特開 2024-34734 バルブプラグおよび弁装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024034734

(43)【公開日】2024-03-13

(54)【発明の名称】バルブプラグおよび弁装置

(51)【国際特許分類】

   F16K 1/36 20060101AFI20240306BHJP

【ＦＩ】

F16K1/36 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022139195

(22)【出願日】2022-09-01

(71)【出願人】

【識別番号】000183303

【氏名又は名称】住友金属鉱山株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001704

【氏名又は名称】弁理士法人山内特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】近藤 里菜

(72)【発明者】

【氏名】桑原 孝徳

【テーマコード（参考）】

3H052

【Ｆターム（参考）】

3H052AA01

3H052BA22

3H052CA02

3H052CA16

3H052EA05

(57)【要約】

【課題】高い耐摩耗性および耐衝撃性を有するバルブプラグを提供する。
【解決手段】バルブプラグ３０は、全閉時にバルブシートと接触する円環状の接触面３２ｓを端部に有する基部３２と、接触面３２ｓと接続した外周面３３ｓを有する挿入部３３と、外周面３３ｓと接続した先端面３４ｓを有する円錐台形の先端部３４とを有する。バルブプラグ３０は全体がセラミックスで成形されている。バルブプラグ３０は全体がセラミックスで成形されているため、耐摩耗性が高い。先端部３２が円錐台形であり尖った部分がないので、耐衝撃性が高い。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

弁装置の内部においてバルブシートと相対して配置されるバルブプラグであって、
全閉時に前記バルブシートと接触する円環状の接触面を端部に有する円柱形または円錐台形の基部と、
前記基部の端部に連接し、前記接触面と接続した外周面を有する円柱形または円錐台形の挿入部と、
前記挿入部の端部に連接し、前記外周面と接続した先端面を有する円錐台形の先端部と、を備え、
全体がセラミックスで成形されている
ことを特徴とするバルブプラグ。

【請求項2】

前記先端部の頂面の直径が、底面の直径の０．３～０．５倍である
ことを特徴とする請求項１記載のバルブプラグ。

【請求項3】

前記挿入部の前記外周面と前記先端部の前記先端面とが断面円弧状に接続されている
ことを特徴とする請求項１記載のバルブプラグ。

【請求項4】

前記先端部の頂角が１３０～１６０°である
ことを特徴とする請求項１記載のバルブプラグ。

【請求項5】

前記先端部の高さが、底面の直径の０．０８～０．１２倍である
ことを特徴とする請求項１記載のバルブプラグ。

【請求項6】

全体が酸化アルミニウムの一体物として成形されている
ことを特徴とする請求項１記載のバルブプラグ。

【請求項7】

請求項１～６のいずれかに記載のバルブプラグを備える
ことを特徴とする弁装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、バルブプラグおよび弁装置に関する。さらに詳しくは、本発明は、弁装置に用いられるバルブプラグ、およびバルブプラグをバルブシートに接近、離隔させることにより流体を制御する弁装置に関する。

【背景技術】

【0002】

高圧蒸気を排出する圧力調節弁の内部では蒸気が高速で流れるため、弁装置の内部が摩耗しやすい。また、高圧蒸気の減圧により急激な膨張が起こるため、これによる衝突が引き起こされる。さらに、高圧水を含んだフラッシュ蒸気が発生するため、これによる衝突も引き起こされる。このように、圧力調節弁の内部は、摩耗に加えて、体積変化による衝突を受けるため、非常に損傷しやすい。そのため、圧力調節弁には高い耐摩耗性および耐衝撃性が要求される。特許文献１には、高い耐摩耗性を実現するために、セラミックスで成形されたバルブシートを採用した弁装置が開示されている。

【0003】

また、特許文献２には、バルブシートと相対するバルブプラグの先端部が、母線が内側に湾曲した略円錐形の形状を有することが示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０２０－２９８６７号公報

【特許文献2】特開２０１０－５４０１９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

バルブプラグの先端部を特許文献２に示されたような尖った形状にすることにより、体積変化により生じる衝撃を受け流すことができる。また、このような形状のバルブプラグをセラミックス製にすれば、高い耐摩耗性を実現できるとも考えられる。

【0006】

しかし、セラミックスは尖った部分が衝撃に弱いという性質を有する。そのため、尖った形状のバルブプラグをそのままセラミックス製にすると突先部が欠損しやすい。しかも、セラミックスは一部が欠損して内部が露出すると、耐衝撃性、耐摩耗性が低下し、欠損部を起点として、摩耗、欠損、剥離が拡大する傾向がある。バルブプラグが欠損すると、精密な流量制御ができなくなり、ひどい場合には全閉にしても漏れが生じる。

【0007】

本発明は上記事情に鑑み、高い耐摩耗性および耐衝撃性を有するバルブプラグ、およびそのバルブプラグを有する弁装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

第１発明のバルブプラグは、弁装置の内部においてバルブシートと相対して配置されるバルブプラグであって、全閉時に前記バルブシートと接触する円環状の接触面を端部に有する円柱形または円錐台形の基部と、前記基部の端部に連接し、前記接触面と接続した外周面を有する円柱形または円錐台形の挿入部と、前記挿入部の端部に連接し、前記外周面と接続した先端面を有する円錐台形の先端部と、を備え、全体がセラミックスで成形されていることを特徴とする。
第２発明のバルブプラグは、第１発明において、前記先端部の頂面の直径が、底面の直径の０．３～０．５倍であることを特徴とする。
第３発明のバルブプラグは、第１発明において、前記挿入部の前記外周面と前記先端部の前記先端面とが断面円弧状に接続されていることを特徴とする。
第４発明のバルブプラグは、第１発明において、前記先端部の頂角が１３０～１６０°であることを特徴とする。
第５発明のバルブプラグは、第１発明において、前記先端部の高さが、底面の直径の０．０８～０．１２倍であることを特徴とする。
第６発明のバルブプラグは、第１発明において、全体が酸化アルミニウムの一体物として成形されていることを特徴とする。
第７発明の弁装置は、請求項１～６のいずれかに記載のバルブプラグを備えることを特徴とする。

【0009】

本発明のバルブプラグによれば、全体がセラミックスで成形されているため、耐摩耗性が高い。しかも、先端部が円錐台形であり尖った部分がないので、耐衝撃性が高い。
本発明の弁装置によれば、バルブプラグが高い耐摩耗性および耐衝撃性を有するので、バルブプラグの交換頻度を低減でき、プラント設備の操業効率を高くできる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】一実施形態に係る弁装置の縦断面図である。

【図2】バルブプラグの正面図である。

【図3】全閉状態のバルブプラグとバルブシートとの位置関係を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

つぎに、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
（弁装置）
図１に示すように、本発明の一実施形態に係る弁装置１はボディ１０を有する。ボディ１０は流体の入口１１と出口１２とを接続する流路１３を有する。また、ボディ１０の上部開口はボンネット１４で閉塞されている。

【0012】

図示の例では、入口１１がボディ１０の側部に開口し、出口１２がボディ１０の底部に開口し、流路１３が略Ｌ字形である。流体は横方向から流入して、下方向に流出する（図中の矢印参照）。すなわち、図示のボディ１０はアングル形である。ただし、ボディ１０はアングル形に限定されず、入口１１および出口１２の両方が側部に開口した玉形（グローブ形）など、種々の形式を採用できる。

【0013】

出口１２側の流路１３には円筒形のバルブシート２０が固定されている。バルブシート２０の素材は特に限定されないが、耐摩耗性を高めるという観点からはセラミックスが好ましい。

【0014】

バルブシート２０と相対する位置にバルブプラグ３０が配置されている。バルブプラグ３０はステム４１の頭部４２に固定されている。具体的には、バルブプラグ３０の上部およびステム４１の頭部４２は円筒形のポスト４３の内部に挿入され、ポスト４３により互いに連結されている。なお、バルブプラグ３０はステム４１に連結されていればよく、連結を実現する構成は特に限定されない。ステム４１はボンネット１４に形成された貫通孔を通って外部に延び、図示しない駆動部に連結している。

【0015】

ポスト４３は円筒形のガイド４４の内部に挿入され、ガイド４４に対して上下に摺動可能となっている。ガイド４４は上端にフランジを有する。ボディ１０とボンネット１４との接合部にフランジが挟持されることにより、ガイド４４がボディ１０に固定されている。

【0016】

駆動部によりステム４１を上下動させると、バルブプラグ３０をバルブシート２０に接近、離隔させることができる。バルブプラグ３０をバルブシート２０から離隔すると流体を通すことができる。バルブプラグ３０をバルブシート２０に接触させると流体を止めることができる。また、バルブプラグ３０とバルブシート２０との間の距離により流体の流量を制御できる。

【0017】

（バルブプラグ）
つぎに、バルブプラグ３０を説明する。
図２に示すように、バルブプラグ３０は、保持部３１、基部３２、挿入部３３および先端部３４を有する。保持部３１、基部３２、挿入部３３および先端部３４は、それぞれ円柱形または円錐台形であり、中心軸Ｏを共通としてこの順に連接している。バルブプラグ３０は中心軸Ｏに対して垂直な面における断面形状が円形であり、保持部３１から先端部３４に向かって段階的に半径が小さくなっている。したがって、バルブプラグ３０は、全体として、先端部３４に向かって段階的に細くなるテーパ形である。

【0018】

耐摩耗性を高めるために、バルブプラグ３０は全体が一体物としてセラミックスで成形されている。工業的に使用されることが多いファインセラミックスとしては、窒化ホウ素、窒化ケイ素、フェライトなどが挙げられる。高温酸性および酸化性雰囲気での耐摩耗性を高めるには、酸化アルミニウムが好ましい。

【0019】

保持部３１は略円柱形である。保持部３１の下端部に基部３２が連接している。保持部３１は基部３２よりも直径が大きい。この直径の差異により、保持部３１は下端部に肩を有する。図３に示すように、バルブプラグ３０は保持部３１のみがポスト４３の内部に挿入される。保持部３１の肩はポスト４３の下端に形成されたテーパ部に係止し、バルブプラグ３０がポスト４３から下方に抜け出るのを防止している。

【0020】

図２に示すように、基部３２は円柱形または円錐台形である。基部３２を円錐台形とする場合、保持部３１側から挿入部３３側に向かって細くなる形状とする。また、基部３２を円錐台形とする場合、円錐台の頂角は０～８０°が好ましい。そうすれば、バルブプラグ３０の周囲の流体がスムーズに流れるので、流量制御を的確かつ精緻に行いやすい。なお、本明細書において「円錐台の頂角」とは、円錐台の母線の延長線と中心軸とのなす角の２倍をいう。また、頂角０°は円柱を意味する。

【0021】

基部３２の下端部に挿入部３３が連接している。基部３２は挿入部３３よりも直径が大きい。この直径の差異により、基部３２は下端部に円環状の接触面３２ｓを有する。図３に示すように、バルブプラグ３０をバルブシート２０に最接近させた全閉時に、接触面３２ｓがバルブシート２０の上端縁と接触する。これにより、バルブプラグ３０とバルブシート２０とが密着し、流体の流れを止めることができる。

【0022】

接触面３２ｓは、中心軸Ｏに対して垂直な面でもよいが、先端部３４に向かって細くなるテーパ面であることが好ましい。接触面３２ｓをテーパ面とすることにより、バルブプラグ３０の周囲の流体がスムーズに流れるので、流量制御を的確かつ精緻に行いやすい。また、バルブプラグ３０とバルブシート２０とを隙間無く密着させることができるので、確実にバルブを閉止することができる。

【0023】

図２に示すように、挿入部３３は円柱形または円錐台形である。挿入部３３を円錐台形とする場合、保持部３１側から挿入部３３側に向かって細くなる形状とすることが好ましい。また、挿入部３３を円錐台形とする場合、円錐台の頂角は０～２０°が好ましく、１０～２０°がより好ましい。そうすれば、バルブプラグ３０の周囲の流体がスムーズに流れるので、流量制御を的確かつ精緻に行いやすい。

【0024】

挿入部３３は外周面３３ｓを有する。外周面３３ｓの上縁は円環状の接触面３２ｓの内周縁と接続している。図３に示すように、全閉時に、挿入部３３はバルブシート２０の内部に挿入される。

【0025】

図２に示すように、挿入部３３の下端部に先端部３４が連接している。先端部３４は円錐台形である。よって、先端部３４は円錐台の底面が挿入部３３に連接している。すなわち、先端部３４は挿入部３３側から下方に向かって細くなる形状である。

【0026】

先端部３４は、頂面の直径Ｄ１が、底面の直径Ｄ２の０．３～０．５倍であることが好ましい。Ｄ１／Ｄ２が０．３以上であれば、バルブプラグ３０の先端部３４に尖った部分がなく、バルブプラグ３０に衝撃が加わっても先端部３４が欠損することを抑制できる。また、Ｄ１／Ｄ２が０．５以下であれば、先端部３４が球面に近い形状となり、バルブプラグ３０の周囲の流体がスムーズに流れるので、流量制御を的確かつ精緻に行いやすい。

【0027】

また、先端部３４は、頂角θが１３０～１６０°であることが好ましい。そうすれば、先端部３４が球面に近い形状となり、バルブプラグ３０の周囲の流体がスムーズに流れるので、流量制御を的確かつ精緻に行いやすい。

【0028】

また、先端部３４は、高さＨが、底面の直径Ｄ２の０．０８～０．１２倍であることが好ましい。そうすれば、先端部３４が球面に近い形状となり、バルブプラグ３０の周囲の流体がスムーズに流れるので、流量制御を的確かつ精緻に行いやすい。

【0029】

先端部３４は先端面３４ｓを有する。先端面３４ｓの外周縁は挿入部３３の外周面３３ｓの下縁と接続している。ここで、外周面３３ｓと先端面３４ｓとは断面円弧状に接続されていることが好ましい。すなわち、外周面３３ｓと先端面３４ｓとを接続する稜線がＲ面取りされていることが好ましい。このようにすることで、挿入部３３と先端部３４との接続部にも尖った部分がなくなり、衝撃が加わってもバルブプラグ３０が欠損することをより抑制できる。

【0030】

以上のように、バルブプラグ３０は全体がセラミックスで成形されているため、耐摩耗性が高い。しかも、先端部３４が円錐台形であり尖った部分がないので、耐衝撃性が高い。バルブプラグ３０が高い耐摩耗性および耐衝撃性を有するので、例えば高圧蒸気を排出する場合であってもバルブプラグ３０の損傷を抑制でき、交換頻度を低減できる。その結果、弁装置１を採用したプラント設備の操業効率を高くできる。

【0031】

（弁装置１が用いられる製造プロセス）
本実施形態の弁装置１は、ニッケルおよびコバルトを含む混合硫化物を含んだスラリーを加圧浸出するためのオートクレーブに設けられ、オートクレーブ内の圧力調節に用いることができる。弁装置１の損傷を抑制できるので、プラント設備の稼働率および生産性を向上させることができる。以下、ニッケルおよびコバルトを含む混合硫化物を含んだスラリーをオートクレーブによって加圧浸出するプロセスの一例として、硫酸ニッケルの製造プロセスについて説明する。

【0032】

硫酸ニッケルの原料としてニッケルおよびコバルトを含む混合硫化物（ＭＳ：Mixed sulfide）が用いられる。このニッケル・コバルト混合硫化物は低ニッケル品位のニッケル酸化鉱石を加圧酸浸出（ＨＰＡＬ：High Pressure Acid Leaching）し、加圧酸浸出液から鉄などの不純物を除去した後、ニッケルイオンおよびコバルトイオンを含む浸出液に硫化水素ガスを吹き込む湿式硫化反応などによって得られたものである。ニッケル・コバルト混合硫化物の主成分はＮｉＳなどの硫化物である。

【0033】

つぎに、ニッケル・コバルト混合硫化物に対して、レパルプ工程が実施される。このレパルプ工程において、ニッケル・コバルト混合硫化物は水などによりレパルプされスラリーとなる。レパルプ工程では、固体粉末状のニッケル・コバルト混合硫化物をレパルプ槽に投入し、水とともに混合、撹拌してスラリーを製造する。スラリーはオートクレーブに装入され加圧浸出に供される。

【0034】

つぎに、加圧浸出工程が実施される。この加圧浸工程では、オートクレーブによって混合硫化物に含まれるニッケルおよびコバルトが高圧空気により浸出される。例えば、オートクレーブに装入されるスラリーの固形分濃度は２００～３００ｇ／Ｌ、流量は５０～１００Ｌ／分である。オートクレーブ内の温度は１５０～２２０℃、圧力はゲージ圧で１．７～２．３ＭＰａである。

【0035】

オートクレーブからは硫酸ニッケルと硫酸コバルトとの混合水溶液である加圧浸出液が排出される。加圧浸出液は降圧、冷却された後に次工程に供給され、硫酸ニッケルの製造に用いられる。このオートクレーブの圧力調節弁として、本実施形態の弁装置１が好適に用いられる。

【0036】

オートクレーブの圧力調節弁は、オートクレーブの気相部から高圧蒸気を排出することで、オートクレーブ内の圧力を制御している。ゲージ圧で約２ＭＰａの高圧蒸気が最終的に大気圧（ゲージ圧で０ＭＰａ）下まで減圧されて放出されるため、圧力調節弁の内部では蒸気が高速で流れる。また、高圧蒸気の減圧により急激な膨張が起こるため、これによる衝突が引き起こされる。さらに、高圧水を含んだフラッシュ蒸気が発生するため、これによる衝突も引き起こされる。このような条件下で使用される場合であってもバルブプラグ３０の損傷を抑制できる。

【0037】

また、本実施形態の弁装置１は、オートクレーブから浸出後のスラリーを抜取って、降圧装置（フラッシュタンク）に移送するための抜取弁としても好適に用いられる。浸出後のスラリーは高温高圧であるのみならず、固いニッケル・コバルト混合硫化物の浸出残渣を含んだスラリーである。そのため、抜取弁の内部は固体粒子による機械的な摩耗が生じやすい。また、弁装置の内部において、減圧により高圧水を含んだフラッシュ蒸気が発生するため、これによる衝突が引き起こされる。このような条件下で使用される場合であってもバルブプラグ３０の損傷を抑制できる。

【実施例0038】

（実施例１）
図２に示す形状のバルブプラグを有する弁装置を、硫酸ニッケルの製造プロセスにおけるオートクレーブの圧力調節弁として用いた。バルブプラグはセラミックス製である。その結果、１年以上操業を継続しても、バルブプラグに損傷は見られなかった。

【0039】

（比較例１）
バルブプラグの先端部を母線が内側に湾曲した略円錐形の形状とした。また、バルブプラグをセラミックス製とした。その他の条件は実施例１と同様である。その結果、半年間の操業後、流量制御を的確かつ精緻に行うことが困難になった。具体的には、同じ制御信号（ＭＶ値）に対する圧力変位が変わり、大きくバラツクこととなった。操業を停止してバルブを点検すると、バルブプラグに著しい損傷がみられたため、交換を要した。

【0040】

比較例１のバルブプラグは、先端の尖った部分を起点にして先端面に著しい欠損が確認された。特に、先端の尖った部分の欠損が大きかった。このことから、バルブプラグの損傷は先端の突先部に原因があると考えられる。セラミックス製品は表面にガラス質の耐食、耐摩耗層（トップコート層）を有する。まず、突先部のトップコート層が割れて剥離し、耐摩耗性が低下した突先部から摩耗、欠損、剥離が拡大したと推定できた。また、先端が尖った形状であると、セラミックス製品の製造時にトップコート剤が流れやすいため、先端部のトップコート層が薄くなる。そのため、より先端部が欠損しやすいと考えられる。

【0041】

一方、実施例１のバルブプラグであれば、尖った部分がないので、損傷を抑制できたと考えられる。

【符号の説明】

【0042】

１ 弁装置
２０ バルブシート
３０ バルブプラグ
３１ 保持部
３２ 基部
３２ｓ 接触面
３３ 挿入部
３３ｓ 外周面
３４ 先端部
３４ｓ 先端面

【図1】

【図2】

【図3】