JP4476069B2 - 強制開閉逆止弁 - Google Patents

Description

本発明は、流路に設置され、順方向の流れを許容し、逆方向の流れを阻止する逆止弁に関し、特に開閉を強制的に行う強制開閉逆止弁に関する。

配管設備には、配管を流れる流体の流れの逆流を防止するために、逆止弁が用いられる。例えば、往復動ポンプには、その吸込側と吐出側にそれぞれ逆止弁が用いられ、流れを一方向のみとする機能を果たしている。通常の往復動ポンプにおいては、ボール弁と呼ばれる逆止弁が用いられる。このボール弁は、ハウジング内に移動可能に収容されたボールを弁体とし、ボールの位置によって流路の開閉を行う。ボールの動きは、流体の流れや圧力、重力、場合によってはばね力によって制御される。いずれにしても、弁体の開閉は、受動的に行われる。往復動ポンプに適用された場合、吐出側の逆止弁は、ボールがポンプ側に移動したときに流路が塞がれ、逆の位置に移動したときには流路が開かれる。また、吸込側の逆止弁では、これとは逆に、ボールがポンプ側に移動したときには流路が開き、反対位置に移動したときは流路が閉じる。ポンプが吐出行程のときには、吐出側、吸込側双方の逆止弁のボールは、ポンプで発生する圧力および流れにより、ポンプから遠い位置に移動し、この結果、吐出側では流路が開き、吸込側では流路が閉じる。ポンプが吸込行程のときには、吐出行程とは逆にボールはそれぞれポンプに近い位置に移動し、吐出側で流路が閉じ、吸込側で流路が開く。これにより、吐出行程においては、吐出側へのみ流体が送られ、吸込行程においては、吸込側より流体が吸い込まれる。

取扱い流体の粘度が高い場合、逆止弁のボールの動きが緩慢になり、吐出工程と吸込行程の切り替わる前後において、開閉が完全に行われないことがある。このため、吐出側、吸気側の少なくとも一方において、ボールなどの弁体を、駆動機構を用いて強制的に駆動して弁の開閉を行う場合がある。また、取扱い流体がスラリの場合、ボールを用いた逆止弁であると、ボール周囲の隙間がスラリ固体成分の粒子径に比して小さく、流れの妨げになる場合がある。また、スラリは、高濃度のものになると、粘性が高くなり、高粘度の流体と同様、ボールが十分な動きをしなくなる。したがって、スラリを取り扱う場合にも、強制的に開閉を行う弁を吐出側、吸込側の少なくとも一方に使用することがある。下記特許文献１には、強制開閉される弁を有する往復動ポンプが示されている。

実公昭４０−１８１１６号公報

前述の強制的に開閉を行う逆止弁においては、往復動ポンプの工程と同期して動作されなければならない。もし、吐出側逆止弁の開放動作が、吐出行程開始より遅れると、ポンプ内の圧力が異常に上昇する。また、閉止動作が吸込行程開始より遅れると、一旦吐出された流体が再びポンプに吸い込まれる逆流が生じる。吐出側逆止弁の開放動作が早いと、吐出側からの逆流が生じ、閉止動作が早いとまだポンプ内に流体が残った状態となり、異常昇圧が生じる。吸込側逆止弁においても、正規のタイミングからずれて開閉が行われると、逆流、異常昇圧が生じる。異常昇圧は、ポンプケーシングの破損、ポンプのシール性能低下などの悪影響を及ぼし、また異常昇圧発生後の弁開放により、ウォーターハンマを生じさせ、振動、騒音、更には配管などの設備の損傷を生じる場合がある。このように、強制開閉弁においては、その開閉時期を精度良く制御しなければならない。

本発明は、開閉タイミングの制御が若干ずれたときの異常昇圧、逆流などを抑えるのに有利な強制開閉逆止弁を提供する。

本発明の実施形態の逆止弁においては、弁体と、この弁体の駆動機構が遊びをもって係合されている。流体の流れの向きが変わる前後、往復動ポンプに適用された場合であれば、吐出、吸込の行程が切り替わる前後において、弁体と駆動機構の係合関係を遊びのある状態として、駆動機構による弁体の拘束を解く。これにより弁体は遊びの範囲において、流体の流れ、圧力により移動が可能となり、異常な昇圧が発生しようとしたときには、これが発生しないように流路が開放され、逆流が生じようとすれば流路を塞いで、これを阻止する。前記弁体は、略円筒の側面を有し、この円筒の軸線方向にハウジング内を摺動し、ハウジングの弁体側面に対向する位置には、弁体周囲を取り囲むように１対のシールが設けられ、これらのシールの間には流路の流体よりも高い圧力のシール水が供給される。

以下、本発明の実施形態を、図面に従って説明する。図１には、往復動ポンプ１０の概略構成が示されている。ポンプケーシング１２には、プランジャ１４が挿入されており、これらによりポンプ室１６が画定されている。ポンプ室１６には、吸込管１８、吐出管２０が接続されており、それぞれ逆止弁２２，２４が設けられている。プランジャ１４が往復運動することで、ポンプ室１６の容積が増減する。ポンプ室１６の容積が増加しているときには、吸込側の逆止弁２２が開放し、吸込管１８から取扱い流体がポンプ室１６に流れ込む。このとき、吐出側の逆止弁２４は閉止しており、取扱い流体が吐出管２０から流出することはない。ポンプ室１６の容積が減少しているときには、吸込側の逆止弁２２が閉止し、吐出側の逆止弁２４が開放して、吐出管２０へ取扱い流体が送り出される。

図２には、逆止弁２２，２４の断面が示されている。逆止弁２２，２４は、図中の上下を鉛直方向に一致させて設置されている。また、逆止弁２２，２４は、同一の構造であり、以降の説明においては、逆止弁２２とのみ記載する。略円筒の側面を有する弁体２６は、ハウジング２８内で、軸線３０の方向に移動可能に設けられている。ハウジング２８は、弁体２６の先端が当接するバルブシート３２と、弁体２６の摺動の案内となる弁体ガイド３４を含む。また、ハウジング２８には、弁体を駆動するアクチュエータ３６が内蔵される。

バルブシート３２は、流体の流れの順方向上流側の流路に接続される流入流路３８が設けられ、この流入流路３８は、弁体２６の前面に対向して開口している。この開口縁部４０に弁体２６の先端面が当接して流入流路３８が塞がれる。弁体ガイド３４には、弁体２６がバルブシート３２の開口縁部４０から離間したときに、流入流路３８と連通するキャビティ４２が形成され、さらにキャビティ４２には、側方から外部に向けて連通し、流体が流れ出る流出流路４４が設けられている。また、弁体２６の側面に対向する位置には、１対のシール４６が設けられ、個々のシール４６の間にシール水導入路４８よりシール水が供給されて、シール水の圧力により、キャビティ４２内の取扱い流体の漏出を防止している。前述のように、逆止弁２２は、弁駆動用のアクチュエータ一体型の強制開閉弁である。弁体ガイド３４の図中上端は、エンドキャップ５０と共に空気圧シリンダ５２を構成している。空気圧シリンダ５２には、ピストン５４が納まり、ピストン５４には弁体２６と係合するステム５６が結合されている。ピストン５４およびステム５６には、ばね５８によって常に上方に向けて付勢されている。空気圧シリンダ５２内には、空気圧源（不図示）の空気圧が制御部（不図示）を介して空気流路６０より供給され、また制御部により開放され、これによりピストン５４およびステム５６が上下、すなわち軸線３０に沿って移動制御される。具体的には、空気圧シリンダ５２に高圧の空気が供給されると、その圧力によって、ばね５８のばね力に抗してピストン５４が下に移動する。空気圧シリンダ５２が開放され、シリンダ内の空気が放出されると、ばね５８のばね力によって、ピストン５４が上昇する。

ステム５６と弁体２６の係合は、図示するように軸線３０に沿った方向、すなわち弁体２６の摺動方向に沿う方向に遊びｄを有するものとなっている。さらに詳細に説明すれば、ステム５６の先端には外径の太い部分が設けられ、弁体２６の内部の内径の大きい部分に嵌っている。ステム５６の外径の細い部分に対応して、弁体２６に内径の小さい部分が形成され、ステム５６の先端は、この弁体の内径の小さい部分より大きな外径を有し、弁体２６と外れないようになっている。

図示する状態においては、アクチュエータ３６は、そのステム５６により弁体２６を開口縁部４０に押圧しているが、ステム５６が遊びｄの範囲で上方に動いた場合、アクチュエータ３６は、弁体２６に対して作用しなくなる。このとき弁体２６は流体の圧力、重力など外部からの力によって動くことが許容された状態となっている。ステム５６が遊びｄの範囲を超えて上方に移動すると、弁体２６はアクチュエータ３６によって上方に移動され、開口縁部４０と弁体２６の間隙を大きくすることができる。アクチュエータ３６により弁体２６を下降させる場合には、その初期において、遊びのためにステム５６の動きが直接弁体２６に伝わらず、弁体２６の動きは、流体の圧力や重力に支配される。流入流路３８より流体が流れ込んでいる場合は、この流体からの力を受けて、開口縁部４０から離れて位置する。流入流路３８から流体が流れ出さなくなれば、重力により弁体２６は下降して開口を閉じる。さらにステム５６が下降すれば、アクチュエータ３６によって強制的に閉止位置に固定される。

図２および図３〜６を用いて吐出側逆止弁２４の動作について説明する。往復動ポンプ１０の吸込行程のほとんど期間は、図２に示すように、弁体２６により開口が閉止され、弁体２６は、ステム５６により開口縁部４０に強制的に当接された状態である。吸込行程の終了間際において、ステム５６が上昇を始め、吸込行程が終了した時点においては、図３に示すように、弁体２６はステム５６と直接の係合が解かれた状態となっている。吸込行程であれば、流入流路３８は減圧されているので、弁体２６は、開口縁部４０に着座したままである。この状態で、往復動ポンプが吐出行程に移行し、取扱い流体の吐出を開始すると、流体の圧力によって弁体２６が上方に押され、開口が開放される。ステム５６がさらに上昇すると、図４に示すように、弁体２６と遊びの上端で係合し、これをさらに引き上げる。これにより、流体の圧力で押し上げられるより、さらに上方に弁体２６が上昇し、流路の断面積が増大する。吐出行程の多くの期間においては、図４の状態となっている。

吐出行程の終了間際において、ステム５６は下降する。このとき弁体２６は、流体の抵抗を受け、ステム５６の動きに追従せず、図５のように直接の係合が解かれ、弁体２６が浮いた状態となる。弁体２６は、重力により、ステム５６に比べてゆっくりした速度で下降する。この結果、ステム５６は、弁体２６に対し遊びの範囲の下限に達し、ここからは、図６のようにステム５６が弁体２６を押して下降させ、図２のように、開口縁部４０に当接させる。弁体２６が開口縁部４０に当接する前に、往復動ポンプが吐出工程から吸込行程に移行してしまった場合、流入流路３８により負圧が導かれ、この負圧によって弁体２６が引き込まれ、ステム５６の係合を解いて開口縁部４０に当接する。その後、ステム５６が追いついて、図２の状態となる。

このように、本実施形態の逆止弁においては、ステム５６と弁体２６に遊びを設けたことにより、吐出、吸込行程の切り替わる時期において、弁体２６がステム５６、すなわちアクチュエータ３６の動きに拘束されないようになっている。この結果、この期間、流体の流れや圧力、重力によって弁体が動く一般的な逆止弁と同じように動作し、異常昇圧、異常減圧、逆流などの発生が防止される。これにより、弁体の強制駆動のタイミングを厳密に制御する必要がなくなり、調整作業を簡略にすることができる。

吸込側逆止弁２２についてもほぼ同様である。吸込側においては、吐出行程において、図２に示す状態にある。吐出行程の終了時点で図３の状態となるように、ステム５６が移動している。また、吸込行程終了時点において、図５または図６の状態となって、弁体が移動可能な状態となるか、または吸込側では、流体の圧力により弁体２６が着座することを期待できないので、図２のように、強制的に閉じた状態とすることも好ましい。強制的に閉じた状態とするタイミングが若干早くても、吐出側の逆止弁２４の弁体が浮いた状態となっているので、ポンプ室内の圧力を開放することができ、異常昇圧を防止することができる。

上述した実施形態においては、吐出側、吸込側双方に遊びを持った強制開閉逆止弁を設置したが、いずれか一方のみこれを設け、他方は通常の受動的な逆止弁とすることができる。一方のみ本実施形態の強制開閉逆止弁を用いる場合であれば、吐出側に設けるのがより好ましい。

また、上述の実施形態において弁体を駆動する機構として空気圧アクチュエータを用いた例を示したが、液体圧アクチュエータ、カム機構など他の駆動機構を用いることも可能である。

図７には、変形例の概略構成が示されている。この変形例においては、バルブシート６２の開口の形状が強制開閉逆止弁２２，２４と異なっており、これに合わせて弁体６４の形状も変わっている。その他の構成は、図２に示す実施形態と同様であり、説明は省略する。バルブシート６２は、開口周囲に上方に突出した開口縁部６６を有しており、弁体６４の先端面は、この開口縁部６６に密着して当接するように、平坦に形成されている。

図８には、本発明に関連する強制開閉逆止弁の概略構成が示されている。この例では、弁体６８は球形であり、この弁体６８が着座するバルブシート７０も、弁体に合わせた形状となっている。弁体６８を駆動するステム７２は、その先端に弁体６８を包み込むようなフック７４を有している。他の構成については、図２に示す実施形態と同様の構成であり、説明は省略する。フック７４は、その根元部分７６によって弁体６８をバルブシート７０に向けて押圧し、また先端部分７８にて弁体６８を引っかけて、上方に引き上げることができる。弁体６８は、フック７４に、その根元部分７６と先端部分７８の間で遊びを持って保持されており、動作においては開閉動作については、図２に示す実施形態と同様に作用する。この例のように球形の弁体を使用する場合は、弁体が回転して、バルブシートに当接する位置が変化するため、局所的に摩耗が進むことがない。この結果、寿命を伸ばすことができる。

往復動ポンプの構成を模式的に示す図である。 本実施形態の強制開閉逆止弁の概略構成を示す断面図である。 本実施形態の逆止弁の動作説明図である。 本実施形態の逆止弁の動作説明図である。 本実施形態の逆止弁の動作説明図である。 本実施形態の逆止弁の動作説明図である。 変形例を示す断面図である。 本発明に関連する強制開閉逆止弁の例を示す断面図である。

符号の説明

１０ 往復動ポンプ、２２，２４ 強制開閉逆止弁、２６ 弁体、３２ バルブシート、３６ アクチュエータ（弁体駆動機構）、３８ 流入経路、４０ 開口縁部、５６ ステム。

Claims (5)

1. 流路の開口正面から当接して当該流路を閉止し、開口から離れて当該流路を開放する弁体と、
   前記弁体を流路に当接した位置および離間した位置へと駆動する弁体駆動機構と、
   を含み、
   前記弁体駆動機構は、前記弁体と、この弁体の移動方向において遊びを有して係合され、駆動力を前記弁体に伝達するステムを有し、
   前記弁体は、略円筒の側面を有し、この円筒の軸線方向にハウジング内を摺動し、
   前記ハウジングの弁体側面に対向する位置には、弁体周囲を取り囲むように１対のシールが設けられ、これらのシールの間には前記流路の流体よりも高い圧力のシール水が供給される、
   強制開閉逆止弁。
2. 流体が脈動して流れる流路に設けられた強制開閉逆止弁であって、
   上流側の流路の開口正面から当接して当該流路を閉止し、開口から離れて当該流路を開放する弁体と、
   前記弁体を流路に当接した位置および離間した位置へと駆動する弁体駆動機構と、
   を含み、
   前記弁体駆動機構は、前記弁体と、この弁体の移動方向において遊びを有して係合され、駆動力を前記弁体に伝達するステムを有し、
   前記弁体駆動機構は、そのステムを、上流側の流路の圧力が高まるより以前に、前記遊びの範囲で前記弁体が前記開口から離間する方向に移動させて前記弁体が前記開口から離間することを許容し、また、上流側の流路の圧力が低くなるより以前に、前記弁体が前記開口に当接する方向に移動させて前記弁体が前記開口に当接することを許容し、
   前記弁体は、略円筒の側面を有し、この円筒の軸線方向にハウジング内を摺動し、
   前記ハウジングの弁体側面に対向する位置には、弁体周囲を取り囲むように１対のシールが設けられ、これらのシールの間には前記流路の流体よりも高い圧力のシール水が供給される、
   強制開閉逆止弁。
3. 往復動ポンプの吐出側の流路に設置され、ポンプの取扱い流体の流れの制御に用いられる強制開閉逆止弁であって、
   前記往復動ポンプからの流路の開口正面から当接して当該流路を閉止し、開口から離れて当該流路を開放する弁体と、
   前記弁体を流路に当接した位置および離間した位置へと駆動する弁体駆動機構と、
   を含み、
   前記弁体駆動機構は、前記弁体と、この弁体の移動方向において遊びを有して係合され、駆動力を前記弁体に伝達するステムを有し、
   前記弁体駆動機構は、そのステムを、前記往復動ポンプの吸込工程終了時点において、前記遊びの範囲で、前記弁体が前記開口から離間する方向に移動させておき、前記弁体が前記開口から離間することを許容し、また、吐出行程終了時点において、前記弁体が前記開口に当接する方向に移動させておき、前記弁体が前記開口に当接することを許容し、
   前記弁体は、略円筒の側面を有し、この円筒の軸線方向にハウジング内を摺動し、
   前記ハウジングの弁体側面に対向する位置には、弁体周囲を取り囲むように１対のシールが設けられ、これらのシールの間には前記流路の流体よりも高い圧力のシール水が供給される、
   強制開閉逆止弁。
4. 往復動ポンプの吸込側の流路に設置され、ポンプの取扱い流体の流れの制御に用いられる強制開閉逆止弁であって、
   前記往復動ポンプと反対側の流路の開口正面から当接して当該流路を閉止し、開口から離れて当該流路を開放する弁体と、
   前記弁体を流路に当接した位置および離間した位置へと駆動する弁体駆動機構と、
   を含み、
   前記弁体駆動機構は、前記弁体と、この弁体の移動方向において遊びを有して係合され、駆動力を前記弁体に伝達するステムを有し、
   前記弁体駆動機構は、そのステムを、前記往復動ポンプの吐出工程終了時点において、前記遊びの範囲で、前記弁体が前記開口から離間する方向に移動させておき、前記弁体が前記開口から離間することを許容し、また、吸込行程終了時点において、前記弁体が前記開口に当接する方向に移動させておき、前記弁体が前記開口に当接することを許容し、
   前記弁体は、略円筒の側面を有し、この円筒の軸線方向にハウジング内を摺動し、
   前記ハウジングの弁体側面に対向する位置には、弁体周囲を取り囲むように１対のシールが設けられ、これらのシールの間には前記流路の流体よりも高い圧力のシール水が供給される、
   強制開閉逆止弁。
5. 請求項３または４に記載された強制開閉逆止弁を備えた往復動ポンプ。

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