JP4497604B2 - 空気弁 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は主として上水道や農業用水などの流体輸送配管に設置される空気弁に係わり、特に、コンパクトでかつ大きな排気能力を有する空気弁に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、流体輸送配管に取り付けられ、配管内の空気の排出作用および外部から配管への吸気作用、および該排気作用時に配管から外部への液体の流出防止作用を行う空気弁として、例えば、図６に示す構造のものが知られている。図において、空気弁は、配管（図示せず）に連通して取り付けられた弁箱１と、弁箱１の内部に収容され、遊動弁体９およびフロート弁体１１が昇降自在に設けられた有底案内筒３とからなり、多量排気作用時には、遊動弁体９とフロート弁体１１とは案内筒３底部に位置して作動せず、空気は、大径空気孔８から外部へと排出される。該排出が終了し、液体が弁箱１および案内筒３内部に侵入した際には、その浮力や液体からの動圧などの作用によって、遊動弁体９およびフロート弁体１１は上昇し、それぞれの上限位置において、遊動弁体９は大径空気孔８を、フロート弁体１１は、遊動弁体９に設けられた小径空気孔１０を閉塞し、液体の外部への流出が阻止される。その後、弁箱１内部に配管からの空気がたまると、それに応じてフロート弁体１１が下降し、小径空気孔１０から空気が排出されて少量排気作用または一般的に圧力下排気と呼ばれる作用が行われる。外部から配管への吸気作用の際には、遊動弁体９およびフロート弁体１１は下降し、大径空気孔８から吸気が行われる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来の空気弁には次のような課題がある。特に農業用水などの配管においては、水道配管などとは異なり、用水時期と落水時期とが年間１回は必ず発生する。したがって、毎年通水操作と落水操作とを行わなければならず、必然的に通水立ち上げ時間あるいは落水操作時間を短縮することが強く要望されている。特に、通水立ち上げに関しては、排泥操作などで時間を要することが多く、迅速な通水が求められている。この問題の解決に対して最も効果的なのは、液体が限られた排出エネルギーで効率良く輸送されることであり、換言すれば、空気弁における排気能力が大幅に向上すれば良いということになる。すなわち、解決すべき課題の第一は、空気弁の排気能力を従来のものよりも大幅に向上させることにある。
【０００４】
次の課題として重要なのは、近年特に要求が高まっている浅層埋設規格の問題である。該規格は、工費の削減という観点からは、非常に重要な規格であり、また、工期の短縮が図れるという点からも有用である。それゆえ、近い将来、この規格が全面的に実施されるであろうことは容易に予想できる。この規格が適用される場合、バルブエレメントに要求される性能としては、従来の品質を維持したまま、弁高を大幅に低下させることであると思われる。
【０００５】
弁高を低下させる場合に問題となるのは、抵抗係数、ＣＶ値（流量特性値）、あるいは流量係数などで表される弁の圧力損失の増大である。弁高を圧縮することで、流路断面積が減少することは避けられない。特に、案内筒上部の連通口や、弁流入口から案内筒底部までの距離などが余裕をもってとることができないので、これらに起因する圧力損失の増加は容易に予想される。
【０００６】
また、流路面積を確保しようとして、弁箱直径方向に拡大する方法も考えられるが、これにも限度がある。あまりに拡大しすぎるとコンパクトさが失われ、配管作業時や補修弁の操作に支障をきたすことになる。また、いくら流路面積だけを確保しても、弁箱直径方向への流路の曲がりが急激になるため、この部分での運動量のロスによる圧力損失の低下は避けられなくなる。このことは、前記した『弁の排気能力を大幅に向上させる』という第一の課題と逆行するものである。
このような理由から、弁高を低下させたコンパクトな空気弁を製造しようとすると、その排気能力は、現行性能を維持させるのがせいぜいであると考えられる。
【０００７】
すなわち、弁高が従来品よりも大幅に低い構造を持ちながら、なおかつ、排気能力が、現行性能よりも大幅に向上した空気弁は、いまだ存在しないのが実情である。本発明に係わる、第二の解決すべき課題はまさにこの点にある。
【０００８】
本発明は以上のような理由に基づき、弁高を大幅に低下させて弁装置としてコンパクトに構成して、なおかつ従来品よりも大きな排気能力を有する空気弁を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、その構成は、下部に流入口を上部に開口部をそれぞれ形成した弁箱と、弁箱内に配置され上部に連通口を有しその外周面と弁箱内周面との間に流路間隙を設けた有底案内筒と、弁箱の開口部に装着され弁箱とでその間に前記案内筒を挟持固定し中央に大径空気孔を有する蓋体と、前記案内筒内に昇降自在に設けられ小径空気孔を有し上限位置で前記大径空気孔を閉塞する遊動弁体と、前記案内筒内に昇降自在に設けられ上限位置で前記遊動弁体の小径空気孔を閉塞するフロート弁体とを具備する空気弁において、
前記遊動弁体は前記案内筒に対して摺動する摺動筒部を有し、該摺動筒部は、前記遊動弁体の上死点位置においてもその下死点位置においても前記案内筒に対して少なくとも部分的に当接しており、前記フロート弁体は球体に形成されており、前記遊動弁体は前記球体の上半分を囲繞するように形成されており、
前記案内筒の外径をＡ、前記案内筒の軸方向の全長をＢ、前記蓋体の大径空気孔の直径をＣ、前記流入口の口径をＤとしたときに、０．６６０≦Ｃ／Ａ≦０．８９０ かつ ０．５５０≦Ｃ／Ｂ≦０．７３０ かつ １．００≦Ｃ／Ｄ≦１．３０ の関係式が成立するように構成されていることを特徴とするものである。
【００１０】
すなわち、本発明者らは、空気弁の圧力損失が、案内筒の外径と大径空気孔の口径との比などによって大きく変化することを見出し本発明を為すに至った。この口径比、すなわちＣ／Ａが０．６６０から０．８９０の範囲になるよう構成することによって、空気弁の弁高を可能な限り低く形成しても、従来品の性能を大幅に上回る排気容量を確保することが可能となる。
【００１１】
かかる構成の空気弁において、大径空気孔とは、蓋体に設けられ空気などの流体が通過する流路直径のうち最小である部分を指すことは言うまでもない。
また、案内筒の外径寸法とは、遊動弁体などが内部を昇降自在に移動できる範囲内における筒状体の胴部外径寸法のうち、最大の値を指すものであり、いわゆる急速空気弁には一般的に採用されている形状である案内筒において、上部に設けられた鍔部の直径寸法を指すものではない。
なお、本発明の空気弁の材質は特に限定されるものではなく、金属でも、樹脂でも、あるいはまた、その組み合わせであっても良い。
【００１２】
本発明の好適な実施態様においては、さらに前記案内筒の軸方向の全長をＢとした時に、蓋体の大径空気孔の直径Ｃとの間に、
０．５５０≦Ｃ／Ｂ≦０．７３０
の関係式が成立するように構成されている。
またさらに好適な実施態様においては上記の条件に加えてさらに、前記流入口の口径をＤとした時に、蓋体の大径空気孔の直径Ｃとの間に
１．００≦Ｃ／Ｄ≦１．３０
の関係式が成立するように構成されている。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係わる空気弁の実施形態について、図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施例を示す縦断面図である。図２は、図１の大径空気孔が閉じられた状態を示す縦断面図である。図３は、本発明の他の実施例を示す縦断面図である。図４は、図３の排気作用時の状態を示す縦断面図である。図５は、図４の大径空気孔が閉じられた状態を示す縦断面図である。図６は、従来の空気弁を示す縦断面図である。なお、図１から６において、図６の従来例と同一もしくは相当部分には同一の符号を付して説明する。
【００１４】
図１において、１は、例えば農水用配管（図示せず）に連通して取り付けられ、下部に流入口２および上部に開口部を有する略円筒形状の弁箱であり、この弁箱１には、内部に有底筒状の案内筒３が装着され、４は、この案内筒３の外周面と弁箱１の内周面とで形成されている流路間隙を示す。
【００１５】
案内筒３の上部には、案内筒３の内部と上記流路間隙４とを連通する連通口５が設けられているとともに、底部は半球状に形成されており、この底部略中央には案内筒３の外部と内部とを連通する導水口６が形成されている。図中Ａは、案内筒３の胴部外径を示しており、Ｂは、同じく、長軸方向の全長を示している。
本実施例においては、案内筒３の胴部外形形状は、図からも明らかなように長軸方向に関して平行に形成されているが、特にこのような形状に限定されるものではなく、上部に向かって拡径された形状でも良い。ただし、この場合には、外径Ａはその胴部最大径を指すものであることは言うまでもない。
【００１６】
７は、弁箱１の上部開口部に装着された蓋体であって、この蓋体７の中央部には、空気を大量排気するための大径空気孔８が設けられている。図中Ｃは、この大径空気孔８の直径を示すものであり、本実施例においては、このＣは前記案内筒３の外径Ａとの比Ｃ／Ａが０．６６０から０．８９０の範囲に入るよう、また、前記案内筒全長Ｂとの比Ｃ／Ｂが０．５５０から０．７３０の範囲に入るよう構成されている。
【００１７】
ここで、Ｃ／Ａは、後述する実験結果でも明らかなとおり、この値が大きいほど圧力損失が小さくなる傾向にあり、したがって、可及的にこの比を大きく取るよう構成することが望ましい。Ｃ／Ａが０．６６０よりも小さいと弁の圧力損失が増大し、排気能力は低下する。一方、Ｃ／Ａが０．８９０よりも大きくなると、後記遊動弁体９による大径空気孔８の閉塞が困難となり、水の外部漏れを引き起こす原因となる。なお、案内筒３を樹脂にて形成する場合は、Ｃ／Ａの上限は、０．８２０程度に設けるのがよい。
【００１８】
次に、Ｃ／Ｂは、後述する実験結果からも明らかなとおり、この値が大きいほど圧力損失は低下する。この比を大きくするためには、Ｂを小さくとるか、Ｃを大きくとることが考えられるが、前記した目的、すなわち、弁高を可及的に低く構成するという目的からは、Ｂを小さくすることが好適である。然るに、後述する遊動弁体９やフロート弁体１１を収納するという機能を考慮した場合、この寸法は必然的に制限が加えられる。それゆえ、この場合にも、大径空気孔８の直径を可及的に大きく構成することが望ましいといえる。すなわち、Ｃ／Ｂが０．５５０よりも小さいと弁の圧力損失が増大し、排気能力は低下する。
【００１９】
一方、Ｃ／Ｂが、０．７３０よりも大きくなると、後記遊動弁体９による大径空気孔８の閉塞が困難となり、水の外部漏れを引き起こす原因となる。なお、案内筒３を樹脂にて形成する場合は、Ｃ／Ｂの上限は、０．６８０程度に設けるのが良い。
また、全長Ｂに関しては、本実施例および他の殆どの空気弁に関していえることであるが、大径空気孔８の位置から案内筒３の下端部までの距離と該全長Ｂとはほぼ一致する。
【００２０】
本発明においては、該距離と該全長Ｂとは同義に用いているものであり、流体力学的な観点から言えば、該距離と大径空気孔１０の直径Ｃとの比が重要である。然るに、前記したとおり、Ｃとは蓋体７に穿設された開口部であるから、ある程度の幅を有するため、その最小直径部がどこを指すのか判然としない嫌いがある。それゆえに、本発明においては、案内筒３の上端面と蓋体７とが接触する部分の平面に含まれる蓋体７の開口部が大径空気孔最小直径部であるとして、全長Ｂを採用しているものである。
【００２１】
また、前記弁箱流入口２の口径ＤとＣとの関係について言及するならば、弁の圧力損失を低下させ、かつ、弁高を低くするという観点からは、該口径Ｃを前記口径Ｄよりも可及的に大きく構成できるようにすることが好適である。すなわち、Ｃ／Ｄが１．００から１．３０の範囲に入るように構成するのが良い。
【００２２】
９は前記案内筒３の内部に昇降自在に装着された遊動弁体であって、この遊動弁体９の中心部には少量の吸気、排気作用を行う小径空気孔１０が設けられている。本実施例においては、小径空気孔１０は遊動弁体９の中央部に設けられているが、特に中央部に限定されるものではなく、例えば、小口径の空気弁等に採用されているように、中心部から外周方向に少しずらした位置に設けても良く、少量吸気、排気作用および止水作用を行うことが出きれば良い。
【００２３】
１１は、案内筒３内部に、前記遊動弁体９の下部に昇降自在に装着されたフロート弁体であって、その上限位置では前記小径空気孔１０を閉塞するものである。ここで、フロート弁体１１の形状は、本実施例においては球状に形成されているが、特にこの形状に限定されるものではなく、上面が平坦となった円柱状、逆円錐台状、逆円錐状などに形成されても良い。
【００２４】
１２は、大径空気孔８よりも外周側に位置して、蓋体７の下面に嵌合装着されたＯリング状の弁座である。
１３は、蓋体７の上方に装着され、大径空気孔８を十分におおう大きさに形成されたカバーである。
【００２５】
次に、本実施例の作用について、図１および図２に基づいて説明する。
図１は管路（図示せず）内に通水が行われていない状態を示す。この状態においては、遊動弁体９およびフロート弁体１１は案内筒３内の下限位置にある。
【００２６】
かかる状態から管路内に通液が開始されると、該管路内の空気は、図１中矢印で示されるように、流入口２から流路間隙４を通過し、案内筒３の連通口５を経て、大径空気孔８から外部へと排出される。このとき、大径空気孔８の直径Ｃと、案内筒３の外径Ａとの比、および、該直径Ｃと案内筒３の全長Ｂとの比は、前記した所定の範囲内にあるので、圧力損失はきわめて低く、多量の排気がスムースに行われる。
【００２７】
次に、上記多量排気作用の進行に伴い、管路内の水が流入口２より弁箱１内に流入すると、液体の大部分は流路間隙４へと進み、同時に、その一部は案内３底部の導水口６から案内筒３内部へと流入する。水の流入の度合いに伴って、弁箱１内部の空気は大径空気孔８から外部へと排出されて行く。
【００２８】
一方、案内筒３内に流入した水の水位が増すにつれて、該水の浮力および動圧によって、フロート弁体１１および遊動弁体９が上昇する。水の水位が、弁箱１内部から空気がほぼ完全に排出されるまでに至ると、図２に示すとおり、遊動弁体９は蓋体７の下部に設けられた弁座１２に当接し、押圧され、水の外部への流出が阻止される。同時に、フロート弁体１１はその上限位置に達し、遊動弁体９に設けられた小径空気孔１０の下端部に当接しこれを閉塞する。これら一連の作用により、空気の排出が完了するとともに、水の外部への流出が完全に阻止される。
【００２９】
かかる状態から、管路内を流れる水中の空気が、流入口２から弁箱１内部に入り、遊動弁体９の下方にたまると、フロート弁体１１の自重が水によるフロート弁体１１の浮力と弁箱１内部の液体の圧力が小径空気孔１０の閉塞部に作用する上向きの荷重との和に打ち勝つと、該弁体１１は下降し、小径空気孔１０下端部が開放される。これにより、遊動弁体９の下方にたまった空気は、小径空気孔１０から外部へと排出される。この排出が進行するにつれて、水の水位は再び上昇し、それにともなって、フロート弁体１１も浮力の作用を受けて上昇する。空気がほぼ完全に排出されるに至ると、弁体１１は小径空気孔１０下端部を閉塞し、水の外部への流出が阻止される。以後、弁箱１内部に所定量の空気がたまるにつれて、上記した排気作用が繰り返される。
【００３０】
なお、図２の状態において、配管内の水を落水させると、弁箱１内部の水も下降し、これに伴って、上記した排気および止水作用とは逆の原理で遊動弁体９およびフロート弁体１１も順次下降し、大径空気孔８が開放される。これによって、空気は弁箱１から管路内へとスムースに導入されるので、管路内が負圧になることがなく、落水操作が抵抗なく行われると同時に、水撃現象が発生することもない。
【００３１】
図３は本発明の他の実施例を示す縦断面図である。前記実施例と異なる点は、弁箱１、蓋体７およびカバー１３を連通する連通口１４が設けられ、該連通口１４にシャフト１５が上下動可能に配設されており、該シャフト１５の両端には上下動を規制するストッパー１６が設けられ、カバー１３はシャフト１５に上下動可能に支持されている点である。
【００３２】
次に、本実施例の作用について、図３、図４および図５に基づいて説明する。
図３は、配管に通水が開始されていない状態を示す。この状態においては、遊動弁体９およびフロート弁体１１は、案内筒３内の下限部に位置している。
【００３３】
かかる状態から、配管に通水が開始されると、図４に矢印にて示すごとく、配管内の空気は流入口２から連通口５を経て、大径空気孔８から外部に排出される。このとき、大径空気孔８の直径Ｃと、案内筒３の外径Ａとの比、あるいは、該筒３の全長Ｂとの比は、前記した所定の範囲内で形成されているので、圧力損失が小さく、多量排気が極めてスムースに行われる。さらに、このとき、大径空気孔８から排出される空気の圧力によって、カバー１３はシャフト１５を介して上方に押し上げられ、図４に示されるごとく、ストッパー１６で制限される位置にまで移動し、大径空気孔８から外部に至る流路を大幅に拡大する。それゆえ、排出される空気の抵抗は大幅に減少し、前記した寸法比の効果と相乗して、きわめて大なる圧力損失の低下を実現させることができる。
つぎに、排気作用がほぼ完了し、図５に示すごとく遊動弁体９が大径空気孔８を、また、フロート弁体１１が小径空気孔１０を閉塞するに至ると、カバー１３を押し上げる空気が遮断されるため、該カバー１３は自重によって下降し、図５で示される状態へと復帰する。
なお、他の作用は前記した第一の実施例と同じであるから、説明を省略する。
【００３４】
次に、本発明に係わる各部の構成による効果を、次の方法により実験した結果に基づいて説明する。
以下に示す寸法にて構成された空気弁の弁差圧および排気量を、ＪＩＳ Ｂ ２０６３に規定される多量排気試験方法にしたがって測定し、それらの値からそれぞれの弁の抵抗係数を算出して比較した。算出にあたっては、ＭＫＳ単位で統一した。
【００３５】
実験例１
この実験は、前記実施例１において、Ｃ／Ａの値のみを特定したものを示す。
サンプル１および２は本発明に係わるものであり、サンプル３は従来の急速空気弁の構成に対応するものである。
なお、サンプル１および２の弁高は、サンプル３に比較して、約２２％低い構成となっている。

この実験結果から、Ｃ／Ａが０．６６０以上の構成のサンプル１および２は、サンプル３に比較して弁の抵抗係数が５５〜６７％も低くなっている。また、サンプル１と２とを比較すると、後者は、前者よりも２６％ほど低く、Ｃ／Ａの比の値が大きくなるほど抵抗係数は顕著に低くなる傾向にあることがわかる。
また、排気量の結果を比較すると、サンプル３に比較して、サンプル１は約４９％多く、サンプル２は約７３％多い値となっている。すなわち、従来の空気弁に比較して、４９〜７３％も排気能力が向上している。
【００３６】
実験例２
この実験は、前記した実施例１において、Ｃ／Ａの値に加えてＣ／ＢとＣ／Ｄの値を特定したものを示す。サンプル４および５は本発明に係わる構成のものであり、サンプル６は従来の急速空気弁の構成に対応するものである。
なお、サンプル４および５の弁高は、サンプル６に比較して、約２２％低い構成となっている。

この実験結果から、Ｃ／Ａが０．６６０以上で、Ｃ／Ｂが０．５１０以上及びＣ／Ｄが１．１００以上の構成のサンプル４および５は、サンプル６に比較して弁の抵抗係数が５３〜６２％も低くなっている。また、サンプル４と５とを比較すると、後者は、前者よりも１９％ほど低く、Ｃ／ＡおよびＣ／Ｂの比の値が大きくなるほど抵抗係数は顕著に低くなる傾向にあることがわかる。
また、排気量の結果を比較すると、サンプル６に比較して、サンプル４は約４６％多く、サンプル５は約６１％多い値となっている。すなわち、従来の空気弁に比較して、４６〜６１％も排気能力が向上している。
【００３７】
実験例３
この実験は、前記した実施例２に対応するものである。サンプル７および８は、本発明の構成のものであり、サンプル９は、従来の急速空気弁の構成に対応するものである。
なお、サンプル７および８の弁高は、サンプル９に比較して、約２２％低い構成となっている。
また、カバーの移動距離は最大６０mmに設定した。

【００３８】

実験結果からも明らかなとおり、Ｃ／Ａが０．６６０以上で、Ｃ／Ｂが０．５１０以上及びＣ／Ｄが１．１００以上のサンプル７および８は、サンプル９に比較して、弁の抵抗係数が約６０％〜７８％も低下している。また、サンプル８は、サンプル７に比較して、抵抗係数が約４４％も低くなっており、前記した二つの比の値が大きくなるほど抵抗係数は顕著に低下することを示している。
また、排気量の結果からは、サンプル９に比較して、サンプル７は約５９％多く、サンプル８は約１１３％も多い値となっている。すなわち、従来の空気弁に比較して、５９から１１３％も排気能力が向上しており、実験例２に比較しても、さらに、その効果大なることを示している。
特にこの実施例においては、Ｃ／Ａは、０．６７〜０．８９０の範囲で構成すると特に好適であることを確認している。
なお、流入口口径が７５mm以上、または、以下のものについても同様の結果が得られたことを確認済みである。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したとおり、本発明の空気弁によれば、弁高を大幅に低く形成し、全体としてコンパクトに構成しても、弁の抵抗は従来のものよりも７８％以上小さくすることができる。すなわち、弁の排気能力を１１３％以上向上させることができるので、迅速なる通液立ち上げが可能であり、特に農業用水配管など、年間を通じて通水および落水を繰り返すような配管では、時間と経費の削減を図ることができるとともに、また、浅層埋設など、弁高の制約を受ける工法などには特に好適に使用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す縦断面図である。
【図２】図１の大径空気孔を閉塞した状態を示す縦断面図である。
【図３】本発明の他の実施例を示す縦断面図である。
【図４】図３の排気作用時の状態を示す縦断面図である。
【図５】同じく大径空気孔を閉じた状態を示す縦断面図である。
【図６】従来の空気弁を示した縦断面図である。
【符号の説明】
１…弁箱
２…流入口
３…案内筒
４…流路間隙
５…連通口
６…導水口
７…蓋体
８…大径空気孔
９…遊動弁体
１０…小径空気孔
１１…フロート弁体
１２…弁座
１３…カバー
１４…連通口
１５…シャフト
１６…ストッパー

Claims (2)

1. 下部に流入口を上部に開口部をそれぞれ形成した弁箱と、弁箱内に配置され上部に連通口を有しその外周面と弁箱内周面との間に流路間隙を設けた有底案内筒と、弁箱の開口部に装着され弁箱とでその間に前記案内筒を挟持固定し中央に大径空気孔を有する蓋体と、前記案内筒内に昇降自在に設けられ小径空気孔を有し上限位置で前記大径空気孔を閉塞する遊動弁体と、前記案内筒内に昇降自在に設けられ上限位置で前記遊動弁体の小径空気孔を閉塞するフロート弁体とを具備する空気弁において、
   前記遊動弁体は前記案内筒に対して摺動する摺動筒部を有し、該摺動筒部は、前記遊動弁体の上死点位置においてもその下死点位置においても前記案内筒に対して少なくとも部分的に当接しており、
   前記フロート弁体は球体に形成されており、前記遊動弁体は前記球体の上半分を囲繞するように形成されており、
   前記案内筒の外径をＡ、前記案内筒の軸方向の全長をＢ、前記蓋体の大径空気孔の直径をＣ、前記流入口の口径をＤとしたときに、０．６６０≦Ｃ／Ａ≦０．８９０ かつ ０．５５０≦Ｃ／Ｂ≦０．７３０ かつ １．００≦Ｃ／Ｄ≦１．３０ の関係式が成立するように構成されていることを特徴とする空気弁。
2. 前記蓋体に上下動自在のカバーが取付けられている請求項１に記載の空気弁。

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