定流量弁
【課題】高圧下での著しい流量低下を抑制するとともに、定流量弁における流体の圧力損失を小さくすることを可能とする。
【解決手段】ハウジング蓋２１８と可動弁体２２とにより形成される第１室２１３と、ハウジング本体２１７と可動弁体２２とにより形成される第２室２１４と、第１室２１３と第２室２１４とを連通し、流体が通過することで第１室２１３と第２室２１４との間に圧力差を生じさせる第１孔２２３と、可動弁体２２に備えられた弁部２２２に対応して設けられる弁座２１２ａと、弁部２２２と弁座２１２ａとが開弁する方向に可動弁体２２を付勢する弾性部材２３とを備えた定流量弁２において、弁座２１２ａに対応した弁部２２２が可動弁体２２に設けられ、弁部２２２には、弁部２２２と弁座２１２ａとの間隙２１２ｂを介さずに第２室２１４あるいは第１室２１３から流出口２１２に直接流体を流すことのできる第２孔２２４が形成される。
【解決手段】ハウジング蓋２１８と可動弁体２２とにより形成される第１室２１３と、ハウジング本体２１７と可動弁体２２とにより形成される第２室２１４と、第１室２１３と第２室２１４とを連通し、流体が通過することで第１室２１３と第２室２１４との間に圧力差を生じさせる第１孔２２３と、可動弁体２２に備えられた弁部２２２に対応して設けられる弁座２１２ａと、弁部２２２と弁座２１２ａとが開弁する方向に可動弁体２２を付勢する弾性部材２３とを備えた定流量弁２において、弁座２１２ａに対応した弁部２２２が可動弁体２２に設けられ、弁部２２２には、弁部２２２と弁座２１２ａとの間隙２１２ｂを介さずに第２室２１４あるいは第１室２１３から流出口２１２に直接流体を流すことのできる第２孔２２４が形成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、管路を流れる流体の流量を調節する定流量弁に関し、特に高圧下での著しい流量低下を抑制することのできる定流量弁に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、管路を流れる流体の単位時間当たりの流量は、流体の用途に応じた適切な調節を必要とすることがあり、この流量の調節のために定流量弁が用いられることがある。
【０００３】
一般に、管路を流れる流体の流量は、その用途に応じた適切な調節が必要となることが多い。例えば、管路を流れる流体が水である場合、水道管等の管路を通じて給水栓や洗浄便座のノズル、あるいは給湯機器やミスト発生装置等に水を供給するとき、流量が過大であると水道としての使い心地が低下するだけでなく、給水栓や洗浄便座等の給水器具等に過大な負荷をかけることになる。
【０００４】
管路を流れる水の流量を調節する方法として、管路に水を流す前に水の圧力を調節する方法か、管路に水を流した後に水の圧力を低下させて調節する方法がある。ここで、管路に水を流す前に圧力を調節する方法によると、この管路を通じて水の供給を受けるすべての給水器具等に対して一律に流量が低下することとなる。このとき、給湯器等の比較的大きな流量を要する給水器具に対しても一律に流量が低下することになり、これらの給水器具等に必要な流量を供給できなくなるおそれがある。このため、管路に水を流した後に圧力を低下させて、各別の給水器具等に適切な流量を供給する方法がとられてきた。なお、管路を流れる流体の流量を調節することが必要な分野は、水道に限られず、様々な分野で必要とされるものである。
【０００５】
管路に流体を流した後に圧力を低下させて流量を調節するための器具として、特許文献１に開示される定流量弁が提案されている。定流量弁には、高い圧力が負荷されることによってＯリング等の弾性部材が押しつぶされて流体の通過面積が絞られる面積制御タイプと、弁体の上流側と下流側との差圧によって弁体が動かされて流体の通過面積が絞られる差圧制御タイプがあり、この特許文献１に開示される定流量弁は差圧制御タイプに分類される。面積制御タイプは、差圧制御タイプと比較して構成が単純であり圧力損失が小さいが、面積制御部にゴミがつまると流量が低下し、また、Ｏリングが劣化し易い等、長時間の連続使用や長期間の耐久性に劣るという欠点がある。これに対して、差圧制御タイプは、差圧制御部にゴミが詰まってもバルブ開度を自己調整して流量低下を回避でき、面積制御タイプと比較して長時間の連続使用や長期間の耐久性に優れるが、構造が複雑であるため大型化し、また、圧力損失が大きくなり易いという欠点がある。
【０００６】
特許文献１に開示される定流量弁２ａは、本発明と比較するための実施例として、図２の断面図（ａ）、平面図（ｂ）のように示される。図２（ａ）及びこの定流量弁２ａにおける制御流量を説明するための断面図（ｃ）に示されるように、第１室８１３の流体圧をＰ1、第２室８１４の流体圧をＰ2、下流側流体通路１２の流体圧をＰ3、可動弁体８２２の有効受圧径面積をＡd、コイルスプリングのバネ荷重をＦS、第１孔８２３の流体通過断面積をＡo、流出口８１２（弁座８１２ａ）の流体通過面積をＡs、弁部８２２と弁座８１２ａの間隙８１２ｂの流体通過有効面積をＡvとすると、係数αによって以下の関係式（１）〜（４）が成り立つことが一般に知られている。
【０００７】
上流側流体通路１１における流体圧の増大によるＰ1の増大に伴って、可動弁体８２２が下流側流体通路１２の方向に押動されてＡvが減少することとなる。一方で、可動弁体８２２の位置が初期の位置から移動しない程度の流体圧である場合にＡvが最大となり、このときのＰ1の圧力領域（以下、「圧損特性域」という。）における下流側流体通路１２での流量Ｑ21は、
となる。
【０００８】
また、Ｐ1の増大に伴って可動弁体８２２の位置が初期の位置から下流側流体通路１２の方向に押動され、圧損特性域において最大であったＡvが徐々に減少するＰ1の圧力領域（以下、「流量制御域」という。）において、図２（ｃ）に示される定流量弁２ａについての関係式は、
となり、Ｐ3＝０とすると、
となる。
【０００９】
さらに、流量制御域における下流側流体通路１２での流量Ｑ22は、
となる。
【００１０】
ここで、ＡsがＡd−Ａo−Ａsに比べて十分に小さい場合、減少項は無視することができる。更に、Ｆｓが微小変位の場合、Ｆｓ／（Ａd−Ａo−Ａs）＝ｃｏｎｓｔと言える。
よって、ΔＰ＝Ｐ1−Ｐ2＝ｃｏｎｓｔとなる。
従って、流量Ｑ22＝αＡo（ΔＰ）１／２＝ｃｏｎｓｔ α：比例定数
を得て、下流側流体通路１２での流量Ｑ22は定流量（ｃｏｎｓｔ）になることがわかる。
【００１１】
しかしながら、定流量弁の設計において、式（２）〜（４）の減少項を無視できるほど小さくするためにＡsを非常に小さくすると、Ａsに比例するＡvは、Ａsとともに非常に小さくなってしまい、Ｑ21が低下して使用圧力の狭小化あるいは低圧での制御流量精度の悪化という問題がおきる。他方で、Ｑ21の低下を抑制するためにＡsを大きくすると減少項が大きくなり、高圧での流量低下が著しくなるという問題がおきる。また、Ａoを大きくすることでＱ21の著しい低下を抑制すると、Ｑ22が変動して所定の流量に制御することができず、圧力損失の抑制と高圧での流量低下の抑制とは背反関係にある。Ａdを大きくして減少項を小さくする手段も考えられるが、定流量弁２ａが全体的に大型化することとなりコストの増大やレイアウトの制約、耐圧設計の面等で大きな問題がある。即ち、特許文献１に開示される定流量弁２ａは、圧力損失の抑制と高圧での流量低下の抑制と定流量弁２ａの大型化回避とが両立できないとうジレンマが存在していた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特許第４５８６０９９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、上述した問題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、特に高い圧力で管路を流体が流れる場合に、流量の著しい低下を抑制することを可能とする定流量弁を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本願請求項１に記載の定流量弁は、上流側流体通路から流体が流入される流入口を有する第１ハウジングと、ダイヤフラムと、該ダイヤフラムに一体的に取付けられた可動弁体とにより形成される第１室と、下流側流体通路に連通する流出口を有する第２ハウジングと、前記ダイヤフラムと、前記可動弁体とにより形成される第２室と、前記第１室と前記第２室とを連通し、流体が通過することで前記第１室と前記第２室との間に圧力差を生じさせる第１孔と、前記第２室と前記流出口とを連通する通路に臨んで設けられ、前記可動弁体に備えられた弁部に対応して設けられる弁座と、前記可動弁体を、前記弁部と前記弁座とが開弁する方向に所定の弾性力で付勢する付勢手段と、を備えた下流側流体通路を流れる流体の流量を所定流量に制御する定流量弁において、前記弁部は、前記弁座との当接が可能な形状であるとともに、前記第２室から前記流出口へ流体を流す第２孔が形成されることを特徴とする。
【００１５】
本願請求項２に記載の定流量弁は、請求項１に記載の定流量弁において、前記第２孔は、前記第１孔と流体の流れ方向に対して互いに略同一直線上に形成されることを特徴とする。
【００１６】
本願請求項３に記載の定流量弁は、請求項１に記載の定流量弁において、前記第２孔は、前記第１孔と流体の流れ方向に対して互いに偏芯して形成されることを特徴とする。
【００１７】
本願請求項４に記載の定流量弁は、請求項１〜３の何れか１項に記載の定流量弁において、前記可動弁体は、前記第１孔と前記第２孔との間で、かつ流体の流れ方向に対する略同一直線上に設けられた障壁を有することを特徴とする。
【００１８】
本願請求項５に記載の定流量弁は、上流側流体通路から流体が流入される流入口を有する第１ハウジングと、ダイヤフラムと、該ダイヤフラムに一体的に取付けられた可動弁体とにより形成される第１室と、下流側流体通路に連通する流出口を有する第２ハウジングと、前記ダイヤフラムと、前記可動弁体とにより形成される第２室と、前記第１室と前記第２室とを連通し、流体が通過することで前記第１室と前記第２室との間に圧力差を生じさせる第１孔と、前記第２室と前記流出口とを連通する通路に臨んで設けられ、前記可動弁体に備えられた弁部に対応して設けられる弁座と、前記可動弁体を、前記弁部と前記弁座とが開弁する方向に所定の弾性力で付勢する付勢手段と、を備えた下流側流体通路を流れる流体の流量を所定流量に制御する定流量弁において、前記弁部は、前記弁座との当接が可能な形状であるとともに、前記第１室から前記流出口へ流体を流す第２孔が形成されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の定流量弁は、いわゆる差圧制御タイプに分類される定流量弁であり、弁座に対応した弁部が可動弁体に設けられ、その弁部には、弁部と弁座との間隙を介さずに第２室あるいは第１室から流出口に直接流体を流すことのできる第２孔が形成されていることにより、高圧下での著しい流量低下を抑制することができるとともに、定流量弁そのものをコンパクトにすることができ、さらに定流量弁における流体の圧力損失を小さくすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明を適用した定流量弁が設けられた給水システムを表す全体図である。
【図２】（ａ）は、特許文献１の開示技術をモデル化した定流量弁における管路の流れ方向の断面図である。（ｂ）は、この定流量弁における管路の上流側流体通路からの平面図である。（ｃ）は、この定流量弁における制御流量を説明するための断面図である。
【図３】（ａ）は、本発明を適用した定流量弁における管路の流れ方向の断面図である。（ｂ）は、この定流量弁における管路の上流側流体通路からの平面図である。（ｃ）は、この定流量弁における制御流量を説明するための断面図である。
【図４】（ａ）は、本発明を適用した定流量弁における管路の流れ方向の断面図である。（ｂ）は、この定流量弁における管路の上流側流体通路からの平面図である。（ｃ）は、この定流量弁における制御流量を説明するための断面図である。
【図５】図２に示される定流量弁並びに図３及び図４に示される定流量弁における圧力と流量との関係を表した圧力流量図である。
【図６】（ａ）は、本発明を適用した定流量弁における管路の流れ方向の断面図である。（ｂ）は、この定流量弁における制御流量を説明するための断面図である。
【図７】図２に示される定流量弁及び図６に示される定流量弁における圧力と流量との関係を表した圧力流量図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明を適用した定流量弁について、図面を参照して詳細に説明する。
【００２２】
図１は、本発明を適用した定流量弁２が設けられた給水システム３を表す全体図である。図１に示されるように、管路１の上流から所定の圧力により水が供給され、給水器具４に内蔵されるか、又は管路１の途中に設けられた定流量弁２を介して給水器具４から水が吐出される。
【００２３】
図３（ａ）は、本発明を適用した定流量弁２における管路１の流れ方向Ｓの断面図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）における本発明を適用した定流量弁２の上流側流体通路１１からの平面図である。図３（ａ）に示されるように、本発明を適用した定流量弁２は、ハウジング２１と可動弁体２２と弾性部材２３とダイヤフラム２４とを備える。
【００２４】
ハウジング２１は、ハウジング本体２１７とハウジング蓋２１８とを有し、ハウジング蓋２１８に上流側流体通路１１から水を流入させる流入口２１１が形成され、ハウジング本体２１７の下流側流体通路１２側に弁座２１２ａが設けられ、水を流出させる流出口２１２が形成される。ハウジング２１は、可動弁体２２及びダイヤフラム２４によって、第１室２１３と第２室２１４とに隔てられた弁室２１５とを有する。図３（ａ）において、ハウジング２１は、ハウジング本体２１７とハウジング蓋２１８とで形成されたハウジング溝２１ａを有する。ハウジング２１は、ハウジング本体２１７とハウジング蓋２１８とを有するものに限らず、一つの部材によって一体的に形成されるものであってもよい。ハウジング本体２１７には、流体を第２室２１４から下流側流体通路１２へ直接流すために、第２室２１４と下流側流体通路１２とを連通させる図示しない補助的な孔を併設することも可能である。
【００２５】
図３（ｂ）において、流入口２１１は、ハウジング蓋２１８の一部を開口させて設けられる。また、図３（ａ）において、流入口２１１と流出口２１２とは、管路１の流れ方向Ｓに対して、互いに略同一直線上に配置されるように設けられるが、これに限らず、管路１の流れ方向Ｓに対して、互いに偏芯して配置されるように設けられてもよい。
【００２６】
可動弁体２２は、第１室２１３側の弁体上面２２１ａと第２室２１４側の弁体下面２２１ｂとを有する弁体本体部２２１と、弁座２１２ａに遊嵌された弁部２２２と、第２室２１４において開放された弁体中空部２２６とを有する。可動弁体２２は、弾性部材２３及びダイヤフラム２４により、弁室２１５において移動可能に支持される。弁部２２２は、弁座２１２ａに遊嵌されるものに限らず、図４（ａ）に示されるように、弁座２１２ａに当接可能な形状であってもよい。また、可動弁体２２は、いかなる形状であってもよくニードル型、球体型、平板型、棒型、ラッパ型等のポペット弁であってもよい。
【００２７】
弁体本体部２２１は、第１室２１３と第２室２１４とに連通される第１孔２２３を有する。弁体本体部２２１は、第１室２１３側の弁体上面２２１ａから、第２室２１４側の弁体下面２２１ｂへと連続する弁体本体部２２１の弁体側面２２１ｃに弁体本体部溝２２１ｄを有する。弁部２２２は、第２室２１４から流出口２１２に向けて連通される第２孔２２４を有する。図３（ａ）において、第１孔２２３と第２孔２２４とは、管路１の流れ方向Ｓに対して、互いに略同一直線上に配置されるように形成される。間隙２１２ｂは、この弁部２２２と弁座２１２ａとによって形成される。弁体中空部２２６においては、図３（ａ）に示されるように、第１孔２２３と第２孔２２４との間に障壁２２５が設けられてもよい。弁体本体部２２１と弁部２２２と弁体中空部２２６とは、一つの部材によって一体的に形成されるものであるが、これに限らず、複数の部材の組み合わせであってもよい。
【００２８】
弾性部材２３には、コイルスプリング等が用いられる。弾性部材２３は、ハウジング本体２１７と可動弁体２２との間に設けられ、その一端が弁体本体部２２１の弁体下面２２１ｂに当接され、上流側流体通路１１に向けて可動弁体２２を付勢している。ダイヤフラム２４は、ハウジング溝２１ａと弁体本体部溝２２１ｄとに挟持されて配設される。
【００２９】
図４（ａ）は、本発明を適用した定流量弁２の一の実施形態におけるに管路１の流れ方向Ｓの断面図である。図４（ｂ）は、この定流量弁２における上流側流体通路１１からの平面図である。図４（ａ）において、第１孔２２３と第２孔２２４とは、管路１の流れ方向Ｓに対して、互いに偏芯して配置されるように形成される。なお、障壁２２５は、第１孔２２３と第２孔２２４とのこれらの配置にかかわらず設けることができる。
【００３０】
管路１に流される流体は、定流量弁２を通過することにより、その流量が調節される。具体的には、図３（ａ）において、流体は、まず、上流側流体通路１１から流入口２１１を介して第１室２１３に流入し、その後、弁体本体部２２１の第１孔２２３と弁体中空部２２６とを介して第２室２１４に流入する。さらに、第２室２１４に流入した流体は、第２孔２２４又は間隙２１２ｂを介して下流側流体通路１２に流出される。
【００３１】
管路１に流される流体は、流入口２１１を介して第１室２１３に流入する際に、流入口２１１において縮流による圧力損失ａを発生させる。この縮流による圧力損失ａによって低下した圧力Ｐ1により、弁体本体部２２１の弁体上面２２１ａが押圧される。
【００３２】
管路１に流される流体は、第１孔２２３と弁体中空部２２６とを介して第２室２１４に流入する際に、第１室２１３から第１孔２２３、第１孔２２３から弁体中空部２２６及び弁体中空部２２６から第２室２１４にかけて縮流による圧力損失ｂを発生させる。また、図３（ａ）に示されるように、弁体中空部２２６に障壁２２５が設けられたり、図４（ａ）に示されるように、第１孔２２３と第２孔２２４とが互いに偏芯して配置されることで、流体の流れる方向が複雑化するため、これによっても、流体は縮流による圧力損失ｃを発生させる。さらに、コイルスプリング等の弾性部材２３が第２室２１４に配設されること等によっても、同様に流体は縮流による圧力損失ｄを発生させる。弁体本体部２２１の弁体下面２２１ｂは、これらの縮流による圧力損失ｂ〜ｄによって低下した圧力Ｐ2によって押圧されるとともに、コイルスプリング等の弾性部材２３の付勢力Ｆｓにより付勢される。なお、本実施形態において、第１孔２２３における流体の通過面積は流体の圧力に関わらず一定であるが、本発明はこれに限られない。
【００３３】
可動弁体２２は、樹脂やゴム等を材質としたダイヤフラム２４によって、流れ方向Ｓに対して移動可能に支持される。可動弁体２２は、圧力Ｐ1による弁体上面２２１ａの押圧によって、第２室２１４側に押動される。この押動によって可動弁体２２は第２室２１４側へと移動し、この移動量の増大に伴って、コイルスプリング等の付勢力Ｆｓは増大する。これにより、圧力Ｐ2及び付勢力Ｆｓと、圧力Ｐ1とが釣り合う位置まで可動弁体２２は第２室２１４側に移動する。この可動弁体２２の第２室２１４側への移動により、弁部２２２が弁座２１２ａに接近し、間隙２１２ｂが狭められるため、圧力Ｐ1が大きければ大きいほど、間隙２１２ｂは狭くなる。
【００３４】
本発明を適用した定流量弁２は、弁部２２２に第２孔２２４が形成され、この第２孔２２４が常時第２室２１４から流出口２１２に向けて連通されるため、高圧下で間隙２１２ｂが著しく狭小化した場合であっても、第２孔２２４を介して、定流量弁２に近接する下流側流体通路１２において所定の流量を確保することができる。
【００３５】
可動弁体２２は、第２室２１４における流体の圧力Ｐ2を、弁体本体部２２１の弁体下面２２１ｂで直接受けることができる。第２室２１４における流体の流速は、第１孔２２３又は第２孔２２４における流体の流速よりも遅いため、流体の粘性の影響を受けて過度に圧力Ｐ2が低下することを回避することができる。また、弁体中空部２２６に障壁２２５が設けられたり、第１孔２２３と第２孔２２４とが互いに偏芯して配置されることで、流体の流れる方向が複雑化する。これによっても、第２室２１４における流体の流速は低下し、流体の粘性の影響を受けて過度に圧力Ｐ2が低下することを回避することができる。これらにより、本発明を適用した定流量弁２は、間隙２１２ｂの制御を高い精度で行なうことができる。
【００３６】
図３（ａ）、（ｃ）に示されるように、第１室２１３の流体圧をＰ1、第２室２１４の流体圧をＰ2、弁座２１２ａを通過した流体圧をＰ3、可動弁体２２の有効受圧径面積をＡD、コイルスプリングのバネ荷重をＦS、第１孔２２３の流体通過断面積をＡO、第２孔２２４の流体通過断面積をＡB、流出口２１２（弁座２１２ａ）の流体通過面積をＡS、弁部２２２と弁座２１２ａの間隙２１２ｂの流体通過有効面積をＡvとすると、係数αによって以下の関係式（５）〜（８）が成り立つ。
【００３７】
図３及び図４に示される定流量弁２の圧損特性域における下流側流体通路１２での流量Ｑ31は、
となる。
【００３８】
また、流量制御域において、図３（ｃ）及び図４（ｃ）に示される定流量弁２についての関係式は、
となり、Ｐ3＝０とすると、
となる。
【００３９】
図３及び図４に示される定流量弁２の流量制御域における下流側流体通路１２での流量Ｑ32は、
となる。
【００４０】
式（４）と比較すると、式（８）には増加項がある。増加項も減少項もＰ1に依存しているため、圧力Ｐ1が小さい時は小さな減少項に対し小さな増加項が生じ、圧力Ｐ1が大きい時は大きな減少項に対し大きな増加項が生じる。したがって、減少項の大きさに合わせて増加項が流量低下を抑制する方向に作用し、図３及び図４に示される本発明を適用した定流量弁２は、流量制御域における過剰な流量低下を抑制することができることがわかる。
【００４１】
また、Ｑ31の２乗からＱ21の２乗を減ずる式は、式（１）及び式（５）より、式（９）のように示される。
【００４２】
Ｑ31の２乗からＱ21の２乗を減じた値は、式（９）に示されるように正の値となることから、図３及び図４に示される本発明を適用した定流量弁２は、図２に示される定流量弁２ａと比較して圧力損失が小さいことがわかる。したがって、図３及び図４に示される本発明を適用した定流量弁２は、ハウジング本体２１７を小さくしても所定の流量を得ることができ、定流量弁２そのものをコンパクト化することができる。
【００４３】
間隙２１２ｂの著しい狭小化を回避するために、コイルスプリング等の弾性部材２３の反発力を高く設定する方法も考えられる。しかしながら、弾性部材２３の反発力を高く設定すると、低圧下で圧力Ｐ1が小さい場合には、可動弁体２２を押動させることができず、流体の流量を十分に低減させることができないおそれがある。また、有効受圧径面積Ａdを大きく設定する方法も考えられるが、この方法によると定流量弁２ａが全体的に大型化することとなり、コストの増大やレイアウトの制約等の問題が生じることとなる。本発明の定流量弁２は、第２孔２２４によって高圧下における所定の流量の確保ができるため、弾性部材２３の反発力を高く設定する必要がなく、定流量弁２ａの大型化を回避して、低圧下においても十分な流量の調節をすることができる。
【００４４】
本発明を適用した定流量弁２は、図３（ａ）に示されるように、第２孔２２４を介した流体と間隙２１２ｂを介した流体とを併せて所定の流量を確保するため、流出口２１２を大きくしても、圧力の増加に伴って間隙２１２ｂからの流量が減少すると同時に、第２孔２２４からの流量が増加し、すなわち流量を精度良く制御することが可能になる。これにより式（８）の減少項の影響を小さくするために有効受圧径面積Ａdを大きくとるという必要性が無くなる。このため、有効受圧径面積Ａdを形成するハウジング本体２１７を小さくすることができ、定流量弁２そのものをコンパクト化することができる。また、本発明を適用した定流量弁２は、常時第２室２１４から流出口２１２に向けて第２孔２２４が連通されるため、間隙２１２ｂのみを介する定流量弁２ａと比較して、流体の圧力損失を小さくすることができる。さらに、弁体本体部２２１と弁部２２２と弁体中空部２２６とが、一つの部材によって一体的に形成されることで、これらが複数の部材により形成される場合と比べて定流量弁２の部品点数を減少させることができ、低コストで壊れにくいコンパクトな定流量弁２を製造することができる。
【００４５】
図５は、図２に示される定流量弁２ａと図３及び図４に示される本発明を適用した定流量弁２とにおいて、流体の圧力を横軸、下流側流体通路１２に流出される流体の流量を縦軸として圧力と流量との関係を表す圧力流量図である。図２に示される定流量弁２ａは、図５に示されるように、圧力が０から増大してＵ´までは流量が増大する。しかしながら、Ｕ´を超えて圧力が増大すると可動弁体２２が押動されて間隙２１２ｂが狭まるため流量は低下する一方となり、高圧下において所定の流量を確保することができず、著しい流量低下を抑制することができない。
【００４６】
図５に示されるように、本発明を適用した定流量弁２は、圧力が０から増大し、弾性部材２３が初期の位置からの移動を始めるＵまで流量が増大する。次に、Ｕを超えて圧力が増大すると可動弁体２２が押動されて間隙２１２ｂが狭まり、弁部２２２が弁座２１２ａに接触して間隙２１２ｂがなくなるＲまで流量は低下を始める。このＵ〜Ｒ間において、式（８）に示す増加項も作用するため、図２に示される従来技術の定流量弁２ａと比較して、高圧でのＱ32の低下量は抑制され、精度良く流量制御される。さらに、Ｒを超えて圧力が増大すると第２孔２２４を介して流体が流れるため流量が増加する。このＲよりも圧力が高い場合においても、本発明を適用した定流量弁２は、第２孔２２４が形成されていることによって常に所定の流量を確保することができ、著しい流量低下を抑制することができる。また、同程度の流量調整機能を有する従来技術の定流量弁２ａと比較して、本発明を適用した定流量弁２は口径が小さくコンパクトであることがわかる。
【００４７】
本発明を適用した定流量弁２は、弁部２２２に第２孔２２４が一体的に設けられることによって、初めて圧力損失の抑制と高圧での流量低下の抑制と定流量弁２の大型化回避の課題を原理的に同時に解決した。さらに、本発明を適用した定流量弁２は、定流量弁２の大型化を回避して圧力損失の抑制と高圧での流量低下の抑制とを実現するという本来の目的の域を超え、更なる小型化をしつつ従来技術を凌ぐ性能改善を、部品点数を増やさずに同時に達成し、然るに低コスト化も実現するという予想を超える効果を得た。
【００４８】
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、例えば、図６に示されるような、本発明を適用した定流量弁２の他の実施形態を適用してもよい。
【００４９】
図６（ａ）に示される定流量弁２において、弁部２２２に形成される第２孔２２４が第１室２１３と流出口２１２とを連通している点が、図３及び図４に示される定流量弁２と異なっている。また、可動弁体２２は、弁体中空部２２６に相当する部分が設けられていない。したがって、当該構成が異なる部分を詳細に説明し、図３及び図４に示される定流量弁２と同様の要素については、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００５０】
図６（ａ）に示される定流量弁２は、弁部２２２に形成された第２孔２２４と流出口２１２とが、管路１の流れ方向Ｓの略同一直線上に設けられる。このため、図６に示される定流量弁２において、第１室２１３に流入した流体は、第１孔２２３を介して第２室２１４に流入し、さらに間隙２１２ｂを介して下流側流体通路１２に流出されるとともに、第２孔２２４を介して下流側流体通路１２に流出される。なお、図６に示される定流量弁２は、流出口２１２に遊嵌される弁部２２２が設けられた可動弁体２２であってもよい。
【００５１】
図６（ａ）及びこの定流量弁２における制御流量を説明するための断面図（ｂ）に示されるように、第１室２１３の流体圧をＰ1、第２室２１４の流体圧をＰ2、弁座２１２ａを通過した流体圧をＰ3、可動弁体２２の有効受圧径面積をＡD、コイルスプリングのバネ荷重をＦS、第１孔２２３の流体通過断面積をＡO、第２孔２２４の流体通過断面積をＡB、流出口２１２（弁座２１２ａ）の流体通過面積をＡS、弁部２２２と弁座２１２ａの間隙２１２ｂの流体通過有効面積をＡvとすると、係数αによって以下の関係式（１０）〜（１３）が成り立つ。
【００５２】
図６に示される定流量弁２の圧損特性域における下流側流体通路１２での流量Ｑ61は、
となる。
【００５３】
また、流量制御域において、図６に示される定流量弁２についての関係式は、
となり、Ｐ3＝０とすると、
となる。
【００５４】
図６に示される定流量弁２の流量制御域における下流側流体通路１２での流量Ｑ62は、
となる。
【００５５】
式（４）と比較すると、式（１３）には増加項がある。増加項も減少項もＰ1に依存しているため、圧力Ｐ1が小さい時は小さな減少項に対し小さな増加項が生じ、圧力Ｐ1が大きい時は大きな減少項に対し大きな増加項が生じる。したがって、減少項の大きさに合わせて増加項が流量低下を抑制する方向に作用し、図６に示される本発明を適用した定流量弁２は、流量制御域における過剰な流量低下を抑制することができることがわかる。
【００５６】
また、Ｑ61の２乗からＱ21の２乗を減ずる式は、式（１）及び式（１０）より、式（１４）のようになる。
【００５７】
Ｑ61の２乗からＱ21の２乗を減じた値は、式（１４）に示されるように正の値となることから、図６に示される本発明を適用した定流量弁２は、図２に示される定流量弁２ａと比較して圧力損失が小さいことがわかる。したがって、図６に示される本発明を適用した定流量弁２は、ハウジング本体２１７を小さくしても所定の流量を得ることができ、定流量弁２そのものをコンパクト化することができる。
【００５８】
これにより、高圧下において可動弁体２２が流出口２１２に接近し、間隙２１２ｂが著しく狭小化した場合であっても、第２孔２２４を介して流出口２１２から流体を流すことができ、定流量弁２に近接する下流側流体通路１２において、所定の流量を確保することができる。また、第２孔２２４を介して流出口２１２から流体が流されることから、低圧下においても十分な流量を確保することができ、流出口２１２を大きくしても、圧力の増加に伴って間隙２１２ｂからの流量が減少すると同時に、第２孔２２４からの流量が増加し、すなわち流量を精度良く制御することが可能になる。これにより式（１３）の減少項の影響を小さくするために有効受圧径面積Ａdを大きくとるという必要性が無くなる。このため、有効受圧径面積Ａdを形成するハウジング本体２１７を小さくすることができ、定流量弁２そのものをコンパクト化することができる。
【００５９】
図７は、図２に示される定流量弁２ａと、図６に示される本発明を適用した定流量弁２とにおいて、流体の圧力を横軸、下流側流体通路１２に流出される流体の流量を縦軸として圧力と流量との関係を表す圧力流量図である。図２に示される定流量弁２ａは、図７に示されるように、圧力が０から増大してＵ´までは流量が増大する。しかしながら、Ｕ´を超えて圧力が増大すると可動弁体２２が押動されて間隙２１２ｂが狭まるため流量は低下する一方となり、所定の流量を確保することができず、著しい流量低下を抑制することができない。
【００６０】
図７に示されるように、本発明を適用した定流量弁２は、圧力が０から増大し、弾性部材２３が初期の位置からの移動を始めるＵまで流量が増大する。次に、Ｕを超えて圧力が増大すると可動弁体２２が押動されて間隙２１２ｂが狭まり、間隙２１２ｂがなくなるＲまで流量は低下を始める。このＵ〜Ｒ間において、式（１３）に示す増加項も作用するため、図２に示される従来技術の定流量弁２ａと比較して、高圧でのＱ62の低下量は抑制され、精度良く流量制御される。さらに、Ｒを超えて圧力が増大すると第２孔２２４を介して流体が流れるため流量が増加する。このＲよりも圧力が高い場合においても、本発明を適用した定流量弁２は、第２孔２２４が形成されていることによって常に所定の流量を確保することができ、著しい流量低下を抑制することができる。また、同程度の流量調整機能を有する従来技術の定流量弁２ａと比較して、本発明を適用した定流量弁２は口径が小さくコンパクトであることがわかる。
【符号の説明】
【００６１】
１ 管路
１１ 上流側流体通路
１２ 下流側流体通路
１３ 流れ方向
２（２ａ） 定流量弁
２１ ハウジング
２１ａ ハウジング溝
２１１ 流入口
２１２ 流出口
２１２ａ 弁座
２１２ｂ 間隙
２１３ 第１室
２１４ 第２室
２１５ 弁室
２１７ ハウジング本体
２１８ ハウジング蓋
２２ 可動弁体
２２１ 弁体本体部
２２１ａ 弁体上面
２２１ｂ 弁体下面
２２１ｃ 弁体側面
２２１ｄ 弁体本体部溝
２２２ 弁部
２２３ 第１孔
２２４ 第２孔
２２５ 障壁
２２６ 弁体中空部
２３ 弾性部材
２４ ダイヤフラム
３ 給水システム
４ 給水器具
【技術分野】
【０００１】
本発明は、管路を流れる流体の流量を調節する定流量弁に関し、特に高圧下での著しい流量低下を抑制することのできる定流量弁に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、管路を流れる流体の単位時間当たりの流量は、流体の用途に応じた適切な調節を必要とすることがあり、この流量の調節のために定流量弁が用いられることがある。
【０００３】
一般に、管路を流れる流体の流量は、その用途に応じた適切な調節が必要となることが多い。例えば、管路を流れる流体が水である場合、水道管等の管路を通じて給水栓や洗浄便座のノズル、あるいは給湯機器やミスト発生装置等に水を供給するとき、流量が過大であると水道としての使い心地が低下するだけでなく、給水栓や洗浄便座等の給水器具等に過大な負荷をかけることになる。
【０００４】
管路を流れる水の流量を調節する方法として、管路に水を流す前に水の圧力を調節する方法か、管路に水を流した後に水の圧力を低下させて調節する方法がある。ここで、管路に水を流す前に圧力を調節する方法によると、この管路を通じて水の供給を受けるすべての給水器具等に対して一律に流量が低下することとなる。このとき、給湯器等の比較的大きな流量を要する給水器具に対しても一律に流量が低下することになり、これらの給水器具等に必要な流量を供給できなくなるおそれがある。このため、管路に水を流した後に圧力を低下させて、各別の給水器具等に適切な流量を供給する方法がとられてきた。なお、管路を流れる流体の流量を調節することが必要な分野は、水道に限られず、様々な分野で必要とされるものである。
【０００５】
管路に流体を流した後に圧力を低下させて流量を調節するための器具として、特許文献１に開示される定流量弁が提案されている。定流量弁には、高い圧力が負荷されることによってＯリング等の弾性部材が押しつぶされて流体の通過面積が絞られる面積制御タイプと、弁体の上流側と下流側との差圧によって弁体が動かされて流体の通過面積が絞られる差圧制御タイプがあり、この特許文献１に開示される定流量弁は差圧制御タイプに分類される。面積制御タイプは、差圧制御タイプと比較して構成が単純であり圧力損失が小さいが、面積制御部にゴミがつまると流量が低下し、また、Ｏリングが劣化し易い等、長時間の連続使用や長期間の耐久性に劣るという欠点がある。これに対して、差圧制御タイプは、差圧制御部にゴミが詰まってもバルブ開度を自己調整して流量低下を回避でき、面積制御タイプと比較して長時間の連続使用や長期間の耐久性に優れるが、構造が複雑であるため大型化し、また、圧力損失が大きくなり易いという欠点がある。
【０００６】
特許文献１に開示される定流量弁２ａは、本発明と比較するための実施例として、図２の断面図（ａ）、平面図（ｂ）のように示される。図２（ａ）及びこの定流量弁２ａにおける制御流量を説明するための断面図（ｃ）に示されるように、第１室８１３の流体圧をＰ1、第２室８１４の流体圧をＰ2、下流側流体通路１２の流体圧をＰ3、可動弁体８２２の有効受圧径面積をＡd、コイルスプリングのバネ荷重をＦS、第１孔８２３の流体通過断面積をＡo、流出口８１２（弁座８１２ａ）の流体通過面積をＡs、弁部８２２と弁座８１２ａの間隙８１２ｂの流体通過有効面積をＡvとすると、係数αによって以下の関係式（１）〜（４）が成り立つことが一般に知られている。
【０００７】
上流側流体通路１１における流体圧の増大によるＰ1の増大に伴って、可動弁体８２２が下流側流体通路１２の方向に押動されてＡvが減少することとなる。一方で、可動弁体８２２の位置が初期の位置から移動しない程度の流体圧である場合にＡvが最大となり、このときのＰ1の圧力領域（以下、「圧損特性域」という。）における下流側流体通路１２での流量Ｑ21は、
となる。
【０００８】
また、Ｐ1の増大に伴って可動弁体８２２の位置が初期の位置から下流側流体通路１２の方向に押動され、圧損特性域において最大であったＡvが徐々に減少するＰ1の圧力領域（以下、「流量制御域」という。）において、図２（ｃ）に示される定流量弁２ａについての関係式は、
となり、Ｐ3＝０とすると、
となる。
【０００９】
さらに、流量制御域における下流側流体通路１２での流量Ｑ22は、
となる。
【００１０】
ここで、ＡsがＡd−Ａo−Ａsに比べて十分に小さい場合、減少項は無視することができる。更に、Ｆｓが微小変位の場合、Ｆｓ／（Ａd−Ａo−Ａs）＝ｃｏｎｓｔと言える。
よって、ΔＰ＝Ｐ1−Ｐ2＝ｃｏｎｓｔとなる。
従って、流量Ｑ22＝αＡo（ΔＰ）１／２＝ｃｏｎｓｔ α：比例定数
を得て、下流側流体通路１２での流量Ｑ22は定流量（ｃｏｎｓｔ）になることがわかる。
【００１１】
しかしながら、定流量弁の設計において、式（２）〜（４）の減少項を無視できるほど小さくするためにＡsを非常に小さくすると、Ａsに比例するＡvは、Ａsとともに非常に小さくなってしまい、Ｑ21が低下して使用圧力の狭小化あるいは低圧での制御流量精度の悪化という問題がおきる。他方で、Ｑ21の低下を抑制するためにＡsを大きくすると減少項が大きくなり、高圧での流量低下が著しくなるという問題がおきる。また、Ａoを大きくすることでＱ21の著しい低下を抑制すると、Ｑ22が変動して所定の流量に制御することができず、圧力損失の抑制と高圧での流量低下の抑制とは背反関係にある。Ａdを大きくして減少項を小さくする手段も考えられるが、定流量弁２ａが全体的に大型化することとなりコストの増大やレイアウトの制約、耐圧設計の面等で大きな問題がある。即ち、特許文献１に開示される定流量弁２ａは、圧力損失の抑制と高圧での流量低下の抑制と定流量弁２ａの大型化回避とが両立できないとうジレンマが存在していた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特許第４５８６０９９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、上述した問題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、特に高い圧力で管路を流体が流れる場合に、流量の著しい低下を抑制することを可能とする定流量弁を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本願請求項１に記載の定流量弁は、上流側流体通路から流体が流入される流入口を有する第１ハウジングと、ダイヤフラムと、該ダイヤフラムに一体的に取付けられた可動弁体とにより形成される第１室と、下流側流体通路に連通する流出口を有する第２ハウジングと、前記ダイヤフラムと、前記可動弁体とにより形成される第２室と、前記第１室と前記第２室とを連通し、流体が通過することで前記第１室と前記第２室との間に圧力差を生じさせる第１孔と、前記第２室と前記流出口とを連通する通路に臨んで設けられ、前記可動弁体に備えられた弁部に対応して設けられる弁座と、前記可動弁体を、前記弁部と前記弁座とが開弁する方向に所定の弾性力で付勢する付勢手段と、を備えた下流側流体通路を流れる流体の流量を所定流量に制御する定流量弁において、前記弁部は、前記弁座との当接が可能な形状であるとともに、前記第２室から前記流出口へ流体を流す第２孔が形成されることを特徴とする。
【００１５】
本願請求項２に記載の定流量弁は、請求項１に記載の定流量弁において、前記第２孔は、前記第１孔と流体の流れ方向に対して互いに略同一直線上に形成されることを特徴とする。
【００１６】
本願請求項３に記載の定流量弁は、請求項１に記載の定流量弁において、前記第２孔は、前記第１孔と流体の流れ方向に対して互いに偏芯して形成されることを特徴とする。
【００１７】
本願請求項４に記載の定流量弁は、請求項１〜３の何れか１項に記載の定流量弁において、前記可動弁体は、前記第１孔と前記第２孔との間で、かつ流体の流れ方向に対する略同一直線上に設けられた障壁を有することを特徴とする。
【００１８】
本願請求項５に記載の定流量弁は、上流側流体通路から流体が流入される流入口を有する第１ハウジングと、ダイヤフラムと、該ダイヤフラムに一体的に取付けられた可動弁体とにより形成される第１室と、下流側流体通路に連通する流出口を有する第２ハウジングと、前記ダイヤフラムと、前記可動弁体とにより形成される第２室と、前記第１室と前記第２室とを連通し、流体が通過することで前記第１室と前記第２室との間に圧力差を生じさせる第１孔と、前記第２室と前記流出口とを連通する通路に臨んで設けられ、前記可動弁体に備えられた弁部に対応して設けられる弁座と、前記可動弁体を、前記弁部と前記弁座とが開弁する方向に所定の弾性力で付勢する付勢手段と、を備えた下流側流体通路を流れる流体の流量を所定流量に制御する定流量弁において、前記弁部は、前記弁座との当接が可能な形状であるとともに、前記第１室から前記流出口へ流体を流す第２孔が形成されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の定流量弁は、いわゆる差圧制御タイプに分類される定流量弁であり、弁座に対応した弁部が可動弁体に設けられ、その弁部には、弁部と弁座との間隙を介さずに第２室あるいは第１室から流出口に直接流体を流すことのできる第２孔が形成されていることにより、高圧下での著しい流量低下を抑制することができるとともに、定流量弁そのものをコンパクトにすることができ、さらに定流量弁における流体の圧力損失を小さくすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明を適用した定流量弁が設けられた給水システムを表す全体図である。
【図２】（ａ）は、特許文献１の開示技術をモデル化した定流量弁における管路の流れ方向の断面図である。（ｂ）は、この定流量弁における管路の上流側流体通路からの平面図である。（ｃ）は、この定流量弁における制御流量を説明するための断面図である。
【図３】（ａ）は、本発明を適用した定流量弁における管路の流れ方向の断面図である。（ｂ）は、この定流量弁における管路の上流側流体通路からの平面図である。（ｃ）は、この定流量弁における制御流量を説明するための断面図である。
【図４】（ａ）は、本発明を適用した定流量弁における管路の流れ方向の断面図である。（ｂ）は、この定流量弁における管路の上流側流体通路からの平面図である。（ｃ）は、この定流量弁における制御流量を説明するための断面図である。
【図５】図２に示される定流量弁並びに図３及び図４に示される定流量弁における圧力と流量との関係を表した圧力流量図である。
【図６】（ａ）は、本発明を適用した定流量弁における管路の流れ方向の断面図である。（ｂ）は、この定流量弁における制御流量を説明するための断面図である。
【図７】図２に示される定流量弁及び図６に示される定流量弁における圧力と流量との関係を表した圧力流量図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明を適用した定流量弁について、図面を参照して詳細に説明する。
【００２２】
図１は、本発明を適用した定流量弁２が設けられた給水システム３を表す全体図である。図１に示されるように、管路１の上流から所定の圧力により水が供給され、給水器具４に内蔵されるか、又は管路１の途中に設けられた定流量弁２を介して給水器具４から水が吐出される。
【００２３】
図３（ａ）は、本発明を適用した定流量弁２における管路１の流れ方向Ｓの断面図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）における本発明を適用した定流量弁２の上流側流体通路１１からの平面図である。図３（ａ）に示されるように、本発明を適用した定流量弁２は、ハウジング２１と可動弁体２２と弾性部材２３とダイヤフラム２４とを備える。
【００２４】
ハウジング２１は、ハウジング本体２１７とハウジング蓋２１８とを有し、ハウジング蓋２１８に上流側流体通路１１から水を流入させる流入口２１１が形成され、ハウジング本体２１７の下流側流体通路１２側に弁座２１２ａが設けられ、水を流出させる流出口２１２が形成される。ハウジング２１は、可動弁体２２及びダイヤフラム２４によって、第１室２１３と第２室２１４とに隔てられた弁室２１５とを有する。図３（ａ）において、ハウジング２１は、ハウジング本体２１７とハウジング蓋２１８とで形成されたハウジング溝２１ａを有する。ハウジング２１は、ハウジング本体２１７とハウジング蓋２１８とを有するものに限らず、一つの部材によって一体的に形成されるものであってもよい。ハウジング本体２１７には、流体を第２室２１４から下流側流体通路１２へ直接流すために、第２室２１４と下流側流体通路１２とを連通させる図示しない補助的な孔を併設することも可能である。
【００２５】
図３（ｂ）において、流入口２１１は、ハウジング蓋２１８の一部を開口させて設けられる。また、図３（ａ）において、流入口２１１と流出口２１２とは、管路１の流れ方向Ｓに対して、互いに略同一直線上に配置されるように設けられるが、これに限らず、管路１の流れ方向Ｓに対して、互いに偏芯して配置されるように設けられてもよい。
【００２６】
可動弁体２２は、第１室２１３側の弁体上面２２１ａと第２室２１４側の弁体下面２２１ｂとを有する弁体本体部２２１と、弁座２１２ａに遊嵌された弁部２２２と、第２室２１４において開放された弁体中空部２２６とを有する。可動弁体２２は、弾性部材２３及びダイヤフラム２４により、弁室２１５において移動可能に支持される。弁部２２２は、弁座２１２ａに遊嵌されるものに限らず、図４（ａ）に示されるように、弁座２１２ａに当接可能な形状であってもよい。また、可動弁体２２は、いかなる形状であってもよくニードル型、球体型、平板型、棒型、ラッパ型等のポペット弁であってもよい。
【００２７】
弁体本体部２２１は、第１室２１３と第２室２１４とに連通される第１孔２２３を有する。弁体本体部２２１は、第１室２１３側の弁体上面２２１ａから、第２室２１４側の弁体下面２２１ｂへと連続する弁体本体部２２１の弁体側面２２１ｃに弁体本体部溝２２１ｄを有する。弁部２２２は、第２室２１４から流出口２１２に向けて連通される第２孔２２４を有する。図３（ａ）において、第１孔２２３と第２孔２２４とは、管路１の流れ方向Ｓに対して、互いに略同一直線上に配置されるように形成される。間隙２１２ｂは、この弁部２２２と弁座２１２ａとによって形成される。弁体中空部２２６においては、図３（ａ）に示されるように、第１孔２２３と第２孔２２４との間に障壁２２５が設けられてもよい。弁体本体部２２１と弁部２２２と弁体中空部２２６とは、一つの部材によって一体的に形成されるものであるが、これに限らず、複数の部材の組み合わせであってもよい。
【００２８】
弾性部材２３には、コイルスプリング等が用いられる。弾性部材２３は、ハウジング本体２１７と可動弁体２２との間に設けられ、その一端が弁体本体部２２１の弁体下面２２１ｂに当接され、上流側流体通路１１に向けて可動弁体２２を付勢している。ダイヤフラム２４は、ハウジング溝２１ａと弁体本体部溝２２１ｄとに挟持されて配設される。
【００２９】
図４（ａ）は、本発明を適用した定流量弁２の一の実施形態におけるに管路１の流れ方向Ｓの断面図である。図４（ｂ）は、この定流量弁２における上流側流体通路１１からの平面図である。図４（ａ）において、第１孔２２３と第２孔２２４とは、管路１の流れ方向Ｓに対して、互いに偏芯して配置されるように形成される。なお、障壁２２５は、第１孔２２３と第２孔２２４とのこれらの配置にかかわらず設けることができる。
【００３０】
管路１に流される流体は、定流量弁２を通過することにより、その流量が調節される。具体的には、図３（ａ）において、流体は、まず、上流側流体通路１１から流入口２１１を介して第１室２１３に流入し、その後、弁体本体部２２１の第１孔２２３と弁体中空部２２６とを介して第２室２１４に流入する。さらに、第２室２１４に流入した流体は、第２孔２２４又は間隙２１２ｂを介して下流側流体通路１２に流出される。
【００３１】
管路１に流される流体は、流入口２１１を介して第１室２１３に流入する際に、流入口２１１において縮流による圧力損失ａを発生させる。この縮流による圧力損失ａによって低下した圧力Ｐ1により、弁体本体部２２１の弁体上面２２１ａが押圧される。
【００３２】
管路１に流される流体は、第１孔２２３と弁体中空部２２６とを介して第２室２１４に流入する際に、第１室２１３から第１孔２２３、第１孔２２３から弁体中空部２２６及び弁体中空部２２６から第２室２１４にかけて縮流による圧力損失ｂを発生させる。また、図３（ａ）に示されるように、弁体中空部２２６に障壁２２５が設けられたり、図４（ａ）に示されるように、第１孔２２３と第２孔２２４とが互いに偏芯して配置されることで、流体の流れる方向が複雑化するため、これによっても、流体は縮流による圧力損失ｃを発生させる。さらに、コイルスプリング等の弾性部材２３が第２室２１４に配設されること等によっても、同様に流体は縮流による圧力損失ｄを発生させる。弁体本体部２２１の弁体下面２２１ｂは、これらの縮流による圧力損失ｂ〜ｄによって低下した圧力Ｐ2によって押圧されるとともに、コイルスプリング等の弾性部材２３の付勢力Ｆｓにより付勢される。なお、本実施形態において、第１孔２２３における流体の通過面積は流体の圧力に関わらず一定であるが、本発明はこれに限られない。
【００３３】
可動弁体２２は、樹脂やゴム等を材質としたダイヤフラム２４によって、流れ方向Ｓに対して移動可能に支持される。可動弁体２２は、圧力Ｐ1による弁体上面２２１ａの押圧によって、第２室２１４側に押動される。この押動によって可動弁体２２は第２室２１４側へと移動し、この移動量の増大に伴って、コイルスプリング等の付勢力Ｆｓは増大する。これにより、圧力Ｐ2及び付勢力Ｆｓと、圧力Ｐ1とが釣り合う位置まで可動弁体２２は第２室２１４側に移動する。この可動弁体２２の第２室２１４側への移動により、弁部２２２が弁座２１２ａに接近し、間隙２１２ｂが狭められるため、圧力Ｐ1が大きければ大きいほど、間隙２１２ｂは狭くなる。
【００３４】
本発明を適用した定流量弁２は、弁部２２２に第２孔２２４が形成され、この第２孔２２４が常時第２室２１４から流出口２１２に向けて連通されるため、高圧下で間隙２１２ｂが著しく狭小化した場合であっても、第２孔２２４を介して、定流量弁２に近接する下流側流体通路１２において所定の流量を確保することができる。
【００３５】
可動弁体２２は、第２室２１４における流体の圧力Ｐ2を、弁体本体部２２１の弁体下面２２１ｂで直接受けることができる。第２室２１４における流体の流速は、第１孔２２３又は第２孔２２４における流体の流速よりも遅いため、流体の粘性の影響を受けて過度に圧力Ｐ2が低下することを回避することができる。また、弁体中空部２２６に障壁２２５が設けられたり、第１孔２２３と第２孔２２４とが互いに偏芯して配置されることで、流体の流れる方向が複雑化する。これによっても、第２室２１４における流体の流速は低下し、流体の粘性の影響を受けて過度に圧力Ｐ2が低下することを回避することができる。これらにより、本発明を適用した定流量弁２は、間隙２１２ｂの制御を高い精度で行なうことができる。
【００３６】
図３（ａ）、（ｃ）に示されるように、第１室２１３の流体圧をＰ1、第２室２１４の流体圧をＰ2、弁座２１２ａを通過した流体圧をＰ3、可動弁体２２の有効受圧径面積をＡD、コイルスプリングのバネ荷重をＦS、第１孔２２３の流体通過断面積をＡO、第２孔２２４の流体通過断面積をＡB、流出口２１２（弁座２１２ａ）の流体通過面積をＡS、弁部２２２と弁座２１２ａの間隙２１２ｂの流体通過有効面積をＡvとすると、係数αによって以下の関係式（５）〜（８）が成り立つ。
【００３７】
図３及び図４に示される定流量弁２の圧損特性域における下流側流体通路１２での流量Ｑ31は、
となる。
【００３８】
また、流量制御域において、図３（ｃ）及び図４（ｃ）に示される定流量弁２についての関係式は、
となり、Ｐ3＝０とすると、
となる。
【００３９】
図３及び図４に示される定流量弁２の流量制御域における下流側流体通路１２での流量Ｑ32は、
となる。
【００４０】
式（４）と比較すると、式（８）には増加項がある。増加項も減少項もＰ1に依存しているため、圧力Ｐ1が小さい時は小さな減少項に対し小さな増加項が生じ、圧力Ｐ1が大きい時は大きな減少項に対し大きな増加項が生じる。したがって、減少項の大きさに合わせて増加項が流量低下を抑制する方向に作用し、図３及び図４に示される本発明を適用した定流量弁２は、流量制御域における過剰な流量低下を抑制することができることがわかる。
【００４１】
また、Ｑ31の２乗からＱ21の２乗を減ずる式は、式（１）及び式（５）より、式（９）のように示される。
【００４２】
Ｑ31の２乗からＱ21の２乗を減じた値は、式（９）に示されるように正の値となることから、図３及び図４に示される本発明を適用した定流量弁２は、図２に示される定流量弁２ａと比較して圧力損失が小さいことがわかる。したがって、図３及び図４に示される本発明を適用した定流量弁２は、ハウジング本体２１７を小さくしても所定の流量を得ることができ、定流量弁２そのものをコンパクト化することができる。
【００４３】
間隙２１２ｂの著しい狭小化を回避するために、コイルスプリング等の弾性部材２３の反発力を高く設定する方法も考えられる。しかしながら、弾性部材２３の反発力を高く設定すると、低圧下で圧力Ｐ1が小さい場合には、可動弁体２２を押動させることができず、流体の流量を十分に低減させることができないおそれがある。また、有効受圧径面積Ａdを大きく設定する方法も考えられるが、この方法によると定流量弁２ａが全体的に大型化することとなり、コストの増大やレイアウトの制約等の問題が生じることとなる。本発明の定流量弁２は、第２孔２２４によって高圧下における所定の流量の確保ができるため、弾性部材２３の反発力を高く設定する必要がなく、定流量弁２ａの大型化を回避して、低圧下においても十分な流量の調節をすることができる。
【００４４】
本発明を適用した定流量弁２は、図３（ａ）に示されるように、第２孔２２４を介した流体と間隙２１２ｂを介した流体とを併せて所定の流量を確保するため、流出口２１２を大きくしても、圧力の増加に伴って間隙２１２ｂからの流量が減少すると同時に、第２孔２２４からの流量が増加し、すなわち流量を精度良く制御することが可能になる。これにより式（８）の減少項の影響を小さくするために有効受圧径面積Ａdを大きくとるという必要性が無くなる。このため、有効受圧径面積Ａdを形成するハウジング本体２１７を小さくすることができ、定流量弁２そのものをコンパクト化することができる。また、本発明を適用した定流量弁２は、常時第２室２１４から流出口２１２に向けて第２孔２２４が連通されるため、間隙２１２ｂのみを介する定流量弁２ａと比較して、流体の圧力損失を小さくすることができる。さらに、弁体本体部２２１と弁部２２２と弁体中空部２２６とが、一つの部材によって一体的に形成されることで、これらが複数の部材により形成される場合と比べて定流量弁２の部品点数を減少させることができ、低コストで壊れにくいコンパクトな定流量弁２を製造することができる。
【００４５】
図５は、図２に示される定流量弁２ａと図３及び図４に示される本発明を適用した定流量弁２とにおいて、流体の圧力を横軸、下流側流体通路１２に流出される流体の流量を縦軸として圧力と流量との関係を表す圧力流量図である。図２に示される定流量弁２ａは、図５に示されるように、圧力が０から増大してＵ´までは流量が増大する。しかしながら、Ｕ´を超えて圧力が増大すると可動弁体２２が押動されて間隙２１２ｂが狭まるため流量は低下する一方となり、高圧下において所定の流量を確保することができず、著しい流量低下を抑制することができない。
【００４６】
図５に示されるように、本発明を適用した定流量弁２は、圧力が０から増大し、弾性部材２３が初期の位置からの移動を始めるＵまで流量が増大する。次に、Ｕを超えて圧力が増大すると可動弁体２２が押動されて間隙２１２ｂが狭まり、弁部２２２が弁座２１２ａに接触して間隙２１２ｂがなくなるＲまで流量は低下を始める。このＵ〜Ｒ間において、式（８）に示す増加項も作用するため、図２に示される従来技術の定流量弁２ａと比較して、高圧でのＱ32の低下量は抑制され、精度良く流量制御される。さらに、Ｒを超えて圧力が増大すると第２孔２２４を介して流体が流れるため流量が増加する。このＲよりも圧力が高い場合においても、本発明を適用した定流量弁２は、第２孔２２４が形成されていることによって常に所定の流量を確保することができ、著しい流量低下を抑制することができる。また、同程度の流量調整機能を有する従来技術の定流量弁２ａと比較して、本発明を適用した定流量弁２は口径が小さくコンパクトであることがわかる。
【００４７】
本発明を適用した定流量弁２は、弁部２２２に第２孔２２４が一体的に設けられることによって、初めて圧力損失の抑制と高圧での流量低下の抑制と定流量弁２の大型化回避の課題を原理的に同時に解決した。さらに、本発明を適用した定流量弁２は、定流量弁２の大型化を回避して圧力損失の抑制と高圧での流量低下の抑制とを実現するという本来の目的の域を超え、更なる小型化をしつつ従来技術を凌ぐ性能改善を、部品点数を増やさずに同時に達成し、然るに低コスト化も実現するという予想を超える効果を得た。
【００４８】
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、例えば、図６に示されるような、本発明を適用した定流量弁２の他の実施形態を適用してもよい。
【００４９】
図６（ａ）に示される定流量弁２において、弁部２２２に形成される第２孔２２４が第１室２１３と流出口２１２とを連通している点が、図３及び図４に示される定流量弁２と異なっている。また、可動弁体２２は、弁体中空部２２６に相当する部分が設けられていない。したがって、当該構成が異なる部分を詳細に説明し、図３及び図４に示される定流量弁２と同様の要素については、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００５０】
図６（ａ）に示される定流量弁２は、弁部２２２に形成された第２孔２２４と流出口２１２とが、管路１の流れ方向Ｓの略同一直線上に設けられる。このため、図６に示される定流量弁２において、第１室２１３に流入した流体は、第１孔２２３を介して第２室２１４に流入し、さらに間隙２１２ｂを介して下流側流体通路１２に流出されるとともに、第２孔２２４を介して下流側流体通路１２に流出される。なお、図６に示される定流量弁２は、流出口２１２に遊嵌される弁部２２２が設けられた可動弁体２２であってもよい。
【００５１】
図６（ａ）及びこの定流量弁２における制御流量を説明するための断面図（ｂ）に示されるように、第１室２１３の流体圧をＰ1、第２室２１４の流体圧をＰ2、弁座２１２ａを通過した流体圧をＰ3、可動弁体２２の有効受圧径面積をＡD、コイルスプリングのバネ荷重をＦS、第１孔２２３の流体通過断面積をＡO、第２孔２２４の流体通過断面積をＡB、流出口２１２（弁座２１２ａ）の流体通過面積をＡS、弁部２２２と弁座２１２ａの間隙２１２ｂの流体通過有効面積をＡvとすると、係数αによって以下の関係式（１０）〜（１３）が成り立つ。
【００５２】
図６に示される定流量弁２の圧損特性域における下流側流体通路１２での流量Ｑ61は、
となる。
【００５３】
また、流量制御域において、図６に示される定流量弁２についての関係式は、
となり、Ｐ3＝０とすると、
となる。
【００５４】
図６に示される定流量弁２の流量制御域における下流側流体通路１２での流量Ｑ62は、
となる。
【００５５】
式（４）と比較すると、式（１３）には増加項がある。増加項も減少項もＰ1に依存しているため、圧力Ｐ1が小さい時は小さな減少項に対し小さな増加項が生じ、圧力Ｐ1が大きい時は大きな減少項に対し大きな増加項が生じる。したがって、減少項の大きさに合わせて増加項が流量低下を抑制する方向に作用し、図６に示される本発明を適用した定流量弁２は、流量制御域における過剰な流量低下を抑制することができることがわかる。
【００５６】
また、Ｑ61の２乗からＱ21の２乗を減ずる式は、式（１）及び式（１０）より、式（１４）のようになる。
【００５７】
Ｑ61の２乗からＱ21の２乗を減じた値は、式（１４）に示されるように正の値となることから、図６に示される本発明を適用した定流量弁２は、図２に示される定流量弁２ａと比較して圧力損失が小さいことがわかる。したがって、図６に示される本発明を適用した定流量弁２は、ハウジング本体２１７を小さくしても所定の流量を得ることができ、定流量弁２そのものをコンパクト化することができる。
【００５８】
これにより、高圧下において可動弁体２２が流出口２１２に接近し、間隙２１２ｂが著しく狭小化した場合であっても、第２孔２２４を介して流出口２１２から流体を流すことができ、定流量弁２に近接する下流側流体通路１２において、所定の流量を確保することができる。また、第２孔２２４を介して流出口２１２から流体が流されることから、低圧下においても十分な流量を確保することができ、流出口２１２を大きくしても、圧力の増加に伴って間隙２１２ｂからの流量が減少すると同時に、第２孔２２４からの流量が増加し、すなわち流量を精度良く制御することが可能になる。これにより式（１３）の減少項の影響を小さくするために有効受圧径面積Ａdを大きくとるという必要性が無くなる。このため、有効受圧径面積Ａdを形成するハウジング本体２１７を小さくすることができ、定流量弁２そのものをコンパクト化することができる。
【００５９】
図７は、図２に示される定流量弁２ａと、図６に示される本発明を適用した定流量弁２とにおいて、流体の圧力を横軸、下流側流体通路１２に流出される流体の流量を縦軸として圧力と流量との関係を表す圧力流量図である。図２に示される定流量弁２ａは、図７に示されるように、圧力が０から増大してＵ´までは流量が増大する。しかしながら、Ｕ´を超えて圧力が増大すると可動弁体２２が押動されて間隙２１２ｂが狭まるため流量は低下する一方となり、所定の流量を確保することができず、著しい流量低下を抑制することができない。
【００６０】
図７に示されるように、本発明を適用した定流量弁２は、圧力が０から増大し、弾性部材２３が初期の位置からの移動を始めるＵまで流量が増大する。次に、Ｕを超えて圧力が増大すると可動弁体２２が押動されて間隙２１２ｂが狭まり、間隙２１２ｂがなくなるＲまで流量は低下を始める。このＵ〜Ｒ間において、式（１３）に示す増加項も作用するため、図２に示される従来技術の定流量弁２ａと比較して、高圧でのＱ62の低下量は抑制され、精度良く流量制御される。さらに、Ｒを超えて圧力が増大すると第２孔２２４を介して流体が流れるため流量が増加する。このＲよりも圧力が高い場合においても、本発明を適用した定流量弁２は、第２孔２２４が形成されていることによって常に所定の流量を確保することができ、著しい流量低下を抑制することができる。また、同程度の流量調整機能を有する従来技術の定流量弁２ａと比較して、本発明を適用した定流量弁２は口径が小さくコンパクトであることがわかる。
【符号の説明】
【００６１】
１ 管路
１１ 上流側流体通路
１２ 下流側流体通路
１３ 流れ方向
２（２ａ） 定流量弁
２１ ハウジング
２１ａ ハウジング溝
２１１ 流入口
２１２ 流出口
２１２ａ 弁座
２１２ｂ 間隙
２１３ 第１室
２１４ 第２室
２１５ 弁室
２１７ ハウジング本体
２１８ ハウジング蓋
２２ 可動弁体
２２１ 弁体本体部
２２１ａ 弁体上面
２２１ｂ 弁体下面
２２１ｃ 弁体側面
２２１ｄ 弁体本体部溝
２２２ 弁部
２２３ 第１孔
２２４ 第２孔
２２５ 障壁
２２６ 弁体中空部
２３ 弾性部材
２４ ダイヤフラム
３ 給水システム
４ 給水器具
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上流側流体通路から流体が流入される流入口を有する第１ハウジングと、ダイヤフラムと、該ダイヤフラムに一体的に取付けられた可動弁体とにより形成される第１室と、
下流側流体通路に連通する流出口を有する第２ハウジングと、前記ダイヤフラムと、前記可動弁体とにより形成される第２室と、
前記第１室と前記第２室とを連通し、流体が通過することで前記第１室と前記第２室との間に圧力差を生じさせる第１孔と、
前記第２室と前記流出口とを連通する通路に臨んで設けられ、前記可動弁体に備えられた弁部に対応して設けられる弁座と、
前記可動弁体を、前記弁部と前記弁座とが開弁する方向に所定の弾性力で付勢する付勢手段と、
を備えた下流側流体通路を流れる流体の流量を所定流量に制御する定流量弁において、
前記弁部は、前記弁座との当接が可能な形状であるとともに、前記第２室から前記流出口へ流体を流す第２孔が形成されること
を特徴とする定流量弁。
【請求項２】
前記第２孔は、前記第１孔と流体の流れ方向に対して互いに略同一直線上に形成されること
を特徴とする請求項１に記載の定流量弁。
【請求項３】
前記第２孔は、前記第１孔と流体の流れ方向に対して互いに偏芯して形成されること
を特徴とする請求項１に記載の定流量弁。
【請求項４】
前記可動弁体は、前記第１孔と前記第２孔との間で、かつ流体の流れ方向に対する略同一直線上に設けられた障壁を有すること
を特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の定流量弁。
【請求項５】
上流側流体通路から流体が流入される流入口を有する第１ハウジングと、ダイヤフラムと、該ダイヤフラムに一体的に取付けられた可動弁体とにより形成される第１室と、
下流側流体通路に連通する流出口を有する第２ハウジングと、前記ダイヤフラムと、前記可動弁体とにより形成される第２室と、
前記第１室と前記第２室とを連通し、流体が通過することで前記第１室と前記第２室との間に圧力差を生じさせる第１孔と、
前記第２室と前記流出口とを連通する通路に臨んで設けられ、前記可動弁体に備えられた弁部に対応して設けられる弁座と、
前記可動弁体を、前記弁部と前記弁座とが開弁する方向に所定の弾性力で付勢する付勢手段と、
を備えた下流側流体通路を流れる流体の流量を所定流量に制御する定流量弁において、
前記弁部は、前記弁座との当接が可能な形状であるとともに、前記第１室から前記流出口へ流体を流す第２孔が形成されること
を特徴とする定流量弁。
【請求項１】
上流側流体通路から流体が流入される流入口を有する第１ハウジングと、ダイヤフラムと、該ダイヤフラムに一体的に取付けられた可動弁体とにより形成される第１室と、
下流側流体通路に連通する流出口を有する第２ハウジングと、前記ダイヤフラムと、前記可動弁体とにより形成される第２室と、
前記第１室と前記第２室とを連通し、流体が通過することで前記第１室と前記第２室との間に圧力差を生じさせる第１孔と、
前記第２室と前記流出口とを連通する通路に臨んで設けられ、前記可動弁体に備えられた弁部に対応して設けられる弁座と、
前記可動弁体を、前記弁部と前記弁座とが開弁する方向に所定の弾性力で付勢する付勢手段と、
を備えた下流側流体通路を流れる流体の流量を所定流量に制御する定流量弁において、
前記弁部は、前記弁座との当接が可能な形状であるとともに、前記第２室から前記流出口へ流体を流す第２孔が形成されること
を特徴とする定流量弁。
【請求項２】
前記第２孔は、前記第１孔と流体の流れ方向に対して互いに略同一直線上に形成されること
を特徴とする請求項１に記載の定流量弁。
【請求項３】
前記第２孔は、前記第１孔と流体の流れ方向に対して互いに偏芯して形成されること
を特徴とする請求項１に記載の定流量弁。
【請求項４】
前記可動弁体は、前記第１孔と前記第２孔との間で、かつ流体の流れ方向に対する略同一直線上に設けられた障壁を有すること
を特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の定流量弁。
【請求項５】
上流側流体通路から流体が流入される流入口を有する第１ハウジングと、ダイヤフラムと、該ダイヤフラムに一体的に取付けられた可動弁体とにより形成される第１室と、
下流側流体通路に連通する流出口を有する第２ハウジングと、前記ダイヤフラムと、前記可動弁体とにより形成される第２室と、
前記第１室と前記第２室とを連通し、流体が通過することで前記第１室と前記第２室との間に圧力差を生じさせる第１孔と、
前記第２室と前記流出口とを連通する通路に臨んで設けられ、前記可動弁体に備えられた弁部に対応して設けられる弁座と、
前記可動弁体を、前記弁部と前記弁座とが開弁する方向に所定の弾性力で付勢する付勢手段と、
を備えた下流側流体通路を流れる流体の流量を所定流量に制御する定流量弁において、
前記弁部は、前記弁座との当接が可能な形状であるとともに、前記第１室から前記流出口へ流体を流す第２孔が形成されること
を特徴とする定流量弁。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１３−８３２７８（Ｐ２０１３−８３２７８Ａ）
【公開日】平成２５年５月９日（２０１３．５．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２２１５５９（Ｐ２０１１−２２１５５９）
【出願日】平成２３年１０月６日（２０１１．１０．６）
【特許番号】特許第５００７３７０号（Ｐ５００７３７０）
【特許公報発行日】平成２４年８月２２日（２０１２．８．２２）
【出願人】（３９１０２６２８７）富士精工株式会社 (25)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月９日（２０１３．５．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月６日（２０１１．１０．６）
【特許番号】特許第５００７３７０号（Ｐ５００７３７０）
【特許公報発行日】平成２４年８月２２日（２０１２．８．２２）
【出願人】（３９１０２６２８７）富士精工株式会社 (25)
【Ｆターム（参考）】
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