JP2018173122A - 偏心回転弁 - Google Patents

Abstract

【課題】新規な弁座構造とする。
【解決手段】流体が内部を流れる筒状の弁箱と、その弁箱内に挿入され、軸心ａが弁箱の軸心ｃから離れた弁棒２と、その弁棒に偏心して設けた弁体３と、軸心ｂが弁箱の軸心に対して傾いた弁体弁座３ａと、その弁体弁座が接離する弁箱の軸心に対して直交方向の弁箱弁座１ａと、を有する偏心回転弁である。弁体弁座と弁箱弁座の当接面５が楕円球面同士、弁体弁座の当接面が楕円球面で弁箱弁座の当接面が楕円錐面、弁体弁座と弁箱弁座の当接面が楕円錐面同士であったりする。このようにすると、弁体のアプローチ角が生じてトルクシールとなる。このため、閉弁作用が安定する。また、両弁座１ａ、３ａの当接部（シート部）５は弁箱軸方向に垂直な真円で接して閉弁する。このため、流路断面積の形状が変化し難く、安定した流通を確保できる。弁体表面が楕円球面であると、開閉に伴う流量が線形的に増減するため、流量特性は良い。
【選択図】図２Ｂ

Description

この発明は、石油、化学プラント等の計装設備、発電設備、及び工業用水、水力発電設備等の水やガス等の流体輸送用配管に設けられる遮断用途弁又は流量調整弁として使用される偏心回転弁に関するものである。

この種の偏心回転弁に二重偏心構造のものがあって、図４Ａ〜図４Ｃに示すように、流体ｗが内部を流れる筒状の弁箱１と、その弁箱１内に挿入され、軸心ａが前記弁箱１の軸心ｃから離れた弁棒（弁軸）２と、その弁棒２に偏心して設けた弁体（プラグ）３と、その弁体弁座（シート部）３ａに接離する弁箱弁座１ａと、を有する構成が一般的である（特許文献１、請求項１、図１〜３参照）。図中、２ａは弁体３を弁軸２に支持するアームである。

この二重偏心回転弁は、弁全開時に弁箱１内の流路中に抵抗となる突起等が少ない形状のため、バタフライ弁、玉形弁よりも圧力損失が小さいとされている。また、滞留部が無い構造のため、流体ｗ中に微少な粒子が含まれる場合や粘性の高い流体等の特殊な流体に対応することができるとされている。
さらに、この二重偏心回転弁の弁体表面（弁座３ａ）は、多くの場合、球面状に形成され、開閉に伴う流量が線形的に増減する流量特性において、玉形弁より劣るが、バタフライ弁より優れているという特徴を持っている。これらの特徴は流量制御弁として有効であり、本来、制御弁として玉形弁が用いられる場所においてもこの二重偏心回転弁が用いられる場合がある。

特開平７−３１７９２３号公報 特開２００６−１６１９１８号公報 特開２００２−１３０４８７号公報

しかしながら、二重偏心回転弁の多くは、図４Ａ（ｂ）に示すように、弁箱弁座１ａが弾性構造を持つ金属等の弾性体によって形成されたり、弁体弁座３ａを同様な弾性構造を持つ弾性体で形成されたりする。このため、高流体圧下では、その高圧によって弁座１ａが撓んでシール性が劣化して漏洩が生じるため、そのような高圧流体には使用することができないとされている。
すなわち、二重偏心構造を持つ弁の多くが、弾性構造を持つ弁箱弁座１ａと、弁体弁座３ａが適切な締め代を持つ弁体位置で閉止性能を発揮する構造（ポジションシート）であり、その閉止性能が弾性構造を持つ金属片の弁箱弁座１ａの弾性力によって与えられている。これは、高圧流体ｗを閉止しようとしても、弁座１ａ、３ａを閉止している弾性力以上の流体圧がシート部（両弁座の当接部）に負荷すれば、そのシート部が開いて（隙間が生じて）弁閉止性能を確保できないからである。
このため、二重偏心回転弁において、弁操作（軸回転等）によって与えられる弁閉止方向トルクを増加させたとしても、弁閉止性能を向上させることはできない。

また、弾性構造を持つ弁座１ａ、３ａは、両者間（シート部）を弾性力により密着させており、制御弁として使用する場合、閉弁状態から弁微開動作を行う信号が入力した際、前記弾性力を有することから、弁体３が微動してもその弾性力が消滅するまで両弁座１ａ、３ａが離れず（開弁せず）、さらなる弁開動作を行う追加信号が入力すると、前記弾性力から解放された弁体３が急激に開く（開弁する）現象が認められる。この現象はジャンピング現象と呼ばれ、精度の高い流量制御を行う場合には好ましいことではない。

そのジャンピング現象が極限まで抑えられる弁として、三重偏心回転弁がある。この弁は、上記二重偏心弁に加え、さらに、弁体表面形状（円錐面形状）の軸心が弁箱１の中心線（軸心ｃ）から傾いて位置するものであって、弁箱弁座１ａと弁体弁座３ａのシール面は楕円断面となる（特許文献３、段落０００２第１１〜２１行、図１、図５参照）。
このシール面が楕円断面となることから、弁孔６は弁箱中心軸（中心線ｃ）に対して垂直方向では楕円状となる。
しかし、通常、流体ｗの配管には略真円筒が使用され、流体ｗの流通断面形状は略真円形であるため、弁孔６が楕円状であることは、その流通断面形状が略真円形から楕円状に変化することであって、圧力損失等が生じて、流体が弁孔を流通する際の障害となる。なお、上記二重偏心回転弁の弁孔６は略真円状である。

この発明は、以上の実状の下、上記二重偏心弁の優良な特徴である滞留部が無いことに加え、球面形状弁体による線形の流量調整ができる流量特性を生かしつつ、低圧から高圧流体までを閉止することが可能で、かつジャンピング現象の発生を抑制でき、さらに流体が弁孔を円滑に流れ得る弁構造を提供することを課題とする。

上記課題を達成するために、まず、一般的に、回転弁の場合、上記ポジションシート（ポジション・シール）と呼ばれる弁座構造と、トルクシート（トルク・シール）と呼ばれる弁座構造が存在する。この発明は、弁が閉止（閉弁）した際、シート面（弁箱弁座と弁体弁座の当接部）を押し付けるトルクシート構造とすることにより、上記ジャンピング現象の発生を抑制する。
つぎに、楕円球（楕円球体）は楕円を三次元へ拡張したような形態であり、その表面は二次曲面となる。回転楕円体はその長軸または短軸を回転軸として得られる回転体である。楕円錐は底面が楕円の錐である。
上記楕円球体は、その表面形状が楕円球面であって、軸心に対して直交する面で切断すれば、その断面は楕円状となり、前記軸心に対してある角度で切断すると、その断面は真円状となる。一方、楕円錐体は、その表面形状が楕円錐面であって、軸心に対して直交する面で切断すれば、その断面は楕円状となり、同ある角度の斜めの面で適宜に切断すれば、その断面は真円状となる。
この点に注目し、この発明は、弁体弁座（シート面）及び弁箱弁座（シート面）を楕円球面又は楕円錐面としたのである。
このようにすると、従来になかったシート面構造であり、弁孔が真円状等とし得る。

この発明の具体的な構成は、まず、流体が内部を流れる筒状の弁箱と、その弁箱内に挿入され、軸心が前記弁箱の軸心から離れた弁棒と、その弁棒に偏心して設けた弁体と、軸心が弁箱の軸心に対して傾いた弁体弁座と、その弁体弁座が接離する弁箱弁座と、を有する偏心回転弁である。

つぎに、この偏心回転弁において、上記弁体の表面形状を楕円球面、楕円錐面又は真球面としたのである。
このように、弁体表面形状が楕円球面等からなると、開弁時、流体はその楕円球面等に沿って流れ、その流量が線形的に増減するとともに滞留部が無くなるため、流通が円滑になる。このため、従来の二重偏心回転弁の球面弁体と同等の流量特性を得ることができる。

さらに、弁体弁座と弁箱弁座を楕円球面同士又は楕円錐面同士としたり、弁体弁座を楕円球面、弁箱弁座を楕円錐面としたりしたのである。
このようにすれば、従来になかった弁座（シール部）の形状となり、流路方向に垂直な（弁箱の軸心に対して直交方向の）真円で接するものとすることができる。但し、真円にならなくても、流通に支障がなければ、真円以外、例えば、楕円などになっても良い。

すなわち、弁体弁座（シート部）に正接する（その接点において直交状態で接する）錐又は球の中心線（軸心）を弁棒長手方向に垂直な面において、弁箱流路中心から傾け、かつその錐又は球を楕円錐又楕円球とし、さらに、その楕円錐又は楕円球に正接する楕円球面又は楕円錐面の弁座を持つ弁体とした。その弁体弁座と対をなす弁箱弁座は前記弁体表面の球面に倣った楕円球面、若しくは前記弁体表面の楕円球面に正接する楕円錐面構造とする。

上記弁体弁座に正接する錐又は球の中心線を弁棒長手方向に垂直な面において、弁箱流路中心から傾け、かつその錐又は球を楕円錐又楕円球とし、さらに、その楕円錐又は楕円球に正接する楕円球面又は楕円錐面の弁座を持つ弁体は、弁棒を回転させた時、弁体表面の弁座面が弁箱弁座面に対して、真円球面の場合よりも大きなアプローチ角を持って接触する。アプローチ角は、圧力角と呼ばれ、これは、弁棒を回転させ、弁座面同士を接触させた際の弁棒のトルクが弁座面の接触面圧となる過程での重要な要素となっている。このアプローチ角が大きくなる作用により、通常の偏心回転弁よりも弁座の接触圧を上げることはできる。接触圧が上がれば閉弁作用も向上する。

また、従来のポジションシート構造を持つ二重偏心弁とは異なり、トルクシート構造、すなわち弁棒を回転させることにより弁座面に接触面圧を発生させて閉弁性能を得る構造である。すなわち、弁箱流路中心線から楕円球状弁体を傾けることにより構成される楕円球により、従来の表面円球面の弁体よりも接触面圧を増加させることができ、弁棒を回転させるトルクを増加させることにより、接触面圧が増加する。
このため、従来は、弾性体構造によって弁座閉止性能を確保していた偏心回転弁が、この発明では、弁棒の回転トルクにより弁閉止性能を確保することができる。この閉止性能は、弁棒の回転トルクにより得られるため、高圧流体の閉止が可能となる。また、弁座同士は、弾性力により保持されないため、ジャンピング現象も抑制される。

さらに、上記楕円球弁体表面のシート部（弁座）のみを楕円錐とし、その楕円錐に倣った楕円錐の弁箱弁座とする構造においても、その楕円錐の中心線を傾けた作用により、アプローチ角を大きくし、接触面圧を増加させる作用がある。

また、楕円球を形成する錐を楕円錐とした構造は、楕円錐を特定の断面で切断した場合、切断面が真円となる特性を生かしたものである。すなわち、弁箱流路中心線に垂直な面に設けられる弁座面が真円となるように、楕円錐を配置し、その楕円錐に正接する楕円球を形成した場合、弁箱流路中心線に垂直な面において、楕円球断面は真円となる。この真円断面は、弁体弁座及び弁箱弁座の断面形状となる。
この楕円球を構成する錐を楕円錐としたのは、シート部縦断面が真円となることで、楕円に比べて弁座接触面圧を安定したものにすることができる。

上記弁箱弁座と弁体弁座が流路方向に垂直な真円で接して閉弁するようにすれば、略真円筒の配管に使用した際、流体の断面形状は略真円形であるため、弁孔が真円状となり、その流体断面形状が略真円形から真円状に変化することであって、圧力損失等が生じず、流体の安定した流通を確保できる。
なお、この発明でいう「真円」とは、径が全周に亘って同一の円のみを言うのではなく、流通に影響がない程度の径変化の場合も含む。

この発明は、以上のように構成し、アプローチ角を大きくし、接触面圧を増加させたので、止水性能の優れたものとなる。また、滞留部が無く、球面形状弁体による線形の流量調整ができる流量特性を生かすことができ、低圧から高圧流体までを閉止することが可能で、かつジャンピング現象の発生を抑制できる。

この発明に係る偏心回転弁の一実施形態の切断正面図 図１ＡのＩＩ−ＩＩ線切断平面図 同実施形態の弁体弁座と弁箱弁座のシール（閉弁）状態説明図 同弁体作用左側面図 同実施形態の弁体斜視図 同実施形態の弁箱態様説明用平面図 同実施形態の弁体態様説明用平面図 この発明に係る偏心回転弁の他の実施形態の弁体弁座と弁箱弁座のシール状態説明図 同実施形態の弁体態様説明用平面図 同実施形態の弁箱態様説明用平面図 この発明に係る偏心回転弁のさらに他の実施形態の弁体弁座と弁箱弁座のシール状態説明図 同実施形態の弁体態様説明用平面図 同実施形態の弁箱態様説明用平面図 従来例を示し、（ａ）は一部切欠き側面図、（ｂ）は切断正面図 同従来例の弁体を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は左側面図、（ｃ）は平面図 図４Ａ（ｂ）の要部拡大図

この発明に係る偏心回転弁も、図４Ａに示した偏心構造のものであって、流体ｗが内部を流れる筒状の弁箱１と、その弁箱１内に挿入され、軸心ａが前記弁箱１の軸心（弁体流路中心）ｃから離れた弁棒（弁軸）２と、その弁棒２に偏心して設けた弁体（プラグ）３と、その弁体弁座（シート部）３ａに接離する弁箱弁座１ａと、を有するプラグ弁である。弁箱弁座１ａは金属製シートリング４によって形成されている。

このプラグ弁において、図１Ａ〜図１Ｇに示す実施形態のプラグ弁（偏心回転弁）Ｖ１は、弁箱弁座１ａを楕円球面とし、楕円球の一部をなす弁体３の弁座３ａも楕円球面としたものであり、シール面（部）５は楕円球面同士のピッタリと当接（シール）した面接触となる。
弁体３は、その軸心（楕円球中心線）ｄが弁箱１の軸心ｃに対して所要角度θ傾いて弁棒２に取り付けられている（図１Ｂ参照）。また、弁箱弁座１ａの楕円球面の軸心（中心線）ｄも同様に所要角度傾いている。
この弁体３の弁座３ａが弁箱弁座１ａに当接すると、その当接線は図１Ｄに示すように、真円となり、その真円は弁箱１の軸心ｃに対して直交する。この真円となって直交する弁体３の傾斜角度θ及び弁座１ａ、３ａの楕円線は、実験及びシミュレーション等によって適宜に設定する。このとき、シート面（両弁座１ａ、３ａが接する面）５は、ある幅（同一幅）を持った接触面となり、ある幅を有することによって確実なシール（閉弁）作用を行う。

このように、弁体弁座３ａに正接する楕円球の中心線ｄを弁棒長手方向に垂直な面において、弁箱１流路中心ｃから傾け、かつその楕円球に正接する楕円球面の弁座３ａを持つ弁体３表面の楕円球は、弁棒２を回転させた時、弁体表面の弁座面３ａが弁箱弁座面１ａに対して、弁体弁座３ａが真円球面の場合よりも大きなアプローチ角（圧力力）αを持ってトルクシールで接触する（図１Ｂ参照）。このため、弁棒２を回転させると、アプローチ角αが大きくなる作用により、通常の偏心回転弁よりも弁座１ａ、３ａの接触圧を上げることはできる。接触圧が上がれば閉弁作用も向上する。

また、従来のポジションシート構造ではなく、上記トルクシート（トルクシール）構造で閉弁性能を得るとともに、弁体３が楕円球状であるため、従来の表面円球面の弁体よりも接触面圧を増加させることができ、弁棒２を回転させるトルクを増加させることにより、接触面圧が増加する。このため、弁棒２の回転トルクにより弁閉止性能を確保することができ、この閉止性能は、弁棒２の回転トルクにより得られるため、高圧流体の閉止が可能となる。また、弁座１ａ、３ａ同士は、弾性力により保持されないため、ジャンピング現象も抑制される。
さらに、弁体３表面が楕円球であるため、従来の二重偏心回転弁の球面弁体と同等の流量特性を得ることができる。

また、弁箱流路中心線ｃに垂直な面に設けられる弁座面１ａ、３ａをその当接面が真円となるようにしたため、弁箱流路中心線ｃに垂直な面において、楕円球断面は真円となる。この真円断面は、弁体弁座及び弁箱弁座の断面形状となる。このシート断面（弁孔６）が真円となることで、楕円に比べて弁座接触面圧を安定したものにすることができるとともに、略真円筒の配管に介設した際、流体の断面形状は略真円形であるため、弁孔が真円状であることは、その流体断面形状が略真円形から真円状に変化することであって、圧力損失等が生じず、流体の安定した流通を確保できる。

図２Ａ〜図２Ｃに示す実施形態のプラグ弁Ｖ２は、弁箱弁座１ａの全面を楕円錐面とし、楕円球の弁体３の弁座３ａを楕円球面としたものであり、シール面５は弁座１ａ、３ａの一部がピッタリと当接した線接触となる。
弁体３は、同様に、その軸心（中心線）ｄが所要角度θ傾いて弁棒２に取り付けられている。また、弁箱弁座１ａの楕円錐面の軸心（中心線）ｂも所要角度傾いている。
この弁体３の弁座３ａが弁箱弁座１ａに当接すると、その当接面（シール部５）は、同様に、真円となり、その真円は弁箱１の軸心ｃに対して直交する。この真円となって直交する弁体３の傾斜角度θ及び弁座１ａ、３ａの楕円線は、実験及びシミュレーション等によって適宜に設定する。
この実施形態は、上記図１Ｃなどで示した実施形態と同様に、トルクシールとなる等の作用を発揮する。

図３Ａ〜図３Ｃに示す実施形態のプラグ弁Ｖ３は、弁箱弁座１ａを楕円錐面とし、楕円球の弁体３の弁座３ａを楕円錐面としたものであり、シール面５は弁座１ａ、３ａの楕円錐面同士のピッタリと当接（シール）した面接触となる。
弁体３は、同様に、その軸心（中心線）ｄが所要角度θ傾いて弁棒２に取り付けられている。また、弁箱弁座１ａの楕円錐面の軸心（中心線）ｂも所要角度傾いている。
この弁体３の弁座３ａが弁箱弁座１ａに当接すると、その当接面（シール部５）は、同様に、真円となり、その真円は弁箱１の軸心ｃに対して直交する。この真円となって直交する弁体３の傾斜角度θ及び弁座１ａ、３ａの楕円線は、実験及びシミュレーション等によって適宜に設定する。
この実施形態は、上記図１Ｃなどで示した実施形態と同様に、トルクシールとなる等の作用を発揮する。すなわち、楕円球弁体３表面のシート部５のみを楕円錐とし、その楕円錐に倣った楕円錐の弁箱弁座１ａとする構造においても、その楕円錐の中心線ｂを傾けた作用により、アプローチ角αを大きくし、接触面圧を増加させる作用等がある。

この発明は、弁体３の表面形状が楕円球面の場合であったが、楕円錐面又は真円球の場合であっても、この発明の作用効果を発揮する限りにおいて、同様に、弁体弁座３ａと弁箱弁座１ａとを楕円球面同士としたり、弁体弁座３ａが楕円球面、弁箱弁座１ａが楕円錐面としたり、弁体弁座３ａと弁箱弁座１ａとを楕円錐面同士としたりすることができる。また、流体ｗには、水やガス、及びそれらに微少な粒子が含まれる場合や粘性の高い流体等の特殊な流体等の種々のものが適用できることは勿論である。
このように、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。この発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 弁箱
１ａ 弁箱弁座
２ 弁棒
３ 弁体
３ａ 弁体弁座
４ 弁箱弁座用シートリング
５ シート部（シート面）
６ 弁孔
Ｖ１〜Ｖ３ 偏心回転弁（プラグ弁）
ａ 弁棒の軸心（中心線）
ｂ 弁体弁座、弁箱弁座の楕円錐の軸心（中心線）
ｃ 弁箱の軸心（中心線）
ｄ 弁体弁座、弁箱弁座の楕円球軸心（中心線）
θ 弁体の傾斜角度
α 圧力角（アプローチ角）

Claims (4)

1. 流体（ｗ）が内部を流れる筒状の弁箱（１）と、その弁箱（１）内に挿入され、軸心（ａ）が前記弁箱（１）の軸心（ｃ）から離れた弁棒（２）と、その弁棒（２）に偏心して設けた弁体（３）と、軸心（ｂ）が前記弁箱（１）の軸心（ｃ）に対して傾いた弁体弁座（３ａ）と、その弁体弁座（３ａ）が接離する弁箱弁座（１ａ）と、を有する偏心回転弁であって、
   上記弁体（３）の表面形状が楕円球面、楕円錐面又は真球面からなり、上記弁体弁座（３ａ）と弁箱弁座（１ａ）が楕円球面同士である偏心回転弁。
2. 流体（ｗ）が内部を流れる筒状の弁箱（１）と、その弁箱（１）内に挿入され、軸心（ａ）が前記弁箱（１）の軸心（ｃ）から離れた弁棒（２）と、その弁棒（２）に偏心して設けた弁体（３）と、軸心（ｂ）が前記弁箱（１）の軸心（ｃ）に対して傾いた弁体弁座（３ａ）と、その弁体弁座（３ａ）が接離する弁箱弁座（１ａ）と、を有する偏心回転弁であって、
   上記弁体（３）の表面形状が楕円球面、楕円錐面又は真球面からなり、上記弁体弁座（３ａ）が楕円球面、上記弁箱弁座（１ａ）が楕円錐面である偏心回転弁。
3. 流体（ｗ）が内部を流れる筒状の弁箱（１）と、その弁箱（１）内に挿入され、軸心（ａ）が前記弁箱（１）の軸心（ｃ）から離れた弁棒（２）と、その弁棒（２）に偏心して設けた弁体（３）と、軸心（ｂ）が前記弁箱（１）の軸心（ｃ）に対して傾いた弁体弁座（シート部）（３ａ）と、その弁体弁座（３ａ）が接離する弁箱弁座（１ａ）と、を有する偏心回転弁であって、
   上記弁体（３）の表面形状が楕円球面からなり、上記弁体弁座（３ａ）と弁箱弁座（１ａ）が楕円錐面同士である偏心回転弁。
4. 上記弁箱弁座（１ａ）及び弁体弁座（３ａ）の当接面（シート部５）は前記弁箱（１）の軸心（ｃ）に対して直交方向の真円で接して閉弁する請求項１乃至３の何れか一つに記載の偏心回転弁。

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