JP2005536688A - ステム又はシャフトシール構造 - Google Patents

Abstract

バルブアセンブリ等のアセンブリにおける改良されたシール構造は、圧縮部材とシールの第１の部分（２１）との間でシール（２０）を押圧するために圧縮部材（４２）を備える。シールの第２の部分（２２）は、圧縮部材とバルブ本体（１０）との間に配置される。圧縮部材の凹部（３１）は、シールの第１の部分に設けられた第２の傾斜面（２３）と接触する第１の傾斜面（３３）を備える。圧縮部材の第３の傾斜面（３４）は、シールの第１の部分と第２の部分との接合部に設けられた第４の傾斜面（２４）と接触する。ハウジングには、シールの第２の部分に設けられた第６の傾斜面（２５）と接触する第５の傾斜面（１５）が設けられている。シール構造は、シールとバルブステムとの間およびシールとバルブ本体との間に横向き荷重または側方荷重を形成し、多数のバルブ作動サイクルにわたって漏れを防止又は最小限に抑える。

Description

本発明は、ステム又はシャフトシール構造に関する。このシール構造は、ステムシールとバルブのステム又はシャフトとの間およびステムシールとバルブ本体との間の漏れ耐性を向上させるシール構造として特に有益である。

様々なタイプのバルブは、開位置と閉位置との間でバルブ閉塞部材を移動させるため及び開位置と閉位置との間で位置を可変制御するために使用されるバルブステム（バルブシャフトとも称する）を有している。一般に、バルブ閉塞部材は、バルブ本体として知られるハウジング内に配置されている。ステムは、閉塞部材に連結されるとともに、バルブ本体を貫通して延びており、これにより、ステムは、バルブ本体の外側の位置で動作して、バルブ閉塞部材を所望の位置まで移動させることができる。流体の漏れを防止するため、一般に、バルブステムの周囲にシールが設けられるとともに、圧縮部材または圧縮プレートによってシールが圧縮される。従来、シールは、正方形または長方形の断面を有するＯリングタイプのシール形態を成していた。この構造は、特にバルブの作動サイクルが多くなるにつれて劣化するという点で、信頼性に欠け、あるいは、決して最適なものではない。したがって、時間が経つにつれて、シールとバルブステムとの間から、あるいは、シールとバルブ本体との間から、流体が漏れ易くなる。そのため、バルブのステムの周囲でシールを向上させて、バルブステムに沿うバルブ本体からの漏れ、あるいは、バルブ本体とシールとの間での漏れを防止し又は減少させることができるとともに、多数のバルブ作動サイクルに耐えることができる改良されたステムシール構造が望まれている。

前述した目的および他の目的は、改良されたステムシール構造を有するバルブアセンブリを提供する本発明にしたがって達成される。

特に好ましい形態において、圧縮プレートには凹部が設けられ、シールは、圧縮プレートの凹部内へと上方へ延びる延出部を有している。また、一連の傾斜面が設けられており、これにより、圧縮プレートがバルブ本体に向けて付勢されてシールに圧力が作用すると、シールをバルブステムに向けて付勢する側方荷重または横向き荷重も作用する。また、傾斜面は、シールとバルブハウジングとの間に側方荷重または横向き荷重を与える。このような構造により、多数の作動サイクルにわたって、バルブステムとシールとの間およびバルブ本体とシールとの間に有利なシールが得られる。例えば、シールが経時的に摩耗する場合であっても、シールがバルブステムに向けて付勢されているため、シール接触が維持される。このようなシール構造は、バルブステムの周囲またはバルブシャフトの周囲にシールを形成する場合に特に有益であるが、加圧された境界をステムまたはシャフトが貫通する場合であって、シャフトの周囲にシールを形成して漏れを防止することが望ましい場合にはいつでも、前記シール構造を有利に使用することができる。例えば、シール構造は、ロータリポンプまたはコンプレッサのシャフトの周囲にシールを形成するためにも使用することができる。

本発明の更なる完全な理解およびその付随する多くの利点は、特に添付図面を併せて考慮すると、以下の詳細な説明から明らかとなる。

図１を参照すると、本発明に係るシール構造を有するバルブアセンブリの一例が示されている。バルブアセンブリは、ハウジングまたはバルブ本体１０と、閉塞部材１２と、閉塞部材１２に連結されて閉塞部材を移動させるためのバルブステム１４とを有している。図示の例において、閉塞部材１２は球状閉塞部材であり、バルブアセンブリは、ステム１４を回転させることによって閉塞部材１２が開位置と閉位置との間で移動するようになっている回転バルブである。閉塞部材の角度位置は、閉塞部材を貫通する通路１２ａとバルブ本体を貫通する流路１０ａとの位置合わせ度合いを決定し、したがって、バルブの開閉量を決定する。

球状閉塞部材を有する回転バルブアセンブリが図１に示されているが、多種多様のバルブに本発明を利用できることは言うまでもない。そのようなバルブとしては、バルブが完全に閉動作し或いは完全に開動作するＯＮ／ＯＦＦバルブ、または、バルブが様々な開度位置に動作して流量または流速を変える可変制御バルブを挙げることができる。また、本発明は、ボールバルブ、セグメントボールバルブ、バタフライバルブ等を含む様々なタイプの回転バルブに適用することができる。また、本発明は、バルブステムを回転させることにより閉塞部材を位置決めする代わりに、例えばグローブバルブの場合のようにバルブステムが直線的に移動されるリニアバルブに適用することもできる。また、本発明は、液体、気体、スラリー等を含む様々なタイプの流体において適用することができる。また、圧力の境界を貫通するシャフトの周りにシールを形成することが望ましい場合には、バルブアセンブリ以外のアセンブリにシール構造を使用できることは言うまでもない。例えば、加圧下または負圧下のハウジングの内部からハウジングの外部へと延びるシャフトの周りにシール構造を設けて、シャフトに沿った漏れを防止し或いは最小限に抑えることができる。一例として、ポンプシャフト周りのシールとして、あるいは、コンプレッサシャフト周りのシールとして、前記シール構造を使用することができる。

図示しないが、多くの場合、ステム１４を移動させてバルブ閉塞部材１２を位置決めするために、アクチュエータが利用される。空気圧、電気（モータ）、または、電気機械を含む様々なタイプのアクチュエータを利用することができ、また、本発明は、例えば位置決めホイールまたはレバーを使用してステムを手動で動かすバルブアセンブリにも適用することができる。

図１に示されるように、本発明の有利なシール構造は、シール２０と、圧縮部材３０とを有しており、シール２０および圧縮部材３０のそれぞれは、ステム１４の周囲に延びている。前述したように、従来の構造において、シールは、正方形断面または長方形断面を有するＯリングシールの形態で設けられていた。しかしながら、そのようなシール構造は、多くの場合、望ましくない僅かな作動サイクルの後に劣化してしまうため、定期的に交換／メンテナンスして、漏れを回避し或いは最小限に抑える必要がある。無論、そのような構造は、メンテナンスコストの点からだけでなく、バルブが内部に配置されるシステムの休止時間という点でも問題がある。本発明の装置は、シールアセンブリの寿命を従来のシール構造の寿命の最大８倍まで延ばした。

図１に示される構造においては、圧縮部材３０をハウジング１０に向けて付勢して、シール２０を圧縮部材３０とバルブ本体１０との間で押圧するために、一連のボルトまたはネジ４０が設けられる。多くの場合、図１に示されるように、ワッシャまたはベルビルスプリング４２も設けられる。圧縮部材３０をバルブ本体１０に向けて付勢するためにボルト４０が示されているが、例えばバネ式の装置、クランプ装置、または、圧縮部材３０に力を加えてシール２０を圧縮部材３０とバルブ本体１０との間で押圧する他の任意の適当な組立体を含む様々な他の手段を使用して、圧縮部材３０をハウジング１０に向けて付勢できることは言うまでもない。

部材５０、５２はそれぞれ、静電気等の電荷を消散するために選択的に設けることができるプレートおよびスプリングである。そのような電荷が危険である場合、例えば、可燃性流体が存在する場合には、これらの部材を使用することができる。

図１に示されるように、本発明の有利な態様の１つにおいて、シール部材３０には、細長い凹部３１が設けられており、また、シール２０は、凹部内へと上方へ延びる延出部２１を有している。このような構成によれば、その上にシールが延在するステムの部分が増大するという有利なシール構造を提供できる。また、後述する本発明の構造によって与えられる別個の特徴により、圧縮部材４２がバルブ本体１０に向けて付勢される時に、シールがステムに向けて付勢され、これにより、多数の作動サイクルにわたってステムとシールとの間のシール関係が維持される。特に、シール２０が経時的に或いは多数の作動サイクルの間に摩耗した場合であっても、シールがステム１４に向けて付勢されているため、確実なシール関係がステムの周囲で維持され、これにより、バルブ本体１０からステム１４に沿って流体が漏れることが防止される（あるいは、少なくとも最小限に抑えられる）。また、ステムとシールとの間に横向き荷重または側方荷重を与えるだけでなく、バルブ本体１０とシール２０との間に横向き荷重または側方荷重を与えることにより、シール２０とバルブ本体１０との間での漏れを防止するために、ハウジングまたはバルブ本体１０とシール２０との間に横向き荷重または側方荷重が与えられる。様々な部品を様々な材料によって形成することができるが、圧縮部材３０は、一般に、金属によって形成される。また、シール２０は、一般に、プラスチック材料、弾性材料、エラストマー材料、例えばテフロン（ポリエチレンテレフタレート）によって形成される。しかしながら、当業者であれば分かるように、様々な部品を様々な材料によって形成できることは言うまでもない。特に、アセンブリに負荷が加えられる時（すなわち、圧縮部材がハウジングに向けて付勢される時）に良好なシールが得られるような適切な許容誤差および表面処理を伴って、金属材料、プラスチック材料、ゴム材料を含む多種多様な材料により、シールおよび他の部品を形成することができる。現在、テフロン等のプラスチック材料が好ましい。

図２Ａおよび図２Ｂを参照すると、シールアセンブリの拡大図が示されている。この場合、シールとハウジングとの間の横向き荷重または側方荷重が図２Ａに矢印Ａで示されており、また、シールとステムとの間の横向き荷重または側方荷重が図２Ｂに矢印Ｂで示されている。図示のように、現在好ましい形態において、シール２０は、Ｌ字形状の断面を有しており、これにより、圧縮部材３０の凹部３１内へと延びる第１の部分２１を有している。また、シールは、圧縮部材３０とバルブ本体またはハウジング１０との間に配置される第２の部分２２を有している。現在好ましい実施形態においてシール２０はＬ字形状（断面）を成しているが、様々な他の形状も考えられることは言うまでもない。

図２Ａおよび図２Ｂを更に参照すると、特に好ましい形態において、シール構造は、圧縮部材３０がバルブ本体またはハウジング１０に向けて付勢される時に側方荷重または横方向の力を増大させるため、相対する様々な傾斜面を有している。図示の実施形態においては、互いに接触して横方向の力または側方荷重を形成する３対の傾斜面が設けられている。特に、第１の傾斜面３３が凹部３１の上端に設けられ、この第１の傾斜面３３は、シール部材２０の第１の部分２１の上端に設けられた第２の傾斜面２３と接触する。その結果、圧縮部材がハウジングに向けて付勢される際に、シール２２がステムに向けて付勢され、これにより、図２Ｂの一番上の矢印Ｂで示されるように、シールとステム１４との間に横向き荷重または側方荷重が形成される。第３の傾斜面３４は、圧縮部材３０の凹部３１の下端部分すなわち入口部分に設けられている。この傾斜面３４は、シール２０の第１の部分２１と第２の部分２２との接合部に設けられた第４の傾斜面２４と接触する。これらの傾斜面も、図２Ｂの真中の矢印Ｂで示されるように、シールをステムに向けて付勢する横方向の力または側方荷重を形成する。凹部３１の「上端」部分および「下端」部分はそれぞれ、凹部３１の最も深い部分および入口部分に対応している。当業者であれば分かるように、バルブアセンブリの装着方向によっては、凹部の上端が実際に凹部の下端よりも上方に位置しない場合もある。

第５の傾斜面１５はハウジング１０上に設けられている。この傾斜面は、シール２０の第２の部分２２に設けられた第６の傾斜面２５と接触する。これらの傾斜面も、圧縮部材がハウジングまたはバルブ本体１０に向けて付勢される際に、図２Ｂの一番下の矢印Ｂで示されるように、シールをステムに向けて付勢する。また、様々な傾斜面により、図２に３つの矢印Ａで示されるように、シール２０とハウジング１０との間に横方向の力が生じ、これにより、ハウジング１０とシール２０との間に有利なシール関係が確保され、シール２０とハウジング１０との間での漏れが防止される。

以上から明らかなように、本発明のシール構造は、横向きの側方荷重を有利に与えるとともに、従来のシール構造とは異なり、これらの側方荷重は、シールの全長にわたって、あるいは、シールに沿う少なくとも複数の点で与えられる。本発明のシール構造を用いると、従来のシール構造のサイクル寿命の最大で８倍のサイクル寿命にわたって良好なシールが得られた。

図２Ａおよび図２Ｂには、様々な傾斜面が接触状態で示されているが、圧縮部材３０をハウジング１０に向けて付勢するために付勢力または付勢圧が加えられるまで、これらの傾斜面が接触していなくても良いことは言うまでもない。例えば、様々な構成部品が組み立てられる際には、圧縮部材の傾斜面とシール２０の傾斜面との間に僅かな空間が存在するが、圧縮部材３０がバルブ本体に向けて付勢される際には、これらの傾斜面同士が接触して横向き荷重または側方荷重が形成されても良い。また、現在好ましい実施形態は３対の傾斜面を有しているが、これよりも多い或いは少ない数の傾斜面が設けられても良い。傾斜面が設けられない場合であっても、本シール構造は、圧縮部材の凹部によって受けられるシールの延出部により、有益である。また、接触面の両方に傾斜面を設ける必要はない。例えば、シール部材の面２３が略水平であっても良く、その場合でも、圧縮部材に設けられた傾斜面３３により側方荷重が与えられる。同様に、シールが傾斜面を有し、凹部の面３３が略水平であっても良い。他の相対する傾斜面の対に関しても同じことが言える。しかしながら、シールとステムとが接触する少なくとも３つの場所で横向き荷重または側方荷重が与えられるように３対の傾斜面を使用して有利な側方荷重を与え、また、好ましくは、シールとバルブハウジング１０との間の少なくとも３つの場所で側方荷重を与えるためには、図示の実施形態が現在において好ましい。ここでは、接触面同士が直接に接触している必要がないため、用語「接触」が広い意味で使用されていることは言うまでもない。例えば、時として、面にコーティングが施され、あるいは、テフロンテープ等のテープが様々な面に貼り付けられることにより、漏れ防止性が高められ、あるいは、様々な構成部品の耐摩耗性が向上される。したがって、傾斜面間に、例えば傾斜面３３と傾斜面２３との間に、材料または部品を介挿しても良い。しかしながら、その場合でも、本発明の観点では、傾斜面同士が互いに接触していると見なされる。これは、圧縮部材に負荷をかけることにより、傾斜面３３が傾斜面２３に対して付勢されて、シール２０とステム１４との間に横向き荷重または側方荷重が形成されるからである。

無論、前述した教示内容を考慮すれば、本発明の多数の変更または変形が考えられる。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲内において、別の方法で、また、ここに具体的に説明したように実施されても良いことは言うまでもない。

本発明に係るバルブアセンブリの概略断面図である。 バルブステムとシールとバルブ本体との間に有利なシール構造を確保するための改良されたシール構造および本発明の好ましい形態にしたがって有利に与えられる側方荷重を示している。 バルブステムとシールとバルブ本体との間に有利なシール構造を確保するための改良されたシール構造および本発明の好ましい形態にしたがって有利に与えられる側方荷重を示している。

Claims (24)

1. バルブ本体と、
   前記バルブ本体から延びるステムであって、バルブ閉塞部材を移動させるために前記バルブ閉塞部材に連結されたステムと、
   前記ステムの周囲に延びるとともに、凹部を有する圧縮部材と、
   前記ステムの周囲に延びるシールであって、前記凹部内に配置される第１の部分と、前記圧縮部材と前記バルブ本体との間に配置される第２の部分とを有するシールと、
   前記圧縮部材を前記バルブ本体に向けて付勢して、前記圧縮部材と前記バルブ本体との間で前記シールが押圧されるようにする手段と、
   を備えた、バルブアセンブリ。
2. 前記凹部および前記シールの前記第１の部分のうちの少なくとも一つに傾斜面が設けられ、これにより、前記圧縮部材が前記バルブ本体に向けて付勢される際に、前記シールの前記第１の部分が前記ステムに向けて付勢される、請求項１に記載のバルブアセンブリ。
3. 前記圧縮部材は、前記凹部内に設けられた第１の傾斜面を有し、前記シールの前記第１の部分は、前記圧縮部材が前記バルブ本体に向けて付勢される時に前記第１の傾斜面と接触して前記シールの前記第１の部分を前記ステムに向けて付勢する第２の傾斜面を有する、請求項１に記載のバルブアセンブリ。
4. 前記圧縮部材が第３の傾斜面を有し、前記シールが第４の傾斜面を有し、前記第３の傾斜面は、前記圧縮部材が前記バルブ本体に向けて付勢される際に、前記第４の傾斜面と接触して、前記シールを前記ステムに向けて付勢する、請求項３に記載のバルブアセンブリ。
5. 前記バルブ本体が第５の傾斜面を有し、前記シールが第６の傾斜面を有し、前記第５の傾斜面は、前記圧縮部材が前記バルブ本体に向けて付勢される際に、前記第６の傾斜面と接触して、前記シールを前記ステムに向けて付勢する、請求項４に記載のバルブアセンブリ。
6. 前記第４の傾斜面は、前記シールの前記第１の部分と前記第２の部分との接合部に設けられ、前記第６の傾斜面は、前記シールの前記第２の部分に設けられている、請求項５に記載のバルブアセンブリ。
7. 前記シールがＬ字形状の断面を有している、請求項６に記載のバルブアセンブリ。
8. 前記シールがＬ字形状の断面を有している、請求項１に記載のバルブアセンブリ。
9. バルブ本体と、
   前記バルブ本体から延びるステムであって、バルブ閉塞部材を移動させるために前記バルブ閉塞部材に連結されたステムと、
   前記ステムの周囲に延びる圧縮部材と、
   前記ステムの周囲に延びるシールであって、その少なくとも一部が前記圧縮部材と前記バルブ本体との間に配置されるシールと、
   前記圧縮部材を前記バルブ本体に向けて付勢して、前記圧縮部材と前記バルブ本体との間で前記シールが押圧されるようにする手段と、
   を備え、
   前記シールが傾斜面を有し、前記バルブ本体が傾斜面を有し、前記シールの前記傾斜面は、前記圧縮部材が前記バルブ本体に向けて付勢される際に、前記バルブ本体の前記傾斜面と接触し、これにより、前記シールが前記ステムに向けて付勢される、バルブアセンブリ。
10. 前記圧縮部材は、前記圧縮部材が前記バルブ本体に向けて付勢される際に前記シールに設けられた別の傾斜面と接触して前記シールを前記ステムに向けて更に付勢する傾斜面を有している、請求項９に記載のバルブアセンブリ。
11. 前記シールがＬ字形状の断面を有している、請求項１０に記載のバルブアセンブリ。
12. 前記圧縮部材が凹部を有し、前記シールは、前記凹部内に配置される第１の部分と、前記圧縮部材と前記バルブ本体との間に配置される第２の部分とを有している、請求項９に記載のバルブアセンブリ。
13. 前記圧縮部材は、前記凹部内に設けられ且つ前記圧縮部材が前記バルブ本体に向けて付勢される際に前記シールの前記第１の部分を前記ステムに向けて付勢する少なくとも１つの傾斜面を有する、請求項１２に記載のバルブアセンブリ。
14. 前記シールは、前記圧縮部材が前記バルブ本体に向けて付勢される際に前記圧縮部材と接触して前記シールを前記ステムに向けて付勢する傾斜面を有する、請求項１３に記載のバルブアセンブリ。
15. 前記シールが３つの傾斜面を有し、前記圧縮部材が前記バルブ本体に向けて付勢される際に、前記３つの傾斜面のうちの２つが前記圧縮部材と接触し、前記３つの傾斜面のうちの３番目の傾斜面が前記バルブ本体と接触することにより、前記シールが前記ステムに向けて付勢される、請求項１３に記載のバルブアセンブリ。
16. 前記シールがＬ字形状の断面を有している、請求項１５に記載のバルブアセンブリ。
17. 前記３つの傾斜面のうちの１つが前記シールの前記第１の部分に設けられ、前記３つの傾斜面のうちの他の１つが前記第１の部分と第２の部分との間の接合部に設けられ、前記３つの傾斜面のうちの３番目の傾斜面が前記シールの前記第２の部分に設けられている、請求項１５に記載のバルブアセンブリ。
18. 前記圧縮部材が一対の傾斜面を有し、前記一対の傾斜面の一方が前記凹部の上端に設けられ、前記一対の傾斜面の他方が前記凹部の下端に設けられている、請求項１２に記載のバルブアセンブリ。
19. バルブ本体と、
    前記バルブ本体から延びるステムであって、バルブ閉塞部材を移動させるために前記バルブ閉塞部材に連結されたステムと、
    前記ステムの周囲に延びる圧縮部材であって、凹部と一対の傾斜面とを有し、前記傾斜面の少なくとも一つが前記凹部内に設けられている圧縮部材と、
    前記ステムの周囲に延びるシールであって、前記凹部内に配置される第１の部分と、前記圧縮部材と前記バルブ本体との間に配置される第２の部分とを有するシールと、
    前記圧縮部材を前記バルブ本体に向けて付勢して、前記圧縮部材と前記バルブ本体との間で前記シールが押圧されるようにする手段と、
    を備え、
    前記圧縮部材の前記一対の傾斜面は、前記圧縮部材が前記バルブ本体に向けて付勢される際に、前記シールと接触して、前記シールを前記ステムに向けて付勢する、バルブアセンブリ。
20. 前記シールは、前記圧縮部材の前記一対の傾斜面とそれぞれ接触する一対の傾斜面を有している、請求項１９に記載のバルブアセンブリ。
21. 前記バルブ本体は、前記圧縮部材が前記バルブ本体に向けて付勢される際に前記シールと接触して前記シールを前記ステムに向けて付勢する傾斜面を有する、請求項１９に記載のバルブアセンブリ。
22. その内外の圧力が異なるハウジングと前記ハウジングの外部との間での漏れを減少するための改良されたシール構造を備えるアセンブリであって、
    ハウジングと、
    前記ハウジングの内部の場所から前記ハウジングを通って前記ハウジングの外部の場所へと延びるシャフトと、
    前記シャフトの周囲に延びる圧縮部材であって、凹部と一対の傾斜面とを有し、前記傾斜面の少なくとも一つが前記凹部内に設けられている圧縮部材と、
    前記シャフトの周囲に延びるシールであって、前記凹部内に配置される第１の部分と、前記圧縮部材と前記ハウジングとの間に配置される第２の部分とを有するシールと、
    前記圧縮部材を前記ハウジングに向けて付勢して、前記圧縮部材と前記ハウジングとの間で前記シールが押圧されるようにする手段と、
    を備え、
    前記圧縮部材の前記一対の傾斜面は、前記圧縮部材が前記ハウジングに向けて付勢される際に、前記シールと接触して、前記シールを前記シャフトに向けて付勢する、アセンブリ。
23. 前記シールは、前記圧縮部材の前記一対の傾斜面とそれぞれ接触する一対の傾斜面を有する、請求項１９に記載のアセンブリ
24. 前記ハウジングは、前記圧縮部材が前記ハウジングに向けて付勢される際に前記シールと接触して前記シールを前記シャフトに向けて付勢する傾斜面を有する、請求項１９に記載のアセンブリ。

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