JP2014105788A

JP2014105788A - 安全弁

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Publication number: JP2014105788A
Application number: JP2012259578A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Imanishi; 剛今西
Original assignee: FUKUI SEISAKUSHO CO Ltd; FUKUI SEISAKUSHO KK
Current assignee: FUKUI SEISAKUSHO CO Ltd; FUKUI SEISAKUSHO KK
Priority date: 2012-11-28
Filing date: 2012-11-28
Publication date: 2014-06-09
Anticipated expiration: 2032-11-28
Also published as: JP5943816B2

Abstract

【課題】ハイドレート用安全弁の閉弁中に動作不良になる事態を防止する。
【解決手段】ボディ３の入口４がハイドレート貯槽内に連通する使用状態で大気に暴露する部分のうち、少なくとも弁体２に、大気と熱交換する複数のフィン１６が設けられ、閉弁中、これらフィン１６で取り込んだ大気の熱が弁体２及び弁座１のシール面７に伝わるようにした。
【選択図】図１

Description

この発明は、ハイドレート貯槽の安全確保用の安全弁に関する。

安全弁は、バルブの一次側（入口側）の圧力が上昇して予め定められた圧力になったとき自動的に作動し、弁体が開き、圧力が所定の値に降下すれば、再び弁体が閉じる機能をもっている。一般に、安全弁は、蒸気又はガスの発生装置、圧力容器及び配管の安全確保のために使用される。

従来、低温ガス用の安全弁として、ＬＮＧ、ＬＰＧ用のものが多数実用化されている。開弁力の設定は、ばね式、パイロット弁式、重錘式等、様々である。ＬＮＧ、ＬＰＧの貯槽内の圧力は安全弁の一次側圧力とされ、二次側圧力は大気圧とされている。このため、安全弁は、少なくとも二次側流路内を大気に暴露する状態で使用される（例えば、非特許文献１）。

特許庁作成標準技術集「バルブ」（特に「技術名称１−１−２−３ＬＮＧ／ＬＰＧ用パイロット弁付安全弁」）

近年、中小規模の輸送でＬＮＧの輸送に比して低コスト化を見込めることから、メタン、天然ガス等、種類を問わず、ハイドレート（包接水和物）の状態で輸送を行うことが検討され出した。ハイドレート輸送における積荷の状態は、ペレットとされ、可燃性であって水分８０％程度を含み、温度は約−２０℃とされるが、ハイドレート貯槽内で温度のコントロールは積極的に行われない。ハイドレート貯槽内の状態は、約−２０℃なので、水は液体として存在せず、固体と気体の状態で存在する。このため、ハイドレート貯槽内には水蒸気及び可燃ガスの混合流体が溜まる。将来、安全弁でハイドレート貯槽の安全確保を図る場合、その混合流体は、通常、閉弁している安全弁の一次側流体となる。

ＬＰＧやＬＮＧ用の安全弁の場合、ＬＰＧやＬＮＧに水分が含まれないため、ＬＰＧやＬＮＧの貯槽内で温度が低下しても閉弁中の安全弁の一次側表面で結露したり、着氷したりする心配はない。

一方、ハイドレート用の安全弁の場合を考えると、一次側流体に多量の水蒸気が含まれているため、閉弁中、ハイドレート貯槽内の温度が低下したとき、一次側流体に含まれていた水蒸気が弁体や弁座の一次側表面で結露したり、着氷したりする可能性がある。その結露や着氷によって閉弁中の弁体が弁座に凍り付いた凍結状態になると、安全弁が肝心なときに動かなくなる事態が懸念される。

そこで、この発明が解決しようとする課題は、ハイドレート用安全弁の閉弁中に動作不良になる事態を防止することにある。

上述の課題を解決するため、この発明は、ボディの入口がハイドレート貯槽内に連通する使用状態で大気に暴露する部分のうち、少なくとも弁体に、大気と熱交換する１以上のフィンが設けられ、閉弁中、これらフィンで取り込んだ大気の熱が弁体及び弁座のシール面に伝わる構成を採用したものである。

弁体や弁座は、閉弁中、一次側流体に暴露する一次側表面をもつ。この一次側表面の温度を高く保てる程、一次側表面の雰囲気中では水分子が気体で存在し易くなるため、一次側表面での結露や着氷を防止することができる。ハイドレート貯槽の安全確保という安全弁の目的上、電気、空圧等の人工的な外部エネルギを利用して安全弁の動作不良を防止することは好ましくない。使用状態では、少なくともボディの二次側流路内は大気に暴露しているから、大気中の熱を積極的に取り込み、弁体や弁座の一次側表面に伝えれば、人工的な外部エネルギに頼らずに結露や着氷を防止することができる。具体的には、使用状態で大気に暴露する部分のうち、少なくとも弁体に、大気と熱交換するフィンを設けておけば、閉弁中、大気と弁体間の熱交換の効率を上げ、これらフィンで取り込んだ大気の熱を弁体の一次側表面及び弁座のシール面に伝え、このシール面から弁座の一次側表面へ伝えることができる。これにより、閉弁中、弁体と弁座の凍結が防止される。

例えば、弁体がばね直動式又は重錘式のものとされる場合、複数のフィンが、弁体外周の弁座寄りの部分に設けられているとよい。ばね直動式又は重錘式の弁体の場合、ばね負荷を受けるため、又は自重を確保するため、弁座を覆う部分が弁体の案内方向に厚く、弁体外周の弁座寄りの部分は弁体の上面よりも弁座のシール面に近い。このため、複数のフィンを弁体外周の弁座寄りの部分に設けておくと、弁体から弁座側へ大気の熱を短い距離で伝え易い。

また、パイロット弁と、主弁ダイヤフラムとを備え、主弁の前記弁体が、主弁の前記弁座を覆うメンブレンシートと、このメンブレンシートを張ったディスク本体とを有する形式のパイロット弁付き安全弁にする場合、前記複数のフィンが、前記ディスク本体の弁座シール面上方から中央側まで設けられているとよい。この形式の安全弁は、低圧用のものなので、ディスク本体が全体的に弁体の案内方向に薄く、メンブレンシートを弁座のシール面に密着させる。このため、複数のフィンをディスク本体の弁座シール面上方から中央側まで設けておくと、弁体の一次側表面を成すメンブレンシートの広い範囲へ大気の熱を短い距離で伝え易い。

この発明は、上記構成の採用により、ハイドレート用安全弁の閉弁中、人工的な外部エネルギに頼ることなく弁体と弁座の一次側での凍結が防止されるので、動作不良になる事態を防止することができる。

この発明の第１実施形態に係る安全弁を閉弁状態で示した縦断正面図この発明の第２実施形態に係る安全弁を閉弁状態で示した縦断正面図この発明の第３実施形態に係る安全弁を閉弁状態で示した縦断正面図

この発明の第１実施形態を図１に基いて説明する。第１実施形態に係るこの安全弁は、弁座１及び弁体２を収めたボディ３を備える。ボディ３は、バルブとしての入口４と出口５間に亘る流路６を内部にもっている。図示は、入口４の軸線と出口５の軸線が直交するアングル形を例示している。弁体２は、弁座１のシール面７に密着させられる表面をもち、流路６内にあって一次側流体の圧力で一体に変位させられる部分からなる。弁体２は、適宜、単一部品又は複数部品の組立体とされる。弁座１は、シール面７で弁体２から閉弁用の荷重を受ける筒状の突出部分からなる。弁体２が弁座１に密着している閉弁中、ボディ３内の流路６は、弁体２を境として、一次側流体が占める一次側流路８と、一次側流体よりも低圧の二次側流体が占める二次側流路９とに分けられる。

出口５は、大気に開放された管路に接続される。入口４は、ハイドレート貯槽の開口部、又はハイドレート貯槽内に開放された管路に接続される。したがって、この安全弁の使用状態は、入口４がハイドレート貯槽内に連通し、かつ少なくとも二次側流路９内が大気に暴露する状態に保たれる。一般に、ボディ３の外面の略全体も大気に暴露される。一次側流体（図中、Ｇａｓ）は、ハイドレート貯槽内に溜まった水蒸気及び可燃性ガスの混合流体からなり、二次側流体（図中、Ａｉｒ）は、大気からなる。ハイドレート貯槽内は、ハイドレートを安定させる低温度、高圧の条件に保たれるが、結露や着氷の発生を許さない精度での温度コントロールを期待できない。

この安全弁は、いわゆるばね直動式のものとなっている。ボディ３の蓋１０は、ガイド部１１を有する。ガイド部１１には、軸部１２が挿通されている。ガイド部１１の案内方向を上下方向とする。ボディ３には、蓋１０に被さるばねケース１３が取り付けられている。ばねケース１３内に円筒状のコイルばね１４が組み込まれている。コイルばね１４の弾性反発力が案内方向に沿った方向で軸部１２に伝えられる。弁体２は、軸部１２よりも外径の大きな弁体ホルダ部１５を有する。弁体ホルダ部１５は、弁座１を案内方向から覆う部材とされ、軸部１２に連設されている。軸部１２に伝えられたばね力は、弁体２を弁座１に押し付けられる。一次側流体の圧力が、所定の圧力以上になると、コイルばね１４の弾性反発力、弁体２の自重等の抵抗が負けて、弁体２が開弁位置へ変位させられる。

弁体２は、軸部１２よりも外径の大きな弁体ホルダ部１５を有する。弁体ホルダ部１５は、弁座１を案内方向から覆う部材とされ、弁軸１２に連設されている。弁体ホルダ部１５には、二次側流路９内の大気と熱交換する複数のフィン１６が設けられている。フィン１６は、大気との熱交換の効率を上げることを目的とした板状の突出部分からなり、大気に暴露する両板面間の肉厚よりも大きく大気中に突き出ている。

フィン１６は、例えば、円環状の板材で形成し、案内方向に間隔を空けて弁体の外周に取り付ける。フィン１６を別製作の取付部材にすれば、低温用安全弁の弁体材料として一般的なステンレス、鋳鉄等の鉄系材料と比して、比重が軽く熱交換性も良好なアルミニウム、チタン等の軽金属又は軽合金でフィン１６を形成することができる。これにより、前記所定の圧力を設定する際、フィン１６の重量の影響を抑えることができる。

複数のフィン１６を含む弁体２や、弁座１や、ボディ３は、一次側流体によって冷やされるため、大気の熱を取り込む。取り込まれた熱は、一次側流体に暴露する表面の方へ向う。特に、複数のフィン１６によって弁体２と大気間の熱交換が促進される。閉弁中、各フィン１６で取り込まれた大気の熱は、弁体２の一次側表面１７、弁体２と密着している弁座１のシール面７、シール面７から弁座１の一次側表面１８の順に伝わり、最終的に、これらの面に触れた一次側流体に伝わる。これにより、閉弁中、ハイドレート槽内の温度低下の影響で一次側流体の温度が低くなったとしても、弁体２及び弁座１の一次側表面１７、１８の直近では、一次側流体の温度低下が抑えられるので、これに含まれている水蒸気が凝結したり、過冷却になったりすることが避けられる。したがって、この安全弁は、閉弁中、人工的な外部エネルギに頼ることなく、弁体２と弁座１の凍結が防止されるので、動作不良になる事態を防止することができる。

また、弁体外周１９の弁座寄りの部分は、弁体２の上面よりも弁座１のシール面７に近く、この部分に複数のフィン１６が設けられているので、シール面７へ大気の熱を短い距離で伝え易い。なお、弁体外周１９は、閉弁中に大気に暴露する表面であって、弁体２の案内方向の中心線に対して直角な方向に最も離れた点の集合からなる。また、弁座寄りの部分とは、弁体外周１９を案内方向に二等分したとき、弁座１に近い方の半分を意味する。大気との伝熱面積を増すため、残り半分（ガイド寄りの部分）にもフィン１６を設けてもよい。

なお、一次側流体の温度低下範囲は、ハイドレート貯槽の仕様で決まる。この温度低下範囲内で弁体２及び弁座１の凍結が生じないよう、フィン１６の配置、面積、数、形状、材質等が決定されている。フィン１６は、図示のような円環板状や一方向に突出するものに限定されず、肉厚や突出方向が途中で変化するものでもよい。また、弁体ホルダ部１５の上面にフィン１６を追加してもよいし、弁体ホルダ部１５に確保できるフィン１６の配置スペースが不足するなら、弁座１に連続する部材の大気暴露部分や、他の二次側流路の内壁面や、ボディ３の外面にフィンを追加してもよい。ボディ３の外面に追加すると、安全弁の設置性を損なうので、フィン１６は二次側流路９内に限って配置することが好ましい。フィン１６の数を増やして、個々のフィン１６を小型にする方が、開弁時、一次側流体の吹き出しを阻害しないように二次側流路９内へ配置し易い。

この発明の第２実施形態を図２に示す。以下、第１実施形態との相違点を述べるに留める。この安全弁は、ばねケース、コイルばね等を省略し、専ら弁体２の自重によって閉弁する、いわゆる重錘式のものとされている。重錘式の場合、ばねケース等がない分、安全弁全体として大気から熱を取り込み難く、ボディ３から弁座１に伝わる熱が少なくなるため、この発明が特に効果的である。

この発明の第３実施形態を図３に示す。この安全弁は、パイロット弁２１と、主弁ダイヤフラム２２とを備え、主弁の弁体２が、主弁の弁座１を覆うメンブレンシート２３と、このメンブレンシート２３を張ったディスク本体２４とを有する。

ドーム室２５内には、一次側流体が導入され、パイロット弁２１は、所定の圧力になると開弁し、ドーム室２５内の一次側流体を大気に逃す。パイロット弁２１の構造は問わないが、図示例は、閉弁中、パイロット弁２１のばねとセンス室ダイヤフラムにかかる圧力荷重がバランスしており、ドーム室２５内に導入された一次側流体の圧力がばねの設定圧力以上に達するとパイロット弁のばねを押し上げ、パイロット弁の弁体が開弁位置へ変位させられるようになっている。

主弁ダイヤフラム２２は、ダイヤフラム押さえ、ダイヤフラム、ダイヤフラムリテーナ、ダイヤフラムカバー等を有する。軸部１２は、主弁ダイヤフラム２２に設けられたガイド部１１に通され、ドーム室２５内でダイヤフラム押さえ、ダイヤフラムリテーナと結合されている。パイロット弁２１の閉弁中、弁体２が入口４から流入した一次側流体に押される面積（弁体受圧面積）と比して、主弁ダイヤフラム２２がドーム室２５内の一次側流体に押される有効面積が大きいため、主弁ダイヤフラム２２から軸部１２を介して弁体２に与えられる下向き荷重が、入口４から流入した一次側流体に押される力を上回る。このため、主弁の閉弁状態が維持される。一次側流体の圧力がパイロット弁２１の設定圧力以上に達すると、パイロット弁２１が開いてドーム室２５の圧力が低下し、下向き荷重も低下し、弁体２が開弁位置へ変位させられる。ドーム室２５内の圧力がゼロ近くまで下がると主弁が全開し、一次側流体の圧力が降下して、所定の圧力になると、パイロット弁２１、主弁が閉じる。

弁体２は、ディスク本体２４にメンブレンシート２３を張るためのシートホルダ、二次シート等を有する。ディスク本体２４の中央部に、軸部１２との連設部やメンブレンシート２３用のシート取付部が設けられている。フィン１６は、ディスク本体２４の弁座シール面上方から中央側まで設けられている。ここで、弁座シール面上方とは、ディスク本体２４の上面のうち、弁座１のシール面７と案内方向に重なる領域のことをいう。フィン１６は、ディスク本体２４の中央側でリング部２６に連なっている。複数のフィン１６は、リング部２６を中心とした放射状に設けられている。開弁時、弁体２がリフトしたとき、下向きに突き出ているガイド部１１と、フィン１６やリング部２６とが当たらないようにするため、フィン１６やリング部２６は、ガイド部１１の下方まで及んでいない。

なお、図示例は、メンブレンシート２３の取付部に入口４と連通する管路を設け、この管路を通じてディスク本体２４とメンブレンシート２３の間に一次側流体の圧力を導入し、この圧力でメンブレンシート２３が弁座１のシール面７に密着させられる自緊式のものを例示している。

各フィン１６で取り込んだ大気の熱は、ディスク本体２４の下面側へ全体的に短い距離で伝わり、さらに、ディスク本体２４の下面外周縁やシート取付部からメンブレンシート２３へ直接に伝わり、ディスク本体２４の下面とメンブレンシート２３との間に流入した一次側流体を介してメンブレンシート２３の中央側に伝わる。したがって、この安全弁でも、閉弁中、メンブレンシート２３の下面と弁座１の凍結、すなわち弁体２と弁座１の凍結を防止することができる。なお、通常、パイロット弁２１の弁体と弁座は小さく、パイロット弁２１側の表面が大気から取り込む熱によって凍結を確実に防止できるが、不足する場合はパイロット弁２１にフィンを追加すればよい。この発明の技術的範囲は、上述の実施形態に限定されず、特許請求の範囲の記載に基く技術的思想の範囲内での全ての変更を含むものである。

１弁座
２弁体
３ボディ
４入口
５出口
６流路
７シール面
８一次側流路
９二次側流路
１６フィン
１７、１８一次側表面
１９弁体外周
２１パイロット弁
２２主弁ダイヤフラム
２３メンブレンシート
２４ディスク本体

Claims

弁座（１）及び弁体（２）を収めたボディ（３）のうち、少なくとも二次側流路（９）内が大気に暴露する状態で使用される安全弁において、
ボディ（３）の入口（４）がハイドレート貯槽内に連通する使用状態で大気に暴露する部分のうち、少なくとも弁体（２）に、大気と熱交換する１以上のフィン（１６）が設けられ、閉弁中、これらフィン（１６）で取り込んだ大気の熱が弁体（２）及び弁座（１）のシール面（７）に伝わることを特徴とする安全弁。
前記弁体（２）が、ばね直動式又は重錘式のものとされ、複数の前記フィン（１６）が、弁体外周（１９）の弁座寄りの部分に設けられている請求項１に記載の安全弁。
パイロット弁（２１）と、主弁ダイヤフラム（２２）とを備え、主弁の前記弁体（２）が、主弁の前記弁座（１）を覆うメンブレンシート（２３）と、このメンブレンシート（２３）を張ったディスク本体（２４）とを有し、複数の前記フィン（１６）が、前記ディスク本体（２４）の弁座シール面上方から中央側まで設けられている請求項１に記載の安全弁。