JP2004517387A - 可変圧調整フロー制御装置 - Google Patents
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Abstract
Description
・関連する出願
本出願は、2000年10月11日になされた米国仮出願、通番:60/239,716号の優先権を主張する。
【0002】
・技術分野
本発明は、圧力を加えられた流体のフローを制御するシステムおよび方法に関し、さらに詳しく言えば、高圧で可変、および/または不明の圧力を有するソースからの流体のフローを精確に制御することを可能とするシステムおよび方法に関する。
【0003】
・発明の背景
多くの分野において、加圧された液体を供給する際に分量を正確に守らなければならない場合がある。通常、供給される液体の量は、液体の流れを調整することによって制御される。流速(Flow−rate)は導管のサイズや供給圧力などには影響を受けず、流速を制御することで、正確な量の流体を必要とされる場所に確実に送り届けることができる。
【0004】
本発明は、気体のフローを比較的低い流速において制御するのに使用される場合に、特に意義がある。また、本発明は、液体などの他の流体、そして比較的大きな流速に対しても適用される。そうして、本発明の範囲は、以下に示す詳細な説明ではなく、ここに付加された特許請求の範囲に関連して決定されるべきものである。
【0005】
供給する気体の量を正確に制御する必要がある現場の1例として、病院患者への気体の供給がある。この場合、気体は、所望の効果を得るために、換気装置を介して患者に供給される空気に混ぜ合わされる。患者に供給される気体の量が少なすぎた場合は、所望の効果が得られないおそれもある。一方、気体の量が多すぎれば、これは患者に害を与えるかもしれない。正確な分量の気体を供給する必要のある現場の例としては、その他に、科学や医療の分野での検査、産業プロセス、そしてスキューバダイビングなどがある。
【0006】
気体の流れを一定に保つ上で根本的な障害となるのは、気体が供給される際の圧力が不明であったり、変化したりするという点である。加圧気体の供給源は、圧力容器や圧縮器である場合も多い。これらの供給源のいずれかによって供給される流体の圧力は、際立って変動が大きい。例えば、圧力容器の中にある気体の量が減るにつれ、タンクから流れ出る流体の圧力も低くなっていく。そのため、気体の流れが重要となるシステムの多くでは、流速を計測および監視し、さらには、システムを必要に応じて調節することで、流速を前もって決定された範囲内に持続する必要がある。
【0007】
・関連技術
本出願人に発行された合衆国特許:No.4,015,626号には、流速を一定に保つための弁アセンブリが開示されている。この弁アセンプリはハウジングを有し、当該ハウジングには、上流チャンバおよび下流チャンバ、これらチャンバの間に配置された可動壁、下流チャンバ内に置かれ可動壁に働きかけるスプリング、上流チャンバ内にその制御ステムが可動壁と契合する形で配置されたバイセクル弁(bicycle−valve)、そして、チャンバ間に接続された高抵抗渦巻き管が形作られている。下流チャンバの圧力が変化することにより、可動壁は移動して自転車弁制御ステムを操作することが可能となる。その結果、バイセクル弁を開閉させて、弁アセンブリを通って流れる液体の流れを制御することができる。また、スプリングを調節することによって流速を変えることも可能である。管類は、圧力を下げる制限物として作用するとともに、それ自体を通って流れる流体の流速を平均化する機能も果たす。
【0008】
’626号特許に開示された弁アセンブリは比較的複雑であり、製造コストも高い。また、高抵抗管における圧力降下は、得られる流速の範囲を決定する上で重要な役割を演ずる。管における圧力降下量を変えることで流速の範囲を変化させようとしても、異なる管(すなわち、長さや通路サイズを変えること)が必要となるため、困難であろう。供給される高抵抗管が長いと、システムは比較的大きくなり、さらに故障の危険性も大きくなる。そのため、この弁アセンブリは、比較的低い(80〜150)psiでのみ動作するように設計される。
【0009】
また、2000年2月22日に本出願人に対して発行された合衆国特許6,026,849号に開示された調整フロー制御装置は、圧力が高圧、可変、および/または不明である圧力源を用いて動作する。この‘849号特許に開示されたシステムおよび方法によって、流体(特に気体)を一定の流速で供給することに関する問題の多くは解決された。
【0010】
しかしながら、‘849号特許に開示されたような調整フロー制御装置に対しても、この技術を特定の環境に適用できるようにするという、改良の必要は存在する。
【0011】
・好適な実施の形態の詳細な説明
1.第1の実施の形態
先ず、図1を参照する。同図において番号20で示すのが、本発明の原理に基づき、これを具体化する形で構成されたフロー制御システムである。第1の実施の形態におけるフロー制御システムは、比較的安価に製造できるとともに、予想される入圧力の範囲や希望する流速の範囲などの要因に応じて、さまざまな構成で、信頼できるかたちで動作するように設計されている。
【0012】
ここに例示したフロー制御システム20はハウジング用アセンブリ22を有し、当該アセンブリ22は、第1の端部部材24、第2の端部部材26、中間部材28、そして第1および第2のダイヤフラム部材30、32を有する。第1および第2の端部部材24、26がボルト34によって中間部材28に取り付けられることで、ハウジング用アセンブリ22が形成される。そのように組み立てられた上で、第1のダイヤフラム部材30が、第1の端部部材24と中間部材28との間に配置されることで、入口チャンバ40と第1の調整チャンバ42とが形作られる。また、第2のダイヤフラム部材32が、第2の端部部材26と中間部材28との間に配置されることで、出口チャンバ44と第2の調整チャンバ46とが形作られる。
【0013】
次いで、図4を参照する。同図を見れば分かるように、ここに例示した中間部材28は溝きり加工されており、それによって、第1および第2の端部空洞50、52が形作られている。ここに例示した第1および第2の端部空洞50、52は類似しており、各々が、外側部分54、ミゾ切り中間部分56、そして内側部分58を有する。
【0014】
第1および第2の弁アセンブリ60、62はそれぞれ、第1および第2の空洞50、52内部にほぼ納まる形で配置されている。寸法の差を除けば、ここに例示した弁アセンブリ60、62は同様の構造をしている。
【0015】
さらに具体的に言えば、第1の弁アセンブリ60は、第1の弁シート部材70、第1のO−リング72、第1の弁ステムアセンブリ74、そして第1の弁スプリング76を有する。第2の弁アセンブリ62は、第2の弁シート部材80、第2のO−リング82、第2の弁ステムアセンブリ84、そして第2の弁スプリング86を有する。
【0016】
第1および第2の弁シート部材70、80はそれぞれ、第1、第2の端部空洞50、52のネジきり部分56内にネジ留めされる。O−リング72、82は、弁シート部材70、80によって、端部空洞50、52のネジきり部分56内部に保持される。第1のO−リング72をこのように第1の端部空洞50のネジ切り部分56に配置することで、空洞50のネジ切り部分56と内側部分58との間を流体が流れるのを防止する。第2のO−リング82についても、第2の端部空洞52のネジ切り部分56に同様に配置することで、空洞52のネジ切り部分56と内側部分58との間を流体が流れることを防止している。
【0017】
ここに例示した弁ステムアセンブリ74、84は同一であり、それぞれがステム部材90と弁部材92とを有する。ここに例示したステム部材90はT字形状をした部品であり、そのクロスバーは弁部材92内にはめ込まれている。
【0018】
弁ステムアセンブリ74、84のステム部材90は、それぞれ弁シート部材70、80に形成された第1および第2のステム開口部110、112を通って延びており、また、それらに支持されている。加えて、弁ステムアセンブリ74、84の弁部材92は、弁シート部材70、80上に形成された弁シート面114、116に接する形に配置されている。
【0019】
弁ステムアセンブリ74、84は弁シート部材70、80に対して短い距離を移動し、それによって、弁部材92は弁シート面114、116に接したり、逆にこれらから離れたりする。弁部材92が弁シート面114、116から離れると、弁シート部材70、80それぞれに形成された第1および第2の弁通路120、122を通って流体が流れることが可能となる。弁部材92が弁シート面114、116と接している状態では、流体が第1および第2の弁通路120、122を通って流れることはできない。
【0020】
第1および第2の弁スプリング76、86は、第1および第2の端部空洞50、52それぞれの内側部分58の中に配置され、弁ステムアセンブリ74、84の弁部材92を弁シート面114、116方向に押しやっている。
【0021】
このように、弁アセンブリ60、62は、通常は閉じた弁となっている。さらに、弁アセンブリ60、62は、弁ステムアセンブリ74、84の上側部材124、126に加わる第1および第2の弁制御力に応じて、ほぼ直線的に開放する。
【0022】
弁ステムアセンブリ74、84の上側部材124、126は、入口チャンバ40、44内に位置している。また、第1および第2の弁プレート130、132はそれぞれ、入口チャンバ40、44内にあって、弁ステム上側部材124、126と第1、第2のダイヤフラム部材30、32との間に位置している。第1および第2のピストン部材140、142は、第1および第2の調整チャンバ42、46内にあって、第1および第2のダイヤフラム部材30、32をはさんで第1および第2の弁プレート130、132の反対側となる位置に置かれている。また、第1および第2の調整スプリング144、146も、調整チャンバ42、46内に配置され、第1および第2のピストン部材140、142を、ダイヤフラム部材30、32を介して、弁プレート130、132方向に押しやっている。ダイヤフラム部材30、32は可撓性であり、それによって、ピストン部材140、142に加わる力を弁プレート130、132に移すことができる。
【0023】
ここで、ハウジングアセンブリ22の構造に話題を戻す。図3を見ると、接続通路150が入口チャンバ40と第2の端部空洞52の内側部分58との間を延びていることが分かる。これにより、第2弁アセンブリ62が開くと、流体は入口チャンバ40から出口チャンバ42まで、第2弁アセンブリ62を通って流れることができる。
【0024】
図4に破線で示す入口通路152は、入口ポート154から第1の端部空洞50の内側部分58にまで延びている。そのため、第1の弁アセンブリ60が開くと、流体は入口ポート154から入口チャンバ42まで、第1の弁アセンブリ60を通って流れることができる。
【0025】
図3および4に示す制限通路156は、流体が出口チャンバ42から出口通路158まで制限チャンバ160を通って流れることを可能にする。制限チャンバ160内には、制限部材162が配置されている。次いで、出口通路158は、流体が制限通路156から制限部材156を通って出口ポート164まで流れることを可能とする。
【0026】
また、図4に示す通り、第1および第2のサンプリング通路170、172によって、流体は出口通路158から第1、第2の調整チャンバ42、46それぞれに流れることが可能となっている。
【0027】
さらに、図4に示すように、制限チャンバ160は、中間部材28に開けられたアクセスホール180によって形成されている。アクセスホール180にはネジが切られており、それによって、細長プラグ182を中間部材28に装着することが可能となっている。プラグ182はプラグチャンバ184を形作り、これを通って、流体は制限通路156から制限チャンバ160に流れる。第1のプラグO−リング186が配置されることで、流体が制限通路156から制限チャンバ160内の制限部材162だけを通って流れることが保証される。また、第2のO−リング188が配置されることで、流体がアクセスホール180を通ってシステム20外に出る事態は防止される。
【0028】
使用時、流体はメイン流体パスに沿って、入口ポート154から出口ポート164まで、以下に説明するように流れる。先ず、入口ポート154内の流体が、入口通路152を通って入口チャンバ40に流れ込む。次いで、流体は、入口チャンバ40から出口チャンバ44まで、第1の弁アセンブリ60、接続通路150、そして第2の弁アセンブリ62を通って流れる。その後、出口チャンバ44内の流体は、制限通路156、制限チャンバ160内の制限部材162、そして出口通路158を通って、出口ポート164まで流れる。
【0029】
出口通路158内の流体は、サンプリング通路170、172を通って第1および第2の調整チャンバ42、46へ流れる。調整チャンバ42、46内の流体圧力と、調整スプリング144、146から加わるバイアス力との組み合わせによって、制御力が作り出される。当該制御力は、弁アセンブリを制御して、フロー制御装置を通じての流体の流速を実質的に一定に保たせ、流速が上流または下流の圧力変化から実質的に影響を受けないようにする。
【0030】
ここでいったん図2に戻る。同図において参照番号190で示される圧力調節アセンブリは、第2の調整スプリング146から第2の弁ステムアセンブリ84の上側部材126に加えられる制御力を調節する。圧力調節アセンブリ180は、システム20を通じての流体の流速調節を可能にする。ここに例示した圧力調節アセンブリ180は手動で操作されるが、後で述べるように、電源つき圧力調節アセンブリを用いることも可能であり、その場合は、流速の制御を遠隔から、および/または、自動的に行うことが可能となる。
【0031】
ハウジングアセンブリ22の設計によって、フロー制御システム20を異なる環境に合う形に構成することも容易に行える。具体的に言えば、比較的複雑な部品である中間部材28でさえ、標準的な形で製造することができる。そして、この標準的な中間部材28に対し、第1および第2の弁シート部材70、72や制限部材162を適切に選択することで、特定の使用環境に対応した構成とすることできる。
【0032】
弁シート部材については、有効断面積の異なる弁通路を有するという、異なる形で製造してもよい。与えられた第1または第2の弁シート部材に関する弁通路の有効断面積は、予想される上流および下流の流体圧力の範囲に基づいて選択される。システム設計者は、前提となる環境に合った適切な弁シート部材を選択する。2つの弁シート部材を、それぞれ断面積の異なる形で製造したとすれば、システム設計者は、フロー制御システムの4つある有効な構成の中から選択することができる。弁シート部材の数を増やせばそれだけ、有効なフロー制御システムの構成のパターンも多様になる。
【0033】
制限部材162は、制限通路156と出口通路158との間で、所定の圧力降下を生じさせる。圧力降下の度合いについては、異なる制限部材を選択する、および/または、2つ以上の制限部材を様々に組み合わせて用いることにより、変化させることができる。つまり、本発明のフロー制御システムの特性は、制限部材162の適切な選択によって変化させることができる。
【0034】
このように、フロー制御システム20は、当該システム20が使用される環境に応じた様々に異なる構成で容易に実施できる、という汎用フロー制御装置を形成する。
【0035】
2.第2の実施の形態
まず、図5を参照する。同図において番号220で示すのが、本発明の原理に基づき、これを具体化する形で構成されたフロー制御システムの第2の実施の形態である。第2の実施の形態におけるフロー制御システム220は、予想される入圧力の範囲や所望の流速の範囲などの要因に応じたさまざまな構成において、信頼できるかたちで動作するように設計されている。フロー制御システム220は数多くの環境で用途があるが、流体汚染の危険性を最小限に抑制しなければならない清潔な環境において、特に有意義なものである。
【0036】
ここに例示したフロー制御システム220は、ハウジング用アセンブリ222を有し、当該アセンブリ222は、第1の上側部材224、第2の上側部材226、ベースまたは中間部材228、そして第1および第2のダイヤフラムアセンブリ230、232を有する。
【0037】
ダイヤフラムアセンブリ230、232は互いと類似しており、それぞれに、第1、第2のダイヤフラム部材234、235を有する。第1のダイヤフラムアセンブリ230はさらに、第1のダイヤフラムプレート236と第1のダイヤフラムスリーブ237とを有する。また、第2のダイヤフラムアセンブリ232もさらに、第2のダイヤフラムプレート238と第2のダイヤフラムスリーブ239とを有する。
【0038】
ダイヤフラム部材234、235はダイヤフラムプレート238、239に接合されている。ダイヤフラム部材234は、加えて、ダイヤフラムスリーブ237、239にも接合されている。一方、ダイヤフラム部材235は、ダイヤフラムスリーブ237、239と中間部材224との間で固定されている。そして、第1および第2の上側部材224、226は、ベース部材228にネジ留めされてハウジング用アセンブリ222を形成している。
【0039】
このように組み立てられることで、第1のダイヤフラムアセンブリ230が、入口チャンバ240と第1の調整チャンバ242とを形作っている。第2のダイヤフラムアセンブリ232は、出口チャンバ244と第2の調整チャンバ246とを形作っている。接合とシール処理とを用いることで、ここまでに説明した各種チャンバ間の流れは、以下に規定する通路またはフローパスのみを通ることが保証される。
【0040】
ここに例示したベース部材228は溝きり加工されており、その結果、第1および第2の端部空洞250、252が形作られている。ここに例示した第1および第2の空洞250、252は類似しており、各々が、ミゾ切り外側部分254、ミゾ切り中間部分256、そして内側部分258を有する。
【0041】
第1および第2の弁アセンブリ260、262はそれぞれ、第1および第2の端部空洞250、252内部にほぼ納まる形で配置されている。後で述べる寸法の差を除けば、ここに例示した弁アセンブリ260、262は同様の構成となっている。
【0042】
さらに具体的に言えば、第1の弁アセンブリ260は、第1の弁シート部材270、第1のO−リング272、第1の弁ステムアセンブリ274、そして第1の弁スプリング276を有する。第2の弁アセンブリ262は、第2の弁シート部材280、第2のO−リング282、第2の弁ステムアセンブリ284、そして第2の弁スプリング286を有する。
【0043】
第1および第2の弁シート部材270、280はそれぞれ、第1、第2の端部空洞250、252のネジきり部分256内にネジ留めされている。O−リング272、282は、弁シート部材270、280によって、端部空洞250、252のネジきり部分256内部に保持される。第1のO−リング272がこのように、第1の端部空洞250のネジ切り部分256に配置されることで、空洞250のネジ切り部分256と内側部分258との間を流体が流れる事態は防止される。第2のO−リング282についても、第2の端部空洞252のネジ切り部分256に同様に配置されることで、その空洞252のネジ切り部分256と内側部分258との間を流体が流れる事態は防止される。
【0044】
ここに例示した弁ステムアセンブリ274、284は同一であり、それぞれがステム部材290と弁部材292とを有する。ここに例示したステム部材290はT字形状をした部品であり、そのクロスバーは弁部材292内にはめ込まれている。
【0045】
弁ステムアセンブリ274、284のステム部材290は、それぞれ弁シート部材370、380に形成された第1および第2のステム開口部310、312を通って延びていると共に、それらに支持されている。加えて、弁ステムアセンブリ274、284の弁部材292は、弁シート部材270、280上に形成された弁シート面314、316に接する形に配置されている。
【0046】
弁ステムアセンブリ274、284は弁シート部材270、280に対して短い距離を移動し、それによって、弁部材296は弁シート面314、316に接したり、逆にこれらから離れたりする。弁部材296が弁シート面314、316から離れると、弁シート部材270、280それぞれに形成された第1および第2の弁通路320、322を通って、流体は流れることができる。一方、弁部材296が弁シート面314、316と接していると、流体が第1および第2の弁通路320、322を通って流れることはできない。
【0047】
第1、第2の弁スプリング276、286はそれぞれ、第1、第2の調整チャンバ242、246内に配置されている。詳細は後で説明するが、弁スプリング276、286は、弁ステムアセンブリ274、284弁部材292を弁シート面314、316方向に押しやる。
【0048】
このように、弁アセンブリ260、262は、通常は閉じた弁となっている。さらに、弁アセンブリ260、262は、弁ステムアセンブリ274、284の上側部分324、326に加わる第1および第2の弁制御力に応じて、ほぼ直線的に開放する。
【0049】
弁ステムアセンブリ274、284の上側部分324、326は、入口チャンバ240、244内に位置付けられており、それぞれ、ダイヤフラムプレート236、238に強固に接続されている。そして、ダイヤフラムプレート236、238は、第1、第2の調整チャンバ242、246内に位置付けられた第1、第2の調整プレート330、332に接続されている。
【0050】
第1、第2の調整チャンバ242、246内にはさらに、第1、第2の調整スプリング340、342が位置付けられて、第1、第2の調整プレート330、332を、弁スプリング276、286を介して、ダイヤフラムプレート236、238方向に押しやっている。
【0051】
第1の調整プレート330、第1のダイヤフラムプレート238、そして第1の弁部材274はこうして、互いと強固に接続されて第1のスライドアセンブリ344を形成している。そして同様に、第2の調整プレート332、第2のダイヤフラムプレート239、そして第2の弁部材284も互いと強固に接続されて第2のスライドアセンブリ346を形成している。
【0052】
スライドアセンブリ344、346は、弁シート部材370、380に形成された第1および第2のステム開口部310、312、ダイヤフラム部材234、236、弁スプリング276、286、そして第1および第2の調整スプリング340、342によって保持される。ダイヤフラム部材234、236およびスプリング276、286、340、342が柔軟であるため、スライドアセンブリ344、346は移動が可能である。加えて、弁部材274、284は、弁シート部材370、380に対してスライド移動する。従って、スライドアセンブリ344、346がハウジングアセンブリ222内で移動すると、ダイヤフラム部材234、236に力が加わって、この力が弁アセンブリ260、262を開閉させる。
【0053】
ここで、再び図5を参照する。接続通路350が入口チャンバ240と第2の端部空洞252の内側部分258との間を延びている。これにより、第2弁アセンブリ262が開くと、流体は入口チャンバ240から出口チャンバ242まで、第2弁アセンブリ262を通って流れることができる。
【0054】
入口通路352は、入口ポート354から第1の端部空洞250の内側部分258にまで延びている。そのため、第1の弁アセンブリ260が開くと、流体は入口ポート354から入口チャンバ240まで、第1の弁アセンブリ262を通って流れることができる。
【0055】
制限通路356は、流体が出口チャンバ242から出口通路358まで制限チャンバ360を通って流れることを可能にする。制限チャンバ360内には、制限部材362が配置されている。次いで、出口通路358は、流体が制限通路356から制限部材362を通って出口ポート364まで流れることを可能とする。
【0056】
ダイヤフラムプレート238に形成された第1のバイパス通路370によって、流体は、入口チャンバ240から第1のバイパスチャンバ372(第1のダイヤフラムアセンブリ230とハウジングアセンブリ222とによって形作られたもの)まで流れることが可能となる。また、ベース部材224に形成された第2のバイパス通路374によって、流体は、第1のバイパスチャンバ372から第2のバイパスチャンバ246(第2のダイヤフラムアセンブリ232とハウジングアセンブリ222とによって形作られたもの)まで流れることが可能となる。サンプリング通路378は出口通路358を第2のバイパスチャンバ374に接続している。バイパス部材380が第1のバイパス通路370内部に位置付けられて、入口チャンバ240と第1のバイパスチャンバ372との間に圧力差を生じさせる。
【0057】
使用時、流体は、入口ポート354に導き入れられ、その後、主要フローパスに沿ってシステム220内を以下に説明するように流れる。先ず、入口ポート354内の流体が、入口通路252を通って入口チャンバ240に流れ込む。次いで、流体は、入口チャンバ240から出口チャンバ242まで、第1の弁アセンブリ260、接続通路250、そして第2の弁アセンブリ262を通って流れる。その後、出口チャンバ242内の流体は、制限通路356、制限チャンバ360内の制限部材362、そして出口通路358を通って、出口ポート364まで流れる。
【0058】
入口チャンバ240内の流体のうち少量は、バイパスパスに沿って、第1のバイパス通路370内のバイパス部材278を通り、第1のバイパスチャンバ372に流れ込む。この流体は続いて、バイパスパスに沿い、第2のバイパス通路374を通って、第2のバイパスチャンバ376に入る。その後、流体はさらに、バイパスパスに沿って、第2のバイパスチャンバ376から出口通路358まで、サンプリング通路378を通って流れ続ける。
【0059】
このようにして、第1および第2のバイパスチャンバ372、376内部の圧力は、出口通路358内部の圧力と同じになる。バイパスチャンバ372、376内の流体圧力と、調整スプリング344、346から加わるバイアス力との組み合わせによって、制御力が作り出される。当該制御力は、弁アセンブリ260、262を制御して、フロー制御装置を通じての流体の流速を実質的に一定に保ち、流速が上流または下流の圧力変化に実質的に影響を受けないようにする。ただし、バイパスチャンバやバイパス通路に流体が溜まることはない。なぜなら、この少量の流体は、システム220の通常動作の間にバイパスパスに沿って流れるからである。
【0060】
ここでいったん図5に戻る。同図において参照番号390で示される圧力調節アセンブリは、第2の調整スプリング346から第2の弁ステムアセンブリ284に対して加えられる制御力を調節する。圧力調節アセンブリ390は、システム220を通る流体の流速の調節を可能にする。ここに例示した圧力調節アセンブリ390は手動で操作されるが、電源つき圧力調節アセンブリを用いることも可能であり、その場合は、流速の制御を遠隔から、および/または、自動的に行うことが可能となる。
【0061】
こうしたハウジングアセンブリ222の設計により、スプリングと制御対象の流体との接触を避けなければならない環境や、流体がシステム220内のどこにも溜まることは許されない環境において使用するのに適したフロー制御システム220が可能となる。
【0062】
前に説明したシステム20の場合と同様、弁シート部材については、それぞれに有効断面積が異なる弁通路を有するという、異なる形状で製造してもよい。与えられた第1または第2の弁シート部材に関する弁通路の有効断面積は、予想される上流および下流の流体圧力の範囲に基づいて選択される。システム設計者は、前提となる環境に合った適切な弁シート部材を選択すればよい。2つの弁シート部材を、それぞれ断面積が異なる別の形で製造したとすれば、システム設計者は、フロー制御システムの4つある有効な構成の中から選択を行うことができる。弁シート部材の数を増やせばそれだけ、有効なフロー制御システムの構成のパターンも多様になる。加えて、システム20の弁シート部材をシステム220と同じにしたうえで、これに用いることとしてもよい。
【0063】
制限部材362は、制限通路356と出口通路358との間で、所定の圧力降下を生じさせる。圧力降下の度合いについては、異なる制限部材を選択すること、および/または、2つ以上の制限部材を様々に組み合わせて用いること、によって変化させることができる。つまり、本発明のフロー制御システムの特性は、制限部材362の適切な選択によって変化させることができる。
【0064】
3.第3の実施の形態
まず、図7参照する。同図において番号420で示すのが、本発明の原理に基づき、これを具体化する形で構成されたフロー制御システムの、さらに別の実施例である。この第3の実施の形態におけるフロー制御システム420は、上述のフロー制御システム220に類似している。簡潔かつ明瞭なものとするために、以下のフロー制御システム420に関する説明は、主として、フロー制御システム220との差分を対象とする。
【0065】
フロー制御システム420は電気的に制御されるよう設計されており、それによって、システム420は遠隔から動作させる、および/または、集中制御部を有する大型システムの一部として動作させる、ということが可能となる。
【0066】
ここに例示したフロー制御システム420はハウジング用アセンブリ422を有し、当該ハウジング用アセンブリ422は、第1の上側部材424、第2の上側部材426、ベースまたは中間部材428、そして第1および第2弁アセンブリ430、432を有する。第1および第2の上側部材424、426がベース部材428にネジ留めされて、ハウジング用アセンブリ422を形成している。
【0067】
第1および第2の弁アセンブリ430、432はそれぞれ、ハウジング用アセンブリ422に形作られた第1および第2の調整チャンバ434、436の下に配置されている。ここに例示した弁アセンブリ430、432は構成が類似しており、それぞれ、弁スプリング440、弁部材442、そして弁シート面444を有する。弁スプリング440は、弁部材442を弁シート面444方向に押しやって、弁アセンブリ430、432が通常は閉じられた状態となるようにしている。
【0068】
弁アセンブリ430、432は、第1および第2調整プレート450、452に加わる第1および第2の弁制御力に応じて、ほぼ直線的に開放する。調整プレート450、452は、調整チャンバ434、436内にあって、弁スプリング440と第1および第2の調整スプリング454、456との間に保持されている。調整スプリング454、456は、弁スプリング440の力に逆らって、弁アセンブリ430、432を開位置に押し込む。
【0069】
使用時、流体は入口ポート460に導き入れられ、その後、主要フローパスに沿って出口ポート462まで、システム420内を通って以下のように流れる。少量の流体はバイパスパスに沿って流れ、その結果、バイパスパスに沿った流体圧力と、調整スプリング454、456から加わるバイアス力との組み合わせによって、制御力が作り出される。当該制御力は、弁アセンブリ430、432を制御して、フロー制御装置420を通じての流体の流速を実質的に一定に保つ。適当な条件の下では、フロー制御装置420を通る流体の流速は、上流または下流の圧力変化に実質的に影響を受けない。
【0070】
ここに例示したシステム420において、弁アセンブリ432に加わる制御力は、少なくともその一部が制御システム470(その一部分が第2の上側部材426上に載っているもの)によって生成される。さらに詳しく言えば、制御システム470は、モータアセンブリ472、アクチュエータ部材474、そしてハウジング476を有する。ハウジング476は、モータアセンブリ472を第2の調整チャンバ436上に支えている。アクチュエータ部材474のネジきり部分は、ネジきりアクチュエータ開口部478を通って、第2の上側部材426内にまで延びている。アクチュエータ部材474は第2の調整プレート452とかみ合って制御力を働かせる。この制御力は、第2の調整スプリング456から調整プレート452に加わる力に対向する。
【0071】
アクチュエータ部材474は、モータアセンブリ472の動作がアクチュエータ部材474を軸方向回転させる、という形で、モータアセンブリ472に動作的に接続されている。また、アクチュエータ部材474はネジきりアクチュエータ開口部478にもかみ合っており、それによって、部材474の軸方向回転は、部材474を第2の調整プレート452に近づけたり遠ざけたりする形での軸方向移動に変換されることになる。このように、モータアセンブリ472の動作によって、調整プレート452に加わる制御力の増減が可能となる。
【0072】
既に述べたフロー制御システム220に関する説明からも明らかなように、調整プレート452に加わる制御力の増減は、主要フローパスに沿って制御装置420を通る流体の流速を変化させる。
【0073】
モータアセンブリ472は従来型のステップモータでよく、これは、「ユーザ設定値入力」信号によって制御されて、アクチュエータ部材474を軸方向に回転させるものである。「ユーザ設定値」信号を所望の値としておけば、システム420は流体の流速を、当該所望の値に対応した一定の値に維持する。「ユーザ設定値」信号が第2の所望の値に変更されれば、システム420を通る流体の流れは、第2の所望の値に対応した第2の流速に変化する。
【0074】
従って、「ユーザ設定値」信号を生成するコントローラであれば、与えられた時点において必要とされる通り、流速を所望の値に変更することができる。所望の流速が設定された後のシステム420は、システム220に関連して既に説明したのと同じように、上流及び下流の圧力の変化に関わりなく流速を一定に保つように動作する。
【0075】
ここに例示したモータアセンブリ472は、さらにロータリエンコーダを有し、当該エンコーダはアクチュエータ部材474の角度位置に対応する「角度位置出力」信号を発生させる。「角度位置出力」はコントローラにフィードバックを提供し、これによって、コントローラは、モータアセンブリ472をより正確に制御するための「ユーザ設定値」信号を発生させる。
【0076】
4.第4の実施の形態
まず、図8を参照する。同図において番号520で示すのが、本発明の原理に基づき、これを具体化する形で構成されたフロー制御システムの、さらに別の実施例である。この第4の実施の形態におけるフロー制御システム520は、上述のフロー制御システム220に類似している。簡潔かつ明瞭なものとするために、以下のフロー制御システム520に関する説明は、主として、フロー制御システム220との差分を対象とする。
【0077】
フロー制御システム520は電気的に制御されるよう設計されており、それによって、システム520については、遠隔から動作させる、および/または、集中制御部を有する大型システムの一部として動作させる、ということが可能である。
【0078】
ここに例示したフロー制御システム520はハウジング用アセンブリ522を有し、当該アセンブリ522は、第1の上側部材524、第2の上側部材526、ベースまたは中間部材528、そして第1および第2の弁アセンブリ530、532を有する。第1および第2の上側部材524、526がベース部材528にネジ留めされて、ハウジング用アセンブリ522を形成している。
【0079】
第1および第2の弁アセンブリ530、532はそれぞれ、少なくとも一部分が、ハウジングアセンブリ522に形作られた調整チャンバ534、調整空洞536内部におさまるように配置されている。ここに例示した弁アセンブリ530は、弁スプリング540、弁部材542、そして弁シート面544を有する。弁スプリング540は弁部材542を、弁アセンブリ530が通常閉じた形となるように、弁シート面544方向に押しやっている。ここに例示した弁アセンブリ532は、弁部材546そして弁シート面548を有する。弁アセンブリ532は、弁部材546が弁シート面548に接している間は閉じられている。
【0080】
弁アセンブリ530は、調整プレート550に加わる第1の弁制御力に応じて、ほぼ直線的に開放する。調整プレート550は、調整チャンバ534内にあって、弁スプリング540と調整スプリング552との間に保持されている。調整スプリング552は、弁スプリング540の力に逆らって、弁アセンブリ530を開位置に押し込む。
【0081】
使用時、流体は入口ポート560に導き入れられ、その後、主要フローパスに沿って出口ポート562まで、システム520内を通って以下のように流れる。少量の流体がバイパスパスに沿って流れることにより、第1の弁アセンブリ530を、これに第1の制御力を加えることで制御する。バイパスパスに沿って流れる流体の圧力はさらに第2の弁アセンブリ532を制御するのにも使われる。制御された弁アセンブリ530、532は、フロー制御装置520を通じての流体の流速を、実質的にほぼ一定に保つ。適当な条件の下では、フロー制御装置520を通じての流体の流速は、上流または下流の圧力変化に実質的に影響を受けない。
【0082】
さらに言えば、ここに例示したシステム520は更に、制御システム570を有する。制御システム570は圧電アクチュエータ572(図8参照)と制御回路574(図9参照)とを有する。圧電アクチュエータ572は従来型のものであり、シャフト575を有する。当該シャフト575は、アクチュエータ572の入力576から入ってくる「アクチュエータ制御」信号に従い、シャフト軸に沿って移動する。そして、シャフト575は動作的に弁部材546と接続されており、シャフト575の移動によって弁部材546も移動させられることになっている。ここに例示したアクチュエータ572はカラー部材578にボルト締めされており、カラー部材578はハウジングアセンブリ522の一部を形成すると共に、第2の上側部材526によって所定位置に保持されている。
【0083】
図9に示すように、制御回路574は、「設定値」信号と1以上の圧力信号「圧力1」、「圧力2」とに基づいて、「アクチュエータ制御」信号を発生させる。また、制御回路574は「計量出力」信号を生成するが、当該信号は、システム520が調整された状態では、システム520を通る流体の流速に対応している。
【0084】
ここに例示したフロー制御システム520においては、アクチュエータ572と制御回路574とが電気的機械フィードバックシステムを形成しており、これは、上で述べたフロー制御システム20、220そして420に用いられていた機械的フィードバックシステムのいずれかの代替となるものである。
【0085】
更に詳しく言えば、圧力信号「圧力1」、「圧力2」は、システム520に用いられた制限部材580の上流、下流の圧力に相当する。「圧力1」と「圧力2」との差分は、制限部材580をはさんでの圧力差となる。
【0086】
ここに例示したシステム520の場合、「圧力1」、「圧力2」の信号は、多数あるサンプリング位置のいずれか1つでサンプリングされる、とするのが好ましい。これらサンプリング位置は、バイパスパスに沿って間隔を取り、出口ポートの位置に置いてもよいし、その他の類似の配置とすることも可能である。流体の汚染感度が高い場合には、センサは主要フローパスやバイパスフローパスから隔てた位置に置くべきである。
【0087】
制御回路574は、ソフトウェアプログラムの制御のもとで動作するマイクロプロセッサとすればよい。この場合、適当なデジタル・アナログコンバータ、およびアナログ・デジタルコンバータを用いて、マイクロプロセッサ周辺の部品で用いられるアナログ信号とマイクロプロセッサ内部で処理されるデジタルの信号および命令との間の変換処理を行う。ソフトウェアプログラムは特定の用途に合わせてカスタマイズされるであろうが、一般に、以下に述べる「アクチュエータ制御」信号の生成に必要なアルゴリズムやロジックを実行することになる。
【0088】
別の形として、制御回路574は、アナログ専用回路またはデジタル/アナログのハイブリッド回路としてもよく、これは、「アクチュエータ制御」信号の生成に必要なアルゴリズムやロジックを直接実行する。ソフトウェア制御のマイクロプロセッサとアナログ専用またはハイブリッドの回路とのいずれを用いるかの決定は、システム520に関するサイズ特性、コスト特性そして性能特性などの要素に左右されるであろう。
【0089】
例示したシステム520における「アクチュエータ制御」信号は、アナログ電圧であり、圧電アクチュエータを制御し、システム520を通しての流体の流れを「設定値」信号で決定される流速に維持するのに必要な形で、弁部材546を移動させる。
【0090】
特定の環境においては、上で説明したフロー制御装置20、220、420に用いられる機械的フィードバックシステムは、継続的に「閉」弁位置と「開」弁位置との間を往復移動することで流体の流れを維持することになる。それに対して、フロー制御システム520の制御システム570は弁アセンブリ532を操作し、流体の流れを一定に保つのに必要な形で、弁アセンブリ532を閉状態、部分的開状態、または全開状態とする。弁アセンブリ532の部分的開状態を可能としたことにより、制御システム570は安定した状態で存在することになり、機械的フィードバックシステムとの衝突を招きかねない往復移動は行わない。
【0091】
多くの環境では、継続的に往復移動する弁アセンブリも許容されるが、その他の環境では、弁アセンブリを安定状態にできる方が好ましく、そうした場合は、システム520の実装を選択すべきであろう。
【0092】
いくつか状況では、制御回路574が実行するアルゴリズムは、流体の温度に関わりなく動作するものであってよい。しかし状況によっては、システム520を通して流体の流れの安定性を高めるために、流体の温度を監視することにしてもよい。具体的に言えば、ここに例示する制御回路574は、さらに、システム520を流れる流体の温度に対応した「温度」信号にも基づいて、「アクチュエータ制御」信号を生成する。「温度」信号によって、制御回路アルゴリズムは、システム520を流れる流体の状態にも関与できるようになる。システムを流れる流体の状態は、流体の質量流や粘度に影響する。流体の状態を認識しておくことは、状況によっては、較正(calibration)のために重要になるであろう。
【0093】
5.第5の実施の形態
まず、図10を参照する。同図において番号620で示すのが、本発明の原理に基づき、これを具体化する形で構成されたフロー制御システムの、さらに別の実施例である。この第5の実施の形態におけるフロー制御システム620は、上述のフロー制御システム220に類似している。簡潔かつ明瞭なものとするために、以下のフロー制御システム620に関する説明は、主として、フロー制御システム220との差分を対象とする。
【0094】
フロー制御システム620は電気的に制御されるよう設計されており、それによって、遠隔から動作させる、および/または、集中制御部を有する大型システムの一部として動作させる、ということが可能となっている。
【0095】
ここに例示したフロー制御システム620は、ハウジング用アセンブリ622を有し、当該アセンブリ622は、第1の上側部材624、第2の上側部材626、ベースまたは中間部材628、そして第1および第2の弁アセンブリ630、632を有する。第1および第2の上側部材624、626がベース部材628にネジ留めされて、ハウジング用アセンブリ622を形成している。
【0096】
第1および第2の弁アセンブリ630、632はそれぞれ、ハウジング用アセンブリ622に形作られた第1および第2の調整チャンバ634、636の下に配置されている。ここに例示した弁アセンブリ630は、弁スプリング640、弁部材642、そして弁シート面644を有する。弁スプリング640は、弁アセンブリ630が通常閉じた形となるように、弁部材642を弁シート面644方向に押しやっている。また、ここに例示した弁アセンブリ632は、弁部材646と弁シート面648とを有する。弁アセンブリ632は、弁部材646が弁シート面648に接している時は、閉じた状態となる。
【0097】
弁アセンブリ630は、調整プレート650に加わる第1の弁制御力に応じて、ほぼ直線的に開放する。調整プレート650は、調整チャンバ634内にあって、弁スプリング640と調整スプリング652との間に保持されている。調整スプリング652は、弁スプリング640の力に逆らう形で、弁アセンブリ630を開位置に押し込む。
【0098】
使用時、流体は入口ポート660に導き入れられ、その後、主要フローパスに沿って出口ポート662までシステム620内を通り、以下のように流れる。バイパスパスに沿って流れる少量の流体は、第1の弁アセンブリ630に第1の制御力を加えることで、これを制御する。バイパスパスに沿って流れる流体の圧力はさらに第2の弁アセンブリ632を制御するのにも使われる。弁アセンブリ630、632は、フロー制御装置620を通じての流体の流速を実質的にほぼ一定に保つように制御される。適当な条件の下では、フロー制御装置620を通じての流体の流速は、上流または下流の圧力変化に実質的に影響を受けない。
【0099】
具体的には、ここに例示したシステム620は更に、制御システム670を有する。制御システム670はソレノイドアクチュエータ672(図10参照)と制御回路674(図11参照)とを有する。ソレノイドアクチュエータ672は従来型のものであり、巻き線676とソレノイド部材678とを有する。当該ソレノイド部材678は、アクチュエータ672の入力680に入ってくる「アクチュエータ制御」信号に従い、ソレノイド軸に沿って移動する。ソレノイド部材678は、第2の調整チャンバ636内にあって、ソレノイドスプリング682によって支持されている。そして、ソレノイド部材678は動作的に弁部材646と接続されているので、ソレノイド部材678が移動すると弁部材646も移動することになる。
【0100】
図11に示すように、制御回路674は、「設定値」信号と1以上の信号「圧力1」、「圧力2」とに基づいて、「アクチュエータ制御」信号を発生させる。また、制御回路674は「計量出力」信号を生成するが、当該信号は、システム620が較正された状態では、システム620を通る流体の流速に相当する。
【0101】
ここに例示したシステム620の場合、「圧力1」、「圧力2」の信号はバイパスパスに沿ったサンプリング位置でサンプリングすることとして、「圧力1」、「圧力2」の信号を生成する圧力センサに主要な流体の流れが接触しないようにするのが好ましい。さらに、汚染感度がより低い流体の場合には、他のサンプリング位置も可能である(直接、出口ポート662の位置などでサンプリングしてもよい)。
【0102】
ここに例示したフロー制御システム620では、アクチュエータ672と制御回路674とで電気的機械フィードバックシステムを形成しており、これは、上で述べたフロー制御システム20、220そして420に用いられていた機械的フィードバックシステムのいずれかの代替となるものである。
【0103】
更に詳しく言えば、圧力信号「圧力1」、「圧力2」は、システム620に用いられた制限部材690の上流、下流の圧力に相当する。制限部材690をはさんでの圧力差は、弁アセンブリ630、632を制御するのに用いられる。これらの圧力値は、バイパスパスに沿って間隔を置いて設けられたサンプリング位置や出口ポート、その他において計測される。流体の汚染感度が高い場合には、センサを主要フローパスやバイパスフローパスから隔てた位置に置くべきである。
【0104】
制御回路674は、ソフトウェアプログラムの制御のもとで動作するマイクロプロセッサとしてもよいし、アナログ専用回路またはデジタル/アナログのハイブリッド回路としてもよい。ソフトウェアプログラムまたはハイブリッド回路は、「アクチュエータ制御」信号の生成に必要なアルゴリズムやロジックを実行する。
【0105】
例示したシステム620における「アクチュエータ制御」信号は、巻き線676を流れるアナログ電流であり、システム620を通じての流体の流れを「設定値」信号によって決定される流速に維持するのに必要な形で、先ずソレノイド部材678、次いで弁部材646の移動を引き起こす。
【0106】
上で説明したフロー制御システム520における制御システム570と同様に、フロー制御システム620における制御システム670は、流体の流れを一定に保つのに必要な形で、弁アセンブリ632を閉状態、部分的開状態、または全開状態で操作する。弁アセンブリ632を部分的開状態とできるようにしたことで、制御システム670は安定した状態で存在することになり、機械的フィードバックシステムとの衝突を招きかねない往復移動は行わない。特定の環境では、弁アセンブリを安定状態にできる方が好ましく、そうした場合は、システム620の実装を選択すべきであろう。
【0107】
状況によっては、制御回路674が実行するアルゴリズムは、流体の温度に関わりなく動作するものであってもよい。しかし、流体の流れの安定性を高めるために、ここに例示したシステム620では、流体の温度を監視している。具体的に言えば、ここに例示した制御回路674は、システム620を流れる流体の温度に対応した「温度」信号にも基づいて「アクチュエータ制御」信号を生成する。よって、制御回路アルゴリズムは、「温度」信号によって、システム620を流れる流体の状態にも関与できることになる。
【0108】
6.第6の実施の形態
まず、図12を参照する。同図において番号720で示すのが、本発明の原理に基づき、これを具体化する形で構成されたフロー制御システムの、さらに別の実施例である。この第6の実施の形態におけるフロー制御システム720は、上述のフロー制御システム220に類似している。簡潔かつ明瞭なものとするために、以下のフロー制御システム720に関する説明は、主として、フロー制御システム220との差分を対象とする。
【0109】
フロー制御システム720は電気的に制御されるよう設計されており、それによって、遠隔から動作させる、および/または、集中制御部を有する大型システムの一部として動作させる、ということが可能となっている。
【0110】
ここに例示したフロー制御システム720は、ハウジング用アセンブリ722を有し、当該アセンブリ722は、第1の上側部材724、第2の上側部材726、ベースまたは中間部材728、そして第1および第2の弁アセンブリ730、732を有する。第1および第2の上側部材724、726がベース部材728にネジ留めされて、ハウジング用アセンブリ722を形成している。
【0111】
第1および第2の弁アセンブリ730、732はそれぞれ、ハウジング用アセンブリ722に形作られた第1および第2の調整チャンバ734、736の下に配置されている。ここに例示した弁アセンブリ730は、弁部材740と弁シート面742とを有する。ここに例示した弁アセンブリ732も同様に、弁部材744そして弁シート面746を有する。弁アセンブリ730、732は、弁部材740、744がそれぞれ弁シート面742、746に接している時は、閉じられた状態となる。
【0112】
使用時、流体は入口ポート760に導き入れられ、その後、主要フローパスに沿って出口ポート762まで、システム720内を通って以下のように流れる。少量の流体がバイパスパスに沿って流れる。バイパスパスに沿って流れる流体の圧力は、第1および第2の弁アセンブリ730、732を制御するのに使われ、その制御によって、フロー制御装置720を通じての流体の流速は実質的にほぼ一定に保たれる。適当な条件の下では、フロー制御装置720を通じての流体の流速は、上流または下流の圧力変化に実質的に影響を受けない。
【0113】
さらに言えば、ここに例示したシステム720は更に、制御システム770を有する。制御システム770は、第1および第2のソレノイドアクチュエータ772、774(図12参照)と制御回路776(図13参照)とを有する。ソレノイドアクチュエータ772および774は従来型のものであり、それぞれに巻き線776とソレノイド部材778とを有する。当該ソレノイド部材778は、アクチュエータ772、774によって規定される軸に沿って移動する。「第1のアクチュエータ制御」信号と「第2のアクチュエータ制御」信号とがアクチュエータ772、774の入力780に入り、それらがソレノイド部材778の移動を制御する。ソレノイド部材778は、ソレノイドスプリング782によって、第1および第2の調整チャンバ734、736内部で支持されている。そして、ソレノイド部材778は、第1および第2の弁部材740、744に動作的に接続され、これらを移動させる。
【0114】
図13に示すように、制御回路776は、「設定値」信号と1以上の圧力信号「圧力1」、「圧力2」とに基づいて、「アクチュエータ制御」信号を発生させる。また、制御回路776は「計量出力」信号を生成するが、当該信号は、システム720が較正された状態では、システム720を通る流体の流速に相当する。
【0115】
ここに例示したシステム720の場合、「圧力1」、「圧力2」の信号は適切なサンプリング位置に配置された圧力センサによって生成される。流体の汚染感度が高い場合には、センサを主要フローパスやバイパスフローパスから隔てた位置に置くべきである。ただし、汚染感度がより低い流体の場合には、他のサンプリング位置も可能である(直接、出口ポートの位置などでサンプリングしてもよい)。
【0116】
ここに例示したフロー制御システム720では、アクチュエータ772と制御回路776とで電気的機械フィードバックシステムが形成されており、これは、上で述べたフロー制御システム20、220そして420に用いられていた機械的フィードバックシステムの代替となるものである。
【0117】
更に詳しく言えば、圧力信号「圧力1」、「圧力2」は、システム720に用いられた制限部材790の上流、下流の圧力に相当する。「圧力1」信号と「圧力2」信号との差分は、制限部材790をはさんでの圧力差を表し、弁アセンブリ730、732を制御するのに用いられる。
【0118】
制御回路776は、ソフトウェアプログラムの制御のもとで動作するマイクロプロセッサとしてもよいし、アナログ専用回路またはデジタル/アナログのハイブリッド回路としてもよい。ソフトウェアプログラムまたはハイブリッド回路は、「アクチュエータ制御」信号の生成に必要なアルゴリズムやロジックを、以下に説明するような形で実行する。
【0119】
例示したシステム720における「アクチュエータ制御」信号は、巻き線776を流れるアナログ電流であり、システム720を通しての流体の流れを「設定値」信号で決定される流速に維持するのに必要な形で、先ずソレノイド部材778の、次いで弁部材740および744の移動を引き起こす。
【0120】
上で説明したフロー制御システム520、620における制御システム570、670と同様に、制御システム770は、流体の流れを一定に保つのに必要な形で、弁アセンブリ730、732を閉状態、部分的開状態、または全開状態で操作する。弁アセンブリ730、732を部分的開状態とできるようにしたことで、制御システム770は安定した状態で存在することとなり、機械的フィードバックシステムとの衝突を招きかねない往復移動は行わない。両方の弁アセンブリを安定状態にできる方が好ましい場合もあるが、そうした場合には、システム720の実装を選択するのがよい。
【0121】
ここに例示したシステム720において、例示した制御回路776は、システム720を流れる流体の温度に対応した「温度」信号にも基づいて、「アクチュエータ制御」信号を生成する。ただし、「温度」信号の使用は、本発明のいかなる形の実装に対しても、必須ではない。
【0122】
7.備考
上述の実施の形態で、構成部品のいくつかについては、与えられた実施例において使用される形で説明した。これらの構成部品の多くについては、それらの特性を使用環境に応じて変化させることができ、それによって、特定の用途に適した形にフロー制御装置を「調整する」こともできる。
【0123】
例えば、使用される各種のスプリング、弁ステムによって形作られた内部チャンバ、そして、弁ステムの入口開口部および出口開口部については、液体の種類、予想される入口圧力、そして、希望する流速に基づいて選択する必要がある。
【0124】
加えて、各種構成部品に使用する素材は、予想される流体の圧力および種類に基づいて選択する必要がある。例えば、圧力の低い空気の場合には、多くの構成部品にプラスチックが使用できるであろう。流体が腐食性で圧力もより高い場合には、スチールまたはステンレス製スチールを使用するのがよいかもしれない。
【0125】
1以上の電気的機械フィードバックシステムを用いるシステムでは、制御回路によって実行されるアルゴリズムは、別個の構成部品を用いるかソフトウェアを用いるかにかかわらず、前もって決定された所定のパラメータセットに対応した形に作られる。
【0126】
説明を簡潔にするために、出願人は、本発明の原理に従って構成されるフロー制御システムについて、実施例を6個しか説明しなかった。しかしながら、通常の当業者であれば、これらシステムの特徴のいくつかは組み合わせることが可能であり、そうした組み合わせによって、さらに数多く、本発明の原理に従って構成されるフロー制御装置の実現形態を提供できることは理解できるであろう。
【0127】
具体的に言えば、第1および第2の実施の形態におけるフロー制御システム20、220は、それぞれ、キャニスターやプレートで成る構造物と特徴づけることができ、これは、ハウジング用アセンブリの全体的な外見による。ただし、ハウジング用アセンプリ22は、おおよそ円筒形をしたベースまたは中間部材28を有するのに対し、ハウジング用アセンプリ222は、おおよそ平らな形をしたベースまたは中間部材228を有する。
【0128】
また、第3から第6までの実施の形態320、420、520、620そして720は、プレート形状で、1以上の電気的機械フィードバックシステムを用いるものとして開示されている。しかしながら、このような電気的機械フィードバックシステムについては、キャニスター形状でも用いることができるであろう。更に言えば、これら電気的機械フィードバックシステムは、お互いと組み合わせたり、与えられた環境に対して望ましい種類の他のフィードバックシステムと組み合わせたりして使用する事もできるであろう。
【0129】
設計者は、フロー制御システムが使用される動作環境を初期的に決定することによって、特定の実装形態を設計してもよい動作環境とは、流体それ自体の特性、流体の入口圧力および出口圧力の予想範囲、外的条件、許容エラー範囲などを含む。また、設計者は、コストなどの商業的要素を考慮してもよい。
【0130】
動作上の、そして商業上の条件に基づいて、設計者は先ず、キャニスター型、プレート型やその他の複数の基本的な構造の種類の中から選択する形で、フロー制御装置のハウジングに関し基本的な物理構造を決定する。
【0131】
また、設計者は、ハウジング用アセンプリや他の構成部品の製造原料となる素材を、動作上の、そして商業上の条件に基づいて選択する。液体が腐食性の液体または気体である場合、ハウジング用アセンブリは、ステンレス製スチールまたはその他の、腐食に対する耐性を有する素材から製造するのがよい。もし商業的な理由からフロー制御システムを使い捨てとする場合には、素材としてプラスチックを選択するのがよいであろう。
【0132】
それから、設計者は、入口および出口の調整器で使用されるフィードバック調整システムの種類を決定することになる。一般に、設計者は、これら調整器のいずれか又は両方に対して、機械的フィードバックシステムまたは電気フィードバックシステムを選んで使用することができる。電気フィードバックシステムを使用する場合、設計者は、ステッピングモータなどの回転式装置、または、圧電アクチュエータやソレノイドアクチュエータのような移動式装置を選んで使用することができる。
【0133】
こうして、動作環境や商業的な条件、そしてフロー制御システムの物理的な構成が決定されると、次は、この物理的構造を特定の環境で実現するために必要なアルゴリズムが決定される。機械的フィードバックシステムの場合、このステップは、スプリングやその他の使用する制御装置に関して、種類や配列を選定する処理を含むことになる。電気的フィードバックシステムにおいては、このステップは、所望の動作特性を得るのに適したフィードバックループを設計する処理を含むことになる。
【0134】
したがって、本発明については、その思想や根本的な特徴を保ったままで、本明細書に記述した実施の形態とは異なる形式で実施することも可能である。すなわち、ここに示した本発明の実施の形態は、あらゆる点で例示的なものであり、発明をこれらに限定するものではない。本発明の範囲は、これまでの説明によってではなく「特許請求の範囲」によって示される。それゆえ、特許請求の範囲に均等な意味や範囲におさまるものである限り、あらゆる変更は本発明の範囲に含まれるものと意図している。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の原理に基づき、これを具体化する形で構成されたフロー制御装置の第1の実施の形態を示す端部平面図である。
【図2】図1の線2−2に沿って第1の実施の形態のフロー制御装置を示す断面図である。
【図3】図2に示した第1の実施の形態のフロー制御装置の詳細を示す拡大断面図である。
【図4】図2の線4−4に沿って第1の実施の形態のフロー制御装置を示す断面図である。
【図5】本発明の原理に基づき、これを具体化する形で構成されたフロー制御装置の第2の実施の形態を示す断面図である。
【図6】(a)図5に示した第2の実施の形態のフロー制御装置の入力段階における詳細を示す断面図である。
(b)図5に示した第2の実施の形態のフロー制御装置の出力段階における詳細を示す断面図である。
【図7】本発明の原理に基づき、これを具体化する形で構成されたフロー制御装置の第3の実施の形態を示す断面図である。
【図8】本発明の原理に基づき、これを具体化する形で構成されたフロー制御装置の第4の実施の形態を示す断面図である。
【図9】図8に示すフロー制御装置と接続して使用される制御システムを示すブロック図である。
【図10】本発明の原理に基づき、これを具体化する形で構成されたフロー制御装置の第5の実施の形態を示す断面図である。
【図11】図10に示すフロー制御装置と接続して使用される制御システムを示すブロック図である。
【図12】本発明の原理に基づき、これを具体化する形で構成されたフロー制御装置の第6の実施の形態を示す断面図である。
【図13】図12に示すフロー制御装置と接続して使用される制御システムを示すブロック図である。
Claims (20)
- 入口ポート、出口ポート、そして、入口ポートと出口ポートとの間を延びる主要フローパスが形作られたハウジングアセンブリと、
主要フローパス内に配置された制限部材と、
主要フローパスに沿っての流体の流れを通したり妨げたりするように配置された第1の弁アセンブリと、
主要フローパスに沿っての流体の流れを通したり妨げたりするように配置された第2の弁アセンブリと、
制限部材をはさんでの圧力差に基づいて第1の弁アセンブリを動作させるように配置された第1の調節アセンブリと、
制限部材をはさんでの圧力差に基づいて第2の弁アセンブリを動作させるように配置された第2の調節アセンブリと、を有すること、
を特徴とするフロー制御装置。 - ハウジングアセンブリにはさらに、バイパスパスが形作られており、制限部材をはさんでの圧力差は、少なくとも部分的には、バイパスパス内部の圧力に基づいて検知されること、
を特徴とする請求項1に記載のフロー制御装置。 - 第1の調整アセンブリは、第1の弁アセンブリと、当該第1の弁アセンブリを開閉させることで出口ポートから出る流体の流れを一定に保つように配置された第1のフィードバックシステムと、を有すること、
を特徴とする請求項1に記載のフロー制御装置。 - 第2の調整アセンブリは、第2の弁アセンブリと、当該第2の弁アセンブリを開閉させることで出口ポートから出る流体の流れを一定に保つように配置された第2のフィードバックシステムと、を有すること、
を特徴とする請求項1に記載のフロー制御装置。 - 第2の調整アセンブリは、第2の弁アセンブリと、当該第2の弁アセンブリを開閉させることで出口ポートから出る流体の流れを一定に保つように配置された第2のフィードバックシステムと、を有すること、
を特徴とする請求項3に記載のフロー制御装置。 - 第1のフィードバックシステムは、制限部材をはさんでの圧力差を直接的に感知する機械的フィードバックシステムで成ること、
を特徴とする請求項3に記載のフロー制御装置。 - 第2のフィードバックシステムは、制限部材をはさんでの圧力差を直接的に感知する機械的フィードバックシステムで成ること、
を特徴とする請求項4に記載のフロー制御装置。 - 第1のフィードバックシステムが、制限部材をはさんでの圧力差を直接的に感知する第1の機械的フィードバックシステムで成り、
第2のフィードバックシステムが、制限部材をはさんでの圧力差を直接的に感知する第2の機械的フィードバックシステムで成ること、
を特徴とする請求項5に記載のフロー制御装置。 - 第1のフィードバックシステムは、制限部材をはさんでの圧力差を間接的に感知する電気的フィードバックシステムで成ること、
を特徴とする請求項3に記載のフロー制御装置。 - 第2のフィードバックシステムは、制限部材をはさんでの圧力差を間接的に感知する電気的フィードバックシステムで成ること、
を特徴とする請求項4に記載のフロー制御装置。 - 第1のフィードバックシステムが、制限部材をはさんでの圧力差を間接的に感知する第1の電気的フィードバックシステムで成り、
第2のフィードバックシステムが、制限部材をはさんでの圧力差を間接的に感知する第2の電気的フィードバックシステムで成ること、
を特徴とする請求項5に記載のフロー制御装置。 - 第1のフィードバックシステムが、制限部材をはさんでの圧力差を直接的に感知する機械的フィードバックシステムで成り、
第2のフィードバックシステムが、制限部材をはさんでの圧力差を間接的に感知する電気的フィードバックシステムで成ること、
を特徴とする請求項5に記載のフロー制御装置。 - 第1のフィードバックシステムが、制限部材をはさんでの圧力差を間接的に感知する電気的フィードバックシステムで成り、
第2のフィードバックシステムが、制限部材をはさんでの圧力差を直接的に感知する機械的フィードバックシステムで成ること、
を特徴とする請求項5に記載のフロー制御装置。 - 電気的フィードバックシステムは、
制御信号に応じて第1の弁アセンブリを開閉させるアクチュエータアセンブリと、
制限部材をはさんでの圧力差を示す少なくとも1つの信号に応じて制御信号を発生させる制御回路と、を有すること、
を特徴とする請求項9に記載のフロー制御装置。 - 電気的フィードバックシステムは、
制御信号に応じて第2の弁アセンブリを開閉させるアクチュエータアセンブリと、
制限部材をはさんでの圧力差を示す少なくとも1つの信号に応じて制御信号を発生させる制御回路と、を有すること、
を特徴とする請求項10に記載のフロー制御装置。 - 第1の電気的フィードバックシステムは、
第1の制御信号に応じて第1の弁アセンブリを開閉させる第1のアクチュエータアセンブリと、
制限部材をはさんでの圧力差を示す少なくとも1つの信号に応じて第1の制御信号を発生させる第1の制御回路と、を有し、
第2の電気的フィードバックシステムは、
第2の制御信号に応じて第2の弁アセンブリを開閉させる第2のアクチュエータアセンブリと、
制限部材をはさんでの圧力差を示す少なくとも1つの信号に応じて第2の制御信号を発生させる第2の制御回路と、を有すること、
を特徴とする請求項11に記載のフロー制御装置。 - 第1の調整アセンブリは第1のダイヤフラムアセンブリを有し、ハウジングアセンブリと第1のダイヤフラムアセンブリとによって、入口チャンバ、第1のバイパスチャンバ、そして第1の調整チャンバが形作られており、
第2の調整アセンブリは第2のダイヤフラムアセンブリを有し、ハウジングアセンブリと第2のダイヤフラムアセンブリとによって、出口チャンバ、第2のバイパスチャンバ、そして第2の調整チャンバが形作られており、
第1のダイヤフラムアセンブリは、流体が入口チャンバと第1のバイパスチャンバとの間を流れることを可能にする第1のバイパス通路を形作っており、第1のバイパス通路内部にはバイパス部材が配置されて、入口チャンバと第1のバイパスチャンバとの間の圧力差を作り出し、
ハウジングアセンブリは、流体が第1のバイパスチャンバと第2のバイパスチャンバとの間を流れることを可能にする第2のバイパス通路と、流体が出口チャンバから第2のバイパスチャンバに流れることを可能にするサンプリング通路とを形作っており、
バイパスパスが、第1のバイパス通路、第1のバイパスチャンバ、第2のバイパス通路、第2のバイパスチャンバ、そしてサンプリング通路を通って延びていること、
を特徴とする請求項2に記載のフロー制御装置。 - 第1の調整アセンブリは、少なくとも一部が第1の調整チャンバ内部に位置する第1の制御システムを有し、第1のダイヤフラムアセンブリが第1の制御システムを、主要パスおよびバイパスパスに沿って流れる流体から隔てており、
第2の調整アセンブリは、少なくとも一部が第2の調整チャンバ内部に位置する第2の制御システムを有し、第2のダイヤフラムアセンブリが第2の制御システムを、主要パスおよびバイパスパスに沿って流れる流体から隔てていること、
を特徴とする請求項17に記載のフロー制御装置。 - 第1の弁アセンブリは、取り外し可能な形でハウジングアセンブリに装着された第1の弁シート部材を有し、
第2の弁アセンブリは、取り外し可能な形でハウジングアセンブリに装着された第2の弁シート部材を有すること、
を特徴とする請求項1に記載のフロー制御装置。 - ハウジングアセンブリは、中間部材、第1の端部部材、そして第2の端部部材を有し、
第1の端部部材は取り外し可能な形で中間部材に装着されて、第1の弁シート部材へのアクセスを可能とし、そして、第2の端部部材は取り外し可能な形で中間部材に装着されて、第2の弁シート部材へのアクセスを可能としていること、
を特徴とする請求項19に記載のフロー制御装置。
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