JP3607041B2

JP3607041B2 - 流量制御弁装置

Info

Publication number: JP3607041B2
Application number: JP14576597A
Authority: JP
Inventors: 四郎生田; 保五十嵐; 栄蔵須山
Original assignee: Calsonic Kansei Corp
Current assignee: Marelli Corp
Priority date: 1997-05-20
Filing date: 1997-05-20
Publication date: 2005-01-05
Anticipated expiration: 2017-05-20
Also published as: JPH10320057A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流量制御弁装置に係り、さらに詳しくは、弁体自体が流量計の一部となり、別途流量計を装着する必要のない流量制御弁装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の流量制御弁装置では、管路の途中に設けられたバタフライ弁などの弁体とは別に、弁体の下流側に、流量計を配置し、その流量計で計測された流量信号が一定値となるように、弁体の開度を制御している。流量計としては、たとえばオリフィスを利用した流量計、ベンチェリ管を利用した流量計、カルマン渦列の発生周波数を測定することにより流量を測定する流量計等々が知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの流量計は、全て、管路の流れ中に何らかの流体抵抗体を配置し、流体抵抗体による管路の流れの変化を計測することにより、流体の平均流速を求め、流量を計測するようになっている。このため、従来では、弁体とは別に、平均流速を計測するために、流れの抵抗体を管路中に配置する必要があり、管路抵抗が増大するという課題を本質的に有していた。管路内の流体をポンプや送風機などにより強制的に流通させる場合には、管路の抵抗の増大は、ポンプや送風機の出力増大を招き、騒音などの原因とも成ることから、必要最小限に抑えることが重要である。
【０００４】
また、従来では、弁体とは別に流量計を装着し、流量計により、管路内の流れが変化させられた上で、その流量計により計測された信号に基づき、弁体の開度が制御され、管路の流れが弁体でも変化させられる。すなわち、従来では、流量制御のために、少なくとも二度にわたり、管路内の流れを変化させる必要があり、この二度にわたる流れの変化のために、正確な流量制御が阻害されると言う課題も有する。
【０００５】
また、弁体と流量計とが相互干渉して流量を正確に測定することを阻害することを防止するために、これらを十分に離した位置に配置しなければならないと言う課題も有する。このことは、特に、流量制御弁装置を狭い場所や短い管路に取り付けなければならない場合に問題となる。
【０００６】
本発明は、このような実状に鑑みてなされ、弁体自体が流量計の一部となり、別途流量計を装着する必要がなく、管路の抵抗を最小限にすることができ、しかも正確な流量制御が可能であり、コンパクトな流量制御弁装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る流量制御弁装置は、
流体が流通する管路の途中に設けられた弁体と、
前記弁体の開度を変化させるアクチュエータと、
前記弁体の上流側に位置する管路の上流側静圧と、前記弁体の下流側に位置する管路の下流側静圧との圧力差（ΔＰ）を計測する圧力センサと、
前記圧力センサで検出された圧力差（ΔＰ）に基づき、下記に示す数式から、管路を流れる流体の平均流速（Ｕｍ）を算出し、この平均流速（Ｕｍ）が所定値となるように、前記アクチュエータを制御して、弁体の開度を調節する制御手段とを有する。
【０００８】
【数２】

【０００９】
前記圧力センサは、前記弁体の上流側に位置する管路の壁面に装着された第１圧力センサと、前記弁体の下流側に位置する管路の壁面に装着された第２圧力センサとを有することが好ましい。
【００１０】
前記管路の断面基準寸法を（Ｄ）として、前記第１圧力センサが、前記弁体の上流側で１×Ｄ以上離れた位置に装着してあり、前記第２圧力センサが、前記弁体の下流側で２×Ｄ以上離れた位置に装着してあることが好ましい。これら圧力センサが、弁体にあまりに近いと、弁体による影響のために、上記関係式が成り立たなくなるおそれがあり好ましくない。
【００１１】
前記第１圧力センサが、前記弁体の上流側で約２．７５×Ｄ離れた位置に装着してあり、前記第２圧力センサが、前記弁体の下流側で４．３３×Ｄ離れた位置に装着してあることがさらに好ましい。
【００１２】
前記弁体がバタフライ弁である場合には、前記数式中の指数（ｎ）が約１であることが好ましい。この場合において、前記管路の断面が円形である場合には、前記数式中の係数（Ｃ）が約２．０であることが好ましい。また、管路の断面が矩形である場合には、前記数式中の係数（Ｃ）が約１．７であることが好ましい。
【００１３】
前記弁体が仕切弁であり、前記管路の断面が円形である場合には、前記数式中の指数（ｎ）が約１．１２であり、前記数式中の係数（Ｃ）が約１．９であることが好ましい。また、前記弁体が仕切弁であり、前記管路の断面が矩形であり、前記開口比（β）が０．１以上０．３以下の場合には、前記数式中の指数（ｎ）が約０．９６であり、前記数式中の係数（Ｃ）が約２．５であることが好ましい。さらに、前記弁体が仕切弁であり、前記管路の断面が矩形であり、開口比（β）が０．３より大きく０．８以下の場合には、前記数式中の指数（ｎ）が約１．２であり、前記数式中の係数（Ｃ）が約１．７であることが好ましい。
【００１４】
本発明に係る流量制御弁装置により制御される管路内流体のレイノルズ数は、１．０×１０^４〜３．０×１０^５程度であることが好ましい。
【００１５】
【作用】
本発明者等は、管路内に置かれた弁体前後の静圧差と平均流速との間の一般的関係式について実験を重ねた結果、弁体の種類や管路内断面の形状などによらず、幅広いレイノルズ数の範囲において、管路内に置かれた弁体に基づく流体流れの損失係数Ｋが、［（１−β）／β^２］のｎ乗に比例することを見い出し、本発明を完成させるに至った。従来では、弁体による損失係数は、弁の種類や管路の断面形状毎に図または表で与えられ、一般式化されていなかったので、弁体自体を流量計の一要素として用いることは不可能であった。
【００１６】
本発明では、管路内に置かれた弁体に基づく流体流れの損失係数Ｋを、開口比βを用いて一般式化することに成功した。これにより、本発明では、弁体自体を流量計の一部として用い、弁体前後の静圧差を求めることで、上記数式から、管路を流れる流体の平均流速（Ｕｍ）を算出することを可能ならしめた。そして、この平均流速（Ｕｍ）が所定値となるように、制御手段からアクチュエータを制御して弁体の開度を調節することで、一定流量の流れを実現することができる。
【００１７】
したがって、本発明では、弁体自体が流量計の一部となり、別途流量計を装着する必要がなくなり、管路の抵抗を最小限にすることができる。しかも、本発明では、流体の流れを変化させる部分が弁体のみとなり、この流れ変化のみに基づき、流量を算出して直接弁体の開度を制御するため、正確な流量制御が可能となる。また、別途流量計を必要としないため、コンパクトな流量制御弁装置を実現することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を、図面に示す実施形態に基づき説明する。
【００１９】
図１は本発明の一実施形態に係る流量制御弁装置の概略構成図、図２は同実施形態に係る流量制御弁装置の使用例を示す概略図、図３は本発明のその他の実施形態に係る流量制御弁装置の概略構成図、図４は本発明のさらに他の実施形態に係る弁装置の要部断面図、図５はバタフライ弁の損失係数と開口比との関係を示すグラフ、図６は仕切弁の損失係数と開口比との関係を示すグラフ、図７はコック弁と開口比との関係を示すグラフである。
【００２０】
第１実施形態
図１に示すように、本実施形態に係る流量制御弁装置１は、流体としての空気が流通する管路２の途中に設けられた弁体としてのバタフライ弁４を有する。バタフライ弁４は、アクチュエータ６により開度が制御可能になっている。アクチュエータ６としては、たとえばステップモータなどが用いられる。
【００２１】
管路２の断面は、特に限定されないが、たとえば円形または矩形である。管路２の断面が円形の場合には、バタフライ弁４も円形となり、管路２の断面基準寸法Ｄは、管路２の内径である。また、管路２の断面が矩形の場合には、バタフライ弁４も矩形となり、管路２の基準断面寸法Ｄは、矩形の一辺の長さである。
【００２２】
管路２の内部には、矢印Ａ方向に空気が流れるようになっている。バタフライ弁４の上流側で、弁４から距離Ｌ１＝２．７５×Ｄの位置の管壁には、第１圧力センサ８が装着してある。この圧力センサ８は、弁４の上流側での静圧を測定可能になっている。
【００２３】
バタフライ弁４の下流側で、弁４から距離Ｌ２＝４．３３×Ｄの位置の管壁には、第２圧力センサ１０が装着してある。この圧力センサ１０は、弁４の下流側での静圧を測定可能になっている。
【００２４】
これら圧力センサ８，１０で測定した圧力信号は、制御手段１２へと入力されるようになっている。制御手段１２では、圧力センサ８および１０で検出された圧力の差ΔＰを算出し、このΔＰを、下記数式に代入し、平均流速Ｕｍを算出する。
【００２５】
【数３】

【００２６】
本実施形態では、弁体がバタフライ弁４であるので、上記数式中、指数ｎとしては、１の数値を用いる。また、管路２の断面が円形である場合には、係数Ｃとしては、開口比βが０．１３４以上０．９１３以下の範囲において、２．０の数値を用い、矩形である場合には、開口比βが０．０６以上０．８２６以下の範囲において、１．７の数値を用いる。また、上記数式中の開口比βは、図１に示すバタフライ弁４の開度角度θにより変化するが、開度角度θにより定まる一義的な値である。したがって、圧力差ΔＰが求められれば、上記数式（１），（２）から、一義的に管路の平均流速Ｕｍが算出される。上記関係式（２）は、図５に示すように、実験結果と非常に良く一致することが確認されている。なお、図５において、図中丸印が断面円形の管路２での実験結果を示し、四角印が断面矩形の管路２での実験結果を示す。この図５に示す結果は、図１に示す管路２の断面基準寸法Ｄを基準とするレイノルズ数（Ｕｍ×Ｄ／ν）が広範囲（１．０×１０^４〜３．０×１０^５程度）で成り立つことが確認されている。このことは、広範囲の平均流速Ｕｍを測定できることを意味している。レイノルズ数において、νは、流体の動粘性係数である。
【００２７】
平均流速Ｕｍが算出されれば、この平均流速Ｕｍに管路２の断面積Ａ０（管路断面が円形の場合には、πＤ^２／４）を乗算することで、管路２の流量を算出することができる。これらの算出は、図１に示す制御手段１２が行い、この流量が設定された値となるように、制御手段１２は、アクチュエータ６へ信号を送り、バタフライ弁４の開度角度θを変化させる。なお、流量の設定値は、図示省略してある入力信号に基づき設定可能になっている。入力信号としては、特に限定されず、キーボードや設定ボタンからの入力信号、他の装置からの電気信号などを例示することができる。
【００２８】
本実施形態では、管路２内に置かれたバタフライ弁４に基づく流体流れの損失係数Ｋを、開口比βを用いて一般式化することに成功した。これにより、本実施形態では、バタフライ弁４自体を流量計の一部として用い、弁４の前後の静圧差を求めることで、上記数式から、管路を流れる流体の平均流速（Ｕｍ）を算出することを可能ならしめた。そして、この平均流速（Ｕｍ）が所定値となるように、制御手段１２からアクチュエータ６を制御してバタフライ弁４の開度を調節することで、一定流量の流れを実現することができる。
【００２９】
したがって、本実施形態では、バタフライ弁４自体が流量計の一部となり、別途流量計を装着する必要がなくなり、管路２の抵抗を最小限にすることができる。しかも、本実施形態では、流体の流れを変化させる部分がバタフライ弁４のみとなり、この流れ変化のみに基づき、流量を算出して直接バタフライ弁４の開度を制御するため、正確な流量制御が可能となる。また、別途流量計を必要としないため、コンパクトな流量制御弁装置を実現することができる。
【００３０】
第２実施形態
本実施形態では、図２に示すように、自動車用エンジン１４の吸気管路１８内に、図１に示す実施形態に係る流量制御弁装置１を装着し、矢印Ａ方向から流入される空気の流量を制御するようにしてある。自動車用エンジン１４では、空燃比の制御を行うために、吸入する空気の流量を正確に制御する必要があることから、本実施形態に係る流量制御弁装置１を好適に用いることができる。また、本実施形態に係る流量制御弁装置１は、バタフライ弁４自体が流量計の一部となり、コンパクトであり、自動車用として好ましく用いることができる。
【００３１】
第３実施形態
本実施形態では、図３に示すように、弁体として仕切弁４ａを用いる。仕切弁４ａの開度を調節するアクチュエータ６ａとしては、リニアモータを用いる。その他の構成は、前記第１実施形態と同様であり、第１実施形態で用いた数式（１），（２）が成り立つ。ただし、以下の点で相違する。
【００３２】
本実施形態では、仕切弁４ａの形状は、管路２の断面に合わせてあり、断面が円形の場合には、円形であり、断面が矩形の場合には、矩形である。管路２の断面形状が円形の場合には、前記数式（２）中、指数ｎが１．１２であり、係数Ｃが１．９である。また、管路２の断面形状が矩形であり、前記開口比βが０．１以上０．３以下の場合には、前記数式中の指数ｎが０．９６であり、前記数式中の係数Ｃが２．５である。さらに、管路２の断面形状が矩形であり、開口比βが０．３より大きく０．８以下の場合には、前記数式中の指数ｎが１．２であり、前記数式中の係数Ｃが１．７である。これらの関係は、図６に示す実験結果から得られた。なお、図６中、丸印が管路２の断面形状が円形の場合の結果であり、四角印が管路２の断面形状が矩形の場合の結果である。
【００３３】
本実施形態では、管路２内に置かれた仕切弁４ａに基づく流体流れの損失係数Ｋを、開口比βを用いて一般式化することに成功した。これにより、本実施形態では、仕切弁４ａ自体を流量計の一部として用い、弁４ａの前後の静圧差を求めることで、上記数式から、管路を流れる流体の平均流速Ｕｍを算出することを可能ならしめた。そして、この平均流速Ｕｍが所定値となるように、制御手段１２からアクチュエータ６ａを制御して仕切弁４ａの開度を調節することで、一定流量の流れを実現することができる。
【００３４】
したがって、本実施形態では、仕切弁４ａ自体が流量計の一部となり、別途流量計を装着する必要がなくなり、管路２の抵抗を最小限にすることができる。しかも、本実施形態では、流体の流れを変化させる部分が仕切弁４ａのみとなり、この流れ変化のみに基づき、流量を算出して直接仕切弁４ａの開度を制御するため、正確な流量制御が可能となる。また、別途流量計を必要としないため、コンパクトな流量制御弁装置を実現することができる。
【００３５】
第４実施形態
本実施形態では、図４に示すように、弁体としてコック弁４ｂを用いる。コック弁４ｂの開度を調節するアクチュエータとしては、たとえばステップモータを用いる。その他の構成は、前記第１実施形態と同様であり、第１実施形態で用いた数式（１），（２）が成り立つ。ただし、以下の点で相違する。
【００３６】
本実施形態では、コック弁４ｂの連通路５は、管路２の断面に合わせてあり、断面が円形の場合には、円形であり、断面が矩形の場合には、矩形である。管路２の断面形状が円形であり、開口比βが０．０９以上０．５より小さい場合には、前記数式２中、指数ｎが約１であり、係数Ｃが約４．４である。また、管路２の断面形状が円形であり、前記開口比βが０．５以上０．８５以下の場合には、前記数式中の指数ｎが約１．４であり、前記数式中の係数Ｃが約２．８である。
【００３７】
また、管路２の断面形状が矩形であり、前記開口比βが０．１１以上０．５より小さい場合には、前記数式中の指数ｎが約１であり、前記数式中の係数Ｃが約４．０である。さらに、管路２の断面形状が矩形であり、開口比βが０．５以上０．８５以下の場合には、前記数式中の指数ｎが約１．４であり、前記数式中の係数Ｃが約２．８である。これらの関係は、図７に示す実験結果から得られた。なお、図７中、丸印が管路２の断面形状が円形の場合の結果であり、四角印が管路２の断面形状が矩形の場合の結果である。
【００３８】
本実施形態では、管路２内に置かれたコック弁４ｂに基づく流体流れの損失係数Ｋを、開口比βを用いて一般式化することに成功した。これにより、本実施形態では、コック弁４ｂ自体を流量計の一部として用い、弁４ｂの前後の静圧差を求めることで、上記数式から、管路を流れる流体の平均流速Ｕｍを算出することを可能ならしめた。そして、この平均流速Ｕｍが所定値となるように、制御手段からアクチュエータを制御してコック弁４ｂの開度を調節することで、一定流量の流れを実現することができる。
【００３９】
したがって、本実施形態では、コック弁４ｂ自体が流量計の一部となり、別途流量計を装着する必要がなくなり、管路２の抵抗を最小限にすることができる。しかも、本実施形態では、流体の流れを変化させる部分がコック弁４ｂのみとなり、この流れ変化のみに基づき、流量を算出して直接コック弁４ｂの開度を制御するため、正確な流量制御が可能となる。また、別途流量計を必要としないため、コンパクトな流量制御弁装置を実現することができる。
【００４０】
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々に改変することができる。
【００４１】
たとえば、弁４，４ａ，４ｂの前後の圧力差は、別々の圧力センサ８，１０により検出することなく、これらセンサ８，１０が位置する部分の静圧を差圧計に導き、この差圧計により直接差圧を検出しても良い。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明によれば、弁体自体が流量計の一部となり、別途流量計を装着する必要がなくなり、管路の抵抗を最小限にすることができる。しかも、本発明では、流体の流れを変化させる部分が弁体のみとなり、この流れ変化のみに基づき、流量を算出して直接弁体の開度を制御するため、正確な流量制御が可能となる。また、別途流量計を必要としないため、コンパクトな流量制御弁装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の一実施形態に係る流量制御弁装置の概略構成図である。
【図２】図２は同実施形態に係る流量制御弁装置の使用例を示す概略図である。
【図３】図３は本発明のその他の実施形態に係る流量制御弁装置の概略構成図である。
【図４】図４は本発明のさらに他の実施形態に係る弁装置の要部断面図である。
【図５】図５はバタフライ弁の損失係数と開口比との関係を示すグラフである。
【図６】図６は仕切弁の損失係数と開口比との関係を示すグラフである。
【図７】図７はコック弁と開口比との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１… 流量制御弁装置
２… 管路
４… バタフライ弁
４ａ… 仕切弁
４ｂ… コック弁
６，６ａ… アクチュエータ
８… 第１圧力センサ
１０… 第２圧力センサ
１２… 制御手段

Claims

流体が流通する管路の途中に設けられた弁体と、
前記弁体の開度を変化させるアクチュエータと、
前記弁体の上流側に位置する管路の上流側静圧と、前記弁体の下流側に位置する管路の下流側静圧との圧力差（ΔＰ）を計測する圧力センサと、
前記圧力センサで検出された圧力差（ΔＰ）に基づき、下記に示す数式から、管路を流れる流体の平均流速（Ｕｍ）を算出し、この平均流速（Ｕｍ）が所定値となるように、前記アクチュエータを制御して、弁体の開度を調節する制御手段とを有する
流量制御弁装置。
前記圧力センサは、前記弁体の上流側に位置する管路の壁面に装着された第１圧力センサと、前記弁体の下流側に位置する管路の壁面に装着された第２圧力センサとを有する請求項１に記載の流量制御弁装置。
前記管路の断面基準寸法を（Ｄ）として、前記第１圧力センサが、前記弁体の上流側で１×Ｄ以上離れた位置に装着してあり、前記第２圧力センサが、前記弁体の下流側で２×Ｄ以上離れた位置に装着してある請求項１または２に記載の流量制御弁装置。
前記第１圧力センサが、前記弁体の上流側で２．７５×Ｄ離れた位置に装着してあり、前記第２圧力センサが、前記弁体の下流側で４．３３×Ｄ離れた位置に装着してある請求項３に記載の流量制御弁装置。
前記弁体がバタフライ弁であり、前記数式中の指数（ｎ）が約１である請求項１〜４のいずれかに記載の流量制御弁装置。
前記管路の断面が円形である場合に、前記数式中の係数（Ｃ）が約２．０である請求項５に記載の流量制御弁装置。
前記管路の断面が矩形である場合に、前記数式中の係数（Ｃ）が約１．７である請求項５に記載の流量制御弁装置。
前記弁体が仕切弁であり、前記管路の断面が円形である場合に、前記数式中の指数（ｎ）が約１．１２であり、前記数式中の係数（Ｃ）が約１．９である請求項１〜４のいずれかに記載の流量制御弁装置。
前記弁体が仕切弁であり、前記管路の断面が矩形であり、前記開口比（β）が０．１以上０．３以下の場合には、前記数式中の指数（ｎ）が約０．９６であり、前記数式中の係数（Ｃ）が約２．５である請求項１〜４のいずれかに記載の流量制御弁装置。
前記弁体が仕切弁であり、前記管路の断面が矩形であり、開口比（β）が０．３より大きく０．８以下の場合には、前記数式中の指数（ｎ）が約１．２であり、前記数式中の係数（Ｃ）が約１．７である請求項１〜４のいずれかに記載の流量制御弁装置。