ロータリーバルブ

ロータリーバルブ（回転運動バルブとも呼ばれる）は、横方向のプラグ内の通路の回転によって、接続されたパイプを通る液体またはガスの流れを調節するタイプのバルブです。 ^[1]一般的なストップコックは、ロータリーバルブの最も単純な形式です。ロータリーバルブは、以下を含むさまざまな用途に適用されています。

• 金管楽器の音程を変える。
• 蒸気機関の蒸気ポートと排気ポートを制御する。最も有名なのはコーリス蒸気機関である。^[2]
• 平炉内の空気と燃料の流れを定期的に逆転させる。
• クロマトグラフィー カラムにサンプルをロードします。
• 特定の種類の2 ストロークエンジンおよび4 ストローク エンジン。
• ほとんどの油圧式自動車パワーステアリング制御バルブ。

金管楽器では、ロータリーバルブはホルン、トランペット、トロンボーン、フリューゲルホルン、チューバに使用されています。コルネットは、1820年代にフランスでポストホルンにロータリーバルブを取り付けて作られました。 ^[3]ロータリーバルブトランペットの代替品としては、ピストンバルブトランペットがあります。^{[4]ヨーロッパの}トランペット奏者の多くは、ロータリーバルブを好む傾向があります。^[要出典]

トロンボーンのF アタッチメントバルブは通常は回転式ですが、セイヤー軸流バルブやハグマンバルブなど、基本設計のいくつかのバリエーションも使用されています。

ロータリーバルブは1824年にボストンのネイサン・アダムス（1783-1864）によって初めてホルンに採用され、1835年にジョセフ・リードルによって特許を取得しました。^[5]

工業製造用のロータリーバルブは、用途に応じて、バルク材料の取り扱い、集塵、空気輸送システムなどでよく使用されます。バルブは、プロセスに適した一定の流量を維持することで、製品または材料の流れを調整するために使用されます。材料の流れを制御することで、詰まり、材料の漏れ、バルブ自体の損傷などの問題を防ぐことができます。^[6]一般的な用途は、計量ホッパーへの供給、または製品によって詰まる可能性のあるミルへの供給です。

バルブは材料交換プロセスの一部であり、計量または供給アプリケーションで動作し、回転式エアロックとして機能したり、エアロック機能と計量機能の組み合わせを提供したりします。

製薬、化学、食品業界では、プロセス内で固体バルク製品を投与および供給するためにロータリー バルブが使用されます。また、バルブは、建設、プラスチック、リサイクル、農業、林業など、材料をある地点から別の地点に安全かつ効率的に搬送する必要があるあらゆる場所で一般的に使用されています。

エアロック型ロータリーバルブは、圧力レベルの異なる2つのチャンバーから材料を受け取り、分配します。バルブの入口と出口の間の空気の流れを密閉して一定の圧力差を維持し、効率的な材料の流れを促進します。バルブの加圧チャンバーは、異物がハウジングに侵入するのを防ぎ、搬送された材料がシステムから漏れるのを防ぎます。^[7]

燃焼エンジンでポペットバルブの代わりにロータリーバルブが一般的に採用されるようになったのは、シーリングの問題が原因だった。ポペットバルブは開口部のテーパーフランジの周りにシールがあり、燃焼室内の作動圧力が上昇すると、圧力によってバルブが強制的に閉じられるため、このシール性は向上する。対照的に、ロータリーバルブは作動するために自由に動く必要があり、オイルで潤滑する必要があるため、1000℃の温度で最大100bargの圧力を保持するという問題があり、さまざまなシールとバルブバレルが熱膨張する。このバルブ膨張により、エンジンが室温から完全な動作温度に移行すると、バルブとシールのインターフェースにずれが生じる。この膨張に対応するためにシールがバルブに高圧で押し付けられると、摩擦が大きくなり、出力損失が発生し、摩耗率も高くなる。^[8]

ロータリーバルブ燃焼エンジンは、従来のアセンブリに比べて、圧縮比と回転数が大幅に高いため出力が高く、シリンダーヘッドがはるかにコンパクトで軽量で、複雑さが軽減されるため信頼性が高くコストが低いなど、いくつかの大きな利点があります。吸気と排気は通常結合されているため、エンジンのノッキングを回避するためにバルブの冷却に特別な注意を払う必要があります。

ロータリーバルブは、いくつかの異なるエンジン設計に使用されてきました。英国では、ナショナルエンジンカンパニー社が、ポペットバルブが固着や焼損により故障しがちだった時代に、初期の航空機に使用するロータリーバルブエンジンを宣伝しました。 ^[9]

1930年代後半、フランク・アスピンはシリンダーボアと同じ軸上で回転するロータリーバルブの設計を開発したが、成功は限られていた。^[10]

米国のコーツ・インターナショナル社は、ポペットバルブシステムに代わる内燃機関用の球状ロータリーバルブを開発した。この設計は4ストロークで、ロータリーバルブはオーバーヘッドカムシャフトの代わりにオーバーヘッドシャフト（シリンダーバンクと一列に並んでいる）によって操作される。このようなエンジンが最初に販売されたのは、天然ガス エンジン発電機の一部だった。^[11]

ロータリーバルブは、レーシングスポーツカーやF1レーシングカーで使用されるような高回転エンジンに非常に適している可能性がある。これらのエンジンでは、従来のスプリング付きポペットバルブはバルブフロートやスプリング共振により故障する可能性があり、デスモドロミックバルブギアは重すぎ、サイズが大きく、タイミングと設計が複雑すぎる。ロータリーバルブを使用すると、よりコンパクトで軽量なシリンダーヘッド設計が可能になる。ロータリーバルブはエンジン速度の半分（または4分の1）で回転し、往復バルブ機構の慣性力がない。これにより、エンジン速度が上がり、約10％ほどパワーが向上する。1980年代のMGN W12 F1エンジンはロータリーバルブを使用していたが、レースには出場しなかった。2002年から2004年にかけて、オーストラリアの開発会社ビショップイノベーションとメルセデスイルモアは、F1 V10エンジン用にロータリーバルブをテストした。^[12]

ビショップ・イノベーションズのロータリーバルブエンジンの特許は、バルブのオリジナル設計者の一人であるトニー・ウォリスが所有するBRV Pty Ltdに買収された。BRVは、ロータリーバルブ技術を使用して、ホンダCRF 450などのいくつかの実用的なモーターを製造しており、低速（17％増加）と高速（9％増加）の両方でより大きなトルクを持ち、実用的なエンジン速度で最大約30％多くのブレーキ馬力も生成しました。^[12]シリンダーヘッドアセンブリがそれほど大きくなかったため、エンジンもかなり小型で軽量でした。

英国の Roton Engine Developments という会社は、2005 年に 2 ローター (1 つは吸気用、もう 1 つは排気用) の単気筒 Husaberg オートバイ エンジンで進歩を遂げました。彼らは特許を申請し、2006 年に 1 台を稼働させましたが、MG Roverの支援を受けていましたが、その後倒産し、Roton は継続する資金が不足するようになりました。数年後、オーストラリアの Engine Developments Australia Pty Ltd によって設計が浮上しました。プロトタイプの鋳造品は、2013 年にKawasaki Ninja 300並列 2 気筒ユニットで製造されました。このユニットは、執筆時点ではまだ開発段階ですが、重要なものです。重要な、しかし未公開の新しい燃焼室冷却方法と、スロットルを完全に排除する機能により、他のロータリー バルブ エンジンよりもはるかに高い圧縮比で稼働する可能性があり、低エンジン速度で大幅に経済的になると主張されています。

1989年、ニュージーランドのオークランド在住の故ラルフ・オグデン・ワトソン氏によって、完全に成功したことが証明された自動車用ロータリーバルブエンジンが製造されました。この車はそれ以来、トラブルなく何マイルも走行し、現在も使用されています。^{[13] [14]}この成功は、ワトソン氏のシーリング問題に対する学術的アプローチ、以前の設計の研究、そして材料に関する知識、機械加工技術、エンジンでの経験、忍耐力、現実的な期待の特別な組み合わせの結果として達成されました。新しい材料や最近入手できたばかりの材料は使用されていません。車とエンジンの開発の詳細は、2004年に初版が発行された「ラルフ・ワトソン スペシャルエンジニア」(ISBN O-476-01371-2) に掲載されており、2020年現在、インターネットで無料で簡単に検索できます。この車は現在、レイ・ファーナー氏が所有しています。

VAZTECという米国の会社は、従来の設計の摩擦とシールの問題を解決するコンプライアントロータリーバルブシールシステムを開発しました。^[15]同社は、5.3L V-8から手持ち式の28cc 4ストロークまで、10種類のプロトタイプエンジンを製作しました。VAZTECはまた、圧縮着火エンジンの高圧縮圧力（圧縮比20:1、燃焼圧力100バール）を備えたディーゼルエンジンも製作しました。同社はさまざまなOEメーカーと協力して、その設計を商品化しています。^[16]さまざまな特許がコンプライアントシールをカバーしており、その中には米国特許9,903,239も含まれます。VAZTECロータリーバルブの計算流体力学（CFD）モデルは、このリンクで見ることができます。

ディスクバルブとしても知られる平らなディスク状のロータリーバルブは、2ストロークのオートバイエンジンで使用され、圧縮行程中に吸気ポートへの逆流を防ぐのに役立ちます。オーストリアのエンジンメーカーであるRotaxは、現在は生産中止となっている64馬力（48kW）のRotax 532 2ストロークエンジン設計にロータリー吸気バルブを使用し、532の後継機である現在生産中の64馬力（48kW）のRotax 582でもロータリー吸気バルブを使用し続けています。^[17]

英国のRCVエンジン社は、4ストロークモデルエンジンと小型エンジンのラインナップの一部に、回転シリンダーライナー技術をロータリーバルブの特殊な形として採用しています。 ^{[18] [19]} RCV社は、現在のエンジンシリーズの4ストロークエンジンにも水平型と垂直型のロータリーバルブを採用しています。^[20]

RCVは、スクーター用途向けに、シリンダーライナーに回転バルブを組み込んだ125cc回転シリンダーライナーエンジンを開発しました。台湾のPGO Scootersは、RCVと協力して自社の用途向けのエンジンを開発していました。^[21]

スズキRG500「ガンマ」は、排気量 498 立方センチメートルの 2 ストローク、ロータリー バルブ、ツイン クランク、スクエア 4 エンジンを搭載していました。出力は 9,500 RPM で 93.7 ブレーキ馬力 (69.9 kW) でした。

ロータリー バルブは、液体クロマトグラフィーまたはガスクロマトグラフィーに使用されるカラムにサンプルをロードするために使用されます。これらの方法で使用されるバルブは通常、6 ポート、2 ポジションのロータリー バルブです。