JP2015501408A - バルブ用のシール構造 - Google Patents

Abstract

第１の上流シール（５１）および第２の下流シール（５２）並びに中間の軸方向に移動可能なシール支持要素（５３）を含む双方向の第２バリア（５）を備えた油圧バルブ（１）内のバルブシート構造（４）用の装置であって、シール支持要素（５３）が、第１終端において、バルブシート（４２）へ向かう軸方向に変位した第２支持当接面（５３４）に囲まれた環状の第１シール当接部（５３１）を含み、シール支持要素（５３）が、第２終端において、バルブシート（４２）から遠ざかる軸方向に変位した第１支持当接面（５３２）を囲む環状の第２シール当接部（５３２）を含んでいる。

Description

第１の上流シールおよび第２の下流シール並びに中間の軸方向に変位可能なシール支持要素を含む双方向の２次バリアを含む油圧バルブ内のバルブシート構造用の装置について記述する。

安全性の理由のため、油圧設備を応用するいくつかの分野では、油圧油経路とその周囲の間に、例えばニップル等に使用されている２組のシールによる２重シーリングバリアが必要である。これは静止要素では簡単であるが、高圧油圧系の可動要素、例えば圧力が７００〜８００バールの油圧系におけるシャットオフバルブ内のバルブボールまたはスライド形式の閉止要素の場合、シールの機能性および耐久性に対して厳しい要件が課される。海中で取付けられ、且つ点検の機会が限られる高圧バルブの場合、いわゆる一方向シール、すなわち一方だけからの圧力に抗するＰＴＦＥまたはＰＥＥＫポリマー材（ＰＴＦＥ＝ｐｏｌｙｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｅｔｈｙｌｅｎｅ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＥＥＫ＝ｐｏｌｙｅｔｈｅｒ−ｅｔｈｅｒｋｅｔｏｎｅ（ポリエーテル−エーテルケトン）製のリップシールを使用するという要件がある。

この種のバルブにおいて、第１シーリングバリアは、バルブ筺体に一体化されてバルブの閉止要素に密封的に当接するバルブシートにより形成される。バルブシートは、ばね系によりバルブシートが配置されたバルブシート保持部に初期押圧力を加えるばね系により閉止要素に当接する。第１リップシールによりバルブシート保持部内に配置されたピストン面に対して追加的な押圧力が油圧により加えられて、バルブシート保持部の当接方向に押される２次シーリングバリアを形成される。

閉止要素の下流で増大した圧力が一方向シールの後側に圧力を加えるように配置されたバルブの場合、通常は２個のリップシールを適用し、そのうち第２シールが反対側を向き、油圧が加えられたときバルブ筺体の当接箇所へ向かって移動する。そのような２個の対向するリップシールが協働し、油圧で生じた圧縮力が右向きのリップシールを当接方向に押しているときに、対向する「間違った向きの」シールが例えば形状安定用のいわゆる「ハットリング」を介して同時に機械的負荷を受けることが公知の問題であり、この負荷によりリップシールは直ちに、例えばバルブ筺体と支持リング（ハットリング）の間、またはバルブシート保持部とハットリングの間で締め付けられるシール材により、継続的な変形を受ける。対向するリップシールから形成されたいわゆる双方向のシールの耐久性は従って、この種の高圧バルブに課せられる要件に関して甚だしく制限される。

本発明の目的は、従来技術の短所の少なくとも一つを改善または軽減する、あるいは少なくとも従来技術の有用な代替物を提供することである。

上の目的は以下の記述および後続する請求項で特定される特徴を通じて実現される。

以下の記述において、「閉止要素」という用語は、回転または変位により、バルブ通路が閉止される位置と、バルブ通路が開放される位置とを行き来するバルブ要素、典型的にはボールバルブ内のバルブボールおよびスライドバルブ内のスライドに対して用いる。

以下の記述において、「バルブ筺体」という用語は、バルブ本体、および当該バルブの内部要素の取付け通路を設けるために製造上の理由で必要とされるニップルおよびスリーブの総称として用いる。

２個のリップ型の対向して組み合わされた一方向シールが閉止要素の上流および下流の両方で効果的な第２バリアとして用いられる油圧バルブ用に、上述の２個のシールの間に配置された環状シール支持要素を含み、且つバルブシート保持部およびバルブ筺体上の肩部の各々への当接を支持すべく配置された当接面を有し、当該当接面はシールの当接面から半径方向および軸方向に離れて配置されている構造を提供する。これにより、１個のシールに掛かる油圧によりシール支持要素が移動してバルブシート保持部に当接するのに対し、バルブ筺体は、生じた圧縮力がもう一方のシールを介して伝達されることなく、シールが変形するようにシールリップを当接させる方向に圧縮力を加える。

閉止要素に当接するバルブシートによりバルブ筺体と閉止要素の間に第１シーリングバリアを形成するバルブシートが、公知のようにばね荷重が掛かったバルブシート保持部に配置されていて、ばね系、例えば１個以上のディスクばねがバルブシート保持部とバルブ筺体の間に配置されている。第１端部において、段階状の環状シール支持要素には、シール支持要素の内周から延在して上流にある第１シールを収容すべく配置された第１環状シール当接面が設けられている。シール支持要素の第２端部において、シール支持要素の内周から半径方向外向きに延在してバルブシート保持部上の肩部に当接すべく配置されている第１当接面が配置されていて、前記肩部はバルブシートの反対側を向いている。第１当接面の外側に、軸方向にバルブシートに向けて変位した状態で、第２環状シール当接面が配置されていて、シール支持要素の外周から半径方向内向きに延在して下流にあるシールを収容すべく配置されている。シール支持要素の第１端部において、第２当接面が、第１シール当接面の外側に配置されていて、シール支持要素の外周から半径方向内向きに延在してバルブ筺体上の肩部に当接すべく配置されていて、前記肩部はバルブシートに対向している。

第１環状シール当接面はバルブシート保持部とバルブ筺体の間に形成された第１環状空間の断面と相補的であり、第２環状シール当接面はバルブシート保持部とバルブ筺体の間に形成された第２環状空間の断面と相補的であり、バルブ筺体およびバルブシート保持部により形成されるシール当接面と各々の環状空間の壁との間隔は、シールを効果的に支持するサイズの範囲内である。

バルブが、（下流の）閉止要素の反対側にある対応するバルブ構造を含んでいるため、閉止要素の下流で増大した圧力により、例えば第２の下流のバルブシートからの漏出に起因して、第２シールへの圧力が増大する場合がある。

あらゆる状況下でバルブシートに正の圧力寄与を生じさせる、すなわち一方のシールに掛かる油圧によりバルブシートから閉止要素に対して正の圧縮力を生じさせるような２次シーリングバリアの寸法決めは本発明の範囲内である。これは、第１シールの外径が閉止要素に接するバルブシートの接触円の直径、すなわち接触面の内径よりも大きい（バルブシートおよび／またはバルブシートに接する閉止要素の当接面が摩耗したため、接触面が拡大した状況）ことにより生じる。第２シールの場合、その内径が閉止要素に接するバルブシートの接触円の直径、すなわち接触面の外径よりも小さい（バルブシートおよび／またはバルブシートに接する閉止要素の当接面が摩耗したため、接触面が拡大した状況）と言える。

２次シーリングバリアの寸法を、バランス良く、すなわち２次シーリングバリアのどちら側に油圧が生じたかに拘わらずバルブシートがバルブシートに等しい圧縮力を加えるように定めることもまた本発明の範囲内である。これが実現された理由は、第１シールの内径に一致する内径と、閉止要素に接するバルブシートの接触円、すなわち接触円の内径に等しい外径とを有するリング面の面積が、第２シールの外径に一致する外径と、閉止要素に接するバルブシートの接触円、すなわち接触円の外径に等しい内径とを有するリング面の面積に等しいことによる。

本発明は、より具体的には、第１の上流シールおよび第２の下流シール並びに中間の、軸方向に変位可能なシール支持要素を含む双方向の第２バリアを備えた油圧バルブ内バルブシート構造用の装置に関し、
当該シール支持要素が、第１端部において、バルブシートへ向かう軸方向に変位した第２支持当接面に囲まれた環状の第１シール当接部を含み、
当該シール支持要素が、第２端部において、バルブシートから遠ざかる軸方向に変位した第１支持当接面を囲む環状の第２シール当接部を含んでいることを特徴とする。

第１シール当接部は第１シールのシール基部と相補的であってよく、これに対応して、第２シール当接部は第２シールのシール基部と相補的であってよい。

第１支持当接面はシール支持要素の内径から半径方向外向きに延在し、これに対応して、第２支持当接面はシール支持要素の外径から半径方向内向きに延在していてよく、第１支持当接面はバルブシート保持部に配置された第１肩部に当接して支持すべく配置され、第２支持当接面はバルブ筺体内に配置された肩部に当接すべく配置されている。

第１シールの外径は閉止要素に接するバルブシートの接触面の内径と少なくとも同じ大きさであってよく、これに対応して、接触面の外径は第２シールの内径と少なくとも同じ大きさであってよく、第１シールの内径は第２シールの内径よりも小さくてよく、これに対応して、第２シールの外径は第１シールの外径よりも大きくてよい。

これらのシールには、シール基部から遠ざかる軸方向に突出する２個の逆向きのシールリップが備えられていてよい。

内側要素の外周の直径は、第１シールのシール基部の内径に一致していてよく、外側要素の外周の直径は第２シールのシール基部の外径に一致していてよい。

シール支持要素は、第１ハットリング、中間ハットリング、および第２ハットリングのアセンブリであってよい。

中間ハットリングおよび第１ハットリングは第１シール基部の内径に等しい内径を有していてよく、中間ハットリングおよび第２ハットリングは第２シール基部の外径に等しい外径を有していてよい。

第１シールの外径に等しい外径を有し、且つバルブシートの接触面の内径に等しい内径を有するリング面の面積は、第２シールの内径に等しい内径を有し、且つバルブシートの接触面の外径に等しい外径を有するリング面の面積に等しくてもよい。

油圧バルブは、２個の同一のバルブシート構造を含んでいてよい。

以下に、添付の図面により視覚化される好適な実施形態の一例について記述する。

本発明によるボールバルブに沿った長手方向断面である。 バルブシート構造が２個の一方向リップシールおよび階段状のシール支持部が形成する双方向の第２バリアを含む、ボールバルブの長手方向断面の一部を示す拡大図である。 摩耗していて内径および外径で示す当接面により閉止装置に当接するバルブシートの断面の更なる拡大図である。 シール支持部を代替的な実施形態で示すバルブシート構造の断面図である。 閉止要素が閉じられ、第１シールが油圧を受けていて、シールハットリングを移動させてバルブシート肩部に当接させた状態の上流バルブシート構造の断面の縮小図である。 閉止要素は閉じられ、閉止要素からの漏出に起因して第２シールが油圧を受けていて、第２シールがシールハットリングを押圧してバルブ筺体肩部に当接させた状態の下流バルブシート構造の断面の同一縮尺図である。

これらの図面において、参照番号１は油圧バルブを示し、その内部のバルブ筺体２は、バルブステム３２に接続された公知の種類のバルブボールとして示す閉止要素３、バルブシート構造４、およびバルブシート構造４の一部とバルブ筺体２の一部の間に配置された第１および第２の環状空間６、７に配置された双方向の２次シーリングバリア５を収容している。バルブ１は、バルブボール３の回転軸として示す閉止要素３の中心軸により形成された横軸に関して対称である。これにより先のバルブ構造４と同一の第２バルブシート構造４’が下流で中心孔８の周囲に配置されている。以下では先のバルブシート構造４だけについて論じる。

ここで図２を参照するに、バルブシート構造４をより詳細に示している。閉止要素３の表面に当接するバルブシート４２が、軸方向に変位可能なバルブシート保持部４１に配置されている。バルブシート４２は最初に、接触面４２１により閉止要素３に当接するが、バルブシート４２および／または閉止要素３が摩耗していない場合、当該接触面は極めて狭いため図２に示すように接触円の形状にほぼ等しい。接触面４２１は、内径ＩＤおよび外径ＯＤ（図３も参照）を有している。中心孔８がバルブ１を通って延在し、閉止要素３に配置された中心開口部３１が、バルブ１が開いた際に公知のように中心孔８の一部を形成する。バルブ１の開放位置において、バルブシート４２は公知のように中心開口部３１を囲むことにより、１次シーリングバリアを形成する。

バルブシート構造４は、閉止要素３の方向への初期の軸方向押圧力をバルブシート保持部４１に、従ってバルブシート４２に加えるばね系４３を含んでいる。

２次シーリングバリア５は、高圧力下で長期間の使用に耐える充分な耐久性を与えるＰＴＦＥまたはＰＥＥＫポリマー材からの特別な目的で形成された一方向リップシール型の第１の上流シール５１を含んでいる。第１シール５１は、バルブシート４２に対向するシール基部５１２、およびバルブシート４２から遠ざかる軸方向に突出するシールリップ５１１と共に配置されている。これに対応して、同種の第２の下流シール５２が、バルブシートの反対側を向いているシール基部５２２、およびバルブシート４２へ向かう軸方向に突出するシールリップ５２１と共に配置されている。公知のように、シール基部５１２、５２２は、シール５１、５２の名目内径および外径ＩＤ_１、ＩＤ_２、ＯＤ_１、ＯＤ_２よりも各々大きい内径および小さい外径を有している（図４を参照）。

２次シーリングバリア５は、バランスが取れた仕方で、すなわちシーリングバリア５のどちら側に油圧が生じたかに拘わらずシーリングバリアが油圧を加えてバルブシート保持部４１、従ってバルブシート４２を閉止要素３に押し付けてシーリング機能を向上させるように配置されている。これは、第１の上流シール５１の外径ＯＤ_１が、接触面４２１の内径ＩＤと少なくとも同じ大きさであることにより実現される。従って、シールおよび接触面の内径ＩＤの内側に位置するバルブシート保持部の領域に掛かる圧力が、バルブシート４２および接触面の内径ＩＤの内側に位置するバルブシート保持部４１の隣接する前部に加えられる油圧と釣り合うという事実により、閉止要素３の上流に過剰圧力が生じた場合に機能する効果的な油圧ピストン面が得られ、前記油圧ピストン面は、第１シール５１の外径ＯＤ_１および接触面の内径ＩＤにより画定される領域により形成される。バルブシートの接触面４２１の所与の内径ＩＤに対して、バルブシート４２に掛かる油圧の寄与は従って、第１シール５１の外径ＯＤ_１だけで決定される。第１シール５１の内径ＩＤ_１は、バルブシート肩部４４がバルブシート保持部４１の上に設けられてバルブシート肩部４４が第１シール５１に対向するように選択される。

これに対応して、第２の下流シール５２の内径ＩＤ_２は、接触面４２１の外径ＯＤと少なくとも同じ大きさであるように選択される。従って、接触面の外径ＯＤの外側に位置するシール領域に掛かる圧力が、バルブシート４２および接触面の外径ＯＤの外側に位置するバルブシート保持部４１の隣接する前部に加えられる油圧と釣り合うという事実により、閉止要素の下流に過剰圧力が生じて１次シーリングバリアから閉止要素３の周辺に油圧油が漏れている場合に機能する効果的な油圧ピストン面が得られ、前記油圧ピストン面は第２シール５２の内径ＩＤ_２および接触面の外径ＯＤにより画定される領域により配置される。下流に位置するバルブシート４２に掛かる油圧の寄与は従って、第２シール５２の内径ＩＤ_２だけで決定される。第２シール５２の外径ＯＤ_２は、バルブ筺体肩部２１がバルブ筺体２内に設けられてバルブ筺体肩部２１が第２シール５２に対向し、バルブシート４２までの距離がバルブシート肩部４４よりも遠くなるように選択される。

前記肩部２１、４４は、環状空間６、７の間の移行部分に配置されている。

シール支持要素５３が、バルブ筺体肩部２１とバルブシート肩部４４の間に配置されている。一実施形態において、図１、２、５および６に示すように、シール支持要素５３は階段状のリング要素として設けられている。別の実施形態において、図４に示すように、シール支持要素５３は、中ほどにある中間ハットリング５３ｂと共に第１および第２ハットリング５３ａ、５３ｃのアセンブリとして設けられており、第１ハットリング５３ａと中間ハットリング５３ｂの内径のＩＤ_Ｓは同一であり、第２ハットリング５３ｃと中間ハットリング５３ｂの外径ＯＤｓも同一である。

第１シール５１に対向する第１の上流端部において、第１シール当接部５３１（図４を参照）が、第１シール５１のシール基部５１２を支持しながら収容すべく配置されていて、第１シール当接部５３１はシール基部５１２の底面５１２’と相補的である。シール支持要素５３の第２の下流端部において、第１支持当接面５３２が、バルブシート肩部４４に当接して支持すべく配置されている。

第２シール５２のシール基部５２２を支持しながら収容すべく配置された第２シール当接部５３３は、第１支持当接面５３２を囲みながらバルブシート４２の方向に軸方向に変位しており、第２シール当接部５３３はシール基部５２２の底面５２２’と相補的である。シール支持要素５３の第１の上流端部内で、且つ第１シール当接部５３１を囲みながらバルブシート４２へ向かう軸方向に変位した状態で、バルブ筺体肩部２１に当接して支持すべく配置された第２支持当接面５３４が配置されている。

図５に示すように、上流への油圧が２次シーリングバリア５に加えられた場合、第１シール５１がシール支持要素５３に押し付けられ、次いでシール支持要素５３がバルブシート４２へ向かう軸方向に移動してバルブシート肩部４４に当接するため、第２シール５２が基部側から負荷を受けてシールリップ５２１が変形することはない。ばね系４３により生じた初期負荷に加えて、油圧がバルブシート４２に負荷を掛ける。上述のように、バルブシート４２の接触面４２１の内径ＩＤに相対的なシール５１の外径ＯＤ_１の大きさに起因して、油圧により掛けられた負荷は常に正、すなわちバルブシート４２が更に閉止要素３に押し付けられる方向である。この状況はまた、シール５１が閉止要素３の反対側に掛かる油圧を受けている場合、第２バルブシート構造４’の第１シール５１にもあてはまる（図１を参照）。

図６において示すように、下流への油圧が２次シーリングバリア５に加えられた場合、すなわち、閉止要素３の反対側で圧力が増大して、閉止要素３から閉止要素３の上流側まで漏出がある場合、第２シール５２がシール支持要素５３に押し付けられ、次いでシール支持要素５３がバルブシート４２から遠ざかる軸方向に移動してバルブ筺体肩部２１に当接するため、第１シール５１が基部側から負荷を受けてシールリップ５１１が変形することはない。油圧は次いで第２環状空間７内で増大し、ばね系４３により生じた初期負荷に加えて、当該油圧がバルブシート４２に負荷を掛ける。上述のように、バルブシート４２の接触面４２１の外径ＯＤに相対的なシール５２の内径ＯＤ_２の大きさに起因して、油圧により掛けられた負荷は常に正、すなわちバルブシート４２が更に閉止要素３に押し付けられる方向である。この状況は、シール５２が閉止要素３の反対側に掛かる油圧を受けている場合、第１バルブシート構造４の第２シール５２にもあてはまる（図１を参照）。

Claims (9)

1. 第１の上流シール（５１）および第２の下流シール（５２）並びに中間の軸方向に移動可能なシール支持要素（５３）を含む双方向の第２バリア（５）を備えた油圧バルブ（１）内のバルブシート構造（４）用の装置であって、
   前記シール支持要素（５３）が、第１終端において、バルブシート（４２）へ向かう軸方向に変位した第２支持当接面（５３４）に囲まれた環状の第１シール当接部（５３１）を含み、
   前記シール支持要素（５３）が、第２終端において、前記バルブシート（４２）から遠ざかる軸方向に変位した第１支持当接面（５３２）を囲む環状の第２シール当接部（５３３）を含み、
   前記第１支持当接面（５３２）が、前記シール支持要素（５３）の内径（ＩＤ_Ｓ）から半径方向外向きに延在し、
   前記第２支持当接面（５３４）が、前記シール支持要素（５３）の外径（ＯＤ_Ｓ）から半径方向内向きに延在し、
   前記第１支持当接面（５３２）が、バルブシート保持部（４４）内に配置された第１肩部（４１）に当接して支持すべく配置され、前記第２支持当接面（５３４）が、バルブ筺体（２）内に配置された肩部（２１）に当接すべく配置されている装置。
2. 前記第１シール当接部（５３１）が、前記第１シール（５１）のシール基部（５１２）と相補的であり、
   前記第２シール当接部（５３３）が、前記第２シール（５１）のシール基部（５２２）と相補的である、請求項１に記載の装置。
3. 前記第１シール（５１）の前記外径（ＯＤ_１）が、閉止要素（３）に接するバルブシート（４２）の接触面（４２１）の内径（ＩＤ）と少なくとも同じ大きさであり、
   前記接触面の前記外径（ＯＤ）が、前記第２シール（５２）の前記内径（ＩＤ_２）と少なくとも同じ大きさであり、
   前記第１シール（５１）の前記内径（ＩＤ_１）が、前記第２シール（５２）の前記内径（ＩＤ_２）よりも小さく、
   前記第２シール（５２）の前記外径（ＯＤ_２）が、前記第１シール（５１）の前記外径（ＩＤ_１）よりも大きい、請求項１に記載の装置。
4. 前記シール（５１、５２）が、シール基部（５１２、５２２）から遠ざかる軸方向に突出する２個の逆向きのシールリップ（５１１、５２１）を備えている、請求項１に記載の装置。
5. 前記内側要素の外周の直径（ＩＤ_Ｓ）が、前記第１シール（５１）の前記シール基部（５１２）の内径に一致し、前記外側要素の外周の直径（ＯＤ_Ｓ）が、前記第２シール（５２）の前記シール基部（５２２）の外径に一致する、請求項１および２に記載の装置。
6. 前記シール支持要素（５３）が、第１ハットリング（５３ａ）、中間ハットリング（５３ｂ）および第２ハットリング（５３ｃ）のアセンブリである、請求項１に記載の装置。
7. 前記中間ハットリング（５３ｃ）および前記第１ハットリング（５３ａ）が、前記第１シール基部（５１２）の前記内径（ＩＤ_Ｓ）に等しい内径を有し、
   前記中間ハットリング（５３ｃ）および前記第２ハットリング（５３ｂ）が、前記第２シール基部（５２２）の前記外径（ＯＤ_Ｓ）に等しい外径を有している、請求項６に記載の装置。
8. 前記第１シール（５１）の前記外径（ＯＤ_１）に等しい外径を有し、且つ前記バルブシート（４２）の前記接触面（４２１）の前記内径（ＩＤ）に等しい内径を有するリング面の面積が、前記第２シール（５２）の前記内径（ＩＤ_２）に等しい内径を有し、且つ前記バルブシート（４２）前記の接触面（４２１）の前記外径（ＯＤ）に等しい外径を有するリング面の面積に等しい、請求項１〜７のいずれか１項に記載の装置。
9. 前記油圧バルブ（１）が２個の同一バルブシート構造（４、４’）を含んでいる、請求項１に記載の装置。
   

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