JP2008039186A - 弁アセンブリ、流体通路の流体の流れを制御するアセンブリ、および弁部材を作動させるシステム - Google Patents
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Abstract
【課題】弁閉鎖中、弁ディスクが面シールストッパに接触する前に電気的停止/スイッチが作動される場合、弁ディスクのシール能力に悪影響を及ぼすため、これを解決する。
【解決手段】弁アセンブリ10は、弁軸20を含む流量制御弁と、アクチュエータ出力軸34を備える電気アクチュエータ14と、弁軸20とアクチュエータ出力軸34を結合するねじりばねと、を備える。弁軸20は、弁ディスク18に結合されており、弁ディスク18の位置を選択するために回転させることができる。
【選択図】図1A
【解決手段】弁アセンブリ10は、弁軸20を含む流量制御弁と、アクチュエータ出力軸34を備える電気アクチュエータ14と、弁軸20とアクチュエータ出力軸34を結合するねじりばねと、を備える。弁軸20は、弁ディスク18に結合されており、弁ディスク18の位置を選択するために回転させることができる。
【選択図】図1A
Description
本発明は、弁アセンブリに関する。より詳細には、本発明は、ねじりばねを用いてアクチュエータ出力軸に結合された弁軸を含む弁アセンブリに関する。
バタフライ弁アセンブリやボール弁アセンブリ等の弁アセンブリを用いて、管構造やダクト構造等の通路を通る流体の流れを制御する。よって、弁アセンブリは、「流量調節弁」または「圧力調節弁」とも呼ばれる。一般的に、弁箱に配置された弁部材は、(他の管構造またはダクト構造に結合することができる)弁箱を通る流体の流れを制御する。バタフライ弁アセンブリの場合には、弁部材は、弁箱に配置された弁ディスクであり、異なる流体流量に関する異なる角度位置を有する。例えば、弁ディスクは、0度位置(開)と90度位置(閉)との間で回転することができ、角度は、通路の中心軸に対して決定される。
弁箱を通る流量を制御するために、電気/電気機械ロータリアクチュエータを用いて、弁ディスクを回転させて所望の角度位置を得ることができる。一構成においては、アクチュエータは、弁軸に堅く結合されたアクチュエータ出力軸を含み、弁軸は、弁ディスクに結合される。アクチュエータ出力軸は、(アクチュエータに入力された電気および/または空気圧信号に応答して)回転するので、回転運動(すなわちトルク)は、弁軸に移されて(すなわち、伝達されて)、弁軸が弁ディスクを回転させる。弁ディスクの角度位置を選択するために、電気装置/ストッパ/スイッチがアクチュエータに設けられ、アクチュエータ出力軸が回転するのを止める。一般的に、アクチュエータに与えられた電気信号は、弁ディスクの位置に比例する。
弁箱と弁ディスクとの間に内側の面シールを組み込むバタフライ弁の設計は、物理的なストッパを有する。ストッパでの弁ディスクと弁箱との間の面接触力の程度が、面シールのシール能力に影響する。弁ディスクが物理的なストッパに接触すると、ディスクおよび弁軸が、物理的なストッパに向かってさらに回転するのが防止される。
(例えば、金属部品の公差の積み重ね、または組立不良のために)アクチュエータの電気的停止の前に物理的ストッパに接触すると、アクチュエータ出力軸の回転は止まるが、アクチュエータへの電流は、遮断されない。結果として、アクチュエータは、オーバーヒートし、早期に故障することがある。逆に、弁閉鎖中、弁ディスクが面シールストッパに接触する前に電気的停止/スイッチが作動される場合、弁ディスクのシール能力に悪影響を及ぼす。
本発明は、弁箱等の通路を通る流体の流れを制御する弁アセンブリである。弁アセンブリは、弁とアクチュエータを含む。弁は、通路に配置されて開位置と閉位置との間で移動可能な弁部材と、弁部材に結合された弁軸と、を含む。アクチュエータは、ねじりばねを用いて弁軸に結合されたアクチュエータ出力軸を含み、ねじりばねは、アクチュエータ出力軸からのトルク/回転運動を弁軸に移す。弁部材の角度位置は、アクチュエータ出力軸を回転させることによって調整する。ねじりばねは、アクチュエータ出力軸と弁軸との間にコンプライアントな接続を提供し、アクチュエータ出力軸と弁軸との間の角度差/偏差を補正する。例えば、弁部材が閉位置に達した後、アクチュエータへの電気信号が遮断されない場合、ねじりばねによって、アクチュエータ出力軸は回転し続けることが可能になる。逆に、弁部材が閉位置に達する前に電気信号が止まる状況においては、ねじりばねが、予荷重を与えられていれば、弁部材を閉位置に付勢する助けをする。
図1Aは、本発明の第1の実施例による弁アセンブリ10の部分断面斜視図である。弁アセンブリ10は、管構造、ダクト構造等の通路を通る流体の流れの制御に適している。弁アセンブリ10は、バタフライ弁12と、電気/機械アクチュエータ14と、トーションバースプリング15と、を含む。バタフライ弁12は、概ね円筒形の弁箱16と、弁ディスク18と、弁軸20と、を含む。弁箱16は、流体通路21(図1Bに示す)を画定し、ステンレス鋼であっても、他の適切な材料であってもよい。別の実施例においては、弁箱16は、別の環状形(例えば、楕円形、卵形、円形)、または、他の適切な形状である。弁ディスク18は、弁箱16内に配置されて、開位置と閉位置との間で回転可能である。弁軸20は、弁ディスク18に結合されており、弁ディスク18の位置(例えば、開位置、閉位置、または、その間の位置)を選択するために弁軸20を回転させることができる。弁軸20を、1対の軸受24の間に置いて、弁軸20が弁箱16内で自由に回転できるようにする。弁箱16を通る流体の流れは、弁軸20の中心軸22に対して弁ディスク18の位置を調整することによって操作する。
図1Bは、バタフライ弁12の断面図である。バタフライ弁12は、流体通路21を画定する弁箱16と、弁ディスク18と、弁軸20と、第1のストッパ26と、第2のストッパ28と、を含む。図1Bに示すように、バタフライ弁12の弁ディスク18が閉位置にあるとき、弁ディスク18は、流体通路21の中心軸22に実質的に垂直(すなわち、90度の位置)である。弁ディスク18が開位置(仮想線の位置A)にあるとき、弁ディスク18は、中心軸22に実質的に平行(すなわち、0度の位置)である。図1Bは、弁ディスク18の位置B(仮想線)も示し、位置Bは、開位置と閉位置との間である。
ストッパ26,28に対する弁ディスク18の位置も、通路21を通る流体の流量に影響を与える。弁ディスク18は、閉位置で、第1のストッパ26と第2のストッパ28にかかることによって、流体の弁ディスク18の通過防止を補助する。26,28は、閉位置における弁ディスク18の停止点の画定を補助するとともに、弁ディスク18が閉位置にあるとき、流体が領域30A,30Bを流れるのを防ぐ。ストッパ26,28は、流体の流れに対して領域30A,30Bをシールするのを助けるので、「面シール」または「シール」と呼んでもよい。ストッパ26,28における弁ディスク18と弁箱16との間の面の接触の程度は、弁ディスク18が通路21をシールする能力に影響を与える。弁ディスク18がストッパ26,28に接触した後には、弁ディスク18および弁軸20がストッパ26,28の方に(図1Bにおいては、反時計回り方向に)さらに回転するのを防止する。
図1Aを参照すると、電気アクチュエータアセンブリ14は、電気アクチュエータ32および出力軸34を含み、出力軸34は、電気アクチュエータ32に機械的に結合され、電気アクチュエータ32によって駆動される。弁ディスク18の位置を調整し、それによって通路21を通る流体の流れを操作するために(図1Bに示す)、電気信号をアクチュエータ32に与え、次に、アクチュエータ32は、それに従って出力軸34を回転させる。一実施例においては、出力軸34の回転の程度は、アクチュエータ32に与えられる電気信号に比例する。出力軸34は、トーションバースプリング15を用いて弁軸20に機械的に結合され、トーションバースプリング15は、出力軸34の回転運動(すなわちトルク)を弁軸20に伝達する。弁軸20は弁ディスク18に機械的に結合されているので、弁軸20の回転によって弁ディスク18が回転する。一般的なアクチュエータ32においては、アクチュエータ32に入力される特定の電気信号、アクチュエータ32への電力の遮断、または他の方法の、「電気的停止」に応答して、アクチュエータ32は、出力軸34の回転を止める。
トーションバースプリング15は、アクチュエータ14の出力軸34の回転運動/トルクを弁12の弁軸20と弁ディスク18に伝えるコンプライアント(compliant)な駆動リンクを提供する。トーションバースプリング15の第1の端15Aは弁軸20に接続され、第2の端15Bはアクチュエータアセンブリ14の出力軸34に接続される。機械的取付手段、および接着または溶接手段を含む、本発明による、トーションバースプリング15を弁軸20と出力軸34に接続する任意の適切な手段を用いてよい。図1Aに示す第1の実施例においては、弁軸20および出力軸34は、各々、トーションバースプリング15の第1の端15Aと第2の端15Bの各々を受けるように構成されたスロットを含む。より詳細には、弁軸20のスロット20Aは、トーションバースプリング15の第1の端15Aを受けて保持するように構成され、出力軸34のスロット34Aは、トーションバースプリング15の第2の端15Bを受けて保持するように構成される。
弁ディスク18の角度位置は、弁軸20の角度位置に比例し、通路21を通る流体の流量に影響を与える。弁ディスク18の位置が、出力軸34を回転させることによって予測可能に選択できるように、弁ディスク18の角度位置が、アクチュエータ14の出力軸34の角度位置と比例すると理想的である。弁ディスク18を閉じて通路21を通る流体の流れを止めるために、弁ディスク18(および、弁ディスク18と同じ角度値を有する弁軸20)を90度にする。弁ディスク18の90度位置を達成するために、アクチュエータ32は、出力軸34を90度の角度位置に回転させる。しかしながら、公差の不一致、組立不良、または他の理由のために、アクチュエータ32によって決められたアクチュエータ出力軸34の90度の角度位置が、弁ディスク18と弁軸20との90度位置に一致しないことがある。これは、「角度差/偏差」と呼ばれる。角度差/偏差のために、電気的停止がアクチュエータ32に時期尚早に与えられることがある、または、弁ディスク18が、ストッパ26,28に時期尚早に(すなわち、アクチュエータ32が電気的停止を受信する前に)接触することがある。例えば、弁ディスク18がストッパ26,28に接触する前に電気的停止がアクチュエータ32に与えられると、出力軸34は90度位置にあり、弁ディスク18および弁軸20は、88度位置にある。この状況においては、弁ディスク18は、ストッパ26,28に接触せず、弁ディスク18を閉じるためには弁軸20と弁ディスク18がさらに回転することが必要である。しかしながら、アクチュエータ32が時期尚早の電気的停止に応じて止まっているので、出力軸34の回転は止まっている。流体は、領域30A,30B(図1Bに示す)を通って流れる可能性が高く、これは問題である。
本発明による弁アセンブリ10は、トーションバースプリング15を利用して、弁軸20および出力軸34との間のいかなる角度差/偏差も補正するように、弁軸20および出力軸34を結合する。トーションバースプリング15は、出力軸34の回転出力を弁軸20に伝えるのに十分なほど堅く、同時に、出力軸34の過剰なトルクを吸収して、ねじり曲げを与えて、弁ディスク18をストッパ26,28の方に付勢するのに十分なほどコンプライアントである。さらに、トーションバースプリング15はコンプライアントなので、弁軸20および出力軸34は、同軸である必要はない(もちろん、幾つかの実施例においては、弁軸20および出力軸34は同軸である)。別の実施例においては、弁アセンブリ10は、弁軸20と出力軸34との間に複数のねじりばねを含むことができる。
電気的停止が時期尚早にアクチュエータ32に与えられ、弁ディスク18がストッパ26,28に接触する前に出力軸34が時期尚早に回転を止めると、トーションバースプリング15は、ねじり荷重で予荷重を与えられているので、弁軸18をストッパ26,28の方に付勢するのを助ける。トーションバースプリング15に予荷重を与える手段の一つは、トーションバースプリング15を最初に取り付ける間、トーションバースプリング15に追加の「ツイスト」を加えることによる。例えば、弁ディスク18が90度位置(すなわち、閉位置)にあるとき、弁軸20および出力軸34が、各々、90度位置にある場合、トーションバースプリング15を弁軸20と出力軸34に対して93度位置にツイストすることによって、トーションバースプリング15に予荷重を与えて、約3度のプレツイストを生じる。別の実施例においては、プレツイストは、トーションバースプリングの型と用途に応じて、約2〜約5度の間であってもよく、任意の他の適切な角度範囲であってもよい。トーションバースプリング15をプレツイストすることによって、トーションバースプリング15に予荷重を与える。それによって、トーションバースプリング15は、弁ディスク18が閉位置にあるとき、弁ディスク18とストッパ26,28との間に接触荷重を提供して、弁ディスク18が領域30A,30Bをシールする能力を高める。一例において、約1.93×108キロパスカル(2.8×107ポンド/平方インチ)の弾性係数を呈するばね鋼で形成されたトーションバースプリングにおける約3度のプレツイストは、約5.76キログラムセンチメートル(5ポンド・インチ)〜約9.22キログラムセンチメートル(8ポンド・インチ)のねじり荷重を呈することが分かった。そのねじり荷重は、弁アセンブリ10の空気圧用途に適切であると思われる。もちろん、別の実施例においては、トーションバースプリング15に予荷重を与えなくてもよい。
弁ディスク18がストッパ26,28に接触した後も電気信号がアクチュエータ32を駆動し続ける場合、たとえ弁ディスク18と弁軸20がさらに回転するのを止められたとしても、トーションバースプリング15によって、アクチュエータアセンブリ14の出力軸34は回転し続けることができる。これは、アクチュエータ32のオーバーヒートによる故障を防止するのを助ける。弁軸20が回転する必要なく出力軸34が回転するように、トーションバースプリング15が弁軸20と出力軸34との間にコンプライアントなインタフェースを提供するので、出力軸24は回転し続けることができる。対照的に、既存の弁アセンブリにおいては、弁軸は、アクチュエータ出力軸に堅く接続されているので、弁軸が回転可能な場合のみ出力軸は回転することができる。
トーションバースプリング15は、当技術分野で既知の任意の適切なねじりばねであってよい。特定のアセンブリのトーションバースプリング15の適切な設計(例えば、幾何学的形状および材料属性)を決定する要因は、操作中の弁軸20の負荷と、アクチュエータアセンブリ14のねじり出力レベルと、トーションバースプリング15が必要とするプレツイスト(すなわち「フレックス」または「ワインドアップ」)の程度と、を含む。図1Aおよび図1Bに示す第1の実施例においては、トーションバースプリング15は、ばね鋼で形成され、長方形の断面を有する。
図2Aに示すように、本発明による丸いワイヤの断面を有するねじりばねを用いてもよい。図2Aは、本発明の第2の実施例によるアセンブリ100の部分断面斜視図である。アセンブリ100は、バタフライ弁112と、電気アクチュエータアセンブリ114と、ねじりコイルばね116と、を含む。アセンブリ100は、図1Aおよび図1Bのアセンブリ10と類似しているが、本発明の第1の実施例のトーションバースプリング15ではなく、ねじりコイルばね116を含む。
ねじりコイルばね116の第1の端116Aは、弁軸118に取り付けられ、第2の端116Bは、アクチュエータアセンブリ114の出力軸120に取り付けられる。より詳細には、ねじりコイルばね116の第1の端116Aは、弁軸116の対応する突出部を受けるように構成された開口部122(図2Bに示す)を含み、第2の端116Bは、弁軸116の突出部を受けるように構成された開口部124(図2Bに示す)を含む。別の実施例においては、ねじりコイルばね116を弁軸118と出力軸120とに取り付ける別の適切な手段を用いてもよい。例えば、弁軸118および出力軸120は、各々、ねじりコイルばね116の第1の端116Aと第2の端116Bを受けるように構成されたスロットを含む。
図2Bは、ねじりコイルばね116の斜視図で、第1の端116Aの開口部122(仮想線)と、第2の端116Bの開口部124(仮想線)と、を示す。
本発明は、図1A〜図2Bに示した、バタフライ弁、電気アクチュエータ、トーションバースプリング、およびねじりコイルばねの特定の例に限定されない。むしろ、本発明は、弁軸に取り付けられた可動弁部材を含む任意の弁アセンブリ(例えば、ボール弁アセンブリまたはバタフライ弁アセンブリ)であり、弁軸は、ねじりばねを用いてアクチュエータ出力軸に結合される。弁アセンブリを用いて、空気や液体等の流体の流れを調節/調整する。さらに、本発明による弁アセンブリは、高温用途と冷温用途の両方における使用に適している。高温用途においては、ニッケルを多く含有するばね鋼で構成されたねじりばねを用いることができる。
本明細書で用いる用語は、例示的なものであり、制限的なものではない。本明細書で開示された特定の構造および機能の詳細は、制限と解釈してはならず、当業者が本発明を様々に採用するための教示にすぎない。本発明を好ましい実施例に関して記述したが、本発明の真意および範囲から逸脱することなく、形態および詳細を変更してもよいことを、当業者は理解されるであろう。
Claims (19)
- 弁箱と、
前記弁箱に配置されるとともに、開位置と閉位置との間で動くように構成された弁部材と、
前記弁部材に結合された弁軸と、
を備えた流量調節弁と、
回転するように構成されたアクチュエータ出力軸を備える電気アクチュエータと、
第1の端と第2の端との間に延在するねじりばねと、
を備え、
前記第1の端は、前記アクチュエータ出力軸に結合され、前記第2の端は、前記弁軸に結合され、前記ねじりばねは、前記アクチュエータ出力軸の回転運動を前記弁軸に伝達するように構成されることを特徴とする弁アセンブリ。 - 前記ねじりばねは、プレツイストされることを特徴とする請求項1に記載の弁アセンブリ。
- 前記弁部材が閉位置のとき、前記弁軸は90度の位置にあり、前記ねじりばねは、前記弁軸の90度位置に対し約2〜約5度プレツイストされることを特徴とする請求項2に記載の弁アセンブリ。
- 前記流量調節弁は、前記弁箱に配置されたストッパ部材をさらに備え、閉位置のとき、前記弁部材は、前記ストッパ部材に接触することを特徴とする請求項1に記載の弁アセンブリ。
- 前記流量調節弁は、バタフライ弁とボール弁とから成るグループから選択されることを特徴とする請求項1に記載の弁アセンブリ。
- 前記ねじりばねは、ばね鋼を含む材料で構成されることを特徴とする請求項1に記載の弁アセンブリ。
- 前記ねじりばねは、トーションバースプリングとねじりコイルばねとから成るグループから選択されることを特徴とする請求項1に記載の弁アセンブリ。
- 前記ねじりばねは、予荷重を与えられることを特徴とする請求項1に記載の弁アセンブリ。
- 前記ねじりばねは、約5.76〜約9.22キログラムセンチメートルのねじり荷重で予荷重を与えられることを特徴とする請求項8に記載の弁アセンブリ。
- 流体通路を通る流体の流れを制御するアセンブリであって、
前記流体通路に配置された弁部材と、
ストッパ部材に対する前記弁部材の位置が、前記液体通路を通る流体の流量に影響するストッパ部材と、
前記弁部材が閉位置のとき、90度の位置にあり、前記弁部材に機械的に結合された弁軸と、
を備える弁と、
第1の端が前記弁軸に機械的に結合され、前記第1の端と第2の端との間に延在するねじりばねと、
電気アクチュエータによって駆動され、かつ前記ねじりばねの前記第2の端に機械的に結合されるアクチュエータ出力軸と、
を備え、
前記ねじりばねは、前記弁部材の前記位置を調整するために前記アクチュエータ出力軸からのトルクを前記弁軸に伝達するように構成されることを特徴とするアセンブリ。 - 前記ねじりばねは、プレツイストされることを特徴とする請求項10に記載のアセンブリ。
- 前記ねじりばねは、前記弁軸の90度位置に対して約2〜約5度、プレツイストされることを特徴とする請求項10に記載のアセンブリ。
- 前記弁部材は、ディスクであることを特徴とする請求項10に記載のアセンブリ。
- 前記ねじりばねは、ばね鋼を含む材料から構成されることを特徴とする請求項10に記載のアセンブリ。
- アクチュエータ出力軸を備えるアクチュエータに電気信号を与え、
前記電気信号に応答して前記アクチュエータ出力軸を回転させ、前記電気信号は、前記アクチュエータ出力軸の回転の程度に比例し、
弁軸を回転させ、
前記弁軸の第1の端は、前記アクチュエータ出力軸にねじりばねを用いて結合され、前記弁軸の第2の端は、弁部材に結合されることを特徴とする弁部材を作動させるシステム。 - 前記ねじりばねは、予荷重を与えられることを特徴とする請求項15に記載のシステム。
- 前記ねじりばねは、約5.76〜約9.22キログラムセンチメートルのねじり荷重で予荷重を与えられることを特徴とする請求項15に記載のシステム。
- 前記弁部材は、ディスクであることを特徴とする請求項15に記載のシステム。
- 前記ねじりばねは、ばね鋼を含む材料で構成されることを特徴とする請求項15に記載のシステム。
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