(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一ポート（１６）と第二ポート（１８）と連通流路（１４）とを有する弁箱（１２、１３）と、
前記流路（１４）を通る流体の流れを制御するために閉弁位置から開弁位置へ流路（１４）内で回転しうるように且つ前記弁箱（１２、１３）内に不動に組み込まれたボール（２４）と、
前記ボール（２４）に近接して前記流路（１４）内に固定的に組み込まれるとともに、前記流路（１４）内を通る流体の流れによって発生するノイズを減衰させるための複数個の開口（４４）と、前記ボール（２４）に対向する環状空隙を有する突出周縁部（５０）とを有する第一ノイズ減衰器（４０）と、
前記ボール（２４）に接触するように前記第一ノイズ減衰器（４０）に組み込まれた第一環状シール部材（３６）と、
前記第一環状シール部材（３６）を保持するための手段を有し且つ前記環状空隙内に摺動自在に組み込まれた環状のシール保持部材（５６）と、
閉弁状態において、前記第一環状シール部材（３６）を前記ボール（２４）に係合させるように押圧するために前記シール保持部材（５６）に連結されたバネ手段（６０）とを備えており、
前記バネ手段（６０）が第一環状シール部材（３６）およびシール保持部材（５６）と協働して、ボール（２４）が開弁位置にあるときには第一シール力により、また、ボール（２４）が閉弁位置にあるときにはより大きい第二シール力により、第一環状シール部材（３６）をボールに接触させるように構成された、流体の信頼性の高い閉止を提供する、ノイズ減衰器を備えた回転式流体制御弁。
【請求項２】
前記流路（１４）を通る流体の流れによって発生するノイズを減衰させるための複数個の開口（４４）を有し、前記ボール（２４）に近接し且つ前記第一ノイズ減衰器（４０）の反対側に位置するように前記流路（１４）内に組み込まれた第二ノイズ減衰器（４２）と、
該第二ノイズ減衰器（４２）と前記ボール（２４）とのあいだに組み込まれた第二環状シール部材（３８）と、
閉弁状態において、前記第二環状シール部材（３８）を前記ボール（２４）と係合させるように押圧するために、該第二環状シール部材（３８）に連結された第二バネ手段とを有し、２方向の流体制御弁を構成する請求項１記載の回転式流体制御弁。
【請求項３】
前記シール保持部材（５６）が、前記バネ手段（６０）を前記環状空隙内に留め置くための、ならびに、前記シール保持部材（５６）および第一環状シール部材（３６）を前記ボール（２４）に対して押圧するための肩部（５８）を有してなる請求項１記載の回転式流体制御弁。
【請求項４】
前記第二ノイズ減衰器（４２）が前記流路（１４）内に浮動的に組み込まれてなる請求項２記載の回転式流体制御弁。
【請求項５】
前記第二ノイズ減衰器（４２）が、その中に第二環状シール部材（３８）が保持された突出周縁部を有してなる請求項４記載の回転式流体制御弁。
【請求項６】
前記第二バネ手段が、前記第二環状シール部材（３６）を前記ボール（２４）に押圧するために前記第二ノイズ減衰器（４２）の突出周縁部と前記弁箱（１２、１３）とのあいだに組み込まれてなる請求項５記載の回転式流体制御弁。
【請求項７】
前記流体の流れが、前記押圧に打ち勝って実質的に前記第二環状シール部材（３８）の前記ボール（２４）に対する係合を解くように前記第二ノイズ減衰器（４２）の前後の差圧を生ぜしめるように構成されてなる請求項６記載の回転式流体制御弁。
【請求項８】
流入ポート（７８）と流出ポート（７６）と連通流路（７４）とを有する弁箱（７２）と、
前記流入ポート（７８）から流出ポート（７６）への流体の流れを制御するために閉弁位置から開弁位置へ前記流路（７４）内で回転しうるように且つ前記弁箱（７２）内に不動に組み込まれたボール（８０）と、
前記ボール（８０）に近接して前記流路（７４）内に組み込まれるとともに、前記流入ポート（７８）と流出ポート（７６）とのあいだの流体の流れによって発生するノイズを減衰させるための複数個の開口（９４）を有するノイズ減衰器（９２）と、
当該流体制御弁（７０）の下流側であって前記ボール（８０）と前記ノイズ減衰器（９２）とのあいだに組み込まれた環状シール部材（１００）と、
前記環状シール部材（１００）に連結しうるように弁箱（７２）と前記ノイズ減衰器（９２）との間に介装されたバネ手段（１０４）、および、該バネ手段（１０４）の押圧力に対抗して前記ボール（８０）から離れる方向に前記環状シール部材（１００）を押圧する流体加圧手段、を有する圧力均衡式シール手段とを備えており、
前記圧力均衡式シール手段が、閉弁状態において前記環状シール部材（１００）を前記ボール（８０）に対してしっかりとシール係合するように押圧し、開弁状態において流体の流れを回転制御するに際し、前記ボール（８０）と前記環状シール部材（１００）とのあいだの摩擦を低減するために、ボール（８０）との係合を小さくするように前記環状シール部材（１００）を付勢するように構成されてなる、流体の信頼性の高い閉止と流体の流れを回転制御する際の低摩擦を提供する、ノイズ減衰器を備えた回転式流体制御弁。
【請求項９】
前記ノイズ減衰器（９２）が前記流路（７４）内に浮動的に組み込まれてなる請求項８記載の回転式流体制御弁。
【請求項１０】
前記ノイズ減衰器（９２）が、その中に前記環状シール部材（１００）が保持された突出周縁部（９６）を有してなる請求項９記載の回転式流体制御弁。
【請求項１１】
前記バネ手段（１０４）が、前記環状シール部材（１００）を前記ボール（８０）に押圧するために前記ノイズ減衰器（９２）の突出周縁部（９６）と前記弁箱（７２）とのあいだに組み込まれてなる請求項１０記載の回転式流体制御弁。
【請求項１２】
前記流体の流れが、前記押圧に打ち勝って実質的に前記環状シール部材（１００）の前記ボール（８０）に対する係合を解くように前記ノイズ減衰器（９２）の前後の差圧を生ぜしめるように構成されてなる請求項１１記載の回転式流体制御弁。
【請求項１３】
前記ボール（８０）の前記第一環状シール部材（１００）とは反対側の部分に接触するように前記流路（７４）内に組み込まれる第二環状シール部材（１１２）と、
閉弁状態において、前記第二環状シール部材（１１２）を前記ボール（８０）に係合させるように押圧するために、該第二環状シール部材（１１２）に連結された第二バネ手段
とを備えてなる請求項８記載の回転式流体制御弁。
【発明の詳細な説明】
本発明は、流体制御弁に関する。さらに詳細には、ノイズ減衰器を有する流体制御弁に関する。
発明の背景
流体制御弁は、システムに適用されている流体の量を弁の制御器やアクチエータによって正確に制御するうえで有用である。正確な量の流体の搬送を制御するようなシステムにおいては、また、きわめて危険であり且つ高コストとなる流体追加(fluid additives)の適用および使用を保持するためには、流体の正確な制御が望まれる。制御弁はまた、その閉弁状態にあるときには漏洩による流体の損失を防止するために流れを閉止しうる信頼性の高いシール機能を有さねばならない。しばしば、配管系においては系内の空力学的および水力学的なノイズを減少させるために単段および多段の減衰性能を有するノイズ減衰器が使用される。その場合、流体制御弁内に前記ノイズ減衰器を組み込んでおくことが好ましい。
そのような流体制御弁は、典型的にはその弁箱内の流路に組み込まれた回転式のボール状制御部材を有し、そのボールと弁箱内壁とのあいだに好適なシール部材を備えたものである。通常は、ボール状制御部材の閉弁位置において、ボールは弁の入口から出口に至る弁箱の流路を流通する流体の流れを、シール部材との密な係合によって閉止する。流体の流れはこのようにしてボール状制御部材によって止められ、流体が回転式ボール状制御部材と弁箱内壁とのあいだを流通することを信頼性の高いシールによって防止し、好ましくない弁外への漏洩を防止する。
典型的な流体制御弁において、ボール状制御部材が弁箱の流路内で開弁位置まで回転すると、流体の流れは弁入口からボールを通して弁出口まで通過しうるようになる。しかしながら、閉弁状態において、信頼性の高いシールを保証するためにボールに対して十分なシール荷重を負荷すれば、流体制御のためににボールを回転させるときにはボールとシール部材とのあいだに高い摩擦を引き起こすことになる。このように、閉弁中に十分なシールを得るためのシール荷重によって生じる高い摩擦は、多くの場面で望まれる正確な流量を決定するために必要なボール状制御部材を正確な位置にするという機能を損なってしまう。さらなる問題は、流体制御弁の構造にノイズ減衰器を組み込むという必要性である。
したがって、ノイズ減衰器を有するとともに信頼性の高い閉弁時シール機能を備えた流体制御弁が渇望されている。さらに、弁の操作中のボールとシールとの摩擦が大幅に低減されることによって正確な流体流れの制御が可能となる流体制御弁とノイズ減衰器とを組み合わせたものが渇望されている。
発明の概要
本発明の趣旨は、信頼性の高い閉弁時シール状態を得るために、ボール状制御部材の環状シール部材に連結されるバネ手段を有するノイズ減衰器を備えた流体制御弁を提供することである。本発明の他の態様に係る回転式流体制御弁は、環状シール部材に連結されるバネを有する圧力均衡式シール手段(pressure balanced seal means)を提供する。前記バネは、閉弁状態で信頼性の高いシールを提供するとともに弁操作中には環状シール部材とボール状制御部材とが低摩擦の状態で係合するように付勢するための手段である。
本発明の第一実施例において、第一ポート、第二ポートおよび連通流路を有する回転式流体制御弁と流れ減衰器との組み合わせが提供される。回転式ボール制御部材は流体の流れを制御するために前記流路内に回転自在に組み込まれており、複数個の開口を有する減衰器は前記回転式ボールに近接して流路内に固定状態で組み込まれている。環状シール部材を含む浮動型（floating）のシール機構と前記環状シール部材に連結されたバネ手段とが、前記回転式ボールに接触した状態で減衰器内に組み込まれている。そうすることにより、前記環状シール部材を閉弁状態にある前記ボールに係合するように押圧することが可能となる。
この固定式減衰器と浮動式シール機構とは、二方向流体制御弁においてとくに有用である。二方向流体制御弁においては、最初に述べた減衰器および浮動式シール機構のように前記減衰器とボールとのあいだに浮動的に組み込まれるバネ手段と環状シール部材とのそれぞれに沿い、且つ、ボールを挟んだ反対側に固定状態で組み込まれる第二減衰器をさらに備えてもよい。本発明のこの形態はとくに本発明の二方向態様において有用である。したがって、前述したボール状制御部材の両側に配設された二個の固定式減衰器と浮動式シール機構とを有する回転式流体制御弁はいずれの流れ方向に対しても有用となる。
本発明の第二態様は、複数個の開口を有する減衰器が弁箱の流路内に浮動的に組み込まれており、前記減衰器が、その内部に回転式ボールと接触する状態で組み込まれる環状シール部材を有するものである。弁箱と減衰器とのあいだにはバネが組み込まれている。開弁状態においては、流れに起因して生じる減衰器通過時の流体の圧力降下がシール部材をボールの表面から押し退けるように付勢するため、シール部材の摩擦および磨耗を低減し、回転式ボール部材の正確な制御を可能にする。閉弁するときには、減衰器通過時の流体の圧力降下は低減され、その結果、前記バネが残存する差圧に打ち勝ってシール部材をボール表面に押圧することとなる。
【図面の簡単な説明】
新規である本発明の特徴はとくに追加クレームによって説明される。本発明は添付図面と併せて以下の説明により、完璧に理解されるであろう。前記添付図面のいくらかにおいては、同様の構成部分に対しては同じ符号が用いられている。
図１は本発明に係る流体制御弁の断面図である。
図２は図１の流体制御弁のダイナミックシール部材とボール状制御部材とを示す部分断面図である。
図３は本発明の第二実施例を示す流体制御部材の概略図である。
図４はボール状制御部材の他のダイナミックシール機構を示す、図３の流体制御弁の部分断面図である。
詳細な説明
本発明の趣旨は、ノイズ減衰装置を備えた回転式流体制御弁のボール状制御部材のためのダイナミックシール構造を提供することである。図１は二個の減衰器を有する構造を示している。図２は流体の二方向流れに対してとくに有用な流体制御弁のダイナミックシール機構を示している。図３および図４は一方向流れの流体制御弁における他のダイナミックシール構造を示しており、この弁は閉弁時には信頼性の高いシール状態でボールと係合するとともに流れ制御時にはボールに実質的に摩擦が生じないような圧力均衡シール状態を実現しうることを特徴としている。
流体制御弁１０は、第一ポート１６と第二ポート１８とのあいだをいずれの方向にも流体を通じさせるための流路１４をそれぞれ有する端部材１２、１３を備えている。流体制御弁１０には配管系に持続するための接続用フランジ２０、２２が備えられている。回転式のボール状制御部材２４は弁箱２８内に組み込まれる回転式シャフト２６を有している。前記ボール状制御部材２４はその対向面３２、３４間を貫通するチャンネル３０を有している。
図１に示す開弁状態においては、流体の流れが第一ポート１６と第二ポート１８とあいだでいずれの方向にも制御されうるように、チャンネル３０が流路１４と連通する位置に前記シャフト２６が回転している。もちろん、流体の流量は、弁アクチエータや位置制御機構(positioner/controller configuration)を用いた通常の手法によって前記シャフト２６を回転することにより制御されることは理解できるであろう。
本制御弁１０を流通する流体流量の正確な制御はしばしばなされる必要がある。流体の流れはシャフト２６の回転によって閉止され、チャンネル３０は流路１４とは連通しなくなる。ボールの表面３２、３４は閉弁状態において各円環状シール部材３６、３８としっかりと係合することが要求される。それによって流体の流れは確実に閉止され、制御されるべき危険なまたは高価な流体の漏洩や損失が防止される。
流体制御弁１０の内部に、配管系で生じる空力学的および水力学的なノイズを減衰するために個々のノイズ減衰器４０、４２が組み込まれている。各ノイズ減衰器４０、４２はドーム状(dome-shaped)を呈しており、このドーム状ノイズ減衰器を貫通して流路を構成する複数個の開口４４を有している。
図２には、ノイズ減衰器が二方向制御弁１０内に組み込まれた、本発明の好ましい実施例が示されている。この実施例では、開弁状態において流体の流れを正確に制御するという要求性能および閉弁状態において確実に流体を閉止するという要求性能が実現される。弁箱の端部材１２は段付空隙部(stepped cavity section)４８が形成されたフランジ部４６を有している。
図２に示すように、減衰器ドーム４０は外形が前記段付空隙部４８と対応する段付形状にされた突出周縁部５０を有している。該突出周縁部５０の好適な環状凹所にオーリング５２が嵌着されている。減衰器ドーム４０は、その突出周縁部５０が弁箱端部材１２の段付空隙部４８内に挿入されたうえで、弁箱フランジ４６にボルト５１を螺入することにより二個同時に締付けられて弁箱端２８内に組み込まれている。こうすることにより、軸受け板５３は前記フランジ部４６にしっかりと挟圧され、その結果、ノイズ減衰器４０が弁箱２８と弁箱端部材１２とのあいだに保持される。
ボール状制御部材２４のシールは、浮動式シール構造を減衰器内に浮動的に組み込むことにより実現される。すなわち、ボール２４の球状表面３２に動的に係合するシール部材３６が備えられている。該シール部材３６は、肩部５８を有する環状のシール保持部材５６内に挿入されうる環状の部材である。前記シール保持部材５６は、減衰器ドームの突出周縁部５０内の環状凹所に適合する寸法とされている。
シール保持部材５６の肩部５８と減衰器ドームの突出周縁部５０のストッパ壁６２とのあいだにバネ６０が止められている。このバネ６０は環状波形バネ(annular wave spring)であってもよく、シール部材３６はナイロン、テトラフルオロエチレンもしくは他のエラストマーまたは好適な金属材から形成されてもよい。
図２に示されるように、本発明によれば、チャンネル３０が第一ポート１６から流入した流体流に連通する開弁状態にある弁１０において、シール保持部材５６に設置されたバネ６０が前記シール部材３６を球形表面３２に押圧する。このシール部材３６とバネ６０は、その寸法とバネ力とがシール部材３６と球形表面３２とのあいだの摩擦を最小にしうるように調節されている。それにより、定常流において要求される正確な制御操作を可能にしている。また、チャンネル３０がもはや弁箱の流路１４と連通しなくなった閉弁状態にある弁１０においては、流路１４中に閉止された流体の圧力がシール保持部材５６に作用することにより、シール部材３６が球形表面３２にしっかりと係合し、信頼性の高い閉止状態が確保される。所望により、シール保持部材５６の周囲からの漏洩防止のためにオーリング６４を用いてもよい。
図２に示されるダイナミックシール構造は、図１の双方シール構造(dual seal configuration)に適用することもでき、また、双方閉止(double block)および流体抽出(fluid bleeding)構造として、双方シール保全のために流体抽出に使用することもできる。図２のダイナミックシールはまた流体制御弁における単段減衰器／シールとしても使用することができる。
図３および図４を参照すれば、そこにはとくに一方向流れの流体に適用されうるダイナミックシールを有する流体制御弁７０が示されている。この弁７０は、ボールの回転時にボールに対してゼロまたはきわめて小さい摩擦しか生ぜしめず、一方、閉弁時にはきわめてしっかりしたシール係合を提供する。
この流体制御弁７０は、流体が流入ポート７８と流出ポート７６とのあいだを連通しうる流路７４を有する弁箱を備えている。ボール状制御部材８０はチャンネル孔８２と弁を開弁状態および閉弁状態に位置せしめる回転シャフト８４とを有している。前記開弁状態ではチャンネル８２が流路７４と連通する状態であり、閉弁状態ではチャンネル８２がもはや流路７４と連通しなくなり、且つ弁箱内で球形表面８６、８８が各シール部材にしっかりと係合する状態である。
図４から判るように、この構造は、図２を参照して前述したような減衰器が固定され且つシール保持部材５６内でシール部材５４が動的に押圧される構造ではく、そのシール機構は、遊離して動的に押圧される減衰器構造内に嵌着されたシール材を有するものである。
図４において、弁箱７２はその下流部位に段付き空隙部９０を有しており、その段付き空隙部９０内に、開口９４列を備えたノイズ減衰器９２が組み付けられている。減衰器９２の突出部は、環状シール部材１００が嵌着される環状の溝９８を有している。減衰器の突出部周縁部９６には外側肩部１０２が形成され、それにより、この外側肩部１０２と弁箱のフランジストッパ壁１０６とのあいだに組み付けられた環状波形バネ１０４が収容される。シール機構の周囲の漏洩はオーリング１０８によって防止されている。所望により、前記シール機構空隙に破片物や屑の類が集積することを防止するため、また、好ましくないノイズ源となる可能性のある音の発生を防止するため、弾力性を有する材料から環状に形成された間隙シール部材(gap seal member)を用いてもよい。双方閉止および抽出シール(bleed sealing)が必要な場合には、標準的なバネ力が負荷されたボールシール部材１１２が弁における上流部位に組み込まれる。
図４から、本発明のこの実施例が弁の下流部位における流出側シール／減衰器として使用される場合には、開弁により、示された方向の流体の流れが減衰器９２を通過することにより圧力降下してシール部材１００を球形表面から押し退けるように作用し、シール部材の摩擦および磨耗が低減する、ということが判る。前記圧力降下は、シール部材１００とボールとが係合しないことを保証するために前記バネ力と同じかまたは僅かに大きいものであることが望まれる。これにより、正確な流体制御が達成される。
ボールが閉止位置に来てチャンネル８２がもはや流路７４と連通しなくなると、減衰器を通って生じる圧力降下は減少し、バネ力が僅かに残存している差圧に打ち勝ち、シール機構１００を球形表面８６に押圧する。
したがって、本発明によれば、一方向流れまたは二方向流れ、一方向閉止または双方閉止、および、抽出シールに有用な流体制御弁に対し、極めて信頼性の高いダイナミックシール構造が提供される。ここで述べた減衰器付き流体制御弁は、液体および気体を含めたあらゆる流体に適用することができる。直径が約０．１２５インチ（０．３１８センチメートル）の開口を有する減衰器を原型品に用いた。気体用の減衰器の開口はこれより小さい直径となる。液体用の開口は、キャビテーション防止性能を向上させるための特殊な形状にしてもよい。また、ドーム状減衰器の他に、ボールの反対側の表面９７を例えば平面のような他の形状にした減衰器を用いてもよい。さらに、製造コスト低減および在庫要求のため、および製品自由度の向上のため、図２の実施例と図４の実施例とに対して同一の弁箱を使用しうることが望ましい。
以上の説明は理解を明瞭にするためだけになされたものであり、不要な限定をするためのものではないことが理解されるべきである。本発明の改善は当業者にとって自明だからである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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