JP2016540168A - ボール弁アセンブリ - Google Patents

Abstract

ボール弁アセンブリは、流路を画定する入口および出口を備えたチャンバを有するハウジングと、通過通路を備えたボールと、リニアアクチュエータと、リニアアクチュエータの作動時にボールを回転させて流路を通る流体の流れを制御するように構成されている回転変換器とを含む。【選択図】図１

Description

本発明は、ボール弁アセンブリに関する。

ボール弁は、流路およびその中に配置されたボール弁部材を画定するハウジングを有する。ボール弁部材は通常、中央通過通路を有する球体である。ボールは、ボール弁部材の中央通過通路がハウジング流路と位置合わせされず、流体連通もしない閉位置と、ボール弁部材の中央通過通路がハウジング流路と少なくともと部分的に位置合わせされ、少なくとも部分的に流体連通する開位置との間を回転する。ボール通過通路が、ハウジング流路と同じまたは類似の断面積を有し、ボール弁を通過する液体の変化（圧力、体積、速度）を最小化する。

米国特許第６，７９３，１９４号明細書

一態様では、本発明は、流路を画定する入口および出口を備えたチャンバを有するハウジングと、通過通路を有するボールと、リニアアクチュエータと、アクチュエータの直線運動をボールの回転運動に変換して通過通路と流路を実質的に位置合わせするか、または位置をずらすように構成されている回転変換器とを備えるボール弁アセンブリに関する。

図面の説明は以下の通りである。

本発明の第１の実施形態に係るボール弁アセンブリの概略図である。 本発明の第２の実施形態に係る開位置すなわち第１の位置における図１のボール弁アセンブリの斜視図である。 本発明の一実施形態に係る閉位置すなわち第２の位置におけるボール弁アセンブリの断面図である。 本発明の一実施形態に係る開位置すなわち第１の位置におけるボール弁アセンブリの断面図である。

図１は、本発明の第１の実施形態に係るハウジング１２と、ボール１４として示されている弁体と、回転変換器１６と、リニアアクチュエータ１８とを有するボール弁アセンブリ１０を示している。ハウジング１２は、入口１５と、出口１７とを有するチャンバ１３を画定し、入口１５、チャンバ１３および出口１７は、流路２３を画定する。チャンバ１３は、ボールシート１９を形成する。ボール１４は、チャンバ１３内に配置されてボールシート１９内に着座し、入口１５および出口１７は、ボール１４の両側に配置されている。通過通路２１が、ボール１４の両側で入口および出口と共にボール１４の中央を介して流路２３へと配置されている。回転変換器１６が、ボール１４に動作可能に連結され、リニアアクチュエータ１８が、回転変換器１６に動作可能に連結されることで、リニアアクチュエータ１８の直線運動は、回転変換器１６によってボール１４の回転運動に変換される。

より具体的には、リニアアクチュエータ１８は、少なくとも第１の位置と第２の位置との間を直線的に移動するように構成されている。回転変換器１６は、リニアアクチュエータ１８の直線運動を回転運動に変換し、ボールシート１９に対してボール１４を回転させる。ボール１４の回転は、通過通路２１を回転させてハウジング１２の流路２３と位置合わせさせるか、または位置合わせさせない。

第２の位置のリニアアクチュエータ１８は、流路２３と実質的に位置をずらされている通過通路２１に対応してボール１４の閉位置を画定し、ここでは流れは流路２３を通過することができない。第１の位置のリニアアクチュエータ１８は、流路２３と実質的に位置合わせされている通過通路２１に対応してボール１４の開位置を画定し、ここでは流れは流路２３を通過することができる。第１の位置と第２の位置との間の位置のリニアアクチュエータ１８は、流路２３と部分的に位置合わせされているかまたは位置をずらされている通過通路２１に対応してボール１４の可変位置を画定し、ここでは流れは流路２３を部分的に通過することができる。このようにして、リニアアクチュエータ１８の作動を制御することにより、流路２３を通る流れを制御する。

通過通路２１と流路２３の位置合わせ／位置ずれの程度は、ボール弁アセンブリ１０を通る体積流量を制御する。前述したように、通過通路２１および流路２３の完全な位置合わせは、ボール弁アセンブリ１０を通る最大流量を可能にすることとなり、通過通路２１および流路２３の完全な位置ずれは、ボール弁アセンブリ１０を通る流れを発生させない。いくつかの実装形態では、全開または全閉状態のいずれかの弁動作を有することのみが必要である。しかし、ボール弁アセンブリ１０が可変流量弁として機能するように位置合わせの量／程度を制御し、これで位置合わせの量に対応する流量を有することが可能である。

図２は、本発明の特定の第２の実施形態に係るボール弁アセンブリ１００を示している。図２、３および４の第２の実施形態の多くの部品は、図１の第１の実施形態と同様である。したがって、第２の実施形態の同じ部品は、数字が１００だけ増えていることを除いて、第１の実施形態と同じ数字を付す。

ボール弁アセンブリ１００は、入口１１５および出口１１７と連通するチャンバ１１３の形態のボールシート１１９を画定するハウジング１１２を備える点で、図１に示す第１の実施形態と同様である。入口１１５、チャンバ１１３および出口１１７は、ハウジング１１２を通る流路１２３を画定する。ボール１１４は、チャンバ内に配置されてボールシート１１９内に着座し、入口１１５および出口１１７は、ボール１１４の両側に配置されている。通過通路１２１が、ボール１１４の両側で入口および出口と共にボール１１４の中央を介して流路１２３へと配置されている。回転変換器１１６が、ボール１１４に動作可能に連結され、リニアアクチュエータ１１８が、回転変換器１１６に動作可能に連結されることで、リニアアクチュエータ１１８の直線運動は、回転変換器１１６によってボール１１４の回転運動に変換される。

ボール弁アセンブリ１００の第２の実施形態は、回転変換器１１６およびリニアアクチュエータ１１８の詳細について、第１の実施形態といくつかの点で異なっている。顕著な相違点を説明する。回転変換器１１６は、流路１２３に実質的に垂直なボールシート１１９の開口部によって画定されたチャンバ１１３と連通するステム通路を通って延びるボール１１４と連通するステム１２６を備える。ステム１２６は、リニアアクチュエータ１１８に配置された第２のねじ山１３４（図３に最もよく示されている）と相補的なステム１２６に配置された第１のねじ山１３２を備え、ステム１２６ならびに相補的なねじ山１３４および１３２は、回転変換器１１６を画定する。

リニアアクチュエータ１１８は、ハウジング１１２に形成されたピストンチャンバ１３６に配置され、図４に示す少なくとも第１の位置と、図３に示す少なくとも第２の位置との間を直線的に移動可能なピストン１３８を備える。ピストンチャンバ１３６はまた、ステム通路の少なくとも一部を形成することができ、ステム１２６の少なくとも一部を包含することができる。ピストン１３８はさらに、ステム１２６に配置された第１のねじ山１３２と相補的な、図３に示す第２のねじ山１３４を備える。通常ピストン１３８を第２の位置に付勢するように構成された付勢要素、好ましくは付勢ばね１２８は、ピストン１３８と連通している。また、ピストン１３８およびピストンチャンバ１３６は、加圧流体を受け入れるように構成されたハウジング１１２に形成された流体入口１３０と連通している。

ボール弁アセンブリ１００の動作を、図３および４を参照して説明する。説明の目的のために、ボール弁アセンブリ１００は、図３に示すように第２の位置すなわち閉位置で開始するものとする。流体入口１３０に流入する流体源１４０によって供給される加圧流体は、ピストン１３８に圧力を加える。付勢ばね１２８のばね力に打ち勝つのに十分な大きさを有する圧力を加えることによって、ピストン１３８は、図３に示す第２の位置すなわち閉位置から図４に示す第１の位置すなわち開位置へと直線的に移動する。ピストン１３８の直線運動は、相補的なねじ山１３４および１３２によって回転運動に変換され、ステム１２６に付与される。回転変換器１１６を画定するステム１２６ならびに相補的なねじ山１３４および１３２は、９０度の範囲のステム１２６の回転が、図３に示す第２の位置から図４に示す第１の位置へのピストン１３８の直線運動に対応するように構成されている。ここで図４を参照すると、ステム１２６が回転すると、ステム１２６と連通するボール１１４も回転する。ピストン１３８が第１の位置にある時、ボール１１４の通過通路１２１は、ハウジング１１２の流路１２３と実質的に位置合わせされて開位置を画定し、これにより流路１２３を通る流れを発生させることができる。

流体源１４０によって供給される加圧流体が流体入口１３０への流入を停止すると、付勢ばね１２８のばね力がピストン１３８に加えられ、ピストン１３８を図４に示す第１の位置から図３に示す第２の位置に直線的に移動させる。ピストン１３８の直線運動は、相補的なねじ山１３４および１３２によって回転運動に変換され、ステム１２６に付与される。再び図３を参照すると、ステム１２６が回転すると、ステム１２６と連通するボール１１４も回転する。ピストン１３８が第２の位置にある時、ボール１１４の通過通路１２１は、ハウジング１１２の流路１２３と実質的に位置をずらされて閉位置を画定し、これにより流路１２３を通る流れを発生させない。

さらに、付勢ばね１２８のばね力に対する流体源１４０によって供給される加圧流体の圧力を制御することにより、ピストン１３８を第１の位置と第２の位置との間の複数の位置に直線的に移動させることが可能となる。ピストン１３８の各位置は、ボール１１４の通過通路１２１とハウジング１１２の流路１２３との間の位置合わせの程度に対応する。このようにして、通過通路１２１と流路１２３との間の開口部の面積を制御することにより、流路１２３を通って流れる流体の流量を効果的に制御することができる。

本発明に係る別の実施形態では、ピストンチャンバ１３６は、付勢ばね１２８の必要性をなくすようにピストン１３８の両側に配置された流体入口および出口を有していてもよい。流体入口および出口を通ってピストン１３８の両側のピストンチャンバ１３６に選択的に供給されて放出される流体圧力は、ピストン１３８の直線運動に作用し、これに対応してハウジング１１２の流路１２３に対するボール１１４の通過通路１２１の位置に作用するように使用することができ、これにより流路１２３を通って流れる流体の流量を効果的に制御することができる。

回転変換器は、図示の相補的なねじ山だけでなく任意の適切なチャネルおよびフォロワを備えることができ、チャネルは、作動要素およびステムの一方に位置し、フォロワは、作動要素およびステムの他方に位置することを理解されたい。一例では、限定するものではないが、チャネルは、少なくとも１つのピンを備える。作動要素を作動させるために使用される流体圧力は、これらに限定されないが、油圧または空気圧の形態であってもよく、作動要素は、広範囲の適用される流体圧力で作動するように構成してもよいことが理解されよう。さらに、ボール弁アセンブリは、任意の流体の流量制御が望まれる場合に任意の用途で使用できることが理解されよう。

前述の実施形態は、実施形態が単一のハウジングに作動要素およびボールを包含することにより小型で軽量のボール弁アセンブリを可能にすることを含む、種々の利点を提供する。さらに、ボール弁アセンブリは、電気または人の介入がない状態で作動させることができ、実装位置や適用環境に対するより大きな柔軟性をもたらす。

今までに記載されていない範囲で、様々な実施形態の異なる特徴および構造を互いに組み合わせて所望のように使用することができる。１つの特徴を実施形態のすべてにおいて示しているわけではないということは、それができないと解釈されるものではなく、説明を簡潔にするためにそのようにしているのである。したがって、新規な実施形態が明白に記載されているか否かを問わず、新規な実施形態を形成するように、異なる実施形態の様々な特徴を所望のように混合し適合させることができる。本明細書に記載されている特徴のすべての組み合わせまたは置換は、本開示によって包括される。

本明細書は、本発明を開示するために実施例を用いており、最良の形態を含んでいる。また、いかなる当業者も本発明を実施することができるように実施例を用いており、任意のデバイスまたはシステムを製作し使用し、任意の組み込まれた方法を実行することを含んでいる。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が想到するその他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、特許請求の範囲の文言との差がない構造要素を有する場合、または特許請求の範囲の文言との実質的な差がない等価の構造要素を含む場合、特許請求の範囲内にある。

１０ ボール弁アセンブリ
１２ ハウジング
１３ チャンバ
１４ ボール
１５ 入口
１６ 回転変換器
１７ 出口
１８ リニアアクチュエータ
１９ ボールシート
２１ 通過通路
２３ 流路
１００ ボール弁アセンブリ
１１２ ハウジング
１１３ チャンバ
１１４ ボール
１１５ 入口
１１６ 回転変換器
１１７ 出口
１１８ リニアアクチュエータ
１１９ ボールシート
１２１ 通過通路
１２３ 流路
１２６ ステム
１２８ 付勢ばね
１３０ 流体入口
１３２ 第１のねじ山
１３４ 第２のねじ山
１３６ ピストンチャンバ
１３８ ピストン
１４０ 流体源

Claims (15)

1. チャンバ（１１３）の形態のボールシート（１１９）、前記チャンバ（１１３）と連通する入口（１１５）、前記チャンバ（１１３）と連通する出口（１１７）、および前記チャンバ（１１３）と連通するステム通路を画定するハウジング（１１２）であって、
   前記入口（１１５）、前記チャンバ（１１３）、および前記出口（１１７）は、前記ハウジング（１１２）を通る流路（１２３）を画定する、ハウジング（１１２）と、
   ボール（１１４）であって、通過通路（１２１）と、前記ボール（１１４）から延びるステム（１２６）とを有し、前記ボール（１１４）は前記ボールシート（１１９）内に着座し、前記ステム（１２６）は前記ステム通路を通って延び、
   開位置と閉位置との間の前記ステム（１２６）の回転は、前記通過通路（１２１）を通る流体の流れを制御するために前記通過通路（１２１）と前記流路（１２３）の位置合わせおよび位置ずれにそれぞれ作用する、ボール（１１４）と、
   第１の位置と第２の位置との間を直線的に移動可能なピストン（１３８）を有するリニアアクチュエータ（１１８）と、
   前記ピストン（１３８）を前記ステム（１２６）に連結し、前記ピストン（１３８）の直線運動を前記ステム（１２６）の回転運動に変換する回転変換器（１１６）とを備え、
   前記リニアアクチュエータ（１１８）の作動は、前記第１の位置と第２の位置との間の前記ピストン（１３８）の相対的な直線運動に作用して前記開位置と閉位置との間の前記ステム（１２６）の対応する相対的な回転運動に作用し、前記通過通路（１２１）と前記流路（１２３）の相対的な位置合わせを制御することにより前記流路（１２３）を通る流体の流れを制御する、ボール弁アセンブリ（１００）。
2. 前記ハウジング（１１２）が、前記ピストン（１３８）が収容されるピストンチャンバ（１３６）を画定する請求項１に記載のボール弁アセンブリ（１００）。
3. 前記ハウジング（１１２）がさらに、前記ピストン（１３８）の両側に前記ピストンチャンバ（１３６）に対する流体入口と流体出口とを備え、それにより流体圧力を前記ピストン（１３８）の前記直線運動に作用するように使用することができる請求項２に記載のボール弁アセンブリ（１００）。
4. 前記ピストンチャンバ（１３６）が、前記ステム通路の少なくとも一部を形成する請求項３に記載のボール弁アセンブリ（１００）。
5. 前記回転変換器（１１６）が、相補的なチャネルおよびフォロワを備える請求項１に記載のボール弁アセンブリ（１００）。
6. 前記チャネルが、前記ピストン（１３８）および前記ステム（１２６）の一方に位置し、前記フォロワが、前記ピストン（１３８）および前記ステム（１２６）の他方に位置する請求項５に記載のボール弁アセンブリ（１００）。
7. 前記フォロワが、少なくとも１つのピンを備える請求項５に記載のボール弁アセンブリ（１００）。
8. 前記フォロワが、第１のねじ山（１３２）を備える請求項５に記載のボール弁アセンブリ（１００）。
9. 前記チャネルが、前記第１のねじ山（１３２）に相補的な第２のねじ山（１３４）を備える請求項８に記載のボール弁アセンブリ（１００）。
10. 前記ボール（１１４）が通常閉位置に維持されるように、前記ピストン（１３８）を前記第２の位置に付勢する付勢要素をさらに備える請求項１に記載のボール弁アセンブリ（１００）。
11. チャンバ（１１３）の形態のボールシート（１１９）、前記チャンバ（１１３）と連通する入口（１１５）、前記チャンバ（１１３）と連通する出口（１１７）、および前記チャンバ（１１３）と連通するステム通路を画定するハウジング（１１２）であって、
    前記入口（１１５）、前記チャンバ（１１３）、および前記出口（１１７）は、前記ハウジング（１１２）を通る流路（１２３）を画定する、ハウジング（１１２）と、
    ボール（１１４）であって、通過通路（１２１）と、前記ボール（１１４）から延びるステム（１２６）とを有し、前記ボール（１１４）は前記ボールシート（１１９）内に着座し、前記ステム（１２６）は前記ステム通路を通って延び、
    開位置と閉位置との間の前記ステム（１２６）の回転は、前記通過通路（１２１）を通る流体の流れを制御するために前記通過通路（１２１）と前記流路（１２３）の位置合わせおよび位置ずれにそれぞれ作用する、ボール（１１４）と、
    第１の位置と第２の位置との間を直線的に移動可能な作動要素を有する空気圧アクチュエータと、
    前記作動要素を前記ステム（１２６）に連結し、前記作動要素の直線運動を前記ステム（１２６）の回転運動に変換する回転変換器（１１６）とを備え、
    前記空気圧アクチュエータの作動は、前記第１の位置と第２の位置との間の前記作動要素の相対的な直線運動に作用して前記開位置と閉位置との間の前記ステム（１２６）の対応する相対的な回転運動に作用し、前記通過通路（１２１）と前記流路（１２３）の相対的な位置合わせを制御することにより前記流路（１２３）を通る流体の流れを制御する、ボール弁アセンブリ（１００）。
12. 少なくとも部分的に前記ステム（１２６）を包含する請求項１１に記載のボール弁アセンブリ（１００）。
13. 前記回転変換器（１１６）が、相補的なチャネルおよびフォロワを備え、
    前記チャネルが、前記作動要素およびステム（１２６）の一方に位置し、前記フォロワが、前記作動要素およびステム（１２６）の他方に位置する請求項１２に記載のボール弁アセンブリ（１００）。
14. 前記フォロワが、少なくとも１つのピン、または少なくとも１つのねじ山（１３２，１３４）の少なくとも１つを備える請求項１３に記載のボール弁アセンブリ（１００）。
15. 前記ボール（１１４）が通常閉位置に維持されるように、前記作動要素を前記第２の位置に付勢する付勢要素をさらに備える請求項１に記載のボール弁アセンブリ（１００）。
    ボール弁アセンブリ