トラニオン型ボール弁
【課題】バネによる弾発力と、流体圧とによる２重シール方式によって一次側、二次側からの高圧流体を確実に封止でき、全体のコンパクト性とシートリテーナの強度とを確保しつつ、流体圧による所定の押圧力を発生させて最適なシール面圧に調整して安定したシール性を確保できると共に、弁操作トルクの上昇を抑制して耐久性を高め、優れた操作性を維持できるトラニオン型ボール弁を提供する。
【解決手段】ボデー本体１４内にステム１１を介してボール１２を回転自在に設け、このボール１２をシール接触するためのシール機構１３をボール１２の両側位置に配置したトラニオン型ボール弁である。シール機構１３は、ボールシート２５と、シートリテーナ１８と、バネ部材２２と、シール部材２０から成る。バネ部材２２がシートリテーナ１８に付与する弾発力と、シール部材２０の内径側で設定された流体圧とによりシール機構１３の押圧力が構成される。
【解決手段】ボデー本体１４内にステム１１を介してボール１２を回転自在に設け、このボール１２をシール接触するためのシール機構１３をボール１２の両側位置に配置したトラニオン型ボール弁である。シール機構１３は、ボールシート２５と、シートリテーナ１８と、バネ部材２２と、シール部材２０から成る。バネ部材２２がシートリテーナ１８に付与する弾発力と、シール部材２０の内径側で設定された流体圧とによりシール機構１３の押圧力が構成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ボール弁に関し、特に、水素ステーションなどの高圧ガス（水素）などに好適な高圧用のトラニオン型ボール弁に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、例えば、９０ＭＰａ以上の水素等の高圧流体が流れる配管設備においては、一般的に高圧用のトラニオン型ボール弁が用いられる。この種のボール弁は、一般的に、ボール弁体がステムとトラニオンとにより回動自在にボデー内に支持され、ボデー内にはリテーナ部材とボールシートとが装着され、このリテーナ部材とボールシートとが、スプリングのばね力を介してボール弁体に密着状態に装着された構造になっている。このとき、リテーナ部材とボデーとの間には、シール用Ｏリングが装着されている。
この構造により、このボールバルブは、バルブの上下流側で２重シール方式と呼ばれるシール方向になっている。２重シール方式は、ボールシートの初期つぶし代をばね力でつぶしてリテーナ部材とともにボール弁体に密着させる力と、流体による押圧力でボール弁体とボールシートとを密着させる、いわゆる自緊力とにより、シール機能を発揮するシール方式であり、この２重シール方式により、高圧用ボールバルブは、高圧流体による圧力を利用して封止性を高めようとしている。このとき、このボールバルブは、ボール弁体に対して、一次側、二次側のどちら側からの流体圧でも、ボールシートがボール弁体に押圧されて自緊力を発揮する、いわゆる、ダブルシール構造になっている場合が通常であり、このダブルシール構造によって一次側、二次側の何れか一方側からの流体圧が加わったときに、この流体圧によって２重シールが働くようになっている。
【０００３】
２重シール方式のボールバルブとしては、例えば、図１２に示したボールバルブや、特許文献１に示したボールバルブが知られている。
図１２のボールバルブ１は、コイルスプリング２によるばね力と、自緊力とにより封止性を得ようとするものであり、リテーナ部材３の外周側に形成されたＯリング４装着用の段状部５により自緊力を発生させている。このボールバルブ１において、Ｈ1をリテーナ部材３の段状部５の拡径側の外径、Ｈ2をリテーナ部材３の段状部５の縮径側の外径とすると、図において、リテーナ部材３の右側から左側に圧力が加わる場合には、ボールシート６とボール弁体７とが直径ｈ1の位置（シール部位の内周位置）でシールし、このときのシート押圧力（自緊力）Ｆ1は、シート押圧力Ｆ1＝１／４・π（Ｈ12−ｈ12）×ΔＡ1と表される。ここで、ΔＡ1は差圧であり、この差圧ΔＡ1は、リテーナ部材３の右側の圧力（流路内の圧力）−リテーナ部材３の左側の圧力（キャビティ８内の圧力）である。
一方、リテーナ部材３の左側から右側に圧力が加わる場合には、ボールシート６とボール弁体７とはキャビティ８を介して直径ｈ2の位置（シール部位の外周位置）でシールし、このときのシート押圧力Ｆ2は、シート押圧力Ｆ2＝１／４・π（ｈ22−Ｈ22）×ΔＡ2と表される。このとき、差圧ΔＡ2は、リテーナ部材３の左側の圧力−リテーナ部材３の右側の圧力である。
このように、自緊力は、リテーナ部材３を介して一次側と二次側とにおける差圧と、この差圧が加わるときのリテーナ部材３の一次側と二次側との面積差との積によって表される。
【０００４】
特許文献１におけるボールバルブは、ボール弁体、リテーナ部材、ボールシート、皿ばねを有し、皿ばねのばね力と、流体による自緊力とによってボールシートをボール弁体に密着させようとするものである。このボールバルブにおいては、流路内の圧力がキャビティ部内の圧力を超えると、不均衡な流路圧力荷重によりリテーナ部材が弁要素とのシール係合方向に付勢され、作動荷重シール力は、不均衡な流路圧力荷重と不均衡なキャビティ部圧力荷重との夫々と平行関係になっている。すなわち、このバルブは、ばね力による作動シール荷重と、流体圧による流路圧力荷重（自緊力）とを平行に発揮させて、高圧流体に対する封止性を高めようとするものである。
【０００５】
上述した構造のトラニオン型ボールバルブは、２重シール構造によりボール弁体とボールシートとの密着性を高めて高圧流体に対するシール性を向上させようとしているが、このとき、高圧用バルブではボール弁体の回転トルクによる操作性も考慮する必要があり、回転トルクに対する耐久性を向上させてスムーズな操作性を確保する必要もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１０／９０１４６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１や図１２のボールバルブは、図１２において、ダブルシール構造とするためにリテーナ部材３にＯリング４装着用の段状部５を設けてＯリング４の内外周側をシール面とし、段状部５の拡径側の外径Ｈ1、縮径側の外径Ｈ2と、ボールシート６とボール弁体７とのシール部分である直径ｈ1、ｈ2とによる差により自緊力を作用させる面積を設けているため、この直径差が大き過ぎると差圧の加わる面積が大きくなり、自緊力によるシート押圧力が過大になる。そのため、操作トルクが大きくなって操作性が損なわれ、ボールシート６の耐久性も悪くなって寿命を早めるおそれもある。
【０００８】
この自緊力の増加を防ぐため、外径Ｈ1を小さく形成して直径ｈ1に対する外径Ｈ1の拡径割合を小さくすることが考えられるが、この場合、外径Ｈ1の縮径によってＯリング装着用の段状部５の寸法を確保するために形成されている縮径筒部９も小径になり、この縮径筒部９が薄肉化により高圧負荷時の過大な応力に耐えきれないおそれがある。このため、縮径筒部９にかかる応力を下げるためにＯリング４の内径および外径寸法を大きくすると、ボール弁体７やボールシート６もこの大きさに合わせて大きくする必要が生じ、バルブ全体が大型化すると共に、操作性も悪化する。
一方、外径Ｈ2を大きく形成して外径Ｈ2に対する直径ｈ2の拡径割合を小さくした場合、外径Ｈ2の拡径により外径Ｈ1も大きくなって、上記のＯリング４を大きく形成した場合と同様に、バルブ全体が大型化して操作性も悪化する。
【０００９】
バルブ全体の大型化を回避しながら、直径ｈ1に対する外径Ｈ1、外径Ｈ2に対する直径ｈ2の拡径割合を小さくしようとするために、断面寸法が小さいＯリングを用いることも考えられるが、この場合、Ｏリングの断面寸法を無理に小さくすることはこのＯリングによるシール性能を悪化させることにつながるため実現は困難である。
【００１０】
また、上記したように、これらのバルブは、外径Ｈ1と外径Ｈ2との間の空間にＯリング４を装着する構造であり、この外径Ｈ1、Ｈ2の径の大きさや径の差がＯリング４のシール機能に影響を及ぼす構造であるため、Ｏリング４のサイズの選定も難しくなるという問題もある。Ｏリング４によるシール性を向上させるために、外径Ｈ1と外径Ｈ2との差を大きくし、大きい断面のＯリングを装着することも可能であるが、この場合、縮径筒部９の肉厚が薄くなって過大な応力に耐え切れなくなる。
【００１１】
このように、これらのボールバルブは、Ｏリング装着用の段状部５がリテーナ部材３側に形成されているために、この段状部５を介しての自緊力の調整が難しくなり、その結果、ボールシート６とボール弁体７との面圧力を最適な状態に設定することが困難になっていた。
【００１２】
更に、特許文献１のボールバルブは、ボールシートの径が大きくなっており、このボールシートとボール弁体とのシール位置に対応させて縮径筒部の径を大きく形成することにより、所定の自緊力を得ることは可能になっている。しかし、このように略球形状のボール弁体に対するボールシートのシール径を大きくすると、ボールシートが弁体に抱きついて吸い付きやすくなる。これにより、ボールシートの摩耗が進みやすくなって、シール性が悪化したり操作トルクの上昇につながることがあった。
【００１３】
しかも、同文献１のボールバルブは、皿ばねのばね力による作動シール荷重と、流体圧による自緊力とを平行して発揮させて封止力を得ようとするものであるから、自緊力が低下した場合にはシール性全体に悪影響を及ぼすことになり、安定したシール性と操作時のトルク性とを確保することが難しくなっている。
【００１４】
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、バネによる弾発力と、流体圧とによる２重シール方式によって一次側、二次側からの高圧流体を確実に封止でき、全体のコンパクト性とシートリテーナの強度とを確保しつつ、流体圧による所定の押圧力を発生させて最適なシール面圧に調整して安定したシール性を確保できると共に、弁操作トルクの上昇を抑制して耐久性を高め、優れた操作性を維持できるトラニオン型ボール弁を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、ボデー本体内にステムを介してボールを回転自在に設け、このボールをシール接触するためのシール機構をボールの両側位置に配置したトラニオン型ボール弁であって、シール機構は、ボール面とシール接触するボールシートと、先端に前記ボールシートを装着したシートリテーナと、ボールシート側に弾発力を付与するためにシートリテーナに装着したバネ部材と、シートリテーナの外周面に位置するボデー本体側の内周面の装着溝に装着したシール部材から成り、バネ部材がシートリテーナに付与する弾発力と、シール部材の内径側で設定された流体圧とによりシール機構の押圧力としたトラニオン型ボール弁である。
【００１６】
請求項２に係る発明は、ボデー本体は、ボデーの一次側と二次側にそれぞれキャップ部材を設け、このキャップ部材の内周面にシール部材装着用の装着溝を形成したトラニオン型ボール弁である。
【００１７】
請求項３に係る発明は、キャップ部材の内周面に形成した段部とボデーとキャップ部材の係合部の間に設けた環状ストッパとでシール部材装着用の装着溝を形成したトラニオン型ボール弁である。
【００１８】
請求項４に係る発明は、シール部材をＯリングとし、両側にバックアップリングを配置したＯリングを装着溝に装着したトラニオン型ボール弁である。
【００１９】
請求項５に係る発明は、ステムの上端部に手動用ハンドル又はアクチュエータを取付けて手動又は自動式のバルブとしたトラニオン型ボール弁である。
【発明の効果】
【００２０】
請求項１に係る発明によると、バネによる弾発力と、流体圧とによる２重シール方式であり、ボールをシール接触するためのシール機構をボールの両側位置に配置することによって一次側、二次側からの高圧流体を確実に封止でき、このシール機構によりバネ部材の弾発力とシール部材の内径側で設定された流体圧とによる押圧力を働かせているので全体のコンパクト化を図りつつ、肉厚を充分に確保できることでシートリテーナの強度を確保することもできる。シール時においては、シール部材の内径側によって一次側と二次側の双方の流体圧を設定していることでこの流体圧による押圧力を低減して所定の大きさに維持でき、この自緊力とバネ部材の弾発力とによる押圧力を調整して最適なシール面圧による安定したシール性を確保できると共に、弁操作トルクの上昇を抑制して操作力を小さくしてスムーズな操作性を確保して作動耐久性を高めることが可能になり、超高圧流体に適した高性能のトラニオン型ボール弁を提供できる。このため、ボールシートの材料選定における自由度が増し、より高性能化した製品を製作することもできる。
【００２１】
請求項２に係る発明によると、キャップ部材をボデーから取外し、このキャップ部材の装着溝にシール部材を着脱できるため、繰返しのバルブ開閉動作や経年劣化等によりシール部材が消耗した場合にもこのシール部材を容易に交換でき、このシール部材によるシール性を維持して流体圧による自緊力を安定して発揮させることができる。
【００２２】
請求項３に係る発明によると、キャップ部材の段部と環状ストッパとでシール部材装着用の装着溝を形成していることにより、キャップ部材をボデーから取外し、このキャップ部材から環状ストッパを取外し、この開口側からキャップ部材の段部にシール部材を装着することでこのシール部材を変形や損傷を防ぎつつスムーズに装着でき、この上から環状ストッパを装着することでシール部材を所定位置に配設して高シール性を維持できる。これにより、より高圧な流体に適応した硬質シール部材を用いることも可能になり、高圧用トラニオン型ボール弁としての機能性を一層向上させて流体漏れを確実に防止しつつ高い操作性を確保できる。
【００２３】
請求項４に係る発明によると、キャップ部材の両側にバックアップリングを配置することで、シートリテーナがボデー本体に対してスライドしたときにもこのバックアップリングによりシール部材が両側から保護されるため、シール部材による自緊力やシール機能を長期に亘って維持できる。
【００２４】
請求項５に係る発明によると、必要に応じて手動又は自動式のバルブとすることができ、内部を流れる高圧流体の圧力の大きさや種類、設置箇所などのバルブの使用状況などに応じて適宜の操作方式を採用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明におけるトラニオン型ボール弁の第１実施形態を示した断面図である。
【図２】図１のシートリテーナ付近を示した拡大断面図である。
【図３】図１のステム付近を示した拡大断面図である。
【図４】ハンドルキャップとカバーとの関係を示した模式図である。
【図５】カバーを取外した状態を示したボデーの一部省略平面図である。
【図６】図１のカバー付近を示す一部拡大正面図である。
【図７】本発明におけるトラニオン型ボール弁の第２実施形態を示した断面図である。
【図８】図７のシートリテーナ付近を示した拡大断面図である。
【図９】図７のカバー付近を示す一部拡大正面図である。
【図１０】本発明におけるトラニオン型ボール弁の第３実施形態を示した要部断面図である。
【図１１】差圧と押圧力との関係を示したグラフである。
【図１２】従来のボールバルブを示す一部拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下に、本発明におけるトラニオン型ボール弁の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１においては、本発明におけるトラニオン型ボール弁の第１実施形態を示しており、図２においては、図１のシートリテーナ付近を示している。
【００２７】
図において、本発明におけるボール弁本体（以下、弁本体という）１０は、特に、高圧流体を流す場合に好適であり、ボデー本体内には、ステム１１を介して弁体であるボール（弁体）１２が回転自在に設けられており、このボール１２をシール接触するためのシール機構１３がボール１２の両側位置に配置されたトラニオン型ボール弁の構造になっている。弁本体１０はボデー本体１４により構成され、このボデー本体１４は、ボデー１５とこのボデー１５の一次側と二次側とにそれぞれ設けられたキャップ部材１６、１６とからなっており、このボデー本体１４にシール機構１３が内装されている。ここで、本実施形態における高圧とは、例えば、３５ＭＰａ以上であり、水素ステーション用の配管設備では７０〜１０５ＭＰａ、具体的には９０ＭＰａを想定している。
【００２８】
ボデー１５は、略四角形状に形成され、このボデー１５の両側にガスケット１７を挟着した状態でキャップ部材１６、１６が螺着されてボデー本体１４が構成される。キャップ部材１６の内周面には後述するシートリテーナ１８装着用の装着穴１９が設けられ、この装着穴１９にシートリテーナ１８が嵌挿可能に設けられている。この装着穴１９には、後述するシール部材２０装着用の装着溝２１が形成され、この装着溝２１は、シートリテーナ１８の外周面１８ａに位置するボデー本体１４側の内周面１４ａに設けられている。また、装着穴１９には、この装着穴１９よりも拡径した後述するバネ部材２２装着用の拡径溝部２３が形成されている。更に、装着穴１９の他方側には、めねじ部２４が連通して形成され、このめねじ部２４には外部継手２６が螺着可能になっている。なお、キャップ部材１６は、接着や溶着等の接合手段によりボデー１５と一体化することも可能である。
【００２９】
シール機構１３は、ボールシート２５、前記したシートリテーナ１８、バネ部材２２、シール部材２０から成っている。このうち、ボールシート２５は、ボール１２のボール面１２ａとシール接触可能な環状に形成されている。
【００３０】
シートリテーナ１８は、ボールシート２５をボール１２の所定位置に配置して押圧シールするために設けられ、ボール１２側に配設される拡径部２６と、この拡径部２６よりも縮径した筒部２７とを有している。拡径部２６の先端には溝部２８が形成され、この溝部２８にボールシート２５が装着されている。シートリテーナ１８には内部流路２９が形成されている。
【００３１】
シートリテーナ１８における筒部２７は、後述するようにシール部材２０とバックアップリング３０とがボデー本体１４側に配設されていることで同一径の外径でストレート状に形成され、この筒部２７が装着溝２１に嵌挿されることで、シートリテーナ１８が流路方向に移動可能になっている。筒部２７の外周面にはシール部材２０が密着し、シートリテーナ１８の流路方向への移動時にはこのシール部材２０により筒部２７がシールされる。
【００３２】
バネ部材２２は、例えば、コイルスプリングからなり、拡径溝部２３と、装着穴１９に嵌挿されたシートリテーナ１８の拡径部２６との間に装着され、このバネ部材２２により、シートリテーナ１８のボールシート２５側に弾発力が付与される。このバネ部材２２は、皿バネであってもよい。
【００３３】
シール部材２０は、例えば、ゴム製のＯリングよりなり、バックアップリング３０とともに装着溝２１に装着され、これにより、ボデー本体１４側の内周面１４ａに配設されてシートリテーナ１８の外周面１８ａに配設される。バックアップリング３０は、例えば、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）により形成される。シール部材２０とバックアップリング３０は、別の材質の材料によって形成されていてもよいが、この場合にも、ゴムやＰＴＦＥと同程度の軟質材料をそれぞれ用いることが好ましく、軟質材料を用いることにより装着溝２１に変形させて装着しやすくなる。シール部材２０は、両側にバックアップリング３０、３０が配置された状態で装着溝２１に装着されてこのバックアップリング３０、３０により両側が保護されている。
【００３４】
ボール１２は、上部側に軸部１２ｂと、下部側にトラニオン（ロワステム）１２ｃとを有し、軸受３１を介して軸部１２ｂとロワステム１２ｃとがボデー１５内に回動自在に取付けられる。ボール１２をステム１１により回動操作し、ボール内部に形成された連通孔１２ｄとシートリテーナ１８の内部流路２９とが連通したときには流体を流すことが可能になっている。
【００３５】
弁本体１０は、上記の構成によってバネ部材２２がシートリテーナ１８に付与する弾発力と、シール部材２０の内径側で設定された流体圧とによりシール機構１３による押圧力を発揮し、いわゆる２重シール方式により高圧流体を封止できる構成になっている。
【００３６】
なお、ステム１１の外周側には、Ｖパッキン３２を収納したパッキン座金３３、グランド３４、ブッシュ３５、玉軸受３６が配設され、ステム１１は、これらを介してボデー１５内に回動自在に装着される。
【００３７】
パッキン座金３３は、ステム１１との間をシールする積層Ｖパッキン３２を収納可能な円筒部３７と、このＶパッキン３２を載置するための底部３８とを有しており、円筒部３７の内部に適宜数積層されたＶパッキン３２が収納される。円筒部３７の外周側には環状溝３９が形成され、この環状溝３９にはシール用Ｏリング４０と、保護リング４１とが装着されている。円筒部３７の上面側には、リークした高圧流体を外部に誘導するための切欠溝４２が設けられている。底部側に位置するＶパッキン３２の内外周には、パッキン座金３３と同様に、シール用Ｏリング４０と保護リング４１がそれぞれ装着されている。このように、シール用Ｏリング４０と保護リング４１とが、ステム１１とＶパッキン３２、Ｖパッキン３２とパッキン座金３３、パッキン座金３３とボデー１５との間に装着されていることで、ステム１１の軸装部分からの高圧流体の漏れが防がれている。
【００３８】
パッキン座金３３は、玉軸受３６を介してステム１１の上部側に配設され、これにより、ステム１１が玉軸受３６を介してＶパッキン３２、グランド３４に対して回動自在となる。ボデー１５のパッキン座金３３の対向位置には、リークポート４３が形成されている。このリークポート４３を介して図示しない外部の検知装置により流体漏れを検知することが可能になる。
【００３９】
グランド３４は、略筒状に形成され、内側にパッキン座金３３を嵌入可能な環状鍔部４４と、Ｖパッキン３２を被蓋可能な蓋部４５とを有している。このグランド３４は、パッキン座金３３の上方側より、ボデー１５に形成した装着凹部４６に嵌合するように取付けられ、Ｖパッキン３２を収納したパッキン座金３３を玉軸受３６方向に押圧している。グランド３４の内周側にはブッシュ３５が配設され、このブッシュ３５によりＶパッキン３２がパッキン座金３３の底部３８に押さえつけられる。
【００４０】
このような構成により、弁本体１０内に高圧流体が流れて、図１において外気との差圧によりステム１１が上昇する方向の力が加わった場合にも、パッキン座金３３によりＶパッキン３２が保護されているためこのＶパッキン３２が軸方向に潰れることが防止され、シール性の低下を防いで確実に高圧流体の漏れが防止される。このため、Ｖパッキン３２の消耗を防いでステム１１の操作性の低下を抑えることも可能になる。
【００４１】
また、弁本体１０のボデー１５には図６に示したカバー５０が取付けられ、このカバー５０を介してハンドルキャップ５１、手動用ハンドル５２が取付けられている。
カバー５０は、略円板状に形成され、その底面側にはボデー１５上面側に形成された環状突部５３に嵌合可能な鍔状の側面部５４が設けられ、図５において、この側面５４には、座ぐり部５５と、切欠部５６とが９０°の間隔で互い違いに２つずつ形成されている。カバー５０の中央部には、ハンドルキャップ５１を挿入するための穴部５７が形成され、この穴部５７には、図４に示すように規制片５８が突設形成され、この規制片５８によりステム１１の回転を９０°に規制可能になっている。
【００４２】
図４に示すように、ハンドルキャップ５１は、グランド３４と略同径の略円柱状に形成され、その外周側にはカバー５０の規制片５８に係止可能な係止片５９が突設形成されている。ハンドルキャップ５１の底面側には、ステム１１の上端部に形成された平行部１１ａが嵌合可能な嵌合穴部５１ａが形成され、ハンドルキャップ５１は、この嵌合穴部５１ａと平行部１１ａとの嵌合によりステム１１に一体化される。また、ハンドルキャップ５１には略半円状の取付穴部６０が形成され、一方、ハンドル５２の取付部位は、この取付穴部６０に嵌入可能な略半円状に設けられている。
なお、ボデー１１の環状突部５３における側面の座ぐり部５５と切欠部５６とが対応する位置には雌ネジ６１が設けられ、この雌ネジ６１に固着ボルト６２、止めネジ６３が螺着可能になっている。
【００４３】
ハンドルキャップ５１は、嵌合穴部５１ａと平行部１１ａとの嵌合によりステム１１に所定の向きに取付けられ、この状態でカバー５０がハンドルキャップ５１の上から環状突部５３に嵌合装着される。更に、固着ボルト６２、止めネジ６３が、それぞれカバー５０の座ぐり部５５、切欠部５６を介して雌ネジ６１に螺着されることによりハンドルキャップ５１が固定され、このハンドルキャップ５１にハンドル５２を嵌入して固定用ボルト６４で固定することでハンドル５２がステム上端部１１ｂに取付けられる。ハンドル５２を回転操作するときには係止片５９が規制片５８に当接して規制されるため、ハンドル５２によりステム１１を９０°の回転角度に回転規制しながら開閉操作可能になる。
このように、ステム上端部１１ｂに手動用ハンドル５２を取付けて弁本体１０を手動式のバルブとすることが可能である。
【００４４】
続いて、本発明のトラニオン型ボール弁の上記実施形態における作用を説明する。
本発明の弁本体１０は、シール機構１３のシール部材２０の内径側で流体圧を設定しているので、以下のような自緊力を得ることができる。
【００４５】
図２において、シートリテーナ１８の右側を一次側、左側を二次側とした場合、ボールシート２５とボール１２とは直径ｄ1の位置でシールし、このときの自緊力（ボールシートによる押圧力）をＦ1とすると、自緊力Ｆ1＝１／４・π（Ｄ2−ｄ12）×ΔＰ1となる。ここで、Ｄはシール部材２０におけるシール位置の内径であり、この内径Ｄは筒部２７の外径と一致する。また、ΔＰ1は、弁締め切り差圧（一次側の圧力−二次側の圧力）を表している。本実施形態においては、ｄ1＜Ｄ＜ｄ2の関係に設定している。
一方、シートリテーナ１８の左側を一次側、右側を二次側とした場合、ボールシート２５とボール１２とは直径ｄ2の位置でシールし、このときの自緊力をＦ2とすると、自緊力Ｆ2＝１／４・π（ｄ22−Ｄ2）×ΔＰ2となる。ここで、ΔＰ2は、弁締切り差圧を示している。
このように、弁本体１０内に左右どちら側の向きの圧力が加わり、左右の何れの側が一次側又は二次側である場合でも、弁本体１０とシートリテーナ１８とがシール部材２０の内径Ｄにおいてシールする。
【００４６】
この構造により、直径ｄ1、ｄ2に対してシール部材２０の内径Ｄの寸法を変えるだけで、左右どちらの向きの圧力が加わる場合でも自緊力を調整して流体圧を設定でき、このとき、直径ｄ1、ｄ2と内径Ｄとの差を少なくして自緊力が働く面積を小さくすることにより、小さい自緊力を働かせてこの自緊力による最適なシート押圧力を得ることが可能になる。
従って、流体の自緊力とバネ部材２２の弾発力とによる２重シール方式とした場合において、シール部材２０の消耗を抑えて自緊力の低下（変動）を最小限に抑えて、このシール部材２０の内径側で設定された流体圧とバネ部材２２の弾発力とによるシール機構１３の押圧力をほぼ一定に保って安定したシール性を発揮でき、かつ、操作時におけるトルク性を安定させることが可能になる。このため、シートリテーナ１８を設ける際には、シール部材２０の内径により自緊力の荷重を計算できるため設計の自由度が高くなる。
【００４７】
更に、シール部材２０がボデー本体１４側に装着されることにより、シール性能に悪影響を及ぼすことなくこのシール部材２０による高いシール機能を維持しながら内径Ｄを調節して必要な自緊力を得ることができ、筒部２７を薄肉化させることなく過大な応力にも耐え得ることが可能になる。これにより、剛性を確保しながらシートリテーナ１８のコンパクト化を図って弁本体１０全体の大型化を回避しながら高性能のトラニオン型ボール弁を設けることができる。
【００４８】
このように筒部２７を小径に形成できるため、必要以上に拡径部２６が大きくならず、この拡径部２６に装着されるボールシート２５の径を小さくできる。このため、ボールシート２５のボール１２への抱きつきや吸い付きを防止でき、シール部材２０の消耗が抑えられる。
また、内径寸法を合わせれば、外径をより大きく形成したボールシート２５を採用することもできるため、設計の自由度が増して製品の性能向上が可能になる。
【００４９】
本発明のトラニオン型ボール弁との比較例として、自緊力を全く発揮することなく、バネ部材の弾発力のみでシール機構をボールにシール接触する技術が想定されるが、ボールシートやボールのシール面は、バルブの開閉操作に伴う摩擦などにより、その均一性が低下するおそれがあることから、シール機構の押圧力が流体圧の上昇に伴って増加するよう、本実施形態に示す程度の自緊力を利用するのが最適である。
【００５０】
ここで、本発明の弁本体１０と、特許文献１のボールバルブにおける、差圧と押圧力との関係を比較したグラフを図１１に示す。このグラフにおいて、説明の便宜のため、本発明のトラニオン型ボールバルブにおけるスプリングによる押圧力は、差圧０の状態において特許文献１のボールバルブと同等としている。ばね部材の弾性力による押圧力が同じであるという条件でボールシート（ボールシート）の押圧力を比較すると、同文献１のボールバルブは、ばね力による作動シール荷重と流体圧による流路圧力荷重とを平行に発揮させる構造であることから、差圧が０の状態では二点鎖線に示したスプリングによる押圧力のみが加わった状態になる。この状態から差圧が増していくと、一点鎖線（自緊力２）に示した流体圧による押圧力が大きく増加し、グラフの傾きも大きくなる。
これに対して、本発明の弁本体の場合には、ボールシート２５の押圧力を主にバネ部材２２によって支える構造であるため、実線に示すように、流体圧による押圧力（自緊力）の上昇（グラフの傾き）を抑えることができ、長期に亘って安定した弁座シール性を確保できる。
【００５１】
図７においては、本発明におけるトラニオン型ボール弁の第２実施形態を示しており、図８においては、図７のシートリテーナ付近を示している。なお、この実施形態以降において、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。
【００５２】
図８に示すように、この実施形態における弁本体７０では、キャップ部材７１の内周面に段部７２が形成され、この段部７２とボデー７３とキャップ部材７１の間に形成される係合部７４との間に環状ストッパ７５が設けられている。この環状ストッパ７５の装着により、シール部材２０装着用の装着溝７６が形成され、この装着溝７６にシール部材２０が装着される。このとき、前記実施形態と同様に、Ｏリングであるシール部材２０の両側にバックアップリング３０を配置した状態で装着溝７６に装着することで、シール部材２０がバックアップリング３０により保護される。このとき、バネ部材２２は、環状ストッパ７５とシートリテーナ１８の拡径部２６との間に弾発状態で装着される。
【００５３】
このようにボデー本体１４内に着脱可能な環状ストッパ７５を設けていることで、シール部材２０やバックアップリング３０を開口側から変形させることなく所定位置に簡単に装着できるため、これらを硬質の材料により形成できる。このため、シール機能を更に高めることが可能になり、例えば、９０ＭＰａを超える超高圧流体を流すことも容易になる。
【００５４】
その際、環状ストッパ７５を薄肉の略環形状に形成し、ボデー７３に螺着するキャップ部材７１の装着位置を調整して係合部７４の流路方向の寸法を予め設定しておくことにより、環状ストッパ７５のボデー側先端部７５ａとボデー７３との間に、例えば、０．５ｍｍ程度の隙間Ｇを形成できる。このように、ボデー７３にキャップ部材７１を螺着することにより、両部品によってガスケット１７を挟持できるよう、ボデー７３と環状ストッパ７５のボデー側先端部７５ａとボデー７３との間に隙間Ｇを形成している。
【００５５】
この場合には、先端部７５ａがボデー７３に接触することがなく、環状ストッパ７５がバネ部材２２の弾発力によってシール部材２０とバックアップリング３０の装着側であるキャップ部材７１側に押圧されながら装着される。このようにして、環状ストッパ７５は、ボデー７３とキャップ部材７１との間に押圧されて流路方向の移動が規制されるため、この環状ストッパ７５とキャップ部材７１との間に間隙が生じることが防がれ、シール部材２０による高いシール性が確保される。
【００５６】
なお、この実施形態のトラニオン型ボール弁においては、図７に示すように、ステム上端部１１ｂに自動操作用の空圧アクチュエータ８０が取付けられて自動式のバルブとなっている。アクチュエータ８０も、前述した手動用ハンドル５２と同様に、図９に示したカバー７６、固着ボルト６２、止めネジ６３を介してボデー７３に取付けられる。この場合、ステム１１は、空圧アクチュエータ８０の出力軸８２に形成された嵌合穴８３に嵌合されて固定されるため、ハンドルキャップを使用する必要はない。
【００５７】
このアクチュエータ８０は、いわゆるスプリングリターン型であり、内部に装着されたスプリング部材８４の飛び出しを防止するためのリテーナ部材８５が設けられている。このリテーナ部材８５には、突状の突当て部８６が形成され、ピストン８７がシリンダ８８内を往復動するときにこの突当て部８６がシリンダ８８の内部両側に当接することによりピストン８７の図示しないストロークを規制し、出力軸８２の回転角度を所定角度、すなわち９０°に規制している。
【００５８】
図１０においては、本発明におけるトラニオン型ボール弁の第３実施形態を示している。この実施形態における弁本体９０では、環状ストッパ９１を筒状に形成し、この環状ストッパ９１を段部９２と係合部９３との間に設け、この環状ストッパ９１のボデー側先端部９１ａとボデー９４との間に隙間Ｇ´を設けたものである。この場合にも図７の場合と同様に、ボデー９４に対するキャップ部材９５の装着位置を予め調整しておくことで隙間Ｇ´を所定寸法に設定し、シール部材２０、バックアップリング３０を変形させることなくキャップ部材９５の開口側から簡単に装着してこの上から環状ストッパ９１を組付けできる。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明は、特に、燃料電池で使用される高圧流体の水素等が流れる配管設備に好適であるが、高圧流体が流れる管路であれば優れたシール性とトルク性とを発揮でき、例えば、ＣＮＧ（Compressed Natural Gas：液化天然ガス）ステーションにおけるバルブや、或は、パイプライン用バルブなどの各種の高圧流体の流れる場所で使用される高圧用ボール弁として適している。
【符号の説明】
【００６０】
１０ 弁本体
１１ ステム
１２ ボール
１２ａ ボール面
１３ シール機構
１４ ボデー本体
１４ａ 内周面
１５ ボデー
１６ キャップ部材
１８ シートリテーナ
２０ シール部材
２１ 装着溝
２２ バネ部材
２２ａ 外周面
２５ ボールシート
３０ バックアップリング
５２ 手動用ハンドル
７２ 段部
７４ 係合部
７５ 環状ストッパ
７６ 装着溝
８０ 空圧アクチュエータ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ボール弁に関し、特に、水素ステーションなどの高圧ガス（水素）などに好適な高圧用のトラニオン型ボール弁に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、例えば、９０ＭＰａ以上の水素等の高圧流体が流れる配管設備においては、一般的に高圧用のトラニオン型ボール弁が用いられる。この種のボール弁は、一般的に、ボール弁体がステムとトラニオンとにより回動自在にボデー内に支持され、ボデー内にはリテーナ部材とボールシートとが装着され、このリテーナ部材とボールシートとが、スプリングのばね力を介してボール弁体に密着状態に装着された構造になっている。このとき、リテーナ部材とボデーとの間には、シール用Ｏリングが装着されている。
この構造により、このボールバルブは、バルブの上下流側で２重シール方式と呼ばれるシール方向になっている。２重シール方式は、ボールシートの初期つぶし代をばね力でつぶしてリテーナ部材とともにボール弁体に密着させる力と、流体による押圧力でボール弁体とボールシートとを密着させる、いわゆる自緊力とにより、シール機能を発揮するシール方式であり、この２重シール方式により、高圧用ボールバルブは、高圧流体による圧力を利用して封止性を高めようとしている。このとき、このボールバルブは、ボール弁体に対して、一次側、二次側のどちら側からの流体圧でも、ボールシートがボール弁体に押圧されて自緊力を発揮する、いわゆる、ダブルシール構造になっている場合が通常であり、このダブルシール構造によって一次側、二次側の何れか一方側からの流体圧が加わったときに、この流体圧によって２重シールが働くようになっている。
【０００３】
２重シール方式のボールバルブとしては、例えば、図１２に示したボールバルブや、特許文献１に示したボールバルブが知られている。
図１２のボールバルブ１は、コイルスプリング２によるばね力と、自緊力とにより封止性を得ようとするものであり、リテーナ部材３の外周側に形成されたＯリング４装着用の段状部５により自緊力を発生させている。このボールバルブ１において、Ｈ1をリテーナ部材３の段状部５の拡径側の外径、Ｈ2をリテーナ部材３の段状部５の縮径側の外径とすると、図において、リテーナ部材３の右側から左側に圧力が加わる場合には、ボールシート６とボール弁体７とが直径ｈ1の位置（シール部位の内周位置）でシールし、このときのシート押圧力（自緊力）Ｆ1は、シート押圧力Ｆ1＝１／４・π（Ｈ12−ｈ12）×ΔＡ1と表される。ここで、ΔＡ1は差圧であり、この差圧ΔＡ1は、リテーナ部材３の右側の圧力（流路内の圧力）−リテーナ部材３の左側の圧力（キャビティ８内の圧力）である。
一方、リテーナ部材３の左側から右側に圧力が加わる場合には、ボールシート６とボール弁体７とはキャビティ８を介して直径ｈ2の位置（シール部位の外周位置）でシールし、このときのシート押圧力Ｆ2は、シート押圧力Ｆ2＝１／４・π（ｈ22−Ｈ22）×ΔＡ2と表される。このとき、差圧ΔＡ2は、リテーナ部材３の左側の圧力−リテーナ部材３の右側の圧力である。
このように、自緊力は、リテーナ部材３を介して一次側と二次側とにおける差圧と、この差圧が加わるときのリテーナ部材３の一次側と二次側との面積差との積によって表される。
【０００４】
特許文献１におけるボールバルブは、ボール弁体、リテーナ部材、ボールシート、皿ばねを有し、皿ばねのばね力と、流体による自緊力とによってボールシートをボール弁体に密着させようとするものである。このボールバルブにおいては、流路内の圧力がキャビティ部内の圧力を超えると、不均衡な流路圧力荷重によりリテーナ部材が弁要素とのシール係合方向に付勢され、作動荷重シール力は、不均衡な流路圧力荷重と不均衡なキャビティ部圧力荷重との夫々と平行関係になっている。すなわち、このバルブは、ばね力による作動シール荷重と、流体圧による流路圧力荷重（自緊力）とを平行に発揮させて、高圧流体に対する封止性を高めようとするものである。
【０００５】
上述した構造のトラニオン型ボールバルブは、２重シール構造によりボール弁体とボールシートとの密着性を高めて高圧流体に対するシール性を向上させようとしているが、このとき、高圧用バルブではボール弁体の回転トルクによる操作性も考慮する必要があり、回転トルクに対する耐久性を向上させてスムーズな操作性を確保する必要もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１０／９０１４６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１や図１２のボールバルブは、図１２において、ダブルシール構造とするためにリテーナ部材３にＯリング４装着用の段状部５を設けてＯリング４の内外周側をシール面とし、段状部５の拡径側の外径Ｈ1、縮径側の外径Ｈ2と、ボールシート６とボール弁体７とのシール部分である直径ｈ1、ｈ2とによる差により自緊力を作用させる面積を設けているため、この直径差が大き過ぎると差圧の加わる面積が大きくなり、自緊力によるシート押圧力が過大になる。そのため、操作トルクが大きくなって操作性が損なわれ、ボールシート６の耐久性も悪くなって寿命を早めるおそれもある。
【０００８】
この自緊力の増加を防ぐため、外径Ｈ1を小さく形成して直径ｈ1に対する外径Ｈ1の拡径割合を小さくすることが考えられるが、この場合、外径Ｈ1の縮径によってＯリング装着用の段状部５の寸法を確保するために形成されている縮径筒部９も小径になり、この縮径筒部９が薄肉化により高圧負荷時の過大な応力に耐えきれないおそれがある。このため、縮径筒部９にかかる応力を下げるためにＯリング４の内径および外径寸法を大きくすると、ボール弁体７やボールシート６もこの大きさに合わせて大きくする必要が生じ、バルブ全体が大型化すると共に、操作性も悪化する。
一方、外径Ｈ2を大きく形成して外径Ｈ2に対する直径ｈ2の拡径割合を小さくした場合、外径Ｈ2の拡径により外径Ｈ1も大きくなって、上記のＯリング４を大きく形成した場合と同様に、バルブ全体が大型化して操作性も悪化する。
【０００９】
バルブ全体の大型化を回避しながら、直径ｈ1に対する外径Ｈ1、外径Ｈ2に対する直径ｈ2の拡径割合を小さくしようとするために、断面寸法が小さいＯリングを用いることも考えられるが、この場合、Ｏリングの断面寸法を無理に小さくすることはこのＯリングによるシール性能を悪化させることにつながるため実現は困難である。
【００１０】
また、上記したように、これらのバルブは、外径Ｈ1と外径Ｈ2との間の空間にＯリング４を装着する構造であり、この外径Ｈ1、Ｈ2の径の大きさや径の差がＯリング４のシール機能に影響を及ぼす構造であるため、Ｏリング４のサイズの選定も難しくなるという問題もある。Ｏリング４によるシール性を向上させるために、外径Ｈ1と外径Ｈ2との差を大きくし、大きい断面のＯリングを装着することも可能であるが、この場合、縮径筒部９の肉厚が薄くなって過大な応力に耐え切れなくなる。
【００１１】
このように、これらのボールバルブは、Ｏリング装着用の段状部５がリテーナ部材３側に形成されているために、この段状部５を介しての自緊力の調整が難しくなり、その結果、ボールシート６とボール弁体７との面圧力を最適な状態に設定することが困難になっていた。
【００１２】
更に、特許文献１のボールバルブは、ボールシートの径が大きくなっており、このボールシートとボール弁体とのシール位置に対応させて縮径筒部の径を大きく形成することにより、所定の自緊力を得ることは可能になっている。しかし、このように略球形状のボール弁体に対するボールシートのシール径を大きくすると、ボールシートが弁体に抱きついて吸い付きやすくなる。これにより、ボールシートの摩耗が進みやすくなって、シール性が悪化したり操作トルクの上昇につながることがあった。
【００１３】
しかも、同文献１のボールバルブは、皿ばねのばね力による作動シール荷重と、流体圧による自緊力とを平行して発揮させて封止力を得ようとするものであるから、自緊力が低下した場合にはシール性全体に悪影響を及ぼすことになり、安定したシール性と操作時のトルク性とを確保することが難しくなっている。
【００１４】
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、バネによる弾発力と、流体圧とによる２重シール方式によって一次側、二次側からの高圧流体を確実に封止でき、全体のコンパクト性とシートリテーナの強度とを確保しつつ、流体圧による所定の押圧力を発生させて最適なシール面圧に調整して安定したシール性を確保できると共に、弁操作トルクの上昇を抑制して耐久性を高め、優れた操作性を維持できるトラニオン型ボール弁を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、ボデー本体内にステムを介してボールを回転自在に設け、このボールをシール接触するためのシール機構をボールの両側位置に配置したトラニオン型ボール弁であって、シール機構は、ボール面とシール接触するボールシートと、先端に前記ボールシートを装着したシートリテーナと、ボールシート側に弾発力を付与するためにシートリテーナに装着したバネ部材と、シートリテーナの外周面に位置するボデー本体側の内周面の装着溝に装着したシール部材から成り、バネ部材がシートリテーナに付与する弾発力と、シール部材の内径側で設定された流体圧とによりシール機構の押圧力としたトラニオン型ボール弁である。
【００１６】
請求項２に係る発明は、ボデー本体は、ボデーの一次側と二次側にそれぞれキャップ部材を設け、このキャップ部材の内周面にシール部材装着用の装着溝を形成したトラニオン型ボール弁である。
【００１７】
請求項３に係る発明は、キャップ部材の内周面に形成した段部とボデーとキャップ部材の係合部の間に設けた環状ストッパとでシール部材装着用の装着溝を形成したトラニオン型ボール弁である。
【００１８】
請求項４に係る発明は、シール部材をＯリングとし、両側にバックアップリングを配置したＯリングを装着溝に装着したトラニオン型ボール弁である。
【００１９】
請求項５に係る発明は、ステムの上端部に手動用ハンドル又はアクチュエータを取付けて手動又は自動式のバルブとしたトラニオン型ボール弁である。
【発明の効果】
【００２０】
請求項１に係る発明によると、バネによる弾発力と、流体圧とによる２重シール方式であり、ボールをシール接触するためのシール機構をボールの両側位置に配置することによって一次側、二次側からの高圧流体を確実に封止でき、このシール機構によりバネ部材の弾発力とシール部材の内径側で設定された流体圧とによる押圧力を働かせているので全体のコンパクト化を図りつつ、肉厚を充分に確保できることでシートリテーナの強度を確保することもできる。シール時においては、シール部材の内径側によって一次側と二次側の双方の流体圧を設定していることでこの流体圧による押圧力を低減して所定の大きさに維持でき、この自緊力とバネ部材の弾発力とによる押圧力を調整して最適なシール面圧による安定したシール性を確保できると共に、弁操作トルクの上昇を抑制して操作力を小さくしてスムーズな操作性を確保して作動耐久性を高めることが可能になり、超高圧流体に適した高性能のトラニオン型ボール弁を提供できる。このため、ボールシートの材料選定における自由度が増し、より高性能化した製品を製作することもできる。
【００２１】
請求項２に係る発明によると、キャップ部材をボデーから取外し、このキャップ部材の装着溝にシール部材を着脱できるため、繰返しのバルブ開閉動作や経年劣化等によりシール部材が消耗した場合にもこのシール部材を容易に交換でき、このシール部材によるシール性を維持して流体圧による自緊力を安定して発揮させることができる。
【００２２】
請求項３に係る発明によると、キャップ部材の段部と環状ストッパとでシール部材装着用の装着溝を形成していることにより、キャップ部材をボデーから取外し、このキャップ部材から環状ストッパを取外し、この開口側からキャップ部材の段部にシール部材を装着することでこのシール部材を変形や損傷を防ぎつつスムーズに装着でき、この上から環状ストッパを装着することでシール部材を所定位置に配設して高シール性を維持できる。これにより、より高圧な流体に適応した硬質シール部材を用いることも可能になり、高圧用トラニオン型ボール弁としての機能性を一層向上させて流体漏れを確実に防止しつつ高い操作性を確保できる。
【００２３】
請求項４に係る発明によると、キャップ部材の両側にバックアップリングを配置することで、シートリテーナがボデー本体に対してスライドしたときにもこのバックアップリングによりシール部材が両側から保護されるため、シール部材による自緊力やシール機能を長期に亘って維持できる。
【００２４】
請求項５に係る発明によると、必要に応じて手動又は自動式のバルブとすることができ、内部を流れる高圧流体の圧力の大きさや種類、設置箇所などのバルブの使用状況などに応じて適宜の操作方式を採用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明におけるトラニオン型ボール弁の第１実施形態を示した断面図である。
【図２】図１のシートリテーナ付近を示した拡大断面図である。
【図３】図１のステム付近を示した拡大断面図である。
【図４】ハンドルキャップとカバーとの関係を示した模式図である。
【図５】カバーを取外した状態を示したボデーの一部省略平面図である。
【図６】図１のカバー付近を示す一部拡大正面図である。
【図７】本発明におけるトラニオン型ボール弁の第２実施形態を示した断面図である。
【図８】図７のシートリテーナ付近を示した拡大断面図である。
【図９】図７のカバー付近を示す一部拡大正面図である。
【図１０】本発明におけるトラニオン型ボール弁の第３実施形態を示した要部断面図である。
【図１１】差圧と押圧力との関係を示したグラフである。
【図１２】従来のボールバルブを示す一部拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下に、本発明におけるトラニオン型ボール弁の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１においては、本発明におけるトラニオン型ボール弁の第１実施形態を示しており、図２においては、図１のシートリテーナ付近を示している。
【００２７】
図において、本発明におけるボール弁本体（以下、弁本体という）１０は、特に、高圧流体を流す場合に好適であり、ボデー本体内には、ステム１１を介して弁体であるボール（弁体）１２が回転自在に設けられており、このボール１２をシール接触するためのシール機構１３がボール１２の両側位置に配置されたトラニオン型ボール弁の構造になっている。弁本体１０はボデー本体１４により構成され、このボデー本体１４は、ボデー１５とこのボデー１５の一次側と二次側とにそれぞれ設けられたキャップ部材１６、１６とからなっており、このボデー本体１４にシール機構１３が内装されている。ここで、本実施形態における高圧とは、例えば、３５ＭＰａ以上であり、水素ステーション用の配管設備では７０〜１０５ＭＰａ、具体的には９０ＭＰａを想定している。
【００２８】
ボデー１５は、略四角形状に形成され、このボデー１５の両側にガスケット１７を挟着した状態でキャップ部材１６、１６が螺着されてボデー本体１４が構成される。キャップ部材１６の内周面には後述するシートリテーナ１８装着用の装着穴１９が設けられ、この装着穴１９にシートリテーナ１８が嵌挿可能に設けられている。この装着穴１９には、後述するシール部材２０装着用の装着溝２１が形成され、この装着溝２１は、シートリテーナ１８の外周面１８ａに位置するボデー本体１４側の内周面１４ａに設けられている。また、装着穴１９には、この装着穴１９よりも拡径した後述するバネ部材２２装着用の拡径溝部２３が形成されている。更に、装着穴１９の他方側には、めねじ部２４が連通して形成され、このめねじ部２４には外部継手２６が螺着可能になっている。なお、キャップ部材１６は、接着や溶着等の接合手段によりボデー１５と一体化することも可能である。
【００２９】
シール機構１３は、ボールシート２５、前記したシートリテーナ１８、バネ部材２２、シール部材２０から成っている。このうち、ボールシート２５は、ボール１２のボール面１２ａとシール接触可能な環状に形成されている。
【００３０】
シートリテーナ１８は、ボールシート２５をボール１２の所定位置に配置して押圧シールするために設けられ、ボール１２側に配設される拡径部２６と、この拡径部２６よりも縮径した筒部２７とを有している。拡径部２６の先端には溝部２８が形成され、この溝部２８にボールシート２５が装着されている。シートリテーナ１８には内部流路２９が形成されている。
【００３１】
シートリテーナ１８における筒部２７は、後述するようにシール部材２０とバックアップリング３０とがボデー本体１４側に配設されていることで同一径の外径でストレート状に形成され、この筒部２７が装着溝２１に嵌挿されることで、シートリテーナ１８が流路方向に移動可能になっている。筒部２７の外周面にはシール部材２０が密着し、シートリテーナ１８の流路方向への移動時にはこのシール部材２０により筒部２７がシールされる。
【００３２】
バネ部材２２は、例えば、コイルスプリングからなり、拡径溝部２３と、装着穴１９に嵌挿されたシートリテーナ１８の拡径部２６との間に装着され、このバネ部材２２により、シートリテーナ１８のボールシート２５側に弾発力が付与される。このバネ部材２２は、皿バネであってもよい。
【００３３】
シール部材２０は、例えば、ゴム製のＯリングよりなり、バックアップリング３０とともに装着溝２１に装着され、これにより、ボデー本体１４側の内周面１４ａに配設されてシートリテーナ１８の外周面１８ａに配設される。バックアップリング３０は、例えば、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）により形成される。シール部材２０とバックアップリング３０は、別の材質の材料によって形成されていてもよいが、この場合にも、ゴムやＰＴＦＥと同程度の軟質材料をそれぞれ用いることが好ましく、軟質材料を用いることにより装着溝２１に変形させて装着しやすくなる。シール部材２０は、両側にバックアップリング３０、３０が配置された状態で装着溝２１に装着されてこのバックアップリング３０、３０により両側が保護されている。
【００３４】
ボール１２は、上部側に軸部１２ｂと、下部側にトラニオン（ロワステム）１２ｃとを有し、軸受３１を介して軸部１２ｂとロワステム１２ｃとがボデー１５内に回動自在に取付けられる。ボール１２をステム１１により回動操作し、ボール内部に形成された連通孔１２ｄとシートリテーナ１８の内部流路２９とが連通したときには流体を流すことが可能になっている。
【００３５】
弁本体１０は、上記の構成によってバネ部材２２がシートリテーナ１８に付与する弾発力と、シール部材２０の内径側で設定された流体圧とによりシール機構１３による押圧力を発揮し、いわゆる２重シール方式により高圧流体を封止できる構成になっている。
【００３６】
なお、ステム１１の外周側には、Ｖパッキン３２を収納したパッキン座金３３、グランド３４、ブッシュ３５、玉軸受３６が配設され、ステム１１は、これらを介してボデー１５内に回動自在に装着される。
【００３７】
パッキン座金３３は、ステム１１との間をシールする積層Ｖパッキン３２を収納可能な円筒部３７と、このＶパッキン３２を載置するための底部３８とを有しており、円筒部３７の内部に適宜数積層されたＶパッキン３２が収納される。円筒部３７の外周側には環状溝３９が形成され、この環状溝３９にはシール用Ｏリング４０と、保護リング４１とが装着されている。円筒部３７の上面側には、リークした高圧流体を外部に誘導するための切欠溝４２が設けられている。底部側に位置するＶパッキン３２の内外周には、パッキン座金３３と同様に、シール用Ｏリング４０と保護リング４１がそれぞれ装着されている。このように、シール用Ｏリング４０と保護リング４１とが、ステム１１とＶパッキン３２、Ｖパッキン３２とパッキン座金３３、パッキン座金３３とボデー１５との間に装着されていることで、ステム１１の軸装部分からの高圧流体の漏れが防がれている。
【００３８】
パッキン座金３３は、玉軸受３６を介してステム１１の上部側に配設され、これにより、ステム１１が玉軸受３６を介してＶパッキン３２、グランド３４に対して回動自在となる。ボデー１５のパッキン座金３３の対向位置には、リークポート４３が形成されている。このリークポート４３を介して図示しない外部の検知装置により流体漏れを検知することが可能になる。
【００３９】
グランド３４は、略筒状に形成され、内側にパッキン座金３３を嵌入可能な環状鍔部４４と、Ｖパッキン３２を被蓋可能な蓋部４５とを有している。このグランド３４は、パッキン座金３３の上方側より、ボデー１５に形成した装着凹部４６に嵌合するように取付けられ、Ｖパッキン３２を収納したパッキン座金３３を玉軸受３６方向に押圧している。グランド３４の内周側にはブッシュ３５が配設され、このブッシュ３５によりＶパッキン３２がパッキン座金３３の底部３８に押さえつけられる。
【００４０】
このような構成により、弁本体１０内に高圧流体が流れて、図１において外気との差圧によりステム１１が上昇する方向の力が加わった場合にも、パッキン座金３３によりＶパッキン３２が保護されているためこのＶパッキン３２が軸方向に潰れることが防止され、シール性の低下を防いで確実に高圧流体の漏れが防止される。このため、Ｖパッキン３２の消耗を防いでステム１１の操作性の低下を抑えることも可能になる。
【００４１】
また、弁本体１０のボデー１５には図６に示したカバー５０が取付けられ、このカバー５０を介してハンドルキャップ５１、手動用ハンドル５２が取付けられている。
カバー５０は、略円板状に形成され、その底面側にはボデー１５上面側に形成された環状突部５３に嵌合可能な鍔状の側面部５４が設けられ、図５において、この側面５４には、座ぐり部５５と、切欠部５６とが９０°の間隔で互い違いに２つずつ形成されている。カバー５０の中央部には、ハンドルキャップ５１を挿入するための穴部５７が形成され、この穴部５７には、図４に示すように規制片５８が突設形成され、この規制片５８によりステム１１の回転を９０°に規制可能になっている。
【００４２】
図４に示すように、ハンドルキャップ５１は、グランド３４と略同径の略円柱状に形成され、その外周側にはカバー５０の規制片５８に係止可能な係止片５９が突設形成されている。ハンドルキャップ５１の底面側には、ステム１１の上端部に形成された平行部１１ａが嵌合可能な嵌合穴部５１ａが形成され、ハンドルキャップ５１は、この嵌合穴部５１ａと平行部１１ａとの嵌合によりステム１１に一体化される。また、ハンドルキャップ５１には略半円状の取付穴部６０が形成され、一方、ハンドル５２の取付部位は、この取付穴部６０に嵌入可能な略半円状に設けられている。
なお、ボデー１１の環状突部５３における側面の座ぐり部５５と切欠部５６とが対応する位置には雌ネジ６１が設けられ、この雌ネジ６１に固着ボルト６２、止めネジ６３が螺着可能になっている。
【００４３】
ハンドルキャップ５１は、嵌合穴部５１ａと平行部１１ａとの嵌合によりステム１１に所定の向きに取付けられ、この状態でカバー５０がハンドルキャップ５１の上から環状突部５３に嵌合装着される。更に、固着ボルト６２、止めネジ６３が、それぞれカバー５０の座ぐり部５５、切欠部５６を介して雌ネジ６１に螺着されることによりハンドルキャップ５１が固定され、このハンドルキャップ５１にハンドル５２を嵌入して固定用ボルト６４で固定することでハンドル５２がステム上端部１１ｂに取付けられる。ハンドル５２を回転操作するときには係止片５９が規制片５８に当接して規制されるため、ハンドル５２によりステム１１を９０°の回転角度に回転規制しながら開閉操作可能になる。
このように、ステム上端部１１ｂに手動用ハンドル５２を取付けて弁本体１０を手動式のバルブとすることが可能である。
【００４４】
続いて、本発明のトラニオン型ボール弁の上記実施形態における作用を説明する。
本発明の弁本体１０は、シール機構１３のシール部材２０の内径側で流体圧を設定しているので、以下のような自緊力を得ることができる。
【００４５】
図２において、シートリテーナ１８の右側を一次側、左側を二次側とした場合、ボールシート２５とボール１２とは直径ｄ1の位置でシールし、このときの自緊力（ボールシートによる押圧力）をＦ1とすると、自緊力Ｆ1＝１／４・π（Ｄ2−ｄ12）×ΔＰ1となる。ここで、Ｄはシール部材２０におけるシール位置の内径であり、この内径Ｄは筒部２７の外径と一致する。また、ΔＰ1は、弁締め切り差圧（一次側の圧力−二次側の圧力）を表している。本実施形態においては、ｄ1＜Ｄ＜ｄ2の関係に設定している。
一方、シートリテーナ１８の左側を一次側、右側を二次側とした場合、ボールシート２５とボール１２とは直径ｄ2の位置でシールし、このときの自緊力をＦ2とすると、自緊力Ｆ2＝１／４・π（ｄ22−Ｄ2）×ΔＰ2となる。ここで、ΔＰ2は、弁締切り差圧を示している。
このように、弁本体１０内に左右どちら側の向きの圧力が加わり、左右の何れの側が一次側又は二次側である場合でも、弁本体１０とシートリテーナ１８とがシール部材２０の内径Ｄにおいてシールする。
【００４６】
この構造により、直径ｄ1、ｄ2に対してシール部材２０の内径Ｄの寸法を変えるだけで、左右どちらの向きの圧力が加わる場合でも自緊力を調整して流体圧を設定でき、このとき、直径ｄ1、ｄ2と内径Ｄとの差を少なくして自緊力が働く面積を小さくすることにより、小さい自緊力を働かせてこの自緊力による最適なシート押圧力を得ることが可能になる。
従って、流体の自緊力とバネ部材２２の弾発力とによる２重シール方式とした場合において、シール部材２０の消耗を抑えて自緊力の低下（変動）を最小限に抑えて、このシール部材２０の内径側で設定された流体圧とバネ部材２２の弾発力とによるシール機構１３の押圧力をほぼ一定に保って安定したシール性を発揮でき、かつ、操作時におけるトルク性を安定させることが可能になる。このため、シートリテーナ１８を設ける際には、シール部材２０の内径により自緊力の荷重を計算できるため設計の自由度が高くなる。
【００４７】
更に、シール部材２０がボデー本体１４側に装着されることにより、シール性能に悪影響を及ぼすことなくこのシール部材２０による高いシール機能を維持しながら内径Ｄを調節して必要な自緊力を得ることができ、筒部２７を薄肉化させることなく過大な応力にも耐え得ることが可能になる。これにより、剛性を確保しながらシートリテーナ１８のコンパクト化を図って弁本体１０全体の大型化を回避しながら高性能のトラニオン型ボール弁を設けることができる。
【００４８】
このように筒部２７を小径に形成できるため、必要以上に拡径部２６が大きくならず、この拡径部２６に装着されるボールシート２５の径を小さくできる。このため、ボールシート２５のボール１２への抱きつきや吸い付きを防止でき、シール部材２０の消耗が抑えられる。
また、内径寸法を合わせれば、外径をより大きく形成したボールシート２５を採用することもできるため、設計の自由度が増して製品の性能向上が可能になる。
【００４９】
本発明のトラニオン型ボール弁との比較例として、自緊力を全く発揮することなく、バネ部材の弾発力のみでシール機構をボールにシール接触する技術が想定されるが、ボールシートやボールのシール面は、バルブの開閉操作に伴う摩擦などにより、その均一性が低下するおそれがあることから、シール機構の押圧力が流体圧の上昇に伴って増加するよう、本実施形態に示す程度の自緊力を利用するのが最適である。
【００５０】
ここで、本発明の弁本体１０と、特許文献１のボールバルブにおける、差圧と押圧力との関係を比較したグラフを図１１に示す。このグラフにおいて、説明の便宜のため、本発明のトラニオン型ボールバルブにおけるスプリングによる押圧力は、差圧０の状態において特許文献１のボールバルブと同等としている。ばね部材の弾性力による押圧力が同じであるという条件でボールシート（ボールシート）の押圧力を比較すると、同文献１のボールバルブは、ばね力による作動シール荷重と流体圧による流路圧力荷重とを平行に発揮させる構造であることから、差圧が０の状態では二点鎖線に示したスプリングによる押圧力のみが加わった状態になる。この状態から差圧が増していくと、一点鎖線（自緊力２）に示した流体圧による押圧力が大きく増加し、グラフの傾きも大きくなる。
これに対して、本発明の弁本体の場合には、ボールシート２５の押圧力を主にバネ部材２２によって支える構造であるため、実線に示すように、流体圧による押圧力（自緊力）の上昇（グラフの傾き）を抑えることができ、長期に亘って安定した弁座シール性を確保できる。
【００５１】
図７においては、本発明におけるトラニオン型ボール弁の第２実施形態を示しており、図８においては、図７のシートリテーナ付近を示している。なお、この実施形態以降において、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。
【００５２】
図８に示すように、この実施形態における弁本体７０では、キャップ部材７１の内周面に段部７２が形成され、この段部７２とボデー７３とキャップ部材７１の間に形成される係合部７４との間に環状ストッパ７５が設けられている。この環状ストッパ７５の装着により、シール部材２０装着用の装着溝７６が形成され、この装着溝７６にシール部材２０が装着される。このとき、前記実施形態と同様に、Ｏリングであるシール部材２０の両側にバックアップリング３０を配置した状態で装着溝７６に装着することで、シール部材２０がバックアップリング３０により保護される。このとき、バネ部材２２は、環状ストッパ７５とシートリテーナ１８の拡径部２６との間に弾発状態で装着される。
【００５３】
このようにボデー本体１４内に着脱可能な環状ストッパ７５を設けていることで、シール部材２０やバックアップリング３０を開口側から変形させることなく所定位置に簡単に装着できるため、これらを硬質の材料により形成できる。このため、シール機能を更に高めることが可能になり、例えば、９０ＭＰａを超える超高圧流体を流すことも容易になる。
【００５４】
その際、環状ストッパ７５を薄肉の略環形状に形成し、ボデー７３に螺着するキャップ部材７１の装着位置を調整して係合部７４の流路方向の寸法を予め設定しておくことにより、環状ストッパ７５のボデー側先端部７５ａとボデー７３との間に、例えば、０．５ｍｍ程度の隙間Ｇを形成できる。このように、ボデー７３にキャップ部材７１を螺着することにより、両部品によってガスケット１７を挟持できるよう、ボデー７３と環状ストッパ７５のボデー側先端部７５ａとボデー７３との間に隙間Ｇを形成している。
【００５５】
この場合には、先端部７５ａがボデー７３に接触することがなく、環状ストッパ７５がバネ部材２２の弾発力によってシール部材２０とバックアップリング３０の装着側であるキャップ部材７１側に押圧されながら装着される。このようにして、環状ストッパ７５は、ボデー７３とキャップ部材７１との間に押圧されて流路方向の移動が規制されるため、この環状ストッパ７５とキャップ部材７１との間に間隙が生じることが防がれ、シール部材２０による高いシール性が確保される。
【００５６】
なお、この実施形態のトラニオン型ボール弁においては、図７に示すように、ステム上端部１１ｂに自動操作用の空圧アクチュエータ８０が取付けられて自動式のバルブとなっている。アクチュエータ８０も、前述した手動用ハンドル５２と同様に、図９に示したカバー７６、固着ボルト６２、止めネジ６３を介してボデー７３に取付けられる。この場合、ステム１１は、空圧アクチュエータ８０の出力軸８２に形成された嵌合穴８３に嵌合されて固定されるため、ハンドルキャップを使用する必要はない。
【００５７】
このアクチュエータ８０は、いわゆるスプリングリターン型であり、内部に装着されたスプリング部材８４の飛び出しを防止するためのリテーナ部材８５が設けられている。このリテーナ部材８５には、突状の突当て部８６が形成され、ピストン８７がシリンダ８８内を往復動するときにこの突当て部８６がシリンダ８８の内部両側に当接することによりピストン８７の図示しないストロークを規制し、出力軸８２の回転角度を所定角度、すなわち９０°に規制している。
【００５８】
図１０においては、本発明におけるトラニオン型ボール弁の第３実施形態を示している。この実施形態における弁本体９０では、環状ストッパ９１を筒状に形成し、この環状ストッパ９１を段部９２と係合部９３との間に設け、この環状ストッパ９１のボデー側先端部９１ａとボデー９４との間に隙間Ｇ´を設けたものである。この場合にも図７の場合と同様に、ボデー９４に対するキャップ部材９５の装着位置を予め調整しておくことで隙間Ｇ´を所定寸法に設定し、シール部材２０、バックアップリング３０を変形させることなくキャップ部材９５の開口側から簡単に装着してこの上から環状ストッパ９１を組付けできる。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明は、特に、燃料電池で使用される高圧流体の水素等が流れる配管設備に好適であるが、高圧流体が流れる管路であれば優れたシール性とトルク性とを発揮でき、例えば、ＣＮＧ（Compressed Natural Gas：液化天然ガス）ステーションにおけるバルブや、或は、パイプライン用バルブなどの各種の高圧流体の流れる場所で使用される高圧用ボール弁として適している。
【符号の説明】
【００６０】
１０ 弁本体
１１ ステム
１２ ボール
１２ａ ボール面
１３ シール機構
１４ ボデー本体
１４ａ 内周面
１５ ボデー
１６ キャップ部材
１８ シートリテーナ
２０ シール部材
２１ 装着溝
２２ バネ部材
２２ａ 外周面
２５ ボールシート
３０ バックアップリング
５２ 手動用ハンドル
７２ 段部
７４ 係合部
７５ 環状ストッパ
７６ 装着溝
８０ 空圧アクチュエータ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボデー本体内にステムを介してボールを回転自在に設け、このボールをシール接触するためのシール機構をボールの両側位置に配置したトラニオン型ボール弁であって、前記シール機構は、ボール面とシール接触するボールシートと、先端に前記ボールシートを装着したシートリテーナと、前記ボールシート側に弾発力を付与するために前記シートリテーナに装着したバネ部材と、前記シートリテーナの外周面に位置するボデー本体側の内周面の装着溝に装着したシール部材から成り、前記バネ部材がシートリテーナに付与する弾発力と、前記シール部材の内径側で設定された流体圧とによりシール機構の押圧力としたことを特徴とするトラニオン型ボール弁。
【請求項２】
前記ボデー本体は、ボデーの一次側と二次側にそれぞれキャップ部材を設け、このキャップ部材の内周面にシール部材装着用の装着溝を形成した請求項１に記載のトラニオン型ボール弁。
【請求項３】
前記キャップ部材の内周面に形成した段部と前記ボデーとキャップ部材の係合部の間に設けた環状ストッパとでシール部材装着用の装着溝を形成した請求項１又は２に記載のトラニオン型ボール弁。
【請求項４】
前記シール部材をＯリングとし、両側にバックアップリングを配置したＯリングを前記装着溝に装着した請求項３に記載のトラニオン型ボール弁。
【請求項５】
前記ステムの上端部に手動用ハンドル又はアクチュエータを取付けて手動又は自動式のバルブとした請求項１乃至４の何れか１項に記載のトラニオン型ボール弁。
【請求項１】
ボデー本体内にステムを介してボールを回転自在に設け、このボールをシール接触するためのシール機構をボールの両側位置に配置したトラニオン型ボール弁であって、前記シール機構は、ボール面とシール接触するボールシートと、先端に前記ボールシートを装着したシートリテーナと、前記ボールシート側に弾発力を付与するために前記シートリテーナに装着したバネ部材と、前記シートリテーナの外周面に位置するボデー本体側の内周面の装着溝に装着したシール部材から成り、前記バネ部材がシートリテーナに付与する弾発力と、前記シール部材の内径側で設定された流体圧とによりシール機構の押圧力としたことを特徴とするトラニオン型ボール弁。
【請求項２】
前記ボデー本体は、ボデーの一次側と二次側にそれぞれキャップ部材を設け、このキャップ部材の内周面にシール部材装着用の装着溝を形成した請求項１に記載のトラニオン型ボール弁。
【請求項３】
前記キャップ部材の内周面に形成した段部と前記ボデーとキャップ部材の係合部の間に設けた環状ストッパとでシール部材装着用の装着溝を形成した請求項１又は２に記載のトラニオン型ボール弁。
【請求項４】
前記シール部材をＯリングとし、両側にバックアップリングを配置したＯリングを前記装着溝に装着した請求項３に記載のトラニオン型ボール弁。
【請求項５】
前記ステムの上端部に手動用ハンドル又はアクチュエータを取付けて手動又は自動式のバルブとした請求項１乃至４の何れか１項に記載のトラニオン型ボール弁。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１２−１３１４１（Ｐ２０１２−１３１４１Ａ）
【公開日】平成２４年１月１９日（２０１２．１．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１４９６９４（Ｐ２０１０−１４９６９４）
【出願日】平成２２年６月３０日（２０１０．６．３０）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２０年度、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「水素製造・輸送・貯蔵システム等技術開発」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（３９０００２３８１）株式会社キッツ (223)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１月１９日（２０１２．１．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月３０日（２０１０．６．３０）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２０年度、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「水素製造・輸送・貯蔵システム等技術開発」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（３９０００２３８１）株式会社キッツ (223)
【Ｆターム（参考）】
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