JP5913150B2 - スフェリカルバルブ - Google Patents

Description

本発明は、球面で弁箱内周面と接触する弁体を二次偏心させたスフェリカルバルブに関する。

スフェリカルバルブ（球形弁）は、弁箱内の円形断面の流路と直交するように配置した弁棒に、球面で弁箱内周面と接触する弁体を取り付け、弁棒と弁体を一体に回動させて流路を開閉するもので、特に水力発電所の高落差水車用入口弁によく用いられている。そして、一般的なスフェリカルバルブでは、弁箱の上流側と下流側の内周面に、それぞれ流路の中心軸と平行にスライド可能で、弁体に対して接離するシートを設け、これらのシートを水圧や油圧で所定の回動位置にある弁体に押し付けることにより流路を閉止するようになっている（例えば、特許文献１参照。）。また、そのシートは、通常、下流側のものが常時使用される常用シート、上流側のものが常用シートの交換等を行うときにのみ使用されるメンテナンスシートとされている。なお、可動のメンテナンスシートを弁体側に取り付け、弁箱内周面に対して接離させるタイプのものもある。

ところで、上記のような可動の常用シートおよびメンテナンスシートを有するスフェリカルバルブは、各シートをスライドさせるための構造が複雑で操作も煩雑になる。そこで、常用シートを固定のものとするとともに、弁体の回動中心軸を流路の中心軸と直交する弁体の中心軸に対して流路と直交する方向に偏心（一般に、「二次偏心」と呼ばれる。）させ、弁体を回動させたときに弁体が常用シートに押し付けられて流路が閉止される構成とすることにより、構造および操作の簡素化を図ったものが提案されている。しかし、この構成では、メンテナンスシートを使用するときに、回動中心軸の偏心した弁体がメンテナンスシートを介して弁箱に押し付けられることにより揺動し、流路の閉止が不完全になる問題があった。

これに対して、本出願人は、可動のメンテナンスシートと弁体との接触位置を、弁体の回動中心軸の流路内での中心点を頂点とする円錐の底面の周縁位置とすることにより、メンテナンスシートを弁体に押し付けたときの弁体の揺動をなくし、流路を確実に閉止できるようにしたものを提案した（特許文献２）。

特公平４−１２３３号公報 特許第３８３０４１２号公報

上記特許文献２のスフェリカルバルブでは、可動のメンテナンスシートと弁体とを流路と直交する平面内で接触させると（上記円錐の中心軸を流路の中心軸と平行にすると）、その円形接触部の中心が流路の中心軸から偏心する。そして、弁箱の上流側開口にはメンテナンスシートを抜け止めする環状部材（以下、「メンテナンスシート保持部材」と称する。）が嵌め込まれるので、弁箱の上流端近傍の内周面の中心およびメンテナンスシート保持部材の外周面の中心も流路の中心軸から偏心することになる。このため、弁箱の上流端部を配管用ボルトのＰＣＤ（ピッチ円直径）が小さい配管フランジに接続しようとする場合に、バルブ周方向の一部で弁箱の上流端面にねじ込まれる配管用ボルトとメンテナンスシート保持部材の円周部の外周部とが干渉してしまい、設計変更が必要となることがある。

そこで、本発明は、弁体を二次偏心させたスフェリカルバルブにおいて、メンテナンスシート使用時の流路閉止性能を確保しつつ、設計自由度を向上させることを課題とする。

上記の課題を解決するために、本発明は、内部に円形断面の流路が形成された弁箱と、この弁箱内で回動して流路を開閉する弁体を備え、前記弁体の回動中心軸が、前記流路の中心軸と直交する弁体の中心軸に対して流路と直交する方向に偏心しており、前記弁箱の下流側の内周面に、前記弁体が流路を閉止するときに押し付けられる常用シートを設け、前記流路の上流側には、前記弁箱と弁体のうちの一方に前記流路の中心軸と平行にスライド可能に取り付けられ、他方に対して接離するメンテナンスシートを設け、前記メンテナンスシートの弁体または弁箱との接触位置を、前記弁体の回動中心軸の流路内での中心点を頂点とする円錐の底面の周縁位置としたスフェリカルバルブにおいて、前記メンテナンスシートの弁体または弁箱との円形接触部の中心が、前記弁体の回動中心軸よりも前記流路の中心軸に近づくように、前記円錐の中心軸を流路の中心軸に対して傾けた構成を採用した。

すなわち、可動のメンテナンスシートと弁体または弁箱との接触位置を、弁体の回動中心軸の流路内での中心点を頂点とする円錐の底面の周縁位置とすることにより、前述の特許文献２のものと同様、メンテナンスシート使用時に流路を確実に閉止できるようにし、さらにそのメンテナンスシートと弁体または弁箱との円形接触部の中心を弁体の回動中心軸よりも流路の中心軸に近づけることにより、弁箱の上流側開口に嵌め込まれるメンテナンスシート保持部材（メンテナンスシートを弁体に設ける場合は、弁箱側のメンテナンスシートとの接触部）の外周面の偏心量を小さくして、バルブの全周でメンテナンスシート保持部材と弁箱の上流端面にねじ込まれる配管用ボルト等との干渉を生じにくくし、設計自由度を高められるようにしたのである。

ここで、望ましくは、前記円形接触部の中心を前記流路の中心軸上に設定して、円形接触部を流路と同心とするとよい。

また、本発明のスフェリカルバルブは、水力発電所の高落差水車用入口弁に対して特に有効に適用することができる。

本発明のスフェリカルバルブは、上述したように、上流側の可動のメンテナンスシートと弁体または弁箱との接触位置を、弁体の回動中心軸の流路内での中心点を頂点とする円錐の底面の周縁位置とし、その円形接触部の中心を弁体の回動中心軸よりも流路の中心軸に近づけたものであるから、メンテナンスシート使用時に流路を確実に閉止できるとともに、弁箱の上流側構造と弁箱の上流端面にねじ込まれる配管用ボルト等との干渉が生じにくく、設計自由度の高いものとすることができる。

実施形態のスフェリカルバルブの一部切欠き正面図 図１のII−II線に沿った断面図（メンテナンスシート使用時） ａ、ｂはそれぞれ図２のメンテナンスシートを進退させる構造の説明図 図２に対応して図１のスフェリカルバルブの流路開放動作を説明する断面図

以下、図面に基づき、本発明の実施形態を説明する。このスフェリカルバルブは、水力発電所の高落差水車用入口弁として用いられるもので、図１および図２に示すように、内部に円形断面の流路１が形成された弁箱２と、弁箱２の左右両側に形成された筒部に通され、流路１と直交する水平方向の同一軸心のまわりに回動自在に支持された２本の弁棒３、４と、弁箱２内で両弁棒３、４と一体に回動して流路１を開閉する略球形の弁体５と、弁箱２の下流側の内周面に設けられた常用シート６と、弁箱２の上流側の内周面に設けられたメンテナンスシート７と、弁箱２の上流側開口に嵌め込まれるメンテナンスシート保持部材８とで基本的に構成されている。その弁箱２は、軸方向に２分割されており、上流側部材２ａと下流側部材２ｂとを接続して組み立てられている。

前記弁体５は、その中央部を貫通して、流路１開放時に流体を通す円形孔５ａを有しており（図４参照）、下流側の外面に常用シート６と接触する環状の弁体シート９が取り付けられ、上流側の外面にメンテナンスシート７と接触する環状の弁体シート１０が取り付けられている。そして、両側部をそれぞれ弁棒３、４に連結されており、その回動中心軸（弁棒３、４の中心軸）ｐは、流路１の中心軸Ｘと直交する弁体５の中心軸Ｐに対して流路１と直交する方向に偏心（二次偏心）している。

前記常用シート６は、弁箱２の下流側開口に嵌め込まれる円筒部６ａと、弁箱２の下流端面にねじ止め固定されるフランジ部６ｂとからなり、その円筒部６ａの先端部に弁体５の下流側弁体シート９が押し付けられるようになっている。また、フランジ部６ｂには、弁箱２の下流端面のボルト穴２ｃにねじ込まれる配管用ボルト（図示省略）を通す取付孔６ｃが設けられている。

この常用シート６と弁体５の下流側の弁体シート９との接触位置は、弁体５の中心軸Ｐの流路１内での中心点を頂点とする円錐Ｃｃの底面の周縁位置とされ、その円形接触部の中心Ｏｃが流路１の中心軸Ｘ上に設定されている（円錐Ｃｃの中心軸Ｑｃが流路１の中心軸Ｘと一致している）。すなわち、常用シート６は、流路１と直交する平面内で弁体５と接触するようになっている。

一方、前記メンテナンスシート７は、軸方向中央部の外周側に環状凸部７ａを有する円筒形に形成されており、全体が弁箱２の上流側内周に流路１の中心軸Ｘと平行にスライド可能に挿入されて、メンテナンスシート保持部材８に抜け止めされている。そして、図３（ａ）、（ｂ）にも示すように、軸方向両端部および環状凸部７ａの外周面で弁箱２の内周面およびメンテナンスシート保持部材８の内周面と軸方向に摺動して、先端部が弁体５に対して接離するようになっている。

このメンテナンスシート７と弁体５の上流側の弁体シート１０との接触位置は、弁体５の回動中心軸ｐの流路１内での中心点を頂点とする円錐Ｃｍの底面の周縁位置とされており、その円形接触部の中心Ｏｍが流路１の中心軸Ｘ上に位置するように、円錐Ｃｍの中心軸Ｑｍが流路１の中心軸Ｘに対して傾けられている。すなわち、メンテナンスシート７は、流路１と直交する平面を弁体５の回動中心軸ｐのまわりに回転させた平面内で弁体５と接触しており、その円形接触部が流路１と同心となっている。

前記メンテナンスシート保持部材８は、弁箱２の上流側開口に嵌め込まれる円筒部８ａと、弁箱２の上流端面と対向するフランジ部８ｂとからなり、その円筒部８ａの挿入端側の内周面にメンテナンスシート７の後端部の外周面が摺接している。また、フランジ部８ｂには、弁箱２の上流端面のボルト穴２ｄにねじ込まれる配管用ボルト（図示省略）を通す取付孔８ｃが設けられている。ここで、前述のようにメンテナンスシート７と弁体５との円形接触部が流路１と同心となっていることに伴い、弁箱２の上流端近傍の内周面およびメンテナンスシート保持部材８の円筒部８ａの外周面も、流路１と同心とされている。

なお、図２では常用シート６とメンテナンスシート７の両方が弁体５に接触した状態となっているが、後述するように、通常はメンテナンスシート７が後退して弁体５から離れた状態で使用され、常用シート６の交換等を行うときのみ、メンテナンスシート７を前進させて弁体５に接触させ、弁箱２の上流側で流路１を閉止する。

前記メンテナンスシート７を軸方向に進退させる構造としては、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、弁箱２の上流側部材２ａに、メンテナンスシート７の環状凸部７ａの下流側に形成される密封空間への給排水路２ｅを設け、メンテナンスシート保持部材８には、メンテナンスシート７の環状凸部７ａの上流側に形成される密封空間への給排水路８ｄを設けている。

すなわち、メンテナンスシート保持部材８の給排水路８ｄに圧力水を供給し、弁箱２の給排水路２ｅを開放すると、メンテナンスシート７を前進させて弁体５の上流側弁体シート１０に接触させることができ（図３（ａ））、弁箱２の給排水路２ｅに圧力水を供給し、メンテナンスシート保持部材８の給排水路８ｄを開放すると、メンテナンスシート７を後退させて弁体５から離せる（図３（ｂ））ようになっている。なお、この実施形態ではメンテナンスシート７を進退させるのに圧力水を用いたが、これを圧油に代えることもでき、他の機械式進退機構を採ることもできる。

このスフェリカルバルブは、上記の構成であり、通常時は、図３（ｂ）のようにメンテナンスシート７を二次偏心させた弁体５から離した状態で使用され、弁体５の下流側弁体シート９を常用シート６に押し付けることによって流路１を閉止し、この状態から弁体５を回動させることにより、図４に示すように弁体５の円形孔５ａに流体を通して流路１を開放する。

また、常用シート６の交換等を行うときは、図３（ａ）のようにメンテナンスシート７を前進させて弁体５の上流側弁体シート１０に接触させ、弁箱２の上流側で流路１を閉止する。このとき、メンテナンスシート７は弁体５の回動中心軸ｐの流路１内での中心点を頂点とする円錐Ｃｍの底面の周縁位置で弁体５の上流側弁体シート１０と接触するので、弁体５が揺動することがなく、流路１を確実に閉止することができる。

そして、メンテナンスシート７と弁体５との円形接触部を流路１と同心とすることにより、弁箱２の上流側開口に嵌め込まれるメンテナンスシート保持部材８の円筒部８ａの外周面も流路１と同心にできるようにしたので、バルブの全周でメンテナンスシート保持部材８の円筒部８ａの外周部と前記弁箱２の上流端面のボルト穴２ｄにねじ込まれる配管用ボルトとの干渉が生じにくく、設計自由度の高いものとなっている。

なお、メンテナンスシートと弁体との円形接触部は、必ずしも上述した実施形態のように流路と同心にする必要はなく、その接触位置を規定する円錐の中心軸を流路の中心軸に対して傾けることにより、その中心が少なくとも弁体の回動中心軸よりも流路の中心軸に近い位置に設定されておればよい。

また、本発明は、可動のメンテナンスシートを弁体側に取り付け、弁箱内周面に対して接離させるタイプのスフェリカルバルブにももちろん適用することができる。

１ 流路
２ 弁箱
２ｃ、２ｄ ボルト穴
３、４ 弁棒
５ 弁体
６ 常用シート
７ メンテナンスシート
８ メンテナンスシート保持部材
９、１０ 弁体シート
Ｏｃ 常用シートと弁体との円形接触部の中心
Ｏｍ メンテナンスシートと弁体との円形接触部の中心
Ｐ 弁体の中心軸
ｐ 弁体の回動中心軸
Ｘ 流路の中心軸

Claims (3)

1. 内部に円形断面の流路が形成された弁箱と、この弁箱内で回動して流路を開閉する弁体を備え、前記弁体の回動中心軸が、前記流路の中心軸と直交する弁体の中心軸に対して流路と直交する方向に偏心しており、前記弁箱の下流側の内周面に、前記弁体が流路を閉止するときに押し付けられる常用シートを設け、前記流路の上流側には、前記弁箱と弁体のうちの一方に前記流路の中心軸と平行にスライド可能に取り付けられ、他方に対して接離するメンテナンスシートを設け、前記メンテナンスシートの弁体または弁箱との接触位置を、前記弁体の回動中心軸の流路内での中心点を頂点とする円錐の底面の周縁位置としたスフェリカルバルブにおいて、
   前記メンテナンスシートの弁体または弁箱との円形接触部の中心が、前記弁体の回動中心軸よりも前記流路の中心軸に近づくように、前記円錐の中心軸を流路の中心軸に対して傾け、前記メンテナンスシートが、前記流路と直交する平面を弁体の回動中心軸のまわりに回転させた平面内で弁体または弁箱と接触するようにしたことを特徴とするスフェリカルバルブ。
2. 前記円形接触部の中心を前記流路の中心軸上に設定したことを特徴とする請求項１に記載のスフェリカルバルブ。
3. 水力発電所の高落差水車用入口弁として用いられることを特徴とする請求項１または２に記載のスフェリカルバルブ。

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