JP3638475B2

JP3638475B2 - 低騒音バタフライ弁

Info

Publication number: JP3638475B2
Application number: JP17624699A
Authority: JP
Inventors: 和彦小川; 幸一久田
Original assignee: 株式会社巴技術研究所
Priority date: 1999-06-23
Filing date: 1999-06-23
Publication date: 2005-04-13
Anticipated expiration: 2019-06-23
Also published as: JP2001004037A; US6338468B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、工業用バルブの一つであるバタフライ弁であって、液体における流量制御用及び圧力制御用バタフライ弁に関し、特に弁体開度の小さい範囲において発生し易いキャビテーションに起因する騒音の発生防止を目的としたバタフライ弁に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、バタフライ弁においては、図８に示すように、弁体のオリフィス側の絞られた部分（縮流部）では流速は速くなり、圧力は低くなる。この圧力低下によって液体中に含まれている微小気泡（気泡核）の体積が急激に増大してキャビテーション気泡が発生するが、縮流部を通過して流れが低速になると、再び圧力は回復して高くなり、先ほど発生したキャビテーション気泡がつぶれる。
このときキャビテーション気泡が気泡核から成長していく（大きな気泡になり、再び小さくなる）際に、気泡の収縮運動によって周囲の圧力が変動するため、激しい騒音が発生する。さらに気泡がつぶれる瞬間に衝撃圧が発生し、騒音や振動を伴ってバルブや配管に壊食現象などのダメージを与える、いわゆるキャビテーション現象が発生する。
【０００３】
また、制御に用いられるバタフライ弁は、弁の開度を絞って流量や圧力を調節することが本来の目的であり、その目的のために、騒音を伴ったキャビテーションをがまんして使わざるを得ないのが現状である。
【０００４】
上記の現状にかんがみ、弁体から発生する騒音、キャビテーションの発生を抑制するために、従来から提案されたものがある。
【０００５】
図９は、その一例（特開昭５７−１５７８６６号公報参照）であって、１は本体（弁本体）２の中心部に直交する弁棒３によって軸支された全閉状態を示す弁体であって、該弁体１は、全閉時、弁棒３に垂直の断面がくの字形をなす弁板（ディスク）１ａを有し、本体２の内面２ａと弁板周面とのシール面（図で点線１ｂで示されている。）が、弁棒穴を通過する中心形バタフライ弁の弁体を形成しており、上記シール面１ｂの中心軸１ｃと、弁棒孔を通り本体内面２ａの垂直軸線２ｂとは、１５度〜２０度の角度で傾斜している。
【０００６】
本体内面（ボア）２ａ内で密接している長円形の弁板１ａは、二つのほぼ半円形壁部分が上記のようにくの字形に角度的にずれて形成されており、該弁板１ａの半円周に亙って、使用時、流体の流入方向（太い矢印ｆで示す。）に向って突設された流入側くし歯状突起４と、同様に、他の半円周に亙って、弁板１ａに対して前記くし歯状突起４と反対側の流体の流出方向に向って突設された流出側くし歯突起５とが一体に設けられており、これらの両くし歯状突起４と５は、全閉時、本体２の内面２ａとほぼ平行するように形成され、且つこれらのくし歯状突起の端部は、本体２の内面２ａに垂直の面内に位置するように形成されており、これらのくし歯状突起の長さは、中心のボス方向に向かって短かく形成されている。
【０００７】
弁作動時、図９（ａ）に示す全閉状態から弁体１が矢印に示す時計方向に回動すると、弁体１の開度に応じて流量が変化して流量制御が行われるようになっている。そしてこの際、本体２の内面２ａと、弁棒３よりも下流側に位置する弁体１の周縁部とが形成する開口部であるノズル流れ部（ノズル側）及び同様に本体２の内面２ａと、弁棒３よりも上流側に位置する弁体１の周縁部とが形成する開口部であるオリフィス流れ部（オリフィス側）を通過する流体は、該部に設けられた複数個の各くし歯状突起４，５の間に形成された、図（ａ）の２ｂ線による断面図である図（ｂ）に示す流体を導く断面台形（梯形）状通路６から流体を細かいジェット流に変え、弁体の下流側に発生するキャビテーションを分散すると共に、キャビテーションの成長を抑制している。同図（ｂ）において、６ａは傾斜した入口、７は弁棒穴、８はボス部を示す。
【０００８】
また、図１０は、他の従来例（特許第２５３６３２９号公報参照）で、弁体１２の両側から弁軸１３が嵌入して回動自在に支承し、該弁体１２が閉より開方向へ回動するとき上流側へ向う半周側１２Ａの下流側の外周縁近くの表面へ、弁軸１３の両支承部１６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１４を具え、該突条１４には弁体１２の表面中心１２Ｃを指向して逆放射状に収斂する複数の貫通孔１５を設けたキャビテーション抑止機能を具えたバタフライ弁である。
【０００９】
また、図１１は、本発明と目的は異なるが、弁構造の一部が類似している従来例（特公昭５２−３３３３０号公報参照）で、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は図（ａ）のII−II線断面図である。このものは、ケーシング本体２１とケーシングフランジ２２とによって弁本体を構成し、弁体（円板）２３からずれた位置に取付けられた弁棒（片寄りトラニオン）２４によって支持されるようにした偏心形バタフライ弁の弁座部に、弾性着座リング２５が内壁凹部２６内に埋め込むようにして取付けられており、該弁座の後流側のケーシング主体２１に凹所２ａ，２ｂが設けられている。該凹所２ａ，２ｂは、同図（ｂ）に示すように、片寄りトラニオン２４の両側軸承部の中間位置で深さが最大で、両側軸受部のところで凹所が無くなるように形成されている。そしてこのものは、弁体（円板）２３の回転に際して流路断面積が殆んど同じ割合で生ずるように配置されており、これによって該円板２３に加えられる流体トルクを、該円板を開放運動の期間中に円筒形ボアと垂直に置いたときに発生するトルクの値に比べて低減されるようになっていることを目的としている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来例において、図９及び図１０に示すものは、いずれも本体または弁体側に突起物や流路を確保する溝、流路を分断する穴や付加物などを設け、流体の流れを分流して、高速縮流部と低速流れ部の速度差を少なくし、キャビテーション（騒音）を抑制するものであるが、いずれも以下のような共通した問題点を有していた。
【００１１】
（ｉ）図９のくし状体や、図１０の半円周に亙って設けられる突条に設けた逆放射状に収斂する複数の貫通孔によって流路が細かく分断しているので、スラリーや異物を含んだ流体には、異物が詰まる恐れがあるため使用できない。
（ii）上記のように、流路中に突起物や付加物をさらすことになるので、高流速の流体の勢い（流速エネルギー）や異物衝突に対して、強度を確保することが困難である。
(iii) 弁体または本体の形状が複雑であり、製作コストが高い。
【００１２】
また、図１１に示すものは、弁座の後流側の凹所は、弁体の回転に際して流路断面積が一定になるように、軸受部で幅を狭くした非円筒形状をなしており、また、本発明の目的であるキャビテーションや騒音抑制のためではなく、トルク低減を目的としている。
【００１３】
本発明は、上記した従来技術の問題点を解決し、高流速エネルギや異物衝突等に対して部分的に無理な応力のかからないシンプルな構造として高流速での使用を可能にし、且つスラリーや異物を含む流体にも適用できる、簡単な構成でバルブ縮流部に発生するキャビテーションを抑制して騒音を抑制する低騒音バタフライ弁を提供することを課題としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために本発明の採った手段は
１．開弁時、特にオリフィス側において弁座直後の後流側に生じる縮流による急激な圧力低下を生じないようにすると共に、気泡が成長する時間を与えないようにするために、上記流体縮流部付近で本体内径を、中心に対して対称形をなした部分的に拡大した断面形状の構造とし、縮流部の流速を小さくして圧力低下を少なくし、弁体裏側の渦による低速部と高速部の距離を広げてそれらの速度差を小さくし、流速差による剪断力に基づく気泡核の成長のきっかけを少なくしまた気泡成長の時間を短くして気泡の成長を抑制したことを特徴とし、且つ、上記弁体通過直後の本体内径の拡大寸法を、実測結果、拡大部の始端位置は、配管内径の１／２より小さく弁体の通過直後が最も望ましく、また拡大部の深さは、内径の１．３倍以上が必要であり、また拡大部の長さは、内径の０．５倍以上として、騒音、キャビテーションを抑制したことを特徴としている。
【００１５】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を、前項で述べた課題の解決手段の理論説明と実測（実験）装置（図２）、及び実施例（図１）を用いて説明する。
【００１６】
Ｉ−（１）課題の解決手段の理論説明
図２は、本発明の効果を確認する実験バルブ（弁）の断面図であると共に、キャビテーション抑制理論の説明用模式図である。
【００１７】
キャビテーションの発生原因は、図８に示すように、弁体と本体の隙間から出た流体は、管壁の流速ゼロの境界面と弁体裏側の渦による低速部に挟まれたＡ部、すなわち縮流部において、最も流速が大きくなり圧力が低下する。またこの縮流部では、渦や管壁付近との流速の差が大きいために、せん断力が大きくなり流体に含まれる気泡核がキャビテーション気泡へ成長するきっかけとなってしまう。縮流部では圧力が非常に低くなるために、気泡が急激に大きくなり、それが十分に持続し、気泡が大きくなったところで、圧力が回復して気泡がつぶれるため、激しいキャビテーションの発生原因となっていた。
【００１８】
キャビテーションの発生原因は、前述のように急激に圧力が低下する部分によるものであり、またキャビテーションが激しくなるには気泡が成長するための時間が必要である。従ってこれを抑制するためには、低圧部を生じないようにすることと、気泡が成長する時間を与えないようにすることを必要条件として検討してみる必要がある。
【００１９】
そこで本発明では、図２に示すように流体縮流部付近で本体内径を拡大する。この結果Ａ部の縮流を緩和し、縮流部の流速を小さくして圧力低下を少なくすることができる。また、渦の低速部と高速部の距離が広がるので、それらの速度差を小さくすることができ、気泡核が成長し始めるきっかけを与える機会も少なくなる。
また気泡が発生しても、内径の拡大部で圧力の回復が早いために、気泡が成長する時間が短くなる。よってキャビテーション気泡の成長が抑制できる。
【００２０】
Ｉ−（２）効果をもたらす拡大部寸法の特定
弁体通過直後の本体内径の拡大寸法は、実測の結果、効果をもたらすための必要寸法比が求められた。
【００２１】
実験は正方形断面を持つ管路において、四角形状の弁体を配置し、弁開度θ＝４０度（この装置において最も騒音が大きくなる開度）で行った。
なお断面の一辺はＤ＝５０ｍｍとしている。
【００２２】
またキャビテーションの激しさを表すパラメータとしてキャビテーション係数σを定義し、以下の係数で表す。
σ＝（Ρ１−Ρｖ）／（１／２ρＶ²）
ここで、Ρ１は上流側静圧、Ρｖは飽和蒸気圧、ρは流体密度、Ｖは平均流速である。このキャビテーション係数は、値が小さいほどキャビテーションが起こりやすいことを意味する。すなわちキャビテーション係数が同等か、または小さい値のときに騒音値が低ければ、キャビテーション及び騒音抑止効果が認められることになる。
【００２３】
図２の試験用バルブにおいて、Ｘ０、Ｘ１、Ｙ寸法を変化させて、キャビテーション騒音のレベルを測定した。その結果を図３、図４、図５に示す。
【００２４】
（イ）拡大部の位置Ｘ０の影響
ここでは、Ｙ＝１０ｍｍに固定し、Ｘ０＝０、Ｄ／２、Ｄ、１．５Ｄ、および、拡大部を設けない（図８の状態）＝Normalの５種類について比較した。
【００２５】
図３（ａ）は、キャビテーション発生騒音の代表的な周波数２．５ＫＨｚの音圧変化を調べた結果である。
【００２６】
図３（ａ）の音圧レベルにおいて、Ｘ０＝０としたときの騒音（△）は、Normal（●）に比較するとキャビテーション係数５５〜１８０の範囲において、いずれも音圧レベルが少なくなっている。Ｘ０を増加させるほどに効果は小さくなり、Ｘ０＝Ｄ／２（▼）でNormal（●）との差がなくなる。よって、Ｘ０はＤ／２より小さくする必要がある。
なお、Normalのキャビテーション係数は５５以下はフラッシング状態である。
【００２７】
図３（ｂ）は可聴域の周波数分析の結果であるが、やはりＸ０＝０（０，Ｄ，１０）の場合に、キャビテーション係数が小さいにも拘らず、１ＫＨｚ〜１５ＫＨｚの間で音圧レベルがNormalより小さくなっており、縮流部の緩和が騒音抑制に必要であることがわかる。
【００２８】
（ロ）拡大部の深さＹの影響
図３の結果よりＸ０＝０と決定し、深さＹの影響について検討した。拡大部長さはＸ１＝Ｄで固定して、深さＹを２ｍｍ，５ｍｍ，７ｍｍ，１０ｍｍ，Normal（＝０ｍｍ）の５種類について測定比較した。図４（ａ）より、Ｙ＝２ｍｍ（■）から７ｍｍ（▲）と深くするに従って効果は顕著になり、キャビテーション係数５５以上について、Normal（●）より騒音値は小さくなる。
【００２９】
しかしその効果はＹ＝７ｍｍ（▲）以上に増やしても効果は向上せず、Ｙ＝１０ｍｍ（△）の場合は７ｍｍの場合とほぼ同じ音圧となる。したがって拡大部の内径はＤの１．３倍以上必要であり、それ以上増やしても同じであると言える。
【００３０】
図４（ｂ）でも、各周波数でNormalより１０ｍｍ（０，Ｄ，１０）の時の方が０．５ＫＨｚ〜１８ＫＨｚでいずれも騒音値が低く、音圧抑制効果が現れている。
【００３１】
（ハ）拡大部の長さＸ１の影響
図３、図４の結果からＸ０＝０，Ｙ＝１０ｍｍと決定し、Ｘ１をＤ／３、Ｄ／２、Ｄ、１．５Ｄ、２ＤとNormal（溝無し）の６種類について測定した。
【００３２】
図５（ａ）から、Ｘ１＝Ｄ／２（◎）以上のとき、キャビテーション係数５５以上においてNormal（●）より騒音値が低くなり、効果があると言える。Ｘ１＝Ｄ（△）まではＸ１が大きいほど効果が向上するがＤ以上増やしても効果はかわらないようである。
【００３３】
Normal（●）では、弁体後方１Ｄ程度まで、気泡の帯が発生しているのが視覚観察され（図示なし）、これと同等の長さの拡大部が必要であることが裏づけできる。
【００３４】
なお、図５（ａ）において、Ｘ１＝Ｄ／３（○）の音圧がNormalより大きいが、これは、拡大部終端の角部（図２−Ｅ部）からキャビテーションが激しく発生する事が原因と考えられる。すなわち拡大部の寸法比を誤ると逆効果であることがわかる。
【００３５】
（ニ）フラッシングについて
図３（ａ）、４（ａ）、５（ａ）において、キャビテーション係数５５以下でNormalでの音圧レベルが小さくなり、本発明の構造より騒音が低いようにみられるが、これについて、以下のフラッシングに関する説明を加える。
【００３６】
流速が大きくなり、キャビテーション係数σは小さくなるほど激しいキャビテーションとなるが、σがある値より小さくなると、発生した気泡がつぶれることなく流れていってしまう状態になる。この状態はフラッシングと呼ばれ、フラッシング状態では騒音は小さくなるが、流れの中の大部分が気泡で埋め尽くされた状態であるので、差圧を変化させても流量が変化しなくなる。すなわち、バルブによる流量、圧力の制御ができなくなる状態であるので、騒音は小さくても制御弁として使用できない状態であり、できるだけこの状態にならないことが望ましい。
たとえば、図５（ａ）において、キャビテーション係数が小さくなるにつれて音圧が大きくなり、やがて急激に音圧が小さくなるポイントがフラッシングである。
【００３７】
図５（ａ） Normalフラッシング領域：σ＝５５以下
Ｘ１＝Ｄのフラッシング領域：σ＝４０以下
上記のように、今回の実験では拡大部を設けた本発明のモデルは、Normalに比較するとフラッシングに達するキャビテーション係数が小さくなっており、このことはより大きな流速まで制御可能であることを示している。
【００３８】
II 実施例
図１は、本発明の代表的な実施例を示す縦断面図である。
図において、弁本体３１部に弁体３２が弁棒３３によって回動自在に支持されており、該弁体３２の全閉時に当接する弁座直後の後流側に、中心に対して対称形をなした拡大した断面円筒形状の部分拡大部３４が設けられており、該本体３１は、その両側がフランジ付配管３５に接続して取付けられている。図中、Ｄは配管内径で、本体３１の両端接続部の内径と等しく形成されている。
【００３９】
上記弁棒３３の中心、つまり弁座の中心と拡大部３４の始端部との距離Ｘ０は、本体内径Ｄの１／２以下で、可能な限り、ゼロに近く設定される。
また、拡大部３４の内径Ｄｙは、内径Ｄの１．３倍以上とし、また拡大部３４の長さＸ１は内径Ｄの０．５倍以上に形成されている。
【００４０】
次に、作用について説明すると、上記図１に示す実施例は、図２に示したものと基本的に同様に、弁座直後の後流側の本体内径が断面が中心に対して対称形状の円筒形状のまま部分的に拡大した拡大部３４を形成しているので、特にオリフィス側弁体周縁部の後流側縮流部の圧力低下を少なくして気泡発生を抑制することができ、また、弁体裏側の渦の低速部と縮流部の速度差を小さくすることができるので、流れの剪断力に基づく気泡の成長するきっかけを少なくすることができ、また、気泡が発生しても、本体内径の拡大部で圧力の回復が早いので気泡の成長する時間が短くなるので、キャビテーション気泡の成長が抑制できる。
【００４１】
図６及び図７は、図１に示す実施例の実際のキャビテーションによる騒音発生の抑制の効果を確認した測定結果を、キャビテーション係数σを横軸とし、音圧レベル（ｄＢ）を縦軸として示した測定グラフで、図６では代表周波数２ＫＨｚについて、また図７では２．５ＫＨｚについて騒音値を測定したものである。
【００４２】
上記の測定に使用されたバタフライ弁は、次のとおりである。
φ５０ｍｍの内径のバタフライ弁に、
Ｘ０＝０ｍｍ
Ｘ１＝５０ｍｍ（内径の１倍）
Ｙ＝１０ｍｍ（拡大部の内径＝７０ｍｍ）５０ｍｍの１．４倍
の寸法を持つ拡大部を流体流れ方向で弁体の後ろ側に設けた、図１の近似形態を持つバタフライ弁である。図６、７では溝（拡大内径部）有り（●）と呼ぶ。
【００４３】
また溝（拡大内径部）無し（△）とは、同じ弁体で拡大部がないバタフライ弁の測定結果であり、従来の一般的なバタフライ弁の構造である。
【００４４】
これらは、同じ弁開度（θ＝４５）とし、流速を変化したときの騒音値を、代表的な周波数として、２ＫＨｚと２．５ＫＨｚについて騒音値を測定した。
結果は、流速を変化させてキャビテーション係数を変えてみても、いずれも溝無し（△）より、溝有り（●）の方が音圧レベル（騒音値）が低く、効果が認められた。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、弁座直後の後流側の本体内径を、弁体から発生する騒音、キャビテーションを抑制するように、中心に対して対称形をなした拡大断面形状を有する部分拡大部を設けたことにより、次のような効果を奏することができる。
【００４６】
（ｉ）縮流部の圧力低下を少なくして、気泡発生を抑制する。
【００４７】
（ii）縮流部と渦の速度差が小さく、気泡が成長するきっかけを少なくすることができる。
【００４８】
(iii) また気泡が発生しても、内径の拡大部で圧力の回復が早いために、気泡が成長する時間が短くなる。よってキャビテーション気泡の成長が抑制できる。
【００４９】
また、弁座直後の後流側の本体内径を、中心に対して対称形をなした拡大断面形状を有する部分拡大部の拡大寸法を、配管内径の１．３倍以上とし、その長さを弁座部直後に配管内径の０．５倍以上としたことにより、図３〜図５の結果から同一のキャビテーション係数σの状態、すなわち同等のキャビテーションの激しさのもとでは、（Ｘ０，Ｘ１，Ｙ）＝（０，Ｄ，１０）の弁は、拡大部のない従来の弁（図８）と比べて、図５（ａ）からσ＝５５〜９０の範囲で１０ｄＢ程度の騒音低減となる。
【００５０】
また本発明（実験）の場合は上流側圧力は一定のため、σが同じであれば流速も同じであり、同じ流速で比較しても効果があると言い換えることができる。
【００５１】
また、実際のバタフライ弁（図１）での効果を確認した測定結果も、図６、図７に示すように、本体に内径拡大部を設けない従来のもの（図８）に比べて顕著に騒音を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示すバタフライ弁の縦断面図である。
【図２】本発明の効果を確認する実験バルブの断面図で、キャビテーション抑制理論の説明用模式図である。
【図３】拡大内径部の位置Ｘ０を変化させたときの騒音変化の測定グラフで、（ａ）は周波数２．５ＫＨｚでの音圧レベルをキャビテーション係数ごとに比較したもの、（ｂ）は（ａ）で音圧最大となるキャビテーション係数の時の、周波数ごとの音圧レベルを比較したものである。
【図４】拡大部の深さ（拡大内径）Ｙを変化させたときの騒音変化の測定グラフで、（ａ）と（ｂ）は図３の説明と同じ。
【図５】拡大部の長さＸ１を変化させたときの騒音変化の測定グラフで、（ａ）と（ｂ）は図３の説明と同じ。
【図６】図１の実施例のキャビテーションによる騒音抑制効果を確認する測定結果を示すグラフで、弁開度θ＝４５°周波数２ＫＨｚで測定。
【図７】図６と同様のグラフで、θ＝４５°、２．５ＫＨｚで測定。
【図８】通常のバタフライ弁のキャビテーションを起こす模様を模式的に示した図である。
【図９】従来例を示し、（ａ）は断面図、（ｂ）は図（ａ）のｂ−ｂ線断面図である。
【図１０】他の従来例を示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は弁体の平面図である。
【図１１】他の従来例を示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は図（ａ）のII−II線断面図である。
【符号の説明】
３１本体（弁本体）
３２弁体
３３弁棒
３４拡大内径部
３５配管
Ｘ０弁棒中心線（弁座部）と拡大部始動部との距離
Ｘ１拡大内径部の長さ
Ｙ拡大内径部の深さ
Ｄ配管の内径
Ｄｙ拡大部の内径

Claims

弁座直後の後流側の本体内径を、弁体から発生する騒音、キャビテーションを抑制するように、中心に対して対称形をなした拡大断面形状を有する部分的に拡大した構造を備え、弁座直後の後流側の本体内径に相当する、中心に対して対称形をなした拡大断面形状を有する部分拡大部の拡大寸法を、配管内径の１．３倍以上とし、その長さを弁座部直後に配管内径の０．５倍以上としたことを特徴とする低騒音バタフライ弁。