JP3815669B2 - ボールバルブ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ボールバルブに関し、特に、ボールバルブを高温下で使用した場合におけるシール性の向上に適用して有効な技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
今日においては、プラント配管など様々な配管が普及しており、これらの配管内の流体を制御するために種々のバルブが使用されている。
【０００３】
ここで、配管を流れる流体の流量を指数関数的に制御するバルブとして、Ｖ字形の貫通孔を有するボールを備えたボールバルブがある。
【０００４】
Ｖ字形の貫通孔を有するボールを備えた従来のボールバルブについて説明する。
【０００５】
このボールバルブは、前述したＶ字形の貫通孔の形成されたボールをハウジング内に形成された流路上に回動自在に配置し、このボールを回動して貫通孔と流路とを連通したり遮断したりすることにより流路を開閉するものである。ボールの外周面に接触して環状のボールシートが設けられており、このボールシートはシートリテーナに保持されている。シートリテーナはスプリングによりボール側に付勢されて流路の軸方向に変位可能に配置されている。
【０００６】
このようなボールでは、ボールの回転によりＶ字形の貫通孔がボールシートを貫通孔から掻き出そうとする現象、つまり掻き出し現象によりボールシートがシートリテーナから浮き上がるように変形するため、円形形状の貫通孔を有するボールと比較して弁操作トルクが大きくなる。すると、ボールを回転させるためのアクチュエータが大きくなり、製品コストが高くなってしまう。
【０００７】
また、ボールシートの変形により、変形部分から流体が漏れだし、ボールバルブのシール性が大幅に低下してしまう。
【０００８】
さらに、ボールシートの変形により、ボールシートには芯ずれや偏摩耗などが生じて、ボールバルブのシール性を安定して維持することができない。
【０００９】
そして、蒸気等の高温流体によりボールシートが軟化した場合にはボールシートの変形量が大きくなり、より一層大きな問題となる。
【００１０】
このようなボールシートの変形を防止するためには、ボールシートを接着剤によりシートリテーナに固定することが考えられるが、たとえば使用する流体が蒸気の場合などを考慮すると、安易に接着剤を使用することはできない。
【００１１】
このような問題点を解決するために、特開平９−２１０２２４号公報には、トラニオン形の蒸気用ボールバルブについて、シートホルダの先端を内側に屈曲してかしめることによりボールシートを押圧保持する技術が開示されている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この技術によれば、かしめによりボールシートに歪みが発生するおそれがあり、なお安定したシール性を得られない。
【００１３】
また、ボールシートがシートホルダに固定されていることから、ボールシートの一定個所だけがボールの貫通孔と擦れ合うことになり、依然としてボールシートの偏摩耗が発生してしまう。
【００１４】
さらに、かしめを行うためのプレス機が必要になって製造単価が高くなってしまう。
【００１５】
そして、かしめによる方法では、ボールシートの交換が必要となった場合、ボールシートのみを取り外すことができず、シートホルダごと交換しなければならないので、交換費用が割高となる。
【００１６】
そこで、本発明は、ボールシートによる安定したシール性を得ることのできるボールバルブを提供することを目的とする。
【００１７】
また、本発明は、ボールシートの偏摩耗を防止することのできるボールバルブを提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明に係るボールバルブは、ハウジング内に形成された流路上にステムに支持されて回動自在に配置され、前記流路と連通する貫通孔が形成されて当該貫通孔により前記流路を開閉する方向に前記ステムの操作により回動するボールと、前記ボールに当接して設けられた環状のボールシートと、前記流路内において当該流路の軸方向に変位可能に設けられ、前記ボールシートの外周との間に隙間を設けた状態で当該ボールシートを保持する環状のシート保持部と、前記シート保持部の前記ボールと反対側に設けられ、前記シート保持部を前記ボール側に押圧して前記ボールシートを前記ボールに圧接するシートスプリングとを有し、前記ボールシートは、前記ハウジングと前記ボールとで囲まれたボディキャビティと前記流路との間をシールした状態で、前記シート保持部とは独立して前記ボールの回転に伴って周方向に回転することを特徴とする。
【００１９】
このような発明によれば、ボールシートはその外周がシート保持部と隙間を持った状態でシートスプリングの力によりボールに圧接されてシート保持部に保持されているので、ボールシートに歪みが発生するおそれはなく、安定したシール性を得ることが可能になる。
【００２０】
また、ボールの回転により、ボールシートがシート保持部とは独立してその周方向に回転するので、ボールシートのボールとの接触位置が変動してボールシートの局部的な変形や偏摩耗が防止される。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつさらに具体的に説明する。ここで、添付図面において同一の部材には同一の符号を付しており、また、重複した説明は省略されている。なお、発明の実施の形態は、本発明が実施される特に有用な形態としてのものであり、本発明がその実施の形態に限定されるものではない。
【００２２】
図１は本発明の一実施の形態であるボールバルブを示す断面図、図２は図１のボールバルブの要部を示す断面図、図３は図１のボールバルブにおいてシートリテーナにはめ込まれるボールシートを連続的に示す断面図、図４は図１のボールバルブにおいてボールを回転した場合のボールシートの動きを示す説明図、図５は本発明の他の実施の形態であるボールバルブの要部を示す断面図、図６は本発明のさらに他の実施の形態であるボールバルブの要部を示す断面図、図７は本発明のさらに他の実施の形態であるボールバルブの要部を示す断面図、図８は本発明のさらに他の実施の形態であるボールバルブの要部を示す断面図である。
【００２３】
図１および図２に示す本実施の形態のボールバルブにおいて、ハウジング１０はボディー１０ａとボンネット１０ｂとで構成されており、内部に円筒状の流路１１が形成されたトップエントリ形の構造となっている。但し、サイドエントリ形など、他の構造であってもよい。
【００２４】
ハウジング１０の内部には、流路１１と連通するＶ字形の貫通孔１２ａ（図４参照）が形成されたボール１２が流路１１上に配置されている。このボール１２は流路１１と直交する方向に配置されて図示しない電動アクチュエータにより回転される一対のステム１３ａ，１３ｂに支持されており、ステム１３ａ，１３ｂを回動支点として貫通孔１２ａにより流路１１を開閉する方向に回動自在に装着されている。そして、Ｖ字形の貫通孔１２ａにより、流体の流量は指数関数的に制御される。
【００２５】
ここで、ボール１２は金属製または樹脂製、あるいはセラミック製であり、金属製の場合には、たとえばステンレス鋼、炭素鋼、ダクタイル、鋳鉄、青銅、黄銅、ステライトなどが、樹脂製の場合には、たとえばフッ素樹脂やナイロン樹脂などが用いられる。
【００２６】
なお、ステム１３ａ，１３ｂの周辺には、ハウジング１０とボール１２とで一部が囲まれた空間であるボディーキャビティ１４が形成されている。また、ステム１３ａとボンネット１０ｂとの間は、Ｏリング１５でシールされている。
【００２７】
図２に詳しく示すように、流路１１とボディーキャビティ１４との間をシールして、流体が流路１１から漏出するのを防止するため、環状のボールシート１６が、ボール１２の外周面に当接して設けられている。したがって、ボール１２はこのボールシート１６と摺動しながら回動する。なお、ボールシート１６は、フッ素樹脂などの樹脂製、または合成ゴムなどのゴム製の材料で成形されているが、金属製であってもよい。また、本実施の形態では、ボールシート１６はボール１２の一方側にしか設けられていないが、両側に設けてもよい。
【００２８】
ボールシート１６は環状のシートリテーナ（シート保持部）１７に保持されている。このシートリテーナ１７は流路１１の軸方向に変位可能に設けられており、シートリテーナ１７のボール１２と反対側には、インサート１８が配置されている。そして、シートリテーナ１７とインサート１８との間にはシートスプリング１９がはめ込まれており、ボールシート１６はシートリテーナ１７を介してこのシートスプリング１９により略一定の力でボール１２に圧接されている。
【００２９】
なお、シートリテーナ１７とボディー１０ａとの間、インサート１８とボディー１０ａとの間、およびシートリテーナ１７とインサート１８との間は、Ｏリング２０，２１，２２によってシールされている。
【００３０】
ここで、ボールシート１６は回転自在にシートリテーナ１７に保持されている。つまり、図２に示すように、ボールシート１６には、突起部（第１の係止部）１６ａが外周の周方向に形成されている。また、シートリテーナ１７には、この突起部１６ａと嵌合する溝部（第２の係止部）１７ａが内周の周方向に形成されている。そして、ボールシート１６の外周とシートリテーナ１７との間に隙間を確保した状態で溝部１７ａが突起部１６ａと嵌合することにより、ボールシート１６は、シートリテーナ１７とは独立してその周方向に回転自在にシートリテーナ１７に保持される。
【００３１】
なお、突起部１６ａおよび溝部１７ａは、必ずしも全周に設ける必要はないが、たとえばボールシート１６の突起部１６ａを部分的に設けた場合、シートリテーナ１７の溝部１７ａは全周に渡って形成する。
【００３２】
また、ボールシート１６の外周には、このボールシート１６の挿入方向先端に形成されて、シートリテーナ１７の開口部の先端内径よりも小さな先端径の導入部２３ａと、導入部２３ａと突起部１６ａとの間に形成され、当該導入部２３ａから突起部１６ａに向かってシートリテーナ１７の開口部の先端内径よりも徐々に大きな径となるテーパ部２３ｂとからなる挿入ガイド部２３が形成されており、ボールシート１６をシートリテーナ１７にスムーズにはめ込むことができる配慮がなされている。
【００３３】
すなわち、ボールシート１６をシートリテーナ１７にはめ込む際には、図３（ａ）に示すように、先ず導入部２３ａをシートリテーナ１７の内径に合わせる。このような状態からボールシート１６をシートリテーナ１７に挿入していくと、図３（ｂ）に示すように、テーパ部２３ｂに案内されるので、ボールシート１６が調芯されるとともに、シートリテーナ１７によって押圧されることによる突起部１６ａの縮径が円滑に行われて、ボールシート１６がスムーズにシートリテーナ１７に入り込んで行く。そして、さらにボールシート１６を挿入すると、図３（ｃ）に示すように、突起部１６ａがシートリテーナ１７による押圧縮径から解放されて元の寸法に拡径するとボールシート１６の突起部１６ａとシートリテーナ１７の溝部１７ａとが隙間を持って嵌合して、ボールシート１６が完全にシートリテーナ１７に装着保持される。
【００３４】
このようにして、ボールシート１６の弾性（ボールシート１６が樹脂製であればその材質に起因する弾性、ボールシート１６が金属製やセラミック製であればその形状に起因する弾性）を利用して、ボールシート１６の突起部１６ａが拡縮することにより、ボールシート１６はワンタッチでシートリテーナ１７に装着保持される。
【００３５】
ここで、ボールシート１６が金属製やセラミック製の場合には、たとえば図８に示すように、径方向の断面が略Ｊ字形となって径方向に弾性変形可能な係止部１６ｄ（第１の係止部）を形成する。
【００３６】
なお、導入部２３ａの幅はボールシート１６の厚さの６０％以下が適当である。また、テーパ部２３ｂの挿入角θは２０〜４０°が適当であり、望ましくは３０°がよい。
【００３７】
ここで、隙間は、ボールシート１６の挿入方向先端にはなく、ボールシート１６の外周、特にシートリテーナ１７との係止部周辺に確保される。
【００３８】
ボールシート１６とシートリテーナ１７との間には、ボールシート１６の熱膨張代以上の隙間が形成されている。このような隙間により、熱膨張してもボールシート１６はシートリテーナ１７に押さえ付けられることがないので、ボールバルブを常温流体のみならず高温流体に適用してもボールシート１６はシートリテーナ１７に回転自在に保持され、また歪みの発生も防止される。
【００３９】
さらに、ボールシート１６は、その挿入側と反対面１６ｃが、シートリテーナ１７の先端面１７ｃと同一面となってシートリテーナ１７に保持されている。したがって、ボールシート１６が正しく挿入されるとボールシート１６とシートリテーナ１７とが同一面となるので、同一面になっているかどうかをチェックするだけで装着の確実性が図れるようになっている。
【００４０】
ここで、突起部１６ａの外径はボールシート１６の口径の１１０〜１６０％程度とすることができる。あるいは、呼び径１２５Ａまでのボールシート１６の場合における突起部１６ａの張り出し寸法を０．２〜３ｍｍ、呼び径１２５Ａを超えるボールシート１６の場合における突起部１６ａの張り出し寸法を０．８〜６ｍｍとすることができる。なお、本実施の形態における呼び径１５Ａのボールシート１６の場合、突起部１６ａの張り出し寸法は０．３ｍｍとなっており、前述の隙間を考慮してシートリテーナ１７に係止される寸法としている。
【００４１】
このような構造を有するボールバルブにおいて、ステム１３ａ，１３ｂによりボール１２を所定量回動して貫通孔１２ａを流路１１と連通させて流路１１を開放し、所望量の流体が管路を流れるように制御する。
【００４２】
このとき、シートスプリング１９によりボールシート１６とシートリテーナ１７との間の押圧力が自動調整されるので、液状ガスケットのようなシール部材を用いることなく、ボールシート１６とシートリテーナ１７との接触面のシール性が確保される。
【００４３】
なお、ボールシート１６の接触面をテーパ状としたり、接触面に凹凸を設けるなどして、さらにシール性を上げてもよい。
【００４４】
ここで、本発明者は、本願のボールバルブと従来のボールバルブとの比較試験を行った。
【００４５】
使用流体には、絶対圧力１ＭＰａ、飽和温度１８０℃の飽和蒸気を用いた。また、何れのボールバルブも、シートリテーナの材質はＣＡＣ４０６（ＪＩＳ）、ボールシートの材質はたとえばカーボンファイバやグラファイト入りのＰＴＦＥなどのフッ素樹脂系部材とし、ボールはＶ字形の貫通孔を有するボールとした。
【００４６】
２，０００回の耐久試験後の弁操作トルクは、従来のボールバルブでは、常温において４Ｎ・ｍ、飽和温度において１２．１６Ｎ・ｍであった。これは、前述した掻き出し現象によりボールシートが変形して弁操作トルクが次第に上昇したためと考えられる。
【００４７】
これに対し、本願のボールバルブの弁操作トルクは、常温において３．４Ｎ・ｍ、飽和温度においても３．４Ｎ・ｍであった。これは、従来のボールバルブに比べて、常温で約１５％、飽和温度で約７２％、弁操作トルクが低減したことになる。
【００４８】
このように、本実施の形態によれば、ボールシート１６はその外周がシート保リテーナ１７と隙間を持った状態でシートスプリング１９の力によりボール１２に圧接されてシートリテーナ１７に保持されているので、シートリテーナ１７にかしめたときのようにボールシート１６に歪みが発生するおそれはなく、安定したシール性が得られる。
【００４９】
また、図４に示すように、ボール１２の回転により、ボールシート１６がシートリテーナ１７とは独立してその周方向に回転するので、ボールシート１６のボールとの接触位置が変動してボールシート１６の局部的な変形や偏摩耗が防止され、安定したシール性を得ることができる。
【００５０】
さらに、ボールシート１６はシートリテーナ１７にはめ込まれて保持されているので、ボール１２を回転したときのボールシート１６の浮き上がりが防止されて、ボールシート１６とボールとの接触面圧の上昇、すなわち弁操作トルクの上昇が抑制される。
【００５１】
さらに、シートリテーナ１７にボールシート１６をはめ込むだけでボールシート１６がシートリテーナ１７に保持されるので、ボールシート１６の組み込みを容易に行うことが可能になる。
【００５２】
シートリテーナ１７にボールシート１６を保持させた状態でボールバルブの組み立てを行うことができるので、ボールシート１６がシートリテーナ１７から離脱しないような特別な配慮は不要になり、組み立て作業を容易に行うことが可能になる。
【００５３】
そして、ボールシート１６をシートリテーナ１７にかしめるとボールシート１６の取り外しが困難になるが、本願によればボールシート１６とシートリテーナ１７との嵌合を解除することによって容易にボールシート１６をシートリテーナ１７から取り外すことができるので、ボールバルブのメンテナンスの際にボールシート１６のみを交換することが可能になる。
【００５４】
なお、シートリテーナ１７に形成された溝部１７ａの幅は、図５に示すように、ボールシート１６の突起部１６ａの幅と略等しく形成してもよい。
【００５５】
この場合、シートリテーナ１７の内周奥部に段部が形成され、この段部によってもボールシート１６の浮き上がりを抑えることができる。
【００５６】
また、以上の説明においては、ボールシート１６の挿入側と反対面１６ｃがシートリテーナ１７の先端面１７ｃと同一面となってシートリテーナ１７に保持されるようになっているが、図６に示すように、ボールシート１６の挿入側と反対面がシートリテーナ１７の先端面よりも内側に位置した状態でシートリテーナ１７に保持されるようになっていても、あるいは、逆に、ボールシート１６の挿入側と反対面がシートリテーナ１７の先端面よりも外側に位置した状態でシートリテーナ１７に保持されるようになっていてもよい。
【００５７】
さらに、図７に示すように、ボールシート１６に第１の係止部として溝部１６ｂを形成し、シートリテーナ１７に第２の係止部として突起部１７ｂを形成してもよい。
【００５８】
さらに、本実施の形態では、シートリテーナ１７がボールシート１６を保持するシート保持部となっているが、ボディー１０ａやボンネット１０ｂ、あるいはボールバルブの構造によってはキャップ等、様々な部材がボールシート１６を保持するシート保持部となることができる。
【００５９】
なお、本発明は、トラニオン形のみならず、フローティング形など、種々の形態のボールバルブに適用することができる。
【００６０】
そして、本実施の形態のボールバルブは、ボール１２に形成された貫通孔１２ａの形状がＶ字形であるが、たとえば円形など、Ｖ字形以外の形状の貫通孔を有するボールを備えたボールバルブに適用することもできる。
【００６１】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば以下の効果を奏することができる。
【００６２】
(1).ボールシートはその外周が隙間を持った状態でボールに圧接されてシート保持部に保持されているので、シート保持部にかしめたときのようにボールシートに歪みが発生するおそれはなく、安定したシール性を得ることが可能になる。
【００６３】
(2).ボールの回転により、ボールシートがシート保持部とは独立してその周方向に回転するので、ボールシートのボールとの接触位置が変動してボールシートの局部的な変形や偏摩耗が防止され、安定したシール性を得ることができる。
【００６４】
(3).ボールシートはシート保持部にはめ込まれて保持されているので、ボールを回転したときのボールシートの浮き上がりが防止されて、ボールシートとボールとの接触面圧の上昇、すなわち弁操作トルクの上昇が抑制される。
【００６５】
(4).シート保持部にボールシートをはめ込むだけでボールシートがシート保持部に保持されので、かしめやボルト留めといった工数のかかる作業をすることなく、ボールシートの組み込みを容易に行うことが可能になる。
【００６６】
(5).シート保持部にボールシートを保持させた状態でボールバルブの組み立てを行うことができるので、ボールシートがシート保持部から離脱しないような特別な配慮は不要になり、組み立て作業を容易に行うことが可能になる。
【００６７】
(6).ボールシートをシート保持部にかしめるとボールシートの取り外しが困難になるが、本願によればボールシートとシート保持部との嵌合を解除することによって容易にボールシートをシート保持部から取り外すことができるので、ボールバルブのメンテナンスの際にボールシートのみを交換することが可能になる。
【００６８】
(7).ボールシートに挿入ガイド部を形成すれば、ボールシートをシート保持部にスムーズにはめ込むことができる。
【００６９】
(8).ボールシートとシート保持部との間にボールシートの熱膨張代以上の隙間を形成すれば、熱膨張してもボールシートはシート保持部に押さえ付けられることがないので、ボールバルブを常温流体のみならず高温流体に適用してもボールシートはシート保持部に回転自在に保持され、また歪みの発生も防止される。
【００７０】
(9).さらに、ボールシートの挿入側と反対面がシート保持部の先端面と同一面となってシート保持部に保持されるようにすれば、両者が同一面になっているかどうかをチェックすることにより装着の確実性を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態であるボールバルブを示す断面図である。
【図２】図１のボールバルブの要部を示す断面図である。
【図３】図１のボールバルブにおいてシートリテーナにはめ込まれるボールシートを連続的に示す断面図である。
【図４】図１のボールバルブにおいてボールを回転した場合のボールシートの動きを示す説明図である。
【図５】本発明の他の実施の形態であるボールバルブの要部を示す断面図である。
【図６】本発明のさらに他の実施の形態であるボールバルブの要部を示す断面図である。
【図７】本発明のさらに他の実施の形態であるボールバルブの要部を示す断面図である。
【図８】本発明のさらに他の実施の形態であるボールバルブの要部を示す断面図である。
【符号の説明】
１０ ハウジング
１０ａ ボディー
１０ｂ ボンネット
１１ 流路
１２ ボール
１２ａ 貫通孔
１３ａ，１３ｂ ステム
１４ ボディーキャビティ
１５ Ｏリング
１６ ボールシート
１６ａ 突起部（第１の係止部）
１６ｂ 溝部（第１の係止部）
１６ｃ 反対面
１６ｄ 係止部（第１の係止部）
１７ シートリテーナ（シート保持部）
１７ａ 溝部（第２の係止部）
１７ｂ 突起部（第２の係止部）
１７ｃ 先端面
１８ インサート
１９ シートスプリング
２０，２１，２２ Ｏリング
２３ 挿入ガイド部
２３ａ 導入部
２３ｂ テーパ部
θ 挿入角
【発明の属する技術分野】
本発明は、ボールバルブに関し、特に、ボールバルブを高温下で使用した場合におけるシール性の向上に適用して有効な技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
今日においては、プラント配管など様々な配管が普及しており、これらの配管内の流体を制御するために種々のバルブが使用されている。
【０００３】
ここで、配管を流れる流体の流量を指数関数的に制御するバルブとして、Ｖ字形の貫通孔を有するボールを備えたボールバルブがある。
【０００４】
Ｖ字形の貫通孔を有するボールを備えた従来のボールバルブについて説明する。
【０００５】
このボールバルブは、前述したＶ字形の貫通孔の形成されたボールをハウジング内に形成された流路上に回動自在に配置し、このボールを回動して貫通孔と流路とを連通したり遮断したりすることにより流路を開閉するものである。ボールの外周面に接触して環状のボールシートが設けられており、このボールシートはシートリテーナに保持されている。シートリテーナはスプリングによりボール側に付勢されて流路の軸方向に変位可能に配置されている。
【０００６】
このようなボールでは、ボールの回転によりＶ字形の貫通孔がボールシートを貫通孔から掻き出そうとする現象、つまり掻き出し現象によりボールシートがシートリテーナから浮き上がるように変形するため、円形形状の貫通孔を有するボールと比較して弁操作トルクが大きくなる。すると、ボールを回転させるためのアクチュエータが大きくなり、製品コストが高くなってしまう。
【０００７】
また、ボールシートの変形により、変形部分から流体が漏れだし、ボールバルブのシール性が大幅に低下してしまう。
【０００８】
さらに、ボールシートの変形により、ボールシートには芯ずれや偏摩耗などが生じて、ボールバルブのシール性を安定して維持することができない。
【０００９】
そして、蒸気等の高温流体によりボールシートが軟化した場合にはボールシートの変形量が大きくなり、より一層大きな問題となる。
【００１０】
このようなボールシートの変形を防止するためには、ボールシートを接着剤によりシートリテーナに固定することが考えられるが、たとえば使用する流体が蒸気の場合などを考慮すると、安易に接着剤を使用することはできない。
【００１１】
このような問題点を解決するために、特開平９−２１０２２４号公報には、トラニオン形の蒸気用ボールバルブについて、シートホルダの先端を内側に屈曲してかしめることによりボールシートを押圧保持する技術が開示されている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この技術によれば、かしめによりボールシートに歪みが発生するおそれがあり、なお安定したシール性を得られない。
【００１３】
また、ボールシートがシートホルダに固定されていることから、ボールシートの一定個所だけがボールの貫通孔と擦れ合うことになり、依然としてボールシートの偏摩耗が発生してしまう。
【００１４】
さらに、かしめを行うためのプレス機が必要になって製造単価が高くなってしまう。
【００１５】
そして、かしめによる方法では、ボールシートの交換が必要となった場合、ボールシートのみを取り外すことができず、シートホルダごと交換しなければならないので、交換費用が割高となる。
【００１６】
そこで、本発明は、ボールシートによる安定したシール性を得ることのできるボールバルブを提供することを目的とする。
【００１７】
また、本発明は、ボールシートの偏摩耗を防止することのできるボールバルブを提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明に係るボールバルブは、ハウジング内に形成された流路上にステムに支持されて回動自在に配置され、前記流路と連通する貫通孔が形成されて当該貫通孔により前記流路を開閉する方向に前記ステムの操作により回動するボールと、前記ボールに当接して設けられた環状のボールシートと、前記流路内において当該流路の軸方向に変位可能に設けられ、前記ボールシートの外周との間に隙間を設けた状態で当該ボールシートを保持する環状のシート保持部と、前記シート保持部の前記ボールと反対側に設けられ、前記シート保持部を前記ボール側に押圧して前記ボールシートを前記ボールに圧接するシートスプリングとを有し、前記ボールシートは、前記ハウジングと前記ボールとで囲まれたボディキャビティと前記流路との間をシールした状態で、前記シート保持部とは独立して前記ボールの回転に伴って周方向に回転することを特徴とする。
【００１９】
このような発明によれば、ボールシートはその外周がシート保持部と隙間を持った状態でシートスプリングの力によりボールに圧接されてシート保持部に保持されているので、ボールシートに歪みが発生するおそれはなく、安定したシール性を得ることが可能になる。
【００２０】
また、ボールの回転により、ボールシートがシート保持部とは独立してその周方向に回転するので、ボールシートのボールとの接触位置が変動してボールシートの局部的な変形や偏摩耗が防止される。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつさらに具体的に説明する。ここで、添付図面において同一の部材には同一の符号を付しており、また、重複した説明は省略されている。なお、発明の実施の形態は、本発明が実施される特に有用な形態としてのものであり、本発明がその実施の形態に限定されるものではない。
【００２２】
図１は本発明の一実施の形態であるボールバルブを示す断面図、図２は図１のボールバルブの要部を示す断面図、図３は図１のボールバルブにおいてシートリテーナにはめ込まれるボールシートを連続的に示す断面図、図４は図１のボールバルブにおいてボールを回転した場合のボールシートの動きを示す説明図、図５は本発明の他の実施の形態であるボールバルブの要部を示す断面図、図６は本発明のさらに他の実施の形態であるボールバルブの要部を示す断面図、図７は本発明のさらに他の実施の形態であるボールバルブの要部を示す断面図、図８は本発明のさらに他の実施の形態であるボールバルブの要部を示す断面図である。
【００２３】
図１および図２に示す本実施の形態のボールバルブにおいて、ハウジング１０はボディー１０ａとボンネット１０ｂとで構成されており、内部に円筒状の流路１１が形成されたトップエントリ形の構造となっている。但し、サイドエントリ形など、他の構造であってもよい。
【００２４】
ハウジング１０の内部には、流路１１と連通するＶ字形の貫通孔１２ａ（図４参照）が形成されたボール１２が流路１１上に配置されている。このボール１２は流路１１と直交する方向に配置されて図示しない電動アクチュエータにより回転される一対のステム１３ａ，１３ｂに支持されており、ステム１３ａ，１３ｂを回動支点として貫通孔１２ａにより流路１１を開閉する方向に回動自在に装着されている。そして、Ｖ字形の貫通孔１２ａにより、流体の流量は指数関数的に制御される。
【００２５】
ここで、ボール１２は金属製または樹脂製、あるいはセラミック製であり、金属製の場合には、たとえばステンレス鋼、炭素鋼、ダクタイル、鋳鉄、青銅、黄銅、ステライトなどが、樹脂製の場合には、たとえばフッ素樹脂やナイロン樹脂などが用いられる。
【００２６】
なお、ステム１３ａ，１３ｂの周辺には、ハウジング１０とボール１２とで一部が囲まれた空間であるボディーキャビティ１４が形成されている。また、ステム１３ａとボンネット１０ｂとの間は、Ｏリング１５でシールされている。
【００２７】
図２に詳しく示すように、流路１１とボディーキャビティ１４との間をシールして、流体が流路１１から漏出するのを防止するため、環状のボールシート１６が、ボール１２の外周面に当接して設けられている。したがって、ボール１２はこのボールシート１６と摺動しながら回動する。なお、ボールシート１６は、フッ素樹脂などの樹脂製、または合成ゴムなどのゴム製の材料で成形されているが、金属製であってもよい。また、本実施の形態では、ボールシート１６はボール１２の一方側にしか設けられていないが、両側に設けてもよい。
【００２８】
ボールシート１６は環状のシートリテーナ（シート保持部）１７に保持されている。このシートリテーナ１７は流路１１の軸方向に変位可能に設けられており、シートリテーナ１７のボール１２と反対側には、インサート１８が配置されている。そして、シートリテーナ１７とインサート１８との間にはシートスプリング１９がはめ込まれており、ボールシート１６はシートリテーナ１７を介してこのシートスプリング１９により略一定の力でボール１２に圧接されている。
【００２９】
なお、シートリテーナ１７とボディー１０ａとの間、インサート１８とボディー１０ａとの間、およびシートリテーナ１７とインサート１８との間は、Ｏリング２０，２１，２２によってシールされている。
【００３０】
ここで、ボールシート１６は回転自在にシートリテーナ１７に保持されている。つまり、図２に示すように、ボールシート１６には、突起部（第１の係止部）１６ａが外周の周方向に形成されている。また、シートリテーナ１７には、この突起部１６ａと嵌合する溝部（第２の係止部）１７ａが内周の周方向に形成されている。そして、ボールシート１６の外周とシートリテーナ１７との間に隙間を確保した状態で溝部１７ａが突起部１６ａと嵌合することにより、ボールシート１６は、シートリテーナ１７とは独立してその周方向に回転自在にシートリテーナ１７に保持される。
【００３１】
なお、突起部１６ａおよび溝部１７ａは、必ずしも全周に設ける必要はないが、たとえばボールシート１６の突起部１６ａを部分的に設けた場合、シートリテーナ１７の溝部１７ａは全周に渡って形成する。
【００３２】
また、ボールシート１６の外周には、このボールシート１６の挿入方向先端に形成されて、シートリテーナ１７の開口部の先端内径よりも小さな先端径の導入部２３ａと、導入部２３ａと突起部１６ａとの間に形成され、当該導入部２３ａから突起部１６ａに向かってシートリテーナ１７の開口部の先端内径よりも徐々に大きな径となるテーパ部２３ｂとからなる挿入ガイド部２３が形成されており、ボールシート１６をシートリテーナ１７にスムーズにはめ込むことができる配慮がなされている。
【００３３】
すなわち、ボールシート１６をシートリテーナ１７にはめ込む際には、図３（ａ）に示すように、先ず導入部２３ａをシートリテーナ１７の内径に合わせる。このような状態からボールシート１６をシートリテーナ１７に挿入していくと、図３（ｂ）に示すように、テーパ部２３ｂに案内されるので、ボールシート１６が調芯されるとともに、シートリテーナ１７によって押圧されることによる突起部１６ａの縮径が円滑に行われて、ボールシート１６がスムーズにシートリテーナ１７に入り込んで行く。そして、さらにボールシート１６を挿入すると、図３（ｃ）に示すように、突起部１６ａがシートリテーナ１７による押圧縮径から解放されて元の寸法に拡径するとボールシート１６の突起部１６ａとシートリテーナ１７の溝部１７ａとが隙間を持って嵌合して、ボールシート１６が完全にシートリテーナ１７に装着保持される。
【００３４】
このようにして、ボールシート１６の弾性（ボールシート１６が樹脂製であればその材質に起因する弾性、ボールシート１６が金属製やセラミック製であればその形状に起因する弾性）を利用して、ボールシート１６の突起部１６ａが拡縮することにより、ボールシート１６はワンタッチでシートリテーナ１７に装着保持される。
【００３５】
ここで、ボールシート１６が金属製やセラミック製の場合には、たとえば図８に示すように、径方向の断面が略Ｊ字形となって径方向に弾性変形可能な係止部１６ｄ（第１の係止部）を形成する。
【００３６】
なお、導入部２３ａの幅はボールシート１６の厚さの６０％以下が適当である。また、テーパ部２３ｂの挿入角θは２０〜４０°が適当であり、望ましくは３０°がよい。
【００３７】
ここで、隙間は、ボールシート１６の挿入方向先端にはなく、ボールシート１６の外周、特にシートリテーナ１７との係止部周辺に確保される。
【００３８】
ボールシート１６とシートリテーナ１７との間には、ボールシート１６の熱膨張代以上の隙間が形成されている。このような隙間により、熱膨張してもボールシート１６はシートリテーナ１７に押さえ付けられることがないので、ボールバルブを常温流体のみならず高温流体に適用してもボールシート１６はシートリテーナ１７に回転自在に保持され、また歪みの発生も防止される。
【００３９】
さらに、ボールシート１６は、その挿入側と反対面１６ｃが、シートリテーナ１７の先端面１７ｃと同一面となってシートリテーナ１７に保持されている。したがって、ボールシート１６が正しく挿入されるとボールシート１６とシートリテーナ１７とが同一面となるので、同一面になっているかどうかをチェックするだけで装着の確実性が図れるようになっている。
【００４０】
ここで、突起部１６ａの外径はボールシート１６の口径の１１０〜１６０％程度とすることができる。あるいは、呼び径１２５Ａまでのボールシート１６の場合における突起部１６ａの張り出し寸法を０．２〜３ｍｍ、呼び径１２５Ａを超えるボールシート１６の場合における突起部１６ａの張り出し寸法を０．８〜６ｍｍとすることができる。なお、本実施の形態における呼び径１５Ａのボールシート１６の場合、突起部１６ａの張り出し寸法は０．３ｍｍとなっており、前述の隙間を考慮してシートリテーナ１７に係止される寸法としている。
【００４１】
このような構造を有するボールバルブにおいて、ステム１３ａ，１３ｂによりボール１２を所定量回動して貫通孔１２ａを流路１１と連通させて流路１１を開放し、所望量の流体が管路を流れるように制御する。
【００４２】
このとき、シートスプリング１９によりボールシート１６とシートリテーナ１７との間の押圧力が自動調整されるので、液状ガスケットのようなシール部材を用いることなく、ボールシート１６とシートリテーナ１７との接触面のシール性が確保される。
【００４３】
なお、ボールシート１６の接触面をテーパ状としたり、接触面に凹凸を設けるなどして、さらにシール性を上げてもよい。
【００４４】
ここで、本発明者は、本願のボールバルブと従来のボールバルブとの比較試験を行った。
【００４５】
使用流体には、絶対圧力１ＭＰａ、飽和温度１８０℃の飽和蒸気を用いた。また、何れのボールバルブも、シートリテーナの材質はＣＡＣ４０６（ＪＩＳ）、ボールシートの材質はたとえばカーボンファイバやグラファイト入りのＰＴＦＥなどのフッ素樹脂系部材とし、ボールはＶ字形の貫通孔を有するボールとした。
【００４６】
２，０００回の耐久試験後の弁操作トルクは、従来のボールバルブでは、常温において４Ｎ・ｍ、飽和温度において１２．１６Ｎ・ｍであった。これは、前述した掻き出し現象によりボールシートが変形して弁操作トルクが次第に上昇したためと考えられる。
【００４７】
これに対し、本願のボールバルブの弁操作トルクは、常温において３．４Ｎ・ｍ、飽和温度においても３．４Ｎ・ｍであった。これは、従来のボールバルブに比べて、常温で約１５％、飽和温度で約７２％、弁操作トルクが低減したことになる。
【００４８】
このように、本実施の形態によれば、ボールシート１６はその外周がシート保リテーナ１７と隙間を持った状態でシートスプリング１９の力によりボール１２に圧接されてシートリテーナ１７に保持されているので、シートリテーナ１７にかしめたときのようにボールシート１６に歪みが発生するおそれはなく、安定したシール性が得られる。
【００４９】
また、図４に示すように、ボール１２の回転により、ボールシート１６がシートリテーナ１７とは独立してその周方向に回転するので、ボールシート１６のボールとの接触位置が変動してボールシート１６の局部的な変形や偏摩耗が防止され、安定したシール性を得ることができる。
【００５０】
さらに、ボールシート１６はシートリテーナ１７にはめ込まれて保持されているので、ボール１２を回転したときのボールシート１６の浮き上がりが防止されて、ボールシート１６とボールとの接触面圧の上昇、すなわち弁操作トルクの上昇が抑制される。
【００５１】
さらに、シートリテーナ１７にボールシート１６をはめ込むだけでボールシート１６がシートリテーナ１７に保持されるので、ボールシート１６の組み込みを容易に行うことが可能になる。
【００５２】
シートリテーナ１７にボールシート１６を保持させた状態でボールバルブの組み立てを行うことができるので、ボールシート１６がシートリテーナ１７から離脱しないような特別な配慮は不要になり、組み立て作業を容易に行うことが可能になる。
【００５３】
そして、ボールシート１６をシートリテーナ１７にかしめるとボールシート１６の取り外しが困難になるが、本願によればボールシート１６とシートリテーナ１７との嵌合を解除することによって容易にボールシート１６をシートリテーナ１７から取り外すことができるので、ボールバルブのメンテナンスの際にボールシート１６のみを交換することが可能になる。
【００５４】
なお、シートリテーナ１７に形成された溝部１７ａの幅は、図５に示すように、ボールシート１６の突起部１６ａの幅と略等しく形成してもよい。
【００５５】
この場合、シートリテーナ１７の内周奥部に段部が形成され、この段部によってもボールシート１６の浮き上がりを抑えることができる。
【００５６】
また、以上の説明においては、ボールシート１６の挿入側と反対面１６ｃがシートリテーナ１７の先端面１７ｃと同一面となってシートリテーナ１７に保持されるようになっているが、図６に示すように、ボールシート１６の挿入側と反対面がシートリテーナ１７の先端面よりも内側に位置した状態でシートリテーナ１７に保持されるようになっていても、あるいは、逆に、ボールシート１６の挿入側と反対面がシートリテーナ１７の先端面よりも外側に位置した状態でシートリテーナ１７に保持されるようになっていてもよい。
【００５７】
さらに、図７に示すように、ボールシート１６に第１の係止部として溝部１６ｂを形成し、シートリテーナ１７に第２の係止部として突起部１７ｂを形成してもよい。
【００５８】
さらに、本実施の形態では、シートリテーナ１７がボールシート１６を保持するシート保持部となっているが、ボディー１０ａやボンネット１０ｂ、あるいはボールバルブの構造によってはキャップ等、様々な部材がボールシート１６を保持するシート保持部となることができる。
【００５９】
なお、本発明は、トラニオン形のみならず、フローティング形など、種々の形態のボールバルブに適用することができる。
【００６０】
そして、本実施の形態のボールバルブは、ボール１２に形成された貫通孔１２ａの形状がＶ字形であるが、たとえば円形など、Ｖ字形以外の形状の貫通孔を有するボールを備えたボールバルブに適用することもできる。
【００６１】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば以下の効果を奏することができる。
【００６２】
(1).ボールシートはその外周が隙間を持った状態でボールに圧接されてシート保持部に保持されているので、シート保持部にかしめたときのようにボールシートに歪みが発生するおそれはなく、安定したシール性を得ることが可能になる。
【００６３】
(2).ボールの回転により、ボールシートがシート保持部とは独立してその周方向に回転するので、ボールシートのボールとの接触位置が変動してボールシートの局部的な変形や偏摩耗が防止され、安定したシール性を得ることができる。
【００６４】
(3).ボールシートはシート保持部にはめ込まれて保持されているので、ボールを回転したときのボールシートの浮き上がりが防止されて、ボールシートとボールとの接触面圧の上昇、すなわち弁操作トルクの上昇が抑制される。
【００６５】
(4).シート保持部にボールシートをはめ込むだけでボールシートがシート保持部に保持されので、かしめやボルト留めといった工数のかかる作業をすることなく、ボールシートの組み込みを容易に行うことが可能になる。
【００６６】
(5).シート保持部にボールシートを保持させた状態でボールバルブの組み立てを行うことができるので、ボールシートがシート保持部から離脱しないような特別な配慮は不要になり、組み立て作業を容易に行うことが可能になる。
【００６７】
(6).ボールシートをシート保持部にかしめるとボールシートの取り外しが困難になるが、本願によればボールシートとシート保持部との嵌合を解除することによって容易にボールシートをシート保持部から取り外すことができるので、ボールバルブのメンテナンスの際にボールシートのみを交換することが可能になる。
【００６８】
(7).ボールシートに挿入ガイド部を形成すれば、ボールシートをシート保持部にスムーズにはめ込むことができる。
【００６９】
(8).ボールシートとシート保持部との間にボールシートの熱膨張代以上の隙間を形成すれば、熱膨張してもボールシートはシート保持部に押さえ付けられることがないので、ボールバルブを常温流体のみならず高温流体に適用してもボールシートはシート保持部に回転自在に保持され、また歪みの発生も防止される。
【００７０】
(9).さらに、ボールシートの挿入側と反対面がシート保持部の先端面と同一面となってシート保持部に保持されるようにすれば、両者が同一面になっているかどうかをチェックすることにより装着の確実性を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態であるボールバルブを示す断面図である。
【図２】図１のボールバルブの要部を示す断面図である。
【図３】図１のボールバルブにおいてシートリテーナにはめ込まれるボールシートを連続的に示す断面図である。
【図４】図１のボールバルブにおいてボールを回転した場合のボールシートの動きを示す説明図である。
【図５】本発明の他の実施の形態であるボールバルブの要部を示す断面図である。
【図６】本発明のさらに他の実施の形態であるボールバルブの要部を示す断面図である。
【図７】本発明のさらに他の実施の形態であるボールバルブの要部を示す断面図である。
【図８】本発明のさらに他の実施の形態であるボールバルブの要部を示す断面図である。
【符号の説明】
１０ ハウジング
１０ａ ボディー
１０ｂ ボンネット
１１ 流路
１２ ボール
１２ａ 貫通孔
１３ａ，１３ｂ ステム
１４ ボディーキャビティ
１５ Ｏリング
１６ ボールシート
１６ａ 突起部（第１の係止部）
１６ｂ 溝部（第１の係止部）
１６ｃ 反対面
１６ｄ 係止部（第１の係止部）
１７ シートリテーナ（シート保持部）
１７ａ 溝部（第２の係止部）
１７ｂ 突起部（第２の係止部）
１７ｃ 先端面
１８ インサート
１９ シートスプリング
２０，２１，２２ Ｏリング
２３ 挿入ガイド部
２３ａ 導入部
２３ｂ テーパ部
θ 挿入角
Claims (7)
- ハウジング内に形成された流路上にステムに支持されて回動自在に配置され、前記流路と連通する貫通孔が形成されて当該貫通孔により前記流路を開閉する方向に前記ステムの操作により回動するボールと、
前記ボールに当接して設けられた環状のボールシートと、
前記流路内において当該流路の軸方向に変位可能に設けられ、前記ボールシートの外周との間に隙間を設けた状態で当該ボールシートを保持する環状のシート保持部と、
前記シート保持部の前記ボールと反対側に設けられ、前記シート保持部を前記ボール側に押圧して前記ボールシートを前記ボールに圧接するシートスプリングとを有し、
前記ボールシートは、前記ハウジングと前記ボールとで囲まれたボディキャビティと前記流路との間をシールした状態で、前記シート保持部とは独立して前記ボールの回転に伴って周方向に回転することにより、前記ボールシートの偏摩耗を防止し得るようにしたことを特徴とするボールバルブ。 - 前記ボールシートの外周には、第１の係止部が周方向に形成され、
前記シート保持部の内周には、第１の係止部と嵌合して前記ボールシートを保持する第２の係止部が周方向に形成されている、
ことを特徴とする請求項１記載のボールバルブ。 - 前記ボールシートの外周には、
当該ボールシートの挿入方向先端に形成され、前記シート保持部の前記開口部の先端内径よりも小さな先端径の導入部と、
前記導入部と前記第１の係止部との間に形成され、当該導入部から前記第１の係止部に向かって前記シート保持部の前記開口部の先端内径よりも徐々に大きな径となるテーパ部と、
からなる挿入ガイド部が形成されていることを特徴とする請求項２記載のボールバルブ。 - 前記ボールシートと前記シート保持部との間には、当該ボールシートの熱膨張代以上の隙間が形成されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載のボールバルブ。
- 前記ボールシートは、その挿入側と反対面が、前記シート保持部の前記開口部の先端面と同一面となって前記シート保持部に保持されることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載のボールバルブ。
- 前記第１の係止部は突起部であり、前記第２の係止部は溝部であることを特徴とする請求項２〜５の何れか一項に記載のボールバルブ。
- 前記第１の係止部は溝部であり、前記第２の係止部は突起部であることを特徴とする請求項２〜５の何れか一項に記載のボールバルブ。
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