JP3787770B2 - 調整可能な流量係数を持つボールバルブ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、調整可能な流量係数を持つボールバルブに関する。
【０００２】
【従来の技術とその課題】
ボールバルブは、中でもＨＶＡＣおよび工業プロセス適用例において流体の制御を調整するために使用される。
【０００３】
全開したボールバルブは、そのサイズに比較して非常に大きい流量係数（ＣＶ値）を持つ。これは、このバルブが同一サイズの管に接続され、かつ流量がその管サイズに対して通常指定される範囲内である場合、全開時にボールバルブによって生じる圧力低下が非常に小さいことを意味する。
【０００４】
管および制御対象、例えば熱交換器、コイル等の圧力低下はずっと大きい。これは、ボールバルブが閉じ始めるときに流量に対する影響力をほとんど持たないことを意味する。バルブは、流量の有意の低下が起こる前に、結合された制御対象および管とほぼ同じ大きさの圧力低下を生じる程度に閉じる必要がある。
【０００５】
これは、バルブの動作範囲の大部分が無駄であることを意味する。流量の制御は、動作範囲のうち閉鎖位置付近の非常に小さい部分で起こるだけである。したがって、作動器が正確な流量を供給する厳密な位置にバルブを作動させることは難しい。小さい動きでさえも接続された伝熱装置からの出力に不釣合いに大きい変化を引き起こし、制御安定性を達成することが難しい。
【０００６】
流量係数は、流量（ＧＰＭ）に流体の比重の平方根を掛け、次いで全開バルブ前後の差圧（ＰＳＩ）の平方根で割ることによって計算される。
【０００７】
バルブの寸法決定は流量係数に基づく。バルブは、必要な最大流量を供給することができるように、充分に大きい流量係数を持たなければならない。しかし、大きすぎると制御に問題を生じるので、大きすぎてはならない。
【０００８】
典型的ボールバルブの非常に大きい流量係数は、バルブ内のボールの口径と相互作用する、基本的にＶ字形の開口を持つ特徴的円板を取り付けることによって低下させることができる。これはバルブの流動特性をも決定する。米国特許第６，０３９，３０４号明細書はそのような円板を記載している。
【０００９】
円板をより小さい、またはより大きい開口を持つ円板に変更することによって、バルブを交換することなく、流量係数を変更することができる。
【００１０】
円板は非常によく作用するが、バルブの費用も増加し、流量係数を変更する必要がある場合、新しい円板を注文して取り付ける必要がある。特に、高温および高圧プロセス適用例で使用される円板は、比較的高価である。
【００１１】
代替策として、特別の形状の開口を持つボールを使用することが可能である。流量係数を変更する必要がある場合、異なる形状の開口を持つ新しいボールが取り付けられる。しかし、これは高価な代替策である。
【００１２】
流量係数の計算の元になるデータはしばしば信頼できず、実際の作動状態を反映しないので、流量係数を変更することが必要になるのは一般的である。
【００１３】
取り付けられた流量係数は最初に取り付けられたときには正確であっても、将来の動作条件の変化は、流量係数の変更を必要とするかもしれない。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
標準ボールバルブでは、ボールの口径の長さ軸は、ボールを回転させる弁棒の長さ軸に垂直である。
【００１５】
本発明は、従来の直角回しボールバルブである。その弁棒は０〜９０度回転し、９０度で最大限に開口し、０度で閉鎖する標準ボールバルブとしてボールを作動させる。新規性は、ボールの口径の長さ軸が弁棒に対して垂直とは異なる角度を取ることである。
【００１６】
これは、ボールが傾斜した向きで作動し、口径の長さ軸が弁体の長さ軸と決して一列に並ばないことを意味する。たとえ軸が９０度の位置に移動したときでさえ、そうである。流量係数は、ボールを傾斜させることによって低下する。この低下は、ボールが大きく傾斜するほど大きくなる。
【００１７】
ボールは、一通りにだけ取り付けることができるようにように配置することができ、そこでそれは１つの特定の角度数だけ傾斜（偏位）される。この結果、ボールバルブの流量係数は、ボールのサイズに対して標準的なものより小さくなる。例えば流量係数は、同一サイズの標準グローブバルブに一般的な値にまで低下することができる。
【００１８】
代替的に、ボールは、ボールを多数の異なる傾斜位置に取り付けることができるように配置される。ボールを多数の異なる傾斜位置に取り付けることによって、同じバルブが様々な流量係数の選択対象範囲を提供することができる。これは適用に最も適する流量係数の選択を可能にし、必要ならば簡単に変更することができる。
【００１９】
多くの異なる種類のボールバルブがある。二部品ボールバルブは、２つの部品を備えた弁体を有する。最も一般的で最も安価な二部品ボールバルブは、部品の一方を他方にねじ込み、例えばエポキシ樹脂によって固定するものである。このバルブは分解することが難しく、したがって１つの傾斜位置だけで取り付けるボールに最も適している。
【００２０】
三部品ボールバルブは、ボールおよび２つのコネクタ（「エンドキャップ」）を含む中間部（弁体）を有する。３つの部品はひとつにボルト止めされる。バルブが配管系に取り付けられている場合でも、中間部は容易に取り外すことができる。これは、ボールを様々な傾斜位置に調整するのを助長する。したがって三部品ボールバルブは、多数の位置に取り付けることができるボールによく適している。しかし、どんな種類のボールバルブも本発明を使用することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図面に照らして本発明を説明する。
【００２２】
図１ａはボールバルブの断面図を示す。弁体は２つの部品（１および２）から成る。配管用の２つの連結部（３および４）がある。２つの連結部（３および４）の間に流体流路がある。流体流路内にボール（５）が取り付けられる。ボール（５）内を貫通する口径（１２）がある。ボール（５）は２つの弁座（８および９）の間に懸吊される。ボール（５）は多数の溝（１０および１６）を有する。第１溝（１０）はボール（５）の口径（１２）の長さ軸に対して９０度の角度である。第２溝（１６）は、第１溝（１０）に対して多少の角度偏位する。外部作動器によって作動できる弁棒（６）は、本体（１）内を通過する。Ｏリング（１１）は本体（１）に対して弁棒（６または１３）を密封する。
【００２３】
弁棒（６）の端に、溝（１０または１６）と嵌合するブレード（１５）がある。ブレード（１５）が第１溝（１０）に挿入されるように弁が組み立てられたとき、ボール（５）は標準位置にあり、そこではボールは全く傾斜しない。したがって、バルブは標準ボールバルブとして挙動し、最大流量係数が提供される。
【００２４】
ブレード（１５）が第２溝（１６）に挿入されるように弁が組み立てられたとき、ボール（５）は傾斜位置にある。したがって、流量係数は低下した値になる。（この位置を図１ａに示す。）
【００２５】
図１ｂに、弁棒の代替版も示す。この弁棒（１３）は、片側に偏位しかつ弁棒（１３）の中心線に対して傾斜して示されるブレード（１４）を有する。この弁棒（１３）が使用される場合、ブレード（１４）が第１溝（１０）に挿入されたときに、ボール（５）はすでに傾斜している。
【００２６】
ブレード（１４）が第２溝（１６）に挿入されると、ボールは非常に大きく傾斜する。第２溝（１６）およびブレード（１４）のオフセット角は相互に加算される。その結果、流量係数は非常に大きく低下する。これを図１ｃで見ることができる。
【００２７】
弁棒（１３）を１８０度回転し、ブレード（１４）を第２溝（１６）に挿入してボール（５）を取り付けることによって、第２溝（１６）およびブレード（１４）のオフセット角は相互に減算されるので、第３流量係数が提供される。実際には、ブレード（１４）が第１溝（１０）に挿入された場合、異なる角度で、同じことが起きる。ボール（５）および弁棒（１３）は４つの異なる位置に取り付けて、４つの異なる流量を提供することができる。
【００２８】
追加の溝をボールに、例えばボールの底部に追加することができる。
【００２９】
図２は、ボールが９０度の位置にあるときに、ボール（５）の開口（１２）と弁座（８、９）がどのように相互作用するかを示す。左側が側面図であり、右側が端面図である。流動のための断面積は、ボール（５）がどれだけ傾斜しているかによって異なる。
【００３０】
端面図から分かるように、断面は弁座（８および９）の内径のみによって画定され、それはボール（５）の開口（１２）とほぼ同一であるので、偏位が無いときに断面は最大になる。
【００３１】
楕円（１２ａおよび１２ｂ）は開口（１２）が弁座（８および９）の開口とどのように相互作用するかを示す。第１楕円（１２ａ）は比較的小さい角度だけ偏位したボールの開口を示し、したがって開口（１２）と弁座（８および９）との間の自由面積（ｆｒｅｅ ａｒｅａ）はわずかに減少する。
【００３２】
第２楕円（１２ｂ）は比較的大きい角度だけ偏位したボールの開口を示し、したがって開口（１２）と弁座（８および９）との間の自由面積は大幅に減少する。
【００３３】
図３は左側に、バルブが開いているときのボール（５）、その開口（１２）、弁棒（６）、および弁座（８および９）の側面図を示す。右側は、弁棒（６）がボール（５）を閉鎖に近い位置まで回転した場合の端面図である。２つの楕円（１２ａおよび１２ｂ）がある。それらは、弁棒位置は同じであるがボールの傾斜が異なるボールの開口を表わす。
【００３４】
第１楕円（１２ａ）は傾斜が無いボール（５）に属する。開口（１２ａ）と弁座（８または９）との間の自由面積は比較的大きい。それは、点「ａ」−「ｂ」間の半円および点「ａ」−「ｂ」間の半楕円によって画定される。
【００３５】
第２楕円（１２ｂ）は傾斜したボール（５）に属する。開口（１２ｂ）と弁座（８または９）との間の自由面積は比較的小さい。それは、点「ｃ」−「ｄ」間の半円および点「ｃ」−「ｄ」間の半楕円によって画定される。
【００３６】
理解できるように、ボールを傾斜すると、動作範囲０〜９０度の全体にわたって自由面積および流量係数は減少していく。図５を参照。
【００３７】
図４は、ボール（５）の側面図を示す。上部には二つの溝（１０ａおよび１０ｂ）があり、底部には二つの溝（１０ｃおよび１０ｄ）がある。
【００３８】
口径の長さ軸を中心にボール（５）を１８０度回転することによって、上部溝（１０ａおよび１０ｂ）および底部溝（１０ｃおよび１０ｄ）は位置が入れ替わる。
【００３９】
偏位していないブレード（１５）付きの弁棒（６）を使用する場合、ボール（５）は４通りに取り付けることができ、結果としてオフセット０に加えて３種類のオフセット角が得られる。
【００４０】
偏位したブレード（１４）付きの弁棒（１３）は、ブレードを２通り１８０度正対する位置にして取り付けることができる。４つの溝を持つボールを使用する場合、ボール（５）は８通りに取り付けることができ、結果として８通りの流量係数が得られる。
【００４１】
ボール（５）は、ボールの表面が許す限りいくらでも実用的な数の溝を持つことができる。しかし、弁座（８および９）と抵触するほど大きく偏位する溝の位置は避けなければならない。
【００４２】
図５は、弁棒（６または１３）の動きと０〜９０度の様々な位置で結果的に得られるＣＶ値との関係のグラフを示す。
【００４３】
ボールは、弁棒（６または１３）に対して様々な傾斜位置に取り付けられる。様々な位置を位置１〜位置４と標示する。
【００４４】
位置１ではボール（５）の傾斜は無い。位置４でボールのオフセットは最大になる。
【００４５】
典型的なボールバルブの固有流動特性は等比率特性に近く、これは多くの制御用途に望ましい。流量係数が減少する場合、等比率特性は基本的に維持されるが、その曲率はより平坦になる。
【００４６】
図６ａは、別個のブレード（１７）が取り付けられた弁棒（６）を示す。ボールの溝と係合する部分は片側に偏位する。
【００４７】
図６ｂは、図６ａの側面図である。
【００４８】
図６ｃは、ブレード（１７）がボールの溝（１８）の１つに係合された状態のボール（５）と弁棒（６）を示す。
【００４９】
図６ｄは、ボール（５）の１対の溝（１８）に係合された二重ブレード（１７）を持つ弁棒（６）を示す。第２対の溝（１９）はボール（５）の反対側に位置する。第１対の溝（１８）は、ボールの流体の流路の中心線がボールの回転軸に垂直になるようにボールを方向付ける。
【００５０】
第２対の溝（１９）は、ボールの流体の流路の中心線がボールの回転軸に対して垂直とは異なる角度になるようにボールを方向付ける。
【００５１】
溝（１８）と係合するブレード（１７）の部分は、図６ｃおよび図６ｄでは、弁棒（６）の長さ軸と平行に示されている。
【００５２】
しかし、溝の角度に合致する任意の適切な角度を使用することができる。
【００５３】
ブレード（１７）はボールの２つの溝と係合する２つの部分を、弁棒の中心線の両側に１つずつ、持つことができる。ブレード（１７）は、ブレードが溝の側部に押し付けられ、それによって遊びが除去されるように、多少のばね作用を持つことができる。
【００５４】
【発明の効果】
特殊な形状の開口を持つ円板またはボールを使用せずに、流量係数は、制御を調整するのに役立つ値に低下させることができる。費用が削減される。
【００５５】
ボール（および弁棒）が、ボールを異なるオフセット角度で取り付ることができるように配置された場合、部品を交換または追加する必要なしに、流量係数を現場で選択的に変更することができる。流量係数は変更されるが、基本的に等比率流動特性は維持される。
【００５６】
１つのバルブが多くのＣＶ値をカバーするので、製造から流通チェーンまであらゆるレベルで在庫品が減少する。また、エンドユーザの保守部門の在庫品も減少する。それは簡単に変更することができるので、間違った（過小）ＣＶ値を指定する懸念も低下する。動作条件の将来の変化に簡単に対応することができる。
【００５７】
以上、本発明の特定の実施形態を幾分詳細に説明したが、発明の形態または精神から逸脱することなく、例証した実施形態に対し変更および変形を施すことができる。したがって、請求の範囲は全ての均等な変形および異形を、請求の範囲によって定義される発明の範囲内として完全に含むつもりである。
【図面の簡単な説明】
【図１ａ】 図１ａはボールバルブの断面図を示す。
【図１ｂ】 図１ｂに、弁棒の代替版を示す。
【図１ｃ】 これを図１ｃで見ることができる。
【図２】 図２は、ボールが９０度の位置にあるときに、ボール（５）の開口（１２）と弁座（８、９）がどのように相互作用するかを示す。
【図３】 図３は左側に、バルブが開いているときのボール（５）、その開口（１２）、弁棒（６）、および弁座（８および９）の側面図を示す。
【図４】 図４はボール（５）の側面図を示す。
【図５】 図５は、弁棒（６または１３）の動きと０〜９０度の様々な位置で結果的に得られるＣＶ値との関係のグラフを示す。
【図６ａ】 図６ａは、別個のブレード（１７）が取り付けられた弁棒（６）を示す。
【図６ｂ】 図６ｂは、図６ａの側面図である。
【図６ｃ】 図６ｃは、ブレード（１７）がボールの溝（１８）の１つに係合された状態のボール（５）と弁棒（６）を示す。
【図６ｄ】 図６ｄは、ボール（５）の１対の溝（１８）に係合された二重ブレード（１７）を持つ弁棒（６）を示す。

Claims (4)

1. 流体管路に接続される開口を備えたケーシングと、
   前記流体管路に接続するための少なくとも１つの入口および１つの出口を備え、前記入口と出口間にセンターラインをもつ流体流路を画定する弁室と、
   前記入口と出口間に伸びる流体流路のセンターラインに直交する回転軸を有する弁棒と、
   前記弁室内に組み付けられた流体流路を有するボールとからなり、
   前記ボールの流体流路は、前記ボールのセンターライン上に伸長し、前記ボールは、前記弁棒と嵌合するための少なくとも二つの凹みを有し、前記弁棒を前記ボールの少なくとも異なる二つの位置に固定できるように構成し、前記した位置の少なくとも一つの位置において、前記ボール内に伸長する流体流路のセンターラインが、前記弁棒に対して、垂直とは異なる角度に保持されることを特徴とするバルブ。
2. 前記弁棒は端部品を具備し、この端部品が前記ボールの凹みと嵌合し、この端部品が弁棒の長さ軸に対して偏位した位置に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のバルブ。
3. 前記端部品が、前記ボールの１つまたはそれ以上の凹みと嵌合することを特徴とする請求項２に記載のバルブ。
4. 前記端部品が、前記弁棒に固定された別個の部品であることを特徴とする請求項３に記載のバルブ。

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