(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-07-27
(45)【発行日】2023-08-04
(54)【発明の名称】ボール弁
(51)【国際特許分類】
F16K 5/06 20060101AFI20230728BHJP
【ＦＩ】
F16K5/06 C
【請求項の数】
3
(21)【出願番号】P 2019178683
(22)【出願日】2019-09-30
(65)【公開番号】P2021055736
(43)【公開日】2021-04-08
【審査請求日】2022-07-19
(73)【特許権者】
【識別番号】390033857
【氏名又は名称】株式会社フジキン
(74)【代理人】
【識別番号】100106091
【弁理士】
【氏名又は名称】松村 直都
(74)【代理人】
【識別番号】100079038
【弁理士】
【氏名又は名称】渡邉 彰
(74)【代理人】
【氏名又は名称】岸本 瑛之助
(72)【発明者】
【氏名】平松 浩司
(72)【発明者】
【氏名】薬師神 忠幸
(72)【発明者】
【氏名】毛利 友裕
【審査官】加藤 昌人
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１４－６６３２４（ＪＰ，Ａ）
【文献】実開昭５５－１７１７６０（ＪＰ，Ｕ）
【文献】実開昭４９－９０９２８（ＪＰ，Ｕ）
【文献】欧州特許出願公開第１３２３９６５（ＥＰ，Ａ１）
【文献】中国実用新案第２０３６８６２１３（ＣＮ，Ｕ）
【文献】実開昭４８－２３３２３（ＪＰ，Ｕ）
【文献】米国特許第５５７７７０８（ＵＳ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｆ１６Ｋ ５／００－ ５／２２
Ｆ１６Ｋ １１／００－１１／２４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
流体入口通路、流体出口通路及びこれらの通路間に設けられた連通部を有する本体と、流体連通路を有し前記本体の前記連通部に、前記流体入口通路と流体出口通路とを繋ぐ軸線と直交する基準軸回りに回転可能に配設されたボールと、
周壁に所要の開口部が設けられた略円筒状をなし前記ボールと前記本体との間に配設されたボールシートと、
前記ボールを基準軸回りに回転させる操作機構と、
前記ボールシートの上面と当接する上側ボールシート押えと、
前記連通部の上方に開口する部分にねじ合わされ前記上側ボールシート押えを下方に押圧する上側押えねじと、を備え、
前記ボールを前記基準軸回りに回転させることで前記流体入口通路と流体出口通路との連通と遮断を行うボール弁であって、
前記連通部は、前記本体の下方にも貫通しており、前記連通部の下方に開口する部分に、さらに、前記ボールシートの下面と当接する下側ボールシート押えと、前記連通部の下方に開口する部分にねじ合わされ前記下側ボールシート押えを上方に押圧する下側押えねじと、を有するボール弁。
【請求項2】
前記ボールシートの前記開口部に内嵌されているリテーナをさらに有している請求項１に記載のボール弁。
【請求項3】
前記上側ボールシート押えと前記上側押えねじの間、及び／または、前記下側ボールシート押えと前記下側押えねじの間にばね部材を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のボール弁。【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
この発明は、ボールを回転させることで連通遮断を行うボール弁に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、図４に示すような流体入口通路１１、流体出口通路１２およびこれらの通路間に設けられた連通部（凹部）１３を有する本体１０と、流体連通路２１を有し本体１０の連通部１３に基準軸回りに回転可能に配設されたボール２０と、周壁に所要の開口部が設けられた略円筒状をなしボール２０と本体１０との間に配設されたボールシート４０とを備えており、ボールを基準軸回りに回転させることで流体入口通路１１と流体出口通路１２との連通遮断を行うボール弁１はよく知られている。
【0003】
ボール弁１から流体が漏れ出さないようにするため、ボールシート押えねじ４２をねじ込み、皿バネ４３を介して、ボールシート押え４１を上方から下方へ力Ｆで押圧し、その力は、ボールシート４０を押さえる力となる。力Ｆは、上方から下方に、リテーナ５０を押圧する力Ｆ１とボール２０を押圧する力Ｆ２に分かれ、Ｆ２の分力Ｆ２ｎがボール２０を法線方向に押圧する。力Ｆ１は、下方で、リテーナ５０がボールシート４０を押圧する力Ｆ４となり、Ｆ４はＦ１に比べて減衰して小さくなっている。ボール２０の下方では、力Ｆ２ｎが伝達され、Ｆ３ｎとなってボールシート４０は、ボール２０によって押圧される。最終的に伝達された力は、力Ｆ５で本体１０を押圧する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
上記の図４に示すバルブにおいて、ボールシート４０とボール２０の間の境界に生じる面圧において、下部での面圧は上部での面圧に比べて減衰して小さくなっている。このボールシート４０とボール２０との間の面圧に関して、上部と下部でのばらつきが生じる現象は、このボールシート４０と本体１０との間の面圧についても同様に生じる。下部において、流体が漏れないようにするために必要な面圧を得るためには、大きな力Ｆをかける必要があるが、バルブを流れる流体の圧力が大きくなればなるほど、その力Ｆはさらに大きくしなければならず、限界がある。
【0005】
バルブを流れる流体の圧力が高圧の場合、ボールシート４０の上部と下部にかかる力のばらつきを小さくすることができれば、図４に示すような一般的ボールバルブにおいて、力Ｆをさほど大きくする必要はなくなり、ボールシート押え４１、ボールシート４０及びリテーナ５０などの部品に対して要求される強度なども軽減される。
【0006】
この発明の目的は、ボールを回転させることで連通遮断を行うボール弁において、ボールシートの上部と下部に生じる面圧のばらつきが小さく、流体が漏れにくいボール弁を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明（１）は、流体入口通路、流体出口通路及びこれらの通路間に設けられた連通部を有する本体と、流体連通路を有し前記本体の前記連通部に、前記流体入口通路と流体出口通路とを繋ぐ軸線と直交する基準軸回りに回転可能に配設されたボールと、周壁に所要の開口部が設けられた略円筒状をなし前記ボールと前記本体との間に配設されたボールシートと、前記ボールを基準軸回りに回転させる操作機構と、前記ボールシートの上面と当接する上側ボールシート押えと、前記連通部の上方に開口する部分にねじ合わされ前記上側ボールシート押えを下方に押圧する上側押えねじと、を備え、前記ボールを前記基準軸回りに回転させることで前記流体入口通路と流体出口通路との連通と遮断を行うボール弁であって、前記連通部は、前記本体の下方にも貫通しており、前記連通部の下方に開口する部分に、さらに、前記ボールシートの下面と当接する下側ボールシート押えと、前記連通部の下方に開口する部分にねじ合わされ前記下側ボールシート押えを上方に押圧する下側押えねじと、を有するボール弁である。
【0008】
本発明（１）のボール弁では、連通部は、本体の上下方に貫通しており、連通部の下方に開口する部分に、さらに、ボールシートの下面と当接する下側ボールシート押えと、連通部の下方に開口する部分にねじ合わされ下側ボールシート押えを上方に押圧する下側押えねじと、を有するので、下側からの押圧力があることによって、ボールシートの上部と下部における面圧の差が、図４に示す従来のボール弁と比べて少なく、均一化されるので、ボール弁を流れる流体が漏れにくくなる。
【0009】
ボールシートは、合成樹脂材料から形成されており、より具体的には、ボール径より小径の開口部から、ボールが圧入されることを許容する程度の弾性を有するＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、超高分子量ポリエチレン等から形成されることが好ましいとされる。
【0010】
本発明（２）は、前記ボールシートの前記開口部に内嵌されているリテーナをさらに有している本発明（１）のボール弁である。
【0011】
本発明（２）では、ボールシートの開口部に内嵌されているリテーナがさらに備えられている。リテーナはステンレス鋼製であることが耐腐食性や強度の観点から好ましい。このリテーナによって、ボールシートの変形が抑制され、流体通路となる開口が確保される。
【0012】
従来のボール弁においては、ボールシートとボールおよびボールシートと本体との間からの流体の漏出を防止するために、高圧流体を流す際には過剰な上方からの荷重をかけなければならず、このリテーナまで変形してしまい、動作不良につながる危険性があった。本発明のボール弁では、過剰な上方からの荷重をかける必要がなくなるので、リテーナが変形することもなくなる。
【0013】
本発明（３）は、前記上側ボールシート押えと前記上側押えねじの間、及び／または、前記下側ボールシート押えと前記下側押えねじの間にばね部材を有することを特徴とする本発明（１）または（２）のボール弁である。
【0014】
本発明（３）では、前記上側ボールシート押えと前記上側押えねじの間、及び／または、前記下側ボールシート押えと前記下側押えねじの間にばね部材を有しているので、上方及び／または、下方からの荷重がこのばね部材の反発力によって、ボールシートに対する負荷を維持し続けることができる。
【発明の効果】
【0015】
この発明のボール弁によると、ボールを回転させることで連通遮断を行うボール弁において、ボールシートの上部と下部に生じる面圧のばらつきが小さくすることができ、流体がバルブから漏れにくくなる。
【図面の簡単な説明】
【0016】
【図1】この発明によるボール弁の第１実施例の部分断面図を示す。
【図2】第１実施例における力の伝達を模式的に示す。
【図3】この発明によるボール弁による、ボールシートの上部と下部にかかる力（面圧）を模式的に示す棒グラフである。
【図4】従前のボール弁における力の伝達を模式的に示す。
【発明を実施するための形態】
【0017】
この発明の実施の形態を、以下図面を参照して説明する。以下の説明において、上下は、図の上下をいうものとする。この「上下」は便宜的なもので、設置に際しては、上下が逆になったり、水平になったりすることもある。
【0018】
図１は、本発明の実施例のボール弁１を示す。ボール弁１は、流体入口通路１１および流体出口通路１２を有し、流体入口通路１１および流体出口通路１２を連通する連通部１３を有する本体１０を備えている。流体入口通路１１および流体出口通路１２には、それぞれに継手部１４が取り付けられている。
【0019】
連通部１３には、流体を遮断連通するためのボール２０が納められ、ボール２０には、流体の通路となる流体連通路２１が形成されている。ボール２０と本体１０との間には、合成樹脂材料であるＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）製のボールシート４０が配置されている。このボールシート４０は一体型構造で、出入口の開口部と直交する開口部からボール２０を圧入する。ボール２０を圧入する開口部が弾性変形してボール２０を内部に収納する。そして、このボールシート４０に上方から圧縮荷重をかけることによって、流体の漏出が防止される。
【0020】
ボールシート４０の２か所の出入り口の開口部には、金属製の略円環状のリテーナ５０が配置されている。リテーナ５０は、ボールシート４０が変形し通路を塞ぐことを防ぐものであり、ステンレス鋼製とした。ボール２０の上方には、ボール２０と連なるステム２２が形成され、このステム２２の上端部は、操作機構３０のハンドル３１と連結されている。ハンドル３１を回転することによって、ボール２０は回転し、流体の連通遮断が行われるが、操作機構はこのような手動のものに限らず、アクチュエータを使用し、電気や空圧によって回転させるものでも良い。
【0021】
本体１０の上部には筒状の突出部１６が上方に突出しており、この突出部１６の内部の空間と連通部１３の中に、ボールシート４０と接触する円環状のボールシート押え４１、皿バネ４３およびボールシート押えねじ４２が配置されている。
【0022】
突出部１６の内面には、突出部雌ねじ１６ｂが切られ、ボールシート押えねじ４２の外面に形成されたボールシート押えねじ雄ねじ４２ａと螺合している。ボールシート押えねじ４２を回して、上方から荷重を付加して皿バネ４３を圧縮し、皿バネ４３の反発力でボールシート押え４１に上方から荷重を付加して、その荷重はボールシート４０に伝達され、ボールシート４０が上方からの荷重によって圧縮される。
【0023】
突出部１６の外面には突出部雄ねじ１６ａが切られ、この突出部雄ねじ１６ａは、パネルナット１５の内面に形成されたパネルナット雌ねじ１５ａと螺合している。パネルナット１５ａと本体１０の上面との間にパネル等を挟むことができる。
【0024】
本発明の連通部１３は、本体１０の上方のみならず下方にも貫通しており、連通部１３の下方に開口する部分に、さらに、ボールシート４０の下面と当接する下側ボールシート押え６３と、連通部１３の下方に開口する部分にねじ合わされ下側ボールシート押え６３を上方に押圧する下側押えねじ６１と、を有する。下側押圧ねじ６１には下側押圧ねじ雄ねじ６１ｂが切られ、この雄ねじと螺合する本体雌ねじ１０ａが本体１０の下部に形成されている。
【0025】
下側ボールシート押え６３と下側押圧ねじ６１の間には、皿バネ６２が介在されており、下側押圧ねじ６１の下面に形成された六角穴６１ａにレンチ等の工具を係合させて、下側押圧ねじ６１をねじ込んで皿バネ６２を圧縮し、その反発力で、下側ボールシート押え６３を押圧し、さらに下側ボールシート押え６３がボールシート４０の下面を押圧する。下側押圧ねじ６１、皿バネ６２及び下側ボールシート押え６３が、図中の下側押圧機構６０を形成し、従来のボール弁に、この下側押圧機構６０が新たに備えられている。連通部１３に下方に配設される皿ばね６２や上方に配設される皿ばね４３は、ボールシート押えを押圧する弾性部材であれば皿ばねに限られるものではなく、また、下側押圧ねじ６１、ボールシート押えねじ４２によって直接ボールシート押えを押圧するように構成しても構わない。
【0026】
図２は、本発明により発生するボールシート４０を押圧する力Ｆ及びＧと、これらの力が変化して伝達される様子を模式的に示している。力ＦとＧは、実際には、基準軸（ステム２２の軸）の周囲に均等に発生しているが、図２ではわかりやすいように、力Ｆを左側に、力Ｇを右側に示している。
【0027】
力Ｆは、力Ｆ１とＦ２に分けられ、力Ｆ２の法線成分Ｆ２ｎがボール２０に伝わり、減衰してＦ３ｎとなる。リテーナ５０がボールシート４０の下部を押圧する力Ｆ４はＦ１よりも小さく、ボールシート４０が下側ボールシート押え６３を力Ｆ５で押圧する。
【0028】
下側押圧機構６０側では、下側押圧ねじ６１をねじ込んで発生する力Ｇは皿バネ６２を圧縮し、その反発力による力によって、下側ボールシート押え６３がボールシート４０の下面を下から上方に押圧する力Ｇ１と、ボールシート４０がボールを押圧する力Ｇ２となる。力Ｇ２の法線成分Ｇ２ｎがボール２０を押圧する力となり、ボール２０の上方で、ボールシート４０を法線方向に押圧する力Ｇ３ｎとなる。リテーナ５０がボールシート４０を押圧する力Ｇ４とボールシート４０が上側ボールシート押え４１を押圧する力Ｇ５と、減衰しながら伝えられていく。
【0029】
図３は、従来のボール弁と本発明のボール弁１において、ボール２０とボールシート４０の界面に発生する面圧を、対比して示している。左側は、従来のボール弁の上側と下側の面圧をそれぞれ棒グラフで示している。右側は、本発明のボール弁１の上側と下側の面圧をそれぞれ棒グラフで示している。
【0030】
右肩上がりのハッチングで示すものは、上方からの押圧力Ｆに起因する成分を示し、右肩下がりのハッチングで示すものは、下方からの押圧力Ｇに起因する成分を示している。このグラフを見ると、従来のボール弁では、上側と下側の面圧の差Ｄ１が大きいが、本発明のボール弁１では、この差Ｄ２が小さくなっている。これは、Ｄ１を小さくするように下からの力Ｇを加えていることに起因する。
【0031】
本発明のボール弁１では、上方からの押圧力Ｆを従来のボール弁よりも小さくでき、上方からの押圧力Ｆと下方からの押圧力Ｇのバランスを調整すると、差Ｄ２を零とすることも可能となる。
【産業上の利用可能性】
【0032】
この発明によるボール弁は、ボールシートの上部及び下部の接触面圧の差を小さくできることから、従来のボール弁に比べて、高圧流体を流す場合においても、押圧力を大きくすることなく、流体がバルブから漏れにくくなる。
【符号の説明】
【0033】
１：ボール弁
１０：本体
１０ａ：本体雌ねじ
１１：流体入口通路
１２：流体出口通路
１３：連通部
１４：継手部
１５：パネルナット
１５ａ：パネルナット雌ねじ
１６：突出部
１６ａ：突出部雄ねじ
１６ｂ：突出部雌ねじ
２０：ボール
２１：流体連通路
２２：ステム
３０：操作機構
３１：ハンドル
４０：ボールシート
４１：ボールシート押え
４２：ボールシート押えねじ
４２ａ：ボールシート押えねじ雄ねじ
４３：皿バネ
５０：リテーナ
６０：下側押圧機構
６１：下側押圧ねじ
６１ａ：六角穴
６１ｂ：下側押圧ねじ雄ねじ
６２：皿バネ
６３：下側ボールシート押え
１０：本体
１０ａ：本体雌ねじ
１１：流体入口通路
１２：流体出口通路
１３：連通部
１４：継手部
１５：パネルナット
１５ａ：パネルナット雌ねじ
１６：突出部
１６ａ：突出部雄ねじ
１６ｂ：突出部雌ねじ
２０：ボール
２１：流体連通路
２２：ステム
３０：操作機構
３１：ハンドル
４０：ボールシート
４１：ボールシート押え
４２：ボールシート押えねじ
４２ａ：ボールシート押えねじ雄ねじ
４３：皿バネ
５０：リテーナ
６０：下側押圧機構
６１：下側押圧ねじ
６１ａ：六角穴
６１ｂ：下側押圧ねじ雄ねじ
６２：皿バネ
６３：下側ボールシート押え
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】