プロセス制御バルブに使用するフレキシブルシール
【課題】プロセス制御バルブに使用する金属バタフライバルブは、高温で高圧力のプロセスの使用に適しているが、一般に摩耗の影響を受けやすいことから、こまめな管理が必要でコストも高くなってしまう。弾性と剛性が独立して制御され、シール周辺に漏れが生じないような固定シールを提供する。
【解決手段】実施形態に係るシールは、バタフライバルブに固定するとともに、バルブ本体を囲むように構成された実質弾性環状キャリアを備えている。また、シールは、実質弾性キャリアに固定される外周表面と、バルブ本体と作動可能に接触する制御部材とシールするように連結する内周面と、を有する実質剛性シールリングを備えている。
【解決手段】実施形態に係るシールは、バタフライバルブに固定するとともに、バルブ本体を囲むように構成された実質弾性環状キャリアを備えている。また、シールは、実質弾性キャリアに固定される外周表面と、バルブ本体と作動可能に接触する制御部材とシールするように連結する内周面と、を有する実質剛性シールリングを備えている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、一般的にはシールに関し、より詳細にはプロセス制御バルブとともに使用するフレキシブルシールに関する。
【背景技術】
【0002】
概して、オイルやガスのパイプライン配給システムや化学処理プラントなどの産業プロセスにおいては、プロセス制御流体を制御することが必要である。産業プロセスよっては、プロセス流体の流れを制御するためにバタフライバルブが使用される場合がある。一般に、圧力状況、運用温度、およびプロセス流体などの産業プロセスの状況によって、バルブ(使用されるバタフライバルブシールの種類も含む)が選択される。
【0003】
図1に既に知られている一部のバタフライバルブ50を示す。このバタフライバルブ50は、例えば、エマージョンプロセスマネージメント社(ミズーリ州セントルイス)の一事業部であるフィッシャー(登録商標)製の8510バルブであって、ポリテトラフルオロチレン(PTFE)からなるシールである。典型的なPTFEシールでは、PTFEシールリング52がバルブ本体54内に確保されている。バルブ50がシールを形成すように閉じると、PTFEシールリング52はディスク56と接触する。図1に示すようなPTFEシールは、金属シールに比べ高いシール能力を発揮し、シール寿命も比較的長い。PTFEシールは、ディスク(例えばディスク56)がシール(例えばシールリング52)にシートしなくなるときのトルク値を小さくすることができるが、これは華氏450度以下におけるプロセスでの使用に限定される。
【0004】
図2に示すバタフライバルブ60に使用されるシール62のような、グラファイトラミネートシールも公知である。図2に示すグラファイトラミネートシール62は、一般に、三重偏心バルブとして知られるバタフライバルブに使用される。従来の二重偏心バルブに比べ、三重偏心バルブは、一般的にバルブ軸(図示せず)の回転中心とディスク64の回転中心の間に大きなオフセットを有する。このオフセットによって、ディスク64がシート66に近づいたり離れたりするとき、ディスク64およびシール62が偏心軌道に沿って移動することになる。これによって、閉状態において、実質的に膨張グラファイトラミネートシール62とシート66の接触領域が小さくなることになる。さらなる二重偏心バルブとの違いとして、三重偏心バルブのディスク64の断面は、閉状態近くにおいて、シール62とシート66の接触領域を小さくするために、一般的に、円よりも楕円の形状を有している。周知のように、三重偏心バルブ60は、いかなる状態においても(例えば、オン・オフのスロットリングにおいても)、ディスク64とシール62がシールされていないとき(つまり、シート66の開閉前後の作動)、シール62とシート66の接触領域を小さくすることで摩耗が少なくなるように構成されている。
【0005】
一般に、シール62は強固にディスク64に取り付けられ、また、シート66はバルブ本体68にとって不可欠なものである。図2に示された三重偏心の設計では、シート66に近づけたり離したりしてディスク64およびシール62を動かす際、タイトな遮断を確保するには高いトルクが必要になることから、不利になる場合がある。加えて、このタイプのシールは、状態を維持するのが難しい。例えば、本体68に不可欠であるシート66に損傷があれば、バルブ本体68も修理又は交換が必要となる。
【0006】
従来、バタフライバルブには金属シールが使用されてきた。そのような金属シールの1つ(図3に示すバルブ70の一部として示されている)は、エマージョンプロセスマネージメント社(ミズーリ州セントルイス)の一事業部であるフィッシャー(登録商標)製の8510Bバルブの金属シールである。図3に示すシールにおいて、片持ち金属シールリング72は、ディスク74との間でシールを形成するよう接触する。金属シールは、高温で高圧力のプロセスの使用に適しているが、一般に摩耗の影響を受けやすいことから、こまめな管理が必要でコストも高くなってしまう。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
上述した少なくとも2つの公知であるシールタイプの特性を結合しようとする試みが多くあった。そのような試みの1つが図4に示されている。図4はXomox(登録商標;オハイオ州コネチカット)製の耐火シールを有するバルブ80の一部を図示している。図4に記載された耐火シールは、PTFEシールと金属シールの要素を結合したものである。図4に示すように、第一のPTFEシール82は、第2の金属シール86にある受け溝84に保持される。耐火シールは、シールリング固定部90によってバルブ本体88に保持され、バルブ本体88に保持されている状態で、耐火シールの先行荷重によってベルビルワッシャに似た金属シール86において曲げ又は屈曲部92が生じるように構成されている。この先行荷重はスプリング力を生成し、ディスク94がシールと接触するときスプリング力は耐火シールをディスク94に接触するように動かす。これにより、PTFEシール部材82とディスク94の間に流体シールが形成される。運用する際には、第一のPTFEシール部材82は使い捨てとなる。例えば、PTFEシール部材82の周辺温度が華氏450度を超える炎の状態において、PTFE部材82は破損する(すなわち、昇華するか焼ける)が、屈曲部92を介して供給されたスプリング力によって、金属シール86はディスク94に接触し、それらの間に流体シールが維持される。しかしながら、図4に示すタイプの耐火シールは、屈曲部92において疲労故障を受けやすい。
【課題を解決するための手段】
【0008】
一の例によれば、バタフライバルブに使用するシールは、環状の実質弾性キャリアを備えている。この環状の実質弾性キャリアは、バタフライバルブに固定されるように、かつ、そこに配置されたバルブ本体を囲むように構成されている。前記のシールは、さらに、実質剛性シールリングを備えている。この実質剛性シールリングは、実質弾性キャリアに固定される外周表面と、バルブ本体と互いに関係してシールするように動作可能である制御部材にかみ合うように構成された内周表面と、を有している。
【0009】
他の例によれば、実質弾性環状キャリアを備えている。この実質弾性環状キャリアは、バタフライバルブに使用するシールが、バタフライバルブに固定されるように、かつ、そこでバルブ本体を囲むように構成されている。さらに、前記シールは、キャリアと連結されたカートリッジと、カートリッジに固定される実質剛性シールリングを備えている。この実質剛性シールリングは、シールするようにして作動可能なようにバルブ本体と接触する制御部材と結合する内周表面を有している。
【0010】
一のさらに他の例によれば、バタフライバルブに使用するシールは、環状の実質弾性シール部材を備えている。この実質弾性環状シール部材は、バタフライバルブの本体部分に固定されるように、かつ、そこのバルブ本体を囲むように構成されている。前記のシールは、さらに、流量制御弁を通過する流体の流れを制御する流量制御部材に固定されるように構成されたシールリングを備えている。前記のシールリングは、環状の弾性シール部材とシールするよう接触するように構成された外周表面を有するラミネート構造である。
【0011】
さらに、他の例によれば、シールとして使用される複数層の材料は、第1金属層、第1金属層に固定される第1膨張グラファイト層、及び、第1膨張グラファイト層に固定されたポリマー層を有している。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図1】図1は、公知のPTFEバタフライバルブシートの断面である。
【図2】図2は、三重偏心バタフライバルブに使用する公知のグラファイトラミネートシールの一部断面である。
【図3】図3は、バタフライバルブに使用する公知の金属シールの一部断面である。
【図4】図4は、金属シールとPTFEシールの要素を結合した公知のバタフライバルブシールの一部断面である。
【図5】図5は、弾性シールキャリアに固定される剛性シールリングを有する実施形態に係るシールを含むバタフライバルブの一部断面図である。
【図6】図6は、実施形態に係る図5のシールリングおよびシールキャリアの拡大断面図である。
【図7】図7は、実施形態に係る図5のシールに使用される代替のシール構造の拡大断面図である。
【図8】図8は、実施形態に係る図5のシールに使用される他の代替のシール構造の拡大断面図である
【図9】図9は、シールリングと弾性シールキャリアを結合するカートリッジを含むバタフライバルブの一部断面図である。
【図10】図10は、シールリングと弾性シールキャリアを結合する代替のカートリッジを表わした図9のバタフライバルブの一部断面図である。
【図11】図11は、実施形態に係るディスク上のグラファイトラミネートシールリングを含むバタフライバルブの一部断面図である。
【図12】図12は、実施形態に係る図11のシールリングの拡大図である。
【図13】図13は、さらに実施形態に係るシール補強部材を含む実施形態に係る図11のバタフライバルブの一部断面図である。
【図14】図14は、実施形態に係る図13に示された補強部材の平面図である。
【図15】図15は、他の代替シールリングカートリッジおよびバタフライバルブに使用されるよう構成された弾性キャリアの断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【0013】
図5は、実施形態に係るバタフライバルブ100の一部断面図である。図5に示すバタフライバルブ100は、例えば、天然ガス、オイル、水など、広い温度範囲において、プロセス流体を制御するために使用される。図5に示すように、バタフライバルブ100は、比較的高い圧力の流体が存在する個所に使用されるディスク102(例えば、可動流量制御部材)を有している。バタフライバルブ100は、さらにバルブ本体104およびバルブ本体104と結合する保持(保護)リング106を有している。保護リング106は、ディスク102とシール110の間に流体シールが形成できるようシール100を保持する。
【0014】
ディスク102は、バルブシャフト(図示せず)を介してバルブ100に取り付けられている。バルブ100を通過するプロセス流体の流れを制御するために、制御バルブ装置(図示せず)が動作可能にバルブ100と結合している。一般に、プロセス制御装置からの制御信号に応えて空圧信号がバルブ作動装置(図示せず)に供給される。プロセス制御装置は、分散型制御システム(いずれも図示せず)の一部である。バルブ動作装置はバルブシャフトに連結され、空圧信号がバルブ動作装置を動かすとき、バルブシャフトとそれに取り付けられたディスク102が回転し、ディスクの外縁111は、制御信号に比例する角度で、シール110に対して位置決めされる(例えば、開位置に位置決めされる)。ディスク102は、流体シールを形成するように(例えば、ディスク102の外縁111がシール110に接触するように)、閉位置にも回転する。換言すれば、ディスク102が閉位置へと回転してシール110に接したとき、ディスク102とシール110の間に流体シールが形成される。シール110は、ディスク102の平均直径と干渉はめ合いを形成する内径を有するように構成される。
【0015】
加えて、保護リング106は、交換の際にシール110に簡単にアクセスできるように、かつ、シール110がプロセス流体に直接さらされないように構成されている。図5に示す実施形態に係る固定設計では、保護リング106とバルブ本体104に密な接触を生じさせることで、それらの間におけるプロセス流体の流れ(すなわち、ディスク102を通過する漏れ)を実質的に妨げ、保護リング106、バルブ本体104、およびシール110の間に有利にシールを提供する。加えて、シール性能を向上させるため、ガスケット(図示せず)が各部材、保護リング106、バルブ本体104、およびシール110に隣接して提供される。
【0016】
図6は、実施形態に係る図5のシール110の一部拡大図である。実施形態に係るシール110は、実質弾性キャリア112を有している。弾性キャリア112は、例えば、弾性を提供する湾曲した外形またはその他の外形を有している。実施形態に係るシール110は、実質剛性シールリング114を備えている。実質剛性シールリング114は、弾性キャリア112と接する外周表面113と、ディスク102(図5)と接するとともにシールできるよう結合するように構成された内周表面115と、を有している。弾性キャリア112によって、実質剛性シールリング114がバルブ100の閉鎖近くにあるディスク102の動きに十分追随できるようになっている。これにより、ディスク102が大きな圧力低下およびディスク102の偏位又は移動に従って、シール状態の接触を維持したままシール110がディスク102とともに動くことができる。弾性キャリア112は、シール110周辺に漏れが生じないように、保護リング106とバルブ本体104の間に固定シールを提供する。公知の変動設計とは対照に、実施形態に係るシール110はキャリア112の弾性とリング114の剛性が独立して制御される固定設計である。
【0017】
図6に示すように、実施形態に係るシールリング114は多重構造となっている。図6の実施形態では、外部層116は、金属のような実質的又は比較的堅い材料から構成されている。特定の実施形態の1つは、外部層116がステンレス鋼から作られている。ただしこれに代えて、これとは他のおよび/又はこれに加えた材料を使用することもできる。外部層116は、ディスク(例えばディスク102)がシールリング114にシールするように結合したとき、ディスク102に対してシールに作用するシール力が生成できるようにシールリング114に剛性を提供する。シールの剛性に対応するように、外部層116の断面(例えば、厚さ又は断面積)を変化させても良い。
【0018】
比較的薄い膨張グラファイト118の層が各外部層116に隣接している。この膨張グラファイト118は、強化カーボンファイバー材料を用いて構成することができる。膨張グラファイト118は、主に膨張グラファイト層118の間に配置された中央層120をシール110に拘束又は取り付けるために使用される。中央層120は第1のシールを提供しており、例えばPTFEEのようなポリマーから製造してもよい。
【0019】
図6に示す実施形態では、例えばフェノール接着剤などの接着剤を用いて、外部層116と膨張グラファイト層118の間に固定接合部が形成されている。中央層120は、熱圧縮加工を用いて、膨張グラファイト層118に接着されている。熱圧縮加工は、機械的結合を形成する高い圧縮加重とともに、高温を加え、中央層120が隣接する表面(例えばグラファイト層118)の隙間に流れ込むようにする加工である。各層116、118、120が結合された後、膨張グラファイト層118を圧縮するために、追加加重がシールリング114に供給される。一の実施形態では、実施形態に係るグラファイト層118は、例えばもとの厚さの47%に圧縮される。膨張グラファイト層118の圧縮は最初のガスケットシールに加重を供給し、運用中における膨張グラファイト層118を介する漏れ又は浸潤を防ぐ。一の実施形態では、膨張グラファイト層118を圧縮するのに1平方インチあたりおよそ5000ポンドの加重が用いられる。
【0020】
各層116、118、120が接着され、膨張グラファイト層118を圧縮するため加重が供給された後、シールリング114の外周表面113がシールキャリア112の平面側122に結合される。シールリング114を、例えば外部層116のそれぞれをレーザー溶接することで、平面側122に結合してもよい。ただし、溶接に代えて又は溶接に加えて、他の機械的、冶金的、および/又は化学的結合技術を用いてもよい。
【0021】
図7は、シール110(図6)に代替可能な他の実施形態に係るラミネート状の膨張グラファイトシール150を示している。わずかに異なるところはあるが、シール150の多くの特徴はシール110と類似している。シール150は弾性リャリア152からなるものの、例えば、湾曲形状や平面側154を有する点でシール110と類似する。実施形態に係るシール150は、剛性シールリング156を備えている。剛性シールリング156は、弾性キャリア152と接する外周表面155と、ディスク(例えば図5のディスク102)と接するように構成された内周表面157を有している。シールリングはさらに多重層から構成されている。外部層158は、例えばステンレス鋼などの金属から製造することができる。実施形態に係るシール110(図6)のように、ディスクとシールするように結合するときに、必要なシール力が向上するよう、外部層158はシールリング156に剛性を与える。外部層158の厚さは、シールリング156の剛性を調整するように変形することができる。
【0022】
外部層158の間には、金属又ポリマー(例えば、ステンレス鋼又はPTFEE)のうちのいずれか2つの層162と互いに接するようにして、3つの膨張グラファイト160(強化カーボンファイバーが用いられる)の層が存在している。金属又はポリマー層162は、膨張グラファイト層160のグラファイト部材が、ディスク(例えば、ディスク102)または他の流量制御部材と接着および/または移動するの防ぐ。層162がポリマー製であるとき、その層162は潤滑を供給し、膨張グラファイト層160からディスク102への物質の移動を妨げる。層162が金属製であるとき、その層162は、実質的に膨張グラファイト層160とディスクまたは他の流量制御部材との物質接着を減らして、スクラップ行為を妨げる。
【0023】
各層158、160、162の付着方法は、層162に依存する。シール150の層162がポリマー層であれば、それらは、上述したシール110の層116、118、120での方法と類似の方法で接合される。シール150の層162がステンレス鋼のような金属層であれば、全ての層は、フェノール性接着剤のような接着剤を用いて接合される。加えて、シールリング156は、図6を用いて説明したリング114をキャリア112に結合したときの方法と同じ方法で弾性キャリア152と結合される。
【0024】
図8は、図5のシール110と同様の方法でバルブ100に使用可能な金属シール180である。実施形態に係る180は、弾性シールキャリア182および剛性シールリング184を備えている。弾性シールキャリア182は、例えば、湾曲形状または弾性を供給するのに適したその他の形状を有している。剛性シールリング184は、内周表面186と外周表面188を有している。外周表面188は、シールキャリア182の平面側190に連結されている。実施形態に係るシールリング184は、例えばステンレス鋼などの金属から形成されている。シールリング184の剛性は、シールリング184の断面積に関係する。特に、シールリング184の断面積が大きくなれば、シールリング184の剛性が高くなる。実施形態に係る金属シール180は、シールリング184およびキャリア184について様々な材料(例えば、ニッケルクロム合金または他の耐食金属)を使用してもよい。加えて、シールリング184およびキャリア182への異なる金属の使用として、キャリア182についてはS31600 SSTのような耐疲労性材料を使用し、シールリング184についてはアロイ6のような耐水性材料を使用することもできる。実施形態に係るシール110、150と同様に、実施形態に係る金属シール180は、キャリア182の弾性とリング184の剛性が独立して制御される固定設計である。
【0025】
図6〜8の実施形態に係るシール110、150、180において、ディスクとシールの結合によってもたらされる周方向応力が、閉状態の近くでディスクが動作する際にシール110、150、180をディスク102の形状に一致させ、動的シールを維持する。ディスク102および/またはシールリング114、156、184は、環状のおよび/または楕円状の形状を有している。楕円形のディスクまたはシールによって、ディスク102とシール110、150、180の間の干渉は、バルブシャフトを越えたまたは付近の領域において実質的にゼロとなる。
【0026】
楕円形状は上述したとおりであるが、ディスク102とシール110、150、180の間の接触を回転の最後の数度に制限するように、楕円形状は修正される。これに加え、各用途の要求に合うようにディスク102の形状に最適化できるようにディスク102および/またはシール110、150、180のいずれかが、利用可能である他の形状を有していても良い。
【0027】
ディスク102の周辺は、ディスク102の回転軸の付近においてシール110、150、180と干渉しないように、かつ、シャフトの軸が90度のとき、およびその間の全ての点において、シール110、150、180との望ましい量で干渉するように設計する。ディスク102が閉じられたとき、ディスク102周辺の両側の干渉が実質的に同じになるように、ディスク102の形状を設計するようにしてもよい。これらの設計を選択することにより、閉じる最後の数度にのみディスク102とシール110、150、180の間に干渉させることができ、これにより、ディスク102の回転軸の近くの領域における摩耗の除去または最小化できる。回転の最後の数度で上昇する周方向の圧力は、回転軸付近の領域におけるシールを得るために必要な荷重を供給する。
【0028】
図9は、カートリッジ204を介して弾性シールキャリア210に連結されるシールリング202を有するバタフライバルブ200の一部断面を示している。バルブ200は、上述のバルブ100と実質的に同様の方法で作動する。実施形態に係るカートリッジ204は、上部206と下部208によって形成されている。シールリング202は、上部206と下部208の間に挿入されている。カートリッジ204は、例えばレーザー溶接によって、リャリア210に連結されている。ただし、溶接に代えてまたは溶接に加えて、他の機械的、冶金的、および/または化学的結合が用いられても良い。図9の実施形態において、部材206、208、210を結合するためにレーザー溶接のみ使用されている。本実施形態におけるキャリア210の片持ち外形は、キャリア210の弾性を増加させることができる。実施形態に係るキャリア210は、フランジ212の下でカートリッジ204の上部付近でカートリッジ204に連結されているが、キャリア210は、異なる点においてカートリッジ204に連結されてもよい。キャリア210およびカートリッジ204が異なる点(すなわち、図9で示したものとは異なる)で連結される場合、上部206および下部208の形状は変形され、部材206、208、210は一の溶接を用いて連結されるようにしてもよい。
【0029】
カートリッジ204の上部206および下部208は、例えば、ステンレス鋼などの金属によって形成される。シールリング202は、上述した多重構造と同様に多重構造である。加えて、シールリング202は、例えば、膨張グラファイトの剛性片のような剛性の構造である。
【0030】
シールリング202とキャリア210とを連結するカートリッジの使用によって、シールリング202の支持が大きく補強される。特に、カートリッジ206によって加えられた増加金属量は、シールリング202の層を共に保持するのを助ける。カートリッジ204によって供給された支持は、シールが漏れることなく耐えることができる荷重を増加させる。
【0031】
図10は、代替のカートリッジ252およびキャリア254を有する実施形態に係る図9のバルブ200の断面を示している。この実施形態に係るカートリッジ252は、上部256および下部258を有しているが、上部256および下部258は、図9のカートリッジ204の上部206および下部208とは異なるように形成されている。上部256および下部258は、図9とは異なるように形成されている。なぜならば、キャリア254は、実質的に平らで、カートリッジ252の上の低い位置においてカートリッジ252に結合されているからである。その結果、上部256上部のフランジが必要ではなくなっている。また、キャリア254は平らな形状を有しているため、湾曲形状を有することで金型が必要となるキャリア210と比較して、その加工と関連する工作機器のコストを削減することができる。図9又は図10に示すバルブ200の構成の形状は、上述したように、バルブ100のものと実質的に同じようにされ、加工される。
【0032】
図11は、実施形態に係るバタフライバルブ300の部分断面である。バタフライバルブ300は、上述したバブル100および200に類似している。図3で示すように、バタフライバルブ300は、比較的高い圧力流体中においてディスク302(例えば、可動流量制御部材)を備えている。バタフライバルブ300は、バルブ本体304およびバルブ本体304に連結される保護リング306を備えている。保護リング306は、ディスク302と弾性シール310の間に流体シールを形成するために弾性シール310を保持する。弾性シール310は、上述したキャリア112、152、182、210と同じような抜き打ちした金属部材である。ただし、弾性シール310はこの実施形態ではシールリングを支えていないが、ディスク302に対してシールを形成するために使用されている。
【0033】
ディスク302は、上部312および下部314を備えている。上部312および下部314は、例えば、ボルトやその他の機械的な固定具などの機械的な留め具316を介して結合されまたは固定される。固定されたとき、上部312および下部314は、接合しあって外縁318を形成する。シールリング320は、外縁318に沿って、かつ、ディスク302の上部312と下部314の間に配置される。
【0034】
シールリング320を拡大したものが、図12に示されている。図12に示すように、シールリング320は、上述した他の多重構造と同じような多重構造である。例えば、外部層322は、金属のような実質的にまたは相対的に剛性の部材からなる。一の実施形態では、外部層322はステンレス鋼で形成されている。ただし、他のおよび/または追加の材料を代替として使用してもよい。
【0035】
各外部層322には、比較的薄い膨張グラファイト324の層が隣接している。膨張グラファイトは、強化カーボンファイバー材料を使用して形成される。中央層326は、グラファイト層324の間に配置されている。中央層326は、例えばPTFEのようなポリマーから形成されており、潤滑を供給することで、膨張グラファイト層324のグラファイト部材が、弾性シール310または同様のものに移動するのを防いでいる。2つの金属層322、2つの膨張グラファイト層324、および1つのポリマー層326が図11および12のリングに示されているが、これの代わりに、いかなる数および/または組み合わせの層322、324、326を用いても良い。
【0036】
シールリング320の層322、324、326は、上述した多重構造と同様の方法で接着される。層322、324、326は接着され、膨張グラファイト層324を圧縮するために荷重が供給された後、シールリング320は、ディスク302の上部312と下部314の間に配置される。ディスク302の部分312、314は、シールリング320をディスク302に固定または留めるために固定具316と一緒に留められる。上部312および下部314は、図9および10のカートリッジ204、352に対応するシールを支えるのと同じような方法で、リング320を支持する。ディスク302および弾性シール310は作動し、上述のディスク102およびシール110と同じような方法でシールを形成する。
【0037】
図13は、逆流方向Bに対して剛性を強化したバタフライバルブ300の一部断面を示している。図13に示すように、シール構造305はバタフライバルブ300の保護リング306および弾性シール310に隣接する補強部材350を備えている。補強部材350は、実質弾性であるが、逆流方向Bに対して弾性シール310の剛性を増加するように構成されている(すなわち、シール補強部材として機能する)。さらに、補強部材350は、順流方向Aに対して弾性シール310の動きに干渉しないように構成されている(例えば、順流方向Aにおいて、補強部材350によっては、弾性シール310の剛性は影響されない。)。図13に示すように、実施形態に係る補強部材(シール補強部材)350は、保護リング306および弾性シール310の間に配設される。いくつかの実施形態において、シール補強部材350は、保護リング306および/または弾性シール310と結合していない。例えば、シール補強部材350は、弾性シール310と保護リング306の間に永久的に固定されるわけではないが、取り付けられまたは締付けられる。その結果、補強部材350は、順流方向Aに対して一の剛性を有し、そして、逆流方向Bに対して他のまたは異なる剛性を有するように構成される。
【0038】
この技術分野において通常の知識を有する者が、シール補強部材350を構成するのに使用できる様々な異なる材料を使用することができる。例えば、シール補強部材350は弾性シール310を形成するのに使用された材料に似た材料によって構成されるかもしれないし、および/または、弾性シール310のものよりも摩耗および/または腐食抵抗が改良された材料によって構成されるかもしれない。あるいは、シール補強部材350は、弾性シール310よりも摩耗抵抗が低い材料から構成されるかもしれない。なぜなら、シール補強部材350は、弾性シール310と摺動接触して、シールリング320とは摺動接触しないからである。
【0039】
図14に示すように、シール補強部材350は、実質弾性シール310の内径と等しい内径352を有するとともにワッシャのような形状を有する。シール補強部材350は、締付け部分(例えば、保護リング306)および弾性シール310の間に安全に捉えられることができるように十分大きい外径354を有している。シール補強部材350は、実質的に平らであってもよいし、曲面を有していてもよい。曲面は、ベンド356、358によって形成されている。加えて、シール補強部材350は、弾性シール310に接触させる研磨媒体と干渉するように構成してもよい。これにより、研磨媒体から弾性シール310を保護するシールドとして機能する。
【0040】
あるいは、シール補強部材350は複数の弾性片持ち部材を有するようにしてもよい。各弾性片持ち部材は、弾性シール310と保護リング306の間に捕捉された一端と、弾性シール310の少なくとも先端部分360に伸延する他端を有している。複数の片持ち部材は、弾性シール310の外周の周辺に均一に間隔をあけて配置され、および/または、複数の片持ち部材が実質的に均一に、逆流方向Bに対して弾性シール310の剛性を増加するよう望ましい形態で弾性シール310の外周の周辺に間隔をあけて配置される。
【0041】
図13に戻って、逆流方向Bの流体圧力が閉位置のディスク302に伝わるように、先端部分360がシール補強部材350と隣接するまたは接するまで、弾性シール310が逆流方向Bに曲げられている。この方法において、シール補強部材350は弾性シール310のチップ部分360について弾性支持としての役割を果たす。その結果、シール補強部材350は、逆流方向Bにおける弾性シール310の剛性を増加させ、極端な曲げから弾性シール310を守ることができる。これにより、ディスク302の外縁318と弾性シール310の間の流体シールが傷つけられ、または、破損しないようにしている。シール補強部材350と同様の構成は、ここで説明した他の実施形態にも追加することができる。
【0042】
図11および13の実施形態に係るバルブ300において、弾性シール310とシールリング320の間の動的シールは、シールリング320およびディスク302、および/または、図5で説明した弾性シール310の形状によって生じる弾性シール310中の周方向の圧力を利用している。さらに、シールリング320は、図6〜8のリング114、156、184について上述したものと実質的に同じような方法で、設計され、製造される。
【0043】
図15は、バタフライバルブに使用される、他の代替シールリングカートリッジおよび弾性キャリア構造400の断面図である。一般的に、図15の構造400は、図9に示すものと同様である。図15で示されているように、上部404と下部406を有するカートリッジ402は、溶接(例えばレーザー溶接)410を介して弾性キャリア408に固定されている。シールリング412は、上部404と下部406の間に捕捉されている。シールリング412は、上述した多重シール構造を利用して形成される。図9に示すシール/キャリアの構造とは対照的に、シールリング114、156、184が対応するキャリア112、156、184に固定されたのと同じような方法で、カートリッジ402は弾性キャリア408の平面側414に取り付けられている。
【0044】
いくつかの実施形態に係る方法、装置、および製品は上述したとおりであるが、この特許の対象範囲はこれに限定されない。一方、この特許は、添付する特許請求の範囲の文字通りまた均等に含まれるべく全ての方法、装置、および製品にまで及ぶ。
【技術分野】
【0001】
本発明は、一般的にはシールに関し、より詳細にはプロセス制御バルブとともに使用するフレキシブルシールに関する。
【背景技術】
【0002】
概して、オイルやガスのパイプライン配給システムや化学処理プラントなどの産業プロセスにおいては、プロセス制御流体を制御することが必要である。産業プロセスよっては、プロセス流体の流れを制御するためにバタフライバルブが使用される場合がある。一般に、圧力状況、運用温度、およびプロセス流体などの産業プロセスの状況によって、バルブ(使用されるバタフライバルブシールの種類も含む)が選択される。
【0003】
図1に既に知られている一部のバタフライバルブ50を示す。このバタフライバルブ50は、例えば、エマージョンプロセスマネージメント社(ミズーリ州セントルイス)の一事業部であるフィッシャー(登録商標)製の8510バルブであって、ポリテトラフルオロチレン(PTFE)からなるシールである。典型的なPTFEシールでは、PTFEシールリング52がバルブ本体54内に確保されている。バルブ50がシールを形成すように閉じると、PTFEシールリング52はディスク56と接触する。図1に示すようなPTFEシールは、金属シールに比べ高いシール能力を発揮し、シール寿命も比較的長い。PTFEシールは、ディスク(例えばディスク56)がシール(例えばシールリング52)にシートしなくなるときのトルク値を小さくすることができるが、これは華氏450度以下におけるプロセスでの使用に限定される。
【0004】
図2に示すバタフライバルブ60に使用されるシール62のような、グラファイトラミネートシールも公知である。図2に示すグラファイトラミネートシール62は、一般に、三重偏心バルブとして知られるバタフライバルブに使用される。従来の二重偏心バルブに比べ、三重偏心バルブは、一般的にバルブ軸(図示せず)の回転中心とディスク64の回転中心の間に大きなオフセットを有する。このオフセットによって、ディスク64がシート66に近づいたり離れたりするとき、ディスク64およびシール62が偏心軌道に沿って移動することになる。これによって、閉状態において、実質的に膨張グラファイトラミネートシール62とシート66の接触領域が小さくなることになる。さらなる二重偏心バルブとの違いとして、三重偏心バルブのディスク64の断面は、閉状態近くにおいて、シール62とシート66の接触領域を小さくするために、一般的に、円よりも楕円の形状を有している。周知のように、三重偏心バルブ60は、いかなる状態においても(例えば、オン・オフのスロットリングにおいても)、ディスク64とシール62がシールされていないとき(つまり、シート66の開閉前後の作動)、シール62とシート66の接触領域を小さくすることで摩耗が少なくなるように構成されている。
【0005】
一般に、シール62は強固にディスク64に取り付けられ、また、シート66はバルブ本体68にとって不可欠なものである。図2に示された三重偏心の設計では、シート66に近づけたり離したりしてディスク64およびシール62を動かす際、タイトな遮断を確保するには高いトルクが必要になることから、不利になる場合がある。加えて、このタイプのシールは、状態を維持するのが難しい。例えば、本体68に不可欠であるシート66に損傷があれば、バルブ本体68も修理又は交換が必要となる。
【0006】
従来、バタフライバルブには金属シールが使用されてきた。そのような金属シールの1つ(図3に示すバルブ70の一部として示されている)は、エマージョンプロセスマネージメント社(ミズーリ州セントルイス)の一事業部であるフィッシャー(登録商標)製の8510Bバルブの金属シールである。図3に示すシールにおいて、片持ち金属シールリング72は、ディスク74との間でシールを形成するよう接触する。金属シールは、高温で高圧力のプロセスの使用に適しているが、一般に摩耗の影響を受けやすいことから、こまめな管理が必要でコストも高くなってしまう。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
上述した少なくとも2つの公知であるシールタイプの特性を結合しようとする試みが多くあった。そのような試みの1つが図4に示されている。図4はXomox(登録商標;オハイオ州コネチカット)製の耐火シールを有するバルブ80の一部を図示している。図4に記載された耐火シールは、PTFEシールと金属シールの要素を結合したものである。図4に示すように、第一のPTFEシール82は、第2の金属シール86にある受け溝84に保持される。耐火シールは、シールリング固定部90によってバルブ本体88に保持され、バルブ本体88に保持されている状態で、耐火シールの先行荷重によってベルビルワッシャに似た金属シール86において曲げ又は屈曲部92が生じるように構成されている。この先行荷重はスプリング力を生成し、ディスク94がシールと接触するときスプリング力は耐火シールをディスク94に接触するように動かす。これにより、PTFEシール部材82とディスク94の間に流体シールが形成される。運用する際には、第一のPTFEシール部材82は使い捨てとなる。例えば、PTFEシール部材82の周辺温度が華氏450度を超える炎の状態において、PTFE部材82は破損する(すなわち、昇華するか焼ける)が、屈曲部92を介して供給されたスプリング力によって、金属シール86はディスク94に接触し、それらの間に流体シールが維持される。しかしながら、図4に示すタイプの耐火シールは、屈曲部92において疲労故障を受けやすい。
【課題を解決するための手段】
【0008】
一の例によれば、バタフライバルブに使用するシールは、環状の実質弾性キャリアを備えている。この環状の実質弾性キャリアは、バタフライバルブに固定されるように、かつ、そこに配置されたバルブ本体を囲むように構成されている。前記のシールは、さらに、実質剛性シールリングを備えている。この実質剛性シールリングは、実質弾性キャリアに固定される外周表面と、バルブ本体と互いに関係してシールするように動作可能である制御部材にかみ合うように構成された内周表面と、を有している。
【0009】
他の例によれば、実質弾性環状キャリアを備えている。この実質弾性環状キャリアは、バタフライバルブに使用するシールが、バタフライバルブに固定されるように、かつ、そこでバルブ本体を囲むように構成されている。さらに、前記シールは、キャリアと連結されたカートリッジと、カートリッジに固定される実質剛性シールリングを備えている。この実質剛性シールリングは、シールするようにして作動可能なようにバルブ本体と接触する制御部材と結合する内周表面を有している。
【0010】
一のさらに他の例によれば、バタフライバルブに使用するシールは、環状の実質弾性シール部材を備えている。この実質弾性環状シール部材は、バタフライバルブの本体部分に固定されるように、かつ、そこのバルブ本体を囲むように構成されている。前記のシールは、さらに、流量制御弁を通過する流体の流れを制御する流量制御部材に固定されるように構成されたシールリングを備えている。前記のシールリングは、環状の弾性シール部材とシールするよう接触するように構成された外周表面を有するラミネート構造である。
【0011】
さらに、他の例によれば、シールとして使用される複数層の材料は、第1金属層、第1金属層に固定される第1膨張グラファイト層、及び、第1膨張グラファイト層に固定されたポリマー層を有している。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図1】図1は、公知のPTFEバタフライバルブシートの断面である。
【図2】図2は、三重偏心バタフライバルブに使用する公知のグラファイトラミネートシールの一部断面である。
【図3】図3は、バタフライバルブに使用する公知の金属シールの一部断面である。
【図4】図4は、金属シールとPTFEシールの要素を結合した公知のバタフライバルブシールの一部断面である。
【図5】図5は、弾性シールキャリアに固定される剛性シールリングを有する実施形態に係るシールを含むバタフライバルブの一部断面図である。
【図6】図6は、実施形態に係る図5のシールリングおよびシールキャリアの拡大断面図である。
【図7】図7は、実施形態に係る図5のシールに使用される代替のシール構造の拡大断面図である。
【図8】図8は、実施形態に係る図5のシールに使用される他の代替のシール構造の拡大断面図である
【図9】図9は、シールリングと弾性シールキャリアを結合するカートリッジを含むバタフライバルブの一部断面図である。
【図10】図10は、シールリングと弾性シールキャリアを結合する代替のカートリッジを表わした図9のバタフライバルブの一部断面図である。
【図11】図11は、実施形態に係るディスク上のグラファイトラミネートシールリングを含むバタフライバルブの一部断面図である。
【図12】図12は、実施形態に係る図11のシールリングの拡大図である。
【図13】図13は、さらに実施形態に係るシール補強部材を含む実施形態に係る図11のバタフライバルブの一部断面図である。
【図14】図14は、実施形態に係る図13に示された補強部材の平面図である。
【図15】図15は、他の代替シールリングカートリッジおよびバタフライバルブに使用されるよう構成された弾性キャリアの断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【0013】
図5は、実施形態に係るバタフライバルブ100の一部断面図である。図5に示すバタフライバルブ100は、例えば、天然ガス、オイル、水など、広い温度範囲において、プロセス流体を制御するために使用される。図5に示すように、バタフライバルブ100は、比較的高い圧力の流体が存在する個所に使用されるディスク102(例えば、可動流量制御部材)を有している。バタフライバルブ100は、さらにバルブ本体104およびバルブ本体104と結合する保持(保護)リング106を有している。保護リング106は、ディスク102とシール110の間に流体シールが形成できるようシール100を保持する。
【0014】
ディスク102は、バルブシャフト(図示せず)を介してバルブ100に取り付けられている。バルブ100を通過するプロセス流体の流れを制御するために、制御バルブ装置(図示せず)が動作可能にバルブ100と結合している。一般に、プロセス制御装置からの制御信号に応えて空圧信号がバルブ作動装置(図示せず)に供給される。プロセス制御装置は、分散型制御システム(いずれも図示せず)の一部である。バルブ動作装置はバルブシャフトに連結され、空圧信号がバルブ動作装置を動かすとき、バルブシャフトとそれに取り付けられたディスク102が回転し、ディスクの外縁111は、制御信号に比例する角度で、シール110に対して位置決めされる(例えば、開位置に位置決めされる)。ディスク102は、流体シールを形成するように(例えば、ディスク102の外縁111がシール110に接触するように)、閉位置にも回転する。換言すれば、ディスク102が閉位置へと回転してシール110に接したとき、ディスク102とシール110の間に流体シールが形成される。シール110は、ディスク102の平均直径と干渉はめ合いを形成する内径を有するように構成される。
【0015】
加えて、保護リング106は、交換の際にシール110に簡単にアクセスできるように、かつ、シール110がプロセス流体に直接さらされないように構成されている。図5に示す実施形態に係る固定設計では、保護リング106とバルブ本体104に密な接触を生じさせることで、それらの間におけるプロセス流体の流れ(すなわち、ディスク102を通過する漏れ)を実質的に妨げ、保護リング106、バルブ本体104、およびシール110の間に有利にシールを提供する。加えて、シール性能を向上させるため、ガスケット(図示せず)が各部材、保護リング106、バルブ本体104、およびシール110に隣接して提供される。
【0016】
図6は、実施形態に係る図5のシール110の一部拡大図である。実施形態に係るシール110は、実質弾性キャリア112を有している。弾性キャリア112は、例えば、弾性を提供する湾曲した外形またはその他の外形を有している。実施形態に係るシール110は、実質剛性シールリング114を備えている。実質剛性シールリング114は、弾性キャリア112と接する外周表面113と、ディスク102(図5)と接するとともにシールできるよう結合するように構成された内周表面115と、を有している。弾性キャリア112によって、実質剛性シールリング114がバルブ100の閉鎖近くにあるディスク102の動きに十分追随できるようになっている。これにより、ディスク102が大きな圧力低下およびディスク102の偏位又は移動に従って、シール状態の接触を維持したままシール110がディスク102とともに動くことができる。弾性キャリア112は、シール110周辺に漏れが生じないように、保護リング106とバルブ本体104の間に固定シールを提供する。公知の変動設計とは対照に、実施形態に係るシール110はキャリア112の弾性とリング114の剛性が独立して制御される固定設計である。
【0017】
図6に示すように、実施形態に係るシールリング114は多重構造となっている。図6の実施形態では、外部層116は、金属のような実質的又は比較的堅い材料から構成されている。特定の実施形態の1つは、外部層116がステンレス鋼から作られている。ただしこれに代えて、これとは他のおよび/又はこれに加えた材料を使用することもできる。外部層116は、ディスク(例えばディスク102)がシールリング114にシールするように結合したとき、ディスク102に対してシールに作用するシール力が生成できるようにシールリング114に剛性を提供する。シールの剛性に対応するように、外部層116の断面(例えば、厚さ又は断面積)を変化させても良い。
【0018】
比較的薄い膨張グラファイト118の層が各外部層116に隣接している。この膨張グラファイト118は、強化カーボンファイバー材料を用いて構成することができる。膨張グラファイト118は、主に膨張グラファイト層118の間に配置された中央層120をシール110に拘束又は取り付けるために使用される。中央層120は第1のシールを提供しており、例えばPTFEEのようなポリマーから製造してもよい。
【0019】
図6に示す実施形態では、例えばフェノール接着剤などの接着剤を用いて、外部層116と膨張グラファイト層118の間に固定接合部が形成されている。中央層120は、熱圧縮加工を用いて、膨張グラファイト層118に接着されている。熱圧縮加工は、機械的結合を形成する高い圧縮加重とともに、高温を加え、中央層120が隣接する表面(例えばグラファイト層118)の隙間に流れ込むようにする加工である。各層116、118、120が結合された後、膨張グラファイト層118を圧縮するために、追加加重がシールリング114に供給される。一の実施形態では、実施形態に係るグラファイト層118は、例えばもとの厚さの47%に圧縮される。膨張グラファイト層118の圧縮は最初のガスケットシールに加重を供給し、運用中における膨張グラファイト層118を介する漏れ又は浸潤を防ぐ。一の実施形態では、膨張グラファイト層118を圧縮するのに1平方インチあたりおよそ5000ポンドの加重が用いられる。
【0020】
各層116、118、120が接着され、膨張グラファイト層118を圧縮するため加重が供給された後、シールリング114の外周表面113がシールキャリア112の平面側122に結合される。シールリング114を、例えば外部層116のそれぞれをレーザー溶接することで、平面側122に結合してもよい。ただし、溶接に代えて又は溶接に加えて、他の機械的、冶金的、および/又は化学的結合技術を用いてもよい。
【0021】
図7は、シール110(図6)に代替可能な他の実施形態に係るラミネート状の膨張グラファイトシール150を示している。わずかに異なるところはあるが、シール150の多くの特徴はシール110と類似している。シール150は弾性リャリア152からなるものの、例えば、湾曲形状や平面側154を有する点でシール110と類似する。実施形態に係るシール150は、剛性シールリング156を備えている。剛性シールリング156は、弾性キャリア152と接する外周表面155と、ディスク(例えば図5のディスク102)と接するように構成された内周表面157を有している。シールリングはさらに多重層から構成されている。外部層158は、例えばステンレス鋼などの金属から製造することができる。実施形態に係るシール110(図6)のように、ディスクとシールするように結合するときに、必要なシール力が向上するよう、外部層158はシールリング156に剛性を与える。外部層158の厚さは、シールリング156の剛性を調整するように変形することができる。
【0022】
外部層158の間には、金属又ポリマー(例えば、ステンレス鋼又はPTFEE)のうちのいずれか2つの層162と互いに接するようにして、3つの膨張グラファイト160(強化カーボンファイバーが用いられる)の層が存在している。金属又はポリマー層162は、膨張グラファイト層160のグラファイト部材が、ディスク(例えば、ディスク102)または他の流量制御部材と接着および/または移動するの防ぐ。層162がポリマー製であるとき、その層162は潤滑を供給し、膨張グラファイト層160からディスク102への物質の移動を妨げる。層162が金属製であるとき、その層162は、実質的に膨張グラファイト層160とディスクまたは他の流量制御部材との物質接着を減らして、スクラップ行為を妨げる。
【0023】
各層158、160、162の付着方法は、層162に依存する。シール150の層162がポリマー層であれば、それらは、上述したシール110の層116、118、120での方法と類似の方法で接合される。シール150の層162がステンレス鋼のような金属層であれば、全ての層は、フェノール性接着剤のような接着剤を用いて接合される。加えて、シールリング156は、図6を用いて説明したリング114をキャリア112に結合したときの方法と同じ方法で弾性キャリア152と結合される。
【0024】
図8は、図5のシール110と同様の方法でバルブ100に使用可能な金属シール180である。実施形態に係る180は、弾性シールキャリア182および剛性シールリング184を備えている。弾性シールキャリア182は、例えば、湾曲形状または弾性を供給するのに適したその他の形状を有している。剛性シールリング184は、内周表面186と外周表面188を有している。外周表面188は、シールキャリア182の平面側190に連結されている。実施形態に係るシールリング184は、例えばステンレス鋼などの金属から形成されている。シールリング184の剛性は、シールリング184の断面積に関係する。特に、シールリング184の断面積が大きくなれば、シールリング184の剛性が高くなる。実施形態に係る金属シール180は、シールリング184およびキャリア184について様々な材料(例えば、ニッケルクロム合金または他の耐食金属)を使用してもよい。加えて、シールリング184およびキャリア182への異なる金属の使用として、キャリア182についてはS31600 SSTのような耐疲労性材料を使用し、シールリング184についてはアロイ6のような耐水性材料を使用することもできる。実施形態に係るシール110、150と同様に、実施形態に係る金属シール180は、キャリア182の弾性とリング184の剛性が独立して制御される固定設計である。
【0025】
図6〜8の実施形態に係るシール110、150、180において、ディスクとシールの結合によってもたらされる周方向応力が、閉状態の近くでディスクが動作する際にシール110、150、180をディスク102の形状に一致させ、動的シールを維持する。ディスク102および/またはシールリング114、156、184は、環状のおよび/または楕円状の形状を有している。楕円形のディスクまたはシールによって、ディスク102とシール110、150、180の間の干渉は、バルブシャフトを越えたまたは付近の領域において実質的にゼロとなる。
【0026】
楕円形状は上述したとおりであるが、ディスク102とシール110、150、180の間の接触を回転の最後の数度に制限するように、楕円形状は修正される。これに加え、各用途の要求に合うようにディスク102の形状に最適化できるようにディスク102および/またはシール110、150、180のいずれかが、利用可能である他の形状を有していても良い。
【0027】
ディスク102の周辺は、ディスク102の回転軸の付近においてシール110、150、180と干渉しないように、かつ、シャフトの軸が90度のとき、およびその間の全ての点において、シール110、150、180との望ましい量で干渉するように設計する。ディスク102が閉じられたとき、ディスク102周辺の両側の干渉が実質的に同じになるように、ディスク102の形状を設計するようにしてもよい。これらの設計を選択することにより、閉じる最後の数度にのみディスク102とシール110、150、180の間に干渉させることができ、これにより、ディスク102の回転軸の近くの領域における摩耗の除去または最小化できる。回転の最後の数度で上昇する周方向の圧力は、回転軸付近の領域におけるシールを得るために必要な荷重を供給する。
【0028】
図9は、カートリッジ204を介して弾性シールキャリア210に連結されるシールリング202を有するバタフライバルブ200の一部断面を示している。バルブ200は、上述のバルブ100と実質的に同様の方法で作動する。実施形態に係るカートリッジ204は、上部206と下部208によって形成されている。シールリング202は、上部206と下部208の間に挿入されている。カートリッジ204は、例えばレーザー溶接によって、リャリア210に連結されている。ただし、溶接に代えてまたは溶接に加えて、他の機械的、冶金的、および/または化学的結合が用いられても良い。図9の実施形態において、部材206、208、210を結合するためにレーザー溶接のみ使用されている。本実施形態におけるキャリア210の片持ち外形は、キャリア210の弾性を増加させることができる。実施形態に係るキャリア210は、フランジ212の下でカートリッジ204の上部付近でカートリッジ204に連結されているが、キャリア210は、異なる点においてカートリッジ204に連結されてもよい。キャリア210およびカートリッジ204が異なる点(すなわち、図9で示したものとは異なる)で連結される場合、上部206および下部208の形状は変形され、部材206、208、210は一の溶接を用いて連結されるようにしてもよい。
【0029】
カートリッジ204の上部206および下部208は、例えば、ステンレス鋼などの金属によって形成される。シールリング202は、上述した多重構造と同様に多重構造である。加えて、シールリング202は、例えば、膨張グラファイトの剛性片のような剛性の構造である。
【0030】
シールリング202とキャリア210とを連結するカートリッジの使用によって、シールリング202の支持が大きく補強される。特に、カートリッジ206によって加えられた増加金属量は、シールリング202の層を共に保持するのを助ける。カートリッジ204によって供給された支持は、シールが漏れることなく耐えることができる荷重を増加させる。
【0031】
図10は、代替のカートリッジ252およびキャリア254を有する実施形態に係る図9のバルブ200の断面を示している。この実施形態に係るカートリッジ252は、上部256および下部258を有しているが、上部256および下部258は、図9のカートリッジ204の上部206および下部208とは異なるように形成されている。上部256および下部258は、図9とは異なるように形成されている。なぜならば、キャリア254は、実質的に平らで、カートリッジ252の上の低い位置においてカートリッジ252に結合されているからである。その結果、上部256上部のフランジが必要ではなくなっている。また、キャリア254は平らな形状を有しているため、湾曲形状を有することで金型が必要となるキャリア210と比較して、その加工と関連する工作機器のコストを削減することができる。図9又は図10に示すバルブ200の構成の形状は、上述したように、バルブ100のものと実質的に同じようにされ、加工される。
【0032】
図11は、実施形態に係るバタフライバルブ300の部分断面である。バタフライバルブ300は、上述したバブル100および200に類似している。図3で示すように、バタフライバルブ300は、比較的高い圧力流体中においてディスク302(例えば、可動流量制御部材)を備えている。バタフライバルブ300は、バルブ本体304およびバルブ本体304に連結される保護リング306を備えている。保護リング306は、ディスク302と弾性シール310の間に流体シールを形成するために弾性シール310を保持する。弾性シール310は、上述したキャリア112、152、182、210と同じような抜き打ちした金属部材である。ただし、弾性シール310はこの実施形態ではシールリングを支えていないが、ディスク302に対してシールを形成するために使用されている。
【0033】
ディスク302は、上部312および下部314を備えている。上部312および下部314は、例えば、ボルトやその他の機械的な固定具などの機械的な留め具316を介して結合されまたは固定される。固定されたとき、上部312および下部314は、接合しあって外縁318を形成する。シールリング320は、外縁318に沿って、かつ、ディスク302の上部312と下部314の間に配置される。
【0034】
シールリング320を拡大したものが、図12に示されている。図12に示すように、シールリング320は、上述した他の多重構造と同じような多重構造である。例えば、外部層322は、金属のような実質的にまたは相対的に剛性の部材からなる。一の実施形態では、外部層322はステンレス鋼で形成されている。ただし、他のおよび/または追加の材料を代替として使用してもよい。
【0035】
各外部層322には、比較的薄い膨張グラファイト324の層が隣接している。膨張グラファイトは、強化カーボンファイバー材料を使用して形成される。中央層326は、グラファイト層324の間に配置されている。中央層326は、例えばPTFEのようなポリマーから形成されており、潤滑を供給することで、膨張グラファイト層324のグラファイト部材が、弾性シール310または同様のものに移動するのを防いでいる。2つの金属層322、2つの膨張グラファイト層324、および1つのポリマー層326が図11および12のリングに示されているが、これの代わりに、いかなる数および/または組み合わせの層322、324、326を用いても良い。
【0036】
シールリング320の層322、324、326は、上述した多重構造と同様の方法で接着される。層322、324、326は接着され、膨張グラファイト層324を圧縮するために荷重が供給された後、シールリング320は、ディスク302の上部312と下部314の間に配置される。ディスク302の部分312、314は、シールリング320をディスク302に固定または留めるために固定具316と一緒に留められる。上部312および下部314は、図9および10のカートリッジ204、352に対応するシールを支えるのと同じような方法で、リング320を支持する。ディスク302および弾性シール310は作動し、上述のディスク102およびシール110と同じような方法でシールを形成する。
【0037】
図13は、逆流方向Bに対して剛性を強化したバタフライバルブ300の一部断面を示している。図13に示すように、シール構造305はバタフライバルブ300の保護リング306および弾性シール310に隣接する補強部材350を備えている。補強部材350は、実質弾性であるが、逆流方向Bに対して弾性シール310の剛性を増加するように構成されている(すなわち、シール補強部材として機能する)。さらに、補強部材350は、順流方向Aに対して弾性シール310の動きに干渉しないように構成されている(例えば、順流方向Aにおいて、補強部材350によっては、弾性シール310の剛性は影響されない。)。図13に示すように、実施形態に係る補強部材(シール補強部材)350は、保護リング306および弾性シール310の間に配設される。いくつかの実施形態において、シール補強部材350は、保護リング306および/または弾性シール310と結合していない。例えば、シール補強部材350は、弾性シール310と保護リング306の間に永久的に固定されるわけではないが、取り付けられまたは締付けられる。その結果、補強部材350は、順流方向Aに対して一の剛性を有し、そして、逆流方向Bに対して他のまたは異なる剛性を有するように構成される。
【0038】
この技術分野において通常の知識を有する者が、シール補強部材350を構成するのに使用できる様々な異なる材料を使用することができる。例えば、シール補強部材350は弾性シール310を形成するのに使用された材料に似た材料によって構成されるかもしれないし、および/または、弾性シール310のものよりも摩耗および/または腐食抵抗が改良された材料によって構成されるかもしれない。あるいは、シール補強部材350は、弾性シール310よりも摩耗抵抗が低い材料から構成されるかもしれない。なぜなら、シール補強部材350は、弾性シール310と摺動接触して、シールリング320とは摺動接触しないからである。
【0039】
図14に示すように、シール補強部材350は、実質弾性シール310の内径と等しい内径352を有するとともにワッシャのような形状を有する。シール補強部材350は、締付け部分(例えば、保護リング306)および弾性シール310の間に安全に捉えられることができるように十分大きい外径354を有している。シール補強部材350は、実質的に平らであってもよいし、曲面を有していてもよい。曲面は、ベンド356、358によって形成されている。加えて、シール補強部材350は、弾性シール310に接触させる研磨媒体と干渉するように構成してもよい。これにより、研磨媒体から弾性シール310を保護するシールドとして機能する。
【0040】
あるいは、シール補強部材350は複数の弾性片持ち部材を有するようにしてもよい。各弾性片持ち部材は、弾性シール310と保護リング306の間に捕捉された一端と、弾性シール310の少なくとも先端部分360に伸延する他端を有している。複数の片持ち部材は、弾性シール310の外周の周辺に均一に間隔をあけて配置され、および/または、複数の片持ち部材が実質的に均一に、逆流方向Bに対して弾性シール310の剛性を増加するよう望ましい形態で弾性シール310の外周の周辺に間隔をあけて配置される。
【0041】
図13に戻って、逆流方向Bの流体圧力が閉位置のディスク302に伝わるように、先端部分360がシール補強部材350と隣接するまたは接するまで、弾性シール310が逆流方向Bに曲げられている。この方法において、シール補強部材350は弾性シール310のチップ部分360について弾性支持としての役割を果たす。その結果、シール補強部材350は、逆流方向Bにおける弾性シール310の剛性を増加させ、極端な曲げから弾性シール310を守ることができる。これにより、ディスク302の外縁318と弾性シール310の間の流体シールが傷つけられ、または、破損しないようにしている。シール補強部材350と同様の構成は、ここで説明した他の実施形態にも追加することができる。
【0042】
図11および13の実施形態に係るバルブ300において、弾性シール310とシールリング320の間の動的シールは、シールリング320およびディスク302、および/または、図5で説明した弾性シール310の形状によって生じる弾性シール310中の周方向の圧力を利用している。さらに、シールリング320は、図6〜8のリング114、156、184について上述したものと実質的に同じような方法で、設計され、製造される。
【0043】
図15は、バタフライバルブに使用される、他の代替シールリングカートリッジおよび弾性キャリア構造400の断面図である。一般的に、図15の構造400は、図9に示すものと同様である。図15で示されているように、上部404と下部406を有するカートリッジ402は、溶接(例えばレーザー溶接)410を介して弾性キャリア408に固定されている。シールリング412は、上部404と下部406の間に捕捉されている。シールリング412は、上述した多重シール構造を利用して形成される。図9に示すシール/キャリアの構造とは対照的に、シールリング114、156、184が対応するキャリア112、156、184に固定されたのと同じような方法で、カートリッジ402は弾性キャリア408の平面側414に取り付けられている。
【0044】
いくつかの実施形態に係る方法、装置、および製品は上述したとおりであるが、この特許の対象範囲はこれに限定されない。一方、この特許は、添付する特許請求の範囲の文字通りまた均等に含まれるべく全ての方法、装置、および製品にまで及ぶ。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
バタフライバルブに使用するシールであって、
バルブ本体を取り囲むように前記バタフライバルブに取り付けられた環状の実質弾性キャリアと、
外周表面および内周表面を有する実質剛性シールリングと、を備え、
前記外周表面は前記実質弾性キャリアに取り付けられており、
前記内周表面は制御部材とシールして結合するよう構成されており、
前記制御部材は作動可能に前記バルブ本体と接触する、シール。
【請求項2】
前記実質剛性シールリングは第1の金属層を有する、請求項1に記載のシール。
【請求項3】
前記第1の金属層はステンレス鋼からなる、請求項2に記載のシール。
【請求項4】
前記実質剛性シールリングは、前記第1の金属層に連結された第1の膨張グラファイト層を有する、請求項2に記載のシール。
【請求項5】
前記実質剛性シールリングは、前記第1の膨張グラファイト層に連結されたポリマー層を有する、請求項4に記載のシール。
【請求項6】
前記実質剛性シールリングは、第2の金属層および第2の膨張グラファイト層が並べられてなり、前記ポリマー層が前記第1の膨張グラファイト層および第2の膨張グラファイト層の間に配設され、前記第1の膨張グラファイト層および第2の膨張グラファイト層は前記第1の金属層および第2の金属層に隣接する、請求項5に記載のシール。
【請求項7】
前記実質剛性シールリングは第2の膨張グラファイト層および第2の金属層を有し、前記第1の膨張グラファイト層および前記第2の膨張グラファイト層のいずれもが、前記第1の金属層および前記第2の金属層の間に位置する、請求項4に記載のシール。
【請求項8】
前記実質剛性シールリングは、前記第1の膨張グラファイト層および前記第2の膨張グラファイト層の間に更なる金属層を有する、請求項7に記載のシール。
【請求項9】
前記実質剛性シールリングは、溶接によって前記実質弾性リャリアに固定されている、請求項1に記載のシール。
【請求項10】
前記内周表面は楕円形の形状を有する、請求項1に記載のシール。
【請求項11】
前記実質弾性キャリアは楕円形の形状を有する、請求項1に記載のシール。
【請求項12】
前記実質弾性キャリアは金属で形成され、前記実質剛性シールはその他の金属で形成されている、請求項1に記載のシール。
【請求項13】
バタフライバルブに使用するシールであって、
バタフライバルブに固定されるとともにバルブ本体を囲むように構成された環状の実質弾性キャリアと、
前記キャリアと結合するカートリッジと、
前記カートリッジに固定されるとともに内周表面を有する実質剛性シールリングと、を備え、
前記内周表面は、前記バルブ本体と動作可能に接触する制御部材とシールするよう結合するシール。
【請求項14】
前記カートリッジは少なくとも2つの部分を有する、請求項13に記載のシール。
【請求項15】
前記シールリングは前記カートリッジの前記2つの部分の間に固定されている、請求項14に記載のシール。
【請求項16】
前記キャリアは湾曲した断面形状を有する、請求項13に記載のシール。
【請求項17】
前記キャリアは平らな断面形状を有する、請求項13に記載のシール。
【請求項18】
前記カートリッジは、溶接によって前記キャリアに連結されている、請求項13に記載のシール。
【請求項19】
前記シールリングは多重構造である、請求項13に記載のシール。
【請求項20】
前記多重構造には少なくとも1つの金属、ポリマー、または膨張グラファイトの層が含まれる、請求項19に記載のシール。
【請求項21】
前記カートリッジは前記シールリングの形状を維持する、請求項13に記載のシール。
【請求項22】
バタフライバルブに使用するシールであって、
バルブ本体を囲むように前記バタフライバルブの本体部分に取り付けられた環状の実質弾性シール部材と、
前記バルブ本体を通過する流体流れを制御する流量制御部材に固定されたシールリングと、を備え、
前記シールリングは、前記環状の実質弾性シール部材とシールするよう結合するように構成された外周表面を有するラミネート構造である、シール。
【請求項23】
前記実質剛性シールリングは第1の金属層を有する、請求項22に記載のシール。
【請求項24】
前記金属層はステンレス鋼からなる、請求項23に記載のシール。
【請求項25】
前記実質剛性シールリングは、前記第1の金属層と結合する第1の膨張グラファイト層を有する、請求項23に記載のシール。
【請求項26】
前記実質剛性シールリングは、第2の膨張グラファイト層および第2の金属層を有し、前記第1の膨張グラファイト層および第2の膨張グラファイト層は、前記第1の金属層および第2の金属層の間に配置されている、請求項25に記載のシール。
【請求項27】
前記実質剛性シールリングは、さらなる金属層を前記第1のおよび第2の膨張グラファイト層の間に有する、請求項26に記載のシール。
【請求項28】
前記シールリングは前記流量制御部材に取り付けられている、請求項22に記載のシール。
【請求項29】
前記環状の弾性キャリアは金属で形成されている、請求項22に記載のシール。
【請求項30】
前記環状の実質弾性シール部材に隣接するとともに、複数の流れ方向の1つにおいて、前記環状の実質弾性シール部材の剛性を高めるように構成された実質弾性部材を更に備える、請求項22に記載のシール。
【請求項31】
前記複数の流れ方向の1つが逆流方向である、請求項30に記載のシール。
【請求項32】
前記実質弾性部材は、前記シール部材を研磨媒体から保護するように構成されている、請求項30に記載のシール。
【請求項33】
前記実質弾性部材は、複数の流れ方向の1つにおいて、圧力に応じて前記シール部材と連結するように構成されている、請求項30に記載のシール。
【請求項34】
第1の金属層と、前記第1の金属層に固定される第1の膨張グラファイト層と、前記第1の膨張グラファイト層に固定されるポリマー層とを備えた、シールとして使用する多層構造部材。
【請求項35】
前記第1の金属層はステンレス鋼で形成されている、請求項34に記載の多層構造部材。
【請求項36】
前記ポリマー層はPTFEで形成されている、請求項34に記載の多層構造部材。
【請求項37】
前記ポリマー層に固定された第2の膨張グラファイト層と、前記第2の膨張グラファイト層に固定された第2の金属層と、をさらに備える、請求項34に記載の多層構造部材。
【請求項38】
前記第1および第2の膨張グラファイト層の間に第3の金属層を更に備える、請求項37に記載の多層構造部材。
【請求項39】
前記第2の金属層はステンレス鋼によって形成されている、請求項37に記載の多層構造部材。
【請求項1】
バタフライバルブに使用するシールであって、
バルブ本体を取り囲むように前記バタフライバルブに取り付けられた環状の実質弾性キャリアと、
外周表面および内周表面を有する実質剛性シールリングと、を備え、
前記外周表面は前記実質弾性キャリアに取り付けられており、
前記内周表面は制御部材とシールして結合するよう構成されており、
前記制御部材は作動可能に前記バルブ本体と接触する、シール。
【請求項2】
前記実質剛性シールリングは第1の金属層を有する、請求項1に記載のシール。
【請求項3】
前記第1の金属層はステンレス鋼からなる、請求項2に記載のシール。
【請求項4】
前記実質剛性シールリングは、前記第1の金属層に連結された第1の膨張グラファイト層を有する、請求項2に記載のシール。
【請求項5】
前記実質剛性シールリングは、前記第1の膨張グラファイト層に連結されたポリマー層を有する、請求項4に記載のシール。
【請求項6】
前記実質剛性シールリングは、第2の金属層および第2の膨張グラファイト層が並べられてなり、前記ポリマー層が前記第1の膨張グラファイト層および第2の膨張グラファイト層の間に配設され、前記第1の膨張グラファイト層および第2の膨張グラファイト層は前記第1の金属層および第2の金属層に隣接する、請求項5に記載のシール。
【請求項7】
前記実質剛性シールリングは第2の膨張グラファイト層および第2の金属層を有し、前記第1の膨張グラファイト層および前記第2の膨張グラファイト層のいずれもが、前記第1の金属層および前記第2の金属層の間に位置する、請求項4に記載のシール。
【請求項8】
前記実質剛性シールリングは、前記第1の膨張グラファイト層および前記第2の膨張グラファイト層の間に更なる金属層を有する、請求項7に記載のシール。
【請求項9】
前記実質剛性シールリングは、溶接によって前記実質弾性リャリアに固定されている、請求項1に記載のシール。
【請求項10】
前記内周表面は楕円形の形状を有する、請求項1に記載のシール。
【請求項11】
前記実質弾性キャリアは楕円形の形状を有する、請求項1に記載のシール。
【請求項12】
前記実質弾性キャリアは金属で形成され、前記実質剛性シールはその他の金属で形成されている、請求項1に記載のシール。
【請求項13】
バタフライバルブに使用するシールであって、
バタフライバルブに固定されるとともにバルブ本体を囲むように構成された環状の実質弾性キャリアと、
前記キャリアと結合するカートリッジと、
前記カートリッジに固定されるとともに内周表面を有する実質剛性シールリングと、を備え、
前記内周表面は、前記バルブ本体と動作可能に接触する制御部材とシールするよう結合するシール。
【請求項14】
前記カートリッジは少なくとも2つの部分を有する、請求項13に記載のシール。
【請求項15】
前記シールリングは前記カートリッジの前記2つの部分の間に固定されている、請求項14に記載のシール。
【請求項16】
前記キャリアは湾曲した断面形状を有する、請求項13に記載のシール。
【請求項17】
前記キャリアは平らな断面形状を有する、請求項13に記載のシール。
【請求項18】
前記カートリッジは、溶接によって前記キャリアに連結されている、請求項13に記載のシール。
【請求項19】
前記シールリングは多重構造である、請求項13に記載のシール。
【請求項20】
前記多重構造には少なくとも1つの金属、ポリマー、または膨張グラファイトの層が含まれる、請求項19に記載のシール。
【請求項21】
前記カートリッジは前記シールリングの形状を維持する、請求項13に記載のシール。
【請求項22】
バタフライバルブに使用するシールであって、
バルブ本体を囲むように前記バタフライバルブの本体部分に取り付けられた環状の実質弾性シール部材と、
前記バルブ本体を通過する流体流れを制御する流量制御部材に固定されたシールリングと、を備え、
前記シールリングは、前記環状の実質弾性シール部材とシールするよう結合するように構成された外周表面を有するラミネート構造である、シール。
【請求項23】
前記実質剛性シールリングは第1の金属層を有する、請求項22に記載のシール。
【請求項24】
前記金属層はステンレス鋼からなる、請求項23に記載のシール。
【請求項25】
前記実質剛性シールリングは、前記第1の金属層と結合する第1の膨張グラファイト層を有する、請求項23に記載のシール。
【請求項26】
前記実質剛性シールリングは、第2の膨張グラファイト層および第2の金属層を有し、前記第1の膨張グラファイト層および第2の膨張グラファイト層は、前記第1の金属層および第2の金属層の間に配置されている、請求項25に記載のシール。
【請求項27】
前記実質剛性シールリングは、さらなる金属層を前記第1のおよび第2の膨張グラファイト層の間に有する、請求項26に記載のシール。
【請求項28】
前記シールリングは前記流量制御部材に取り付けられている、請求項22に記載のシール。
【請求項29】
前記環状の弾性キャリアは金属で形成されている、請求項22に記載のシール。
【請求項30】
前記環状の実質弾性シール部材に隣接するとともに、複数の流れ方向の1つにおいて、前記環状の実質弾性シール部材の剛性を高めるように構成された実質弾性部材を更に備える、請求項22に記載のシール。
【請求項31】
前記複数の流れ方向の1つが逆流方向である、請求項30に記載のシール。
【請求項32】
前記実質弾性部材は、前記シール部材を研磨媒体から保護するように構成されている、請求項30に記載のシール。
【請求項33】
前記実質弾性部材は、複数の流れ方向の1つにおいて、圧力に応じて前記シール部材と連結するように構成されている、請求項30に記載のシール。
【請求項34】
第1の金属層と、前記第1の金属層に固定される第1の膨張グラファイト層と、前記第1の膨張グラファイト層に固定されるポリマー層とを備えた、シールとして使用する多層構造部材。
【請求項35】
前記第1の金属層はステンレス鋼で形成されている、請求項34に記載の多層構造部材。
【請求項36】
前記ポリマー層はPTFEで形成されている、請求項34に記載の多層構造部材。
【請求項37】
前記ポリマー層に固定された第2の膨張グラファイト層と、前記第2の膨張グラファイト層に固定された第2の金属層と、をさらに備える、請求項34に記載の多層構造部材。
【請求項38】
前記第1および第2の膨張グラファイト層の間に第3の金属層を更に備える、請求項37に記載の多層構造部材。
【請求項39】
前記第2の金属層はステンレス鋼によって形成されている、請求項37に記載の多層構造部材。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【公開番号】特開2012−72905(P2012−72905A)
【公開日】平成24年4月12日(2012.4.12)
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願2011−228643(P2011−228643)
【出願日】平成23年10月18日(2011.10.18)
【分割の表示】特願2008−547230(P2008−547230)の分割
【原出願日】平成18年11月9日(2006.11.9)
【出願人】(591055436)フィッシャー コントロールズ インターナショナル リミテッド ライアビリティー カンパニー (183)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成24年4月12日(2012.4.12)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−228643(P2011−228643)
【出願日】平成23年10月18日(2011.10.18)
【分割の表示】特願2008−547230(P2008−547230)の分割
【原出願日】平成18年11月9日(2006.11.9)
【出願人】(591055436)フィッシャー コントロールズ インターナショナル リミテッド ライアビリティー カンパニー (183)
【Fターム(参考)】
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