JP4897786B2 - 流体制御装置 - Google Patents

Description

本開示は概して流体制御装置に関するものであり、さらに詳細には、このような流体制御装置に用いられた絞り要素に係止するシールに関するものである。

制御弁や減圧弁のような流体制御装置は一般に管内を流れる流体の特性を制御するために用いられる。典型的な装置は、入口、出口、および、この入口と出口とを連通する流路が形成された弁箱を含んでいる。この弁箱には弁座リングが接続されており、弁座リングにはそこを流体が通過するオリフィスが形成されている。弁体のような絞り要素が弁座リングに対して相対的に移動可能であり、前記オリフィスを通過する流体の流れを制御する。

ある種の流体制御装置は、絞り要素の移動を案内するケージタイプの内部部品を採用している。このケージには絞り要素を収容しうるサイズの内部空洞が形成されており、さらに、流体が通過する少なくとも一つの通路が形成されている。絞り要素は閉位置に移動することができる。閉位置は、前記絞り要素がケージの前記少なくとも一つの通路を閉止する位置である。しかしながら、加工公差のため、絞り要素の外周面とケージの内部空洞内周面との間に狭い環状隙間が形成される。この隙間は流体の通過を許すので、この装置が閉状態であるときに漏洩源を生じさせてしまう。この制御装置を全閉にするためには、アクチエータの閉止力によって絞り要素の最下端が弁座リング内に移動させられる。これにより流体制御装置における第一シールが提供される。

絞り要素が弁座リングに押圧されることによって形成される従来の第一シールにあっては漏洩が生じる傾向がある。絞り要素とケージとの間の隙間には、ケージの通路から弁座リングのオリフィスに至る第一漏洩経路が形成されている。また、前記第一シールの上流側の流体圧はこのシールの両側に差圧を生じさせる。その結果、絞り要素が閉位置にあるときに、前記面同士の係止の不完全やシールの他の損壊が流体の漏洩を許すことになる。このような漏洩は弁座を浸食して漏洩程度を増大し、弁座面の損傷（エロージョン）を増大させるという悪循環を生む結果となる。

漏洩およびエロージョンの問題は、流体制御装置が浸食性環境で使用される場合にはさらに深刻である。発電プラントにおけるボイラーへの給水の制御に用いられるバルブのような、制御装置のある適用においては、第一シールはより早く浸食される傾向がある。発電プラントへの適用は、歴史的に見れば、年に数回の起動で一日２４時間稼働の場合ではほとんどエロージョンはない。最近になって、発電プラントは毎日起動して日中にピークロード運転のみを行うパターンになっている。その結果、配管に対する毎日の加熱および冷却によって伸縮が繰り返されるので、配管の内面に蓄積されたスケールが破壊されて除去される傾向がある。破壊された酸化膜（スケール）の粒子は高い硬度を有しており、そして、これが流体の流れに乗って配管内部および流体制御装置の内部を流れる。ボイラーへの給水用配管を流れる水の流速は比較的速いので、スケールの粒子は流水に乗って第一シール面に衝突し、弁座面を早期に浸食する。弁座のエロージョンはバルブが流体の流れを閉止する機能を阻害し、発電プラントの効率を低下させ、流体制御装置にさらなるダメージを与える。

エロージョンの問題を解決するための伝統的なアプローチの一つは、弁座面および絞り要素に硬度の高い材料を使用することである。このアプローチはある種の対象については効き目があるが、最近の多くの発電プラントではボイラー給水の処理のために腐食性を有する化学物質を用いている。頻繁なサイクル運転は水の化学特性の制御を一層困難にする。一般的に、高硬度材料は浸食に敏感である傾向があるので、このようなアプローチは限定された対象にのみ適用されるであろう。

他の公知のアプローチは、弁座リングに軟質金属製シート面を形成し、絞り要素に硬質金属製シート面を形成するものである。絞り要素は、閉止するたびに、軟質の弁座リングに対して十分な力によって押圧させられて新たなシートを形成する。再び、このアプローチは限定された適用には有効であり、いくらかの欠点には苦しむ。第一に、絞り要素が閉止したときに両シート面間に何か異物が挟まった場合、それが完全な閉止を妨げ、その結果、高速流体がシート面間を流れて短時間のうちに軟質のシート材料を浸食してしまう。もし、絞り要素が何とかして完璧に閉止することができたとき、挟まった前記異物は軟質シート材に窪みを付けてしまう。引き続きバルブが開弁すると、前記異物は流されてしまい、前記窪みはシート面に漏れ通路を生じさせてしまう。そして、この漏れ通路には、次ぎに絞り要素が閉止したときに再び流体の高速流が生じてエロージョンが発生する結果となる。

一次漏洩経路を通る流体の流れを制限するためのシールが開示されている。このシールは一次漏洩経路に配置されており、この漏洩経路を通る流体の漏れを防止または低減するために、閉止位置にある絞り要素に係止している。このシールは、弁座リングへの絞り要素の係止（この係止は絞り要素に作用するアクチエータの力による）によって形成される従来のシールに代えて、またはそれと共に用いられてもよい。一つの実施形態では、シールが絞り要素の内周に係止し、それにより、絞り要素が開位置にあるときにはシールを通常の流路から離れたところに位置させる。

図１および図２は、絞り要素１４の外周に係止するシール１２を備えた制御弁１０の形態をとった流体制御装置の第一実施形態を示している。この制御弁１０は、入口１８と、出口２０と、この入口１８から出口２０に連通する流路２２とを形成した弁箱１６を含んでいる。弁座リング２４は、弁箱１６に接続されており、そこを流体が通るオリフィス２６を形成している。弁座リング２４の上部には接触面２８が形成されている。

弁箱１６にはケージ３０が接続されており、これが弁座リング２４に係止している。このケージ３０には、内部洞３２と、このケージ３０を貫通する少なくとも一つの通路３４とが形成されており、この通路３４を通って流路２２が形成される。

前記絞り要素１４はケージ３０の内側空洞３２に摺りつつ進入しうるサイズにされた外周面３６を有している。絞り要素１４には弁棒３８が連結されており、この弁棒３８はアクチエータ（図示せず）に連結されている。このアクチエータは弁棒３８およびそれに接続された絞り要素１４を中心軸４０に沿って往復動させる。図示の絞り要素１４は、それが閉止位置にあるときに弁座リングの接触面２８に係止するように配置されたシート面４１を有している。図示された絞り要素１４は、その対向する側それぞれの圧力を同一にするための従来から一般に知られたバランス孔４２を有している。

絞り要素１４を軸４０に沿って自由に移動させるために、絞り要素１４の外周面３６とケージ３０の内周面３２との間に隙間４４を設けている。明確化するために図２に拡大して示されたこの隙間４４は、好ましい実施形態において、絞り要素１４の周囲にわたって環状に形成されている。図１、２に示すような、流体が弁座リング２４のオリフィス２６を下方に向けて通過して流路２２を流れる、いわゆる流下形態では、隙間４４は二つの漏洩経路を生じる可能性がある。第一の漏洩経路４６は、ケージ３０の前記通路３４から、弁座リング２４の接触面２８とケージシート面４１との間を通り、弁座リングオリフィス２６内に至る。第二の漏洩経路４８は、ケージ３０の前記通路３４から、ケージ３０と絞り要素１４の間を通って絞り要素１４の上部に至る。図示された絞り要素１４は第二漏洩経路シール組立体５０を備えており、これがケージ３０の内周面３２に摺接して第二漏洩経路４８を通過する流体の漏れを防止する。

前記シール１２は第一漏洩経路４６を通過する流体の漏れを防止または低減するために設けられている。このシール１２は、第一漏洩経路４６内に配置されてシール面５２に係止している。このシール面５２は前記ケージシート面４１から離間して絞り要素１４の外周に形成されている。図示の実施形態では、ケージ３０と弁座リング２４とが、シール１２をしっかりと保持収容しうるサイズの凹所５４を形成している。前記絞り要素シール面５２は、シート面４１から離間し、軸４０に対して実質的に平行に延びている。シール面５２は軸４０方向に所定幅を有してもよい。この幅は、絞り要素１４が全閉位置に近づくときの絞り要素１４の位置の範囲にわたってシール１２がシール面５２に係止しうる寸法にされている。図示のシール１２はＣ字状断面を有するものを例示したものであるが、もちろん、他のタイプのシールを用いてもよい。図示のごときＣ字状断面のシール１２は、前記隙間４４に生じる流体圧によって効果的な作用を発揮する。このシール１２はメッキされた金属、メッキされない金属、プラスティック、またはその他の材料から形成することができる。

運転においては、絞り要素１４が全閉位置に近づくとシール１２が絞り要素シール面５２に係止する。第一漏洩経路４６を通過しようとする流体はシール１２によって遮られる。シール１２を柔軟な材料から形成すれば、流体はシールを変形させて絞り要素シール面５２に係止させ且つシール圧を増大させる。それにより、第一漏洩経路４６を通過する流体を一層減少させる。このように、シール１２は、絞り要素のシート面４１と弁座リングの接触面２８との係止によるシールに加えて、二重のシールを提供する。または、シール１２を、絞り要素のシート面４１と弁座リングの接触面２８との係止に代えて第一シールとしてもよい。いずれにせよ、第一漏洩経路４６を通る流体は減少するか除去され、それにより弁座リング２４の損傷が最小限に抑えられる。加えて、この制御弁１０は、絞り要素１４と弁座リング２４との間を密封シールするためにアクチエータの力を頼ることはない。アクチエータに要求される性能を低く抑えることができる。

図３および図４はシール１１２を備えた制御弁１１０の参考例を示している。このシール１１２は、絞り要素１１４に係止することにより、第一漏洩経路１４６を通る流体の漏れを防止するための第一シールを提供する。この制御弁１１０は、入口１１８と、出口１２０と、この入口１１８から出口１２０に連通する流路１２２とを形成した弁箱１１６を含んでいる。弁座リング１２４は、弁箱１１６に接続されており、そこを流体が通るオリフィス１２６を形成している。弁座リング１２４には閉止面１２８が形成されている。

弁座リング１２４にはケージ１３０が接続されており、このケージ１３０が内部洞１３６を有している。このケージ１３０を貫通する複数の通路１３４が形成されており、この通路１３４を通って流路１２２が形成される。

前記絞り要素１１４はケージ１３０の内側空洞１３６に摺りつつ進入しうるサイズにされた外周面１３２を有している。絞り要素１１４には弁棒１３８が連結されており、この弁棒１３８はアクチエータ（図示せず）に連結されている。このアクチエータは弁棒１３８およびそれに接続された絞り要素１１４を中心軸１４０に沿って開位置と閉位置との間を往復動させる。絞り要素１１４はさらに、弁座リング１２４の停止面１２８に係止するように配置されたストローク停止部１４１を有している。

加工公差等の理由から、ケージの内部空洞１３６と絞り要素の外周面１３２との間には隙間１４４が設けられている。明確化するために図４に拡大して示されたこの隙間１４４は第一の漏洩経路１４６を構成している。この第一の漏洩経路１４６は、ケージ１３０の前記通路１３４から、絞り要素のストローク停止部１４１と弁座リングの閉止面１２８との間を通り、弁座リングオリフィス１２６内に至る。したがって、絞り要素１１４が全閉位置にあるとき、流体は、入口１１８からケージ通路１３４、隙間１４４、および第一漏洩経路１４６を通って弁座リング１２６に至る。

シール１１２は、第一漏洩経路１４６を通過する流体の流れを低減または防止するための第一シールとして設けられている。図示の参考例では、弁座リング１２４は、中心軸１４０から外方に向けて開口されたチャンネル状凹所１５８を形成したグランド部１５６を含んでいる。チャンネル状凹所１５８はシール１１２を収容しうるサイズにされており、それによってシールを保持している。絞り要素１１４は、その内周側に形成され且つ軸１４０に対して実質的に垂直に配置されたシール面１５２を備えている。シール１１２は、停止面１２８、１４１同士の係止によって規定されるストロークの停止位置に絞り要素１１４が近づいたときに、シール面１５２に係止する位置およびサイズにされている。シール１１２はオーリングとして図示されているが、プラスティックや金属から形成された他のタイプのシールを用いてもよい。前述した参考例のように、前記シール面１５２は軸方向に所定幅を有しており、そのどの部分においてもシール作用を奏するようにシール１１２に摺接している。

運転において、シール１１２は第一漏洩経路１４６を通る流体流れを最小限に抑え、エロージョンに対する過敏性を最小限に抑える。絞り要素１１４が全閉位置に近づくと、シール１１２がこの絞り要素１１４の内周シール面１５２に係止し、それにより、第一漏洩経路１４６を通過する流体の流れを低減または防止する。シール面１５２は、絞り要素１１４の内周面に位置しているので、流路１２２に直接露出しておらず、流体に混入しているエロージョン要素による損傷を受けにくい。加えて、アクチエータから絞り要素１１４に加える力に関わらず、シール１１２が第一漏洩経路１４６を通過しようとする流体を止める。さらに、当然のことながら、シール面１５２（絞り要素のストローク停止部１４１ではない）が第一シールの部分を形成しているので、絞り要素のストローク停止部１４１がシール１１２の性能を低下させることなく摩耗する。これに関して、絞り要素１１４の寿命を延ばす目的で、意図的に絞り要素のストローク停止部１４１を拡大している。

ここに開示された参考例では、固有の流路を規定する固有の入口および出口を有するものとして述べられている。しかし、当然のことながら、この開示の範囲を逸脱することなく入口と出口とを入れ替えることは可能である。とくに、ここでは「流下式」を例示しているが、流体が弁座リングオリフィスを上方に向けて通過し、弁体を通り、ケージを通過して出口に至る構成としてもよい。ここに開示されているシールは、前記逆流タイプのバルブへの適用に際しても前述と同様の利点を得ることができるであろう。

前述の詳細な説明は明確な理解のためだけに提供されているものであり、そこからの改変は当業者にとって自明であり、一切の限定を意味するものではないことは理解すべきである。

一次漏洩経路を通る流体の漏れを防止するためのシールを有する流体制御装置の一実施形態を示す縦断面図である。 図１における一部を拡大して示す断面図である。 一次漏洩経路を通る流体の漏れを制限するためのシールを有する流体制御装置の参考例を示す縦断面図である。 図３における一部を拡大して示す断面図である。

Claims (14)

1. 入口、出口、および、この入口から出口に延びる流路が形成された弁箱と、
   この弁箱に接続された、流体が通過するオリフィスを形成する弁座リングと、
   前記弁箱に接続され且つ内部空洞を有するケージであって、流体が通過する少なくとも一つの流路を含むケージと、
   ケージの前記内部空洞に進入しうるサイズにされ、軸に沿って開位置と閉位置との間を移動可能に構成された絞り要素であって、前記軸に実質的に平行なシール面が形成された絞り要素と、
   この絞り要素が実質的に閉位置にあるときに前記シール面に係止し、そうすることによって前記弁座リングのオリフィスを通過する流体の流れを制限するシールと、を備えており、
   前記シールはＣ字状断面を有し、前記シール面に係止するときには当該シール面に接触するとともに、Ｃ字状断面の開口が前記ケージと絞り要素との間の隙間に臨んで対向するように配設されている、流体制御装置。
2. 前記絞り要素が、閉位置にあるときに弁座リングに係止するように配置されたシート面を含んでおり、この絞り要素の前記シール面が絞り要素のシート面から離間している、請求項１記載の流体制御装置。
3. 前記絞り要素が閉位置にあるときに、第一漏洩経路が、絞り要素とケージとの間に形成されるとともに、ケージの少なくとも一つの通路と弁座リングのオリフィスとの間に延び、前記シールが、第一漏洩経路を通過する流体の流れを実質的に防止する、請求項１記載の流体制御装置。
4. 前記シール面が絞り要素の外周面に配置されている請求項１記載の流体制御装置。
5. 前記ケージが弁座リングに接続されており、このケージと弁座リングとがシールを収容しうるサイズの凹所を形成している、請求項４記載の流体制御装置。
6. 前記シール面が、絞り要素の内周面に配置されている請求項１記載の流体制御装置。
7. 前記弁座リングが、前記絞り要素の内周面に向き且つシールを収容しうるサイズのチャンネルが形成されたグランド部を含んでいる、請求項１記載の流体制御装置。
8. 前記前記シールがオーリングを有している請求項１記載の流体制御装置。
9. 前記絞り要素のシール面が軸方向の幅を有しており、前記シールが絞り要素のシール面の軸方向幅のうちの如何なる部分にも係止する、請求項１記載の流体制御装置。
10. 入口、出口、および、この入口から出口に延びる流路が形成された弁箱と、
    この弁箱に接続された、流体が通過するオリフィスを形成する弁座リングと、
    前記弁箱に接続され且つ内部空洞を有するケージであって、流体が通過する少なくとも一つの流路を含むケージと、
    ケージの前記内部空洞に進入しうるサイズにされ、軸に沿って開位置と閉位置との間を移動可能に構成された絞り要素であって、前記軸に実質的に平行なシール面が形成された絞り要素と、
    この絞り要素が実質的に閉位置にあるときに前記シール面に係止し、そうすることによって前記弁座リングのオリフィスを通過する流体の流れを制限するシールと、を備えており、
    前記閉位置は、絞り要素が弁座リングに係止する位置であり、前記シール面が絞り要素の外周面に位置しており、
    前記シールはＣ字状断面を有し、前記シール面に係止するときには当該シール面に接触するとともに、Ｃ字状断面の開口が前記ケージと絞り要素との間の隙間に臨んで対向するように配設されている、流体制御装置。
11. 前記絞り要素が、閉位置にあるときに弁座リングに係止するように配置されたシート面を含んでおり、この絞り要素の前記シール面が絞り要素のシート面から離間している、請求項１０記載の流体制御装置。
12. 前記絞り要素が閉位置にあるときに、第一漏洩経路が、絞り要素とケージとの間に形成されるとともに、ケージの少なくとも一つの通路と弁座リングのオリフィスとの間に延び、前記シールが、第一漏洩経路を通過する流体の流れを実質的に防止する、請求項１０記載の流体制御装置。
13. 前記ケージが弁座リングに接続されており、このケージと弁座リングとがシールを収容しうるサイズの凹所を形成している、請求項１０記載の流体制御装置。
14. 前記絞り要素のシール面が軸方向の幅を有しており、前記シールが絞り要素のシール面の軸方向幅のうちの如何なる部分にも係止する、請求項１０記載の流体制御装置。

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