JP2012082932A - バタフライ弁 - Google Patents

Abstract

【課題】弁開度が相当大きくなった時にオリフィスにおいて大きい抵抗が存在するという不都合がなく，ゴミや自然物の付着といった問題を生じず，弁開開始直後にも，オリフィス側とノズル側の両流路の圧力のアンバランス小さくすることができ，アンバランスによる弁の損傷などを避けることができるバタフライ弁を提供する。
【解決手段】弁棒３に取り付けられる弁体１と，管路の内周に固定されるシートリング９とを備え，弁体１のノズル側端部１ｂに，前記管路の横断面方向に見て，管路の上流側に向けて突出し弁棒３の回転軸心から所定半径の抵抗体１１が取り付けられてなり，抵抗体の先端面１１ｘは，弁体１が回転したときにシートリング９に対して所定の隙間Ｇを介してシートリング９と対向する形状に形成されてなるものであるバタフライ弁。
【選択図】図２

Description

この発明は，閉状態において，管路の内周に固定されるシートリング接触して管路を閉鎖し，回転することで管路を開放するバタフライ弁の改良に関するものである。

従来，前記バタフライ弁においては，図６に示すように，弁体１によって仕切られる流体の流れは，弁棒３の回転中心を中心として回動し，管路５の上流側に向けて回動する弁体回動端部１ａ（オリフィス側端部）側の流れと，管路５の下流側に向けて回動する弁体回動端部１ｂ（ノズル側端部）側の流れとの２つに分けられる。
上記オリフィス側では，開弁状態で，弁体回動側端部１ａが流路を遮る構造となっており，流体によって生じる渦が大きい抵抗となり，流体の流速を減じる現象を起す。これに対して，ノズル側では，弁体回動側端部１ｂが流れを導くガイドの役目を果たし，流れの流速を増加させる現象が生じる。
このようにして弁体１の回動によってオリフィス側とノズル側に生じる流速の差は，オリフィス側の弁体下流側の面に低圧領域を生じ，弁体を閉側に回動させるアンバランストルクを生じさせる。
また，流速が増加すると上記アンバランストルクは更に大きくなると共に，弁体下流側に発生する低圧域の圧力が飽和水蒸気圧以下に低下すると，いわゆるキャビテーションが発生し，弁や管路に振動や機械的損傷を与え，同時に激しい騒音を発生させる。
上記したような，バタフライ弁におけるオリフィス側端部，ノズル側端部さらにはキャビテーションの発生といった現象は周知である。例えば，第２５３６３２９号特許，特開昭５７−１５７８６６号公報，特開平１１−１３８９６号公報，特開２００２−１９５４２１号公報，特開２００１−４０３７号公報，などを参照されたい。

上記のようなバタフライ弁におけるキャビテーションを防止あるいは現象させる方策として，特許文献１が知られている。これは，円筒形管路の中心部を直交する弁棒によって軸支される弁体の二つのほぼ半円部の，一方のノズル流れ部（ノズル側端部）の上流側弁体のほぼ半円周部から弁板に対して直角に延びるくし歯を設け，該くし歯の作用により細かいジェット流によりキャビテーションを抑えると共に，他方のオリフィス流れ部（オリフィス側端部）の下流側弁体のほぼ半円部に，弁軸部に直角に円周部に向って延びる別のくし歯を設け，該くし歯により，該部を通る流れが乱れの少ない細かいジェット流になり，キャビテーションをより有効に抑えるように構成されたバタフライ弁である。
特許文献２についても同様の思想が開示されている。

また，特許文献３には，弁棒の中心が管路口径の中心になく，更に弁体シール面が弁棒の中心から偏心して構成されている二重偏心形バタフライ弁の弁体において，弁閉状態における弁体とシートリングとの接触シール面を，弁体とシートリングの接触点を通る境界線Ｘ−Ｘ′を挿んで弁棒の有る側の球面Ｒｂと，弁棒の無い側の球面Ｒａの二つの球面を連続して形成し，それぞれの球面ＲａとＲｂの球中心位置をそれぞれ異った点としたバタフライ弁が開示されている。

さらに特許文献４には，円板状の弁体と，その直径方向に対して平行な弁軸とを備え，弁軸が弁体の中心軸線Ｎ方向および該中心軸線方向に対し垂直な方向Ｍの２方向に偏心して設けられた二重偏心形バタフライ弁において，円筒状の管路内面のシートリングと接する弁体外周のシール面の幅が，弁体を弁軸方向にみて弁軸に近い側から遠い側に向かって順に広くなるように形成され，弁を開く際に遠い側が近い側よりも遅れてシールリングから離脱するように構成されたバタフライ弁が記載されている。

特開平１１−２３３７号公報 特開平１１−３７３０７号公報 特開平２００１−５９５７７号公報 特開平２００１−３４３０７５号公報

上記特許文献１及び特許文献２に開示のバタフライ弁では，くし歯を設けることによってオリフィス部を通過した流れが整流され，渦がなくなるので，弁閉状態近傍でのキャビテーションを防止する点では優れた効果を奏する事が期待される。
しかしながら，この従来技術では，比較的弁開度の低い状態にしか，くし歯の効果がなく，くし歯の高さが弁本体内周部から離脱するとその効果は急激に失い，おおよそ弁開度４０度以上開くと効果はない。
また，バタフライ弁は，種々の用途に用いられるが，河川水や農業用水のような自然界の流体の制御に用いる場合には，それに含まれるゴミ，枯葉などの異物が，上記くし歯に付着してくし歯の機能を喪失させるという問題がある。
さらに特許文献３および４に開示のバタフライ弁では，いずれも微小開度にのみオリフィス側の流路の開くのに遅れてノズル側の流路が開くことになり弁開開始直後には，オリフィス側のみに流路が開かれ，ノズル側は閉状態を保たれるが弁体とシートが離脱すると流体には何の作用も与えない。
従って，この発明は，上記したような従来技術の問題点を解決することを目的とするもので，以下に記載のような構成を採用する。

上記目的を達成するために本発明は，
管路内に該管路に直交して設けられる弁棒と，
前記弁棒に取り付けられる弁体と，
前記管路の内周に固定されるシートリングとを備えてなるバタフライ弁であって，
前記弁体のノズル側端部に，前記管路の横断面方向に見て，管路の上流側に向けて突出し前記弁棒の回転軸心から所定半径の抵抗体が取り付けられてなり，
前記抵抗体の先端面は，前記弁体が回転したときに前記シートリングに対して所定の隙間を介して前記シートリングと対向する形状に形成されてなるものであるバタフライ弁として構成されている。
このようなバタフライ弁のおいては，弁体が開動作を開始したときに上記ノズル側端部側にシートリングと抵抗体との間に挟まれた隙間が形成され，この隙間の幅を適正に設定することで上記隙間によって形成される流路とオリフィス側に形成される流路との抵抗をバランスさせることができ，両流路における抵抗の差によって生じるキャビテーションを生じなくさせることができる。
このようなキャビテーションは，完全になくすことが望ましいが，完全でなければならないものではなく，上記隙間を適宜に調整することでキャビテーションを相当量少なくすることができる。
上記流路の抵抗を完全にバランスさせようとした場合には，前記所定の隙間が，前記弁体のオリフィス側端部に対面する流路の抵抗に応じて調整されてなるものであることが望ましい。
前記弁体のオリフィス側端部はそれなりの抵抗が生じるので，改めて抵抗体を形成する必要はない。しかし，適当な抵抗を形成することでノズル側とオリフィス側の抵抗をバランスさせることも必要に応じて行われるべきである。
バタフライ弁には中心型，一重偏心型，二重偏心型があるが，当該バタフライ弁が，前記弁棒の回転中心が前記シートリングのシール面内に含まれる中心型バタフライ弁である場合に，前記所定の隙間が一定距離である場合が有利な実施形態として挙げられる。
また，当該バタフライ弁が，前記弁棒の回転中心が前記シートリングのシール面から管路の下流側に所定距離外れ，且つ，管路の口径の中心線上に存在する一重偏心型バタフライ弁あるいは，前記弁棒の回転中心が前記シートリングのシール面から管路の下流側に所定距離外れ，且つ，管路の口径の中心線上から所定距離離れている二重偏心型バタフライ弁である場合に，前記所定の隙間が一定範囲内に含まれる距離であるバタフライ弁も有利な実施形態である。
さらに，前記抵抗体が，その前記管路の横断面方向に見た断面形状において，円弧状の部分を含むものが挙げられるが，さらに，前記抵抗体の前記管路の横断面方向に見た断面形状が，前記弁体のノズル側端部から突出する円弧状部分と，該円弧状部分の先端と前記弁棒を概略結ぶ半径部分とを接続した扇型形状あるいはその内部に空間を含んでなる形状であってもよい。

弁開度が相当大きくなった時にオリフィスにおいて大きい抵抗が存在するという不都合がなく，くし歯を用いないのでゴミや自然物の付着といった問題を生じず，弁開開始直後にも，オリフィス側とノズル側の両方が開状態に移行することで，両流路の圧力のアンバランスを小さくすることができ，アンバランスによる弁の損傷などを避けることができる。

本発明にかかるバタフライ弁は，上記のように構成されている。

本発明の一実施形態にかかる中心型バタフライ弁の構造を示す図。 本発明の複数の実施形態にかかるバタフライ弁の構造を示す図。 本発明の複数の実施形態にかかるバタフライ弁の構造及びその動きを示す図であって，抵抗体が円弧状部分のみからなる場合を示す図。 本発明の複数の実施形態にかかるバタフライ弁の構造及びその動きを示す図であって，抵抗体が円弧状部分と半径部分からなる場合を示す図。 本発明の複数の実施形態にかかる二重偏心型バタフライ弁の構造及びその動きを示す図であって，抵抗体が円弧状部分と半径部分から場合を示す図。 従来周知の中心型バタフライ弁における流体の流れを示す図。

続いて，添付した図面を参照して本発明を具体化した実施形態について説明し，本発明の理解に供することとする。
従来，バタフライ弁の弁体形式には，図１，図２，図６に示すように，弁体１の外周に形成されたシール面が，弁棒３の回転中心と同一線上にある構造形式の中心形バタフライ弁体と，弁棒３の回転中心が弁本体５aの口径の中心にあり，弁体１シール面が弁棒３の回転中心から弁本体５aの軸心に沿って偏心している構造形成の一重偏心形バタフライ弁体と，図５に示すように，弁棒３の回転中心が管路５の口径中心から偏心しており，更に弁体シール面が弁棒３の回転中心から管路５の軸心に沿って偏心している構造形成の二重偏心形バタフライ弁に大別されており，それぞれの弁体構造に特有の性質を有しているが，いか以下に説明する本発明の実施形態にかかるバタフライ弁は，これらいずれの形式のバタフライ弁にも適用可能である。

まず図２に基づいて，本発明の一実施形態にかかるバタフライ弁Ａ１について説明する。
この実施形態にかかるバタフライ弁Ａ１の場合，図２中の例えば（ａ）に示すように，弁本体５a内に該弁本体５aに直交して弁棒３が設けられており，前記弁棒３に取り付けられる弁体１が一体的に取り付けられている。上記弁体１は，閉状態において，前記弁本体５aの内周に固定されるシートリング９に食い込み，弁本体５aを完全に閉鎖する。
そして，図２（ａ）の実施形態にかかるバタフライ弁Ａ１においては，図示の全閉の状態から，弁体１は図における反時計方向に回動することで開弁する。従って，図２（ａ）における１ｂが弁体１のノズル側端部である，１ａがオリフィス側端部である。
そして，この例では，前記弁体１のノズル側端部１ｂに，図２（ａ）に示す横断面方向に見て，管路５の上流側に向けて突出し，前記弁棒３の回転軸心から所定半径の円弧状の抵抗体１１が取り付けられている。この抵抗体１１の先端面１１ｘは，前記弁体１が開弁方向に回転したときに，前記シートリング９に対して所定の隙間を介して前記シートリング９と対向するように，弁棒３の回転中心から一定の半径となる円弧形状に形成されている。
一方，前記弁体１のオリフィス側端部１ａには，抵抗体が設けられていない。
前記弁体１のオリフィス側端部１ａはそれなりの抵抗が生じるので，上記のように改めて抵抗体を形成する必要はない。しかし，適当な抵抗を形成することでノズル側とオリフィス側の抵抗をバランスさせることも必要に応じて行われるべきである。このようなことも本発明の範囲である。

図２（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）は種々の抵抗体の形状を示すもので，図１は，図２（ｂ）に示した抵抗体１１を備えたバタフライ弁の構造を示すものである。
図１中，（ａ）は，弁体１を弁棒３の軸心方向に見た図であり，この場合，中心型バタフライ弁体の形式となっている例である。
図１（ｂ），（ｃ）は，弁体１が管路５に取り付けられた状態を示し，（ｂ）は，管路５の軸心方向（（ａ）の矢印ｘ方向）に見た図，（ｃ）は，管路５の断面方向（（ａ）の矢印ｙ方向）に見た図である。
図２（ｂ）及び図１に示されたバタフライ弁Ａ２の場合，抵抗体１１の管路５の横断面方向に見た断面形状が，前記弁体１のノズル側端部１ｂから突出する円弧状部分１１ａと，該円弧状部分１１ａの先端１１ｃと前記弁棒３を概略結ぶ半径部分１１ｄとを接続した扇型形状をなしている。また，この図に示した例では，上記扇型形状の内部が扇型の空間１１ｅに形成されている例である。上記空間１１ｅはかならずしも必須ではない。

また，図２（ｃ）に示したバタフライ弁Ａ３では，抵抗体１１の管路５の横断面方向に見た断面形状が，前記弁体１のノズル側端部１ｂから突出する円弧状部分１１ａと，該円弧状部分１１ａの先端１１ｃと前記弁体３のオリフィス側端部１ａを概略結ぶ直径部分１１ｆとを接続した扇型形状をなしている。また，この図に示した例では，上記扇型形状の内部が扇型の空間１１ｇに形成されている例である。この場合も，空間１１ｇはかならずしも必須ではない。

さらに，図２（ｄ）に示したバタフライ弁Ａ４は，図２（ａ）に示したバタフライ弁Ａ１を二重偏心型バタフライ弁の構造としたものである。この例では，二重偏心型バタフライ弁を例示しているが，一重偏心型バタフライ弁であっても，本発明は適用可能であることは既に述べたとおりである。

図３（ａ）〜（ｃ）は，図２（ａ）に示したバタフライ弁における全閉状態，中間開状態，及び全開状態を示し，図４（ａ）〜（ｃ）は，図２（ｂ）に示したバタフライ弁における全閉状態，中間開状態，及び全開状態を示す横断面図である。
一例を図３について説明する。図３（ａ）のように弁体１が全閉状態では，流路が一切確保されていないので，流れは皆無である。
この状態から弁体１が開いていくと，前記円弧状部分１１ａがシートリング９に対面した時から前記円弧状部分１１ａとシートリング９との間に隙間Ｇが生じ，ノズル側端部１ｂにおける流路の形成と共に上記隙間を介しての流路が形成される。
この隙間は，図３に示された中心型バタフライ弁Ａ１においては，円弧状部分１１ａが弁棒３の回転中心を中心とする一定半径の円弧であれば，円弧状部分１１ｂがシートリング９から離れるまで一定厚みに維持される。
ただし，これは一例であって，上記隙間の量は，円弧状部分の弁棒回転中心からの半径を弁体の開度に応じて適宜変化するようにして，上記隙間の量を弁体１の開度に応じて変化させることも必要に応じて採用される。

例えば，上記図３に示したのは，実施形態にかかるバタフライ弁Ａ１が，前記弁棒３の回転中心が前記シートリング９のシール面内に含まれる中心型バタフライ弁である場合に，前記所定の隙間が一定距離に設定された場合であるが，バタフライ弁が，前記弁棒３の回転中心が前記シートリング９のシール面７から管路５の下流側に所定距離外れ，且つ，管路５の口径の中心線上に存在する一重偏心型バタフライ弁あるいは，前記弁棒３の回転中心が前記シートリング９のシール面７から管路５の下流側に所定距離外れ，且つ，管路５の口径の中心線上から所定距離離れている二重偏心型バタフライ弁である場合には，上記隙間の厚さは弁体１の回転角度に応じて若干変化するものであるが，前記隙間Ｇの量は，前記オリフィス側の流路の抵抗にバランスする範囲での変動が望ましく，一定範囲内に含まれる距離に設定される。即ち，隙間Ｇは，オリフィス側端部に対面する流路の抵抗に応じて調整される。
上記は，図３に示したような円弧状部分１１ａのみからなる抵抗体についての場合であるが，図４に示す半径部分１１ｄを備えた抵抗体，あるいは図２（ｃ）に示す直系部分１１ｆを備えた場合，あるいは，図２（ｄ）に示す二重偏心型バタフライ弁，さらには一重偏心型バタフライ弁についても同様に成立する。
また，図２（ｄ）に示した二重偏心型バタフライ弁Ａ４において，弁体１の開度を細かく変化させた状態が図５に示されている。そしてこの場合，前記隙間Ｇが明瞭に示されているので，参照されたい。

ここで重要なことは，これらのいずれの実施形態においても，前記円弧状部分１１ａが弁体１のノズル側端部１ｂに一体に設けられていること，及び，上記円弧状部分１１ａであらわされる前記抵抗体１１の先端面１１ｘが，前記弁体１が回転したときに前記シートリング９に対して所定の隙間Ｇを介して前記シートリング９と対向するために，弁体１が全閉状態のときには，流体が一切流れないが，弁体１が開いて，前記円弧状部分１１ａがシートリング９に対面した時から，オリフィス側端部１ａにおける流路の形成と共に上記隙間Ｇを介しての流路が形成されることである。そしてさらに重要なことは，上記ノズル側端部１ｂに面する流路が，前記円弧状部分１１ａとシートリング９との間に形成される隙間が狭いために，相当の流体抵抗により減圧し，その流量は無視できる範囲か若しくは，ノズル側流路について，前記オリフィス側端部１ａによる抵抗を受けるオリフィス側流路の流量にバランスする程度の流量が確保され，ノズル側とオリフィス側の両方の流路の流速の差に伴うキャビテーションを生じない点である。
逆に言えば，前記円弧状部分１１ａとシートリング９との間に形成される隙間Ｇの大きさは，そこを流れる流量と前記オリフィス側端部１ａによる抵抗を受けるオリフィス側流路の流量とがバランスする程度の大きさに設定されることが望ましい。このような，前記円弧状部分１１ａとシートリング９との間に形成される隙間Ｇの大きさは，オリフィス側端部における流路の流量が，オリフィス側端部１ａの形状や厚さ，シートリング９の構造などによって変化するものであることから，オリフィス側の構造に応じて試作し，試行錯誤によって確定されるものである。
なお，前記円弧状部分１１ａの弁棒回転中心を中心とする角度について，実験によれば，望ましい一例として，６０度が挙げられる。

本発明は，上記したようにバタフライ弁のノズル側端部に適切な流体抵抗を発生させ一定開度にわたってノズル側流量を極小にして流体を主にオリフィス側のみから流すことによって低圧力域の発生をなくすか，若しくはノズル側の流路抵抗をオリフィス側の流路抵抗とバランスさせることでバタフライ弁に特有のキャビテーションを防止するものであるので，中心型バタフライ弁，一重偏心型バタフライ弁，あるいは二重偏心型バタフライ弁のいずれについても適用可能である。

１…弁体
１ａ…オリフィス側端部
１ｂ…ノズル側端部
３…弁棒
５ａ…弁本体
７…シール面
９…シートリング
１１…抵抗体
１１ａ…円弧状部分
１１ｃ…先端
１１ｄ…半径部分
１１ｆ…直径部分
Ａ…バタフライ弁
Ｇ…隙間

Claims (7)

1. 管路内に該管路に直交して設けられる弁棒と，
   前記弁棒に取り付けられる弁体と，
   前記管路の内周に固定されるシートリングとを備えてなるバタフライ弁であって，
   前記弁体のノズル側端部に，前記管路の横断面方向に見て，管路の上流側に向けて突出し前記弁棒の回転軸心から所定半径の抵抗体が取り付けられてなり，
   前記抵抗体の先端面は，前記弁体が回転したときに前記シートリングに対して所定の隙間を介して前記シートリングと対向する形状に形成されてなるものであるバタフライ弁。
2. 前記所定の隙間が，前記弁体のオリフィス側端部に対面する流路の抵抗に応じて調整されてなるものである請求項１に記載のバタフライ弁。
3. 前記弁体のオリフィス側端部には抵抗体が設けられていない請求項１あるいは２のいずれかに記載のバタフライ弁。
4. 当該バタフライ弁が，前記弁棒の回転中心が前記シートリングのシール面内に含まれる中心型バタフライ弁である場合に，前記所定の隙間が一定距離である請求項１〜３のいずれかに記載のバタフライ弁。
5. 当該バタフライ弁が，前記弁棒の回転中心が前記シートリングのシール面から管路の下流側に所定距離外れ，且つ，管路の口径の中心線上に存在する一重偏心型バタフライ弁あるいは，前記弁棒の回転中心が前記シートリングのシール面から管路の下流側に所定距離外れ，且つ，管路の口径の中心線上から所定距離離れている二重偏心型バタフライ弁である場合に，前記所定の隙間が一定範囲内に含まれる距離である請求項１〜３のいずれかに記載のバタフライ弁。
6. 前記抵抗体が，その前記管路の横断面方向に見た断面形状において，円弧状の部分を含むものである請求項１〜５のいずれかに記載のバタフライ弁。
7. 前記抵抗体の前記管路の横断面方向に見た断面形状が，前記弁体のノズル側端部から突出する円弧状部分と，該円弧状部分の先端と前記弁棒を概略結ぶ半径部分とを接続した扇型形状あるいはその内部に空間を含んでなる形状である請求項１〜６のいずれかに記載のバタフライ弁。
   

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