JP6914960B2 - 浸食性を有した媒体用の、衝撃吸収性及び耐摩耗性を有するボールチェックバルブシート - Google Patents

Description

本発明は、浸食性を有した媒体用の、衝撃吸収性及び耐摩耗性を有するボールチェックバルブシートに関する。

自動車用塗料の多くは、塗料用顔料として金属及び金属酸化物の少なくとも一方からなる薄片を含有している。これらの顔料片は、人目を引く視覚的な特性を自動車用塗料に与えるだけでなく、塗料及び当該塗料を塗布した車体において、高い比率で太陽エネルギを反射させる能力を有している。自動車の車体に塗料を塗布する自動車工場においては、往復動式ポンプにより塗料を継続的に循環させ、顔料片やそのほかの含有物質が、塗料中で沈殿しないように維持している。一般的に、往復動式ポンプは、いくつかのチェックバルブを有している。これらのチェックバルブは、ボールとバルブシートとを備えている。過去には、ボール及びバルブシートの双方が、ステンレス鋼で形成されていた。

チェックバルブに設けられたステンレス鋼製のボール及びバルブシートは、多くの塗装環境において満足の得られるものであったが、往復動式ポンプにより顔料片を含有した塗料を循環させる場合には、ステンレス鋼製のバルブシートが耐久性に欠けるという問題があった。この顔料片は、往復動式ポンプを介して塗料を循環させる際に、チェックバルブ内のステンレス鋼製バルブシートを摩耗させ、最終的には、チェックバルブに故障が生じることになる。このような摩耗の問題は、ステンレス鋼製バルブシートを、炭化タングステンで形成したバルブシートに置き換えることによって対策がなされてきた。この炭化タングステン製バルブシートは、ステンレス鋼製バルブシートよりも硬く、ステンレス鋼製バルブシートよりも、顔料片に対して優れた耐摩耗性を有するものであるが、炭化タングステン製バルブシートは、ステンレス鋼製バルブシートよりもかなり高価である。また、ステンレス鋼製ボールは、はるかに硬い炭化タングステン製バルブシートに当たって変形したり引っ掛かったりして、チェックバルブの故障を招く可能性がある。炭化タングステン製やステンレス鋼製のバルブシートにゴム製Ｏリングを組み合わせ、ボールとバルブシートとの間の当接を和らげるようにしたこともある。しかしながら、自動車用塗料は、かなりの量の溶剤を含んでおり、この溶剤によって、ゴム製Ｏリングが早期に劣化してしまう可能性がある。

本発明の一態様において、固形片を液体中で浮遊状態に維持するための流体循環システムは、前記液体及び前記固形片を循環させるように構成されたポンプを備える。前記ポンプの流入口と流出口との間の流体経路には、少なくとも１つのチェックバルブが介装される。前記チェックバルブは、ボールとバルブシートとを備える。前記バルブシートは、本体と、前記本体を貫通する孔とを備える。前記孔は、前記ボールよりも直径が小さい。前記バルブシートの前記本体は、超高分子量ポリエチレンによって形成される。

本発明の一態様において、チェックバルブは、ボールとバルブシートとを備える。前記バルブシートは、本体と、前記本体を貫通する孔とを備える。前記孔は、前記ボールよりも直径が小さい。前記バルブシートの前記本体は、超高分子量ポリエチレンによって形成される。前記バルブシートの超高分子量ポリエチレンは、ＡＳＴＭ規格Ｄ６４８の荷重撓み温度が、１．８ＭＰａで４６．７℃である。

本発明の一態様において、往復動式ポンプと共に用いられるチェックバルブは、内部にバルブチャンバが形成されたハウジングを備える。前記バルブチャンバの内側には、ボールが配設される。また、前記バルブチャンバの内側には、バルブシートが配設される。前記バルブシートは、本体と、前記本体を貫通する孔とを備える。前記孔は、前記ボールよりも直径が小さい。前記バルブシートの前記本体は、超高分子量ポリエチレンによって形成される。前記バルブシートの超高分子量ポリエチレンは、ＡＳＴＭ規格Ｄ６４８の荷重撓み温度が、１．８ＭＰａで４６．７℃である。

添付図面を含め、本開示の全てを鑑みれば、当業者は、本発明の更なる特徴及び態様をなし得ることを認識するであろう。

往復動式ポンプの斜視図である。 往復動式ポンプの流出ハウジング及び流出マニホールド、並びに流出ハウジング及び流出マニホールドの内部に配設された２つのチェックバルブを示す分解斜視図である。 チェックバルブのバルブシートの断面図である。

本開示は、比較的硬い顔料片を含有した塗料またはそれ以外の流体を循環させる往復動式ポンプにおけるチェックバルブ用のバルブシートに関する。ここで提示する往復動式ポンプは、金属及び金属酸化物の少なくとも一方からなる顔料片を用いる塗装用として、超高分子量ポリエチレンによって形成されたバルブシートを有する少なくとも１つのチェックバルブを備えている。また、このバルブシートは、ＡＳＴＭ規格Ｄ６４８の荷重撓み温度が１．８ＭＰａで４６．７℃の耐熱性超高分子量ポリエチレンによって形成することもできる。超高分子量ポリエチレンで形成されたバルブシートは、顔料片を含有する塗料に対して耐浸食性を有する。また、超高分子量ポリエチレンで形成されたバルブシートは、塗料中の溶剤によって化学的な影響を受けることもない。更に、超高分子量ポリエチレンで形成されたバルブシートは、ステンレス鋼製バルブシートや炭化タングステン製バルブシートに比べて費用対効果も高い。

図１は、流体循環システムにおいて流体Ｆを循環させるために使用可能な往復動式ポンプ１０の斜視図である。一例として、往復動式ポンプ１０及び流体循環システムは、自動車用塗料の管理設備で使用可能であり、流体Ｆは、金属及び金属酸化物の少なくとも一方からなる顔料片（図示せず）を含有した自動車用塗料とすることができる。例えば、流体Ｆ中の顔料片は、二酸化チタンがコーティングされた雲母片とすることができる。もう１つの例として、流体Ｆ中の顔料片は、二酸化チタンがコーティングされた酸化アルミニウム片とすることができる。往復動式ポンプ１０は、継続的に作動して、流体Ｆを循環させることにより、顔料片を流体Ｆ中で浮遊状態に維持する。塗料は、流体Ｆの１つの例であるが、単なる一例に過ぎず、別の流体（水、オイル、溶剤など）を往復動式ポンプ１０で送給することも可能である。図１に示すように、往復動式ポンプ１０は、ポンプ流入口１２、ポンプ流出口１４、ピストンロッド１６、ベローズチャンバ１８、ピストンハウジング２０、流入ハウジング２２、流入マニホールド２４、管路２６、流出ハウジング２８、流出マニホールド３０、及び側部マニホールド３２を備える。

ピストンハウジング２０は、流出ハウジング２８と流入ハウジング２２との間に結合されている。管路２６も、流出ハウジング２８と流入ハウジング２２との間に結合されている。流入ハウジング２２は、ピストンハウジング２０を管路２６に連通させる。流入マニホールド２４は、管路２６が結合される側とは反対側で流入ハウジング２２に結合されている。流入マニホールド２４及び流入ハウジング２２は、一緒に２つのチェックバルブ（図示せず）を収容し、それぞれのチェックバルブが、管路２６の１つと直列に連通している。流出マニホールド３０は、管路２６が結合される側とは反対側で流出ハウジング２８に結合されている。流出マニホールド３０及び流出ハウジング２８は、一緒に２つのチェックバルブ（図２に示され、後述する）を収容し、それぞれのチェックバルブが、管路２６の１つと直列に連通している。また、流出マニホールド３０には、ポンプ流出口１４が形成されている。

ベローズチャンバ１８及びポンプ流入口１２は、ピストンハウジング２０が結合される側とは反対側で、流出ハウジング２８に結合されている。ピストンロッド１６は、ベローズチャンバ１８及び流出ハウジング２８を通って延設され、ピストンハウジング２０内に設けられたピストン（図示せず）に連結されている。ベローズチャンバ１８内には、ピストンロッド１６の周囲にベローズ（図示せず）が配設され、往復動式ポンプ１０の内部を外気から密封している。側部マニホールド３２は、ベローズチャンバ１８及び流入マニホールド２４に結合されている。

往復動式ポンプ１０の作動中、流体Ｆは、ポンプ流入口１２、ベローズチャンバ１８、側部マニホールド３２、流入マニホールド２４、流入ハウジング２２、ピストンハウジング２０、管路２６、流出ハウジング２８、流出マニホールド３０、及びポンプ流出口１４の中に存在する。ピストンロッド１６は、軸線方向に駆動されて上下に往復運動する。ピストンロッド１６が上方に駆動されると、ピストンハウジング２０内のピストンをピストンロッド１６が引き上げ、ポンプ流入口１２、ベローズチャンバ１８、及び側部マニホールド３２を介し、流入マニホールド２４内に流体Ｆを流動させ、更に、この流体Ｆを、流入ハウジング２２内のチェックバルブの１つを介して、ピストンより下方のピストンハウジング２０内へと流動させる。同時に、ピストンが引き上げられている間、ピストンが、ピストンより上方にある流体Ｆを、ピストンハウジング２０から流出ハウジング２８内に押し出し、更に、この流体Ｆを、流出マニホールド３０内のチェックバルブの１つを介して、ポンプ流出口１４から押し出す。

ピストンロッド１６が下方に駆動される際には、ピストンハウジング２０内のピストンが、ピストンより下方にある流体Ｆを、ピストンハウジング２０から流入ハウジング２２を介して管路２６の１つに押し出し、更に、この流体Ｆを、流出ハウジング２８、及び流出マニホールド３０内のチェックバルブの１つを介し、ポンプ流出口１４から押し出す。同時に、ピストンが押し下げられている間、流体Ｆが、ポンプ流入口１２、ベローズチャンバ１８、側部マニホールド３２を介し、流入マニホールド２４内に引き込まれ、更に、この流体Ｆが、流入ハウジング２２内のチェックバルブの１つ、及び管路２６の１つを介して、流出ハウジング２８内に引き込まれ、そして、ピストンより上方のピストンハウジング２０内へと引き込まれる。このようなピストンロッド１６及びピストンハウジング２０内のピストンのサイクルを繰り返すことにより、ポンプ流入口１２からポンプ流出口１４への流体Ｆの安定した移動が維持される。ポンプ流入口１２からポンプ流出口１４への流体Ｆの移動には、流入ハウジング２２内の２つのチェックバルブ、及び流出マニホールド３０内の２つのチェックバルブの信頼性が求められる。往復動式ポンプ１０のチェックバルブについて、図２に基づき、以下に説明する。

図２は、往復動式ポンプ１０（図１に示す）の流出ハウジング２８、流出マニホールド３０、及びチェックバルブ３１を示す分解斜視図である。図２に示すように、各チェックバルブ３１は、ボール３４、バルブシート３６、及びガスケット３８を備えている。往復動式ポンプ１０は、更に、流出マニホールド３０を流出ハウジング２８に結合する固定部材４０及びワッシャ４２を備える。流出マニホールド３０は、２つのチェックバルブチャンバ４３を備える。流出ハウジング２８は、流体Ｆをチェックバルブ３１に流動させるための２つの流体用開口４４を備える。また、流出ハウジング２８は、ピストンロッド１６（図１に示す）を収容するためのロッド孔４６も備えている。

それぞれのチェックバルブチャンバ４３は、流出マニホールド３０内に形成され、チェックバルブ３１のボール３４と、バルブシート３６の少なくとも一部とを収容する大きさとなっている。固定部材４０により流出マニホールド３０を流出ハウジング２８に結合する際、それぞれのバルブシート３６が、流出ハウジング２８の流体用開口４４の上方に配設される。それぞれのバルブシート３６の周囲には、流出ハウジング２８と流出マニホールド３０との間に、１つずつガスケット３８が設けられる。ガスケット３８は、チェックバルブ３１をシールして、流出ハウジング２８と流出マニホールド３０との間から流体Ｆが漏洩するのを防止する。往復動式ポンプ１０の作動中、チェックバルブ３１は、一般的なチェックバルブと同様に作動する。往復動式ポンプ１０が、流出ハウジング２８の流体用開口４４を介して流体Ｆを押し出すと、この流体Ｆは、バルブシート３６を通過し、当該バルブシート３６からボール３４を持ち上げて離間させる。このとき、流体Ｆがボール３４のわきを通り抜け、ポンプ流出口１４に向けて流動する。往復動式ポンプ１０の往動と復動との間では、ボール３４が落下してバルブシート３６上に戻り、流体Ｆが流出ハウジング２８の流体用開口４４内に戻らないようにする。流体Ｆがチェックバルブ３１を通過する際、流体Ｆ中の顔料片がバルブシート３６に衝突することがある。図３に基づき後述するように、バルブシート３６と流体Ｆ中の顔料片との間で生じる摩耗や浸食を抑制するように、各バルブシート３６の材料組成及び大きさが選定される。

図３は、チェックバルブ３１のバルブシート３６の１つの断面図である。図３に示すように、バルブシート３６は、本体４８、上面５０、下面５２、外周面５４、孔５６、内周面５８、中心軸線ＣＡ、及び厚さＴＨを有している。外周面５４は、直径Ｄ１を有する。内周面５８及び孔５６は、直径Ｄ２を有する。上面５０及び下面５２は、いずれも共通の径方向幅ＲＤを有する。

図３に示すバルブシート３６の本体４８は、上面５０と、当該上面５０の反対側の下面５２とを有し、中心軸線ＣＡに沿って、上面５０から下面５２まで中心軸線方向に延在する外周面５４を有した円筒状に形成されている。上面５０と下面５２とは、互いに平行である。孔５６は、中心軸線ＣＡを中心として、上面５０から下面５２まで貫通して延設されており、内周面５８を形成する。内周面５８は、上面５０から下面５２まで延在し、外周面５４と平行である。内周面５８及び孔５６の直径Ｄ２は、ボール３４（図２に示す）が孔５６を通過できなように、ボール３４の直径より小さくなっている。内周面５８の直径Ｄ２と外周面５４の直径Ｄ１との比（Ｄ２／Ｄ１）は、０．４８１〜０．４８７とすることができる。

バルブシート３６の厚さＴＨは、中心軸線方向における上面５０と下面５２との間の距離である。上面５０及び下面５２の径方向幅ＲＤは、外周面５４の半径と内周面５８の半径との差として規定される。往復動式ポンプ１０の内部における流体Ｆの圧力の元で、バルブシート３６が大きく変形しにくくするため、径方向幅ＲＤに対する厚さＴＨの比（ＴＨ／ＲＤ）が、０．２４８〜０．２５９となるように、バルブシート３６の寸法を定めることができる。

流体Ｆ中の顔料片の衝突に耐えるため、バルブシート３６の本体４８は、超高分子量ポリエチレン（以下、ＵＨＭＷＰＥと称する）によって形成される。バルブシート３６の本体４８の形成に用いるＵＨＭＷＰＥは、ＡＳＴＭ規格Ｄ６４８の荷重撓み温度が１．８ＭＰａで４６．７℃の耐熱性ＵＨＭＷＰＥとすることができる。素材のＡＳＴＭ規格Ｄ６４８の荷重撓み温度は、次のような試験によって規定される。即ち、１．８ＭＰａの荷重による外部応力で、エッジワイズ法により、試料に三点曲げの負荷をかけた状態で、試料が０．２５ｍｍ変形するまで、２℃／分の割合で昇温する。耐熱性ＵＨＭＷＰＥの一例は、ペンシルバニア州米国クオドラントＥＰＰ社のタイバー（登録商標）Ｈ．Ｏ．Ｔ．の商品名で販売されている。

金属酸化物の顔料片を含有する塗料を循環させる往復動式ポンプにおいて、耐熱性ＵＨＭＷＰＥで形成したバルブシート３６の試験を行った。この試験における塗料の温度は、０℃〜４８℃の範囲内にあった。試験において、塗料の顔料片がＵＨＭＷＰＥからなるバルブシート３６を摩耗させたり浸食したりすることはなく、バルブシート３６は、従来のステンレス鋼製バルブシートよりも優れた耐久性を示すことが証明された。また、従来のステンレス鋼製バルブシート（ロックウェル硬度ＨＲＢ８５）や、炭化タングステン製バルブシート（ロックウェル硬度ＨＲＡ９２）に比べ、バルブシート３６を形成するＵＨＭＷＰＥは、はるかに柔軟である（ロックウェル硬度ＨＲＲ５０）。バルブシート３６を形成するＵＨＭＷＰＥが比較的柔軟であることにより、ボール３４（図２に示す）の外形によって加わる圧力で、バルブシート３６がわずかに変形可能となり、これにより、バルブシート３６とボール３４との間における漏洩が抑制される。また、バルブシート３６とボール３４との間における漏洩の抑制により、バルブシート３６を摩耗させる可能性のある高速での漏洩も抑制される。ＡＳＴＭ規格Ｄ６４８の荷重撓み温度が１．８ＭＰａで４６．７℃の特性のＵＨＭＷＰＥでバルブシート３６を形成したので、往復動式ポンプ内の塗料の温度が３８℃〜４８℃の範囲まで上昇しても、バルブシート３６が、これ以外のグレードのＵＨＭＷＰＥから形成されたバルブシートのように過剰に変形したり、撓んだりすることはなかった。

以上の説明により、本発明が、様々な利点及び利益をもたらすことが認識されるであろう。例えば、耐熱性ＵＨＭＷＰＥによって形成されたバルブシート３６は、金属または金属酸化物からなる顔料片を含有した流体の循環に用いた場合に、ステンレス鋼製バルブシートよりも優れた耐浸食性を有する。バルブシート３６の摩耗を抑制することにより、往復動式ポンプ１０の耐用年数が増大する。また、バルブシート３６は、ステンレス鋼製や炭化タングステン製のバルブシートよりも柔軟であるので、ステンレス鋼製や炭化タングステン製のバルブシートの場合よりも良好に、ボール３４とバルブシート３６との間の封止が行われる。ボール３４とバルブシート３６との間の封止の改善により、ボール３４とバルブシート３６との間における漏洩が抑制され、ポンプ効率が改善されると共に、チェックバルブ３１における摩耗が抑制される。また、バルブシート３６は、ＵＨＭＷＰＥで形成されるので、自動車用塗料中の溶剤によって化学的な影響を受けることもない。そして、一般的に、ＵＨＭＷＰＥはステンレス鋼や炭化タングステンよりも安価であることから、バルブシート３６は、従来のバルブシートに比べ、入手が容易なものとなる。

具体的な実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能であると共に、均等物で本発明の各構成要素を置き換えることが可能であることが当業者に理解されよう。また、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況やものを本発明の教示に適合させるための様々な変形が可能である。従って、本発明は、開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲内に包含される全ての態様を含むものである。

Claims (11)

1. 固形片を液体中で浮遊状態に維持するための流体循環システムであって、
   前記液体及び前記固形片を循環させるように構成されたポンプと、
   前記ポンプの流入口と流出口との間の流体経路に介装された少なくとも１つのチェックバルブと、を備え、
   前記チェックバルブは、
   ボールと、
   本体、及び前記本体を貫通する孔を有したバルブシートと、を備え、
   前記孔は、前記ボールよりも直径が小さく、
   前記本体は、超高分子量ポリエチレンによって形成され、
   前記孔は、前記バルブシートの前記本体の前記上面から前記下面まで貫通して延在すると共に、内周面を形成し、
   前記内周面は、前記上面から前記下面まで延在すると共に、前記外周面と平行であり、
   前記内周面の直径と前記外周面の直径との比は、０．４８１〜０．４８７である、ことを特徴とする流体循環システム。
2. 前記バルブシートの超高分子量ポリエチレンは、ＡＳＴＭ規格Ｄ６４８の荷重撓み温度が、１．８ＭＰａで４６．７℃であることを特徴とする請求項１に記載の流体循環システム。
3. 前記バルブシートの前記本体は、上面と、当該上面の反対側の下面とを有し、前記上面から前記下面まで、前記バルブシートの中心軸線に沿って、中心軸線方向に延在する外周面を有した円筒状である、ことを特徴とする請求項１に記載の流体循環システム。
4. 前記孔は、前記バルブシートの前記本体の前記上面から前記下面まで貫通して延在すると共に、内周面を形成し、
   前記内周面は、前記上面から前記下面まで延在すると共に、前記外周面と平行である、ことを特徴とする請求項３に記載の流体循環システム。
5. 前記液体の温度は、０℃〜４８℃の範囲内にある、ことを特徴とする請求項２に記載の流体循環システム。
6. 前記固形片は、金属及び金属酸化物の少なくとも一方からなる、ことを特徴とする請求項１に記載の流体循環システム。
7. ボールと、
   本体、及び前記本体を貫通する孔を有したバルブシートと、を備え、
   前記孔は、前記ボールよりも直径が小さく、
   前記本体は、超高分子量ポリエチレンによって形成され、
   前記孔は、前記バルブシートの前記本体の前記上面から前記下面まで貫通して延在すると共に、内周面を形成し、
   前記内周面は、前記上面から前記下面まで延在すると共に、前記外周面と平行であり、
   前記内周面の直径と前記外周面の直径との比は、０．４８１〜０．４８７であり、
   前記バルブシートの超高分子量ポリエチレンは、ＡＳＴＭ規格Ｄ６４８の荷重撓み温度が、１．８ＭＰａで４６．７℃である、ことを特徴とするチェックバルブ。
8. 前記バルブシートの前記本体は、上面と、当該上面の反対側の下面とを有し、前記上面から前記下面まで、前記バルブシートの中心軸線に沿って、中心軸線方向に延在する外周面を有した円筒状であることを特徴とする請求項７に記載のチェックバルブ。
9. 前記上面と前記下面とは、互いに平行であることを特徴とする請求項８に記載のチェックバルブ。
10. 前記バルブシートの前記本体は、前記上面と前記下面との間の距離として規定される厚さを有し、
    前記外周面の半径と前記内周面の半径との差に対する前記バルブシートの前記厚さの比は、０．２４９〜０．２５９である、ことを特徴とする請求項９に記載のチェックバルブ。
11. 往復動式ポンプと共に用いられるチェックバルブであって、
    内部にバルブチャンバが形成されたハウジングと、
    前記バルブチャンバの内側に配設されたボールと、
    前記バルブチャンバの内側に配設されたバルブシートと、を備え、
    前記バルブシートは、本体と、前記本体を貫通する孔と、を備え、
    前記孔は、前記ボールよりも直径が小さく、
    前記本体は、超高分子量ポリエチレンによって形成され、
    前記孔は、前記バルブシートの前記本体の前記上面から前記下面まで貫通して延在すると共に、内周面を形成し、
    前記内周面は、前記上面から前記下面まで延在すると共に、前記外周面と平行であり、
    前記内周面の直径と前記外周面の直径との比は、０．４８１〜０．４８７であり、
    前記バルブシートの超高分子量ポリエチレンは、ＡＳＴＭ規格Ｄ６４８の荷重撓み温度が、１．８ＭＰａで４６．７℃である、ことを特徴とするチェックバルブ。

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