JP5602716B2 - 高温蒸気弁 - Google Patents

Description

本発明は、アクチュエータを有する高温蒸気弁、特にこのようなアクチュエータの熱暴露を制限するための手段に関する。

本明細書において、「高温」とは、６５０℃よりも高い温度を意味する。

蒸気タービン効率を高めるために、蒸気タービン稼働温度を上昇させる駆動装置が使用される。しかしながら、稼働温度を高くすると、材料に関する新たな課題が生じる。例えば、一般的に使用される、約６１０℃までの温度に使用するために適している耐熱性１２−Ｃｒの合金鋼は、温度が６５０℃を超えると適さなくなる。このようなケースでは、より高価であるニッケル合金が適している。

特別な材料を考慮することは、弁体のためだけに要求されているのではなく、バルブアクチュエータのためにも要求されている。しかしながら、アクチュエータの内力仕事（internal work）に基づいて、高温に起因する問題は、単に材料を選択しただけでは解決されない。むしろ、アクチュエータの熱暴露を制限するための手段が必要とされる。

このための手段の１つは、弁を冷却し、それによって過剰な熱がアクチュエータに伝達されないようにすることである。米国特許第７４８１０５８号明細書によれば、このような冷却のための構成について開示されており、この構成では、弁ケーシングが、複数の冷却ポートと、これらの冷却ポートを通して冷却媒体を通過させる手段とを備えている。このような構成は複雑で、さらに冷却媒体を供給するための構造を必要とする。

選択的な解決策によれば、弁ケーシングとアクチュエータとの間に、高い熱間強度を有する材料より成る間隔保持部材（スペーサ）が設けられている。高い熱間強度を有しているということは、間隔保持部材が弁ケーシングから伝導された熱エネルギに耐えられ、これに対して間隔保持部材の長さは弁ケーシングから伝導された熱の大部分を対流によってさらに消失させることができる、ということである。それによってケーシングとアクチュエータとの間に温度勾配が発生する。間隔保持部材の長さを設定することによって、アクチュエータが過剰に高い温度に曝されないことを保証する著しく大きい温度勾配を得ることができる。しかしながら、温度勾配を設定する場合、間隔保持部材を弁ケーシングの高温に耐え得るように設計する必要がある。つまり、弁を高温蒸気に使用する場合、間隔保持部材を高価なニッケル合金より製造する必要がある。

米国特許第７４８１０５８号明細書

本発明の課題は、蒸気弁が約６５０℃の蒸気内において使用される場合に、蒸気弁のアクチュエータが過剰に高い温度に曝されるという問題を克服する、簡単で安価な解決策を提供することである。

本発明によれば、高温蒸気中での使用において蒸気弁のアクチュエータが伝導熱に曝されるという問題を克服するための選択的な手段を有する蒸気弁について開示されている。

前記課題は、本発明によれば請求項１の特徴部に記載した構成によって解決された。有利な実施態様は従属請求項に記載されている。

本発明の１実施態様は、アクチュエータとケーシングとの間に、段階的な耐熱性を有する、高温蒸気弁のスペーサ（間隔保持部材）を設けるという一般的な考え方に基づいている。

本発明の１実施態様によれば、ケーシングと、弁を操作するためのアクチュエータと、第１の端部が前記ケーシングに隣接して固定され、第２の端部がアクチュエータに固定されたコネクタとから成る、高温蒸気弁が設けられている。コネクタは、第１のスペーサと第２のスペーサとを有しており、これら第１及び第２のスペーサは、それぞれ第１及び第２の遠位端部を有している。第１のスペーサの第１の遠位端部は、ケーシングに隣接して固定されていて、第２の遠位端部は第２のスペーサに隣接して固定されている。第２のスペーサの第２の遠位端部は、アクチュエータに隣接して固定されている。第２のスペーサは、第１のスペーサよりも低い熱間強度を有する材料より成っている。

典型的な形式で、第１のスペーサの長さは、弁操作中に、第２のスペーサが該第２のスペーサの熱間強度を超える温度に曝されないことが保証される程度に設計され、しかも熱間強度を有する材料の使用が最小限で済む程度に短く構成されている。

本発明の別の実施態様によれば、複数の間隔スペーサが互いに間隔を保って配置されていて、これらの間隔スペーサ間にエアギャップが形成されている。このエアギャップは、ケーシングから第１のスペーサに伝達される熱エネルギを減少させる。これらのスペーサはさらに、面積を増大させるように不規則に構成された面を有していて、この不規則に構成された面は、スペーサからの対流熱損失を増大させ、それによってスペーサの長手方向に沿った温度勾配を増大させる。このようにして、より低い材料重量を有する、より短いスペーサを提供することができる。

本発明の別の実施態様によれば、第１のスペーサを第２のスペーサに固定するねじ手段、及び前記第１のスペーサを前記ケーシングに固定するねじ手段が、それぞれ設けられている。これらのねじ手段は、第１のスペーサと第２のスペーサとケーシングとを一緒に固定するために用いられる。ねじ手段は、異種金属を溶接する際の問題を克服する、溶接に代わる選択的な解決策を提供する。

本発明の別の実施態様によれば、第１のスペーサと前記ケーシングとの間に、特にセラミック又は低い熱伝導率を有する金属より成る断熱材が配置されている。

熱流を減少させるために、第１のスペーサとケーシングとの接合部、第１のスペーサと第２のスペーサとの接合部、又は第２のスペーサとアクチュエータとの接合部が、分割面において溝を有している。

本発明のその他の観点及び利点を、本発明の幾つかの実施例を示す添付の図面を参照して以下に説明する。

本発明の実施例が図面を用いて以下に詳しく説明されている。

本発明の１実施例による高温蒸気弁の斜視図である。 本発明の別の実施例による高温蒸気弁の斜視図である。 図１又は図２に示した弁のコネクタの接続配置の１例を示す拡大図である。 図１又は図２に示した弁のコネクタの接続配置の別の例を示す拡大図である。 図１又は図２に示した弁のコネクタの、絶縁スペーサとして構成されたスペーサの拡大図である。 １実施例によるスペーサの部分の面構造を示す概略図である。 別の実施例によるスペーサの部分の面構造を示す概略図である。

以下に、本発明の実施例を十分に理解するために、幾つかの本発明特有の詳細について説明する。しかしながら、本発明は図示の実施例のみに限定されるものではない。

本明細書においては、引張負荷にさらされた材料が、破断することなくこの引張負荷に耐え得る最大応力を規定する用語として、「熱間強度"hot strength"」が用いられている。同じことを意味する用語して「引張強さ"tensile strength"」も知られている。

図１及び図２は、高温蒸気弁５を示す。この高温蒸気弁５は、ケーシング１０と、高温蒸気弁５を操作するためのアクチュエータ２０と、前記ケーシング１０と前記アクチュエータ２０との間に延在するコネクタ３０とを有している。図１及び図２に示した実施例では、コネクタ３０は、少なくとも２つの別個のスペーサ３５，４０を有している。第１のスペーサ３５は、第２のスペーサ４０よりも高い熱間強度を有していて、ケーシング１０に隣接して固定されており、第２のスペーサ４０は、第１のスペーサ３５よりも低い熱間強度を有していて、第１のスペーサ３５及びアクチュエータ２０に隣接して、第１のスペーサ３５とアクチュエータ２０間に固定されている。

この装置は稼働中に、周囲環境への対流熱損失に基づいて、スペーサ３５，４０の長手方向にわたる自然の温度勾配が形成される。ケーシング１０の隣に配置されていて、ケーシング１０の高い温度にさらされる第１のスペーサ３５は、ケーシング１０と同じ材料より成っている。しかしながら、第２のスペーサ４０を横切る温度勾配に基づいて、第２のスペーサ４０は、第１のスペーサ３５よりも低い熱間強度を有する材料より成っている。例えばニッケル合金の代わりにステンレス鋼が使用される。また、第２のスペーサ４０の長手方向に沿った熱損失によって、第２のスペーサ４０の遠位端部の温度が低下する。１実施例によれば、第２のスペーサ４０の長さは、アクチュエータ２０が過剰な温度にさらされないようにするために、この温度勾配を考慮して構成されている。

図４に示されているように、１実施例によれば、第２のスペーサ４０が延長区分４６を有しており、該延長区分４６は、第１の遠位端部と第２の遠位端部との間に張設されていて、各遠位端部はそれぞれ面４２を有している。第１の遠位端部の面４２は、第１のスペーサ３５の第２の端部に隣接して固定されていて、第２の遠位端部の面４２は、アクチュエータ２０に隣接して固定されている。１実施例によれば、図６及び図７に示されているように、第２のスペーサ４０の一方又は両方の面４２は溝４５を有している。この溝４５は、半径方向の溝を形成するために半径方向に形成されているか、又は、周方向の溝を形成するために周方向に形成されているか、又は半径方向と周方向との間の方向に延在する溝を形成するために半径方向及び周方向以外の方向に形成されている。これらの溝４５の目的は、第１のスペーサ３５と第２のスペーサ４０との間の面接触を制限し、それによって伝導熱の伝達率を減少させることである。

ケーシング１０とアクチュエータ２０との間の延在方向に沿ってコネクタ３０をセグメント化（segmenting）すれば、高い熱間強度を有する高価な材料の量を減少させることができる。

第１のスペーサ３５及び第２のスペーサ４０からの十分な対流熱損失を保証するために必要な第１のスペーサ３５の最小伸張長さを規定するために多くのファクターが規定されており、それによって、稼働中に、第２のスペーサ４０及びアクチュエータ２０の熱間強度を超えないことが保証される。これらのファクターは（これに限定されるものではないが）、ケーシング１０の温度、第１のスペーサ３５の、単位延在長さ当たりの表面積、スペーサ３５，４０の材料の熱伝導率、周囲温度、及び伝導熱損失を制限する絶縁部又はその他の手段である。

図１に示した実施例では、スペーサ３５は、ユニット型の中空円筒形スペーサである。本明細書中において「ユニット型」とは、「一体部品より製造されている」という意味である。

図２には別の実施例が示されている。図２の実施例において、第１のスペーサ３５は、互いに間隔を保って配置された複数の間隔スペーサ３６より成っており、それによって各間隔スペーサ３６間にエアギャップが形成されている。このような手段によって、第１のスペーサ３５とケーシング１０との間の接触面積は減少され、それによって第１のスペーサ３５に伝達される熱エネルギは減少される。またこの間隔スペーサ３６は個別のスペーサであるので、第１のスペーサ３５の体積当たりの表面積比は増大し、それによって第１のスペーサ３５からの対流熱損失が増大し、その結果、急勾配の温度勾配が発生するので、第１のスペーサ３５を短縮することができる。これらすべてのファクターは、アクチュエータ２０を遮蔽するために必要な第１のスペーサ３５を形成するために用いられる熱に強い材料（場合によっては高価である）の量を減少させることに結びついている。

その他の変化実施例は図６に示されている。図６に示した実施例では、第２のスペーサ４０が、延長区分４６に開口４７を有している。この開口４７の目的は、第２のスペーサ４０を伝導する熱流を減少させることである。

さらに別の実施例によれば、第１のスペーサ３５は、１つ又は複数の機能を高める表面を有している。このような機能は、表面粗さ、表面溝、及び／又はスペーサの表面積を増大させる公知の表面構造を含む。

１実施例によれば、ケーシング１０と第１のスペーサ３５とは同じ材料より成っており、それによって、ケーシング１０も第１のスペーサ３５も、同じ熱応力に耐えられるようになっている。

図３に示した実施例では、ねじ手段３８がそれぞれ、第１のスペーサ３５を第２のスペーサ４０に固定するために、また第１のスペーサ３５をケーシング１０に固定するために使用されている。図２に示した実施例では、ねじ手段３８が、第１のスペーサ３５と第２のスペーサ４０とを固定するために、また第１のスペーサ３５とケーシング１０とを互いに固定するために使用されている。図４に示した実施例では、ねじ手段３８は、第１のスペーサ３５と第２のスペーサ４０とケーシング１０とを互いに固定するために使用されている。

本明細書において、「固定する」及び「固定」は、２つの部材又はスペーサの相対的な位置を不動にするという意味である。「固定」は、実際の接触を含んでいてもよいし、含んでいなくてもよい。

図示していない実施例では、溶接とねじ手段３８との組み合わせによって、様々な部材、例えばケーシング１０、アクチュエータ２０及び、コネクタ３０のスペーサ３５，４０が互いに結合されている。

幾つかの実施例においては、ケーシング１０、アクチュエータ２０及びスペーサ３５，４０等の部材を結合するために溶接が使用されているが、前記部材の組成が異なっている場合は、溶接による結合は不可能であるか、又は少なくとも困難である。従って、図３及び図４に示した実施例では、選択的な結合手段が設けられている。

図示していないその他の実施例によれば、スペーサ３５，４０の互いの固定は、粉末冶金及び液圧プレスによって行われる。例えばスペーサ３５，４０の粉末材料が、一般的な金型内に設置され、次いで流体静力学的にプレスされる。このようなプレスによって、粉末材料の温度は、スペーサ３５，４０が鋳造され互いに鍛造される温度まで上昇する。この実施例では、スペーサ３５，４０の異なる材料間のインターフェースは、これらのスペーサ３５，４０間の境界を規定する。

図５に示した実施例では、断熱材３９が第１のスペーサ３５とケーシング１０との間に配置されている。この断熱材３９が第１のスペーサ３５への熱伝導を制限するので、これらのスペーサ３５の必要な延在長さに肯定的な影響を与える。つまりスペーサ３５をより短くすることができる。１実施例によれば、断熱材３９はセラミックより製造されている。何故ならば、セラミックは断熱特性が優れているからである。しかしながら、セラミックは金属と溶接できないので、セラミック部分はねじ手段３８によって固定されている。

図示していない実施例では、追加的に又は選択的に断熱材３９が、第１のスペーサ３５と第２のスペーサ４０との間に配置されている。

図示していないその他の実施例によれば、追加的に又は選択的に断熱材３９が第２のスペーサ４０とアクチュエータ２０との間に配置されている。

本明細書及び図面には、考えられ得る最も実用的な実施例が記載されているが、その他の特殊な形状を有する変化実施例も可能である。図示の実施例は、実証されるべきすべての点を考慮したものであるが、これに限定されるものではない。本発明の範囲は、前述の説明よりもむしろ従属請求項に記載されており、本発明の可能な変化実施例は従属請求項に含まれている。

５ 高温蒸気弁、 １０ ケーシング、 ２０ アクチュエータ、 ３０ コネクタ、 ３５，４０ スペーサ、 ３６ 間隔スペーサ、 ３８ ねじ手段、 ３９ 断熱材、 ４０ 第２のスペーサ、 ４２ 面、 ４５ 溝、 ４６ 延長区分、 ４７ 開口

Claims (11)

1. 高温蒸気弁（５）であって、
   ケーシング（１０）と、
   前記ケーシング（１０）に隣接して固定されたコネクタ（３０）と、
   前記高温蒸気弁（５）を操作するためのコネクタ（３０）に隣接して固定されたアクチュエータ（２０）とを有する形式のものにおいて、
   前記コネクタ（３０）が、
   第１のスペーサ（３５）と第２のスペーサ（４０）とを有しており、
   前記第１のスペーサ（３５）が第１の遠位端部と第２の遠位端部とを有していて、前記第１の遠位端部が前記ケーシング（１０）に隣接して固定されており、
   前記第２のスペーサ（４０）が、第１の遠位端部と第２の遠位端部との間に延在する延長区分（４６）を有しており、前記第２のスペーサ（４０）の前記第１の遠位端部と第２の遠位端部とが、それぞれ面（４２）を備えており、前記第２のスペーサ（４０）の前記第１の遠位端部の面（４２）が、前記第１のスペーサ（３５）の前記第２の遠位端部に隣接して固定されていて、前記第２のスペーサ（４０）の前記第２の遠位端部の面（４２）が、前記アクチュエータ（２０）に隣接して固定されており、
   前記第２のスペーサ（４０）が、前記第１のスペーサ（３５）の熱間強度よりも低い熱間強度を有する材料より成っており、
   前記ケーシング（１０）と前記第１のスペーサ（３５）とが、同じ材料より成っており、
   前記第２のスペーサ（４０）がステンレス鋼より成っている、
   ことを特徴とする、高温蒸気弁（５）。
2. 前記第１のスペーサ（３５）が、互いに間隔を保って配置された複数の間隔スペーサ（３６）より成っており、これらの間隔スペーサ（３６）間にエアギャップが形成されている、請求項１記載の高温蒸気弁（５）。
3. 前記第１のスペーサ（３５）がユニット型の中空円筒形より成っている、請求項１記載の高温蒸気弁（５）。
4. 前記第１のスペーサ（３５）の前記第１の遠位端部と前記第２の遠位端部との間の長さは、稼働中に前記第１のスペーサ（３５）からの対流熱損失に基づいて前記第２のスペーサ（４０）が、該第２のスペーサ（４０）の熱間強度を超えないように、設定されている、請求項１又は３記載の高温蒸気弁（５）。
5. 前記第２のスペーサ（４０）の前記面（４２）が、対流熱損失を増大させるために、前記面（４２）の表面積を増大させる不規則に構成された面を有している、請求項１から４までのいずれか１項記載の高温蒸気弁（５）。
6. 前記不規則に構成された面が、半径方向の溝（４５）及び／又は周方向の溝（４５）を有している、請求項５記載の高温蒸気弁（５）。
7. 前記延長区分（４６）が、前記第２のスペーサ（４０）を伝導する熱流量を減少させるための開口を有している、請求項５記載の高温蒸気弁（５）。
8. 前記第１のスペーサ（３５）を前記第２のスペーサ（４０）に固定するねじ手段（３８）、及び前記第１のスペーサ（３５）を前記ケーシング（１０）に固定するねじ手段（３８）が、それぞれ設けられている、請求項１から５までのいずれか１項記載の高温蒸気弁（５）。
9. 前記ねじ手段（３８）がそれぞれ、前記第１のスペーサ（３５）と、前記第２のスペーサ（４０）と、前記ケーシング（１０）とを通って延びている、請求項８記載の高温蒸気弁（５）。
10. 前記第１のスペーサ（３５）と前記ケーシング（１０）との間に断熱材（３９）が配置されている、請求項１から９までのいずれか１項記載の高温蒸気弁（５）。
11. 前記断熱材（３９）がセラミックより成っている、請求項１０記載の高温蒸気弁（５）。

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