JP4918346B2 - 弁装置 - Google Patents

Description

本発明は、弁装置、特に管路内を流れる流体の流量を制御する弁装置に関する。

従来、管路内を流れる流体の流量を制御するのに玉形弁などの弁装置が広く用いられている（例えば、特許文献１および２参照。）。
このような玉形弁において、弁体と弁座とが極めて接近した状態となると、弁体と弁座との間に発生する高速流により弁体に自励振動が生じ、弁体と弁座とが衝突（チャタリング）するという問題があった。特に、玉形弁の上流側と下流側との圧力差が大きい条件下では、弁体の自励振動が発生しやすいという問題があった。

上述の特許文献２では、玉形弁を２つ平行に接続して、接続された２つの玉形弁を使い分けることにより、弁体と弁座との距離を広くして弁体の自励振動の発生を抑制する技術が開示されている。
特開２０００−１６１５２９号公報 特開２０００−０８１１６３号公報

しかしながら、上述の特許文献２に記載の技術を用いても、弁体が自励振動を起こす使用条件が存在し、弁体の自励振動の発生を効果的に抑制することができないという問題があった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、弁体の自励振動を効果的に抑制することができる弁装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明の弁装置は、流路が形成された筐体と、前記流路を流れる流体の流量を調節する弁座および弁体と、前記弁体を前記筐体に設けられた前記弁座に対して接触離間させる軸体と、前記弁体の移動方向と交差する方向への前記弁体の移動を許容するとともに、前記弁体の振動を抑制する抑制部となる減衰部とが設けられ、前記減衰部は、前記軸体の外周面と前記弁体の内周面との間に形成されたほぼ円筒状の液体室と、前記軸体の外周面に突設されて、前記軸体と前記弁体の中心軸線が一致した状態において、前記弁体に触れない程度に前記液体室に向かって突出し、且つ前記軸体の中心軸線に沿って延びる板状の突起部と、前記液体室に満たされた粘性液体と、を備えて構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、弁体に自励振動が発生しても振動は抑制部である減衰部により抑制されるため、弁体の自励振動を抑制することができる。
減衰部は、弁体と軸体との相対移動に対して抵抗力を発揮するものであるため、弁体の移動方向と交差する方向への弁体の移動は許容される。このため、弁体の中心軸線と弁座の中心軸線とを一致させることができ、弁体と弁座を接触させたときの流体の漏れを防止することができる。

例えば、弁座における弁体との弁座接触面が、弁体に向かって弁座の中心軸線から離れるように傾斜する傾斜面であり、弁体における弁座との弁体接触面が、弁座に向かって弁体の中心軸線に近づくように傾斜する傾斜面である場合には、上述の両接触面の間を流れる流体における周方向の圧力分布が不均一となり、弁体の移動方向と交差する方向に振動する自励振動が弁体に発生していた。本発明の弁装置における抑制部は、上述のように発生した自励振動を抑制するとともに、弁体と弁座を接触させたときの流体の漏れを防止することができる。

本発明の弁装置によれば、弁体に自励振動が発生しても振動は抑制部となる減衰部により抑制され、且つ減衰されるため、弁体の自励振動を効果的に抑制することができるという効果を奏する。

以下、本発明の実施形態に係る玉形弁ついて図１から図３を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係る玉形弁の全体構成を説明する断面図である。
玉形弁（弁装置）１には、図１に示すように、水などの液体（流体）が流れる入口流路（流路）３および出口流路（流路）５等が形成された弁箱（筐体）７と、玉形弁１を流れる液体の流量を制御する弁座９および弁体１１と、弁体１１を弁座９に接触離間させる軸体１５と、弁体１１の自励振動を減衰させる減衰部（抑制部）１７と、が設けられている。

弁箱７には、内部に入口流路３と、出口流路５と、両流路を接続する連通流路（流路）１９と、が設けられている。連通流路１９には弁座９が配置され、弁体１１が連通流路１９に沿って移動し、弁座９に対して接触離間が可能に配置されている。

弁座９は連通流路１９に配置され、弁体１１とともに液体の流量を制御する絞り機構を形成するものである。弁座９における弁体１１と接触する弁座接触面２１は、弁体１１に向かって弁座９の中心軸線から離れるように傾斜する円錐面状の傾斜面に形成されている。

弁体１１は連通流路１９内に配置され、弁座９とともに液体の流量を制御する絞り機構を形成するものである。弁体１１は、弁体１１の中心軸線および連通流路１９に沿って移動し、弁座９に対して接触離間が可能に配置されている。弁体１１における弁座９と接触する弁体接触面２３は、弁座９に向かって弁座９の中心軸線に近づくように傾斜する円錐面状の傾斜面に形成されている。

軸体１５は弁箱７に設けられ、弁体１１を弁座９に対して接触離間させるものである。軸体１５の一方の端部は弁箱７内に、他方の端部は弁箱７の外に位置するように配置されている。軸体１５における弁箱７内の端部には、減衰部１７を介して弁体１１が配置されている。

図２は、図１の減衰部の構成を説明するＡ−Ａ断面図である。
減衰部１７は軸体１５と弁体１１との間に配置され、弁体１１の自励振動を減衰させるものである。減衰部１７には、図１および図２に示すように、弁体１１の自励振動を減衰させる突起部２５および液体室２７が設けられている。
突起部２５は、軸体１５から液体室２７に向かって突出する板状部材であり、軸体１５の中心軸線に沿って延びるように配置されている。本実施形態では、４つの突起部２５が軸体１５の周囲に約９０°の位相間隔をあけて配置された例に適用して説明する。一対の突起部２５は、入口流路３、出口流路５、連通流路１９が含まれる平面（図１における紙面）に含まれるように配置され、残りの一対の突起部２５は、上述の平面に対して直交するとともに軸体１５の中心軸線を含む平面に含まれるように配置されている。このように配置することで、弁体１１において自励振動が多く発生する振動方向に対する減衰力を効果的に発揮することができる。

液体室２７は、軸体１５の外周面および弁体１１の内周面の間に形成されたほぼ円筒状の空間であって、内部にショックアブソーバ用の油等として働く粘性液体が満たされたものである。
なお、軸体１５の中心軸線と弁体１１の中心軸線とが一致した状態における、液体室２７における軸体１５の外周面から弁体１１の内周面までの距離を１０とすると、突起部２５の外側端面から弁体１１の内周面までの距離は、１以下であることが好ましい。このように設定することで、減衰部１７における減衰力を効果的に発揮することができる。

次に、上記の構成からなる玉形弁１における流量調整作用について説明する。
玉形弁１において液体は、図１に示すように、入口流路３から玉形弁１に流入し、連通流路１９における弁座９および弁体１１の間を通過し、出口流路５を通って玉形弁１から流出する。このとき、弁体１１と弁座９との間隔を制御することにより、玉形弁１を通過する液体の流量が制御されている。具体的には、軸体１５により弁体１１を弁座９に接触離間させることにより、上述の間隔が制御されている。
なお、軸体１５における弁体１１を移動させる機構等は、公知の機構等を用いることができ、特に限定するものではない。

ここで、本実施形態の特徴である弁体１１の自励振動の減衰作用、および、弁体１１の中心軸線と弁座９の中心軸線との調整作用について説明する。
まず、本実施形態における弁体１１の自励振動について説明する。
図３は、図１の玉形弁における弁体の自励振動を説明する模式図である。
弁座９と弁体１１との隙間が、図３に示すように微小な隙間であって、弁座９および弁体１１の上流側と下流側との圧力差が大きな状況（例えば、１ＭＰａから２ＭＰａ以上の差圧がある状況）では、弁座９と弁体１１との隙間に液体の高速流が形成される。一方、弁体１１は、弁座９と接触した際に弁座接触面２１と弁体接触面２３とを密着させるため、弁体１１の中心軸線と直交する方向に移動可能とされている。

弁座９と弁体１１との隙間では、高速流が形成されることにより圧力が低下し、隙間における弁体１１の周方向に係る圧力分布は、高速流の流速の分布、つまり上述の隙間の長さの分布に影響される。そのため、圧力分布に不均一が発生すると、圧力差により弁体１１は低圧側、つまり、間隔が狭い側に弁座９に接触するまで移動する。
移動後、弁体１１は新たに形成された周方向に係る圧力分布の不均一にしたがって移動を繰り返す。この移動周期と弁体１１等の固有振動周期とが所定の関係を満たすと、弁体１１に自励振動が励起される。

次に、減衰部１７による弁体１１の自励振動の減衰作用に付いて説明する。
弁体１１に、弁体１１の中心軸線に対して直交する方向の振動である自励振動が励起されると、図２に示すように、弁体１１は振動することにより軸体１５に対する相対位置が変化し、液体室２７の形状も変化する。液体室２７の内部の粘性液体は、上述の液体室２７の形状変化に応じて、液体室２７内を軸体１５の周方向に沿って流動する。

減衰部１７の突起部２５は弁体１１の内周面とともに、上述の粘性液体の流動に対して絞りとして働き、粘性液体の流動に対する抵抗として働く。
このような、液体室２７内の粘性液体の流動、および、突起部２５の流動に対する抵抗としての働きにより弁体１１の振動に対する減衰力が働くため、弁体１１は高速で動くことができない。

次に、弁体１１の中心軸線と弁座９の中心軸線との調整作用について説明する。
弁体１１と弁座９とが、互いの中心軸線がずれた状態で接近すると、最初に弁体接触面２３の一部と弁座接触面２１の一部とが接触する。この状態でさらに弁体１１と弁座９とが接近すると、弁体１１は、弁座９により互いの中心軸線が一致する方向に押される。

弁座９に押されることにより、弁体１１の軸体１５に対する相対位置が変化し、液体室２７の形状も変化する。液体室２７の内部の粘性液体は、上述の液体室２７の形状変化に応じて、液体室２７内を軸体１５の周方向に沿って流動する。この流動は、上述の振動による流動と比較して、流速が遅く弁体１１に働く抵抗力は小さいため、弁体１１は容易に動くことができる。
そのため、弁体１１と弁座９とが接近し続けることにより、互いの中心軸線はより接近した状態となり、弁体１１の中心軸線と弁座９の中心軸線とが調整される。

上記の構成によれば、弁体１１に自励振動が発生しても振動はショックアブソーバとして働く減衰部１７により減衰されるため、弁体１１の自励振動を抑制することができる。
減衰部１７は、弁体１１と軸体１５との比較的速い相対移動に対して抵抗力を発揮するショックアブソーバであって、弁体１１の中心軸線と直交する方向への弁体１１の移動は許容するため、弁体１１の中心軸線と弁座９の中心軸線とを一致させることができる。そのため、弁体１１と弁座９を接触させたときに、弁体接触面２３と弁座接触面２１とが密着するため、液体の漏れを防止することができる。

〔第１の変形例〕
次に、本発明の第１の変形例について図４および図５を参照して説明する。
この第１の変形例の玉形弁の基本構成は、前記の実施形態と同様であるが、前記の実施形態とは、減衰部の変わりに抑制部が設けられている点が異なっている。よって、本変形例においては、図４および図５を用いて抑制部の構成のみを説明し、その他の構成等の説明を省略する。
図４は、本変形例に係る玉形弁の全体構成を説明する断面図である。
なお、前記の実施形態と同一の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。

玉形弁（弁装置）１０１には、図４に示すように、水などの液体（流体）が流れる入口流路３および出口流路５等が形成された弁箱７と、玉形弁１を流れる液体の流量を制御する弁座９および弁体１１と、弁体１１を弁座９に接触離間させる軸体１５と、弁体１１の自励振動を抑制する抑制部１１７と、が設けられている。

図５は、図４の抑制部の構成を説明するＢ−Ｂ断面図である。
抑制部１１７は軸体１５と弁体１１との間に配置され、弁体１１の自励振動を抑制するものである。抑制部１１７には、図５に示すように、弁体１１の自励振動を抑制するコイルバネ（弾性体）１２５および緩衝室１２７が設けられている。

コイルバネ１２５は、軸体１５から弁体１１に向かって延びるように配置された部材である。本変形例では、４つのコイルバネ１２５が軸体１５の周囲に約９０°の位相間隔をあけて配置された例に適用して説明する。一対のコイルバネ１２５は、入口流路３、出口流路５、連通流路１９が含まれる平面（図４における紙面）に含まれるように配置され、残りの一対のコイルバネ１２５は、上述の平面に対して直交するとともに軸体１５の中心軸線を含む平面に含まれるように配置されている。このように配置することで、弁体１１において自励振動が多く発生する振動方向に対する抑制力を効果的に発揮することができる。

なお、配置されるコイルバネ１２５は、最低限、上述のように４個配置されていればよく、４個よりも多く配置してもよく、特に限定するものではない。
また、上述のように、抑制部１１７にコイルバネ１２５を設けてもよいし、コイルバネ１２５の代わりに板バネを設けてもよく、特に限定するものではない。

緩衝室１２７は、軸体１５の外周面および弁体１１の内周面の間に形成されたほぼ円筒状の空間であって、内部にコイルバネ１２５が配置されたものである。

ここで、本変形例の特徴である弁体１１の自励振動の減衰作用、および、弁体１１の中心軸線と弁座９の中心軸線との調整作用について説明する。
弁体１１はコイルバネ１２５を介して軸体１５に相対移動可能に固定されており、コイルバネ１２５がない場合と比較して、弁体１１の固有振動数が高くなっている。すると、弁体１１と弁座９との間に形成される圧力分布の不均一に起因する振動周期と、弁体１１の振動周期との差が大きくなり、弁体１１の自励振動が抑制される。
そのため、コイルバネ１２５のバネ定数が高いほど弁体１１の自励振動の抑制効果が高くなる。

次に、弁体１１の中心軸線と弁座９の中心軸線との調整作用について説明する。
弁体１１と弁座９とが、互いの中心軸線がずれた状態で接近すると、最初に弁体接触面２３の一部と弁座接触面２１の一部とが接触する。この状態でさらに弁体１１と弁座９とが接近すると、弁体１１は、弁座９により互いの中心軸線が一致する方向に押される。

弁座９に押されることにより、弁体１１の軸体１５に対する相対位置が変化し、コイルバネ１２５の形状も変化する。そのため、弁体１１と弁座９とが接近し続けることにより、互いの中心軸線はより接近した状態となり、弁体１１の中心軸線と弁座９の中心軸線とが調整される。

上記の構成によれば、弁体１１の固有振動数を、弁体１１と弁座９との間に働く高速流に基づく振動の周波数、つまり自励振動の振動数と異なる振動数に変更することで弁体１１の自励振動の発生を抑制することができる。
コイルバネ１２５は変形することにより、弁体１１の中心軸線と直交する方向への弁体１１の移動を許容できるため、弁体１１と弁座９を接触させたときに、弁体接触面２３と弁座接触面２１とが密着するため、液体の漏れを防止することができる。

〔第２の変形例〕
次に、本発明の第２の変形例について図６および図７を参照して説明する。
この第２の変形例の玉形弁の基本構成は、第１の変形例と同様であるが、第１の変形例とは、抑制部の構成が異なっている。よって、本変形例においては、図６および図７を用いて抑制部の構成のみを説明し、その他の構成要素等の説明を省略する。
図６は、本変形例に係る玉形弁の全体構成を説明する断面図である。
なお、第１の変形例と同一の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。

玉形弁（弁装置）２０１には、図６に示すように、水などの液体（流体）が流れる入口流路３および出口流路５等が形成された弁箱７と、玉形弁１を流れる液体の流量を制御する弁座９および弁体１１と、弁体１１を弁座９に接触離間させる軸体１５と、弁体１１の自励振動を抑制する抑制部２１７と、が設けられている。

抑制部２１７は軸体１５と弁体１１との間に配置され、弁体１１の自励振動を抑制するものである。抑制部２１７には、弁体１１を支持するとともに自励振動を抑制する支持バ
ネ（弾性体）２２５および緩衝室２２７が設けられている。図７は、支持バネ（弾性体）２２５の斜視図である。

支持バネ２２５は、軸体１５に固定される上端板２２８と、弁体１１に固定される下端板２２９と、上端板２２８と下端板２２９との間に配置されたバネ部２３１とから構成されている。バネ部２３１は、互いに直交するとともに、弁体１１の中心軸線に沿って延びる板バネから構成されている。バネ部２３１を構成する板バネの一つは、入口流路３、出口流路５、連通流路１９が含まれる平面（図６における紙面）に含まれるように配置され、残りの板バネは上述の平面に対して直交するとともに軸体１５の中心軸線を含む平面に含まれるように配置されている。このように配置することで、弁体１１において自励振動が多く発生する振動方向に対する抑制力を効果的に発揮することができる。

緩衝室２２７は、軸体１５および弁体１１の内周面の間に形成されたほぼ円柱状の空間であって、内部に支持バネ２２５が配置されたものである。

ここで、本変形例の特徴である弁体１１の自励振動の減衰作用、および、弁体１１の中心軸線と弁座９の中心軸線との調整作用について説明する。
弁体１１は支持バネ２２５を介して軸体１５に相対移動可能に固定されており、支持バネ２２５がない場合と比較して、弁体１１の固有振動数が高くなっている。すると、弁体１１と弁座９との間に形成される圧力分布の不均一に起因する振動周期と、弁体１１の振動周期との差が大きくなり、弁体１１の自励振動が抑制される。
そのため、支持バネ２２５のバネ定数が高いほど弁体１１の自励振動の抑制効果が高くなる。

次に、弁体１１の中心軸線と弁座９の中心軸線との調整作用について説明する。
弁体１１と弁座９とが、互いの中心軸線がずれた状態で接近すると、最初に弁体接触面２３の一部と弁座接触面２１の一部とが接触する。この状態でさらに弁体１１と弁座９とが接近すると、弁体１１は、弁座９により互いの中心軸線が一致する方向に押される。

弁座９に押されることにより、弁体１１の軸体１５に対する相対位置が変化し、支持バネ２２５の形状も変化する。そのため、弁体１１と弁座９とが接近し続けることにより、互いの中心軸線はより接近した状態となり、弁体１１の中心軸線と弁座９の中心軸線とが調整される。

上記の構成によれば、弁体１１の固有振動数を、弁体１１と弁座９との間に働く高速流に基づく振動の周波数、つまり自励振動の振動数と異なる振動数に変更することで弁体１１の自励振動の発生を抑制することができる。
支持バネ２２５は変形することにより、弁体１１の中心軸線と直交する方向への弁体１１の移動を許容できるため、弁体１１と弁座９を接触させたときに、弁体接触面２３と弁座接触面２１とが密着するため、液体の漏れを防止することができる。

本発明の実施形態に係る玉形弁の全体構成を説明する断面図である。 図１の減衰部の構成を説明するＡ−Ａ断面図である。 図１の玉形弁における弁体の自励振動を説明する模式図である。 本発明の第１の変形例に係る玉形弁の全体構成を説明する断面図である。 図４の抑制部の構成を説明するＢ−Ｂ断面図である。 本発明の第２の変形例に係る玉形弁の全体構成を説明する断面図である。 支持バネの斜視図である。

符号の説明

１ 玉形弁（弁装置）
３ 入口流路（流路）
５ 出口流路（流路）
７ 弁箱（筐体）
９ 弁座
１１ 弁体
１５ 軸体
１７ 減衰部（抑制部）
１９ 連通流路（流路）
２５ 突起部
２７ 液体室

Claims (1)

1. 流路が形成された筐体と、
   前記流路を流れる流体の流量を調節する弁座および弁体と、
   前記弁体を前記筐体に設けられた前記弁座に対して接触離間させる軸体と、
   前記弁体の移動方向と交差する方向への前記弁体の移動を許容するとともに、前記弁体の振動を抑制する抑制部となる減衰部とが設けられ、
   前記減衰部は、
   前記軸体の外周面と前記弁体の内周面との間に形成されたほぼ円筒状の液体室と、
   前記軸体の外周面に突設されて、前記軸体と前記弁体の中心軸線が一致した状態において、前記弁体に触れない程度に前記液体室に向かって突出し、且つ前記軸体の中心軸線に沿って延びる板状の突起部と、
   前記液体室に満たされた粘性液体と、
   を備えて構成されていることを特徴とする弁装置。

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