JP2015535066A - 制御弁におけるアクチュエータの推力の要件を軽減するための装置及び方法 - Google Patents

制御弁におけるアクチュエータの推力の要件を軽減するための装置及び方法 Download PDF

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Abstract

トリムアセンブリは、内面とケージポートとを有するケージを備える。外面を有するプラグが、ケージ内に配置され、閉鎖位置と、圧力平衡位置と、開放位置との間を動作可能である。トリムアセンブリは、ケージとプラグとの間に配置された低摩擦のフローリストリクタと、ケージとプラグとの間に配置された圧力付勢シールとをさらに備える。ケージの内面と、プラグの外面と、低摩擦のフローリストリクタと、圧力付勢シールとによって定められるシール平衡空間がもたらされる。シール平衡空間は、低摩擦のフローリストリクタを介してケージポートに流体連通しており、シール平衡空間圧力に維持される。トリムアセンブリは、シール平衡空間を通気するように構成された圧力制御アセンブリをさらに備える。【選択図】図1

Description

本明細書に開示される主題は、概して、制御弁に関し、より詳しくは、アクチュエータの要件が軽減された制御弁に関する。
制御弁は、石油及びガスの処理、発電、精錬、石油化学、及び水管理の産業において使用されるシステムにおいて流体の流れを制御するために使用される。従来の制御弁は、典型的には、入口及び出口を有する弁本体を備える。ケージ及び座リングが、入口と出口との間に配置されている。ケージは、制御弁の入口と出口との間の流体連通を可能にする少なくとも1つのポートを有している。用語「流体連通」は、或る空間から別の空間に導管を通過する流体のように、流体の行き来又は通過を可能にすることを意味する。
プラグが、ケージ内に同心に配置され、軸方向に並進してケージポートを露出させ、流体の流れを調節することができる。プラグは、ステムによってアクチュエータに接続されている。アクチュエータは、弁を開閉する力及び運動をもたらす装置であり、機械的な手段、空気圧による手段、油圧による手段、又は電気的な手段によって動作することができる。
いくつかの制御弁は、アクチュエータによって弁を開閉するために必要な力を小さくするために、弁のプラグをまたいで圧力を平衡させるように設計されている。平衡式の制御弁は、典型的には、ケージと、プラグと、ステムと、座リングと、バランスシールとを備えている。プラグは、プラグをまたいで圧力を平衡させる上部と下部との間の流体連通を可能にする少なくとも1つの導管又はオリフィスを有する。シールリングを、流体の漏れを最小限にするためにプラグとケージとの間に設けることができる。平衡式の制御弁については、閉じられたときに、典型的には2つの主たる漏れの経路が考えられる。第1の漏れ経路は、プラグと座リングとの間であり、充分なアクチュエータの力が、流れを妨げるための堅固な金属対金属の接触をもたらすと考えられる。この漏れは、たとえプラグが弁座に接触している場合でも発生する可能性がある。考えられる第2の漏れ経路は、プラグとケージとの間に配置されたシールリングである。
米国規格協会(「ANSI」)が、制御弁について規定された漏れの分類(ANSI/FCI 70−2)を有している。この規格は、シートの漏れを6つの種類(分類I〜分類VI)に分類している。漏れの基準は、分類の数字が大きくなるにつれてより厳しくなる。分類Vは、一般に「漏れが事実上ゼロ」の制御弁と称されるものを表す。分類Vの弁についての規格は、弁を通って許容される最大の漏れが、水において、ポートの直径1インチについて、弁の入口ポートから弁の出口ポートへと測定したときの差圧1PSIについて、毎分0.0005mlであることを求めている。
平衡式の弁を、例えばピストンリングシールなど、プラグとケージとの間に配置されるいくつかの異なるシールとともに使用することができる。ピストンリングシールを、弁の用途(すなわち、流体の種類、温度、圧力)に応じて、テフロン(登録商標)、金属、及びグラファイトなど、種々の材料から製造することができる。例えば、テフロン(登録商標)製のピストンリングシールは、充分にしっかりとした遮断を可能にすることができるが、流体の温度によって使用が制約される。グラファイト製及び金属製のピストンリングシールは、より高温の用途における弁の使用を可能にすることができるが、そのような材料は、しっかりとした遮断を可能にできないかもしれない。
典型的なピストンリングシールは、シール面との接触においてかなりの摩擦を生じる可能性がある。この摩擦は、FCI 70−2の分類Vの漏れの要件よりも多くの漏れを容認する用途においては、許容範囲であるかもしれない。例えば、分類II、分類III、或いは分類IVが、より小さい接触圧でもそれぞれの漏れの要件を満たすことができるのに比べ、分類Vは桁違いに厳しい。エラストマ又は熱可塑性プラスチックの使用可能範囲を超える温度においてピストンリング型のシール部材で分類Vの遮断を達成しようとすると、典型的には、摩擦が大きくなり、結果として駆動の要件が厳しくなり(すなわち、弁の開閉に大きな力が必要になり)、弁の操作が困難になる。
米国特許出願公開第2007/210270号明細書
本発明は、大きなアクチュエータの推力を必要とせずに、分類Vのシールを維持するという課題に対する解決策を提供する。さらに、本発明は、エラストマ材料又は熱可塑性プラスチック材料の使用限界を超える温度において、より低いアクチュエータの推力の要件で、ぴったりとしたシールを維持するという課題に対する解決策を提供する。
1つの典型的な実施形態(ただし、これに限られるわけではない)によれば、本発明は、内面とケージポートとを備えるケージを有しているトリムアセンブリ(trim assembly)に関する。外面を有するプラグが、ケージ内に配置され、閉鎖位置と、圧力平衡位置と、開放位置との間を動作可能である。トリムアセンブリは、ケージとプラグとの間に配置された低摩擦のフローリストリクタ(flow restrictor)と、ケージとプラグとの間に配置された圧力付勢シール(pressure energized seal)とをさらに備える。
ケージの内面と、プラグの外面と、低摩擦のフローリストリクタと、圧力付勢シールとによって定められるシール平衡空間がもたらされる。シール平衡空間は、低摩擦のフローリストリクタを介してケージポートに流体連通しており、シール平衡空間圧力に維持される。トリムアセンブリは、シール平衡空間を加圧するように構成された圧力制御アセンブリをさらに備える。
別の実施形態においては、内面とケージポートとを備えるケージを有しているトリムアセンブリが提供される。外面と、上部と、底部とを有するプラグが、ケージ内に配置される。プラグは、閉鎖位置と、圧力平衡位置と、開放位置との間を移動可能である。トリムアセンブリは、ケージの内面とプラグの外面との間に配置された低摩擦のフローリストリクタと、ケージの内面とプラグの外面との間に配置された圧力付勢シールとをさらに備え、圧力付勢シールは、シール圧力に維持されている。圧力付勢シールに作用する差圧を制御するように構成された圧力制御アセンブリが、さらに備えられる。
別の実施形態においては、トリムアセンブリを動作させる方法が、ケージに形成されたケージポートの下流側圧力を維持するステップを含む。本方法は、ケージ内に配置されたプラグの上方及び下方の上流側圧力を維持するステップをさらに含む。プラグは、閉鎖位置と、圧力平衡位置と、開放位置との間を移動可能である。本方法は、プラグが圧力平衡位置及び開放位置にあるときに、シール平衡空間に配置された圧力付勢シールに作用する差圧を平衡させるステップを含む。
本発明の他の特徴及び利点が、以下の好ましい実施形態についてのさらに詳細な説明を
、本発明の特定の態様の原理をあくまでも例として示している添付の図面と併せて検討することによって、明らかになるであろう。
閉鎖位置にある弁トリムの実施形態の断面図である。 圧力平衡位置にある弁トリムの実施形態の断面図である。 開放位置にある弁トリムの実施形態の断面図である。 トリムアセンブリを動作させる方法の実施形態のフロー図である。
好ましい実施形態において、本発明のトリムアセンブリは、ケージと、ケージ内に配置されたプラグと、低摩擦のフローリストリクタと、高摩擦の圧力付勢シールとを備える。ケージの内側と、プラグの外側と、低摩擦のフローリストリクタと、高摩擦の圧力付勢シールとが、シール平衡空間を定める。トリムアセンブリが閉鎖位置にあるとき、シール平衡空間の圧力は、下流側圧力に維持される。トリムアセンブリが圧力平衡位置にあるとき、シール平衡空間は加圧され、上流側圧力に維持される。高摩擦の圧力付勢シールの圧力の平衡が、上流側圧力の流体が平衡ポートを通って高摩擦の圧力付勢シールと低摩擦のフローリストリクタとの間のシール平衡空間に流入することを可能にすることによって達成される。低摩擦のフローリストリクタを通る流体の漏れが、シール平衡空間への流入よりも少ないため、或る時間の後に、シール平衡空間の圧力が上流側圧力へと高まることで、圧力付勢シールに作用する差圧が軽減又は除去される。結果として、圧力付勢シールがケージに対して作用させる圧力が大幅に軽減され、或いは圧力付勢シールとケージとの間の接触が、主たるプラグの移動が生じる前に解消される。シール平衡空間の圧力の上流側圧力との平衡は、高摩擦の圧力付勢シールに作用する差圧を軽減することで、シールとケージとの間の接触を軽減又は解消して、摩擦の低減をもたらす。摩擦の低減は、トリムアセンブリの開放位置への移動及び絞りの際に必要なアクチュエータの推力を小さくする。
図1に、アクチュエータの推力の要件を軽減したトリムアセンブリ11の実施形態が示されている。トリムアセンブリ11は、ケージポート15を有するケージ13と、ケージ13内に配置されたプラグ17とを備える。プラグ17は、ケージ13内を摺動するように構成されている。
プラグ17には、ケージ13の下方に配置された座リング21と係合する着座面19が設けられている。プラグ17は、開口24を有する平衡導管23と、長手方向の導管25とを備えている。プラグ17に、プラグ17の底部に位置するプラグプラットフォーム27をさらに設けてもよい。
トリムアセンブリ11は、プラグ17又はケージ13に形成されたシール用グランド31に配置された高摩擦の圧力付勢シール29を備える。高摩擦の圧力付勢シール29に加わる圧力が大きくなると、高摩擦の圧力付勢シール29は変形し、より大きな内部応力及び接触圧にてシール面に密着し続け、したがって摩擦が大きくなる。さらに、トリムアセンブリ11は、プラグ17又はケージ13に形成されたリストリクタ用グランド35に配置された低摩擦のフローリストリクタ33を備える。一実施形態において、低摩擦のフローリストリクタ33は、ピストンシールであってよい。ケージ13の内側及びプラグ17の外側が、高摩擦の圧力付勢シール29及び低摩擦のフローリストリクタ33とともに、シール平衡空間37(図1の破線37に相当)を形成する。プラグ17の下方に、上流側圧力に維持される上流側空間39(図1の破線39に相当)が位置している。プラグ17の上方に、導管25による上流側空間39との流体連通によってやはり上流側圧力に維持される加圧空間41(図1の破線41に相当)が位置している。用語「上」及び「下」は、該当の構成要素について図面を参照した相対位置を指すために使用されており、実際の
使用時のトリムアセンブリ11の構成部品の向きを示そうとするものではない。
トリムアセンブリ11は、ステム45と、シールフランジ47と、ナット49とを有するステムアセンブリ43をさらに備える。ステムアセンブリ43を、シールフランジ47に係合するばね51によって付勢することができる。ステムアセンブリ43を、ステムアセンブリ43を駆動してステムアセンブリ43をケージ13内でスライドさせるアクチュエータ53に結合させることができる。
図1は、閉鎖位置にあるプラグ17を有するトリムアセンブリ11の実施形態を示している。閉鎖位置において、上流側空間39は、上流側圧力P1に維持され、ケージポート15は、下流側圧力(P2)に維持される。上流側空間39の圧力(P1)が、ケージポート15の圧力(P2)よりも高くなる。プラグ17の着座面19は、座リング21に着座し、しっかりとしたシールを形成する。プラグ17は、アクチュエータ53によって座リング21に押し付けられる。シールフランジ47は、平衡導管23を封じる。高摩擦の圧力付勢シール29及び低摩擦のフローリストリクタ33は、シール平衡空間37を密閉する。シール平衡空間37の圧力がケージポート15における流体の下流側圧力(P2)と実質的に同じであるように、低摩擦のフローリストリクタ33は、流体の限られた流れを許すことに注意すべきである。
加圧空間41は、長手方向の導管25を介して上流側空間39と流体連通することで、加圧空間41における圧力を上流側圧力P1に維持する。シール平衡空間37の圧力(P2)と加圧空間41の圧力(P1)との間の圧力差は、高摩擦の圧力付勢シール29を充分に加圧し、ケージ13にしっかりと密着した関係に保つ。
図2は、圧力平衡位置にあるプラグ17を有するトリムアセンブリ11を示している。この位置においては、ステムアセンブリ43が変位しており、付随のシールフランジ47も変位し、平衡導管23を露出させている。
したがって、シール平衡空間37は、上流側圧力P1にある加圧空間41に流体連通する。低摩擦のフローリストリクタ33は、シール平衡空間37からケージポート15への流体の流れを、上流側空間39から導管23を通ってシール平衡空間37を加圧する流体の流れの速度よりも充分に低い速度に制限する。正味の結果として、シール平衡空間37における流体の圧力が、加圧空間41における流体の圧力と平衡することにより、高摩擦の加圧シール29に作用する差圧が小さくなる。本明細書の目的において、「平衡」は、シール圧力と上流側圧力との差が小さくなることを意味する。
図3に、開放絞り位置にあるプラグ17を有するトリムアセンブリ11が示されている。ステムアセンブリ43が上方へと変位し、ナット49がプラグ17の底部に係合している。高摩擦の圧力付勢シール29に作用するシール圧力が平衡することで、高摩擦の圧力付勢シール29のケージ13との接触が軽減され、或いは皆無にされている。結果として、高摩擦の加圧シール29とケージ13との間の摩擦が軽減される。摩擦の軽減により、プラグ17を変位させるために必要なアクチュエータ53の推力が小さくなる。アクチュエータによってもたらされる推力は、機械的な手段、空気圧による手段、油圧による手段、又は電気的な手段によってもたらすことができる。
図4には、一実施形態によるトリムアセンブリ11の動作の方法101が示されている。方法101は、トリムアセンブリ11によって実行される。
ステップ103において、トリムアセンブリ11は、ケージ13に形成されたケージポート15において下流側圧力を維持する。
ステップ105において、トリムアセンブリ11は、ケージ13内に配置された閉鎖位置と、圧力平衡位置と、開放位置との間を移動することができる平衡プラグ17の周囲の上流側圧力を維持する。
ステップ107において、トリムアセンブリ11は、シール平衡空間37に配置された高摩擦の圧力付勢シール29に作用するシール差圧を、プラグ17が閉鎖位置にあるときに平衡シール29に作用する差圧が完全な差圧P1−P2に等しくなり、プラグ17が圧力平衡位置又は開放位置にあるときに差圧が最小化又は除去されるように平衡させる。これを、シール平衡空間37を上流側圧力に加圧することによって達成することができる。シール平衡空間37の圧力を制御するために、プラグ17は、プラグ17の上部に、加圧空間41と流体連通する開口24を備えることができる。プラグ17が閉鎖位置にあるとき、開口24を、シールフランジ47によって封じることができる。プラグ17が圧力平衡位置にあるとき、開口24を露出させることができる。上述の実施形態の説明においては、シールフランジ47が、開口24を封止するための手段として説明されているが、本発明の技術的範囲から離れることなく、例えばプラグなどの他のシール部材を設けることが、当業者にとって明らかであろう。
用語の定義が、その用語について一般的に用いられる意味から外れる場合、出願人は、とくに示されない限りは、下記に提示される定義を利用するように意図している。
本明細書において使用される用語は、あくまでも特定の実施形態を説明する目的のためのものにすぎず、本発明を限定しようとするものではない。用語の定義が、その用語について一般的に用いられる意味から外れる場合、出願人は、とくに示されない限りは、本明細書において提示される定義を利用するように意図している。単数形「a」、「an」、及び「the」は、文脈からそのようでないことが明らかでない限り、複数形も含むように意図されている。用語「第1」、「第2」、等が種々の構成要素を説明して使用されるかもしれないが、これらの用語は、決してそれらの構成要素を限定するものではない。これらの用語は、あくまでも或る構成要素を別の構成要素から区別するために使用されているにすぎない。用語「及び/又は」は、そこに挙げられた項目の内の1つ以上からなる任意且つすべての組み合わせを含む。「・・・に接続され」及び「・・・と接続され」という表現は、直接的又は間接的な接続を想定している。
本明細書においては、本発明を最良の態様を含めて開示するとともに、あらゆる装置又はシステムの製作及び使用ならびにあらゆる関連の方法の実行を含む本発明の実施を当業者にとって可能にするために、いくつかの実施例を使用している。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定められ、当業者であれば想到できる他の実施例も含むことができる。そのような他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文言から相違しない構造要素を有しており、或いは同等の構造要素を含むならば、特許請求の範囲の技術的範囲に包含される。
11 トリムアセンブリ
13 ケージ
15 ケージポート
17 平衡プラグ、プラグ
19 着座面
21 座リング
23 平衡導管、導管
24 開口
25 導管
27 プラグプラットフォーム
29 圧力付勢シール、加圧シール、平衡シール
31 シール用グランド
33 フローリストリクタ
35 リストリクタ用グランド
37 シール平衡空間、破線
39 上流側空間、破線
41 加圧空間、破線
43 ステムアセンブリ
45 ステム
47 シールフランジ
49 ナット
51 ばね
53 アクチュエータ
103 ステップ
105 ステップ
107 ステップ
CI ANSI/F
P1 上流側圧力
P1−P2 差圧

Claims (20)

  1. 内面とケージポート(15)とを有するケージ(13)と、
    前記ケージ(13)内に配置され、外面を有しており、閉鎖位置と、圧力平衡位置と、開放位置との間を動作することができるプラグ(17)と、
    前記ケージ(13)と前記プラグ(17)との間に配置された低摩擦のフローリストリクタ(33)と、
    前記ケージ(13)と前記プラグ(17)との間に配置された圧力付勢シール(29)と、
    シール平衡空間(37)と、
    前記シール平衡空間(37)を加圧するように構成された圧力制御アセンブリと
    を備えるトリムアセンブリ(11)。
  2. 前記シール平衡空間(37)は、前記ケージ(13)の前記内面と、前記プラグ(17)の前記外面と、前記低摩擦のフローリストリクタ(33)と、前記圧力付勢シール(29)とによって定められ、前記低摩擦のフローリストリクタ(33)を介して前記ケージポート(15)に流体連通し、シール平衡空間圧力に保たれる請求項1に記載のトリムアセンブリ(11)。
  3. 前記圧力制御アセンブリは、前記プラグ(17)の移動の前に前記圧力付勢シール(29)に作用する差圧を平衡させるように構成されている請求項1に記載のトリムアセンブリ(11)。
  4. 前記圧力制御アセンブリは、前記プラグ(17)の移動の最中に前記圧力付勢シール(29)に作用する前記シール平衡空間圧力を平衡させるように構成されている請求項2に記載のトリムアセンブリ(11)。
  5. 前記プラグ(17)が前記圧力平衡位置にあるときに上流側圧力の空間に流体連通している導管(23、25)
    をさらに備えており、
    前記圧力制御アセンブリは、上流側圧力の流体が、前記低摩擦のフローリストリクタ(33)を通る流体の漏れが前記シール平衡空間(37)への流体の流れよりも低い速度で、前記シール平衡空間(37)に流入することを可能にするように構成されている請求項1に記載のトリムアセンブリ(11)。
  6. 前記シール平衡空間(37)と上流側圧力の空間とが、プラグを通って延びている導管(23、25)によって流体連通し、前記導管(23、25)は、平衡ポートを有している請求項5に記載のトリムアセンブリ(11)。
  7. 前記圧力制御アセンブリは、
    前記プラグ(17)に接続されたステム(45)と、
    前記ステム(45)に接続され、前記プラグ(17)が前記閉鎖位置にあるときに前記平衡ポートを閉じるように配置されたシール要素と
    を備える請求項6に記載のトリムアセンブリ(11)。
  8. 前記シール要素は、前記プラグ(17)が前記プラグ(17)の移動の前に前記圧力平衡位置にあるときに、前記平衡ポートを開くように配置されている請求項7に記載のトリムアセンブリ(11)。
  9. 内面とケージポート(15)とを有するケージ(13)と、
    前記ケージ(13)内に配置され、閉鎖位置と、圧力平衡位置と、開放位置との間を移動可能であるプラグ(17)と、
    前記ケージ(13)と前記プラグ(17)との間に配置された低摩擦のフローリストリクタ(33)と、
    前記ケージ(13)と前記プラグ(17)との間に配置された圧力付勢シール(29)と、
    前記圧力付勢シール(29)に作用する差圧を制御するように構成された圧力制御アセンブリと
    を備えるトリムアセンブリ(11)。
  10. 前記ケージ(13)の内面と、前記プラグ(17)の外面と、前記低摩擦のフローリストリクタ(33)と、前記圧力付勢シール(29)とが、下流側空間と流体連通したシール平衡空間(37)を定めている請求項9に記載のトリムアセンブリ(11)。
  11. 前記圧力制御アセンブリは、前記プラグ(17)が前記閉鎖位置にあるときに前記シール平衡空間(37)を下流側圧力に維持する請求項10に記載のトリムアセンブリ(11)。
  12. 前記圧力制御アセンブリは、前記シール平衡空間(37)から上流側圧力の空間に延びる導管(23、25)を備えている請求項10に記載のトリムアセンブリ(11)。
  13. 前記圧力制御アセンブリは、前記プラグ(17)が前記閉鎖位置にあるときに前記導管(23、25)を閉じ、前記プラグ(17)が前記圧力平衡位置及び前記開放位置にあるときに前記導管(23、25)を開く閉鎖部材を有するステムアセンブリ(43)を備える請求項12に記載のトリムアセンブリ(11)。
  14. 前記ステムアセンブリ(43)は、ステム(45)を備え、前記閉鎖部材は、前記ステムに接続されたシール部材を備え、前記シール部材は、前記プラグ(17)が前記閉鎖位置にあるときに前記導管(23、25)に接触させて配置されている請求項13に記載のトリムアセンブリ(11)。
  15. 前記フランジを前記開口から離れるように付勢するばね(51)をさらに備える請求項14に記載のトリムアセンブリ(11)。
  16. トリムアセンブリ(11)の動作の方法であって、
    ケージ(13)に形成されたケージポート(15)において下流側圧力を維持するステップと、
    前記ケージ(13)内に配置された、閉鎖位置と、圧力平衡位置と、開放位置との間を移動することができる平衡プラグ(17)の周囲の上流側圧力を維持するステップと、
    前記プラグ(17)が前記圧力平衡位置及び前記開放位置にあるときに、シール平衡空間(37)に配置された圧力付勢シール(29)に作用する差圧を平衡させるステップと
    を含む方法。
  17. 平衡させるステップは、前記平衡プラグ(17)が前記閉鎖位置にあるときに前記圧力付勢シール(29)への差圧が前記上流側圧力から前記下流側圧力を差し引いたものに等しくなり、前記平衡プラグ(17)が前記圧力平衡位置及び前記開放位置にあるときに前記圧力付勢シール(29)に作用する差圧が平衡させられるように、前記差圧を制御するステップを含む請求項16に記載の方法。
  18. 平衡させるステップは、前記シール平衡空間(37)に流体連通した導管(23、25
    )を通る流体の流れを制御するステップを含む請求項16に記載の方法。
  19. 流体の流れを制御するステップは、前記導管(23、25)上のシール部材を制御するステップを含む請求項18に記載の方法。
  20. 流体の流れを制御するステップは、前記平衡プラグ(17)が前記圧力平衡位置にあるときに前記導管(23、25)を開くステップを含む請求項18に記載の方法。
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