JP2010525463A - ガスレギュレータの調節可能な弁体機構 - Google Patents

Abstract

ガスレギュレータは、アクチュエータと弁箱とを備え、アクチュエータは、円筒形状のシュラウドを備えた弁体を有している。このシュラウドは、弁体から延出し、レギュレータを流れる流体を、弁の流出口の方に、且つアクチュエータから離れるように流す。このような構造は、通常運転時においてアクチュエータが受ける圧力降下量を減らすことより、「ドループ」として知られる現象を最小限に抑える効果を有している。少なくとも１つの実施形態では、シュラウドは、特定の用途に合わせてレギュレータのチューニングを可能とするために、調節可能、及び／又は、取り外し可能となっている。

Description

関連出願相互参照

２００７年４月２０日に出願された「ブースト性能を向上させたサービスレギュレータ」という表題の米国特許仮出願第６０／９１３，１３５号の優先権を主張し、その全内容を本明細書において参照することにより援用するものとする。

本発明は、ガスレギュレータに関するものであり、とくに閉ループ制御が行なわれるアクチュエータを備えるガスレギュレータに関するものである。

代表的なガス分配システムにより供給されるガスの圧力は、システムに課される需要、天候、供給源及び／又は他の要因に応じて変わる場合がある。しかしながら、加熱炉、オーブンなどの如きガス機器を備えるエンドユーザ設備の殆ど全てにおいて、必要とするガスは、予め定められた圧力、且つガスレギュレータの最大容量以下である。したがって、供給されるガスがエンドユーザ設備の要求を満たすために、ガス分配システムの中にガスレギュレータが組み込まれている。一般的に、従来のガスレギュレータは、供給されたガスの圧力を感知して制御する閉ループ制御アクチュエータを備えている。

従来のガスレギュレータによっては、閉ループ制御に加えてリリーフ弁を備えている場合もある。リリーフ弁は、例えばレギュレータ又は流体分配システムの他の構成部品が故障したときに、過剰な圧力上昇を防止するように構成されている。それ故、リリーフ弁は、供給圧力が予め定められた閾値圧力を超えると、開弁して少なくとも一部のガスを大気に排出し、システム内の圧力を降下させるようになっている。

図１及び図１Ａには、１つの従来のガスレギュレータ１０が示されている。通常、レギュレータ１０は、アクチュエータ１２とレギュレータ弁１４とを備えている。レギュレータ弁１４には、例えばガス分配システムからガスを受け取るための流入口１６と、工場、レストラン、アパート等の如き、１又は複数の機器を備えているエンドユーザ設備にガスを供給するための流出口１８とが形成されている。更に、レギュレータ弁１４は、流入口１６と流出口１８との間に配置される弁ポート３６を備えている。ガスがレギュレータ弁１４の流入口１６と流出口１８との間を移動するためには、弁ポート３６を通り抜けなければならないようになっている。

アクチュエータ１２は、レギュレータ弁１４に結合され、レギュレータ弁１４の流出口１８における圧力、すなわち流出口圧力が所望の流出口圧力又は制御圧力に応じた圧力になるように保証するようになっている。したがって、アクチュエータ１２は、弁口部３４及びアクチュエータ口部２０を通じて、レギュレータ弁１４と連通している。アクチュエータ１２は、レギュレータ弁１４の流出口圧力を感知及び調節するための制御アセンブリ２２を備えている。詳細にいえば、制御アセンブリ２２は、ダイヤフラム２４と、ピストン３２と、弁体２８を有した制御アーム２６とを有している。従来の弁体２８は、略円筒形状の本体２５と、本体２５に固定されたシール用挿入部材２９とを有している。また、弁箱２５は、図１Ａに示されているように、本体に一体成形された環状のフランジ３１をさらに有していてもよい。ダイヤフラム２４は、レギュレータ弁１４の流出口圧力を感知する。制御アセンブリ２２は、制御ばね３０をさらに有している。この制御ばね３０は、ダイヤフラム２４の上側と係合し、感知された流出口圧力を相殺するようになっている。したがって、予め定められた流出口圧力、いわゆる制御圧力は、選択される制御ばね３０に応じて決まる。

ダイヤフラム２４は、制御アーム２６、すなわち弁体２８にピストン３２を介して作用可能に結合されており、感知された流出口圧力に基づいてレギュレータ弁１４の開度を制御するようになっている。例えば、エンドユーザが加熱炉の如き機器を操作し、この機器がレギュレータ１０の下流側にあるガス分配システムに要求を伝えると、流出口の流量が増えて流出口圧力が降下する。そうすると、ダイヤフラム２４は、降下した流出口圧力を感知する。これにより、制御ばね３０が伸び、図１の紙面において、ピストン３２及び制御アーム２６の右側の部分が下方に向けて移動する。この制御アーム２６の変位により、弁体２８が弁ポート３６から離れるように移動し、レギュレータ弁１４が開弁される。図１Ａには、第１の動作モード、即ち通常の動作モードにおける弁体３４が示されている。このように構成されると、機器は、弁ポート３６を通してレギュレータ弁１４の流出口１８の方にガスを引くことができる。

従来のレギュレータ１０において、弁ポート３６を開くべく制御アーム２６を移動させるとき、制御ばね３０は、圧縮前の長さに戻すように伸びていくので、制御ばねが発生する力は、必然的により小さくなる。更に、制御ばね３０が伸びるにつれてダイヤフラム２４が変形し、ダイヤフラム２４の面積が広くなる。このような操作状況では、制御ばね３０により供給される力が小さくなることと、ダイヤフラム２４の面積が広がることとが組み合わさって、制御ばね３０によって供給される力とダイヤフラム２４によって発生する力との適切なバランスがとれなくなってしまい、流出口の制御力がユーザによって最初にセットされた制御圧力よりも小さくなってしまうようにレギュレータが反応してしまうことになる。この現象は、「ドループ」として知られている。「ドループ」が生じると、流出口圧力は、セットされた制御圧力を下回ることになり、レギュレータ１０が意図通りに機能しなくなってしまう虞がある。

図１に示されている従来のレギュレータ１０では、制御アセンブリ２２が、上述のようなリリーフ弁としてさらに機能する。詳細にいえば、制御アセンブリ２２は、リリーフ用ばね４０と放出弁４２とをさらに備えている。ダイヤフラム２４は、その中央部を貫通する開口部４４を有しており、ピストン３２は、シールカップ部３８を有している。リリーフ用ばね４０は、通常運転の間、ピストン３２とダイヤフラム２４との間に配置され、シールカップ３８に抗してダイヤフラム２４を付勢し、開口部４４を閉めるようになっている。例えば、制御アーム２６に破損等の故障が生じると、制御アセンブリ２２は、もはや弁体２８を直接的に制御することができなくなり、流入口の流れが弁体２８を極端な開弁位置へと押しやることになる。これにより、最大流量のガスがアクチュエータ１２の中に流れ込むことになる。したがって、アクチュエータ１２がガスにより満たされるにつれて、ダイヤフラム２４に抗する圧力が蓄積され、ダイヤフラム２４がシールカップ３８とから離れるように押され、これにより開口部４４が暴露される。そうすると、ガスがダイヤフラム２４の開口部４４を通り抜け、放出弁４２の方向に向けて流れる。図２に示されているように、放出弁４２は、弁体４６と、閉弁位置に向けて弁体４６を付勢する放出ばね５４とを有している。アクチュエータ１２内の放出弁４２の近傍の圧力が予め定められる閾値圧力に達すると、弁体４６は、放出ばね５４の付勢に抗して上方に変位して開く。これにより、ガスが大気中に排出され、レギュレータ１０の中の圧力が降下するようになっている。

ある用途に用いるためにレギュレータを選択する場合、技術者は、設定された制御圧力で流れ容量を最大にするとともに、故障時に大気中に排出するガスの量を最小限に抑えるという課題を有している。一般的にこの課題は、弁ポート等、レギュレータ１０の様々な側面を設計又は選択することによって解決できるが、競合する様々な利益間における産物である。リリーフ弁によって大気中に排出されるガスの量を制限するために、技術者は、必要な流れ容量を満足させるべく、利用できる最も小さなポートを選択することが多い。

本発明は、調節可能な制御要素及び／又はレギュレータ、若しくは他の流体の流れを制御する又は調節するデバイスを提供する。一実施形態では、本発明の原理に従って構成される調節可能なレギュレータは、弁箱と、弁ポートと、弁体と、ダイヤフラムと、シュラウドとを備える。弁箱には、流入口と流出口とが形成されている。弁箱は、流入口と流出口との間に弁ポートを有している。弁体は、弁箱内に配置され、弁箱を流れる流体の流れを制御するべく開弁位置と閉弁位置との間で変位可能に構成されている。

更に、一実施形態では、弁体は、当該弁体が閉弁位置にあるときに弁ポートと係合するためのシール面を有してもよい。ダイヤフラムは、弁体に作用可能に接続され、弁体の位置を制御できるようになっている。シュラウドは、弁体に設けられており、当該シュラウドは、軸線方向において弁体のシール面をから延出しており、弁体が開弁位置にあるとき弁ポートを流れる流体を弁箱の流出口の方に向けて流すようになっている。

一実施形態では、シュラウドは、複数の位置の間を弁体に対して軸方向に変位することにより、個々の要求を満たすようにレギュレータをチューニングできるように構成された調節可能なシュラウドである。

他の実施形態では、シュラウド及び弁体のうちの少なくとも１つは、調整可能なシュラウドの弁体に対する位置を示すしるしを有してもよい。

一実施形態では、シュラウドは、弁体と螺合する円筒状のシュラウドを含んでもよい。１つの形態では、シュラウドは、弁体の外周面と螺合するように構成されている。他の形態では、シュラウドは、弁体から完全に着脱可能に構成されていてもよい。

他の又は代わりの実施形態によれば、レギュレータが複数のシュラウドを更に備えていてもよい。例えば、レギュレータは、第１のシュラウドと第２のシュラウドとを備えてもよい。第１のシュラウド及び第２のシュラウドの各々をレギュレータに対して異なる動作特性を与えるために弁体に交換可能に配置することができる。例えば、第１のシュラウドは、第１の流れ特性を提供するために第１の距離だけ弁体から延出するように構成され、第２のシュラウドは、第２の異なる流れ特性を提供するために第２の距離だけ弁体から延出するように構成されてもよい。

従来のレギュレータを示す垂直断面図である。 図１のレギュレータのレギュレータ弁を示す垂直断面図である。 弁体が閉弁位置にある本発明の一実施形態に従って構成されたレギュレータを示す垂直断面図である。 弁体が動作位置にある図２のレギュレータを示す垂直断面図である。 本発明の一実施形態に従って構成された、図３及び図３Ａのレギュレータの制御要素の一部分を分解して示す垂直断面図である。 第１の配置に従って構成された図３の制御要素を示す垂直断面図である。 第２の配置に従って構成された図３Ａの制御要素を示す垂直断面図である。 第３の配置に従って構成された図４の制御要素を示す垂直断面図である。 制御要素が全開した動作位置にある図３のレギュレータ弁を示す垂直断面図である。 本発明の他の実施形態に従って構成された制御要素を示す垂直断面図である。 本発明の他の実施形態に従って構成された制御要素を示す垂直断面図である。 本発明の他の実施形態に従って構成された制御要素を示す垂直断面図である。

図２及び図３には、本発明の一実施形態に従って構成されたガスレギュレータ１００が示されている。ガスレギュレータ１００は、一般的にアクチュエータ１０２とレギュレータ弁１０４とを備えている。レギュレータ弁１０４は、例えば、ガス分配システムからガスを受け取るための流入口１０６と、一又は複数の機器を有する設備に対してガスを移送するための流出口１０８とを有している。アクチュエータ１０２は、レギュレータ弁１０４に結合されている。また、アクチュエータ１０２は、制御要素１２７を有する制御アセンブリ１２２を備えている。第１の動作モード、即ち通常の動作モードでは、制御アセンブリ１２２が、レギュレータ弁１０４の流出口１０８の圧力、即ち流出口圧力を感知し、流出口圧力が予め定められた制御圧力と略等しくなるように制御要素１２７の位置を制御するようになっている。更に、システムに故障が発生すると、レギュレータ１００は、リリーフ機能を実行するようになっており、当該リリーフ機能は、前述する図１及び図１Ａに示されているレギュレータ１０におけるリリーフ（ｒｅｌｉｅｆ）機能におおむね類似している。

図２をさらに参照すると、レギュレータ弁１０４には、スロート部１１０及び弁口部１１２が形成されている。スロート部１１０は、流入口１０６と流出口１０８との間に配置されている。弁ポート１３６は、スロート部１１０に配置されており、また、弁ポート１３６には、流入口１５０及び流出口１５２を有する孔部１４８が形成されている。ガスがレギュレータ弁１０４の流入口１０６と流出口１０８との間を移動するためには、弁ポート１３６の孔部１４８を通り抜けなければならない。弁ポート１３６は、レギュレータ弁１０４から取り外し可能となっており、取り外して直径又は構造が異なる孔部を有した別の弁ポートに取り替えることでレギュレータ弁１０４の動作特性及び流れ特性を特定の用途に合わすことができる。開示されている実施形態では、弁口部１１２には、開口部１１４（図３A及び図４に示されている）が形成されており、開口部１１４は、レギュレータ弁１０４の流入口１０６及び流出口１０８の軸線に略直交する軸線に沿って形成されている。

アクチュエータ１０２は、ハウジング１１６と、前述する制御アセンブリ１２２とを有している。ハウジング１１６は、例えば、複数の締結部材等で相互に固定される上側ハウジング構成部材１１６ａ及び下側ハウジング構成部材１１６ｂを有している。下側ハウジング構成部材１１６ｂには、制御キャビティ１１８及びアクチュエータ口部１２０が形成されている。アクチュエータ口部１２０は、レギュレータ弁１０４の弁口部１１２に接続されており、アクチュエータ１０２とレギュレータ弁１０４とを連通している。開示されている実施形態において、レギュレータ１００は、口部１１２と口部１２０とを互いに固定するカラー１１１を備えている。上側ハウジング構成部材１１６ａには、リリーフ用キャビティ１３４及び排気ポート１５６が形成されている。上側ハウジング構成部材１１６ａには、タワー部１５８がさらに形成され、タワー部１５８には、制御アセンブリ１２２の一部分が収容されている。

制御アセンブリ１２２は、ダイヤフラムサブアセンブリ１２１と、弁体サブアセンブリ１２３と、放出弁１４２とを有している。ダイヤフラムサブアセンブリ１２１は、ダイヤフラム１２４と、ピストン１３２と、制御ばね１３０と、リリーフ用ばね１４０と、組合せばね台座１６４と、リリーフ用ばね台座１６６と、制御ばね台座１６０と、ピストンガイド部材１５９とを有している。

さらに具体的にいえば、ダイヤフラム１２４は、円盤状のダイヤフラムによって構成されており、その中央部に開口部１４４が形成されている。ダイヤフラム１２４は、可撓性を有し、且つ実質的に気密性を有した材料から成り、その外周縁部は、ハウジング１１６の上側ハウジング構成部材１１６ａと下側ハウジング構成部材１１６ｂとの間にシールを達成した状態で固定されている。それ故、ダイヤフラム１２４は、制御キャビティ１１８からリリーフ用キャビティ１３４を分離している。

組合せばね台座１６４は、ダイヤフラム１２４上に配置されている。また、組合せばね台座１６４には、開口部１７０が形成され、開口部１７０は、ダイヤフラム１２４の開口部１４４と同軸上に配置される。図２に示されているように、組合せばね台座１６４は、制御ばね１３０及びリリーフ用ばね１４０を支えるようになっている。

開示されている実施形態に係るピストン１３２は、おおむね細長いロッド形状の部材により構成されており、シールカップ部１３８と、ヨーク１７２と、ネジ部１７４と、ガイド部１７５とを有する。シールカップ部１３８は、凹形状且つ略円盤形状になっており、ピストン１３２の中央部を中心とする円周方向に延びている。また、シールカップ部１３８は、ダイヤフラム１２４の真下に配置されている。ヨーク１７２は、カップラ１３５を収容可能に構成されたキャビティを有している。カップラ１３５は、弁体サブアセンブリ１２３の一部分に接続され、ダイヤフラムサブアセンブリ１２１と弁体サブアセンブリ１２３とを接続している。

ピストン１３２のガイド部１７５及びネジ部１７４は、ダイヤフラム１２４及び組合せばね台座１６４の開口部１４４、１７０を貫通するように配置されている。ピストン１３２のガイド部１７５がピストンガイド部材１５９のキャビティ内に摺動可能に配置されているため、ピストン１３２は、制御アセンブリ１２２のその他の部分に対して軸線方向に位置決めされる。リリーフ用ばね１４０、リリーフ用ばね台座１６６及びナット１７６は、ピストン１３２のネジ部１７４に配置されている。ナット１７６は、組合せばね台座１６４とリリーフ用ばね台座１６６との間でリリーフ用ばね１４０を保持している。制御ばね１３０は、前述のように組合せばね台座１６４上であって、且つ上側ハウジング構成部材１１６ａのタワー部１５８内に配置されている。制御ばね台座１６０は、タワー部１５８の中に通されており、組合せばね台座１６４に対向して制御ばね１３０を圧縮するようになっている。開示されている実施形態では、制御ばね１３０及びリリーフ用ばね１４０は、圧縮コイルばねにより構成されている。更に、制御ばね１３０は、上側ハウジング構成部材１１６ａに対して固定され、組合せばね台座１６４及びダイヤフラム１２４に対して下方向きの力を与えている。リリーフ用ばね１４０は、組合せばね台座１６４に対して固定され、リリーフ用ばね台座１６６に対して上方向きの力を与え、更にこの力は、ピストン１３２に与えられる。開示されている実施形態では、制御ばね１３０により発生する力は、タワー部１５８内の制御ばね台座１６０の位置を調節することにより調節可能となっている。それ故、レギュレータ１００の制御圧力も調節可能となる。

制御ばね１３０は、ダイヤフラム１２４により感知される制御キャビティ１１８内の圧力に抗して作動するようになっている。前述するように、この圧力は、レギュレータ弁１０４の流出口１０８に存在する圧力と同じ圧力である。それ故、制御ばね１３０により与えられる力により、流出口圧力がレギュレータ１００のおける所望の圧力又は制御圧力になる。ダイヤフラムサブアセンブリ１２１は、前述のように、ピストン１３２のヨーク部１７２とカップラ１３５とを介して弁体サブアセンブリ１２３に作用可能に結合されている。

詳しく説明すると、弁体サブアセンブリ１２３は、制御アーム１２６と弁棒ガイド１６２とを有している。制御アーム１２６は、弁棒１７８と、レバー１８０と、制御要素１２７とを有している。開示されている実施形態に係る制御要素１２７は、弁体１２８とシュラウド１８２とを有している。弁棒１７８、レバー１８０及び弁体１２８は、別々に製造されて組み立てられ、制御アーム１２６を構成するようになっていてもよい。詳述すると、弁棒１７８は、略直線状のロッドであり、ノーズ部１７８ａと、凹部１７８ｂとを有している。凹部１７８ｂは、開示されている実施形態において略矩形状となっている。レバー１８０は、わずかに湾曲したロッドであり、支点端部１８０ａと、自由端部１８０ｂとを有している。支点端部１８０ａは、アパーチャ１８４を有しており、アパーチャ１８４は、下側ハウジング構成部材１１６ｂにより支えられている回転ピン１８６を受容している。また、支点端部１８０ａは、ナックル部１８７をさらに備えている。ナックル部１８７は、断面視において楕円形状になっており、弁棒１７８の凹部１７８ｂ内に配置されている。自由端部１８０ｂは、ピストン１３２のヨーク１７２に取り付けられているカップラ１３５の頂部１３５ａとピン１３５ｂとの間で受容されている。このように、カップラ１３５は、弁体サブアセンブリ１２３をダイヤフラムサブアセンブリ１２１に作用可能に接続するようになっている。

弁棒ガイド１６２は、略円筒形状の外側部分１６２ａと、略円筒形状の内側部分１６２ｂと、これらの外側部分１６２ａと内側部分１６２ｂとを接続する複数の放射状のウェブ１６２ｃとを有している。弁棒ガイド１６２の外側部分１６２ａは、レギュレータ弁１０４及び下側ハウジング構成部材１１６ｂのそれぞれに対応する口部１１２，１２０の内部に嵌合するようなサイズ及び形状に形成されている。内側部分１６２ｂは、制御アーム１２６の弁棒１７８を摺動可能に保持するようなサイズ及び形状に形成されている。したがって、弁棒ガイド１６２は、レギュレータ弁１０４、アクチュエータハウジング１１６及び制御アセンブリ１２２、さらに具体的には制御アセンブリ１２２の制御アーム１２６の弁棒１７８の配置構造を決める役目を有している。

図４を参照すると、制御要素１２７の弁体１２８は、カラー１９３と、略円筒形状の本体１８５とを有している。図２に示されているように、カラー１９３は、弁棒１７８のノーズ部１７８ａにスナップ式で嵌合されるように構成されている。円筒形状の本体１８５は、円形状のシール面１８８と外周面１９０とを有している。また、円筒形状の本体１８５は、シール部材１９１をさらに備えている。シール部材１９１は、本体１８５のその他の部分に取り付けられるとともにシール面１８８を有している。シール部材１９１は、たとえば接着剤又は他の手段を用いて、円筒形状の本体１８５のその他の部分に取り付けられてもよい。シール部材１９１は、円筒形状の本体１８５のその他の部分と同一の又はそれとは異なる材料から製造されてもよい。たとえば、一実施形態では、シール部材１９１はポリマー製のシール部材１２９を有している。

図４をさらに参照すると、シュラウド１８２は、略円筒状の部材を有している。この略円筒状の部材は、カラーとも呼ばれ、リング形状の端面１９２と内周面１９４とを有している。一実施形態では、例えば、図４に示されているように、シュラウド１８２の内周面１９４は、複数のネジ山を有しており、これら複数のネジ山は、弁体１２８の外周面１９０にある複数の合わせネジ山と螺合するように構成されている。更に、シュラウド１８２は、端面１９２に隣接して配置される面取りされた内周面部分１９６を有している。また、この面取りされた内表面部分１９６は、少なくとも一実施形態では、テーパが形成された断面部分と呼ばれ、例えば円錐台形状の面を有している。

シュラウド１８２は、組立時、端面１９２を弁体１２８のシール面１８８に対して略並行にし、且つそこからオフセットして配置するように、弁体１２８の外周面に取り付けられている。このように、組立時、シール面１８８がシュラウド１８２の端面１９２から引っ込めて配置されることによって、制御要素１２７内のシール面１８８と端面１９２との間に略円柱形状のキャビティ１２７ａ（たとえば、図５Ｂ及び図５Ｃに示されている）が形成される。図に示すように、制御要素１２７が開示されている実施形態において、弁体１２８に螺合されるシュラウド１８２が含まれていてもよい。このことは、弁体１２８に対してシュラウド１８２を回転させることにより、シュラウド１８２の軸線方向の位置を調節することができるという利点がある。このような軸線方向の変位は、後述するように、制御要素１２７を特定の用途に合わせて調節することができる。他の実施形態では、シュラウド１８２は、ネジ山に代えて位置決めネジ（図示せず）を有し、この位置決めネジを弁体１２８の外周面１９０に締め込むことでシュラウド１８２の軸線方向の位置を固定できるようにしてもよい。さらに他の実施形態では、シュラウド１８２は、弁体１２８にネジ止めされることに加えて位置決めネジを有していてもよい。更に他の実施形態では、シュラウド１８２及び弁体１２８は、刻み付き接続手段、キー溝付き接続手段又はスプライン溝付き接続手段により接続され、弁体１２８に対してシュラウド１８２を調節することできるようになっていてもよい。制御要素１２７の更に他の実施形態は、弁体１２８に対するシュラウド１８２の位置を示すことができるように、シュラウド１８２の内周面１９４と弁体１２８の外周面１９０との少なくとも一方にしるしを有していてもよい。このしるしには、例えば、図４に示されているしるしの如き弁体１２８の外周面１９０上に付けられた目盛りマーク２００が含まれている。

図２には、閉弁位置にあるレギュレータ１００が示されている。レギュレータ１００の下流側のシステムからの需要が無い状態である。それ故、弁体１２８のシール面１８８は、弁ポート１３６の流出口１５２にシールを達成した状態で係合している。このように配置されると、ガスは、弁ポート１３６及びレギュレータ弁１０４を通り抜けて流れない。ハウジング１１６の制御キャビティ１１８内の圧力に対応し、且つダイヤフラム１２４により感知される流出口圧力が制御ばね１３０によって与えられる力よりも大きいので、このような配置になる。したがって、流出口の圧力により、ダイヤフラム１２４、ピストン１３２及び弁体１２８が閉弁位置の方に移動させられる。

しかしながら、ユーザが加熱炉、ストーブ等の如き機器を操作し始める等、ガス分配システムから動作要求があると、当該機器がレギュレータ１００の制御キャビティ１１８からのガスの流れを引き出し、これによりダイヤフラム１２４に感知される圧力が下がる。ダイヤフラム１２４より感知される圧力が下がるにつれて、ダイヤフラム１２４において、制御ばねの力と流出口圧力との間の力のバランスがとれなくなり、その結果、制御ばね１３０が伸びてダイヤフラム１２４及びピストン１３２をハウジング１１６に対して下方に変位させる。これにより、レバー１８０がピボットピン１８６を中心に時計回り方向に回転する。回転することで、更にナックル部１８７が弁棒１７８内の凹部１７８ｂに対して回転する。これにより、制御要素１２７が弁ポート１３６の流出口１５２から遠ざかるように移動し、レギュレータ弁１０４が開弁される。

図３及び図３Ａには、一例として、通常の動作位置にある制御要素１２７を有するダイヤフラムサブアセンブリ１２１が示されている。このように配置されると、ガス分配システムは、制御ばね１３０により設定される制御圧力のガスをレギュレータ弁１０４を通して下流側の機器に供給することができるようになっている。更に、ダイヤフラムサブアセンブリ１２１は、レギュレータ弁１０４の流出口圧力を感知し続ける。流出口圧力が制御圧力と略等しいままである限り、制御アセンブリ１２２は、同じ通常位置にて弁体１２８を保持する。しかしながら、流出口の流量、即ち要求量が減少し、それによって制御ばね１３０により設定された制御圧力を上回るまで流出口圧力が上昇した場合、ダイヤフラム１２４は、増加した流出口圧力を感知して、制御ばね１３０の付勢力に抗して上方に移動することになる。逆に、流出口の流量、即ち要求量が増大し、それによって制御圧力を下回るまで流出口圧力が降下した場合、ダイヤフラム１２４が減少した流出口圧力を感知し、ばね１３０がダイヤフラム１２４及びピストン１３２を下方に押し、レギュレータ弁１０４を開く。このように、流出口圧力又は制御圧力が少し外れると、制御アセンブリ１２２は、それに反応し、外れたぶんだけ弁体１２８の位置を調節するようになっている。

制御ばね１３０が制御要素１２７を変位させて弁ポート１３６を開くために伸びていくにつれて、制御ばね１３０が生成する力は減少し、ダイヤフラム１２４の面積が増大する。図１及び図１Ａに記載される従来のレギュレータ１０では、このばね力の減少及びダイヤフラム面積の増大により、ダイヤフラム２４のバランスを保つのに必要な流出口圧力の大きさが減少し、このことによりダイヤフラム２４は、実際の流出口圧力よりも低い圧力を感知することとなる。これにより、制御アセンブリ２２が弁ポート３６を更に開き、レギュレータ弁１４の流出口圧力が制御圧力未満にまで下げられる。この現象は「ドループ」として知られている。

しかしながら、本発明のこの実施形態に開示されているレギュレータ１００の制御要素１２７は、この「ドループ」の補償を促進すべく弁体１２８に取り付けられるシュラウド１８２を備えている。シュラウド１８２は、弁体１２８のシール面１８８から延出させることを選択することで、制御要素１２７がこの第１の動作モード、つまり動作状態にあるときに、シュラウド１８２が弁ポート１３６からのガスの流れをアクチュエータ１０２のダイヤフラム１２４から遠ざけるように、そしてレギュレータ弁１０４の流出口１０８の方に流すことができるように構成されている。このように構成されることにより特筆すべき点は、シュラウド１８２によって生じる制限（ｒｅｓｔｒｉｃｔｉｏｎ）に起因してシュラウド１８２が見かけ上低い圧力又は誤った圧力をダイヤフラム１２４に感知させているということである。ダイヤフラム１２４で圧力が低く感知されるため、制御ばね１３０は、ダイヤフラム１２４を下方に付勢する。これにより、弁ポート１３６がさらに開くことになる。これにより、弁１０４を通って流出口に流れるガスの流量が増え、流出口１０８の流出口の制御圧力が上昇する。したがって、開示されている実施形態にかかる制御要素１２７は、本来生じる「ドループ」を相殺するための「ブースト（ｂｏｏｓｔ）」を実現している。

開示される実施形態に係るシュラウド１８２は、前述のように、弁体１２８に調節可能に取り付けられている。それ故、例えば弁体１２８に対するシュラウド１８２の軸線方向の位置を調節することで、つまりシュラウド１８２がシール面１８８から延出する距離を調節してガスの流れをレギュレータ弁１０４の流出口１０８に向けることで、制御要素１２７を様々な用途に合わせて調整することができる。

たとえば、図５Ａ〜図５Ｃに示されているように、開示されている実施形態に係る制御要素１２７は、例えば３つの配置位置の間で調整可能である。シュラウド１８２及び弁体１２８がネジ止めされるようになっている開示の実施形態では、言うまでもなく、実質的に無数の構造を有するように制御要素１２７が構成されてもよい。

図５Ａには、第１の配置構造を呈している制御要素１２７が示されており、第１の配置構造では、シュラウド１８２の端面１９２が弁体１２８のシール面１８８と実質的に面一になっている。制御要素１２７のこの配置構造は、制御要素１２７の直径が大きくなることによる小量の「ブースト」を提供することができるが、流れを方向付けするためのシュラウド１８２と弁体１２８との間のキャビティが形成されていない。

それとは対照的に、図５Ｂには、第２の配置構造を呈している制御要素１２７が示されており、第２の配置構造では、シュラウド１８２の端面１９２が弁体１２８のシール面１８８から第１の距離だけ延出している。このように配置されると、制御要素１２７には、円柱形状のキャビティ１２７ａが形成される。この円柱形状のキャビティは、弁体１２８のシール面１８８とシュラウド１８２の内周面１９４との間に形成される。同様に、図５Ｃには、第３の配置構造を呈している制御要素１２７が示されており、シュラウド１８２の端面１９２が弁体１２８のシール面１８８から第２の距離だけ延出している。この第２の距離は、第１の距離より大きいため、図５Ｃに示されている配置構造では、図５Bに示されているキャビティ１２７ａよりも大きな寸法のキャビティ１２７ａが形成されることになる。

図３をさらに参照すると、通常運転時であって且つ制御要素２７が図５Ｂ又は図５Ｃのうちの一方に示されているように配置されている場合、弁ポート１３６から流れる流体の少なくとも一部分は、制御要素１２７内に形成されているキャビティ１２７ａの中に流れ込むことになる。流体がシール面１８８から反れて離れると、この流体は、キャビティ１２７ａから流出し、弁箱１０４の流出口１０８に向かって流れようとする。図４において特定されているシュラウド１８２の面取りされた内周面１９６は、シュラウド１８２が流体を捕らえ、そして逃がす際の助けとなる。従って、シュラウド１８２のうちの弁体１２８のシール面１８８から延出している部分は、流体の流れを弁箱１０４の流出口１０８の方に向けると同時に、同一の流体をアクチュエータ１０２から離れるように流してダイヤフラム１２４によって感知される圧力に対して「ブースト」を与えるようになっている。

上述のように、シュラウド１８２は、「ブースト」の量を調整することができるように、弁体１２８に対して調節可能に位置決めされる。例えば、図５Ｃに示されているシュラウド１８２の実施形態は、その端面１９２を図５Ｂに示されている実施形態よりもシール円板１２８のシール面１８８からさらに離れた位置に配置するようになっている。それ故、図５Ｃに示されている第３の配置構造はより大きなキャビティ１２８ａを形成し、図５Ｂに示されている第２の配置構造よりも大きな量の「ブースト」を提供する。このように、制御要素１２７は、これらの異なる配置構造の各々において別々に、レギュレータ弁１０４を流れるガスの流れと相互作用するようになっている。

システムで故障が生じた場合、開示されている実施形態に係る制御要素１２７は、レギュレータ１００のリリーフ機能に影響を与えることはない。もっと正確にいえば、図６に示されているように、第２のモード又は故障動作モードでは、制御要素１２７は、レギュレータ１００に圧抜きするための完全開弁位置へ移動する。これにより、ピストン１３２及び密閉用カップ１３８が最下方位置に移動することになる。このように配置されると、制御要素１２７は、弁ポート１３６から流れ出す流れに対する制限（絞り）を最小限に抑え、この流れをレギュレータ弁１０４の流出口１０８の方に、そしてアクチュエータ１０２の中へと案内し、放出弁１４２の構造により予め定められた圧抜きができるようになっている。例えば、一度、制御キャビティ１１８内の圧力がリリーフ用ばね１４０によって設定されるリリーフ圧力を越えると、この圧力は、ダイヤフラム１２４及び組合せばね台座１６４を上方に向けて押し、これにより、当該圧力がリリーフ用ばね台座１６６に抗してリリーフ用ばね１４０を圧縮する。次いで、ダイヤフラム１２４がピストン１３２のシールカップ１３８から離れ、ガスが開口部１４４、１７０を通ってダイヤフラム１２４上のリリーフ用キャビティ１３４の中へと流れる。リリーフ用キャビティ１３４がガスで充填されると、その圧力が上昇する。

リリーフ用キャビティ１３４内の圧力が予め定められた放出圧力を超えると、放出弁１４２は、開弁し、図１に示されている従来のレギュレータ１０で前述したように、排気ポート１５６を通して大気中にガスを排出する。詳細にいえば、放出弁１４２は、弁体１４６と放出ばね１５４とを有している。図２に示されているように、放出弁１４２は、ハウジング１１６の上側ハウジング構成部材１１６ａ内の排出ポート１５６に隣接する部分に収容されている。さらに具体的にいえば、排気ポート１５６は、鉛直部１５６ａと水平部１５６ｂとを有するＬ字形のキャビティを備えている。鉛直部１５６ａは、リリーフ用キャビティ１３４と連通している。水平部１５６ｂは大気に開放されている。鉛直部１５６ａは、放出弁１４２を収容しており、また、弁座面１９８を形成している。したがって、放出ばね１５４は、排気ポート１５６の弁座面１９８に抗する閉弁位置へ弁体１４６を付勢していることになる。

図７Ａ〜図７Ｃには、本発明の原理に従って製造される他の実施形態の制御要素２２７が示されている。制御要素２２７は、弁体２２８と、複数のシュラウド２８２ａ、２８２ｂ、２８２ｃとを有している。弁体２２８は、図３〜図６に関して記載された弁体１２８と類似している。弁体２２８は、略円筒形状の本体２８５と、カラー２９３とを有している。本体２８５は、シール面２８８と外周面２９０とを有している。カラー２９３は、図２及び図３に関して上述した弁棒１７８のノーズ部１７８ａと同様に、制御アセンブリの弁棒上にスナップ式で嵌合されるように構成されている。

複数のシュラウド２８２ａ、２８２ｂ、２８２ｃは、弁体２２８の本体２８５に交換可能に構成されている。このように、技術者は、例えば、前述の１つのシュラウド１８２を調節することによって制御要素１２７をチューニングすることに類似した方法で、個々の用途に応じた個々の流れ特性を達成すように制御要素２２７をチューニングするべく例えば１つのシュラウド２８２ａを他のシュラウド２８２ｂと交換できるようになっている。

たとえば複数のシュラウド２８２ａ、２８２ｂ、２８２ｃの各々は、異なる軸線方向の寸法を有している。したがって、レギュレータ弁１０４を流れる流れに対する制御要素２２７の影響、即ち流出口圧力は、用いるシュラウド２８２ａ、２８２ｂ、２８２ｃにより変化する。そうでなければ、シュラウド２８２ａ、２８２ｂ、２８２ｃは、同一形状であることになる。詳細にいえば、各シュラウド２８２ａ、２８２ｂ、２８２ｃは、カラー又は本体と呼ばれる１つの円筒形状の部材を含んでおり、端面２９２と、面取りされた内周面２９９を有する内周面２９４とを備えている。一実施形態では、シュラウド２８２ａ、２８２ｂ、２８２ｃの内周面２９４は、複数のネジ山、刻み付き接続手段、位置決めネジ若しくはその他の固定デバイス又はこれらの固定デバイスを組み合わせることで制御円板２２８の本体２８５に着脱可能に取り付けられる。それ故、シュラウド２８２ａ、２８２ｂ、２８２ｃの各々の軸線方向の寸法が異なるため、各シュラウドは、異なる距離だけ弁体２２８のシール面２８８から延出する。それ故、各シュラウドは、通常運転時、レギュレータ弁１０４を流れる流れ及び圧力に異なる影響を与えることとなる。

このため、本発明に従って構成されたレギュレータ及び／又は制御要素は、レギュレータ１００内の圧抜きの性能に対して悪影響を及ぼすことなく、弁ポート１３６を流れるガスの流れをレギュレータ弁１０４の流出口１０８の方に、そしてアクチュエータ１０２から離れるように案内することによって、「ドループ」を相殺し、及び／又は発生しないようにする効果を奏する。さらに、本発明に係る調整可能及び／又は交換可能な制御要素１２７、２２７は、様々な特定の用途に合うようにレギュレータ１００をチューニングする機能を果たすという効果を奏する。本明細書には、様々なレギュレータ及び制御要素が記載されているが、本発明は、これらの実施形態に限定されることを意図したものではなく、より正確にいえば、請求項の範囲の技術範囲及び技術思想により定義されるものを含むことを意図したものである。

たとえば、本発明の原理に従って構成される制御要素の他の実施形態は、略カップ形状の弁体部材及び複数の挿入部材を有しうる。このカップ形状の弁体部材には、キャビティが形成されてもよく、これらの挿入部材はたとえばさまざまな厚みを有してもよい。したがって、これらの挿入部材を弁体のキャビティ内に交換可能に配置して、様々な厚みのキャビティを形成することによりレギュレータ弁１０４を流れる流れに対して様々な影響を与えるようにしてもよい。一実施形態では、挿入部材は、磁化された挿入部材であってもよいし、ネジ切りされた挿入部材であってもよいし、又は、単に摩擦により勘合される挿入部材であってもよい。他の実施形態では、挿入部材をキャビティ内に積み重ねることによって様々な奥行き形成するようにしてもよい。

さらに、本明細書に記載のレギュレータは、本発明の技術思想を組み入れた流体制御デバイスの一例でしかない。また、制御弁の如き他の流体制御デバイスも、本発明の構成及び／又は利点から利益を享受することができる。

Claims (23)

1. 流体調節デバイスであって、
   流入口と流出口とが形成された弁箱と、
   前記流入口と前記流出口との間で前記弁箱に形成されている弁ポートと、
   前記弁箱内に摺動可能に配置され、開弁位置と閉弁位置との間を変位して前記弁箱を流れる流体の流れを制御するように構成され、前記弁体が前記閉弁位置にあるときに前記前記弁ポートと係合するためのシール面を有している弁体と、
   前記弁体の外周面に着脱可能に設けられ、前記弁体の前記シール面を越えて延出し、前記弁ポートから流れてくる流体を前記流出口の方に向けて案内する円筒形状の部材とを備えているデバイス。
2. 前記円筒形状の部材は、第１の位置と第２の位置との間を前記弁体に対して軸方向に変位するように構成されている請求項１に記載のデバイス。
3. 前記円筒形状の部材及び前記弁体のうちの少なくとも１つは、該弁体に対する前記円筒形状の部材の位置を示すしるしを有している請求項２に記載のデバイス。
4. 前記円筒形状の部材は、前記弁体の円筒形状の外周面と螺合するように構成されている請求項２に記載のデバイス。
5. 第１の円筒形状の部材及び第２の円筒形状の部材をさらに備えており、前記第１の円筒形状の部材及び前記第２の円筒形状の部材の各々は、前記弁体に交換可能に配置されるように構成されており、前記第１の円筒形状の部材は、前記シール面から第１の距離だけ延出するように構成され、前記第２の円筒形状の部材が、前記シール面から第２の距離だけ延出するように構成されている請求項１に記載のデバイス。
6. 流体調節デバイスであって、
   流入口、流出口、及び前記流入口と前記流出口との間に配置される弁ポートを有する弁箱と、
   前記弁箱に結合され、前記弁箱の前記流出口の圧力に基づいて前記レギュレータを流れる流体の流れを制御するアクチュエータとを備えており、
   該アクチュエータは、
   シール面を有し、前記弁箱内に配置され、前記弁ポートに係合する閉弁位置と、前記弁ポートとから離れて位置する開弁位置との間を変位するように構成された弁体と、
   該弁体の外周面に調節可能に結合されて前記シール面を越えて延出し、前記弁体が前記開弁位置にあるとき、前記弁ポートから流れる流体を前記弁箱の前記流出口の方に、且つ前記アクチュエータから離れるように案内するためのキャビティを形成する円筒形状のシュラウドとを有しているデバイス。
7. 前記円筒状のシュラウドは、第１の位置と第２の位置との間を前記弁体に対して軸線方向に変位するように構成されてなる、請求項６に記載のデバイス。
8. 前記円筒状のシュラウド及び前記弁体のうちの少なくとも１つは、前記弁体に対する前記円筒状のシュラウドの位置を示すしるしを有している請求項７に記載のデバイス。
9. 前記円筒状のシュラウドは、前記弁体の円筒形状の外周面と螺合するように構成されている請求項６に記載のデバイス。
10. 第１の円筒状のシュラウド及び第２の円筒状のシュラウドをさらに備えており、前記第１の円筒状のシュラウド及び前記第２の円筒状のシュラウドの各々は、交換可能に前記弁体に配置されるように構成されており、前記第１の円筒状のシュラウドは、前記シール面から第１の距離だけ延出するように構成され、前記第２の円筒状のシュラウドは、前記シール面から第２の距離だけ延出するように構成されている請求項６に記載のデバイス。
11. 流体調節デバイスであって、
    流入口と流出口とが形成された弁箱と、
    前記弁箱内に配置され、開弁位置と閉弁位置との間を変位して前記弁箱を流れる流体の流れを制御するように構成された弁体と、
    前記弁体の外周面に着脱可能に取り付けられ、前記弁体から第１の距離だけ延出することにより前記弁箱を流れる流体の流れを前記流出口の方に向けて案内する第１のシュラウドと、
    前記弁体の外周面に着脱可能に取り付けられるように構成され、前記第１のシュラウドと交換される第２のシュラウドとを備えており、
    前記第２のシュラウドは、前記第１の距離とは異なる第２の距離だけ前記弁体から延出することにより、前記弁箱を流れる流体の流れを前記流出口の方に案内するように構成されているデバイス。
12. 前記第１のシュラウド及び前記第２のシュラウドの各々は、円筒状の部材を含んでいる請求項１１に記載のデバイス。
13. 前記弁箱内には、前記流入口と前記流出口との間に弁ポートが配置されている請求項１１に記載のデバイス。
14. 前記弁体は、該弁体が閉弁位置にあるとき、前記弁ポートにシールを達成した状態で係合するように構成されたシール面を有している請求項１３に記載のデバイス。
15. 前記第１のシュラウドは、前記シール面から第１の距離だけ延出しており、前記第２のシュラウドは、前記第１の距離とは異なる第２の距離だけ前記シール面から延出している請求項１４に記載のデバイス。
16. 前記弁体に作用可能に接続されるダイヤフラムをさらに備えており、該ダイヤフラムは、前記弁箱の前記流出口の圧力に応じて前記開弁位置と前記閉弁位置との間を変位するように構成されている請求項１１に記載のデバイス
17. ダイヤフラムにより駆動されるガスレギュレータに適用できるように構成された調節可能な制御要素であって、
    前記レギュレータの流出口圧力に応じて開弁位置と閉弁位置との間を変位するように構成された略円筒形状の弁体と、
    前記弁体が前記閉弁位置にあるとき、前記レギュレータを流れる流体の流れを防止するように構成された、前記弁体により設けられるシール面と、
    前記弁体により規定される円筒形状の外周面と、
    前記弁体の前記円筒形状の外周面に着脱可能に結合され、前記シール面を越えて延出することにより円柱形状のキャビティを形成するシュラウドとを備えている調節可能な制御要素。
18. 前記シュラウドは、第１の位置と第２の位置との間を前記弁体に対して軸線方向に変位可能に構成されている請求項１７に記載の調節可能な制御要素。
19. 前記シュラウドは、前記第１の位置において第１の距離だけ前記シール面から延出し、前記第２の位置において第２の距離だけ前記シール面から延出している請求項１７に記載の調節可能な制御要素。
20. 前記シュラウドは、前記弁体の雄ネジ部と螺合する雌ネジ部を有している請求項１７に記載の調節可能な制御要素。
21. 前記弁体及び前記シュラウドのうちの少なくとも１つは、前記弁体に対する前記シュラウドの位置を示すしるしを有している請求項１７に記載の調節可能な制御要素。
22. 前記弁体により交換可能に胆持されるように構成された第１のシュラウド及び第２のシュラウドをさらに備えており、前記第１のシュラウドは、第１の軸線方向の寸法を有しており、前記第２のシュラウドが前記第１の軸線方向の寸法とは異なる第２の軸線方向の寸法を有している請求項１７に記載の調整可能な制御要素。
23. 前記第１のシュラウドは、第１の距離だけ前記シール面から延出するように構成され、前記第２のシュラウドは、第２の距離だけ前記シール面から延出するように構成され、前記第２の距離は、前記第１の距離と異なっている請求項２２に記載の調整可能な制御要素。

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