JP5360784B2 - 弁装置 - Google Patents

Description

本発明は、早い開弁速度が要求されるリリーフ弁等に適用されて好適な弁装置に関するものである。

タンク等の密閉容器では、気温の変化や内部の蒸気圧の変化等によってその内部圧力が上昇し、設定圧力以上に達することがある。

例えば、ケミカルタンカーやオイルタンカー等に設備されている密閉容器としてのタンクにあっては、積載物の積み込みよってタンク内の気体が圧縮されて内部圧力が上昇することがある。また、安全上の理由により、積載物が積み込まれた余剰空間部に不活性ガス等を充填している。この場合には、気温により不活性ガスが膨張し内部圧力の上昇をきたすことがある。

このような圧力上昇を抑制するために、密閉容器にリリーフ弁を設けて、内部圧力が設定圧力に至った際に、密閉容器内の気体を外部へ放出して内部圧力を設定圧力以内に保持することが行われている。

例えば、ケミカルタンカー等に設備されるリリーフ弁においては、開弁から閉弁までの間、常に排気速度を３０ｍ／ｓｅｃ以上の高速で上方へ排気することにより、タンクへの火災の侵入を防止する安全対策が採られている（特許文献１）。

特許第４２８２３２６号公報

ところで、このように排気速度を３０ｍ／ｓｅｃ以上の高速にするためには、弁体の開弁速度を速くする必要がある。このタンク内圧を利用して弁体の開弁速度を速くする方法として、弁体の自重を小さくする方法と、弁体の受圧面積を大きくする方法がある。

しかしながら、弁体の自重を小さくする方法、即ち、弁体を軽くする方法では、弁体の自重による閉弁機能が低下するため、目的とする設定値よりも低い圧力で開弁する問題がある。

弁体の受圧面積を大きくする方法としては、弁体に設定圧力で開弁させる第１の受圧面と、それよりも大きい面積を有する第２の受圧面とを設け、タンク内圧を第１の受圧面から第２の受圧面に段階的に作用させることで、開弁速度を速くする方法が考えられる。この方法では、弁体を持ち上げる力が第１の受圧面と第２の受圧面との面積比に対応して上昇するため、この面積比を大きくすることで、開弁速度をより速くすることが可能である。

しかし、ただ単に第２の受圧面を設けただけでは、その第２の受圧面が作動段階にあるとき弁体は既に開状態に移行しているため、タンク内圧を弁体の開弁速度を速める力として十分に作用させることはできない。即ち、第２の受圧面の作動段階では、弁体が既に開状態に移行していて気体の放出が開始されているため、その分、開弁速度が低下するという問題が残る。

本発明は、前述した従来の問題点に鑑みてなされたもので、密閉容器内の圧力が設定値を超えた際の開弁速度をより速くして流体の放出動作の応答性を向上させることができる弁装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するための本発明は、弁体と、弁体が当接する弁座と、弁体により開閉される流体排出口が形成された弁箱とを備え、弁箱に導かれる流体の圧力が設定値に至った際に、その圧力により前記流体排出口が開状態となり、弁箱内の流体を弁箱外へ放出する弁装置であって、
前記弁体には、前記弁箱内の圧力が常時作用する第１の受圧面と、弁体が前記弁座から離間させられた際に前記弁箱内の圧力が作用する第２の受圧面とが形成され、
前記弁体又は弁座には、相互に気密状態又は液密状態で摺動可能に嵌合するガイド部が、前記第２の受圧面を取り囲むように形成されていることを特徴とする。

このような構成とすることにより、弁箱内の圧力が所定圧力に達すると、弁体に形成されている第１の受圧面に作用する力によって、弁体が開弁方向へ移動させられる。

開弁動作の初期において、弁体が弁座より離間した際に、この弁体に形成されている第２の受圧面が弁箱へ連通させられるとともに、この第２の受圧面に弁箱内の圧力が作用し、この第２の受圧面に作用する力が前記弁体に加わることにより、弁体の開弁動作が加速される。
このとき、弁体又は弁座には、相互に気密状態又は液密状態で摺動可能に嵌合するガイド部が、第２の受圧面を取り囲むように形成されているので、第２の受圧面から排出される流体の量をガイド部によって抑制することが可能になり、第２の受圧面に作用する力を確実に得ることができる。
これにより、密閉容器内の圧力が設定値を超えた際の開弁速度をより速くして流体の放出動作の応答性を格段に向上させることができる。

本発明の好ましい形態では、前記弁座が前記流体排出口の周囲に環状に形成され、前記ガイド部は、前記弁座の外周部分から弁体側へ向かい立ち上がっていることを特徴とする。

このように、ガイド部を弁座の外周部分から弁体側へ向かい立ち上がっている構成とすることで、弁体及び弁座の構造をより簡素化して製作性の向上並びに低コスト化を図ることができる。

本発明の好ましい形態では、前記弁座は、前記流体排出口からその径方向へ離れるにしたがって弁体側へ傾斜したテーパ面に形成され、前記弁体には、前記テーパ面に対応する斜面と、前記ガイド部に接触する摺動面とが設けられていることを特徴とする。

このように、弁体に、テーパ面に対応する斜面と、ガイド部に接触する摺動面とを設けることで、原理的には既存の弁体や弁座の構造を適用し、それにガイド部を加えるだけの簡便な構造で済ますことができる。これにより、弁体及び弁座の構造をより簡素化して製作性の向上並びに低コスト化を図ることができる。

本発明の好ましい形態では、前記ガイド部が前記弁体に設けられ、このガイド部が気密状態又は液密状態で摺動可能に嵌合する嵌合面が弁座の外周部分に設けられていることを特徴とする。

このように、ガイド部を弁体に設けても、上記と同様の効果を得ることができるが、特に、弁体と弁座の相対する面に斜面を設けない、平面と鉛直面だけの簡易な構成とすることができる。

本発明の好ましい形態では、前記弁体の第１の受圧面と第２の受圧面との間に、第１の受圧面の周囲を囲む環状の凸部が設けられ、前記弁座に対して前記弁体が前記凸部を介して当接した状態で、前記第２の受圧面を形成する空間が設けられていることを特徴とする。

このような構成とした場合、環状の凸部によって第１の受圧面と第２の受圧面が区画されると共に、弁体が閉状態にあるときでも第２の受圧面を形成する空間が形成されているので、この第２の受圧面の機能をさらに高めることができる。

本発明の好ましい形態では、前記弁体が、鉛直方向に移動可能に設けられ、質量により前記弁体が前記弁座へ向けて付勢されていることを特徴とする。

このような構成とすることにより、弁体の質量と弁体に付随する部材の合計質量に対してのみ、開弁動作ならびに閉弁動作のための諸条件の設定、各種受圧面の面積、寸法等の設定を行うものであるから、設定が簡便で容易である。

本発明によれば、密閉容器内の圧力が設定値を超えた際の開弁速度をより速くして流体の放出動作の応答性を格段に向上させることができる。

本発明の実施形態１に係る弁装置を示す縦断面図である。 本発明の実施形態１に係る弁装置の動作を説明するための縦断面図である。 本発明の実施形態１に係る弁装置の要部の拡大縦断面図である。 本発明の実施形態１に係る弁装置の可動体の他の例を示す正面図である。 本発明の実施形態２に係る弁装置の要部の概略縦断面図である。 本発明の実施形態２に係る弁装置の動作を説明するための概略縦断面図である。 本発明の実施形態３に係る弁装置の要部の概略縦断面図である。 本発明の実施形態３に係る弁装置の動作を説明するための概略縦断面図である。

以下、本発明の実施形態について図１ないし図８を参照して説明する。
＜実施形態１＞
図１中、符号１は、実施形態１に係るリリーフ弁（弁装置）を示し、弁体２と、図示しない密閉容器に取り付けられて、その内部と連通させられる気体導入口（流体導入口）３ａ、および密閉容器内の気体を外部へ放出する気体排出口（流体排出口）３ｂとを備えた弁箱３とを備えている。

前記弁体２には、前記弁箱３の内壁との間に気体の流路Ｌを形成する可動体４が同軸上に設けられている。前記弁体２には、前記弁箱３内の圧力が常時作用する第１の受圧面２ａと、弁体２が前記弁箱３の気体排出口３ｂの内面に形成された略円錐台形状の弁座３ｃから離間させられた際に前記弁箱３内の圧力が作用する第２の受圧面２ｂとが形成されている。

また、図３に示すように、前記弁箱３には、前記弁体２が気密状態で摺動可能に嵌合させられるガイド部１５を、前記第２の受圧面２ｂを取り囲むように形成して、第２の受圧面２ｂへの圧力の作用を高めるように構成してある。

この実施形態１では、弁体２の弁座３ｃが気体排出口３ｂの周囲に環状に形成され、ガイド部１５は、弁座３ｃの外周部分から弁体２側へ向かい立ち上がっている。この立ち上がり寸法としては、弁体２の重量や、弁体２が開弁動作するときの設定圧力等によっても異なるが、数ミリから数センチ程度の範囲に設定される。

このガイド部１５の立ち上がり寸法が小さすぎると弁体作動後、上方へ排気されない。立ち上がり寸法が大きすぎると弁体閉鎖時の圧力が逃げきらず閉弁の動作に支障が出ることも考えられる。したがって、ガイド部１５の立ち上がり寸法はこれらの点にも配慮して決定される。

弁座３ｃは、気体排出口３ｂからその径方向へ離れるにしたがって弁体２側へ傾斜したテーパ面に形成されている。弁体２の第２の受圧面２ｂは、弁座のテーパ面に対応する斜面に形成されている。さらに、弁体２には、前記ガイド部１５の内面に接触する摺動面２ｃが設けられている。

前記弁体２が、本実施形態では鉛直方向に移動可能に設けられ、質量により弁体２が弁座３ｃへ向けて付勢されている。

さらに、本実施形態では、前記可動体４に、前記第１の受圧面２ａよりも大きな第３の受圧面４ａが形成されている。前記弁箱３の内壁には、前記弁体２が前記弁座３ｃから離間させられた際に、前記可動体４と協働して前記流路Ｌを狭める小径部３ｄが形成され、この小径部３ｄの上流側が大径部３ｅとなされている。３ｆは吸気弁の取り付け部である。

前記弁体２および可動体４は、前記弁箱３の中心部に一方向（本実施形態においては上下方向）に往復動可能に装着されたロッド５の上端部および略中間部に一体に取り付けられている。
すなわち、前記可動体４は、前記ロッド５に被嵌されているとともに、前記ロッド５にピン６を介して軸方向の移動が拘束された状態で取り付けられたストッパー７と、このストッパー７と所定間隔をおいて螺着されたナット８とによって前記ロッド５に固定されている。

前記弁体２は、前記ロッド５に被嵌されているとともに、このロッド５の上端部近傍に形成された段部（図示略）と、前記ロッド５の端部に螺着されたナット９とによって挟持されて固定されている。
また、この弁体２に形成されている前記第２の受圧面２ｂは、前記弁座３ｃの内面形状とほぼ同一の外面形状に形成され、この弁座３ｃに気密に当接させられるようになっている。

前記弁箱３は、円筒状で略中間部にステー１０ａが形成された本体１０と、この本体１０の上端部に着脱可能に装着された蓋体１１とによって構成されている。

前記ステー１０ａの中央には、前記ロッド５が摺動自在に嵌合させられるガイドブッシュ１２が一体に取り付けられている。また、前記蓋体１１の上端部内面には前記弁座３ｃが形成されているとともに、上下方向略中間部には、前記ロッド５が摺動自在に嵌合されるガイド１３が複数のステー１４を介して一体に設けられている。

このように構成された本実施形態に係るリリーフ弁１は、図１に示すように、弁体２の第２の受圧面２ｂが蓋体１１の弁座３ｃに全周にわたって気密に当接させられることにより、気体排出口３ｂが閉じられる閉弁状態となされる。
本実施形態においては、前記弁体２や可動体４およびこれらを連結するロッド５やストッパー７、ピン６、ナット８，および、ナット９等の質量によって前記弁体２と弁座３ｃとの当接がなされている。

タンカーのタンク等の図示しない密閉容器に接続されて使用されるリリーフ弁１は、その内部の圧力が前記密閉容器内の圧力と均衡しており、その圧力が、弁体２の第１の受圧面２ａに作用し、開弁方向への力が作用している。
このとき、前記可動体４には、気体による力は作用していない。前記弁体２が閉弁位置に位置させられていて、可動体４の全周にわたって均一な圧力が作用しているからである。

密閉容器内の圧力が上昇すると、弁箱３内の圧力も上昇し、第１の受圧面２ａに作用する開弁方向への力が増加し、設定圧力以上になった時点で弁体２が開方向へ移動させられる。

弁体２の開方向への移動に伴い、第２の受圧面２ｂが弁座３ｃより離間し、この第２の受圧面２ｂに圧力が加わり開弁方向への力が生じ、前記第１の受圧面２ａに加わる力とともに弁体２を開弁方向へ移動させる。

このとき、弁箱３の弁座３ｃの周囲には、相互に気密状態又は液密状態で摺動可能に嵌合するガイド部１５が、第２の受圧面２ｂを取り囲むように形成されているので、第２の受圧面２ｂから排出される気体の量をガイド部１５によって抑制することが可能になり、第２の受圧面２ｂに作用する力を確実に得ることができる。これにより、密閉容器内の圧力が設定値を超えた際の開弁速度をより速くして気体の放出動作の応答性を格段に向上させることができる。

また、このように、ガイド部１５を弁座３ｃの外周部分から弁体２側へ向かい立ち上がっている構成とすることで、弁体２及び弁座３ｃの構造をより簡素化して製作性の向上並びに低コスト化を図ることができる。

また、弁体２に、弁座３ｃのテーパ面に対応する斜面（第２の受圧面２ｂ）と、図３に示すようにガイド部１５に接触する摺動面２ｃとを設けることで、原理的には既存の弁体や弁座の構造を適用し、それにガイド部を加えるだけの簡便な構造で済ますことができる。これにより、弁体２及び弁箱３の弁座３ｃの構造をより簡素化して製作性の向上並びに低コスト化を図ることができる。

また、前記弁体２を、鉛直方向に移動可能に設け、質量により弁体２を弁座３ｃへ向けて付勢してあるので、弁体２の質量と弁体２に付随する部材の合計質量に対してのみ、開弁動作ならびに閉弁動作のための諸条件の設定、各種受圧面の面積、寸法等の設定を行うものであるから、設定が簡便で容易である。

本実施形態においては、弁体２の開弁動作が継続すると、図２に示すように、弁箱３が大きく開放されて、可動体４の弁座３ｃ側の圧力が低下する。
これによって、可動体４の流路Ｌの上流側と下流側とに圧力差が生じ、この圧力差によって、前記可動体４が、弁座３方向へ移動させられる。

また、可動体４の移動により、この可動体４が弁箱３の小径部３ｄへ移動し流路Ｌを狭め、前記可動体４の上流側の圧力が上昇し、この可動体４の開弁方向への押圧力が高められる。

このように、複数の押圧力が合わさって開弁方向に作用することなり、開弁速度がさらに著しく向上する。

前記密閉容器内の圧力が設定圧力より低くなると閉弁動作が開始されるが、この閉弁動作時において、弁体２を開方向に移動させようとする力が、可動体４の大径部３ｅへの移動によって急激に減少する。
したがって、弁体２は閉弁位置に向かって急速に移動し、その慣性力と相まって、迅速な閉弁が行われる。

なお、前記実施形態において示した各構成部材の諸形状や寸法等は一例であって、設計要求等に基づき種々変更可能である。

また、前記実施形態の可動体４は、肉厚の円筒部材を切削加工して小径部分と大径部分とを形成した例を示しているが、この可動体４としては、図４に示すように、筒状の本体部４１と、その上端部に固定した孔あき円板４２とにより構成しても良い。
このように構成した場合、可動体４自体の制作性が容易で、より低コスト化を図ることができる。

＜実施形態２＞
図５は、本発明を高速排気管頭に適用した場合に好適な弁装置の要部の概略縦断面図であり、図６はその弁装置の動作を説明するための概略縦断面図である。なお、これらの図では、説明の便宜上、弁体と便座の関係を原理的に示してある。また、これらの図において、図３と基本的に同一の構成要素については同一の符号を付してある。

この実施形態２では、前記ガイド部１５が前記弁体２に設けられ、このガイド部１５が気密状態又は液密状態で摺動可能に嵌合する嵌合面３１が弁座３ｃの外周部分に設けられている。弁座３ｃは平坦な面に形成されている。弁体２は、内部に図示しないバルブウエイトを備えている。弁体２の上部はカバー２１で覆われている。

気体排出口３ｂの周囲には、弁体２側へ突出する上向き凸部３２が、気体排出口３ｂの周囲に沿って環状に形成されている。一方、弁体２の第１の受圧面２ａと第２の受圧面２ｂとの間には、第１の受圧面２ａの周囲を囲む環状の下向き凸部２２が設けられている。そして、前記弁座３ｃの上向き凸部３２に対して前記弁体２が前記下向き凸部２２を介して当接した状態で、前記第２の受圧面２ｂを形成する空間２３が設けられている。

このような構成とした場合、環状の下向き凸部２２によって第１の受圧面２ａと第２の受圧面２ｂが区画されると共に、弁体２が閉状態にあるときでも第２の受圧面２ｂを形成する空間２３が形成されているので、この第２の受圧面２ｂの機能をさらに高めることができる。

即ち、弁体２の開弁動作の初期においては、この下向き凸部２２の存在により、第２の受圧面２ｂにおける弁体２と便座３ｃ間の間隙に比べて凸部２２、３２間の間隙は小さい。そのため、凸部２２、３２間の間隙から第２の受圧面２ｂを形成する空間２３に流入する気体により、弁体２を開弁動作させる力を増大させることができる。また、第２の受圧面２ｂの面積をより大きく形成できると共に、傾斜のない平坦な面として形成することができる。

＜実施形態３＞
図７は本発明の実施形態３に係る弁装置の要部の概略縦断面図であり、図８はその弁装置の動作を説明するための概略縦断面図である。なお、この実施形態３においても、説明の便宜上、弁体と便座の関係を原理的に示してある。また、これらの図において、図５と基本的に同一の構成要素については同一の符号を付してある。

この実施形態３では、前記ガイド部１５が前記弁箱３に設けられ、このガイド部１５が気密状態又は液密状態で摺動可能に嵌合する摺動面２ｃが弁体２の外周部分に設けられている。前記弁座３ｃは平坦な面に形成され、かつ、前記気体排出口３ｂの周囲に環状に形成されている。前記ガイド部１５は、前記弁座３ｃの外周部分から弁体２側へ向かい立ち上がっている。弁体２は、実施形態２と同様に、内部に図示しないバルブウエイトを備え、弁体２の上部はカバー２１で覆われている。

弁体２の第１の受圧面２ａと第２の受圧面２ｂとの間には、第１の受圧面２ａの周囲を囲む環状の下向き凸部２２が設けられている。そして、前記平坦な弁座３ｃに対して前記弁体２が前記下向き凸部２２を介して当接した状態で、前記第２の受圧面２ｂを形成する空間２３が設けられている。

このような構成とした場合、環状の下向き凸部２２によって第１の受圧面２ａと第２の受圧面２ｂが区画されると共に、弁体２が閉状態にあるときでも第２の受圧面２ｂを形成する空間２３が形成されているので、この第２の受圧面２ｂの機能をさらに高めることができる。また、ガイド部１５を弁箱３の弁座３ｃ側に設けることで、図示のように弁体２及び弁座３ｃの構造を簡素化して製作性の向上並びに低コスト化を図ることができる。また、第２の受圧面２ｂの面積をより大きく形成できると共に、傾斜のない平坦な面として形成することができる。

なお、以上の実施例では、本発明をリリーフ弁等の気体圧制御用の弁装置に適用した例を示したが、本発明はこれに限らず、蒸気圧制御弁や液体圧制御弁等の流体圧制御用の弁装置として広く適用可能である。

１ リリーフ弁
２ 弁体
２ａ 第１の受圧面
２ｂ 第２の受圧面
２１ カバー
２２ 下向き凸部
３ 弁箱
３ａ 気体導入口
３ｂ 気体排出口
３ｃ 弁座
３ｄ 小径部
３ｅ 大径部
３１ 嵌合面
３２ 上向き凸部
４ 可動体
５ ロッド
６ ピン
７ ストッパー
８ ナット
９ ナット
１０ 本体
１０ａ ステー
１１ 蓋体
１２ ガイドブッシュ
１３ ガイド
１４ ステー
１５ ガイド部

Claims (6)

1. 弁体と、弁体が当接する弁座と、弁体により開閉される流体排出口が形成された弁箱とを備え、弁箱に導かれる流体の圧力が設定値に至った際に、その圧力により前記流体排出口が開状態となり、弁箱内の流体を弁箱外へ放出する弁装置であって、
   前記弁体には、前記弁箱内の圧力が常時作用する第１の受圧面と、弁体が前記弁座から離間させられた際に前記弁箱内の圧力が作用する第２の受圧面とが形成され、
   前記弁体又は弁座には、相互に気密状態又は液密状態で摺動可能に嵌合するガイド部が、前記第２の受圧面を取り囲むように形成されていることを特徴とする弁装置。
2. 前記弁座が前記流体排出口の周囲に環状に形成され、前記ガイド部は、前記弁座の外周部分から弁体側へ向かい立ち上がっていることを特徴とする、請求項１に記載の弁装置。
3. 前記弁座は、前記流体排出口からその径方向へ離れるにしたがって弁体側へ傾斜したテーパ面に形成され、前記弁体には、前記テーパ面に対応する斜面と、前記ガイド部に接触する摺動面とが設けられていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の弁装置。
4. 前記ガイド部が前記弁体に設けられ、このガイド部が気密状態又は液密状態で摺動可能に嵌合する嵌合面が弁座の外周部分に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の弁装置。
5. 前記弁体の第１の受圧面と第２の受圧面との間に凸部が設けられ、前記弁座に対する弁体の当接状態で、前記第２の受圧面を形成する空間が設けられていることを特徴とする、請求項１〜４の何れかに記載の弁装置。
6. 前記弁体が、鉛直方向に移動可能に設けられ、質量により前記弁体が前記弁座へ向けて付勢されていることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の弁装置。

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