JP4713971B2 - バタフライバルブ - Google Patents

Description

本発明は、ガス、冷温水、油などの流体の配管内の流れを開閉したり、流量制御に用いるバタフライバルブに関し、特に、安定した封止性と軽量化を図ったバタフライバルブの弁体に関する。

バタフライバルブは、構造が簡単でコンパクトであり、操作性が良好であるなどの理由から、目的や用途に応じてストップ弁として、或いは流量調整弁として、給排水、空調設備、各種産業プラント、工場プロセスなどにおいて広く用いられている。一般にバタフライバルブは、バルブボデーの内周面に弾性シートリングを装着し、この本体の直径位置に回転自在に装着したステムに円板状の弁体を固定して構成され、この弁体を回転操作することで、弁体の外周面をシートリングの内周面に接離させて、バルブ本体内の流体通路の開閉、若しくは流量制御が行われる。

ところで、このバタフライバルブは、バルブボデー内の流体通路を閉止する際、円板状の弁体に大きな流体圧がかかる。この流体圧に基づく応力の作用によって、弁体に形状変化（歪み）が生じ、この形状変化によって、弁体とシートリングとの封止位置にズレが生じて、これが漏れの原因と成り易い。

上記問題に対処すべく、弁体全体に厚みを持たせて、形状変化を生じない十分な強度を確保する方法が採られているが、弁体全体を厚肉にすれば、当然に重量が増大するため、弁体の操作トルクが大きくなり、操作性がわるい。そこで、弁体の強度を確保しつつ、軽量化を図るべく、各種の技術が提案されている。

例えば、特開２００４−２３９３４３号公報（以下、特許文献１という）は、弁体の弁軸方向であるＹ軸方向上下に弁棒穴用ボス部を外方に膨出して設け、弁体のノズル側表面にボス部から二次側方向に延びる複数の横リブと、弁体のオリフィス側裏面にＹ軸を中心に１８０゜回転させたボス部から一次側方向に延びる複数の横リブを夫々設けており、これら複数のリブを設けることで、弁体の強度を向上させ、弁体の厚みを低減して軽量化を図っている。また、特許第３３５６５１１号公報（以下、特許文献２という）に見られるように、軸孔形成部を除いて弁体形状を薄肉形状とし、弁体軸孔方向から見て略Ｓ字形を呈する弁体が知られている。
特開２００４−２３９３４３号公報 特許第３３５６５１１号公報

しかしながら、上記特許文献１のように、複数のリブを設けた弁体は、受圧時にリブ付近での形状変化（歪み）は殆どないものの、リブのない箇所では歪みの発生を抑えることはできない。弁体全体において、歪みを生じない十分な強度を得るためには、さらにリブの増設を行わなければならず、このことから、弁体強度の確保と軽量化を同時に実現することは到底できない。一方、特許文献２に示す略Ｓ字形状弁体では、必要強度を得るためには、結局のところ、弁体を肉厚にせざるを得ない。そもそも、この弁体の構成は、弁開放時の流体抵抗を最小限に抑えるものであって、強度を確保しつつ、軽量化を図る技術とすることはできない。

本発明は、上記の課題点に鑑み、鋭意研究の結果開発に至ったものであり、その目的とするところは、弁体の強度を損なうことなく、軽量化を実現すると共に、優れた封止性をも具備したバタフライバルブを提供することにある。

上記の目的を達成するため、請求項１に係る発明は、金属製の円板状の平坦部を均一な薄肉で形成して弁板を構成し、この弁板の垂直方向の対向位置に上ボス部と下ボス部を一体に突設形成し、上記上下ボス部の垂直方向の内部に上下ステムを嵌入固定する挿入孔を形成し、前記上下ボス部の外周面を含む前記弁板の外周縁部に全周に亘って厚肉領域を有する厚肉外周部を一体に形成すると共に、前記弁体の平坦部の両面に垂直リブを前記上下ボス部に接合した状態で一体に突設形成し、この垂直リブの中心部位から前記厚肉外周部に向けて下り面状の傾斜肉厚面を有する水平リブを一体に突設形成し、かつ、この水平リブの傾斜肉厚面の下り面先端部を前記厚肉外周部に一体に接合し、前記垂直リブと前記水平リブを互いに最も厚肉の部位で交差させ、かつ前記垂直リブの当該厚肉部位を前記水平リブの当該厚肉部位より厚くした状態で一体に交差させたバタフライバルブである。

請求項１に係る発明によると、例えば、外周面から内径方向へ２〜７ｍｍまでの範囲を平坦部よりも２〜５ｍｍ厚くした外周部を形成することにより、シートリングとの封止面が増え、安定した封止が可能となる。しかも、封止位置を広範囲で変更することができ、その調整も容易に行うことが可能となる。

垂直リブが上下部ステムを支点とした曲げを抑える役割を担い、一方、水平リブが弁体の水平方向に対して、弁体中心を支点とした曲げを抑える役割を担う。弁体全体の変位を抑えることができ、内部平坦部分の肉厚を極めて薄くすることが可能となる。

垂直リブは上下ボス部と、水平リブは厚肉状の外周部と接合し、さらに、垂直リブと水平リブとを互いに最も肉厚な部分で交差させることにより、弁体全体の変位を抑えることができ、内部平坦部分の肉厚を極めて薄くすることが可能となる。

弁体中心から垂直・水平の２方向にリブが通り、２本のリブはそれぞれ平均強さの梁を考慮し、リブの肉厚に無駄がない上、応力に対して効率的な強さを有する形状を実現した。

以下、本発明におけるバタフライバルブの実施形態を図面に基づいて詳述する。なお、本実施形態は、本発明が実施される特に有用な形態としてのものであり、本発明がその形態に限定されるものではない。図１は、本発明におけるバタフライバルブの一例を示した断面図である。図２は、本発明を構成する弁体を示した斜視図であり、図３は、図２における弁体の正面図、図４は、本発明を構成する弁体の一部切欠き平面図、また、図５は、本発明を構成する弁体の側面図である。

図１において、バタフライバルブ１は、円筒形ボデー２（弁箱）の内周面にゴム等の弾性材料を素材としたシートリング３を装着しており、ボデー２とシートリング３の直径位置に形成したステム孔４，５内に、ベアリング６とＯリング７ａ，７ｂを介して、上部ステム８と下部ステム９が回転自在に装着されている。これらステム８，９をシートリング３内に嵌挿した円板状の弁体１０に固定して、弁体１０による流体通路の開閉、若しくは流量制御が行われるよう構成されている。なお、本形態ではボデー２はアルミニウム製の鋳物でダイカストにより金型成形したものを採用し、弁体１０はステンレス製の鋳物を採用しているが、これに限定するものではなく、実施に応じて任意の材料を選定する。

ステム孔４の上方には取付フランジ１１が設けてあり、ボルトなどの固定部材を介して、取付フランジ１１の上面に搭載した電動、油圧、或いは空圧などのアクチュエータや、図１に示すように、ハンドル１２を有するギヤ機構などの操作部１３との連結が行われている。本例ではハンドル１２を介した手動力がケーシング１４内のギヤユニットを経由して、バタフライバルブ１の上部ステム８に伝達され、手動による弁体１０の回動を可能にしている。

下方のステム孔５は、合成樹脂材料やゴムなどの弾性材料から成る保持体１５によって被蓋されており、下部ステム９を回動自在で、抜け止めした状態となっている。この保持体１５は、下部ステム９を軸支する略円筒状の軸受筒部１５ａと、端部側に拡径するテーパ状の係止部１５ｂから成り、係止部１５ｂをボデー２に設けた係合部２ａに係止させて装着され、下部ステム９の軸受押えが保持体１５のみで行い得る、組立容易で作業性に優れた構造となっている。また、シートリング３のボデー当接面には保持リング１６，１６が装着されており、ステム８，９の回転や弁体１０の摺動によって生じるシートリング３のねじれを防ぎ、弁体回転時の安定性を向上させている。当該構造は一例であり、これに限定するものではない。本例ではゴムなどの弾性材料から成る保持体１５を採用しているが、例えば、金属製の板バネを加工して成る保持体（図示しない）を採用することもできる。

図２、図３に示すように、本発明に係る円板状の弁体１０は、均一かつ薄肉に形成された平坦部１７から成り、平坦部１７の垂直方向の対向位置には上ボス部１８と下ボス部１９が突設されている。図１に示すように、これらボス部１８，１９内には上部ステム８と下部ステム９を嵌入固定する挿入孔１８ａ，１９ａが夫々形成されており、このうち、図４に示す上方の挿入孔１８ａ内には、上部ステム８の回転を規制する適宜形状のストッパ面部（本例では二面部１８ｂ）が形成され、上部ステム８の回転に伴う弁体１０の回動を可能にしている。

上下ボス部１８，１９を含む外周縁部には、全周に亘って厚肉状の外周部２０が形成されている。例えば、１００Ａの弁体の場合、外周面から内径方向への３．５ｍｍまでの範囲を平坦部１７よりも３．０ｍｍ厚くした厚肉領域を形成する。この外周部２０の形成は、流体圧に起因する形状変化を生じない十分な強度を確保しつつ、弁体全体の軽量化を図る上で最も有効であり、しかも、弁体１０とシートリング３との封止面を広げて、安定した封止性を確保するよう機能する。その上、封止位置を広範囲で変更することができ、その調整も容易に行うことを可能にしている。

図４、図５に示すように、外周部２０の幅方向の角部には緩やかなアール（円弧状）２０ａを形成しており、弁体回転時におけるシートリング３への入り接触が滑らかとなる。このアール２０ａを所望の曲率に形成すれば、シートリング３との面圧を、実施に応じた面圧に設定することができる。また、上下ボス部１８，１９のボス面は幅が広い分、他の外周部２０とはアール２０ａの曲率を変えており、本例ではアール２０ａを大きく設定したことで、弁体回転時のゴム（シートリング）の溜まりを生じさせない構造としている。これにより、低トルクで最適な封止性能を確保すると共に、シートリング３の耐久性を大幅に向上させている。

図５に示すように、弁体１０の両面（一次側、二次側）において、上ボス部１８と下ボス部１９とは、垂直リブ２１で連結されており、この垂直リブ２１の中心部位から厚肉状の外周部２０にかけて水平リブ２２を設けている。垂直リブ２１は、上下部ステム８，９を支点とした曲げを抑える役割を担い、一方、水平リブ２２は、弁体１０の水平方向に対して、弁体中心を支点とした曲げを抑える役割を担っている。垂直リブ２１の強度が弱いと、リブ全体が形状変化を起して、弁体全体がその影響を受けるため、垂直リブ２１の厚みを水平リブ２２よりも厚肉に設定している。

また、前記垂直リブ２１と水平リブ２２を互いに最も肉厚な部位で交差させている。このように、垂直リブ２１と水平リブ２２との交差部位（弁体中心部位）に最も厚みを持たせたことで、発生応力の高い弁体中心部位において、応力に対する補強効果を発揮する最適な厚みを実現すると共に、垂直・水平リブ２１，２２の平均強さの梁を考慮して、図２に示すように、弁体中心部を頂点として肉厚面に下り面状の傾斜肉厚面を描いており、厚みに無駄がなく軽量で、流体抵抗を増加させることのない形状となっている。このような厚肉状の外周部２０と、垂直リブ２１、並びに水平リブ２２との有機的な組み合わせによって、応力に対する補強効果が弁体全体に行き渡る、高強度で最軽量の弁体１０を実現している。

本実施形態では、本発明を構成する弁体との組み合わせにおいて、特に有用なシートリングを採用している。図６は、封止開始状態を示した概略説明図である。本例で示すシートリング３のシート表面３ａにはフラット面を有するなか高の凸部３ｂが形成されており、弁体１０の回動によって、弁体外周面がシートリング３に接離する際のシートリング３の逃げを可能にして、必要最小限での潰し量を実現している。これにより、従来に比べて低トルクで最適な封止性能を確保すると共に、シートリング３の耐久性を大幅に向上させている。また、外周部２０の幅方向角部に形成した緩やかなアール２０ａにより、弁体回転時におけるシートリング３への入り接触が滑らかと成り、しかも、このアール２０ａを所望の曲率に形成すれば、シートリング３との面圧を実施に応じた所望の面圧に設定できる。なお、本例では封止位置を３°に設定しているが、実施に応じて、弁体１０とシートリング３とのシールポイントを所望の位置に設定するとよい。

また、シートリング３のシート表面３ａには、伸縮自在なシボ（図示しない）を形成するとよく、この場合には、当該シボが弁体１０との接触面圧を部分的に下げるよう機能する。即ち、弁体１０とシートリング３との封止面を点在的接触にして、特に、離脱する際の抵抗（再始動のトルク）を低減させる。これにより、弁体との封止面を拡げた構造にあっても、摩擦抵抗が軽減されて安定した軽操作トルクが確保される。

シボの形成に際しては、必要以上に粗いものにしてしまうと、シボの間から漏れが起きるおそれがあり、このため、シボの粗さは６０μｍ以下に設定するのが好ましい。このようなシボの形成以外にも、表面硬化処理として、例えば、シート表面３ａにハロゲン化処理を施すなど、シート表面３ａの改質を行うのも有効な手段であり、この場合には、硬度を持ったシート面によって、摩擦抵抗（特に、摺動時のトルク）が軽減されて安定した軽操作トルクが実現される。

本発明によると、弁体の強度を損なうことなく、軽量化を実現すると共に、優れた封止性をも具備したバタフライバルブとして提供可能であり、ストップ弁として、或いは流量調整弁として、給排水、空調設備、各種産業プラント、工場プロセスなど、種々の仕様に応じることが可能である。

本発明におけるバタフライバルブの一例を示した断面図である。 本発明を構成する弁体を示した斜視図である。 本発明を構成する弁体を示した正面図である。 本発明を構成する弁体を示した一部切欠き平面図である。 本発明を構成する弁体を示した側面図である。 封止開始状態を示した概略説明図である。

符号の説明

１ バタフライバルブ
２ ボデー
３ シートリング
８ 上部ステム
９ 下部ステム
１０ 弁体
１７ 平坦部
１８ 上ボス部
１９ 下ボス部
２０ 外周部
２１ 垂直リブ
２２ 水平リブ

Claims (1)

1. 金属製の円板状の平坦部を均一な薄肉で形成して弁板を構成し、この弁板の垂直方向の対向位置に上ボス部と下ボス部を一体に突設形成し、上記上下ボス部の垂直方向の内部に上下ステムを嵌入固定する挿入孔を形成し、前記上下ボス部の外周面を含む前記弁板の外周縁部に全周に亘って厚肉領域を有する厚肉外周部を一体に形成すると共に、前記弁体の平坦部の両面に垂直リブを前記上下ボス部に接合した状態で一体に突設形成し、この垂直リブの中心部位から前記厚肉外周部に向けて下り面状の傾斜肉厚面を有する水平リブを一体に突設形成し、かつ、この水平リブの傾斜肉厚面の下り面先端部を前記厚肉外周部に一体に接合し、前記垂直リブと前記水平リブを互いに最も厚肉の部位で交差させ、かつ前記垂直リブの当該厚肉部位を前記水平リブの当該厚肉部位より厚くした状態で一体に交差させたことを特徴とするバタフライバルブ。

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