JP2514658B2 - ボ−ル弁の高強度弁座組立体 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は弁の技術に関し、更に詳細にはボール弁に関
する。

本発明は、いわゆる「浮動ボール」を持つ種類のボー
ル弁用の新規且つ改良された弁座組立体に特に適し、特
にこれに関して説明する。しかしながら、本発明はより
広範に適用でき、他の環境で有利に使用することができ
るということが理解されよう。

従来技術 本願に参考として組込んだ、共通に譲渡された米国特
許第3,894,718号及び第4,410,165号に開示された先行技
術のボール弁構造は弾性弁座リング構造を有し、この構
造は弁座リングを押圧してボール部材に密封接触させる
ディスクばねを使用している。ボール部材は、弁の閉止
位置において流体圧力状態にあるとき、自由に又は軸線
方向に僅かに移動可能に取付けられている。ボール部材
の移動は下流の弁座リングとの係合を高める。

本発明が解決しようとする問題点 代表的には、これらの弁構造は低い流体圧力状態及び
中間の流体圧力状態では完全に満足すべきものである。
しかしながら、流体圧力がより上昇した場合、特に高温
で研摩性媒体では、弾性弁座リング組立体は効果的でな
いことがわかった。その代わりとして、高い流体圧力で
の適用は、一般に種々の構造の金属弁座を使用すること
を必要とする。先行技術の金属弁座の設計で遭遇した或
る作動上の問題は弁座リングとボール弁部材の合せ研摩
によってある程度改善された。他の改善設計では弁座リ
ング組立体の残りの部分の劣化を防ぐため、弁座リング
の密封面に硬質の被覆が施されている。

これらの先行技術の装置は或る程度成功を収めたが、
これらは高い流体圧力状態で厳密な公差及び適切な密封
を維持するためには特別な製造条件を必ず求められる。
特に、合せ研摩と、硬質被覆をつけることの両方は、特
に、これに由来する相対的な利点の観点から見ると弁に
著しい費用を付加することになる。

他の先行技術の構造では、金属弁座リングが、本体の
中央通路に形成された端ぐりと端部材との間に捉えら
れ、これによって、弁座リング組立体にボール部材と接
触関係で保持係合する。この形式の構造では、弁座リン
グは弁室内での移動程度が制限され、これは弁座リング
組立体の、ボール部材の外周面と一致する能力を制限す
る。弁を組立てる際、又はボール部材の自由運動又は軸
線方向移動の際、弁座リング組立体がボール部材との高
い密封係合を得るために撓むことがでないため、極端な
流体圧力状態下で密封能力を制限する。

従って、高い流体温度状態及び高い流体圧力状態で弁
座リングのよりよい撓みと密封を容易にする高強度材料
からつくられた新規且つ改良された弁座組立体を開発す
ることが望ましいと考えられた。

本発明は、当該技術分野の現状に価値ある進歩を与え
るための効率的かつ経済的な仕方でこれらの及びその他
の要求を満たすものと思われる。

発明の概要 本発明によれば、高強度材料で構成され、高い流体温
度及び高い流体圧力の用途で用いられるボール弁に特に
使用するのに適した弁座組立体を有利に提供する。この
弁座組立体は経済的に製造でき、極めて高い圧力状態下
で高い密封を有する。

本発明の別の特徴によれば、弁室のほぼ両側部と作動
的に連通する流体流通路を持つ弁本体を有するボール弁
を提供する。ボール部材は弁の開放位置と閉止位置との
間で選択的に回転するように弁室に配置される。弁座組
立体は、外側周囲リム部分と、ここから半径方向内方に
延びるほぼ截頭円錐形の部分とを有する環状弁座部材を
有する。截頭円錐形部分は、弁座組立体が弁室内で所定
位置にあるときボール部材との環状帯接触を行う形態を
有する。更に、環状弾性リングすなわち環状弾性部材が
リム部分の外側と密封係合して弁室内に受入れられる。

本体の別の特徴によれば、環状支持リングすなわち環
状支持部材がリム部分の半径方向内面に沿って配置され
ている。

本発明の他の特徴によれば、環状支持部材は、弁の第
１圧力状態において截頭円錐形部分から所定の距離間隔
を隔てられており、第２の極めて高い圧力状態におい
て、変形した截頭円錐形部分を係合支持する。

本発明の更に別の特徴によれば、截頭円錐形部分の最
っとも内側の半径方向自由縁は、ボール部材に望ましく
ない傷がつかないように弧状の形態を有する。

本発明の更に詳細な特徴によれば、弁座部材は金属構
造のものである。

本発明の主な利点は、高強度材料から経済的につくら
れ、特に高い流体圧力の用途で使用するのに適する弁の
弁座組立体を提供することである。

本発明の他の利点は、簡単な弁座組立体構造を提供す
ることによって実現される。

本発明の別の利点は、弁の組立て時に、弁座部材がト
ロイド状に変形するように、限られた運動を行うような
弁座部材の半径方向の捕捉ことにある。

本発明の更に別の利点は、弁座部材が極めて高い圧力
状態の下でトロイド状に変形して密封性を高めることに
ある。

本発明の他の利点は、以下の詳細な説明を読み且つ理
解することによって当業者に明らかになる。

実施例 本発明は、特定の部品及び部品の配列において物理的
な形態をとることができ、本発明の好ましい実施例を本
明細書中に詳細に説明し、本明細書の一部をなす添付図
面に図示する。

添付図面を参照すると、ここに示す図は本発明の好ま
しい実施例を単に図示するためのものであって、これを
限定するためのものではない。第１図は浮動型の球形ボ
ール部材Ｃの両側に一対の弁座組立体Ｂを持つボール弁
Ａを示す。

更に詳細には、弁本体10は中央本体部分12と、これに
当接係合する端面すなわち肩を構成する一対の端部材1
4、16とを有する。端部材14、16は中央本体部分の両端
面18、20と密接し、細長いボルト22等のような従来の留
め手段で端面18、20に密封的に保持される。中央キャビ
ティすなわち弁室24が本体部分12に構成され、ほぼ長さ
方向軸線ｉに沿って弁室24と流体連通する通路26、28が
端部材14、16に構成されている。図示のように、これら
の通路は従来のパイプ継手等を受入れるため、ねじ山を
有する。しかしながら、端部材14、16を本発明の範囲及
び意図から逸脱することなく、他の型の従来の連結体に
適合するようにしても良いことは容易に理解されよう。

回転弁部材すなわちボールＣは弁室内に受入れられて
おり且つステム30及び作動ハンドル32で弁の開放位置と
閉止位置との間で選択的に回転するように配置されてい
る。弁のステム30は中央部分の上部を貫通しており、且
つボール部材Ｃに形成されたスロットすなわち溝36に受
入れられる下端すなわちタング34を有する。このように
して、ボール部材は開放位置と閉止位置との間で回転自
在に作動される。タングと溝との協働により弁の閉止位
置でボール部材の限られた軸線方向移動のみを可能にす
る。更に詳細には、周知のように、ボール部材の中央通
路38は、弁の開放位置において通路26、28と整合し、弁
の閉止位置においてこれらの通路に対してほぼ垂直であ
る。ステム軸受40が弁のステムフランジ42と中央本体部
分12との間に介在されている。ステム軸受は弁のステム
と本体との間に円滑な回転接触を維持する。

詳細には示していないが、従来のステムパッキングす
なわち密封手段が弁のステムと中央本体部分12との間に
設けられていることを理解すべきである。同様にハンド
ル32のような従来の作動手段が、弁のステムに回動運動
を与えるため、弁のステムの外端に設けられている。も
ちろん、本発明の特徴から逸脱することなく、他の作動
手段を従来の作動手段と同様にうまく使用することがで
きる。ステムのパッキング及び作動ハンドルは本発明の
特徴部分をなしていないから、本発明の理解を完全にす
るのに更に論ずる必要はないと思われる。

中央本体区域12は、軸線方向に延びる環状溝すなわち
端ぐり対48、50（第２図参照）を有し、この対は中央本
体部分の両端部分の各々に配置され、端部材14、16と向
き合った関係にある。端ぐり48はその関連した端ぐり50
よりも大きな直径を有する。更に詳細には、端ぐり48は
中央本体部分の端面18、20から軸線方向内方に延びる。
各端ぐり50は夫々の端ぐり48から軸線方向内方に延び、
且つ端ぐり48よりも大きな軸線方向寸法を有する。好ま
しい実施例では、本明細書中以下に記載されているよう
に、端ぐり対48、50は等しく、かくして段付き形体を構
成する。

端ぐりはボール部材Ｃと密封係合する弁座組立体Ｂを
緊密に受入れる。第１図乃至第４図の全ての図面を参照
すると、各弁座組立体は、弁座部材Ｄ、弾性フランジ部
材すなわちシールＥ、及び環状支持部材すなわちバック
シートＦから成る３つの主要部品要素から成り、これら
の部品は長さ方向軸線ｉを中心としてほぼ同心に配置さ
れている。弁室の両端を弁座組立体が等しいため、左側
の弁座組立体の以下の説明は第１図及び第２図に示すよ
うに、他に特記しなくても右側の弁座組立体に同様にあ
てはまると思われる。

環状弁座部材Ｄは周囲リム部分60と全体に截頭円錐形
のリム部分62とを有する。截頭円錐形部分は、第３図及
び第４図に示す組立てられていない自由な状態では周囲
リム部分に対して半径方向内方に延びる。曲線の相互連
結部分64は、弁座部材のリム部分と截頭円錐形部分との
間に介在されている。相互連結部分の横断面形態は、以
下で更に明らかとなるように、弁座部材のトロイド状の
変形時に変化する。

弁座部材Ｄの外面すなわち表面を関連した自由内縁66
がこの部材の内径を定め、全体に弧状面68が縁66と、ボ
ール部材と対面関係をなした弁座部材の前方面とをつな
ぐ。第４図に示すように、外側リム部分60は横断面が全
体に平らな第１脚部を構成する。同様に、截頭円錐形部
分62は第２脚部を構成し、曲線の相互連結部分64は脚部
60と62との間に延びている。

第１図及び第２図に示すように、弾性フランジ部材す
なわちシールＥは端ぐり48内に緊密に受入れられてい
る。この環状部材は端ぐり50より僅かに大きい内径と、
端ぐり48と実質的に等しい外径とを有する。従ってフラ
ンジ部材Ｅが端ぐり48内に受入れられたとき、その一部
は端ぐり50によって構成された境界を越えて半径方向内
方に延びる。

環状支持部材すなわちバックシートＦがリム部分60と
通路26との間に半径方向に介在されている。更に、この
支持部材は端部材14に当接し、以下に一層詳細に説明す
るように、高い流体圧力状態中、截頭円錐形部分62を当
接的に支持するようになった半径方向寸法を有する。

弁座部材Ｄは、周囲リムすなわち第１脚部60が端ぐり
50内に受入れられるように弁室内に位置決めされ、その
ため部分60の半径方向外面が弾性フランジ部材Ｅにこの
部材の内径面のところで係合する。第１図の弁の開放位
置では、軸線方向に延びるリム部分は、その半径方向外
面と、溝50の軸線方向に延びた側壁との間に僅かな所定
の隙間を構成する。

弁座部材Ｄは弁の組立時にトロイド状に変形して弁座
部材が所定の押圧力をボール部材Ｃに及ぼす。更に、弁
座部材、特に截頭円錐形部分62はボール部材の球面と一
致するように撓み、これによって、表面の凹凸を克服す
る。截頭円錐形部分は、ボール部材の外周面との環状帯
接触領域を構成する密封面70を有する。この密封面は弁
座部材の弧状面68から半径方向外方に延び、且つボール
部材の表面に密接する。

第１図及び第２図に示すように、ボール部材は開放位
置にあり、従って中央通路38は端部材の通路26、28と軸
線方向に整合する。この位置では、内縁66に隣接して截
頭円錐形部分62の外面に設けられた支持領域80は支持部
材Ｆから間隔を隔てられており、密封面70はボール部材
の外面と密封係合して配置される。第２図で最っともよ
くわかるように、弧状面68は密封面70から縁66に向かっ
て湾曲し、これによって、表面70の半径方向に最も内側
の部分に尖った縁がある場合におこるようなボール部材
の傷つけを回避する。

支持部材Ｆと弾性フランジ部材Ｅは、弁座部材Ｄをそ
れらの間に半径方向に拘束する。フランジ部材は、上述
のように柔軟な材料すなわち弾性材料で形成されてお
り、そのため弁の組立中および極めて高い流体圧力状態
のときの弁座部材のトロイド状の変形が背後弁座密封
（behind-the-seat seal）をつくる。更に詳細には周囲
リム部分60の半径方向外面が弾性フランジ部材の内径表
面部分82に密封係合し、且つこれを圧縮する。リム部分
の半径方向内面は支持部材の外周部分に面する。弁の組
立中、及び弁の閉止位置における高圧状態の間、ボール
部材が限られた軸線方向移動を受けると、弁座部材がト
ロイド状に変形し、その結果弾性フランジ部材Ｅが表面
部分82においてリム部分62によって更に圧縮される。

支持部材及び截頭円錐形支持面80は、弁の開放位置に
おいて、その間に隙間すなわち寸法ｄを構成する。この
位置では、ボール部材および流体圧力によって加えられ
る軸線方向負荷が弁座部材によって適切に補償される。
弁の組立中の截頭円錐形部分の元来の変形は、上述のよ
うに、適切密封の目的でボール部材との環状帯接触領域
を構成する。弁の閉止位置において、また流体圧力が上
昇すると、ボール部材は増大した負荷の作用で下流に軸
線方向に移動する。従って下流の弁座部材は、弁座部材
の支持面80が支持部材Ｆの内径部分84のところで支持部
材Ｆに当接係合するような位置までトロイド状に更に変
形する。この当接係合は、極めて高い流体圧力中、弁座
部材に構造上の支持を有利に加える。かくして、弁座組
立体は低圧状態で効果的に密封するのに十分弾性があ
り、高圧を保持するのに十分強い。更に、密封面70とボ
ール部材の外周との環状帯接触領域は、高圧の弁閉状態
で増加する。

第１図に示す好ましい実施例の下流の弁座部材が、ボ
ール部材Ｃの移動に応じてトロイド状に撓むとき、上流
の弁座部材はボールに向かって且つボールとともに撓
む。これは、流体圧力のない状態で弁を組立てる際、両
方の弁座部材Ｄがボール部材との接触に応じて互いに外
方に撓むという事実によって達成される。かくして、各
弁座部材が流体負荷のない状態で一定量の予備力を有す
るため、上流の弁座部材はボールが僅かに下流に移動す
ると内方に撓む。与えられた予備力の量は、ボールが下
流に最大移動したときでさえ上流の弁座部材がボール部
材から外れないように予じめ定められている。この状態
では、密封面70での上流の弁座部材とボール部材との帯
状接触領域は幾分狭い。しかしながら、ある程度の接触
が常に保持されている。

上述したように本発明の弁座部材は、弁の組立て時に
その休止形体から変形したとき、ボール部材に押圧力を
及ぼす。弁座部材は弾性フランジ部材Ｅ及び支持部材Ｆ
によって半径方向の拘束だけを受け、これによって、変
化する作動状態の間、トロイド状に変形することができ
る。リム部分の軸線方向端86は関連した端部材14又は16
に当接して軸線方向外方への移動を制限するが、弁座部
材はボール部材による以外は、その軸線方向内面が制限
されない。かかる構成により、弁座部材を上述のよう
に、また上述の理由のためトロイド状に変形させる。

好ましくは、弁座部材Ｄは金属又は同様の高強度材料
から形成される。弁座部材の簡単な構造により、弁座部
材を安価な打ち抜き作業で形成することができる。金属
製弁座部材の弾性特性は、弁の組立中ボール部材に押圧
力を及ぼし、ボール部材の外表面に容易に一致する。こ
れは密封面70のところに、又はこの面に沿って特殊な材
料の必要、又は弁座部材とボールとの合せ研摩の必要を
なくす。

本発明を好ましい実施例に関して説明した。本明細書
を読み且つ理解すれば、変形及び変更が思いつかれるこ
とは明らかである。本発明は添付した特許請求の範囲又
はその均等物の範囲内にある限り、かかる変形及び変更
の全てを含むものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に従って形成された弁座組立体を組込
んだボール弁構造の部分断面図であり、 第２図は、ボール部材を密封係合した通常の位置にある
弁座部材組立体を特に示し、極めて高い圧力での弁座組
立体の位置が仮想線で示されている：第１図の円で囲ん
だ部分の拡大詳細図であり、 第３図は、密封面の方向から見た弁座部材の図であり、 第４図は、第３図の４−４線に沿った断面図である。 Ａ……ボール弁、Ｂ……弁座組立体 Ｃ……ボール部材、Ｄ……弁座部材 Ｅ……弾性フランジ部材、Ｆ……支持部材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ピーター チャールズ ウィリアムス アメリカ合衆国 オハイオ州 44121 クリーヴランド ハイツ エディソン ロード 3495 (56)参考文献 特開 昭50−111634（ＪＰ，Ａ) 実開 昭49−142323（ＪＰ，Ｕ) 米国特許4241895（ＵＳ，Ａ) 米国特許4126295（ＵＳ，Ａ)

Claims (17)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】内部に構成された弁室と連通している第１
   流れ通路及び第２流れ通路とを有する弁本体と、 弁の開放位置と開止位置との間で選択的に移動するよう
   に前記弁室内に受入れられた弁部材と、 前記弁部材と密封係合して前記弁室内に配置された弁座
   組立体とを有し、この弁座組立体が、 （ｉ）軸線方向に延びる外側周囲リム部分と、前記リム
   部分から半径方向内方に延び、環状帯部分が前記弁部材
   と密封接触しているほぼ截頭円錐形の部分とを有する環
   状弁座部材と、 （ii）前記弁座部材のリム部分と取囲み関係にあって、
   前記弁座部材の外向きのトロイド状変形中半径方向に圧
   縮される環状弾性部材とを有する ことを特徴とする弁組立体。
2. 【請求項２】前記リム部分が、前記弾性部材に結合する
   第１の半径方向外面を有することを特徴とする特許請求
   の範囲第（１）項記載の弁組立体。
3. 【請求項３】前記弁室内に前記リム部分の第２の半径方
   向内面と対向した関係で配置された環状支持部材を有す
   ることを特徴とする特許請求の範囲第（２）項記載の弁
   組立体。
4. 【請求項４】前記リム部分が前記弾性部材と環状支持部
   材との間に半径方向に介在されていることを特徴とする
   特許請求の範囲第（１）項記載の弁組立体。
5. 【請求項５】前記環状支持部材が、第１の圧力状態にお
   いて、前記截頭円錐形部分から所定距離間隔を隔てられ
   ていることを特徴とする特許請求の範囲第（４）項記載
   の弁組立体。
6. 【請求項６】前記截頭円錐形部分が弧状内径縁面を有す
   ることを特徴とする特許請求の範囲第（１）項記載の弁
   組立体。
7. 【請求項７】前記弁座部材が金属構造のものであること
   を特徴とする特許請求の範囲第（１）項記載の弁組立
   体。
8. 【請求項８】前記截頭円錐形部分と前記弁部材との環状
   帯接触の量が、前記弁座部材の外向きのトロイド状の移
   動中に増大することを特徴とする特許請求の範囲第
   （１）項記載の弁組立体。
9. 【請求項９】長さ方向軸線に沿って配置され且つ弁室の
   両側で弁室と連通する第１通路及び第２通路を有する弁
   本体と、 弁の閉止位置と、前記第１通路と前記第２通路との間に
   流体流れを可能にする弁の開放位置との間で選択的に回
   転するように前記弁室内に配置されたボール部材と、 前記ボール部材と密封係合して前記弁室内に配置され、
   前記長さ方向軸線とほぼ同心の弁座組立体とを有し、前
   記弁座組立体が、 （ｉ）ほぼ外周において軸線方向に延びたリム部分と、
   前記リム部分から全体に半径方向内方に延び且つ前記ボ
   ール部材の外周面に密封係合する第１表面を持つ全体に
   截頭円錐形の部分とを有する環状弁座部材と、 （ii）前記弁座部材のリム部分の半径方向外側表面に沿
   って、このリム部分と取囲み係合関係をなして配置され
   た環状弾性部材と、 （iii）その外周が前記弁座部材のリム部分の半径方向
   内面と対面関係にあるように配置された環状支持部材で
   あって、前記環状弁座部材の前記第１表面とは反対の前
   記截頭円錐形部分の側で該截頭円錐形部分が選択的に係
   合して、該截頭円錐形部分の変形に所定の制限を与える
   半径方向内側周縁領域を備えた環状支持部材と、を有す
   ることを特徴とするボール弁。
10. 【請求項１０】前記截頭円錐形部分の半径方向内側面は
    全体に弧状の形態をしていることを特徴とする特許請求
    の範囲第（９）項記載のボール弁。
11. 【請求項１１】前記弁座部材が金属構造のものであるこ
    とを特徴とする特許請求の範囲第（９）項記載のボール
    弁。
12. 【請求項１２】前記環状弾性部材が前記弁室の第１の端
    ぐりに緊密に受入れられていることを特徴とする特許請
    求の範囲第（９）項記載のボール弁。
13. 【請求項１３】前記リム部分が前記弁室の第２の端ぐり
    に緊密に受入れられていることを特徴とする特許請求の
    範囲第（12）項記載のボール弁。
14. 【請求項１４】前記弾性部材が前記第１の端ぐりよりも
    大きな半径方向寸法を有し、これによって、前記リム部
    分が前記第２の端ぐりから半径方向内方に間隔を隔てら
    れていることを特徴とする特許請求の範囲第（13）項記
    載のボール弁。
15. 【請求項１５】内部にキャビティが構成された本体部分
    と、 貫通した流路を有し、弁の開放位置と弁の閉止位置との
    間で選択的に回転して前記弁を通る流体の流れを制御す
    るように前記キャビティ内に取付けられ、全体に球形の
    外表面を有するボール部材と、 前記ボール部材の両側で前記本体部分と作動的に係合
    し、各々が前記キャビティと流体連通するための貫通し
    た通路を有する一対の肩と、 前記ボール部材と密封係合するように前記ボール部材の
    両側で前記キャビティ内に位置決めされた一対の弁座組
    立体とを有し、前記弁座組立体の対の各々が、 ほぼ外周において軸線方向に延びたリム部分と、前記リ
    ム部分から半径方向内方に延び且つ前記ボール部材に密
    封係合する環状部分を持つ環状弁座部材と、 前記弁座部材のリム部分の半径方向外側表面に沿って、
    このリム部分と取囲み係合関係をなして配置された環状
    弾性部材と、 その外周が前記弁座部材のリム部分の半径方向内面と対
    面関係にあるように配置された環状支持部材であって、
    前記環状弁座部材の前記第１表面とは反対の前記截頭円
    錐形部分の側で該截頭円錐形部分が選択的に係合して、
    該截頭円錐形部分の変形に所定の制限を与える半径方向
    内側周縁領域を備えた環状支持部材とを有することを特
    徴とするボール弁。
16. 【請求項１６】前記本体部分が前記ボール部材の両側に
    端ぐりの第１の対を有し、第１の端ぐりの各々は弁座部
    材のリム部分をその中に緊密に受入れることを特徴とす
    る特許請求の範囲第（15）項記載のボール弁。
17. 【請求項１７】前記本体部分が前記ボール部材の両側に
    端ぐりの第２の対を有し、第２の端ぐりの各々は環状弾
    性部材をその中に緊密に受入れることを特徴とする特許
    請求の範囲第（16）項記載のボール弁。