JP6370705B2 - バタフライ弁 - Google Patents

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Description

本発明は、流体の流路を開閉するバタフライ弁に関する。
原子力発電所を含む各種プラントには、流体、例えば空気、窒素又は蒸気等の気体や、水等の液体を流すための配管が設置されている。また、配管には、流体の流路を開閉し、流路を流れる流体の流量を調整する弁装置が設けられる場合がある。また、弁装置としては、流体が流れる流路を備える弁箱と、流路を開閉する板状の弁体と、弁体と係合し、弁体を回動させる回動可能な弁棒と、を備えるバタフライ弁が知られている。
また、上記のようなバタフライ弁として、弁体が回動する際に、弁体の外周部と弁箱とが摺動しないように構成されている、いわゆる無摺動バタフライ弁が知られている。
例えば、特許文献1には、弁箱の弁座面に係合した弁体を弁座面から離脱させるため及び弁箱の弁座面から離脱している弁体を弁箱の弁座面に係合させるために、弁棒である回動軸の所定角度位置の回転に応動して、回動軸の回転運動を弁体のほぼ直線的な運動に変換する運動変換機構を備えるバタフライ弁が記載されている。
特開2001−50401号公報
しかし、特許文献1に記載されたバタフライ弁では、弁体の外周部に形成された、弁箱の弁座面と係合する弁体の弁座面が、金属でつくられている。このため、流体の流れを遮断するために弁箱の弁座面と弁体の弁座面とを係合させても、高温流体の場合はひずみが発生し両弁座面との間に隙間が生じてしまい、バタフライ弁のシール性能が低下してしまう虞がある。
ここで、バタフライ弁のシール性能を向上させるために、弁体の弁座面をゴム材で形成することが考えられる。しかし、弁体が、高温の流体に晒され、且つ、高放射線環境下に置かれる場合、ゴム材で形成された弁体の弁座面が劣化変形し、シール性能が低下してしまうことが考えられる。
本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、高温の流体に晒され、且つ、高放射線環境下に置かれる場合であっても、シール性能を十分に確保できるバタフライ弁を提供することを、その目的とする。
上記目的を達成するため、本発明のバタフライ弁は、流路を備える弁箱と、流路を開閉する板状の弁体と、弁体に設けられたボス部に挿入され、ボス部を介して弁体と係合し、弁体を回動させる回動可能な弁棒と、を備え、原子炉格納容器内の圧力を調整可能なバタフライ弁であって、弁体側弁座部と、弁箱側弁座部と、弁体移動機構と、を有する。弁体側弁座部は、弁体の外周部に形成されている。弁箱側弁座部は、弁箱に形成されている。弁体移動機構は、弁棒の回動に伴って、弁体を、弁体側弁座部と弁箱側弁座部とが接触し、流路を閉じる遮断位置と、弁体側弁座部と弁箱側弁座部とが離間し、流路を開放する開放位置と、の間で、流路の延在方向に沿って移動させる。また、弁体側弁座部と弁箱側弁座部の一方が、金属製の板材と膨張黒鉛製の板材の積層材で形成されている。また、弁体移動機構は、弁棒の軸心から外側に向かって突出し、軸心に対して、略軸対称に形成されている2つの突出部と、ボス部に設けられ、所定の回転位置における弁棒の一の突出部と係合するカム溝及び他の突出部と係合するカム凸部と、を有する。
本発明によれば、高温の流体に晒され、且つ、高放射線環境下に置かれる場合であっても、バタフライ弁のシール性能を確保できる。
本発明の実施形態に係るバタフライ弁を備えた原子力発電所の概要図である。 本発明の実施形態に係るバタフライ弁を示す図である。 図2のA−A線断面図である。 本発明の実施形態に係るバタフライ弁の動作を説明する図であり、弁体が開放位置にある状態を示す図である。 本発明の実施形態に係るバタフライ弁の動作を説明する図であり、弁体が回動している状態を示す図である。 本発明の実施形態に係るバタフライ弁の動作を説明する図であり、弁体が最大開放位置にある状態を示す図である。 第1の変形例に係るバタフライ弁を示す図である。 第2の変形例に係るバタフライ弁を示す図である。 第3の変形例に係るバタフライ弁を示す図である。
本発明の実施形態に係るバタフライ弁10について、図1〜図6を参照して説明する。なお、各図において共通の部材には、同一の符号を付している。
<バタフライ弁を備えた原子力発電所の概要>
まず図1を参照して、本実施形態におけるバタフライ弁10を備えたプラントの一例としての原子力発電所1の概要について説明する。図1は、本実施形態におけるバタフライ弁10を備えた原子力発電所1の概要図である。
原子力発電所1は、原子炉建屋9内に配置されている原子炉格納容器6と、原子炉建屋9外に配置されている非常用ガス処理設備8と、原子炉格納容器6と非常用ガス処理設備8とを繋ぐ配管7と、を有している。なお、配管7を介して、非常用ガス処理設備8に代えてフィルタベント設備と、原子炉格納容器6とを繋いでもよい。
原子炉格納容器6は、原子炉圧力容器5を有している。原子炉格納容器6内の流体、例えば空気、窒素又は蒸気等の気体は、配管7を介して、非常用ガス処理設備8内に流入する。非常用ガス処理設備8内に流入した流体は、放射能を減衰させる各種処理が施された後、大気中に排気される。
配管7には、バタフライ弁10が設けられている。バタフライ弁10は、原子炉建屋9内に配置されている。また、バタフライ弁10は、過酷事故時などにおいて、原子炉格納容器6内の圧力を減圧する必要がある場合に、流体の流路を開閉することで、配管7を流れる流体の流量を調整するように動作する。なお、ここで過酷事故時とは、原子力発電所の機器設計の際に考慮される設計基準事故状態を逸脱した状態をいう。これは、原子炉格納容器内(の流体)の温度や原子炉建屋内の累積放射線量が設計基準を超過するような状態(例えば、流体の温度が300℃を超え、また、累積放射線量が1MGyを超えている状態が続いている状態)である。
バタフライ弁10には、後述の弁体12を駆動させる駆動部2が連結している。駆動部2は、減速機(図示省略)と、この減速機に操作力を与えるモーター(図示省略)とを有しており、このモーターが駆動して、減速機に操作力が与えられると、バタフライ弁10の弁体12が駆動する。
また、駆動部2の減速機には、遠隔手動操作連結部3を介して、遠隔手動操作部4が連結している。遠隔手動操作部4は、原子炉建屋9外に配置されている。遠隔手動操作連結部3は、クラッチやフレキシブルシャフトなどから構成され、遠隔手動操作部4に入力された操作力を駆動部2の減速機に伝達する。したがって、作業員が遠隔手動操作部4に操作力を入力すると、入力された操作力が遠隔手動操作連結部3を介して駆動部2の減速機に伝達され、バタフライ弁10の弁体12が駆動する。
<バタフライ弁>
次に、図2及び図3を参照して、バタフライ弁10の詳細な構成について説明する。図2は、本発明の実施形態に係るバタフライ弁10を示す図である。また、図3は、図2のA−A線断面図である。
図2及び図3に示すように、バタフライ弁10は、弁箱11と、弁体12と、弁棒13と、を備えている。
弁箱11は、金属製の略円筒状の部材であり、内部に流体が流れる流路14が形成されている。弁箱11は、配管7と略同径に形成されている。流路14は、配管7内の流路(図示省略)と連通している。ここで、以下の説明において、流路14の延在方向をX方向と称し、水平な平面においてX方向に直交する方向をY方向と称し、X方向及びY方向に直交する方向をZ方向と称する。
図3に示すように、弁箱11の内周面には、弁箱11の軸心に向かって突出し、略円環状に形成されている金属製の弁箱側弁座部15が形成されている。弁箱側弁座部15は、弁箱11におけるX方向の一端部側に配置されている。また、弁箱側弁座部15は、X方向の一端部から他端部に向かうにつれて、内径が大きくなるように形成されている。
また、弁箱11には、弁体12の回動範囲を規制し、且つ、弁棒13の回動範囲を規制する弁体ストッパー(不図示)が設けられている。
弁体12は、弁箱11内の流路14を遮断又は開放し、すなわち開閉し、配管7内を流れる流体の流量を調整する。弁体12は、弁体本体16と、ボス部17と、を有している。また、弁体12は、図示しない付勢部材によって、X方向の一方向である図3の矢印Bで示す方向(以下、「B方向」と称する場合がある)に付勢されている。なお、本実施形態において流体の流れる方向は、矢印Bで示す方向の反対の方向である。
弁体本体16は、略円盤状に形成されている。また、弁体本体16は、流路14を遮断する位置(以下、「遮断位置」と称する場合がある)にあるときにX方向に直交する一方の平面16aと他方の平面16bとを有している。
また、弁体本体16の外周部には、弁体側弁座部18が略円環状に形成されている。また、弁体側弁座部18は、図3に示すように、X方向の一端部から他端部に向かうにつれて、外径が大きくなるように、形成されている。弁体側弁座部18の外径は、弁体側弁座部18が弁箱側弁座部15と隙間なく接触するように設定されている。
弁体側弁座部18は、膨張黒鉛材の板状体19と、ステンレス剛板20と、を積層させたラミネート構造で形成されている。本実施形態における弁体側弁座部18は、複数用意した膨張黒鉛材の板状体19とステンレス剛板20とを、金型内で交互に積層させ、圧着することで形成されている。なお、弁体側弁座部18の形成方法はこれに限らず、例えば圧着の工程を省略し、単に両板状体19,20を接着剤で接着してもよい。
ボス部17は、Z方向に延びる略円筒状の部材であり、弁体本体16の他方の平面16bに形成されている。ボス部17は、弁棒13が挿入される軸孔21を有している。ボス部17の内周面には、外側に凹み、後述する弁棒13の前進キー22と係合するカム溝23が形成されている。また、ボス部17の内周面におけるカム溝23と略対向する位置には、内側に突出し、後述する弁棒13の後進キー24と係合するカム凸部25が形成されている。
弁棒13は、Z方向に沿って延び、且つ、弁箱11に回動可能に支持されている棒状の部材である。弁棒13は、駆動部2の減速機に連結している。弁棒13は、駆動部2のモーターから減速機に与えられた操作力や、遠隔手動操作部4に入力されて駆動部2の減速機に伝達された操作力によって回動する。弁棒13は、図3に矢印Cで示す方向(以下、「方向C」と称する場合がある)及びその反対方向であり、図3に矢印Dで示す方向(以下、「方向D」と称する場合がある)に回動する。なお、上述の弁体ストッパーによって、弁棒13の回動範囲は120度〜90度以上に規制され、弁体12の回動範囲は約90度に規制されている。
弁棒13の外周面には、軸心から外側に向かって突出する前進キー22及び後進キー24がZ方向に沿って形成されている。また、前進キー22及び後進キー24は、軸心に対して、略軸対称に形成されている。弁棒13がボス部17の軸孔21に挿入されることで、弁棒13と弁体12とが係合し、弁体12が弁箱11に弁棒13を介して支持される。
<バタフライ弁の動作>
次に、本実施形態のバタフライ弁10の動作について、図3〜図6を参照して説明する。図4〜図6は、本実施形態のバタフライ弁10の動作を説明する図である。また、図4は、弁体12が開放位置にある状態を示す図である。また、図5は、弁体12が回動している状態を示す図である。また、図6は弁体12が最大開放位置にある状態を示す図である。なお、図4〜図6では、弁体12の中央で、且つ、X方向及びY方向に水平な面で断面にしたバタフライ弁10を示している。
まず、流路14を遮断している弁体12を駆動して流路14を開放するときのバタフライ弁10の動作について説明する。
図3に示すように、弁体側弁座部18と弁箱側弁座部15が接触し、流路14が遮断されているとき、すなわち弁体12が遮断位置にあるとき、ボス部17の内周面と弁棒13の前進キー22とが接触している。このため、付勢部材からの付勢力による弁体12のB方向への移動は規制される。
図3に示す状態から、弁棒13がC方向に回動すると、前進キー22とボス部17のカム溝23とがX方向に対向し、弁体12は付勢部材からの付勢力によってB方向に移動する。そして、図4に示すように、前進キー22とカム溝23とが係合する。また、後進キー24とカム凸部25とが係合する。なお、以下の説明において、このときの弁体12の位置を「開放位置」と称する場合がある。弁体12が遮断位置(図3参照)から開放位置に移動すると、弁体側弁座部18と弁箱側弁座部15との間に隙間が生じ、遮断されていた流路14が開放される。
図4に示す状態から弁棒13がC方向に回動すると、後進キー24とカム凸部25とが係合しているので、弁棒13の回動に伴って、弁体12は、C方向に回動する。そして、弁体12が開放位置(図4参照)からC方向に回動することで、図5に示すように、弁体側弁座部18と弁箱側弁座部15との距離が更に離れ、流路14の開放量が図4の示す状態に比べて、増大する。なお、この開放位置は、弁体12が開放位置から回動する際、及び、弁体12が後述するように開放位置へ回動する際、に弁体側弁座部18と弁箱側弁座部15とが接触しないように設定されている。
図5に示す状態から弁棒13が、C方向に回動し、図示しない弁体ストッパーによって回動が規制される位置まで回動すると、図6に示すように、弁体12は、開放位置(図4参照)から約90度回動した位置まで回動する。このときの弁体12の位置を「最大開放位置」と称する場合がある。弁体12が最大開放位置にあるとき、流路14の開放量が最大となる。
次に、最大開放位置(図6参照)にある弁体12を駆動して、開放されている流路14を遮断するときのバタフライ弁10の動作について説明する。
図6に示す状態から弁棒13がD方向に回動すると、前進キー22とカム溝23とが係合しているので、弁棒13の回動に伴って、弁体12はD方向に回動する。そして、弁体12が最大開放位置(図6参照)からD方向に回動することで、図5に示すように、流路14の開放量が図6の示す状態に比べて減少する。
図5に示す状態から弁棒13がD方向に回動し、弁棒13の回動に伴って、弁体12が開放位置(図4参照)に到達すると、弁体12の回動は、上述の弁体ストッパーにより規制される。
図4に示す状態から弁棒13がD方向に回動すると、弁体12の回動が規制されているため、図3に示すように、カム溝23と前進キー22との係合が解かれる。そして前進キー22が、ボス部17の内周面を摺動する。これによって、弁体12は、付勢部材の付勢力に抗って、B方向の反対の方向に移動する。そして、図3に示すように、弁体12は遮断位置まで移動する、すなわち弁体側弁座部18と弁箱側弁座部15が接触し、流路14が遮断される。
以上のように、弁棒13の前進キー22、後進キー24、ボス部17のカム溝23、カム凸部25及び、弁体12をB方向(図3参照)に付勢する付勢部材は、カム構造を形成しており、且つ、弁棒13の回動に伴って、弁体12を、流路14の延在方向に沿って、弁体側弁座部18と弁箱側弁座部15とが離間する開放位置と、遮断位置と、の間で、移動させる弁体移動機構を構成している。なお、この弁体移動機構として、他の従来公知の技術、例えば特開2001−50401号に記載の技術を採用してもよい。
<作用>
本実施形態のバタフライ弁10では、弁体側弁座部18は、膨張黒鉛材の板状体19と、ステンレス剛板20と、を積層させたラミネート構造で形成されている。また、弁箱側弁座部15は、金属製である。このため、弁体側弁座部18及び弁箱側弁座部15のいずれもが、高温、且つ、高放射線環境下における高い耐性を有しているので、高温の流体に晒され、且つ、高放射線環境下に置かれても、劣化変形しない。また、弁体側弁座部を金属で形成する場合に比べ、弁体側弁座部18及び弁箱側弁座部15を密着させることができる。このため、高いシール性能を得ることができる。
したがって、高温の流体に晒され、且つ、高放射線環境下に置かれる場合であっても、バタフライ弁10のシール性能を十分に確保できる(第1の作用)。
また、バタフライ弁10は、弁体12を開放位置と、遮断位置と、の間で、移動させる弁体移動機構を有しており、弁体12が開放位置から回動する際、及び、弁体12が開放位置へ回動する際、に弁体側弁座部18と弁箱側弁座部15とが接触しない、いわゆる無摺動バタフライ弁である。したがって、弁体12が回動する際に、弁体側弁座部18と弁箱側弁座部15とが接触することによって生じる、弁体側弁座部18と弁箱側弁座部15の劣化を抑制することができる。これは、膨張黒鉛材の板状体19を用いた弁座では、弁体12が回転摺動することに伴う劣化が著しいことが知られており、本構造を採用することでシール材の劣化を大きく低減できる。
したがって、バタフライ弁10のシール性能を長期間確保できる(第2の作用)。
また、弁体12と係合して弁体12を駆動させる弁棒13は、駆動部2の減速機に連結している。また、弁棒13は、駆動部2のモーターから減速機に与えられた操作力や、原子炉建屋9外に配置されている遠隔手動操作部4に入力され、駆動部2の減速機に伝達された操作力によって回動する。したがって、上述の過酷事故時などにおいて、駆動部2のモーターが駆動不能となり、且つ、作業員がバタフライ弁10の付近に近づけないような状態であっても、作業員は、原子炉建屋9外に配置されている遠隔手動操作部4を操作して操作力を入力することで、弁体12を駆動することができる。
したがって、過酷事故時であっても、バタフライ弁10の操作が可能であり、バタフライ弁10の機能を確保することができる(第3の作用)。
ここで、膨張黒鉛材の板状体19と、ステンレス剛板20と、を積層させたラミネート構造で形成した弁座部の方が、金属で形成した弁座部よりも経年劣化の影響が大きいことが考えられる。本実施形態のバタフライ弁10では、弁体側弁座部18を、膨張黒鉛材の板状体19と、ステンレス剛板20と、を積層させたラミネート構造で形成し、弁箱側弁座部15を金属で形成した。弁体側弁座部18の交換のため、弁体を新規に一式交換、もしくは弁体を工場へ返送し修理を行えばよい。一方、弁箱側弁座部15を交換するためには、弁箱を工場へ返送する必要があり、弁体側弁座部18の交換よりも比較的容易には行えない。
したがって、バタフライ弁10のシール性能を確保するためのメンテナンス作業を比較的容易に行うことができる(第4の作用)。
<変形例>
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、下記のような様々な変形例が含まれる。上記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。
<第1の変形例>
上記した実施形態では、図2に示すように、駆動部2に遠隔手動操作連結部3介して遠隔手動操作部4を連結する態様を説明した。しかし、これに代えて、図7に示すように、遠隔手動操作連結部3の設置を省略し、遠隔手動操作部4を駆動部2に直接連結してもよい。この場合も、上記した第1の作用、第2の作用及び第4の作用を奏することができる。
<第2の変形例>
また、バタフライ弁10を、図8に示すように、空気圧の調整によって弁体12を駆動させる空気作動駆動部40に連結させてもよい。空気作動駆動部40は、減速機(図示省略)と、減速機に連結しているシリンダ部41と、シリンダ部41と連結している3方電磁弁42と、3方電磁弁42と連結しているポンプ(図示省略)とを有している。
3方電磁弁42は、ポンプとシリンダ部41とを繋いで、シリンダ部41内に空気を流入させる状態、シリンダ部41内の空気を脱気する状態、または、シリンダ部41内の内圧を維持する状態に、選択的に設定可能である。
シリンダ部41は、内部に、ピストン(図示省略)を有している。3方電磁弁42が、シリンダ部41内に空気を流入させる状態に設定され、シリンダ部41内に空気が流入して内圧が上がると、ピストンが、一方向に移動する。このピストンの移動によって操作力が減速機に入力されて弁棒13(図3参照)はC方向に回動する。また、3方電磁弁42がシリンダ部41内の空気を脱気する状態に設定され、シリンダ部41内の空気が脱気して内圧が下がると、ピストンが、他方向に移動する。このピストンの移動によって操作力が減速機に入力されて、弁棒13(図3参照)はD方向に回動する。また、3方電磁弁42がシリンダ部41内の内圧を維持する状態に設定されると、弁棒13(図3参照)は回動せずに、現在の位置で固定される。
また、空気作動駆動部40の減速機には、遠隔手動操作連結部3を介して、原子炉建屋9外に配置されている遠隔手動操作部4が連結している。
この場合も、上記した第1の作用乃至第4の作用を奏することができる。
<第3の変形例>
また、図9に示すように、遠隔手動操作連結部3の設置を省略し、遠隔手動操作部4を空気作動駆動部40に直接連結してもよい。この場合も、上記した第1の作用、第2の作用及び第4の作用を奏することができる。
<第4の変形例>
また、弁体側弁座部18に代えて金属製の弁体側弁座部を用い、且つ、弁箱側弁座部15に代えて膨張黒鉛材の板状体と、ステンレス剛板と、を積層させたラミネート構造で形成した弁箱側弁座部を用いてもよい。
なお、上述したある変形例の構成の一部を他の変形例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある変形例の構成に他の変形例の構成を加えることも可能である。また、各変形例の構成の一部について、他の変形例の追加・削除・置換をすることが可能である。
1…原子力発電所、 2…駆動部、 3…遠隔手動操作連結部、 4…遠隔手動操作部、 5…原子炉圧力容器、 6…原子炉格納容器、 7…配管、 8…非常用ガス処理設備、 9…原子炉建屋、 10…バタフライ弁、 11…弁箱、 12…弁体、 13…弁棒、 14…流路、 15…弁箱側弁座部、 16…弁体本体、 17…ボス部、 18…弁体側弁座部、 19…板状体、 20…ステンレス剛板、 21…軸孔、 22…前進キー、 23…カム溝、 24…後進キー、 25…カム凸部

Claims (2)

  1. 流路を備える弁箱と、前記流路を開閉する板状の弁体と、前記弁体に設けられたボス部に挿入され、前記ボス部を介して前記弁体と係合し、前記弁体を回動させる回動可能な弁棒と、を備え、原子炉格納容器内の圧力を調整可能なバタフライ弁であって、
    前記弁体の外周部に形成された弁体側弁座部と、
    前記弁箱に形成された弁箱側弁座部と、
    前記弁棒の回動に伴って、前記弁体を、前記弁体側弁座部と前記弁箱側弁座部とが接触し、前記流路を閉じる遮断位置と、前記弁体側弁座部と前記弁箱側弁座部とが離間し、前記流路を開放する開放位置と、の間で、前記流路の延在方向に沿って移動させる弁体移動機構と、を有し、
    前記弁体側弁座部と前記弁箱側弁座部の一方が、金属製の板材と膨張黒鉛製の板材の積層材で形成され
    前記弁体移動機構は、前記弁棒の軸心から外側に向かって突出し、軸心に対して、略軸対称に形成されている2つの突出部と、前記ボス部に設けられ、所定の回転位置における前記弁棒の一の前記突出部と係合するカム溝及び他の前記突出部と係合するカム凸部と、を有する
    バタフライ弁。
  2. 流路を備える弁箱と、前記流路を開閉する板状の弁体と、前記弁体と係合し、前記弁体を回動させる回動可能な弁棒と、を備えるバタフライ弁であって、
    前記弁体の外周部に形成された弁体側弁座部と、
    前記弁箱に形成された弁箱側弁座部と、
    前記弁棒の回動に伴って、前記弁体を、前記弁体側弁座部と前記弁箱側弁座部とが接触し、前記流路を閉じる遮断位置と、前記弁体側弁座部と前記弁箱側弁座部とが離間し、前記流路を開放する開放位置と、の間で、前記流路の延在方向に沿って移動させる弁体移動機構と、を有し、
    前記弁体側弁座部と前記弁箱側弁座部の一方が、金属製の板材と膨張黒鉛製の板材の積層材で形成され、
    前記弁棒に連結している減速機と、前記減速機に連結しているシリンダ部と、前記シリンダ部に3方電磁弁を介して連結しているポンプと、を備える空気作動駆動部を有し、
    前記3方電磁弁は、前記ポンプから前記シリンダ部内に空気を流入させる状態、前記シリンダ部内の空気を脱気する状態、又は、前記シリンダ部内の内圧を維持する状態に設定可能であり、
    前記シリンダ部の内圧の変化に応じて、前記減速機に操作力が入力されて弁棒が回動する
    バタフライ弁。
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