JP2007518041A - 一体化されたポストガイド式弁座リング組立体 - Google Patents

Abstract

単一の材料片から構築される弁座リング組立体（３０）を備えた制御弁（２０）が開示されている。この弁座リング組立体は、制御弁の弁体（３６）に対する弁座として機能するとともに、弁箱（２２）内に設けられている複数の内ネジ山（４７）に回転可能に取り付けられるように構成されている複数の外ネジ山（４６）を有する基部（４４）を備えうる。また、弁座リング組立体は、弁座に対して弁体を一直線上に並べた状態で維持するためのポストガイド座面（５２）を備えうる。ネジ止めするだけで、弁座リング組立体を弁箱に固定することができる。これに加えて、弁座リング組立体に一体化された部分として弁座（６７）と座面とを形成することにより、製造コストおよび保全要求項目が削減され、漏洩のシーリング性能が上昇される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、一般的に弁に関するものであり、さらに詳細には、ネジ込み式弁座リングを備えているスライド弁棒式制御弁に関するものである。

スライド弁棒式制御弁は、プロセス制御ループ内の流体の流量の制御に一般的に用いられている。当業者にとって公知なように、スライド弁棒式制御弁は、弁座に対して制御要素または弁体を往復運動させるよう移動させるために、ボンネット組立体を通して結合されているアクチュエータを用いて、弁箱を通る流体の流量を調整するようになっている。弁座リングは弁箱内に環状の面を提供し、弁体が、所望なときに弁を閉止するためにこの環状の面と係合する。スライド弁棒式制御弁の重要な二つの特徴は、閉弁したときに堅固に遮蔽することを含む所定の方法で、流体の流量を制御または調整しなければならないことと、プロセスの圧力および温度に耐える必要があることである。

以上に加えて、従来のスライド弁棒式制御弁では、弁体と弁座とを位置合わせするためのなんらかの形態を有したガイドが提供されるようになっている。当業者にとって公知となっている一つのタイプのガイドは、ボンネット組立体内の位置に設けられたブッシュまたはガイド面によって提供される。弁体の直径の小さな部分は、ボンネット組立体のジャーナル内に搭載されているブッシュによって支持される。このタイプのガイドは、ポストガイド式として知られている。当業者にとって公知になっているように、標準的な製造公差および従来の組み立て方法では、弁体に対して弁座を案内するための中心線にズレが生じてしまう。このズレまたは同心度のズレにより、弁体が弁座内に適切に着座することができなくなり、これにより、シャットオフまたは閉弁中に弁体と弁座との間に実質的な漏洩経路が形成されることとなる。ある用途では、かかる同心度の問題は、シャットオフ性能を低下し、高速流を形成し、弁座を浸食し、弁の性能をさらに劣化しうる。

当業者にとってポストガイド式として公知になっているさらに他の典型的なタイプのガイドでは、弁体が、弁トリム（すなわち、プロセスに晒されている弁内部の構成部材）により案内されている。一般的に、弁座リングリテーナは、弁体がそのフルストロークにわたって移動する内部ガイド面を流体流路内に提供している。このような弁構造では、別個の弁座リングリテーナおよび弁座が弁箱とボンネットとの間の適切な位置にクランプ（ｃｌａｍｐ）されている。従来のクランプされたトリム設計では、渦巻きガスケットの如きガスケットが、ボンネットと弁座リングリテーナとの間に通常設けられている。当業者にとって公知になっているように、トリムをクランプすることにより、渦巻きガスケットを圧縮するための工学的な事前負荷力が提供されるようになっている。圧縮下において、渦巻きガスケットが、対抗するバネ力を生成し、弁座リングリテーナとボンネットとの間および弁座リングと弁箱との間にシーリングを形成するようになっている。これらの設計では、以下でさらに詳細に説明するように、シール不良が発生する恐れがある。当業者にとって、従来のガスケットまたはシールには３つの問題がある。

第一には、スライド弁棒式制御弁が、３００°Ｆ（約１４９℃）を上回る温度および１５０ｐｓｉ（約１０３３ｋＰａ）超える圧力降下に遭遇するようなプロセス用途に用いられることが多いという問題がある。これらの極端な動作条件により、構造材料の熱膨張の差に起因した漏洩問題が発生する。さまざまな構造材料を用いることにより、弁製造業者は、弁組立体の性能を向上させおよび／またはコストを削減させることができる。たとえば、一般的なプロセス用途では、鋼鉄製の弁箱およびステンレス鋼製の弁座リングリテーナを備えた制御弁が用いられうる。公知のように、鋼鉄製の弁箱は、ステンレス鋼製の弁座リングリテーナの熱膨張特性とは異なった特性を有している。したがって、動作温度が上昇すると、事前負荷力は、渦巻きガスケットが過剰なストレス下または降伏点を越える状態下に置かれて恒久的に変形されるよう、上昇する。この温度が周囲の状態に戻った場合でも、当該渦巻きガスケットは、ストレスが加えられるまえの状態に戻ることができずに漏洩経路が形成される。これに代えて、弁箱が弁座リングリテーナの材料よりも膨張率の大きな材料から構築されている場合、動作温度が上昇すると、それに対応して、渦巻きガスケットに加えられている事前負荷力が減少し、弁座リングと弁箱との間に漏洩を引き起こす。

第二には、渦巻きガスケットを用いる従来のスライド弁棒式制御弁は、限界圧力の制約を受けるという問題がある。渦巻きガスケットの迎合的な性質（ｃｏｍｐｌｉａｎｔ ｎａｔｕｒｅ）により、さまざまな用途においてロバストなシーリングが形成されるものの、当業者にとって明らかなように、これらのガスケットは、シールの一体性を喪失することなく対応しうる降下圧力または圧力差が制限されている。たとえば、不平衡式の制御弁（ｕｎｂａｌａｎｃｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｖａｌｖｅ）内の渦巻きガスケットが、最大３００ｐｓｉの限界圧力まで適切なトリムクランプ力を維持することができるとした場合、圧力差がこの限界圧力を上回ると、渦巻きガスケットが変形され、次いで、漏洩経路が形成される。

第三には、従来のクランプ設計によるスライド弁棒式制御弁では、その漏洩が、ボンネットのボルト締めに非常に大きな負荷を加えることによって対処されているという問題がある。当業者にとって明らかなように、ボンネットのボルト締めの負荷を上昇すると、その負荷を加えるための大きなボンネット用のボルトが必要となることに加えて、その上昇された負荷に耐えるために弁箱およびボンネットの内部に重量用の構造物が必要となるため、制御弁のコストが上昇することになる。

以上のことから、現在の要求に比べてより少ない部材から製造するとともにより少ない鉄器類（ｈａｒｄｗａｒｅ）および構造体を用いて適切な位置に維持することができる、スライド弁棒式制御弁用の改良型弁座リング組立体が必要とされていることが理解できる。

本発明の一つの態様にかかる制御弁が開示されている。かかる制御弁は、弁箱と、弁体と、弁棒と、一体化されたポストガイド式の弁座リング組立体とを備えうる。弁箱は、流入口と、流出口と、これらの流入口と流出口との間のチェンバとを備えうる。弁体は、当該弁体に弁棒が接続されたままの状態で、弁座リング組立体内に摺動可能に配設されるようになっている。弁座リング組立体は、チェンバ内に配設されるようになっている。また、弁座リング組立体は、弁箱にネジ止めされるようになっている。

本発明の他の態様にかかる制御弁を組み立てる方法が開示されている。この方法は、一体化されたポストガイドを備えた弁座リング組立体を制御弁の弁箱の中に挿入することと、この弁座リング組立体を制御弁の弁箱にネジ止めすることと、制御弁の弁箱にボンネット組立体を固定することとを含みうる。

本発明の上記または他の態様および特徴は、図面とともに、以下に記載される説明を参照することにより容易に明らかなものとなる。

図１を参照すると、本発明に従って構築されたスライド弁棒式制御弁が参照番号２０により包括的に示されている。なお、本明細書で用いられている「スライド弁棒式制御弁」は、往復弁棒に取り付けられている弁体が、弁箱のうちの流入側と流出側との間に設けられている弁座に対して直線的に移動または往復運動するようになっているいかなる制御弁をも包括するものとする。さらに、当業者にとって明らかなように、スライド弁棒式制御弁は、玉型弁またはアングル弁の如きさまざまな制御弁を包括することができる。

開示されている実施例は、不平衡式の制御弁に照らして記載されている。なお、不平衡式の玉型弁とは、スライド制御要素、すなわち弁体の中を通って流体が流れることができるようになっていない弁のことである。したがって、相当の圧力差が制御要素の両側で存在するため、比較的大きな駆動力が必要となる。ポストガイド式かつ不平衡式の制御弁２０には、流入口２４と流出口２６とが形成された弁箱２２が設けられていることが図示されている。チェンバ２８は、流入口２４と流出口２６との間に設けられ、弁座リング組立体３０を収容するようになっている。ボンネット組立体３２は、弁箱２２のうちのチェンバ２８の近くの部分に固定されているとともに、弁体３６をアクチュエータ（図示せず）に接続している弁棒３４を受け入れるための開口部を備えている。ボンネット３２内の弁棒３４のまわりには、その間に適切なシーリングを実現するために、パッキン（図示せず）が設けられている。

ボンネット組立体３２は、複数の締結部材（図示せず）により弁箱２２に固定されている。弁座リング組立体３０は、形状がほぼ円柱状であり、一片の材料から製造されていることが図示されている。この一片の材料は、鋳鋼、ステンレス鋼またはそれらの同等物として提供されてもよい。これに代えて、弁座リング組立体３０は、それが制御弁２０の内部容積により物理的に収容されうるならば、円柱形状のみに限定されるわけではない。弁座リング組立体３０の基部４４は、同弁座リング組立体３０を弁箱２２にネジ止めするために用いられる複数のネジ山４７を備えている。さらに詳細にいえば、弁箱２２は、チェンバ２８の底面の流路５３に複数のネジ山４７を備えている。従って、弁座リング組立体３０は、回転させて同弁座リング組立体３０を弁箱２２にネジ止めすることにより、弁箱２２に物理的に取り付けられるようになっている。

基部４４の上方に延びている弁座リング組立体３０のガイド部４５の内径は、弁体３６の外径よりも相当大きい。従って、弁体３６は、上縁部４８でガイド部４５と係合するようになっている。このことは、図示されているように弁体３６と直接係合させ位置調整するために、ブッシュとして基部の金属を用いて直径の小さな部分を上縁部４８に設けることによって、またはもっと効率的には、ブッシュ５０の如き別の部材を用いることによって実現されうる。本実施形態では、ブッシュ５０は、上縁部４８内に摩擦により保持されてもよいし、または、当業者にとって公知となっているさまざまな方法により取り付けられてもよい。ブッシュ５０は、摺動を容易にするための軸受けおよびガイド面として、内面５２を備えている。ブッシュ５０の内面５２は、組み立てを容易にするにもかかわらず動作中におけるガイドの提供に当たって十分に拘束するように、その直径がわずかに０．０１０インチ（約０．２５ｍｍ）だけ弁体３６よりも大きくなっている。弁座リング組立体３０の基部４４は、弁体３６の面取りされた円周面６４と係合するための弁座６２を備えている。さらに注目すべきことに、弁体３６は、制御弁２０の所望の流れ特性を実現するように調製されている所定の形状を有した鼻部６６を備えている。アクチュエータ（図示せず）が移動すると弁棒３４が移動し、弁棒３４が移動すると弁体３６が弁座６２に対して移動するようになっている。このようにして、弁座６２に対する弁体３６の相対的な移動により、制御弁２０の開弁または閉弁が行われる。

弁座リング組立体３０のうちの弁座６２に近い部分に、一または複数の開口部７０が設けられてもよい。図１には、二つの開口部７０が示されている。当業者にとって明かなように、開口部７０は、制御弁２０を通る流れを妨げない限り、いかなる種類の形態および形状を有していてもよい。たとえば、図１に示されているように、開口部７０が、基部４４と上縁部４８との間に延在する長方形状の開口部として、設けられてもよい。これに代えて、複数の孔（図示せず）が、弁座リング組立体３０に設けられてもよい。

以上のように、トリム（すなわち、弁箱およびボンネット以外の他の弁構成部品）が取り付けられている従来の不平衡式の制御弁では、渦巻きガスケットに負荷を加えることによりトリムを一緒にクランプする目的で、弁箱−ボンネットのボルト締めの力が用いられている。この渦巻きガスケットはバネとして作用する。渦巻きガスケットがバネとして用いられているため、弁の温度差能力および圧力差能力が制限される。温度限界は、弁箱とトリムとの間の熱膨張の差に起因するものである。換言すれば、トリムは、弁箱よりも大きくまたは小さく膨張し、これにより、温度限界が突破された場合には、渦巻きガスケットを過剰にまたは過少に圧縮しうる。圧力差限界は、トリムに対して上方に向かって作用している圧力に起因するものであり、これにより渦巻きガスケットを過剰に圧縮し、漏洩の原因となりうる。

当該技術分野において公知となっている他の不平衡式の制御弁は、上記のクランプされたトリム／渦巻きガスケットの問題を取り除くために、ボンネット内に別個のガイドブッシュと、個別の弁座リング組立体とを備えている。しかしながら、このような弁は、同心度に関連する問題が発生する恐れがある。換言すれば、弁体および弁座リングの座面の位置調整は、弁箱、弁座リング、ボンネット、ガイドブッシュおよび弁体などの多くの加工同心度公差により影響を受ける。弁構成部材間の同心度が喪失されると、弁体が、弁座と完全に係合できなくなる。このことにより、シャットオフ時点または制御弁が閉弁されたときの制御弁性能が著しく低下する場合もあれば、または、不完全なシャットオフにより形成される高速流が原因となって弁座の浸食が発生する場合がある。開示されている制御弁２０では、弁座６２とブッシュ５０と基部４４とを備えている弁座リング組立体３０は、単一の構成部材であり、Ｓ３１６００ＳＳＴと同一の材料から構築されうる。したがって、開示されている制御弁２０は、温度変動および圧力変動に関連する問題が発生する恐れが少ない。

他の方法として、ブッシュ５０は、動作中にブッシュ５０の保全または摩耗を著しく減少させるために、ＣｏＣｒ−Ａ合金またはＳ１７４００ＳＳＴの如き耐摩耗性の大きい材料から構築されてもよい。さらに、弁座リング組立体３０は、弁体の位置調整を実現することに加えて、平坦板状ガスケットもしくは渦巻きガスケットまたは他のシーリング機構を用いることなく流入口２４と流出口２６との間のシーリングを実現している。弁座リング組立体３０を弁箱２２にネジ止めし、弁体３６を弁座６２と十分な圧力下で係合させることにより、どのような形態のガスケットまたは他の形態のシーリング材をも用いることなく、流入口２４と流出口２６との間に適切なシーリングが実現される。さらに、弁座リング組立体３０を弁箱２２にネジ止めし、どのような形態のガスケットまたはシーリング材の使用をも回避することにより、ボンネット３２は、著しく少ない構造体から製造されうるしまた著しく少ない張力下で弁箱２２に取り付けられうるようになるのにもかかわらず、なお依然として、弁２０の適切な動作およびシーリングを実現している。

以上のように、上述の弁は、ボンネット組立体により十分に圧縮されたときにのみ適切に動作するようになっている、ガスケットを用いた従来の弁とは対照的である。すなわち、従来の弁では、ボンネット組立体およびこのボンネット組立体をハウジングに取り付けるために用いられる締結部材またはボルトは、弁の動作中にシーリング部材を適切に圧縮するために必要となる大きな力に耐えるようなサイズに形成される必要があった。従来の設計では、上述の熱膨張問題および／または動作圧力限界に対して取り組まれていない。したがって、従来の弁では、その動作およびシーリング性能が影響を受けうる。本発明にかかる一体化されたポストガイド式の弁座リング組立体は、温度条件の変動により実質的に影響を受けないようになっており、従来の渦巻きガスケット設計のような圧力限界を有していない。本発明の教示を用いることにより、上記の追加部材が取り除かれ、それにより、弁が幅広い温度範囲においてより適用可能なものとなる。

動作状態では、本発明の教示に従って構築された弁は、弁箱内に設けられている複数の内ネジ山に弁座リング組立体をネジ止めするだけで、容易に構築されうるということが明かである。これにより、このような弁の製造および保全が、部材数が著しく減少されることに加えてボンネットを弁箱に固定するために必要な力が著しく減少されるので、著しく向上される。

以上のことから、当業者とって明らかなように、本発明の教示が、弁箱にネジ止めされる弁座リング組立体を備える不平衡式かつポストガイド式の弁を構築するために用いられ、これにより、シーリング機能が達成されるだけでなく、生産コストおよび保全要件が著しく削減される。

本発明では、さまざまな変形および代替構成が可能であるが、本発明の例示的な実施形態が図示、記載されている。しかしながらいうまでもなく、これらは、開示された特定の形態に本発明を限定することを意図しているのではなく、それとは対照的に、添付したクレームに規定される本発明の精神および範疇に該当する変形、代替構成および均等物をすべて網羅することを意図している。

本発明の教示に従って構築されたポストガイド式かつ不平衡式かつスライド弁棒式の制御弁を示す断面図である。

Claims (15)

1. 流入口、流出口、および、該流入口と該流出口との間のチェンバを有している弁箱と、
   前記弁箱内に摺動可能に配設されている弁体と、
   前記弁体に接続されている弁棒と、
   前記チェンバ内に配設され、前記弁箱にネジ止めされ、第一の端部および第二の端部を有している弁座リング組立体であって、前記第一の端部に前記弁体を収納するための孔と、前記第一の端部内に配設されているブッシュとをさらに有してなる弁座リング組立体とを備えており、
   前記弁体が、前記ブッシュと摺動可能に係合し、前記第二の端部の内側に配設されている弁座に対してほぼ同心上の位置に維持されるように構成されている制御弁。
2. 不平衡式である請求項１記載の制御弁。
3. 前記弁座リング組立体が、ガスケットを介在させることなく前記弁箱に固定されてなる請求項１記載の制御弁。
4. 前記弁座リング組立体が、その円柱状の壁を貫通する少なくとも一つの開口部を有してなる請求項１記載の制御弁。
5. 前記弁座リング組立体が、前もって決められたパターンでその円柱状の壁を貫通する複数の開口部を有してなる請求項１記載の制御弁。
6. 前記複数の開口部が、前もって決められた形状で設けられてなる請求項５記載の制御弁。
7. 前記複数の開口部が、ドリルによって開けられた複数の孔である請求項５記載の制御弁。
8. 前記弁体が鼻部が突出しているほぼ円柱状の基部を備え、該鼻部が所望の流量特性を得るような形状に形成されてなる請求項１記載の制御弁。
9. 弁用の弁座リング組立体であって、
   第一の端部および第二の端部を有し、孔を有し、内部に少なくとも一つの開口部を有しているハウジングと、
   前記第二の端部の内面上に形成されている弁座と、
   前記第二の端部の外面上に形成されている複数のネジ山とを備えており、
   前記弁座リング組立体が一体化されて形成され、前記第一の端部の直径を前記第二の端部の直径よりも小さくすることにより、前記弁座リング組立体内にガイド面を形成するように構成されている弁座リング組立体。
10. 前記第一の端部の直径が、ブッシュを第一の端部内の位置に設けることにより減少されてなる請求項９記載の弁座リング組立体。
11. 複数の開口部を備えてなる請求項９記載の弁座リング組立体。
12. 制御弁を組み立てる方法であって、
    一体化されたポストガイド式の弁座リング組立体を制御弁の弁箱の中に挿入することと、
    前記一体化されたポストガイド式の弁座リング組立体を前記制御弁の弁箱にネジ止めすることと、
    前記制御弁の弁箱にボンネット組立体を固定することとを含んでいる方法。
13. 前記制御弁が不平衡式のグローブ弁である請求項１２記載の方法。
14. 前記制御弁がポストガイド式である請求項１２記載の方法。
15. 前記ボンネット組立体が、ネジ切りされた締結部材を用いて前記制御弁の弁箱に固定される請求項１２記載の方法。

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