JP2017078514A - 充水機能付バタフライ弁 - Google Patents

Abstract

【課題】初期通水に適した充水機能付のバタフライ弁であり、流体圧力が異なる条件下においても低トルク性を維持して内部の消耗を抑えつつ、適切な水量に調整して正確に充水し、内部の部品の交換も可能なバタフライ弁を提供する。【解決手段】弁体本体１０に軟質材料からなる弁座１１を弁座押さえ１２で着脱可能に装着した弁体３を偏心形構造とした。弁座押さえ１２の一方の弁翼側に球面の一部を成す翼状の球面外周部２２を設け、球面外周部２２に中心点が異なる球面状の底部３１を有する複数の溝部３０を設けた。弁体本体１０の球面外周部２２とは異なる弁翼側に球面の一部を成す翼状の球面状外周部２３を設け、球面状外周部２３に複数のＶ字形の櫛歯状溝２４を設けた。球面外周部２２と弁箱側弁座面１６、及び球面状外周部２３と弁箱側弁座面１６とが成す極小開度から小開度までの間に、初期充水に適したなだらかな流量変化特性を発揮する領域を設けた。【選択図】 図６

Description

本発明は、初期通水時に微小開度で水を供給して充水できるようにした充水機能付バタフライ弁とこれを用いた充水方法に関する。

水道本管等の管路をバタフライ弁で初期通水する場合、その通水速度が速いときには水が濁ったり、赤水発生の原因となることがある。これを防ぐため、一般的には、バイパス弁や、副弁を内蔵したバタフライ弁、充水機能付きのバタフライ弁を用いて初期通水をおこなうようになっている。このうち、バイパス弁や副弁内蔵のバタフライ弁は、複数の弁体や２軸の弁開度を微調整しながら充水する必要があるため、初期通水時に高度な制御が要求される。
一方、充水機能付きバタフライ弁は、管路に設置された一つのバルブの一つの弁体を操作しながら、微小開度で水を安定して供給できるため、作業者にとって初期充水作業が簡単になる。このバタフライ弁の弁体には特殊な形状の翼部が設けられ、この翼部に通水孔が設けられ、この通水孔を介して通水量が調整される。

充水機能を有するバタフライ弁として、例えば、特許文献１のバタフライ弁が開示されている。このバタフライ弁は、円環状にシールリングが配置された弁箱と、シールリングに摺接する弁体とを有し、弁体の開栓操作時の回転方向における背面側にディスクテール部が設けられている。ディスクテール部は、弁箱シールリング側の外周面が球面状に湾曲形成され、このディスクテール部に充水用の長円形状の通水孔が設けられている。このようなバタフライ弁は、特殊形状の翼部を弁箱側シール部分に接触させながら弁体を回転させながら通水孔を介して充水がおこなわれ、弁箱側と弁体との間の漏れを防止するために軸芯型（中心型）の構造に設けられ、弁箱側にゴムシート製弁座が設けられていることが多い。

さらに、この種のバタフライ弁として、例えば、特許文献２の充水機能付きバタフライ弁が開示されている。このバタフライ弁では、弁箱に設けられたゴム製弁座シートに、溝状通水孔が形成され、弁体を小開度にしたときに、溝状通水孔と弁体先端側縁との間から通水して充水がおこなわれる。

一方、弁体側にゴムシートからなる弁座が装着され、弁体が回転して弁体側弁座が金属製の弁箱側シートから離れるときに充水機能を発揮するバタフライ弁が知られている。この場合、弁体側弁座が弁箱側シートから離間した時点から、これらの隙間からの漏れ量が急激に増加することを防止するため、弁箱側には、回転時の弁体との隔離を防ぐ山状部位が設けられている。

上記の充水機能付きバタフライ弁は、一般に地下に埋設された管路に設けられ、回転操作部分がキャップ式であって、別途設けられたキーハンドルによりステムが回動操作された構造に設けられている。この場合、キャップが取付けられる減速部分の上部には、開度確認用の指針を有する開度計が設けられている。

特許第４０８６４９５号公報 特開２０１４−９７４５号公報

上述したバタフライ弁のうち、特許文献１のように、弁体側に設けた通水孔で充水する場合には、予め設定した流体の圧力条件下では所定の充水量で充水できるが、設定範囲外の圧力条件下では、その圧力により通水孔からの通水量が変わることで適正な充水が難しくなる。このため、水の圧力が低い場合には、適正な充水量に満たないことがあり、水の圧力が高い場合には、適正な充水量よりも水量が多くなることがある。これらを防ぐために弁開度を調整すると、通水孔の通水領域から外れた時点で急激に流量が変化するため、このような異なる流体圧力では充水量の調整が困難になる。

さらに、弁体側に特殊形状の翼部を設けているため、この翼部が弁箱側のゴムシートに常時接触しながら回転して弁体側と弁箱側との隙間がなくなり、充水時には通水孔のみで通水量を確保するためにゴムシートとの接触範囲が長くなる。これにより、操作トルクが上昇し、ゴムシートの摩耗も早くなる。さらに、特許文献１や特許文献２のように、弁箱側にゴムシートを設ける場合、加硫接着やエポキシ充填で固定することが多いため、固定後にゴムシートの取り外しができなくなり、損傷が生じた場合にも交換が難しい。このため、バルブ全体を取り替える必要が生じることもある。

一方、弁体側にゴムシートを取付けた場合、ゴムシートの取り替えは可能になるが、弁体の回動による離間により漏れ量が多くなることで、充水に要求される流量の設定が困難になる。これを解消するために弁箱側に山状部位を設けると、この突起部分の影響により圧力損失が大きくなったり、異物等が山状部位に引っ掛かるおそれもある。
漏れ量を少なくするために、弁体におけるゴムシートの前面、背面部にあたる金属部分に翼状部位を形成し、この翼状部位により弁箱側の金属弁座部との隙間を小さくすることもあるが、この場合、弁体の前面や背面部に別部品を組み合わせときの組付け精度が悪くなり、金属弁座と接触したり或は隙間が大きくなって要求される通水量とならない可能性がある。特に、水道用バタフライ弁の弁体は、ダクタイル鋳鉄に樹脂粉体塗装が施され、その塗膜が厚く設けられてその厚さにもバラツキがあるため、余計に組み付け精度が悪くなる。弁体に別部品を組み付けない場合にも、翼部の球面部分の塗膜厚のバラツキを考慮し、翼部が弁箱側金属弁座に接触しない隙間を設ける必要があるため、この隙間によって漏れが大きくなって充水性能が悪化したり、組立て後のバタフライ弁ごとに性能に差が生じる可能性がある。

さらに、開度確認用の表示部は、予め設定された範囲の圧力条件下での通常充水に適した領域を示しているため、上述したような設定範囲外の圧力条件下で通水量が変化することにより、正確に調整しながら充水することが困難になる。

本発明は、上記の課題点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、初期通水に適した充水機能付のバタフライ弁であり、流体圧力が異なる条件下においても低トルク性を維持して内部の消耗を抑えつつ、適切な水量に調整して正確に充水し、内部の部品の交換も可能な充水機能付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、弁体本体に軟質材料からなる弁座を弁座押さえで着脱可能に装着した弁体を偏心形構造としたバタフライ弁において、弁座押さえの一方の弁翼側に球面の一部を成す翼状の球面外周部を設け、この球面外周部に中心点が異なる球面状の底部を有する複数の溝部を設けると共に、弁体本体の球面外周部とは異なる弁翼側に球面の一部を成す翼状の球面状外周部を設け、この球面状外周部に複数のＶ字形の櫛歯状溝を設け、球面外周部と弁箱側弁座面、及び球面状外周部と弁箱側弁座面とが成す極小開度から小開度までの間に、初期充水に適したなだらかな流量変化特性を発揮する領域を設けたことを特徴とする充水機能付バタフライ弁である。

請求項２に係る発明は、球面状外周部と弁箱側弁座面とは、弁体本体の弁開動作時に一定の隙間を有し、球面外周部と弁箱側弁座面とは、球面状外周部と弁箱側弁座面とが一定の隙間のときに徐々に拡大するクリアランスを有する充水機能付バタフライ弁である。

請求項３に係る発明は、球面外周部をオリフィス側とし、球面状外周部をノズル側とした充水機能付バタフライ弁である。

請求項４に係る発明は、弁体本体と弁座押さえとの間にスペーサを介在させた充水機能付バタフライ弁である。

請求項５に係る発明は、前記弁体操作用の操作部は減速機を有し、操作部に使用圧力値に応じて充水に適した水量の領域を示す表示部を設けた充水機能付バタフライ弁である。

請求項１に係る発明によると、水道本管の管路に配設されて初期通水に適した偏心形構造の充水機能付バタフライ弁であり、球面外周部、球面状外周部と、弁箱側弁座面との極小開度から小開度までの間に、初期充水に適したなだらかな流量変化特性を発揮する領域を設けたことにより、流体圧力が異なる条件下で運用する場合においても、低トルク性を維持して弁体側弁座や弁箱側弁座面の消耗を抑えながら、管路の充水に適した水量に調整して正確に充水でき、管路内の水の濁りや赤水の発生を抑えながら初期充水をおこなうことができる。弁体本体に弁座押さえで弁座を着脱可能に装着していることにより、弁座が消耗したり破損した場合にはこの弁座を交換することができる。

請求項２に係る発明によると、球面状外周部側の隙間により一定の微小流量を維持しつつ球面外周部側のクリアランスによりごくわずかずつ通水量を増すことができるため、弁開度にほぼ比例した流量特性を発揮して高精度に充水できる。

請求項３に係る発明によると、弁座押さえを無塗装とすることで、山状翼部の球面外周部や球面状の底部を有する溝部を高精度に加工して弁開時の流量を高精度にコントロールでき、弁体本体から着脱可能であることで加工や取り替えも容易となる。弁座押さえ側の球面外周部をオリフィス側とすることで、全開時の弁体全体の投影面積を小さくして損失を抑えている。

請求項４に係る発明によると、スペーサを介して弁座押さえを弁体本体に取付けることにより、弁座押さえ取付け時の精度を向上し、この弁座押さえの球面外周部、溝部の底部と弁箱側弁座面との距離を調整できる。これにより、クリアランスによる通水量をごく少なく制御可能になり、バルブごとの組立て後のバラツキを抑えてその品質や性能を一定に確保できる。さらに、弁座のつぶし量をスペーサのメタルタッチで調整できるため、片締めや締付け不足、締付け過ぎを回避して弁座を所定位置に正確な取付状態で保持できる。さらには、スペーサの厚みを調節することで締付け代をより微調整することもできる。

請求項５に係る発明によると、使用圧力値に適切な水量や弁開度を、操作部に設けた表示部により確認でき、表示部を視認しながら使用圧力値に応じて弁開度を調節することで、初期充水に適した流速で正確に通水をおこなうことが可能になる。さらに、表示部に色付けすることにより視認性を向上できる。

本発明の充水機能付バタフライ弁の一部切欠き側面図である。 弁体の横断面図である。 （ａ）は、弁座押さえの正面図である。（ｂ）は、弁座押さえの横断面図である。（ｃ）は、（ａ）の左側面図である。 （ａ）は、弁体の正面図である。（ｂ）は、弁体の横断面図である。（ｃ）は、（ａ）の底面図である。（ｄ）は、（ａ）の右側面図である。 表示部を示す平面図である。 図１のＡ−Ａ拡大断面図である。 図６の弁体が開動作した状態を示す断面図である。 図７の弁体が開動作した状態を示す断面図である。 図８の弁体が開動作した状態を示す断面図である。 図９の弁体が開動作した状態を示す断面図である。 弁開度に対する損失係数を示すグラフである。 弁開度に対する有効流量特性を示すグラフである。 流速を一定としたときの弁開度に対する差圧を示すグラフである。 表示部の第２例を示す平面図である。 減速機の正面図である。 図１５の減速機の分離正面図である。 図１５の減速機の半截断面図である。 表示部の第３例を示す平面図である。 表示部の第４例を示す平面図である。

以下に、本発明における充水機能付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、本発明の充水機能付バタフライ弁の一部切欠き側面図、図２は弁体の横断面図を示している。

本発明の充水機能付バタフライ弁（以下、バルブ本体１という）は、主に、図示しない水道配管に配設されて初期充水に用いられる。バルブ本体１は、単偏心形構造に設けられ、弁箱２の内部には弁体３が設けられ、この弁体３は、弁体本体１０、弁座１１、弁座押さえ１２、スペーサ１３を有している。弁箱２の両端には、フランジ部からなる管路接続用の継手部１４が設けられる。

弁箱２は、金属材料により成形され、その表面には、エポキシ粉体塗装による塗装部１５が、例えば０．３ｍｍ〜１ｍｍ程度の厚さで施され、一方、弁箱２の内部には金属製弁座面１６が一体に形成される。この弁箱側弁座面１６には、硬質クロムめっきなどのめっき処理が施されることで耐食性、耐摩耗性が向上され、その寸法精度も高くなる。弁座面１６は、ステンレス溶射等により設けられていてもよい。

図４（ａ）〜図４（ｄ）において、弁体本体１０は、例えばＦＣＤ４５０−１０等のダクタイル鋳鉄により略円板状に形成され、図１の弁棒装着用の挿通孔２０、弁座１１取付け用の凹状溝２１が外径側に形成され、弁体３の弁座１１取付け位置が、弁棒１７の中心Ｐからオフセットされた単偏心構造に設けられている。弁体本体１０は、弁棒１７の中心Ｐ側から見て、弁座押さえ１２の後述する球面外周部２２とは異なる弁翼側に山形の翼状の球面状外周部２３が突出形成され、この球面状外周部２３の表面は、弁軸中心Ｐからの半径による球面の一部を成している。なお、弁棒１７は、弁箱２の口径中心に配置されている。

球面状外周部２３には、複数の略Ｖ字形の櫛歯状溝２４が形成され、この櫛歯状溝２４が設けられたことにより、球面状外周部２３は、弁体３が弁棒（弁軸）１７を中心に、一定角度回転した際に、図４（ｄ）に示すように、弁座面１６との重なりが同時（相互）に外れあうような円弧形状に形成される。球面状外周部２３の表面形状は、本実施形態以外にも、要求される流量特性に応じて弁座面との重なりの外れ方が変わる形状であってもよい。

図１、図２において、弁座１１は、ゴム等の軟質材料により切断箇所の無い一体型のリング状に形成され、内径側には凹状溝２１に嵌合する嵌合突部２５が突出形成されることにより、断面略Ｌ字形状に設けられる。前記弁体本体１０には、弁座１１が嵌め込まれた状態で、その上から弁座押さえ１２がワッシャ２６を介して固着ボルト２７で装着される。これにより、弁座１１は、固着ボルト２７を緩めて弁座押さえ１２を取り外すことで着脱可能に設けられている。

弁体本体１０と弁座押さえ１２との間には、複数のスペーサ１３が介在される。スペーサ１３は、弁体本体１０と弁座押さえ１２との間に挟着可能な適度の厚みにより座金状に形成され、これらの間に前記固着ボルト２７で固定される。このスペーサ１３を設けていることで、固着ボルト２７による弁体本体１０と弁座押さえ１２との締付け量が調節可能に設けられ、スペーサ１３の締付け量に応じて、弁座押さえ１２の高さ方向の位置決め及び径方向の位置決めと、弁座１１のつぶし量が設定可能となる。

図２、図３（ａ）〜図３（ｃ）において、弁座押さえ１２は、例えばＣＡＣ４０６などの青銅鋳物にめっき処理を施したものや、ＳＣＳなどのステンレス鋳物、或は切削加工したステンレス材料などによりリング状に形成され、防錆性に優れ水質への悪影響も抑えられる。この弁座押さえ１２は、図２において弁体本体１０との接触面を下面としたときに、上面の一方の弁翼側に、球面の一部を成す山形の翼状の球面外周部２２が突出形成されている。図３に示すように、球面外周部２２には複数の溝部３０が設けられ、各溝部３０は、球面外周部２２の中心点Ｂとは異なる中心点Ｃとする球面状の底部３１を有している。底部３１は、その溝深さが球面外周部の頂点に向かうに従って深くなるように、滑らかな球面状に形成される。溝部３０を複数設けていることで、弁開時の水の流れを分散させ、乱流になりにくくなっている。
中心点Ｂにおける球面外周部２２の半径をＲ１、中心点Ｃにおける球面状の底部３１の半径をＲ２とすると、半径Ｒ１＜半径Ｒ２の関係に設定している。

前記した弁体本体１０と同様に、球面外周部２２の表面形状は、弁体３が弁軸Ｐを中心に一定角度回転したときに、図３（ｃ）に示すように、弁座面１６との重なりが同時（相互）に外れあうような円弧形状に形成される。また、要求される流量特性に応じて弁座面１６との重なりが変わる表面形状であってもよい。

図３（ａ）に示すように、弁座押さえ１２の弁体本体１０との取付位置には複数個の貫通孔３２が形成され、この貫通孔３２に続けて、図３（ｂ）において弁座押さえ１２の下面側にはザグリ孔３３が形成され、このザグリ孔３３にスペーサ１３が圧入状態で収納される。さらに、弁座押さえ１２の下面側には、弁体本体１０とのシール用Ｏリング３４の装着用の環状溝３５、弁座１１装着時のすべりを抑制するＶ字溝３６がそれぞれ形成される。

上記した球面状外周部２３と弁座面１６とは、弁体本体１０の弁開動作時に略一定の隙間を有し、この球面状外周部２３と弁座面１６との略一定の隙間Ｓのときに、球面外周部２２と弁座面１６とが、徐々に拡大するクリアランスＣを有するようになっている。
これにより、弁体本体１０には、球面外周部２２、球面状外周部２３と金属製の弁座面１６とが成す極小開度から小開度までの間に、初期充水に適したなだらかな流量変化特性を発揮する領域が設けられる。
本実施形態のバルブ本体１では、球面外周部２２をオリフィス側とし、球面状外周部２３をノズル側として設けている。

図１において、バルブ本体１の弁体３動作用の弁棒１７には内部に減速機３９を有する操作部４０が接続され、この操作部４０（減速機３９）には、図５に示した表示部４１が設けられる。表示部４１は、使用圧力値に応じて充水に適した水量を流すための開度と圧力値とによる領域が併記され、直感的な操作が可能になっている。

本実施形態では、充水時の目標流速を、０．５ｍ／ｓに設定し、この目標流速を満足するために、水の圧力７．５Ｋのときに弁開度１５％、圧力４Ｋのときに弁開度２０％、圧力１Ｋのときに弁開度２５％となるバルブ容量とし、これらに対応した目盛を有する表示部４１を設けるようにした。この表示部４１を視認しながら弁開度を調節することで、水の圧力に対応して目標弁開度を調整し、目標となる流速０．５ｍ／ｓで通水することができる。充水時の目標流速は適宜設定することができ、例えば、０．３ｍ／ｓ〜０．５ｍ／ｓの範囲内に設定することが望ましい。この場合、その目標流速に応じて、表示部４１の目盛を変えることで対応できる。

上記弁体３を組立てる場合には、図２において、弁体本体１０の凹状溝２１に弁座１１を嵌め込むように取付け、この弁体本体１０に対して、ザグリ孔３３にスペーサ１３を圧入や接着剤により取付け、環状溝３５にＯリング３４を装着した弁座押さえ１２を装着し、これらをワッシャ２６を介して固着ボルト２７で固定する。このとき、スペーサ１３により弁座１１を適切な締付け量で締付けて、この弁座１１の弁座面１６側の当接部位を高精度に位置決めできる。Ｖ字溝３６によって弁座１１のすべりを防止して弁体本体１０に同芯状態で配置でき、かつスペーサ１３の脱落を防止しながら弁座押さえ１２を取付けできるため、組立時の作業性が向上する。
弁座１１に球面外周部２２や球面状外周部２３を密着状態で隣接配置しているので、極小開度から初期充水に適したなだらかな流量変化特性を発揮することができる。

なお、上記実施形態では、球面外周部２２をオリフィス側、球面状外周部２３をノズル側としているが、弁体３の回転方向が一定方向、すなわち、本実施形態では図６において反時計回りに回転するものであれば、逆にして使用することもできる。

弁体３において、弁座押さえ１２に溝部３０、弁体本体１０に櫛歯状溝２４を形成しているが、要求される流量特性等に応じて、これらを逆の組合わせにしたり、或は双方を同じ形状に設けるようにしてもよい。

弁座押さえ１２は、弁体本体１０に比べて部品として加工し易いため、開度の増加により流量を微調整可能な形状に加工することもできる。上記実施形態では、弁座押さえ１２の溝部３０を単純な平行状態にして深さ方向を球面形状（断面円弧状）に設けているが、要求される流量特性等に応じて、この溝部３０を細かく加工してより細い溝に設けたり、Ｖ字形状に形成することもできる。溝部３０の深さ方向（断面方向）についても、浅深状にしたり階段状に設けることで、流量特性をステップ状に変化させることも可能になり、設置条件等に応じて各種形状に形成できる。

弁座押さえ１２を単純な座金形状に設け、この弁座押さえ１２に球面外周部２２を後付け可能な構造とすれば、より容易に部品を交換して流量特性を変えることもでき、さらに、充水機能が必要で無い場合には、球面外周部２２を取り外すことで通常のバタフライ弁として使用し、損失の少ない特性のバルブを提供できる。

また、弁座押さえ１２と弁体本体１０との間のスペーサ１３は、充水機能を有していない場合にも適用可能であり、各種のバルブに対して利用できる。

表示部４１は、使用圧力に応じて充水に適した水量の領域を示すものであれば、バルブ本体１の態様が異なる場合にも適用でき、本実施形態の単偏心形構造以外にも、例えば、その他の偏心形バタフライバルブ、軸芯バタフライ弁であったり、これら以外の各種の操作部や開度計を有する各種のバルブ全般に対しても利用できる。

図示しないが、弁体３両端側の継手部１４は、フランジ形に限ることはなく、耐震用の継手やその他の各種形状に設けることもできる。

次いで、上記した充水機能付バタフライ弁の動作並びに作用を説明する。
本発明のバルブ本体１は、通常、全閉状態で上流側の管路が水で充たされつつ、二次側の管路が空の状態から動作される。この場合、急激な充水をおこなうと、満水時のウォーターハンマー等により配管の破損等が生じるおそれがあるため、適正な水量により通水しながら充水機能が発揮されるものである。

図６においては、バルブ本体１の弁閉状態を示しており、図において、弁体３の左側の上流側が水で満たされており、弁体３の右側の下流側が水の無い状態になっている。このとき、上流側では、弁座１１が弁座面１６と圧縮接触することで、確実に止水された状態となる。

図７は、図６の状態から弁体３が全体の６％（およそ５度）開動作した状態を示している。このとき、図の左側から右側への水の流れにより、球面外周部２２側がオリフィス側となり、球面状外周部２３側がノズル側となって、これら球面外周部２２、球面状外周部２３はそれぞれ弁座面１６と対峙する。この場合、弁座１１が弁座面１６から離れることにより、球面状外周部２３と弁座面１６との間に略一定の隙間Ｓが設けられ、球面外周部２２と弁座面１６との間にクリアランスＣが設けられ、これら隙間ＳとクリアランスＣとの間から通水がおこなわれる。この場合、クリアランスＣは、球面外周部２２表面と弁座面１６との間隙と、溝部３０断面による間隙との和となる。

図８においては、図７の弁体３が回転して全体の１７％（およそ１５度）開動作した状態を示している。このとき、球面状外周部２３と弁座面１６との隙間Ｓの量、球面外周部２２表面と弁座面１６との間隙は図６の状態から変わらず、球面外周部２２の溝部３０断面の深さの増加の分だけクリアランスＣの量が増え、これにより通水量が増加する。
この図８の状態の少し前、具体的には弁開度１５％の状態で、水圧７．５Ｋの時の充水流速が０．５ｍ／ｓとなるように、隙間ＳとクリアランスＣ、特にクリアランスＣの溝部３０の断面積を設定している。

図９においては、図８の状態から弁体３が回転して全体の２４％（およそ２２度）開動作した状態を示している。このときには、図８の場合の通水量に加えて、球面状外周部２３の櫛歯状溝２４からの通水量も加わった通水量となる。

この図９の状態の少し前、具体的には弁開度２０％の状態で、水圧４Ｋの時の充水流速が０．５ｍ／ｓとなるように、隙間ＳとクリアランスＣ、特にクリアランスＣの溝部３０の断面積を設定している。そして、弁開度２０％を越えると、櫛歯状溝２４を含めた隙間Ｓによる充水がおこなわれる。

なお、弁開度２２％を越えると、球面外周部２２は、弁座面１６との対向位置から外れる。
また、この図９の状態より少し後、具体的には弁開度２５％の状態で、水圧１Ｋの時の充水流速が０．５ｍ／ｓとなるように、隙間Ｓ、特に櫛歯状溝２４の断面積を設定している。

図１０においては、図９の状態から弁体３が回転して全体の３９％（およそ３５度）開動作した状態を示している。この場合、図９の状態から球面状外周部２３全体が弁座面１６より外れることにより、さらに通水量が増加する。さらに、この状態から弁開動作するときには、通常のバタフライ弁との水量変化と同様の特性を発揮する。

この図１０の状態より前、具体的には弁開度３０％を越えた時に、櫛歯状溝２４が弁座面１６との対向位置から外れるように設定している。

このように、図７〜図１０までにおける極小開度から小開度までの間に、初期充水に適したなだらかな流量変化特性を発揮する領域が得られる。

上述した弁体３の動作角度とその通水量との関係は設計上の一例であり、弁体３の動作角度ごとに通水される領域は任意に設定可能である。このため、弁体３の回転角度と通水量との関係等に応じて、球面状外周部２３や球面外周部２２の円周方向の長さや流路方向の高さなどを適宜設定できる。この場合、例えば、これら球面状外周部２３や球面外周部２２を大きく形成したときには、流量を少しずつ変化させて細かく充水操作でき、小さく形成したときには、弁体３全開時の損失を少なくできるため、これらの特性のバランスを考慮しながら流路の条件に応じて最適な弁体を構成できる。
また、上記実施形態と逆方向の流れである場合にも、同様の充水性能を発揮できる。

上述したように、本発明の充水機能付バタフライ弁は、弁体本体１０にゴム製弁座１１を弁座押さえ１２で装着した偏心形の弁体３を設け、弁座押さえ１２に翼状の球面外周部２２と球面状の底部３１を有する複数の溝部３０を設け、弁体本体１０に翼状の球面状外周部２３と複数の櫛歯状溝２４を設け、球面外周部２２、球面状外周部２３と弁箱側弁座面１６とが成す極小開度から小開度までの間に、初期充水に適したなだらかな流量変化特性を発揮する領域を設けている。これにより、弁閉から小開度領域における弁体３回転時に、弁座１１が弁座面１６から離間した後の水量変化が、弁座押さえ１２の溝部３０断面の深さの変化に応じてなだらかに増加する。その後、弁体本体１０の櫛歯状溝２４の通水領域になだらかにつながり、この櫛歯状溝２４による通水量もなだらかに変化する。

このとき、球面状外周部２３と弁座面１６との隙間Ｓが略一定の小さい間隙を維持しつつ、球面外周部２２と弁座面１６とのクリアランスＣが徐々に拡大するため、上記弁体３の一連の動作により低開度からなだらかに流量を変化させることができ、弁座１１が離間した瞬間に間隙が大きくなることによる急激な流量の増加を確実に防止できる。
このような流量変化の特性を発揮するため、運用する圧力条件が異なる場合であっても、その管路の安全な充水に適した水量を容易に調整可能となる。

弁体本体１０側に弁座１１を装着しているため、充水量の調整時にこの弁座１１が弁座面１６に接触するおそれがなく、このことにより、充水量調整時の操作トルクも軽くなり、ゴム製弁座１１の摩耗や破損も防止する。

弁座押さえ１２が組み付け部品であるため、現場の運用条件に応じて要求される特性が変わった場合にも、バルブ本体１全体を交換することなく、部品を交換するだけで異なる流量特性を得ることができる。

弁体本体１０と弁座押さえ１２との間にスペーサ１３を設けていることにより、弁座押さえ１２を簡単に高精度に位置調整しつつ取付け可能であり、トルクレンチ等の工具で締め加減を調節しながら弁座押さえ１２を組付けたり、この締め加減を円周状で均一に調整して弁座１１の飛び出し量を加減する必要もない。

続いて、バルブ本体１の動作時の流量特性をグラフに基づいて説明する。
図１１のグラフは、各種バタフライ弁の弁開度の変化に対する損失の変化を表しており、汎用のバタフライ弁と従来設計の充水機能付バタフライ弁、及び今回の充水機能付バタフライ弁を比較したものである。ここで、これ以降の図（グラフ）において、「汎用のバタフライ弁（充水機能無し）」とは、一般的な充水機能の無いバタフライ弁であり、「従来設計の充水機能付バタフライ弁」とは、従来の一般的な構造の充水機能を有するバタフライ弁であり、「今回の充水機能付バタフライ弁」とは、本発明における充水機能付バタフライ弁のことをいう。

図１１において、開度変化量に対して損失の変化が大きいものは、細かな調整に対して操作性が悪くなる。従来設計の充水機能付バタフライ弁では、小開度（概ね１０〜２５％程度）で損失の変化の無い一定領域を設けたものを示しているが、この小開度領域の前後では、本発明の充水機能付バタフライ弁よりも開度変化に対する損失係数の変化が急激になる。一方、本発明の充水機能付バタフライ弁は、従来設計の充水機能付バタフライ弁に比較して、開度変化量に対する損失の変化が少なく、開度の微調整の際の操作性に優れているといえる。

特に、なだらかな流量変化特性を発揮する領域は、充水領域における損失係数が一定でなく、他のバタフライ弁より上方（損失係数の大きい）領域で損失係数カーブの急激な変化が無い状態をいう。

図１２においては、各種バタフライ弁の有効流量特性のカーブを示している。この場合、全開時に流れる流量を１とし、各開度毎に流れる量の割合を表している。実際のバタフライ弁の操作により流れる流量は、この弁の前後の管路の損失により特性が変化する。この有効流量特性は、弁単体でなく管路の損失も加味したグラフとなっている。
このグラフにおいて、従来設計の充水機能付バタフライ弁では、開度を変化させても流量が一定となる領域があり、その前後では、今回の充水機能付バタフライ弁と比べて、開度変化による流量変化が急激になっている。
一方、本発明の充水機能付バタフライ弁では、弁の開度変化に応じて流量が確実に増加し、特に微小開度から小開度付近においても、確実に流量が増加しているといえる。

特に、初期充水に適したなだらかな流量変化特性を発揮する領域は、図１２において、極小開度（例えば、およそ５％）から小開度（例えば、およそ２５％）までに充水領域における流量特性が一定流量ではなく、充水領域以降の弁開度における変化量よりも小さい特性を呈する状態の領域をいう。

図１３においては、流速を一定としたときの各種バタフライ弁の弁開度と差圧との関係を表している。この場合、安全に充水する流速として、０．３ｍ／ｓｅｃに設定して開度を算出した。
同図のグラフの結果より、従来設計の充水機能付バタフライ弁では、差圧０．５ＭＰａ時に、流量一定領域の開度（本例では開度１０〜２５％程度）になるといえる。これにより、この領域（差圧）以外では、開度調整による流量調整が必要になり、その際、本発明の充水機能付バタフライ弁よりも細かい開度での調整が必要になり、その操作も難しくなる。

上記のように、従来設計の充水機能付バタフライ弁は、設計された圧力条件下では一定流量範囲は機能するが、実際のフィールドの現場によって異なる運用圧力に対しては、不都合をきたす場合がある。この対策として、例えば、充水用の孔の大きさを変えたものの製作が考えられるが、現場ごとに異なる環境に応じてその都度充水用の孔の大きさを変える必要が生じることから現実的ではない。

一方、本発明の充水機能付バタフライ弁は、上記の結果のように、異なる水の圧力条件下においても、高精度の充水機能を発揮でき、特に、初期通水時の微小開度から小開度付近でも適切な水量に調節して正確に通水して安定した充水が可能となる。

次に、本発明の充水機能付きバタフライ弁に用いられる前述した表示部の他例と、この表示部を利用した充水機能付バタフライ弁の充水方法を述べる。
ここで、表示部の具体例として、例えば、特開２０１６−１１６６６号公報に開示された微小開度表示機能付きバルブが知られている。このバルブ本体の開度表示機構は、弁体の開度を示す開度目盛部と、開度目盛部の開度目盛部を指し示す開度指針部とを備える。開度目盛部は、出力軸キャリアの回転角度に対応する弁体開度を弁体の全開度範囲において表示する全開度表示目盛と、入力軸の回転角度に対応する弁体開度を微小開度範囲において表示する微小開度表示目盛を有している。開度指針部は、出力軸キャリアの回転に同期して全開度表示目盛において弁体の開度を指し示す全開度指針部と、入力軸の回転に同期して微小開度表示目盛において弁体の開度を指し示す微小開度指針を有している。

このバルブでは、微小開度表示部を構成する微小開度指針が入力軸に装着され、この微小開度指針の外周位置に、全開度表示目盛と全開度指針とからなる全開度表示部が配置され、この全開度表示部を挟むように微小開度目盛が全開度表示部の外周位置に配置されている。この場合には、全開度表示目盛と微小開度目盛とが表示された特殊な銘板が必要になり、地下埋設された既設の充水機能付バタフライ弁への取付けも難しくなる。

微小開度表示部が全開度表示部を挟むように構成されていることで微小開度を把握しにくくなり、微小開度指針が指し示す直近の位置に全開度表示部があるため、作業者が微小開度と全開度表示を混同して認識するおそれもある。さらに、全開度表示目盛、微小開度表示目盛、及び、全開度指針、微小開度指針からなるそれぞれ２種類の目盛と指針とが必要になるという問題もある。

微小開度目盛は、全開度表示目盛、流量表示目盛と共に一枚の目盛板に配置され、この目盛板が、減速機のケース上面側に固定されている。微小開度指針は、入力軸の任意の回転位置に取付けられて入力軸と同期回転され、任意の基準位置より入力軸の回転角度を確認しつつ開度を確認するようになっている。この場合、微小開度目盛の位置の調整はできず、微小開度を確認する場合、全閉状態の微小開度目盛から離れた位置にある小さな微小開度指針の回転状態を視認することとなり、特に、地下埋設下等で見え難い。

また、図示しないが、例えば、前述の特開２０１６−１１６６６号公報のバルブの微小開度目盛を内側に配置すれば、視認性の向上が図れる。ただし、その場合でも細かな微小開度の調整作業に対しては不十分である。

これに対して、本発明のバルブの表示部の第２例を図１４に示す。表示部５１は、図５の表示部と同様に、操作部４０（減速機３０）に取付け可能に設けられ、充水に適した水量を流すための開度の領域が記されている。

ここで、先ず、減速機３０を説明する。図１５〜図１７において、減速機３０は、入力軸６０、出力軸６１、減速機構６２、キャップ６３を有し、図示しないキーハンドル（開栓キー）にて回転操作され、その回転力がキャップ６３を介して入力軸６０に入力され、この入力軸６０の回転が減速機構６２により減速されて出力軸６１から出力され、弁棒１７に伝達される。

減速機構６２は、外歯車７０、内歯車７１、偏心カム７２、ピン７３を有する差動歯車機構からなり、外歯車７０と内歯車７１との歯数差により所定の減速比が設定される。本例で使用される減速機３０は、入力軸６０と出力軸６１とが同方向に回転するギアの組合わせにより設けられ、入力軸６０の右回り回転により出力軸６１も右回り回転し、このときに弁開動作するようになっている。このことから、入力軸６０、及び、入力軸６０と同期して回転する後述の表示部材８０と、全開度指針部８１とが同一方向に回転するようになるため、視認性に優れ、直感的な操作が可能になる。このように、減速機構６２は、入力軸６０と出力軸６１が同方向に回転するギア機構であることが望ましい。さらに、このような構造であることで、減速機構６２はいわゆるセルフロック機能を発揮し、流体圧力による回転を防いで操作力を確実に図１の弁体本体１０に伝達できる。

図１４〜図１７に示したキャップ６３は、入力軸６０の上端部に対して嵌め込みにより一体に取付けられる。キャップ６３は、いわゆるスリップキャップと呼ばれる構造であるとよく、この場合、過大なトルクが入力側から加わったときに、この入力側でスリップして入力軸６０への回転伝達が遮断される。スリップキャップを用いた場合、埋設などで図１のバルブ本体１の呼び径等が分かりづらい状態で、必要以上に大きい操作トルクが加わった際にも、入力軸６０に過大な回転力が伝わることがないため安全な回転操作が可能となる。さらに、バルブ本体１の操作に必要なトルクに応じて、異なるスリップトルクのキャップを選定することも可能である。

図１４に示すように、減速機３０の上面には、その外周側にＳＵＳ等の材料により環状の銘板８２が設けられ、この銘板８２の内方に環状の表示部材８０が配置される。本例では、銘板８２に全開度表示部８３、表示部材８０には微小開度表示部８４が記され、このように、表示部５１は、全開度表示部８３、微小開度表示部８４が備えられている。さらに、銘板８２には、呼び圧力、最高許容圧力、最高流速、製造年等が記されているとよい（図示せず）。ここで、「全開度表示」とは、弁体操作時における弁閉から弁開までの出力軸６１の開度表示、一方、「微小開度表示」とは、弁体操作時における入力側の開度表示をそれぞれ意味する。そして、「全開度表示」は、銘板８２と全開度指針部８１、「微小開度表示」は、銘板８２と表示部材８０とによって表示可能になっている。

全開度表示部８３は、弁閉状態（弁体角度０°）から弁開状態（弁体角度９０°）までの弁体開度が目盛や数値により銘板８２の９０°の範囲にわたって記され、この全開度表示部８３に、充水に適した弁開度の範囲である充水開度範囲表示部８５が併記される。銘板８２の全開度表示部８３の１８０°反対側には、この全開度表示部８３と同様に、入力軸６０の回転数表示用の回転数表示部８６が９０°の範囲にわたって記される。

図１７において、出力軸６１の上部には、開度軸９０が同軸に取付けられ、この開度軸９０の上部に全開度指針部８１が一体に回転可能に嵌合される。全開度指針部８１には、指針８１ａが１８０°の間隔で円周方向の２箇所に突出形成され、一方の指針８１ａが全開度表示部８３、他方の指針８１ａが回転数表示部８６を指すように取り付けられる。この構成により、全開度表示部８３、並びに回転数表示部８６に対する各指針８１ａの関係を視認することで、「全開度表示」の開度を確認できる。

微小開度表示部８４は、全開度表示部８３の内方である表示部材８０の上面に配置され、等分割された目盛８４ａを有し、この目盛８４ａとの関係により、全開度表示部８３における微小開度が表示される。本例において、目盛８４ａは、３６０°を１６分割して記され、このように目盛８４ａが細かく分割されている場合、入力軸６０の回転時の微調整が容易となる。例えば、１回転以下の入力軸６０の目盛のステップとして、１／４回転、１／８回転、１／１６回転と、３６０°が４の倍数で刻まれている場合、微小開度表示部８４の回転状態を直感的に視認しやすく、このうち、特に、図に示すように、１／１６回転ごとのステップに分割されているときには、バルブのＣｖ値の変化量のステップをより細かく調整可能となる。目盛８４ａには、０（ゼロ）から１５までの数字が順に記されている。

微小開度表示部８４が設けられた表示部材８０は、適度の厚みを有する環状プレート部材８７の上面に装着されて一体化され、入力軸６０に対して周方向に位置調整可能に設けられる。一方、全開度表示部８３が設けられた銘板８２には、開始位置であるバルブの漏れ出し位置を示すゼロ点表示部９１が記されている。本実施形態におけるゼロ点表示部９１は、弁閉状態（弁体開度０°）の位置を示す開度０％の表示も兼ねている。このように、全開度表示部８３が、全開度指針部８１により指される目盛の機能と、微小開度表示部８４の目盛８４ａを差し示す指針の機能とを有することから、微小開度指針を別途必要とすることがない。

続いて、上述した表示部５１を利用したバルブ本体１の充水方法を述べる。
減速機３０に表示部５１を設ける場合、先ず、銘板８２を弁閉状態の図１のバルブ本体１の操作部４０の上面に所定の向きに取付け、開度軸９０の上方より全開度指針部８１を嵌合により一体に取付ける。次いで、キャップ６３の下方より、表示部材８０を上部に装着したプレート部材８７を嵌め込み、これらキャップ６３とプレート部材８７（表示部材８０）とを仮組み状態で入力軸６０の上方から取付ける。キャップ６１（入力軸６０）を操作してバルブを全閉状態にし、全開度指針部８１の指針８１ａを全開度表示部８３のゼロ点表示部９１に位置に合わせる。このとき、全開度指針部８１の他方側の指針８１ａは、回転数表示部８６のゼロの位置に合わさるようになっている。

バルブ本体１に水圧を付加した状態で、キャップ６３（入力軸６０）を開方向に操作し、水の漏れ出し位置まで弁体本体１０を作動させる。この弁体本体１０の回転により、各指針８１ａがゼロの状態からやや進んだ状態になる。
この状態で、フリーの状態の表示部材８０（プレート部材８７）を回転させ、銘板８２のゼロ点表示部９１にゼロの数字を合わせ、表示部材８０とキャップ６３とを固定することで、入力軸６０（キャップ６３）と表示部材８０とが同期した状態で回転可能となる。この構成により、図１の弁体本体１０の回転操作時には、充水開始位置であるバルブ本体１の漏れ出し位置を充水開始位置として特定し、この充水開始位置をゼロ点として、充水開度範囲表示部８５を介して、充水に適した水量の領域を微小開度で表示しつつ充水可能になる。

上述したように、表示部５１の全開度表示部８３における微小開度を、全開度表示部８３の内方に配置した微小開度表示部８４に表示することにより、特殊な銘板を設けることなく、組付け誤差や調整誤差、弁座１１の潰れ加減等による弁開時の開度の個体差を解消し、通水開始時の弁体開度をゼロ点として、全開度表示部８３、微小開度表示部８４を介して正確な開度を表示可能になる。すなわち、充水開度範囲表示部８５（全開度表示部８３）への全開度指針部８１の各指針８１ａの状態により充水状態であることを確認しながら、さらに、１６分割した微小開度表示部８４に対する全開度指針部８１の状態を細かく視認することで、弁体本体１０の開度を正確に調節しながら、この弁体本体１０を充水に適した開度の範囲に操作して、適切に充水しながら初期通水できる。

この場合、入力軸６０の回転時に、出力軸６１側の全開度指針部８１の指針８１ａが、目盛である全開度表示部５１に対して回転して開度を差し示す構成になっていることにより、弁閉状態（弁体角度０°）から弁開状態（弁体角度９０°）までの範囲全体における全開度指針部８１の視認性が高く、およその弁体開度を一目で確認できる。
一方、入力軸６０側の微小開度表示部８４が、定点であるゼロ点表示部９１に対して回転してその目盛８４ａを合わせる構成であるため、目盛８４ａの任意の目標値をゼロ点表示部９１に合わせやすく、任意の開度に調整しやすい。
これらのことから、全開度指針部８１、全開度表示部５１により全体開度を把握しながら、微小開度表示部８４、ゼロ点表示部９１により微細な弁体角度に細かく設定し、任意の弁体開度に高精度に調整可能となる。

しかも、作業者がキーハンドルを操作して微小開度表示部８４を回転させる際に、身体の向きを一定にし、視線を一方向から向けた状態で、定点のゼロ点表示部９１方向に回転する目盛８４ａによる目標数値を確認できる。そのため、微小開度表示部８４がゼロ点表示部９１に対して複数回転する構成であるにもかかわらず、これらの状態を身体や視線を動かすことなく定点状態の位置から確認しながら容易に調整できる。

特に、本例では、微小開度表示部８４を入力軸６０と同期回転するよう、微小開度目盛を回転目盛としている。このことより、微小開度の調整に際し、微小開度指針を回す方式よりも、より直感的に操作でき調整がし易くなる。
なお、全開度表示部８３に用いられる、通常の全開度指針部８１が回転する指針回転構造は、現在の開度を確認する用途に際しては十分な視認性を持ち合わせる。

微小開度表示部８４を、全開度表示部８３が記される銘板８２の内方に位置する表示部材８０に記していることでこれらが近接している。キャップ６３を介して表示部材８０を回転させるときには、全開度表示部８３の同じ位置に記された開度０％の表示、ゼロ点表示部９１に対して、全開度指針部８１、微小開度表示部８４をそれぞれ視認しやすい。しかも、表示部材８０を装着したプレート部材８７の下方に全開度指針部８１が位置し、この全開度指針部の下方に銘板８２が位置している。このことから視認性が一層向上し、全開度指針部８３に近接した全開度指針部８１の指針８１ａを視認して全開度を把握しやすく、指針８１ａが微小開度表示部８４に被さることがないため、この微小開度表示部８４の任意の目盛８４ａを、下方に位置するゼロ点表示部９１に対して正確に調整可能となる。

微小開度表示部８４が等分割された目盛８４ａを有し、全開度表示部８３に充水開始位置であるバルブの漏れ出し位置を示すゼロ点表示部９１を記していることにより、バルブ本体１の通水開始位置で表示部材８０を周方向に位置調整して目盛８４ａをゼロ点表示部９１に合わせ、充水開示時の基点を正確に設定することができる。これにより、バルブの個体差に応じて、正確に入力軸６０を回転して所定のバルブ開度にでき、バルブ本体１ごとの充水に適した領域に対して正確な開度でスムーズに弁体本体１０を操作でき、充水時に水を濁らせたり赤水を発生させたりすることがない。

前述したように、銘板８２、表示部材８０、全開度指針部８１により全開度と微小開度とを視認可能であることから、部品点数も最小限に抑えることができ、地下埋設されたバルブ本体１への取付けも容易になる。

図１８においては、表示部の第３例を示している。なお、以降の表示部において、前述した表示部の例と同一部分は同一符号によって表し、その説明を省略する。
この例では、銘板１０１の表示部１０２に全開度表示部８３のみが記され、一方、全開度指針部１０３には、全開度表示部８３を指し示す一つの指針１０３ａが設けられる。このように、図１４の回転数表示部８６を省略することもでき、この場合、銘板１０１の表示や全開度指針部１０３の形状の簡略化が可能になる。

図１９においては、表示部の第４例を示している。この例では、銘板１１１の表示部１１２に、全開度表示部８３が設けられ、この全開度表示部８３とは別に、この全開度表示部８３と１８０°の間隔で回転数表示板１１３が設けられる。この場合、表示部材８０のゼロの位置、全開度指針部８１の銘板１１１を指し示す指針８１ａと逆側の指針８１ａがバルブの漏れ出し位置の開度位置、回転数表示板１１３の回転数表示部８６のゼロ回転表示部１１５が一直線となる位置に設定して取り付けることにより、その位置にてゼロ点を確認できるため視認が容易となり、かつ全閉状態（弁体角度０°）とゼロ点との差も明確になる。

１ バルブ本体
２ 弁箱
３ 弁体
１０ 弁体本体
１１ 弁座
１２ 弁座押さえ
１３ スペーサ
１６ 弁箱側弁座面
２２ 球面外周部
２３ 球面状外周部
２４ 櫛歯状溝
３０ 溝部
３１ 底部
３９ 減速機
４０ 操作部
４１ 表示部
Ｃ クリアランス
Ｓ 隙間

Claims (5)

1. 弁体本体に軟質材料からなる弁座を弁座押さえで着脱可能に装着した弁体を偏心形構造としたバタフライ弁において、前記弁座押さえの一方の弁翼側に球面の一部を成す翼状の球面外周部を設け、この球面外周部に中心点が異なる球面状の底部を有する複数の溝部を設けると共に、前記弁体本体の球面外周部とは異なる弁翼側に球面の一部を成す翼状の球面状外周部を設け、この球面状外周部に複数のＶ字形の櫛歯状溝を設け、前記球面外周部と弁箱側弁座面、及び前記球面状外周部と弁箱側弁座面とが成す極小開度から小開度までの間に、初期充水に適したなだらかな流量変化特性を発揮する領域を設けたことを特徴とする充水機能付バタフライ弁。
2. 前記球面状外周部と前記弁箱側弁座面とは、前記弁体本体の弁開動作時に一定の隙間を有し、前記球面外周部と前記弁箱側弁座面とは、前記球面状外周部と前記弁箱側弁座面とが一定の隙間のときに徐々に拡大するクリアランスを有する請求項１に記載の充水機能付バタフライ弁。
3. 前記球面外周部をオリフィス側とし、前記球面状外周部をノズル側とした請求項１又は２に記載の充水機能付バタフライ弁。
4. 前記弁体本体と前記弁座押さえとの間にスペーサを介在させた請求項１乃至３の何れか１項に記載の充水機能付バタフライ弁。
5. 前記弁体操作用の操作部は減速機を有し、前記操作部に使用圧力値に応じて充水に適した水量の領域を示す表示部を設けた請求項１乃至４の何れか１項に記載の充水機能付バタフライ弁。

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