JP6692167B2 - バルブ - Google Patents

Description

この発明は、水力発電所用水車入口弁、鉄管弁、水道用弁等に用いられるバルブに関する。

水力発電所用水車入口弁、鉄管弁、水道用弁等に用いられているバタフライ弁、球形弁等の各種バルブには、高圧に耐え得るように、ゴム等の柔軟性のある弁座に代えて、高い耐圧強度を備えたメタル製の弁座が採用されることがある。このメタル製の弁座は、高い耐圧強度を備える反面、柔軟性が低いため変形しにくく、製作誤差に対する許容度が小さい。このため、バルブを閉弁したときに弁座の一部に荷重が集中し、弁体の開閉の際に焼き付きや過大なトルクが生じたり、弁箱と弁体の両弁座間に部分的に隙間が生じて、流体の漏れが生じたりする不具合を生じやすい。

この不具合を回避するため、例えば、弁体の開閉の際に弁座が摺動するバタフライ弁においては、弁体の回動軸を弁体面からバルブの流路の流動方向に偏心させるとともに、弁体の中心から流路の一方の内壁面側に偏心させて（二次偏心）、弁箱と弁体の両弁座の摺動距離を極力小さくした構成を採用することがある。ここでいう弁体面とは、バルブを閉じたときに弁箱の弁座と弁体の弁座とが当接する当接部を含み、前記流路の中心軸に垂直な面のことを指す。また、前記各偏心に加えて、弁箱弁座面によってその一部が構成される円錐面の頂点を流路の中心から偏心させたり（三次偏心）、さらに、前記当接面を楕円錐面の一部で構成したり（四次偏心）することによって、弁体弁座が着座する際の角度を大きくして、摺動抵抗を極力小さくした構成を採用することもある（特許文献１、特許文献２参照）。さらに、弁座に柔軟性を持たせた形状として、この弁座の一部に過大な荷重が集中しないようにした構成を採用することもある（特許文献２、特許文献３参照）。

特許第３７０９１９６号公報 特表２０１３−５３１１９６号公報 特開昭５９−５４８６９号公報

上記のように、多重偏心させたバタフライ弁は構成が複雑であって、しかも部材の形成に特殊な加工を要することがあり、製造コストが高騰する問題が生じ得る。

そこで、この発明は、簡便な構成で、高い流体圧に耐えるとともに、焼き付き等の不具合を回避することを課題とする。

上記の課題を解決するため、この発明は、内部に流路が形成された弁箱と、前記流路を開閉する弁体と、前記弁箱の内周縁に設けられ、円錐面の一部を構成する当接面を有する弁箱弁座と、前記弁体の外周縁に設けられ、球面の一部を構成する当接面を有し、閉弁状態において前記弁箱弁座と当接する部分の内部に空洞部が形成された弁体弁座と、を備えたバルブを構成した。

このように、円錐面の一部からなる弁座と、球面の一部からなる弁座を備えたバルブにおいては、弁箱弁座（円錐面側）と弁体弁座（球面側）を互いに押し付け合う方向に流体圧が作用したときに、両弁座の周方向全体に亘って均等に当接力が作用し、閉弁時における流体の漏れを確実に防止することができる。また、周方向の一部分に荷重が集中しないため、弁体の開閉の際に焼き付きや過大なトルクが生じる等の不具合を防止することができる。しかも、両弁座の構成は簡便であり、製造過程において煩雑な加工を必要としないため、製造コストの抑制を図ることができる。

前記構成においては、前記空洞部が、前記弁体弁座の外周端部に形成され、前記流路の軸方向に臨むように開口した開口凹部である構成とするのが好ましい。このように、弁体弁座に、空洞部としての開口凹部を形成すると、この開口凹部の内側に、外側よりも高い流体圧が作用したときに、この流体圧によって弁体弁座の外周端部が外向きに膨らむ。外周端部が外向きに膨らむことによって、弁箱弁座と弁体弁座が強く当接して、流体の漏れを確実に防止することができる。

前記各構成においては、前記弁箱弁座及び前記弁体弁座のうち少なくとも一方を、前記弁体の弁体面の面内で前記弁箱弁座及び前記弁体弁座との間で相対移動可能として、前記弁箱弁座と前記弁体弁座との間の当接状態を調節する自動調心機構をさらに備えた構成とするのが好ましい。このように、自動調心機構を備えていれば、弁箱弁座と弁体弁座の寸法誤差やアセンブリの際の誤差によって弁箱弁座と弁体弁座の位置ずれが生じたとしても、両弁座が適切に当接する正規の位置に、両弁座を相対移動させることができる。これにより、前記誤差によってバルブの閉弁に不具合が生じるのを防止することができる。ここでいう弁体面とは、バルブを閉じたときに弁箱弁座と弁体弁座とが当接する当接部を含み、前記流路の中心軸に垂直な面のことを指す。

前記各構成においては、前記弁体の弁体面から前記流路の流動方向に偏心させた、前記弁体を回動させる回動軸をさらに備え、前記円錐面が、前記流路の中心軸上に頂点を有するバタフライ弁とするのが好ましい。このように、バルブをバタフライ弁とし、弁体弁座の回動軸を偏心（一次偏心）させることにより、バルブの開閉操作をスムーズに行うことができる。

バルブをバタフライ弁とした構成においては、前記回動軸を、前記弁体の中心から前記流路の一方の内壁面側にさらに偏心させた構成とするのが好ましい。このように、回動軸をさらに偏心（二次偏心）させることにより、弁箱弁座と弁体弁座の摺動距離を極力短くすることができ、バルブの開閉操作を一層スムーズに行うことができる。

バルブをバタフライ弁とした構成においては、前記弁体に、前記弁体との間に所定間隔をもって配置される補強板と、前記弁体と前記補強板とを連結するリブ板とを設けて複葉弁とした構成とするのが好ましい。このように、弁体を複葉弁構造とすることにより、弁体の全開時における流体の圧力損失の低減を図ることができる。

上記のように、バルブをバタフライ弁とする代わりに、前記弁体弁座が、その弁軸方向に直線運動して前記弁箱弁座に当接する玉形弁で構成することもできる。玉形弁としても、バタフライ弁とした場合としたときと同様に、円錐面の一部を構成する弁座と、球面の一部を構成する弁座との当接によって、閉弁時における流体の漏れを確実に防止することができる。

この発明では、内部に流路が形成された弁箱と、前記流路を開閉する弁体と、前記弁箱の内周縁に設けられ、円錐面の一部を構成する当接面を有する弁箱弁座と、前記弁体の外周縁に設けられ、球面の一部を構成する当接面を有し、閉弁状態において前記弁箱弁座と当接する部分の内部に空洞部が形成された弁体弁座と、を備えたバルブを構成した。このようにバルブを構成することにより、簡便な構成で、高い流体圧に耐えるとともに、焼き付き等の不具合を回避することができる。

本願発明に係るバルブの第一実施形態（バタフライ弁（閉弁状態））を示す縦断面図 図１に示すバルブの要部を示す縦断面図 図１に示すバルブの弁体弁座の作用を示す縦断面図 図１に示すバルブの開弁途中の状態を示す縦断面図 図１に示すバルブを複葉弁構造とした態様を示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は横断面図 弁体弁座の他例を示す縦断面図 本願発明に係るバルブの第二実施形態（玉形弁（閉弁状態））を示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）の要部の縦断面図

本願発明に係るバルブの第一実施形態（閉弁状態）の縦断面図を図１に、その要部の縦断面図を図２にそれぞれ示す。このバルブはバタフライ弁であって、弁箱１０と、弁体２０と、弁箱弁座１１と、弁体弁座２１と、を主要な構成要素としている。

弁箱１０の内部には流路が形成されており、弁体２０はその流路内に設けられている。弁箱１０の内周縁に、円環状の弁箱弁座１１が設けられている。この弁箱弁座１１には、弁体弁座２１と当接する当接面１１ａが形成されている。この当接面１１ａは、前記流路の中心軸上に頂点を有する仮想的な円錐の円錐面ｆ１の一部によって構成されている。なお、この実施形態においては、弁箱弁座１１を弁箱１０とは別部材とし、この弁箱弁座１１をボルト１２によって弁箱１０に固定する態様としたが、弁箱１０と弁箱弁座１１を一体に構成してもよい。

弁体２０の外周縁には、薄肉円環状の金属製の弁体弁座２１が設けられている。この弁体弁座２１の外周端部には、弁箱弁座１１と当接する当接面２１ａが形成されている。この当接面２１ａは、前記流路の中心軸上に中心を有する仮想的な球面ｆ２の一部によって構成されている。この弁体弁座２１の内周縁には基部２１ｂが形成されており、この基部２１ｂが、弁体２０の弁体本体２２の外周端部と円環状の保持部材２３との間に形成された嵌合凹部２４に嵌め込まれている。保持部材２３に設けられたボルト２５を締め付けることによって、弁体弁座２１（基部２１ｂ）が弁体本体２２と保持部材２３との間に挟み込まれて固定される。

この弁体弁座２１の外周端部には、円錐面ｆ１の頂点側に臨むように開口した開口凹部２１ｃが形成されて薄肉になっており、金属のように剛性が高い素材を使用した場合においても、適度な柔軟性を付与することができる。このため、弁箱弁座１１（円錐面ｆ１側）と弁体弁座２１（球面ｆ２側）を互いに押し付け合うように流体圧が作用（図１において、弁体２０に対して左向きに流体圧が作用）したときに、両弁座１１、２１の周方向全体に亘って均等に当接力が作用し、閉弁時における流体の漏れを確実に防止することができる。

その一方で、弁箱弁座１１（円錐面ｆ１側）と弁体弁座２１（球面ｆ２側）が離れる方向に流体圧が作用（図１において、弁体２０に対して右向きに流体圧が作用。図３中の白抜き矢印参照）して、この流体圧によって、図３に示すように弁体２０が変位したときに、開口凹部２１ｃの内側に、外側よりも高い流体圧が作用して弁体弁座２１の外周端部が径方向外向きに膨らむ。このため、弁箱弁座１１と弁体弁座２１との当接状態が維持されて、流体の漏れを確実に防止することができる。このように、弁体弁座２１に開口凹部２１ｃを形成することによって、弁体２０に対する流体圧の作用方向に関わらず、バルブ閉弁時の確実な水密又は気密状態を確保することができる。

なお、この実施形態においては、弁体弁座２１と弁体２０を別部材で構成し、ボルト２５で保持部材２３を弁体２０に固定して、弁体弁座２１を弁体２０と保持部材２３との間に挟み込む態様としたが、弁体２０と弁体弁座２１を一体に構成してもよい。また、この実施形態においては、弁体弁座２１の素材として金属を採用したが、耐食性向上等の目的のために他の素材を採用してもよい。

弁体２０と弁体弁座２１との間には、シール部材２６が介在して設けられている。このシール部材２６によって、弁体２０と弁体弁座２１との間の隙間を通って水が漏れる裏漏れを防止している。

この第一実施形態においては、弁体２０の外周縁から弁体弁座２１を若干外向きに突出させるとともに、この弁体弁座２１を嵌め込む嵌合凹部２４の底部に、この嵌合凹部２４と連続する所定深さの間隙部２７が形成されており、この嵌合凹部２４及び間隙部２７によって自動調心機構が構成されている。この自動調心機構によって、弁体弁座２１を弁体面の面内で弁箱弁座１１に対して相対移動させることにより、弁箱弁座１１と弁体弁座２１との間の当接状態を調節することができる。

すなわち、弁箱１０の中心軸と弁体２０の中心軸が完全に一致している状態で弁体２０が閉弁された場合、弁体２０と弁体弁座２１が同心円状の位置となり、弁体２０の周方向全体に亘って間隙部２７の深さ（弁体弁座２１の基部２１ｂの底部から間隙部２７の底部までの距離）が均等の状態のまま、弁箱弁座１１と弁体弁座２１が当接する。

その一方で、バルブのアセンブリにおける誤差等により、弁箱弁座１１と弁体弁座２１との間に位置ずれや傾きが生じた場合、弁体２０に対して弁体弁座２１が相対移動することによって、弁体弁座２１の一部が間隙部２７内に少しずれた状態となる。このように、弁体弁座２１の一部が間隙部２７内にずれたときには、弁体弁座２１の中心に対する反対側の位置においては、逆に弁体弁座２１が嵌合凹部２４からさらに突出した状態となる。弁体２０と弁体弁座２１との間の軸心をずらして、弁箱弁座１１と弁体弁座２１との間の軸心を一致させる自動調心がなされることにより、弁箱弁座１１と弁体弁座２１との間の隙間が解消して流体の漏れを確実に防止することができる。この間隙部２７の深さは、弁箱弁座１１の内径や、弁体弁座２１の外径等を考慮して適宜変更してもよい。

弁体２０には、この弁体２０を前記流路内で回転駆動する回動軸２８が設けられている。この回動軸２８は、弁体２０の弁体面から前記流路の流動方向（図１では右側）に偏心するとともに（一次偏心。図１中の符号Ｓ１参照）、弁体２０の中心から前記流路の一方の内壁面側（図１では上部内壁面側）にさらに偏心した状態となっている（二次偏心。図１中の符号Ｓ２参照）。

このバルブの弁体２０は、図４に示すように、矢印の方向に回動軸２８を回動すると、弁箱弁座１１と弁体弁座２１が離れて開弁する。このバルブは、弁体２０を二次偏心させた構成としたので、弁箱弁座１１と弁体弁座２１の摺動距離を極力短くすることができる。このため、摺動抵抗を極力小さくすることができ、バルブの開閉操作をスムーズに行うことができる。なお、この実施形態のように弁体２０を二次偏心させた構成とする代わりに、弁体２０を一次偏心させた構成とすることもできる。

図５に示すように、図１に示すバタフライ弁を複葉弁構造としてもよい。この複葉弁構造としたバタフライ弁は、図１に示すバタフライ弁と基本的な構造は同じであるが、弁体２０に、弁体２０の中心部に所定間隔をもって、弁体２０の全開時に流路に沿う方向に平行に配置される補強板２９と、弁体２０と補強板２９とを連結するリブ板３０とを設けた点において相違する。このように、バタフライ弁を複葉弁構造とすると、弁体２０の全開時に圧力損失を低減することができる。この複葉弁構造は、弁体２０を一次偏心又は二次偏心させた構成のいずれの構成にも適用することができる。

弁体弁座２１の形状は、バルブの液密又は気密状態を確保できる限りにおいて、流体圧の大きさ等の諸条件に対応して適宜変更することができ、例えば、図６に示すように、開口凹部２１ｃの深さを図２に示すものよりも深くするとともに、その先端をさらに延長した形状とすることもできる。

本願発明に係るバルブの第二実施形態（閉弁状態）の縦断面図を図７（ａ）に、その要部の縦断面図を図７（ｂ）にそれぞれ示す。このバルブは玉形弁であって、第一実施形態に係るバルブ（バタフライ弁）と同様に、弁箱１０と、弁体２０と、弁箱弁座１１と、弁体弁座２１と、を主要な構成要素としている。

この弁箱１０の内部には、管軸方向に垂直な開口部を有する弁箱弁座１１が設けられている。この弁箱弁座１１によって、弁箱１０内にＳ字形の流路ｒが形成されている。この弁箱弁座１１には、弁体弁座２１と当接する当接面１１ａが形成されている。この当接面１１ａは、管軸と直交する直交軸上に頂点を有する仮想的な円錐の円錐面ｆ１の一部によって構成されている。

弁体２０は、この弁体２０と同軸に設けられたハンドル３１を前記直交軸周りに回転操作することによって、この直交軸の方向に移動可能となっている。この弁体２０の外周縁には、薄肉円環状の金属製の弁体弁座２１が設けられている。この弁体弁座２１の外周端部には、弁箱弁座１１と当接する当接面２１ａが形成されている。この当接面２１ａは、前記直交軸上に中心を有する仮想的な球面ｆ２の一部によって構成されている。この弁体弁座２１の内周縁には基部２１ｂが形成されており、この基部２１ｂが、弁体２０の弁体本体２２の外周端部と円環状の保持部材２３との間に形成された嵌合凹部２４に嵌め込まれている。保持部材２３に設けられたボルト（図示せず）を締め付けることによって、弁体弁座２１（基部２１ｂ）が弁体本体２２と保持部材２３との間に挟み込まれて固定される。

この弁体弁座２１の外周端部には、円錐面ｆ１の頂点側に臨むように開口した開口凹部２１ｃが形成されて薄肉になっており、適度な柔軟性を有している。このため、弁体２０のハンドル３１を操作して、弁体２０の一方向への直動によってバルブを閉弁させるときに、そのハンドル３１の操作力で、弁箱弁座１１（円錐面ｆ１側）と弁体弁座２１（球面ｆ２側）をその周方向全体に亘って均等に当接させることができる。これにより、閉弁時における流体の漏れを確実に防止することができる。

しかも、図７（ａ）中に記載の矢印の方向に流れる流体の流体圧によって、開口凹部２１ｃの内側に作用して、弁体弁座２１の外周端部が径方向外向きに膨らむ。これにより、弁箱弁座１１と弁体弁座２１との当接状態がさらに向上して、流体の漏れを一層確実に防止することができる。

本願発明に係るバルブは、上記実施形態で示したバタフライ弁及び玉形弁に限定されず、ボール弁等の他の形式のバルブにも広く適用することができる。

上記の各実施形態において説明したバルブはあくまでも一例であって、簡便な構成で、高い流体圧に耐えるとともに、焼き付き等の不具合を回避する、という本願発明の課題を解決し得る限りにおいて、各部材の形状や材質は適宜変更することができる。

１０ 弁箱
１１ 弁箱弁座
１１ａ 当接面
１２ ボルト
２０ 弁体
２１ 弁体弁座
２１ａ 当接面
２１ｂ 基部
２１ｃ 開口凹部
２２ 弁体本体
２３ 保持部材
２４ 嵌合凹部
２５ ボルト
２６ シール部材
２７ 間隙部
２８ 回動軸
２９ 補強板
３０ リブ板
３１ ハンドル
ｆ１ 円錐面
ｆ２ 球面

Claims (6)

1. 内部に流路が形成された弁箱（１０）と、
   前記流路を開閉する弁体（２０）と、
   前記弁箱（１０）の内周縁に設けられ、円錐面（ｆ１）の一部を構成する当接面（１１ａ）を有する弁箱弁座（１１）と、
   前記弁体（２０）の外周縁に設けられ、球面（ｆ２）の一部を構成する当接面（２１ａ）を有し、閉弁状態において前記弁箱弁座（１１）と当接する部分の内部に空洞部が形成された弁体弁座（２１）と、
   を備え、
   前記弁体弁座（２１）を嵌め込む嵌合凹部（２４）の底部に、前記嵌合凹部（２４）と連続する所定深さの間隙部（２７）を形成し、前記弁体（２０）の弁体面の面内で前記弁箱弁座（１１）及び前記弁体弁座（２１）との間で相対移動可能として、前記弁箱弁座（１１）と前記弁体弁座（２１）との間の当接状態を調節する自動調心機構を備えたバルブ。
2. 前記空洞部が、前記弁体弁座（２１）の外周端部に形成され、前記流路の軸方向に臨むように開口した開口凹部（２１ｃ）である請求項１に記載のバルブ。
3. 前記弁体（２０）の弁体面から前記流路の流動方向に偏心させた、前記弁体（２０）を回動させる回動軸（２８）をさらに備え、
   前記円錐面（ｆ１）が、前記流路の中心軸上に頂点を有するバタフライ弁である請求項１又は２に記載のバルブ。
4. 前記回動軸（２８）を、前記弁体（２０）の中心から前記流路の一方の内壁面側にさらに偏心させた請求項３に記載のバルブ。
5. 前記弁体（２０）に、前記弁体（２０）との間に所定間隔をもって配置される補強板（２９）と、前記弁体（２０）と前記補強板（２９）とを連結するリブ板（３０）とを設けて複葉弁とした請求項３又は４に記載のバルブ。
6. 前記弁体弁座（２１）が、その弁軸方向に直線運動して前記弁箱弁座（１１）に当接する玉形弁である請求項１又は２に記載のバルブ。

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