JP2009204079A - バタフライバルブ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】弁軸と軸受孔との間に異物が付着または堆積しにくいバタフライバルブ装置を提供する。
【解決手段】弁軸３の保持部３ａと弁軸３の摺動部３ｂの間に、保持部３ａから摺動部３ｂに向かって弁軸３の外径が小さくなるテーパ部３ｃが設けられている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、バタフライバルブ装置の軸受部分の構造に関する。

バタフライバルブ装置は、ボディに設けた気体または液体の流体が流通する円形の流路と略同じ大きさの円板状弁体を弁軸に保持し、この弁軸がボディに形成した軸受孔に回転自在に嵌挿されている。この弁軸を回転させることで弁体が弁軸とともに回転してバタフライバルブ装置内を流通する流体の流路を開閉することで流路を流れる流体の流量を制御するものである。この場合、流量を制御するためには弁軸が円滑に回転する必要があり、バタフライバルブ装置内を流通する流体中に異物が存在し、弁軸と軸受孔との間に異物が付着または堆積すると弁軸が円滑に回転しなくなる場合が生ずる。このようなバタフライ装置を例えば燃料電池に使用した場合は、燃料電池内を流通する反応ガス中には大量の水蒸気または凝縮水が含まれているので、これら水蒸気または凝縮水による水が弁軸と軸受孔との間に溜まることがある。燃料電池の運転を停止した後にバタフライバルブ装置の温度が氷点下になり弁軸と軸受孔との間に溜まった水が凍結すると所望の性能が発揮できなくなる場合がある。また、燃料電池の反応ガスには水蒸気または凝縮水による水以外にも燃料電池本体から異物が流れ出る場合があり、この異物が弁軸と軸受孔との間に付着または堆積すると所望の性能が発揮できなくなる場合もある。

弁軸と軸受孔との間に溜まる水対策としては特許文献１に軸受孔に拡開部を設け、この拡開部の下部に水溜部を形成して水をこの拡開部から下部の水溜部に落下させて溜める装置が示されている。また、特許文献２に軸と軸受孔の隙間を塞ぐために鍔状部を設けて水が軸受孔に浸入するのを防ぐ装置が示されている。
特開２００３−２０９６２号公報（[００３１]段落、図２） 特開２００６−１７７２７７号公報（[０００９]段落〜[００１３]段落、図１）

特許文献１に示される技術では、水溜部を形成しても燃料電池の反応ガスのように大量の水分が含まれている場合短時間で水溜部に水が溜まって軸受孔に水があふれてしまう場合があり得る。また、水溜部をバルブボディの外側に貫通させているので気体の外部への漏れが生ずる。

また、特許文献２に示される技術では、燃料電池の反応ガスのように大量の水分が含まれている場合バルブボディと鍔状部との間に水が浸入するのを防ぎ切れない場合がある。従って、特許文献１および特許文献２とも軸受孔への水の浸入を防ぎ切れない場合に、浸入した水が凍結すると所望の性能が得られないことがある。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、弁軸と軸受孔との間に異物が付着または堆積しにくいバタフライバルブ装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために講じた手段は、流体が流通するボディの内部に配設されて流体の流量を制御する弁体と、該弁体を保持して回転自在な弁軸と、前記ボディに形成されて前記弁軸を軸支する軸受孔とを有するバタフライバルブ装置において、前記弁軸が前記弁体を保持する保持部と前記軸受孔に軸支されて摺動する摺動部を有し、前記保持部と前記摺動部の間に前記保持部から前記摺動部に向かって外径が小さくなるテーパ部を備えていることにある。

さらに、前記摺動部の外径が前記テーパ部の最小外径より小さいと良い。

また、前記弁軸に前記テーパ部と前記摺動部との間に前記摺動部の外径より小さい外径を有する溝部が形成されていると良い。

また、前記軸受孔が流体の流通するボディの内部に凹設して形成されていると良い。

また、前記軸受孔の内径が前記弁軸の前記テーパ部から前記摺動部に向かう方向に小さくなるテーパ形状であると良い。

本発明の手段では、弁軸が保持部から摺動部の間に保持部から摺動部に向かって外径が小さくなるテーパ部を備えているので、流体はテーパ部に沿って摺動部へ流れ、この流体の流れにより軸受孔および摺動部の表面に付着した異物は排出されやすくなる。

また、弁軸が保持部から摺動部に向かって外径が小さくなるテーパ部を備えているので、流体は保持部から摺動部に向かって弁軸から受ける抵抗が小さくなり流れやすくなるため、軸受孔、または軸受孔と弁軸の摺動部の間に付着または堆積した異物は流体の流れが引き起こす負圧によって吸引されて排出されやすくなる。

さらに、摺動部の外径が前記テーパ部の最小外径より小さく設けられていると、流体は弁軸の摺動部からの抵抗が少なくなるためより流れやすくなり、異物を排出する効率が向上する。

また、弁軸にテーパ部と摺動部の間に前記摺動部より外径が小さい溝部が形成されていると、流体が弁軸から受ける抵抗はさらに小さくなり流れやすくなるので、異物を排出する効率がさらに向上する。

また、軸受孔が流体の流通するボディの内部に凹設して形成されていると、軸受孔から流体が漏れることが無く、また軸受孔を流れる流体の流れが有効に作用して軸受孔と摺動部の間に付着または堆積した異物をより効率的に吸引して排出することができる。

また、軸受孔の内径が弁軸のテーパ部から摺動部に向かう方向に内径が小さくなるテーパ状であるので、弁軸のテーパ部と軸受孔の間を流通する流体の流れは乱れにくくなり異物を効率的に排出することができる。

以下、本発明のバタフライバルブ装置の構造について説明する。

図１に示すように本実施形態のバタフライバルブ装置１０は、気体または液体の流体が流通する円形の流路１１を有するボディ１と、円形の流路１１と略同じ外径を有する円板状の弁体２と、弁体２を保持するとともに回転自在な弁軸３と、弁軸３の一端部に連結し弁体２を回転させるアクチュエータ４とを備えている。

金属または樹脂を基材とするボディ１には弁軸３が貫通する貫通孔１ａと弁軸３を軸支する円形の軸受孔１ｂが設けられている。ここで、軸受孔１ｂはボディ１の内部に凹設されており貫通孔となっていない。このように軸受孔１ｂを貫通孔としないことで、軸受孔１ｂの開口部１ｄを流体が流れることにより軸受孔１ｂの内部から軸受孔１ｂの開口部１ｄに向かって異物を吸い出す力（負圧）を発生させることができるとともに、流体が軸受孔１ｂからボディ１の外へ漏れ出すのを防ぐことができる。

図２に示すように軸受孔１ｂの内部には軸受孔１ｂの内部に当接して軸受１ｃが配設されている。軸受１ｃには滑り軸受や転がり軸受等が使用でき、本実施形態では腐食および磨耗等の耐久性を考慮して潤滑剤にグリスを用いたステンレス鋼の滑り軸受を使用している。なお、場合によっては軸受１ｃを配設せずに図４の第２実施形態に示すように軸受孔１ｂに直接軸受１ｃを形成しても良い。このように軸受孔１ｂに軸受１ｃを直接形成することで部品点数を減らすことができコスト削減が可能となる。

軸受孔１ｂの深さＬ１は軸受１ｃの長さＬ２より大きく設定するのが好ましい。軸受孔１ｂの深さＬ１を軸受１ｃの長さＬ２より大きく設けることで、後述する弁軸３のテーパ部３ｃの一部を軸受孔１ｂ内に入れることができるのでバタフライバルブ装置１０の軸方向の小型化が可能となる。この際、テーパ部３ｃを軸受孔１ｂ内に全て入れてしまうとテーパ部３ｃに沿って摺動部３ｂ方向に流れる流体の流量が減じてしまうため好ましくない。

なお、軸受孔１ｂの内径は図２に示したように軸受孔１ｂの深さ方向に一定とすること以外にも図５に示す第３実施形態および図６の第４実施形態のように弁軸３のテーパ部３ｃから摺動部３ｂに向かう方向に内径が小さくなるテーパ状にすることができる。軸受孔１ｂをこのようなテーパ状にすることで、流体が流通する弁軸３のテーパ部３ｃと軸受孔１ｂとの間の距離の変化が小さくなるため、流体の流れは乱れにくくなり流体の異物を排出する効率が良くなる。

弁軸３は、図１に示すように弁体２を保持する保持部３ａが設けられている。保持部３ａには、弁体２の外径と略同じ大きさの長辺と弁体２の厚みと略同じ大きさの短辺からなる長方形のスリットが形成されている。このスリットに金属または樹脂を基材とする弁体２を挿嵌して、ねじ等の締結部材６にて締結することで弁体２は弁軸３に保持される。ここで、本実施形態では弁軸３および弁体２は腐食および磨耗等の耐久性を考慮してステンレス鋼を基材としている。

弁軸３の一端部はアクチュエータ４と連結する連結部３ｅが設けられ、連結部３ｅには流体がアクチュエータ４内に流入しないようゴム等のシール部材５が配設されている。弁軸３の他端部は軸受１ｃに係合して摺動する摺動部３ｂが設けられている。保持部３ａと摺動部３ｂの間には、外径が保持部３ａの外径と同じＤ１からＤ１より小さな外径Ｄ３となるテーパ部３ｃが設けられている。ここでテーパ部３ｃの外径Ｄ３はテーパ部３ｃの最小外径であり、摺動部３ｂの外径Ｄ２はこの最小外径Ｄ３より小さくなるように設定している。このように、摺動部３ｂの外径Ｄ２をテーパ部３ｃの最小外径Ｄ３より小さく設定することで、流体が摺動部３ｂから受ける抵抗はテーパ部３ｃから受ける抵抗より小さくなるので流体は流れやすくなる。また、摺動部３ｂと軸受穴１ｂの軸受１ｃ間に水等が付着して凍結した場合に摺動部３ｂを回転可能にする力を摺動部３ｂに与えやすくなる。

また、テーパ部３ｃと摺動部３ｂとの間には摺動部３ｂの外径Ｄ２より小さな外径Ｄ４を有する溝部３ｄが設けられている。このように溝部３ｄを設けることで流体が受ける抵抗がさらに小さくなるので流体はより流れやすくなる。本実施形態では保持部３ａの外径Ｄ１はΦ８ｍｍ、摺動部３ｂの外径Ｄ２はΦ５ｍｍ、テーパ部３ｃの最小外径Ｄ３はΦ６ｍｍ〜Φ７ｍｍ、溝部３ｄの外径Ｄ４はΦ４ｍｍに設定している。

摺動部３ｂの外径は図６に示す第４実施形態のように溝部３ｄと同じにしても良い。摺動部３ｂの外径を溝部３ｄと同じ大きさに小さくすることで摺動部３ｂに加わる回転させる力が大きくなり、異物に起因する回転不良が起こりにくくなる。

次に、本実施形態のバタフライバルブ装置１０を流れる流体の流れについて説明する。

弁体２はアクチュエータ４を駆動させることで弁軸３を介して回転し、ボディ１の円形の流路１１を弁体２の円板が完全に覆うと流体を遮断する全閉状態となり、この全閉状態から９０度回転させると流体を最大流量流通させる全開状態になる。この全閉状態から全開状態までの間をアクチュエータ４の駆動を制御することにより流路１１を流通する流体の流量を制御することができる。

図３に示すように、本実施形態のバタフライバルブ装置１０を流通する流体は弁軸３の保持部３ａに沿って流れる流体Ａと、テーパ部３ｃの保持部３ａに近い部分を流れる流体Ｂ１、テーパ部３ｃの溝部３ｄに近い部分を流れる流体Ｂ２および溝部３ｄを流れる流体Ｃがある。ここで、流体Ａ以外の流体はテーパ部３ｃと接することでテーパ部３ｃに沿って摺動部３ｂ方向に流れるため、軸受孔１ｂまたは軸受孔１ｂ付近を流れる流体の流量を増やすことができる。

弁軸３は保持部３ａ、テーパ部３ｃの保持部３ａに近い部分、テーパ部３ｃの溝部３ｄに近い部分、溝部３ｄの順に外径が小さくなっているため、流体が弁軸３から受ける抵抗はこの順に従って小さくなり流体の流れはこの順に従って速くなる。(流体Ａ、流体Ｂ１、流体Ｂ２、流体Ｃの順)このため、従来のテーパ部３ｃを設けていないバタフライバルブ装置の流体の流れは流体Ａだけであるのに対し、本実施形態のテーパ部３ｃを設けることで流体の流れを流体Ａより速い流体Ｂ１、流体Ｂ２の流れにすることができる。つまり、従来のバタフライバルブ装置に比べてテーパ部３ｃを設けることで軸受孔１ｂまたは軸受孔１ｂ付近を流れる流体の流速を速くでき、吸引する力（負圧）を大きくすることができる。さらに溝部３ｄを設けることで流体Ｃの流れにすることができ、流速はより速くなり吸引する力（負圧）は大きくなる。

以上のようにテーパ部３ｃを設けることで、軸受孔１ｂまたは軸受孔１ｂ付近を流れる流体の流量を増加し、さらに流体の流速を増すことができるので、軸受孔１ｂまたは摺動部３ｂの表面に異物が付着しにくくなり、軸受孔１ｂまたは摺動部３ｂの表面に異物が付着しても排出しやすくなる。また、軸受孔１ｂ、または軸受１ｃと摺動部３ｂ内に異物が付着または堆積しても吸引されて排出されやすくなる。ここで異物には流体内に含まれるもの以外にも摺動部３ｂが軸受１ｃと摺動することで摺動部３ｂと軸受１ｃの間には摺動に伴う磨耗粉が堆積する場合があり、この場合も流体が流れやすい（流速が速い）ため摺動部３ｂと軸受１ｃの間に発生した磨耗粉を吸引して排出しやすくなり、バタフライバルブ装置１０の寿命を長くすることが可能となる。

次に本実施形態のバタフライバルブ装置１０を燃料電池に使用したときの試験結果について説明する。

本実施形態のテーパ部３ｃを設けたバタフライバルブ装置１０とテーパ部３ｃを設けていない従来のバタフライバルブ装置に、燃料電池に使用する空気を５００ｍｌ／分の流量で流通させ、全閉状態から全開状態さらに全開状態から全閉状態にする作動を１秒間の間に行う動作を１００万回作動させる耐久試験を実施した。耐久試験後に従来のバタフライバルブ装置には摺動部３ｂに磨耗粉の発生が認められたが、本実施形態のバタフライバルブ装置１０は磨耗粉の存在は認められず、テーパ部３ｃによる流体の流れにより異物が排出されることが確認できた。

以上説明したように、本実施形態のバタフライバルブ装置１０は弁軸３の保持部３ａと弁軸３の摺動部３ｂの間に、保持部３ａから摺動部３ｂに向かって弁軸３の外径が小さくなるテーパ部３ｃが設けられているので、流体はテーパ部３ｃに沿って摺動部３ｂへ流れ、この流体の流れにより軸受孔１ｂおよび摺動部３ｂの表面に付着した異物は排出されやすくなる。また、流体は保持部３ａから摺動部３ｂに向かって弁軸３から受ける抵抗が小さくなり流れやすくなるため、軸受孔１ｂ、または軸受１ｃと弁軸３の摺動部３ｂの間に付着または堆積した異物は流体の流れが引き起こす負圧が大きくなるため吸引されて排出されやすくなる。

さらに、摺動部３ｂの外径Ｄ２が前記テーパ部３ｃの最小外径Ｄ３より小さく設けられているので、流体は摺動部３ｂから受ける抵抗が少なくなるためより流れやすくなり、効率よく異物の排出が可能となる。

また、テーパ部３ｃと摺動部３ｂの間に摺動部３ｂより外径が小さい溝部３ｄが設けられているので、流体が弁軸３から受ける抵抗はさらに小さくなり流れやすくなり異物を排出する効率がさらに向上する。

また、軸受孔１ｂがボディ１に凹設して形成されているので、軸受孔１ｂから流体が漏れることが無く、また軸受孔１ｂの開口部１ｄを流れる流体の流れによる吸引する力が有効に作用して異物をより効率的に吸引して排出することができる。

また、軸受孔１ｂがテーパ部３ｃから摺動部３ｂに向かって内径が小さくなるテーパ形状を有しているので、弁軸３のテーパ部３ｃと軸受孔１ｂの間を流通する流体の流れは乱れにくくなり異物を効率的に排出することができる。

以上、本発明を上記実施の態様に則して説明したが、本発明は上記態様にのみ限定されるものではなく、本発明の原理に準ずる各種態様を含むものである。

本発明の第１の実施形態におけるバタフライバルブ装置の断面図である。 図１の要所部分拡大図である。 流体の流れを示す説明図である。 本発明の第２の実施形態を示す図である。 本発明の第３の実施形態を示す図である。 本発明の第４の実施形態を示す図である。

符号の説明

１ ボディ
１ｂ 軸受孔
２ 弁体
３ 弁軸
３ａ 保持部
３ｂ 摺動部
３ｃ テーパ部
３ｄ 溝部
Ｄ２ 摺動部外径
Ｄ３ テーパ部最小外径
Ｄ４ 溝部外径
１０ バタフライバルブ装置

Claims (5)

1. 流体が流通するボディの内部に配設されて流体の流量を制御する弁体と、該弁体を保持して回転自在な弁軸と、前記ボディに形成されて前記弁軸を軸支する軸受孔と、を有するバタフライバルブ装置において、
   前記弁軸が前記弁体を保持する保持部と、前記軸受孔に軸支されて摺動する摺動部を有し、前記保持部と前記摺動部の間に前記保持部から前記摺動部に向かって外径が小さくなるテーパ部を備えていることを特徴とするバタフライバルブ装置。
2. 前記摺動部の外径が前記テーパ部の最小外径より小さいことを特徴とする請求項１に記載のバタフライバルブ装置。
3. 前記弁軸に、前記テーパ部と前記摺動部との間に前記摺動部の外径より小さい外径を有する溝部が形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のバタフライバルブ装置。
4. 前記軸受孔が前記流体の流通する前記ボディの内部に凹設して形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載のバタフライバルブ装置。
5. 前記軸受孔の内径が前記弁軸の前記テーパ部から前記摺動部に向かう方向に小さくなるテーパ形状であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載のバタフライバルブ装置。

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