JP7449552B2 - ボール弁 - Google Patents

Description

この発明は、ボールを回転させることで連通遮断を行うボール弁に関する。

従来、流体入口通路、流体出口通路およびこれらの通路間に設けられた連通部を有する本体と、流体連通路を有し本体の連通部に基準軸回りに回転可能に配設されたボールと、周壁に所要の開口部が設けられた略円筒状をなしボールと本体との間に配設されたボールシートとを備えており、ボールを基準軸回りに回転させることで流体入口通路と流体出口通路との連通遮断を行うボール弁はよく知られている（特許文献１）。

特開２０１１－１７４５９８号公報

上記の特許文献１に記載のバルブにおいて、パッキン押えねじを締め付け、ボールシート押えからボールシートに十分な荷重をかけることでシールがなされ、ボールとボールシートの間およびボールシートと本体の間から流体の漏れを防ぐことができるが、大流量を流す場合や高圧の流体を流す場合においてはシールを行うためにパッキン押えねじの締め付けを強めボールシートに大きな荷重をかける必要がある。これに伴い開閉操作に必要なトルクが大きくなったり、ボールシートに嵌入されたリテーナが変形したりする問題が生じる。

ボールバルブの組み立ては、円柱形状の外形を有するボールシートの内部空間にボールを嵌入したのちに、ボールシートを本体に圧入することにより行われる。ボールシートの径を大きくすることでパッキン押えねじの締め付けによるボールシートにかかる荷重を小さくすることが期待されるが、ボールシートを本体に圧入することができなくなるという別の問題が発生する。

この発明の目的は、ボールを回転させることで連通遮断を行うボール弁において、ボールが嵌入されたボールシートを本体に容易に組み立てることができ、かつ、ボールシート押えからボールにかける荷重が小さいボール弁を提供することである。

本発明（１）は、流体入口通路、流体出口通路およびこれらの通路と連通する上方に開口した円柱状の凹部を有する本体と、流体連通路を有し前記本体の前記連通部に基準軸回りに回転可能に配設されたボールと、前記ボールを基準軸回りに回転させる操作機構と、周壁に所要の開口部が設けられ、前記ボールと前記本体との間に配設されたボールシートと、前記ボールシート上方に設けられ、前記ボールシートを押圧するボールシート押えと、前記凹部内周にねじ合わされ前記ボールシート押えを下方に押圧する押えねじと、を備えており、前記ボールを前記基準軸回りに回転させることで流体入口通路と流体出口通路との連通と遮断を行うボール弁において、前記ボールシートは、前記凹部の底の直径より大きい直径の底面を有する略円錐台形状とされ、上面の直径は、前記底面の直径よりもわずかに小さくなされていることを特徴とするボール弁である。

従来のボール弁のボールシートの外形は、円柱形状であり、ボールシートの側面には、流体入口通路および流体出口通路と連なる開口部が備えられ、ボールシートの内部には、ボールを収納する球形の空間が備えられ、ボールシートの軸上方向には、ステムが嵌入する孔が備えられている。ボールシートの軸方向中央部付近の肉厚は、他の場所に比べて薄く、弾性変形が起こりやすくなっている。

ボールシートは、合成樹脂材料から形成されており、より具体的には、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、超高分子量ポリエチレン等から形成されることが好ましいとされる。従来のボール弁では、肉厚の薄いボールシートの軸方向中央部付近は、面圧が低くなり、ボールシートの軸方向中央部付近から流体が漏れ出やすくなる。

本発明（１）のボール弁では、ボールシートは、本体の凹部の底の直径より大きい直径の底面を有する略円錐台形状とされ、上面の直径は、前記底面の直径よりもわずかに小さくなされている。この構造により、ボールが嵌入したボールシートを本体にはめ込む際に、嵌めこむことができないという問題は起こらない。さらに、ボールシートの軸方向中央部付近の弾性変形が少なく抑えられ、ボールとボールシートおよびボールシートと本体との間の面圧の低下が抑えられるので、ボールとボールシートおよびボールシートと本体との間から流体が漏れ出にくくなると推測される。

本発明（２）は、前記ボールシートの前記開口部に内嵌されているリテーナをさらに有している本発明（１）のボール弁である。

本発明（２）では、ボールシートの開口部に内嵌されているリテーナがさらに備えられている。リテーナはステンレス鋼製であることが耐腐食性や強度の観点から好ましい。このリテーナによって、ボールシートの変形が抑制され、流体通路となる開口が確保される。

従来のボール弁においては、ボールシートとボールおよびボールシートと本体との間からの流体の漏出を防止するために、高圧流体を流す際には過剰な上方からの荷重をかけなければならず、このリテーナまで変形してしまい、動作不良につながる危険性があった。本発明のボール弁では、過剰な上方からの荷重をかける必要がなくなるので、リテーナが変形することがなくなる。

本発明（３）は、前記ボールシート押えと前記押えねじの間にばね部材を有することを特徴とする本発明（１）または（２）のボール弁である。

本発明（３）では、ばね部材を有しているので、上方からの荷重がこのばね部材の反発力によって、ボールシートに対する上方からの負荷を維持し続けることができる。

この発明のボール弁によると、ボールが嵌入されたボールシートを本体に容易に組み立てることができ、かつ、ボールシートとボールおよびボールシートと本体との間の接触面圧の場所的分布を均一化して、高圧の流体を流しても、ボールシートとボールとの間からの流体の漏れ出しを防ぐことができる。

この発明によるボール弁の１実施例の外観を示す。 この発明によるボール弁の、ボールシート、ボールおよびステムの拡大図を示す。 この発明によるボール弁に用いられるボールシートの部分斜視図を示す 従前のボール弁および本発明のボール弁のボールシートと本体との間の面圧を示す。 従前のボール弁および本発明のボール弁のボールシートとボールとの間の面圧を示す。 従前のボール弁および本発明のボール弁の皿バネ荷重とシール圧力との関係を示す。

この発明の実施の形態を、以下図面を参照して説明する。以下の説明において、上下は、図の上下をいうものとする。この「上下」は便宜的なもので、設置に際しては、上下が逆になったり、水平になったりすることもある。

図１は、本発明の実施例のボール弁１を示す。ボール弁１は、流体入口通路１１および流体出口通路１２を有し、流体入口通路１１および流体出口通路１２を連通する凹部１３を有する本体１０を備えている。流体入口通路１１および流体出口通路１２には、それぞれに継手部１４が取り付けられている。

凹部１３には、流体を遮断連通するためのボール２０が納められ、ボール２０には、流体の通路となる流体連通路２１が形成されている。ボール２０と本体１０との間には、合成樹脂材料であるＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）製のボールシート４０が配置されている。このボールシート４０に上方から圧縮荷重をかけることによって、流体の漏出が防止される。

ボールシート４０の2か所の出入り口の開口部には、金属製の略円環状のリテーナ５０が配置されている。リテーナ５０は、ボールシート４０が変形し通路を塞ぐことを防ぐものであり、ステンレス鋼製とした。ボール２０の上方には、ボール２０と連なるステム２２が形成され、このステム２２の上端部は、操作機構３０のハンドル３１と連結されている。ハンドル３１を回転することによって、ボール２０は回転し、流体の連通遮断が行われるが、操作機構はこのような手動のものに限らず、電機や空圧によって回転させるものでも良い。

本体１０の上部には筒状の突出部１６が上方に突出しており、この突出部１６の内部の空間と凹部１３の中に、下からボールシートと接触する円環状のボールシート押え４１、皿バネ４３およびボールシート押えねじ４２が配置されている。

突出部１６の内面には、突出部雌ねじ１６ｂが切られ、ボールシート押えねじ４２の外面に形成されたボールシート押えねじ雄ねじ４２ａと螺合している。ボールシート押えねじ４２を回して、上方から荷重を付加して皿バネ４３を圧縮し、皿バネ４３の反発力でボールシート押え４１に上方から荷重を付加して、その荷重はボールシート４０に伝達され、ボールシート４０が上方からの荷重によって圧縮される。

突出部１６の外面には突出部雄ねじ１６ａが切られ、この突出部雄ねじ１６ａは、パネルナット１５ａの内面に形成されたパネルナット雌ねじ１５ａと螺合している。パネルナット１５ａと本体１０の上面との間にパネル等を挟むことができる。

図２は、拡大されたボール２０、ステム２２およびボールシート４０を示す。ボールシート４０の開口部４４には、リテーナ５０を収納するリテーナ収納空間４５が形成され、上部には上開口部４６が形成されている。ステム２２の上端部には、切り欠き２２ａが形成され、この切り欠き２２ａが、ハンドル３１と係合して、ハンドル３１の回転によりステム２２およびボール２０が回転して、流体の連通遮断が行われる。図中の（２Ａ）は、流体が連通している状態を示し、（２Ｂ）は流体が遮断されている状態を示し、（２Ｃ）は、（２Ａ）の側面を示している。

図２の（２Ｃ）で示すＤ_１は、ボールシート４０の底面の直径で、Ｄ_２は、ボールシート４０の上面の直径である。本発明のボール弁では、Ｄ_２は、Ｄ_１よりもわずかに小さくされる。Ｄ_１は、本体１０の凹部１３よりも大きくし、、Ｄ_２は、本体１０の凹部１３の直径と同一となっている。このため、ボールシート４０の側面と凹部１３の内周面の間に隙間が存在しない。この例では、ボールシートの外形状は、円錐台形状となっているが、例えば、下端部にわずかに垂直立上り部があり、その上部分が円錐台形状となっているボールシートであっても良い。その意味で、ボールシートの形状は、略円錐台形状である。

図３（３Ａ）（３Ｂ）はボールシートに上方から荷重を付加した場合の面圧の分布を計算するためのモデルを示しており、（３Ａ）はボールシートの外側、（３Ｂ）はボールシートの内側を示している。従来タイプ（上面直径２７．０ｍｍ下面直径２７．０ｍｍ）および新タイプ２種類（上面直径２７．０ｍｍ下面直径２７．２ｍｍ）（上面直径２７．０ｍｍ下面直径２７．５ｍｍ）の３種類に対して計算を行い、表１表２にその結果を示している。表はそれぞれのタイプに対し上方から荷重９０００Ｎを付加したときの面圧であり各行は図３に示すＰ_１～Ｐ_３およびＱ_１～Ｑ_３の位置に対応している。

図４は、表１をグラフ化したものである。従来タイプの位置中（Ｑ_２）の面圧が１２．５ＭＰａに対して、新タイプ（φ２７－２７．２）は、２０．６ＭＰａと８．１ＭＰａ高くなり、新タイプ（φ２７－２７．５）は、２１．１ＭＰａと８．６ＭＰａ高くなっている。

図５は、表２をグラフ化したものである。従来タイプの位置中（Ｐ_２）の面圧が１５．３ＭＰａに対して、新タイプ（φ２７－２７．２）は、２４．５ＭＰａと９．２ＭＰａ高くなり、新タイプ（φ２７－２７．５）は、２５．９ＭＰａと１０．６ＭＰａ高くなっている。

図４、図５からは従来タイプではボールシートの面圧にばらつきが生じていたところ、新タイプでは、ボールシートの面圧のばらつきが少なくなっていることが読み取れ、従来タイプにおいて漏れの原因となっていた面圧が低い場所をなくすことができる。

図６は、皿バネ荷重（Ｎ）とシール圧力（ＭＰａ）の関係を示す。シール圧力は、ボール弁１の内部を密閉した状態で圧力をかけボールシートから漏れが生じた圧力であり、皿バネ荷重は皿バネ４３からボールシートに係る荷重である。皿バネ荷重は皿バネ４３のたわみ量とバネ定数から計算を行った。

ａ１、ａ２およびａ３は、ボールシート４０の上面および下面の直径を２７．０ｍｍとした従来タイプのものであり、ｂ１、ｂ２およびｂ３は、上面の直径を２７．０ｍｍ、下面の直径を２７．５ｍｍとした新タイプのものである。従来タイプと新タイプのものは、それぞれ検体数を３としている。

同じシール圧力を得るための皿バネ荷重は、改良後の新タイプのものの方が、従来タイプのものに比べて小さい。このために、流体が漏洩しないようにするための皿バネ荷重を小さくできるので、リテーナ等の部品が変形することがなくなる。１９ＭＰａのシール圧力を得るためには、従来タイプのものは、１００００Ｎ近くの荷重が必要であるが、改良後の新タイプのものでは、８０００Ｎ程度でよい。

この発明によるボール弁は、ボールシートとボールおよびボールシートと本体との間の接触面圧の場所的分布を均一化できることから、従来のボール弁に比べて、上方からの荷重を高くしなくとも、ボールシートとボールおよびボールシートと本体との間から流体が漏れ出すことを防ぐことができる。

１：ボール弁
１０：本体
１１：流体入口通路
１２：流体出口通路
１３：凹部
１４：継手部
１５：パネルナット
１５ａ：パネルナット雌ねじ
１６：突出部
１６ａ：突出部雄ねじ
１６ｂ：突出部雌ねじ
２０：ボール
２１：流体連通路
２２：ステム
２２ａ：切り欠き
３０：操作機構
３１：ハンドル
４０：ボールシート
４１：ボールシート押え
４２：ボールシート押えねじ
４４：開口部
４５：リテーナ収納空間
４６：上開口部
４２ａ：ボールシート押えねじ雄ねじ
４３：皿バネ
５０：リテーナ

Claims (3)

1. 流体入口通路、流体出口通路およびこれらの通路と連通する上方に開口した円柱状の凹部を有する本体と、
   流体連通路を有し前記本体の前記凹部に基準軸回りに回転可能に配設されたボールと、
   前記ボールを基準軸回りに回転させる操作機構と、
   周壁に所要の開口部が設けられ、前記ボールと前記本体との間に配設されたボールシートと、
   前記ボールシート上方に設けられ、前記ボールシートを押圧するボールシート押えと、
   前記凹部内周にねじ合わされ前記ボールシート押えを下方に押圧する押えねじと、
   を備えており、前記ボールを前記基準軸回りに回転させることで流体入口通路と流体出口通路との連通と遮断を行うボール弁において、
   前記ボールシートは、前記凹部の底の直径より大きい直径の底面を有する略円錐台形状とされ、上面の直径は、前記底面の直径よりもわずかに小さくなされていることを特徴とするボール弁。
2. 前記ボールシートの前記開口部に内嵌されているリテーナをさらに有している請求項１に記載のボール弁。
3. 前記ボールシート押えと前記押えねじの間にばね部材を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のボール弁。
   

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