JP6498176B2 - 高温制御弁のための複合動弁シールアセンブリ - Google Patents

Description

本開示は、スライディングステム弁等のプロセス制御弁に関し、より具体的には、高温動作のための複合動弁シールアセンブリを有するスライディングステム制御弁に関する。

プロセス制御弁は、プロセス流体流動の調節または制御を必要とするシステムまたはプロセスにおいて用いられる。そのような制御弁は、スライディングステム弁、回転弁、球形弁等として構成され得る。弁シートに対して弁プラグ等の制御要素の位置を設定することによって、制御弁を通じた流体流動は、正確に設定され得る。弁プラグは、概して弁本体内を弁シートに対して摺動または移動する。いくつかの制御弁において、弁プラグがケージ内を摺動する、ケージが含まれ得る。弁プラグは、弁本体内を摺動するため、弁プラグと弁本体（またはケージ）との間の流体流動を防ぐことが重要である。同時に、弁プラグと弁本体（またはケージ）との間の、摩擦を低減し、かつ摩耗及び付着を最小化することが所望される。

いくつかの制御弁において、シールは、弁プラグ自体に組み込まれ得るか、またはシールは、弁本体（またはケージ）またはボンネットに組み込まれ得る。いずれにせよ、シールは、流体が弁プラグと弁本体またはボンネットとの間を流動することを防がなければならない。流体が制御要素と弁本体またはボンネットとの間を流動することを防ぐ目的で、かつ制御要素と弁本体またはボンネットとの間に生じる摩耗を低減するために、いくつかのスライディングステム弁は、比較的軟質の材料をシールに組み込んでいる。そのようなシールは、ステンレス鋼、ニッケル、またはコバルトベースの合金で構成される耐食バネを有する、純、充填、または強化ポリテトラフルオロエチレン被覆で構成される、バネ付き圧力補助リップシールである。他のフルオロポリマー、超高分子ポリエチレン、及びポリウレタンが、用いられる他の被覆材料である。用いられている他の種類のシールは、合成Ｏリング、クワッドリング、ＰＴＦＥベースの摩耗リングを有するバックアップリング、及び金属強化ＰＴＦＥベースの一体化シールを含む。摩擦を低減し、高品質かつ弾性シールを提供する一方で、軟質材料は、高温条件下で融解、変形、あるいは劣化し得るため、材料は高温環境において概して有用ではない。これらの軟質材料の全ては、６００°Ｆ（約３１６℃未満）未満の比較的低い温度のためのみに用いられる。

従来の高温スライディングステム制御弁は、典型的には、高温に耐えることができる組み込まれた一体化の硬質グラファイトシールリングを有する。グラファイトシールリングは、高温に耐えることができる一方で、グラファイトシールリングは、柔軟性、適応性、または弾性がないため、それらは、概して、弁プラグと弁本体（またはケージ）またはボンネットとの間に最適なシールを提供しない。グラファイトシールリングは、弁プラグと弁本体（またはケージ）またはボンネットとの間に生じる摩擦による損傷を受け得、それらは、弁プラグまたは弁本体（またはケージ）に付着した流動粒子または混入物中の粒子及び混入物の影響を比較的受けやすい。一体化グラファイト材料における適応性の欠如は、低温環境において利用されるより軟質のゴムまたはプラスチックよりさらに著しい遮断漏水につながる。さらに、グラファイトシールリングは、比較的高い摩擦係数を有し、これは、弁プラグが移動するときに過度の摩擦及び摩耗を引き起こす。この過度の摩擦及び摩耗は、シール及び／または制御要素の劣化及び初期不良を引き起こす。

スライディングステム制御弁は、入口及び出口を有する弁本体を含む。入口及び出口は、流体流動通路によって流体接続する。弁シートは、流体流動通路内に位置する。摺動可能な制御要素は、弁シートと協同して、弁本体を通じた流体流動を制御する。シールアセンブリは、制御要素と弁本体との間に位置する。シールアセンブリは、第１のバックアップリングと第２のバックアップリングとの間に位置する複合シールリングを含む。バイアス要素は、バックアップリングのうちの１つに隣接して位置し、リテーナリングは、バイアス要素によって生じる力が、バックアップリングに伝達し、したがって、複合封止リングに伝達するように、バックアップリングに隣接してバイアス要素を維持する。

別の実施形態において、高温スライディングステム制御弁のためのシールアセンブリは、第１のバックアップリングと第２のバックアップリングとの間に位置する複合シールリングを含む。バイアス要素は、第２のバックアップリングに隣接して位置し、リテーナリングは、バイアス要素に隣接して位置する。複合シールリングは、ＰＴＦＥ及び金属で作られ得る。

さらに別の実施形態において、シールリングアセンブリは、制御部材内に形成される環状凹部に位置し得る。

さらに別の実施形態において、シールリングアセンブリは、弁本体内に形成される環状凹部に位置し得る。

開示されるシールリングアセンブリは、高温環境において優れた封止能力を提供し、一方で、制御部材と弁ハウジングとの間の摩擦を低減または最小化する。

本開示の教示に従い構成されるスライディングステム制御弁の断面図である。 複合シールアセンブリを含む、図１のスライディングステム制御弁の制御要素の拡大断面図である。 複合シールアセンブリを含む、制御要素の一部の拡大断面図である。

本開示は、種々の修正及び代替的な構成を許容するが、複合動弁シールアセンブリのある例示的な実施形態が図面に示されていて、以下で詳細に説明される。しかしながら、開示された特定の形態に本開示を限定する意図はなく、反対に、意図は、添付の特許請求の範囲によって定義される本開示の精神及び範囲に入る、全ての修正、代替的な構成、及び均等物を包含することであることが理解されるべきである。

以下の考察の目的のために、内向きに、外向きに、半径方向内向きに、または半径方向外向きに等の用語は、弁ステムの中心軸Ａに対する相対位置を示すために用いられる。同様に、上部、下部、上方に、または下方に等の用語は、制御弁が図面に示されるように位置付けられるときの相対配向を示すために用いられる。

ここで図面を参照すると、図１は、本発明の開示された例の教示に従いアセンブルされ、弁本体１２、流体入口１４、流体出口１６、ならびに流体入口１４及び流体出口１６を接続する通路１８を有する、スライディングステム制御弁１０を例示する。制御弁は、スライディングステム弁として図１に例示されるが、一方で、本開示の教示は、回転弁、ボール弁、球形弁等の他の種類の制御弁にも適用され得る。弁プラグ２０等の制御部材は、弁本体１２内に摺動可能に搭載され、弁本体１２を通じた流体流動を防ぐ閉鎖位置（図１に示されるように）と、弁本体１２を通じた流体流動を可能にする開放位置（図示せず）との間で移行可能である。図１の例において、弁プラグは、平衡弁プラグ２０である。他の実施形態において、弁プラグは、不均衡であり得る。弁１０は、弁プラグ２０と協同して、弁本体１２を通じた流体流動を制御するシートリング２２を含む。制御弁１０はまた、弁プラグ２０に結合され、ボンネット２８を通じて延在する、弁ステム２６も含む。弁ステム２６は、軸Ａに沿って延在し、弁プラグ２０がシートリング２２と接触し、それによって、通路１８を通じた流体流動を防ぐ、示される閉鎖位置と、弁プラグ２０がシートリング２２から離間されて、それによって、流体が通路１８を通じて流動することを可能にする、開放位置との間で、弁プラグ２０を移動させるための弁アクチュエータ（図示せず）に接続される。

ここで図２及び３を参照すると、弁シールアセンブリ３０は、図２の左側に例示されるように、弁プラグ２０内に形成される環状凹部３２に位置する。代替的に、シールアセンブリ３０は、図２の右側に例示されるように、弁本体１２内に形成される環状凹部３３に位置し得る。いずれにせよ、シールアセンブリ３０は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）／金属混合物で作られる複合シールリング３４を含み得る。一実施形態において、複合シールリング３４は、ＰＴＦＥ本体３６内に埋め込まれる金属補強リング３８（図３参照）を含むＰＴＦＥ本体３６から形成され得る。金属補強リング３８は、例えば、Ｓ３１６００ステンレス鋼等の実質的にあらゆる耐久性金属で形成され得る。金属補強リング３８は、「Ｚ形」断面を有する。金属補強リング３８は、第１の内縁４２及び第２の外縁４４を有する第１の部分４０ならびに第１の内縁４８及び第２の外縁５０を有する第２の部分４６を含み得る。第１の部分４０及び第２の部分４６は、互いから離間され得、軸Ａに概して垂直に配向され得る。１つの例において、第１の部分４０及び第２の部分４６は、平行面に位置し得る。第３の部分５２は、第１の内縁５４及び第２の外縁５６を含む。例えば、図３に例示されるように、第３の部分５２の内縁５４は、第１の部分４０の内縁４２に接続され、第３の部分５２の外縁５６は、第２の部分４６の外縁５０に接続され得る。他の実施形態において、第３の部分５２は、第３の部分の外縁５６が第１の部分４０の外縁４４に接続され、第３の部分５２の内縁５４が第２の部分４６の内縁４８に接続されるように逆にされ得る。いずれにせよ、金属補強リング３８は、シールアセンブリ３０に適用される軸荷重を、複合シールリング３４の半径方向変形に変換して、弁プラグ２０と弁本体１８との間に流体シールを生成し、一方で、ＰＴＦＥ本体３６は、弁プラグ２０と弁本体１２との間の接合部を潤滑する。

複合シールリング３４は、第１のバックアップリング６０と第２のバックアップリング６２との間に位置し得る。第１及び第２のバックアップリング６０、６２は、例えば、Ｓ４１６００ステンレス鋼等の何らかの硬化性材料で形成され得る。第１及び第２のバックアップリング６０、６２は、環状凹部３２内の複合シールリング３４の適切な位置付けを維持し、複合シールリング３４に対して突出防止保護を提供する。第１及び第２のバックアップリング６０、６２はまた、過度の熱及び圧力等の環境因子から複合シールリング３４を保護する。例えば、皿バネ、渦巻き形ガスケット、またはボルト止めキャップ等のバイアス要素６４は、第２のバックアップリング６２に隣接して位置し得る。バイアス要素６４は、軸力を第２のバックアップリング６２に適用し、これは、複合シールリング３４に伝達される。金属補強リング３８は、軸力をＰＴＦＥ本体３６の半径方向変形に変換する。ＰＴＦＥ本体３６は、外向きに（すなわち、半径方向に）拡大し、弁本体１２に対して密接なシールを形成する。ＰＴＦＥ本体３６の外向きの拡大は、制御要素２０と弁本体１２との間の接合部を潤滑するのにも役立ち、したがって、制御要素２０の移動時の摩擦を低減する。リテーナリング７０は、第２のバックアップリング６２に対してバイアス要素６４を適所に保持する。リテーナリング７０は、制御要素２０内または弁本体１２内に形成される環状スロット７２に少なくとも部分的に位置し得る。リテーナリング７０は、バイアス要素６４が、第２のバックアップリング６２から分離されることを防ぐ。

開示された例のうちの１つ以上に従い、制御部材と弁本体との間の摩擦を低減しながら、優れた封止能力を提供する、高温制御弁のための複合シールアセンブリが提供される。ＰＴＦＥ及び金属から複合シール本体を形成することによって、複合シール本体は、軸荷重を半径方向変形に変換し、これは、より良好なシールを生成し、同時に、制御要素と弁本体との間の接合部を潤滑する。

上記の発明を実施するための形態は、理解を明確にするためのみに提供されており、当業者には、修正が明らかであるため、そこから不必要な限定が理解されるべきではない。

Claims (16)

1. 通路を通じて流体接続する入口及び出口を有する、弁本体と、
   前記通路に搭載される、シートリングと、
   前記弁本体内に摺動可能に配置される制御要素であって、前記制御要素及び前記シートリングは、協同して、前記弁本体を通じた流体流動を制御する、制御要素と、
   第１のバックアップリングと第２のバックアップリングとの間に位置する複合シールリング、前記第２のバックアップリングに隣接して位置するバイアス要素、及び前記第２のバックアップリングに隣接する前記バイアス要素を保持するリテーナリングを有する、複合シールアセンブリと、を備え、
   前記複合シールリングは、本体部分及び前記本体部分内に埋め込まれる金属補強リングを含み、
   前記金属補強リングは、Ｚ形断面を有する、スライディングステム制御弁。
2. 前記本体部分は、ＰＴＦＥから形成される、請求項１に記載のスライディングステム制御弁。
3. 前記金属補強リングは、両方とも弁プラグの縦軸に実質的に垂直に配向される、互いから離間される第１の部分及び第２の部分を含む、請求項１又は２に記載のスライディングステム制御弁。
4. 前記第１の部分は、内縁及び外縁を有するリングであり、前記第２の部分は、内縁及び外縁を有するリングである、請求項３に記載のスライディングステム制御弁。
5. 前記第１の部分及び前記第２の部分に非垂直及び非水平であり、内縁及び外縁を有するリング状である、前記第１の部分と前記第２の部分との間に位置する第３の部分をさらに備える、請求項３又は４に記載のスライディングステム制御弁。
6. 前記第３の部分の前記内縁は、前記第１の部分の前記内縁に連結され、前記第３の部分の外縁は、前記第２の部分の前記外縁に連結される、請求項５に記載のスライディングステム制御弁。
7. 前記弁シールアセンブリは、前記弁プラグ内に形成される環状凹部に位置する、請求項１〜６のいずれか１項に記載のスライディングステム制御弁。
8. 前記弁シールアセンブリは、前記弁本体内に形成される環状凹部に位置する、請求項１〜７のいずれか１項に記載のスライディングステム制御弁。
9. 高温制御弁のための複合シールアセンブリであって、
   第１のバックアップリングと第２のバックアップリングとの間に位置する、複合シールリングと、
   前記第２のバックアップリングに隣接して位置する、バイアス要素と、
   前記第２のバックアップリングに対して前記バイアス要素を保持する、リテーナリングと、を備え、
   前記複合シールリングは、本体部分及び前記本体部分内に埋め込まれる金属補強リングを含み、
   前記金属補強リングは、Ｚ形断面を有する、複合シールアセンブリ。
10. 前記本体部分は、ＰＴＦＥから形成される、請求項９に記載の複合シールアセンブリ。
11. 前記金属補強リングは、両方とも弁プラグの縦軸に実質的に垂直に配向される、互いから離間される第１の部分及び第２の部分を含む、請求項９又は１０に記載の複合シールアセンブリ。
12. 前記第１の部分は、内縁及び外縁を有するリングであり、前記第２の部分は、内縁及び外縁を有するリングである、請求項１１に記載の複合シールアセンブリ。
13. 前記第１の部分及び前記第２の部分に非垂直及び非水平であり、内縁及び外縁を有するリング状である、前記第１の部分と前記第２の部分との間に位置する第３の部分をさらに備える、請求項１１又は１２に記載の複合シールアセンブリ。
14. 前記第３の部分の前記内縁は、前記第１の部分の前記内縁に連結され、前記第３の部分の外縁は、前記第２の部分の前記外縁に連結される、請求項１３に記載の複合シールアセンブリ。
15. 前記金属補強リングは、Ｓ３１６００ステンレス鋼から作られる、請求項９乃至１４のいずれか１項に記載の複合シールアセンブリ。
16. 前記少なくとも１つのバックアップリングは、Ｓ４１６００ステンレス鋼から作られる、請求項９乃至１５のいずれか１項に記載の複合シールアセンブリ。

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