各種多段式減圧調節弁の特徴と選定方法

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各種多段式減圧調節弁の特徴と選定法 多段式減圧調節弁の一般的な構造タイプとその特徴について、体系的に解説している。圧縮可能な媒体の運用条件における具体的な要求に基づき、調節弁のCV値をどのように計算するかという一般的な方法についてまとめました。これは、多段階減圧調節弁の特徴を理解し、適切に選定するための参考となります。 一、はじめに 現代の工業生産プロセスにおいて、調節弁とは制御システムを用いて配管内の流体流量を変化させるための装置であり、配管系における最終的な制御要素として、流体媒体の分配や流量の調整など、重要な役割を果たしている。近年、工業技術の進歩に伴い、実際の生産現場で生じる高温や高圧といった特殊な作業環境が、調節弁に対してより高い要求を突きつけています。特に高圧差の環境で使用される調節弁では、流速が非常に高いため、内部の流量制御部に洗掘腐食が生じやすく、さらにキャビテーション現象によるエロージョン、騒音、振動といった問題も伴い、安全な生産に大きなリスクをもたらします。そのため、国内外の一部のメーカーは、高圧差条件下で使用するための多段式減圧構造の調節弁をそれぞれ研究開発している。 本稿では、一般的な各種多段減圧調節弁の構造、動作原理、および特徴についてそれぞれ解説する。また、圧縮可能な動作条件において、ユーザーが実際の要求流量に基づいて調節弁のCV値を算出するための一般的な方法についてもまとめました。ユーザーが多段階降圧調節弁の特長を理解し、適切に選定するための参考となります。 二、多段式減圧調節弁の一般的なタイプと特徴 調節弁で発生するキャビテーション現象の根本的な原因は、弁の前後の圧力差が過大であることにある。一般的に、Δpが2.5MPaを超えると、流体はバルブ内部の絞り部に入る際に圧力が急激に低下し、流れる断面積が最も小さい場所で圧力が最低値になります。この圧力が現在の温度における流体の飽和蒸気圧よりも低くなると、液体の一部が気化して多数の微小な気泡が生成されます。流体が絞り口を通過して圧力が再び上昇すると、これらの気泡は破裂して再び液体状態に戻り、バルブ本体やバルブシートなどの部品に衝撃を与え、騒音や振動などの問題を引き起こします。近年、国内外の一部の調節弁メーカーは、過酷な作業条件で使用されるための、キャビテーションに強い多段減圧調節弁として、さまざまなタイプの製品を開発している。一般的な多段減圧調節弁は3つのタイプに分けられ、構造は異なるものの共通の動作原理を持っている。すなわち、構造を変更することで全体的な圧力差を複数の段階に分けて徐々に減圧し、各段階の圧力降下Δp1をキャビテーションが発生する臨界圧力差未満に保つことで、キャビテーションなどの害を効果的に防ぐのである。 1. 串列式調節弁 串列式の多段減圧構造は図1に示されている。この構造では、元々1つだった一体型の流量制御領域を複数の独立した流量制御領域に分けて直列に接続することで、大きな圧力差を複数の小さな圧力差に変換し、各減圧範囲を飽和蒸気圧以上に保つことでキャビテーション現象が発生しないようにしている。図1 串列型調節弁 串列型調節弁は、液体媒体を扱う場面でよく使用されます。その特徴は以下の通りです：1）開閉過程において持続的な圧力差を軽減でき、各段階の流量制御部の動作は前段のものより遅れるため、開閉時にバルブにかかる持続的な高圧が段階的に緩和され、第1段の流量制御部の負担が軽減されます。 2）流れの抵抗が小さく、流体の清浄度が低い場合や、固体と液体の二相流の場合にも対応できる。 3）シリアル型バルブコアは一般的にタングステンカーバイドのスプレー硬化処理が施され、洗掘やキャビテーションに対する耐性が優れている。 4）製造工程は他の多段減圧調節弁と比べて工程が比較的シンプルで、加工が容易であり、製造コストも比較的低い。 5）串列式調節弁は一般的に降圧段数が限られており、多くは3～4段で、圧力差が過度に大きい場所では使用できない。 2. 多層スリーブ式調節弁　多層スリーブ式の多段減圧構造は図2に示す通りで、発電所や化学工業などの分野でよく使用される。図2 多層スリーブ式調節弁　多層スリーブ式調節弁の典型的な構造的特徴は、バルブのスロット部が多数の層からなる小孔を持つスリーブで構成されており、各スリーブ間には一定の隙間が設けられていることです。これにより、流体がスリーブを通過する際に緩和され、流体の速度が一定範囲内に制御されます。 その特徴は、1）多段スリーブ式調節弁の減圧段数を大きく設計でき、シリーズ式と比較して減圧能力が強く、高圧差の場面にも対応できることです。 2）多層スリーブ式構造は、高い圧力降下の要求を満たすと同時に、動作時にも大きな流量を確保できる。 3）キャビテーション耐性に優れ、液体媒体を使用する場合、流体は最も外側のスリーブから最も内側へと流れ、スリーブ内で段階的に圧力が下がることでキャビテーションの発生が軽減される。そして流体は最終的に内側スリーブ上の小孔から中央のバルブ室領域へ噴出し、スリーブの中心部で気泡が破裂するため、バルブの金属表面に直接的な損傷を与えない。 4）ノイズや振動に対する耐性が優れており、気体媒体を使用する場合はスリーブの内側から外側へと流れます。外側のスリーブの穴の大きさや隙間は内側と比べて広くなっているため、気体媒体は段階的に圧力が下がる過程で絶えず膨張し、ノイズや振動がもたらす悪影響を効果的に低減できます。 5）スリーブの加工工程は比較的複雑で、コストが高い。しかし、設置やメンテナンスが簡単で、交換も容易です。 3. ラビリンス式調節弁 ラビリンス型の溝が刻まれた複数の金属製ディスクを重ね合わせた多段減圧構造が図3に示されており、その核心となる流量制御部はこれらのディスクで構成されている。流体が迷路状の流路を流れる際に何度も衝突や方向転換を繰り返し、エネルギーが消費される。これにより段階的に圧力が降下すると同時に、流速も制御されるのである。図3 ラビリンス式調節弁は、一般的に原子力や発電所などの業界で、高温高圧の特殊な環境下で使用されます。作動媒体は過熱蒸気が多いですが、液体媒体にも使用できます。その特徴は以下の通りです。 1）ラビリンス流路の曲がりの段数は、ラビリンス式調節弁の減圧段数に相当し、一般的に10数段から20数段に達する。そのため、ラビリンス式の多段減圧構造は、一般的な多段減圧調節弁の中で最も強力な減圧能力を持っており、海外製品では最大40MPaに達するものもある。 2）優れたキャビテーション耐性および騒音・振動低減性能を有し、多段屈曲型のラビリンス流路によって流体の流速を効果的に制御し、キャビテーションや騒音、振動といった不良現象の発生を防ぎます。 3）異なる形状の迷路ディスクを組み合わせることにより、迷路式調節弁はさまざまな流量特性の調節曲線を実現することができる。 4）迷路式ディスクの製造精度は非常に高く、一般的にステライト合金を溶着して作られ、長寿命を誇る；設置とメンテナンスが比較的簡単で、ディスクの交換も容易です。 5）迷路式流路は流体媒体の清浄度に高い要求があり、そうでないと迷路流路が詰まりやすくなる。 三、多段階降圧調節弁のCV値の計算
流量係数（CV）は一般的にバルブの流量能力を表すために用いられる。適切な調節弁を選定するためには、使用条件に基づいて必要なCV値を算出し、その値に応じて適切な調節弁の型式を選ぶ必要がある。圧縮可能な状態では、流量制御の過程で流体の圧力が低下し、体積が膨張して密度が減少するため、バルブ内の流れの様子は非圧縮性の場合と比べてはるかに複雑になる。したがって、圧縮可能な状態でよく使用される多段式減圧調節弁においては、その流量係数の計算方法も特別なものとなります。典型的な圧縮可能な状態におけるCV値の計算には、主に圧縮係数法と膨張係数法という2つの一般的な方法があります。 1. 圧縮係数法 圧縮係数法は1950年代にソビエト連邦によって提唱されたもので、圧縮可能な状態における流量係数を計算するための初期の式の一つである。圧縮係数法は気体の圧縮性を考慮し、一般的な液体の計算式に気体の圧縮係数εを加えることで、液体の計算式を補正する。この方法では計算モデルを大幅に単純化し、さまざまな形態の調節弁をすべて同じ流量ノズルとして扱い、その後ノズル内での気体媒体の流れを断熱過程であると仮定して、エネルギー平衡方程式から計算式を導き出す。すなわち：（1）式において、γNは標準状態における気体の比重で、単位はkgf/m3（1kgf＝9.8N）である； Q——標準状態における体積流量、単位はm3/h； T——ガス温度、単位はK； p1——バルブ前の圧力、単位はkgf/m2（1kgf＝9.8N）； ∆p——バルブの前後の圧力差で、単位はkgf/m2です。 圧縮係数εは試験によって求めることができ、一般的に空気を用いた試験では次のようになる：（2）圧縮係数法の他に、初期にはバルブ前の密度法、バルブ後の密度法、平均密度法などの方法もあった。初期の式は、圧力回復度が低い場合にのみ適用可能であり、非臨界流領域では良好な計算精度を保証できる。しかし、計算モデルを単純化するための式のため、∆p/p1が臨界圧力比に達すると大きな誤差が生じ、遷移領域および臨界領域では要求を満たすことができない。 2.膨張係数法　初期の計算式ではバルブの圧力回復特性が計算に与える影響が考慮されていなかったため、1970年代に海外の一部メーカーによって、膨張係数法、多項式法、正弦法を代表とする一連の後期の式が提案され、初期の式が改良された。これにより、非臨界領域から臨界領域までの計算精度がより良く満たされるようになった。初期の式と比較して、膨張係数法を代表とする後期の式の計算結果はより経済的であり、不必要な無駄を削減することができる。その中で、膨張係数法は計算が簡便であることから、IECによって標準式として推奨されている。膨張係数法は、液体の場合に用いられる計算式に膨張係数Yを導入して修正することによって得られ、Y＝1の場合、膨張係数法は非圧縮性液体の状態にも適用可能である。 （3）式中、ρN――標準状態における気体の密度で、単位はkg/m3； Q——標準状態における体積流量、単位はm3/h； T1——ガス入口温度、単位はK； p1——バルブ前圧力、単位はkPa； X——圧力差比、X＝∆p/p1； Z——圧縮係数。 膨張係数Yとは、同じレイノルズ数において、圧縮可能な媒体の流量係数と圧縮不可能な媒体の流量係数の比を指す。これは、流体がバルブの入口から、絞り穴の下流にある流路面積が最も小さい絞り断面まで流れる際の密度変化、および圧力差が変化したときの絞り断面の面積変化を示している。 （4）式において、FKは比熱比係数であり、FK＝K/1.4である。 計算式自体には上流条件下での流体の実際の密度が含まれていないため、膨張係数法では、特定の条件下における実在気体と理想気体の偏差を補償するために圧縮係数Zが導入される。膨張係数Yは、バルブ入口から喉部までのガス密度の変化を補正するために用いられ、Yは喉部の面積と入口面積の比、流路形状、圧力差比X、レイノルズ数、および比熱比係数FKなどの要因に関連している。膨張係数法は、圧縮可能な流体の流動に影響を与える多くの要因を総合的に考慮しているため、あらゆる流動範囲において高い計算精度を保証でき、さまざまなタイプのバルブに適用可能で、広く利用されています。 四、結語 高圧差条件下で使用される多段式減圧調節弁は、配管システムにおける重要な機器として、制御プロセスにおいて極めて重要な役割を果たしている。本稿では、一般的な3種類の異なるタイプの多段減圧調節バルブの動作原理、核心的な構造、特徴、およびそれぞれ適用される場面について体系的に解説しており、多段減圧調節バルブの基本的なタイプや特徴を理解するための参考となります。さらに、多段式減圧調節弁は圧縮可能な動作条件で頻繁に使用されるため、本稿では圧縮可能な動作条件における流量係数の典型的な計算方法についても整理・まとめを行い、ユーザーが正しい計算方法に基づいて調節弁の具体的なモデルを選定できるようにしている。要するに、本稿は、高圧差の環境で使用される多段減圧調節弁の特徴をユーザーが理解し、適切に選定するための一定の参考となるものである。