JP5567060B2 - 流体制御システムに用いられる渦発生器 - Google Patents

Description

本発明は、一般的に流体制御システムに関するものであり、より詳細には流体制御システム内のよどみ領域に流体の渦を発生させるための方法および装置に関するものである。

通常、油・ガスパイプライン分配システム、化学品プロセスプラント、または、食物や飲料のプロセス、製薬プロセス、化粧品生産プロセスなどの衛生品プロセスといった産業プロセスでは、プロセス流体を制御することが必要である。一般的に、圧力、温度といったプロセス条件およびプロセス流体特性により、流体制御システムを実現するために使用する弁および弁構成部材の形式が決まる。通常、弁は、流入口と流出口とを有するとともに弁本体を貫通する流体流路を備えている。ボンネット、弁軸、または流量制御要素のような他の弁構成部材は、流路の中に設けられている。流路内におけるこれらの構成部材の構成により、流体のよどみ領域が生じることがある。この流体よどみ領域は、衛生的な状態を必要とする流体制御システムにおいて特に問題となる。よどみ領域では、流体の流量が減少し、エアポケットが生じることもあるため、微生物および他の汚染物質が弁および／または流体の流れの経路に沿った他の領域内に蓄積してしまうことがある。

図１は、公知になっている摺動軸栓弁１００の一例を示す断面図である。例示の弁１００は、弁本体１０２を備えている。弁本体１０２は、流体パイプライン（図示せず）に接続されているとともに、流入口側流路１０４から流入流体を受け入れる。流入口側流路１０４は、弁座１０８を経由して流出口側流路１０６に連通している。弁本体１０２に取り付けられるボンネット１１０は、弁軸１１４を案内するようになっており、この弁軸１１４の端部は、流量制御要素または栓部１１２に結合されている。栓部１１２は、流路１０４および１０６を通る流体の流量を制御または調節するために、弁座１０８と着脱可能に係合するよう構成されている。

栓部１１２が図１に示されている位置にある場合、弁１００は開いており、流体は、弁座１０８を通って矢印の方向に移動するようになっている。また、流体は、よどみ領域１１６の中に流れ込み、栓部１１２が連続して開放している間および閉鎖している間は、適切に押し流されない場合がある。したがって、一般的にデッドスペースまたはデッドレグ（停滞領域）と呼ばれるよどみ領域１１６は、流体、空気、微生物および／または他の汚染物質を蓄積して、最終的にはプロセス流体を汚染する場合もある。

食品加工産業、化粧品産業およびバイオ技術産業では、たとえば流体制御部材内の汚染物質の蓄積を防止することにより衛生的な状態を促進する弁、パイプ、および他の流体制御部材を用いることが一般的である。そのような１つの実施例が図２に示されている。図２に示されている単一弁座式のアングル弁２００は、流体パイプラインに接続するための弁本体２０２を有しているとともに、流入口側流路２０４から加圧下で流入流体を受け入れるようになっている。流入口側流路２０４は、弁座２０８を介して流出口側流路２０６に連通している。弁本体２０２には、ボンネット２１０が、取り付けられ、栓部２１２に結合されている弁軸２１４を案内するようになっている。弁軸２１４がボンネット２１０内で摺動すると、栓部２１２は着脱可能に弁座２０８と係合するようになっている。弁軸シール２１６およびボンネットシール２１８が、それぞれ対応して、ボンネット２１０と弁軸２１４及び弁本体２０２との間をシールしている。

図２の設計例では、ボンネットシール２１８および弁軸シール２１６は、弁座２０８に比較的近く位置し、弁流入口側流路２０４側の弁本体２０２の側面と実質的に同一平面上にある。このように、弁２００は、よどみ領域を減少したまたは最小限に押さえたよどみ領域を提供することにより、弁２００を衛生的な状態を必要とする流体制御用途において用いることができる。しかしながら、図２に示されている設計例は比較的複雑かつ高価である。

一つの実施例によれば、弁は、弁本体と、その弁本体を貫通する流体流路とを備えている。この流体流路は、流入口と、流出口と、よどみ領域とを含んでいる。弁は、流体流路内の流体の流量を制御するための流体流路内の制御要素と、流体流路内の流体をよどみ領域に案内するための渦発生構造とを有している。

他の実施例によれば、渦発生装置は、流体伝達要素と、この流体伝達要素に近くの流体よどみ領域と、流体伝達要素に結合された渦発生器とを含んでいる。渦発生器は、流体よどみ領域内において少なくとも１つの渦を発生するように構成されている。

さらに他の実施例によれば、流体伝達装置は、当該流体伝達装置の中を通って流体を伝達するための流路と、流路内のよどみ領域と、流路内の転換構造とを備えている。転換構造は、流体をよどみ領域へ方向転換するように構成されている。

公知の摺動軸弁を示す断面図である。 衛生用の流体制御システムにおいて用いられうる公知のアングル体摺動軸弁を示す断面図である。 渦発生器の一例を備えたアングル体摺動軸弁の一例を示す断面図である。 渦発生器の他の一例を備えたアングル体摺動軸弁の他の一例を示す断面図である。 渦発生器のさらに他の一例を備えたアングル体摺動軸弁のさらに他の一例を示す部分断面図である。

一般的に、本明細書に記載の例示的な流体制御弁は弁本体を備えている。弁本体は、流入口と流出口とを有する流体流路を通して流体を流す。この流体流路は、流体および／または汚染物質が蓄積しうる一または複数のよどみ領域を有しうる。よどみ領域の悪影響（たとえば、バクテリア成長）を最小限に抑えおよび／または防止するために、本明細書に記載の例示的な流体制御弁は、よどみ領域に流体を案内するように構成された渦発生構造を備えている。

一部の公知になっている流体制御弁は、実質的によどみ領域が無いように設計された流体流路を組み入れている。しかしながら、このように設計された流体流路は、流体弁の複雑さおよび製造コストを増大させることが一般的である。これとは対照的に、本明細書に記載の例示的な流体制御弁は、よどみ領域の悪影響を除去するまたは最小限に抑えるとともに、比較的容易に製造することができるように（すなわち、低コストに）設計された弁を用いることを可能とする渦発生構造を備えている。

一つの実施例では、流体制御弁は、弁ボンネットと一体になった渦発生構造を有しており、および／または、渦発生構造を弁内のいずれのよどみ領域よりも上流で、かつ、いずれのよどみ領域にも近い位置に配置している。他の実施例では、流体制御弁は渦発生構造を備えている。渦発生構造は、弁の流入口の近くに位置するパイプの断面に設けられ、流れ込んでくる流体に適切な乱流を付与して弁内のよどみ領域のフラッシングを促進する。

図３は、例示的な渦発生器３０１を有する公知のアングル体摺動軸弁３００を示す断面図である。図３に示されているように、例示的な弁３００は、流体パイプラインまたは同様の流体伝達要素に接続されるとともに、流入口側流路３０４から加圧下で流入流体を受け入れる弁本体３０２を備えている。流入口側流路３０４は、弁座３０８を介して流出口側流路３０６に連通している。弁本体３０２には、ボンネット３１０が取り付けられている。ボンネット３１０は、流路３０４の中へ延びる延在部３１２を有している。延在部３１２は、その底部の外周を取り巻くフランジ形状の構造３１４が形成されており、ここで終端している。図３の実施例では、フランジ形状の構造３１４は傾斜断面を有している。ただし、これに代えて、フランジ形状の構造３１４を湾曲断面としてもよい。

弁軸３１６は、ボンネット３１０の中央部を貫通して延びており、アクチュエータ（図示さず）に作用可能に結合されるように構成された一方の端部と、弁３００を通る流体の流れを可能とするおよび／または阻止するように構成された栓部３１８または他の流量制御要素に結合された他方の端部とを備えている。弁軸３１６は、ボンネット３１０内で軸方向に摺動可能となっており、弁軸シール３２０により、ボンネット３１０との間がシールされている。ボンネット３１０は、ボンネットシール３２２により、弁本体３０２との間がさらにシールされている。シール３２０および３２２は、プロセス流体が弁３００から漏洩するまたは染み出すのを防止するためのものであって、弁軸３１６およびボンネット３１０のそれぞれを囲むＯ−リングまたは他の適切なシール構造体である。

栓部３１８は、軸方向に沿って弁座３０８と係合して、流路３０４および３０６を介して弁３００を通る流体の流量を制御するように構成されている。図３に示されている位置では、栓部３１８は、弁座３０８に接している状態であり、弁３００が閉鎖している。すなわち、プロセス流体が、流入口側流路３０４から流出口側流路３０６へ弁３００を通って流れない。弁軸３１６が引き上げられると、栓部３１８が弁座３０８から上昇して、流体が弁座３０８をから流出口側流路３０６の方に向けて流れることを可能とする。すなわち、弁３００は開放状態になる。

開放位置または閉鎖位置では、液体および気体を含むプロセス流体は、デッドレグまたはよどみ領域３２４内に蓄積してしまう。このよどみ領域３２４は、ボンネット３１０の周辺であって延在部３１２の上方部分の近くに位置する流体よどみ領域である。しかしながら、例示の矢印３５０で流体の流れを示すように、流路３０４および３０６内の流体の流れがフランジ３１４により変更される。具体的にいえば、流入口側流路３０４を通る流体は、フランジ３１４に衝突し、それにより、一部の流体をよどみ領域３２４の中へと転換または案内して、よどみ領域内に渦または渦巻きを生じさせる。換言すれば、フランジ３１４は、跳水を発生させ、乱流または渦としてエネルギを消散させる下流側の障害として機能する。乱流または渦は、よどみ領域３２４が停滞しないようにすることで、よどみ領域３２４を一掃する。これによりエアポケットは分散または除去され、そこに蓄積された微生物、流体および／またはその他の汚染物質は一掃される。

一般的に、プロセス流体システムにおいて渦、渦巻き、または他の乱流を発生させることは望ましくない。というのは、このような乱流は非効率的である（すなわち、渦、渦巻、乱流などは、流れ抵抗を増加させる傾向がある）と考えられるからである。公知になっているように、真っ直ぐな側面を有するボンネットは比較的効率がよく、比較的低い流量係数または流れ抵抗を提供する。しかしながら、そのような真っ直ぐな側面を有するボンネットは、デッドレグまたはよどみ領域を有している弁に対して衛生的な状態になるよう作用することはない。

例示の弁３００に関して先に記載したように、フランジ３１４は渦発生器として機能し、この渦発生器は、よどみ領域３２４に渦、渦巻き、または乱流を発生させ、ガス（たとえば、空気）または他の停滞した流体を追い出し、たとえばバクテリアまたは他の汚染物質のような生物の蓄積および付着を防止する流体速度を発生させる。したがって、フランジ３１４によれば、流路３０４および３０６を経由して弁３００を通る流体の少なくとも一部を、転換または案内してよどみ領域３２４を一掃することができる。

渦発生器３０１は、定置洗浄（ＣＩＰ）、定置温水洗浄（ＨＷＩＰ）、定置蒸気洗浄（ＳｌＰ）および／または他の周知の洗浄工程を促進および／または向上するために用いることができる。例えば、渦発生器３０１を、上述のように、洗浄化学薬品、温水および／または蒸気をよどみ領域３２４の中へ案内するために用いてもよい。ＣＩＰシステムに用いられた場合、渦発生器３０１によれば、洗浄剤による弁３００の内面の洗浄後、すすぎに必要な水が少なくなるため、洗浄工程の効率を増大させることができる。これに代えてまたはこれに加えて、洗浄工程は温水のみで行うことができる。また、洗浄工程において、苛性材料の後に蒸気を用いるのではなく、苛性材料の後に温水を用いることができる。いずれの場合であっても、図３の渦発生器３０１は、より少数のステップおよび／またはより少量の洗浄材料を必要とすることにより洗浄工程を単純化し、その結果、流体制御システムの洗浄のコストを著しく削減することができる。

図３の例示の弁では、フランジ３１４は勾配を有しており、または、傾斜断面を有している。しかしながら、よどみ領域３２４に渦を発生させるために他の形状または構成を用いることができる。たとえば、フランジ３１４を、延在部３１２および／またはボンネット３１０と一体的に形成される湾曲構造体としてもよい。これに代えてまたはこれに加えて、フランジ３１４または他の渦発生構造を、延在部３１２および／またはボンネット３１０と結合する別個の部材としてもよい。

さらに、渦発生器３０１は、流体制御システム内の他の構成部材に用いることができる。例えば、例示の渦発生器３０１は、温度プローブなどプロセス蒸気内のＴマウント式のセンサに関連して用いてもよい。パイプラインの頂部に取り付けられた温度プローブは、プロセスストリームの隣接領域にデッドレグを形成する場合がある。このセンサに例示の渦発生器３０１のような渦発生器と結合することにより、デッドレグ領域のよどみを減少させ、上述の方法と同様の方法で、衛生的な状態を促進することができる。

図４に記載の他の実施形態では、摺動軸弁４００は、図３に例示の弁で記載されているような延在部を備えておらず、また、フランジも備えていない。図４の実施形態では、渦発生構造は、流入口側流路４０４に隣接しているパイプ４６０に結合されている固定プロペラ４５５を備えている。プロペラ４５５は、羽根４５８が結合されている中央ハブ４５６を有している。ハブ４５６は、固定プロペラ４５５をパイプ４６０へ結合するための環帯構造４５９に支持されている。他の実施形態として、プロペラ４５５を、パイプのフランジ間や衛生器具間に取付け可能な個別装置またはモジュールにして結合してもよい。

図４の実施例では、プロペラ４５５は、パイプ４６０に対してスピンしないようにまたは他の方法で回転しないように固定されている。水の流線または流管がプロペラ４５５を通り抜けると、羽根４５８の形状によって、流体が矢印４５０により示されているような渦を形成する。プロペラ４５５は、完全な層流境界層がパイプの壁において形成されている長いパイプラインにおいて非常に役立つ場合がある。プロペラ４５５により引き起こされた渦は、パイプ４６０の壁の近くに形成される境界層を削減し、よどみ領域４２４および／または他の汚染物質を一掃する。本実施例のプロペラ４５５は４つの羽根４５８を有しているが、プロペラ４５５はいかなる数の羽根を有していてもよい。

プロペラ４５５に代えてまたはそれに加えて、それぞれの羽根を、ハブ４５６無しでパイプ４６０の内部に取り付けてもよい。このような、パイプ４６０に取り付けられるとともに、長手方向にある距離だけ分離されている個別の羽根は、流体に渦を付与し、流体の流れ抵抗を最小限に抑えるようになっている。これらの羽根の数および配置によって、流体の流れ抵抗と引き替えにパイプ４６０の軸に対して流体に回転を発生させ、これにより、流体をよどみ領域４２４の中へ案内するようになっている。図３の実施例のフランジ３１４と同様に、本実施例のプロペラ４５５または個別の羽根は、プロセス流体を用いた正常運転下における汚染物質の蓄積を防止することにより、よどみ領域４２４の洗浄を促進または向上することができる。さらに、本実施例は、よどみ領域４２４の中へ洗浄流体および／または温水を転換させることにより、ＣＩＰ、ＨＷＩＰ、ＳＩＰおよび／または他の洗浄工程の効率を向上するようになっている。

これに加えて、例示のプロペラ４５５を流体制御システムの他の領域に用いてもよい。たとえば衛生的なシステムのような流体制御システムなどでは、長く真っ直ぐに延びたパイプに層流境界層が生じうる。この境界層においては、速度に起因する剪断力は低下しており、たとえばバクテリアの成長のような汚染物質が蓄積されてしまう。プロペラ４５５または他の渦発生構造を真っ直ぐに延びた流路に設置することにより、流れ全体にわたって、さらにはパイプの壁に沿って、渦巻く乱流を発生させ、このことにより、境界層を崩壊せしめ、したがって、汚染物質の一掃を促進する。このような構成により、渦発生構造は、低速度における洗浄を効果的なものとするだけでなく、従来の管速度での洗浄よりもパイプをよりきれいにすることが可能となる。

図５に示されている他の実施形態では、摺動軸弁５００は、螺旋状の溝５６５で示すような渦発生螺旋状構造を有するボンネット５１０を備えている。よどみ領域５２４の中へ流体を転換させるために、溝５６５を流路５０４および５０６の中へ延びるボンネット５１０の一部に一体的に形成し、ボンネット５１０の下方部の外周に延設するようにしてもよい。弁５００を通る流体のうちの少なくとも一部は、ボンネット５１０と衝突し、螺旋状の溝５６５と係合し、流体をボンネット５１０の周りで回転させ、これにより、矢印５５０により示されているように流体の少なくとも一部をよどみ領域５２４へ案内する。さらに、螺旋状の溝５６５は、ボンネット５１０の全長に延設させてもよく、その一部にのみ延設させてもよい。さらに、螺旋状の溝５６５の幾何学形状が完全なねじれを有していてもよいし、部分的なねじれを有していてもよい。その他の例示の渦発生器および流体転換構造に関して先に記載されているように、螺旋状の溝５６５を、ＣＩＰ、ＨＷｌＰ、ＳＩＰおよび／またはその他の洗浄工程を促進するために用いてもよい。

さらに他の実施形態において、螺旋状の構造を、図５の螺旋状の溝５６５に代えて螺旋状の稜（リッジ）としてもよい。ボンネットの外側部分の外周に沿って形成された螺旋状の稜（リッジ）は、勾配形状、湾曲形状、および／または、傾斜断面を有する。稜（リッジ）に衝突した流体は、よどみ領域５２４の中へ転換されるようになっている。

例示の渦生成構造にあっては、デッドレグまたは他のよどみ領域において流体の停滞を削減および／または防止することができるため、流体伝達システムで行われる洗浄工程の必要性を低下させることができる。このように流体のよどみを減少および／または防止することにより、衛生的な状態が促進され、プロセス流体内の汚染物質の存在を減少することができる。たとえば、流体のよどみ領域における乱流の増大により、細菌の増殖に好ましい状況が減少または除去され、これにより、流体分配または制御システムで行わなければならない洗浄工程の頻度が減少する。洗浄の必要性が減少することにより、流体処理システムの停止に関連するコストを含む洗浄コストが削減される。

さらに、例示の渦発生構造は、洗浄化学薬品、蒸気および／または湯水をよどみ領域の中へ案内するまたは転換することによって、洗浄工程（たとえば、ＣＩＰ、ＨＷＩＰ、ＳＩＰなど）がより効率的に機能する。洗浄工程の効率が増大することにより、洗浄工程を実行するために必要とされる化学薬品および／またはエネルギの量が減少される場合もある。

さらに、例示の渦発生構造は、弁、パイプライン、または他の流体もしくは材料伝達要素もしくは装置の他の構造または構成部品に結合されてもよいし、またはそれらの内部に形成されてもよい。例えば、よどみ領域に流体を案内するために、図３に記載された実施例のような傾斜状、湾曲状、または螺旋状の構造を、弁またはパイプの内部の温度センサまたは他のセンサに設けてもよい。さらに、本明細書に記載の例示の渦生成構造にあっては、パイプラインまたはタンクのＴ連結部、Ｙ連結部および／または流入口および流出口において用いることが可能である。

本明細書に、例示の方法、装置および製品が記載されているが、本発明の範疇が、これらによって制限されることはない。それどころか、本発明は、添付の特許請求の範囲に文字通りにまたは均等論に従って正当に該当する製造の方法、装置および製品をすべて網羅する。

Claims (5)

1. 弁本体と、
   前記弁本体を貫通するとともに、流入口、流出口及びよどみ領域を有する流体流路と、
   前記流体流路を通る流体の流量を制御するために前記流体流路内に設けられた制御要素と、
   前記流体流路内の流体を前記よどみ領域の中に案内するための渦発生構造とを備え、
   前記渦発生構造は、前記流入口に隣接したパイプに結合されたプロペラであり、
   前記プロペラは羽根が結合されている中央ハブを有して、該羽根は前記中央ハブから半径方向に延びている、弁。
2. 前記中央ハブは、前記プロペラをパイプに結合する環帯構造に支持されている、請求項１記載の弁。
3. 前記プロペラは、モジュール装置である、請求項１又は２記載の弁。
4. 前記プロペラは、パイプに対してスピンせず、そうでなければ回転しないように固定されている、請求項１乃至３の何れかに記載の弁。
5. 前記プロペラは、４つの羽根を有する、請求項１乃至４の何れかに記載の弁。

Images