JP3769704B6 - 紋り弁の流量安定装置 - Google Patents

Description

本発明は、弁に関し、特に流量安定装置を有する絞り弁に関する。
発明の背景
絞り弁は、多くのプロセス制御システムにおけるプロセス流体の幾つかのパラメーターの制御に広く使用されている。プロセス制御システムでは、圧力、液面、ｐＨ等の必要なパラメーターの制御に絞り弁が使用されているが、絞り弁が制御するのは流体の流量である。
通常、絞り弁は、オリフィスを経て流体出口流路に接続する流体入口流路を有しており、オリフィスには、そこを通過する流体の流量を制御する絞り部材が設けられている。絞り部材には、オリフィスに設けられた弁座リングと、弁座リングに接する面を有する弁体が含まれている。運転中、制御システムが、弁体を弁座リングの面に接近離反させてオリフィスを通過する流体の流量を制御し、弁の絞り調節を行う。
絞り弁は、弁体の位置と流体の圧力により流量が決まる弁であると考えられている。従って、システム設計者は、制御システムを設計する場合に、伝統的に絞り弁の流量を一定として扱っている。しかし、実際には、絞り弁の流量は完全に一定ではなく使用中に流量変動がある。弁の流量変動は、流量の一時的な急増、または絶え間ない変動として現れ、例えば流量の双安定状態をもたらす。弁内の流量変動が流れの乱れに起因することは推測されるが、弁の流量変動の正確な原因は現在のところ不明である。
しかし、大抵の状況下で弁内の流れに乱れが生じることが知られている。流れの乱れは、流体の圧力や流速が無秩序に変わることによって生じる。流れの乱れは、流体の大規模の流動から小規模な流動まで、また急激な不規則変動から緩慢な不規則変動まで、物理的規模と時間に関係して広い範囲に存在する。
また、弁の運転中に、流体が弁体とオリフィスの間を通過するときに流れが絞られて流体が加速される。弁内の流体の乱れ及び／又は高速流れが、不安定な流量分布を形成すると考えられている。これらの不安定な流量分布が流量変動を引き起こす。
流量変動は、流体の圧力と流速に多少関係するが、絞り弁の内部で広い周波数範囲で発生し、弁を通過する流体の流れに影響を与える。ある流れの乱れは、変動の周期が制御プロセスに特有の周波数範囲よりはるかに大であり、通常のプロセス制御機器が応答できる周波数よりはるかに大である。これらの高周波の乱れは騒音として発生するが、プロセス固有の容量(mechanical flow capacitance)によって吸収される。従って、このような高周波数の変動が制御システムに重大な影響を与えることはない。
また、絞り弁内で発生する流量変動の周波数がプロセス又は制御機器に特有の周波数よりはるかに小さい場合がある。閉ループ内でのこのような緩慢な変動に対しては、制御機器が変動量を検知して絞り弁を調整し、流量を修正することができる。
しかし、流量変動の周波数がプロセスとその制御機器の特有の周波数に近い中間の周波数で発生する場合は、制御機器がパラメーターを修正しようとする速度に近い速度で流れが変動するため、制御システムに重大な影響を与える。このような中間周波数の変動に対しては、プロセス制御機器が追従できないために制御性能が損なわれる。
現在までのところ、中間周波数の乱れが発生する原因と、その乱れを消滅させる最適手段について殆ど知られていない。さらに、絞り弁等の弁の内部で発生する中間周波数の乱れを防止するための広く適用できる解決手段が見いだされていない。
発明の概要
弁内の流量変動が、弁の上流側、即ち弁の入口流路で半定常的に発生する渦等による流れの乱れに起因しており、この渦の発生と消滅が、弁の流量に影響を与えることがわかった。また、弁を通過する流体の流量を安定させるためには、弁の入口流路内で、間欠的に発生消滅する渦等による流れの乱れを防止することが重要であることがわかった。
本発明は、弁の構造、詳しくは、弁の上流側、即ち入口流路内で間欠的に発生する渦を防止して、渦その他の物理現象による中間周波数の流れの乱れを低減するための、絞り弁等の弁の弁座リング、弁体、及び流路の構造に関する。
本発明の一形態によれば、弁に、流体出口流路を通じて流体出口に接続する流体入口流路が設けられている。流体入口流路と流体出口の間にオリフィスが設けられ、弁体がオリフィスに向かって移動可能に設けられている。入口流路内に流体の間欠的な乱れを低減する部材が設けられている。
乱れ低減部材は、例えば、オリフィスに設けられた弁座リングから入口流路内に突出した羽根である。この羽根は、入口流路内の流体の流れに平行、直交、又は傾斜させて設けることができる。この乱れ低減部材は、例えば十字形に交差させた複数の羽根であってもよい。また、乱れ低減部材は、弁座リングに突設したバスケット、あるいは１個又は複数個の筒体で形成し、筒体の壁に孔を設けたものであってもよい。さらに、乱れ低減部材は、弁体又は入口流路の壁に設けることもできる。
本発明の別の形態では、流体の入口流路に定常的な渦を形成する空間が設けられている。この定常的な渦が、間欠的な渦又は乱れの発生を防止する。特に、この空間は、流体の入口流路に対して、または入口流路と出口流路の間のオリフィスに対して非対称に形成され、オリフィスの入口部分で流体に渦を発生させるようになっている。
【図面の簡単な説明】
本発明の利点は、図面に基づく以下の説明によって明らかとなる。
図１は、公知の絞り弁の断面図である。
図２は、本発明の弁座リングを有する第１形態の絞り弁の断面図である。
図３は、図２の弁座リングの平面図である。
図４は、図２の弁座リングの側面図である。
図５は、図２の弁座リングの斜視図である。
図６は、図２〜５の弁座リングの一部破断側面図である。
図７は、図２の絞り弁の底面から見た枠組み線図である。
図８は、流体の流れ方向に直角に配置した図３〜６の弁座リングを有する絞り弁を底面から見た枠組み線図である。
図９は、流体の流れ方向に傾斜させて配置した図３〜６の弁座リングを有する絞り弁を底面から見た枠組み線図である。
図１０は、本発明の第２形態の弁座リングの斜視図である。
図１１は、別の方向から見た図１０の弁座リングの斜視図である。
図１２は、本発明の第３形態の弁座リングの斜視図である。
図１３は、本発明の第４形態の弁座リングの斜視図である。
図１４は、本発明の第５形態の弁座リングを有する絞り弁の断面図である。
図１５は、本発明の第２形態の絞り弁の断面図である。
図１６は、図１５の弁体の斜視図である。
図１７は、本発明の第３形態の絞り弁の断面図である。
図１８は、本発明の第４形態の絞り弁の断面図である。
図１９は、本発明の第５形態の絞り弁の底面から見た枠組み線図である。
詳細な説明
図１に示す従来の絞り弁９は、流体入口１２、流体出口１４、及びオリフィス１５を通じて流体入口１２を流体出口流路１８に接続する流体入口流路１６を有している。弁体２０は、弁棒２２によって作動機構（図示省略）に接続され、オリフィス１５に設置された弁座リング２６の面２５等の弁座と接触する外面２４を有している。弁座リング２６は、弁体２０が侵入可能な開口を有する環状部材で形成されている。しかし、弁座リング２６から入口流路１６内に突出する部材は存在しない。
絞り弁９の運転中において、作動機構（図示省略）が弁棒２２を操作して弁体２０を弁座リング２６に接近離反させ、絞り弁９を開閉操作する。弁座リング２６の面２５に対する弁体の面２４の位置によって、弁体２０と弁座リング２６の流量、即ち絞り弁９を通過する流体の流量が決まる。
図２には、本発明に基づく絞り弁３０が示されている。この絞り弁３０は液体用として適しているが気体用としても使用可能であり、図１に示した絞り弁９とほぼ同一構成であり、同一部材には同一符号を使用する。しかし、絞り弁３０の弁座リング３２には、入口流路１６内での、例えば半定常的渦のような乱れの発生を防止する部材が設けられている。
図２〜６では、弁座リング３２には、弁３０に形成された段部４２に設置される環状部材４０を有している。この環状部材４０には、弁体２０を受容する開口部４４と、閉位置において弁体２０の面２４に当接する面４５が形成されている。弁座リング３２は、また、環状部材４０に固定された２つの基部５２と、環状部材４０の真下で２つの基部５２を結ぶ連結部材５４とからなる羽根５０が設けられている。
図２に示すように、弁座リング３２を絞り弁３０内に組み込んだとき、連結部材５４が、入口流路１６内で弁体２０の下面の真下に来るようになっている。弁座リング３２の羽根５０が入口流路１６内に設置されていると、流体が入口流路１６から出口流路１８に流れる過程での渦の発生を防止し、発生した渦を消滅させることができる。特に、入口流路１６内でオリフィス１５に垂直な方向以外の方向に向かう流体の速度成分により、流体の循環流、即ち渦が発生しようとしても、羽根５０が循環流を発生させる速度成分を阻止し、循環流、即ち渦の発生を阻止して渦を消滅させることができる。この作用により、絞り弁３０の内部で、例えば間欠的な渦として発生する流れの乱れを防止することができる。
図２及び図７に図示された弁座リング３２の羽根５０は、入口流路１６内の流体の流れと平行に配置されている。しかし、羽根５０は、図８に示すように入口流路１６内の流体の流れ方向に直角に配置してもよく、また入口流路１６内の流体の流れ方向に対して斜めに配置してもよい。例えば図９では羽根５０の連結部５４が入口流路１６内の流体の流れ方向に対して４５°の角度で配置されている。しかし、絞り弁３０の流路抵抗を最小にするため、羽根５０を入口流路１６内の流体の流れ方向と平行に配置するのが望ましい。
羽根５０は、弁座リング４０の開口部４４の中心を横断し、上面をＶ形とした１枚の羽根として図示されているが、羽根５０は、例えば湾曲した羽根であってもよく、環状部材４０から平行又は異なる角度で突出する複数の羽根であってもよく、また、環状部材４０の開口部４４を任意の位置で横断する１枚又は複数の羽根、即ち環状部材４０の周辺上の任意の２点を結ぶ１枚又は複数の羽根であってもよい。
図１０及び１１には、絞り弁３０に組み込まれる別の形態の弁座リング６０が示されている。この弁座リング６０では、直交する２枚の羽根６２、６４が環状部材４０に連結されている。図１０及び１１では、２枚の羽根６２、６４が互いに９０°で交差して十字形部材を形成しているが、２枚の羽根の交差角度は任意の角度でよく、互いに平行であってもよい。
図１２には、絞り弁３０に組み込まれるさらに別の形態の弁座リング７０が図示されている。弁座リング７０は、環状部材４０に固定された筒体７２を有している。筒体７２の壁は環状部材４０から任意の長さでよい。しかし、絞り弁３０の最大流量を確保するためには、筒体７２と入口流路１６の壁との間に充分な間隙を残しておく必要がある。即ち、筒体７２の長さは、入口流路１６内での渦発生を充分に防止でき、絞り弁３０の流量を低下させるほど入口流路１６の壁に接近させない長さとする。
図１３には、図１２に示す筒体の改良として、壁面に複数の長孔７４を設けている。これらの孔７４は、筒体７２の壁面に任意の形状で任意の間隔で設けることができ、入口流路１６から筒体７２に流入する流体の流量を確保すると共に渦を消滅させ、また渦の発生を防止する。図１２及び１３に図示した筒体は、環状部材と同心に設けられるため、絞り弁３０に組み込むときに特定の方向に向ける必要がない。
図１２及び１３に示す筒体７２は、環状部材４０と同心の円筒状であるが、この筒体７２を他の形状、例えば４角形又は６角形断面の筒体としてもよく、環状部材４０に対して偏心させてもよい。また、環状部材４０の周囲の任意の位置から真下に延びる１枚または複数の羽根を設けてもよい。
図１４には、絞り弁３０に組み込まれるさらに別の弁座リング９０を示す。弁座リング９０には、環状部材４０に接続され入口流路１６内に位置するバスケット９２が設けられている。バスケット９０は、環状部材４０に固定された複数のワイヤーとワイヤーに接続した目の粗いスクリーン９４とで形成されている。ワイヤー及び／又は目の粗いスクリーン９４は金属、合成樹脂等の任意の材料で形成することができる。
スクリーン９４が流体中の異物を濾過しないことが重要である。即ち、スクリーン９４は、絞り弁３０を通過する液体又は気体に含まれる異物が通過できる大きさの網目に形成しておくべきである。これらの網目が目の粗い流路となる。特に液体を扱う場合に、もしバスケット９２がフィルターとして作用すると、スクリーン９４に捕捉された異物が流路を閉塞させ、スクリーン９４上の異物に作用する流体圧によりバスケット９２が破損する。従って、弁座リング９０が流体の強い流れのある弁内で使用される場合は、当然、弁座リング９０を構造的に丈夫なものにしておく必要がある。
以上で説明した絞り弁及び弁座リングでは、羽根、筒体及びバスケット等の流体の流れを安定させる構造部材が弁座リングに設けられているが、これらの部材は、流体の入口と出口の間のオリフィスの近傍の入口流路内であれば、絞り弁の弁座リング以外の部材、例えば弁体及び／又は流路の壁にも設けることができる。
図１５には、弁体９６に取り付け、又は弁体９６と一体に形成された十字形の羽根部材９５を有する絞り弁３０が図示されている。図１６では弁体９６と羽根９５をより詳細に示す。羽根９６は、任意の寸法と形状、又は、以上で説明した弁座リングに付属する羽根、円筒体、バスケットなどを含む任意の形状として、弁体９６の底部から入口流路１６内に延びる羽根として形成することができる。その結果、羽根９５はオリフィス１５の近傍で流体の流れの乱れを減少又は消滅させ、弁３０を通過する流体の流れを安定させる。ある形態では、弁体９６に羽根９５等の構造部材を設けたことにより弁棒２２に回転力が発生し、弁棒２２に回転防止部材の追加が必要となる場合もある。
図１７には、入口流路１６の壁に取付け、又は壁と一体に形成した羽根９７を有する絞り弁３０が図示されている。羽根９７は、弁３０の弁体と一体に鋳造されるか、鋳造後に取り付けられ、入口流路１６と出口流路１８の間のオリフィス１５の中間付近まで延び、そこから入口流路１６の底面に向かって高さが減少している。図１８は、流体の入口流路１６の壁に設けられた別の羽根９８を示し、この羽根はオリフィス１５のほぼ全体に延び、閉鎖位置にある弁体２０の底面に対応して形状となっている。図１７及び１８は一例を示すものであって、羽根、筒体、バスケット等、以上の説明で、弁座リング及び弁体に設けられている部材は、弁の入口流路その他の部分にも設けることができる。
羽根、筒体その他の乱れ低減部材を弁座リング、弁体、流体の入口流路その他に設ける場合は、入口流路１６と出口流路１８の間のオリフィスの近傍に設ける必要がある。それ以外の場所では、乱れ低減部材がオリフィスとの間で渦の発生を防止し、弁の流量変動を防止することができない。
本発明の目的を達成するためには、弁座リング又は弁体に設けられ、流体の入口流路内に延びる乱れ低減部材が、入口流路と出口流路の間のオリフィスの近傍に位置する必要がある。
さらに、乱れ低減部材が入口流路の壁の１箇所又は複数個所に設けられる場合は、乱れ低減部材が、流体入口と流体出口の間のオリフィスの周囲を充分に囲うか、オリフィスを充分に横断するか、または入口流路内に充分に突出させる必要がある。乱れ低減部材が充分に流体入口流路内に突出しオリフィスの大部分を横断していると、それだけ入口流路内での渦その他の乱れを防止する作用が大きくなる。本発明の目的を達成するためには、流体入口と流体出口の間のオリフィスから入口流路の底に向かって延び、オリフィスと同心で弁の呼び径に比例した直径をもつ仮想円筒内に、乱れ低減部材が僅かしか突入していない場合は、入口流路に深く突入させるか、オリフィスを充分に囲う必要がある。好ましくは、仮想円筒上の乱れ低減部材が突入する点と、軸方向にオリフィスに最も近い仮想円筒上の点との間の距離の少なくとも５０％だけ、乱れ低減部材が仮想円筒に侵入又は横断させるのが望ましい。しかし、乱れ低減手段を仮想円筒に上記の距離の２０％侵入させるだけでも効果がある。これらの比率は任意である。さらに、仮想円筒の直径は弁の呼び径の１．５倍がよい。しかし、この乗数は１．０から１．５であればよい。
乱れ低減手段は、その形状又は取付構造に関係なく、弁を通過する流体を濾過しないようにすべきである。換言すれば、弁を通過する流体中に含まれる比較的小さい粒子又は異物がこの部材に蓄積されてはならない。その結果、流体中に含まれるかもしれない比較的小さな粒子や異物を通過させる目の粗い流路が、流体入口流路１６の流体入口１２と弁３０のオリフィス１５の間に形成される。このような目の粗い流路は、図２における環状部材４０と羽根５０の間、図１１の環状部材４０と羽根６２、６４の間、図１２及び１３の円筒体７２の端部と孔７４、図１４の目の粗いスクリーン９４の網目、及び、図１５、１７及び１８の羽根９５、９７及び９８とオリフィス１５の間にそれぞれ形成される。もし乱れ低減部材に濾過作用があれば、この部材が弁を通過する流体の流れに抵抗を与えるため、この部材の定期的洗浄又は交換が必要となる。しかし、流体中に小さな粒子や異物が含まれていなくても、乱れ低減部材の上流に濾過手段を設置することに支障はない。
本発明の別の形態は、絞り弁の流体入口流路内で定常的な渦を発生させ、間欠的な渦の発生を防止しようとするものである。図１９は、絞り弁１００の底面から見た枠組み線図であり、流体入口流路１０２に定常的な渦を発生させるようになっている。弁１００の流体入口１０４は、オリフィス１１０と流体出口流路１１２を通じて流体出口１０８に接続している。弁体（図示省略）が公知の弁座リング１１４に当接離反して弁１００を開閉する。
弁１００の流体入口流路１０２には、その内部で渦を発生させる空間１２０が設けられている。空間１２０は、流体入口流路１０２のオリフィス１１０側の端部に形成され、その中心は弁座リング１１４の中心に対して偏心している。又、空間１２０の壁は流体入口１０４に対して非対称に形成されている。この形状により、空間１２０に流入する流体が安定した渦となる。さらに、空間１２０内で形成された渦が安定しているために、間欠的な渦又は乱れの発生が防止され、絞り弁の流量が安定する。
弁１００内の空間１２０は、平滑なほぼ円形形状に図示されているが、流体入口流路１０２内で安定した渦を発生するものであれば他の形状であってもよい。
以上で説明した、弁の流体入口流路内に設けられる部材及び非対称空間は、流入側流路内での間欠的な渦の発生を防止するか、又は安定した渦を発生させて弁を通る流体の流れを安定させることを目的としている。従って、入口流路に設けられる任意形状の部材が、流路内での回転方向の流れ成分の弁体／弁座リング領域への侵入を阻止するように作用する限り、本発明の保護範囲にあるものと見なされる。さらに、流体入口流路内に形成又は設置され、入口流路内で安定した渦を発生する任意形状の空間も、本発明の保護範囲にあるものと見なされる。
以上で説明した渦発生防止又は渦形成手段は、弁の内部で流体が上昇する形成のグローブ弁又はアングル弁に使用されるものとして図示されているが、弁の内部で流体が下降する形式、即ち、自動又は手動で操作される弁体とオリフィスの間を流体が下降する形式の弁にも使用することができる。
以上では、流体の入口流路と出口流路がその間のオリフィスに比べてかなり長く図示されているが、流体の入口流路と出口流路は任意の長さでよく、流体入口は、乱れ低減部材の上流側であればどこにあってもよい。
以上の詳細な説明は、発明を明確にし理解を容易にする目的であって、これに対する不必要な限定、改良は、当業者にとって自明の事項である。

Claims (4)

1. 流体入口を有する流体入口流路（１６）、
   流体出口流路（１８）、
   流体入口流路（１６）と流体出口流路（１８）との間のオリフィス（１５）、
   オリフィスに対して移動可能に設けられた、流体入口流路（１６）と流体出口流路（１８）との間の流体の流量を調節する弁体（２０）、及び
   流体入口とオリフィスとの間に流路を形成するよう、流体入口流路内のオリフィスに接近した位置に設けられた、流体入口流路（１６）内の流体の乱れを低減する手段（５０、７２、９２）を備えており、
   前記オリフィスに弁座リング（３２）が設置され、前記乱れ低減手段が弁座リングに設けられており、
   前記弁座リング（３２）が開口部を有し、前記乱れ低減手段が開口部の近傍に設けられた羽根（５０）であり、
   該羽根（５０）が、弁座リングに接続された２つの脚部（５２）と、２つの脚部を結ぶ連結部材（５４）とを含んでいる絞り弁。
2. 前記連結部材（５４）が開口部の中心近傍に設けられている請求項１記載の絞り弁。
3. 流体入口流路（１６）と出口流路（１８）間に可動の弁体（２０）を設けた弁に使用される弁座リング（３２）であって、
   弁体（２０）が当接する開口部を有する環状部材（４０）、及び
   環状部材に連結され、流体入口流路内に突出して流路内の乱れを低減する手段を有し、
   該乱れ低減手段が羽根（５０）であり、
   該羽根（５０）が環状部材の円周上の対称位置を結んで連結されている弁座リング。
4. 流体入口流路（１６）と出口流路（１８）間に可動の弁体（２０）を設けた弁に使用される弁座リング（３２）であって、
   弁体（２０）が当接する開口部を有する環状部材（４０）、及び
   環状部材に連結され、流体入口流路（１６）内に突出して流路内の乱れを低減する手段を有し、
   該乱れ低減手段が羽根（５０）であり、
   該羽根（５０）が環状部材に連結された２つの脚部（５２）と、２つの脚部を連結する連結部材（５４）とで形成されている弁座リング。

Images