JP2014047858A - 二重偏心形バラフライ弁の弁体とそのバタフライ弁 - Google Patents

Abstract

【課題】高圧流体に対しても先端側まで剛性を確保して弁閉シール時の応力や変形、たわみを抑制して漏れを確実に防ぎ、かつ、肉厚を薄くして軽量化を図りながら弁開及び中間開度時の流体抵抗を低減して優れた流量特性を発揮しつつ高圧流体を流すことができる。
【解決手段】円盤形状のジスク２の一側に弁軸４取付用のボス部３を設け、弁軸４側のジスク面が凸状で、弁軸４の反対側のジスク面２ｂが凹状をなす椀状曲面部６を当該ジスク２の表裏面に形成し、この椀状曲面部６の外周に弁座部２ｃを設けると共に、ジスク２の弁軸４側には、ジスク２と同心形状の環状リブ７を弁座部２ｃの内方位置で、かつ凸状の椀状曲面部６の外周囲に突出形成した。
【選択図】図４

Description

本発明は、弁軸の中心が二重に偏心して取付けられる二重偏心形バタフライ弁の弁体に関し、特に、高圧流体の流路に適した弁体と、そのバタフライ弁に関する。

従来より、特に、高圧流体の流路に適したバルブとして、二重偏心形バタフライ弁が知られている。二重偏心形バタフライ弁は、弁体に対して弁軸の位置が二重に偏心するように取付けられ、これにより、高圧時の止水性が中心形バタフライ弁よりも高められている。
高圧下でバタフライ弁を使用する場合、弁開及び中間開度の弁体には特に大きい流体抵抗が働き、全閉時には流体からの荷重を受けて弁体の先端部のたわみが大きくなってこの先端部が着座位置から移動しやすくなる。そのため、弁体がたわみにくい強度を確保する必要があるが、弁体の肉厚を厚くすると弁体の重量が増加するという問題が生じる。これを回避するため、弁体の重量を軽減しつつその強度を確保して、たわみや応力集中を低減し、なおかつ弁開及び中間開度の流体抵抗を減少することが要求されている。

強度を向上させたバタフライ弁の弁体としては、例えば、特許文献１のバタフライ弁の弁体が開示されている。このバタフライ弁の弁体は、中心形バタフライ弁用であり、Ｙ軸を起点としてＸ方向に延びる複数の横リブが形成され、これにより肉厚を薄くしつつ剛性を高め、軽量化も図ろうとするものである。
特許文献２の中心形バタフライバルブの弁体では、複数の円形リブが弁体を構成する基板の表裏面に同心円状に隆起状態で形成され、これにより、弁体の剛性を高め、かつ、操作トルクを低減しようとしている。
さらに、これら以外の中心形バタフライ弁の弁体として、応力分散のために縦リブ又は横リブ、或は双方を設けることで弁体厚さを薄くし、弁体の軽量化を図るようにした弁体も提案されている。

特許第３６７６７８５号公報 特許第４６５９９２７号公報

しかしながら、特許文献１のバタフライ弁の弁体は、流体の流過方向に沿ってリブが形成された態様であるため、全閉時のリブに対して所定角度から荷重が加わった場合には剛性が低くなってたわみが大きくなり、その結果、弁体が着座位置からずれてシール性が低下するおそれがあった。
特許文献２では、基板の表裏面に設けた円形リブによって剛性を高めようとしているが、高圧流体に対する剛性が十分ではなく、高圧流体を封止する場合には荷重を受けたときに弁体の先端部のたわみが大きくなり、この先端部が着座位置から移動しやすくなるというおそれがある。
縦リブ又は横リブ、或は双方を設けた場合には、このリブが複雑になるにつれてその凹凸も増えるため、弁体の全開及び中間開度での流体抵抗が増大するという問題がある。
このように、これらの中心形バタフライバルブの弁体は、偏心形バタフライ弁の弁体に比較して高圧流体に耐えうることが難しくなり、さらに、この種のバタフライ弁を設ける際には両方向の流れに対応させる必要があり、デッドエンド側（配管の末端側）にバタフライバルブを配置させた場合にも弁体が確実に耐圧性を発揮するように必要最小限の肉厚を確保することも重要になっている。

本発明は、従来の課題を解決するために開発したものであり、その目的とするところは、高圧流体に対しても先端側まで剛性を確保して弁閉シール時の応力や変形、たわみを抑制して漏れを確実に防ぎ、かつ、肉厚を薄くして軽量化を図りながら弁開及び中間開度時の流体抵抗を低減して優れた流量特性を発揮しつつ高圧流体を流すことができる二重偏心形バタフライ弁の弁体とそのバタフライ弁を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、円盤形状のジスクの一側に弁軸取付用のボス部を設けた二重偏心形バタフライ弁の弁体において、弁軸側のジスク面が凸状で、弁軸の反対側のジスク面が凹状をなす椀状曲面部を当該ジスクの表裏面に形成し、この椀状曲面部の外周に弁座部を設けると共に、ジスクの弁軸側には、ジスクと同心形状の環状リブを弁座部の内方位置で、かつ凸状の椀状曲面部の外周囲に突出形成した二重偏心形バタフライ弁の弁体である。

請求項２に係る発明は、弁座部の内方位置に前記椀状曲面部の起点をなす環状起点部を形成し、この環状起点部を前記環状リブに対向する近傍位置に配置した二重偏心形バタフライ弁の弁体である。

請求項３に係る発明は、椀状曲面部は、弁体鉛直軸線と弁軸平行軸線の交点から鉛直方向にジスクの外径の２倍以上から３倍以下離れた点を中心として椀状曲面を形成した二重偏心形バタフライ弁の弁体である。

請求項４に係る発明は、椀状曲面部の凸状側に、ボス部の側面に沿って縦リブを設け、この縦リブは、椀状曲面部とボス部と環状リブとになだらかに接続した二重偏心形バタフライ弁の弁体である。

請求項５に係る発明は、短筒形状のボデーの上下の軸装部に弁軸を軸装すると共に、弁体をボデー内に設けて、前記弁軸を介して前記弁体を開閉自在に設けた二重偏心形バタフライ弁である。

請求項１に係る発明によると、弁軸側が凸状で弁軸の反対側が凹状の椀状曲面部をジスクの表裏面に形成し、この椀状曲面部の外周に弁座部を設けると共に、ジスクの弁軸側に環状リブを弁座部の内方位置で、かつ凸状の椀状曲面部の外周囲に突出形成していることで、面間の制約を受け易い弁軸の反対側のジスク面からの凸部が無いため、所定面間内に弁体を収納でき、この場合、必要最小限のジスクの肉厚によりジスクの先端側までの剛性を確保して高圧流体に対しても弁閉シール時の応力や変形、たわみを抑制して漏れを確実に防ぎ、かつ、大きな曲率を確保しながら肉厚を薄くできるため軽量化を図り、弁操作性を向上しながら弁開及び中間開度時の流体抵抗を低減して優れた流量特性を発揮しつつ高圧流体を流すことができる。

請求項２に係る発明によると、弁体鉛直軸線と弁軸平行軸線の交点から鉛直方向に離れた点を中心とする同心円で形成される椀状曲面部の肉厚をできるだけ軽量にしつつも、耐圧部としてのデッドエンドサービスで使用できる最小肉厚を確保できる。椀状曲面部を設けたときに流体が環状リブの内側に留まり難い形状になり流体抵抗を小さくできる。ジスクの中心付近と弁翼付近とを環状リブによって強く結びつけていることで、環状リブが有する高さによってジスクに正圧と逆圧の何れが加わった場合にも、この加圧に対する弁翼近傍の最大たわみを抑えることが可能となる。

請求項３に係る発明によると、肉厚を必要最小限に抑えて重量を軽減しながら全閉時に荷重を受けた場合に両方向の流れに対しても耐圧部としての強度を十分に発揮して、デッドエンド側に配置された場合にもシール時の応力を分散させて歪みを抑制できる。弁体鉛直軸線と弁軸平行軸線の交点から鉛直方向にジスクの外径の２倍以上から３倍以下離れた適宜の点を椀状曲面の中心にして椀状形状部の形状を変更することで剛性を調整でき、流体圧力の大きさや弁体の口径などに応じて効果的な強度に設定できる。

請求項４に係る発明によると、縦リブを設けることにより、椀状曲面部を耐圧部として軽量化しつつ必要最小限の肉厚に設けたときに更なる強度を確保して応力分散することができる。この場合、縦リブを椀状曲面部の凸状側にボス部の上下に沿って設けていることで、椀状曲面部によって弁体中心部に発生する応力を弁体の材料の降伏点以下まで確実に抑制し、弁体の重量の増加を抑えつつ弁体中心部を応力分散する。更に、縦リブを設けた場合には、設けていない場合に比べて凸状の椀状曲面側の刳り抜き部位への流体の流れを抑制できるため、流体抵抗を小さくすることもできる。
椀状曲面部と縦リブとをアールでなだらかに繋ぐことによって、弁体全体が応力分散しやすくなり、かつ全開時の流体抵抗も小さくなる。

請求項５に係る発明によると、弁体の弁軸側に環状リブを弁座部の近傍位置まで突出形成し、かつ椀状曲面部をジスクの表裏面に形成していることで、ジスクの先端側までの剛性を確保して弁閉シール時のたわみを防いで高圧流体の漏れを確実に防ぐ弁体を設けることができ、かつ、弁体の肉厚を薄くできることから軽量化を図って弁操作性を向上でき、弁開及び中間開度時の流体抵抗を低減して優れた流量特性を発揮しつつ高圧流体を流すことができる。

本発明における二重偏心形バタフライ弁の弁体の好ましい実施形態を示す正面図である。 図１の斜視図である。 図２の背面斜視図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 図１のＢ−Ｂ断面図である。 二重偏心形バタフライ弁の実施形態を示す正面図である。 図６のＦ−Ｆ断面図である。 （ａ）は、図４におけるＣ部拡大断面図である。（ｂ）は、図４におけるＥ部拡大断面図である。 （ａ）は、椀状曲面の一例を示した要部拡大断面図である。（ｂ）は、椀状曲面の他例を示した要部拡大断面図である。 ＦＥＭ解析用の弁体の取付け状態を示す概略説明図である。 環状リブ高さ／ジスク外径と最大変位との関係を示すグラフである。 環状リブ幅／ジスク外径と最大変位との関係を示すグラフである。 距離／ジスク外径と弁体の重量との関係を示すグラフである。 距離／ジスク外径と断面二次モーメントとの関係を示すグラフである。 距離／ジスク外径と降伏点以上の応力の割合との関係を示すグラフである。 距離／ジスク外径と最大変位との関係を示すグラフである。 椀状曲面部の大きさの異なるジスクを示した模式図である。

以下に、本発明における二重偏心形バタフライ弁の弁体とそのバタフライ弁の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１においては、本発明における二重偏心形バタフライ弁の弁体を弁軸側から見たときの正面図を示しており、図２においては、図１の斜視図を示している。

本発明の偏心形バタフライ弁の弁体本体１は、円盤形状のジスク２を有し、このジスク２の一側の上下部にボス部３、３が設けられている。各ボス部３、３には、弁軸４取付用の穴部５が形成され、この穴部５に弁軸４を挿入可能になっている。図４において、弁軸４の中心Ｓは穴部５の中心位置になり、弁体本体１は、弁軸４を回転したときに弁軸中心Ｓを中心に偏心回転して弁閉可能になっている。弁体本体１は金属製であり、例えば、ＳＣＳ１３ＡやＳＣＳ１４Ａなどのステンレス鋼が用いられる。

図６においては、本発明の二重偏心形バタフライ弁の弁体を装着した二重偏心形バタフライ弁を示している。偏心形バタフライ弁本体２０は、短筒形状のボデー２１を有し、このボデー２１の上下部には弁軸４を軸装するための軸装部２２が設けられている。図７に示すように、弁体本体１はボデー２１内に配置され、この状態でボス部３の穴部５に弁軸４が軸装され、テーパピン１０で弁軸４に弁体本体１が一体に固着される。これにより、弁軸４がボデー２１に対して回転可能な状態で、かつ上下方向の移動が不可能な状態になり、弁体本体１がボデー２１内の所定に配設される。弁軸４を回転することでこの弁軸４を介して弁体本体１を開閉自在にでき、バタフライ弁本体２０は、弁軸４側から加圧が生じる場合、弁軸４とは反対側から加圧が生じる場合の何れにおいても対応でき、双方の流れ方向における弁閉状態で確実にシール可能になっている。

図７に示すように、弁体本体１は、ボデー２１のシール位置に二重偏心した状態で設けられる。ボデー２１におけるジスク２の弁座部２ｃがシールする位置にはシートリング２５が装着され、このシートリング２５の上からシートリテーナ２６が固着ねじ２７により固着されている。二重偏心とは、図４において回転軸となる弁軸４の中心Ｓをジスクの中心（シール位置）２ｄから離す（一重偏心）と共に、ジスクの中心線（弁体鉛直軸線１２）からも離す（二重偏心）により、弁開閉時に弁体がシートリングを擦り押しつぶす範囲が減少する構造である。

図１において、ボデー２１に取付けられるジスク２には、椀状曲面部６、環状リブ７、縦リブ８が設けられている。
図３、図４、図９において、椀状曲面部６は、弁軸４側のジスク面２ａが凸状で、弁軸４の反対側のシート側ジスク面２ｂが凹状をなすように当該ジスク面２の表裏面に椀状に形成される。この椀状曲面部６は、弁体鉛直軸線１２と弁軸平行軸線１４との交点Ｐから弁軸４の反対側のジスク面に向けて弁軸４の鉛直方向に所定距離離れた点Ｑを中心として、ジスク２の凸状側、凹状側に椀状曲面６ａ、６ｂをそれぞれ形成することで設けられる。

全閉時に弁体本体１が高圧流体により荷重を受ける場合には、特に、弁体本体の中心側に応力が集中する傾向がある。このことから、ジスク２に椀状曲面６ａ、６ｂを形成し、弁体本体１の基本形状を椀状曲面部６を設けた曲面にすることで断面二次モーメントが向上して全体の剛性が向上する。それにより、ジスクが平板状である場合よりも有効に応力分散でき、ジスク２の中央部に不必要に付肉することなく、全閉時に高圧の荷重を受けた場合においても軽量化を図りながら応力に対する強度を確保できる。

弁体本体１に椀状曲面部６を設ける場合、弁軸４側に凸状椀状曲面６ａ、弁軸４の反対側に凹状椀状曲面６ｂを同心円上に設けようにする。この場合、図９に示すように、弁体鉛直軸線１２と弁軸平行軸線１４との交点Ｐから鉛直方向にジスクの外径の２倍以上から３倍以下離れた点Ｑを設け、この点Ｑを中心として軌跡を描いて椀状曲面６ａ、６ｂをそれぞれ形成する。図９（ａ）においては、ジスクの外径の２倍離れた位置に点Ｑ１を設け、この点Ｑ１を中心の点Ｑとして椀状曲面６ａ、６ｂの軌跡をそれぞれ描くように設けたものである。図９（ｂ）においては、ジスクの外径の３倍離れた位置に点Ｑ２を設け、この点Ｑ２を中心の点Ｑとして椀状曲面６ａ、６ｂの軌跡をそれぞれ描くように設けたものである。

図９（ａ）における弁体本体１の寸法としては、例えば、ジスク外径Ｄ＝１９２ｍｍ、弁体鉛直軸線１２と弁体平行軸線１４の交点Ｐと椀状曲面部の中心Ｑとの間の距離Ｌ＝４００ｍｍ、椀状曲面部６の肉厚ｔ＝８ｍｍ、環状リブ幅Ｗ＝６ｍｍ、環状リブ高さＨ＝３ｍｍ、点Ｑ１から椀状曲面６ｂまでの半径Ｒ１＝３７７ｍｍ、点Ｑ１から椀状曲面６ａまでの半径Ｒ２＝３８５ｍｍとなる。一方、図９（ｂ）における弁体本体１の寸法としては、例えば、ジスク外径Ｄ＝１９２ｍｍ、弁体鉛直軸線１２と弁体平行軸線１４の交点Ｐと椀状曲面部の中心Ｑとの間の距離Ｌ＝６００ｍｍ、椀状曲面部６の肉厚ｔ＝８ｍｍ、環状リブ幅Ｗ＝６ｍｍ、環状リブ高さＨ＝３ｍｍ、点Ｑ１から椀状曲面６ｂまでの半径Ｒ１＝５７７ｍｍ、点Ｑ１から椀状曲面６ａまでの半径Ｒ２＝５８５ｍｍとなる。

図９（ａ）と図９（ｂ）の縮尺は、説明の便宜のため、それぞれ異なる。椀状曲面部６の弁軸４側頂点、すなわち弁軸４側の椀状曲面６ａと弁体鉛直線１２との交点ｕは、図９（ａ）と図９（ｂ）とで共通である。これは、図４に示すようにボス部３の穴部５の半径（本実施形態では１３ｍｍ）に対し、一定寸法の余裕（本実施形態では２ｍｍ）を設けて椀状曲面６ａを設けるためである。従って、本実施形態の図９（ａ）、図９（ｂ）共に、交点Ｐと交点ｕとの距離ｙは１５ｍｍの一定に設定している。

このように椀状曲面部６を異なる大きな２つのアールで同心円上に設けていることで、弁体本体１がその中心部位からボス部３付近までなだらかに湾曲しているため、弁体本体１全体の応力を分散する効果が発揮される。

椀状曲面部６について、弁軸４側に凸状の椀状曲面６ａ、この反対側に凹状の椀状曲面６ｂを形成した理由としては、バタフライ弁は基本的に面間規制があり、弁軸側に凸状の肉厚となる椀状曲面６ａを確保した場合には、この凸状部位を弁軸４の厚さ以内に抑えて、弁体本体１の全体厚さの増加を防ぐことができるためである。

図４に示すように、弁軸４の反対側の凹状の椀状曲面６ｂは、内椀テーパ面１５を介してシート側ジスク面２ｂに連続するように形成される。内椀テーパ面１５は、椀状曲面６ｂと外径側のシート側ジスク面２ｂとを結びつける機能を有し、シート側ジスク面２ｂから例えば１５〜６０°の角度で形成される。このような椀状曲面６ｂと曲率の異なる内椀テーパ面１５を設けていることで、凹状椀状曲面６ｂが直接シート側ジスク面２ｂに交わることがなく、これにより、椀状曲面６ｂのＲ寸法を小さくする必要がなくなり、このＲ寸法を大きくすることで、図４において椀状曲面６ｂ付近の部分の凹状の刳り抜き部分を大きくして弁体本体１をより軽量化することが可能となる。内椀テーパ面１５は、椀状曲面６ｂとシート側ジスク面２ｂとを結びつけることが可能であれば、適宜の形状に設けることができる。

特に、椀状曲面６ｂのアール形状が大きい場合に、この椀状曲面６ｂとシート側ジスク面２ｂとを内椀テーパ面１５でつなぐことにより、椀状曲面６ｂとシート側ジスク面２ｂとの交差を防ぐことができるため弁座部２ｃの厚みを十分に確保することができ、シートリング２５による加圧に対するたわみを抑え、このシートリング２５の加圧側付近の応力分散に寄与している。このため、バタフライ弁の弁翼シール機能を損なうことなく、かつ軽量化が可能となる。内椀テーパ面１５を設けない場合、椀状曲面６ｂがシート側ジスク面２ｂと交わる形状となって弁座部２ｃの厚みを十分に確保できず、仮に、交わらない場合であってもシートリング２５の加圧側付近がたわみやすくなってシール性が低下するおそれがある。
上記のように、内椀テーパ面１５と、シート側ジスク面２ｂとの角度を１５〜６０°とすることによって内椀テーパ面１５と、弁軸４の反対側におけるシート側ジスク面２ｂとが交わりやすくなり、かつなだらかに繋ぐことが可能になるため、効果的に応力を分散することができる。

一方、弁軸４側の凸状の椀状曲面６ａは、弁軸側ジスク面２ａと交わるか、或は環状リブ７の付け根側に１５〜６０°の角度で設けたテーパ面部１６に交わるように設定すればよい。ただし、環状リブ７の付け根側に凸状の椀状曲面６ａが交わる場合には環状リブ高さＨが影響を受けることがあるため、この点を考慮した上で椀状曲面部６を形成するための中心の点Ｑを２倍以上から３倍以内の適宜の位置に設定すればよい。
さらに、椀状曲面部６を設ける場合には、凹状の椀状曲面６ｂ側の内椀テーパ面１５が、環状リブ７の略背面側に位置するように形成することが望ましい。
なお、内椀テーパ面１５は、図９（ａ）の１５°の場合よりも、図９（ｂ）の６０°の場合のほうが、凹状の刳り貫きを大きく取ることができる。

図９（ａ）においては、凹状の椀状曲面６ｂがシート側ジスク面２ｂからの１５〜６０°の内椀テーパ面１５とわずかに交わる状態になっている。図９（ｂ）においては、凸状の椀状曲面６ａが環状リブ７の付け根側の１５〜６０°のテーパ面部１６に交わっており、これ以上椀状曲面を大きくすると環状リブ７が椀状曲面６ａに埋没すると考えられる。そのため、上記したとおり、中心の点Ｑを弁体鉛直軸線１２と弁体平行軸線１４の交点Ｐからジスクの外径の２倍以上から３倍以下として椀状曲面部６を設けることが望ましいといえる。

この場合、椀状曲面部６の肉厚を薄くしてできるだけ弁体本体１を軽量化しつつ、耐圧部として流路のデッドエンド側にバタフライ弁を配置可能に最小の肉厚を確保する必要がある。耐圧部として必要な肉厚を確保することによって、弁翼側シールに影響が無いように弁軸４の反対側の椀状曲面６ｂを弁体中心軸を中心に凹状に刳り抜くことが可能であるため軽量化が可能になり、椀状曲面部６を設けていることで流体が環状リブ７の内側に留まりにくくなって流体抵抗が小さくなる。
さらに、椀状曲面部６の２つのアールを大きくすることによって凹状の刳り抜き部位を大きくすることが可能になるため、弁体としての基本形状を確保しつつ効果的な軽量化が可能になる。

ここで、上記椀状曲面部６を、弁体鉛直軸線１２と弁軸平行軸線１４の交点Ｐから鉛直方向にジスクの外径Ｄの２倍以上から３倍以下離れた点を中心として設定する根拠、すなわち、弁体本体１のジスクの外径Ｄ、弁体鉛直軸線１２と弁体平行軸線１４の交点Ｐと椀状曲面部の中心Ｑとの間の距離Ｌであるとき、Ｌ／Ｄが２倍以上から３倍以下であることが望ましいことを説明する。

このＬ／Ｄがジスクの形状面に及ぼす影響を検討するために、Ｌ／Ｄが１、２、３、４の場合を図１７において比較した。この場合、環状起点部１１をジスクの外径Ｄの８％の位置に固定した。
図１７（ａ）の正面図、図１７（ｂ）の図１７（ａ）におけるＧ−Ｇ断面に示すように、Ｌ／Ｄ＝１の場合、弁軸側の椀状曲面６ａがボス部３に接続しないため、ボス部３のふもと付近の応力集中を低減できず、採用することができない。図１７（ｇ）の正面図、図１７（ｈ）の図１７（ｇ）におけるＭ−Ｍ断面に示すように、Ｌ／Ｄ＝４の場合、椀状曲面６ａがジスクの外周近傍まで設けられることとなるため、図示しない環状リブ７が埋没してしまうこととなり、ジスクの外径が大きくなるほど採用することができない。

よって、図１７（ｃ）の正面図、図１７（ｄ）の図１７（ｃ）におけるＪ−Ｊ断面に示したＬ／Ｄ＝２、及び、図１７（ｅ）の正面図、図１７（ｆ）の図１７（ｅ）におけるＫ−Ｋ断面に示したＬ／Ｄ＝３のように、椀状曲面部６ａがボス部３に接続し、かつ、図示しない環状リブ７を設ける場合に、この環状リブ７が埋没しない寸法設定が望ましい。

一方、Ｌ／Ｄがジスクの応力や変位面に及ぼす影響を検討すると、図１５、図１６に示すように、Ｌ／Ｄ＝２の場合に応力、変位共に最小となることから、Ｌ／Ｄを２倍以上とすることが好ましい。Ｌ／Ｄ＝３を超えると、図１６に示すように最大変位の抑制効果が飽和することから、このＬ／Ｄを３倍以下とするのが好ましい。なお、図１５、図１６に加え、図１３、図１４のグラフ中における「距離」とは、弁体鉛直軸線１２と弁体平行軸線１４の交点Ｐから椀状曲面部の中心Ｑまでの間の距離をいう。

前述したように、椀状曲面６ａを凹状に刳り抜いた形状としていることで、図５に示すように弁体本体１と弁軸４とを固着するテーパピン１０近傍の弁体本体１の肉厚が中央側に比べて相対的に厚くなることから、特に偏心形バタフライ弁で集中しやすくなるテーパピン１０近傍への応力を分散することも可能になっている。

椀状曲面部６をジスク２の最外周の弁翼から一定距離離すことによって、図６、図７に示すように、弁体本体１に、ボデー２１に設けた弁閉位置規制用のストッパー２１ａとの当たり面を確保できるとともに、製造過程で必要となるシール部位のバリ取りやバフ仕上げをし易い形状にできるというメリットもある。

椀状曲面部６は、耐圧部として軽量でありながら必要最小限の肉厚であり、さらなる強度を確保するために応力分散が必要になる場合に、後述する縦リブ８が設けられる。縦リブ８を設けた場合には、無い場合に比べて弁軸４の椀状曲面６ａ付近の刳り抜き部位への流体の流れを抑制できるため、流体抵抗を小さくすることもできる。

続いて、環状リブ７は、ジスク２の弁軸４挿着側に設けられ、図１に示すようにジスク２と同心形状、すなわち、ジスク２の弁体水平軸線１８と弁体中心軸線１９の交点Ｔと同心円状に、弁座部２ｃの内方位置で、かつ凸状の椀状曲面部６の外周囲に突出形成して段状に形成される。この環状リブ７よりも外周側になっている弁座部２ｃが、バタフライ弁のボデー側に設けられた弁座部位に当接シールするシール部位となる。

この場合、図４、図５に示すように、凹状の椀状曲面部６には弁座部２ｃの内方位置に椀状曲面部６の起点をなす環状起点部１１が形成され、この環状起点部１１は環状リブ７に対向する近傍位置に配置されている。
環状リブ７は断面略台形状に設けられるが、この環状リブ７の断面形状は台形状に限ることなく、適宜の形状に設けてもよい。この環状リブ７を設けていることにより、弁体本体１が全閉時に荷重を受けた場合に、何れの流れ方向においても弁体本体１の先端部１ａのたわみを小さくして、この先端部１ａを着座位置から移動し難くする機能が発揮される。

ここで、偏心形バタフライ弁の弁体本体１に環状リブ７を設ける場合に、この環状リブの形状の違いにより、全閉時に荷重を受けたときの弁体本体１の先端部１ａのたわみによる最大変位、及び全体的な応力がどのように影響を受けるかを詳しく述べる。

偏心形バタフライ弁の弁体について、全閉時に荷重を受けた場合に弁体本体１の先端部１ａのたわみによる最大変位が、環状リブ高さＨと環状リブ幅Ｗのどちらに大きく起因するかを確認した。
弁体本体１に対してＦＥＭ（Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｍｅｔｈｏｄ：有限要素法）による解析を実施した。このときの流体の圧力を２ＭＰａとし、両方向の流れに対応できるようにするため、図１０において左から右方向への矢印に示した弁軸４側（ボス部３側）の面からの加圧（逆圧）と、右から左方向への矢印に示した弁軸４の反対側の面からの加圧（正圧）の両方向の流れについてそれぞれ確認した。図８の弁体の取付け状態において、接触条件として弁体本体１のボス部３の内面（穴部５）と、弁軸４に装着したベアリング９の内面とがそれぞれ弁軸４に接触した状態で、弁軸４と弁体本体１とをテーパピン１０により固着した。拘束条件としては、ベアリング９の外周面を固定とし、弁軸４の駆動部接続部で回転が無いようにし、弁軸の高さ方向の移動を防ぐように設けた。この条件下において代表例としてジスクの外径３００ｍｍの弁体をＦＥＭ解析した。

図１１においては、環状リブ高さＨ／ジスク外径Ｄと最大変位との関係を示し、図１２においては、環状リブ幅Ｗ／ジスク外径Ｄと最大変位の関係をそれぞれ示している。
これらの結果より、環状リブ７を設ける場合には、環状リブ幅Ｗよりも環状リブ高さＨを大きくすることによって最大変位を抑制しやすくできることが確認できた。これは、環状リブ７を設けたことによる段差の働きによって、弁体本体１の翼の先端部１ａにおける剛性が上がることが起因したものと考えられる。

実際には、環状リブ高さＨを大きくすることに従って重量が増加するとともに流体抵抗が増加して流体が流れにくくなることにつながり、環状リブ高さＨが極端に大きくなると製作しにくくなるという問題もある。そのため、弁体本体１の最大変位の許容量を考慮し、環状リブの重量も加味した上で、環状リブ高さＨと環状リブ幅Ｗとを所定の範囲で自由に設定して、たわみ、流体抵抗、製作容易性、重量バランスなどに対して適正な機能を有する弁体本体を設けることができる。

環状リブ７は、前述したようにジスク２と同心形状に設けられ、この環状リブ７に対向する近傍位置に椀状曲面部６に形成した環状起点部１１が配置されているため、上記の環状リブ７の高さＨ（椀状曲面部６ａとの段差）による機能によって弁体本体１の弁翼部分の先端部における剛性がより向上する。そのため、全閉時に高圧の荷重を受けた場合においても弁体本体１の先端部位のたわみを小さくでき、着座位置から弁体本体１が移動しにくくなる。
その際、環状リブ７を椀状曲面部６よりも外側に配置されていることにより、この環状リブ７と椀状曲面部６との交差を防ぐことができるため、環状リブ７が椀状曲面部６に埋没することなく、前記した環状リブ７の高さＨによる機能が十分に確保される。

さらに、環状リブ７は、上側、下側の各ボス部３、３と接続されている。これによって、環状リブ７は、ボス部３に流体圧が加わってこの流体圧によりボス部３のふもと近傍に応力が集中したときに、この応力を環状リブ７の方向、すなわち図１における環状リブ７側である水平方向に分散させることにも寄与している。環状リブ７がボス部３と繋がっていない場合には、ボス部３近傍のふもとに応力が集中して加わり、延いては弁体本体１全体の応力が高くなる可能性がある。

上記のように、弁体本体１に椀状曲面部６に加えて環状リブ７を設けていることにより、椀状曲面部６ではまかないきれないたわみや歪みの防止機能を補うことが可能になり、弁体本体１が全閉時に荷重を受けた場合には、何れの流れ方向においても弁体本体１の重量を抑えるための肉厚を必要最小限に抑えながら、耐圧部としての機能を確実に発揮して応力を分散して歪みを抑制し、強度を効果的に向上する機能を発揮する。このとき、前記のように、耐圧部としてのデッドエンドサービスで使用できる最小肉厚を確保している。

次いで、図１、図２において、縦リブ８は、椀状曲面部６の凸状側にボス部３の側面に沿って弁体本体１の中心付近に設けられる。この縦リブ８は、椀状曲面部６とボス部３と環状リブ７とをなだらかに接続するように設けられる。この縦リブ８を設けた場合、弁体本体１の中央付近の応力分散がされるが、前記した椀状曲面部６、環状リブ７によって前述のように発揮される機能を前提とし、これら椀状曲面部６、環状リブ７のみではまかないきれないたわみや歪みを防止して、弁体本体１全体の応力分散がさらにしやすくなり、かつ全開時の流体抵抗を少なくできる。

弁体本体１が全閉時に荷重を受けた場合には、何れの流れ方向においても前述した機能が発揮される。弁体本体１の中心部位に発生する応力を、この弁体本体１を構成している材料の降伏点以下に抑制できない場合には、この縦リブ８を設けることで弁体本体１の重量を抑えつつ弁体中心部位の応力分散を可能にし、弁体本体１の歪みを防ぐ強度を確保することが可能となる。

この場合、前記のように縦リブ８と環状リブ７とがつながれていることから、ボス部３付け根近傍の応力分散が可能になり、前記した環状リブ７とボス部３との接続による応力の分散とあいまって、流体圧によって弁体本体１全体に働く応力をさらに効果的に分散できる。

縦リブ８と凸状側の椀状曲面６ａとは、Ｒ状の曲面部１７でなだらかにつながっており、この曲面部１７を設けていることで弁体本体１全体の応力分散がさらにし易くなっている。これと同時に、縦リブ８と椀状曲面６ａとの間に急な凹凸が生じることが抑えられるため、流体抵抗を小さくできる。

ここで、椀状曲面部６の望ましい形状を解析する。そのため、椀状曲面部６の形状と重量、断面二次モーメント、弁体の材料降伏点（１７２Ｎ／ｍｍ^２）以上の応力の割合を示す。この場合、Ｌ／Ｄを評価した。弁体の例として、口径２００ｍｍ、圧力クラス１５０の場合を確認した。口径２００ｍｍ、圧力クラス１５０のデッドエンドサービスで使用できる最小肉厚は８ｍｍであるため、椀状曲面部６における二つのＲ間の距離を８ｍｍとした。なお、環状リブ無、縦リブ無、内椀テーパ面は有（４５°のテーパ）の条件で比較した。

Ｌ／Ｄの異なる各種弁体について、このＬ／Ｄと弁体の重量との関係を図１３に示し、Ｌ／Ｄと断面二次モーメントとの関係を図１４に示す。更に、ＦＥＭ解析を利用して得られたＬ／Ｄと降伏点以上の応力の割合との関係を前述した図１５、Ｌ／Ｄと最大変位との関係を前述した図１６に示す。

図１３より、距離Ｌと外径Ｄと比（Ｌ／Ｄ）を大きくすることによって、弁体本体１の重量の減少率が低下傾向にある。図１４より、Ｌ／Ｄが大きくなれば、断面二次モーメントは小さくなる傾向にある。図１５より、Ｌ／Ｄを大きくすれば、降伏点以上の応力の割合が増加する傾向にある。図１６より、Ｌ／Ｄを大きくすれば、最大変位が増加する傾向にある。

これらのことから、Ｌ／Ｄを大きくすれば軽量化は可能になるものの、応力分散や最大変位は悪化する傾向になる。椀状曲面部６の設計思想としては、必要最小限の肉厚で軽量化を実現することが重要であり、変位抑制がさらに必要となる場合については、環状リブ７、応力分散がさらに必要な場合には縦リブ８を追加することにより改善すればよい。すなわち、椀状曲面部６のみで最大変位の抑制、応力分散が可能であれば、環状リブ７や縦リブ８を設ける必要は無く、シンプルな構成により軽量化を実現できるとともに、複雑なリブ等がなくなり流体抵抗も低減できる。例えば、ジスクの外径Ｄが小さいサイズでは椀状曲面のみで対応可能な場合があり、この理由としては、応力を受ける弁体の面積はジスクの外径Ｄの２乗であるためであり、このことから、大きいサイズほど補強が必要になる傾向にある。

上述したように、本発明における偏心形バタフライ弁の弁体は、弁軸側ジスク面２ａに凸状椀状曲面６ａ、この弁軸側ジスク面２ａの反対側のシート側ジスク面２ｂに凹状椀状曲面６ｂを有する椀状曲面部６を設けているため、ボス部３側にこの椀状曲面部６を膨出させることでジスク２全体の厚さ寸法の増加を抑えながら弁体全面の剛性を向上させて弁閉時のシール性を確保でき、弁体本体１の重量の増加も防止できる。

ジスク２の弁軸４側に環状リブ７を突出形成しているため、ボス部３の厚み以内の寸法に抑えながらこの環状リブ７を形成でき、全体的な肉厚を増加することなくこの環状リブ７によりジスク２の剛性を向上できる。しかも、この環状リブ７を、ジスク２と同心形状の弁座部２ｃの近傍位置で、かつ凸状の椀状曲面部６の外周囲に形成していることで、この環状リブ７で囲まれた椀状曲面部６全体の剛性を一層向上させることができ、これらの環状リブ７、椀状曲面部６の外側に位置しているシール面となる弁座部２ｃ付近がたわむことを確実に抑制し、弁閉時の高シール性を維持して高圧流体の漏れを確実に防止できる。

凹状のジスク面２ｂの環状起点部１１に対して、肉厚方向における対向近傍位置に環状リブ７を配置しているので、椀状曲面部を設けた場合に全体の軽量化を図りつつ剛性を確保してたわみや歪みを防止し、高圧用として操作性と弁体シール性、及び流量特性の優れた二重偏心形バタフライ弁を設けることができる。

しかも、椀状曲面部６が、弁体鉛直軸線１２と弁体平行軸線１４の交点Ｐから鉛直方向にジスクの外径の２倍以上から３倍以下離れた点Ｑを中心として形成した椀状曲面６ａ、６ｂからなっていることで、環状リブ７の形状を効果的に維持してこの環状リブ７による弁体本体１全体の剛性を保持できる。
この場合、凹状側の椀状曲面６ｂを弁座部２ｃの近傍付近まで切欠き形成しているが、この椀状曲面６ｂの内椀テーパ面１５の略背面側に環状リブ７が位置するように構成していることで、環状リブ７によって椀状曲面部６の周囲を補強してジスク２の剛性を飛躍的に向上させることが可能になる。そのため、凹状椀状曲面６ｂを大きくして弁体本体１の最大限の軽量化を図りつつも、弁体全体の強度を向上できる。

これらの椀状曲面部６、環状リブ７に加えて、縦リブ８をボス部３の上下に沿って設けていることで弁体本体１の弁軸４方向に沿って剛性が向上し、両方向の何れの流れ方向でも弁体本体１の歪みの発生を防いで高シール性を保持している。

１ 弁体本体
２ ジスク
２ａ 弁軸側ジスク面
２ｂ シート側ジスク面
２ｃ 弁座部
３ ボス部
４ 弁軸
６ 椀状曲面部
６ａ 凸状椀状曲面
６ｂ 凹状椀状曲面
７ 環状リブ
８ 縦リブ
２０ バタフライ弁本体
２１ボデー
２２ 軸装部
Ｈ 環状リブ高さ
Ｐ 弁体鉛直軸線と弁体平行軸線の交点
Ｑ 椀状曲面の中心
Ｑ１ ジスク外径の２倍離れた位置
Ｑ２ ジスク外径の３倍離れた位置
Ｓ 弁軸鉛直軸線と弁軸平行軸線の交点
Ｔ 弁体水平軸線と弁体中心軸線の交点
Ｗ 環状リブ幅

Claims (5)

1. 円盤形状のジスクの一側に弁軸取付用のボス部を設けたバタフライ弁の弁体において、前記弁軸側のジスク面が凸状で、弁軸の反対側のジスク面が凹状をなす椀状曲面部を当該ジスクの表裏面に形成し、この椀状曲面部の外周に弁座部を設けると共に、前記ジスクの弁軸側には、ジスクと同心形状の環状リブを前記弁座部の内方位置で、かつ前記凸状の椀状曲面部の外周囲に突出形成したことを特徴とする二重偏心形バタフライ弁の弁体。
2. 前記弁座部の内方位置に前記椀状曲面部の起点をなす環状起点部を形成し、この環状起点部を前記環状リブに対向する近傍位置に配置した請求項１に記載の二重偏心形バタフライ弁の弁体。
3. 前記椀状曲面部は、弁体鉛直軸線と弁軸平行軸線の交点から鉛直方向にジスクの外径の２倍以上から３倍以下離れた点を中心として椀状曲面を形成した請求項１又は２に記載の二重偏心形バタフライ弁の弁体。
4. 前記椀状曲面部の凸状側に、前記ボス部の側面に沿って縦リブを設け、この縦リブは、前記椀状曲面部とボス部と環状リブとになだらかに接続した請求項１乃至３の何れか１項に記載の二重偏心形バタフライ弁の弁体。
5. 短筒形状のボデーの上下の軸装部に前記弁軸を軸装すると共に、請求項１乃至４の何れか１項に記載の弁体をボデー内に設けて、前記弁軸を介して前記弁体を開閉自在に設けた二重偏心形バタフライ弁。

Images