JP6640458B2 - バタフライ弁 - Google Patents

Description

本発明はバタフライ弁に関する。

従来、この種のバタフライ弁としては、例えば図１０に示すように、弁箱１０１内に、弁棒１０２を介して回動自在な弁体１０３を備えたものがある。弁体１０３は、開方向Ｏへ回動した際、流れ方向Ｆの上流側に変位する一方の弁体部１０４と、流れ方向Ｆの下流側に変位する他方の弁体部１０５とを有している。

また、弁体１０３の上流側の面には上流側ヒダ状ガイド１０６とガイド溝１０７とが形成され、弁体１０３の下流側の面には下流側ヒダ状ガイド１０８が形成されている。
これによると、弁体１０３を中間開度にした状態において、一方の弁体部１０４と弁箱１０１との間に一方の隙間１１０が発生するとともに、他方の弁体部１０５と弁箱１０１との間に他方の隙間１１１が発生し、配管１１２内の水１１３は、弁体１０３の上流側から一方および他方の隙間１１０，１１１を通って下流側へ流れる。この際、水１１３は上流側および下流側ヒダ状ガイド１０６，１０８とガイド溝１０７とに案内されるためキャビテーションを抑制することができる。

尚、一方の隙間１１０と他方の隙間１１１とはほぼ同じ大きさであり、このため、一方の隙間１１０の開口面積と他方の隙間１１１の開口面積とはほぼ同じ面積となる。
上記のようなバタフライ弁１００は例えば下記特許文献１に記載されている。

特公平３−３０９８

しかしながら上記の従来形式では、弁体１０３を中間開度にした状態において、他方の弁体部１０５の下流側部分１１５に発生するキャビテーションは十分に抑制されるため、他方の弁体部１０５の下流側部分１１５におけるキャビテーションの抑制効果は優れているが、一方の弁体部１０４の下流側部分１１６に発生するキャビテーションは想定したほど抑制されず、一方の弁体部１０４の下流側部分１１６におけるキャビテーションの抑制効果を向上させることは困難であった。

本発明は、一方の弁体部の下流側部分におけるキャビテーションの抑制効果を向上させることが可能なバタフライ弁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、本第１発明は、弁箱内に回動自在な弁体を備えたバタフライ弁であって、
弁箱は内周部に弁箱シールリングを有し、
弁体は、開方向へ回動した際、流れ方向の上流側に変位する一方の弁体部と、流れ方向の下流側に変位する他方の弁体部とを有し、
弁体は、外周部に、全閉位置において弁箱シールリングに圧接する円環状の弁体シール突部を有し、
弁体の一方の弁体部は、弁体シール突部よりも下流側において、球面状に湾曲した外周面を有し、
球面状の外周面は、弁体シール突部から閉方向に所定角度の範囲で形成されており、弁体シール突部の外周端よりも径方向内側で且つ一方の弁体部の上流側の周縁部よりも径方向外側にあり、
弁体を中間開度にした際、一方の弁体部と弁箱との間の一方の隙間の開口面積が他方の弁体部と弁箱との間の他方の隙間の開口面積よりも小さくなり、
全閉位置から弁体の弁体シール突部までの開方向の角度が所定角度の範囲内であれば、一方の隙間は弁箱の弁箱シールリングと一方の弁体部の球面状の外周面との間に形成される
ものである。

これによると、弁体を中間開度にした際、一方の隙間の開口面積が他方の隙間の開口面積よりも小さいため、流体は他方の隙間と比べて一方の隙間を流れ難くなり、一方の隙間を流れる流体の流量が減少すると共に、他方の隙間を流れる流体の流量が増加する。これにより、一方の弁体部の下流側部分におけるキャビテーションの抑制効果が向上する。
また、弁体を全閉位置から中間開度に開いた際、全閉位置から弁体の弁体シール突部までの開方向の角度が所定角度の範囲内であれば、一方の隙間は、弁箱シールリングと一方の弁体部の球面状の外周面との間に形成されるため、一定の大きさに保たれる。これにより、上記開方向の角度が所定角度の範囲内であるときは、一方の隙間の開口面積が変動せずに一定に保たれる。

本第２発明におけるバタフライ弁は、弁体を中間開度にした際、一方の隙間が他方の隙間よりも小さいものである。
これによると、一方の隙間の開口面積が他方の隙間の開口面積よりも小さくなる。

本第３発明におけるバタフライ弁は、一方の弁体部の下流側の面に、一方の隙間を通過する流体を弁体の回動軸心方向へ分散させるように案内する案内部が形成され、
案内部は複数の山部と谷部とを交互に有する襞状に形成され、
山部と谷部との各端部は一方の弁体部の外周面に達しており、
弁体の厚さ方向において、案内部の谷部が弁体シール突部まで達していないものである。

これによると、弁体を中間開度にした際、一方の隙間を通過した流体は案内部に案内されて弁体の回動軸心方向へ分散するため、キャビテーションの抑制効果がさらに向上する。

また、案内部の谷部の深さを深くするほど、弁体を中間開度にした際の一方の隙間の開口面積が増加するため、一方の隙間を流れる流体の流量が増加して、キャビテーションの抑制効果が損なわれる虞がある。これに対して、本願発明では、弁体の厚さ方向において、案内部の谷部が弁体シール突部まで達していないため、弁体を中間開度にした際の一方の隙間の開口面積の増加を抑制でき、一方の隙間を流れる流体の流量の増加を抑制して、キャビテーションの抑制効果を保つことができる。

本第４発明におけるバタフライ弁は、弁体の回動軸心は、弁箱の流路軸心に交差しており、弁箱の流路軸心から偏芯していないものである。
本第５発明におけるバタフライ弁は、他方の弁体部には、上流側に、複数の山部と谷部とを交互に有する襞状の上流側ガイドが複数形成されているものである。

以上のように本発明によると、弁体を中間開度にした際、一方の隙間の開口面積が他方の隙間の開口面積よりも小さいため、流体は一方の隙間を流れ難くなり、一方の隙間を流れる流体の流量が減少すると共に、他方の隙間を流れる流体の流量が増加する。これにより、一方の弁体部の下流側部分におけるキャビテーションの抑制効果が向上する。

本発明の実施の形態におけるバタフライ弁の断面図である。 図１におけるＸ−Ｘ矢視図である。 同、バタフライ弁の弁体の平面図である。 同、バタフライ弁の弁体を上流側から見たときの正面図である。 同、バタフライ弁の弁体を下流側から見たときの背面図である。 同、バタフライ弁の弁体を下流側から見たときの斜視図である。 同、バタフライ弁の弁体の案内部の拡大部である。 同、バタフライ弁の弁体を中間開度にした際の一方の隙間の開口面積と他方の隙間の開口面積を示す。 同、バタフライ弁の断面図であり、弁体を中間開度に開いて、一方の隙間を弁箱シールリングと一方の弁体部の球面状の外周面との間に形成した状態を示す。 従来のバタフライ弁の断面図である。

以下、本発明における実施の形態を、図面を参照して説明する。
図１，図２に示すように、１は配管３０に設けられるバタフライ弁であり、円筒状の弁箱２と、弁棒３を介して弁箱２内に回動自在に設けられた円盤状の弁体４とを有している。弁体４の回動軸心６（即ち弁棒３の軸心）は、弁箱２の流路軸心７に直交しており、弁箱２の流路軸心７から偏芯していない。

弁箱２は内周面にゴム製の円環状の弁箱シールリング９を有しており、弁箱シールリング９は弁箱２の一部に含まれる。
弁体４は、外周部に、全閉位置Ｐｓにおいて弁箱シールリング９に圧接する円環状の弁体シール突部１１を有している。また、弁体４は、開方向Ｏへ回動した際、流れ方向Ｆの上流側に変位する一方の弁体部１４と、流れ方向Ｆの下流側に変位する他方の弁体部１５とを有している。

図１，図２に示すように、弁体４を全閉位置Ｐｓと全開位置Ｐｏとの間の中間開度にした際、一方の弁体部１４と弁箱２との間に一方の隙間２１が形成され、他方の弁体部１５と弁箱２との間に他方の隙間２２が形成される。これら一方及び他方の隙間２１，２２はそれぞれ、流路軸心７の方向から見て、三日月形状をしている。

図１〜図４に示すように、弁体シール突部１１よりも上流側における一方の弁体部１４の周縁部１４ａには、複数のＶ形状のガイド溝１７が形成されている。
また、図１〜図３，図５，図６に示すように、一方の弁体部１４は、弁体シール突部１１よりも下流側において、球面状に湾曲した外周面１９を有している。図３に示すように、球面状の外周面１９は、回動軸心６を中心として、弁体シール突部１１から閉方向Ｓに所定角度α（例えばα＝２５°）の範囲で形成されており、弁体シール突部１１の外周端よりも径方向内側で且つ一方の弁体部１４の上流側の周縁部１４ａよりも径方向外側にある。

一方の弁体部１４の下流側の面には、一方の隙間２１を通過する水（流体の一例）を弁体４の回動軸心６の方向へ分散させるように案内する案内部２４が形成されている。案内部２４は複数の山部２５と谷部２６とを交互に有する襞状に形成されている。図５，図６に示すように、これら山部２５と谷部２６とは一方の弁体部１４の中心部から放射状に形成され、山部２５と谷部２６との各外周端部は一方の弁体部１４の外周面１９に達している。図７に示すように、弁体４の厚さ方向における案内部２４の谷部２６の深さＤは山部２５から弁体シール突部１１までの厚さＴよりも浅い。

図１〜図４に示すように、弁体シール突部１１よりも上流側において、他方の弁体部１５には、襞状の上流側ガイド２８が複数形成されている。これら上流側ガイド２８は、上流側から他方の弁体部１５に衝突する水を弁体４の回動軸心６にほぼ沿った方向で他方の弁体部１５の周縁側に案内して分散させるものであり、図４に示すように、上流側から見て稜線が「へ」字状に屈曲してほぼ回動軸心６の方向に延びている。

図１，図２に示すように、弁体４を中間開度にした際に形成される一方の隙間２１は他方の隙間２２よりも小さく、一方の隙間２１の開口面積Ａ（図８の点描部分）は他方の隙間２２の開口面積Ｂ（図８の点描部分）よりも小さい。尚、各開口面積Ａ，Ｂは流路軸心７の方向から見た投影面積である。

以下、上記構成における作用を説明する。
図１，図２に示すように、弁体４を中間開度にした場合、配管３０内の水（流体の一例）は、流れ方向Ｆにおける弁体４の上流側から一方および他方の隙間２１，２２を通って下流側へ流れる。この際、水が一方の弁体部１４のガイド溝１７に案内されるため、一方の弁体部１４の下流側面付近で発生する渦流が抑制され、キャビテーションの発生を抑制することができる。

また、水が他方の弁体部１５の上流側ガイド２８に案内されるため、他方の隙間２２の巾広の部分に集中しがちな水の流れが巾狭の部分に分散し、これにより、集中した噴流が下流側に吐出することを緩和してキャビテーションの発生を抑制することができる。

また、図８に示すように、一方の隙間２１の開口面積Ａが他方の隙間２２の開口面積Ｂよりも小さいため、水は他方の隙間２２と比べて一方の隙間２１を流れ難くなり、一方の隙間２１を流れる水の流量が減少すると共に、他方の隙間２２を流れる水の流量が増加する。これにより、一方の弁体部１４の下流側部分におけるキャビテーションの抑制効果が確実に向上する。

また、水は一方の隙間２１を通過した際に案内部２４の山部２５と谷部２６に案内されて弁体４の回動軸心６の方向へ分散するため、キャビテーションの抑制効果がさらに向上する。

また、案内部２４の谷部２６の深さＤを深くするほど、弁体４を中間開度にした際の一方の隙間２１の開口面積Ａが増加するため、一方の隙間２１を流れる水の流量が増加して、キャビテーションの抑制効果が損なわれる虞がある。これに対して、本実施の形態では、図７に示すように、谷部２６の深さＤを山部２５から弁体シール突部１１までの厚さＴよりも浅くしているため、弁体４を中間開度にした際の一方の隙間２１の開口面積Ａの増加を抑制でき、一方の隙間２１を流れる水の流量の増加を抑制して、キャビテーションの抑制効果を保つことができる。

また、図９に示すように、弁体４を中間開度に開いた際、全閉位置Ｐｓから弁体４の弁体シール突部１１までの開方向Ｏの角度βが所定角度α（図３参照）の範囲内であれば、一方の隙間２１は、弁箱２の弁箱シールリング９と一方の弁体部１４の球面状の外周面１９との間に形成されるため、一定の大きさに保たれる。これにより、上記開方向Ｏの角度βが所定角度αの範囲内であるときは、一方の隙間２１の開口面積Ａが変動せずに一定に保たれる。

下記表１は、従来のバタフライ弁と本実施の形態のバタフライ弁１についての中間開度と一方の隙間２１の開口面積Ａおよび他方の隙間２２の開口面積Ｂの比較を示すものである。また、下記表２は、従来のバタフライ弁と本実施の形態のバタフライ弁１について、中間開度４０％のときのボイド率積分値を解析した結果を示すものである。

上記表１によると、従来のバタフライ弁については、各中間開度２０，４０，６０％において、一方の隙間の開口面積と他方の隙間の開口面積とがほぼ同じに設定されている。これに対して、本実施の形態のバタフライ弁１については、各中間開度２０，４０，６０％において、他方の隙間２２の開口面積Ｂは従来のバタフライ弁の他方の隙間の開口面積と同じに設定されているが、一方の隙間２１の開口面積Ａは他方の隙間２２の開口面積Ｂよりも小さく設定されている。

尚、各中間開度２０％，４０％，６０％は、弁体４が全閉位置Ｐｓから開方向Ｏにそれぞれ角度１８°，３６°，５４°回動した場合に相当する。
上記表２の解析条件の欄に記載した差圧は弁体４の中心から上流側に４Ｄ離れた位置の圧力と下流側に２Ｄ離れた位置の圧力との差を示す。尚、Ｄは配管３０の口径であり、この場合はＤ＝２５０ｍｍである。また、流速は弁体４の中心から上流側に４Ｄ離れた位置の流量を配管３０の管路断面積で除して求めた値であり、ある特定の地点の局部的な流速ではなく、配管３０の管路を流れるときの全体的な流速を意味している。

表２の解析条件は中間開度４０％とし、ほぼ同等の差圧となるように流量等の条件設定を行っている。解析結果に示すボイド率は水中（流体要素中）におけるキャビテーションによって発生する空洞の割合を意味し、ボイド率の積分値は広義的にキャビテーションによる気泡の総量を意味している。

表２によると、本実施の形態のバタフライ弁１のボイド率積分値が従来のバタフライ弁のボイド率積分値よりも低下しており、これにより、本実施の形態のバタフライ弁１のキャビテーションによる気泡の総量が従来のバタフライ弁のキャビテーションによる気泡の総量よりも低減され、本実施の形態のバタフライ弁１におけるキャビテーションの抑制効果が従来のバタフライ弁よりも向上していることが分かる。

尚、上記表１および表２に記載された各数値は一例であり、これら数値に限定されるものではなく、バタフライ弁の大きさや種類等によって様々な値になる。
上記実施の形態では、中間開度２０〜６０％の範囲において、一方の隙間２１の開口面積Ａを他方の隙間２２の開口面積Ｂよりも小さく設定しているが、中間開度２０〜６０％の範囲に限定されるものではなく、例えば、全閉位置Ｐｓと全開位置Ｐｏとの間で、中間開度の範囲を２０〜６０％よりも狭く設定したり、或いは、中間開度の範囲を２０〜６０％よりも広く設定してもよい。

上記実施の形態では、図１に示すように、弁体４の回動軸心６が弁箱２の流路軸心７に直交した同心型のバタフライ弁１を示したが、弁体４の回動軸心６が弁箱２の流路軸心７から偏心した偏心型のバタフライ弁であってもよい。

１ バタフライ弁
２ 弁箱
４ 弁体
６ 回動軸心
７ 流路軸心
９ 弁箱シールリング
１１ 弁体シール突部
１４ 一方の弁体部
１５ 他方の弁体部
１９ 一方の弁体部の外周面
２１ 一方の隙間
２２ 他方の隙間
２４ 案内部
２５ 山部
２６ 谷部
２９ 水（流体）
Ａ 一方の隙間の開口面積
Ｂ 他方の隙間の開口面積
Ｄ 谷部の深さ
Ｏ 開方向
Ｐｓ 全閉位置
Ｓ 閉方向
Ｔ 山部から弁体シール突部までの厚さ
α 所定角度

Claims (5)

1. 弁箱内に回動自在な弁体を備えたバタフライ弁であって、
   弁箱は内周部に弁箱シールリングを有し、
   弁体は、開方向へ回動した際、流れ方向の上流側に変位する一方の弁体部と、流れ方向の下流側に変位する他方の弁体部とを有し、
   弁体は、外周部に、全閉位置において弁箱シールリングに圧接する円環状の弁体シール突部を有し、
   弁体の一方の弁体部は、弁体シール突部よりも下流側において、球面状に湾曲した外周面を有し、
   球面状の外周面は、弁体シール突部から閉方向に所定角度の範囲で形成されており、弁体シール突部の外周端よりも径方向内側で且つ一方の弁体部の上流側の周縁部よりも径方向外側にあり、
   弁体を中間開度にした際、一方の弁体部と弁箱との間の一方の隙間の開口面積が他方の弁体部と弁箱との間の他方の隙間の開口面積よりも小さくなり、
   全閉位置から弁体の弁体シール突部までの開方向の角度が所定角度の範囲内であれば、一方の隙間は弁箱の弁箱シールリングと一方の弁体部の球面状の外周面との間に形成されることを特徴とするバタフライ弁。
2. 弁体を中間開度にした際、一方の隙間が他方の隙間よりも小さいことを特徴とする請求項１記載のバタフライ弁。
3. 一方の弁体部の下流側の面に、一方の隙間を通過する流体を弁体の回動軸心方向へ分散させるように案内する案内部が形成され、
   案内部は複数の山部と谷部とを交互に有する襞状に形成され、
   山部と谷部との各端部は一方の弁体部の外周面に達しており、
   弁体の厚さ方向において、案内部の谷部が弁体シール突部まで達していないことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のバタフライ弁。
4. 弁体の回動軸心は、弁箱の流路軸心に交差しており、弁箱の流路軸心から偏芯していないことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のバタフライ弁。
5. 他方の弁体部には、上流側に、複数の山部と谷部とを交互に有する襞状の上流側ガイドが複数形成されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のバタフライ弁。

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