(57)【要約】【課題】セラミックス製のバルブシートの磨耗を低減できる弁装置を提供する。【解決手段】プラグ１２とバルブシート１４との間の距離により流量を調整する弁装置１０であって、バルブシート１４は、弁装置１０の本体１１に対して、シート保持部材１６を介して固定されている。バルブシート１４の形状は筒状体であり、この筒状体は、流体の流れ方向に沿う軸心を有するとともに、筒状体の外周が流体の流れ方向の下流側が細くなるテーパである。バルブシート１４がこのような形状であるため、バルブシート１４とシート保持部材１６との間に隙間が生じることがなくなる。この構成によりシート保持部材１６に対してバルブシート１４が振動をすることがなくなり、バルブシート１４のセラミックスの耐摩耗性の低下が抑制できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラグとバルブシートとの間の距離により流量を調整する弁装置であって、
前記バルブシートは、前記弁装置の本体に対して、シート保持部材を介して固定されており、
前記バルブシートは、流体の流れ方向に沿う軸心を有する筒状体であり、
その外周が前記流れ方向の下流側が細くなるテーパに形成されており、
該シート保持部材には、前記テーパと対向するテーパ受け面が設けられている、
ことを特徴とする弁装置。
【請求項２】
前記テーパが、１／２００以上１／５０以下である、
ことを特徴とする請求項１に記載の弁装置。
【請求項３】
前記シート保持部材と前記本体との間のシールが、
Ｏリングで行われ、
前記シート保持部材と前記本体とのねじ結合を行う部分よりも前記流れ方向の上流側に、前記Ｏリングが設けられている、
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の弁装置。
【請求項４】
前記バルブシートの筒状体の外周には、前記テーパ受け面との非接触部が設けられており、
該非接触部が、前記軸心の方向において前記テーパ受け面との接触部に挟まれている、
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の弁装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、弁装置に関する。さらに詳しくは、プラグ（弁体）とバルブシート（弁座）の間の距離により流量を調整する弁装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
プラント設備などでは、物質の複数の相（気相、液相または固相）が混じりあう混相流の状態で物質が搬送されることがある。このような混相流では、混相流が接する部材において、混相流の状態で搬送される物質中の固体粒子の衝突による摩耗が発生しやすい。加えて、キャビテーションが発生し易いため、低周期の流速の変化によって磨耗が増長されることになる。よって、プラント設備を構成する装置への物質の流出口または流入口に設けられる弁装置の部材は、高い耐摩耗性が要求される。
【０００３】
図５に従来の弁装置５０の正面断面図を示す。この弁装置５０では、バルブ本体５１に固定されたバルブシート５４に対して、プラグ５２を上下に動作させ、プラグ５２とバルブシート５４との間の距離により弁装置５０を流れる流量を調整する。プラグ５２は、プラグガイド５３により案内され、ステム５５により上下に動作させられる。弁装置５０では、図５の矢印で示すように、流体が水平方向（図５の紙面上左から右）から流入し、プラグ５２とバルブシート５４との間の縮流部を通過して、鉛直方向（図５の紙面上上から下）に流出する。この流体が、高温高圧である場合、弁装置５０内部の減圧段階で流体の一部が気化し、気液混合流体となる場合がある。また、その場合、縮流部では、減圧によりキャビテーションが発生しやすい。
【０００４】
特許文献１では、バルブプラグと接するシートリング（バルブシート）の部材として、高い耐摩耗性を確保するためにセラミックスを採用した弁装置が開示されている。このようにバルブシートの部材としてセラミックスが採用される場合、弁装置の本体側への固定のために、バルブシートを収容して保持する部材（特許文献１では保持筒５１）が用いられる。耐摩耗性が高い、すなわち硬度が高いセラミックスには、応力集中を避けるために、ねじ加工や穴あけ加工のような複雑な加工を施すことができないためである。この場合、図５に示すように、バルブシート５４を保持するために、上記保持する部材（図５のシート保持部材５６に該当）の流体の流れ方向下流側に備えられた、金属の受け部による保持が必要になることもある。そのとき、金属の受け部は流体と接触するため磨耗が進行しやすい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】実開平１―１４８１７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
バルブシートは通常円筒形状（軸心と等距離にある外周面を有する形状）をしている。このバルブシートを、バルブシートの保持部材の円筒状凹所にはめ込むためには、バルブシートの外周に対して、保持部材の内周が所定のはめあい公差、すなわちバルブシートの外周と保持部材の内周との間に隙間を有している必要がある。また、保持部材は金属製であるため、熱膨張率がセラミックスよりも大きく、弁装置全体が高温になると、保持部材とバルブシートとの間の隙間が大きくなる。この隙間があることにより、バルブシートが流体の流れにより高周波で振動し、耐摩耗性の高いセラミックスを採用したにもかかわらず、バルブシートの磨耗が進行する場合がある。
【０００７】
本発明は上記事情に鑑み、セラミックス製のバルブシートの磨耗を低減できる弁装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１発明の弁装置は、プラグとバルブシートとの間の距離により流量を調整する弁装置であって、前記バルブシートは、前記弁装置の本体に対して、シート保持部材を介して固定されており、前記バルブシートは、流体の流れ方向に沿う軸心を有する筒状体であり、
その外周が前記流れ方向の下流側が細くなるテーパに形成されており、該シート保持部材には、前記テーパと対向するテーパ受け面が設けられていることを特徴とする。
第２発明の弁装置は、第１発明において、前記テーパが、１／２００以上１／５０以下であることを特徴とする。
第３発明の弁装置は、第１発明または第２発明において、  前記シート保持部材と前記本体との間のシールが、Ｏリングで行われ、前記シート保持部材と前記本体とのねじ結合を行う部分よりも前記流れ方向の上流側に、前記Ｏリングが設けられていることを特徴とする。
第４発明の弁装置は、第１発明ないし第３発明のいずれかにおいて、前記バルブシートの筒状体の外周には、前記テーパ受け面との非接触部が設けられており、該非接触部が、前記軸心の方向において前記テーパ受け面との接触部に挟まれていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
第１発明によれば、バルブシートの筒状体の外周とシート保持部材の内周とが、互いに密着するテーパに形成されているので、バルブシートとシート保持部材との間に隙間が生じることがなくなる。この構成によりシート保持部材に対してバルブシートが振動をすることがなくなり、バルブシートのセラミックスの耐摩耗性の低下が抑制できる。また、弁装置が高温になったときでもバルブシートとシート保持部材との間の隙間が大きくならず、この点でもバルブシートのセラミックスの耐摩耗性の低下を抑制できる。また、シート保持部材の流体の流れ方向下流側に備えられた金属の受け部によってバルブシートを保持する構造であるときは、金属の受け部の磨耗を防止できる。
第２発明によれば、テーパが１／２００以上１／５０以下であるので、温度が上昇したときにテーパの径の大きい側の隙間が大きくなりすぎることを防止できるとともに、シート保持部材に対するバルブシートの位置決めが容易になる。また、バルブシートが流れ方向の下流側に脱落することも無い。
第３発明によれば、シート保持部材と本体との間のシールを行うＯリングが、シート保持部材と本体とのねじ結合部よりも流れ方向の上流側に設けられているので、ねじ結合部の腐食を防止できる。
第４発明によれば、バルブシートの筒状体の外周に、テーパ受け面との非接触部が設けられているので、バルブシートを交換する際に、容易にバルブシートをシート保持部材から取り外すことができる。また、テーパ受け面との非接触部が、軸心の方向においてテーパ受け面との接触部に挟まれていることにより、テーパ面とテーパ受け面との接触部が離間することになり、シート保持部材に対するバルブシートの姿勢がより安定する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１実施形態に係る弁装置の正面方向からの断面図である。
【図２】（Ａ）は図１の弁装置のバルブシートの正面方向からの断面図である。（Ｂ）は図１の弁装置のシート保持部材の正面方向からの断面図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係る弁装置の正面方向からの断面図である。
【図４】（Ａ）は本発明の第３実施形態に係る弁装置のバルブシートの正面方向からの断面図である。（Ｂ）は本発明の第３実施形態に係る弁装置のシート保持部材の正面方向からの断面図である。
【図５】従来の弁装置の正面方向からの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
つぎに、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するための弁装置１０を例示するものであって、本発明は弁装置１０を以下のものに特定しない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。
【００１２】
（第１実施形態）
図１には、本発明の第１実施形態に係る弁装置１０の正面方向からの断面図を、図２には第１実施形態に係る弁装置１０を構成するバルブシート１４およびシート保持部材１６の正面方向からの断面図を示す。図２（Ａ）は、バルブシート１４の断面図であり、図２（Ｂ）はシート保持部材１６の断面図である。
【００１３】
本発明の第１実施形態に係る弁装置１０では、本体１１に固定されたバルブシート１４に対して、プラグ１２を上下に動作させ、プラグ１２とバルブシート１４との間の距離により弁装置１０を流れる流体の流量を調整する。プラグ１２は、プラグガイド１３により案内され、ステム１５により上下に駆動させられる。弁装置１０では、図１の矢印で示すように、流体が水平方向（図１の紙面上左から右）から流入し、プラグ１２とバルブシート１４との間の縮流部を通過して、鉛直方向（図１の紙面上上から下）に流出する。本発明の弁装置１０は、例えば高温高圧の流体が流れる場合でも、セラミックス製のバルブシートの磨耗を低減できる。
【００１４】
本実施形態に係る弁装置１０は、バルブシート１４が、シート保持部材１６を介して弁装置１０の本体１１に対して固定されている。すなわち弁装置１０は、弁装置１０の本体１１に設けられている、シート保持部材１６を挿入するための挿入孔にシート保持部材１６が挿入され、さらにこのシート保持部材１６の貫通孔１６ａにバルブシート１４が配置されている構成である。
【００１５】
バルブシート１４は、耐摩耗性を考慮して、セラミックス製である。工業的に使用されることが多いファインセラミックスとしては、例えば、窒化ホウ素、窒化ケイ素、フェライトなどがあるが、本実施形態では、高温酸性および酸化性雰囲気での耐摩耗性を考慮して、バルブシート１４の材質は酸化アルミニウムである。
【００１６】
バルブシート１４は、断面が同心円となる筒状体の形状をしている。そしてこの筒状体の外周は、流体の流れ方向の下流側の直径が小さくなるテーパである。すなわち、図１または図２の紙面において、上側から下側に向けて筒状体の外周の径は小さくなっている。また、図２（Ａ）で示すように、筒状体の外周のテーパを表す線は、直線である。すなわち、筒状体の外周は、一定の割合で上側から下側に向けて径が小さくなっている。なおテーパは、バルブシート１４の外周の全体に亘る場合と、一部である場合とがある。また内周は上側から下側に亘って内径が同じである通過孔１４ａを有している。流体はこの通過孔１４ａを通過する。なおこの通過孔１４ａの形状は、これに限定されない。
【００１７】
ここで、図２（Ａ）で示すように、バルブシート１４の上側の直径をＬ１、バルブシート１４の下側の直径をＬ２、バルブシート１４の軸方向の長さをＬ３としたとき、テーパの値は、（Ｌ１−Ｌ２）／Ｌ３として表される。本実施形態では、このテーパが、１／２００以上１／５０以下であることが好ましい。
【００１８】
テーパが１／２００よりも小さいと、シート保持部材１６に対するバルブシート１４の位置決めのための加工精度の確保が難しくなり、バルブシート１４の大径側が、シート保持部材１６の上端面１６ｂから突出したり、落ち込んだりすることが多くなる。さらに、流れ方向の下流側に向かって高流速で、混相流の状態で物質が搬送される使用形態においては、バルブシートが流れ方向の下流側に脱落する可能性がある。また、テーパが１／５０よりも大きいと、筒状体の外周の径が大きい部分において、弁装置１０が高温になったときに、熱膨張率の差により、バルブシート１４とシート保持部材１６との間の隙間が大きくなりすぎる。
【００１９】
シート保持部材１６は、バルブシート１４の材質として採用されている酸化アルミニウム等のセラミックスよりも熱膨張率が大きい金属製であり、加工の容易性や、耐食性、入手性を考慮してステンレス製である。より詳しくは、オーステナイト系ステンレスであるＳＵＳ３１６Ｌが望ましい。
【００２０】
シート保持部材１６は、バルブシート１４が嵌まり込むように、内周にテーパ受け面を持つ貫通孔１６ａを有している。この貫通孔１６ａは、バルブシート１４のテーパに対抗しているテーパ受け面を有している。そして、このテーパ受け面は、バルブシート１４が密着できる構造をしている。すなわち、テーパ受け面は、流体の流方向の下流側の内径が小さくなるテーパである。また、図２（Ｂ）で示すように、貫通孔１６ａの内周のテーパを表す線は、直線である。すなわち、テーパ受け面の内周は、一定の割合で上側から下側に向けて径が小さくなっている。また、テーパ受け面の内径の大きさは、バルブシート１４が嵌まり込んだときに、バルブシート１４の上端がシート保持部材１６の上端面１６ｂと概略一致するような大きさとされている。加えて、テーパ受け面は、貫通孔１６ａの内面の全体に亘る場合と、一部である場合とがある。
【００２１】
シート保持部材１６は、上部に設けられた肩部１６ｄにより、本体１１に対し、上下の位置が決定する。シート保持部材１６は、プラグガイド１３等が組み立てられる前に、図１の紙面における上方から挿入され、シート保持部材１６の軸心を中心にして回転させられることによりねじ止めされる。シート保持部材１６の外周には、雄ねじ１６ｃが設けられており、治具等により凸部に対して周方向の力が加えられることでシート保持部材１６は回転し、本体１１に対しねじ込み締結される。
【００２２】
バルブシート１４の筒状体の外周が、流れ方向の下流側が細くなるテーパであることにより、バルブシート１４とシート保持部材１６との間に隙間が生じることがなくなる。この構成によりシート保持部材１６に対してバルブシート１４が振動をすることがなくなる。バルブシート１４が振動した場合、バルブシート１４が耐摩耗性を有するセラミックス製とした場合でも偏磨耗が生じることがあったが、テーパによりシート保持部材１６にバルブシート１４が固定されると、バルブシート１４が偏磨耗を起こすことが抑制され、セラミックスの高い耐摩耗性が確保でき、耐摩耗性の低下が抑制される。
【００２３】
また、弁装置１０が高温になったとき、従来の円筒形状（軸心と等距離にある外周面を有する形状）の場合、熱膨張率の違いによりさらに隙間が大きくなるが、テーパの場合シート保持部材１６に対してバルブシート１４が更に嵌まり込む（図１の下方向へバルブシート１４がわずかに移動する）ので、バルブシート１４とシート保持部材１６との間の隙間が大きくならず、この点でもシート保持部材１６にバルブシート１４が固定され、耐摩耗性の低下が抑制される。
【００２４】
テーパが１／２００以上１／５０以下であることにより、温度が上昇したときにテーパの径の大きい側の隙間が大きくなりすぎることを防止できるとともに、シート保持部材１６に対するバルブシート１４の位置決めが容易になる。また、バルブシート１４が流れ方向の下流側に脱落することもない。
【００２５】
（第２実施形態）
図３には、本発明の第２実施形態に係る弁装置１０の正面方向からの断面図を示す。本実施形態の、第１実施形態との相違点は、シート保持部材１６と、本体１１との間にＯリング１７が設けられた点である。
【００２６】
本実施形態では、シート保持部材１６と本体１１とは螺合されている。すなわち、本体１１の、シート保持部材１６を挿入するための挿入孔の内周に設けられている雌ねじ１１ａと、シート保持部材１６の外周に設けられている雄ねじ１６ｃとにより、本体１１に対しシート保持部材１６は、ねじ結合されている。
【００２７】
本実施形態では、シート保持部材１６と本体１１とのねじ結合を行う部分より、流体の上流側にＯリング１７が設けられている。このＯリング１７が設けられていることにより、腐食性の流体がＯリング１７から下流側に浸み出すことを防止できる。
【００２８】
Ｏリング１７の材質は、使用温度に対する耐熱性の高い材質であれば問題ない。例えば使用温度が２００℃程度であれば、テフロン（登録商標）系、またはフッ素系のゴムが材質として好適に用いられる。
【００２９】
シート保持部材１６と本体１１との間のシールを行うＯリング１７が、シート保持部材１６と本体１１とのねじ結合部よりも流れ方向の上流側に設けられているので、ねじ結合部の腐食を防止できる。雌ねじ１１ａは本体１１と同じ材質であり、雄ねじ１６ｃはシート保持部材１６と同じ材質である。しかし、ねじ部分は凹凸のある細かい加工が施されているので、同じように腐食性流体に接している場合でも、このねじ部分の方が、腐食が進む。よって、ねじ部分への流体の侵入をＯリング１７により防止することで、ねじ結合部の腐食を効果的に防止できる。なお、シート保持部材１６のＯリング１７が当接する部分に、Ｏリング保持用の溝を設けても良い。
【００３０】
なお、本実施形態に係る弁装置１０の特徴である、Ｏリング１７を用いる構成は、第１実施形態に係る弁装置１０の特徴のないもの、すなわちバルブシート１４が通常円筒形状（軸心と等距離にある外周面を有する形状）をしているものにも適応できる。
【００３１】
（第３実施形態）
図４には、第３実施形態に係る弁装置１０を構成するバルブシート１４およびシート保持部材１６の正面方向からの断面図を示す。図４（Ａ）は、バルブシート１４の断面図であり、図４（Ｂ）はシート保持部材１６の断面図である。
【００３２】
本実施形態の、第１実施形態との相違点は、バルブシート１４の筒状体の外周に、シート保持部材１４のテーパ受け面との非接触部１４ｂが設けられている点である。この非接触部１４ｂは凹部であり、バルブシート１４の全周にわたって設けられている。ただし、バルブシート１４の軸心方向においては、テーパ受け面との接触部１４ｃに挟まれている。
【００３３】
バルブシート１４の筒状体の外周に、テーパ受け面との非接触部１４ｂが設けられ、バルブシート１４とシート保持部材１６との接触面積が小さくなっているので、バルブシート１４を交換する際に、容易にバルブシート１４をシート保持部材１６から取り外すことができる。バルブシート１４とシート保持部材１６とは、テーパにより接触しているため、長時間の腐食性の流体への接触により固着する場合がある。このため、シート保持部材１６からバルブシート１４を取り外し交換する際に、バルブシート１４の取り外し作業に手間がかかったり、また場合によってはバルブシート１４を破壊したりする必要が生じる。非接触部１４ｂがあることにより、バルブシート１４とシート保持部材１６との接触面積が必要以上に広くならず、容易にバルブシート１４をシート保持部材１６から取り外すことができる。
【００３４】
また、テーパ受け面との非接触部１４ｂが、軸心の方向においてテーパ受け面との接触部１４ｃに挟まれていることにより、テーパ面とテーパ受け面との接触している部分どうしが離間することになり、シート保持部材１６に対するバルブシート１４の姿勢がより安定する。
【００３５】
（本発明の弁装置１０が用いられる製造プロセス）
本発明の弁装置１０は、好ましくは、ニッケルおよびコバルトを含む混合硫化物を含んだスラリーを加圧浸出するためのオートクレーブに備えられ、オートクレーブ内のスラリーのレベル調節に用いることができる。本発明の弁装置１０により、レベル調節に用いられている弁装置１０の破損および摩耗を抑制することができ、プラント設備の稼働率や生産性を向上させることができる。以下、ニッケルおよびコバルトを含む混合硫化物を含んだスラリーをオートクレーブによって加圧浸出するプロセスの一例として、硫酸ニッケルの製造プロセスについて説明する。
【００３６】
硫酸ニッケルの原料としてニッケルおよびコバルトを含む混合硫化物（ＭＳ：Mixed Sulfide）が用いられる。このニッケル・コバルト混合硫化物は低ニッケル品位のニッケル酸化鉱石を加圧酸浸出（ＨＰＡＬ：High Pressure Acid Leaching）し、加圧酸浸出液から鉄などの不純物を除去した後、ニッケルイオンおよびコバルトイオンを含む浸出液に硫化水素ガスを吹き込む湿式硫化反応などによって得られたものである。ニッケル・コバルト混合硫化物の主成分はＮｉＳ等の硫化物である。
【００３７】
次にニッケル・コバルト混合硫化物に対して、レパルプ工程が実施される。このレパルプ工程において、ニッケル・コバルト混合硫化物は水などによりレパルプされスラリーとなる。レパルプ工程では、固体粉末状のニッケル・コバルト混合硫化物をレパルプ槽に投入し、水とともに混合、撹拌してスラリーを製造する。スラリーはオートクレーブに装入され加圧浸出に供される。
【００３８】
次に加圧浸出工程が実施される。この加圧浸出工程では、オートクレーブによって混合硫化物に含まれるニッケルおよびコバルトが高圧空気により浸出される。例えば、オートクレーブに装入されるスラリーの固形分濃度は２００〜３００ｇ／Ｌ、流量は５０〜１００L／分である。オートクレーブ内の温度は１５０〜２２０℃、圧力はゲージ圧で１．７〜２．３ＭＰａである。
【００３９】
オートクレーブからは硫酸ニッケルと硫酸コバルトとの混合水溶液である加圧浸出液が排出される。加圧浸出液は降圧、冷却された後に次工程に供給され、硫酸ニッケルの製造に用いられる。このオートクレーブから浸出後のスラリーを抜取って、降圧装置（フラッシュタンク）に移送するための抜取り弁（オートクレーブのレベル調節弁）として、本発明の弁装置１０が最適に用いられる。
【００４０】
上記浸出後のスラリーは高温高圧であるのみならず、固いＭＳの浸出残渣を含んだスラリーであり、抜取り弁の縮流部で減圧されるため水分が気化し、弁装置１０の内部は気相と液相および固相が混じりあう混相流の状態となっている。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明の弁装置１０は、上に記載したようにオートクレーブのレベル調節弁として用いることもできるが、これに限定されることなく、他の設備でも、また他の用途でも用いることができる。例えば同じくオートクレーブの圧力調節弁として用いることも可能である。
【符号の説明】
【００４２】
１０  弁装置
１１  本体
１２  プラグ
１４  バルブシート
１４ｂ  非接触部
１４ｃ  接触部
１６  シート保持部材
１７  Ｏリング
【図１】
2020029867.tif 000003
【図２】
2020029867.tif 000004
【図３】
2020029867.tif 000005
【図４】
2020029867.tif 000006
【図５】
2020029867.tif 000007