JP2013526684A - 調整潤滑表面を有する弁茎 - Google Patents

Abstract

調整潤滑表面（３３２）を有する可動弁装置（３０６）について記載する。例示的弁は、前記流体弁のボンネット（３０４）内に配置されるグラファイトパッキンリング（３１４）を有する弁パッキン（３０８）と、潤滑材料を保持する調整された表面を有する弁茎または弁シャフト（３０２）とを含む。弁茎または弁シャフトの調整された表面は、ボンネット内に配置され、流体弁の動作の間、潤滑材料をグラファイトパッキンリングに相対的に、かつグラファイトパッキンリングに接触して移動させる。
【選択図】図３

Description

本開示は、概して流体弁に関し、より詳細には、調整潤滑表面を有する可動弁装置に関する。

流体弁（例えば、回転弁、線形弁）は典型的には、流体流量制御部材を含む。流体流量制御部材は、流体経路内に配置され、アクチュエータ（例えば、空気圧式アクチュエータ、手動アクチュエータ）へと動作可能に接続される。弁茎（バルブ・ステム）または弁シャフトは、流量制御部材を、アクチュエータへと動作可能に接続し、これは、流量制御部材を開口位置と閉鎖位置との間で移動する、すなわち弁の入口と出口との間の流体流れを可能にし、または制限する。典型的には、弁茎または弁シャフトは、流量制御部材とアクチュエータとの間を、弁本体に接続されたボンネットを通って延在する。

弁パッキンまたはパッキンアセンブリは、弁本体を通じて弁茎または弁シャフトに沿ってプロセス流体が環境へと漏れるのを回避するために用いられることが多い。弁パッキンは、密封状態を提供するために弁茎または弁シャフトの一部に沿って配置された複数のバネおよび／またはパッキンシールを含んでもよい。いくつかの公知の弁パッキンは、高ばね定数の負荷提供装置またはバネアセンブリ（例えば、ベルビルバネ）を用いて、比較的高い負荷を比較的狭い範囲のたわみまたは圧縮に対して提供する。

パッキンシールに対して所望のパッキン応力が付加されなかった場合、密封状態が不適切となる場合がある。例えば、パッキン応力が低すぎる場合、プロセス流体がパッキンシールを通じて環境へと漏れる場合がある。あるいは、パッキン応力が高すぎる場合（例えば、推奨最大パッキン応力よりも高い場合）、一部の種類のパッキンシール（例えば、グラファイトシール）は、材料が弁茎または弁シャフトへと移動する場合があり、その結果、材料（例えば、グラファイト）が弁茎または弁シャフト上に蓄積して、パッキンシールを損傷する場合がある。追加的にまたは代替的に、パッキン応力が高すぎる場合、パッキンシールと弁茎または弁シャフトとの間のパッキン摩擦が上昇する場合があり、その結果、弁性能ならびに／あるいは弁パッキンおよび／または弁茎もしくは弁シャフトの稼働寿命の低下の原因となる場合がある。

一例において、弁は、流体弁のボンネット内に配置されたグラファイトパッキンリングを有する、弁パッキンを有し、ステムまたはシャフトは、潤滑材料を保持する調整された表面を有する。ステムまたはシャフトの調整された表面は、ボンネット内に配置され、流体弁の動作中、潤滑材料をグラファイトパッキンリングと相対的に、かつグラファイトパッキンリングと接触して移動する。

別の例において、流体弁と共に用いられる装置は、第１の材料によって作成される可動弁装置を含む。可動弁装置は、第１の材料よりも軟性である、第２の材料によって作成される第２の表面と相対的に移動する。調整された表面は、潤滑材料を、動作時に第２の表面と接触する可動弁装置の一部に沿って保持する。

公知の流体弁を示す。 図１Ａの例示的流体弁の拡大図である。 公知の弁装置およびパッキン材料の拡大図である。 本明細書中に記載される例示的弁装置が実装された流体弁を示す。 本明細書中に記載される例示的弁装置を示す。 本明細書中に記載される例示的弁装置を示す。 本明細書中に記載される例示的弁装置を示す。 本明細書中に記載される例示的弁装置を示す。 本明細書中に記載される、直接的方法を介して調整された表面を有する、別の例示的弁装置の拡大部分を示す。 本明細書中に記載される、間接的方法を介して調整された表面を有する、さらに別の例示的弁装置の拡大部分を示す。 本明細書中に記載される例示的弁装置に実装された回転弁を示す。

一般的に、本明細書中に記載される例示的な方法および装置は、２つの異なる材料間の動的機械接触面における材料移動を実質的に低減または回避する。より具体的には、本明細書中に記載される方法および装置は、第１のすなわち硬質材料表面と第２のすなわち比較的より軟質の材料表面との間の接触面における摩擦を、硬質表面が比較的より軟質の材料表面と相対的に、かつ比較的より軟質の材料表面と接触するように移動したときに、大幅に低減する。本明細書中に記載される例において、硬質表面のうち少なくとも一部は、調整された表面によって包囲され、調整された表面に埋設され、調整された表面内に堆積され、調整された表面に封入され、調整された表面へと移動され、または他の方法により調整された表面によって保持された潤滑材料を有する調整された表面を含む。いくつかの例において、潤滑材料は、比較的より軟質の材料と実質的に類似するかまたは実質的に同一である材料である。換言すれば、潤滑材料または潤滑材料沈着物（例えば、より軟質の材料）は、調整された表面へと移動されるか、調整された表面によって包囲されるか、調整された表面内に浸透するか、または調整された表面上に埋設される。動作時に、潤滑材料によって包囲される（または潤滑材料を保持する）調整された表面は、比較的より軟質の材料と接触または係合する。このようにして、本明細書中に記載される例示的装置は、２つの異なる材料間ではなく類似する材料間に接触面を提供し、これにより、異なる材料間の接触面における摩擦が大幅に低下する。

具体的には、本明細書中に記載される例示的装置は、パッキン材料（例えば、グラファイトパッキン材料）と相対的に、かつパッキン材料（例えば、グラファイトパッキン材料）と接触するように移動（例えば、回転またはスライド）する弁茎または弁シャフト間の材料移動を実質的に回避する。調整された表面は、潤滑材料を包囲するように、テクスチャ加工された表面、または比較的平滑な、すなわちテクスチャ加工されていない表面（例えば、算術平均粗さ（Ｒａ）が３２マイクロインチ未満である表面仕上げ）を有してもよい。より具体的には、テクスチャ加工された表面（例えば、図４Ａ〜図４Ｃのテクスチャ加工された表面４１０〜４１４）を含むように、または、テクスチャ加工されていない表面、すなわち比較的平滑な表面（例えば、図４Ｄのテクスチャ加工されていない表面４１６）を含むように、弁茎または弁シャフトのうち少なくとも一部を調整してもよい。例えば、流体弁の動作中にステムまたはシャフトの外面がパッキン材料（例えば、グラファイトパッキン）と接触する接触面に適切な製造処理（例えば、エッチング、機械加工、ローレットかけ）を行うことにより、調整された表面はテクスチャ加工を施されてもよい。調整された表面は、潤滑材料または薬剤を包囲する（例えば、潤滑材料または薬剤を埋設されるかまたは潤滑材料または薬剤が浸透している）。潤滑材料は、流体弁の動作中に弁茎または弁シャフトと接触するパッキン材料と実質的に類似するかまたは同一である材料（例えば、グラファイト材料）であってもよい。他の例において、潤滑材料は、例えば、（炭素繊維およびＰＴＦＥで強化された）ポリテトラフルオロエチレン、シリコン、グラファイト、ポリオレフィン、高密度ポリエチレン、低密度ポリエチレン、ケブラー（登録商標）複合材料、これらの任意の組み合わせおよび／または他の任意の適切な潤滑材料（例えば、乾燥潤滑薬剤、不活性結合剤、ポリマーなど）などのような任意の適切な材料であってもよい。

１つの特定の例において、テクスチャ加工された表面または弁茎または弁シャフトの一部は、潤滑材料を包囲するかまたは潤滑材料が埋設されるか、潤滑材料で充填されるか、潤滑材料が封入されるかまたは潤滑材料が浸透している、少なくとも１つの空洞またはポケットを介して形成されてもよい。さらなる例において、調整された表面は、光沢のある表面を提供してもよい。その結果、弁茎または弁シャフトがパッキン材料と相対的に移動するときの弁装置とパッキン材料との間の摩擦が大幅に低下し、これにより、パッキン材料および／または弁茎および弁シャフトの摩耗または損傷が低減する。

例示的方法および装置について説明する前に、図１Ａおよび図１Ｂを参照して公知の流体弁１００についての簡潔な考察を提供する。図１Ａは、流体弁１００（例えば、スライドステム弁）の断面図である。図１Ｂは、図１Ａの流体弁１００の拡大部分である。流体弁１００は、入口１０６と出口１０８との間に流体流れ経路１０４を画定する弁本体１０２を含む。弁プラグ１１０は、流体流れ経路１０４内に配置され、弁座１１４と協働して、流体がそこを通って入口１０６と出口１０８との間を流れてもよい、ポート領域１１６を制御する着座面１１２を含む。弁茎１１８は、ボンネット１２０を通して延在して、弁プラグ１１０をアクチュエータ（図示せず）（例えば、空気圧式アクチュエータ、電気アクチュエータ、手動アクチュエータ等）へと接続させる。ボンネット１２０は、弁パッキンアセンブリ１２４を受容または収容する、パッキンボア１２２を含む。アクチュエータが弁茎１１８を第１の位置（例えば、開口位置）と第２の位置（例えば、閉鎖位置）との間で移動すると、弁パッキンアセンブリ１２４は、弁茎１１８をスライド可能に受容する。弁パッキンアセンブリ１２４は、プロセス流体の弁茎１１８からの漏れが回避され、かつ／または、有害流体または汚染流体の放出から環境が保護されるように、密封を提供する。換言すれば、弁パッキンアセンブリ１２４は、流体流れ経路１０４を通過するプロセス流体の圧力に対抗する密封状態を提供する。

図１Ｂ中に最も明確に示すように、弁パッキンアセンブリ１２４は、パッキンスタッド１２８およびパッキンナット１３０を介してボンネット１２０へと接続される、パッキンフランジ１２６を含む。パッキン材料またはシールアセンブリ１３２は、弁茎１１８を包囲し、ボンネット１２０のパッキンボア１２２内に配置される。この例において、パッキン材料またはシールアセンブリ１３２は、グラファイトパッキンシールまたはリング１３４（例えば、可撓性グラファイトリング）、グラファイト複合材料パッキンリング１３６（例えば、グラファイト複合材料パッキンエンドリング）、カーボンブッシング１３８、およびパッキンボックスリング１４０を含む。

パッキン材料１３２は、一般的には、パッキン材料１３２の内側ボアまたは表面１４２が弁茎１１８に対して確実に密封されかつパッキン材料１３２の外面１４４がボンネット１２０のパッキンボア１２２に対して確実に密封されるように、軸方向に圧縮される。弁茎１４６に沿ってパッキン材料１３２が軸方向に負荷が付与されると、パッキン材料１３２はラジアル方向に拡張して、移動する弁茎１１８上で、パッキン材料１３２が弁茎１１８と接触する、接触面または移動線１４８において動的シールを提供し、かつパッキン材料１３２がパッキンボア１２２と接触する、パッキンボア１２２内において静的シールを提供する。

よって、弁パッキンアセンブリ１２４は、流体弁１００を通過するプロセス流体の圧力に対抗することができるパッキン密封を提供するために、適切または十分に負荷を付与されなければならない。密封を維持するためには、パッキン材料１３２を負荷（例えば、軸方向負荷）下に保持しなければならない。よって、パッキン負荷が不十分である場合、パッキン材料１３２が適切に密封する能力が妨げられる。一方、パッキン負荷が過剰である場合、高い弁茎摩擦が発生し、パッキン材料１３２の耐用年数の短縮に繋がる可能性があり、弁固着の原因となる可能性がある。

図示された例において、複数の付勢要素またはバネ１５０（例えば、ベルビルバネ）が、パッキンフランジ１２６とパッキンフォロワ１５４のフランジまたは肩部１５２との間において直列に配置またはスタックされてもよい。パッキンナット１３０を用いて、バネ１５０をパッキンフォロワ１５４に対して調節可能に後押しするまたは付勢してもよく、その結果、パッキン材料１３２が軸方向に圧縮されて、弁茎１１８を通過するプロセス流体の密封が提供され、プロセス流体の漏れが回避される。パッキンナット１３０がパッキンスタッド１２８上で締められると、パッキンフランジ１２６は負荷をバネ１５０へと伝達する。パッキンナット１３０が締められるに従い、バネ１５０が撓むかまたは圧縮され、その結果、パッキン応力（例えば、弁茎方向負荷）がパッキンフォロワ１５４を介してパッキン材料１３２へ提供される。

この例において、バネ１５０は、均等な負荷をパッキン材料１３２へ提供し、弁動作（例えば、弁の往復）の間、このような均等なパッキン負荷を維持することにより、活荷重弁パッキンを提供する。換言すれば、バネ１５０は、実質的に一定の負荷をパッキンフォロワ１５４へと提供することで、実質的に一定の圧縮力をパッキン材料１３２上に付与する。よって、パッキン材料１３２が（例えば摩耗に起因して）固化すると、バネ１５０は伸長してパッキンフォロワ１５４をボンネット１２０に向かって移動させ、パッキン材料１３２上の圧縮力が維持され、これによりパッキン材料１３２の密封完全性が維持される。

パッキン負荷下において、グラファイト複合材料リング１３６は、グラファイトパッキンリング１３４よりも若干高硬度の材料となって、はみ出し防止部材として機能し、これにより、若干より軟質の可撓性グラファイト材料からなるグラファイトパッキンリング１３４が弁茎１１８へと移動するのを回避することを支援する。さらに、グラファイト複合材料リング１３６よりもずっと高硬度の材料であるカーボンブッシング１３８は、パッキン内で弁茎１１８を中心に維持するのを支援して、グラファイトパッキンリング１３４およびグラファイト複合材料リング１３６においてより軟質のパッキン材料が変形および破壊される事態を回避する。

特定のプロセス流体または用途に適した密封状態を提供するために用いられるパッキン材料の種類は、動作条件（例えば、温度および／またはプロセス流体圧力、プロセス流体の種類または用途等）によって決定されることが多い。いくつかの公知のパッキン材料（例えば、グラファイトパッキン材料）は、過酷な使用条件下において用いられる場合がある（例えば、プロセス流体温度が４５０°Ｆよりも高く、圧力が約４，５００ｐｓｉｇまでである条件）。例えば、Ｇｒａｆｏｉｌ（登録商標）パッキンは、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）パッキン（例えば、Ｔｅｆｌｏｎ（登録商標））に比べて、熱膨張差による影響を受け難い。このようなグラファイトパッキン材料（例えば、Ｇｒａｆｏｉｌ（登録商標）パッキン）は、適切な密封状態を機能かつ／または有効化させるためには、より高い軸方向パッキン負荷が必要とされる場合がある。しかし、上記したように、軸方向負荷がより高くなると、弁茎摩擦も比較的高くなる。その上、場合によっては、このようなグラファイトパッキン材料は、弁茎１１８がパッキン材料１３２と相対的に移動するときに、弁茎１１８とパッキン材料１３２との間の接触面１４８における摩擦を低減するために、潤滑材料または薬剤を必要必要とする場合がある。そのような付加が無い場合、提供されるパッキン応力が高すぎる場合、比較的高いパッキン摩擦が生じる場合があり、その結果弁性能が低下し、かつ／またはパッキン材料動作寿命が低下する可能性がある。

例えば、比較的高いかまたは所望の最大パッキン応力を越えるパッキン応力は、パッキン材料（例えば、グラファイトパッキン材料）を分解する場合がある。このようなパッキン材料の分解は、グラファイト材料の弁茎上への制御できない堆積を引き起こす可能性があり、その結果、密封状態が不適切となるかまたは早期故障を引き起こす場合があり、ひいては弁茎を越えて、環境への流体漏れの原因となる場合がある。

この例において、グラファイトパッキンリング１３４は、グラファイトパッキン材料と弁茎１１８との間の移動を回避する、ＰＴＦＥ材料（例えば、Ｔｅｆｌｏｎ（登録商標））を有する積層グラファイト／ＰＴＦＥパッキンリングである。例示的な複合材料積層リングについて、米国特許第５，２９９，８１２号および米国特許第５，５４２，６８１号に記載され、これら両方の全体は参照により本明細書に組み込まれる。

グラファイトパッキン材料と弁茎または弁シャフトとの間の材料移動の可能性をさらに回避または低減するために、パッキンアセンブリは、ＰＴＦＥ材料によって作成されたパッキンワッシャまたはディスクを含んでもよい。例えば、図１Ａおよび図１Ｂのパッキンアセンブリ１３２は、ＰＴＦＥ材料製のパッキンワッシャまたはディスク１５６を含む。パッキンワッシャまたはディスク１５６は、グラファイトパッキンリング１３４と、グラファイト複合材料リング１３６との間に配置される。ＰＴＦＥパッキンワッシャ１５６は、弁茎１１８とパッキン材料１３２との間の接触面または移動線１４８における潤滑（および密封状態）を提供し、これにより、グラファイトパッキンリング１３４および／またはグラファイト複合材料リング１３６と弁茎１１８との間の摩擦および材料移動が実質的に低減する。より具体的には、ＰＴＦＥパッキンワッシャ１５６が弁茎１１８に向かって部分的に突出することで、弁茎１１８がパッキンアセンブリ１２４を通じて移動またはスライドする際の弁茎１１８への潤滑を提供する。その結果、ＰＴＦＥパッキンワッシャ１５６の利用により、そうでなければグラファイトパッキンリング１３４および／またはグラファイト複合材料リング１３６の分解によってもたらされるかもしれない弁茎１１８上への材料蓄積が実質的に低減または排除される。

しかし、いくつかの用途（例えば、原子力用途）においては、ＰＴＦＥ材料を含むパッキン材料（例えば、グラファイト／ＰＴＦＥ複合材料パッキン材料１３２）を利用することができない場合もある。このような用途においては、グラファイト材料のみからなるパッキンがしばしば用いられる。しかし、上記したように、グラファイト製パッキン材料を潤滑材料または薬剤（例えば、積層グラファイト／ＰＴＦＥパッキンリング１３４およびＰＴＦＥパッキンワッシャ１５６内の）無しで用いた場合、弁茎１１８の接触面または移動線１４８とパッキン材料１３２との間の摩擦が増加し、その結果、パッキン材料１３２および／または弁茎１１８の早期摩耗または損傷に繋がる。

図２は、概して、より軟質の材料またはパッキン材料２０２と、潤滑材料または薬剤を含まない比較的より硬質の材料または弁装置２０４（例えば、弁茎または弁シャフト）との間の材料堆積物２００の制御できない移動または堆積を示す。例えば、図１Ａおよび図１Ｂの例示的パッキンアセンブリ１２４と対照的に、図２の例示的パッキン材料２０２は、ＰＴＦＥパッキンワッシャ１５６および／またはＰＴＦＥ材料を有する任意の複合材料を含まない。図示のように、材料堆積物２００は、接触面または移動線２０６に沿って弁装置２０４へと移動し、ここで、弁装置２０４がパッキン材料２０２と相対的に移動（例えば、スライドまたは回転）すると、弁装置２０４はパッキン材料２０２と接触する。パッキン材料２０２（例えば、グラファイトパッキン）は一般的には、弁装置２０４の材料（例えば、ステンレススチール）よりも軟質である。そのため、（例えば、図１Ａおよび図１Ｂの積層グラファイト／ＰＴＦＥパッキンリング１３４およびＰＴＦＥパッキンワッシャ１５６における）潤滑材料無しで弁装置２０４がパッキン材料２０２と相対的に移動（例えば、スライドまたは回転）すると、パッキン材料２０２が弁装置２０４に降伏し、一般的に分解する。これにより、弁装置２０４上に材料堆積物２００が堆積する。材料堆積物２００の堆積は、弁装置２０４の面または表面２０８に擦過傷または別の方法で損傷を引き起こす場合がある。追加的にまたは代替的に、例えば、パッキン材料２０２の面２１０は損傷または摩耗する場合があり、動作中に、パッキン材料２０２を故障させる（すなわち、密封状態の提供が不可能となり、パッキン材料２０２を通過する流体漏れが発生する）。換言すれば、材料堆積物２００が制御不能となり、したがって、パッキン材料２０２の密封機能と干渉する画定されない外形または形状を有する。なぜならば、パッキン材料２０２が弁装置２０４と均等に係合または接触して弁装置２０４に対して密封状態を形成することができない場合があるからである。

いくつかの例において、パッキンアセンブリ（例えば、図１Ａおよび図１Ｂのパッキンアセンブリ１２４）は、ワイパー装置またはリングを含んでもよい。このワイパーリングは、弁装置２０４が第１の位置（例えば、開口位置）と第２の位置（例えば、閉鎖位置）との間で移動すると、材料蓄積物または材料堆積物２００を弁装置２０４から除去する場合がある。しかし、材料堆積物２００が弁装置２０４から除去されると、（例えば、図１Ａおよび図１Ｂのパッキンナット１３０を介して）手動および／または活荷重パッキン（例えば、図１Ａおよび図１Ｂのベルビルバネの圧縮）を介してパッキン応力または負荷が調整され、これにより、パッキン材料２０２に負荷が付与され、パッキン材料２０２が摩耗すると、パッキン材料２０２の面２１０が弁装置２０４の面２０８と係合する（すなわち、再係合する）。しかし、このような調整は、動作時において接触面２０６においてパッキン材料２０２に適切な密封状態を提供するために頻繁に必要となる場合がある。なぜならば、材料堆積物２００は、パッキン材料２０２の除去部分から継続的に形成されるからである。パッキン応力または負荷を頻繁に調整（すなわち、上昇）することは、パッキン材料２０２の早期のもしくは急速な摩耗および／または劣化を引き起こす場合があり、これにより、パッキン材料２０２の損傷または摩耗に起因して、プロセス流体の弁装置２０４に沿って環境への漏れを生じさせる。

図３は、本明細書中に記載される例示的可動弁装置３０２を実装した、流体弁３００（例えば、スライドステム弁等）を示す。例示的可動弁装置３０２は弁茎であり、流体弁３００のボンネット３０４内においてスライド可能に配置される。可動弁装置３０２は、ステンレススチールまたは他の任意の適切な材料（単数または複数）によって作成されてもよい。ボンネット３０４は、パッキンアセンブリ３０８を受容または収容するパッキンボア３０６を含む。パッキンアセンブリ３０８は、可動弁装置３０２をスライド可能に受容し、可動弁装置３０２を実質的に包囲して密封状態を提供し、プロセス流体が可動弁装置３０２の弁茎３１２に沿って環境へと漏れる事態を回避するパッキン材料３１０を含む。図示のように、パッキン材料３１０は、型成形グラファイトリボンパッキンリングまたはシール３１４と、複合材料パッキンリング３１６、カーボンブッシング３１８と、パッキンボックスリング３１９とを含む。パッキンアセンブリ３０８はまた、パッキン応力または負荷（例えば、活荷重パッキン応力）をフォロワ３２２およびパッキンフランジ３２４を介してパッキン材料３１０へと付加するように、付勢要素３２０（例えば、ベルビルバネ）を含む。パッキンフランジ３２４は、パッキンナット３２６およびパッキンスタッド３２８を介してボンネット３０４へと接続される。パッキンナット３２６はパッキンスタッド３２８と相対的に回転され、付勢要素３２０を介してパッキン材料３１０上に付与されるべきパッキン応力または負荷を調整する（例えば、増減させる）。図１Ａおよび図１Ｂのパッキンアセンブリ１２４と対照的に、図３の例示的パッキンアセンブリ３０８は、図１Ａおよび図１ＢのＰＴＦＥパッキンワッシャ１５６または積層グラファイト／ＰＴＦＥパッキンリング１３４を含まない。

可動弁装置３０２は、潤滑材料または薬剤３３２（例えば、乾燥潤滑材料）を可動弁装置３０２の表面または部分３３４に沿って包囲する（例えば、潤滑材料または薬剤３３２が埋設されるかまたは潤滑材料または薬剤３３２を保持する）調整された表面３３０を含む。可動弁装置３０２の表面または部分３３４は、可動弁装置３０２がパッキン材料３１０と相対的に移動した（例えば、スライドした）とき、パッキン材料３１０と係合する。この例において、潤滑材料３３２は、グラファイト材料である。しかし、他の例において、潤滑材料３３２は、乾燥潤滑材料、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ材料）、ポリエーテルエーテルケトン材料（ＰＥＥＫ）、ポリオレフィン、ポリエチレンおよび／または動作時において調整された表面３３０と係合する材料に実質的に類似するかまたは同一である他の任意の潤滑材料または材料であってもよい。

動作時に、アクチュエータ（図示せず）は、可動弁装置３０２を第１の位置と第２の位置との間で移動させ、これにより、可動弁装置３０２を断層線または接触面３３６（例えば、自然な微細分割線）に沿ってパッキン材料３１０に面してスライドさせる。その結果、可動弁装置３０２の調整された表面３３０は、パッキン材料３１０と同一材料によって包囲されるかまたはパッキン材料３１０と同一材料が内部に埋設されるかまたはパッキン材料３１０と同一材料が内部に浸透してもよく、２つの異なる材料ではなく２つの実質的に類似する材料間の接触面が有効に提供される。

例示的可動弁装置３０２は、可動弁装置３０２とパッキン材料３１０との間の接触面３３６における摩擦を大幅に低減させ、これにより、摩耗が低減し、パッキン稼働寿命が増加する。パッキン材料３１０の稼働寿命の増加により、本明細書中に記載される例示的可動弁装置３０２は、パッキン材料３１０および／または可動弁装置３０２の交換および／または修理の必要に伴うコストおよび停止時間を大幅に低下させる。

図４Ａ〜図４Ｄは、各々、本明細書中に記載される調整された表面４００を有する、例示的可動弁装置４０２、４０４、４０６および４０８を示す。例示的可動弁装置４０２、４０４、４０６および４０８は、弁茎および／または弁シャフトであってもよい。一般に、可動弁装置４０２、４０４、４０６または４０８の調整された表面４００は、図４Ａ〜図４Ｃのテクスチャ加工された表面それぞれ４１０、４１２もしくは４１４、または図４Ｄに示す比較的平滑なもしくはテクスチャ加工されていない表面４１６を含んでもよい。テクスチャ加工された表面は、例えば３２マイクロインチを越える算術平均粗さ（Ｒａ）を有する表面仕上げまたはテクスチャを有してもよく、テクスチャ加工されていない表面は、例えば３２マイクロインチ以下の算術平均粗さ（Ｒａ）を有する表面仕上げ、またはテクスチャを有してもよい。

図４Ａ〜図４Ｃを参照して、例えば、テクスチャ加工された表面４１０は、溝部または鋸歯状パターン４２０を含む。テクスチャ加工された表面４１２は、格子またはメッシュパターン４２２を含む。テクスチャ加工された表面４１４は、擦ったようなまたは削り取ったようなパターン４２４を含む。テクスチャ加工された表面４１０、４１２および４１４は、例えば、艶出し、ローレットかけ、エッチング（例えば、化学エッチング）、機械加工、サンドブラストおよび／または他の任意の適切な工程（単数または複数）を介して形成されてもよい。以下により詳細に説明するように、テクスチャ加工されていない表面４１６（例えば、平滑な光沢のある表面）は、潤滑材料が弁シャフト４０８に向かって移動および／または付着するように弁装置４０８を潤滑材料と相対的に移動させることにより、調整されてもよい。１つの具体的な例において、潤滑材料は結合材または薬剤（例えば、ＰＴＦＥ）を含んでもよく、これは、潤滑材料（例えば、グラファイト材料）がテクスチャ加工されていない表面４１６へ付着または移動するのを支援する。

潤滑材料または材料堆積物（例えば、より軟質の材料）は、直接的方法を介して、間接的方法を介して、あるいは他の任意の適切な製造工程を介して、可動弁装置４０２、４０４、４０６および４０８の調整された表面４００へと移動、調整された表面４００によって包囲、または調整された表面４００上へ埋設されてもよい。一般に、材料堆積物または潤滑材料の蓄積または移動は、光沢のある表面を提供してもよく、かつ／または光沢のある表面を提供するように処理されてもよい、調整された表面４００へ提供される。さらに、テクスチャ加工された表面４１０、４１２または４１４あるいはテクスチャ加工されていない表面４１６のいずれかは、図５および図６それぞれに関連して以下に説明する直接的方法または間接的方法を介して調整されてもよい。

図５は、直接的方法を介して調整された表面５０２を有する、例示的な可動弁装置５００の拡大部分を示す。調整された表面５０２は、パッキン材料５０４に隣接する。上記したように、調整された表面５０２は、テクスチャ加工されてもよく、あるいはテクスチャ加工されていなくてもよい。この例において、調整された表面５０２は、例えば上記した製造処理を介して１つ以上の窪み、凹部、空洞またはポケット５０６を含むように、テクスチャ加工される。図示のように、調整された表面５０２は、パッキン材料５０４の面５１２と整合しかつ接触する、可動弁装置５００の面または表面５１０に沿って配置された複数の凹部５０８を含むようにテクスチャ加工される。凹部５０８の各々は、パッキン材料５０４の特性と実質的に類似するかまたは同一である特性を有してもよい、材料堆積物５１４を受容するようなサイズにされる。凹部５０８は、特定の用途に合わせた任意の適切なサイズまたは寸法であってもよく、かつ／または、可動弁装置５００へと移動させる材料堆積物５１４の所望の量を制御して、調整された表面５０２が得られるような任意の適切なサイズであってもよい。追加的にまたは代替的に、他の例において、材料堆積物５１４は、パッキン材料５０４とは異なる任意の適切な材料（例えば、パッキン材料５０４よりも比較的軟質である潤滑材料）であってもよい。さらに他の例において、材料堆積物５１４は、パッキン材料５０４、ポリテロラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、高密度ポリエチレン、ポリオレフィン、不活性結合剤および／または他の任意の適切な材料（単数または複数）の組み合わせであってもよい。

直接的方法を介して、可動弁装置５００は、潤滑材料（例えば、パッキン材料（例えば、パッキン材料５０４）、積層パッキン材料（例えば、図３のグラファイト／ＰＴＦＥパッキンリング１３４）などに対して、移動またはサイクル移動される。調整された表面５０２を提供するように、潤滑材料または薬剤を可動弁装置５００へと移動するために、可動弁装置５００は、試験装置、ベンチ弁またはボンネット状固定具を用いて組み立てられてもよい。可動弁装置５００は、材料堆積物５１４が形成するために、比較的より軟質の潤滑材料に対してサイクルされる。例えば、可動弁装置５００がベンチ弁のボンネット内に配置されたパッキン材料（例えば、図１Ａおよび図１Ｂのパッキン材料１３２）に向かって移動するように、可動弁装置５００は、工場においてベンチ弁に実装され、サイクルされてもよい（例えば、回転または往復動される）。潤滑材料は、所定の圧縮または高応力レベルになるまで負荷をかけられ、かつ／または（例えば、６００°Ｆを越えない温度まで）熱をかけられてもよく、可動弁装置５００は、潤滑材料５０４（例えば、グラファイトパッキン材料）に向かってまたは潤滑材料５０４（例えば、グラファイトパッキン材料）に沿って動くように作動させてもよく、材料堆積物５１４を調整された表面５０２へと移動させるか、調整された表面５０２によって包囲されるか、調整された表面５０２を充填するかまたは調整された表面５０２に埋設する。

調整された表面５０２が材料堆積物５１４を包囲すると、可動弁装置５００は、ベンチ弁から取り外され、現場において用いられる流体弁と共に組み立てる。さらに、調整された表面５０２は、例えばローラーバニシ仕上げ、エメリー布または他の任意の処理（単数または複数）を介して、光沢のある表面を提供するように処理されてもよい。光沢のある表面は、さらに摩擦が低減され、また、パッキン材料が可動弁装置５００へとさらに移動する事態が回避される場合がある。その後、可動弁装置５００は，現場において用いられる弁内に組み立てられてもよい。

別の例において、調整された表面５０２を直接的方法を介して提供するために、材料堆積物５１４を工具または機器（例えば、旋盤）を介して可動弁装置５００へと移動させる。１つの特定の例において、弁装置が、例えば旋盤内において、回転している間に比較的より軟質の材料堆積物５１４と可動弁装置５００とを係合させることにより、材料堆積物５１４を凹部５０８へと移動せるか、凹部５０８によって包囲させるか、凹部５０８を浸透させるかまたは凹部５０８内に埋設させる。

いくつかの例において、潤滑材料は、潤滑材料（例えば、グラファイト材料）と調整された表面との結合を支援する（すなわち、可動弁装置５００による潤滑材料の包囲を支援する）ための結合剤または樹脂を含んでもよい。このような潤滑材料は、テクスチャ加工されていない、調整された表面（例えば、図４Ｄのテクスチャ加工されていない表面４１６）に対して用いると特に有利である。一例において、可動弁装置５００は、グラファイトパッキンおよびＰＴＦＥ複合材料を有する潤滑材料と共に実装されてもよい。例えば、可動弁装置５００は、ベンチ弁の積層グラファイト／ＰＴＦＥリング（例えば、図１Ａおよび図１Ｂのパッキンリング１３４）に対してサイクル移動されてもよい。積層パッキンリングは、例えば、ＰＴＦＥシート材料のＰＴＦＥリング（例えば、１３％ＰＴＦＥ、２０％ＰＴＦＥなど）により積層されたシート材料（例えば、８７％グラファイト、８０％グラファイトなど）の可撓性グラファイトリングを含んでもよい。例示的積層リングについては、両方とも参照により本明細書に組み込まれる、米国特許５，２９９，８１２号および米国特許５，５４２，６８１号に記載されている。積層グラファイト／ＰＴＦＥパッキンリングは、（例えば、活荷重弁パッキンを介して）圧縮されてもよく、（例えば６００°Ｆの温度まで）加熱されてもよく、これにより、複合材料潤滑材料の調整された表面５０２への移動が支援される。いくつかの例において、このような処理は平滑な黒い光沢のある表面または調整された表面を提供する。

ＰＴＦＥ潤滑剤は、可動弁装置５００のテクスチャ加工されたおよび／またはテクスチャ加工されていない表面へのグラファイト材料の接着を支援してもよい。１つの具体的な例において、調整された表面５０２をグラファイトパッキン材料およびＰＴＦＥ潤滑剤によって包囲しかつ／または調整された表面５０２をグラファイトパッキン材料およびＰＴＦＥ潤滑剤に埋設した後、可動弁装置５００はＰＴＦＥ潤滑剤の昇華温度を越える温度まで加熱してもよく、これにより可動弁装置５００の面５１０の実質的に近隣にまたは隣接して埋設されている場合のあるＰＴＦＥ潤滑剤材料を全て除去する。さらに他の例において、複合材料積層パッキンリングは、グラファイト材料または、例えば、ポリオレフィン、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、高密度ポリエチレン、低密度ポリエチレン、ポリオレフィン、ポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）および／または可動弁装置のテクスチャ加工されたおよび／またはテクスチャ加工されていない表面への潤滑（グラファイト）材料の結合を支援または可能にする他の任意の適切な材料（単数または複数）と共に積層された、他の潤滑材料を含んでもよい。

動作時に、調整された表面５０２へと移動した材料堆積物５１４、調整された表面５０２によって包囲された材料堆積物５１４（または調整された表面５０２によって支持された材料堆積物５１４）は、パッキン材料５０４と相対的に移動し、かつパッキン材料５０４と接触するように移動する。その結果、可動弁装置５００の比較的より硬質材料によって作成されかつパッキン材料５０４の面５１２と接触する面５１０の比率またはパーセンテージが実質的に低減する。したがって、摩耗表面または接触面５１６において、係合表面のうち比較的より大型の部分が同様のまたは類似する材料によって作成され、これにより、摩擦が大幅に低減し、また、そうでなければ図２に関連して上述したような２つの異なる材料間において発生する場合がある材料移動を実質的に除去する。さらに、いくつかの例において、光沢のある調整された表面５０２および／または潤滑材料は、接触面５１６における摩擦をさらに低減する。

よって、本明細書中に記載される例示的な方法および装置は、パッキン材料５０４と可動弁装置５００の比較的硬質の面または表面５１０との間の材料の除去または移動を妨害する２つの異なる材料間の接触面５１６に沿って均質な断層線を提供する。より具体的には、均質な断層線は、２つの異なる材料（例えば、可動弁装置５００およびパッキン材料５０４）が相互と相対的に移動し、かつ相互に接触するように移動したとき、材料移動または材料堆積物５１４を制御するための自然なまたは制御された接触面または移動線が提供される。接触面５１６における材料堆積物５１４の蓄積を制御することにより、パッキン材料５０４および可動弁装置５００（例えば、弁茎または弁シャフト）を形成する２つの異なる材料間の摩擦および、ひいては摩耗が大幅に低減する。

図６は、間接的方法を介して調整された表面６０２を有する、別の例示的可動弁装置６００を示す。調整された表面６０２は、テクスチャ加工（例えば、溝部、空洞、開口などを有してもよい）されてもよく、またはテクスチャ加工されていなくてもよい。テクスチャ加工されている場合、調整された表面６０２は、例えば機械加工、ローレットかけ、サンドブラスト、エッチング（化学エッチング）および／または他の任意の適切な製造工程（単数または複数）を介してテクスチャ加工されてもよい。図５に関連して説明した方法の場合と対照的に、潤滑材料または薬剤６０４は、動作の間に自然に調整された表面６０２へと移動するか、調整された表面６０２によって包囲されるか、調整された表面６０２内に埋設されるか、または別の方法で調整された表面６０２によって保持される。図６に示すように、潤滑材料６０４を間接的方法を介して可動弁装置６００へ塗付または移動するために、調整された表面６０２へと初期に移動したか、調整された表面６０２上に配置されたか、調整された表面６０２によって包囲されたかまたは調整された表面６０２内に埋設された潤滑材料または薬剤６０４は用いずに、現場において用いられる流体弁と共に可動弁装置６００を組み立てる。

動作時に、可動弁装置６００がパッキン材料６０６と相対的にサイクルまたは移動すると、可動弁装置６００は、パッキン材料６０６よりも比較的より硬質である材料（例えば、ステンレススチール）によって作成されているため、パッキン材料６０６は可動弁装置６００に降伏する。可動弁装置６００がパッキン材料６０６と相対的に移動すると、材料堆積物６０８のうち小部分がパッキン材料６０６の表面または面６１０および移動から離脱して、調整された表面６０２へと移動する。この例において、調整された表面６０２は、凹部６１２を含むテクスチャ加工された表面を有する。凹部６１２は、パッキン材料６０６からの材料堆積物６０８を受容する。例えば、可動弁装置６００を有する弁をグラファイトパッキン材料６０６に対してサイクルさせると、グラファイトパッキン材料６０６の材料堆積物６０８が調整された表面６０２へと移動するか、調整された表面６０２によって包囲されるか、または調整された表面６０２内に埋設される。

この例において、可動弁装置６００が継続してパッキン材料６０６と相対的に移動する（例えば、スライドまたは回転）すると、凹部６１２が材料堆積物６０８で埋設されるかまたは充填されるまで、比較的より軟質のパッキン材料６０６の材料堆積物６０８が面６１０から離脱して、調整された表面６０２へと移動する。凹部６１２が材料堆積物６０８で充填または埋設されると、調整された表面６０２によって保持された材料堆積物６０８は、パッキン材料６０６の面６１０に向かって移動し、面６１０と接触し、または面６１０と係合し、これにより、可動弁装置６００とパッキン材料６０６との間の接触面または摩耗表面６１４における摩擦が大幅に低減する。換言すれば、可動弁装置６００の調整された表面６０２は、２つの実質的に類似する材料に間の接触面または移動線を提供する。なぜならば、パッキン材料６０６の面６１０と接触または係合する可動弁装置６００の面または表面６１６の量またはパーセンテージが実質的に低減するからである。

その結果、調整された表面６０２が最初に動作に供されたときに、潤滑材料６０４を包囲しない場合も、可動弁装置６００がパッキン材料６０６と相対的に移動するとき、自然なまたは制御された断層線が接触面または摩耗表面６１４に沿って可動弁装置６００とパッキン材料６０６との間に形成される。さらに、流体弁の動作の間に、調整された表面６０２がパッキン材料６０６の材料堆積物６０８を受容する（すなわち、調整された表面６０２がパッキン材料６０６の材料堆積物６０８によって充填される）と、可動弁装置６００の面６１６と異なる材料を有するパッキン材料６０６の面６１０との間の接触面積が実質的に低減するため、摩擦および摩耗が低減する。さらに、凹部６１２は、調整された表面６０２によって受容される材料堆積物６０８の量を制御するように、サイズまたは寸法（例えば、深さおよび形状を有する）にされてもよい。このようにして、パッキン材料６０６の面６１０から離脱する材料堆積物６０８の量は制御することができる。

弁装置２０４が、弁装置２０４とパッキン材料２０２との間の材料堆積物の過剰な除去または移動を引き起こす可能性がある、図２の例示的な硬質表面または弁装置２０４およびパッキン材料またはより軟質の材料２０２とは対照的に、図６に示す例示的可動弁装置６００（ならびに図３、図４Ａ〜図４Ｄおよび図５に示す例示的可動弁装置３００、４０２〜４０８および５００）により、パッキン材料６０６の面６１０から除去される材料堆積物６０８の量が制限または制御される。テクスチャ加工された（例えば、凹部またはアパチャ）またはテクスチャ加工されていない調整された表面６０２の寸法もしくはサイズを制御することで、パッキン材料６０６の面６１０からの材料移動の量を制限または制御する。なぜならば、パッキン材料６０６の材料堆積物６０８が可動弁装置６００の調整された表面６０２（例えば、テクスチャ加工されたまたはテクスチャ加工されていない表面）へと移動するかまたは調整された表面６０２に埋設もしくは充填されると、接触面６１４における摩擦が大幅に低減する。その結果、調整された表面６０２がパッキン材料６０６の材料堆積物６０８を包囲するかまたは材料堆積物６０８で埋設されると、パッキン材料６０６から可動弁装置６００へのさらなる材料移動が実質的に回避または制限される。

本明細書中に記載される例示的方法および装置は、第１のすなわち硬質材料または表面が第２のすなわち比較的より軟質の材料と相対的に移動（例えば、スライドまたは回転）したとき、接触面または摩耗表面（例えば、移動線）において相互に接触する２つの異なる材料間の材料移動を実質的に低減または排除するために用いられてもよい。例えば、図７は、本明細書中に記載される例示的可動弁装置７０２（例えば、弁シャフト）に実装されてもよい別の例示的流体弁（例えば、回転弁）７００を示す。このような弁装置は、テクスチャ加工された表面を有してもよく、またはテクスチャ加工されていない表面を有してもよい、調整された表面７０４を含む。さらに、調整された表面７０４は、上述した直接的方法または間接的方法を介して提供されてもよい。

本明細書中に記載される例示的な方法および装置は、相互に対して相対的に移動し、かつ相互に接触するように移動する２つの異なる材料を有するスライドステム弁、回転弁、往復ポンプまたは他の任意の種類の流体制御装置と共に用いられてもよい。追加的にまたは代替的に、本明細書中に記載される例示的な方法および装置は、動作時において相互に向かって移動（例えば、スライドまたは回転）する少なくとも２つの異なる材料または表面間の接触面においてそうでなければ摩耗が生じることになる任意の用途において用いられてもよい。このような用途としては、粉砕用途（例えば、砂粉砕）、採鉱用途および掘削用途、軸受材料またはアセンブリなどが挙げられるが、これに限らない。

本明細書中において特定の方法および装置について記載してきたが、本特許の包含の範囲はこれに限定されない。逆に、本特許は、添付の特許請求の範囲内に文言的にまたは均等論の下に適正に収まる全ての方法および装置を網羅する。

Claims (22)

1. 流体弁であって、
   前記流体弁のボンネット内に配置されたグラファイトパッキンリングを有する弁パッキンと、
   潤滑材料を保持する調整された表面を有するステムまたはシャフトであって、前記ステムまたはシャフトの前記調整された表面は、前記ボンネット内に配置され、前記流体弁の動作中に、前記潤滑材料を前記グラファイトパッキンリングと相対的に、かつ前記グラファイトパッキンリングと接触するように移動する、ステムまたはシャフトと、
   を備える、流体弁。
2. 前記潤滑材料はグラファイト材料を含む、請求項１に記載の流体弁。
3. 前記流体弁は、回転弁またはスライドステム弁である、請求項１に記載の流体弁。
4. 前記調整された表面は光沢のある表面である、請求項１に記載の流体弁。
5. 前記調整された表面はテクスチャ加工される、請求項１に記載の流体弁。
6. 前記テクスチャ加工された表面は、３２マイクロインチ未満の算術平均粗さ（Ｒａ）を有する表面仕上げまたはテクスチャーを含む、請求項５に記載の流体弁。
7. 前記テクスチャ加工された表面は、凹部、空洞またはポケットを含む、請求項５に記載の流体弁。
8. 前記凹部、空洞またはポケットは、制御された寸法、形状またはサイズを有する、請求項７に記載の流体弁。
9. 前記テクスチャ加工された表面は、機械加工を介して形成される、請求項５に記載の流体弁。
10. 前記潤滑材料は、前記テクスチャ加工された表面上に埋設または浸透される、請求項５に記載の流体弁。
11. 前記調整された表面は、前記弁と共に組み立てられる前に、前記潤滑材料を包囲する、請求項１に記載の流体弁。
12. 前記調整された表面は、前記弁の動作の間、前記潤滑材料を包囲する、請求項１に記載の流体弁。
13. 流体弁と共に用いられる装置であって、
    第１の材料によって作成される可動弁装置であって、前記可動弁装置は、前記第１の材料よりも軟質である第２の材料によって作成される第２の表面と相対的に移動する、可動弁装置と、
    動作中に、前記第２の表面と接触する前記可動弁装置の一部に沿って潤滑材料を保持する調整された表面と、
    を備える、装置。
14. 前記可動弁装置は、弁茎または弁シャフトを含む、請求項１３に記載の装置。
15. 前記第１の材料はステンレススチールを含み、前記第２の材料はグラファイトを含む、請求項１３に記載の装置。
16. 前記調整された表面は、テクスチャ加工された表面を含む、請求項１３に記載の装置。
17. 前記テクスチャ加工された表面は、複数の溝部を含む、請求項１６に記載の装置。
18. 前記潤滑材料はグラファイトを含む、請求項１３に記載の装置。
19. 前記潤滑材料は、前記第２の材料と実質的に類似するまたは同一である、請求項１３に記載の装置。
20. 装置であって、
    第１の材料によって作成された弁シャフトまたは弁茎のうち少なくとも一部の上に潤滑材料を保持する手段であって、前記潤滑材料を保持する手段は、前記第１の材料よりも軟質である第２の材料によって作成される第２の表面と相対的に、かつ前記第２の表面と接触するように移動する、手段、
    を備える、装置。
21. 前記潤滑材料を前記保持手段へと移動させるための手段をさらに含む、請求項２０に記載の装置。
22. 前記潤滑材料を保持する手段に光沢のある表面を提供する手段をさらに含む、請求項２０に記載の装置。

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