JP6567976B2 - エネルギー回収装置付き制御弁 - Google Patents

Description

本発明は、制御弁、即ち導管内の流体の圧力又は流量を調節及び／又は変更するように作られた、流体力学的装置、に関する。このような流体は、液体、気体、蒸気又は二相状態であることができる。特に、本発明の対象を形成する弁は、工業用液圧回路で採用することができ、特に石油（オイル及びガス）工業、化学工業、石油化学工業、及びエネルギー産業において有益に採用することができる。

既知の弁は、流体が通過する入口開口と出口開口とを有する。調節要素は、流体の流量を変動させるように、弁本体内、特に入口開口と出口開口との間に配置される。特に、この形式の弁は、導管（これに沿って弁が組み立てられる）内の液体の圧力及び流量を、調節し及び／又は変化させるために使用することができる。

導管内の圧力を大きく減少させる必要がある場合、小流量で大きい圧力変化の場合にも、大流量で小さい圧力変化の場合にも、特定の量のエネルギー（かなり大きい可能性さえある）が浪費されることは不可避であり、不利である。エネルギーの浪費は、通常、熱及び振動の形で生じる。

更に、突然の圧力の減少は、流体のキャビテーション現象（液体の場合）又はチョーキング現象（気体の場合）を生じる可能性がある。

どちらの効果も、振動又は乱流など、流体の流れに不規則性を引き起こすので、望ましくない。更に、特にキャビテーションの場合、パイプ及び機械部品の損耗がかなり加速される。

したがって、本発明のもととなる技術的目的は、上述の先行技術の欠点を除去する弁を提供することである。

特に、本発明の目的は、圧力の減少の際に浪費されるエネルギーを回収できる弁を提供することである。本発明の更なる目的は、キャビテーション現象、及び、一般的には、流体の流れの不規則性、を防止することである。

上述の技術的問題は、請求項１に記載の技術的特徴を備える弁によって解決される。閉鎖要素（obturator）は、所望の圧力変化全体の一部に相当する、最初の圧力変化を、流体に引き起こすことができる。回収手段は、運動及び／又は位置エネルギーを流体から抽出することによって、主圧力変化を引き起こし、同時に流体の内部エネルギーの一部を回収して再利用可能にする。流体の内部エネルギーは、請求項２に従った本発明の実施形態において、熱及び振動エネルギーとしてではなく、機械仕事として、回転要素によって抽出される。

本発明の更なる特徴及び利点は、添付図面に図示する、弁の好ましい（但し、排他的ではない）実施形態の、以下の説明的な（従って非限定的な）記述から、より明らかになろう。

本発明に係る弁の部分断面を示す斜視図である。 図１の弁の部分断面を示す分解図である。 第１の実施形態に従った図１の弁の詳細の断面図である。 第１の実施形態に従った図１の弁の詳細の斜視図である。 別の実施形態に従った図３ａと同様の詳細の断面図である。 別の実施形態に従った図３ｂと同様の詳細の斜視図である。 図１の弁の更なる詳細の斜視図であり、１つの実施形態を示す。 図１の弁の更なる詳細の斜視図であり、別の実施形態を示す。 本発明に係る弁の別の実施形態の断面図である。 本発明に係る弁の更に別の実施形態の断面図であり、部分的開放位置にある図である。 本発明に係る弁の更に別の実施形態の断面図であり、閉鎖位置にある図である。 本発明に係る弁の更に別の実施形態の図である。 本発明に係る弁の更に別の実施形態の図である。 本発明に係る弁の更なる特徴の図である。 図１１に示す更なる特徴の図であり、第１の好ましい実施形態における図である。 弁の更に別の実施形態の概略図であり、部分的に断面を示す。 図１３の弁の図であり、部分的開放形態にある図である。

添付図面を参照すると、番号１は、本発明に係る制御弁を示す。

弁１は、弁本体２を備える。弁本体は、流体が通過するための入口開口３と出口開口４とを備える。

弁本体２は、入口開口３から出口開口４まで流体が通過できるようにするのに適する任意の形状を持つことができる。図１の実施形態において、弁本体は、実質的に管状形を有する。別の実施形態（図示せず）において、弁本体２は、より複雑な形状を持つことができる。

説明され図示される全ての実施形態は、単一の入口開口３及び単一の出口開口４を有する。別の実施形態（図示せず）において、任意の数の入口開口３及び出口開口４を持つことが可能である。弁１内の流体の流れは必ずしも一方向ではない。

本発明は、弁本体２内に配置された閉鎖要素（obturator）６を備える。特に、閉鎖要素６は、入口開口３と出口開口４との間に配置される。閉鎖要素６は、流体を所望の方向及び／又は空間分布に従って回収手段５へ向けて導くように構成される。閉鎖要素６は、更に、流体の流れを停止して弁１を閉鎖する閉鎖形態をとるように構成される。言い換えると、閉鎖要素６は、弁１の艤装（trim）として機能することができる。閉鎖要素６は、キャビテーション現象及び／又はチョーキング現象を、制限及び／又は防止するのに寄与し、有利である。特に有利な閉鎖要素６の様々な実施形態について、以下に詳細に説明する。

弁１は、回収手段５を備え、回収手段５は、流体の運動エネルギー及び／又は位置エネルギーを、機械仕事に変換し、この機械仕事を、弁本体２の外部へ移転するように構成される。言い換えると、回収手段５は、流体から内部エネルギーを抽出し、これを運動エネルギー特に機械仕事に変換する。回収手段５によって抽出又は回収されたエネルギーは、従来は、流体の圧力を減少させる、流体の負荷損失になるものである。

回収手段５は、弁本体２の内部に収容される。即ち、回収手段は、弁本体２に連結される別個の収容体を必要としない。これによって、本発明に係る弁の全体寸法を収容できるようにし、この寸法は、従来利用されている制御弁の寸法の範囲内に維持される。

好ましい実施形態において、回収手段５は、弁本体２の内部に、特に閉鎖要素６の下流に配置された回転要素７を備える。回転要素７は、弁本体２内を通過する流体によって回転するように構成され、回転軸Ａを有する。回転軸Ａは固定軸であることが好ましい。

閉鎖要素６の下流に回転要素７を配置することによって、流体は、回転要素７に対し、閉鎖要素６によって生じる局部的乱流から離れて実質的に一定の方向に衝突する。回転要素７は、流体の流れを遮断し回転要素７を回転させるように構成された、少なくとも１つの翼８を備える。本発明において、「翼」は、流体と相互作用して、回転要素７を回転させる、空気力学的／流体力学的な力を発生することができる、任意の要素を意味する。

例えば、図３ａ及び４ａに示すように、回転要素７は、実質的に管状かつ円筒形の構造を有することが好ましい。言い換えると、回転要素７は、外側壁７ａと中央部分７ｂとを有する。外側壁７ａと中央部分７ｂとの間に、内側ゾーン７ｃが形成され、その中を流体が通過する。１つ又はそれ以上の翼８は、内側ゾーン７ｃに配置される。

図４ａ及び４ｂに示す第１の実施形態において、回転要素７特に内側ゾーン７ｃは、回転軸Ａに実質的に平行に流れる流体の流れが横切るようにされる。

図３ａ及び３ｂに示す第２の実施形態において、回転要素７特に内側ゾーン７ｃは、回転要素７の回転軸Ａに対して少なくとも部分的に横切る経路に沿って流体を案内するように構成される。詳細には、この実施形態において、流体は、半径方向に沿った向きの経路（少なくともある程度の長さ）に従う。このために、中央部分７ｂは、内側ゾーン７ｃを中央部分７ｂの内側ゾーンと流通させる開口部を有する。１つ又はそれ以上の翼８を、中央部分７ｂ内に配置できる。この実施形態は、より低い流量とより高い圧力変動に対して適しており、有利である。

図８ａ、８ｂ、９及び１０に概略的に示すように、回転要素７は、弁１が得るべき流体力学的性能に応じて、異なる寸法を持つことができる。回転要素は、様々な管状部分７１、７２（図においては２つ）を備えることができ、その各々が、外側翼８１、８２を備える。内側管状部分７１は、内側翼８３を備えることもできる。各々外側翼及び／又は内側翼を備える各種の管状部分が存在することによって、回転要素によって回収されるエネルギー量が増大する。各種管状部分の存在は、更に、回転要素によって生じる圧力低下を調節できるようにする。流体を管状部分又は各種管状部分へ向けて送ることにより、実際に、流体が回転要素７を横切るとき流体に生じる圧力低下を、調節できるようにする。

回転要素７を備える実施形態において、本発明に係る弁は、流体における圧力低下を生じ、圧力低下は、実質的に回転要素７自体の運動エネルギーに変換される。

その形態のおかげで、回転シリンダは、非圧縮性流体の場合のフラッシング及びキャビテーション現象を、又は圧縮性流体の場合のチョーキングを効果的に制御し制限できる。これによって、弁の騒音を大幅に減少する。

翼８の形状即ち流体の流れに対する翼の傾斜角度及び長手方向の翼の長さ寸法は、流体の圧力低下及び最大流量が決定されるようにする。

翼８の傾斜角度及び長手方向の長さ寸法は、弁１に要求される圧力変化が徐々に（急激にではなく）生じて、これを機械仕事へ変換できるようにする。

回転要素７の構造は、更に、振動及び熱の形の損失を可能な限り制限できるようにする。なぜなら、流体による摩擦が大幅に減少するので、機械エネルギーへの変換が可能な限り大きくなるからである。

回転要素７の運動エネルギーを電気エネルギーへ変換するために、回収手段５は、弁本体２と連結され回転要素７に対して配置された固定子（図示せず）を備えることが好ましい。回転要素７自体は、回転子を形成し、回転子は、固定子と電磁気的に連結される。これによって、高い変換効率が得られ、寸法を抑制でき、有利である。

或いは、回収手段５は、弁本体２外部に配置された電気エネルギー発生器（図示せず）を備える。機械的伝達手段（図示せず）は、運動エネルギーを、回転要素７から電気エネルギー発生器へ移転するように構成される。この形態は、弁１内での電磁気結合を防止するので有利であり、弁１内を通過する流体が可燃性の場合には、この形態が好ましい。機械的伝達手段は、当業者には既知なので、これ以上説明しない。

第１の実施形態において、閉鎖要素６は、回転要素７の回転軸Ａに対して横切るように配置された、少なくとも第１のプレート１０と第２のプレート１１とを備える。特に、第１のプレート１０及び第２のプレート１１は、各々、少なくとも１つの通路開口部１２を有する。第１のプレート１０と第２のプレート１１とは、相互に動くことができ、閉鎖形態から少なくとも１つの開放形態へ、可逆的に移動し、閉鎖形態では、通路開口部１２は相互に全く位置が合わず、流体の通過を防止し、開放形態では、通路開口部１２が少なくとも部分的に重なって流体の通過を許容する。

更に詳細には、第１のプレート１０及び第２のプレート１１は、円形であり、相互に回転できるように同軸に配置されることが好ましい。より詳細には、第１のプレート１０及び第２のプレート１１は、回転要素７の回転軸Ａと実質的に一致する中心軸を有する。通路開口部１２は実質的に扇形である。

第１のプレート１０は、弁本体２に固定されることが好ましく、第２のプレートは、第１のプレート１０に対して回転可能に連結される。更に、第１のプレート１０及び／又は第２のプレート１１は、通路開口部１２に配置された格子（grille）１３を備える。格子１３は、特定の用途が必要とする流量の変動が得られるように、通路開口部１２を全面的又は部分的に占めることができるので、有利である。更に、格子１３は、必要な場合には、弁１内での流体のキャビテーションの防止に寄与するので、有利である。格子１３の更なる利点は、弁１内での流体の通過によって生じる騒音の減少に関連する。

図７及び１０に示す本発明の別の実施形態によれば、閉鎖要素６は、入口開口３と連結された滑動要素１４を備える。滑動要素１４は、入口開口３の開閉のために、入口開口３から離れるように、又は、入口開口３へ向かって、動くことができる。特に、滑動要素１４は、回転要素７と同軸に配置される。これによって、よりコンパクトな弁１を得ることができ、有利である。図１０に示す実施形態は、２つの管状部分７１、７２を備える回転要素７を備える。流体は、軸方向の導管１４１の側壁に与えられた半径方向開口部７１ａ、７２ａを通過して、各管状部分に到達できる。滑動要素１４は、導管に沿って滑動可能である。滑動要素１４は、軸方向の導管１４１に沿って滑動することによって、漸次、半径方向開口部７１ａ、７２ａを開く。

本発明の別の実施形態（図８ａ及び８ｂ）によれば、閉鎖要素６は、偏心タイプであり、流体の経路を横切って配置されたヒンジ１５に対して回動可能である。閉鎖要素６は、回転要素７への流入を開閉するように、ヒンジ１５の周りで回動でき、部分的であっても開閉できる。例えば、閉鎖要素６は、扇形回転体（spherical sector）又は球体を持つことができる。

図９に示す本発明の第３の別の実施形態によれば、閉鎖要素６は、ヒンジ軸Ｐにおいて相互にヒンジ接続された２つの部分６１、６２を有する単一プレートを備える。これらの部分６１、６２は、部分６１、６２が図９に示すように流体の通路を閉鎖する、開いた形態と、部分６１、６２が流体の通路を開放する、ヒンジ軸の周りで回動して相互に近づく形態と、の間で動くことができる。

本発明に係る弁は、閉鎖要素６と回収手段５との間に配置され、予め決められた方向Ｆに平行に液体の流れを整流するように構成された、デフレクタ３１を備えることができる。図１及び２に示す実施形態において、方向Ｆは、長手軸Ｘに対して平行である。

図１１に示すように、デフレクタ３１は、少なくとも部分的に、予め決めた流れの方向Ｆに対して半径方向に延びる、１つ又はそれ以上の羽根３２を備える。図示する実施形態において、閉鎖要素は、相互に直角に配置され、方向Ｆに対して半径方向に配置された、４つの羽根３２を備える。

処理する流体の種類及び回収手段５の構造に基づいて、異なる数の羽根３２を設置できること、又は異なる形式又は傾斜の羽根、例えば螺旋羽根、を使用できることが、明白である。

例えば、図１２には、流れの方向Ｆが回収手段５の回転軸Ａに平行である実施形態を示す。回収手段５は、図９に示す実施形態の回収手段と実質的に同じである。即ち、回転軸Ａと同心の２つの管状部分７１、７２を備える回転要素７を備える。管状部分は、各々、外側翼８１、８２を備える。

内側管状部分７１は、内側翼８３を備える。デフレクタ３１は、流れの方向に関して回転要素７の前に配置される。即ち、回転要素７のインプット側に配置される。

デフレクタ３１は、相互に同心の１つ又はそれ以上の環状部分を備えることができる。これらの環状部分３３は、流れの指向性を改良するのに役立ち、乱流を更に制限するのに寄与し、管状部分の間に形成され後に続く流管内の、液体の通過を可能とする。図１２に示す実施形態において、２つの環状部分３３は、回転要素７の管状部分７１、７２とほぼ心合わせされる。第３の環状部分３３は、外側管状部分７２の翼８２に対して半径方向外側に配置される。

回転要素７が単一の管状部分７１を備える場合には、デフレクタ３１は、環状部分３３を２つだけ備えることが好ましく、即ち、管状部分７１と心合わせされた１つの内側環状部分と、管状部分７１の翼８１に対して半径方向外側の位置に配置された１つの外側環状部分と、を備えるのが好ましい。

弁の別の好ましい実施形態において、閉鎖要素６は、長手軸Ｘに直交する調節軸Ｂに沿って回転可能な、通路空洞３５を備えた回転体３４を備える。回収手段５は、通路空洞３５内部に配置される。回収手段は、この場合には、空洞３５内部で回転する回転要素７を備える形式であることが好ましい。回転要素７の回転軸Ａは、この場合固定されず、回転体３４の回転と一緒にその向きを変える。

通路空洞３５は、長手軸Ｓを有し、使用時に、処理対象の液体は、この空洞を通過して流れる。回転体３４は、少なくとも通路空洞３５が入口開口３を出口開口４と連絡する、開放位置と、通路空洞３５が入口開口３及び出口開口４と流通しない、閉鎖位置と、の間で回転できる。

回転体３４は、少なくとも１つの完全開放位置と、閉鎖位置と、の間で回転でき、完全開放位置では、通路空洞３５の長手軸Ｓが、弁の長手軸Ｘと整列し、閉鎖位置では、通路空洞３５は、入口開口３に対面しない。

閉鎖位置において、液体は、実質的に回転体３４によって遮断され、通路空洞３５を流れることができない。

上述のような形式の閉鎖要素６は、通路空洞３５の入口開口端部に、回転要素７の上流に配置できる。

更に別の実施形態によれば、閉鎖要素６は、球状及び／又は一般的な回転タイプとすることができ、回転手段を備える。この場合、弁１の固有の形状を様々な作動上の要件に適合させることができ、有利である。

Claims (15)

1. 制御弁（１）であって、前記制御弁（１）が、
   流体の入口開口（３）と出口開口（４）とを有する、弁本体（２）と、
   前記流体から抽出された運動エネルギー又は位置エネルギーを、前記弁本体（２）から移転するように構成された、回収手段（５）と、
   を備え、
   前記回収手段（５）が、前記弁本体（２）において、閉鎖要素（６）の下流に配置され、前記流体によって回転するように構成された、回転要素（７）を備え、
   前記回転要素（７）が、管状かつ円筒形の構造を有し、外側壁（７ａ）と、前記外側壁（７ａ）と同心の、中央部分（７ｂ）と、を備え、前記外側壁と前記中央部分との間に、内側ゾーン（７ｃ）が形成され、前記内側ゾーンに沿って、前記流体が通過することができ、
   前記弁本体（２）が、管状かつ円筒形の形状を有し、
   前記閉鎖要素（obturator）（６）が、前記弁本体（２）内において前記入口開口（３）と出口開口（４）との間に配置されており、前記閉鎖要素（６）が、前記流体を、前記回収手段（５）へ向けて導くようにし、また、弁（１）の閉鎖形態をとるように構成されている、
   制御弁（１）。
2. 前記回収手段（５）が、固定子を備え、前記固定子が、前記弁本体（２）に連結され、回転要素（７）に対して配置され、前記回転要素が、前記固定子に電磁気的に結合された回転子を形成する、ことを特徴とする、請求項１に記載の制御弁（１）。
3. 前記回収手段（５）が、
   前記弁本体（２）の外部に配置された、電気エネルギー発生器と、
   回転要素（７）から前記電気エネルギー発生器へ、運動エネルギーを移転するように構成された、機械的伝達手段と、
   を備える、
   ことを特徴とする、請求項１に記載の制御弁（１）。
4. 前記回転要素（７）が、少なくとも１つの翼（８）を備え、前記少なくとも１つの翼（８）が、前記流体と相互作用して、空気力学的、流体力学力的な力を発生し、前記回転要素（７）を回転させることができるようにされている、
   ことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の制御弁（１）。
5. 前記流体と相互作用して、空気力学的、流体力学力的な力を発生し、前記回転要素（７）を回転させることができるようにされている、少なくとも１つの翼（８）が、前記内側ゾーン（７ｃ）に配置される、請求項１に記載の制御弁。
6. 前記内側ゾーン（７ｃ）が、前記流体を、前記回転要素（７）の回転軸（Ａ）に対して少なくとも部分的に横切る経路に沿って、案内するように構成される、
   ことを特徴とする、請求項１に記載の制御弁（１）。
7. 前記内側ゾーン（７ｃ）が、前記流体を、前記回転要素（７）の回転軸（Ａ）に平行の経路に沿って、案内するように構成される、
   ことを特徴とする、請求項１に記載の制御弁（１）。
8. 前記回転要素（７）が、前記外側壁（７ａ）と前記中央部分（７ｂ）との間に、少なくとも２つの管状部分（７１、７２）を備え、前記少なくとも２つの管状部分（７１、７２）の各々が、外側翼（８１、８２）を備える、請求項１に記載の制御弁（１）。
9. 前記閉鎖要素（６）が、前記回転要素（７）の回転軸（Ａ）に対して横切るように配置された、少なくとも第１のプレート（１０）と第２のプレート（１１）とを備え、
   前記第１のプレート（１０）と前記第２のプレート（１１）とが、各々、少なくとも１つの通路開口部（１２）を有し、
   前記第１のプレート（１０）と前記第２のプレート（１１）とが、相互に動くことができ、閉鎖形態から少なくとも１つの開放形態へ、可逆的に移動し、閉鎖形態では、前記通路開口部（１２）は相互に全く位置が合わず、流体の通過を防止し、開放形態では、前記通路開口部（１２）は少なくとも部分的に重なって流体の通過を許容する、
   ことを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の制御弁（１）。
10. 前記閉鎖要素（６）が、ヒンジ軸（Ｐ）に対して相互にヒンジ接続された２つの部分（６１、６２）を備え、前記２つの部分が、前記流体の通過を遮断する拡大形態と前記流体の通過を許容する縮小形態との間で回動することができる、請求項１〜７のいずれか１項に記載の制御弁（１）。
11. 前記閉鎖要素（６）と前記回収手段（５）との間に配置され、前記流体の流れを、予め決めた方向（Ｆ）に対して平行に整流するように構成された、デフレクタ（３１）を備える、請求項１に記載の制御弁（１）。
12. 前記デフレクタ（３１）が、前記予め決めた方向（Ｆ）に対して少なくとも部分的に半径方向へ延びる、１つ又はそれ以上の羽根（３２）を備える、請求項１１に記載の制御弁。
13. 相互に同心の１つ又はそれ以上の環状部分（３３）を備える、請求項１１に記載の制御弁。
14. 前記閉鎖要素（６）が、通路空洞（３５）を備える回転体（３４）を備え、前記回転体が、長手軸（Ｘ）に対して直交する調節軸（Ｂ）に沿って回転でき、前記回収手段（５）が、前記通路空洞の内部に配置される、請求項１に記載の制御弁。
15. 請求項１１〜１３のいずれか１項に記載のデフレクタを備え、前記デフレクタが、前記通路空洞（３５）の端部に配置されている、請求項１４に記載の制御弁。

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