JP6649272B2 - 回転弁と鉄道車両用急速排気弁 - Google Patents

回転弁と鉄道車両用急速排気弁 Download PDF

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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と、この回転弁構造により設けられる排気弁であって、例えば鉄道車両の空気圧を用いた自動扉開閉装置などの配管等に用いられ、空気圧供給側の管路の流路を閉操作して空気圧ピストンシリンダーによる扉開閉装置のシリンダー内空気圧を排気するために設けられる鉄道車両用急速排気弁とに関する。
従来、例えば、鉄道車両の空気圧を用いた自動扉開閉装置においては、緊急時や修理・保守点検時などに手動で扉を開閉するために、自動扉操作用の圧力空気を抜くための鉄道車両用急速排気弁が一般的に用いられる。この排気弁としては、通常、略球形状の弁体を有するボールバルブが用いられることが多く、この種のボールバルブでは、弁体の流路が円形の貫通穴になっているために全開時の流れに対して障害物が無く、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る。
また、鉄道車両の流路開閉用としてコックが用いられる場合もある。通常、コックは、凹円錐状に加工した金属製ボデーに凸円錐状の金属製弁体が収納され、ボデーに対して弁体が回動したときに、相対する金属封止部同士のシールによって流体が封止される。
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。
特許文献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。
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。
また、特許文献3の回転弁は、内周半球面を有する弁体収容部を形成したボデーに、おねじ部とめねじ部との螺合によって、弁体が下降しながら弁閉方向に回転することでシール部材を流出入口に密封シール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 特開2012−2355号公報
前述の略球形状の弁体を有するボールバルブの場合、操作トルクを低減して操作性を高めつつ、封止性を高めて漏れを防止するためには、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る。これを満足するためには、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た上でこれらを組付ける必要がある。特に、この種のボールバルブでは、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して操作トルクにむらが生じやすいため、安定した操作性を確保することが難しい。
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し、片側(一次側)のシート部材の押圧力が低下する構造であるため、圧力が増したときに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、交換が必要になることもあるため経済性も悪くなる。一方、トラニオン型ボールバルブは、ロワステムで弁体の移動を防止し、シート部材の摩耗を低減させる構造ではあるが、内部構造の複雑化によりコストアップに繋がる。これらのボールバルブは、部品点数が多く、加工精度も向上する必要性や組立工数も大きくなるという問題もある。
流体が流れる際には、これらのボールバルブの微開時に流入・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る。
コックの場合、ボデーと弁体とが金属により設けられ、これらテーパ状に形成されたボデーと弁体との金属封止部同士のシールにより流路を開閉する構造であるため、これらのテーパ加工、弁体とボデーとのラッピング加工、グリース塗布処理を実施して封止面の加工に高い精度が要求され、使用時においては、その使用に伴ってグリースが失われるため定期的にグリース塗布をおこなう必要もあり、頻繁にメンテナンスをおこなう必要がある。
特許文献1のボールバルブにおいては、半球状の弁体及びシール部材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ため、上述した略球形状の弁体を有するボールバルブと同様にシール部材の圧接力が強くなり、また、突出したシール部材が流出入口の縁部と干渉した状態で摺動することによりシール部材の耐久性が悪くなる。
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る。
同文献3の回転弁は、弁閉時にのみシール部材がボデーに接するので、操作トルクを低減できるものの、シール部材が摩耗した際には、弁体が更にねじ込み下降するため、シール部材が流出入口の位置とずれてしまい、都度、蓋部材の位置を調整する必要がある。
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、流体による弁体やシール部材の劣化や流体の流出入時の損失を最小限に抑えた回転弁と鉄道車両用急速排気弁と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、ボデー内の内周の一部に形成した球面部或はテーパ面部を有する弁体収納部に流出入口と排出口とを形成し、弁体収納部より開口させた開口部より弁体を回転自在に挿入し、この弁体の外周の球面部或はテーパ面部との対向位置に球状面部或はテーパ状面部を形成し、さらに、流出入口又は排出口と連通する複数の貫通口と、これら貫通口との交差方向に流出入口と対向する装着溝とを形成し、この装着溝に流出入口又は排出口を閉止するシール部材を装着し、開口部を蓋部材で被蓋したときに、シール部材で何れか1つの前記流出入口又は排出口を密封閉止し、流出入口と排出口、或は流出入口同士を貫通口を介して連通可能に設けると共に、弁体収納部の下部内周面と弁体の下部外周面との間に保持リングを介在させ、この保持リングを弁体と蓋部材との間に装着した回転弁である。
請求項2に係る発明は、蓋部材と前記弁体との間にばね部材を装着し、開口部を被蓋した蓋部材でシール部材を増締め可能とし、かつばね部材を介してシール部材をボデーのシール面に押圧可能に設けた回転弁である。
請求項3に係る発明は、流出入口と排出口とを管路に接続してこの管路の流路を切換えるか或は排出口から流体を排出可能に設けた回転弁である。
請求項4に係る発明は、ボデーの表裏面の何れか一方、或は双方に座面部を設けると共に、この座面部上の少なくとも一方側にボデーの表裏面側からの把持を規制する突起部を形成した回転弁である。
請求項5に係る発明は、回転弁の排出口面積を適宜に調整して緊急時又は保安時などの自動扉開閉装置用配管から排気する排気時間を一定に設定可能に設けた鉄道車両用急速排気弁である。
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、弁体開閉時の高シール性と操作性とを両立できる。1枚のシール部材により流出入口又は排出口を閉止していることで操作トルクを低く抑えながら、このシール部材の耐久性を向上して摩耗を抑えて長期に渡って高シール性を維持できる。簡単な構造で部品点数も少ないことから経済性にも優れ、組立やシール部材の交換時のメンテナンス等も容易である。
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、小さいキャビティ容積により、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性を高め、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。しかも、保持リングを弁体下部底面部と蓋部材上面との間に介在させ、保持リングの内外径側でボデー球面状シール面の軸心と弁体の回転軸心の調心を確保して流体圧力によるシール部材の面圧の不均衡の発生を回避する。これによって、弁体をボデー側に押圧する際、所定のつぶし代を維持しながらシール部材により流出入口或は排出口を密封閉止し、所定のシール面圧により安定したシール性を維持でき、バルブの開閉操作性能と封止性能とを向上することが可能となる。
保持リングがラジアル軸受とスラスト軸受との機能を発揮し、ラジアル軸受の機能によりシール部材締付け時の弁体の倒れを防止し、弁体の倒れに伴う弁体軸の摩耗やかじりを防止する。一方、スラスト軸受の機能により、シール部材の材料の弾性内でのつぶし代を維持して応力緩和とクリープを防止できる。
請求項2に係る発明によると、ばね部材により弁体を押圧してシール部材に所定のシール面圧を働かせることができ、蓋部材の増締めによりこのシール面圧を一定に調節することができる。シール部材のシール面圧を調節することで、操作トルクを低く抑えて円滑な操作を確保しつつこのシール部材の押圧により流出入口又は排出口を密封閉止でき、しかも、シール部材の摺動に伴う摩擦や環境温度による温度変化に伴って膨張・収縮して寸法変化する場合にも、ばね部材の弾発力によりシール面圧を一定に確保して漏れを防止する。この状態で流路を切換えたときには、ばね部材による弁体の与圧で特に低温時にもトルク性及びシール性を両立し、振動に対しても強くなり、振動の多い場所で使用した場合にも弁座シール性すなわちシール部材と弁座側との摩擦力も維持され、弁体の自然の緩みにより弁開状態になることを防止できる。
請求項3に係る発明によると、1つのバルブにより流路の開閉及び切換え、流体の排出をおこない、これを管路の一部に設けることによって不要なバルブやチーズ継手、エルボ継手などを省いて部品点数を削減しながら簡略化した管路を構成でき、操作箇所も削減できることから流路の開閉及び切換え及び排出操作も簡素化する。
請求項4に係る発明によると、ボデーに設けた座面部に突起部を形成することにより、仮に、ボデーを万力やクランプで把持しようとした場合には、突起部が当接して不安定な締付けとなり、座面部への把持を確実に防止できる。これにより、ボデーの変形を防ぎながら配管を接続でき、ボデー内周面のシール部の精度を維持してこのシール部に弁体のシール部材を正確に当接シールさせ、流体のシール漏れや外部漏れを確実に防止できる。
請求項5に係る発明によると、弁体収納部に弁体を挿入して全体のコンパクト性を確保しつつ流路口径をフルボア口径まで大きくすることにより、流路切換え時の流量や排気時の排気量を大きく確保でき、配管場所に応じて変化する排気時間に応じて排出口面積を調節し、排気時間を一定の短い時間に抑えることができる。このため、鉄道車両の自動扉開閉装置内の圧力空気を急速に排気して自動扉を手動操作でき、バルブを操作してから自動扉を手動操作までの時間を短くして緊急時や保安時などに迅速に対応可能になる。ボデーをワンピース構造に設けることで配管作業時の部品のゆるみをなくして配管からの空気漏れを確実に防止でき、全体を小型化しながら部品点数を少なくし、鉄道車両内部又は外部の狭い設置スペースにも配置できる。
本発明の回転弁の第1実施形態を示す斜視図である。 図1の回転弁の縦断面図である。 図2の回転弁の弁閉状態を示す縦断面図である。 (a)、(b)、(c)は、第1実施形態における弁体の回転状態を示す断面図である。 図4の弁体が回転した状態を示す要部拡大断面図である。 図1の回転弁を配管に接続した状態を示す回路図である。 鉄道車両用急速排気弁を鉄道車両に用いた状態を示す概略模式図である。 本発明における回転弁の第2実施形態を示した縦断面図である。 図8における弁体を示した縦断面図である。 シール部材の他例を示す一部拡大断面図である。 本発明における回転弁の第3実施形態を示した斜視図である。 図11の回転弁の横断面図である。 図11の回転弁の一部省略縦断面図である。
1、130 バルブ本体
2 ボデー
3 弁体
4 蓋部材
5、140 シール部材
6 皿ばね(ばね部材)
10、11 流出入口
12 排出口
15 球面部
16 弁体収納部
22 開口部(下部内周面)
28 球状面部
30、31、32 貫通口
33 装着溝
80 管路
100 自動扉開閉装置
131 テーパ面部
132 テーパ状面部
141 保持リング
152 下部外周面
162 座面部
170 突起部
S 排出口面積
以下に、本発明における回転弁と鉄道車両用急速排気弁との実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。図1においては、本発明における回転弁の第1実施形態の斜視図、図2においては、図1の回転弁の縦断面図、図3においては、回転弁の弁閉状態を示している。本発明の回転弁(以下、バルブ本体1という)は、ボデー2、弁体3、蓋部材4、シール部材5、ばね部材6、ハンドル7を有している。
図1において、バルブ本体1のボデー2は、例えば、青銅や黄銅、ステンレスなどの材料によりワンピース構造に形成され、流出入口10、11と、これら流出入口10、11に交差する排出口12とを有し、本例では2方の直列する流出入口10、11の間に90°間隔で排出口12が形成される。バルブ本体1は、このようなボデー2の全体形状により、2つの流出入口10、11の向きを入れ替えて排出口12の向きを180°反転可能な状態で配管可能に設けられる。
ボデー2内の内周の一部には、球面部或はテーパ面部を有する弁体収納部16が形成される。本実施形態では、ボデー2の一部に球面部15が形成された弁体収納部16が設けられ、この弁体収納部16の上部側には軸装部17が設けられ、この軸装部17内には挿着穴18が設けられる。軸装部17の上部にはフランジ部19が形成され、このフランジ部19には90°間隔で4か所に取付穴20が形成され、この取付穴20の何れか1つに係止用ピン21が、例えば圧入又はねじ込みにより取付けられる。弁体収納部16の下部内周側には円筒状の開口部22が延設するように形成され、この開口部22内には雌ねじ23が設けられている。球面部15は、略半球形の座ぐり加工によって略半球凹状に設けられている。
図4(a)〜図4(c)において、上記の排出口12は、流出入口10、11と略同口径であり、これら流出入口10、11とともに弁体収納部16に連通状態で形成される。排出口12は、例えば直径φ12mmとして貫通形成され、この排出口12の排出側の周囲には、φ15mm程度の座ぐり部24が加工形成される。一方、流出入口10、11の内周側には雌ねじ部である螺合部25が形成され、例えば、管用テーパネジ3/8インチの雌ねじが形成され、この螺合部25を介して流出入口10、11にパイプ29が接続可能に設けられている。本実施形態では、排出口12に座ぐり部24が形成されているが、この排出口12は流出口10、11と同様の螺合部を有する形状に設けられていてもよい。
図5に示すように、流出口10、11、排出口12の流路口縁、すなわちシール部材5が密着シールするシール部26となる縁部位には、所定の角度α(150°程度)の面取り部27が形成される。この面取り部27によってシール部26のバリ取りがなされるとともに、シール部26の一部の傾斜角度が緩やかになることで、弁体3と一体に回動して摺動するシール部材5をシール部26に案内しやすくなる。この角度αは、面取り部27と球面部15との交点Tにおいて、面取り部27と球面部15の接線とのなす角であり、例えば、135°〜150°程度の範囲で設定される鈍角が望ましい。角度αが135°を下回ると、交点Tの部分に加工のバリが生じやすくなる。また、角度αが150°を上回るとその分シール部26が大径となり、回転弁が大きくなってしまう。
シール部材5のシール面5aが球面部15の位置にあるときには、この球面部15に押圧されて弾性変形した状態になる。一方、弁体3が回動され、シール面5aが流出入口10、11又は排出口12の何れかの流路に対向したときには、弾性変形が解除されてシール面5aが流路側に突出する。このとき、突出しようとするシール面5aが面取り部27によりスムーズにガイドされるため、シール部材5がシール部26の縁部位に引っ掛かることがなく回動操作を円滑に実施できる。弁体3の全閉時には、シール面5aが面接触によりシール部26にシールしてシール性が向上する。面取り部27の面取り巾寸法は、シール部材5が摺動しやすく、シール部材5に傷が付きにくい大きさであるとよい。
弁体3は、ボデー2の開口部22より弁体収納部16に挿入され、蓋部材4により上下方向に位置決めされつつ回転自在に取付けられる。弁体3において、弁体収納部16の球面部或はテーパ面部との対向位置には、球状面部或はテーパ状面部が形成される。本実施形態では、球面部15の対向位置に球状面部28が弁体3の一部として設けられ、この球状面部28の外周面が半球状に形成される。
図2、図3において、球状面部28の外周面には、流出入口10、11、又は排出口12と連通可能な複数の貫通口30、31、32が3方に形成され、これら貫通口30、31、32と交差する横方向には、流出入口10、11、又は排出口12と対向可能な装着溝33が形成される。装着溝33には、流出入口10、11又は排出口12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、バルブ本体1がシール部材5によるシングルシート構造に設けられる。本実施形態では、装着溝33は円形凹溝であり、シール部材5はこの円形凹溝33に嵌合可能な略円板状に形成される。具体的には、シール部材5の少なくとも球面部15に対向する面は、平面(フラット)に形成している。図示しないが、貫通口と、流出入口及び排出口とはそれぞれ4方以上であってもよく、この場合、貫通口と、流出入口、排出口との間隔はそれぞれ90°未満となる。
貫通口30、31、32は、流出入口10、11、又は排出口12と略同一径のフルボア形に形成され、これら流出入口10、11、又は排出口12に連通したときの圧力損失が抑えられている。貫通口30、31、32は、フルボア形以外にも、このフルボア形よりも流路径を一段落とした(縮径した)スタンダードボア形、或は二段落としたレデュースボア形と呼ばれる口径を絞ったタイプにすることもできる。フルボア形の場合には、他のタイプに比較して圧力損失を抑えることが可能であり流量特性が向上する。
図1〜図3において、弁体3の上部には上ステム35が一体又は別体に設けられ、この上ステム35にハンドル7を取付け可能になっており、そのハンドル取付位置に嵌合突部36が形成されている。弁体3の上ステム35との対向側には下ステム37が一体に設けられ、これらの上ステム35と下ステム37とは略同一軸径に設けられて弁体3に配管内空気圧による均等圧力を付与するようになっている。
弁体3は、球面部15に挿入可能な形状に設けられ、この場合、貫通口30、31、32とシール部材5とが流出入口10、11、又は排出口12に対向するように回転して流路を切換え可能であれば、球状面部28に相当する部位が半球面以外の形状であってもよい。このような球状面部28や前述のテーパ状面部は、少なくとも弁体収納部16の球面部15或はテーパ面部との対向位置で、且つ装着溝33を設ける領域に形成すればよく、他の領域の弁体形状は、貫通口30、31、32を設置することができれば、他の形状であってもよい。球状面部28と球面部15との間には隙間Gが設けられ、この隙間Gの量を蓋部材4の回転で調節して弁体3の増締め量を規制可能に設けられている。
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)又はカーボンファイバー入りのPTFEなどの高分子材料により形成される。シール部材5は、弁体3を回転したときにこの弁体3と一体に回動して流出入口10、11、又は排出口12の何れかをそれぞれシール可能であり、一方、流出入口10、11又は排出口12からずれたときに各流路に流体を流すことができる。
蓋部材4は、開口部22を被蓋可能な蓋状に設けられ、その上部外周に円柱部40が形成されている。円柱部40の外周にはOリング42が装着され、ボデー2の開口部22にシール状態で嵌入可能な外径に設けられている。円柱部40の下部外周にはボデー2の雌ねじ23に螺合可能な雄ねじ43が設けられ、これら雄ねじ43と雌ねじ23との螺合により蓋部材4を締付け可能になっている。蓋部材4の弁体3側の中央位置には挿着穴部45が設けられ、この挿着穴部45と円柱部40との間が肉ぬすみされていることで、全体の軽量化が図られている。図2において、蓋部材4は高さが低く抑えられるように設けられ、これによりバルブ本体1の全体高さも抑えられる。
前記弁体3は、Oリングからなるシール部材47を介して上ステム35がボデー2の挿着穴18に軸装され、シール材47´を介して下ステム37が蓋部材4の挿着穴部45に軸装されている。これにより、バルブ本体1がボデー2と蓋部材4との間に弁体3が軸支されたトラニオン構造に設けられる。上ステム35とボデー2との間には、隙間寸法46が設けられる。この隙間寸法46は、本発明の回転弁を組み立てた際の隙間Gよりも大きく設けており、弁体3の増締めに影響のないように寸法を設定している。
図示しないが、弁体収納部16の下部内周面と弁体3の下部外周面との間には、後述の保持リングが介在されていてもよい。保持リングを装着した場合、この保持リングが弁体3の下部底面と蓋部材4の上面との間に介在されることで、弁体3の蓋部材4方向への移動が規制される。
弁体3の下ステム37と蓋部材4の挿着穴部45との間には、ばね部材6が装着され、このばね部材6の弾発力でシール部材5を押圧し、流出入口10、11、又は排出口12の何れか一つが密封閉止され、流出入口10、11と排出口12、或は流出入口10、11同士が貫通口30、31、32を介して連通可能に設けられている。このばね部材6は、シール部材47´の外方(非流路側)に配置しているので、流体に接することがなく、過度に耐腐食性を考慮する必要がなく、材料選定も容易で、耐久性に優れた配置としている。
ばね部材6は、例えば皿ばねからなり、蓋部材4の締付けにより圧縮されて弁体3を挿入方向に押し込み可能になっている。ばね部材6を設けることで、シール部材5と球面部15との密着力が上昇し、一次背圧(バイフロー)封止性も確保される。さらに、ばね部材6によりボデー2や弁体3の寸法誤差を吸収しつつ、弁体収納部16の所定位置に弁体3が装着される。ばね部材6は、弾発力を有していれば皿ばね以外の態様であってもよい。ここで、前述の弁体収納部16の球面部15に対向して弁体3の球体面部28を挿入したときには、シール部材5にくさび効果が発揮されることでシール部材5によるシール面圧が高まる。そのため、ばね部材6の弾発力を低く抑えることができ、このばね部材6を小型化できる。
このばね部材6を介して、シール部材5の押圧力を調整しながら前記蓋部材4で開口部22を被蓋し、蓋部材4によって弁体3を増締め可能に設けている。
図1〜図3において、排出口12には、例えば排気用のオリフィス8が装着されていてもよい。オリフィス8は、図4に示した座ぐり部24に収納可能な外径に設けられ、その中央部には、所定の穴径の連通孔60が穿孔される。オリフィス8は環状のカバー61で被蓋され、このカバー61がボデー2にネジ62で螺着されて固定される。この構成により、オリフィス8を取付けたときには排出口12が所定の口径に絞られ、一方、オリフィス8を取り外したときには排出口12の口径より圧力空気が排気可能に設けられる。図示しないが、カバー61を固定するボデー2の雌ネジは、例えばボデーの4箇所に90°間隔で形成される。
排出口12には、図示しない防塵キャップが上記雌ネジを用いて向きを自在に設定し、着脱可能に設けられていてもよく、この場合防塵キャップにより排出口からの異物の浸入が防がれる。
本実施形態では、排出口12にオリフィス8が着脱可能な構造に設けられているが、排出口12側には流出入口10、11と同様に螺合部が設けられていてもよい。この場合、排出口12、及び流出入口10、11には、図示しないエルボ管、或は排出音を低減するための消音器、逆止用のリフトチャッキ弁などのチャッキ弁等の他の部品を螺合により接続することが可能になる。また、図示しないが、排出口12の排出側に圧力空気の方向を変更可能なノズルが螺子等により取付けられていてもよい。
図1に示したハンドル7の操作により弁体3が開閉可能に設けられ、このハンドル7には図示しない略十字形状の嵌合穴が設けられ、この嵌合穴が嵌合突部36に嵌合可能に設けられる。ハンドルは嵌合穴を介して上ステム35に90°間隔で任意の向きに装着可能に設けられる。この場合、ハンドル7を上ステム35に90°間隔で装着可能であれば、嵌合穴、嵌合突部36は略十字形状以外の嵌合形状であってもよい。ハンドル7には切欠き状のストッパ部52が形成され、このストッパ部52が4つの取付穴20の何れか一つに取付けられた係止用ピン21に当接係止することで、ハンドル7の向きや操作方向を設定しつつ、このハンドル7を任意の操作方向に90°回転操作して流路を切換え可能になっている。
図1〜図3において、バルブ本体1を組付ける場合、先ず、排出口側にオリフィス8を収納した状態にし、この上からネジ62でカバー61を固定してオリフィス8をボデー2に固定する。一方において、弁体3にシール部材5、シール材47、47´を装着し、この弁体3を、開口部22より球面部15の弁体収納部16内にボデー2下部から挿入し、上ステム35を挿着穴18に挿入する。このとき、シール部材5は、押付け力が働くことのない状態でボデー2に接触している。
次いで、下ステム37に図示しないワッシャを伴ったばね部材6を装着し、蓋部材4の挿着穴部45に下ステム37を挿入させながら、雄ねじ43と雌ねじ23との螺着により蓋部材4をボデー2下部から一体化し、蓋部材4によりスラストワッシャ9´を介して弁体3を押圧する。このとき、蓋部材4を図示しないソケットレンチ等の汎用工具で締付け・分解し、蓋部材4の締付け量の調整によりシール部材5とボデーシール面とを密着させて、シール部材5にシール面5aを形成し、ばね部材6によるシール部材5の押圧力を適切な状態にした上で、蓋部材4をボデー2に装着する。さらに、バルブ本体1を配管した状態で蓋部材4の締付け量を調整することで、シール部材5の摩耗や劣化等によるシール漏れを補修可能となる。
この実施形態では、弁体3をボデー2の下方から挿着する、いわゆるボトムエントリ構造となっているため、蓋部材4によってボデー2に対する弁体3の位置を調整し、ボデー2や弁体3の寸法誤差を吸収しつつ弁体収納部16の所定位置に弁体3を簡単に装着できる。バルブ本体1は、ボデー2上方から弁体3を挿着するトップエントリ構造に設けられていてもよい。
続いて、取付穴20の何れか一つに係止用ピン21を取付け、上ステム35の嵌合突部36に嵌合穴を嵌合させ、ワッシャ部材55を介して固着ナット56で固定することにより、向きや開閉操作方向を任意に設定しながらハンドル7を上ステム35に装着する。
この場合、直列する2つの流出入口10、11の向きを入れ替えて排出口12の向きを180°反転可能であることと、嵌合穴と嵌合突部36とを介してハンドル7の開状態における向きを流出入口10、11と平行又は交差する方向に変えることが可能であることと、ボデー2の何れかの取付穴20に係止用ピン21を取付けてハンドル7の開閉時の操作方向を変えることが可能であることとにより、これらの3つの要素を組み合わせることで各種の態様のバルブを構成できる。すなわち、閉位置で排気するための排出口12の管路が直列する流出入口10、11に対して右側又は左側の2通りあり、ハンドル7の開位置がいわゆる平行開通形又は直角開通形の2通りあり、ハンドル7の操作方向がいわゆる右勝手又は左勝手の2通りあることで、これらを組合わせることで、2×2×2=8通りの回転弁を設けることが可能となる。
バルブ本体1の組付け後には、弁体収納部16と球状面部28との間に隙間Gを設けつつハンドル7を回転操作し、誤操作による事故を防止しながら弁体3を90°ごとに回転することにより、貫通口30、31、32、シール部材5を介して流出口10、11、12の何れか一組又は全てを連通させて流路を切り替え可能となる。弁体3の閉止位置では、シール部材5が流出入口10、11、12の何れかが密封シールした状態になる。
図4(a)においては、左右の流出入口10、11を連通させて圧力空気を供給可能にし、シール部材5で直接排気口12を封止した状態を示している。図4(b)においては、一次側の流出入口10をシール部材5で封止して二次側の流出入口11と排気口12とを連通させた状態を示しており、この場合、流出入口11から排気口12を通して圧力空気が排出される。図4(c)においては、一次側の流出入口11をシール部材5で封止して二次側の流出入口10と排気口12とを連通させた状態を示しており、流出入口10から排気口12を通して圧力空気が排出される。
これら以外にも2つの流出入口10、11と排気口12との全てを連通可能に設けた状態がある。しかし、これは、回転弁を例えば鉄道車両用の排気弁として使用する場合に適していないため、その説明を省略する。
なお、図示しないが、バルブ本体のボデーに3つ以上の流出入口を設け、これら流出入口の間に1つの排出口を設け、流出入口のうちの少なくとも何れか1つと排出口とを連通させるようにしてもよい。
また、オリフィスを装着することなく、ボデーの排出口に所望の排出口面積を有する連通孔を直接孔開け加工により形成してもよい。
次いで、本発明における回転弁の上記実施形態における作用を説明する。
本発明の上記実施形態におけるバルブ本体1は、球面部15を有する弁体収納部16に流入口10、11、排出口12を略同口径に形成し、開口部22より貫通口30、31、32、シール部材5を有する球状面部28を備えた弁体3を回転自在に挿入し、流出入口10、11、排出口12と、貫通口30、31、32とのフルボア口径による連通状態を確保し、シール部材5で何れか1つの流出入口10、11又は排出口12を密封閉止し、流出入口10、11と排出口12、或は流出入口10、11同士を貫通口30、31、32を介して連通可能に設けていることにより、圧力損失を抑えながら低トルク性により操作性を高め、かつ封止力を高めつつシール部材5の摩耗を抑えることによりシール性を向上できる。
この場合、バルブ本体1は、上ステム35をボデー2の挿着穴18、下ステム37を蓋部材4の挿着穴部45にそれぞれ軸装したトラニオン構造に設けていることで、弁体3が圧力により二次側に移動することがなく、弁体3側に流出入口10、11又は排出口12を閉止するシール部材5を配設していることで、一般的なボールバルブのように複数のボールシートを必要とすることなく、1つのシール部材5で流路を切換えできる。このため、ボデー2の球面部15や弁体3の球状面部28、シール部材5が高い加工精度を必要とすることなく、部品点数を少なく全体を簡略化して小型化・軽量化できる。
弁体収納部16の球面部15、より具体的には流出入口10、11のシール部26の加工精度を確保することで、ボデー2に弁体3を挿入して蓋部材4で被蓋したときのシール性を確保しつつ、所定の状態に簡単に組立てできる。組立時には、シール部材5を所望の位置に取付けることで多彩な流路の切換えが可能になる。また、シール部材5を1ヶ所のみに配置すればよいため、一、二次側にボールシートが配設されたフローティングボールのように密封空間が形成されることがなく異常昇圧の発生を回避する。
弁閉時には、シール部材5が流出入口10、11又は排出口12のシール部26に押圧されてシール面5aが弾性又は塑性変形し、高いシール性を発揮して異物の混入や流体の漏れを確実に防止する。例えば、高温空気の供給によりシール部材5が膨張しようとした場合にも、ばね部材6による与圧構造でシール封止力が加わり噛み込みやクリープ、応力緩和などに起因する漏れを防ぎ、低温時にシール部材5が収縮しようとした場合にも、ばね部材6により流体の必要封止押圧力を得ることでシール性を確保でき、振動に対しても強くなって安定したシール性能を発揮する。
上記のことから、コンパクト性を維持しながら高圧の圧力空気に対しても高い封止性を発揮する。
組立時には、予めシール部材5を装着した弁体3をワンピース構造に設けたボデー2の開口部22から挿入し、ばね部材6を装着しながら蓋部材4を螺着するだけで簡単に組み込みでき、ワンピース構造によって配管後のボデー2からの外部漏れを防止できる。シール部材5や消耗部品等の交換時には、ボデー2を配管から外す必要がないため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ることができる。ボトムエントリ構造により弁体3がばね部材6でボデー2内に押圧される構造であるため、弁体3が外部に飛び出すおそれがなく安全である。
これらのことから、バルブ本体1を、例えば鉄道車両の配管に用いる場合にも、その接続やメンテナンスが容易になり振動に対しても漏れ等を防止して安全にこれらの作業を実施できる。
さらに、組立時に、蓋部材4を開口部22に螺着し、かつ、雄ねじ43を雌ねじ23に螺合させたときに球面部15と球状面部28との間に隙間Gを設け、弁体3の球状面部28と球面部15を無摺動で回転できるようにし、シール部材5に閉止時のみに流体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、しかも、流体圧による変形や移動も防ぎ、シール部材5の高シール性、耐久性を維持できる。シール部材5の摩耗が抑えられることで経済性にも優れる。
開口部22を蓋部材4で増締め可能に被蓋し、この蓋部材4に装着されたばね部材6の弾発力でシール部材5が何れか一つの流出入口10、11、12を密封閉止することにより、シール部材5の摩耗に応じてばね部材6が適量伸びるように追随することでシール性を確保できる。さらに、経年劣化や弁体3の繰り返しの開閉動作により、シール部材5が摩耗してシール性の維持が難しくなった場合には、蓋部材4を増締めすることでシール部材5の押圧力を強くしてシール性を回復できる。このため、シール部材5を頻繁に交換する必要もない。シール部材5には流体圧力から偏った圧力が加わり難く、その変形を防いで耐久性を高めている。
2つの流出入口10、11において、圧力空気の供給口が入れ替わることで排出口12から排気する為のハンドル操作が異なる場合でも、上ステムにハンドル7を嵌合穴51を介して90°間隔で任意の向きに装着可能に設け、ボデー2に90°間隔に設けた取付穴20の何れか一つ又は二つにストッパ部52が係止可能な係止用ピン21を取付けていることによりハンドル7を任意の開閉操作方向に装着でき、一種類のボデー2、ハンドル7を用いて、異なる配管場所や向きに取付けて狭い設置スペースにも操作性を確保しながら設置できる。
この場合、ハンドル7の回転操作時には、ストッパ部52が90°間隔で係止用ピン21に係止することで、誤作動を防ぎながら所定角度まで確実に操作でき、狭い場所や暗い場所などにバルブ本体1が設置されている場合でも、規制位置までハンドル7を回転することで容易に弁体3を所望の開閉状態まで操作できる。
前述したバルブ本体1は、例えば圧力空気が流れる管路の一部に設けられるが、圧力空気に限られることはなく、水やその他の各種流体にも適用される。
例えば、バルブ本体1は図6に示した管路80の一部として設けられ、この場合、流出入口10、11と排出口12とが管路80に接続され、バルブ本体1によって管路80の流路が切換え可能に設けられたり、排出口12から流体を排出可能に設けられている。
管路80においては、メイン流路81に、二つのバルブ本体1、1、制御弁83、この制御弁83の1、2次側にユニオン継手84、84が配置されている。管路80にはバイパス流路85が設けられ、このバイパス流路85は、メイン流路81の1次側のバルブ本体1で分岐され、二つのエルボ管86、86を介してメイン流路81の2次側のバルブ本体1に合流される。
この構成により、不要なチーズ管やバルブを削減して部品点数を少なくしてバイパス流路85をコンパクト化でき、配管部品の材料コストを削減し、配管重量を軽量化でき、しかもバルブ操作を簡素化できる。更に、バルブ本体1に図示しないパージ用のバルブを取付けることにより、バイパス流路85を構成するブロックごとにパージでき、管路80内の圧力検査、流体のサンプリング、流体パージ、圧力リリーフなどを実施できる。
管路80において、メイン流路81に流体を流す場合には、1、2次側のバルブ本体1、1を回転操作してバイパス流路85方向への流体通過口を封止状態にし、制御弁83により流量・圧力制御しながらメイン流路81に流体を流すようにすればよい。
一方、バイパス流路85に流体を流す場合には、1次側のバルブ本体1をメイン流路81方向の流体通過口を封止するポート位置に回転操作し、2次側のバルブ本体1を回転操作して上流側のメイン流路81の流体通過口を封止させるようにする。これにより、例えば、メンテナンス時において、流体がバイパス流路85を流れるようになる。
図7に示すように、上記のバルブ本体1を鉄道車両90用の急速排気弁として用いることもできる。この場合、排気弁を鉄道車両の管路に接続し、図2に示す排出口面積Sを適宜に調整することにより、緊急時又は保安時などの自動扉開閉装置用配管から排気する排気時間を一定に設定可能にすることが可能になる。
バルブ本体1は、二点鎖線で示した鉄道車両90の自動扉開閉装置100を駆動する空気配管101の主管102、枝管103の管路途中に配設され、又は管路分岐部104に複数配設可能に設けられる。各バルブ本体1には所定の口径のオリフィスが取付けられ、このオリフィスの排出口面積Sが適宜設定されて排気時間が一定になるように調節される。
これによって、バルブ本体1の鉄道車両90への配設位置に応じて、空気配管101全体の小型化と軽量化を図りつつ、扉開閉時のパターンの変化により配管容量が変わる場合であっても、一定の短時間での排気が可能になる。その際、バルブ本体1を軽い力で操作でき、一体構造のボデー2を介して空気配管101に接続できるため圧力空気の外部漏れも防がれる。
さらには、バルブ本体1を鉄道車両90の車両内部又は車両外部の開扉用の空気配管101の途中に設けるようにすれば、鉄道車両90の内部及び外部から自動扉105を手動操作で開状態にできるため、緊急時や保安時に空気配管101の所望のエリアを迅速に排気することができる。
鉄道車両90の配管には、一次側にコンプレッサからなる圧縮装置110、チャンバー、アキュムレータからなる空気溜め部111が設けられ、これらに自動扉開閉装置100を駆動するための圧力空気の供給・排気路である空気配管101が接続されている。空気配管101には、内部に図示しない電磁弁の開閉により駆動するシリンダーを有する自動扉開閉装置100、バルブ本体1が配設される。この鉄道車両90において、圧縮装置110により生成された圧力空気は、空気溜め部111を介して空気配管101に供給される。
実線で示した空気配管101は、途中で管路分岐部104となるT字継手により、枝管103である左右の第1分岐路122、第2分岐路123に分岐され、これらの第1・第2分岐路122、123に複数の自動扉開閉装置100がそれぞれ設けられている。空気配管101の主管102、枝管103の管路途中には、前述した2方形のバルブ本体1がそれぞれ配設される。又、T字継手104の代わりとして、管路分岐部にバルブ本体1を設けてもよい。これらのうち、T字継手104よりも一次側に設けられるバルブ本体1は、配管路の流出入口10、11と排出口12とを貫通口30、31、32を介して連通して全ての自動扉開閉装置100への圧力空気を排出するか、或は流出入口10、11同士を、貫通口30、31、32を介して連通して全ての自動扉開閉装置100に圧力空気を供給可能に設けられる。
第1分岐路122、第2分岐路123において、T字継手(管路分岐部)104と自動扉開閉装置100との間に設けられるバルブ本体1は、T字継手104側の配管路の流出入口10、11と排出口12とを連通して左右それぞれの側における全ての自動扉開閉装置100への圧力空気を排出するか、或は流出入口10、11同士を連通して左右それぞれの側における全ての自動扉開閉装置100に圧力空気を供給可能に設けられる。
各自動扉開閉装置100の一次側に設けられるバルブ本体1は、この自動扉開閉装置100への流出入口10、11を排出口12とを連通して当該自動扉開閉装置100への圧力空気を排出するか、或は流出入口10、11同士を連通して当該自動扉開閉装置100に圧力空気を供給可能に設けられる。
この実施形態では、バルブ本体1が鉄道車両90の内部と外部とにそれぞれ設けられ、各バルブ本体1を開閉操作することで鉄道車両90の内外から自動扉開閉装置100への圧力空気を排出又は供給可能になっている。より詳しくは、第1分岐路122、第2分岐路123よりも一次側のバルブ本体1は、図示しないが、通常時は鉄道車両90内部の適宜位置に蝶番で開閉可能に設けられたガラス板に隠された状態で設けられ、緊急時や保安時などにはこのガラス板を開けることで鉄道車両90内からハンドル7で手動操作可能になっている。鉄道車両90外部の左右側、及び前後側に露出した状態で設けられるバルブ本体1は、鉄道車両90外部の各方向から手動操作可能に設けられる。各自動扉105の上方に設けられるバルブ本体1は、蝶番で開閉可能に設けられた鋼板に隠された状態で設けられ、鋼板を開けることで鉄道車両90内から手動操作可能に設けられている。
図7において、常時運転時には、全てのバルブ本体1の流出入口10、11同士が連通され、圧力空気を自動扉開閉装置100まで供給可能な状態になっている。この場合、電磁弁の開閉によりシリンダーが駆動されて自動扉開閉装置100が自動で開閉操作されることにより、鉄道車両90への乗降等が可能になっている。
鉄道車両90の各バルブ本体1の排出口12には、排出口面積Sの異なるオリフィス8を装着し、何れの排気状態でも排気時間を一定に設定可能にしながら、この排気時間を短縮可能に設けている。これにより、鉄道車両90によって異なる扉開閉用空気配管101の容量(長さ)や、バルブ本体1の配設位置に影響を受けることなく、バルブ本体1の配管状態でオリフィス8の穴径を外部から設定して手動扉開操作までの時間を調整し、本実施形態では、例えばφ10mmの排出口をワンピース構造のボデーで実現可能となり、空気配管101内の圧力を、例えば5秒以内に排出して扉を開操作できる。
しかも、バルブ本体1を空気配管101の主管102、枝管103の管路の途中、又は管路分岐部104に配設できるため、鉄道車両90ごとに異なる空気配管101について所望の位置に配置でき、流路を切り換えて所望の位置から急速排気して鉄道車両90内の一定領域内を所定時間以内に排気できる。さらには、配管が複雑化した場合にも、その配管の所定位置にバルブ本体1を設けて圧力空気の排気時間を所定以内に短縮できる。バルブ本体1内にばね部材6を介して弁体3を装着していることで、ばね部材6により鉄道車両90の振動を吸収して封止性を維持できる。
次に、本発明の回転弁の第2実施形態を説明する。なお、この実施形態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。
図8においては、本発明の回転弁の他の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130においては、ボデー2内の内周の一部にテーパ面部131、図9の弁体3の外周のテーパ面部131との対向位置にテーパ状面部132をそれぞれ形成し、弁体3の装着溝33にはシール部材140を装着したものである。さらに、バルブ本体130内には保持リング141が装着されている。
ここで、前述した第1実施形態のようにボデー2内の内周の一部が球面部15である場合には、この球面部15が凹状球面であることにより、前述のシール部材5のように流出入口10、11、又は排出口12の流路への対向部位をフラット状に設けた場合にも、このシール部材5がシール部26よりも流路側に突出することを防止できる。
一方、図8のボデー2内の内周の一部にテーパ面部131を設けた場合には、このテーパ面部131にシール部材を上記球面部15と同じ形状に設けたときには、シール部材が弁閉状態でシール部26よりも流路内に押し出される状態になり、この状態から弁体3を回転するとシール部材が流路口縁に無理に接触して傷付く可能性がある。
これを回避するため、バルブ本体130では、図10に示すようにシール部材140における流路側に押し出される領域Rを予め削除しておくことが望ましく、この場合には、このシール部材140のシール部26への無理な接触を防いで破損や消耗を防止すると共に、弁開操作を円滑におこなうことができる。具体的には、ボデー2内周の一部がテーパ面部131、弁体3の一部がテーパ状面部132に形成されている場合、弁全閉時におけるシール部材140の流路との対向面、すなわち非シール面142がテーパ面部131に摺接しない形状であればよく、この非シール面142に領域Rや、或は図8に示した凹状球面状の凹み143などが形成されていればよい。これにより、非シール面142の摺接による破損や摩耗を防止できる。
さらに、シール部材140の非シール面142には座ぐりからなる図示しない逃げ部が設けられていてもよい。このシール部材140のシール面144は、シール部26に面当りにより押圧されるために流路側に飛び出すように弾性変形するおそれがあるが、逃げ部を設けた際には、弾性変形部位がこの逃げ部側に変形することにより、流路側への突出が防止される。
シール部材140の非シール面142に凹み143や逃げ部を設ける場合、これらを適宜の形状や大きさに設け、シール面144を弁体3の回転時におけるシール部26との摺動抵抗やシール性を向上できるアール形状などに形成することが望ましい。
このバルブ本体130では、弁体3の回転軸芯をL、テーパ状面部132あるいは前述の球状面部の下端、すなわち円柱状の突設部150との境界をMとすると、シール部材140はその中心線Pが、LとMとの交点Qを通るように設置することにより、回転弁をコンパクトな構造としつつ、弁体3を円滑に回動することができる。
図8の保持リング141は、シール部材140よりも強度が大きく、線膨張係数の小さい材料により環状に形成され、例えばPOM(ポリオキシメチレン)などの樹脂材料により設けられる。POMはPTFEの約90%の線膨張係数であり、この材料で保持リング141を設けたときには、シール部材140のシール面圧の低下を防ぐことができる。
仮に、シール部材140と同等の線膨張係数の保持リング141を用いた場合には、温度変化によるシール部材140と保持リング141の寸法変化が同一傾向となり、シール部材140の封止性能が損われる可能性がある。特に、低温時における寸法の縮小に影響を及ぼした場合、封止性能低下・封止面圧低下が生じるおそれがある。
保持リング141は、例えばリン青銅などの金属材料で設けられていたり、或は分割体により構成されていてもよく、また、リング状以外の部分的な部品であってもよい。保持リング141を金属材料により設けた場合、摩耗粉の発生と金属片の配管機器への悪影響を考慮した上で安全性を確認するとよい。
保持リング141を設ける場合、弁体3にはテーパ状面部132から円柱状の突設部150が形成され、この突設部150とテーパ状面部132との境界位置に装着段部151が設けられる。保持リング141は、弁体収納部16の下部内周面である円周状の開口部22と、弁体3の装着段部151により形成された下部外周面152との間に介在され、かつ、装着段部151により形成された弁体3の底面側の底面縁部153と蓋部材4の上面154とが対向した間隙に装着される。
保持リング141の装着後には、テーパ面部131の開口部22との境界部位において、ボデー2と保持リング141との間にはクリアランスC1が設けられ、弁体底面部155と蓋部材上面154との間にクリアランスC2が設けられる。これにより、保持リング141は、クリアランスC1内を軸方向に移動可能になり、クリアランスC1の範囲内において弁体3を締付け方向に押圧可能になっている。クリアランスC2を設けていることにより、弁体3の底面側と蓋部材4の上面側とが接触摺動することを防止して、これらが摩擦により摩耗したり、或はトルクアップしたりすることを回避している。
図8に示すように、蓋部材4がボデー2の所定位置に螺着固定され、保持リング141が弁体3と蓋部材4との双方に当接状態で装着されていることで、弁体3の蓋部材4方向への移動が規制されている。
このように弁体収納部16の下部内周面の開口部22と弁体3の下部外周面152との間に保持リング141を介在させることにより、この保持リング141の外周側と開口部22、内周側と弁体3装着段部151の下部外周面152とで、挿着穴18の軸芯と弁体3の回転軸の軸芯とを調芯しつつ、シール部材140の圧縮代分を一定に確保することが可能となり、シール部材5の圧縮反力による偏芯作用を吸収してシール面圧の不均衡をなくすことにより開閉操作性能を向上することが可能となる。
これを詳細に説明すると、シール部材140による封止性を高めるためには、保持リング141には組立時の予荷重を均一に確保することが要求される。すなわち、弁体3に装着されたシングルシートのシール部材140に予荷重を加えて圧縮する際には、弁体3の操作軸心に対して片持ちの圧縮反力が加わるため、上ステム35側を支点に弁体3が傾く現象が生じる。この傾きを是正しないまま組立を完了すると、開閉操作時には弁体軸とボデー側の軸受側との接触が不均な一点あたりとなり、流体圧力によって異常摩耗を生じ、トルク増加・摩耗・かじり現象などの円滑な動作に悪影響を及ぼす現象が生じる。シール部材5の接触が均一でない場合、封止漏れを生じやすくなる。
これらを回避するためには、シール部材5に予荷重を均一に与えて片持ちによる偏心傾きを是正し、弁体軸のラジアル方向の調心を確保する必要がある。これを満足するためには、保持リング141の内周側と弁体3の下部外周面152、保持リングの外周側と開口部22との間の軸受機能を高める必要がある。
組立状態において、シール部材140のシール面144にばね部材6の圧縮荷重が適切に加わるようにするためには、保持リング141には以下のような構成が必要になる。すなわち、保持リング141の上面側と底面縁部153、下面側と蓋部材上面154とをそれぞれ接触させて軸方向の隙間寸法の発生を防ぎ、ばね部材6組立時のシール部材140の圧縮寸法を適切な状態に確保することで、ばね部材6による組み込み荷重を安定して確保できる。
以上のように保持リング141を構成することにより、シール部材140の材料の種類による剛性の大小の変化を吸収し、成形後のシール面144に作用させる封止荷重を所望の大きさに設定できる。また、シール部材140の摩耗による寸法変化を、バルブ本体130の外部から測定することもでき、シール部材140の摩耗量を蓋部材4の回転によるねじ込みで補填できるとともに、補填後の封止荷重も容易に一定に確保可能となる。
バルブ本体130は、弁体3の一次側のみに装着されたシール部材140をボデー2のシール部26に押圧シールする構造であるため、弁体3は、弁座シール面圧の反力により上ステム35がボデー2で軸支されている部分を支点に二次側に傾く現象を生ずる。前述したように、少なくとも弁体3の外周とボデー2の内周との間に保持リング141を装着することにより、この保持リング141がいわゆるラジアルベアリングとして機能してこの傾きを是正できる。
ここで、弁軸からの距離が離れるほど弁体3からボデー2に伝達されるラジアル方向の荷重が小さくなることから、弁体3の最大外周位置に保持リング141を装着することが望ましい。
さらに、上記のように蓋部材4に装着されたばね部材6で弁体3を常時押圧することにより、所定の弁座シール面圧を維持する構造を採用している。その際、蓋部材4と弁体3との間に装着した保持リング141でばね部材6の押圧量を規制することで、バルブ本体130の組立時や、後述の蓋部材4の増締め時にばね部材6を過度に押圧することを防ぎ、このばね部材6の弾発力を維持している。
保持リング141は、少なくとも蓋部材4と弁体3との間に装着されていれば良く、上述した弁体3の偏心を防止する機能と兼用できるように弁体3の最大外周位置に装着することが望ましい。
このように、本実施形態の回転弁においては、弁体3の偏心防止機能と、シール部材140によるシール面圧を維持するためにばね部材6の初期設定荷重を回復する機能とを1つの保持リング141で実現できるため部品点数の削減が可能になり、弁体3の最大外周位置で且つ蓋部材4に対向する開口部22内で突設部150を設け、この突設部150により断面L字状の装着段部151を設けているため、弁体の高さを低く維持しながら装着段部151に保持リング141を装着し、バルブ本体130をコンパクト化できる。
蓋部材4と弁体3との間に保持リング141を装着することで、この保持リング141がいわゆるスラスト荷重を受けるベアリングとしても機能する。このベアリング機能により弁体操作時に低摩擦及び低トルク性を発揮し、ばね部材6の圧縮代を設定値にし、過大圧縮によってへたりが生じたりばね部材6によるばね機能が失われたりして、シール部材140の封止性が低下することを防いでいる。
保持リング141は、前述した第1実施形態のバルブ本体1に対しても第2実施形態と同様に装着可能であり、この場合にも前記と同様の機能を発揮可能となる。
保持リング141をバルブ本体130に組み込む場合、先ず、シール部材140を装着した弁体3をボデー2側に押し、シール部材140をいわゆる予荷重によりボデー2のシール部26に押圧し、シール部材140にシール面144を形成する。その際、蓋部材4の締め込み量により予荷重の大きさを調節し、シール部材140が塑性変形を生じることのない弾性変形の範囲内の歪み量で押圧をおこなうようにする。例えば、シール部材140がPTFEの場合、歪み量が約3%程度となるようにすればよい。このとき予荷重されたシール部材140のシール面144が封止の基準面となり、シール部26の表面に存在する微小な凹凸に対してシール部材140を密着させて馴染ませるようにする。
続いて、予荷重により形成されたシール面144を基準面として、封止に必要な荷重をばね部材6によりシール部材140に加える。この場合、シール部材140は、シングルシート構造により設けられているため、受圧荷重は、本体耐圧検査圧力による受圧荷重を受け、また、シール部材140の流体封止に必要な封止圧力は、流体圧力の約2倍程度の押付け圧力を封止面積に加えることがよい。この場合の封止圧力をシール部材140の弾性域内とする。ばね部材6の組み込む際の荷重としては、これらに摩擦ロス、シート摩耗代を加えるようにするとよい。
バルブ本体130の使用時には、弁体3の開閉操作に伴ってシール部材140が摩耗するが、このシール部材140がばね部材により弁体3で押圧されて上方に付勢されているためにシール面圧は略一定に維持される。
従って、シール部材140が摩耗するに従って上ステム35のボデー2上面からの突出量が増すようになり、これによってシール部材140の摩耗状況を外部から視認できる。さらには、例えば、上ステム35の突出量を測定したり、上ステム35に適正位置を表示させることでシール部材140の交換時期を把握することもできる。
シール部材140とシール部26とのシール面圧を回復させるためには、蓋部材4をねじ込んでシール部材140をシール部26側に押圧するように増締めをおこなうようにする。この際、蓋部材4と弁体3との隙間は保持リング141により確保されているので、蓋部材4と弁体3との間に装着されているばね部材6を過度に押圧することなく初期設定荷重を回復することができる。
具体的に説明すると、図8においてバルブ本体130の組立て直後においては、クリアランスC2、蓋部材4と弁体3との間の軸方向のばね部材6の設定荷重時の装着長さが所定の長さになり、ばね部材6の弾発力によってシール部材140が軸方向に所定の圧縮量で変形して所定のシール面圧を発揮できるようになる。
バルブ本体130の操作回数が増加すると、シール部材140の摩耗等によりばね部材6が弾発方向に伸長しようとすることで所定のシール面圧を確保することが難しくなる。このため、蓋部材4による増締めをおこなって所定のシール面圧まで回復されることが必要になる。
本実施形態において、所定量の増締めをおこなう場合には、弁体3の蓋部材4方向への移動が規制されていることで、蓋部材4の締付け量をばね部材6の弾発力を介して直接シール部材140のシール面圧として反映でき、蓋部材4の締付け時に圧縮力をコントロール可能となる。これにより、ばね部材6の圧縮量を一定に確保して所定のシール面圧を維持でき、シール部材140の材料の種類や大きさなどに応じてシール面圧を設計値に沿って変えた場合にも、増締めにより所定のシール面圧まで回復できる。しかも、増締め時には、ばね部材6が圧縮したときの全密着を回避できるため、ばね部材6のへたりや、これに起因するばね部材6の機能の喪失を防止し、シール面圧の低下によるシート漏れを確実に回避できる。
増締め時には、弁体3が保持リング141のラジアルベアリング機能により径方向にガイドされていることでステムの軸心方向に円滑に移動し、シール部材140に偏荷重を加えることなく均等な変形量を維持できる。
図11〜図13においては、本発明の回転弁の第3実施形態を示している。
このバルブ本体160では、ボデー161の胴部171の表裏面(側面)に座面部162が設けられ、この座面部162の一方側に突起部170が形成されている。突起部170は球面突状に形成され、この突起部170を介して図示しないクランプによるボデー161の表裏面側からの把持が規制される。これについて、以下に詳述する。
通常、回転弁等のバルブをねじ込みにより接続して配管施工する場合、固定されたパイプ(配管)に対してバルブを取付ける場合と、固定されたバルブに対して配管を取付ける場合とがある。固定された配管にバルブを取付ける場合には、バルブの配管取付け用に管用ネジが加工された接続部側に設けられた六角部分にスパナ等の工具を掛け、この工具でバルブを回転させて配管にねじ込むようにし、一方、固定されたバルブに対して配管を取付ける場合には、バルブの配管取付け側のバルブの配管取付け用に管用ネジが加工された接続部側の六角部分に工具を掛け、この工具でバルブの回転を防ぎながら配管をレンチ等の別の工具でバルブにねじ込む場合が一般的である。
しかし、バルブの胴部分の表裏面(側面)には、排気孔用横穴を加工するための鋳物ブラインド座や、バルブの開閉状態の確認用のスイッチ取付け用の取付け座が設けられることが多く、実際の作業では、これらの座を両側から万力で把持してバルブを固定したり、締付工具でクランプしながらのねじ込み接続が行われてしまう場合がある。しかも、これらの座は、バルブの胴部分からの出っ張り寸法が設計的に必要な大きさで設定され、かつ座面が平坦面で成形されることが多いため、把持用の座と誤解されやすい。一方、仮に、これら鋳物ブラインド座やスイッチ取付け用座などを設けない場合でも、鋳物座が胴部分に残ることで、この鋳物座を把持して配管接続する可能性が高い。
これらのように、バルブの胴部分を挟み込んで配管接続する場合、胴部分と六角部分との間の接合部分にねじの締付け荷重による応力が集中したり、ボデーが変形しやすくなる。その結果、ボデーの流出入口側のシール面が変形してしまい、このシール面に対して弁体のシール部材が正しくシールできなくなって、流体のシート漏れや外部漏れなどの発生につながる可能性がある。
これに対して、本実施形態では、上記のようにボデー161側面の座面部162に突起部170を形成したことで、この突起部170を視認してクランプ用の座部でないことを確認できる。これにより、仮に、誤って座面部162をクランプしようとしても、突起部170の球面がクランプの平面に当接してバルブ本体160が不安定に回転移動し、不安定な締付けとなることで座面部162へのクランプを確実に防止できる。よって、胴部171の両端側に形成した六角面部172への工具の取付けを誘導し、この六角面部172を工具で保持して配管締付け時に胴部に応力が加わりシール面を変形させることを防止しつつ配管を接続できる。
しかも、突起部170は、加工代相当の微小な出っ張り寸法であれば十分にその機能を発揮できることから、突起部170を切削等の加工で除去可能な大きさに設定すれば、この突起部170を除去して座面部162をブラインド座やスイッチ取付け用座として簡便に使用できる。従って、低コストでボデー161を製作でき、バルブ本体160のコンパクト性も維持可能となる。
座面部162は、ボデー161の表裏面の何れか一方、或は双方に設けられていればよく、この座面部162上の少なくとも一方側に突起部170が形成される。座面部162が胴部171の表裏面の双方に設けられている場合、突起部170がこれらの何れか一方、或は双方に形成されていればよく、突起部170の形成時には、座面部162の中央からずれた位置に設けることが望ましい(図示せず)。これにより、例えば、胴部171の表裏面に設けた座面部162に対して、突起部170を非対称位置に形成することで、誤ってクランプ等でボデー161を挟もうとしたときに一層不安定になり、確実に座面部162への把持を阻止できる。
ボデー161には、予め両側に座面部162を設けるようにし、これら座面部162の排出口12の穿孔位置に突起部170を形成するとよい。この場合、ボデー161の任意の側の座面部162に排出口12を穿孔する際に、穿孔作業と同時に不要な突起部170を切削除去できる。このため、突起部170の除去作業を別途必要とすることがなく、残りの突起部170をクランプ防止用として残すことも可能になる。図示しないが、突起部170は、球面突状以外であってもよく、例えば、円錐状や尖頭球状などの各種形状に設けることも可能である。
さらに、本実施形態においては、図12、図13に示すように、胴部171から六角面部172にかけて、テーパ状の肉厚部174を設けている。この肉厚部174の形成により、胴部分と六角部分との間にくぼみを有する一般的なバルブに比較して、胴部171と六角面部172との間の強度が飛躍的に向上する。そのため、配管接続時の締付け荷重による応力集中を確実に防止し、ボデー161の変形によるシール部26のゆがみを防いで配管接続後のシール性を確保できる。
なお、作業者が誤って座面部162をクランプした場合には、突起部170にクランプの押圧力が集中することから、突起部170が変形したり、パイプレンチ等のクランプ金具の圧痕が残る。これにより、弁座漏れの一因が座面部162のクランプによるものであることを認識することができる。
本発明の回転弁は、前述した鉄道車両用急速排気弁としての用途以外にも、例えば、以下に例示するような技術分野において、それぞれ2方、3方、4方、或は多方回転弁等としても使用することができる。すなわち本発明は、熱交換器の熱媒(冷温水)制御配管システム等において流路切り替え用として使用される流量調整式回転弁、蒸気等のバイパス配管において流量調整用又は開閉用として使用される回転弁、高圧の水・油・ガス・空気等の配管システムにおいて管路分岐に使用される各種多方弁、分解・組み立てがおこない易く減菌・フラッシング等が容易でメンテナンス性の高いサニタリー用の各種多方弁、消火用スプリンクラー設備の防災弁ユニットにおける開閉用・水抜き用・テスト用・流路切り替え用等として使用される手動又は自動の各種多方弁、不凍栓の一部又は全部を構成する弁或は不凍性が要求される管路の一部、タンクローリ、散水車、ジェットパック(粉粒体運搬車)などの特装車に用いられる配管系の一部、蒸気配管・空調冷媒配管・冷凍機冷媒配管の管路の一部、工場設備の空気圧或は水圧配管の一部、スプリンクラー設備の配管システムの一部、サニタリー設備の配管系の一部等としても使用することができる。

Claims (5)

  1. ボデー内の内周の一部に形成した球面部或はテーパ面部を有する弁体収納部に流出入口と排出口とを形成し、前記弁体収納部より開口させた開口部より弁体を回転自在に挿入し、この弁体の外周の前記球面部或はテーパ面部との対向位置に球状面部或はテーパ状面部を形成し、さらに、前記流出入口又は排出口と連通する複数の貫通口と、これら貫通口との交差方向に前記流出入口と対向する装着溝とを形成し、この装着溝に前記流出入口又は排出口を閉止するシール部材を装着し、前記開口部を蓋部材で被蓋したときに、前記シール部材で何れか1つの前記流出入口又は排出口を密封閉止し、前記流出入口と排出口、或は前記流出入口同士を前記貫通口を介して連通可能に設けると共に、前記弁体収納部の前記開口部である下部内周面と前記弁体の下部外周面との間に保持リングを介在させ、この保持リングを前記弁体と前記蓋部材との間に装着したことを特徴とする回転弁。
  2. 前記蓋部材と前記弁体との間にばね部材を装着し、前記開口部を被蓋した前記蓋部材で前記シール部材を増締め可能とし、かつ前記ばね部材を介して前記シール部材を前記ボデーのシール面に押圧可能に設けた請求項1に記載の回転弁。
  3. 前記流出入口と排出口とを管路に接続してこの管路の流路を切換えるか或は前記排出口から流体を排出可能に設けた請求項1又は2に記載の回転弁。
  4. 前記ボデーの表裏面の何れか一方、或は双方に座面部を設けると共に、この座面部上の少なくとも一方側に前記ボデーの表裏面側からの把持を規制する突起部を形成した請求項1乃至3の何れか1項に記載の回転弁。
  5. 請求項1乃至4の何れか1項に記載の回転弁の前記排出口面積を適宜に調整して緊急時又は保安時などの自動扉開閉装置用配管から排気する排気時間を一定に設定可能にしたことを特徴とする鉄道車両用急速排気弁。
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