JP4688404B2 - 高性能流体制御弁 - Google Patents

Description

本発明は、概して流体制御弁に関し、より詳細には、高度に制御可能な流れ特性を提供し、弁体の移動中の滑り密閉摩擦を制限する流体制御弁構造に関する。

従来技術の流体制御弁の一つのタイプは、入口ポート及び出口ポートを有するバルブ本体、袖状のケージ、当該ケージ内でスライド可能な弁体、及び前記バルブ本体内で前記ケージと前記弁体とを保持するボンネットアセンブリを有している。前記入口ポートは、前記ケージ内で、開口、即ちウィンドウを介して前記出口ポートと通じている。当該弁を通る流体流量は、前記ケージ内のウィンドウに関連する弁体の位置により決定される。従来技術の流体制御弁の一例は、１９７３年１２月４日にアレンに発行された米国特許第３７７６２７８号に開示されている（特許文献１参照）。

従来技術の流体制御弁は十分な性能を提供していたが、ある欠点を有していた。流れ特性は、特に弁体のオフポジションの付近での制御が困難なことがある。加えて、前記弁が、ある流れ状態下において望ましくないノイズを発生することがある。更に、弁体の座面が経時による浸食性摩耗に陥り、これにより弁動作が低下することがある。弁体の位置変化に抗する摩擦力が、制御システムの不安定化を招くことがある。部品の交差及び熱膨張は、弁部品間に不十分な嵌合を引き起こすことがあり、性能を低下させることがある。従来のゲート弁は、所定のオリフィス直径により流体流動受容能力が制限されている。
米国特許第３７７６２７８号明細書

したがって、上の欠点の一又は複数を克服した流体制御弁構造が求められている。

本発明の第１の態様に基づいて、流体制御弁が提供される。当該流体制御弁は、流路を有するバルブ本体と、前記流路内に取り付けられたケージと、弁体を有する弁体アセンブリとを備える。前記ケージは、軸を有するケージ穴を有している。前記ケージは、一又は複数のウィンドウと、当該ウィンドウの下方に位置するバルブシートと、前記ウィンドウの上方に位置するシールリップとを規定する。前記弁体は、前記ケージ穴内で軸方向へスライド可能である。前記弁体は、その反対端の間に一又は複数の圧力等化通路を有し、また前記バルブシートに嵌合するための座面を有している。前記弁体アセンブリは、前記弁体が閉位置にあるときに、前記シールリップに嵌合するための弾性可変形シールリングを更に備える。

前記可変形シールリングは、弾性金属により構成され得る。より好ましくは、前記可変形シールリングは、閉位置及び閉位置の近傍においてのみ前記ケージと密着する。前記ケージ穴は、シールリップの上方がシールリップの下方よりも大きい直径を有していてもよい。前記弁体アセンブリは、前記可変形シールリングの下方に位置するエラストマリングを更に有していてもよい。

本発明の他の態様に基づいて、流体制御弁が提供される。当該流体制御弁は、流路を有するバルブ本体と、前記流路内に取り付けられたケージと、弁体を有する弁体アセンブリとを備える。前記ケージは、軸を有するケージ穴を有している。前記ケージは、一又は複数のウィンドウと、当該ウィンドウの下方に位置するバルブシートと、当該バルブシートと前記ウィンドウとの間に位置する前記ケージ穴の流量制御部分とを規定する。前記流量制御部分は、前記バルブシートからの距離の関数として寸法が変化する内部輪郭を有する。前記弁体は、前記ケージ穴内で、前記バルブシートに嵌合する閉位置と、流体流量が前記弁体と前記ケージ穴の前記流量制御部分との間の間隙により決定される部分的開位置と、流体流量が前記ウィンドウにより、また前記弁体と前記流量制御部分との間隙により決定される更なる開位置との間で、軸方向へスライド可能である。

第１の実施形態においては、前記流量制御部分の前記内部輪郭は、前記バルブシートからの距離の指数関数の直径を有する。第２の実施形態においては、前記流量制御部分の前記内部輪郭は、前記バルブシートからの距離の線形関数の直径を有する。前記流量制御部分の前記内部輪郭は、所望の流れ特性を提供するように選択され得る。

前記弁体は、当該弁体と前記ケージ穴の前記流量制御部分との間の間隙を規定する円筒部と、当該円筒部の上方の環状拡大溝とを備え得る。前記管状拡大溝は、前記ケージ穴の軸に対して少なくとも３０°の角度で前記円筒部から傾斜した面を有していてもよい。

前記弁体は、前記バルブシートに嵌合するための座面と、当該座面の下方の拡大部分とを有していてもよい。当該拡大部分は、流体の初期絞りを提供すべく形成され、また前記座面から離れるように流体流れを偏向させることができ、よって高流速及び混入粒子により引き起こされる浸食性摩耗を制限することができる。前記弁体は、弁が開位置又は開位置の近傍にあるときに、前記ウィンドウへ円滑に流体を案内するために、前記拡大部分の下方に流線型の、湾曲した輪郭を有していてもよい。これは、ケージウィンドウの流線型の入口部分によって更に促進される。

前記弁体は、その反対端の間に一又は複数の圧力等化通路を有していてもよい。前記ケージ穴は、前記ウィンドウの上方に位置するシールリップを有していてもよく、前記弁体アセンブリは、閉位置において前記シールリップに嵌合するための弾性可変形シールリングを有していてもよい。

前記ケージは、軸方向に変形可能に構成されていてもよい。当該軸方向に変形可能なケージは、機械加工公差及び熱膨張を補償する。

本発明のより良い理解のために、添付図面に対して参照が作成される。参照によって後述の添付図面がここで組み込まれる。

図１に、本発明の第１の実施形態に従った流体制御弁が示されている。図２〜８には、本発明の第２の実施形態に従ったケージ及び弁体アセンブリが示されている。図９には、本発明の第３の実施形態に従ったケージ及び弁体アセンブリが示されている。図１０には、本発明の第４の実施形態に従ったケージ及び弁体アセンブリが示されている。図２〜１０に示されたケージ及び弁体アセンブリは、図１に示された種類の流体制御弁に使用することができる。図１〜１０における対応する要素には、同一の参照符号を付している。実施形態の差異を以下に述べる。

図１に示すように、制御弁１０は、入口ポート１４及び出口ポート１６を有するバルブ本体１２と、ケージ２０と、弁体アセンブリ２２と、ボンネットアセンブリ２４とを有している。弁体アセンブリ２２の主要構成要素は弁体２６である。

図２〜８の実施形態においては、ケージ２０が変形可能部分を有していない。加えて、弁体アセンブリ２２が、座面の下方にエラストマリングを有していない。その他の点では、図２〜８の実施形態は、図１の実施形態と同様である。図９の実施形態においては、ケージ２０が変形可能部分を有していない。その他の点では、図９の実施形態は、図１の実施形態と同様である。したがって、上述の差異を前提として、図１〜９の実施形態を共に記載する。

ケージ２０は、一般的な円筒壁３０と、軸３４を有するケージ穴３２とを有する袖状構造である。ケージ穴３２は、第１の直径の下部３２ａと、当該第１の直径よりも大きい第２の直径の中間部３２ｂと、前記第１及び第２の直径よりも大きい第３の直径の上部３２ｃとを有している。更に、ケージ穴３２は、後述するような可変直径の流量制御部分６０を有している。ケージ２０は、バルブシート４０と、一又は複数の開口、即ちウィンドウ４２とを規定している。ウィンドウ４２は、ケージ穴３２とケージ２０の外部との間に流路を提供する。

弁体２６に取り付けられたバルブステム４４が、ボンネットアセンブリ２４を通じてアクチュエータ（図示せず）へ延びている。図１で軸３４の右側に示される開位置と、中間位置又は部分的開位置（図３に示す）と、図１で軸３４の左側に示される閉位置との間で、弁体アセンブリ２２はケージ穴３２の中間部３２ｂ内を軸３４に沿ってスライド可能である。閉位置においては、弁体２６の座面５０がバルブシート４０に嵌合し、これにより制御弁を通る流体流動が遮断される。開位置においては、弁体アセンブリ２２がケージ２０内でウィンドウ４２の上方の位置へ軸３４に沿って移動する。開位置においては、入口ポート１４が、弁体２６の輪郭８２に補助されて、ケージ穴３２及びウィンドウ４２を介して出口ポート１６に通じている。弁体アセンブリ２２は、所望の流量を達成するために、開位置と閉位置との間における如何なる中間位置にも位置することが可能である。ケージ２０の構造及び弁体アセンブリ２２は、後述するように、弁体位置の機能として流れ特性を決定する。

図示のように、バルブシート４０は、ケージ２０におけるウィンドウ４２の下方に位置せしめられており、またウィンドウ４２から離隔されている。図６及び図８に最良を示すように、ケージ穴３２の流量制御部分６０は、低流量状態において所望の流れ特性を与えるべく選択された内部形状を有している。特に、流量制御部分６０は、バルブシート４０の近傍での小径からウィンドウ４２の近傍での大径へと変化する直径を有している。流量制御部分６０は、バルブシート４０とウィンドウ４２との間におけるケージ穴３２の全体又は一部を含み得る。一実施形態では、流量制御部分６０が、バルブシート４０からの距離の指数関数の直径を有する。他の実施形態では、流量制御部分６０が、バルブシート４０からの距離の線形関数の直径を有する。何れの場合でも、バルブシートからの距離が増大するに従い直径が増大する。流量制御部分６０の効果は、弁体２６が軸３４に沿って上方へ移動したときに、弁体２６の円筒部９０（図３）とケージ２０との間の間隙が漸増することである。この構成は、弁体２６がウィンドウ４２の下端を通過したときに流量が急速に増加又は減少することと対照的に、低流量状態下での正確な制御を可能とする。流量制御部分６０の形状は、所望の流れ特性を与えるように選択され得る。一実施形態においては、流量制御部分６０の直径が、ケージ穴３２の中間部３２ｂの直径の１００．５％から１０５％まで変化する。

弁体２６が、例えば図２に示される開位置又はその近傍にあるとき、流れ特性はケージ２０のウィンドウ４２によって主として決定される。図１〜４に示すように、ウィンドウ４２は外側にラッパ状に拡大していることが好ましい。漸次的に拡大しているウィンドウは、開位置の近傍で乱流を最小化し、したがって流れ受容能力を最大化する。これは、弁体２６の輪郭８２でウィンドウ内へ流体が案内されることにより更に促進される。ウィンドウ４２の入口部分は、円滑な流体流れを提供するために、図５において６２で示すように湾曲され得る。

更に、ウィンドウ４２は、流量制御部分６０からウィンドウ４２への流れの移行を促進するために、図６に示すように、漸次的に開いたＶ字状の下端１５４を有することができる。代替構成として、ウィンドウ４２が直線の下端を有していてもよい。一般的には、ウィンドウ４２の下端は所望の流れ特性を与えるための形状とされ得る。

ケージ２０は、ウィンドウ４２の上方に位置するシールリップ６４を有していてもよい。シールリップ６４は、ケージ穴３２の直径の変化により規定される。特に、ケージ穴３２は、ウィンドウ４２と弁体２６の最大直径よりも若干大きいシールリップ６４との間に中間部３２ｂの直径を有している。シールリップ６４の上方では、ケージ穴３２の上部３２ｃが、後述するように、弁体アセンブリ２２の変形可能なシールリングのための隙間を設けるのに十分な、更に大きい直径を有している。

ケージ２０は、軸方向に変形可能な部分７０を有していてもよい（図１）。当該軸方向に変形可能な部分７０は、バルブ本体１２と相対的なケージ２０の機械加工公差及び熱膨張を補償する。結果として、機械加工公差が緩和され得る。一例として、蛇腹状に薄くされ、折り畳まれたケージ２０の壁部を設けることによって前記軸方向に変形可能な部分７０を実現することができる。

バルブ本体１２には、対応するケージ２０のショルダー７４と嵌合するショルダー７２が設けられている。ケージ２０は、ボンネットアセンブリ２４によりバルブ本体１２に保持される。ボンネットアセンブリ２４がバルブ本体１２に取り付けられるとき、ショルダー７２とボンネットアセンブリ２４とによって及ぼされる反力によりケージ２０が軸方向に変形する。

前述したように、弁体２６には、弁体２２の閉位置においてバルブシート４０と嵌合するための座面５０が設けられている。座面５０及びバルブシート４０は、流体密閉を確保するために、約３０°の接合角度を有し得る。加えて、弁体２６に、座面５０の下方に位置するエラストマリング８０を受けるための溝が設けられていてもよい。エラストマリング８０は、バルブシート４０の下方のケージ穴３２の下部３２ａに嵌合し、更なる密閉を提供する。弁体２６は、好ましくは、座面５０の下方に拡大部分８４を有する。この拡大部分８４は、それ自身とケージ穴３２の下部３２ａとの間で流体流れを絞るような形状とされている。このことは、弁体２６が閉位置の近傍にある場合に、低揚程での２段階絞りプロセスを引き起こす。第１段階は、弁体２６の拡大部分８４とケージ穴３２の下部３２ａとの間である。第２段階は、弁体２６の円筒部９０と、ケージ穴３２の流量制御部分６０との間である。この２段階プロセスは、座面５０から離れるように絞りを移動させる。弁体２６の低部輪郭８２は、弁体２６が開位置又は開位置の近傍において流体流れをウィンドウ４２へ案内するように軸３４について対象な、窪んだ、また湾曲した形状を有している。

更に弁体２６には、その上端と下端との間に一又は複数の圧力等化通路８６が設けられている。バルブ内の流体は、通路８６を通って弁体２６の上方の領域に移動し、これにより弁体２６の反対端の圧力が平衡し、シールリップ６４に対抗するシールリング１００の撓みが補助される。

弁体２６は、座面５０の上方に短い円筒部９０を有しており、この円筒部９０には環状拡大溝９２が続いている。円筒部９２は、中間部３２ｂにおけるケージ穴３２の直径よりも若干小さい直径を有している。拡大溝９２の面９４は、ケージ穴の軸３４に対して少なくとも３０°、好ましくは４５°の角度で円筒部９０から傾斜している。円筒部９０の後に拡大溝９２が続く構成は、低流量状態におけるノイズを減少させるために、高速ジェット膨張、最大乱流、及び低圧力回復を可能とする。

弁体アセンブリ２２は、ネジ付き保持器１０４によって弁体２６の上端でショルダー１０２に保持された弾性可変形シールリング１００を更に有している。高ニッケル合金のような金属であり得るシールリング１００が、高温における高抗張力を理由に選択される。シールリング１００は、弁体２６の最大直径よりも大きいが、シールリップ６４の上方のケージ穴３２の上部３２ｃでの内径よりも小さい外径を有している。結果的に、シールリング１００は、シールリップ６４を除いてケージ２０とは密着しない。弁体２６には、シールリング１００の下方に位置するエラストマリング１１０用の溝が設けられていてもよい。エラストマリング１１０は、約４５０°Ｆ以下の温度を伴う用途に使用され得る。エラストマリング１１０もまた、シールリップ６４の上方のケージ穴３２の上部３２ｃでの内径よりも小さい外径を有している。

運転中には、弁体アセンブリ２２は、弁体２２が閉位置の近傍にあるときまで、密閉摩擦無しでケージ穴３２内を軸方向へ移動する。座面５０がバルブシート４０に嵌合する前に、シールリング１００はケージ２０のシールリップ６４に嵌合し、弁体アセンブリ２２が完全閉位置に移動するときに若干変形する。加えて、エラストマリング１１０が、シールリップ６４の傾斜部１１２に嵌合し、若干変形する。したがって、シールリング１００及びエラストマリング１１０は、弁体アセンブリ２２が閉位置にあるときに、弁体２２の上方の領域８８とウィンドウ４２との間の確実な密閉を提供する。弁体アセンブリ２２の開位置及び部分的開位置においては、シールリング１００及びエラストマリング１１０はケージ２０に接触せず、弁体２６の動作は滑り密閉摩擦に実質的に拘束されない。

図１０には、弁体の第４の実施形態が示されている。図１〜１０において同様の構成要素については、同一の参照符号を付している。弁体１２６がバランス通路又はエラストマリングを有しておらず、また弁体１２６の上端に可変形シールリングを有していないことを除いて、弁体１２６は上述した弁体２６と同様である。弁体１２６は、座面５０とバルブシート４０との間の密着に、密閉を依存している。また、図１０に示すケージ２０は、軸方向に変形することができない。エラストマリングがない図１０の実施形態は、約４５０°Ｆ以上の温度を伴う用途に使用することができる。

以上では、図１の弁の姿勢に関連した記載がなされている。故に、バルブシート４０は、ウィンドウ４２の「下方に」位置するとして記載されており、シールリップ６４は、ウィンドウ４２の「上方に」位置するとして記載されている。使用において、制御弁が所要の如何なる姿勢をも取る得、また弁の構成要素の相対位置は変更し得ることが分かる。更に、ここで説明された弁の特徴は、高性能な弁動作を達成するために、各別に使用することも、如何なる組み合わせで使用することもできる。

図面に示され、本明細書に記載された実施形態は、本発明の精神及び範囲内で種々の変更及び修正が可能であることが理解されるべきである。したがって、以上の説明に含まれ、また添付の図面に示された全ての事項は、一例であり、限定して判断されるものではないと解釈されることが意図されている。本発明は、添付の特許請求の範囲に定義された通りに、またその均等物のみに限定される。

本発明の第１の実施形態に係る流体制御弁の断面図であり、弁体がその軸に沿って分割され、弁体の左半分が閉位置に示されており、弁体の右半分が開位置に示されている。 開位置にある本発明の第２の実施形態に係るケージ及び弁体アセンブリを示す断面図である。 部分的開位置にある図２のケージ及び弁体アセンブリを示す断面図である。 閉位置にある図２のケージ及び弁体アセンブリを示す断面図である。 図２のケージの平面断面図である。 図２のケージの側面断面図である。 図６のケージのシールリップの部分拡大断面図である。 図６のケージの流量制御部及び座面の部分拡大断面図である。 閉位置にある本発明の第３の実施形態に係るケージ及び弁体アセンブリをしめす断面図である。 部分的開位置にある本発明の第４の実施形態に係るケージ及び弁体アセンブリを示す断面図である。

Claims (23)

1. 流路を有するバルブ本体と、
   円筒壁と、軸を有するケージ穴と、一又は複数のウィンドウと、当該一又は複数のウィンドウの下方に位置するバルブシートと、前記一又は複数のウィンドウの上方に位置するシールリップと、前記バルブシートと前記一又は複数のウィンドウとの間に配置されて前記バルブシートからの距離の関数として寸法が変化する内部輪郭を有する流量制御部分とを規定する、前記流路内に取り付けられたケージと、
   前記ケージ穴内で、閉位置と複数の部分的開位置と開位置との間において軸方向へスライド可能な弁体を有する弁体アセンブリとを備え、
   前記ケージ穴の下部は、前記バルブシートの下方に設けられ、
   前記弁体は、
   その反対端の間に設けられた一又は複数の圧力等化通路と、
   前記バルブシートに嵌合するよう形成された座面と、
   前記弁体が閉位置にあるときに前記シールリップと嵌合するよう形成された可変形シールリングと、
   前記弁体が部分的開位置にあるときに前記弁体と前記ケージ穴の前記流量制御部分との間の間隙を規定することで流体流量を決定し、かつ、前記弁体が開位置にあるときに前記ウィンドウによって流体流量を決定するように構成された円筒部と、
   前記座面の下方に設けられ、前記弁体が部分的開位置にあるときに前記ケージの前記下部との間で流量を絞るよう構成された拡大部分と、を有する流体制御弁。
2. 前記可変形シールリングは、弾性金属によりなる請求項１に記載の流体制御弁。
3. 前記ケージ穴は、シールリップの上方がシールリップの下方よりも大きい直径を有する請求項１に記載の流体制御弁。
4. 前記ケージは、軸方向に変形可能な部分を有している請求項１に記載の流体制御弁。
5. 前記弁体アセンブリは、前記弁体の前記可変形シールリングの下方に取り付けられたエラストマリングを更に備える請求項１に記載の流体制御弁。
6. 前記一又は複数のウィンドウは、外側にラッパ状に拡大している請求項１に記載の流体制御弁。
7. 流路を有するバルブ本体と、
   軸を有するケージ穴と、一又は複数のウィンドウと、当該一又は複数のウィンドウの下方に位置するバルブシートと、当該バルブシートと前記一又は複数のウィンドウとの間に配置されて前記バルブシートからの距離の関数として寸法が変化する内部輪郭を有する流量制御部分とを規定する、前記流路内に取り付けられたケージと、
   前記ケージ穴内で、弁体の座面が前記バルブシートに嵌合する閉位置と、流体流量が弁体と前記流量制御部分との間の間隙により決定される部分的開位置と、流体流量がケージの前記ウィンドウにより決定される更なる開位置との間で、軸方向へスライド可能な弁体を有する弁体アセンブリとを備え、
   前記弁体が、前記弁体と前記ケージ穴の前記流量制御部分との間の間隙を規定する円筒部と、低流量状態におけるノイズを減少させるべく前記円筒部の上方に設けられて、前記軸に直交する径方向の外方に向かって拡大する断面形状を有する環状拡大溝とを備えている流体制御弁。
8. 前記流量制御部分の前記内部輪郭は、前記バルブシートからの距離の指数関数の直径を有する請求項７に記載の流体制御弁。
9. 前記流量制御部分の前記内部輪郭は、前記バルブシートからの距離の線形関数の直径を有する請求項７に記載の流体制御弁。
10. 前記環状拡大溝は、前記ケージ穴の軸に対して少なくとも３０°の角度で前記円筒部から傾斜した面を有する請求項７に記載の流体制御弁。
11. 前記ケージは、軸方向に変形可能な部分を有している請求項７に記載の流体制御弁。
12. 前記弁体は、前記バルブシートに嵌合するための座面と、当該座面の下方の拡大部分とを有しており、前記拡大部分は、湾曲した輪郭の下面を有し、前記座面から離れるように流体を導き、前記弁体の開位置の近傍で前記ウィンドウへ流体流量を案内すべく形成されている請求項７に記載の流体制御弁。
13. 前記弁体は、前記バルブシートに嵌合するための座面を有し、前記弁体アセンブリは、
    前記座面に隣り合って前記弁体に取り付けられたエラストマリングを更に備える請求項７に記載の流体制御弁。
14. 前記弁体は、その反対端の間に一又は複数の圧力等化通路を有する請求項７に記載の流体制御弁。
15. 前記ケージ穴は、前記一又は複数のウィンドウの上方に位置するシールリップを有し、
    前記弁体アセンブリは、閉位置において前記シールリップに嵌合するための可変形シールリングを有する請求項７に記載の流体制御弁。
16. 前記一又は複数のウィンドウは、外側にラッパ状に拡大している請求項７に記載の流体制御弁。
17. 前記ウィンドウは、円滑な流体流量を提供するように湾曲された入口部分を有する請求項７に記載の流体制御弁。
18. 前記一又は複数のウィンドウは、所望の流れ特性を提供するように形成された下端を有する請求項７に記載の流体制御弁。
19. 前記一又は複数のウィンドウは、Ｖ字状の下端を有する請求項７に記載の流体制御弁。
20. 前記ケージ穴の前記流量制御部は、前記バルブシートからの距離の指数関数の直径を有する請求項１に記載の流体制御弁。
21. 前記ケージ穴の前記内部輪郭は、前記バルブシートからの距離の線形関数の直径を有する請求項１に記載の流体制御弁。
22. 前記弁体は、前記円筒部の上方に環状拡大溝をさらに備えている請求項１に記載の流体制御弁。
23. 前記環状拡大溝は、前記ケージ穴の軸に対して少なくとも３０°の角度で前記円筒部から傾斜した面を有する請求項２２に記載の流体制御弁。

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