JPS596474A - 高温用制御弁 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は主として高温流体、特には１０００℃以上の高
温流体の流量、圧力、温度、方向などの制御の可能な制
＠ｊ弁に関するものである。

高温流体の流量などの制御弁には、高温流体と接する弁
体の材料として従来は各種の鋼、耐燃合金々とが使用さ
れていた。しが１．η・がる金属材料の強度は使用温度
の上昇につれて急激に低下するので、こうした金属材料
を水冷その他の手段により強制冷却して使用１．ていた
ため、制御弁の構造が複雑になり、使用可能上限温度が
低く、捷たは熱エネルギーのかなりの損失をまねくなど
の欠点を有していた。一方、弁体などをセラミック製と
すれはセラミックの有する耐熱性により高温流体の制御
弁として使用可能なことは期待され、でいたが、金属に
比へて脆く、加工性に劣り、かつ材料として信頼性に乏
しいセラミックでＤ雑な、大型の、甘たは厚肉部を有す
る弁体ケ構成することの困離性７）・ら、従来、セラミ
ック製弁体を有する制御弁ばほとんと実用化されていな
かった。

本発明はかかる問題点を解決し、主として高温流体、特
には１０００℃以上の高温流体の流量、圧力、温度なと
の制御のｎ」能な制御弁？提供するものであり、すなわ
ち、中空部の少くとも一部を断熱体で充填した中空筒状
の十ラミノり製弁体を治する高温用制御弁を提供するも
のである。

以下に図面を参照しながら本発明を説明する。

第１図は本発明の好捷しい一実施例である制御弁を示す
。鉄板２２で外張りし、断熱性を有する耐火材２１で形
成された断面円形の風道２５には、たとえば鉄鋼熱風炉
への約１２００℃、約４　Ｋｇ／ｃｍ２（ゲージ圧）の
高温空気が流れている。耐火材２１および鉄板２２の一
部を切欠いて、風道側が小さく、鉄板側か大きく、中途
で段差面２３を有する円筒状の空所を設け、この空所の
鉄板側側面２４および段差面２３に弁箱２の基部２ａが
ほぼ当接するように制御弁１をとりつける。制御弁１は
セラミック製弁体３、これを杷持する金属製数句体４、
弁棒５、弁体３を保持制振するスリーブ６、スリーブを
押圧する押し輪７、および弁箱２なとから構成されてい
る。

弁箱２はそれぞれが金属製である弁箱基部２ａ、弁箱胴
部２ｂ、弁箱差部２ｃおよび弁箱／−ル押さえ部２ｄか
ら構成され、逐次フランジ８により密閉可能なように接
合されている。底面中央に弁体３が貫通するだめの孔部
を有する円筒状の弁箱基部２ａば、好廿しくは耐熱鋼で
製作され、その側面を鉄板２２と溶接し２て制御弁１全
体を所定位置に保持固定すると共に、風道からの高温空
気か弁箱基部２ａの夕１面と耐火材２１の間隔を通って
外部へ流出することを防止している。弁箱基部２ａは使
用時には上述の鉄板側側面２４および段差１ｍ１２３に
ほぼ当接しているが、必要に応じて取付時には伺質の熱
膨張率差を考慮して適宜のクリアランスを見込んでおく
ことが好贅しい。

弁箱基部２ａの中央部には、弁箱と同軸に薄肉中空円筒
状のセラミック製弁体６が設けら；ｈ−ている。このセ
ラミック製弁体は肉厚が好捷しくは１０謹以斗の等径等
厚の単純な中空円筒状であって、その風道側端面および
弁棒側端面はいずれも軸に垂直な面で切断されており、
弁棒側外側面は外側に拡大するようにテーパ面３ａが形
成されている。奸才しくは炭化ケイ素質、窒化ケイ素質
、サイアロン質、アルミナ質、ジルコニア質なとのセラ
ミンク材からなる弁体６の中空部には、断熱性キャスタ
ブル、または炭化ケイ素、アルミナなどからなるセラミ
ックファイバーなどの断熱材９が充填されている。断熱
材は耐熱性を有するとともにその熱伝導率が弁体３を構
成するセラミック材のそれの％以下であることが後述す
る伝熱量抑制のために好まｊ２く、たとえば気孔率の大
きい断熱材あるいは・・ニカム状の断熱材なとも使用し
２うる。

かかる構成の弁体とすることは次のような特長を有する
ものである。すなわち、セラミック材は耐熱性は優れて
いるが脆く、加工性に乏し２く、かつ大型形状、厚肉形
状、複雑形状にすると焼結が不充分、不均一となって強
度が不足したシ内部欠陥を有しやすく、シたがって弁体
のような機械的部材に使用することは困難でめった。し
かるに等径等厚薄肉中空円筒状などとすることＶＣより
、形状はきわめて単純となって成形、焼結、加工などが
容易となり、厚肉部分がなくなってセラミック刊質の中
央部首で焼結か充分完結し、かつ各部か等厚なので均一
な焼結が可能となって内部欠陥かほとんど無くなり、機
械的強度が大きく、熱応力にも強く、かつ信頼性の高い
部材が得られ、ることとなり、特に弁体外径が５０’ｍ
ｍψ以上の大型形状になるほと、かかる特長が顕著に発
揮される。捷だセラミック材、特に上に例示した如き材
質のセラミック材は比較的大きな熱伝導率を有し、した
かつて中実セラミック製弁体とした場合には弁体の風道
側から弁棒側にかなりの伝熱量があって取付体などが容
易に高温に達して不都合であるか、中空セラミック製弁
体としたことにより、この方向への伝熱量を大ｒｉＪに
低下さ咀、かつ、充填された断熱材９により中空部を通
じての伝熱量も抑制している。断熱側９はあわせて中空
セラミック製弁体の強度補強の機能ンもだせでもよく、
シたがって中空部全体を充填していることが好脣しいが
、例えは中空部のうちの風道側部分あるいはスリーブ６
で四重れる部分のみを断熱材で充填してもよい。

セラミック製弁体は第２図に示すように風道側を平面状
または半球面状の底面３ｂを有する構造とし７て、断熱
材の剥落や腐食を防止し１、あわせて弁体の補強、制振
などを図ってもよく、特にセラミックファイバーを断熱
材に用いる場合には好適である。ざらに底面の曲率を風
道の曲率と等Ｌ〜〈１て、弁体をその軸方向に変位させ
て風道の流体の流量を制御するにあたり、その制御率を
犬きくすることが可能である。

金属製の取付体４に螺合（７弁体のテーパ面３ａに係合
するリング４ａによって弁体３は把持され、取付体４は
自在継手１０を介して弁棒５に連結されている。その際
、緩衝材１１かセラミック材と金属材との当接部分に配
置れて、組立時あるいは使用時に相対的に脆いセラミッ
ク材に過度の応力集中が起きることを防止している。テ
ーパ面を形成しであることは把持力を確保し２やすくす
ると共に、セラミック材に生として圧縮応力として作用
ぜしめる効果を有する。

また第２図に示１ようにリングによって把持さり、る弁
体の弁棒側をテーパ面を経て直円筒となして強度を高め
てもよく、あるいはテーパ面を有する溝部を切削加工な
どにより設けて、偶産しやすい等径等厚円筒を利用でき
るようにしてもよい。

弁箱基部２ａには弁体３の中央部を囲むように環状のス
リーブ６が配されている。スリーブ６はその内周面が弁
体と摺動可能なように係合していると共に、その外周面
の弁棒側端部および必要に応Ｉ：て風道側端部は斜めに
切り落された形状をしており、かつ円周方向に分割され
た複数個の可熱性部材で構成されている。スリーブ乙に
は必要とされる酬熱性に応じて適宜な金属や焼結体など
が使用できる中で、黒鉛は潤滑性およびダンピング効果
にすぐれて好捷しい。

スリーブの弁棒側斜面６ａと弁箱内面との間（（は、こ
の二つの面とそれぞれ摺動可能な内周、外周を有する押
し輪７が配置＋イされる。後述する機構により押し輪７
に弁棒側から１虱道側に向いた押圧力が作用（２、これ
がスリーブの斜面によりスリーブを弁体方向に押圧する
分力に変換されて、弁体を保持制振する。すなわち金属
材に比べてセラミック材は脆く、機械的衝撃や振動に弱
いものであり、特にセラミック製弁体が流体流にさらさ
れると流れの乱れ々どに起因して振動を起こしやすいも
のであるからして、かかる保持制振機構？備えているこ
とは重要である。

丑だ必要に応じてスリーブの風道側斜面６ｂと弁箱内面
との間には、この斜面と摺動用能な内周を有シフ、弁箱
基部の底面２ｅと直接に捷たけ断熱材を介して接する受
は輪１２が配置されて、押し輪７と同様にスリーブを弁
体方向に押Ｗする機能を有すると共にこの押圧力が受は
輪１２および押し５輪７に均等に働いて弁体を正しく軸
方向に保持する。さらにかなり高温の流体を制御する場
合には受は輪１２捷たは弁箱基部の底面２ｅ、押し２輪
７、スリーブ６および弁箱内側面で囲寸れる空間に必要
に応じて水その他の冷却媒体を流通させる冷却管１３な
どを配設してもよい。さらにまた、図示していないが、
例えば取イ」体リング部４ａと弁箱内面との間などに適
宜な構造の第二の保持制振機構を設けることも有効であ
る。

弁箱蓋部２Ｃおよび弁箱ンール押さえ部２ｄにはそれぞ
れ中央に弁棒５を貫通させる孔部を有１−１弁箱蓋部の
中央部に設けた空所に適宜な軸／−ル材１４を配置、て
弁箱内に流入した高温ガスが系外に洩出するのを防止し
ている。このように風道からへたたり、したがって温度
も低下している部位で系外との／−ルをしているので、
軸ンール材の選択、軸７−ル方法の設計などは容易であ
り、さらには風道を流れる雌体か腐食性あるいは毒性を
有する場合にも有効である、さらに必要に応じて例えば
弁箱胴部２ｂに１個または複数個の流通口１５を設け、
外部より空気その他の加圧流体なとを供給して弁箱内に
風道を流れる高温流体力）洩出しないようにしてもよく
、才たは弁箱内ケ冷却可能としてもよい。

弁棒５は図示していない適宜な手動捷たは非手動の弁棒
駆動機構に接続され、弁棒［−たがって弁体は弁体の軸
方向に移動ｄ」能となっている。

ここで弁体はセラミック製であるためしばしば寸法精度
に劣ることがあり、スリーブや押し輪などの位置すれが
起きたり、あるいはセラミック製弁体、弁箱部材、耐火
材相互間の熱膨張差に起因したシして弁体の軸と弁棒の
軸が、一致しないこともありうるものであるか、このよ
うな場合があっても自在継手１０を介することは、流体
の制御に必要々弁体の移動捷たは回転を確保できて重要
である。

弁箱内部には弁箱蓋部２Ｃに近接してスラスト板１６が
設けられ、スラスト板１６と押し輪７の間にはスプリン
グ１９を介して複数本の脚部１７Ｂを有する環状体１７
が設けらね、ているり弁箱蓋部２ｃに設けたねじ孔に調
節ねビ１８が貫通して、調節ねじの先端がスラスト板に
当接する。しかして調節ねじを締めこんでスラスト板を
適宜に押圧し、この力がスプリングおよび環状体を介し
て押し輪の押圧力として作用する。

しかしながら本発明において押し輪に押圧力を作用させ
る機構は上に述へた方法に限定さ、ｌ′１．るものでは
ない。

第１図の実施例においては、断面が円形の風道に、とれ
より小さい外径を有しかつ流ね、方向に直交する軸ケ有
１′る円筒状弁体か軸方向に変位して、流量なとを制御
するもので、したかつて制御弁の全閉時には全開時のお
よそ６０〜９０係の流量捷で調節可能である。しかしな
がら、風道径より大きい外径の弁体とし、あるいは風道
断面を弁体外径と等しい・ト行面を有する小判形などと
することにより、全閉時の流量ケ実質的にセロとするこ
とも可能である。

一方、本発明の制御弁を第３図〜第６図に示すように配
設し７て風道流体に対する密閉性を向上し、折れ曲がる
風道に適用し、あるいは円筒状弁体を円周方向に回転し
て流量なとの制御をすることも可能である。すなわち第
６〜第６図ｄ、いずれもセラミック製弁体３に係合し、
この弁体が摺動可能なセラミック製外筒２０を風道に固
定し、て配設し７プでもので、風道内は流体流路を残し
て適宜、耐火材なとて内張すされている。

第３図においては外筒側面に対向する二つの孔を有し、
この孔を流れる流体は、端部をセラミック拐捷たは断熱
材で閉塞さハ、た弁体を弁体の軸方向に変位させること
により制御される。第４図においては第３図と同様の外
筒とガス流路を有シフ、セラミンク製弁体はその側面に
対向する二つの孔を有し、その孔よりも少くとも弁棒側
は断熱材が充填されている。外筒および弁体の孔を流′
ｉ′Ｌる流体は弁体を円周方向に回転させることにより
制御される。第５図および第６図１においては直角方向
に折れ曲がる風道にそれぞれ第６図および第４図と同様
の外筒と弁体を設けたもので、これらの場合においては
外筒の一側面と底面とに孔を有し７て、流体の流路とな
っている。また直角に限らす適宜な角度に折れ曲がる風
道に採用可能であり、あるいは三力向以上に分岐する風
道部分に設けて流路切換弁と々ずことも可能である。捷
だ十言己の説明では主として高温流体について述へたが
、腐食性ガスに対しても同様に適用可能である。

【図面の簡単な説明】

第１１ン１〜第６図はいずれも断面図であって、第１図
は風道に取りつけら）′１．た本発明の好せしい実施例
である制御弁、第２図ａおよびｂは本発明の異なる実施
例の制御弁の弁体、第３図〜第６図は本発明の更に異な
る実施例の制御弁の弁体と風道を示す。 ２゛弁箱　　３：弁体　　４　取付体 ５°弁棒　　６　スリーブ　　７　押し輪９：断熱材　
　　１０．自在継手　　　１１　　緩調節ねじ、２０：
外筒　　２５°煙道 ・（二」

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　中空部の少くとも一部を断熱材で充填１〜た中空筒
   状のセラミック製弁体を有する高温用制御弁 ２、　弁体の外周に係合する内周を有し７かつ周方向に
   複数個に分割されたスリーブで弁体の外周を囲んでいる
   特許請求の範囲１記載の高温用制御弁 ６　弁体の外周に係合する内周と２個以上の流体流通孔
   を有するセラミック製外筒を有する特許請求の範囲１−
   ！たは２記載の高温用制御弁