JP5096285B2

JP5096285B2 - ボールバルブ

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Publication number: JP5096285B2
Application number: JP2008276085A
Authority: JP
Inventors: 善仁長田
Original assignee: Kitz Corp
Current assignee: Kitz Corp
Priority date: 2008-10-27
Filing date: 2008-10-27
Publication date: 2012-12-12
Anticipated expiration: 2023-07-28
Also published as: JP2009041776A

Description

本発明は、液化石油ガスや液化天然ガスなどの超低温流体の制御に適した超低温用のトラニオン型ボールバルブに関し、特に、シール性等に優れたボールバルブに関する。

トラニオン型ボールバルブは、適用流体が、液化エチレン（液化温度：−１０４℃）や、液化天然ガス（液化温度：−１６０℃）、液体窒素（液化温度：−１９６℃）等の超低温流体であると、樹脂製ボールシートの場合、このシートの柔軟性が無くなりシール性が低下し、流体漏れが発生するおそれがある。この対策のため、従来より、ボールシートとボデーとの間に、板ばねなどの弾性部材を介在させて、ボールシートとボールとのシール性を確保するなどの手段が提案されているが、何れも良好なシール性を確保するものとはいえなかった。

そこで、ステンレス鋼等の金属製のシートリテーナに形成された取付溝に、四フッ化エチレン樹脂（ＰＴＦＥ）等の樹脂や、ゴム製のボールシートを嵌入し、このボールシートを皿ばね等の弾性部材を介してボール側に弾発させて、シートリテーナとボールとをシールする構造が多く採用されている（例えば、特許文献１参照。）。
しかしながら、低温域、更には超低温域になると、ボールシートのうち、特に、取付溝から突出したシール面を含む部分は、シートリテーナとの熱収縮率の違いから局部変形を起こして、ボールシートのシール面に歪みが発生するなど、良好なシール性を維持することができず、依然として、シール性の問題を解決するまでには至っていない。
特公平３−４７１６７号公報（第１−３頁、第２図）

本発明は、従来のトラニオン型ボールバルブが有している上記した問題点を解決するため、キャビティー内の異常昇圧に応じて確実にプレッシャーリリーフでき、長期に亘って、安全に使用することが可能な超低温流体用のボールバルブを提供することにある。

請求項１に係る発明は、貫通孔を有するボールをボデー内に回転自在に装着し、このボール表面の両側に、環形状のシートリテーナに保持させた環形状のボールシートを当接させて、ボールとシートリテーナとの間をシールする一次側と二次側のシール機構を有するボールバルブにおいて、前記一次側のシール機構は、前記ボデーの内周面と前記シートリテーナの外周面との間には、一次側方向を向いた状態に開口した舌片状の開口部と、この開口部を拡開するスプリングとからなるＵリングを装着して構成し、前記シートリテーナ外周面に形成した溝部にＵリング押えを装着し、弁開状態で、前記ボデーと前記ボールとの間のキャビティ部内の圧力が上昇していない状態のとき、前記Ｕリング押えに形成した突起部が前記スプリングに接触していない状態で、前記突起部と前記スプリングとが対向配置され、弁閉状態で、前記キャビティ部内の圧力が上昇した状態のとき、前記Ｕリングが前記突起部側に若干移動して前記突起部と前記スプリングが当接して前記Ｕリングを前記Ｕリング押えに係止させると共に、前記Ｕリングの外径Ｄ_３とＤ_３より小であるボールシートのシールポイント径Ｄ_１との面積差にキャビティ圧が作用することにより前記ボールと前記ボールシートとの間からプレッシャーリリーフするようにしたボールバルブである。

請求項２に係る発明は、二次側のシール機構は、前記ボデーの内周面とシートリテーナの外周面との間に、一次側方向を向いた状態に開口した舌片状の開口部と、この開口部を拡開するスプリングとからなるＵリングを装着して構成し、前記キャビティ内の圧力が上昇した際に、前記シートリテーナに形成された突起部を前記Ｕリングの開口部から前記スプリングに当接させて係止すると共に、ボールシートがボール表面に押し付けられて二次側をシールするようにし、さらに、前記ボールシートのシールポイント径をＤ _１とし、前記Ｕリングの内径をＤ _４とした場合、Ｄ _１＞Ｄ _４としたボールバルブである。

本発明のボールバルブによると、キャビティー内の異常昇圧に応じて確実にプレッシャーリリーフでき、長期に亘って、安全に使用することが可能な超低温流体用のボールバルブを提供することが可能となった。

本発明におけるボールバルブのシート構造の好ましい一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、トラニオン型ボールバルブ１の縦断面図であり、同図に示すように、ボデー２には、ボール３に形成した貫通孔３ａを介して連通される一次側流路４と二次側流路５とが設けられ、一次側流路４と二次側流路５のボデー２内開口端の周縁部位には後述するシール機構６，７を設けており、このシール機構６，７を介して、ボデー２内にボール３を回動自在に設けている。また、同図に示すように、ボール３は、上部ステム８と下部ステム９で支持されており、ボデー２の上部を貫通させた上部ステム８の下端が、ボール３の上部に装着され、この上部ステム８の上端は、図示しない弁駆動手段に固定されており、この弁駆動手段を操作することによってボール３を回転させ、一次側流路４と二次側流路５とが連通・遮断される。なお、図中１０は、バルブ全閉若しくは全開時に、ボデー２、ボール３、及びシール機構６，７で形成される空間、いわゆるキャビティーである。

図２は、図１において示した一次側のシール機構６の拡大断面図であり、図３は、二次側のシール機構７の拡大断面図である。
図１乃至図３に示すように、本発明のシール機構６，７は、ボデー２の流路の軸線方向に摺動自在な環形状のシートリテーナ１１のボール面側に、環形状のボールシート１２を装着するための凹状の装着溝１３が形成されており、この装着溝１３に装着したボールシート１２の内周面１２ａと装着溝１３の流路側内周面１３ａとの間には、ボールシート１２とシートリテーナ１１との熱収縮寸法差に相当する隙間１４を設けている。なお、本例では、三フッ化エチレン樹脂（以下、ＰＣＴＦＥという）で成形したボールシート１２を用いているが、これに限定されるものではなく、その他の材料からなるものでもよい。

上記シートリテーナ１１には雌ねじ部１１ｂを形成しており、この雌ねじ部１１ｂに螺着するボルト等の締付部材１５を介して、上記装着溝１３に装着したボールシート１２を環形状のアウターリング１６で狭持している。このアウターリング１６の挟持面１６ａは、軸線方向に対して垂直な平面であり、この平面に沿ってボールシート１２の収縮を円滑に行えるようにしている。また、図４に示すように、装着溝１３の奥部面１３ｂとアウターリング１６の挟持面１６ａとの幅をＴ_１とし、装着溝１３の奥部面１３ｂとアウターリング１６の挟持面１６ａとで挟持されるボールシート１２の幅をＴ_２とした場合、最低使用温度において、Ｔ_１とＴ_２が略等しくなるようにボールシート１２を挟持することにより、狭持面１６ａに沿ってボールシート１２の収縮を円滑に行えるようにしている。

また、装着溝１３の奥部面１３ｂをシールするボールシート１２のシール面１２ｂには、一対の環形状リップ部１２ｃ，１２ｃを形成しており、ボールシート１２が収縮した場合でも、ボールシート１２とシートリテーナ１１との接触面圧を上げることができ、ボールシート背面からの流体漏れを防いでいる。

図４に示すように、Ｄ_１は、一次側におけるボールシート１２とボール３とのシールポイント径であり、Ｄ_２は上記リップ部のうち、内周側に位置するリップ部１２ｃと装着溝１３の奥部面１３ｂとのシールポイント径であり、Ｄ_１とＤ_２との関係をＤ_１＞Ｄ_２に設定している。これにより、流体圧によりボールシート１２をシートリテーナ１１側に押圧するようにし、奥部面１３ｂとリップ部１２ｃ，１２ｃの間の面圧が高くなり、ここを通っての裏漏れを防いでいる。

また、シートリテーナ１１のボール面側には、環形状のメタルシート部１７を突出して設けており、ボールシート１２が火災等によって溶融又は焼失等しても、メタルシート部１７がボール３にメタルタッチして緊急時のシール性を保持し、ファイヤーセーフ機能を発揮すると共に、ボールシート１２の飛び出しを防止している。本例においては、このメタルシート部１７を利用して、シートリテーナ１１にボールシート１２を装着するための凹状の装着溝１３を形成しており、構造の簡素化を図っている。

図中１８は、舌片状の開口部１８ａを有する断面略Ｕ字状のＵリングであり、この舌片状の開口部１８ａを押し拡げるように、開口部１８ａ内にはスプリング１９が装入されている。図示するように、一次側及び二次側のシール機構６，７のＵリング１８，１８は、開口部１８ａを流路に対して一次側方向に向いた状態で、ボデー２の内周面とシートリテーナ１１の外周面との間に装着されており、開口部側の圧力が開口部１８ａの反対側の圧力よりも高い場合、舌片状の開口部１８ａを押し拡げて自封性作用を発揮し、ボデー２の内周面とシートリテーナ１１の外周面とを確実にシールして、開口部側からの流体の通過を阻止する構造となっている。
また、Ｕリング１８は、ばね強度を上げることで開口部１８ａの反対側からの流体シールも可能である。さらに、一次側のシール機構６におけるＵリング１８は、キャビティー１０内の圧力が上昇すると、開口部１８ａ側に若干移動した後に、シートリテーナ１１と一体となるよう係止させることにより、Ｕリング１８の外径位置までキャビティー１０内の圧力を作用させ、ボールシート１２とボール３との間からプレッシャーリリーフを行う構造となっている。

すなわち、図２に示すように、一次側のシール機構６においては、上記Ｕリング１８をシートリテーナ１１に係止するため、本例では、２つ割の環状部材であるＵリング押え２０がシートリテーナ１１に形成された溝部１１ｃに装着されており、このＵリング押え２０に形成された突起部２０ａがＵリング１８の開口部１８ａからスプリング１９に当接して、Ｕリング１８を係止するようにしている。また、図３に示すように、二次側のシール機構７においては、シートリテーナ１１に形成された突起部１１ｄがＵリング１８の開口部１８ａからスプリング１９に当接して、Ｕリング１８を係止するようにしており、ボールバルブが弁閉状態になると、Ｕリング１８の外径と、後述するシールポイント径Ｄ_１との面積差に流体圧が作用して、ボールシート１２がボール３側に押されてシールする構造となっている。シール機構６，７において、突起部２０ａ，１１ｄにより、本例では、ＰＣＴＦＥからなるＵリング１８本体の損傷を防止している。

また、一次側及び二次側のボデー２内周面には、傾斜面を有する段部２ａが形成されており、この段部２ａに装着された弾性部材、本例では、板ばね２１によって、シートリテーナ１１に形成された傾斜状のばね受面１１ｅを弾発して、シートリテーナ１１と共に装着溝１３に装着したボールシート１２をボール３側へ弾性付勢させている。また、板ばね２１の前後には、シートリテーナ１１が後退可能な隙間を設けている。

図２に示すように、Ｄ_１は、一次側におけるボールシート１２とボール３とのシールポイント径であり、Ｄ_３は、ボデー２の内周面とシートリテーナ１１の外周面の間に装着されたＵリング１８の外径であり、Ｄ_１とＤ_３との関係をＤ_１＜Ｄ_３に設定している。これにより、上記板ばね２１は、流体圧を用いた自封性弁座シールを行うために、ボール３とボールシート１２との間に初期面圧を与えるためだけの必要最小限の荷重に設定しており、ボールシート１２の収縮により、シートリテーナ１１が後退可能な荷重となっている。

また、図１に示すように、上部ステム８が装着されたボール３には、ベントホール３ｂが形成されており、弁開時には、キャビティー圧と配管圧を同圧にすることができる。また、図３に示すように、Ｄ_１は、二次側におけるボールシート１２とボール３とのシールポイント径であり、Ｄ_４は、ボデー２の内周面とシートリテーナ１１の外周面との間に装着されたＵリング１８の内径であり、Ｄ_１とＤ_４との関係をＤ_１＞Ｄ_４に設定しており、これにより、弁閉時には、二次側のシール機構７はキャビティー圧が上昇すると、Ｕリング１８が移動してボデー２の段部２ｂに係止、密着する一方、Ｄ_１とＤ_４との面積差にキャビティー圧が作用して、ボールシート１２がボール３に押えつけられるので、キャビティー圧は、一次側のシール機構６を介してバルブの一次側にのみリリーフされる。また、メンテナンスの際には、弁開にすることでキャビティー圧が確実に除かれる。

次に、低温状態における本発明のボールバルブの作用について説明する。
図５に示すように、超低温流体によりバルブ本体１が超低温状態になると、ボール３とシートリテーナ１１との間をシールしているボールシート１２が収縮を始める。上記したように、装着溝１３に装着したボールシート１２の内周面１２ａと装着溝１３の流路側内周面１３ａとの間には、ボールシート１２とシートリテーナ１１との熱収縮寸法差に相当する隙間１４が設けられており、ボールシート１２は収縮を妨げられることなく、同図の矢印に示すように、この隙間１４を埋めるように径方向へ収縮する。

例えば、ボールシート１２の内周面１２ａの径φ１６９．８ｍｍ、装着溝１３の流路側内周面１３ａの径φ１６９．０ｍｍである場合、この寸法差はφ０．８ｍｍであり、最低使用温度において、ボールシート１２が収縮することで、この寸法差φ０．８ｍｍ（隙間１４）が略零となるように設定される。

同時に、この径方向への収縮力がボール３とボールシート１２との接触角により軸線方向の分力に変換され、同図の矢印に示すように、ボールシート１２は、シートリテーナ１１と共にボール３から離反して後退する。従って、ボールシート１２の径方向及び軸線方向への収縮を妨げられることがないので、ボールシート１２のシール面に変形を起こすことなく、ボール３とボールシート１２とのシールポイントを、良好なシール性を確実に維持しながら移動させることができる。

また、ボールシート１２の後退に伴って、シートリテーナ１１がスプリング１９を押圧して、スプリング１９の弾発力が高まる。従って、ボールシート１２は、後退することによりボール３とのシールポイントを良好に維持しつつ、ボール３への押圧力が増し、良好な弁座シール性を確保することができる。

ボールバルブが弁閉状態になると、流体圧によってシール機構６，７の自封力と板ばね２１の弾発力により、ボールシート１２がボール３側に押されてシールする。
また、キャビティー１０内の圧力が上昇して、所定の圧力以上になった場合、一次側のシール機構６は、Ｕリング１８が移動してＵリング押え２０に係止され、シートリテーナ１１と一体となることにより、Ｕリング１８とシートリテーナ１１の段部１１ｆとの間の空間内に侵入したキャビティー圧は打ち消される。
従って、Ｕリング１８の外径Ｄ_３とシールポイント径Ｄ_１との面積差にキャビティー圧が作用することにより、ボールシート１２は、この圧力によってボール３とは反対側に押圧されて、シートリテーナ１１と共にボール３から離反して後退し、ボール３とボールシート１２との間に隙間が生じるので、この隙間より異常昇圧した圧力をリリーフさせることができる。

次に、上記した本発明のボールバルブにシール性能試験を行い、その試験結果を表１に表す。
表１に示すように、本発明のボールバルブと隙間（図中、隙間１４）を設けていないボールバルブ（比較品）とを比較すると、圧力が高くなるほど、シート漏れ量の違いが明らかに表れていることが判る。従って、本試験から明らかであるように、本発明のボールバルブは、高い圧力においても、極めて良好なシール性を維持していることが判る。

本発明におけるトラニオン型ボールバルブの縦断面図である。図１において示した一次側のシール機構の拡大断面図である。図１において示した二次側のシール機構の拡大断面図である。常温時におけるシール機構の作用説明図である。低温時におけるシール機構の作用説明図である。

符号の説明

１トラニオン型ボールバルブ（バルブ本体）
２ボデー
３ボール
３ａ貫通孔
１１シートリテーナ
１１ｃ溝部
１２ボールシート
１２ａ内周面
１２ｂシール面
１２ｃリップ部
１３装着溝
１３ａ内周面
１３ｂ奥部面
１４隙間
１５締付部材（ボルト）
１６アウターリング
１６ａ挟持面
１７メタルシート部
１８Ｕリング
１８ａ開口部
１９スプリング
２０Ｕリング押え
２０ａ突起部

Claims

貫通孔を有するボールをボデー内に回転自在に装着し、このボール表面の両側に、環形状のシートリテーナに保持させた環形状のボールシートを当接させて、ボールとシートリテーナとの間をシールする一次側と二次側のシール機構を有するボールバルブにおいて、前記一次側のシール機構は、前記ボデーの内周面と前記シートリテーナの外周面との間には、一次側方向を向いた状態に開口した舌片状の開口部と、この開口部を拡開するスプリングとからなるＵリングを装着して構成し、前記シートリテーナ外周面に形成した溝部にＵリング押えを装着し、弁開状態で、前記ボデーと前記ボールとの間のキャビティ部内の圧力が上昇していない状態のとき、前記Ｕリング押えに形成した突起部が前記スプリングに接触していない状態で、前記突起部と前記スプリングとが対向配置され、弁閉状態で、前記キャビティ部内の圧力が上昇した状態のとき、前記Ｕリングが前記突起部側に若干移動して前記突起部と前記スプリングが当接して前記Ｕリングを前記Ｕリング押えに係止させると共に、前記Ｕリングの外径Ｄ_３とＤ_３より小であるボールシートのシールポイント径Ｄ_１との面積差にキャビティ圧が作用することにより前記ボールと前記ボールシートとの間からプレッシャーリリーフするようにしたことを特徴とするボールバルブ。
請求項１のボールバルブにおいて、二次側のシール機構は、前記ボデーの内周面とシートリテーナの外周面との間に、一次側方向を向いた状態に開口した舌片状の開口部と、この開口部を拡開するスプリングとからなるＵリングを装着して構成し、前記キャビティ内の圧力が上昇した際に、前記シートリテーナに形成された突起部を前記Ｕリングの開口部から前記スプリングに当接させて係止すると共に、ボールシートがボール表面に押し付けられて二次側をシールするようにし、さらに、前記ボールシートのシールポイント径をＤ _１とし、前記Ｕリングの内径をＤ _４とした場合、Ｄ _１＞Ｄ _４としたボールバルブ。