JP7057737B2 - 制御弁 - Google Patents

Description

この発明は、蒸気等の流体が流れる配管系統に設けられ、流体の流量を調節する制御弁に関する。

ガスプラント、蒸気プラントなどのプラント（プロセスシステム）では、空気式の制御弁を用いて配管系統を流れる蒸気等の流体の流量を調節する（例えば、特許文献１参照）。制御弁は、弁体の開度を調節して流体内の弁口の開閉を行うことで流体の流量を調節する。制御弁は、アクチュエータ等を用いて弁体の開度を自動制御する。

制御弁は、例えば、弁体の開度を０％～１００％で無段階に調整可能である。開度が０％の場合は、弁口が閉じられた状態（閉弁）を意味する。すなわち、弁体が弁座に当接（着座）して弁口が閉じられた状態となる。

特開２０１３－２４２９１０号公報

上述した制御弁では、弁体及び弁座はステンレス鋼等の金属製であり、弁体と弁座との接触はメタルタッチとなる。そのため、このような制御弁は完全に弁口を閉じることが困難であり、蒸気等のロスが発生する場合がある。

この発明は、閉弁時のシール性を向上させた制御弁を提供することを目的とする。

本発明によって提供される流路内の流体の流量を調節する制御弁は、第一弁座、第一弁体、第一アクチュエータ、ポジショナ、第二弁座、第二弁体、第二アクチュエータを備える。第一弁座は、流路内に設けられ、第一弁座口が形成される。第一アクチュエータは、第一弁体の開度を調節する。ポジショナは、駆動力を付与して第一アクチュエータを駆動する。第二弁座は、流路内における第一弁座口及び第一弁体の上流側又は下流側に設けられ、第二弁座口が形成される。第二弁体は、第二弁座口を開閉する。第二アクチュエータは、第二弁体の開度を、第二弁座口を全閉する全閉位置、及び、全開する全開位置のいずれかに切り替える。また、ポジショナは、第一アクチュエータへの駆動力の付与時に同一の駆動力を、第二アクチュエータにも付与する。第二アクチュエータは、駆動力に応じて、第一弁座口が全閉状態時に第二弁体の開度を全閉位置とし、第一弁座口が開状態時に第二弁体の開度を全開位置とする。

上記第二弁座は、互いに対向する円形の第二弁座口が形成された一対の弁座であり、第二弁体は、貫通孔を有するボール弁体であって、一対の第二弁座の間に該一対の第二弁座に当接された状態で配置され、弁軸を基準に回動して貫通孔により一対の第二弁座のそれぞれの第二弁座口を連通可能なボール弁体であり、第二アクチュエータは、弁軸を回動させて、ボール弁体の開度を、第二弁座口を全閉する全閉位置及び全開する全開位置のいずれかに切り替えるようにしてもよい。

上記一対の第二弁座は、樹脂製であってもよい。

上記第一アクチュエータ及び第二アクチュエータは、加圧気体を駆動力とする空気動アクチュエータであり、ポジショナは、第一アクチュエータ及び第二アクチュエータと、単一の共通配管及び共通配管から分岐する２つの分岐配管によって接続され、加圧気体を共通配管から第一アクチュエータ及び第二アクチュエータに供給するようにしてもよい。

この発明によれば、第一弁体を開閉するための駆動力を利用して、第二弁体の開閉が行われる。第二弁体は、弁開度が全開及び全閉の二段階であり、第一弁座口が全閉状態時に全閉される。第二弁体には、ソフトシートタイプの弁座を適用可能であるので、閉弁時のシール性を向上させることができる。したがって、閉弁時のシール性を向上させつつ、第一弁体で流体の流量を調節することができる。

この発明の実施形態に係る制御弁の正面図である。 この発明の実施形態に係る制御弁の側面図である。 この発明の実施形態に係る制御弁の本体の拡大断面図である。 この発明の実施形態に係る第一弁体及び第二弁体の開度の相関関係を示す図である。

図面を参照してこの発明の実施形態である制御弁について説明する。なお、この発明の構成は、実施形態に限定されるものではない。

図１及び図２は、この発明の実施形態に係る制御弁１の正面図及び側面図である。図３は、制御弁１の本体１０の拡大断面図である。制御弁１は、ガスプラント、蒸気プラントなどのプラント（プロセスシステム）の配管系統に配置され、配管系統を流れる蒸気等の流体の流量を調節（自動調節）する。より具体的には、制御弁１に設けられた２つの弁体３５，４５を制御することで流体の流量を調節する。

制御弁１は、本体（ボディ）１０、ボンネット１１、第一アクチュエータ１２、第二アクチュエータ１３及びポジショナ１４等から構成される。本体１０の両端部には、流入口２０、流出口２１が形成されている。本体１０内には、流入口２０から流出口２１に連なる流路２２が形成されている。流体は、流入口２０から流路２２に流入して流出口２１から流出する。

流路２２内には、第一弁座３０、第一弁体３５、第二弁座４０（４０Ａ，４０Ｂ）及び第二弁体４５等が配置されている。第一弁座３０は、例えばステンレス鋼等の金属で形成された環状弁座であり、円形の第一弁座口３１を介して流路２２の上流側（流入口２０側）と下流（第二弁座４０側）とを連通する。第一弁体３５は、ステンレス鋼等の金属で形成された玉形弁体であり、第一弁座口３１に対向するように配置される。また、第一弁体３５は、弁棒３６の移動により全閉位置及び全開位置の間で変位可能である。全閉位置は、第一弁体３５が第一弁座３０に着座して第一弁座口３１を閉栓（全閉）する位置である。全開位置は、第一弁体３５が第一弁座３０から離間している状態であって第一弁座口３１を全開する位置である。

弁棒３６は、一端が第一弁体３５の上部に連結され、他端が第一アクチュエータ１２のアクチュエータロッド（不図示）に連結されている。弁棒３６は、第一アクチュエータ１２の駆動によって長軸方向に移動する。なお、玉形弁体の開度を制御する構成は、一般的な構成であるので、詳細な説明は省略する。

第二弁座４０Ａ，４０Ｂ及び第二弁体４５は、第一弁座口３１及び第一弁体３５よりも流路２２内の下流側に配置されている。第二弁座４０Ａ，４０Ｂは、例えばテフロン（商標）樹脂製であり、一対の環状の弁座である。第二弁座４０Ａ，４０Ｂは、円形の第二弁座口４１Ａ，４１Ｂが対向するように配置されている。また、第二弁座４０Ａ，４０Ｂは、皿ばね４２Ａ，４２Ｂの付勢力によって、間に配置された第二弁体４５に当接している。すなわち、第二弁体４５は、第二弁座４０Ａ，４０Ｂに常に着座している状態である。

第二弁座口４１Ａ，４１Ｂは、流路２２の上流側（第一弁体３５側）と下流（流出口２１）とを、貫通孔４７を介して連通する。第二弁体４５は、ステンレス鋼等の金属で形成された球体（ボール弁体）であり、貫通孔４７を有する。また、第二弁体４５は、弁棒（弁軸）４６を軸として回動可能であり、この回動によって全閉位置及び全開位置のいずれかに切り替えられる。全閉位置は、第二弁座口４１Ａ，４１Ｂを閉栓（全閉）する位置である。全開位置は、第二弁座口４１Ａ，４１Ｂと貫通孔４７とが連通した状態となって、第二弁座口４１Ａ，４１Ｂを全開する位置である。図２は、第二弁体４５が全開位置にある状態を示している。

弁棒４６は、軸方向が流体の移動方向に直交する方向と平行であり、第二弁体４５の中心を貫通した状態で、第二弁体４５に連結される。弁棒４６は、一端が本体１０に回動自在に支持され、他端が第二アクチュエータ１３のアクチュエータロッド（不図示）に連結されている。

弁棒４６は、第二アクチュエータ１３の駆動によって軸を中心にした正逆方向に９０度回動（自転）する。すなわち、弁棒４６の９０度の正回転によって、第二弁体４５が全閉位置から全開位置に回転する。また、弁棒４６の９０度の逆回転によって、第二弁体４５が全開位置から全閉位置に回転する。なお、ボール弁体の開度を制御する構成は、一般的な構成であるので、詳細な説明は省略する。

ボンネット１１は、本体１０上部の蓋部材であり、第一アクチュエータ１２を担持する。第一アクチュエータ１２は、加圧気体（空気）を駆動力とする空気動アクチュエータであり、加圧気体の圧力によって弁棒３６を図３における上下方向に変位させる。また、第一アクチュエータ１２は、スプリングリターン機能を有する。これにより、第一弁体３５の第一弁座口３１に対する弁開度を無段階（０％～１００％）に変化させることができる。例えば、供給空気圧力が０ＭＰａＧの場合、スプリングによる付勢力によって弁開度が０％となって第一弁体３５は全閉位置に変位する。また、供給空気圧力が０．２５ＭＰａＧの場合、弁開度が１００％となって第一弁体３５は全開位置に変位する。

第二アクチュエータ１３は、加圧気体（空気）を駆動力とする空気動アクチュエータであり、加圧気体の圧力によって弁棒４６を正逆方向に９０度回動させる。また、第二アクチュエータ１３は、スプリングリターン機能を有する。これにより、第二弁体４５の第二弁座口４１Ａ，４１Ｂに対する弁開度を二段階（０％，１００％）に切り替えることができる。例えば、供給空気圧力が０ＭＰａＧの場合、スプリングによる付勢力によって弁開度が０％となって第二弁体４５は全閉位置に変位する。また、供給空気圧力が０ＭＰａＧより大きい場合、弁開度が１００％となって第二弁体４５は全開位置に変位する。なお、アクチュエータ１２，１３の構成及び動作は、一般的な構成であるので、詳細な説明は種略する。

本実施形態の２つのアクチュエータ１２，１３は、常に同一の加圧気体が単一のポジショナ１４から供給される。ポジショナ１４は、内臓バッテリ（不図示）によって駆動する電動の空気式ポジショナ（電空ポジショナ）であり、共通配管１５及び分岐配管１６，１７によって２つのアクチュエータ１２，１３に接続されている。ポジショナ１４は、供給源（不図示）からの空気を、共通配管１５から分岐配管１６，１７を通じて２つのアクチュエータ１２，１３に供給する。

すなわち、各アクチュエータに１２，１３に、同一のタイミグでの同一の加圧気体が供給される。これにより、図４に示すように、第一弁体３５の開度が０％の場合は、第二弁体４５の開度も０％となる。第一弁体３５の開度が０％より大きい場合、第二弁体４５の開度は１００％となる。

したがって、第一弁座口３１が完全に閉じられている状態では、第二弁座口４１Ａ，４１Ｂも完全に閉じられた状態となる。これにより、第一弁座口３１及び第二弁座口４１Ａ，４１Ｂが閉じられた（二重にシールされた）状態となるので、単一の第一弁体の構成と比較してシール性が向上する。しかも、第二弁座４０は、金属製の第一弁座３０に比べてシール性の高いテフロン（商標）樹脂製のソフトシートタイプであるので、よりシール性が高い。なお、第二弁座４０は、テフロン（商標）樹脂製でなくてもよく、例えば、天然ゴムなどの樹脂製であってもよい。

一方、第一弁座口３１が少しでも開いている状態では、第二弁座口４１Ａ，４１Ｂは完全に開いた状態となる。したがって、第二弁体４５によって流路２２内の流体の流量が規制されることがなく、第一弁体３５の開度に基づいた流体の流量の制御が可能である。

なお、ポジショナ１４の構成及び動作は、一般的な構成であるので、詳細な説明は省略する。また、ポジショナ４から供給される供給気体の圧力は、ポジショナ４が流量検出センサなどの各センサから取得した情報に基づいて決定してもよく、また他の装置から受信してもよい。例えば、無線通信ネットワークを経由して接続されたプロセスシステムの管理装置（不図示）から第一弁体３５の開度（又は供給気体圧力）の指令を受信してもよい。

以上のように、本発明の実施形態では、第一弁体３５を開閉するための駆動力（加圧気体）を利用して、第二弁体４５の開閉が行われる。第二弁体４５は、弁開度が全開及び全閉の二段階であり、第一弁座口３１が全閉状態時に全閉される。第二弁体４５には、ソフトシートタイプの弁座（第二弁座４０）を適用可能であるので、閉弁時のシール性を向上させることができる。したがって、閉弁時のシール性を向上させつつ、第一弁体３５で流体の流量を調節することができる。

なお、上述の実施形態では、第一弁体として玉形弁体が用いられているが、特にこれに限定されるものではない。アクチュエータを用いて弁開度を０％～１００％までの間で無段階に調節できる構成であれば、いずれの構成を適用してもよい。

また、上述の実施形態では、第二弁体としてボール弁体が用いられているが、特にこれに限定されるものではない。アクチュエータを用いて弁開度を０％及び１００％の二段階（ＯＮ－ＯＦＦ）に切り替えられるの構成であれば、いずれの構成を適用してもよい。

さらに、上述の実施形態では、加圧気体（空気）で駆動する２つのアクチュエータが用いられているが、特にこれに限定されるものではない。単一のポジショナから供給される駆動力によって駆動する構成であれば、いずれの構成を適用してもよい。例えば、電磁石を使用したアクチュエータがある。この場合、供給電圧が同一となるように、電電ポジショナと２つのアクチュエータとを接続すればよい。

また、上述の実施形態では、第二弁座及び第二弁体を、第一弁座及び第一弁体の下流側に配置しているが、第一弁座及び第一弁体の上流側に配置してもよい。

この発明は、ガスプラント、蒸気プラントなどのプラント（プロセスシステム）などの配管系統を流れる蒸気等の流体の流量を調節する分野などで利用することができる。

１ 制御弁
１０ 本体
１１ ボンネット
１２ 第一アクチュエータ
１３ 第二アクチュエータ
１４ ポジショナ
２０ 流入口
２１ 流出口
２２ 流路
３０ 第一弁座
３１ 第一弁座口
３５ 第一弁体
３６ 弁棒（弁軸）
４０（４０Ａ，４０Ｂ） 第二弁座
４１（４１Ａ，４１Ｂ） 第二弁座口
４５ 第二弁体
４６ 弁棒（弁軸）
４７ 貫通孔

Claims (4)

1. 流路内の流体の流量を調節する制御弁であって、
   前記流路内に設けられ、第一弁座口が形成された第一弁座と、
   前記第一弁座口を開閉する第一弁体と、
   前記第一弁体の開度を調節する第一アクチュエータと、
   駆動力を付与して前記第一アクチュエータを駆動するポジショナと、
   前記流路内における前記第一弁座口及び前記第一弁体の上流側又は下流側に設けられ、第二弁座口が形成された第二弁座と、
   前記第二弁座口を開閉する第二弁体と、
   前記第二弁体の開度を、前記第二弁座口を全閉する全閉位置、及び、全開する全開位置のいずれかに切り替える第二アクチュエータと、
   を備え、
   前記ポジショナは、前記第一アクチュエータへの駆動力の付与時に、同一の駆動力を前記第二アクチュエータにも付与し、
   前記第二アクチュエータは、前記駆動力に応じて、前記第一弁座口が全閉状態時に前記第二弁体の開度を全閉位置とし、前記第一弁座口が開状態時に前記第二弁体の開度を全開位置とする、
   ことを特徴とする制御弁。
2. 前記第二弁座は、互いに対向する円形の第二弁座口が形成された一対の弁座であり、
   前記第二弁体は、貫通孔を有するボール弁体であって、前記一対の第二弁座の間に該一対の第二弁座に当接された状態で配置され、弁軸を基準に回動して貫通孔により該一対の第二弁座のそれぞれの第二弁座口を連通可能なボール弁体であり、
   前記第二アクチュエータは、前記弁軸を回動させて、前記ボール弁体の開度を、前記第二弁座口を全閉する全閉位置及び全開する全開位置のいずれかに切り替える、
   ことを特徴とする請求項１に記載の制御弁。
3. 前記一対の第二弁座は、樹脂製である、
   請求項２に記載の制御弁。
4. 前記第一アクチュエータ及び前記第二アクチュエータは、加圧気体を駆動力とする空気動アクチュエータであり、
   前記ポジショナは、前記第一アクチュエータ及び前記第二アクチュエータと、単一の共通配管及び該共通配管から分岐する２つの分岐配管によって接続され、加圧気体を該共通配管から該第一アクチュエータ及び該第二アクチュエータに供給する、
   請求項１～３のいずれかに記載の制御弁。

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