JP7477724B2

JP7477724B2 - 蒸気弁

Info

Publication number: JP7477724B2
Application number: JP2023517087A
Authority: JP
Inventors: 喬横山; 文之鈴木
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2021-04-30
Filing date: 2022-02-22
Publication date: 2024-05-01
Anticipated expiration: 2042-02-22
Also published as: WO2022230329A1; KR20230070043A; US20230332709A1; CN116234997A; DE112022000120T5; JPWO2022230329A1

Description

本開示は、蒸気弁に関する。
本願は、２０２１年４月３０日に日本国特許庁に出願された特願２０２１－０７７７７８号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

例えば蒸気タービンに供給される蒸気の流量を制御する等の用途で用いられる蒸気弁では、高速で流通する高温高圧の蒸気による摩耗を抑制するため、コバルト基合金等で肉盛りされている（特許文献１参照）。

特開２０１２－６１５１４号公報

例えば特許文献１に記載のものでは、コバルト基合金の肉盛層の割れを抑制するため、鉄基の合金製の母材と肉盛層との間にニッケル基合金のバタリング層を形成させることで、肉盛層における、母材からの鉄の溶け込みを防止するようにしている。
しかし、コバルト基合金の肉盛層に比べるとニッケル基合金のバタリング層は軟質である。そのため、バタリング層の内、蒸気弁の部品の表面に現れる部分の摩耗を抑制することが求められている。

本開示の少なくとも一実施形態は、上述の事情に鑑みて、蒸気弁における部品の摩耗を抑制することを目的とする。

（１）本開示の少なくとも一実施形態に係る蒸気弁は、
弁座と、
弁体と、
を備え、
前記弁体及び前記弁座のそれぞれは、
母材上に形成される前記母材とは材質が異なる第１層と、
少なくとも前記弁体と前記弁座との接触位置において前記第１層上に形成される、前記母材及び前記第１層とは材質が異なる第２層と、
を有し、
前記弁体と前記弁座との接触位置を挟んで隔てられる蒸気流路の一方側及び他方側の内の少なくとも一方側において、前記弁体又は前記弁座の少なくとも何れか一方について、前記弁体と前記弁座との相対的な移動方向に沿った断面における前記第１層の最小曲率半径は、前記母材の表面の最小曲率半径又は前記第２層の表面の最小曲率半径の内の小さい方の曲率半径以上である。

本開示の少なくとも一実施形態によれば、蒸気弁における部品の摩耗を抑制できる。

一実施形態に係る蒸気弁の弁座及び弁体についての模式的な断面図である。図１Ａに示した蒸気弁において、弁が閉じた状態を表す模式的な断面図である。他の実施形態に係る蒸気弁の弁座及び弁体についての模式的な断面図である。さらに他の実施形態に係る蒸気弁の弁座及び弁体についての模式的な断面図である。さらに他の実施形態に係る蒸気弁の弁座及び弁体についての模式的な断面図である。さらに他の実施形態に係る蒸気弁の弁座についての模式的な断面図である。第１層の厚さを変化させたときの、母材と第１層との界面における応力、及び、第１層と第２層との界面における応力について説明するためのグラフである。

以下、添付図面を参照して本開示の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本開示の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

以下、幾つかの実施形態に係る蒸気弁について説明する。
図１Ａは、一実施形態に係る蒸気弁の弁座及び弁体についての模式的な断面図である。
図１Ｂは、図１Ａに示した蒸気弁において、弁が閉じた状態を表す模式的な断面図である。
図２は、他の実施形態に係る蒸気弁の弁座及び弁体についての模式的な断面図である。
図３は、さらに他の実施形態に係る蒸気弁の弁座及び弁体についての模式的な断面図である。
図４は、さらに他の実施形態に係る蒸気弁の弁座及び弁体についての模式的な断面図である。
図５は、さらに他の実施形態に係る蒸気弁の弁座についての模式的な断面図である。

幾つかの実施形態に係る蒸気弁１００は、弁内の蒸気流路１０１に面する弁座表面１１０ａを有する弁座１１０と、蒸気流路１０１に面する弁体表面１６０ａを有する弁体１６０と、を備える。
幾つかの実施形態に係る蒸気弁１００では、弁座１１０と弁体１６０とが相対的に移動することで、より具体的には、不図示の弁箱に固定された弁座１１０に対して弁体１６０が弁体１６０の中心軸ＡＸｂに沿って移動することで、蒸気流路１０１を流れる蒸気の流量を制御するように構成されている。すなわち、弁体１６０の中心軸ＡＸｂの延在方向は、弁座１１０と弁体１６０との相対的な移動方向でもある。

幾つかの実施形態に係る蒸気弁１００では、弁座１１０は、母材１１１上に形成される母材１１１とは材質が異なる第１層１１３と、少なくとも弁体１６０と弁座１１０との接触位置１０３において第１層１１３上に形成される、母材１１１及び第１層１１３とは材質が異なる第２層１１５と、を有する。

具体的には、幾つかの実施形態に係る弁座１１０の母材１１１は、鉄基の合金で形成されている。幾つかの実施形態に係る弁座１１０では、第１層１１３は、例えばニッケル基の合金で形成されている。幾つかの実施形態に係る弁座１１０では、第２層１１５は、例えばコバルト基の合金で形成されている。
幾つかの実施形態に係る弁座１１０では、第２層１１５は、弁体１６０との接触位置１０３を挟んで隔てられる蒸気流路１０１の一方側から他方側かけて形成された肉盛層である。幾つかの実施形態に係る弁座１１０では、第１層１１３は、コバルト基合金の第２層１１５の割れを抑制するため、母材１１１と第２層１１５との間に設けられたバタリング層である。

幾つかの実施形態に係る蒸気弁１００では、弁体１６０は、母材１６１上に形成される母材１６１とは材質が異なる第１層１６３と、少なくとも弁体１６０と弁座１１０との接触位置１０３において第１層１６３上に形成される、母材１６１及び第１層１６３とは材質が異なる第２層１６５と、を有する。

具体的には、幾つかの実施形態に係る弁体１６０の母材１６１は、鉄基の合金で形成されている。幾つかの実施形態に係る弁体１６０では、第１層１６３は、例えばニッケル基の合金で形成されている。幾つかの実施形態に係る弁体１６０では、第２層１６５は、例えばコバルト基の合金で形成されている。
幾つかの実施形態に係る弁体１６０では、第２層１６５は、弁座１１０との接触位置１０３を挟んで隔てられる蒸気流路１０１の一方側から他方側かけて形成された肉盛層である。幾つかの実施形態に係る弁体１６０では、第１層１６３は、コバルト基合金の第２層１６５の割れを抑制するため、母材１６１と第２層１６５との間に設けられたバタリング層である。

幾つかの実施形態に係る蒸気弁１００では、比較的高温高圧である蒸気が蒸気流路１０１を比較的高い速度で流れることによる弁座１１０や弁体１６０の摩耗を抑制するために、上述したように、コバルト基合金の第２層１１５、１６５による肉盛を行っている。
また、鉄基合金製の母材１１１、１６１の上にコバルト基合金の肉盛層を直接形成すると、使用過程において該肉盛層が母材１１１、１６１から剥離するおそれがある。そこで、幾つかの実施形態に係る蒸気弁１００では、上述したように、母材１１１、１６１と第２層１１５、１６５との間に第１層１１３、１６３を配置している。

幾つかの実施形態に係る蒸気弁１００では、幾つかの実施形態に係る蒸気弁１００では、弁座１１０と弁体１６０とが当接する場合、例えば図１Ｂに示すように、弁座１１０の第２層１１５と弁体１６０の第２層１６５とが当接するように第２層１１５、１６５が配置されている。

（母材１１１、１６１の材料）
幾つかの実施形態に係る蒸気弁１００では、母材１１１、１６１の材料である鉄基の合金は、従来から蒸気弁の弁体や弁座に使用されているＦｅ基の耐熱材料、すなわち耐熱鋼と称されるものが好ましく、基本的には限定されないが、例えばＦｅを７５質量％以上含み、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｗ、Ｎｂ等の耐熱性向上のための合金元素を１種以上含む耐熱鋼が好ましい。その耐熱鋼の鋼種、鋼成分も特に限定されないが、例えば９Ｃｒ鋼や１２Ｃｒ鋼等のＣｒ鋼、Ｃｒ－Ｍｏ鋼、Ｃｒ－Ｍｏ－Ｖ鋼などが代表的である。具体的には、例えばＪＩＳＧ４３１１で規定されるＳＵＨ１、ＳＵＨ３、ＳＵＨ４、ＳＵＨ１１、ＳＵＨ６００、ＳＵＨ６１６、あるいはそれらに類する耐熱鋼が挙げられる。

（第１層１１３、１６３の材料）
幾つかの実施形態に係る蒸気弁１００では、第１層１１３、１６３の材料であるニッケル基の合金は、例えばインコネル６２５やインコネル８２等であってもよい。なお、インコネルは登録商標である。

（第２層１１５、１６５の材料）
幾つかの実施形態に係る蒸気弁１００では、第２層１１５、１６５の材料であるコバルト基の合金は、例えば、商品名「ステライト」として知られるＣｏ－Ｃｒ系耐熱合金、もしくはステライトに類するＣｏ－Ｃｒ系耐熱合金であってもよい。このＣｏ－Ｃｒ系耐熱合金の成分組成は、例えば、質量％で、Ｃｒ：２４～３２％、Ｗ：０～２０％、Ｃ：０．２～３．５％、Ｍｏ：０～６％、Ｎｉ：０～２５％、Ｆｅ：３％以下、残部がＣｏ及び不純物であることが好ましい。

（第１層１１３、１６３の摩耗抑制について）
上述したように、幾つかの実施形態に係る第１層１１３、１６３は、ニッケル基の合金によって形成されている。そのため、るコバルト基の合金によって形成されている第２層１１５、１６５と比べると第１層１１３、１６３は軟質である。そのため、第１層１１３、１６３の内、弁座１１０や弁体１６０の表面（弁座表面１１０ａ及び弁体表面１６０ａ）に現れる部分の摩耗を抑制することが求められている。
なお、以下の説明では、弁座１１０や弁体１６０に関して「表面」と称した際は、特に断りがない限り、弁内の蒸気流路１０１に面するものとする。すなわち、以下の説明では、弁座１１０や弁体１６０に関して「表面」と称した際は、特に断りがない限り、弁座表面１１０ａや弁体表面１６０ａの少なくとも一部を指すものとする。

例えば、第１層１１３、１６３の表面１１３ａ、１６３ａが母材１１１、１６１の表面１１１ａ、１６１ａや第２層１１５、１６５の表面１１５ａ、１６５ａよりも突出する等していると、第１層１１３、１６３の表面１１３ａ、１６３ａで蒸気の流れが乱れる等して、第１層１１３、１６３の表面１１３ａ、１６３ａが摩耗し易くなってしまう。
そのため、第１層１１３、１６３の表面１１３ａ、１６３ａは、該表面１１３ａ、１６３ａと隣り合う母材１１１、１６１の表面１１１ａ、１６１ａや第２層１１５、１６５の表面１１５ａ、１６５ａとともになだらかな曲面を形成することが望ましい。すなわち、図１Ａから図５に示すような弁体１６０の中心軸ＡＸｂを含む平面で切断したときに表れる断面において、第１層１１３、１６３の表面１１３ａ、１６３ａは、該表面１１３ａ、１６３ａと隣り合う母材１１１、１６１の表面１１１ａ、１６１ａや第２層１１５、１６５の表面１１５ａ、１６５ａとともになだらかな曲線又は直線として現れるように形成されていることが望ましい。

なお、図１Ａ、図１Ｂ、及び、図２から図４に示す弁座１１０における弁座表面１１０ａには、弁体１６０の中心軸ＡＸｂと直交する平面である上面１１０ｕと、弁体１６０の中心軸ＡＸｂを中心とする円筒の内周面に相当する内周面１１０ｉとが含まれる。なお、図１Ａ、図１Ｂ、及び、図２から図４に示す弁座１１０において上面１１０ｕ及び内周面１１０ｉは、円錐面であってもよい。
図１Ａ、図１Ｂ、及び、図２から図４において、上面１１０ｕ及び内周面１１０ｉは、直線で表される。
図１Ａ、図１Ｂ、図２、及び、図３に示す弁座１１０では、上面１１０ｕと内周面１１０ｉとは、各図に示す断面において曲線として現れる曲面である接続面１１０ｊでなだらかに接続されている。

図１Ａ及び図１Ｂに示す弁座１１０では、母材１１１と第１層１１３との界面１１７は、上面１１０ｕ及び内周面１１０ｉに表れている。
なお、図１Ａ及び図１Ｂに示す弁座１１０では、図１Ａ及び図１Ｂに表れる断面において、接続面１１０ｊの曲率半径は、その位置によらず一定であってもよく、位置によって異なっていてもよい。

図２及び図３に示す弁座１１０では、母材１１１と第１層１１３との界面１１７は、接続面１１０ｊに表れている。
なお、図２及び図３に示す弁座１１０では、図２及び図３に表れる断面において、接続面１１０ｊの曲率半径は、その位置によらず一定であってもよく、位置によって異なっていてもよい。
但し、接続面１１０ｊの曲率半径が位置によって異なっている場合、第１層１１３の表面１１３ａの最小曲率半径は、母材１１１の表面１１１ａの最小曲率半径又は第２層１１５の表面１１５ａの最小曲率半径の内の小さい方の曲率半径以上であるとよい。

図４に示す弁座１１０では、内周面１１０ｉは、接続面１１０ｊとなだらかに接続されている。
図４に示す弁座１１０では、上面１１０ｕは、接続面１１０ｊと後述する角部１１１ｂにおいて交差するように接続されている。

図５に示す弁座１１０における弁座表面１１０ａには、弁体１６０の中心軸ＡＸｂと直交する平面である上面１１０ｕと、以下で説明するような内周面１１０ｋとが含まれる。なお、図５に示す弁座１１０において上面１１０ｕは、円錐面であってもよい。
図５に示す内周面１１０ｋは、図５に表れる断面において、弁体１６０の中心軸ＡＸｂに沿って上面１１０ｕに比較的近い位置では最も小さな曲率半径ｒ_ｍｉｎを有し、弁体１６０の中心軸ＡＸｂに沿って上面１１０ｕから比較的離れた位置では上記曲率半径ｒ_ｍｉｎよりも大きな曲率半径ｒを有する。なお該曲率半径ｒは、その位置によらず一定であってもよく、位置によって異なっていてもよい。
図５に示す弁座１１０では、母材１１１と第１層１１３との界面１１７は、内周面１１０ｋのうち、該曲率半径ｒを有する領域に表れている。

図１Ａ、図１Ｂ、図２、及び、図３に示す弁体１６０における弁体表面１６０ａには、弁体１６０の中心軸ＡＸｂを中心とする円筒又は円柱の外周面に相当する外周面１６０ｏと、弁体１６０の中心軸ＡＸｂを中心とする円錐面に相当する円錐面１６０ｃとが含まれる。なお、図１Ａ、図１Ｂ、図２、及び、図３に示す弁体１６０において外周面１６０ｏは、円錐面であってもよい。
図１Ａ、図１Ｂ、図２、及び、図３において、外周面１６０ｏ及び円錐面１６０ｃは、直線で表される。
図１Ａ、図１Ｂ、図２、及び、図３に示す弁体１６０では、外周面１６０ｏと円錐面１６０ｃとは、各図に示す断面において曲線として現れる曲面である接続面１６０ｊでなだらかに接続されている。

図１Ａ及び図１Ｂに示す弁体１６０では、母材１６１と第１層１６３との界面１６７は、外周面１６０ｏ及び円錐面１６０ｃに表れている。
なお、図１Ａ及び図１Ｂに示す弁体１６０では、図１Ａ及び図１Ｂに表れる断面において、接続面１６０ｊの曲率半径は、その位置によらず一定であってもよく、位置によって異なっていてもよい。

図２及び図３に示す弁体１６０では、母材１６１と第１層１６３との界面１６７は、上記接触位置１０３を挟んで弁座１１０に近い領域においては、円錐面１６０ｃに表れ、上記接触位置１０３を挟んで弁座１１０から遠い領域においては、接続面１１０ｊに表れている。
なお、図２及び図３に示す弁体１６０では、図２及び図３に表れる断面において、接続面１１０ｊの曲率半径は、その位置によらず一定であってもよく、位置によって異なっていてもよい。
但し、接続面１１０ｊの曲率半径が位置によって異なっている場合、第１層１６３の表面１６３ａの最小曲率半径は、母材１６１の表面１６１ａの最小曲率半径又は第２層１６５の表面１６５ａの最小曲率半径の内の小さい方の曲率半径以上であるとよい。

図４に示す弁体１６０における弁体表面１６０ａには、弁体１６０の中心軸ＡＸｂを中心とする円筒又は円柱の外周面に相当する外周面１６０ｏと、以下で説明するような外周面１６０ｍとが含まれる。なお、図４に示す弁体１６０において外周面１６０ｏは、円錐面であってもよい。
図４に示す外周面１６０ｍは、図４に表れる断面において、弁体１６０の中心軸ＡＸｂに沿って弁座１１０から比較的離れた位置では最も小さな曲率半径ｒ_ｍｉｎを有し、弁体１６０の中心軸ＡＸｂに沿って弁座１１０に比較的近い位置では上記曲率半径ｒ_ｍｉｎよりも大きな曲率半径ｒを有する。なお該曲率半径ｒは、その位置によらず一定であってもよく、位置によって異なっていてもよい。
図４に示す弁体１６０では、母材１６１と第１層１６３との界面１６７は、外周面１６０ｍのうち、該曲率半径ｒを有する領域に表れている。

そこで、幾つかの実施形態に係る蒸気弁１００では、図１Ａから図５に示すように、図１Ａから図５に表れる上記断面において、第１層１１３、１６３の表面１１３ａ、１６３ａは、該表面１１３ａ、１６３ａと隣り合う母材１１１、１６１の表面１１１ａ、１６１ａや第２層１１５、１６５の表面１１５ａ、１６５ａとともになだらかな曲線又は直線として現れるように形成されている。
これにより、第１層１１３、１６３の表面１１３ａ、１６３ａの摩耗を抑制できる。

また、第１層１１３、１６３の表面１１３ａ、１６３ａの摩耗を抑制するためには、図１Ａから図５に表れる上記断面において、第１層１１３、１６３の表面１１３ａ、１６３ａの曲率半径ｒ１は、大きい方がよい。
そこで、幾つかの実施形態に係る蒸気弁１００では、弁体１６０と弁座１１０との接触位置１０３を挟んで隔てられる蒸気流路１０１の一方側及び他方側の内の少なくとも一方側において、弁体１６０又は弁座１１０の少なくとも何れか一方について、弁体１６０と弁座１１０との相対的な移動方向に沿った断面における第１層１１３、１６３の最小曲率半径は、母材１１１、１６１の表面の最小曲率半径又は第２層１１５、１６５の表面の最小曲率半径の内の小さい方の曲率半径以上である。
すなわち、幾つかの実施形態に係る蒸気弁１００では、上記接触位置１０３を挟んで隔てられる蒸気流路１０１の一方側及び他方側の内の少なくとも一方側における、弁体表面１６０ａ又は弁座表面１１０ａの少なくとも何れか一方において、図１Ａから図５に表れる上記断面において、曲率半径ｒが最も小さくなる表面には、第２層１１５、１６５の表面１１５ａ、１６５ａ、又は、母材１１１、１６１の表面１１１ａ、１６１ａが含まれる。換言すると、第１層１１３、１６３の最小曲率半径は、母材１１１、１６１の表面の最小曲率半径及び第２層１１５、１６５の表面の最小曲率半径を下回らない。

例えば、図１Ａ及び図１Ｂにおける実施形態では、図１Ａに示すように、弁座１１０の表面における最も小さな曲率半径ｒ_ｍｉｎは、第２層１１５の表面１１５ａの曲率半径ｒ２であり、弁体１６０の表面における最も小さな曲率半径ｒ_ｍｉｎは、第２層１６５の表面１６５ａの曲率半径ｒ２である。
例えば、図２及び図３における実施形態では、弁座１１０の表面における最も小さな曲率半径ｒ_ｍｉｎは、第２層１１５の表面１１５ａの曲率半径ｒ２であり、弁体１６０の表面における最も小さな曲率半径ｒ_ｍｉｎは、第２層１６５の表面１６５ａの曲率半径ｒ２である。

例えば、図４における実施形態では、弁座１１０の表面における最も小さな曲率半径ｒ_ｍｉｎは、母材１１１の表面１１１ａの曲率半径ｒ０であり、弁体１６０の表面における最も小さな曲率半径ｒ_ｍｉｎは、母材１６１の表面１６１ａの曲率半径ｒ０である。
なお、図４において、弁座１１０の母材１１１は、蒸気流路１０１に向かって凸となる角部１１１ｂを有している。該角部１１１ｂが蒸気流路１０１に露出しているため、該角部１１１ｂにおける表面の曲率半径は、弁座１１０では最も小さくなる。

例えば、図５における実施形態では、弁座１１０の表面における最も小さな曲率半径ｒ_ｍｉｎは、母材１１１の表面１１１ａの曲率半径ｒ０である。

これにより、図１Ａから図５に表れる上記断面において、第１層１１３、１６３の表面１１３ａ、１６３ａの曲率半径ｒ１は、弁体１６０又は弁座１１０の表面における最も小さな曲率半径ｒ_ｍｉｎ以上となる。したがって、第１層１１３、１６３の表面の曲率半径ｒ１が母材１１１、１６１の表面１１１ａ、１６１ａの最小曲率半径ｒ_ｍｉｎ又は第２層１１５、１６５の表面１１５ａ、１６５ａの最小曲率半径ｒ_ｍｉｎの内の小さい方の曲率半径ｒ_ｍｉｎ未満となる場合と比べて、弁内の蒸気流路１０１を高速で流れる高温高圧の蒸気による第１層１１３、１６３の表面１１３ａ、１６３ａの摩耗を抑制できる。

（交差位置Ｐにおける交差角度θについて）
図１Ａから図５に示すように、幾つかの実施形態では、図１Ａから図５に表れる上記断面において、母材１１１、１６１と第１層１１３、１６３との界面１１７、１６７と、母材１１１、１６１の表面１１１ａ、１６１ａとの交差角度θは、上記界面１１７、１６７と母材１１１、１６１の表面１１１ａ、１６１ａとの交差位置Ｐにおいて９０度以上であるとよい。
これにより、交差角度θが上記交差位置Ｐにおいて９０度未満である場合と比べ、母材１１１、１６１上に第１層１１３、１６３を溶接により肉盛する際に上記交差位置Ｐに該当する母材１１１、１６１の角部の形状が崩れにくくなる。

（交差位置Ｐにおける界面１１７、１６７の延在方向について）
図１Ａから図２に示す実施形態では、弁体１６０の各図に表れる上記断面において、上記交差位置Ｐは、弁体１６０の中心軸ＡＸｂを中心とする径方向内側と外側の２カ所に表れる。該２カ所の上記交差位置Ｐの内、径方向内側の上記交差位置Ｐにおける上記界面１６７の延在方向は、弁体１６０の移動方向の内、弁体１６０が弁座１１０に近づく方向に向かうにつれて中心軸ＡＸｂに近づくように中心軸ＡＸｂに対して傾斜していてもよい。
すなわち、図１Ａから図２に示す実施形態では、径方向内側の上記交差位置Ｐにおける上記界面１６７の接線Ｌ６は、弁体１６０の移動方向の内、弁体１６０が弁座１１０に近づく方向に向かうにつれて中心軸ＡＸｂに近づくように中心軸ＡＸｂに対して傾斜していてもよい。

上述した径方向内側の上記交差位置Ｐの近傍では、上記界面１７１は、弁体１６０の移動方向の内、弁体１６０が弁座１１０に近づく方向に向かうにつれて径方向内側に近づく。そのため、第１層１６３を形成する前の弁体１６０を中心軸ＡＸｂに沿って弁座１１０側から見たときに、弁体１６０における開先の表面、すなわち第１層１６３を形成しようとする母材１６１の表面が、上述した径方向内側の交差位置Ｐに相当する部分に隠れない。そのため、第１層１６３を形成する前の弁体１６０を中心軸ＡＸｂに沿って弁座１１０側から溶接して第１層１６３を形成する場合に、上述した径方向内側の交差位置Ｐに相当する部分が第１層１６３を形成する際に邪魔にならない。これにより、弁体１６０において第１層１６３を形成し易くなる。

また、図１Ａから図２、及び図４に示す実施形態では、弁座１１０の各図に表れる上記断面において、上記交差位置Ｐは、弁体１６０の中心軸ＡＸｂを中心とする径方向内側と外側の２カ所に表れる。該２カ所の上記交差位置Ｐの内、径方向外側の上記交差位置Ｐにおける上記界面１１７の延在方向は、弁体１６０の移動方向の内、弁体１６０が弁座１１０に近づく方向に向かうにつれて中心軸ＡＸｂに近づくように中心軸ＡＸｂに対して傾斜していてもよい。
すなわち、図１Ａから図２、及び図４に示す実施形態では、径方向外側の上記交差位置Ｐにおける上記界面１１７の接線Ｌ１は、弁体１６０の移動方向の内、弁体１６０が弁座１１０に近づく方向に向かうにつれて中心軸ＡＸｂに近づくように中心軸ＡＸｂに対して傾斜していてもよい。

上述した径方向外側の上記交差位置Ｐの近傍では、上記界面１１７は、弁体１６０の移動方向の内、弁体１６０が弁座１１０から遠ざかる方向に向かうにつれて径方向外側に近づく。そのため、第１層１１３を形成する前の弁座１１０を中心軸ＡＸｂに沿って弁体１６０側から見たときに、弁座１１０における開先の表面、すなわち第１層１１３を形成しようとする母材１１１の表面が、上述した径方向外側の交差位置Ｐに相当する部分に隠れない。そのため、第１層１１３を形成する前の弁座１１０を中心軸ＡＸｂに沿って弁体１６０側から溶接して第１層１１３を形成する場合に、上述した径方向外側の交差位置Ｐに相当する部分が第１層１１３を形成する際に邪魔にならない。これにより、弁座１１０において第１層１１３を形成し易くなる。

図３及び図４に示す実施形態では、弁体１６０の図３及び図４に表れる上記断面において、上記交差位置Ｐは、弁体１６０の中心軸ＡＸｂを中心とする径方向内側と外側の２カ所に表れる。該２カ所の上記交差位置Ｐの内、径方向内側の上記交差位置Ｐにおける上記界面１６７の延在方向は、弁体１６０の移動方向の内、弁体１６０が弁座１１０に近づく方向に向かうにつれて中心軸ＡＸｂから遠ざかるように中心軸ＡＸｂに対して傾斜していてもよい。
すなわち、図３及び図４に示す実施形態では、径方向内側の上記交差位置Ｐにおける上記界面１６７の接線Ｌ６は、弁体１６０の移動方向の内、弁体１６０が弁座１１０に近づく方向に向かうにつれて中心軸ＡＸｂから遠ざかるように中心軸ＡＸｂに対して傾斜していてもよい。

上述した径方向内側の上記交差位置Ｐの近傍では、上記界面１６７は、弁体１６０の移動方向の内、弁体１６０が弁座１１０に近づく方向に向かうにつれて径方向外側に近づく。そのため、仮に第１層１６３が上記界面１６７で母材１６１から剥離したとしても、第１層１６３が上述した径方向内側の上記交差位置Ｐと干渉するため、弁体１６０が弁座１１０に近づく方向に向かって第１層１６３が母材１６１から脱落し難くなる。

また、図３及び図５に示す実施形態では、弁座１１０の図３及び図５に表れる上記断面において、上記交差位置Ｐは、弁体１６０の中心軸ＡＸｂを中心とする径方向内側と外側の２カ所に表れる。該２カ所の上記交差位置Ｐの内、径方向外側の上記交差位置Ｐにおける上記界面１１７の延在方向は、弁体１６０の移動方向の内、弁体１６０が弁座１１０に近づく方向に向かうにつれて中心軸ＡＸｂから遠ざかるように中心軸ＡＸｂに対して傾斜していてもよい。
すなわち、図３及び図５に示す実施形態では、径方向外側の上記交差位置Ｐにおける上記界面１１７の接線Ｌ１は、弁体１６０の移動方向の内、弁体１６０が弁座１１０に近づく方向に向かうにつれて中心軸ＡＸｂから遠ざかるように中心軸ＡＸｂに対して傾斜していてもよい。

上述した径方向外側の上記交差位置Ｐの近傍では、上記界面１１７は、弁体１６０の移動方向の内、弁体１６０が弁座１１０から遠ざかる方向に向かうにつれて径方向内側に近づく。そのため、仮に第１層１１３が上記界面１１７で母材１１１から剥離したとしても、第１層１１３が上述した径方向外側の上記交差位置Ｐと干渉するため、弁体１６０が弁座１１０から遠ざかる方向に向かって第１層１１３が母材１１１から脱落し難くなる。

（第１層１１３、１６３の厚さについて）
図６は、第１層１１３、１６３の厚さを変化させたときの、母材１１１、１６１と第１層１１３、１６３との界面１１７、１６７における応力、及び、第１層１１３、１６３と第２層１１５、１６５との界面１１８、１６８における応力について説明するためのグラフである。なお、図６のグラフでは、横軸に第１層１１３、１６３の厚さをとり、縦軸に第１層１１３、１６３の厚さが０、すなわち第１層１１３、１６３を形成しなかった場合の母材１１１、１６１と第２層１１５、１６５との界面における応力を１としたときの応力をとる。なお、母材１１１、１６１及び第２層１１５、１６５の厚さは不変である。また、ここでいう応力とは、母材１１１、１６１、第１層１１３、１６３、及び第２層１１５、１６５における線膨張係数の違いに起因する熱応力である。

図６のグラフから分かるように、第１層１１３、１６３の厚さが大きくなるにつれて、母材１１１、１６１と第１層１１３、１６３との界面１１７、１６７における応力、及び、第１層１１３、１６３と第２層１１５、１６５との界面１１８、１６８における応力は小さくなる。
これは、第１層１１３、１６３を構成するニッケル基の合金の線膨張係数の大きさが、母材１１１、１６１を構成する鉄基の合金の線膨張係数の大きさと、第２層１１５、１６５を構成するコバルト基の合金の線膨張係数の大きさとの間の大きさであることによるものである。

しかし、第１層１１３、１６３の厚さが大きくなるにつれて、第１層１１３、１６３の形成に要するコストも大きくなる。
また、第２層１１５、１６５を構成するコバルト基の合金も比較的高価な合金であるため、その使用量は少ない方がよい。
これらを勘案すると、第２層１１５、１６５の厚さと第１層１１３、１６３の厚さの比は、１：２から２：１の範囲内であるとよい。

本開示は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。

上記各実施形態に記載の内容は、例えば以下のように把握される。
（１）本開示の少なくとも一実施形態に係る蒸気弁１００は、弁座１１０と、弁体１６０と、を備える。弁体１６０及び弁座１１０のそれぞれは、母材１１１、１６１上に形成される母材１１１、１６１とは材質が異なる第１層１１３、１６３と、少なくとも弁体１６０と弁座１１０との接触位置１０３において第１層１１３、１６３上に形成される、母材１１１、１６１及び第１層１１３、１６３とは材質が異なる第２層１１５、１６５と、を有する。弁体１６０と弁座１１０との接触位置１０３を挟んで隔てられる蒸気流路１０１の一方側及び他方側の内の少なくとも一方側において、弁体１６０又は弁座１１０の少なくとも何れか一方について、弁体１６０と弁座１１０との相対的な移動方向に沿った断面における第１層１１３、１６３の最小曲率半径は、母材１１１、１６１の表面の最小曲率半径又は第２層１１５、１６５の表面の最小曲率半径の内の小さい方の曲率半径以上である。

上記（１）の構成によれば、弁体１６０と弁座１１０との相対的な移動方向に沿った断面において、第１層１１３、１６３の表面の曲率半径は、弁体１６０又は弁座１１０の表面における最も小さな曲率半径ｒ_ｍｉｎ以上となる。したがって、第１層１１３、１６３の表面の曲率半径ｒ１が母材１１１、１６１の表面１１１ａ、１６１ａの最小曲率半径ｒ_ｍｉｎ又は第２層１１５、１６５の表面１１５ａ、１６５ａの最小曲率半径ｒ_ｍｉｎの内の小さい方の曲率半径ｒ_ｍｉｎ未満となる場合と比べて、弁内の蒸気流路１０１を高速で流れる高温高圧の蒸気による第１層１１３、１６３の表面１１３ａ、１６３ａの摩耗を抑制できる。

（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、上記断面において、母材１１１、１６１と第１層１１３、１６３との界面１１７、１６７と、母材１１１、１６１の表面１１１ａ、１６１ａとの交差角度θは、上記界面１１７、１６７と母材１１１、１６１の表面１１１ａ、１６１ａとの交差位置Ｐにおいて９０度以上であるとよい。

上記（２）の構成によれば、交差角度θが上記交差位置Ｐにおいて９０度未満である場合と比べ、母材１１１、１６１上に第１層１１３、１６３を溶接により肉盛する際に上記交差位置Ｐに該当する母材１１１、１６１の角部の形状が崩れにくくなる。

（３）幾つかの実施形態では、上記（２）の構成において、弁体１６０の上記断面において、上記交差位置Ｐは、弁体１６０の中心軸ＡＸｂを中心とする径方向内側と外側の２カ所に表れる。該２カ所の上記交差位置Ｐの内、径方向内側の上記交差位置Ｐにおける上記界面１６７の延在方向は、上記移動方向の内、弁体１６０が弁座１１０に近づく方向に向かうにつれて中心軸ＡＸｂに近づくように中心軸ＡＸｂに対して傾斜していてもよい。

上記（３）の構成によれば、上述した径方向内側の上記交差位置Ｐの近傍では、上記界面１７１は、上記移動方向の内、弁体１６０が弁座１１０に近づく方向に向かうにつれて径方向内側に近づく。そのため、第１層１６３を形成する前の弁体１６０を中心軸ＡＸｂに沿って弁座１１０側から見たときに、弁体１６０における開先の表面、すなわち第１層１６３を形成しようとする母材１６１の表面が、上述した径方向内側の交差位置Ｐに相当する部分に隠れない。そのため、第１層１６３を形成する前の弁体１６０を中心軸ＡＸｂに沿って弁座１１０側から溶接して第１層１６３を形成する場合に、上述した径方向内側の交差位置Ｐに相当する部分が第１層１６３を形成する際に邪魔にならない。これにより、弁体１６０において第１層１６３を形成し易くなる。

（４）幾つかの実施形態では、上記（２）又は（３）の構成において、弁座１１０の上記断面において、上記交差位置Ｐは、弁体１６０の中心軸ＡＸｂを中心とする径方向内側と外側の２カ所に表れる。該２カ所の上記交差位置Ｐの内、径方向外側の上記交差位置Ｐにおける上記界面１１７の延在方向は、上記移動方向の内、弁体１６０が弁座１１０に近づく方向に向かうにつれて中心軸ＡＸｂに近づくように中心軸ＡＸｂに対して傾斜していてもよい。

上記（４）の構成によれば、上述した径方向外側の上記交差位置Ｐの近傍では、上記界面１１７は、上記移動方向の内、弁体１６０が弁座１１０から遠ざかる方向に向かうにつれて径方向外側に近づく。そのため、第１層１１３を形成する前の弁座１１０を中心軸ＡＸｂに沿って弁体１６０側から見たときに、弁座１１０における開先の表面、すなわち第１層１１３を形成しようとする母材１１１の表面が、上述した径方向外側の交差位置Ｐに相当する部分に隠れない。そのため、第１層１１３を形成する前の弁座１１０を中心軸ＡＸｂに沿って弁体１６０側から溶接して第１層１１３を形成する場合に、上述した径方向外側の交差位置Ｐに相当する部分が第１層１１３を形成する際に邪魔にならない。これにより、弁座１１０において第１層１１３を形成し易くなる。

（５）幾つかの実施形態では、上記（２）の構成において、弁体１６０の上記断面において、上記交差位置Ｐは、弁体１６０の中心軸ＡＸｂを中心とする径方向内側と外側の２カ所に表れる。該２カ所の上記交差位置Ｐの内、径方向内側の上記交差位置Ｐにおける上記界面１６７の延在方向は、上記移動方向の内、弁体１６０が弁座１１０に近づく方向に向かうにつれて中心軸ＡＸｂから遠ざかるように中心軸ＡＸｂに対して傾斜していてもよい。

上記（５）の構成によれば、上述した径方向内側の上記交差位置Ｐの近傍では、上記界面１６７は、上記移動方向の内、弁体１６０が弁座に近づく方向に向かうにつれて径方向外側に近づく。そのため、仮に第１層１６３が上記界面１６７で母材１６１から剥離したとしても、第１層１６３が上述した径方向内側の上記交差位置Ｐと干渉するため、弁体１６０が弁座１１０に近づく方向に向かって第１層１６３が母材１６１から脱落し難くなる。

（６）幾つかの実施形態では、上記（２）又は（５）の構成において、弁座１１０の上記断面において、上記交差位置Ｐは、弁体１６０の中心軸ＡＸを中心とする径方向内側と外側の２カ所に表れる。該２カ所の上記交差位置Ｐの内、径方向外側の上記交差位置Ｐにおける上記界面１１７の延在方向は、上記移動方向の内、弁体１６０が弁座１１０に近づく方向に向かうにつれて中心軸ＡＸｂから遠ざかるように中心軸ＡＸｂに対して傾斜していてもよい。

上記（６）の構成によれば、上述した径方向外側の上記交差位置Ｐの近傍では、上記界面１１７は、上記移動方向の内、弁体１６０が弁座１１０から遠ざかる方向に向かうにつれて径方向内側に近づく。そのため、仮に第１層１１３が上記界面１１７で母材１１１から剥離したとしても、第１層１１３が上述した径方向外側の上記交差位置Ｐと干渉するため、弁体１６０が弁座１１０から遠ざかる方向に向かって第１層１１３が母材１１１から脱落し難くなる。

１００蒸気弁
１０１蒸気流路
１０３接触位置
１１０弁座
１１１母材
１１３第１層
１１５第２層
１１７界面
１６０弁体
１６１母材
１６３第１層
１６５第２層
１６７界面

Claims

弁座と、
弁体と、
を備え、
前記弁体及び前記弁座のそれぞれは、
母材上に形成される前記母材とは材質が異なる第１層と、
少なくとも前記弁体と前記弁座との接触位置において前記第１層上に形成される、前記母材及び前記第１層とは材質が異なる第２層と、
を有し、
前記第１層は、前記第２層の割れを抑制するために設けられ、
前記弁体と前記弁座との接触位置を挟んで隔てられる蒸気流路の一方側及び他方側の内の少なくとも一方側において、前記弁体又は前記弁座の少なくとも何れか一方における前記蒸気流路に面した表面の曲率半径について、前記弁体と前記弁座との相対的な移動方向に沿った断面における前記第１層の表面の最小曲率半径は、前記母材の表面の最小曲率半径又は前記第２層の表面の最小曲率半径の内の小さい方の曲率半径以上である
蒸気弁。
前記断面において、前記母材と前記第１層との界面と、前記母材の表面との交差角度は、前記界面と前記母材の表面との交差位置において９０度以上である
請求項１に記載の蒸気弁。
前記弁体の前記断面において、前記交差位置は、前記弁体の中心軸を中心とする径方向内側と外側の２カ所に表れ、
該２カ所の前記交差位置の内、前記径方向内側の前記交差位置における前記界面の延在方向は、前記移動方向の内、前記弁体が前記弁座に近づく方向に向かうにつれて前記中心軸に近づくように前記中心軸に対して傾斜している
請求項２に記載の蒸気弁。
前記弁座の前記断面において、前記交差位置は、前記弁体の中心軸を中心とする径方向内側と外側の２カ所に表れ、
該２カ所の前記交差位置の内、前記径方向外側の前記交差位置における前記界面の延在方向は、前記移動方向の内、前記弁体が前記弁座に近づく方向に向かうにつれて前記中心軸に近づくように前記中心軸に対して傾斜している
請求項２又は３に記載の蒸気弁。
前記弁体の前記断面において、前記交差位置は、前記弁体の中心軸を中心とする径方向内側と外側の２カ所に表れ、
該２カ所の前記交差位置の内、前記径方向内側の前記交差位置における前記界面の延在方向は、前記移動方向の内、前記弁体が前記弁座に近づく方向に向かうにつれて前記中心軸から遠ざかるように前記中心軸に対して傾斜している
請求項２に記載の蒸気弁。
前記弁座の前記断面において、前記交差位置は、前記弁体の中心軸を中心とする径方向内側と外側の２カ所に表れ、
該２カ所の前記交差位置の内、前記径方向外側の前記交差位置における前記界面の延在方向は、前記移動方向の内、前記弁体が前記弁座に近づく方向に向かうにつれて前記中心軸から遠ざかるように前記中心軸に対して傾斜している
請求項２又は５に記載の蒸気弁。