TW201708750A - valve - Google Patents

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TW201708750A
TW201708750A TW105124981A TW105124981A TW201708750A TW 201708750 A TW201708750 A TW 201708750A TW 105124981 A TW105124981 A TW 105124981A TW 105124981 A TW105124981 A TW 105124981A TW 201708750 A TW201708750 A TW 201708750A
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毛利友裕
永尾將和
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富士金股份有限公司
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Abstract

本發明提供一種簡易構成的閥，不會因在閥體所產生的自激振動而使閥座損傷，並不會發生洩漏。 本發明之閥係具備：閥箱，具備有流體入口、流體出口及閥室；閥座，設置於前述閥室且具有閥座面；閥桿，能夠上下動地插通至前述閥箱；以及閥體，配置於前述閥桿的前端，且能夠利用前述閥桿的上下動而抵接於前述閥座的前述閥座面；在前述閥桿產生振動的情況下，前述閥體的前端部不會接觸前述閥座面。

Description

閥
本發明係關於一種閥(valve)。
作為閥(閥裝置)，習知以來已知有球形閥(globe valve)、閘閥(sluice valve)、球塞閥(ball valve)等，且能按照流體的種類或使用條件(亦即化學特性(可燃性或腐蝕性)或物理特性(溫度、壓力)來選擇最適合的結構。
球形閥由於其結構單純，較少發生損傷，且即便閥體的移動量較少仍可以進行全開、全關的操作，所以被用於化學工廠(plant)或船舶等產業用的設備中。
但是，在球形閥的情況下，會有以下的問題：當閥體在閉鎖操作中接近閥座(seat)時，通過閥體與閥座間之間隙的流體的流速就會變高而發生脈動，且在閥體產生自激振動(self-excited vibration)，使閥體和閥座重複碰撞。
專利文獻1之目的係提供一種可以用簡易構成來抑止在閥體所產生的自激振動的閥，為達成該目而具有以下的 要件：使流體入口側的上游流路和流體出口側的下游流路形成為透過閥室而於相互地交叉的方向連續的構成；在劃分前述閥室的隔壁的前述上游流路的開口部，設置有閥箱及環狀密封部，該閥箱係設置有隨著朝向下游前進而逐漸擴徑的閥座，該環狀密封部係能夠座定於上述閥座；具備閥體，該閥體係構成為能夠對前述閥座進退，且形成為在進退方向具有指定之長度的柱狀體；具備使從前述流體對前述閥體作用的激振力減低的激振力減低手段；該激振力減低手段，為用以使從前述閥座與前述環狀封閉部之間流出的流體從前述閥體離開的離開促進部；前述離開促進部係沿著前述閥體的軸線而設置有用以覆蓋已成為大致固定直徑的外周部之整體的被覆構件；前述被覆構件係構成為比前述環狀封閉部之下游側的端部更大徑。
專利文獻1所記載的閥係具備上述的構成，藉此能獲得以下的優點：由於緩傾斜部與閥體的間隙能擴大，且上段部與閥體的間隙能縮小，所以當已通過緩傾斜部與閥體之間隙的流體流入上段部與閥體的間隙時，就會變成轉向徑向外方的縮流並增加流速，而更容易從閥體離開。
(先前技術文獻)
(專利文獻)
專利文獻1：日本特許第5701360號公報。
然而，雖然此種專利文獻1所記載的閥係具有不易產生振動的功效，但是根據流體條件則無法防止振動。近年來，隨著燃料電池技術等的發展而被要求在閥內流動高壓氫等的高壓流體，本發明人等發現了當在例如閥的一次側壓力與二次側壓力的差成為50MPa以上的流體條件、或如一次側壓力超過70MPa的流體條件下，使用此種專利文獻1所記載的閥時，有時會引起以下的問題：閥桿(stem)發生振動，且形成於閥桿之前端的閥體的前端部會接觸閥座的閥座面，藉此使閥座損傷，且發生閥座洩漏(seat leakage)。
本發明的目的係在於提供一種不會因在閥體所產生的自激振動而使閥座損傷，並發生洩漏的簡易構成的閥。
本發明的第一態樣係關於一種閥，具備：閥箱，具備有流體入口、流體出口及閥室；閥座，設置於前述閥室且具有閥座面；閥桿，能夠上下動地插通至前述閥箱；以及閥體，配置於前述閥桿的前端，且能夠利用前述閥桿的上下動而抵接於前述閥座的前述閥座面；前述閥體並不因前述閥桿的振動而接觸前述閥座面。
本發明的第二態樣係如第一態樣所記載之閥，其中前 述閥室係由閥座插入部及圓筒部所構成，該閥座插入部係可供前述閥座設置，該圓筒部係位在該閥座插入部的上方；前述閥體係由圓錐台部及外周部所構成，該圓錐台部係與前述閥座對向，該外周部係比該圓錐台部還大徑且用以固定前述閥桿和該圓錐台部；前述圓錐台部的底面的半徑係比前述閥座的前述閥座面的最大半徑還大；前述圓錐台部的前端部的半徑係比前述閥座的流路的半徑還小；前述圓錐台部的前端部的半徑與前述閥座的流路的半徑的差係比前述外周部的半徑與前述圓筒部的半徑的差還大。
本發明的第三態樣係如第一態樣或第二態樣所記載之閥，其中前述閥係能夠在流體的一次側壓力與流體的二次側壓力的差為50MPa以上或流體的一次側壓力為70MPa以上的情形中使用。
本發明的第四態樣係如第一態樣至第三態樣中任一項所記載之閥，其中前述閥座面的角度為30度至60度。
本發明的第五態樣係關於一種閥，具備：閥箱，具備有流體入口、流體出口及閥室；閥座，設置於前述閥室且具有閥座面；閥桿，能夠上下動地插通至前述閥箱；以及閥體，配置於前述閥桿的前端，且能夠利用前述閥桿的上下動而抵接於前述閥座的前述閥座面；前述閥體係具備相互地對向的 平面部和相互地對向的曲面部，而該相互地對向的平面部係平行於前述流體出口的中心軸而配置。
依據本發明的第一態樣，可以提供一種不會因在閥體所產生的自激振動而使閥座損傷且不發生洩漏的簡易構成的閥。
依據本發明的第二態樣，由於即便閥桿發生振動，仍不會使形成於閥桿之前端的閥體的前端部接觸閥座的閥座面，所以可以提供一種不使閥座損傷且不發生洩漏的簡易構成的閥。
依據本發明的第三態樣，可以在流體的一次側壓力與流體的二次側壓力的差為50MPa以上的流體條件、或流體的一次側壓力為70MPa以上的流體條件下使用。
依據本發明的第四態樣，能獲得在產生振動的情況下，閥體的前端部不易接觸前述閥座面的優點。
依據本發明的第五態樣，由於能夠減輕在閥桿附近產生差壓，所以可以抑止閥桿的振動，且達成前述閥體的前端部不接觸前述閥座面的優異功效。
1‧‧‧閥
2‧‧‧閥體
2pe‧‧‧外周部
2tc‧‧‧圓錐台部
3‧‧‧閥座
3t‧‧‧閥座面
4‧‧‧上部隔壁
5‧‧‧驅動部
7‧‧‧閥室
7cy‧‧‧圓筒部
7se‧‧‧閥座插入部
8‧‧‧圓錐台部的前端部
10‧‧‧閥箱
A‧‧‧正常狀態的軸心
B‧‧‧偏心時的軸心
CF‧‧‧曲面部
CL‧‧‧中心軸
D‧‧‧圓筒部的前端部的直徑
H‧‧‧開口
P‧‧‧流路
Pi‧‧‧流體入口
PL‧‧‧平面部
Po‧‧‧流體出口
R5‧‧‧外周部的半徑
R6‧‧‧圓錐台部的底面的半徑
Rcy‧‧‧圓筒部的半徑
Rp‧‧‧流路的半徑
Rtmax‧‧‧閥座面的最大半徑
St‧‧‧閥桿
α‧‧‧長軸
β‧‧‧短軸
θ‧‧‧傾斜角
X‧‧‧閥體2和閥座面3t接觸的部位
x1‧‧‧閥體2和閥座面3t接觸的部位
x2‧‧‧閥體2和閥座面3t接觸的部位
x3‧‧‧閥體2和閥座面3t接觸的部位
圖1係顯示本發明的閥之一例的整體的局部剖面說明圖。
圖2係本發明之實施形態1的閥的主要部分剖面說明圖。
圖2A係顯示圖2的閥體的說明圖。
圖2B係顯示圖2的閥體的變化例的示意圖。
圖2C係顯示圖2的閥體的變化例的示意圖。
圖2D係顯示圖2的閥體的變化例的示意圖。
圖2E係顯示圖2的閥體的變化例的示意圖。
圖2F係顯示圖2的閥體的閥座的接觸部位的示意圖。
圖3係本發明之實施形態2的閥的主要部分剖面說明圖。
圖4係用以比較說明本發明的閥和先前技術的閥的示意圖，且圖4的(a)為本發明的閥的主要部分剖面說明圖，圖4的(b)為先前技術的閥的主要部分剖面說明圖。
圖5係顯示本發明的閥的主要部分的立體說明圖。
圖6的(a)係顯示另一實施形態的閥的閥體及閥桿的說明圖，圖6的(b)係圖6的(a)的閥體的俯視說明圖。
圖7係顯示比較例的閥體的配置的俯視說明圖。
一邊參照圖式一邊針對本發明之實施形態的閥加以詳細說明如下。
圖1係顯示本發明的閥之一例的整體的局部剖面說明圖。圖2係本發明之實施形態1的閥的主要部分剖面說明圖。圖2A係顯示圖2的閥體的說明圖。圖2B至圖2E係顯示圖2的閥體的變化例的示意圖。圖2F係顯示圖2的閥體的閥座的接觸部位的示意圖。圖3係本發明之實施形態2的閥的主要部分剖面說明圖。圖4係用以比較說明本發明的閥和先前技術的閥的示意圖，且圖4的(a)為本發明的閥的主要部分剖面說明圖，圖4的(b)為先前技術的閥的主要部分剖面說明圖。圖5係顯示本發明的閥的主要部分的立體說明圖。圖6的(a)係顯示另一實施形態的閥的閥體及閥桿的說明圖，圖6的(b)係圖6的(a)的閥體的俯視說明圖。圖7係顯示比較例的閥體的配置的俯視說明圖。
(實施形態1)
當參照圖1及圖2和圖4時，實施形態1的閥1係具備：閥箱10，其具備有流體入口Pi、流體出口Po及閥室7；閥座3，其設置於前述閥室7，且具有上方設置閥座面3t並予以開口的流路P(亦即，在閥座面3t設置有開口部H)；閥桿St，其能夠上下動地插通至閥箱10；以及閥體2，其配置於前述閥桿St的前端，且能夠利用前述閥桿St的上下動而抵接於前述閥座3的閥座面3t。又，雖然非為必須，但是較佳是將閥座面3t的傾斜角θ(參照圖4的(a))設為30度至60度。
本實施形態1的閥1的最大特徵係將即便是在產生振動的情況下前述閥體2的前端部8仍不會接觸前述閥座面3t作為構成上的特徵。前述閥體2的前端部8不會接觸前述閥座面3t的功能雖然能藉由例如後述的實施形態2的構成來實現，但是並不限定於此種構成。另外，參照圖2F，所謂閥體2的「前端部」係如依符號X、x1、x2、x3所示，是指閥體2和閥座面3t接觸的部位，但並不一定是指閥體2的底面(參照圖2F的(a)、(b)、(c))，而是亦涵蓋閥體2的底面附近(參照圖2F的(d))的概念。
實施形態1的閥1由於其構成上的特徵在於：即便是在產生振動的情況下，前述閥體2的前端部8仍不會接觸前述閥座面3t，所以不會因在閥體2上所產生的自激振動而使閥座3損傷，不會發生洩漏。
(實施形態2)
參照圖1及圖3，實施形態2的閥1係需要前述實施形態1的閥1的構成。亦即，具備：閥箱10，其具備有流體入口Pi、流體出口Po及閥室7；閥座3，其設置於前述閥室7，且具有上方設置閥座面3t並予以開口的流路P(亦即，在閥座面3t設置有開口部H)；閥桿St，其能夠上下動地插通至閥箱10；以及閥體2，其配置於前述閥桿St的前端，且能夠利用前述閥桿St的上下動而抵接於前述閥座3的閥座面 3t。
參照圖1，雖然非為必須構成零件，但是在閥箱10的上方，係透過上部隔壁4而設置有閥1的驅動部5。
然後，前述閥室7係必須由閥座插入部7se及圓筒部7cy所構成(參照圖3)，該閥座插入部7se係可供前述閥座3設置，該圓筒部7cy係位在該閥座插入部7se的上方。
更必須為：閥體2係由圓錐台部2tc或圓錐部(參照圖2E的2)、及外周部2pe所構成(參照圖3)，該圓錐台部2tc或圓錐部係與前述閥座3對向，該外周部2pe係比該圓錐台部2tc或圓錐部還大徑，用以固定前述閥桿st和該圓錐台部2tc或圓錐部。另外，在本發明中，所謂「圓錐台部」，係除了如圖2A所示的圓錐台以外，還涵蓋圖2C所示的圓錐部、如圖2B所示的圓筒與圓錐台的複合形態、如圖2C所示的圓筒與二個圓錐台的複合形態、如圖2D所示的圓筒與三個圓錐台的複合形態或是由選自該等之二種以上所構成的群組的複合形態的概念。
在此，參照圖4，更必須為：前述圓錐台部2tc的底面的半徑R6係比前述閥座3的閥座面3t的最大半徑Rtmax還大；前述圓錐台部2tc的前端部8的半徑係比前述閥座3的流路P的半徑Rp還小(參照圖3(a))；前述圓錐台部2tc的前端部8的半徑(D/2)與前述閥座3的流路P的半徑Rp 的差，係比前述外周部2pe的半徑R5與前述圓筒部7cy的半徑Rcy的差還大。另外，在圖2至圖4中，參考符號A係顯示正常狀態的閥桿St的軸心，參考符號B係顯示因振動所引起的偏心時的軸心。
亦即，必須成立下面數式(F1)、(F2)及(F3)。
R6>Rtmax 式(F1)
(D/2)<Rp 式(F2)
|(D/2)-Rp|>|R5-Rcy| 式(F3)
其中，D≧0。
參照圖2F的(b)，圖所示的閥1並未滿足數式F3。亦即，成為|(D/2)-Rp|<|R5-Rcy|。在此情況下，已形成於閥桿St之前端的閥體2的前端部會接觸閥座3的閥座面3t。
如上所述，由於本實施形態2的閥1係將成立數式F1、F2及F3作為必須的構成要件，所以即便閥桿St發生振動，已形成於閥桿St之前端的閥體2的前端部仍不會接觸閥座3的閥座面3t。為此，可以提供一種即便閥桿St發生振動仍不會使閥座3損傷且不會發生洩漏的簡易構成的閥。
(實施形態3)
因本實施形態3的閥1係需要實施形態1及2所記載的全部構成，故而閥1的閥體2的前端部不會接觸閥座面 3t。為此，可以被使用作為流體的一次側壓力與流體的二次側壓力的差達到50MPa以上的閥、或流體的一次側壓力達到70MPa以上的閥。
(實施形態4)
實施形態4的閥係取代實施形態1之閥1中作為最大特徵點的「即便是在產生振動的情況下，前述閥體2的前端部8仍不會接觸前述閥座面3t」，而如圖6所示，其構成上的特徵點在於：閥體2係具備相互地對向的平面部PL和相互地對向的曲面部CF，且相互地對向的平面部PL係平行於閥1的流體出口Po的中心軸CL(參照圖1)而配置。實施形態4的閥1係除了此點以外，還具備實施形態1的閥1之全部的構成。
更詳言之，本實施形態的閥的閥體2係呈現俯視觀察大致長圓狀，亦即，如圖6所示，呈現具有長軸α和短軸β的大致長圓形狀。
本實施形態的閥1，由於其構成上的特徵在於：閥體2係具備相互地對向的平面部PL和相互地對向的曲面部CF，而該相互地對向的平面部PL係平行於前述流體出口Po的中心軸CL而配置，所以能夠減輕在閥桿St附近產生差壓，故而能達成可以抑止閥桿的振動的優異功效。
(實施例)
以下，係基於實施例而更詳細地說明本發明的閥。但是，本發明並非被限定於實施例。
<實施例1>
(1)使用軟體(SCRYU/Tetra)並使用富士金(FUJIKIN)股份有限公司的高壓氫遮斷閥(M3R4-7100)、且配管直徑14.2mm、將閥體之相互地對向的平面部形成與流體出口的中心軸平行、閥桿前端直徑2mm的閥，來分析高壓氫的流動。
另外，紊流型係設為平均雷諾(Reynolds)，紊流模型(model)係設為標準κ-ε模型，壁面係設為靜止壁，流動的狀態係設為穩態分析。
(2)境界條件係將一次側壓力設為85MPa，將二次側壓力設為大氣釋放(0kPaG)。
(3)溫度條件係將初期溫度條件設為20℃，將外部溫度設為20℃。
(4)氮的流體物性質係設為密度(27℃時)1.1421×10-9kg/mm3、熱傳導率(27℃時)26.2μW/mm℃、比熱(50℃時)1042J/kg‧K、絕對黏度(27℃時)1.78×10-8kg/mm‧sec、氣體常數296.8J/kg‧K。
作為分析結果，雖然在閥桿附近產生約4Mpa的差壓但是閥座部流速的偏流狀況為「大致均一」，亦即，閥體的前端部不會接觸閥座面。
<實施例2>
(1)使用軟體(SCRYU/Tetra)並使用富士金股份有限公司的高壓氫遮斷閥(M3R4-7100)、且配管直徑14.2mm、將閥體之相互地對向的平面部形成與流體出口的中心軸垂直、閥桿前端直徑1mm的閥，來分析高壓氫的流動。
另外，紊流型係設為平均雷諾，紊流模型係設為標準κ-ε模型，壁面係設為靜止壁，流動的狀態係設為穩態分析。
(2)境界條件係將一次側壓力設為85MPa，將二次側壓力設為大氣釋放(0kPaG)。
(3)溫度條件係將初期溫度條件設為20℃，將外部溫度設為20℃。
(4)氮的流體物性質係設為密度(27℃時)1.1421×10-9kg/mm3、熱傳導率(27℃時)26.2μW/mm℃、比熱(50℃時)1042J/kg‧K、絕對黏度(27℃時)1.78×10-8kg/mm‧sec、氣體常數296.8J/kg‧K。
作為分析結果，雖然在閥桿附近產生些微差壓，但是閥座部流速的偏流狀況為「大致均一」，亦即，閥體的前端部不會接觸閥座面。
<實施例3>
(1)使用軟體(SCRYU/Tetra)並使用富士金股份有限公司的高壓氫遮斷閥(M3R4-7100)、且配管直徑14.2mm、將閥體之相互地對向的平面部形成與流體出口的中心軸平行、閥桿前端直徑1mm的閥，來分析高壓氫的流動。
另外，紊流型係設為平均雷諾，紊流模型係設為標準κ-ε模型，壁面係設為靜止壁，流動的狀態係設為穩態分析。
(2)境界條件係將一次側壓力設為85MPa，將二次側壓力設為大氣釋放(0kPaG)。
(3)溫度條件係將初期溫度條件設為20℃，將外部溫度設為20℃。
(4)氮的流體物性質係設為密度(27℃時)1.1421×10-9kg/mm3、熱傳導率(27℃時)26.2μW/mm℃、比熱(50℃時)1042J/kg‧K、絕對黏度(27℃時)1.78×10-8kg/mm‧sec、氣體常數296.8J/kg‧K。
作為分析結果，雖然在閥桿附近產生些微差壓，但是閥座部流速的偏流狀況為「大致均一」，亦即，閥體的前端部不會接觸閥座面。
<比較例>
(1)使用軟體(SCRYU/Tetra)並使用富士金股份有限公司的高壓氫遮斷閥(M3R4-7100)、且配管直徑14.2mm、將閥體之相互地對向的平面部形成與流體出口的中心軸垂直(亦即，參照圖7，閥體2具備相互地對向的平面部PL和相互地對向的曲面部CF，該相互地對向的平面部PL垂直於流體出口Po的中心軸CL而配置的閥)、閥桿前端直徑2mm的閥，來分析高壓氫的流動。
另外，紊流型係設為平均雷諾，紊流模型係設為標準 κ-ε模型，壁面係設為靜止壁，流動的狀態係設為穩態分析。
(2)境界條件係將一次側壓力設為85MPa，將二次側壓力設為大氣釋放(0kPaG)。
(3)溫度條件係將初期溫度條件設為20℃，將外部溫度設為20℃。
(4)氮的流體物性質係設為密度(27℃時)1.1421×10-9kg/mm3、熱傳導率(27℃時)26.2μW/mm℃、比熱(50℃時)1042J/kg‧K、絕對黏度(27℃時)1.78×10-8kg/mm‧sec、氣體常數296.8J/kg‧K。
作為分析結果，雖然在閥桿附近產生約4Mpa的差壓，但是閥座部流速的偏流狀況為「已斷定在出口流路側有較強的偏流」，亦即，閥體的前端部會接觸閥座面。
根據以上實施例1至3及比較例可知，由於閥在構成上具有以下的特徵：閥體2具備相互地對向的平面部PL和相互地對向的曲面部CF，該相互地對向的平面部PL平行於流體出口Po的中心軸CL而配置，藉此能夠減輕在閥桿St附近產生差壓，所以可以抑止閥桿的振動，且能達成即便是在閥桿St附近產生差壓的情況下，閥體2的前端部仍不會接觸閥座面3t的優越功效。
(產業上之可利用性)
本發明的閥係可以提供一種不會因在閥體所產生的自激振動而使閥座損傷，且不發生洩漏的簡易構成的閥。
2‧‧‧閥體
3‧‧‧閥座
3t‧‧‧閥座面
5‧‧‧驅動部
7‧‧‧閥室
8‧‧‧圓錐台部的前端部
10‧‧‧閥箱
A‧‧‧正常狀態的軸心
B‧‧‧偏心時的軸心
H‧‧‧開口
P‧‧‧流路
St‧‧‧閥桿

Claims (5)

  1. 一種閥，具備：閥箱，具備有流體入口、流體出口及閥室；閥座，設置於前述閥室且具有閥座面；閥桿，能夠上下動地插通至前述閥箱；以及閥體，配置於前述閥桿的前端，且能夠利用前述閥桿的上下動而抵接於前述閥座的前述閥座面；前述閥體並不因前述閥桿的振動而接觸前述閥座面。
  2. 如請求項1所記載之閥，其中前述閥室係由閥座插入部及圓筒部所構成，該閥座插入部係可供前述閥座設置，該圓筒部係位在該閥座插入部的上方；前述閥體係由圓錐台部及外周部所構成，該圓錐台部係與前述閥座對向，該外周部係比該圓錐台部還大徑且用以固定前述閥桿和該圓錐台部；前述圓錐台部的底面的半徑係比前述閥座的前述閥座面的最大半徑還大；前述圓錐台部的前端部的半徑係比前述閥座的流路的半徑還小；前述圓錐台部的前端部的半徑與前述閥座的流路的半徑的差係比前述外周部的半徑與前述圓筒部的半徑的差還大。
  3. 如請求項1或2所記載之閥，其中前述閥係能夠在流體的一次側壓力與流體的二次側壓力的差為50MPa以上或流體的一次側壓力為70MPa以上的情形中使用。
  4. 如請求項1或2所記載之閥，其中前述閥座面的角度為30度至60度。
  5. 一種閥，具備：閥箱，具備有流體入口、流體出口及閥室；閥座，設置於前述閥室且具有閥座面；閥桿，能夠上下動地插通至前述閥箱；以及閥體，配置於前述閥桿的前端，且能夠利用前述閥桿的上下動而抵接於前述閥座的前述閥座面；前述閥體係具備相互地對向的平面部和相互地對向的曲面部，而該相互地對向的平面部係平行於前述流體出口的中心軸而配置。
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