(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒子状物質を含む流体の流れに使用され、入口および出口を有する弁箱を備えた流体弁であって、その改良が、
上記弁箱内における上記入口と出口とのあいだに配設され、粒子状物質を含んだ上記流体の流体通路を構成する中央空洞を有するシートリングであって、上記中央空洞の周囲に配設された円環状シールリムと該シールリムの周囲に配設された円環状硬質シート面とを含んだシートリングと、
上記弁箱内に配設された、上記シートリングを保持するためのシートリング保持具と、
（１）上記円環状シールリムと係合して流体をシールして流体流れに対する一次シートを形成する、弾力性を有するシート材料からなる軟質シートディスクと（２）上記円環状硬質シート面に流体をシールするように係合して流体流れに対する二次シートを形成する、外方へ突出した円環状の鍔部とを含んだ、上記シートリング保持具内に摺動可能に配設された弁体部材とを備えており、
該弁体部材が、上記シートリングの中央空洞内に挿入される弁体端部を有しており、上記流体流れを制御して、上記一次および二次のシートが流体流れに対して初期の開状態にあるときに流体流れが上記流体通路を通過することを妨げるために、上記弁体端部と上記シートリングとの摺動可能な嵌合によって少なくとも一つの不感帯域を形成してなる流体弁。
【請求項２】
上記弁体端部が、そこから横方向に延びる円環状の肩部を有しており、該肩部が上記流体通路を通る流体流れをそらせて、弾力性を有するシート材料からなる上記軟質シートディスクから離すためのものである請求項１記載の流体弁。
【請求項３】
上記円環状の肩部が、上記流体流れを軟質シートディスクからそらせて離すための傾斜面を有してなる請求項２記載の流体弁。
【請求項４】
上記弁体端部とシートリングとのあいだに画される第二の不感帯域を有してなる請求項２記載の流体弁。
【請求項５】
上記第一および第二の不感帯域が、流体流れを制御するために順次に動作しうるように構成されてなる請求項４記載の流体弁。
【請求項６】
上記一次シートによる軟シールに対する過負荷を防止するための上記二次シートの着座の前に、上記一次シートが着座するように構成されてなる請求項１記載の流体弁。
【請求項７】
粒子状物質を含む流体の流れに使用され、入口および出口を有する弁箱を備えた流体弁であって、その改良が、
上記弁箱内における上記入口と出口とのあいだに配設され、粒子を含んだ上記流体の流体通路を構成する中央空洞を有するシートリングであって、上記中央空洞の周囲に配設された円環状シールリムと該シールリムの周囲に配設された円環状硬質シート面とを含んだシートリングと、
上記弁箱内に配設された、上記シートリングを保持するためのシートリング保持具と、
（１）上記円環状シールリムと係合して流体をシールして流体流れに対する一次シートを形成する、弾力性を有するシート材料からなる軟質シートディスクと（２）上記円環状硬質シート面に流体をシールするように係合して流体流れに対する二次シートを形成する、外方へ突出した円環状の鍔部とを含んだ、上記シートリング保持具内に摺動可能に配設された弁体部材とを備えており、
該弁体部材が、上記シートリングの中央空洞内に挿入される弁体端部を有しており、上記流体流れを制御して、上記一次および二次のシートが開閉するあいだ、上記弁体端部と上記シートリングとの摺動可能な嵌合によって少なくとも一つの不感帯域を形成してなる流体弁。
【請求項８】
上記弁体端部が、そこから横方向に延びる円環状の肩部を有しており、該肩部が上記流体通路を通る流体流れをそらせて、弾力性を有するシート材料からなる上記軟質シートディスクから離すためのものである請求項７記載の流体弁。
【請求項９】
上記弁体端部とシートリングとのあいだに画される第二の不感帯域を有してなる請求項８記載の流体弁。
【請求項１０】
上記第一および第二の不感帯域が、流体流れを制御するために順次に動作し、上記一次および二次のシートが初期の開状態にあるときに流体流れが上記流体通路を通過することを妨げるように構成されてなる請求項９記載の流体弁。
【請求項１１】
上記一次シートによる軟シールに対する過負荷を防止するための上記二次シートの着座の前に、上記一次シートが着座するように構成されてなる請求項１０記載の流体弁。
【発明の詳細な説明】
本発明は流体制御弁に関し、粒子状物質を含んだ浸食性の流体の流れを調整するための流体制御弁に関する。
技術背景
プロセスシステムにおいては、たとえば搬送される粒子を含んだ高流速の流体などの浸食性流体を搬送するための配管を接続する必要性がしばしば生じる。一例としては、浸食性のある触媒のキャリーオーバーや流体流れの中に蓄積された異物が存在するシステムである。
このような浸食性のあるシステムでは、流体制御弁が良好な作動状態を維持するように要求される。とくに、高速の粒子を含んだ浸食性流体はシートを急激に浸食するため、弁の全部品を定期的に取り替えねばならないことがある。非常に厳しい条件では、流れの中の高速の浸食性流体およびダメージを与えうる大量の粒子によってシートが浸食されるので、毎日のように部品の取り替えが必要になることがある。
発明の概要
本発明の趣旨に基づけば、多量の粒子を含んだ流体の制御など、浸食性を有する流体条件に対して信頼性をもった動作が可能な流体制御弁が提供される。弁体のシートは軟質の一次シートと金属製の硬質の二次シートとを備えている。軟質シートは、軟質のプラスチック材料、すなわち、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、または他の材料すなわち力が加わったときにヒビが入ったり割れたりせずに変形しうる程に十分に軟質な材料から形成することができる。本発明の一次の軟質シートおよび二次の金属製硬質シートは、たとえば、非平衡であるコンツァードプラグ（an unbalanced,contoured valve plug）のような、流体が弁体に向かって上方に流れ込み、弁座を通過していく弁体であればいかなるものにも適用することができる。運転中は、弁体の一次軟質シートがまずシートリングに当接し、その後二次硬質シートがシートリングに当接するまでは一次軟質シートに駆動荷重が加えられる。この時点からは、弁棒のいかなる追加の荷重も硬質の金属シートが支持するので軟質シートへの過負荷は防止される。さらに、弁が開弁状態となって流体の流れがシート面上を通過するときにこの上方に向けて流れる流体を一次の軟質シートから離すようにそらせるための流れ誘導部が弁体に形成されている。
この二次の硬質の金属製シートと上記流体流そらせ部とによって保護された軟質シートを備えた二重シート構造に加えて、弁体の少なくとも一カ所の不感体域（dead band area）が設けられている。この不感体域は、弁体のシート面が十分に開いた状態でこのシート面を横切る有効な流路域が流体の流れを制限することのないように、十分長い寸法とされている。これによって、シート面を横切る流体の流速は低く保持される。一旦弁体が、流体が弁内を通して流れ始める点に移動すると、弁体における流体流そらせ部が流体流れを弁体のシート面から離すようにそらせる。これは、粒子を含む流体の流れや他の浸食性流体の直接衝突によるダメージからシート面を防護することとなる。
弁が閉じていくと、弁体の上記不感体域は高速流体がシート面上を通過することを再度制限することとなり、それから弁体は閉弁位置に至る。
粒子を含む流体の流れに対して使用される本発明の一態様にかかる流体弁は、入口および出口を有する弁箱を備えている。上記弁箱内における上記入口と出口とのあいだに配設されたシートリングは、粒子を含んだ上記流体の流体通路を構成する中央空洞を有している。このシートリングは、上記中央空洞の周囲に配設された円環状シールリムと該シールリムの周囲に配設された円環状硬質シート面とを備えている。
シートリング保持具が上記シートリングを弁箱内にしっかりと保持している。上記シートリング保持具内に摺動可能に配設された弁体は、上記円環状シールリムと係合して流体をシールして流体流れに対する一次シートを形成する、ＰＴＦＥなどの弾力性を有するシート材料からなる軟質シートディスクを有している。
この弁体部材はさらに、流体をシールするように上記円環状硬質シート面に係合して流体流れに対する二次シートを形成する、上記弁体部材から突出した円環状の鍔部を有している。また、この弁体部材は、上記シートリングの中央空洞内に挿入される弁体端部を有しており、この弁体端部は、上記シートリング内の流体通路の内壁との摺動可能な嵌合によって少なくとも一つの不感帯域を形成している。この不感帯域は、上記流体流れを制御して、上記一次および二次のシートが流体流れに対して初期の開状態にあるときに流体流れが上記流体通路を通過することを実質的に妨げる。上記弁体端部はそこから横方向に延びる円環状の肩部を有しており、この肩部は、上記流体通路を通る流体流れをそらせて弾力性を有するシート材料からなる上記軟質シートディスクから離す。
上記シートリングと上記弁体端部に形成された第二の不感体域とは、この二重の不感体域によってより選択的に流体流れを制御できるようにしている。とくに、上記二重の不感体域により、一次シートと二次シートとが開いても（すなわち着座状態から離れても）、シートリングを実質的に通過する流体の流れは制限される。弁体のシートリングへの着座位置からそのストロークの約２０％離れた位置においては、一方の不感体域は取り除かれているが、他方の不感体域はまだ弁座を通過するいかなる実質的な流体流れをも制御する作用を奏している。したがって、軟質シールリングは、浸食性流体が流体通路を通るようになるまではシートリングからさらに離れてもよい。弁体がそのストロークの５０％位置に至ったとき、ついに第二の不感体域が取り除かれ、流体はシートリングを通過して流れることができる。この位置においては、軟質シールはシートリングから十分に離れ、また、上記流れそらせ部は流体流れを軟質シートからそらせる作用を信頼性をもって奏する。そして、この位置においては弁体は弁を通過する流体の流れを絞り（throttle）始める。
【図面の簡単な説明】
新規であると確信する本発明の特徴は、付属のクレームにおける特徴とともに以下に説明される。この発明は添付の図面とともに以下の記述を参考にすることにより最もよく理解できる。上記図面においてはいくらかの図の中の同じ要素には同じ番号が付されており、そして、その図面について、
図１は、本発明にかかる流体制御弁を示す部分断面図であり；
図２は、図１の流体制御弁の弁体およびシート（弁座）を示す分解断面図であり；
図３は、図１の流体制御弁の一次軟質シートおよび二次硬質シートを示す拡大部分断面図であり；
図４は、一次シートおよび二次シートが弁座から離れた状態で流体流れを制御するうえでの二重不感帯（double dead band）域の有効範囲を示す部分断面図であり；
図５は、弁体が弁座からそのストロークの２０％離れた状態での、単一の不感帯域の有効範囲を示す部分断面図であり；
図６は、５０％ストロークにおける弁体と、一次シートを保護する流体流そらせ部（偏向部）とを示す部分断面図である。
詳細な説明
図１は、流体流れ、とくに、粒子状物質を含んだ浸食性の流体の流れを調整するための流体制御弁１０を示している。この流体制御弁１０は、流体入口１４と流体出口１６と流体入出口１４、１６のあいだの弁箱ボア１８とを有する弁箱１２を備えている。上記弁箱ボア１８内にはシートリング（弁座）２０が好適に取り付けられており、このシートリング２０は従来の弁構造を採用してシートリング保持具２２によって弁箱にしっかりと保持されている。
シートリング２０は流体通路２４を構成する中央空洞を備えており、それにより、弁が開弁状態にあるときに弁入口１４から弁出口１６へ流体が流れるように連通している。図１は、後述する保護された二重シートによって全閉状態になっている流体制御弁１０を示している。
弁体２６はその一端に弁体端部２８を備え、他端にねじ部３０を備えている。このねじ部３０は弁体ガイド３４内のねじ部３２に螺合して取り付けられており、この弁体ガイド３４はシートリング保持具２２内に摺動可能に嵌合されている。したがって、図１に示すように、弁体２６は、弁体ガイド３４の上部外周面３８および下部外周面４０をそれぞれシートリング保持具２２の内周面によって摺接、案内されながら、弁体ガイド３４内にしっかりと螺着された弁棒３６によってシートリング保持具２２内を移動させられる。上記弁体端部２８はそこから半径方向外側に突出した円環状の鍔部４２を有している。この円環状の鍔部４２は、肩部の上面４４、傾斜した下面４６、およびこれら両面４４、４６をつなぐ外周面４８によって形成されている。この弁体の外周面４８はシートリング２０の上部内周面５０の内側にきっちりと嵌合し、後述するように、流体通路２４を通って流れる流体を制御する第一の上部不感帯域５１（図３、４参照）を形成する。流体通路２４を通って流れる流体を制御する第二の下部不感帯域５３は、弁体の外周面域５２とシートリング２０内の下部内周面５４との嵌合によって得られる（図３、４参照）。
軟質シールリング５６は、軟質プラスチック材料、すなわち、ＰＴＦＥや弾力性を有する他の材料、すなわち力が加わったときにヒビが入ったり割れたりせずに変形しうる程に十分に軟質な材料から形成されており、弁体ガイド３４の一端に形成された好適な形状の凹部５８内に配設されている。この軟質のシールリング５６は、弁体２６の上記肩部の上面４４上に乗るとともに、シートリング２０の円環状シールリム６２と係合してシールし得るように上記肩部の上面４４を越えて外方に延びる周縁シール部６０を含むような寸法にされている。このシールリング５６と円環状シールリム６２との係合は流体制御弁１０の一次シートを提供している。
シートリング２０はまた上記円環状シールリム６２の外側周囲に、弁体ガイド３４に形成された円環状鍔部６６と係合して流体をシールするための硬質シート面６４を備えている。この円環状鍔部６６がシートリングの硬質シート面６４に係合することにより、流体制御弁１０の二次シートが提供される。
図３は、上記シールリング５６と円環状シールリム６２との軟シールによって得られる一次シートの形成をより詳細に示している。さらに図３は、円環状鍔部６６と円環状の硬質シート面６４との係合によって得られる二次シートをも示している。したがって、弁体ガイドとシートリングとが金属から形成され、リングシール５６が弾力性を有する軟質材料から形成されているので、一次シートは軟質シール構造を構成し、一方、二次シートは金属と金属との硬質シート構造を構成することになる。
弁体の一次の軟質シートは、これが最初にシートリング２０に当接し、二次の硬質シートがシートリングに当接するまで力が加えられる。この二次硬質シートとシートリングとの当接の時点からは、弁棒のいかなる追加の荷重も硬質の金属シートが支持するので軟質シートへの過負荷は防止される。さらに、浸食性流体の流れからの軟質シートの防護が、弁体２６の円環状の鍔部４２の傾斜した下面４６によって提供される。すなわち、この下面４６は、流体の流れを軟質シールリング５６の外周シール域６２から離すように偏向させる偏向部材として作用するのである。
図３はまた、二重の不感帯域５１、５３を詳細に示している。上部不感帯域５１は弁体の方の外周面４８とシートリングの一方の内周面５０との嵌合によって画される。下部不感帯域５３は弁体の他方の外周面５２とシートリングの他方の内周面５４との嵌合によって画される。
図４、５、６には、軟質シール材料を浸食性流体から防護する上記二重の不感帯域の作用が示されている。図４は、弁棒３６の駆動によって弁体２６がシートリング２０からちょうど離れた状態を示している。図４によれば、一次シートの軟質シールリング５６および二次シートの円環状鍔部６６がともにシートリングから離れていることが判る。しかしながらこの弁状態では、弁体とシートリングとがぴったりと嵌合することによって生じたクリアランスの無い長さ部分である二重不感帯域５１、５３により、流体は僅かしか流れないかまたは全く流れない。弁体の不感帯域は、弁体のシート面が十分に開いた状態でこのシート面を横切る有効な流路域が流体の流れを制限することのないように、十分長い寸法とされる。これによって、シート面を横切る流体の流速は低く保持される。図４から、上記二重の不感帯域は嵌合状態であるため、弁体がシートリングのシート面（弁座）から離れることによって直ちに流体の流れを制限することが判る。
図５は、弁棒３６が駆動されて弁体２６をシートリングに完全に着座している状態（たとえば、図１に示す完全着座位置）からストロークの約２０％の位置まで移動させた状態を示している。図５から判るように、既に弁体の外周面４８とシートリングの内周面５０との嵌合が解かれて上部不感帯域５１が取り除かれている。しかしながら、弁体の下部の外周面５２はまだシートリングの下部内周面５４との嵌合を維持しているので、下部の不感帯域５３は流れを制御するうえで有効であることが判る。このようにして、軟質シールリング５６は、流体が流体通路２４を実質的に通るようになるまでシートリングから離されていくとともに、そのあいだ、流体の流れは少流量かまたは全く流れない状態になるように制御され続ける。
図６においては、弁棒３６が駆動されて弁体２６をシートリング２０からストロークの約５０％の位置まで上昇させている。図６から判るように、今や弁体の下部外周面５２は上昇させられてシートリングの下部内周面５４との接触が解かれ、下部の不感帯域５３は有効には作用し得なくなっている。そして、流体は弁入口１４から流体通路２４を通って弁出口１６に流れることができる。図６に示される弁状態では、軟質シールリング５６とシートリング２０とのあいだに十分な間隔がおかれ、軟質シールリング５６は流体の流れから離されている。さらに、この時点では、上記傾斜面４６によって流れの偏向がなされており、流体の流れはシールリングの周縁シール部６０からそらされ、このシート面は流体の流れの直接衝突によるダメージが回避されている。これは、浸食環境にある従来の弁体構造においては日常的に生じるダメージ、すなわち、流体流れによるエロージョンダメージから軟質シート面を十分に保護する。図６に示す弁体ストロークの５０％位置において、弁体の先端部２８は流体流れを絞る作用を開始する。
このように、ここで詳述された流体制御弁１０は軟質の一次シートと、この一次シートを保護する硬質の二次シートとを提供し、さらに、上記軟質のシート面がシートリングから十分に離れるまでは軟質シート面に流体流れが衝突しないようにするための二重の不感帯域を提供する。加えて、本弁は、流体が弁内を流れ始め、流体流れの絞りが生じ始めたときに、流体流れを軟質シールからそらせる流体偏向部をも提供する。
本発明のコンセプトは、流体が弁体に向かって上方に流れ込み、弁座を通過していく弁構造であればいかなる弁にも適用することができものであると理解されるべきである。本発明の原理の最も一般的な適用は、非平衡であるコンツァードプラグ（an unbalanced,contoured valve plug）に対する適用である。本発明の弁は、汚濁した浸食性流体に対して使用する場合に、一次の軟質シートをその流体流れの直接衝突から保護しうる高い価値を有する長寿命のシート構造を提供する。
以上の詳細な説明は理解を明確にするためにのみなされたものであり、変形は当業者にとって自明であるから、そこからは不必要な限定と解釈するべきではない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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