(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体を流過させる配管の経路上に配設される略円筒状の弁本体と、弁本体内に配置され流路の開閉をする弁体とを備え、弁体が着座する弁座が弁軸中心に対して流体の流れ方向に偏心した位置にあり、弁軸の中心が流体の流下方向に対して垂直な方向と、流体の流下方向における下流側とに偏心した二重偏心位置にある制御弁において、弁体の上流側の面におけるノズル側のエッジ部周辺に、上流側に向かって丘状に隆起した上流ノズル側隆起部を形成し、該隆起部からオリフィス側のエッジ部に向かう上流側の面を平坦な面に形成し、且、弁体のノズル側の下流側の面を、弁軸を中心に、弁座と弁体弁座とが当接するシール面に対して上流方向に５゜乃至２０゜傾斜する傾斜面にすると共に、弁体のオリフィス側のエッジ部をノズル側のエッジ部に比べて径方向外向きに膨出させ、弁体が小開度で開いた場合でも弁本体内部との隙間が小さく保たれ、流量を制限し、小開度からも微妙な制御が可能なイコールパーセンテージ特性を実現することができるようにしたことを特徴とする制御弁。
【請求項２】
弁体の全開状態における下流直後位置に、所定の深さの孔を等ピッチで複数形成した複数枚の多孔プレートを、流体の流下方向とほぼ並行に適宜の間隔を存して配置したキャビテーション防止体を配設し、多孔プレートの各孔より流体に過流を生成させて、流体をおだやかに且均等に減圧させることにより、低差圧から高差圧下でキャビテーションの発生を防止するようにしたことを特徴とする請求項１記載の制御弁。
【請求項３】
複数の多孔プレートに形成される孔が、多孔プレートの表裏面からそれぞれ所定の深さの窪み状に形成されていることを特徴とする請求項２記載の制御弁。
【請求項４】
複数の多孔プレートに形成される孔が、多孔プレートの表裏を貫通して形成されていることを特徴とする請求項２記載の制御弁。
【請求項５】
キャビテーション防止体が、弁体の下流直後位置において、着脱可能に配設されていることを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載の制御弁。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体を流過させる配管の経路上に配設されるキャビテーションを防止するためのキャビテーションブレーカに関し、特にキャビテーションブレーカが、キャビテーション抑制性を有し且高差圧及び高流速下における流量制御性及び圧力制御性を有する偏心型バタフライ弁と、この偏心型バタフライ弁の下流直後位置に配設されるキャビテーション防止性を有するキャビテーション防止体とから構成される制御弁に関する。
【背景技術】
【０００２】
流体を流動させる配管の経路上に配設される通常のバルブは、液相流体に使用した場合、該バルブの上流側と下流側との差圧が大きくなると、弁の下流側直後位置の圧力が低下し飽和蒸気圧以下になりやすく、そのためキャビテーションが発生しやすくなる。飽和蒸気圧以下になったベナコントラクタとも呼ばれる圧力低下点の下流域には、キャビテーションが発生し、キャビテーション気泡を発生させると共に弁の下流域でその気泡が崩壊して衝撃圧を発生させることによって騒音や振動を生じさせる上、バルブ本体内面や配管を損傷させることもある。この現象は、特に配管の経路上に配設されるバルブがバタフライ弁やボール弁の場合に、それらの弁を使用した際の圧力回復が大きいことなどもあって、より顕著に発生する。
【０００３】
配管の経路上に配設されるバルブには様々なタイプのものが存在するが、一般に流量や圧力を制御する制御弁は、流下させる流体の流れに対して弁によって抵抗を加え、その流量や下流側の圧力を制御し得るように構成されている。流体が弁を通過する際には、弁部で縮流部が発生し、弁直後位置で最も収縮した縮流となることによって、その領域における流速が速くなり、その領域の圧力が低下する。これに加え、例えばバタフライ弁の場合には、弁体の下流側の面付近において渦流が発生し、この渦内部に低圧部が発生することが重なり、キャビテーションの発生しやすい状況ができてしまう。また、弁の上流側と下流側との差圧を大きくする程、即ち高差圧である程、圧力低下点の圧力低下量は大きくなり、キャビテーションの発生抑制や流量特性の制御がより一層困難になる。
【０００４】
キャビテーションは、同一差圧であっても弁種や弁構造によってベナコントラクタにおける圧力低下量が異なり、圧力回復し難い弁の方がキャビテーションは発生し難くなることが知られている。圧力回復は、圧力回復係数と呼ばれる弁固有の値によって規定され、この値が大きい程キャビテーションが発生し難くなる。例えば、その値は、グローブ弁では約０．８、バタフライ弁では約０．６５、ボール弁では約０．５５であり、バタフライ弁やボール弁に比べ、グローブ弁はキャビテーションが発生し難い。
【０００５】
このようなことから従来、キャビテーションを抑制するのによく採られてきた手段は、圧力回復係数値の高い弁種を選択し、更にその弁種の中でもより高い制御性を得るために設計された圧力回復係数値の高い弁にするというものであった。この他、キャビテーションを抑制するための手段には、例えば、本出願人によって開示された特許文献１の技術が挙げられる。特許文献１の技術は、中心型バタフライ弁における弁体の表面の所定位置に複数のくし歯を設けることによって、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するように構成されている。
【０００６】
この他、キャビテーションの発生を抑制する手段としては、例えば、特許文献２に開示されているように、ボール弁と多孔板とを併設し、ボール弁での圧力損失に加えて多孔板での圧力損失を付加して圧力損失を分散させることによって、キャビテーションを抑制するというものがあった。特許文献２のバルブは、ボール弁の内部において、弁体の上流側と下流側の両側或いは何れか一方に流体を通過させ得る孔を複数貫穿してなる流体緩衝部を設けることによって耐キャビテーション特性を持たせたものである。
【０００７】
他方、制御バルブは、その目的に流量制御があり、その流量制御性はバルブ固有の流量特性によっている。流量特性を表現する手段として弁前後の差圧が一定の時の弁開度に対する流量を％表示した固有流量特性があり、制御特性として代表的なものとしては、小さい弁開度領域で大きな流量の変化が現れるクイックオープン特性や、Ｃｖ値と弁開度とが正比例して変化するＣｖリニア特性、或いは、流量％と弁開度％とが対数比例して変化するイコールパーセンテージ特性などがあり、バルブの構造によって大きく異なる。例えば、通常の中心型バタフライ弁の場合には、弁開度６０°以下でイコールパーセンテージ特性を示し、偏心型バタフライ弁では、弁の開き出し時には流量が一時的に多くなるクイックオープン特性が発現して制御可能な範囲が狭くなる傾向があるなどそれぞれ固有の特性があるため、使途に応じて適した特性を有する弁を選択する必要がある。固有流量特性とは、弁前後の差圧が一定とした場合の特性であるが、実際の配管ラインの場合は、渦巻きポンプの吐出圧と流量の関係や二次側の配管状況によって、弁前後の圧力および流量は変化する。このような実際の弁開度に対する流量を表した特性を実効流量特性という。その中でも弁の代表的特性を考える上で渦巻きポンプの特性を用いて代表的な実効流量特性（以下、単に実効流量特性という）を表す場合が多い。
【０００８】
Ｃｖリニア特性は、バルブの弁差圧を一定とする条件下において、弁開度％に対してその弁を通過する流体の流量％が正比例する性質であり、固有流量特性において直線的で、実効流量特性において上凸型の曲線的となる。弁開度％に対する流量％を考えた際には、弁開度が小さい範囲において流量が大きく変化してしまう反面、弁開度が大きい範囲においては流量の変化は穏やかで制御性が向上するという傾向がある。このため、Ｃｖリニア特性に優れたバルブは、真のリニア性を必要とする場合、例えば、ダムや貯水池のようなレベル一定の大きなタンクの元弁としての使途に適する。その他、弁の抵抗に比べて配管抵抗が小さい場合に適している。
【０００９】
これに対して、イコールパーセンテージ特性の固有流量特性は、弁開度の単位変化量に対する流量変化が、流量に対数比例する特性であり、下凸型に曲線的になるが、実効流量特性では、ほぼ正比例になる。広範な使用シーンにおいて比較的弁の制御性が良く、従来のバタフライ弁の多くは、イコールパーセンテージ特性に近い流量特性を示す。イコールパーセンテージ特性に優れたバルブは、一般に広範な使途に用いられ、配管系に大きな圧力変動が有る場合に適し、最大、最小の流量の間で差圧の変化が３：１以上の場合に適している。
【特許文献１】特開昭５７−１５７８６６号公報
【特許文献２】特許昭６１−２５６０８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特許文献１のキャビテーション抑制機能を持ったバタフライ弁によれば、弁開度が小さい領域においては、弁体表面に形成された複数のくし歯によって流体が細かいジェット流に分散することによってキャビテーションを抑制することができるものの、弁開度が大きな領域においては、くし歯の効果が軽減されるため、高差圧や高流速になった条件下ではキャビテーション抑制機能は不十分となるという問題があった。
【００１１】
また、特許文献２の流体緩衝部を有するバルブにおいては、そのキャビテーション抑制能力は、流体緩衝部の能力によって決まる。ところが、多孔板やオリフィス等の流体緩衝部を複数段設けたとしても、高差圧下においては、十分なキャビテーション抑制効果を得ることができないという問題があり、仮に、流体緩衝部を非常に多くの多段にした場合には設置部の大きさが非常に大きくなってしまうという副次的な問題が生じる。その上、弁としての良好な制御特性が得られる流量範囲が狭くなってしまうという問題もあった。つまり、上記説明のとおり、従来、高差圧下において流量や圧力を高精度に制御可能で且キャビテーションの発生を防止することができる制御弁は皆無であった。
【００１２】
また、従来の中心型バタフライ弁は、弁開度６０°以下の領域で比較的イコールパーセンテージ特性に優れるものの、高開度では制御性が悪化するという問題があり、偏心型バタフライ弁にあっては、低開度の弁開度領域では制御性が悪化するという問題があり、Ｃｖリニア特性に優れた流量特性を示すバタフライ弁は無く、広範な制御性を得られるバタフライ弁は皆無であった。
【００１３】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、どのような弁体であってもその弁体の下流直後位置に配設することでキャビテーションを抑制することが可能なコンパクトなキャビテーション抑制体を提供することを目的とする。
【００１４】
更に、本発明は、キャビテーション防止体の上流直前位置に配設する弁体を、流体解析を用いて、適宜の構造の弁体の適当な弁開度状態において該弁体の下流域に生じる負圧領域を分析し、負圧領域の大きさでキャビテーションが起こる傾向を判断して高度な制御性を有する弁体構造を導き出すことによって、弁体単体であってもキャビテーション抑制能力を有し、且、低開度から高開度に至る広範な弁開度において高精度に流量と圧力とを制御可能で、弁の中間開度における流量特性を使途によって選択できる弁体形状を作出すると共に、前記キャビテーション防止体と該弁体形状の弁体とを組み合わせることによって、シンプルでコンパクトでありながらより一層高度にキャビテーションを防止でき、高差圧及び高流速の条件下であっても高度な制御性を発揮する制御弁を提供せんとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決するために本発明の制御弁において採った手段は、流体を流過させる配管の経路上に配設される略円筒状の弁本体と、弁本体内に配置され流路の開閉をする弁体とを備え、弁体が着座する弁座が弁軸中心に対して流体の流れ方向に偏心した位置にあり、弁軸の中心が流体の流下方向に対して垂直な方向と、流体の流下方向における下流側とに偏心した二重偏心位置にある制御弁において、弁体の上流側の面におけるノズル側のエッジ部周辺に、上流側に向かって丘状に隆起した上流ノズル側隆起部を形成し、該隆起部からオリフィス側のエッジ部に向かう上流側の面を平坦な面に形成し、且、弁体のノズル側の下流側の面を、弁軸を中心に、弁座と弁体弁座とが当接するシール面に対して上流方向に５゜乃至２０゜傾斜する傾斜面にすると共に、弁体のオリフィス側のエッジ部をノズル側のエッジ部に比べて径方向外向きに膨出させ、弁体が小開度で開いた場合でも弁本体内部との隙間が小さく保たれ、流量を制限し、小開度からも微妙な制御が可能なイコールパーセンテージ特性を実現することができるようにしたことを特徴とする。
【００１６】
弁体の全開状態における下流直後位置に、所定の深さの孔を等ピッチで複数形成した複数枚の多孔プレートを、流体の流下方向とほぼ並行に適宜の間隔を存して配置したキャビテーション防止体を配設し、多孔プレートの各孔より流体に過流を生成させて、流体をおだやかに且均等に減圧させることにより、低差圧から高差圧下でキャビテーションの発生を防止するようにしたことを特徴とする。
【００１７】
複数の多孔プレートに形成される孔が、多孔プレートの表裏面からそれぞれ所定の深さの窪み状に形成されていることを特徴とする。
【００１８】
複数の多孔プレートに形成される孔が、多孔プレートの表裏を貫通して形成されていることを特徴とする。
【００１９】
キャビテーション防止体が、弁体の下流直後位置において、着脱可能に配設されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明は、キャビテーション防止体を、所定の深さの孔を等ピッチで複数形成してなる複数枚の多孔プレートを互いに適宜の間隔を存して、流下する流体の流れにほぼ平行になるように流路上に配設して構成したことによって、該流体が該多孔プレート間を通過する際に、各多孔プレートに形成された流下方向に対して垂直な方向の各孔が該流体の渦流の抵抗になり、該渦流の運動エネルギを熱エネルギに変換し、該流体を穏やかに且均等に減圧することができ、コンパクトで低コストでありながら、既設の弁に設置することも可能で、弁体の下流直後に配設するだけで、低差圧乃至高差圧下においてキャビテーションの発生を防止することができるという効果がある。
【００２１】
また、本発明の制御弁は、上流側に本発明の弁体を、その下流直後位置に本発明のキャビテーション防止体を配設し、このキャビテーション防止体の上流直前位置に配設する弁体を、流体解析を用いて、適宜の構造の弁体の適当な弁開度状態において該弁体の下流域に生じる負圧領域を分析し、負圧領域の大きさでキャビテーションが起こる傾向を判断して高度な制御性を有する弁体構造を導き出すことによって、弁体単体であってもキャビテーション抑制能力を有し、且、低開度から高開度に至る広範な弁開度において高精度に流量と圧力とを制御可能で、弁の中間開度における流量特性を使途によって選択できる弁体形状を作出すると共に、該キャビテーション防止体と該弁体形状の弁体とを組み合わせることによって、シンプルでコンパクトでありながらより一層高度にキャビテーションを防止でき、高差圧及び高流速の条件下であっても高度な制御性を発揮することが可能になるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
この発明の実施の形態を、以下に詳細に説明する。この発明の制御弁は、流体を流過させる配管の経路上に配設される、高差圧及び高流速下においてもキャビテーションを防止しつつも流量制御性や圧力制御性を発揮し得るキャビテーション防止構造を有するバタフライ弁であって、弁本体の内部には弁体と、キャビテーションを防止するためのキャビテーション防止体とを併設したことを特徴とするものである。尚、ここで、バタフライ弁の構造は特に限定されないが、好ましくは、制御性の良好な弁体やキャビテーション抑制能力を有する弁体を選択することが好ましい。
【００２３】
弁本体は、その内部に流体を流過させることができる流路が形成される円筒状をなす。この弁本体の内部の上流側位置には、該内部の開閉を可能とするように弁棒によって回転可能に軸支される弁体を有する。弁体の全開状態における下流直後位置には、キャビテーションを防止するためのキャビテーション防止体が配設される。
【００２４】
キャビテーション防止体は、所定の深さの孔を等ピッチ、好ましくは、多孔プレートに設けられる各孔の孔径をｄとするとき、１．５ｄ以上４ｄ以下として複数形成してなる複数枚の多孔プレートを互いに適宜の間隔を存して、該弁本体内を流下する流体の流れにほぼ平行になるように、弁体の下流直後位置に配設してなる。多孔プレート同士の各間隔は、多孔プレートに設けられる各孔の孔径をｄとするとき、１ｄ以上３ｄ以下に設定することが好ましい。またこのとき、多孔プレートは、流体の流下方向における長さを２０ｄ以上１００ｄ以下に設定することが好ましい。
【００２５】
また、多孔プレートに形成される孔は、該多孔プレートの表裏面に亘って貫通したものであってもよく、或いは、多孔プレートの板面から適当な深さで窪ませて形成したものであってもよい。更に、多孔プレートは必ずしも平板状でなければならないというものではなく、例えば、多孔板の適当な部位が略垂直な方向に曲がったものであってもよい。
【００２６】
以上のように構成される多孔プレートを有してなるキャビテーション防止体は、配管の呼び径をＤとするとき、弁体の全開状態における該弁体の最も下流に位置する部位から該キャビテーション防止体の上流側端部までの間隔が１Ｄ以内となるように配設することが好ましく、この範囲を超えるとキャビテーションの防止効果や騒音の低減効果が低下する。また、弁本体と弁体とを有する弁は、該弁体の下流直後位置に、キャビテーション防止体を着脱可能に配設し得るように構成することが可能であり、この場合、メンテナンスが容易になる上、キャビテーション防止体のみの交換が可能となる。
【００２７】
以上の説明のように、キャビテーション防止体を構成した制御弁においては、流体が多孔プレート間を通過する際には、各多孔プレートに形成された流下方向に対して垂直な方向の各孔が該流体の渦流の抵抗になり、該渦流の運動エネルギーを熱エネルギーに変換し、該流体を穏やかに且均等に減圧させることによって、低差圧乃至高差圧下においてキャビテーションの発生を防止するように構成される。
【実施例１】
【００２８】
本発明の実施例を、以下に添付図面を参照しながら詳細に説明する。本実施例の制御弁(１)は、流体(Ｆ)を流過させる配管の経路上に配設される、高差圧及び高流速下においてもキャビテーションを防止しつつも高い流量制御性や圧力制御性を発揮し得るキャビテーション防止構造を有する偏心型バタフライ弁であって、弁本体(２)の内部にキャビテーション抑制能力を有する弁体(３)と、キャビテーションを防止するためのキャビテーション防止体(４)とを併設したことを特徴とするものである。
【００２９】
図１に示すように、制御弁(１)は、略円筒状の弁本体(２)と、この弁本体(２)の内部上流側位置に、該内部の開閉を可能とするように、弁体ボス部(301)に挿通される弁棒(５)によって回転可能に軸支される弁体(３)と、該弁体(３)の開閉軌跡に干渉しない下流直後位置に配設されるキャビテーションを防止するためのキャビテーション防止体(４)とを備える。
【００３０】
図１及び３を参照して、弁本体(２)は、円筒形状の流路を貫設してなり、弁本体(２)の上流側開口部にはゴム等の弾性密封材からなるシートリング(203)が取り外し可能に装着され、流路(204)の実質的な径を設定しつつ、弁体(３)周縁の弁体弁座(302)が当接して流路(204)を閉塞し得る弁座(205)をなしている。シートリング(203)は、弁本体(２)の流路の上流側の開口部に環状をなすシートリング固定体(206)によって着脱可能に固定される。尚、本実施例の制御弁(１)は、流量や圧力の制御を目的としているため、弁座(205)径は配管呼び径より小さく設定するのが好ましく、弁座(205)径の大きさは配管呼び径の８０％程度とするのが最適である。
【００３１】
弁本体(２)は、上流側外周面から直径方向外方に弁棒軸支部(213)(215)が延出している。一方の弁棒軸支部(213)の半径方向外側の上端には、弁棒(５)の軸方向に直交する平面を有し、弁棒(５)を駆動するアクチュエータ等を取り付けるための取付板部(208)が形成される。
【００３２】
弁本体(２)内部は、全閉位置の弁体(３)のノズル側の背面位置から弁棒(５)のほぼ中心位置にかけて下流側に向かって内径が拡大して流路(204)が拡開し、該弁棒(５)のほぼ中心位置から弁体(３)の半径程の下流位置までほぼ一定の内径に形成される。更に、弁本体(２)内部の流路(204)は、この下流位置から、弁棒(５)の中心から弁体(３)の外周縁までの相当距離の該弁棒(５)中心位置からの下流位置までにかけて、穏やかに内径が縮小して流路(204)が窄まるように形成される。そして、弁本体(２)内部は、弁棒(５)の中心から弁体(３)の外周縁までの相当距離の該弁棒(５)中心位置からの下流位置から、弁本体(２)の下流側端部までにかけて、内径が一定に形成され、キャビテーション防止体(４)を着脱可能に装着するためのキャビテーション防止体装着空間(210)が形成される。尚、弁本体(２)内部の弁体(３)の全閉位置におけるオリフィス側の弁体(３)の下流直後部位には、半径方向内側に凸設した逆転防止部(211)が形成され、弁体(３)の逆転を防止するようになっている。
【００３３】
弁本体(２)の内部の下流側領域に形成されるキャビテーション防止体装着空間(210)には、該キャビテーション防止体装着空間(210)の内径とほぼ同等の外径を有する外形が略円筒状をなすキャビテーション防止体(４)が、弁本体(２)の下流側から挿着され、その下流側端面から固定用螺子(212)で弁本体(２)に対して固着される。
【００３４】
図１及び４乃至６を参照して、キャビテーション防止体(４)は、キャビテーション防止体装着空間(210)の内径とほぼ同等の外径を有し、且、所定の長さを有する円筒状をなす円筒形枠体(401)と、この円筒形枠体(401)の内部に互いに平行に多数配設される多孔プレート(402)とからなっている。多孔プレート(402)は、板面方向に多数の孔(403)を貫穿して成る金属製のパンチングプレートを、高さ方向に向かって昇降する階段状に適宜に折り曲げて構成されるものである。
【００３５】
各多孔プレート(402)をなすパンチングプレートは、適宜のサイズ、例えば厚さ１．５ｍｍ、幅８４ｍｍで、適当な長さの金属板に、直径３ｍｍの貫通孔(403)を縦方向には５ｍｍピッチで、横方向には互いに６０°ずらして５ｍｍピッチで多数穿孔してなる。各多孔プレート(402)の適宜に折り曲げてなる階段状の部分は、パンチングプレートを高さ方向部分は３０ｍｍピッチに、水平方向部分は５ｍｍピッチに折り曲げて形成される。尚、多孔プレート(402)は、パンチングプレートに穿設する孔(403)の孔径をｄとするとき、流体(Ｆ)の流下方向における長さを２０ｄ以上１００ｄ以下に設定することが好ましい。また、このとき、孔(403)同士のピッチは１．５ｄ乃至４ｄ程度にすることが好ましく、多孔プレート(402)同士の間隔は、制御の目標値によって適宜の値に設定することができるが、ｄ乃至３ｄに設定することが適切であり、この範囲を超えると制御特性が低下する。
【００３６】
このように階段状に形成した各多孔プレート(402)は、円筒形枠体(401)の水平な直径方向に対して、互いに平行に重ねたとき、それらの上下方向の形状が該円筒形枠体(401)の内径に一致するように形成される。キャビテーション防止体(４)は、上記説明の如くに互いに平行に重ねて構成した複数の多孔プレート(402)を円筒形枠体(401)内に収容し、各多孔プレート(402)が弁本体(２)内を流過する流体(Ｆ)の流れにほぼ平行となるように構成される。
【００３７】
キャビテーション防止体(４)は、全開時における弁体(３)に干渉しない位置における該弁体(３)の下流直後位置に、好ましくは、配管の呼び径の大きさをＤとするとき、全開時における弁体(３)の下流側端部の直後位置から距離１Ｄまでの範囲内にキャビテーション防止体(４)の上流側の端部が位置するように、弁本体(２)内に形成されるキャビテーション防止体装着空間(210)を設定すると共に、キャビテーション防止体(４)をこのキャビテーション防止体装着空間(210)の内部に装着する。
【００３８】
上記説明したように構成されるキャビテーション防止体(４)によれば、弁本体(２)内を流過する流体(Ｆ)が、円筒形枠体(401)内に配設された多孔プレート(402)間を通過する際に、各多孔プレート(402)に形成された流下方向に対して垂直な方向の各貫通孔(403)が該流体(Ｆ)の渦流の抵抗になり、該渦流の運動エネルギーを熱エネルギーに変換し、流体(Ｆ)を穏やかに且均等に減圧させることによって、低差圧乃至高差圧下においてキャビテーションの発生を防止することができる。
【００３９】
図７乃至１１を参照して、以上説明のように構成されるキャビテーション防止体(４)によるキャビテーション防止効果を、流体解析モデルのシミュレーションの結果を用いて示す。ただし、ここで用いた流体解析モデルとしてのキャビテーション防止体(40)は、孔径ｄの孔(43)を多数貫穿してなる多孔プレート(42)を備えたキャビテーション防止体(40)の中央部の縦断面の斜視状態を表した図７及び、図７のキャビテーション防止体(40)の適当な部位の横断面を表した図８に示すものである。即ち、このモデルのキャビテーション防止体(40)は、長さ３０ｄの円筒形枠体(41)内に、その内径を高さ方向に四等分し互いに適宜の間隔を存して形成される三枚の水平板(44a)(44b)(44c)を有し、それら水平板(44a)(44b)(44c)で画成された円筒形枠体(41)内部の各段の空間内には、奥行き３０ｄで適宜の高さに設定される孔径ｄの貫通孔(43)が１．２ｄピッチで多数穿設されてなる多数の多孔プレート(42)が、互いに１．２ｄ間隔で平行に配設されて構成される。
【００４０】
図９は、このように設定したキャビテーション防止体(40)の内部に、適当な量の流体(Ｆ)を適当な流速及び圧力で通過させ、その際の圧力分布を解析した結果を示すものである。図９に示すように、各多孔プレート(42)間を流過する流体(Ｆ)には、減圧領域が見られるものの、各多孔プレート(42)に形成した多数の孔(43)の各孔(43)内の領域は、等圧になっている。
【００４１】
これは、図１０に示すように、多孔プレート(42)の表裏面を流過する流体(Ｆ)の渦流が孔(43)内領域で干渉によって相殺されるか、孔が抵抗になって、運動エネルギーがなくなるということが確認された。
【００４２】
また、多孔プレート(42)に形成した多数の孔(43)による流体(Ｆ)の圧力の穏やかな減圧効果を確認するための、上記モデルのキャビテーション防止体(40)の孔(43)を全て無くし、多孔プレート(42)を単なるプレート(45)にしたキャビテーション抑制体(46)を設定し、キャビテーション防止体(40)との比較シミュレーションを行なった。その結果を図１１に示す。図１１（Ａ）は、孔無しプレート(45)のキャビテーション抑制体(46)のシミュレーション結果を示したものであり、図１１（Ｂ）は、多数の孔(43)を形成した多孔プレート(42)のキャビテーション防止体(40)のシミュレーション結果を示したものである。
【００４３】
図１１（Ａ）及び（Ｂ）の比較から明らかなとおり、（Ａ）のキャビテーション抑制体(46)では、流体(Ｆ)の流れ方向におけるキャビテーション抑制体(46)の中央部付近が広い範囲で強度に減圧され、そこから下流側端部に亘る広い範囲に減圧領域が形成され、下流側端部直後に再び強い減圧領域が発生している。これに対して、（Ｂ）のキャビテーション防止体(40)では、下流側端部付近の狭い領域で、比較的弱い減圧領域が発生するものの（Ａ）のキャビテーション抑制体(46)に比べ、著しく減圧度合いが小さいことが確認された。尚、図９及び１１では、流体の色の濃い部分程、強く減圧されていることを示している。
【００４４】
以上の結果から、流体(Ｆ)は、キャビテーション防止体(４)内を流体(Ｆ)が流過する際、互いに適当な間隔を存して平行に配設された多数の多孔プレート(402)に形成された多数の孔(403)の各孔(403)において、互いに対向する渦流が干渉によって相殺するか、孔の抵抗により渦の運動エネルギーが熱に変換されることで、キャビテーション防止体(４)内を流過する流体(Ｆ)が下流に向かって徐々に減圧され、キャビテーションが抑制乃至防止されるということが理解される。
【００４５】
尚、多孔プレート(402)の形状は、図１２（Ａ）乃至（Ｆ）に示すように様々な形態に構成することが可能である。例えば、図１２（Ａ）や（Ｂ）に示すように、所定の厚さのプレート(402a)(402b)に、その表裏に貫通した円孔(403a)(403b)を等ピッチで多数形成して構成してもよい。或いは、図１２（Ｃ）に示すように、プレート(402c)の表裏側からそれぞれ凹設した孔(403c)を穿設してもよく、この場合、孔(403c)の穿設位置は、表裏面で必ずしも一致していなくてもよく、例えば、（Ｄ）や（Ｆ）のように表裏面に形成される孔(403d)(403f)の位置を互い違いにずらして穿設してもよい。また、孔(403c)の形状は、円孔に限らず、例えば、（Ｄ）や（Ｅ）、（Ｆ）に示すように、錐形や半円形状であってもよい。また、（Ｂ）に示すように、プレート(402b)の適当な部位を流体(Ｆ)の流下方向に対して略垂直な方向に曲がった段部を形成したり、或いは、（Ｅ）に示すように、プレート(403e)を流体(Ｆ)の流下方向に対して略垂直な方向に波形に曲げて形成してもよい。
【００４６】
次いで、図１及び２及び１３乃至１５を参照して、本実施例の弁体(３)の構成について詳細に説明する。本実施例の弁体(３)は、上流側の表面の外周縁部に、弁本体(２)の内部に形成される弁座(205)に着座する弁体弁座(302)を有し、下流側の表面即ち背面には、弁棒(５)を挿通し得この弁体(３)の回転の軸をなして弁本体(２)に回転可能に軸支するための弁体ボス部(301)が形成され、全体として略円板状をなす偏心型バタフライ弁である。
【００４７】
弁座(205)は、弁棒(５)の弁軸中心に対して流体(Ｆ)の流れ方向に偏心した位置にあり、これと同様に弁体弁座(302)も弁軸中心に対して偏心した位置にあって、全閉時に弁座(205)に着座する形状になっている。弁軸中心は、流体(Ｆ)の流下方向に対して垂直な方向と、流体(Ｆ)の流下方向における下流側とに偏心した二重偏心型になっている。
【００４８】
弁体(３)は、弁本体(２)の内部において、該内部の弁座(205)に当接したり、離間したりすることによって開閉を可能とするように、弁体ボス部(301)に挿通される弁棒(５)によって弁本体(２)に対して回転可能に軸支される。弁体(３)の背面に形成される弁体ボス部(301)は、弁体(３)背面の上下それぞれ弁軸方向に延びた略円筒形状をなす上部弁体ボス部(301a)と下部弁体ボス部(301b)とからなる。
【００４９】
弁棒(５)は、長尺状の丸棒から削り出してなる比較的長い上部弁棒(501)と、比較的短い下部弁棒(502)とからなる。上部弁棒(501)は、その下端部が弁体(３)背面に形成される上部弁体ボス部(301a)に挿通され、固定用ピン(305)で弁体(３)に一体的に固定される。上部弁棒(501)は、その下部から中央部にかけて、弁本体(２)に形成される上部弁棒軸支部(213)に挿通され、上部弁棒軸支部(213)の上端付近においてパッキン(214)でシールされる。下部弁棒(502)は、その上端部が弁体(３)背面に形成される下部弁体ボス部(301b)に挿通され、固定用ピン(306)で弁体(３)に一体的に固定される。下部弁棒(502)は、その上部から下端部にかけて、弁本体(２)に形成される下部弁棒軸支部(215)に挿通され、下部弁棒軸支部(215)の下端からベアリングスペーサ(216)を介して下部カバー体(217)で閉止されつつ、下部弁棒軸支部(215)がシールされる。
【００５０】
図２７に示すように、従来の一般的な二重偏心型バタフライ弁(2001)における弁体弁座(2302)は、配管方向即ち、流体(Ｆ)の流れ方向に対して垂直に配置され、弁体(2003)を全閉状態から少し開けた時点で流体(Ｆ)が一度に流れ出す。従って、低開度では、微妙な制御がし難いという問題があった。
【００５１】
これに対して本実施例の弁体(３)では、図１３に示すように、弁体(３)の背面には、弁軸を中心に、弁座(205)と弁体弁座(302)とが当接するシール面に対して時計回りに５°乃至２０°の傾きが設けられ、低開度では、全閉時におけるアンバランストルクが低くなると共に、弁閉止トルクの低減を実現した。更に、弁体(３)の上流側の表面におけるノズル側のエッジ部(309)周辺に、上流側に向かって比較的大きく丘状に隆起した上流ノズル側隆起部(310)が形成され、弁体(３)のオリフィス側は肉厚を増加させると共に、オリフィス側のエッジ部(311)はノズル側のエッジ部(309)に比べて径方向外向きに膨らんでいる。これによって、弁体(３)が小開度で開いた場合でも弁本体(２)内部との隙間が小さく保たれ、流れ出る流体(Ｆ)の流量を制限し、小開度からも微妙な制御が可能なイコールパーセンテージ特性を実現することができるようになっている。
【００５２】
一般に、制御弁の場合、弁の中間開度で制御するため、中間開度における弁トルクが小さい程、制御性が高くなる。本実施例の弁体(３)においては、低開度から高開度領域までほぼ一様に弁体に作用するダイナミック流体力によってベアリングトルクを殆ど無くすと共に、流体(Ｆ)によるトルクが低いレベルに抑制されたことによって、弁トルクを最大で５分の１程度に抑えることが可能になっており、中間開度領域においても著しく制御性の向上がなされている。
【００５３】
以上のように構成される本実施例のイコールパーセンテージ特性を発現する二重偏心型の弁体(３)と、従来の中心型バタフライ弁(3001)の弁体(3003)とをそれぞれモデリングし、弁本体(２)の内部に配設すると共に、それらの弁を同等の開度に開き、適当な量の流体(Ｆ)を適当な流速及び圧力でそれぞれの弁本体(２)内部に、紙面左側から右側に向かって通過させ、その際の圧力分布を解析した。それらの結果を図１６及び１７に示す。
【００５４】
図１６は、本実施例の弁体(３)の圧力分布を解析した結果を示すものであり、図１７は従来の中心型バタフライ弁(3001)における弁体(3003)の圧力分布を解析した結果を示すものである。これらの比較から明らかなとおり、従来の中心型バタフライ弁(3001)の弁体(3003)の背面には、非常に強大な負圧領域が存在するのに対して、本実施例の弁体(３)にあっては、弁体(３)の背面には殆ど負圧領域が無く、弁体(３)の上流側表面のノズル側の一部と、弁体(３)のオリフィス側のエッジ部(311)周辺とにそれぞれ弱小な負圧領域が作出されているだけであることが分かり、キャビテーションは流体(Ｆ)中の負圧領域で生成して、成長することから、本実施例の弁体(３)では、キャビテーションの発生が抑制されるということが理解される。尚、図１７及び１８では、流体の色の濃い部分程、強く減圧されていることを示している。
【００５５】
以上のように構成されるイコールパーセンテージ特性を発現する二重偏心型の弁体(３)と、上記説明のキャビテーション防止体(４)とを組み合わせた図１及び４乃至６に示す本実施例の制御弁(１)をモデリングし、流体解析を用いてシミュレーションを行なった。その結果を図１８に示す。図１８から明らかなとおり、本実施形態の制御弁(１)の流体解析の結果は、負圧領域が最も小さく、イコールパーセンテージ特性を発現する二重偏心型の弁体(３)によるキャビテーション抑制効果と、その下流直後位置に配設されるキャビテーション防止体(４)によるキャビテーション防止効果との相乗効果が現れていることが理解される。
【００５６】
そこで、従来型のバタフライ弁と、従来型のバタフライ制御弁と、本実施例のイコールパーセンテージ特性を発現する二重偏心型の弁体(３)を単体で用いた場合と、本実施例のイコールパーセンテージ特性を発現する二重偏心型の弁体(３)とキャビテーション防止体(４)とを組み合わせた場合とのそれぞれについて、弁開度を７０°に固定した場合における低差圧から高差圧までの差圧に対する騒音特性を測定し、本発明のキャビテーション防止効果や騒音低減化効果を確認し、その結果を図１９に示すグラフにまとめた。
【００５７】
図１９から明らかなとおり、本実施例のイコールパーセンテージ特性を発現する二重偏心型の弁体(３)を単体で用いた場合であっても、従来型の弁と比べて著しく騒音低減効果が発現されることが確認された。つまり、このイコールパーセンテージ特性を発現する二重偏心型の弁体(３)は、低開度から高開度に至る広範な弁開度において高精度に流量制御を行なうことができる上、低差圧から高差圧に至る広範な差圧下においてキャビテーションを防止することができるということが示された。更に、本実施例の弁体(３)と本実施例のキャビテーション防止体(４)とを併用することによって、そのキャビテーション防止効果や騒音低減効果が一層著しく発現するということが言える。
【００５８】
尚、実施例１の弁体(３)の弁開度％に対するＣｖ値％の測定値を図２３に示す。その結果から、本実施例の弁体(３)は、近似的にイコールパーセンテージ特性を発現することが分かり、このことから、本実施例の弁体(３)は、イコールパーセンテージ特性を発現する二重偏心型をなすものであると言える。以上において本実施例の弁体(３)としては、イコールパーセンテージ特性を発現する二重偏心型の弁体(３)を例に説明したが、本発明の弁体はこれに限定されるものではない。以下に、弁体に関する別の実施例を示す。
【実施例２】
【００５９】
以下、本発明の制御弁における弁本体の内部に配設される弁体(1003)の実施例を図面を参照しながら詳細に説明する。尚、実施例１と同様の構成についての説明は概説にとどめるものとする。
【００６０】
図２０乃至２２を参照して、本実施例における別の形態の弁体(1003)は、上流側の表面の外周縁部に、弁本体の内部に形成される弁座に着座する弁体弁座(1302)を有する。弁体(1003)の下流側の表面即ち背面には、弁棒(1005)を挿通し得この弁体(1003)の回転の軸をなして弁本体に回転可能に軸支するための弁体ボス部(1301)が形成され、全体として略円板状をなしている。この弁体(1003)は、弁軸中心が流体(F)の流下方向に対して垂直な方向と、流体(F)の流下方向における下流側とに偏心した二重偏心位置にあり、弁座は弁棒(1005)の弁軸中心に対して流体の流れ方向に偏心した位置にあり、これと同様に弁体弁座(1302)も弁軸中心に対して偏心した位置にあって、全閉時に弁座に着座する形状になっている二重偏心型バタフライ弁である。
【００６１】
弁体(1003)は、弁本体の内部において、該内部の弁座に当接したり、離間したりすることによって開閉を可能とするように、弁体ボス部(1301)に挿通される弁棒(1005)によって弁本体に対して回転可能に軸支される。弁体(1003)の背面に形成される弁体ボス部(1301)は、弁体(1003)背面の上下それぞれ弁軸方向に延びた略円筒形状をなす上部弁体ボス部(1301a)と下部弁体ボス部(1301b)とからなる。
【００６２】
弁体(1003)の背面には、弁軸を中心に、弁座と弁体弁座(1302)とが当接するシール面に対して時計回りに５°乃至２０°の傾きが設けられ、低開度では、全閉時におけるアンバランストルクが低くなると共に、弁閉止トルクの低減を実現した。更に、弁体(1003)の上流側の表面におけるノズル側のエッジ部(1309)周辺とオリフィス側のエッジ部(1311)周辺とに、上流側に向かって丘状に隆起した上流ノズル側隆起部(1310)と上流オリフィス側隆起部(1312)とが形成される。上流ノズル側隆起部(1310)の隆起の大きさは、比較的小さく設定し、そのかわりに上流オリフィス側隆起部(1312)の隆起を高めに設定する。また、弁体(1003)の下流側の面のオリフィス側のエッジ部(1313)周辺には、下流側に向かって丘状に隆起したように形成される下流オリフィス側隆起部(1314)を有し、オリフィス側のエッジ部(1313)はノズル側のエッジ部(1315)に比べて肉厚に膨らんでいる。これによって、低中開度での流量特性を変化させて制御できるように構成され、弁体(1003)が小開度で開いた場合でも弁本体内部との隙間が小さく保たれ、流れ出る流体(F)の流量を制限し、小開度からも微妙な制御が可能なＣｖリニアパーセンテージ特性を実現することができるように構成することもできる。
【００６３】
以上のように構成される実施例２のＣｖリニアパーセンテージ特性を発現する二重偏心型の弁体(1003)の弁開度％に対するＣｖ値％の測定値を図２４に示す。その結果から、本実施例の弁体は、近似的にＣｖリニアパーセンテージ特性を発現することが確認された。
【００６４】
尚、Ｃｖリニアパーセンテージ特性を発現する二重偏心型の弁体(1003)をキャビテーション防止体を併設せずに単体で用いて、弁開度を２０°から９０°の範囲で差圧とトルクを測定し、差圧に対するトルク即ちトルク／差圧を係数化して弁開度に対する値として図２５に示すグラフにまとめ、トルク係数の大きさを図２６に示す従来弁のトルク係数と比較した。図２５は、開動過程と閉動過程とが殆ど同じグラフであることから、Ｃｖリニアパーセンテージ特性を発現する二重偏心型の弁体(1003)においては、ベアリングトルクが殆ど無い上、流体(F)によるトルクが小さいことが分かる。これに対して図２６の従来弁の開動過程と閉動過程とのグラフは互いに異なっている。これらの結果から、Ｃｖリニアパーセンテージ特性を発現する二重偏心型の弁体(1003)は、トルク係数が小さく制御性が高いことが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】イコールパーセンテージ特性を発現する二重偏心型の弁体と、キャビテーション防止体とを併設してなる本実施例の制御弁の構成を示す断面図
【図２】同制御弁の縦断面図
【図３】同制御弁の背面図
【図４】本実施例のキャビテーション防止体の正面図
【図５】（Ａ）同キャビテーション防止体を構成する多孔プレートを板面方向から見た図、（Ｂ）同多孔プレートを端面方向から見た図
【図６】同多孔プレートの積層構造を示す図
【図７】流体解析モデルとしてのキャビテーション防止体の構造を示す斜視縦断面図
【図８】流体解析モデルとしてのキャビテーション防止体の構造を示す部分横断面図
【図９】流体解析モデルとしてのキャビテーション防止体の流体解析結果を示す流体の圧力分布図
【図１０】多孔プレートの表裏面に発生する渦流の様子を模式的に示す図
【図１１】（Ａ）孔無しプレートのキャビテーション抑制体のシミュレーション結果を示す図、（Ｂ）多数の孔を形成した多孔プレートのキャビテーション防止体のシミュレーション結果を示す図。
【図１２】（Ａ）〜（Ｆ）多孔プレートの変形例の主要な構造を示す断面図
【図１３】本実施例のイコールパーセンテージ特性を発現する二重偏心型の弁体の構造を示す平面図
【図１４】同イコールパーセンテージ特性を発現する二重偏心型の弁体の構造を示す背面図
【図１５】同イコールパーセンテージ特性を発現する二重偏心型の弁体の構造を示す縦断面図
【図１６】同イコールパーセンテージ特性を発現する二重偏心型の弁体の圧力分布を解析した結果を示す図
【図１７】従来の中心型バタフライ弁の弁体の圧力分布を解析した結果を示す図
【図１８】本実施例のイコールパーセンテージ特性を発現する二重偏心型の弁体とキャビテーション防止体とを組み合わせてなる本実施例の制御弁の圧力分布を解析した結果を示す図
【図１９】各弁の騒音特性を測定した結果を示すグラフ
【図２０】本実施例のＣｖリニアパーセンテージ特性を発現する二重偏心型の弁体の構造を示す平面図
【図２１】同Ｃｖリニアパーセンテージ特性を発現する二重偏心型の弁体の構造を示す背面図
【図２２】同Ｃｖリニアパーセンテージ特性を発現する二重偏心型の弁体の構造を示す縦断面図
【図２３】本実施例のイコールパーセンテージ特性を発現する二重偏心型の弁体の弁開度％に対するＣｖ％の値を示すグラフ
【図２４】本実施例のＣｖリニアパーセンテージ特性を発現する二重偏心型の弁体の弁開度％に対するＣｖ％の値を示すグラフ
【図２５】本実施例のＣｖリニアパーセンテージ特性を発現する二重偏心型の弁体の弁開度％に対するトルク／差圧の係数値を示すグラフ
【図２６】従来弁の弁開度％に対するトルク／差圧の係数値を示すグラフ
【図２７】従来の一般的な二重偏心型バタフライ弁の構成を示す図
【符号の説明】
【００６６】
１  制御弁
２  弁本体
201  配管用フランジ
202  配管用フランジ
203  シートリング
204  流路
205  弁座
206  シートリング固定体
207  弁棒軸支部
208  取付板部
209  ボルト穴
210  キャビテーション防止体装着空間
211  逆転防止部
212  固定用螺子
213  上部弁棒軸支部
214  パッキン
215  下部弁棒軸支部
216  ベアリングスペーサ
217  下部カバー体
３  弁体
301  弁体ボス部
301a  上部弁体ボス部
301b  下部弁体ボス部
302  弁体弁座
303  円筒形状部
304  円筒形状部
305  固定用ピン
306  固定用ピン
309  ノズル側のエッジ部
310  上流ノズル側隆起部
311  オリフィス側のエッジ部
４  キャビテーション防止体
40  キャビテーション防止体
41  円筒形枠体
42  多孔プレート
43  孔
44a  水平板
44b  水平板
44c  水平板
45  プレート
46  キャビテーション抑制体
401  円筒形枠体
402  多孔プレート
402a  プレート
402b  プレート
402c  プレート
403  孔
403a  円孔
403b  円孔
403c  孔
403d  孔
403e  孔
403f  孔
５  弁棒
501  上部弁棒
502  下部弁棒
1003  弁体
1301  弁体ボス部
1301a  上部弁体ボス部
1301b  下部弁体ボス部
1302  弁体弁座
1303  円筒形状部
1304  円筒形状部
1309  ノズル側のエッジ部
1310  上流ノズル側隆起部
1311  オリフィス側のエッジ部
1312  上流オリフィス側隆起部
1313  オリフィス側のエッジ部
1314  下流オリフィス側隆起部
1315  ノズル側のエッジ部
1005  弁棒
2001  従来の二重偏心型バタフライ弁
2302  弁体弁座
3001  従来の中心型バタフライ弁
3003  弁体
Ｆ  流体 
【図１】
0004245187.tif 000002
【図２】
0004245187.tif 000003
【図３】
0004245187.tif 000004
【図４】
0004245187.tif 000005
【図５】
0004245187.tif 000006
【図６】
0004245187.tif 000007
【図７】
0004245187.tif 000008
【図８】
0004245187.tif 000009
【図９】
0004245187.tif 000010
【図１０】
0004245187.tif 000011
【図１１】
0004245187.tif 000012
【図１２】
0004245187.tif 000013
【図１３】
0004245187.tif 000014
【図１４】
0004245187.tif 000015
【図１５】
0004245187.tif 000016
【図１６】
0004245187.tif 000017
【図１７】
0004245187.tif 000018
【図１８】
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【図１９】
0004245187.tif 000020
【図２０】
0004245187.tif 000021
【図２１】
0004245187.tif 000022
【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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