JP2721330B2 - ステムシール - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はステムシールに関す
る。本発明は、特に（それに限られるわけではない
が）、弁を開閉する弁棒（ステム）の周囲に流体密のシ
ールを確保するためのステムシールに関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】在来のステムシールは、流体の流れを阻
止するために弁棒の周囲にアスベスト又はＰＴＦＥ（ポ
リ四フッ化エチレン）を詰めるようになっている装置を
含む。そのようなシールの耐火性は、普通は、弁箱の耐
火性よりは相当劣る。このことは、安全性の点からは全
く望ましくない。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このことを考慮して、
本発明の目的は、弁箱及びその仕様と同等の耐火性を有
するステムシールを提供することである。このことは全
金属製のシールの使用を意味するけれども、金属／金属
シールには実用上の問題がある。

【０００４】ステムシールは下記の特性を有することが
望ましい。即ち、 ｉ） 低流体圧力及び高流体圧力の双方における耐流体
漏洩性； ii） 低運転トルク； iii) 長寿命； iv） ステムの動作が往復運動をするか、回転運動をす
るか、それとも両方の運動をするかに関係無く均一な高
シール特性である。

【０００５】本発明の目的は、このような基準を満たす
シールを提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明のステムシール
は、１以上のほぼ円筒状の封止メンブレンと、それぞれ
のステムの周囲で該ステムに接触する位置に該封止メン
ブレンを支持するメンブレン支持手段とからなり、該封
止メンブレンは、使用時に該ステムを取り囲んでその半
径方向内面の接触面と接する一つ以上のループ状通路を
備えており、前記ループ状通路は、該封止メンブレンの
長手方向軸線に垂直な平面に関して傾斜している経路に
沿って延びる。

【０００７】このステムシールは、金属から製作可能で
あり、従って所望の程度の耐火性を持つことができる。
更に、該ループ状通路は封止メンブレンの半径方向内面
とステムの半径方向外面との間の面接触に中断箇所を生
じさせるので、該ループ状通路で圧力の低下が生じ、従
って漏れに抵抗して優れたシールを提供する。更に、封
止された圧力流体が該メンブレンの外面に作用しうるの
で該シールは自己付勢的であり、従って高圧でも低圧で
も優れた封止が行われる。

【０００８】該ループ状通路が傾斜し、その結果、接触
面に対する境界が傾斜するため、該ループ状通路が封止
メンブレンの長手方向軸線に対して垂直に向いていると
仮定した場合ほどフープ強度抵抗（the hoop-strength
resistance）が大きくないので、締まり嵌めでもステム
を封止メンブレンに挿入するのは比較的に簡単である。
更に、このために、高いシール性を維持しながらステム
を往復又は回転運動させることが可能となる。このシー
ルは波形の長手方向形状を有することが理解されよう。
管の口に対して直角をなす波形を持った波形管の形態の
シールは、ステムの周りへの締まり嵌めに強く抵抗し、
また、締まり嵌めした後は該ステムの封止メンブレン内
での運動に強く抵抗するということを知見した。実際
に、該封止メンブレンは、「巻き上げられて」ステムに
巻き付こうとして、ステムの運動を困難又は不可能にす
る。

【０００９】しかし、波形が長手方向軸線に対して傾斜
している場合には、シールとステムとの締まり嵌めによ
り与えられる封止性を損なうことなく、封止メンブレン
が巻き上がってステムに巻き付く傾向が無くなるので、
そのようなシールを比較的に容易に嵌めることができ、
該シールは該シール内のステムの運動を大して妨げない
ことが、思いがけなく知見された。

【００１０】半径方向に対する波形の傾斜角は約５゜以
下ではないことが好ましい。好ましくは、その角度は約
１０゜以上ではないことである。

【００１１】本発明の好ましい一実施形態では、該シー
ルは、前記メンブレン支持手段からそれぞれ反対の方向
に延在する２個の同軸の封止メンブレンを備える。これ
は、海中で使用し得る完全可逆のシールを提供する。

【００１２】

【発明の実施の形態】次に、添付図面を参照して本発明
の実施形態を単なる例として説明する。図１は、本発明
の金属製シール（ステムシール）２の第１実施形態を示
す。シール２は、環状のカラー４（メンブレン支持手
段）と、一体の波形封止メンブレンもしくは封止膜６と
からなる。封止メンブレン６はほぼ円筒状であり、カラ
ー４と同軸である。カラー４は、封止メンブレン６の内
側と直接連通する中央開口部５と、半径方向外方に向け
られたフランジ７とからなる。カラー４は多数の機能を
もつ。

【００１３】第１に、カラー４の半径方向内方の壁８
は、開口部５を画定すると共に、弁ステムもしくは弁棒
９（図２、３）のための主支持軸受として作用する軸受
面として役立つ。このことは、カラー４がステムシール
を装着すべき装置の本体である弁箱１２（図３を参照）
の半径方向内面に対向する半径方向外面１０を持ってい
て、該シール全体を着座させると共に横方向の運動に抵
抗することから、可能となっている。開口部５の内径
は、所望の程度の相対運動を可能にするために、弁棒の
外径より僅かに大きい。

【００１４】第２に、カラー４は、半径方向外方に向け
られたフランジ７により該シールを弁箱１２の中で軸方
向に位置決めし、弁箱内の適当な構造（即ち環状の溝１
５）と共同して、それを弁棒９（図３を参照）に関して
軸方向に拘束する。

【００１５】第３に、該カラーは、封止メンブレン６の
取付台又は支持体として作用することにより、その軸方
向及び半径方向の位置を制御する。

【００１６】封止メンブレン６は、ループ状の三つの内
側通路（ループ状通路）１１ａ，１１ｂ，１１ｃを備え
ており、これらの通路は、実質的に一定の厚みを有する
該メンブレンの壁の波形で画定されるループ状の内側接
触面もしくはシール面１３ａ〜１３ｄと境を接してい
る。

【００１７】接触面１３ａ〜１３ｄは、弁棒と締まり嵌
めすることにより該弁棒を囲む複数の封止領域を形成す
るように半径方向内方に突出している。その嵌合度合い
は、流体を通さないシールを確保するために望ましい着
座荷重をステムに対して生じさせるように計算される。
従って、使用時には、ループ状通路は互いに絶縁される
ことになる。

【００１８】使用時に該シールが嵌合する弁棒９の主要
部は、該シールのシール面１３ａ〜１３ｄにおける弛緩
状態での内径より大きい直径を有するので、使用時には
該シールのこれらの領域と弁棒とは締まり嵌めしてい
る。弁棒へのシールの装着を容易にすると共に該シール
を弁棒上で正確に心合わせするために、該弁棒は、該シ
ールの軸方向の長さを上回る軸方向長さにわたって細い
導入領域１４を持っており、この領域の直径は該シール
の自然穴径より僅かに小さい。該シールは初めは縮径し
た導入領域１４の上に容易に嵌められ、これにより該シ
ールの軸に対する正しい心合わせが得られる。ステムの
テーパ付き領域１８は導入領域１４からステムの完全直
径領域２０への漸進的移行の領域となっている。該シー
ルをそのテーパ付き領域に、そして完全直径領域２０
に、押し込むことができ、領域２０において該シールは
ステムと前述のように締まり嵌めする。

【００１９】このシールをステム領域２０に嵌め込むと
きに該シールの損傷や歪みを防止するために、該シール
が該ステムに自由に嵌合する程度まで初めにシールを熱
して半径方向に膨張させ且つ／又はステムを冷やして収
縮させるのが好ましい。これらの部材が通常の温度に戻
るとき、熱による収縮又は膨張により該部材同士は締ま
り嵌めする。

【００２０】連続する接触面１３ａ〜１３ｄは、自己付
勢式接触シールを形成する。これらの接触シール間のル
ープ状通路１１ａ〜１１ｃはラビリンス型シール作用を
する。これにより、該シールを経由する滲出の可能性は
完全になくなる。その理由は、即ち、流体がステムに沿
って通路から通路へと滲みてゆくとき、各段階で圧力の
降下があり、その降下が数回あった後には流体の圧力は
次の接触面を通って漏れ出すのには最早不十分となるか
らである。

【００２１】ループ状通路１１ａ〜１１ｃ及び接触面１
３ａ〜１３ｄが長手方向軸線に対して垂直な平面に対し
て或る角度をなして傾斜していることが図１から明らか
に分かる。このために、実際上、ループ状通路１１ａ〜
１１ｃ及び接触面１３ａ〜１３ｄの各々は、円形ではな
くて長円形又は楕円形となる。このために封止メンブレ
ン６が撓み易くなる。

【００２２】該シール及び接触面が円形で封止メンブレ
ンの長手方向軸線に対して垂直であれば、該シールは大
きなフープ強度と剛性とを持つことになって、フープ
と、該シールに作用する圧力荷重とにより該シールはス
テムの往復運動にしか役立たず、しかも過度に磨耗し易
くなる。

【００２３】図示の実施形態では、接触面１３ａ〜１３
ｄとその間のループ状通路１１ａ〜１１ｃとは、半径方
向に対して、即ちシール及びステムの長手方向軸線に垂
直な平面に対して、実質的に６.５゜の角度をなしてい
る。

【００２４】内側の（即ち、シールの自由端から離れて
いる）三つの接触面１３ｂ〜１３ｄは、概して平らな接
触面で、ステムと現実に面接触する。軸方向外方の接触
面１３ａは弓形の輪郭を持っていて、従って、実質的に
線接触をする。接触面１３ａは単なる封止要素ではない
のでこのような形態が設けられている。その主要な機能
は、該シールをステム上の定位置に嵌め込むときに先導
端又はガイドとして作用して偶発的な損傷の可能性を防
止することである。接触面と溝とが該シールの長手方向
軸線に垂直ではないために損傷の危険性が大きくなって
いるので、このようなガイド作用は重要である。

【００２５】封止メンブレンは、初めはカラー４と一体
に、しかし真っ直ぐな側部を有する円筒として、形成さ
れる。次に、圧延工程によりループ状通路と接触面とが
形成される。その後、封止メンブレンの内面にラップ仕
上げが施されて、所定寸法とされ且つ研磨される。

【００２６】この結果、非常に良好で軽量であり、しか
も費用対効果比の非常に優れたシールが得られる。しか
し、圧延工程により波形が形成され、その側壁２２はシ
ールの縦方向及び半径方向に対して斜めになっている。
その結果、このシールに極めて大きな圧力がかかった場
合には、波形がゆっくりと平たくなって、ついには漏れ
が生じる可能性がある。それは明らかに望ましくないこ
とである。従って、本発明の別の実施形態は、中実材料
から完全に切削加工され、接触面及びループ状通路は遥
かに矩形に近い輪郭を持つ。この実施形態は図５及び６
に示されている。

【００２７】原理は同じであるけれども、本発明のシー
ルの第２実施形態の製造に使用される切削行程の結果と
して、極端な圧力のもとでも遥かに平たくなりにくい城
郭状の輪郭となり、これにより顕著な性能と長い寿命と
が保証されることになる。このような特性は、例えば海
面下での使用においては決定的に重要である。

【００２８】所望の封止性能を確実に得るためには、シ
ールの内側封止面及びステムの面は、共に、直径の製造
公差と研磨仕上げとが２〜３マイクロインチとなる程度
に、最高の品質でなければならない。このことは、窒素
やヘリウム等のいわゆる「希薄」気体を封止する場合に
特に重要である。

【００２９】部分的には該シールの自己付勢特性により
良好なシールが得られる。このことは図４及び６を参照
すれば容易に理解できる。図４及び６は、それぞれ、高
圧の媒体がその荷重をどのようにして封止メンブレンの
外側の全面積に作用させて漏れの発生を防止するのかを
示している。次々に配置されているループ状通路１１ａ
〜１１ｃは、上記したように滲出を防止するのに役立
つ。ステムがシール内で回転及び往復の複合運動を行う
と内径がごく僅かに変化することによりステムに対する
把持の堅さを緩めるので、接触面及び溝の楕円形の形態
によってステムを回転させ得る能力が維持されることに
なる。

【００３０】試験の際に、図３に示されている構造に類
似する試験リグにシールを搭載し、大気圧から１０９
５.３Ｋｇ／ｃｍ²（１７,０００psi）までの範囲の窒素
ガスの圧力のもとでステムに往復及び回転の複合運動を
行わせた。完全なシールが維持されたことが分かった。
ステムを回転させるのに要する回転トルクが増大したけ
れども、それは手動で操作し得る範囲内であった。

【００３１】使用の際には、本ステムシールを例えばゲ
ート弁、ボール弁、バタフライ弁、又はプラグ弁に組み
込んで弁棒を封止することができ、また、割合に低い速
度で縦方向に且つ／又は回転運動するステム又はシャフ
トを封止する必要のある如何なる用途にも本ステムシー
ルを使用することができる。逆に、本シールは、回転す
る外側部材と不動のステム又はシャフトとの間を封止す
ることもできる。

【００３２】図３は、例示の目的で、弁ステム９を備え
た弁の弁箱１２に組み込まれた図１のステムシールを示
しており、このステムの、該シールが装着されているス
テム領域より下の下側領域２４は弁箱の雌ねじ穴２６と
かみ合う雄ねじ山を持っていて、弁棒を回転させると弁
を操作する運動が生じるようになっている。弁箱の上側
部分は円柱状の室２８を含んでいて、弁棒の周囲とシー
ルの外面の周囲とに隙間がある。シールはこの室の上端
に位置していて、シールのフランジ７を弁箱に固定する
固定板３０により保持されており、これらの部材の間に
適当なシールが生じている。

【００３３】使用の際には、加圧流体が弁から室２８に
入ることができ、その中で該流体は波形封止メンブレン
の外面に作用して上記の自己付勢作用を提供する。

【００３４】前記の試験の結果は、特別のコーティング
をシール又はステムに設けることなく得られたものであ
る。しかし、低摩擦コーティングを付加すれば、回転ト
ルクの記録された増加を打ち消すのに役立つであろう。

【００３５】図７は、軸方向にそれぞれ逆向きに延在す
る二つの封止メンブレン６、１６を有する本発明の別の
実施形態を示す。

【００３６】図７から分かるように、このシールは、例
えばガスやオイルの１方向への漏出を封止することがで
きると共に、他の方向からの海水の圧力などの外圧に抗
して封止を行うことができるので、特に海中で使用する
のに有効である。

【００３７】アルミ青銅、ステンレススチール、及びニ
ッケル合金、特に米国防蝕技術協会規格適合のインコネ
ル７１８（“インコネル”は商標）は本シールの製造に
用いるのに特に適していることが分かっている。

【００３８】図示の実施形態ではループ状通路と封止メ
ンブレンの長手方向軸線に垂直な平面との間に６．５゜
の傾斜角が設けられているけれども、他の角度でも完全
に満足できるということが分かっている。或る程度ま
で、この角度はシールの直径に依存する可能性がある。
しかし、この角度が５゜以上で且つ１０゜以下であれば
特に有益な結果が得られるということが分かった。しか
し、その他の角度でも本発明が追求した利益が得られる
ので、本発明はこの範囲内の角度を有するシールに限定
されるものではない。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明のシールの第１実施形態の断面図であ
る。

【図２】 図１に対応する図であるが、シールはステム
に締まり嵌めされている。

【図３】 図２に類似する図であり、完全に装着された
シールとステムとの弁装置に対する位置をより小さなス
ケールで示す。

【図４】 図１に類似する図であるが、使用時に高圧の
流体からシールに作用する荷重の分布を更に示してい
る。

【図５】 図１に類似する図であるが、本発明の第２実
施形態を示す。

【図６】 図４に対応する図であるが、本発明の第２実
施形態を示す。

【図７】 本発明の第３実施形態の断面図であり、弁棒
に装着され使用されているシールを示す。

【符号の説明】

２…ステムシール（金属製シール）、４…メンブレン支
持手段（カラー）、６…封止メンブレン、７…フランジ
（ステムシールの位置決め手段）、８…カラーの半径方
向内方の壁（支持軸受）、９…ステム（弁棒）、１１ａ
〜１１ｃ…ループ状通路、１２…ステムシールを装着す
べき装置の本体（弁箱）、１３ａ〜１３ｄ…接触面、１
６…封止メンブレン。

フロントページの続き (73)特許権者 596043368 ＢＵＲＳＷＥＬＬ ＨＯＵＳＥ， ＬＥ ＡＺＥＳ ＬＡＮＥ， ＨＥＸＨＡＭ, ＮＯＲＴＨＵＭＢＥＲＬＡＮＤ ＮＥ 46 ３ＢＡ， ＵＮＩＴＥＤ ＫＩＮＧ ＤＯＭ (72)発明者 マイケル・ジョン・カズウェル・トーザ ー イギリス国、ノーサンバーランド・エヌ イー43・７イーユー、ストックスフィー ルド、ニュー・リドリー・ロード、クレ イグミラー（番地なし)

Claims (19)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 円筒状の封止メンブレンと、ステムの周
   囲で該ステムに接触する所定位置で該封止メンブレンを
   支持するメンブレン支持手段とからなっており、前記封
   止メンブレンは、使用時に前記ステムを取り囲んでその
   半径方向内面にある接触面と接する一つ以上のループ状
   通路を備えており、該ループ状通路は、前記封止メンブ
   レンの長手方向軸線に垂直な平面に関して傾斜している
   経路に沿って延びるステムシール。
2. 【請求項２】 前記封止メンブレンの半径方向内面と、
   その中に配置されたステムの半径方向外面との間から漏
   れようとする流体のためにラビリンスシール通路を画定
   する複数の前記ループ状通路が軸方向に間隔を置いて設
   けられている請求項１に記載のステムシール。
3. 【請求項３】 前記ステムのための支持軸受を更に備え
   る請求項１又は２に記載のステムシール。
4. 【請求項４】 前記支持軸受は前記メンブレン支持手段
   に設けられている請求項３に記載のステムシール。
5. 【請求項５】 前記ステムシールを組み込むべき装置の
   本体内において前記ステムシールを位置決めするための
   位置決め手段を更に備える請求項１乃至４のいずれかに
   記載のステムシール。
6. 【請求項６】 前記位置決め手段は、半径方向外方に向
   けられたフランジからなる請求項５に記載のステムシー
   ル。
7. 【請求項７】 前記ループ状通路溝前記平面に関して５
   ゜以上の角度をなして傾斜している請求項１乃至６のい
   ずれかに記載のステムシール。
8. 【請求項８】 該ループ状通路は前記平面に関して１０
   ゜以下の角度をなして傾斜している請求項１乃至７のい
   ずれかに記載のステムシール。
9. 【請求項９】 少なくとも一つの前記ループ状通路はほ
   ぼ弓形の軸断面を有する請求項１乃至８のいずれかに記
   載のステムシール。
10. 【請求項１０】 少なくとも一つの前記ループ状通路は
    ほぼ矩形の軸断面を有する請求項１乃至９のいずれかに
    記載のステムシール。
11. 【請求項１１】 ステムを挿入することのできる前記封
    止メンブレンの口部に湾曲した舌状部が設けられている
    請求項１乃至１０のいずれかに記載のステムシール。
12. 【請求項１２】 前記封止メンブレンは、少なくとも数
    個の前記ループ状通路を画成するように、軸方向長さの
    少なくとも一部分にわたって波形を呈している請求項１
    乃至１１のいずれかに記載のステムシール。
13. 【請求項１３】 該波形は、該波形の輪郭を形成するよ
    うに圧延する工程により形成される請求項１２に記載の
    ステムシール。
14. 【請求項１４】 前記波形は、該波形の輪郭を切削する
    工程により形成される請求項１２に記載のステムシー
    ル。
15. 【請求項１５】 前記封止メンブレンのステムを挿入す
    る口部は、該封止メンブレンの長手方向軸線に垂直な平
    面に関して傾斜している請求項１乃至１４のいずれかに
    記載のステムシール。
16. 【請求項１６】 共通の前記メンブレン支持手段からそ
    れぞれ反対方向に同軸状に延在する二つの前記封止メン
    ブレンを備える請求項１乃至１５のいずれかに記載のス
    テムシール。
17. 【請求項１７】 金属から形成されている請求項１乃至
    １６のいずれかに記載のステムシール。
18. 【請求項１８】 アルミ青銅、ステンレススチール又は
    ニッケル合金から形成されている請求項１７に記載のス
    テムシール。
19. 【請求項１９】 低摩擦コーティングを備えている請求
    項１乃至１８に記載のステムシール。