JPH1137317A - ボール弁 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 メタルシート形式でも摩耗、焼き付きが発生
しがたく、異常昇圧を防ぐセルフリリーフ機能、ファイ
アセーフ機能、帯電防止機能を具備するボール弁の提
供。 【解決手段】 弁座をボール弁体に押しつけて締切りを
するボール弁において、内周面側が弁箱内流路２ａの一
部を構成し外周面側に突起するつば状の大径部８ｂと該
大径部８ｂより外径が小さい小径部８ａとを備えた段付
き筒状体で弁座７を具備するシートリテーナー８を、ボ
ール弁体１と弁箱２とに隣接して流路軸と同方向に変位
可能に装着し、大径部のボール弁体側には弁箱キャビテ
ィ９が形成され、大径部の小径部側には流体圧源に連絡
する加圧室１０を設けてある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、全閉時、弁座をボ
ール弁体に押しつけて締切りをするボール弁に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】最も一般的なボール弁は、ボール弁体を
流れ方向に配置した弁座で支持し、全閉時の差圧により
弁体を二次側の弁座に押し付けて締め切りをする構造に
なっている。ボール弁体と弁棒は、全閉時にボール弁体
が流れ方向に自由度をもつように二面幅で連結されてい
る。弁箱（本体）の構成からみた場合、分割本体形ボー
ル弁と一体本体形ボール弁がある。分割本体形ボール弁
は製作、組立て、分解が容易であり、圧損が極めて小さ
いフルボアボール弁の設計が可能なため、一体本体形ボ
ール弁より広く普及しているが、一体本体形ボール弁に
比べ配管応力の影響を受けやすい。したがって、パイプ
ライン用、原子力用など厳しい使用条件のところでは、
配管応力による影響を受けにくい一体本体形ボール弁が
使われることが多い。

【０００３】分割本体形ボール弁では再分解ができるの
で、ボール弁体−弁座における流体のシールを行う面の
不均一な摩耗を防ぐため、弁座当たり面に接触するボー
ル面を相対的に変位し調整すればよい。一体本体形ボー
ル弁は再分解ができないから、例えば、作動のたびにラ
チェットで弁座を少しずつ回転させ、不均一な摩耗を防
ぐ方法がとられている。また、下部弁軸で弁体を支持す
る形式の固定ボール弁では、全閉時、弁座をボール弁体
に押し付けて締切りをする構造で、低圧のときはばねに
よって、高圧のときは弁座の背面に作用する圧力によっ
て弁座面圧を発生させので、操作トルクの変動が少ない
という特性がある。高圧のときに弁座の背面に作用する
圧力は、弁箱に設けてあるシーラントフィッティングか
らグリスなどのシール材を注入し、グリス圧により発生
される。このような構成は、例えば実願昭６２−１００
９０号及び実願昭６２−１０５５５５号の各マイクロフ
イルムに記載された考案にみられる。

【０００４】しかし、前記した各マイクロフイルムに記
載された考案は、軟質シートリングを弁箱シート部に保
持させてある弁に関するもので、異常昇圧を防ぐセルフ
リリーフ機能を有せず、ファイアセーフ機能、帯電防止
機能も不十分である。通常、ボール弁における異常昇圧
を防ぐセルフリリーフ機能は、ボール弁体に安全弁を設
けた構造によっている（例えば、実公昭４７−１８９５
６号公報参照）。また、弁座面の接触部に金属材料を使
用するメタルシート形式のボール弁は、ファイアセーフ
機能、帯電防止機能を具備する構成に適するが、シート
材料の組み合わせがよくないと、摩耗を生じやすかった
り、焼き付くことがある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、前記のよう
な事情に鑑みて、メタルシート形式でも摩耗、焼き付き
が発生しがたく、異常昇圧を防ぐセルフリリーフ機能、
ファイアセーフ機能、帯電防止機能を具備するボール弁
の提供を目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するた
め、本発明のボール弁は、弁座をボール弁体に押しつけ
て締切りをするボール弁において、内周面側が弁箱内流
路の一部を構成し外周面側に突起するつば状の大径部と
該大径部より外径が小さい小径部とを備えた段付き筒状
体で弁座を具備するシートリテーナーを、ボール弁体と
弁箱とに隣接して流路軸と同方向に変位可能に装着し、
大径部のボール弁体側には弁箱キャビティが形成され、
大径部の小径部側には流体圧源に連絡する加圧室を設け
ることにより、ボール弁体の位置を開位置と閉位置とに
変化させる過程でボール弁体と弁座との接触圧力を制御
可能にするとともに、全閉時に弁箱キャビティ内に生じ
ることのある異常昇圧を防止するセルフリリーフ機能を
具備するようにしたことを特徴としている。

【０００７】

【作用】流路軸と同方向には遊動することはないボール
弁体を、開位置から閉位置に回転し全閉する操作過程、
及び閉位置から開位置に回転し全開する操作過程で、加
圧室における流体圧を制御すると、ボール弁体の球面と
シートリテーナーに具備されている弁座との接触圧力も
制御される。ボール弁体の球面が弁座面を摺動している
とき、接触圧力を小さくすれば、ボール弁体、弁座の摩
耗を減らし避けることもできる。ボール弁体が閉位置ま
で回転したときは、加圧室における流体圧を昇圧し接触
圧力を所定の圧力まで高めれば、弁座漏れ率が許容範囲
内の適正な弁座面圧が生じ全閉となる。また、全閉時、
弁箱キャビティ内部の封入流体の圧力が何らかの理由で
設定値に達すると、封入流体の圧力がシートリテーナー
の大径部に作用し、シートリテーナーはボール弁体より
離れる方向に押圧され流路軸と同方向に変位する。この
結果、弁箱キャビティ内部の封入流体は弁箱内流路側に
逃げ、弁箱キャビティ内の異常昇圧を防ぐセルフリリー
フ機能が作用する。

【０００８】

【発明の実施の形態】図１は、本発明のボール弁におけ
る実施の１形態の概略縦断面図であり、弁体が閉位置に
ある場合を示す。球状の弁体であるボール弁体１は、弁
箱２の内部で上部において上部弁棒３が結合し、下部に
おいて、上部弁棒３と軸線が同方向の下部弁棒４により
支持されている状態で装着してある。そして、ボール弁
体１の内部に形成されている流路１ａを介して左右の弁
箱内流路２ａが連通する状態の開位置と、左右の弁箱内
流路２ａの連通状態を遮断する閉位置とにボール弁体１
の位置を変化させる、すなわち回転する操作は、ともに
流路１ａの中央軸と直交する上部弁棒３と下部弁棒４を
回転軸としてなされる。上部弁棒３は弁箱２を貫通し、
手動操作用ハンドル５を備えた弁開閉機構６に連結して
おり、下部弁棒４は弁箱２の下部に軸支されている。な
お、ボール弁体１は、弁箱内流路２ａの中央軸（流路
軸）と同方向には遊動することはない。

【０００９】そして、ボール弁体１と弁箱２とに隣接し
て、弁座７を具備するシートリテーナー８が弁箱内流路
２ａの流路軸と同方向に変位可能に装着されている。シ
ートリテーナー８は、内周面側が弁箱内流路２ａの一部
を構成し、外周面側に突起するつば状の大径部８ｂと大
径部８ｂより外径が小さい小径部８ａとを備えた段付き
筒状体である。段付き筒状体のシートリテーナー８にお
いて、球状のボール弁体１の球面と対抗する一方の端面
は、部分球面形状の弁座７に形成してあり、他方の小径
部８ａにおける端面は弁箱２の段部２ｂの端面との間
に、後述のように異常昇圧を防ぐセルフリリーフ機能に
関連する所定のすきまｃがある。すなわち、シートリテ
ーナー８は、ボール弁体１の球面と弁箱２の段部２ｂの
端面との間で、すきまｃの寸法に相当する距離を上限と
して、流路軸と同方向に変位可能である。

【００１０】ボール弁体１，弁箱２及びシートリテーナ
ー８との間で、シートリテーナー８における大径部８ｂ
のボール弁体側には弁箱キャビティ９が形成され、大径
部８ｂの小径部側には流体圧源に連絡する環状の加圧室
１０が設けてある。弁箱キャビティ９と加圧室１０との
密閉性を確保するため、弁箱２とシートリテーナー８の
外周面側との密封装置として、大径部８ｂにＯリング１
１，小径部８ａに隣接する部分の弁箱２にＯリング１２
を装着してある。Ｏリング１１，１２とも単列で図示し
てあるが、それぞれ２列に装着するのがより好ましい。
また、Ｏリング１１，１２の他にも密封装置が装着して
あるが、記載を省略してある。加圧室１０と連絡する流
体圧源として、弁箱２上部には、加圧室１０と連通しピ
ストン１３，ピストンロッド１４を具備した流体圧シリ
ンダ１５が設けてあり、ピストンロッド１４は、手動流
体圧操作用ハンドル１６を備えた流体圧操作機構１７に
連結している。ピストンロッド１４は、流体圧シリンダ
１５のヘッド部とピッチの細かいねじ対偶を構成してお
り、ピストン１３は微細な上下動ができる。ピストン１
３，ピストンロッド１４及び流体圧シリンダ１５等は、
ボール弁の他の各部と同一設計圧力ｐ_ｄに基づき設計・
構成されている。

【００１１】弁開閉機構６は流体圧操作機構１７と関連
して制御可能で、例えばボール弁体１の位置を回転する
弁開閉操作とピストン１３を上下動させる流体圧操作と
の位相差（時間的関係）、操作速度差等を任意に設定で
きる。また、両機構６，１７の関連を遮断して、ピスト
ン１３が上下動しないように固定もできる。弁箱２上部
には、圧力取出路１８を介して加圧室１０における流体
圧を検出する圧力計１９が装着されている。そして、ピ
ストン１３が流体圧シリンダ１５の所定の基準位置にあ
って、加圧室１０と流体圧シリンダ１５とに作動流体が
充満されているとき、圧力計１９の指示がゼロであるよ
う調節・構成されいる。そのとき、弁座７と弁座７に対
抗するボール弁体１の球面との弁座面圧を、数値の小さ
な基準値ｐ_０，あるいはボール弁体１の位置を回転する
ための手動操作用ハンドル５における操作トルクが、所
定の基準値Ｔ_ｒ０であるよう調節・構成されている。

【００１２】上述のような構成において、最初は手動流
体圧操作用ハンドル１６を操作せずに手動操作用ハンド
ル５だけを操作し、ボール弁体１の位置を開位置から閉
位置に回転する。次に、手動流体圧操作用ハンドル１６
を操作して、基準位置にあるピストン１３を下方に押圧
すれば、押圧することにより増大した圧力が加圧室１０
に伝達され、圧力計１９の指示はゼロから上昇する。加
圧室１０に伝達された圧力はシートリテーナー８の大径
部８ｂに作用し、弁座７と弁座７に対抗するボール弁体
１の球面との弁座面圧を増大せしめる。この場合、巨視
的にみるとシートリテーナー８は、ボール弁体１の球面
を押圧しているだけで、流路軸と同方向への変位は生じ
ていない。ボール弁体１の位置を閉位置から開位置に回
転し戻すときは、手動流体圧操作用ハンドル１６を操作
して、ピストン１３を上方の基準位置まで移動する。

【００１３】一方、微視的にみると、固体面の接触機構
論から、ボール弁体１と弁座７との材料のうち柔らかい
方のマイヤーかたさをＨ_Ｍ，弁座面圧をｐ（≦ｐ_ｄ）と
すれば、 （真実接触面積／見かけ接触面積）＝（ｐ／Ｈ_Ｍ） ‥‥（１） である。（ｐ／Ｈ_Ｍ）の値が小さいｐ≒ｐ_０のときは、
弁座７と弁座７に対抗するボール弁体１の球面との間で
は気体層の占める割合が大きく、真実接触面積は小さく
摩耗は少ないが、弁座漏れ率に関しては不利である。こ
れに対して、ｐ≫ｐ_０で（ｐ／Ｈ_Ｍ）の値が大きくなる
と、固体接触の占める割合が大きくなり真実接触面積が
拡大し、摩耗は増加するようになるが、弁座漏れ率は低
下する。

【００１４】このようにして、流路軸と同方向には遊動
することはないボール弁体１を、開位置から閉位置に回
転し全閉する操作過程で、加圧室１０における流体圧を
制御すると、ボール弁体１の球面とシートリテーナー８
の弁座７との接触圧力も制御される。ボール弁体１の球
面が弁座面を摺動しているとき、接触圧力を小さくすれ
ば、ボール弁体１，弁座７の摩耗を減らし、あるいは避
けることもできる。ボール弁体１が閉位置まで回転した
ときは、接触圧力を所定の圧力まで高めれば、弁座漏れ
率が許容範囲内の適正な弁座面圧が生じ全閉となる。

【００１５】ところで、弁座面の接触部にプラスチック
材料を使用するプラスチックシート形式は、弁体との密
着性やすべり具合の点で、捨てがたい性質を有する。本
発明のボール弁においては、ボール弁体１と弁座７とを
ともに金属製とするメタルシート形式のときでも、ボー
ル弁体１の位置を開位置と閉位置とに変化させる過程
で、ボール弁体１の球面と弁座７との接触圧力、弁座面
圧を適正に制御することにより、プラスチックシート形
式と同様に弁体との密着性やすべり具合で満足すべき性
質を発揮できる。

【００１６】また、本発明のボール弁は、ボール弁体１
が閉位置にある全閉時に、弁箱キャビティ９内部に構成
される密室の中に流体が封入され、その後、外部からの
入熱によって、内封された流体が膨張し、弁箱キャビテ
ィ９内部の圧力ｐ_ｃが設計圧力ｐ_ｄ以上に上昇する異常
昇圧を解消するセルフリリーフ機能を具備する。すなわ
ち、圧力ｐ_ｃがｐ＜ｐ_ｒ≦ｐ_ｄである設定圧力ｐ_ｒに達
すると、シートリテーナー８の大径部８ｂに作用する弁
箱キャビティ９内部の圧力ｐ_ｃにより、シートリテーナ
ー８はボール弁体１より離れる方向に押圧され、加圧室
１０の流体圧や弁箱２とシートリデーナー８間の摩擦に
抗して、加圧室１０の容積圧縮を伴いつつすきまｃの寸
法に相当する距離を上限として流路軸と同方向に変位す
る。

【００１７】このようにして、ボール弁体１が閉位置に
あっても、弁箱キャビティ９内部の圧力ｐ_ｃが異常昇圧
すれば、ボール弁体１の球面と弁座７との密着状態は開
放され、弁箱キャビティ９内の封入流体は弁箱内流路２
ａ側に逃げ、異常昇圧を防ぐことができる。そのとき、
弁箱キャビティ９内の圧力は、弁座面圧ｐ又は弁箱内流
路２ａの圧力（＜ｐ）まで低下する一方、容積が圧縮さ
れている加圧室１０における流体圧により、自動的にシ
ートリテーナー８はボール弁体１方向に復帰し、ボール
弁体１の球面と弁座７とは再び密着して全閉する。本発
明のボール弁における異常昇圧を防ぐセルフリリーフ機
能は、ボール弁体に安全弁を設けた構造によらないので
安価である。

【００１８】なお、加圧室１０の流体圧には弁座面圧
ｐ，手動操作用ハンドル５における操作トルクＴ_ｒが対
応しているから、圧力計１９の指示は流体圧のほかに弁
座面圧ｐ，操作トルクＴ_ｒを尺度として示すことができ
る。また、全閉時にピストン１３を上下動をないように
固定してあれば、加圧室１０の流体圧力は弁箱キャビテ
ィ９における圧力に対応しているから、弁箱キャビティ
９における圧力の設計値超過は圧力計１９で検出でき、
圧力計１９に異常昇圧範囲を示しておくようにしてもよ
い。

【００１９】加圧室１０と連絡する流体圧源における作
動流体は、弁箱内流路２ａを流れる流体の種類や圧力等
を考慮して、油、水及び空気のいずれかを選択する。加
圧室１０と連絡する流体圧源としては、前記のようなピ
ストン−流体圧シリンダ系のほか、ボール弁体１の位置
を変化させる弁開閉操作に対応する加圧室１０における
流体圧を、プログラム制御できるように構成してある圧
縮機系でもよい。

【００２０】前記のように、本発明のボール弁は、ボー
ル弁体１の球面が弁座面を摺動しているとき、加圧室１
０における流体圧制御を介して、ボール弁体１の球面
と、シートリテーナー８の弁座７との接触圧力を制御す
れば、弁座の摩耗を防止することができる。また、メタ
ルシート形式の場合は、閉位置において弁座漏れ率が許
容範囲内の適正な弁座面圧で全閉のとき、何らかの理由
で弁座付近が昇温して焼き付きの恐れがあれば、弁座付
近は熱膨張しているから弁座漏れ率に影響を与えずに、
弁座面圧を下げて焼き付きを防止することができる。

【００２１】このように本発明のボール弁は、メタルシ
ート形式における焼き付きの発生を防止できるから、弁
体や弁座を金属などの耐熱性の材料で形成するのに好都
合である。したがって、全閉時に火災その他により高温
に加熱されても、弁座が焼失しないファイアセーフボー
ル弁を構成するのに適している。また、弁体・弁座・弁
棒など必要箇所を金属製にすれば、帯電防止ボール弁に
構成できる。

【００２２】なお、以上説明したことからも明らかなよ
うに、以下に示す構成も本発明の特徴である。 （１）流体圧源が、ボール弁体の位置を変化させる弁開
閉機構と関連して作動可能な流体圧操作機構に連絡しピ
ストンとピストンロッドとを具備した流体圧シリンダよ
りなる系を含むことを特徴とする請求項１に記載のボー
ル弁。 （２）流体圧源が、ボール弁体の位置を変化させる弁開
閉操作に対応する加圧室における流体圧を、プログラム
制御できるように構成してある圧縮機を含むことを特徴
とする請求項１に記載のボール弁。 （３）ボール弁体と弁座とがともに金属製のメタルシー
ト形式であることを特徴とする請求項１に記載のボール
弁。 （４）ボール弁体と弁座のほか弁棒など必要箇所を金属
製にしたメタルシート形式で、帯電防止機能と全閉時に
火災その他により高温に加熱されても弁座が焼失しない
ファイアセーフ機能を備えたことを特徴とする請求項１
に記載のボール弁。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したように本発明のボール弁
は、ボール弁体の位置を開位置と閉位置とに変化させる
過程で、ボール弁体と弁座との接触圧力、弁座面圧を適
正に制御できる。したがって、ボール弁体の球面が弁座
面を摺動しているとき、接触圧力を小さくすることによ
り、摩耗を避けることができる。また、ボール弁体と弁
座とをともに金属製とするメタルシート形式でも焼き付
きの発生を防止でき、更にプラスチックシート形式と同
様に、ボール弁体と弁座の密着性やボール弁体のすべり
具合で満足すべき性質を発揮できる。このように本発明
のボール弁は、ボール弁体や弁座を金属などの耐熱性の
材料で形成するのに好都合である。それ故、全閉時に火
災その他により高温に加熱されても、弁座が焼失しない
ファイアセーフボール弁に構成でき、更に弁体・弁座・
弁棒など必要箇所を金属製にすれば、帯電防止ボール弁
に構成できる。ファイアセーフ機能、帯電防止機能に加
え、ボール弁体に安全弁を設けることなく異常昇圧を防
止するセルフリリーフ機能を具備しているので、本発明
のボール弁は、パイプライン用・原子力用など厳しい使
用条件のところに適用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の一形態の概略縦断面図である。

【符号の説明】

１ ボール弁体 ２ 弁箱 ２ａ 弁箱内流路 ７ 弁座 ８ シートリテーナー ８ａ シートリテーナーの小径部 ８ｂ シートリテーナーの大径部 ９ 弁箱キャビティ １０ 加圧室

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】弁座をボール弁体に押しつけて締切りをす
   るボール弁において、 内周面側が弁箱内流路の一部を構成し外周面側に突起す
   るつば状の大径部と該大径部より外径が小さい小径部と
   を備えた段付き筒状体で弁座を具備するシートリテーナ
   ーを、ボール弁体と弁箱とに隣接して流路軸と同方向に
   変位可能に装着し、大径部のボール弁体側には弁箱キャ
   ビティが形成され、大径部の小径部側には流体圧源に連
   絡する加圧室を設けることにより、ボール弁体の位置を
   開位置と閉位置とに変化させる過程でボール弁体と弁座
   との接触圧力を制御可能にするとともに、全閉時に弁箱
   キャビティ内に生じることのある異常昇圧を防止するセ
   ルフリリーフ機能を具備するようにした、ことを特徴と
   するボール弁。