JP4570465B2 - バタフライ・バルブ - Google Patents

Description

本発明は、バルブに関し、より詳細には、ディスクとバルブ壁との間にバルブの流量特性を定めるための流体開口を生成するために、ディスク上の所定の位置に成形エッジを備えるディスクを有する、バタフライ・バルブに関する。

従来のバタフライ・バルブは、バルブ本体を通る流体フローを制御するためにバルブ本体内のディスクを配置することによって、動作する。ディスクは、バルブ本体内に取り付けられたシャフトによって画定される枢動点又は軸を中心として回転する。シャフトにかけられたトルクから生ずるディスクの回転は、流体がバルブ本体内を流れるための、開口を生成するか又は減少させる。ディスクが閉位置（一般に垂直）から完全に開位置（一般にほぼ水平）まで回転させられると、流体が流れることができる、流量範囲が増加する。流体フローは、バルブ本体内のディスクの回転角度を調整することによって、いくらか制御できる。バルブを動作するために必要なトルクを減少するために、及び動作中の回転範囲を拡大するために、従来のバタフライ・バルブにおいて、多くの進展がなされた。

グローブ・バルブ等の他の種類の制御バルブと比べて、バタフライ・バルブは、比較的低コストの割に、比較的高い流量（流体処理量）を提供する。したがって、特定用途については、バタフライ・バルブは非常に経済的である。そのかわり、従来のバタフライ・バルブは、これらのバルブの固有流量特性のために、プロセス（処理）制御において、限られた用途を有する。本技術分野における通常の知識を有する者には理解されるように、バタフライ・バルブは、オン・オフ流量制御用途により適している。多数のプロセス制御用途は、制御バルブの動作範囲全体を通じて、精密な流量制御を要求する。精密な流量制御が要求される時には、通常、バタフライ・バルブではなく、ロータリ・ボール・バルブが取り付けられている。

さらに、あるプロセスは、特有又は精密な固有の又は固定された流量特性を必要とする。本技術分野における通常の知識を有する者に理解されるように、制御バルブの流量特性は、流量係数（Ｃｖ）とディスクの回転度による移動との間の比率である。この設計パラメータは、移動速度の割合又はバルブ本体内の制御要素の物理的位置に基づいて、バルブ内の流量率を定める。たとえば、定圧での液体レベル制御への応用は、バルブ内の線形流量特性の利益を享受する。

バタフライ・バルブの応用における他の要素は、制御バルブの動トルク特性の改善に関する。流体がバルブ内を流れると、流体によって、力がディスクに加えられる。一般に、バルブ内の流量率が増えると、より大きい力がディスクに与えられる。これらの増加した動的力により、ディスクを回転させるために、より多くのトルクを必要とする。動作中にディスクを回転させるために必要なトルクの量は、バルブ内を流れる流体の種類、ディスクの形状、及びディスクの位置又は向きによって変化する。所与の用途において、トルクを低くすることが有利である。より低いトルクはバルブを動作するためにより小さいアクチュエータを必要とし、それにより、物理的寸法を小さくでき、さらに、コストを削減する。

さらに、９０°の回転で動作する従来のバタフライ・バルブは、ディスク回転が７０〜８０°に近づくと、トルク逆転を経験することがある。ディスク回転のこの時点では、動トルクによってディスクに加えられた力は、ディスクの片面からディスクの反対面に変わる。バタフライ・バルブの動作特性からこの逆ポテンシャルを取り除くと、より安定したバルブ配置を行うことができ、アクチュエータ又はバルブへの損傷の確率を非常に減らす。

本技術分野において、改善された流量特性及び改善された動トルク特性を有するバタフライ・バルブに対するニーズがある。本発明は、このニーズに対処するさらなる解決策を対象とする。

本発明の１つの実施の形態によると、バルブ内の流体フローを制御するためのディスクが提供されている。ディスクは、ディスクが閉位置にある時にバルブ・シールでシールするためのシール面を含む。シール面は、ディスクが閉位置から開位置の方向に枢動するとバルブ・シールによって流体開口を生成する成形エッジを含み、成形エッジの輪郭及び位置が、所定のディスク位置における流体開口の大きさを画定することにより、流体開口を通る流体フローの特性が定められる。成形エッジは、流量特性を修正するためのより大きな可能性を提供する手段である。ディスク上の成形エッジの形状及び位置を変更することによって、所望の流量特性結果を生成するために、流量特性は修正できる。ディスクが部分的に開いている時には、成形エッジは、さらにより多くの流量率制御を提供し、さらに、開バルブ位置と閉バルブ位置との間のより円滑な遷移を可能にする。

本発明のさらなる態様によると、ディスクは、ディスクの枢動点を通る中心軸からはずれて配置されている。動トルク減少のために、くぼみが、ディスクの上流側に沿って形成されて、設けられていてもよい。前記くぼみは、略凹曲面及び鉛直軸に対して傾いた傾斜面の少なくとも１つを含む。ディスクは、バタフライ・バルブに使用するために適している。

本発明のさらなる態様によると、動トルク逆転を妨げるために、ディスクの平面の大部分は、ディスクの残りの平面から角度的にはずれて（オフセットして）いる。ディスクの断面厚さは、ディスクの前縁におけるディスクの断面厚さよりも、ディスクの後縁において、相対的に小さくてもよい。

本発明の他の態様によると、成形エッジは、湾曲した輪郭の形状である。あるいは、成形エッジは、閉位置から開位置への遷移のためにディスクが枢動点を中心として回転するとバルブ・シールから離間する方向へ曲がる輪郭を、含んでいてもよい。成形エッジは、ディスクの少なくとも下流側の一部に沿って配置されていてもよい。成形エッジは、さらに、ディスクの前縁の近傍に配置されていてもよい。

本発明の１つの態様によると、バルブが提供されている。このバルブは、枢動可能なディスクを含む。ディスクは、ディスクが閉位置にある時にバルブ・シールでシールするためのシール面を含む。シール面は、ディスクが閉位置から開位置の方向に枢動するとバルブ・シールを用いて流体開口を生成する成形エッジを含み、成形エッジの輪郭及び位置が所定のディスク位置において流体開口の大きさを画定することにより、流体開口を通る流体フローの特性が定められる。

本発明のさらに他の態様によると、流体フローの特性をさらに定めるために、ディスクが壁に近接して回転できるように、バルブ・ハウジングの壁は略凹面とされている。

上述の特徴及び利点、並びに本発明の他の特徴及び態様は、次の記述及び添付の図面により、より良く理解されるであろう。

本発明の例示的な実施の形態は、成形エッジを有する流量制御ディスクと、流体流量特性を制御するための、ディスクとバルブ本体との間の所定の流体開口と、を含むバルブに関する。本バルブ・ハウジングは、本ディスクを用いて所望の流量範囲を得るため、及び流量制御を改善するために、本ディスクと連動する小径部をさらに有していてもよい。この構成により得られたバルブはより緩やかな開口特性を有し、必要に応じ、等比率の流量特性をもたらすことができる。本明細書中で用いられる等比率流量特性は、ディスクの定格の移動の等しい増加に対し流量定数（Ｃｖ）の等比率の変化が生じるバルブによって、特徴付けられる。あるいは、成形エッジの異なる輪郭変形によって、他の流量特性に加えて、線形特性又は変更された急速な開口特性を生じさせることができる。

全体を通じて同様の部品は同様の参照番号で表されている図１〜５は、本発明によるバタフライ・バルブの例示的な実施の形態を示す。本発明はこれらの図に示された例示的な実施の形態を参照して記述されるが、多くの他の形態が本発明を具体化できることを理解されたい。本技術分野における通常の知識を有する者であるならば、要素若しくは材料の大きさ、形状、又は種類等、開示された実施の形態のパラメータを本発明の精神及び範囲内に保つ方法で変更するための、異なる方法をさらに理解するであろう。

図１は、本発明の教示によるバタフライ・バルブ１１の１つの実施の形態の概略図である。バルブ１１は、バルブ本体を形成するハウジング１６を有する。ディスク１０が、ハウジング１６内に枢動可能に取り付けられている。ディスク１０は、例えば、それを中心としてディスク１０が枢動できる枢動点２２において、シャフト等の上に取り付けられている。図示のように、流体フローは、主として、矢印Ａの方向に流れる。したがって、ディスク１０の上流側はディスク１０の左にあり、ディスク１０の下流側はディスク１０の右にある。

ディスク１０はバルブ１１内の流体フローの障害物としての役割を果たし、枢動点２２を中心とするディスク１０の回転が、バルブ１１内の流体フローを増加、減少、又は略中断できるようにする。ディスク１０は、図１の例で見られるように、上縁２５と、下縁２３と、を含む。しかしながら、本技術分野における通常の知識を有する者は、ディスク１０は通常略円状であり（非円状であってもよいが）、したがって、ディスク１０の周辺に連続したエッジを保持していることを理解するであろう。本発明の教示によるディスク１０のいくつかの特徴の開示を助けるためにのみ、連続したエッジは、本明細書中で、上縁２５及び下縁２３と呼ばれる。

下部領域１８と上部領域２０とを有するシールが、バルブ・ハウジング１６の内部に配置されている（シールは、説明の明確性のためにのみ、ここでは下部領域１８と上部領域２０とが区別された、単一のシールである）。ディスクがある回転位置にある時にシール下部領域１８及び上部領域２０と交差するように、ディスク１０は、バルブ・ハウジング１６の壁の間を延伸している。ディスク１０は、バルブ１１を閉じるようシールし流体フローを実質的に妨げるために、シール下部領域１８及び上部領域２０を圧迫する。バルブ１１は、閉位置で示されている。

本発明の教示によると、ハウジング１６は、その中でディスク１０が動作する開口を形成する、先細りするか又は狭くされた内壁面２６を含んでいてもよい。先細り又は狭くされることは、言いかえればディスク１０の周囲の領域内のハウジング１６の壁面２６の内径の減少として記述できる。開口の直径は、図示のように、枢動点２２内を鉛直的に通過する軸Ｄに沿った壁の領域内では、比較的、より大きい。一般に、直径は、鉛直軸Ｄから離れて壁面２６に沿って移動する鉛直軸に対するいずれかの側で、減少する。直径寸法が鉛直軸Ｄから移動するにつれ減少すると、略湾曲した壁面２６を形成される。湾曲した壁面２６は、本発明の教示に従っており本明細書中で後にさらに説明するフロー特性を定める、ディスク１０の能力に貢献する。本技術分野における通常の知識を有する者は、壁面２６は、図示のように湾曲している必要がなく、真直ぐであっても、あるいは多数の他の傾斜面（ｃｏｎｔｏｕｒｓ）であってよいことを、さらに理解するであろう。さらに、ディスク１０の上縁２５の近くの上壁面２６は曲線又は他の輪郭を保持し、ディスク１０の下縁２３の近くの下壁面２６は他の輪郭であってもよい。バルブ１１内の流体フローを制御するために、壁面２６がディスク１０と関連して動作するから、異なる壁面２６の構造は、異なる流量特性をもたらし得る。

シール下部領域１８及び上部領域２０は、ディスク１０の片側の最小の直径の壁面２６に又はその近傍に配置されている。最小の直径の壁面２６における又はその近傍のシール下部領域１８及び上部領域２０の位置は、ディスク１０がバルブ１１内の流体フローを略遮断できるようにする。ディスク１０は、図示された枢動点２２を通る鉛直軸Ｄからはずれて（オフセットして）いる。したがって、壁面２６の最小の直径は、枢動点２２に対する上縁２５及び下縁２３の片寄りに起因して、図中の鉛直軸Ｄの上流側に現れる。ディスク１０の上縁２５及び下縁２３が鉛直軸Ｄに沿っている場合には、シール下部領域１８及び上部領域２０は、同様に、鉛直軸Ｄに沿って位置する。このような配置により、枢動点２２を通る鉛直軸Ｄとほぼ一致するよう壁面２６の最小の直径を移動させる。したがって、通常の知識を有するものであるならば、壁面２６の最小の直径並びにシール下部領域１８及び上部領域２０の位置は、ディスク１０の特有の構成によって異なることがあることを理解するであろう。

前述のように、流体は、主として、矢印Ａの方向に流れる。したがって、ディスク１０は、開くために矢印Ｂの方向に、閉じるために矢印Ｃの方向に回転する。本技術分野における通常の知識を有する者は、バルブ１１内の流体フローの方向及びバルブ１１内のディスク１０の向きは変更できることを理解するであろう。フローの主方向は矢印Ａの方向であるが、ある場合には、本発明の教示によって構成されたバタフライ・バルブは、逆流条件を経験できる。逆流の間は、流体は、矢印Ａと反対の方向に流れる。このような状況では、ディスク１０は、逆方向の流体フローにも、矢印Ａの方向と同様に流体フローの特性を定め制御するための、１つ以上の特徴を含むことができる。

ディスク１０が枢動点２２を中心として回転すると、上縁２５及び下縁２３は、バルブ・ハウジング１６の小径部２６に沿って従う。下縁２３は、主要な流体フローへの、ディスク１０の前縁でもある。したがって、上縁２５は、流体フロー内の後縁である。

ディスク１０は、ディスク１０の上流側に沿って延伸する、傾斜キャビティ３６を含む。傾斜キャビティ３６は、動トルク減少をもたらす役割を果たす。ディスクが閉位置から開位置に回転すると、傾斜は、ディスク１０の上縁２５に追加的な流体圧力を与える。追加的な圧力は、ディスクを閉位置から開位置に回転するのに必要なトルクの量を減らす。

流体開口２４は、ディスク１０の上縁２５及び下縁２３とバルブ・ハウジング１６の壁面２６との間に存在する。壁面２６の小径部は、流体開口２４の面積をあまり増やすことなしに、回転時に、ディスク１０がバルブ・ハウジング１６に沿って通過できるようにする。流体開口２４は、ディスク１０に沿って配置された成形エッジ２８によって形成されている。成形エッジ２８は所定の輪郭を有し、輪郭は、成形エッジ２８に沿ってそれ自体が変形できる。ディスク１０が枢動し、下縁２３がシール下部領域１８の上を通過して接近するフローに及ぶと、流体開口２４は、次第に増加する。

流体開口２４の大きさの変化は、バルブ１１内の流量特性の操作を可能にする。つまり、バルブ１１を開くためにディスク１０が枢動すると、流体開口２４は変更でき、流量特性は、後述のように、線形、等比率、又は他の所望の特性を有するように操作可能である。本技術分野における通常の知識を有する者は、成形エッジ２８は、異なる面の特徴を備える、多くの異なる形状を有していてもよいことを理解するであろう。図２Ａ〜２Ｄは、バルブ内の流体フローの流量特性を変更するための、多数の例示的な成形エッジ２８の実施の形態を図示する。図２Ａは、わずかなくぼみを備える成形エッジ２８ａを有する実施の形態を示す。この構成は、その中で成形エッジ２８ａがシール面から離れる中間区間の間に、流体開口のわずかな増加による、ディスク１０の正面及び背面（成形エッジ２８ａの端部のいずれか）におけるフローを妨げる遮断ブロックを生成する。

図２Ｂは、成形エッジ２８ｂの他の実施の形態を示す。成形エッジ２８ｂは、図１の成形エッジ２８と略同様の輪郭を保持している。しかしながら、図示のように、成形エッジ２８ｂの右側（すなわち、ディスク１０の背面）の方向への成形エッジ２８ｂの曲率半径の劇的な減少がある。曲率半径のこの劇的な減少は、成形エッジ２８ｂのこの部分がシール上を通過する時に、流体開口２４の劇的な増加を引き起こす。流体開口２４の大きさの増加は、ディスク上の同様の位置における、曲線ではなく角を有する従来のバタフライ・バルブで生ずるものよりも小さい。したがって、流体開口２４の増加及びそれに続く流量率は、従来のバタフライ・ディスクの後縁における流量率の増加よりも小さい。

図２Ｃは、本発明の教示による、成形エッジ２８ｃの他の例示的な実施の形態を示す。成形エッジ２８ｃは、ディスクがシールの上を通るとシール下部領域１８から離間する方向へ上側に向かって曲がる、湾曲した輪郭を保持する。水平線に対して増加した角度は、ディスクの同じ回転度に対して、流体開口２４を、図２Ｂの成形エッジ２８ｂを備えたものよりも、比較的より急速に増加させるようにする。しかしながら、流体開口２４の増加は、従来のバタフライ・ディスクによる、より急な角によるものに比べて、より制御された方法で生ずる。成形エッジ２８ｃの例示的な構成によると、流体開口２４の増加、及び、したがって、流量率の増加は、等比率のバルブを用いたものよりも大きい。

図２Ｄは、成形エッジ２８ｄの他の実施の形態を示す。図示のように、成形エッジ２８ｄは、凹輪郭と凸輪郭とを交互に生じさせる。この構成によると、ディスクが閉位置から開位置まで回転すると、流体開口２４は、大きさの増加と減少とを交互に生じさせる。開口の大きさの変化は、ディスクがシール下部領域１８の上を通過する時に流量率を交互に増加及び減少させる流体フローを生成する。

上述の各実施の形態についてのアプリケーションは変更でき、本技術分野における通常の知識を有する者に理解される。図２Ａ〜２Ｄは、バルブ内の流体フローの流量特性を変更するための、本発明の教示によって利用できる、種々の成形エッジの例を示すために提供されている。図示のように、成形エッジの輪郭の変更は、流体開口の大きさを種々の方法で変更でき、流体開口内の流体フローに異なる制御を生じさせる。したがって、本発明の教示によると、バルブの流量特性は、異なる成形エッジ輪郭によって決定できる。

異なる流量特性のために異なる輪郭を持たせることに加え、成形エッジ２８は、ディスク１０の周囲の異なる位置に配置することもできる。図３Ａ〜３Ｃは、本発明の教示によるいくつかの実施の形態を示す。これらの図は、下流からディスク１０の背面を見た、種々の構成のディスク１０を示す。成形エッジ２８ｅは、図４の成形エッジ４８と同様の構成で、図３Ａに示される。成形エッジ２８ｅはディスク１０の下縁２３に沿って配置されており、本発明の教示によるフローの特性を定めることができる。下縁２３がシール（例えば、シール下部領域１８）の上を通ると、成形エッジ２８ｅは、完全に閉じた位置から完全に開いた位置までのバルブの遷移に伴い、フローに所定の特徴を与える。

図３Ｂは、ディスク１０の下縁２３に沿って配置された成形エッジ２８ｆを示し、第２の成形エッジ２９がディスク１０の上縁２５に沿って配置されている。成形エッジ２８ｆは図３Ａの成形エッジ２８ｅと類似の機能を実行し、第２の成形エッジ２９は流体フローのさらなる特性を提供する。流体が、上縁２５において、ディスク１０の後縁の上を流れると、第２の成形エッジ２９は、上縁２５の上を流れる流体に影響を及ぼすことができる。したがって、所望の方法でフロー特性を定めるために、第２の成形エッジ２９は下縁２３上の成形エッジ２８ｆと関連して作動する。

図３Ｃは、成形エッジ２８ｇの他の実施の形態を示す。この実施の形態の成形エッジ２８ｇは、先の図の成形エッジよりも比較的大きい。より大きな成形エッジ２８は、所望の流体特性を実現するために、流体フローにより大きな影響を及ぼすことができる。さらに、より大きい表面は、必要に応じて、フローを変更するためのより大きな空間を提供できる。

したがって、バルブ内の流体フローの異なる特性をもたらすために、成形エッジの形状は、断面の輪郭及びディスク上の平面位置の両方において変更できることがわかる。上述の実施の形態の各々についてのアプリケーションは変更可能であり、本技術分野における通常の知識を有する者には理解される。図３Ａ〜３Ｃは、バルブ内の流体フローの流量特性を変更するための、本発明の教示による、利用可能な成形エッジの例を示す。図示のように、ディスク上の成形エッジの位置の変更は、流体開口内の流体フローに異なる制御をもたらすことができる。したがって、本発明の教示によると、バルブの流量特性は、さらに、異なる成形エッジの位置によって決定できる。

壁面２６の小径部の表面形状は、ディスク１０が枢動点２２を中心として回転すると、同様に、流体開口２４の大きさに影響する。ディスク１０が回転すると、壁面２６はディスク１０から離れる方向に先細りし、これにより、流体開口２４を増加させ、より多くの流体フロー（すなわち、より少ない流体フロー抵抗）を許容する。本技術分野における通常の知識を有する者は、壁面２６の形状が所望の流量特性によって変更できることを理解するであろう。

より詳細には、例示的な実施の形態において、成形エッジ２８は、略湾曲した輪郭を有する。ディスク１０の移動と共に曲線がシール下部領域１８から次第に離れるから、ディスク１０がシール下部領域１８の上を通ると、成形エッジ２８の曲率は、流体開口２４の大きさを次第に増加させる。つまり、成形エッジ２８を形成する曲線の曲率半径は、次第に減少する。ディスク１０が枢動して、下縁２３をシール下部領域１８を過ぎて移動させると、この減少は、曲線を下縁２３とシール下部領域１８との交点から引き離す又は離れる方向に先細りさせる。

流体開口２４の増加は、ディスク１０の枢動位置に比例する。成形エッジ２８の曲率は、従来のバタフライ・バルブと実質的に異なる流量特性を提供する。成形エッジ２８の曲率のない従来のバルブでは、ディスクが枢動しディスクの下縁がシールの上を通る時のフローの増加は、より急である。本発明における成形エッジ２８の曲率は、流体開口２４のより緩やかな増加を生成し、バルブが開く時の流量率のより緩やかな増加を引き起こす。留意すべきことは、流体開口２４は、ディスク１０の上縁２５と下縁２３との間で異なっていても良いことである。

図４は、本発明の教示によるバタフライ・バルブ４１の他の実施の形態の概略図である。バルブ４１は、バルブ本体を形成するハウジング１６を有する。ディスク４０が、ハウジング１６内に枢動可能に取り付けられている。ディスク４０は、そこを中心としてディスク４０が枢動できる枢動点２２において、シャフト等の上に取り付けられている。図示のように、流体は、同様に、主として矢印Ａの方向に流れる。したがって、図示のように、ディスク４０の上流側はディスク４０の左にあり、ディスク４０の下流側はディスク４０の右にある。

枢動点２２を中心とするディスク４０の回転が、バルブ４１内の流体フローを、増加、減少、又は略中断できる。ディスク４０は、図４の例で見られるように、上縁４２と、下縁４３と、を含む。

シール下部領域１８及び上部領域２０が、バルブ・ハウジング１６の内部に配置されている。ディスクがある回転位置にある時は、シール下部領域１８及び上部領域２０と交差するように、ディスク４０は、バルブ・ハウジング１６の壁の間を延伸する。ディスク４０は、バルブ４１を閉じるようシールするために、シール下部領域１８及び上部領域２０を圧迫する。ディスク１０と同様に、ディスク４０は、バルブ４１内の流体フローへの障害物としての役割を果たす。したがって、ディスク４０の回転は、バルブ１１内の流体フローを増加、減少、又は略中断できる。バルブ４１は、閉位置で示されている。

本発明の教示によると、ハウジング１６は、内径が減少し、内部でディスク４０が動作する開口を形成する、内壁面２６をさらに含んでいてもよい。開口の直径は、図示のように、枢動点２２を通る鉛直軸Ｄに沿った壁の領域内において、比較的より大きい。直径は、鉛直軸Ｄから離れて壁面２６に沿って移動する鉛直軸Ｄに対するいずれかの側において、減少する。鉛直軸Ｄから離れて移動するにつれ直径寸法が減少する直径寸法は、略湾曲した壁面２６を形成する。湾曲した壁面２６は、本発明の教示に従っており本明細書中で後にさらに説明するフローの特性を定める、ディスク４０の能力に貢献する。バルブ４１内の流体フローを制御するために壁面２６がディスク４０と関連して動作するから、本技術分野における通常の知識を有する者は、異なる壁面２６構造は異なる流量特性をもたらすことがあることを理解するであろう。

シール下部領域１８及び上部領域２０は、ディスク４０の片側の最小の直径の壁面２６に又はその近傍に配置されている。最小の直径の壁面２６における又はその近傍のシールの位置は、ディスク４０がバルブ４１内の流体フローを略遮断できるようにする。ディスク４０は、枢動点２２を通る鉛直軸Ｄからはずれて（オフセットして）いる。通常の知識を有する者は、壁面２６の最小の直径とシール下部領域１８及び上部領域２０の位置とは、ディスク４０の特定の構成によって変更できることを理解するであろう。

前述のように、流体は、主として矢印Ａの方向に流れる。したがって、ディスク１０は、開くために矢印Ｂの方向に、閉じるために矢印Ｃの方向に回転する。本技術分野における通常の知識を有する者は、バルブ４１内の流体フローの方向及びバルブ４１内のディスク４０の向きを変更できることを理解するであろう。

ディスク４０が枢動点２２を中心として回転すると、上縁４３及び下縁４３は、バルブ・ハウジング１６の小径部２６に沿って従う。下縁４３は、主要な流体フロー内での、ディスク４０の前縁でもある。したがって、上縁４２は、流体フロー内の後縁である。

ディスク４０は、ディスク４０の上流側に沿って延伸する、傾斜キャビティ３６を含む。傾斜キャビティ３６は、前述のように、動トルク減少をもたらす役割を果たす。

流体開口４４は、ディスク４０の上縁４２及び下縁４３とバルブ・ハウジング１６の壁面２６との間に存在する。壁面２６の小径部は、流体開口４４の面積をあまり増やすことなしに、回転時に、ディスク４０がバルブ・ハウジング１６に沿って通過できるようにする。流体開口４４は、ディスク４０に沿って配置された成形エッジ４８によって形成されている。成形エッジ４８は所定の輪郭を有し、輪郭は、成形エッジ４８に沿ってそれ自体変更できる。ディスク４０が枢動して、下縁４３がシール下部領域１８の上を通り接近するフローに及ぶと、流体開口４４は次第に増加する。

流体開口４４の大きさの変化は、バルブ４１内の流量特性の操作を可能にする。上述のように、成形エッジ４８は多くの異なる形状を取ることができ、ディスク４０に沿った多くの異なる位置に配置できる。輪郭及び位置の各変化は、バルブの流量特性における変化をもたらすことができる。

図４の上縁４２の断面積は、図１の上縁２５の断面積よりも小さい。上縁４２のより小さい断面積により、より小さい流体流量範囲を占めるディスク４０が実現させることが見出された。より小さい流体流量範囲を占めるディスク４０を用いると、ディスク４０が開位置に回転される時に、流体フローへの抵抗はより小さい。流体フローへの抵抗がより小さいと、バルブが開いている時に、改善された流量率が実現される。

さらに、流体開口４４の大きさの変化は、バルブ内の流量特性の操作を可能にする。より詳細には、異なるバルブ位置における流体開口４４の大きさを変えるために成形エッジ２８及び４８を変更できることは、バタフライ・バルブの可能な用途において、より大きなフレキシビリティを提供する。傾斜面は、接近するフローに対して伸びるディスク１０及び４０の部分、ディスク１０及び４０のその他の部分、又はディスク１０及び４０の全体のいずれかに設けることができる。線形的な開口特性が好ましいならば、線形特性を実現するために、特定の輪郭は傾斜面領域で機械加工可能であり、傾斜面領域の位置は調整できる。同様に、特定のバルブ用途の特定の要求事項を充たすために、線形特性、等比率特性、又は変更された急速な開口特性が生成できる。流体開口４４を変更するためのこの能力、即ち、流量特性により、バタフライ・バルブは、精密な制御要素として、制御システム内で使用できるようになる。

図５は、流量範囲と、流体が中を流れるバルブ内のディスクの回転度との関係を図示するグラフ６６である。２セットのデータが、グラフ６６にプロットされている。第１のセットは、第１の流線６８で示される、従来の単一の翼板を有するバルブ内を流れる流体の流量特性を示す。第２のデータのセットは、第２の流線７０に、本発明の教示による、成形エッジを備えるディスクを有するバルブ内の流体フローの流量特性を示す。

０と５との回転度の間では、両方の構造のディスクは、露出された流量範囲の量に関して、相対的に同様に動作するようである。１０と約２０との回転度の間では、従来のディスクを有するバルブは、約１．６平方インチすなわち７．３％の流量範囲の増加を経験する。成形エッジを備えるディスクを有するバルブは、０から約０．４平方インチすなわち１．８９％の最小量の流量範囲増加を経験する。従来のディスクを有するバルブに関する第１の流線６８は、２０と９０との間の回転度に対して、流量範囲の急速な増加が続く。第２の流線７０は、回転度が２０と４５との間で増加すると、流量範囲のより緩やかな増加が続く。９０°の最大の回転度では、従来のバタフライ・バルブは、流体フローに利用可能な約２２平方インチの流量範囲を有する。一方、成形エッジのディスクを有するバルブは、流体フローに利用可能な約２１．２平方インチの流量領域を有する。着座位置に近い緩やかな開口（すなわち、より低い回転度）においては、バルブ遮断点の近くの流量制御は、あまり必要ではない。成形エッジを備えるディスクを有するバルブ内の０と１０との間の回転度の範囲、すなわちバルブ閉止及びハンマリングの問題がしばしば生じる範囲では、本発明の教示による構成において、このような問題は経験されない。成形エッジ構造は、従来のディスク構造と比べて、バルブについての全体的な流量範囲を減少させる。しかしながら、バルブの全体的な大きさ及び寸法は、より大きな流量範囲が望まれるならば、増やすことができる。

動作中、ディスク１０及び４０が枢動点２２を中心として回転すると、最小の流体フローのためにバルブを開けるために、ディスク１０及び４０のエッジは、シール下縁１８を越えて通る。流体は流体開口２４及び４４をゆっくり通って逃げることができるから、流体フローは最小である。成形エッジ２８及び４８がシール下縁１８の上を通りすぎるのに十分な量だけ、ディスク１０及び４０が矢印Ｂの方向に回転するまでは、流体フローの量はあまり大きくない。流体フローの遅く緩やかな増加は、本発明のディスク１０及び４０を含むバルブの固有の流量特性を改善する。

バルブを閉じるために、ディスク１０及び４０は、矢印Ｃの方向に回転する。ディスク１０及び４０のエッジはシール下部領域１８に達して、シール下部領域１８の上を通過する。ディスク１０及び４０がシール下部領域１８の上を通過すると、流体フローは妨げられるが、依然として流体開口２４及び４４を通って流れる。ディスク１０及び４０をさらに回転させると、成形エッジ２８及び４８のさらなる部分が、シール下部領域１８及びシール上部領域２０を通過して流体フローを次第に減少させ、最後に、バルブ１１又は４１を遮断する。流体フローの緩やかな減少は、流量特性を改善する。

ディスク１０及び４０がシール下部領域１８の上を通過すると、ディスクは、同時に、シール上部領域２０の上を通過する。ディスク１０及び４０は枢動点２２を中心として矢印Ｂの方向に回転し、上縁２５及び４２はシール上部領域２０から離れ、流体流路を形成する。バルブ１１及び４１内のフロー特性をさらに定めるために、上縁２５及び４２は、同様に、壁面２６と関連して動作できる。

本発明は、他の特徴に加え、成形エッジを含むように変形された回転するディスクを有する、バタフライ・バルブの形態で図示されたバルブを特徴とする。ディスクは、バルブの動トルク特性を改善するために、さらに、上流又は下流側に、くぼみを含んでいてもよい。さらに、複数の成形エッジがあってもよく、バルブ内のフローの特性を定めるために、各成形エッジはまた別の形状を有していてもよい。さらに、着座位置の近くの緩やかな開口特性は、等比率の流量特性バルブを提供できる。あるいは、他の特性中の、線形特性又は変更された急速開口特性も、本発明の教示に従う成形エッジの使用によって、可能である。

本発明の多くの変更及び他の実施の形態が、前述を考慮することにより、本技術分野における通常の知識を有する者には明らかであろう。したがって、この記載は説明のためのみと解されており、本発明を実行するための最善の実施態様を本技術分野における通常の知識を有する者に教示することを目的としている。本構成の詳細は本発明の精神から逸脱することなしに実質的に変更してもよく、添付の特許請求の範囲内にあるすべての変更の排他的使用が留保されている。本発明は、添付の特許請求の範囲及び法の適用可能な規則によって要求される範囲にのみ限定されることを意図されている。

本発明の１つの態様によるバルブの概略断面図である。 本発明のさらなる態様によるバルブの成形エッジの概略断面図である。 本発明のさらなる態様によるバルブの成形エッジの概略断面図である。 本発明のさらなる態様によるバルブの成形エッジの概略断面図である。 本発明のさらなる態様によるバルブの成形エッジの概略断面図である。 本発明のさらに他の態様によるバルブ・ディスクの概略背面図である。 本発明のさらに他の態様によるバルブ・ディスクの概略背面図である。 本発明のさらに他の態様によるバルブ・ディスクの概略背面図である。 本発明のさらに他の態様によるバルブの概略断面図である。 本発明の１つの態様による流量範囲対バルブ・ディスクの回転度を示すグラフである。

Claims (18)

1. バルブ本体と、
   前記バルブ本体内に枢動可能に設けられ、該バルブ本体を通る流量を制御するディスクと、
   前記ディスクに設けられ、該ディスクが閉位置にある時に、前記バルブ本体内に設けられたバルブ・シールに接触して前記バルブ本体内をシールするシール面と、
   前記シール面に設けられ、前記ディスクの前記閉位置から開位置への枢動に伴って前記シール面と前記バルブ・シールとの間に流体開口を生成する成形エッジと、
   を含み、
   前記バルブ本体の内径を前記ディスクの周辺領域で減少させ、前記ディスクが近接して枢動できるように、前記バルブ本体の内壁が湾曲された凹面とされており、
   前記成形エッジが、前記ディスクが前記閉位置から前記開位置へ向かって前記バルブ・シールを通過するにつれて、該成形エッジが前記バルブ・シールから徐々に離間するように湾曲された輪郭を有し、
   前記成形エッジの輪郭及び前記成形エッジの前記シール面に対する位置によって前記ディスクの所定位置における前記流体開口の大きさが画定され、該流体開口を通る流体の特性が定められる、
   バルブ。
2. 前記ディスクが、前記ディスクの枢動点を通る中心軸からはずれて配置される、請求項１に記載のバルブ。
3. 動トルク減少のために、前記ディスクの上流側に沿って形成されたくぼみをさらに含む、請求項１に記載のバルブ。
4. 前記くぼみが略凹曲面及び鉛直軸に対して傾いた傾斜面の少なくとも１つを含む、請求項３に記載のバルブ。
5. バタフライ・バルブである、請求項１に記載のバルブ。
6. 動トルク逆転を妨げるために、前記ディスクの平面の大部分が前記ディスクの残りの平面から角度的にはずれている、請求項１に記載のバルブ。
7. 前記ディスクの断面厚さが、前記ディスクの前縁における前記ディスクの断面厚さよりも、前記ディスクの後縁において、相対的に小さい、請求項１に記載のバルブ。
8. 前記成形エッジが前記ディスクの少なくとも下流側の一部に沿って配置された、請求項１に記載のバルブ。
9. 前記成形エッジが前記ディスクの前縁の近傍に配置された、請求項８に記載のバルブ。
10. 内壁に囲まれた流路を有するバルブ本体と、
    前記バルブ本体内に枢動可能に設けられ、前記流路を通る流量を制御するディスクと、
    前記ディスクに設けられ、該ディスクが閉位置にある時に、前記バルブ本体内に設けられたバルブ・シールに接触して前記流路をシールするシール面と、
    前記シール面に設けられ、前記ディスクの閉位置から開位置への枢動に伴って前記シール面と前記バルブ・シールとの間に流体開口を生成する成形エッジと、
    を含み、
    前記ディスクが、前記バルブ本体の内壁に沿って該ディスクの枢動点を通る鉛直軸から離れる方向へ枢動し、
    前記バルブ本体の内径を前記鉛直軸の両側で減少させ、前記ディスクが近接して枢動できるように、前記バルブ本体の内壁が湾曲された凹面とされており、
    前記成形エッジが、前記ディスクが前記閉位置から前記開位置へ向かって前記バルブ・シールを通過するにつれて、該成形エッジが前記バルブ・シールから徐々に離間するように湾曲された輪郭を有し、
    前記成形エッジの輪郭及び前記成形エッジの前記シール面に対する位置によって前記ディスクの所定位置における前記流体開口の大きさが画定され、該流体開口を通る流体の特性が定められる、
    バルブ。
11. バタフライ・バルブである、請求項１０に記載のバルブ。
12. 前記ディスクが、前記ディスクの枢動点を通る中心軸からはずれて配置される、請求項１０に記載のバルブ。
13. 動トルク減少のために、前記ディスクの上流側に沿って形成されたくぼみをさらに含む、請求項１０に記載のバルブ。
14. 前記くぼみが略凹曲面及び鉛直軸に対して傾いた傾斜面の少なくとも１つを含む、請求項１３に記載のバルブ。
15. 動トルク逆転を妨げるために、前記ディスクの平面の大部分が前記ディスクの残りの平面から角度的にはずれている、請求項１０に記載のバルブ。
16. 前記ディスクの断面厚さが、前記ディスクの前縁における前記ディスクの断面厚さよりも、前記ディスクの後縁において、相対的に小さい、請求項１０に記載のバルブ。
17. 前記成形エッジが前記ディスクの少なくとも下流側の一部に沿って配置された、請求項１０に記載のバルブ。
18. 前記成形エッジが前記ディスクの前縁の近傍に配置された、請求項１７に記載のバルブ。

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