JP7260918B2 - 弁装置とこれを用いた減圧弁 - Google Patents

Description

本発明は、流体の通路に設けられて通路の開閉により通路の圧力を調節する弁装置とこれを用いた減圧弁に関する。

流体の通路には、通路内の圧力を調節するために種々の弁装置が配置される。そのような弁装置は、弁体を弁シートに対して着座および離間させることで閉弁および開弁を行う。弁体は、ばね体（通常、コイルばね）により弁シートに圧接される。その際、弁体は常に同じリング状の接触部で弁シートと接触する。その結果、弁体と弁シートまたはばね体との接触箇所に、図６に示すように、リング状にスケール８０が堆積していた。このスケール８０が弁体と弁シート間に噛み込むと、流体漏れが発生する恐れがある。

また、弁体は、ばね体とも同じリング状の接触箇所で接触する。その理由は、ばね体の先端部が弁体との接触を安定させるために平面となるようにカットされているので、弁体との接触面がリング状となるからである。その結果、弁体とばね体との接触箇所にもリング状のスケールが堆積する。なお、弁装置および減圧弁の先行技術として下記のものがある。

特開２０２０－０２９８７２号公報

本発明は、このようなスケールの堆積を防止する弁装置およびこれを用いた減圧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、本発明の弁装置は、流体の流入路と流出路との間を開閉するボール形の弁体と、前記弁体をばね力によって弁シートに着座させる第１のばね体と、前記弁体を開弁方向に押圧して前記弁シートから離間させるシャフト部材とを備え、前記シャフト部材または前記第１のばね体による押圧力の方向が前記弁体の中心点から偏位している。

この構成によれば、シャフト部材または第１のばね体による押圧力の方向がボール形の弁体の中心点から偏位している。したがって、弁体に押圧力が作用するたびに、弁体は回転する。これにより、弁体と弁シートとの接触箇所および弁体とばね体との接触箇所が変化するので、このような接触箇所にスケールが堆積するのを防ぐことができる。

本発明の弁装置において、前記シャフト部材はその長手方向軸心の回りに捻じれたスパイラル板であり、その先端部が前記長手方向軸心から径方向に偏位した部分で前記弁体に接触していてもよい。または、前記シャフト部材は真直な棒状であり、その先端部が前記長手方向軸心から径方向に偏位した部分で前記弁体に接触していてもよい。

本発明の弁装置において、前記第１のばね体はコイルスプリングであり、その線材の先端部が前記コイルスプリングの軸心から径方向に偏位した部分で前記弁体に点接触していてもよい。ここで、点接触は、小さな接触面積（例えば、２ｍｍ^２以下）を持つ点状の接触である。

本発明の第１構成に係る減圧弁は、パイロット作動式と呼ばれるもので、流体の主通路に配置されて一次側の圧力を二次側の圧力に減圧する減圧弁であって、前記主通路を開閉する主弁体と、前記主弁体を開閉作動させるパイロット弁ユニットとを備えている。前記パイロット弁ユニットは、本発明の弁装置と、前記弁装置の前記シャフト部材を開弁方向に押圧して前記ボール形の弁体を前記弁シートから離間させる第１の弁駆動部とを有している。前記第１の弁駆動部は、前進して前記シャフト部材を開弁方向に押圧する第２のばね体と、前記二次側の圧力を受けて前記第２のばね体を、そのばね力に抗して閉弁方向に後退させる閉弁力付加部材とを有している。さらに、前記流出路の圧力を受けて前記主弁体を開弁させる第２の弁駆動部が設けられ、前記弁装置の前記流入路が前記主通路の一次側に連通している。

本発明の第２構成に係る減圧弁は、直動式と呼ばれるもので、流体の主通路に配置されて一次側の圧力を二次側の圧力に減圧する減圧弁であって、前記主通路を開閉する本発明の弁装置と、前記弁装置の前記シャフト部材を開弁方向に押圧して前記ボール形の弁体を前記弁シートから離間させる弁駆動部とを備えている。前記弁駆動部は、前進して前記シャフト部材を開弁方向に押圧する第２のばね体と、前記二次側の圧力を受けて前記第２のばね体を、そのばね力に抗して閉弁方向に後退させる閉弁力付加部材とを有している。前記主通路の一次側と二次側がそれぞれ前記弁装置の流入路と流出路を形成している。

第１構成および第２構成の減圧弁によれば、上述のように、弁体と弁シートとの接触箇所および弁体とばね体との接触箇所にスケールが堆積するのを防ぐことができる。

本発明の弁装置および減圧弁によれば、スケールの堆積を防止することができる。

本発明の第１実施形態に係る弁装置を備えた減圧弁を示す縦断面図である。 同減圧弁の減圧前の状態を模式的に示す縦断面図である。 同減圧弁の圧力調整状態を模式的に示す縦断面図である。 同減圧弁の減圧保持状態を模式的に示す縦断面図である。 同弁装置を示す縦断面図である。 従来の弁装置を示す縦断面図である。 同弁装置の弁体と弁シートとの接触箇所にスケールが堆積した状態を示す斜視図である。 本発明の第２実施形態に係る弁装置を示す縦断面図である。 本発明の第３実施形態に係る弁装置を示す縦断面図である。 本発明の弁装置を備えた減圧弁の変形例を示す縦断面図である。

本発明の実施形態を説明するのに先立って、蒸気通路に用いる減圧弁について説明する。様々な産業において、コスト、利便性、安全性の観点から、蒸気は、熱媒体として用いられている。その最大のメリットとして、単位重量当たりの潜熱量が大きいこと、圧力をコントロールすれば温度も一定に保持できることがあげられる。

蒸気を使用する場合、必要な圧力ごとに蒸気を発生させるのではなく、ボイラーで高圧の蒸気を発生させておいて、その蒸気を生産物や用途に応じて必要な圧力に下げて使用する。その場合、蒸気の圧力をほぼ一定に保つ自動弁が減圧弁である。圧力を下げる目的は、蒸気温度を下げて所望の加熱温度に保つためである。

減圧の基本原理は、絞り現象と呼ばれるもので、蒸気が管内を流れるとき、蒸気が流れる通路を絞ると、絞られた箇所よりも下流側の蒸気圧力が低くなる。これが蒸気の減圧である。単に絞るだけであれば、バルブを中間開度に固定したり、オリフィスプレートを設けたりする方法があるが、この方法では、流量が変化した際に圧力も変わるという問題がある。そこで、流量や、一次側の圧力（絞り箇所の上流側の圧力）が変わっても、二次側の圧力（絞り箇所の下流側の圧力）が変動しないように、弁を通過する流体のエネルギーを直接利用して自動的に弁開度が変化するように設定されたバルブが減圧弁である。

以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は本発明の第１実施形態に係る弁装置を用いたパイロット作動式の減圧弁を示す。図１において、減圧弁は流体の一種である蒸気Ｓが流れる主通路１に配置されている。減圧弁ＰＲＶのケーシング２は、本体ケース４と、上ケース６と下ケース８とを連結してなる。本体ケース４の内部に、一次側通路１０と、二次側通路１２と、その間にある弁室１４とが形成されている。一次側通路１０および二次側通路１２が、弁蒸気Ｓが流れる主通路１の一部を形成する。弁室１４には、弁ホルダ１６と、その内部を摺動する主弁体１８とが配置されている。弁ホルダ１６は、その上部が本体ケース４にねじ連結により支持されている。

主弁体１８は、コイルスプリングからなる主ばね体２０により、弁ホルダ１６に形成された主弁シート２２に接触して閉弁する方向にばね力が付加されている。弁室１４の上方には、主弁体１８を駆動する主弁駆動部２４が配置されている。この主弁駆動部２４は、主弁体１８に当接するピストン２６が、本体ケース４に支持されたシリンダ２８に摺動自在に挿入されている。ピストン２６の上方が、後述する主弁体駆動室２７となっている。ピストン２６には主弁体駆動室２７の圧力を逃がす逃がし孔２９が設けられている。

上ケース６の上部に、パイロット弁ユニット３０が配置されている。つまり、上ケース６が、パイロット弁ユニット３０のケーシングを形成する。このパイロット弁ユニット３０は、ボール形の弁体３２を含む弁装置３４と、この弁装置３４を開閉させる弁駆動部３６とを有する。弁装置３４は、弁座ブロック３７を有し、その先端部（図１の左端部）に弁シート４０が形成されている。弁シート４０の中央部に、弁体３２により開閉される弁口４１が開口している。

弁座ブロック３７に、シャフト部材４２が前後方向（図１の左右方向）に貫通して挿入されている。シャフト部材４２の先端部４２aが弁体３２に接触し、後端部４２ｂが弁駆動部３６の後述する先端板３８に対向している。弁体３２は、コイルスプリングからなる第１のばね体４４によって弁シート４０に押し付けられている。第１のばね体４４は、上ケース６に設けた第１のばね受け４８と弁体３２との間に介装されている。

弁駆動部３６は、先端（図１の左端）の押圧板３８が、後方（図１の右方）から前方（図１の左方）へ向かって、コイルスプリングからなる第２のばね体５４によって押圧されている。第２のばね体５４は、押圧板３８に接触する先端部材５６と、カバー部材５０の内側に配置された第２のばね受け５８との間に介装されている。カバー部材５０は、上ケース６（ケーシング）にねじ連結されている。カバー部材５０と先端部材５６との間にプッシュロッド６０が配置され、このプッシュロッド６０は第２のばね体５４の内側空間を通っている。

弁駆動部３６は、圧力調整手段４９を有している。圧力調整手段４９は、前記押圧板３８とベローズ４３とを有し、第２のばね体５４を閉弁方向（右方向）に後退させる。つまり、圧力調整手段４９は、第２のばね体５４をそのばね力に抗して閉弁方向に後退させる閉弁力付加部材を構成する。

押圧板３８にベローズ４３の先端部４３ａが接続されており、ベローズ４３の基端部４３ｂが、上ケース６とカバー部材５０との間で固定支持されている。カバー部材５０に、圧力調整用の調整ハンドル５２が回動自在にねじ連結されている。

弁装置３４の前側（左側）には第１のばね体４４を収納するパイロット室６２が配置されている。このパイロット室６２に、一次導通路６４を介して一次側通路１０が連通している。パイロット室６２には、異物除去用のスクリーン６６が配置されている。また、弁装置３４における弁体３２の下流側に、弁口４１に連通する貫通路６８が形成されている。これらパイロット室６２と貫通路６８とが、パイロット弁ユニット３０に対する流入路と流出路をそれぞれ形成している。他方、圧力付加手段４９が収納されている圧力導入室７０には、二次導通路７２を介して二次側通路１２が連通している。

つぎに上記構成の作動を説明する。
［減圧前］
図２は減圧動作の開始前を示し、主弁体１８が閉弁状態にある。この減圧弁に蒸気Ｓが通気されると、蒸気Ｓは一次側通路１０から一次導通路６４を通ってパイロット室６２に達する。

［圧力調整］
調整ハンドル５２を減圧方向（左回り）に回転させると、図３に示すように、圧力付加手段４９のプッシュロッド６０が前方（左方向）へ移動する。これに伴い、ベローズ４３が伸長して先端板３８によりシャフト部材４２を前方（左方向）へ移動させ、弁体３２を開く。これにより、流出路（貫通路）６８に蒸気Ｓが流れ、ピストン２６を押し下げて主弁体１８を開弁させる。このとき、圧力付加手段４９の先端の押圧板３８と弁座ブロック３７の背面との間には若干の隙間Ｇが存在する。主弁体１８の開弁により、一次側通路１０内の蒸気Ｓが二次側通路１２に流入して減圧される。

［減圧の保持］
二次側通路１２に流入した蒸気Ｓの一部が、図４に示すように、二次導通路７２を通って圧力導入室７０に達する。圧力導入室７０内の蒸気圧力によって圧力付加手段４９のベローズ４３が押し縮められ、先端板３８が右方向へ後退する。これにより、シャフト部材４２の後方（右方向）への移動を許容して弁体３２を閉弁方向に移動させる。このようにして主弁体駆動室２７の圧力が調整されることで、主弁体１８の開度が調整され、二次側通路１２の圧力が一定に保たれる。

つぎに、本発明の要部である弁装置３４について説明する。図５に示すように、弁装置３４のシャフト部材４２は、丸棒からなる基部４２ｃの前側にスパイラル状の板材からなる押し込み部４２ｄが連結されている。このスパイラル状の板材は「スパイラルバッフル板」の名称で冷却用部品として市販されている。スパイラル状の板材からなる押し込み部４２ｄは、シャフト部材４２の軸心Ｃ１から径方向に偏位した位置で弁体３２に接触している。これにより、押し込み部４２ｄの押圧力Ｐの方向が、軸心Ｃ１上にある弁体３２の中心点ＣＰから偏位している。その結果、押圧力Ｐを受けて弁体３２が矢印Ｒ１方向に回転する。したがって、弁体３２における弁シート４０との接触箇所が移動する。

ここで、従来のシャフト部材４２は、図６に示すように、丸棒状であり、その先端面がシャフト軸心Ｃ１と直交する平面であった。そのために、弁体３２はシャフト軸心Ｃ上の常に同じ接触箇所ＣＴで接触していた。その結果、接触箇所ＣＴの周囲に、図７に示すように、リング状にスケール８０が堆積して弁体３２と弁シート４０との接触箇所に、リング状にスケール８０が堆積していた。

また、図６の第１のばね体４４における弁体３２との接触箇所は、接触面積を稼ぐために、二点鎖線ＣＴＴで示すように、ばね軸心Ｃ２と直交する平面状に加工されていたので、接触箇所がリング状で、かつ弁体３２における同一部位になる。その結果、やはり、接触箇所の周囲にリング状にスケール８０が堆積していた。

これに対し、図５の第１実施形態では、上述のとおり、シャフト部材４２の押圧力Ｐを受けて弁体３２が回転するので、接触箇所が一定とならず、接触箇所の周囲にスケールが堆積しない。

図８に示す第２実施形態のように、シャフト部材４２を、大径の基部４２ｃと、この基部４２ｃの軸心Ｃ１から偏位した軸心Ｃ２を持つ棒状の小径の押し込み部４２ｄとで形成してもよい。この場合でも、シャフト部材４２の押圧力Ｐにより弁体３２が回転するので、接触箇所が一定とならず、接触箇所の周囲にスケールが堆積しない。

図９に示す第３実施形態では、第１のばね体４４の先端部４４ａを平面状にすることなく、単に切断して、その円形断面を露出させている。この構成によっても、第１のばね体４４が棒状のシャフト部材４２の軸心Ｃ１から径方向に偏位した位置で弁体３２に接触している。これにより、シャフト部材４２の押圧力Ｐの方向が弁体３２の中心点ＣＰから偏位するので、押圧力Ｐの反射力Ｐ１を受けて弁体３２が矢印Ｒ２方向に回転する。したがって、弁体３２における弁シート４０との接触箇所が移動するから、弁体３２と弁シート４０との接触箇所にスケール８０が堆積するのを防止できる。

本発明はパイロット作動式に限らず、図１０に示す直動式の減圧弁ＰＲＶ１にも適用できる。この減圧弁ＰＲＶ１は、図１のパイロット弁ユニット３０とほぼ同一の構造であり、同一部分に同一の符号が付されている。この減圧弁ＰＲＶ１は、図５の第１実施形態の弁装置３４を用いている。図１０において流入路となる一次側通路１０が弁体３２の開弁により減圧されて、流出路である二次側通路１２から流出する。

この直動式の減圧弁ＰＲＶ１の作動はつぎの通りである。
［減圧前］
第１のばね体４４によって弁体３２が弁シート４０に押圧されて閉弁状態にある。

［圧力調整］
ハンドル５２を左に回すと、弁駆動部３６の圧力調整手段４９に含まれた第２のばね体５４が伸長し、シャフト部材４２を押し下げて弁体３２を開く。これにより、一次側通路１０の蒸気Ｓが二次側通路１２に流れる。

［減圧の保持］
二次側通路１２の圧力が高くなると、ベローズ４３が収縮し、シャフト部材４２の上昇が許容されて、弁体３２が閉弁方向（上方向）に移動する。これにより、弁体３２の開度が調整される。

本発明は、以上の実施形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。例えば、上記実施形態では、図５の弁装置３４を減圧弁ＰＲＶに使用したが、減圧弁ＰＲＶに限定されず、例えば、蒸気トラップに使用することもできる。したがって、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。

１８ 主弁体
２４ 主弁駆動部（第２の弁駆動部）
３０ パイロット弁ユニット
３２ ボール形の弁体
３４ 弁装置
３６ 弁駆動部（第１の弁駆動部）
４０ 弁シート
４２ シャフト部材
４４ 第１のばね体（コイルスプリング）
４９ 圧力調整手段（閉弁力付加部材）
５４ 第２のばね体
６２ パイロット室（流入路）
６８ 貫通路（流出路）
ＰＲＶ、ＰＲＶ１ 減圧弁
Ｓ 流体

Claims (4)

1. 流体の流入路と流出路との間を開閉するボール形の弁体と、
   前記弁体をばね力によって弁シートに着座させる第１のばね体と、
   前記弁体を開弁方向に押圧して前記弁シートから離間させるシャフト部材とを備え、
   前記シャフト部材または前記第１のばね体による押圧力の方向が前記弁体の中心点から偏位し、
   前記シャフト部材はその長手方向軸心の回りに捻じれたスパイラル板であり、その先端部が前記長手方向軸心から径方向に偏位した部分で前記弁体に接触している弁装置。
2. 流体の流入路と流出路との間を開閉するボール形の弁体と、
   前記弁体をばね力によって弁シートに着座させる第１のばね体と、
   前記弁体を開弁方向に押圧して前記弁シートから離間させるシャフト部材とを備え、
   前記シャフト部材または前記第１のばね体による押圧力の方向が前記弁体の中心点から偏位し、
   前記第１のばね体はコイルスプリングであり、その線材の先端部が前記コイルスプリングの軸心から径方向に偏位した部分で前記弁体に点接触している弁装置。
3. 流体の主通路に配置されて一次側の圧力を二次側の圧力に減圧する減圧弁であって、
   前記主通路を開閉する主弁体と、
   前記主弁体を開閉作動させるパイロット弁ユニットとを備え、
   前記パイロット弁ユニットが、
   流体の流入路と流出路との間を開閉するボール形の弁体と、前記弁体をばね力によって弁シートに着座させる第１のばね体と、前記弁体を開弁方向に押圧して前記弁シートから離間させるシャフト部材とを備えた弁装置であって、前記シャフト部材または前記第１のばね体による押圧力の方向が前記弁体の中心点から偏位している弁装置と、
   前記弁装置の前記シャフト部材を開弁方向に押圧して前記ボール形の弁体を前記弁シートから離間させる第１の弁駆動部と、を有し、
   前記第１の弁駆動部は、前進して前記シャフト部材を開弁方向に押圧する第２のばね体と、前記二次側の圧力を受けて前記第２のばね体を、そのばね力に抗して閉弁方向に後退させる閉弁力付加部材とを有し、
   さらに、前記流出路の圧力を受けて前記主弁体を開弁させる第２の弁駆動部が設けられ、
   前記弁装置の前記流入路が前記主通路の一次側に連通している減圧弁。
4. 流体の主通路に配置されて一次側の圧力を二次側の圧力に減圧する減圧弁であって、
   前記主通路を開閉する弁装置と、
   前記弁装置の前記シャフト部材を開弁方向に押圧して前記ボール形の弁体を前記弁シートから離間させる弁駆動部とを備え、
   前記弁装置が、流体の流入路と流出路との間を開閉するボール形の弁体と、前記弁体をばね力によって弁シートに着座させる第１のばね体と、前記弁体を開弁方向に押圧して前記弁シートから離間させるシャフト部材とを備え、前記シャフト部材または前記第１のばね体による押圧力の方向が前記弁体の中心点から偏位し、
   前記弁駆動部は、前進して前記シャフト部材を開弁方向に押圧する第２のばね体と、前記二次側の圧力を受けて前記第２のばね体を、そのばね力に抗して閉弁方向に後退させる閉弁力付加部材とを有し、
   前記主通路の一次側と二次側がそれぞれ前記弁装置の流入路と流出路を形成している減圧弁。

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