バタフライ弁
【課題】内部構造が複雑化したり全体が大型化することを防ぎつつ、操作トルクの上昇を抑えて優れた動作性能とシール性とを維持し、耐久性に優れた製作容易なバタフライ弁を提供する。
【解決手段】筒形ボデー２の内周面２ａに装着したシートリング３内に円板状ジスク４をステム５、６を介して回転自在に設けたバタフライ弁である。このバタフライ弁は、ボデー２の軸装筒７内に装入したステム５に大径部８と小径部９とから成る段差部１０が形成され、この段差部１０の小径部外周９ａと軸装筒内周７ａとの間に、内外周に装着したシールリング１８を介してシール接触するシール筒部１５とこのシール筒部１５の外周側下面１５ｃより一体に垂下形成した軸受筒部１６とからなる軸受け本体１１が装着されていると共に、軸受筒部１６と大径部８との間にステム５を支持する上ベアリング２１が介在され、かつ、ジスク４側の大径部にも下ベアリング２２が装着されている。
【解決手段】筒形ボデー２の内周面２ａに装着したシートリング３内に円板状ジスク４をステム５、６を介して回転自在に設けたバタフライ弁である。このバタフライ弁は、ボデー２の軸装筒７内に装入したステム５に大径部８と小径部９とから成る段差部１０が形成され、この段差部１０の小径部外周９ａと軸装筒内周７ａとの間に、内外周に装着したシールリング１８を介してシール接触するシール筒部１５とこのシール筒部１５の外周側下面１５ｃより一体に垂下形成した軸受筒部１６とからなる軸受け本体１１が装着されていると共に、軸受筒部１６と大径部８との間にステム５を支持する上ベアリング２１が介在され、かつ、ジスク４側の大径部にも下ベアリング２２が装着されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バタフライ弁に関し、特に、弁体を回転させるステムがベアリングを介して摺動する構造のバタフライ弁に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、バタフライ弁においてボデー内のゴム製シートリング内にステムを介して円板状の弁体を回動自在に作動させる際には、ベアリングを介してステムを装着し、このステムを摺動状態で回動させる場合が通常である。このようなベアリングを介したステムの装着構造としては、いわゆる、ステム巻付けタイプ、ボデー直付け（挿入）タイプ、グランドタイプと呼ばれる３つのタイプが知られている。
【０００３】
ステム巻付けタイプのベアリングとしては、例えば、特許文献１のバタフライバルブに用いられる軸受が知られている。同文献１における軸受は、弁棒に形成された段部に配設された状態でボデーに挿入されている。このような軸受には通常切れ込み（スリット）が設けられ、軸受は、このスリットにより径が広げられたり狭められたりしながら弁棒の段部に巻付けられた状態で装着される。
直付けタイプのベアリングとしては、例えば、特許文献２のバルブの軸受装置に用いられる軸受部材が知られている。この軸受部材は、ボデーに形成された段部に圧入して直付け装着され、ステムは、この一方の軸受から開口部を通り、他方の軸受とにより２ヵ所で支持されている。
グランドタイプは、ボデーの上方側からステム挿入孔に取付けられ、このグランドタイプとして、例えば、軸受け本体にステム軸受け用の軸受部材、シール用のＯリングが装着されたものがある。この場合、軸受部材、Ｏリングが軸受け本体におけるステムの軸方向に対して交差方向に水平状態で配設される。
また、グランドタイプのその他の構造として、例えば、特許文献３の弁の軸封装置で用いられる軸封手段が知られている。この軸封手段は、円板状の金属板の一面に弾性密封板が定着された構造を成し、金属板で弁棒を軸受けし、弾性密封板で弁棒やボデー本体をシールするようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１７０３４８号公報
【特許文献２】特開２００２−１３０４９０号公報
【特許文献３】実公平２−４４１４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１のようなステム巻付けタイプのベアリングにおいては、全閉状態のジスクに流体圧が加わるとステムが傾いたり流路方向に移動し、ベアリング端面に局部的にステムからの荷重がかかることになり、この薄肉状ベアリングが樹脂層を有する場合にクリープが生じてステムがボデーハウジングに直に接触して低い操作トルクを維持することが困難になる。更に、かじりが発生したり、ステムやボデーの摩耗、変形が増加するとステムの傾きが増加してこのステムとジスク近傍のベアリングの接触がより局部的な状態になるために摩耗が増え、操作トルクの上昇やＯリングのシール性も含めた耐久性の低下に繋がることになる。このため、特に、バルブを高頻度で使用し、流体が弁体とシートリングとの常時の接触部位であるシートリングの天地シール部位が摩耗しベアリング装着側に漏れると、３次シールとしてＯリングのシール性を維持できなくなることがあり、その結果、流体が外部に漏れるおそれが生じる。更に、このベアリングには、ステムに巻き付ける際に径を広げたり狭めたりするためのスリットがあり、径方向に変形可能にするためにベアリングを薄肉にしたり、使用する材料にも制約がある。
【０００６】
特許文献２のような直付けタイプのベアリングの場合には、流体圧により上側のステムと軸装筒部分に反りが発生する。このとき、両者の反りが異なるため、上側ステムが軸装筒に圧入固定されているベアリングと局部的に接触する。従って、ベアリングが局部摩擦を生じ、耐久性が劣ったり、圧入によるトルクの上昇が顕著に現れてくる。このように、同文献２においてステムと軸装筒の反りの違いが軸方向のズレを生じると、ベアリングにスラスト荷重が生じて２つの層を持ったベアリングにズレが生じるおそれがある。また、このベアリングが装着されたバルブは、その構造上ベアリングよりも上部側にダストシール部分が設けられていないため、屋外に設置したときに雨水などの水分がバルブ内部に浸入してベアリングが腐食するおそれもある。これらのことから、バルブの動作性能の低下やシール性の悪化に繋がることがある。
【０００７】
Ｏリングが装着されたグランドタイプの軸受け本体を用いた場合、軸受部材とＯリングとが水平方向に並列して配置されているため、全体の肉厚を増し、靱性のある材料を用いて製作する必要がある。この軸受け本体ではバルブボデー側における装着用の穴部を大きく形成する必要があることから、首部の外径が大きくなって全体が大型化していた。しかも、軸受け本体の外径を小さくし、ボデーの軸受け本体用の挿入穴及びボデー首部を小さくするために軸受部材をステムの縮径部分に配置することが多いため、この軸受部材と弁体付近に配設されるベアリングとの共通化を図ることが難しくなったり、このベアリングの径が限定されてステムの外径寸法の設定に制約が生じたりすることがある。
特許文献３においては、円板状の金属板に弾性密封体が定着された構造の軸封装置を用いていることにより、ボデー首部の外径が大きくなってバルブ全体が大型化していた。更に、この軸封装置によってボデー首部の取付け用フランジも大径になるため、取付けできる外部の駆動手段が限られる場合がある。
【０００８】
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、内部構造が複雑化したり全体が大型化することを防ぎつつ、操作トルクの上昇を抑えて優れた動作性能とシール性とを維持し、耐久性に優れた製作容易なバタフライ弁を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、筒形ボデーの内周面に装着したシートリング内に円板状ジスクをステムを介して回転自在に設けたバタフライ弁において、ボデーの軸装筒内に装入したステムに大径部と小径部とから成る段差部位を形成し、この段差部位の小径部外周と軸装筒内周との間に、内外周に装着したシールリングを介してシール接触するシール筒部とこのシール筒部の外周側下面より一体に垂下形成した軸受筒部とからなる軸受け本体を装着すると共に、軸受筒部と大径部との間にステムを支持する上ベアリングを介在させ、かつ、ジスク側の大径部にも下ベアリングを装着したバタフライ弁である。
【００１０】
請求項２に係る発明は、シール筒部の内周面と小径部外周面との間に所定の隙間を設け、かつ、シール筒部の内外周に装着したシールリングを小径部外周と軸装筒内周にシール接触させたバタフライ弁である。
【００１１】
請求項３に係る発明は、シール筒部の内外周に装着した２つのシールリングをステムの軸方向に対して交差方向に水平状態に配設したバタフライ弁である。
【００１２】
請求項４に係る発明は、シール筒部の下面とステムの段差部位上面との間に所定の隙間を設け、かつ、上ベアリングの上端部をシール筒部の下面に当接させたバタフライ弁である。
【００１３】
請求項５に係る発明は、軸受け本体の上端位置の軸装筒内周にＣ型止め輪を装着し、この止め輪により、軸受け本体を介してステムの飛び出しを防止したバタフライ弁である。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１に係る発明によると、シールリングを内外周に装着したシール筒部と軸受筒部とからなる軸受け本体を用いてその肉厚を薄く形成して内部構造が複雑化や全体が大型化したりすることを防ぎつつバタフライ弁を構成でき、軸受け本体内に上ベアリングを介在させた状態で、この上ベアリングと下ベアリングとによってステムを支持することで操作トルクの上昇を抑えて優れた動作性能とシール性とを維持し、耐久性を向上させることが可能になる。部品点数が少ないため製作も容易であり、軸受け本体をボデーに組み込んだステムの上方側より着脱できるため、組立て・分解も容易である。更に、軸受け本体のシール筒部に挿着されたシールリングにより内部に水分等が浸入することを防ぐことができ、優れたダストシール性を発揮できる。
【００１５】
請求項２に係る発明によると、シール筒部の内周面と小径部外周面との間に所定の隙間を設けているので、これらが接触して摩耗することを防いでシール筒部の摩耗によるシール性の低下を防ぎつつ、ボデーと軸受け本体との接触部分を長期間に亘って一定の精度に保つことができる。このため、長期の使用後にも操作トルクの変化を抑えて安定した操作性を維持でき、特に、高圧の場合や、バルブ口径が大きくなるにつれてこの効果をより顕著に発揮でき、この軸受け本体を介して加圧時の操作トルクを長期に渡って低く維持できる。
【００１６】
請求項３に係る発明によると、シール筒部のステムの軸方向の長さを抑えて軸受け本体の全長を短くしてコンパクト化を図ることができ、この軸受け本体の装着部分である軸装筒の外径の大径化を防いでバルブ全体を小型化することが可能になる。このように、軸受け本体の全長を短くできることでボデー内での隙間を利用して軸受け本体が傾くときの角度を増加させることができ、流体圧によって傾いたり移動しようとするステムの動作に軸受け本体を同調させて常に軸受け本体にステムを大きい接触面積で接触できる。これにより、ステムがベアリングに対して円滑に摺動して低トルク化を図ることが可能になり、特に、流体圧がより高圧であったり、バルブの口径が大きい場合にその効果をより高めることができる。
【００１７】
請求項４に係る発明によると、操作時にステムの段差部位上面とシール筒部の下面とが接触して摩耗することを防ぎ、シール筒部の下面に上端部が当接された状態の上ベアリングでステムを支持することで、ステムのガタつきを防いで安定状態で回転させて耐久性を高めることができる。このため、優れた操作トルク性やシール性を維持することが可能になる。
【００１８】
請求項５に係る発明によると、Ｃ型止め輪を介してステムの飛び出しを防止でき、この止め輪により軸受け本体の上端側を押えることでステムの摩耗や破損を防止して耐久性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明におけるバタフライ弁の好ましい実施形態を示す一部切欠き側面図である。
【図２】図１の一部切欠き正面図である。
【図３】図１の要部拡大断面図である。
【図４】段差部位付近を示す一部拡大断面図である。
【図５】流体圧力に対する操作トルクの測定結果を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下に、本発明におけるバタフライ弁の弁体の好ましい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バタフライ弁の一部切欠き側面図、図２においては図１の一部切欠き正面図、図３においては図１の要部拡大断面図を示している。
【００２１】
図１〜図３に示すように、本発明におけるバタフライ弁１は、筒形ボデー２を有し、このボデー２にシートリング（ゴムシート）３、円板状ジスク４、上ステム５、下ステム６が設けられている。シートリング３のジスク４との接触面３ａは断面フラット状であり、ジスク４回転時のトルク上昇を防ぐようになっている。このシートリング３は、ボデー２の内周面２ａに装着され、このシートリング３内に上下ステム５、６を介してジスク４が回転自在に装着されている。上ステム５は、ボデー２に形成された軸装筒７内に装入されており、その上端側において大径部８と小径部９とから成る段差部１０が形成され、この段差部１０における小径部９の外周９ａと軸装筒７の内周７ａとの間には、軸受け本体１１が装着されている。一方、下ステム６は、ボデー２の下部に形成された装着穴１２からジスク４に圧入のベアリング部材２７を介して嵌入されている。ジスク４は、その内部に形成された略角形状の嵌入孔４ａに上ステム５の角部５ａが嵌合されてシートリング３内に装着されている。本実施形態においては、２分割した上下ステム５、６によりジスク４を装着している。上ステム５の小径部９には、図示しない駆動部が取付け可能になっている。
【００２２】
軸受け本体１１は、シール筒部１５と軸受筒部１６とからなり、シール筒部１５は、略環状に形成され、その内外周にそれぞれ装着溝１７、１７が形成され、この装着溝１７にシールリング（Ｏリング）１８が装着されている。軸受筒部１６は、シール筒部１５の外周面１５ａの下面より、このシール筒部１５に一体に垂下形成される。軸受筒部１６は、少なくとも上ステム５の段差部１０付近を後述する上ベアリング２１で支持すればよく、軸方向に極力短く形成されていることが望ましい。
【００２３】
一方において、ボデー２には小径部外周９ａと軸装筒外周７ｂとの間の径の所定寸法の貫通穴１９が形成され、この貫通穴１９は、大径部８の外周８ａの径よりも大径に形成されている。貫通穴１９の上端側には、軸受け本体１１の外径と略同径であって、貫通穴１９よりも拡径した軸装穴２０が形成されている。軸受け本体１１は、上下ステム５、６によりジスク４を装着した後に軸装筒７の上方側より軸装穴２０に装着可能であり、ボデー２や上ステム５に予め組み込む必要がない。軸受け本体１１は、軸受筒部１６下面の当接面１６ａが軸装穴２０の略環状の係止面２０ａに当接係止することで、上ステム５の所定位置に位置決め配置される。これにより、シールリング１８が上ステム５と軸装筒７との間の適切な位置にシール可能になっている。
【００２４】
その際、軸受筒部１６と大径部８との間には、上ステム５を支持するための上ベアリング２１、下ベアリング２２が介在され、かつ、下ステム６側にベアリング部材２７が装着されている。上下ベアリング２１、２２、及びベアリング部材２７は、例えば、バックメタル付き四フッ化エチレン樹脂により複層構造に設けられている。これらのベアリング２１、２２、２７は軸方向におけるジスク４側に装着されており、このベアリング２１、２２、２７により上下ステム５、６による回転時の摺動抵抗が抑えられる。上ベアリング２１は、より長い部位である軸受筒部１６とシール筒部１５との組み合わせにより支えられているため、この上ベアリング２１により軸受け本体１１がせん断破壊されることが防止される。上ベアリング２１と下ベアリング２２は、その内外径寸法が同一であり、それぞれ軸受筒部１６の内周や、ボデー２の貫通穴２０の内周に圧入されている。
【００２５】
図３、図４において、前記のシール筒部１５は、シールリング１８装着部位の上側において、その内径が小径部９よりもやや大径に形成され、外径が軸装穴２０の内径よりもやや小径に形成されている。そのため、軸受け本体１１の装着時には、シール筒部１５の内周面１５ｂと小径部外周９ａとの間に所定の隙間Ｇ１、シール筒部１５のシールリング１８装着部位付近の上端外周面１５ｄと軸装穴内周面２０ｂとの間に所定の隙間Ｇ２がそれぞれ形成される。この隙間Ｇ１、Ｇ２により、シール筒部１５の内外周部位が小径部外周９ａ、軸装穴内周面２０ｂに接触しにくくなり、軸受け本体１１は、軸受筒部１６付近の外周面１１ａのみがボデー２に接触した状態となり、シール筒部１５の内外周に装着されたシールリング１８、１８が小径部外周９ａと軸装筒内周７ａにシール接触する。なお、隙間Ｇ２は必要に応じて設ければよく、少なくとも隙間Ｇ１を設けておけばよい。
【００２６】
前記したシール筒部１５の装着溝１７は、上下ステム５、６の軸方向に対して交差方向に水平状態に形成されている。これにより、シール筒部１５の内外周面１５ａ、１５ｂに装着された２つのシールリング１８、１８が水平状態に配設されるため、シール筒部１５の軸方向の長さが短くなり、軸受け本体１１のコンパクト化が可能になっている。これらのシールリング１８、１８により、いわゆる、三次シールと呼ばれるシール部位が軸受け本体１１と上ステム５・軸装筒７との間に形成されてこの部分に流体の外部への漏洩防止を防ぐシール機能となる密封箇所が形成される。なお、便宜上、ジスク４とシートリング３との間に生じるシール機能を分けるとすると、一次シールと呼ばれる密封箇所がシートリング３の球面形受け座２３に形成され、二次シールと呼ばれる密封箇所がこのシートリング３のステム穴２４、２３と上下ステム５、６との間に形成され、これらの一次、二次シール部位と、上記した三次シールがバタフライ弁に形成される。バタフライ弁は、これらの一次〜三次シールによりステム軸装部分からの漏れが防がれるようになっている。
【００２７】
図４において、軸受け本体１１の装着後には、シール筒部１５の下面１５ｃと上ステム５の段差部上面１０ａとの間に所定の隙間Ｈが形成され、かつ、上ベアリング２１は、その上端部２１ａがシール筒部１５の下面１５ｃに当接した状態で軸受け本体１１内に圧入固着されている。この上ベアリング２１は、ステム大径部８の外径を支持可能な内径に形成され、下ベアリング２２との部品共通化が図られている。
【００２８】
軸受け本体１１の上端位置の軸装筒７内周には拡径凹状の取付溝２５が形成され、この取付溝２５にはＣ型止め輪２６が装着されている。この止め輪２６の下面２６ａに軸受け本体１１が係止可能になっており、このこととシール筒部下面１５ｃに段差部上面１０ａが係止可能であることにより、止め輪２６によって軸受け本体１１を介して上ステム５の飛び出しを防止している。
この軸受け本体１１の取付け構造により、仮に、一次シールや、一次シールと二次シールとが損なわれてジスク内部に流体が入り込み、その内圧で上ステム５を外部に押し出そうとする現象が発生した場合でも上ステム５の飛び出しを確実に防止できる。
【００２９】
軸受け本体１１を上述した構造に設けることにより、バタフライ弁１の軸受けの機能として要求される、「シール性」、「軸受け」、「飛び出し防止」をこの軸受け本体１１において機能別にシール筒部１５のシールリング１８、軸受筒部１６の上ベアリング２１、シール筒部１５と軸受筒部１６との間にそれぞれ独立して配置させている。この配置としては、軸受け本体１１の駆動部側から、ジスク４側に向かって、(１)シール機能が設けられ、続いて、(２)飛び出し防止機能と(３)軸受け（ベアリング）機能とが並列して配置されている。このように各機能を独立して発揮できるように各部位を配置することにより、その機能を発揮しつつ軸受け本体１１をステムの軸装方向により短く形成して軸受け本体１１全体のコンパクトを図ることが可能になる。
【００３０】
なお、ステム小径部９に取付けられる図示しない駆動部としては、例えば、内部にギア機構を備え、ハンドルにより手動操作可能な手動駆動部や、自動アクチュエータからなる自動駆動部などの適宜のものを使用できる。
【００３１】
続いて、上記したバタフライ弁を操作するときの操作トルクについて説明する。
先ず、本発明のバタフライ弁を含む一般的な中心形バタフライ弁の操作トルクについて述べる。この場合の操作トルクには、シートリング３とジスク４とにより生じるトルク（以降、シートトルクという）と、軸受け本体１１（上ベアリング２１も含む）と下ベアリング２２及びベアリング部材２７、装着穴１２と、上下ステム５、６との接触により生じるトルク（以降、ベアリングトルクという）とがあり、中心形バタフライ弁の操作トルクは、これらを合算したものである。すなわち、バルブ操作トルク＝シートトルク＋ベアリングトルクである。更に、シートトルクは、ジスク弁翼部位と天地球面部に分けられる。
【００３２】
バタフライ弁の内部に流体圧力により負荷が加わる場合、シートトルクは、ジスク弁翼部位では流体圧力の上昇によりジスク４とシートリング３とが２次方向に押し出されてこのシートリング３が２次側に寄る変形（「シートリングの寄り」という）が生じ、かつ、流体の加圧によってジスク４の外周が２次側に反る変形（「ジスクの反り）という）が生じる。これらの「シートリングの寄り」、「ジスクの反り」は、流体圧力が高いほどより大きくなるため、シートリング３の潰し量は減少することになる。このことから、ジスク４の弁翼部位によるシートトルクは、流体圧力が加わったときに流体圧力の上昇に伴って減少することになる。
【００３３】
球面受け座２３に生じるシートトルクは、天地球面部のトルクであるが、ジスク４が球面受け座２３に常時接触して流体からの影響を受け易い構造であることから、上下ステム５、６とシートリング３のステム穴２４とのシール部分にこれを含めて考えるものとする。球面受け座２３と、上下ステム５、６とシートリング３のステム穴２４とのシール部分におけるシートトルクは、バタフライ弁１の内部に流体圧力が加わってジスク４が水平方向に移動又は傾いたときにシートリング３の潰し量の変化はあるもののその変化量は微小であり、また、ステム軸装部中心からの距離（モーメントの距離）も小さくなるため、流体圧の変化によるトルク変化はほとんど見られない。
【００３４】
ベアリングトルクは、ジスク４に加わった流体圧力が荷重として上下ステム５、６に伝達され、それをベアリング２１、２２、２７で受けながらバルブを回転させるときに生じるトルクである。この流体圧力により上下ベアリング２１、２２を保持している軸装筒７は、上下ベアリング２１、２２から受ける荷重により反りを生じる。このとき、ベアリング−上ステム間と、軸受け本体−上ステム間、及びベアリング−下ステム間で発生する滑り摩擦によるトルクがベアリングトルクとなる。すなわち、ベアリングトルク＝上下ベアリング滑りトルク＋上ステム／ボデー反り回転トルク＋ベアリング部材滑りトルク＋下ステム／ジスク反り回転トルクになる。
【００３５】
バタフライ弁１の内部に負荷が加わると、上ステム５やボデー２に反りが生じ、上ベアリング２１も上ステム５の倒れにより大きな負荷を受ける。このため、ベアリングトルクは、流体圧力の上昇とともに大きくなる。
この場合、流体圧力が低圧である場合と高圧である場合とでは、そのトルク上昇時の勾配が異なる。
【００３６】
流体圧力が低圧であると、上ステム５の傾きに対し軸装筒７の反りが小さく、下ベアリング２２の装着側では上ステム５の傾きによって生じる接触部位がジスク側端部のみの局所的な接触になるため、高い面圧が生じて流体圧力が低い割には発生するトルクが大きくなる。軸受け本体１１側においては、この軸受け本体１１がボデー２と別体であるため、上ステム５の傾きに沿って軸受け本体１１（上ベアリング２１）の上下部位が上ステム５に面接触状態に近い状態で接触し、このため、面圧が低くなって上ベアリング付近のトルクも小さくなる。
【００３７】
流体圧力が高圧であると、上ステム５から受ける荷重で軸装筒７の反りが大きくなるため、下ベアリング２２の装着側では上ステム５との接触が上下で面接触に近い状態になる。このように下ベアリング２２と上ステム５とが広範囲で荷重が分散して接触するため、面圧が低くなって流体圧力が高い割には発生するトルクは小さくなる。軸受け本体１１側においては、上ステム５の傾きに沿ってこの軸受け本体１１の上下部位が上ステム５に面接触に近い状態で接触し、面圧が低くなってトルクが小さくなる。これらのことから、高圧時のベアリングトルクは、低圧時に比べて流体圧力に対してトルク上昇時の勾配が緩やかになる。
【００３８】
上述したように、本発明のバタフライ弁を含む中心形バラフライ弁の操作トルクは、ジスク弁翼部位のシートトルクでは流体圧力の上昇に伴って減少し、天地球面部位のシートトルクでは流体圧力の上昇によるトルク変化はほとんどみられず、ベアリングトルクでは流体圧力の上昇により大きくなる。
このように、操作トルクの上昇は、ベアリングトルクの上昇に起因することになるため、本発明のバタフライ弁では、流体圧力が加わったときのベアリングトルクを低減させることにより、操作トルクを抑えてシール性と動作性能とを向上させ、耐久性を高めるようにしたものである。
【００３９】
バタフライ弁は、上ステム５に大径部８と小径部９とからなる段差部１０にボデー２と別体の軸受け本体１１が装着され、この軸受け本体１１をボデー２と別体構造としているので、軸受け本体１１に上ステム５の反りに対して調芯機能を持たせることが可能になり、この調芯機能により上ステム５が傾いたり流路方向に移動したときに軸受け本体１１に局部的に荷重がかかることを防ぐことができる。
【００４０】
この場合、軸受け本体１１が内外周にシールリング１８を有するシール筒部１５とこのシール筒部１５の外周側下面１５ｃより一体に垂下形成された軸受筒部１６とからなっており、シール筒部１５によりシール機能、軸受筒部１６により上ステム５の軸受け機能を発揮する構造であるため、シール筒部１５、軸受筒部１６の厚さをその部位毎に設定できるようになっている。そのため、バタフライ弁１は、シール筒部１５、軸受筒部１６を適正な寸法によって短くして軸受け本体１１の全長を短く形成可能であり、この全長の短い軸受け本体１１により、上ベアリング２１の内周面側と上ステム５との間に大きいクリアランスを設けることなくこのクリアランスを利用してボデー２内での傾き角度を増加させることができる。これによって圧力変化により変化する上ステム５の反り（傾き）や移動に同調させるように調芯作用を発揮してこの移動や傾きを吸収可能になる。更に、軸受け本体１１による調芯調整範囲を大きく取ることで、上ベアリング２１が広範囲で上ステム５と接触することが可能になるため、高圧流体が流れたときにもその調芯機能を発揮できる。
【００４１】
これにより、軸受け本体１１全体を小型化して軸装筒７の外観寸法を小さくしつつ、上ステム５に局部的な荷重がかかったりかじりが発生したりすることを防いで、上ステム５やボデー２の摩耗や変形を抑えて操作トルクの上昇を防ぎ、耐久性の向上を図ることができる。そして、上ステム５やボデー２が傷付くことが防がれるためにシール性が向上し、一次、二次シール部分から高頻度使用等により流体の漏れが生じたときにも三次シール部分である軸受け本体１１によって外部への漏れを抑えることができる。
【００４２】
しかも、シール筒部内周面１５ｂと小径部外周９ａとの間に所定の隙間Ｇ１、シール筒部上端外周面１５ｄと軸装穴内周面２０ｂとの間に所定の隙間Ｇ２を設け、かつ、シール筒部１５の内外周に装着したシールリング１８、１８を軸装穴内周面２０ｂに接触させた構成としているので、軸受け時に上端外周面１５ｄが上ステム５や軸装筒７に接触することを防いでシール筒部１５が摩耗することを抑えている。これにより、シールリング１８によるシール性を高い状態に保持して安定したシール性を発揮でき、上下ステム５、６の回転時のガタを抑えて安定したトルクで優れた操作性を維持できる。また、装着溝１７にほとんど応力が加わることがないため、靭性の高い材料以外でも使用が可能になり、材料の選択肢が増える。
【００４３】
ここで、本発明のバタフライ弁の圧力の増加に対する操作トルクの変化を測定した。バルブ内への流体圧力としては、流体圧力０ＭＰａの場合を無負荷状態とし、流体圧力０．６ＭＰａ程度の場合を低圧状態とし、流体圧力１〜１．６ＭＰａ程度の場合を高圧状態とし、各圧力の流体が弁閉（締切）状態のジスク４に加わったときの操作トルクを測定した。このとき、流体圧力１．６ＭＰａの場合、サイズ４００Ａのバタフライ弁では、ジスクに働く力が約２００ｋＮにも及ぶことになる。
【００４４】
この操作トルクの測定結果を図５のグラフに示す。図中、圧力が変化したときのトルクの上下の変化は、前述したように操作トルクがシートトルク、ベアリングトルクを組合わせたものであるために生じたものである。
図の結果より、流体圧力が上がっても、トルクの上昇を抑えて略一定の操作トルクを維持することができた。
【００４５】
以上、本発明の実施の形態について詳述したが、本発明は、前記実施の形態記載に限定されるものではなく、本発明の特許請求の範囲に記載されている発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の変更ができ、例えば、一体形のステムによりジスクを装着する構造に設けた場合にも、分割したステムの場合と同様の効果を発揮できる。
【符号の説明】
【００４６】
２ ボデー
２ａ 内周面
３ シートリング
４ ジスク
５ 上ステム
６ 下ステム
７ 軸装筒
７ａ 内周
８ 大径部
９ 小径部
９ａ 外周
１０ 段差部
１１ 軸受け本体
１５ シール筒部
１５ｂ 内周面
１５ｃ 下面
１６ 軸受筒部
１８ シールリング
２１ 上ベアリング
２１ａ 上端部
２２ 下ベアリング
２５ 止め輪
Ｇ１、Ｇ２ 隙間
Ｈ 隙間
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バタフライ弁に関し、特に、弁体を回転させるステムがベアリングを介して摺動する構造のバタフライ弁に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、バタフライ弁においてボデー内のゴム製シートリング内にステムを介して円板状の弁体を回動自在に作動させる際には、ベアリングを介してステムを装着し、このステムを摺動状態で回動させる場合が通常である。このようなベアリングを介したステムの装着構造としては、いわゆる、ステム巻付けタイプ、ボデー直付け（挿入）タイプ、グランドタイプと呼ばれる３つのタイプが知られている。
【０００３】
ステム巻付けタイプのベアリングとしては、例えば、特許文献１のバタフライバルブに用いられる軸受が知られている。同文献１における軸受は、弁棒に形成された段部に配設された状態でボデーに挿入されている。このような軸受には通常切れ込み（スリット）が設けられ、軸受は、このスリットにより径が広げられたり狭められたりしながら弁棒の段部に巻付けられた状態で装着される。
直付けタイプのベアリングとしては、例えば、特許文献２のバルブの軸受装置に用いられる軸受部材が知られている。この軸受部材は、ボデーに形成された段部に圧入して直付け装着され、ステムは、この一方の軸受から開口部を通り、他方の軸受とにより２ヵ所で支持されている。
グランドタイプは、ボデーの上方側からステム挿入孔に取付けられ、このグランドタイプとして、例えば、軸受け本体にステム軸受け用の軸受部材、シール用のＯリングが装着されたものがある。この場合、軸受部材、Ｏリングが軸受け本体におけるステムの軸方向に対して交差方向に水平状態で配設される。
また、グランドタイプのその他の構造として、例えば、特許文献３の弁の軸封装置で用いられる軸封手段が知られている。この軸封手段は、円板状の金属板の一面に弾性密封板が定着された構造を成し、金属板で弁棒を軸受けし、弾性密封板で弁棒やボデー本体をシールするようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１７０３４８号公報
【特許文献２】特開２００２−１３０４９０号公報
【特許文献３】実公平２−４４１４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１のようなステム巻付けタイプのベアリングにおいては、全閉状態のジスクに流体圧が加わるとステムが傾いたり流路方向に移動し、ベアリング端面に局部的にステムからの荷重がかかることになり、この薄肉状ベアリングが樹脂層を有する場合にクリープが生じてステムがボデーハウジングに直に接触して低い操作トルクを維持することが困難になる。更に、かじりが発生したり、ステムやボデーの摩耗、変形が増加するとステムの傾きが増加してこのステムとジスク近傍のベアリングの接触がより局部的な状態になるために摩耗が増え、操作トルクの上昇やＯリングのシール性も含めた耐久性の低下に繋がることになる。このため、特に、バルブを高頻度で使用し、流体が弁体とシートリングとの常時の接触部位であるシートリングの天地シール部位が摩耗しベアリング装着側に漏れると、３次シールとしてＯリングのシール性を維持できなくなることがあり、その結果、流体が外部に漏れるおそれが生じる。更に、このベアリングには、ステムに巻き付ける際に径を広げたり狭めたりするためのスリットがあり、径方向に変形可能にするためにベアリングを薄肉にしたり、使用する材料にも制約がある。
【０００６】
特許文献２のような直付けタイプのベアリングの場合には、流体圧により上側のステムと軸装筒部分に反りが発生する。このとき、両者の反りが異なるため、上側ステムが軸装筒に圧入固定されているベアリングと局部的に接触する。従って、ベアリングが局部摩擦を生じ、耐久性が劣ったり、圧入によるトルクの上昇が顕著に現れてくる。このように、同文献２においてステムと軸装筒の反りの違いが軸方向のズレを生じると、ベアリングにスラスト荷重が生じて２つの層を持ったベアリングにズレが生じるおそれがある。また、このベアリングが装着されたバルブは、その構造上ベアリングよりも上部側にダストシール部分が設けられていないため、屋外に設置したときに雨水などの水分がバルブ内部に浸入してベアリングが腐食するおそれもある。これらのことから、バルブの動作性能の低下やシール性の悪化に繋がることがある。
【０００７】
Ｏリングが装着されたグランドタイプの軸受け本体を用いた場合、軸受部材とＯリングとが水平方向に並列して配置されているため、全体の肉厚を増し、靱性のある材料を用いて製作する必要がある。この軸受け本体ではバルブボデー側における装着用の穴部を大きく形成する必要があることから、首部の外径が大きくなって全体が大型化していた。しかも、軸受け本体の外径を小さくし、ボデーの軸受け本体用の挿入穴及びボデー首部を小さくするために軸受部材をステムの縮径部分に配置することが多いため、この軸受部材と弁体付近に配設されるベアリングとの共通化を図ることが難しくなったり、このベアリングの径が限定されてステムの外径寸法の設定に制約が生じたりすることがある。
特許文献３においては、円板状の金属板に弾性密封体が定着された構造の軸封装置を用いていることにより、ボデー首部の外径が大きくなってバルブ全体が大型化していた。更に、この軸封装置によってボデー首部の取付け用フランジも大径になるため、取付けできる外部の駆動手段が限られる場合がある。
【０００８】
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、内部構造が複雑化したり全体が大型化することを防ぎつつ、操作トルクの上昇を抑えて優れた動作性能とシール性とを維持し、耐久性に優れた製作容易なバタフライ弁を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、筒形ボデーの内周面に装着したシートリング内に円板状ジスクをステムを介して回転自在に設けたバタフライ弁において、ボデーの軸装筒内に装入したステムに大径部と小径部とから成る段差部位を形成し、この段差部位の小径部外周と軸装筒内周との間に、内外周に装着したシールリングを介してシール接触するシール筒部とこのシール筒部の外周側下面より一体に垂下形成した軸受筒部とからなる軸受け本体を装着すると共に、軸受筒部と大径部との間にステムを支持する上ベアリングを介在させ、かつ、ジスク側の大径部にも下ベアリングを装着したバタフライ弁である。
【００１０】
請求項２に係る発明は、シール筒部の内周面と小径部外周面との間に所定の隙間を設け、かつ、シール筒部の内外周に装着したシールリングを小径部外周と軸装筒内周にシール接触させたバタフライ弁である。
【００１１】
請求項３に係る発明は、シール筒部の内外周に装着した２つのシールリングをステムの軸方向に対して交差方向に水平状態に配設したバタフライ弁である。
【００１２】
請求項４に係る発明は、シール筒部の下面とステムの段差部位上面との間に所定の隙間を設け、かつ、上ベアリングの上端部をシール筒部の下面に当接させたバタフライ弁である。
【００１３】
請求項５に係る発明は、軸受け本体の上端位置の軸装筒内周にＣ型止め輪を装着し、この止め輪により、軸受け本体を介してステムの飛び出しを防止したバタフライ弁である。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１に係る発明によると、シールリングを内外周に装着したシール筒部と軸受筒部とからなる軸受け本体を用いてその肉厚を薄く形成して内部構造が複雑化や全体が大型化したりすることを防ぎつつバタフライ弁を構成でき、軸受け本体内に上ベアリングを介在させた状態で、この上ベアリングと下ベアリングとによってステムを支持することで操作トルクの上昇を抑えて優れた動作性能とシール性とを維持し、耐久性を向上させることが可能になる。部品点数が少ないため製作も容易であり、軸受け本体をボデーに組み込んだステムの上方側より着脱できるため、組立て・分解も容易である。更に、軸受け本体のシール筒部に挿着されたシールリングにより内部に水分等が浸入することを防ぐことができ、優れたダストシール性を発揮できる。
【００１５】
請求項２に係る発明によると、シール筒部の内周面と小径部外周面との間に所定の隙間を設けているので、これらが接触して摩耗することを防いでシール筒部の摩耗によるシール性の低下を防ぎつつ、ボデーと軸受け本体との接触部分を長期間に亘って一定の精度に保つことができる。このため、長期の使用後にも操作トルクの変化を抑えて安定した操作性を維持でき、特に、高圧の場合や、バルブ口径が大きくなるにつれてこの効果をより顕著に発揮でき、この軸受け本体を介して加圧時の操作トルクを長期に渡って低く維持できる。
【００１６】
請求項３に係る発明によると、シール筒部のステムの軸方向の長さを抑えて軸受け本体の全長を短くしてコンパクト化を図ることができ、この軸受け本体の装着部分である軸装筒の外径の大径化を防いでバルブ全体を小型化することが可能になる。このように、軸受け本体の全長を短くできることでボデー内での隙間を利用して軸受け本体が傾くときの角度を増加させることができ、流体圧によって傾いたり移動しようとするステムの動作に軸受け本体を同調させて常に軸受け本体にステムを大きい接触面積で接触できる。これにより、ステムがベアリングに対して円滑に摺動して低トルク化を図ることが可能になり、特に、流体圧がより高圧であったり、バルブの口径が大きい場合にその効果をより高めることができる。
【００１７】
請求項４に係る発明によると、操作時にステムの段差部位上面とシール筒部の下面とが接触して摩耗することを防ぎ、シール筒部の下面に上端部が当接された状態の上ベアリングでステムを支持することで、ステムのガタつきを防いで安定状態で回転させて耐久性を高めることができる。このため、優れた操作トルク性やシール性を維持することが可能になる。
【００１８】
請求項５に係る発明によると、Ｃ型止め輪を介してステムの飛び出しを防止でき、この止め輪により軸受け本体の上端側を押えることでステムの摩耗や破損を防止して耐久性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明におけるバタフライ弁の好ましい実施形態を示す一部切欠き側面図である。
【図２】図１の一部切欠き正面図である。
【図３】図１の要部拡大断面図である。
【図４】段差部位付近を示す一部拡大断面図である。
【図５】流体圧力に対する操作トルクの測定結果を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下に、本発明におけるバタフライ弁の弁体の好ましい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バタフライ弁の一部切欠き側面図、図２においては図１の一部切欠き正面図、図３においては図１の要部拡大断面図を示している。
【００２１】
図１〜図３に示すように、本発明におけるバタフライ弁１は、筒形ボデー２を有し、このボデー２にシートリング（ゴムシート）３、円板状ジスク４、上ステム５、下ステム６が設けられている。シートリング３のジスク４との接触面３ａは断面フラット状であり、ジスク４回転時のトルク上昇を防ぐようになっている。このシートリング３は、ボデー２の内周面２ａに装着され、このシートリング３内に上下ステム５、６を介してジスク４が回転自在に装着されている。上ステム５は、ボデー２に形成された軸装筒７内に装入されており、その上端側において大径部８と小径部９とから成る段差部１０が形成され、この段差部１０における小径部９の外周９ａと軸装筒７の内周７ａとの間には、軸受け本体１１が装着されている。一方、下ステム６は、ボデー２の下部に形成された装着穴１２からジスク４に圧入のベアリング部材２７を介して嵌入されている。ジスク４は、その内部に形成された略角形状の嵌入孔４ａに上ステム５の角部５ａが嵌合されてシートリング３内に装着されている。本実施形態においては、２分割した上下ステム５、６によりジスク４を装着している。上ステム５の小径部９には、図示しない駆動部が取付け可能になっている。
【００２２】
軸受け本体１１は、シール筒部１５と軸受筒部１６とからなり、シール筒部１５は、略環状に形成され、その内外周にそれぞれ装着溝１７、１７が形成され、この装着溝１７にシールリング（Ｏリング）１８が装着されている。軸受筒部１６は、シール筒部１５の外周面１５ａの下面より、このシール筒部１５に一体に垂下形成される。軸受筒部１６は、少なくとも上ステム５の段差部１０付近を後述する上ベアリング２１で支持すればよく、軸方向に極力短く形成されていることが望ましい。
【００２３】
一方において、ボデー２には小径部外周９ａと軸装筒外周７ｂとの間の径の所定寸法の貫通穴１９が形成され、この貫通穴１９は、大径部８の外周８ａの径よりも大径に形成されている。貫通穴１９の上端側には、軸受け本体１１の外径と略同径であって、貫通穴１９よりも拡径した軸装穴２０が形成されている。軸受け本体１１は、上下ステム５、６によりジスク４を装着した後に軸装筒７の上方側より軸装穴２０に装着可能であり、ボデー２や上ステム５に予め組み込む必要がない。軸受け本体１１は、軸受筒部１６下面の当接面１６ａが軸装穴２０の略環状の係止面２０ａに当接係止することで、上ステム５の所定位置に位置決め配置される。これにより、シールリング１８が上ステム５と軸装筒７との間の適切な位置にシール可能になっている。
【００２４】
その際、軸受筒部１６と大径部８との間には、上ステム５を支持するための上ベアリング２１、下ベアリング２２が介在され、かつ、下ステム６側にベアリング部材２７が装着されている。上下ベアリング２１、２２、及びベアリング部材２７は、例えば、バックメタル付き四フッ化エチレン樹脂により複層構造に設けられている。これらのベアリング２１、２２、２７は軸方向におけるジスク４側に装着されており、このベアリング２１、２２、２７により上下ステム５、６による回転時の摺動抵抗が抑えられる。上ベアリング２１は、より長い部位である軸受筒部１６とシール筒部１５との組み合わせにより支えられているため、この上ベアリング２１により軸受け本体１１がせん断破壊されることが防止される。上ベアリング２１と下ベアリング２２は、その内外径寸法が同一であり、それぞれ軸受筒部１６の内周や、ボデー２の貫通穴２０の内周に圧入されている。
【００２５】
図３、図４において、前記のシール筒部１５は、シールリング１８装着部位の上側において、その内径が小径部９よりもやや大径に形成され、外径が軸装穴２０の内径よりもやや小径に形成されている。そのため、軸受け本体１１の装着時には、シール筒部１５の内周面１５ｂと小径部外周９ａとの間に所定の隙間Ｇ１、シール筒部１５のシールリング１８装着部位付近の上端外周面１５ｄと軸装穴内周面２０ｂとの間に所定の隙間Ｇ２がそれぞれ形成される。この隙間Ｇ１、Ｇ２により、シール筒部１５の内外周部位が小径部外周９ａ、軸装穴内周面２０ｂに接触しにくくなり、軸受け本体１１は、軸受筒部１６付近の外周面１１ａのみがボデー２に接触した状態となり、シール筒部１５の内外周に装着されたシールリング１８、１８が小径部外周９ａと軸装筒内周７ａにシール接触する。なお、隙間Ｇ２は必要に応じて設ければよく、少なくとも隙間Ｇ１を設けておけばよい。
【００２６】
前記したシール筒部１５の装着溝１７は、上下ステム５、６の軸方向に対して交差方向に水平状態に形成されている。これにより、シール筒部１５の内外周面１５ａ、１５ｂに装着された２つのシールリング１８、１８が水平状態に配設されるため、シール筒部１５の軸方向の長さが短くなり、軸受け本体１１のコンパクト化が可能になっている。これらのシールリング１８、１８により、いわゆる、三次シールと呼ばれるシール部位が軸受け本体１１と上ステム５・軸装筒７との間に形成されてこの部分に流体の外部への漏洩防止を防ぐシール機能となる密封箇所が形成される。なお、便宜上、ジスク４とシートリング３との間に生じるシール機能を分けるとすると、一次シールと呼ばれる密封箇所がシートリング３の球面形受け座２３に形成され、二次シールと呼ばれる密封箇所がこのシートリング３のステム穴２４、２３と上下ステム５、６との間に形成され、これらの一次、二次シール部位と、上記した三次シールがバタフライ弁に形成される。バタフライ弁は、これらの一次〜三次シールによりステム軸装部分からの漏れが防がれるようになっている。
【００２７】
図４において、軸受け本体１１の装着後には、シール筒部１５の下面１５ｃと上ステム５の段差部上面１０ａとの間に所定の隙間Ｈが形成され、かつ、上ベアリング２１は、その上端部２１ａがシール筒部１５の下面１５ｃに当接した状態で軸受け本体１１内に圧入固着されている。この上ベアリング２１は、ステム大径部８の外径を支持可能な内径に形成され、下ベアリング２２との部品共通化が図られている。
【００２８】
軸受け本体１１の上端位置の軸装筒７内周には拡径凹状の取付溝２５が形成され、この取付溝２５にはＣ型止め輪２６が装着されている。この止め輪２６の下面２６ａに軸受け本体１１が係止可能になっており、このこととシール筒部下面１５ｃに段差部上面１０ａが係止可能であることにより、止め輪２６によって軸受け本体１１を介して上ステム５の飛び出しを防止している。
この軸受け本体１１の取付け構造により、仮に、一次シールや、一次シールと二次シールとが損なわれてジスク内部に流体が入り込み、その内圧で上ステム５を外部に押し出そうとする現象が発生した場合でも上ステム５の飛び出しを確実に防止できる。
【００２９】
軸受け本体１１を上述した構造に設けることにより、バタフライ弁１の軸受けの機能として要求される、「シール性」、「軸受け」、「飛び出し防止」をこの軸受け本体１１において機能別にシール筒部１５のシールリング１８、軸受筒部１６の上ベアリング２１、シール筒部１５と軸受筒部１６との間にそれぞれ独立して配置させている。この配置としては、軸受け本体１１の駆動部側から、ジスク４側に向かって、(１)シール機能が設けられ、続いて、(２)飛び出し防止機能と(３)軸受け（ベアリング）機能とが並列して配置されている。このように各機能を独立して発揮できるように各部位を配置することにより、その機能を発揮しつつ軸受け本体１１をステムの軸装方向により短く形成して軸受け本体１１全体のコンパクトを図ることが可能になる。
【００３０】
なお、ステム小径部９に取付けられる図示しない駆動部としては、例えば、内部にギア機構を備え、ハンドルにより手動操作可能な手動駆動部や、自動アクチュエータからなる自動駆動部などの適宜のものを使用できる。
【００３１】
続いて、上記したバタフライ弁を操作するときの操作トルクについて説明する。
先ず、本発明のバタフライ弁を含む一般的な中心形バタフライ弁の操作トルクについて述べる。この場合の操作トルクには、シートリング３とジスク４とにより生じるトルク（以降、シートトルクという）と、軸受け本体１１（上ベアリング２１も含む）と下ベアリング２２及びベアリング部材２７、装着穴１２と、上下ステム５、６との接触により生じるトルク（以降、ベアリングトルクという）とがあり、中心形バタフライ弁の操作トルクは、これらを合算したものである。すなわち、バルブ操作トルク＝シートトルク＋ベアリングトルクである。更に、シートトルクは、ジスク弁翼部位と天地球面部に分けられる。
【００３２】
バタフライ弁の内部に流体圧力により負荷が加わる場合、シートトルクは、ジスク弁翼部位では流体圧力の上昇によりジスク４とシートリング３とが２次方向に押し出されてこのシートリング３が２次側に寄る変形（「シートリングの寄り」という）が生じ、かつ、流体の加圧によってジスク４の外周が２次側に反る変形（「ジスクの反り）という）が生じる。これらの「シートリングの寄り」、「ジスクの反り」は、流体圧力が高いほどより大きくなるため、シートリング３の潰し量は減少することになる。このことから、ジスク４の弁翼部位によるシートトルクは、流体圧力が加わったときに流体圧力の上昇に伴って減少することになる。
【００３３】
球面受け座２３に生じるシートトルクは、天地球面部のトルクであるが、ジスク４が球面受け座２３に常時接触して流体からの影響を受け易い構造であることから、上下ステム５、６とシートリング３のステム穴２４とのシール部分にこれを含めて考えるものとする。球面受け座２３と、上下ステム５、６とシートリング３のステム穴２４とのシール部分におけるシートトルクは、バタフライ弁１の内部に流体圧力が加わってジスク４が水平方向に移動又は傾いたときにシートリング３の潰し量の変化はあるもののその変化量は微小であり、また、ステム軸装部中心からの距離（モーメントの距離）も小さくなるため、流体圧の変化によるトルク変化はほとんど見られない。
【００３４】
ベアリングトルクは、ジスク４に加わった流体圧力が荷重として上下ステム５、６に伝達され、それをベアリング２１、２２、２７で受けながらバルブを回転させるときに生じるトルクである。この流体圧力により上下ベアリング２１、２２を保持している軸装筒７は、上下ベアリング２１、２２から受ける荷重により反りを生じる。このとき、ベアリング−上ステム間と、軸受け本体−上ステム間、及びベアリング−下ステム間で発生する滑り摩擦によるトルクがベアリングトルクとなる。すなわち、ベアリングトルク＝上下ベアリング滑りトルク＋上ステム／ボデー反り回転トルク＋ベアリング部材滑りトルク＋下ステム／ジスク反り回転トルクになる。
【００３５】
バタフライ弁１の内部に負荷が加わると、上ステム５やボデー２に反りが生じ、上ベアリング２１も上ステム５の倒れにより大きな負荷を受ける。このため、ベアリングトルクは、流体圧力の上昇とともに大きくなる。
この場合、流体圧力が低圧である場合と高圧である場合とでは、そのトルク上昇時の勾配が異なる。
【００３６】
流体圧力が低圧であると、上ステム５の傾きに対し軸装筒７の反りが小さく、下ベアリング２２の装着側では上ステム５の傾きによって生じる接触部位がジスク側端部のみの局所的な接触になるため、高い面圧が生じて流体圧力が低い割には発生するトルクが大きくなる。軸受け本体１１側においては、この軸受け本体１１がボデー２と別体であるため、上ステム５の傾きに沿って軸受け本体１１（上ベアリング２１）の上下部位が上ステム５に面接触状態に近い状態で接触し、このため、面圧が低くなって上ベアリング付近のトルクも小さくなる。
【００３７】
流体圧力が高圧であると、上ステム５から受ける荷重で軸装筒７の反りが大きくなるため、下ベアリング２２の装着側では上ステム５との接触が上下で面接触に近い状態になる。このように下ベアリング２２と上ステム５とが広範囲で荷重が分散して接触するため、面圧が低くなって流体圧力が高い割には発生するトルクは小さくなる。軸受け本体１１側においては、上ステム５の傾きに沿ってこの軸受け本体１１の上下部位が上ステム５に面接触に近い状態で接触し、面圧が低くなってトルクが小さくなる。これらのことから、高圧時のベアリングトルクは、低圧時に比べて流体圧力に対してトルク上昇時の勾配が緩やかになる。
【００３８】
上述したように、本発明のバタフライ弁を含む中心形バラフライ弁の操作トルクは、ジスク弁翼部位のシートトルクでは流体圧力の上昇に伴って減少し、天地球面部位のシートトルクでは流体圧力の上昇によるトルク変化はほとんどみられず、ベアリングトルクでは流体圧力の上昇により大きくなる。
このように、操作トルクの上昇は、ベアリングトルクの上昇に起因することになるため、本発明のバタフライ弁では、流体圧力が加わったときのベアリングトルクを低減させることにより、操作トルクを抑えてシール性と動作性能とを向上させ、耐久性を高めるようにしたものである。
【００３９】
バタフライ弁は、上ステム５に大径部８と小径部９とからなる段差部１０にボデー２と別体の軸受け本体１１が装着され、この軸受け本体１１をボデー２と別体構造としているので、軸受け本体１１に上ステム５の反りに対して調芯機能を持たせることが可能になり、この調芯機能により上ステム５が傾いたり流路方向に移動したときに軸受け本体１１に局部的に荷重がかかることを防ぐことができる。
【００４０】
この場合、軸受け本体１１が内外周にシールリング１８を有するシール筒部１５とこのシール筒部１５の外周側下面１５ｃより一体に垂下形成された軸受筒部１６とからなっており、シール筒部１５によりシール機能、軸受筒部１６により上ステム５の軸受け機能を発揮する構造であるため、シール筒部１５、軸受筒部１６の厚さをその部位毎に設定できるようになっている。そのため、バタフライ弁１は、シール筒部１５、軸受筒部１６を適正な寸法によって短くして軸受け本体１１の全長を短く形成可能であり、この全長の短い軸受け本体１１により、上ベアリング２１の内周面側と上ステム５との間に大きいクリアランスを設けることなくこのクリアランスを利用してボデー２内での傾き角度を増加させることができる。これによって圧力変化により変化する上ステム５の反り（傾き）や移動に同調させるように調芯作用を発揮してこの移動や傾きを吸収可能になる。更に、軸受け本体１１による調芯調整範囲を大きく取ることで、上ベアリング２１が広範囲で上ステム５と接触することが可能になるため、高圧流体が流れたときにもその調芯機能を発揮できる。
【００４１】
これにより、軸受け本体１１全体を小型化して軸装筒７の外観寸法を小さくしつつ、上ステム５に局部的な荷重がかかったりかじりが発生したりすることを防いで、上ステム５やボデー２の摩耗や変形を抑えて操作トルクの上昇を防ぎ、耐久性の向上を図ることができる。そして、上ステム５やボデー２が傷付くことが防がれるためにシール性が向上し、一次、二次シール部分から高頻度使用等により流体の漏れが生じたときにも三次シール部分である軸受け本体１１によって外部への漏れを抑えることができる。
【００４２】
しかも、シール筒部内周面１５ｂと小径部外周９ａとの間に所定の隙間Ｇ１、シール筒部上端外周面１５ｄと軸装穴内周面２０ｂとの間に所定の隙間Ｇ２を設け、かつ、シール筒部１５の内外周に装着したシールリング１８、１８を軸装穴内周面２０ｂに接触させた構成としているので、軸受け時に上端外周面１５ｄが上ステム５や軸装筒７に接触することを防いでシール筒部１５が摩耗することを抑えている。これにより、シールリング１８によるシール性を高い状態に保持して安定したシール性を発揮でき、上下ステム５、６の回転時のガタを抑えて安定したトルクで優れた操作性を維持できる。また、装着溝１７にほとんど応力が加わることがないため、靭性の高い材料以外でも使用が可能になり、材料の選択肢が増える。
【００４３】
ここで、本発明のバタフライ弁の圧力の増加に対する操作トルクの変化を測定した。バルブ内への流体圧力としては、流体圧力０ＭＰａの場合を無負荷状態とし、流体圧力０．６ＭＰａ程度の場合を低圧状態とし、流体圧力１〜１．６ＭＰａ程度の場合を高圧状態とし、各圧力の流体が弁閉（締切）状態のジスク４に加わったときの操作トルクを測定した。このとき、流体圧力１．６ＭＰａの場合、サイズ４００Ａのバタフライ弁では、ジスクに働く力が約２００ｋＮにも及ぶことになる。
【００４４】
この操作トルクの測定結果を図５のグラフに示す。図中、圧力が変化したときのトルクの上下の変化は、前述したように操作トルクがシートトルク、ベアリングトルクを組合わせたものであるために生じたものである。
図の結果より、流体圧力が上がっても、トルクの上昇を抑えて略一定の操作トルクを維持することができた。
【００４５】
以上、本発明の実施の形態について詳述したが、本発明は、前記実施の形態記載に限定されるものではなく、本発明の特許請求の範囲に記載されている発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の変更ができ、例えば、一体形のステムによりジスクを装着する構造に設けた場合にも、分割したステムの場合と同様の効果を発揮できる。
【符号の説明】
【００４６】
２ ボデー
２ａ 内周面
３ シートリング
４ ジスク
５ 上ステム
６ 下ステム
７ 軸装筒
７ａ 内周
８ 大径部
９ 小径部
９ａ 外周
１０ 段差部
１１ 軸受け本体
１５ シール筒部
１５ｂ 内周面
１５ｃ 下面
１６ 軸受筒部
１８ シールリング
２１ 上ベアリング
２１ａ 上端部
２２ 下ベアリング
２５ 止め輪
Ｇ１、Ｇ２ 隙間
Ｈ 隙間
【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒形ボデーの内周面に装着したシートリング内に円板状ジスクをステムを介して回転自在に設けたバタフライ弁において、前記ボデーの軸装筒内に装入した前記ステムに大径部と小径部とから成る段差部位を形成し、この段差部位の前記小径部外周と軸装筒内周との間に、内外周に装着したシールリングを介してシール接触するシール筒部とこのシール筒部の外周側下面より一体に垂下形成した軸受筒部とからなる軸受け本体を装着すると共に、前記軸受筒部と前記大径部との間に前記ステムを支持する上ベアリングを介在させ、かつ、前記ジスク側の大径部にも下ベアリングを装着したことを特徴とするバタフライ弁。
【請求項２】
前記シール筒部の内周面と前記小径部外周面との間に所定の隙間を設け、かつ、前記シール筒部の内外周に装着したシールリングを前記小径部外周と軸装筒内周にシール接触させた請求項１に記載のバタフライ弁。
【請求項３】
前記シール筒部の内外周に装着した２つのシールリングを前記ステムの軸方向に対して交差方向に水平状態に配設した請求項２に記載のバタフライ弁。
【請求項４】
前記シール筒部の下面とステムの段差部位上面との間に所定の隙間を設け、かつ、前記上ベアリングの上端部を前記シール筒部の下面に当接させた請求項１乃至３の何れか１項に記載のバタフライ弁。
【請求項５】
前記軸受け本体の上端位置の軸装筒内周にＣ型止め輪を装着し、この止め輪により、前記軸受け本体を介してステムの飛び出しを防止した請求項１乃至４の何れか１項に記載のバタフライ弁。
【請求項１】
筒形ボデーの内周面に装着したシートリング内に円板状ジスクをステムを介して回転自在に設けたバタフライ弁において、前記ボデーの軸装筒内に装入した前記ステムに大径部と小径部とから成る段差部位を形成し、この段差部位の前記小径部外周と軸装筒内周との間に、内外周に装着したシールリングを介してシール接触するシール筒部とこのシール筒部の外周側下面より一体に垂下形成した軸受筒部とからなる軸受け本体を装着すると共に、前記軸受筒部と前記大径部との間に前記ステムを支持する上ベアリングを介在させ、かつ、前記ジスク側の大径部にも下ベアリングを装着したことを特徴とするバタフライ弁。
【請求項２】
前記シール筒部の内周面と前記小径部外周面との間に所定の隙間を設け、かつ、前記シール筒部の内外周に装着したシールリングを前記小径部外周と軸装筒内周にシール接触させた請求項１に記載のバタフライ弁。
【請求項３】
前記シール筒部の内外周に装着した２つのシールリングを前記ステムの軸方向に対して交差方向に水平状態に配設した請求項２に記載のバタフライ弁。
【請求項４】
前記シール筒部の下面とステムの段差部位上面との間に所定の隙間を設け、かつ、前記上ベアリングの上端部を前記シール筒部の下面に当接させた請求項１乃至３の何れか１項に記載のバタフライ弁。
【請求項５】
前記軸受け本体の上端位置の軸装筒内周にＣ型止め輪を装着し、この止め輪により、前記軸受け本体を介してステムの飛び出しを防止した請求項１乃至４の何れか１項に記載のバタフライ弁。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−５７７４０（Ｐ２０１２−５７７４０Ａ）
【公開日】平成２４年３月２２日（２０１２．３．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２０２３３７（Ｐ２０１０−２０２３３７）
【出願日】平成２２年９月９日（２０１０．９．９）
【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３月２２日（２０１２．３．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月９日（２０１０．９．９）
【出願人】（３９０００２３８１）株式会社キッツ (223)
【Ｆターム（参考）】
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