JPH05508905A - 複数のフエンスを有する調整プレートを備えた蝶弁 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 複数のフェンスを有する調整プレートを備えた蝶弁本願は１９９０年８月２３日 に出願された米国特許出願第５７２．２０２号の部分継続出願である。米国特許 出願第５７２．２０２号は１９８９年１２月１５日に出願された米国特許出願第 ４５１．６５９号の部分継続出願である。

（技術分野） 本願は弁、特に流量調整体としてプレート型部材を用いた弁に関する。更に詳細 には本発明は突出部若しくは機能的に同様の構成体を具備し、気圧あるいは流圧 トルクを最小限にし得る調整体に係る。

（背景技術） 図１には蝶弁１０が略示される。プレート型流量調整体１４を貫通して延びる回 転可能なシャフト１２が取付胴体１６に支承されている。取付胴体１６は流路２ ０を形成するダクト１８の一部をなしている。流れは方向２２に進んでいる。プ レート型流量調整体１４が図示のような開放位置にあるとき、高圧流体による閉 鎖トルクが調整体の高圧側２４に加わる。静圧がプレート型流量調整体１４の先 端部２６から後縁部２８の範囲の複数の箇所で圧力が測定されれば等しい長さの 一連の矢印３０により示される範囲において圧力が実質的に一定であることが識 知され得る。静圧の降下は後縁部２８の近傍の小範囲において見受けられ、これ が小さな長さの連続する一連の矢印３２により示されている。この圧力降下は高 圧流体によりプレート型流量調整体１４に加わる閉鎖トルクを大にする。ここで プレート型流量調整体１４の位置を維持するためには、開放トルクがシャフト１ ２に連続的に加える必要がある。通常このトルクは外部の作動器（図示せず）に よりシャフト１２に加えられる。流体による与えるトルクがプレート型流量調整 体１４の設計を変更することにより十分に減少され得るときは、開放トルクを与 える作動器には小さなものを使用することも可能である。これは特に重量または 容積の減少が目的である航空機の客室加圧システムのような用途では重要である 。

流体により閉鎖トルクを大幅に低減する周知の方法においては、プレート型流量 調整体１４の突出部３４（以後、後縁フェンス３４と言う）が図ＩＡに示すよう に後縁部２８の近傍の高圧側２４に付設される。後縁フェンス３４により、矢印 ３２（図１参照）で示される圧力降下の生じる範囲が効果的に減少される。

更にプレート型流量調整体１４の先端部２６近傍の低圧側３８に設けた突出部３ ６（以下、先縁フェンス３６と言う）により閉鎖トルクを変更できることは既知 である。一方この先縁フェンス３６のみ（即ち、後縁フェンス３４を使用するこ となく）の使用は閉鎖トルクが増大するため、避けられる。図ＩＡに示すように 後縁フェンス３４と組み合わせて使用するとき、先縁フェンス３６と後縁フェン ス３４併用は、後縁フェンス３４のみの使用の場合に比べ一般に閉鎖トルクが増 大されるが、両方のフェンスを持たない従来の調整体の場合に比べ閉鎖トルクが 極めて僅かであるが減少され得る。しかしながらこの僅かな閉鎖トルクの減少を 得るため流速が相当に減少されることになる。

従って先縁フェンス３６の使用は単独あるいは後縁フェンス３４と組み合わせて も十分に実施され得なかった。

本発明の目的は蝶弁の作動時にプレート型流量調整体に加わる気圧若しくは流圧 トルクを大幅に低減できる、複数のフェンスを有した蝶弁用のプレート型流量調 整体を提供することにある。

（発明の開示） 本発明によれば、上記の目的は調整体の先縁部から離間した先縁フェンスを備え 、複数のフェンスを有するプレート型流量調整体を具備することにより達成され る。先縁フェンスは先縁部から離間せしめられ、調整体が十分に大の開放角を示 す回転位置にあるとき、流体制限部として機能するように寸法状めされる。先縁 フェンスが先縁部から離間されているため、先縁フェンスと先縁部との間におい て調整体に低圧の面部が形成される。先縁フェンスが流体制限眼部として機能す る場合、先縁フェンス及び上述の低圧の面部とにより一部に区画された流路領域 で圧力増加が生じる。この面部に作用する圧力が増加することにより正味の気圧 閉鎖トルクが生じるが、この閉鎖トルクは先縁フェンスのない場合に生じる閉鎖 トルクより相当に低くなる。流体制限部としての先縁フェンスの作用によってト ルクが減少されるため、フェンスの平均高さおよび先縁部からの平均距離の両方 がトルク最小限にするに重要なパラメータになる。先縁フェンスおよび後縁フェ ンスの相互の高さも重要なパラメータであり、上述したパラメータ間には相関作 用が生じることも考えられる。また本発明は２つのフェンスを有した調整体のこ れらパラメータの最適化に関する。これは先縁フェンスと後縁フェンスとの間に 調整体の高圧側から突出する安定化フェンスを設けることにより達成される。好 ましくは安定化フェンスは正常時にその長手軸が調整体の回転軸に対し平行をな し、調整体の貫通方向に対し垂直な平面内にあるよう配置される。

（図面の簡単な説明） 図１は従来の蝶弁の幾分簡略な断面図、図ＩＡは周知のデュアルフェンス型蝶弁 の簡略説明図、図２は本発明による蝶弁の断面図、図３は図２の線３−３に沿っ た縦断面図、図４は開口位置にある調整体を含む蝶弁の図２と同様の断面図、図 ５は図４の線５−５に沿った図３と同様の縦断面図、図５Ａおよび図５Ｂはそれ ぞれディスク状および矩形の流量調整体の部分縦部略図および部分簡略図、図６ は本発明を含む３個の蝶弁の印加トルクと開口角との関係を示すグラフ、図７は 図６で述べた３個の同じ蝶弁の流速と開口角との関係を示すグラフ、図８は上述 した平均高さパラメータと平均距離パラメータを説明するための簡略図、図９は 上述した各種紐のパラメータに対するそれぞれのトルク曲線を示す図６と同様の グラフ、図１０は上述した安定化フェンスを示す図８と同様の簡略図、図１１（ ａ）〜１１（ｃ）は図１０に示される安定化フェンスの各種高さに対するトルク 曲線を示す図９と同様のグラフである。

（発明を実施するための最良の形態） 図２を参照するに参照番号４０が蝶弁を示している。蝶弁４０には、流路４４を 区画するダクト部材としての取付胴体４２と、流路内を横断するように延び、取 付胴体４２に支承された回転可能なシャフト４６と、実質的に流路全体に延び且 つ流路内において回転可能なプレート状の流量調整体４８とが包有されている。

通常調整体が図示のような閉鎖位置にあるとき、流路４４に沿った流体の移動を 確実に阻止するリム密封部（図示せず）が流量調整体４８に設けられる。シャフ ト４６は図示のように流量調整体４８を貫通して延び、流量調整体４８に対し固 定されているので、シャフトがその長手回転軸５０を中心に回転されると、調整 体はシャフトと共に回転する。回転動作を容易にするため、シャフト４６の取付 胴体４２に支承される箇所にベアリング（図示せず）が設けられる。流量調整体 ４８の高圧側５２は流路４４の上流側に対向し、流量調整体４８の低圧５４は流 路４４の下流側と対向している。

図２の流量調整体４８の低圧側５４を視認するに、図３、図４および図５Ａから 、シャフト４６の長手回転軸５０により流量調整体４８は２個の空間部、即ち先 端部分５６と後端部分５８に区分されることが理解されよう。従って開放トルク がシャフト４６に加わったとき、流量調整体４８は零度の閉鎖位置（図２および 図３に示される）から開放位置へ移動すると、先端部分５６が長手回転軸５０の 上流側にあり、一方接端部分５８は長手回転軸５０の下流側にある。先端部分５ ６（図５Ａの太い実線の半円で示される）の外周部には先縁部６０が形成され、 一方接端部分５８の外周部には後縁部６２が形成される。

さて図２および図５Ａを参照するに、流量調整体４８には第１の突出部としての 後縁フェンス６４が高圧側５２に形成され、この後縁フェンス６４は後縁部６２ の近傍に配置される。概して後縁フェンス６４はできるだけ後縁部６２に接近し て配置し、後縁フェンス６４は後縁部６２の延長部として形成されることが最適 である。流量調整体４８には更に第２の突出部としての先縁フェンス６６が低圧 側５４に形成され、この先縁フェンス６６は先縁部６０から離間され設けられて いる。後縁フェンス６４および先縁フェンス６６は溶接のような好適な手段によ り調整体の本体部に固設あるいは調整体と一体に形成できる。ノイズ減少が要求 されるような用途では、多数の穴（図示せず）が後縁フェンス６４および先縁フ ェンス６６の夫々に形成される。先縁フェンス６６を先縁部６０から離間してる ことはフェンスを内蔵する従来の蝶弁と異なり重要な構造的な特徴であることが 判明した。先縁フェンス６６の離間の重要性については以下の説明から明らかと なろう。

図６は印加トルク（即ち、流量調整体４８に働く空気力学的トルク）と開放角（ 即ち図４に開放角６７により示される流量調整体４８の回転位Ｎ）との関係を示 すグラフである。図示の３つの曲線６８．７０．７２は実際のテストデータを基 に描かれている。テストされた蝶弁４０のディスク状アルミニウム調整体の直径 は約２０．３センチメータであった。調整体間の圧力降下はフェンスなしでテス トしたとき９０度の開放角で約５ｋＰａ（０゜９ｐｓｉ）であった。曲線６８の データは先縁フェンス６６も後縁フェンス６４も適所に配置されていない場合の ものから得た。曲線７０のデータは後縁フェンス６４が適所に配置されているか 先縁フェンス６６が適所に配置されていない場合のものから得たた。曲線７２の データは後縁フェンス６４および先縁フェンス６６が共に適所に配置されている 場合のものから得た。先縁フェンス６６は先縁部６０から約２．３８センチメ一 タ離間され、先縁フェンス６６の高さはその長さ全体にわたり約２．７９センチ メータにされた。先縁フェンス６６では先縁部６０により区画される円周範囲に 対し中心決め配置され、この範囲の約７０％が被覆された。図７には上述した調 整体構成での流量と開口角との間の関係を示す。曲線７４．７６．７８は図６の 曲線６訳７０．７２に相当し、実際のテストデータから得られたものである。

図４、図６、および図７を参照するに、先縁フェンス６６が先縁部６０から離間 されているので、流体制限効果は小さな開放角６７は相対的に大ではない。実際 に小さな開放角６７のある範囲では、曲線７６．７８を比較することから明らか なように、先縁フェンス６６が流体の制限に寄与することは実質的にない。

−刃先縁フェンス６６の高さく図２の“ｈ“）と先縁部６０に対するその位置の 両方に左右されるある臨界角度では、先縁フェンス６６による流体制限への寄与 が重要になる。この臨界角度は先縁フェンス６６とダクトの内壁８２との間の距 離（矢印８ｏで示される）が先縁部６０と内壁との間の距離（矢印８４で示され る）とがほぼ同一になるときに生じるものと考えれる。先縁フェンス６６が重要 な流体制限体になるに伴い、圧力の増大が一部先端フェンスにより、且つ先端フ ェンスと先縁部６０との間の低圧側５４の面部８８（図２参照）により区画され る領域８６で生じる。領域８６での流体による比較的小さな閉鎖トルクが先縁フ ェンス６６の作用と共に流量調整体４８に働き、一方領域８６のこの流体により 比較的大きな開放トルクが低圧側５４の上述した面部８８（図２）の作用に伴っ て調整体に働くことは理解されよう。この結果は曲線７２で示される。

図２および図８を参照するに、先縁部６０と先縁フェンス６６との平均距離“ｄ ″および先縁フェンス６６の高さ“ｈ″により、先縁フェンス６６が重要な流体 制限体となる開放角が決定される。更にこれらのパラメータは長手回転軸５０と 先縁部６０との間の距離“ｒ”に関連するので、広い範囲の開放角に亘ってトル ク特性に影響を与える。図９の曲線１０８．１１０．１１２は直径が１２．４５ センチメータで、中心に回転軸を有する円形の流量調整体４８を備えた蝶弁を用 いてテストした結果が示される。

即ち、距離“ｒ”は約６．２２センチメータであった。開放角がゼロから４０度 の範囲では、曲線１１２は曲線１０８と実質的に同一になる。後縁フェンス６４ の高さ“ｋ”は全ての場合１．２７センチメータであった。先縁フェンス６６の 高さ“ｈ”は１．２７センチメータ（曲線１０８）　、１．９１センチメータ（ 曲線１１０）　、および２．５４センチメータ（曲線１１２）であった。平均距 離“ｄ”は１．１２センチメータ（曲線１０８）及び０．７６センチメータ（曲 線１１０．１１２）であった。これらの結果法の比データが得られる。

ｈ／ｒ　ｄ／ｒ 曲線１０８　．２０４　０．１８ 曲線１１０　．３０６　０．１２ 曲線１１２　．４０８　０．１２ 低圧側５４の範囲を拡大した外、図２〜図５に示す流量調整体４８は後縁フェン ス６４および先縁フェンス６６のいずれも一定高さではない点でテストで使用し た調整体と異なる。各フェンスはその中心で最大高さを有し、それから次第にそ の端部で最小高さく実質的にゼロ）まで収束する。一定高さのフェンスの端部に 鋭い隅部が形成されることを避けることにより、乱流が最小限に押さえられ得る ことができるものと考えられるが、このように収束させることの重要性は充分確 認されてはいない。更に後縁フェンス６４および先縁フェンス６６のある部分は 他部より重要になるものと考えられる。これに関し図５Ａを参照して説明する。

図５Ａにおいて、太い実線で示される半円は流量調整体４８の先縁部６０を示す 。先縁部６０の中心線はシャフト４６（図２）の長手回転軸５０に対し垂直な低 圧側５４（図５）の二等分線９０をなす。先縁部の長さく矢印９２）は３個の等 しい長さの部分９４．９６．９８に区分されて示される。中央に配置された中央 部９６の両端部の２点からは長手回転軸５０に対し垂直方向に２個の平行線１０ ０．１０２が延びている。流体の流れは全体として二等分線９０の方向に進むの で、先縁部９４．９８の全体方向へ延びる先縁フェンスのセグメントが中央部９ ６の全体方向へ延びるセグメントに比べ流体制限作用への影響力が小さい。従っ て本発明による利点は低圧側５４の実質的に長手の中央範囲１０４に亘って延長 される先縁フェンス６６を用いることにより得られよう。

図５Ｂには矩形型の流量調整体１０６が示されている。上述から本発明はこのよ うな矩形状の調整体を収容する蝶弁にも使用可能であることは理解されよう。

図９の特性曲線１０８．１１０では約８０度以上の回転角でトルクが低下するが 曲線１１２では安定していることが視認され得る。

この結果は圧力降下が大きく左右すると考えられるが、安定化フェンスを用いる ことにより、圧力降下に伴う急激なトルクの降下が好適に最小限に押さえれ、あ るいは除去される。

図１０に示すように、安定化フェンス１１６は高圧側５２から流量調整体４８に 対し垂直な方向に距離“ｍ”だけ延びている。安定化フェンス１１６は先縁部及 び後縁部から等しい距離の所に配置されることが好ましい。

図１１（ａ）〜図１１（ｃ）では、曲線１１８．１２０．１２２．１２４は夫々 圧力降下が６．９ＫＰａ、１３．８にＰａ、　２０．７ＫＰａおよび２７．６Ｋ Ｐａの場合の実際上のテストデータから得られた。流量調整体４８の直径は２０ センチメータ（“ｒ”＝ＩＯセンチメータ）であった。全ての場合において後縁 フェンス６４の高さ“ｋ“は１．９１センチメータ、先縁フェンス６６の高さ“ ｈ”は２．２２センチメータであった。取付ダクト胴体４２との干渉を防止する ため、後縁フェンス６４は後縁部から０．２５４センチメータだけ離間せしめた 。また変数として、安定化フェンス１１６の高さ“ｍ“および先縁フェンス６６ の先縁部からの平均距離“ｄ”およびその比が次の表に示される。

図１１（ａ）　図１１（ｂ）　図１１（ｃ）ｄ　２．２９ｃｍ　２．５９ｃｍ　 ２．２９ｃｍｍ　１．２７ｃｍ　ｌ−２７ｃ＋ｏ　２．５４ｃ＋ｎｄ／ｒ　Ｏ， ２３０，２６０，２３ ｗａ／ｒ　Ｏ，１３Ｇ、　１３　０．２５ｍ／ｋ　０−６７　０．６７　１．３ ３図１１（ａ）および図１１（ｃ）から明らかなように、全ての曲線の場合に距 離“ｍ“が“ｋ”以下の高さに減少され、比ｄ／ｒが一定に維持され、トルクが 相当に低減され、−力曲線１２２では８０〜９０度の開放角の範囲でトルクの降 下が実質的に除去された。

同一の減少が小さな“ｄ”の増加により伴うときに実質的に同一の結果が得られ ることは図１１（ｂ）および図１１（ｃ）の比較から明らかであろう。図１１（ ａ）および図１１（ｂ）を比較して、比ｄ／ｒに対する全体のトルク曲線の感度 も得られる。

添付図面を含む本発明の詳細な説明により、本発明の範囲を好ましい実施例に、 あるいはその教示説明に付属する具体例に制限するものではない。本発明は以下 の特許請求の範囲およびその等個物を含んで広く解釈されるべきである。

昼畝伽　住・＼−＼や　） ユロ−Ｌ仝へ　Ｃ，入門；←以） ４よ　（コ 要　約　書 蝶弁（４０）用の流量調整体（４８）には調整体の高圧側（５２）の第１の突出 部（６４）と低圧側（５４）の第２の突出部（６６）とが内包される。第２の突 出部（６６）は先縁部（６ｏ）から離間され低圧側（５４）の面部（８８）を形 成する。動作時に第２の突出部（６６）は一部第２の突出部及び面部（８８）に より区画される流路（４４）の領域（８６）内で圧力を増大させる流体制限体と して機能する。この圧力増大により調整体（４６）に加わる空気力学的な正味の 閉鎖トルクが最小限に押さえられる。第２の突出部の高さおよび第２の突出部の 先縁部からの距離は重要な構成パラメータである。更に第３の突出部（１１４） を用いて大きな回転角でのトルク降下が低減される。

補正書の写しく翻訳文）提出書 （特許法第１８４条の８） 平成５年２月１９日

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. １．流路（４４）を区画する取付胴体（４２）と、取付胴体に回転可能に支承さ れ流路に亘つて延び長手回転軸（５０）を有するシヤフト（４６）と、流路を実 質的に流路に亘つて延びシヤフトに固定されるプレート状の流量調整体（４８） とを備え、シヤフトがその長手回転軸を中心に回転されるとき調整体がシヤフト と共に回転し、調整体の高圧側（５２）は流体の上流と対向し且つ低圧側（５４ ）が下流と対向し、長手回転軸により調整体の第１および第２部分が区画され、 調整体が開放回転位置にあるとき第１の部分（５６）が長手回転軸に対し上流に あり且つ第２の部分（５８）が長手回転軸の下流にあり、第１および第２の部分 の外周部には夫々調整体の先縁部および後縁部（６０、６２）が具備され、調整 体の第１の突出部（６４）は後縁部近傍で高圧側から延び、調整体の第２の突出 部（６６）は先縁部から離間され、第１の部分の低圧側から調整体に対し垂直な 方向に距離“ｈ”だけ延び、先縁部は長手回転軸と協働して長手回転軸に垂直な 調整体の中央二等分線（９０）を含み、長手回転軸および先縁部が協働して二等 分線に沿つて間を距離“ｒ”延び、距離“ｈ”が決定されたとき第２の突出部は 第１の突出部が後縁部から離間される場合に比べ先縁部からより大きく離間され 、距離“ｈ”と距離“ｒ”との比が約０．２０４から約０．４０８の範囲内にあ ることを特徴とする蝶弁。
2. ２．調整体の第３の突出部が高圧側から延び、先縁部および後縁部から実質的に 等距離の個所に配設され、調整体は流路に沿つて流体移動を閉鎖する第１の位置 から流体に対し実質的に平行である第２の位置へ向かう旋回範囲にわたりその長 手回転軸を中心に回転可能であり、調整体は流路に沿つて流れる流体により正味 の閉鎖トルクを受けると第１の位置へ延びる方向に所定の第２の位置から１０度 の第３の位置と第２の位置との間の全ての位置で正味のトルクを正の値に維持す べく動作可能に設けられ、調整体はまた正味のトルクを受けるとき第２の突出部 のない場合に得るレベルより実質的に低いレベルに正味のトルクを維持するよう 動作可能に設けられてなる請求項１記載の蝶弁。
3. ３．第１の突出部は高圧側から調整体に対し垂直な方向に所定の距離“ｋ”延設 されてなる請求項１記載の蝶弁。
4. ４．距離“ｈ”が距離“ｋ”より少なくとも２５％大である請求項３記載の蝶弁 。
5. ５．距離“ｈ”は距離“ｋ”より少なくとも５０％大である請求項４記載の蝶弁 。
6. ６．第２の突出部が先縁部から平均距離“ｄ”だけ離間され、平均距離“ｄ”と 距離“ｒ”との比が約０．１２〜約０．２３の範囲内にある請求項１記載の蝶弁 。
7. ７．第１の突出部が調整体に対し垂直な方向に高圧側から所定の距離“ｋ”延設 され、距離“ｈ”が距離“ｋ”を越えてなる請求項６記載の蝶弁。
8. ８．調整体の第３の突出部が高圧側から延び先縁部および後縁部から実質的に等 距離の位置に配設されてなる請求項７記載の蝶弁。
9. ９．調整体の第３の突出部が調整体に対し垂直の方向に高圧側から所定の距離“ ｍ”延設されてなる請求項３記載の蝶弁。
10. １０．第２の突出部が先縁部から平均距離“ｄ”離間され、平均距離“ｄ”と距 離“ｒ”との比が約０．２６より小さく、約０．１２より大にされてなる請求項 ９記載の蝶弁。