JP7270584B2 - 偏心回転弁 - Google Patents

Description

この発明は、上水道、石油、化学プラント等の計装設備、発電設備、及び工業用水、水力発電設備等の水やガス等の流体輸送用配管に設けられる遮断用途弁又は流量調整弁として使用される偏心回転弁に関するものである。

ロート弁等は、弁体が弁棒（弁軸）を境にして弁箱の筒軸方向左右にそれぞれ設けられて、その両弁体の間が弁箱の流入口及び流出口に連通する貫通路となっており、かつ弁体弁座及び弁箱弁座も弁棒を境にして弁箱の筒軸方向左右にそれぞれ設けられている。
この種の弁は、弁棒をその軸心周りに回転することによって、弁体弁座と弁箱弁座が接離して流入口と流出口は開閉され、貫通路が開閉されて、弁の開閉がなされる（特許文献１参照）。

また、流体が内部を流れる筒状の弁箱と、その弁箱内に挿入された弁棒と、その弁棒にその軸心に対して点対称左右にそれぞれ設けられた対の弁体と、その両弁体の間に形成された弁箱の流入口及び流出口に連通する貫通路（ボア）と、を有し、前記弁体の弁座と弁箱弁座が楕円錐面等であり、かつ両弁座の中心軸が弁棒の軸心から閉弁方向にそれぞれ偏心したボールバルブ（ボール弁）が開示されている（特許文献２）。
このボールバルブは、弁箱の流入口と流出口の両者を封止するから、閉弁が確実であるとしている（特許文献２段落０００１）。また、弁体弁座と弁箱弁座を異なる曲率の曲面としているため、閉弁トルクが大きく閉弁作用が確実であるとしている（同文献２段落００１４）。

さらに、偏心回転弁として、流体が内部を流れる筒状の弁箱と、その弁箱内に挿入され、軸心が弁箱の軸心から離れた弁棒と、その弁棒に偏心して設けた（弁体中心から弁棒中心が離れた）弁体と、軸心が弁箱の軸心に対して傾いたメタルシートの弁体弁座と、その弁体弁座が接離するメタルシートの弁箱弁座と、を有する構造の三重偏心回転弁が開発されている（特許文献３参照）。
この三重偏心回転弁は、弁の開閉時、弁体弁座と弁箱弁座のシール面同士が摺動しないので、シール性能が維持でき、長寿命化が図れる上、弁を開ける時に発生するジャンピング現象が極限まで抑えられる作用効果があるとしている。

特公昭５９－７５０号公報 特表２００２－５３８３８６号公報（ＷＯ００／５０７９２） 特開２０１８－１７３１２２号公報

上記特許文献１に示す、従来のロート弁（コニカルプラグ弁）は、比較的大口径であると、弁体弁座と弁箱弁座との摺動部面積が大きくなるため、また高圧で使用すると両弁座に加わる圧が高くなるため、全閉から開操作する時、摺動抵抗が大きく、円滑な弁の開放操作ができない。このため、弁体を一旦持ち上げ、前記弁座間の摺動抵抗を減じた状態で弁体を回転させており、弁棒の回転駆動系の構造が複雑となって、コスト高となっている。

上記特許文献２記載のボール弁は、閉弁時、弁箱の流出入口からの正の圧力と弁箱内の正の圧力を弁体に作用させて閉弁状態を安定化している（同文献２段落００２９）。
この作用をなすため、弁体弁座と弁箱弁座を形成する部材は円筒状をしており、一方を弾性材とするのが好ましいとしていることから（同文献２段落００１５）、その弾性材の耐久性が問題である。

上記特許文献３の偏心回転弁は、弁箱の流入口しか開閉しないものであるため、閉弁作用の確実性に欠ける。

この発明は、以上の実状の下、上記ロート弁のような、弁体を一旦持ち上げることなく、耐久性を有して閉弁作用が確実な回転弁を提供することを課題とする。

上記課題を達成するために、この発明は、まず、流体が内部を流れる筒状の弁箱と、その弁箱内に挿入された弁棒と、その弁棒にその軸心に対して点対称左右にそれぞれ設けられた対の弁体と、その両弁体の間に形成された弁箱の流入口及び流出口に連通する貫通路と、を有し、その流入口及び流出側の弁箱内に弁体弁座をそれぞれ設けると共に、両弁体には前記弁箱弁座に当接する弁体弁座をそれぞれ設けた偏心回転弁の構成としたのである。
このように、弁箱の流入口と流出口側に弁箱弁座を設け、その両弁箱弁座に両弁体弁座が当接して、弁箱の流入口と流出口の両者を封止するから、閉弁が確実である。

つぎに、上記弁体の表面形状は、楕円球面、楕円錐面又は真球面からなり、上記弁体弁座と弁箱弁座が楕円球面同士のメタルシール構造であるとともに、弁体弁座は弁体の表面から段差なく連続しており、かつ前記両弁座の中心軸が上記弁棒の軸心から閉弁方向にそれぞれ偏心した構成としたのである。
弁体の表面形状が楕円球面、楕円錐面又は真球面で、かつ弁体弁座が弁体の表面から段差なく連続しておれば、その表面を流れる流体は曲線状を描くため、その流れが円滑である。
ここで、「楕円球面又は楕円錐面の表面形状」とは、それらの軸心に対して直交する面で切断すれば、その断面は楕円状となる楕円球体又は楕円錐体の表面形状の意である。また、「弁座の中心軸が弁棒の軸心から閉弁方向に偏心」とは、「弁座の中心軸が弁箱の軸心に対して閉弁方向に所要角度傾いてその弁棒の軸心を通らない態様」と言う（以下同様。）。

さらに、メタルシール（金属面でシールする）構造であるから、弾性材を使用した弁座に比べて耐久性があり、トルクシールを行うことができて閉弁作用も確実であるうえに耐久性の高いものとなる。
さらに、前記両弁座の中心軸が弁棒の軸心から閉弁方向にそれぞれ偏心しているため、閉弁時から、開弁する際、弁棒の開弁方向の回転開始と同時に、弁体弁座が弁箱弁座から離れて弁体弁座と弁箱弁座のシール面同士が摺動しないので、弁体を一旦持ち上げる必要もない。

この構成において、上記両弁体の間に、上記貫通路の流通方向の整流板を設ければ、弁体間の貫通路の流通が円滑になる。
また、閉弁している状態において、両弁体の開弁方向前側となる両弁棒取付部に亘って弁箱弁座に近接する突条を弁棒の左右に設け、その突条表面に弁箱周方向の溝を形成すれば、開弁している状態において、弁体の前記突条が弁箱弁座に近接して、この溝で流通を妨げるから、流入口から弁体周りを通って流出口側に流れる流体を極力抑制でき、貫通路に多くの流体を円滑に流すことができる。

以上の各構成において、上記弁体弁座と弁箱弁座が楕円球面同士である、弁体弁座が楕円球面、弁箱弁座が楕円錐面である、又は弁体弁座と弁箱弁座が楕円錐面同士である偏心回転弁とし得る。
このとき、弁箱弁座及び弁体弁座の楕円球面又は楕円錐面の中心軸（軸心）を弁箱の軸心（筒軸）に対して所要角度傾けて、弁箱弁座及び弁体弁座の当接面を弁箱の軸心に対して直交方向の真円で接して閉弁するようにすることができる。楕円球、楕円錐は軸心に対してある角度の斜めの面で切断すれば、その切断面は真円とし得るからである。
このようにすれば、略真円筒の配管に使用した際、流体の断面形状は略真円形であるため、弁孔が真円状となり、その流体断面形状が略真円形から真円状に変化することであって、圧力損失等が生じず、流体の安定した流通を確保できる。なお、この発明でいう「真円」とは、径が全周に亘って同一の円のみを言うのではなく、流通に影響がない程度の径変化の場合も含む。

この発明は、以上のように構成したので、構造が簡単なロート弁構造の偏心回転弁とすることができる。

この発明に係る偏心回転弁の一実施形態の切断正面図 同実施形態の切断平面図 同実施形態の開弁時の切断平面図 同実施形態の作用説明図 同実施形態の弁体斜視図 同実施形態の他の部分正面図

この発明に係る偏心回転弁の一実施形態を図１～図５に示し、この偏心回転弁Ｖは、水等の流体ｗが内部を流れる筒状の鋳鋼製弁箱１と、その弁箱１内に挿入され、軸心ａが前記弁箱１の筒軸ｏ（弁箱流路中心）上にある鋳鋼製弁棒２と、その弁棒２に設けた鋳鋼製弁体（プラグ）３と、その両弁体弁座（シート部）３ａが接離する弁箱弁座１ａと、を有する偏心回転弁（プラグ弁）である。弁箱１は、その筒状左側開口が流入口４、同右側開口が流出口５となって、その流入口４側と流出口５側の二部材からなり、その両部材の周囲をボルト６により締結して一体としている。
弁棒２の一端（図１において上端）は外部に延び、ハンドル、アクチュエータ等の種々の手段によって回転される。

弁体３は、弁棒２の軸心ａ方向視（平面視）において、その軸心ａに対して点対称左右に（軸心ａを中心にして１８０度回転すると重なるように）それぞれ設けられている。その両弁体３、３の間が流入口４及び流出口５に連通する貫通路７となっており、両弁体３、３は一体ものである（図１、図５参照）。前記流入口４及び流出口５の内径と貫通路７の内径はほぼ同一に形成されて同一軸心となっている。

また、弁体３は、図４に示すように、その軸心（楕円錐中心線）ｃが弁箱１の軸心ｏに対して閉弁方向（図３矢印方向）に所要角度θ傾いて（中心軸ｃが弁棒２の軸心ａから閉弁方向に偏心して）弁棒２に取り付けられている。また、弁箱弁座１ａの楕円錐面の軸心（中心線）ｃも同様に所要角度θ傾いており、閉弁時、弁体３（弁体弁座３ａ）の軸心ｃと弁箱弁座１ａの軸心はほぼ一致する。

さらに、両弁体３、３に弁体弁座３ａ、３ａがそれぞれ一体に形成されてその弁体弁座
３ａは弁体３の楕円球表面から段差なく連続しており、弁箱１の流入口４側及び流出口５側には前記弁体弁座３ａが当接する弁箱弁座１ａ、１ａが形成されている。その弁箱弁座１ａは金属製シートリング８によって形成されている。このため、弁棒２の軸心ａに対して対称左右にメタルシールの両弁座１ａ、３ａがそれぞれ設けられた構成となっている。

この偏心回転弁Ｖは、以上のように、弁箱弁座１ａを楕円錐面とし、楕円錐球の弁体３表面の一部をなして段差なく連続する弁体弁座３ａも楕円錐面としたものであり、シール面（部）は楕円錐面同士のピッタリと当接（シール）した面接触となる。

このとき、上記のように、弁座１ａ，３ａの軸心ｃが弁箱軸心ｏに対し所要角度θ傾いていると、弁座１ａ，３ａの軸心ｃが弁箱軸心ｏ上に位置しなくなる。
なお、その所要角度θを適宜に選択することによって弁箱弁座１ａと弁体弁座３ａの当接面を弁箱１の軸心ｏに対して直交方向の真円とすることができる（弁孔４ａ、５ａを真円とすることができる）。

両弁体３、３の間に貫通路７の流通方向の整流板１０が設けられている。この整流板１０の数、厚さ、間隔は流通に支障がないように実験などによって適宜に設定する。この整流板１０を設ければ、貫通路（弁箱１内）７の流通が円滑となって流量の制御特性の向上を図ることができる。
また、閉弁状態において（図２の状態）、両弁体３、３の開弁方向（同図矢印方向）前側となる両弁棒取付部１ｂ、１ｂ（図１、図５参照）に亘って弁箱弁座１ａに近接する突条１１を弁棒２の左右に設け、その突条１１表面に弁箱周方向の溝１２を形成している（図５参照）。
このため、図２から図３に示す開弁時（図２の矢印方向）、弁体３の開弁方向前側が弁箱弁座１ａに近接して（図３）、この溝１２で流通を妨げるから、流入口４から弁体３回りを通って流出口５側に流れる流体ｗを極力抑制でき、貫通路７に多くの流体を円滑に流すことができる。
この溝１２の数、幅、間隔は前記円滑な流通阻止が行われる作用がなされるように実験などによって適宜に設定する。

この実施形態の偏心回転弁Ｖは以上の構成であり、弁棒２を回転させて弁座１ａと弁座３ａを接離して開閉する。
この開閉時、図１、図２に示すように、弁体３、３が弁孔４ａ、５ａを閉じている閉弁状態において、図２矢印で示すように、弁棒２により弁体３、３を回転すると、弁体３は、その軸心（楕円錐中心線）ｃが弁箱１の軸心ｏに対して閉弁方向に所要角度θ傾いて（偏心して）弁棒２に取り付けられて、弁棒中心ａから最も遠くて弁箱弁座１ａと当接している長さＬより、弁体弁座３ａの前記回転方向の全ての面が弁棒中心ａより短い（近い）ため、弁体弁座３ａと弁箱弁座１ａの当接面は瞬時に離れる（図４参照）。
このため、弁体弁座３ａと弁箱弁座１ａのシール面同士が摺動しないので、弁体３を一旦持ち上げる必要もなく、弁体３（弁座３ａ、１ａ）の摩耗は極めて少ない。

弁棒２の開弁方向の回転をつづければ、図３に示すように、貫通路７の軸心（中心軸）と弁箱１の中心軸ｏが一致した開弁状態となる。この状態には、弁棒２の回転を阻止するハンドルのストーパや回転制御などによって適宜に行う。
この開弁時、整流板１０によって貫通路７内の流通が整流され、また、突条１１及び溝１２によって流入口４から弁体３回りを通って流出口５側に流れる流体（漏水）ｗが極力抑制される。このため、貫通路７に多くの流体ｗを円滑に流すことができる。

上記整流板１０は弁棒２の軸方向ａに長い長板であったが、図６に示すように、弁棒２の軸方向ａに対して直交する長板とすることができる。その長板の断面も直線状でなく、
蛇腹状（ジグザグ）等と流通に支障がない限りにおいて任意である。
また、この実施形態は、弁体３の表面形状が楕円球面の場合であったが、楕円錐面又は真円球の場合であっても、この発明の作用効果を発揮する限りにおいて、同様に、弁体弁座３ａと弁箱弁座１ａとを楕円球面同士としたり、弁体弁座３ａが楕円球面、弁箱弁座１ａが楕円錐面としたり、弁体弁座３ａと弁箱弁座１ａとを楕円錐面同士としたりすることができる。また、流体ｗには、水やガス、及びそれらに微少な粒子が含まれる場合や粘性の高い流体等の特殊な流体等の種々のものが適用できることは勿論である。
さらに、実施形態においては、図２において、弁箱１の左側開口を流入口４、同右側開口を流出口５としたが、同左側開口を流出口５、同右側開口を流入口４とすることもできる。
このように、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。この発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 弁箱
１ａ 弁箱弁座
１ｂ 弁棒取付部
２ 弁棒
３ 弁体
３ａ 弁体弁座
４ 弁箱流入口（流出口）
４ａ 流入口（流出口）側弁孔
５ 同弁箱流出口（流入口）
５ａ 流出口（流入口）側弁孔
７ 貫通路
１０ 整流板
１１ 突条
１２ 溝
ａ 弁棒の軸心
ｃ 弁座の軸心（中心線）
ｏ 弁箱の軸心（中心線、筒軸）
θ 弁座の傾斜角度
Ｖ 偏心回転弁（プラグ弁）

Claims (5)

1. 流体（ｗ）が内部を流れる筒状の弁箱（１）と、その弁箱（１）内に挿入された弁棒（２）と、その弁棒（２）にその軸心（ａ）に対して点対称左右にそれぞれ設けられた対の弁体（３、３）と、その両弁体（３，３）の間に形成された弁箱（１）の流入口（４）及び流出口（５）に連通する貫通路（７）と、を有し、その流入口（４）及び流出口（５）側の弁箱（１）内に弁箱弁座（１ａ、１ａ）をそれぞれ設けると共に、両弁体（３，３）には前記弁箱弁座（１ａ、１ａ）に当接する弁体弁座（３ａ、３ａ）をそれぞれ設けた偏心回転弁（Ｖ）において、
   前記弁体（３、３）は、その軸心（ｃ）が前記弁箱（１）の軸心（ｏ）に対して所定角度（θ）傾いて前記弁棒（２）に取り付けられており、前記所定角度（θ）は、前記流入口（４）側及び前記流出口（５）側で同じであって前記弁棒（２）の前記軸心（ａ）に対して対称である偏心回転弁。
2. 前記弁箱（１）は、前記流入口（４）側と前記流出口（５）側の二部材からなる請求項１に記載の偏心回転弁。
3. 上記両弁体（３、３）の間に、上記貫通路（７）の流通方向の整流板（１０）を設けた請求項１又は２に記載の偏心回転弁。
4. 閉弁している状態において、上記両弁体（３、３）の開弁方向前側となる両弁棒取付部（１ｂ、１ｂ）に亘って上記弁箱弁座（１ａ）に近接する突条（１１）を上記弁棒（２）の左右に設け、その突条（１１）表面に上記弁箱（１）周方向の溝（１２）を形成した請求項１乃至３の何れか１つに記載の偏心回転弁。
5. 上記弁箱弁座（１ａ）及び弁体弁座（３ａ）の楕円球面又は楕円錐面の中心軸（ｃ）を上記弁箱（１）の軸心（ｏ）に対して所要角度（θ）傾けて、前記弁箱弁座（１ａ）及び
   弁体弁座（３ａ）の当接面を前記弁箱（１）の軸心（ｏ）に対して直交方向の真円で接して閉弁するようにした請求項１乃至４の何れか一つに記載の偏心回転弁。

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