JP7610866B2 - 流量調整弁 - Google Patents

Description

本発明は、弁室及び弁口（オリフィス）が設けられた弁本体と、リフト量に応じて前記弁口を流れる流体の流量を変化させる弁体とを備えた流量調整弁に係り、特に、ヒートポンプ式冷暖房システム等において冷媒流量を調整するのに好適な流量調整弁に関する。

流量調整弁における弁開度（リフト量）と流量との関係、すなわち、流量特性としては、リニア特性とイコールパーセント特性とがよく知られている。リニア特性は、弁開度の変化に対する流量の変化率が一定である特性を言い、イコールパーセント特性は、弁開度の変化率が流量に比例する特性を言う。

図５は、イコールパーセント特性が得られるようにされた流量調整弁の一例の要部を示している。図示例の流量調整弁１’は、ヒートポンプ式冷暖房システム等において冷媒流量を調整するために使用されるもので、弁室６、逆立円錐台面からなる弁座８、及び円筒面からなる弁口１５が設けられた弁本体５と、弁座８からのリフト量に応じて弁口１５を流れる流体の流量を変化させる弁体２０とを備え、弁体２０は、例えば特許文献１等に所載の如くの、雄ねじが設けられた弁軸、雌ねじが設けられたガイドステム、及びステッピングモータ等で構成されるねじ送り式昇降駆動機構により、弁座８に接離するように昇降せしめられる。

弁体２０は、弁座８に着接する着接面部２２と、該着接面部２２の下側に連なる、流量特性としてイコールパーセント特性を得るための楕球状の曲面部２３とを有する。曲面部２３は、卵の下半分に類似した形状を有しており、その外周面は上端２３ａから下端２３ｂにかけて次第に曲がり具合がきつく（曲率が大きく）なっている。

かかるイコールパーセント特性が得られるようにされた流量調整弁１’においては、図５において太線矢印で示される如くに、冷媒流れ方向が弁室６→弁口１５であるとき、冷媒が曲面部２３に沿って流れるが、弁口１５通過時に急激な圧力変動、冷媒剥離現象が生じやすく、それに伴い、渦やキャビテーションが発生・成長しやすくなり、比較的大きな騒音が発生するという問題があった。

なお、上記のようにイコールパーセント特性を得るために、弁体２０に楕球状の曲面部２３を設けることは加工コスト、費用対効果等の面から問題があるので、図６に示される如くの、イコールパーセント特性に近似した特性が得られるようにされた流量調整弁１’’が開発されている。図示例の流量調整弁１’’は、弁室形成部材６Ａが固着されるとともに、短円筒面からなる第１弁口部１７Ａと円錐台面からなる第２弁口部１７Ｂとからなる弁口１７が設けられ、第２弁口部１７Ｂの下部外周に導管が接続される管継手１４が連結された弁本体５と、弁座８からのリフト量に応じて弁口１７を流れる流体の流量を変化させる弁体３０とを備える。

弁体３０は、弁座８に着座する着座面部３２と、該着座面部３２の下側に連なる、流量特性としてイコールパーセント特性に近似した特性を得るための曲面部３３とを有する。曲面部３３は、楕球面を疑似するように先端に近づくに従って制御角（弁体３０の中心軸線Ｏと平行な線との交差角）が段階的に大きくされた複数段（ここでは５段）の円錐テーパ面部３３Ａ～３３Ｅを有しており、最上段の円錐テーパ面部３３Ａの第１制御角θ１は、通常、３°＜θ１＜１５°（ここでは５°）に設定され、最下段の円錐テーパ面部３３Ｅは先の尖った円錐面となっている。

一方、特許文献２には、通常のリニア特性が得られるようにされた流量調整弁において、弁口の寸法形状を特定のものとして、上記した如くの、弁口通過時における圧力変動や冷媒剥離現象等に起因して発生する騒音を抑制するようにしたものが開示されている。

特開２０１２－１７２８３９号公報 特許第５６９６０９３号公報

しかしながら、特許文献２に所載の流量調整弁においては、弁口長を相当長く設定する必要があるため、圧力損失が大きくなり、適正な冷媒流量が得られ難いという問題があり、さらに、弁口の寸法形状は、リニア特性用の弁体に合わせたものであるので、上記したイコールパーセント特性及びそれに近似した特性を持つ流量調整弁に適用しても、十分な騒音低減効果は得られない。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、弁口通過時における圧力変動や冷媒剥離現象に起因して発生する騒音を効果的に低減できるとともに、圧力損失の低減等も図ることのできる流量調整弁を提供することにある。

前記目的を達成すべく、本発明に係る流量調整弁は、基本的には、弁室及び弁口が設けられた弁本体と、前記弁口に連結された内径がＤ４の管継手と、流量特性としてイコールパーセント特性あるいはそれに近似する特性を得られるように設計され、リフト量に応じて前記弁口を流れる冷媒の流量を変化させる弁体と、を備え、前記弁口は、前記弁室側から順次、口径がＤ１の円筒の第１弁口部、Ｄ２の円筒の第２弁口部、及びＤ３の円筒の第３弁口部が設けられるとともに、Ｄ１＜Ｄ２＜Ｄ３＜Ｄ４とされ、前記第１弁口部は弁座を備え、前記第１弁口部と前記第２弁口部との間には上段の円錐台状テーパ面部、及び前記第２弁口部と前記第３弁口部との間には下段の円錐台状テーパ面部が形成され、軸線方向において、前記下段の円錐台状テーパ面部の長さは前記上段の円錐台状テーパ面部の長さ以上であり、前記上段の円錐台状テーパ面部のテーパ角をθｕ、前記下段の円錐台状テーパ面部のテーパ角をθｖとして、θｕ＝θｖとされていることを特徴としている。

好ましい態様では、前記管継手は、少なくとも前記第３弁口部が当該管継手の内側に配置されるように前記弁本体に連結される。

他の好ましい態様では、前記弁本体は、前記管継手の弁室側の端部が差し込まれる溝を有し、前記第３弁口部は、前記溝の外周部分よりも反弁室側に突出する。

本発明に係る流量調整弁では、弁口の口径が弁室側から下端側にかけて３段階以上で順次大きくされるので、弁口通過時において冷媒圧力が徐々に回復し、圧力変動が抑えられるとともに整流化が図られる。また、（Ｄ２／Ｄ１）、（Ｄ３／Ｄ２）が特定の範囲内に設定されることにより、圧力変動や冷媒剥離現象に伴う渦やキャビテーションの発生・成長が抑えられる。さらに、（Ｄ２／Ｄ１）＜（Ｄ３／Ｄ２）＜（Ｄ４／Ｄ３）とされることにより、流れが一層円滑となるので、例えばイコールパーセント特性及びそれに近似した特性を持つ流量調整弁において、騒音レベルを相当低くすることができる。

さらに、（Ｌ２／Ｄ１）、（Ｌ４／Ｄ１）が特定の範囲に設定されることにより、弁口長Ｌ２が特許文献２に所載のものや図５に示されるイコールパーセント特性を持つ流量調整弁１’より短くなるので、圧力損失が小さくなり、適正な冷媒流量を得ることができる。

本発明に係る流量調整弁の一実施形態における主要部を示す要部断面図。 本発明の作用効果を確認・立証するための、（Ａ）仕様・諸元の一部を変更した検証用弁Ｎｏ.１～４の実測値データを示す一覧表、（Ｂ）検証条件Ａ～Ｇを示す一覧表。 （Ａ）横軸に口径比：Ｄ２／Ｄ１をとり、縦軸に騒音レベル［ｄＢ］をとって、検証用弁Ｎｏ.１～４の実測値を検証条件Ａ～Ｇ毎に示すグラフ、（Ｂ）横軸に口径比：Ｄ３／Ｄ２をとり、縦軸に騒音レベル［ｄＢ］をとって、検証用弁Ｎｏ.１～４の実測値を検証条件Ａ～Ｇ毎に示すグラフ。 本発明の作用効果を確認・立証するための、（Ａ）仕様・諸元の一部を変更した検証用弁Ｎｏ.５～８の実測値データを示す一覧表、（Ｂ）検証条件Ｈ、Ｉを示す一覧表、（Ｃ）横軸に弁口長比：Ｌ４／Ｄ１をとり、縦軸に音圧レベル［ｄＢ］をとって、検証用弁Ｎｏ.５～８の実測値を検証条件Ｈ、Ｉ毎に示すグラフ。 イコールパーセント特性が得られるようにされた流量調整弁の一例の要部を示す部分断面図。 イコールパーセント特性に近似した特性が得られるようにされた流量調整弁の一例の要部を示す、（Ａ）閉弁時の部分断面図、（Ｂ）開弁時の部分断面図。

以下、本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明に係る流量調整弁の一実施形態における主要部を示す要部断面図である。なお、図１においては、前述した図６に示される従来の流量調整弁１’’の各部に対応する部分には共通の符号が付されている。

図示実施形態の流量調整弁１は、前述した図６に示される従来の流量調整弁１’’と同様に、イコールパーセント特性に近似した特性が得られるようにされたもので、弁室形成部材６Ａが固着されるとともに、本発明の特徴部分である弁口１０（詳細は後述）が設けられた弁本体５と、弁座８からのリフト量に応じて弁口１０を流れる流体の流量を変化させる弁体３０とを備える。弁体３０は、図６に示される従来の流量調整弁１’’と同一構成で、弁座８に着座する着座面部３２と、該着座面部３２の下側に連なる、流量特性としてイコールパーセント特性に近似した特性を得るための曲面部３３とを有する。曲面部３３は、楕球面を疑似するように先端に近づくに従って制御角（弁体３０の中心軸線Ｏと平行な線との交差角）が段階的に大きくされた複数段（ここでは５段）の円錐テーパ面部３３Ａ～３３Ｅを有しており、最上段の円錐テーパ面部３３Ａの第１制御角θ１は、３°＜θ１＜１５°（ここでは５°）に設定され、最下段の円錐テーパ面部３３Ｅは先の尖った円錐面となっている。

そして、弁室６に開口する前記弁口１０は、弁室６側から順次、口径がＤ１の円筒状の第１弁口部１１、口径がＤ２の円筒状の第２弁口部１２、及び口径がＤ３の円筒状の第３弁口部１３を有し、第３弁口部１３の下部外周には、導管が接続される、内径がＤ４の管継手１４が連結されている。ここでは、Ｄ１＜Ｄ２＜Ｄ３＜Ｄ４とされ、弁口１０は、その口径が弁室６から離れるに従って３段階に順次大きくされている。

ここで、本実施形態では、（口径比：Ｄ２／Ｄ１）＜（口径比：Ｄ３／Ｄ２）＜（口径比：Ｄ４／Ｄ３）とされるとともに、（Ｄ２／Ｄ１）と（Ｄ３／Ｄ２）とは、それぞれ試作実験等に基づいて、特定範囲内、すなわち、１.０８＜（Ｄ２／Ｄ１）＜１.３７、かつ、１.０５＜（Ｄ３／Ｄ２）＜１.４３に設定されている。

また、第１弁口部１１と第２弁口部１２との間（の段差部分）にテーパ角がθｕの円錐台状テーパ面部１６が形成されるとともに、第２弁口部１２と第３弁口部１３との間（の段差部分）にテーパ角がθｖの円錐台状テーパ面部１８が形成されている。

さらに、第１弁口部１１の弁口長（中心軸線Ｏ方向の長さ）をＬ１、第２弁口部１２の弁口長をＬ２、第３弁口部１３の弁口長をＬ３、第２弁口部１２の上端から第３弁口部１３の下端までの長さをＬ４として、（弁口長比：Ｌ２／Ｄ１）と（弁口長比：Ｌ４／Ｄ１）とは、それぞれ試作実験等に基づいて、特定範囲内、すなわち、１.０＜（Ｌ２／Ｄ１）＜２.０、かつ、２.３＜（Ｌ４／Ｄ１）＜４.０に設定されている。

このような構成とされた本発明に係る流量調整弁では、弁口１０の口径が弁室６から離れるに従って３段階で順次大きくされているので、弁口通過時において冷媒圧力が徐々に回復し、圧力変動が抑えられるとともに整流化が図られる。また、（Ｄ２／Ｄ１）、（Ｄ３／Ｄ２）が特定の範囲内に設定されることにより、圧力変動や冷媒剥離現象に伴う渦やキャビテーションの発生・成長が確実に抑えられる。さらに、（Ｄ２／Ｄ１）＜（Ｄ３／Ｄ２）＜（Ｄ４／Ｄ３）とされることにより、流れが一層円滑となるので、イコールパーセント特性及びそれに近似した特性を持つ流量調整弁において、騒音レベルを相当低くすることができる。

さらに、（Ｌ２／Ｄ１）、（Ｌ４／Ｄ１）が特定の範囲に設定されることにより、Ｌ２（又はＬ１）が特許文献２に所載のものや図５に示されるイコールパーセント特性を持つ流量調整弁１’より短くなるので、圧力損失が小さくなり、適正な冷媒流量を得ることができる。

［口径比及び弁口長比の適正範囲を検証するための検証試験とその結果］
上記のような作用効果を確認・立証すべく、本発明者等は、図２（Ａ）及び図４（Ａ）の一覧表に示される如くに、仕様・諸元の一部を変えた、口径比《（Ｄ２／Ｄ１）、（Ｄ３／Ｄ２）》検証用弁Ｎｏ.１～４、及び、弁口長比《（Ｌ４／Ｄ１）》検証用弁Ｎｏ.５～８を用意し、図２（Ｂ）に示される条件Ａ～Ｇ及び図４（Ｂ）に示される条件Ｈ、Ｉのもとで、検証試験を行った。口径比《（Ｄ２／Ｄ１）、（Ｄ３／Ｄ２）》検証用弁Ｎｏ.１～４の試験結果を図３（Ａ）、（Ｂ）に、また、弁口長比《（Ｌ４／Ｄ１）》検証用弁Ｎｏ.５～８の試験結果を図４（Ｃ）に示す。

なお、図３（Ａ）は、横軸に口径比：Ｄ２／Ｄ１をとり、縦軸に騒音レベル［ｄＢ］をとって、検証用弁Ｎｏ.１～４の実測値を検証条件Ａ～Ｇ毎に示したグラフ、図３（Ｂ）は、横軸に口径比：Ｄ３／Ｄ２をとり、縦軸に騒音レベル［ｄＢ］をとって、検証用弁Ｎｏ.１～４の実測値を検証条件Ａ～Ｇ毎に示したグラフ、図４（Ｃ）は、横軸に弁口長比：Ｌ４／Ｄ１をとり、縦軸に音圧レベル［ｄＢ］をとって、検証用弁Ｎｏ.５～８の実測値を検証条件Ｈ、Ｉ毎に示したグラフである。

また、図３（Ａ）、（Ｂ）及び図４（Ｃ）のグラフにおいて、レベル０（基準）は、前述した図６に示される従来のイコールパーセント特性に近似した特性を持つ流量調整弁１’’（以下、従来品と称す）の騒音レベル及び音圧レベルを示している。

図３（Ａ）のグラフから、口径比：（Ｄ２／Ｄ１）が１.０５～１.４５（図示されている略全範囲）において騒音レベルが従来品より低くなっており、特に、弁Ｎｏ.３と弁Ｎｏ.２あたりの騒音低減効果が大きいが、（Ｄ２／Ｄ１）が１.０８（弁Ｎｏ.４の口径比）～１.３７（≒（１．３１＋１．４２）／２、弁Ｎｏ.２と弁Ｎｏ.１の略中間の口径比）の範囲内にあれば、従来品より相当騒音を低減できることが確認された。

図３（Ｂ）のグラフから、口径比：（Ｄ３／Ｄ２）が１.００～１.５０（図示されている略全範囲）において騒音レベルが従来品より低くなっており、特に、弁Ｎｏ.３と弁Ｎｏ.２あたりの騒音低減効果が大きいが、（Ｄ３／Ｄ２）が１.０８～１.４３（≒（１．３５＋１．５０）／２、弁Ｎｏ.３と弁Ｎｏ.４の略中間の口径比）の範囲内にあれば、従来品より相当騒音を低減できることが確認された。

図４（Ｃ）のグラフから、弁口長比：（Ｌ４／Ｄ１）が２.００～４.００（図示されている略全範囲）において音圧レベルが従来品と同等かそれより低くなっており、特に、弁Ｎｏ.６あたりの騒音低減効果が大きいが、（Ｌ４／Ｄ１）が２.３０（弁Ｎｏ.５の弁口長比より大）～４.００（弁Ｎｏ.８の弁口長比）の範囲内にあれば、従来品より騒音低減効果が得られる（例えば、条件Ｉにおいて音圧レベルが基準より２ｄＢ以上低い）ことが確認された。

なお、図示等は省略するが、弁口長比：（Ｌ２／Ｄ１）が１.０～２.０の範囲内であれば、音圧レベルが従来品と同等かそれより低くなり、従来品より騒音低減効果が得られることも確認されている。

なお、上記した実施形態では、イコールパーセント特性に近似した特性を持つ流量調整弁１に本発明を適用した場合について説明したが、これに限られる訳ではなく、本発明は、図５に示される如くのイコールパーセント特性を持つ流量調整弁１’は勿論のこと、特許文献１、２等に所載のリニア特性を持つ流量調整弁にも適用できる。

また、弁体における曲面部は、上記実施形態では、先端側ほど制御角が段階的に大きくされた複数段の円錐テーパ面部で構成されているが、これに限られる訳ではなく、図５に示される如くの楕球面部、あるいは、該楕球面部の下端部（楕球冠部分）を切除した構成でもよいし、さらに、楕球面部と一つもしくは複数の円錐テーパ面部との組み合わせ等により構成してもよい。

また、上記した実施形態では、第３弁口部１３に、内径がＤ４の管継手１４を連結した構成としているが、第３弁口部１３の反弁室側に口径がＤ４の第４弁口部を形成したものでも、上記と同様の作用効果が得られることは言うまでも無い。

１ 流量調整弁
５ 弁本体
６ 弁室
１０ 弁口
１１ 第１弁口部
１２ 第２弁口部
１３ 第３弁口部
１４ 管継手
３０ 弁体
３３ 曲面部
Ｄ１ 第１弁口部の口径
Ｄ２ 第２弁口部の口径
Ｄ３ 第３弁口部の口径
Ｄ４ 管継手の内径
Ｌ１ 第１弁口部の弁口長
Ｌ２ 第２弁口部の弁口長
Ｌ３ 第３弁口部の弁口長
Ｌ４ 第２～第３弁口長

Claims (3)

1. 弁室及び弁口が設けられた弁本体と、前記弁口に連結された内径がＤ４の管継手と、流量特性としてイコールパーセント特性あるいはそれに近似する特性を得られるように設計され、リフト量に応じて前記弁口を流れる冷媒の流量を変化させる弁体と、を備え、
   前記弁口は、前記弁室側から順次、口径がＤ１の円筒の第１弁口部、Ｄ２の円筒の第２弁口部、及びＤ３の円筒の第３弁口部が設けられるとともに、Ｄ１＜Ｄ２＜Ｄ３＜Ｄ４とされ、
   前記第１弁口部は弁座を備え、
   前記第１弁口部と前記第２弁口部との間には上段の円錐台状テーパ面部、及び前記第２弁口部と前記第３弁口部との間には下段の円錐台状テーパ面部が形成され、
   軸線方向において、前記下段の円錐台状テーパ面部の長さは前記上段の円錐台状テーパ面部の長さ以上であり、
   前記上段の円錐台状テーパ面部のテーパ角をθｕ、前記下段の円錐台状テーパ面部のテーパ角をθｖとして、θｕ＝θｖとされていることを特徴とする流量調整弁。
2. 前記管継手は、少なくとも前記第３弁口部が当該管継手の内側に配置されるように前記弁本体に連結されていることを特徴とする請求項１に記載の流量調整弁。
3. 前記弁本体は、前記管継手の弁室側の端部が差し込まれる溝を有し、
   前記第３弁口部は、前記溝の外周部分よりも反弁室側に突出していることを特徴とする請求項１又は２に記載の流量調整弁。

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