ボールバルブ

ボールバルブは、中空の穴あき回転ボールを使用して、その中を流れる流体を制御する流量制御装置です。ボールの中央の穴が流入口と一直線になっているときにボールが開き、バルブハンドルによって90 度回転して流れを遮断すると閉じます。[ 1 ^]ハンドルは、開いているときは流れと一直線に平らになり、閉じているときは流れに対して垂直になるため、バルブの状態を視覚的に簡単に確認できます。^[2] 1/4 回転すると、閉位置になり、時計回りまたは反時計回りのどちらの方向でも閉位置になります。

ボール バルブは耐久性に優れ、多くのサイクルを経ても性能が良好で、長期間使用しなくても確実に閉じる信頼性に優れています。これらの特性により、遮断および制御アプリケーションには最適で、ゲート バルブやグローブバルブよりも好まれることが多いのですが、スロットル アプリケーションでは、これらの代替バルブのような細かい制御ができません。

ボールバルブは操作、修理、汎用性に優れているため、幅広い産業用途に使用されており、設計や材質に応じて、最大 1,000  bar (100  MPa、15,000  psi )の圧力と最大 750 °F (400 °C) の温度に対応します。サイズは通常、0.2 ～ 48 インチ (5 ～ 1200 mm) です。バルブ本体は金属、プラスチック、またはセラミックを使用した金属でできており、フローティングボールは耐久性を高めるためにクロムメッキされていることが多いです。ボールバルブの欠点の 1 つは、水の流れを制御するために使用した場合、閉じた状態で中央の空洞に水が溜まってしまうことです。周囲温度が氷点下になると、氷の形成に伴う膨張により側面が割れることがあります。^[3]このような状況では、何らかの断熱材やヒートテープを使用することで、通常は損傷を防止できます。寒冷気候向けの別のオプションは、「凍結耐性ボールバルブ」です。このタイプのボールバルブには側面に凍結プラグが組み込まれているため、凍結が発生した場合、凍結プラグが破裂して「犠牲」故障点として機能し、修理が容易になります。バルブ全体を交換するのではなく、新しい凍結プラグを取り付けるだけで済みます。^[4]

極低温流体、またはボール内部で膨張する可能性のある製品の場合、バルブの上流側に通気孔が開けられています。これは通気孔付きボールと呼ばれます。

ボール バルブは、望ましくない逆流を防ぐために固体ボールを使用するチェック バルブの一種である「ボール チェック バルブ」と混同しないでください。

その他のタイプの 1/4 回転バルブには、バタフライ バルブ、プラグ バルブ、凍結防止ボール バルブなどがあります。

ボールバルブには、シングルボディ、スリーピースボディ、スプリットボディ、トップエントリー、溶接の5つの一般的なボディスタイルがあります。違いは、バルブの各部品、特にボール自体を収容するケーシングがどのように製造され、組み立てられるかに基づいています。バルブの動作は、いずれの場合も同じです。^[5]

一体型ボディは非常に堅牢な構造で、一部のバージョンではバルブ全体をラインから取り外すことなくボールをバルブから取り外すことができますが、マルチピースボディでは設計の創意工夫の余地が大きく広がります。

さらに、ボール機構自体のボアに関連するさまざまなスタイルがあります。そして、作動圧力に応じて、ボールバルブは低圧ボールバルブと高圧ボールバルブに分類されます。ほとんどの業界では、作動圧力が3,000 psi（210 bar）を超えるボールバルブは高圧ボールバルブと見なされます。通常、高圧ボールバルブの最大作動圧力は7,500 psi（520 bar）で、構造、サイズ、シール材料によって異なります。高圧ボールバルブの最大作動圧力は15,000 psi（1,000 bar）までです。高圧ボールバルブは油圧システムでよく使用されるため、油圧ボールバルブとも呼ばれます。

2 インチ (51 mm) までのサイズのボール バルブは、一般的に 1 ピース、2 ピース、または 3 ピース設計で提供されます。1 ピース ボール バルブはほとんどの場合、口径が縮小されており、比較的安価で、通常は修理ではなく交換されます。2 ピース ボール バルブは、一般的にわずかに縮小された (または標準の) 口径を持ち、使い捨てまたは修理可能です。3 ピース設計により、ボール、ステム、シートを含むバルブの中央部分をパイプラインから簡単に取り外すことができます。これにより、堆積した堆積物の効率的な洗浄、シートとグランド パッキンの交換、ボールの小さな傷の研磨が容易になり、これらすべてをバルブ本体からパイプを取り外すことなく行うことができます。3 ピース バルブの設計コンセプトは、修理可能であることです。各バルブは一定温度まで加熱され、余分な材料が本体から切り取られます。^[6]

フルボア（場合によってはフルポート）ボールバルブには特大サイズのボールがあり、ボールの穴がパイプラインと同じサイズになるため、摩擦損失が低くなります。流れは制限されませんが、バルブは大きくて高価であるため、ピギングが必要なパイプラインなど、自由な流れが必要な場合にのみ使用されます。

縮小ボア（場合によっては縮小ポート）ボールバルブでは、バルブを通過する流量はバルブのパイプサイズより 1 パイプサイズ小さいため、流路面積はパイプより小さくなります。流量は一定で、流路面積（A）と速度（V）の積に等しいため、流路面積が小さくなると速度が増加します。 ${\displaystyle A_{1}V_{1}=A_{2}V_{2}}$

Vポートボール バルブには、V 字型のボールまたは V 字型のシートがあります。これにより、直線的かつ均等な流量特性が得られます。バルブが閉じた位置にあり、開き始めると、V 字型の小さい方の端が最初に開き、この段階で安定した流量制御が可能になります。このタイプの設計では、流体の速度が速いため、通常、より堅牢な構造が必要となり、標準バルブを損傷する可能性があります。正しく機械加工すると、優れた漏れ性能を発揮する優れた制御バルブになります。

多くの産業では、ボール バルブ内の残留物に関する問題に直面しています。流体が人間の消費用である場合、残留物は健康被害をもたらす可能性があり、流体が時々変化する場合は、ある流体が別の流体に汚染される可能性があります。残留物が発生するのは、ボール バルブが半開の位置にあるときに、ボール ボアと本体の間に隙間ができ、そこに流体が閉じ込められるためです。この空洞に流体が入り込まないようにするには、空洞を塞ぐ必要があります。これは、シートを常にボールと接触するように拡張することで実現できます。このタイプのボール バルブは、キャビティ フィラー ボール バルブとして知られています。

ボールバルブには、ボールの取り付けと横方向の動きに応じていくつかの種類があります。

トラニオンボール バルブには、上部と下部にボールの追加の機械的固定があり、より大型で高圧のバルブ (通常、3.9 インチ (10 cm) 以上、580 psi (40 bar) 以上) に適しています。

フローティングボールバルブは、ボールがトラニオンによって固定されていないバルブです。通常の操作では、ボールが下流にわずかに浮きます。これにより、シート機構がボールの圧力によって圧縮されます。さらに、一部のタイプでは、シート機構を消散させる力（バルブ外部の火災による極度の熱など）が発生した場合、ボールはボールを密閉するように設計された金属本体まで浮き、ある程度のフェイルセーフ設計を提供します。^[7]

手動操作のボールバルブはすぐに閉じられるため、ウォーターハンマーの危険があります。一部のボールバルブには、空気圧、油圧、またはモーターで操作できるアクチュエータが装備されています。これらのバルブは、オン/オフまたはフロー制御に使用できます。空気圧式フロー制御バルブには、制御信号をアクチュエータの位置とそれに応じたバルブの開きに変換するポジショナーも装備されています。

• 3 方向および 4 方向バルブには、中央に L 字型または T 字型の穴があります。図には、さまざまな流れの組み合わせが示されています。T バルブは、任意の 2 つのポート、または 3 つのポートすべてを接続できることは簡単にわかりますが、3 つのポートすべてを切断する可能性がある 45 度の位置では、エラーの余地がありません。L バルブは、中央のポートをいずれかのサイド ポートに接続したり、3 つのポートすべてを切断したりできますが、サイド ポートを互いに接続することはできません。
• 4 方向以上のマルチポート ボール バルブも市販されており、入口は出口の平面に対して直交していることが多いです。空気駆動モーターを前進から後進に駆動するなどの特殊な用途では、シングル レバー4 方向バルブを回転させて操作します。4 方向ボール バルブには、ボール内に相互接続されていない 2 つの L 字型ポートがあり、「×」ポートと呼ばれることもあります。

本体の材質には、以下の材質が含まれますが、これらに限定されません。

ボールバルブにも、さまざまなタイプのシートとシールが使用されています。バルブは通常、さまざまな材料で製造されており、それぞれが化学的適合性、圧力、温度により、特定の用途に適しています。一般的に使用される材料には、真鍮、ステンレス鋼、青銅などがあります。これらの材料の選択により、バルブがそれぞれの機能に適していることが保証され、さまざまな業界や用途で効率的で信頼性の高いパフォーマンスが提供されます。^[8]

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