空気圧ダイヤフラム式複座制御弁産業用プロセス制御システムで広く使用されている重要な自動制御コンポーネントです。独自のダブルスプールとダブルシート構造により、シングルシートバルブの大きな不均衡な力の問題を効果的に解決するため、高差圧使用条件で好まれます。この記事では、その構造、動作原理、パフォーマンス特性、アプリケーションのシナリオと制限について詳しく説明し、専門家や業界関係者が包括的に理解できるように支援し、選択とアプリケーションの効果的な参考情報を提供します。
1. 基本的な定義と構造構成
名前が示すように、空気圧ダイヤフラム複座制御弁は、弁本体内に 2 つのスプールと 2 つのシートを備えたタイプの制御弁です。ダブルガイド構造を採用しており、主にマルチスプリング直ストローク空気圧ダイヤフラムアクチュエータと直通複座制御弁本体で構成されています。一般的な空圧コントロールバルブとは異なり、「ダブルシート＋ダブルスプール」の設計が特長で、圧力補償と高差圧下での安定動作を実現します。
主な構造コンポーネントは次のとおりです。
• 空気圧ダイヤフラムアクチュエータ:マルチスプリング設計を採用しており、コンパクトな構造、軽量、繊細なアクションという利点があります。コアコンポーネントは、強化ポリエステル生地で固定されたニトリルゴム製の弾性ダイヤフラムです。ダイヤフラム室に圧縮空気を導入して推力を発生させ、バネ力に負けてバルブステムを直線運動させ、バルブの開閉や調整を実現します。スプリングレンジは通常0.02～0.1MPaまたは0.04～0.20MPa、エア供給圧力は0.14～0.28MPaで使用条件に合わせて柔軟に調整できます。
• ストレートスルーダブルシートバルブ本体:バルブ本体は鋳造球形構造で、内部に 2 つの独立したシートと対応するスプールがあります。スプールはダブルガイドプランジャータイプで、スプール胴部に2本のシールラインが入っています。バルブが閉じると、2 つのスプールが 2 つのシートを同時にしっかりと押し付けて二重シールを形成し、圧力補償とバルブの遮断を実現します。バルブボディは、炭素鋼（C）やステンレス鋼（P）など、さまざまな接続形式と材質のオプションがあり、さまざまな媒体の特性に適応できます。
• バルブステムとガイド装置:バルブステムはアクチュエーターのプッシュロッドとスプールに連結されており、ダブルガイド構造によりスプールの安定した動作を確保し、詰まりを回避し、調整精度を向上させます。バルブステムとプッシュロッドは通常、優れた耐食性と耐摩耗性を備えた1Cr18Ni9Ti材料で作られています。
2. 動作原理
空気圧ダイヤフラム ダブルシート コントロール バルブの動作原理は、媒体力の相互相殺とスプールの動きによる流量面積の調整に基づいており、具体的には次のとおりです。
制御システム (DCS、PLC など) が 4 ～ 20mA の電気信号を送信すると、バルブ ポジショナーは電気信号を比例空気圧信号 (通常 0.2 ～ 1.0bar) に変換し、空気圧ダイヤフラム アクチュエータのダイヤフラム チャンバに入力します。空気圧がダイヤフラムに作用して推力が発生し、バルブステムが直線運動し、上下のスプールが同期して運動します。
流体は左側からバルブボディに流入し、2つのシートとスプールの隙間を通って右側から流出します。上下のスプールが対称設計となっているため、2つのスプールに作用する媒体の力が逆向きで相殺できるため、バルブのアンバランスな力が小さく、バルブ前後の圧力差が大きい条件でも安定した動作が可能です。
同じ呼び径の単座調節弁に比べ、複座調節弁は流路が妨げられず、循環能力が約20％～25％増加します。流量係数Kv値は呼び径により異なります。例えば、呼び径DN25のバルブのKv値は4、DN200のKv値は630であり、大流量調整のニーズに対応できます。
3. 性能特性
空気圧ダイヤフラム式ダブルシート制御バルブには明らかな利点と一定の制限があるため、選択の際にはこれらを総合的に考慮する必要があります。その主なパフォーマンス特性は次のとおりです。
3.1 利点
・アンバランス力が小さく、許容差圧が大きい：ダブルスプールにかかる中間力を相互に相殺することでアンバランス力を大幅に軽減し、アクチュエータに大きな推力を必要とせず、前後差圧が大きい条件でも安定した動作を実現します。呼び径DN25のバルブの許容差圧は5.8MPaに達し、同仕様の単座バルブに比べてはるかに高くなります。
• 大きなバルブ容量と正確な流量特性:ダブルシート構造と流路設計の最適化により、同口径のシングルシートバルブに比べて大きな定格流量係数を実現しています。同時に、リニア特性、イコールパーセント特性、クイックオープン特性などの正確な流量特性を備えており、媒体流量の正確な調整を実現でき、基本誤差はわずか1.5％です。
• コンパクトな構造と幅広い適応性:マルチスプリングダイヤフラムアクチュエータはコンパクトな構造で軽量なので、取り付けや分解が容易です。標準形、ベローズシール形、ジャケット保温形など豊富な種類があり、適用流体温度は-250℃～+560℃と過酷な使用条件にも対応します。
3.2 制限事項
• 大きな漏れ：ダブルスプールは構造上の特性上、上下のスプールを同時に全閉させることが難しいため、バルブ閉弁時の漏れが単座バルブに比べて大きくなります。漏れ量は定格流量係数 Kv の 0.5% 未満であり、漏れ要件が厳しくない場合に適しています。
• 重大な浸食およびキャビテーション損傷:バルブ本体内の媒体流路は比較的複雑です。高い差圧下で使用すると、高速流体によりバルブ本体やスプールに深刻なエロージョンやキャビテーションによる損傷が発生し、バルブの寿命に影響を与えます。耐摩耗性や耐キャビテーション性を向上させるには、適切な材料（ステライト合金表面処理など）を選択する必要があります。
• 特殊なメディアには適していません:高粘度のメディアや繊維を含むメディアの調整にはスプールとシート間の流路を詰まりやすく、バルブの正常な動作に影響を与えるため適しません。
4. アプリケーションシナリオ
空気圧ダイヤフラム複座制御弁は、その性能特性に基づいて、石油、化学工業、薬局、冶金、発電所などの産業制御部門で広く使用されており、主にガス、液体、蒸気などの媒体の制御に使用されます。特に次のような場合に適しています。
• 圧力差が大きく、漏れ要件が厳密ではない場合:たとえば、化学プラントや発電所の高圧パイプラインの流量調整では、バルブは大きな圧力差に耐え、遮断気密性に関する厳格な要件を必要とせずに、基本的な流量制御要件を満たすことができます。
• 大量のフロー需要が発生する場合:火力発電所のボイラーの蒸気流量調整、石油精製所の油流量調整など。バルブの大きな循環容量により、大流量媒体制御のニーズに対応し、生産プロセスの安定性を確保できます。
• クリーンミディアムの機会:純水、きれいな蒸気、天然ガスなど、不純物、繊維、その他の物質を含まないクリーンな媒体に適しています。バルブの詰まりや媒体汚染による損傷を回避できます。
実際のアプリケーションでは、インテリジェントポジショナと組み合わせて、より正確な流量制御を実現できます。たとえば、ファインケミカルの製造プロセスでは、少量の流量（0.1m3/h 以下）の安定した調整を実現し、化学反応の完全な進行と製品の純度の認定を保証します。電力業界では、系統負荷の需要に合わせて蒸気タービンの蒸気摂取量を調整するために使用できます。
5. 選定のポイント
空気圧ダイヤフラム ダブルシート コントロール バルブを選択する場合は、使用条件に適合することを確認するために、次の重要な点に焦点を当てる必要があります。
• 中程度の特性:媒体の種類（気体、液体、蒸気）、粘度、腐食性などをご確認ください。腐食性媒体の場合はステンレスなど耐食性の高い材質を選択してください。きれいな媒体の場合は、標準のバルブコアとシートを選択してください。
• 労働条件:バルブ前後差圧、流量、使用温度等を決定し、それに応じて適切な呼び径、呼び圧力（PN1.6、4.0、6.4MPa）、バルブ形式（高温媒体用ジャケット保温形など）を選定します。
• 漏れ要件:漏れに対する厳しい要件がある場合（漏れゼロなど）、空気圧ダイヤフラム複座制御弁は適しておらず、代わりに単座弁または他のタイプの制御弁を選択する必要があります。漏れの要件が厳しくない場合は、高い差圧耐性と大きな流量を考慮して推奨されます。
• アクチュエータの選択:必要な推力に応じて適切なマルチスプリングダイヤフラムアクチュエータを選択し、バルブの繊細な動作を確保するためのスプリングレンジとエア供給圧力を確認してください。高差圧および大口径の場合には、推力を向上させるためにダブルダイヤフラムヘッドアクチュエータを選択できます。
6. まとめ
空気圧ダイヤフラム複座制御弁は、不均衡力が小さく、許容差圧が大きく、流量が大きく、正確に調整できるという特徴を備えた重要な工業用制御弁です。高差圧条件下での単座バルブの調整が難しいという問題を解決し、さまざまな産業分野で広く使用されています。ただし、漏れが大きいという制限があり、特殊なメディアや厳密な遮断要件が必要な場合には適していないことに注意してください。
実際の応用プロセスでは、バルブの仕様、材質、アクチュエータを合理的に選択し、特定の動作条件と組み合わせることで、最適な制御効果を達成し、工業生産プロセスの安定性と信頼性を確保し、生産効率を向上させることができます。産業オートメーションの継続的な発展に伴い、空気圧ダイヤフラム複座制御バルブは構造と性能がさらに最適化され、産業制御においてより重要な役割を果たすことになります。
