JP5073676B2 - 流体の制御に関する改善 - Google Patents

Description

本発明は制御バルブにおける流体圧力の制御・減圧に関し、特に電力産業や油井・ガス井に使用される過酷環境用バルブに関するが、これに限定されない。

現在、過酷環境用バルブに最も広く使用されている技術には減圧チャンバーが利用されており、これは複数の開口部、ラビリンス、または複数の急な角度で屈曲した経路を含む１つ以上の流路から成り、段階的な圧力の減少をもたらす。あるいは、物理的に流体が通る流路面積を小さくすることにより流れを制限することもできる。このような物理的な制限を受けて流体が流れると、その速度は制限流出部で局所的に増大し、これにより発生する乱流がエネルギーを消散させて圧力は減少する。

前述の制御バルブでは流れている流体のエネルギーの消散は、屈曲した経路を通る時の摩擦抵抗、または滑らかな円状の経路を通過する際の連続する急激な収縮と膨張により行われる。このようなタイプのバルブは両方とも清浄な流体の流れに対しては良好に動作するが、多数の応用では流体の流れは不純物を含んでいるものであり、例えば固体粒子や液滴（以下、まとめて粒子と呼ぶ）等により経路は急速に浸食されるのである。これは特に高い摩擦による屈曲した流路タイプの経路において一般的で、浸食を促進するものであり、また収縮に応じて流れを加速させる膨張収縮バルブでは、適切な方法で制御しないと、物理的に流れを制限してエネルギーを消散させることによりバルブの構成部品の物理的な損傷や浸食を招く恐れがあるが、これにおいても一般的である。浸食の問題は特に井戸上部チョークバルブにおいて一般的であり、これは油井またはガス井の上部にある主遮断／制御バルブである。このバルブは井戸上部の直上にあるため、不純物がバルブに侵入する前に、これを除去することは不可能である。

経路の側壁の任意の位置における浸食速度ＥＲは一般に次式で表される。
ＥＲ＝Ｃｊ_ｐｆ（α）ν_ｐ ^ｎ
ここで、ｊ_ｐは、その面における粒子の質量流束、ν_ｐは粒子衝突速度であり、角度の関数ｆ（α）、比例係数Ｃ、速度のべき指数ｎは粒子とバルブトリムの材質の組み合わせに起因するもので、実験により求められる。壊れやすい材質の場合、角度の関数ｆ（α）は衝突角度と共に減少し、延性のある材質の場合、角度の関数ｆ（α）は２０〜３０°で最大となる。速度のべき指数ｎは一般的に約２であり、質量流束ｊｐは粒子濃度と粒子衝突速度の正規化成分の積であるので、浸食速度は粒子衝突速度の約３乗に強く依存するものとなりうる。

粒子は経路内の流体の流れに従うので、粒子衝突速度の桁数は流体の速度によって決まる。後者を最小化することは比流量容量Ｃｖ／Ａ、すなわち経路の単位断面積当たりのＣｖを小さくすることを意味する。最近の設計では特に流路における空間効率が良くなく、最も浸食されているバルブの中には高いＣｖを必要とする井戸上部チョークバルブがあるので、公知技術を使用して浸食を抑制した場合、バルブを通過する合計流量が減少して井戸の生産性が制限される。従って、高い流動抵抗を有し、なおかつ、より多数の流路を同じ空間内に配置して各経路を通る流れの減少を補償することができるような非常にコンパクトな流路を有することは効果的であり、これによって、バルブを通過する合計流量を同レベルに維持、あるいは増大させることさえでき、同時に各経路を通過する速度の減少により、浸食を低減する。

減圧のための代替手段には摩擦損失と流体の相互衝突の組み合わせによりエネルギーを消散させるものがある。バルテック社（Ｖａｌｔｅｋ Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ）による米国特許４，５６７，９１５と、リチャード セルフ（Ｒｉｃｈａｒｄ Ｓｅｌｆ）による米国特許３，５２０，８６４は両方とも流体の流れを、それ自身に衝突させるバルブトリムを開示している。但し、これらの設計は両方とも浸食の激しいものに応用するのに適していない。米国特許４，５６７，９１５を参照すると、バルブトリムには多数の小さな環状の経路があり、これは小さな膨張チャンバーに開通している。経路の断面積は小さくする必要があるが、これは、このバルブの圧力を損失させる主な手段が流路における摩擦損失によるものだからである。経路の断面積を小さくすると、経路の容積に対する表面積の比は大きくなる。これにより、加速された粒子が流路の側壁に当たる確率が増えるので、浸食速度は加速される。加えて、開口部の小さい経路は大きい粒子により塞がれやすく、このような粒子は流れの中に時々存在する。セルフの特許では、流路は互いに突き当たっているが、圧力を損失させる主な要因は屈曲した経路による摩擦であり、この経路を通過する流体の流れにより浸食速度は高くなる。バルテック社の特許では、膨張チャンバーで突き当たっていることにより、この部分での粒子のエネルギーを低減させることが可能ではあるが、上記のどちらの特許においても流体の流路を衝突させて浸食を著しく低減させることは含まれておらず、どちらとも浸食の激しい環境には適していない。特に流路の設計については、どちらとも狭い空間に限定した場合、適していない。

本発明は耐浸食性を向上させた制御バルブ用トリムを提供することにより、上記の問題を軽減することを試みたものである。

本発明によれば、複数の流動抵抗の高い流路を有し、これが通る減圧バルブ用のバルブトリムが提供される。各流路は、少なくとも２つの流入部と、第１の衝突領域とを有し、前記衝突領域は、流路の流入部と連通して互いに実質的に１８０°となるように構成された２つの領域内流入部と、この領域内流入部と流路の流入部とに実質的に垂直な２つの領域内流出部とを有し、この２つの領域内流入部に入る流れは、互いに衝突し、エネルギー損失の高い領域を形成した後、分かれて領域内流出部を通過して出るようになっており、前記第１の衝突領域の前記２つの領域内流出部は、第２の共通衝突領域の２つの領域内流入部にそれぞれなる。

好ましくは領域内流入部と領域内流出部は十字型の流路を形成し、この十字型の流路は好ましくはバルブトリムを通過する流れの方向にほぼ垂直な平面内にある。

本発明の流路では、流体の流れは、硬質の側壁により制限されることによりというより、それ自身と衝突することにより衝突領域で方向を変える。粒子もまた、この流れに乗ることにより方向を変え、衝突領域では実質的に側壁への衝突が避けられ、これにより、粒子のエネルギーは消散し、その後のバルブトリム側壁に起こる浸食の低減がもたらされる。粒子のエネルギーが消散して、粒子を次の衝突地点に至るまでに加速させる距離が制限されたものだけになるような方法により、流路は構成される。理想的には、この２つの流入部からの流れの衝突は経路に入った後、１回目の衝突するものであるとよい。しかし、実際には、この２つの流入部からの流れを９０°に屈曲させることにより互いに衝突できるようにする必要がある。好ましくは、この２つの流入部は９０°に屈曲した直後、互いに衝突する。そして、この流れは、すぐにまた２つの領域内流出部の流れに分かれる。

好ましい構成では、２つの領域内流出部の流れは、それ自身に対し１８０°で折り返して第２の衝突領域で互いに２回目の衝突をすることにより、更にエネルギーを消散させる。また、この第２の衝突領域は好ましくは十字型の流路を有し、第１の衝突領域と同様に機能するが、代替構成では第２の衝突領域は第１の衝突領域の２つの流出部を有するＴ字型の流路を有し、この２つの流出部はＴ字型部分へ互いに１８０°で入り、互いに衝突した後、１つの流出部を通過して一緒に出ていく。

好ましくは、この流れは２回目の衝突の後にバルブトリムを出る。第２の衝突が十字型の流れから成る場合、この流れはバルブトリムを出る前に方向が９０°変わり、第２の衝突領域がＴ字型の流路を有する場合に、合成された流れはＴ字型の脚部から真っ直ぐに出ることができる。

流体の流れの衝突領域は９０°屈曲点としての役割もあるので、２つの異なるエネルギー損失のメカニズム（衝突と屈曲した経路）が同じ平面上で合成される。屈曲部の数に関しては、（２．５４ｃｍ）^３（１立方インチ）の容積に、この構造により２つの６回屈曲した経路に相当する流動抵抗を有する（６．３５ｍｍ）^２（０．２５平方インチ）の流路が形成可能である。これに対し同じ体積で９０°の屈曲だけを使用した場合、同じサイズの２つの４回屈曲した流路を形成することしかできない。この屈曲点２つの増加分が相互噴出衝突領域である。すなわち、同じ流入口と、流入部と流出部間の距離を有する４回屈曲した従来の流路よりも、本発明によるバルブトリムの流路の方が流動抵抗は高く、流路毎のＣｖは低い。つまり、１８０°の衝突領域を本発明に係る構成で実施することにより流動抵抗のより高い流路が得られ、すなわち、より短い距離と、より小さいバルブトリム容積とで任意の圧力差における圧力または流速を低減することができる。

浸食の低減については１８０°での流れの衝突を利用することの優位性は２つの要素から成る。第１には上記のように、流動抵抗を増大させることにより流速を下げて、その結果として粒子の速度を低減させるものである。概略、粒子の速度が２５％減少すると、流路の側壁への粒子の第１の衝突における浸食速度の減少は約２．５倍となる。第２は粒子が主に流路の側壁に９０°の屈曲点で当たり、ここで粒子の慣性により流路から、それることである。本発明の流路の衝突領域では、流れは強固な制限を使用することなしに屈曲させられ、側壁に当たる代わりに対向する流れにぶつかって減速することにより粒子はその速度方向を変える。したがって、単に物理的に制限される９０°の屈曲点を有するバルブトリムよりも、これらの領域における浸食を劇的に低減する。

第１の衝突領域と第２の衝突領域の両方に十字型の流路がある代替構成では、この流路が連結して繰り返され、ある領域の流出部を次の領域の流入部とすることが可能である。

衝突領域により、高い流動抵抗が形成され、ガス流に伴うあらゆる浸食のエネルギーが除去される。

好ましくは第１の衝突領域と第２の衝突領域の距離は最小化され、衝突の間の浸食をもたらす加速距離を減少させる。好ましい構成では、第１の衝突領域から流出する流れは、それぞれ２つの分岐した経路に分かれて、その方向を変えながら粒子の速度を減少させた後、この分岐した経路は第２の衝突領域の直前にある第３の衝突領域で再び合流し、その流れ自身によって、もたらされる浸食に再び対抗して、そのエネルギーを２つの流出する流れが第２の衝突領域で互いに衝突する前に消散させる。

好ましくは流路は、略放射状となる方法でバルブトリムに設置され、バルブトリムの外周にある流入部と穴の内周面にある流出部とを伴う。

好ましい構成の１つではバルブトリムを通る隣り合った流路は共通部分を共有し、隣り合った流路の第１の衝突領域からの領域内流出部が互いに実質的に１８０°でＴ字型の流路を伴う共通衝突領域において衝突し、その後、隣り合った流路それぞれの第２の衝突地点に流れが分かれるまでの短い距離を一緒に流れるようになっている。

別の好ましい構成ではバルブトリムを通る隣り合った流路は共通部分を共有し、隣り合った流路の第１の衝突領域からの領域内流出部が互いに実質的に１８０°で十字型の流路を伴う共通衝突領域において衝突し、この２つの隣り合った流路それぞれの領域内流出部の１つは共通衝突領域への領域内流入部を形成し、その流入部は互いに突き当たり、その直後、中間に介在する２つの流れに分かれ、この中間に介在する２つの流れは１８０°折り返して同様に十字型の流路を伴う更なる衝突領域で互いに衝突し、その後、分かれて２つの隣り合った流路それぞれの第２の衝突領域への流入部を形成する。

好ましくはバルブトリムは多数の平らな円盤で構成され、互いにその上に重ねられ、それぞれ、その中の流路の幾つかの枝状部分を有する。好ましくはバルブトリムの流路は複数の平らな円盤から構成され、それぞれ、その中に多数の開口部を有し、この複数の円盤を互いにその上に重ねた時、この開口部が組み合わさって流路が形成されるようになっている。好ましい構成の１つではバルブトリムは３枚の円盤による複数のセットから成り、３枚の円盤の各セットは、放射状に並んだ流路の配列を構成し、３枚の円盤の各セット間に開口部の無い円盤があり、垂直方向に互いに独立した流路の配列を有する。別の構成では、この円盤のセットを互いにその上に重ね、その間の開口部の無い円盤を無くすことにより、垂直に連なる流路が接続される。好ましくは、この円盤はカーバミド等の耐浸食性のある物質から成る。

流路の少なくとも２つの流入部は好ましくは少なくとも部分的に、その長さ方向に沿ってテーパー状であり、この流入部の断面のサイズは流路を通る流れの方向に沿って減少する。好ましくは流路の少なくとも２つの流入部は、その流入部の隅がフィレット形状であり、このフィレット形状の領域では、流入部の断面のサイズは流路を通る流れの方向に沿って減少する。

あるいは、バルブトリムは複数の平らな円盤を有し、それぞれ、これを貫通するように設けられた複数の開口部を有し、各開口部はバルブトリムを通る流路の枝状部分を形成し、この円盤は互いにその上に重ねられ、第１の円盤の第１の開口部を少なくとも部分的には隣り合う第２の円盤の第１の開口部に揃えることにより、バルブトリムを通る流路を形成するようになっている。

好ましくは、少なくとも１枚の円盤の少なくとも１つの開口部は、バルブトリムの流路の中へ流入端を経由して流体を取り込むための流入口を有する。この流入口は好ましくはテーパー状の流入部分を、その流入端に有し、その流入口の断面のサイズは流入端から流入領域に沿って減少する。流入部分は切頂円錐状としてもよく、流入部分の外形は、その流入端でカーブさせてもよい。あるいは、流入部分は略切頂四角錐状としてもよい。

あるいは、流入口の流入端は矩形状でなくてもよい。流入口の流入端は略八角形状としてもよく、または隅を丸めた矩形状としてもよい。

このような方法で流入口の流入端を形成することにより、流入端に鋭角部分が全く無いようにし、これにより、流体の流れの中で流入口の流入端を通過する渦の発生を抑制し、この結果、流体の流れの中央部に向かう流体中の粒子の濃度は最小化される。

ここに本発明の特定の実施形態を、ほんの一例として添付図面を参照して記述する。

図１を参照すると、流体制御バルブのバルブトリムの一例が当該技術分野において一般的なものとして示されており、これは弁座１０５を含む中央チャンバー１０４、バルブトリム１０６、弁体１０７を介して互いに流体連通した流入部１０２と流出部１０３を伴うバルブ本体１０１を有する。弁体１０７が弁座１０５に接している場合、流れがバルブを通過することはできない。流れの動きが制御され、この中で弁体１０７が上方に動くと、流れはバルブに流入部１０２を通って入ることができ、バルブトリム１０６を通過し、これにより流体の圧力が下がり、流れは流出部１０３から出る。

図２を参照すると、本発明の第１の実施形態に係るバルブトリムに使用される流動抵抗の高い流路の図が示されている。この流路は２つの流入部２０８、２０９を有し、これらは９０°に曲がって、十字型の流路を有する第１の衝突領域２１０で互いに１８０°で衝突する。そして、流れは分裂し、領域内流出部２１３、２１４を通って衝突領域２１０を出て行く。領域内流出部２１３、２１４は、衝突領域２１０において、流入部２１１、２１２と直交する。領域内流出部２１３、２１４は１８０°屈曲し、それぞれを流れる流体は互いに第２の衝突領域２１５で衝突する。第２の衝突領域２１５の流出部２１６、２１７は９０°屈曲した後、バルブトリムから出る。流れは第１の衝突領域２１０で、それ自身と衝突するので、流れの中の粒子は全て互いに衝突し、その衝突において、最初に互いに浸食し合うように作用して、より小さな粒子、すなわち軽い粒子へと崩壊していき、次に、その速度は小さくなる。バルブトリムの浸食は、流体の流れの中の粒子がバルブトリムを成す物質に衝突する際の運動量に依存する。この運動量は粒子の質量と速度の両方の因子から成るので、バルブトリムの側壁の浸食に対抗するように互いに浸食することに加え、流れの衝突により粒子の運動量を減少させることにより浸食は低減される。１８０°で流れが衝突することにより、浸食を低減する効果は最大となるが、これは、その速度ベクトルの大部分が粒子相互の衝突で失われることによる。衝突の直後に流れが２つの領域内流出部２１３、２１４に分かれることにより、流路の断面積は維持され、過度に加速されることを防ぐ。

図３を参照すると、本発明の第２の実施形態に係るバルブトリムに使用した流動抵抗の高い流路の図が示されている。この流路は本質的に図１に示したものと同じであるが、連結して繰り返された多段式の流路が形成され、第２の衝突領域３１５からの流出部３１６、３１７は２段目の部分にある第１の衝突領域３１０ａの流入部となるようになっている。２段式のバルブトリムの流路を図３に示すが、バルブトリムを任意の段数としてよいことは理解されるところである。

図４を参照すると、本発明の第３の実施形態に係るバルブトリムに使用した流路の構成が示されている。この実施形態ではバルブトリムを通る隣り合った流路は共通部分４１８を共有し、隣り合った流路の第１の衝突領域４１０、４１０ｂからの領域内流出部４１３、４１３ｂが互いに実質的に１８０°でＴ字型の流路を伴う共通衝突領域４１９において突き当たり、その後、隣り合った流路それぞれの第２の衝突地点４１５、４１５ｂに流れが分かれるまでの短い距離を一緒に流れるようになっている。この構成では追加された衝突領域４１９により流路の流動抵抗が増大し、余計な浸食地点（バルブトリムを成す物質に流体が衝突する地点）が除去され、これを流体同士の衝突に置き換える。２つの流路を図４に示したが、バルブトリムの直径の周りにある複数の隣り合う流路を後続する共通部分によって一緒に接合できることは理解されるところである。

図５を参照すると、本発明の第４の実施形態に係るバルブトリムに使用した流路が示されている。この実施形態の流路は実質的に図２の流路と同じで、以下の変更を伴っている。流れの中の粒子により生じる浸食は、粒子の速度に依存し、この速度は流路を通る流れによって粒子を加速することが可能な流路の長さに依存する。図２に示した構成では、第１の衝突領域と第２の衝突領域（図２の２１０、２１５）の間に比較的、長い流れの部分がある。図５に示す流路は図２の流路を改良したもので、第１の衝突領域５１０の流出部５１３、５１４が、それぞれ２つの平行な流れ５２０と５２１、５２２と５２３に分かれ、これによって、その断面積を２倍にし、それぞれを通る流体の速度を小さくするようになっている。対になった平行な流れは９０度に屈曲して互いの方に向かい、Ｔ字型の流路を有する衝突領域５２４、５２５においてそれぞれ１８０°で互いに衝突し、各衝突領域５２４、５２５を出て衝突領域５１５に向かって流れ、ここで最後の衝突をした後、衝突領域５１５に入る流れに垂直な方向へ出る。その後、２つの流出部５１６、５１７はバルブトリムを出る前に９０度に屈曲する。

図６は本発明の第５の実施形態に係るバルブトリムに使用した流動抵抗の高い流路を示している。この実施形態の流路は本質的に図５に示したものと同じであるが、連結して繰り返された多段式の流路が形成され、第２の衝突領域６１５からの流出部６１６、６１７は２段目の部分にある第１の衝突領域６１０ａの流入部となるようになっている。２段式のバルブトリムの流路を図６に示すが、バルブトリムを任意の段数としてよいことは理解されるところである。

図７を参照すると、本発明の第６の実施形態に係るバルブトリムに使用した流路が示されている。この構成ではバルブトリムを通る隣り合った流路は共通流路領域７１８ａ、７１８ｂを共有する。隣り合った流路の第１の衝突領域７１０、７１０ｂからの領域内流出部７１３、７１３ｂが互いに実質的に１８０°で十字型の流路を伴う共通衝突領域７１９において突き当たり、その直後に２つの共通流路領域７１８ａ、７１８ｂに分かれるようになっている。共通流路領域７１８ａ、７１８ｂは、その後、１８０°折り返して、互いに１８０°で十字型の流路を有する衝突領域７２５ａにおいて突き当たり、その直後に分かれて共通流路領域７１８ａ、７１８ｂに垂直な衝突領域７２５ａを出て、隣り合った流路それぞれの最終衝突地点７１５、７１５ｂに流れる。２つの隣り合う流路を図７に示したが、バルブトリムの直径の周りにある複数の隣り合う流路を後続する共通部分によって一緒に接合できることは理解されるところである。

図８は本発明の第４の実施形態に係るバルブトリム８００の一部の分解図を示しており、図５の流路を実施するためのものである。バルブトリム８００は多数の個別部品８２６、８２７、８２８を備え、これらは全てシンプルな製造技術を使用して製造可能である。これらの個別部品はカーバミド製の円盤で、固化させる前に、それぞれの形状にプレス成型される。円盤８２６、８２７、８２８はそれぞれ、これらを貫通するように設けられた８セットの開口部を有する。最上部の円盤８２８における開口部の各セットは流入口８０８と２つの流路用開口部８２０、８２２とを有する。最下部の円盤８２６における開口部の各セットは流入口８０９と２つの流路用開口部８２１、８２３とを有する。中央部の円盤８２７における開口部の各セットは２つの衝突部用開口部８１２、８１４を有し、これは最上部の円盤８２８と最下部の円盤８２６の流路用開口部８２０、８２１、８２２、８２３に対し９０°となるように配向されている。

最上部の円盤８２８と最下部の円盤８２６の流入口８０８、８０９により流入路８０８、８０９が形成され、これらは中央部の円盤８２７に入るよう９０°屈曲させられる。１セット中の第１の衝突部用開口部８１２は十字型の流路を有する衝突領域８１０を形成し、これにより２つの流入口８０８，８０９は中央部の円盤８２７で合流し、ここで互いに突き当たった後、水平方向に分かれる。その後、分かれた流路はそれぞれ、最上部の円盤８２８と最下部の円盤８２６それぞれの上部開口部８２０、８２２と下部開口部８２１、８２３に分かれ、この分かれた流路は中央部の円盤８２７にある第２の衝突部用開口部８１４内におけるＴ字型の衝突領域８２４、８２５で再び合流して互いに突き当たった後、互いの方に向かって流れて衝突領域８１５で互いに最後の衝突をし、また、第２の衝突部用開口部８１４にも、分かれて最上部の円盤８２８と最下部の円盤８２６を通って出る前のところに十字型の流路がある。独立した流路の配列とするため、これら３つの図示した個別部品の上下に追加部品（図示省略）が流出路を囲むために必要となることは理解されるところである。

図９を参照すると、図８の円盤により形成される流路が示されている。

図１０を参照すると、第４の実施形態に係る完全に組み立てられたバルブトリム８００が示され、これは円筒状で、軸方向に貫通する穴を有する。それぞれ１対の流入部を有する複数の流路はバルブトリムを通って外周面から穴の内周面に至る。バルブトリムは図８、９に対応させて説明したように複数の円盤９２９のセットを有し、それらは鉛直方向に互いに接続される。すなわち流路を囲む役割を果たす追加部品は３枚の円盤のセット間で省略されているが、最下部の円盤の下に９３０が、３枚の円盤のセットの最上部には９３１が設けられている。より大きい直線状の流路を伴う多数の円盤９３２がバルブトリムの上部に備えられ、バルブが完全に開いた時、より大きく流動抵抗のより低い流路となり、最大流量で動作できるようになっている。

図１１、１２、１５を参照すると、本発明の第６の実施形態はバルブトリム１０００を提供する。この実施形態のバルブトリム１０００は実質的に前述の実施形態のバルブトリム８００と同じで、以下の変更を伴っている。同じ参照番号を対応する特徴部分に用いる。

この実施形態では、流入口８０８、８０９はそれぞれ、流入部分８０８ａ、８０９ａを、その流体流入端（図１５に最もよく示されている）に有する。流入部分８０８ａ、８０９ａは、その断面において流入端から流入口８０８、８０９の主部分８０８ｂとの合流部に向かってテーパー状であり、略切頂四角錐状である。流入部分８０８ａ、８０９ａの垂直（図１１における向きとする）部分１００２は上部円盤８２８と下部円盤８２６の中にそれぞれ形成される。流入部分８０８ａの上部部分１００４は上部円盤８２８の上部に重ねられた開口部の無い円盤１００６に形成される。流入部分８０８ａの下部部分１００８は中央部円盤８２７の上面（図１１における向きとする）に形成される。流入部分８０９ａの上部部分１０１０は中央部円盤８２７の下面に形成される。流入部分８０９ａの下部部分は下部円盤８２６の下に重ねられる更なる円盤すなわち開口部の無い円盤（図示省略）に設けることができる。円盤８２６、８２７、８２８、１００６を一緒に積み重ねた場合、流体流路１０２０は図１２に示すように形成される。

図１３、１４に示すように従来技術による流入口は鋭角部分のある流入部を有し、流れの中央に粒子が集中する。粒子（Ｐ）は流路を通って流れる流体に乗って、様々な速度ベクトル（それぞれに対応する矢印で示す）を有する。流れが開口部に入ると、粒子の速度ベクトルが変化して最終的に主部分８０８ｂを通る流れの方向に揃うようになる。流入口８０８、８０９に入る前の流れは実質的に放射状（これを２次元で図１３に示す）で、流路に入った後、流れは実質的に軸方向になっていく。

粒子には一定の質量があるので、流路に入る際に急に方向を変えることはできず、これを変えようとするには、その速度ベクトルが変化するための遷移期間を経て行うことになる。これは放射状から軸方向への速度ベクトルの遷移であり、粒子の持つ運動量により流入口に流れ込む流体（Ｆ）内の粒子（Ｐ）は図１３の破線で示すように流体の流れの中央部に集中し、粒子濃度の分布（Ｃ）は図１４のように示される。また、流体の流速は流体の流れの中央部の中で最速となる（図１４の流速の分布（Ｓ）として示す）ので、粒子濃度が最も高いところは流体の流れの内部で最速のところと共に移動する。この結果、粒子は主部分８０８ｂで運動量が増え、これにより、粒子が流入口の終端部側壁に衝突した時、図１３に示すように側壁が浸食される度合いが高まる。

図１５を参照すると、バルブトリム１０００の流入口８０８、８０９のテーパー状の流入部分８０８ａ、８０９ａがあることによって、流入口８０８、８０９の流入端において流体の流れの中に渦が発生するのを低減し、これにより、流体の流れの中央部への粒子の集中が最小となるようにしている。この結果、流入口の終端部側壁８０８ｃの浸食が大幅に低減される。

代替構成では、切頂四角錐状の流入部分８０８ａ、８０９ａを切頂円錐状の流入部分またはフィレット形状の流入部分に置き換えることができる。

本発明の第７の実施形態に係るバルブトリムでは、３次元のテーパー状で切頂形状の流入部分８０８ａ、８０９ａは２次元の矩形状でない流入端に置き換えられる。すなわち、その形状には矩形または正方形の９０°の角のような尖った部分を含まない。図１６に示す流路１０３０では、流入端１０３２、１０３４は隅の部分がカーブした矩形状となっている。あるいは流入端１０３２、１０３４は略八角形としてもよい。

このように成型することは同様に流入口の流入部分における渦の発生の低減に寄与する。

当該技術分野において一般的なバルブトリムを含む制御バルブの構成を示す垂直断面図である。 本発明の第１の実施形態に係るバルブトリムに使用される衝突領域を有する流路を示している。 本発明の第２の実施形態に係るバルブトリムに使用される衝突領域を有する流路を示している。 本発明の第３の実施形態に係るバルブトリムに使用される衝突領域を有する流路を示している。 本発明の第４の実施形態に係るバルブトリムに使用される衝突領域を有する流路を示している。 本発明の第５の実施形態に係るバルブトリムに使用される衝突領域を有する流路を示している。 本発明の第６の実施形態に係るバルブトリムに使用される衝突領域を有する流路を示している。 第４の実施形態に係るバルブトリムにおける３枚の円盤のセットの分解図を示しており、それらは組み合わさって図５に示す流路を形成する。 図５に示す流路を有する第４の実施形態におけるバルブトリムの組立図を示している。 完全に組み立てられた第４の実施形態のバルブトリムを示している。 本発明の第５の実施形態に係るバルブトリムの３枚の円盤とカバー用円盤の分解図を示している。 図１１のバルブトリムにより形成される流路の概略図である。 当該技術分野において一般的なバルブトリムを通る流体の流れの中における粒子の流れの概略図である。 図１３の流体の流れにおける粒子の密度と流体の速度を示している。 図１１のバルブトリムを通る流体の流れの中における粒子の流れの概略図である。 本発明の第７の実施形態に係るバルブトリムにより形成される流路の概略図である。

符号の説明

１０１ バルブ本体
１０２ 流入部
１０３ 流出部
１０４ 中央チャンバー
１０５ 弁座
１０６ バルブトリム
１０７ 弁体
２０８ 流入部
２０９ 流入部
２１０ 衝突領域
２１１ 流入部
２１２ 流入部
２１３ 領域内流出部
２１４ 領域内流出部
２１５ 第２の衝突領域
２１６ 流出部
２１７ 流出部
３１０ａ 第１の衝突領域
３１５ 第２の衝突領域
３１６ 流出部
３１７ 流出部
４１０ 第１の衝突領域
４１０ｂ 第１の衝突領域
４１３ 領域内流出部
４１３ｂ 領域内流出部
４１５ 第２の衝突地点
４１５ｂ 衝突地点
４１８ 共通部分
４１９ 共通衝突領域
５１０ 第１の衝突領域
５１３ 流出部
５１４ 流出部
５１５ 衝突領域
５１６ 流入部
５１７ 流入部
５２０ 流れ
５２１ 流れ
５２２ 流れ
５２３ 流れ
５２４ 衝突領域
５２５ 衝突領域
６１０ａ 第１の衝突領域
６１５ 第２の衝突領域
６１６ 流出部
６１７ 流出部
７１０ 第１の衝突領域
７１０ｂ 第１の衝突領域
７１３ 領域内流出部
７１３ｂ 領域内流出部
７１５ 最終衝突地点
７１５ｂ 最終衝突地点
７１８ａ 共通流路領域
７１８ｂ 共通流路領域
７１９ 共通衝突領域
７２５ａ 衝突領域
８００ バルブトリム
８０８ 流入口
８０８ａ 流入部分
８０８ｂ 流入口の主部分
８０８ｃ 終端部側壁
８０９ 流入口
８０９ａ 流入部分
８１０ 衝突領域
８１２ 衝突部用開口部
８１４ 衝突部用開口部
８２０ 上部開口部
８２１ 下部開口部
８２２ 上部開口部
８２３ 下部開口部
８２６ 個別部品
８２７ 個別部品
８２８ 個別部品
９２９ 円盤
９３０ 最下部の円盤の下に設けられた部材
９３１ ３つの円盤の最上部の上に設けられた部材
９３２ 円盤
１０００ バルブトリム
１００２ 流入部分の垂直部分
１００４ 流入部分の上部部分
１００６ 開口部の無い円盤
１００８ 流入部分の下部部分
１０１０ 流入部分の上部部分
１０２０ 流体流路
１０３０ 流路
１０３２ 流入端
１０３４ 流入端
Ｃ 粒子濃度の分布
Ｆ 流体
Ｐ 粒子
Ｓ 流速の分布

Claims (24)

1. 複数の流動抵抗の高い流路を有し、これが通る減圧バルブ用のバルブトリムであって、
   前記流路の各々は、少なくとも２つの流入部と、第１の衝突領域とを有し、
   前記第１の衝突領域は、前記流路の流入部と連通して互いに実質的に１８０°となるように構成された２つの領域内流入部と、前記２つの領域内流入部と前記流路の流入部とに実質的に垂直な２つの領域内流出部とを有し、
   前記２つの領域内流入部に入る流れは、互いに衝突し、エネルギー損失の高い領域を形成した後、分かれて前記領域内流出部を通過して出るようになっており、
   前記第１の衝突領域の前記２つの領域内流出部は、第２の共通衝突領域の２つの領域内流入部にそれぞれなることを特徴とするバルブトリム。
2. 前記領域内流入部と前記領域内流出部は十字型の流路を形成することを特徴とする請求項１に記載のバルブトリム。
3. 前記十字型の流路は前記バルブトリムを通過する流れの方向にほぼ垂直であることを特徴とする請求項２に記載のバルブトリム。
4. ２つの流入部は第１の衝突領域の直前で９０°に屈曲することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のバルブトリム。
5. 前記第１の衝突領域からの前記２つの領域内流出部の流れは、それ自身に対し１８０°で折り返して第２の衝突領域で互いに２回目の衝突をすることにより、更にエネルギーを消散させることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のバルブトリム。
6. 前記第２の衝突領域も十字型の流路を有し、前記第１の衝突領域と同様に機能することを特徴とする請求項５に記載のバルブトリム。
7. 前記第２の衝突領域はＴ字型の流路を有し、前記第１の衝突領域の前記２つの流出部はＴ字型部分へ入り、互いに実質的に１８０°で衝突した後、１つの領域内流出部を通過して一緒に出ることを特徴とする請求項５に記載のバルブトリム。
8. 前記流れは前記第２の衝突領域を通過後に前記バルブトリムを出ることを特徴とする請求項５から７のいずれか１項に記載のバルブトリム。
9. 前記第２の衝突領域からの前記領域内流出部は前記バルブトリムを出る前に方向が９０°変わることを特徴とする請求項６と８に記載のバルブトリム。
10. 前記流路が連結して繰り返され、ある領域の流出部を次の領域の流入部とすることが可能なことを特徴とする請求項６に記載のバルブトリム。
11. 前記第１の衝突領域から流出する流れは、それぞれ２つの分岐した経路に分かれて、１８０°屈曲することにより粒子の速度を減少させ、前記分岐した経路は前記第２の衝突領域の直前にある第３の衝突領域で再び合流し、前記経路は互いに実質的に１８０°で衝突することを特徴とする請求項５または６に記載のバルブトリム。
12. 前記複数の流路は放射状となるように前記バルブトリムの周囲に設けられ、前記バルブトリムの外周面にある流入部と穴の内周面にある流出部とを伴うことを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載のバルブトリム。
13. 前記バルブトリムを通る隣り合った流路は共通部分を共有し、隣り合った流路の前記第１の衝突領域からの前記領域内流出部が互いに実質的に１８０°でＴ字型の流路を有する共通衝突領域において衝突し、前記共通衝突領域の共通流出部を通って出るようになっていることを特徴とする請求項１２に記載のバルブトリム。
14. 前記共通衝突領域を出た後、前記隣り合った流路は、前記隣り合った流路それぞれの第２の衝突地点への流れに分かれるまでの短い距離を一緒に流れることを特徴とする請求項１３に記載のバルブトリム。
15. 前記バルブトリムを通る隣り合った流路は共通部分を共有し、隣り合った流路の前記第１の衝突領域からの前記領域内流出部が互いに実質的に１８０°で十字型の流路を有する共通衝突領域において衝突し、前記２つの隣り合った流路それぞれの第１の領域内流出部の１つは前記共通衝突領域への前記領域内流入部を形成し、その直後、前記共通領域内流入部に実質的に垂直な中間に介在する２つの流れに分かれ、前記中間に介在する２つの流れは１８０°屈曲して同様に十字型の流路を有する第２の共通衝突領域で互いに衝突し、その後、分かれて前記第２の共通衝突領域を出て前記２つの隣り合った流路それぞれの第２の衝突領域への流入部を形成することを特徴とする請求項１２に記載のバルブトリム。
16. 前記流路の少なくとも２つの前記流入部は少なくとも部分的に、その長さ方向に沿ってテーパー状であり、前記流入部の断面のサイズは前記流路を通る流れの方向に沿って減少することを特徴とする請求項１から１５のいずれか１項に記載のバルブトリム。
17. 前記流路の少なくとも２つの前記流入部は、その流入端部がフィレット形状であり、前記フィレット形状の領域では、前記流入部の断面のサイズは前記流路を通る流れの方向に沿って減少するようになっていることを特徴とする請求項１から１６のいずれか１項に記載のバルブトリム。
18. 前記バルブトリムは複数の平らな円盤を有し、各円盤を貫通するように設けられた複数の開口部を有し、各開口部は前記バルブトリムを通る流路の枝状部分を形成し、前記円盤は互いにその上に重ねられ、第１の円盤の第１の開口部を少なくとも部分的には隣り合う第２の円盤の第１の開口部に揃えることにより、バルブトリムを通る前記流路を形成するようになっていることを特徴とする請求項１から１７のいずれか１項に記載のバルブトリム。
19. 少なくとも１枚の円盤の少なくとも１つの開口部は、前記バルブトリムの前記流路の中へ流入端を経由して流体を取り込むための流入口を有することを特徴とする請求項１８に記載のバルブトリム。
20. 前記流入口はテーパー状の流入部分を、その流入端に有し、前記流入口の断面のサイズは前記流入端から前記流入領域に沿って減少することを特徴とする請求項１９に記載のバルブトリム。
21. 前記流入部分は切頂円錐状で、前記流入部分の外形は、その流入端でカーブしているか、あるいは、略切頂四角錐状としてもよいことを特徴とする請求項２０に記載のバルブトリム。
22. 前記流入口の前記流入端は矩形状でないことを特徴とする請求項１９に記載のバルブトリム。
23. 前記流入口の前記流入端は略八角形状、または隅を丸めた矩形状であることを特徴とする請求項２２に記載のバルブトリム。
24. 請求項１から２３のいずれか１項に記載のバルブトリムを有するバルブ。

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