JP2014190472A

JP2014190472A - 流量調整式回転弁

Info

Publication number: JP2014190472A
Application number: JP2013067784A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Aoki; 和弘青木
Original assignee: Kitz Corp
Current assignee: Kitz Corp
Priority date: 2013-03-28
Filing date: 2013-03-28
Publication date: 2014-10-06

Abstract

【課題】弁体開閉時の高シール性と操作性とを確保しつつ、簡単な構造で耐久性を向上しつつ経済性にも優れ、流体による弁体やシール部材の劣化や流体の流出入時の損失を最小限に抑えながら、高精度に微少流量を調整しつつ流路を切り換え可能な流量調整式回転弁を提供する。
【解決手段】少なくとも２つの流出入口１０、１１、１２を有するボデー２内に貫通孔３０、３１、３２を有する球面状の弁体３をシール部材５を介して回転可能に挿入し、貫通孔３０、３１、３２には、弁体３の挿入側と反対方向から流量調整プラグ８を回動可能に挿入し、弁体３の開口時に流量調整プラグ８を回転させて貫通孔３０、３１、３２の流路面積を調整可能に設けた。
【選択図】図３

Description

本発明は、流路開閉時のシール性を確保しつつ弁体操作時の操作トルクを低減させた回転弁に関し、さらに微少流量を調整可能な流量調整式回転弁に関する。

従来より、流路開閉用のバルブとしては、ボールバルブ、グローブバルブ、バタフライバルブ、ゲートバルブなどが一般的に用いられている。このうち、ボールバルブは、弁体に設けられた円形の貫通穴により流路が形成されているため全開時の流れに対して障害物が無い構造であり、グローブバルブやバタフライバルブに比較して圧力損失が少なく、ゲートバルブのようにステムのストロークを必要とすることがないためコンパクト化も可能になっている。また、流路開閉用として用いられるものにコックがあるが、このコックは、一般的に、凸円錐状の金属製弁体が凹円錐状に加工した金属製ボデーに収納され、弁体の回動により相対する金属封止部で流体を封止する構造であるため、テーパ加工、弁体とボデーとのラッピング加工、グリース塗布などの処理をおこなうなどの封止面の加工精度を向上させる必要がある。

このように、ボールバルブはその他の種類のバルブやコックに対して優れた点が多いため、流路開閉用バルブとして用いられることが多くなっている。通常、ボールバルブは、球状の弁体とリング状のシート部材とを備え、バルブボデーの流路の一・二次側にシート部材が流路と直交するように装着され、弁体は、このシート部材に両側が挟まれて装着方向に移動不能の状態で回転可能になっている。ボールバルブは、弁体と連結したステムをハンドルで９０度回転させることにより、弁体に設けた流路と球体面とを交互にシート部材に相対するように開閉操作され、弁閉時には、シート部材が弁体の押圧力により圧縮することで、その面圧力により封止性が確保されるようになっている。

一方、特許文献１は、半球状の中空空間を有するケース、プラグ、シール部材を備えたボールバルブであり、プラグが半球状弁体と弁軸とにより一体に形成され、ケースの中空・半球空間に嵌合されることにより弁軸を中心に回転可能になっている。プラグの半球状弁体には凹部が形成され、この凹部にシール部材が嵌着されている。
特許文献２のボールバルブは、弁箱と、ステムと一体型の半球状の弁体と、この弁体の摺動面を密着被覆するようにシールするシール部材とを備え、弁箱の空洞内にシール部材が装着され、このシール部材に弁体が装着されている。このボールバルブでは、シール部材によって弁体の外周囲全体がシールされる構造になっている。

上述のボールバルブは、フローティング型とトラニオン型とに分類される。前記の特許文献１や２は、フローティング型ボールバルブであり、このボールバルブは、シール部材で弁体を支持し、全閉時の差圧によって二次側のシート部材に押し付けてシールする構造になっている。一方、トラニオン型ボールバルブは、ステムと、トラニオン（ロワステム）とによりボール弁体を支持する構造になっている。

他方において、微少流量を調整可能な回転弁として、例えば、特許文献３、４のボール弁が提案されている。これらのボール弁は、略球形のボールに扇形の開口部が形成され、このボールの一、二次側において外周面が弁箱側に収納された２つのシートリングによりシールされている。ボールは、これらのシートリングに対して滑るように回転し、このボールを回転することで流体を流したり止めたりすることに加えて、ボールの回転を調節して扇形開口部の面積を変化させることで流量調節が可能になっている。

特開平９−７９３９１号公報ドイツ実用新案登録第９４０８１５６号公報実公平３−２９６５６号公報実開平４−６２９６９号公報

ボールバルブにおいて、操作性と封止性とを確保するためには一、二次側のシート部材と弁体との接触圧力が均等になるように組付ける必要があり、そのためにはシート部材のシール側表面、弁体の球面、これらが装着されるボデー側の装着部などの封止面を高精度に加工して組付ける必要がある。この場合、ボールバルブにおいては、シート部材と弁体との接触面積が弁体の回動過程で変化するため操作トルクにむらが生じやすく、安定した操作性を確保することが難しいことも考慮する必要がある。
更に、組込み後には、シート部材が一、二次側から対向して常に強い圧力で装着されるため摩耗しやすくなっており、特に、フローティング型ボールバルブは、流体圧力により弁体が片側（二次側）のシート部材を集中的に押圧シールする構造であるため、圧力が増すことでシート部材の偏摩耗が大きくなり、その結果、シート部材の耐久性が悪くなり、交換が必要になることもあるため経済性も悪い。一方、トラニオン型ボールバルブは、ロワステムにより弁体の移動を防止してシート部材の摩耗を低減させる構造ではあるが、内部構造が複雑化することでコストアップに繋がっていた。しかも、これらのボールバルブは、部品点数が多くなり、加工精度も向上しなければならず、組立工数も大きくなるという問題もある。

流体が流れる際においては、これらのボールバルブの微開時には流入・流出口側で流体抵抗が大きくなってキャビテーションが発生しやすくなる。このとき、流体が１次側の弁体とシート部材との微少開口部を通過した後に、大容積のボデーキャビティーと弁体の連通穴を通過し、２次側の弁体とシート部材との微少開口部を再び流れる構造であるためオリフィス部位が２段に形成されてエネルギー損失も大きくなる。更に、半開時には、キャビティー容積が大きいことで流体が流れる際の損失係数も大きくなり、流動抵抗も大きくなる。全開時には、大容積のキャビティー内に滞留した密封流体の温度上昇により異常昇圧が引き起こされ、シート部材が損傷・変形して漏れや作動不良が発生するという問題もあった。

特許文献１のボールバルブにおいては、半球状弁体を半球状の中空半球空間に嵌合させるように取付けているので、上述したボールバルブと同様にシール部材の圧接力が強くなり、シール部材の耐久性がボールバルブと同様に悪くなっていた。
同文献２のボールバルブは、弁箱の空洞内に装着された大型のシール部材で弁体の外周囲全体をシールする構造であるため、シール部材が摩耗した場合にはこのシール部材全体を交換する必要が生じて経済性が悪くなっていた。

一方、流量調節用の回転弁として、例えば、特許文献３、４のボール弁を、熱交換器等に接続された流量可変制御用の制御弁のメンテナンス用として流路に設ける場合、このボール弁は、制御弁が接続されたメイン配管から分岐されたバイパス配管に接続され、このボール弁により制御弁の取り外し時にバイパス流路の一次側から二次側への流量調整がおこなわれる。このボール弁の開度調整により、熱交換器が設定温度を保つために必要なバイパス流路の流量が調整される。
この場合、制御弁の一、二次側のメイン配管にはそれぞれ制御弁を着脱可能にするための開閉弁が必要になり、さらに、メイン配管とバイパス配管とを接続するための一、二次側のチーズ型継手が必要になる。このように特許文献３、４のボール弁を用いてバイパス配管を流量制御しようとすると、機器の点数が増えて流路も複雑化し、狭い場所への配管の設置も難しくなっていた。この対策として、チーズ型継手の代わりに横・たて型三方ボールや３方グローブ弁を用いることも考えられるが、この場合、メイン配管とバイパス配管との流路の切り換え機能と、バイパス配管への流量調整機能とを両立することはできない。

しかも、特許文献３、４のボール弁により流路面積を微少範囲で調節する場合、扇形開口部を流れる流体の流速が速くなり、流路開口部ではキャビテーション現象が発生しやすくなる。これらのボール弁では、このキャビテーションがボール開口部とシートリングとの接触部付近で発生するため、エロージョン・コロージョンにより流路側に露出したボールの封止面やこのボール近傍の弁箱内周面が侵食・腐食しやすくなり、その肉厚が減少して外部に流体が漏れるおそれがあった。そのため、ボール開閉時の流体封止機能や、開度調節時の微少流量調整機能を十分に発揮できなくなることがあり、腐食部分で定常的に水切り騒音が生じることもあった。

さらに、ボール外周面がシートリングを摺動しながらボールの開口部とシートリングとの間の開口面積を調節して流量調整する構造であり、この流量調整時にはボール封止面、シートリングが常時流路側に露出していることから、これらが流体の温度、流速、圧力の影響を受け、シートリングに流体中の異物が付着したりシートリングが流体により変形しやすくなり、特に大流量調整領域においてこの傾向が顕著になる。この場合、シートリングのシール時の圧接力の均一性が失われることで封止性能の確保が困難になり、流体が漏れる可能性があった。そのため、このシートリングの劣化に対応するために、頻繁にメンテナンスや部品の交換をおこなって清浄性を維持する必要があった。また、この対策として、ボールやシートリングの材料のグレードを高めることも考えられるが、この場合にはコスト上昇を招くことになる。

一方、特許文献１、２のボールバルブは、シール部材が弁体側に装着されている構造から、弁体の開口部とボデーの開口部とが連通するときにこのシール部材が流路に直接さらされることはない。しかし、これらのボールバルブは、全開・全閉動作が前提であり流量調整への使用には適していない。

本発明は、上記の課題点を解決するために開発したものであり、その目的とするところは、弁体開閉時の高シール性と操作性とを確保しつつ、簡単な構造で耐久性を向上しつつ経済性にも優れ、流体による弁体やシール部材の劣化や流体の流出入時の損失を最小限に抑えながら、高精度に微少流量を調整しつつ流路を切り換え可能な流量調整式回転弁を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、少なくとも２つの流出入口を有するボデー内に貫通孔を有する球面状の弁体をシール部材を介して回転可能に挿入し、貫通孔には、弁体の挿入側と反対方向から流量調整プラグを回動可能に挿入し、弁体の開口時に流量調整プラグを回転させて貫通孔の流路面積を調整可能に設けた流量調整式回転弁である。

請求項２に係る発明は、ボデー内の内周の一部に球面部を有する弁体収納部とこの弁体収納部より開口させた円筒状の開口部を形成し、この開口部より弁体を弁体収納部内に挿入して上下方向に位置決めしながら回転可能に設け、弁体は、球面部に対向する球面状部を有し、この球面状部の下部に円形外周部を一体に設け、貫通孔と横方向に交差する方向に流出入口と対向する装着溝を形成し、この装着溝に流出入口を閉止するシール部材を装着した流量調整式回転弁である。

請求項３に係る発明は、流量調整プラグの先端側に貫通孔の流路面積を調整可能な切欠き状の流量調整部を設け、流量調整プラグを全開状態に回転したときに流量調整部を貫通孔から退避させてこの貫通孔をフルボア口径に設けた流量調整式回転弁である。

請求項４に係る発明は、ボデーに三方の流出入口を設けると共に弁体に三方の貫通孔を形成し、弁体を回転させて貫通孔を介して流出入口の何れか一組又は全てを連通状態にさせながら、流量調整プラグの回転により連通した流出入口の流量を調整可能に設けた流量調整式回転弁である。

請求項５に係る発明は、ボデーに一組の流出入口を設けると共に弁体にこの流出入口を連通可能な貫通孔を形成し、弁体を全開状態にしつつ流量調整プラグを回転させて流出入口の流量を調整可能に設けた流量調整式回転弁である。

請求項６に係る発明は、ボデーの下部に流量調整プラグを貫通孔に対して回動させる手動或は自動操作可能な操作部を取付けた流量調整式回転弁である。

請求項７に係る発明は、弁体の上から開口部に皿バネを介してシール材を有するブッシュを開口部に挿着し、弁体をブッシュにより増し締め可能に位置決めした流量調整式回転弁である。

請求項１に係る発明によると、グローブバルブやバタフライバルブ等に比較して圧力損失が少なく、ゲートバルブのようにステムのストロークを必要とすること無くコンパクト化を図ることができ、ボールバルブやコックのように弁体やシール部材等の封止面を高精度に加工することなく操作性やシール性を確保することができる。シール部材の摩耗を抑えることで耐久性を向上させ、高シール性を維持できる。しかも、簡単な構造で部品点数も少ないことから経済性に優れつつ、組立やシール部材の交換等のメンテナンスも容易である。
流体を流す際においては、微開時にキャビテーションを抑えつつこの微少開口時のエネルギー損失を最小限に抑えることができ、全開時には流出入口により損失係数を小さくして流動抵抗を抑えることができる。更に、小さいキャビテーション容積により、異常昇圧値を低く抑えることができるため、漏れや作動不良の発生も回避できる。このように、流体の流出入時の損失を最小限に抑えてバルブとしての機能性を高めることもでき、ボールバルブに比較してスムーズな操作で流体を流すことが可能になる。これらのことから、ボールバルブの欠点を解消しつつ、ボールバルブやコックなどの利点を取り込んだ回転弁を提供できる。
この弁体の開口時には、流量調整プラグを回転させて貫通孔の流路面積を調整することで、弁体を回転することなく弁体の中央付近で流量調整プラグにより流量調整して弁体の開口部付近のキャビテーション現象の発生を抑えながら微少流量に調整できる。このため、エロージョン・コロージョンによる弁体開口部付近の浸食や腐食を抑えてボデー肉厚の減少も回避できる。しかも、この流量調整時にはシール部材のシール面が弁体のシール面に密着された状態であるため、シール部材のシール面が流路側に直接露出したり、シール部材に対して弁体が摺動することがなく、シール部材に異物が付着したり変形しやすくなることもなくこのシール部材の劣化が防がれる。これらのことから、長期に亘って高い封止性能を維持することができ、例えば、蒸気配管・空調冷媒配管・冷凍機冷媒配管において、メイン配管とバイパス配管弁との間に設け、流路を切り換えつつ流量調整する場合に適している。

請求項２に係る発明によると、シール部材のシール面をボデー側に全面密着させて流体を封止させて弁閉時の漏れを確実に防止し、この弁体を回転したときに弁体と一体にシール部材を回転させて流体を閉止したり流したりする構造であることから、弁開状態にしたときにはシール部材が流出入口側に露出することを回避し、このシール部材の劣化を防止できる。

請求項３に係る発明によると、流量調整プラグを交換することでリニア特性又はイコールパーセンテージ特性の何れかの流量特性を発揮させながら微少流量を調整でき、流量調整プラグの全開時には貫通孔がフルボア口径になることで、圧力損失を最小限に抑えつつ流体を流すことができる。

請求項４に係る発明によると、弁体を回転させて三方型のボデー内の流路を切り換えることによりストレート状又はエルボ状の二方向の流路、或はチーズ状の三方向の流路を構成した上で、流量調整プラグを回転させて連通状態の流出入口の流量をリニア特性やイコールパーセンテージ特性により高精度に調整できる。

請求項５に係る発明によると、弁体を回転させて二方型のボデー内の流路を開状態にした上で、流量調整プラグを回転させて一次側から二次側流路への流量をリニア特性やイコールパーセンテージ特性により高精度に調整できる。

請求項６に係る発明によると、手動操作部或は自動操作部の適宜の操作部を取付けて流量調整プラグの回転角度を微調整でき、ボデーの下部に操作部を設けることでこの流量調整プラグ用の操作部とバルブ操作用の操作部位とが干渉することがなく、何れの操作も簡単になる。流量調整プラグの操作力を微少にすることで、自動操作部を小型化することも可能になる。

請求項７に係る発明によると、弁体のボデー弁体収納部への挿入後に、皿バネを介してブッシュにより弁体が上下方向に位置決めされるため、弁体がぐらついたり開口部側から抜け出すことを防いでこの弁体をボデー内の所定位置に保持する。弁体をブッシュにより増し締めすることで、経年によるシール性の劣化や操作性を回復できる。

本発明における流量調整式回転弁の第１実施形態を示した縦断面図である。図１の流量調整式回転弁の分離斜視図である。図１の流量調整式回転弁の弁体の第１の状態における流量調整プラグの回転状態を示す断面図である。図１の流量調整式回転弁の弁体の第２の状態における流量調整プラグの回転状態を示す断面図である。図１の流量調整式回転弁の弁体の第３の状態における流量調整プラグの回転状態を示す断面図である。流量調整プラグの第１例を示す説明図である。流量調整プラグの第２例を示す説明図である。流量調整プラグの第３例を示す説明図である。流量調整プラグの第４例を示す説明図である。流量調整プラグの第５例を示す説明図である。（ａ）は、バイパス配管の一例を示す模式図である。（ｂ）は、パイパス配管の比較例を示す模式図である。（ａ）は、本発明の流量調整式回転弁を用いた流路を示す模式図である。（ｂ）は、（ａ）における開度と流量との関係を示すグラフである。（ａ）は、混合形の流路を示す模式図である。（ｂ）は、分流形の流路を示す模式図である。（ｃ）は、（ａ）又は（ｂ）における開度を流量との関係を示すグラフである。本発明における流量調整式回転弁の第２実施形態を示した分離斜視図である。図１４の流量調整式回転弁の弁開状態における流量調整プラグの回転状態を示す断面図である。

以下に、本発明における流量調整式回転弁の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１、図２においては、本発明における流量調整式回転弁の第１実施形態を示している。本発明の流量調整式回転弁本体（以下、バルブ本体という）１は、ボデー２、弁体３、蓋部材４、シール部材５、ブッシュ６、回転操作部７、流量調整プラグ８を有している。

図に示すように、バルブ本体１のボデー２は、１ピース構造に形成され、少なくとも２つの流出入口を有し、本例では三方の流出入口１０、１１、１２を有している。ボデー２内には、一部に球面部１５を有する弁体収納部１６と、この弁体収納部１６よりも開口させた円筒開口部１７とが形成されている。球面部１５は、略半球形の座ぐり加工により略半球凹状に設けられている。図１において、弁体収納部１６の上部側には挿着穴部１８、下部側には開口部２ａが形成されている。
流出入口１０、１１、１２は、弁体収納部１６に連通して形成され、この流出入口１０、１１、１２の内周側には雌ねじである螺合部１９が形成され、この螺合部１９に図示しないパイプが接続可能になっている。

弁体３は、ボデー２の開口部２ａから弁体収納部１６に挿入され、上下方向に位置決めされつつ回転可能に設けられる。この弁体３は球面状部２０を一部に有し、この球面状部２０の下方には略筒状の円形外周部２１が形成されている。本実施形態では、弁体３の外周面を半球状の球面状部２０とし、この球面状部２０の下部に円形外周部２１が一体に形成されている。円形外周部２１は、ボデー２の開口部２ａの内方に形成されたボデー円筒部２２に対向するように形成される。過度な流体圧が弁体３に加わった場合には、円形外周部２１がボデー円筒部２２に当接して弁体３の移動が規制される。

球面状部２０の外周面には、流出入口１０、１１、１２に連通可能な三方の貫通孔３０、３１、３２と、この貫通孔３０、３１、３２と横方向に交差して流出入口１０、１１、１２と対向可能な装着溝３３とが形成され、この装着溝３３に、流出入口１０、１１、１２を閉止可能な弾性を有するシール部材５が着脱可能に装着されている。本実施形態では装着溝３３は円形凹溝であり、シール部材５はこの円形凹溝３３に嵌合可能な円板状に形成されている。貫通孔３０、３１、３２は、流出入口１０、１１、１２と略同一径のフルボアタイプに形成され、これら各流出入口に連通したときに圧力損失が抑えられている。貫通孔は、フルボアタイプ以外にも、このフルボアタイプよりも流路径を一段落とした（縮径した）スタンダードボアタイプ、或は二段落としたレデュースボアタイプと呼ばれる口径を絞ったタイプとすることもできる。この場合、フルボアタイプは、他のタイプに比較して流量特性が向上する。さらに、貫通孔の交差方向には連通穴部３５が形成され、この連通穴部３５に流量調整プラグ８の一部を挿入可能になっている。

弁体３の底面側には、環状凹部３６が形成され、この環状凹部３６には、上下面側がワッシャ３７、３７で挟まれた皿バネ３８が装着されている。
弁体３の上部には、ステムである回転操作部７が一体に形成され、このステム７が軸受３９を介して挿着穴部１８に挿着されて弁体３がボデー２内に回転可能に設けられている。ステム７の外周にはシール用Ｏリング４０が装着され、このステム７には図示しない手動操作用ハンドルが取り付けられ、このハンドルを介して弁体３を開閉制御可能になっている。弁体３は、９０°の回転操作により流路を切換え可能であり、弁体３を回転操作する際には、図１に示したステム７の外径φｄｓの受圧力によるすべりトルクと、シール部材５のすべりトルク及びワッシャ３７のすべりトルクのみがステム７に加わるため、低トルク操作が可能になっている。

弁体３は、球面部１５に装入可能な形状であって、貫通孔とシール部材とが流出入口に対応していれば、球面状部２０に相当する部位が半球面以外の形状であってもよい。本実施形態のように、弁体３の一部に半球面状の球面状部２０を形成した場合、この球面状部２０とボデー２内の球面部１５との間の後述の隙間Ｇの量で弁体３の増し締め量を規制することができる。弁体３をボデー２に挿入したときには、この弁体３の接触面３ａ、３ｂがボデー２により保持されるため、弁体３が上下部位でボデー２内に保持されたトラニオン構造になり、圧力による弁体３の移動が抑えられている。

弁体３に装着されるシール部材５は、例えば、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）などの高分子材料により形成され、このシール部材５は、弁体３を回転したときにこの弁体３と一体に回動して流出入口１０、１１、１２をシール可能であり、一方、流出入口１０、１１、１２からずれたときに流体を流すことができる。

蓋部材４は、略筒状に形成され、その上部には環状筒部４１が形成されている。環状筒部４１は、ボデー２の開口部２ａに嵌入可能な外径に設けられ、その外周にはＯリング４２が装着されている。一方、環状筒部４１の内周側には後述するブッシュ６の取付部４５が挿着可能に設けられている。図２に示すように、蓋部材４の内周側には雌ねじ部４６が形成され、外周側にはボデーの突状部位に対向する突設部位が形成され、この突設部位には図２に示すように連通孔４７が設けられている。蓋部材４は、連通孔４７を介してボデー２に形成した雌ネジ４８に図示しないボルトで固着される。

ブッシュ６は、略円筒状に形成され、上部側に蓋部材４の環状筒部４１の内周に挿入可能な取付部４５が形成され、この取付部４５の外周にはＯリングからなるシール材４９が装着されている。取付部４５の下方位置には、蓋部材４の雌ねじ部４６に螺合する雄ねじ部５０が設けられている。ブッシュ６は、ボデー２内に挿入された弁体３の上から（図１においては下方向から）開口部２ａに皿バネ３８を介して挿着され、蓋部材４に対して進退自在になっている。ブッシュ６を蓋部材４に対して締め付けたときには皿バネ３８が圧縮され、この皿バネ３８のバネ力により弁体３及び流量調整プラグ８が押し込まれ、シール部材５とボデー２の球面部１５との密着力が上昇する。これにより、一次背圧（バイフロー）封止性が確保されている。さらに、皿バネ３８により、ボデー２や弁体３の寸法誤差を吸収しつつ弁体収納部１６の所定位置に弁体３を簡単に装着できる。

流量調整プラグ８は略棒状に形成され、皿バネ３８、ワッシャ３７、ブッシュ６を介してバルブ本体１に挿着される。流量調整プラグ８の先端側には、切欠き状の流量調整部６０が設けられ、流量調整プラグ８は、弁体３のボデー２への挿入側と反対方向から連通穴部３５に回動可能に挿入されて取り付けられる。流量調整プラグ８の挿着後には、流量調整部６０が弁体の連通穴部３５に沿うように配置される。

このような流量調整プラグ８の取付け構造により、弁体３の開口時にこの流量調整プラグ８を回転させたときに、流量調整部６０により貫通孔３０、３１、３２の流路面積を調整可能になっている。この場合、弁体３を回転させて貫通孔３０、３１、３２を介して流出入口１０、１１、１２の何れか一組又は全てを連通状態にさせながら、流量調整プラグ８の回転により連通した流出入口の流量を調整可能になっている。

流量調整プラグ８を回転させたときには、流量調整部６０により貫通孔３０、３１、３２の流路面積を調整して流量を調整可能となり、流量調整プラグ８を全開状態に回転したときに流量調整部６０を貫通孔３０、３１、３２から退避させて、この貫通孔がフルボア口径に設けられるようになっている。この場合、弁体３を９０°回転させて所定の流路の切換え状態にした上で、流量調整プラグ８を９０°の範囲内で所定の回転角度にインデックス操作することで、流出入口を介して流体の分流・混合がおこなわれる。このときの流量調整プラグ８の操作トルクは、外径φｄにおける受圧力によるすべりトルクのみであるため、低トルクによる操作が可能になっている。図１に示した流量調整部の外径φＤは、バルブ口径φｄ_０の√２倍以上に設けられている。
流量調整プラグ８には、ボデーの下部において手動或は自動操作可能な適宜の操作部６１が取付けられ、この操作部６１によって流量調整プラグ８を回動させることが可能になっている。

上述したように、蓋部材４の環状筒部４１内周側にブッシュ６が取り付けられ、このブッシュ６の内周側に流量調整プラグ８が挿入され、ブッシュ６に対してワッシャ３７を介して弁体３が取り付けられていることで、蓋部材４をボデー２から分解したときには、ブッシュ６、流量調整プラグ８、ワッシャ３７、シール部材５が装着された弁体３からなるボデー２への内蔵部品一式を取り外すことができる。

続いて、バルブ本体１を組付ける場合を述べる。
先ず、シール部材５、Ｏリング４０を弁体３に装着し、この弁体３を、軸受３９を介して球面部１５の弁体収納部１６内に装入し、回転操作部７を挿着穴部１８に挿入する。このとき、シール部材５とボデー２とは、押付け力が働いていない接触状態になっている。
次いで、流量調整プラグ８を弁体３の開口部２ａから挿入し、この流量調節プラグ８と弁体３との間の環状凹部３６に皿バネ３８とワッシャ３７とを装着する。この状態で雌ねじ部５０と雄ねじ部４６とを介してブッシュ６が内側に装着された蓋部材４をボルトでボデー２に固定する。この場合、弁体３とブッシュ６との間の皿バネ３８の弾発力によって弁体３をボデー２に押付けるようにしながら装着でき、円形外周部２１を円筒開口部２ａ内にシール材５を介して装着して、下部側の回転操作部７ａにより弁体３を回転自在となる。

弁体３の装着後には、弁体収納部１５と球面状部２０の弁体３との間に隙間Ｇが設けられると共に、回転操作部７で弁体３を回転自在に設けることができ、この弁体の９０°ごとの回転により流出入口１０、１１、１２の何れか一組又は全てを連通することが可能になる。このとき、弁体３による閉止位置では、シール部材５が流出入口１０、１１、１２の何れかの流出入口を密封シールする。

回転操作部７を介して弁体３を９０°ごとに回転させた場合には、図３、図４、図５の状態となる。図３においては、左側の流出入口１０と中央の流出入口１１とを連通可能に設けた状態であり、図４においては、左側の流出入口１０と右側の流出入口１２とを連通可能に設けた状態であり、図５においては、３つの流出入口１０、１１、１２全てを連通可能に設けた状態を示している。これら以外にも、右側の流出入口１２と中央の流出入口１１とを連通可能に設けた状態があるが、これは図３と左右対称に表れる状態であるため省略する。何れの弁体３の状態においても、この弁体３が皿バネ３８で球面部１５方向に押圧されるため、シール部材５が対向する流出入口がこのシール部材５の圧接により確実にシールされる。図１に示すように、球面部１５と球面状部２０との間には隙間Ｇが設けられているため、弁体３が弁体収納部１６に対して無摺動の状態で回転可能となる。

これら図３〜図５の状態において、操作部６１により流量調整プラグ８を回転して流量調整部６０により流出入口１０、１１、１２の流路面積を調整することで流量調節が可能となる。例えば、図３（ａ）においては、流量調整部６０で中央の流出入口１１が塞がれた状態を示しており、図３（ｂ）においては、図３（ａ）の状態から流量調整プラグ８を左回転して左側の流出入口１０と中央の流出入口１１とを所定の流路面積で連通させた状態を示している。図３（ｃ）においては、図３（ｂ）の状態からさらに流量調整プラグ８を左回転して左側の流出入口１２と中央の流出入口１１とを全開にした状態を示し、この場合、図１に示すように流量調整部６０が貫通孔３０、３１、３２から退避して左側の流出入口１０と中央の流出入口１１とを連通する貫通孔３１、３２がフルボア口径となる。

このように図３の場合には、弁体３の回転により三方型のボデー２内の流路をエルボ状に切換え、このエルボ状の二方向流路の面積が調整される。この場合、左側の流出入口１０、中央の流出入口１１の何れが一次側であってもよい。
図３と左右対称の右側の流出入口１２と中央の流出入口１１とを連通した場合にも、図３と同様にしてこれら右側の流出入口１２と中央の流出入口１１とにより構成されたエルボ状の流路を流量調節プラグ８の流量調整部６０で流量調節可能となる。

図４における左側の流出入口１０と右側の流出入口１２、図５における３つの流入口１０、１１、１２全てを連通可能に設けた場合にも、上記と同様にして流量調整プラグ８を回転させることで、流量調節部６０により全開から全閉状態まで微少流量の流量調節が可能となる。
図４の場合には、弁体３の回転により流路をストレート状に切換え、このストレート状の二方向の流路面積が調整される。この場合、左側の流出入口１０、右側の流出入口１２の何れが一次側であってもよい。
図５の場合には、弁体３の回転により流路を混合・分流状態のチーズ型に切換え、このチーズ型の三方向の流路面積が調整される。この場合、図５（ａ）から図５（ｃ）の状態に弁体３を回転させると、左側の流出入口１０から、中央の流出入口１１と右側の流出入口１２とに分流するときの流量調節、又は中央の流出入口１１と右側の流出入口１２から左側の流出入口１０に流体を混合するときの流量調節が流量調節プラグ８の流量調節部６０により可能になる。

図３、図４、図５の何れの場合にも、流量調整プラグ８の９０°回転操作で各流路相互の流量の微調整が可能となる。さらに、流量調整時には、シール部材５が弁体収納部１６側に隠れて流出入口１０、１１、１２側に露出することがなく、シール部材５の封止面がボデー２の封止面に密着した状態になり、シール面が流体にさらされることが防がれて均一性を保持できる。このため、流量調整プラグ８による流量調整時に弁体３及びシール部材５に流体による影響が防がれて高精度の流量調整が可能となる。さらに、シール部材５に流体中の異物が付着したりシール部材５が変形したりすることが防止され、大流量への調整時にもシール部材５が流体から保護される。

図６〜図１０においては、流量調整プラグの各種例を示しており、バルブ本体１には図１、図６の流量調整プラグ８以外にも図７〜図１０の流量調整プラグ７０、７１、７２、７３のうちの何れかを装着することが可能になっている。図６、図７の流量調整プラグ８、７０は、リニア特性を有するプラグであり、図８、図９の流量調整プラグ７１、７２は、イコールパーセンテージ特性を有するプラグである。また、図６、図８の流量調整プラグ８、７１は、隣接する左側の流出入口１０と中央の流出入口１１との間、或は隣接する右側の流出入口１２と中央の流出入口１１との間をそれぞれ流量調整可能であり、図７、図９の流量調整プラグ７０、７２は、対向する左右の流出入口１０、１２の間を流量調整可能になっている。図１０における流量調整プラグ７３は、イコールパーセンテージ特性とリニア特性との複合特性を有している。

上記流量調節プラグは、実用上のバルブの用途による固有流量特性に応じて適宜選定される。イコールパーセンテージ特性が求められるバルブとしては、例えば、配管系の摩擦損失がバルブ前後の差圧よりも非常に大きいとき、弁開度によってバルブ前後の差圧が大きく変化するとき、定格流量と比較して微少な流量域で使用するときが挙げられる。リニア特性が求められるバルブとしては、流量にかかわらずバルブ前後の差圧がほぼ一定になるとき、配管全体の差圧のほとんどがバルブ差圧であるときなどが挙げられる。

上述したように、本発明の上記実施形態におけるバルブ本体１は、流出入口１０、１１、１２を有するボデー２内に貫通孔３０、３１、３２を有する球面状の弁体３をシール部材５を介して回転可能に挿入し、貫通孔には、弁体３の挿入側と反対方向の連通穴部３５を介して流量調整プラグ８を回動可能に挿入し、弁体３の開口時に流量調整プラグ８を回転させて貫通孔３０、３１、３２の流路面積を調整可能に設けているので、シール部材５を装着した弁体３の回転により流量調整する必要がなく、シール部材５の耐久性を向上しつつ、弁体３の回転で流路の切換えをおこなうことができる。しかも部品点数が増加することもなく、組立ても容易である。
流量調整時には、流量調整プラグ８の流量調整部６０により正確に流量調整でき、キャビテーションを抑え、エネルギー損失を小さくしながら微少流量から大流量まで制御可能になる。

ここで、例えば、熱交換器にメイン配管部とバイパス配管部とが設けられた流路の流路切換え用として本発明の流量調整式回転弁を用いる場合を述べる。この場合、図１１（ａ）に示すように、バルブ本体１、１は、ポンプ１０５に接続されたメイン流路部１００に設けられた制御弁１０１の一次側、二次側において、メイン配管部１００とバイパス配管部１０２とを熱交換器１０３に接続するようにそれぞれ設けられ、これらバルブ本体１で流量制御することで、メイン流路部１００とバイパス流路部１０２との流路の切換えと、バイパス流路部１０２への流量調整がおこなわれる。

一方、図１１（ｂ）においては、比較例を示したものであり、図示しないシートリングを介して流量制御する一般構造のボール弁１１０をバイパス配管１１１に設け、このボール弁１１０でバイパス配管１１１の流量調整をおこなうようにしたものである。この場合、メイン配管１１２の制御弁１１３の一、二次側には、この制御弁１１３への流路を遮断する開閉弁１１４が設けられ、さらに、メイン配管１１２とバイパス配管１１１との接続部分にチーズ型継手１１５が設けられている。このようにバイパス配管１１１に配置したボール弁１１０を用いてこのバイパス配管１１１を流量制御しようとした場合、使用する機器の点数が増えて流路全体が複雑化する。そのため、例えば、病院やホテルなどの天井裏等への狭い配管スペースに設置することが難しくなる。しかも、前述したとおり、一般構造のボール弁１１０では、微少流量の調整が難しくなる。
また、三方切換え用として、図示しないグローブ弁が用いられることもあるが、複座グローブ弁は、その流路構造上、流体の混合・分流の流路が固定され、配管姿勢に制限があるという問題を有しているため、狭い設置場所への配管が困難になる。

さらに、このような流路を設ける際には、ポンプの負荷を大きくしないために、通常、図１３（ａ）の分流形、或は図１５（ｂ）の混合形の配管になっており、ボール弁１１０を用いたこれらの配管構造により、一次側からの流体を分流又は混合させながら熱交換器１０３に流体の一部を送り、この熱交換器１０３で処理された流体と一次側の流体とを混合させることで温度調節を可能にしている。

しかし、この流路で一般構造の三方型のボール弁１１０を使用すると、図１３（ａ）、図１３（ｂ）に示した３方弁開度と流量との関係が、図１３（ｃ）の状態となる。すなわち、図１３（ｃ）において、図１３（ａ）、図１３（ｂ）のＡ−Ｃ間流量とＢ−Ｃ間流量が図のように変化し、弁開度を５０％に調整したときに、Ａ―Ｃ間流量とＢ−Ｃ間流量とがそれぞれ５０％以下となり、図において歪みδが生じやすくなる。これによって、これらの合成流量も低くなり、弁開度５０％付近での効率が悪くなる。

一方、本発明のバルブ本体１を用いた場合、図１２（ａ）に示す配管となり、これによって非処理流体と熱交換器１０３で処理された流体とを混合可能になっている。この場合には、図１２（ｂ）に示すような３方弁開度と流量との関係になり、弁開度を５０％に調整したときに、Ａ−Ｂ間流量とＡ−Ｃ間流量とがそれぞれほぼ５０％になり、合成流量がほぼフラットになるリニアな流量特性を確保し、熱交換器への負荷を低減できるようになる。

図１４、図１５においては、本発明における流量調整式回転弁の第２実施形態を示している。なお、この実施形態において前記実施形態と同一部分は同一符号によって表し、その説明を省略する。
この流量調整式回転弁は二方弁からなり、ボデー８０に一組の流出入口８１、８２が設けられていると共に、弁体８３にはこれらの流出入口８１、８２を連通可能な貫通孔８５、８６が形成されている。これら貫通孔８５、８６には連通穴部８７を介して流量調整プラグ８が回動可能に挿入され、この流量調整プラグ８の回転により連通した流出入口８１、８２の流量を調整可能になっている。このように、本発明の流量調整式回転弁は、二方弁の場合にも三方弁の場合と同様に流量調整プラグ８を介して流量調整できる。

１バルブ本体
２ボデー
２ａ開口部
３弁体
５シール部材
６ブッシュ
８流量調整プラグ
１０、１１、１２流出入口
１５球面部
１６弁体収納部
２０球面状部
２１円形外周部
３０、３１、３２貫通孔
３３装着溝
３８皿バネ
６０流量調整部
６１操作部

Claims

少なくとも２つの流出入口を有するボデー内に貫通孔を有する球面状の弁体をシール部材を介して回転可能に挿入し、前記貫通孔には、前記弁体の挿入側と反対方向から流量調整プラグを回動可能に挿入し、前記弁体の開口時に前記流量調整プラグを回転させて前記貫通孔の流路面積を調整可能に設けたことを特徴とする流量調整式回転弁。
前記ボデー内の内周の一部に球面部を有する弁体収納部とこの弁体収納部より開口させた円筒状の開口部を形成し、この開口部より前記弁体を前記弁体収納部内に挿入して上下方向に位置決めしながら回転可能に設け、前記弁体は、前記球面部に対向する球面状部を有し、この球面状部の下部に円形外周部を一体に設け、前記貫通孔と横方向に交差する方向に前記流出入口と対向する装着溝を形成し、この装着溝に前記流出入口を閉止する前記シール部材を装着した請求項１に記載の流量調整式回転弁。
前記流量調整プラグの先端側に前記貫通孔の流路面積を調整可能な切欠き状の流量調整部を設け、前記流量調整プラグを全開状態に回転したときに前記流量調整部を前記貫通孔から退避させてこの貫通孔をフルボア口径に設けた請求項１又は２に記載の流量調整式回転弁。
前記ボデーに三方の流出入口を設けると共に前記弁体に三方の貫通孔を形成し、前記弁体を回転させて前記貫通孔を介して前記流出入口の何れか一組又は全てを連通状態にさせながら、前記流量調整プラグの回転により連通した流出入口の流量を調整可能に設けた請求項１乃至３の何れか１項に記載の流量調整式回転弁。
前記ボデーに一組の流出入口を設けると共に前記弁体にこの流出入口を連通可能な貫通孔を形成し、前記弁体を全開状態にしつつ前記流量調整プラグを回転させて前記流出入口の流量を調整可能に設けた請求項１乃至３の何れか１項に記載の流量調整式回転弁。
前記ボデーの下部に前記流量調整プラグを前記貫通孔に対して回動させる手動或は自動操作可能な操作部を取付けた請求項１乃至５の何れか１項に記載の流量調整式回転弁。
前記弁体の上から前記開口部に皿バネを介してシール材を有するブッシュを前記開口部に挿着し、前記弁体をブッシュにより増し締め可能に位置決めした請求項２乃至６の何れか１項に記載の流量調整式回転弁。