JP4187928B2 - 直線的流量特性を有する流体減圧装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体エネルギーを放散する装置、特に、気体の流れについては騒音への変換効率が小さい流体減圧装置、液体の流れについてはキャビテーションを抑えた低騒音特性を有する流体減圧装置に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
石油又はガス配管ライン、化学反応設備等の産業プロセスにおいて流体を制御する場合に、しばしば流体の減圧が必要となる。流量調節弁や流量調節器などの流量調節機能をもつ流量抑制装置、及び、ディフューザ、サイレンサその他の背圧装置などの流量調節機能をもたない流量抑制装置が、この用途に使用されている。特定の用途における流量制御弁、及び／又は他の流量制御装置の目的は、流量その他のプロセス変数を調節することあるが、流量制御機能に付随して流体の圧力低下が生じる。
【０００３】
現在入手可能な流量調節弁は、ディスク積層体で構成された流体減圧装置である弁調整器(valve trim)を内蔵している。これらの流量調節弁は弁棒摺動型であり、弁の開度に応じて流量が直線的に変化することが望ましい。ディスク積層体で構成されるかご型弁調節器は、望ましい形態として、２種類のディスクを交互に重ね合わせて形成されている。この構成によると、一方のディスクであるフローディスクのみがプレナムディスクのプレナムに連通する流入スロットと流出スロットとを有しているため、積層体内では、１つおきに流入開口を有しない他のディスクであるプレナムディスクが存在する。従って従来のディスク積層体では、流量制御部材がディスク積層体の内側を閉位置から開位置に移動するとき、弁の開度に応じて流量が実質的に直線状に増加する望ましい流量特性が得られず、流量が「段階的」変化する。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明の原理によれば、流量制御部材によるディスク積層体内側の開放度合に応じて流量が実質的に直線的に増加するディスク積層型の流体減圧装置が提供される。
【０００５】
本発明の流体減圧装置は、プレナムディスクとフローディスクとを交互に重ね合わせたディスク積層体として構成されている。各フローディスクにはその中心空洞の回りに複数の流入スロットが形成されている。各プレナムディスクには、その内部にプレナムが設けられ、ディスク積層体内で各プレナムが隣接するフローディスクの流入スロットと流出スロットに連通している。また各プレナムディスクには、中心空洞の回りに形成されたバイパススロットが設けられている。各バイパススロットは、隣接するフローディスクの流入スロットに重なっており、流体が連続的にプレナムに流入してディスク積層体から流出するため、開度の変化に応じて流量が変化しない「死領域」("dead band" area)の形成が防止される。
【０００６】
バイパススロットの寸法及び形状は変更可能である。バイパススロットの形状をアーチ形とするとプロセス圧力によって生じる応力を小さくできるが、隣接するフローディスクの流入スロットに流体を導く形状であればこれに限らない。バイパススロットの寸法（面積）を変えることができるが、なるだけ直線的な流量変化が得られる最適寸法にすべきである。バイパススロットの寸法が過大であると、隣接する流入スロットへの流れが増加して、流量の「段階的変化」が再び現れる。
【０００７】
本発明の最初の実施形態では、バイパススロットの面積は、隣接するフローディスクの流入スロットの最小開口面積の５０％から６０％に設計されている。適用するプロセスによっては、流れの等比率特性などの別の流量特性が要求され、その場合、流量調節部材の移動範囲の下部では流量が小さく、弁の開度に応じて流量が著しく増加する。これはフローディスクにおける流入スロットと流出スロットの数を変えることによって達成できる。流れの等比率特性が要求される場合には、積層体の底部にあるフローディスクでスロット数を少なくし、中間高さでスロット数を増加させ、積層体の頂部でスロット数を最も多くする。この技術によると、異なるプロセス要求に対して必要な面積が得られる。さらにバイパススロットにより、流量の段階的変化が防止されるため、より直線的な流量特性が得られる。この構成によると、積層体の頂部と底部が明確に定義される。しかし、バイパススロットは全てのプレナムディスクに全数を設けておくことができ、フローディスクのスロットのように数を増加させる必要はない。過剰のバイパススロットは数に制限がなく、積層体からの流出する流量と関係がない。
【０００８】
本発明の別の実施形態では、プレナムディスクに複数組のバイパススロットが設けられ、プレナムディスクの第１組のバイパススロットは、その真上のフローディスクの流入スロットと重なっている。さらに、プレナムディスクの第２組のバイパススロットは、その真下のフローディスクの流入スロットと重なっている。この実施形態では、積層体内でディスクの上下の向きと関係なく流量変化をより直線化する利点が得られる。またこれにより、組立過程において積層体を特定の向きに保つ必要がなく、積層体が上下対称となる。さらに、スロットをプレナムディスクの特定の向きに関係なく配置することができる。これにより、フローディスク又はプレナムディスクの向きに関係なく、常にフローディスクの入口スロットの真下にプレナムディスクのバイパススロットが来るようにすることができる。
【０００９】
さらに別の実施形態では、バイパススロットはプレナムディスクの全内周にわたる連続した１つのスロットとし、このバイパススロットが上下に隣接するフローディスクの各流入スロットと連通している。これにより、流量変化を直線化するバイパス流を形成することができ、製造過程でディスク向きを考慮する必要がない。しかし、前記のように、流入スロットの面積に対するバイパススロットの面積が流量変化特性の向上に直接関係するため、この技術には厳密な管理が必要となる。
【００１０】
本発明の新規な事項は特許請求の範囲に記載してある。図面に基づく以下の説明により本発明がより理解できるであろう。なおいくつかの図では類似の部材に類似の符号を使用している。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１には、本発明の原理に基づく流体減圧装置が図示されており、この装置は複数のディスクを積層した弁かご１０形式の装置であり、流量制御弁１２内に組み込まれている。流体制御弁１２には、流体入口１６と、流体出口１８と、これらを接続する流路２０を有する弁箱１４が含まれている。
【００１２】
弁箱の流路２０内にシートリング２２が設けられ、弁操作部材２４との間で、弁かご１０の内部に流入して外部に排出される流体の流量を制御する。弁かご１０は、公知の仕方、例えば、かご保持具２６と、これを弁のボンネット部に固定する取付ボルト２８により弁内に保持される。弁かご１０外側の一連の溶接ビード３０によってディスクの積層状態が保持される。本発明の望ましい実施形態では、各ディスクはニッケルメッキされている。ニッケルメッキされた複数のディスクは保持容器内で適切な積層荷重と熱を加えて相互に融着される。ディスクが大型である場合は、組み立てられた積層ディスクを、ボルトその他の機械的結合手段で強固に保持することができる。
【００１３】
弁かご１０は、図２に示すフローディスク３２と図３に示すプレナムディスク３４とからなる複数のディスクを交互に重ね合わせたディスク積層体として構成されている。フローディスク３２は、空洞のディスク中心３６と円形のディスク外周３８を有している。複数の流入スロット４０が、ディスク中心３６からディスク外周３８に向かって部分的に延びている。複数の流出スロット４２が、ディスク外周３８からディスク中心３６に向かって部分的に延びている。
【００１４】
図３に示すプレナムディスク３４には、空洞のディスク中心４６とディスク外周４８との間でほぼ全周にわたって延びる１個又は複数個のプレナムスロット４４が形成されている。各プレナム４４は、空洞のディスク中心側のディスク内周部５０とディスク外周４８に達するディスク外周部５２の間で延びている。
【００１５】
各プレナムディスク３４には、又ディスク内周部５０のディスク中心４６に向かう側に複数のバイパススロット５４が形成されている。各バイパススロット５４はディスク内周部５０に形成され、ディスク中心４６からディスク外周部５２に向かって延びている。
【００１６】
図４には、下から上に向かってフローディスク３２ａ、プレナムディスク３４ａ、フローディスク３２ｂ、プレナムディスク３４ｂの４枚のディスクを重ね合わせたディスク積層体の斜視図が図示されている。図４のディスク積層構造によると、フローディスク３２の流入スロット４０が隣接するプレナムディスク３４のプレナムスロット４４に連通するように、フローディスク３２がプレナムディスク３４に対して位置決めされている。また、プレナムディスク３４の各プレナムスロット４４が隣接するフローディスク３２の多数の流出スロット４２に連通している。こうして、流体は、図４に示すディスク積層体の中心５６から、フローディスク３２の流入スロット４０に流入し、隣接するプレナムディスク３４のプレナムスロット４４を通ってフローディスクの多数の流出スロット４２に流れる。従って、流体の流路が軸方向に２分割されてプレナムスロット４４に流入し、多数の半径方向流れに変換されて少なくとも１つのフローディスク３２の多数の流出スロット４２から分散排出される。
【００１７】
さらに図４に示すように、各バイパススロット５４と隣接するフローディスク３２の流入スロット４０とが重なり合っている。例えば図４の例では、プレナムディスク３４ａのバイパススロット５４ａが隣接するフローディスクの流入スロット４０ｂと重なり合っている。従って、流体は、図４のディスク積層体の中心部５６からバイパススロット５４ａを通って流入スロット４０ｂに流入し、前記のとおり、連通するプレナムを通って多数の出口スロットに流れる。
【００１８】
各流入スロット４０に重なり合うバイパススロット５４を使用することにより、流れを平滑化して弁調節器１０の流量特性を直線化することができる。これによって、図２、図３に示すフローディスクとプレナムディスクを重ね合わせて構成されているがパイパススロット５４を有しない従来の弁調節器で生じる流量の段階的変化を最小限に抑えることができる。
【００１９】
図５に示す斜視図では、各フローディスク３２は図２に示すフローディスク３２と同じものである。最上部と最下部のフローディスク３２に符号Ｂを付け、中間部のフローディスク３２に符号Ａを付けてある。各プレナムディスク５７は図３に示したプレナムディスク３４と類似のもので、バイパススロット５４の間に別の組のバイパススロット５８が交互に形成されている点で異なる。便宜上、バイパススロット５８に符号Ｂを付けてある。
【００２０】
バイパススロット５４は、その真上のフローディスク３２の流入スロット４０の下面と重なり合っている。また、別のバイパススロット５８は、プレナムディスク５７の真下のフローディスク３２の流入スロット４０の上面と重なり合っている。便宜上、図では、プレナムディスク５７の符号Ａを付けたバイパススロット５４が、符号Ａを付けたフローディスク３２の流入スロット４０と重なり合っている。また、符号Ｂを付けたバイパススロット５８が、符号Ｂを付けたフローディスク３２の流入スロット４０と重なり合っている。従ってフローディスク３２の流入スロットの上下にプレナムディスク５７のバイパススロットが位置している。これにより、ディスク積層体の製造、組立、及び積層体内でのディスクの向きの決定が容易となる。
【００２１】
さらに、バイパススロット５４及び５８は、その上下に隣接するフローディスクの全ての流入スロットに重なり合うように、プレナムディスクの全周に延びた環状のバイパススロットとすることができる。
【００２２】
バイパススロットを有する本発明の実施形態は、上記の流入／流出スロットを有する第１ディスクと、プレナムスロットを有する第２ディスクとは異なる形態のディスクにも適用することができる。例えば、入口流路を有する第１ディスクと、それに重なり合う出口流路を有する第２ディスクとを、第２ディスクに前記のようなバイパススロットを設けて重ね合わすことができる。
【００２３】
以上の説明は、理解を明確にするためのもので、これから得られる不要な限定は当業者が容易にできる改良と解される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の流体減圧装置を形成するディスク積層体の形態をとる弁調整器を内蔵した流量制御弁の断面図である。
【図２】 図１のディスク積層体内に交互に配置される一方のディスクであるフローディスクの平面図である。
【図３】 図１のディスク積層体内で交互に配置される他方のディスクであるプレナムディスクの平面図である。
【図４】 図２のフローディスクと図３のプレナムディスクとを交互に重ね合わせた４枚ディスクからなる、図１のディスク積層体の斜視図である。
【図５】 対称的ディスク積層体を形成するため、別のバイパススロットを有するプレナムディスクを使用した実施形態の斜視図である。

Claims (5)

1. 複数のディスクをその外周と空洞中心を長手方向軸上で重ね合わせたディスク積層体として構成され；
   前記ディスク積層体が、交互に重ね合わせた第１ディスクと第２ディスクとを有しており；
   前記第１ディスクが、(a)ディスク中心からディスク外周に向かって部分的に延びる流入スロットと(b)ディスク外周からディスク中心に向かって部分的に延びる流出スロットとを有しており；
   前記第２ディスクが、(c)ディスクを貫通する少なくとも１つのプレナムスロットと(d)ディスク中心からディスク外周に向かって部分的に延び、隣接する第１ディスクの流入スロットと重なり合う位置に位置決めされたバイパススロットとを有しており；
   前記積層体内で各ディスクを選択的に位置決めして、ディスク中心から１つの第１ディスクの流入スロットへ流れる流体が、隣接する第２ディスクのバイパススロットを通って１つの第１ディスクの流入スロットに流れ、両側に隣接する第２ディスクのプレナムスロットを通って少なくとも１つの第１ディスクの流出スロットに流れるようにし、これにより流体の流路が最初に軸方向流れに２分割され、プレナムスロット内で多数の半径方向流路となり、少なくとも１つの第１ディスクの多数の流出スロットから分散排出されるようにしたことを特徴とする流体減圧装置。
2. 前記バイパススロットが、第２ディスクの両側に隣接する各第１ディスクの流入スロットに重なり合うように位置決めされていることを特徴とする請求項１記載の流体減圧装置。
3. 前記バイパススロットがそれぞれ半月形に形成されていることを特徴とする請求項１記載の流体減圧装置。
4. 複数のディスクをその外周と空洞中心を長手方向軸上で重ね合わせたディスク積層体として構成され；
   前記ディスク積層体が、交互に重ね合わせたフローディスクとプレナムディスクとを有しており；
   前記フローディスクが、(a)フローディスクの中心からフローディスクの外周に向かって部分的に延びる流入スロットと(b)フローディスクの外周からフローディスクの中心に向かって部分的に延びる流出スロットとを有し；
   前記プレナムディスクが、(c)プレナムディスクを貫通する少なくとも１つのプレナムスロットと(d)プレナムディスク中心からプレナムディスク外周に向かって部分的に延び、プレナムディスクの両側に隣接するフローディスクの流入スロットにそれぞれ重なり合う位置に位置決めされたバイパススロットとを有しており；
   前記積層体内で各ディスクを選択的に位置決めして、ディスク中心から１つのフローディスクの流入スロットへ流れる流体が、隣接するプレナムディスクのバイパススロットを通って１つのフローディスクの流入スロットに流れ、またそのプレナムディスクの反対側に隣接するフローディスクの流入スロットにも流れ、両側に隣接するプレナムディスクのプレナムスロットを通って少なくとも１つのフローディスクの流出スロットに流れるようにし、これにより流体の流路が最初に軸方向流れに２分割され、プレナムスロット内で多数の半径方向流れとなり、少なくとも１つのフローディスクの多数の流出スロットから分散排出されるようにしたことを特徴とする流体減圧装置。
5. 前記バイパススロットがそれぞれ半月形に形成されていることを特徴とする請求項４記載の流体減圧装置。

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