JPH0140379Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 本考案は弁シールに係り、特に低温領域で使用
する弁シールに係る。

本考案の低温領域用弁シール機構には弁体内の
流体通路の弁座領域に切込み溝が含まれている。
切込み溝内にはポリテトラフルオロエチレン製の
肩部付き弾性摩耗リングが配設してあり、摩耗リ
ングの肩部の外側周縁にはＶ形溝が形成してあ
る。楔形横断面の内側周縁面を有する中実裏当て
リングは摩耗リングのＶ溝と整合状態を作成しＶ
溝両側部を切込み溝の個々の隣接する両側部に予
め押付ける。弁板には摩耗リングの内側周縁面を
形成する弁座面と整合状態を成す密封面が備えて
ある。加圧流体の導入と大気温度の低温化で密封
の効果が高まる傾向がある。

ロバート・Ｅ・ベンウエアに発行され米国特許
第3642248号には切込み周縁溝の内部に拘束せる
肩部付き摩耗リングの形態になつた弁密封機構が
開示してある。摩耗リングには周縁溝内の開口を
通つて肩部を半径方向に越えて延在する連続的な
中央環状リブの形態の弁座部が備えてあり、当該
リブの周縁面は補合する弁部材密封面に組合い接
触する弁座面として作用する。

ベンウエア特許の摩耗リングは好適には当該溝
の底部と摩耗リングの肩部との間に位置付けられ
たエラストマー状Ｏ形裏当てリングと組合せられ
る。裏当てリングは摩耗リングを当該溝から出し
て密封面に強固に接触せしめ且つ摩耗リング背後
の加圧流体の漏洩を防止、密封する二重の機能を
果たす。

ベンウエア特許にはＯ形裏当てリングのエラス
トマー材料で耐えられない超高温、超低温の領域
に使用するコイル・ガーター・ばねの形態になつ
た別の裏当て部材も開示してある。当該コイル・
ガーターばねは摩耗リングの背後に単独で使用す
るか又は弾力性のある曲つた強め板、（特に低温
領域に使用する）楔形不連続ダミー緩衝体、又は
摩耗リングの予荷重を増加させるガーターばねの
コイルの内側に配設せる複数個の引張フープ状帯
体と組合せて使用することが出来る。更に別の構
成ではコイル・ガーターばねと引張帯体の組合せ
を指形ばねと置換可能である。

ベンウエア特許の各種のガーター・ばねについ
ての実施態様は低温領域に使用する効果的な密封
作用を開示しているが、この実施態様には固有の
欠点がある。超低温で流体を取扱う場合、硬質で
そのために堅牢なプラスチツク材料を摩耗リング
として使用する必要があることから、ガーター・
ばねからの非常に高い予荷重が要求され、そのた
め通常、前述の如き付加的な張力帯体が必要とさ
れる。同時に、ガーター・コイルばねは当該コイ
ルばねと摩耗リングの間に強め板又はダミー緩衝
体が配設されていない場合に摩耗リング材料の内
部へ喰い込む傾向がある。こうした多構成要素型
シールの組立ては困難である上に時間がかかり、
組立体そのものも検査時に排除処分される割合が
高くなつている。その他、多構成要素型組立体内
に誤差が発生するところから個々の構成要素には
高度の精度が必要になり、これがコスト高につな
がる。

従つて本考案の主目的は構成要素の個数が最小
の単純で且つ低温度と通常大気温度の両方で作動
する改良型密封作用を呈する弁シールを提供する
ことにある。

本考案の別の目的は温度低下と共に半径方向及
び軸方向両方の予荷重が増加する同軸的に配設せ
る２個の予荷重密封素子を弁座溝内に有する弁構
造を提供することにある。

これらの目的及びその他の諸目的については、
通路により接続された流体入口と流体出口、流体
入口と流体出口の中間で通路の内側周縁面により
定められた環状弁座領域及び前記弁座領域内の通
路の壁に形成せる環状切込み周縁溝を有する弁体
と、周縁密封面を有する弁部材と、周縁密封面を
周縁溝に対向する関係でその内外方へ選択的に運
動させるよう弁部材を通路内に設置する装置と、
周縁溝内に配設され当該周縁溝内で半径方向内外
方へ移動自在の弾力的な摩耗リング、当該摩耗リ
ングが周縁溝から半径方向内方へ通路内に突出す
る内側周縁弁座部と周縁溝内の外側周縁肩部を有
すること、弁座部の内側周縁部が閉弁時に弁部材
の密封面との整合密封を作成する半径方向内方に
面する弁座面を形成すること、肩部の外周縁部が
その内部に半径方向外方へ面する環状溝を有する
こと、前記環状溝の両側部が外方へ傾斜し前記環
状溝に少なくとも部分的にＶ形の横断面を設ける
こと、前記環状溝が肩部を２個の軸方向隔置環状
部分に分割すること、当該環状部分の外縁部が周
縁溝の個々の隣接する側部に当接すること、摩耗
リングの溝と周縁溝の半径方向外側領域の間で前
記周縁溝内に配設せる裏当てリング、前記裏当て
リングが前記摩耗リングの弁座部を前記周縁溝か
ら半径方向内方へ強制し且つ肩部の隔置環状部分
を周縁溝の個々の側部に当接せしめることからな
り、前記裏当てリングが楔形横断面を提供すべき
環状帯体の中央領域から両側部へ外方に傾斜して
いる内側周縁面を有する帯体として形成してある
こと、裏当てリングの前記楔形内側周縁面の傾斜
側部が摩耗リングの前記溝の傾斜側部と共に所定
の整合状態を作成することを改良点とした弁に使
用する、本考案の低温シール機構で達成される。

裏当てリングの傾斜内側周縁面の楔角度は好適
には摩耗リングの肩部の溝の傾斜側部間の初期角
度より大きくなつており、前記楔角度は好適には
約90度であるところから、摩耗リングに対して裏
当てリングにより加えられる力が大体等分割さ
れ、摩耗リングの弁座面と弁部材の密封面の間の
半径方向密封力を増加させ、肩部の環状部分と溝
の個々の隣接する側部の間の横方向密封力を増加
させる。

好適実施態様においては、摩耗リングは商標
『Kel−Ｆ』で販売されている弗素化処理済み熱
可塑性材料で構成され、裏当てリングはアルミニ
ウムで構成される。

本考案の前述の目的、その他の目的、特徴及び
利点については図面に関連して説明する好適実施
態様の説明から明らかとなろう。

本考案の改良型低温弁シールの構成と作動原理
の理解を助ける目的から、慣用的な蝶形弁又はト
ラニオン弁に組込まれた実施態様を以つて本考案
を説明する。第１図は、当該弁を分解斜視図にて
示す。

第１図のトラニオン弁には、入口３と出口４を
備えた内部通路２を有する平坦な環状体の形態を
とる弁体１が含まれている。弁体の下流側即ち出
口面５には皿頭小ネジ８によつて保持リング７を
平設置するための環状くぼみ６を以つて端ぐり加
工がしてある。保持リング７は内部通路２の下流
側縁部に機械加工された周縁溝１１内に密封リン
グ即ち摩耗リング９及び裏当てリング１０を保持
する役目を果たす。

周縁密封面１３を有する弁板１２は、当該弁板
が実質的に内部通路２の軸線と平行になる開弁位
置と、当該弁板が実質的に内部通路の軸線と垂直
になる閉弁位置の間を直径軸線の周りで回転する
よう内部通路２内に設置される。閉弁位置におい
て周縁密封面１３は摩耗リング９の弁座面と整合
接触状態を形成する。

弁板を内部通路内にて開弁位置と閉弁位置の間
で回転させるべく枢着せしめる装置には弁体の直
径方向に形成された盲孔１７内にて回転自在とな
るよう上方ブツシユ１５、下方ブツシユ１６内に
設置せる弁棒１４が含まれている。弁棒１４は弁
板の上流側面にある直径ボス１９を貫通穿孔せる
孔１８を貫通する。当該弁板はピン２０によつて
弁棒に固定される。

弁棒１４の上端部を通る漏洩はスペーサ２１及
び弾力的なパツキン・リング２２を含む慣用的な
弁棒パツキン装置によつて阻止される。当該パツ
キン・リングは短軸２６上にネジ込まれるナツト
２５によりパツキン押え２３と伴板２４を下方へ
押すことで上方ブツシユ１５の上部に対し盲孔１
７内で圧縮される。弁棒１４は弁棒の上方角端部
２７に固定せる（図示せざる）ハンドル又はモー
ター駆動体にてその両ブツシユ内で回転される。

本考案の改良型低温シールの構造と作動につい
て第２図乃至第７図に詳細に示す。

第２図は、本考案の低温シール装置の好適態様
を組込んでいる第１図の組立て済み弁の断面図を
示す。

摩耗リング９の形状及び切込みの周縁溝１１内
での当該摩耗リングの配設は前記参照のベンウエ
ア氏の米国特許第3642248号に開示された型式の
先行技術の弁シールと実質的に同じである。

摩耗リング９には、周縁溝から放射状に内部通
路２内へ内方に突出する内側周縁弁座部２８と、
周縁溝内に保持される外側周縁肩部２９が形成し
てある。外側周縁肩部２９は、内周縁部３０、外
周縁部３１、側部３２、側部３３で定められる。
外側周縁肩部の外周縁部３１にはその内方に形成
せる半径方向外方へ面する環状溝３４が形成して
あり、当該環状溝には外方へ傾斜した側部３５，
３６があり当該環状溝に少なくとも部分的にＶ形
の横断面を与えている。環状溝３４は、周縁溝１
１の個々の隣接する側部４１，４２に当接する
各々外縁部３９，４０を有する（摩耗リングの軸
線に対して）軸線方向に隔置せる２個の環状部３
７，３８に外側周縁肩部を分割する。

摩耗リングの外側周縁肩部２９は内側周縁弁座
部２８より広くなつており、唇部４３，４４によ
つて周縁溝内に保持されている。内側周縁弁座部
２８は、弁板は閉弁位置にて周縁溝と対向して配
設される時、弁板の周縁密封面１３と予め決めら
れた整合状態を成す弁座面４５を定める内周縁ま
で周縁溝の唇部の間で半径方向内方へ延在してい
る。

第２図に示す如く、裏当てリング１０は摩耗リ
ングの環状溝３４と周縁溝１１の半径方向外側領
域４６の間に配設された中実環状帯体である。裏
当てリングの内側周縁面には当該帯体に対し楔形
横断面を提供するよう中央領域４９から外方へ延
在する２個の傾斜面４７，４８が含まれている。
傾斜面４７，４８は予め決められた整合状態を以
つて摩耗リングの対向する傾斜した側部３５，３
６と合致係合する。

第３図は、本考案の低温シール機構の各構成要
素が摩耗リングと周縁溝及び弁板に接触する各接
触領域における密封圧力の増加に貢献するよう当
該整合個所の組合せと相互作用の態様を示す目的
で、応力の掛つていない摩耗リングの原寸法に関
連した本考案の低温シール機構の多数の構成要素
の間の整合状態を図解している。特に、周縁溝の
側部４１，４２の壁及び摩耗リングの個々の隣接
する外縁部３９，４０の間の整合によつて外側周
縁肩部の２個の環状部分は相互に近接する。摩耗
リングは当該変形の直接的な結果として周縁溝の
両側部に対し比較的妥当な密封力を与えるが、当
該密封力は当該変形の別の結果として裏当てリン
グの傾斜面上に作用する横方向内方への力によつ
て増幅される。当該横方向の力は裏当てリングを
摩耗リングの傾斜側部上で上方へ移動せしめて、
かくして裏当てリング内のフープ引張り応力を増
加させる傾向があり、摩耗リングの圧縮と弁座部
の周縁溝から半径方向内方への移動を図る傾向が
ある。

裏当てリングと摩耗リングの対向する傾斜面の
間に反対方向から力を導入することによつて裏当
てリングと摩耗リングの間の整合状態は同一結果
をもたらす。裏当てリングを追加した結果生じ
る、周縁溝に関する大気温度状態下での摩耗リン
グの位置上の変位を第４図に示す。ここで、裏当
てリング無し摩耗リングの初期位置を実線にて示
す。裏当てリングと摩耗リングが整合状態になる
結果、周縁溝の両側部に対する摩耗リングの初期
横方向予荷重が増加し、摩耗リングの弁座部分が
周縁溝から押される。

弁板を閉弁する結果生じる、摩耗リングと裏当
てリングの位置上の変化は第５図に示してある。
第５図の場合、第４図の状態は点線にて示してあ
る。弁板と裏当てリング及び摩耗リングの個々の
整合状態が半径方向反対方向に作用して摩耗リン
グの弁座面と弁板の密封面の間の圧力を増加させ
るだけでなく、裏当てリングの楔作用が外側周縁
肩部の２個の環状部分を拡離せしめて摩耗リング
と周縁溝の両側部の間の横方向密封圧力を増加さ
せる傾向があることは明らかである。

第６図は弁板が閉弁位置にある時加圧状態下の
流体が蝶形弁内に導入される際の別の密封上の効
果を示す。摩耗リングの外縁部４０と周縁溝の隣
接壁たる側部４２の間の上流側での接触個所を通
つて流体の漏曳が発生する程度において、周縁溝
の半径方向外側領域４６内に発生する流体圧力は
矢印５０で示す如く半径方向内方へ作用し、反対
方向の矢印５１で示す如く摩耗リングと弁板の間
の密封圧力を増加させる。２組の矢印の相対的長
さは摩耗リングと弁板の間の密封圧力が弁座面４
５の内側周縁面積に対する外側周縁肩部の外側周
縁面積の比率によつて周縁溝の半径方向外側領域
４６内の流体の圧力に亘り増幅されることを示し
ている。その他、裏当てリングの外周縁部に作用
する流体圧力は部分的には、裏当てリングと摩耗
リングの間の境界が傾斜しているところから周縁
溝の両側部に対する摩耗リングの増加した横方向
力に変換される。

最後に、本考案のシール装置を低温分野に適用
する際の特別の効果について第７図に示す。第７
図は装置の温度を通常の大気温度から低温度に下
げる結果生じる裏当てリングの第６図の状態から
の位置変位を示す。第６図の位置は点線で表わし
てある。摩耗リングと他の弁部品の収縮量は比較
的少なく、これに対する裏当てリングの低温収縮
の結果、裏当てリングの楔作用によつて横方向及
び半径方向密封圧力が更に増加する。すなわち、
裏当てリングと摩耗リングの間には傾斜した境界
が存在することの故に、また、摩耗リングの弁座
面４５は弁板１２によつて支承されることの故
に、裏当てリングのより大きな温度収縮が摩耗リ
ングの溝の側部４２及び弁板１２に対する横方向
及び半径方向での密封圧力をさらに増加する。

この増加した好適な低温密封作用を得る目的か
ら、摩耗リングの材料は弗素化処理熱可塑性材料
であるのが好ましく、一方、裏当てリングはアル
ミニウム製であるのが好ましい。弁体と弁板は典
型的にはステンレス鋼製である。

アルミニウムは低弾性率の他、通常の大気温度
と低温度における高強度、低温流体との互換性、
低材料費、低機械加工費を併せ持つところから裏
当てリング材料としての使用上特に望ましいもの
である。本適用例に対してアルミニウムより優つ
ている物理的諸特性を呈するその他の材料として
は商標の『Inconel718』で販売されている如きニ
ツケル−クロム合金がある。この合金は値段が相
当高価である上、アルミニウムより機械加工が因
難である。裏当てリングとして考えられる更にそ
の他の材料はステンレス鋼が使用可能である。然
し乍ら、ステンレス鋼には、降伏強を対ヤング率
の比率が低いところから使用状況下での低温収縮
が通常、降伏点を越える内部応力を生ぜしめ、ス
テンレス鋼製裏当てリングに永久変形を生じ、通
常の大気温度における密封効果を低減化させると
いう欠点がある。

実際、アルミニウムも口径の小さい弁の場合に
はその降伏点以上の応力を受けるので、この様な
場合にはニツケル−クロム合金を選択することが
最良であろう。

『Kel−Ｆ』の如き弗素化処理済み熱可塑性材
料は裏当てリングとして提案された３種類の金属
のいずれよりも高い降伏強さ対弾性率の比率を有
しているので、裏当てリングのみならず摩耗リン
グとして使用する有望な材料でもある。この材料
の主たる欠点はその降伏強さが金属と比較して極
めて弱いところから初期予荷重の極めて高い状態
での設計が不可能な点である。その結果、使用し
ても密封の効果上、金属の場合より劣ることが考
えられる。

前述の如く、本考案の裏当てリングの楔作用が
本考案の最も重要な特徴である。裏当てリングの
両傾斜部間の好適角度は約90度である。即ち、各
側部は裏当てリングの軸線に対して垂直の中央面
と約45度の角度を成す。この角度が好適である理
由は２つある。第１の理由は、この角度のため裏
当てリングと摩耗リングの間で作用する整合力が
横方向密封力と半径方向密封力の大体等しい力に
分割されることにある。第２の理由は、この角度
が横方向力を半径方向へ、半径方向力を横方向力
へ実質的に可逆的に変換するよう作用するところ
から、整合力が横方向又は半径方向に導入される
か否かには関係なく最適の密封圧力が摩耗リング
と弁構造の間の３個所の接触点全てに維持される
ことにある。

第６図に示す如く、流体圧力が密封作用に及ぼ
す影響に関連して更に注目すべき点は、裏当てリ
ングの外周縁部が広くなればなる程裏当てリング
に作用する流体圧力は高くなり、本考案の主たる
有利な特徴である楔作用が生み出されることであ
る。この結果、裏当てリングの幅は摩耗リングの
弁座部分の幅より大きいことが望ましい。

最後に、注目すべき点として、すでに図面中に
示されているが、裏当てリングの傾斜した内側周
縁面の楔状部分の角度は摩耗リングの外側周縁肩
部の溝の両傾斜側部の間の角度より大きいことが
望ましく、そのため裏当てリングの予荷重は主と
して摩耗リングの外縁部に加えられて最良の密封
状態を呈する。角度差は約10゜が可能であり、裏
当てリングの楔状部分の角度は約90゜で、摩耗リ
ング溝のＶ角度は約80゜である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本考案の低温シールを装備している
蝶形弁の分解斜視図、第２図は、蝶形弁の弁板が
閉じた状態にある、第１図の組立てた蝶形弁内の
シール機構の好適実施態様の部分断面図、第３図
は、弁座溝、裏当てリング、弁板の間の静合状態
を示す目的でその輪郭が点線で表わしてある、摩
耗リングの初期非制限状態を示す断面図、第４図
は、弁板が開かれた状態にある、組立て済み弁シ
ール機構の概略部分断面図、第５図は、弁板と摩
耗リングの間の整合により発生する密封力を示す
点を除いて第４図に類似した、弁板が閉じられた
状態にある、組立て済み弁シール機構の概略部分
断面図、第６図は、弁板が閉じられ、加圧状態の
流体が弁座領域の流入口側にある、通常の大気温
度での組立て済み弁シール機構の概略部分断面
図、第７図は、低温状態下にある点を除いて第６
図に類似した概略部分断面図である。 主要部分の符号の説明、１……弁体、２……内
部通路、３……入口、４……出口、５……出口
面、６……環状くぼみ、７……保持リング、８…
…皿頭小ネジ、９……摩耗リング、１０……裏当
てリング、１１……周縁溝、１２……弁板、１３
……周縁密封面、１４……弁棒、１５……上方ブ
ツシユ、１６……下方ブツシユ、１７……盲孔、
１８……孔、１９……直径ボス、２０……ピン、
２１……スペーサー、２２……パツキン・リン
グ、２３……パツキン押え、２４……伴板、２５
……ナツト、２６……短軸、２７……上方角端
部、２８……内側周縁弁座部、２９……外側周縁
肩部、３０……内周縁部、３１……外周縁部、３
２……側部、３３……側部、３４……環状溝、３
５……側部、３６……側部、３７……環状部、３
８……環状部、３９……外縁部、４０……外縁
部、４１……側部、４２……側部、４３……唇
部、４４……唇部、４５……弁座面、４６……半
径方向外側領域、４７……傾斜面、４８……傾斜
面、４９……中央領域、５０……流体圧力、５１
……密封圧力。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 １ 低温作動用に使用する弁であつて、 通路により連通する流体入口と流体出口及
   び、当該入口と出口の中間にある当該通路の内
   部周縁面により定められた環状弁座領域及び、
   前記弁座領域内で当該通路の壁に形成した下側
   切欠き環状周縁溝及び該周縁溝口部両側に形成
   した唇部を有する弁体と、 周縁密封面を有する弁部材と、 当該弁部材を回転運動させて、当該密封面を
   選択的に溝に対し対向関係にし又は対向関係外
   にするため当該弁部材を当該通路内に回転自在
   に設置する装置と、 当該溝内に配設され当該溝内で半径方向内外
   方へ移動自在の弗素化処理炭化水素材料で作成
   した弾性摩耗リングで、当該リングは当該溝か
   ら半径方向内方の当該通路内へ突出する内側周
   縁弁座部と当該溝内に位置し該内側周縁弁座部
   より幅広の外側周縁肩部を有し、当該弁座部の
   内側周縁部は当該弁の閉鎖時に当該弁部材に対
   する半径方向内方に面する弁座面を形成し、当
   該肩部の外側周縁部は当該摩耗リング内に形成
   した半径方向外方に面する環状溝を有し、当該
   環状溝の側部は少なくとも部分的に横断面をＶ
   形にするため外方へ傾斜せしめ且つ、当該肩部
   分を軸方向に隔置した２個の可撓性の環状部に
   分割し、当該肩部の外縁部が各々前記弁体の切
   欠き環状周縁溝の隣接側部に押圧支承可能に装
   着される弾性摩耗リングと、 外側環状部の幅が前記摩耗リングの弁座部の
   幅より広く、前記摩耗リングの溝と周縁溝の間
   で前記摩耗リングの環状溝内に押圧係合し、前
   記摩耗リングの弁座部を前記切欠き環状溝から
   半径方向内方へ押圧せしめ、また肩部の隔置環
   状部の外縁部を前記弁体の環状周縁端の側部に
   対し押圧する前記裏当てリングとから構成さ
   れ、 前記裏当てリングが、通常の大気温度と低温
   度で高い降伏強度と比較的低い弾性係数を有す
   る金属で作成され、中空でない台形楔形断面を
   成すよう環状帯体の中央領域から両側へ外方に
   向つて傾斜している側部周縁面を有する環状帯
   体として形成され、裏当てリングの前記楔形側
   部周縁面が摩耗リングの前記溝の傾斜側部と所
   定の整合状態を成し、裏当てリングの傾斜した
   両側部周縁面の楔角度が約90度であり且つ摩耗
   リングの肩部分の溝の傾斜側部の間の角度より
   約10度大きくなつており、かくして裏当てリン
   グが摩耗リング内の溝の傾斜側部に対し圧力を
   加え、大気温度から低温度までの弁作動温度に
   おいて前記摩耗リングの弁座面と弁部材及び、
   摩耗リングの環状部の両端部の外縁部と前記切
   欠き環状周縁環の側部とに対して効果的密封作
   用を与えることを特徴とする弁。 ２ 裏当てリングがアルミニウム製である実用新
   案登録請求の範囲１）項に記載の弁。 ３ 摩耗リングの肩部の軸方向に隔置せる２個の
   環状部の外縁部が溝の側部と所定の初期整合状
   態を呈する実用新案登録請求の範囲１）項に記
   載の弁。 ４ 裏当てリングがニツケル・クロム合金製であ
   る実用新案登録請求の範囲１）項に記載の弁。