(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内面とケージポート（１５）とを有するケージ（１３）と、
前記ケージ（１３）内に配置され、外面を有しており、閉鎖位置と、圧力平衡位置と、開放位置との間を動作することができるプラグ（１７）と、
前記ケージ（１３）と前記プラグ（１７）との間に配置された低摩擦のフローリストリクタ（３３）と、
前記ケージ（１３）と前記プラグ（１７）との間に配置された圧力付勢シール（２９）と、
シール平衡空間（３７）と、
前記シール平衡空間（３７）を加圧するように構成された圧力制御アセンブリと、
前記プラグ（１７）が前記圧力平衡位置にあるときに上流側圧力の空間に流体連通している導管（２３、２５）
を備え、
前記圧力制御アセンブリは、上流側圧力の流体が前記シール平衡空間（３７）に流入することを可能にするように構成され、前記低摩擦のフローリストリクタ（３３）を通る流体の漏れが前記シール平衡空間（３７）への流体の流れよりも低い速度である、
トリムアセンブリ（１１）。
【請求項２】
前記シール平衡空間（３７）は、前記ケージ（１３）の前記内面と、前記プラグ（１７）の外面と、前記低摩擦のフローリストリクタ（３３）と、前記圧力付勢シール（２９）とによって定められ、前記低摩擦のフローリストリクタ（３３）を介して前記ケージポート（１５）に流体連通し、シール平衡空間圧力に保たれる、請求項１に記載のトリムアセンブリ（１１）。
【請求項３】
前記圧力制御アセンブリは、前記プラグ（１７）の移動の最中に前記圧力付勢シール（２９）に作用する前記シール平衡空間圧力を平衡させるように構成されている、請求項２に記載のトリムアセンブリ（１１）。
【請求項４】
前記圧力制御アセンブリは、前記プラグ（１７）の移動の前に前記圧力付勢シール（２９）に作用する差圧を平衡させるように構成されている、請求項１に記載のトリムアセンブリ（１１）。
【請求項５】
前記シール平衡空間（３７）と上流側圧力の空間とが、導管（２３、２５）によって流体連通し、
前記導管（２３、２５）は、プラグを通って延び、
前記導管（２３、２５）は、上流側圧力の空間に近接する開口を有する、
請求項１に記載のトリムアセンブリ（１１）。
【請求項６】
前記圧力制御アセンブリは、
前記プラグ（１７）に接続されたステム（４５）と、
前記ステム（４５）に接続され、前記プラグ（１７）が前記閉鎖位置にあるときに前記導管の前記開口を閉じるように構成されたシール要素と、
を備える、請求項５に記載のトリムアセンブリ（１１）。
【請求項７】
前記シール要素は、前記プラグ（１７）が前記プラグ（１７）の移動の前に前記圧力平衡位置にあるときに、前記導管の前記開口を開くように配置されている、請求項６に記載のトリムアセンブリ（１１）。
【請求項８】
内面とケージポート（１５）とを有するケージ（１３）と、
前記ケージ（１３）内に配置され、閉鎖位置と、圧力平衡位置と、開放位置との間を移動可能であるプラグ（１７）と、
前記ケージ（１３）と前記プラグ（１７）との間に配置された低摩擦のフローリストリクタ（３３）と、
前記ケージ（１３）と前記プラグ（１７）との間に配置された圧力付勢シール（２９）と、
前記圧力付勢シール（２９）に作用する差圧を制御するように構成された圧力制御アセンブリと、
を備え、
前記ケージ（１３）の内面と、前記プラグ（１７）の外面と、前記低摩擦のフローリストリクタ（３３）と、前記圧力付勢シール（２９）とが、下流側空間と流体連通したシール平衡空間（３７）を定め、
前記圧力制御アセンブリは、前記プラグ（１７）が前記閉鎖位置にあるときに前記シール平衡空間（３７）を下流側圧力に維持する、
トリムアセンブリ（１１）。
【請求項９】
前記圧力制御アセンブリは、前記シール平衡空間（３７）から上流側圧力の空間に延びる導管（２３、２５）を備えている、請求項８に記載のトリムアセンブリ（１１）。
【請求項１０】
前記圧力制御アセンブリは、前記プラグ（１７）が前記閉鎖位置にあるときに前記導管（２３、２５）を閉じ、前記プラグ（１７）が前記圧力平衡位置及び前記開放位置にあるときに前記導管（２３、２５）を開く閉鎖部材を有するステムアセンブリ（４３）を備える、請求項９に記載のトリムアセンブリ（１１）。
【請求項１１】
前記ステムアセンブリ（４３）は、ステム（４５）を備え、前記閉鎖部材は、前記ステムに接続されたシールフランジを備え、
前記シールフランジは、前記プラグ（１７）が前記閉鎖位置にあるときに前記導管（２３、２５）に接触させて配置されている、
請求項１０に記載のトリムアセンブリ（１１）。
【請求項１２】
前記シールフランジを前記導管から離れるように付勢するばね（５１）をさらに備える請求項１１に記載のトリムアセンブリ（１１）。
【請求項１３】
ケージと、前記ケージに配置されたプラグと、前記プラグの周りに配置され、前記ケージと接触する一組のシールとの間のシール平衡空間を形成するステップであって、前記プラグが、閉鎖位置と、圧力平衡位置と、開放位置との間を動作するように構成されている、ステップと、
前記閉鎖位置にある前記プラグにより、ケージに形成されたケージポートにおいて下流側圧力と、前記プラグの周りの上流側圧力とを維持するステップと、
前記圧力平衡位置および前記開放位置にある前記プラグにより、流体を導管を通って前記プラグに向けて、シール平衡空間に形成された前記一組のシールのうちの第１のシールに作用する差圧を平衡させるステップと、
を含み、
前記一組のシールは、低摩擦のフローリストリクタ（３３）と圧力付勢シール（２９）を含む、
トリムアセンブリの作動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示される主題は、概して、制御弁に関し、より詳しくは、アクチュエータの要件が軽減された制御弁に関する。
【背景技術】
【０００２】
制御弁は、石油及びガスの処理、発電、精錬、石油化学、及び水管理の産業において使用されるシステムにおいて流体の流れを制御するために使用される。従来の制御弁は、典型的には、入口及び出口を有する弁本体を備える。ケージ及び座リングが、入口と出口との間に配置されている。ケージは、制御弁の入口と出口との間の流体連通を可能にする少なくとも１つのポートを有している。用語「流体連通」は、或る空間から別の空間に導管を通過する流体のように、流体の行き来又は通過を可能にすることを意味する。
【０００３】
プラグが、ケージ内に同心に配置され、軸方向に並進してケージポートを露出させ、流体の流れを調節することができる。プラグは、ステムによってアクチュエータに接続されている。アクチュエータは、弁を開閉する力及び運動をもたらす装置であり、機械的な手段、空気圧による手段、油圧による手段、又は電気的な手段によって動作することができる。
【０００４】
いくつかの制御弁は、アクチュエータによって弁を開閉するために必要な力を小さくするために、弁のプラグをまたいで圧力を平衡させるように設計されている。平衡式の制御弁は、典型的には、ケージと、プラグと、ステムと、座リングと、バランスシールとを備えている。プラグは、プラグをまたいで圧力を平衡させる上部と下部との間の流体連通を可能にする少なくとも１つの導管又はオリフィスを有する。シールリングを、流体の漏れを最小限にするためにプラグとケージとの間に設けることができる。平衡式の制御弁については、閉じられたときに、典型的には２つの主たる漏れの経路が考えられる。第１の漏れ経路は、プラグと座リングとの間であり、充分なアクチュエータの力が、流れを妨げるための堅固な金属対金属の接触をもたらすと考えられる。この漏れは、たとえプラグが弁座に接触している場合でも発生する可能性がある。考えられる第２の漏れ経路は、プラグとケージとの間に配置されたシールリングである。
【０００５】
米国規格協会（「ＡＮＳＩ」）が、制御弁について規定された漏れの分類（ＡＮＳＩ／ＦＣＩ  ７０−２）を有している。この規格は、シートの漏れを６つの種類（分類Ｉ〜分類ＶＩ）に分類している。漏れの基準は、分類の数字が大きくなるにつれてより厳しくなる。分類Ｖは、一般に「漏れが事実上ゼロ」の制御弁と称されるものを表す。分類Ｖの弁についての規格は、弁を通って許容される最大の漏れが、水において、ポートの直径１インチについて、弁の入口ポートから弁の出口ポートへと測定したときの差圧１ＰＳＩについて、毎分０．０００５ｍｌであることを求めている。
【０００６】
平衡式の弁を、例えばピストンリングシールなど、プラグとケージとの間に配置されるいくつかの異なるシールとともに使用することができる。ピストンリングシールを、弁の用途（すなわち、流体の種類、温度、圧力）に応じて、テフロン（登録商標）、金属、及びグラファイトなど、種々の材料から製造することができる。例えば、テフロン（登録商標）製のピストンリングシールは、充分にしっかりとした遮断を可能にすることができるが、流体の温度によって使用が制約される。グラファイト製及び金属製のピストンリングシールは、より高温の用途における弁の使用を可能にすることができるが、そのような材料は、しっかりとした遮断を可能にできないかもしれない。
【０００７】
典型的なピストンリングシールは、シール面との接触においてかなりの摩擦を生じる可能性がある。この摩擦は、ＦＣＩ  ７０−２の分類Ｖの漏れの要件よりも多くの漏れを容認する用途においては、許容範囲であるかもしれない。例えば、分類ＩＩ、分類ＩＩＩ、或いは分類ＩＶが、より小さい接触圧でもそれぞれの漏れの要件を満たすことができるのに比べ、分類Ｖは桁違いに厳しい。エラストマ又は熱可塑性プラスチックの使用可能範囲を超える温度においてピストンリング型のシール部材で分類Ｖの遮断を達成しようとすると、典型的には、摩擦が大きくなり、結果として駆動の要件が厳しくなり（すなわち、弁の開閉に大きな力が必要になり）、弁の操作が困難になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００７／２１０２７０号明細書
【発明の概要】
【０００９】
本発明は、大きなアクチュエータの推力を必要とせずに、分類Ｖのシールを維持するという課題に対する解決策を提供する。さらに、本発明は、エラストマ材料又は熱可塑性プラスチック材料の使用限界を超える温度において、より低いアクチュエータの推力の要件で、ぴったりとしたシールを維持するという課題に対する解決策を提供する。
【００１０】
１つの典型的な実施形態（ただし、これに限られるわけではない）によれば、本発明は、内面とケージポートとを備えるケージを有しているトリムアセンブリ（ｔｒｉｍ  ａｓｓｅｍｂｌｙ）に関する。外面を有するプラグが、ケージ内に配置され、閉鎖位置と、圧力平衡位置と、開放位置との間を動作可能である。トリムアセンブリは、ケージとプラグとの間に配置された低摩擦のフローリストリクタ（ｆｌｏｗ  ｒｅｓｔｒｉｃｔｏｒ）と、ケージとプラグとの間に配置された圧力付勢シール（ｐｒｅｓｓｕｒｅ  ｅｎｅｒｇｉｚｅｄ  ｓｅａｌ）とをさらに備える。
【００１１】
ケージの内面と、プラグの外面と、低摩擦のフローリストリクタと、圧力付勢シールとによって定められるシール平衡空間がもたらされる。シール平衡空間は、低摩擦のフローリストリクタを介してケージポートに流体連通しており、シール平衡空間圧力に維持される。トリムアセンブリは、シール平衡空間を加圧するように構成された圧力制御アセンブリをさらに備える。
【００１２】
別の実施形態においては、内面とケージポートとを備えるケージを有しているトリムアセンブリが提供される。外面と、上部と、底部とを有するプラグが、ケージ内に配置される。プラグは、閉鎖位置と、圧力平衡位置と、開放位置との間を移動可能である。トリムアセンブリは、ケージの内面とプラグの外面との間に配置された低摩擦のフローリストリクタと、ケージの内面とプラグの外面との間に配置された圧力付勢シールとをさらに備え、圧力付勢シールは、シール圧力に維持されている。圧力付勢シールに作用する差圧を制御するように構成された圧力制御アセンブリが、さらに備えられる。
【００１３】
別の実施形態においては、トリムアセンブリを動作させる方法が、ケージに形成されたケージポートの下流側圧力を維持するステップを含む。本方法は、ケージ内に配置されたプラグの上方及び下方の上流側圧力を維持するステップをさらに含む。プラグは、閉鎖位置と、圧力平衡位置と、開放位置との間を移動可能である。本方法は、プラグが圧力平衡位置及び開放位置にあるときに、シール平衡空間に配置された圧力付勢シールに作用する差圧を平衡させるステップを含む。
【００１４】
本発明の他の特徴及び利点が、以下の好ましい実施形態についてのさらに詳細な説明を
、本発明の特定の態様の原理をあくまでも例として示している添付の図面と併せて検討することによって、明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】閉鎖位置にある弁トリムの実施形態の断面図である。
【図２】圧力平衡位置にある弁トリムの実施形態の断面図である。
【図３】開放位置にある弁トリムの実施形態の断面図である。
【図４】トリムアセンブリを動作させる方法の実施形態のフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
好ましい実施形態において、本発明のトリムアセンブリは、ケージと、ケージ内に配置されたプラグと、低摩擦のフローリストリクタと、高摩擦の圧力付勢シールとを備える。ケージの内側と、プラグの外側と、低摩擦のフローリストリクタと、高摩擦の圧力付勢シールとが、シール平衡空間を定める。トリムアセンブリが閉鎖位置にあるとき、シール平衡空間の圧力は、下流側圧力に維持される。トリムアセンブリが圧力平衡位置にあるとき、シール平衡空間は加圧され、上流側圧力に維持される。高摩擦の圧力付勢シールの圧力の平衡が、上流側圧力の流体が平衡ポートを通って高摩擦の圧力付勢シールと低摩擦のフローリストリクタとの間のシール平衡空間に流入することを可能にすることによって達成される。低摩擦のフローリストリクタを通る流体の漏れが、シール平衡空間への流入よりも少ないため、或る時間の後に、シール平衡空間の圧力が上流側圧力へと高まることで、圧力付勢シールに作用する差圧が軽減又は除去される。結果として、圧力付勢シールがケージに対して作用させる圧力が大幅に軽減され、或いは圧力付勢シールとケージとの間の接触が、主たるプラグの移動が生じる前に解消される。シール平衡空間の圧力の上流側圧力との平衡は、高摩擦の圧力付勢シールに作用する差圧を軽減することで、シールとケージとの間の接触を軽減又は解消して、摩擦の低減をもたらす。摩擦の低減は、トリムアセンブリの開放位置への移動及び絞りの際に必要なアクチュエータの推力を小さくする。
【００１７】
図１に、アクチュエータの推力の要件を軽減したトリムアセンブリ１１の実施形態が示されている。トリムアセンブリ１１は、ケージポート１５を有するケージ１３と、ケージ１３内に配置されたプラグ１７とを備える。プラグ１７は、ケージ１３内を摺動するように構成されている。
【００１８】
プラグ１７には、ケージ１３の下方に配置された座リング２１と係合する着座面１９が設けられている。プラグ１７は、開口２４を有する平衡導管２３と、長手方向の導管２５とを備えている。プラグ１７に、プラグ１７の底部に位置するプラグプラットフォーム２７をさらに設けてもよい。
【００１９】
トリムアセンブリ１１は、プラグ１７又はケージ１３に形成されたシール用グランド３１に配置された高摩擦の圧力付勢シール２９を備える。高摩擦の圧力付勢シール２９に加わる圧力が大きくなると、高摩擦の圧力付勢シール２９は変形し、より大きな内部応力及び接触圧にてシール面に密着し続け、したがって摩擦が大きくなる。さらに、トリムアセンブリ１１は、プラグ１７又はケージ１３に形成されたリストリクタ用グランド３５に配置された低摩擦のフローリストリクタ３３を備える。一実施形態において、低摩擦のフローリストリクタ３３は、ピストンシールであってよい。ケージ１３の内側及びプラグ１７の外側が、高摩擦の圧力付勢シール２９及び低摩擦のフローリストリクタ３３とともに、シール平衡空間３７（図１の破線３７に相当）を形成する。プラグ１７の下方に、上流側圧力に維持される上流側空間３９（図１の破線３９に相当）が位置している。プラグ１７の上方に、導管２５による上流側空間３９との流体連通によってやはり上流側圧力に維持される加圧空間４１（図１の破線４１に相当）が位置している。用語「上」及び「下」は、該当の構成要素について図面を参照した相対位置を指すために使用されており、実際の
使用時のトリムアセンブリ１１の構成部品の向きを示そうとするものではない。
【００２０】
トリムアセンブリ１１は、ステム４５と、シールフランジ４７と、ナット４９とを有するステムアセンブリ４３をさらに備える。ステムアセンブリ４３を、シールフランジ４７に係合するばね５１によって付勢することができる。ステムアセンブリ４３を、ステムアセンブリ４３を駆動してステムアセンブリ４３をケージ１３内でスライドさせるアクチュエータ５３に結合させることができる。
【００２１】
図１は、閉鎖位置にあるプラグ１７を有するトリムアセンブリ１１の実施形態を示している。閉鎖位置において、上流側空間３９は、上流側圧力Ｐ１に維持され、ケージポート１５は、下流側圧力（Ｐ２）に維持される。上流側空間３９の圧力（Ｐ１）が、ケージポート１５の圧力（Ｐ２）よりも高くなる。プラグ１７の着座面１９は、座リング２１に着座し、しっかりとしたシールを形成する。プラグ１７は、アクチュエータ５３によって座リング２１に押し付けられる。シールフランジ４７は、平衡導管２３を封じる。高摩擦の圧力付勢シール２９及び低摩擦のフローリストリクタ３３は、シール平衡空間３７を密閉する。シール平衡空間３７の圧力がケージポート１５における流体の下流側圧力（Ｐ２）と実質的に同じであるように、低摩擦のフローリストリクタ３３は、流体の限られた流れを許すことに注意すべきである。
【００２２】
加圧空間４１は、長手方向の導管２５を介して上流側空間３９と流体連通することで、加圧空間４１における圧力を上流側圧力Ｐ１に維持する。シール平衡空間３７の圧力（Ｐ２）と加圧空間４１の圧力（Ｐ１）との間の圧力差は、高摩擦の圧力付勢シール２９を充分に加圧し、ケージ１３にしっかりと密着した関係に保つ。
【００２３】
図２は、圧力平衡位置にあるプラグ１７を有するトリムアセンブリ１１を示している。この位置においては、ステムアセンブリ４３が変位しており、付随のシールフランジ４７も変位し、平衡導管２３を露出させている。
【００２４】
したがって、シール平衡空間３７は、上流側圧力Ｐ１にある加圧空間４１に流体連通する。低摩擦のフローリストリクタ３３は、シール平衡空間３７からケージポート１５への流体の流れを、上流側空間３９から導管２３を通ってシール平衡空間３７を加圧する流体の流れの速度よりも充分に低い速度に制限する。正味の結果として、シール平衡空間３７における流体の圧力が、加圧空間４１における流体の圧力と平衡することにより、高摩擦の加圧シール２９に作用する差圧が小さくなる。本明細書の目的において、「平衡」は、シール圧力と上流側圧力との差が小さくなることを意味する。
【００２５】
図３に、開放絞り位置にあるプラグ１７を有するトリムアセンブリ１１が示されている。ステムアセンブリ４３が上方へと変位し、ナット４９がプラグ１７の底部に係合している。高摩擦の圧力付勢シール２９に作用するシール圧力が平衡することで、高摩擦の圧力付勢シール２９のケージ１３との接触が軽減され、或いは皆無にされている。結果として、高摩擦の加圧シール２９とケージ１３との間の摩擦が軽減される。摩擦の軽減により、プラグ１７を変位させるために必要なアクチュエータ５３の推力が小さくなる。アクチュエータによってもたらされる推力は、機械的な手段、空気圧による手段、油圧による手段、又は電気的な手段によってもたらすことができる。
【００２６】
図４には、一実施形態によるトリムアセンブリ１１の動作の方法１０１が示されている。方法１０１は、トリムアセンブリ１１によって実行される。
【００２７】
ステップ１０３において、トリムアセンブリ１１は、ケージ１３に形成されたケージポート１５において下流側圧力を維持する。
【００２８】
ステップ１０５において、トリムアセンブリ１１は、ケージ１３内に配置された閉鎖位置と、圧力平衡位置と、開放位置との間を移動することができる平衡プラグ１７の周囲の上流側圧力を維持する。
【００２９】
ステップ１０７において、トリムアセンブリ１１は、シール平衡空間３７に配置された高摩擦の圧力付勢シール２９に作用するシール差圧を、プラグ１７が閉鎖位置にあるときに平衡シール２９に作用する差圧が完全な差圧Ｐ１−Ｐ２に等しくなり、プラグ１７が圧力平衡位置又は開放位置にあるときに差圧が最小化又は除去されるように平衡させる。これを、シール平衡空間３７を上流側圧力に加圧することによって達成することができる。シール平衡空間３７の圧力を制御するために、プラグ１７は、プラグ１７の上部に、加圧空間４１と流体連通する開口２４を備えることができる。プラグ１７が閉鎖位置にあるとき、開口２４を、シールフランジ４７によって封じることができる。プラグ１７が圧力平衡位置にあるとき、開口２４を露出させることができる。上述の実施形態の説明においては、シールフランジ４７が、開口２４を封止するための手段として説明されているが、本発明の技術的範囲から離れることなく、例えばプラグなどの他のシール部材を設けることが、当業者にとって明らかであろう。
【００３０】
用語の定義が、その用語について一般的に用いられる意味から外れる場合、出願人は、とくに示されない限りは、下記に提示される定義を利用するように意図している。
【００３１】
本明細書において使用される用語は、あくまでも特定の実施形態を説明する目的のためのものにすぎず、本発明を限定しようとするものではない。用語の定義が、その用語について一般的に用いられる意味から外れる場合、出願人は、とくに示されない限りは、本明細書において提示される定義を利用するように意図している。単数形「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」は、文脈からそのようでないことが明らかでない限り、複数形も含むように意図されている。用語「第１」、「第２」、等が種々の構成要素を説明して使用されるかもしれないが、これらの用語は、決してそれらの構成要素を限定するものではない。これらの用語は、あくまでも或る構成要素を別の構成要素から区別するために使用されているにすぎない。用語「及び／又は」は、そこに挙げられた項目の内の１つ以上からなる任意且つすべての組み合わせを含む。「・・・に接続され」及び「・・・と接続され」という表現は、直接的又は間接的な接続を想定している。
【００３２】
本明細書においては、本発明を最良の態様を含めて開示するとともに、あらゆる装置又はシステムの製作及び使用ならびにあらゆる関連の方法の実行を含む本発明の実施を当業者にとって可能にするために、いくつかの実施例を使用している。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定められ、当業者であれば想到できる他の実施例も含むことができる。そのような他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文言から相違しない構造要素を有しており、或いは同等の構造要素を含むならば、特許請求の範囲の技術的範囲に包含される。
【符号の説明】
【００３３】
１１  トリムアセンブリ
１３  ケージ
１５  ケージポート
１７  平衡プラグ、プラグ
１９  着座面
２１  座リング
２３  平衡導管、導管
２４  開口
２５  導管
２７  プラグプラットフォーム
２９  圧力付勢シール、加圧シール、平衡シール
３１  シール用グランド
３３  フローリストリクタ
３５  リストリクタ用グランド
３７  シール平衡空間、破線
３９  上流側空間、破線
４１  加圧空間、破線
４３  ステムアセンブリ
４５  ステム
４７  シールフランジ
４９  ナット
５１  ばね
５３  アクチュエータ
１０３  ステップ
１０５  ステップ
１０７  ステップ
ＣＩ  ＡＮＳＩ／Ｆ
Ｐ１  上流側圧力
Ｐ１−Ｐ２  差圧
【図１】
0006294892.tif 000002
【図２】
0006294892.tif 000003
【図３】
0006294892.tif 000004
【図４】
0006294892.tif 000005