JP2536329B2 - キャビテ―ション抑止機能を具えたバタフライ弁 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本願は管路に介装し弁体の回動に
よって管路を開閉するバタフライバルブ、特に比較的開
度の小さい範囲において発生しやすいキャビテ−ション
に基因する騒音の防止に着目した発明である。

【０００２】

【従来の技術】水道管路によく使用されるバタフライバ
ルブにおいては単なる腐食や摩耗はさほど耐用年数を縮
める要因となり難いが、キャビテ−ションの発生が騒音
や振動の原因となって、公害源と言われることがある。
また、キャビテ−ションによって当然部材の局部的摩耗
のため、当該部材の早期取替えを余儀なく強いられるこ
とともなる。キャビテ−ションはバタフライバルブの弁
体を閉状態から徐々に開いていくと、弁体背後で圧力低
下があり、その低下が流体の蒸気圧以下になると流体は
沸騰し気泡を発生する。弁体よりやや下流側に至って圧
力が回復するに伴い、気泡が衝撃的に圧潰して騒音，振
動を生じると共に、部材を異常に早期摩耗させて使用に
耐えなくする。このようにキャビテ−ションとこれに基
因する騒音などを改善することはバルブ全体の重要な命
題であったが、バタフライバルブについては第３図Ａ，
Ｂに示すような「低トルク及び低騒音バタフライ弁ディ
スク」（特開昭５７−１５７８６６号公報）がある。

【０００３】この従来技術は図３に示すようにディスク
２ａがシリンダ状ボア１ａの内部で閉状態のときはボア
の垂直軸線と角度的にずれて斜めに嵌め込まれている。
したがってディスクは長円形であり、中央で二分される
半円形壁部分の平面軸線は互いに角度的にずれて「く」
字状を呈している。このディスクの特徴は、外周近くで
上流側，下流側に伸びているリブ１０ａ，１０ｂを多数
突設して実質的に流体障害物を形成していることであ
る。このリブはディスクが閉止したときにボアの長手方
向軸線にほぼ平行に延びており、かつ２つの半円形列を
形成している。この従来技術は以上に述べた構成を取っ
た結果、ａ：キャビテーションの縮少、 ｂ：完全閉止
の提供、 ｃ：すぐれた制御特性の付与、 ｄ：低空気
力学的騒音レベルに到達する効果を生み、従来の技術で
は果せなかった低トルク，低騒音のバタフライバルブを
提供できたと謳っている。また、図４（Ａ）（Ｂ）は別
の従来技術である実開昭６３−１６８３８０号公報から
引用した図であり、弁体２ｂの外周に設けた欠落部へ耐
摩耗性の高い材質で形成した欠円状の補助板１０１、１
０２を前記の弁体の相対向する前後面に止着し、一方の
補助板１０１には複数個の整流羽根板１０３を並設し、
他方の補助板１０２には負圧を減少させる整流翼板１０
４を具えた構成としている。この考案は従来技術の具体
的な文献名は示していないものの、弁体に整流板や負圧
を減少させる翼状板を付設した形態の開発を公知の技術
と断ったうえで、これらの従来技術が弁体に一定的に設
けられているために使用条件による対応ができず、条件
毎に別個に弁体を製作していた課題を解決したと謳って
いる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】図３に示した従来技術
は、目的とする低トルク，低騒音を達成できようが、弁
体（ディスク）に特殊なリブを突設したために別の課題
が生じるのではないかと考えられる。その一つは流体内
に混在する異物（硬質の小片や長い紐状のものなど）が
リブとリブとの間に噛み込むことである。リブは弁閉状
態で管路の流れにほぼ平行に突出しており、異物が一旦
咬持されると、弁が開いても上流側リブは流れに向かっ
て斜め前方に突き上げる形となり、咬持した異物をさら
に深く抱き込む傾向をとると思われる。また、異物の噛
み込みに妨げられて再び完全な弁閉ができなくなる恐れ
もある。課題の第二は弁が全開したときは流れの中央部
において流れに対してリブが直角に突出しているから大
きな流体抵抗となり、しかも中心附近は最も流速が大き
い場所でもあるから圧力損失が大きくなると言う点であ
る。課題の第三はこの技術は弁小開度における流勢を減
勢してキャビテーションの発生を抑止しようとするもの
であるが、キャビテーション発生の原因を考えて見る
と、弁を開く場合、弁軸を中心として回動する弁体の上
流側へ向う半分側と、下流側へ向う半分側との間に生じ
る圧力の不均衡に伴う圧力低下が起り、その圧力低下が
流体の蒸気圧以下にまで落ち込むためである。弁体のう
ち弁を開くときに上流側へ向う半分側をオリフィス側、
下流側へ向う残りの半分側をノズル側と呼んでいるが、
第３図に掲げた従来技術では弁体のオリフィス側および
ノズル側にリブ１０ｂ，１０ａを突設しても、その作用
は単に流勢を減衰させようとするだけであってキャビテ
ーション発生の基本的な原因である両側における圧力不
均衡については何ら解決の道を開くものではない。

【０００５】弁の閉鎖寸前のある範囲に亘って急変する
流路断面積のために弁体の下流側の弁体外周付近と弁体
中心部付近との間に大きな圧力の不均衡が起こり、この
圧力の不均衡が壊食性気泡を発生してキャビテーション
を誘発する。これを防止するために弁体の下流側周縁へ
整流体を突設し、発生した強烈な噴流を整流作用によっ
てキャビテーションのエネルギーを緩和する試みは既に
公知であり、前記の図３の従来技術もその一例に入ると
解されるが、さらに図４で示した別の従来技術では、図
（Ａ）のように弁軸の軸受用に設けた凸部まで完全に突
条が包囲しておらず、弁体下流側に抵抗体の切れ目Ｐが
あれば、下流側へ流入した噴流が抵抗の少ない切れ目Ｐ
に集中することは自明の理である。この結果、全く新し
い形態のキャビテーションを誘発する虞れが高く、むし
ろキャビテーション防止の点から言えば別の大きな課題
に発展する懸念がある。この従来技術は弁体外周に欠落
部を設け、この欠落部へ欠円状の補助板を嵌合固定する
ことを要件としているから、抵抗体の切れ目の形成は免
れ難いという難点が残る。本発明は以上の問題点を解決
するために、キャビテーションに起因する騒音を防止す
る機能は堅持しつつも、全開状態における圧力損失を可
及的に小さくすること、流体中に混在する異物による悪
影響を防止すること、メンテナンス上の煩瑣な作業を軽
減することに着目した新規なバタフライバルブの提供を
目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明に係るキャビテー
ション抑止機能を具えたバタフライ弁は、管路に介装す
る弁内で回動自在に支承される弁体２の下流側の外周縁
近くの表面に負圧を減少させる突起物を付設した構成で
あって、弁体２の両側から弁軸３が嵌入して回動自在に
支承し、該弁体２が閉より開方向へ回動するとき上流側
へ向う半周側２Ａの下流側の外周縁近くの表面へ、弁軸
３の両支承部６を繋ぐ全半周に亘って切れ目なく突設し
たほぼ等肉の突条４を具え、該突条４には弁体２の表面
中心２Ｃを指向して逆放射状に収斂する複数の貫通孔５
を設けたことによって前記の課題を解決した。また、前
記の貫通孔の平均孔径が弁口径のほぼ１０％であること
が最も望ましい態様であることも併せて示した。

【０００７】

【作用】いわゆるオリフィス側の下流側表面に設けた突
条によって弁体の端部と弁箱の内壁との間で絞られた流
勢を抑止し、この抑止された流勢は貫通孔を通って弁体
の下流側表面の中心へ向けられるので、いわゆるノズル
側からの流勢とほぼ均衡する状態となり、圧力不均衡の
ために生じる圧力低下を防止する作用が生じる。本発明
は弁におけるキャビテーションの本質に挑戦した煩瑣で
ユニークな実験の繰り返しの結果、初めて到達した高度
な技術的成果を、実用レベルに下ろしたユニークな構成
であり、（日本機械学会論文集Ｂ編−５４巻５０８号
『昭和６３年１２月』）に掲載した「ちょう形弁まわり
に発生するキャビテーション流れパターンの観察」で詳
しく発表した。本願では実際の流体試験の結果、突条に
穿設したバイパス系路は、すべて放射状に弁体の中心を
指向し、低圧部である弁体中心部へ直接外周縁から噴流
を誘導することが、最も効率良く圧力補給を行なう現象
を見出して、キャビテーションの発生抑止を他の如何な
る従来技術よりも効果的に実現したのである。単に平行
な整流作用だけに留まる従来技術（図３、図４）などで
は、このように直接、圧力補給を発現する機能はあまり
期待できない。弁がさらに開いて全開状態となったとき
でも、突条は弁体の片側表面にだけ環状に付設している
だけであり、従来技術（第３図）のように弁体の両側に
突出して流路を妨げている構成より明らかに圧力損失は
小さくて済む。

【０００８】

【実施例】図１は本発明の実施例を示し弁軸と直角の断
面図であり、図２は弁体の正面図を示す。管路に介装し
たバタフライ弁は弁箱１内で弁軸３を中心として９０°
回動できる弁体２を両側から軸支し、弁体の回動によっ
て管路を開閉する。弁体を全閉から全開方向へ回動する
とき流れの上流側へ向う半周側をオリフィス側２Ａ、流
れの下流側へ向う半周側をノズル側２Ｂとし、オリフィ
ス側２Ａの下流側表面へ突条４をほぼ等しい肉厚で環状
に付設する。従って、突条の表面は弁体の表面とほぼ平
行な曲面を形成している。突条４は完全にオリフィス側
の下流側半円周に切れ目なく突出して弁軸の両支承部６
を繋いでいるから、局部的な流路抵抗の空隙がなく噴流
が集中する箇所も形成しない。すなわち突条の形成が別
のタイプのキャビテーションを誘発するような懸念も一
切起こらない。図２のように突条４へ弁体表面の中心２
Ｃを指向する複数の貫通孔５を放射状に穿孔する。貫通
孔５は絞られたオリフィス側の流勢を弁体表面の下流側
中心へ誘導する働きを務めるものであるが、従来技術で
も課題として残ったように、この部分へ流体中に混入し
た異物（硬質の小片や長い紐状体）が係止して滞留して
しまうと作用が半減するので、この点を考慮した孔径を
選択しなければならない。キャビテーションの防止に有
効なバイパスの形成と異物の通過とを併せて設定すれば
よいが、平均孔径が弁口径のほぼ１０％である場合が最
も望ましい態様であることを確認している。

【０００９】

【発明の効果】本発明は以上の構成よりなるから、弁の
小開度の或範囲において生じやすいキャビテ―ションの
発生を抑制し、これに伴う騒音発生も防止できる。次に
弁体の回動がこの範囲を越えてさらに開度が大きくなる
と、キャビテ―ション対策用の障害物から解放され、ほ
ぼ正常の流態を得るから流速の大きい全開に至るまで圧
力損失は大幅に是正される。逆説的には圧損が小さいだ
け小口径の弁で足りるとも言える。キャビテーション抑
止を求めた従来技術（第３図）に比べても、先に説明し
たとおり、キャビテーション発生の本質的な条件を直接
解消するような構成であるから効果も顕著であり、しか
も全開時における圧力損失も比較的小さく、かつ流体中
に異物が含まれる場合でも弁体に係止して障害となるお
それは殆どない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示す断面図である。

【図２】同実施例の弁体の正面図である。

【図３】（Ａ），（Ｂ）によって従来技術の作用を示す
断面図である。

【図４】 別の従来技術を示す正面図（Ａ）とその縦断面
図（Ｂ）である。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 管路に介装する弁内で回動自在に支承さ
   れる弁体２の下流側の外周縁近くの表面に負圧を減少さ
   せる突起物を付設したバタフライ弁において、弁体２の
   両側から弁軸３が嵌入して回動自在に支承し、該弁体２
   が閉より開方向へ回動するとき上流側へ向う半周側２Ａ
   の下流側の外周縁近くの表面へ、弁軸３の両支承部６を
   繋ぐ全半周に亘って切れ目なく突設したほぼ等肉の突条
   ４を具え、該突条４には弁体２の表面中心２Ｃを指向し
   て逆放射状に収斂する複数の貫通孔５を設けたことを特
   徴とするキャビテーション抑止機能を具えたバタフライ
   弁。
2. 【請求項２】請求項１において貫通孔５の平均孔径が弁
   口径のほぼ１０％であることを特徴とするキャビテーシ
   ョン抑止機能を具えたバタフライ弁。