JP3676795B1

JP3676795B1 - バタフライ弁の弁体

Info

Publication number: JP3676795B1
Application number: JP2004035038A
Authority: JP
Inventors: 二郎亀澤
Original assignee: 株式会社巴技術研究所
Priority date: 2004-02-12
Filing date: 2004-02-12
Publication date: 2005-07-27
Anticipated expiration: 2024-02-12
Also published as: CN100343559C; CN1654864A; JP2005226712A

Abstract

【課題】この発明はＹ軸に沿って中心部を最も大きな厚みの峰部に形成し、該峰部から弁軸線と直交する側縁に向かって表裏両面を斜面とした斜板を素材とし、これを円形状に形成した弁体において、弁体外周面の厚み(エッジ厚)がＸ軸からＹ軸に行くに従って増大してくるのを防止し、エッジ厚の増大によってもたらされる前記した問題点を解決せんとするものである。
【解決手段】本発明は、弁体のＹ軸中心部を最も高い峰部とし、弁体の表裏両面を該峰部から側縁に向って同じ角度の斜面に形成し、弁体のＹ軸方向上下に弁棒穴用ボス部を設け、弁体の外周面を円筒形状に形成すると共に、弁体の外周縁両側に勾配を設け、該勾配の大きさをＸ軸からＹ軸に向かって連続的に大きく形成して、シートリングと接触する弁体外周面の幅を同一寸法幅としたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

この発明は、流体が流過する管路を開閉するためのバタフライ弁の弁体に関する。

従来、種々の流体が流過する管路を開閉し、若しくは流量制御するバタフライ弁は公知である。バタフライ弁は、円筒状の弁本体内に円板状の弁体を回動自在に軸支し、該弁体の回動軸を弁本体外に延び出させてアクチュエータに連結し駆動回転するようになっている。弁体重量を低減させつつ、流体抵抗を減少させるには、弁体の厚みを薄くすることになるが、薄くするに伴って弁体強度が低下してくる問題があり、又、弁体外周面を球体の一部をもって形成するには、精度の高い加工機械により高い加工精度を要すると共に、加工工数が多くなっている。更に、弁体はコストダウンを図ることが強く要望されている。

重量低減を図るため、弁体を平板をベース形状とし、その外表面に強度向上のための盛り肉部を持たせ、ボス部を太くしたものが知られている。流体抵抗を減らす目的からすると平板の厚みは薄いほど有利であるが、圧力流体を閉止する際に働く流体の推力に抗してその変形を防止するには、所要の厚みを必要とする。そこで、かかる平板状の弁体の強度補強を図るために、ボス部に補強板を取り付けた構造が、実用新案登録第２５２３９４８号公報に開示されている。流体圧力は、弁体の受圧面積全体に作用し、その推力は弁体中央部ではＸ軸、Ｙ軸方向に等分に働くが、この公知の弁体ではＸ軸上に作用する応力に対する補強に過ぎず、実際に働くＹ軸方向の力に対しては何ら効果を発揮していない問題がある。又、弁体の外円周縁部の形状を工夫して、弁体外円周縁部がシートリングに当接する際、ある開度以下では弁体とシートリングが同時に接触するようにした構造が、実公平４-２９１６４号公報に開示されている。しかしながら、この構造では、弁体外円周縁部が厚肉となり重量が増加すると共に、弁体中央部の強度が不十分となるおそれがあった。

実用新案登録第２５２３９４８号公報実公平４−２９１６４号公報

本発明者は先に、弁体の厚みを減少させるために、Ｙ軸に沿って中心部を最も大きな厚みの峰部に形成し、該峰部から弁軸線と直交する側縁に向って表裏両面を斜面とした斜板を素材とし、これを円形状に形成して弁体を得ると共に、弁体の表面に流体の流過方向にほぼ並行に延びるリブを設けて強度を向上させる構造を提案した。しかしながら、かかる弁体の外周面を球形状から円筒形状に形成した場合、外周面の厚み(エッジ厚)が、弁軸の中心において直交するＸ軸(３時方向)から、Ｙ軸(１２時方向)に行くに従って増加して、弁棒を挿着するボス部近傍のエッジ厚が最も大きくなり、球面形状に比して弁体の径寸法が大きくなるため、弁体の回動時にエッジ幅の大きな部分(ボス部近傍)ではシートリングの摩耗が増加し、破損や亀裂のおそれがあった。又、弁体の駆動トルクが増大する問題もあった。

この発明はＹ軸に沿って中心部を最も大きな厚みの峰部に形成し、該峰部から弁軸線と直交する側縁に向って表裏両面を斜面とした斜板を素材とし、これを円形状に形成した弁体において、弁体外周面の厚み(エッジ厚)がＸ軸からＹ軸に行くに従って増大してくるのを防止し、エッジ厚の増大によってもたらされる前記した問題点を解決せんとするものである。

本発明は、弁体のＹ軸に沿った中心部を最も高い峰部とし、弁体の表裏両面をＸ軸と平行ないずれの軸線部分においても同じ角度の傾斜表面を有したＹ軸を峰部とする斜板に形成し、弁体のＹ軸方向上下に弁棒穴用ボス部を設け、弁体の外周面を円筒形状に形成すると共に、弁体の外周面両側に勾配を設け、該勾配の大きさをＸ軸からＹ軸に向って連続的に大きく形成して、シートリングと接触する弁体外周面の幅を同一寸法幅とすると共に、弁体のノズル側表面及びオリフィス側表面にＹ軸を起点としてＸ軸方向に延びる複数の横リブを形成し、中央部の横リブをＸ軸と平行に設け、該中央横リブの上下に位置する横リブを外周面に行くにしたがって中央の横リブに近接するような傾斜角を付して設けたことを特徴とする。

本発明のバタフライ弁の弁体によれば、弁体外周面のエッジの幅をＸ軸位置からＹ軸方向に向って同じ幅寸法に形成してあるので、弁体とシートリングの接触面圧がボス部を除いてシートリングの全周面において等しくなり、弁開閉トルクを減少させることが出来る。又、同一のエッジ幅の形成は、弁体の外周面両側を斜面に切除して勾配を付すことによってエッジ幅を前記のように同じ寸法としているが、この勾配はＸ軸位置において最も小さくＹ軸に行くに従って増大し、ボス部近傍が最も大きな勾配となる。かかる勾配を付すことにより球面形状に比して弁体の径寸法がボス部近傍で最も大きくなるのを回避することが出来、これによって、図１５に示すように弁体の駆動トルクを特に弁開放初期において大きく減少させることが出来、シートリングの摩耗を減少させ、亀裂や破損の発生を防止することが出来る。

弁体外周面のエッジ幅は、２〜４mm、好ましくは３mm程度とし、狭い幅でシートリング内周面に接触するので、シートリングの摩耗を減少させうることは勿論、図１６に示すようにシール特性も向上させることが出来た。従来、一般的にはシール特性は、シール面積に関連しシール面積が少なくなるとシール特性は低下し、流体の漏れが発生するおそれがあると考えられていたが、本発明のように弁体外周面の幅を全周にわたって等しい幅とし、しかもその幅を２〜４mmと小さな寸法にしたところ、逆にシール性が向上することが見出された。

又、上下ボス部近傍を大きな勾配としたので、図１７に示すように弁全開時の流量特性を向上させることが出来る。更に、微少開度においても、ボス部近傍の勾配が弁の開放に寄与し、微少開度から流量を得ることが出来るため、コントロール性にすぐれた弁を提供することが出来る。

更に、この発明によれば、弁体のベース円板の肉厚を極限まで薄くすることが出来、弁体全体の重量を軽減させて軽量化を図ることが可能となる。又、管内の流速分布は、管中央部が最速で、管壁に近づくにしたがって管壁との摩擦により低下するが、横リブと角度θの傾斜とにより、管壁部分の低速流体を管中央部の高速流体に吸引させて加速させ、全体の流体抵抗を減少し、流量の増加を図ることができる。更に、アンバランストルクの発生を抑制することが可能となる。

更に、流体に対して、上下弁棒穴用ボス部が流路抵抗となり、ボス部に衝突した流体はボスの二次側で渦を発生させ、流体抵抗を更に増加させるが、これに対して、３本の横リブはボス部の二次側に発生する渦に対して整流効果を発揮し、渦の発生を低減させる。結果として、本発明の横リブは、管内流速を弁体近傍で分断し、整流し、管壁の流体抵抗、弁体表面の流体抵抗を、リブ部が持つ流れ方向制御により補完し、弁全体の流体抵抗を減じる効果を有する。

この発明の好ましい実施の形態を、以下に詳細に説明する。この発明は、シートリングと接触する弁体の外周面を、球形ではなく円筒形状に形成すると共に、その幅をＸ軸位置からＹ軸方向に向かって同じ幅寸法に形成したことを特徴とする。弁体は、表裏両面をＹ軸に沿った中心部の厚みを最も高い峰部に形成し、該峰部からＸ軸方向に同一角度で傾斜した斜板からなる素材で形成し、該斜板を円形状に成形し、外周面の両側にＸ軸からＹ軸方向に行くに従って勾配が大きくなる斜面に形成して、前記外周面の幅が等しくなるようにした。この発明の弁体は、バルブの口径が小口径（５０mm未満）から中口径（５０〜２００mm程度）のバタフライ弁に特に適するものであり、この場合の弁体外周面の幅は、２〜４mmが好ましく、最も好ましくは３mmとする。

弁体外周面の幅は、口径の大きさとはほとんど関連性がなく、小口径から中口径までほぼ同一の幅で良かった。外周面の幅が４mmよりも大きいと、特にボス部近傍における径寸法が大きくなりシートリングへの食い込みが生じて、シートリングの摩耗、亀裂、破損を招来するおそれがあると共に、弁体駆動トルクも増加する。弁体の幅が２mmより小さくなると、シートリングへの食い込みが大きくなり過ぎるおそれがある。弁体の外周面の幅を同一とするための勾配の形成は、機械加工によっても可能であるが、鋳型成型により形成するのが好ましい。

弁体のＹ軸方向上下には、弁棒穴用ボス部が外方に膨出して設けられ、弁体のノズル側表面にボス部から二次側方向に延びる複数の横リブを、又弁体のオリフィス側裏面にＹ軸を中心に１８０゜回転させたボス部から一次側方向に延びる複数の横リブをそれぞれ設けて、リブにより弁体の強度を向上させて弁体の厚みを低減し軽量化を図りうるようにすると共に、流体抵抗を減少させて流量の増加をもたらし得るようにし、更にノズル側とオリフィス側の流速差を減少させて弁体に負荷されるアンバランストルクを抑制する。

Ｙ軸方向の上下に配されたボス部は、縦リブで連結されると共に、ノズル側表面及びオリフィス側裏面の横リブは、縦リブを起点として中央部の横リブはＸ軸方向に、その上下に位置する横リブは中央部の横リブに平行若しくは外周面に行くに従って若干の角度で近接するように配設される。更に、横リブは、好ましくは弁体の中心平面に対して高さが低くなるような傾斜角が付けられている。又、弁体を構成する円形板は、前述したようにその表面がＹ軸を峰部としＸ軸に対して傾斜する傾斜面に形成されており、Ｙ軸上に弁棒穴用ボス部及び横リブが設けられている。

図１〜１４を参照して、(10)は中心形バタフライ弁の弁体であり、円板形状をベースとし、図６に示すようにＹ軸を中心にＸ軸に対して角度αの傾斜表面を有している。この角度αは、図６〜８に示す断面Ａ−Ａ’、Ｂ−Ｂ’及びＣ−Ｃ’のいずれの部分においても同じ角度である。すなわち、弁体(10)は、その表裏両面がＹ軸を峰部する斜板に形成されている。Ｙ軸上の上下に上下弁棒穴(11)(12)を形成するための上下弁棒穴用ボス部(13)(14)が設けられ、両ボス部は縦リブで連結される。尚、本明細書においてＹ軸は、弁体の回転中心軸である弁軸をいい、Ｘ軸は弁体の中心においてＹ軸と直交する軸をいい、Ｚ軸はＸ軸と直交しＹ軸と平行な弁体の平面中心を通る軸をいう。

図３，４及び図１０〜１２を参照して、シートリングの内周面に接触してシール性を発揮する弁体(10)の外周面(15)は、球面形状ではなく、円筒面形状に形成されると共に、Ｘ軸位置（図５Ｄ−Ｄ’線部分)から、前記ボス部(13)(14)近傍(図５Ｆ−Ｆ’線部分)まで、同一の幅寸法に形成される。そして、かかる外周面の幅を同一寸法とするために、弁体の外周円の両側には勾配(16)が形成される。この勾配(16)をＸ軸位置において最小とし、ボス部近傍において最大となるような連続した斜面をもって形成することにより、外周面(15)の幅をボス部を除いて全周に亘って同一の幅とすることが可能となる。かかる外周面の勾配を作るための斜面の加工は、機械加工によって形成しても良いが、鋳型成型により形成するのが好ましい。外周面の円筒形状の形成は、機械加工により形成するが、この場合に球面加工をする場合のような精密加工を要しないため、加工コストを低減することが出来る。

弁体外周面の幅は、２〜４mmが好ましく、最も好ましくは３mmとする。弁体外周面の幅は、口径の大きさとはほとんど関連性がなく、小口径から中口径までほぼ同一の幅とすることが出来る。外周面の幅が４mmよりも大きいと、特にボス部近傍における径寸法が大きくなりシートリングへの食い込みが生じて、シートリングの摩耗、亀裂、破損を招来するおそれがあると共に、弁体駆動トルクも増加する。弁体の幅が２mmより小さくなると、シートリングへの食い込みが大きくなり過ぎるおそれがある。これにより、図１５に示すように弁体の駆動トルクを特に弁開放初期において大きく減少させることが出来、シートリングの摩耗を減少させ、亀裂や破損の発生を防止することが出来る。

又、図１６に示すようにシール特性も向上させることが出来た。又、上下ボス部近傍を大きな勾配としたので、図１７に示すように弁全開時の流量特性を向上させることが出来た。更に、微少開度においても、ボス部近傍の勾配が弁の早期開放に寄与し、微少開度から流量を得ることが出来るため、コントロール性にすぐれた弁を提供するが出来た。尚、図１５〜１７において従来品は外周面を球面形状とした点を除いては、本発明の実施例の図面に示されるようなリブを３本有した構造のものである。又、２５０Ａ、３００Ａは弁の口径を示し、２５０Ａは、口径２５０mm、３００Ａは口径３００mmの弁である。

図１，３，６に示すように上部弁棒穴(11)の内周面は平行な平面(11a)が形成されており、弁棒先端の平行面と係止して、回り止め連結されるようになっている。下部弁棒穴(12)は、断面円形であり下部弁棒が遊挿される。上部弁棒穴に回り止め状態で装着された弁棒は、バタフライ弁の弁軸筒を上方に延び出して、外端に所望の駆動用アクチュエータが接続される。

弁体(10)のノズル側表面に、複数の横リブ(17a)(17b)(17c)が形成される。横リブは、弁体表面から一定の高さを有して、前記縦リブ(18)を起点として二次側方向にＸ軸と略平行に延びており、弁体表面近傍を流れる流体は、横リブでその方向が制御される。図示の実施例において横リブは３本形成され、中央の横リブ(17b)はＸ軸に沿って平行に延びており、その上下の横リブ(17a)(17c)は、Ｘ軸に対して中央の横リブ(17b)に徐々に近接するような傾斜が付けられている。又、各横リブの表面は、二次側に向って高さが低くなるように形成されている。

弁体のオリフィス側である裏面にも、弁軸Ｙを中心に180゜回転した状態で前記ノズル側表面と同一の３本の横リブ(19)が、縦リブ(18)を起点として一次側方向に形成されている。尚、弁体の表面、裏面は、閉弁時に一次側に対面している面を表面、二次側に対面している面を裏面とし、ノズル側とは、弁体開弁時に二次側に回動する弁体の半分部分(図５において右側半分)をいい、オリフィス側とは、一次側方向に回動する弁体の半分部分(図５において左側半分)をいう。

ノズル側表面の３本の横リブ(17)は、一定の高さを有していることにより、弁体表面近傍を流れる流体は、これらの横リブ(17)で方向を制御される。中央の横リブ(17b)は、管内の最大流速部分に位置し最大流速を二分し、且その流速を加速する。中央の横リブ(17b)の上下に配置された横リブ(17a)(17c)は、中央の横リブ(17b)に向かう傾斜が付けられているため、管壁近傍の低速領域の流体を中央の横リブ(17b)に向かわせ、該横リブ(17b)によって加速された流速に引き込まれる状態でその速度を増加させる。流体に対しては、上下弁棒穴用ボス部(13)(14)が流路抵抗となり、ボス部に衝突した流体はボスの二次側で渦を発生させ、流体抵抗を更に増加させる。これに対して、３本の横リブ(17)はボス部の二次側に発生する渦に対して整流効果を発揮し、渦の発生を低減させる。結果として、本発明の横リブは、管内流速を弁体近傍で分断し、整流し、管壁の流体抵抗、弁体表面の流体抵抗を、リブ部が持つ流れ方向制御により補完し、弁全体の流体抵抗を減じる効果を有する。

弁体を平板で構成した場合、必要な肉厚は計算で求めることが可能であり、弁体中心部が最も発生応力が高く、その応力に相応する肉厚が必要となる。本発明では、上下弁棒穴用ボス部(13)(14)を出来るだけ長くすることにより、ボス部の断面係数を増加し、弁体中央部の肉厚を減じる作用をする。縦リブ(18)の存在は、かかるボス部の作用を助長することが出来る。又、弁体の表裏面の３本の横リブは、Ｙ軸方向での強度保証として機能させることが出来、平板の肉厚を減じる作用を果たす。かくして、上下弁棒穴用ボス部(13)(14)、縦リブ(18)、横リブ(17)(19)を配することにより、高強度で最軽量の弁体を実現することが出来た。

リブを設けることにより、バタフライバルブ全開時の流路面積は減少する。このことは、弁体自身の流体抵抗が増加することを意味しており、結果として全開時のバルブ抵抗を増加させている。しかし、バルブ全開時の流体抵抗は、弁体の投影面積のみならず、弁体に設けられたボス部及び円板の外周先端部にある段差の後流部に発生するカルマン渦により、投影面積以上の流体抵抗が生ずる。本発明の弁体は、横リブ等の存在により投影面積自体は、リブなし弁体に比して増加しているが、ボス部に設けた横リブが前述したような整流効果を発揮し、管中央部の流量を増加させるため、結果としてリブによる投影面積の増加による悪影響を相殺することが出来る。

この発明にかかる弁体の斜視図同平面図図１III部分の拡大斜視図図２IV部分の拡大平面図同正面図図５Ａ−Ａ’線断面図図５Ｂ−Ｂ’線断面図図５Ｃ−Ｃ’線断面図同底面図図５Ｄ−Ｄ’線断面図図５Ｅ−Ｅ’線断面図図５Ｆ−Ｆ’線断面図同側面図同縦断側面図この発明にかかる弁体と従来品との駆動トルクを示すグラフ同シール性能を示すグラフ同流量特性を示すグラフ

符号の説明

(10)弁体
(11)上部弁棒穴
(12)下部弁棒穴
(13)上部ボス部
(14)下部ボス部
(15)弁体外周面
(16)勾配
(17)横リブ
(18)縦リブ
(19)横リブ

Claims

弁体のＹ軸に沿った中心部を最も高い峰部とし、弁体の表裏両面をＸ軸と平行ないずれの軸線部分においても同じ角度の傾斜表面を有したＹ軸を峰部とする斜板に形成し、弁体のＹ軸方向上下に弁棒穴用ボス部を設け、弁体の外周面を円筒形状に形成すると共に、弁体の外周面両側に勾配を設け、該勾配の大きさをＸ軸からＹ軸に向って連続的に大きく形成して、シートリングと接触する弁体外周面の幅を同一寸法幅とすると共に、弁体のノズル側表面及びオリフィス側表面にＹ軸を起点としてＸ軸方向に延びる複数の横リブを形成し、中央部の横リブをＸ軸と平行に設け、該中央横リブの上下に位置する横リブを外周面に行くにしたがって中央の横リブに近接するような傾斜角を付して設けたことを特徴とするバタフライ弁の弁体。