JP2006144920A

JP2006144920A - ボールバルブ

Info

Publication number: JP2006144920A
Application number: JP2004336031A
Authority: JP
Inventors: Taku Kato; 卓加藤
Original assignee: FLO TEC Ltd; FLO-TEC Ltd; INTER VALVE TECHNOLOGIES CORP; INTER-VALVE TECHNOLOGIES CORP
Current assignee: FLO TEC Ltd; FLO-TEC Ltd; INTER VALVE TECHNOLOGIES CORP; INTER-VALVE TECHNOLOGIES CORP
Priority date: 2004-11-19
Filing date: 2004-11-19
Publication date: 2006-06-08

Abstract

【課題】
ボールの中心がステムの中心軸上から移動しステムにひずみを生じても、簡単な構造でハンドルの回転トルクを低減し、ハンドル操作が容易でボールやステムの磨耗を起こし難くい、気密性のよいフローティングボールタイプのボールバルブの提供。
【解決手段】
ハンドルによって駆動できるように一端をハンドルに固定されている第１のステムの他端と、一端がボールに固定されている第２のステムの他端とを互いに結合して１本のステムを形成し、ハンドルの回動に連動してボールが回動可能であるボールバルブにおいて、２本のステムの結合部を中心として第１のステムの回転軸に対し第２のステムの回転軸が屈折可能であるボールバルブ。例えば、第１のステムと第２のステムが互いに断面形状が正六角形の凹凸嵌合構造で、凹型部の先端部において線接触により嵌合し、凹型部の奥部側面と凸型部側面との間には間隙が存在しているボールバルブ。
【選択図】図１

Description

本発明はボールバルブに関し、詳しくは密閉性の優れたフローティングボール構造でありながら、流体圧力等によるボール中心のずれに対してバルブ開閉作動トルクの増大しないボールバルブに関するものである。

ボールバルブは一般に、ケーシング（弁本体、弁装置本体とも言う）、ケーシング内に設置されたボール弁（ボール、弁とも言う）、ボール弁を作動させるためのステム（駆動軸とも言う）、ステムを作動させるハンドル（回動操作部とも言う）により構成されている。通常のボールバルブではボール弁とステムは一方向にのみ移動可能に固定されており、さらにステムとハンドルも固定されているので、ステムを中心としてハンドルをケーシングに対し相対的に回動させることによりボール弁が連動して回動し、バルブの開閉が行われる。

ボールバルブは全開時の流体抵抗が少なく、通常ハンドルを９０度回転するだけで全開にでき、流体のシール性がよいので非常に優れたバルブである。一般に、ボールバルブは弁閉止時のシール性を上げるためにボールの一方のみにステムを取り付けたいわゆるフローティングボールタイプが採用されている。このフローティングボールタイプのボールバルブは、ボールとステムを嵌着により結合しているが、嵌着部は弁閉止時にボールがケーシング内をステムに対して流体下流側へ平行移動できるような構造となっている。そのため弁閉止時にボール上流側の流体の圧力でボールがケーシング内の下流側に押し付けられ、下流側に設置されているシール用のシート等とボールの密着性が増し自緊的にシール性が向上する仕組みとなっている。しかし、ボールが本来の位置から下流側に向かって移動すると、ステム軸とボールの中心軸との間にずれが生じ、ステムやシール用のシートに応力がかかってしまい、ハンドルの回動トルクの増大やシール用シートの磨耗といった問題が起こりやすい。

このようなボールの回動軸の移動を防ぐためにボールの回動軸の両側にステムを備えたトラニオンタイプのボールバルブがある。しかし、このタイプのバルブは自緊的にシール性が向上する仕組みとなっていないので、製作時におけるステムの回動軸とケーシングのボール穴の誤差によるずれや、使用によるシールの磨耗、変形等を補償する機能がない。それゆえ、シール性を上げるためには複雑なシール構造を採用せねばならない。例えば、解決策のひとつとして、シートへの負荷に対する対策としては、ボール回動時にシートをスライドさせてシートの磨耗を防ぐ方法が特許文献１に記載されている。

特開２００１−２４８７３９号公報

上述のようにフローティングボールタイプのボールバルブは種々の長所があるが、ボールが流体下流側に移動しステムにひずみが生ずると、ハンドルが滑らかに回動しづらくなり大きな回転トルクを必要とする。また、ボールやステムに磨耗を起こすこともある。本発明は、簡単な構造でこのようなハンドルの回転トルクを低減し、ハンドル操作が容易でボールやステムの磨耗を起こし難くい、気密性のよいフローティングボールタイプのボールバルブの提供を目的としている。

前記課題を解決するための手段は、
（１）ハンドルによって駆動できるように一端をハンドルに固定されている第１のステムの他端と、一端がボールに固定されている第２のステムの他端とを互いに結合して１本のステムを形成し、ハンドルの回動に連動してボールが回動可能であるボールバルブにおいて、２本のステムの結合部を中心として第１のステムの回転軸に対し第２のステムの回転軸が屈折可能であるボールバルブである。
（２）第１のステムと第２のステムが互いに嵌合構造によって結合している（１）に記載のボールバルブである。
（３）第１のステムと第２のステムを凹凸構造で嵌合した際、凹型部の先端部において線接触により嵌合し、凹型部の奥部側面と凸型部側面との間には間隙が存在している（２）に記載のボールバルブである。
（４）凹型部と凸型部との嵌合部側面全体にわたって間隙が存在している（２）に記載のボールバルブである。
（５）互いに嵌合し合う凸型部および凹型部のステム軸に垂直な断面形状が４〜１２角の正多角形である（２）〜（４）のいずれかに記載のボールバルブである。

本発明のボールバルブは、気密性、耐久性、操作性といったフローティングボールタイプのボールバルブの優れた特長を備えたまま、ハンドルに固定したステムの回転軸とボールの回転軸にずれがあっても、ハンドル操作が容易でボールやステムの磨耗を起こし難くいという特長をも備えている。

第一の本発明のボールバルブは、２本のステムを繋ぎ合わせており、そのステムの結合の構造に特長がある。ハンドルによって駆動できるように一端をハンドルに固定されている第１のステムの他端と、一端がボールに固定されている第２のステムの他端とをハンドルの回動に連動してボールが回動可能であるように結合して１本のステムを形成している。さらに、２本のステムの結合部を中心として第１のステムの回転軸方向に対し第２のステムの回転軸方向が屈折可能であるボールバルブである。

例えば図１に示すように、第１のステムと第２のステムの結合部分が嵌合により結合する凹凸構造となっている。この凹凸構造部分のステム軸に対して垂直な断面の形状は図１の上部の切断面図や図３のＩ〜Ｐに示すような多角形、または突起のある形状である。三角形、四角形、その他の多角形、Ｎに示した星形やＯ，Ｐに示した歯車形、あるいは円に突起の出た構造でもよい。２本のステムを凹凸部で嵌合することによりハンドルの回動に連動して回転角度の実質的なずれなしでボールが回動可能となる構造となればよいのである。それぞれのステムの凹凸部分におけるステム軸に垂直な断面の形状は円形以外であれば２本のステムは連動して回動できる。断面の形状が円形の場合はハンドル側のステムとボール側のステムが嵌合部で滑ってしまい、ハンドル側のステムの回動に連動してボール側のステムが回動できないという問題がある。このように嵌合部で滑りが生じ易い場合は、凹または凸部の側面に自由回転防止用の突起を設け、凸または凹部の対応する位置に窪みを設けても２本のステムの相対的な自由回転を防止することができる。

一般には、嵌合部の凹凸の断面形状としては４〜１２角の正多角形が望ましい。あまり角数の多い多角形の場合円形に近くなり、円形の場合と同じ問題が起こりやすい。この断面形状は、製作の容易性から正方形や正６角形、正８角形、正１０角形、正１２角形とすることが好適である。なお、嵌合すべき凸型部と凹型部は同じ形状であることが多いが、必ずしも同じでなくともよい。２本のステムが嵌合時に連動して実質的に回転角度のずれなしで回動できる構造の組み合わせならよい。

本発明のボールバルブで重要なことは、２本のステムの結合部を中心として第１のステムの回転軸に対し第２のステムの回転軸が屈折可能である構造とすることである。例えば図１に示すように、凸型部は断面形状は正六角形のまま先端に向かって細くなる形状とし、凹型部は同じ大きさの六角形の断面形状のままとして間隙を設ける。すなわち、２本のステムを嵌合する場合、凹型部に凸型部をステム軸方向に沿って挿入していき、凹凸部分が嵌合しそれ以上挿入できなくなったとき、凹型部の窪みの底と凸型部の先端との間には隙間があり、凹型部先端は凸型部の付け根の水平部分との間には間隙が生じている状態が好ましい。嵌合は凹型部の先端と凸型部の対応する側面の線接触によりなされている。このような嵌合構造とすることで２本のステムは嵌合状態においても、嵌合部を中心として互いに中心軸を屈折させるように軸方向を変えることができる。これによりバルブが閉止状態のとき、ボールが流体の圧力でケーシングに取り付けられているシール材を押し付けて下流側に移動しても、ボールに固定されているステムは嵌合部を中心としてボールの移動距離に見合う角度だけ軸方向が変化してステムへの無理な応力集中を避けることができる。この構造は流体圧力によるボールの移動だけでなく、バルブ製作時の製作誤差によるボール中心とステム軸中心のずれに対しても有効に対応できる。

２本のステムの結合部を中心として、第１のステムの回転軸に対し第２のステムの回転軸が屈折可能とするには、上述の構造以外にも多数の構造がある。例えば図２に示すような構造がある。図２はステム軸に平行な断面で切断した結合部分の説明図である。Ａは上述の構造である。Ｂは凸部は太さが変わらず、凹部の奥が広がっている構造である。そして軸同士が屈折し易くするため凸型部の先端および型の部分を上に凸な円弧状にしてある。Ｃは凸型部の側面が先端ほど太くなっており、凸型部の先端および型の部分、凹型部の先端および最奥部はステム軸が互いに屈折しやすいようにすべて円弧状となっている。

Ｄは凹型部も凸型部も側面はステム軸と平行であるが、凸型部と凹型部を勘合した後も側面同士に間隙がある構造である。この場合、間隙の広さには制限がある。第１のステム第２のステムが連動して回動できるような範囲とする。すなわち、凹部の断面形状のうち中心を通る最短の距離より、凸部の断面形状のうち中心を通る最長の距離のほうが長くなければならない。このようにすれば、回動時に互いに遊びを持ちながら連動して回動する。なお、凹部または凸部の先端はステム軸屈折時にも回動し易いよう球状にしておくと良い。ＥはＡの変形であるが凸型部の肩の部分がほとんどなくなり、傾斜になっている構造である。外観上はほとんど六角柱などの棒状に近い構造である。これも凸型の一種と読んでいる。さらに、Ｆは皿バネを重ねたような構造である。また、Ｇは硬いゴムなどの短い棒状の弾性体で結合した構造で小角度の屈折は可能であるがほとんどねじれが生じない構造である。

このような構造は、すべて上部のステム軸の中心線と下部のステム軸の中心線が結合部で屈折できる構造である。そして、２本のステムの軸が互いに屈折したまま連動して回動できる構造となる。なお、第１のステムと第２のステムのどちらを凹部あるいは凸部とした組み合わせでも構わない。また、上記の凸型部はいわゆる肩の部分がある必要はない。単なる棒状の構造が嵌合部に繋がっていてもよい。ただし、通常は第２のステムとボールの結合は固着した状態であることが好ましい。特殊な場合として、例えば第２のステムが非常に短くなり、ボールと第１のステムが直接嵌合している場合もある。ボールから凸型部のみが突起している構造や、ボールにステムが入り込んでしまい外見上はボールに直接凹部が設けられている構造でもよい。第１のステムとハンドルの関係でも同様のことが言える。

２本のステム軸の屈折する角度と結合部の構造と作用について説明する。凹凸構造を嵌合する結合方式を図４のＡ，Ａ’およびＤ，Ｄ’で説明する。２本のステム軸の屈折する角度は、ボールの移動によって第２のステムの中心軸線が結合部を中心として傾く角度である。結合部を中心として第２のステム軸が屈折するためには、中心軸が互いに屈折していない状態の図４のＡでは、凸型部の線接触している部分より先端部側面は凹型部の側面との間に間隙が存在し、凸型部の側面が２本のステムの中心軸が変化する角度以上の角度で凹型部の側面から離れている必要がある。ボールの中心が第１のステム軸の中心線上にあるときの凸型部側面と凹型部の側面とのなす角度をａとすれば、第２のステムが屈折できる最大の角度ｂはａに等しくなる。図４のＡ’にその状態を示す。図４のＤ，Ｄ’は凹凸構造の両側面に間隙を持たせた構造の嵌合部分におけるステム軸の屈折を説明した図である。原理的には上記と同じように屈折したまま回動が可能である。この場合、第１のステムと第２のステムの間に回転角度のずれが生じるが実質的に問題がない場合にはこのようなバルブも使用できる。

一般的にボールの移動距離はケーシング内の流体通路に設けたシール用のシートを押し付けて変形させる程度なので大型バルブを除いて数ｍｍ以内である。それ故、凸型部の側面の間隙は線接触している嵌合部を中心とした第２のステムの角度変化として表すと、通常のバルブでは１０度以内、ほとんどの場合５度以内である。図４では分かり易くするため約１０度の角度で示しているが現実の屈折角は２度程度が多い。それ故、２本のステムにこの程度の中心軸の屈折があってもほとんど回転トルクに影響を与えず回動することができる。回動が滑らかであるということはステムやボールとケーシングあるいはパッキングとの間に無理な応力がかからず磨耗も少ないことになる。なお、第２のステムの長さはバルブの大きさにより決めればよいが、ボールの移動距離に対しあまり短いとステム軸の屈折角が大きくなり易いので注意すべきである。軸の屈折角をｚとしたときボールの移動距離ｘと第２のステムの長さｙとの間には、およそｔａｎｚ＝ｘ／ｙで表される。そこで、ステム軸の屈折角を５度以内とするには第２のステムの長さをボールの想定移動距離の１２倍以上とし、２度以内としようとすれば３０倍以上とすればよい。

本発明のボールバルブは気密性がよく操作性がよい耐久性のあるボールバルブであり、各種の流体制御用に用いることができる。特に、高温、高圧の流体用バルブとして最適である。また、操作性や耐久性を重んじる用途にも好適に使用できる。

図１は本発明のボールバルブの構造を表す断面説明図である。上部には下部の図のＸ−Ｘ’面での垂直切断面を表している。図２は本発明のボールバルブのステムの結合構造を表す断面図である。図３は凹凸構造の嵌合部分の軸に垂直な断面の形状を表す図である。図４はステムの結合構造とステム軸の屈折状態を表す断面図である。

符号の説明

Ａ凸部が異形の凹凸嵌合構造
Ａ’ Ａのステム軸が屈折した状態の嵌合構造
Ｂ凹部および凸部が異形の凹凸嵌合構造
Ｃ凹部および凸部が異形の凹凸嵌合構造
Ｄ凸部が異形の凹凸嵌合構造
Ｄ’ Ｄのステム軸が屈折した状態の嵌合構造
Ｅ凸部が異形の凹凸嵌合構造
Ｆコイルバネによる結合構造
Ｇ棒状弾性体による結合構造
Ｉ，Ｊ，Ｋ，Ｌ，Ｍ，Ｎ，Ｏ，Ｐ凹凸嵌合部の断面形状
ａ凹部側面と凸部側面の角度
ｂステム軸の屈折角
１ケーシング
２ボール
３ハンドル
４第１のステム
５第２のステム
６凹型部
７凸型部
８シール用のシート

Claims

ハンドルによって駆動できるように一端をハンドルに固定されている第１のステムの他端と、一端がボールに固定されている第２のステムの他端とを互いに結合して１本のステムを形成し、ハンドルの回動に連動してボールが回動可能であるボールバルブにおいて、２本のステムの結合部を中心として第１のステムの回転軸に対し第２のステムの回転軸が屈折可能であるボールバルブ。
第１のステムと第２のステムが互いに嵌合構造によって結合している請求項１に記載のボールバルブ。
第１のステムと第２のステムを凹凸構造で嵌合した際、凹型部の先端部において線接触により嵌合し、凹型部の奥部側面と凸型部側面との間には間隙が存在している請求項２に記載のボールバルブ。
凹型部と凸型部との嵌合部側面全体にわたって間隙が存在している請求項２に記載のボールバルブ。
互いに嵌合し合う凸型部および凹型部のステム軸に垂直な断面形状が４〜１２角の正多角形である請求項２〜４のいずれかに記載のボールバルブ。