JP6053778B2 - 回転制御弁用ベローズ付勢型シールアセンブリ - Google Patents

Description

本開示は、流体制御弁に関し、より厳密には、回転制御弁で用いるベローズ付勢型シールアセンブリに関する。

回転制御弁は、プロセス流体（これは液体、ガス、スラリーなどでもよい）の何らかのパラメータを制御するのに、数多くのプロセス制御システムの適用で使用されている。プロセス制御システムは、流体の圧力、レベル、ｐＨまたは他の所望のパラメータを最終的に制御するために制御弁を使用することがあるが、制御弁は、基本的には、流体流れ率を制御する。

一般的には、回転制御弁は、ボール要素によって隔てられた流体流入口および流体流出口を備えた弁体を含んでいる場合があり、ボール要素は、固定軸の周囲を回転し、かつシールアセンブリに当接することで流体流れ量を制御する。作動中、プロセス制御システムまたは手動で制御弁を制御しているオペレータは、ボール要素をシールアセンブリの表面に接触させて、または、その表面から離して回転させ、それによって流通通路を露出させることで、所望の流体流れが流入口および流出口、したがって回転制御弁を通ることを可能にする。

回転制御弁構成要素は、ボール要素およびシールアセンブリを含んでいて、一般的には金属で構成されており、このことは、まさに高圧および／または高温の適用例で使用されるとき特に有効である。しかし、ボール要素およびシールアセンブリは、弁の開閉の際にボール要素およびシールアセンブリが繰り返し広範囲に係合することが原因で損耗が生じる。損耗に起因する問題には、弁構成要素の寿命の短縮、ボール要素とシールアセンブリの間の摩擦力の増大、ボール要素とシールアセンブリ間の望ましくない漏れが、これらに限定するわけではなく含まれる。同様に、構成要素が損耗されるにつれて、摩擦力が増大する傾向があるので、弁の中の動的性能および制御特性が低下して、結果的に、弁は、非効率的で不正確になる。

これまで、付勢した主シールをシールアセンブリに組み込むことで上述の問題を修正しようと試みられてきた。いくつかの設計は、テフロン（登録商標）製半径方向シールを組み込んで、高温作動下でのシーリング性能を強化した。テフロン（登録商標）製半径方向シールを備えたボール弁は、一般的には、約２８８℃までの温度の動作環境で使用される。テフロン（登録商標）は、約２８８℃を超えると劣化するので、２８８℃を越える場合、黒鉛ピストンリングが現在使われている。黒鉛ピストンリングは、高温度に耐えることが可能ではあるが、テフロン（登録商標）製半径方向シールほど満足にシールしない。

しかし、付勢した主シールは、第２の流路を形成し、第２の流路は、弁が閉じたときに流体が第２の流路の中を流れるのを防止するための第２のシールを必要とする。

周知の回転制御弁の１つの実施例では、図１−図４に示すように、ボール弁２０は、流入口３１と流出口３２間の第１の流路３３を備えた弁体またはハウジング３０と、ハウジング３０に取り付けられたシールアセンブリ５０と、ハウジング３０の中に配置される回転シャフト９０および９１上に載置されるボール要素８０と、を含んでいる。

ハウジング３０は、概ね円筒状形状を有していて、流体がその中を移動する第１の流路３３を画定している。ハウジングの底３０には、図２で配置されるように、第１の流路３３の流出口３２があり、流出口３２は、流出口フランジ３８に取り囲まれている。ハウジング３０の中間部分では、貫通孔４０が、ハウジング３０の右側の壁を貫通しており、止まり穴４１が、ハウジング３０の室内に開口しており、穴４０および４１は、軸９０および９１をそれぞれ受け入れる。駆動シャフト９０と、外側の右側壁またはハウジング３０の駆動端部との間に配置されるのは、パッキン従動部４２、一組のパッキン輪４４およびベアリング４３ａである。ハウジング３０の駆動端部上に位置していて、締結具３５と係合するのは、アクチュエータ取り付けフランジ３４である。次にハウジングの頂部３０を参照すると、さらに図２に配置されるように、座ぐり３９が、第１の流路３３の流入口３１を作って、シールアセンブリ５０を受け入れている。流入口３１を取り囲んでいるのは、流入口フランジ３６であり、流入口フランジ３６は、弁２０を、差し込まれる管（図示せず）に固締するまたは取り付けるのに使用することができる。

シールアセンブリ５０は、図４で最もわかりやすく示されるように、主シール６４およびシールハウジング５２を含んでいる。前述のとおり、シールアセンブリ５０は、ハウジング３０の座ぐり３９内に配置されており、より厳密には、シールハウジング５２の外面５４は、座ぐり３９の中に固定して取り付けられている。シールハウジング５２の内面５３上には、一対の環状肩部５５ａ及び５５ｂがあり、それぞれ、動的Ｃ字型シール６０および波バネ７０などの弾力付勢部材、を受けている。Ｃ字型シール６０および弾力部材７０は、主シール６４をシールハウジング５２に接続する。弾力部材７０は、主シール６４とシールハウジング５２間の第２の流路７２をさらに作り出すことで、主シール６４をボール要素８０の方へ付勢する。Ｃ字型シールは、第２の流路７２を通る流体の流れ制限を構築している。Ｃ字型シールは、主シール上の環状肩部７４とシールハウジング５２上の環状棚部７６の間に閉じ込められている。Ｃ字型シール６３の開口部は、ボール８０から離れた、流入流体の方へ向いている。

弁２０が閉位置にあるとき、主シール６４に当接しているのは、ボール要素８０（図４）である。ボール要素８０は、弁が閉位置にあるとき、主シール６４と係合する球面８２を含む。貫通孔８４ａ及び８４ｂをそれぞれ通っていて、ボール要素８０に取り付けられているのは、従動部シャフト９１および駆動シャフト９０である。

弁を閉じるために、ボール要素８０を回転させて、主シール６４に当接させる。これによって、接触点６６での第１の流路３３の流れ制限を構築する。図４に示すように、ボール要素８０が、主シール６４を押圧するとき、主シール６４は、弾力部材７０を圧縮することによって、シールハウジング５２の中に位置をずらすことができる。主シール６４が、ボール要素８０およびシールハウジング５２に対して、適切に移動および作動することを確実にするように、所定のまたは算出した隙間７１が、主シール６４とシールハウジング５２の間に作られる。隙間７１は、弁２０が閉位置にあるとき、主シール６４がボール要素８０と確実に接触するように設定される。隙間７１と協働して働き、弁２０が、適切に移動および作動することを確実にするのは、主シール６４とハウジング３０の間に作られる隙間７３である。隙間７３は、弁２０が開閉しているとき、主シール６４が、適切な時にハウジング３０と直接に接触するようになることを確実にする。

ボール要素８０が閉位置の方へ回転する際、ボール要素８０は、主シール６４に接触し、それによって、ボール要素８０がさらに回転して完全閉位置になるとき、隙間７１は、より小さくなる。さらに図４に示されるように、弾力部材７０を収容するために主シール６４とシールハウジング５２の間に作られるのが、第２の流路７２である。

ボール弁２０が閉位置にあるとき、高い気圧力が、流入口３１に作り出される。圧力が増加することで、強制的に、プロセス流体が、限定的な第１の流路の制限を迂回して、第２の流路７２を通過するようにできる。流体が第２の流路７２を通って貫通することを防止しているのは、動的なＣ字型シール６０である。主シール６４は、引き続き付勢されてボール要素８０に押し当てられ、ついには、主シール６４は、止められる、または、弾力部材７０には完全に力がかからなくなる。

図１−図４に示されるボール弁などの周知の回転制御弁に関する１つの問題は、付勢された主シールによって作られた第２の流路は、弁が閉位置にあるとき、自体でシールされていなければならないことである。多くの場合動的な半径方向シールの形をしたシールがこのように追加されると、複雑さ、製造の難しさおよび故障点の追加が周知のボール弁に加わる。

第１の例示的な態様によれば、ベローズ付勢型シールアセンブリは、シール本体と、シール本体の中で軸方向に摺動可能である主シールと、シール本体および主シールに接続してあるベローズと、を含んでいる。ベローズは、主シールを付勢することと、シール本体と主シールとの間にシールを提供することの両方を行っている。

第２の例示的な態様によれば、回転制御弁は、ベローズ付勢型シールアセンブリと、流体流入口および流体流出口を備えた弁体と、ボール要素と、を含む。ベローズ付勢型シールアセンブリは、付勢される主シールと、主シールをボール要素に向かって付勢するベローズと、を含んでいる。ベローズ付勢型シールアセンブリでは、第２の流体流路がなく、そのような第２の流路をシールする必要性もない。

さらに前述の第１または第２の態様の何れか１つまたは両方によれば、ベローズ付勢型シールアセンブリまたはベローズ付勢型シールアセンブリを含む回転制御弁は、後述の好適な形態の１つまたはそれ以上をさらに含んでいてもよい。

いくつかの好適な形態では、ベローズ付勢型シールアセンブリは、シール本体から内向きに、ベローズ付勢型シールアセンブリの縦軸に対して実質的に垂直に伸張する本体環状フランジを含んでいてもよい。本体環状フランジは、主シール用止め部および／またはベローズ用座部を形成してもよい。

他の好適な形態では、ベローズ付勢型シールアセンブリは、シール本体から内向きに、ベローズ付勢型シールアセンブリの縦軸に対して実質的に垂直に伸張するシール環状フランジを含んでいてもよい。シール環状フランジは、ベローズ用座部を形成してもよい。

さらに他の好適な形態では、ベローズ付勢型シールアセンブリは、縦軸と実質的に平行な方向に伸張する外側本体部分と、縦軸と実質的に平行に伸張する外側シール部分と、を含んでおり、外側シール部分が、ベローズおよび外側の本体部分の間に配置されている。

さらに他の好適な形態では、ベローズは、シール環状フランジおよび本体環状フランジのうちの１つに溶接されてもよい。ベローズは、ステンレス鋼、インコネル／ハステロイ、チタンまたは他の類似材料から製造されてもよい。

さらに他の好適な実施形態では、主シールは、一つ以上のステンレス鋼、ＰＥＥＫ、黒鉛、無心炭素棒、ＰＴＦＥおよびＰＴＦＥ複合材料で被覆されるシール面を含んでいてもよい。

さらに他の好適な実施形態では、回転制御弁は、弁体とベローズ付勢型シールアセンブリの間に静止シールを含んでいてもよい。ベローズ付勢型シールアセンブリは、ねじ切り接続、締りばめおよび溶接の１つ以上を備えた弁体に固定されてもよい。

さらに他の好適な実施形態では、シール本体は、外側環状フランジを含んでいてもよく、外側環状フランジは、弁体上に着座している。Ｏ字形リングは、弁体と外側環状フランジの間の環状チャンネルの中に配置されてもよい。

周知のボール弁の上面図である。 図１の線２−２に沿う、図１のボール弁の断面図である。 図１の線３−３に沿う、図１のボール弁の断面図であり、ボール要素の場所は、弁が、幻影線で示してある開位置にあるときのものである。 図３のボール要素およびシールアセンブリの拡大図である。 ベローズ付勢型シールアセンブリの上面斜視図である。 図５Ａのベローズ付勢型シールアセンブリの底面斜視図である。 図５Ａのベローズ付勢型シールアセンブリの側面図である。 図６の線７−７に沿う、図５Ａのベローズ付勢型シールアセンブリの断面図である。 図５Ａのベローズ付勢型シールアセンブリを含む回転制御弁の断面図である。 ベローズ付勢型シールアセンブリの代替形態を含む回転制御弁の断面図である。

本開示は、さまざまな修正および代替構造を行うことができるが、それらの特定の例示的実施形態を図面に示しており、例示的な実施形態についてこの後詳細に説明してゆく。しかしながら、本開示を、開示する特定の形態に制限する意図はなく、むしろこれに反して、添付の請求の範囲によって画定される本開示の精神および範囲に含まれる修正、代替構造および等価物の全てを含むことを意図していると理解されたい。

次に、図５Ａ、図５Ｂおよび図６を参照すると、ベローズ付勢型シールアセンブリ１５０が、例示されている。ベローズ付勢型シールアセンブリ１５０は、周知のボール弁のシールアセンブリ５０（図１−図４）と置き換えて使用することができる。ベローズ付勢型シールアセンブリ１５０は、主シール１５２と、シール本体１５４と、主シール１５２をシール本体１５４に接続するベローズ１５６と、を含んでいる。主シール１５２は、シール本体１５４の中で軸方向に移動可能であり、ベローズ１５６は、主シール１５２をボール要素１８０（図８）に向かって付勢する。弁が閉じられるとき、ボール要素１８０は、シール面１５８で主シール１５２に接触して、弁を通る流体流れを制限する。シール面１５８は、面取りするまたは角度を付けることで、ボール要素１８０とのより大きなシーリング契約を可能にすることができる。

シール本体１５４は、一方の端部に本体環状フランジ１６０を含んでいてもよく、本体環状フランジ１６０は、内向きに、ベローズ付勢型シールアセンブリ１５０（図７）の縦軸Ａに対して実質的に垂直に、伸張している。本体環状フランジ１６０は、主シール１５２用止め部を形成して、主シール１５２がボール要素１８０からの圧力によって、ある点を越えて引っ込むのを防止する。本体環状フランジ１６０は、さらに、ベローズ１５６の第１の端部用座部または付着点１６２を形成している。本体環状フランジ１６０の反対側に、主シール１５２は、シール環状フランジ１６４を含んでいる。シール環状フランジ１６４は、内向きに、縦軸Ａに対して実質的に垂直に、伸張している。シール環状フランジ１６４は、ベローズ１５６の第２の端部用座部または付着点１６６を形成していて、ベローズ１５６は、シール環状フランジ１６４と本体環状フランジ１６０の間に配置されている。

シール本体１５４の外側本体部分１６７は、縦軸Ａと実質的に平行に伸張している。同様に、シール本体１５２の外側シール部分１６８は、縦軸Ａと実質的に平行に伸張していて、外側シール部分１６８は、ベローズ１５６と外側の本体部分１６７の間に実質的に配置されている。ベローズ１５６は、縦軸Ａと実質的に平行な方向で作用する付勢力を生成するので、主シール１５２は、シール本体１５４の中で長手方向に移動可能である。さらに、ベローズ１５６は、プロセス流体が、主シール１５２およびシール本体１５４が接触する任意の場所に近づくのを防止しており、したがって、主シール１５２とシール本体１５４の間の流体漏れを防止している。１つの実施形態では、ベローズ１５６は、流体をシールする方法で、内側シールフランジ１６４および内側本体フランジ１６０に溶接されるまたはその他の方法で固着されてもよい。その結果、主シール１５２とシール本体１５４間の接合部は、プロセス流体流れに存在していることがある粒子状物質で詰まることがなくなる。したがって、主シール１５２とシールボディ１５４間の長手方向の摺動性は、非常に効率的で信頼性が高い状態を維持する。

シール面１５８は、Ａｌｌｏｙ６、Ｓ３１６００ ＳＳＴまたはＰＥＥＫなどの耐磨耗性材料で被覆されていてもよい。高温シールでは、シール面１５８は、可撓性黒鉛または固体炭素で被覆されていても、またはそれで作られていてもよい。

ベローズ１５６は、任意の耐久性を有した、耐熱材料、例えばＳ３１６００ ＳＳＴ、インコネル／ハステロイ、チタン、ＡＭ３５０ ＳＳまたは類似の耐熱材料でできていてもよい。ベローズ１５６が、主シール１５２のシールおよび付勢の２つのことを行うので、可撓性を有する温度感知性の付勢要素は、必要ではない。その結果、開示されるベローズ付勢型シールアセンブリ１５０は、付勢性能またはシーリング能力を失うことなく非常に高温の環境でも使用することができる。いくつかの実施形態では、ベローズ付勢型シールアセンブリ１５０は、最高で５３８℃までの温度に曝される回転弁で使用することができる。

必要に応じて、ガスケット１８０（図８）などの固定シールを、ベローズ付勢型シールアセンブリ１５０と弁体１３６の間に配置して、ベローズ付勢型シールアセンブリ１５０と弁体１３６間のシーリングに役立たせてもよい。

上記のように、ベローズ１５６は、主シール１５２およびシール本体１５４の両方と接続しており、ベローズ１５６は、主シール１５２をボール要素１８０に向けて付勢している。ベローズ１５６が、主シール１５２およびシール本体１５４と接続しているので、第２の流路は生じない。換言すれば、主シール１５２とシール本体１５４の間で流れる可能性のある如何なる流体も、ベローズ１５６によって止められている。したがって、周知のボール弁のような、第２の流路をシールする半径方向の動的シールの必要はない。さらに、ベローズ１５６は、２つの機能、すなわち主シール１５２およびシール本体１５４をシールすること、および主シール１５２を付勢すること、を行う。その結果、波バネなどの別個の付勢要素の必要はない。

ベローズ付勢型シールアセンブリ１５０は、周知のシールアセンブリと置き換えることができる。図８に示すように、ベローズ付勢型シールアセンブリ１５０は、ねじ切り接続１７０を介して弁体１３６に固着することができる。あるいは、他の接続方法を用いてもよい。例えば、ベローズ付勢型ボールシール１５０は、締りばめ１７２、接着剤または溶接１７４、締め付けナットまたは実質的に任意の他の取り付け機構によって弁体に取り付けられてもよい。さらに、ベローズ付勢型シールアセンブリ１５０は、ユニットまたは部分組立品として弁の中に取り付けてもよく、これにより製造効率は上がる。

シール本体１５４は、弁体１３６に対して長手方向には動かない。結果的には、ベローズ付勢型シールアセンブリ１５０は、シール本体１５４と弁体１３６の間に任意の動的シールを必要としないので好都合である。動的シールは、高温環境には適していない、かつ一般的には、固定シールほど耐久性がない。

図９に示される別の実施形態では、シール本体２５４は、外側環状フランジ２９０を含んでいてもよい。外側環状フランジ２９０は、止め部または座部面２９２を提供することができ、この止め部または座部面２９２は、ベローズ付勢型シールアセンブリ２５０が弁体２３６の中で完全に設置されたときに、弁体２３６に載置される。随意的に、Ｏリング２９４などの固定シールは、外側環状フランジ２９０と弁体２３６の間に置かれてもよい。Ｏリング２９４は、いくつかの実施形態の環状凹部２９６の中に配置されてもよい。

さらに別の実施形態では、ベローズは、位置決め穴を含んでいてもよく、ベローズ付勢型シールアセンブリ全体の圧力分布を等しくし、主シールをボール要素に向けて付勢することを支援する。

さらに他の実施形態では、ベローズ付勢型シールアセンブリは、弁トリムを除去せずに、置き換えることができ有利である。

さらに他の実施形態では、ベローズは、いくらかのレベルの処理圧力補助性能を含んでいてもよい。

さらに他の実施形態では、シール面は、より柔軟な材料で被覆されていて、密着した遮断シールに役立てられてもよい。かかる材料としては、ＰＴＦＥまたはＰＴＦＥ複合材料が挙げられるが、これらに限らない。

さらに他の実施形態では、ボール要素は、ボール要素から間隔を空けてベローズ付勢型シールアセンブリにカムを付ける耳部を含んでいてもよく、これは、閉時にベローズ付勢型シールアセンブリとボール要素の間の衝撃力を減らすことになる。

これまでの詳細な説明は、明瞭に理解いただくことを目的としたものにすぎず、当業者であれば変更が明らかであるように、不要に限定するためのものではないことを理解いただきたい。

Claims (19)

1. 回転制御弁用ベローズ付勢型シールアセンブリにおいて、
   シール本体と、
   前記シール本体の中で軸方向に摺動可能な主シールと、
   前記シール本体および前記主シールに接続されるベローズであって、前記ベローズは、前記主シールをボール要素に向けて付勢すること、および前記シール本体と前記主シール間にシールを提供することを両方行うベローズと、を備え、
   前記シール本体は、前記ベローズ付勢型シールアセンブリの縦軸と実質的に平行に伸張している外側本体部分を含んでおり、前記主シールは、前記ベローズ付勢型シールアセンブリの前記縦軸と実質的に平行に伸張している外側シール部分を含んでおり、前記外側シール部分は、前記ベローズと前記外側本体部分の間に配置されているベローズ付勢型シールアセンブリ。
2. 前記シール本体は、本体環状フランジを含んでいる、請求項１に記載のベローズ付勢型シールアセンブリ。
3. 前記本体環状フランジは、内向きに、かつ前記ベローズ付勢型シールアセンブリの縦軸に対して実質的に垂直に伸張している、請求項２に記載のベローズ付勢型シールアセンブリ。
4. 前記本体環状フランジは、前記ベローズ用座部を形成している、請求項２又は３に記載のベローズ付勢型シールアセンブリ。
5. 前記本体環状フランジは、前記主シール用止め部を形成しており、それによって、前記シール本体に対する前記主シールの長手方向の位置ずれを制限している、請求項２〜４の何れか１項に記載のベローズ付勢型シールアセンブリ。
6. 前記主シールは、シール環状フランジを含んでいる、請求項１〜５の何れか１項に記載のベローズ付勢型シールアセンブリ。
7. 前記シール環状フランジは、内向きに、前記ベローズ付勢型シールアセンブリの縦軸に対して実質的に垂直に伸張している、請求項６に記載のベローズ付勢型シールアセンブリ。
8. 前記シール環状フランジは、前記ベローズ用座部を形成している、請求項６又は７に記載のベローズ付勢型シールアセンブリ。
9. 前記シール本体は、本体環状フランジを含み、
   前記主シールは、シール環状フランジを含み、
   前記ベローズは、前記本体環状フランジと前記シール環状フランジの間に配置される、請求項１に記載のベローズ付勢型シールアセンブリ。
10. 前記主シールは、ステンレス鋼、ＰＥＥＫ、黒鉛、固体炭素、ＰＴＦＥおよびＰＴＦＥ複合材料のうちの１つで被覆されるシール面を含んでいる、請求項１〜９の何れか１項に記載のベローズ付勢型シールアセンブリ。
11. 前記ベローズは、ステンレス鋼、インコネル／ハステロイおよびチタンのうちの１つから作られる、請求項１〜１０の何れか１項に記載のベローズ付勢型シールアセンブリ。
12. 前記ベローズは、前記シール本体および前記主シールの１つに溶接される、請求項１〜１１の何れか１項に記載のベローズ付勢型シールアセンブリ。
13. 請求項１〜１２の何れか１項に記載の前記ベローズ付勢型シールアセンブリを備えている回転制御弁において、
    流体流入口および流体流出口を備えた弁体と、
    前記弁体の中に配置されるボール要素と、を備えており、
    前記ボール要素は、前記ベローズ付勢型シールアセンブリの前記主シールと協働して、前記回転制御弁を通る流体流れを制御する、回転制御弁。
14. 前記弁体と前記ベローズ付勢型シールアセンブリの間に固定シールをさらに備えている、請求項１３に記載の回転制御弁。
15. ねじ切り接続と、締りばめと、前記弁体と前記ベローズ付勢型シールアセンブリ間の溶接部と、のうちの１つをさらに備えている、請求項１３又は１４に記載の回転制御弁。
16. 前記シール本体は、外側環状フランジを含んでいる、請求項１３〜１５の何れか１項に記載の回転制御弁。
17. 前記外側環状フランジは、前記弁体に載置される、請求項１６に記載の回転制御弁。
18. 前記外側環状フランジと前記弁体の間にＯリングシールをさらに備えている、請求項１６〜１８の何れか１項に記載の回転制御弁。
19. 前記Ｏリングは、前記弁体の環状凹部内に配置される、請求項１８に記載の回転制御弁。

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