JP2018178988A - 環状弁 - Google Patents

Abstract

【課題】弁体のシール面形状を最適化することにより、シール面の周囲におけるガスの圧損の発生を抑えるとともに、長寿命化された環状弁を提供すること。【解決手段】平板状の弁座10と、開口断面が円弧形状とされ弁座10の中心軸を中心とする同心円上に配列された通過流路11と、同一円上にある通過流路11の間を繋ぐ環状溝13と、排出流路21を有し、弁座10に中間室50を介して対向配置されている平板状の受け板20と、通過流路11の開口断面の円弧形状に対応した円環形状に形成され、中間室50内に配置され、弁座10に接離されることにより通過流路11を開閉する弁体30と、受け板20に支持され、弁体30を弁座10に向けて弾性付勢しているばね部材40とを備え、弁体30の通過流路11に対向するシール面は、トーラス形状、且つ、通過流路11から弁体30に向けて流入したガスに対する圧損要素を排除した形状であり、受け板20と弁体30との間に段差がない。【選択図】図１

Description

本発明は、圧縮機等に用いられる環状弁に関し、詳しくは、弁体のシール面形状を最適化することにより、シール面の周囲におけるガスの圧損の発生を抑えるとともに、長寿命化された環状弁に関する。

従来、圧縮機等においては、環状弁が用いられている。この環状弁は、図７に示すように、開口断面が円弧形状の複数の通過流路１１１を有する平板状の弁座１１０と、排出流路１２１を有し弁座１１０に中間室１５０を介して対向配置されている平板状の受け板１２０と、中間室１５０内に配置された弁板１３０とを有して構成されている（特許文献１）。弁板１３０は、受け板１２０に対向する側を弁受け（支持プレート）１３２によって支持されている。この弁板１３０及び弁受け（支持プレート）１３２により、弁体が構成されている。この弁体においては、弁受け（支持プレート）１３２を残して、弁板１３０のみが交換可能となっている。

弁板１３０は、通過流路１１１の開口断面である円弧形状に対応する円弧形状に形成された複数のシール面１３１を有している。このシール面１３１は、複数の円弧形状の突条として形成されている。弁板１３０は、弁座１１０に対して接離されることにより、各シール面１３１を各通過流路１１１の開口端面に接離させ、通過流路１１１を開閉する。

弁板１３０は、ばね部材１４０により、弁受け（支持プレート）１３２を介して、弁座１１０に向けて弾性付勢されている。ばね部材１４０は、圧縮コイルバネであって、受け板１２０と弁受け（支持プレート）１３２との間に配置されている。この環状弁の自然状態においては、弁板１３０が、ばね部材１４０による付勢力によって、各シール面１３１を各通過流路１１１の開口端面に押接させ、通過流路１１１を閉塞している。

特許第２５９１８２４号公報

前述した環状弁において、通過流路１１１内のガスの圧力が高まり、ばね部材１４０による付勢力を上回ると、各シール面１３１がガスの圧力によって押圧され、弁板１３０は、ばね部材１４０による付勢力に抗して、弁座１１０から離間する。このとき、通過流路１１１内のガスは、通過流路１１１の開口端面からシール面１３１の周囲に流入し、受け板１２０の排出流路１２１に向かって流れる。排出流路１２１に向かって流れたガスは、排出流路１２１を経て、環状弁の外方に排出される。

このようにして通過流路１１１から排出流路１２１に向かって流れるガスに対しては、環状弁内の流路抵抗により圧損が発生する。また、シール面１３１が複数の円弧形状の突条として形成されているので、シール面１３１同士を繋いでいる部分（シール面１３１同士の間の部分）において、圧損が発生する。また、シール面１３１そのものが、ガスに対する圧損要素（角状の稜線部など）を有しているので、このシール面１３１の周囲においてガスに圧損が発生する。シール面１３１が角状の稜線部を有しているのは、シール面１３１と弁座１１０とを面接触させるためである。さらに、弁板１３０と弁受け（支持プレート）１３２との間の境界線が段差になっており、この段差において圧損が発生するとと
もに、弁板１３０の背後で気流の剥離が発生し、圧損が発生する。

このような圧損は、環状弁におけるエネルギーロスであり、ガスの圧力を上げている動力源（ポンプなど）への負担を著しく増大させる要因となる。近年の省エネルギーの観点からは、このような環状弁におけるエネルギーロスを減少させることが強く要請されている。また、このような圧損は、弁体の動きを不安定化させ、弁板１３０、ばね部材１４０及び受け板１２０の摩耗を促進し、環状弁の短寿命化を招来する。

しかし、従来の環状弁においては、弁板のシール面の周囲におけるガスの圧損の発生が十分に抑えられておらず、エネルギーロスを減少させることができない。

そこで、本発明は、弁体のシール面形状を最適化することにより、シール面の周囲におけるガスの圧損の発生を抑えるとともに、長寿命化された環状弁を提供することを課題とする。

本発明の他の課題は、以下の記載により明らかとなる。

前記課題は、以下の各発明によって解決される。

１．
平板状の弁座と、
開口断面が円弧形状とされ、前記弁座の中心軸を中心とする同心円上に配列された通過流路と、
同一円上にある前記通過流路の間を繋ぐ環状溝と、
排出流路を有し、前記弁座に中間室を介して対向配置されている平板状の受け板と、
前記通過流路の開口断面の円弧形状に対応した円環形状に形成され、前記中間室内に配置され、前記弁座に接離されることにより前記通過流路を開閉する弁体と、
前記受け板に支持され、前記弁体を前記弁座に向けて弾性付勢しているばね部材とを備え、
前記弁体の前記通過流路に対向するシール面は、トーラス形状、且つ、前記通過流路から前記弁体に向けて流入したガスに対する圧損要素を排除した形状であり、
前記受け板と前記弁体との間に段差がないことを特徴とする環状弁。
２．
前記弁体の前記通過流路に対向するシール面は、該弁体の外周側と内周側とで同一の縦断面形状を有していることを特徴とする請求項１記載の環状弁。
３．
前記弁座の前記シール面に対向する面が、周囲に対して滑らかな凸トーラス形状、且つ、前記通過流路から前記弁体に向けて流入したガスに対する圧損要素を排除した形状であることを特徴とする請求項１又は２記載の環状弁。

本発明によれば、弁体のシール面形状を最適化することにより、シール面の周囲におけるガスの圧損の発生を抑えるとともに、長寿命化された環状弁を提供することができる。

本発明の環状弁の構成を示す分解斜視図 弁座の流出側を示す斜視図 図１の環状弁の使用状態を示す断面図 図１の環状弁の要部を示す拡大断面図 図１の環状弁及び従来の環状弁におけるシール面の周囲でのガスの流れを示す断面図 図１の環状弁及び従来の環状弁におけるシール面の周囲での抵抗係数を示すグラフ 従来の環状弁の構成を示す断面図

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。

図１は、本発明の環状弁の構成を示す分解斜視図である。

この環状弁１は、図１に示すように、弁座１０と、受け板２０と、これら弁座１０及び受け板２０の間に配置された弁体３０とを有して構成される。

弁座１０は、金属材料等により外縁が円形である平板状（円盤状）に形成され、複数の通過流路１１を有している。各通過流路１１は、弁座１０の表面側（図１中の上方）（以下、「流入側」という。）から、裏面側（図１中の下方）（以下、「流出側」という。）に貫通した透孔である。各通過流路１１は、開口断面が円弧形状とされ、弁座１０の中心軸を中心とする同心円上に配列されている。

図２は、弁座の流出側を示す斜視図である。

弁座１０の流出側では、図２に示すように、同一円上にある通過流路１１の間を繋ぐ環状溝１３が形成されており、全体として、弁座１０の中心軸を中心とする同心円上に異なる径の環状溝１３が形成された状態となっている。流出側から見ると、これら環状溝１３の底部に各通過流路１１が開口している状態となっている。したがって、環状溝１３の流出側に臨む縁部が、各通過流路１１の開口端となる。

この環状弁１は、図１に示すように、金属材料等により外縁が円形である平板状（円盤状）に形成された受け板２０を有している。受け板２０の外径は、弁座１０の外径にほぼ等しい。受け板２０には、複数の排出流路２１が形成されている。各排出流路２１は、受け板２０の表面側（図１中の上方）（以下、「流入側」という。）から、裏面側（図１中の下方）（以下、「流出側」という。）に貫通した透孔である。各排出流路２１は、開口断面が円弧形状とされ、受け板２０の中心軸を中心とする同心円上に配列されている。

なお、排出流路２１は、この実施形態では開口断面が円弧形状とされているが、これに限られず、後述するばね部材４０の取付け及び支持が可能であれば、いかなる形状であってもよい。

図３は、図１の環状弁１の使用状態を示す断面図である。

この環状弁１は、図３に示すように、ガス（液体蒸気を含んでもよい）の流路となる円筒部材１００の内部に嵌装された状態で使用される、弁座１０は、外周面が円筒部材１００の内周面に密接する状態となされて、円筒部材１００の内部に設置される。受け板２０は、弁座１０に所定の距離を隔てて対向配置される。これら弁座１０及び受け板２０に挟まれ円筒部材１００の内周面に囲まれた空間は、中間室５０となる。したがって、弁座１０及び受け板２０は、中間室５０を介して、互いに対向して設置される。

受け板２０は、この実施形態においては、中心部分を支持ロッド２２ａを介して弁座１０により支持されている。支持ロッド２２ａは、受け板２０の中心部に基端側を植設（螺入）され、流入側に向けて延在されている。支持ロッド２２ａの周囲部は、所定の高さ（中間室５０の高さ）の突起部２４となっている。支持ロッド２２ａは、先端側を弁座１０の中心孔１２に挿通される。このとき、突起部２４は、弁座１０の流出側の中央部分に当
接する。突起部２４が弁座１０に当接することにより、受け板２０の流入側（突起部２４の周囲部）と弁座１０の流出側との間に、所定の高さ（中間室５０の高さ）の空隙が形成される。弁座１０の中心孔１２に先端側を挿通させた支持ロッド２２ａは、先端側に形成されたネジ溝にナット２２ｂが螺合されることにより、先端側を弁座１０の中心部に締結される。

なお、支持ロッド２２ａは、弁座１０の中心孔１２に植設し、流出側に向けて延在させてもよい。この場合には、支持ロッド２２ａは、先端側を受け板２０の中心部分に挿通されて受け板２０に固定される。この場合にも受け板２０は、中心部分を支持ロッド２２ａを介して弁座１０により支持される。

また、受け板２０は、外周面を円筒部材１００の内周面によって位置決めされて支持されてもよい。この場合には、支持ロッド２２ａ及びナット２２ｂを用いる必要はなく、弁座１０には中心孔１２を設ける必要はない。

図１及び図３に示すように、中間室５０内には、複数の弁体３０が配置されている。弁体３０は、通過流路１１の開口断面の円弧形状に対応した円環形状、すなわち、弁座１０の流出側に形成された複数の環状溝１３に対応した円環形状に形成されている。弁体３０は、縦断面形状が略半円形状となっており、この半円形状の円弧部を流入側に向け、半円形状の平面部を流出側に向けている。弁体３０は、金属又は合成樹脂材料あるいはこれらの複合材料により形成されている。

図４は、図１の環状弁１の要部の構成を示す拡大断面図である。

弁体３０は、図４に示すように、弁座１０に接離され、環状溝１３の両縁部に対して接離されることにより、通過流路１１を開閉する。弁体３０において、環状溝１３の両縁部に対して接離されて通過流路１１を開閉する部分（図４中の上面部）（流入側）は、シール面３１となっている。弁体３０のシール面３１は、トーラス形状（円環面形状）となっている。シール面３１と環状溝１３の両縁部とは、面接触ではなく、線接触する。シール面３１は、弁体３０の外周側と内周側とで同一の縦断面形状を有していることが好ましい。

また、弁座１０の環状溝１３の両縁部、すなわち、弁座１０のシール面３１への当接面１３ａは、周囲に対して滑らかな凸トーラス形状としてもよい。この場合にも、シール面３１と環状溝１３の両縁部とは、線接触する。

図１、図３及び図４に示すように、受け板２０は、この受け板２０の流入側に設けられた支持孔２３において、複数のばね部材４０を支持している。各ばね部材４０は、支持孔２３内に挿入配置されることにより支持されている。各ばね部材４０は、各弁体３０に対応する位置に配置されている。各ばね部材４０は、圧縮コイルバネであって、弁体３０の流出側（図１、図３及び図４中の下面部）である平面部と、受け板２０とに間に配設されている。各ばね部材４０は、弁体３０を弁座１０に向けて弾性付勢している。

この環状弁１の自然状態においては、各弁体３０は、図４（ａ）に示すように、各ばね部材４０による付勢力によって、各シール面３１を各環状溝１３の両縁部に押接させ、各通過流路１１を閉塞している。そして、通過流路１１内の高圧ガスなどの圧力が高まり、各ばね部材４０による付勢力を上回ると、図４（ｂ）に示すように、各シール面３１がガスの圧力によって押圧され、各弁体３０は、ばね部材４０による付勢力に抗して、弁座１０から離間する。このとき、通過流路１１内のガスは、通過流路１１の開口端面（環状溝１３の両縁部）から各シール面３１の周囲に流入し、受け板２０の排出流路２１に向かっ
て流れる。排出流路２１に向かって流れたガスは、排出流路２１を経て、環状弁１の外方に排出される。

図５は、図１の環状弁及び従来の環状弁におけるシール面の周囲でのガスの流れを示す断面図である。

弁体３０は、図５（ａ）に示すように、通過流路１１から弁体３０に向けて流入したガスに対する圧損要素（主として流れの剥離を生じる形状要素）、例えば、角状の稜線部などの少なくとも１つが排除され、このような圧損要素を有しないことにより、シール面３１の周囲におけるガスの圧損の発生を抑えている。このため、ガスを送る動力コストを低減することができる。図５においては、シール面３１の周囲におけるガスの局所的な速度変化による速度比の大小により、圧損の大小を示している。この実施形態においては、速度比は４以下程度である。

また、弁体３０の外周側と内周側とで、シール面３１の縦断面形状を同一にすると、通過流路１１から弁体３０に向けて流入したガスの剥離が生じないので、圧損の発生が抑えられる。

特に、弁座１０の環状溝１３の両縁部、すなわち、弁座１０のシール面３１への当接面１３ａを、周囲に対して滑らかな凸トーラス形状とした場合には、シール面３１の周囲におけるガスの流れがより円滑になり、ガスの圧損がより小さく抑えられる。

また、この環状弁１では、ガスに対する圧損要素の少なくとも１つが排除されていることにより、弁体３０の動きが安定し、弁体３０、ばね部材４０及び受け板２０の寿命を長くすることができる。

従来の環状弁では、図５（ｂ）に示すように、弁板１３０は、通過流路１１１から弁板１３０に向けて流入したガスに対する圧損要素、例えば、角状の稜線部などを有しており、シール面１３１の周囲において流れの剥離を生じ、ガスの圧損が大きくなっている。

本発明の環状弁１においては、シール面３１の形状は、ＣＦＤ（数値流体力学：computational fluid dynamics）解析及び風洞実験に基づいて、ガスに対する圧損要素を排除し、ガスの流れに対する有効面積が最大になるように決められている。有効面積を最大化することにより、シール面３１の周囲におけるガスの圧損の発生が抑えられる。なお、ガスの流れに対する有効面積は、流路抵抗の大小に相関しており、有効面積を最大化した場合には、同一の有効面積を得るために必要な幾何学的な流路面積は小さくなる。

図６は、図１の環状弁及び従来の環状弁におけるシール面の周囲での抵抗係数を示すグラフである。

図６に示すように、本発明の環状弁１及び従来の環状弁について、バルブリフト（弁体３０の移動量）、すなわち、弁体３０のシール面３１と環状溝１３の両縁部との距離と、抵抗係数比（Ｃｄ値に相当する値の比較値）との関係を求めた。従来の環状弁におけるバルブリフト２．０mmでの抵抗係数を１．０とすると、従来の環状弁では、バルブリフト１．０mmでは抵抗係数比が約０．６５であった。これに対して、本発明の環状弁１では、バルブリフト１．０mmでは抵抗係数比が約０．５４で、バルブリフト２．０mmでも抵抗係数比は約０．７４程度までしか高くならない。すなわち、本発明の環状弁１においては、バルブリフトを大きくしてガスを通過流路１１から排出流路２１に向けて多く流しても、従来の環状弁に比較して抵抗係数が大きくならず、シール面３１の周囲におけるガスの圧損の発生が抑えられている。

本発明の環状弁１では、図６に示すように、抵抗係数が小さいことにより、シール面３１の周囲におけるガスの圧損の発生が抑えられ、また、弁体３０の動きが安定し、弁体３０、ばね部材４０及び受け板２０の寿命を長くすることができる。

１０：弁座
１１：通過流路
１２：中心孔
１３：環状溝
１３ａ：当接面
１４：壁部
２０：受け板
２１：排出流路
２２ａ：支持ロッド
２２ｂ：ナット
２３：支持孔
２４：突起部
３０：弁体
３１：シール面
４０：ばね部材
５０：中間室
１００：円筒部材

１．
平板状の弁座と、
開口断面が円弧形状とされ、前記弁座の中心軸を中心とする同心円上に配列された通過流路と、
同一円上にある前記通過流路の間を繋ぐ環状溝と、
排出流路を有し、前記弁座に中間室を介して対向配置されている平板状の受け板と、
前記通過流路の開口断面の円弧形状に対応した円環形状に形成され、前記中間室内に配置され、前記弁座に接離されることにより前記通過流路を開閉する弁体と、
前記受け板に支持され、前記弁体を前記弁座に向けて弾性付勢しているばね部材とを備え、
前記弁体の前記通過流路に対向するシール面は、前記通過流路から前記弁体に向けて流入したガスに対する圧損要素を排除したトーラス形状であり、
前記弁座の前記シール面に対向する面が、前記通過流路から前記弁体に向けて流入したガスに対する圧損要素を排除したトーラス形状であることを特徴とする環状弁。
２．
前記弁体の前記通過流路に対向するシール面は、該弁体の外周側と内周側とで同一の縦断面形状を有していることを特徴とする請求項１記載の環状弁。

Claims (3)

1. 平板状の弁座と、
   開口断面が円弧形状とされ、前記弁座の中心軸を中心とする同心円上に配列された通過流路と、
   同一円上にある前記通過流路の間を繋ぐ環状溝と、
   排出流路を有し、前記弁座に中間室を介して対向配置されている平板状の受け板と、
   前記通過流路の開口断面の円弧形状に対応した円環形状に形成され、前記中間室内に配置され、前記弁座に接離されることにより前記通過流路を開閉する弁体と、
   前記受け板に支持され、前記弁体を前記弁座に向けて弾性付勢しているばね部材とを備え、
   前記弁体の前記通過流路に対向するシール面は、トーラス形状、且つ、前記通過流路から前記弁体に向けて流入したガスに対する圧損要素を排除した形状であり、
   前記受け板と前記弁体との間に段差がないことを特徴とする環状弁。
2. 前記弁体の前記通過流路に対向するシール面は、該弁体の外周側と内周側とで同一の縦断面形状を有していることを特徴とする請求項１記載の環状弁。
3. 前記弁座の前記シール面に対向する面が、周囲に対して滑らかな凸トーラス形状、且つ、前記通過流路から前記弁体に向けて流入したガスに対する圧損要素を排除した形状であることを特徴とする請求項１又は２記載の環状弁。