JP6909369B2 - 可撓性プラグを有する均衡型複座玉形弁 - Google Patents

Description

〔関連出願への相互参照〕
本出願は、これによりあたかも本明細書に完全に示されるかのように全ての目的に対して引用によって組み込まれる２０１４年１０月８日出願の米国特許出願第１の４／５０９，６７１号からの利益を主張するものである。

本発明は、一般的に弁に関する。より具体的には、本発明は、玉形弁に関連している。

弁は、パイプ又は他のそのような導管において流体の流れを調整するための重要なデバイスであることが公知である。当業者には公知のように、弁は、弁内の弁プラグの位置がアクチュエータによって変えられる時に流体流れの速度を調整する。玉形弁のような弁の２つの重要な特徴は、閉鎖位置で流体流れを完全に止めることができ、かつそれを通って流れる流体の温度及び化学的影響に耐える機能があることが一般的に望ましいということである。流体の流れを適正に止めるために、弁内の合わせ面が比較的高精度で係合することが有利である。この比較的高精度をもってしても、弁は、典型的には、弁が閉鎖構成に位置決めされた時に流体密封シールを保証するために、ワッシャ又はＯリングなどのようなエラストマーシールを含む。典型的な玉形弁は、単純なレベル制御からボイラー給水システム、過熱バイパス用途、及び放射能流体、苛性、又は酸性流体の制御などに及ぶ多くの用途に使用されている。残念なことに、エラストマー材料は、これらの比較的極端な条件の一部に耐えることができない。これに加えて、直径が６インチを超える流れ制御オリフィス又はポートを有するような大型玉形弁は、密封不良を受けることが公知である。

残念ながら、ある範囲の圧力及び温度にわたって機能し、様々な流体に適合し、最小限の労力で弁の開閉を可能にし、かつ反復開閉作動に耐えるのに十分な耐摩耗性であるシールを提供することは困難である。これらの問題は歴史的に公知であるが、従来の弁は、これらの欠点のうちの１又は２以上から依然として悩まされている。

したがって、本明細書に記載の欠点を少なくともある程度克服する弁を提供することが望ましい。

上述の必要性は、一態様において本明細書に記載の欠点を少なくともある程度克服する弁を一部の実施形態で提供する本発明により、かなりの程度まで満足される。

本発明の実施形態は、弁プラグに関連している。弁プラグは、シリンダ、第１のプラグ台座、第２のプラグ台座、及び回旋部分を含む。シリンダは、第１及び第２の端部を有する。第１のプラグ台座は、第１の端部に配置される。第２のプラグ台座は、第２の端部の近くに配置される。回旋部分は、第１の台座と第２の台座の間に配置される。回旋部分は、シリンダが第１のプラグ台座と第２のプラグ台座の間で撓むための可撓性を与える。

本発明の別の実施形態は、玉形弁のためのトリムに関連している。トリムは、ケージ及び弁プラグを含む。ケージは、第１のケージ台座、開口部、及び第２のケージ台座を有する。第１のケージ台座は、ケージの第１の端部の近くに配置される。開口部は、第１のケージ台座の上方に配置される。第２のケージ台座は、開口部の上方に配置される。弁プラグは、シリンダ、第１のプラグ台座、第２のプラグ台座、及び回旋部分を含む。シリンダは、第１及び第２の端部を有する。第１のプラグ台座は、第１の端部に配置される。第１のプラグ台座は、第１のケージ台座と嵌合するように構成される。第２のプラグ台座は、第２の端部の近くに配置される。第２のプラグ台座は、第２のケージ台座と嵌合するように構成される。回旋部分は、第１の台座と第２の台座の間に配置される。回旋部分は、シリンダが第１のプラグ台座と第２のプラグ台座の間で撓むための可撓性を与える。

本発明の更に別の実施形態は、玉形弁に関する。玉形弁は、本体、ケージ、及び弁プラグを含む。ケージは、本体に配置され、かつ第１のケージ台座、開口部、及び第２のケージ台座を有する。第１のケージ台座は、ケージの第１の端部の近くに配置される。開口部は、第１のケージ台座の上方に配置される。第２のケージ台座は、開口部の上方に配置される。弁プラグは、シリンダ、第１のプラグ台座、第２のプラグ台座、及び回旋部分を含む。シリンダは、第１及び第２の端部を有する。第１のプラグ台座は、第１の端部に配置される。第１のプラグ台座は、第１のケージ台座と嵌合するように構成される。第２のプラグ台座は、第２の端部の近くに配置される。第２のプラグ台座は、第２のケージ台座と嵌合するように構成される。回旋部分は、第１の台座と第２の台座の間に配置される。回旋部分は、シリンダが第１のプラグ台座と第２のプラグ台座の間で撓むための可撓性を与える。

すなわち、本発明のある一定の実施形態を本明細書のその詳細説明がより良く理解されるように、かつ当業技術に対する本発明の貢献がより良く認められるように幾分幅広く概説した。勿論、以下に説明し、かつ本明細書に添付の特許請求の範囲の主題を形成することになる本発明の追加の実施形態が存在する。

この点に関して、本発明の少なくとも１つの実施形態を詳細に説明する前に、本発明は、その適用において、以下の説明に示し又は図面に例示する構成の詳細及び構成要素の配置に制限されないことは理解されるものとする。本発明は、説明したものに加えた実施形態が可能であり、かつ様々な方法で実施かつ実行することができる。同じく、本明細書に使用される表現及び用語、並びに要約は、説明目的のためであり、制限と見なすべきではないことは理解されるものとする。

したがって、当業者は、本発明の開示が基づく概念を本発明のいくつかの目的を実行するために他の構造、方法、及びシステムの設計のための基礎として容易に利用することができることを認めるであろう。したがって、特許請求の範囲は、そのような同等構成をそれらが本発明の精神及び範囲から逸脱しない限り含むように見なされることが重要である。

本発明の実施形態による玉形弁の断面側面図である。 図１にしたがって図の一方の半分が閉鎖形態にあり、他方の半分が開放形態にある玉形弁の一部分の分割断面図である。 図１にしたがって部分閉鎖形態にある玉形弁の詳細断面図である。 図１にしたがって完全閉鎖形態にある玉形弁の詳細断面図である。

本発明は、一部の実施形態において、均衡型複座玉形弁トリムに使用するための可撓性プラグと可撓性プラグを有する玉形弁とを提供する。玉形弁は、流体の比較的広範囲の圧力、温度、及び化学活性にわたってそこを通過する流体の流れの制御を提供するように構成される。特定の実施形態において、これらの特性は、完全に金属で作られた及び／又はエラストマー又はポリマー成分を一切含まない可撓性金属プラグに起因して玉形弁に付与される。玉形弁は、可撓性部分をその間に配置した複座の結果として、閉鎖形態に位置決めされた時に流体密封シールを提供するように構成される。可撓性の全金属製構造に加えて、実施形態は、以下の特徴のうちの一部又は全部を含む：アクチュエータ推力低減のための圧力均衡；並外れた台座漏出気密性（クラスＶ）；連続高温作動が可能；無限サイクル寿命の機能を有するプラグの可撓性領域；標準的差動角度台座の使用；玉形弁トリムサイズの全範囲が利用可能；ウェブの下又は上の流れが可能；可動部分のない単純設計；及び／又は通常の機械加工公差での製造。

ここで終始一貫して同様の参照番号が同様の部分を指す図面を参照して本発明の実施形態を以下に説明する。ここで図１を参照すると、均衡ケージ様式玉形弁１０が示されている。玉形弁１０は、一般的に、本体１２、ボンネット１４、及びトリム１６から構成される。トリム１６は、玉形弁１０を通して流体流れを調整するか又は制御する玉形弁の内部構成要素を収容し、可撓性プラグ１８及びケージ２０を含む。可撓性プラグ１８は、第１のプラグ台座２２及び第２のプラグ台座２４を含む。ケージ２０は、第１のケージ台座２６及び第２のケージ台座２８を含む。台座１０を通過する流体流れは、可撓性プラグ１８を中心縦軸３２に沿って押圧するステム３０の直線運動によって制御される。ステムは、次に、アクチュエータアセンブリ３４の作用を通じて中心縦軸３２に沿って平行移動するように押圧される。アクチュエータアセンブリ３４は、あらゆる適切な従来型アクチュエータアセンブリを含むことができる。

第１のプラグ台座２２及び第２のプラグ台座２４は、それぞれ第１のケージ台座２６及び第２のケージ台座２８と嵌合し、玉形弁１０を通した流体流れを妨げるように可撓性プラグ１８が弁遮断を作り出すためのケージ２０内の接触区域を提供する。様々な例では、玉形弁１０は、フローアップ又はフローダウン構成にあるとすることができる。特定の例では、図１に示す玉形弁１０は、フローアップ構成で示されている。流体流れは、入口４２からトリム２４を通って出口４４を出る１組の流れ矢印４０によって示すように、トリム１６を通って上方に流れる。可撓性プラグ１８を移動するのに必要とされる力は、ボンネット１４を通して本体１２に直接に結合されたアクチュエータアセンブリ３４によって供給される。アクチュエータアセンブリ３４からの起動力は、アクチュエータアセンブリ３４と可撓性プラグ１８とに剛的に取り付けられたステム３０を通して可撓性プラグ１８に伝達される。ケージ２０は、可撓性プラグ１８がその中を摺動するためのガイドを提供するように構成される。これに加えて、本明細書で更に説明するように、ケージ２０は、第１のケージ台座２６及び第２のケージ台座２８を含む。ケージ２０は、本体１２内に配置され、かつ取り付けられたボンネット１４によって加えられる圧縮力によって定位置に保持される。

ボンネット１４は、本体１２内の流体の圧力を維持するように構成される。ボンネット１４は、本体１２に対するアクチュエータアセンブリ３４のためのマウントを提供し、ケージ２０を圧縮的に保持するだけでなく、ステム３０周りの流体シールを作り出すためのパッキング４６を収容する。ボンネット１４は、あらゆる適切なボンネットを含むことができる。特定の例では、ボンネット１４は、単一の一体フランジ又は肩部４８を有するボンネット１４を示す図１に描かれたボルト止めフランジタイプである。

図１に示す均衡プラグ式玉形弁１０は、上流流体及びしたがって上流流体圧力が可撓性プラグ１８内に配置された通路５０を通過し、したがって、可撓性プラグ１８の上部側と底部側の両方で圧力負荷を均衡させることを可能にする。この圧力均衡は、可撓性プラグ１８に対する静的不均衡力の大部分を無効にする。不均衡力の低減により、従来の不均衡弁本体に必要とされるものよりも小型のアクチュエータによる玉形弁１０の作動が可能になる。

図１に示す玉形弁１０は、開放形態と閉鎖形態の両方で示されている。すなわち、断面図は、中心縦軸３２に沿って分割され、左側の視点５２は閉鎖形態にあり、右側の視点５４は開放形態にある。視点５２及び５４は、図２により詳細に示されている。図２では、視点５２は、第１のシール５６、第２のシール５８、及び第１のシール５６と第２のシール５８の間に配置された開口部６０を示している。したがって、開口部６０は、第１のシール及び第２のシールが密封されることに応答して完全に密封することができる。シール５６及びシール５８が開封されることに応答して、開口部６０は、流体が貫流することを可能にするように構成される。この点に関して、開口部６０は、流体が貫流することを可能にするように構成されたあらゆる適切な１又は複数の通路を含むことができる。特定の例では、開口部６０は、ケージ２０の一部分でスクリーン又はメッシュ状区域を含むことができる。別の例では、開口部６０は、ケージ２０を通して穿孔された又はケージ内に形成された１又は２以上の孔を含むことができる。更に他の例では、開口部６０は、玉形弁１０を通る流体の流れのためのスロット又は他のそのような導管を含むことができる。

第１のプラグ台座２２と第２のプラグ台座の間に配置されるのは、バネ又は回旋部７０である。回旋部７０は、第１のプラグ台座２２と第２のプラグ台座２４の間で可撓性プラグ１８に可撓性を与えるように構成される。図示のように、回旋部７０は、圧縮されると撓み、無負荷時には公称の形状に戻ることを可能にする材料特性を有する蛇行壁を含む。この可撓性は、小さな凹凸を受け入れながら第１のシール５６及び第２のシール５８を形成することを可能にする。この作用は、従来の弁でエラストマーシールが果たす役割と類似している。しかし、玉形弁１０では、可撓性プラグ１８の使用により、エラストマーシールの欠点なしでこの機能が達成される。例えば、回旋部７０は、可撓性プラグ１８に使用されるベース金属と同様の熱、放射線、及び／又は化学物質耐性である場合がある。別の例では、回旋部７０は、エラストマーシールよりも実質的に多くの開／閉サイクルに耐える機能がある場合がある。これら及び他の利点を回旋部７０によって提供することができる。

図３は、図１にしたがって部分閉鎖形態にある玉形弁１０の詳細断面図である。図３に示すように、この部分的に閉鎖した又は初期の形態では、第１のプラグ台座２２は、第１のケージ台座２６と接触させられて第１のシール５６を確立する。回旋部７０は、ニュートン／メートル（Ｎ／ｍ）単位のバネ定数（ｋ）を含む。回旋部７０のバネ定数に影響を及ぼす場合があるファクタは、選択された材料の厚みと、材料が受けてきた温度プロファイルを含むそれらの材料の材料特性とを含む。

約０ニュートンからバネ定数が打ち負かされるまでのステム力において、間隙７２が存在する。バネ定数と間隙７２は、第１のシール５６を閉鎖する圧縮力の量を決定する。すなわち、十分な負荷がステム３０に掛けられて（ステム力）第２のプラグ台座を第２のケージ台座２８と接触させた状態で、いずれの追加のステム力も本質的には第１のシール５６に伝達されないが、代わりに第２のシール５８を更に圧縮する。これらのファクタを変化させることにより、バネ定数は、第１のシール５６を密封するのに十分な力を第１のプラグ台座２２に与えるように構成することができる。第１のシール５６に対する圧縮性閉鎖力が、バネ定数と約０ニュートンのステム力での間隙７２のサイズとを調節することによって制御可能であることは利点である。この関係は、以下の式に説明される：
Ｆ₁＝ｋｘ 式１

ここで、Ｆ₁は、第１のシール５６に対する圧縮力であり、ｋは、回旋部７０のバネ定数であり（キログラム（ｋｇ）／メートル（ｍ）単位）、ｘは、第１のプラグ台座２２と第１のケージ台座２６が接触し、かつステム力が０ニュートンである点での間隙７２の長さ（ｍ）である。このようにして、第１のシール５６を密封するのに十分な力は、第１のシール５６を過度に圧縮する可能性を最小限にしながら印加することができる。第１のシ―ル５６を密封するのに使用される力の量は、例えば、第１のシール５６の接触面積、接触区域での表面仕上げ及び材料特性、機械加工公差、玉形弁１０内の予想される流量、圧力、流体など、及び経験的データなどのような様々なファクタに依存する。

この部分閉鎖位置では、玉形弁１０内の流れのフローオーバー又はフローアンダー形態のいずれにおいても、流体の圧力は均衡する。例えば、フローオーバー形態では、ケージ２０の下から入る流体は、可撓性プラグ１８のいずれの側の圧力も均衡するように通路５０を通って流れることができる。フローアンダー形態では、流体は、間隙７２を通って流れて可撓性プラグ１８の上方に流れ、次に、通路５０を通って流れてここでもまた可撓性プラグ１８に対する圧力を均衡させることができる。従来の単座弁では、弁を閉鎖するのに必要とされるアクチュエータ負荷は、特に大型トリムサイズでは及び／又はトリムにわたるより高い圧力降下に対しては過大になる可能性がある。

図４は、図１にしたがって完全閉鎖形態にある玉形弁１０の詳細断面図である。図４に示すように、この閉鎖形態では、第２のプラグ台座２４は、第２のケージ台座２８に接触させられて第２のシール５８を確立する。この初期接触が行われた状態で、第２のシール５８の更に別の圧縮は、第２のシールを密封するように作用する。

第２のシール５８を閉鎖するために、Ｆ₁に加えて第２の力（Ｆ₂）がステム３０に印加される。第２のシ―ル５８を密封するのに使用される力の量は、例えば、第２のシール５８の接触面積、接触区域の表面仕上げ及び材料特性、機械加工公差、玉形弁１０内の予想される流量、圧力、流体など、及び経験的データなどのような様々なファクタに依存する。第２のシールを密封するのに使用される力の量は、以下の式に説明される：
Ｆ_seal＝ｋｘ＋Ｆ₂ 式２

ここで、Ｆ_sealは、アクチュエータアセンブリ３４によって加えられてステム３０を通じて可撓性プラグ１８まで伝達される力であり、ｋは、回旋部７０のバネ定数（ｋｇ／ｍ）であり、ｘは、第１のプラグ台座２２と第１のケージ台座２６が接触し、かつステム力が０ニュートンである点での間隙７２の長さ（ｍ）であり、Ｆ₂は、第２のシール５８を密封するように構成された力の量である。このようにして、第２のシール５８を密封するのに十分な力は、第２のシール５８を過度に圧縮する可能性を最小限にしながら印加することができる。

本発明の多くの特徴及び利点は、この詳細な明細書から明らかであり、すなわち、本発明の真の精神及び範囲に入る本発明のそのような特徴及び利点は、添付の特許請求の範囲によって全て網羅されることが意図されている。更に、多くの修正及び変形が当業者に容易に想起されることになるので、図示かつ説明した構成及び作動の通りに本発明を制限することは望ましくなく、したがって、全ての適切な修正及び均等物は、本発明の範囲に入ると考えることができる。

１０ 玉形弁
１８ 可撓性プラグ
２２ 第１のプラグ台座
２６ 第１のケージ台座
３０ ステム

Claims (14)

1. 弁プラグであって、
   第１及び第２の端部を有する単一のシリンダと、
   前記第１の端部に配置された第１のプラグ台座と、
   前記第２の端部を覆う面と、
   前記面を通して配置された通路であって、流体が前記弁プラグの上方及び下方の間を流れて流体圧力を均衡させるための流路を与える前記通路と、
   前記第２の端部の近くに配置された第２のプラグ台座と、
   前記第１のプラグ台座と前記第２のプラグ台座の間に配置された回旋部分であって、該第１のプラグ台座と該第２のプラグ台座の間で前記シリンダが撓むための可撓性を与える前記回旋部分と、を備えており、
   前記弁プラグは、可動部分のない全金属製構造であり、前記回旋部分は、圧縮されると撓み、無負荷時には公称の形状に戻ることを可能にする材料特性を有する蛇行壁を含み、
   部分閉鎖形態において、前記第１のプラグ台座は、第１のケージ台座と接触させられて第１のシールを確立し、前記弁プラグに対して圧力が均衡するように、流体が前記通路を流れることを可能にし、
   完全閉鎖形態において、前記第２のプラグ台座は、前記回旋部分が圧縮されているときに、第２のケージ台座と接触させられて第２のシールを確立する弁プラグ。
2. 更に、前記面から延び、かつアクチュエータアセンブリからの力を伝達するように構成されたステムを備える請求項１に記載の弁プラグ。
3. 玉形弁のためのトリムであって、
   ケージを備え、このケージは、
   前記ケージの第１の端部の近くに配置された第１のケージ台座と、
   前記第１のケージ台座の上方に配置された開口部と、
   前記開口部の上方に配置された第２のケージ台座と、を有し、
   前記トリムは、さらに、弁プラグを備え、この弁プラグは、
   第１及び第２の端部を有する単一のシリンダと、
   前記第１の端部に配置され、前記第１のケージ台座と嵌合するように構成された第１のプラグ台座と、
   前記第２の端部を覆う面と、
   前記面を通して配置された通路であって、流体が前記弁プラグの上方及び下方の間を流れて流体圧力を均衡させるための流路を与える前記通路と、
   前記第２の端部の近くに配置され、前記第２のケージ台座と嵌合するように構成された第２のプラグ台座と、
   前記第１のプラグ台座と前記第２のプラグ台座の間に配置された回旋部分であって、該第１のプラグ台座と該第２のプラグ台座の間で前記シリンダが撓むための可撓性を与える前記回旋部分と、を有し、
   前記弁プラグは、可動部分のない全金属製構造であり、前記回旋部分は、圧縮されると撓み、無負荷時には公称の形状に戻ることを可能にする材料特性を有する蛇行壁を含み、
   部分閉鎖形態において、前記第１のプラグ台座は、第１のケージ台座と接触させられて第１のシールを確立し、前記弁プラグに対して圧力が均衡するように、流体が前記通路を流れることを可能にし、
   完全閉鎖形態において、前記第２のプラグ台座は、前記回旋部分が圧縮されているときに、前記第２のケージ台座と接触させられて第２のシールを確立するトリム。
4. 更に、前記面から延び、かつアクチュエータアセンブリからの力を伝達するように構成されたステムを備える請求項３に記載のトリム。
5. 前記開口部は、金属メッシュを含む請求項３に記載のトリム。
6. 前記開口部は、前記ケージを通して配置された複数の孔を含む請求項３に記載のトリム。
7. 玉形弁であって、
   本体と、
   前記本体に配置されたケージと、を備え、このケージは、
   ケージの第１の端部の近くに配置された第１のケージ台座と、
   前記第１のケージ台座の上方に配置された開口部と、
   前記開口部の上方に配置された第２のケージ台座と、を有し、
   前記玉形弁は、さらに、弁プラグを備え、この弁プラグは、
   第１及び第２の端部を有する単一のシリンダと、
   前記第１の端部に配置され、前記第１のケージ台座と嵌合するように構成される第１のプラグ台座と、
   前記第２の端部を覆う面と、
   前記面を通して配置された通路であって、流体が前記弁プラグの上方及び下方の間を流れて流体圧力を均衡させるための流路を与える前記通路と、
   前記第２の端部の近くに配置され、前記第２のケージ台座と嵌合するように構成される第２のプラグ台座と、
   前記第１のプラグ台座と前記第２のプラグ台座の間に配置された回旋部分であって、該第１のプラグ台座と該第２のプラグ台座の間で前記シリンダが撓むための可撓性を与える前記回旋部分と、を有し、
   前記弁プラグは、可動部分のない全金属製構造であり、前記回旋部分は、圧縮されると撓み、無負荷時には公称の形状に戻ることを可能にする材料特性を有する蛇行壁を含み、
   部分閉鎖形態において、前記第１のプラグ台座は、第１のケージ台座と接触させられて第１のシールを確立し、前記弁プラグに対して圧力が均衡するように、流体が前記通路を流れることを可能にし、
   完全閉鎖形態において、前記第２のプラグ台座は、前記回旋部分が圧縮されているときに、前記第２のケージ台座と接触させられて第２のシールを確立する玉形弁。
8. 更に、前記面から延びるステムを備える請求項７に記載の玉形弁。
9. 更に、前記ステムを前記本体の中にかつそこから出るように押圧するように構成されたアクチュエータアセンブリを備える請求項８に記載の玉形弁。
10. 前記開口部は、金属メッシュを含む請求項７に記載の玉形弁。
11. 前記開口部は、前記ケージを通して配置された複数の孔を含む請求項７に記載の玉形弁。
12. 前記弁プラグが前記ケージの中に押圧されるのに応答して、前記第１のプラグ台座は、前記第１のケージ台座と接触して第１のシールを形成するように構成され、該第１のシールが形成されたときに、前記第２のプラグ台座と前記第２のケージ台座の間に間隙が存在する請求項７に記載の玉形弁。
13. 前記弁プラグが前記回旋部分のバネ定数に打ち勝つのに十分に押圧されるのに応答して、第２のシールが、前記第２のプラグ台座と前記第２のケージ台座の間に形成される請求項１２に記載の玉形弁。
14. 前記第２のシールが形成されるのに応答して、前記弁プラグを下方に押圧する追加の力は、前記第１のシールまで伝達されない請求項１３に記載の玉形弁。

Images