JP2006234071A

JP2006234071A - 充水機能付きバタフライ弁

Info

Publication number: JP2006234071A
Application number: JP2005049830A
Authority: JP
Inventors: Akinobu Hourai; 章伸蓬莱
Original assignee: Kubota Corp
Current assignee: Kubota Corp
Priority date: 2005-02-25
Filing date: 2005-02-25
Publication date: 2006-09-07
Also published as: KR20060094906A; US20060192167A1; CN100357641C; HK1094346A1; CN1824976A; KR100765256B1; US7490627B2

Abstract

【課題】充水開始から満管状態になるまでの実際の必要時間と予め算出しておいた時間とのずれを小さくすることができる充水機能付きバタフライ弁を提供する。
【解決手段】開栓操作時の回転方向における弁体の背面側に一対のディスクテール部が設けられ、両ディスクテール部に通水孔が形成され、弁体の開度と損失係数ｆｖとの関係において、通水孔から充水する際に、弁体の開度の変化に対して損失係数ｆｖがほぼ一定値となる横這い領域Ｒｂが存在するバタフライ弁であって、通水孔から充水する際のバタフライ弁の上流側配管内の充水流速と、バタフライ弁の上流側の圧力水頭とが設定され、設定された充水流速と圧力水頭とによって適値の損失係数ｆｖが決定され、横這い領域Ｒｂが上記適値の損失係数ｆｖとなるように、通水孔の総開口面積が設定されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、充水機能を備えたバタフライ弁に関し、配管への充水時に定流量で流体を供給するバルブの技術に係るものである。

従来、配管の敷設時における初期充水時および再充水時においては、急激な充水によって満管状態にするとウォーターハンマー等によって配管が破損することがあるので、配管の途中に設けたバタフライ弁を小開度に開栓して小流量で下流側の管路に充水していた。

しかしながら、一般的なバタフライ弁は小開度における流量制御が困難であり、定流量供給することができず、充水開始から満管状態になるまでの必要時間を予め算出することは困難であった。

この対策として、図４に示すように、バタフライ弁１を備えた主管２に充水用の副管３を設け、副管３の途中に副管弁４を設けたものがある。上記副管３の一端はバタフライ弁１の上流側の主管２に接続され、副管３の他端はバタフライ弁１の下流側の主管２に接続されている。

これによると、充水時においては、バタフライ弁１を閉栓し、副管弁４を開栓することにより、主管２内の流体は、バタフライ弁１の上流側から副管３を通ってバタフライ弁１の下流側へ流れ、下流側の管路に小流量で充水される。尚、通常、規格等により、副管３の口径は主管２の口径の１／５に設定されており、したがって、副管３の流路断面積が主管２の流路断面積の１／２５になっている。

しかしながら上記のように副管３と副管弁４とを設けたものでは、配管設置に要するスペースが大きくなるといった問題があった。このような問題の対策として、図５〜図８に示すような充水機能付きバタフライ弁１０を用いることが考えられる。

すなわち、図８に示すように、バタフライ弁１０の弁箱１１は両側に上流側の配管２１および下流側の配管２２を接続するものである。また、図５に示すように、弁箱１１の内部には弁体１２を弁棒１３の軸心１３ａの周りに回転自在に配置し、弁箱１１の内周面には円環状をなす弁箱シール１４を配置しており、弁体１２は全閉位置Ｓにおいて周縁部が弁箱シール１４に摺接する。弁体１２は弁棒１３を介した左右一対の弁体片１２ａ、１２ｂの各々にディスクテール部１５ａ，１５ｂを設けており、これら一対のディスクテール部１５ａ，１５ｂは開栓操作時の弁体１２の回転方向Ｃにおける背面側に配置している。

両ディスクテール部１５ａ，１５ｂはそれぞれ、弁体１２の板面から立ち上がっており、弁箱シール１４に摺接する球面状に湾曲した外周面を有している。両ディスクテール部１５ａ，１５ｂにはそれぞれ通水孔１７を形成しており、通水孔１７は一端がディスクテール部１５ａ，１５ｂの外周面に開口し、他端がディスクテール部１５ａ，１５ｂの裏面、つまり開栓操作時の弁体１２の背面側に開口している。

図６に示すように、開栓操作時に上流側に回動する弁体片１２ａに設けた一方のディスクテール部１５ａにおいて通水孔１７はディスクテール部１５ａの外周面側の開口が流入口１７ａをなし、弁体１２の背面側の開口が排出口１７ｂをなす。また、開栓操作時に下流側に回動する弁体片１２ｂに設けた他方のディスクテール部１５ｂにおいて通水孔１７は弁体１２の背面側の開口が流入口１７ｃをなし、ディスクテール部１５ｂの外周面側の開口が排出口１７ｄをなす。図７に示すように、通水孔１７はその開口形状が弁体１２の周方向に沿った長円形をなしている。尚、両通水孔１７の総開口面積は、上記図４に示した副管３の流路断面積と同じになるように設定されており、すなわち、バタフライ弁１０に接続された配管２１，２２の流路断面積の１／２５になっている。

尚、上記弁棒１３の回転は、減速機とハンドル或いはモーター等で構成される開閉操作機で行われる。
これによると、充水時の操作の始めにおいて弁体１２は図５に示すような全閉状態にあり、急激な充水によって配管が破損することを防止するためにバタフライ弁１０を小開度に開栓して小流量で下流側配管に充水する。すなわち、図６に示すように、開栓操作によって弁体１２を小開度（約１５〜２０％）に開栓し、ディスクテール部１５ａ，１５ｂの外周面を弁箱シール１４に摺接させる状態において通水孔１７を全開状態となす。

弁体１２の小開度における通水孔１７の全開によって、弁体１２を介した弁箱１３の内部の上流側領域と下流側領域はディスクテール部１５ａ，１５ｂの通水孔１７を通してのみ連通し、上流側の配管２１から弁箱１１に流入する水が通水孔１７を通して下流側の配管２２へ通水される。

このとき、通水孔１７を流れる流量は通水孔１７の流路断面積等の流路形状に相応して予め定まっているので、定流量で下流側の配管２２へ充水することができ、充水開始から満管状態になるまでの必要時間を予め算出することができる。

尚、図２の二点鎖線で描いたグラフＡは、上記従来の充水機能付きバタフライ弁１０の弁体１２の開度（％）と損失係数との関係を示している。開度が２０％以下の範囲において、ディスクテール部１５ａ，１５ｂの外周面が弁箱シール１４に摺接し、さらに、開度１５〜２０％の範囲において、通水孔１７が全開状態となる。これによると、弁体１２の開度が大きくなるに従って、グラフＡが下向きに傾斜し、損失係数が低下するが、開度１５〜２０％の範囲においては、通水孔１７が全開状態となるため、損失係数がほぼ一定値となる横這い領域Ｒａが存在する。尚、上記充水時においては、開度２０％以下で使用している。

ここで、通水孔１７から充水する際のバタフライ弁１０の上流側の配管２１内の充水流速をＶ（ｍ／ｓ）とし、バタフライ弁１０の上流側の圧力水頭をＨ（ｍ）とし、重力加速度をｇ（＝９．８ｍ／ｓ^２）とすると、上記損失係数ｆｖは下記の式１で求められる。

ｆｖ＝Ｈ×２×ｇ／Ｖ^２・・・式１

例えば、水道管路に上記バタフライ弁１０を設けた場合、充水時の充水流速Ｖは一般的に安全性を考慮して０．５ｍ／ｓと設定され、水道管路の標準的な水理条件として、上流側の圧力水頭Ｈが１００ｍ（＝９．８×１０^５Ｐａ）と設定され、この条件で上記式１から求められる損失係数ｆｖは約８０００（正確にはｆｖ＝７８４５）になる。したがって、０．５ｍ／ｓの充水流速Ｖで充水するためには、上記図２のグラフＡより、弁体１２の開度を約１０％に保つ必要がある。

しかしながら、上記弁体１２の開度は開閉操作機のバックラッシュ等によって変動し易く、上記弁体１２の開度が１０％から僅かにずれて変動した場合、この変動に対して損失係数ｆｖが大きく変化するため、充水流速Ｖが０．５ｍ／ｓから変動し、これにより充水流量も変動してしまうため、充水開始から満管状態になるまでの実際の必要時間が、予め算出しておいた時間から、ずれてしまうといった問題がある。

尚、上記のように弁体１２に一対のディスクテール部１５ａ，１５ｂを設けた充水機能付きバタフライ弁は下記特許文献１，２に記載されている。
特開２００３−１２０８２９特開２００４−２１８７８６

本発明は、充水開始から満管状態になるまでの実際の必要時間と予め算出しておいた時間とのずれを小さくすることができる充水機能付きバタフライ弁を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本第１発明は、弁箱内に配置された弁箱シールと、弁棒の軸心周りに回転して全閉位置で弁箱シールに摺接する弁体と、開栓操作時の回転方向における弁体の背面側に設けられた一対のディスクテール部とを有し、上記ディスクテール部は弁箱シールに摺接する球面状に湾曲した外周面を有し、少なくともいずれか一方のディスクテール部に、一端が外周面に開口するとともに他端が弁体の上記背面側に開口する通水孔が形成され、弁体の開度と損失係数との関係において、通水孔から充水する際に、弁体の開度の変化に対して損失係数がほぼ一定値となる横這い領域が存在する充水機能付きバタフライ弁であって、上記通水孔から充水する際のバタフライ弁の上流側配管内の充水流速と、バタフライ弁の上流側の圧力水頭とが設定され、上記設定された充水流速と圧力水頭とによって適値の損失係数が決定され、上記横這い領域が上記適値の損失係数となるように、上記通水孔の総開口面積が設定されているものである。

これによると、横這い領域が上記適値の損失係数となるため、充水時、弁体の開度を上記横這い領域に対応する所定の開度に保って充水することにより、設定された充水流速で充水される。この際、弁体の開度が上記所定の開度から僅かにずれて変動した場合であっても、上記開度の変動が横這い領域内に含まれていれさえすれば、これに対する損失係数の変化が小さくなるため、充水流速の変動も減少し、充水流量の変動が抑制されて安定する。これにより、充水開始から満管状態になるまでの実際の必要時間と予め算出しておいた時間とのずれを小さくすることができる。

また、本第２発明は、充水流速が約０．５ｍ／ｓに設定され、圧力水頭が約１００ｍに設定され、この場合の適値の損失係数が約８０００であるものである。
これによると、横這い領域が適値の損失係数約８０００となるため、充水時、弁体の開度を上記横這い領域に対応する所定の開度に保って充水することにより、設定された充水流速約０．５ｍ／ｓで充水される。

この際、弁体の開度が上記所定の開度から僅かにずれて変動した場合であっても、上記開度の変動が横這い領域内に含まれていれさえすれば、これに対する損失係数（＝約８０００）の変化が小さくなるため、充水流速（＝約０．５ｍ／ｓ）の変動も減少し、充水流量の変動が抑制されて安定する。これにより、充水開始から満管状態になるまでの実際の必要時間と予め算出しておいた時間とのずれを小さくすることができる。

また、本第３発明は、通水孔は、一対のディスクテール部のうち、開栓操作時に上流側へ回動する一方のディスクテール部のみに形成されているものである。
これによると、充水時、上流側から通水孔を通過した流体は、弁体の背面側から下流側流路の中心方向へ流れるため、キャビテーションが防止される。また、通水孔を両方のディスクテール部にそれぞれ形成する場合に比べて、加工工数が減り、コストダウンができる。

以上のように本第１，第２発明によると、充水開始から満管状態になるまでの実際の必要時間と予め算出しておいた時間とのずれを小さくすることができる。
また、第３発明によると、キャビテーションを防止でき、加工工数を減らしてコストダウンを図ることができる。

以下、本発明における第１の実施の形態を図１，図２に基づいて説明する。尚、先述した従来のものと同一の部材については、同じ符号を付記して、その説明を省略する。
これによると、水道管路にバタフライ弁１０を設けた場合、設定された充水流速Ｖ（＝約０．５ｍ／ｓ）と圧力水頭Ｈ（＝約１００ｍ）とにより、上記式１に基づいて、適値の損失係数ｆｖ（＝約８０００）が決定され、図２の実線で描いたグラフＢに示すように、弁体１２の開度と損失係数との関係における横這い領域Ｒｂが上記適値の損失係数ｆｖ（＝約８０００）となるように、両通水孔１７の総開口面積が設定されている。

従来では、両通水孔１７の総開口面積は、上記副管３の流路断面積と同じになるように、バタフライ弁１０に接続された配管２１，２２の流路断面積の１／２５にしており、この場合、図２のグラフＡで示すように、横這い領域Ｒａは損失係数ｆｖ＝約２０００の付近に位置している。これに対して本実施の形態では、両通水孔１７の総開口面積を、従来の１／２、すなわちバタフライ弁１０に接続された配管２１，２２の流路断面積の１／５０にすることで、上記のように横這い領域Ｒｂが適値の損失係数ｆｖ（＝約８０００）の付近まで上昇する。

これによると、上記横這い領域Ｒｂは開度約１５〜２０％に対応しており、図１に示すように、弁体１２を開度約１５〜２０％内の所定の開度に保って充水することにより、バタフライ弁１０の損失係数ｆｖが適値の損失係数ｆｖ（＝約８０００）となり、設定された充水流速Ｖ（＝約０．５ｍ／ｓ）で充水される。この際、弁体１２を開度が上記所定の開度から僅かにずれて変動した場合であっても、上記開度の変動が横這い領域Ｒｂ内（すなわち開度１５〜２０％内）に含まれていれさえすれば、これに対する損失係数ｆｖ（＝約８０００）の変化が小さくなるため、充水流速Ｖ（＝約０．５ｍ／ｓ）の変動も減少し、充水流量の変動が抑制されて安定する。これにより、充水開始から満管状態になるまでの実際の必要時間と予め算出しておいた時間とのずれを小さくすることができる。

尚、圧力水頭Ｈを約１００ｍよりも高い値に設定したり或いは充水流量を少なくしたい場合は、開度約１５％以下で使用すればよい。
上記第１の実施の形態では、両方のディスクテール部１５ａ，１５ｂにそれぞれ１個ずつ通水孔１７を形成しているが、複数個ずつ形成してもよい。

上記第１の実施の形態では、通水孔１７が両ディスクテール部１５ａ，１５ｂにそれぞれに形成されているが、次に説明する第２の実施の形態においては、図３に示すように、通水孔１７は、一対のディスクテール部１５ａ，１５ｂのうち、開栓操作時に上流側へ回動する一方のディスクテール部１５ａのみに形成されている。尚、この場合も、第１の実施の形態と同様に、通水孔１７の総開口面積を、従来の１／２、すなわちバタフライ弁１０に接続された配管２１，２２の流路断面積の１／５０としている。

これによると、弁体１２を開度約１５〜２０％内の所定の開度に保って充水している時、上流側から通水孔１７を通過した水（流体）は、弁体１２の背面側から下流側流路の中心方向へ流れるため、キャビテーションが防止される。また、先の第１の実施の形態のように通水孔１７を両方のディスクテール部１５ａ，１５ｂにそれぞれ形成する場合に比べて、加工工数が減り、コストダウンができる。

上記第２の実施の形態では、一方のディスクテール部１５ａのみに１個の通水孔１７を形成しているが、複数個形成してもよい。
上記第２の実施の形態では、一方のディスクテール部１５ａのみに通水孔１７を形成しているが、他方のディスクテール部１５ｂのみに１個又は複数個の通水孔１７を形成してもよい。

さらに、上記各実施の形態では、通水孔１７を長円形に形成しているが、それ以外の形状、例えば真円形や多角形に形成してもよい。
また、上記各実施の形態では、水道管路の標準的な水理条件として、充水流速Ｖを約０．５ｍ／ｓ、圧力水頭Ｈを約１００ｍに設定し、これら両数値に基づいて適値の損失係数ｆｖを約８０００に決定しているが、これらの数値は一例であり、これらに限定されるものではない。また、通水孔１７の総開口面積を配管２１，２２の流路断面積のほぼ１／５０に設定しているが、これ以外の数値に設定してもよい。

本発明の第１の実施の形態における充水機能付きバタフライ弁の弁棒の軸心に直交する断面図である。同、第１の実施の形態における充水機能付きバタフライ弁ならびに従来の充水機能付きバタフライ弁の開度と損失係数との関係を示すグラフである。本発明の第２の実施の形態における充水機能付きバタフライ弁の弁棒の軸心に直交する断面図である。従来の副管と副管弁とを用いた充水機構の図である。従来の充水機能付きバタフライ弁の弁棒の軸心に直交する断面図であり、弁体を全閉位置にした状態を示す。同、充水機能付きバタフライ弁の弁棒の軸心に直交する断面図であり、弁体を小開度開いて充水を行っている状態を示す。同、充水機能付きバタフライ弁の弁体の斜視図である。同、充水機能付きバタフライ弁の側面図である。

符号の説明

１０充水機能付きバタフライ弁
１１弁箱
１２弁体
１３弁棒
１３ａ軸心
１４弁箱シール
１５ａ，１５ｂディスクテール部
１７通水孔
２１上流側の配管
Ｃ開栓操作時の回転方向
Ｒｂ横這い領域
Ｓ全閉位置

Claims

弁箱内に配置された弁箱シールと、弁棒の軸心周りに回転して全閉位置で弁箱シールに摺接する弁体と、開栓操作時の回転方向における弁体の背面側に設けられた一対のディスクテール部とを有し、
上記ディスクテール部は弁箱シールに摺接する球面状に湾曲した外周面を有し、
少なくともいずれか一方のディスクテール部に、一端が外周面に開口するとともに他端が弁体の上記背面側に開口する通水孔が形成され、
弁体の開度と損失係数との関係において、通水孔から充水する際に、弁体の開度の変化に対して損失係数がほぼ一定値となる横這い領域が存在する充水機能付きバタフライ弁であって、
上記通水孔から充水する際のバタフライ弁の上流側配管内の充水流速と、バタフライ弁の上流側の圧力水頭とが設定され、
上記設定された充水流速と圧力水頭とによって適値の損失係数が決定され、
上記横這い領域が上記適値の損失係数となるように、上記通水孔の総開口面積が設定されていることを特徴とする充水機能付きバタフライ弁。
充水流速が約０．５ｍ／ｓに設定され、圧力水頭が約１００ｍに設定され、この場合の適値の損失係数が約８０００であることを特徴とする請求項１記載の充水機能付きバタフライ弁。
通水孔は、一対のディスクテール部のうち、開栓操作時に上流側へ回動する一方のディスクテール部のみに形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の充水機能付きバタフライ弁。