JP6674861B2 - スチーム用調節弁 - Google Patents

Description

本発明は、スチームを流通させる配管系に取り付けられ、スチームの流れを閉止する閉止機能を有するとともに、二次側のスチームの圧力や流量を制御可能なスチーム用調節弁に関する。

食品、醸造、乳業、化学薬品の製造工程等では、液体、気体、蒸気（スチーム）等の流体を流す複数の配管（ライン）等が用いられるとともに、それらの配管上に配される複数の弁（バルブ）によって、流体の流路、流量、圧力等の調整が行われる。例えば流体としてスチームを用いる場合には、一般的に、ボイラー等で高圧のスチームを発生させ、そのスチームの圧力を、蒸気の用途等に応じてライン上に設けた減圧弁で下げてからスチームが使用される。

また、食品、医薬品、化粧品などの製造現場では、不純物の混入や細菌の発生を抑えて衛生度を高めるために厳密な管理が行われており、例えばスチームを用いる場合には、純水から発生させるクリーンスチームや、超純水から発生させるピュアスチームが使用される。また、クリーンスチームやピュアスチームを流通させる配管としては、衛生面を重視して、埃や汚れが付着し難く、また埃や汚れが付いても洗浄がし易いように研磨処理されたステンレス製のサニタリー配管が一般的に用いられる。

スチームの圧力を下げる減圧弁には、直動式の減圧弁とパイロット式の減圧弁とが知られているが、上述のようなサニタリー配管に取り付けられる減圧弁としては、構造が比較的単純で、分解・洗浄・組み立てが容易な直動式の減圧弁が用いられる。一方、直動式の減圧弁は、調整可能な圧力範囲が狭いこと、調整可能な流量が比較的大きく、小さな流量では制御精度が良くないこと、一次側に流量変動が生じたときに二次側の圧力が変動し易く、安定性に欠けること等の欠点があった。

二次側のスチーム圧力を減圧弁よりも安定させるため、サニタリー配管に調節弁（コントロールバルブ）が使用されることもある。調節弁は、弁開度を制御するための制御信号を出力する調節計と、調節計の制御信号に応じて弁体の位置を制御するポジショナーとを有しており、弁座に対する弁体の位置制御を行うことにより弁開度を制御可能に形成されている。また、例えば特開平４−１８１０８２号公報（特許文献１）や、国際公開第２０１４／００７０４７号（特許文献２）には、調節計とポジショナーとを有する流量計機能付きの調節弁が開示されている。なお、特許文献１や特許文献２には、調節弁をサニタリー配管へ使用することについて特に記載されていない。

特開平４−１８１０８２号公報 国際公開第２０１４／００７０４７号

サニタリー配管に使用される調節弁は、衛生面からのメンテナンス性を考慮して分解及び組み立てが容易であることや、高温に耐えることができて壊れにくいことが求められるため、調節弁の弁本体部（ボディ）は、例えば図７に示すような比較的簡単な構造で形成される。

図７に示した調節弁７０の弁本体部７１はＬ型形態に形成されている。この場合、クリーンスチーム等の流体を弁本体部７１に流入させる流入口７２が、弁本体部７１の下方に延びる垂直管部の下端部に設けられており、流体を弁本体部７１から流出させる流出口７３が、弁本体部７１の水平方向に延びる水平管部の先端部に設けられている。

この弁本体部７１の内部には、弁座７４と、その弁座７４に対して昇降可能な弁体７５とが設けられている。また、弁体７５は、図示しないポジショナーによって弁座７４に対する高さ位置が制御され、ポジショナーは、図示しない調節計から入力される設定信号に応じて弁体７５の高さ位置を制御する。

弁座７４には、スチームを流通させるための弁口７６が設けられており、この弁口７６は、弁座７４を上方から見た平面視において円形を呈するように形成される。また、弁座７４は、弁体７５の昇降方向に対して直交するように配され、弁体受け部となる弁座上面部７４ａと、弁座上面部７４ａの内径側端部から面取りされたように湾曲状に延びる開口縁部７４ｂと、開口縁部７４ｂから弁体７５の進退方向と平行に下方に延びる円筒流入部７４ｃとを備える。

弁体７５は、上下方向に往復動可能な作動軸７７に取り付けられているとともに、弁体７５の基端部にはダイアフラム７８が設けられている。このダイアフラム７８の大径側の外周端部は、弁本体部７１のハウジング部７９に密着して組み付けられている。

この弁体７５の先端部分には、弁体７５が閉止位置に保持されているときに、弁座７４の弁座上面部７４ａに接触するドーナツ状の接触平面部７５ａと、接触平面部７５ａから接触平面部７５ａと単一平面を形成するように内側に向けて延びるとともに弁座７４には接触しない非接触平面部７５ｂと、非接触平面部７５ｂの内径側端部から下方に円錐状に突出する突出部７５ｃとが設けられている。

弁体７５に上述のような非接触平面部７５ｂが設けられていることにより、例えば弁本体部７１を洗浄するために分解した後、再び組み立てる際に、弁座７４の中心軸に対して弁体７５の中心軸の位置が僅かにずれたとしても、弁座７４と弁体７５との間のシール性が確保し易くなり、弁本体部７１の組立性（組立容易性）が高められる。

上述のような弁本体部７１を有する調節弁７０では、図７に示すように、弁体７５を、図示しないポジショナーによって弁座７４に接触する位置に保持することにより、弁口７６を閉鎖して、クリーンスチーム等の流体の流通を止めることができる。また、ポジショナーは、調節計から入力される制御信号に応じて弁体７５を昇降させて保持することができるため、例えば図８に仮想線で示すように弁体７５が異なる各高さ位置で保持されることによって、弁座７４と弁体７５との間に弁体７５の高さ位置に応じた隙間が形成される。

これにより、調節弁７０の一次側から供給されるスチームを、弁座７４と弁体７５との間に形成される隙間の大きさに応じた流量で二次側に流出させることができるため、当該隙間の大きさを制御することにより、二次側のスチーム圧力を調整することができる。

特に上述のような弁本体部７１を有する調節弁７０では、弁座７４に対する弁体７５の高さ位置が高くなるほど、弁座７４と弁体７５との間に形成される隙間が大きくなるため、ポジショナーにより制御される弁体７５の高さ位置と、流体が流通する隙間の大きさとは比例関係にある。

例えば図８において、弁体７５を昇降させることが可能なストロークが６ｍｍであるとき、弁体７５を弁座７４から６ｍｍ上昇させたときが全開となり、そのときの弁本体部７１における弁開度が１００％となる。また、弁体７５を弁座７４から１ｍｍ上昇させた位置に保持したときの弁開度は、１００％の１／６の大きさである１６．７％となる。従って、調節弁７０の二次側の圧力を制御する場合には、設定する圧力の大きさに応じて、弁体７５の高さ位置が調節計及びポジショナーによって適宜調節される。

しかしながら、上述のような弁本体部７１を有する調節弁７０の場合、弁体７５の高さ位置に比例して弁座７４と弁体７５との間に形成される隙間（開口）が拡大・縮小するため、例えば弁開度が小さい低流量範囲では、弁体７５の高さ位置が少し変化するだけでも弁座７４と弁体７５間の隙間の大きさが比較的大きく変化し、当該隙間を流れる流体（クリーンスチーム等）の流量が大きく変動する。その結果、調節弁７０の二次側の圧力制御を低流量範囲で高精度に行うことが難しく、低流量域での制御性が良くないという欠点があった。

更にこの場合、調節弁７０において制御できる最少のＣｖ値が大きくなって、調節弁７０の制御範囲の指標となるレンジアビリティが小さくなり易い。従って、サニタリー配管に配される調節弁においては、弁体のストロークを大きくすることなく、レンジアビリティをより広く確保して調節弁の制御性を高めることが求められている。

本発明は上記従来の課題に鑑みてなされたものであって、その具体的な目的は、弁開度が小さい低流量域において流量制御を高精度に行うことが可能で、且つ、広いレンジアビリティを有することが可能なスチーム用調節弁を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明により提供されるスチーム用調節弁は、食品、醸造、乳業、化学薬品の製造工程で用いられるピュアスチーム又はクリーンスチームが流通する弁口を備えた弁座、及び、前記弁口に離間・接触することにより前記弁口を開閉する弁体を備えた弁本体部と、前記弁本体部の弁開度の制御信号を出力する調節計と、前記調節計の前記制御信号に応じて前記弁体の位置制御を行うポジショナーとを有するスチーム用調節弁にあって、前記弁本体部は、前記弁本体部の外側に装着される分割バンドの脱着により、分解・組立可能な構造を有し、前記弁体の表面部は、前記弁体の上端部に形成されるダイアフラムの被膜部と一体にフッ素樹脂により形成され、前記弁座は、前記弁体の弁口閉鎖位置にて前記弁体を接触させて支持する弁体支持部と、前記弁体支持部から前記弁体の進退方向に沿って前記ピュアスチーム又はクリーンスチームの流入側に延びる円筒状の内壁面を有する円筒流入部とを有し、前記弁体支持部は、弁座上面部と、前記弁座上面部から断面視にて湾曲状に延びる開口縁部とを有し、前記弁体は、前記弁体の弁口閉鎖位置にて前記弁座の前記弁体支持部と接触して前記ピュアスチーム又はクリーンスチームの流通を止める接触閉鎖部と、前記接触閉鎖部における前記円筒流入部側の閉鎖端からテーパ状に延出する流量絞り部とを有し、前記弁体の前記流量絞り部の外周面は、前記弁座の前記円筒流入部の内壁面に対し、前記弁体の前記流量絞り部と前記弁座との間の最短距離を、前記弁体の前記接触閉鎖部が前記弁座の前記弁体支持部から離間した前記弁体の進退方向における離間距離よりも小さくする所定の傾斜角度を有して配されてなることを最も主要な特徴とするものである。

このような本発明のスチーム用調節弁において、前記流量絞り部の前記外周面は、前記流量絞り部の断面視にて直線状を呈するように配され、前記円筒流入部の内壁面に対する前記流量絞り部の前記外周面の傾斜角度は、２°以上５°以下に設定されていることが好ましい。

また、前記弁体は、前記流量絞り部から更に延出し、前記弁座の前記円筒流入部に対して前記流量絞り部よりも大きな傾斜角度の外周面を備えた弁体先端部を有し、前記弁体の前記流量絞り部は、前記接触閉鎖部の前記閉鎖端から、前記弁開度が３０％以上６０％以下となる位置まで配されていることが好ましい。

本発明に係るスチーム用調節弁は、弁座及び弁体を備えた弁本体部と、弁開度の制御信号を出力する調節計と、調節計の制御信号に応じて弁体の位置制御を行うポジショナーとを有する。また、弁本体部の弁座は、弁体の弁口閉鎖位置にて弁体を接触させて支持する弁体支持部と、弁体支持部から弁体の進退方向に沿ってスチームの流入側に延びる円筒状の内壁面を有する円筒流入部とを有する。弁本体部の弁体は、弁体の弁口閉鎖位置にて弁座の弁体支持部と接触してスチームの流通を止める接触閉鎖部と、その接触閉鎖部における円筒流入部側の閉鎖端からテーパ状に延出する流量絞り部とを有する。

更に本発明における弁体の流量絞り部の外周面は、弁座の円筒流入部の内壁面に対し、弁体の流量絞り部と弁座との間の最短距離を、弁体の接触閉鎖部が弁座の弁体支持部から離間した弁体の進退方向における離間距離よりも小さくする所定の傾斜角度を形成して配されている。

このような構造を有する本発明のスチーム用調節弁であれば、調節弁の弁本体部がサニタリー配管に適した簡単な構造で形成されているにも関わらず、弁体が弁口閉鎖位置から所定の高さ位置まで上昇するときに、弁体の高さ位置に応じて弁座の弁体支持部と弁体の接触閉鎖部との弁体の進退方向における離間距離が比例的に大きくなっても、弁体の流量絞り部と弁座との間の最短距離をその離間距離よりも確実に小さく（狭く）することができる。

それにより、流体の流量が小さい低流量範囲では、弁体の高さ位置の変化（言い換えると、弁開度の変化）に対して、弁体と弁座との間のスチームが流通可能な隙間の大きさの変化の割合を小さくできる。従って、例えば位置制御の分解能が高い高価なポジショナーを用いなくても、弁体の流量絞り部と弁座との間の最短距離をより細かく変化させて、スチームの流量制御を行うことができる。

このため、本発明の弁本体部を採用することにより、調節計及びポジショナーを高価なものに変更しなくても、スチームの流量制御を従来よりも細かく高精度に行うことが可能となり、調節弁の制御性を、特に低流量範囲における制御性を効果的に高めることができる。

特に、上述のように低流量範囲において弁体の流量絞り部と弁座との最短距離をより細かく変化させて制御できることにより、調節弁において制御できる最少のＣｖ値を、従来の調節弁よりも大幅に小さくすることが可能となる。それにより、弁体のストロークを大きくしなくても、調節弁のレンジアビリティを、従来よりも広く確保することができる。

このような本発明のスチーム用調節弁において、流量絞り部の外周面は、流量絞り部の断面視にて直線状を呈するように配されており、且つ、円筒流入部の内壁面に対する流量絞り部の外周面の傾斜角度は、２°以上５°以下に設定されていることが好ましい。これにより、弁体の流量絞り部と弁座との間の最短距離を、弁座の弁体支持部と弁体の接触閉鎖部との弁体の進退方向における離間距離よりも確実に小さくして、調節弁の低流量範囲における制御性を安定して高めることができる。

また、本発明の弁体は、流量絞り部から更に延出し、弁座の円筒流入部に対して流量絞り部よりも大きな傾斜角度の外周面を備えた弁体先端部を有するとともに、弁体の流量絞り部は、接触閉鎖部の前記閉鎖端から、弁開度が３０％以上６０％以下となる位置まで配されている。これにより、弁開度が少なくとも３０％以上となる範囲まで、弁体の流量絞り部と弁座との間の最短距離を細かく変化させることができるため、スチームの流量制御を高精度に行うことができる。

更に、弁開度が６０％よりも大きくなる範囲では、上述の弁体先端部が設けられているため、弁体の高さ位置の変化に対して、弁体と弁座との間のスチームが流通可能な隙間の大きさの変化の割合を大きくすることができる。それにより、調節弁において制御できる最大のＣｖ値を容易に大きくできるため、広いレンジアビリティを安定して確保することができる。

本発明のスチーム用調節弁において、弁本体部は分解・組立可能な簡単な構造を有するとともに、弁体の表面部がフッ素樹脂により形成されている。これにより、調節弁の弁本体部を分解して洗浄することができるため、サニタリー配管に好適に使用できる。更に、弁体の表面部がフッ素樹脂により形成されていることにより、弁本体部を分解した後に組み立てる際に、弁座に対して弁体を容易に滑らせながら所定の位置に安定して取り付けて弁本体部の組み立てを行うことができる。それにより、弁本体部の組立容易性を向上できるとともに、弁体や弁座が互いに擦れて傷つけ合うことも防止できる。

また本発明の調節弁には、スチームの二次側における圧力、温度、流量の少なくとも１つを測定するセンサー部が配されており、調節計は、そのセンサー部から入力される入力信号と、予め設定される設定値とを比較して弁開度の制御を行うことができる。このように二次側における圧力等を測定して調節計にフィードバックすることにより、二次側の圧力等を所望の大きさに安定して自動的に制御できるとともに、二次側の圧力等の変化に対しても安定して対応することができる。

上述のような本発明のスチーム用調節弁は、弁本体部にピュアスチーム又はクリーンスチームを流通させるピュアスチーム用又はクリーンスチーム用の調節弁として特に好適に使用される。

本発明の実施形態に係るスチーム用調節弁の構成を示す概略構成図である。 スチーム用調節弁の弁本体部を模式的に拡大して示す部分断面図である。 弁本体部の弁体が弁座に接触する最も下端位置に保持されて弁開度が０％の状態を拡大して示す要部断面図である。 図３に示した円形部分を更に拡大して示すとともに、弁体を弁座から１ｍｍ及び２ｍｍ上昇させて保持した状態を仮想線で説明する説明図である。 弁開度が１００％の状態を示すとともに、弁体を１ｍｍ毎に異なる高さ位置で保持した状態を仮想線で説明する説明図である。 実施形態に係るスチーム用調節弁の流量特性と従来のスチーム用調節弁の流量特性を比較するグラフである。 従来のスチーム用調節弁の弁本体部を模式的に拡大して示す部分断面図である。 従来の弁本体部の弁体が弁座に接触して弁開度が０％の状態を示すとともに弁体を異なる高さ位置で保持した状態を仮想線で説明する説明図である。

以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、以下で説明する実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明と実質的に同一な構成を有し、かつ、同様な作用効果を奏しさえすれば、多様な変更が可能である。
例えば、本発明において、調節計及びポジショナーの具体的な構成は特に限定されるものではなく、現在一般的に使用されている様々なタイプのものを用いることが可能である。

ここで、図１は、本実施形態に係るスチーム用調節弁の構成を示す概略構成図であり、図２は、スチーム用調節弁の弁本体部を模式的に拡大して示す部分断面図である。
本実施形態のスチーム用調節弁１は、流体としてピュアスチーム又はクリーンスチームを流通させるサニタリー配管に配されるピュアスチーム用又はクリーンスチーム用調節弁１として形成され、調節弁１の下流となる二次側配管７の圧力を所定の一定の大きさに制御するために設けられる。

本実施形態の調節弁１は、図１に示すように、弁座２０及び弁体３０を備える弁本体部（ボディ）１０と、設定される弁本体部１０の弁開度に応じて弁開度の制御信号を出力する調節計２と、調節計２から入力される制御信号に応じて弁体３０の位置を制御するためにエアー圧力を出力するポジショナー３と、ポジショナー３から供給されるエアー圧力に応じて弁座２０に対して弁体３０を昇降させる駆動部４と、弁体３０の上下動に応じて基点を中心に回動することにより実際の弁開度を検出してポジショナー３にフィードバックするフィードバックレバー５とを有する。

弁本体部１０は、一次側配管６が接続されるスチーム流入口１１と、二次側配管７が接続されるスチーム流出口１２と、スチーム流入口１１から流入したスチームをスチーム流出口１２に流通させる弁口１３とを有する。弁口１３は、弁座２０の略中央部に設けられており、この弁口１３は、弁体３０が挿入される上方側から見ると円形状を呈するように形成される。弁口１３は、弁座２０に対して弁体３０が昇降して離間・接触することにより開閉される。

調節計２は、例えばＰＬＣ等の図示しない制御部と電気的に接続されており、制御部において所望の弁開度や二次側のスチーム圧力等の情報が設定されると、その設定情報に基づく信号が制御部から調節計２に入力される。また、調節計２は、二次側のスチーム圧力を測定する圧力センサー部８に接続されており、測定された二次側のスチーム圧力の大きさが圧力センサー部８から調節計２に入力される。

調節計２は、制御部から入力される設定値（目標値）と、圧力センサー部８から入力される実測値（出力値）とを比較して、実測値が設定値に近付くようにＰＩＤ制御による弁開度のフィードバック制御を行い、その制御信号をポジショナー３に向けて出力する。この場合、調節計２は、弁開度の制御信号として、４ｍＡ〜２０ｍＡの電気信号を出力する。なお、本発明では、圧力センサー部８の他に又は圧力センサー部８に代えて、二次側のスチーム温度を測定する温度センサー部や、二次側のスチーム流量を測定する流量センサー部などを設けて、それらの測定結果を調節計２にフィードバックすることも可能である。

本実施形態のポジショナー３は、電空ポジショナー（電気空気式バルブポジショナー）３として形成されており、調節計２から入力される電気信号を空気圧信号に変換して駆動部４に出力することにより、弁座２０に対する弁体３０の位置制御を行う。

より具体的に説明すると、電空ポジショナー３は、図示しないエアコンプレッサーから、図示しないフィルターレギュレータを介して所定の空気圧力（圧縮空気）３ａが供給され、また、調節計２から入力される電気信号（４ｍＡ〜２０ｍＡ）に対して空気圧力を比例出力する。電空ポジショナー３から出力される空気圧力は、合成樹脂管３ｂを介して駆動部４のシリンダー部４ａに供給される。

駆動部４は、電空ポジショナー３から空気圧力が供給されるシリンダー部４ａと、シリンダー部４ａのピストン下部に配され、上方への付勢力を作用させるスプリング４ｂと、弁体３０に接続されるとともに上下方向に往復動可能な作動軸４ｃとを有する。この駆動部４では、シリンダー部４ａに供給される空気圧力とスプリング４ｂの付勢力との作用により作動軸４ｃを上下方向に移動させて、弁体３０を昇降させる。

すなわち、駆動部４は、電空ポジショナー３からシリンダー部４ａに供給される空気圧力が増大することにより、作動軸４ｃを介して弁体３０を下降させることができ、一方、シリンダー部４ａ内の空気圧力が減少することにより、作動軸４ｃを介して弁体３０を上昇させることができる。従って、駆動部４は、電空ポジショナー３から供給される空気圧力の大きさに対応して弁体３０を昇降させ、それによって、弁本体部１０の弁開度を変化させることができる。

フィードバックレバー５は、作動軸４ｃの上下動に応じて基点を中心に回動することにより作動軸４ｃの変位量を検出し、その変位量に基づいて弁本体部１０の実際の弁開度が電空ポジショナー３にフィードバックされる。電空ポジショナー３は、フィードバックされる実際の弁開度と、設定される弁開度とが異なるときは、駆動部４に供給する空気圧力を補正して、実際の弁開度を設定の大きさに合わせることができる。

次に、本実施形態の主要な特徴となる弁本体部１０について、図２〜図６を参照しながら、更に詳細に説明する。
本実施形態の弁本体部１０はＬ型形態に形成されており、弁座２０及び弁体３０を内部に備えるハウジング部１４と、ハウジング部１４から下方に垂設される垂直管部１５と、ハウジング部１４から水平方向に延びる水平管部１６とを有する。また、垂直管部１５の下端部には、スチームを弁本体部１０に流入させるスチーム流入口１１が設けられ、水平管部１６の先端部には、スチームを弁本体部１０から流出させるスチーム流出口１２が設けられている。

本実施形態の弁本体部１０において、弁座２０は、ステンレスで形成されている。この弁座２０は、図３に示すように、弁体３０の昇降方向に対して直交する上面を備えた弁座上面部（弁体受け部）２１と、弁座上面部２１の内径側端部から面取りされたように断面視にて湾曲状に延びる開口縁部（弁座曲がり部）２２と、開口縁部２２からスチーム流入口１１に向けて下方に延びる円筒流入部２３とを有する。この場合、円筒流入部２３の内壁面は、弁体３０の進退方向と平行に配されて円筒状に形成される。

また、弁座２０の弁座上面部２１と開口縁部２２とが、弁体３０が弁口１３を閉鎖する弁口閉鎖位置に保持されている状態において弁体３０が接触して弁体３０を支持する弁体支持部２５となる。一方、弁座２０の開口縁部２２から垂設される円筒流入部２３は、弁体３０が弁口閉鎖位置に保持されている状態において弁体３０が離れている弁体非接触部となる。

なお、本実施形態の弁座２０において、弁座上面部２１は、弁体３０の昇降方向（進退方向）に対して直交する平坦な上面を備えているが、弁座上面部２１の上面は、弁体３０の昇降方向に対して直交して配されている必要はなく、例えば弁体３０の昇降方向に直交する方向に対して少し傾斜する方向（略直交する方向）に沿って配されていても良い。

また、本実施形態では、弁座上面部２１と円筒流入部２３との間に、断面視にて表面が湾曲状を呈する開口縁部２２が設けられているが、本発明において、開口縁部２２が呈する湾曲状表面の曲率などは特に限定されるものではない。更に、例えば開口縁部２２は、滑らかなら湾曲状の表面を呈するのではなく、弁座上面部２１と円筒流入部２３との間に１つ又は複数の屈曲部が形成されるように設けられていても良い。また、弁座２０の円筒流入部２３は、当該円筒流入部２３の内壁面が、弁体３０の進退方向に沿うように略平行に配されていれば、弁体３０の進退方向に対して僅かに傾斜するようにして形成されていても良い。

弁体３０（コンタード部とも言う）は、上述した駆動部４の作動軸４ｃの下端部に取り付けられており、電空ポジショナー３によって弁座２０に対する高さ位置が制御される。本実施形態において、弁体３０の上下方向におけるストロークは６ｍｍに設定されている。この場合、弁体３０が弁座２０に接触する最も下端位置に保持されているときの弁開度を０％とし、弁体３０が弁座２０に接触している状態から６ｍｍ上昇した位置に保持されているときの弁開度を１００％とする。

本実施形態の弁体３０は、作動軸４ｃに取着されるステンレス製の本体部３１と、本体部３１を包み込むように本体部３１の周囲に形成されるフッ素樹脂製の表面部３２とを有する。この弁体３０の上端部には、弁本体部１０のハウジング部１４に密着して組み付けられてシール性を確保する略円錐台状のダイアフラム３３が一体的に形成されている。このダイアフラム３３は、ゴム製のバックアップゴム部３３ａと、バックアップゴム部３３ａの一面を被覆するとともに弁体３０の表面部３２と一体形成される薄肉状の皮膜部３３ｂとを有する。

この場合、弁体３０の表面部３２とダイアフラム３３の皮膜部３３ｂとを形成するフッ素樹脂としては、例えば、４フッ化エチレン樹脂（商品名：テフロンＰＴＦＥ、フルオン等）、四フッ化エチレンとパーフルオロアルキルビニルエーテルの共重合体樹脂（商品名：テフロンＰＦＡ）、四フッ化エチレンとパーフルオロアルキルビニルエーテルと六フッ化プロピレンの三元共重合体樹脂（商品名：テフロンＥＰＥ）、四フッ化エチレンと六フッ化プロピレンの共重合体樹脂（商品名：テフロンＦＥＰ）、四フッ化エチレンとエチレンとの共重合体樹脂（商品名：テフロンＥＴＦＥ、テフゼル）、ポリフッ化ビニリデン樹脂（商品名：テフロンＰＶＤＦ、カイナー）、トリフルオロモノクロロエチレンとエチレンの共重合体（商品名：テフロンＥＣＴＦＥ）、モノフルオロエチレン樹脂（商品名：テフロンＰＶＦ）等を採用することが可能である。

また、バックアップゴム部３３ａの材質としては、シリコンゴム（ＶＭＱ）、ニトリルゴム（ＮＢＲ）、水素化ニトリルゴム（Ｈ−ＮＢＲ）、クロロプレンゴム（ＣＲ）、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、イソプレンゴム、クロロスルフォン化ゴム、スチレンブタジエンゴム、塩素化ポリエチレン、アクリロニトリル−ブタジエン共重合ゴム（ＮＢＲ）等の合成ゴムを採用することが可能である。

また、本実施形態の弁体３０は、弁口閉鎖位置で保持されている状態で弁座２０の弁座上面部２１に接触する弁体接触面部３５と、弁体接触面部３５の内側から延びて弁座２０の開口縁部２２の断面形状に対応する断面形状を有する弁体曲がり部３６と、弁体曲がり部３６から下方に向けてテーパ状（円錐台状）に延出する流量絞り部３７と、流量絞り部３７の下端から屈曲部を介して略円錐形状に突出する弁体先端部３８とを有する。

本実施形態において、弁体３０の弁体接触面部３５と弁体曲がり部３６とは、図４に示すように、弁体３０が弁口閉鎖位置で保持されている状態において弁座２０に接触して弁口１３を閉鎖する接触閉鎖部３９を形成する。また、弁体３０の流量絞り部３７は、断面視において、流量絞り部３７の外周面が、弁座２０の円筒流入部２３の内周面に対して、弁体３０における接触閉鎖部３９の円筒流入部２３側の閉鎖端３９ａから、円筒流入部２３との間の隙間を漸増させるように斜めに直線的に傾斜する傾斜角度αを有して形成されている。

この場合、流量絞り部３７の外周面が円筒流入部２３の内周面に対して直線状に傾斜する傾斜角度αは、２°以上５°以下に設定されている。この傾斜角度αが２°以上であることにより、弁体３０を弁口閉鎖位置から少し（例えば０．０５ｍｍ程度）上昇させたときに、弁体３０と弁座２０との間にスチームを円滑に流通させることが可能な隙間を安定して形成できる。また、弁座２０に対する弁体３０の高さ位置に対応して、弁体３０の流量絞り部３７と弁座２０との間に形成される隙間の大きさを適切に変化させることができるため、スチームの流量制御を高精度に安定して行うことが可能となる。

また、上記の傾斜角度αが５°以下であることにより、例えば弁体３０の上昇距離（言い換えると、弁体３０の接触閉鎖部３９が弁座２０の弁体支持部２５から離間した弁体３０の進退方向における離間距離）に対して、弁体３０の流量絞り部３７と弁座２０との間の最短距離を確実に小さくし、弁体３０と弁座２０との間を流れるスチームの流量を効果的に絞ることができる。特に本実施形態において、円筒流入部２３の内周面に対する流量絞り部３７の外周面の傾斜角度αは、２°に設定されることが好ましい。

更に、弁体３０の流量絞り部３７は、弁体３０における接触閉鎖部３９の円筒流入部２３側の閉鎖端３９ａから、弁開度が３０％以上６０％以下、好ましくは４０％以上５５％以下となる位置まで配されている。特に本実施形態の場合、弁体３０の流量絞り部３７は、上記の閉鎖端３９ａから弁開度が５０％となる位置まで配されている。

これにより、弁開度が５０％となる範囲まで、弁体３０の流量絞り部３７と弁座２０との間の最短距離を、ポジショナー３によって制御される弁体３０の高さ位置に応じて細かく変化させて、後述するようにスチームの流量制御を高精度に行うことができる。更に、弁開度が５０％よりも大きくなる範囲では、弁体３０の高さ位置の変化に対するスチームの流量変化の割合を大きくできるため、調節弁１で制御可能な最大のＣｖ値を容易に大きくすることができる。

一方、弁体３０の弁体先端部３８は、円筒流入部２３の内周面に対して５０°以上９０°未満の傾斜角度で直線状に傾斜する外周面を有しており、本実施形態では、円筒流入部２３の内周面に対する弁体先端部３８の外周面の傾斜角度は６０°に設定されている。これにより、弁体３０を上昇させて、弁体３０の流量絞り部３７を弁座２０の円筒流入部２３から抜出させることにより、弁体３０の高さ位置の変化に対するスチームの流量変化の割合を安定して大きくすることができる。

更に、本実施形態における弁本体部１０は、弁本体部１０の外側に装着している金属製の分割バンド１７を外すことにより弁本体部１０を分解して、弁座２０と、ダイアフラム３３が一体形成されている弁体３０とを取り外して分離でき、また、再度組み立て分割バンド１７で固定することにより元の状態に戻すことが可能な単純な構造を有する。これにより、弁本体部１０の洗浄を容易に行うことができるため、本実施形態の調節弁１を、メンテナンス性が求められるサニタリー配管に好適に用いることができる。また、弁本体部１０が単純な構造で形成されていることにより、弁本体部１０が高温でも壊れ難くなるとともに、調節弁１の低コスト化が図れる。

特にこの場合、弁体３０の表面部３２が上述したようなフッ素樹脂で形成されていることにより、弁本体部１０を分解した後に組み立てる際に、弁座２０に対して弁体３０を容易に滑らせながら所定の位置に安定して取り付けて、弁本体部１０の組み立てを行うことができる。それにより、弁本体部１０の組立容易性を向上できるとともに、弁体３０と弁座２０が互いに擦れて傷つけ合うことも防止できる。

上述のような弁本体部１０を有する本実施形態の調節弁１では、ポジショナー３が調節計２から入力される制御信号に応じて所定の空気圧力を出力することにより、上述のように弁体３０の位置制御が行われる。この場合、図２〜図４に示すように、弁体３０をポジショナー３によって弁座２０に接触する弁口閉鎖位置に保持することにより、弁口１３を閉鎖して、クリーンスチーム等の流通を止めることができる。

また、ポジショナー３から出力する空気圧力を変化させることにより、弁体３０を、弁口閉鎖位置から上昇させて、設定される所要の高さ位置で保持することができる。このとき、本実施形態の弁本体部１０では、弁体３０に流量絞り部３７が設けられているため、以下に詳しく説明するように、弁体３０が弁口閉鎖位置から所定の高さ位置（本実施形態の場合、弁開度が５０％となる高さ位置）に上昇するまで、弁体３０と弁座２０との間を通るスチームの流量を絞って、弁体３０の高さ位置の変化に対する流量変化の割合を小さくすることができる。

例えば従来の調節弁７０の場合、図７及び図８を参照しながら説明したように、弁体７５を昇降させることが可能なストロークが本実施形態と同じ６ｍｍであるとき、弁体７５を弁座７４から６ｍｍ上昇させた位置で保持したときの弁開度が１００％（全開）となる。また、弁体７５を弁座７４から１ｍｍ上昇させた位置で保持すると、弁体７５の進退方向における弁体７５と弁座７４との間の離間距離は１ｍｍとなるとともに、弁開度が１００％の１／６の大きさである１６．７％となる。

これに対して、本実施形態の場合、図２〜図４に示すように、弁体３０を弁口閉鎖位置で保持したときの弁開度は０％であり、弁体３０の弁体接触面部３５と弁体曲がり部３６とが、弁座２０の弁座上面部２１と開口縁部２２とに接触して（密接して）、スチームが弁体３０と弁座２０との間を流通することを阻止している。また図５に示したように、弁体３０を弁座２０から６ｍｍ上昇させた位置で保持したときの弁開度は１００％（全開）となる。

更に、図４及び図５に、弁体３０を弁座２０に接触させたときの弁体３０の位置を実線又は基準仮想線Ｌ０で示すとともに、弁体３０を弁座２０から１ｍｍ毎の異なる高さ位置で保持したときの弁体３０の位置を、高さ位置が低い方から順番に第１仮想線Ｌ１〜第５仮想線Ｌ５で示す。図４及び図５に示したように、弁体３０を、例えば弁座２０から１ｍｍ上昇させた位置で保持した場合（図４及び図５の第１仮想線Ｌ１）、弁体３０の弁体接触面部３５は弁座２０の弁座上面部２１から上昇するため、弁体３０の進退方向における両者間の離間距離は従来と同様に１ｍｍとなる。一方、弁体３０の流量絞り部３７は弁座２０から大きく離れておらず、弁体３０の流量絞り部３７と弁座２０との間の最短距離（最小の隙間の大きさ）を、弁体３０の上昇距離（１ｍｍ）よりも極めて小さくすることができる。

例えば、流量絞り部３７の外周面が円筒流入部２３の内周面に対して傾斜する傾斜角度αが２°に設定されている場合、弁体３０を弁座２０から１ｍｍ上昇させた位置で保持したときに、弁体３０の流量絞り部３７と弁座２０との間の最短距離（両者間に形成される最小の隙間の大きさ）Ｄ１を０．０６ｍｍと小さくすることができる。更に、弁体３０を弁座２０から２ｍｍ上昇させた位置で保持したときには（図４及び図５の第２仮想線Ｌ２）、弁体３０の流量絞り部３７と弁座２０との間の最短距離Ｄ２を０．３５ｍｍにすることができる。

このように本実施形態では、弁体３０に流量絞り部３７が所定の範囲に設けられていることにより、弁開度が５０％となるまでは、弁体３０の高さ位置の変化（弁開度の変化）に対する弁体３０と弁座２０間の最短距離の変化の割合（言い換えると、スチーム流量の変化の割合）を小さくすることがきる。特にこの場合、弁開度が３０％以下となる低流量範囲では、弁体３０の高さ位置の変化（弁開度の変化）に対して、弁体３０と弁座２０間の最短距離の変化の割合（スチーム流量の変化の割合）を非常に小さくすることができる。

これにより、調節弁１の弁本体部１０が簡単な構造を保持しつつ、例えばポジショナー３の位置制御の分解能があまり高くない場合でも、弁開度が５０％以下（特に３０％以下）の範囲において、弁体３０の流量絞り部３７と弁座２０との間の最短距離をより細かく変化させて制御することができる。その結果、調節弁１における低流量域でのスチーム流量の制御を従来よりも細かく高精度に行うことが可能となり、二次側のスチーム圧力の制御性を効果的に向上させることができる。

また、本実施形態の調節弁１と、図７及び図８に示した従来の調節弁７０とについて、弁開度とＣｖ値との関係を表す流量特性を比較するグラフを図６に示す。この図６において、実線が本実施形態の調節弁１の流量特性を表しており、二点鎖線が従来の調節弁７０の流量特性を表している。

図６に示したように、本実施形態の調節弁１では、弁開度が５０％以下の範囲において、弁体３０と弁座２０間を流れるスチームの流量を小さくすることができるため、本実施形態における流量特性は、従来の調節弁７０の流量特性よりも下方側に移動し、調節弁１によって制御可能な最少Ｃｖ値の大きさを従来の調節弁よりも小さくすることができる。実際に、従来の調節弁７０で得られる最少Ｃｖ値は１．５であるのに対して、本実施形態の調節弁１で得られる最少Ｃｖ値は０．４となり、従来よりも半分以下の大きさにすることができる。

一方、本実施形態の調節弁１では弁体３０の流量絞り部３７が所定の範囲に設けられていることにより、弁開度が６０％を超える高い流量範囲においては、弁開度の変化に対する流量の変化の割合を大きくすることができ、それによって、調節弁１によって制御可能な最大Ｃｖ値の大きさを従来の調節弁７０と略同等の大きさにすることができる。実際に、従来の調節弁７０で得られる最大Ｃｖ値は１５．０であるのに対して、本実施形態の調節弁１で得られる最大Ｃｖ値は１４．６となる。

その結果、最大Ｃｖ値を最少Ｃｖ値で除して得られる調節弁１のレンジアビリティは、３６．５（＝１４．６／０．４）となるため、従来の調節弁７０におけるレンジアビリティが１０（１５．０／１．５）であることに比べると、本実施形態の調節弁１ではレンジアビリティを従来よりも大幅に拡大することができる。

１ 調節弁
２ 調節計
３ ポジショナー
３ａ 空気圧力（圧縮空気）
３ｂ 合成樹脂管
４ 駆動部
４ａ シリンダー部
４ｂ スプリング
４ｃ 作動軸
５ フィードバックレバー
６ 一次側配管
７ 二次側配管
８ 圧力センサー部
１０ 弁本体部（ボディ）
１１ スチーム流入口
１２ スチーム流出口
１３ 弁口
１４ ハウジング部
１５ 垂直管部
１６ 水平管部
１７ 分割バンド
２０ 弁座
２１ 弁座上面部（弁体受け部）
２２ 開口縁部
２３ 円筒流入部
２５ 弁体支持部
３０ 弁体（コンタード部）
３１ 本体部
３２ 表面部
３３ ダイアフラム
３３ａ バックアップゴム部
３３ｂ 皮膜部
３５ 弁体接触面部
３６ 弁体曲がり部
３７ 流量絞り部
３８ 弁体先端部
３９ 接触閉鎖部
３９ａ 閉鎖端
Ｄ１，Ｄ２ 最短距離
Ｌ０ 基準仮想線
Ｌ１〜Ｌ５ 第１仮想線〜第５仮想線
α 傾斜角度

Claims (3)

1. 食品、醸造、乳業、化学薬品の製造工程で用いられるピュアスチーム又はクリーンスチームが流通する弁口(13)を備えた弁座(20)、及び、前記弁口(13)に離間・接触することにより前記弁口(13)を開閉する弁体(30)を備えた弁本体部(10)と、前記弁本体部(10)の弁開度の制御信号を出力する調節計(2) と、前記調節計(2) の前記制御信号に応じて前記弁体(30)の位置制御を行うポジショナー(3) とを有するスチーム用調節弁(1) にあって、
   前記弁本体部(10)は、前記弁本体部(10)の外側に装着される分割バンド(17)の脱着により、分解・組立可能な構造を有し、
   前記弁体(30)の表面部(32)は、前記弁体(30)の上端部に形成されるダイアフラム(33)の被膜部(33b)と一体にフッ素樹脂により形成され、
   前記弁座(20)は、前記弁体(30)の弁口閉鎖位置にて前記弁体(30)を接触させて支持する弁体支持部(25)と、前記弁体支持部(25)から前記弁体(30)の進退方向に沿って前記ピュアスチーム又はクリーンスチームの流入側に延びる円筒状の内壁面を有する円筒流入部(23)とを有し、
   前記弁体支持部(25)は、弁座上面部(21)と、前記弁座上面部(21)から断面視にて湾曲状に延びる開口縁部(22)とを有し、
   前記弁体(30)は、前記弁体(30)の弁口閉鎖位置にて前記弁座(20)の前記弁体支持部(25)と接触して前記ピュアスチーム又はクリーンスチームの流通を止める接触閉鎖部(39)と、前記接触閉鎖部(39)における前記円筒流入部(23)側の閉鎖端(39a) からテーパ状に延出する流量絞り部(37)とを有し、
   前記弁体(30)の前記流量絞り部(37)の外周面は、前記弁座(20)の前記円筒流入部(23)の内壁面に対し、前記弁体(30)の前記流量絞り部(37)と前記弁座(20)との間の最短距離を、前記弁体(30)の前記接触閉鎖部(39)が前記弁座(20)の前記弁体支持部(25)から離間した前記弁体(30)の進退方向における離間距離よりも小さくする所定の傾斜角度(α)を有して配されてなる、
   ことを特徴とするスチーム用調節弁。
2. 前記流量絞り部(37)の前記外周面は、前記流量絞り部(37)の断面視にて直線状を呈するように配され、
   前記円筒流入部(23)の内壁面に対する前記流量絞り部(37)の前記外周面の傾斜角度(α)は、２°以上５°以下に設定されてなる、
   請求項１記載のスチーム用調節弁。
3. 前記弁体(30)は、前記流量絞り部(37)から更に延出し、前記弁座(20)の前記円筒流入部(23)に対して前記流量絞り部(37)よりも大きな傾斜角度の外周面を備えた弁体先端部(38)を有し、
   前記弁体(30)の前記流量絞り部(37)は、前記接触閉鎖部(39)の前記閉鎖端(39a) から、前記弁開度が３０％以上６０％以下となる位置まで配されてなる、
   請求項１又は２記載のスチーム用調節弁。

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