工学設計における調節弁の比率調整の実際的な重要性

この質問は、いくつかの言葉で明確に説明することはできません。流量係数の計算過程をご覧いただけます。このプロセスでは、最大流量と最小流量がすでに提供されています。コントロールバルブの調整能力がプロセス要件を満たすことができれば十分です。調整可能比はコントロールバルブの調整範囲を表しており、一部の機器のレンジ比とほぼ同じです。この領域の情報をよく見てみると、その理由がわかるでしょう。

メーカーは通常、バルブの理想的な R を 30 ～ 50 の範囲で教えてくれます。実際の R は S を伴うため、はるかに小さく、メーカーが実際の R を計算するのは簡単ではありません。S が 0.3 ～ 0.5 の場合、対応する R は 5.5 ～ 7 になります。実際の R は一般的に 10 程度であることがわかります。わかりますか？

コントロールバルブには 2 つの基本的な流量特性があります： 直線流量特性調整弁の流量係数と調整率の関係に関する研究 - 式1 イコールパーセンテージ流量特性 Ф=Ф0Rh (2) ここで：Ф は特定の開度に対応する流量係数です；R は調整可能な比率です；h は相対的な開口部です；Ф0 は h=0 の流量係数です。 従来の説明によると、可調整比 R は制御可能な最大流量の比、つまり調整弁の流量係数と調整比の関係の研究 - 式 3 を指します。調整弁を設計するときは、最初に R 値を設定し、次に各開度での流量係数 Ф を計算する必要があります。これは、バルブコアカーブとスリーブウィンドウを設計するための基礎として使用されます。国内調節弁業界における２つの統一設計は、いずれもＲ＝３０の設定を前提として、各開度に対応する流量係数の理論値を算出している（表１参照）。 表1 R=30調節弁の各相対開度の流量係数Ф 流量特性Ф0 各相対開度Ф値 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 Linear 3.33 13.00 22.67 32.33 42.00 51.67 61.33 71.00 80.67 90.33 100.00 等しいパーセンテージ 3.33 4.68 6.58 9.25 12.99 18.26 25.65 36.05 50.65 71.17 100.00 アプリケーションの観点から、調節弁の方が大きく、KD は調整比 R に関係します。 リニア特性調整弁の流量係数と調整比の関係の研究 - 式 4 等パーセント特性調整弁の流量係数と調整比の関係の研究 - 式 5 ここで：Lは全ストローク開度です。KD を増加すると R 値も増加するはずであることがわかります。したがって、メーカーは調整可能な比率が一定の値以上であることを性能指標として示します。ただし、調整弁のR値が大きくなるほど、設計や製造が困難になります。シングルシート、ダブルシートコントロールバルブの場合、R値が大きすぎるとバルブコア製作時に開度90%～100%の範囲でアンダーカットが発生します。；スリーブコントロールバルブの場合、R値が大きすぎると開度90%～100%の範囲で窓寸法が大きくなりすぎて製作できません。これらにより、Ｒ値の向上が制限される。 メーカーはR=30を前提として調節弁製品を設計・製造していますが、実際の調節弁製品のR値やR=30からの偏差についてはまだ注目されていません。設計者のR値の理解はQmaxとQminの比に限られており、Qminは測定できない理論値に過ぎないため、実際の調整可能な比は計算できないと考えられます。これまで見てきた調整弁に関する情報では、この点に関する議論は見当たりません。調節弁に関する国内外の規格には、R 値の測定、計算、評価方法が提案されていません。これは、調整可能比率の概念の一方的な理解によって引き起こされます。今後、調整可能比と流量係数との関係について、さらなる議論と研究を行う必要がある。 1. 比較可能なバルブと流量特性曲線の関係。 R値が依存するのは流量係数の計算式からもわかりますが、相対ストロークにおける流量係数の値が決まります。したがって、この点は調節弁の設計、製造、応用の観点から非常に重要な実用的意味を持ちます。調整弁は最小開度で使用することは不可能、つまり Qmin で動作しないからです。一定の開度（一般的に全ストロークの20％～80％）で流量を制御する使用シーンが多くなります。このとき、調整弁の流量係数によって調整弁の作動開度が決まり、ストロークに対する流量係数の変化によって調整弁の増幅率が決まり、これらはすべてR値に関係します。したがって、単純にQmaxとQminの比からR値を把握することはできず、流量特性曲線全体の特徴的なパラメータとして捉える必要があります。 式 (1)、(2)、(3)、および (4) の分析から、R 値の変化は線形流量特性にほとんど影響を及ぼさないことがわかります。特に R>1 の場合、Ф と KD は両方とも R 値と無関係です。；イコールパーセンテージ特性への影響はより大きいため、この記事で説明する値が流量係数に及ぼす影響はイコールパーセンテージ特性に限定されます。 流量特性曲線の特徴パラメータとしてＲ値を使用する場合、全ストロークの流量特性曲線は、いくつかの異なるＲ値によって決定される複数の流量特性曲線の組み合わせとしてみなされることが想像できる。開度が0～80％の場合、制御弁の作動ストローク範囲内で十分なR値、つまり十分な増幅を得るには、R値を大きくする必要があります。80% ～ 100% の開度範囲では、R 値を小さくする必要があり、制御バルブの製造プロセス中にバルブコアの曲線とスリーブウィンドウの開口度を実現しやすくなります。作動開度の下で R 値を増やすことは、制御バルブの設計において流量容量の改善を検討する方法としても使用できます。セグメントで異なる R 値を取るという考えは、IEC534-2-4 (草案) および一部の外国の制御弁流量係数表に反映されています。このとき、調整可能な比率の意味は、Qmax と Qmin の比率ではなくなります。流量特性曲線の特徴的なパラメータとして認識され、検討される必要があります。 2 R値計算方法 コントロールバルブの実調整比R値を計算することができます。式(2)より、 lnФ=lnФ0+hlnR (6) と推定できます。 lnФ-h 座標系では、等パーセント流量特性曲線は直線であり、実際には R 値が直線の傾きを決定します。調整弁の流量特性を実測することにより、複数の（Ф、h）データが得られます。製造誤差や測定誤差により、これらの測定値はlnФ-h座標系において略直線上に分布しており、この近似直線が実際の調整弁の流量特性曲線と考えられます。このような直線を取得し、座標系内のこれらの点に最も近づけるには、最小二乗法を使用して解くことをお勧めします。 調整弁の流量係数を開度ごとに測定すると、相対ストロークと流量係数のデータをK個取得できます。式 (6) に代入すると、式グループの流量係数と調整弁の調整可能な比率の間の関係に関する研究が得られます - 式 7 ここで、：Ф0、R はこの制御弁の実際の値であり、その近似値は式セット (7) から最小二乗法を使用して取得できます。： 流量係数と調整弁の調整比の関係に関する研究 - 式 8 一般に、10 個の開度を測定に使用します。つまり、hi をそれぞれ 0.1、0.2、0.3、...、1.0 に減らします。このとき、K=10、流量係数と調整弁の調整比の関係を調べる - 式1=5.5；流量係数と調整弁の調整比の関係についての研究 - 式 2 = 3.85。式（8）に代入すると、流量係数と調整弁の調整可能な比率の関係-式9が検討されます。測定された流量係数Фiを式（9）に代入すると、調整弁の実際の調整可能な比率R値を解くことができます。表１の媒体百分流量係数の理論値を式（９）に代入すると、Ｒ＝３０が逆算できる。式（９）により、ストローク全体の調整可能比率が求まる。作業セクションにおける調整弁の調整可能な比率を正確に理解するために、hi をそれぞれ 0.2、0.3、...、0.8、つまり k=7 とみなすことができます。調整弁の流量係数と調整比の関係の検討 - 式3 = 3.5、調整弁の流量係数と調整比の関係の検討 - 式4 = 2.03、次に調整弁の流量係数と調整比の関係の検討 - 式10 開度20%～80%の流量係数を代入すると、流量特性のR値が求められます。このセクションの内容を取得できます。同様に、表１の理論値データを式（１０）に代入すると、Ｒ＝３０も逆算できる。式(9)と(10)のФ値は比の形で現れるため、絶対流量係数を使用しても相対流量係数を使用しても結果は同じになります。したがって、R 値を計算するのに非常に便利です。同様に、任意の区間の流量特性曲線の値を計算する必要がある場合にも、対応する計算式を導出することができる。 3 一部の国内外コントロールバルブのR値の比較は式(9)に基づきます。対応するR値は、フィッシャー製ED型スリーブバルブのほか、国内設計の複座コントロールバルブや共同設計のスリーブコントロールバルブの流量係数を用いて算出しています。結果を表２〜表４に示す。 表からわかるように、複座制御弁とスリーブ制御弁は設計時にR=30に設定されていますが、実際に生産される各種仕様の制御弁のR値は異なります。 表2 複座調節弁の流量係数Ф値とR計算値 呼び径DN×dN 各相対開度Ф値の調整比 R 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 25 2.65 4.57 7.84 12.76 17.96 25.04 35.00 49.11 74.53 103.39 51.5 32 3.09 6.30 9.90 13.99 18.90 24.60 30.10 42.80 74.40 100.00 34.6 40 7.44 10.28 11.52 13.22 16.88 21.92 28.82 52.84 78.92 92.00 17.4 50 7.68 11.89 14.90 18.40 22.90 29.50 37.80 53.50 70.40 98.20 14.6 65 3.95 7.72 11.36 15.53 20.20 26.56 36.51 50.77 77.53 99.58 28.9 80 3.34 7.64 10.49 14.63 19.85 28.00 37.75 50.28 75.49 97.25 32.4 100 4.70 7.68 10.32 14.20 18.81 27.35 37.02 52.82 72.39 97.60 27.1 125 4.14 6.49 9.47 12.89 19.37 27.61 37.34 51.88 66.66 103.63 32.3 150 2.55 5.70 8.50 12.42 18.17 25.45 34.98 48.48 76.74 96.81 45.7 200 12.20 16.10 20.10 25.10 32.00 46.50 75.80 100.50 20.0 表3 スリーブ調整弁流量係数Ф値とR 計算値 呼び径DN×dN 各相対開度Ф値 調整比R 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 25 4.10 7.90 12.10 16.50 20.40 29.60 42.20 61.00 81.50 103.00 30.9 40 C=16 2.12 6.06 10.00 14.31 18.75 24.75 34.50 51.06 73.75 96.88 45.3 60 C=25 6.54 9.12 11.76 14.84 20.24 28.16 38.60 56.00 78.00 99.20 21.3 50 3.10 6.45 9.90 15.05 22.48 32.50 46.50 67.50 90.50 97.75 45.2 65 3.25 6.83 10.24 14.63 20.63 27.46 40.32 58.73 86.35 107.94 41.2 80 4.20 7.67 11.10 14.97 21.05 29.70 40.60 60.50 80.10 92.60 29.9 100 3.57 7.37 11.03 15.21 21.80 30.39 44.13 64.90 82.06 93.23 34.9 125 C=250 3.69 7.00 10.80 15.24 21.20 29.80 41.60 59.60 87.60 102.80 36.9 125 C=370 3.34 7.14 10.84 15.19 21.89 31.62 45.95 65.41 82.43 93.24 37.5 200 3.17 6.90 10.79 15.66 22.41 31.90 42.76 60.34 81.21 96.03 37.8 300 3.31 6.92 10.54 14.54 20.23 28.62 43.85 64.23 82.31 94.08 38.3 表4 フィッシャー社ED型スリーブバルブの流量係数Ф値とR計算値 呼び径DN×dN 各相対開度Ф値 調整比R 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1*1/4×1*5/16 0.783 1.54 2.20 2.89 4.21 5.76 7.83 10.9 14.1 17.2 27.4 1*1/2×1*7/8 1.52 2.63 3.87 5.41 7.45 11.2 17.4 24.5 30.8 35.8 36.3 2×2*5/16 1.66 2.93 4.66 6.98 10.8 16.5 25.4 37.3 50.7 59.7 57.6 2*1/2×2*7/8 3.43 7.13 10.8 15.1 22.4 33.7 49.2 71.1 89.5 99.4 41.3 3×3*7/16 4.32 7.53 10.9 17.1 27.2 43.5 66.0 97.0 120 136 54.2 4×4*3/8 5.85 11.6 18.3 30.2 49.7 79.7 125 171 205 224 64.8 6×7 12.9 25.8 43.3 67.4 104 162 239 316 368 394 47.1 8×8L=2 18.5 38.0 58.4 86.7 130 189 268 371 476 567 41.9 8×8L=3 27.0 58.1 105 188 307 478 605 695 761 818 43.1 表 2 のこれら 2 シリーズの調節弁の R を比較してください。これらの値から、複座形制御弁の各仕様のＲ値の偏差が大きく、スリーブ形制御弁の各仕様のＲ値の偏差が小さいことがわかる。これは、2 つのバルブを設計するときに流量特性に対して異なる誤差基準を使用することと一致しています。複座調整弁はストロークごとの流量値の偏差範囲を最大流量値の10％とし、スリーブ弁は国際IEC規格のスロープ法により流量特性偏差を算出します。明らかに、後者の方法は、前者の方法よりも R 値が設計要件を確実に満たすことができます。これは、IEC 標準傾斜法の進歩も示しています。 表2、表3、表4を比較すると、国産調節弁のR値が海外製調節弁に比べて小さいことがわかります。国産複座バルブの平均R値＝30.5、シンプルセットバルブの平均R値＝36.2；フィッシャーのED型簡易バルブのRの平均値は45.9です。 次に国産簡易スリーブバルブとフィッシャー社製ED形簡易スリーブバルブの作動ストローク部(h=0.2～0.8)におけるR値を(10)式より算出し、フルストローク時のR値と比較します。結果を表５および表６に示す。国産簡易バルブの作動ストローク部のR値は、フルストロークのR値に大きな変化なく近い値である平均値R=34.2であるのに対し、フィッシャー社の簡易バルブの作動ストローク部のR値はフルストロークのR値よりも大幅に高い平均値R=60.5であることがわかります。 作動ストロークセクションのR値を大きくする利点は、自動制御システムのニーズをよりよく満たすことができ、80％開度での流量係数値も大きくできるため、全開時のバルブの流量容量が大幅に向上します。R値の分析と比較を通じて、国内外の調節弁の設計レベルには一定のギャップがあることが示されました。 表5 国内スリーブ調整弁 R値 スリーブバルブストローク断面 スリーブバルブ仕様 R値 R 平均 20 40 C=16 40 C=25 50 65 80 100 125 C=250 125 C=370 200 300 全ストローク 30.9 45.3 21.3 45.2 41.2 29.9 34.9 36.9 37.5 37.8 38.3 36.2 h=0.2~0.8 26.9 28.9 20.5 49.2 33.4 29.5 35.4 33.0 39.2 35.2 38.4 34.2 表6 Fisher CompanyスリーブバルブR値 スリーブバルブストローク断面 スリーブバルブ仕様 R値 R平均1*1/4×1*5/1 1*1/2×1*7/8 2×2*5/16 2*1/2×2*7/8 3×3*7/16 4×4*3/8 6×7 8×8L=2 8×8L=3 フルストローク 27.4 35.3 57.6 41.3 54.2 64.8 67.1 41.9 43.1 45.9 h=0.2～0.8 25.8 41.5 69.7 46.2 78.1 99.7 69.0 45.0 69.7 60.5 4. IEC 534-2-4 (草案) の理解 IEC 534-2-4 (草案) のセクション 3.3 では、等パーセント流量特性について次の規定が規定されています。： “h = 0.2 と h = 0.8 の間では、流量係数の任意の 2 つの隣接する公表値の対数間の差は、0.13 から 0.2 インチの範囲内でなければなりません。“h=0.2 より下の 2 つの値は 0.13 と 0.25 に対応します。；h=0.8 を超えると、この値は 0.03 および 0.2 インチになります。 ここでの流量特性偏差範囲の選択は、Ｒ値の変動範囲によって決まると考えてください。試算 R=20, 0.1×logR=0.13 R=100, 0.1×logR=0.20 R=300, 0.1×logR=0.25 R=2, 0.1×logR=0.03 つまり流量特性偏差は実際には細分化された限界R 値の変動範囲はh=0.2～0.8、R=20～80； h=0.8～1.0、R=2～100； h=0～0.2、R=20～300； このIECの規定は、R値を流量特性曲線の特性パラメータとして具体化し、全ストローク範囲内で異なるR値をとり得るという設計思想を実現しています。国家規格 GB 4213-84「空気圧制御バルブの一般技術条件」は、この問題に関して IEC 規格とは多少異なります。R 値と流量係数の関係についての詳細な議論は、調整弁の設計、製造、および用途にとって一定の重要性を持ちます。我が国における調整弁の基礎理論研究を強化し、調整弁の設計・製造レベルを向上させることが非常に必要です。

調整弁の流量係数（欧米規格ではCv値、国際規格ではKV値と呼ばれます）は、標準（試験）条件下での体積流量または質量流量を指します。調整弁の最大流量係数Kvとは、：調整弁が全開のとき、弁の前後端の圧力差ΔPが100KPa、流体の重量rが1gf/cm3（20℃の水）のとき、1時間あたりに調整弁を流れる体積流量、単位はm3/hです。 制御バルブのターンダウン比 R は、最大流量係数と最小流量係数の比として定義されます。これは、標準条件下でバルブを流れる水の最大体積流量と最小 (制御可能な) 体積流量の比であり、バルブの流量調整能力を示します。