JP2000506254A - 制御バルブ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 制御バルブは、２つの流路(2,2')を含むバルブボディ(1)と、カップ状の無段階に回転可能な閉止部材(5)と、閉止部材を回転させるためのシャフト(6)とを備えている。閉止部材(5)の側部には、少なくとも１つの開口(21)が設けられている。バルブボディ(1)において第２流路(2')は延長部(10)を有し、この延長部は、外側表面が閉止部材(5)の回転面と同心の回転面を形成し、閉止部材の中へ延ばされている。流路延長部(10)の側部には、少なくとも１つの開口(14)が設けられている。閉止部材の１または複数の開口(21)は、当該バルブの開弁位置において少なくとも一部が流路延長部(10)の１または複数の開口(14)にオーバーラップするように配置されている。当該バルブの閉弁位置において、流路の延長部(10)の開口(14)は、閉止部材(5)によって覆われる。

Description

【発明の詳細な説明】 制御バルブ 技術分野 本発明は、互いに連通する第１および第２流路を含むバルブボディと、バルブ ボディの中に配置された回転可能なカップ状の閉止部材と、該閉止部材を回転さ せるために前記バルブボディの外へ延出されたシャフトとを備え、 前記閉止部材の内側表面は、前記閉止部材の回転シャフトを中心軸とする回転 面であり、前記閉止部材の側部には１または数個の開口があり、これらの開口は 、当該バルブの開弁位置において、前記バルブボディの第１および第２流路に連 通されるようになっている制御バルブに関する。背景技術 シート形式の線形調整弁は、一般的に利用されている。これらの１つの欠点は 、バルブボディと閉止部材を移動させるスピンドルとの間のパッキンの漏れであ る。スピンドルの直線運動は、パッキンを通して媒体を汲み出し(pumps)、同時 に、パッキンに運動方向に沿った摩耗溝を生じさせる。これらの摩耗溝は、媒体 の漏れの短絡路を形成して、スピンドルが停止位置にあるときでも漏れを生じさ せる。摩耗のため、パッキンは、シール長を長くとり、しばしば、より緊密にす る必要がある。シール長が長いパッキンは、摩擦を増大させて、制御の感度およ び精度を悪化させる。 制御のために利用されるボール弁またはプラグ弁のような緊密な回転バルブに おける重大な問題は、摩擦力によって生じている。摩擦力のモーメントアームが 大きい場合、密閉シールと閉止部材との間の摩擦は、調整にとって重要な問題で ある。この問題の最小化を目標とする構造は、偏心部分を利用した米国特許第5, 305,987号および第4,822,000号に開示されている。その他の問題解決方法は、機 械的に（米国特許第4,867,414号）または圧力差（米国特許第4,747,578号）によ って、シールを閉止部材から引き離すことである。 回転バルブにおける他の摩擦源は、制御部分の流入側と流出側との圧力差であ る。この圧力差は、閉止部材を押圧するので、閉止部材を軸受によってバルブボ ディに支持する必要がある。閉止部材の回転に対する摩擦モーメントは、この押 圧力によって生じ、このため、正確な調整を達成するのを困難にしている。 第３の摩擦源は、バルブボディと閉止部材のシャフトとの間のシール、例えば パッキンである。このパッキンは、バルブボディの外側に駆動装置が配置される 場合に必要である。密閉シールおよび軸受の摩擦力によって、回転シャフトを捩 り力に抗する寸法とする必要があり、パッキンの直径が同寸法のシート弁よりも 大きくなる。シャフトのシール力によって生じる摩擦力のモーメントアームは、 より大きくなる。 回転シャフトがバルブボディの外側へ延びている場合、軸方向圧力が生じ、こ の軸方向圧力をバルブボディの内側または外側の構造によって支持する必要があ る。この支持によって摩擦モーメントが生じる。 摩擦モーメントに加えて、回転バルブは、閉止部材またはバルブボディの流路 における不均一な速度の増大および圧力差の結果によって生じる重要な動的モー メントをもっている。このモーメントは、その大きさの変化が開口の角度に依存 して線形ではないので、正確な制御を阻害する。 回転バルブのさらにもうひとつの欠点は、制御に関連して生じる騒音である。 ボール弁およびその派生物は、大きな流量を有しているが、１つの欠点は、キャ ビテーションによって生じる騒音である。キャビテーションの気泡がバルブの外 側の配管の管壁付近で潰れて、そこから周囲に騒音が伝達される。この騒音は、 多段階減圧構造によって効果的に減少されてきた（米国特許第4,530,375号参照 ）。 米国特許第4,149,563号は、キャビテーションの気泡を隔離された空間におい て液体の中で潰すようにした、いわゆる「サイレントシート弁」を開示している 。 米国特許第4,651,775号は、閉止部材が中空で貫通された３方弁を開示してい る。米国特許第4,778,152号は、プラグが横断開口を備えているプラグ弁を開示 している。回転シャフトと交差するように配置された数個の開口を有するプレー ト状の閉止部材を備えたバルブが、米国特許第5,219,148号において知られてい る。発明の開示 本発明の目的は、１／４回転バルブおよびシート弁の利点を組合せて、これら ２つのバルブ形式の欠点をほぼ解消および減少させることである。 本発明による制御バルブは、バルブボディにおいて第２流路が延長部を有し、 延長部は、その外側表面が閉止部材の内側表面と同心の回転面を形成し、閉止部 材の内側表面に対向して閉止部材の中へ延び、また、側部に１または数個の開口 を有し、さらに、 閉止部材の１または複数の開口は、当該バルブの開弁位置において少なくとも 一部が流路の延長部の１または複数の穴にオーバーラップし、また、当該バルブ の閉弁位置において流路の延長部の１または複数の開口は、閉止部材によって覆 われるように配置されていることを特徴とする。 好ましくは、流路延長部の開口は、開口が２つの場合には、回転シャフトの中 心軸および第１流路の軸を通って延びる平面に直交し、かつ、回転シャフトの中 心軸を通って延びる軸線上に配置される。 閉弁および開弁は、シャフトに平行ないかなる運動もなく、回転運動によって 実行されて、シャフト上に収集された不純物がパッキン領域に運ばれることがな く、また、パッキンの摩耗が生じない。しかしながら、パッキンの締付は、膠着 を引き起こして、回転運動が環状の摩耗痕を生じさせることになる。とはいえ、 これらの摩耗溝は、溝が流れ方向に対して交差するため、多段隙間シールとして 作用する。漏れによって生じる圧力損失の合計は、シールすべき圧力差に近づい て、漏れが少量にとどまる。改良されたシールは、パッキンのシール長さおよび 結果的な力の分担を小さくとどめ、また、制御の正確さがシート弁の場合よりも 向上する効果を有する。 この密閉シールは、閉止弁の流出側に配置して、バルブの閉弁位置においてシ ールを横切る圧力差がそれらを閉止部材から浮き上がらせるようにする。これは 、閉止部材の回転モーメントの必要性を減少させる。 密閉シールおよび閉止部材の流れ開口は、回転シャフトに対して対称に配置さ れ、閉止部材およびその回転シャフトに支持されるべき横力が生じない。したが って、要求される回転モーメントを増大させる摩擦力が生じない。 モーメントを生じる受圧面積は、流れ開口の部分の薄い円筒状の壁の断面のみ であるから、調整を阻害する小さな動的モーメントのみが閉止部材に生じる。閉 止部材に作用する力は、対称で、流れ開口の都分のみに向かうので、閉止都材の 壁は薄くすることができる。残りの面積上では、圧力による力はバランスされる 。 小さな回転モーメントは、大きな回転シャフトを必要とせず、回転シャフトの シール、例えばパッキンによって生じる摩擦部分が小さくとどめられる。回転モ ーメントの必要性が最小化されるので、薄い回転シャフトを使用することができ る。その結果、僅かな漏れをともなうだけで小さなシャフトパッキンを装着でき るようになる。 さらに、より小さい回転モーメントのみを必要とすることにより、アクチュエ ータを小型化して、その価格が安くなる。本発明によるバルブにおいては、キャ ビテーションの気泡は、バルブの内側で容易に潰れる。反対方向からの対称的な 流れが互いに衝突したとき、隔離されたバルブの中央部において圧力のピークが 生じて気泡を潰す。これにより、バルブが静かになる。 このバルブは、密閉シールなしで実施することもできる。この場合でも、漏れ は、最小化される。熱膨張マージンが不要であるので、閉弁位置において、漏れ に影響する隙間を最小化することができる。これは、流れ媒体からの放熱は、バ ルブボディの内側よりも閉止部材を膨張させるためである。閉止部材の直径がバ ルブボディの直径よりも大きいので、作動隙間は増大する。図面の簡単な説明 本発明およびその詳細は、添付の図面を参照して、以下により詳細に説明され る。 図１は、本発明の一実施形態に係る開弁位置にあるバルブの縦断面を示し、 図２は、同じバルブのＡ−Ａ線に沿った断面の平面図を示し、 図３は、本発明の第２実施形態に係る開弁位置にあるバルブの詳細のＢ−Ｂ線 に沿った縦断面を拡大して示し、 図４は、本発明の第３実施形態に係る開弁位置にあるバルブの詳細のＢ−Ｂ線 に沿った縦断面を拡大して示し、 図５は、本発明の第４実施形態に係る開弁位置にあるバルブの縦断面を示 し、 図６は、更なる一実施形態に係るバルブの横断面の平面図を示す。発明の実施の形態 図１ないし図４に示される実施形態において、第１および第２流路２，２’は 、配管に接続され、バルブボディ１へ導くことを意図されている。このバルブボ ディ１のカバー３は、ボルト４によってこのバルブボディ１に固定されている。 閉止部材５の回転シャフト６は、このカバー３を貫通して延びている。回転シャ フト６のパッキンの締付フランジ７は、ボルト８によってカバーに固定されてい る。締付フランジとカバーとの間に、シャフトを取り囲むパッキン９が設けられ ている。 第２流路２’の延長部10は、バルブボディ１の中に回転シャフト６へ向かって 延びている。流路延長部10の外側表面は、シリンダであり、その中心軸が回転シ ャフト６の中心軸と一致している。前記シリンダの端部11のプレート状の外側表 面の中央部には、円筒状の突出部12が設けられ、その中央部に流路13が設けられ ている。流路延長部10の両側部には、回転シャフト６の中心軸および第１流路２ の軸を通って延びる平面に垂直で、かつ、回転シャフト６の中心軸を通って延び る軸線上に配置された２つの開口14が設けられている。 閉止部材５は、下方に開口する倒立したカップの形をとっており、このカップ の底部15の外壁に回転シャフト６が連結されて、このシャフト６がカップの底部 から上方へ突出するようになっている。閉止部材５の内側表面は、主に流路延長 部10と対をなし、流路延長部10にはめ合わされている。閉止部材の底部15の内側 表面において流路延長部10の突出部12と対をなすキャビティ16の下部の直径は、 突出部12の直径よりもいくぶん大きく、キャビティ16と突出部12との間にパッキ ン17が設けられるようになっている。キャビティ16は、突出部12よりもやや高く 、キャビティ16と突出部12との間に空間18が残され、流路13が空間18へ開口する ようになっている。 バルブカバー３の下部表面は、閉止部材５の底部15の肩部19に対してはめ合わ されて、バルブカバー３と閉止部材５との間に軸受20が設けられている。 閉止部材５の両側部には、当該バルブの開弁位置において流路延長部10の開口 14とオーバーラップする２つの開口21が設けられている。流路延長部10の開口14 の内側端部の直径は、その外側端部の直径よりもいくぶん小さく、開口14内に肩 部22が設けられている。開口14の肩部22と閉止部材５との間に、肩部24を有する シール23がはめ合わされており、このシール23は、開口14の内側表面を取り囲ん でいる。ベロー(bellow)25が肩部24を介してシール23を閉止部材５の内側表面に 押し付けている。閉止部材５の開口21は、流路延長部10の開口14よりもいくぶん 小さく、当該バルブの開弁位置において、シール23が閉止部材５の開口21の縁部 にあてがわれるようになっている。 閉止部材５とバルブボディ１との間には、閉止部材５を取り囲んで第１流路２ に連通する環状通路26が設けられている。 第１流路２は当該バルブの流入側で、第２流路２’は流出側である。当該バル ブの開弁位置では、閉止部材５の開口21は、第２流路２’の延長部10の開口14に 連通し、これにより、媒体を第１流路２から開口21，14を通して第２流路２’の 延長部10へ、さらに、第２流路２’へ流通できるようにする。閉止部材５は、回 転シャフト６によって無段階に回転させて、閉止部材５の開口21を流路延長部10 の開口14から部分的にまたは全体的に分離して、開口14を閉止部材５の壁部によ って閉鎖することができるようになっている。本発明に係るバルブでは、閉弁お よび制御状態において閉止部材５を横切る圧力差が互いに釣合ったとき、径方向 の力はバランスされる。これにより、当該バルブを切り換えるために必要なモー メントは、非常に小さい。 回転シャフト６の軸方向における支持は、流入および流出側の圧力によってな される。軸方向の力は、流出側の圧力を閉止部材５の下方の空間18に導入するこ とによってバランスされる。閉弁および制御状態において、この圧力は、常に流 入側の圧力よりも小さい。 パッキン17は、閉止部材５の内側表面の回転シャフト６の中心と同心の円形表 面領域によって限定される。これによって、閉止部材５の外径に対応する面積か らパッキン９の位置での回転シャフト６の断面積を減じたものに等しい面積上で 、流入側の圧力が閉止部材５の回転シャフト６を内側へ押圧する力が生じる。回 転シャフト６を外側へ押圧する力は、閉止部材５の外径に対応する面積から突 出部12の断面積を減じたものに等しい面積上の圧力である。閉弁位置における流 出側の圧力が大気圧に等しい場合、その他の軸方向の力は生じない。 閉止部材５が開かれたとき、増大した流出側の圧力が流路13を通ってパッキン 17によって限定された領域に導入され、また、閉止部材５が更に開かれたとき、 圧力も増大して回転シャフト６を外側へ押圧しようとする。軸方向の力の和の可 変分力として空間18に作用する圧力のみがある。空間18の直径方向において空間 18の断面積を適当な寸法とすることにより、閉止部材５の所望の制御位置におい て、軸方向の圧力をバランスさせることができる。突出部12の直径がパッキン９ の位置での回転シャフト６の直径よりも大きいとき、この状態が可能である。 制御状態において、流路延長部10の開口14の絞り点を横切って作用する圧力差 がシール23を浮き上がらせる力を発生して、シール23が閉止部材５の内側表面か ら解放される。 これらの力がバランスし、また、シールを浮き上がらせることによって、バル ブに作用する摩擦力が小さくなり、小型のアクチュエータが使用可能となる。 キャビテーションの気泡は、反対方向からの互いの衝突の際に、流路延長部10 の中で潰れる。 図３は、流路延長部10と閉止部材５との間にシールが存在しない一実施形態を 示している。このシールは、閉弁位置において完全には漏れを防止せず、ある程 度漏れを許す。特定の目的には、この種の構造でも充分である。 図４は、シール23の開口に、騒音およびキャビテーションを低減するための減 衰要素27が付加的に設けられた一実施形態を示している。穴あきの減衰要素27は 、流れをいくつかの部分流れに分割する。必要ならば、減衰器は、流路延長部10 内に嵌合させることもできる。 図５の実施形態では、第２流路２’は、閉止部材５の回転シャフト６に平行で ある。 閉止部材および流路の複数の開口は、２つ以外とすることもでき、閉止部材の 周上に、それらの１つを配置し、または、それらの均等に分配されたいくつかを 配置することもできる。図６は、閉止部材および流路の複数の開口が３個であ り、これらが回転シャフトおよび第１流路の中心軸を通って延びる平面に関して 均等、かつ、対称に配置された一実施形態を示している。開口の数が１つのみの 場合、横方向の力が生じる。当該バルブの圧力レベルが高くない場合、横方向の 力によって引き起こされる欠点は重大ではない。 当該バルブにおいて、流れ方向は、上述したものとは反対に変更することもで き、すなわち、延長部10が接続された第２流路２’を流入側をとすることもでき る。流れ方向は、閉止部材の中から外向となる。しかしながら、この場合、閉止 部材の流出側に配置されたシールは、開弁位置において、摩擦力が減少するよう に閉止部材から浮き上がることはない。 互いにはめ合わされた流路延長部10の外側表面および閉止部材５の内側表面は 、円筒状のほかにも、例えば、円すい状または球状表面の一部の形状とすること もできる。 閉止部材の開口および流路は、異なる方式に設計することもでき、例えばドロ ップ(drop)またはＶ−開口（V-openings）の形とすることもできる。設計によっ て、バルブの流れ特性は、所望のように修正することができる。 簡単な構造を目標とする場合、シール力に関して軸方向の力の重要性が小さい ため、軸方向の力をバランスさせることを省略することもできる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．互いに連通する第１および第２流路(2,2')を含むバルブボディ(1)と、 該バルブボディ内に配置された回転可能なカップ状の閉止部材(5)と、 該閉止部材を回転させるために前記バルブボディの外側へ延出された回転シャ フト(6)とを備え、 前記閉止部材(5)の内側表面は、該閉止部材の回転シャフト(6)を中心軸とする 回転面であり、前記閉止部材の側部に、当該バルブの開弁位置において前記バル ブボディの第１および第２流路(2,2')に連通する１または数個の開口(21)が設け られ、 前記バルブボディ(1)には、前記第２流路(2')の延長部(10)が設けられ、該延 長部は、その外側表面が前記閉止部材(5)の内側表面と同心の回転面で、前記閉 止部材の中へその内側表面に対向させて延長され、かつ、その側部に１または数 個の開口(14)が設けられ、さらに、 前記閉止部材の１または数個の開口(21)は、当該バルブの開弁位置において前 記第２流路の延長部(10)の１または数個の開口(14)に少なくとも一部がオーバー ラップし、また、当該バルブの閉弁位置において前記第２流路の延長部の１また は数個の開口(14)が前記閉止部材(5)に覆われるように配置され、 前記第２流路の延長部(10)の開口(14)の縁部に、前記閉止部材(5)に密着する シール(23)が設けられていることを特徴とする制御バルブ。 ２．前記閉止部材(5)に密着する前記シール(23)は、前記閉止部材の下流側に配 置されていることを特徴とする請求の範囲１に記載の制御バルブ。 ３．前記第２流路の延長部(10)には、前記閉止部材(5)の内側表面の中央の領域( 16)に連通する流路(13)が設けられ、前記領域(16)は、パッキン(17)によって前 記閉止部材の内側表面の前記領域以外の部分から隔離されていることを特徴とす る請求の範囲１または２に記載の制御バルブ。 ４．前記第２流路の延長部(10)の開口(14)の数は、前記閉止部材(5)の開口(21) の数に一致していることを特徴とする請求の範囲１ないし３のいずれかに記載の 制御バルブ。 ５．前記第２流路は、少なくとも２つの開口(14)を有し、前記第２流路の延長部 (10)の開口(14)は、前記閉止部材の回転シャフト(6)に関して対称に配置されて いること特徴とする請求の範囲１ないし４のいずれかに記載の制御バルブ。 ６．前記第２流路の延長部(10)の開口(14)は、前記回転シャフト(6)の中心軸お よび前記第１流路(2)の軸を通って延びる平面に直交し、かつ、前記回転シャフ ト(6)の中心軸を通って延びる軸線上に配置されていることを特徴とする請求の 範囲５に記載の制御バルブ。 ７．閉止部材(5)の内側表面および第２流路の延長部(10)の外側表面は、円筒状 または円すい状の表面であることを特徴とする請求の範囲１ないし６のいずれか に記載の制御バルブ。