JP2019173871A - 弁のシール構造 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスケットの摩耗やガスケットの摩耗に起因するスラリーの漏れを抑制できる弁のシール構造を提供する。
【解決手段】流路２ｈを有する弁本体２と、弁本体２の流路２ｈ内に設けられたボール５と、弁本体２の流路２ｈ内に設けられ、流路２ｈの内面ｓとボール５との間をシールする環状メタルシート１０と、ガスケット４を介して環状メタルシート１０を弁本体２に固定するリテーナ３と、を備えた弁１おいて、環状メタルシート１０が、リテーナ３側に形成された環状の突起部１１を有している。環状メタルシート１０の環状の突起部１１によってリテーナ３と環状メタルシート１０との間の隙間を狭くできるので、隙間にスラリーなどが侵入することを抑制できる。したがって、スラリーなどによるガスケット４の摩耗を抑制できるので、ガスケット４の損傷に起因するスラリーの漏れを抑制することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、弁のシール構造に関する。さらに詳しくは、金属粒子またはセラミック粒子を含むスラリーを搬送する径路に使用される弁のシール構造に関する。

金属粒子またはセラミック粒子を含むスラリーを配管等によって搬送する場合には、配管の開閉をするための弁が設けられる。例えば、酸化鉱から硫酸等を用いてニッケルを回収するプロセス（高圧酸浸出（High Pressure Acid Leach）プロセス、以下では、ＨＰＡＬプロセスという）の工程では酸性のスラリー等が生成されるため、ＨＰＡＬプロセスでは、このスラリー等を中和する中和工程を複数有している。この中和工程では、中和剤として、一般的に石灰石、消石灰などが用いられており、これらの中和剤は液体に石灰石等を混合してスラリー化して使用される。

スラリー化された中和剤は配管等によって送液されるが、この配管等に弁を設けてこの弁の開閉を制御することによって、スラリーの流量を制御している。かかるスラリーの流量を制御する弁としては、バタフライ弁、グローブ弁、Ｖボール型コントロール弁などを挙げることができる（例えば特許文献１、２等）。

そして、上述したような中和剤のスラリーの流量制御には、耐摩耗性や流量特性などからＶボール型コントロール弁が広く用いられている（図３参照）。

特開２０１５−１１３９４６号公報 特開平７−５５０２５号

しかし、中和剤として石灰石スラリーを使用した場合、その流量制御にＶボール型コントロール弁を用いると、短時間でＶボール型コントロール弁を構成している部品を磨耗させ、石灰石スラリーが弁体外部へ噴出するという問題がある。

例えば、図３に示すような構造のＶボール型コントロール弁１００の場合、弁本体１０２とリテーナ１０３との間から石灰石スラリーが外へ漏れる問題がある。これは、弁本体１０２とリテーナ１０３との間が環状のメタルシート１１０とＰＴＦＥ系のガスケット１０４等でシールされている場合、リテーナ１０３とメタルシート１１０との間に侵入した石灰石スラリーによってガスケット１０４が局部的に著しく磨耗することでシール性が失われることが原因と考えられる。このようなガスケット１０４の磨耗は局部的にかつ常に同一部分に対して発生する。これはＶボール型コントロール弁１００内部では、石灰石スラリーの流れ方向が一定（図３では左から右）だからである。かかるガスケット１０４の摩耗に起因する石灰石スラリーの漏れを解決する方法が求められている。

本発明は上記事情に鑑み、ガスケットの摩耗やガスケットの摩耗に起因するスラリーの漏れを抑制できる弁のシール構造を提供することを目的とする。

第１発明の弁のシール構造は、流路を有する弁本体と、該弁本体の流路内に設けられた開口球殻形のボールと、前記弁本体の流路内に設けられ、該流路内面と前記ボールとの間をシールする環状メタルシートと、ガスケットを介して前記環状メタルシートを前記弁本体に固定するリテーナと、を備えた弁おいて、前記環状メタルシートが、前記リテーナ側に形成された環状の突起部を有している
ことを特徴とする。
第２発明の弁のシール構造は、第１発明において、前記環状メタルシートは、前記突起部の高さが、前記ガスケットの厚さと同じ長さになるように形成されていることを特徴とする。
第３発明の弁のシール構造は、第１または第２発明において、前記メタルシートの材質がＳＵＳ３１６であることを特徴とする。
第４発明の弁のシール構造は、第１または第２発明において、前記メタルシートの材質がハステロイであることを特徴とする。
第５発明の弁のシール構造は、第１、第２、第３または第４発明において、前記ガスケットの材質がＰＴＦＥであることを特徴とする。
第６発明の弁のシール構造は、第１、第２、第３または第４発明において、前記ガスケットの材質がＥＰＤＭであることを特徴とする。

第１発明によれば、環状メタルシートの環状の突起部によってリテーナと環状メタルシートとの間の隙間を狭くできるので、両者間の隙間にスラリーなどが侵入することを抑制できる。したがって、スラリーなどによるガスケットの摩耗を抑制できるので、ガスケットの損傷に起因するスラリーの漏れを抑制することができる。
第２発明によれば、隙間へのスラリーの侵入をより確実に防止できる。
第３、第４発明によれば、環状メタルシートの腐食を抑制できる。
第５、第６発明によれば、ガスケットによるシール性を高めることができ、耐食性も高めることができる。

（Ａ）は本実施形態の弁のシール構造を備えた弁１の概略断面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＸ部分の拡大図である。 環状メタルシール１０の概略説明図であって、（Ａ）は正面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＢ矢視図であり、（Ｃ）は（Ａ）のＣ-Ｃ線断面図である。 （Ａ）は従来のＶボール型コントロール弁１００の概略断面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＸ部分の拡大図である。

本実施形態の弁のシール構造は、液体やスラリー等を搬送する配管などに設けられる弁のシール構造であって、スラリー等の漏れを防止することができるシール構造である。

本実施形態の弁のシール構造が設けられる弁は、ボール弁であれば採用することができる。例えば、Ｖボール型コントロール弁や一般的なボール弁などのボール弁に採用することができる。

また、本実施形態の弁のシール構造が設けられた弁によって流量などが制御されるスラリー等もとくに限定されない。例えば、ＨＰＡＬプロセスの中和工程で使用される石灰石スラリーや鉱石粒子を水に懸濁させたスラリーなどを挙げることができる。

＜本実施形態の弁のシール構造を備えた弁１＞
以下、図面を用いて本実施形態の弁のシール構造を備えた弁１を説明する。
図１において符号２は、弁１の弁本体を示している。この弁本体２は、内部にスラリー等を流す流路２ｈを備えている。この流路２ｈには、略球形に形成された空間２ｓが設けられており、この空間２ｓにＶカットボール等の開口球殻形のボール５が収容されている。開口球殻形のボールとは、内部が中空な球体であって、一部が欠損して開口が形成されているボールのことである。

図１に示すように、弁本体２の一方の端部２ｐ（図１では左側の端部）にはリテーナ３が取り付けられている。このリテーナ３には、リテーナ３を弁本体２に取り付けた状態において弁本体２の流路２ｈと連通される流路３ｈが設けられている。なお、弁１では、このリテーナ３が設けられた側が、弁１にスラリーが供給される端部２ｐになり、逆側の端部（図１では右側の端部）がスラリーを排出する端部２ｑになる。

かかる構造であるので、弁１を配管に配置してボール５を回転させれば、流路２ｈを開閉したり流路２ｈの開度を調整したりすることによって、配管を流れるスラリーの流量を調整できる。

＜本実施形態の弁１のシール構造＞
図１に示すように、弁本体２の端部２ｐには段差２ｄが形成されている。この段差２ｄは、弁本体２の端部２ｐにリテーナ３を取り付けた際に、弁本体２の端部２ｐとリテーナ３との間に環状メタルシール１０を配置する溝（環状の溝）を形成するために設けられている。具体的には、空間２ｓを形成する弁本体２の壁面におけるリテーナ３側の端面ｅと、流路２ｈの円筒状の内面ｓと、によって、段差２ｄが形成されている。

この段差２ｄの部分には、弁本体２の端部２ｐとリテーナ３との間をシールするシール構造が設けられている。具体的には、図１に示すように、この段差２ｄに環状メタルシール１０が配置されており、リテーナ３の端面３ａと環状メタルシール１０との間および弁本体２の段差２ｄの端面ｅと環状メタルシール１０との間にそれぞれ環状のガスケット４が配置されている。つまり、環状メタルシール１０と２つの環状のガスケット４とによって、弁本体２の端部２ｐの段差２ｄとリテーナ３との間がシールされている。

この環状メタルシール１０は、その外径Ｄａ（図２（Ａ）参照）が流路２ｈの円筒状の内面ｓの内径Ｄ１（図１（Ｂ）参照）とほぼ同じ長さになるように形成されている。また、環状メタルシール１０は、その内径Ｄｂ（図２（Ａ）参照）がリテーナ３の流路３ｈの内径Ｄｒ（図１（Ａ）参照）と同等または若干大きく、しかも、弁本体２の空間２ｓのリテーナ３側の開口の内径Ｄ２（図１（Ｂ）参照）よりも小さくなるように形成されている。

しかも、環状メタルシール１０は、その弁本体２の空間２ｓ側に、この空間２ｓを囲むように、接触面１０ｓが形成されている。この接触面１０ｓは、環状メタルシール１０の表面１０ａ（図２（Ｂ）、（Ｃ）参照）に対して傾斜した傾斜面や、円弧状の面に形成されている。しかも、この接触面１０ｓは、環状メタルシール１０を段差２ｄに取り付けた状態で、ボール５の外面と略接触するように形成されている。

例えば、接触面１０ｓが円弧状の場合には、環状メタルシール１０を段差２ｄに取り付けた状態で、弁本体２の空間２ｓにボール５が配置された状態におけるボール５の中心と接触面１０ｓの曲率中心が一致し、かつ、ボール５の外径（直径）と接触面１０ｓの曲率半径が同じ長さになるように設けられている。

なお、接触面１０ｓが「ボール５と略接触する」とは、接触面１０ｓとボール５とが接触する状況だけでなく、接触面１０ｓとボール５との間に流体が入る程度の小さな隙間がある場合も含んでいる（図１（Ｂ）参照）。つまり、接触面１０ｓが円弧状の場合には、環状メタルシール１０を段差２ｄに取り付けた状態で、本体２の空間２ｓにボール５が配置された状態における中心と接触面１０ｓの曲率中心とが若干ずれている場合や、ボール５の外径よりも接触面１０ｓの曲率半径が若干長くなる場合も、接触面１０ｓが「ボール５と略接触する」に含まれている。なお、接触面１０ｓとボール５との間に上記のような隙間があれば、この隙間に流体が入るとボール５と環状メタルシール１０との間を潤滑することが可能となる。

そして、環状メタルシール１０は、そのリテーナ３側の表面に突起部１１が設けられている。この突起部１１は、環状メタルシール１０の表面１０ｂに沿って環状に形成されている（図２）。この突起部１１は、その断面が略四角形に形成されている。つまり、突起部１１は、リテーナ３側の表面１１ｓが環状メタルシール１０の表面１０ａ，１０ｂと平行な平坦面に形成されている。言い換えれば、リテーナ３側の表面１１ｓは、環状メタルシール１０を段差２ｄに取り付けた状態で、リテーナ３の端面３ａと平行になるように設けられている。

以上のような構造を有しているので、環状メタルシール１０を段差２ｄに取り付ければ、環状メタルシート１０の環状の突起部１１によってリテーナ３と環状メタルシート１０との間の隙間を狭くできる。すると、この隙間にスラリーなどが侵入することを抑制できるので、スラリーなどがガスケット４に接触することを防止できる。したがって、スラリーなどによるガスケット４の摩耗を抑制できるので、ガスケット４の損傷に起因するスラリーの漏れを抑制することができる。

また、環状メタルシート１０の突起部１１が摩耗するまではガスケット４が損傷することを抑制できる。すると、ガスケット４を交換するまでの期間を長くできるので、メンテナンス費用などを削減できる。そして、弁１の補修のために設備を停止する回数を少なくできるので、設備の稼働効率を向上させることができる。

＜環状メタルシート１０について＞
環状メタルシート１０の突起部１１の高さＨ（図２（Ｃ）参照）は、弁１を使用するスラリーを構成する素材（粉体や液体）や濃度、固形物の粒径、液体の粘度等に合わせて適宜設定すればよい。突起部１１とリテーナ３との間にスラリーが入りにくい状態となるようになっていればよい。

とくに、突起部１１の高さＨがガスケット４の厚さと同じであれば、リテーナ３と突起部１１とが接触するので、リテーナ３との間にスラリーが入ることを防止しやすくなる。また、リテーナ３を弁本体２に固定する際にガスケット４が若干変形する場合には、ガスケット４がシール性を発揮する程度に変形した状態でリテーナ３と突起部１１とが接触するように、突起部１１の高さＨを調整することが望ましい。

なお、リテーナ３と突起部１１との間には若干の隙間ができるようになっていてもよい。この場合、スラリーに含まれる固形物の粒径より隙間が小さければ、固形物の隙間への流入を効果的に抑制できる。

また、リテーナ３が、突起部１１とガスケット４との間に位置する張り出した部分を有していてもよい。例えば、図１（Ｂ）における３ｐのような環状の突起を有していてもよい。この場合は、リテーナ３と環状メタルシート１０との間にクランク状の流路が形成されるので、スラリーがガスケット４まで流入するには流動方向の転換が必要となる。すると、リテーナ３と突起部１１との間の隙間にスラリーが流入することを抑制しやすくなるし、固形物のように慣性の大きな物質が隙間に侵入することを防止しやすくなる。また、リテーナ３と突起部１１との間に若干の隙間ができる場合、その隙間の幅は、スラリーを平らな机にこぼした際におけるスラリーの高さ以下とすることが望ましい。このスラリーの高さは液体成分の表面張力や固体成分の粒径によって決まるため、リテーナ３と突起部１１との間に形成する隙間の幅も送液するスラリーに応じて決定すればよい。例えば、一般的なスラリーの搬送に使用するのであれば、リテーナ３と突起部１１との間の隙間の幅は、０．１μｍ〜２ｍｍ程度の範囲内へ調節することが望ましい。もちろんこの隙間の幅は、上記値に限定されるわけではなく、上述したようなスラリーを構成する素材（粉体や液体）や濃度によって適切に設定すればよいし、コントロール弁の大きさ等によっても適切に設定すればよい。

突起部１１の断面形状もとくに限定されない。上記のように、四角形状でもよいし、台形状や三角形状、半楕円形状等でもよい。ただし、四角形状や台形状等のように、リテーナ３側の表面が平坦面になっていれば、リテーナ３と突起部１１が接触した際にシール性を高くできる。また、リテーナ３と突起部１１が接触しない場合でも、両者間の隙間をスラリーが通過する際の抵抗を大きくできるので、リテーナ３と突起部１１との間の隙間からスラリーが漏れにくくなる。一方、三角形状、半楕円形状等のように、リテーナ３側ほど断面が小さくなるように形成されていれば、突起部１１の先端が変形することにより、突起部１１の高さが隙間の幅よりも若干大きくても段差２ｄ内に収めることができる。

環状メタルシート１０の素材はスラリーによる摩耗が生じにくく耐食性の高いものであればよく、とくに限定されない。例えば、ＳＵＳ３１６（ＳＵＳ３１６Ｌを含む）や、登録商標ハステロイ（クロムやモリブデンなど様々な合金成分を添加することにより耐食性および耐熱性を高めた、ニッケルを主体とするニッケル合金）、チタン等を環状メタルシート１０の素材として使用できる。とくに、ＳＵＳ３１６やハステロイは、耐摩耗性や耐食性が高く入手が容易である等の特徴を有しているので、スラリーによる環状メタルシート１０の摩耗を抑制できる。

＜ガスケット４＞
ガスケット４の素材は、ガスケット４のシール性を高くできるものであればよく、とくに限定されない。例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）やエチレン・プロピレン・ジエチレン（ＥＰＤＭ）、その他の合成樹脂、天然ゴム等をガスケット４の素材として使用できる。とくに、ＰＴＦＥやＥＰＤＭを使用すれば、ガスケット４のシール性を高く維持しつつ、耐食性も高くできる。しかも、入手が容易である等の特徴を有しているので好ましい。

本発明の弁のシール構造は、金属粒子またはセラミック粒子を含むスラリーを搬送する径路に使用されるＶ型ボール弁等のシール構造として適しており、一般的なボール弁にも適用可能である。

１ 弁
２ 弁本体
２ｈ 流路
３ リテーナ
４ ガスケット
５ ボール
１０ 環状メタルシート
１１ 突起部

Claims (6)

1. 流路を有する弁本体と、
   該弁本体の流路内に設けられた開口球殻形のボールと、
   前記弁本体の流路内に設けられ、該流路内面と前記ボールとの間をシールする環状メタルシートと、
   ガスケットを介して前記環状メタルシートを前記弁本体に固定するリテーナと、を備えた弁おいて、
   前記環状メタルシートが、
   前記リテーナ側に形成された環状の突起部を有している
   ことを特徴とする弁のシール構造
2. 前記環状メタルシートは、
   前記突起部の高さが、前記ガスケットの厚さと同じ長さになるように形成されている
   ことを特徴とする請求項１記載の弁のシール構造。
3. 前記メタルシートの材質がＳＵＳ３１６である
   ことを特徴とする請求項１または２記載の弁のシール構造。
4. 前記メタルシートの材質がハステロイである
   ことを特徴とする請求項１または２記載の弁のシール構造。
5. 前記ガスケットの材質がＰＴＦＥである
   ことを特徴とする請求項１、２、３または４記載の弁のシール構造。
6. 前記ガスケットの材質がＥＰＤＭである
   ことを特徴とする請求項１、２、３または４記載の弁のシール構造。

Images