【図解】調節弁（コントロールバルブ）とは？仕組み・種類から選定・保全まで徹底解説

はじめに
第1章：調節弁（コントロールバルブ）の基本
第2章：【種類別】調節弁の特徴と選び方
第3章：調節弁の頭脳！駆動部とポジショナを徹底解説
第4章：【実践編】調節弁の選定とサイジング
第5章：調節弁のメンテナンスとトラブルシューティング
第6章：国内主要メーカーの特徴（本山製作所・アズビル）
1. 6-1. 株式会社本山製作所：堅牢性と信頼性の追求
2. 6-2. アズビル株式会社：デジタル技術でソリューションを提供
第7章：調節弁の未来と安全への貢献
おわりに

はじめに

化学プラントや工場の安定稼働を支える「縁の下の力持ち」、それが調節弁（コントロールバルブ）です。普段あまり目にすることはないかもしれませんが、プラント内の流体の流れを精密にコントロールすることで、製品の品質を保ち、設備の安全を守るという非常に重要な役割を担っています。

この記事では、そんな調節弁について、

「調節弁って、普通のバルブと何が違うの？」
「どんな仕組みで動いているの？」
「種類がたくさんあるけど、どうやって選べばいいの？」
「現場でのメンテナンスやトラブル対応はどうすれば？」

といった疑問をお持ちの、若手エンジニアからベテランの方まで、幅広い層の皆様に向けて、その基本から応用までを分かりやすく徹底解説します。調節弁の奥深い世界を一緒に学んでいきましょう。

すでにこちらの記事でも解説していますが、今回は弁体や流量特性など全般的な内容となります。

【調節弁】コントロールバルブの仕組み・構造（ポジショナ）について

概要調節弁（コントロールバルブ）とは、流量・圧力・温度・液位など工場やプラントで必要となる物理量（プロセス量）を制御するための操作機器です。配管やタンクに存在する様々な液体は、圧力計やレベル計によってその物理量を測定しています。当然測...

第1章：調節弁（コントロールバルブ）の基本

まずは「調節弁とは何か？」という基本中の基本から見ていきましょう。

1-1. 調節弁とは？ON/OFFバルブとの違い

調節弁とは、その名の通り、配管を通る液体や気体などの流量を「調節」するためのバルブです。

蛇口をひねって水の量を調整するように、弁の開き具合（開度）を0%から100%の間で連続的に変化させることができます。これに対し、単に流路を全開にするか全閉にするかの二択でしか動作しないバルブをON/OFFバルブと呼び、その目的において明確に区別されます。

調節弁とONーOFF弁の違い

1-2. なぜ調節弁が必要なのか？（目的と役割）

化学プラントでは、温度、圧力、液位、流量といった様々な要素を常に一定の値に保つ必要があります。調節弁は、これらの値を目標通りに維持するための「最終操作部」として機能します。

温度制御：熱交換器に送る蒸気の量を調節して、製品の温度を一定に保つ。
圧力制御：反応器の圧力が上がりすぎないよう、ガスを逃がす量をコントロールする。
流量制御：製品の原料となる液体の供給量を正確に調整する。

このように、調節弁はプラントの安定操業と安全確保に不可欠な、極めて重要な機器なのです。

1-3. 調節弁の基本的な仕組み（動作原理）

調節弁の基本的な原理は、流路の中に可変の「絞り」を作ることです。弁の内部にある弁体（プラグ）を動かして、流体が通る隙間の大きさを変えることで抵抗を変化させ、流量をコントロールしています。

調節弁は、その動力源によって大きく2つに分類されます。

他力式：空気圧や電力といった外部のエネルギーで動くタイプ。プラントで使われる調節弁のほとんどがこれにあたります。
自力式：流体自身の圧力エネルギーを利用して動くタイプ。減圧弁などが代表例です。

1-4. 調節弁を構成する3つの主要パーツ

調節弁は、大きく分けて以下の3つのパーツから構成されています。

調節弁の構造

弁本体（ボディ）：流体が通る外側の部分。配管に接続され、流体の圧力や温度に耐える役割を持ちます。
トリム：弁本体の内部にあり、流量を直接コントロールする心臓部。主に弁体（プラグ）と弁座（シート）からなります。
駆動部（アクチュエータ）：制御システムからの信号を受け取り、弁体を動かすための力を生み出す部分です。

第2章：【種類別】調節弁の特徴と選び方

調節弁には様々な種類があり、流体の種類やプラントの要求条件によって使い分けられます。ここでは代表的なものを紹介します。

2-1. グローブ弁（玉形弁）：最もスタンダードな調節弁

プラントで最も広く使われているのがグローブ弁です。S字状の流路が特徴で、精密な流量コントロールを得意としますが、圧力損失がやや大きいという側面もあります。

グローブバルブの構造

単座形：構造がシンプルで、弁を閉じたときの漏れ（シートリーク）が非常に少ないのが特長です。
複座形：高差圧の流体でも小さな力で操作できますが、単座形よりは漏れが少し多くなります。
ケージガイド形：振動に強く、騒音やキャビテーション（後述）を抑えることができる高性能タイプです。

2-2. ボール弁：高い遮断性能とレンジアビリティ

穴の開いたボール（球）を90度回転させて開閉します。元々はON/OFF用途が主でしたが、V字の切れ込みを入れたVポートボール弁は、非常に広い流量範囲（高いレンジアビリティ）で優れた制御性を発揮します。緊急時に素早く流体を遮断する緊急遮断弁（ESDV）としても多用されます。

ボールバルブの構造

2-3. バタフライ弁：大口径・低コストが魅力

円盤状の弁体（ディスク）を回転させて流量を制御します。構造がシンプルで軽量なため、特に口径の大きな配管ではコストメリットが大きくなります。冷却水ラインなど、大容量の流体を扱う場所でよく見られます。

バタフライ弁の構造

2-4. ダイヤフラム弁：腐食性流体やスラリーに強い

ゴムなどの柔軟な膜（ダイヤフラム）を押し付けて流路を閉じるユニークな構造です。駆動部と流体が完全に隔離されるため、腐食性の高い薬品や、固形物を含むスラリー流体に最適です。

ダイヤフラム弁の構造

2-5. その他の調節弁

アングル弁：入口と出口が90度になっており、詰まりやすいスラリー流体などに適しています。
三方弁：3つの接続口を持ち、2つの流体を混ぜたり（混合）、1つの流れを2方向に分けたり（分流）するのに使われます。

2-6. 【一覧表】主要な調節弁の特性比較

弁種	制御性	遮断性能	主な用途	長所	短所
グローブ弁	◎	◎	一般的な液体・気体の流量制御	精密な制御が可能	圧力損失が大きい
Vポートボール弁	○	◎	液体、気体、スラリー、緊急遮断	制御範囲が広い、圧力損失が小さい	摺動部が摩耗しやすい
バタフライ弁	○	○	大口径の液体・気体（冷却水など）	大容量、軽量、経済的	精密な制御は不向き
ダイヤフラム弁	△	◎	腐食性流体、スラリー	耐食性が高い	耐熱・耐圧に制限あり

(凡例： ◎: 優れている, ○: 良い, △: やや劣る)

第3章：調節弁の頭脳！駆動部とポジショナを徹底解説

調節弁が正確に動作するためには、それを動かす「駆動部」と、動きを指令する「ポジショナ」が不可欠です。

3-1. 駆動部（アクチュエータ）の種類と役割

駆動部は、制御信号を物理的な力に変えるエンジン部分です。

空気式：圧縮空気を動力源とするタイプで、安価で信頼性が高く、防爆エリアでも安全に使えるため、プラントで最も広く採用されています。ダイヤフラム式と、より大きな力が出せるシリンダ式があります。
電動式：モーターで弁を動かすタイプ。空気配管が不要な反面、応答速度が遅く、高価になる傾向があります。

3-2. 安全の要！フェイルセーフとは？

万が一、動力源（空気や電気）が失われたときに、弁が自動的に「開く」べきか「閉じる」べきか、あらかじめ安全な状態を決めておく設計思想をフェイルセーフと呼びます。

フェイルオープン (Fail Open, FO)：動力喪失時に開く。冷却水ラインなど、緊急時に流れを確保したい場合に採用。
フェイルクローズ (Fail Close, FC)：動力喪失時に閉じる。燃料ラインなど、緊急時に流れを遮断したい場合に採用。

3-3. ポジショナの役割と必要性

ポジショナは、調節弁に付属する高機能な制御装置です。コントローラーからの「開度50%にせよ」という指令に対し、弁の実際の開度が正確に50%になるよう、駆動部に送る空気圧などを微調整する役割を担います。

ポジショナがないと、摩擦などの影響で指令通りの開度にならず、精密な制御ができません。ポジショナは、制御の精度と応答速度を飛躍的に向上させる、まさに調節弁の頭脳と言える存在です。

3-4. ポジショナの仕組み（電-空ポジショナ）

現在主流の電-空ポジショナは、計装信号である電気信号（DC4-20mA）を空気圧に変換します。

ポジショナとは

電気信号をトルクモータで力に変換。
その力でノズルとフラッパの隙間を調整し、微弱な背圧を変化させる。
この背圧の変化をリレー（空気圧増幅器）で増幅し、駆動部を動かすための強力な空気圧を作り出す。
弁の実際の動きをフィードバックし、指令値と一致したところで停止する。

この一連のフィードバック制御により、極めて正確な位置決めを実現しています。

3-5. 【最新技術】スマートポジショナのすごい機能

従来の機械式ポジショナに代わり、マイクロプロセッサを搭載したスマートポジショナが現在の主流です。

オートセットアップ：ボタン一つで、ポジショナが弁の特性を自動で学習し、最適な制御パラメータを設定してくれます。これにより、調整作業が大幅に効率化されます。
自己診断機能：弁の摩擦の増加やエア漏れといった異常の兆候を自ら検知し、知らせてくれます。これにより、故障する前にメンテナンスを行う予知保全が可能になります。
デジタル通信：HART通信などに対応し、制御室から遠隔で設定変更や診断情報の確認が可能です。

アズビルの「PLUG-IN Valstaff」のようなシステムは、多数のスマートポジショナからデータを集約し、保全計画の最適化を支援します。

第4章：【実践編】調節弁の選定とサイジング

ここでは、実際の業務で必要となる調節弁の選定方法について解説します。

4-1. 失敗しないための選定プロセス

調節弁の選定は、以下のステップで進めるのが一般的です。

プロセス条件の確認：流体の種類、温度、圧力、流量などを正確に把握する。
弁形式の選定：第2章を参考に、プロセス条件に合った弁の種類を選ぶ。
サイジング（Cv値計算）：必要な弁の容量（サイズ）を計算する。
流量特性の選定：リニアかイコールパーセントかを選ぶ。
材質の選定：流体の腐食性などに合わせて材質を決める。
駆動部・付属品の選定：必要な力やフェイルセーフ要求に合わせて選ぶ。

4-2. 容量係数（Cv値）とは？計算方法を解説

Cv値とは、その弁がどれくらいの流体を流せるかを示す「容量」の指標です。Cv値が大きいほど、たくさんの流体を流せるパワフルな弁ということになります。

計算式は流体の状態（液体、気体、蒸気）によって異なりますが、基本的には流量と弁前後の差圧から求められます。

液体の場合の基本式 :

Cv=1.17×Q×ΔPGl

（Q: 流量[m³/h], Gl: 比重, ΔP: 差圧[kgf/cm²]）

メーカーのカタログから、計算で求めたCv値を満たす口径の弁を選定します。

4-3. 流量特性の選び方（リニア vs イコールパーセント）

流量特性とは、弁の開度と流量の関係のことです。主に2種類あり、プロセスの特性に合わせて選びます。

流量特性について（リニア、イコールパーセント）

リニア (Linear)：開度と流量が比例関係にあります。弁にかかる差圧がほぼ一定のプロセス（液位制御など）に適しています。
イコールパーセント (Equal Percentage, EQ%)：開度が小さいときは流量変化が少なく、大きくなるにつれて流量変化が大きくなる特性です。多くのプラント制御では、流量が増えると配管抵抗で弁差圧が下がるため、この特性がプロセスの非線形性を打ち消し、結果的に安定した制御を実現します。そのため、最も一般的に使用される特性です。

4-4. 材質選定のポイント

流体に直接触れる部分の材質選定は、弁の寿命と安全を左右する重要な要素です。

金属材料：
- 炭素鋼：蒸気や水など、腐食性の低い一般的な流体に。
- ステンレス鋼：耐食性に優れ、多くの化学薬品に使用可能。
- 特殊合金（ハステロイなど）：ステンレスでも耐えられない強腐食性流体に。
ソフト部品（シート材など）：
- PTFE（テフロン）：耐薬品性に非常に優れ、広く使われる。
- 各種ゴム（EPDM, NBR, FKM）：耐水性、耐油性など、用途に応じて使い分ける。

第5章：調節弁のメンテナンスとトラブルシューティング

安定稼働のためには、日々のメンテナンスが欠かせません。

5-1. 保全計画の立て方（日常点検・定期点検・オーバーホール）

保全活動は、その深度によっていくつかのレベルに分けられます。

日常点検：運転員が毎日行う巡回点検。漏れ、異音、振動など五感で異常を早期発見します。
定期点検（A級・B級点検）：1年や3～5年ごとに行う計画的な点検。作動試験や、可能な範囲での部品の分解・内部点検を行います。
オーバーホール（C級点検）：数年に一度、プラントの定期修理時に弁を完全分解して行う総点検。消耗品を交換し、新品同様の状態に復元します。

5-2. ここをチェック！日常点検のポイント

日常点検では、以下の点に注意して確認しましょう。

漏れはないか？：弁の軸（グランド部）やフランジ接続部から流体や空気が漏れていないか。
異音・異常な振動はないか？：普段と違う音がしたり、ガタガタと振動したりしていないか。
正常に動いているか？：指示計の開度と実際の開度が合っているか。
供給空気圧は正常か？：減圧弁の圧力が規定値になっているか。

5-3. 【現場で役立つ】よくあるトラブルと対策（一覧表）

現場で遭遇しやすいトラブルと、その基本的な対策をまとめました。

現象	主な原因	対策
外部漏洩（グランド部から）	パッキンの劣化、ナットの緩み	ナットを増し締めする。定期修理でパッキンを交換する。
内部漏洩（弁が閉まらない）	異物の噛み込み、シート面の摩耗	弁を数回開閉して異物を除去。分解してシート面を修理・交換する。
固着・作動不良	パッキンの締めすぎ、スラリーの固着	パッキンを適正トルクで締め直す。分解清掃する。
ハンチング（小刻みな振動）	ポジショナの調整不良、摩擦大	ポジショナのゲインを再調整する。パッキンを交換する。
異音・振動	キャビテーション、フラッシング	低騒音仕様のトリムに変更する。弁のサイズや形式を見直す。

第6章：国内主要メーカーの特徴（本山製作所・アズビル）

ここでは、国内の代表的なメーカー2社を紹介します。

6-1. 株式会社本山製作所：堅牢性と信頼性の追求

本山製作所

本山製作所は、調節弁の専門メーカーとして長い歴史を持ちます。その製品は、過酷な条件下でも安定して動作する機械的な堅牢性に定評があります。

特に、金属では耐えられない摩耗性スラリー流体向けのファインセラミックス調節弁や、詰まりやすい流体に対応する豊富なアングル弁のラインナップは、同社の高い技術力を象徴しています。現場の豊富な経験に裏打ちされた、信頼性の高い製品づくりが強みです。

6-2. アズビル株式会社：デジタル技術でソリューションを提供

azbil

アズビルは、総合オートメーションメーカーとして、調節弁を単なる機器としてではなく、デジタル技術を活用したソリューションとして提供しているのが特徴です。

競争力の核となっているのが、高機能なスマート・バルブ・ポジショナです。自己診断機能を持つポジショナと、そのデータを集約・分析するソフトウェア**「PLUG-IN Valstaff」**を組み合わせることで、効率的な予知保全を実現し、プラント全体の安定操業に貢献しています。三菱ケミカルなどの大規模プラントでも導入実績があります。