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Bobby Brown
更新 2024-07-10
閥門(凡而)是什麼?圖解10種常見閥門

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一、閥是什麼?

閥 (閥注音:ㄈㄚˊ,閥英文: Valve)又可稱作凡而、凡爾,是一種用於流體、氣體管道系統中的裝置,通過開啟或關閉來控制和調整介質的流動。閥能夠阻止或開通氣體及流體的流動、變更流量大小、控制流動的方向、調節下游的壓力,以及在系統壓力超出或低於預定範圍時釋放壓力。

二、閥與泵浦

在討論工業系統和設施時,閥門(Valve)與泵浦(ㄅㄥˋ ㄆㄨˇ,或作幫浦,Pump)常常被一起提及,閥門是用於控制流體流動的裝置;而泵浦的功能則是通過壓力差移動液體。閥門在技術上與泵相似,閥門可以手動操作,如使用手輪或手柄,也可以透過自動控制系統來調節。
日常生活中的水龍頭就是最簡單的一種閥門;較複雜的閥門能夠進行連續或重複的調節操作,特別是在需要精確控制介質的場合,像是半導體蝕刻製程中,蝕刻液的藥劑成分和濃度需要嚴格控制,在這種情況下,會使用藥液電磁閥控制蝕刻液的流量,這些電磁閥可能配備了電動驅動器和自動控制系統,能夠精確調節閥門的開啟程度。
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三、閥門種類

市面上的閥可能有幾百種類型,然而,我們可以根據閥門的運動方式簡單地將閥門分為三種類型:線性運動閥門、旋轉運動閥門和直角迴轉閥門。以下將依照運動方式介紹11種常見的閥門:

1. 線性運動閥門(Linear Motion Valve)

線性運動閥門(Linear Motion Valve)的開啟和關閉運動軌跡沿著同一條直線方向進行,閥芯在閥門體內部上下移動以打開或關閉閥門,如此一來閥芯能夠緊密地與閥座接觸,也因此線性運動閥門通常具有良好的密封性。以下介紹常見的線性運動閥門:逆止閥、 隔膜閥、球型閥、針型閥

1 ) 逆止閥 Check Valve

逆止閥也稱為止回閥(Non-return Valve)主要功能是防止流體逆流。逆止閥有多種類型,用途廣泛,常用於水利系統,尺寸小、結構簡單且成本低廉,常見於家用品中。
優點 缺點
  1. 防止流體逆流   1. 可能對系統壓力造成影響
  2. 結構簡單、成本低   2. 僅適用於單向流體
  3. 適用範圍廣   
  4. 低維護需求   
  5. 自動運作   
逆止閥(止回閥)運作示意圖
逆止閥運作原理如圖:當流體壓力推動閥門打開後,流體經過逆止閥,若要倒流,即會觸動閥門關閉,倒流的流體壓力越大,閥門密封效果越好。逆止閥通常采用彈簧或重力閉合,不需動手操作。
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2 ) 隔膜閥 Diaphragm Valve

隔膜閥通過彈性隔膜來控制截斷流體,隔膜閥能夠滿足耐腐性的需求,常用於化工工業中處理各種化學品、溶劑和腐蝕性介質。也經常應用於食品和制藥工業,因為能夠有效地防止交叉污染,確保流體的衛生和安全。
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優點 缺點
  1. 良好的密封性   1. 耐壓能力有限
  2. 耐腐蝕性強,適用腐蝕性流體   2. 不適合高溫環境
  3. 無死角,不易積聚殘留物,符合高衛生要求   3.流量調節範圍較窄
隔膜閥運作示意圖
隔膜閥運作原理如圖,閥體和閥蓋中有一彈性隔膜,閥桿上提隔膜被拉起,液體流過,下放時,隔膜堵住入口,阻止液體流通,由於操縱機械和流體是完全分開的(中間有隔膜將其隔開),因此隔膜閥的密封性非常好,適用於腐蝕性流體、纖維漿液、放射性流體或其他需要無污染性能的應用。
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3 ) 球型閥 Globe Valve

球型閥又稱為截止閥,可以截流也可以調節流量、壓力,屬於比較靈活的閥門,之所以叫球型閥,是因發明時外觀為球體形狀而得名,現今的球體閥不一定是圓形外觀,為避免和球閥 Ball Valve混淆,因而許多人也用截止閥稱呼。截止閥常見於熱交換系統,因為截止閥運作中流體從入口直接流向出口,尤其適用高黏度流體,能防止流體在閥內部分凝固或聚積,像是水處理系統、化工和石油工業和蒸氣系統等。
優點 缺點
  1. 直通流道阻力小   1. 工作溫度受閥座材質限制
  2. 口徑尺寸多樣,配合範圍廣   2. 阻力較大
  3. 適合頻繁操作   3. 重量較重
  4. 低摩擦損耗,長壽命   
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球型閥(截止閥)運作示意圖
球型閥(截止閥)的運作方式:轉動手輪帶動閥桿上升,當球型閥打開時,閥芯上移,流體通過,閥內流體運動方向為鏡像的Z型,流體低進高出,阻力增加壓力下降:關閉閥門時,閥芯下降與閥座緊密接觸,形成密封阻止流體流通。
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4 ) 針型閥 Needle Valve

針型閥的特點在於它的針狀閥芯,透過設計,能夠與閥座之間的精細配合,能夠在低壓下精確控制氣流,適用於小流量,或是流體必須保持恆定的低流量的場域,像是真空系統中,填充充氣真空管、氣體雷射和類似設備;或是化油器中的怠速燃油流量。
*針閥中的遊標效應:由於針狀閥芯是錐形,隨著控制軸向移動(即閥芯的進出)時,針閥與閥座之間會產生直徑差,便創造了一種遊標效應,這種徑向變化極小,是針閥能夠提供精確流量控制的關鍵機制之一。
優點 缺點
  1. 精確控制小流量   1. 不適合大流量
  2. 適合低壓操作   2. 壓力損失較大
  3. 可用於真空系統   
  4. 結構緊湊,良好的密封性   
針型閥運作示意圖
針閥構造如圖,閥有一個相對較小的孔口,帶有一個長的錐形閥座,可以擰入和擰出以改變孔口開口,螺桿末端有針狀柱塞,關閉時完全與閥座貼合,因此能夠調節極細微的流量。由於閥體高度限制,流體壓力損失較大,管道窄小,也使得懸浮固體對器械損害風險較高。
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2. 旋轉運動閥門(Rotary Motion Valve)

這類閥門的開啟和關閉運動是圍繞著軸心旋轉進行的,閥芯通常以旋轉的方式來開啟或關閉流道。可快速啟閉且操作簡單。以下介紹常見的旋轉運動閥門:球閥、蝶閥、減壓閥、 閘閥

1 ) 球閥 Ball Valve

球閥藉由球體通道開口大小控制流體進出,具有優異的密封性能和低維護要求,操作簡單,適用需要快速開關和可靠密封的場合,從工業石油和天然氣管道、化工製程到住宅用水系統都可見到球閥身影。
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優點 缺點
  1. 耐高壓、適用高流量   1. 球和閥座之間可能淤積堵塞
  2. 優異的密封性能   2. 操作扭矩較大,可能需要額外操作機構
  3. 低流阻,維護簡單   3. 通常體積較大,重量較重
  4. 可用於流量控制、分流   
[12]
球閥運作示意圖
球閥中間有一空心的球型閥心,球的孔徑與管道孔徑相同,使用手柄帶動閥桿轉動閥心,當穿孔對齊流道時,流體通過,欲關閉通道,則90度旋轉手柄,即可阻斷流體通過。
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2 ) 蝶閥 Butterfly Valve

蝶閥也稱為瓣閥,具有結構簡單、快速操作的特性,藉由旋轉蝶板(閥瓣)以開啟或閉合。 蝶閥非常適合在相對較低的壓力下處理大流量的液體或氣體。也適用於多種介質,包括水、油、蒸汽以及多種腐蝕性流體。常見於水處理、化工和石油化工行業,以及暖通空調系統和農業灌溉系統中 。

蝶閥有多種類型,每種都適用於不同的壓力和不同的用途,常見碟閥如:
a. 同心蝶閥:這種類型的閥門有一個帶有金屬閥瓣的彈性橡膠閥座,具有最低的壓力等級。
b. 雙偏心蝶閥:(高性能蝶閥或雙偏心蝶閥)-閥座和閥瓣採用不同類型的材質,允許閥門在更廣泛的溫度和壓力範圍內運行。
c. 三偏心蝶閥:(三偏心蝶閥)-閥座採用層壓閥座或實心金屬閥座設計。最適合高壓系統及嚴苛的工作環境,常用於工業和能源領域。
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優點 缺點
  1. 快速啟閉,可經常操作   1. 流路非線性,壓力變化不均
  2. 體積小、重量輕、操作省力   2. 密封性能較差
  3. 流量控制功能良好   3. 高流速下會產生振動或噪音
  4. 閥瓣完全開啟時,壓力極低   4. 不適用極端溫度、高壓環境
蝶閥(瓣閥)運作示意圖
蝶閥構造如圖所示,蝶閥由一個旋轉的蝶板(閥瓣)組成,該蝶板通常位於閥體的中心,蝶閥運作時,圓形蝶盤繞著軸心旋轉,開合最大角為90度,藉由調整角度來調整介質流量,由於閥瓣始終存在於流體中,因此會增加流阻,產生局部壓力損失。

3 ) 減壓閥 Relief Valve

減壓閥也稱為洩壓閥,用於將高壓流體減至所需的較低壓力,以防止過高的壓力導致設備故障、爆炸或火災。減壓閥通過閥門內的彈簧或壓力調節裝置來控制開啟及關閉,這種安全閥在達到設定壓力值時會自動開啟,釋放過多的壓力。減壓閥常用於供水系統、蒸汽系統和氣體系統中等涉及高壓操作的場合,對於工業安全非常重要。
優點 缺點
  1. 自動釋放過多壓力,保護系統安全   1. 彈簧和密封件容易磨損,需經常維護
  2. 自動運行,無需操作   2. 壓力設置需專業背景知識
  3. 適用範圍廣,液體、氣體和蒸汽系統   
減壓閥運作示意圖
減壓閥設計有一個預設壓力,當系統壓力達到某個數值時,閥門會自動開啟。這個壓力設定通常利用閥門彈簧或其他力學元件(如重錘或先導閥)來操作的。
上圖是一個以彈簧設計自動開啟的減壓閥,當系統內的壓力增加至設定的壓力閾值以上時,這個增加的壓力會推動閥芯,導致彈簧壓縮,使閥門開啟,從而釋放超出安全範圍的壓力或流體,以降低系統內的壓力;而壓力降回安全範圍後,彈簧會推動閥芯移回初始位置,使閥門關閉。

4 ) 閘閥 Gate Valve

閘閥(ㄓㄚˊ ㄈㄚˊ)透過上下移動的閘板來進行開啟和關閉,閘閥主要作用是阻止液體的流動,而不是調節流量。當閘閥完全打開時,流動阻力極低,因此啟閉閘閥非常省力,但由於閘板與密封面的距離較遠,需要較長的操作時間。
閘閥本身可以分成多種類型,一般的閘閥結構簡單,安裝沒有進出口方向的要求,如圖,閘閥裝有上升閥桿手輪或馬達,啟動時帶動閥門上升以開啟流體通道。
閘閥適用於較大管徑,由於閥門和密封面之間可能存在微小的間隙或磨損,即使閘閥完全關閉,也可能產生輕微洩漏,因此在對流體密封性要求極高的場合,可能需要採取額外的措施。
優點 缺點
  1. 流體截斷能力佳   1. 壓差較大會產生水錘
  2. 全開狀態下流阻近零   2. 啟閉操作時間較長
  3. 適合各種流體,包括液體、氣體和蒸汽   3. 體積大、占空間
  4. 耐高壓和高溫   
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3. 直角迴轉閥門 (Quarter-turn Valve)

直角迴轉閥門是操作角度限制在90度,閥芯以水平或垂直方向移動以開啟或關閉流道。這類閥門特別適用於需要快速操作的場合,通常用於需快速起閉的遠程控制和自動化系統。以下介紹常見的直角迴轉閥門:電磁閥、氣動閥

1 ) 電磁閥 Solenoid Valve

電磁閥利用電流通過閥件頂部的電磁線圈,產生磁場,從而控制閥門的開啟和關閉,電磁閥通過電腦操控,具有自動操作與遠端操作的特性,電磁閥廣泛應用於自動化系統,如通斷控制、試驗工廠控制迴路、過程控制系統等。它們也被用於液壓千斤頂和卡車上的液壓缸操作。
優點 缺點
  1. 遠程控制,快速響應,適合自動化系統   1. 只適用於乾淨介質,不適用高黏度或含顆粒物的流體
  2. 體積小,占用空間少,安裝方便   2. 耐壓性能低,適用於中低壓系統
  3. 低功耗,適合連續運行的系統   3. 需要穩定的電源供應,停電時無法工作
  4. 能精確控制流量和方向   4. 需要定期檢查和更換損耗部件,如密封件和線圈
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以常閉型電磁閥(Normally Closed Solenoid Valve, NC)為例,電磁閥內的線圈沒有通電時,閥門保持關閉。常閉型電磁閥中有一個被螺線管(solenoid)圍繞的電樞(armature),電樞裡面有一彈簧連接著柱塞(plunger),未通電時,柱塞堵著通道,當開啟電流,電磁閥內部便會產生磁場,牽引柱塞向上,此時通道開啟,液體流通;電流一旦關閉,柱塞回到原本的位置,此時流體便無法通過。
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2 ) 氣動閥 Pneumatic Valve

氣動閥英文Pneumatic Valve,或是Air-operated valve,主要是使用氣動裝置,透過氣壓來開關流體通道,安全性高,適用於高壓力和高溫條件下的控制。氣動閥在能源行業中,常用於控制各種介質的流動,包括油、天然氣和水。在化工業也十分常見,可見於反應槽、蒸餾塔和儲槽中。醫療設備中的呼吸機、手術室設備和醫療氣體供應系統中,也能見到氣動閥的使用。
*氣動閥原理很簡單:沒有空氣時,氣動閥開啟;有空氣時,氣動閥關閉。
優點 缺點
  1. 安全性高,可在惡劣條件下工作   1. 需配備壓縮空氣供應系統,初期安裝成本較高
  2. 啟閉速度快,適合需要快速響應的應用   2. 氣動元件需要過濾和乾燥設備,避免損壞
  3. 力量大,適合控制大口徑閥門和高壓系統   3. 控制精度有限,不適合精確流量控制
  4. 結構簡單、耐用,適合頻繁操作   4. 排氣時會產生一定的噪音
[22]
我們可以從閥件本身開始了解,氣動閥分為兩個主要部分,底部為機械裝置,裡面是氣動閥閥板(disc),閥版上下移動來啟閉氣動閥,與截止閥(球型閥)極為相似,外面裝閥蓋(bonnet),可以開啟以便維護閥件內部,機械裝置與頂端裝置以垂直閥桿(spindle)連接,閥桿上面有指針,顯示氣動閥是開始或是關閉的狀態,頂部則是氣動裝置,裡面有裝有氣動執行器(pneumatic actuator),從接口注入氣體時,氣壓擠壓隔膜壓縮彈簧,下壓底部的閥芯,此時通道關閉,流體無法通過;反之,若抽出空氣,彈簧伸展,閥芯上移,則通道開啟,流體通過。
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四、閥門推薦-流體控制閥件專家 KOSCN 科訊

KOSCN科訊是一家國際性的流體控制產品制造企業,自2005年以來,憑藉著專業的技術,從研發到設計取得多項自動控制閥產品專利,銷售範圍從中國總部延伸到海外地區的代理商團隊。

KOSCN科訊 MV304 電動隔膜閥

科訊所研發製造的Control Valves MV系列隔膜閥,採用全塑外觀設計,其平滑的流道設計使得流通能力超越一般產品。此系列閥門提供手動、氣動及電動控制選擇,滿足客戶的多樣應用需求。同時,該產品具有與國際市場相同的安裝尺寸,支持位置反饋和比例調節模組的擴展。
KOSCN科訊 MV304 電動隔膜閥
KOSCN科訊 MV304 電動隔膜閥具有方便安裝維護、高安全性的特色,其自動化模塊採用抱夾式連接,讓拆裝變得極為便利;LED的可視界面,方便使用者設定和觀察。此外,科訊的產品扭矩皆經過獨立校驗,確保產品壽命,連接形式有由令承插、由令對焊、多種接口標準,支援多種信號範圍:4-20mA , 0-20mA , 0-5V , 1-5V , 2-10V,是一款調節性能非常優越的自動化閥門。

KOSCN科訊 BV202-PRO 氣動球閥

KOSCN BV系列塑料球閥是一款標準型產品,採用國際通用的結構設計,具有流通量大和扭矩小的特點。支持電動、氣動控制的模塊化擴展,能實現智慧化應用。此外,還具備開關控制、調節、信號反饋、自動復位和故障報警等多種功能。
KOSCN科訊 BV202-PRO 氣動球閥
KOSCN科訊 BV202-PRO 氣動球閥為全塑外殼的化工型產品,重量輕,耐腐蝕,具備開關、調節、信號反饋、自動覆位、故障報警等功能。BV系列自帶位置反饋開關和定位器擴展模塊安裝接口,安裝、操作都容易,在安全性能方面,配有機器過壓余量設計、活接螺紋採用梯形設計可防止暴脫,是一款安全又簡易操作的球閥。
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參考資料

  1. ^ 閥門 - wikipedia
  2. ^ List of Valves - adamantvalves
  3. ^ 止回閥的作用及工作原理 - 多儀
  4. ^ Diaphragm valve - wikipedia
  5. ^ 隔膜阀工作原理 - 上海凯利科阀门有限公司
  6. ^ globe valve - wikipedia
  7. ^ 球型閥,停止閥,截止閥和閘閥別弄混了!區別大了! - 証瓏
  8. ^ Choosing the Right Valve for Optimal Performance - stromquist
  9. ^ Needle valve - wikipedia
  10. ^ 針閥 - 中郡
  11. ^ HOW BALL VALVES WORK - convalve
  12. ^ Ball valve - wikipedia
  13. ^ Choosing the Right Valve for Optimal Performance - stromquist
  14. ^ 閥門種類分不清楚嗎?三分鐘認識 - 寔黈
  15. ^ 什麼是蝶閥? - tourochina
  16. ^ Butterfly valve - wikipedia
  17. ^ Gate valve - wikipedia
  18. ^ 球型閥,停止閥,截止閥和閘閥 - 証瓏
  19. ^ Working Principles and Functions of Solenoid Valves in Industry - medium
  20. ^ What Is A Solenoid Valve? - the engineering mindset
  21. ^ 電磁閥 - wikipedia
  22. ^ Air-operated valve - wikipedia
  23. ^ How Pneumatic Valves Work - saVRee
  24. ^ 气动阀门工作原理图 - 可拉伐
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