JP2018529905A - バルブ - Google Patents

Abstract

アクチュエータからの直線運動をバルブピストンの直線運動に変換するための歯車システムを有する作動可能なアキシャルピストンバルブであって、歯車システムは、ラック（２、３）と、少なくとも１つのアイドラピニオン（１）とを有している、アキシャルピストンバルブ。

Description

本発明は、作動可能なアキシャルピストンバルブ、およびそのようなバルブのための歯車機構に関する。このバルブは、バルブを通る流体の流れに対して開閉されるように作動されることができる。好ましくは、バルブは、バルブを横断する圧力損失における完全流れと非流れとの間での変化（すなわちバルブを通る流量の変化）、例えば完全流れ抵抗と最小流れ抵抗との間での流れ抵抗の実質的に連続的な変化を可能にする作動可能な制御バルブである。

低い作動力により全ての圧力条件および全ての差圧の下で作動させることができる作動可能な制御バルブが、例えばＭｏｋｖｅｌｄ ＮＶの特許出願ＣＡ８７２，１０６に記載されるようにバルブメーカーＭｏｋｖｅｌｄ ＮＶから知られている。そのようなバルブは、入口開口および出口開口を画定する外側筐体と、バルブを通る流体流路に沿った流体の流れを制限するリストリクターを収容する内側筐体とを備える。リストリクターは、作動ロッドによってバルブの外側から作動可能である。作動可能ロッドは、半径方向に、バルブ筐体に対して直線動作をするように構成される。作動可能なリストリクターは、流体流路を開閉または制限するために、アクチュエータの作動によって軸方向に可動なピストンを有する。

Ｍｏｋｖｅｌｄ ＮＶの作動可能なピストンバルブにおいて、ピストンの軸方向の運動は、９０度の歯ラック（ｔｏｏｔｈｒａｃｋ）システムによって、すなわちバルブアクチュエータの力をアキシャルピストンの動作へと伝達する摺動式の歯車機構によって行われる。ピストンは、ピストンロッドと、ピストンステムとを利用して作動される。９０度の角度の伝動装置は、ピストンロッドと、ピストンステムの両方の上に位置する対応する歯を備えた一対の摺動式の歯ラックで構成される。一般に、これらの平坦な歯台（ｔｏｏｔｈｂｅｄ）は、バルブを通過する流体から隔離されており、筐体の中に入れられ、ピストンのロッドおよびガイド上にある二重の主要なシールによって密閉されている。

ＣＡ８７２，１０６ ＵＳ２０１３／０２００２８５ ＵＳ５，４９４，２５４ ＥＰ２３８５２８４ ＣＮ１０３６１５５８５ ＷＯ２０１５／０４９５２５

バルブアクチュエータの力をアキシャルピストンの動作へと伝達するための摺動歯車機構の利用は、ラック歯が潤滑されることを必要とし、また、たとえ潤滑が維持された場合でも、２つの角度付きの摺動式のラック歯が、長い使用期間の間に磨損することが原因で、この機構が動かなくなるというリスクがある。適切な潤滑を行ってこれを維持することを怠った場合、または故障したシールを通して埃を取り込んだ場合、バルブ作動システムが急に動かなくなり、流れを制御したり遮断したりするのに操作不能になって突発的に故障することにつながる恐れがある。

ＵＳ２０１３／０２００２８５、ＵＳ５，４９４，２５４、ＥＰ２３８５２８４およびＣＮ１０３６１５５８５は、ラックアンドピニオンの様々な構成を利用するバルブに関するものであるが、これらの文献には、（アクチュエータの）直線入力運動を（ピストンの）直線出力運動に変換することに関するものは１つもない。

本発明によれば、アクチュエータからの直線運動をバルブピストンの直線運動に変換するための歯車システムを有する作動可能なアキシャルピストンバルブであって、歯車システムが、ラックと、少なくとも１つのアイドラピニオンとを有している、作動可能なアキシャルピストンバルブが提供される。

好ましい一実施形態において、アクチュエータは、半径方向に第１のラックの直線運動をもたらすように構成され、第１のラックの直線運動は、少なくとも１つのアイドラピニオンの回転運動をもたらすように構成され、少なくとも１つのアイドラピニオンの回転は、ピストンに作動可能に接続された第２のラックの軸方向の運動をもたらし、これによりバルブボディに対して軸方向のピストンの直線運動をもたらすように構成される。一般に、バルブは、水平方向の流れに対して使用する際に設置されるため、バルブボディに対して半径方向の第１のラックの直線運動は垂直方向の運動であり、バルブボディに対して軸方向の第２のラックの直線運動は水平方向の運動である。

ラックおよびアイドラピニオンの歯車システムは、摺動式ラックから生じる問題を回避する。たとえ潤滑がなしでも、歯車機構は、歯車の歯が徐々に摩耗し、結果として歯車システムにバックラッシュが生じることによって、最悪の場合、機能しなくなるが、それでもなお歯車システムは残り、したがってバルブは流れの制御および隔離または遮断を行うのに十分に作動可能である。流れを制御し、流れをパイプラインの中で隔離または遮断することが可能であることが必須である石油およびガスまたは原子力産業などの要求の厳しい環境において、そのような改良型の歯車システムを備えるアキシャルピストンバルブは著しい利点を提供するであろう。さらに、ラックおよびアイドラピニオンの間の相互作用の摩擦が、摺動式ラックのものに比べて低くなることによって、さほど強力でなく、そのためより小型で、且つより経済的なバルブアクチュエータを利用することも可能になる。

本発明を、単なる例によって以下の図面を参照して記載する。

第１の実施形態による歯車機構を備えたバルブの切欠き断面図である。 図１の組み立てたバルブの歯車機構の斜視図である。 第１の実施形態による歯車機構を備えたバルブの切欠き断面図である。 図３の組み立てたバルブの歯車機構の斜視図である。 図３の組み立てたバルブの歯車機構の代替の斜視図である。

本発明の第１の実施形態を図１および図２を参照して以下に記載する。

図１は、本発明による作動機構（１、２、３）と適合されたアキシャル制御バルブを示す。バルブは、図示されるように、その内容がその全体において参照により組み込まれるＷＯ２０１５／０４９５２５として公開された本出願人の出願においてより広く記載される３部分ボディ、すなわち入口端部セクション（４）と、中心セクション（６）と、出口セクション（５）とを有する。本実施形態は３部分バルブにおいて図示されているが、本発明の機構は、単一部分のＭｏｋｖｅｌｄタイプのバルブ、またはＷＯ２０１５／０４９５２５にも記載される本出願人の２部分バルブ設計にも均等に適用することができる。図１に示される実施形態において、ピストン７は流れケージ８の中で作動して、流れ制御バルブまたはチョークバルブを提供する。流れケージが省略されてオン／オフバルブを設ける場合もあることを理解されたい。

バルブ１は、ＷＯ２０１５／０４９５２５に開示されるバルブとほぼ同じ方法で作動し、バルブを通る流体流路に沿う流体の流れを制限するための作動可能なリストリクター（３、７）の移動構成要素の先行面と後続面の両方（どちらも軸方向に平行ではない面）が、上流側の液体と流体連通するように設計されている。したがって、移動構成要素のいずれの側における圧力も均等であるため、リストリクターを作動させるのに必要とされる作動力は低くなる。バルブは、例えば石油産業または化学産業において使用するためのものであってよい。

リストリクター（３、７）は、２つの主要な可動構成要素、すなわちピストン（７）とピストンロッド（３）とを備える。ピストン（７）は、それがバルブ筐体出口セクション（５）と係合しない（例えば触れない）バルブ開放位置から、それがバルブ筐体出口セクション（５）と係合するバルブ閉鎖位置まで可動である。ピストン（７）は、バルブ筐体出口セクション（５）の内側面の一部と係合することで流体の流路を塞ぎ、これによりバルブを閉鎖する。

作動可能なリストリクター（３、７）はまた、ピストンロッド（３）を備える。ピストンロッド（３）は、その両端部の一方においてピストン（７）に取り付けられる。

図１の作動中の歯車機構（１、２、３）は、図２にさらに詳細に示される。この機構は、バルブアクチュエータシャフト（２）の一部を形成する歯付きラックの、バルブに対して概ね半径方向の直線運動（バルブが水平方向の流れに関係して設置される通常のケースにおいて垂直方向の全体的な運動）によって回転可能なアイドラ歯車（１）を有し、ピストンロッド（３）の一部を形成する歯付きラックと相互作用するアイドラ歯車（１）が回転することによって、ピストンロッド（３）と取り付けられたピストン（７）との軸方向（水平方向）の運動を生じさせる。図２に示されるように、ピストンロッド（３）の歯付きラックセクションは、スロットを有するように形成されてよく、バルブアクチュエータシャフト（３）のより細い歯付きのラックセクションが、このスロットを通って通過するように配置されてよい。アクチュエータロッドの歯付きラックセクションが、ピストンロッドの歯付きラックセクションより幅広であり、スロットがアクチュエータロッドの歯付きラックセクションの歯付きラックセクションの中に配置される反対の配置も同様に企図される。図２に示されるような前者の配置の方が好ましい。代替の一実施形態（図示せず）において、第１および第２のラックは、それらの長手方向縁部の間に隙間を有するように構成されてよい。一般にバルブアクチュエータシャフトの歯付きラックセクションまたはバルブアクチュエータシャフトは全体として、バルブの半径方向の中心に対してずらされることになり、ピストンロッドの歯付きラックは、バルブに対して軸方向に中心になるように配向されることになる。２つのラックの長手方向縁部の間の隙間によって、両方のラックの直角での互いに対する移動が可能になる。この隙間は、２つのラックを係合させるように構成されたアイドラピニオンの制御の下で２つのラックの間にこのような相対的な運動をもたらすのに十分であるべきであり、典型的には０．０５ｍｍから５０ｍｍの範囲内であってよい。

アクチュエータロッドの垂直方向のラックをピストンの軸に直交するように機械加工することが好ましいが、２つのラックとアイドラピニオンの組み合わせは、第２のラック（３）の長手方向の運動を生じさせる第１のラック（２）の長手方向の運動能力に影響を与えることのないラックの間の角度の変化を許容することが理解されるであろう。本発明にはそれ故に、ラック（２、３）が９０度未満、または９０度を超える相対的な角度であるバルブ、および詳細には、バルブアクチュエータシャフトの歯付きラックが、バルブに対して正確に半径方向に配向されない（すなわち、それは水平方向の流れに対して設置されたバルブにおいて正確に垂直方向ではない）バルブも含まれる。

これらのラックおよびピニオンは回転動作を有するため、摺動式のラックシステムの摺動運動よりも摩擦はずっと小さくなる。このことは、ラック（２、３）を製造するのに使用され得る材料に対してより低い要求を提起し、また同一のラック材料が２つのシステムにおいて使用される場合の損傷のリスクを低下させる。典型的には、ラック（２、３）およびピニオン（１）のための材料は、それらが使用される環境、およびそれらが受け取らなければならない負荷によって決められることになる。好適な材料の例には、ラック（２、３）用にインコネル７１８およびナイトロニック６０およびピニオン（１）用に３０ＣｒＮｉＭｏ８Ｖが含まれる。歯車構成要素は、耐久性を高め且つ摩擦および摩耗を抑えるために、硬化および／または被覆される場合もある。

アイドラピニオン歯車（１）は、このときバルブボディ（６）の中心部分に嵌合された歯車箱モジュールの中に設置されることができ、あるいはバルブボディ（６）の中心部分の中に直接設置されることができる。回転動作を有し、摺動動作を持たないアイドラ歯車（１）の利用は、たとえ高い負荷の下であっても、従来技術のＭｏｋｖｅｌｄバルブの摺動式の歯車機構より著しく低い摩擦を実現する。このことは、より小さいサイズのバルブアクチュエータが、アクチュエータシャフト（２）の軸方向の運動をもたらすことを可能にする。好適なバルブアクチュエータには、電気式、空気式、油圧式、またはばね作動式のアクチュエータが含まれてよい。

図２に例示されるように、アクチュエータロッド（２）の歯付きラックセクション、ピストンロッド（３）の歯付きラックセクションおよび歯付きのアイドラ歯車（１）は、全てプレーンな歯車（ｐｌａｉｎ ｇｅａｒ）状の歯であってよい。あるいは歯車の歯は、やまば歯車（ｃｈｅｖｒｏｎ ｇｅａｒ）状の歯、またははずば歯車（ｈｅｌｉｃａｌ ｇｅａｒ）状の歯、あるいは他の歯の配置、または同じものの組み合わせであってよい。やまば歯車状の歯は、アイドラ歯車（１）をアクチュエータシャフト（２）の軸上で自動的に中心に置いて維持するという利点を提供する。歯車の歯は、精度を高め、且つ摩耗およびバックラッシュが生じる可能性を低下させるように形成され、機械加工され、または研磨されることができる。

第２の実施形態を次に記載する。第２の実施形態は、以下に記載されるものを除いて第１の実施形態と同様である。ある実施形態の構成（ｆｅａｔｕｒｅ）は、他の実施形態において使用されてよく、逆もまた同様である。第２の実施形態の装置は、第１の実施形態のものと同じように機能し、適切である場合に選択され得る単なる１つの代替のレイアウトである。

図３〜図５の実施形態では、アクチュエータロッド（２）、ピストンロッド（３）および歯付きのアイドラ歯車（１）は、アイドラ歯車がアクチュエータロッド（２）とアイドラ歯車（１）の間に設置される第１の実施形態とは対照的に、アイドラ歯車（１）がアクチュエータロッド（２）の頂部とは反対の位置である、ピストンロッド（３）の反対側に設置されるように構成される。すなわち、第２の実施形態では、アクチュエータロッド（２）は、アイドラ歯車（１）よりもバルブピストン（７）により近くなるように位置決めされ、アクチュエータロッド（２）の歯はピストン（７）から離れる方向を向いている。

換言すれば、第２の実施形態では、ピストンロッド（３）は、第１の実施形態と比べてその長手方向軸を中心に１８０度回転されており、歯付きのアイドラ歯車（１）もこれに従って移動されている。

有利には、歯車システム構成は、その全ての詳細が本明細書に参照により組み込まれる本出願人のＷＯ２０１５／０４９５２５号に記載される２部分または３部分アキシャルピストンバルブのみならず、従来式の単一部分のＭｏｋｖｅｌｄタイプのバルブとも一緒に使用することができる。よって本発明は、
作動可能バルブであって、
外側筐体と、
入口開口を画定する外側筐体の上流要素と、
出口開口を画定する外側筐体の下流要素と、
バルブを通る流体流路に沿う流体の流れを制限するための作動可能なリストリクターを収容するための外側筐体の内部の内側筐体要素と
を有し、
内側筐体要素が、上流要素および下流要素の少なくとも一方と非一体式であり、または図１に示されるようにその両方と非一体式であり、
作動可能なリストリクターがピストンを有し、また
アクチュエータからの直線運動をバルブピストンの直線運動に変換するための歯車システムをさらに有し、歯車システムが、ラックと、少なくとも１つのアイドラピニオンとを有している、作動可能バルブ
も含む。

バルブボディセクションは、とりわけバルブがＷＯ２０１５／０４９５２５号に記載されるように２部分または３部分の形態である場合、鋳造、鍛造、焼結した粉末金属で作製される場合、固体から機械加工される場合、あるいはこのような工程の任意の１つまたは複数の組み合わせを利用して作製される場合がある。好適な材料は、バルブの用途によって決まる。

本発明によるアキシャルピストンバルブは、とりわけ石油およびガスおよび原子力産業におけるパイプライン内での用途を有する。

Claims (11)

1. アクチュエータからの直線運動を前記バルブピストンの直線運動に変換する歯車システムを有する作動可能なアキシャルピストンバルブであって、前記歯車システムが、ラックと、少なくとも１つのアイドラピニオンとを有する、作動可能なアキシャルピストンバルブ。
2. 前記アクチュエータが、前記バルブに対して概ね半径方向に、第１のラックの長手方向運動をもたらすように構成され、
   前記第１のラックの直線運動が、前記少なくとも１つのアイドラピニオンの回転運動をもたらすように構成され、
   前記少なくとも１つのアイドラピニオンの回転が、前記ピストンに動作可能に接続された第２のラックの長手方向運動をもたらすように構成され、それにより前記バルブに対して軸方向に前記ピストンの運動をもたらす、請求項１に記載のバルブ。
3. 第１のラックと第２のラックとを有し、
   前記第１のラックおよび前記第２のラックは互いに対して直角に配置され、
   また前記第２のラックは中心スロットを有し、前記第１のラックは前記中心スロットを通過し、それにより前記第１のラックおよび前記第２のラックは互いに対して直角に可動である、請求項１または２に記載のバルブ。
4. 第１のラックと第２のラックとを有し、
   前記第１のラックおよび前記第２のラックは互いに対して直角に配置され、
   前記第１のラックは前記バルブの半径方向ラインからずらされ、
   前記第１のラックは、前記第２のラックに力を伝達するアイドラピニオンとのインターフェイスとなり、
   前記第２のラック、および前記第２のラックが接続する前記ピストンは、前記バルブの中心軸方向ライン上に配置され、
   前記第１のラックおよび前記第２のラックは、それらの長手方向縁部の間に隙間を有するように互いに隣接して延び、それにより前記第１のラックおよび前記第２のラックは、互いに対して直角に可動である、請求項１または２に記載のバルブ。
5. 前記ラックおよび前記少なくとも１つのピニオンは、プレーンな歯、やまば状の歯、およびはすば状の歯から選択される歯を有する、請求項１から４までのいずれか一項に記載のバルブ。
6. 外側筐体と、
   入口開口を画定する前記外側筐体の上流要素と、
   出口開口を画定する前記外側筐体の下流要素と、
   前記バルブを通る流体流路に沿う流体の流れを制限するための作動可能なリストリクターを収容するための前記外側筐体の内部の内側筐体要素であって、前記作動可能なリストリクターは前記ピストンを有している、内側筐体要素と
   を有し、
   前記内側筐体要素は、前記上流要素および前記下流要素の少なくとも一方と非一体式である、請求項１から５までのいずれか一項に記載の作動可能バルブ。
7. 前記内側筐体要素は、前記上流要素および前記下流要素と非一体式である、請求項６に記載の作動可能バルブ。
8. 鋳造、鍛造、粉末金属の焼結、固体からの機械加工、またはそれらの組み合わせによりって成形された１または複数のバルブボディセクションを有する、請求項１から７までのいずれか一項に記載の作動可能バルブ。
9. 流れ制御バルブ、スロットルバルブ、チョークバルブまたは遮断バルブである、請求項１から８までのいずれか一項に記載のバルブ。
10. 添付図面を参照して明細書で記載された、および／または添付図面に例示されるバルブ。
11. 請求項１から１０までのいずれか一項に記載の１または複数のバルブを有するパイプライン。

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