JP4173201B2 - 流体によって作動させることができる閉止装置 - Google Patents

Description

本発明は、流路を完全に又は部分的に閉じるための閉止弁又はダンパを一実施態様とする流体−作動閉止装置に関する。この閉止装置は、一般的には、流体中に存在するエネルギーを使って、望みの位置において流体の流れの中でダンパ／プロフィールを調整する目的で、管、導管、又はその他の流路内に据え付けた可動ダンパ、プロフィール、又は類似物を一実施態様として利用される。弁を一実施態様として利用する場合、本発明は、流路が内部を貫通するバルブハウジング並びに移動できるように支持された弁本体から構成され、弁本体は弁本体が流路から大部分引き抜かれ本質的には除去された状態にある開放弁位置から、弁本体が流路を閉鎖し弁を閉じる閉止弁位置までの間を移動可能である。
本発明による弁は一般的に流体（空気、水、油、又はその他の液体又は気体媒体）を輸送する配管、導管、又は類似物中に搭載することを意図している。弁本体は流れている流体に接触しており、圧縮力及び摩擦力を受ける。弁本体は前記の力が予め定められた値を超えると弁を閉じるように調整されている。力の大きさは流体圧力、流体密度、流速、及び粘度によって変化する。
この弁は、特に液体又は気体の流れが計画的に又は過失により予め定められた上限値を超えると、閉止されるように意図されている。
弁の持ち上げ面は、次式によって重要なパラメータと一般的に関係づけられる：
閉止：
持ち上げ力（リフティングフォース、lifting force）に対する公式：
L＝1/2・C_L・ρ・A・V²
ここで：
L=持ち上げ力
C_L=係数（実験値、流体レオロジーに対する持ち上げ面の摩擦特性を表す）
ρ=流体密度（圧力、温度、流体の圧縮率に影響される）
A=表面積（実効持ち上げ面）
V=流体流速
流れている流体の異状な流動状態は、特に爆発、火災、及び類似の事故によって発生する配管の破壊に関連して起こり、この流体の異状な流動状態は起こりうる火災状況に対して特に必要以上に多量の液体／気体を供給する一因となる。
一般的に、本発明は、流れている流体中の異状な流動状態による流速の変化、及び、場合によっては粘度／温度／圧力の変化も利用することを意図している。
本発明によれば、既に配管／導管中に存在する運動の（及び場合によっては水力学的、レオロジー的、熱的）力を利用することによって、外力の必要性を排除することを意図しており、弁本体は、前記の力の変化に応答して異状な流動状態の発生に際して弁を閉じるように構成されている。
引き続いて、本発明による流体作動閉止弁の幾つかの応用例について説明する。説明した応用例は非限定的な実施例を示したものに過ぎない。
油／ガス海上基地における事故が、輸送供給網内に存在する巨大なガス及び油の貯蔵所を統制下に置くことが如何に重要であるかを証明した。現在の技術はある程度まで配管中の可燃性ガス又は液体圧力を制御して輸送することが出来るが、弁のすぐ上流での配管の破壊が前記の弁より下流の配管に存在する大小の貯蔵所を開放するので、弁が役立たない事態が発生する。配管の破壊が起こる前は、配管を通って流体が輸送されるように弁は開放される。弁を閉じることにより油又はガスの放出、火災又は緊急事態の危険性が増大するのを制限することが可能である。これは多くはかなりの時間を要する操作であり、或る場合には意味在る程度に損害を制限するには遅すぎる程長時間を要することがある。
海上基地における火災又はその他の緊急事態においては、爆発性／可燃性液体を輸送する配管系の液体流を統制下に置くことが重要である。
現在、北海における輸送配管網の液体は、配管網の中央交差点に配置された所謂海底弁及び／又はプラットホームの最も近く（プラットホームからの発送又は到着）に配置された弁によって主に制御されている。このことは、気体又は液体の大きな貯蔵所が、プラットホームに乗っている配管系の破壊を引き起こしかねない爆発、強熱又はその他の負担に曝されるかも知れないことを意味する。唯一知られている代替法は圧力を開放することであるが、この圧力除去には数時間から数日を要することがある。プラントの運営において、ガスや可燃性液体の貯蔵所に対する防護壁の無い所での配管の破壊によって、上述の事項に対応する事態が発生するかもしれない。
現在用いられている海底弁は、始動器の利用及びそれの弁への搭載に基礎を置いている。プラットホーム上では、所謂海岸線弁がプラットホームの運転遮断設備に連結され、警報信号により自動的に閉じられる。緊急事態においては、例えば海底弁はプラットホーム上の事故現場へ炭化水素が供給されるのを防ぐのに十分な速さで閉じられないことがあるが、それは弁を操作するのに時間が掛かり過ぎるからである。耐水パッキン及びアクチュエータが搭載されて海底弁に連結されないと閉じることが出来ない。海岸線弁は普通プラットホーム先端部のいくらか内側に配置されるが、このことは海側での破壊によって弁を閉じることができる可能性が無いので、輸送配管の一部が火災、爆発、落下荷重、又は類似物に曝されうることを意味している。炭化水素、油、及び／又はガスの大型貯蔵所が続いてプラットホーム上に放出され事故拡大の一因となる。
上記の弁の応用において、本発明による閉止弁が有利に利用されるが、それはこの弁が迅速で且つ制御された閉止を提供すべき主要部での漏洩、火災、爆発のような事故の現場で発生する異状な流動状態に応答できるように調整されているからである。
流れている流体の異状な流動状態への本発明による閉止弁の応答を可能にし、かつ、それによって強制的遮断をもたらす構造的特徴は、応用例の説明の後で明らかにする。
本発明による方法が有利に利用されるもう一つの応用は住居の換気に関連している。強い風は開放された弁を通る通風をもたらす。本発明による弁を窓の弁溝及び／又は通常の長方形の弁に搭載することにより、風上の弁が閉じると、一方風下の弁が開いて開放状態にとどまる。結果として住居内の支配的圧力は負圧になる。このことは、住居内の通気状態及び住居の壁材料が乾燥するのに好ましい効果を及ぼす。本発明によれば、起こりうる火災の進展に際して好ましい効果を及ぼす。火災はその初期段階では酸素を必要とする。酸素は扉、窓、弁、及びその他の住居の漏れ口のような開口部を通じて火元にもたらされる。火災が吸気をすると、弁を通る空気の流れの増加に応答して弁が閉じる。温度が上昇することにより空気が膨張し、空気と燃焼ガスの住居外への流れを起こす。
本発明による弁が有利に利用されるもう一つの応用は爆発ダンパに関連している。爆発は圧力波を生じ、火災が広がるのを防ぐことが望まれる建造物内で通気管又は他の開口部を通る空気／ガスの流れを増加させてしまう。本発明によれば、弁は直ちに爆発によって生じた圧力波に応答して、閉じて、望ましくない火災の広がりを防ぐ。
本発明による弁が有利に利用されるもう一つの応用は家屋の大棟屋根に関連している。強風で家屋から屋根が吹き飛ばされることによる強風による損害は、屋根の風下の負圧と、同時に家屋の風上側及び相対的に内部に形成される陽圧とが原因である。本発明による弁を大棟屋根の両面に搭載することによって、風上の弁が閉じて風下の弁が開くか又は開放のままの状態になるという事実により、家屋内部の圧力が制御される。これにより家屋内部の圧力は自然に屋根の風下側の圧力と同じ水準になり、これは大棟屋根への持ち上げ効果が減少することを意味する。全ての弁溝に弁を搭載することによっても一般的に同じ効果がその家屋に対して達成できるであろう。
公共の水道配管網においては、大きな水の貯蔵所が在り、配管が破壊すると大きな水の損害と破壊が起こりうる。ここでは閉止弁の操作時間が損害を制限するのに決定的である。
従来の手で操作できる玉弁や蝶形弁が使われ、緊急事態において出来る限り早く警報を受けた職員に依存する。これらの既知の閉止弁の操作における時間的な面が、水漏れの結果として生ずる損害の制限に関する本質的問題を構成していると言える。
本発明による閉止弁がこの場合有利に採用される。本発明による弁は配管内の水の正常流動状態で正規の出力が出るように調整されている。水配管で起こりうる破壊に関し、配管の破壊に起因する異状流動状態の結果として水の流速が加速されることにより自動的に閉じる本発明による弁によって、引き続く損害は制限される。多分本発明による弁は、起こりうる配管破壊による水損害を制限するために家屋への枝配管又は家屋の特定の場所でも使用することが出来るであろう。この弁は、付随する弁や備品を備えた庭園用ホースにも考えられる限りでは使用できるものである。
管／導管系において利用できるエネルギーは、圧力／圧力差の形での運動エネルギーと位置のエネルギーである。
流体が異状流体流速、異状圧力及び／又は温度のような異状流体状態で流れている配管／配管系内に搭載された既知の閉止弁を閉じるためには、配管／配管系の閉止弁の上流に、流速指示器、圧力計、及び温度計が備えられていなければならず、それらは可能なら視聴覚的に監視され、続いてパラメータの臨界値で手動で弁を閉じるか、又は弁閉止装置として作用する始動器に個々の計器が接続され、始動器を作動させる前記計器の指針の、例えば、異状偏差の結果によって閉止弁を閉じるように調整されており、始動器がこれにより作動状態になって閉止弁を閉じる。
本発明の目的は、安全で且つ制御された方法で、また異状流動状態の初期段階の非常に早い時点で直接自動的に弁を閉じるために、流れている流体の異状流動状態における流体流速の変化及び可能なら粘度／温度／圧力の変化も利用することである。
このように、本発明は、流体を輸送する管／配管／導管中に搭載するための閉止弁に用いる流体作動閉止弁装置に関する。流体は液体又は気体の形態である。弁は流路を備えたバルブハウジングから成り、弁を搭載した状態で流路は配管等の管孔又は導管に一致するようにしてある。流路は原理的にはどのような断面形状でも良い（円形、卵形、多角形、正方形等）が、それを取り付ける配管／導管と同じ断面形状と寸法であることが望ましい。既知の方法において、弁は移動可能に支持された弁本体を備えている。弁本体は、開放弁位置と閉止弁位置との間でピボット運動することができる。開放弁位置では、弁本体が流路から実質的に引っ込められており、これにより流路の大部分は開かれている。閉止弁位置では、弁本体が流路を直接閉鎖し、弁を閉じる。
請求項１の特徴付け部より前の部分で説明したような種類の流体作動閉止装置においては、請求項１の特徴付け部から明らかになる特徴を通じて上述の目的が実現される。
弁が搭載された配管、導管、又は類似物により輸送される流体の異状流動状態の結果として一般的に弁を自動的に閉じることを可能とすることと定義した目的を達成するために、本発明による弁本体は弁の開放位置においては流路の中へ比較的小部分だけ突き出るように形成され且つ支持されており、ここで前記異状流動状態は、流体流速及び場合によっては持ち上げ面と流体の間の摩擦との相互作用において重要なパラメータである粘度及び／又は流体の密度に影響する圧力と温度によって構成されていて、弁本体は弁が開放されているとき流れの特別な方向に流路を通じて流れる流体の流れに曝されている。弁が開放されているとき弁本体の流路中に突き出ている部分は、流体流速の増加、流体粘度及び／又は温度の変化、に影響を受け、その部分及びそれに伴い弁本体全体が流体によって閉止位置に向かって動くように、調整されている。
弁本体の流路に突き出ている部分、所謂”持ち上げ部”は、上流側端部に凸に湾曲した又は角度が付いた領域を有することが望ましい。流体が持ち上げ部の持ち上げ面を通過して流れるとき、閉止位置へ向かって弁を自然に移動させる動きが始まる。弁本体の形状、重量及び支持体は、正常に流れている流体からは閉止する動きを始めるのに十分な持ち上げ力が提供されないように調整されている。
弁を圧力と温度により一層敏感にするために、圧力及び／又は温度に敏感な膨張パッドを備えてもよく、膨張パッドは圧力損失及び／又は温度上昇に影響されて膨張し、持ち上げ面の前端が更に流体の流れの中へと移動し、流体の流れにより広範囲に曝されて持ち上げ部を横切る持ち上げ力を増加させ、結果として早い時期に閉止されるようにする。
本発明による閉止弁を閉じるのに要求されることは上に説明したような異状流動状態である。流路に突き出ている弁本体の持ち上げ部は、弁の開放位置に置けるその位置及びその形状（上流側端部で凸に湾曲及び／又は角度が付いている−流体の流れの方向に対して相対的に）がそれぞれ原因となって、待機位置に居ることになるので、例えば管破壊又はその他の漏洩による流体流速の増加に迅速に応答できる。
流路の方向に向けられた弁本体の持ち上げ部は、流体に対する摩擦、前記持ち上げ部に対する流体の影響、及びそれによる弁本体への影響の諸観点から調整されるが、更に流体流速／特性（粘度）は持ち上げ部の表面曲率及び表面摩擦に依存している。流体の流速、密度、又は粘度特性を変えることにより、弁を閉じる回転偶力を制御／調整できる：弁のこれらの特性がこれらのパラメータを弁の操作に利用し、それに基づいて管系内の流体流れの制御を行うことを可能にする。しかし、本発明による閉止弁の大多数の応用において、その固有の特性が特に異常な流体流速に応答するのに利用される。
弁本体は、管壁の断片として形成され、半分孔を明けた円筒中に置かれた舌状体を構成する。円筒は、それを貫通して流れる流体の流動方向に対して交差するように置かれる。弁本体は、バルブハウジングに収納される。バルブハウジングは、弁本体の円筒部の下半分を囲んでいる。バルブハウジングは、多面体を備えている。多面体には、導管又は類似物が貫通している。これは、弁を閉じる過程に、一つの室から他の室へ作動油（hydraulic fluid）を運ぶためである。このような構成が弁に備えられ、閉止運動を制御し、管系内の衝撃波を避ける。弁本体の最初のスウィングアップ（swing up）の後では、閉止速度は如何に速く作動油が一つの室から他の室へ運ばれるかによって決定される。
前記導管は、作動油／圧力を二つの室の間で運搬する。同時に、この導管は室間の流路の絞り手段（throttle organ）に相当するので、弁本体の閉止速度を望むように制限するのは流体の室内への流入を絞ることで達成される。弁の閉止作用が進行するにつれて、閉止の最後の段階に影響を及ぼす差圧力が優勢になる。
大きな閉止速度でも管系内に損害を引き起こすような衝撃波の危険を伴わない弁においては、上に述べたような閉止速度に対する制動機構を必要としない。この様な場合は、所定の持ち上げ部に取り付けたダンパだけで十分である。
本発明は以下に更に詳細に、図面を参考にし、現状望ましい実施態様の非限定的実施例と関連づけて説明するが、ここで：
図１は本発明に従って構成された閉止弁の図２のＩ−Ｉ線に沿った垂直断面図を示す；
図２は図１のII−II線に沿った垂直断面図を示す。
図３は図１のIII−III線に沿った水平断面図を示す。
図４は閉止位置にある閉止弁を貫通する垂直断面図を示す。
図面の数字が参照される。ここで参照番号１は全体を通じてバルブハウジングを定義する。バルブハウジングはそれを貫通する中央流路２で構成され、ここに示した実施態様では円形断面であるがどのような断面形状でもとりうる。
バルブハウジングの下部は、横向きに置かれた半円筒に形成され、弁内の流れに対して交差するように配されている。この円筒座の底部には、多面体（prismatic body）が備えられており、この多面体は、弁の開放及び閉止位置のそれぞれにおいて水圧室（hydraulic chambers）を画定する。この多面体８の内部には、２つの水圧室４及び６の間において、連絡路５が開けられている。連絡路５は、閉止及び開放過程において、作動油（hydraulic fluid）を一方の室から他方の室へと移す。
弁本体３は、台９で構成される中央部を有する。台９は、円筒形で交差している弁本体による回転支持のためのものである。また、台９は、舌状体を備えている。舌状体は、その閉じた位置（図４）において、流路２を通る流れを完全に止めるように形成されている。
弁本体３は、端部７が流路中に（比較的僅かに）突き出ている。端部７は、図１のように凸曲率の上流側部を有している（Ｑは、流体の流動方向を定義している）。この凸曲率の代わりに、端部は、一つ又はそれ以上の角度で形成しても良い。凸曲率は、端面７の摩擦係数とともに、閉止が始まる際の弁の機能にとって重要である。端部は、いわゆる持ち上げ部（lifiting portion）又は持ち上げ面部分（lifiting surface portion）である。
流路２内の正常な流動状態において、流体は、方向Ｑに向かって正常な流速、正常な粘度、及び正常な圧力／温度で流れる。弁本体３の持ち上げ部７は、流体の流れに曝される。しかし、持ち上げ力は、弁本体を閉止位置へ向けて動かすには小さすぎる。
流速の増加、粘性の変化及び／又は温度上昇及び／又は圧力低下という結果をもたらす異常な流動状体が存在するときは、常に、流れの正常な状態から異状な状態へのこれらの変化が弁本体の持ち上げ面７を持ち上げる。流速の増加は、室６内では負圧、室４内では正圧の状態を伴う。この状態は、持ち上げ部を持ち上げ、弁本体３を回転させる。粘性の変化は、直接持ち上げ面７に影響する。持ち上げ面の表面の曲率半径及び摩擦係数も同様に持ち上げ部７の持ち上げ力を増大させるのに寄与する。
圧力及び／又は温度膨張パッド１０を弁本体の舌状部の直下に置いてもよい。配管内の圧力低下又は温度上昇は、舌状部を更に流路２内に突き出させ持ち上げ力を増大させる。
弁は、作動油を室４から室６へ移動させるための外部源を用いて閉じることもできる。
弁本体の予備的な持ち上げ／回転の後に、弁本体３は、持ち上げ面７が流路２中に更に広い範囲まで曝されることにより達成される持ち上げ力の増加によって閉止位置へ向かって動く。閉止運動は、徐々に閉止面を横切る差圧力に取って代わられる。この差圧力は、閉止断面の両側の圧力が等しくなるまで弁を閉じたままにしておくことにも寄与する。
閉じた弁を開けるには最初に弁本体３の両側の圧力を等しくし、次いで弁本体３が最初の位置に戻される。弁本体３は可能な実施態様として、重力だけで落下して開放位置へ戻るように、形状を決め、寸法を定め、配置することができ、また、弁本体３は正常な流動方向と逆の方向で弁に栓を通すことにより元へ戻すこともできる。

Claims (4)

1. 流体によって作動させることができる閉止バルブであって、該閉止バルブは、
   所定の断面形状の流路がその中を貫通しているバルブハウジングと、
   前記バルブハウジング内に位置し、本体部と該本体部から延びた端部を有する弁本体であって、該本体部と該端部は流路に突出した表面を有し、該弁本体は開放弁位置と閉止弁位置との間で可動であり、該開放弁位置においては前記バルブハウジングが該端部を支え該弁本体が該端部から該本体部に向けて流体の流れを許すようにされ、該閉止弁位置においては該本体部と該端部が一緒に前記流路を閉止するようにされた弁本体とからなり、
   前記開放弁位置において、前記弁本体の前記端部は該端部から前記本体部に向けた所定の流れ方向に前記流路を通過し該端部と該本体部の表面に沿った流体の流れにさらされ、該流路内の流体の所定の流れ方向における異常な流動状態に応答して、前記バルブハウジングから該端部が持ち上げられて該端部が前記閉止弁位置に向けて動かされて閉止バルブを閉止するように、該端部は流体の流速の増大および流体の密度の変化の少なくとも一つによって引き起こされる持ち上げ力に影響される、
   ことを特徴とする流体によって作動させることができる閉止バルブ。
2. 前記端部の表面が、流体の流れ方向に対して凸の曲率を有することを特徴とする請求項１の流体によって作動させることができる閉止バルブ。
3. 前記端部の表面が、流体の流れ方向に対する上流端に角度を持った部分を有することを特徴とする請求項１の流体によって作動させることができる閉止バルブ。
4. 流体によって作動させることができる閉止バルブであって、該閉止バルブは、
   所定の断面形状の流路がその中を貫通しているバルブハウジングと、
   前記バルブハウジング内に位置する弁本体であって、該弁本体は該弁本体から延びて該弁本体と連続した表面を形成する持ち上げ部を有しており、該弁本体は開放弁位置と閉止弁位置との間で可動であり、該開放弁位置においては前記バルブハウジングが該持ち上げ部を支え、該持ち上げ部の表面が流路に突出し、該弁本体が該連続した表面上で前記流路を通過する流体の流れを許すようにされ、該閉止弁位置においては該弁本体と該持ち上げ部が該流路を閉止するようにされた弁本体とからなり、
   前記開放弁位置において、前記弁本体の前記持ち上げ部は該弁本体に向けて前記連続した表面に沿った所定の流れ方向に前記流路を通過する流体の流れにさらされ、該流路内の流体の所定の流れ方向における異常な流動状態に応答して、前記バルブハウジングから該持ち上げ部が持ち上げられて該持ち上げ部が前記閉止弁位置に向けて動かされて閉止バルブを閉止するように、該持ち上げ部は流体の流速の増大および流体の密度の変化の少なくとも一つによって引き起こされる持ち上げ力に影響される、
   ことを特徴とする流体によって作動させることができる閉止バルブ。

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