JP5973136B2

JP5973136B2 - 回転弁

Info

Publication number: JP5973136B2
Application number: JP2011113305A
Authority: JP
Inventors: 青木　和弘; 和弘青木; 博文藤原
Original assignee: Kitz Corp
Current assignee: Kitz Corp
Priority date: 2010-05-20
Filing date: 2011-05-20
Publication date: 2016-08-23
Anticipated expiration: 2031-05-20
Also published as: JP2012002355A

Description

本発明は、流路開閉時のシール性を確保しつつ弁体操作時の操作トルクを低減させた回転弁に関し、特に、手動操作する場合に好適な回転弁に関する。

従来より、流路開閉用のバルブとしては、ボールバルブ、グローブバルブ、バタフライバルブ、ゲートバルブなどが一般的に用いられている。このうち、ボールバルブは、弁体に設けられた円形の貫通穴により流路が形成されているため全開時の流れに対して障害物が無い構造であり、グローブバルブやバタフライバルブに比較して圧力損失が少なく、ゲートバルブのようにステムのストロークを必要とすることがないためコンパクト化も可能になっている。また、流路開閉用として用いられるものにコックがあるが、このコックは、一般的に、凸円錐状の金属製弁体が凹円錐状に加工した金属製ボデーに収納され、弁体の回動により相対する金属封止部で流体を封止する構造であるため、テーパ加工、弁体とボデーとのラッピング加工、グリース塗布などの処理をおこなうなどの封止面の加工精度を向上させる必要がある。

このように、ボールバルブはその他の種類のバルブやコックに対して優れた点が多いため、流路開閉用バルブとして用いられることが多くなっている。通常、ボールバルブは、球状の弁体とリング状のシート部材とを備え、バルブボデーの流路の一・二次側にシート部材が流路と直交するように装着され、弁体は、このシート部材に両側が挟まれて装着方向に移動不能の状態で回転可能になっている。ボールバルブは、弁体と連結したステムをハンドルで９０度回転させることにより、弁体に設けた流路と球体面とを交互にシート部材に相対するように開閉操作され、弁閉時には、シート部材が弁体の押圧力により圧縮することで、その面圧力により封止性が確保されるようになっている。

一方、特許文献１は、半球状の中空空間を有するケース、プラグ、シール部材を備えたボールバルブであり、プラグが半球状弁体と弁軸とにより一体に形成され、ケースの中空・半球空間に嵌合されることにより弁軸を中心に回転可能になっている。プラグの半球状弁体には凹部が形成され、この凹部にシール部材が嵌着されている。
同文献２のボールバルブは、弁箱と、ステムと一体型の半球状の弁体と、この弁体の摺動面を密着被覆するようにシールするシール部材とを備え、弁箱の空洞内にシール部材が装着され、このシール部材に弁体が装着されている。このボールバルブでは、シール部材によって弁体の外周囲全体がシールされる構造になっている。

更に、上述のボールバルブは、フローティング型とトラニオン型とに分類される。前記の特許文献１や２は、フローティング型ボールバルブであり、このボールバルブは、シール部材で弁体を支持し、全閉時の差圧によって二次側のシート部材に押し付けてシールする構造になっている。一方、トラニオン型ボールバルブは、ステムと、トラニオン（ロワステム）とによりボール弁体を支持する構造になっている。

特開平９−７９３９１号公報ドイツ実用新案登録第９４０８１５６号公報

しかしながら、ボールバルブにおいて、操作性と封止性とを確保するためには一、二次側のシート部材と弁体との接触圧力が均等になるように組付ける必要があり、そのためにはシート部材のシール側表面、弁体の球面、これらが装着されるボデー側の装着部などの封止面を高精度に加工して組付ける必要がある。この場合、ボールバルブにおいては、シート部材と弁体との接触面積が弁体の回動過程で変化するため操作トルクにむらが生じやすく、安定した操作性を確保することが難しいことも考慮する必要がある。
更に、組込み後には、シート部材が一、二次側から対向して常に強い圧力で装着されるため摩耗しやすくなっており、特に、フローティング型ボールバルブは、流体圧力により弁体が片側（二次側）のシート部材を集中的に押圧シールする構造であるため、圧力が増すことでシート部材の偏摩耗が大きくなり、その結果、シート部材の耐久性が悪くなり、交換が必要になることもあるため経済性も悪い。一方、トラニオン型ボールバルブは、ロワステムにより弁体の移動を防止してシート部材の摩耗を低減させる構造ではあるが、内部構造が複雑化することでコストアップに繋がっていた。しかも、これらのボールバルブは、部品点数が多くなり、加工精度も向上しなければならず、組立工数も大きくなるという問題もある。

流体が流れる際においては、これらのボールバルブの微開時には流入・流出口側で流体抵抗が大きくなってキャビテーションが発生しやすくなる。このとき、流体が１次側の弁体とシート部材との微少開口部を通過した後に、大容積のボデーキャビティーと弁体の連通穴を通過し、２次側の弁体とシート部材との微少開口部を再び流れる構造であるためオリフィス部位が２段に形成されてエネルギー損失も大きくなる。更に、半開時には、キャビティー容積が大きいことで流体が流れる際の損失係数も大きくなり、流動抵抗も大きくなる。全開時には、大容積のキャビティー内に滞留した密封流体の温度上昇により異常昇圧が引き起こされ、シート部材が損傷・変形して漏れや作動不良が発生するという問題もあった。

特許文献１のボールバルブにおいては、半球状弁体を半球状の中空半球空間に嵌合させるように取付けているので、上述したボールバルブと同様にシール部材の圧接力が強くなり、シール部材の耐久性がボールバルブと同様に悪くなっていた。
同文献２のボールバルブは、弁箱の空洞内に装着された大型のシール部材で弁体の外周囲全体をシールする構造であるため、シール部材が摩耗した場合にはこのシール部材全体を交換する必要が生じて経済性が悪くなっていた。

本発明は、上記の課題点を解決するために開発したものであり、その目的とするところは、弁体開閉時の高シール性と操作性とを確保した回転弁であり、簡単な構造で耐久性を向上しつつ経済性にも優れ、流体の流出入時の損失を最小限に抑えた回転弁を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、少なくとも２つの流出入口を有するボデー内に内周半球面を有する弁体収納部と弁体収納部より開口させた円筒開口部を形成し、この円筒開口部より外周面が半球面状部である弁体が前記円筒開口部より前記弁体収納部内に装入された状態で、かつ前記円筒開口部が蓋部材で被蓋された状態で、前記弁体を前記弁体収納部内に回転自在に設け、前記弁体には、前記流出入口と連通する貫通口と、この貫通口との交差方向に前記流出入口と対向する円形凹溝を形成し、この円形凹溝にシール部材を装着した回転弁において、このシール部材は、表面が平坦部位で円板状に形成され、このシール部材を前記円形凹溝に突出状態で装着し、前記弁体収納部と前記弁体外周面との間を保持するキャビティー容積の隙間と、前記シール部材の平坦部位と前記弁体収納部の内周面との間を保持する隙間をそれぞれ設けると共に、前記シール部材の平坦部位の環状の外縁表面のみを前記弁体収納部の内周面に接触させた状態で前記弁体を回転自在に設けた回転弁である。

請求項２に係る発明は、前記蓋部材が前記円筒開口部に螺合した状態で前記弁体がそれぞれの隙間を介して前記円周半球面側に押圧されており、前記シール部材の環状の外縁表面が前記内周半球面側に増し締めされるようにした回転弁である。

請求項３に係る発明は、回転弁を竪型三方弁、横型三方弁或は横型四方弁の多方弁に用いるにあたって、弁体自体に取付けた少なくとも１つのシール部材で多方弁出入口の流路を適宜に切換可能に設けた回転弁である。

請求項１に係る発明によると、グローブバルブやバタフライバルブ等に比較して圧力損失が少なく、ゲートバルブのようにステムのストロークを必要とすること無くコンパクト化を図ることができ、ボールバルブやコックのように弁体やシール部材等の封止面を高精度に加工することなく操作性やシール性を確保することができる。シール部材の摩耗を抑えることで耐久性を向上させ、高シール性を維持できる。しかも、簡単な構造で部品点数も少ないことから経済性に優れつつ、組立やシール部材の交換等のメンテナンスも容易である。
流体を流す際においては、微開時にキャビテーションを抑えつつこの微少開口時のエネルギー損失を最小限に抑えることができ、全開時には流出入口により損失係数を小さくして流動抵抗を抑えることができる。更に、小さいキャビテーション容積により、異常昇圧値を低く抑えることができるため、漏れや作動不良の発生も回避できる。このように、流体の流出入時の損失を最小限に抑えてバルブとしての機能を高めることもでき、ボールバルブに比較してスムーズな操作で流体を流すことが可能になる。これらのことから、ボールバルブの欠点を解消しつつ、ボールバルブやコックなどの利点を取り込んだ回転弁を提供できる。
特に、弁体収納部と弁体外周面との間にキャビティー容積の隙間と、シール部材の平坦部位と弁体収納部の内周面との間に隙間をそれぞれ設け、しかも、シール部材の平坦部位の外縁表面の環状部位と弁体収納部の内周面のみを接触させた状態で弁体を回転自在に設けているから、半球面状のボデー内に半球面状の弁体を回動させる特殊構造の回転弁であっても、操作トルク性が良好で、シール性を確保できるばかりでなく、シール部材の摩耗を抑えることで耐久性を著しく向上させ、しかも、上記の隙間を利用して容易に増し締め機能を有しているので、シール性等を適宜に調整できると共に、シール部材の交換頻度を少なくすることができる。

しかも、半球面状部に円形外周部を有する弁体を装入することで、高い寸法精度を必要とすることなく貫通孔・シール部材と流出入口との取付け精度を高めて一体化でき、１ピース構造のボデーにより外部漏れを抑えることができ、配管接続口からシート部材を組み込む必要がなく、このシート部材の交換時にも弁本体を配管から外すことなく容易に交換できる。

請求項２に係る発明によると、弁体の繰り返しの回動等によりシール部材が摩耗した際には、蓋部材の螺合によりシール部材を増し締めしてシール性を回復できる。このため、シール部材の交換を控えながら長期に亘って同一のシール部材を利用することもできる。組立時においては、蓋部材を回転させてシール部材の圧着力を強くしたり弱くすることで弁体開閉操作時のシール性と操作トルクとを調整でき、このシール性と操作性とを両立させた最適な状態でシール部材を取付けできる。

請求項３に係る発明によると、１つのシール部材で複数の流路を閉止して多方弁出入口の流路を適宜に切換えることができるため、部品点数を少なくしつつ簡単な構造により竪型三方弁、横型三方弁或は横型四方弁の多方弁を構成できる。シート部材が１つでよいため組立て性にも優れ、弁全体を配管から外すことなく容易にこのシート部材を交換することもできる。

本発明における回転弁の第１実施形態を示した断面図である。（ａ）は、図１のＡ−Ａ断面図である。（ｂ）は、図１における支持ステムとストッパとの関係を示した模式図である。図１の回転弁の弁開状態を示した断面図である。（ａ）は、図３のＢ−Ｂ断面図である。（ｂ）は、図３における支持ステムとストッパとの関係を示した模式図である。（ａ）は、シール部材の他の装着状態を示した要部断面図である。（ｂ）は、シール部材の縦断面図である。（ｃ）は、他例のシール部材を示した縦断面図である。本発明における回転弁の第２実施形態を示した断面図である。図６の回転弁の弁開状態を示した断面図である。本発明における回転弁の第３実施形態を示した断面図である。本発明における回転弁の第４実施形態を示した断面図である。メタルシールユニットを示した縦断面図である。本発明における回転弁の第５実施形態を示した断面図である。多方弁の他例を示した概略断面図である。本発明における回転弁の第６実施形態を示した断面図である。

以下に、本発明における回転弁の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１ないし図４においては、本発明における回転弁の第１実施形態を示している。
本発明の回転弁本体（以下、バルブ本体という）１は、ボデー２、弁体３、蓋部材４、シール部材５、回転操作部６を有している。

図１、図３に示すように、バルブ本体１のボデー２は、１ピース構造に形成されて、流出口１０と流入口１１とからなる少なくとも２つの流出入口を有し、このボデー２内には、内周半球面１２を有する弁体収納部１３と、この弁体収納部１３よりも開口させた円筒開口部１４とが形成されている。内周半球面１２は、略半球形の座ぐり加工により略半球凹状に設けられている。更に、弁体収納部１３の底部には挿着穴部１５、円筒開口部１４の内周面には雌ネジ１６が形成されている。流出入口１０、１１は、弁体収納部１３に連通して形成され、この流出入口１０、１１の内周側には雌ねじである螺合部１７が形成され、この螺合部１７に図示しないパイプが接続可能になっている。挿着穴部１５にはピン状のストッパ１８が嵌め込み固着され、このストッパ１８により弁体３の回転を規制可能になっている。

弁体３は、略半球状に形成された半球面状部２０を一部に有し、この半球面状部２０の上方には略筒状の円形外周部２１を有している。本実施形態では、弁体３の外周面を半球面状部２０とし、この半球面状部２０の上部に円形外周部２１が形成されている。円形外周部２１は、ボデー２の円筒開口部１４の内方に形成されたボデー円筒部１４ａに対向して装着される。過度な流体圧がこの弁体３に加わった場合には、円形外周部２１がボデー円筒部１４ａに当接して、弁体３の移動が規制される。円形外周部２１の外周側にはＯリングからなるシール材２２が装着され、円形外周部２１の内周面にはめねじ部２３が形成されている。半球面状部２０の外周面には、流出口１０、流入口１１と対応して連通する貫通口２４と、この貫通口２４と交差方向に流出入口と対向する装着溝２５とが形成され、この装着溝２５には、流出入口１０、１１を閉止可能な弾性を有するシール部材５が着脱可能に装着されている。本実施形態では装着溝２５は円形凹溝であり、シール部材５はこの円形凹溝２５に嵌合可能な円板状に形成されている。

更に、弁体３の上面側には平行二面部位を有する凹状の嵌合溝２７が形成され、この嵌合溝２７には回転操作部６が装着可能になっている。一方、弁体３の下部には、挿着穴部１５に挿着可能な支持ステム２８が一体に形成されている。この支持ステム２８には、弁体３の回転軸Ｐと略平行な切欠面２９が形成されている。支持ステム２８は、後述する弁体の回転規制など、必要に応じて配置する部品である。

弁体３は、内周半球面１２に装入可能な形状であって、貫通孔とシール部材とが流出入口１０、１１に対応して装着可能であれば、半球面状部２０に相当する部位が半球面状部以外の形状であってもよい。本実施形態のように、弁体３の一部に半球面状部２０を形成した場合には、この半球面状部２０がボデー２内の内周半球面１２にガイドされるため、弁体３のガタツキが少なくなり回動がスムーズになる。

弁体３に装着されるシール部材５は、例えば、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）などの高分子材料により形成され、このシール部材５は、弁体３を回転したときにこの弁体３と一体に回転軸Ｐを中心に回動して流出口１０、流入口１１をシール可能であり、一方、流出口１０、流入口１１からずれたときにこれらが開放される。

シール部材５の傾斜角αは、２５〜３５°、より好ましくは３０°に設定するのがよい。傾斜角αを小さくしすぎると、シール部材５は起立した状態に近くなり、円形外周部２１の十分な高さを確保できず、これを解消するため、弁体３の高さを伸ばさなければならない。一方、傾斜角αを大きくしすぎると、シール部材５は水平状態に近くなり、流出入口１０、１１をシールするために外形を大きく確保しなければならず、シール部材５を装着する弁体も大きいものが必要になってしまう。

蓋部材４は、ブッシュ状に形成され、環状の取付部３０と、この取付部３０よりも縮径した筒部３１とを有している。取付部３０の外周側には円筒開口部１４の雌ネジ１６に螺着可能な雄ネジ３２が形成され、一方、筒部３１の外周側にはめねじ部２３に螺合可能なおねじ部３３が設けられている。蓋部材４の中央には貫通穴３４が形成され、この貫通穴３４を介して弁体３に回転操作部６を取付け可能になっている。

回転操作部６は、ステム部３５と手動操作用のハンドル３６とを有し、ステム部３５の下端部には弁体３の嵌合溝２７に嵌合可能な平行二面部３７が形成されている。回転操作部６を弁体３に取付けることにより、ハンドル３６を介して弁体３を開閉操作して流体制御することが可能になっている。

上述した各部品によりバルブ本体１を組付ける場合を述べる。この実施形態では、弁体３をボデー２の流出入口１０、１１に対して全開した状態で組付ける場合を説明するが、弁体３を流出入口１０、１１に対して全閉状態で組付けるようにしてもよい。
先ず、シール材２２とシール部材５とを弁体３に装着し、この弁体３を、ボデー２の流出入口１０、１１に対して全開状態で内周半球面１２の弁体収納部１３内に装入し、支持ステム２８を挿着穴部１５に挿入する。このとき、シール部材５とボデー２とは、押付け力が働いていない接触状態になっている。次いで、弁体３の全開状態を保持しながら、蓋部材４の雄ネジ１６を円筒開口部１４の雄ネジ１６に螺着させ、かつ、蓋部材４のおねじ部３３を弁体のめねじ部３３に螺合させるようにしながら円筒開口部１４を蓋部材４で被蓋する。この場合、蓋部材４により弁体３をボデー２に押付けるようにしながら装着でき、円形外周部２１を円筒開口部１４内にシール材２２を介して装着して、回転操作部６により弁体３を回転自在に設けている。

弁体３の装着後には、弁体収納部１３と半球面状部２０の弁体３との間に隙間Ｇが設けられると共に、回転操作部６で弁体３をＯリング２２を介して上下動自在で、かつ回転自在に設けることができ、弁体３の閉止時には、弁体３に装着されたシール部材５で流出入口１０、１１を密封シールするようになっている。

図１、図３に示すように、隙間Ｇには隙間Ｇ_１と隙間Ｇ_２とがあり、隙間Ｇ_１は、バルブ本体１の全閉操作時に、ボデー２に対する弁体３の位置を下げて、シール部材５を流出入口１０、１１の開口部位（ボデーの弁座）に圧接するための隙間となっている。この隙間Ｇ_１は、弁体収納部１３と半球面状部２０との間に形成され、９０°開閉のバルブの場合、弁体３の上下動に用いるねじの１／４ピッチ以上を確保する。本実施形態においては、隙間Ｇ_１を形成する前提構成として、弁体３と蓋部材４との間に空間Ｋ_１、Ｋ_２を設けている。

隙間Ｇ_２は、バルブ本体１の組み立て時に、ボデー２に対する弁体３の位置を下げて、シール部材５を流出入口１０、１１の開口部位に圧接するための隙間となっている。この隙間Ｇ_２は、弁体収納部１３と半球面状部２０との間に形成され、シール部材５の摩耗代よりも大に設定しておく。なお、本実施形態において、支持ステム２８を用いる場合には、支持ステム２８の底面と、挿着穴部１５の上面との間に、隙間Ｇ_２と同程度の空間Ｋ_３を設ける。

弁体３下部の支持ステム２８は挿着穴部１５に挿着され、図２（ｂ）、図４（ｂ）に示すように、弁体３の回動時には支持ステム２８に形成した切欠面２９にストッパ１８がそれぞれ係止することで、回転操作部６に設けたハンドル３６を略９０°回転操作可能としている。

回転操作部６のハンドル３６を弁体３に装着し、図３、図４（ａ）、図４（ｂ）の弁開状態から弁閉方向にこのハンドル３６を回転させると、おねじ部３３とめねじ部２３が送り機構となって弁体３が弁体収納部１３に対して回転しつつ蓋部材４に対して下方に移動して内周半球面１２にシール部材５が圧接する。このとき、内周半球面１２と半球面状部２０の弁体３との間に隙間Ｇを設けているので、弁体３が弁体収納部１３に対して無摺動の状態で回転する。弁体３を１／４回転、すなわち、９０°回転させると、シール部材５が流出入口１０、１１を密封シールして塞ぐことで図１、図２（ａ）、図２（ｂ）の弁閉状態になり、この流体閉止状態が維持される。このとき、弁体３は、おねじ部３３、めねじ部２３の１／４ピッチ分だけ蓋部材４に対して移動し、シール部材５は、この送り量の分だけ流出入口１０、１１の開口部位に圧接される。

また、図１、図２（ａ）、図２（ｂ）の弁閉状態からハンドル３６を開方向に回転させると、おねじ部３３、めねじ部２３が送り機構となって、弁体３が回転しつつ蓋部材４に対して上方に移動してシール部材５の弁体収納部１３への圧接力が低下しながら弁開状態になる。この場合、弁体３を１／４回転させると、図３、図４（ａ）、図４（ｂ）に示すように流出入口１０、１１が弁体３の貫通口２４と対向するように全開状態で連通し、この連通状態が維持される。

バルブ本体１の使用とともにシール部材５が摩耗し、弁閉時における封止性を維持することが難しくなった場合には、シール部材５によるシール性を回復させることもできる。この場合、弁体３を全開状態にした状態で雄ネジ３２と雌ネジ１６とを緩める方向に回転させて蓋部材４を弁体３とともにボデー２から分離させ、次に、分離した蓋部材４と弁体３とをおねじ部３３とめねじ部２３の螺合を緩めることで分離させる。続いて、分離させた弁体３を弁体収納部１３に装入し、前述した組立て手順と同様に蓋部材４を弁体３に組み込んでこれらを一体化するようにすればよい。この再組み込みにより、ボデー２に対する弁体３の位置が、シール部材５の摩耗分だけ下降し、シール部材５が流出入口１０、１１の開口部位に圧接される。このように、シール部材５による封止性が劣化した際には、予め隙間Ｇ_２を設けていることによってこの隙間Ｇ_２を利用してシール部材５を増し締めしてシール性能を回復させることができ、シール部材５の圧接可能な量がほぼゼロになるまで同一のシール部材５を使用して封止性能を回復できる。更に、このシール性能の回復によっても封止性能の回復が難しくなった場合には、新規のシール部材５に交換するようにしてもよい。

なお、本実施形態において、ボデー２の雌ネジ１６と蓋部材４の雄ネジ３２とによる螺合部分（便宜上、上部螺合部分という）と、蓋部材４のおねじ部３３と弁体３のめねじ部２３とによる螺合部分（便宜上、下部螺合部分という）は、何れも右ねじであり、且つ、同一ピッチに設定されている。上部螺合部分は、下部螺合部分よりも大径に設けられているため回転モーメントがより大きくなり、その結果、弁体３を開閉する際に蓋部材４が緩むことは無い。また、上部螺合部分を目的に応じて左ねじにしたり、上部螺合部分、或は下部螺合部分の何れかのねじピッチを他方側よりも大になるように設定してもよい。

上述したように、本発明の上記実施形態におけるバルブ本体１は、ボデー２に形成した内周半球面１２を有する弁体収納部１３に、円筒開口部１４から半球面状部２０を有する弁体３を装入し、弁体３の半球面状部２０の上方の円形外周部２１をシール材２２を介して円筒開口部１４に装着し、この上から蓋部材４を装着して被蓋するトップエントリ型の構造のバルブとしているので、蓋部材４によってボデー２に対する弁体３の位置を調整することができ、ボデー２や弁体３の寸法誤差を吸収しつつ弁体収納部１３の所定位置に弁体３を簡単に装着できる。

ここで、一般的なボールバルブでは、流出入口側にそれぞれシール部材が配置され、このシール部材に封止に必要な接触面圧が加わる位置にボール弁体が配置され、このボール弁体を回動操作して流体を閉止する構造になっている。このようなボールバルブでは、各流出入口を確実に閉止するためにシール部材を流出入口よりも外周縁側に拡径した状態で配置することで、ボール弁体とシール部材とを流体の流れ方向に対して干渉させる必要がある。

さらに、２つ以上の流出入口を閉止するためにシール部材やこのシール部材を固定するための固定部材がそれぞれ必要になる。そのため、流出入口の増加に伴ってバルブ全体の複雑化、大型化、重量の増加につながることに加え、各部品の高い寸法精度も要求される。

ボール弁体とシール部材とは前記したように干渉する位置に配置されているため、ボール弁体によるシール部材の変形、破損を防ぐためにバルブ内部の構造が複雑になる。例えば、１ピース構造のフローティングバルブにおいては、ボデーと別体のインサートを設け、このインサートをボデーの配管接続部からねじ込んでシール部材とボール弁体とを流路方向に沿って伴締めする構造になる。２〜４ピース構造のフローティングバルブにおいては、ボデーと別体のキャップを設け、このキャップをボデーの上方側からねじ込んでシール部材と球体とを流路方向に沿って伴締めする構造になる。トラニオンバルブにおいては、ボデーの配管接続部から各シール部材を流路方向に沿って球体に接触するように締め付ける構造になる。

これらの場合、流出入口の増加により組立工数も増加し、摩耗や消耗等によりシール部材や消耗部品等を交換する場合には、配管からバルブ全体を取外し、このバルブを分解して部品交換等を実施する必要が生じるなどの手間もかかる。
シール部材の装着時には、このシール部材の初期封止性能・球体との摺動性能が球体とシール部材との固定位置により大きく影響されるため、シール部材を所定位置に位置決めするためにボデー等に対して高い加工精度が要求される。

前記のような一般的なボールバルブに比較して、本発明における上記実施形態の回転弁は、弁体３側にシール部材５を配設しているため、一般的なボールバルブのように複数のシール部材を必要とすることなく１つのシール部材５で弁閉状態にすることができる。このため、部品点数を少なくしつつ簡略化して小型化・軽量化でき、ボデー２、弁体３の半球面状部２０、シール部材５に高い加工精度を必要とすることがない。弁体収納部１３の内周半球面１２、具体的には、流出入口１０、１１の開口部位（ボデーの弁座面）の加工精度を確保すれば、ボデー２に弁体３を装入した状態で蓋部材４で被蓋するだけでシール性を確保しつつ所定の状態に組込むことができ、安定した操作性とシール性とを確保することが可能になる。

弁体の組込み時には、予めシール部材５を装着した弁体３をボデー２の円筒開口部１４から装入できるため、ボデー２を１ピース構造に設けて外部漏れを防ぐことができる。これにより、シール部材やインサート、キャップ等を外部よりボデーに組み込む必要がないため、シール部材５や消耗部品等の交換時に全体を配管から外す必要がなく、組付け作業や消耗部品等の交換時の工数を最小限に抑えている。

蓋部材４を円筒開口部１４に螺着し、かつ、蓋部材４のおねじ部３３を弁体３のめねじ部２３に螺合させ、内周半球面１２と半球面状部２０の弁体３との間に隙間Ｇを設け、弁体３を回転操作部６により回転させたときにおねじ部３３とめねじ部２３とによりこの弁体３を無摺動で回転させるようにし、シール部材５に閉止時のみに圧力が加わるようにしているので、グリース等の潤滑剤を用いることなくシール部材５の摩耗を最小限に抑えることができ、しかも、流体圧によるシール部材５の変形や移動も防がれてこのシール部材５の高シール性と耐久性とを維持することができる。このようにシール部材５の摩耗も抑えられることから経済性にも優れている。更に、シール部材５が摩耗した場合には、上述したとおり同一のシール部材５を使用して封止性能を回復させることができるためシール部材５を頻繁に交換する必要がなくコストを抑えることができる。

シール部材５には流体圧力からの偏った圧力が加わり難く、常時においてこのシール部材５への圧力がほぼ均等に保たれるため、シール部材５の変形を防いで耐久性を高めることができる。上述のように、封止時のみにシール部材５を締め付ける構造であり、かつ、流体により弁体３が押圧される力（便宜上、流体押圧力という）Ｆは、傾斜したシール部材５により、流路方向の押圧力ｆ_１と、流路直交方向の押圧力ｆ_２とに分力化される。従って、弁体が流路方向に押圧される力ｆ_１は、流体押圧力Ｆよりも小さいものとなり、弁体３がボデー２に当接しにくくなるため、弁体３の操作トルクを小さくできる。また、流路直交方向の押圧力ｆ_２が流体押圧力Ｆよりも小さいものとなることに加え、弁体３は、蓋部材４との螺合を利用して、押圧力ｆ_２に抗して閉操作可能としていることからも、弁体３の操作トルクを小さくすることができる。このとき、弁体３は蓋部材４により流路方向への移動が規制されてボデー２に当接しにくくなることによっても操作トルクが小さくなる。これらにより、操作トルクがほぼ一定となり、トルクむらの発生が抑えられる。なお、高圧流体の場合には、支持ステム２８を挿着穴部１５で支持することにより、弁体３が流路方向に移動するのを規制してもよい。

また、弁体３と弁体収納部１３との隙間（キャビティー容積）Ｇを前述の隙間Ｇ_１、Ｇ_２に基づく最小限の寸法に小さくでき、流体が流れる際に流入口１１から流出口１０までのオリフィス部位が略１段の構成になるため、コックや一般的な構造のボールバルブのように流出入側の流体抵抗が大きくなってキャビテーションの発生することが防がれ、かつ、エネルギー損失を抑えつつ流量制御可能となる。しかも、キャビティー容積が小さいことから異常昇圧値を低く抑えて耐圧性も高くなる。更に、弁体３が支持ステム２８により支持されていることで弁体３の回転軸Ｐに対する位置が確保され、流体やスラスト力によってこの弁体３が二次側に可動することを防止できる。このため、一方側（二次側）のシール部材５が急激に消耗することもない。更に、シール部材５が円板形状であるため、閉止時におけるボデー２への接触部位のみが流体接触面部となって背面漏れを防ぐことができる。

図５（ａ）においては、シール部材の他の装着状態を示している。同図では、弁体３の円形凹溝２５のシール部材５との対向面２５ａに環状凸部８０が設けられている。図５（ｂ）のシール部材５を円形凹溝２５に装着したときには、環状凸部８０がシール部材５に食い込み、このシール部材５が押圧されて円形凹溝２５の対向面２５ａ、シール部材５の対向面５ｂ同士の圧接力が高まる。そのため、流体がシール部材５の背面側に回り込む、いわゆる裏漏れが防がれてシール部材５の変形やはみだし、破損が防止される。しかも、対向面２５ａ、５ｂ同士の圧接力の向上により、シール部材５のシール部位である密封シール部８１とボデー２のシール面２ａで密封面圧力が高まり、この密封面圧力がシール部材５に均一に加わることでシール性がより向上する。

この場合、シール部材５は短円柱形状であり、弁体３の円形凹溝２５より外側（ボデー２側）に突出して装着される。そのため、弁体３をボデー２に装着したときに、シール部材５の突出部位の外縁表面及び円柱側面の一部がボデー２の内周半球面１２に加圧接触され、流体を封止する。このようにシール部材５が短円柱形状であるため、弁体３の開閉動作時には、ボデー内周半球面１２内側に開口した流体通過穴８７をシール部材５が通過するときにシール部材５表面の平坦面部位と通過穴面部位との間に隙間δが形成される。これにより、シール部材５を増し締めしたときにシール部材５の流体通過穴８７内側へのはみ出しが防がれ、弁体の開閉操作時には、シール部材５が流体通過穴８７に引っ掛かることがなく、円滑で軽い操作力で弁体の操作ができるとともに、シール部材５が傷付くことも防がれる。

一方、特許文献１のボールバルブでは、弁体とシール部材とが、シール部材表面がボデーの内周半球面と一致した状態で嵌め合い装着されているため、シール部材の封止力がシール部材のバネ弾性復元力による封止力、又は、シール部材背面のスプリング押出し力による封止力、或は、Ｏリングの弾性力による封止力により決定されている。このため、仮に増し締めを実施しようとしても、シート部材の位置を調整する機能がなく、耐久性が悪くなる。
更に、シール部材の表面形状がボデー及び弁体の球面形状に一致する構造であるため、シール部材の球面部位とボデー内周の半球面部位とが全体的に接触する。これにより、弁体の操作トルクが上昇して操作力が重くなるという欠点もある。
弁閉時においては、シール部材に加えられた圧縮力によりボデーの流体通過穴部位において応力がフリーの状態となり、シール部材の復元力によってこの流体通過穴部位の内側にシール部材がはみ出すことにより弁体の操作ができなくなったり、シール部材に流体漏れにつながる傷が発生する可能性もある。

図５（ｃ）においては、シール部材の他例を示しており、このシール部材８５では円形凹溝２５への対向面８５ａに環状凸部８６が形成されている。このシール部材８５を円形凹溝２５に装着したときには、環状凸部８６が押圧されることで円形凹溝２５の対向面２５ａ、シール部材８５の対向面８５ａ同士の圧接力が高まり、上記したシール部材５を装着した場合と同様の機能が発揮される。
このように、円形凹溝或はこの円形凹溝に装着したシール部材の対向面のうち、何れか一方の対向面に環状凸部を設けるようにすればよい。

図６、図７においては、本発明における回転弁の第２実施形態を示している。なお、この実施形態以降において、上記実施形態と同一部分は同一符号によって表し、その説明を省略する。
この実施形態におけるバルブ本体４０においては、雄ネジ４１と突起状の押圧部４２とを有する蓋部材４３を形成し、この蓋部材４３の雄ネジ４１をボデー２の雌ネジ１６に螺合させたものである。
そして、弁体収納部１３に半球面状部２０の弁体３を収納し、かつ円形外周部２１を円筒開口部１４にＯリング２２を介して回転自在に設けると共に、蓋部材４３の螺合で弁体３のシール部材５を増し締めするようにしたものである。

シール部材５が摩耗した場合には、蓋部材４３を螺入方向に回転させることで容易に増し締めを図ることができ、シール部材５の交換頻度を少なくできる。この実施形態におけるバルブ本体４０では、蓋部材４３と弁体３との間にねじ部を設けていないため構造を簡略化でき、経済性にも優れている。

図８においては、本発明における回転弁の第３実施形態を示しており、このバルブ本体５０においては、シール部材５の裏面５ａと円形凹溝２５との間に、皿バネ等のばね部材５１を装着したものであり、このばね部材５１によりシール部材５による圧力を高めるようにしたものである。

このバルブ本体５０では、蓋部材５２がボデー２の円筒開口部１４を被蓋可能な形状に形成され、この蓋部材５２には、円筒開口部１４内に圧入可能な突起状の押圧部５３が形成されている。
弁体収納部１３に弁体３を装入した状態でボデー２に蓋部材５２を被蓋すると、押圧部５３が円筒開口部１４内に圧入して蓋部材５２がボデー２に固定されると共に、押圧部５３により弁体３が弁体収納部１３方向に押圧されて所定位置に装着され、シール部材５による圧力を一定に確保できる。このように、蓋部材５２による被蓋時に弁体３のボデー２に対する装着位置が決まる場合には、上記したばね部材５１を装着することによりシール部材５による圧力を調整できる。図示しないが、この蓋部材の代わりに止め輪を用いて弁体を装着させることもでき、この場合、円筒開口部の内周面に止め輪を装着可能な装着溝を形成し、弁体収納部に弁体を装着した後に装着溝に止め輪を装着することで弁体を回転可能な状態に保持できる。

図９においては、本発明における回転弁の第４実施形態を示している。この実施形態のバルブ本体９０においては、蓋部材９１における弁体９２の回転操作部９３が貫通する部分に円筒穴部９４が設けられ、この円筒穴部９４にめねじ部９５が設けられている。一方、弁体９２の回転操作部９３には円形外周部９６が設けられ、この円形外周部９６にはめねじ部９５に螺合可能なおねじ部９７が形成されている。

バルブ本体９０の組込み時には、蓋部材９１が雄ネジ３２と雌ネジ１６とを介してボデー２の円筒開口部１４に螺着される。蓋部材９１のめねじ部９５には弁体９２のおねじ部９７が螺合され、弁体９２が弁体収納部１３に装入される。このとき、内周半球面１２の弁体収納部１３と弁体９２との間に隙間Ｇ´が設けられると共に、回転操作部９３で弁体９２をＯリング２２を介して上下動自在で、かつ回転自在に設け、閉止時にシール部材１００により流出入口１０、１１を密封シールする構成になっている。

このバルブ本体９０では、シール部材１００としてメタルシートユニットが弁体９２に形成された装着溝１０１に固定されている。図１０に示すように、メタルシートユニット１００は、メタルシート１０２、ホルダ１０３、ガイド部材１０４、球体１０５、皿バネ１０６、割リング１０７を有している。

メタルシート１０２は、シール用の密封シール部１０８を有し、この密封シール部１０８と相対する裏側位置に環状突部１０９が形成されている。環状突部１０９の内側には収容部１１０が形成され、外周側には凹状溝１１１が形成されている。図示しないが、メタルシート１０２のシール部位表面は、ガス窒化により表面硬化処理されているため、メタルシート１０２による食いつきやかじりが防止されている。密封シール部１０８は、流出入口１０、１１の被当接面の凹状球面であるシート面１１２の曲率半径よりも小さい曲率半径により形成することが望ましい。

ホルダ１０３は、メタルシート１０２との間に例えば鋼球からなる球体１０５、ガイド部材１０４、皿バネ１０６を装着するために設けられ、外周の一部には切欠部１１３が形成されて円形の一部が欠けた形状に形成されている。ホルダ１０３のメタルシート１０２側には、このメタルシート１０２を取付けるための環状取付部１１４と、この環状取付部１１４の内周に割リング１０７取付け用の取付溝１１５、中央部位には球体１０５を格納するための格納穴１１６が形成されている。一方、弁体９２への装着側には圧入部１１７が突設形成されている。

ガイド部材１０４は円板状に設けられ、メタルシートの収容部１１０側にこの収容部１１０の底部１１０ａに当接可能な円板状の突起部１１８、ホルダ１０３側に球体１０５格納用の格納穴１１９が設けられている。この格納穴１１９とホルダの格納穴１１６の底面側にはそれぞれテーパ面１２０、１２１が設けられ、このテーパ面１２０、１２１により格納された球体１０５のガタが防止される。皿バネ１０６は、メタルシート１０２とガイド部材１０４との間に２枚設けられる。

図１０において、メタルシートユニット１００の組立時には、メタルシート収容部１１０に皿バネ１０６を介してガイド部材１０４を収容し、各格納穴１１６、１１９に球体１０５を格納しながらメタルシート１０２の環状突部１０９をホルダ１０３の環状取付部１１４の内側に装入する。次いで、凹状溝１１１と取付溝１１５との間に切欠部１１３より割リング１０７を取付けることで、ホルダ１０３にメタルシート１０２を一体化する。割リング１０７を取付けにより、ホルダ１０３からのメタルシート１０２の抜けが防止される。
メタルシートユニット１００は、圧入部１１７を弁体９２の装着溝１２５の中央位置に設けた円形溝１２６に圧入固定することで弁体９２に取付けられ、メタルシート１０２がホルダ１０３によって保持されつつ装着溝１２５に装着される。

バルブ本体９０は、メタルシートユニット１００のホルダ１０３とガイド部材１０４とに装着された２つの球体１０５、１０５の球面点接触により、ホルダ１０３に対してメタルシート１０２、ガイド部材１０４、皿バネ１０６を、ホルダ１０３の軸心Ｑを中心として回動可能でかつ傾斜可能になっている。そのため、シート面１１２に対してメタルシート１０２を調芯しながら流出入口１０、１１を密封シールして流体を封止することが可能になる。メタルシートユニット１００によるシール構造の場合、メタルシート１０２の高い剛性によりつぶれが防がれつつ、上記の調芯作用によりメタルシート１０２とシート面１１２との隙間を塞いだ状態でシールされるため確実に流体漏れが防止される。

弁体９２が閉状態以外の自由な状態（開状態）であり、シート面１１２とメタルシート１０２とが接触していない場合には、皿バネ１０６が圧縮されておらず２枚の皿バネ１０６、１０６の反力によってメタルシート１０２がホルダ１０３から突出する方向に移動する。このとき、ガイド部材１０４は、軸心Ｑ方向で球体１０５に押付けられているため、このガイド部材１０４とホルダ１０３との間にガイド部材１０４が軸心Ｑ方向に移動するための隙間が生じることが防がれている。

弁体９２を回転させ、メタルシート１０２がシート面１１２に接触する瞬間まで到達したときには、メタルシート１０２がホルダ１０３に対して回転可能であることから、メタルシート１０２に回転モーメントが発生する。
この流出入口１０、１１の全閉状態の場合には、メタルシート１０２がシート面１１２に接触していることで２枚の皿バネ１０６、１０６が圧縮されながらメタルシート１０２がこの圧縮力に抗してホルダ１０３側に移動する。この場合、前記したようにメタルシート１０２がシート面１１２に対して調芯されて密着状態で接触し、メタルシート収容部１１０の底部１１０ａにガイド部材１０４の突起部１１８の先端面側が密接しながら皿バネ１０６の圧縮力が加わることでメタルシート１０２の面圧力が高まる。しかも、メタルシート１０２が前記のように回転モーメントにより回転することで、このメタルシート１０２への偏荷重が防がれて摩耗の発生も均一化する。このため高温流体や粉流体などの流体を流す場合にも、メタルシート１０２の消耗を最小限に抑えて高シール性を維持できる。

上記メタルシートユニット１００は、摺動抵抗を抑えた構造の回転弁、すなわち、内周半球面と弁体との間に隙間を設け、弁体の閉止時に流出入口を密封シールする構造の回転弁に好適である。この場合、弁体の摺動抵抗を低く抑えながらシール性を高めることが可能になる。一方、メタルシートユニット１００を、増し締め可能な構造の回転弁、すなわち、弁体収納部と弁体との間に隙間を設け、弁体を下降させることで弁体のシール部材を増し締めする構造の回転弁に適用してもよい。この場合、メタルシート１０２のシール性が弱まったときに、増し締めすることによりシール性を復帰させることができる。何れの場合にも、２組以上の多数組のメタルユニットを弁体に装着することもできる。

図１１においては、本発明における回転弁の第５実施形態を示している。この実施形態におけるバルブ本体６０は、略Ｌ字型の貫通口６１とこの貫通口６１との略直交方向に設けられた１つのシール部材５とを有する略半球形状の弁体６２と、出入り口の流路である、弁体の軸心に対して垂直方向の２つの流出入口６３、６３、軸心の軸心と平行な１つの流出入口６３を有する竪型のボデー６４とを有する竪型三方弁である。この回転弁では、弁体６２を回転させて三方の流出入口６３を切換え可能になっている。バルブ本体６０の弁体６２には、ステム部６５とハンドル部６６とが一体に形成され、これにより部品点数の削減が図られている。

図１２においては、多方弁の他例の概略断面図を示している。この例におけるバルブ本体１３０は、図１２（ｂ）に示すように、Ｔ字型の貫通口１３１とこの貫通口１３１と略直交する方向に設けられた１つのシール部材５とを有する略半球形状の弁体１３２と、弁体１３２の軸心Ｒに対して垂直方向に設けられた出入り口の流路である３つの流出入口１３３、１３４、１３５を有するボデー１３６とを有する横型三方弁である。この回転弁では、弁体１３２を回転させて三方の流出入口１３３、１３４、１３５により流路を切換え可能になっている。

これらのように、本発明の回転弁は、特に、前述した増し締め可能な構造の回転弁に好適である。しかも、回転弁は、竪型三方弁、横型三方弁、或は横型四方弁等の更に別の構造の多方弁であってもよい。この場合、これらの多方弁に回転弁を用いるにあたって、弁体自体に取付けた少なくとも１つのシール部材５で多方弁の出入口の流路を適宜に切換可能になり、その際にも増し締めによりシール性能を回復できる。

更に、図１２（ａ）に示すように、このバルブ本体１３０における弁体１３２の円形外周部１３７には、略９０°間隔で切欠係止部１３８が形成されている。一方、ボデー１３６の切欠係止部１３８が対応する高さにはメネジ１３９が１箇所に形成され、このメネジ１３９に、ボデー１３６の側面よりボールプランジャ１４０のオネジ１４１がねじ込まれている。ボールプランジャ１４０は、内部にボール体１４２とコイルスプリング１４３とが装着され、ボール体１４２をボデー１３６の内周側に突出可能に外側から位置調節しながら装着される。ボールプランジャの装着後には、ボール体１４２がコイルスプリング１４３の弾発力により切欠係止部１３８に９０°毎に係止可能になっている。これにより、弁体１３２の回転操作部１４５に設けたハンドル１４６を略９０°毎に回転操作できる。すなわち、ボール体１４２が切欠係止部１３８に係止したときには適度なクリック感が得られるため、簡単かつ正確に所定の状態まで弁体１３２を回転操作できる。

ボールプランジャ１４１を設ける場合、特に、増し締め可能な構造の回転弁に適しており、増し締めした後にも増し締め前と同様の弁体の回転操作が可能になる。一方、前述したメタルシートユニット１００でシールする構造の回転弁と同様に、弁体の摺動抵抗を抑えた構造の回転弁にボールプランジャを設けることもでき、この場合、コイルスプリング１４３の弾発力を低くすることで摺動抵抗を抑えることができる。
更に、この例では、ボールプランジャ１４１が切欠係止部へのストッパとして用いられているが、他の構造のプランジャ等をストッパとして用いるようにしてもよい。

図１３においては、本発明における回転弁の第６実施形態を示している。この実施形態におけるバルブ本体７０では、半球面状ではない弁体７２に、肉ヌスミ状の切欠面部７３を設けたものである。この場合にも前記の回転弁と同様のシール性と操作性とを発揮できる。切欠面部７３を設けた場合、弁体７２の使用材料を少なくしてコストを削減できる。

なお、上述した実施形態においては、トップエントリ型の回転弁について説明したが、ボトムエントリ型のボールバルブについても同様に設けることができ、更に、本発明は、前記実施の形態記載に限定されるものではなく、例えば、ボデーの内周半球面や弁体の半球面状部について、部分的に平面部を設けるなど、完全な半球面以外の形状も用いてもよく、本発明の特許請求の範囲に記載されている発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の変更ができるものである。

１バルブ本体
２ボデー
３弁体
４蓋部材
５シール部材
５ｂ対向面
６回転操作部
１０流出口
１１流入口
１２内周半球面
１３弁体収納部
１４円筒開口部
２０半球面状部（装入部）
２１円形外周部
２２Ｏリング（シール材）
２３めねじ部
２４貫通口
２５円形凹溝（装着溝）
２５ａ対向面
３１筒部
３３おねじ部
８０環状凸部
８１密封シール部
１００メタルシートユニット
１０１装着溝
１０２メタルシート
１０３ホルダ
１０４ガイド部材
１０５球体
１０６皿バネ
１３８切欠部
１４０ボールプランジャ（ストッパ）
１４６ハンドル
Ｇ隙間
Ｑ軸心

Claims

少なくとも２つの流出入口を有するボデー内に内周半球面を有する弁体収納部と弁体収納部より開口させた円筒開口部を形成し、この円筒開口部より外周面が半球面状部である弁体が前記円筒開口部より前記弁体収納部内に装入された状態で、かつ前記円筒開口部が蓋部材で被蓋された状態で、前記弁体を前記弁体収納部内に回転自在に設け、前記弁体には、前記流出入口と連通する貫通口と、この貫通口との交差方向に前記流出入口と対向する円形凹溝を形成し、この円形凹溝にシール部材を装着した回転弁において、このシール部材は、表面が平坦部位で円板状に形成され、このシール部材を前記円形凹溝に突出状態で装着し、前記弁体収納部と前記弁体外周面との間を保持するキャビティー容積の隙間と、前記シール部材の平坦部位と前記弁体収納部の内周面との間を保持する隙間をそれぞれ設けると共に、前記シール部材の平坦部位の環状の外縁表面のみを前記弁体収納部の内周面に接触させた状態で前記弁体を回転自在に設けたことを特徴とする回転弁。
前記蓋部材が前記円筒開口部に螺合した状態で前記弁体がそれぞれの隙間を介して前記円周半球面側に押圧されており、前記シール部材の環状の外縁表面が前記内周半球面側に増し締めされるようにした請求項１に記載の回転弁。
請求項１又は２における回転弁を竪型三方弁、横型三方弁或は横型四方弁の多方弁に用いるにあたって、前記弁体自体に取付けた少なくとも１つの前記シール部材で前記多方弁の出入り口の流路を切換可能に設けた回転弁。