JPH0210313B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明のステムシール装置を使用したバルブ
は、高圧、高温、つりあい上昇式ステムゲートバ
ルブであり、次に示す米国特許出願に開示された
発明と類似するものである。すなわち、1977年９
月15日にデビツド・ピー・ハードによつて出願さ
れた特許第833684号の「積層状にして予め負荷を
かけた固体潤滑性のステムシールを有する温度耐
性が高く化学的に安定な高圧ゲートバルブ」およ
び1976年６月16日にチヤールズ・デイー・モリル
によつて出願された特許第697084号の「高い負荷
をかけて予め積層状に装填した固体潤滑性の金属
相互のステムシールを有する高温、高圧、つりあ
い上昇ステムゲートバルブ」である。

この発明のステムシール装置は、前記米国特許
第697084号に開示されたステムシール装置に関連
がある。

前記出願は、この発明の出願人に譲渡され、そ
れらの開示内容は、この発明中におい参照され、
この発明の技術中に生かされている。

石油、ガス業界においては、さく井時穴が深く
なるにつれて圧力および温度は徐々に高まり、ま
た、サワーガス田においては、井戸から流出する
流体に比較的高い割合で硫化水素（H₂S）を含有
する。油田を使用するバルブやウエルヘツド用の
シールが最近開発されているが、これらのシール
が高圧、高温の交互作用による劣化が比較的少な
く、しかもH₂S等の腐食性の流体に対しても比較
的耐性を有する。

1977年11月１日に登録されたモリルの特許第
4056272号、これは出願番号第697084号と同一出
願人によるもので、この発明の権利者に譲渡され
ているが、その開示内容はこの発明においても採
用してある。すなわち、ウエルヘツドとパイプハ
ンガーとの間の静的シールである。このシールは
一対の円錐形の金属リングガスケツトより成り、
その断面形状はほぼ長方形である。この金属リン
グガスケツトは固定螺子および圧縮リングによつ
て押し付けられ、このガスケツトの端部が塑性変
形して、ウエルヘツドおよびパイプハンガーの平
行な円筒壁と係合して、金属同士のシールが行な
われるまで締め付けられる。このような静的シー
ルにおいて使用される変形可能なリングの最初の
断面形状は台形で、テフロン、ポリ、ウレタン、
ゴム等で形成される。このリングは金属リングガ
スケツトの間に配設され、金属リングガスケツト
を押し付けてその断面形状を長方形にし、ウエル
ヘツドおよびパイプハンガーの壁面と係合させら
れる。この静的シールに使われる変形可能なリン
グは、金属リングガスケツトによるシールが不完
全な場合、例えば、ウエルヘツドやパイプハンガ
ーにかき傷や機械痕がある場合に、この金属リン
グガスケツトのバツクアツプシールとして作用す
る。この変形可能なリングは、こうしたかき傷や
機械痕に侵入してシールする。

バルブのステムとバルブ本体すなわちボンネツ
トの間の動的または静的シールに使われるシール
には、伸縮性の円錐台形の金属リングガスケツト
が使われ、その断面形状は長方形である。この金
属リングガスケツトはステム周囲に設けたパツキ
ン箱内に配設され、その間にはさらに変形し易い
材質のリングを挾んである。金属リングガスケツ
トは、ばね用鋼ではなく軟材で形成されている
が、ベルビル（Belleville）ばねに類似した伸縮
性をもたせてある理由は２つある。第１は、この
ガスケツトを押し付けていない場合に、ガスケツ
トの内径を大きくするとともに外径を小さくして
おき、バルブのステムやパツキン箱と過度に摩擦
させずに、シールユニツトをパツキン箱に対して
容易に着脱できるようにするためである。第２
は、バルブ使用時に、温度や圧力が変化すると、
パツキンリテナを締着した場合に最初に生じたガ
スケツトの変形や歪が多少変化し、バルブの寸法
が多少変化しても、このガスケツトとステムやパ
ツキン箱との間の圧縮係合を保つためである。換
言すれば、このガスケツトは予め加えた負荷を保
つために伸縮性でなくてはならない。

前記バルブステムシールは、前記出願第697084
号および、シー・デイー・モリル、シー・ダブリ
ユー・メイヤのASME論文「高圧・高温下で使
用できるバルブステムおよびウエルヘツド用のシ
ール」に開示される。後者は1976年９月19日ない
し24日に、メキシコのメキシコシテイーでの学会
発表用に作成されたもので、その内容はこの発明
においても採用してある。この発明において開示
されるシールには、金属リングガスケツトを押し
付けて平らにするために、螺子付のパツキンリテ
ナが締着される。この場合、金属リングガスケツ
トの内周縁および外周縁は変形して、バルブステ
ムの外面およびパツキン箱の壁面と接触係合し
て、金属同士のシールが行なわれる。金属リング
ガスケツト間に挾み込んだ挾着リングもシールに
対して圧縮することによつて変形し、金属リング
ガスケツトの形状に従い、ステムおよびパツキン
箱と係合する。金属リングガスケツト間に挾んだ
リングはある程度伸縮性を有するものでなくては
ならない。初期の変形によつて、前記挾着リング
は通常定位置に設置されるが、その場合、幾分伸
縮性を保持している。このようなシールにおける
挾着リングを形成するための材料は、弗素樹脂、
例えば、四弗化エチレンポリマやグラフアイトで
ある。このような材料には、また最高約15％の二
硫化モリブデンを含有する四弗化エチレンポリマ
もある。

前記バルブステムシールに使用する挾着リング
は動的シールであり、金属リングガスケツトがス
テムの滑り動作によつて不調になつた場合、金属
リングガスケツトとステムの間を動的にシールす
る作用を有するものである。このような挾着リン
グは、また、ステムとの接触によつてある程度摩
耗し、ステムと金属リングガスケツトの接触域を
潤滑する傾向を有し、ステムと金属リングガスケ
ツトの間の摩擦を減少させる。この挾着リング
は、さらに、ステムと挾着リングの間および挾着
リングと金属リングガスケツト間を潤滑させて、
摩擦を減少させる。挾着リングは金属リングガス
ケツトのバツクアツプシールとしても作用する。
これは、前記米国特許第4056272号のウエルヘツ
ドとパイプハンガー間をシールするための、変形
可能なリングによるバツクアツプシールと同様の
もので、ステムに生じたかき傷や機械痕に侵入し
てシールするものである。

この発明は、前記のバルブステムシールの改良
に関するものである。

前記のステムシールは、３つの金属リングガス
ケツトを有し、それらの間に２つの挾着リングを
配設したものである。これは、SMT型シールと
して知られている。このSMT型シールは、動作
圧力が最高25000psi（1750Kg／cm²）、使用温度−20
〓ないし300〓（−29〜149℃）のバルブに対し
て、十分なステムシールを与えるために構成した
ものである。

しかしながら、動作圧力が30000psi（2100Kg／
cm²）以上のバルブに対しては、SMT型シールで
は十分なバルブステムシールを常時提供すること
ができない。例えば、グラフアイトのみから成る
材料は、動作圧力が30000psi（2100Kg／cm²）クラ
スのバルブに対するSMT型ステムシール用には
不向きである。というのは、グラフアイト材は、
ガスケツトを押し付けて平らにしてシールする場
合に、金属リングガスケツトを越えて押し出され
る傾向があるためである。つまり、ガスケツトが
十分に平らになつてバルブステムとパツキン箱と
の間をシールする以前に、グラフアイトが押し出
されてしまうためである。さらに、グラフアイト
はバルブステムの動作によつて摩耗したり侵食さ
れたりして消耗する傾向があるが、これはグラフ
アイトがステム上に沈積し、ステムによつてガス
ケツトを越えてパツキン箱の外側に運びさられる
からである。動作圧力30000psi（2100Kg／cm²）で
使用した場合、グラフアイトが前記の理由によつ
て押し出されたり摩耗したりするため、シール部
分から流体が漏出し、グラフアイト製の挾着リン
グを取り替える必要が生じる。

同様に、四弗化エチレンポリマ（TFE）のみ
の材料、あるいは四弗化エチレンポリマにM₀S₂
を添加した材料も、動作圧力30000psi（2100Kg／
cm²）の高圧で使用するバルブのSMT型ステムシ
ールには適さない。なぜなら、バルブに温度サイ
クルを加えた場合、このような材料では前記のよ
うな高圧に対して常時耐密シールを保つことがで
きないからである。油田で使用するバルブには、
深い井戸から流出する高圧の流体が流されるた
め、バルブはこの流体によつて約300〓（149℃）
にまで過熱される。井戸の閉止等によつて、バル
ブに流される流体の流れが止まると、バルブの温
度は常温、すなわち約70〓（21℃）まで冷却され
るが、井戸が再開されると、流体は再び流れ始
め、バルブの温度は再び300〓（149℃）まで上昇
する。従つて、バルブ温度は約70〓ないし約300
〓（21〜149℃）の間で変化する。バルブが使用
される温度内においては、いかなる温度でも、ま
たどのように温度サイクルが加えられても、バル
ブのステムシールは常時耐密性を保つことができ
る必要がある。TFEリングやM₀S₂を添加した
TFEリングを使用したSMT型シールは、約
30000psi（2100Kg／cm²）の動作圧において、約70
〓（21℃）の常温および300〓（149℃）の高温に
おいては、流体に対してシール効果を有するが、
常温から300〓（149℃）に温度を上げ、さらに常
温に戻すといつた温度サイクルをバルブに加えた
場合、SMT型シールでは常時耐密性を保つこと
ができない。また、バルブステムの動作時や静止
時に、シール部からわずかな漏出を生じることも
ある。パツキンリテナを締め直せば漏出を止める
ことができるが、温度サイクルを加えると再び漏
出を生じる。

この発明の目的は、動作圧力30000psi（2100
Kg／cm²）オーダーまたはそれ以上で使用し、−20
〓ないし300〓（−29〜149℃）の温度範囲で温度
サイクルを加えられるバルブに適した、信頼性の
高いバルブステムシールを提供することによつ
て、前記問題を解決することにある。この発明の
別の目的は、30000psi（2100Kg／cm²）またはそれ
以上の圧力を有する流体を適用した場合、あるい
はバルブに常温から約300〓（149℃）さらに常温
に戻すといつた温度サイクルを加えた場合に、パ
ツキンリテナを締め直さなくても、耐密性を有す
るとともに、耐漏性のシールを提供することにあ
る。この発明のさらに別の目的は、簡便、小型、
安価で、しかも製造、取り付けおよび取り扱いが
容易なシールを提供することである。この発明の
さらに別の目的は、耐摩耗性が高く、丈夫で、高
温や温度変化および高圧に起因する劣化が比較的
小さく、適用される流体に対して化学的に安定し
たシールを提供することにある。

この発明の高圧、つりあい上昇ステムゲートバ
ルブは、バルブ本体のボンネツトとバルブの動作
ステムとの間、およびバルブ本体の室とバランス
ステムとの間のシールを、伸縮性の材料を使つた
金属相互のステムシール装置である。各シール装
置は、円錐台形で伸縮性を有する１対の金属リン
グガスケツトより成る少なくともひとつのシール
セツトを有し、各金属リングガスケツトの間に
は、四弗化エチレンポリマ等の、潤滑性が高くて
丈夫な伸縮性のある材料で形成した２つの組立リ
ングが配設され、そのうち一方の組立リングは一
方の金属リングガスケツトに接触し、他方の組立
リングはもう一方の金属リングガスケツトに接触
する。この２つの組立リングの間にはコアリング
が配設される。このコアリングの加熱による体膨
張率は、緻密なグラフアイト等で形成された組立
リングの膨張率より小さい。コアリングの内径は
組立リングの内径よりも大きい。コアリングとバ
ルブの動作ステムまたはバランスステムとの間に
は、コアリングの内周縁にそつて軸受リングが配
設される。この軸受リングは、組立リングと同種
の材料、例えば四弗化エチレンポリマで形成され
る。各シールセツトは環状のパツキン箱内に配設
される。このパツキン箱はバルブ本体に隣接し、
ステムの回りに延出して設けられている。各パツ
キン箱はその内部に螺合した環状のパツキンリテ
ナによつて閉じられ、円錐台形の金属リングガス
ケツトを押し付けている。このため、各金属リン
グガスケツトの内周縁および外周縁はそれぞれス
テムおよびパツキン箱と係合する。この場合、金
属リングガスケツトの凹側内周縁および凸側外周
縁は十分な圧力を加えられて塑性変形する。組立
リングの間に配設されたコアリングおよび軸受リ
ングより成る挾着層は変形して、押し付けられた
金属リングガスケツトの間に形成される空間の形
状に従い、ほぼその空間全体を満たす。コアリン
グの体積は挾着層全体の体積の約1/3である。バ
ルブが動作して、温度サイクルが加えられても、
パツキンリテナを締め直さずに、耐密性を保ち、
予圧を加えた状態を保持できる。この発明のバル
ブのステムシールセツトは、また固定螺子を完全
にパツクする場合にも使用でき、温度サイクルを
加えた場合でも、可動部は動作時および動作後に
シールされている。

次に、この発明の一実施例を図面に従つて説明
する。第１図にはバルブが示してあるが、このバ
ルブは中空体を有し、この中空体には室２１およ
びボンネツト２３が植込ボルト２５とナツト２７
とによつて固定される。ボンネツト２３と室２１
との間は、適当な圧力保持用のガスケツト２９で
シールされる。通路３５，３７の内側端部に取り
付けられた台座３１，３３が、一対の開閉ゲート
３９，４１と協働して、バルブを通過する水、オ
イルあるいはガス等の流体の流量を調節する。シ
ール剤は貯蔵部４３，４５内に貯蔵され、シール
剤分配用の通路４７，４９を介して、開閉ゲート
３９，４１と台座３１，３３の界面および台座３
１，３３の首部とバルブ本体の界面に対して自動
的に供給され、これらの界面をシールする。

開閉ゲート３９，４１は、ほぼ円筒状をした動
作ステム５１によつて、閉位置と開位置の間を往
復運動する。第１図には閉位置を示してあるが、
この位置では流体は通路３５，３７を流れること
ができない。一方、開位置ではゲートポート５
３，５５が台座３１，３３内のポート５７，５９
と一致し、流体は通路３５，３７を流れる。動作
ステム５１の上端は室２１から外側に延出し、ボ
ンネツト２３内に形成したポート６１に通され
る。この発明のシール部材６３は動作ステム５１
と、ボンネツト２３内に形成したほぼ円筒形のパ
ツキン箱６５との間をシールする。このシール部
材６３はパツキンリテナ６７によつてパツキン箱
６５内に圧入されている。このパツキンリテナ６
７は、ボンネツト２３の上部に形成された内部に
螺子を有するネツク６９に螺合される。ブリーダ
ーポート７１は、動作ステム５１が後方に着座し
た後、動作ステム５１とポート６１との間の流体
の漏れをチエツクするために使用される。

ボンネツト２３のネツク６９の外部にも螺子が
刻んであり、この螺子に軸受押え７３を螺合する
ことができる。動作ステム５１の螺子付上部７７
には動作ナツト７５が螺合される。この動作ナツ
ト７５にはフランジ７９が形成してあり、その上
下にスラスト軸受８１，８３が同軸配置される。
フランジ７９の下方に配設されたスラスト軸受８
３は、パツキンリテナ６７の上部に配設されたワ
ツシヤ８５の上部と係合する。フランジ７９の上
方に配設されたスラスト軸受８１は軸受押え７３
の上端内側と係合する。ハンドホイール８７には
非円形孔８９が形成してあり、この非円形孔８９
は、これと対応するように動作ナツト７５に形成
した非円形部９１と整合する。ハンドホイール８
７は、動作ナツト７５の上端に螺合したリテナー
ナツト９３によつて定位置に保持される。ブリー
ダーポート９５は、動作ステム５１の螺子付上部
と動作ナツト７５の間から流体を逃がすためのも
のである。

ほぼ円筒状をしたバランスステム９７が開閉ゲ
ート３９，４１の下端に連結され、ポート９９を
通つてバルブの室２１の外側に延出する。このバ
ランスステム９７と、バルブ本体内に形成したほ
ぼ円筒状のパツキン箱１０３との間は、この発明
のシール部材１０１によつてシールされる。この
シール部材１０１は下方に設けたパツキンリテナ
１０５によつてパツキン箱内に圧入されている。
このパツキンリテナ１０５は、ポート９９および
パツキン箱１０３と同軸的に形成された螺子付の
ソケツト１０７に螺合される。バランスステム９
７の上端の拡大部が、バルブ本体のポート９９の
回りに形成された環状の台座に確実に着座してい
る場合、このバランスステム９７とポート９９と
の間の流体の漏れは、ブリーダーポート１０９に
よつてチエツクされる。バルブ本体には、キヤツ
プ１１１が螺子１１３によつて固定され、このキ
ヤツプ１１１によつて、パツキンリテナ１０５、
すなわちバランスステム９７の下端が覆われる。

ハンドホイール８７を回すと、動作ナツト７５
が回され、動作ステム５１が作動する。この動作
ステム５１が作動すると、ハブ１１５によつて動
作ステム５１に連結された開閉ゲート３９，４１
が上下動する。この開閉ゲート３９，４１の上下
動に伴い、ハブ１１７によつて開閉ゲート３９，
４１に連結されたバランスステム９７が上下動す
る。従つて、動作ステム５１とバランスステム９
７は、それぞれの対応するシール部材６３，１０
１に対して、軸方向に動作する。この場合、シー
ル部材６３，１０１は、各ステム５１，９７の軸
方向への動作時およびその前後において確実に保
持される必要がある。

シール部材６３，１０１は同一のものであるた
め、その一方について詳細に説明すれば足りる。
第２Ａ図および第２Ｂ図を参照すると、シール部
材６３は上部シールセツト１１９と下部シールセ
ツト１２１とから成る。下部適合リング１２３
は、環状のパツキン箱６５の底部に配設され、下
部シールセツトの下方に位置する。下部適合リン
グ１２３の下面は、パツキン箱６５の底面と面を
接し、両者は互いに相補関係にある。従適合リン
グ１２５は、パツキンリテナ６７の底面１２７と
上部シールセツト１１９の間に配設される。従適
合リング１２５の上端面はパツキンリテナ６７の
底面１２７と面を接し、相関関係を有する。上部
シールセツト１１９と下部シールセツト１２１と
の間には、中間適合リング１２９が配設される。
下部適合リング１２３の上面、従適合リング１２
５の下面および中間適合リング１２９の上下両面
の形状はいずれも円錐台形であり、その円錐の角
度は、最終的組立位置において上下シールセツト
１１９，１２１の形状に合致するように設定され
る。この点に関して説明すると、第２Ｂ図はこの
発明のシール部材をバルブ内に取り付けた図であ
るが、パツキンリテナ６７を締着して、前記シー
ル部材を保持する前の図である。一方、第２Ａ図
はパツキンリテナ６７を螺子付きのネツク６９に
締着させ、シール部材を保持して、各シールセツ
ト１１９，１２１および各適合リング１２３，１
２５，１２９を最終組付位置にした場合の図であ
る。以下に詳述するが、各シールセツト１１９，
１２１の金属リングガスケツト１３１は、前記各
適合リングの面より鋭い円錐形をしている。すな
わち、金属リングガスケツト１３１の円錐の角度
は、第２Ａ図の最終的締着位置に比べ、第２Ｂ図
の締着前の状態では小さい。場合によつては、下
部適合リング１２３、従適合リング１２５のうち
いずれか一方または両方を省略してもよいが、こ
の場合、パツキン箱６５の底面またはパツキンリ
テナ６７の下面を所定の角度および所定の面を有
する円錐台形にする必要がある。適合リング１２
３，１２５，１２９を使用する場合には、これら
4140鋼等のかなり硬い材料で形成する必要がある
が、バルブ本体およびボンネツト２３は、従来の
高圧バルブ用の鋼で形成すれば十分である。

上下シールセツト１１９，１２１は同一のもの
であるため、その一方について詳述すれば十分で
ある。シールセツト１１９の構成は、１対の円錐
台形の金属リングガスケツト１３１の間に、２つ
の同一の組立リング１３３を配設したものであ
る。この組立リング１３３は丈夫で、柔軟性があ
り、しかも金属リングガスケツト１３１に比べて
弾性係数が小さい固体潤滑性の材料で形成され
る。組立リング１３３のうちの一方は、金属リン
グガスケツト１３１のうちの一方と隣接して配設
され、もう一方の組立リング１３３は他方の金属
リングガスケツト１３１と隣接して配設される。

コアリング１３５が組立リング１３３の間に配
設される。コアリング１３５の熱による体積膨張
率は組立リング１３３の体積膨張率に比べて小さ
い。コアリング１３５の内径は、組立リング１３
３の内径よりも大きい。コアリング１３５と動作
ステム５１の間において、コアリング１３５の内
周にわたつて軸受リング１３７が配設される。こ
の軸受リング１３７は、組立リング１３３の形成
に使用される材質と同様に、丈夫で、柔軟性があ
る固体潤滑性の材料で形成される。軸受リング１
３７はコアリング１３５に形成された孔内に滑合
する。

金属リングガスケツト１３１の断面形状は、締
着される前においては、ほぼ長方形であり、水平
面に対して約30゜の角度で傾斜している。従つて、
締着される前においては、この金属リングガスケ
ツト１３１の円錐の角度は約120゜となつている。
また、金属リングガスケツト１３１が締着される
前においては、動作ステム５１およびパツキン箱
６５と、この金属リングガスケツト１３１の周縁
部との間には隙間が形成されるため、バルブ内に
この金属リングガスケツト１３１を取り付ける際
に、動作ステム５１やパツキン箱６５が損傷を受
けることはない。金属リングガスケツト１３１
は、落し込むだけで定位置に設定できる。パツキ
ンリテナ６７を締めてシール部材を締着すると、
各金属リングガスケツト１３１は押し付けられ
て、それらの内径は十分に減少し、一方外径は十
分に増大する。このため、各金属リングガスケツ
ト１３１の凹側の内周縁および凸側の外周縁は変
形する。すなわち、各金属リングガスケツト１３
１は塑性変形し、それぞれ動作ステム５１および
パツキン箱６５と係合して、金属同士でシールが
行なわれる。動作ステム５１が摩耗したり損傷し
たりすることがないように、金属リングガスケツ
ト１３１は動作ステム５１に比べて、軟かい金属
で形成する必要がある。例えば、動作ステムはＫ
モネル（Ｋ Monel）合金が使用できるが、これ
に匹適する鋼でもよい。動作ステム５１の表面に
は、炭化タングステン等の硬質のコーテイングを
３ないし５ミル（7.6×10^-3ないし12.7×10^-3cm）
の厚さで施し、この動作ステム５１の表面の硬度
を増し、その耐久性を増大させることが望まし
い。このようなコーテイングを施すことによつ
て、動作ステム５１の硬化は、ロツクウエル硬度
で約30ないし約60高くなる。金属リングガスケツ
ト１３１は十分な可塑性を有するため、高い応力
をかけて周縁部を変形させることによつて、金属
同士でシールすることができるとともに、十分な
強度を有するため、加えられた高い予圧および井
戸から流出する流体圧に耐えることができる。例
えば、この金属リングガスケツト１３１は、No.
316ステンレス鋼等の焼鈍ステンレス鋼（オース
テナイト系ステンレス鋼）、または炭素鋼、合金
鋼等の他の金属で形成される。動作ステム５１の
摩耗や損傷をさらに少なくするためには、各金属
リングガスケツトの凹側の内周縁に丸味を付ける
場合に、その半径が金属リングガスケツト１３１
の厚さの約半分になるようにするのが望ましい。
例えば、金属リングガスケツト１３１の厚さが
0.04インチ（1.0mm）であれば、内周縁を0.02イン
チ（0.5mm）の半径で丸めるとよい。金属リング
ガスケツト１３１は、締着された状態において
は、水平に対して約15゜の角度をなすため、その
円錐角は約150゜となる。一方、適合リング１２
３，１２５，１２９の円錐台面も水平に対して約
15゜の角度で配設される。従つて、各金属リング
ガスケツト１３１は、各適合リング１２３，１２
５，１２９の円錐台面に適合する。ところで、金
属リングガスケツト１３１は好ましい円錐台形に
してあるが、別の角度の円錐台形にしてもよいこ
とはいうまでもないことである。

組立リング１３３および軸受リング１３７用の
材料は摩擦係数が小さくなくてはならない。すな
わち、潤滑性の高い材質であることを必要とす
る。組立リング１３３および軸受リング１３７用
の材料には、高圧下において完全性を保つに足る
強度および耐久性も要求され、しかも、バルブに
よつて制御される流体に対しても化学的に安定で
あるとともに、バルブ操作時に予想される温度、
例えば300〓〜−20〓（149〜−29℃）に対しても
耐えられることが要求される。このような材料は
十分な伸縮性あるいは塑性を有し、微細な隙間に
侵入し得るものでなくてはならない。ここにいう
隙間は、金属リングガスケツト１３１、動作ステ
ム５１およびパツキン箱６５との間に形成される
隙間であり、動作ステム５１とパツキン箱６５に
形成されるかき傷や機械痕に起因するもの、また
は、動作ステム５１の動作時および動作後におい
て、金属リングガスケツト１３１と動作ステム５
１の新たな面とが隣接することによつて生じる隙
間である。後者のような隙間は、例えば動作ステ
ム５１の動作時および動作後においては、各金属
リングガスケツト１３１の内周縁は同時にしかも
常時塑性変形して、新たに隣接する動作ステム面
に適合するわけではないために生じるものであ
る。組立リング１３３および軸受リング１３７
は、前記のような微細な隙間に侵入してシール効
果を発揮する。従つて、この組立リング１３３お
よび軸受リング１３７はシールリングとみなすこ
とができる。組立リング１３３および軸受リング
１３７用の材料としては、「テフロン（Teflon）」
あるいは「モリテフロン（Moly−Teflon）」と
いう商品名で市販されているような四弗化エチレ
ンポリマが適している。ここで、モリテフロンは
テフロンと類似しているが、最高15％の二硫化モ
リブデン（M₀S₂）を含有するものであり、その
中でも、重量パーセントで５％のM₀S₂と95％の
四弗化エチレン（TFE）より成るものが最適で
あり、これはアリド・ケミカル・カンパニ
（Allied Chemical Company）から「No.2021」
として販売されている。

コアリング１３５用の材料は、組立リング１３
３および軸受リング１３７の場合と同様、シール
するために必要な高い予圧に耐え得る強度が要求
されるとともに、このコアリング１３５によつて
シールされる流体に対して化学的に安定であり、
かつ、バルブ操作時に予想される温度、例えば、
300〓〜−75〓（149〜−59℃）に対しても耐え得
ることを要求される。

コアリング１３５の別の特徴は、SMT型のシ
ールを高圧下で激しい温度変化を加えて使用した
場合の漏出の原因と考えられる出願人の発見した
事実によつて明らかになる。とはいえ、ここに開
示したシールは漏出の問題を理論的に解明したも
のではないことは理解できよう。

TFEまたはM₀S₂を加えたTFEで形成したリン
グを使用して、温度サイク後、30000psi（2100
Kg／cm²）の範囲の圧力を加えた場合、SMT型ス
テムシールに見られる漏出は、シールに加えられ
る予圧の部分的損失に起因することは明らかであ
る。前記のASME論文において開示された純粋
なエラストマーパツキンに加えられる予圧の損失
と比較すればよくわかる。SMT型シールを構成
する場合、パツキンリテナを締着することによつ
てシール部に機械的圧力が加えられるが、この圧
力は、高圧流体によつて加えられる圧力より大き
い。SMT型ステムシールを有するバルブを常温
から300〓（149℃）まで加熱すると、TFEで形
成したリングは膨張するが、大きな範囲にわたつ
て膨張するわけではない。というのは、これらの
リングは金属によつてほぼあらゆる方向を囲まれ
ており、その金属の膨張速度がこれらのリングに
比べて遅いからである。このため、シールに加わ
る予圧力は、元の圧力すなわち加熱前の圧力に比
べて高くなる。バルブが常温まで冷却されると、
予圧は、バルブの加熱によつて高くなつた圧力よ
り減少するのみならず、元の圧力よりも小さくな
る。これは、次に示す効果のうち一方または両方
に起因する。バルブが約300〓（149℃）まで加熱
されると、TFEで形成したリングが熱膨張し、
シールおよび周囲を囲む金属に加えられる圧力が
上昇して予圧が高くなり、この周囲を囲む金属の
変形すなわち降状が起るため、シール部が再び常
温まで冷却されると、シールが占める体積が増大
し、シールに加わる圧力が元の予圧より小さくな
る。また、バルブを300〓（149℃）まで加熱する
ことによつて熱膨張が起り、TFEで形成したリ
ングに加わる圧力が上昇すると、TFEのリング
は予圧に起因する変形より大きい永久変形、すな
わち、さらに大きな圧縮変形を受けることにな
る。この変形はバルブが常温まで冷却されても元
に戻らないので、TFEのリングに加わる圧力は
減少し、パツキンリテナによつてシールに加わる
圧力がいくぶん相殺される。従つて、温度サイク
ルにかけた後において、適当な予圧を得るために
は、パツキンリテナを締め直す必要がある。この
締め直しをしなければ、このバルブを30000psi
（2100Kg／cm²）オーダーの圧力に対して使用する
とシール部に漏れを生じる。

この発明においては、SMT型のステムシール
の金属リングガスケツトの間に挾着するTFEや
M₀S₂を添加したTFEの代りに、加熱した場合
に、TFEやM₀S₂を添加したTFEに比べて膨張率
の小さい材料が使用される。この発明の好ましい
実施例においては、このような膨張率の小さい材
料はコアリング１３５に使用され、このコアリン
グ１３５の３面は、組立リング１３３および軸受
リング１３７を介して、金属リングガスケツト１
３１および動作ステム５１に隣接している。従つ
て、コアリング１３５の熱膨張率は組立リング１
３３および軸受リング１３７の熱膨張率より低く
なくてはならない。コアリング１３５用の適当な
材料としては、緻密なグラフアイトがあげられる
が、これは「グラフオイル（Grafoil）」という商
品名で市販されている。これについては米国特許
第3404061号が参照できる。正確な数値について
は不明であるが、例えば、TFEの熱膨張率はグ
ラフオイルの熱膨張率に比べて数倍大きいといわ
れている。しかし、正式なデータによれば、伸縮
性のある薄い層状のシートまたはリボンとして製
造されたグラフオイルの線膨張率はグラフアイト
の層と平行方向、すなわちシートにおいては長さ
方向、リボンにおいては幅方向に関しては、70〓
ないし2000〓（21〜1093℃）の範囲で約−0.02×
10^-5in／in〓（−0.04×10^-5cm／cm℃）であり、
層と垂直な方向、すなわちシートおよびリボンの
厚さ方向に関しては、70〓ないし4000〓（21〜
2204℃）の範囲で約1.5×10^-5in／in〓（2.7×
10^-5cm／cm℃）である。TFEの線膨張率は、78
〓ないし500〓（26〜260℃）の範囲で約7.0〜
10.0×10^-5in／in〓（12.6〜18.0×10^-5cm／cm℃）
である。固体の場合、体膨張率は線膨張率の約３
倍である。これについては、ザ・ハンドブツク・
オブ・ケミストリー・アンド・フイジツクス
（The Handbook of Chemistry and Physics）
48版、Ｆ−90ページ（ケミカル・ラバー・カンパ
ニ、1967）を参照できる。さて、グラフオイルの
体膨張率が前記線膨張率の３倍の大きさであると
仮定しても、その体膨張率は、約78〓ないし300
〓（26〜149℃）の温度範囲での、TFEの体膨張
率の1/4以下である。

金属リングガスケツトの間に挾着されたリング
の層（以下、挾着層という）は、コアリング１３
５と、コアリング１３５の内周にそつて配設され
た軸受リング１３７と、コアリング１３５および
軸受リング１３７の上下面に隣接して配設された
組立リング１３３とから成り、金属リングガスケ
ツト１３１を押し付けて保持した場合に、金属リ
ングガスケツト１３１の間に形成される空間の形
に従つて変形し、その空間のほぼ全体を満す。挾
着層のリングの元の断面形状は長方形であるが、
バルブ内に取り付ける前に変形させて、第２図の
右側に示す円錐台形に合せてもよい。その形状は
適合リング１２３，１２５，１２９の円錐台形表
面に対応する形状であり、前記適合リング１２
３，１２５，１２９には金属リングガスケツト１
３１が押し付けられる。また、挾着層のリングの
取り付け時の元の断面形状は長方形であり、シー
ルを形成することによつて円錐台形に変形され
る。

圧力緩和用のコアリング１３５の形成用の材料
は、剛性を有し継ぎ目のないリングにしつかりと
圧縮して巻いたグラフオイルリボンである。この
ようなリボンは、ユニオン・カーバイド・コーポ
レーシヨン（Union Carbide Corporation）か
ら、グラフオイル・リボン・パツクという名称で
市販されているもので、ユニオン・カーバイド・
コーポレーシヨンの技術報告書No.524−204に述べ
られており、そのコピーがこの商品に付録とし
て添付されている。グラフオイル・リボン・パツ
クをしつかりと巻いたリングは、これをパツキン
箱内の動作ステムの周囲、すなわち動作ステムと
パツキン箱の方向に設置した場合、半径方向に高
い熱膨張率を示す。また、コアリング１３５は、
グラフオイルのシートを切断して形成してもよい
し、シートを重ね合せて形成してもよい。市販の
グラフオイルは約70％まで圧縮して緻密にしてあ
るが、100％すなわち完全に圧縮するのは、前記
のように取り付け前でもよいし、バルブ内に設置
してからシールを形成することによつて圧縮して
もよい。

組立リング１３３はコアリング１３５および軸
受リング１３７よりも薄い。この組立リング１３
３はコアリング１３５が十分に圧縮されている場
合には、ほぼ同じ厚さであるが、半径方向の幅は
コアリング１３５、軸受リング１３７のいずれよ
りも広い。コアリング１３５の半径方向の幅と軸
受リング１３７の半径方向の幅を加えたものは、
組立リング１３３の半径方向の幅にほぼ等しい。
バルブ内に挾着層を設置した場合、組立リング１
３３と軸受リング１３７とによつて、スライド可
能なしまりばめが形成される。この挾着層がシー
ルの形成によつて押し付けられると、組立リング
１３３と軸受リング１３７の内周縁は、動作ステ
ム５１に対して押し付けられ、組立リング１３３
とコアリング１３５の外周縁はパツキン箱６５の
壁面と耐密係合させられる。

２つのシールセツト１１９，１２１が図示して
あるが、この発明の出願人の考えでは、１つのシ
ールセツトを使用するだけで十分なシール効果が
得られる。すなわち、２つ目のシールセツトは、
シールすべき流体からできるだけ離して設置し、
１つ目のシールセツトが損傷を受けた場合の非常
用すなわちバツクアツプ用である。非常用すなわ
ちバツクアツプ用シールの別の特徴として、通路
１３９がボンネツト２３に形成してある。この通
路１３９は、シールが形成された時に、中間適合
リング１２９に形成された通路１４１と一致して
流路が形成される。通路１３９は、またボンネツ
ト２３の外部に設置した螺子付ソケツトに配設さ
れた噴射フイツテイング１４０と連通している。
通路１３９と連通する環状溝１４３は、パツキン
箱６５の壁面に形成され、通路１４１と連通する
環状溝１４５は中間適合リング１２９の内側端部
に形成される。シールセツト１１９，１２１が損
壊すると、シール材は噴射フイツテイング１４０
および通路１３９，１４１を経て、環状溝１４
３，１４５へと噴射され、パツキン箱６５および
動作ステムの回りで、それぞれ非常シールすなわ
ちバツクアツプシールが形成される。

この発明のシール装置は、パツキンリテナ６７
を締め付けることによつて、予圧を加えてある。
この場合の圧力は、バルブを作動させた場合に流
体によつて加えられる圧力よりも大きい。第１図
に示したバルブ、すなわち、定格動作圧30000psi
（2100Kg／cm²）のバルブのステムシールに加えら
れる予圧は、ほぼ37500psi（2625Kg／cm²）である。

この発明のステムシール装置を有するバルブ
が、バルブに流体を流すこと等によつて、70〓
（21℃）程度の常温から約300〓（149℃）まで加
熱され、次いで再び常温まで冷却されても、パツ
キンリテナを締め直す必要はない。従つて、温度
サイクルを行なつても、バルブに最初に加えた予
圧は保持される。これは、次のような事実に起因
する。すなわち、金属リングガスケツト１３１の
間の挾着層の熱膨張によつて生じる圧力、すなわ
ち最初に加えられる圧力は、バルブ内のシールに
隣接した金属に囲まれた部分を永久変形させるに
は不十分であることによるが、これはコアリング
１３５の熱膨張率が組立リング１３３および軸受
リング１３７に比べて小さいからである。同様の
理由により、加熱によつて付加される圧力は低い
ため、組立リング１３３および軸受リング１３７
がさらに永久変形、すなわち圧縮歪みを受けるこ
とはないとともに、リング１３３，１３７が冷却
されることによつて緩んでも、予圧は損失されな
い。

出願人によれば、この発明のステムシール装置
は、−20〓ないし300〓（−29〜149℃）の温度サ
イクルを加えて、30000psi（2100Kg／cm²）の流体
に適用しても、パツキンリテナを締め直さずに十
分使用に耐えるとのことである。この場合、組立
リング１３３および軸受リング１３７はM₀S₂を
５％添加したTFEで形成し、コアリング１３５
はグラフオイルで形成し、かつコアリング１３５
の体積を挾着層全体の体積の約1/3としてある。
従つて、この好ましい実施例においては組立リン
グ１３３と軸受リング１３７の合計体積はコアリ
ング１３５の体積の約２倍である。組立リング１
３３を形成する材料は、シールの形成によつて金
属リングガスケツト１３１から押し出されること
はなく、シール形成時にこの組立リング１３３の
間に配設されたグラフオイル製のコアリング１３
５を取り囲んで、金属リングガスケツト１３１と
動作ステム５１およびパツキン箱６５の間に金属
同士のシールが形成される前に、コアリング１３
５が金属リングガスケツト１３１を越えて押し出
されないようにするものである。また、グラフオ
イル製のコアリング１３５の内周にそつて配設さ
れるM₀S₂を５％含有するTFE製の軸受リング１
３７は、動作ステム５１とステムシール装置との
間の摩擦を緩和するとともに、コアリング１３５
の過度の摩耗を防ぐ。従つて、グラフオイル製の
コアリング１３５は熱膨張率が小さく、その３面
はM₀S₂を５％含有するTFE製の組立リング１３
３および軸受リング１３７を介して動作ステム５
１および金属リングガスケツト１３１とが接して
いる。この場合、この発明の挾着層において、コ
アリング１３５の体積は組立リング１３３と軸受
リング１３７の合計体積の約1/2にすることが望
ましい。もちろん、この挾着層のリングの体積比
を変えてもよく、またリングの材料を変更しても
よい。

第１図、第２Ａ図および第２Ｂ図においては、
金属リングガスケツト１３１および挾着層のリン
グの円錐形は、シールされる圧力の向きと反対向
きであるが、シール部の内周縁および外周縁の面
が平行で、係合状態が同一であれば、シール部を
逆にしてもよい。従つて、金属リングガスケツト
１３１と挾着層の各リングの円錐形は、シールさ
れる流体の圧力の向きと同じ向きにすることがで
きる。また、組立リング１３３と軸受リング１３
７は必ずしも別々に形成する必要がないことも理
解できよう。例えば、円筒状のリングの外周の中
央部にそつて、一体的に溝を形成し、その断面形
状がＵ字形となるような部材にしてもよい。この
場合、その溝内にコアリングを整合させてから、
バルブ内に設置される。

この発明の好ましい実施例について説明した
が、この発明の精神を逸脱することなく、当業者
によつて、数多くの変形をすることができる。従
つて、ここに開示した内容は、説明を目的とする
ものにすぎず、この発明の範囲を限定するもので
はないことはいうまでもない。発明の範囲は特許
請求の範囲に示される。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明のバルブの縦断面図、第２Ａ
図および第２Ｂ図は、円錐台形の金属リングガス
ケツトが、バルブの内側に対してシールされる圧
力とは反対向きになつたこの発明の動作ステムシ
ール装置の一実施例を示す第１図と同じ面につい
ての部分拡大断面図であつて、第２Ｂ図はバルブ
内に設置し、パツキンリテナを締着する前におけ
る、この発明のステムシール装置の部分拡大断面
図、第２Ａ図はパツキンリテナを締着した後にお
ける、ステムシール装置の部分拡大断面図であ
る。 ５１……動作ステム、６１……ポート、６３，
１０１……シール部材、６５，１０３……パツキ
ン箱、６７，１０５……パツキンリテナ、１３１
……金属リングガスケツト、１３３……組立リン
グ、１３５……コアリング、１３７……軸受リン
グ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ パツキン箱の下方にポートを有し、バルブの
   軸方向に動作可能な動作ステムが前記ポートを通
   つてパツキン箱の外側に延出し、高圧下、温度サ
   イクルにかけた状態で使用し、前記動作ステムの
   壁面と、この動作ステムの周囲に設置されたパツ
   キン箱の間をシールするシール装置であつて、前
   記動作ステムの周囲に配設された前記パツキン箱
   内に設置した第１および第２の金属リングガスケ
   ツトと、前記パツキン箱内において前記金属リン
   グガスケツトの間に挾着された変形可能な環状の
   シール部材とから成り、前記シール部材が、前記
   金属リングガスケツトと隣接する第１および第２
   の環状部と、前記環状部の間に設置されたコア部
   とを有し、前記環状部は丈夫な変形可能な材料で
   形成され、前記コア部は前記環状部を形成する材
   料より熱膨張率が小さい材料で形成されることを
   特徴とするシール装置。 ２ 前記第１および第２の環状部を形成する材料
   の摩擦係数が小さいことを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載のシール装置。 ３ 前記第１および第２の環状部が、四弗化エチ
   レンポリマで形成され、前記コア部が緻密なグラ
   フアイトで形成されることを特徴とする特許請求
   の範囲第２項記載のシール装置。 ４ 前記第１および第２の環状部を形成する材料
   が、最高約15％の二硫化モリブデンを含有するこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第３項記載のシー
   ル装置。 ５ 前記第１および第２の環状部が、前記動作ス
   テムおよび前記パツキン箱と係合してシールする
   組立リングより成るとともに、前記コア部が、前
   記動作ステムの外径より大きい内径を有するコア
   リングより成り、さらに前記コアリングと動作ス
   テムの間において、前記コアリングの内周にそつ
   て配設され、丈夫な変形可能な材料で形成した軸
   受リングを有することを特徴とする特許請求の範
   囲第４項記載のシール装置。 ６ 前記軸受リングが前記組立リングと同一の材
   料で形成されることを特徴とする特許請求の範囲
   第５項記載のシール装置。 ７ 前記コアリングと前記軸受リングとが、前記
   組立リングの間に軸方向に形成される空間、およ
   び前記動作ステムと前記パツキン箱との間に半径
   方向に形成される空間のほぼ全てを満すことを特
   徴とする特許請求の範囲第６項記載のシール装
   置。 ８ 前記コアリングの体積が組立リングと軸受リ
   ングの合計体積の約1/2であることを特徴とする
   特許請求の範囲第７項記載のシール装置。 ９ 前記コア部を形成する材料の熱膨張率が、前
   記第１および第２の環状部を形成する材料の熱膨
   張率の1/4より小さいことを特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載のシール装置。 １０ 前記第１および第２の金属リングガスケツ
   トを押し付ける部材をさらに有し、この部材によ
   つて前記金属リングガスケツトは部分的に平らに
   なり、その内周縁および外周縁が変形して、前記
   動作ステムおよび前記パツキン箱と係合してシー
   ルされるとともに、前記シール部材の第１および
   第２の環状部が前記動作ステムおよび前記パツキ
   ン箱と係合してシールされることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載のシール装置。 １１ 前記環状のコア部の外周縁が前記パツキン
   箱と隣接するとともに、このコア部の内径は前記
   ステムの外径より大きく、さらに前記シール部材
   が、第３の環状部を有し、この環状部は丈夫で変
   形可能な材料で形成され、前記コア部と前記ステ
   ムの間に配設されることを特徴とする特許請求の
   範囲第１０項記載のシール装置。 １２ 前記第１，第２および第３の環状部が四弗
   化エチレンポリマで形成され、前記コア部が緻密
   なグラフアイトで形成されることを特徴とする特
   許請求の範囲第１１項記載のシール装置。 １３ 前記第１，第２および第３の環状部が四弗
   化エチレンポリマ95％，二硫化モリブデン５％よ
   り成る材料で形成され、前記コア部が緻密なグラ
   フアイトで形成され、前記金属リングガスケツト
   を圧縮した場合、金属リングガスケツト，動作ス
   テムおよびパツキン箱の間に形成される空間のほ
   ぼ全体が、前記第１，第２および第３の環状部と
   コア部によつて占められ、かつ前記コア部の体積
   が前記空間の全体積の約1/3であることを特徴と
   する特許請求の範囲第１１項記載のシール装置。