CN105952923A - 球阀 - Google Patents

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Abstract

本发明的球阀的目的在于，即使处于非湍流状态下，也确保与湍流状态大致相同的容量系数。将流量特性窗(71)的壁面(71a’)的最下游端设置成阀主体(4)内的流路(3)以及球形阀芯(5)的贯通流路(7)的最窄径部，将从该最窄径部至流量特性窗(71)的壁面(71a’)的最上游端为止的流路的壁面(71a’)设置成向最窄径部倾斜的锥面，使流路从该流量特性窗(71)的最窄径部向贯通流路(7)内急剧扩大。

Description

球阀
技术领域
本发明涉及一种包括具有贯通流路的球形阀芯的球阀。
背景技术
以往，作为用于各种流体的流量控制、例如对空调用的冷热水的流量进行控制的流量控制阀，已知有将具有贯通流路的球形阀芯作为插件(plug)而具备的球阀。
图13示出专利文献1所公开的球阀的主要部分。该球阀1(1E)由形成流体2的流路3的阀主体4、配设于该阀主体4的内部的球形阀芯5、以及使该球形阀芯5自阀主体4的外部旋转的阀轴6等构成。
球形阀芯5在与阀轴6的轴线正交的方向上具有贯通流路7，并介由前后两个座环8而能够以阀轴6为中心进行旋转地被配设在阀主体4的内部中央，球形阀芯5的外周面形成与座环8接触的球面支承部。流体2从图示左侧(上游侧)流向右侧(下游侧)。
球形阀芯5的贯通流路7由与阀轴6的轴线正交的贯通孔构成，将该贯通孔(贯通流路)7的上游侧的开口部71设置为流量特性窗，将下游侧的开口部72设置成直径D的圆形。
图14的(a)示出了从贯通流路7的上游侧观察球形阀芯5的图，图14的(b)示出了从贯通流路7的下游侧观察球形阀芯5的图。
上游侧的开口部(流量特性窗)71设置成表示规定的流量特性的形状，在本实例中设置成截面形状在球形阀芯5的旋转方向(箭头R方向)上大致呈扇形的形状。又，流量特性窗71的下游侧设置成与圆形的开口部72以相同直径连接的空腔(圆柱状的空腔)。
在球形阀芯5的上表面中央处形成凹部9，在该凹部9嵌合固定有阀轴6的下端6a。阀轴6介由O型环11可旋转地插入阀主体4的中央的筒部10，阀轴6的上端6b突出于筒部10的上方。该阀轴6通过手动或者驱动电机等驱动装置进行驱动，由此球形阀芯5以阀轴6为中心沿箭头R方向或其相反方向在大致90゜的角度范围内转动。
图13示出将球阀1E设为全开的状态。将球形阀芯5从该状态转动90゜时，上游侧的开口部71和下游侧的开口部72变为全闭状态。处于全闭和全开的中间开度，则与对于在阀主体4内流动的流体的上游侧的开口部(流量特性窗)71的打开量相对应的量的流体流动。
该球阀1E被设置于例如供空调用的冷热水流动的配管的中途，在将该球阀1E设置于该配管时，要选择与必要流量相符的阀门口径(容量系数)。该与必要流量相符的阀门的容量系数的选择被称为定径(sizing)(例如，参照非专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1日本专利特开2003－113948号公报
专利文献2日本专利第5113722号公报
非专利文献
非专利文献1JIS B2005-2-1(第2部：流れ的容量－第1節：取付け状态における流れ的サイジング式)(第2部：流体的容量-第1节：安装状态的流体的定径方式)
发明内容
发明要解决的课题
采用该球阀1E的话，在流体通过流量特性窗71时，沿该流量特性窗71的壁面71a的流动从其壁面71a的最下游端脱离，在紧挨着流量特性窗71的下游处形成最缩流部(图15所示的A部)。根据该最缩流部的流动的形态来决定阀门的容量系数。
采用现有的球阀1E的话，流量特性窗71的壁面(流路的壁面)71a为沿着流体的流动方向的平行的平面，最缩流部的流动受到流量特性窗71的壁面71a的摩擦的极大影响。该情况下，流量特性窗71的壁面71a的摩擦(图15所示的B部的摩擦)在流动为非湍流状态(低压差、低温等的低雷诺数流动)的情况下与湍流状态的情况下不同。
因此，非湍流状态时的阀门的容量系数的值与湍流状态时的阀门的容量系数有很大不同，需要使用被称为雷诺数系数的固有的系数(FR值)来进行补正。一般，越是非湍流状态，FR值越小。即，非湍流状态下，阀门的容量系数变小了乘以FR值后的部分。
另外，专利文献2中，使用表示预先规定的基准压差下的阀开度和流量系数(容量系数)的关系的基准表、以及表示比基准压差低的压差或比基准压差高的压差下的阀开度和流量系数(容量系数)的关系的特性表，计算出流经流量控制阀的管路内的流体的流量。
该专利文献2所示的方法中，通过基于特性表来求出阀开度和压差改变时的流量系数(容量系数)，可以算出流量，但将该方法适用于现有的球阀1E中的情况下，流体温度变化较大时，流体的运动粘度改变，在紧挨着流量特性窗71的下游处所形成的最缩流部的流动的形态改变，因此算出的流量和实际的流量的差异变大，难以高精度地计测流量。
本发明是为了解决这样的问题而做出的，其目的在于，提供一种即使处于非湍流状态，也能够确保与湍流状态大致相同的容量系数的球阀。
解决课题用的手段
为了达成这样的目的，本发明的球阀包括具有贯通流路的球形阀芯，所述球阀通过使该球形阀芯以阀轴为中心转动，调节流量特性窗对于在阀主体内的流路中流动的流体的打开量，所述球阀的特征在于，将从阀主体内的流路以及球形阀芯的贯通流路之中的最窄径部至规定尺寸上游为止的流路的壁面设为向最窄径部倾斜的锥面。
本发明中，将从阀主体内的流路以及球形阀芯的贯通流路中的最窄径部至规定尺寸上游为止的流路的壁面设置为向着最窄径部倾斜的锥面。由此，流路的壁面从规定尺寸上游向着最窄径部慢慢变窄，在紧挨着最窄径部的下游处所形成的最缩流部的流动难以受到流路壁面摩擦的影响。该情况下，最缩流部的流动由自最窄径部的流体的剥离方法决定。因此，非湍流状态和湍流状态下最缩流部的流动的形态不变，即使在非湍流状态下，阀门的容量系数也与湍流状态为同样的值。
本发明中，将从阀主体内的流路以及球形阀芯的贯通流路中的最窄径部至规定尺寸上游为止的流路的壁面设置为向着最窄径部倾斜的锥面，但该锥面也可以形成于球形阀芯的贯通流路的壁面，也可以形成于阀主体内的流路的壁面。例如，可以将球形阀芯的流量特性窗的壁面设置为锥面，也可将设置于阀主体内的保持件的内壁面设置为锥面。
发明效果
根据本发明，由于将从阀主体内的流路以及球形阀芯的贯通流路中的最窄径部至规定尺寸上游为止的流路的壁面设置为向着最窄径部倾斜的锥面，因此在紧挨着最窄径部的下游处所形成的最缩流部的流动难以受到流路壁面摩擦的影响，非湍流状态和湍流状态下最缩流部的流动的形态不变，即使在非湍流状态下，也能够确保与湍流状态同样的容量系数。
附图说明
图1是示出本发明所涉及的球阀的一实施方式(实施方式1)的主要部分的图。
图2是从上游侧以及下游侧观察该球阀的阀主体的图。
图3是示出该球阀的形成于流量特性窗的下游的最缩流部的图。
图4是示出该球阀的流量特性窗的壁面的锥角和FR值的关系的图。
图5是示出实施方式2的球阀的主要部分的图。
图6是放大示出实施方式2的球阀的主要部分的图。
图7是示出实施方式3的球阀的主要部分的图。
图8是放大示出实施方式3的球阀的主要部分的图。
图9是示出实施方式4的球阀的主要部分的图。
图10是从上游侧以及下游侧观察实施方式4的球阀的阀主体的图。
图11是示出实施方式2的球阀的试验结果的图。
图12是示出与实施方式2的球阀对应的现有型的球阀的试验结果的图。
图13是示出专利文献1所公开的球阀的主要部分的图。
图14是从上游侧以及下游侧观察专利文献1所公开的球阀的球形阀芯的图。
图15是示出专利文献1所公开的形成于球阀的流量特性窗的下游的最缩流部的图。
图16是示出与实施方式2的球阀对应的现有型的球阀的主要部分的图。
具体实施方式
以下，基于附图对本发明的实施方式进行详细说明。
[实施方式1]
图1是示出本发明所涉及的球阀的一实施方式(实施方式1)的主要部分的图。在该图中，与图13相同的符号表示与参照图13说明了的构成要素相同或同等的构成要素，省略其说明。
在本实施方式1的球阀1(1A)中，将流量特性窗71的壁面(流路的壁面)71a’设置成从上游向下游变窄的锥面。即，将流量特性窗71的壁面71a’的最下游端设置成阀主体4内的流路3以及球形阀芯5的贯通流路7的最窄径部，将从该最窄径部至流量特性窗71的壁面71a’的最上游端为止的流路的壁面71a’设置成向最窄径部倾斜的锥面，使流路从该流量特性窗71的最窄径部向贯通流路7内急剧扩大。
图2的(a)示出从贯通流路7的上游侧观察球形阀芯5的图，图2的(b)示出从贯通流路7的下游侧观察球形阀芯5的图。
在本实施方式1的球阀1A中，由于流量特性窗71的壁面71a’被设置成向最窄径部倾斜的锥面，因此壁面71a’向着最窄径部慢慢变窄，形成于紧挨着最窄径部的下游处的最缩流部(图3所示的A部)的流动难以受到壁面71a’的摩擦(图3所示的B部的摩擦)的影响。在该情况下，最缩流部的流动根据流体从最窄径部剥离的方法来决定。因此，非湍流状态和湍流状态下的最缩流部的流动的形态不变，阀门的容量系数即使在非湍流状态下也与湍流状态时的值大致相同。
由此，本实施方式中，非湍流状态时的FR值与湍流状态时的FR值大致相同，无需对非湍流状态时的阀门的容量系数进行补正。图4示出流量特性窗71的壁面71a’的锥角和FR值的关系。根据该关系可知，通过将锥角设为5～10゜左右，可以确保FR值接近1。
又，在本实施方式中，在使用专利文献2所示的方法来进行流量的计测的情况，即对阀开度、阀前后压差进行计测，并根据阀内部所保有的流量系数(容量系数)表进行流量的计算的情况下，即使流体的运动粘度根据流体温度的变化而变化，由于最缩流部的流动的形态不变，也可以高精度地进行流量的计测。
[实施方式2]
图5示出实施方式2的球阀。实施方式1的球阀1A(图1)中，将球形阀芯5设置成球状，而在实施方式2的球阀1(1B)中，将球形阀芯5设置成半球状。以下，为了与实施方式1的球形阀芯进行区分，将实施方式1的球形阀芯设为球形阀芯5A，将实施方式2的球形阀芯设为球形阀芯5B。
球形阀芯5B设置成如蛋壳那样的形状，在与阀轴6的轴线正交的方向上具有贯通流路7。贯通流路7的上游侧的开口部71与球形阀芯5A同样，设置有流量特性窗。又，球形阀芯5B的外周面形成有与座环8接触的球面支承部。流体2从图示左侧(上游侧)流向右侧(下游侧)。
在阀主体4中，在球形阀芯5B的上游侧的管路上嵌入有保持件12、弹簧13和管路构件14，通过将管路构件14拧入阀主体4的管路，保持件(retainer)12隔着弹簧13将座环8按压于球形阀芯5B的外周面。
本实施方式2的球阀1B也与实施方式1的球阀1A同样，将流量特性窗71的壁面(流路的壁面)71a’设置成从上游向下游变窄的锥面。
即，如图6中示出的主要部分的放大图那样，将流量特性窗71的壁面71a’的最下游端作为阀主体4内的流路3以及球形阀芯5B的贯通流路7的最窄径部，将从该最窄径部至流量特性窗71的壁面71a’的最上游端为止的流路的壁面71a’作为向最窄径部倾斜的锥面，使流路从该流量特性窗71的最窄径部向贯通流路7内急剧扩大。
[实施方式3]
图7示出实施方式3的球阀。在实施方式2的球阀1C(图5)中，将流量特性窗71的壁面(流路的壁面)71a’设置成从上游向下游变窄的锥面，但在实施方式3的球阀1(1C)中，不将流量特性窗71的壁面(71a)设置成锥面，而是将保持件12的内壁面(流路的壁面)12a’设置成锥面。
以下，为了与实施方式2的保持件12进行区分，将实施方式2的保持件设为保持件12A，将实施方式3的保持件设为保持件12B。又，将实施方式3的球形阀芯设为球形阀芯5C。
即，在实施方式3的球阀1C中，如图8所示的主要部分的放大图那样，将保持件12B的内壁面12a’的最下游端设置成阀主体4内的流路3以及球形阀芯5C的贯通流路7的最窄径部，将从该最窄径部至保持件12B的内壁面12a’的上游侧的规定位置为止的内壁面12a’设置成向最窄径部倾斜的锥面。
在该球阀1C中，流路从保持件12B的最窄径部，通过球形阀芯5C的流量特性窗71，向贯通流路7内急剧扩大。球形阀芯5C的流量特性窗71被设置成比保持件12B的最窄径部更宽的窗。
[实施方式4]
图9示出实施方式4的球阀。在实施方式1的球阀1A(图1)中，将球形阀芯5A的流量特性窗71设置在上游侧，但在实施方式4的球阀1(1D)中，将球形阀芯5B的流量特性窗71设置在下游侧。该球阀1D中，也将流量特性窗71的壁面(流路的壁面)71a’设置成从上游向下游变窄的锥面。
然而，在该球阀1D中，由于流量特性窗71位于下游侧，流量特性窗71的壁面71a’被设置成从球形阀芯5的外周面侧向贯通流路7侧直径变大的锥面。图10的(a)示出从贯通流路7的上游侧观察球形阀芯5(5D)的图，图10的(b)示出从贯通流路7的下游侧观察球形阀芯5(5D)的图。
[试验结果]
图11以及图12示出将相当于雷诺数的系数设为(Δp/(ρ1/ρ0))1/2/v，并求出该(Δp/(ρ1/ρ0))1/2/v与FR值(雷诺数系数)的关系的试验结果。
图11是图5所示的实施方式2的球阀1B(将流量特性窗的壁面设置为锥面的类型)的试验结果，图12是与图16所示的与实施方式2的球阀1B相对应的现有型的球阀1F(不将流量特性窗的壁面设置成锥面的类型)的试验结果。
在图11以及图12所示的试验结果中，ψ表示相对容量系数(任意的阀开度的流量相对于阀全开时的流量的比)，Δp表示上下游之间的压差，ρ1表示流体温度下的流体的密度，ρ0表示基准温度下的流体的密度，v表示运动粘度。(Δp/(ρ1/ρ0))1/2/v的值较小的话，则流动为非湍流状态(低速，高运动粘度(＝低温))。比较图11和图12可知，试制模型相对于现有型模型，非湍流状态下的FR值得到极大的改善。
另外，在图9所示的球阀1D中，也可以不将球形阀芯5D的流量特性窗的71的壁面71a’设置成锥面，而在球形阀芯5D的下游侧设置保持件，将设置于该球形阀芯的下游侧的保持件的内壁面设置成锥面。在该情况下，在保持件设置最窄径部，将从该最窄径部至保持件的内壁面的上游侧的规定位置为止的内壁面设置成向最窄径部倾斜的锥面。
[实施方式的扩展]
以上，参照实施方式对本发明进行了说明，但本发明并不限于上述实施方式。本发明的结构和详细情况可以在本发明的技术思想范围内进行本领域技术人员能够理解的种种变更。
符号的说明
1(1A～1D)：球阀，2：流体，3：流路，4：阀主体，5(5A～5D)：球形阀芯，6：阀轴，7：贯通流路，12(12A、12B)：保持件，12a、12a’：内壁面(流路的壁面)，71：开口部(流量特性窗)，71a、71a’：壁面(流路的壁面)。

Claims (3)

1.一种球阀，其包括具有贯通流路的球形阀芯，所述球阀通过使该球形阀芯以阀轴为中心转动，调节流量特性窗对于在阀主体内的流路中流动的流体的打开量，所述球阀的特征在于，
将从所述阀主体内的流路以及所述球形阀芯的贯通流路之中的最窄径部至规定尺寸上游为止的流路的壁面设为向所述最窄径部倾斜的锥面。
2.如权利要求1所述球阀，其特征在于，
所述锥面形成于所述球形阀芯的贯通流路的壁面。
3.如权利要求1所述球阀，其特征在于，
所述锥面形成于所述阀主体内的流路的壁面。
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