JP2006517281A - 制御バルブ・ポジショナー取り付けシステム - Google Patents

Abstract

制御バルブ・アセンブリ用のポジショナーが開示されている。環境、衝撃、又は他の外部の影響に起因する損傷からポジショナーを保護するために、ポジショナーは内部に取り付けられている。したがって、バルブの位置が正確に測定できるばかりでなく、ハードウェアの感知は、損傷又は露出に関連する障害に影響されにくい。

Description

本出願は、米国法典第３５第１１９条（ｅ）の下、２００３年２月７日付米国仮特許出願第６０／４４５，７５２号の優先権の利益を主張する、非仮出願である。

本開示は、一般にバルブに関し、より詳細にはバルブ又はバルブ・アクチュエータの移動する構成部品の位置を監視する際に使用されるポジショナーに関する。

プロセス制御バルブは流体のフローを制御する無数の産業用途に使用されている。たとえば、化学処理プラント又は石油精製所では、制御バルブは、需要の増加若しくは減少又は他の負荷外乱を補うために、流れる流体を操作するために使用されており、したがって、フローを調節して所望の設定点のできる限り近くに保つ。

制御バルブは、一般に、制御バルブと、制御バルブ・アクチュエータと、ポジショナーと、を有する制御バルブ・アセンブリの一部として提供される。制御バルブは、その間に可動式の調量装置を備える、入口と出口とを含む。調量装置の位置を調節することによって、バルブ内のフローが調節される。制御バルブ・アクチュエータは、一般に、調量装置に接続されたステムを含み、調量装置を動かすために必要な原動力を供給する。ポジショナーは閉ループ・フィードバック・システムを提供し、その中では、調量装置の位置を、又はより一般的にはアクチュエータ・ステムの位置を監視し、次に、その位置を所望の設定点と比較する。この二つの間の偏差が検出されると、バルブ内に望ましくないフローを生じることになり、従ってポジショナーは、調量装置の位置を調節するために、アクチュエータへの信号を生成する。

このような制御バルブ・アセンブリは、種々の形で提供可能である。１つの一般的な配置では、制御バルブは、摺動ステム・バルブと呼ばれる。このようなバルブでは、スライディング・プラグ又はピストンが、バルブの入口と出口との間に置かれたケージ内を移動させられる。プラグの位置によって、入口と出口との間の開口の断面積が調整され、したがって、流体が多かれ少なかれバルブ内を移動できるようにする。このような制御バルブについてのアクチュエータも、種々の形で提供可能であるが、一般的には、バルブ・プラグから延伸するバルブ・ステムに直接結合された可動ステムを有し、空気圧又は他の流体圧力を用い、アクチュエータの隔壁（ｄｉａｐｈｒａｇｍ）ケーシング内でアクチュエータ・ステムを動かせる。

このようなシステムのポジショナーは、一般に、アクチュエータの外側に取り付けられており、アクチュエータの摺動ステムに取り付けられた送信機からの信号を受信するのに適したセンサーをその中に含む。しかしながら、ハウジングの外側に受信機を取り付けることによって、ある欠点に遭遇した。たとえば、ピンチポイントが、送信機に接続された電源・信号線内に生成されて、故障又は誤読取を生じさせることがある。さらに、受信機は、素子や、その中にバルブが取り付けられた装置の作動環境にさらされているということからの物理的な損傷を免れない。受信機がしばしば、比較的単純なブラケット等を使用するハウジングに取り付けられている点でずれが起こることがあり、このようなずれは不正確な読取の原因になる。したがって、周期的な調整及び／又は再較正が必要であり、したがって、より高い保守コストの原因になる。

したがってこのような問題の影響を受けにくいポジショナーを有する、改善された制御バルブ・アセンブリに対するニーズが存在する。

本開示は種々の修正及び代替的な構成が可能であり、いくつかの例示的な実施の形態が図に示され、以下詳細に説明する。しかしながら、本開示を開示された特定の形状に制限する意図はなく、反対に本発明の精神及び範囲内にあるすべての修正、代替的な構成、及び等価物を網羅することを理解されたい。

図を参照し、特に図１を参照すると、本開示の教示により構成された制御バルブ・アセンブリが、参照番号２０によって、一般に参照されている。その中で示されるように、制御バルブ・アセンブリ２０は、それに制御バルブ・アクチュエータ２４が取り付けられた、制御バルブ２２を含む。最初に、本明細書中で記載された制御バルブ・アセンブリ２０は、摺動ステム・タイプの制御バルブと呼ばれるが、本開示の教示は、回転弁、バタフライ・バルブ等を含むがこれらに限定されない他の種類の制御バルブと共に使用可能であることに留意することが重要である。

図２を参照すると、入口２８と出口３０とを有するハウジング２６を含むように、制御バルブ２２がより詳細に示されている。図示されていないが、バルブ２２は、流体が入口２８から出口３０まで流れることができるように適合しており、その間に置かれたケージ３３内に摺動可能に配置された調量装置すなわちプラグ３２の位置を調節することによって、容量及びそこを通って流れる流体の速度が同様に調節可能であることを理解されたい。プラグ３２の位置は、プラグ３２に接続されたバルブ・ステム３４の位置を調節することによって、調節される。より詳細には、ステム３４の位置を調節することによって、入口２８及び出口３０に対するプラグ３２の位置も調節されることがわかる。

ステム３４の位置を、したがってプラグ３２の位置を調節するために、アクチュエータ２４が設けられている。図３に最も良く示すように、アクチュエータ２４はハウジング３６を含み、ハウジング内は、アクチュエータ・ステム３８が往復運動するのに適している。より詳細には、示された実施の形態において、ハウジング３６は、その基部にヨーク４０を、その上部に隔壁ケーシング４２を含む。図１に示すように、ヨーク４０は、ショルダー４５において、バルブ２２に取り付けるのに適した下部開口４４を含む、略円筒形の筐体（ｅｎｃｌｏｓｕｒｅ)４１を画定する。アクチュエータ・ステム３８及びバルブ・ステム３４は継手（ｃｏｕｐｌｉｎｇ）４６によって接続されているから、下部開口４４は、ステム３４，３８がその中を移動できるようにする。

このようなアクチュエータ内のアクチュエータ・ステム３８の動作は、ばねと流体圧力とによって制御される。図３に最も良く示すように、アクチュエータ・ステム３８は、隔壁ケーシング４２内に位置する隔壁板４８に接続されている。次に、コイルばね５０がアクチュエータ・ステム３８の周囲に位置し、板４８とばね座５２との両方に作用することによって、隔壁板４８を上方に付勢する。したがって、ばね５０は、隔壁板４８と、アクチュエータ・ステム３８と、バルブ・ステム４５と、バルブ・プラグ３２と、を上方に付勢し、バルブ・プラグ３２の位置がバルブ２２の開いた位置又は閉じた位置のいずれかにあるようにする。したがって、制御バルブ２２は通常開いたバルブ又は通常閉じたバルブのいずれかの形状で提供され得ることがわかる。

プラグ３２を動かすために、したがってバルブ２２の位置を調節するために、流体圧力が隔壁ケーシング４２内で調節される。より詳細には、隔壁板４８が、隔壁ケーシング４２を上部及び下部室５３及び５４にそれぞれ分割することに留意されたい。下部室５４内の流体圧力、一般に空気圧力を上部室５３内の圧力よりも高く調節することによって、隔壁板４８は上方に動かされ、したがって、プラグ３２を上方に動かす。反対に、上部室５３内の流体圧力を下部室５４内の圧力よりも高いように調節することによって、隔壁板４８とプラグ３２とが下方に動かされる。当然のことながら、本技術分野における通常の知識を有する者であるならば、このような圧力差によって生成された力は、さらに、ばね５０の付勢力に打ち勝つのに十分でなければならないことを容易に認識するであろう。

示されたアクチュエータ２４は、制御バルブ２２のバルブ・ステム及びプラグの位置を調節するのに適した種類のアクチュエータの一つであることを理解することが重要である。他の形状のアクチュエータが可能であり、本願の範囲内に含まれている。

上記のような構造を使用することによって、バルブ２２を通る流体のフローを調節するために、プラグ３２の位置が調節可能であることがわかるであろう。しかしながら、プラグ３２を正確に位置決めするために、したがって流体のフローを正確に制御するために、ポジショナー５６が設けられている。図４〜６を参照すると、ポジショナーは、ハウジング５８と摺動アセンブリ６０とを含むことに留意されたい。本明細書中でより詳細に説明するように、摺動アセンブリ６０は、アクチュエータ・ステム３８が上下動するに従って信号を生成するのに適した送信機６２を含む。さらに、ハウジング５８は、送信機６２によって生成された信号を監視し、ステム３８の相対的な位置を判断するのに適した受信機６４を含む（図６）。次に、プラグ３２の位置が判断され、プラグ３２が適切に位置決めされていない場合には、対応する訂正信号がポジショナー５６によって生成可能である。次に、訂正信号は、プラグ３２を要望どおりに位置決めするために、アクチュエータ２４内の圧力差を調節するために、使用される。より詳細には、ポジショナー５６はプロセッサとメモリとを含んでいてもよい（図示せず）から、受信信号は、プロセッサによって、メモリ内に記憶された設定点と比較され訂正信号を生成する。あるいは、ポジショナーは、直接配線、ＲＦ通信等によって、受信信号を遠隔のプロセッサに送信してもよく、次に、遠隔プロセッサを用いて、訂正信号を生成してアクチュエータ２４に送信する。

多数の異なる受信機と送信機の技術とを用いることができるが、示された実施の形態は、マグネット・アレイの形状の送信機６２と、ホール効果センサーの形状の受信機６４を提供する。他の実施の形態において、位置センサーは、巨大磁気抵抗装置（ＧＭＲ）及び電位差計を含むがこれらに限定されない、あらゆる他の形状で提供されてもよい。より詳細には、送信機６２は、複数の磁石６８を収容するマグネット・ホルダー６６を含む。マグネット・ホルダー６６は、アクチュエータ・ステム３８に固定的に取り付けられたステム・コネクタ７０に取り付けられている。送信機６２がアクチュエータ・ステム３８と共に上下動すると、磁石６８と関連した磁束が変化し、その変化はホール効果センサーによって知覚される。ポジショナー・ハウジング５８は、摺動アセンブリ６０を摺動可能に収容するのに適した溝７１を含む。コネクタ７０が種々の形状で設けられていてもよく、示された実施の形態では、ステム３８の周囲に取り付けられ、ねじ、ボルト、又は他の締結装置（図示せず）を使用して固定された、第１及び第２の半割体７２、７４を含む。

先行技術のポジショナーと反対に、本開示のポジショナー５６は、外的影響及び素子から完全に保護されるように設計されており、したがって、その読取をより信頼しうるものにする。これは、ポジショナー５６を位置ハウジング５８内に置き、ハウジング５８全体をアクチュエータ２４のヨーク４０内に取り付けることによって実現される。ポジショナー５６のハウジング５８は、ヨーク４０の内面７６に固定的に取り付けられており、摺動アセンブリ６０と送信機６２とがアクチュエータ・ステム３８と共に上下に摺動する間、ハウジングは静止していて保護されている。したがって、ポジショナー５６は、受信機６４と送信機６２とを含めて保護されており、衝撃、環境要因等によって損傷を受ける恐れは少ない。

上記記載から、本開示の教示を通じて、制御バルブ・アセンブリは、バルブ・ポジショナーをバルブ・アクチュエータのハウジング内に完全に内蔵させて構成でき、環境要因への露出及び損傷を最小にすることを、本技術分野における通常の知識を有する者は、容易に理解するであろう。

本開示の教示により構成された摺動ステム制御バルブ・アセンブリの分解図である。 摺動ステム制御バルブの断面図である。 バルブ・アクチュエータの分解図である。 本開示の教示により構成されたポジショナーの斜視図である。 図４のポジショナーの側面図である。 図４のポジショナーの上面図である。

Claims (23)

1. バルブ位置決めシステムであって、
   ポジショナー・ハウジングと、
   前記ハウジングに対し少なくとも部分的に内側に位置した非接触位置受信機と、
   受信機にアクチュエータの位置を知らせるための、バルブ・アクチュエータ・ステムに取り付けられた非接触位置送信機であって、前記アクチュエータ・ステムが前記ポジショナー・ハウジングの外側に結合されており、バルブを第１の位置と第２の位置との間を移動させる動作が可能である非接触位置送信機と、を備える
   バルブ位置決めシステム。
2. 前記アクチュエータ・ステムを前記ポジショナー・ハウジングに摺動的に取り付けるための摺動アセンブリをさらに含む、請求項１のバルブ位置決めシステム。
3. 前記摺動アセンブリが前記アクチュエータ・ステムを前記摺動アセンブリに接続するための取付部材をさらに含む、請求項２のバルブ位置決めシステム。
4. 前記送信機が前記摺動アセンブリに接続された、請求項１のバルブ位置決めシステム。
5. 前記ポジショナー・ハウジングが、送信機が内部を往復して摺動するための溝をさらに含む、請求項４のバルブ位置決めシステム。
6. 前記受信機が、前記アクチュエータ・ステムの相対的な位置を判断するために前記送信機によって生成された信号を監視するのに適した、請求項１のバルブ位置決めシステム。
7. 前記受信機がホール効果センサーを含む、請求項１のバルブ位置決めシステム。
8. 前記送信機がマグネット・アレイを含む、請求項１のバルブ位置決めシステム。
9. 前記システムが巨大磁気抵抗装置を含む、請求項１のバルブ位置決めシステム。
10. 前記システムが電位差計を含む、請求項１のバルブ位置決めシステム。
11. 前記送信機がマグネット・ホルダーを含む、請求項１のバルブ位置決めシステム。
12. 前記マグネット・ホルダーが複数の磁石を含む、請求項１１のバルブ位置決めシステム。
13. バルブ位置決めシステムであって、
    その側面に溝が形成された、ポジショナー・ハウジングと、
    前記ポジショナー・ハウジングに摺動可能に接続されたアクチュエータ・ステムと、
    前記ハウジングの内側に位置していると共に前記ハウジングに対する前記アクチュエータ・ステムの相対的な位置を判断するのに適した位置受信機と、
    前記アクチュエータ・ステムに結合されると共に前記ハウジングに対し少なくとも部分的に外側に位置した位置送信機であって、前記送信機が位置を前記受信機に知らせるために前記溝内で摺動する動作が可能な位置送信機と、を備える、
    バルブ位置決めシステム。
14. 前記ハウジングと前記アクチュエータ・ステムとの間に結合された摺動アセンブリをさらに含む、請求項１３のバルブ位置決めシステム。
15. 前記摺動アセンブリが、前記アクチュエータ・ステムの周囲に締め付けるための第１及び第２の要素をさらに含む、請求項１４のバルブ位置決めシステム。
16. 前記受信機が非接触センサーである、請求項１３のバルブ位置決めシステム。
17. 前記非接触センサーがホール効果センサーである、請求項１６のバルブ位置決めシステム。
18. 前記送信機がマグネット・アレイを含む、請求項１３のバルブ位置決めシステム。
19. 前記送信機が巨大磁気抵抗要素を含む、請求項１３のバルブ位置決めシステム。
20. 前記送信機が電位差計を含む、請求項１３のバルブ位置決めシステム。
21. 前記送信機がマグネット・ホルダーを含む、請求項１３のバルブ位置決めシステム。
22. 前記マグネット・ホルダーが複数の磁石を含む、請求項２１のバルブ位置決めシステム。
23. 作動装置の位置を判断する方法であって、
    非接触送信機を前記作動装置に結合することと、
    非接触受信機を保護ハウジング内に設けることと、
    位置信号を前記送信機から送信することと、
    前記信号を前記受信機で受信することと、
    前記位置信号をコントローラに送ることと、
    前記コントローラの命令された位置に対する前記装置の位置を判断することと、
    前記作動装置を前記命令された位置に移動することと、を含む、
    方法。

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