JP2008531950A - 高温用の双方向シャットオフ機能を備えた流体制御弁 - Google Patents

Abstract

【課題】 双方向シャットオフ機能を備えたボールタイプの制御弁を提供する。
【解決手段】 このボール弁（２０）は、流入口（３１）と、流出口（３２）と、ボール部材（８０）と、シール組立体とを備えており、弁を閉じるとき、シャフト（９０、９１）に偏心的に取り付けられたボール部材は、シール組立体（５０）に当接するように回転する。閉弁中、シールハウジング（５２）と、主シール部材（６４）と、弾力部材とを備えているシール組立体は、主シール部材においてボール部材と接触し、それと同時に、弾性部材（７０）がボール部材の方向に向かって主シール部材を付勢するように構成され、さらに、シール組立体は、主シール部材とシールハウジングとの間に第二の流路（７２）を有し、これは、高温シールにより絞られるように構成されている。
【選択図】 図６

Description

本発明は、流体制御弁に関するものであり、さらに詳細には、高温用のシールを備えたボールタイプの流体制御弁に関するものである。

本出願は、２００２年３月１９日に出願された、「双方向シャットオフを備えた流体制御弁（Ｆｌｕｉｄ Ｆｌｏｗ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｖａｌｖｅ ｗｉｔｈ Ｂｉ−Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ Ｓｈｕｔｏｆｆ）」という表題の米国特許出願第１０／１０１，１３９号の一部継続出願であり、本明細書において参照することによりすべての目的のためにその全体をここに援用するものとする。

ボール弁は、プロセス流体（液体、ガス、懸濁液などでありうるプロセス流体）のあるパラメータを制御するために、数多くの、プロセス制御システムの用途において用いられている。プロセス制御システムは、制御弁を用いて、最終的には圧力、レベル、ｐＨまたは他の液体の所望のパラメータを制御しうるが、基本的には、制御弁は、流体の流量を制御する。

典型的には、ボール弁は、ボール部材により分離されている流体の流入口と流体の流出口とを備えており、ボール部材は、固定シャフトを中心として回転して、シール組立体と当接することにより、それを通って流れる流体の流量を制御する。弁の運転において、プロセス制御システムまたは制御弁を手動で制御するオペレータが、ボール部材をシール組立体の表面に対して回転させることにより、流体の流路を形成することにより、流入口および流出口を通って、すなわちボール弁を通って流れる流体の所望の流量を実現する。

ボール部材およびボール組立体を含むボール弁の構成部材は、通常は金属から形成されている。これは、高圧および／または高温の用途において用いられる場合においてとくに正しい選択である。弁の動作中、多数の部材が、弁の繰り返しサイクル動作または広範囲のサイクル動作により摩耗を受ける。とくにボール部材およびシール組立体が、弁の開閉中における連続的な摩擦接触に起因して摩耗を受ける。摩耗に起因して発生する問題には、限定するわけではないが、弁の構成部材の寿命の縮小、ボール部材とシール組立体との間の摩擦力の増加、および、ボール部材とシール組立体との間の望ましくない漏洩が含まれる。同様に、構成部材が受ける摩耗の量とともに摩擦力が相対的に増加するにつれて、弁内の動的性能および制御特性が悪くなるため、弁の効率および精度が低下することになる。

これまで、上述の問題を解決するために、付勢状態におかれた主シール部材をシール組立体に組み入れる試みがなされた。しかしながら、このことは、弁を制限付きの双方向シール機能に制限してしまうことを含む、弁用途の制限になってしまう。さらに、主シール部材による力および圧力がボール部材に対してさらに加えられると、摩耗がボール部材とシール組立体、とくに主シール部材との間にさらに形成されることになる。弁の開閉動作の初期段階においてボール部材が回転によって主シール部材との係合から外れるようにボール部材をカムに取り付けることにより、上記の問題を解決しようとするさらなる試みがなされている。しかしながら、このことは、ボール部材と主シール部材との間に砕片を捕捉するというようなさらなる問題をもたらしてしまうことになる。たとえば、弁を通って移動する媒体がパルプ原料または粒子の如き繊維状物質を含有しているような場合、これらの繊維状物質が、閉弁動作中にボール部材と主シール部材との間に捕捉されることによって、弁を通過する漏洩通路が形成されてしまう場合がある。

したがって、シール組立体とボール部材とを備え、流体の双方向シールが可能であり、主シール部材とボール部材との間の摩耗を削減することができ、優れた動的パフォーマンスおよび制御特性を保持し、繊維状物質または粒子がボール部材と主シール部材との間に捕捉されることを妨げる改良型ボール弁の必要性が依然として存在したままである。

本発明には、さまざまな変形を加えてもよいし、また、他の構成が用いられてもよいが、特定の例示の実施形態が、図面に記載されているとともに、以下で詳細に記載される。しかしながら、いうまでもなく開示された特定の形態に本発明を制限すること意図したものではなく、それよりも、添付の特許請求の範囲に含まれる変形、代替構成および均等物をすべて網羅することを意図したものである。

ここで、図面、とくに図１〜図３を参照すると、本発明の教示に従って構築されたボール弁が符号２０により全体的に示されている。図示されているように、ボール弁２０は、流入口３１と流出口３２との間にある主要流路３３を有しているハウジング３０と、シール組立体５０と、回転可能なシャフト９０、９１に取り付けられているボール部材８０とを備えている。

一般的に、ハウジング３０は、円筒形状を有し、そこを通って流れる流体のための主要流路３３が形成されている。図２に示されているように、ハウジング３０の下部には、主要流路３３の流出口３２が設けられており、当該流出口３２は、流出口フランジ３８によって取り囲まれている。ハウジング３０の中央部分では、貫通孔４０がハウジング３０の右側壁を貫通し、止まり孔４１がハウジング３０の内側に向かって開口し、両方の孔４０、４１が同軸上に並んでいるとともに、それぞれ対応してシャフト９０，９１を受け入れるように構成されている。駆動シャフト９０とハウジング３０の右側外壁、つまり「駆動側端部」との間には、パッキン補助部材４２、一組のパッキンリング４４および軸受け４３ａが配置されている。従動シャフト９１とハウジング３０の左側内壁、つまり「従動側端部」との間には、軸受け４３ｂが配置されている。ハウジング３０の駆動側端部には、着脱部材３５と係合するように構成されたシャフトフランジ３４が設けられている。ここで、ハウジング３０の上部を参照すると、図２には、主要流路３３の流入口３１を形成しているとともに、シール組立体５０を受け入れるように構成された端ぐり３９が示されている。流入口フランジ３６は、流入口３１を取り囲んでいるとともに、挿入されてくる配管（図示せず）を固定するように構成されている。ここで注目すべき点は、流入口フランジ３６および流出口フランジ３８が、全体的にまたは部分的に取り除かれてもよいし、また、流入口３１および流出口３２との間の接続が、さまざまな方法で形成されてもよいということである。

図４〜図５Ａに示されているように、シール組立体５０は、第一のシール本体、好ましくは主シール部材６４と、第二のシール本体、好ましくはシールハウジング５２とを備えている。上述のように、シール組立体５０が、ハウジング３０の対向する孔３９内に配置され、さらに具体的には、シールハウジング５２の外面５４が、対向する孔３９内に固定して取り付けられている。シールハウジング５２の内面５３には（図７および８）、１対の環状溝５５ａ、５５ｂが、設けられ、それぞれ対応して、第一のシールリング６０ａおよび第二のシールリング６０ｂを受け入れるように構成されている。図４および図５に最も分かり易く示されているように、シール組立体５０は、ウェーブスプリングの如き弾性部材７０と、主シール部材６４とをさらに備えている。一対のシールリング６０ａ、６０ｂおよび弾性部材７０が、主シール部材６４をシールハウジング５２に作用可能に接続している。弾性部材７０は、主シール部材６４（図９および図１０）とシールハウジング５２との間に配置され、ボール部材８０に向けて主シール部材６４を付勢する。弾性部材７０の追加により、主シール部材６４とシールハウジング５２との間に、予期しなかった第二の流路７２が形成されている。また、一対のシールリング６０ａ、６０ｂを、主シール部材６４とシールハウジング５２との間に配置し、第二の流路７２を通って流れる液体の流量絞り部を形成してもよい。

弁２０が閉弁位置にあるとき、ボール部材８０は主シール部材６４に当接する（図４）。ボール部材８０は、球面８２と、好ましくはＶ字形のノッチ部８３（図１）とを備え、弁２０を徐々に開閉することを可能としている。従動シャフト９１および駆動シャフト９０が、それぞれ対応する貫通孔８４ａ、８４ｂを通じて、ボール部材８０に取り付けられている。

先に述べたように、シャフト９０、９１の位置調整および回転を助けるために、軸受け４３ａ、４３ｂが、それぞれ対応するシャフト９０および９１とハウジングとの間に配置されている。先の場合と同様、図２に示されているように、従動シャフト９１は、ハウジング３０の従動側端部の止まり孔４１に配置されている。軸受け４３ｂが、従動シャフト９１に係合するとともに、ハウジング３０の従動側端部とボール部材８０との間に配置されており、軸受け４３ａが、ハウジング３０の駆動側端間とボール部材８０との間に配置されている。次いで、駆動シャフト９０は、貫通孔４０を通ってハウジング３０の駆動側端部を貫通し、パッキンリング４４およびパッキン補助部材４２と係合し、そのあと、ハウジング３０から外に突出している。シャフト９０の外側端部９２は、開閉機構に係合するように構成されてもよい。

一例としては、図３において最も分かり易く示されているように、ボール部材８０は、当該ボール部材８０が偏心的に回転するようにシャフト９０に取り付けられている。たとえば、ボール部材８０は固有の回転ポイントを備えており、この固有の回転ポイントは、ボール部材８０の球面８２上のすべてのポイントが前記の固有の回転ポイントから等距離にあるように、ボール部材８０が回転するポイントのことである。

しかしながら、ボール部材が偏心的に回転する場合、ボール部材８０の球面８２上のポイントは、固有の回転ポイントから等距離にはなく、したがって偏心している。この点で留意すべきことは、当業者にとって明らかなように、ボール部材８０の偏心性は、いくつかの方法で実現することができ、限定するわけではないが、たとえばシャフト９０、９１の中心をボール部材８０の固有の回転ポイントからズラすことが含まれる。同様に、ボール部材８０の偏心的な運動を、偏心的に取り付けられる構成部材の組み合わせにより実現することができ、このことにより、さらなる利点が提供されうる。たとえば、弁ハウジング３０に対してシャフト９０、９１をズラすとともに、ボール部材８０の固有の回転ポイントに対してシャフト９０、９１の中心をズラすことにより形成される偏心運動は、弁２０内の単一の偏心運動により形成されるボール部材８０の配置のズレを補償すべくシールハウジング５２に非同心的な貫通孔を形成するというような変更をシール組立体５０に加えるという必要性をなくすことができる。

図４では、ボール部材８０が、偏心的に回転して、主シール部材６４に当接することにより、接点６６に主要流路３３の流量絞りを形成している。図４および図５に示されているように、ボール部材８０が主シール部材６４を押すとき、主シール部材６４は、弾性部材７０を圧縮してシールハウジング５２の中に向かって変移してもよい。主シール部材６４がボール部材８０およびシールハウジング５２に対して適切に移動および作用することを担保するために、前もって設定または計算されたギャップ７１が、主シール部材６４とシールハウジング５２との間に形成されように注意深くセットされうる。ギャップ７１は、弁２０が閉弁位置にあるとき、主シール部材６４がボール部材８０と接触することを担保するように、注意深くセットされうる。主シール部材６４とハウジング３０との間にはギャップ７３が形成され、このギャップ７３は弁２０の適切な移動および作用を担保するために前記も一つのギャップ７１とともに働く。このギャップ７３により、弁２０が開弁および閉弁しているとき、主シール部材６４が、適切な時間に、ハウジング３０と直接接触することが担保される。たとえば、ギャップ７３が大きすぎる場合、主シール部材６４は、弁２０の開弁および閉弁の間に、ボール部材８０に接触した状態に長期間留まることにより、主シール部材６４とボール部材８０との間において好ましくなくかつ回避可能な量の摩擦および摩耗がもたらされることになる。同様に、ギャップ７３が小さすぎる場合、主シール部材６４は、弁２０の開弁および閉弁の間に、あまりにも早くハウジング３０と接触して、主シール部材６４がボール部材８０と接触することを実質的に妨げることにより、弁２０に漏洩を発生させることになる。

ギャップ７１をセットするために、シャフト９０、９１、ひいてはボール部材８０が、アクチュエータまたはアクチュエータリンク部材（図示せず）を用いて回転されてもよい。たとえば、偏心的に取り付けられたボール部材８０が閉弁位置に向かって回転するにつれて、ボール部材８０が主シール部材６４と接触してギャップ７１をより小さくし、ボール部材８０がさらに完全な閉弁位置に向かって回転する。ボール部材８０を回転し、ギャップ７１をより小さくしながら、ギャップ７１を測定しつつ、アクチュエータまたはアクチュエータリンク部材に停止部を設けることによりセットしてもよい。

他の例では、ギャップ７１は、弁２０の構成部材間に適切な寸法を担保することに加えて、ギャップ７３のサイズの確認のために用いられうる。さらに詳細にいえば、弁２０のすべての構成部材およびそれらの構成部材の特徴は、弁２０の構成部材間の適切な整合性を担保するための寸法および許容誤差を有している。それにもかかわらず、異なる構成部材の製造工程中に寸法および許容誤差をすべて忠実に守ったとしても、許容誤差を加算したものまたは積み重ねたものは、弁２０の適切な運転を妨げうるズレまたは状況を発生させうる。したがって、一方が許容範囲の上限であり他方が許容範囲の下限である一組の金属ゲージを単にギャップ７１に挿入させるだけで、ギャップ７１を許容される範囲および位置まで測定してセットすることによって、弁２０を、その構成部材間の適切な位置調整および移動を担保しながら容易に組み立てることが可能となる。さらに、計算されたギャップ７１、ひいてはギャップ７３を、繰り返し測定し、位置調整し、セットすることが可能となる。これは、ギャップ７１が弁２０の外側または外面からアクセスすることができるからである。したがって、ギャップ７１を適切に校正するためにとくに弁２０を分解する必要はない。

また、図４および図５に示されているように、弾性部材７０の収容により、第二の流路７２が、主シール部材６４とシールハウジング５２との間に偶発的に形成されている。第二の流路７２からの浸み出しを防ぐために、好ましくは、二つの一方向性のシールリング６０ａ、６０ｂが、主シール部材６４とシールハウジング５２との間に、さらに詳細にはシールハウジング５２の内面５３上の環状の溝５５ａ、５５ｂ内にそれぞれ対応して配置されている。シールリング６０ａ、６０ｂ（図４Ａ）の各々は、第一の脚部６１ａと、第二の脚部６１ｂとを備えており、これらの脚部には、その間に流体を受け入れる領域が形成され、流体を受け入れることにより、脚部６１ａ、６１ｂが互いに反対方向に付勢され、第二の流路７２がシールされるように構成されている。シールリング６１ａ、６１ｂは、ゴム材料、プラスチック材料もしくは金属材料からまたは適切に機能するその他の材料から製造されてもよい。弁２０が流入口または流出口から圧力を受けるとき、シールリング６０ａ、６０ｂは、第二の流路７２を通って流れる流体の流れを妨げるために、直列に設けられてもよい。しかしながら、いうまでもなく、直列に配置された２つの一方向性のシールリングは、第二の流路７２を通って流れる流体の流れを二方向に絞る複数の方法のうちの１つにすぎない。他の解決策としては、たとえばシールリングを平行に設けること、または、一対のシールリングを、図５Ａに示されているような単一の双方向性のシールリング６２と取り替えることが挙げられる。単一の双方向性のシールリング６２は、単一の環状の溝５６に配置されることが好ましい。さらに、シールリング６０ａ、６０ｂがシールハウジング５２と主シール部材６４との間に配置されるので、主シール部材６４をボール部材８０と適切に位置調整することができるようになる。

シール組立体５０の他の実施形態では、図６および図６Ａから分かるように、ベローズ７５を用いることにより第二の流路７２が制限されてもよい。ベローズ７５は、図６および図６Ａに示されているように、ベローズ７５の上端７７および下端７９の実質的に自由な相互移動を可能としている複数の起伏、折り目、波または変形を有している。ベローズ７５は、耐腐食性の合金から構築されてもよい。適切な合金としては、とりわけインコ・アロイズ・インターナショナル社（Ｉｎｃｏ Ａｌｌｏｙｓ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，Ｉｎｃ．）により登録されているトレードマークであるＩＮＣＯＮＥＬの如きニッケル／クロム合金、および、ヘインズ・インターナショナル社（Ｈａｙｎｅｓ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ、Ｉｎｃ．）により登録されているトレードマークであるＨＡＳＴＥＬＬＯＹが挙げられる。

これらの実施形態では、図６および図６Ａに示されているように、シールハウジング５２は、複数の部材から構築されてもよい。たとえば、図６に示されているように、シールハウジング５２は、シールハウジング上部５２Ａと、シールハウジング下部５２Ｂとを備えており、これらは、たとえば溶接により接続されてもよいしまたは取り付けられてもよい。シールハウジング５２の下端近傍には、棚部または尾根部（リッジ部）８５が、配置され、弁２０の流路３３の方向に向かって内側に延びている。リッジ部８５は、弁２０が開弁位置にあるとき、主シール部材６４からシールハウジング５２に向かってへ外側に延びた棚部８７と係合するとともに、弾性部材７０によりシールハウジング５２に対して付勢された主シール部材６４の停止部となっている。加えて、シールハウジング下部５２Ｂは、弁２０が閉弁位置にあるとき、主シール部材６４に対する停止部を供給すべく、内側に延びている第二のリッジ部８９を備えてもよい。

ベローズ７５の上端７７はシールハウジング５２に取り付けられまたは接続され、ベローズ７５の下端７９は主シール部材６４に取り付けられまたは接続されることにより、第二の流路７２が制限される。材料の固有の物性および設計の性格より、ベローズ７５は、第二の流路７２から漏洩させることなくシールハウジング５２に対する主シール部材６４の移動を受け入れることができるとともに、ベローズ７５の両側から受ける流体の圧力を補償することができる。たとえば、流体圧力がギャップ７１から加えられると、ベローズ７５は、当該ベローズの一部分がシールハウジング５２に当接するまでシールハウジング５２の方に向かって押され、ベローズ７５がシールハウジング５２に対して実質的に底打ち状態になる。同様に、流体圧力がギャップ７３から加えられると、ベローズ７５は、当該ベローズの一部分が主シール部材６４に当接するまで主シール部材６４の方に向かって押され、ベローズ７５が主シール部材６４に対して実質的に底打ち状態になる。

上述のようなシール組立体５０の構築において、ベローズ７５、シールハウジング上部５２Ａおよびよりシールハウジング下部５２Ｂは、それぞれ対応する対象物に、溶接により取り付けられてもよいしまたは接続されてもよい。これらの接続は、適切な取り付けまたは高品質な接続を担保するために、特別なステップで行われてもよい。たとえば、ベローズ７５の上端部７７へ容易にアクセスできるように、当該ベローズ７５の上端部７７が、まずシールハウジング５２Ａに取り付けられてもよい。次いで、ベローズ７５の下端部６４がシールハウジング６４に取り付けられてもよい。ここで、溶接は、弾性部材７０により後で占められる領域を通じて供される。ここで、弾性部材７０が挿入されてもよいし、また、シールハウジングの上部５２Ａと下部５２Ｂとが接続されてもよい。

他の例では、図６Ａに示されているように、弾性部材７０は、流路７２に対してベローズ７５の反対側の位置に設けることにより、主シール部材６４に、よりチューブ状の外観を呈させることを可能とし、ボール部材８０と主シール部材６４との間からの漏洩を削減させるようになしてある。この例では、シールハウジング５２は、シールハウジングの上部５２Ａと、シールハウジングの中央部５２Ｃと、シールハウジングの下部５２Ｂとを備えており、これらは、溶接により接続されてもよいしまたは取り付けられてもよい。シールハウジングの中央部５２Ｃの下端部の近傍に、下方に向かって延びているリム９３が形成されてもよい。このリム９３は、ベローズ７５に向かって延びている。リム９３により、ベローズ７５の上端部７７の取着点が供与される。弾性部材７０に隣接して、保持リング９５が配置され、これが弾性部材７０の付勢力を主シール部材６４へ伝達する。

さらに詳細にいえば、保持リング９５は、主シール部材６４の上部に設けられている溝９７に配置されることにより、保持リング９５は主シール部材６４に対して固定される。弾性部材７０は、保持リング９５とシールハウジングの上部５２Ａとの間に配置されることにより、主シール部材６４に対して下方向きの付勢を与える。

上述のように、シール組立体５０の構築にあたって、適切な取り付けおよび高品質の接続を担保するために、特定のステップで接続が行われてもよい。たとえば、ベローズ７５の上端部７７および下端部７９が、シールハウジングの上部５２Ａ、中央部５２Ｃおよび下部５２Ｂの前に取り付けられてもよいし、または、接続されてもよい。

他の例では、図７および図８に示されているように、シールハウジング５２はオフセットした内面５３を備えている。先に説明したように、主シール部材６４はシールハウジング５２に移動可能に接続されている。主シール部材６４は、当該主シール部材６４がボール部材８０に接触することが可能となるように、シールハウジング５２内で摺動可能になっていることが好ましい。シールハウジング５２の内面５３およびシールハウジング５２の外面５４の非同心性により形成される上述のズレにより、弁２０のシールおよび閉弁が補助され、これにより、ボール部材８０が主シール部材６４に当接するとき、ボール部材８０と内面５３とが整列するように、内面５３が配置されることになる。しかしながら、先に記載したように、偏心運動の組み合わせを用いることにより、内面５３を外面５４に対してズラしてまたは非同心的に配置することを必要とすることなく、ボール部材８０を主シール部材６４に整列させることが可能となる。

実際には、ボール弁２０は、さまざまな媒体を備えた複数の状況において用いられうるが、本明細書では、限定するわけではないがたとえばパルプおよび製紙工業で用いられる木質繊維および水スラリーを含む粒子を含有している高圧流体を調整するために用いるものとして記載される。検査中または定期点検等において弁の使用前または弁２０の使用中に、ギャップ７１は、組立作業員または保全作業員により測定され、セットされうる。弁のさまざまな構成部材に対する適切な許容誤差を担保するようにギャップ７１をセットすることにより、弁構成部材間の適切な整合性を担保しうる。しかしながら、弁２０を始動したあとで測定およびセットをすることにより、弁２０の適切かつ継続的な運転を担保するようにしてもよい。

弁２０が開弁位置にある場合には、流体が主要流路３３を通り抜けるときにその流体を絞るための絞りが限られた数しかない。シールハウジング５２に設けられているリッジ部５８は、主シール部材６４による流体に対する抵抗を制限する。さらに詳細にいえば、流体が弁２０を通って流れるとき、とくに流体が流入口３１から流出口３２へ流れるとき、リッジ部５８は、流体の流れを第二の流路７２から主要流路３３に迂回させることにより、第二の流路７２および主シール部材６４に対するシェルターを提供する。流体がたとえば弁２０を通って流れるとき、リッジ部５８が存在しない場合は、流体は第二の流路７２へ直接押し入れられることになるが、リッジ部５８が存在する場合は、流体は、第二の流路７２へ流れ入むことを断念し、弁２０を通る流れを継続するように流れる。リッジ部５８に由来する複数の利点のうちの一つは、第二の流路７２内における「固形物の詰まり」が減少することである。その名前が示唆するように、固形物の詰まりは、パルプ原料および／または粒子の如き繊維状物質が第二の流路７２内に蓄積するにつれて発生し、それにより、限定するわけではないがたとえば主シール部材６４の可動域を縮小することならびにシール組立体５０内に摩擦および不必要な力を発生させることを含む複数の問題を発生させる。しかしながら、固形物の詰まりは、弁２０の第二の流路７２のうちのギャップ７１の近傍に限定されているわけではなく、第二の流路７２のうちのギャップ７３の近傍において生じる場合もある。ギャップ７３およびギャップ７３近傍の第二の流路７２における繊維状物質または粒子の蓄積を防ぐことは、ギャップ７３の実質的な排除である。さらに詳細にいえば、弁２０が開弁位置にある間、弾性部材７０は、棚部８１に向けて主シール部材６４を押圧することにより、実質的にギャップ７３を排除し、流体がギャップ７３および第二の流路７２に進入することを防止する。

しかしながら、弁２０が閉じるとき、ボール部材８０は、シャフト９０を中心に回転し、主要流路３３の中へボール部材８０の球面８２を徐々に移動させていくことにより、主要流路３３を通る流量をゆっくりと絞り始める。ボール部材８０のＶノッチ８３は、流路３３が完全に閉じられるまでゆっくり先細になって閉めていく流量絞りを形成することにより、主要流路３３を通って流れる流体を適切に調整することを可能としている。

しかしながら、ボール部材８０が閉弁位置へ回転するとき、球面８２は、閉弁プロセスの終了まで、シール組立体５０に接点６６でのみ接触する。ボール部材８０は、シール組立体５０から離れる方向に向かってある距離回転し、閉弁位置に至る。球面８２は、ボール部材８０が主要流路３３を完全に絞る込む地点よりもある計算された距離だけ手前の地点で、シール組立体５０にようやく接触しうる。ボール部材８０と主シール部材６４との間においては、ボール部材８０、ひいては球面８２は、接触時点から弁２０の閉弁位置に至るまで、主シール部材６４に接触したまま留まっている。

先に記載された例では、ボール部材８０をシャフト９０、９１に偏心的に取り付けることにより、ボール部材８０を、シール組立体５０と接触することなく回転できるようにしている。具体的にいえば、ボール部材８０の固有の回転ポイントは、開口部８４ａ、８４ｂを通じて、それぞれ対応するシャフト９０、９１に対してズラされている。その結果、シャフト９０および９１は、ボール部材８０の固有の回転ポイントの近傍であってシール組立体５０に向かう方向とは反対側でありかつボール部材８０が旋回する側に向かう方向とは反対側のボール部材部分に取り付けられている。加えて、シャフト９０、９１がハウジング３０に対して偏心的に取り付けられてもよく、これにより、最初の偏心的なアクションにより生じるボール部材８０の望ましくないズレが次の偏心的なアクションにより相殺される。

こうすることにより、ボール部材８０が、主シール部材６４に対して回転することができるし、それと同時に、シール６４に対して垂直な方向へと移動しうることが明らかである。したがって、ボール部材８０が閉弁位置へ移動すると、処理されている媒体内の粒子または繊維が、ボール部材８０と主シール部材６４との間で剪断され、これにより、適切なシールが担保される。さらに具体的にいえば、ボール部材８０が主シール部材６４に接触するにつれて、粒子および／または繊維が、主シール部材６４とボール部材８０との間にとどまりうる。ボール部材８０が閉まるにつれて、粒子および／または繊維が、ボール部材８０と主シール部材６４との間における連続的な接触により剪断され、Ｖ字型のノッチ８３のナイフのような縁部がその剪断を補助しうる。

シール組立体５０とボール部材８０との間が適切に閉まることを担保するために、主シール部材６４は、シールハウジング５２に摺動可能に取り付けられているとともに、ボール部材８０が主シール部材６４に接触すると、当該主シール部材６４が、弾性部材７０を圧縮することにより、シールハウジング５２の中に向かって変位するように、ボール部材８０に対して設けられている。

弁２０の開弁および閉弁中、変位可能な主シール部材６４、ハウジング３０およびギャップ７３は、偏心的に取り付けられたボール部材８０と一緒に、ボール部材８０と主シール部材６４との間の係合の角度を適切に制御するように組み合わせられうる。本明細書に記載の係合角度とは、ボール部材８０の球面８２が主シール部材６４に接触している間のボール部材８０の回転範囲のことである。たとえば、ボール部材８０が閉弁位置に向かって回転すると、球面８２は最終的に主シール部材６４と接触する。球面８２が主シール部材６４と接触したときから、ボール部材８０が停止することにより弁２０を閉弁するまで、ボール部材８０が受ける回転の範囲が係合角度である。同様に、ボール部材８０が、閉弁位置から開弁位置まで回転すると、球面８２は最終的に主シール部材６４との接触を絶つことになる。ボール部材８０が回転を開始した時点から、球面８２が主シール部材６４と接触を断つまでボール部材８０が受ける回転の範囲が、先に記載した場合と同様に、係合角度である。

主シール部材６４、ハウジング３０、ギャップ７３およびボール部材８０は、シールハウジング５２と主シール部材６４との間に適切なサイズのギャップ７１を形成することにより係合角度を適切に制御するために組み合わされてもよい。弁２０の外側に位置するギャップ７１は、測定およびセットされると、弁２０内に位置するギャップ７３のサイズを示しうる。ギャップ７３のサイズは、係合角度の量を決定しうる。ギャップが大きければ大きいほど、係合角度が大きくなりうるし、また、ギャップが小さければ小さいほど、係合角度が小さくなりうる。たとえば、ボール部材８０が閉弁位置にあるとき、主シール部材６４は、弾性部材７０が圧縮されて主シール部材６４がボール部材８０を付勢している状態にあるように、シールハウジング５２の中へ変位されうる。この閉弁位置において、ギャップ７３は、ボール部材が主シール部材６４を変位させる距離の量と一致する。弁２０が開き、ボール部材８０が回転し始めると、ボール部材８０が受けうる偏心的な運動により、ボール部材８０がシール組立体６４に向かう方向とは反対の方向に移動することが可能となる。この移動中、主シール部材６４は、弾性部材７０がボール部材８０の方向に向かって主シール部材６４を付勢しているため、ボール部材８０と接触した状態のまま留まりうる。さらに詳細にいえば、ボール部材８０がシール組立体６４から後退するにつれて、弾性部材７０が復元されることにより、主シール部材６４にボール部材８０と接触した状態のまま留まらせることを可能とする。

主シール部材６４は、ボール部材８０の方向に向かってそれ以上移動することができなくなるまで、ボール部材８０と接触した状態のまま留まりうる。主シール部材６４がボール部材８０の方向に向かってさらに移動することを防げうる一つの方法は、ボール部材８０をシール組立体からさらに後退することを可能とし、それと同時に、主シール部材６４の移動が抑制されるように、主シール部材６４に対する停止部を設けることである。ギャップ７３の一方側を規制したハウジング３０は停止部を実現しうる。さらに詳細にいえば、図４に示されているように、ハウジング３０が棚８１の形態を有する停止部を備えており、このようにして、主シール部材６４が棚部８１に接触して底を打つ（ｂｏｔｔｏｍｓ ｏｕｔ）ことにより、弾性部材７０がさらに復元することを妨げるとともに、主シール部材６４がさらに移動してボール部材８０と接触することを防止する。したがって、棚部８１を設けることにより、また、さらに詳細にいえば棚部８１に対して調節可能な主シール部材６４を設けることにより、ボール部材８０への主シール部材６４の相対的な係合および離脱、ひいては係合角度を制御および調節することが可能となる。

弾性部材７０の追加により、主シール部材６４とシールハウジング５２との間に第二の流路７２が形成されている。主シール部材６４とシールハウジング５２との間の第二の流路７２に、シールリング６０ａ、６０ｂが配置されている。シールリング６０ａ、６０ｂは、弾力性を有し、半径方向および軸方向に、拡大収縮することができる。

また、シールリング６０ａ、６０ｂは、主シール部材６４に対するボール部材８０の位置調整の補助をさらにする。このことは、弁２０の閉弁中において、ボール部材８０が接点６６において主シール部材６４と接触するときに達成される。そのとき、ボール部材８０は、主シール部材６４上に力を加え、シールハウジング５２の内面５３対して主シール部材６４を変移させようとする。シールリング６０ａ、６０ｂにより、主シール部材を軸方向におよび半径方向に変移することが可能となり、その間中、ボール部材８０および主シール部材６４を整合させた状態のまま留めておくことにより、主要流路３３の流量絞り部を形成する。

しかしながら、ボール部材８０の偏心的な動作の潜在的な可能性のすべてを適切に利用するためには、先に説明したように、ボール部材８０が固有の回転ポイントを中心として回転する場合には主シール部材６４がボール部材８０と整合するものの、偏心性の性格のため、主シール部材６４が、弁２０の閉弁位置において、ボール部材８０と整合しない場合もあることを理解しておかなければならない。したがって、ボール部材８０を閉弁位置へ偏心的に回転させることを可能とするため、シールハウジング５２の内面５３をシールハウジング５２の外面５４に対してズラす（外面５４に対して内面５３を偏心させる）ことにより、シールハウジング５２の内面５３と外面５４とを偏心的なものとしている。

内面５３にボール部材８０を適切に整合させることを担保するために、図３に示されているようなピンの如き位置調整装置５７が用いられてもよい。位置調整ピン５７は、ハウジング３０に固定されてもよいし、さらに詳細にいえば流入口３１の周囲に設けられた対向する端ぐり（カウンターボア）の中に押し込むようにしてもよい。したがって、シールハウジング５２を回転して、位置調整ピン５７に、シールハウジング５２に設けられた対向する孔を係合させてもよい。それとは異なり、弁２０が２つの独立した偏心機構が１つの運動を形成する２重偏心機構を有している場合、内面５３は、シールハウジング５２の外面に対して偏心的である必要性がなくてもよい。

ボール弁２０が閉弁位置にあると、流入口３１で大きな圧力が生じる。圧力の上昇により、プロセス流体は、主要流路の絞り部を回避し、第二の流路７２を通り抜けるように強いられることになりうる。シールリング６０ａは、シールリングの脚部６１ａ、６１ｂが流れ込んでくる流体に向くように設けられ、流体が第二の流路７２を通って流れることを防止する。同様に、圧力の上昇により、シャフト９０および９１は流れの方向に変形または湾曲し始めうる。シャフト９０および９１が湾曲すると、ボール部材８０は、シール組立体５０に対して法線方向に向かって変位され始めうる。弾性部材７０は、ボール部材８０が変位するときに主シール部材６４をボール部材８０に向けて付勢することにより、変位されるボール部材８０と主シール部材６４との間からの漏れを防ぐように作用する。圧力が上昇するにつれて、シャフト９０および９１がさらに湾曲し、それにより、ボール部材８０の変位がさらに増大する。主シール部材６４は、当該主シール部材６４が停止されるかまたは弾性部材７０が完全に復元されるまで、ボール部材８０に対して付勢され続ける。しかしながら、高圧の状況下では弾性部材７０は主シール部材６４から離脱するまで完全には復元しない場合がある。弾性部材７０は、流体により形成された主シール部材６４に対する圧力のために完全には復元しえない。したがって、ギャップ７３の下部において棚部８１が主シール部材６４を停止しないことを担保できる十分な大きさをギャップ７３が有していることによって、高圧な状況においてさえ、主シール部材６４とボール部材８０との間の連続的な接触が担保される。

しかしながら、上述のように、主要流路３３を通って流れる流体の流れの方向に依存して、高い圧力が流出口３２で生じる場合がある。主要流路３３が逆になれば、液体は、第二の流路７２の反対側から進入し、弾性部材７０のまわりを通り、シールリング６０ｂによりさらなる進入から抑制されることとなり、また、シールリングの脚部６１ａ、６１ｂが流れ込んでくる流体の方向に向くように位置づけされることになる。同様に、高圧の流体は、シャフト９０および９１を変形または湾曲し、これにより、ボール部材８０をシール組立体および主シール部材６４の方向に向けて変位させる。先に記載した例と同様に、ボール部材８０を弾性部材７０に対して付勢することにより、ボール部材８０と主シール部材６４との間からの流体の漏洩を防ぐ。圧力の上昇によりボール部材８０をシール組立体５０の方向に向けて湾曲させるにつれて、主シール部材６４がシールハウジング５２上で最終的に底を打ち、これにより、ギャップ７１が実質的に排除される。

先の詳細な記載は、理解を明瞭にすることのみを目的としたものであり、当業者にとって変形が自明のことであるため、そこから不必要な制限事項を読み取るべきではない。

本発明の教示にしたがって構築されたボール弁を示す平面図である。 図１の２−２線に沿う図１のボール弁を示す断面図である。 弁が開弁位置にあるときのボール部材の位置を仮想線で示した、図１の３−３線に沿う図１のボール弁を示す断面図である。 主シール部材と、２つで一組のシールリングと、バネ部材と、シールハウジングとを有する、閉弁位置にあるボール弁を示す図３の部分拡大断面図である。 シールリングを示す図４の詳細な断面図である。 図４に類似した図であるが、主シール部材と、２つのシールリングと、バネ部材と、シールハウジングとを有する、開弁位置にあるボール弁を示している。 主シール部材と、単一のシールリングと、バネ部材と、シールハウジングとを有する、閉弁位置にあるボール弁を示す部分断面図である。 主シール部材と、耐高温シールリングと、バネ部材と、シールハウジングとを有した閉弁位置にあるボール弁を示した、シール組立体の他の実施形態を示す部分拡大断面図である。 主シール部材と、耐高温シールリングと、バネ部材と、シールハウジングとを有した、閉弁位置にあるボール弁を示した、シール組立体のさらに他の実施形態を示す部分拡大断面図である。 シールハウジングを示す平面図である。 図７の８−８線に沿う図５Ａのシールハウジングを示す断面図である。 主シール部材を示す断面図である。 図９の主シール部材を示す部分拡大断面図である。 ウェーブスプリングを示す平面図である。 図１１のウェーブスプリングを示す側面図である。

Claims (20)

1. 主要流路を形成する孔によって連通された流入口および流出口を有しているハウジングと、
   前記ハウジング内に偏心的に取り付けられているとともに、前記流出口から前記流入口を流体的に遮断する閉弁位置と、前記流出口と前記流入口とを連通させる開弁位置との間を連続した回転運動で移動するように構成されているボール部材と、
   前記ハウジング内に配置されているシール組立体とを備えており、
   前記シール組立体が、シールハウジング、付勢されている主シール部材および第二シール部材を有し、前記シールハウジングと前記付勢されている主シール部材と間に、第二の流路が形成されており、前記付勢されている主シール部材が、前記主要流路内に配置されているとともに、前記弁の開閉中、前記ボール部材と係合するように構成され、前記第二シール部材が、前記主シール部材および前記シールハウジングと密封状態を形成して係合するとともにしっかりと取り付けられ、前記第二シール部材が、前記第二の流路を通って流れる流体のすべての流れを妨げるように構成されてなる弁。
2. 前記第二シール部材がベローズを有してなる請求項１記載の弁。
3. 前記ベローズが、第一のギャップから圧力を受けると、前記主シール部材に当接するように構成されてなる請求項２記載の弁。
4. 前記ベローズが、第二のギャップから圧力を受けると、前記シールハウジングに当接するように構成されてなる請求項２記載の弁。
5. 前記シール組立体が、前記流入口および前記流出口のうちの少なくとも１つから流入する流体の流れに対して前記弁をシールするように構成されてなる請求項１記載の弁。
6. 前記シールハウジングが、前記主シール部材に係合可能であるとともに、前記主シール部材の移動を停止させるように構成されているリッジ部を有してなる請求項１記載の弁。
7. 前記ベローズが耐食性の合金から形成されてなる請求項２記載の弁。
8. 前記第二シール部材が前記主シール部材を前記ボール部材に整合させるように構成されてなる請求項１記載の弁。
9. 前記閉弁位置にあるとき、前記主シール部材が付勢弾性部材によって前記ボールに係合するよう移動されるように構成されてなる請求項１記載の弁部材。
10. 前記弁組立体が、リッジ部を有し、これにより、前記主シール部材上の流体の流れを迂回させるように構成されてなる請求項１記載の弁。
11. 前記主シール部材が、シールハウジングにより、前記ボール部材に向かう方向およびそこから離れる方向に移動することを制限されるように構成されてなる請求項９記載の弁。
12. 主要流路を形成する孔によって連通された流入口および流出口を有しているハウジングと、
    シール組立体であって、弁の開閉動作中に、ボール部材がこのシール組立体に対して回転移動しながら係合しうるようにこのボール部材に近接して取り付けられており、そして、このシール組立体自身を貫通する第二の流路を有しているシール組立体と、
    前記第二の流路を通って流れる流体の流れを妨げるように構成されたベローズとを備えてなる弁。
13. 前記ベローズが、前記流入口および前記流出口のうちの少なくとも１つから流入する流体の流れに対して前記弁をシールするように構成されてなる請求項１１記載の弁。
14. 前記ベローズが前記ボール部材を前記シール組立体に整列させるように構成されてなる請求項１１記載の弁。
15. 前記シール組立体が、主シール部材と、シールハウジングと、その間にある付勢弾性部材とを有してなる請求項１１記載の弁。
16. 前記ベローズが、第一のギャップから圧力を受けると、前記主シール部材に当接するように構成されてなる請求項１５記載の弁。
17. 前記ベローズが、第二のギャップから圧力を受けると、前記シールハウジングに当接するように構成されてなる請求項１５記載の弁。
18. 弁を動作させる方法であって、
    流入口と、流出口と、主シール部材、シールハウジングおよびベローズを有したシール組立体とを備えている弁箱を提供することと、
    前記主シール部材をボール部材の方向に付勢することと、
    前記弁箱に組み込まれているボール部材を回転させて前記主シール部材と係合または離脱させることにより、前記弁を通る流体の第一の流れを制御することと、
    前記主シール部材および前記シールハウジングに弾力性のあるシール部材を取り付けることにより、前記シール組立体を通って流れる流体の第二の流れを妨げることとを含んでいる方法。
19. 前記主シール部材および前記シールハウジングに弾力性のあるシールを取り付けることが、ベローズの第一の端部を前記シールハウジングに取り付け、前記ベローズの第二の端部を前記主シール部材に取り付けることを含んでいる請求項１８記載の方法。
20. 前記シールハウジングにより前記主シール部材の移動を制限することをさらに含んでいる請求項１８記載の方法。

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