JP2008529155A - 一定流れ調整器機構 - Google Patents

Abstract

可変流体圧力が加えられるときに、流体の一定の流れを維持する一定流れ調整器機構であって、流体が入ってくる入口管（５０６）と、ハウジング（５００）と、入口管に面し弾性力を受けた可動仕切り（５０２）とを備える。断面積が可変な流体通路（５１０）は、入口管と可動仕切りとの間に形成される。ハウジング及び可動仕切りは、内部コンパートメントの内側に入口管の流体圧力にほぼ等しい流体圧力を確立するため、入口管と流体が連通する内部コンパートメント（５０４）を形成する。可動仕切りのサイズは、使用において、流体通路断面積を減じるため入口管内の流体圧力が増加したとき、仕切りが弾性力に抗して入口管側へ移動するように、及びその逆にも動作し、それによって、一定の流体流れを維持するように、入口管のサイズよりも非常に大きい。

Description

本発明は、一般的には、可変の流体圧力が作用したとき、流体の一定の流れ、好ましくは気体又は気体混合物の流れを維持するための一定流れ調整器機構に関する。流体の流れは、ｍｌ／ｓで測定可能である。特に、創造性のある一定の流れ調整器機構は、少なくともある動作範囲内で、作用する流体圧力にかかわらず実質的に一定の流体流れを維持するように構成される。

以前に知られている流体流れ調整器機構は、ばね、ダイアフラム、バルブ、及び弁座のように、いくつかの異なった相互に作用する部分を有する比較的複雑な機構である。これらの機構は、高精度での製造を要する多くの部品が必要でありかつ高い組立コストのため、製造するのが比較的高価である。以前に知られている機構の他の問題は、信頼度及び耐久性に関する。

米国特許3463182は、変形可能なダイアフラム４２におけるオリフィス５０を通して流体が流れる一定の圧力流れ調整器を開示する。増加圧力下で流体が入口管２２に作用したとき、ダイアフラムと入口管の肩２４との間でオリフィス５１を形成するように、ダイアフラムは変形する。その後、流体は、開口３０を通り逃れるため、入口管２２、オリフィス５１及びオリフィス５０を通過可能である。しかしながら、この調整器は、一定の流体圧力を生成するために設計されており、一定の流体流れを生成するために用いることができない。

米国特許3463182

本発明は、上述した問題点を解決するためになされ、簡易で信頼でき正確な一定流れ調整器機構を提供することを目的とする。

本発明は、一定流れ調整器機構により流体の流れを一定に維持するための簡単な機構に基づく。基本概念は、入ってくる流体用の入口管又は開口と流体が連通する、膨張可能な内部コンパートメントを使用することである。内部コンパートメントは、入口管に面し弾性力を受けている可動の仕切りにより設定される。可動仕切りのサイズは、流体から可動仕切りへの圧力が外側よりも内側で大きく仕切りを入口管側へ移動するように、入口管のサイズよりも著しく大きい。

上述したサイズ差により、入口管及び内部コンパートメントの圧力が増加したとき、弾性力に逆らって仕切りが入口管側へ移動して内部コンパートメントは膨張する。その結果、増加した圧力のため仕切りが移動するとき、機構を通過する流体に関する仕切りと入口管との間の通過領域は、減少される。このように、たとえ流体圧力が上昇しても、機構を通過する流体流れは、実質的に一定に維持される。入口管にて流体に作用する圧力が減少したとき、その結果内部コンパートメントにて減じた流体圧力のため、仕切りが弾性力により元に戻るように移動したとき、内部コンパートメントは縮み、それにより、機構を通過する流体の流れを一定に維持するように通過領域が増加する。

弾性力は、可動仕切りにおいて、又はその少なくとも一部において、ゴム又は他のポリマーのような弾力のある材料を用いることにより得ることができる。好ましくは、仕切りに作用する弾性力の特性は、通過領域が流体圧力の変化に最適に応答して変化するように選択される。弾性を有する仕切りの最適の弾力特性は、適切な材料、及び／又は、弾性部分の厚さの選択により得られることができる。仕切りの移動が流入流体の圧力の変化の二乗に比例するように弾性力の特性が選択された場合、満足な結果を得ることができる。例えば、流入流体の圧力が４倍に増したならば、仕切りと入口管との間の流体通路は、半分のサイズになるであろう。

一定の流れ調整器機構を出る流体の適した出口開口は設けることができるが、本発明はこの点で制限されていない。さらに、入口管と内部コンパートメントとの間の流体の連通は、入口管から入ってくる流体の近くにおける高圧領域に位置する、仕切りにおける開口により、又は、入口管と内部コンパートメントとの間の独立した流体接続導管により得ることができる。

入ってくる媒体の圧力が低いとき、内部コンパートメントは容積を有する必要がないが、膨張可能であり、よって、入ってくる媒体の圧力が増したとき、容積を増加可能であることに注目すべきである。

本発明の一つの態様に係る一定の流れ調整器機構は、請求項１にクレームされる。本発明の別の態様による流体の流れを一定に維持する方法は、請求項１３でクレームされる。本発明の好ましい実施形態は、従属項にて規定されている。

創造性のある一定の流れ調整器機構は、単に、ハウジングと、可動の仕切りを有する膨張可能な内部コンパートメントとにより作製可能であるので、製造が簡単である。さらに、機構を構成する部品は、必ずしも高価ではない。その結果、すべて安い機構となる。それにもかかわらず、本発明による機構は、信頼性があり、小数のかつ通常の部品の使用により高い耐久性を有する。

好ましい実施形態では、可動な仕切りの少なくとも一部は、ダイアフラムを備える。例えば、ダイアフラムは、平ら又はドーム型とすることができる。

本発明の好ましい実施形態について、添付の図に示した例示により以下に説明する。

上述したように、膨張可能な内部コンパートメントが使用可能である。内部コンパートメントは、入口圧力が増加したとき、当該機構を通過する流体流れに関する通過領域を減じるように膨張する。一方、入口圧力が減少したとき、内部コンパートメントは縮み、よって通過領域が拡がり、よれにより一定の流体流れが維持される。

図１には、第１の実施形態に係る一定の流れ調整器機構が示されている。該機構は、互いに対向して配置された第１壁３及び第２壁４を有するチャンバー２を構成するハウジング１を備える。第１の実施形態において、側壁５は、第１及び第２の壁３，４とともに接合されている。しかしながら、側壁は、必ずしも必要ではない。例えば図４に示す第３の実施形態では、第１及び第２の壁３，４は、チャンバー２とともにハウジング１を構成するために、ともに接合されている。

流入する流体流れ、即ち、一定に維持されるべき流れは、第１壁３に、例えば接続片とともに設けられる入口管又は開口６を通して入る。出て行く流体流れは、接続片とともに設けることができる少なくとも一つの出口開口７を通して機構から出る。この実施形態では、出口開口７は、側壁５に配置される。しかし、また、出口開口７は、図２又は図４にそれぞれ示される第２及び第３の実施形態のように、第１壁３に配置することもできる。又、以下に述べるように、内部コンパートメント９の外側で利用可能なスペースに依存して第２壁に出口開口を有することも考えられる。

図１に示される第１の実施形態によれば、内部コンパートメント９は、第２壁４とともに内部コンパートメントを構成するチャンバー２の内部に可動の仕切り８を配置することにより形成される。仕切り８は、ゴム又は他のポリマーのような弾性材料で作られている。内部コンパートメントは、好ましくは可動仕切り８に、入口管と内部コンパートメントとの間の流体の連通のために、可動仕切り８の中央部の好ましいいずれかの場所に開口１０を設けている。入口管６もまた、第１壁３の中央部のいずれかの場所に配置され、よって可動仕切り８における開口１０にほぼ対向する。しかしながら、開口１０が入口管６にて流入する流体の高圧力領域付近に位置する限り、入口管６及び開口１０は、一直線に配列される必要はない。入ってくる媒体の圧力が低いときに、内部コンパートメント９はいかなる容積も有する必要がないことも可能であるが、膨張可能であり、よって入ってくる媒体の圧力が増加したときには、ある容積を示すことができる。

上述したように、最初に、機構の部分の入口壁３及び内部コンパートメント９は、接続する必要はない。それらは、例えば互いに隣接し相対的に固定された位置に配置することができる。

使用において、可動仕切り８は、入口管から離れる方向に基本的に作用する弾性力を受けている。一方、内部コンパートメント内の流体圧力は、入口管側への方向、つまり反対方向であり弾性力に抗する方向に仕切り８を移動するように作用する。好ましくは、第１の実施形態に示されるように、弾性力は、仕切り内に弾性材料を用いることにより得られる。入ってくる流体流れの圧力によって、内部コンパートメント９は、多かれ少なかれ「膨張」し、つまり可変の内部容積を有し、それにより、可動仕切りは、入ってくる流体圧力が変化したとき、第１壁３側へ、又は第１壁３から離れるように、それぞれ移動するであろう。

好ましくは、仕切りにおける弾性材料の弾力の特性は、上記通過領域が可変流体圧力の変化に応答して最適に変化するように、例えば仕切りの移動変化が圧力変化の二乗に比例するように、選択される。それによって、入口管に入ってくる流体の圧力に上記弾性力を加えた力と、内部コンパートメント内の流体圧力からの反対方向への力との間のバランスが達成される。

入口管６付近の可動仕切り８及び第１壁３と、開口１０との間で、流体通路１１は、可動仕切り８と第１壁３との間の距離に依存する断面積を有して存在する。可動仕切り８が第１壁３側へ又は第１壁３から離れて移動するとき、流体通路１１の断面積は、それぞれ減少又は増加する。即ち、可動仕切り８と第１壁３との間の通路１１は、減じられたり、広げられたりする。このように、通路１１を通る流体流れ、及び一若しくは複数の出口開口７から排出される流れは、実質的に一定を維持するように、流体圧力の変化は、上記流体通路のサイズの変化により補償される。流体流れは、ｍｌ／ｓで測ることができる。

好ましくは、一若しくは複数の出口開口７の断面積は、通路１１にて全ての圧力降下が生じるように出口の流れを妨害しないため、流体通路１１の断面積よりも実質的に大きい。

入口管又は開口６、一若しくは複数の出口開口７、開口１０、弾性力の特性により決定されるような内部コンパートメント９の「膨張可能性」、及び可動仕切り８と入口管６との間の距離のある測定値を選択することにより、所望範囲、又は入ってくる流体の圧力の間隔にて、当該機構を通して一定の流体流れを提供するように動作する機構を設計することが可能になる。当業者は、それらの測定値に関するテストを行うことにより、所望の圧力間隔において一定の流体流れを提供する一定流れ調整器機構を得ることができる。

内部コンパートメント９は、例えば図２に示す実施形態を参照し、第２壁４、側壁５、及び可動仕切り８により形成することもできる。

好ましくは、可動仕切り８の少なくとも一部は、弾性力を提供する弾性ダイアフラム１２で作製可能である。図１に示される第１の実施形態において、可動仕切り８は、ドーム型のダイアフラム１２であり、図４に示される第３の実施形態において、可動仕切り８は、実質的に平らなダイアフラム１２である。図２に示される第２の実施形態において、可動仕切り８は、開口１０が形成されプラスチック又は金属のような硬質材料の板１３と、ゴムのリングのような部分的なダイアフラム１２とを備える。可動仕切り８は、流体漏れのない方法にてハウジング１内にはめられるべきである。板１３及び、またハウジング１は、好ましくは円形状であるが、勿論、他の形状を採ることができる。

上述したように、流体流れ調節は、入口圧力からの力にダイアフラム（ダイアフラムが少なくとも部分的に使用された場合）の弾性からの力を加えた力と、内部コンパートメントの内側の流体圧力からの、反対方向における力との間のバランスの達成に基づいている。

図５では、創造性のある一定の流れ調整器機構の第４の実施形態が図示され、これは、本発明の基本的なメカニズムをより詳細に以下に説明するために用いられる。

ハウジング５００、及び弾性のダイアフラム５０２として作製された可動仕切りは、入ってくる流体用の入口管５０６と固定された関係にて配置される内部コンパートメント５０４を形成し、ダイアフラム５０２は、入口管５０６に面する。ダイアフラム５０２のサイズは、入口管５０６のサイズよりも著しく大きい。後者は、静的圧力と動的圧力との合計である流体圧力が入口管５０６に作用したとき、高圧力領域を構成する。ダイアフラム５０２は、入口管５０６の近くに、入ってくる流体と内部コンパートメント５０４との間の流体の連通を提供する開口５０８を有している。それにより、入口管５０６内の「Ａ」での相対的に高い静的流体圧力が、開口５０８により、内部コンパートメント５０４内の「Ｂ」にも基本的に存在する。

内部コンパートメント５０４内の流体圧力は、小さい矢印にて示すように、つまり入口管５０６の方向にて、弾性のダイアフラム５０２の内側に一様に作用する。入口管５０６とダイアフラム５０２との間に、上述の実施形態１〜３における通路１１に関する記述のように、ダイアフラム５０２の移動により変化する断面積を有する流体通路５１０が形成される。入ってくる流体は、流体通路５１０を通り逃げ、入口管５０６の直後、図内の「Ｃ」にて、低圧力領域が基本的に形成されるように、通路５１０に沿って流体圧力は低下する。それによって、入口管５０６付近の内部コンパートメントの中央領域（高圧力領域）に比較して相対的に低い流体圧力は、内部コンパートメント５０４の外側であるその周縁領域（低圧力領域）でダイアフラム５０２に作用する。

入口管５０６に比較してダイアフラム５０２のより大きなサイズにより、流体圧力からのダイアフラム５０２への力は、外側よりも内側が大きく、ダイアフラム５０２を入口管５０６側へ移動させ、それにより流体通路５１０を減少させる。しかしながら、流体圧力は、ダイアフラム５０２に内在する弾性力によって平衡を保たれ、このことは、少なくともある作動圧力間隔内で、通路５１０が開いた状態に留まることができることを意味する。その結果、流体通路５１０は、流体圧力が変化したときに当該機構を通過する流体流れが実質的に一定を維持するように、入ってくる流体の圧力が増加したときには減少し、及びその逆にも動作する。ダイアフラム５０２の弾力の特性は、作動圧力範囲又は間隔内で最適な移動を提供するように、例えばダイアフラムの移動が圧力変化の二乗に比例するように、選択可能である。

図内で符号５１２の点線で示すように、ハウジング５００は、流体が排出可能な出口開口５１４を含めて、出て行く流体を集めるための適宜な形態にて形成可能である。

図６では、創造性のある一定の流れ調整器機構の第５の実施形態が示され、これは、ダイアフラム５０２に開口５０８を有しない点で図５の第５実施形態とは異なる。その代りに、流体入口管６０２と内部コンパートメント６０４との間に、独立して流体接続導管６００が配置される。内部コンパートメント６０４は、開口の無い弾性のダイアフラム６０６にて作製された可動の仕切りを有する。流体圧力は、内部コンパートメント６０４内で均一であるので、接続導管６００は、内部コンパートメント６０４に、適切ないずれの位置にて接続可能である。

よって、入口管６０２における流体圧力は、流体接続導管６００の全体にわたる「Ｄ」に存在し、また、内部コンパートメント６０４内の「Ｂ」にも存在するであろう。流体圧力が変化したとき、一定の流体流れを得るために、弾性のダイアフラム６０６を移動させるためのメカニズムは、前の実施形態１〜４で述べたものと基本的に同じである。

入ってくる流体圧力が変化しなければ、流体接続導管６００を通って流体は流れないので（その後全く少量の流体だけ）、入口管６０２における全圧の静止部分のみが導管６００内に存在可能である。したがって、この実施形態では、流体入口管６０２は、好ましくは、可動仕切りに近接した狭い部分、及び管６０２からさらに離れ導管６００への入口が位置する広い部分を有して形成される。このように、全圧の動的部分は、より遅い流れ速度のため、図内の「Ａ_１」の狭い部分にて有意であり、「Ａ_２」の広い部分においてそれほど重要ではない。したがって、全圧は、基本的に全圧がすべて内部コンパートメント６０４に伝えられるように、「Ａ_２」での静止部分によって支配されるであろう。それにより、圧力変化に対して機構をより応答させることになる。

図７は、第６の実施形態による一定の流れ調整器機構の入口管７００の正面図を示し、それは、図５及び図６の入口管５０６、６０２の端部、又は、図１〜図４に示す入口開口６のまさに内側に配置可能である。過剰な流体圧力により可動仕切りが入口管又は開口に接触して移動するならば、流体通路１１又は５１０が完全に閉じられるという危険性を排除するため、複数の突出するノブ又はリブ７０２が、可動仕切りに面する入口管又は開口のまわりの端面に配置される。さらに、突出するノブ又はリブ７０２は、例えば、可動仕切りの材料の選択、及び／又はその弾性部分の厚みを組み合わせて、上記弾性力の特性にさらに影響を及ぼすために、任意に用いることができる。

図８では、創造性のある一定の流れ調整器機構の第７の実施形態が示され、該第７実施形態は、弾性エレメントによりハウジング８０２に接続される、剛体の可動仕切り８００を用いることにより、前の実施形態１〜６とは相違する。上記弾性エレメントは、仕切り８００に作用する上述の弾性力を提供可能で、ここでは弾性ベローズ８０４等にて示されている。内部コンパートメント８０６は、仕切り８００、ハウジング８０２、及びベローズ８０４によって形成される。内部コンパートメント８０６は、例えば、この図に示されるように仕切り８００における開口８０８、又は図７に示されるように流体接続導管６００により、入ってくる流体圧力と流体が連通している。流体圧力が変化したときに一定の流体流れを得るための可動仕切り８００に関するメカニズムは、基本的に前の実施形態１〜５にて述べたものと同じである。ベローズ８０４の弾性特性は、上述したように、作動圧力範囲又は間隔内で仕切り８００の最適な移動を提供するように、選択可能であることが注目されるべきである。

図９では、創造性のある一定の流れ調整器機構の第８の実施形態が示され、剛体の可動仕切り９０２と、示されるように入口管９０６又は他の支持固定点（不図示）に取り付け可能な固定された支持板９０４との間に配置された弾性を有するベローズ９００又はそのような物を使用することにより、図８に示す第７実施形態とは相違する。内部コンパートメント９０８は、仕切り９０２とハウジング９１０との間に形成される。弾性ベローズ９００及び弾性ダイアフラム９１２がともに上述した仕切り８００に作用する弾性力を提供するように、弾性のダイアフラム９１２も使用可能である。内部コンパートメント９０８は、例えば仕切り９０２における開口９１４によって、入ってくる流体圧力と流体が連通した状態にある。適切な流体出口開口９１６は、支持板９０４に配置可能である。流体圧力が変化したとき、一定の流体流れを得るために仕切り９０２を移動させるメカニズムは、基本的に前の実施形態１〜７に関して記載されたものと同じである。

図８及び図９にそれぞれ示されるベローズ８０４及びベローズ９００は、上述の弾性力が得られる限り、適切ないずれの方法にて形成可能である。図９に示されるように、弾性ベローズ及び弾性ダイアフラムが組み合わされて使用されるとき、作動圧力範囲又は間隔内で一定の流体流れを生成するため仕切りの最適な移動を提供するように、それらの弾性特性は、選択可能であることに留意されるべきである。

本発明は、特定の例示的な実施形態を参照して記載されているが、記述は、一般的に単に発明概念を示すように意図したもので、本発明の範囲を制限するものとして受け取られるべきではない。「ハウジング」、「入口管」、及び「仕切り」のような、本発明を記述し規定するために用いられる用語は、広く解釈することができるということにまた留意すべきである。

当業者は、添付の請求範囲にて規定される本発明から逸脱することなく、実施形態に示され記載された特徴の様々な適切な変更及び組み合わせを行うことができることを理解するであろう。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る一定の流れ調整器機構の断面図を示す。 図２は、本発明の第２の実施形態に係る一定の流れ調整器機構の断面図を示す。 図３は、本発明の第１の実施形態の正面図を示す。 図４は、本発明の第３の実施形態に係る一定の流れ調整器機構の断面図を示す。 図５は、本発明の第４の実施形態に係る一定の流れ調整器機構の断面図を示す。 図６は、本発明の第５の実施形態に係る一定の流れ調整器機構の断面図を示す。 図７は、本発明の第６の実施形態に係る一定の流れ調整器機構の入口管の正面図を示す。 図８は、本発明の第７の実施形態に係る一定の流れ調整器機構の断面図を示す。 図９は、本発明の第８の実施形態に係る一定の流れ調整器機構の断面図を示す。

Claims (13)

1. 可変の流体圧力が作用するときに流体の一定流れを維持するための一定流れ調整器機構であって、
   入ってくる流体用の入口管と、
   ハウジングと、
   上記入口管に面する可動な仕切りであって、使用では上記入口管と当該仕切りとの間に可変断面積の流体通路を形成するように弾性力を受けている仕切りと、
   を備え、
   上記ハウジング及び仕切りは、上記入口管と流体が連通して上記入口管における流体圧力にほぼ等しい流体圧力が内側に確立される内部コンパートメントを形成し、
   使用では上記入口管における流体圧力が増加したとき上記流体通路の断面積を減じるため上記仕切りが弾性力に逆らって上記入口管の方へ移動し、又、その逆にも動作し、それにより一定の流体流れを維持するように、上記仕切りのサイズは、上記入口管のサイズよりも著しく大きい、
   一定流れ調整器機構。
2. 使用では、可変の流体圧力の変化に応答して上記流体通路の断面積が最適に変化し、それにより入口圧力に弾性力を加えた力と、上記内部コンパートメント内の流体圧力からの反対方向における力との間のバランスが達成されるように、上記仕切りに作用する上記弾性力の特性が選択される、請求項１記載の一定流れ調整器機構。
3. 可動な上記仕切りが過剰な流体圧力により上記入口管又は開口に接触して移動し上記流体通路を完全に閉じるのを防止し、及び上記弾性力の特性に任意に影響を与えるために、可動な上記仕切りに面する入口管又は開口のまわりの端面に、複数の突出したノブ又はリブが配置される、請求項１又は２記載の一定流れ調整器機構。
4. 上記可動な仕切りは、上記弾性力を内在する弾性のあるダイアフラムとして少なくとも部分的に作製される、請求項１から３のいずれかに記載の一定流れ調整器機構。
5. 上記内部コンパートメントと上記入口管との間の流体の連通は、上記可動の仕切りにおいて上記入口管の近くに位置する開口により得られる、請求項１から４のいずれかに記載の一定流れ調整器機構。
6. 上記内部コンパートメントと上記入口管との間の流体の連通は、独立した流体接続導管により得られる、請求項１から４のいずれかに記載の一定流れ調整器機構。
7. 上記入口管は、上記可動の仕切りに近い相対的に狭い部分と、上記入口管からさらに離れた広い部分とで形成され、上記独立の流体接続導管は、上記広い部分で上記入口管に接続される、請求項６記載の一定流れ調整器機構。
8. 上記可動の仕切りは、硬質の材料で作製され、上記弾性力は、上記可動の仕切りに作用する弾性ベローズにより得られる、請求項１から７のいずれかに記載の一定流れ調整器機構。
9. 上記弾性ベローズは、上記可動の仕切りと、上記ハウジング又は上記入口管に取り付けられる固定された支持板との間に配置される、請求項８記載の一定流れ調整器機構。
10. 流体を排出するため、内部コンパートメントの外側で上記ハウジングに配置される少なくとも一つの出口開口をさらに備えた、請求項１から９のいずれかに記載の一定流れ調整器機構。
11. 上記少なくとも一つの出口開口の断面積は、上記流体通路の断面積よりも非常に大きい、請求項１０記載の一定流れ調整器機構。
12. 上記ハウジングは、少なくとも、第１壁と、第１壁に対向する第２壁とを備え、上記入口管は、上記第１壁に配置される、請求項１から１１のいずれかに記載の一定流れ調整器機構。
13. 可変の流体圧力が作用するときに流体の一定流れを維持する方法であって、
    ハウジング及び可動の仕切りは、入ってくる流体用の入口管と流体が連通する内部コンパートメントを形成し、流体圧力は、内部コンパートメントの内側に、入口管における流体圧力にほぼ等しく確立され、
    上記可動の仕切りは、入口管に面し、かつ可変の断面積の流体通路が入口管と可動の仕切りとの間に形成されるように弾性力を受けており、可動の仕切りのサイズは、入口管のサイズよりも著しく大きく、
    上記仕切りは、入口管における流体圧力が増加したとき上記流体通路の断面積を減じるため弾性力に逆らって上記入口管の方へ移動し、又、その逆にも動作し、それにより一定の流体流れを維持する、
    方法。

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