JP2007536487A - 補強材付きシール装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 シールの頑丈さを増大させるためのシール装置を提供する。
【解決手段】 かかる装置は、流体制御装置の本体に堅牢に結合されるように構成されているクランプ部４０６と、クランプ部から延びているとともに、流体制御装置に関連する可動流量制御部材４１６に対してシールするように構成されている湾曲したシール面４１２を有している可撓性部分４０２、４１８とを備えており、可撓性部分は、第一の流量方向に対して第一の頑丈さを有するとともに第二の方向に対して第二の頑丈さを有するように構成されている。
【選択図】 図５

Description

本発明は、シールに関するものであり、さらに詳細にはシールの頑丈さを増大させるための装置に関するものである。

典型的には、オイルおよびガスの配管システム、化学プロセスなどの如き産業プロセスでは、流体の移送を制御することが必要となる。プロセス制御システムによっては、バタフライ弁の如きプロセス流体の制御装置が、流体の移送を制御する手段、さらに具体的にいえば流体の順流れ方向および流体の逆流れ方向に対するシャットオフ機能を提供している場合もある。ほとんどのプロセス流体の制御装置が順流れ方向および逆流れ方向の両方向に対してシャットオフ機能を提供するが、これらのプロセス流体の制御装置は、両方向に対して同一の程度のシャットオフを提供しうるというわけではない。たとえば、バタフライ弁は、順流れ方向においては最大３００ｐｓｉ（ポンド／平方インチ）の圧力降下に対するシャットオフ機能を提供するものの、逆流れ方向においては最大１００ｐｓｉの圧力降下に対するシャットオフ機能しか提供しえない。

プロセス流体の制御装置は、その制御装置の構造の機械的な公差およびその設計に起因して、両方の流体流れ方向に対して等しいシャットオフ機能を提供しえない。順流れ方向では、プロセス流体の制御装置を通おる流体の流れを制御および／または停止するために用いられる可動流れ制御部材（たとえば、バタフライ弁の弁体または流体の流れを制御および停止するために用いられるその他の機械的部材）は、可動流れ制御部材の一方の端部の直径が可動流れ制御部材の他方の端部の直径よりも大きくなるよう、テーパ加工された縁部を有しうる。可動流れ制御部材は、より大きな直径を有する可動流れ制御部材の端部が、流体順流れ方向に向かうシール部材の過剰な曲がりを阻止するよう構成されるように、プロセス流体の制御装置に接続されうる。具体的にいえば、可動流れ制御部材の一方の端部の直径が大きくなっているため、流体の順流れ方向の圧力に応答して、シール部材は曲がって、可動流れ制御部材の外側面（たとえば、テーパ処理された縁部）との接触を維持することができる。逆流れ方向では、シール部材が逆流れ方向に曲がる量が、可動流れ制御部材のテーパ処理された縁部との接触を維持するには大き過ぎるような場合がある。したがって、シール部材と可動流れ制御部材との間の流体シールが喪失して（たとえば、損傷して）、流体が可動流れ制御部材を通過することが可能になってしまう。

一つの実施形態では、シール装置は、湾曲したシール面を有している第一の可撓性部材と、第一の可撓性部材の保持部材側に隣接している第二の可撓性部材とを備えている。第二の可撓性部材は、複数の流れ方向のうちの一つの方向に対する第一の可撓性部材の頑丈さを増大させるように構成されている。

他の実施形態では、シール装置は、プロセス流体の制御装置の本体に堅牢に結合されるように構成されたクランプ部を備えている。また、シール装置は、クランプ部から延びているとともにプロセス流体の制御装置に関連する可動流れ制御部材に対してシールするように構成されている湾曲したシール面を有している可撓性部をさらに備えている。可撓性部は、第一の流れ方向に対して第一の頑丈さを有し第二の流れ方向に対して第二の頑丈さを有するように構成されている。

図１は、公知のバタフライ弁１００の一部を示す断面図である。図１に示されているバタフライ弁１００は、たとえば、高温度環境において天然ガス、オイル、水などの如き流体の流量および／または圧力を制御するために用いられうる。したがって、バタフライ弁１００は、そのような環境に耐えることができるたとえばステンレス鋼の如き材料から形成されていてもよい。

図１に示されているように、バタフライ弁１００は、比較的高圧の流体が負荷されうる弁体１０２（たとえば、可動流量制御部材）を有している。また、バタフライ弁１００は、弁箱１０４と、この弁箱１０４に接続されているシール構造体１０６とを有している。シール構造体１０６は、シール保持部１０８と、シールリング１１０とを備えており、弁体１０２とシールリング１１０との間に流体シールを形成するように構成されている。

弁体１０２は、弁箱１０４の中心線からずれた位置にあるシャフト１１２により、偏心した状態で弁１００に取り付けられている。弁体１０２はシャフト１１２に固定されている。動作においては、流体が弁１００を通過する場合、弁体１０２およびシャフト１１２は、弁体１０２のテーパ加工された縁部１１４がシールリング１１２から離れるように（たとえば、開弁位置）、弁１００内で回転する。また、弁体１０２は、閉弁位置へ回転し（たとえば、弁体１０２のテーパ加工された縁部１１４がシールリング１１０と接触させられ）、シール構造体１０６とで流体シールを形成し、プロセス流体がバタフライ弁１００を通過することを阻止する。偏心状態で搭載されている弁体１０２は、ほぼ線形の流れ特性を提供するように構成されているので、開閉制御用途および／または絞り制御用途に用いられうる。

図２ａは、図１のシール構造体１０６のうちの一部を示す拡大断面図である。シール構造体１０６は、順流れ方向１１６および／または逆流れ方向１１８に向かう流体の流れを阻止するために、弁体１０２とでシールを形成するように構成されている。弁体１０２が閉弁位置に回転してシールリング１１０の湾曲したシール面１２０と接触すると、流体シールが弁体１０２とシール構造物１０６との間に形成される。シールリング１１０は上述のような高温での用途に適切な可撓性材料（たとえば、ステンレス鋼）から形成してもよい。シールリング１１０は、弁体１０２の平均直径とほぼ等しい内径（図１）を有しうる。図２ａに示されているように、シールリング１１０の可撓性部分１２２は、シール支持部１２４とシール保持部１０８との間に配置されている。

動作において、弁体１０２が閉弁し（すなわち、湾曲シール面１２０と接触し）、流体圧力が弁体１０２に順流れ方向１１６に向けて加えられると、シールリング１１０は、弁体１０２のテーパ処理された縁部１１４および／またはシール支持部１２４に当接または接触するまで、順流れ方向に向かって曲げられる。圧力が上昇しても、流体シールが損傷または壊れることはない。というのは、シールリング１１０の可撓性部分１２２が、弁体１０２のテーパ処理された縁部１１４により支持され、それに対しておよび弁体１０２直径の大きな部分の方向に向かって押されるからである。

図２ｂは、バタフライ弁１００本体内における逆流れ方向の圧力降下が示す図１のシール構造体１０６の拡大断面図である（すなわち、弁体１０２が閉弁し、流体圧力が逆流れ方向１１８向かって加えられることにより、シールリング１１０の可撓性部分１２２が逆流れ方向に向かって曲げられている）。流体圧力が上昇すると、流体シールは最終的には損傷するかまたは壊れる。というのは、シールリング１１０の可撓性部分１２２が図２ｂに示されているように弁体１０２から離れる方向に向かって曲げられるからである。図２ｂから分かるように、弁体１０２のテーパ処理された縁部１１４は、逆流れ方向において、シールリング１１０の可撓性部分１２２を支持するようにはなっていない。というのは、弁体１０２の直径が逆流れ方向に向かって減少するからである。

図３は、逆流れ方向３０４におけるシールリング３０２の頑丈さ（強さ）を増大させる第一のシール構造体３００を示す断面図である。図３に示されているように、シール構造体３００は、図２ａのシール保持部１０８およびシール支持部１２４と同様のシール保持部３０６およびシール支持部３０８を備えている。それに加えて、シールリング３０２は、可撓性部分３１０と、湾曲したシール面３１２と、先端部分３１４と、湾曲したシール面３１２に対して流体シールを形成するように構成されている弁体３１６とを備えている。

図１のシール構造体１０６とは異なり、このシール構造体３００は、シールリング３０２の保持部側に隣接する例示的な可撓性部材３１８を備えている。可撓性部材３１８は、逆流れ方向に対するシールリング３０２の頑丈さを増大させるように（シール補強材として機能するように）構成され、また、順流れ方向３２０のシール構造体３００の機能を害しないように（たとえば、可撓性材料３１８の存在により順流れ方向のシールリング３０２の頑丈さが影響を受けないように）さらに構成されている。図３に示されているように、例示的な可撓性部材３１８またはシール補強材３１８は、シール保持部３０６とシールリング３０２との間に配置されている。具体例によっては、シール補強材３１８が、シール保持部３０６および／またはシールリング３０２に取り付けられていない場合もある。たとえば、シール補強材３１８はシールリング３０２とシール保持部３０６との間に把持または締結されうるものの、それらに対して恒久的に固定されるわけではない。したがって、可撓性部分３１０は、順流れ方向３２０に対してある頑丈さを有し、逆流れ方向３０４に対して他のまたは異なる頑丈さを有するように構成されている。

当業者にとって明らかなように、シール補強材３１８を実現するために、さまざまな異なる材料が用いられてもよい。たとえば、シール補強材３１８は、シールリング３０２を形成するために用いられる材料と同等の材料から形成してもよいし、および／または、シールリング３０２の材料と較べて比較的向上された耐摩耗性および／または耐腐食性を有する材料から形成してもよい。これに代えて、シール補強材３１８は、それがシールリング３０２と継続して滑り接触しているわけではないので、シールリング３０２と較べてより小さな耐摩耗性を有する材料から形成してもよい。

図４は、シール補強材３１８を示す平面図である。シール補強材３１８は、その内側直径３５２がシールリング３０２の内部直径と等しいワッシャ形状を有している。シール補強材３１８は、クランプ部（たとえば、シール保持部３０６）とシールリング３０２との間でしっかりと把持されることができる十分大きい外側直径３５４を有しうる。シール補強材３１８は、略平坦であってもよいし、曲がっていてもよい。曲げ形状は、屈曲部３５６、３５８により形成されてもよい。さらに、シール補強材３１８は、摩耗性媒体がシールリング３０２に接触するのを阻止することにより、湾曲したシール面３１２を摩耗性媒体から保護するシールドとして機能するように構成されうる。

または、シール補強材３１８は、複数のカンチレバ部材を有しうる。各カンチレバ部材は、その一方の端がシールリング３０２とシール保持部３０６との間に把持さうるし、他方の端がシールリング３０２の少なくとも先端部３１４に向かって延びうる。複数のカンチレバ部材同士は、シールリング３０２の円周に沿って等間隔に離隔されていてもよいし、および／または、当該複数のカンチレバ部材が逆流れ方向３０４に対するシールリング３０２全体の頑丈さをほぼ均一に増大させるようないかなる所望の構成に従って、シールリング３０２の円周に沿って離隔されてもよい。

図３をさらに参照すると、逆流れ方向３０４の流体圧力が閉弁位置の弁体３１６に加えられると、シールリング３０２は、先端３１４がシール補強材３１８に当接または接触するまで、逆流れ方向３０４に曲げられる。このように、シール補強材３１８は、シールリング３１０の先端３１４に対する可撓性支持部材として作用する。したがって、シール補強材３１８は、弁体３１６のテーパ処理された縁部と湾曲したシール面３１２との間の流体シールを損傷させないようにまたは壊さないようシールリング３０２の曲がり過ぎを防止するために、逆流れ方向に対する可撓性部分３１０の頑丈さを増大させる。

図５は、逆流れ方向４０４に対するシールリング４０２の頑丈さを増大させる他の例示的なシール構造体４００を示す断面図である。図５に示されているように、シール構造体４００は、図２ａのシール保持部１０８およびシール支持部１２４と同等のシール保持部４０６およびシール支持部４０８を備えている。それに加えて、シールリング４０２は、可撓性部分４１０と、湾曲したシール面４１２と、先端部分４１４と、湾曲したシール面４１２に対して流体シールを形成するように構成されている弁体４１６とを備えている。

図１のシール構造体１０６とは異なり、シール構造体４００は、シールリング４０２の保持部側に隣接する例示的な可撓性部材４１８を備えている。図３の例示的な可撓性部材３１８と同様に、この例示的な可撓性部材４１８は、逆流れ方向４０４に対するシールリング４０２の頑丈さを増大させるように（すなわち、シール補強材として機能するように）、また、順流れ方向４２０のシール構造体４００の機能を害しないように構成されている。図５に示されているように、例示的な可撓性部材４１８またはシール補強材４１８は、シール保持部４０６とシールリング４０２との間に配置されている。好ましくは、シール補強材４１８は、順流れ方向４２０のシール構造体４００の機能性を害しないように、シール保持部４０６および／または少なくともシールリング４０２の可撓性部分４１０に締結または恒久的に結合されない。したがって、可撓性部分４１０は、順流れ方向４２０に対してある頑丈さを有し、逆流れ方向４０４に対して他のまたは異なる頑丈さを有するように構成されている。

例示的なシール補強材４１８は、シールリング４０２を形成するために用いられる材料と同等の材料から形成してもよいし、および／または、シールリング４０２を形成するために用いられる材料と較べて比較的向上された耐摩耗性および／または耐腐食性を有する材料から形成してもよい。これに代えて、シール補強材４１８は、それがシールリング４０２と継続して滑り接触しているわけではないので、シールリング４０２と較べてより小さな耐摩耗性を有する材料から形成してもよい。

シール補強材４１８は、ワッシャ形状と同等の全体的形状を有しうるものの、平坦な形状を有していない。図６に示されているように、シール補強材４１８は、図４のシール補強材３１８の外側直径３５４と同等の外側直径４５２を有しているものの、シールリング４０２の先端部４１４にまで延びていない。それどころか、この例示的なシール補強材４１８は、シールリング４０２の輪郭に追従するために屈曲部４２２を有するように湾曲しているため、非平坦な幾何学的形状を有している。したがって、例示的なシール補強材４１８は、シールリング４０２および／または可撓性部分４１０のある部分の厚みを増大させるように構成されている。たとえば、図５に示されているように、シール補強材４１８は、可撓性部分４１０の全長に沿って延びているわけではなく、可撓性部分４１０の途中まで延びているだけである。

図３のシール補強材３１８と同様に、シール補強材４１８は、複数の可撓性カンチレバ部材からなっていてもよい。各カンチレバ部材は、その一方の端がシールリング４０２とシール保持部４０６との間に把持され、他方の端がシールリング４０２に用いられている屈曲部を有するよう曲がっていてもよい。複数のカンチレバ部材同士は、シールリング４０２の円周に沿って等間隔に離隔されてもよいし、および／または、当該複数のカンチレバ部材が逆流れ方向４０４に対するシールリング４０２全体の頑丈さをほぼ均一に増大させるようないかなる所望の構成に従って、シールリング３０２の円周に沿って離隔されてもよい。

図３のシール構造体３００と同様に、逆流れ方向４０４の流体圧力が閉弁位置の弁体４１６に加えられると、シールリング４０２の可撓性部分４１０は、逆流れ方向４０４に向かって曲げられる。シール補強材４１８は、可撓性部分４１０を（たとえば、屈曲部４２２においてまたはその近傍において）支持することにより、可撓性部分４１０の頑丈さを増大させている。可撓性部分４１０を支持することにより、弁体４１６のテーパ処理された縁部４２４と湾曲したシール面４１２との間の流体シールが逆流れ方向４０４の流体圧力が上昇して破壊されるということがなくなる。さらに詳細には、シール補強材４１８は、逆流れ方向４０４に対する可撓性部分４１０の頑丈さを著しく増大させることにより、湾曲したシール面４１２が弁体４１６のテーパ処理された縁部４２４に沿って弁体４１６の直径の小さな端部の方に向かって移動することができる程度を著しく減少させている。

図７は、逆流れ方向５０４に対するシールリング５０２の頑丈さを増大させる他のシール構造体５００を示す断面図である。図７に示されているように、シール構造体５００は、図２ａのシール保持部１０８およびシール支持部１２４と同等のシール保持部５０６およびシール支持部５０８を備えている。加えて、シールリング５０２は、可撓性部分５１０と、湾曲したシール面５１２と、先端部分５１４と、湾曲したシール面５１２に対して流体シールを形成するように構成されている弁体５１６とを備えている。

図３の例示的シール構造体３００および図５の例示的シール構造体４００とは異なり、図７の例示的シール構造体５００は、シール保持部５０６と湾曲したシール面５１２との間の環状のキャビティ、凹部、谷部、井戸部または溝部に着座するように構成されている圧縮可能なシリンダ形状の部材５１８を備えている。説明を容易にするために、環状のキャビティ、谷部、井戸部または溝部を環状の凹部５２０と呼ぶことにする。たとえば、圧縮可能なシリンダ形状の部材５１８は、渦巻き形状のバネであってもよい。圧縮可能なシリンダ形状の部材５１８は、湾曲したシール面５１２の環状の凹部５２０に嵌着されうる。圧縮可能なシリンダ形状の部材５１８の設置により、当該圧縮可能なシリンダ形状の部材５１８が順流れ方向５２２に対するシールリング５０２の頑丈さに影響を与えることが阻止される。

圧縮可能なシリンダ形状の部材５１８は、シールリング５０２と同等の材料から形成してもよいし、および／または、シールリング５０２を形成するために用いられる材料と較べて比較的向上された耐摩耗性および／または耐腐食性を有する材料から形成してもよい。これに代えて、シール補強材５１８は、それがシールリング５０２と継続して滑り接触しているわけではないので、シールリング５０２と較べて同等のまたはより小さな耐摩耗性を有する材料から形成してもよい。また、圧縮可能なシリンダ形状の部材５１８は、湾曲したシール面５１２により形成される環状の凹部５２０内に着座できる十分な長さを有している。

または、圧縮可能なシリンダ形状の部材５１８は、シールリング５０２の環状の凹部５２０に沿って配置される複数のらせん形状のバネからなっていてもよい。これらの複数のらせん形状のバネは、湾曲したシール面５１２の環状の凹部５２０内に置かれて、環状の凹部５２０に沿って均一に配置されうる。これに代えて、これらの複数のらせん形状のバネは、逆流れ方向５０４に対するシールリング５０２全体の頑丈さをほぼ均一に増大させることができるいかなる構成に配置されてもよい。

逆流れ方向５０４の流体圧力が閉弁位置にある弁体５０２に加えられると、当該弁体５０２と湾曲したシール面５１２との間にシールが形成される。逆流れ方向の流体圧力が上昇すると、可撓性部分５１０は、圧縮可能なシリンダ形状の部材５１８がシール保持部５０８に対して圧縮されるまで、逆流れ方向に曲げられることにより、シールリング５０２の先端部５１４がシール保持部５０６に当接または接触することが阻止される。このようにして、圧縮可能なシリンダ形状の部材５１８は、弁体５１６のテーパ処理された縁部５２４と湾曲したシール面５１２との間の流体シールが損傷するかまたは壊れることを阻止している。

本明細書においていくつかの方法、装置および製品が記載されているが、本発明が網羅する範囲はそれらに限定されるわけではない。それどころか、本発明は、添付の特許請求の範囲に文字通りまたは均等論に従って正当に該当するすべての装置、方法および製品を網羅するものとする。

公知のバタフライ弁の一部を示す断面図である。 図１の公知のシール構造の一部を示す拡大断面図である。 流体の圧力がシール構造に対して逆流れ方向に加えられた場合における、図２ａの公知のシール構造の一部を示す拡大断面図である。 逆流れ方向にシールの剛性を増大させる第一の装置を示す断面図である。 図３に示されている第一の装置を示す平面図である。 逆流れ方向にシールの剛性を増大させる第二の装置を示す断面図である。 図５に示されている第二の装置を示す平面図である。 逆流れ方向にシールの剛性を増大させる第三の装置を示す断面図である。

Claims (22)

1. 湾曲部を有している第一の可撓性部材と、
   前記第一の可撓性部材の保持部材側に隣接しているとともに複数の流れ方向のうちの一つの方向に対する前記第一の可撓性部材の頑丈さを増大させるように構成されている第二の可撓性部材と、
   を備えてなる、シール装置。
2. 前記複数の流れ方向のうちの一つの方向が逆流れ方向である、請求項１記載のシール装置。
3. 前記第二の可撓性部材が、前記第一の可撓性部材の内側直径と略等しい内側直径を有している支持部材を備えてなる、請求項１記載のシール装置。
4. 前記第二の可撓性部材が、前記第一の可撓性部材の前記湾曲部を摩耗性媒体から保護するように構成されてなる、請求項３記載のシール装置。
5. 前記第二の可撓性部材が、前記複数の流れ方向のうちの一つの方向の圧力に応答して、前記第一の可撓性部材の前記湾曲部と接触するように構成されてなる、請求項１記載のシール装置。
6. 前記第二の可撓性部材が、少なくとも一つの圧縮可能なシリンダ形状の部材を備えてなる、請求項１記載のシール装置。
7. 前記少なくとも一つの圧縮可能なシリンダ形状の部材が、前記第一の可撓性部材の保持部材側に隣接して配置されてなる、請求項６記載のシール装置。
8. 前記少なくとも一つの圧縮可能なシリンダ形状の部材が、前記複数の流れ方向のうちの一つの方向に向かって変位されたとき、前記保持部材のキャビティの壁と係合するように構成されてなる、請求項６記載のシール装置。
9. 流体制御装置の本体に堅牢に結合されるように構成されているクランプ部と、
   前記クランプ部から延びているとともに前記流体制御装置に関連する可動流れ制御部材に対してシールするように構成されている湾曲シール面を有している可撓性部とを備えており、
   前記可撓性部が、第一の流れ方向に対して第一の頑丈さを有し第二の流れ方向に対して第二の頑丈さを有するように構成されてなる、シール具。
10. 前記可撓性部分が、前記第二の流れ方向に向かう前記可撓性部分の変位に応答して、前記可撓性部分のうちの少なくとも一部の頑丈さを増大させるように構成されている補強部を備えてなる、請求項９記載のシール具。
11. 前記補強部が、前記流体制御装置の本体内の逆流れ方向の圧力降下に応答して、前記可撓性部分の先端部に接触するように、前記可撓性部分に結合されてなる、請求項１０記載のシール具。
12. 前記補強部が、前記湾曲したシール面の反対側の第二の湾曲した面に隣接して配置される圧縮可能なシリンダ形状の部材を備えてなる、請求項１０記載のシール具。
13. 前記湾曲したシール面が前記可動流れ制御部材の外面と係合するように構成されている環状のシール面を提供してなる、請求項９記載のシール具。
14. 前記クランプ部および前記可撓性部分のうちの少なくとも一つが金属から形成されている、請求項９記載のシール具。
15. 前記湾曲したシール面が弁体をシールするように構成されてなる、請求項９記載のシール具。
16. 前記可動流れ制御装置がバタフライ弁の弁体である、請求項９記載のシール具。
17. 流体の流れを制御するように構成されている弁体と、
    前記弁体と係合するように構成されている湾曲したシール面を有している第一の可撓性部材と、
    前記第一の可撓性部材の保持部材側に隣接し、一つの流れ方向に対する前記第一の可撓性部材の頑丈さを増大させるように構成されている第二の可撓性部材とを有しているシール構造体と
    を備えてなる、流体弁。
18. 前記一つの流れ方向が逆流れ方向である、請求項１７記載の流体弁。
19. 前記第一の可撓性部材が、前記一つの流れ方向の圧力に応答して、前記可撓性部材の湾曲部と接触するように構成されてなる、請求項１７記載の流体弁。
20. 前記第二の可撓性部材が、前記逆流れ方向に関連する圧力に応答して、前記第一の可撓性部材の先端部と係合するように構成されてなる、請求項１８記載の流体弁。
21. 前記第二の可撓性部材が、圧縮可能なシリンダ形状の部材を備えてなる、請求項１７記載の流体弁。
22. 前記圧縮可能なシリンダ形状の部材が、前記一つの流れ方向の圧力に応答して、シール保持部材と係合するように構成されてなる、請求項２１記載の流体弁。

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