JP3708538B1

JP3708538B1 - 三重偏心形バタフライ弁

Info

Publication number: JP3708538B1
Application number: JP2004162605A
Authority: JP
Inventors: 義則万木
Original assignee: 株式会社巴技術研究所
Priority date: 2004-05-31
Filing date: 2004-05-31
Publication date: 2005-10-19
Anticipated expiration: 2024-05-31
Also published as: CN1704634A; KR20050114191A; JP2005344765A

Abstract

【課題】三重偏心形バタフライ弁において、微小開度における流量特性を改善し、微小開度の間隙部からのジェット噴流の緩和と、オリフィス側の弁体背面における真空域の解消を図る。
【解決手段】先ず弁体の外周面に形成される弁座面と弁本体の弁座面の中心から弁軸の中心を離間させて一次偏心させ、次に弁軸の中心を弁本体の中心から離間させて二次偏心させ、更に弁座面を構成する円錐形状の頂点を弁軸の反対側に位置させつつ、弁本体の中心線に対して傾斜させ三次偏心させてなる三重偏心形バタフライ弁において、弁体の表面及び裏面を互いに平行に形成し、該表裏両面を弁本体と弁体との着座面の中心平面に対して傾斜した余力角とし、弁全閉時に前記中心平面を流体通路の中心軸に対して垂直に位置させ、開弁時に弁体のノズル側から弁の開放間隙が開始され、回動に伴ってオリフィス側に間隙が連続して広がるようにしたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

この発明は、各種流体、特に高温、高圧の流体を取り扱うパイプラインに取付けられ、流路の開閉若しくは制御を行うための三重偏心形バタフライ弁に関する。

従来、高温、高圧の流体が流過する流路を開閉若しくは制御する三重偏心弁は公知である。バタフライ弁は、略円筒状の流体通路を貫設した弁本体内に、円板状の弁体を回動自在に軸支し、弁体の回動軸(弁棒)を弁本体外に延び出させてアクチュエータに連結し駆動回転するようになっている。かかるバタフライ弁において、特に高温、高圧の流体を取り扱う場合、特殊な構造である三重偏心形バタフライ弁が重用されている。三重偏心形バタフライ弁は、弁棒と弁体の相互の位置関係が、一次、二次及び三次の三重に偏心した特殊な構造を有するバタフライ弁である。

図９を参照して三重偏心形バタフライ弁は、先ず弁体(３)の外周面がシートリングの先端に密着して形成されるバタフライ弁の弁座面を基準とした場合、弁棒(４)が弁座面を連ねる平面上にはなく、この平面から距離Ｐだけ外れて位置する一次偏心となっている。次に、弁棒(４)が弁本体の中心軸(Ｘ−Ｘ)を通らず、距離Ｑだけ離れたところに位置する二次偏心となっている。最後に、図９の切断面上に表れている弁座面が、図の上部では弁本体の中心軸Ｘ−Ｘと平行な線ｂに沿って延びているが、図の下部では中心軸Ｘ−Ｘに対して傾斜した左上がりの線ｄに沿って延びており、弁座面は線ｂとｄの交点を頂点ａとする斜円錐の面上にあり、頂点を中心軸Ｘ−Ｘに位置させた円錐面に対して偏心して位置する三次偏心となっている。尚、円錐面の頂角ｊは、通常２０度程度とされている。

通常、バタフライ弁は、弁開放直後、又は弁閉鎖直前、すなわち微小弁開度時の流量特性を改善すると共に、高温、高圧流体による弁体、シートリングの摩滅、損傷を防止することが求められる。三重偏心弁を開示した特公平６−８６９１２号公報には、弁座又はシールエレメントのシール材料は、使用条件に応じて選択されるとし、特に柔軟性と弾性の要件を満たすプラスチック材料又は金属から作ることが出来る、と開示されているが、かかる構造のバタフライ弁のシール材料は、弁本体とは別個の部品として構成され、弁本体に取付けられるものであるため、微小開度時における流速によって振動、摩滅、損傷等の不都合が発生すると共に、シール材料取付のための構成部品が多くなる問題点を有している。

又、特公昭４７−１６８９５号公報には、ケーシング壁部分に固定した金属製の密封用リングを、ケーシング軸に対して傾斜した位置に設けた三重偏心形バタフライ弁が開示されているが、この密封用リングの着座面を通る中心平面は、ケーシング軸方向とは直交しておらず傾斜しているため、取付や位置合わせが困難である。

特公平１−４７６７１号公報には、弁本体と弁体の着座面の中心平面を流体通路中心軸方向の垂直位置として、前記特公昭４７−１６８９５号公報に開示された偏心型バタフライ弁の欠点の解消を図った偏心型バタフライ弁が開示されているが、この公報に開示のバタフライ弁は二重偏心弁であり、微小開度時における流量の拡大についての考慮がなされていない問題がある。特許第３１０８３５３号公報には、弁体の厚みを下流側に向かって厚くすることにより、微小開度における流量の拡大を図るようにした三重偏心形バタフライ弁が開示されている。しかしながら、このバタフライ弁においても、微小開度における間隙部からのジェット噴流の緩和や、オリフィス側の弁体背面の真空域の解消等に配慮するものではなかった。

特公平６−８６９１２号公報特公昭４７−１６８９５号公報特公平１−４７６７１号公報特許第３１０８３５３号公報

この発明は、高温、高圧の流体の制御に適した三重偏心形バタフライ弁において、微小開度における流量特性を改善し、微小開度の間隙部からのジェット噴流の緩和と、オリフィス側の弁体背面における真空域の解消を図ることを課題とする。弁開度９０度に対して、４０度開(約４５％開)において、流量係数は約２０％と低く、特に３０度未満においては流量は著しく少なく、流量調整は困難であった。通常、全開時の流速にもよるが、弁開度３０度未満においては、流速は著しく早く微小の開度間隙部からジェット噴流となって流出する。従って、この間隙部を形成する材料、材質、形状、大きさ等が、かかるジェット噴流に充分耐えるものであることが必要とされる。

本発明は、略円筒状の流体通路を貫設した弁本体と、該弁本体内に弁軸を介して回動自在に軸支された剛性材料からなる円盤状の弁体を含み、先ず弁体の外周面に形成される弁座面と弁本体の弁座面の中心から弁軸の中心を離間させて一次偏心させ、次に弁軸の中心を弁本体の中心から離間させて二次偏心させ、更に弁座面を構成する円錐形状の頂点を弁軸の反対側に位置させつつ、弁本体の中心軸と平行なノズル側の線と中心軸に対して傾斜するオリフィス側の線との交点とする三次偏心とした三重偏心形バタフライ弁において、弁体の表面及び裏面を互いに平行な面に形成し、該表裏両面を弁本体と弁体との着座面の中心平面に対してノズル側を二次側に傾斜する余力角をもって形成すると共に、弁体の一次側に対面するノズル側半分部分に、複数の凸リブをノズル側側縁に向かって形成すると共に、複数の凸リブの内、中央に位置する凸リブを弁軸に対して垂直に設け、該中央の凸リブの左右に位置する凸リブを角度θで傾斜させ、二次側に対面するオリフィス側半分部分に、複数の凸リブをオリフィス側側縁に向かって平行に形成し、該凸リブ間に流路を形成して流量の増大を図るようにし、弁全閉時に前記中心平面を流体通路の中心軸に対して垂直に位置させ、開弁時に弁体のノズル側から弁の開放間隙が開始され、回動に伴ってオリフィス側に間隙が連続して広がるようにしたことを特徴とする。

弁本体及び弁体の弁座面が、別材質の溶着による一体化により形成されており、両弁座面を互いに異なる材質とし、弁体弁座面の材質を弁本体弁座面の材質より表面硬さを高くしたことを特徴とする請求項１記載のバタフライ弁。

本発明の三重偏心形バタフライ弁によれば、弁開時において弁体の開放は流体の流れ方向に対して正圧（流体の流れ方向に逆らわない方向からの流体圧力）側から始まる（ノズル側から開弁するとの意）ように構成し、弁本体弁座面及び弁体弁座面に表面硬度の高い金属を一体化溶着したので、開弁時直後の微小弁開度の間隙部からのジェット噴流による両弁座面の主要部に当たる部分の摩滅、損傷、脱落を防止することが可能となった。

又、流体の流れ方向を弁軸のある側に位置づけてあるので、弁体の閉弁着座時に円錐状弁座面には閉まる方向に流体圧が作用し、シール効果が大きくなる。

又、弁体の正圧側に複数の凸リブを形成したので、微小開弁時の流量を拡大することが出来る。

又、弁体の逆圧側（オリフィス側）にも複数の凸リブを形成したので、弁体の裏面の真空域を破壊することが出来る。

更に、弁開度を微小開度から更に開放すると、弁体の表・裏面に形成した凸リブにより、管壁部分の低速流体を管中央部の高速流体に吸引させて加速させ、管壁との摩擦による流体抵抗を減少させ、流量の増加を図り得ると共に、アンバランストルクの発生を抑制することが可能となる。

この発明の好ましい実施の形態を、以下に詳細に説明する。この発明は三重偏心形バタフライ弁を対象とするものである。三重偏心形バタフライ弁は、略円筒状の流体通路を貫設した弁本体と、該弁本体内に弁軸を介して回動自在に軸支された剛性材料からなる円盤状の弁体とを含み、弁体の外周面に形成された弁座面と弁本体の弁座面を、弁体の中心と弁軸の中心から離間させる一次偏心と、弁本体の中心線から離間させる二次偏心と、弁本体と弁体の弁座面を構成する円錐形状の頂点を弁軸の反対側に位置させつつ弁本体の中心に対して傾斜させる三次偏心と、の三重偏心の構造を有し、互いに圧接する弁本体内周の弁座面と弁体外周の弁座面を、弁軸方向を短径とし弁軸垂直方向を長径とする楕円錐形状で形成し、特に高温、高圧の流体の開閉、制御に適したバタフライ弁であって、弁全閉時において弁本体と弁体との着座面の中心平面を流体通路中心軸方向の垂直位置とし、弁体の表面及び裏面を平行にし、該両面を前記中心平面に対して傾斜した余力角とし、弁軸と共に弁体を回動させて弁を開放する際、先ず弁体の下流側に回動するノズル側から回動して間隙を生じさせて流体を流出させ、更なる回動により弁体のオリフィス側に向かって間隙が広がるようにしたことを特徴とする。

又、弁閉時、弁体の下流側に向かって回動する側端側近傍の上流側(ノズル側)と、上流側に向かって回動する側端側近傍の下流側(オリフィス側)とに、複数の凸リブを設け、開弁時に先ず弁体のノズル側から間隙を生じさせて流体の流出を許容し、更なる弁体の回動によりオリフィス側に向かって間隙が広がるようにし、複数の凸リブにより流量の増大を図る。

弁全閉時、弁本体と弁体の着座面の中心平面を流体通路中心軸方向の垂直位置とし、弁体の表面及び裏面を平行とし、該両面を前記中心平面に対して二次側に傾斜した余力角とし、該余力角を好ましくは２〜５度の範囲内とする。

複数の凸リブの内、中央に位置する凸リブを弁軸と垂直に設け、該中央に位置する凸リブの左右に位置する凸リブを、中央の凸リブに対して角度θで傾斜させて、凸リブ間の間隙を弁体周縁に向かって拡大させて、流量の増大を図るようにし、又、複数の凸リブの底面を弁体周縁に向かって勾配を付けてある。

弁本体弁座面及び弁体弁座面に、例えば耐食性、耐摩耗性に優れた材料を一体に溶着して両弁座面を形成し、且つ本体弁座面の表面硬さよりも弁体弁座の表面硬さを高く形成してある。

図１，９を参照して、この発明を適用した三重偏心形バタフライ弁を詳細に説明する。円筒状の流体通路(２)を貫設した弁本体(１)内に、弁棒(４)にピン(６)で固定した弁体(３)を回動自在に軸支する。弁棒(４)の両端は、円管状の弁本体(１)を貫通している。弁本体(１)には、弁棒(４)が貫通する筒状の弁軸筒が設けられており、弁棒を気密に保持している。一方の弁棒の外端に連結されるアクチュエータ(図示せず)により、弁体(３)が駆動回転され、弁本体(１)内の流体通路(２)を開閉する。

弁体(３)の外周面が、弁本体(１)の内周面に密接して形成される環状の密接面が、バタフライ弁の弁座面であり、全閉時に弁体(３)と密接するに至る面である。図１，９を参照して、弁座面を基準とした場合、弁棒(４)が弁座面を連ねる平面上には存在せず、この平面から距離Ｐだけ外れたところに位置し、一次偏心となっている。次に、弁棒(４)が弁体(３)の中心、言い換えると弁本体(１)の中心軸Ｘ−Ｘを通らず、弁体(３)の中心から外れたところに固定されている。すなわち、弁棒(４)は、弁本体(１)の中心軸Ｘ−Ｘから距離Ｑだけはなれたところに位置しており、二次偏心している。更に、切断面上に表れている弁座面が、図９の上部では弁本体(１)の中心軸Ｘ−Ｘと平行な線ｂに沿って延びているのに対し、図９の下部では中心軸Ｘ−Ｘに対して斜めに向かう左上がりの線ｄに沿って延びている。すなわち、弁座面は線ｂとｄの交点を頂点ａとする斜円錐の面上にある。而して、この円錐形の頂点ａは、弁本体の中心軸Ｘ−Ｘ上にはなく、中心軸と平行な線ｂ上に偏心して位置しており、三次偏心を構成している。尚、円錐面の頂角ｊは２０度程度が好ましい。

この発明は、かかる三重偏心形バタフライ弁において、微小開度における流量の拡大を図り、流量制御を容易に行い得るようにしたものである。通常微小の弁開度で長時間使用した場合、弁本体と弁体の間隙部に存在する弁本体弁座及び弁体外周部並びにその付近が、流体の高速噴流により摩滅、損傷或いは破壊されるおそれがあり、これを防止することが重要となる。かかる間隙部を流過する高速噴流による障害を防止するには、主要部の材質、構造、形状等が重要な要素となる。この発明は、主要部を金属と金属の組合せとしたことを特徴の一つとする。すなわち、要部に硬質の合金等の材質を母材に溶着して一体化した。これにより、従来の別体にシートリングを嵌め込んで装着する構造に比して、破壊、脱落の危険性を解消することが出来ると共に、シートリングを固定するためのシート押えやシート押え固定用ボルト等の部品が不要となり部品点数が減少する、更に微小開度時の流速による振動、吸引による固定部の弛み、脱落等のトラブルがなくなる。

主要部を金属と金属の組合せとしたことによるシール性は、流体の流れ方向を弁軸側として、着座時の弁座構成が前記したように三重偏心弁であることにより円錐状を呈しているため、閉り勝手となり、充分なシール性の確保が可能となる。

図１を参照して、流体通路(２)の中心軸Ｘ−Ｘに対して、着座面の中心平面Ｍは、垂直であり、弁体(３)の表面(3a)と裏面(3b)は平行に形成され、着座面の中心平面Ｍに対して傾斜した余力角αをもって取付けられている。この結果、開弁時、オリフィス側弁体側端部の開弁を、ノズル側のそれより遅らせて開始させることが可能となり、弁体の表裏面に設けた後述する凸リブと相俟って、微小開度時の流量の拡大を図り、弁座面の保護を可能とする。

弁開度１０゜付近の状態を示す図２を参照して、流体の流れは弁体の傾き方向と凸リブにより、図２の上方(ノズル側)の方が、下方(オリフィス側)より多く流出する。このようにノズル側から可能な限り最大の流量を流して二次側の圧力を高めることにより、弁体の背面に生成される真空域を解消できるため、開弁時に弁体を閉める方向に作用する真空域の存在によって発生していたアンバランストルクを解消し、弁軸トルクの増大を回避することが出来る。更に、従来のシートリングを嵌め込む構造のバタフライ弁にこの発明を適用した場合、真空域に吸引されることにより発生していたシートリングの脱落を防止させるメリットが発生する。

図３，４，７を参照して、弁体(３)の表面、すなわち弁軸側の面には、弁軸を通る中心線Ｓ−Ｓよりノズル側側縁に向かって延びる３本の凸リブ(７)が形成される。該凸リブの表面(71)は、弁体(３)の中心線Ｓ−Ｓより下部の表面と同一面に形成され、凸リブの間は外表面より窪んだ溝からなる流路(72)に形成される。流路(72)の底面は、中心線Ｓ−Ｓの位置から外周縁に向かって傾斜する勾配が付されている。又、中央に位置する凸リブは中央線Ｙ−Ｙ軸に沿って直線状に延びており、該中央の凸リブの左右に位置する凸リブは角度θを有して流路(72)の幅を拡開するように外方に傾斜し、流量の増大が図られている。

図５，６，７を参照して、弁体(３)の裏面、すなわち弁軸と反対側の面には、弁軸を通る中心線Ｓ−Ｓよりオリフィス側側縁に向かって延びる３本の凸リブ(８)が形成される。該凸リブの表面(81)は、弁体(３)の中心線Ｓ−Ｓより上部の表面と同一面に形成され、凸リブの間は、外表面より窪んだ溝からなる流路(82)に形成される。流路(82)の底面は、中心線Ｓ−Ｓの位置から外周縁に向かって傾斜する勾配が付されている。図示の実施例においては、３本の凸リブ(８)は、互いに平行に形成されているが、左右の凸リブを流路(82)の幅を拡開するように外方に傾斜させても良い。弁体裏面の凸リブは、前記弁体表面の凸リブに対してＳ−Ｓ線を中心とした対称の関係にあるが、凸リブの構成、形状及び作用は三重偏心弁であるため、異なるものとなっている。

尚、この明細書において、弁体の表面は、閉弁時に一次側に対面している面をいい、裏面は二次側に対面している面をいう。ノズル側とは、弁体開弁時に二次側に回動する弁体の上半分部分(図１において上側半分)をいい、オリフィス側とは、一次側に回動する弁体の下半分部分(図１において下側半分）をいう。

ノズル側表面の３本の凸リブ(71)は、一定の高さを有していることにより、弁体表面近傍を流れる流体は、これらの凸リブで方向が制御される。中央の凸リブは、管内の最大流速部分に位置しており、最大流速を二分すると共にその流速を加速する。左右に配置された凸リブは、弁体外周縁に向かって拡開するとともに、流路の底面が弁体外周縁に向かって勾配が付されており、開弁から開弁４０°附近の微小開度において流量の増大を計る効果をおこなう。

流体に対して、弁棒軸支部が流路抵抗となり、弁棒軸支部に衝突した流体は、軸支部の二次側で渦を発生させ、流体抵抗を更に増加させる。これに対して、３本の凸リブは、軸支部の二次側に発生する渦に対して整流効果を発揮し、渦の発生を低減させる。結果として、本発明の凸リブは、管内流速を弁体近傍で分断し、整流し、弁体表面の流体抵抗を、リブが持つ流れ方向制御により補完し、弁全体の流体抵抗を減じる効果を有する。

バタフライバルブの弁体は、一般に反時計回り開で、配管に設置され流体が流れている場合、図１において弁体の下部が一次側、上部が二次側に位置し、弁開度が大きくなり流速が増加するに従って、弁体の下部が一次側にせり出してくるため、流路抵抗が大きくなり、この部分の流速は低下する（オリフィス効果）。逆に、弁体の上部は二次側にあるため、一次側には抵抗がなく弁体自体の傾き（開度）で流速が加速する（ノズル効果）。この結果、オリフィス側とノズル側では、流速が異なり、弁体オリフィス側の二次側に真空域が発生し、アンバランストルクの原因となっている。本発明では、凸リブがオリフィス側では二次側に、ノズル側では一次側に配置されているため、オリフィス側の後流は凸リブにより管中央に整流され、ノズル側では流入速度を増大する。この結果、凸リブを有しない弁体に比して、本発明の弁体では、オリフィス側とノズル側の圧力差を減じる作用をし、アンバランストルクを減少させることが可能となる。

又、この発明の弁体では、流量、圧力差が従来弁に比して、図１０の流量特性曲線に示すように改善される。図１０において、横軸に弁開度（角度）、縦軸に流量係数（％）をとり、従来弁の流量特性を点線で、本発明の流量特性を実線で示しており、特に４０゜未満の弁開度において、本発明の弁は従来の弁に比して流量係数が拡大されている。

図８に示すように、弁体(３)の楕円形の外周面、すなわち弁体弁座(32)に圧接される本体弁座(５)が、弁本体(１)の内周面に一体に形成される。本体弁座(５)の圧接面の幅は、弁体弁座(32)の弁座面の幅より狭く形成されると共に、耐食性、耐摩耗性に優れた金属、例えばステンレス鋼、ニッケル合金等からなり、弁本体(１)の内周面に肉盛り溶接等の手段で一体的に形成される。本体弁座(５)の内周面は、弁体弁座(32)の外周面と同一の楕円形状に形成されることは勿論である。

本体弁座を形成するステンレス鋼としては、オーステナイト系、フェライト系等があり、好ましくはＳＵＳＹ３１６Ｌ、ＳＵＳＹ４３０である。又、ニッケル合金としては、ニッケル・モリブデン系、ニッケル・モリブデン・クロム系等があり、好ましくはＤＮｉＭｏ−１、ＤＮｉＣｒＭｏ−３等である。

弁体弁座(32)は、弁体(３)と一体に鋳造成形しても良いが、特に大口径弁等においては、図８に示すように別体の弁体弁座(32)を弁体(３)に溶着形成するのが好ましい。この場合、本体弁座(５)と弁体弁座(32)の材質及び表面硬さを異ならせるのが好ましく、特に弁体弁座(32)の表面硬さを、例えばＨＢ２１７程度として、本体弁座(５)より高くする。

この発明にかかるバタフライ弁の閉弁時の状態を示す断面図同、弁開度１０゜の状態を示す断面図弁体の表面を示す正面図同底面図弁体の裏面を示す正面図同底面図図３Ｚ−Ｚ線に沿った断面図本体弁座と弁体弁座の詳細を示す断面図三重偏心形バタフライ弁の構成説明図この発明にかかる弁の流量特性曲線図

符号の説明

(１)弁本体
(２)流体通路
(３)弁体
(４)弁棒
(５)弁本体弁座
(６)弁棒ピン
(７)凸リブ
(71)凸リブの表面
(72)流路
(８)凸リブ
(81)凸リブの表面
(82)流路
(31)弁体ボス部
(32)弁体弁座

Claims

略円筒状の流体通路を貫設した弁本体と、該弁本体内に弁軸を介して回動自在に軸支された剛性材料からなる円盤状の弁体を含み、先ず弁体の外周面に形成される弁座面と弁本体の弁座面の中心から弁軸の中心を離間させて一次偏心させ、次に弁軸の中心を弁本体の中心から離間させて二次偏心させ、更に弁座面を構成する円錐形状の頂点を弁軸の反対側に位置させつつ、弁本体の中心軸と平行なノズル側の線と中心軸に対して傾斜するオリフィス側の線との交点とする三次偏心とした三重偏心形バタフライ弁において、弁体の表面及び裏面を互いに平行な面に形成し、該表裏両面を弁本体と弁体との着座面の中心平面に対してノズル側を二次側に傾斜する余力角をもって形成すると共に、弁体の一次側に対面するノズル側半分部分に、複数の凸リブをノズル側側縁に向かって形成すると共に、複数の凸リブの内、中央に位置する凸リブを弁軸に対して垂直に設け、該中央の凸リブの左右に位置する凸リブを角度θで傾斜させ、二次側に対面するオリフィス側半分部分に、複数の凸リブをオリフィス側側縁に向かって平行に形成し、該凸リブ間に流路を形成して流量の増大を図るようにし、弁全閉時に前記中心平面を流体通路の中心軸に対して垂直に位置させ、開弁時に弁体のノズル側から弁の開放間隙が開始され、回動に伴ってオリフィス側に間隙が連続して広がるようにしたことを特徴とする三重偏心形バタフライ弁。
弁本体及び弁体の弁座面が、別材質の溶着による一体化により形成されており、両弁座面を互いに異なる材質とし、弁体弁座面の材質を弁本体弁座面の材質より表面硬さを高くしたことを特徴とする請求項１記載のバタフライ弁。