JP2008537083A - 複合シールを備えた流体の流れを制御するための弁 - Google Patents

Abstract

【課題】
ボールタイプの制御弁を提供すること。
【解決手段】
この弁は、主要な流路を形成する穴部と連通している流入口および流出口を有したハウジングを備えており、ボール部材が、ハウジングに搭載され、流出口と流入口とが連通されていない状態におかれている閉弁位置と、流入口と流出口とが連通されている状態におかれている閉弁位置と間で移動するように構成されており、シール組立体が、ハウジング内に配置され、シールハウジングと、付勢された状態にあるメインシールとを備えており、この付勢された状態にあるメインシールは、弁の開閉中にボール部材と係合しているインサートを備えている。
【選択図】 図６Ａ

Description

本発明は、流体用の弁に関するものであり、さらに詳細には複合シールを備えたボールタイプの流体用の弁に関するものである。

ボール弁は、数多くのプロセス制御システム用途においてプロセス流体（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することが可能であるが、基本的には、制御弁は、流体の流量を制御するようになっている。

典型的には、ボール弁は、流体流入口と、ボール部材により分離されている流体流出口とを備えており、当該ボール部材は、固定軸を中心として回転し、シール組立体に当接することによって、それを通って流れる流体の流量を制御するようになっている。動作中、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は、シール組立体の表面に対してボール部材を回転させることにより、流入口および流出口を通して、したがってボール弁を通して所望の流量の流体を流すように流体流路を形成するようになっている。

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、金属から通常形成されている。このことは、とくに高圧および／または高温の用途において用いられるときに該当する。弁の動作中、多数の構成部材が、弁の繰り返しまたは広範囲なサイクリング運動により摩耗する。とくに、弁の開閉中の連続的な摩擦接触に起因して、ボール部材およびシール組立体が摩耗する。摩耗に起因する問題としては、限定するわけではないが、弁構成部材の寿命を短くすること、ボール部材とシール組立体との間の摩擦力を大きくすること、および、ボール部材とシール組立体との間に望ましくない漏洩を起こすことが挙げられる。同様に、構成部材が受ける摩耗の量に応じて摩擦力が相対的に大きくなるにつれて、弁内の動的性能および制御特性が悪くなり、これにより、弁の効率および精度が低下することになる。

これまでにおいて、上述の問題を解決するために、付勢された状態にあるメインシール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、弁の用途を制限してしまうことになる。たとえば弁の双方向シール機能を無理に制限してしまうことになる。さらに、力および圧力が、ボール部材に対して付勢された状態にあるメインシールによりさらに加えられると、ボール部材とシール組立体との間、とくにメインシールとの間において、さらなる摩耗が生じる。回転に応答するというよりはむしろ、ボール部材の表面に対して垂直な方向にメインシールとは反対側にボール部材を移動させることにより、弁の開閉の初期段階においてボール部材が回転によりメインシールとの係合から離脱するようにボール部材をカムに搭載することを含む幾つかの試みが、上記の問題を解決するためになされてきた。しかしながら、このことは、ボール部材とメインシールとの間に砕片を捕捉させるが如きさらなる複雑さをもたらしてしまう。たとえば、弁を通って移動する媒体がパルプ原料の如き繊維状物質または粒子を含有している場合、これらの繊維状物質を、弁の閉鎖中に、ボール部材とメインシールとの間に捕捉してしまい、弁を通る漏洩通路を実質的に形成し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、主要シールとボール部材との間の摩耗を削減することができ、肯定的な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要シールとの間に捕捉されることを妨げるような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の全体が符号２０により示されている。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との間にある第一の流路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に搭載さ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第一の流路３３が形成されている。図２に配置されているように、ハウジング３０の下部には、第一の流路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により取り囲まれるようになっている。ハウジング３０の中央部分には、貫通孔４０がハウジング３０の右側壁を貫通しており、止まり穴４１がハウジング３０の内側に向かって開口しており、両方の孔４０、４１が同心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の右側外壁または「駆動側端部」の間には、パッキング補助部材４２と、１組のパッキンリング４４と、軸受け４３ａとが配置されている。従動シャフト９１とハウジング３０の左側内壁または「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、ファスナ３５と係合するように構成されているシャフトを支持するフランジ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、第一の流路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ている対向する孔（ｃｏｕｎｔｅｒｂｏｒｅ）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と流出口３２との間の接続が、さまざまな方法で形成されてもよい。

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、好ましくはメインシール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、さらに具体的にいえば、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の内表面５３には（図７および８）、第一のシールリング６０ａおよび第二のシールリング６０ｂをそれぞれ対応して受け取るように構成された１対の環状の溝５５ａ＆５５ｂが設けられている。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（波形バネ）の如き弾性部材７０と、主要シール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は、メインシール６４を作用可能にシールハウジング５２に接続している。弾性部材７０は、メインシール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に向かってメインシール６４を付勢するようになっている。弾性部材７０の追加により、メインシール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が形成されている。また、一対のシールリング６０ａ、６０ｂが、メインシール６４とシールハウジング５２との間に配置されて、第二の流路７２を通って流れる液体の流れ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はメインシール６４に当接している（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、対応する貫通孔８４ａ＆８４ｂを通して、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および９１の位置調整および回転を援助するために、軸受け４３ａ＆４３ｂが対応するシャフト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穴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から外に突出するようになっている。シャフト９０は、当該シャフト９０の外側端部９２において開閉機構に係合するように構成されてもよい。

一例では、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、シャフト９０に取り付けられるようになっている。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、したがって偏心的となっている。

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ずらすことが含まれる。同様に、ボール部材８０の偏心的な運動を、偏心的に搭載さ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が如きシール組立体５０を変更するというニーズを排除しうる。

図４では、ボール部材８０が、偏心的に回転して、メインシール６４に当接することにより、接点６６に第一の流路３３の流量絞り部を形成している。図４および図５に示されているように、ボール部材８０がメインシール６４を押すとき、メインシール６４は、弾性部材７０を圧縮してシールハウジング５２の中へ変移することができる。メインシール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、メインシール６４とシールハウジング５２との間に形成されるべく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、メインシール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。メインシール６４とハウジング３０との間には、ギャップ７３が形成され、ボール弁２０の適切な移動および作用を担保するためにギャップ７１とともに働くようになっている。ギャップ７３により、弁２０が開閉しているとき、主要シール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ようになっている。たとえば、ギャップ７３が大きすぎる場合には、メインシール６４は、弁２０の開閉中、長期間にわたってボール部材に接触した状態に留まり、それにより、メインシール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が小さすぎる場合には、メインシール６４は、弁２０の開閉中、あまりにも早くハウジング３０と接触し、メインシール６４がボール部材８０と接触することを実質的に妨げ、それにより、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、偏心的に搭取り付けられたボール部材８０が閉弁位置の方へ回転するにつれて、ボール部材８０がメインシール６４と接触し、それにより、ギャップ７１をより小さくし、ボール部材８０がさらに完全閉弁位置に至るまで回転する。ギャップ７１は、ボール部材８０を回転させてギャップ７１をより小さくしていきながら測定をし、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って設定されうる。

他の例では、ギャップ７１は、弁２０の構成部材間における適切な寸法を担保することに加えて、ギャップ７３のサイズを確認する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フィット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形成しうる。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に置くことで、ギャップ７１を許容範囲内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は、繰り返し測定され、位置調整され、セットされてもよい。これは、ギャップ７１に対して弁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弁２０を分解することは必要ではない。

また、図４および図５に示されているように、第二の流路７２が、弾性部材７０の収容のために、メインシール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。好ましくは、二つの一方向性のシールリング６０ａ＆６０ｂが、第二の流路７２からの浸み出しを防ぐために、それぞれ対応してメインシール６４とシールハウジング５２との間に、さらに詳細にいえばシールハウジング５２の内面５３上の環状の溝５５ａ＆５５ｂ内に配置されている。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、これらの脚部は流体を受ける領域がその間に形成され、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製造されてもよいし、または、適切に機能するならば他のいかなる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を通る流体の流れを防止す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、直列に設けられた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とメインシール６４との間に配置されるので、メインシール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６Ａ〜図６Ｃから明らかなように、メインシール６４は一または複数のインサート７５を備えてもよい。インサートは、限定するわけではないが、金属、プラスチック、合成物およびこれらを組合せたものを含むさまざまな種類の材料から製造されてもよい。この実施形態においては、インサートは、そのまま（純粋のまま（ｖｉｒｇｉｎ））用いれらうるか、またはインサート７５のたとえば摩耗強度もしくは圧縮強度を向上させるべく他の材料によって強化されうるポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）材料から製造されている。インサートは、おおむね長方形の断面形状を有し且つ全体的にリング形状であってもよいしまたは円筒形状であってもよい。たとえば、図６Ａに示されているように、インサート７５は長方形の断面形状を有しており、インサート７５の外縁近傍には面取り面または接触面７７が設けられている。これに代えて、インサート７５は他の断面形状を有していてもよいし、また、図６Ｂおよび図６Ｃに見られるような他の特徴を有していてもよい。

図６Ａ〜図６Ｃに例示されているように、インサート７５はメインシール６４の下端部９３に配置されている溝７９の中に挿入されてもよいしまたは配置されてもよい。インサート７５は、溝７９の中に圧入されることによりまたは他の方法で保持されることにより溝７９に固定されうる。たとえば、インサート７５は、図６Ｂおよび図６Ｃに例示されているような接着剤、磁気または他の保持方法で、溝７９の中に保存されうる。図６Ｂでは、インサート７５は当該インサート７５の内部から外側に延びた突出部または棚部９５を備えている。同様に、図６Ｃに示されているように、インサート７５は当該インサート７５の内部から内側に延びた突出部または棚部９７を備えている。これに代えて、図示されていないが、インサート７５は他の棚部９５なしで棚部９７のみを備えていてもよい。

インサート７５は、少なくとも部分的に溝７９を形成している一または複数の壁９９をインサート７５の方に向かって曲げることにより保持されてもよい。こうすることにより、壁９９が、溝７９からインサート７５が離脱することを抑制するまたは防ぐようになっている。さらに具体的にいえば、図６Ｂおよび図６Ｃに例示されているように、壁９９の少なくとも１部が棚部９５、９７と溝７９の開口との間に配置されるように、壁の端部をインサート７５の方に向かって傾斜させてもよいしまたは曲げてもよい。棚部９５、９７に加えて、壁９９の端部は、インサート７５および／または棚部９５、９７に係合するための、インサート７５の方向に向かって内側に延びる突部またはフック１０１を備えていてもよい。

壁９９は、さまざまな方法で溝７９またはインサートの方向に向かって曲げてもまたは傾斜させてもよい。例示的な本実施形態では、回転により形成されている。たとえば、メインシール６４を旋盤または他の回転する装置の中に装着して、回転工程中、壁を溝７９またはインサート７５の方向に向けて押すことにより、壁９９を曲げてもまたは傾斜させてもよい。これに代えて、壁９９を手動により曲げてもよいし回転させてもよく、または、他の機械もしくはプロセスにより変形させてもよい。

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はオフセット内面５３を備えている。先に説明したように、メインシール６４はシールハウジング５２に移動可能に接続されている。メインシール６４は、当該メインシールがボール部材８０に接触することを可能とするように、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を補助するようになっている。これにより、ボール部材８０がメインシール６４に当接するときボール部材８０と内面５３とが整列させられるように内面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をメインシール６４に整列させることが可能となる。

運転に際し、ボール弁２０を、さまざまな媒体が存在する複数の状況において用いることができる。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ている。検査中または定期的な保全中の如き弁２０の使用に先立ってまたは弁２０の使用中において、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。さまざまな弁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フィットを担保しうる。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が開弁位置にあるときには、流体が第一の流路３３を通り抜けるときその流体の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５８は、メインシール６４による流体に対する抵抗を制限するようになっている。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５８は、第二の流路７２からの流体の流れを第一の流路３３に迂回させることにより、第二の流路７２およびメインシール６４に対するシェルターを提供するようになっている。流体がたとえば弁２０を通って流れるとき、リッジ５８が存在しないとき、流体は第二の流路７２へ直接押し入れられることになり、リッジ５８が存在する場合は、流体は、第二の流路７２へ流入することを断念し、弁２０を通る流れを継続するように流れる。リッジ５８に由来する複数の利点のうちの１つは、第二の流路７２の内への「固形物の詰まり込み」が減少するといことである。その名前が示唆するように、固形物の詰まり込みは、パルプ原料の如き繊維状物質および／または粒子が第二の流路７２内に蓄積するにつれて発生する。それにより、限定するわけではないがたとえばメインシール６４の可動域を削減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が発生する。しかしながら、固形物の詰まり込みは、弁２０のギャップ７１の近傍にある第二の流路７２に限定されているわけではなく、ギャップ７３の近傍にある第二の流路７２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に向けてメインシール６４を押す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に進入することを妨げる。

しかしながら、弁２０が閉じると、ボール部材８０は、シャフト９０を中心に回転し、第一の流路３３の中にボール部材８０の球面８２を徐々に移動させていくことにより、第一の流路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を完全に絞るまで、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で、第一の流路３３を通る流体を適切に調整することを可能とする。

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、接点６６でのみシール組立体５０と接触する。ボール部材８０は、シール組立体５０から離れる方向にある距離回転して閉弁位置に至る。球面８２は、ボール部材８０が第一の流路３３を完全に絞る地点よりもある計算された距離だけ前の地点で、シール組立体５０とようやく接触しうる。ボール部材８０とメインシール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、メインシール６４に接触して留まったままでいる。

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、開口部８４ａ、８４ｂを通したボール部材８０の固有の回転ポイントは、シャフト９０、９１が、ボール部材８０の固有の回転ポイントの近傍に、かつ、シール組立体５０に向かう方向とは反対の方向に、かつ、ボール部材８０が旋回する側に向かう方向とは反対の方向に向かって、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。それに加えて、シャフト９０、９１がハウジング３０に対して偏心的に搭載されてもよく、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ようになる。

そうすることにより、明らかなように、ボール部材８０が、メインシール６４に対して回転することができ、それと同時に、シール６４に対して垂直な方向へと移動することができる。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と主要シール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ようになっている。さらに具体的にいえば、ボール部材８０がメインシール６４に接触すると、粒子および／または繊維がメインシール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、Ｖ字型のノッチ８３のナイフのような縁部が剪断をさらに補助するため、いかなる粒子および／または繊維であっても、ボール部材８０と主要シール６４との間における連続的な接触によって剪断されることになる。

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ように、メインシール６４は、シールハウジング５２に摺動可能に取り付けられ、ボール部材８０がメインシール６４に接触すると、メインシール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の中へ変位するように、ボール部材８０に対して設けられる。

弁２０の開閉中、変位可能なメインシール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とメインシール６４との間の係合の適切な角度を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がメインシール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が閉弁位置の方向に向かって回転すると、球面８２は最終的にメインシール６４と接触する。球面８２がメインシール６４と接触するときから、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は最終的にメインシール６４との接触を絶つことになる。ボール部材８０が回転を開始する時点から、球面８２がメインシール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。

メインシール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とメインシール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適切な係合角度を制御するように組み合わされることができる。弁２０の外側に位置するギャップ７１は、測定および設定されたとき、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のサイズにより係合角度の量が決定されうる。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、メインシール６４は、弾性部材７０が圧縮され、メインシール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。この閉弁位置では、ギャップ７３はボール部材がメインシール６４を変位させる距離と一致する。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、メインシール６４は、弾性部材７０がボール部材８０の方向に向かってメインシール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、メインシール６４をボール部材８０に接触した状態のまま留まらせることを可能とする。

メインシール６４は、ボール部材８０に向かう方向にさらに移動することが妨げられるまで、ボール部材８０と接触した状態のまま留まりうる。メインシール６４がボール部材８０に向かう方向にさらに移動することを防げうる１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するとともにメインシール６４の移動を抑制するように、メインシール６４に対して停止部を設けることである。ギャップ７３の一方側を形成しているハウジング３０が停止部となりうる。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が棚部８１の形態を有する停止部を備えており、このようにして、メインシール６４が棚部８１に接触して底を打つことにより、弾性部材７０がさらに復元することを妨げるとともに、メインシール６４がさらに移動してボール部材８０と接触することを妨げるようになっている。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メインシール６４を設けることにより、ボール部材８０へのメインシール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、メインシール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。メインシール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、メインシール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においてメインシール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、メインシール６４上に力を加え、シールハウジング５２の内面５３対してメインシール６４を変移させようとする。シールリング６０ａ、６０ｂにより、主要シール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およびメインシール６４を位置合わせした状態に留めたままにしておくことにより、第一の流路３３の流量絞り部が形成される。

しかしながら、ボール部材８０の偏心的なアクションの全潜在能力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ときにはメインシール６４がボール部材８０と整合するような場合と異なり、メインシール６４は、偏心性の性格のため、弁２０の閉弁位置では、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の周囲に設けられているカウンタボア（座ぐり）の中に押し込まれてもよい。このようにすることにより、シールハウジング５２は、シールハウジング５２に設けられたカウンタボアを位置調整ピン５７に係合させるように回転されうる。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ようになっている二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い場合もある。

ボール弁２０が閉弁位置にあるとき、流入口３１で高圧力が生じる。圧力の増大により、プロセス流体は、第一の流路３３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妨げるようになっている。同様に、圧力の増大により、流れの方向にシャフト９０、９１を変形または屈曲し始めうる。シャフト９０、９１が屈曲すると、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が変位するときにメインシール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とメインシール６４との間からの漏洩を防ぐ。圧力が上昇するにつれて、シャフト９０、９１がさらに屈曲し、それにより、ボール部材８０の変位がさらに増大する。メインシール６４は、当該メインシール６４が停止させられるまでまたは弾性部材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、高圧な状況下の弾性部材７０は、メインシール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メインシール６４に対する圧力のために完全には復元しない場合がある。したがって、ギャップ７３は、ギャップ７３の下部における棚部８１によりメインシール６４が停止されないことを担保することができる十分な大きさを有することにより、高圧な状況下においてさえも、主要シール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、第一の流路３３を通る流体の流れの方向に応じて、流出口３２に高圧が生じる場合もある。第一の流路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が抑制されることとなり、先の場合と同様に、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設けられていることとなる。同様に、高圧の流体は、シャフト９０、９１を変形または屈曲し、これにより、ボール部材８０をシール組立体およびメインシール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とメインシール６４との間からの流体の漏洩を防ぐようになっている。圧力の上昇によりボール部材８０をシール組立体５０の方向に向けて屈曲させるにつれて、メインシール６４がシールハウジング５２上で最終的に底をつき、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、変形が当業者にとって自明のことであるため、そこから不必要な制限を読み取るべきではない。

本発明の教示に従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。 メインシールと、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。 シールリングを示している図４の詳細な断面図である。 図４に類似した図であるが、メインシールと、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した、開放位置にあるボール弁を示している。 メインシールと、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した、閉弁位置にあるボール弁を示す部分断面図である。 インサートを有しているメインシールを備えた、閉弁位置にあるボール弁を示す部分断面図である。 図６Ａのインサートの他の実施形態を示す詳細な断面図である。 図６Ａのインサートの他の実施形態を示す詳細な断面図である。 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。 メインシールを示す断面図である。 図９のメインシールを示す拡大部分断面図である。 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 (23)

1. 弁であって、
   第一の流路を形成する孔と連通し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組み込まれ、前記流出口から前記流入口までが非連通の状態にある閉弁位置と前記流出口から前記流入口までが連通した状態にある開弁位置との間を移動するように構成されているボール部材と、
   シールハウジングおよび付勢された状態にあるメインシールを有し、前記ハウジングに配置されているシール組立体とを備えており、
   前記付勢された状態にあるメインシールが、前記弁の開閉中に前記ボール部材と係合しているインサートを有してなる、弁。
2. 前記メインシールが、前記インサートを受け入れるために、前記シールの下部に配置される環状の溝を有してなる、請求項１記載の弁。
3. 前記インサートが、少なくとも部分的に前記溝を形成する壁に各々が係合する一対の略並列の壁を有してなる、請求項２記載の弁。
4. 前記インサートが純粋のポリテトラフルオロエチレン材料または強化されたポリテトラフルオロエチレン材料のうちの１から製造されてなる、請求項１記載の弁。
5. 前記インサートが前記ボール部材に面する平坦な部分を有してなる、請求項１記載の弁。
6. 前記インサートが、前記ボール部材の外面に対して接線方向に向けられている平坦な部分を有してなる、請求項１記載の弁。
7. 前記インサートのうちの一部分が第一の壁に少なくとも１つの棚部を有し、該一部分が前記溝に配置されてなる、請求項２記載の弁。
8. 前記溝が前記棚に対して傾斜している少なくとも１つの壁を有してなる、請求項７記載の弁。
9. 前記インサートのうちの一部分が、前記第一の壁に対して略平行になっている第二の壁に第二の棚部を有してなる、請求項７記載の弁。
10. 前記第一の壁と対向する前記溝の第二の壁が、前記第二の棚部を受け入れるための凹部を有してなる、請求項９記載の弁。
11. 前記シールハウジングと前記付勢された状態にあるメインシールとの間に第二の流路が形成されてなる、請求項１記載の弁。
12. 前記付勢された状態にあるメインシールと前記シールハウジングとの間に配置される双方向シールをさらに備えており、該双向シールが前記第二の流路を通る流れを実質的に妨げるように構成されてなる、請求項１１記載の弁。
13. 弁であって
    第一の流路を形成する孔と連通した流入口および流出口を有しているハウジングと、
    メインシール、シールハウジングおよび貫通する第二の流路を有しているシール組立体と、
    前記シール組立体に近接して設けられるボール部材とを備えており、
    前記ボール部材が、前記弁の開閉中、前記メインシール内のインサートを回転可能に係合するために、前記シール組立体に対して円を描くように移動するように構成されてなる、弁。
14. 前記メインシールが、前記インサートを受け入れるために、前記シールの下部に配置される環状の溝を有してなる、請求項１３記載の弁。
15. 前記インサートが、少なくとも部分的に前記溝を形成する壁に各々が係合する一対の略並列の壁を有してなる、請求項１４記載の弁。
16. 前記インサートが、前記ボール部材の外面に対して接線方向に向けられている平坦な部分を有してなる、請求項１３記載の弁。
17. 前記インサートのうちの一部分が第一の壁に少なくとも１つの棚部を有し、該一部分が前記溝に配置されてなる、請求項１４記載の弁。
18. 前記溝が前記棚に対して傾斜している少なくとも１つの壁を有してなる、請求項１７記載の弁。
19. 前記第二の流路を通る流れを妨げる第一の弾性シーリングリングおよび第二の弾性シーリングリングをさらに備えてなる、請求項１３記載の弁。
20. 弁を動作させる方法であって、
    メインシール、補助シールおよびシールハウジングを有したシール組立体と、流入口と、流出口とを備えている弁箱を提供することと、
    前記メインシールの端部に配置された環状の溝にインサートを挿入することと、
    前記メインシールをボール部材の方向に向けて付勢することと、
    前記弁箱に組み込まれているボール部材を回転により前記インサートに係合または前記インサートから離脱させることにより前記弁を通って流れる第一の流れを制御することと、
    前記補助シールを通って流れる第二の流体の流れを妨げることと
    を含む、方法。
21. 前記溝に前記インサートを固定させることをさらに含む、請求項２０記載の弁を動作させる方法。
22. 前記ボール部材の外面対して接線方向に向いた平坦部分を前記インサートに形成することをさらに含む、請求項２０記載の弁を動作させる方法。
23. 前記インサート固定させることが、前記溝の壁に前記インサートの棚部を覆うようにさせることを含む、請求項２１記載の弁を動作させる方法。

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