JP2010533831A - 弁内の弁座リングの位置合わせをする方法および装置 - Google Patents

Abstract

弁内で弁座リングを位置合わせするための方法および装置が開示されている。例示の流体用の弁は、弁座リングを受けるための湾曲した内面を有した弁箱と、移動可能な制御部材を受けるためのシール面、および弁箱の湾曲した内面と係合するための前述のシール面とは反対側に位置する湾曲面を有した弁座リングとを備えている。
【選択図】 なし

Description

本発明は、一般的に弁に関するものであり、とくに弁内の弁座リングの位置合わせする方法および装置に関するものである。

一般的に、弁は、流体の流れを操作するためにプロセス制御システム内で用いられている。一般的に、弁は、流体の目的地への到着を可能にするかまたは不可能にするかを選択することによりプロセス変数の調節が可能となっている。このような調節を行うために、たとえば、制御要素または制御部材（たとえば、弁体）が流路に設けられている。通常、制御部材は、弁を通る流路を取り囲むシール構造体（たとえば、弁座リング）と係合するように構成されている。シール構造体と制御部材とが係合されると、弁が閉じられ、弁を通る流体の流れが遮断される。さらに、ガイド（たとえばケージ）がシール構造体と接触して一直線上に並ぶように配列されることによって、制御部材の移動が案内されるかまたは他の方法で補助される。

動作時、制御部材は、弁を通る流体の流れを制御するために、ガイドを介してシール構造体の方向に向かって移動してシール構造体と係合し、および／または、シール構造体とは逆の方向に向かって移動する。したがって、これらの構成部材間の配列に僅かな狂いがあっても、不要な漏洩を引き起こしてしまう恐れがある。たとえば製造方法が不正確であると構成部材の構造または寸法に変化が生じてしまって、上述のような配列の狂いを引き起こしてしまう恐れがある。

例示の流体用の弁は、弁座リングを受けるための湾曲した内面を有した弁箱を備えている。例示の流体用の弁は、移動可能な制御部材を受けるためのシール面および弁箱の湾曲した内面と係合するためのシール面とは反対側に位置する湾曲面を有している弁座リングをさらに備えている。

他の例示の弁座リングは、移動可能な制御部材を受けるアパーチャと、相補的な湾曲部を有した弁箱に係合するための、アパーチャから離れて弁座リングの外縁の方向に向けて延びる湾曲部を有している外面とを備えている。弁座リングの外面の湾曲部は、アパーチャと移動可能な制御部材とを一直線上に並べるよう配列するように構成されている。

流体用の弁を組み立てる例示の方法が、 湾曲部を具備した外面を有する弁座リングを弁箱の中に挿入することと、 弁座リングにガイドを位置付けすることと、 ガイドを弁座リングに抗して移動することにより弁座リングの曲線部を弁箱に抗して移動させることで、弁座リングとガイドとを一直線上に並ぶように配列することとを含んでいる。

公知の流体用の弁の一部の一例を示す図である。 例示の自動位置合わせ用弁座リングを有する部分的に組み立てられた例示の流体用の弁の一部を示す断面図である。 完全に組み立てられた状態にある図２Ａの例示の流体用の弁の一部を示す断面図である。 図２Ａおよび図２Ｂの例示の流体用の弁の実装に用いられうる、例示の弁座リングと例示の弁箱との間に位置する例示の拡張部を示す断面図である。 図２Ａおよび図２Ｂの例示の流体用の弁の実装に用いられうる、例示の弁座リングと例示の弁箱との間に位置する他の例示の拡張部を示す断面図である。

一般的に、本明細書に例示の弁内の弁座リングの位置合わせをする装置および方法は、弁構成部材間の配列の狂いによって引き起こされる漏洩を実質的に排除する。より詳細にいえば、複数の公知の弁座リングおよび弁箱の構成には、かみ合い肩部（ｍａｔｉｎｇ ｓｈｏｕｌｄｅｒｓ）または他の同等な直線状の面を通じて弁箱と係合する弁座リングが用いられている。このような公知の合わせ面は、弁座リングと弁箱との間でシール状態の係合を維持することが通常できないとともに、移動可能な制御部材（たとえば、弁体）と弁座リングのシール面と間の配列の狂いを補正することもできない。それどころか、これらの公知の構成の場合、弁座リングが移動可能な制御部材と位置合わせさせられる場合、弁座リングと弁箱との間のシールが危険にさらされる恐れがある。逆に、弁座リングを弁箱としっかりした係合させた場合、移動可能な制御部材は弁座リングのシール面を密封状態を維持したまま閉じることができなくなる恐れもある。

上述の公知の弁座リングおよび弁箱の構成とは対照的に、本明細書に記載の例示の装置および方法では、弁座リングと弁箱との間に湾曲した（たとえば、球形状、円錐形状、楕円形状など）合わせ面を用いることによって、弁箱とのシール（密封）係合を維持しつつ弁箱に対して弁座リングを移動させることを可能なものとしている。本明細書に記載の実施形態では、合わせ面は、弁の組立中に、ガイドまたはケージ、移動可能な制御部材（たとえば、弁体）および弁箱の間の配列のいかなる狂い（たとえば、製作公差による）であっても弁座リングが弁箱に対して移動することによって自動的に補償することができるように湾曲している。

上述の弁構成部材を位置合わせさせる例示の方法および装置について記載する前に、図１を参照して公知の流体用の弁を下記に簡潔に記載する。図１には、公知の流体用の弁１００の実施形態の一例が示されている。この流体用の弁は、弁箱１０２と、トリム１０４と、ボンネット１０６とを備えている。トリム１０４は、弁１００を流れる流体の流れを変える複数の構成部材を有している。詳細にいえば、トリム１０４は、弁座リング１０８と、ガイド１１０と、制御部材１１２と、弁棒１１４とを有している。もちろん、弁１００、それゆえトリム１０４は、さらなる構成部材（たとえば、ガスケット、パッキンフランジ、バネなど）を有していてもよい。しかしながら、説明の都合上、上述の主要な構成部材のみが図１を参照して記載されている。

一般的に、弁箱１０２は、流体を流入口１１６から弁１００を通して流出口１１７へと流れるのを促進するように構成されたハウジングまたはケースである。弁箱１０２はトリム１０４を支えるかまたは保持している。さらに具体的にいえば、弁箱１０２はさまざまな弁構成部材に対する着座面を有している。たとえば、図１では、弁箱１０２の内面１１８は、弁座リング１０８を受けるための肩部１１９を有している。さらに下記に記載されているように、内面１１８および肩部１１９の特性（たとえば、設計値からの寸法誤差）によって、弁構成部材（たとえば、弁座リング１０８，ガイド１１０、制御部材１１２など）が正確に配列されるか否かが決まる。

上述のように、トリム１０４は、弁１００を流れるうる流体の量を調節するために協働する構成部材（たとえば、弁座リング１０８、ガイド１１０、制御部材１１２および弁棒１１４）からなる組立体を含んでいる。弁座リング１０８は、当該弁座リング１０８を受ける平面を有するように機械加工されたたは成形された肩部１１９と係合している。弁１００が開弁しているとき、流体（図１の矢印１２０により示されている方向に向かって流れている）は、弁座リング１０８のアパーチャ１２１を通り抜けるようになっている。また、制御部材１１２は、弁座リング１０８のシール面１２２と係合して弁１００を流れる流体の流れを阻止することにより弁１００を閉弁させるようになっている。あるいは、制御部材１１２は、所望の流量の流体が弁１００を流れるようにする、完全開弁位置と完全閉弁位置との間の位置に位置付けされてもよい。

図１に示されているように、ガイド（たとえば、ケージ）１１０は、弁座リング１０８と係合することに加えて、制御部材１１２が配置されるキャビティ１２３を取り囲んでいる。換言すれば、ガイド１１０は、制御部材１１２の移動および位置合わせの補助をすることに加え、流体が流れるオリフィス１２４の構造、外形または形状の変更によりある流れ特性および／または制御特性（たとえば、不感帯、ゲイン、容量など）を提供するアパーチャまたは溝を有するように構成されてもよい。

一般的に、上述の弁構成部材間の配列が正確に行われると、弁１００からの漏洩を最小限に抑えるかまたは実質的に無くすことができる（すなわち、密封状態での閉弁が可能となる）。しかしながら、公知のほとんどの弁では、弁構成部材のうちの一部の間の配列に、たとえば製作公差に起因した狂いが生じる場合もある。たとえば、弁座リング１０８が弁箱１０２の内面１１８および／または肩部１１９によって正しく受けてもらえない場合がある。換言すれば、弁箱１０２の内面１１８および／または肩部１１９が正しい寸法または形状に形成されていないために、弁座リング１０８が内面１１８および／または肩部１１９と正しく係合しないような場合がある。たとえば、図２Ａに関して下記にさらに記載されているように、弁座リング１０８の片側または一部分が斜めになっているまたは傾いていることによって、不均一な負荷が弁座リング１０８のシール面１２２に沿ってかかるようになる場合がある。トリム１０４の構成部材のうちのその他の部材（すなわち、ガイド１１０、制御部材１１２および弁棒１１４）が直接的または間接的に弁座リング１０８に結合されているので、弁箱１０２に対する弁座リング１０８のいかなる配列の狂いであっても、ガイド１１０および他の弁構成部材に伝わってしまい、そのことにより、移動可能な制御部材、すなわち弁体１１２がシール面１２２に対して密封状態を維持したシールを形成しないようになってしまう。

図２Ａは、部分的に組み立てられた例示の流体用の弁２００の部分断面図である。 弁座リング２０２が、弁箱２０４内に配置され（たとえば、その中に挿入され）、弁２００内の流路を取り囲んでいる。弁座リング２０２は、たとえば、流体が通り抜けうるアパーチャ２０６とシール面２０７とを有する円筒形状の部材である。弁２００が開弁状態にあるとき、流体は、たとえば弁座リング２０２を通り抜けて弁の流出口ポートへと流れていく。弁２００が閉弁状態にあるとき、移動可能な制御部材２０８（たとえば、弁体）が弁座リング２０２のシール面２０７と係合して弁２００を通る流体の流れを抑制するまたは阻止するようになっている。

移動可能な制御部材２０８が、アパーチャ２１２を有するガイド２１０（たとえばケージ）により取り囲まれかつその中で移動するように構成されることによって、制御部材２０８と弁座リング２０２との間の位置合わせが可能となっていてもよい。換言すれば、弁座リング２０２のアパーチャ２０６およびガイド２１０のアパーチャ２１２は、たとえば、中心線２１４に沿ってアパーチャ２０６、アパーチャ２１２および移動可能な制御部材２０８を同軸上に並べて配列させることにより一直線上に並べられるようになっている。ガイド２０８は、たとえば相補的なインターロック構造２１６、２１８を介して弁座リング２０２と係合するようになっていてもよい。これらの相補的なインターロック構造は、たとえば、弁座リング２０２とガイド２０８との間の一直線上に並んだ配列を維持するように構成されている。図２Ａの実施形態では、弁座リング２０２のインターロック構造２１８が肩部として示され、ガイド２０８のインターロック構造２１６が隆起した円周面として部として示されている。しかしながら、それに代えて、他のいかなる相補的インターロック構造が用いられてもよい。下記にさらに記載するように、ガイド２０８を弁座リング２０２に移動して（たとえば、手動で圧入することによって）、相補的インターロック構造２１６および２１８を係合させるようにしてもよい。

動作時、弁座リング２０２を弁箱２０４の中へ挿入するとき、弁座リング２０２は弁箱２０４に対して配列が狂ったりする場合もあればまたは偏在したりする場合もある。 たとえば、図２Ａに示されまた下記にさらに詳細に記載されているように、弁箱２０４の面の寸法または製造が正確でなかったために、弁座リング２０２の一方側２２０が他方側２２２に対して上側に傾斜する場合がある。既存の弁（図１に関して上記されているような）では、このような欠陥は、弁全体に伝わる配列の狂いを引き起こす恐れがある。さらに詳細にいえば、既存の弁では、配列の狂った弁座リングとガイドが係合するとき、弁座リングの異なる部分が異なる弁座負荷（すなわち、弁座リングの異なる部位で異なる接触力）を受けることとなり、弁が完全閉弁状態にあるときに、弁座リングのまわりで漏洩を引き起こす恐れがある。

それとは対照的に、図２Aに記載の例示の弁２００の場合、弁座リング２０２が均一な負荷（すなわち、弁座リング２０２に沿って均一な、ほぼ一定のまたはほぼ均一な接触力）を受けることにより、配列の狂いにより引き起こされる漏洩を排除するようになっている。均一な負荷を達成するために、例示の弁２００には、弁２００の組立中に配列の修正を自動的に行うことを可能とする複数の湾曲したまたは球形状の面が用いられている。さらに詳細にいえば、弁箱２０４は、弁座リング２０２の相補的な湾曲したまたは球形状の面２２６（たとえば、シール面２０７とは反対側の面）と係合するための湾曲したまたは球形状の内面２２４を有している。湾曲面２２６は、アパーチャ２０６から離れる方向に向けて延びて弁箱２０４の湾曲した内面２２４と係合するようになっている。これらの面２２４および２２６は、たとえば、図２Ａの曲線２２８により表されているような曲率半径とほぼ同等の曲率半径を有している。これらの面２２４および２２６の各々の曲率半径は、他の弁構成部材の寸法（たとえば、ガイド２１０の直径）によって異なってもよいしまたはそれに基づいて選択されてもよい。これらの面２２４および２２６の曲率半径により、弁座リング２０２は、弁２００の組立中、弁箱２０４に対する移動、シフトまたは調節を自動的に行ってガイド２１０に対して正しく配列することが可能となっている。

たとえば、図２Ａに示されているように、弁箱２０４内に配置されるとき、弁座リング２０２の一方側２２０が、弁座リング２０２の他方側２２２に対して位置が狂っている（たとえば、傾斜しているまたは位置が高くなっている）場合がある。弁２００の組立中、ガイド２１０が弁座リング２０２と係合したとき（たとえば、相補的構造２１６および２１８が相互に係合または接触したとき）、弁座リング２０２は、たとえば、湾曲したまたは球形状の面２２４および２２６が相対的に移動するに従って移動することによりガイド２１０と一直線上に並んで配列されるようになる。この位置の修正は、偏在している側２２０が受ける負荷が高いので弁座リング２０２の位置の調節によりシール面に沿って受ける負荷をバランスさせることにより達成される。このように、弁箱２０４との係合を堅固なまたは固定したものとすることに代えて、本実施形態における弁座リング２０２は、弁箱２０４と移動可能に係合され、弁２００の組立中に自動的に位置合わせされることにより、上述の漏洩問題を最小限に抑えるまたは無くすことができるようになっている。

図２Ｂには、組立後の例示の弁２００が示されている。使用時、制御部材２０８を備えていてもよいしまたはいなくてもよいガイド２１０は、弁箱２０４内の弁座リング２０２と係合する。上述のように、ガイド２１０と弁座リング２０２との間の配列のいかなる狂いであっても係合時において無くなる。次いで、弁構成部材うちのその他の構成部材（たとえば、制御部材２０８、弁棒、ガスケット、シールなど）は、ガイド２１０と弁座リング２０２との間で確立されている配列構造（たとえば、上述の中心線２１４に合わせた同軸上の配列）を維持して組み立てられる。次いで、たとえば、構成部材間の係合、すなわち配列を固定するために、ボンネット（図示せず）または他の適切な固定部材が取り付けられる。

弁２００が組み立てられた後、制御部材２０８を（たとえば、弁棒に結合されたアクチュエータを通じて）移動させて弁座リング２０２と係合または弁座リング２０２から離脱させることによって、流体に弁座リング２０２、ひいては弁２００を通り抜けて流れさせることを不可能または可能とする。これらの湾曲面２２４および２２６により行われた位置の修正によって、制御部材２０８は弁座リング２０２と均一なシールを形成することが可能となる。

これに加えて、本明細書に記載の例示の弁（たとえば、弁２００、図２Ａおよび図２Ｂ）は、シールを有した弁座リングを備え、弁座リングと弁箱との間に堅固なシールを形成するようになっている。図３は、弁３００内のこのような構造のうちの一部を示す拡大断面図である。弁３００は、弁箱３１０の湾曲面３０８と係合させるための弁座リング３０６の湾曲面３０４の円周面に沿って配置されるシール３０２を備えている。たとえば、弁座リング３０６は、シール３０２を受けるための凹部３１２（たとえば、弁座リング３０６のアパーチャのまわりに配置された環状の溝）を有している。シール３０２は、たとえば、シールビードとして形成されてもよいしまたはｏ−リングとして形成されてもよい。しかしながら、他の形状（たとえば、矩形形状および／または弁座リング３０６のまわりに沿って間隔をおいたシール係合）が用いられてもよい。シール３０２を凹部３１２内に配置することが可能であるし、また、シール３０２を弁箱３１０の湾曲面３０８と密閉状態を形成して係合するように製造することが可能である。これに加えてまたはこれに代えて、弁箱３１０の湾曲面３０８が、シール３０２を受けるための溝またはチャネルを有していてもよい。

動作時、弁３００は、圧入式のシールを備えることによって、弁座リング３０６を、弁箱３１０の湾曲面３０８上を移動させ、一または複数の弁構成部材（たとえば、図２Ａのガイド２１０）と一直線上に並ぶように配列させ、シール３０２を通じて弁構成部材間の配列を維持させることが可能となる。

低温用途で用いられる弁についていえば、シール３０２は、必ずそうとは限らないものの、エラストマ材料から造られ、さらに織物または他の補強層を含有することにより、所望の剛性、強度、耐用期間など実現している。しかしながら、他の用途では、シール３０２は、高温用途に耐えるために複合材料または金属素材から造られてもよい。

図４に示されている他の実施形態では、例示の弁４００では、弁座リング４０２と弁箱４０４との間の密封状態を形成した係合を維持するために金属対金属の接触が用いられている。弁４００は、弁座リング４０２の湾曲面４０８から延出する円周状の突出部（たとえば、ビード）４０６を有している。円周状の突出部４０６は、たとえば、弁箱４０４の内面４１０に溝またはへこみ（図示せず）を形成するように構成されている。

動作時、相当の力が弁座リング４０２に加えられると、突出部４０６はへこみを形成しうる。たとえば、弁座リング４０２を弁箱４０４の中に挿入したあと、ガイド（図示せず）が弁座リング４０２と係合する（図２Ｂに関して先に記載されたプロセスに類似している）。弁座リング４０２とガイドと一直線に並べて配列するための上述の技術および／または方法を用いて、たとえば、下方向きの力を構成部材に（すなわち、ガイドを介して弁座リング４０２に）加えることにより、突出部４０６に弁箱４０４の面４１０にくぼみを形成させるかまたはそれ自体を埋め込ませる。次いで、新規に形成されたくぼみの中に配置されている突出部４０６は、弁箱４０４内の弁座リング４０２の位置を維持する（図３に関して先に記載したシールに類似した機械的に堅固な係合を形成する）。それに加えてまたはそれに代えて、くぼみを形成する力が弁組立の異なる段階において加えられてもよい。他の具体例では、弁内部の構成部材（たとえば、制御部材、ガイド、弁棒、ガスケットなど）が組み立てられた後、ボンネット（図示せず）を固定する（たとえば、締結部材を締め付ける）と、円周状の突出部４０６がくぼみを形成する場合がある。他の例示の弁によっては、弁座リングと弁箱との間の係合を維持するために複数の円周状の突出部を有しているものもある。

他の例示の弁によっては、円周状の突出部が、弁箱（たとえば、図４の弁箱４０４）の内面（たとえば、図４の内面４１０）に設けられる場合もある。このような実施形態では、弁箱から延出している円周状の突出部は、加えられる力に応答して弁座リング（たとえば、図４の弁座リング４０２）の面にくぼみを形成することによって、図４の例示の弁４００の動作と同様に位置合わせを促進するようになっている。

本明細書にいくつかの例示の方法および装置が記載されているが、本発明の技術的範囲はこれらに限定されるものではない。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にまたは均等論に従って正当に含まれる製造の方法、装置および製品をすべて網羅する。

Claims (22)

1. 弁座リングを受けるための湾曲した内面を有した弁箱と、
   移動可能な制御部材を受けるためのシール面および前記弁箱の前記湾曲した内面と係合するための前記シール面の反対側に位置する湾曲面を有した弁座リングと
   を備えてなる、流体用の弁。
2. 前記弁座リングの前記湾曲面と前記弁箱の前記湾曲した内面との間に配置されるシールをさらに備えてなる、請求項１に記載の流体用の弁。
3. 前記シールが、金属材料、エラストマ材料または複合材料のうちの少なくとも一つを含んでなる、請求項２に記載の流体用の弁。
4. 前記弁座リングの前記湾曲面と前記弁箱の前記湾曲した内面とがほぼ等しい曲率半径を有してなる、請求項１に記載の流体用の弁。
5. 前記流体用の弁の組立中、前記弁座リングの前記湾曲面と前記弁箱の前記湾曲した内面が協働して複数の制御弁構成部材を一直線上に並べるように構成されてなる、請求項１に記載の流体用の弁。
6. 前記弁座リングの表面が、ガイドを受けるための肩部を有してなる、請求項１に記載の流体用の弁。
7. 前記ガイドがケージを含んでなる、請求項６に記載の流体用の弁。
8. 前記弁座リングが前記移動可能な制御部材を受けるためのアパーチャを有してなる、請求項１に記載の流体用の弁。
9. 前記弁座リングの前記表面の前記湾曲面および前記弁箱の前記湾曲した内面が、前記アパーチャを前記移動可能な制御部材と同軸上に配列させるように構成されてなる、請求項８に記載の流体用の弁。
10. 前記弁箱の前記湾曲した内面が、前記弁座リングの前記湾曲面にへこみを形成するための突出部を有してなる、請求項１に記載の流体用の弁。
11. 前記弁座リングの前記湾曲面が、前記弁箱の前記湾曲した内面にへこみを形成するための突出部を有してなる、請求項１に記載の流体用の弁。
12. 流体用の弁内で用いられる弁座リングであって、
    移動可能な制御部材を受けるアパーチャと、
    相補的な湾曲部を有した弁箱に係合するための前記アパーチャから離れて前記弁座リングの外縁の方向に向けて延びている湾曲部を有した外面とを備えており、
    前記弁座リングの前記外面の前記曲線部が、前記アパーチャと前記移動可能な制御部材とを一直線上に並ぶよう配列させるように構成されてなる、弁座リング。
13. 前記弁座リングと前記弁箱との間にシールを形成するためのシールをさらに備えてなる、請求項１２に記載の弁座リング。
14. 前記シールが前記弁座リングの凹部内に配設されてなる、請求項１３に記載の弁座リング。
15. 前記シールが、金属材料、エラストマ材料または複合材料のうちの少なくとも一つを含んでなる、請求項１３に記載の弁座リング。
16. 前記弁座リングの前記外面が、ガイドを受けるための肩部を有してなる、請求項１２に記載の弁座リング。
17. 前記ガイドがケージを含んでなる、請求項１６に記載の弁座リング。
18. 前記弁座リングの前記外面の前記湾曲部と前記弁箱の前記相補的な湾曲部とがほぼ等しい曲率半径を有してなる、請求項１２に記載の弁座リング。
19. 前記弁座リングの前記外面から延びた、前記弁箱にへこみを形成するための突出部をさらに備えてなる、請求項１２に記載の弁座リング。
20. 流体用の弁を組み立てる方法であって、
    湾曲部を具備した外面を備えている弁座リングを弁箱の中に挿入することと、
    前記弁座リング上にガイドを位置付けすることと、
    前記ガイドを前記弁座リングに抗して移動することにより前記弁座リングの前記曲線部を前記弁箱に抗して移動させることで、前記弁座リングと前記ガイドとを一直線上に並ぶように配列することと
    を含む、方法。
21. 前記弁座リングおよび前記ガイドが、前記弁座リングと前記ガイドとを機械的に結合するための相補的な構造体を有している、請求項２０に記載の方法。
22. 前記ガイドを前記弁座リングに抗して移動することが、前記相補的な構造体を嵌め合わせるために前記弁座リングと前記ガイドとを手動により圧入することを含む、請求項２１に記載の方法。

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