JP4458854B2 - 流体流システム用騒音低減デバイス - Google Patents

Description

本発明は、流体流システム内の騒音低減デバイス（ｎｏｉｓｅ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｄｅｖｉｃｅ）、より具体的には流体流システム内の弁を下流で使用するための差動速度デバイスに関する。

本特許出願は、「Ｎｏｉｓｅ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ Ｄｅｖｉｃｅ ｆｏｒ Ｆｌｕｉｄ Ｆｌｏｗ Ｓｙｓｔｅｍｓ」という題名の、２００２年３月２２日に提出された米国特許出願第１０／１０４，４４７による優先権を請求する。

制御弁は、液体および圧縮性流体（ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｂｌｅ ｆｌｕｉｄ）の両方である、流体の流れを制御するためにプロセス産業（ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｎｄｕｓｔｒｙ）で使用されている。空気力学的に発生させられる騒音は、気体および蒸気の絞りプロセスに特有のものである。絞りは、流体流システム内の選択された弁を開放または閉鎖することによって生じる。

高いレベルの騒音への曝露が、流体流システムの近くで作業している人の聴覚に損傷を与える可能性があることが、一般に認められている。合衆国では、職業安全衛生管理局（ＯＳＨＡ）［Ｏｃｃｕｐａｔｉｏｎａｌ Ｓａｆｅｔｙ ａｎｄ Ｈｅａｌｔｈ Ａｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎ］が、聴覚の保護の目的で作業者の曝露騒音レベルを制限している。たとえば、現在、騒音レベルは、８時間の曝露に対してＡ特性重み付けスケール（Ａ ｗｅｉｇｈｔｅｄ ｓｃａｌｅ）での９０デシベル（ｄＢＡ）に制限されている。８５ｄＢＡへの曝露に制限している他の国もある。

騒音発生が絞りプロセスに特有のものであるため、多くの制御弁はいくつかの騒音低減方法を必要とする。しばしば、グローバルタイプの弁は、多数の小さな穿孔を備えるケージを使用して低騒音で提供されている。

よりコスト効果のある解決法が、作業条件を緩和するために望まれている。特に、適度なコストで得ることができるいくつかの形態の騒音低減が、ロータリー制御弁に対して望まれている。

中央セクションおよび外側環状セクションを備える騒音低減デバイスが、提供される。外側セクションは、デバイスを通る流体流の速度を低下させ、システムの中心流体流と比較したとき低下した速度を有する環状流体流を作成するように設計されている。環状流の速度を低下させるための好ましい方法は、流体流が、上流側開口部を通って圧力低下チャンバ内へ、次に上流側開口部よりも大きい断面積の偏移した下流側開口部を通る、段階的にされた圧力低下である。システムの中心流は、中心流内の騒音の周波数を増加させるために、騒音低減デバイスの中央セクション内の複数の開口部を通過する。デバイスは、中心流と比較して低下した速度を有する中心流を包囲する環状流による流れの体制を作成する。

本発明は、広範囲の動作条件にわたって１５〜２０デシベルの騒音低減を提供するように意図されている。一体型デバイスは、オーステナイト系のステンレス鋼などの鍛錬用材料（ｗｒｏｕｇｈｔ ｍａｔｅｒｉａｌ）から容易に機械加工される。穿孔にもかかわらず、肉厚のセクションは、流れに誘発される振動による故障を防止するために、極度に高い特有周波数を与える。

類似の符号が図面全体を通じて類似のまたは同様の部品を表している図面を、ここで参照する。

図１、２および３をここで参照すると、騒音低減デバイス１０は、中央セクション（ｃｅｎｔｒａｌ ｓｅｃｔｉｏｎ）１２および外側環状セクション１４を有する円形のディスクを備える。中央セクション１２は、ディスクを通って延びる複数の中央開口部１６を含んでいる。外側環状セクション１４は、下流側開口部２２と連絡している圧力低下チャンバ２０（ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｃｈａｍｂｅｒ）と連絡している上流側開口部１８を有する。騒音低減デバイス１０は、その全外周の周囲に溝２６が切り込まれた外側周縁表面２４を有する。溝２６は、図７に示すように、デバイスが流体流システム内に配置されたとき、圧力低下チャンバ２０を形成する。図１に示す実施形態での中央セクション１２は、上流側くぼみ２８および下流側くぼみ３０をさらに備える。外側環状セクション１４は、下流側フィン３２および環状のくぼみ３４を有してもよい。環状のくぼみ３４は、下流側開口部２２と連絡しており、下流側フィン３２によって下流側くぼみ３０から分離されている。下流側フィン３２と連結しているくぼみ２８、３０および３２は、中央セクション１２を通る中心流体流と環状セクション１４を通る環状流体流の間の分離を強化する。

各上流側開口部１８は、流れ方向とほぼ平行に延びる軸３６を有する。各下流側開口部２２は、流れ方向とほぼ平行に延びる軸３８を有する。図１、２および３に示す好ましい実施形態では、上流側の軸３６は５度だけ下流側の軸３８から偏移している。上流側の軸と下流側軸の間の偏移は、チャンバ２０内の圧力低下を強化し、図のそれぞれに示されている。図３では、開口部２２が示されているが、開口部１８は影になっており、５度の回転角だけ開口部２２から偏移している。図２では、開口部１８が示されているが、開口部２２は影になっており、５度の回転角だけ開口部１８から偏移している。図１は、主切断図の一部として開口部２２を示しているが、開口部１８は、部分切断図の一部として示されており、開口部１８が開口部２２と同一平面内にはないことを示している。部分切断図は、最初に開口部１８を通ってチャンバ２０内に入り、次にチャンバ２０から出て開口部２２を通過する環状セクション１４内での流体の通過を示すために使用されている。図４、５および６は、同じ偏移を示すために同様の方式で描かれている。

ここで図４、５および６を参照すると、本発明の第２の実施形態が示されている。騒音低減デバイス４０は、騒音低減デバイス１０と同様である。騒音低減デバイス４０は、中央セクション４２および外側環状セクション４４を備える。中央セクション４２は、中央開口部４６を有する。外側環状セクション４４は、下流側開口部５２と連絡している圧力低下チャンバ５０と連絡している上流側開口部４８を有する。騒音低減デバイス４０は、騒音低減チャンバ５０を形成するためにその全外周の周囲に溝５６が切り込まれた外側周縁表面５４を有する。

騒音低減デバイス４０は、騒音低減デバイス１０で示したように、上流側くぼみ、下流側くぼみ、下流側フィン、または環状のくぼみを有さない。騒音低減デバイス４０は、分離および速度低下を外側セクション４４と中央セクション４２の間に生じる圧力差に頼っている。上流側開口部４８は、上流側軸６６を有し、下流側開口部５２は、下流側軸６８を有する。上流側軸６６は、図５および６に示すように５度だけ下流側軸６８から偏移している。

騒音低減デバイス１０および４０は、本発明の２つの実施形態を示している。他の実施形態は、それぞれの選択された特徴を備えてもよい。たとえば、第３の実施形態は、デバイス１０と同様であるが、環状のくぼみ３４および下流側フィン３２がなくてもよい。このような第３の実施形態は、デバイス４０と同様であるとして説明されてもよいが、デバイス１０からの上流のくぼみ２８および下流のくぼみ３０を追加して記載されてもよい。当業者ならわかるように、他の多くの実施形態も本発明の範囲内にある。

図７を参照すると、弁システム７０が、上流側取入口７２および円筒形の下流側排出口７４を備えて示されている。本発明の騒音低減デバイス１０は、下流側排出口７４内に挿入されるとして示されている。下流側排出口７４が排出口ねじ７６と螺合され、騒音低減デバイス１０が、外部表面２４上に対合ねじ山７８を有してもよい。ねじ山７８は、下流側排出口７４内の騒音低減デバイス１０を抑制するために排出口ねじ山７６と係合する。排出口内で騒音低減デバイス１０を固定する他の方法が使用されてもよいことが、当業者ならわかるであろう。

騒音低減デバイス１０および騒音低減デバイス４０は両方、流体流システム内の流れを内側の中心流体流と外側の環状流体流を分離するように設計されている。デバイス１０および４０およびデバイスの他の実施形態は、外側の環状流体流内の圧力を段階的な方式で低下させ、それによって内側中心流に対する外側環状流の速度を低下させる。

騒音低減デバイス１０または４０は、３つの特定可能なメカニズムによって配管システムの外部を取り囲む空気に伝達される騒音の低減を達成する。第１のメカニズムは、流体内での騒音発生を低下させられる。環状流と中心流の間の速度差が、単一の流れ場を作成するデバイスと比較して空気力学的に発生させられる騒音を低減させる。亜音速流（ｓｕｂｓｏｎｉｃ ｆｌｏｗ）では、騒音低減は、騒音を生じさせる乱流の強度の低下による。音速流状態では、騒音低減は、乱流の衝撃セル（ｓｈｏｃｋ ｃｅｌｌ）との相互作用の低減による。これらの流体メカニズムを通じて、流体の発生騒音が低減される。

第２のメカニズムは、高周波騒音の発生を通じてである。開口部１６などの小さな開口部を通る流体は、高周波の騒音を生成する。管壁の伝達損失は、駆動周波数に依存する。特定の管のサイズおよび壁圧に対する、所与の流体での最小の伝達損失は、最低の一致周波数である。伝達損失の最低領域は、最低の一致周波数とリング周波数（ｒｉｎｇ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）の間になる。中央開口部１６または４６などの、小さな開口部を通る流れは、下流の配管の一致およびリング周波数以上にあるように意図された高周波騒音を生成する。結果として増加する伝達損失は、配管システムの外部を包囲する空気中で知覚される騒音の低減に対して極めて有用である。

第３のメカニズムは、管壁に隣接する下流の速度の影響である。通常、配管の外部で知覚される騒音は、同じ内部騒音レベルを有するときでさえも、下流速度の増加とともに増加する。下流の管壁に沿った環状流の速度は、騒音低減デバイス１０または４０内での圧力の段階化（ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｔａｇｉｎｇ）によって低下させられる。下流の管壁に沿ったより低い速度は、下流の速度の影響を低減させ、それによって知覚される騒音レベルを低下させる。

本発明を、少なくとも２つの実施形態で説明し、図示してきたが、頭記の特許請求の範囲内に維持しながら、これらの実施形態に対して修正を行うことができる。好ましい実施形態のすべての開口部は円形であり、これは、穿孔手法である、好ましい実施形態の最も容易な公知の製造方法を反映していることを当業者ならわかるであろう。デバイスは、矩形の開口部、正方形の開口部、楕円形の開口部、六角形の開口部などの他の形状の開口部でも等しく動作するであろう。デバイスの中央セクションの開口部が、開口部の間に等しい間隔を作成するために六角形状に配置されていることにも留意されたい。この六角形状の間隔は、開口部の間に等しい間隔を達成するための好ましい方法であるが、他の間隔でも動作するであろう。本発明の範囲内でのさらなる修正は、上流の開口部と下流の開口部の間の偏移をさらに調整することであろう。ここに図示および説明した方法、装置およびシステムは、好ましい実施形態であるとして特徴付けられているが、頭記の特許請求の範囲で定義したような本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更および修正を行うことができることは明らかであろう。

本発明の好ましい実施形態の側部断面図である。 上流側からの図１のデバイスの前面図である。 下流側からの図１のデバイスの背面図である。 本発明の第２の実施形態の側部断面図である。 上流側からの図４の実施形態の前面図である。 下流側からの図４の実施形態の背面図である。 本発明による弁システムの実施形態の上部断面図である。

Claims (13)

1. 複数の貫通する開口部（１６、４６）を備える円形の内側の中央セクション（１２、４２）と、
   上流側の複数の貫通する開口部（１８、４８）および下流側の複数の貫通する開口部（２２、５２）を備える周辺の外側環状セクション（１４、４４）と、
   を備え、
   前記外側環状セクション（１４、４４）の下流側の複数の貫通する開口部の横断面積の合計の横断面積を、前記円形の内側の中央セクション（１２、４２）の複数の貫通する開口部の横断面積の合計の横断面積よりも小さくし、
   前記外側環状セクション（１４、４４）が、前記上流側の貫通する開口部（１８、４８）と前記下流側の貫通する開口部（２２、５２）との間に圧力低下チャンバ（２０、５０）を備え、前記圧力低下チャンバ（２０、５０）が、前記外側環状セクション（１４、４４）の外側周縁表面内の溝（２６、５６）によって形成され、前記外側環状セクション（１４、４４）の前記上流側の貫通する開口部（１８、４８）が前記圧力低下チャンバ（２０、５０）と連通し、前記下流側の貫通する開口部（２２、５２）が前記圧力低下チャンバ（２０、５０）と連通している、流体流システム用の騒音低減デバイス（１０、４０）。
2. 前記中央セクション（１２）の前記貫通する開口部が、互いに等しく間隔を置いて配置されている、請求項１に記載の騒音低減デバイス（１０、４０）。
3. 前記外側環状セクション（１４、４４）の前記上流側の複数の貫通する開口部（１８、４８）を、前記外側環状セクション（１４、４４）の前記下流側の複数の貫通する開口部（２２、５２）よりも小さくしている、請求項１に記載の騒音低減デバイス（１０、４０）。
4. 流体流システム（７０）内への流体の流れを制御するための、少なくとも１つの弁であって、下流側排出口（７４）を持つ弁を備えた前記流体流システム（７０）から伝達される騒音を低減させるための方法において、
   前記少なくとも１つの弁の下流側の流体流を、円形の内側の中央セクション（１２、４２）と、外側環状セクション（１４、４４）とを持ち、前記弁の下流側排出口（７４）に直接取付けられたデバイス（１０、４０）を前記弁の下流側の流体流を通過させることによって、同軸の第１の内側の中心流体流部分と、第２の外側の周辺の環状流体流部分とに分離するステップと、
   前記第１の内側の中心流体流部分を、複数の貫通する開口部（１６、４６）を通過させて前記円形の内側の中央セクション（１２、４２）を通過させ、前記第２の周辺の環状流体流部分を、上流側において複数の貫通する開口部（１８、４８）及び下流側において複数の貫通する開口部（２２、５２）を持つ外側環状セクション（１４、４４）を通過させることによって、前記第２の周辺の環状流体流部分の速度を前記第１の中心流体流部に対して減少させるステップであって、前記外側環状セクション（１４、４４）の前記複数の下流側の貫通する開口部の全体断面積を、前記円形の内側の中央セクション（１２、４２）の複数の貫通開口部の全体断面積より小さくして成るステップと、
   を備え、
   さらに前記外側環状セクション（１４、４４）が、前記上流側の貫通する開口部（１８、４８）と、前記下流側の貫通する開口部（２２、５２）との間に配置した圧力低下チャンバ（２０、５０）を備え、
   前記圧力低下チャンバ（２０、５０）を、前記外側環状セクション（１４、４４）の周辺外面の溝（２６、５６）と、前記圧力低下チャンバ（２０、５０）と連通する前記外側環状セクション（１４、４４）の前記上流側の貫通する開口部（１８、４８）と、前記圧力低下チャンバ（２０、５０）と連通する前記下流側の貫通する開口部（２２、５２）とにより形成して成る、
   方法。
5. 前記中心流体流内の騒音の周波数を、前記第１の内部の中心流体流部分を前記内側の中央セクション（１２、４２）を貫く前記複数の貫通する開口部（１６、４６）を通過させることによって増加させる、請求項４に記載の方法。
6. 速度の低下が、前記第２の外側の環状流体流部分内の段階的にされた圧力低下によって達成される、請求項４に記載の方法。
7. 上流側取入口（７２）および下流側排出口（７４）を備える弁と、
   ある速度を有する、前記上流側取入口（７２）から前記下流側排出口（７４）を通る流体流と、
   前記弁の下流側排出口（７４）内に配置された請求項１ないし３のいずれか１つに記載された騒音低減デバイス（１０、４０）と、
   を備えた流体流システム（７０）。
8. 前記内側の中央セクション（１２）の貫通する開口部（１６）の下流側、および前記外側環状セクション（１４）の下流側の貫通する開口部（２２）の下流側、および前記内側の中央セクション（１２）と前記外側環状セクション（１４）との間に配置されたフィン（３２）を備え、前記フィン（３２）が、前記第１の内側の中心流体流部分と前記第２の外側の周辺の環状の流体流部分との間の分離を容易にする、請求項１に記載の騒音低減デバイス（１０）。
9. 前記内側の中央セクション（１２、４２）の貫通する開口部（１６、４６）が、前記外側環状セクション（１４、４４）の下流側の貫通する開口部（２２、５２）の上流側にある、請求項１に記載の騒音低減デバイス（１０）。
10. 前記内側の中央セクション（１２）の貫通する開口部（１６）の下流側、および外側環状セクション（１４）の下流側の貫通する開口部（２２）の下流側、および前記内側の中央セクション（１２）と前記外側環状セクション（１４）との間の下流側に配置したフィン（３２）を備え、前記フィン（３２）が、第１の内側の中心流体流部分と前記第２の外側周辺の環状流体流部分との間の分離を容易にする、請求項７に記載の流体流システム（７０）。
11. 前記内側の中央セクション（１２、４２）の貫通する開口部（１６、４６）が、前記外側環状セクション（１４、４４）の下流側の貫通する開口部（２２、５２）の上流側にある、請求項７に記載の流体流システム（７０）。
12. 前記外側環状セクション（１４、４４）の上流側の貫通する開口部（１８、４８）が、前記外側環状セクション（１４、４４）の下流側の貫通する開口部（２２、５２）から軸線が偏移している請求項７の流体流システム（７０）。
13. 前記外側環状セクション（１４、４４）の上流側の貫通する開口部（１８、４８）が、前記外側環状セクション（１４、４４）の下流側の貫通する開口部（２２、５２）から軸線が偏移している請求項１の騒音低減デバイス（１０、４０）。

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