JP2009115302A - 流量制御弁 - Google Patents

Abstract

【課題】余分な外部配管を弁本体の外部に設ける必要がなく、コンパクトな流量制御弁を提供する。
【解決手段】 弁本体４の上流側内周面に装着される上流側リテーナ１６の上流側端部近傍の内周面と外周面との間を貫通する上流側流体圧力取出部２６と、弁本体４の上流側に弁本体の内周面と外周面との間を貫通する第２の導通路２９を設け、これらを弁本体４と上流側リテーナ１６との間に形成した第１の導通路２７によって連通する。同じく弁本体４の内周面に装着される下流側リテーナ４１の下流側端部近傍の内周面と外周面との間を貫通する下流側流体圧力取出部５４と、弁本体４の下流側に弁本体の内周面と外周面との間を貫通する第４の導通路５７を設け、これらを弁本体４と下流側リテーナ４１との間に形成した第３の導通路５５によって連通する。弁本体４の外周面に差圧センサ３１を取付け、第２、第４の導通路２９、５７を差圧センサ３１に接続する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、弁本体内を流れる流体の流量を制御する流量制御弁に関し、特に流体の流量係数と流量を測定する流量制御弁に関するものである。

流量制御弁の流路内を流れる流体の流量Ｑは、一次側（上流側）流路と二次側（下流側）流路中の流体の差圧と、弁体の開度と、流量係数（Ｃｖ値）を測定することにより、次式（１）によって算出することができる。

Ｑ＝Ａ・Ｃｖ・√ΔＰ ・・・・（１）
ただし、Ａは弁体の絞り部の断面積、ΔＰは流体の上流側と下流側の圧力差である。

このような流路内を流れる流体の流量係数と流量を測定可能にした流量制御弁としては、例えば特許文献１〜３に開示されている制御弁が知られている。

前記特許文献１に記載されている一体型プロセス制御弁は、弁本体の入口側の流路部分に入口の流体圧力Ｐ₁ を測定する第１の圧力センサを配置し、出口側の流路部分に流体圧力Ｐ₀ を測定する第２の圧力センサを配置し、コントローラによって前記流体圧力Ｐ₁ とＰ₀ との差圧ΔＰを求め、弁の流量係数（Ｃｖ値）をテーブルより読み出して流量Ｑを算出するようにしている（Ｑ＝ｋＣｖ√ΔＰ／Ｇｆ、ただしｋは常数、Ｇｆは流体の比重）。

前記特許文献２に記載されている流量制御弁は、弁体の弁開度量を検出する弁開度量検出手段と、弁体の上流管路内の流体圧力を検出する第１の圧力検出手段と、弁体の下流管路内の流体圧力を検出する第２の圧力検出手段と、第１および第２の圧力検出手段と弁開度量検出手段との電気出力信号に基づいて管路内を流れる流体流量を演算する電気手段とを備えている。

前記特許文献３に記載されている流量測定装置を有するバタフライ弁は、圧力取出口を、上流側、下流側共に４カ所に形成し、取り込まれた圧力をシートリングの上流側および下流側の内周にそれぞれ形成した周方向に延びる環状の空洞内で平均化して弁体前後の差圧を測定するようにしている。

ところで、弁体の絞り部の前後では乱流が生じ、圧力変動が大きいため、流体の流量Ｑを高い精度で測定するためには、上流側の流体圧力取出部および下流側の流体圧力取出部が弁体の絞り部から十分に離れた位置に設けられる必要がある。

さらに、流量測定手段を備えた流量制御弁のコンパクト化を指向する場合、通常流量測定手段を弁体を駆動するアクチュエータ内に配置するのが有利とされている。このため、前記特許文献１に記載されている制御弁は、流量測定手段を備えたコントローラ部と上流側の流体圧取出部、下流側路の流体圧取出部との間を別途外部配管によってそれぞれ接続し、流体圧力をコントローラに導くようにしている。

特許第２７７２１５９号公報 特開昭６０−１６８９７４号公報 特公平７−１０３９４５号公報

しかしながら、前記特許文献１、２に記載されている制御弁においては、上流側流体圧力取出部と、下流側流体圧力取出部から流体圧力を配管によってコントローラに導いているので、配管が弁本体の周りを取り囲んでいて配管の継部からの流体の漏れが発生したり、配管のために部品点数および組立工数が増加し、高価になるという問題があった。

また、前記特許文献３に記載されているバタフライ弁は、測定精度を犠牲にしてコンパクト化を図ったものであり、上流側下流側ともに圧力取出部の位置が弁体から十分に離れていないので、上流側と下流側の圧力の変動を大きく受け、流量を高い精度で測定することができないという問題があった。

本発明は、上記した従来の問題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、外部配管を弁本体の外部に設ける必要がなく、コンパクトな流量制御弁を提供するものである。

上記目的を達成するために本発明は、弁本体内に回動自在に配設され前記弁本体内を通過する流体の流量を調節する弁体と、前記弁体の着座部に圧接される上流側シートリングと、前記上流側シートリングを保持する上流側リテーナと、前記弁体の弁開度量を検出する弁開度量検出手段と、前記弁本体の上流側管路内の流体圧力と下流側管路内の流体圧力との差圧を検出する差圧検出手段と、前記差圧検出手段の計測値と前記弁開度量検出手段の計測値とに基づいて流量係数を求め、これらの計測値と前記流量係数から前記流体の流量を算出する流量算出手段とを備え、前記差圧検出手段を前記弁本体の外周面に取付け、前記上流側リテーナの上流側端部近傍の外周面と内周面との間を貫通する上流側流体圧力取出部を設け、前記弁本体の内周面と前記上流側リテーナの外周面との間に上流側端が前記上流側流体圧力取出部に連通する第１の導通路を形成し、前記弁本体に前記第１の導通路の下流側端と前記差圧検出手段とを接続する第２の導通路を形成したものである。

また、本発明は、前記弁体の着座部に圧接される下流側シートリングと、前記下流側シートリングを保持する下流側リテーナをさらに備え、前記下流側リテーナの下流側端部近傍の外周面と内周面との間を貫通する下流側圧力取出部を設け、前記弁本体の内周面と前記下流側リテーナの下流側端部と前記弁本体内周面との間に下流側流体圧力取出部を設け、前記弁本体の内周面と前記下流側リテーナの外周面との間に下流側端部が前記下流側流体圧力取出部に連通する第３の導通路を形成し、前記弁本体に前記第３の導通路の上流側端部と前記差圧検出手段とを接続する第４の導通路を形成したものである。

本発明においては、弁本体の内周面と上流側リテーナの外周面との間に第１の導通路、弁本体内に第２の導通路を設け、これらの導通路を介して上流側流体圧力取出部と差圧検出手段とを接続しているので、弁本体の外部に上流側流体圧力を差圧検出手段に導くための流路配管を設ける必要がなく、流量制御弁をコンパクト化することができる。また、第１の導通路は上流側リテーナと弁本体の内周面との間に形成されるものであるため、別部品を組み込んだりする必要がなく製造が容易である。

また、上流側流体圧力取出部が上流側リテーナの上流側端部近傍に設けられるので、弁体からほぼリテーナの管軸方向の長さ分、十分に離すことができ、上流側流体圧力を高い圧力でとることができ、結果として下流側流体圧力との差圧が大きくとれるので、高い精度で流量測定を行うことができる。

さらに、本発明は、弁本体の内周面と下流側リテーナの外周面との間に第３の導通路、弁本体内に第４の導通路を設け、これらの導通路を介して下流側流体圧力取出部と差圧検出手段とを接続しているので、弁本体の外部に下流側の流体圧力を差圧検出手段に導くための流路配管も設ける必要がなく、流量制御弁を更にコンパクト化することができる。また、第３の導通路は下流側リテーナと弁本体の内周面との間に形成されるものであるため、別部品を組み込んだりする必要がなく製造が容易である。

以下、本発明を図面に示す実施の形態に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明に係る流量制御弁の一実施の形態を示す全開状態の横断面図、図２は図１のII−II線断面図、図３は図１のIII−III線断面図、図４は図１のＩＶ−ＩＶ線断面図、図５は図１のＶ−Ｖ線断面である。本実施の形態は、上流側と下流側に配置された一対のシートリングによって弁体（ボールプラグ）を回動自在に支持するフローティングタイプの二方ボールバルブからなる流量制御弁に適用した例を示している。フローティングタイプの弁は、全閉時に弁体が上流側流体圧によって下流側シートリングに押し付けられることにより、主として弁体と下流側シートリングとの接触によってシールを図る弁である。

図１において、全体を参照符号１で示すフローティングタイプの流量制御弁は、内部が流体２の流路３を形成する弁本体４と、この弁本体４の内部に水平面内において回動するように配設され前記流路３を開閉するボール状の弁体６と、この弁体６を弁本体４の外部から回転操作する弁軸７等で構成されている。

前記弁本体４は、直管からなり両端部外周面に配管との接続部を構成するフランジ部８ａ、８ｂが一体に突設され、上面中央には前記弁軸７が回動自在に貫通する貫通孔（図示せず）が形成されている。弁本体４内の流路３は、前記弁体６によって仕切られている。

前記弁体６は、略球状の中空体からなり、内部が貫通流路９を形成し、周壁に絞り部を構成する流入側開口部１０と流出側開口部１１とを有している。貫通流路９の流入側開口部１０と流出側開口部１１は、弁体６の周壁に回転方向（矢印θ方向）に１８０°離間して形成されている。弁体６の外周面は、球面状の着座部１２を形成している。

前記弁軸７は、下端部が弁体６の上面中央に連結され、上端部が前記弁本体４の上方に突出し、図示を省略したアクチュエータによって駆動されることにより、前記弁体６を矢印θ方向に略９０°の角度範囲内で回動させるように構成されている。

前記弁本体４の内部で前記弁体６の上流側には、弁体６の着座部１２に密接する上流側シートリング１５と、この上流側シートリング１５を軸線方向に移動自在に保持する上流側リテーナ１６と、前記上流側シートリング１５を弁体６に押し付ける弾性部材としてのばね１７と、上流側シートリング１５と上流側リテーナ１６との間をシールするＯリング１８が配設されており、これらによって上流側シートリング部のシール構造を構成している。

前記上流側シートリング１５は、両端開放の筒体に形成されることにより中心孔１５ａを有し、この中心孔１５ａと前記上流側リテーナ１６の上流側開口部１６ａとで前記流路３の上流側流路３Ａを形成している。前記中心孔１５ａは、前記上流側開口部１６ａの内径Ｄより若干小さい穴径Ｄ₁ を有している。上流側シートリング１５の上流側端部は薄肉形成されることにより小径部を構成している。一方、下流側端部は厚肉形成されることにより大径部を構成し、弁体６の着座部１２に前記ばね１７によって押し付けられている。

前記上流側リテーナ１６は、同じく両端開放の筒体に形成されて前記上流側シートリング１５を軸線方向に移動自在に収納しており、上流側端部１６Ｂの外周面に雄ねじ２１が形成され、前記弁本体４の上流側開口部の内周面に形成された雌ねじ２２にねじ込まれている。また、上流側リテーナ１６の上流側開口部１６ａは、開口端面の内径Ｄから下流側に向かって小径化するテーパ穴を形成しており、その最小径部の内径は前記上流側シートリング１５の穴径Ｄ１に等しい。また、上流側リテーナ１６の内周面と上流側シートリング１５の外周面との間には、前記ばね１７を収納する環状の収納部２３が形成されている。この収納部２３は、上流側シートリング１５の外周面に形成された段差部２３Ａと、上流側リテーナ１６の内周面に形成された段差部２３Ｂとで構成されている。さらに、上流側リテーナ１６の内周面には、前記Ｏリング１８が嵌着される環状の溝２４が形成されている。

前記上流側リテーナ１６の上流側開口部１６ａの開口端面には、回転操作部を構成する複数個の凹部２５が形成されている。上流側リテーナ１６の前記上流側端部１６Ｂより後方部分である本体部１６Ｃは、前記上流側端部１６Ｂより長く形成されている。この本体部１６Ｃと上流側端部１６Ｂとの接合部には、上流側リテーナ１６の内周面と外周面を貫通する貫通孔からなる４つの上流側流体圧力取出部２６が円周方向に等間隔おいて形成され、さらにこの圧力取出部２６が形成されている部分より下流側外周面には、４つからなる第１の導通路２７（図３）が周方向に等間隔おいて形成されている。この第１の導通路２７は、上流側リテーナ１６の軸線方向に形成された溝からなり、上流側端が前記各上流側流体圧力取出部２６に連通している。さらに、上流側リテーナ１６の外周面で下流側端には、前記４つからなる第１の導通路２７の下流側端を連通する環状溝２８が形成されている。なお、上流側リテーナ１６の上流側流体圧力取出部２６は、外径Ｄ₂ を有し、上流側開口部の開口端面の内径Ｄの２倍より大きな距離Ｌ₁ （Ｌ₁ ＞２Ｄ）だけ上流側に離れた位置に設けられている。

さらに、弁本体４には、前記各第１の導通路２７を前記環状溝２８を介して差圧検出手段としての差圧センサ３１に接続する第２の導通路２９が形成されている。第２の導通路２９は、弁本体４の肉厚内に内外を連通するように半径方向に形成された貫通孔で構成されている。このため、前記上流側管路３Ａ内の流体圧力Ｐ₁ は、上流側流体圧力取出部２６−第１の導通路２７−環状溝２８−第２の導通路２９を通って差圧センサ３１に導かれる。

前記差圧センサ３１は、弁本体４の上流側管路３Ａ内の流体圧力Ｐ₁ と、下流側管路１３Ｂ内の流体圧力Ｐ₂ との差圧ΔＰ（＝Ｐ₁ −Ｐ₂ ）を検出するためのもので、前記弁本体４の外周面側面で前記弁体６と略対応する位置に固定されている。

前記弁本体４の内部で前記弁体６の下流側には、弁体６の着座部１２に密接する下流側シートリング４０と、この下流側シートリング４０を軸線方向に移動自在に保持する下流側リテーナ４１と、前記下流側シートリング４０を上流側に付勢し弁体６の着座部１２に押し付ける弾性部材としてのばね４２と、下流側シートリング４０と下流側リテーナ４１との間をシールするＯリング４３が配設されており、これらによって下流側シートリング部のシール構造を構成している。

前記下流側シートリング４０は、弁体６を挟んで上流側シートリング１５と対向し、上流側シートリング１５とともに弁体６を回動可能に挟持している。下流側シートリング４０の中心孔４０ａと前記下流側リテーナ４１の中心孔４１ａは、前記流路３の下流側流路３Ｂを形成している。なお、下流側シートリング４０は、上流側シートリング１５と同一形状に形成されている。

前記下流側リテーナ４１は、前記上流側リテーナ１６よりも十分に長く形成されている点で前記上流側リテーナ１６と異なり、それ以外は全く同じである。すなわち、下流側リテーナ４１は、上流側リテーナ１６に比べて３〜４倍の長さを有し、上流側開口部内に前記下流側シートリング４０が前記ばね４２およびＯリング４３を介して軸線方向に移動自在に収納されている。下流側リテーナ４１の内周面と下流側シートリング４０の外周面との間には、前記ばね４２を収納する環状の収納部５０が形成されている。さらに、下流側リテーナ４１の内周面には、前記Ｏリング４３が嵌着される環状の溝５１が形成されている。

下流側リテーナ４１の後端は、雄ねじ４５の形成によって雄ねじ部４１Ａを形成しており、前記弁本体４の下流側開口部の内周面に形成した雌ねじ４６にねじ込まれている。雄ねじ部４１Ａの表面には、回転操作部を構成する複数個の凹部５３が形成されている。下流側リテーナ４１の前記雄ねじ部４１Ａより前方部分は本体部４１Ｂを形成しており、この本体部４１Ｂと前記雄ねじ部４１Ａとの境部には、下流側リテーナ４１の内周面と外周面のと間を貫通する半径方向の貫通孔からなる４つの下流側流体圧力取出部５４が円周方向に等間隔おいて形成され、さらにこの圧力取出部５４が形成されている部分より上流側外周面には、４つからなる第３の導通路５５（図５）が周方向に等間隔おいて形成されている。この第３の導通路５５は、下流側リテーナ４１の軸線方向に形成された溝からなり、下流側端が前記各下流側流体圧力取出部５４に連通している。一方、下流側リテーナ４１の外周面で上流側端には、前記４つからなる第３の導通路５５の上流側端を連通する環状溝５６が形成されている。なお、下流側リテーナ４１の下流側開口部４１ｂの内径Ｄ₃ は、下流側シートリング４０の中心孔４０ａの内径（Ｄ₁ ）より大きく、下流側流体圧力取出部５４は外径がＤ₃ で、前記弁体６から下流側リテーナ４１の下流側開口部４１ｂの開口端面の内径Ｄ₃ の６倍より大きな距離Ｌ₂ （Ｌ₂ ＞６Ｄ₃ ）だけ下流側に十分に離れた位置に設けられている。なお、下流側管路３Ｂの下流側開口端面の内径Ｄ₃ は、上流側開口部１６ａの開口端面の内径Ｄと同一に設定されている（Ｄ₃ ＝Ｄ）。

さらに、前記弁本体４には、前記各第３の導通路５５を前記環状溝５６を介して前記差圧センサ３１に接続する第４の導通路５７が形成されている。この第４の導通路５７は、弁本体４の肉厚内に内外を連通するように半径方向に形成された貫通孔で構成されている。このため、弁本体４の下流側管路３Ｂ内の流体圧力Ｐ₂ は、下流側流体圧力取出部５４−第３の導通路５５−環状溝５６−第４の導通路５７を通って差圧センサ３１に導かれる。

前記流量制御弁１は、さらに前記弁体６の弁開度量を検出するポテンショメータ等からなる弁開度量検出手段６０と、弁本体４内を流れる流体２の流量を算出する流量算出手段６１を備え、この流量算出手段６１に前記差圧センサ３１と前記弁開度量検出手段６０が信号線６２、６３によって接続されている。

このような構造からなる流量制御弁１において、弁体６を回動させて全閉状態から図１に示す全開状態に切り替えると、上流側の配管より流量制御弁１に供給される流体２は、上流側管路３Ａ（上流側リテーナ１６とシートリング１５の中心孔）−弁体６の貫通流路９−下流側管路３Ｂ（下流側シートリング４０の中心孔４０ａ、下流側リテーナ４１の中心孔４１ａ）を通って下流側の配管に流れる。このとき、弁本体４内を流れる流体２の上流側圧力Ｐ₁ は、上流側圧力取出部２６−第１の導通路２７−環状溝２８−第２の導通路２９を経て差圧センサ３１に導かれる。また、弁本体４内を流れる流体２の下流側圧力Ｐ₂ も、下流側圧力取出部５４−第３の導通路５５−環状溝５６−第４の導通路５７を経て差圧センサ３１に導かれる。差圧センサ３１では、上流側圧力Ｐ₁ と下流側圧力Ｐ₂ が導かれると、これらの差圧ΔＰ（＝Ｐ₁ −Ｐ₂ ）を検出し、その測定値を流量演算手段６１に送出する。

また、弁開度量検出手段６０は、弁体６の弁軸７の回動角度を検出し、その計測値を前記流量演算手段６１に送出する。流量演算手段６１は、差圧センサ３１の計測値と弁開度量検出手段６０の計測値に基づいて流量係数（Ｃｖ値）を求め、これらの計測値と流量係数とから弁本体４内を流れる流体２の流量Ｑを上記した式（１）により算出する。

このように、本発明においては、流量制御弁１の上流側圧力取出部２６と差圧センサ３１とを接続する第１、第２の導通路２７、２９と、下流側圧力取出部５４と差圧センサ３１とを接続する第３、第４の導通路５５、５７を上流側リテーナ１６、下流側リテーナ４１および弁本体４にそれぞれ形成したので、弁本体４の外側に流路配管を付設する必要がなく、流量制御弁１をコンパクト化することができる。また、第１、第３の導通路２７、５５は、弁本体４の内周面と上、下流側リテーナ１６、４１の外周面との間を利用しているので、別部材を弁本体４内に組込む必要がなく、部品点数および組立工数の増加を防止することができる。

さらに、上流側流体圧力取出部２６を、弁体６から上流側にＬ₁ だけ十分に離れた位置に設け、下流側圧力取出部５４を弁体６から下流側にＬ₂ だけ十分に離れた位置に設けるとともに、４つからなる第１の導通路２７の下流側端を環状溝２８で互いに連通させ、同じく４つからなる第３の導通路５５の上流側端を環状溝５６で互いに連通させているので、乱流による影響が少なく、上流側と下流側の流体圧力取出部２６、５４付近の流体２の上流側圧力および下流側圧力を高精度で検出することが可能で、精度の高い流量測定を行うことができ、この流量制御弁１による測定精度および信頼性を向上させることができる。

なお、上記した実施の形態は、第１、第３の導通路２７、５５と環状溝２８、５６を上流側と下流側のリテーナ１６、４１の外周面にそれぞれ形成した例を示したが、代わりに弁本体４の上流側と下流側の内周面にそれぞれ形成してもよい。

また、本発明の実施の形態では流量制御弁をフローティングタイプの二方ボールバルブに適用した例で説明したが、トラニオンタイプの二方ボールバルブに適用することもできる。その場合には、フローティングタイプの二方ボールバルブに設けられていた、下流側シートリング４０および下流側リテーナ４１は必ずしも必要ではなく、その他の部材は全て流用できる。もしくは、下流側シートリング４０のみ除いて構成してもよい。

本発明に係る流量制御弁の一実施の形態を示す全開時における横断面図である。 図１のII−II線断面図である。 図１のIII−III線断面図である。 図１のＩＶ−ＩＶ線断面図である。 図１のＶ−Ｖ線断面図である。

符号の説明

１…流量制御弁、２…流体、３…流体流路、３Ａ…上流側管路、３Ｂ…下流側管路、４…弁本体、６…弁体、１５…上流側シートリング、１６…上流側リテーナ、２６…上流側流体圧力取出部、２７…第１の導通路、２８…環状溝、２９…第２の導通路、３１…差圧センサ、４０…下流側シートリング、４１…下流側リテーナ、５４…下流側流体圧力取出部、５５…第３の導通路、５６…環状溝、５７…第４の導通路、６０…弁開度量検出手段、６１…流量算出手段。

Claims (2)

1. 弁本体内に回動自在に配設され前記弁本体内を通過する流体の流量を調節する弁体と、
   前記弁体の着座部に圧接される上流側シートリングと、
   前記上流側シートリングを保持する上流側リテーナと、
   前記弁体の弁開度量を検出する弁開度量検出手段と、
   前記弁本体の上流側管路内の流体圧力と下流側管路内の流体圧力との差圧を検出する差圧検出手段と、
   前記差圧検出手段の計測値と前記弁開度量検出手段の計測値とに基づいて流量係数を求め、これらの計測値と前記流量係数から前記流体の流量を算出する流量算出手段とを備え、
   前記差圧検出手段を前記弁本体の外周面に取付け、
   前記上流側リテーナの上流側近傍の内周面と外周面との間を貫通する上流側流体圧力取出部を設け、前記弁本体の内周面と前記上流側リテーナの外周面との間に上流側端が前記上流側流体圧力取出部に連通する第１の導通路を形成し、前記弁本体に前記第１の導通路の下流側端と前記差圧検出手段とを接続する第２の導通路を形成したことを特徴とする流量制御弁。
2. 請求項１記載の流量制御弁において、
   前記弁体の着座部に圧接される下流側シートリングと、
   前記下流側シートリングを保持する下流側リテーナとをさらに備え、
   前記下流側リテーナの下流側端部近傍の内周面と外周面との間を貫通する下流側流体圧力取出部を設け、前記弁本体の内周面と前記下流側リテーナの外周面との間に下流側端が前記下流側流体圧力取出部に連通する第３の導通路を形成し、前記弁本体に前記第３の導通路の上流側端と前記差圧検出手段とを接続する第４の導通路を形成したことを特徴とする流量制御弁。
   

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