JP2007155102A - 圧力調整弁 - Google Patents

Abstract

【課題】超臨界または亜臨界状態においても、安定して圧力の調整ができる圧力調整弁を提供する。
【解決手段】超臨界液または亜臨界液が流入する流入部と、前記超臨界液または亜臨界液が流出する流出部とを有する弁本体と、
前記弁本体内に、前記超臨界液または亜臨界液の流入によって回転する弁体と、
前記弁体を流入部へ押圧する押圧部とを有する、圧力調整弁。
【選択図】 図１

Description

本発明は、超臨界液または亜臨界液の圧力を調整するための圧力調整弁に関する。

従来から、超臨界液または亜臨界液を処理する装置に用いる圧力調整弁が検討されている。例えば、特許文献１は、反応流体の流路開口内に進退する圧力調整ロッド弁体と、該圧力調整ロッド弁体をその軸線のまわりに回転駆動する回転駆動源とを備えてなることを特徴とする反応処理装置における閉塞を防止し得る圧力調整弁が開示されている。
しかしながら、この種の弁では、該特許文献１の図５に示されるように、弁体の側面に穴を設け、該穴から圧力を逃がすことにより、弁体の超臨界液または亜臨界液に対する圧力を調整している。しかしながら、このような穴を設ける結果、弁本体の歳差運動に伴い摩耗してしまう。また、ジャイロ効果の不安定さという観点から、圧力の調整も困難である。
すなわち、超臨界液または亜臨界液に対し安定した制御を行う圧力調整弁は全く知られていない。

特開平９−１６６２２７号公報

本発明は上記課題を解決することを目的としたものであって、超臨界または亜臨界状態においても、安定して圧力の調整ができる圧力調整弁に関する。

かかる課題の下、発明者が鋭意検討を行った結果、下記手段により、上記課題を解決しうることを見出した。
（１）超臨界液または亜臨界液が流入する流入部と、前記超臨界液または亜臨界液が流出する流出部とを有する弁本体と、
前記弁本体内に、前記超臨界液または亜臨界液の流入によって回転する弁体と、
前記弁体を流入部へ押圧する押圧部とを有する、圧力調整弁。
（２）前記押圧部は、前記弁本体と前記弁体の間に設けられた弾性体である、（１）に記載の圧力調整弁。
（３）前記弁体の表面には溝が設けられており、該溝に、前記弁体内に流入した超臨界液または亜臨界液があたることにより回転する、（１）または（２）に記載の圧力調整弁。
（４）前記押圧部と、前記弁体の間に設けられたピボットを有する、（１）〜（３）のいずれか１項に記載の圧力調整弁。
（５）前記弁本体には、弁体を受ける弁座が、別途設けられている、（１）〜（４）のいずれか１項に記載の圧力調整弁。
（６）前記弁本体と前記弁座は異なる材質からなる、（５）に記載の圧力調整弁。

本発明の圧力調整弁を採用することにより、超臨界または亜臨界状態の反応器から流出する液の圧力を容易に調整することが可能になった。特に、本発明の圧力調整弁は、腐食等にも強いものとなった。

以下において、本発明の内容について詳細に説明する。尚、本願明細書において「〜」とはその前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む意味で使用される。

本発明の詳細について、図１を例に説明する。図１は、本発明の圧力調整弁の一例を示したものであって、１は弁本体を、２は弁体を、３は応力制御部を、４は流入部を、５は流出部を、６は弁座を、７はピボットを表している。また、黒い矢印は、超臨界液または亜臨界液の流路方向を示している。

弁本体１は、本発明の圧力調整弁の土台となるものである。その形状は、中空体であれば特に定めるものではない。好ましくは、弁本体１の超臨界液または亜臨界液の流路方向に垂直な方向の内部の断面が、円形、楕円形、三角形（好ましく正三角形）、四角形（好ましくは正方形、長方形）、多角形（好ましくは正多角形）であるものが挙げられる。さらに、断面が角を有するものである場合、該角部分を削除した形態であることが好ましい。このような手段を採用することにより、該弁本体１内で、弁体２がよりスムーズに回転でき好ましい。
弁本体１の大きさは特に定めるものではないが、例えば、長手方向の長さ２０〜８００ｍｍ、長手方向に垂直な方向の断面の面積（外壁を含む）３００〜７００００ｍｍ²、長手方向に垂直な方向の断面の面積（内壁）７５〜１８０００ｍｍ²、弁本体１の厚み１０〜１００ｍｍのものを挙げることができる。
弁本体の材質は、特に定めるものではないが、熱および圧力に腐食されないものが好ましい。具体的には、セラミック、特殊合金等が挙げられ、セラミックがより好ましい。

弁本体１は、超臨界液または亜臨界液が流入する流入部４と、同液が流出する流出部５とを有する。
流入部４および流出部５の形状は、特に定めるものではないが、好ましくは円形である。円形は、形状の安定性が図れると共に、加工も容易である。また、流入部４と流出部５の断面積は、断熱膨張の観点から１：１〜１：１０００の範囲であることが好ましい。
また、流入部４および流出部５の断面積は、一定である必要はなく、例えば、弁本体１内部に向かって段階的に大きくなる構成としてもよい。このような構成を採用することにより、流速を一定に保つことができる。
図１中、流入部４および流出部５の位置は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で適宜変更できる。例えば、流出部５を弁本体１の長手方向であって流入部と反対側の面に設けてもよいし、流出部を弁本体１の側面に２つ以上設けてもよい。
好ましくは弁本体の側面に設ける構成である。このような構成を採用することにより、より圧力調整弁をコンパクトにできる。
また、図１では、下方から超臨界液または亜臨界液を流入し、上方側面から同液を流出する構成となっているが、本発明は必ずしもこのような構成を必須とするものではない。例えば、本発明の圧力調整弁を横に寝かした状態で採用してもよい。

さらに、図１では、弁本体１とは別に弁座６を設けている。弁座６は、超臨界液または亜臨界液が流入していない状態において、弁体２を受ける台となる。また、弁座６により、超臨界液または亜臨界液の流入量が調整可能な構成としてもよい。例えば、弁座６によって、流入部からの経路の断面積を調整して、超臨界液または亜臨界液の流入圧力を調整することも可能である。
弁座６は、弁本体１と一体的に構成してもよいし、弁本体１とは別に設けてもよい。好ましくは、弁本体１と別に設ける場合である。このような手段を採用することにより、繰り返し使用等によって磨耗された場合に、該部分のみを取り替えることができる。
弁座６の材質としては、超硬合金またはセラミックが好ましい。特に、前記弁本体１とは異なる材質を採用することが好ましい。異なる材質のものを採用することにより、シール性が向上する。

弁体２は、弁本体１内に設けられており、超臨界液または亜臨界液の流入によって回転する。また、通常は、弁体２が、超臨界液または亜臨界液の圧力も制御する。弁体２は、通常、表面に溝が設けられており、超臨界液または亜臨界液が弁本体１内に流入すると、該溝に、超臨界液または亜臨界液の運動エネルギーが付与されて回転する。すなわち、溝は、タービンの役割を果たす。このとき、弁本体１と弁体２の間が特定の距離に保たれ、超臨界液または亜臨界液の安定した流路が形成される。ここで、図１中の黒い矢印は超臨界液または亜臨界液の流れを示している。すなわち、超臨界液または亜臨界液は、弁本体１と弁体２によって形成された流路を、すなわち、弁体２の周りを回るように移動しながら、図１では上方方向へ移動し、流出口５から流出される。なお、弁本体１を横に寝かした場合、超臨界液または亜臨界液は、流入口４と反対側へ向かって移動する。
弁体２の回転は、通常、回転軸を中心に、弁体２のより流入部に近い方が小さな回転軌道で回転する。すなわち、弁体の流入部から遠い側ほど、大きな回転軌道を回転する。尚、本発明でいう回転軸は、厳密に一直線である必要はなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、一直線でなくてもよい。
弁体２は、例えば、５〜４０Ｍｐａの圧力の超臨界液または亜臨界液が流入した場合、３００〜３０００ｒｐｍの回転数で回転する。

溝は、タービンとしての役割を満たす限り、その形状、大きさ、数等は特に定めるものではないが、一例を挙げると、弁体の回転軸に平行ではないように設けられていることが好ましい。好ましくは、７〜３０°の角度をもって設けられていることが好ましい。また、溝の幅は、２〜２０ｍｍであることが好ましく、溝の本数は、６〜２４本であることが好ましい。また、溝は、直線状である必要はなく、波線状、螺旋状等であってもよい。

弁体２の形状は、弁本体１内で回転可能であれば、特に定めるものではないが、好ましくは、対称体（但し、溝部は除く）であることが好ましい。好ましくは、一方の先が細くなっている弁体である。このような弁体２は、圧力バランスがとりやすいという利点がある。一方の先が細くなっている弁体としては、長手方向の断面が、二等辺三角形（１）；台形であって底辺と側辺によって形成される２つの角が互いに等しい台形（２）；正方形または長方形と、前記三角形（１）または前記台形（２）とを組み合わせたもの（３）；前記（３）であって、正方形または長方形と、前記三角形（１）または前記台形（２）の接合部分を面取りしたもの（４）；のものが好ましい。この中でも、（３）または（４）がより好ましい。また、（３）または（４）の断面を有する回転体を採用する場合、前記溝部は、正方形または長方形部分に相当する部分の表面にのみ設けることが好ましい。このような手段を採用することにより、加工性が向上すると共に、流路がより効果的に確保される。
また、上記（１）〜（４）のような一方の先が細くなっている弁体を採用する場合、入口側が細くなるように設ける。

押圧部３は、弁体２を流入部４方向へ押圧する。好ましくは、図１に示すように、弁本体１と弁体２の間であって、弁体２が回転する回転軸方向に設けられた弾性体である。この弾性体が伸縮して、弁体２が超臨界液または亜臨界液を押圧する力を調整する。すなわち、超臨界液または亜臨界液には、通常、弁体２自身が加重する力と押圧部３が押圧する力が付加される。好ましくは、弁体２の加重が中心となり、押圧部３が押圧する力は補助的に働く場合である。もちろん、押圧部３が中心となって力を付加してもよい。従来はこのような力調整は、弁本体に穴を設け、該穴に杭を差し込むことによって行っていた。しかし、杭を用いる方法では、金属による腐食等が妨げなかった。本発明では、この点が回避された点で極めて優位である。
弾性体としては、バネが挙げられる。押圧部３は、２以上の弾性体を並列に並べた構成であってもよい。また、回転軸に対して角度を持つように２以上の弾性体を設けた構成であってもよい。
さらに、押圧部３は、外部から調整が可能な構成とすることが好ましい。このような手段を採用することにより、圧力を制御する超臨界液または亜臨界液により対応した調整が可能となる。
加えて、本発明の圧力調整弁では、弁体２と押圧部３の間にピボット７を設けることが好ましい。ピボット７は、回転体である弁体２と、弁本体１に固定されている押圧部３の間で回転部を支える装置として働くため、弁体２の回転運動がよりスムーズになる。
押圧部の材質は、特に定めるものではないが、セラミック等の高耐熱性材料が好ましい。高耐熱性材質を採用することにより、圧力調整弁の寿命をより長くすることができる。

押圧部３によって調整される力は、圧力調整弁の規模等に応じて適宜設定されるが、例えば、５〜４０Ｍｐａである。
本発明の圧力調整弁では、例えば、下記式（１）で表される力関係が働く。
式（１）
ＰＳ＞Ｋ＋ｍｇ
ここで、Ｐは流入する超臨界液または亜臨界液圧力であり、Ｓは弁体の有効断面積であり、Ｋは押圧部により付与される力であり、ｍは弁体質量であり、ｇは重力加速度である。ここで、弁体の有効断面積Ｓとは、超臨界液または亜臨界液圧力が直接にかかる断面積をいい、例えば、超臨界液または亜臨界液が未流入の状態で、弁本体（好ましくは、弁座）に弁体を設置したときに、該弁本体と接触する断面の面積をいう。
但し、本発明の圧力調整弁を横に寝かして使用する場合等は、上記式には該当しない。横に寝かして使用する場合は、当業者の公知の手法によって、力関係が調整される。

本発明における超臨界液または亜臨界液としては、水、アルコール、有機物溶解溶液等が挙げられる。また、これらに、不純物（例えば、無機物）等を含むものであってもよい。

本発明の圧力調整弁は、超臨界液または亜臨界液の反応装置における圧力調整弁として用いることができる。例えば、内部が超臨界状態または亜臨界状態の反応器に直接接続して、該反応器から流出する超臨界液または亜臨界液を調節し、次の反応器（反応工程）へ移行させる。このような手段により、効率的に反応処理を行うことができる。本発明の圧力調整弁は、廃棄物処理における反応装置において好ましく利用できる。

図１は、本発明の圧力調整弁の一例の概略図を示す。 図２は、本発明の弁体断面の概略図の例を示す。

符号の説明

１ 弁本体
２ 弁体
３ 応力制御部
４ 流入部
５ 流出部
６ 弁座
７ ピボット

Claims (6)

1. 超臨界液または亜臨界液が流入する流入部と、前記超臨界液または亜臨界液が流出する流出部とを有する弁本体と、
   前記弁本体内に、前記超臨界液または亜臨界液の流入によって回転する弁体と、
   前記弁体を流入部へ押圧する押圧部とを有する、圧力調整弁。
2. 前記押圧部は、前記弁本体と前記弁体の間に設けられた弾性体である、請求項１に記載の圧力調整弁。
3. 前記弁体の表面には溝が設けられており、該溝に、前記弁体内に流入した超臨界液または亜臨界液があたることにより回転する、請求項１または２に記載の圧力調整弁。
4. 前記押圧部と、前記弁体の間に設けられたピボットを有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧力調整弁。
5. 前記弁本体には、弁体を受ける弁座が、別途設けられている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の圧力調整弁。
6. 前記弁本体と前記弁座は異なる材質からなる、請求項５に記載の圧力調整弁。

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