JP6989314B2 - ボールバルブ - Google Patents

Description

本発明は、圧縮エアー等の圧縮流体の制御に用いられるボディー一体型のボールバルブに関するものである。

配管やタンクなどに取り付けられ、そこを流れる流体を制御する手段として「ボールバルブ」が広く利用されている。従来の一般的なボールバルブを図６〜図１０に示す。同図に示すボールバルブは、圧縮エアー等の圧縮流体の制御に用いられるボディー一体型のボールバルブを示している。

図６は、従来のボールバルブを示す断面図である。
図７は、図６に示す従来のボールバルブの開閉操作時の様子を示す平面図である。
図８は、図６に示す従来のボールバルブが具備するステム１０７、弁体５及びその近傍を示す部分拡大図である。
図９は、図６に示す従来のボールバルブの組立時（ボディー１０３に対しステム１０７を組み付けるとき）の様子を示す断面図である。
図１０は、従来のボールバルブの課題を示す図であって、図１０(a)はボディーの段差部１１３に摩耗が生じる前の状態を示す断面図であり、図１０(b)はボディーの段差部１１３において摩耗が侵攻した状態を示す断面図である。

従来のボールバルブは、図６及び図８に示すとおり、主として、
・ＩＮポート３１、弁室３２、ＯＵＴポート３３を有する一体型のボディー１０３と、
・ボディー１０３の弁室３２に設けられた弁体５（ボール）と、
・弁室３２内の弁体５（ボール）に対して嵌合するステム１０７と、
・弁室３２に設けられた弁体５をステム１０７を介して回転させるためのハンドル９を
有している。

ボールバルブの本体をなすボディー１０３は、分割不可能な一体型の部材で構成されている。つまり、ボディー１０３は単体の部材で構成されている。

この分割不可能な一体型のボディー１０３の内部には、圧縮流体が流通可能なＩＮポート３１と、これに通ずる弁室３２と、これに通ずるＯＵＴポート３３が形成されている。また、ボディー１０３には、該ボディーを貫通する穴部１０４が形成されている。このボディー穴部１０４は弁室３２に通ずる位置に形成され、ステム取付穴として機能する。

ステム取付穴であるボディー穴部１０４は、図８に示すように、径が等しい小径部１１１と、これよりも径が大きく且つ径が等しい大径部１１２を有している。小径部１１１と大径部１１２の間には、水平面からなる段差部１１３がある。段差部１１３は高さが同じ単なる水平面であって、ボディー穴部１０４の軸方向に対して垂直をなす面である。

ステム１０７には、シール用のＯリング１３，１４を具備する軸部１７２と、ステム１０７がボディー１０３の外側へ抜けないように張り出した鍔部１７５が設けられている。鍔部１７５とボディー１０３は、段差部１１３において上下方向（図面上下方向）で互いに接触している。図８、図１０において、段差部１１３における鍔部１７５とボディー１０３との接触面を、接触部として図示している。

ステム１０７の鍔部１７５の下には、ボール状の弁体５の溝部５１に対して嵌合する凸状の突起部１７７が設けられている。

弁体５が開弁位置にあるときには、ＩＮポート３１から流入した圧縮流体は、弁体５の貫通孔５３を介してＯＵＴポート３３に流れる。弁体５が閉弁位置にあるときには、ＩＮポート３１からＯＵＴポート３３への流れが当該弁体によって遮断される。

前述したとおり、図６及び図８に示すボールバルブは、圧縮エアー等の圧縮流体の制御に用いられることから、鍔部１７５とボディー１０３の接触部（段差部１１３）には常に圧縮流体による荷重が加わる。したがって、ステム１０７を介して弁体５を回転させるときには、圧縮流体による荷重が作用して、鍔部１７５とボディー１０３との接触部（段差部１１３）に摩擦が生じる。そして、弁体５を繰返し回転させることで、鍔部１７５とボディー１０３の接触部（段差部１１３）は、圧縮流体による荷重が掛かった状態で繰返し摩擦を受けるため、ボディーの段差部１１３には磨耗が侵攻するといった問題が生じる。

加えて、ボディー一体型のボールバルブでは、ステム１０７の鍔部径の大きさが決められているので、ステム１０７の鍔部１７５とボディー１０３との接触部は僅かな面積しか確保できない。つまり、僅かな接触部しかないため、弁体回転を繰り返し行うことで必然的に磨耗が侵攻するといった問題が生じる。

また、段差部１１３において磨耗が侵攻することで、圧縮流体による荷重を受けるステム１０７はボディー外側方向に押し上げられ、そのため、磨耗の侵攻に伴ってステム１０７は弁体５から相対的に離れて行く。したがって、ボールバルブの使用開始初期においては、図１０(a)に示すようにステム１０７の突起部１７７と弁体５の溝部５１が十分に嵌合しているが、図１０(b)に示すように段差部１１３での磨耗が侵攻することで、ステム１０７と弁体５の嵌合状態が徐々に損なわれて行く。つまり磨耗が侵攻すると、ステム１０７と弁体５の間の嵌合部に徐々に遊び（グラつき）が生じるほか、ステム１０７の突起部１７７と弁体５の溝部５１がともに損傷し易くなり、それによって、弁体５を正常な位置まで回転できなくなる、といった致命的な問題が生じる。

さらに、前述したとおり弁体５の回転の際には、ＩＮポート３１からの圧縮流体が弁室３２に入ってステム１０７を押し上げる力が作用する。段差部１１３の磨耗が少ない内は弁室３２からの流体の漏れはステム１０７が具備するＯリング１３，１４で封じられる。しかしながら図１０(b)に示すとおり、段差部１１３の磨耗が侵攻することで、ステム１０７がボディー外側方向へ押し上げられ、Ｏリング部から圧縮流体の漏れが発生する、といった問題が生じる。

上述した摩耗の侵攻（及びそれに伴うステムの押し上げ）を抑制するために、ステム１０７の鍔部１７５を拡大させることが検討された。しかしながら、ボディー一体型のボールバルブの組立においては、ボディー１０３が分割不可能であることから、図９に示すようにステム１０７をボディー１０３のＩＮポート３１から挿し込んで（符号Ａ）、ボディー穴部１０４の手前で向きを変え（符号Ｂ）、鍔部１７２が段差部１１３に引っ掛かるまでステム１０７をボディー穴部１０４に挿し込む必要がある（符号Ｃ）。
したがってボディー一体型のボールバルブにおいては、ステム１０７の形状や寸法は、ボディー１０３のポート径やステム組付部寸法との関係で制限を受けるため、ステムの長さや外径を自由に設計変更することはできない。つまり、ボディー一体型のボールバルブでは、適用可能なステムの鍔部径は、一定の大きさに制限される。そのため、ステム鍔部の外径を単に拡大させる、といった手段は採用できるものではない。

上述した従来技術の問題点に鑑み、本発明の目的は、ステムとボディーとの接触部（圧縮流体による荷重を受け止め、ステムの抜け止めとして機能する部分）での摩耗の侵攻を抑制可能で、耐久性の高いボディー一体型のボールバルブを提供することにある。

上記目的は、
弁室を具備するボディーと、
前記弁室に設けられたボール状の弁体と、
前記ボディーに形成されたステム取付穴と、
前記ステム取付穴に回転可能に設けられ、前記弁体と嵌合するステムと、を有し、
前記ステムは、該ステムがボディーの外側へ抜け出ないようにするための鍔部を有し、
前記鍔部と前記ボディーは、それぞれ、互いに当接するテーパ面を有している、
ことを特徴とするボールバルブによって達成される。

また上記目的は、
弁室を具備するボディーと、
前記弁室に設けられたボール状の弁体と、
前記ボディーに形成されたステム取付穴と、
前記ステム取付穴に回転可能に設けられ、前記弁体と嵌合するステムと、を有し、
前記ステムと前記ボディーはそれぞれテーパ面を有し、
前記ステムと前記ボディーのテーパ面は、ステムがボディーの外側へ抜け出ないように互いに当接している、ことを特徴とするボールバルブによって達成される。

また上記目的は、
弁室を具備するボディーと、
前記弁室に設けられたボール状の弁体と、
前記ボディーに形成されたステム取付穴と、
前記ステム取付穴に回転可能に設けられ、前記弁体と嵌合するステムと、を有し、
前記ステムは、その外周面にテーパ面を有し、
前記ボディーのステム取付穴は、その内周面にテーパ面を有し、
前記ステムは、ステム側テーパ面がボディー側テーパ面に対し当接した状態で、ボディーに対し相対回転するように設けられている、ことを特徴とするボールバルブによって達成される。

本発明のボールバルブによれば、ステムの鍔部とボディーは、それぞれ、互いに当接するテーパ面を有している。ボディーに対しステムを組み付けた状態では、ステムとボディーの各テーパ面は、ステムがボディーの外側へ抜け出ないように互いに当接している。またステムは、ステム側テーパ面がボディー側テーパ面に対し当接した状態で、ボディーに対し相対回転するように設けられている。
このような特徴により、ステムの外径や長さを変えることなく、ステムの鍔部とボディーの接触部（ステムの抜け止めとして機能する接触部分）の面積を増やすことができる。これにより、接触部における面圧（単位面積当たりに加わる圧縮流体の荷重）が従来よりも大幅に小さくなり、また、面積が拡大した接触部に荷重が分散されることになる。したがって、ステムの鍔部とボディーとの接触部における摩耗に対する対抗力が大幅に高まるので、ボールバルブとしての寿命が大幅に改善され、耐久性が大幅に向上する。
したがって、本発明によれば、接触部における磨耗の侵攻が抑制され、ステムと弁体の間の嵌合部に遊び（グラつき）が生じ難くなる。その結果、良好な嵌合状態が長期にわたって維持され、また、ステムの突起部と弁体の溝部が損傷を受けにくくなるので、ボールバルブの耐久性が向上する。
また、接触部での磨耗の侵攻が抑制されることで、ボディー外側方向へのステムの侵攻が抑制されるので、結果として、図１０(b)に示すようなＯリング部からの圧縮流体の漏れを防ぐことができる、といった効果が達成される。
また本発明では、ステムの外径や長さを変えることなく、ステムの鍔部とボディーとの間の接触部（ステムの抜け止めとして機能する接触部分）の面積を増やすことができるので、ボディーのポート径等の設計変更が不要で、しかも、ボディーに対するステムの組み付けを何ら妨げない、といった効果が達成される。

本発明に係るボールバルブを示す断面図である。 図１に示すボールバルブの開閉操作時の様子を示す平面図である。 図１に示すボールバルブが具備するステム、弁体及びその近傍を示す部分拡大図である。 図３に示す構成の分解図である。 本発明に係るボールバルブの他の実施形態を示す断面図である。 従来のボールバルブを示す断面図である。 図６に示す従来のボールバルブの開閉操作時の様子を示す平面図である。 図６に示す従来のボールバルブが具備するステム、弁体及びその近傍を示す部分拡大図である。 図６に示す従来のボールバルブの組立時（ボディーに対しステムを組み付けるとき）の様子を示す断面図である。 従来のボールバルブの課題を示す図であって、図１０(a)はボディーの段差部に摩耗が生じる前の状態を示す断面図であり、図１０(b)はボディーの段差部において摩耗が侵攻した状態を示す断面図である。

（ボールバルブの構成）
図１〜図５に基づいて、本実施形態のボールバルブの構成について説明する。

本実施形態のボールバルブは、図１〜図４に示すとおり、主として、
・ＩＮポート３１、弁室３２、ＯＵＴポート３３を有する一体型のボディー３と、
・ボディー３の弁室３２に設けられた弁体５（ボール）と、
・弁室３２内の弁体５（ボール）に対して嵌合するステム７と、
・弁室３２に設けられた弁体５をステム７を介して回転させるためのハンドル９を
有している。

ボールバルブの本体をなすボディー３は、分割不可能な一体型の部材で構成されている。つまり、ボディー３は、２分割等された複数部材の組合せで構成されているのではなく、単体の部材で構成されている。

この分割不可能な一体型のボディー３の内部には、圧縮流体が流通可能なＩＮポート３１と、これに通ずる弁室３２と、これに通ずるＯＵＴポート３３が形成されている。また図４の分解図に示すように、ボディー３には、該ボディーを貫通する穴部４が形成されている。このボディー穴部４は弁室３２に通ずる位置に形成され、ステム取付穴として機能する。

図１に示すように、ボディー３の弁室３２には、ボール状の弁体５がシール部材３５，３６とともに配置されている。弁室３２に設けられた弁体５とシール部材３５，３６は、押さえナット３７によって押さえつけられている。

図４の分解図に示すように、ステム取付穴であるボディー穴部４はボディー３に形成した貫通穴であって、径が等しいボディー平行穴部４１と、穴壁がテーパ面になるように形成されたテーパ部４３を有している。ボディー平行穴部４１とテーパ部４３は図面上下方向で連続している。

本実施形態では、上下で連通するボディー平行穴部４１とテーパ部４３（テーパ面）によってボディー穴部４が構成されている。ボディー平行穴部４１は、穴径が等しい穴部分である。これに繋がるテーパ部４３は、ボディー内側に向かって穴径が拡径するように形成された穴部分である。

ボディー３に対しステム７を組み付ける際には、一体型のボディーが分割不可能であることから、図９に示す従来技術と同様にステムをボディーのＩＮポートから挿し込んで（図４の符号Ａ）、ボディー穴部の手前で向きを変え（符号Ｂ）、鍔部のテーパ部がボディーのテーパ部に当たるまでステムをボディー穴部に挿し込む（符号Ｃ）。

ステム７は、ボディー穴部４に回転可能に設けられており、
・シール用のＯリング１３，１４を具備する軸部７２と、
・ステム７がボディー３の外側へ抜けないように張り出した鍔部７５と、
・ボディー３の内側（弁室）に突き出した突起部７７と、
を一体的に有している。

軸部７２は、径が等しい平行部７０（ステム平行外径）と、Ｏリング１３，１４を位置決めするためのＯリング溝部７３，７４を有している。平行部７０（ステム平行外径）は、ボディー平行穴部４１に収まる位置で回転可能な状態で位置決めされる。溝部７３，７４も、ボディー平行穴部４１に収まる位置に位置決めされる。溝部７３，７４には、圧縮流体の漏れを防ぐためのＯリング１３，１４が設けられている。

鍔部７５は、テーパ部８１（テーパ面）と、外径が等しい平行部８２を有している。テーパ部８１は、ボディー内側に向かって鍔部外径が拡径するテーパ面を有している。平行部８２は、鍔部７５の下部であって最も外側に位置する、等しい径の外周面である。

ステム７の鍔部７５の下には、ボール状の弁体５の溝部５１に対して嵌合する下向き凸状の突起部７７が設けられている。ステム７の凸状の突起部７７と、弁体５の凹状の溝部５１との間では、十分な嵌合状態（遊びが無くぴったりと凹凸嵌合した状態）が確保されている。したがって、ステム７の回転動作に対して弁体５が遊び無く追従することができる。

図１に示すようにボディー３に対しステム７を組み付けた状態では、ステム７のハンドル固定部が、ボディー３の外側に突き出している。このハンドル固定部には、ナット又は小ネジによりハンドル９が固定されている。これにより、ハンドル９とステム７を一体回転させることができる。また、ハンドル９と一体回転するステム７の動きに対して弁体５が遊び無く追従するので、ハンドル９を図２に示すように操作することで、ボディー内部の弁体５を所定の閉弁位置・開弁位置まで確実に回動させることができる。

弁体５が開弁位置にあるときには、ＩＮポート３１から流入した圧縮流体は、弁体５の貫通孔５３を介してＯＵＴポート３３に流れる。弁体５が閉弁位置にあるときには、ＩＮポート３１からＯＵＴポート３３への流れが弁体によって遮断される。

（ステムとボディーが具備するテーパ部）

次に、ステム７とボディー３が具備するテーパ部４３，８１について詳細に説明する。

ステム７とボディー３のテーパ部４３，８１はほぼ平行な面とし、図３の拡大図に示すとおり、ボディー側のテーパ部４３が外側に位置し、ステム側のテーパ部８１が内側に位置し、両者が面と面で互いに当接する位置関係にある。

本実施形態でボディー３に形成するテーパ部４３の具体的位置関係は次のとおりである。
・ステム７のＯリング溝部７３，７４がボディー平行穴部４１内に収まるように、かつ
・ボディー穴部４においてステム７のＯリング溝部７３，７４が掛からない位置（Ｏリング溝部７４よりも下の位置）から弁体側（弁室側）に向かって径が大きくなるように、
テーパ部４３を設ける。

本実施形態でステム７に形成するテーパ部８１の具体的位置関係は次のとおりである。
ボディー側テーパ部４３に対しほぼ平行なテーパ面からなるテーパ部８１を、鍔部側面（鍔部外周面）の上側に設ける。すなわち、テーパ部４３，８１のテーパ面は互いにほぼ平行である。
テーパ部８１の小径側（テーパ部８１において最も径が小さい部分）は、ボディー平行穴部４１の径より小さく、かつ、ステム平行外径７０より大きい寸法とする。
テーパ部８１の大径側（テーパ部８１において最も径が大きい部分）は、ボディー平行穴部４１の径より大きい寸法とする。
テーパ部８１において最も径が大きい部分から下には、径が等しい平行部８２が続いている。

テーパ部４３，８１の位置関係は、ボディー側のテーパ部４３が外側に位置し、ステム側のテーパ部８１が内側に位置し、この位置関係で両者のテーパ面どうしが上下方向（図面上下方向）で互いに当接している。このような位置関係で、テーパ部４３，８１のテーパ面が互いに接触することで、ステム７に対して圧縮流体による荷重が加わっても、当該荷重がテーパ部４３で受け止められるため、該ステム７がボディー３の外側へ抜け出ることは無い。

なお、ボディー穴部４の軸方向に対するテーパ部４３のテーパ面の勾配は、図５に示すように５°以上とすることが好ましい。また、ステム７の軸方向に対するテーパ部８１のテーパ面の勾配は、図５に示すように５°以上とすることが好ましい。このような条件を満たすように各テーパ面を形成することで、ステム７の鍔部７５とボディー３との間の接触部における接触面幅Ｗ１（図３参照）を、従来技術（図１０(a)に示す接触面幅Ｗ２）よりも確実に拡大させることができる。

（ボールバルブの機能作用と優れた効果）
本実施形態のボールバルブは、圧縮エアー等の圧縮流体の制御に用いられることから、鍔部７５とボディー３の接触部には常に圧縮流体による荷重が加わる。（ここでいう接触部とは、テーパ部４３，８１のテーパ面どうしが当接する部分である。）したがって、ステム７を介して弁体５を回転させるときには、圧縮流体による荷重が作用して、鍔部７５とボディー３との接触部（テーパ部４３，８１）に摩擦が生じる。したがって、弁体５を繰返し回転させることで、鍔部７５とボディー３の接触部（テーパ部４３，８１）は、圧縮流体による荷重が掛かった状態で繰返し摩擦を受けることになる。

ここで、本実施形態のボールバルブでは、ステム７の鍔部７５とボディー３は、互いに当接するほぼ平行なテーパ面からなるテーパ部４３，８１を有している。ボディー３に対しステム７を組み付けた状態では、ステム７とボディー３の各テーパ部４３，８１は、ステム７がボディー３の外側へ抜け出ないように、そのテーパ面どうしが互いに当接している。またステム７は、ステム側テーパ面がボディー側テーパ面に対し当接（密着）した状態で、ボディー３に対し相対回転できるように設けられている。

このような特徴により、ステムの外径や長さを変えることなく、ステムの鍔部とボディーの接触部（ステムの抜け止めとして機能する接触部分）の接触面幅を拡大させることができる。具体的には、図１０(a)に示す従来技術の接触面幅Ｗ２よりも、図３に示す本実施形態の接触面幅Ｗ１の方が、遥かに幅が大きくなる。これにより、接触部における面圧（単位面積当たりに加わる圧縮流体の荷重）が従来よりも大幅に小さくなり、また、面積が拡大した接触部に荷重が分散されることになる。したがって、ステムの鍔部とボディーとの接触部における摩耗に対する対抗力が大幅に高まるので、ボールバルブとしての寿命が大幅に改善され、耐久性が大幅に向上する。

したがって、本発明によれば、ステムの鍔部とボディーとの接触部（ステムの抜け止めとして機能する接触部分）における磨耗の侵攻が抑制され、ステムと弁体の間の嵌合部に遊び（グラつき）が生じ難くなる。その結果、良好な嵌合状態が長期にわたって維持され、また、ステムの突起部と弁体の溝部が損傷を受けにくくなるので、ボールバルブの耐久性が向上する。

また、ステムの鍔部とボディーとの接触部（ステムの抜け止めとして機能する接触部分）での磨耗の侵攻が抑制されることで、ボディー外側方向へのステムの侵攻（徐々に押し上げられる現象）が抑制されるので、結果として、図１０(b)に示すようなＯリング部からの圧縮流体の漏れを防ぐことができる、といった効果が達成される。

また本発明では、ステムの外径や長さを変えることなく、ステムの鍔部とボディーとの間の接触部（ステムの抜け止めとして機能する接触部分）の面積を増やすことができるので、ボディーのポート径等の設計変更が不要で、しかも、ボディーに対するステムの組み付けを何ら妨げない、といった効果が達成される。

３ ボディー
４ ボディー穴部（ステム取付穴）
５ 弁体（ボール）
７ ステム
９ ハンドル
１３ Ｏリング
１４ Ｏリング
３１ ＩＮポート（圧縮流体の入口）
３２ 弁室
３３ ＯＵＴポート（圧縮流体の出口）
３５ シール部材
３６ シール部材
３７ 押さえナット
４１ ボディー平行穴部
４３ テーパ部（テーパ面／抜け止め面／抜け止め部）
５１ 溝部
５３ 貫通孔
７０ 平行部（ステム平行外径）
７２ 軸部
７３ Ｏリング溝部
７４ Ｏリング溝部
７５ 鍔部（張出部）
７７ 突起部
８１ テーパ部（テーパ面／抜け止め面／抜け止め部）
８２ 平行部
１０３ ボディー
１０４ ボディー穴部（ステム取付穴）
１０７ ステム
１１１ 小径部
１１２ 大径部
１１３ 段差部（接触部）
１７２ 軸部
１７５ 鍔部
１７７ 突起部

Claims (2)

1. ステム取付穴と弁室を具備し、分割不可能な一体型の部材からなるボディーと、
   前記弁室に設けられたボール状の弁体と、
   前記ステム取付穴に回転可能に設けられ、前記弁体と嵌合するステムと、を有し、
   前記ステムと前記ボディーはそれぞれテーパ面を有し、
   前記ステムと前記ボディーのテーパ面は、ステムがボディーの外側へ抜け出ないように互いに当接している、ことを特徴とするボールバルブ。
2. ステム取付穴と弁室を具備し、分割不可能な一体型の部材からなるボディーと、
   前記弁室に設けられたボール状の弁体と、
   前記ステム取付穴に回転可能に設けられ、前記弁体と嵌合するステムと、を有し、
   前記ステムは、その外周面にテーパ面を有し、
   前記ボディーのステム取付穴は、その内周面にテーパ面を有し、
   前記ステムは、ステム側テーパ面がボディー側テーパ面に対し当接した状態で、ボディーに対し相対回転するように設けられている、ことを特徴とするボールバルブ。

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