JP6697260B2 - ボールバルブ - Google Patents

Description

本発明は、ボールバルブに関し、特に、粉体を含む流体に適したトラニオン型ボールバルブに関する。

従来より、この種の粉体用ボールバルブとして、バルブ内に流入した粉体のボールシートの隙間やシール面への介在によるボールシートの動きやシール面の密着性の低下を防止するために、トラニオン構造で装着された弁体に、ばねで弾発されたボールシートが密着する構造のバルブが一般に知られている。

このようなボールバルブとして、例えば、特許文献１のボールバルブが開示されている。このボールバルブは、バルブボディ内にリング状シート、シートリテーナ、圧縮ばねを有し、バルブボディの内周において、圧縮ばねがリング状シートとシートリテーナとの間に３つのＯリングでシールされながら内蔵される。これにより、圧縮ばねへの粉体の影響が防がれ、バルブ内でガスが反応して粉体化するような場合でも、スプリングによる弁体への弾発力が維持されてシール性を確保しようとしている。
そして、流体圧が上昇した場合には、シートリテーナが圧縮ばねを介してリング状シートを押圧することにより、ボール弁体とリング状シートとの接触面圧を高めて、弁座シール性を向上しようとするものである。

一方、特許文献２のトラニオン型ボールバルブにおいては、本体内部に筒状シート、スプリング及びリング状ホルダからなる押圧手段、伝圧リングと２つのＯリングとからなるシール手段が設けられている。このボールバルブでは、スプリングがスプリングホルダにより保持されつつ、筒状シートを球状弁体方向に弾発可能に装着され、流体をリング状ホルダ内に導入し、流体圧力とスプリングの弾発力を利用して筒状シートを球状弁体に圧接シールしようとするものである。

特許第５６９７０７２号公報 特許第２６７８８７６号公報

前者の特許文献１のボールバルブにおいては、リング状シートの弁体側である拡径段部の外径がシートリテーナの外径と同寸法に形成され、リング状シートの小径部の内径がシートリテーナの内径よりも小径に形成されている。このため、例えば、中間開度で一次側とキャビティとが連通し、一次側からの流体圧がリング状シートとシートリテーナに加わると、リング状シートには流体圧によってボール弁体から離れる力が働き、この力が、流体圧でシートリテーナがボール弁体側に押される力と圧縮ばねの弾発力との合力を上回る場合がある。これにより、リング状シートが弁体から離れることがあり、ボール弁体に付着した粉体等の流体をリング状シートで掻取る、いわゆるスクレーパ機能が低下し、粉体の介在することで良好なシール性能が発揮できない可能性がある。

一方、後者の特許文献２のボールバルブにおいては、筒状シートと弁筐との間にダストシールを設け、このダストシールにより粉粒体を除外しようとしている。しかし、このようにダストシールを介してリング状ホルダに流体成分を流入する構造であるため、リング状ホルダに案内した流体成分の粉粒体がスプリングに付着する可能性があり、その結果、弾発力が低下して筒状シートのシール性に悪影響を及ぼすおそれがある。

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、粉体を含む流体に好適なトラニオン型ボールバルブであり、ボールシート押圧用のスプリングへの粉体の付着を防ぎ、このスプリングの弾発力と、流体による押圧力とを利用してボールシートのシール性を向上し、弁閉から弁開状態まで常にボールシートを弁体に当接させて粉体を確実に掻取って良好なシール性を維持できるボールバルブ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、貫通孔を有するボールをステムでボデー内に回転自在に支承し、ボールの一方又は双方側にシール機構を設けたボールバルブにおいて、シール機構は、先端側のシート部と後端側の段部面を有する筒状のボールシートと、段部面の外周とボデーの内周との間にシール状態で装着した筒状のリテーナグランドと、リテーナグランドのボール側に向けて装着し、先端側をシート部に弾発支持させたスプリングと、ボデーの内周環状突部と、を備え、スプリングは、ボデー内周面とリテーナグランドと内周環状突部により密封状態で内蔵されると共に、リテーナグランドにおけるボデーとのシール外径をシート部における内周環状突部とのシール外径より大きく設定し、かつ内周環状突部の内径の寸法を変更することによりリテーナグランドのシール外径とシート部のシール外径との寸法差を設定し、ボールシートのスクレーパ機能を調節できるようにしたボールバルブである。

請求項２に係る発明は、内周環状突部は、ボデー内周に環状リングをボデーと一体又はシール状態に装着したボールバルブである。

請求項３に係る発明は、環状リングは、分割された分割リングであり、この分割リングをボデー内周にシール状態に設けたボールバルブである。

請求項４に係る発明は、ボデーにおけるシール機構のボール当接側とは反対側に、シール機構に向けて次第に拡径するテーパ面を形成したボールバルブである。

請求項１に係る発明によると、粉体を含む流体に好適であり、スプリングをシール機構とボデーの内周環状突部により密封状態で内蔵しているため、スプリングへの粉体の付着を防止し、スプリングの弾発力によるボールシートのシール性を確保できる。リテーナグランドにおけるボデーとのシール外径をシート部における内周環状突部とのシール外径より大きく設定していることで、流体圧によりボールシートをボールに押圧する力を発生させることができる。これらスプリングの弾発力と流体による押圧力との相乗効果によりボールシートのシール性を向上でき、このボールシートを中間開度を含む弁閉から弁開状態まで常に弁体に当接させてスクレーパ機能によりボール表面の粉体を確実に掻取り、ボール表面の粉体の付着はもとより、ボールシートとの隙間やシール面への粉体の介在も防いで良好なシール性を維持できる。シール機構を内周環状突部で位置決めしながら装着でき、このシール機構のボール方向への抜け出しも確実に防止できる。

請求項２に係る発明によると、環状リングをボデー内周に装着して内周環状突部を設けていることにより、この環状リングの装着前にシール機構をボール装着側から無理なく装入し、この上から環状リングを装着することで組立てが容易になる。環状リングを一体又はシール状態に装着しているため、この環状リングとボデーとの間からの粉体の浸入を防ぎ、スプリングへの粉体の付着を確実に防止する。

請求項３に係る発明によると、環状リングを分割された分割リングとし、この分割リングを溶接又は圧接によりボデー内周に一体化することでこの分割リングとボデーとの間の隙間を塞ぎつつ分割リングを組み込みでき、シール機構の脱落も防止する。また、環状リングを分割リングによりボデー内周にシール状態に設けることで、ボデー内への組込みを容易にしつつシール性を発揮して粉体の浸入を防止し、分割リングの取り外しも可能になる。

請求項４に係る発明によると、テーパ面により、ボデーとシール機構との間に空間を形成して粉体が堆積するのを防ぎ、シール機構の軸方向への移動を確保する。

本発明のボールバルブの実施形態を示した縦断面図である。 図１における要部拡大断面図である。 本発明のボールバルブの他の実施形態を示した要部拡大断面図である。

以下に、本発明におけるボールバルブ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、本発明におけるボールバルブの縦断面図、図２においては、図１のボールバルブの要部拡大断面図を示している。

図において、本発明におけるボールバルブ（以下、バルブ本体１という）は、ボール２、上ステム３ａ、下ステム３ｂからなるステム３を有し、これらは何れも、例えばＳＵＳ材料により形成される。ボール２は貫通孔２ａを有し、その表面には、ニッケルクロム合金等の材料により図示しない被覆層が施される。ボール２は、上下ステム３ａ、３ｂにより回転自在にバルブ本体１のボデー４内に支承されて、ボデー４の流路５を開閉可能に設けられている。ステム３によるボール２のボデー４への装着後には、このボデー４内部に設けられるキャビティ６がごく小さい容積に抑えられ、中間開度等にこのキャビティ６内に浸入する粉体の量が抑えられている。本実施形態のボデー４は、ボデー体４ａとキャップ体４ｂとにより構成され、これらボデー体４ａ、キャップ体４ｂは、図示しないボルトナットにより一体化されている。

ボデー４におけるボール２の一方又は双方側には、流路５よりも拡径した環状の装着段部７が形成され、各装着段部７にはシール機構１０が設けられる。これらシール機構１０によりボール２がシールされ、本実施形態におけるバルブ本体１は、上下ステム３ａ、３ｂで支承したトラニオン構造であるため、一次側（上流側）に配置されたシール機構１０で流路５方向に均等に確実にシール機能が働いてシール性が保持される。

ボデー４の装着段部７よりもボール２側には、この装着段部７よりも拡径した環状の拡径段部１１が形成され、この拡径段部１１には、内周環状突部１２が設けられる。
ボデー４のシール機構１０のボール２当接側とは反対側、すなわち、装着段部７の拡径段部１１との反対側にはテーパ面１３が設けられ、このテーパ面１３は、シール機構１０に向けて次第に拡径するように形成される。テーパ面１３を設けることにより、ボデーとシール機構１０との間に空間が形成され、この空間により粉体の堆積が防がれている。

シール機構１０は、筒状のボールシート２０、リテーナグランド２１を装着して構成される。
ボールシート２０は、ＳＵＳ等の金属材料により設けられ、ボール２へのシール側であるシート部２２と、このシート部２２外周面から縮径した段部面２３とを有している。シート部２２の先端側には、ボール２に当接する環状のシール面２４が設けられ、このシール面２４は、ボール２表面に付着する粉体を掻取って、スクレーパ機構を発揮する形状に設けられている。シール面２４の表面には、コバルトを主成分とし、クロム、タングステン等を含有する合金材料が硬化処理により施され、この被覆層により耐摩耗性が向上してかじり等が防止される。シート部２２の外周面にはシール用Ｏリング２５が装着される。

リテーナグランド２１は、ＳＵＳ等の剛性を有する金属材料により環状に設けられ、その内径φＤｇｉは、ボールシート２０の段部面２３を嵌合可能な大きさに形成され、その外径は、ボデーの装着段部７に嵌合可能な大きさに形成される。これらにより、リテーナグランド２１は、装着段部７に装着され、その内周側にボールシート２０が装着される。リテーナグランド２１の内外周面にはＯリング２６、２７が装着され、これらＯリング２６、２７により、ボールシート２０、ボデー４内周との間がそれぞれシールされて流体の浸入が防がれる。

流路方向におけるリテーナグランド２１と、ボデー４、内周環状突部１２との間には、図２に示すようにクリアランスＣが設けられ、このクリアランスＣを介してリテーナグランド２１が流路５方向に移動可能に設けられている。

リテーナグランド２１のボールシート２０側には、凹状の装着溝２８が、例えば３６か所に等間隔に設けられ、各装着溝２８には、ＳＵＳ材料等により形成されたスプリング３０が装入される。このスプリング３０を有するリテーナグランド２１は、段部面２３外周に装着され、スプリング３０の弾発力により、ボールシート２０がボール２方向に均等に押圧可能に設けられている。これにより、シール面２４がボール２表面に均圧状態で当接可能に設けられ、より高いシール性能が発揮される。

リテーナグランド２１におけるボデー４とのシール外径φＤｇｏは、ボールシート２０のシート部２２における内周環状突部１２とのシール外径φＤｓよりも大きく設定される。これにより、リテーナグランド２１のシール外径φＤｇｏ側の流体受圧面積Ｓｇｏが、シート部２２のシール外径φＤｓ側の流体受圧面積Ｓｓよりも大きくなる。その流体受圧面積の差Ｓｇｏ−Ｓｓは、１／４×π×（φＤｇｏ^２−φＤｓ^２）となり、弁内圧力Ｐとしたときに、ボールシート２０側からボール２側には、１／４×π×（φＤｇｏ^２−φＤｓ^２）×Ｐの荷重が加わり、この荷重による力でボールシート２０がボール２に押し付けられる。

スプリング３０は、シール機構１０とボデー４に形成される内周環状突部１２とにより密封状態で内蔵され、この密封構造により一次側、二次側双方からの流体の浸入が防止され、スプリング３０への粉体の付着が防がれている。

内周環状突部１２は、環状リングにより設けられ、この環状リング１２は、ＳＵＳ材料により形成され、その外径が拡径段部１１に装着可能な径、内径がシート部２２を装着可能な径にそれぞれ設けられる。これによって、環状リング１２は、外径側がボデー４内周に一体に設けられ、内径側にはＯリング２５を有するボールシート２０が装着される。
前述したボールシート２０は、この環状リング１２、及びリテーナグランドに対して、摺動可能に設けられる。このとき、ボールシート２０は、段部面２３がリテーナグランド２１の内周側に案内されて流路方向に移動し、シール面２４がボール２に対して正確に当接して高シール性を発揮するようになっている。

環状リング１２は、装着段部７にスプリング３０を有するリテーナグランド２１が装着された状態で、ボデー４のボール２側から拡径段部１１に装着され、ボデー４内周に溶接又は圧接により一体化される。

なお、本実施形態において、シール機構１０は、ボール２の双方向に配置されているが、これらのうち、少なくとも一方側（一次側）に設けられていればよく、この場合、トラニオン型ボールバルブとしての機能を発揮して一次側のシール性を確保できる。シール機構１０をこのようにシングルシート構造に設けた場合であっても、バルブ本体１の向きを変えてこのシール機構１０を一次側に配置するようにすれば、流路が逆向きになった場合にも対応できる。

本実施形態のように、ボール２の一次側、二次側の双方側にシール機構１０を配設した場合、流路の向きが変わった場合にも、バルブ本体１の装着方向を変えることなく、一次側に設けられたシール機構１０で漏れを防止できる。

また、環状リング１２は、必ずしもボデー４内周に一体に固着されている必要はなく、ボデー４とは別体でシール状態に装着されていてもよい。
環状リング１２は、例えば、直径方向に分割された分割リングであってもよく、この場合、分割リングを拡径段部１１に装入することで装着が容易になり、装着後の分割リングを溶接や接着等により固着したり、或はシール状態に装着することでボデー４とのシール性を確保できる。

上記実施形態では、バルブ本体１のボデー４を、ボデー体４ａとキャップ体４ｂとの二分割とした構造で説明したが、ボデー４をワンピース構造とし、本発明にかかるシール機構１０を、ボデーの一方の流路開口部から挿入の上、流路を有するインサート部材を前記流路開口部に装着する構造であれば、内周環状突部を素材から一体成形したボデーを採用することができる。

次いで、本発明のボールバルブの上記実施形態における作用を説明する。
本発明のボールバルブは、ボール２を上下ステム３ａ、３ｂでトラニオン構造に支承しつつボール２にシール機構１０を設けており、このシール機構１０は、シート部２２と段部面２３を有する筒状のボールシート２０と段部面２３外周にスプリング３０を有するリテーナグランド２１を装着して構成されている。そして、スプリング３０は、シール機構１０とボデー４の内周環状突部１２により密封状態で内蔵されている。これにより、ボール２が中間開度になり、流路５の一次側から貫通孔２ａを介してキャビティ６内に流体に含まれる粉体が流入した場合でも、この粉体のスプリング３０への付着を防ぎ、スプリング３０の弾発力を確保しながらボールシート２０をボール２方向に押圧する。

この場合、一次側から加わる流体圧は、リテーナグランド２１の一次側全体に作用する。このとき、リテーナグランド２１のボデー４とのシール外径φＤｇｏを、シート部２２における内周環状突部１２とのシール外径φＤｓより大きく設定していることで、ボール２が中間開度になりボールシート２０に二次側からの力が働く場合にも、いわゆる自緊力によってリテーナグランド２１にボールシート２０を押圧する方向の力を確実に働かせて、リテーナグランド２１がボールシート２０方向に移動しながらこのボールシート２０を押圧する。

これにより、ボールシート２０のボール２へのシール性を向上し、このボールシート２０のシール面２４にスクレーパ機能を発揮させてボール２表面に付着した粉体を掻取ることができる。

ここで、シール機構１０の一次側と二次側とに流体圧が加わると、ボールシート２０とリテーナグランド２１は互いに接近し始め、クリアランスＣが縮小し、ボールシート２０とリテーナグランド２１は、ボール２及びキャップ体４ｂとに対する反力が低下する。その後、ボールシート２０とリテーナグランド２１が当接すると、クリアランスＣが無くなり、スプリング３０の弾発力を、ボールシート２０をボール２に押し付ける力として利用することはできなくなる。しかし、本発明の構造によれば、流体受圧面積Ｓｇｏ＞Ｓｓの関係により、流体圧を利用して常にボールシート２０をボール２に押圧することができる。

リテーナグランド２１のシール外径φＤｇｏと、シート部２２のシール外径φＤｓとの寸法差は、バルブ本体１の使用圧力条件により、ボールシート２０のスクレーパ機能の最適荷重を発生させるように環状リング１２を寸法変更することで対応可能となる。これにより、使用圧力に応じてバルブ本体１を製作でき、製品の適用性も広がる。

環状リング１２を溶接又は圧接によりボデー４内周に一体化して内周環状突部１２を設ける構造であることにより、環状リング１２の装着前にリテーナグランド２１を装着段部７に装着し、このリテーナグランド２１の上から環状リング１２を拡径段部１１に装着できる。このため、金属製のリテーナグランド２１を、破損等を伴うことなくボール２装着側から簡単に装入でき、環状リング１２の装着後には、この環状リング１２の内径よりもリテーナグランド２１のシール外径φＤｇｏが大きいことから、リテーナグランド２１の抜け出しを防止できる。

図３においては、本発明のボールバルブの他の実施形態を示している。なお、この実施形態において、前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。
この実施形態では、内周環状突部となる環状リング４０の外周に雄ねじ４１が形成され、内外周面には環状の装着凹溝４２がそれぞれ形成されてこれら装着凹溝４２、４２にシール用Ｏリング４３、４４がそれぞれ装着される。
一方、この環状リング４０が装着されるボデー４の拡径段部１１には、雄ねじ４１と螺合する雌ねじ４５が形成されている。

このような構成により、環状リング４０は、ボデー４と別体に設けられ、内外周面のＯリング４３、４４によりボデー４とボールシート２０との間にシール状態で、雄ねじ４１と雌ねじ４５との螺合でボデー４に着脱可能に装着される。この場合、環状リング１２をボデー４に溶接や圧接したりすることなく、このボデー４のボール２側から取付けることでシール機構１０の組込み作業が容易になり、環状リング１２を取り外してボールシート２０やリテーナグランド２１の着脱も可能になる。そのため、これらの交換や清掃等のメンテナンス作業も簡単に実施可能となる。
さらには、ボールシート２０側に環状リング１２とのシール用Ｏリングを装着する必要もないことから、ボールシート２０の形状を簡略化でき、その製作も容易になる。

１ バルブ本体
２ ボール
２ａ 貫通孔
３ ステム
４ ボデー
１０ シール機構
１２、４０ 環状リング（内周環状突部）
１３ テーパ面
２０ ボールシート
２１ リテーナグランド
２２ シート部
２３ 段部面
３０ スプリング
φＤｇｏ リテーナグランドのシール外径
φＤｓ ボールシートのシート部のシール外径

Claims (4)

1. 貫通孔を有するボールをステムでボデー内に回転自在に支承し、ボールの一方又は双方側にシール機構を設けたボールバルブにおいて、前記シール機構は、先端側のシート部と後端側の段部面を有する筒状のボールシートと、前記段部面の外周と前記ボデーの内周との間にシール状態で装着した筒状のリテーナグランドと、前記リテーナグランドの前記ボール側に向けて装着し、先端側を前記シート部に弾発支持させたスプリングと、前記ボデーの内周環状突部と、を備え、前記スプリングは、前記ボデー内周面と前記リテーナグランドと前記内周環状突部により密封状態で内蔵されると共に、前記リテーナグランドにおける前記ボデーとのシール外径を前記シート部における前記内周環状突部とのシール外径より大きく設定し、かつ前記内周環状突部の内径の寸法を変更することにより前記リテーナグランドのシール外径と前記シート部のシール外径との寸法差を設定し、前記ボールシートのスクレーパ機能を調節できるようにしたことを特徴とするボールバルブ。
2. 前記内周環状突部は、前記ボデー内周に環状リングをボデーと一体又はシール状態に装着した請求項１に記載のボールバルブ。
3. 前記環状リングは、分割された分割リングであり、この分割リングを前記ボデー内周にシール状態に設けた請求項２に記載のボールバルブ。
4. 前記ボデーにおける前記シール機構のボール当接側とは反対側に、前記シール機構に向けて次第に拡径するテーパ面を形成した請求項１乃至３の何れか１項に記載のボールバルブ。

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