安全弁

安全弁は、フェイルセーフとして機能する弁です。安全弁の例として、圧力または温度が事前に設定された制限を超えたときに、ボイラー、圧力容器、またはその他のシステムから物質を自動的に放出する圧力逃し弁(PRV) があります。パイロット操作式逃し弁は、特殊なタイプの圧力安全弁です。漏れがなく、低コストで、緊急時にのみ使用できるオプションは、破裂ディスクです。

安全弁は、産業革命時代に蒸気ボイラーで使用するために初めて開発されました。安全弁のない初期のボイラーは、慎重に操作しないと爆発する傾向がありました。

真空安全弁（または圧力/真空複合安全弁）は、タンクを空にする際や、高温CIP（定置洗浄）またはSIP（定置滅菌）手順後に冷水すすぎ水を使用する際に、タンクが崩壊するのを防ぐために使用されます。真空安全弁のサイズを決定する場合、特に高温CIP /冷水シナリオでは計算方法がどの規格にも定義されていませんが、一部のメーカー^[1]はサイズ決定シミュレーションを開発しています。

安全弁という用語は比喩的にも使用されます。

最も初期かつ最も単純な安全弁は 1679 年の蒸気蒸解釜で使用されており、重りを使って蒸気圧を保持していました (この設計は今でも圧力鍋でよく使用されています)。しかし、これらは簡単に改ざんされたり、誤って解放されたりしました。ストックトン アンド ダーリントン鉄道では、機関車が線路の凹凸にぶつかると安全弁が作動する傾向がありました。急加速にそれほど敏感でない弁は、蒸気圧を保持するためにバネを使用していましたが、これら (ソルターの バネ秤に基づく) は、設計限度を超えて圧力を高めるためにねじ込むこともできました。この危険な方法は、蒸気機関の性能をわずかに向上させるために時々使用されました。

1856 年、ジョン・ラムズボトムは、鉄道で広く使われるようになった、不正開封防止のスプリング安全弁を発明しました。ラムズボトム弁は、スプリングを内蔵した旋回アームで互いに接続された 2 つのプラグ型弁で構成され、旋回アームの両側に 1 つのバルブ要素がありました。片方のバルブの作動圧力を上げるために調整を行うと、調整方法に関係なく、もう一方のバルブがシートから持ち上がります。アームの旋回点はバルブ間で対称に配置されていなかったため、スプリングを締めると、片方のバルブが持ち上がります。

バルブ アセンブリ全体を取り外して分解することによってのみ、その動作圧力を調整することができ、機関車の乗務員がさらなるパワーを求めて即席でバルブを「固定」することは不可能になりました。旋回アームは一般にハンドルの形に延長され、機関車の運転室に戻され、乗務員が両方のバルブを座席から「揺らして」、正しく設定され、動作していることを確認できるようにしました。

安全弁は、圧力容器（火付きまたは火なし）や熱交換器などの機器を保護するためにも進化しました。安全弁という用語は、圧縮性流体（ガス、蒸気、または蒸気）の用途に限定する必要があります。

産業界で一般的に見られる 2 つの保護タイプは、熱保護と流れ保護です。

液体が充填された容器の場合、熱リリーフ バルブは一般に、熱膨張によって生じる過剰な圧力から保護するために必要な比較的小さなサイズのバルブが特徴です。この場合、ほとんどの液体はほぼ非圧縮性であるため、小さなバルブで十分であり、リリーフ バルブから排出される比較的少量の流体で圧力が大幅に低下します。

フロー保護は、熱保護用に取り付けられているものよりもかなり大きい安全弁が特徴です。これらの安全弁は通常、容器またはパイプラインの完全性を保護するために大量のガスまたは大量の液体を迅速に排出する必要がある状況で使用できるサイズになっています。この保護は、高完全性圧力保護システム(HIPPS) を設置することによっても実現できます。

石油精製、石油化学、化学製造、天然ガス処理、発電、食品、飲料、化粧品、医薬品業界では、安全弁という用語は、圧力逃し弁(PRV)、圧力安全弁(PSV)、逃し弁という用語に関連付けられています。一般的な用語は、圧力逃し弁(PRV) または圧力安全弁(PSV) です。多くの人が考えているのとは異なり、PRV と PSV は同じものではありません。違いは、PSV には緊急時に弁を開くための手動レバーがあることです。

• リリーフバルブ（RV）：液体が満たされた容器内の静圧によって作動する自動システム。圧力の上昇に比例して開きます^[要出典]。
• 安全弁（SV）：ガスの静圧を解放する自動システム。通常はポンという音を伴って完全に開きます^[要出典]。
• 安全リリーフバルブ（SRV）：ガスと液体の両方の静圧によって圧力を解放する自動システム。^[2]
• パイロット操作式安全リリーフ弁（POSRV）：パイロットからの遠隔コマンドで安全を確保する自動システムで、静圧（保護対象機器からの）が接続されています^{[説明が必要]}。
• 低圧安全弁(LPSV): ガスの静圧を解放する自動システム。容器の圧力と周囲の大気圧の差が小さい場合に使用されます。
• 真空圧力安全弁(VPSV): ガスの静圧を解放する自動システム。容器圧力と周囲圧力の差が小さく、負圧で大気圧に近い場合に使用されます。
• 低圧および真空圧安全弁(LVPSV): ガスの静圧を解放する自動システム。圧力差が小さく、負圧または正圧で大気圧に近い場合に使用されます。

RV、SV、SRV はスプリング式（スプリング荷重式も含む）です。LPSV と VPSV はスプリング式または重量荷重式です。

ほとんどの国では、産業界は安全弁を使用して圧力容器やその他の機器を保護することが法的に義務付けられています。また、ほとんどの国では、ASME、API、ISO (ISO 4126)などの組織が提供する機器設計コードに準拠する必要があります。これらのコードには、安全弁の設計基準や、会社のエンジニアがバルブを取り外した後の定期的な検査とテストのスケジュールが含まれています。^{[3] [4]}

今日、食品、飲料、化粧品、医薬品、およびファインケミカル業界では、完全に排水可能で、その場で洗浄可能な衛生的な安全弁が求められています。そのほとんどはステンレス鋼で作られており、衛生基準は主に米国では 3A、欧州では EHEDG です。

最初の安全弁は、エンジンではなく初期の圧力鍋であった蒸気蒸解釜用にデニス・パパンが発明した。 ^[5]レバーを介して作用する重りが、蒸気容器内の円形のプラグバルブを押さえていた。「スチールヤード」レバーを使用することで、より小さな重りで済み、また、同じ重りをレバーアームに沿って前後にスライドさせることで、圧力を簡単に調整できた。パパンは、1707年の蒸気ポンプにも同じ設計を採用した。^{[6] [7]}

初期の安全弁は機関士が操作する装置の 1 つとみなされ、機関にかかる負荷に応じて継続的な注意が必要でした。1803年にグリニッジで起きた有名な初期の爆発では、トレビシックの高圧固定機関の 1 つが爆発しました。機関士の訓練を受けた少年が、安全弁を作業負荷から解放せずに機関を川に残してウナギを捕まえようとしたためです。 ^[8] 1806 年までに、トレビシックは安全弁を 2 つ取り付けていました。1 つは運転手が調整するための外部弁で、もう 1 つは固定重りでボイラー内に密封されていました。これは調整できず、安全を保証するために高圧で解放されました。^[9]

機関車に使用すると、これらのバルブはガタガタと音を立てて漏れ、ほぼ連続的に廃蒸気が噴出します。

レバー安全弁は便利ではあったが、蒸気機関車の動きに敏感すぎた。そのため、初期の蒸気機関車は、バルブの上に直接重りを積み重ねるというより単純な構成を採用していた。このため、重量を扱いやすくするためにバルブ面積を小さくする必要があり、無人のボイラーの圧力を逃がすには不十分な場合があり、爆発につながることがあった。さらに大きな危険は、このようなバルブは簡単に固定できるため、圧力が上昇してエンジンのパワーが上がり、爆発の危険がさらに高まるということだった。^[10]

デッドウェイト安全弁は蒸気機関車では短命であったが、蒸気動力が存続する限り、固定式ボイラーでは使用され続けた。^[11]

重り付きバルブは、初期の機関車の荒い乗り心地による跳ね返りに敏感でした。解決策の1つは、重りではなく軽量のバネを使用することでした。これは、1828年にティモシー・ハックワースがロイヤル・ジョージで発明したものです^{。[12]当時の冶金技術が限られていたため、ハックワースの最初のバネ式バルブは、複数の}板バネをアコーディオンのように積み重ねたものでした。^[13]

これらの直接作用型スプリング バルブは、スプリングを固定しているナットを締めることで調整できます。改ざんを防ぐために、これらのバルブは背の高い真鍮製のケースで覆われていることが多く、このケースから機関車の乗務員から蒸気が排出されます。

ソルターの コイルスプリング 式計量用ばね秤は、1770年頃にイギリスで初めて作られました。^[14]これは、新しく開発されたばね鋼を使用して、強力でありながらコンパクトなばねを1つにまとめたものです。また、レバー機構を使用することで、このようなばね秤はボイラーの安全弁の大きな力に適用できるようになりました。

スプリングバランスバルブは圧力計としても機能した。以前の圧力計は扱いにくい水銀圧力計であり、ブルドン圧力計はまだ発明されていなかったため、これは便利だった。 ^[15]

消防士が安全弁を縛り付ける危険性は残った。^{[16] [17]}安全弁には簡単に調整できる蝶ナットが取り付けられていたため、これは助長された。安全弁を介してボイラーの作動圧力を調整するという慣行は、1850年代まで受け入れられていた。^{[18] [19]}後にソルターバルブでは、2つ1組で取り付けられるのが一般的になり、1つは調整可能でゲージとして使用するために校正されることが多く、もう1つは改ざんを防ぐためにロックされたカバーの中に密封されていました。

一対のバルブはわずかに異なる圧力に調整されることもよくあり、小さなバルブは制御手段として、ロック可能なバルブは安全策としてより大きく、より高い圧力に恒久的に設定されていた。^{[12] [20] 1859年に}イースタン・カウンティーズ鉄道向けにシンクレアが設計したものなど、いくつかの設計では、圧力目盛り付きのバルブスプリングがドームの後ろ、運転室に面し、ロックされたバルブはドームの前方、干渉の及ばない位置にあった。^[21]

• 
  手動調整ホイール付きČSDクラス252.0のスプリングバランス式安全弁ペア
• 
  ミッドランド スピナー。ドームの後ろに一対のバネバランス式安全弁が見える。

1855年、後にロンドン・ノース・ウェスタン鉄道の機関車監督となったジョン・ラムズボトムは、信頼性の向上と特に不正開封防止を目的とした新しい形式の安全弁について説明した。一対のプラグ弁が使用され、それらの間にある共通のバネ式レバーと中央の単一のバネによって押さえられていた。このレバーは後方に伸びているのが特徴で、初期の機関車では運転室にまで届くことが多かった。

ラムズボトムのバルブは、消防士によるスプリングレバーの使用を妨げるどころか、むしろこれを促進するものだった。レバーを揺らすと、バルブが交互に解放され、どちらもシートに固着していないことが確認された。^[22]消防士がレバーを押し下げて後方バルブへの力を増加させたとしても、前方バルブへの力はそれに応じて減少した。^{[12] [23]}

ラムズボトムバルブには様々な形状のものが生産された。ボイラーに別個の貫通部を介して取り付けられるものもあった。^[23]他のものは、ボイラーシェルの単一の開口部に固定されたU字型のハウジングに収められていた。ボイラーの直径が大きくなるにつれて、ボイラーシェル内に設置されるものもあり、スプリングは内部の凹部に収納され、バルブとバランスレバーだけが外部に突き出ていた。^[23]これらはメンテナンスのしやすさという点で明らかに欠点があった。^[24]

ラムズボトム型の欠点は、その複雑さでした。スプリングとバルブの連結部のメンテナンスが不十分であったり、組み立てが間違っていたりすると、圧力がかかった状態でバルブが正しく開かなくなる可能性があります。バルブがシートに押し付けられて開かなくなるか、さらに悪いことに、バルブは開いても十分な速度で蒸気を排出できず、明らかな欠陥にはなりません。^{[25] 1909年、カーディフの}リムニー鉄道で、ボイラーがほぼ新品で、わずか8か月しか経っていなかったにもかかわらず、このような組み立て間違いが原因でボイラーが爆発し、死亡事故が発生しました。^[26]

ネイラーバルブは1866年頃に導入されました。ベルクランクの配置により、バネの歪み（伸び率）が軽減され、より一定の力が維持されました。 ^{[注 1]ネイラーバルブは}L&YとNERで使用されました。 ^[27]

これまでの安全弁の設計はすべて徐々に開き、たとえ圧力以下であっても「噴出」に近づくと「羽毛」のような蒸気が漏れる傾向があった。また、開いたときも最初は部分的に開き、ボイラーの圧力がかなり高くなるまで蒸気はすぐには抜けなかった。^[12]

この問題の解決策は、素早く開く「ポップ」バルブでした。構造はシンプルで、既存の円形プラグバルブを逆さまの「トップハット」型に変更し、上部の直径を拡大しました。2 つの直径が一致する段付きのシートに収まりました。閉じているときは、蒸気圧はトップハットの頂部にのみ作用し、バネの力でバランスが取れていました。バルブが少し開くと、蒸気は下部のシートを通過し、より大きな縁に作用し始めました。この大きな面積がバネの力を圧倒し、バルブは「ポップ」という音とともに完全に開きました。この大きな直径から蒸気が漏れることで、圧力が元の開弁時の圧力を下回るまでバルブが開いたままになり、ヒステリシスが生まれました。^[12]

これらのバルブは、点火方法の変化と同時期に導入された。蒸気をバルブの羽根に届かせる代わりに、火夫（ストーカー）は、特にプラットホームや主要駅の大きな屋根の下で、騒音を伴う噴出を避けるようにした。これは主に駅長の命令によるものだが、火夫がポップバルブから噴出するとボイラー圧力が無駄になることに気付いたためでもある。あるケースでは、16ポンド（7.3kg）以上の石炭をシャベルで燃やすのに相当し、20psi（140kPa）の圧力損失があったと推定されている。^{[注 2] [12]}

ポップバルブは、1873年にアダムスが特許を取得したデザインから派生したもので、リップが延長されています。RLロスのバルブは1902年と1904年に特許を取得しました。当初はアメリカで人気がありましたが、1920年代以降に広く普及しました。^[28]

磨かれた真鍮の安全弁カバーは蒸気機関車の初期の特長であったが、ポップバルブの導入後もこの伝統を維持した唯一の鉄道は、特徴的な先細りの真鍮製安全弁ボンネットと銅製の蓋が付いた煙突を備えたグレート・ウェスタン鉄道であった。

船舶用の高圧水管ボイラーの開発により、安全弁への要求が高まった。これらの大型ボイラーの高蒸気発生能力を安全に排気するために、より大容量の弁が必要となった。^[29]弁にかかる力が大きくなるにつれ、負荷が増すにつれてバネの剛性が増す問題（ネイラー弁など）がより深刻になった。^[30]高圧ボイラーでは、弁のフェザリングを減らす必要性がさらに高まった。これは、蒸留給水の損失と弁座の磨耗の両方を意味し、摩耗につながるからである。^[29]

高揚程安全弁は直接荷重式スプリングタイプですが、スプリングは直接バルブに作用するのではなく、ガイドロッドバルブステムに作用します。バルブはステムの基部の下にあり、スプリングはステムより少し高いフランジに載っています。バルブ自体とスプリングシートの間のスペースが広くなったため、バルブはシートからより離れてより高く持ち上げられます。これにより、バルブを通過する蒸気流量は、（詳細設計に応じて）1.5倍または2倍の大きさのバルブと同等になります。^[30]

コックバーンの改良型高揚力設計はロスポップ型と似た特徴を持つ。排気蒸気は排出時に部分的に閉じ込められ、スプリングシートのベースに作用してバルブの揚力を増加させ、バルブをさらに開いたままにする。^[30]

与えられた直径のバルブを通る流量を最適化するために、フルボア設計が採用されている。これはサーボ動作をしており、狭い制御通路を通る蒸気は小さな制御バルブを通過すると通過する。この蒸気は排出されず、メインバルブを開くために使用されるピストンに送られる。^[29]

PSV と呼ばれる安全弁があり、圧力計に接続できます (通常は 1/2 インチ BSP フィッティングを使用)。これにより、圧力抵抗を適用して圧力計チューブにかかる圧力を制限し、過圧を防止できます。圧力計に注入された物質は、圧力が過剰になると、安全弁のパイプを通って方向転換され、圧力計から排出されます。

安全弁にはさまざまな種類があり、用途や性能基準も分野によってさまざまです。また、多くの種類の安全弁には国家規格が設定されています。

• ASME (アメリカ機械学会) ボイラーおよび圧力容器規格、セクション I
• ASME (アメリカ機械学会) ボイラーおよび圧力容器規格、セクション VIII、ディビジョン 1
• API (アメリカ石油協会) 推奨基準 520 および API 標準 526、API 標準 2000 (低圧 - 貯蔵タンク)

• ISO 4126（欧州連合指令と整合）^[31]
• EN 764-7 (旧 CEN 規格、欧州連合指令と整合され、EN ISO 4126-1 に置き換えられました)
• AD Merkblatt（ドイツ語）
• PED 97/23/CE（圧力機器指令 - 欧州連合）^[32]

安全弁は給湯器に必須であり、サーモスタットが故障した場合に特定の構成で災害を防ぐ。このような弁は「T&P弁」（温度圧力弁）と呼ばれることもある。この装置がない古い給湯器では、今でも時折、派手な故障が発生する。爆発の力で家屋が倒壊することもある。^[33]

圧力鍋は耐圧蓋付きの調理鍋です。圧力をかけて調理すると、温度が通常の水の沸点（海面で摂氏100度）を超えて上昇するため、調理が早くなり、より完全に仕上がります。

圧力鍋には通常、爆発を防ぐための安全弁が 2 つ付いています。古い設計では、1 つはノズルで、その上に重りが置かれています。もう 1 つは密閉されたゴム製のグロメットで、最初のバルブが詰まった場合に制御された爆発で排出されます。新しい世代の圧力鍋では、蒸気口が詰まった場合、安全スプリングが過剰な圧力を排出し、それが機能しない場合は、ガスケットが膨張して、蓋と鍋の間の過剰な圧力を下方に解放します。

新しい世代の圧力鍋には安全インターロックが付いており、鍋の内部圧力が大気圧を超えると蓋がロックされます。これは、鍋の内部がわずかに加圧されている状態で蓋を外すと、非常に熱い蒸気、食品、液体が突然放出されて事故が発生するのを防ぐためです (ただし、鍋の内部が加圧されている状態では、蓋は非常に硬くなるか、開けることができなくなります)。

ウィキメディア・コモンズには、安全弁に関連するメディアがあります。

• 安全リリーフバルブの動作原理の概略図
• 圧力リリーフ バルブ サイズ 計算機 液体が詰まった出口ケース用の PSV サイズ 計算機。
• ガス出口が詰まった場合の PSV サイズ計算ツール。 ガス排出口が詰まった場合の PSV サイズ計算ツール。
• PSV サイズ計算ツール - ガス充填容器の火災ケース
• PSV サイズ計算ツール - 液体充填容器の火災ケース