JP6522746B2 - トラニオン型ボールバルブ並びにバルブのシール構造とバルブ用パッキン - Google Patents

Description

本発明は、特に、高圧や高温に適した構造のトラニオン型ボールバルブ、並びにバルブのシール構造とバルブ用パッキンに関する。

従来、高圧や高温の環境下で用いられるバルブとして、例えば、トラニオン型ボールバルブが知られている。このバルブでは、通常、弁座となるシートがバルブボデーに装着され、このシートがリテーナグランドを介してボデーとの間に装着されたスプリングの弾発力により弁体方向に弾発されてボール弁体に押し付けられ、上流側のシートで流体が封止可能に設けられる。

この場合、シートとバルブボデーとのシール性を向上するためには、これらの間にパッキン材が装着される。高圧、高温用途のパッキン材としては、一般的に膨張黒鉛製のものが用いられ、この膨張黒鉛製パッキン材は、ゴム製パッキンとは異なり、押圧力を与え続けることでシール性を発揮する、いわゆる非自封性の特性を有している。そのため、膨張黒鉛製パッキン材を使用する場合には、シートの外周側に段部状のパッキン挿入部が設けられ、このパッキン挿入部に断面角形状に形成された膨張黒鉛製パッキン材が圧縮されて密接状態で装着され、このパッキン材がスプリングの弾発力と流体圧で押圧されることによりシール性が保持される。

この種のボールバルブとして、例えば、特許文献１のボールバルブが開示されている。このボールバルブでは、環状ボールシートが環状シートリテーナに保持され、このシートリテーナと、スプリングで弾発されたグランドとに設けられた隙間に、断面角形状の膨張黒鉛製パッキン材が密接状態で装着されている。さらに、同文献の図５では、パッキン材の面圧力をより向上するために、シートリテーナのパッキン挿入部にテーパ部が形成されている。バルブの組立て後には、パッキン材は、スプリングの弾性力や流体圧でリテーナグランドを介してパッキン挿入部の挿入方向に押圧され、テーパ部により楔状に設けられたパッキン挿入部により、シール方向、すなわち外周部位に押圧されるようになっている。

一方、特許文献２のボールバルブでは、バルブボディとリング状シートとの間にシール用パッキン材が挿着され、リング状シートのパッキン材よりも奥部側には楔状のテーパ部が形成され、このテーパ部とバルブボディ及びパッキン材との間には、バックアッププレートを介して金属製シールリングが挿入されている。パッキン材は、浸入した流体の圧力、皿ばねの弾性復元力による付勢力により内外径方向に拡径するように弾性変形し、リング状シートとバルブボディとの間をシールするようになっている。

特開２００２−２５７２４６号公報 特開２０１１−１２２６０３号公報

特許文献１や特許文献２のように、シートリテーナとグランドとの隙間に膨張黒鉛製パッキン材を密接状態で装着する場合、このパッキン材のシール面圧が弱い場合には、高圧流体による圧力が加わったときに、この圧力をシールできずに漏れを生じる可能性がある。これを回避するためにパッキン材の圧縮量を調節する必要があり、この場合、圧縮量が過剰になると組立て後にスプリングが伸びた状態となり、初期荷重が不足して、封止性が低下する可能性がある。さらに、この過剰な圧縮により、パッキン材が隙間からはみ出したり、極度の変形や割れが生じて破損する場合もある。一方、パッキン材の圧縮が不足すると、このパッキン材の装着部位に適正な面圧を発生できなくなり、封止性が低下するばかりか、組立て後にスプリングの縮み過ぎによりボール弁体とシートとの密着荷重が過度に上昇し、これら両側のシートによるボール弁体の拘束力が過度に大きくなって操作トルクが上昇するおそれがある。
高温流体が流れる場合には、パッキン材を隙間に密接状態で装着していることで、このパッキン材が高温流体によって熱膨張したときに、外部にはみ出したり変形や割れが生じやすくなる。

パッキン材を組込む場合には、このパッキン材をシートとグランド、バルブボデーとの隙間に詰め込むように圧縮させて装着する必要があることで組立て性が悪くなり、さらに、シートリテーナのパッキン挿入部にテーパ部を形成した場合、専用治具が必要になることもあるため、組立て性の一層の悪化にもつながる。しかも、パッキン材の圧縮の際には、バルブ操作時のシートの動きに対してパッキン材の追従性を維持するための圧縮量の調節も必要になる。
パッキン材は、成形時に寸法のばらつきを生じるため、組立て時にはパッキン材ごとに細かく圧縮荷重を制御する必要が生じることもあり、これも組立て性を阻害する要因となる。

前者の特許文献１のボールバルブでは、楔状のパッキン挿入部にパッキン材を押し込みながら変形させて挿入しているため大きな挿入力が必要になり、特に、大口径バルブの場合では組込みが難しくなり、組込み後に面圧力を発揮できなくなるおそれもある。そして、この挿入力によってパッキンとハウジングとの面圧力の大半を得ようとして、スプリングや流体圧の利用によるシール面圧の上昇がわずかになるため、シールに必要な面圧を十分に確保することは難しい。

後者の特許文献２のボールバルブについては、パッキン材とバルブボディとの接触部から圧力流体が漏出したときに、この圧力流体を金属製シールリングにより下流側への漏れを防ごうとしているが、シールリングの外周面を隙間から突出させる構造により、このシールリングの線径やリング状シートのテーパ部を高精度に加工する必要が生じ、仮に、これらに寸法のばらつきが生じた場合、シール性を確保することが難しくなる。シールリングやバックアッププレートを設けたことで、部品点数が増加するという問題もある。

本発明は、従来の課題を解決するために開発したものであり、その目的とするところは、パッキンをボールシートとボデーとの間に密接状態で装着することなく、特に先端外周部位のシール面圧を向上して高圧や高温時にも確実に流体漏れを防止し、高精度の加工や圧縮量の調節を必要とすることなく、パッキンを所定の取付状態にしつつ組立てできるトラニオン型ボールバルブ並びにバルブのシール構造とバルブ用パッキンを提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、ボデー内に設けられたボールが上下ステムを介して回転自在に設けられ、かつボールに押圧状態で接触されるボールシートでシールされるトラニオン型ボールバルブにおいて、ボールシートの後部又はボールシートを装着したシートリテーナの後部に設けられた外周段部とボデーとの間の空間に装着されたパッキンと、このパッキンがボール方向に押圧される押圧機構とを有し、パッキンの先端面の先端外径側には外周段部の段部面に接触する接触面と、パッキン先端面の接触面以外の先端内径側には外周段部の段部面との間にスペースを構成する非接触部とが備えられ、少なくとも押圧機構の押圧力でパッキンにねじり作用を働かせた状態でパッキンの先端外周部位をボデーに局部圧接してシール面圧を高めたトラニオン型ボールバルブである。

請求項２に係る発明は、パッキンは、内周側の摩擦抵抗が外周側の摩擦抵抗より小であり、パッキンの押圧時に外径側よりも内径側が前進する状態となり、接触面を支点としてパッキンにねじり作用が発生して作用点となる先端外周部位のシール面圧が上昇されるトラニオン型ボールバルブである。

請求項３に係る発明は、スペースを構成する非接触部は、パッキンの先端内径側に向けられたテーパ面であり、このテーパ面は、押圧機構の押圧力と自緊力により徐々にボールシートの段部面に外径側から当接されるようにしたトラニオン型ボールバルブである。

請求項４に係る発明は、スペースを構成する非接触部は、ボールシートの段部面に設けられた切欠き溝で形成されたトラニオン型ボールバルブである。

請求項５に係る発明は、パッキンの後端部が凹状の断面略Ｖ字形状に形成され、押圧機構の押圧によりパッキン後端部がボールシート側、ボデー側にそれぞれ押し広げられた状態でシールされたトラニオン型ボールバルブである。

請求項６に係る発明は、パッキンの後端部の断面略Ｖ字形状の角度が小さく設けられ、後端部の厚みが末端側まで略均一に設けられたトラニオン型ボールバルブである。

請求項７に係る発明は、パッキンの内外周面がこのパッキンの装着方向に傾斜する傾斜面とされ、パッキンの後端部の内外周側がボールシート側又はボデー側、或は双方の側に突出された状態で、パッキンの後端部の内外周部位のシール面圧が高められたトラニオン型ボールバルブである。

請求項８に係る発明は、押圧機構は、スプリングと、このスプリングの弾発力により押圧されるリテーナグランドとを有し、このリテーナグランドの先端側にパッキンが押圧される環状突部が形成されたトラニオン型ボールバルブである。

請求項９に係る発明は、パッキンは、膨張黒鉛製シートが積層された成形パッキンであるトラニオン型ボールバルブである。

請求項１０に係る発明は、ボデー内にステムを介して開閉自在に装着された弁体にシートが押圧状態で接触されるバルブのシール構造であって、シートの後部又はシートを装着したシートリテーナの後部に設けられた外周段部とボデーとの間の空間に装着されたパッキンと、このパッキンが弁体方向に押圧される押圧機構とを有し、パッキンの先端外径側には、外周段部の段部面に接触する接触面が設けられ、接触面以外のパッキン先端面の先端内径側には外周段部の段部面との間にスペースを構成する非接触部とが備えられ、少なくとも押圧機構の押圧力でパッキンにねじり作用を働かせた状態でパッキンの先端外周部位を局部圧接してシール面圧が高められた状態でシールするバルブのシール構造である。

請求項１１に係る発明は、パッキンは、内周側の摩擦抵抗が外周側の摩擦抵抗より小であり、パッキンの押圧時に外径側よりも内径側が前進する状態となり、接触面を支点としてパッキンにねじり作用が発生されて作用点となる先端外周部位の面圧が上昇された状態でシールされるバルブのシール構造である。

請求項１２に係る発明は、バルブのボデー内にステムを介して開閉自在に装着された弁体に押圧状態で接触されるシートの後部又はシートを装着したシートリテーナの後部に設けられた外周段部とボデーとの間の空間に装着されてシール可能なパッキンであって、このパッキンの先端外径側には外周段部の段部面に接触する接触面が設けられ、パッキン先端面の接触面以外の先端内径側にはシート又はシートリテーナとの非接触部が設けられ、少なくとも押圧機構の押圧力でパッキン自体にねじり作用を働かせた状態でパッキンの先端外周部位がボデーとのシール面圧を高める部位としたバルブ用パッキンである。

請求項１３に係る発明は、非接触部は、先端内径側に向けられたテーパ面であるバルブ用パッキンである。

請求項１６に係る発明は、内外周面が装着方向に傾斜する傾斜面とされ、パッキンの後端部の内外周部位とシート側、ボデー側とのシール面圧を高めるために後端部の内外周側の何れか一方或は双方が突出されたバルブ用パッキンである。

請求項１に係る発明によると、外周段部とボデーとの間に装着したパッキンと、このパッキンをボール方向に押圧する押圧機構とを有し、パッキンの先端外径側には段部面に接触する接触面と、パッキンの先端内径側には段部面との間に設けたスペースとを備え、少なくとも押圧機構の押圧力でパッキンの先端外周部位のシール面圧を高めている。流体が流れる際には、特に、高圧流体の場合であっても、パッキン全体をボールシートとボデーとの間に密接させることなく、パッキンにねじり作用を働かせて先端外周部位を局部的に強く圧接してシール性を向上して低圧から高圧まで確実に流体漏れを防止できる。しかも、このねじり作用により流体圧による自緊力も効果的にパッキン先端外周部位に加えることができるためにシール面圧が一層高まり、必要以上にパッキンを圧縮したり圧縮量を調整したり高精度の加工を必要とすることなく、小さい挿入力でパッキンを所定の状態に装着して容易に全体を組立てることもできる。高温流体が流れる場合には、この高温流体によってパッキンが熱膨張したときにも、パッキンがスペース側に膨張することで、外部にはみ出したり、変形や割れが生じるおそれがなく、高シール性を維持できる。

請求項２に係る発明によると、パッキンの外径側よりも内径側を前進させ、接触面を支点としてパッキンにねじり作用を発生させて先端外周部位の面圧を上昇させるようにしてパッキンを小さい力で挿入でき、押圧方向の力をてこの原理を利用して増加させ、先端外周部位の作用点付近を集中的に圧接することによりシールに必要な面圧を確保する。

請求項３に係る発明によると、テーパ面によりパッキン先端内径側にスペースを構成する非接触部を確保できることで、押圧力が加わったときにこの力によって確実にパッキン先端外周部位のシール面圧を高めることができ、しかも、流体圧の上昇に伴ってパッキンの先端外周側から徐々にボールシートへの接触面積を増やして流体圧の高さに応じたシール面圧を確保でき、高圧流体の場合にも漏れを防止できる。

請求項４に係る発明によると、パッキンの成形時や成形後の加工により先端側に接触面、非接触部を設ける必要がなく、パッキンを容易に形成することが可能になる。この場合にもパッキンに接触面、非接触部を形成するときと同様に、スペースを構成する非接触部によりパッキンの先端外周部位のシール面圧を高めて、高圧流体や高温流体の漏れを防止でき、高精度の加工や圧縮量の調節を必要とすることなく容易にパッキンを取付けながら全体を組立てできる。

請求項５に係る発明によると、流体圧が低圧の場合にも押圧機構の押圧によってパッキンの後端部でボールシート側及びボデー側をシールでき、流体圧が高圧の場合には押圧機構の押圧に加えて流体圧を利用した、いわゆる自緊力によってパッキンをボールシートにより強く押圧してシール性を向上できる。

請求項６に係る発明によると、パッキンの後端部の末端側まで圧縮代を大きく確保し、このパッキンを押圧したときの変形動作を安定化できる。このため、パッキンごとの後端部付近のシール性能のバラツキを抑え、安定した封止機能を発揮する。

請求項７に係る発明によると、パッキン装着時にパッキン後端部がボールシート、ボデーにより押圧されて弾性シール力を発揮することにより、この後端部と、ボールシート側又はボデー側或は双方の側との初期シール性を向上でき、低圧流体が流れる場合にもパッキン後端部でボールシート側、ボデー側をシールして漏れを防止する。

請求項８に係る発明によると、パッキンをスプリングの弾発力を介してリテーナグランドの環状突部で押圧し、この押圧力により先端外周部位のパッキンとボールシート、ボデーとのシール面圧をそれぞれ高めて漏れを確実に防止する。さらには、環状突部先端を凸状の断面略Ｖ字形状に形成すれば、パッキン後端部を凹状断面略Ｖ字形状に設けたときに、このパッキン後端部をボールシート側、ボデー側に押し広げてシール性を高めることができる。このとき、環状突部の断面略Ｖ字形状の角度をパッキン後端部の断面略Ｖ字形状よりも小さく設けることで、パッキン後端部の先端側から徐々にボールシート側、ボデー側に当接させて局部的なシール面圧を一層向上できる。

請求項９に係る発明によると、パッキンを膨張黒鉛製シートを積層した成形パッキンとすることで、シール面積の大きさに対応した大径のパッキンを成形することもでき、高温流体が流れる場合にも、パッキンの変形や損傷を防止して高シール性を維持できる。

請求項１０に係る発明によると、各種のバルブに適用でき、特に、圧力を利用してパッキンを押圧するプレッシャーシール構造のバルブに用いた場合に優れた機能性を発揮する。パッキンの装着時には、このパッキンをねじりながら装着してシール性を向上できる。バルブ内に流体が流れる際には、特に、高圧流体の場合であっても、パッキン全体をシートとボデーとの間に密接させることなく、パッキンにねじり作用を働かせて先端外周部位を局部的に強く圧接してシール性を向上して低圧から高圧まで確実に流体漏れを防止できる。しかも、このねじり作用により流体圧による自緊力も効果的にパッキン先端外周部位に加えることができるためにシール面圧が一層高まり、必要以上にパッキンを圧縮したり圧縮量を調整したり高精度の加工を必要とすることなく、小さい挿入力でパッキンを所定の状態に装着して容易に全体を組立てることもできる。高温流体が流れる場合には、パッキンがスペース側に熱膨張することで、外部にはみ出したり、変形や割れが生じるおそれがなく、高シール性を維持できる。

請求項１１に係る発明によると、パッキンの外径側よりも内径側を前進させ、接触面を支点としてパッキンにねじり作用を発生させ、先端外周部位の面圧を上昇させて小さい力でこのパッキンを挿入できる。てこの原理を利用して押圧方向の力を増加させ、パッキン先端外周部位の作用点付近を集中的に圧接してシールに必要な面圧を確保する。

請求項１２に係る発明によると、ねじりながらバルブに装着することでシール性を高めることができ、流体が流れる際には、特に、高圧流体の場合であっても、全体をバルブ内に密接させることなく、ねじり作用を働かせて先端外周部位の圧接力を高めてシール性を向上できる。これにより、低圧から高圧までの流体がバルブ内に流れる場合でも、確実に流体の漏れを防止でき、しかも、このねじり作用により流体圧による自緊力も効果的に高めてシール面圧を一層向上でき、小さい挿入力で装着できる。

請求項１３に係る発明によると、バルブ内への装着時にテーパ面を介して先端内径側にスペースを構成でき、押圧力が加わったときに先端外周部位のシール面圧を確実に高め、しかも、流体圧の上昇に伴って先端外周側から徐々に接触面積を増やして流体圧の高さに応じたシール面圧を確保し、高圧流体の場合にも漏れを防止できる。

請求項１６に係る発明によると、初期シール性を向上でき、低圧流体が流れる場合にも後端部の高いシール性により漏れを確実に防止する。

本発明のトラニオン型ボールバルブの第１実施形態を示す縦断面図である。 （ａ）は、図１のＡ部拡大断面図である。（ｂ）は（ａ）におけるパッキン本体を示す拡大断面図である。 本発明のトラニオン型ボールバルブの第２実施形態を示す要部拡大縦断面図である。 本発明のトラニオン型ボールバルブの第３実施形態を示す要部拡大縦断面図である。 本発明のトラニオン型ボールバルブの第４実施形態を示す要部拡大縦断面図である。 （ａ）は、本発明のトラニオン型ボールバルブの第５実施形態を示す要部拡大縦断面図である。（ｂ）は、（ａ）におけるパッキン本体を示す拡大断面図である。

以下に、本発明におけるトラニオン型ボールバルブ並びにバルブのシール構造とバルブ用パッキンの実施形態を図面に基づいて説明する。図１においては、本発明のトラニオン型ボールバルブの第１実施形態を示し、図２（ａ）においては、図１のＡ部拡大断面図を示している。

図１、図２（ａ）のトラニオン型ボールバルブ（以下、バルブ本体１という）は、ボデー２、ボール３、上ステム４、下ステム５、ボールシート６、パッキン本体７、押圧機構８を有し、特に、高圧・高温流体用として用いる場合に適している。具体的には、例えば、最高使用圧力：１０〜２５ＭＰａ、使用温度：−４０℃〜５３５℃の使用範囲に適しており、本実施形態のバルブ本体１は、使用圧力１０ＭＰａ、使用温度４００℃を想定したものであり、呼び圧力６００ポンド（１０ＭＰａ）、サイズ１２Ｂからなっている。図中、バルブ本体１の右側又は左側の何れの側が一次側であってもよく、本実施形態では、右側を一次側（上流側）、左側を二次側（下流側）とする。

ボデー２は、環状ボデー１０と両側の環状のキャップ１１、１１とを有し、これらはステンレスや鍛鋼などを材料として設けられ、ボルトナット１２により一体化される。ボデー２内には、上ステム４、下ステム５を介してボール３が回転自在に設けられ、このボール３の上下流側にボールシート６が配設され、このボールシート６がボール３に押圧接触してシールするようになっている。
なお、ボデー２は、本実施形態のようなスリーピース構造に限らず、ボデーとキャップのツーピース構造や、ボトムエントリー構造やトップエントリー構造などの組合わせを包含するものである。

ボール３はステンレス材料により形成され、バルブ本体１内に形成される流路１３と連通可能な貫通孔３ｂが設けられる。ボール３とボデー２との間には、キャビティ１４が形成される。

図２（ａ）において、ボールシート６は、ステンレス材料により略筒状に形成され、ボール３への当接側には環状のシール面１５が設けられ、このシール面１５は、ボール３のボール面３ａ外周に面接触或は線接触可能に、断面アール形状又はテーパ形状に形成される。ボールシート６の後部には、外周段部１６が設けられ、この外周段部１６のパッキン本体７装着側に段部面１７が形成されている。外周段部１６とボデー２との間にはパッキン本体７が装着され、このパッキン本体７の後部側には押圧機構８が設けられ、この押圧機構８によりパッキン本体７がボール方向に押圧される。

図２（ｂ）に示したパッキン本体７は、膨張黒鉛製シートをボールシート６と同芯状に積層した成形パッキンにより設けられ、このパッキン本体７の先端外径側には、ボールシート６の外周段部１６の段部面１７に接触する接触面２０が設けられ、かつ、図２（ａ）において、パッキン本体７の接触面２０以外の先端内径側には、非接触部２１が設けられ、この非接触部２１により段部面１７との間にスペースＧが設けられる。接触面２０の径方向の幅Ｗは、パッキン本体７成形時において、パッキン本体７全体の厚さの２５％から３５％程度に設定される。

図２（ｂ）のパッキン本体７の非接触部２１は、このパッキン本体７の先端内径側に向けたテーパ面からなり、このテーパ面２１は、押圧機構８の押圧力、流体圧による自緊力により徐々にボールシート６の段部面１７に外径側から当接するテーパ形状に設けられる。テーパ面２１の垂直方向からの角度θは、高圧時にもパッキン本体７全体の形状を維持する大きさであることが望ましく、例えば、この角度θを５°前後に設けるとよい。
このようにテーパ面２１が形成されていることで、パッキン本体７は、押圧方向の外周側長さＬより短く形成された内周側長さＭを有し、かつ、この内周側長さＭの摩擦抵抗は、外周側長さＬの摩擦抵抗よりも小になっている。

図２（ａ）において、パッキン本体７は、ボールシート６の外周段部１６に装着され、その装着後には、非接触部２１によりボールシートとの接触が回避され、この非接触部２１とボールシート６との間にスペースＧが形成される。パッキン本体７は、押圧機構８によってボールシート６側に押圧され、少なくともこの押圧機構８の押圧力により、パッキン本体７の先端外周部位２２のボデー２側へのシール面圧が高められるようになっている。この場合、パッキン本体７の押圧力の増加に伴って、非接触部２１が徐々にボールシート６に当接可能に設けられる。

パッキン本体７をこのような形状に設けていることで、このパッキン本体７がボールシート６側に押圧される際には、このパッキン本体７の後端部２３が力点Ｅ、パッキン本体７の先端外周部位２２のボールシート６への当接側が支点Ｆ、パッキン本体７の先端外周部位２２のボデー２との当接位置が作用点Ｈの働きを発揮する。

押圧機構８から力点Ｅに押圧力が加わると、前記したように内周側の摩擦抵抗が外周側の摩擦抵抗よりも小であることより、その押圧時にパッキン本体７の外径側よりも内径側が前進する状態となり、図２（ｂ）の矢印に示すように、接触面２０を支点Ｆとしてパッキンにねじり作用が発生し、パッキン本体７の先端内径側がスペースＧに押し出される力が、パッキン本体７の先端外周部位２２が外径方向に押し出される力に変換されるように伝達される。これにより、作用点Ｈとなる先端外周部位２２のボールシート６への面圧が上昇してこれらがシールされる。

図２（ａ）において、パッキン後端部２３は、内径側・外径側にそれぞれ傾斜する凹状の断面略Ｖ字形状に形成され、押圧機構８の押圧によりこの後端部２３がボールシート６側、ボデー２側にそれぞれ押し広げられた状態で、これらの内外周側で圧接シール可能に設けられる。後端部２３は、水平方向からの角度αが、例えば４５°程度に開口する形状に設けられる。凹状の断面略Ｖ字形状は、後述するリテーナグランド２５の環状突部２６により後端部２３の内径側・外径側がそれぞれボールシート６側、ボデー２側に押し広げられる形状であれば、台形状やＵ字形状の凹部を有する形状であってもよい。

押圧機構８は、スプリング２４と、このスプリング２４の弾発力により押圧されるリテーナグランド２５とを有している。

リテーナグランド２５は環状に形成され、その先端側に環状突部２６が形成される。リテーナグランド２５は、キャップ１１内の流体が作用する位置に、スプリング２４によりボールシート６側に弾発されながら装着され、環状突部２６でパッキン本体７を押圧可能に設けられている。環状突部２６の先端は、断面略凸状のＶ字形状に形成され、水平方向からの角度βが、例えば４０°程度に開口する形状に設けられる。これにより、パッキン後端部２３をこの環状突部２６で押圧するときに、後端部２３に環状突部２６が先端内径側と外径側から接触して徐々に押し広げることが可能になっている。後端部２３は、内径側、外径側においてリテーナグランド２５の環状突部２６に密着している。

スプリング２４はコイルスプリングからなり、流体圧力１〜１．２ＭＰａ程度の荷重を発揮可能な弾性に設けられ、キャップ１１に形成された複数の有底穴２７とリテーナグランド２５との間に装着される。スプリング２４は、等間隔に設けられた有底穴２７に装着されていることが望ましく、この場合、パッキン本体７にリテーナグランド２５を均等圧力で押圧可能になる。

なお、上記実施形態では、トラニオン型ボールバルブを対象として説明したが、例えば、ゲートバルブ、グローブバルブ、チャッキバルブなどの各種バルブにも適用でき、この場合、特に圧力を利用してパッキンを押圧するプレッシャーシール構造のバルブに用いたときに優れた機能性を発揮する。

すなわち、ボデー内にステムを介して開閉自在に装着した弁体にシートを押圧状態で接触させるバルブのシール構造であれば、各種のバルブに適用できる。具体的には、シートの後部に設けられた外周段部とボデーとの間に装着されたパッキンと、このパッキンが弁体方向に押圧される押圧機構とを有し、パッキンの先端外径側には段部面に接触される接触面、パッキンの先端内径側には段部面との間に設けられたスペースとが備えられたバルブのシール構造として設けることができる。このとき、少なくとも押圧機構の押圧力でパッキンの先端外周部位のシール面圧が高められた状態でシールされた状態となる。
また、トラニオン型ボールバルブは、ボールをトラニオンプレート材で支える構造であってもよく、更には、押圧機構を用いることなく、流体圧による自緊力でシールするリテーナパッキン構造を用いる、フローティング型ボールバルブに適用してもよい。

さらに、前記実施形態と同様に、パッキンが押圧方向の外周側の長さより短く形成された内周側の長さを有し、この内周側の摩擦抵抗が外周側の摩擦抵抗より小であるとよい。この場合、パッキンの押圧時には、外径側よりも内径側が前進する状態となり、接触面を支点としてパッキンにねじり作用が発生されて、作用点となる先端外周部位の面圧が上昇された状態でシール可能になる。これ以外の内周側の摩擦抵抗を小さくする手段として、表面粗さを変えるなど、内周側に低摩擦の材質を用いてもよい。

また、パッキンについても同様であり、ボデー内にステムを介して開閉自在に装着した弁体を有する構造の各種バルブに対して、このバルブに使用されるパッキンとして使用できる。この場合、パッキンは、押圧状態で接触するシートと、ボデーとの間をシールするものであり、ボールシートへの接触面が先端外径側に設けられ、この接触面以外の先端内径側がボールシートとの非接触部とされると共に、先端外周部位がシール面圧の高まる部位となる。

また、前述したパッキン本体７は、先端側に前記接触面２０、非接触部２１を有し、少なくとも押圧機構８の押圧力でパッキン本体７の先端外周部位２２のシール面圧を高めることが可能であれば、テーパ面２１の角度θを変更したり、内外周面に所定の角度を設けたり、後端部２３に拡径用の溝を切欠き形成するなどの各種の形状に設けることもできる。パッキン本体７は、ステンレス等のバネ材、或は銅合金などの軟らかい材料であったり、又は部分的に塑性材料を用いて形成するようにしてもよく、さらに、何れの場合にも、複数に分割したパーツを組合わせて構成してもよい。この場合、全体の弾性を確保しながら、流路方向又は径方向の何れの方向にもパーツを分割可能となる。

また、ボールシートを小型環状に形成し、このボールシートを筒状に形成した金属製シートリテーナに装着し、このシートリテーナをボール３とパッキン本体７との間に装着することもできる。この場合、パッキン本体７でシートリテーナとボデー２との間を前述の場合と同様にシールでき、ボールシートをＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）等の樹脂材料により設けることも可能になる。

また、スプリング２４は、コイルスプリング以外であってもよく、例えば、皿ばねや板ばねを用いることもできる。

次に、本発明のトラニオン型ボールバルブの上記実施形態における動作並びに作用を説明する。
図１、図２において、バルブ本体１を組立てる場合には、ボデー２の内側から上ステム４を挿入した状態で、ボール３をボデー２内に装入し、このボール３の上部に上ステム４の下端を嵌め込む。この状態で、下ステム５をボデー２の外側下方から挿入し、その上端をボール３の下部に嵌め込み、ボルト部材２８を締付けて下ステム５をボデー２に固定することで、ボール３を上下ステム４、５で回動可能に装着する。

続いて、ボデー２の上下流側にキャップ１１、１１を取付ける。この場合、先ず、キャップ１１の有底穴２７にスプリング２４を装着し、この上からリテーナグランド２５を被せ、このリテーナグランド２５の環状突部２６に後端部２３の断面略Ｖ字形状を合わせながら、パッキン本体７をキャップ１１の内周側に装着する。

次に、前記のパッキン本体７、リテーナグランド２５、スプリング２４を取付けたキャップ１１に対して、段部面１７にパッキン本体７を位置合わせしながら、ボールシート６をキャップ１１に嵌め込むようにする。これにより、ボールシート６、パッキン本体７、リテーナグランド２５、スプリング２４をキャップ１１に仮着でき、この状態でキャップ１１をボデー２の上下流側にボルトナット１２で固着することにより、ボールシート６の先端側をボデー２内の所定位置に配置したバルブ本体１を組立てできる。

図１の組立て後のバルブ本体１に低圧流体が流れる際には、一次側において、押圧機構８のリテーナグランド２５がスプリング２４の弾発力によって押圧され、パッキン本体７がリテーナグランド２５により押圧されてボールシート６に押し付けられた状態になる。このとき、図２（ａ）、図２（ｂ）に示すように、パッキン本体７の断面略Ｖ字形状の後端部２３が、リテーナグランド２５の凸状の断面略Ｖ字形状の環状突部２６で二点鎖線に示した内外径の方向に局所的に押し広げられ、ボールシート６、キャップ１１をそれぞれシールする。

その際、後端部２３の角度αよりもリテーナグランド２５の環状突部２６の角度βが小さいことで、パッキン本体７への初期の接触面積を小さくして局部面圧を発生させ、リテーナグランド２５とパッキン本体７とを馴染ませて後端部２３の封止性能を向上できる。後端部２３を断面略Ｖ字形状としていることで、一枚のパッキン本体７でボールシート６とキャップ１１との間を封止できる。

パッキン本体７の先端側では、非接触部であるテーパ面２１の形成によりボールシート６への接触面２０の接触面積が小さくなっていることで、この接触面２０にスプリング２４の弾発力により局部面圧が働いてシール面圧が高まる。このように、バルブ本体１内に低圧流体が流れる場合には、押圧機構８の押圧力でパッキン本体７先端側の接触面２０とボールシート６とのシール性、及び前記した後端部２３とボールシート６、ボデー２内のキャップ１１内周面とのシール性とをそれぞれ向上して封止性を確保できる。

この場合、バルブ本体１は、組立て後のバルブ本体１のサイズごとに接触面２０を一定の面積に確保できる。これにより、押圧機構８の押圧力によって発揮されるシール面圧を一定に確保し、流体圧が小さい場合にも、接触面２０によるシール性を確保して過剰な負荷を阻止できる。

バルブ本体１内に高圧流体が流れるときには、後端部２３の力点Ｅにパッキン本体７をスペースＧに押し出す方向の力が加わる。このとき、パッキン本体７の内径側が、スペースＧにより押し出し方向に移動可能な状態であり、外周側長さＬよりも内周側長さＭを短く形成してこの内周側の摩擦抵抗を外周側の摩擦抵抗よりも小とし、パッキン本体７の押圧時に外径側よりも内径側が前進する状態となっていることで、パッキン本体７が、先端外周近傍の支点Ｆで支えられていることと相まって、主にパッキン本体７の内径側が押し出し方向に前進する。この前進によって、パッキン本体７に支点Ｆを中心に図の矢印に示すようなねじり作用が発生し、いわゆる「てこの原理」を利用してパッキン本体７の押圧方向の力を増加し、作用点Ｈ、もしくは作用面となるパッキン先端外周部位２２を集中的（局部的）にキャップ１１内周に圧接して面圧を上昇させることにより、キャップ１１とのシール性を向上できる。
この「てこの原理」によるパッキン本体７のねじり作用は、バルブ本体１の組立て時にも機能し、先端外周部位２２を中心としてパッキン本体７の面圧を上昇することでシール性を確保している。

流体圧が高圧になるに従って、テーパ面２１がボールシート６に外径側から接触し始めてこのテーパ面２１のシール幅が増加し、接触面２０が大きくなる。このように流体圧の増加に応じて接触面２０も増加することで、シール性が向上して漏れを確実に防止する。テーパ面２１の接触部分の増加によって過剰な局部面圧を回避し、パッキン本体７の破損も防止できる。

しかも、バルブ本体１内に流体が流れる際には、パッキン本体７とリテーナグランド２５とに囲まれたキャビティ１４の領域の圧力Ｐ２と、流路１３内の流体圧力Ｐ１とにより差圧が生じる。この差圧により、パッキン本体７には流体圧力Ｐ１とキャビティ圧力Ｐ２に応じた自緊力が発生し、この自緊力によってもテーパ面２１が徐々にボールに当接するように押圧される。自緊力は、流体圧の上昇に伴って大きくなり、この自緊力の大きさにより接触面２０が潰れるようになじみながら接触面積が増加することでシール性が安定する。

この場合、図２において、パッキン外径φＡ、パッキン内径φＢ、パッキン本体７のボール面３ａとのシール外径φＣとすると、パッキン本体７に流体圧が加わる面積Ｓは、面積Ｓ＝π／４×（パッキン外径φＡ−パッキン内径φＢ）^２で表すことができ、流体圧によりパッキン本体７に働く自緊力Ｆは、自緊力Ｆ＝圧力Ｐ１×面積Ｓで表される。面積Ｓは、圧力の大きさに応じて変化することがないため、低圧でも確実に自緊力を発生し、高圧時に至るまで良好なシール性能を得ることができる。

なお、バルブ本体１が全閉の状態において、キャビティ１４内の圧力Ｐ２が流路１３内の圧力Ｐ１を上回った場合には、圧力Ｐ２によりパッキン本体７がボール３とは反対側に後退することにより、圧力Ｐ２がボールシート６の段部面１７とパッキン本体７先端との空間に浸入する。そして、ボールシート６には、パッキン内径φＢとシール内径φＣにより形成される面積Ｕ（面積Ｕ＝π／４×（パッキン内径φＢ−シール内径φＣ）^２にキャビティ１４内の圧力Ｐ２が加わり、ボールシート６をボール３とは反対側に後退させる力Ｆ２（力Ｆ２＝圧力Ｐ２×面積Ｕ）が生じる。この力Ｆ２が、ボールシート６をボール３側に押圧するスプリング２４の弾発力と流体圧による自緊力Ｆの和を上回れば、ボールシート６はボール３とは反対側に後退し、圧力Ｐ２が流路１３に逃げる、いわゆるプレッシャーリリーフが機能することとなる。

一方、バルブ本体１に高温流体が流れ、この高圧流体によりパッキン７が熱膨張した場合には、その膨張部分がスペースＧ側に変形することにより、バルブ本体１の外部にはみ出したり、無理な圧縮によりパッキン本体７に変形や割れが生じるおそれがない。このため、高圧流体の場合と同様に押圧機構８の押圧力や自緊力によりシール性を確保できる。

上述したように、パッキン本体７の先端外径側に接触面２０を設け、かつ、接触面２０以外の先端内径側に非接触部２１を設け、少なくとも押圧機構８の押圧力でパッキン本体７の先端外周部位２２のシール面圧を高めていることにより、低圧時には押圧機構８の押圧力、高圧時にはこの押圧機構８の押圧力に加えて自緊力が働くことにより低圧から高圧まで安定した状態で封止でき、しかも、流体圧力に応じた荷重を発生させて異常なトルク上昇を防止し、安定した操作性も維持できる。

パッキン本体７の組込み時には、このパッキン本体７をボールシート６とリテーナグランド２５、ボデー２との間に圧縮しながら詰め込む必要がないため、パッキン本体７に初期圧縮を施す必要がなく組立て性に優れる。しかも、専用治具を必要とすることなく、差圧を発生させる面積Ｓを大きくできることで、自緊力によるシール性を向上できる。バルブ作動時のボールシート６の動きに対してパッキン本体７の追従性が良くなり、封止性能や耐久性にも優れている。

パッキン本体７を一枚の材料により形成し、この後端部２３を断面略Ｖ字形状に設けていることにより、このパッキン本体７を装着するボールシート６とリテーナグランド２５との空間に余裕ができ、限られた狭い空間でもパッキン本体７の流路方向のシール長さを大きく確保してシール性を向上できる。パッキン本体７をバルブ本体１内にコンパクトに配置し、小口径や低クラスの面間の小さいバルブにも対応できる。

図３においては、本発明のトラニオン型ボールバルブの第２実施形態を示している。なお、この実施形態以降において、前述した実施形態と同一部分は同一符号によって表し、その説明を省略する。
この実施形態におけるバルブ本体４０では、パッキン４１の内周面４２、外周面４３が、このパッキン４１の装着方向に傾斜する傾斜面として形成され、パッキン後端部４４の内外周側がボールシート６側又はボデー２側、或は双方の側に突出された状態で、この後端部４４の内外周部位のシール面圧が高められるようになっている。
これにより、パッキン４１挿入時には、後端部４４がたわむことで組立て容易性を確保しつつ、加工公差や、高温下における膨張を考慮した、クリアランスの大きくなりやすい大口径のバルブ（例えば、サイズ１０Ｂ程度のバルブ）に用いることにより、初期シール性、すなわち押圧機構８の押圧力を中心としたシール面圧発生時のシール性能の不足を補うことができ、その弾性力でパッキン４１内外周側のシール性を向上できる。

図４においては、本発明のトラニオン型ボールバルブの更に第３実施形態を示している。この実施形態のバルブ本体５０では、ボールシート５１の外周段部５２の段部面５３に所定深さの切欠き溝５４が形成され、この切欠き溝５４を非接触部５６として設けたものである。
これにより、パッキン本体７にテーパ面を設けることなく、このパッキン本体７先端外径側をボールシート５１への接触面５５、先端内径側と段部面５３との間にスペースＧを設けることができ、前記実施形態と同様の効果を発揮することができる。

図５においては、本発明のトラニオン型ボールバルブの第４実施形態を示している。この実施形態のバルブ本体６０では、ボールシート５１の段部面５３にテーパ面６１が設けられ、このテーパ面６１を非接触部としたものである。この場合、図４のバルブ本体５０と同様に、パッキン本体７の先端にテーパ面を設けることなく、このパッキン本体７先端外径側をボールシート５１への接触面５５として、パッキン本体７先端内径側とテーパ面６１との間にスペースＧを設け、このスペースＧにより、前述した実施形態と同様の機能を発揮する。テーパ面６１がパッキン本体７先端に非接触状態であれば、このテーパ面６１を任意の角度に設けることができる。

図６においては、本発明のトラニオン型ボールバルブの第５実施形態を示している。この実施形態のバルブ本体７０では、パッキン本体７１の外周面４３のみが傾斜面であり、内周面４２は外周段部１６と平行でストレートな平面により形成されている。接触面２０の径方向の幅Ｗは、成形時のパッキン本体７１の厚さの５０％以下、垂直方向からのテーパ面２１の角度θは３０°〜４０°程度にそれぞれ設けられる。また、リテーナグランド２５において、環状突部２６の先端の角度βは、例えば２７．５°程度に開口する形状に設けられる。

バルブ本体７０の組立て時には、スプリング２４、リテーナグランド２５をキャップ１１に組込み、この上からパッキン本体７１を装着すると、その外周面４３がキャップ１１内周に沿って全体がねじれるように変形し、その変形分がパッキン本体７１の内周面４３に傾斜面となって張り出す。このとき、上記パッキン本体７１の形状により、キャップ１１内周側に生じる傾斜角度を、予め外周面４３側設けた角度によって小さく抑えることができる。

そのため、ボールシート６を後端側からパッキン本体７１の内周に装入するときに、パッキン後端部７２の内周側のシール面圧の上昇を抑えることで挿入が容易になり、しかも、この後端部７２の内外周の面圧力を確保した状態で一体に組込みできる。

この構成により、バルブ本体７０が大口径バルブである場合にも、パッキン本体７１、ボールシート６の組込みが簡単になり、大口径によってパッキン本体７１の加工公差が大きくなった場合にも、装着時のパッキン本体７１の変形を介して外周側、内周側のシール面圧を確保しつつ一体化できる。そのため、例えば、パッキン本体７１を膨張黒鉛のプレス成形により設ける場合であっても、粗の状態になりがちな外周側のシール性を確保することもできる。しかも、外周面４３のみを傾斜面としていることで、パッキン本体７１の成形も容易である。

さらに、後端部７２の断面略Ｖ字形状の角度αは、図２（ａ）の角度α＝４５°よりも小さい角度α＝３０°に設けられている。これにより、図２（ａ）の場合に比較して、少なくとも内周側において後端部７２の厚みｔが末端側まで略均一に設けられ、パッキン本体７１ごとの後端部７２の寸法のバラツキを少なくできる。このため、後端部７２の柔軟性を維持して組込み容易性を確保しながら、この後端部７２全体の厚さを末端側まで厚肉化してリテーナグランド２５による圧縮代を大きくし、加工公差や成形公差を吸収して後端部７２の変形動作を安定化できる。
組込み後には、後端部７２の断面略Ｖ字形状の角度αがさらに縮められるため、キャップ１１内周面、外周段部１６への押圧力がそれぞれ強くなりシール性が向上する。

図における支点Ｆは、パッキン本体７１の断面の径方向における略中心位置に設定される。これにより、パッキン本体７１の接触面２０の径方向の幅Ｗがパッキン本体７１の厚さの５０％程度に設定される。そのため、接触面２０の面積が広くなり、この接触面２０が段部面１７に当接するときにパッキン本体７１ごとの接触面積の誤差が小さくなり、大口径のバルブ本体７０の場合でも、パッキン本体７１に押圧力が加わって図６（ｂ）の矢印方向にねじり作用が発生したときに、全体の変形動作が安定化する。

この場合、力点Ｅが支点Ｆよりも内径側であれば、支点Ｆを任意の位置に設定し、この支点Ｆの位置によりテーパ面２１を所望の角度θに設定することも可能となる。これにより、例えば、支点Ｆを外径側にしつつ角度θを大きく設定することで、パッキン本体７１の外周側長さＬと内周側長さＭとの差をより大きくし、押圧機構８からの押圧力が加わったときの内外周側の摩擦抵抗の差を広げ、ねじり作用によるパッキン先端外周部位２２の外径方向への押圧力を高めてシール性を一層向上させることも可能になる。

このとき、スペースＧも広くなることで、高圧流体が流れてパッキン本体７１への押圧力が過大になったとしても、非接触部２１が残ることで支点Ｆを中心としたねじり作用を確実に維持し、差圧によるねじり力を残して作用点Ｈである先端外周部位２２に強いシール面圧を発生できる。

以上、本発明の実施の形態について詳述したが、本発明は、前記実施の形態記載に限定されるものではなく、本発明の特許請求の範囲に記載されている発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の変更ができるものである。

１ バルブ本体
２ ボデー
３ ボール
４ 上ステム
５ 下ステム
６ ボールシート
７ パッキン本体
８ 押圧機構
１６ 外周段部
１７ 段部面
２０ 接触面
２１ テーパ面（非接触部）
２２ 先端外周部位（作用点）
２３ パッキン後端部
２４ スプリング
２５ リテーナグランド
２６ 環状突部
４２、４３ 傾斜面
５４ 切欠き溝（非接触部）
Ｆ 支点
Ｇ スペース

Claims (14)

1. ボデー内に設けられたボールが上下ステムを介して回転自在に設けられ、かつ前記ボールに押圧状態で接触されるボールシートでシールされるトラニオン型ボールバルブにおいて、前記ボールシートの後部又はボールシートを装着したシートリテーナの後部に設けられた外周段部と前記ボデーとの間の空間に装着されたパッキンと、このパッキンがボール方向に押圧される押圧機構とを有し、前記パッキンの先端面の先端外径側には前記外周段部の段部面に接触する接触面と、前記パッキン先端面の前記接触面以外の先端内径側には前記外周段部の段部面との間にスペースを構成する非接触部とが備えられ、少なくとも前記押圧機構の押圧力で前記パッキンにねじり作用を働かせた状態で前記パッキンの先端外周部位を前記ボデーに局部圧接してシール面圧を高めたことを特徴とするトラニオン型ボールバルブ。
2. 前記パッキンは、内周側の摩擦抵抗が外周側の摩擦抵抗より小であり、前記パッキンの押圧時に外径側よりも内径側が前進する状態となり、前記接触面を支点として前記パッキンにねじり作用が発生して作用点となる前記先端外周部位のシール面圧が上昇される請求項１に記載のトラニオン型ボールバルブ。
3. 前記スペースを構成する非接触部は、前記パッキンの先端内径側に向けられたテーパ面であり、このテーパ面は、前記押圧機構の押圧力と自緊力により徐々に前記ボールシートの段部面に外径側から当接されるようにした請求項１に記載のトラニオン型ボールバルブ。
4. 前記スペースを構成する非接触部は、前記ボールシートの段部面に設けられた切欠き溝で形成された請求項１に記載のトラニオン型ボールバルブ。
5. 前記パッキンの後端部が凹状の断面略Ｖ字形状に形成され、前記押圧機構の押圧により前記パッキン後端部が前記ボールシート側、前記ボデー側にそれぞれ押し広げられた状態でシールされた請求項１乃至４の何れか１項に記載のトラニオン型ボールバルブ。
6. 前記パッキンの後端部の断面略Ｖ字形状の角度が小さく設けられ、前記後端部の厚みが末端側まで略均一に設けられた請求項５に記載のトラニオン型ボールバルブ。
7. 前記パッキンの内外周面がこのパッキンの装着方向に傾斜する傾斜面とされ、前記パッキンの後端部の内外周側が前記ボールシート側又はボデー側、或は双方の側に突出された状態で、前記パッキンの後端部の内外周部位のシール面圧が高められた請求項５又は６に記載のトラニオン型ボールバルブ。
8. 前記押圧機構は、スプリングと、このスプリングの弾発力により押圧されるリテーナグランドとを有し、このリテーナグランドの先端側に前記パッキンが押圧される環状突部が形成された請求項１乃至７の何れか１項に記載のトラニオン型ボールバルブ。
9. 前記パッキンは、膨張黒鉛製シートが積層された成形パッキンである請求項１乃至８の何れか１項に記載のトラニオン型ボールバルブ。
10. ボデー内にステムを介して開閉自在に装着された弁体にシートが押圧状態で接触されるバルブのシール構造であって、前記シートの後部又はシートを装着したシートリテーナの後部に設けられた外周段部と前記ボデーとの間の空間に装着されたパッキンと、このパッキンが弁体方向に押圧される押圧機構とを有し、前記パッキンの先端外径側には、前記外周段部の段部面に接触する接触面が設けられ、前記接触面以外の前記パッキン先端面の先端内径側には前記外周段部の段部面との間にスペースを構成する非接触部とが備えられ、少なくとも前記押圧機構の押圧力で前記パッキンにねじり作用を働かせた状態で前記パッキンの先端外周部位を局部圧接してシール面圧が高められた状態でシールすることを特徴とするバルブのシール構造。
11. 前記パッキンは、内周側の摩擦抵抗が外周側の摩擦抵抗より小であり、前記パッキンの押圧時に外径側よりも内径側が前進する状態となり、前記接触面を支点として前記パッキンにねじり作用が発生されて作用点となる前記先端外周部位の面圧が上昇された状態でシールされる請求項１０に記載のバルブのシール構造。
12. バルブのボデー内にステムを介して開閉自在に装着された弁体に押圧状態で接触されるシートの後部又はシートを装着したシートリテーナの後部に設けられた外周段部と前記ボデーとの間の空間に装着されてシール可能なパッキンであって、このパッキンの先端外径側には前記外周段部の段部面に接触する接触面が設けられ、パッキン先端面の接触面以外の先端内径側には前記シート又はシートリテーナとの非接触部が設けられ、少なくとも押圧機構の押圧力でパッキン自体にねじり作用を働かせた状態でパッキンの先端外周部位が前記ボデーとのシール面圧を高める部位としたことを特徴とするバルブ用パッキン。
13. 前記非接触部は、前記先端内径側に向けられたテーパ面である請求項１２に記載のバルブ用パッキン。
14. 内外周面が装着方向に傾斜する傾斜面とされ、前記パッキンの後端部の内外周部位と前記シート側、ボデー側とのシール面圧を高めるために前記後端部の内外周側の何れか一方或は双方が突出された請求項１２に記載のバルブ用パッキン。
    

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