JP6454570B2

JP6454570B2 - ボールバルブ

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Publication number: JP6454570B2
Application number: JP2015045533A
Authority: JP
Inventors: 謙雄野間口; 古谷　元洋; 元洋古谷; 知紀新谷
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2015-03-09
Filing date: 2015-03-09
Publication date: 2019-01-16
Anticipated expiration: 2035-03-09
Also published as: CN105952923B; JP2016166620A; CN105952923A; KR20160110181A; US20160265671A1

Description

この発明は、貫通流路を有するボール弁体を備えたボールバルブに関するものである。

従来より、各種の流体の流量制御、例えば空調用の冷温水の流量を制御するために使用される流量制御弁として、貫通流路を有するボール弁体をプラグとして備えたボールバルブが知られている。

図１３に特許文献１に開示されたボールバルブの要部を示す。このボールバルブ１(１Ｅ)は、流体２の流路３を形成する弁本体４と、この弁本体４の内部に配設されたボール弁体５と、このボール弁体５を弁本体４の外部から回転させる弁軸６等で構成されている。

ボール弁体５は、弁軸６の軸線と直交する方向に貫通流路７を有し、弁本体４の内部中央に前後２つのシートリング８を介して弁軸６を中心として回転可能に配設され、外周面がシートリング８に接触する球面着座部を形成している。流体２は図示左(上流側)から右(下流側)へ流れる。

ボール弁体５の貫通流路７は、弁軸６の軸線と直交する貫通孔からなり、この貫通孔(貫通流路)７の上流側の開口部７１が流量特性窓とされ、下流側の開口部７２が直径Ｄの円形とされている。

図１４（ａ）にボール弁体５を貫通流路７の上流側から見た図を示し、図１４（ｂ）にボール弁体５を貫通流路７の下流側から見た図を示す。

上流側の開口部（流量特性窓）７１は、所定の流量特性を示す形状、この例では断面形状がボール弁体５の回転方向（矢印Ｒ方向）におおむね扇形となる形状とされている。また、流量特性窓７１の下流側は、円形の開口部７２に同径でつながる空洞(円柱状の空洞)とされている。

ボール弁体５には、その上面中央に凹部９が形成されており、この凹部９に弁軸６の下端６ａが嵌合固定されている。弁軸６は、弁本体４の中央の筒部１０にＯリング１１を介して回転可能に挿通されており、その上端６ｂが筒部１０の上方に突出している。この弁軸６が手動または駆動モータ等の駆動装置によって駆動されることにより、弁軸６を中心としてボール弁体５が矢印Ｒ方向またはその逆方向にほゞ９０゜の角度範囲内で回動される。

図１３はボールバルブ１Ｅを全開とした状態を示している。この状態からボール弁体５を９０゜回動させると、上流側の開口部７１と下流側の開口部７２が全閉状態となる。全閉と全開との中間開度においては、弁本体４内を流れる流体に対する上流側の開口部（流量特性窓）７１の開き量に応じた量の流体が流れる。

このボールバルブ１Ｅは、例えば空調用の冷温水が流れる配管の途中に設置され、この配管への設置に際して必要流量に合わせた弁サイズ（容量係数）の選定が行われる。この必要流量に合わせたバルブの容量係数の選定をサイジングと呼んでいる（例えば、非特許文献１参照）。

特開２００３−１１３９４８号公報特許第５１１３７２２号公報

ＪＩＳＢ２００５−２−１（第２部：流れの容量−第１節：取付け状態における流れのサイジング式）

このボールバルブ１Ｅでは、流量特性窓７１を流体が通過する際、この流量特性窓７１の壁面７１ａに沿った流れがその壁面７１ａの最下流端から剥離し、流量特性窓７１のすぐ下流に最縮流部（図１５に示すＡ部）が形成される。この最縮流部の流れの様相によってバルブの容量係数が決まる。

従来のボールバルブ１Ｅでは、流量特性窓７１の壁面（流路の壁面）７１ａが流体の流れ方向に沿った平行な平面とされており、最縮流部の流れが流量特性窓７１の壁面７１ａの摩擦の影響を大きく受ける。この場合、流量特性窓７１の壁面７１ａの摩擦（図１５に示すＢ部の摩擦）は、流れが非乱流状態（低差圧、低温などの低レイノルズ数流れ）の場合と乱流状態の場合とでは異なる。

このため、非乱流状態のときのバルブの容量係数は、乱流状態のときのバルブの容量係数と大きく異なる値となり、レイノルズ数係数と呼ばれる固有の係数（Ｆ_R値）を用いて補正する必要が生じる。一般的に、非乱流状態となるほど、Ｆ_R値は小さくなる。すなわち、非乱流状態では、バルブの容量係数はＦ_R値を乗じた分だけ小さくなる。

なお、特許文献２では、予め定められた基準差圧における弁開度と流量係数（容量係数）との関係を示す基準テーブルと、基準差圧より低い差圧や高い差圧における弁開度と流量係数（容量係数）との関係を示す特性テーブルとを用いて、流量制御弁の管路内を流れる流体の流量を算出している。

この特許文献２に示された方法では、弁開度と差圧が変わったときの流量係数（容量係数）を特性テーブルから求めることで流量を算出することができるが、従来のボールバルブ１Ｅにこの方法を適用した場合、流体温度が大きく変わると流体の動粘度が変わり、流量特性窓７１のすぐ下流に形成される最縮流部の流れの様相が変わることから、算出した流量と実際の流量との差異が大きくなってしまい、精度良く流量を計測することが困難となる。

本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、非乱流状態においても乱流状態とほゞ同じ容量係数を確保することが可能なボールバルブを提供することにある。

このような目的を達成するために本発明は、流路を形成する弁本体と、前記弁本体内に弁軸を中心に回動可能に配設されたボール弁体とを備え、前記ボール弁体は、前記弁軸と直交する方向に形成された貫通流路を有し、前記貫通流路は、前記ボール弁体の外周面に開口する流量特性窓と、前記ボール弁体に形成されて一端が前記流量特性窓と接続し他端が前記弁本体の流路と接続する空洞とを有し、前記弁軸を中心として前記ボール弁体を回動させることによって前記弁本体内の流路を流れる流体に対する流量特性窓の開き量を調節するボールバルブにおいて、前記流量特性窓は、前記ボール弁体の外周面から前記空洞にかけて徐々に狭められ、前記空洞との接続部分において前記貫通流路の最狭径部を形成し、前記流体が前記流量特性窓から前記貫通流路に流入するときに前記最狭径部の直後に最縮流部が形成され、前記空洞は、前記一端の側に前記最狭径部から流路を拡大させる拡大部を含み、前記貫通流路は、前記流量特性窓が、前記ボール弁体の外周面から前記空洞にかけて徐々に狭められ、かつ、前記空洞が前記拡大部を有することによって、前記最縮流部の流れが受ける前記最狭径部の壁面からの摩擦の影響を軽減して、前記最縮流部の流れの様相が非乱流状態と乱流状態とで変わらないようにすることを特徴とする。

本発明では、弁本体内の流路およびボール弁体の貫通流路の中の最狭径部から所定寸法上流までの流路の壁面を、最狭径部に向かって傾斜したテーパ面とする。これにより、所定寸法上流から最狭径部に向かって流路の壁面が徐々に狭められて行き、最狭径部のすぐ下流に形成される最縮流部の流れが流路の壁面の摩擦の影響を受け難くなる。この場合、最縮流部の流れは、最狭径部からの流体の剥離の仕方で決まるようになる。このため、非乱流状態と乱流状態とで最縮流部の流れの様相が変わることがなく、バルブの容量係数は非乱流状態であっても乱流状態のときとほゞ同じ値となる。

本発明では、弁本体内の流路およびボール弁体の貫通流路の中の最狭径部から所定寸法上流までの流路の壁面を最狭径部に向かって傾斜したテーパ面とするが、流量特性窓の、ボール弁体の外周面の開口から最狭径部にかけての壁面は、流体の流れる方向に対して最大で１０°の傾斜を有するテーパ面としてもよい。

本発明によれば、ボール弁体に形成された貫通流路が、ボール弁体の外周面に開口する流量特性窓と、ボール弁体に形成されて一端が流量特性窓と接続し他端が弁本体の流路と接続する空洞とを有し、流量特性窓が、ボール弁体の外周面から空洞にかけて徐々に狭められ、空洞との接続部分において貫通流路の最狭径部を形成し、前記流体が前記流量特性窓から前記貫通流路に流入するときに前記最狭径部の直後に最縮流部が形成され、前記空洞は、前記一端の側に前記最狭径部から流路を拡大させる拡大部を含み、前記貫通流路は、前記流量特性窓が、前記ボール弁体の外周面から前記空洞にかけて徐々に狭められ、かつ、前記空洞が前記拡大部を有することによって、前記最縮流部の流れが受ける前記最狭径部の壁面からの摩擦の影響を軽減して、前記最縮流部の流れの様相が非乱流状態と乱流状態とで変わらないようにして、非乱流状態においても乱流状態とほゞ同じ容量係数を確保することが可能となる。

本発明に係るボールバルブの一実施の形態(実施の形態１)の要部を示す図である。このボールバルブにおける弁本体を上流側および下流側から見た図である。このボールバルブにおける流量特性窓の下流に形成される最縮流部を示す図である。このボールバルブにおける流量特性窓の壁面のテーパ角度とＦ_R値との関係を示す図である。実施の形態２のボールバルブの要部を示す図である。実施の形態２のボールバルブの要部を拡大して示す図である。実施の形態３のボールバルブの要部を示す図である。実施の形態３のボールバルブの要部を拡大して示す図である。実施の形態４のボールバルブの要部を示す図である。実施の形態４のボールバルブにおける弁本体を上流側および下流側から見た図である。実施の形態２のボールバルブの試験結果を示す図である。実施の形態２のボールバルブに対応する従来型のボールバルブの試験結果を示す図である。特許文献１に開示されたボールバルブの要部を示す図である。特許文献１に開示されたボールバルブにおけるボール弁体を上流側および下流側から見た図である。特許文献１に開示されたボールバルブにおける流量特性窓の下流に形成される最縮流部を示す図である。実施の形態２のボールバルブに対応する従来型のボールバルブの要部を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の説明では、本発明の権利範囲に含まれないものも実施の形態として記載されているが、ここでは全て実施の形態として説明する。

〔実施の形態１〕
図１は本発明に係るボールバルブの一実施の形態(実施の形態１)の要部を示す図である。同図において、図１３と同一符号は図１３を参照して説明した構成要素と同一或いは同等の構成要素を示し、その説明は省略する。

この実施の形態１のボールバルブ１(１Ａ)では、流量特性窓７１の壁面（流路の壁面）７１ａ’を上流から下流に向かって狭めたテーパ面としている。すなわち、流量特性窓７１の壁面７１ａ’の最下流端を弁本体４内の流路３およびボール弁体５の貫通流路７の最狭径部とし、この最狭径部から流量特性窓７１の壁面７１ａ’の最上流端までの流路の壁面７１ａ’を最狭径部に向かって傾斜させたテーパ面とし、この流量特性窓７１の最狭径部から貫通流路７内に急激に流路を拡大させるようにしている。

図２（ａ）にボール弁体５を貫通流路７の上流側から見た図を示し、図２（ｂ）にボール弁体５を貫通流路７の下流側から見た図を示す。

この実施の形態１のボールバルブ１Ａでは、流量特性窓７１の壁面７１ａ’が最狭径部に向かって傾斜したテーパ面とされているので、最狭径部に向かって壁面７１ａ’が徐々に狭められて行き、最狭径部のすぐ下流に形成される最縮流部（図３に示すＡ部）の流れが壁面７１ａ’の摩擦（図３に示すＢ部の摩擦）の影響を受け難くなる。この場合、最縮流部の流れは、最狭径部からの流体の剥離の仕方で決まるようになる。このため、非乱流状態と乱流状態とで最縮流部の流れの様相が変わることがなく、バルブの容量係数は非乱流状態であっても乱流状態のときとほゞ同じ値となる。

これにより、本実施の形態では、非乱流状態のときのＦ_R値が乱流状態のときのＦ_R値とほゞ等しくなり、非乱流状態のときのバルブの容量係数を補正する必要がなくなる。図４に流量特性窓７１の壁面７１ａ’のテーパ角度とＦ_R値との関係を示す。この関係から分かるように、テーパ角度を５〜１０゜程度とすることにより、１に近いＦ_R値を確保することができる。

また、本実施の形態において、特許文献２に示された方法を適用して流量の計測を行う場合、すなわち弁開度、弁前後差圧を計測し、弁内部に保有する流量係数（容量係数）テーブルから流量の算出を行うようにする場合、流体温度の変化によって流体の動粘度が変わっても、最縮流部の流れの様相は変わらないので、精度良く流量の計測を行うことができるようになる。

〔実施の形態２〕
図５に実施の形態２のボールバルブを示す。実施の形態１のボールバルブ１Ａ（図１）では、ボール弁体５を球状としているが、実施の形態２のボールバルブ１（１Ｂ）では、ボール弁体５を半球状としている。以下、実施の形態１におけるボール弁体と区別するために、実施の形態１におけるボール弁体をボール弁体５Ａとし、実施の形態２におけるボール弁体をボール弁体５Ｂとする。

ボール弁体５Ｂは、卵の殻のような形とされ、弁軸６の軸線と直交する方向に貫通流路７を有している。貫通流路７の上流側の開口部７１は、ボール弁体５Ａと同様、流量特性窓とされている。また、ボール弁体５Ｂの外周面は、シートリング８に接触する球面着座部を形成している。流体２は図示左(上流側)から右(下流側)へ流れる。

弁本体４には、ボール弁体５Ｂの上流側の管路に、リテーナ１２とスプリング１３と管路部材１４とが嵌め込まれており、管路部材１４を弁本体４の管路にねじ込むことによって、スプリング１３を挾んでリテーナ１２がシートリング８をボール弁体５Ｂの外周面に押し付けている。

この実施の形態２のボールバルブ１Ｂにおいても、実施の形態１のボールバルブ１Ａと同様、流量特性窓７１の壁面（流路の壁面）７１ａ’を上流から下流に向かって狭めたテーパ面としている。

すなわち、図６に要部の拡大図を示すように、流量特性窓７１の壁面７１ａ’の最下流端を弁本体４内の流路３およびボール弁体５Ｂの貫通流路７の最狭径部とし、この最狭径部から流量特性窓７１の壁面７１ａ’の最上流端までの流路の壁面７１ａ’を最狭径部に向かって傾斜させたテーパ面とし、この流量特性窓７１の最狭径部から貫通流路７内に急激に流路を拡大させるようにしている。

〔実施の形態３〕
図７に実施の形態３のボールバルブを示す。実施の形態２のボールバルブ１Ｃ（図５）では、流量特性窓７１の壁面（流路の壁面）７１ａ’を上流から下流に向かって狭めたテーパ面としているが、実施の形態３のボールバルブ１（１Ｃ）では、流量特性窓７１の壁面（７１ａ）をテーパ面とはせずに、リテーナ１２の内壁面（流路の壁面）１２ａ’をテーパ面とする。

以下、実施の形態２におけるリテーナ１２と区別するために、実施の形態２におけるリテーナをリテーナ１２Ａとし、実施の形態３におけるリテーナをリテーナ１２Ｂとする。また、実施の形態３におけるボール弁体をボール弁体５Ｃとする。

すなわち、実施の形態３のボールバルブ１Ｃでは、図８に要部の拡大図を示すように、リテーナ１２Ｂの内壁面１２ａ’の最下流端を弁本体４内の流路３およびボール弁体５Ｃの貫通流路７の最狭径部とし、この最狭径部からリテーナ１２Ｂの内壁面１２ａ’の上流側の所定位置までの内壁面１２ａ’を最狭径部に向かって傾斜したテーパ面としている。

このボールバルブ１Ｃでは、リテーナ１２Ｂの最狭径部から、ボール弁体５Ｃの流量特性窓７１を通して、貫通流路７内に急激に流路が拡大される。ボール弁体５Ｃの流量特性窓７１は、リテーナ１２Ｂの最狭径部よりも広い窓とされている。

〔実施の形態４〕
図９に実施の形態４のボールバルブを示す。実施の形態１のボールバルブ１Ａ（図１）では、ボール弁体５Ａの流量特性窓７１を上流側としたが、実施の形態４のボールバルブ１（１Ｄ）では、ボール弁体５Ｂの流量特性窓７１を下流側とする。このボールバルブ１Ｄにおいても、流量特性窓７１の壁面（流路の壁面）７１ａ’を上流から下流に向かって狭めたテーパ面としている。

但し、このボールバルブ１Ｄでは、流量特性窓７１が下流側に位置しているので、流量特性窓７１の壁面７１ａ’は、ボール弁体５の外周面側から貫通流路７側に拡径するテーパ面とされる。図１０（ａ）にボール弁体５（５Ｄ）を貫通流路７の上流側から見た図を示し、図１０（ｂ）にボール弁体５（５Ｄ）を貫通流路７の下流側から見た図を示す。

〔試験結果〕
図１１および図１２に、レイノルズ数に相当する係数を（Δｐ／（ρ₁／ρ₀））^1/2／νとし、この（Δｐ／（ρ₁／ρ₀））^1/2／νとＦ_R値（レイノルズ数係数）との関係を求めた試験結果を示す。

図１１は図５に示した実施の形態２のボールバルブ１Ｂ（流量特性窓の壁面をテーパ面としたタイプ）の試験結果であり、図１２は図１６に示すような実施の形態２のボールバルブ１Ｂに対応する従来型のボールバルブ１Ｆ（流量特性窓の壁面をテーパ面としていないタイプ）の試験結果である。

図１１および図１２に示した試験結果において、ψは相対容量係数（任意の弁開度における流量の、弁全開時の流量に対する比）を示し、Δｐは上下流の間の差圧、ρ₁は流体温度における流体の密度、ρ₀は基準温度における流体の密度、νは動粘度を示す。（Δｐ／（ρ₁／ρ₀））^1/2／νの値が小さいと流れは非乱流状態（低速、高動粘度（＝低温））となる。図１１と図１２とを比較して分かるように、試作モデルでは、従来型モデルに対して、非乱流状態でのＦ_R値が大きく改善されている。

なお、図９に示したボールバルブ１Ｄにおいて、ボール弁体５Ｄの流量特性窓の７１の壁面７１ａ’をテーパ面とせずに、ボール弁体５Ｄの下流側にリテーナを設け、このボール弁体の下流側に設けたリテーナの内壁面をテーパ面とするようにしてもよい。この場合、リテーナに最狭径部を設け、この最狭径部からリテーナの内壁面の上流側の所定位置までの内壁面を最狭径部に向かって傾斜したテーパ面とする。

〔実施の形態の拡張〕
以上、実施の形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明の技術思想の範囲内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

１（１Ａ〜１Ｄ）…ボールバルブ、２…流体、３…流路、４…弁本体、５（５Ａ〜５Ｄ）…ボール弁体、６…弁軸、７…貫通流路、１２（１２Ａ，１２Ｂ）…リテーナ、１２ａ，１２ａ’…内壁面（流路の壁面）、７１…開口部（流量特性窓）、７１ａ，７１ａ’…壁面（流路の壁面）。

Claims

流路を形成する弁本体と、前記弁本体内に弁軸を中心に回動可能に配設されたボール弁体とを備え、前記ボール弁体は、前記弁軸と直交する方向に形成された貫通流路を有し、前記貫通流路は、前記ボール弁体の外周面に開口する流量特性窓と、前記ボール弁体に形成されて一端が前記流量特性窓と接続し他端が前記弁本体の流路と接続する空洞とを有し、前記弁軸を中心として前記ボール弁体を回動させることによって前記弁本体内の流路を流れる流体に対する流量特性窓の開き量を調節するボールバルブにおいて、
前記流量特性窓は、
前記ボール弁体の外周面から前記空洞にかけて徐々に狭められ、前記空洞との接続部分において前記貫通流路の最狭径部を形成し、前記流体が前記流量特性窓から前記貫通流路に流入するときに前記最狭径部の直後に最縮流部が形成され、
前記空洞は、
前記一端の側に前記最狭径部から流路を拡大させる拡大部を含み、
前記貫通流路は、
前記流量特性窓が、前記ボール弁体の外周面から前記空洞にかけて徐々に狭められ、かつ、前記空洞が前記拡大部を有することによって、前記最縮流部の流れが受ける前記最狭径部の壁面からの摩擦の影響を軽減して、前記最縮流部の流れの様相が非乱流状態と乱流状態とで変わらないようにする
ことを特徴とするボールバルブ。
請求項１に記載されたボールバルブにおいて、
前記流量特性窓の前記外周面の開口から前記最狭径部にかけての壁面は、流体の流れる方向に対して最大で１０°の傾斜を有する
ことを特徴とするボールバルブ。