０の動作圧は、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に止まり嵌めされ、又、スプリング座２４は流体が流れる開口２６を有する。
【０００９】
現在好適な実施例では、弁座２０が、弁ボア１４の概して直線的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。
【００１０】
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内と相違して直線的には増加しない。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アーチ状である。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。
【００１１】
図４〜７には、図１〜３のものとは形状が少し違う弁ボアを有する弁の代替の実施例が図示されていて、境界角αが弁ボア１４の長手軸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に接する線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の径が非直線的に増加するからである。
【００１２】
動作中は、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、流路間隙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流路間隙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。
【００１３】
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、流路間隙２２が減少するとその力は増加し、流路間隙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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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、直線的傾斜面の円錐台部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。
【００１７】
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、非直線的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’の長手軸３４と境界線３６との間の角度である。
【００１８】
低粘度流体に使用する弁１００を設計する一つの推奨する方法が、適した流路間隙１０２と、弁頭あるいは弁球の寸法が決定できるよう、以下に記述する。弁の上流と下流の静圧の差（ΔＰ）から、流路間隙内の流体の速度は、ベルヌーイの微分方程式：
ΔＰ＝０．５＊（密度）＊（速度）２
を用い、決定できる。例として、流体の粘度が０．７５Ｋｇ／リッターで、ΔＰが６５０ＫＰａのとき、速度は約４１．７ｍ／ｓｅｃとなる。
【００１９】
流体速度、流路面積、流量は、連続方程式により関係付けられている：
（体積流量）＝（流路面積）＊（速度）
最大流量が１８０リッター／時とすると、最大流路面積は、約１．２ｍｍ２となる。この流路面積を考慮に入れて、弁球１０４の最適寸法が次式で決定できる：
（弁球の直径）＝（流路面積）０．５）＊３。
この例では、弁球の直径は、約３．２８ｍｍとなる。もちろん、これはおよその弁球直径であり、必要あるいは要望により実際の弁球１０４は、より小さくあるいはより大きくできる。
【００２０】
最良の例が図１０に示されるように、弁箱１０６の形状は、弁球１０４の寸法と関連して決定される。弁箱１０６は、弁座領域１０８と変動流路間隙１０２とを有する。上流側入口穴１１０の寸法は、弁球の直径の約７０％から９０％の間になるよう選択可能で、一つの例として、弁球の直径の約８０％とする。弁座領域１０８は、図１１に概略的に示すように、約２５から３０度の着座角度を有している。弁のより安定した性能は、より大きな入口穴１１０と、この入口穴１１０に導くより大きな半径１１２により実現される。より大きな入口穴１１０は、入口穴１１０に流入する流体と関連する圧力降下を少なくすることができる。さらに、バリや他の不均一（入口穴の円形を損なうような）は入口穴１１０での圧力降下に影響し、したがって、弁１００の性能に影響を与える。
【００２１】
弁球１０４がその直径の約２５％に相当する距離を弁座１０８から軸方向に移動すると、流路間隙１０２は、弁球の直径の５％より小さくなり、用途によっては、弁球の直径の約３．５％になる。この例の場合、弁球１０４が、その直径の約６％と１５％に等しい距離を弁座１０８から軸方向に移動するとき、流路間隙はそれぞれ弁球の直径の２％および３％より小さくなり、この値は、他の弁の設計に良い参考として目標となる。ひとつの実行として、弁球１０４がその直径の約６．２％に等しい距離を弁座１０８から変位するとき、流路間隙は、弁球の直径の約１．５％になり、弁球１０４がその直径の約１５．６％に等しい距離を弁座１０８から変位するとき、流路間隙は、弁球の直径の約２．８％になる。弁球の直径の約６．２％、１５．６％、２５％の弁球の軸方向の変位に対応するこれら３点を結ぶ曲線は、丸みをつけられた、あるいはアーク状の表面を形成する。このアーク状あるいは丸い形状は、弁座１０８であるいは近くで頭を切った形状である。このように設計された弁の検査において、弁を横切る圧力降下の結果が、弁球のどの特定の軸方向の変位で大き過ぎる場合、正味の流路間隙が、弁球の特定の軸方向の変位で減少している。
【００２２】
経験的なデータは、弁１００を通る流量と弁座１０８に対する弁球１０４の軸方向の
位置との関係を示している。弁１００の上流の圧力は、弁球１０４と弁箱１０６との間の流路間隙１０２を流れる流体の速度を決定する。入口穴の寸法が減少すると、流路間隙の上流の弁球に加わる力が減少することを、ＣＦＤ（計算流体力学）分析が示している。弁球１０４と弁座１０８との間の流路間隙１０２内に低い静圧領域があり、その領域内を流れる高い流速が低い圧力の領域の原因であることを、ＣＦＤ分析が確認している。入口穴１１０の直径を大きくすると、低圧領域の寸法を減少させる。弁球１０４の有効変位を大きくするように弁座１０８の形状を変更することにより、低圧の領域を減少させることができる。上流の圧力の変更、および・あるいは、弁部品の形状の寸法変更が、初期に弁を開くのに必要な始動力に対する弁球への軸方向の力の比において、大きな効果を持たないことを、ＣＦＤ分析は示している。
【００２３】
弁座１０８の下流の面積は、少なくとも二つの仕方で弁の性能に影響する。第一に、上記のように設計された流れ（それは、弁球のより大きな軸方向の変位に対し流路間隙を制御する）での流量で、弁球１０４の軸方向の位置に影響を与える。第二に、流路間隙１０２を通り通過する流体の拡散に影響する。弁座１０８の下流の面積が増加すると（すなわち、半径方向に大きくなるとかテーパーがついているとか）、弁の最大流量は、増加する。流路面積を増加させると、弁球の下流側の静圧を予測することが更に困難になる。流体が弁球１０４の下流側で拡散するとき、弁球１０４に加わる力は、弁座１０８から離れた弁球の軸方向の変位に対抗し、弁の不安定さの一因となる。
【００２４】
弁箱１０６のバネ案内領域１１４の寸法は、バネ１１６の直線性と、バネ１１６の頭の周りの流体の流れと関連する流体制限とに影響を及ぼす。直径が出口穴１１８より小さいバネガイド１１４が、検査され、良い結果を得ている。たとえば、検査した一つの弁において、出口穴１１８が約４．５５ｍｍで、バネガイド１１４が約４．２５ｍｍの直径である。もしバネガイド１１４が小さ過ぎると、弁は、高い流量において不連続な圧力降下を示す。
【００２５】
サイドスロット１２０は二つの機能：弁座１０８の下流の流路面積を増加することを可能とし、バネ１１６無しに、弁が組み立てられる可能性を減少させる。もし、サイドスロット１２０が使用されず、弁を含む燃料ポンプあるいは弁そのものが、バネ１１６無しに組みたてられたとするなら、弁球１０４は、バネ保持部１２２を密封し、弁が正確に機能する。
【００２６】
弁箱１０６の保持器領域１２４は、弁箱の軸と同軸で、保持器１２２の移動を回避するために十分な壁厚を有することが必要である。保持器１２２の移動は、たとえば、弁球１０４へのバネ力に影響を及ぼす。一つの弁の例では、保持器領域の直径が４．５５ｍｍ＋／−０．０５ｍｍで、少なくとも２ｍｍの壁厚が好ましい。
【００２７】
出口穴１１８の設計により、弁を通る最大流量での最大圧力降下の制御、好ましくは、最小化が可能である。もし、出口穴流路面積が小さすぎると、弁を横切る圧力降下は増加する。
【００２８】
このような弁は、液体ポンプ、たとえば、燃料ポンプの出口の下流に使用することができる（たとえば、燃料ポンプの下流に、あるいは、燃料が圧力の下で排出される燃料ポンプのハウジングに取り付けられ）。図１３の線１３０により示されるように、燃料ポンプ（自動車や他の車両の用途に共通に使用される電動モータ駆動ポンプのような）から排出される流体の流量は、流体の圧力が増加するに従って、減少する。逆に、線１３２により示されるように、流体の圧力が増加するに従って、弁を通る燃料流が増加する。この情報から、弁の適切な寸法、設計は、異なる圧力と流量で操作される広い範囲の燃料ポンプのような、用途の範囲で動作するよう、選択することが可能である。
【００２９】
更に、図１４−１６は、保持器を移動させ、それによりバネの圧縮を変えて、バネ力を変更することにより、いくつかの異なる圧力で作動する弁の設計のＣＦＤ分析図を示す。図１４に示すように、弁箱の端部から基準深さ３．５ｍｍに設定された保持器を有した弁は、約２０リッター／時から約８０リッター／時の流量の範囲に亘って、約１５０−１７０Ｋｐａの圧力で作動した。図１５に示すように、深さ約７ｍｍに設定された保持器を有した弁は、約４０リッター／時から２００リッター／時以上の流量の範囲に亘って、約６５０Ｋｐａの圧力で作動した。これらの実施例において、この弁は、約６５０ＫＰａの圧力用に設計され、広い範囲の流量に亘りほぼ直線のカーブを示している。図１６に示すように、約８．５ｍｍの深さに設定された保持器を有する弁は、約４０リッター／時から２００リッター／時以上の流量の範囲に亘って、約８５０と９００Ｋｐａの間の圧力で作動した。従って、流量と圧力の要求に応じる広い範囲の用途に、単一の弁の設計で使用可能となる。
【００３０】
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】
【００３１】
【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】一例として圧力調節弁の圧力曲線を示すグラフである。
【図１０】他の実施例の弁箱の断面図である。
【図１１】図１０に示す弁の部分の部分断面図である。
【図１２】図１０に示す弁箱の出口穴と開口の端面図である。
【図１３】燃料ポンプと弁の性能の相関を示す流量対圧力のグラフである。
【図１４】弁頭に第一のバネ力を与える第一の位置に弁保持器を有する弁の流量対圧力のグラフである。
【図１５】弁頭に第二のバネ力を与える第二の位置に弁保持器を有する弁の流量対圧力のグラフである。
【図１６】弁頭に第三のバネ力を与える第三の位置に弁保持器を有する弁の流量対圧力のグラフである。
【符号の説明】
【００３２】
１０、１００  圧力調節弁
１２          弁胴
１４          弁ボア
１６、１０４  弁球
１８、１１６  スプリング
２０、１０８  弁座
２２、１０２  流路間隙
２４          スプリング座
２６          開口
２８          円錐台部
３０          転移点
３２          凹部
３４          長手軸
３６          境界線
３８          線
１１０        入口穴
α            境界角
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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