JP2019086151A - 金属弁座を有するダイヤフラム弁 - Google Patents

Abstract

【課題】高温および腐食性材料に耐えるダイヤフラム弁用の弁座を有したダイヤフラム弁を提供する。【解決手段】ダイヤフラム弁１０は、流体通路１２，１４を画定する弁本体１１と、弁本体１１と組み立てられたダイヤフラム１６と、流体通路１２，１４を囲む弁本体１１上に配置された環状金属弁座４０とを含み、弁座４０は、ダイヤフラム１６が閉位置にあるときダイヤフラム１６に対して封止するための、浅い逆円錐台状弁座封止面を画定する。【選択図】図１

Description

関連出願の相互参照
本出願は、金属弁座を有するダイヤフラム弁に関して、２０１７年１１月９日に申請された、米国仮特許出願第６２／５８３，７３１号明細書に対する優先権およびすべての利益を主張するものであり、その開示内容全体は完全に、参照により本明細書に組み込まれる。

発明の分野
本発明は、一般にダイヤフラム弁用の弁座に関し、より詳細には、高温および腐食性材料に耐えるための、ダイヤフラム弁用の金属弁座、ならびにダイヤフラム弁用の金属弁座のための組成および幾何学的形状に関する。

ダイヤフラム弁は、一般に知られており、ダイヤフラムが環状弁座に対して封止し、それにより弁を通した流体の流れを妨げる弁配置を含む。そのようなものとして、弁座は、ダイヤフラムと係合することによって流入または流出通路を封止するために使用される。ダイヤフラムは、金属または非金属材料で作ることができる。

金属ダイヤフラムとともに使用される典型的な弁座は、ポリクロロトリフルオロエテン（ＰＣＴＦＥ）またはポリイミドなどの、プラスチックベースの材料から設計される。しかしながら、非金属弁座は、高いもしくは低い温度範囲、または高度に腐食性のもしくは化学的に非両立性の流体への暴露などの、定格使用のパラメータ外の環境要因を受けるとき、変化する特性を有する。このような積極的な用途では、金属弁座が使用されてきたが、このような既知の全金属弁の性能要求は通常、プラスチックベースの弁座の性能と合致しない。例えば、金属弁座を有する弁は、高い漏洩率、動作可能なサイクル数の減少、または必要とされる作動力の増加を示す場合がある。定格サイクル数を減少させることは不利益であり、交換コストが高くなり得るから、高温で稼働するか、または腐食性材料を調整するシステムに対してこの不利益はさらに大きい。これは、このような材料の流量を制御するために弁が頻繁に使用されるからであり、したがって、定期的に必要とされるサイクルの数の劇的な増加を必要としている。

本出願の例示的な実施形態によれば、ダイヤフラム弁は、流体通路を画定する弁本体と、弁本体と組み立てられたダイヤフラムと、流体通路を囲む弁本体上に配置された環状金属弁座とを含み、弁座は、ダイヤフラムが閉位置にあるときダイヤフラムに対して封止するための、狭い、浅い逆円錐台状弁座封止面を画定する。

本明細書に組み込まれ、その一部を構成する添付図面で、本発明の実施形態が例示され、それらは、上記の本発明の一般的な説明、および下記の詳細な説明とともに、本発明の原理を例示するのに役立つ。

本出願の例示的な実施形態によるダイヤフラム弁の部分断面図である。 図１のダイヤフラム弁の弁座およびダイヤフラム封止フランジの拡大部分断面図である。 本出願の別の例示的な実施形態によるダイヤフラム弁の部分断面図である。 図３のダイヤフラム弁の弁座カートリッジの拡大断面図である。

本発明のさまざまな発明的な実施態様、概念および特徴は、例示的な実施形態において組み合せて具現化されるように本明細書に説明され例示され得るが、これらのさまざまな実施態様、概念および特徴は、個別に、またはさまざまな組合せおよびその部分的組合せで、多くの代替実施形態において使用され得る。本明細書に明示的に除外されない限り、すべてのこのような組合せおよび部分的組合せは、本発明の範囲内にあるように意図される。なおさらに、本発明のさまざまな実施態様、概念および特徴に関するさまざまな代替実施形態−−代替の材料、構造、構成、方法、回路、デバイスおよび構成部品、形態、嵌合および機能に関する代替など−−が本明細書に説明され得るが、このような説明は、現在知られているか後に開発されるかにかかわらず、利用可能な代替実施形態の完全なまたは網羅的なリストであるように意図されない。当業者は、たとえそのような実施形態が本明細書に明示的に開示されないとしても、本発明の範囲内の付加的な実施形態および用途に、発明的な実施態様、概念または特徴のうちの１つまたは複数を容易に取り入れることができる。加えて、本発明のいくつかの特徴、概念または実施態様が、好ましい配置または方法であるように本明細書に説明され得るけれども、そのような説明は、明示的にそのように述べられない限り、そのような特徴が必要とされる、または必要であると示唆するように意図されない。なおさらに、例示的または代表的な値および範囲が本開示の理解を助けるために含まれ得るが、そのような値および範囲は、限定的な意味で解釈されるべきでなく、明示的にそのように述べられる場合に限り、決定的な値または範囲であるように意図される。「およそ」または「約」指定値として識別されるパラメータは、別途明示的に述べられない限り、指定値および指定値の１０％以内の値の両方を含むように意図される。さらに、本出願に付随する図面は、原寸に比例し得るが、そうでなくてもよく、したがって図面で明らかなさまざまな比および割合を教示していると理解され得ることを、理解するべきである。そのうえ、さまざまな実施態様、特徴および概念が、発明的であるかまたは本明細書の一部を形成していると本明細書に明示的に識別され得るが、そのような識別は排他的であるように意図されず、むしろ、そのようなものとしてまたは具体的な発明の一部として明示的に識別されることなく本明細書に完全に説明される、発明的な実施態様、概念および特徴が存在する場合があり、本発明はその代わりとして添付の特許請求の範囲に明記される。例示的な方法または工程の説明は、すべての場合に必要とされるものとしてすべてのステップを含むことに限定されず、ステップが提示される順序もまた、明示的にそのように述べられない限り、必要とされる、または必要であると解釈されるべきではない。

図１を参照すると、本出願のある特定の実施態様による、例示的なダイヤフラム弁１０は、弁本体１１、ダイヤフラム１６、およびアクチュエータ１８を含む。弁本体１１は、第１の（例えば、流入）通路１２、第２の（例えば、流出）通路１４、および第１の通路を囲む弁座４０を含む。広範囲の開示を目的として詳細に図示されていない、アクチュエータ１８は、流体が流入通路１２から流出通路１４まで弁座４０を通過することを許されるように、弁座４０から離隔した開位置から、ダイヤフラムが弁座４０に対して封止して流入通路から流出通路への流れを遮断する、閉位置まで、ダイヤフラム１６を動かすように動作可能なボタン１９を含む。アクチュエータ１８は、例えば、手動アクチュエータ（例えば、回転可能なハンドル）、空気圧式アクチュエータ、および電気式アクチュエータを含む、さまざまな適当なアクチュエータのいずれか１つとして提供され得る。本出願でさらに論じられない、本明細書に企図されるダイヤフラム弁についてのこれらのおよび他の一般的な実施態様は、本出願の適用を受ける発明的な実施態様に関係しない。

図２は、弁座４０を含む弁本体１１の上部の拡大図を示す。図示されるように、例示的な弁座４０は、弁座が弁本体の残りの部分と同じ材料（例えば、インコネル６２５、３１６ステンレス鋼）から形成されるように、弁本体１１と一体である（例えば、これに溶接され、またはこれとモノリシックに形成されている）。弁座４０は、第１の通路１２を画定し上部封止面４５まで（弁座中心軸Ｘに沿った）軸方向に延在する環状壁部４１を含み、アクチュエータ１８がダイヤフラムを閉位置に動かすときダイヤフラム１６が上部封止面４５に対して封止する。図示されるように、環状壁４１の最上部は、封止面４５の内径まで延在する（第１の通路１２から延在する）外向きにテーパの付いた内面４２、および／または封止面の外径まで延在する内向きにテーパの付いた外面４３を含み得る。弁座封止面は、さまざまな形状、サイズ、および外形（例えば、環状ビード、環状ナイフエッジ、または平らな環状リング）で提供され得るが、本出願の例示的な実施態様に従って、封止面は、例えば、ダイヤフラムが閉位置にあるとき弁座封止面４５の半径方向の幅全体とダイヤフラム１６との間の接触を提供するために、封止面４５と半径方向に整列されたアクチュエータボタン１９の凸面１９ａと実質的に合致するように角度がついた、または、封止面４５に対して封止するダイヤフラム１６の部分に付随する、狭い、浅い逆円錐台面として提供され得る。

本出願の一実施態様に従って、狭い円錐台帯状封止面のサイズは、遮断中の弁座変形を限定し封止面内の小さい穴または他の欠陥を考慮するために十分な幅を提供すると同時に、遮断のために必要とされるアクチュエータ閉鎖力を最小化するのに十分狭いように、定めることができる。この制御された封止面は、例えば、初期の線接触封止面上に集中した閉鎖力が、例えば、双晶形成、不連続な降伏効果、粒子異方性（すなわち、個別の粒子を変形荷重下でそれらの近傍と異なるように変形させる粒子配向）、および（しばしば「オレンジピール」効果と呼ばれる）変形誘起表面粗化などの、弁座封止性能に影響を及ぼし得る大量の塑性変形を生み出す場合がある、丸みを帯びた環状「ビード」封止面と比較して、封止性能を強化することができる。例示的な実施形態で、図２の拡大図に示されるように、例示された弁座封止面４５は、水平面（すなわち、弁座２５の中心軸Ｘと垂直をなす平面）に対して約３°（例えば、２．５°から３．５°）、または弁座中心軸に対して約８７°（例えば、８６．５°から８７．５°）の角度αで配置された約０．００７インチ（例えば、０．００５〜０．０１０インチ）の幅ｌを有する。封止面のこの寸法設計は、製造された金属表面と関連付けられた典型的な微欠点の長さよりも大きい封止（密着）幅を作り出すのに十分大きいが、対になる金属表面間の密着を生み出すために必要な適用封止荷重を最小化するのに十分小さい、２つの表面間の接触の幅を達成すると決定された。

ダイヤフラム１６の周辺エッジをさまざまな方法で弁本体１１に封止することができる。例示的な実施形態で、隆起したフランジ３０が本体２５の上端の周りに円周方向に延在し、流出通路１４および流入通路１２の両方を取り囲む。フランジ３０の外面３２は、（例えば、約４３°から約４７°の間の角度で）または全体的な装置設計および構成に基づく任意の適当な角度で、端面３１から外向きに半径方向に傾けることができる。

ダイヤフラム１６は、フランジ３０の上部平面３０ａに対して保持される。ダイヤフラムは、例えば、フランジ平面との封止係合に対応するために、凸型中心部分および全体的に平らな、半径方向に延在する周辺エッジ部分を備え得る。アクチュエータ１８の基部またはボンネット部２６は、円筒壁２８によって囲まれる平らな部分２７を含む曲線的に作られた下部周囲面を含み得る。ボンネット２６が弁本体１１と組み立てられる（例えば、ボンネットナット２３で固定される、図１を参照のこと）とき、平らな部分２７は、図示されるようにフランジ端面３１に対してダイヤフラム１６の上面を締め付ける。円筒壁２８は、ダイヤフラムの外周部を下方へゆがめて曲げ、フランジ外壁３２に対して封止係合を作り出す。例示的なダイヤフラム圧着配置については、米国特許第６，０９２，５５０号明細書（「’５５０特許」）に、より詳細に説明され、その開示内容全体が本明細書に参照により組み込まれる。ダイヤフラム１６は、図１に示されるように、上部支持ダイヤフラム１５およびワッシャ１７によって支持することができるが、そうしなくてもよい。

本出願の別の実施態様に従って、フランジ３０の端面３１は、例えば、弁サイクル中のダイヤフラム１６のストロークまたは撓みを限定することによって弁サイクル寿命を改善するために、弁座封止面４５から凹んでいてもよい。例示的な実施形態で、フランジ端面３１は、約０．００７インチ（例えば、０．００７から０．００８インチの間）の距離ｈだけ弁座封止面４５から凹んでいる、またはオフセットされている。

他の実施形態で、金属弁座（例えば、上述の封止面を有する金属弁座）は、例えば、弁本体とは異なる材料特性（例えば、硬度または他の封止面条件）を有する弁座を提供するために、弁本体にステーキングされ得る。これは、望ましい弁座材料が弁本体材料よりも高価な材料である場合、または望ましい弁座材料を機械加工することがより困難な場合に、より費用効果が高い選択肢を提供し得る。１つの実施例で、弁本体は３１６ステンレス鋼で提供することができ、弁座挿入物はインコネル６２５で提供することができる。例示的なステーキングされた金属弁座挿入物配置については、米国特許出願公開第２００７／００４５５８７号明細書（「’５８７出願」）に説明され、その開示内容全体が本明細書に参照により組み込まれる。そのような実施形態で、ステーキングされた弁座挿入物を受け入れるために必要とされる付加的な弁本体材料は、弁座のサイズに対して流入通路のサイズを限定し得る。例えば、例示的な実施形態で、約０．２０７インチの弁座内径を有する一体式弁座が約０．２００インチの流入通路直径を可能にし得るのに対して、約０．２０７インチの弁座内径を持つステーキングされた金属弁座挿入物を有する弁は、約０．１５６インチの流入通路直径に限定され得る。

さらに他の実施形態で、ダイヤフラム弁は、例えば、弁座の交換もしくは保守、またはダイヤフラムおよび／もしくはダイヤフラム封止面の交換に備えて、金属弁座およびダイヤフラム封止面を含む取り外し可能な弁座カートリッジを備え得る。図３は、弁本体１１０中に設置され、弁本体１１０とアクチュエータ１１８との間に設置されたねじ付ナット１６０によって弁本体中に保持される、取り外し可能な弁座カートリッジ１０５を含む例示的なダイヤフラム弁１００を例示する。弁座カートリッジ１０５は、キャリア本体１２０中の第１の（例えば、流入）および第２の（例えば、流出）ポート１２２、１２４を取り囲む外縁１２１を有する円盤状構成部品として形成された弁座キャリア本体１２０を含む。外縁１２１は、ダイヤフラム１１６に対して封止するための第１の、上面１３１を有する上部フランジ１３０と、第１の面１３１と反対側に面し弁本体１１０に対して面封止を形成する第２の、下面１３６を有する下部フランジ１３５とを提示する。任意のダイヤフラム−弁座キャリア本体封止配置が利用され得るが、例示的な実施形態では、ダイヤフラム１１６は、外縁１１１の第１の面１１３に溶接部Ｗに沿って溶接することができる、および／または、ねじ付ナット１６０によって外縁に対して締め付けることができる、周辺エッジ部１１６ａを含む。弁座キャリア本体に溶接されたダイヤフラムを含む弁座カートリッジについては、米国特許出願公開第２０１４／０２１７３２１号明細書（「‘３２１出願」）に説明され、その開示内容全体が本明細書に参照により組み込まれる。

弁座キャリア本体１２０は、外縁１２１から中央の、第１の（例えば、流入）ポート１２２を画定する弁座封止部へ内向きに半径方向に延在するウェブ１２７をさらに含み、ウェブ部は１つまたは複数の第２の（例えば、流出）ポート１２４を画定する。‘３２１出願の弁座カートリッジのように、弁座キャリア本体１２０は、例えば、弁本体１１０中の弁座カートリッジ１０５の方向にかかわらず弁を通る流れの増加に備えて、複数の流出ポート１２４を備えてもよい。ウェブ１２７は、一般に平面または平らとすることができ、その厚さは外縁１２１の軸方向の高さよりも小さくすることができる。カートリッジ１０５が弁キャビティに設置されるとき、第１のポート１２２は、弁本体の流入通路１１２と同軸上に整列することができる。ウェブ１２７は、上に組み込まれた‘３２１出願に説明されるように、例えば、弁本体との封止係合を容易にするために、設置にあたり弁座キャリア本体の撓みを提供することができる。

弁座カートリッジ１０５の上側は、第１のポート１２２と同軸でこれを囲む弁座１４０を含む。図示されるように、弁座１４０は、（例えば、３１６ステンレス鋼、インコネル６２５、または他の金属材料で）弁座キャリア本体１２０と一体であってもよく（例えば、これに溶接され、またはこれとモノリシックに形成されてもよく）、ダイヤフラムを閉位置に動かすようにアクチュエータが動作するとき、ダイヤフラム１１６との封止係合のために、図１および図２のダイヤフラム弁１０の弁座４０と同様に寸法を決めることができるが、そうしなくてもよい、弁座封止面１４５を含み得る。代わりに、弁座は、弁座キャリア本体と組み立てられても（例えば、弁座キャリア本体にステーキングされても）よい。

弁座カートリッジ１０５の下側は、第１のポート１２２と同軸でこれを囲む本体ポート封止１５０を含む。本体ポート封止１５０は、同様に、弁座キャリア本体１２０と一体であってもよく（例えば、これに溶接され、またはこれとモノリシックに形成されてもよく）、または弁座キャリア本体と組み立てられても（例えば、弁座キャリア本体にステーキングされても）よい。本体ポート封止１５０は、弁本体の流入通路を囲む弁本体の環状上面に対する封止係合のために、さまざまな適当な形状、サイズ、および外形（例えば、環状ビード、環状ナイフエッジ、または平らな環状リング）のいずれかを備え得る、封止面１５５を含む。弁座カートリッジ１０５が弁１００から取り外されるまで維持される、固定封止として、本体ポート封止は、設置および／または弁組立ての間に弁本体１１０との封止係合に変形可能であるように構成され得る。

（図示されていない）他の実施形態で、弁座および本体ポート封止のいずれかまたは両方は、例えば、上に組み込まれた‘５８７出願のステーキングされた金属弁座挿入物と同様に、弁座キャリア本体にステーキングされ得る別個の金属挿入物として提供され得る。

本発明の例示的な実施態様は、プラスチック弁座を使う他の弁組立体において利用法を見いだすことができ、それにより、例えば、全体として本明細書に参照により組み込まれる、米国特許第５，２１５，２８６号明細書に開示される取り外し可能なプラスチック弁座配置、ならびに上に組み込まれた‘５５０特許および‘３２１出願のプラスチック弁座配置を含めて、プラスチック弁座を硬化金属弁座で置き換えることができる。

本発明は、ある特定の例示的な実施形態に関して開示され説明されたが、ある特定の変形形態および修正形態は、本明細書を読めば当業者が思いつくことができる。そのような変形形態および修正形態は、添付の特許請求の範囲およびその等価物の定義上の限定にもかかわらず本発明の範囲内である。したがって、出願者の全体的な発明的概念の趣旨および範囲から逸脱することなく、そのような詳細からの逸脱がなされ得る。

Claims (27)

1. 流体通路を画定する弁本体と、
   前記流体通路を封止するためのダイヤフラムと、
   前記流体通路を囲む前記弁本体上に配置され、前記ダイヤフラムが閉位置にあるとき前記ダイヤフラムに対して封止するための逆円錐台状弁座封止面を画定する、環状金属弁座と
   を備えた、ダイヤフラム弁。
2. 前記弁座は前記弁本体と一体である、請求項１に記載のダイヤフラム弁。
3. 前記弁座は前記弁本体とモノリシックに形成される、請求項１に記載のダイヤフラム弁。
4. 前記弁座は前記弁本体と組み立てられる、請求項１に記載のダイヤフラム弁。
5. 前記弁座は前記弁本体にステーキングされる、請求項４に記載のダイヤフラム弁。
6. 前記弁本体から取り外し可能な弁座カートリッジをさらに備え、前記弁座は前記弁座カートリッジの上面に配置される、請求項４に記載のダイヤフラム弁。
7. 前記弁座は前記弁座カートリッジと一体である、請求項６に記載のダイヤフラム弁。
8. 前記弁座は前記弁座カートリッジとモノリシックに形成される、請求項６に記載のダイヤフラム弁。
9. 前記弁座は前記弁座カートリッジと組み立てられる、請求項６に記載のダイヤフラム弁。
10. 前記弁座は前記弁座カートリッジにステーキングされる、請求項６に記載のダイヤフラム弁。
11. 前記弁座カートリッジは、前記上面と反対側の前記弁座カートリッジの下面に配置された環状本体ポート封止を備え、前記本体ポート封止は、前記流体通路を囲む前記弁本体の環状上面と封止係合で固定される、請求項６〜１０のいずれか一項に記載のダイヤフラム弁。
12. 前記本体ポート封止は前記弁座カートリッジと一体である、請求項１１に記載のダイヤフラム弁。
13. 前記本体ポート封止は前記弁座カートリッジとモノリシックに形成される、請求項１１に記載のダイヤフラム弁。
14. 前記本体ポート封止は前記弁座カートリッジと組み立てられる、請求項１１に記載のダイヤフラム弁。
15. 前記本体ポート封止は前記弁座カートリッジにステーキングされる、請求項１１に記載のダイヤフラム弁。
16. 前記弁座封止面は約０．００７インチの幅を有する、請求項１〜１５のいずれか一項に記載のダイヤフラム弁。
17. 前記弁座封止面は前記弁座の中心軸に対して約８７°の角度で配置される、請求項１〜１６のいずれか一項に記載のダイヤフラム弁。
18. 前記弁本体の上面は、前記ダイヤフラムの外周が固定される端面を有する環状フランジを備える、請求項１〜１７のいずれか一項に記載のダイヤフラム弁。
19. 前記環状フランジの前記端面は前記弁座封止面から凹んでいる、請求項１８に記載のダイヤフラム弁。
20. 前記環状フランジの前記端面は前記弁座封止面から約０．００７インチだけ凹んでいる、請求項１８に記載のダイヤフラム弁。
21. 前記ダイヤフラムの前記外周は前記環状フランジに溶接される、請求項１８〜２０のいずれか一項に記載のダイヤフラム弁。
22. 前記ダイヤフラムが前記閉位置にあるとき、前記ダイヤフラムは前記弁座封止面の半径方向の幅全体と接触する、請求項１〜２１のいずれか一項に記載のダイヤフラム弁。
23. 前記弁座は、前記第１の通路を画定し前記弁座封止面まで前記弁座の中心軸に沿って軸方向に延在する環状壁部を含み、前記環状壁の最上部は、前記流体通路から前記弁座封止面の内径まで延在する外向きにテーパの付いた内面、および前記弁座封止面の外径まで延在する内向きにテーパの付いた外面を含む、請求項１〜２２のいずれか一項に記載のダイヤフラム弁。
24. 前記弁本体に組み立てられたボンネット部と、前記ダイヤフラムに係合し前記ダイヤフラムを前記閉位置まで動かすように動作可能なアクチュエータボタンとを含む、アクチュエータをさらに備えた、請求項１〜２３のいずれか一項に記載のダイヤフラム弁。
25. 前記アクチュエータボタンは凸型ダイヤフラム係合面を備え、前記弁座封止面と整列する前記凸型ダイヤフラム係合面の一部は、前記円錐台状封止面の角度と実質的に合致する角度で配置される、請求項２４に記載のダイヤフラム弁。
26. 前記弁座はステンレス鋼、３１６ステンレス鋼、およびインコネル６２５のうちの１つを含む、請求項１〜２５のいずれか一項に記載のダイヤフラム弁。
27. 中央流体通路および逆円錐台状弁座封止面を画定する環状金属弁座と、
    前記環状金属弁座に隣接するダイヤフラムと、
    前記弁座から離隔した開位置から、前記ダイヤフラムが前記弁座封止面に対して封止する閉位置まで、前記ダイヤフラムを動かすように動作可能なボタンを含むアクチュエータと
    を備える、ダイヤフラム弁用の封止配置であって、
    前記逆円錐台状弁座封止面は、前記ダイヤフラムが前記閉位置にあるとき、前記弁座封止面の半径方向の幅全体と前記ダイヤフラムとの間の接触を提供するために、前記弁座封止面と半径方向に整列された前記アクチュエータボタンの凸面と実質的に合致するように角度がついている、
    ダイヤフラム弁用の封止配置。

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