JP2016173111A - 流路開閉弁 - Google Patents

Abstract

【課題】流路開閉弁において、バルブをシート部材に対して正確に調芯させることで、弁閉時における流体のリーク量やバルブの摩耗量を抑制する。【解決手段】流路開閉弁において、バルブ１４がシャフト４２の平坦部４８に対して摺動自在に設けられ、前記バルブ１４との当接部位Ｅと前記バルブ１４の軸線Ｄとがなすバルブシート１６のシート角度θは、前記バルブシート１６の摩擦係数の逆数の逆正接関数の数値以下に設定することにより、バルブ１４がバルブシート１６へ着座した際の流体のリーク量及び前記バルブ１４の摩耗量が抑制される。【選択図】図３

Description

本発明は、流体の流通する流路を開閉することにより該流体の流通状態を切り換える流路開閉弁に関する。

従来から、例えば、流体の流通する流路に接続され、該流路の連通状態を切り換えることによって前記流体の流通状態を制御する流路開閉弁が知られている。

この流路開閉弁は、特許文献１に開示されるように、流路を有した弁箱の内部に円盤状の弁体が設けられ、該弁体は上支持腕及び下支持腕を介して弁棒に連結されると共に、前記弁体の軸線と弁棒の軸線とが該弁棒の軸方向から見て偏心するように設けられている。そして、弁体が、弁箱の流入通路内に設けられたシートリングに着座することで流路が閉塞され、一方、弁棒を回転させ前記弁体が前記シートリングから離間することによって前記流路が開口し、前記弁体との間を通じて流体が流通することとなる。

上述した弁体を弁棒に対して組み付ける場合、前記弁棒の下端に弁体の上支持腕を係合させると共に、前記弁体の下支持腕を支持軸を介して弁箱の支持穴へと挿通させることで回転自在に保持している。

特開平９−７９３９０号公報

しかしながら、上述したような流路開閉弁では、弁棒に対して弁体の上支持腕を組み付け、前記弁体の下支持腕を弁箱に組み付けるという３つの部材を相互に組み付けることで構成しているため、組付誤差が生じやすい上に、シートリングに対して前記弁体を当接させる際の調芯を取ることが困難となるため、弁閉時において弁体とシートリングとの間に隙間が生じることが避けられず、その結果として流体のリークを招くこととなる。また、弁体とシートリングとの調芯が不完全なことに伴って、前記弁体が前記シートリングと摺動しながら動作する際の摩耗量が増加してしまうこととなる。

本発明は、前記の課題を考慮してなされたものであり、バルブをシート部材に対して正確に調芯させることで、弁閉時における流体のリーク量やバルブの摩耗量を抑制することが可能な流路開閉弁を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明は、少なくとも外周面の一部が球面に形成された着座面を有したバルブと、バルブを収容するバルブ室を有したボディと、着座面の曲率中心から偏心した位置でバルブが連結されボディに対して回転自在に設けられたシャフトと、ボディに固定されバルブの着座するシート面を有したシート部材とを備え、シート部材は、シャフトの軸線と略直交する方向に延在する流通孔を有する流路開閉弁であって、
シャフトには、表面の一部が切り欠かれた平坦面を有し、バルブは、平坦面と摺動自在に設けられ、シート部材と反対側に平坦面と対向する面を有することを特徴とする。

本発明によれば、外周面の一部が球面に形成された着座面を有するバルブを備え、着座面の曲率中心から偏心した位置でバルブがシャフトへと連結された流路開閉弁において、シャフトは、その表面の一部が切り欠かれた平坦面を有し、平坦面には、バルブはシート部材とは反対側に形成された面を介して平坦面に摺動自在に設けられる。

従って、バルブをシャフトに対して組み付ける際、バルブの着座面をシート部材のシート面へと当接させることで、バルブがシャフトの平坦部に対して摺動しながら移動するため、固定されたシート部材に対するバルブの調芯が自動的になされる。その結果、バルブの調芯作業を簡素化することができ、弁閉時における流体のリーク量が抑制され、且つ、バルブとシート部材とが摺動した際の摩耗量を抑制可能な流路開閉弁を製造することができる。

また、平坦面の摩擦係数を、シート面の摩擦係数以下となるように設定すると共に、シャフトの軸線と直交し、且つ、流通孔の軸線を含む断面において、シート部材の軸線とシート面とがなすシート面の傾斜角度を、シート面の摩擦係数の逆数の逆正接関数値以下に設定することにより、シート部材に対するバルブの調芯設定を確実に行うことができる。

さらに、バルブ及びシャフトは、それぞれ平坦面を介して互いに貫通する第１及び第２貫通孔を有し、第１及び第２貫通孔に挿通された締結部材によって互いに連結されると共に、シャフトの第２貫通孔にねじ溝を形成し、第１貫通孔を締結部材の外形より大きく形成するとよい。これにより、バルブをシート部材に対して調芯する際、バルブがシャフトに対して移動した場合でも締結部材よりも大きめに形成された第１貫通孔によってシャフトの第２貫通孔に保持された締結部材の移動に対応することができ、調芯した後にバルブとシャフトとを締結部材で確実に組み付けて固定できる。また、締結部材を締結することで、バルブとシート部材との間の調芯設定を簡便且つ確実に行うことができる。

本発明によれば、以下の効果が得られる。

すなわち、外周面の一部が球面に形成された着座面を有するバルブを備え、着座面の曲率中心から偏心した位置でバルブがシャフトへと連結された流路開閉弁において、シャフトは、その表面の一部が切り欠かれた平坦面を備え、平坦面に対してシート部材とは反対側に形成されたバルブの面を摺動自在に設けることにより、バルブをシャフトに対して組み付ける際、バルブの着座面をシート部材のシート面へと当接させることで、バルブがシャフトの平坦部に対して摺動しながら移動するため、固定されたシート部材に対するバルブの調芯が自動的になされる。その結果、バルブの調芯作業を簡素化することができ、弁閉時における流体のリーク量を抑制でき、且つ、バルブとシート部材とが摺動した際の摩耗量を抑制することが可能となる。

本発明の実施の形態に係る流路開閉弁の一部省略断面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った拡大断面図である。 図２のバルブ、シャフト及びバルブシートとの関係を示す模式断面図である。

本発明に係る流路開閉弁について好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照しながら以下詳細に説明する。図１において、参照符号１０は、本発明の実施の形態に係る流路開閉弁を示す。

この流路開閉弁１０は、図１に示されるように、ボディ本体（ボディ）１２と、該ボディ本体１２の内部に回動自在に設けられるバルブ１４と、前記バルブ１４の外周面に当接するバルブシート（シート部材）１６と、前記ボディ本体１２の上部に設けられ、前記バルブ１４に対して回転駆動力を付与する駆動力伝達機構１８とを含む。

このボディ本体１２は、例えば、金属製材料から形成され、その下側には流体の供給される流入口（流通孔）２０と、その反対側に設けられ前記流体を導出する流出口２２が設けられている。なお、ボディ本体１２において流入口２０と流出口２２とは略一直線上に設けられる。

この流入口２０と流出口２２との間には連通室（バルブ室）２４が形成され、この連通室２４の内部に円盤状のバルブ１４が回動自在に配設される。また、連通室２４と流入口２０との間には、前記流入口２０に対して拡径した装着孔２６が形成され、該装着孔２６には、バルブ１４の外周面に摺接するバルブシート１６が固定されている。

このバルブシート１６は、図１及び図２に示されるように、例えば、金属製材料から形成され、装着孔２６において連通室２４側（矢印Ａ１方向）にバルブ１４に当接するシート部３０を有し、前記シート部３０の中央には連通孔３２が軸方向（矢印Ａ１、Ａ２方向）に貫通し、流入口２０と連通している。

シート部３０は、徐々に拡径するテーパ状のシート面を有し、前記シート面に対してバルブ１４が当接することによって流入口２０と連通室２４との連通が遮断された弁閉状態となる（図２参照）。

バルブ１４は、半球面状に形成された着座面３４を有した円盤状の本体部３６を有し、該本体部３６の中央から偏心した位置には軸方向（矢印Ａ１、Ａ２方向）に沿って貫通した挿通孔（第１貫通孔）３８が形成される。

本体部３６は、軸方向（矢印Ａ１、Ａ２方向）に沿った一端面及び他端面が、それぞれ該軸方向と直交方向に沿って延在した平面状に形成され、前記一端面から前記他端面へと貫通するように挿通孔３８が形成される。そして、バルブ１４の他端面に形成されたシャフト当接面（面）４０が、後述するシャフト４２の平坦部（平坦面）４８へと当接した状態で互いに連結される。

着座面３４は、本体部３６の外周面に形成され、一端面から他端面に向かって徐々に拡径するように半球面状に形成される。そして、着座面３４がバルブシート１６のシート部３０に当接（着座）することによって弁閉状態となる。

駆動力伝達機構１８は、図１に示されるように、バルブ１４の連結されるシャフト４２と、該シャフト４２の上端部に連結されるバルブギア４４と、ボディ本体１２の上部に連結され前記バルブギア４４を介して前記シャフト４２を回転駆動させる駆動源（図示せず）とを含む。なお、上述した駆動源は、例えば、通電作用下に回転駆動するステッピングモータやロータリーアクチュエータからなる。

シャフト４２は、例えば、ボディ本体１２における流入口２０の軸線と略直交するように設けられ、その上端部がバルブギア４４の略中央部に挿通されてナット（図示せず）を締め付けることによって連結されると共に、ボディ本体１２においてバルブ１４の上方（矢印Ｂ１方向）及び下方（矢印Ｂ２方向）にそれぞれ装着された一組の軸受４６ａ、４６ｂによって回転自在に支持されている。

また、シャフト４２には、バルブ１４の装着される部位に平面状に切り欠かれた平坦部（平坦面）４８が形成される。この平坦部４８は、シャフト４２の軸線と略直交するように形成され、その略中央部にねじ孔（第２貫通孔）５０が貫通するように形成される。この平坦部４８の摩擦係数は、バルブシート１６におけるシート部３０の摩擦係数より小さくなるように形成される。

図３に示されるように、このシャフト４２の軸線Ｃ１は、バルブ１４における着座面３４の曲率中心Ｃ２を通る軸線Ｄに対して偏心した位置となるように連結されている。すなわち、軸線Ｃ１は、バルブ１４の軸線Ｄに対して所定距離だけ離間して平行となり、且つ、バルブ１４の曲率中心Ｃ２に対して流体の流通方向に沿った上流側（矢印Ａ２方向）に所定距離だけ偏心するように配置される。

このため、バルブ１４は、曲率中心Ｃ２から偏心した位置に設定された軸線Ｃ１を中心として回動（揺動）するように連通室２４内に設置されている。

そして、シャフト４２の平坦部４８にバルブ１４のシャフト当接面４０が当接した状態で締結ボルト５２によって前記バルブ１４が前記シャフト４２に対して固定される。

この駆動力伝達機構１８では、図示しない駆動源の駆動作用下にその回転駆動力がバルブギア４４を介してシャフト４２へと伝達されることにより、シャフト４２に連結されたバルブ１４が前記シャフト４２の軸線Ｃ１を中心として所定角度だけ回動動作する。

本発明の実施の形態に係る流路開閉弁１０は、基本的には以上のように構成されるものであり、次にバルブシート１６における最適なシート角度θの設定方法について図３を参照しながら説明する。なお、図３は、図２に示されるバルブ１４及びバルブシート１６をシャフト４２の軸方向（図１中、矢印Ｂ２方向）から見て、且つ、連通孔３２の軸線を含んだ断面図を模式化したものである。

図３に示されるように、バルブ１４がバルブシート１６に対する所定の着座位置より偏心している状態において、バルブシート１６のシート部３０がバルブ１４によって押圧荷重Ｆで押圧されている。この押圧荷重Ｆは、バルブ１４とシート部３０との当接部位Ｅにおいて、該バルブ１４の軸線Ｄに対して所定角度だけ傾斜する方向に付与されており、該押圧荷重Ｆは、前記軸線方向（矢印Ａ１、Ａ２方向）に沿った押し付け成分Ｆｘと、該軸線方向と直交方向に沿った調芯成分Ｆｙとから構成される。また、バルブ１４とバルブシート１６のシート部３０との間の摩擦係数をμとする。

このような条件下において、押し付け成分Ｆｘ、調芯成分Ｆｙ及び摩擦係数μとの関係は、下記の（１）式で表される。
Ｆｙ＞μ×Ｆｘ （１）

すなわち、調芯成分Ｆｙは、押し付け成分Ｆｘと摩擦係数μとを乗じたものより大きくなる。

この上述した押し付け成分Ｆｘ、調芯成分Ｆｙはいずれも押圧荷重Ｆの分力であるため、シート角度θ毎に変化し、その関係は下記の（２）式で表される。
Ｆｙ／Ｆｘ＝Ｆｃｏｓθ／Ｆｓｉｎθ （２）

すなわち、（２）式は、下記の（３）式で表されることとなる。
Ｆｙ／Ｆｘ＝１／ｔａｎθ （３）

従って、上述した（３）式より最適なシート角度θは、下記の（４）式で表される。
θ＝ｔａｎ^-1（１／μ） （４）

すなわち、シート部３０の最適なシート角度θは、前記シート部３０の摩擦係数μに応じた値で設定されることとなる。

次に、上述したようにシート部３０の最適なシート角度θの設定された流路開閉弁１０において、バルブ１４をシャフト４２に対して組み付ける場合について説明する。

先ず、シャフト４２を弁閉状態から所定角度だけ回動させた状態とし、前記シャフト４２の平坦部４８に対してバルブ１４のシャフト当接面４０を当接させた状態で、挿通孔３８へ挿通させた締結ボルト５２を前記シャフト４２のねじ孔５０へと螺合させた仮留め状態とする。この仮留め状態では、バルブ１４は、挿通孔３８が締結ボルト５２の外形よりも大きく形成されているため、その差分だけ該バルブ１４の軸線と直交方向に移動自在に保持されている。すなわち、バルブ１４は、シャフト４２の平坦部４８に対して摺動自在な状態で保持されている。

そして、シャフト４２を回動させバルブ１４がバルブシート１６に対峙した弁閉状態とすることで、前記バルブ１４の着座面３４が前記バルブシート１６のシート部３０へと当接し押圧されることで、該バルブ１４が前記バルブシート１６に対して所定位置となるように移動して調芯がなされる。換言すれば、バルブ１４が、バルブシート１６と同芯上となるように移動することで位置調整がなされる。

最後に、このバルブシート１６に対して調芯のなされたバルブ１４を締結ボルト５２を締め付けることでシャフト４２に対して固定する。

これにより、バルブ１４はバルブシート１６のシート部３０に対して調芯のなされた状態でシャフト４２に対して固定され、前記シャフト４２に対するバルブ１４の組み付け作業が完了する。

次に、上述したようにバルブ１４とシャフト４２とが組み付けられた流路開閉弁１０の動作について説明する。なお、ここでは、図１に示されるように、バルブ１４がバルブシート１６のシート部３０に着座し、流入口２０と流出口２２との間の流路が前記バルブ１４によって遮断された弁閉状態を初期位置として説明する。

上述した流路開閉弁１０の初期位置においては、バルブ１４の着座面３４がバルブシート１６のシート部３０に当接しているため、流入口２０に供給されている流体の連通室２４側（矢印Ａ１方向）への流通が遮断されている。

次に、このような弁閉状態から、図示しない駆動源の駆動作用下にシャフト４２が反時計回りに回動することで、該シャフト４２に連結されたバルブ１４が所定角度だけ回転し、前記バルブ１４の着座面３４がバルブシート１６のシート部３０から離間し始める。

このように、バルブ１４の着座面３４がシート部３０から離間することによって弁開状態となり、流入口２０に供給された流体がバルブシート１６の連通孔３２を通じて連通室２４内へと導入される。

そして、図示しない駆動源の駆動作用下にさらにバルブ１４を回動させることにより、該バルブ１４がバルブシート１６からさらに離間していき、前記バルブ１４が初期位置から、例えば、約９０°回転した状態で完全な弁開状態となる。このような弁開状態において、流入口２０に供給された流体が、バルブシート１６の連通孔３２、連通室２４を通じて流出口２２へと流通して下流側へと導出される。

以上のように、本実施の形態では、流路開閉弁１０において、シャフト４２には、平面状に切り欠かれた平坦部４８が形成され、前記平坦部４８にはバルブ１４がシャフト当接面４０を介して摺動自在に設けられているため、前記バルブ１４を前記シャフト４２へと組み付ける際、該シャフト４２へと仮留めされていた前記バルブ１４の着座面３４がバルブシート１６のシート部３０へと当接させることで、前記バルブ１４が前記シャフト４２の平坦部４８に対して摺動しながら移動し同芯上となることで、固定されたバルブシート１６に対する前記バルブ１４の調芯が自動的になされる。その結果、バルブ１４の調芯作業を簡素化することができ、弁閉時における流体のリーク量が抑制され、しかも、バルブ１４の摩耗量の抑制された流路開閉弁１０を容易に製造することが可能となる。

また、シャフト４２における平坦部４８の摩擦係数は、バルブシート１６におけるシート部３０の摩擦係数より小さくなるように設定され、しかも、前記シャフト４２の軸線と直交する断面において、バルブシート１６とバルブ１４との当接部位Ｅと前記バルブ１４の軸線Ｄとがなすシート角度θが、シート部３０の摩擦係数μの逆数の逆正接関数の数値（ｔａｎ^-1（１／μ））以下となるように設定することで、バルブシート１６に対するバルブ１４の調芯設定を最適化することができる。

さらに、バルブ１４及びシャフト４２は、それぞれ平坦部４８及びシャフト当接面４０を介して互いに貫通する挿通孔３８及びねじ孔５０を有し、前記挿通孔３８及び前記ねじ孔５０に挿通された締結ボルト５２によって互いに連結されると共に、前記挿通孔３８は、前記締結ボルト５２の外径よりも大きく形成されている。

このため、バルブ１４とバルブシート１６とを調芯する際、前記バルブ１４が前記シャフト４２に対して移動した場合でも、大きめに形成された挿通孔３８によって前記シャフト４２のねじ孔５０の移動に対応することができ、調芯した後でも前記バルブ１４と前記シャフト４２とを確実に組み付けて固定できると共に、固定する際に締結ボルト５２で締結すればよいため、前記バルブ１４と前記バルブシート１６との間の調芯設定を簡便且つ確実に行うことができる。

なお、本発明に係る流路開閉弁は、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。

１０…流路開閉弁 １２…ボディ本体
１４…バルブ １６…バルブシート
１８…駆動力伝達機構 ２４…連通室
３０…シート部 ３４…着座面
３６…本体部 ４０…シャフト当接面
４２…シャフト ４８…平坦部
５０…ねじ孔 ５２…締結ボルト

Claims (3)

1. 少なくとも外周面の一部が球面に形成された着座面を有したバルブと、該バルブを収容するバルブ室を有したボディと、前記着座面の曲率中心から偏心した位置で前記バルブが連結され前記ボディに対して回転自在に設けられたシャフトと、前記ボディに固定され前記バルブの着座するシート面を有したシート部材とを備え、前記シート部材は、前記シャフトの軸線と略直交する方向に延在する流通孔を有する流路開閉弁であって、
   前記シャフトには、表面の一部が切り欠かれた平坦面を有し、 前記バルブは、前記平坦面と摺動自在に設けられ、前記シート部材と反対側に前記平坦面と対向する面を有することを特徴とする流路開閉弁。
2. 請求項１記載の流路開閉弁において、
   前記平坦面の摩擦係数は、前記シート面の摩擦係数以下となるように設定されると共に、前記シャフトの軸線と直交し、且つ、前記流通孔の軸線を含む断面において、前記シート部材の軸線と前記シート面とがなす該シート面の傾斜角度が、該シート面の摩擦係数の逆数の逆正接関数値以下に設定されることを特徴とする流路開閉弁。
3. 請求項１記載の流路開閉弁において、
   前記バルブ及びシャフトは、それぞれ前記平坦面を介して互いに貫通する第１及び第２貫通孔を有し、前記第１及び第２貫通孔に挿通された締結部材によって互いに連結されると共に、前記シャフトの前記第２貫通孔にはねじ溝が形成され、前記第１貫通孔は前記締結部材の外形より大きく形成されることを特徴とする流路開閉弁。

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