JP6336030B2 - 高温制御弁用のグラファイト／金属弁シールアセンブリ - Google Patents

Description

本開示は、摺動ステム弁等のプロセス制御弁に関し、より具体的には、高温動作のためのグラファイト／金属シールアセンブリを有する摺動ステム制御弁に関する。

プロセス制御弁は、プロセス流体流動の調節または制御を必要とするシステムまたはプロセスにおいて使用される。そのような制御弁は、摺動ステム弁、回転弁、球形弁等として構成され得る。弁シートに対して弁プラグ等の制御要素の位置を設定することによって、制御弁を通る流体流動は、正確に設定され得る。弁プラグは、概して弁本体内を弁シートに対して摺動または移動する。いくつかの制御弁において、弁プラグがケージ内を摺動するケージが含まれ得る。弁プラグは、弁本体内を摺動するため、弁プラグと弁本体（またはケージ）との間の流体流動を阻止することが重要である。同時に、弁プラグと弁本体（またはケージ）との間の、摩擦を低減させ、かつそれらの間の摩耗及び付着を最小限に抑えることが所望される。

いくつかの制御弁において、シールは、弁プラグ自体に組み込まれ得るか、またはシールは、弁本体（またはケージ）またはボンネットに組み込まれ得る。いずれにせよ、シールは、流体が弁プラグと弁本体またはボンネットとの間を流動することを防がなければならない。流体が制御要素と弁本体またはボンネットとの間を流動することを防ぐ目的で、かつ制御要素と弁本体またはボンネットとの間に生じる摩耗を低減させるために、いくつかの摺動ステム弁は、比較的軟質の材料をシールに組み込んでいる。そのようなシールは、ステンレス鋼、ニッケル、またはコバルトベースの合金で構成される耐食バネを有する、純、充填、または強化ポリテトラフルオロエチレン被覆で構成される、バネ付き圧力補助リップシールである。他のフルオロポリマー、超高分子ポリエチレン、及びポリウレタンが、用いられる他の被覆材料である。用いられている他の種類のシールは、合成Ｏリング、クワッドリング、ＰＴＦＥベースの摩耗リングを有するバックアップリング、及び金属強化ＰＴＦＥベースの一体化シールを含む。摩擦を低減させ、高品質かつ弾性のシールを提供する一方で、軟質材料は、高温条件下で融解、変形、あるいは劣化し得るため、材料は高温環境において概して有用ではない。これらの軟質材料の全ては、６００°Ｆ未満（約３１６℃未満）の比較的低い温度のためのみに使用される。

従来の高温摺動ステム制御弁は、典型的には、高温に耐えることができる組み込まれた一体化の硬質グラファイトシールリングを有する。グラファイトシールリングは、高温に耐えることができる一方で、グラファイトシールリングは、柔軟性、適応性、または弾性がないため、それらは、概して、弁プラグと弁本体（またはケージ）またはボンネットとの間に最適なシールを提供しない。グラファイトシールリングは、弁プラグと弁本体（またはケージ）との間に生じる摩擦による損傷を受け得、それらは、弁プラグまたは弁本体（またはケージ）に付着した流動ストリーム粒子または混入物中の粒子及び混入物の影響を比較的受けやすい。一体化グラファイト材料における適応性の欠如は、低温環境において利用されるより軟質のゴムまたはプラスチックコンプライアント材料よりさらに著しい遮断漏水につながる。さらに、グラファイトシールリングは、比較的高い摩擦係数を有し、これは、弁プラグが移動するときに過度の摩擦及び摩耗を引き起こす。この過度の摩擦及び摩耗は、シール及び／または制御要素の劣化及び初期不良を引き起こす。

摺動ステム制御弁は、入口及び出口を有する弁本体を含む。入口及び出口は、流体流動通路によって流体接続される。弁シートは、流体流動通路内に位置する。摺動可能な制御要素は、弁シートと協働して弁本体を通る流体流動を制御する。シールアセンブリは、制御要素と弁本体との間に位置する。シールアセンブリは、第１のバックアップリングと第２のバックアップリングとの間に位置する金属／可撓性グラファイトシールリングを含む。バイアス要素は、バックアップリングのうちの１つに隣接して位置し、リテーナリングは、バイアス要素によって生じる力が、バックアップリングに、ひいては金属／可撓性グラファイト封止リングに伝達されるように、バックアップリングに隣接してバイアス要素を維持する。

別の実施形態において、高温摺動ステム制御弁用のシールアセンブリは、第１のバックアップリングと第２のバックアップリングとの間に位置する金属／グラファイトシールリングを含む。バイアス要素は、第２のバックアップリングに隣接して位置し、リテーナリングは、バイアス要素に隣接して位置する。金属／グラファイトシールリングは、薄い金属製外囲体によって少なくとも３つの側面を包囲された可撓性グラファイトリングを含んでもよい。

さらに別の実施形態において、シールアセンブリは、制御部材内に形成される環状凹部に位置し得る。

さらに別の実施形態において、シールリングアセンブリは、弁本体内に形成される環状凹部に位置し得る。

開示されるシールアセンブリは、高温環境において優れた封止能力を提供すると同時に、制御部材と弁ハウジングとの間の摩擦を低減させるか、または最小限に抑える。

本開示の教示に従って構成される摺動ステム制御弁の断面図である。 金属／グラファイトシールアセンブリを含む、図１の摺動ステム制御弁の制御要素の拡大断面図である。 金属／グラファイトシールアセンブリを含む、制御要素の一部の拡大断面図である。 図３の金属／グラファイトシールアセンブリの別の拡大断面図である。

本開示は、種々の修正及び代替的な構成を許容するが、金属／グラファイトシールアセンブリのある例示的な実施形態が図面に示されていて、以下で詳細に説明される。しかし、開示された特定の形態に本開示を限定する意図はなく、反対に、意図は、添付の特許請求の範囲によって定義される本開示の精神及び範囲に入る、全ての修正、代替的な構成、及び均等物を包含することであることが理解されるべきである。

以下の考察の目的のために、内向きに、外向きに、半径方向内向きに、または半径方向外向きに等の用語は、弁ステムの中心軸Ａに対する相対位置を示すために用いられる。同様に、上部、下部、上方に、または下方に等の用語は、弁が図面に示されるように位置付けられるときの相対配向を示すために用いられる。

ここで図面を参照すると、図１は、本発明の開示された例の教示に従って組み立てられ、弁本体１２、流体入口１４、流体出口１６、ならびに流体入口１４及び流体出口１６を接続する通路１８を有する、摺動ステム制御弁１０を例示する。制御弁は、摺動ステム弁として図１に例示されるが、一方で、本開示の教示は、回転弁、ボール弁、球形弁等の他の種類の制御弁にも適用され得る。弁プラグ２０等の制御部材は、弁本体１２内に摺動可能に装着され、弁本体１２を通る流体流動を阻止する閉鎖位置（図１に示されるように）と、弁本体１２を通る流体流動を可能にする開放位置（図示せず）との間で移行可能である。図１の例において、弁プラグ２０は、平衡弁プラグである。他の実施形態において、弁プラグ２０は、不均衡であり得る。弁１０は、弁プラグ２０と協働して弁本体１２を通る流体流動を制御するシートリング２２を含む。制御弁１０はまた、弁プラグ２０に結合され、ボンネット２８を通って延在する、弁ステム２６も含む。弁ステム２６は、軸Ａに沿って延在し、弁プラグ２０がシートリング２２と接触し、それにより通路１８を通る流体流動を阻止する、示される閉鎖位置と、弁プラグ２０がシートリング２２から離間されて、それにより流体が通路１８を通って流動することを可能にする、開放位置との間で、弁プラグ２０を移動させるための弁アクチュエータ（図示せず）に接続される。

ここで図２〜４を参照すると、弁シールアセンブリ３０は、図２の左側に例示されるように、弁プラグ２０内に形成される環状凹部３２に位置する。あるいは、シールアセンブリ３０は、図２の右側に例示されるように、弁本体１２内に形成される環状凹部３３に位置してもよい。いずれにせよ、シールアセンブリ３０は、金属／グラファイトシールリング３４を含み得る。一実施形態において、金属／グラファイトシールリング３４は、金属製外囲体３７内に据えられるグラファイトリング３６を含み得る。金属製外囲体３７は、約０．００１インチ〜約０．００５インチの範囲の厚みを有する、薄い金属箔から形成され得る。好ましい一実施形態において、金属箔は、例えば、Ｎ０７７１８またはＮ０７７５０等の耐久性のある金属合金を含む。金属製外囲体３７は、弁プラグ２０の往復運動中の摩擦損傷からグラファイトリング３６を保護する。金属製外囲体３７は、弁プラグ２０と弁本体１２との間の摩擦も低減させる。例えば、他の実施形態において、金属箔は、銀めっきでコーティングされ得るか、または金属箔は、アルミニウム、銅、または青銅等のわずかにより軟質の金属を含み得る。図４で示されるように、グラファイトリング３６は、金属製外囲体３７内に嵌合し、金属製外囲体３７は、グラファイトリング３６の３つの側面（図４の断面図に例示されるように）を包囲するが、４つ目の側面（すなわち、図４に示されるように、上側）は、開放されたままである。金属製外囲体３７は、概して、底側３９、及び内側壁４１、及び外側壁４３を含む断面において「Ｕ」の形を有する。内側壁４１及び外側壁４３は、底側３９に対して実質的に垂直に、上方に延在する。内側壁４１及び外側壁４３は、グラファイトリング３６の厚さＴを超える高さＨを有する。換言すれば、内側壁４１及び外側壁４３は、グラファイトリング３６を超えて（図４に例示されるように）延在する。

金属／グラファイトシールリング３４は、第１のバックアップリング６０と第２のバックアップリング６２との間に位置し得る。第１及び第２のバックアップリング６０、６２は、例えば、Ｓ４１６００ステンレス鋼等の何らかの硬化性材料で形成され得る。第１及び第２のバックアップリング６０、６２は、環状凹部３２（または、環状凹部３３）内の金属／グラファイトシールリング３４の適切な位置付けを維持し、金属／グラファイトシールリング３４に対して突出防止保護を提供する。第１及び第２のバックアップリング６０、６２はまた、過度の熱及び圧力等の環境因子から金属／グラファイトシールリング３４を保護する。図１〜４に例示される実施形態において、第２のバックアップリング６２は、金属製外囲体３７内に少なくとも部分的に位置される。結果として、第２のバックアップリング６２は、第１のバックアップリング６０よりも小さい半径方向寸法を有する。

例えば、皿バネ、渦巻き形ガスケット、またはボルト止めキャップ等のバイアス要素６４は、第２のバックアップリング６２に隣接して位置し得る。バイアス要素６４は、軸力を第２のバックアップリング６２に適用し、これは、グラファイトリング３６に伝達される。この軸力は、グラファイトリング３６が、第１のバックアップリング６０及び第２のバックアップリング６２との間で圧縮されると、グラファイトリング３６が、半径方向外向きに拡張することを引き起こす。グラファイトリング３６が半径方向外向きに拡張すると、グラファイトリング３６は、弁本体１２に対して金属製外囲体３７を押し、これは、シールアセンブリ３０と弁本体１２との間に優れた流体シールを生み出す。リテーナリング７０は、第２のバックアップリング６２に対してバイアス要素６４を適所に保持する。リテーナリング７０は、制御要素２０内に形成される環状スロット７２に少なくとも部分的に位置し得る。あるいは、リテーナリングは、弁本体１２内の環状スロット内に少なくとも部分的に位置してもよい。リテーナリング７０は、バイアス要素６４が、第２のバックアップリング６２から分離されることを防ぐ。

開示された例のうちの１つ以上に従う、制御部材と弁本体との間の摩擦を低減させると同時に、優れた封止能力を提供する、高温制御弁用のシールアセンブリが提供される。金属製外囲体内にグラファイトリングを少なくとも部分的に包皮することによって、グラファイトシールリングは、優れた流体シールを提供すると同時に、摩擦及び環境因子から保護される。

上記の発明を実施するための形態は、理解を明確にするためのみに提供されており、当業者には、修正が明らかであるため、そこから不必要な限定が理解されるべきではない。

Claims (16)

1. 通路を通って流体接続する入口及び出口を有する、弁本体と、
   前記通路に装着される、シートリングと、
   前記弁本体内に摺動可能に配置される制御要素であって、前記制御要素及び前記シートリングが、協働して前記弁本体を通る流体流動を制御する、制御要素と、
   第１のバックアップリングと第２のバックアップリングとの間に位置する金属／グラファイトシールリング、前記第２のバックアップリングに隣接して位置するバイアス要素、及び前記第２のバックアップリングに隣接する前記バイアス要素を保持するリテーナリングを有する、シールアセンブリと、を備え、
   前記金属／グラファイトシールリングが、グラファイトリング、及び前記グラファイトリングを少なくとも部分的に包囲する金属製外囲体を含み、
   前記金属製外囲体が、底側、内側壁、及び外側壁を含み、
   前記第２のバックアップリングが、前記金属製外囲体内に少なくとも部分的に配置される、摺動ステム制御弁。
2. 前記金属製外囲体が、前記グラファイトリングの３つの側面を包囲する、請求項１に記載の摺動ステム制御弁。
3. 前記金属製外囲体が、約０．０２５４ミリメートル〜約０．１２７ミリメートルの厚さを有する、請求項１又は２に記載の摺動ステム制御弁。
4. 前記内側壁及び外側壁は、前記底側に対し大凡垂直上向きに延び、Ｕ字形を形成する、請求項１乃至３のいずれかに記載の摺動ステム制御弁。
5. 前記内側壁及び前記外側壁が各々、前記グラファイトリングの厚さを超える高さを有する、請求項１乃至４の何れかに記載の摺動ステム制御弁。
6. 前記第２のバックアップリングが、前記第１のバックアップリングよりも小さい半径方向寸法を有する、請求項１乃至５のいずれかに記載の摺動ステム制御弁。
7. 前記金属製外囲体が、Ｎ０７７１８、Ｎ０７７５０、アルミニウム、銅、及び青銅のうちの１つから形成される、請求項１乃至６のいずれかに記載の摺動ステム制御弁。
8. 前記金属製外囲体が、銀めっきでコーティングされる、請求項１乃至６のいずれかに記載の摺動ステム制御弁。
9. 高温制御弁用のシールアセンブリであって、
   第１のバックアップリングと第２のバックアップリングとの間に位置する金属／グラファイトシールリングと、
   前記第２のバックアップリングに隣接して位置する、バイアス要素と、
   前記第２のバックアップリングに対して前記バイアス要素を保持する、リテーナリングと、を備え、
   前記金属／グラファイトシールリングが、グラファイトリング、及び前記グラファイトリングを少なくとも部分的に包囲する金属製外囲体を含み、
   前記金属製外囲体が、底側、内側壁、及び外側壁を含み、
   前記第２のバックアップリングが、前記金属製外囲体内に少なくとも部分的に配置される、シールアセンブリ。
10. 前記金属製外囲体が、前記グラファイトリングの３つの側面を包囲する、請求項９に記載のシールアセンブリ。
11. 前記金属製外囲体が、約０．０２５４ミリメートル〜約０．１２７ミリメートルの厚さを有する、請求項９又は１０に記載のシールアセンブリ。
12. 前記内側壁及び外側壁は、前記底側に対し大凡垂直上向きに延び、Ｕ字形を形成する、請求項９乃至１１のいずれかに記載のシールアセンブリ。
13. 前記内側壁及び前記外側壁が各々、前記グラファイトリングの厚さを超える高さを有する、請求項９乃至１２のいずれかに記載のシールアセンブリ。
14. 前記第２のバックアップリングが、前記第１のバックアップリングよりも小さい半径方向寸法を有する、請求項９乃至１３のいずれかに記載のシールアセンブリ。
15. 前記金属製外囲体が、Ｎ０７７１８、Ｎ０７７５０、アルミニウム、銅、及び青銅のうちの１つから形成される、請求項９乃至１４のいずれかに記載のシールアセンブリ。
16. 前記金属製外囲体が、銀めっきでコーティングされる、請求項９乃至１４のいずれかに記載のシールアセンブリ。

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