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

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

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。

弁軸を有する弁と、アクチュエータ出力軸を有するアクチュエータと、を含み、弁軸およびアクチュエータ出力軸は、トーションバースプリングを用いて一緒に結合されることを特徴とする、本発明の第１の実施例による弁アセンブリの部分断面斜視図である。 図１Ａの弁アセンブリの断面図である。 弁軸およびアクチュエータ出力軸は、ねじりコイルばねを用いて一緒に結合されることを特徴とする、本発明の第２の実施例による弁アセンブリの部分断面斜視図である。 図２のコイルばねの斜視図である。

Claims (19)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
8. 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。
9. 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。
10. 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。
11. 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。
12. 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。
13. 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。
14. 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。
15. 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。
16. 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。
17. 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。
18. 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。
19. 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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