(57)【要約】  制御バルブアセンブリ用のバルブパッキンアセンブリは、シールアセンブリと、付勢アセンブリと、パッキンリテーナとを備える。シールアセンブリは、バルブステムの周囲に流体シールをもたらすためのシール部品と、バルブステムの周囲のシール部材のはみ出しを実質的に防止するためのはみ出し防止部品とを備える。付勢アセンブリは、シールアセンブリに、プロセス流体によって加えられる流体圧力と同じ方向に所定のパッキン応力をもたらし、それにより制御バルブアセンブリのパッキンの摩擦およびパッキンの摩耗を実質的に軽減する。
2010501804.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御バルブアセンブリ用のバルブパッキンアセンブリであって、
バルブステムの周囲に流体シールをもたらすシールアセンブリ、および
前記シールアセンブリにパッキン応力を及ぼす付勢力をもたらすように構成された付勢手段を有している付勢アセンブリ
を備えており、
前記付勢力が、前記制御バルブアセンブリ内のプロセス圧力に起因するプロセス・パッキン応力を補う所定のパッキン応力をもたらすものである、バルブパッキンアセンブリ。
【請求項２】
前記付勢アセンブリの力の方向が、前記プロセス圧力によって生成されるプロセス力の方向と同じである請求項1に記載のバルブパッキンアセンブリ。
【請求項３】
前記付勢アセンブリを着座面にて受け止めるパッキン穴を有しており、前記シールアセンブリおよび付勢アセンブリを前記制御バルブアセンブリへ接続するように構成されているパッキンリテーナをさらに備えている請求項1に記載のバルブパッキンアセンブリ。
【請求項４】
前記パッキンリテーナは、所定のパッキン応力を定める付勢力を制御すべく、少なくともリテーナ段部と前記着座面との間に所定の長さが設定されている請求項3に記載のバルブパッキンアセンブリ。
【請求項５】
前記バルブステムの周囲の前記シールアセンブリのシール部品のはみ出しを実質的に防止するためのはみ出し防止部品をさらに備えている請求項3に記載のバルブパッキンアセンブリ。
【請求項６】
前記付勢手段からの前記パッキン応力を前記シールアセンブリへと伝達するためのスペーサをさらに備えている請求項4に記載のバルブパッキンアセンブリ。
【請求項７】
前記シール部品が、PTFEで構成される少なくともシールリングを含んでいる請求項5に記載のバルブパッキンアセンブリ。
【請求項８】
前記はみ出し防止部品が、はみ出し防止ワッシャまたははみ出し防止Vリングの少なくとも一方を含んでいる請求項5に記載のバルブパッキンアセンブリ。
【請求項９】
前記はみ出し防止部品が、実質的に非摩耗性の充てん材を有している充てんPTFEからなる材料を含んでいる請求項8に記載のバルブパッキンアセンブリ。
【請求項１０】
前記実質的に非摩耗性の充てん材が、硫化モリブデンである請求項9に記載のバルブパッキンアセンブリ。
【請求項１１】
前記はみ出し防止部品が、グラファイト、カーボン、シリカ、および硫酸バリウムで構成されるグループから選択される充てん材を有している充てんPTFEからなる材料を含んでいる請求項8に記載のバルブパッキンアセンブリ。
【請求項１２】
前記はみ出し防止部品が、PEEKからなる補強ポリマーをさらに含んでいる請求項11に記載のバルブパッキンアセンブリ。
【請求項１３】
前記付勢手段が、複数の皿ワッシャの積層を含んでいる請求項1に記載のバルブパッキンアセンブリ。
【請求項１４】
前記皿ワッシャの積層が、少なくとも5つの皿ワッシャを含んでいる請求項13に記載のバルブパッキンアセンブリ。
【請求項１５】
前記パッキンリテーナが、前記制御バルブアセンブリ内で前記バルブステムを案内するためのジャーナルベアリングをさらに備えている請求項3に記載のバルブパッキンアセンブリ。
【請求項１６】
前記パッキンリテーナが、S31600、インコネル、ハステロイ、およびPEEKで構成されるグループから選択される耐食性の材料から形成されている請求項3に記載のバルブパッキンアセンブリ。
【請求項１７】
制御バルブアセンブリにおいてバルブステムをシールするためのカートリッジ式パッキンアセンブリであって、
前記バルブステムの周囲に流体シールをもたらすためのシール部品と、前記バルブステムの周囲の前記シール部品のはみ出しを実質的に防止するための少なくとも第1のはみ出し防止部品とを有しているシールアセンブリ、
前記シールアセンブリに所定のパッキン応力をもたらすための付勢手段と、前記付勢手段を前記シールアセンブリに接続するための少なくとも1つのスペーサとを有している付勢アセンブリ、および
前記制御バルブアセンブリの外側パッキン箱の中に配置されるように構成され、前記シールアセンブリおよび前記付勢アセンブリを収容するパッキン穴を定めているパッキンリテーナ
を備えており、
前記パッキンリテーナは、前記制御バルブアセンブリにおいて前記所定のパッキン応力を定める付勢アセンブリの力を制御するために、リテーナ段部と付勢手段の着座面との間に所定の長さが設定されているカートリッジ式パッキンアセンブリ。
【請求項１８】
前記付勢アセンブリの力は、前記制御バルブアセンブリ内のプロセス圧力に起因するプロセスパッキン応力を補う実質的に一定のパッキン応力をもたらすものである、請求項17に記載のカートリッジ式パッキンアセンブリ。
【請求項１９】
前記パッキンリテーナは、前記外側パッキン箱の中に耐食性のスリーブを備えている請求項17に記載のカートリッジ式パッキンアセンブリ。
【請求項２０】
前記パッキンリテーナが、S31600、インコネル、ハステロイ、およびPEEKで構成されるグループから選択される材料から形成されている請求項19に記載のカートリッジ式パッキンアセンブリ。
【請求項２１】
前記シール部品が、PTFEで構成される少なくともシールリングを含んでいる請求項17に記載のカートリッジ式パッキンアセンブリ。
【請求項２２】
前記第1のはみ出し防止部品が、はみ出し防止ワッシャまたははみ出し防止Vリングの少なくとも一方を含んでいる請求項17に記載のカートリッジ式パッキンアセンブリ。
【請求項２３】
前記はみ出し防止部品が、実質的に非摩耗性の充てん材を有している充てんPTFEからなる材料を含んでいる請求項22に記載のバルブパッキンアセンブリ。
【請求項２４】
前記実質的に非摩耗性の充てん材が、硫化モリブデンである請求項23に記載のバルブパッキンアセンブリ。
【請求項２５】
前記はみ出し防止部品が、グラファイト、カーボン、シリカ、および硫酸バリウムで構成されるグループから選択される充てん材を有している充てんPTFEからなる材料を含んでいる請求項22に記載のバルブパッキンアセンブリ。
【請求項２６】
前記はみ出し防止部品が、PEEKからなる補強ポリマーをさらに含んでいる請求項23に記載のバルブパッキンアセンブリ。
【請求項２７】
前記付勢手段が、複数の皿ワッシャの積層を含んでいる請求項17に記載のカートリッジ式パッキンアセンブリ。
【請求項２８】
前記パッキンリテーナが、フランジ部品によって前記制御バルブアセンブリの内部に保持されている請求項17に記載のカートリッジ式パッキンアセンブリ。
【請求項２９】
前記フランジ部品が、前記付勢アセンブリの力を変更するための調節手段をさらに含んでいる請求項28に記載のカートリッジ式パッキンアセンブリ。
【請求項３０】
前記調節手段が、前記リテーナへと作用可能に接続されている請求項29に記載のカートリッジ式パッキンアセンブリ。
【請求項３１】
前記調節手段が、第2のスペーサへと作用可能に接続されている請求項29に記載のカートリッジ式パッキンアセンブリ。
【請求項３２】
前記パッキンリテーナが、前記制御バルブアセンブリ内で前記バルブステムを案内するためのジャーナルベアリングをさらに備えている請求項17に記載のカートリッジ式パッキンアセンブリ。
【請求項３３】
制御バルブアセンブリ用のバルブパッキンアセンブリであって、
バルブステムの周囲に流体シールをもたらすためのシール部品と、前記バルブステムの周囲の前記シール部品のはみ出しを実質的に防止するためのはみ出し防止部品とを有しているシールアセンブリ、
前記シールアセンブリにパッキン応力を及ぼすべく付勢力をもたらすための付勢手段を有している付勢アセンブリ、および
前記付勢アセンブリを着座面にて受け止めるパッキン穴を有しており、前記シールアセンブリおよび付勢アセンブリを前記制御バルブアセンブリへと接続するように構成されているパッキンリテーナ
を備えており、
さらに前記パッキンリテーナにおいて、少なくとも前記リテーナ段部と前記着座面との間には、前記制御バルブアセンブリでのパッキンの摩擦および摩耗を実質的に低減させる所定のパッキン応力を定める付勢力を制御するための所定の長さが設定されているバルブパッキンアセンブリ。
【請求項３４】
前記付勢力が、前記制御バルブアセンブリ内のプロセス圧力に起因するプロセスパッキン応力を補う実質的に一定のパッキン応力をもたらすものである、請求項33に記載のバルブパッキンアセンブリ。
【請求項３５】
前記シール部品が、PTFEで構成される少なくともシールリングを含んでいる請求項33に記載のバルブパッキンアセンブリ。
【請求項３６】
前記第1のはみ出し防止部品が、はみ出し防止ワッシャまたははみ出し防止Vリングの少なくとも一方を含んでいる請求項33に記載のバルブパッキンアセンブリ。
【請求項３７】
前記はみ出し防止部品が、実質的に非摩耗性の充てん材を有している充てんPTFEからなる材料を含んでいる請求項36に記載のバルブパッキンアセンブリ。
【請求項３８】
前記実質的に非摩耗性の充てん材が、硫化モリブデンである請求項37に記載のバルブパッキンアセンブリ。
【請求項３９】
前記はみ出し防止部品が、グラファイト、カーボン、シリカ、および硫酸バリウムで構成されるグループから選択される充てん材を有している充てんPTFEからなる材料を含んでいる請求項36に記載のバルブパッキンアセンブリ。
【請求項４０】
前記はみ出し防止部品が、PEEKからなる補強ポリマーをさらに含んでいる請求項37に記載のバルブパッキンアセンブリ。
【請求項４１】
前記付勢手段が、複数の皿ワッシャの積層を含んでいる請求項33に記載のバルブパッキンアセンブリ。
【請求項４２】
前記皿ワッシャの積層が、少なくとも5つの皿ワッシャを含んでいる請求項41に記載のバルブパッキンアセンブリ。
【請求項４３】
前記付勢アセンブリの力の方向が、前記プロセス圧力によって生成されるプロセス力の方向と同じである請求項33に記載のバルブパッキンアセンブリ。
【請求項４４】
前記パッキンリテーナが、前記制御バルブアセンブリ内で前記バルブステムを案内するためのジャーナルベアリングをさらに備えている請求項33に記載のバルブパッキンアセンブリ。
【請求項４５】
前記パッキンリテーナが、S31600、インコネル、ハステロイ、およびPEEKで構成されるグループから選択される耐食性の材料から形成されている請求項33に記載のバルブパッキンアセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【関連出願】
【０００１】
本出願は、2006年8月25日付の米国特許仮出願第60/840,369号の優先権の利益を主張し、この米国特許仮出願の全内容が、ここでの言及によってあたかも本明細書に明記されたかのように本明細書に援用される。
【技術分野】
【０００２】
本発明は、広くは、バルブ用のパッキンに関し、さらに詳しくは、バルブパッキンからの排出レベルがきわめて低くなければならないプロセス制御の用途に使用される制御バルブの常時付勢パッキン（live-loaded packing）の改善に関する。
【背景技術】
【０００３】
プロセス制御の業界では、多数のプロセスの用途において、周囲の環境へのプロセス流体の漏れの量がきわめて少ない制御バルブが必要とされていることが知られている。実際、一部のプロセスプラントは、制御バルブアセンブリからプラントの周囲へと漏れる排出物の濃度の測定（例えば、500体積ピーピーエム（ppmv）未満）にもとづき、芳香族炭化水素または塩素化炭化水素などといった特定のプロセス排出物の量を規制するClean Air Actの1990年改正に規定の連邦規則の対象である。そのような排出物を少なくするための典型的な解決策として、排出物を閉じ込めるために、制御バルブのステムの周囲にベローズシールを配置することや、バルブの動作の際に排出物を容認可能な濃度レベルに保つために、制御バルブの本体の内部にばね付勢または常時付勢のパッキンアセンブリを組み込むことが挙げられる。
【０００４】
典型的なベローズシールは、バルブステムの露出部分の周囲に可撓な金属チャンバ（すなわち、ベローズ）を取り付けることによって、外付けの「アコーディオン状」の環境シールを生成する。ベローズシールは、ベローズチャンバ内にプロセス流体を捕捉して閉じ込めることによって、周囲の環境へと逃げ出すことがないようにする目的である。ベローズは、有効であるためには、広い動作温度範囲の全体にわたって可撓なままであり、かつさまざまな種類の腐食に対して耐性を有していなければならず、したがって通常は特別な金属を使用する必要がある。ベローズは、通常は、New York州New HartfordのSpecial Metals Corporationのインコネル（Inconel（登録商標））や、Indiana州KokomoのHaynes International, Inc.のハステロイ（Hastelloy（登録商標））など、高価な合金から製作される。どちらの特殊な金属も、ベローズシールのコストを大きく増加させる。さらに、ベローズシールは、ベローズが、通常はバルブステムに気密に溶接され、ボンネット／バルブジョイントにおいてガスケットで封止され、拡大されたバルブボンネットを必要とするため、設置が高価につく。ベローズの物理的構造およびこのような設置方法は、バルブステムに生じることができる回転の量も制限する。溶接部またはシールの損傷を防止するために、多くの場合に、動作時のバルブステムの回転量を制限するための回転防止装置を設置しなければならない。さらに、ベローズシールは、ベローズの疲労寿命を最大にするために、特定の行程の長さに合わせて設計される。設計上の行程長を超える行程を生じるような用途は、「ひだ」を設計上の長さを超えて引き伸ばすことによって早期のサイクル疲労または割れを生じさせることで、ベローズを損傷させる可能性がある。漏れ出す排出物をベローズシールに捕捉する代わりとして、常時付勢パッキンなどの優れた制御バルブパッキンを使用して排出物の発生を防止することがある。
【０００５】
従来からの常時付勢のパッキンセットは、バルブステムの周囲をシールすべく制御バルブアセンブリのパッキン穴に設置され、動作時のパッキンセットからの排出物を大幅に削減する。一般に、パッキンは、運動するバルブステムに対して動的なシールを達成するとともに、パッキン部品が制御バルブの本体内で接触するパッキン穴に静的なシールを達成するために、パッキン部品を半径方向に膨脹させるべく軸方向の荷重または応力が加えられなければならないと理解される。本明細書において使用されるとき、当業者であれば、用語「パッキン応力」を、ばねなどの付勢装置からの軸方向の力、またはパッキンの環状領域によって分割されるパッキンセットに作用するプロセス圧力からの軸方向の力を意味すると理解すべきである。さらに、本明細書に記載のパッキンアセンブリは、軸方向の力を半径方向に集中させることによってシールを促進すべく、軸方向のパッキン応力をより大きな半径方向の接触応力へと増幅するように設計されたVリングシール部品（すなわち、パッキンの断面が「V」字の形状である）を使用する。環境保護の常時付勢パッキンアセンブリがいくつかの限界を抱えていることは、広く知られている。図1が、種々の種類の典型的なパッキン応力を、以下で詳しく説明されるプロセスパッキン圧力Aに対して図式的に示している。一般に、パッキン応力がプロセス圧力Aを下回ると、プロセス圧力がパッキン応力によって形成されるシールを打ち負かす可能性があるため、プロセス流体の漏れが生じかねないことを、当業者であれば理解すべきである。
【０００６】
従来からの常時付勢パッキンの一種類は、自動パッキンと称される。シールが、ミズーリ州St. LouisのFisher Controls International LLCから入手できるSingle PTFEパッキンなど、パッキンリングに比較的小さなパッキン応力を作用させるコイルばねによって軸方向に荷重が加えられるただ1つのVリングパッキンセットによってもたらされている。この種のパッキンセットが、大きな軸方向力−半径方向力の比を有するVリングを使用することを、当業者であれば理解できるであろう。すなわち、Vリングが、所与の用途において、比較的小さいばね定数のコイルばねのもとで大きな軸方向の膨脹をもたらすように構成されている。この種の自動パッキンは、典型的には、図1に軸方向のパッキン応力Bとして示されているように、300psiの最大圧力および200°Fの最大温度の環境サービス（例えば、500ppmv未満の濃度）にとって価値がある。これらの種類のパッキンは、制御バルブの内側または圧力側から荷重を加えることが可能であるが、通常は、コイルばねによって荷重を加えるため、低圧の環境用途にしか適用することができない。
【０００７】
別の種類のパッキンが、一般に、ダブルVリングパッキンと称されている。このパッキンアセンブリは、上述の単一Vリングパッキンと同様の2つの低圧Vリングパッキンセットを、上部および下部シール部品として配置して使用するが、パッキン応力を加えるためのいかなる種類のばね付勢装置も備えていない。パッキンセットが、静的なパッキン荷重のもとでの応力を受け、当業者にとって公知のパッキンナット／パッキンフォロワアセンブリとともにバルブステムシールを形成する。この形式のパッキンの欠点は、広い温度範囲にわたって適切なレベルのパッキン応力を保証するためのばね要素がないため、パッキンの設計が環境サービスに適することができない点にあり、したがって図1には示されていない。
【０００８】
さらに別の種類の環境パッキンが、ミズーリ州St. LouisのFisher Controls International LLCからEnviro-Seal(登録商標）PTFEパッキンとして市販されているダブルVリング常時付勢パッキンセットである。この形式のパッキンセットは、皿ばね（Belleville spring）などの高ばね定数の付勢装置によって荷重が加えられる高圧Vリング（すなわち、軸方向力−半径方向力の比が小さい）を使用する。コイルばねによる荷重に比べ、皿ばねは、はるかに大きなばね定数を有しており、高圧の用途においてダブルVリングパッキンを圧縮するために必要な比較的大きな力またはパッキン応力をもたらす。この形式のパッキンは、典型的には、750psiの最大圧力および450°Fの最大温度の環境サービスにとって価値がある。この形式のパッキンアセンブリにおける1つの問題は、パッキンに荷重を加えるために皿ばねを使用していることに関係する。皿ばねは、必要とされるパッキン応力をもたらすが、皿ばねの圧縮の行程または範囲は、きわめて小さい。高いばね定数と小さな行程とが組み合わさり、結果として、所望のパッキン応力を得るために、最初に皿ばねのあらかじめの荷重をきわめて精密に調節する必要があり、さらに／あるいは製造公差を厳しく保つ必要がある。すなわち、皿ばねの単位量の行程または圧縮当たりのパッキン応力が比較的大きいことを、当業者であれば理解すべきである。したがって、制御バルブアセンブリにおける通常の製造公差では、きわめて困難であって時間を要する可能性がある手作業による調節が必須である（例えば、Fisher ControlsのDesign D2という放出バルブは、直列に重ねられた3枚の皿ばねを使用しているが、±50psiの範囲のパッキン応力を達成するために±0.0024インチの範囲の調節精度が必要である）。結果として、パッキン応力が高すぎる場合には、大きなパッキン摩擦が生じる可能性があり、パッキン摩擦が大きいことで、制御バルブの性能およびパッキンの寿命が損なわれる可能性がある。
【０００９】
さらに、コイルばねは、ボンネット／パッキン箱の面積が限られ、適切なばね定数を生み出すために必要なコイルばねの断面積が大きすぎるため、典型的には、高圧のダブルVリングパッキンには用いられない。さらに、この形式のパッキンセットは、典型的には、制御バルブの外側（すなわち、内側または圧力側に比べて外側または大気側）から荷重を受け取り、プロセス圧力によって生じる力に対向するパッキン力をもたらす。皿ばねの力がプロセス圧力によって生み出される力に対向するため、ばね力が、パッキン応力に対して加算的ではなく、したがって環境シールを生成するために必要とされる初期のパッキン応力を、図1のパッキン応力Cとして示されているように、プロセス圧力がパッキン応力に一致するまでプロセス圧力とは別個独立である初期のパッキン応力を増加させることによって、初期のパッキン設定において補償しなければならない。この初期のパッキン応力の過剰な補償が、アセンブリにおいてより大きな摩擦を生じる。その結果、制御バルブのアクチュエータを過剰なサイズにすることにつながりかねず、制御バルブのコストが増すほか、動作時のパッキンの摩耗がより大きくなる。
【００１０】
高温高圧の環境サービスに適した別の市販のパッキンは、ミズーリ州St. LouisのFisher Controls International LLCからのEnviro-Seal Graphite ULFとして知られているPTFEを溶け込ませたグラファイト主体のパッキンである。この形式のパッキンセットは、高温動作のためのグラファイト主体のパッキンリングを、摩擦を最小限にすべくシール部品に取り入れられる少量のPTFEとともに使用する。皿ばねが、パッキン応力をもたらすために使用される。先のパッキンセットと異なり、グラファイト主体のシールリングのきわめて大きな軸方向力−半径方向力の比ゆえ、環境シールを生み出すためにきわめて大きなばね定数が必要とされる。この形式のパッキンにおいては、皿ばねが、プロセス圧力によって生成される力の反対の方向からきわめて大きな力を生成し、約4500psiになりうるパッキン応力（図1に一定のパッキン応力Dとして示されている）をもたらす。皿ばねにもとづく他の形式のパッキンアセンブリと同様に、皿ばねの行程がきわめて小さく、パッキン応力を制御するためにきわめて精密な初期の調節が必要である。この形式のパッキンは、1500psiの最大圧力および600°Fの最大温度の環境サービスにとって価値があるが、このパッキンの構成によって生じる摩擦のレベルが、300°Fを下回る温度においてPTFEパッキンよりも大幅に高くなる可能性があり、特定の種類の用途（例えば、制御バルブポジショナを備えない用途）においては容認できない可能性がある。
【００１１】
したがって、動作時にパッキン応力がプロセス圧力よりも上の一定のレベルに保たれるよう、バルブステムのパッキンに一様な応力を加えることができる優れた性能の動作範囲を有する優れた常時付勢のパッキンシステムを提供することが望まれている。さらに、制御バルブの性能を改善するとともに、パッキンの摩耗を少なくして保守を改善するために、パッキンの摩擦を小さくするための常時付勢のパッキンシステムを提供することが望まれている。
【発明の概要】
【００１２】
典型的なパッキンアセンブリにおいては、シールアセンブリが、バルブステムの周囲に流体シールをもたらすためのシール部品と、バルブステムの周囲のシール部材のはみ出しを実質的に防止するためのはみ出し防止部品とを有しており、付勢アセンブリが、シールアセンブリに所定のパッキン応力をもたらし、付勢手段とシールアセンブリとの間でパッキン応力を連結する。パッキンアセンブリは、シールアセンブリおよび付勢アセンブリの少なくとも一方を収容するように構成されたパッキンリテーナをさらに含んでおり、パッキンリテーナは、シールアセンブリおよび付勢アセンブリを制御バルブアセンブリへと接続するように構成されている。さらにパッキンリテーナは、制御バルブアセンブリのパッキンの摩擦およびパッキンの摩耗を実質的に軽減するため、所定のパッキン応力をもたらすべく付勢アセンブリのあらかじめの付勢を制御するために、制御バルブアセンブリ内のパッキン箱に係合するための段部を含んでいる。
【００１３】
別の典型的なパッキンアセンブリにおいては、カートリッジ式パッキンアセンブリが、バルブステムの周囲に流体シールをもたらすためのシール部品と、バルブステムの周囲のシール部材のはみ出しを実質的に防止するための少なくとも第1のはみ出し防止部品とを有しているシールアセンブリ、ならびにシールアセンブリに所定のパッキン応力をもたらすための付勢手段と、付勢手段をシールアセンブリへと接続するためのフォロワ部品とを有している付勢アセンブリを備えている。さらにパッキンアセンブリは、シールアセンブリおよび付勢アセンブリを収容すべく制御バルブアセンブリのパッキン箱に配置されるように構成されたパッキンリテーナを備えており、パッキンリテーナが、制御バルブアセンブリのパッキンの摩擦およびパッキンの摩耗を実質的に軽減するため、所定のパッキン応力をもたらすべく付勢アセンブリのあらかじめの付勢を制御するために、制御バルブアセンブリに係合するための段部を有している。この典型的なパッキンリテーナは、設置時にパッキン応力を変更するための調節手段をさらに含んでいる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
新規であると確信される本発明の特徴が、添付の特許請求の範囲に詳しく記載される。本発明を、添付の図面と併せて解釈される以下の説明を参照することによって、最もよく理解することができる。添付の図面においては、いくつかの図において、同様の参照番号が同様の構成要素を特定している。
【図１】種々の種類のパッキンアセンブリについて、プロセス圧力−対−軸方向のパッキン応力のグラフ表示である。
【図２】典型的なパッキンセットによる常時付勢パッキンアセンブリの分割の部分断面図である。
【図３】典型的なパッキンセットによる常時付勢カートリッジ式パッキンアセンブリの分割の部分断面図である。
【図４】典型的なパッキンセットによる常時付勢カートリッジ式パッキンアセンブリの分割の部分断面図である。
【詳細な説明】
【００１５】
本実施例に係るパッキンアセンブリは、制御バルブの軸の周囲に高圧流体シールアセンブリを備えるべく、複数のシールリングおよびはみ出し防止リングを使用する。このシールアセンブリは、以下のように特徴付けることができる。すなわち、1）皿ばねの積層体など、パッキンに優れた調節をもたらすための充分な行程を有する従順なパッキン応力を、プロセス流体によって加えられる流体圧力と同じ方向にもたらす付勢アセンブリ、2）プロセス圧力を克服または補償するための最初のパッキン応力調節の必要性を実質的になくし、それによって摩擦およびパッキンセットの摩耗が少ない環境シールをもたらすために、制御バルブ本体またはボンネットアセンブリに係合するように構成されたパッキンリテーナ、3）動作時のバルブの軸および／またはシールの摩耗を大幅に低減するはみ出し防止ワッシャおよびリングを備えるシールアセンブリ、および4）パッキンアセンブリの修理または交換を大幅に改善するカートリッジ式シールアセンブリである。この優れたパッキンアセンブリは、パッキンを容認可能な最小の応力にて動作させることにより摩擦の最小化およびパッキン寿命の最大化を果たすことができるよう、プロセス圧力に起因するパッキン応力を上回る一定のパッキン応力をもたらすことによって、プロセス圧力に「追従」するパッキン応力をもたらすための費用対効果に優れた手段を提供する。プロセス圧力への追従を、以下でさらに詳しく説明する。
【００１６】
図2に示されている第1の典型的なパッキンアセンブリにおいては、部分切断の断面が、付勢なしまたは応力なしのパッキンアセンブリ100を左半面に、付勢ありまたは応力ありのパッキンアセンブリ100を右半面に示している。本明細書に記載されるパッキンアセンブリは、例としてボンネットアセンブリ190に関するが、本明細書が、典型的なパッキンアセンブリをこのような特定の用途に限定しようとするものではないことを、当業者であれば理解すべきである。例えば、典型的なパッキンアセンブリを、本発明の技術的思想および技術的範囲から離れることなく、制御バルブまたはアクチュエータアセンブリの内部のパッキン箱へと直接設置することが可能である。
【００１７】
すでに述べたように、多数の制御バルブの用途において、周囲の大気へのプロセス流体の漏れを防止するために、バルブステムの周囲に環境シールを必要としている。さらに、多くの従来からのパッキンセットは、制御バルブの外側（すなわち、制御バルブ本体の外部の上側または大気圧側）から設置されており、通常は外側から荷重または応力が加えられている。この形式のパッキン構成は、プロセス圧力によって生じる力に対向する力によって応力が加えられ、結果として初期のパッキン応力が環境シールを生み出すために必要な大きさを超えることもしばしばであって、後述のとおり制御バルブの性能を損なう可能性がある。
【００１８】
本実施例では、環境流体シールを実現するためのパッキンアセンブリ100が、内部に設置（すなわち、制御バルブ本体の内側または圧力側に対応して設置）されて下方から荷重を受けるパッキンアセンブリとして、ボンネットアセンブリ190に設置されて示されている。具体的には、パッキンアセンブリ100が、ボンネットアセンブリ190のパッキン箱180内に配置されている。該パッキンアセンブリ100は、パッキンアセンブリ100を貫いて制御バルブの内側へと延びて制御バルブを通過する流体の流れを制御すべくバルブ栓などの流体制御装置（図示されていない）へとつながるバルブステム115を、貫通穴136を介して受け入れている。ボンネットアセンブリ190のパッキン箱180は、バルブステム115およびパッキンアセンブリ100を収容するための3つの実質的に同心な穴137、138、および139で構成されている。第1の穴は、バルブステム115のための外側すき間穴137であって、バルブ内の流体の流れを制御すべく所望のバルブステムの動作を弁体へと伝達するために、軸方向Zに沿った動作を許容する。バルブステムすき間（バルブステム・クリアランス）を設けることによって、バルブステム115への接触が回避される。バルブステム115への接触が生じると、ステムの傷んだ部分がパッキンアセンブリ120を通過して移動することによって漏れを引き起こしかねない。ボンネットアセンブリ190内の第2の穴は、パッキンアセンブリ100のシール機構を実現するパッキンセット120を収容するために設けられたパッキン穴138である。パッキン穴138は、ボンネットアセンブリ190の外側にてパッキンセット120用の座面を成すパッキン穴段部143を終端とする壁142によって画定されている。外側すき間穴137およびパッキン穴138に比べて大きい第3の穴は、さらに詳しく後述されるとおり、あらかじめ調節されたパッキン応力をもたらすために、パッキンリテーナ155と係合するように構成されたリテーナ穴139である。
【００１９】
パッキンセット120は、ただ1つのシールリング125ならびに2つのはみ出し防止リング123,127で構成され、一般的にはVリング式パッキンセットと称される。図2に示されているように、本実施例に係るパッキンセット120は、上側の雌アダプタリング123、中間のシールリング125、および下側の雄アダプタリング127を、バルブステム115の外周に密に接触させて備えている。環境シールを達成するために、Vリングのさまざまな組み合わせを使用できることを、当業者であれば理解できるであろう（例えば、5つまたは7つのVリングセット）。Vリング式のパッキンリング123,125,127を、Illinois州Morton Groveのthe John H. Crane Companyから市販されているV型PTFEパッキンとして知られているポリテトラフルオロエチレン（PTFE）で形成することができる。他の材料または他の合成樹脂ポリマーで適切に形成されたパッキンも使用可能である。さらに、アダプタリング123,127に、後述されるように優れたシールを生み出すことができる荷重下でより大きな剛性を付与するために、カーボンが充てんされてもよい。
【００２０】
Vリングパッキンは、軸方向のパッキン応力のもとでV字形の断面が本質的に半径方向の荷重を生み、パッキンセットを膨脹させて優れたシールを生むがゆえに好ましい。換言すると、荷重下でVリング123,125,127が軸方向に圧縮され、V字形に対を成す表面がお互いへと駆動されるため、結果として中間のシールリング125がバルブステム115およびパッキン穴138の両方へと半径方向に膨脹させられる。好ましくは、それぞれのアダプタリング123,127が、中間のシールリング125に比べてあまり従順でないため、流体シールをもたらすべく中間のリングにパッキン応力が集中する。
【００２１】
高い温度および／または高い圧力において、PTFE製のVリングパッキンリングがはみ出し（すなわち、シールリング125から離れるすき間穴136などの経路に沿って元の形状から変形し）、閉じ込められているパッキン容積が失われる可能性がある。このパッキンの「移動」が、結果としてパッキンセット内のパッキン容積の喪失を生じさせる可能性があり、これに付随してパッキン応力が減少し、パッキンに漏れが生じる可能性がある。このようなはみ出しを防止するために、パッキンアセンブリは、図2に示されているようにパッキンセット120の外側および内側に配置された2つのはみ出し防止ワッシャ132,133を使用する。両方のはみ出し防止ワッシャ132,133は、流体シールを形成すべく作用するパッキン応力のもとでおおむね非圧縮性（例えば、ワッシャが、実質的に軸方向に圧縮されず且つ半径方向に膨脹しない）であることを特徴とする。
【００２２】
したがって、上側のはみ出し防止ワッシャ132がパッキン穴の段部143と対をなし、バルブ本体の外側においてすき間穴136を通ってのはみ出しを防止し、下側のはみ出し防止ワッシャ133がスペーサ141と対をなし、スペーサ141を通ってバルブステム115の内側へと向かうはみ出しを防止する。さらに、両方のはみ出し防止リングは、パッキン穴の壁142にも接触し、シールリングをパッキン穴138の内部に閉じ込める。下側のはみ出し防止ワッシャ132を、パッキンセット120のはみ出し防止性能を実質的に低下させることなく、パッキンセット120から取り除くことができることも、当業者であれば理解すべきである。すなわち、後述されるようなパッキンセットの下方からの荷重が、プロセス圧力によってもたらされる外向きの力（図2にベクトルPとして示されている）に加わって、ボンネットアセンブリ190の外側へのはみ出しのみを生じると考えられる。
【００２３】
それぞれのはみ出し防止ワッシャは、複合材料で形成され、New York州PalmyraのGarlock Sealing TechnologiesからGylon（登録商標）として市販されているグラファイト、カーボン、シリカ、または硫酸バリウムのうちの少なくとも1つから選択される充てん材を有している充てんPTFEのうちの1つで形成される。はみ出し防止ワッシャは、通常は、はみ出しを防止するために、パッキンリングに比べて充分硬い材料で形成される。Gylon（登録商標）3510という材料など、一般的なはみ出し防止ワッシャ材料が、特定の高サイクルの制御バルブの用途（例えば、25,000サイクルなど、多数のサイクルに上る用途）において、バルブステムの摩耗を引き起こしかねないことが確認されている。
【００２４】
Gylon 3510は、無機の硫酸バリウム（すなわち、実質的に鉱物バライト）を含有するPTFEから製作された複合材料であると理解される。高サイクルの用途において、硫酸バリウムは、パッキンの性能を損ないかねない微視的なステムの摩耗を実際に引き起こす可能性がある。硫酸バリウムは、モース（HM）硬度計において約3の硬さを有することが知られており、これはロックウェルＣ硬度計（HRC）において約19である。バルブステムは、一般に、約25HRCの硬さを有することが知られているS31600から製作される。鉱物充てん材は、動作中にパッキンの劣化を生じさせかねないステムの緩やかな損耗または摩耗を生じさせるに充分な硬さを有しうると考えられる。これは、はみ出し防止ワッシャがPTFEパッキンシールリングに実質的に隣接しており、はみ出し防止ワッシャによって引き起こされたステムの摩耗箇所が、バルブのストローク中にPTFEパッキンリングに頻繁に接触するように位置し、その結果、ステムのシール部分に粗い表面を生じさせる可能性があるためである。この摩耗した表面が、パッキンシールリングの摩耗の速度を高め、保守および修理を必要とする望ましくない漏れを生じさせる可能性がある。
【００２５】
反対に、この摩耗を大幅に減らすことができれば、パッキンアセンブリの有用な寿命を大幅に増すことができる。本実施例に係るパッキンアセンブリにおいては、それぞれのはみ出し防止リングが、好ましくは、Fisher Controls Internationalから入手できるTCM（登録商標）Ultraとして知られる二硫化モリブデン充てん材およびポリエーテルエーテルケトン（PEEK）補強ポリマーを有する充てんPTFEの複合材料で形成される。複合材料へのさらなる参照を、本出願の譲受人へと譲渡済みであって、ここでの言及によってあたかも本明細書に明記されたかのように援用される米国特許第5,823,540号に記載のシール材料へと行うことができる。摩耗作用が大幅に少ないTCM Ultra充てん材料（すなわち、硫化モリブデンの硬さは約1HMである）は、典型的なパッキンアセンブリのサイクル寿命を長くすると予想され、さらには温度範囲を約450°Fから500°Fへと広げることができる。さらに、TCM Ultraから製作されるはみ出し防止リングは、典型的なGylon 3510部品を製作するために使用される打ち抜きプレスのプロセスに比べて、大幅に安価である従来からの成型プロセスから形成することができる。
【００２６】
すでに述べたように、流体シールを形成するために、シールリング125をバルブステム115およびパッキン穴138へと半径方向に膨脹させなければならない。本実施例に係るパッキンアセンブリ100においては、軸方向のパッキン応力が、付勢アセンブリ140から実質的に非圧縮性のスペーサ141を介して伝達される。スペーサ141は、通常は、S31600で製作され、パッキン穴138の壁142に密に接触する。ステムの表面を摩耗させることなくバルブステム115を受け入れ、パッキンの寿命を伸ばすために、すき間穴が設けられる。軸方向のパッキン応力は、本実施例に係るパッキンアセンブリ100の付勢アセンブリ140による付勢力（図2にベクトルLとして示されている）から生成される。付勢アセンブリ140は、好ましくは、皿ばねの積層体で構成されるが、他のばね装置も、所望の行程範囲にわたって適切な大きさの所定のパッキン応力をもたらすことができる限りにおいて想定できることを、当業者であれば理解できるであろう。例えば、コイルばねを使用することが可能であるが、通常は、コイルばねのばね定数が低いため、アセンブリを収容するために大幅に大きなパッキン箱の容積が必要となる可能性があり、制御バルブのコストが上昇する可能性があり、取り付けおよび設置の問題が生じる可能性がある。
【００２７】
従来からの皿ばねと異なり、本実施例に係るパッキンアセンブリ100の付勢アセンブリ140は、さらに詳しく後述されるとおり、比較的小さいばね定数および比較的長い行程または圧縮を有する皿ディスクばねを使用する。付勢アセンブリ140は、内側から制御バルブ本体（図示されていない）へと取り付けられるように構成されたパッキンリテーナ155によって保持および圧縮される。パッキンリテーナ155は、おおむね円柱形に形成され、付勢アセンブリ140を収容するための付勢アセンブリ穴165とバルブステム115および／またはジャーナルベアリング175を収容するための第2のリテーナ穴170とを形成する実質的に円柱形の空洞を有している。いくつかの用途においては、パッキンアセンブリ100を貫くバルブステム115を案内するジャーナルベアリングを設けることができる。ジャーナルベアリングを保持するために、ジャーナルベアリング175は、パッキンリテーナ155の面取り縁183に係合するように形成されて付勢アセンブリ140の皿ばねの圧縮によって所定位置に保持される係合リップ182を備えることができる。
【００２８】
付勢アセンブリ140を圧縮するための1つのそのような構成が、本実施形態の図2に、リテーナ穴139の一部に設けられたねじ山151に対応してこれに螺合する対をなす外側のねじ山185によって示されている。クランプ式の設計など、他の方法も想定できることを、当業者であれば理解すべきである。あるいは、バルブステムの案内が不要な用途においては、ジャーナルベアリングを取り除き、バルブステム115を、バルブステム115の表面の仕上げを守るべくいかなる接触もないようにすき間穴170に通すことができる。本実施例に係るパッキンアセンブリの設置および保持機構が、パッキンアセンブリの設置および調節を大幅に少なくできることを、当業者であれば理解すべきである。
【００２９】
従来からの常時付勢のパッキンアセンブリは、通常は、公差の蓄積として知られる問題を抱えている。これは、パッキンアセンブリの構成部品および制御バルブ本体が、皿ばねの積層体の行程または圧縮を圧倒し、上述のとおりパッキンアセンブリの初期荷重の調節を精密に設定しなければならない場合に生じる。一般に、これは、作業者が制御バルブ本体またはボンネットアセンブリの内部にパッキンセットを設置し、次いで調節が「底付き」する（すなわち、調節の余地が残らない）までパッキンを締め付けることを必要とする。その後に、作業者は、用途に応じて、パッキンを所望の応力レベルに設定するために、パッキンアセンブリの調節機構を精密な回転数だけ緩めなければならない。
【００３０】
この問題を避けるため、本実施例に係るリテーナ155は、パッキン応力をあらかじめ設定するために、リテーナ155がボンネットアセンブリ190のリテーナ穴139へとねじ込まれるときにリテーナ穴の対をなす表面166に接触する図示のリテーナ段部168を備えている。すなわち、リテーナ段部168および付勢アセンブリ穴165のサイズが、リテーナ155がボンネットアセンブリ190へときつくねじ込まれたときにパッキンアセンブリ120に精密な初期荷重が加わるように、あらかじめ定められている。例えば、本実施例では、パッキンアセンブリ100は、応力を設定するための制御された寸法と、最大±0.015インチとなりうる製造公差の積み重ねを増加させるための5つの比較的長い行程の皿ばねとを使用する。さらに、パッキンリテーナ155は、リテーナ155をボンネットアセンブリ190へと締め込むための好都合な方法を提供するために、六角形断面などの標準的なソケットを受け付けるように形成された外表面178を有することができる。
【００３１】
より低いばね定数を、より薄い皿ディスクばねから得ることができることを当業者であれば理解すべきである。したがって、たとえ皿ばねが従来からのパッキンアセンブリと比べたときに比較的低いばね定数を有していても、比較的長い行程範囲と比較的低いばね定数との組み合わせにより、摩擦が最小限である環境シールを実現すべく所定の圧縮または荷重のもとで適切なパッキン応力をもたらす。例えば、この下方から荷重を受けるパッキンアセンブリ100において、約450psiのパッキン応力をもたらすことができる皿ばねの積層体が、Fisher ControlsのDesign D2などのバルブにおいて環境シールを実現することができる。このようにして、パッキンが締め付けられるとき、パッキンリテーナがボンネットアセンブリの対をなす表面に底付きし、所望の大きさの初期のパッキン応力を生じさせる。さらに有意義には、アセンブリに下方から荷重が加えられるため、プロセス圧力が増すときに、この下方からの荷重を受ける本実施例に係るパッキンのパッキン応力は、初期のパッキン応力に等しい量だけプロセス圧力を上回ったままである（すなわち、アセンブリに荷重を加える力の向きが、プロセス圧力によって生じる力の向きに対して反対でない）。この設計によれば、初期のパッキン応力として、用途に合わせた所望の性能特性を有するように選択することができる。
【００３２】
例として、750psiというプロセス条件のもとで1500psiのパッキン応力を有する本実施例に係るパッキンアセンブリを用いて環境シールを生成するために、わずかに750psiのパッキン応力しか必要でない。これは、従来からのダブルVリング常時付勢パッキンの1500psiのパッキン応力が1500psiという初期のパッキン応力を必要としうるのに比べて、大幅なパッキン応力の低減である。換言すると、下側から荷重を受けるパッキンアセンブリ100は、一般的なプロセス条件によってもたらされる応力を超える一定のパッキン応力を可能にするパッキン応力をもたらす。すなわち、典型的なパッキンアセンブリのパッキン応力は、初期のパッキン応力に実質的に等しいパッキン応力のマージンにてプロセス圧力に「追従」し、図1にパッキン応力Eとして示されるように、最小のパッキン応力が初期のパッキン応力に実質的に等しくなるように常に存在している。
【００３３】
あるいは、1000psiのプロセス圧力を生じるプロセス用途において、本実施例に係るパッキンアセンブリ100は、環境シールのための1500psiのパッキン応力を達成するために500psiの初期パッキン応力を使用することができる。本実施例に係るパッキンアセンブリ100の低いパッキン応力は、パッキンの摩耗およびパッキンの摩擦を少なくし、全体としての制御バルブの性能の改善および保守のコストの削減を可能にする。当業者であれば、典型的なパッキンセットが真空運転において使用される場合にも適切な環境シールを維持することに注意および理解すべきである。すなわち、真空（例えば、-14.7psi）に引くという動作状態のもとで、この圧力状態が、パッキンアセンブリに作用する全パッキン応力のうち相対的に実体的でない割合となるように、初期のパッキン応力を設定することができる。
【００３４】
別の典型的なパッキンアセンブリが、図3に示されている。この形式のパッキンアセンブリは、従来からのスライド式ステムの玉型弁などの制御バルブの本体への設置が可能であり、外側に設置されて下方からの荷重を受けるパッキンアセンブリと定義することができる。すなわち、パッキンアセンブリを、制御バルブの外側から設置することができ、したがって新規の設置または修理の用途に適している。さらに、図3に示されている分割された部分断面図は、非調整式のカートリッジ式パッキンアセンブリを左半面に示しており、調整式のカートリッジ式パッキンアセンブリを右半面に示している。同様の構成要素には、同様の参照番号が与えられている。カートリッジ式パッキンアセンブリ200は、制御バルブを通過する流体を制御すべく内部の弁体（図示されていない）へとつながるバルブステム215を受け入れるアセンブリの貫通穴236を備えている点で、先の典型的なパッキンアセンブリに類似している。
【００３５】
本実施例に係るカートリッジ式パッキンアセンブリ200は、制御バルブ本体290の外側に位置するパッキン箱280に設置されるが、パッキン箱280は、図示のとおりの2つの実質的に同心な穴で構成されている。第1の穴は、カートリッジ式パッキンアセンブリ200を収容するパッキン穴238であり、パッキン穴238は、制御バルブの圧力側の主たる流体の流路（図示されていない）をパッキン穴238からおおむね隔てる縁が面取りされている段部286を終端とする内壁239で構成されている。第2の穴は、長手軸Zに沿ったバルブステム215の運動を可能するためのバルブステム215のためのすき間穴270であって、ステムの摩耗を防止するために、バルブステムと第2の穴の壁との間にすき間が設けられている。カートリッジ式パッキンアセンブリ200は、制御バルブの上面273への取り付けのためのフランジ結合面272を具備するべくおおむねＴ字形の断面を有するパッキンフランジ228によって、パッキン箱280の中に保持されている。
【００３６】
図3の左半面に示した非調整式のカートリッジ式パッキンアセンブリにおいては、パッキンフランジ228が、下側の実質的に円柱形の部位229を備えるとともに、図示のとおりバルブステム215を通すための第1の穴236を備えている。パッキンフランジ228からのステムの摩耗を実質的になくすために、バルブステム215の周囲にすき間穴が設けられる。パッキンリテーナ255はパッキン箱280の中に配置され、制御された表面寸法を提供すべくパッキンフランジ228の下部229をパッキン穴242内に受け入れるように構成されている。この表面寸法は、さらに詳しく後述されるが、パッキンセット220を圧縮して所定のパッキン応力を生み出すために使用される。図示のとおり、パッキンフランジ228は、すき間穴274を通じてバルブ本体290の雌ねじ部分276に係合する固定具275によって、制御バルブ本体290へと取り付けられる。クランプ式の方法など、当業者にとって公知の他の方法も使用可能である。本実施例に係るカートリッジ式パッキンアセンブリ200のシール部品は、先に述べた内側設置のパッキンアセンブリと同様である。
【００３７】
図3に示されているように、パッキンセット220は、ただ1つのシールリング225ならびに2つのはみ出し防止リング223,227で構成されている。構成の材料は、同様の構成部品についてすでに述べた材料と実質的に同様である。さらに、はみ出しを防止するために、やはりパッキンアセンブリ220も、図3に示されているようにパッキンセット220の外側および内側に配置された2つのはみ出し防止ワッシャ232,233を使用する。すでに述べたように、流体シールを形成するために、シールリング225をバルブステム215およびパッキン穴238へと半径方向に膨脹させなければならない。本実施例に係るパッキンアセンブリ200においては、軸方向の付勢力が、好ましくはすでに述べたように皿ばねの積層体で構成される付勢アセンブリ240から、実質的に非圧縮性のスペーサ241を介して伝達される。この本実施例に係るパッキンアセンブリ200が、プロセス流体の乱流またはアクチュエータの整列ずれによって加わる可能性がある横荷重の影響を実質的に低減するために、すき間穴270に配置される案内スリーブとしてジャーナルベアリング（図示されていない）を備えてもよいことを、当業者であれば理解すべきである。
【００３８】
図3の左半面に示した非調整式の構成においては、リテーナ段部268の上面と付勢アセンブリ240用の座面265との間の制御された距離、ならびにフランジ結合面272に対するフランジ228の円柱部分229の長さにより、所定のパッキン応力が設定されることを当業者であれば理解すべきである。すでに述べたように、従来からの常時付勢のパッキンアセンブリは、一般に、制御バルブアセンブリの構成部品内に累積される公差を有しており、これが皿ばねの積層体の行程または圧縮を圧倒する可能性がある。
【００３９】
きわめて対照的に、本実施例に係るパッキンセット200では、ただ2つの制御された寸法に関してのみ公差が累積される。したがって、リテーナ段部268、座面265、およびフランジ228の円柱部分229の間の制御された距離が、正確な皿ばねの荷重を保証する。換言すると、荷重が、元のバルブ穴の奥行きではなくて、スリーブ内のパッキン箱の奥行きを制御することによって決定される。さらに、本実施例に係る左半面のパッキンアセンブリ200は、古い穴に新しいリテーナ255を「スリーブ」として挿入してパッキン箱の穴を新しい状態へと戻すことにより、既存のバルブの修理または再調整のプロセスを大きく改善する。新しいリテーナ255は、S31600などの耐食性の金属または合金、あるいはPEEKなどの同様に耐食性であって熱に対して安定なポリマーから製作されて、優れた耐腐食性をもたらすことができる。実際、パッキンリテーナ255とパッキン穴238との間を効果的に封じるためにOリング293などのシール部品を環状の凹所294内に配置して使用することによって、穴が大きくなりすぎたりあるいは他の様相で損傷したパッキン箱280においてパッキンリテーナ255を使用することができる。あるいは、図3の右半面に示された分割の部分断面図が、調整式のカートリッジ式パッキンアセンブリを、後述のように右半面に示している。すなわち、いくつかの用途（例えば、環境シールを保証するために追加のパッキン応力を必要とする摩耗したパッキンセット）においては、パッキン応力の調節が望まれる可能性がある。
【００４０】
皿ばねの圧縮を正確に制御してパッキン応力を正確に制御することで、従来の外部調節パッキンに比べて、パッキン性能を大幅に向上させることができ、ばらつきを大幅に減らすことができる。しかしながら、パッキンが寿命の終わりに達した後に、初期の設置をベースにして、摩耗したパッキンによって生じるパッキンの漏れに対処する必要もある。典型的には、パッキンセットを交換すべく保守が計画できるまで、パッキンの漏れを止めるためにパッキンをきつく締め付けなければならない。これを、パッキンセット220を軸方向に沿って移動させるべくリテーナ255に係合するシールされていない調節ねじ291によって達成することが可能である。調節手段はパッキンアセンブリ220によって実現される流体シールの外側にあるため、調節ねじ291をシールする必要がないことを当業者であれば理解すべきである。調節ねじ291および追加の機構は、すでに述べた非調整式のパッキンアセンブリと同様のパッキンフランジ228の下部円柱部分229の所定の係合長さによって決定される応力よりも大きい所望の応力へと、パッキン応力を設定する。すなわち、パッキンセット220の外側に配置された追加のスペーサ241を、パッキンセット220に向かって駆動することで、シールリング225をさらに圧縮し、パッキン応力を増すことができる。
【００４１】
さらに、環状のスパナーリング（図示されていない）をパッキン応力の調節および設定に使用してもよいことを、当業者であれば理解できるであろう。さらに、調節ねじを皿ばねの行程よりも大きな行程を有するように設計でき、保守作業員に必要であればきわめて大きなパッキン応力を加える能力を与えることができることを、当業者であれば理解すべきである。例えば、そのような応力は、深刻に摩耗したパッキンの漏れを充分に低減するために必要とされるかもしれない。
【００４２】
カートリッジ式パッキンアセンブリの他の例を図4に示す。この形式のカートリッジ式パッキンアセンブリも、従来からのスライド式ステムの玉型弁などの制御バルブ本体への設置が可能であり、外側に設置されて下方からの荷重を受けるパッキンアセンブリと説明することができる。カートリッジ式パッキンアセンブリ300は、既存の制御バルブの修理を容易にする点で、先の実施例に係るパッキンアセンブリと同様であり、代案の調節手段を提供している。この実施形態においては、パッキン応力が、すでに述べたようにプロセス圧力と同じ方向から加えられる。本実施例に係るパッキンアセンブリ300は、制御バルブ本体390の外側のパッキン箱380に設置される。カートリッジ式パッキンアセンブリ300は、2つの実質的に同心な穴352,338で構成されるカートリッジパッキン箱383を形成するパッキンフランジ328およびリテーナ355を備えている。第1の穴は、パッキンフランジ328内に形成されたパッキン穴352であり、段部353を終端とする外壁354で構成されている。第2の穴は、パッキンフランジ328の外壁354を収容するように構成されたリテーナ穴338である。カートリッジパッキン箱383が、後述のとおりパッキンセット320、段付きスペーサ341、および付勢アセンブリ340を収容するための閉じた容積を形成している。段付きスペーサ341が、この例において、すでに説明した機能と実質的に同じ機能を果たすことを、当業者であれば理解すべきである。すなわち、段付きスペーサ341が、リテーナアセンブリ355の支持を介して付勢アセンブリ340からのパッキン応力を伝達する。
【００４３】
先の実施例に係るパッキンアセンブリと同様に、カートリッジ式パッキンアセンブリ300において、リテーナ穴338は、付勢アセンブリを支持して、付勢アセンブリの力をパッキンセット320へと伝達するための段部365を終端としている。パッキンセット320およびリテーナ355は、すき間穴372を通じてバルブ本体390の雌ねじ部分376に係合する固定具375により、すでに説明した様相でパッキンフランジ328によって制御バルブ本体390の内部に保持されている。さらに、カートリッジ式パッキンアセンブリ320を通過する高圧の漏れを防止するフランジシールを形成するために、パッキンフランジ328は、環状の凹所393および平坦なシートガスケット394あるいは同様のシール装置を備えている。本実施例は、所定のパッキン応力が、バルブ本体325の上面に接するリテーナ段部368と、付勢アセンブリ340のための座面365と、バルブ本体325の上面に対するパッキンフランジ328の円柱部分329の挿入深さとの間の制御された距離により定められる付勢力の限定を基準としている場合に示される非調整式の構成として使用することができる。さらに、パッキンフランジ328は、詳しくは後述されるように、特定の新規または修理において追加のパッキン応力をもたらすための調節手段を提供することができる。
【００４４】
本実施例に係るカートリッジ式パッキンアセンブリ320のシール部品は、先に述べた内側設置のパッキンアセンブリと同様である。すなわち、パッキンセット320が、ただ1つのシールリング325ならびに2つのはみ出し防止リング323,327で構成されている。これらの部品の構成材料および機能は、先の実施例に係るパッキンセットの同様の構成部品について上述した材料および機能と実質的に同様である。さらに、パッキンアセンブリ320は、図4に示されるとおりパッキンセット320の外側および内側に配置された2つのはみ出し防止ワッシャ332,333を使用する。
【００４５】
カートリッジ式パッキンアセンブリ300のリテーナ355は、2つの同心なリテーナ穴を有しておおむね円筒形状に形成されている。図4に示されているように、リテーナ穴338が、パッキンフランジ328の一部分、付勢アセンブリ340、および段付きスペーサ341の一部分を収容するように構成されている。第2の穴370は、バルブステム315を受け入れるように構成され、通常はバルブステム315を受け入れるためのすき間穴を提供しており、そのようなすき間穴は、パッキンの劣化および流体の漏れを生じさせかねないバルブステム315の表面の摩耗を引き起こすことがない。本実施例に係るパッキンアセンブリ300が、プロセス流体の乱流またはアクチュエータの整列ずれによって加わる可能性がある横荷重の影響を実質的に低減するために、先の実施例に係るパッキンアセンブリと同様のジャーナルベアリング（図示されていない）を案内スリーブとしてさらに含んでもよいことを、当業者であれば理解すべきである。
【００４６】
さらに、図4の本実施例に係るカートリッジ式パッキンアセンブリ320は、パッキンアセンブリ320内の皿ばねの初期の荷重またはパッキン応力を制御するための調節手段を備えている。図3に示すように、制御バルブ本体390の外側へ向かって又は制御バルブ本体390の外側から遠ざかるようにリテーナ355を軸方向に沿って移動させるべく、シールされた調節ねじ391がリテーナ355へと作用可能に接続されている。図3に示されているように、調節ねじ391を、Oリング392などといったさまざまな方法でシールできることを、当業者であれば理解すべきである。本実施例に係るカートリッジ式パッキンアセンブリ300においては、パッキン応力を増加させるべきか又は減少させるべきかに応じて、調節ねじ391を時計方向または反時計方向に回転させることにより、パッキン応力が調節される。すなわち、所望に応じて付勢アセンブリをさらに圧縮してパッキン応力を増加させるために、リテーナ355を制御バルブ本体390の外側に向かって引き寄せることができる。さらに、本実施例に係るパッキンアセンブリ300は、調節リミッタを備えている。
【００４７】
リテーナ355は、リテーナアセンブリ355の上面356がフランジ328のリミッタ面397に接するまで、パッキンアセンブリの外側に向かって移動することができる。別の調節リミッタを、段付きスペーサ341に配置してもよい。例えば、段付きスペーサ341の上部343がフランジパッキン穴352に協働するよう構成され、パッキン応力が調節される場合に前記上部がフランジパッキン穴352内に収容されてもよい。さらに、段付きスペーサ341は、環境シールを実現する最小のパッキン応力を保証するために、段付きスペーサの移動を制限すべく下部344がパッキン穴の段部353に係合するように構成することができ、あるいはシールを維持できない場合にパッキンセット320を交換すべきであることを知らせることができる。
【００４８】
現時点において本発明の好ましい実施形態であると考えられる内容を、図示および説明したが、添付の特許請求の範囲によって定められるとおりの本発明の技術的範囲から離れることなく、さまざまな変更および変形が可能であることは、当業者にとって明らかであろう。例えば、これらの実施形態を、金型形成リボンパッキンまたは組みひも式パッキンなど、Vリング以外の様式の断面を有するパッキンセットにおいても使用できることを、当業者であれば理解すべきである。特定の装置、方法、および製品を本明細書において説明したが、本特許の保護の範囲は、これらに限定されるわけではない。むしろ、本特許は、添付の特許請求の範囲の技術的範囲に文言上または均等論のもとで妥当に包含されるすべての装置、方法、および製品を保護する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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