JP2008505287A - 密封外側表面を有する流体バルブ制御部材 - Google Patents

Abstract

密封外側表面を有する流体バルブ制御部材およびその製造方法が開示される。流体バルブ制御部材１００は、流体制御バルブ内の密封リング１０４と係合しうる形状の密封外側表面１０２を備えた本体部分を有している。密封外側表面１０２の第一部分１２０は本体部分の中心線４０４に沿った第一ポイント４０２に関して第一球形半径４００を有しており、密封外側表面１０２の第二部分１２２は本体部分の中心線４０４に沿った第二ポイント４０８に関して第二球形半径４０６を有している。第一ポイント４０２と第二ポイント４０８は互いに偏倚しており、第二球形半径４０６は第一球形半径４００より小さく、密封外側表面１０２の第一部分１２０と第二部分１２２の間には実質的に継ぎ目がない。

Description

本願は流体バルブに関し、より詳しくは、密封外側表面を有する流体バルブ制御部材に関する。

プロセス制御プラントまたはプロセス制御システムは、しばしば、プロセス流体の流量を制御するために、ボールバルブ、バタフライバルブのようなロータリバルブを用いている。一般に、ロータリバルブは、流路内に配置されて一つ以上の軸を介してバルブの本体に回転可能に連結された流体流量制御要素または流体流量制御部材を備えている。典型的には、軸の一部は弁体から伸びて弁棒として機能し、アクチュエータ（例えば、空気圧アクチュエータ、電気アクチュエータ、油圧アクチュエータなど）に作動可能に連結されている。

作動時には、コントローラがアクチュエータに指示を出して弁棒を回転させる。かくして、制御部材を好ましい角度に設定し、バルブ内を流れる流体の流量を変えることができる。バルブが閉位置にあるとき、バルブ内を流体が流れないように（例えば、一方向または双方向に流体が流れないように）、典型的には、制御部材はバルブ内の流路を取り囲む環状シールまたは円周状のシールと係合するような構造である。

一般的には、ボールバルブである、ボールタイプの流体バルブ内の制御要素または制御部材は、典型的には、円周状の密封リングと係合するような形状である球形状の密封表面または曲面状の密封表面を有している。いくらかのボールバルブは、実質的に一定または単一の曲率半径の球面を備えた、球形密封表面を有する流量制御部材を利用している。

単一の曲率半径を有するボールバルブ制御部材は自動プロセス（例えば、コンピュータ数値制御（ＣＮＣ）による機械を使用するもの）により比較的容易に製造できるけれども、そのような単一の曲率半径を有するボールバルブ制御部材はいくらかの作動上の欠点を有している。例えば、単一の曲率半径を備えた密封表面を有するボールバルブ制御部材は、制御部材のリーディングエッジと接触して比較的大きな係合角度で完全に曲げるための接合密封リングを必要とし、その比較的大きな係合角度は密封リングを早期に摩耗したり、損傷したりする。

米国特許第３，４５６，９１６号明細書に開示されているような他のボールバルブのデザインは、可変の曲率半径を有する制御部材表面を利用している。例えば、バルブの閉止時に制御部材が密封リングと係合するとき、可変の曲率半径は密封リングを徐々に曲げようとする。それゆえ、密封リングのサイクル寿命を長くする。しかし、可変の曲率半径を有するボールバルブ制御部材はコストが高くつき、正常に使用されるように、実質的に異なる球形半径のものを平滑化したり、融合一体化するための手作業による研磨作業が必要となりやすい。例えば、そのような研磨作業においては、異なる曲率半径の交点に形成される隆起部のようなものを取り除くことが必要である。不幸にも、そのような手作業による研磨作業中において、密封表面の主たる球形半径（すなわち、バルブ内を流体が流れないようにするために密封リングと係合する密封表面の一部）を損なうこと（例えば、過研磨によって）を避けることは難しい。

このように、異なる曲率半径を有する密封表面の間において隆起および／又は継ぎ目のようなものを取り除くための手作業による融合一体化または平滑化作業を必要としない密封外側表面を有するボールバルブ制御部材を提供することが必要とされている。

一実施形態において、流体バルブ制御部材は、流体制御バルブ内の密封リングと係合しうる形状の密封表面を備えた本体部分を有している。上記密封表面の第一部分は本体部分の中心線に沿う第一ポイントに関する第一球形半径を有している。上記密封表面の第二部分は本体部分の中心線に沿う第二ポイントに関する第二球形半径を有している。第一ポイントと第二ポイントは互いに偏倚しており、第二球形半径は第一球形半径より小さく、密封表面の第一部分と第二部分の間には実質的に継ぎ目が形成されない。

別の実施形態において、流体バルブ制御部材の製造方法は、流体バルブ制御部材の本体を加工して、本体の中心線に関して第一球形半径を有する第一密封表面部分を形成する。この方法は、さらに、流体バルブ制御部材の本体を加工して、本体の中心線に沿い且つ第一ポイントから偏倚している第二ポイントに関して第二球形半径を有する第二密封表面部分を形成する。第一ポイントと第二ポイントは互いに偏倚しており、第二球形半径は第一球形半径より小さく、第一密封表面部分と第二密封表面部分の間には実質的に継ぎ目が形成されない。

本願発明において開示する流体バルブ制御部材は、ボールタイプの流体制御バルブの作動中（例えば、閉止時または締切時）において密封リングを徐々に曲げるように作用する密封外側表面を提供する。より詳しくは、密封外側表面を有する公知の流体バルブ制御部材とは対照的に、本願発明の流体バルブ制御部材は、異なる球形半径の第一部分と第二部分を備えた密封表面を有している。上記密封表面の第一部分はバルブ制御部材の本体の中心線に関する第一球形半径を有している。上記密封表面の第二部分はバルブ制御部材の本体の中心線に関する第二球形半径を有している。第一および第二球形半径はバルブ制御部材の本体の中心線に沿って互いに偏倚しており、第二球形半径は第一球形半径より小さく、密封表面の第一部分と第二部分の間は実質的に滑らかか又は継ぎ目がない。中心線に沿った球形半径の偏倚の大きさと、第一球形半径および第二球形半径の間の大きさの差違は、例えば、上記偏倚量が半径の差の約２倍となるような比例関係とすることができる。

図１および図２に関して、密封外側表面１０２を有し、ボールタイプの流体制御バルブ内で使用することができる流体バルブ制御部材１００の一例が示されている。分かりやすくするために、流体バルブ制御部材１００と密封リング１０４の間の関係のみが図１に示されている。流体制御バルブと関連する他の代表的な構造（例えば、ボールタイプのバルブ）は図示されていない。図１に示すように、流体バルブ制御部材１００は開位置にあり、密封リング１０４の内径１０８によって画定される流路１０６を通って流体は自由に流れることができる。

一般的に、流体バルブ制御部材１００は、ロータリバルブ、ボールタイプの流体制御バルブでの使用に適した構造である。このように、流体バルブ制御部材１００は、完全な開位置と完全な閉位置との間の約９０度の範囲を超えて回転することができる。流体バルブ制御部材１００は、一般に凸状および球形状である密封外側表面１０２および一般にくぼんで凹状である内面１１２を備えた本体部分１１０と、内面１１２から伸びる一対の相対する耳または脚１１４および１１６とを有している。図１に示すように、流体バルブ制御部材１００のリーディングエッジ１１８は、流体バルブ制御部材１００の閉止中、密封リング１０４の好ましい流体特性と性能特性を発揮できるように、Ｖ字形状のプロフィルを有している。流体バルブ制御部材に関して使用されるＶ字形状のプロフィルは当業界で知られているので、本願明細書において説明はしない。

流体バルブ制御部材１００の内面１１２は、流体制御バルブ内の流路を通る流体の流れを容易にするような形状である。特に、その内面１１２は、図１に示すように、流体バルブ制御部材１００が開位置に向かって回転しているとき、流体制御バルブ内の流路を通る流体の流れを容易にする。密封外側表面１０２は、第一球形半径を有する第一部分１２０と第二球形半径を有する第二部分１２２とを有している。第二球形半径は第一球形半径より小さく、密封外側表面１０２の第一部分１２０と第二部分１２２の間は実質的に平滑であるか、または継ぎ目がない。流体バルブ制御部材１００が閉位置に向かって移動するとき、第一部分１２０は密封リング１０４を密封するように作用し、第二部分１２２は密封リング１０４を徐々に曲げるように作用する。第一部分１２０と第二部分１２２は、密封外側表面１０２と結びついた密封線または密封部分１２４に沿って対面し、密封線または密封部分１２４から離間している。このように、流体バルブ制御部材１００が閉位置にあるとき、第一部分１２０と第二部分１２２の間の境界を画定する密封外側表面１０２の一部は密封リング１０４と接触しないように、第一部分１２０と第二部分１２２は対面している。さらに、上記したように、密封外側表面１０２の第一部分１２０と第二部分１２２は実質的に平滑であるか、または継ぎ目がない。このように、第一部分１２０と第二部分１２２は実質的に隆起部を有していないので、半径が可変である密封表面を有する公知の流体バルブ制御部材の場合には必要とされるような二次的な平滑化または融合一体化作業（例えば、研磨）をなくすことができる。

耳または脚１１４および１１６は、それぞれ、一般的な方法で軸５０２および５０４を受け入れることができる形状の孔１２６および１２８を有している。耳または脚１１４および１１６は、流体バルブ制御部材１００に対して軸５０２および５０４を固定するためのピンまたは他の適切な締結具を受け入れることができる形状である開口または孔１３０および１３２を有している。

図３は、図１および図２の流体バルブ制御部材１００の平面図であり、図４は、図１、図２および図３の流体バルブ制御部材１００の一部を示す、Ａ−Ａ矢視断面図である（図３参照）。図４から明かなように、密封外側表面１０２の第一部分１２０は本体部分１１０の中心線４０４に沿った第一ポイント４０２に関して第一球形半径４００を有しており、密封外側表面１０２の第二部分１２２は本体部分１１０の中心線４０４に沿った第二ポイント４０８に関して第二球形半径４０６を有している。第一ポイント４０２と第二ポイント４０８は互いに偏倚しており、第二球形半径４０６は第一球形半径４００より小さく、密封外側表面１０２の第一部分１２０と第二部分１２２の間は実質的に平滑であるか、または継ぎ目がない。第一部分１２０および第二部分１２２は密封外側表面１０２と結びついた密封線１２４から離間して対面している。

第一ポイント４０２と第二ポイント４０８の間の偏倚量および第一球形半径４００と第二球形半径４０６の間の半径の差は、互いに比例関係にある。例えば、４インチのボールタイプのバルブの場合、密封外側表面１０２の第一部分１２０の第一球形半径４００は約２．５２８インチであり、密封外側表面１０２の第二部分１２２の第二球形半径４０６は約２．５０５インチであり、第一ポイント４０２および第二ポイント４０８の間の偏倚量は約０．０５０インチである。別の実施例としては、６インチのバルブの場合、密封外側表面１０２の第一部分１２０の第一球形半径４００は約３．４３５インチであり、密封外側表面１０２の第二部分１２２の第二球形半径４０６は約３．４１１インチであり、第一ポイント４０２および第二ポイント４０８の間の偏倚量は約０．０５０インチである。より一般的には、第一ポイント４０２および第二ポイント４０８の間の偏倚量の大きさは、第一球形半径４００と第二球形半径４０６の間の差の約２倍の大きさとすることができる。実質的に平滑であって、実質的に隆起部または継ぎ目がなく、二次的な平滑化または融合一体化作業は省略しうる。

密封外側表面を有する公知の流体バルブ制御部材とは対照的に、本願発明の流体バルブ制御部材は、第一部分１２０および第二部分１２２の異なる球形半径を融合一体化または平滑化するために後続する作業（例えば、手作業による研磨）を必要とすることなく、ＣＮＣ機械を使用して加工することができる。より明確には、本願発明の流体バルブ制御部材は、流体バルブ制御部材１００の本体部分１１０を加工することによって製造し、本体部分１１０の中心線４０４に関して第一球形半径４００を有する第一密封表面部分１２０を提供しうる。そして、さらに、流体バルブ制御部材１００の本体部分１１０を加工することによって、第一ポイント４０２から偏倚している、本体部分１１０の中心線４０４に沿う第二ポイント４０８に関して第二球形半径４０６を有する第二密封表面部分１２２を提供しうる。第一球形半径４００および第二球形半径４０６の間の偏倚量の大きさならびに第一球形半径４００と第二球形半径４０６の大きさは、密封外側表面１０２の第一部分１２０および第二部分１２２の間の境界または遷移点をさらに機械加工することなく、平滑または継ぎ目のない異なる球形半径を形成するように設定される。

図５は、流体バルブ制御部材１００を流体バルブ５００内で使用した一実施形態を示す断面図である。図５に示すように、流体バルブ制御部材１００は流体バルブの流路に配置されて、ボールタイプのバルブを形成する。

本実施形態の流体バルブ制御部材は、実質的に単一の構造として記載されているけれども、その代わりに、流体バルブ制御部材は、螺子付き締結具、溶接点、スナップ−フィットなどを使用して複数の部材を組み合わせて製造することもできる。さらに、本願発明の流体バルブ制御部材は、一般的に使用されるときに、耐腐食性に優れるとともに耐摩耗性に優れた平滑で硬い密封表面を提供しうるように、ステンレス鋼および／又はクロムメッキ鋼から製造することができる。

本願発明に係る器具とその製造方法を開示したけれども、本願発明の技術的範囲は、この開示範囲に限定されるものではない。特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内のもの又はそれと均等なものは、本願発明の技術的範囲に含まれる。

図１は、ボールタイプ流体制御バルブ内で使用することができる、本願発明の密封外側表面を有する流体バルブ制御部材の一実施形態を示す図である。 図２は、ボールタイプ流体制御バルブ内で使用することができる、本願発明の密封外側表面を有する流体バルブ制御部材の別の実施形態を示す図である。 図３は、図１および図２の流体バルブ制御部材の平面図である。 図４は、図１、図２および図３の流体バルブ制御部材の一部を示す、Ａ−Ａ矢視断面図である（図３参照）。 図５は、本願発明の流体バルブ制御部材を流体バルブ内で使用した一実施形態を示す断面図である。

符号の説明

１００ 流体バルブ制御部材
１０２ 密封外側表面
１０４ 密封リング
１０６ 流路
１０８ 内径
１１０ 本体部分
１１２ 内面
１１４ 耳または脚
１１６ 耳または脚
１１８ リーディングエッジ
１２０ 第一部分
１２２ 第二部分
１２４ 密封線または密封部分
１２６ 孔
１２８ 孔
１３０ 開口または孔
１３２ 開口または孔
４００ 第一球形半径
４０２ 第一ポイント
４０４ 中心線
４０６ 第二球形半径
４０８ 第二ポイント
５００ 流体バルブ
５０２ 軸
５０４ 軸

Claims (20)

1. 流体バルブ制御部材であって、
   流体制御バルブ内の密封リングと係合しうる形状の密封表面を備えた本体部分を有し、 上記密封表面の第一部分は本体部分の中心線に沿う第一ポイントに関する第一球形半径を有し、上記密封表面の第二部分は本体部分の中心線に沿う第二ポイントに関する第二球形半径を有し、
   第一ポイントと第二ポイントは互いに偏倚しており、
   第二球形半径は第一球形半径より小さく、
   密封表面の第一部分と第二部分の間には実質的に継ぎ目がないことを特徴とする流体バルブ制御部材。
2. 第一ポイントと第二ポイントの間の距離は第一球形半径と第二球形半径の半径の差に基づいていることを特徴とする請求項１記載の流体バルブ制御部材。
3. 第一ポイントと第二ポイントの間の距離は第一球形半径と第二球形半径の半径の差の約２倍であることを特徴とする請求項２記載の流体バルブ制御部材。
4. 流体バルブ制御部材が閉位置に向かって移動するとき、密封表面の第一部分は密封リングを密封するように作用し、密封表面の第二部分は流体制御バルブ内の密封リングを徐々に曲げるように作用することを特徴とする請求項１記載の流体バルブ制御部材。
5. 流体バルブ制御部材が閉位置にあるとき、密封表面の第一部分と第二部分は、密封リングと接触しないように密封表面の一部において対面していることを特徴とする請求項１記載の流体バルブ制御部材。
6. 流体バルブ制御部材が閉位置にあるとき、密封リングと接触しないような密封表面の一部は、密封表面上の密封領域であることを特徴とする請求項５記載の流体バルブ制御部材。
7. 本体部分は、ボールタイプの流体制御バルブでの使用に適していることを特徴とする請求項１記載の流体バルブ制御部材。
8. 流体バルブ制御部材は、ボールタイプのバルブ成分であることを特徴とする請求項１記載の流体バルブ制御部材。
9. 流体バルブ制御部材であって、
   一般に球形である密封表面を備えた本体部分を有し、
   一般に球形である密封表面はそれぞれが球形の半径によって画定される二つの領域を有し、
   それぞれの球形半径の間の半径の差は、二つの領域の間に実質的に継ぎ目がないように、球形半径の始点の間の偏倚量に比例していることを特徴とする流体バルブ制御部材。
10. 球形半径の始点の間の偏倚量は、それぞれの球形半径の間の半径の差の約２倍であることを特徴とする請求項９記載の流体バルブ制御部材。
11. 球形半径の一方は、球形半径の他方より小さいことを特徴とする請求項９記載の流体バルブ制御部材。
12. 流体バルブ制御部材の製造方法であって、
    流体バルブ制御部材の本体を加工して、本体の中心線に関して第一球形半径を有する第一密封表面部分を形成し、
    流体バルブ制御部材の本体を加工して、本体の中心線に沿い且つ第一ポイントから偏倚している第二ポイントに関して第二球形半径を有する第二密封表面部分を形成し、
    第一ポイントと第二ポイントは互いに偏倚しており、
    第二球形半径は第一球形半径より小さく、
    第一密封表面部分と第二密封表面部分の間には実質的に継ぎ目がないことを特徴とする流体バルブ制御部材の製造方法。
13. 第一ポイントと第二ポイントの間の距離は第一球形半径と第二球形半径の半径の差に基づいていることを特徴とする請求項１２記載の流体バルブ制御部材の製造方法。
14. 第一ポイントと第二ポイントの間の距離は第一球形半径と第二球形半径の半径の差の約２倍であることを特徴とする請求項１３記載の流体バルブ制御部材の製造方法。
15. 流体バルブ制御部材が閉位置に向かって移動するとき、密封表面の第一部分は密封リングを密封するように作用し、密封表面の第二部分は流体制御バルブ内の密封リングを徐々に曲げるように作用することを特徴とする請求項１２記載の流体バルブ制御部材の製造方法。
16. 流体バルブ制御部材が閉位置にあるとき、密封表面の第一部分と第二部分は、密封リングと接触しないように密封表面の一部において対面するように加工されることを特徴とする請求項１２記載の流体バルブ制御部材の製造方法。
17. 流体バルブ制御部材が閉位置にあるとき、密封リングと接触しないような密封表面の一部は、密封表面上の密封線であることを特徴とする請求項１６記載の流体バルブ制御部材の製造方法。
18. バルブ本体と、
    上記バルブ本体内の流路を取り囲む密封リングと、
    上記密封リングと係合しうる形状である密封表面を含む本体部分を備えたバルブ流量制御部材とを有し、
    上記密封表面の第一部分は本体部分の中心線に沿う第一ポイントに関する第一球形半径を有し、上記密封表面の第二部分は本体部分の中心線に沿う第二ポイントに関する第二球形半径を有し、
    第一ポイントと第二ポイントは互いに偏倚しており、
    第二球形半径は第一球形半径より小さく、
    密封表面の第一部分と第二部分の間には実質的に継ぎ目がないことを特徴とする流体制御バルブ。
19. 第一ポイントと第二ポイントの間の距離は第一球形半径と第二球形半径の半径の差に基づいていることを特徴とする請求項１８記載の流体制御バルブ。
20. 第一ポイントと第二ポイントの間の距離は第一球形半径と第二球形半径の半径の差の約２倍であることを特徴とする請求項１９記載の流体制御バルブ。

Images