JP2002195421A - 低騒音バタフライ弁 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】偏心型バタフライ弁において、バルブ縮流部お
けるキャビテーションの発生を少なくし、騒音を抑制
し、弁開度の移動量あたりのＣｖ値の変化量を小さくし
制御性を向上させ、既存の技術によりシール構造を安易
に設計でき、高温時でも使用できる構造にし、さらに最
低限の製造コストで製造できるようにする。 【解決手段】弁体の外径及び弁座の内径を、配管の内径
Ｄの０．８倍以下とし、弁座直後の本体部分の内径を配
管の内径とほゞ同じ寸法とし、 弁体のオリフィス側表
面には複数個の同一高さの突起物を設け、弁体のノズル
側表面にはオリフィス側突起物に比べて小さい複数個の
突起物を設けたことを特徴としている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、一般に、工業用バ
ルブ、液体（高温液体を含む）における流量制御用及び
圧力制御用バルブとして使用されるバタフライ弁に関
し、特に、弁体中間開度にて発生しやすい、キャビテー
ションに起因する騒音を抑制すると共に制御性を向上さ
せた低騒音バタフライ弁に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、バタフライ弁の絞られた部分
（縮流部）では流体の流速が速くなり、圧力は低くな
る。この圧力低下によって液体中に含まれている微小気
泡（気泡核）の体積が急激に増大してキャビテーション
気泡が発生する。縮流部を通過して流体の流れが低速に
なると、圧力が回復して高くなり、前述のキャビテーシ
ョン気泡はつぶれる。このときキャビテーション気泡が
気泡核から成長していく（大きな気泡になり、再び小さ
くなる）際に、気泡の収縮運動により周囲の圧力が変動
するため騒音が発生する。さらに気泡がつぶれる瞬間に
衝撃圧が発生し、騒音や振動を伴って弁座より下流側の
バルブ本体内面や配管に壊食現象等のダメージを与え
る、いわゆるキャビテーション現象が発生する。特に本
体や配管内面近くにて崩壊した気泡や内面に当たって崩
壊した気泡は大きなダメージを与える。

【０００３】すなわち、添付図面の図７には、一般的な
偏心形バタフライ弁における流体のの流れ方（流れ状
態）を示し、弁体と本体の隙間から出た流体は、管壁の
流速ゼロの境界面と弁体裏側の渦による低速部に挟まれ
た部分Ａ、すなわち縮流部において最も高速になり圧力
が低下する。また、この縮流部では、渦や管壁付近との
流速の差が大きいために気泡核がキャビテーション気泡
に成長するきっかけとなってしまう。

【０００４】縮流部Ａでは圧力が急激に低くなるため
に、気泡が急激に大きくなり、それが十分に持続し、さ
らに気泡が大きくなったところで、圧力が回復し気泡が
つぶれるために激しいキャビテーションの発生原因とな
っている。また、縮流部Ａが管壁に近いことから気泡が
つぶれる際の衝撃も大きくなる。キャビテーションの発
生原因は、前述したように急激に圧力が低下する部分に
よるものであり、またキャビテーションが激しくなるの
は気泡が成長するための時間が必要である。このことか
らキャビテーションを抑制するためには、低圧部を生じ
させないようにすることと、気泡を成長する時間を与え
ないようにすることが必要である。

【０００５】ところで、キャビテーションの発生し易さ
については、一般に圧力回復係数（ＦＬ値）、キャビテ
ーション初生係数（Ｋｃ値）にて評価されている。（Ｆ
Ｌ値、Ｋｃ値が大きい程キャビテーションは発生しにく
い）ここで、圧力回復係数ＦＬは で定義され、上式でＰ_{１ は}バルブ入口静圧、Ｐ_{２ は}バル
ブ出口静圧、Ｐ_ＶＣはバルブ収縮部静圧である。圧力回
復の低いバルブほどＦＬ値は大きくなり１に近づく。ま
た、キャビテーション初生係数Ｋｃは Ｋ_ｃ＝（Ｐ_１−Ｐ_２）／（Ｐ_１−Ｐ_Ｖ） で定義され、上式でＰ_Ｖは液体の飽和蒸気圧である。

【０００６】また、従来のバタフライ弁はコンパクトに
配管に設置することができるため、管路を流下する流体
の流量制御に広く用いられている。しかしながら、通常
バタフライ弁はグローブ弁と比較すると、圧力回復係数
（ＦＬ値）やキャビテーション初生係数（Ｋｃ値）が低
いため、流体条件によりキャビテーションが発生し、配
管等にダメージを与え異常な騒音が発生する問題があっ
た。

【０００７】また、バタフライ弁は、容量係数（Ｃｖ
値）が大きいため、コントロール弁として使用する場合
に、配管と同じ呼び径のバルブを使用した場合全閉から
全開の移動量当たりのＣｖ値の変化量が大きく制御性が
悪いという問題があり、そのため多くの場合、配管呼び
径より呼び径の小さいバルブをレデューサ（径の異なる
管系に使用するパイプ）を介して配管されている。

【０００８】一方、制御に用いられるバタフライ弁は、
弁の開度を絞って流量や圧力を調節することが目的であ
り、その目的のために、騒音を伴ったキャビテーション
を我慢して使わざる得ないのが現状である。

【０００９】従来、騒音とキャビテーションの発生を抑
制するバタフライ弁として提案されてきた例を、図８
（特開昭５７−１５７８６６号公報参照）及び図９（特
開平４−３３７１６７号公報参照）に示す。

【００１０】図８において、１は本体（弁本体）、２は
本体の中心部に直交する弁棒３によって軸支された弁体
であり、全閉状態で示す。弁体２は、弁棒３に垂直の断
面がくの字形をなす弁板（ディスク）２ａを有し、本体
１の内面１ａと弁板周面とのシール面（図８に点線２ｂ
で示されている。）が弁棒穴４を通過する中心形バタフ
ライ弁の弁体を形成しいる。シール面２ｂの中心軸２ｃ
と、弁棒穴４を通り本体内面１ａの垂直軸線１ｂとは、
１５度〜２０度の角度で傾斜している。

【００１１】本体内面（ボア）１ａ内で密接している長
円形の弁板２ａは、二つのほぼ半円形壁部分が上記のよ
うにくの字形に角度的にずれて形成されており、弁板２
ａの半円周に亙って、使用時、流体の流入方向（矢印Ｆ
１で示す。）に向って突設された流入側くし歯状突起５
と、同様に、他の半円周に亙って、弁板２ａに対してく
し歯状突起５と反対側の流体の流出方向に向って突出さ
れた流出側くし歯突起６とがそれぞれ一体に設けられて
いる。これらの両くし歯状突起５、６は、全閉時、本体
１の内面１ａとほぼ平行となるように形成され、且つこ
れらのくし歯状突起の端部５、６は、本体１の内面１ａ
に垂直の面内に位置するように形成されており、またこ
れらのくし歯状突起５、６の長さは、中心のボス方向に
向かって短かくなるように形成されている。

【００１２】弁の作動時、図８の（ａ）に示す全閉状態
から弁体２が矢印Ｆ２で示す時計方向に回動すると、弁
体２の開度に応じて流体の流量が変化し、流量制御が行
われる。そしてこの際、本体１の内面１ａと、弁棒３よ
りも下流側に位置する弁体２の周縁部とで形成する開口
部であるノズル流れ部（ノズル側）及び同様に本体１の
内面１ａと、弁棒３よりも上流側に位置する弁体２の周
縁部とで形成する開口部であるオリフィス流れ部（オリ
フィス側）を通過する流体は、複数個の各くし歯状突起
５、６の間に形成された、図８の（ａ）におけるＢ−Ｂ
線に沿った断面図である図８の（ｂ）に示す流体を導く
断面台形（梯形）状通路７から流体を細かいジェット流
に変え、弁体２の下流側に発生するキャビテーションを
分散すると共に、キャビテーションの成長を抑制してい
る。図８の（ｂ）において、７ａは傾斜した入口、８は
弁棒穴４の形成されているボス部を示す。

【００１３】また、図９に示すキャビテーション抑止機
能を備えた従来のバタフライ弁は本体１１及び弁体１２
を有し、弁体１２の両側から弁軸１３が嵌入されて弁体
１２を回動自在に支承している。弁体１２が閉位置から
開方向へ回動するとき上流側へ向う半周側１２Ａの下流
側の外周縁近くの表面に、弁軸１３の両支承部１４を繋
ぐ全半周に亘って切れ目なくほぼ等肉の突条１５が突設
されている。これらの突条１５には弁体１２の表面中心
１２Ｃに向って逆放射状に収歛する複数の貫通穴１６が
設けられている。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】上記図８及び図９に示
した従来のバタフライ弁は、いずれも弁体側に突起物や
流路を確保する溝、流路を分断する穴や付加物などを設
け、流れを分流して高速縮流部と低速流れ部の速度差を
少なくし、キャビテーションを抑制し、Ｃｖ値を小さく
し制御性を向上させている。これらは騒音防止及び制御
性の向上の効果はあるが、いずれも以下のような共通し
た問題点をもっている。 （１）弁体が全閉近くになるとき、非常に狭い流路にな
るために突起物や付加物の効果が小さくなる。 （２）どちらも弁体と弁軸の中心が同一軸上にあるシー
ル構造を有する場合は、高温流体に適さない構造であ
る。 （３）図９に示すものでは、 ノズル側に全く突起物等
なく、ノズル側でのキャビテーション抑制作用は全くな
い。

【００１５】そこで、本発明は、上記のような従来技術
の問題点を解決し、以下の点を改善することを課題とし
ている。 （１）バルブ縮流部で発生するキャビテーションを少な
くし、騒音を抑制する（液体流体の場合）。特に全閉近
くにおいてもキャビテーションの発生を少なくする。 （２）弁開度の移動量当たりのＣｖ値の変化量を小さく
し、制御性を向上させる。 （３）オリフィス、ノズル側共に弁体表面に突起物を設
けることにより、キャビテーション抑制効果を一層強化
する。 （４）既存の技術によりシール構造を容易に設計でき、
高温時でも使用できる構造にする。 （５）上記機能を有した上で、最低限のコストで製作で
きるようにする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに本発明によれば、全閉時、弁体周面と本体内面に形
成した弁座とのシール面が弁棒中心から偏心している偏
心形バタフライ弁において、弁体の外径及び弁座の内径
を、配管の内径Ｄの０．８倍以下とし、弁座直後の本体
内径を配管の内径とほゞ同じ寸法とし、 弁体のオリフ
ィス側表面には複数個の同一高さの突起物を設け、弁体
のノズル側表面にはオリフィス側突起物に比べて小さい
複数個の突起物を設けたことを特徴としている。弁体の
ノズル側表面に設けられたオリフィス側突起物は、好ま
しくは弁体のオリフィス側表面に設けられた突起物の高
さの約50%の高さをもち得る。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下添付図面の図１〜図６を参照
して本発明の実施の形態について説明する。図１を参照
すると、本発明の一つの実施の形態によるバタフライ弁
が示されており、図示バタフライ弁は、配管２０の配管
フランジ２０ａ間に密封して挿置される本体２１と弁体
２２を有し、本体２１に形成された弁座２３と弁体２２
との全閉時におけるシール面が弁棒２４の中心から偏心
している偏心形のものである。

【００１８】弁体２２及び弁座２３の内径φdは配管２
０の内径 φＤより小さく設定され、すなわち配管２０
の内径φDに対して弁座部内径φdの比率は、80%以下に
される 。弁座２３の直後以降の本体２１の部分の内径
は、ほぼ配管２０の内径 （φＤ）に等しくなるように
拡大されている。また弁体２２を回動可能に支持してい
る弁棒２４の中心は弁座２３の下流側の内径の拡大した
部分に位置している。

【００１９】また、図２及び図３に示すように、 弁体
２２は、そのオリフィス側表面の周縁部沿って複数個の
同一高さの突起物２２ａを備え、また弁体のノズル側表
面の周縁部沿って、オリフィス側の突起物２２ａに比べ
て小さな複数個の突起物２２ｂを備えている。これらの
突起物２２ａ、２２ｂについては、オリフィス側の突起
物２２ａがノズル側の突起物２２ｂより大きければよ
く、好ましくはノズル側の突起物２２ｂの高さはオリフ
ィス側の突起物２２ａの高さの約５０％以下となるよう
に構成され得る。

【００２０】図４は、弁座２３のシール部の具体例を示
し、（ａ）は、金属製シートリング２５を、本体２１の
側端部に形成された弁座２３の内径上の端面に形成した
凹所２３ｂに嵌め込み、弾性板状部材２６を介し弁座押
え２７によって押圧保持されている。また、図４の
（ｂ）に示す例では、樹脂系のシートリング２８を弁体
２２の外周縁と接するように弁座押え２９の凹部２９ａ
に密接して取付けられている。

【００２１】図５は、上記のように構成された本発明の
偏心形バタフライ弁の使用時の流れの状態を示し、弁体
２２の周縁部と接する弁座２３の内径φｄが配管２０の
内径φＤより小さく構成されているので、縮流部Ａの縮
流は緩和され、縮流部Ａの流速は小さくなり、圧力低下
を少なくすることができる。また、渦低速部Ｂと縮流部
（高速部）Ａの距離が広がるので、それらの速度差を小
さくすることができ、気泡核が成長し始めるきっかけが
少なくできると共に、発生したキャビテーション気泡が
管壁近くで崩壊する量は少なくなる。 この作用は、全
閉近くでも期待できる。

【００２２】また、弁体２２の表面に設けた突起物２２
ａ、２２ｂによってキャビテーションが発生した場合
も、小さく細分化したキャビテーションの泡となり、成
長しにくくなる。この突起物の作用は、全閉近くでは小
さいが、開度が開いてくると、効果を発揮し、全開まで
持続する。

【００２３】尚、弁体２２のノズル側表面の突起物２２
ｂに関しては、上流からの流れが弁体２２に沿って多く
の量が流れることから、弁体２２のオリフィス側表面の
突起物２２ａに比べて低くても効果があり、そしてこの
ように突起物を低くすることにより、高温時でもシール
構造を持たせた上で、弁面間寸法を薄くコンパクトに製
作可能となり、充分に機能を持たした上で最低コストで
製作可能となる。

【００２４】すなわち、上記のように構成することによ
り次のような作用効果が得られる。 １． 縮流部Ａの圧力低下を少なくして、気泡発生を抑
制できる。 ２．縮流部Ａと渦の速度差が小さく、気泡が成長するき
っかけを少なくできる。 ３．気泡が発生しても、弁体２２の表面の突起物で小さ
な気泡に細分化すると共に、弁座２３直後の本体部分の
内径が大きいために、圧力の回復が早く、気泡が成長す
る時間が短くなる。よってキャビテーション気泡の成長
が抑制できる。 ４．キャビテーション気泡が、管壁近くで崩壊する量が
少なくなり、配管へのダメージを軽減できる。 ５．既存の技術により、高温時でも使用可能なシール構
造が設計できる。また、上記機能を有した上で、最低限
のコストで製作可能である。

【００２５】次に、弁座の内径比の設定について説明す
る。呼び径200Ａの配管２０（内径φ200.3）にて弁座の
内径φｄをφ150にした場合のＦＬ値及びＫｃ値を測定
した結果を図６に実線グラフで示す。縦軸にＦＬ値、Ｋ
ｃ値を、横軸に弁開度（％）をとり、 全開の開度を100
%とした時の各開度の値を示している。また、図６の点
線グラフは、一般の偏心弁のＦＬ値、Ｋｃ値を示す。こ
れらの結果からわかるように、本発明のＦＬ値及びＫｃ
値が格段に大きくなっていることがわかる。

【００２６】一般に、従来の偏心型バタフライ弁ではの
弁座の径φｄは配管の内径φＤの９５％位に設定されて
いる。この寸法は、弁体が回転するときに配管と干渉し
ないために設定された寸法であり、本発明のようにキャ
ビテーション抑制のことを考慮にいれた寸法ではない。
これに対して、本発明による構成では、実験の内径比
（φｄ／φＤ）は７５％であるが、８０％以下の内径比
でも効果があることが別の実験結果から認められ、７０
％にしても７５％の場合と効果は変わらないことが確認
されている。

【００２７】上記の実験結果において、キャビテーショ
ン初生係数（Ｋｃ値）は、キャビテーションの発生開始
を係数化したもので大きい程、発生しにくい。また、圧
力回復係数（ＦＬ値）は、弁通過時の圧力回復の度合い
を係数化したものでＦＬ値が大きい程、圧力回復が小さ
くキャビテーションが発生しにくくなる。以上により、
内径比（φｄ／φＤ）が８０％以下にてキャビテーショ
ン抑制効果（＝騒音の低減）がある。

【００２８】次に、偏心構造の利点及び弁座部と弁棒の
位置関係について説明する。本発明に従って弁座２３の
直後で配管径まで拡大した本体２１の部分に、弁棒２４
が位置する偏心構造とすることにより、次のような効果
が得られる。 １．キャビテーション抑制効果は、内径が弁座２３の位
置で絞られ、その直後拡大することにより、最大とな
る。 ２．偏心構造であるために、既存の技術でシール構造を
容易に設計できる。ところで、弁座の中心と弁棒の中心
が同一平面内にある中心型弁の場合、シール構造を設け
るためには、構造を複雑にするか、内径の拡大位置を弁
座の位置よりも下流側後方に位置することになり、内径
を拡大し、キャビテーションを抑制する効果が低下する
ことになる。

【００２９】さらに、制御性能の向上について説明する
と、弁座２３の径を小さくすることにより、弁容量係数
（Ｃｖ値）は、同径の従来の偏心型弁より径の二乗に比
例して小さくなることと、突起物２２ａ、２２ｂの抵抗
により、全閉から全開の移動量当たりのＣｖ値の変化量
は小さくなり、制御性を向上させることができる。

【００３０】なお、他の実施の形態として、図１に示す
もの以外に、シールのための弁座のシートリングを設け
ずに本体と一体形にしてもよい。

【００３１】

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明による
偏心型バタフライ弁においては、弁体の外径及び弁座の
内径を、配管の内径Ｄの０．８倍以下とし、弁座直後の
本体部分の内径を配管の内径とほゞ同じ寸法とし、 弁
体のオリフィス側表面には複数個の同一高さの突起物を
設け、弁体のノズル側表面にはオリフィス側突起物に比
べて小さい複数個の突起物を設けたことにより、次のよ
うな効果を奏することができる。 １．キャビテーションを抑制でき、それにより騒音を低
減することができる。 ２．弁開度の移動量当たりのＣｖ値の変化量を小さく、
制御性を向上させることができる。同様に従来レデュー
サを用いて弁の呼び径を小さくしていた条件下で使用す
る場合、レデューサが不要になる。 ３．偏心弁構造のため、既存の技術によりシール構造を
容易に設計できる構造であると共に、キャビテーション
抑制効果を最大限に引き出すことが可能である。４．弁
体におけるノズル側の突起物を低くすることにより、キ
ャビテーション抑制効果を維持しつつ、コストを最小限
に製作可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態による低騒音バタフライ
弁の概略縦断面図。

【図２】本発明による低騒音バタフライ弁を弁下流側か
ら見た端面図。

【図３】本発明による低騒音バタフライ弁における弁体
構造を示す部分断面側面図。

【図４】本発明による低騒音バタフライ弁の弁座部にお
けるシール部の具体例を示す部分拡大断面図。

【図５】本発明による低騒音バタフライ弁の作用説明
図。

【図６】本発明の実験によって得られた弁開度に対する
ＦＬ値及びＫｃ値の結果を示すグラフ。

【図７】一般的な偏心形バタフライ弁の流れの状態を示
す説明図。

【図８】従来のバタフライ弁の一例を示し、（ａ）は縦
断面図、（ｂ）は図（ａ）のｂ−ｂ線に沿った横断面
図。

【図９】従来のバタフライ弁の別の例を示し、（ａ）は
縦断面図、（ｂ）は弁体の平面図。

【符号の説明】

２０ ： 配管 ２１ ： 本体 ２２ ： 弁体 ２２ａ： 突起物 ２２ｂ： 突起物 ２３ ： 弁座 ２４ ： 弁棒 φｄ ： 弁座部における本体の内径 φＤ ： 配管の内径

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】全閉時、弁体周面と本体内面に形成した弁
   座とのシール面が弁棒中心から偏心している偏心形バタ
   フライ弁において、弁体の外径及び弁座の内径を、配管
   の内径Ｄの０．８倍以下とし、弁座直後の本体部分の内
   径を配管の内径とほゞ同じ寸法とし、 弁体のオリフィ
   ス側表面には複数個の同一高さの突起物を設け、弁体の
   ノズル側表面にはオリフィス側突起物に比べて小さい複
   数個の突起物を設けたことを特徴とする低騒音バタフラ
   イ弁。
2. 【請求項２】弁体のノズル側表面に設けられた突起物が
   弁体のオリフィス側表面に設けられた突起物の高さの約
   50%の高さをもつ請求項１に記載の低騒音バタフライ
   弁。