ロータリーバルブはどのように機能し、どのタイプがあなたの用途に適していますか?

ロータリーバルブとは何ですか、そしてなぜそれが産業界で広く使用されているのか

ロータリー バルブ (一般に回転バルブとも呼ばれます) は、流体、気体、またはバルク固体材料の流れを調整、方向付け、または遮断する主な機構が固定軸の周りの内部要素の回転である流量制御装置の広範なカテゴリです。ステムとディスクが直線運動して流路を開閉するゲートバルブやグローブバルブなどの直線運動バルブとは異なり、ロータリーバルブは 4 分の 1 回転または複数回転の回転運動によってその機能を実現します。この基本的な設計の違いにより、ロータリー バルブにいくつかの実用的な利点がもたらされます。コンパクトで、迅速に動作し、多くの構成で必要な作動トルクが低く、適切に指定された場合、摩耗を最小限に抑えて確実な遮断を実現します。

ロータリーバルブ これらは、石油やガスのパイプライン、化学反応器から食品加工ライン、医薬品製造、HVAC システム、空気輸送設備に至るまで、実質的に工業製造および加工のあらゆる分野で見られます。その多用途性は、さまざまな内部回転要素の設計に由来しており、それぞれが特定の流れ特性、圧力と温度条件、耐摩耗性要件、衛生基準に対応するように設計されています。回転バルブが機械レベルでどのように機能するか、またあるタイプと他のタイプを区別するものを理解することは、バルブの選択と交換を決定するエンジニア、調達専門家、メンテナンス チームにとって不可欠です。

ロータリーバルブの機能: 中心となる動作原理

すべてのロータリーバルブの動作原理は同じ基本概念に基づいています。つまり、バルブ本体内に配置された回転要素が、回転部品の開口部と本体の入口ポートおよび出口ポートを位置合わせまたは位置合わせすることによって、流れの通路を制御します。回転要素の開口部が両方のポートと一致すると、流れは自由に通過します。エレメントが回転してその固体部分がポートをブロックすると、流れが遮断されます。これら 2 つの極端な値の間で部分的に回転すると、スロットリング、つまり流量の制御された減少が得られます。

回転要素は、密閉されたステム構成を介してバルブ本体を通過する外部シャフトに接続されています。このシャフトは、ハンドルまたはレバーを介して手動で回転するか、電気、空気圧、または油圧アクチュエータを介して自動的に回転します。 90 度回転で全開から全閉までを実現する 4 分の 1 回転ロータリー バルブは、高速動作、シンプルなアクチュエータ設計、および外部ハンドルの方向からバルブの位置を明確に視覚的に示すことができるため、最も一般的な構成です。特定のプラグバルブ設計などのマルチターンロータリーバルブは、複数の完全な回転にわたって動作サイクルを完了しますが、一部の用途ではより細かい流量制御が可能です。

回転要素とバルブ本体の間のシールは、ロータリーバルブ設計における重要なエンジニアリング課題です。用途に応じて、シールは、精密に機械加工された合わせ面との金属同士の接触、回転要素が押し付けるエラストマーまたは PTFE シート リングによって実現されます。また、バルク固体用途では、高圧ゾーンと低圧ゾーンの間の空気や製品の漏れを最小限に抑えるロータとハウジングの間の半径方向の隙間を閉じます。

ロータリーバルブの主な種類と特徴

ロータリー バルブ ファミリには、いくつかの異なるバルブ タイプが含まれており、それぞれが異なる回転要素の形状とシール配置を備えています。正しいタイプを選択するには、バルブの設計特性をアプリケーションの特定の要求 (流体の種類、圧力クラス、温度範囲、必要な流量特性、メンテナンスのしやすさなど) に適合させる必要があります。

ボールバルブ

ボールバルブは、工業用流体システムで最も普及しているタイプのロータリーバルブです。その回転要素は、中心を通る円筒形の穴を持つ球、つまりボールです。ボアがパイプラインと一致すると、流れは最小限の制限で通過します。 4分の1回転すると、ボールの硬い面がシートに当たり、流れを完全にブロックします。フルボアボールバルブのボア径はパイプ内径と同じで、完全に開いたときに実質的に圧力降下がゼロになります。これは、圧力の保存が重要なシステムにおいて大きな利点となります。縮小ボア設計は、コスト削減のためにより小さなボアを使用しており、ある程度の圧力降下が許容できる場合には許容されます。ボールバルブは、優れた双方向遮断、高速動作、低トルク要件を提供し、幅広い材質と圧力クラスで利用できるため、ほとんどの液体およびガスサービスにおける隔離義務のデフォルトの選択肢となっています。

バタフライバルブ

バタフライ バルブは、フロー ボアを直径方向に横切る中央シャフトに取り付けられたディスク (「バタフライ」) を使用します。ディスクが流れの方向と平行になるように回転すると、バルブは全開になります。 4 分の 1 回転させるとディスクが流れに対して垂直になり、バルブが閉じます。バタフライ バルブは開いているときでも常に流路内に留まるため、バタフライ バルブは本質的にフルボア ボール バルブよりも多くの流れ抵抗を生じますが、そのコンパクトで軽量な設計と本体サイズに比べて低コストであるため、大口径パイプライン、特に水処理、HVAC、および低圧プロセス システムで非常に人気があります。偏心ディスク形状を備えた高性能バタフライ バルブ (ダブル オフセットおよびトリプル オフセット設計) は、高圧および高温での要求の厳しい産業用途に適した金属間の厳密な遮断を実現します。

プラグバルブ

プラグバルブは、回転要素として円筒形または先細のプラグを使用し、開いたときに流路と一致する貫通ポートを備えています。プラグはバルブ本体内で回転します。従来は、圧力下で注入されたグリースによって潤滑され、摩擦を軽減し、プラグと本体ボアの間のシールを維持していました。最新のプラグ バルブは、多くの場合、PTFE スリーブまたはエラストマーで裏打ちされた本体設計を使用しており、潤滑の必要性を排除し、従来のグリースを塗布したプラグ バルブのようなメンテナンスを必要とせずに信頼性の高いシールを提供します。プラグバルブは、各操作中にプラグの回転運動によって座面をきれいに掃除する傾向があるため、スラリーや汚れた流体の処理に優れています。 3 つまたは 4 つのフロー ポートを備えたマルチポート プラグ バルブ構成により、1 つのバルブで複数のパイプライン分岐間の流れを方向付けることができ、複数の個別のバルブと継手が必要となるものを置き換えることができます。

ロータリーエアロックバルブ（ロータリーフィーダー）

ロータリー エアロック バルブ (ロータリー フィーダまたはセルラー ホイール エアロックとも呼ばれる) は、空気圧搬送、集塵、保管/排出システムで粉末、顆粒、ペレット、繊維状材料などのバルク固体材料を処理するために特別に設計された回転バルブの特殊なカテゴリです。流体制御バルブとは異なり、ロータリー エアロックは気体や液体の流れを直接制御しません。代わりに、2 つの圧力環境間の効果的なエアシールを維持しながら、バルク固体を高圧ゾーン (保管ホッパーやサイクロン分離器など) から低圧の搬送ラインに計量します。回転要素は、通常 6 ～ 12 枚のベーンを備えたマルチベーン ローターで、公差が狭いハウジング内でゆっくりと回転します。各セル (隣接する羽根の間のポケット) が入口の下を通過すると、上部のホッパーからの材料が充填されます。ローターが回転し続けると、充填されたセルが出口ポートに移動し、そこで材料が下の搬送ラインに排出されます。ローターベーンの先端とハウジング本体の間の隙間が狭いため、ゾーン間の空気漏れが最小限に抑えられます。

ダイバータバルブ

ロータリーダイバータバルブは、単一の入口から 2 つ以上の出口の 1 つに流れを方向転換したり、複数の入口からの流れを 1 つの出口にまとめたりするために使用されます。これらは、空気圧搬送システム、食品および医薬品の加工、混合作業で広く使用されています。回転要素は通常、出口位置の間でスイングするダイバータ フラップまたは回転チューブです。衛生用途では、ロータリーダイバーターバルブは、食品の安全性と医薬品の GMP 基準に準拠するために、滑らかな内面、最小限のデッドゾーン、簡単な分解を備えた完全な洗浄性を実現するように設計されています。

用途別ロータリーバルブタイプの比較

最適なロータリー バルブ タイプを選択するには、複数のアプリケーション パラメータを同時に評価する必要があります。以下の表は、最初の選択の決定をサポートするための構造化された比較を示しています。

ロータリーバルブの主要コンポーネントとその機能

特定のタイプに関係なく、ほとんどのロータリー バルブは共通の構造コンポーネント セットを共有しています。各コンポーネントの機能を理解することは、メンテナンス チームが障害点を特定し、情報に基づいて修理か交換かを決定するのに役立ちます。

• バルブ本体: フランジ、ネジ端、またはウェハー スタイルのクランプを介してパイプラインに接続する外側の圧力保持シェル。本体にはすべての内部コンポーネントが収容されており、システムの最大動作圧力と温度に対して定格が定められている必要があります。本体材質は、標準用途向けの鋳鉄や炭素鋼から、腐食性または高純度用途向けのステンレス鋼、二相合金、特殊材料まで多岐にわたります。
• 回転要素: 本体内で回転することで物理的に流れを制御するボール、ディスク、プラグ、またはローター。その形状、表面仕上げ、および材料は、バルブの流れ特性、シール性能、およびプロセス流体またはバルク材料からの摩耗や腐食に対する耐性を直接決定します。
• シートとシール: 回転要素とバルブ本体の間の圧力境界を形成する座面とシールリング。ソフトシートバルブでは、シートは通常、気泡を通さない遮断を提供する PTFE またはエラストマーリングです。金属シートバルブは、ソフトシートでは早期に破損する高温または摩耗性の使用のために、精密に機械加工された硬質合金表面を使用しています。
• ステムとパッキン: アクチュエータまたはハンドホイールから回転要素に回転運動を伝達するシャフト。ステムは、プロセス流体がステムに沿って大気中に漏れるのを防ぐ PTFE、グラファイト、またはエラストマーのパッキン リングが詰められたスタッフィング ボックスを介してバルブ本体を通過します。活荷重パッキン配置では、スプリングを使用してパッキンが摩耗しても一定のパッキン圧縮を維持し、メンテナンス間隔を延長します。
• アクチュエーター: ステムの回転を駆動する装置。手動アクチュエータには、レバー (1/4 回転バルブ用) およびギアボックス (大型または高トルクバルブ用) が含まれます。自動化されたアクチュエータ（空気圧スコッチヨークまたはラックアンドピニオンタイプ、電気モーターオペレータ、または油圧アクチュエータ）により、遠隔操作、フェールセーフ位置決め、分散制御システム（DCS）または安全計装システム（SIS）との統合が可能になります。

ロータリーバルブを選択する際に考慮すべき要素

ロータリーバルブを正しく選択するには、特定の用途ごとに動作条件と機能要件を体系的に評価する必要があります。このプロセスを急いだり、過去の先例だけに頼ったりすると、バルブの早期故障、計画外のメンテナンス停止、そして重要なサービスにおいては安全上のインシデントが発生します。バルブを選択するたびに、次の要素に対処する必要があります。

• プロセス流体または材料: バルブがきれいな液体、ガス、スラリー、またはバルク固体を処理するかどうかを確認します。腐食性、摩耗性、粘度、粒子サイズと濃度、衛生または汚染管理の要件を評価します。これらの特性により、ボディの材質、シートの材質、ローターやディスクの設計が決まります。
• 圧力および温度定格: 最大許容作動圧力 (MAWP) と、起動時と停止時の極値を含む全動作温度範囲を確立します。 ASME B16.34 などの規格で定義されている、選択したバルブの圧力温度定格曲線が、適切な安全マージンを持って動作範囲全体をカバーしていることを確認します。
• 必要な機能 — 隔離、制御、または迂回: バルブがオンオフ分離のみ、比例流量制御 (スロットル)、または複数の宛先間の流量ルーティングを提供する必要があるかどうかを定義します。標準ポートを備えたボールバルブは隔離用に最適化されています。 V ポート ボール バルブとバタフライ バルブは、制御の調整に適しています。プラグバルブとダイバーターバルブがルーティング業務を処理します。
• 作動方法とフェールセーフ位置: バルブを手動で操作するか自動で操作するかを決定します。自動バルブの場合、プロセス安全要件に基づいて、必要なフェールセーフ位置 (フェールオープン、フェールクローズ、またはフェールインプレイス) を定義します。これにより、アクチュエータのタイプとスプリング リターンの構成が決まります。
• メンテナンスへのアクセスとスペアパーツの入手可能性: 予想される動作条件下でバルブのメンテナンスがどのくらいの頻度で必要になるかを評価し、交換用のシート、シール、パッキンがメーカーまたは地元の販売店からすぐに入手できることを確認します。重要なサービスの場合は、バルブ本体をパイプラインから取り外さずにインラインでシートとシールを交換できるバルブ設計を指定することを検討してください。

ロータリーバルブの耐用年数を延ばすメンテナンス方法

ロータリー バルブは、1/4 回転動作により、ゲート バルブやグローブ バルブの滑り接触よりもサイクルごとの座面の摩耗が少ないため、一般にリニア モーション バルブよりもメンテナンスが少なくて済むと認識されています。ただし、予防メンテナンスを怠ると、シートの摩耗が加速し、ステムの漏れが増加し、最終的には最悪の場合にバルブの故障につながります。実際の動作サイクル頻度とプロセス条件に基づいて体系化されたメンテナンス プログラムを確立することは、ロータリー バルブの耐用年数と信頼性を最大化する最も効果的な方法です。

流体サービスのボールバルブおよびバタフライバルブの場合、定期的なメンテナンス作業には、外部漏れを防止するためのステムパッキンの圧縮の検査と調整、アクチュエータの動作とリミットスイッチの校正の確認、計画停止中の閉じたバルブからのシート漏れの兆候の確認などが含まれます。バルク固形物サービスにおけるロータリー エアロック バルブの場合、最も重要なメンテナンス作業は、ローターとハウジングの隙間 (ローター ベーンとハウジングのボアが研磨材との接触により摩耗するにつれて増加します) を監視し、エンド プレートのシールを検査し、メーカーのスケジュールに従ってローター シャフト ベアリングを潤滑することです。ローターとハウジングのクリアランスがメーカーの指定最大値を超えると、圧力ゾーン間の空気漏れが大幅に増加し、搬送効率が低下し、材料の逆流が発生する可能性があります。この時点で、性能を回復するにはローターの交換またはハウジングの再穴あけが必要になります。