JP2018510302A - バルブで使用し、その漏洩排出を防止するための外部から加圧された多孔質媒体のガス軸受 - Google Patents

Abstract

流れ制御の機能性を大幅に改良するために、外部から加圧された多孔質媒体のガス軸受が、バルブの中に導入される。多孔質媒体のガス軸受は、現行技術に伴う２つの最大の問題、すなわち、１．漏洩排出物の漏れ、及び、２．バルブを作動させるための高離脱トルク値を軽減させる。外部から加圧された多孔質媒体の軸受を採用することで、漏洩排出は、完全に排除され、バルブは、多孔質媒体のガス軸受の非接触特性によって、容易に回転され得る。

Description

本出願は、２０１５年３月１３日に出願された米国仮出願第６２／１３２，７１９号の利益を主張し、その開示は、全体が参照により本開示に組み込まれる。

本出願は、一般的には、多様なバルブのタイプの作動、及び、漏れ出る漏洩排出からそれらを封止することに関する。本発明から最も利益を得るバルブには、限定はされないが、プラグバルブと、バタフライバルブと、ゲートバルブと、オイル及びガス産業、精製所、発電所、化学工場、廃棄物処理場、ガスの封止が重要である応用分野、及び、一般にバルブの開閉に大きなトルクを必要とする応用分野で使用されるバルブとが含まれる。

バルブは、ガス、液体、粉体、又はスラリーの流れを防止、許容、又は規制するために使用される。最新式のバルブにおける２つの重要な問題には、（１）漏洩排出物の放出（ガスを規制することを意図したバルブの場合のように）と、（２）特定のバルブ、特に大型のバルブは、バルブを開く、調節する、又は閉じる間、高いトルク量を必要とすることが多いという事実とが含まれる。

環境保護局（Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ Ａｇｅｎｃｙ）は、漏洩排出物の放出を削減及び規制するために継続的な努力を行っている。しかしながら、ほぼ全てのバルブステムが、「パッキン」材を使用して封止される事実を依然として伴う。経時的に、パッキンは、ＥＰＡコンプライアンスを遵守するために交換される必要があり、バルブの漏れは、ＥＰＡの漏洩検知及び補修（ＬＤＡＲ：Ｌｅａｋ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒｅｐａｉｒ）の一環として監視されなければならない。パッキンがどれほど優れているかに関わらず、ゼロエミッションで漏れがないとみなされる技術はない。

特にハンドルを介したバルブの操作に関しては、必要とされる離脱トルク値が非常に高いことが多く、バルブを作動させるために特殊工具又は装置を必要とする。離脱トルクが高いので、特殊工具又は装置がなければ、特定のバルブを作動させるために、ハンドルの手動操作に複数の人が必要となる場合がある。高離脱トルク値を伴う手動で操作するバルブに関連した身体運動に起因し、筋骨格系の問題などの人的要因が生じ得ると指摘する調査が行われている。このような人的要因を回避するために使用される現行の解決策には、バルブを作動させるケーブル駆動システム、携帯型バルブアクチュエーター、及び、空気力、水力、又は電力を動力とする多くの作動装置などの装置が含まれる。

要するに、バルブ組立体は、過去１００年であまり変化していない。そして、これらの古い、基本的な設計に内在しているのが、今日の最大の問題の一部、すなわち、漏洩排出及び作動が困難なバルブである。現行の技術には、これらの２つの問題の本質を探る優れた再設計は存在してこなかった。

簡潔に言うと、本発明は、バルブ内の軸受／封止ランドに対して加圧された流体又はガスに対する制限要素として、多孔質材を利用する。この圧力は、静止表面と移動表面との間の摩擦を削減又は排除する。

本発明は、代替え的には、隙間を帯びる、ガスに加圧された多孔質媒体（ｐｏｒｏｕｓ ｍｅｄｉａ）を使用し、供給された気体静力学的ガス圧力が、多孔質媒体の面に障壁を提供し、いかなる漏洩排出にも対抗するという事実によって、漏洩排出物の漏出を防止する。

バルブの作動においては、空気軸受として作用する、外部から気体静力学的ガスに加圧された多孔質媒体を使用することが、非摩擦表面を本質的に生成し、事実上離脱トルクを伴わずに、バルブが手で作動されることを可能にする。

本発明は、現行の技術に含まれるいくつかの重要な問題を解決し、すなわち、（１）それは、外部から加圧された多孔質媒体の軸受及びシールとしての使用を行使することにより、漏洩排出を完全に排除し、（２）外部から加圧された多孔質媒体の使用は、高離脱トルク値に打ち勝つための特殊装置又は道具細工を必要とせず、バルブの容易な手動操作を可能にする。

前述の概要、及び、以下の好ましい実施例の詳細な説明は、添付の図面と併せて読まれると、より理解されるであろう。本発明を例示する目的で、特定の実施例及び構成を図面に示す。しかしながら、本発明の範囲は、示された厳密な構成には限定されないということを理解すべきである。

封止特徴部がパッキン材である、従来技術のバルブステムの実例を示す図である。 従来技術のプラグ（又は同様の）バルブの実例を示す図である。 封止特徴部が外部から加圧された多孔質媒体であり、更に、容易な回転を可能にする、バルブステムの実例を示す図である。 外部から加圧された多孔質媒体を封止及び軸受特徴部として使用する、プラグバルブの実例を示す図である。 端面シール（ｆａｃｅ ｓｅａｌ）用の多孔質媒体を示す図である。 角度が付いたシール／シート用の多孔質媒体を示す図である。 球面状のシール／シート用の多孔質媒体を示す図である。 外部から加圧された多孔質媒体を軸受特徴部として使用し、排出を防止するための磁気駆動特徴部を有する格納容器を有する、バルブの実例を示す図である。 排出を防止するための、外部から加圧された多孔質媒体端面シールの実例を示す図である。

特定の専門用語が、以下の説明において、限定するものではなく便宜のみを目的として使用される。単語「前」、「後」、「左」、「右」、「内側」、「外側」、「上方」、「下方」、「最上」、及び「最下」は、参照される図面内の方向を指す。加えて、別段の記載がない限り、用語「ある（ａ）」及び「１つ（ｏｎｅ）」は、１つ又は複数の参照された項目を含むものとして定義される。「ａ、ｂ、又はｃのうちの少なくとも１つ」（ここで、ａ、ｂ、及びｃは、列挙された項目を示す）と記載される項目の列挙への言及は、項目ａ、ｂ、又はｃのうちのいずれかの単一の１つ、或いはそれらの組み合わせを意味する。専門用語には、上記で具体的に述べた単語と、その派生語と、同様の意味の単語とが含まれる。

図１に例示されているように、従来技術のバルブステムは、ステム１０１と、バルブ本体１０２と、ヨーク１０５と、グランドフォロア１０４と、グランドスタッド１０６と、パッキン１０３とから構成される。バルブステム１０１を封止し、バルブから大気への排出を阻止するために、グランドスタッド１０６が締め付けられ、次にヨーク１０５及びグランドフォロア１０４に下方への力が生成され、最終的にはパッキン１０３を圧縮し、その結果、ステム１０１の周りのシールを形成する。やがて、パッキン１０３が弛緩し始めて漏れ、その時点でグランドスタッド１０６は、再締め付けが必要となる。最終的には、パッキン１０３は、パッキンの交換が必要となるまで漏れる。

従来技術の別の実例が図２に例示されており、これは、バルブが回転されたときに流れを許容又は防止する、典型的なプラグバルブを例示する。図２のプラグバルブは、バルブ本体２０２と、プラグ２０１と、封止機構として作用するスリーブ２０３及び２０４と、やはり封止機構として作用するカラー２０５と、実施可能なシール／シート（ｐｏｓｓｉｂｌｅ ｓｅａｌ／ｓｅａｔ）２０６とから構成される。ゲートバルブ、ボールバルブなどの他のタイプのバルブは全て、図２に示すようなスリーブ２０３及び２０４、カラー２０５、並びにシール／シート２０６と同様の機能を有する、封止表面又はバルブシートを有する。現行技術には２つの問題がある。第１に、封止は、防漏ではなく、従って、漏洩排出が生じる。更に、シール又はバルブシートは摩耗し、やがて交換が必要となる。加えて、現行の技術のシール及びバルブシートに使用される材料は、高温には寄与しない。第２の主要な問題に関しては、現行の技術のスリーブ、シール、又はシートでは、先に記載したように、バルブが、オペレーターにとって問題となる高離脱トルクを有するようになる恐れがある。

図３は、漏洩排出を防止するバルブステムの封止を提供するために、外部から加圧された多孔質媒体の円筒部材がどのように使用され得るかを例示する。この例示は、バルブステム３０１と、バルブ本体３０５と、多孔質媒体シール３０２と、外部から加圧された流入ガス用のポート３０３と、加圧されたガスを多孔質媒体に分配する複数のプレナム３０９と、ヨーク３０６と、スタッド３０７と、円筒部材とバルブ本体３０５との間の円筒状の隙間３０４とから構成される。この構成については、実質的に円筒形状の多孔質媒体シール３０２が、バルブ本体３０５に設置される。ヨーク３０６は、多孔質媒体シール３０２を適切な場所に保持するように機能し、与圧下での軸方向の移動を防止する。スタッド３０７は、ヨークを適切な場所に保持する。任意的には、円筒状の隙間は、円筒部材をバルブ本体内にしっかりと保持するために、エポキシで充填されてもよい。

外部から加圧されたガスは、ポート３０３を介して導入され、複数のプレナム３０９を通って多孔質媒体シール３０２の中に導かれる。加圧されたガスは、多孔質媒体シール３０２を通って流れ、バルブステム３０１の外径と多孔質媒体シール３０２の内径との間に、加圧されたガスの非常に細い隙間を生成する。この隙間内の圧力が、バルブから来る対抗圧力を超えている限り、バルブステム３０１から漏れ出ることが防止され、従って、漏洩排出が防止されることになる。

図４は、封止を提供し、且つ、摩擦のない回動性能を有する目的で、どのように多孔質媒体の技術がプラグバルブ内で使用され得るかを例示する。多孔質媒体の円筒状のシール４０３及び４０４、又は端面シール４０５Ａ及び４０５Ｂは、バルブ本体４０２に挿入される。いくつかの実施可能性が動作中に存在する。外部から加圧されたガスは、図３に記載したのと同じように多孔質媒体シール４０３及び４０４、又は４０５Ａ及び４０５Ｂの中に注入される。シール４０３、４０４、又は４０５Ａ及び４０５Ｂとシール本体４０２との間の空気の隙間内の圧力は、バルブを通って流れる圧力よりも高い圧力で維持される。よって、プラグ４０１が閉められているとき、隙間の圧力は、バルブに流入する流体の圧力よりも高く、流体は、空気の隙間内の、より高い圧力を貫通することができない。プラグ４０１が開位置にあるとき、空気の隙間の圧力は、流れる流体の圧力よりも依然として高く、流れる流体は、シール４０３及び４０４、又は４０５Ａ及び４０５Ｂを通過して漏れることができない。更に、外部から供給されるガス圧力を、シール４０３及び４０４、又は４０５Ａ及び４０５Ｂの中へ導入することによって作り出された空気の隙間は、プラグの境界面に非摩擦状態を生成し、プラグ４０１が開又は閉位置へ容易に回動されることを可能にする。この結果として、これは、このようなバルブを回動させようとするときに存在することが多い現行の技術の高離脱トルクとは対照的である。図４に示される教示は、ゲート、ボール、及び他のタイプのバルブなどの他のタイプのバルブへ広範囲に適用され、多孔質媒体シールは、バルブシートの代わりとなることができ、従って、封止及び容易な回転の両方を可能にする。

図４Ｂ、４Ｃ、及び４Ｄは、端面シール４７０、角度が付いたシール／シート４８０、又は球面状のシール／シート４９０に対する多孔質媒体の構成をそれぞれ示す。図４Ｂでは、ハウジング４０７は、注入されたガスをプレナム４０８の中、及び、多孔質媒体４０６の中に導くチャネル４０９を備える。図４Ｃでは、ハウジング４１３は、注入されたガスをプレナム４１１の中、及び、多孔質媒体４１０の中に導くチャネル４１２を備える。図４Ｄでは、ハウジング４１６は、注入されたガスをプレナム４１５の中、及び、多孔質媒体４１４の中に導くチャネル４１７を備える。

図５は、図４の教示に基づき、そして、封止機能性に関する更なる新規性も導入した例示である。ガス軸受スリーブ５０２及び５０３は、バルブ本体／格納容器５０４の中に設置され、これらのシールは、図３及び４に提示されたのと同じ方法で、外部から加圧されたガスに基づき機能する。プラグ５０１は、被動磁石５０５に連結され、これは、バルブ本体／格納容器５０４を通る、駆動磁石５０６による磁力によって作用される。駆動磁石は、シャフト５０８に取り付けられたケーシング５０７に設置される。

動作中、ケーシング５０７及び駆動磁石５０６が回転され、磁界を被動磁石５０５に作用させ、このようにして、バルブプラグ５０１を開又は閉位置に回転させる。外部から加圧されたガス軸受スリーブ５０２及び５０３は、バルブ内の流体の圧力よりも高い空気の隙間内の圧力によって生成された空気の隙間により、バルブが容易に開閉することを可能にする。バルブが、その目的とする開又は閉位置に達したときに、ガス軸受スリーブ５０２に供給されたガス圧力は絶たれ得る。バルブは、開又は閉位置において、その機能を実行し続ける。開位置から閉位置へ、又は、閉位置から開位置へバルブを作動させたいとき、ガス軸受スリーブ５０２及び５０３へ外部から供給される圧力がオンにされ、バルブプラグ５０１は、軸受とプラグの境界面で生成された空気フィルムによって即座に自由となり、従って、バルブが摩擦なしで操作されることが可能となる。更に、バルブ本体／格納容器は、バルブからのいかなる漏れも常に防止する。図５に示される教示は、ゲート、ボール、及び他のタイプのバルブなどの他のタイプのバルブへ広範囲に適用され、多孔質媒体の軸受は、バルブシートの代わりとなることができ、従って、容易な回転を可能にし、磁石格納容器による手法が常に封止を提供し得るということも可能にする。

代替え的な端面型シールが図６に提示される。この構成では、ランナー６０７は、Ｏリング６１３によって回転シャフト６０１（これはバルブステムとすることもできる）に結合される。ランナー６０７の両側には、２つの多孔質媒体シール面６０９及び６１０がある。これらの端面シールは、ハウジング６０４及び６０６の中に設置され、ポート６１４及び６１５を介して外部から加圧されたガスが供給される。外部から加圧されたガスは、プレナム６０８及び６１１に流入し、それから、多孔質媒体シール面６０９及び６１０を通って流れる。シール面の中に導入された圧力は、シール面とランナーとの間に空気の隙間を生成し、これは、バルブからこの地点まで漏れる対抗圧力よりも高い圧力を維持する。隙間の圧力は、バルブ内の流体又はガスが貫通できないようにさせ、よって、バルブステムは完全に封止される。スペーサー６０５がランナー６０７に隣接し、２つのハウジング６０４及び６０６を離間させており、これらの構成要素は全て、ボルト６１２によって共に保持されている（１つのボルトのみが示されているが、組立体は、４つ以上のこのようなボルトを使用できることを留意されたい）。シール組立体は、シール組立体全体を貫通してバルブ本体６０２に入る特定数のボルト６１２によって、バルブ本体６０２に取り付けられる。特定の場合には、任意の適応する装着部材６０３及びボルト６１６が必要となり得る。

上記に教示された封止機能性に加えて、図６の構成は、回転装置用の非接触スラスト軸受としても使用され得る。すなわち、ランナー６０７を回転シャフト６０１に取り付けることによって、面６０９及び６１０は、非接触軸方向軸受面として作用する。面６０９及び６１０への外部から加圧されたガスは、ランナー６０７とシール面との間に空気の隙間を生成し、回転シャフトにかかる軸方向の負荷を負うことができる。ランナー６０７のシャフト６０１への取り付けは、Ｏリング６１３の代わりに、硬質の装着具（ｈａｒｄ−ｍｏｕｎｔｉｎｇ）で達成され得ることを留意されたい。そのような場合、当技術分野で通常知られているような止めねじ又はスラストカラーが使用され得る。

図面を参照し、好ましい実施例を詳細に説明したが、本開示を参照した当業者であれば、他の実施例が、本発明の範囲内において実現され得、添付の特許請求の範囲によってのみ限定されるべきであることがすぐに理解できよう。

Claims (15)

1. 各々が、関連付けられたバルブステムを取り囲む、１つ又は複数の周方向の多孔質媒体スリーブと、
   外部から加圧されたガスを、少なくとも１つのプレナムの中、及び、前記多孔質媒体の中に連通させるための導通路と
   を備える、バルブ用の気体静力学的軸受シール。
2. 前記バルブが、前記多孔質媒体スリーブと前記バルブステムとの間の隙間内の前記外部から加圧されたガスによって、封止され、漏洩排出を防止する、請求項１に記載の気体静力学的軸受シール。
3. 前記バルブステムは、外部ガス圧力が前記多孔質媒体に供給されたときに、摩擦なしで回転する、請求項１に記載の気体静力学的軸受シール。
4. 前記バルブステムを完全に取り囲む格納容器を更に備える、請求項１に記載の気体静力学的軸受シール。
5. 前記バルブステムが、第１の被動磁石を含み、前記第１の被動磁石が、前記第１の被動磁石の外にある第２の駆動磁石によって駆動される、請求項４に記載の気体静力学的軸受シール。
6. 前記多孔質媒体スリーブが、黒鉛、炭素、炭化珪素、炭化タングステン、多孔質ダイヤモンド、ダイヤモンド様被覆、アルミナ、及びカーボンカーボンからなる群から選択される材料から構成され得る、請求項１に記載の気体静力学的軸受シール。
7. 前記多孔質媒体スリーブが、セラミック鋳造及び３Ｄ印刷からなる群から選択される工程を用いて製造される、請求項１に記載の気体静力学的軸受シール。
8. 多孔質媒体面を有する１つ又は複数のハウジングと、
   回転部材に取り付けられた対向するランナーと、
   ガス圧力を、少なくとも１つのプレナムの中、及び、前記多孔質媒体の中に連通させるための導通路と、
   主本体に装着するための界面ブロックと
   を備える、気体静力学的シール。
9. バルブが、前記多孔質媒体面と前記対向するランナーとの間の隙間内の外部ガス圧力によって、封止され、漏洩排出を防止する、請求項８に記載の気体静力学的シール。
10. 前記多孔質媒体面が、前記回転部材へ作用する軸方向の負荷に対するスラスト軸受として作用する、請求項８に記載の気体静力学的シール。
11. 前記多孔質媒体が、黒鉛、炭素、炭化珪素、炭化タングステン、多孔質ダイヤモンド、ダイヤモンド様被覆、アルミナ、カーボンカーボンなどの任意の多孔質又は焼結材料から構成され得、多孔質媒体の製造は、当技術分野で通常知られているセラミック鋳造技術を採用することができるが、３Ｄ印刷などの他の方法を採用することもできる、請求項８に記載の気体静力学的シール。
12. バルブ本体と、
    前記バルブ本体の中に含まれたバルブステムと、
    前記バルブ本体と前記プラグとを離間させる少なくとも１つの多孔質媒体スリーブと
    を備える、バルブ用の気体静力学的軸受シールであって、
    外部から加圧されたガスが、前記多孔質媒体スリーブと前記プラグとの間の隙間に導入され、シールとして作用する、気体静力学的軸受シール。
13. 前記外部から加圧されたガスを、前記外部から加圧されたガスを前記多孔質媒体の中に分配する少なくとも１つのプレナムの中に連通させるための導通路を更に備える、請求項１２に記載の気体静力学的軸受シール。
14. 前記シールは、端面シール、角度が付いたシートと嵌合する角度が付いたシール、又は、球面状のシートと嵌合する球面状のシールとすることができる、請求項１２に記載の気体静力学的軸受シール。
15. 前記バルブステムがプラグである、請求項１２に記載の気体静力学的軸受シール。