JP2023035020A - 弁装置 - Google Patents

Abstract

【課題】弁装置における弁板の冷却性能をさらに高める。【解決手段】流体供給路１０に設けられるハウジングＨと、ハウジングＨ内に設けられ流体供給路１０を開閉する弁体２０と、弁体２０内に設けられハウジングＨ外から供給される冷媒が流通する冷媒用通路３２と、ハウジングＨ外から供給される冷却用気体を閉弁状態の弁体２０の周縁部が当接する弁座４５に設けた第一の開口４４を通じてハウジングＨ内に供給する第一冷却用気体供給部４０と、ハウジングＨ外から供給される冷却用気体を閉弁状態又は開弁状態の弁体２０に間隙をもって対向する第二の開口５２を通じてハウジングＨ内に供給する第二冷却用気体供給部５０とを備える弁装置とした。【選択図】図１

Description

この発明は、高温の流体供給路に設けられる弁装置に関するものである。

高温の流体供給路に設けられる弁装置として、例えば、特許文献１に記載されたものがある。この弁装置は、冷却構造を有する仕切弁であり、弁箱とその上部に設けられたボンネット（特許文献１ではキャップ部と表記）からなるハウジングの内部に、流路を開閉する弁体が昇降自在に取り付けられている。ボンネットは、開弁位置における弁体の収容スペースとなっている。

弁体は、鋼板製の２枚の円板状の弁板が、その中心から外周縁にわたって冷却水流路を形成する一対の渦巻き状のプレートによって連結されている。この連結された弁板の外周縁に、環状のシートリングが溶接により取り付けられている。

シートリングの周壁には、冷却水流路に供給される冷却水の給水口および排水口が設けられ、この給水口および排水口に中空構造の一対の弁棒が並行して接続されている。弁棒上部には、冷却水の入口及び出口がそれぞれ設けられている。冷却水は、入口から供給されて弁棒の内部を通過して、給水口からシートリング内部の渦巻き状の冷却水流路に入り、弁体の中心部を経て排水口から弁棒の内部を通過して、出口から排出される。これにより、弁体全体が一様に冷却されるようになっている。

また、特許文献２に記載された弁装置も公知である。この弁装置は、高炉へ通じる熱風管路を開閉するものであり、弁箱とボンネットとからなるハウジングの内部に昇降自在の弁板を備え、その弁板が接離する密封弁座に隣接して、環状の空気冷却通路を備えている。空気冷却通路は冷却空気源と接続されている。冷却空気源から供給される冷却用空気は、空気冷却通路を経て、密封弁座の密封面に開口する冷却間隙からハウジング内部空間へ供給される。

閉弁状態において、密封弁座の冷却間隙は弁板により閉じられている。このため、ハウジング内部空間への冷却空気の流入が中断され、密封弁座の冷却を行うことができるとされている（特許文献２の第２頁左下第１行目～第８行目参照）。なお、閉弁状態では、弁体が熱流体を遮蔽するため、密封弁座の冷却の必要性は比較的低いと考えられる。一方、開弁状態において、弁板が弁箱上部に設けられたボンネットに引き上げられるので、冷却空気が冷却間隙からハウジング内部空間に流入する。これにより、密封弁座のみならずハウジング内部空間も冷却されるとされている（特許文献２の第２頁右上第１５行目～左下第１行目参照）。

特開２００３－２６２２８６号公報 特開昭６０－１３２１９１号公報

特許文献２の弁装置では、開弁状態では、弁体（弁板）が密封弁座から離脱しているので、冷却間隙が開放されて冷却空気はハウジング内に流入する。このとき、弁体は弁箱上部に設けたボンネット（覆い）の内部に引き上げられているので、冷却間隙から噴出する冷却空気は、弁体に対して直接当てられることはない。

しかし、熱風管路で扱われる流体の種別や施設の仕様によっては、弁体に対する冷却効果をさらに高めたいという要請がある。このため、閉弁状態、開弁状態のそれぞれにおいて、弁体をさらに効率的に冷却することが求められる。

そこで、この発明の課題は、高温の流体供給路に設けられる弁装置において、弁体の冷却性能をさらに高めることである。

上記の課題を解決するために、この発明は、流体供給路に設けられるハウジングと、前記ハウジング内に設けられ前記流体供給路を開閉する弁体と、前記弁体内に設けられ前記ハウジング外から供給される冷媒が流通する冷媒用通路と、前記ハウジング外から供給される冷却用気体を閉弁状態の前記弁体の周縁部が当接する弁座に設けた第一の開口を通じて前記ハウジング内に供給する第一冷却用気体供給部と、前記ハウジング外から供給される冷却用気体を閉弁状態又は開弁状態の前記弁体に間隙をもって対向する第二の開口を通じて前記ハウジング内に供給する第二冷却用気体供給部と、を備える弁装置を採用した。

ここで、前記弁体は弁棒によって支持され前記弁棒が軸方向に沿って一方側へ移動することで閉弁し他方側へ移動することで開弁するものであり、前記第二の開口は、閉弁状態における前記弁体の前記他方側の端部に間隙をもって対向する弁箱側開口と、開弁状態における前記弁体の前記他方側の端部に間隙をもって対向するボンネット側開口とを備える構成を採用することができる。

また、前記第二冷却用気体供給部は、前記第二の開口の断面積よりも大きい断面を有するチャンバを前記第二の開口に隣接して備える構成を採用することができる。

また、前記第一冷却用気体供給部と前記第二冷却用気体供給部とは共通の気体供給源から前記冷却用気体が供給されている構成を採用することができる。

これらの各態様において、前記第二の開口は、前記弁体に対して前記流体供給路の下流側に配置される構成を採用することができる。

前記弁体内に、高温部で吸収した熱を前記高温部よりも温度が低い低温部へ伝達する機能を有するヒートパイプを備え、閉弁状態の前記弁体における前記ヒートパイプの低温部は前記第二の開口に対向している構成を採用することができる。

また、前記弁体内に、高温部で吸収した熱を前記高温部よりも温度が低い低温部へ伝達する機能を有するヒートパイプを備え、開弁状態の前記弁体における前記ヒートパイプの低温部は前記第二の開口に対向又は前記ハウジング外に露出している構成を採用することができる。

この発明は、高温の流体供給路に設けられる弁装置において、弁体の冷却性能をさらに高めることができる。

この発明の一実施形態を示す要部拡大縦断面図 同実施形態を示す正面図 図２の右側面図（ただし、弁体は開弁状態を示す） 弁体とチャンバとの位置関係を示す模式図 閉弁状態における作用を示す模式図 開弁状態における作用を示す模式図 変形例を示す模式図

この発明の実施形態を、図１～図７に基づいて説明する。この実施形態では、高炉へ通じる熱流体供給用の管路１０（以下、流体供給路１０と称する。）に設けられる弁装置１を例に、この発明の構成を説明する。

弁装置１の構成は、流体供給路１０の途中に弁箱２が設けられ、その弁箱２内に進退自在の弁体２０を備えた仕切弁形式である。弁体２０が弁箱２内で進退することで、流体供給路１０が開閉される。弁箱２内の弁体２０の上流側に、弁体２０の周縁部に設けた弁体弁座部３４に接離する弁箱弁座４５が設けられている。弁箱弁座４５は、弁体２０の上流側にのみに設けられている。弁体側の弁体弁座部３４、及び、弁箱側の弁箱弁座４５（以下、単に弁座４５と称する）はそれぞれ環状に設けられ、閉弁状態で全周に亘って互いに当接する。

弁体２０の周縁部には、ガイドリング７に接離する弁体リング２７が設けられている。ガイドリング７及び弁体リング２７はそれぞれ環状に設けられている。ガイドリング７及び弁体リング２７はそれぞれ弁体弁座部３４や弁座４５と同様に金属製であり、閉弁状態で金属同士が擦接するメタルタッチ構造となっている。

弁体２０の周縁部は、閉弁状態で相対的に圧力が高い下流側からの力を受けて弁座４５に押し付けられる。このため、上流側にのみ弁座４５を設けた片側弁座形式を採用することができる。また、弁体２０が開閉動作する際に、弁体２０の弁座４５を設けていない下流側の面では、ガイドリング７と弁体リング２７とが擦接するので、後述の耐火物１４，２２が弁体２０の動作を支障しないようになっている。

弁箱２内の流体供給路１０の内面は、弁体２０が進入する空間を除き、高熱に耐え得るとともに保温性能を有する素材からなる耐火物１３，１４で覆われている。弁体２０に対して上流側の流路１１の内面には耐火物１３が、下流側の流路１２の内面には耐火物１４が配置されている。上流側の流路１１と下流側の流路１２との間には、弁体２０が進入する凹部８が設けられている。凹部８の内面は同様の耐火物１５で覆われている。図１～図３に示す符号９はドレンであり、図２及び図３に示す符号４６はドレン弁である。

弁箱２は、その上部に流体供給路１０を構成する筒状体の外面よりも外側へ突出する中空の取付部３を備えている。さらに、取付部３の上部には、フランジ３ａ，４ａを介して蓋部材４が取り付けられている。この弁箱２（取付部３を含む）と蓋部材４とでハウジングＨを構成している。また、取付部３及び蓋部材４の内部は、開弁状態の弁体２０を収容するボンネット５として機能し、その取付部３や蓋部材４の内面も、流体供給路１０内と同様の耐火物１６で覆われている。以下、弁箱２と蓋部材４とを合わせてハウジングＨと称する。

弁体２０には弁棒６が取り付けられている。弁棒６は、ボンネット５内を上方へ延びて、ハウジングＨ外に引き出されている。弁棒６は駆動装置により駆動されてその弁棒６の軸方向へ進退し、弁棒６とともに弁体２０が同方向へ進退するようになっている。すなわち、弁体２０は、弁棒６がその弁棒６の軸方向に沿って一方側へ移動（下降）することで閉弁し、その弁棒６の軸方向に沿って他方側へ移動（上昇）することで開弁する。

弁体２０内には、ハウジングＨ外から供給される冷媒が流通する冷媒用通路３２が設けられている。弁体２０は、図１に示すように、厚さ方向中央部に配置された冷媒用通路３２を挟む表裏２枚の金属製（鋼製）の弁板２４，２５を備えている。下流側の弁板２５の外側にはヒートパイプ２３が配置され、さらにその外側は耐火物２２で覆われている。また、上流側の弁板２４の外側も耐火物２１で覆われている。弁体２０の外周縁には環状のシートリングが取り付けられて弁体弁座３４を構成している。シートリングの外周も、凹部８に向く側は耐火物２８で覆われている。

図１に示すように、弁板２４，２５及びシートリングに挟まれた円盤状の空間内に、図２に示すように、一対の渦巻き状のプレートが配置されている。その渦巻き状のプレートが、弁板２４，２５の外周縁に設けた供給口から中心へ向かい、その後、中心から外周縁に設けた排出口に至る１本の冷媒用通路３２を形成している。

供給口及び排出口には、２本の弁棒６内にそれぞれ設けられた対の冷媒通路３１がそれぞれ接続されている。対の冷媒通路３１は、図示しない冷媒供給源に通じている。冷媒供給源から供給された冷媒は、一方の弁棒６内部の冷媒通路３１を通じて供給口から冷媒用通路３２へ入り、弁体２０の中心部を通った後、排出口から他方の弁棒６内部の冷媒通路３１を通じて冷媒供給源へ戻る冷媒供給部３０を構成している。この冷媒供給部３０により、弁体２０が冷却されるようになっている。この実施形態では、冷媒供給部３０で扱う冷媒として空気を採用しているが、空気以外の他の気体からなる冷媒、あるいは液体からなる冷媒であってもよい。

また、弁装置１は、弁箱２及びボンネット５の外部、すなわちハウジングＨ外に設けた気体供給源５４から供給される冷却用気体を、弁座４５に設けられた第一の開口（冷却間隙）４４を通じて弁箱２内に供給する第一冷却用気体供給部４０を備えている。第一冷却用気体供給部４０は、図１～図３に示すように、気体供給源５４に連通路５３を介して接続されるとともに流体供給路１０を囲む弁箱外環状通路４１と、弁座４５内に形成された弁箱内環状通路（弁体用空冷循環環状管）４３と、弁箱外環状通路４１と弁箱内環状通路４３とを結ぶ放射状に延びる複数本の連結通路４２とを備えている。弁座４５は中空の環状部材からなり、その内部が冷却用気体の通路となっている。

このように、第一の開口４４を有する第一冷却用気体供給部４０を備えたことにより、第一の開口４４を有さない単なる循環式の冷却装置と比較して、弁座４５の金属面を効率的に冷却することができる。

弁箱外環状通路４１及び弁箱内環状通路４３は、いずれもハウジングＨの上流側に位置しており、この上流側の位置は閉弁状態において弁座４５によって熱風が遮断されている。このため、高温・高圧である下流側からの熱影響が低減されている。なお、この実施形態では、冷却用気体として空気を採用しているが、空気以外の他の気体であってもよい。

さらに、弁装置１は、ハウジングＨ外から供給される冷却用気体を、ハウジングＨに設けた第二の開口（冷却間隙）５２を通じてハウジングＨ内に供給する第二冷却用気体供給部５０を備えている。第二冷却用気体供給部５０は、図２及び図３に示すように、気体供給源５４に連通路５３を介して接続されたチャンバ（空気溜まり）５１を備えている。チャンバ５１は、中空の部材からなり、その内部は、ハウジングＨ内の空間に通じる第二の開口５２の断面積よりも大きい断面を有する冷却用気体の溜まり部となっている。この実施形態では、ハウジングＨ内において、弁体２０の開閉方向に沿って２箇所のチャンバ５１を備えている。ここで、弁棒６の軸方向に沿って一方側（この実施形態では下側）のチャンバ５１を弁箱側チャンバ５１ａと称し、弁棒６の軸方向に沿って他方側（この実施形態では上側）のチャンバ５１をボンネット側チャンバ５１ｂと称する。また、弁箱側チャンバ５１ａの第二の開口５２を弁箱側開口５２ａと称し、ボンネット側チャンバ５１ｂの第二の開口５２をボンネット側開口５２ｂと称する。

図１に示す閉弁状態において、弁箱側開口５２ａは弁体２０の他方側の端部（周縁部）に間隙をもって対向する。閉弁状態では弁体２０は熱流体から受ける熱によって特に高温となるが、その際、弁体２０の上部は流体供給路１０外の取付部３内に入り込んでいるので、その取付部３内に入り込んだ部分を弁箱側開口５２ａから放出される冷却用空気で冷却することができる。この閉弁状態では、ボンネット側開口５２ｂは弁体２０に対向していないので、ボンネット側開口５２ｂからの冷却用空気の放出は、弁体２０の冷却にはあまり影響しない。このため、ボンネット側チャンバ５１ｂへ通じる連通路５３等に開閉弁を設けることで、閉弁状態においてボンネット側開口５２ｂからの冷却用空気の放出を停止してもよい。

また、図７に示す開弁状態において、ボンネット側開口５２ｂは弁体２０の他方側の端部（周縁部）に間隙をもって対向する。これにより、弁体２０の流体供給路１０から遠い側の端部を、ボンネット側開口５２bから放出される冷却用空気で冷却することができる。なお、弁箱側チャンバ５１aへ通じる連通路５３等に開閉弁を設けることで、開弁状態において弁箱側開口５２aからの冷却用空気の放出を停止してもよい。

弁箱側開口５２ａ、ボンネット側開口５２ｂのいずれも、弁体２０に対して流体供給路１０の下流側に配置されているので、弁体２０の表裏両面のうち相対的に下流側が高温側である環境下において、より高い冷却効果が期待できる。

上記の実施形態では、第一冷却用気体供給部４０と第二冷却用気体供給部５０とは共通の気体供給源５４から冷却用気体が供給される構成としたが、これを別々の気体供給源から供給されるようにしてもよい。

さらに、この実施形態では、弁体２０内に、高温部で吸収した熱を高温部よりも温度が低い低温部へ伝達する機能を有するヒートパイプ２３を備えている。ヒートパイプ２３の配置場所の例を図４に示している。

一般に、ヒートパイプとは、密閉された容器内に作動液を密封し、その容器内に毛細管構造を備えたものである。容器の一部が加熱されて高温部が発生すると、その高温部で作動液が熱を吸収して蒸発する。蒸気は、同じ容器内の低温部に向かって移動し、低温部では蒸気が凝縮して熱が放出される。凝縮した作動液は毛細管現象で高温部に戻っていく。この繰り返しによって、高温部から低温部への熱移動が行われる。

閉弁状態では、弁体２０のうち流体供給路１０内に入り込んでいる部分がヒートパイプ２３の高温部に相当する。それに対して、弁体２０の上部、すなわち、流体供給路１０外の取付部３内に入り込んでいる部分は、熱流体からの熱影響が少ないので高温部よりも相対的に温度が低いヒートパイプ２３の低温部に相当する。このため、図５に示すように、ヒートパイプ２３は、流体供給路１０内の高温部（下部２３ａ）からボンネット５内の低温部（上部２３ｂ）へ向かって、矢印ａの方向に熱移動を行う。これにより、弁体２０の冷却が行われる。ボンネット５内で冷却が行われることから、流体供給路１０内の熱流体の温度に影響を及ぼさない。

また、この閉弁状態において、ヒートパイプ２３の低温部（上部２３ｂ）は弁箱側開口５２ａに対向している。このため、高温部（下部２３ａ）から低温部（上部２３ｂ）に向かって移動してきた熱は、弁箱側開口５２ａから放出される冷却用空気（矢印ｂ参照）によって速やかに冷却される。これにより、低温部は、高温部から移動してくる熱を継続して放出させることができる。このとき、ボンネット側開口５２ｂからの冷却用空気の放出は停止してもよい。

また、開弁状態では、弁体２０内のヒートパイプ２３は、その全体が流体供給路１０外である取付部３及びボンネット５内に収容された状態である。この場合も、弁体２０のうち流体供給路１０に近い側である下部２３ａが高温部に相当する。それに対して、弁体２０の上部２３ｂは、流体供給路１０の熱流体から遠いので高温部よりも相対的に温度が低い低温部に相当する。このため、図６に示すように、ヒートパイプ２３は、弁体２０の下部２３ａから上部２３ｂへ向かって、矢印ａの方向に熱移動を行う。

また、この開弁状態において、ヒートパイプ２３の低温部（上部２３ｂ）は、ボンネット側開口５２ｂに対向している。このため、高温部（下部２３ａ）から低温部（上部２３ｂ）に向かって移動してきた熱は、ボンネット側開口５２ｂから放出される冷却用空気（矢印ｃ参照）によって速やかに冷却される。これにより、低温部は、高温部から移動してくる熱を継続して放出させることができる。このとき、弁箱側開口５２ａからの冷却用空気の放出は停止してもよい。

図７にこの実施形態の変形例を示す。この例では、開弁状態において、弁体２０内のヒートパイプ２３の上端は、ボンネット５の上部に設けた貫通孔を通じて、ボンネット５外の大気に露出している。このため、弁体２０のうち流体供給路１０に近い側である下部２３ａが高温部に相当するとともに、弁体２０の上部２３ｂは、矢印ｄで示す位置において大気で冷却されて、高温部よりも相対的に温度が低い低温部に相当する。このため、高温部と低温部との温度差を大きく確保できるので、より冷却効果が高いといえる。このとき、ボンネット側開口５２ｂ及びボンネット側チャンバ５１ｂは、その設置を省略してもよい。また、弁体２０が閉弁状態に移行した際にも、ボンネット５内の空間が大気に連通しないように、貫通孔を塞いでいることが望ましい。

なお、ヒートパイプ２３の設置は任意であるので、冷媒供給部３０、第一冷却用気体供給部４０及び第二冷却用気体供給部５０による弁体２０の冷却機能が充分である場合は、その設置を省略することもできる。

この発明の弁装置１は、高温の熱流体を扱う各種の流体供給路１０において適用できる。例えば、高炉に熱風を供給する熱風炉と、その熱源であるバーナとの間を結ぶ流体供給路１０に設けられるバーナ遮断弁の他、熱風炉と高炉との間を結ぶ流体供給路１０に設けられる熱風弁においても、この発明の弁装置１を適用できる。

１ 弁装置
２ 弁箱
５ ボンネット
１０ 流体供給路（熱風管路）
２０ 弁体
２３ ヒートパイプ
３０ 冷媒供給部
３２ 冷媒用通路
４０ 第一冷却用気体供給部
４４ 第一の開口
４５ 弁箱弁座（弁座）
５０ 第二冷却用気体供給部
５２ 第二の開口
５４ 気体供給源

Claims (7)

1. 流体供給路（１０）に設けられるハウジング（Ｈ）と、
   前記ハウジング（Ｈ）内に設けられ前記流体供給路（１０）を開閉する弁体（２０）と、
   前記弁体（２０）内に設けられ前記ハウジング（Ｈ）外から供給される冷媒が流通する冷媒用通路（３２）と、
   前記ハウジング（Ｈ）外から供給される冷却用気体を閉弁状態の前記弁体（２０）の周縁部が当接する弁座（４５）に設けた第一の開口（４４）を通じて前記ハウジング（Ｈ）内に供給する第一冷却用気体供給部（４０）と、
   前記ハウジング（Ｈ）外から供給される冷却用気体を閉弁状態又は開弁状態の前記弁体（２０）に間隙をもって対向する第二の開口（５２）を通じて前記ハウジング（Ｈ）内に供給する第二冷却用気体供給部（５０）と、を備える弁装置。
2. 前記弁体（２０）は弁棒（６）によって支持され前記弁棒（６）が軸方向に沿って一方側へ移動することで閉弁し他方側へ移動することで開弁するものであり、
   前記第二の開口（５２）は、閉弁状態における前記弁体（２０）の前記他方側の端部に間隙をもって対向する弁箱側開口（５２ａ）と、開弁状態における前記弁体（２０）の前記他方側の端部に間隙をもって対向するボンネット側開口（５２ｂ）とを備える請求項１に記載の弁装置。
3. 前記第二冷却用気体供給部（５０）は、前記第二の開口（５２）の断面積よりも大きい断面を有するチャンバ（５１）を前記第二の開口（５２）に隣接して備える請求項１又は２に記載の弁装置。
4. 前記第一冷却用気体供給部（４０）と前記第二冷却用気体供給部（５０）とは共通の気体供給源（５４）から前記冷却用気体が供給されている請求項１から３のいずれか一つに記載の弁装置。
5. 前記第二の開口（５２）は、前記弁体（２０）に対して前記流体供給路（１０）の下流側に配置される請求項１から４のいずれか一つに記載の弁装置。
6. 前記弁体（２０）内に、高温部で吸収した熱を前記高温部よりも温度が低い低温部へ伝達する機能を有するヒートパイプ（２３）を備え、
   閉弁状態の前記弁体（２０）における前記ヒートパイプ（２３）の低温部は前記第二の開口（５２）に対向している請求項１から５のいずれか一つに記載の弁装置。
7. 前記弁体（２０）内に、高温部で吸収した熱を前記高温部よりも温度が低い低温部へ伝達する機能を有するヒートパイプ（２３）を備え、
   開弁状態の前記弁体（２０）における前記ヒートパイプ（２３）の低温部は前記第二の開口（５２）に対向又は前記ハウジング（Ｈ）外に露出している請求項１から５のいずれか一つに記載の弁装置。

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