JPH026388B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は主として高温流体、特には1000℃以上
の高温流体の流量、圧力、温度、方向などの制御
の可能な制御弁に関するものである。

高温流体の流量などの制御弁には、高温流体と
接する弁体の材料として従来は各種の鋼、耐燃合
金などが使用されていた。しかしかかる金属材料
の強度は使用温度の上昇につれて急激に低下する
ので、こうした金属材料を水冷その他の手段によ
り強制冷却して使用していたため、制御弁の構造
が複雑になり、使用可能上限温度が低く、または
熱エネルギーのかなりの損失をまねくなどの欠点
を有していた。一方、弁体などをセラミツク製と
すればセラミツクの有する耐熱性により高温流体
の制御弁として使用可能なことは期待されていた
が、金属に比べて脆く、加工性に劣り、かつ材料
として信頼性に乏しいセラミツクで複雑な、大型
の、または厚肉部を有する弁体を構成することの
困難性から、従来、セラミツク製弁体を有する制
御弁はほとんど実用化されていなかつた。

本発明はかかる問題点を解決し、主として高温
流体、特には1000℃以上の高温流体の流量、圧
力、温度などの制御の可能な制御弁を提供するも
のであり、すなわち、中空部の少くとも一部を断
熱材で充填した中空筒状のセラミツク製弁体を有
する高温用制御弁を提供するものである。

以下に図面を参照しながら本発明を説明する。
第１図は本発明の好ましい一実施例である制御弁
を示す。鉄板２２で外張りし、断熱性を有する耐
火材２１で形成された断面円形の風道２５には、
たとえば鉄鋼熱風炉への約1200℃、約４Kg／cm²
（ゲージ圧）の高温空気が流れている。耐火材２
１および鉄板２２の一部を切欠いて、風道側が小
さく、鉄板側が大きく、中途で段差面２３を有す
る円筒状の空所を設け、この空所の鉄板側側面２
４および段差面２３に弁箱２の基部２ａがほぼ当
接するように制御弁１をとりつける。制御弁１は
セラミツク製弁体３、これを把持する金属製取付
体４、弁棒５、弁体３を保持制振するスリーブ
６、スリーブを押圧する押し輪７、および弁箱２
などから構成されている。

弁箱２はそれぞれが金属製である弁箱基部２
ａ、弁箱胴部２ｂ、弁箱蓋部２ｃおよび弁箱シー
ル押さえ部２ｄから構成され、逐次フランジ８に
より密閉可能なように接合されている。底面中央
に弁体３が貫通するための孔部を有する円筒状の
弁箱基部２ａは、好ましくは耐熱鋼で製作され、
その側面を鉄板２２と溶接して制御弁１全体を所
定位置に保持固定すると共に、風道からの高温空
気が弁箱基部２ａの外面と耐火材２１の間隔を通
つて外部へ流出することを防止している。弁箱基
部２ａは使用時には上述の鉄板側側面２４および
段差面２３にほぼ当接しているが、必要に応じて
取付時には材質の熱膨脹率差を考慮して適宜のク
リアランスを見込んでおくことが好ましい。

弁箱基部２ａの中央部には、弁箱と同軸に薄肉
中空円筒状のセラミツク製弁体３が設けられてい
る。このセラミツク製弁体は肉厚が好ましくは10
mm以下の等径等厚の単純な中空円筒状であつて、
その風道側端面および弁棒側端面はいずれも軸に
垂直な面で切断されており、弁棒側外側面は外側
に拡大するようにテーパ面３ａが形成されてい
る。好ましくは炭化ケイ素質、窒化ケイ素質、サ
イアロン質、アルミナ質、ジルコニア質などのセ
ラミツク材からなる弁体３の中空部には、断熱性
キヤスタブル、または炭化ケイ素、アルミナなど
からなるセラミツクフアイバーなどの断熱材９が
充填されている。断熱材は断熱性を有するととも
にその熱伝導率が弁体３を構成するセラミツク材
のそれの1/5以下であることが後述する伝熱量抑
制のために好ましく、たとえば気孔率の大きい断
熱材あるいはハニカム状の断熱材なども使用しう
る。

かかる構成の弁体とすることは次のような特長
を有するものである。すなわち、セラミツク材は
耐熱性は優れているが脆く、加工性に乏しく、か
つ大型形状、厚肉形状、複雑形状にすると焼結が
不充分、不均一となつて強度が不足したり内部欠
陥を有しやすく、したがつて弁体のような機械的
部材に使用することは困難であつた。しかるに等
径等厚薄肉中空円筒状などとすることにより、形
状はきわめて単純となつて成形、焼結、加工など
が容易となり、厚肉部分がなくなつてセラミツク
材質の中央部まで焼結が充分完結し、かつ各部が
等厚なので均一な焼結が可能となつて内部欠陥が
ほとんど無くなり、機械的強度が大きく、熱応力
にも強く、かつ信頼性の高い部材が得られること
となり、特に弁体外径が50mmφ以上の大型形状に
なるほど、かかる特長が顕著に発揮される。また
セラミツク材、特に上に例示した如き材質のセラ
ミツク材は比較的大きな熱伝導率を有し、したが
つて中実セラミツク製弁体とした場合には弁体の
風道側から弁棒側にかなりの伝熱量があつて取付
体などが容易に高温に達して不都合であるが、中
空セラミツク製弁体としたことにより、この方向
への伝熱量を大巾に低下させ、かつ、充填された
断熱材９により中空部を通じての伝熱量も抑制し
ている。断熱材９はあわせて中空セラミツク製弁
体の強度補強の機能をもたせてもよく、したがつ
て中空部全体を充填していることが好ましいが、
例えば中空部のうちの風道側部分あるいはスリー
ブ６で囲まれる部分のみを断熱材で充填してもよ
い。

セラミツク製弁体は第２図に示すように風道側
を平面状または半球面状の底面３ｂを有する構造
として、断熱材の剥落や腐食を防止し、あわせて
弁体の補強、制振などを図つてもよく、特にセラ
ミツクフアイバーを断熱材に用いる場合には好適
である。さらに底面の曲率を風道の曲率と等しく
して、弁体をその軸方向に変位させて風道の流体
の流量を制御するにあたり、その制御率を大きく
することが可能である。

金属製の取付体４に螺合し弁体のテーパ面３ａ
に係合するリング４ａによつて弁体３は把持さ
れ、取付体４は自在継手１０を介して弁棒５に連
結されている。その際、緩衝材１１がセラミツク
材と金属材との当接部分に配されて、組立時ある
いは使用時に相対的に脆いセラミツク材に過度の
応力集中が起きることを防止している。テーパ面
を形成してあることは把持力を確保しやすくする
と共に、セラミツク材に主として圧縮応力として
作用せしめる効果を有する。また第２図に示すよ
うにリングによつて把持される弁体の弁棒側をテ
ーパ面を経て直円筒となして強度を高めてもよ
く、あるいはテーパ面を有する溝部を切削加工な
どにより設けて、量産しやすい等径等厚円筒を利
用できるようにしてもよい。

弁箱基部２ａには弁体３の中央部を囲むように
環状のスリーブ６が配されている。スリーブ６は
その内周面が弁体と摺動可能なように係合してい
ると共に、その外周面の弁棒側端部および必要に
応じて風道側端部は斜めに切り落された形状をし
ており、かつ円周方向に分割された複数個の断熱
性部材で構成されている。スリーブ６には必要と
される断熱性に応じて適宜な金属や焼結体などが
使用できる中で、黒鉛は潤滑性およびダンピング
効果にすぐれて好ましい。スリーブの弁棒側斜面
６ａと弁箱内面との間には、この二つの面とそれ
ぞれ摺動可能な内周、外周を有する押し輪７が配
置される。後述する機構により押し輪７に弁棒側
から風道側に向いた押圧力が作用し、これがスリ
ーブの斜面によりスリーブを弁体方向に押圧する
分力に変換されて、弁体を保持制振する。すなわ
ち金属材に比べてセラミツク材は脆く、機械的衝
撃や振動に弱いものであり、特にセラミツク製弁
体が流体流にさらされると流れの乱れなどに起因
して振動を起こしやすいものであるからして、か
かる保持制振機構を備えていることは重要であ
る。

また必要に応じてスリーブの風道側斜面６ｂと
弁箱内面との間には、この斜面と摺動可能な内周
を有し、弁箱基部の底面２ｅと直接にまたは断熱
材を介して接する受け輪１２が配置されて、押し
輪７と同様にスリーブを弁体方向に押圧する機能
を有すると共にこの押圧力が受け輪１２および押
し輪７に均等に働いて弁体を正しく軸方向に保持
する。さらにかなり高温の流体を制御する場合に
は受け輪１２または弁箱基部の底面２ｅ、押し輪
７、スリーブ６および弁箱内側面で囲まれる空間
に必要に応じて水その他の冷却媒体を流通させる
冷却管１３などを配設してもよい。さらにまた、
図示していないが、例えば取付体リング部４ａと
弁箱内面との間などに適宜な構造の第二の保持制
振機構を設けることも有効である。

弁箱蓋部２ｃおよび弁箱シール押さえ部２ｄに
はそれぞれ中央に弁棒５を貫通させる孔部を有
し、弁箱蓋部の中央部に設けた空所に適宜な軸シ
ール材１４を配して弁箱内に流入した高温ガスが
系外に洩出するのを防止している。このように風
道からへだたり、したがつて温度も低下している
部位で系外とのシールをしているので、軸シール
材の選択、軸シール方法の設計などは容易であ
り、さらには風道を流れる流体が腐食性あるいは
毒性を有する場合にも有効である。さらに必要に
応じて例えば弁箱胴部２ｂに１個または複数個の
流通口１５を設け、外部より空気その他の加圧流
体などを供給して弁箱内に風道を流れる高温流体
が洩出しないようにしてもよく、または弁箱内を
冷却可能としてもよい。

弁棒５は図示していない適宜な手動または非手
動の弁棒駆動機構に接続され、弁棒したがつて弁
体は弁体の軸方向に移動可能となつている。ここ
で弁体はセラミツク製であるためしばしば寸法精
度に劣ることがあり、スリーブや押し輪などの位
置ずれが起きたり、あるいはセラミツク製弁体、
弁箱部材、耐火材相互間の熱膨脹差に起因したり
して弁体の軸と弁棒の軸が一致しないこともあり
うるものであるが、このような場合があつても自
在継手１０を介することは、流体の制御に必要な
弁体の移動または回転を確保できて重要である。

弁箱内部には弁箱蓋部２ｃに近接してスラスト
板１６が設けられ、スラスト板１６と押し輪７の
間にはスプリング１９を介して複数本の脚部１７
ａを有する環状体１７が設けられている。弁箱蓋
部２ｃに設けたねじ孔に調節ねじ１８が貫通し
て、調節ねじの先端がスラスト板に当接する。し
かして調節ねじを締めこんでスラスト板を適宜に
押圧し、この力がスプリングおよび環状体を介し
て押し輪の押圧力として作用する。しかしながら
本発明において押し輪に押圧力を作用させる機構
は上に述べた方法に限定されるものではない。

第１図の実施例においては、断面が円形の風道
に、これより小さい外径を有しかつ流れ方向に直
交する軸を有する円筒状弁体が軸方向に変位し
て、流量などを制御するもので、したがつて制御
弁の全閉時には全開時のおよそ30〜90％の流量ま
で調節可能である。しかしながら、風道径より大
きい外径の弁体とし、あるいは風道断面を弁体外
径と等しい平行面を有する小判形などとすること
により、全閉時の流量を実質的にゼロとすること
も可能である。

一方、本発明の制御弁を第３図〜第６図に示す
ように配設して風道流体に対する密閉性を向上
し、折れ曲がる風道に適用し、あるいは円筒状弁
体を円周方向に回転して流量などの制御をするこ
とも可能である。すなわち第３〜第６図はいずれ
もセラミツク製弁体３に係合し、この弁体が摺動
可能なセラミツク製外筒２０を風道に固定して配
設したもので、風道内は高温流路を残して適宜、
耐火材などで内張りされている。第３図において
は外筒側面に対向する二つの孔を有し、この孔を
流れる流体は、端部をセラミツク材または断熱材
で閉塞された弁体を弁体の軸方向に変位させるこ
とにより制御される。第４図においては第３図と
同様の外筒とガス流路を有し、セラミツク製弁体
はその側面に対向する二つの孔を有し、その孔よ
りも少くとも弁棒側は断熱材が充填されている。
外筒および弁体の孔を流れる流体は弁体を円周方
向に回転させることにより制御される。第５図お
よび第６図においては直角方向に折れ曲がる風道
にそれぞれ第３図および第４図と同様の外筒と弁
体を設けたもので、これらの場合においては外筒
の一側面と底面とに孔を有して、流体の流路とな
つている。また直角に限らず適宜な角度に折れ曲
がる風道に採用可能であり、あるいは三方向以上
に分岐する風道部分に設けて流路切換弁となすこ
とも可能である。また上記の説明では主として高
温流体について述べたが、腐食性ガスに対しても
同様に適用可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第６図はいずれも断面図であつて、第
１図は風道に取りつけられた本発明の好ましい実
施例である制御弁、第２図ａおよびｂは本発明の
異なる実施例の制御弁の弁体、第３図〜第６図は
本発明の更に異なる実施例の制御弁の弁体と風道
を示す。 ２：弁箱、３：弁体、４：取付体、５：弁棒、
６：スリーブ、７：押し輪、９：断熱材、１０：
自在継手、１１：緩衝材、１２：受け輪、１４：
軸シール材、１６：スラスト板、１７：環状体、
１８：調節ねじ、２０：外筒、２５：煙道。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 中空部の少くとも一部を断熱材で充填した中
   空筒状のセラミツク製弁体を有する高温用制御
   弁。 ２ 弁体の外周に係合する内周を有しかつ周方向
   に複数個に分割されたスリーブで弁体の外周を囲
   んでいる特許請求の範囲１記載の高温用制御弁。 ３ 弁体の外周に係合する内周と２個以上の流体
   流通孔を有するセラミツク製外筒を有する特許請
   求の範囲１または２記載の高温用制御弁。