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ボールバルブは、配管システムにおける液体や気体の流れを遮断、開放、または分流するために使用されます。

ボールバルブは、最も一般的に使用される工業用バルブの一つであり、機械・プラント工学、水処理技術、化学・プロセス工学プラントのほか、エネルギー、食品、建築設備などの分野で採用されています。
中心となる構成要素は、2つのバルブシート間に本体に取り付けられた穴の開いたボールです。ボールを90度回転させることで、ボールの穴が流れの方向と一致するか、あるいはそれに垂直になるように位置付けられます。これにより、1/4回転で媒体の流れを素早く開いたり遮断したりすることが可能です。
ボールバルブは、コンパクトな設計、信頼性の高い遮断性能、および低い流量損失を特徴としています。多様な材質、接続方式、シールシステム、および作動方式により、数多くの媒体や運転条件に適応させることができます。

以下では、ボールバルブの動作原理、構造、用途、利点、制限事項、および選定における最も重要な基準について概説します。

ボールバルブの動作原理

ボールバルブは、基本的に本体、穴の開いた遮断用ボール、シートシール、ステム、およびアクチュエータで構成されています。
開状態では、ボールの内径は配管と平行になります。これにより、流体はバルブ内を流れることができます。ボールを90度回転させると、ボールの閉鎖面が流路を塞ぎ、流体の流れを遮断します。
ボールはステムを介してハンドレバー、ギアボックス、またはアクチュエータに接続されています。手動式のボールバルブでは、通常、レバーの位置によってバルブが開いているか閉じているかが直接わかります：

• レバーが配管と平行：開
• レバーが配管に垂直：閉

ボールバルブは主に遮断用バルブです。標準的な設計では、流量の連続的な調整には限られた範囲でしか適していません。部分的に開いた状態では、高い流速、乱流、およびシートシールへの過大な応力が生じる可能性があります。そのため、制御用途には、この目的のために設計された特殊な形状の制御用ボール、または制御用ボールバルブが使用されます。

ボールバルブの種類

ボールバルブには数多くの設計があります。それらは、とりわけ、ボールの取り付け方法、流路数、内径、本体の構造、および作動方式において異なります。

フローティングボール式ボールバルブ

この一般的な構造では、ボールは本体に固定されていません。
流体の圧力により、ボールが対向するシートにわずかに押し付けられ、それによってシールが補助されます。
フローティングボール式ボールバルブは、小～中口径の製品や、多くの一般的な産業用途で頻繁に使用されています。

トラニオン式ボールバルブ

トラニオン支持式ボールバルブでは、ボールは上部と下部で機械的にガイドされます。
これにより、高圧や大口径の場合でも、ボールを確実に所定の位置に保持することができます。
シールは、ボールに押し付けられる可動式のシールシートによって行われます。
トラニオンマウント型は、とりわけ、大型パイプライン、化学および石油化学産業、ならびに石油・ガス供給システムなどで使用されています。

2方向ボールバルブ

2方向ボールバルブには、1つの入口と1つの出口があります。
主に、流体の流れを完全に開いたり閉じたりするために使用されます。
この設計は最も一般的に使用されているタイプであり、配管システム、機械、ユーティリティシステム、およびプロセスシステムで採用されています。

3方および多方ボールバルブ

3方ボールバルブには3つの接続口があり、流体の分配、混合、または切り替えに使用されます。
ボールの内径に応じて、以下の 2 つのタイプに区別されます。
Lボア：3つのポートのうち2つを接続し、流体の切り替えに適しています。
Tボア：バルブの位置に応じて3つのポート間の接続を変化させることができ、流体の分配や混合に使用できます。
多方ボールバルブは、より複雑な配管システムを簡素化し、複数の個別の遮断弁に取って代わることができます。

フルボアボールバルブ

フルボアボールバルブでは、ボールの内径は接続される配管の内径とほぼ一致しています。
その結果、流体の流れはわずかに制限されるだけです。
圧力損失は低く抑えられ、適切な設計であれば、洗浄や試験用の機器も配管内を通すことができます。

縮小口径ボールバルブ

縮小ボアボールバルブでは、ボールの内径は配管の内径よりも小さくなっています。
この設計はよりコンパクトで、多くの場合、コスト効率も優れていますが、流れに対する抵抗が大きくなります。
フルボアとリデューストボアのどちらが必要かは、許容差圧、必要な流量、および媒体の特性によって決まります。

ワンピース、ツーピース、スリーピースのボールバルブ

一体型本体はコンパクトでコスト効率に優れていますが、多くの場合、メンテナンスの範囲が限られます。
2 ピース式のボールバルブは、本体とそれに接続されたボディセクションで構成されています。
これらは、数多くの標準的な産業用途に使用されています。
3 ピースのボールバルブは、中央部が取り外し可能です。これにより、配管接続部を完全に分解することなく、ボールやシールの点検や交換を行うことができます。

金属製ボールバルブ

金属製のボールバルブは、例えば、真鍮、鋼、ステンレス鋼、または特殊合金などで製造されています。
真鍮製のモデルは、建築設備、給水システム、圧縮空気システム、および一般的なユーティリティシステムで頻繁に使用されています。
設計によっては、鋼製およびステンレス製のボールバルブは、より高い圧力、温度、およびより過酷な工業用媒体に適しています。

プラスチック製ボールバルブ

プラスチック製ボールバルブは、PVC-U、PVC-C、ポリプロピレン、PVDFなどの材料で作られています。
軽量であり、多くの化学媒体に対して優れた耐食性を発揮します。
ただし、その適合性は、使用されるプラスチックの種類、媒体の温度、使用圧力、および媒体の化学組成によって異なります。
プラスチック製ボールバルブには、2方向型と3方向型の両方の構成があります。

ソフトシート式およびメタルシート式のボールバルブ

ソフトシート式ボールバルブは、PTFE などのプラスチック製のシートシールを使用しています。
適切な使用条件下では、高い気密性と低い操作トルクを実現します。
メタルシート式ボールバルブは、より高い温度、研磨性の媒体、または特に過酷な用途に使用されます。
ただし、ソフトシート型に比べて操作力が必要となる場合があり、漏れ特性も異なります。

手動、空圧、および電動式のボールバルブ

手動式ボールバルブは、ハンドレバーまたはギア機構によって作動します。
これらは、バルブの操作が時折のみであり、かつ容易にアクセスできる用途に適しています。
空圧式アクチュエータは、迅速な切り替えを可能にし、自動化システムに容易に組み込むことができます。
アクチュエータの設計によっては、圧縮空気が供給されなくなった場合に、ボールバルブが所定の安全位置に移動することもあります。
電動アクチュエータは、圧縮空気が利用できない場合や、電気制御が望まれる場合に使用されます。
位置フィードバック、リミットスイッチ、位置決め装置を追加することで、制御および監視システムへの統合が可能になります。

ボールバルブの用途

機械およびプラントエンジニアリング

機械およびプラントエンジニアリングにおいて、ボールバルブは、冷却、潤滑、水、圧縮空気、および供給ラインを遮断します。
そのコンパクトな設計と短い作動距離により、機械やシステムへの組み込みが容易です。

水・廃水処理技術

ボールバルブは、水処理プラント、投与システム、配水管、および各種補助回路で使用されます。
上水用途では、材料、シール、および認証が、適用される要件に準拠している必要があります。

化学およびプロセスエンジニアリング産業

化学およびプロセスエンジニアリングのプラントでは、ボールバルブは液体や気体の遮断および分配に使用されます。
腐食性媒体の場合は、ステンレス鋼、高合金材料、または耐薬品性プラスチックが必要となる場合があります。
また、シール材も、媒体および温度に対する耐性を備えている必要があります。

石油・ガス産業

石油・ガス産業では、ボールバルブは、プロセスプラント、貯蔵施設、輸送・配管パイプラインなどで使用されています。
大口径、高圧、および安全要件の強化により、トラニオン取り付け式のボール、特殊なシールシステム、および用途に特化した試験が必要になる場合があります。

食品および製薬業界

衛生的な生産エリアでは、ボールバルブは製品、洗浄、および供給ラインで使用されます。
ここでは、洗浄が容易な設計、適切な表面処理、食品用グレードの材料、およびデッドスペースの最小化が特に重要です。

エネルギーおよび建築設備工学

暖房、冷却、空調、および供給システムでは、ボールバルブは、水、熱媒体、およびその他の適切な媒体を遮断するために使用されます。

圧縮空気およびガス技術

ボールバルブは、圧縮空気や適切な工業用ガスの迅速な遮断を可能にします。
可燃性、有毒、または超高純度のガスの場合は、特別な設計やシール要件を考慮する必要があります。

ボールバルブの利点

• 迅速な開閉：90 度の回転で、媒体の流れを完全に開放または遮断することができます。
• 流量損失が少ない：特にフルボア設計の場合、全開時の流動抵抗が低くなります。
• 優れた遮断性能：適切なボールおよびシートシールにより、媒体の流れに対して確実なシールが確保されます。
• コンパクトな設計：多くのリフト式バルブと比較して、ボールバルブは設置スペースをほとんど必要としません。
• 位置表示が簡単：手動操作型のモデルでは、多くの場合、レバーの位置からバルブの開閉状態を直接確認できます。
• 多彩な材質の選択肢：金属および非金属の材質により、幅広い液体や気体に対応可能です。
• 自動化が容易：ボールバルブには、空圧式または電動式の回転アクチュエータを取り付けることができます。
• メンテナンス要件が少ない：適切に選定され、意図した通りに使用されれば、多くのボールバルブは長期間にわたって確実に動作します。

ボールバルブの制限事項

• 標準的なボールバルブは、主に全開および全閉用に設計されています。部分開位置での連続的な絞り込みは、シールやボールの表面に負荷をかける可能性があります。
• 固体、繊維、または研磨性の粒子がボールとシートの間に堆積したり、摩耗を増加させたりする可能性があります。このような媒体の場合は、適切な設計、材質、およびシールシステムを選択する必要があります。
• バルブが閉じた状態になると、媒体がシートシール間の本体内部に閉じ込められることがあります。この媒体が加熱されると、圧力が上昇する可能性があります。このような用途では、圧力逃がし機能付きシート設計やその他の保護措置が必要となります。
• ソフトシートシールを備えたボールバルブは、使用されるシール材の耐熱温度および耐圧限界によって制約を受けます。メタルシート仕様は適用範囲を広げますが、コストが高くなり、操作トルクも大きくなる可能性があります。

ボールバルブの主な選定基準

流体および運転条件

選定プロセスは、流体の正確な特性把握から始まります。特に、流体の化学組成、濃度、温度、粘度に加え、固形分や粒子含有量、腐食性、可燃性、および危険性について十分に考慮する必要があります。
本体、ボール、ステム、シートシール、および流体と接触するその他の構成部品は、その流体に対して十分な耐性を備えている必要があります。

作動圧力および温度

ボールバルブは、発生し得る最大圧力および実際の流体温度に対応するように設計されなければなりません。
多くの材料やシールでは、温度が上昇するにつれて許容圧力定格が低下することに留意する必要があります。また、短時間の圧力急上昇や温度変動も考慮に入れる必要があります。

呼び径および流路面積

呼び径および配管接続は、システムと互換性があるものでなければなりません。さらに、フルボアとリデュースドボアのどちらが必要か決定する必要があります。
フルボアは、低い圧力損失、高い流量、または配管断面の閉塞がないことが求められる場合に特に有用です。レデュースドボアは、流量要件がそれほど厳しくない場合、よりコンパクトで費用対効果の高いソリューションを提供できます。

本体およびシール材

選定は本体材質のみに限定すべきではありません。ボール、ステム、シールシート、Oリング、および本体シールも、用途に適したものでなければなりません。
シートシール材としては、PTFEが頻繁に使用されます。媒体、温度、負荷によっては、改質プラスチック、エラストマー、または金属製のシールシステムが必要となる場合があります。

接続方式

ボールバルブには、以下に示す接続方式などが用意されています：

• 内ネジまたは外ネジ、
• フランジ接続、
• 溶接端、
• ソケット溶接端、
• プラスチック配管システム用の溶剤接着式または融着溶接式ソケット、
• クランプまたはその他の衛生用接続部。

接続規格、公称圧力、シール方式、および全長は、既存の配管と一致している必要があります。

分岐数および作動機能

単純な遮断用途の場合、通常は2方向ボールバルブで十分です。
3方弁の場合、個々の切替位置でどの接続部を接続するか、またL型またはT型の通孔が必要かどうかを、発注前に明確に指定する必要があります。

作動および自動化

手動操作の場合は、操作のしやすさ、必要なトルク、およびロック機構の有無を確認する必要があります。
自動ボールバルブの場合、駆動方式、供給電圧または制御圧力、作動時間、フェイルセーフ位置、切り替え頻度、および環境条件を指定する必要があります。
ISO 5211 で規定されているような標準化された機械的インターフェースにより、バルブと回転式アクチュエータの組み合わせが容易になります。さまざまなメーカーが、空圧式および電動式アクチュエータ用の対応するアクチュエータインターフェースを備えたボールバルブを提供しています。

漏れ、試験、および規格

要求される気密性は、媒体、圧力、および漏洩が発生した場合の影響によって異なります。
DIN EN 1983 は、さまざまな接続タイプを持つ工業用鋼製ボールバルブの要件を規定しています。DIN EN 12266-1 は、金属製バルブの耐圧試験、試験手順、および合格基準を規定しています。業界や用途によっては、追加の規格、承認、および試験要件が適用される場合があります。
例えば、危険物、可燃性媒体、または環境に配慮が必要な媒体の場合、防火、防爆、排出特性、または機能安全に関して特別な要件が適用されることがあります。

保守および互換性

ダウンタイムコストが高いシステムの場合、シールや内部部品の保守や交換が容易であるため、3ピース型または多ピース型のボールバルブが有利となる場合があります。
また、以下の点についても確認する必要があります：

• シールキットの入手可能性、
• アクチュエータの互換性、
• バルブへのアクセス性、
• 必要なメンテナンス間隔、
• スペアパーツの供給状況、
• 長期的な製品の入手可能性。

メーカー、コンサルティング、およびライフサイクルコスト

適切なメーカーやサプライヤーは、材質、シール、耐圧定格、内径、接続方式、およびアクチュエータの選定について助言を提供できる必要があります。
購入価格に加え、設置、自動化、アクチュエータのエネルギー消費、メンテナンス、予備部品、および潜在的なダウンタイムのコストも考慮に入れる必要があります。
技術的に優れた設計のボールバルブは、不適切な材料、過大な作動トルク、あるいはシールの早期摩耗により頻繁に交換を余儀なくされる低価格モデルに比べ、長期的にはより費用対効果が高いと言えます。

まとめ

ボールバルブは、液体や気体の流体を遮断、開放、分流するために使用される、コンパクトで汎用性の高い工業用バルブです。穴の開いたボールが90度回転することで、迅速かつ一目で判別できる開閉動作が可能になります。
さまざまな本体設計、ボールベアリング、流路、材質、およびシールシステムにより、数多くの産業用および技術的な用途での使用が可能となっています。自動化プロセスには、空圧式および電動式アクチュエータに加え、さまざまなフィードバックおよび制御オプションが用意されています。
確実な動作を確保するためには、流体、圧力、温度、流量、接続方式、切り替え頻度に基づいてボールバルブを慎重に選定する必要があります。腐食性、研磨性、高温、または危険な流体、ならびに高いシール性能や安全性が求められる用途については、特に注意が必要です。

ボールバルブは、さまざまなメーカーやサプライヤーから購入できます。世界中のボールバルブメーカーおよびサプライヤーに関する包括的な情報は、Exportpagesでご覧いただけます。