(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
弁体外径と本体内径を配管内径Ｄの０．８倍以下とした、全閉時、弁体周面と本体内面とのシール面が弁棒中心を通らない偏心型バタフライ弁において、弁座直後以降のオリフィス側の本体内径を、配管内径と同じ寸法まで拡大させ、ノズル側の本体内径を小さい開度での制御性を向上させるために、回転する弁体に沿った構造とし、２次側フランジ面までの途中で配管内径と同じ寸法に拡大したことを特徴とする制御用バタフライ弁。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、工業用バルブの一つであるバタフライ弁であって、液体（高温液体を含む）における流量制御用及び圧力制御用バタフライ弁に関し、特に、弁体中間開度にて発生しやすい、キャビテーションに起因する騒音を抑制すると共に制御性を向上させることを目的としたバタフライ弁に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、バタフライ弁の絞られた部分（縮流部）では流速が速くなり、圧力は低くなる。この圧力低下によって液体中に含まれている微小気泡（気泡核）の体積が急激に増大してキャビテーション気泡が発生するが、縮流部を通過して流れが低速になると、圧力が回復して高くなり、前述のキャビテーション気泡がつぶれる。
【０００３】
このときキャビテーション気泡が気泡核から成長していく（大きな気泡になり、再び小さくなる）際に、気泡の収縮運動により周囲の圧力が変動するため騒音が発生する。さらに気泡がつぶれる瞬間に衝撃圧が発生し、騒音や振動を伴って弁座より下流側のバルブ本体内面や配管に壊食現象等のダメージを与える、いわゆるキャビテーション現象が発生する。
【０００４】
特に本体や配管内面近くにて崩壊した気泡や内面に当たって崩壊した気泡は大きなダメージを与える。また、過去の研究によりオリフィス側の配管のダメージが大きいことが知られている。
【０００５】
キャビテーションの発生のしやすさについては、一般に圧力回復係数（ＦＬ値）、キャビテーション初生係数（Ｋｃ値）にて評価されている。
【０００６】
（ＦＬ値、Ｋｃ値が大きい程キャビテーションは発生しにくい）
ここで、
0003675288.tif 000002
ただし、ＦL ＝圧力回復係数（無次元）
Ｐ1 ＝バルブ入口静圧(kgf/cm2a)
Ｐ2 ＝バルブ出口静圧(kgf/cm2a)
Ｐvc＝バルブ収縮部静圧(kgf/cm2a)
また、
0003675288.tif 000003
ただし、Ｋc：キャビテーション初生係数（無次元）
Ｐv：液体の飽和蒸気圧
また、従来のバタフライ弁はコンパクトに配管に設置することができるため、管路を流下する流体の流量制御に広く用いられている。しかしながら、通常バタフライ弁はグローブ弁と比較すると、圧力回復係数（ＦＬ値）やキャビテーション初生係数（Ｋｃ値）が低いため、流体条件によりキャビテーションが発生し、配管等にダメージを与え異常な騒音が発生する問題があった。
【０００７】
又、バタフライ弁は、容量係数（Ｃｖ値）が大きいため、コントロール弁とし、配管と同じ呼び径のバルブを使用した場合、全閉から全開の移動量当たりのＣｖ値変化量が大きく制御性が悪いという問題があり、多くの場合配管呼び径より呼び径の小さいバルブをレデューサ（径の異なる管系に使用するパイプ）を介して配管される。
【０００８】
一方、制御に用いられるバタフライ弁は、弁の開度を絞って流量や圧力を調節することが目的であり、その目的のために、騒音を伴ったキャビテーションを我慢して使わざる得ないのが現状である。
【０００９】
制御に用いられるバタフライ弁を極めて低開度で使用する場合、開度変化に対してＣｖ変化が大きく微妙な調節が難しい。特にシール構造を有するバルブは弁が開いた際にトルクが急激に小さくなり、弁開度が予定より大きく変化した場合は流れすぎてしまう。
【００１０】
騒音とキャビテーションの発生を抑制する発明として過去に提案された従来例を、図９（特開昭５７−１５７８６６号公報参照）及び図１０（特開平４−３３７１６７号公報参照）に示す。
【００１１】
図９において、１は本体（弁本体）２の中心部に直交する弁棒３によって軸支された全閉状態を示す弁体であって、該弁体１は、全閉時、弁棒３に垂直の断面がくの字形をなす弁板（ディスク）１ａを有し、本体２の内面２ａと弁板周面とのシール面（図で点線１ｂで示されている。）が、弁棒穴を通過する中心形バタフライ弁の弁体を形成しており、上記シール面１ｂの中心軸１ｃと、弁棒孔を通り本体内面２ａの垂直軸線２ｂとは、１５度〜２０度の角度で傾斜している。
【００１２】
本体内面（ボア）２ａ内で密接している長円形の弁板１ａは、二つのほぼ半円形壁部分が上記のようにくの字形に角度的にずれて形成されており、該弁板１ａの半円周に亙って、使用時、流体の流入方向（太い矢印ｆで示す。）に向って突設された流入側くし歯状突起４と、同様に、他の半円周に亙って、弁板１ａに対して前記くし歯状突起４と反対側の流体の流出方向に向って突出された流出側くし歯突起５とが一体に設けられており、これらの両くし歯状突起４と５は、全閉時、本体２の内面２ａとほぼ平行するように形成され、且つこれらのくし歯状突起の端部は、本体２の内面２ａに垂直の面内に位置するように形成されており、これらのくし歯状突起の長さは、中心のボス方向に向かって短かく形成されている。
【００１３】
弁作動時、図９（ａ）に示す全閉状体から弁体１が矢印に示す時計方向に回動すると、弁体１の開度に応じて流量が変化して流量制御が行われるようになっている。そしてこの際、本体２の内面２ａと、弁棒３よりも下流側に位置する弁体１の周縁部とが形成する開口部であるノズル流れ部（ノズル側）及び同様に本体２の内面２ａと、弁棒３よりも上流側に位置する弁体１の周縁部とが形成する開口部であるオリフィス流れ部（オリフィス側）を通過する流体は、該部に設けられた複数個の各くし歯状突起４，５の間に形成された、図（ａ）の２ｂ線による断面図である図（ｂ）に示す流体を導く断面台形（梯形）状通路６から流体を細かいジェット流に変え、弁体の下流側に発生するキャビテーションを分散すると共に、キャビテーションの成長を抑制している。同図（ｂ）において、６ａは傾斜した入口、７は弁棒穴、８はボス部を示す。
【００１４】
また、図１０では、弁体１２の両側から弁軸１３が嵌入して回動自在に支承し、該弁体１２が閉より開方向へ回動するとき上流側へ向う半周側１２Ａの下流側の外周縁近くの表面へ、弁軸１３の両支承部１６を繋ぐ全半周に亘って切れ目なく突設したほぼ等肉の突条１４を具え、該突条１４には弁体１２の表面中心１２Ｃを指向して逆放射状に収歛する複数の貫通穴１５を設けたキャビテーション抑止機能を具えたバタフライ弁である。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
上記図９及び図１０に示したものは、いずれも本体または弁体側に突起物や流路を確保する溝、流路を分断する穴や付加物などを設け、流れを分流して高速縮流部と低速流れ部の速度差を少なくし、キャビテーションを抑制し、Ｃｖ値を小さくし制御性を向上させている。これらは騒音防止及び制御性の向上の効果はあるが、いずれも以下のような共通した問題点を持っている。
【００１６】
（ｉ）流路が細かく分断されているので、スラリーや異物を含んだ流体に使用できない。（異物が詰まる）
（ii）弁体または本体の形状が複雑になるので製作コストが高い。
【００１７】
(iii) これらの構造は流路中に突起物や付加物をさらすことになるので、高流速の流体の流速エネルギーや異物衝突に対して強度を確保することが困難である。
【００１８】
（iv）弁体が全閉近くになるとき、非常に狭い流路になるために突起物や付加物の効果が小さくなる。
【００１９】
（ｖ）どちらも弁体と弁軸の中心が同一軸でありシール構造を有する場合は、高温流体に適さない構造である。
【００２０】
本発明は、上記のような従来技術の問題点を解決し、以下の点を改善することを課題としている。
【００２１】
１）バルブ縮流部で発生するキャビテーションを少なくし、キャビテーションの抑制によって騒音抑制につなげる。（液体流体の場合）
２）弁開度の移動量あたりのＣｖ値変化量を小さくし制御性を向上させる。
【００２２】
特に全閉近くの開度でのＣｖ値変化量を小さくする。
【００２３】
３）スラリーや異物を含む流体にも適用できる構造とする。
【００２４】
４）部分的に無理な応力（高流速エネルギー、異物衝突等）がかからない構造として高流速での使用を可能とする。
【００２５】
５）既存の技術によりシール構造を安易に設計でき、高温時でも使用できる構造にする。
【００２６】
６）製作コストが最低限で実現構造にする。
【００２７】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために本発明の採った手段は、弁体外径と本体内径を配管内径Ｄの０．８倍以下とした、全閉時、弁体周面と本体内面とのシール面が弁棒中心を通らない偏心型バタフライ弁において、弁座直後以降のオリフィス側の本体内径を、配管内径と同じ寸法まで拡大させ、ノズル側の本体内径を小さい開度での制御性を向上させるために、回転する弁体に沿った構造とし、２次側フランジ面までの途中で配管内径と同じ寸法に拡大したことを特徴としている。
【００２９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を、前項で述べた課題の解決手段の理論的説明（キャビテーション）と実測（実験）装置（図５）及びその実験結果を示したグラフ（図６，７）及び実施例（図１〜図４）を用いて説明する。
【００３０】
なお、図８は、本発明と比較するために図示した一般的な偏心形バタフライ弁の流れ方（流れ状態）を示すもので、弁体と本体の隙間から出た流体は、管壁の流速ゼロの境界面と弁体裏側の渦による低速部に挟まれたＡ部、すなわち縮流部において最も高速になり圧力が低下する。又、この縮流部では、渦や管壁付近との流速の差が大きいために気泡核がキャビテーション気泡に成長するきっかけとなってしまう。
【００３１】
縮流部Ａでは圧力が急激に低くなるために、気泡が急激に大きくなり、それが十分に持続し、さらに気泡が大きくなったところで、圧力が回復し気泡がつぶれるために激しいキャビテーションの発生原因となっている。
【００３２】
又、縮流部Ａが管壁に近いことから気泡がつぶれる際の衝撃も大きくなる。
【００３３】
キャビテーションの発生原因は、前述したように急激に圧力が低下する部分によるものであり、またキャビテーションが激しくなるのは気泡が成長するための時間が必要である。このことからキャビテーションを抑制するためには、低圧部を生じさせないようにすることと、気泡を成長する時間を与えないようにすることが必要である。
【００３４】
そこで、本発明では、図１に示すように、本体２１に形成された弁座２２と弁体２３との全閉時におけるシール面が弁棒２４の中心から偏心している偏心形バタフライ弁であって、弁体２３の外径と、弁座部２２の本体２１内径φｄを、配管２６の内径φＤの０．８倍以下とし、弁座２２直後以降のオリフィス側（図１で上方）の本体２１の内径２１ａを、配管２６の内径φＤと同じ寸法まで拡大させ、ノズル側（図１で下方）の本体内径２１ｂを、回転する弁体２３の外径に沿った構造とし、２次側フランジ面２５までの途中で配管内径φＤと同じ寸法に拡大し、弁軸棒２４中心は内径拡大部に位置している。
【００３５】
図２は、２次側からみた本体２１の構造を示し、図３（ａ）は、ノズル側本体内径２１ｂが弁座部２２と平行な所で拡大する構造であり、図３（ｂ）は、ノズル側本体内径が開度θ°まで弁体外径に沿った構造で、その直後、一気に拡大する構造を示している。
【００３６】
図４は、弁座部２２のシール部の一例で、（ａ）は、金属製シートリング２２ａを、本体２１の側端部に形成された弁座部２２の内径端面の凹所に嵌め込み、弾性板状部２１ｄを介し弁座押え２１ｃによって押圧保持されている。また、（ｂ）は、樹脂系のシートリング２２ｂを弁体２３の外周縁と接するように弁座押え２１ｃの凹部に密接して取付けられている。
【００３７】
図５は、上記のように構成された本発明の偏心形バタフライ弁の使用時の流れの状態を示す説明図であって、弁体周縁部と接する弁座部２２の内径φｄを小さくしているので、縮流部Ａ部の縮流を緩和し、縮流部の流速を小さくして圧力低下を少なくすることができる。
【００３８】
また、渦の低速部（弁棒の後流側に生じる。）と縮流部（高速部）Ａの距離が広がるので、それらの速度差を小さくすることができ、気泡核が成長し始めるきかっけを少なくする。その上、発生したキャビテーション気泡が管壁近くで崩壊する量が少なくなる。
【００３９】
上記のようにして以下の効果をもたらす。
【００４０】
１）縮流部の圧力低下を少なくして、気泡発生を抑制する。
【００４１】
２）縮流部と渦の速度差が小さく、気泡が成長するきっかけを少なくできる。
【００４２】
３）気泡が発生しても、オリフィス側、ノズル側共に２次側で内径が急拡大するために、圧力の回復が早く気泡が成長する時間が短くなる。よってキャビテーション気泡の成長が抑制できる。
【００４３】
４）キャビテーション気泡が管壁近くで崩壊する量が少なくなり、配管へのダ
メージを軽減できる。
【００４４】
図６は、弁座の内径比の設定について、呼び径２００Ａの配管（内径φ２００．３）にて弁座部内径をφ１５０にした場合の本発明のＦＬ値及びＫｃ値を測定した結果グラフを、縦軸にＦＬ値、Ｋｃ値を、横軸に弁開度（％）をとって示したもので、実線にて示す。また同グラフに示した破線は、一般の偏心弁のＦＬ値、Ｋｃ値を示す。これらの結果からわかるように、本発明のＦＬ値及びＫｃ値が格段に大きくなっていることがわかる。
【００４５】
一般のウエハ形偏心弁の弁座径（φｄ）は配管内径（φＤ）の９５％位に設定されている。この寸法は、弁体が回転するときに配管と干渉しないために設定された寸法であり、本発明のようにキャビテーション抑制のことを考慮にいれた寸法ではない。
【００４６】
本発明に記載した試験の内径比は（φｄ／φＤ）は７５％であるが、他の実験結果から８０％以下の内径比では効果があり、７０％にしても７５％の場合と効果は変わらないことが確認されている。
【００４７】
上記の測定結果において、キャビテーション初生係数（Ｋｃ値）は、キャビテーションの発生開始を係数化したもので大きい程、発生しにくい。また、圧力回復係数（ＦＬ値）は、弁通過時の圧力回復の度合いを係数化したものでＦＬ値が大きい程、圧力回復が小さくキャビテーションが発生しにくくなる。
【００４８】
以上により、内径比（φｄ／φＤ）が８０％以下にてキャビテーション抑制効果（＝騒音の低減）がある。
【００４９】
次に、偏心構造の利点及び弁座部と弁棒の位置関係については、弁座部直後のオリフィス側が配管径に拡大した部分で弁棒位置がある偏心構造とする。このことにより下記の効果がある。
【００５０】
１）キャビテーション抑制効果は弁座部にて絞られた後、少しでも早く拡大することにより最大の効果が得られる。
【００５１】
２）偏心構造であるために既存の技術でツール構造を安易に設計できる。
【００５２】
これに対し、弁座部中心と弁棒中心が同一の中心弁の場合、シール構造を設けるためには、構造を複雑にするか、拡大位置を弁座部より下流側後方に位置することになり内径を拡大してキャビテーションを抑制する効果が低下することになる。
【００５３】
また、制御性能の向上については、上記のように弁座の径を小さくすることにより、弁容量係数（Ｃｖ値）は同径の一般偏心弁より径の２乗に比例して小さくなることから全閉から全開の移動量当たりのＣｖ値変化量が小さくなる。これにより制御性を向上させることができる。
【００５４】
本発明のバタフライ弁と一般の偏心型バタフライ弁の開度１００％のＣｖ値を１００とした時の、Ｃｖ（％）のグラフを図７（ａ）に示し、低開度でのデータを拡大したグラフを図７（ｂ）に示す。（本発明のバタフライ弁を実線、一般の偏心型バタフライ弁を破線で示している）
上記したグラフより低開度でのＣｖ（％）が格段に小さくなっていることがわかる。弁座部直後、ノズル側の本体内径を回転する弁体の外径に沿った構造にすることによりノズル側の流量増加が抑制され、小さな開度での制御性を向上させることができる。
【００５５】
なお、他の実施例として、図４に示すもの以外に、シールのための弁座部のシートリングを設けずに本体と一体形にしてもよい。
【００５６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、全閉時、弁体周面と本体内面とのシール面が弁棒中心を通らない偏心形バタフライ弁において、弁体から発生する騒音、キャビテーションを抑制するために、弁体外径と弁座部の本体内径を、配管内径Ｄの０．８倍以下とし、弁座直後以降のオリフィス側の本体内径を、配管内径と同じ寸法まで拡大させ、ノズル側の本体内径を小さい開度での制御性を向上させるために、回転する弁体外径に沿った構造とし、２次側フランジ面までの途中で配管内径と同じ寸法に拡大したことにより、次のような効果を奏することができる。
【００５７】
（ｉ）縦軸にＦＬ値、Ｋｃ値を、横軸に弁開度（％）をとって示した図６の結果から分かるように、本発明はキャビテーションを抑制する効果があり、それに伴う騒音を低減する効果がある。
【００５８】
（ii）弁体外径と弁座部の本体内径が小さいため弁開度の移動量あたりのＣｖ値変化量が小さく、制御性を向上できる。
【００５９】
同様に今までレデューサにて弁呼び径を小さくしていた条件の時にレデューサが不要になる。
【００６０】
(iii) 弁座部直後でノズル側の本体内径が、回転する弁体外径に沿った構造を持つため、開き出し直後の流量増加を制限でき、低開度での制御を向上できる。
【００６１】
（iv）突起物や付加物が無いため形状がシンプルになり、スラリーや異物を含む流体に使用可能で、また部分的に無理な応力がかからず、製作コストが小さくなる。
【００６２】
また、偏心弁構造のため、既存の技術により弁座部のシール構造を安易に設計できる構造とすることができると共に、キャビテーション抑制効果を最大限に引き出すことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示す制御用バタフライ弁の弁棒に直角方向の断面図である。
【図２】２次側からみた本発明の他の部品を除く本体内径の構造を示す。
【図３】（ａ）（ｂ）は図２の異なる実施例を示すＡ−Ｂ断面図である。
【図４】（ａ）（ｂ）は本発明の弁座部におけるシール部の異なった実施例を示す要部断面図である。
【図５】本発明のバタフライ弁の作用説明図である。
【図６】本発明の実験によって導かれた弁開度に対するＦＬ値及びＫｃ値の結果を示すグラフである。
【図７】（ａ）は弁開度が１００％の時のＣｖ値を１００で表したときの本発明のバタフライ弁と一般の偏心弁のＣｖ値を比較したグラフであり、（ｂ）は図（ａ）のグラフの低開度の部分を拡大したグラフである。
【図８】一般的な偏心形バタフライ弁の流れの状態を示す説明図である。
【図９】従来例を示し、（ａ）は断面図、（ｂ）は図（ａ）のｂ−ｂ線断面図である。
【図１０】他の従来例を示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は弁体の平面図である。
【符号の説明】
２１  本体
２１ａ  オリフィス側本体内径拡大部
２１ｂ  ノズル側本体内径の小さい開度での回転弁体外径に沿った部分
２１ｃ  弁座押え
２１ｄ  弾性板状部
２２  弁座部
２２ａ  金属製シートリング
２２ｂ  樹脂製シートリング
２３  弁体
２４  弁棒
２５  配管フランジ
２６  配管
φｄ  弁座部の本体内径
φＤ  配管内径
【図１】
0003675288.tif 000004
【図２】
0003675288.tif 000005
【図３】
0003675288.tif 000006
【図４】
0003675288.tif 000007
【図５】
0003675288.tif 000008
【図６】
0003675288.tif 000009
【図７】
0003675288.tif 000010
【図８】
0003675288.tif 000011
【図９】
0003675288.tif 000012
【図１０】
0003675288.tif 000013