JP4441119B2 - 調整変形のボール付きボールバルブ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、調整変形のボール付きバルブに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ボールバルブは、あらゆるタイプの工程及び工学技術のあらゆる部門で広く使用される流体締切装置である。これらのボールバルブは、例えば、水、油、ガス輸送システムに、炭化水素生産プラントに、石油化学プラントに、電気エネルギー発生装置に、使用される。
【０００３】
ボールバルブは入手でき、最も小さいサイズから何百バールまでの圧力に関して６０を超える広い範囲のサイズに使用されることも気付くべきである。
【０００４】
そのような締切装置、すなわちボールバルブでは、ボールと２つのシートの間で流体シールが行なわれ、シートの各々は、２つの金属表面間に締め付けられた変形可能な材料の円形インサートを備える。
【０００５】
インサートの機能は、それら自身の変形によって、弾性変形、小さな幾何学的誤差及びボールの表面上に必ず存在する粗さを補償することである。
【０００６】
一般に、インサートを平らにし、それ故に、シールを生じさせるのに要求される力は、先行技術のボールバルブに関する、図１に示すように、ばね系（Ｆｍ）によって適度程度に、又、前記流体によってシートに及ぼされた圧力（Ｆｓ）によって最も大きい程度に供給される。
【０００７】
インサートは、通常は、作動状態が特に面倒とならないかぎりは、最適な性能（すなわち、高い密封レベル）を確保することができる、エラストマー（ニトリット、ヴァイトン（商標）等）又は熱可塑性プラスチック（ポリテトラノルオロエチレン、ナイロン等）材料で作られる。
【０００８】
そのような面倒で限られた状態の例は、研磨粒子を同伴する、特に“汚れた”流体の存在によって引き起こされる例である。更なる面倒な状態の例は、バルブが部分開放状態で長期間作動するように要求され、流体が、高速で流れて、インサートを激しく磨く状態或いは高温が存在する状態である。
【０００９】
エラストマー又は熱可塑性プラスチックのインサートの使用が重要になり、システムの十分な耐久性が時間以上に保証されないような場合には、完全に金属のシール要素を使用する。
【００１０】
シールをなすことになっていて、且つ相互の摺動が起こる、シート及びボールの金属表面は、この目的のために母材を熱処理することによって硬化される。変形例として、これらの表面に、溶接又はその他の先端技術（プラズマ、ＨＶＯＦ等）によって得られる硬質表面仕上げを設けても良い。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
インサートの弾性変形によってなされる、良好なシールを得ることに対する貢献が欠けている、このタイプのバルブでは、ある幾何学的誤差及び表面粗さを最小にするように、互いに接触するシート及びボールの表面の極めて正確な機械加工に頼ることが必要である。
【００１２】
再び、図１を参照すれば、ボールバルブが閉じられて、圧力（ｐ）を受けるとき、ボールの幾何学的形態が軸対称ではないので、ボールは一様に変形しないということがわかる。事実、２つのハブ（ｂ）のサポートに対応して、圧力が作用するキャップ（ａ）からボールの中を通るストレスの状態に基づく力線、及び、シート（ｄ）との接触円周にあるボールの各点は、（ｄ）から曲線（ｅ）へと不均一にシフトし、この間、ボールの外面が形状（ｇ）を、流体の通過孔が形状（ｆ）を呈する（両方とも図１に破線で示されている）。
【００１３】
圧力を受けるこの状態におけるバルブの挙動の観察によって、ボールが、通過孔の直径ゼロ位置の流体によってより弾性的になる中央ゾーンに対して、ハブ（ｂ）に最も近い頂及び底の２つのゾーンでより剛いことに注目することができる。
ボールのこの変形は、使用圧力（ｐ）が高ければ高いほど、明らかに大きい。
【００１４】
しかし、（ｄ）から（ｅ）までの接触円周の変形が各点で大きく異なるほど、リングシートとボールとの間の金属接触、又はむしろシート／ボール接触圧力を、３６０°に亘って良好な密封状態を保証するようにできるだけ一様に保つことの可能性は益々難題となる。
【００１５】
通常は、ボールの剛性を高める、すなわち、同じ通過寸法（直径Φ_０）のままでボールの外径（直径Φ_１）を増すことによって、この現象を回避する試みがなされる。しかしながら、すべてこれは、構造及び作動に関して非常に穏当な利点のために、バルブのより大きな寸法、重量及びコストを伴う。
【００１６】
さらに、ボールバルブの作動を様々な方法で改善する試みがなされてきた。例えば、応力状態と矛盾のない方法で、即ち、図２の先行技術の実施形態に示すように、ばねの推力（Ｆｍ）及び圧力（Ｆｓ）の下に、改良された方法で、ボールの変形を追従することのできる方法で、シートをより変形させることによって、欠点を制限する試みがなされている。
【００１７】
しかしながら、この場合、計算及び並行して行われる実験が、これらの介在が問題の真の解決に対してほどよい貢献をすることを示す。
【００１８】
従って、本発明の目的は、ボールバルブが特に高い圧力を受けるときでも、非常に緊密なシールを得ることが可能であるボールバルブを提供することにある。
【００１９】
本発明の更なる目的は、構造が非常に単純でかつほどよいコストのままにしながら、必要であり且つ要求される作動性能及び密封性能を完全に満すボールバルブを提供することにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明によるこれら及び更なる目的は、内側にシャッター要素が配置されている外部格納本体を有し、該シャッター要素がバルブの閉鎖位置と開放位置との間で移動でき、シャッター要素が、１つ又はそれ以上のシートと共同し、且つ格納本体及びシャッター要素に対してシール要素を備えている、流体遮断用調整変形のボール付きバルブにおいて、前記シャッター要素が、圧力ゾーンに対して前記シートの下流に配置された球形部分に弾性ゾーンを備えていることを特徴とする。
【００２１】
その上、バルブは、前記弾性ゾーンが、前記球形部分と一致する前記シャッター要素の表面ゾーンに作られたノッチによって与えられることになっている。
【００２２】
好ましくは、前記ノッチは、実質的に、前記シャッター要素の回転軸線と平行な方向に作られる。
【００２３】
本発明による調整変形のボール付きバルブの特徴及び利点は、添付図の図面を参照して非網羅的な例として与えられる以下の説明から明確になるだろう。
【００２４】
【発明の実施の形態】
図３乃至図１４を参照すると、調整変形のボール付きバルブは、シャッター要素１３が変わる一連の例示的な実施形態で主として、示されている。
述べたように、図３乃至図６は、１１として示す外部格納本体を有する、本発明による調整変形のボール付きバルブの第１の実施形態を示し、両側に配置された一対のリングシート１２が外部格納本体１１に置かれている。事実、これらのリングシート１２は、バルブの中へ通る流体の流入パイプ及び又はバルブによって遮断される流体の流出パイプに向って両側に位置決めされる。
【００２５】
バルブは、１３によって全体的に示すシャッター要素１３を更に受け入れ、シャッター要素１３は、上述のパイプに垂直に配置された付属物１４に連結されるコントロールシャフト（図示せず）によって回転できる。
わかるように、シャッター要素１３はボールタイプのものであり、ボールバルブの閉鎖位置と開放位置との間を移動できる。付属物１４に関して眺めてみると、ボールの両側側面は、２つのリングシート１２の表面１６に係合するのに適した球形部分１５をなす。更なる２つの向かい合った部分は平らであり、流体の通過のための中心孔１８を連結する孔１７が向かい合った部分に作られる。
【００２６】
リングシート１２は、特別な位置決めに適合するように、種々の方法で形成することができることは勿論であり、リングシート１２は図示されていない適当なシール要素の位置決めに備える。
本発明によれば、ノッチ１９及び２０が、両側で、シャッター要素１３の本体の球形部分１５と中央ゾーンとの間で上部と下部に作られて、一種のキャップ状部分１５ａ及び１５ｂ（すなわち弾性ゾーン１５ａ及び１５ｂ）を設けることに気付くだろう。これらのノッチ１９及び２０は、球形部分の内部に、ある可変長さＬ、シャッター要素１３の回転軸線Ｒと平行な方向に侵入する。これらのノッチ１９及び２０は、付属物１４の近くのゾーンに作られる。
【００２７】
２つのキャップ状部分１５ａ及び１５ｂを作っているノッチ１９及び２０の存在が、特にリングシート１２との全接触ゾーンで、ボールシャッター要素１３の変形のある均一性を与える。この状態は図５で明瞭にわかる。
【００２８】
本発明の第１の実施形態により作られたシャッター要素１３の半分を示す図５は、応力がどのように作用し、部品がどのように変形するのかを、理論線で更に示している。
事実、図５は、理論的な接触の円周が、ここでは（ｄ）で示す、既知のシャッター要素１３の球形部分とリングシート１２との間で軸線方向にどのように変形するのかを定量的に示す曲線（ｅ０）を示す。
図面から、応力による軸線方向移動の最大差をΔｈ０で示すことがわかる。
【００２９】
対比して、曲線（ｅ１）は、キャップ状部分におけるシャッター要素１３の幾何学的形態を本発明によりノッチ１９及び２０の製作によって変更したときの、（ｄ）の軸線方向の変形を示す。
かくして、理論的な接触円周（ｄ）上の軸線方向移動の最大差がΔｈ１で、それはΔｈ０よりもずっと小さいことに気付くことが可能である。
かくして、本発明により作られたシャッター要素１３のよりよい適合を有することがいかに可能かがわかる。
【００３０】
事実、本発明によれば、シャッター要素１３の球形部分が、付属物又はハブ１４に近い上下の２つのゾーンの変形能力を増すことによって変更される。この解決策は、中央ゾーンに関してこれらのゾーンに大きな剛性を与えるハブが存在している伝統的な構造の解決策とは、完全に反対である。
図３乃至図６に示す例では、ノッチ１９及び２０は曲線形状のベース２１を有する。
【００３１】
しかしながら、ノッチ１９及び２０のベース２１の一連の異なる形状を用いること及びノッチ１９及び２０を球形部分１５全体に延ばすことが可能である。
かくして、図７及び図８が、直線形状のベース２２を有するノッチ１９及び２０をいかに示しているかを気付くだろう。
【００３２】
図９及び図１０は、対向するノッチを互いに連結して円形ノッチ２３を作っている、本発明によるシャッター要素１３の第３の実施形態を示す。かくして、そこから由来する球形のキャップ状部分は、より小さな直径２４の円形中央部分に、きのこのように、設けられる。
【００３３】
図１１及び図１２は、前の実施形態におけるように、ノッチ２５が球形部分１５全体に沿って作られている、本発明によるシャッター要素１３の第４の実施形態を示す。
このノッチ２５は、そこから由来する球形のキャップ状部分が、楕円のような形状で、シャッター要素１３の回転軸線Ｒと垂直に向けられた大きい方の軸線を有する、より小さな直径２６の中央部分に設けられるように深さが可変である。
【００３４】
最後に、中央部分２６’が楕円形であるが、前の中央部分に関して９０°回されている点で第５の実施形態が、異なる図１３及び図１４について図１１及び図１２の同じ考慮が繰り返される。
周囲ノッチはまた、異なって形成される、より小さな寸法の中央部分をもたらすように、異なる輪郭により作られても良い。
【００３５】
従って、本発明によるボールバルブは、先行技術のシャッター要素１３によって提起された技術的課題に有効な解決策を与えている。事実、球形部分におけるノッチの存在により、これらのゾーンは、それぞれのシートと接触したとき、圧力下で、弾性変形を一様にする。
【００３６】
図６に示すように、ノッチ１９及び２０は、シート１２の下流に、又は加圧ゾーンの下流に、Ｘで示すゾーンに作られるべきであることに気付くべきである。
その上、ノッチ１９及び２０又はリリービングは、球形部分の寸法の関数として、及び使用圧力レベル又は他の特殊なパラメーターの関数として、異なるタイプの幾何学形態を有してもよいことがわかった。
【００３７】
かくして、球形部分におけるシャッター要素１３の変形を一様にする可能性により、ボールバルブの作動を改善することができる。これは、エラストマー又は熱可塑性のインサートがシートに用いられるときと、金属シールが低圧と高圧の両方に用いられるときの両方で起こる。
【００３８】
従って、本発明のような技術的解決策をいかなるタイプのボールバルブにも適用しても良い。
かくして、本発明の技術的解決策により、ボールの変形のより大きな一様性を上で既になした説明によって達成することができる。
従って、それが、非常に高い圧力の前面
Ｐ１＝Ｐ０． Δｈ０ Ｐ１＞＞Ｐ０
Δｈ１
で、同じレベルの密封を従来のボールバルブについて得ることができると考えられる。
【００３９】
したがって、シールの得られる同じレベルの密封について、シートに小さい力を付与することが可能であることになる。事実、シートは、もっと多く含まれる、ボールの変形に追従するように変形しなくても良い。その結果、この状態は、低作動トルクでバルブ又はシャッター要素１３を作動することができることを可能にする。
【００４０】
球形部分におけるシャッター要素１３の特殊な幾何学的形態は、鋳造され、鍛造され、転造され、或いは、溶接によって組立てられた本体にもとづいて、金属材料で又は適当に選択されたプラスチック又は複合材料で直接作られても良いことに気付くべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 先行技術によるボール付きバルブの一部が外観図、一部が断面の部分図であり、図に応力を図し、部分の変形を破線で示す。
【図２】 図１の拡大詳細図である。
【図３】 第１の実施形態における本発明によるシャッター要素の縮尺側面図である。
【図４】 半分が図３の線IV−IVによる断面であり、半分が側面図である図である。
【図５】 図３の発明によるボール付きバルブのシャッター要素の部分図であり、部分の応力及び変形を示す。
【図６】 部分的に取付けられた、図３のシャッター要素の更なる部分図である。
【図７】 第２の実施形態による本発明にシャッター要素の縮尺側面図である。
【図８】 図７の線VIII−VIIIによる断面図である。
【図９】 第３の実施形態による本発明によるシャッター要素の縮尺側面図である。
【図１０】 図９の線Ｘ−Ｘによる断面図である。
【図１１】 第４の実施形態による本発明によるシャッター要素の縮尺側面図である。
【図１２】 図１１の線ＸＩ−ＸＩによる断面図である。
【図１３】 第５の実施形態による本発明のシャッター要素の縮尺側面図である。
【図１４】 図１３の線XIV−XIVによる断面図である。

Claims (6)

1. ボール付きボールバルブであり、該ボールバルブは、該ボールバルブの閉鎖位置と開放位置との間で移動できる流体締切用のシャッター要素として機能するボール（１３）が内側に配置されている外部格納本体（１１）を有し、前記ボール（１３）は、該ボール（１３）の両側側面に、シート（１２）の表面（１６）に係合する球形部分（１５）を有し、前記ボール（１３）が前記シート（１２）と共同し、前記外部格納本体（１１）及び前記ボール（１３）に関するシール要素を備え、前記ボール（１３）が、前記球形部分（１５）の内部に向け前記ボール（１３）の回転軸線（Ｒ）と平行な方向に侵入するノッチ（１９、２０）によって形成された弾性ゾーン（１５ａ、１５ｂ）を備えることを特徴とする、ボール付きボールバルブ。
2. 前記ノッチ（１９、２０）が、前記球形部分（１５）の円周部分全体に沿って延びることを特徴とする、請求項１に記載のバルブ。
3. 前記弾性ゾーン（１５ａ、１５ｂ）が、ベース（２１）とキャップ状の部分とを有してきのこ形を有し、該ベース（２１）は曲線形状（２１）を有することを特徴とする、請求項１に記載のバルブ。
4. 前記弾性ゾーン（１５ａ、１５ｂ）が、ベース（２１）とキャップ状の部分とを有してきのこ形を有し、該ベース（２１）は直線の形態（２２）を有することを特徴とする、請求項１に記載のバルブ。
5. 前記弾性ゾーン（１５ａ、１５ｂ）が、ベースとキャップ形状からなるきのこ形を有し、該ベース（２１）は円形形状（２３）を有することを特徴とする、請求項１に記載のバルブ。
6. 前記弾性ゾーン（１５ａ、１５ｂ）が、ベースとキャップ形状からなるきのこ形を有し、該ベース（２１）は楕円形を有することを特徴とする、請求項１に記載のバルブ。

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