JP2010525464A - ガスレギュレータの流れブースト用のカートリッジ - Google Patents

Abstract

ガスレギュレータが、アクチュエータと、弁と、通常の動作状態においてアクチュエータの下流側に向けてかつアクチュエータとは反対側に向けて流体を案内または「ブースト」することによりレギュレータの動作効率を向上させるために弁内に配置されたカートリッジとを備えている。このカートリッジは、第一の直径を有した第一の部分と、第一の直径よりも大きな第二の直径を有した第二の部分とを備えている。通常の動作時、第一の部分は、弁体およびカートリッジが弁とアクチュエータとの間の流体の流れを制限する（絞る）ように、実質的に漏洩しない許容差内で、アクチュエータの弁体を受けるようになっている。このことにより、ガスが弁の流出口に向けて案内または「ブースト」されることになる。また、逃がし動作時、カートリッジの第二の部分が、弁体を受け、ガスをアクチュエータに向けて自由に流すことを可能とするようになっている。

Description

関連出願相互参照

下記の米国特許仮出願の各々の優先権を主張するものである。これらの特許の全内容は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：２００７年４月２０日に出願された第６０／９１３、１１５号；２００７年４月２０日に出願された第６０／９１３、１０９号；２００７年４月２０日に出願された第６０／９１３，１３５号。

本発明は、ガスレギュレータに関し、特に閉ループ制御を行うアクチュエータを備えたガスレギュレータに関する。

典型的なガス分配システムが供給するガスの圧力は、システムに課される需要、天候、供給源および／また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、オーブンなどのガス器具を備えるエンドユーザ施設の殆どが、所定の圧力に応じて、また、ガスレギュレータの最大容量以下でガスが供給されることを必要とする。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ことを保証するために、ガス分配システムの中にガスレギュレータが組み入れられている。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検出および制御するための閉ループ制御アクチュエータを備えている。

閉ループ制御に加えて、従来のガスレギュレータによっては逃がし弁を備えている場合もある。逃がし弁は、たとえばレギュレータまたは流体分配システムの他の構成部品が故障したときの過剰な圧力を防止するように構成されている。したがって、供給圧力が所定の閾値圧力を超える場合、逃がし弁は、ガスの少なくとも一部を大気に排出するよう開弁し、これによりシステム内の圧力を降下させる。

図１および図１Ａには、一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、たと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、一または複数の器具を備えている工場、レストラン、アパートなどのエンドユーザ施設にガスを供給するための流出口１８とが形成されている。また、レギュレータ弁１４は、流入口と流出口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。

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、すなわち流出圧が所望の流出圧または制御圧力に従ったものであることを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およ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の流出圧を検出および調節するための制御組立体２２を備えている。詳細にいえば、制御組立体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、略円筒状の本体２５と、この本体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、弁の本体２５は、図１Ａに示されているような、弁の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の流出圧を感知するようになっている。制御組立体２２は制御バネ３０をさらに有している、この制御バネ３０は、ダイヤフラム２４の上側と係合し、感知された流出圧を相殺するようになっている。したがって、所望の流出圧、いわゆる制御圧力は、制御バネ３０の選択により設定されることとなる。

ダイヤフラム２４は、制御アーム２６に作用可能に結合されているので、弁体２８は、感知された流出圧に基づいてレギュレータ弁１４の開度をピストン３２を通じて制御する。たとえば、エンドユーザが加熱炉などの器具を操作し、この器具がレギュレータ１０の下流側の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圧が降下する。したがって、ダイヤフラム２４は、降下した流出圧を感知することになる。これにより、制御バネ３０が伸び、図１の配置においてピストン３２および制御アーム２６の右側を下方に向けて移動させる。この制御アーム２６の変位により、弁体２８が弁ポート３６とは反対側に向けて移動され、レギュレータ弁１４が開弁される。図１Ａには、正常に開弁した動作位置におかれている弁体２８が示されている。このように配置されると、器具は、ガスを弁ポート３６を通してレギュレータ弁１４の流出口１８の方に向けて引くことが可能となる。

従来のレギュレータ１０では、弁ポート３６を開くように制御アーム２６を変位させるとき、制御バネ３０は、その固有の特性として、圧縮前の長さに戻るように伸びるにつれ、生成する力が小さくなる。また、制御バネ３０が伸びるにつれてダイヤフラム２４が変形し、これによりダイヤフラム２４の面積が大きくなる。この動作状況では、制御バネ３０により付与される力が小さくなることと、ダイヤフラム２４の面積が大きくなることとが組み合わさって、制御バネによって付与される力とダイヤフラムによって生成される力との適切なバランスがとれなくなってしまい、流出口の制御圧力がユーザによって当初設定された制御圧力よりも小さくなってしまうようレギュレータが反応してしまう。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、流出圧は設定された制御圧力を下回ることになるため、レギュレータ１０は意図されるようには機能しなくなってしまうおそれがある。

図１に示されている従来のレギュレータ１０では、前述したように、制御組立体２２が逃がし弁としてさらに機能する。詳細にいえば、制御組立体２２は逃がしバネ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４４を有しており、ピストン３２はシールカップ３８を有している。逃がしバネ４０は、通常の運転時、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に対抗してダイヤフラム２４を付勢し、開口４４を閉鎖するようになっている。たとえば制御アーム２６に破損等の故障が生じると、制御組立体２２は、もはや弁体２８を直接に制御することはなく、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。このことにより、最大の量のガスがアクチュエータ１２の中に流れ込むことが可能となる。したがって、ガスがアクチュエータ１２を満たすにつれて、ダイヤフラム２４に対抗する圧力が立ち、ダイヤフラム２４がシールカップ３８から離れるように押され、これにより開口４４が開放されることとなる。したがって、ガスは、ダイヤフラム２４の開口４４を通り抜け、放出弁４２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を付勢する放出バネ５４とを有している。アクチュエータ１２内の放出弁４２の近傍の圧力が所定の閾値圧力に達すると、弁体４６は、逃がしバネ５４の付勢に対抗して上方に向けて変位して開き、これによりガスを大気中に排出し、レギュレータ１０における圧力を降下させる。

ある用途に用いるための弁ポートを選択する場合、技術者には、設定された制御圧力で流れ容量を最大化する一方で、「ドループ」の量を最小限に抑えるという課題が課せられる。一般にこの課題は、弁ポート等のレギュレータ１０のさまざまな側面を設計または選択することによって達成されるが、これら競合する利害間の妥協の産物となる。逃がし弁によって大気中に逃がすガスの量を制限するために、技術者は、しばしば、必要な流れ容量を満足させる入手可能な最も小さなポートを選択する。

本発明は、レギュレータ弁とアクチュエータとを備えたレギュレータを提供している。レギュレータ弁は弁箱とカートリッジとを有している。弁箱は流入口と流出口とを有している。アクチュエータは、弁箱に結合され、弁体を含む制御要素を有している。弁体は、弁箱内に摺動可能に配置され、閉弁位置と開弁位置との間で変位するように構成されている。カートリッジは弁箱内に設けられ、略中空円筒状の部材を備え、この円筒部材は側面を貫通するアパーチャを有している。より詳細にいえば、カートリッジは、第一の直径の側壁を有する第一の部分と、第一の直径よりも大きな第二の直径の側壁を有する第二の部分とを備えている。また、一実施形態では、略円錐台形状の遷移部が第一の部分と第二の部分との間に延設されている。一実施形態にかかるアパーチャは、カートリッジの第一の部分を貫通するよう配置され、弁の流出口に向けられている。

レギュレータのさらなる態様によれば、弁箱は、流入口および流出口に対して垂直となっている開口を形成する口部を有している。この実施形態では、カートリッジの第二の部分は口部の開口内に設けられている。

また、少なくとも一実施形態において、カートリッジの第二の部分は、口部の開口内に着脱可能に設けられていてもよい。

他の実施形態において、カートリッジは、流体を弁箱の流出口に案内するため、アパーチャに隣接して設けられた導管部を有していてもよい。

本発明の他の実施形態は、レギュレータ弁と該レギュレータ弁の口部に接続されたアクチュエータとを有するガスレギュレータに用いるカートリッジを備えている。カートリッジは、第一のモード、即ち通常動作モードの間、レギュレータを流れる流体の流れをレギュレータ弁の流出口に向け、かつアクチュエータとは反対側に向けて案内するように構成されている。カートリッジの一実施形態は、第一の部分と、第二の部分と、開口と、流入口とを有している。第一の部分は第一の直径を有している。第二の部分は、第一の部分と軸線方向に並ぶように設けられ、第一の直径よりも大きな第二の直径を有している。第二の部分は、レギュレータ弁の口部により設けられるよう構成されている。開口は第一の部分を貫通して設けられ、カートリッジをガスレギュレータ内に設置するときに開口によりレギュレータ弁を流れる流体が流出口に向けて案内されるようになっている。

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。 本発明の一実施形態に従って製造されたレギュレータの垂直断面図であって、開弁位置にある弁体を示している。 図２のレギュレータの垂直断面図であって、通常動作位置にある弁体を示している。 図３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。 図２および図３のレギュレータ弁の垂直断面図であって、全開位置にあるレギュレータ弁を示している。 本発明の他の実施形態に従って製造された、図２および図３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。 本発明のさらに他の実施形態に従って製造された、図２および図３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。 本発明のさらに他の実施形態に従って製造された、図２および図３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。

図２および図３には、本発明の一実施形態に従って製造されたガスレギュレータ１００が示されている。通常、ガスレギュレータ１００はアクチュエータ１０２とレギュレータ弁１０４とを備えている。たとえば、レギュレータ弁１０４は、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、一または複数の器具を有する施設にガスを供給するための流出口１０８とを備えている。アクチュエータ１０２は、レギュレータ弁１０４に結合されており、また、制御要素１２７を有する制御組立体１２２を備えている。第一の動作モード、即ち通常動作モードの間、制御組立体１２２は、レギュレータ弁１０４の流出口１０８の圧力、すなわち流出圧を検出し、流出圧が所定の制御圧力とほぼ等しくなるように制御要素１２７の位置を制御する。また、システムに故障が発生すると、レギュレータ１００は逃がし機能を実行するようになっており、当該機能は、図１および図１Ａに示したレギュレータ１０に関して前述している逃がし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、喉部１１０および弁口部１１２が形成されている。喉部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、喉部１１０に配置されており、弁ポート１３６には、流入口１５０および流出口１５２を有する孔部１４８が形成されている。ガスは、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から取外し可能であり、直径または構造が異なる孔部を有した別の弁ポートと取り替えて、レギュレータ弁１０４の動作特性および流れ特性を特定の用途に合わせることができる。開示されている実施形態では、弁口部１１２には開口１１４が形成され、開口１１４は、レギュレータ弁１０４の流入口１０６および流出口１０８の軸線に対して略垂直の軸線に沿って配置されている。

アクチュエータ１０２は、ハウジング１１６と、前述した制御組立体１２２とを有している。ハウジング１１６は、たとえば複数の締結部材で相互に固定される上側ハウジング部材１１６ａおよび下側ハウジング部材１１６ｂを有している。下側ハウジング部材１１６ｂには、制御キャビティ１１８およ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１０２とレギュレータ弁１０４との間を連通させるために、アクチュエータ口部１２０はレギュレータ弁１０４の弁口部１１２に接続されている。開示されている実施形態では、レギュレータ１００は、口部１１２，１２０同士を固定するカラー１１１を備えている。上側ハウジング部材１１６ａには、逃がしキャビティ１３４および排気ポート１５６が形成されている。上側ハウジング部材１１６ａには更に、制御組立体１２２の一部を収容するタワー部１５８が形成されている。

制御組立体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、制御バネ１３０と、逃がしバネ１４０と、組合せバネ座１６４と、逃がしバネ座１６６と、制御バネ座１６０と、ピストンガイド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、円盤状ダイヤフラムから成り、その中央部を貫通して開口１４４が形成されている。ダイヤフラム１２４は、可撓性を有するとともに実質的に気密性を有した材料から製造されており、その周囲は、ハウジング１１６の上側ハウジング部材１１６ａと下側ハウジング部材１１６ｂとの間にシールを形成して固定される。したがって、ダイヤフラム１２４は逃がしキャビティ１３４を制御キャビティ１１８から分離することとなる。

組合せバネ座１６４は、ダイヤフラム１２４の上に配置されている。また、組合せバネ座１６４には、ダイヤフラム１２４の開口１４４と同軸に配置される開口１７０が形成されている。図２に示されているように、組合せバネ座１６４は制御バネ１３０および逃がしバネ１４０を支持する。

開示されている実施形態に係るピストン１３２は、概して細長い棒状の部材から成り、当該部材はシールカップ１３８と、ヨーク１７２と、ネジ部１７４と、ガイド部１７５とを有している。シールカップ１３８は、凹状且つ略円盤状であり、ピストン１３２の中央部を中心とする円周方向に延び、ダイヤフラム１２４の真下に配置されている。ヨーク１７２は、弁体サブアセンブリ１２３の一部に接続するカップラ１３５を収容するよう構成されたキャビティを有しており、前述したように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との間の接続を可能にしている。

ピストン１３２のガイド部１７５およびネジ部１７４は、ダイヤフラム１２４および組合せバネ座１６４の開口１４４、１７０をそれぞれ通り抜けるよう配置されている。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が制御組立体１２２のその他の部分に対して軸線方向に位置決めされている状態を維持することができる。逃がしバネ１４０、逃がしバネ座１６６およびナット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、組合せバネ座１６４と逃がしバネ座１６６と間で逃がしバネ１４０を保持する。制御バネ１３０は、前述したように組合せバネ座１６４の上であって、上側ハウジング部材１１６ａのタワー部１５８の内部に配置されている。制御バネ座１６０は、タワー部１５８内でネジ止めされ、組合せバネ座１６４に対抗して制御バネ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、制御バネ１３０および逃がしバネ１４０は圧縮コイルバネから成る。したがって、制御バネ１３０は上側ハウジング部材１１６ａに対して固定され、組合せバネ座１６４およびダイヤフラム１２４に下向きの力を付与する。逃がしバネ１４０は組合せバネ座１６４に対して固定され、逃がしバネ座１６６に上向きの力を付与し、この力はピストン１３２に付与されることになる。開示されている実施形態では、制御バネ１３０により生成される力は、タワー部１５８内の制御バネ座１６０の位置を調節することにより調節可能となっているので、レギュレータ１００の制御圧力も調節可能となる。

制御バネ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内の圧力に対抗して動作する。記載のように、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一の圧力である。したがって、制御バネ１３０により付与される力により、流出圧がレギュレータ１００における所望の圧力、即ち制御圧力に設定される。ダイヤフラムサブアセンブリ１２１は、前述したように、ピストン１３２のヨーク１７２とカップラ１３５とを通じて、弁体サブアセンブリ１２３に作用可能に結合されている。

詳細にいえば、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かかる制御要素１２７は弁体１２８から構成されている。また、開示されている実施形態では、図２に示されているように、弁体１２８は、弁ポート１３６をシールするためのシール板１２９を有している。シール板１２９は、たとえば接着剤または他の手段を用いて、弁体１２８のその他の部分に取り付けられるようになっていてもよい。シール板１２９は、弁体１２８のその他の部分と同一のまたは異なる材質から製造されてもよい。たとえば、一実施形態では、シール板１２９はポリマー製のシール板１２９から構成されてもよい。

弁棒１７８、レバー１８０および弁体１２８は、別々に製造され、組み立てられ、制御アーム１２６を成す。詳細にいえば、弁棒１７８は、略直線状のロッドであり、当該ロッドは鼻部１７８ａと、開示されている実施形態では略矩形状の凹部１７８ｂとを有している。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、下側ハウジング部材１１６ｂにより支持されている回転ピン１８６を受容するアパーチャ１８４を有している。また、支点端部１８０ａはナックル部１８７を更に備え、ナックル部１８７は、断面視楕円形状であり、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との間に受容される。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、略円筒状の外側部１６２ａと、略円筒状の内側部１６２ｂと、これらの外側部１６２ａと内側部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１６２ａは、レギュレータ弁１０４および下側ハウジング部材１１６ｂの口部１１２，１２０内に嵌合するように設計及び構成されている。内側部１６２ｂは、制御アーム１２６の弁棒１７８を摺動可能に保持するように設計及び構成されている。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および制御組立体１２２、さらに具体的には制御組立体１２２の制御アーム１２６の弁棒１７８が位置決めされた状態を維持するよう機能する。

図３Ａおよび図４を参照すると、制御要素１２７の弁体１２８は、弁棒１７８の喉部１７８ａ上にスナップ式に嵌合されるように構成されたカラー１９３を有している。弁体１２８はシール面１８８を有している。開示されている実施形態では、シール板１２９にはシール面１８８が設けられている。

さらに図３Ａおよび図４を参照すると、レギュレータ１００の本実施形態は、レギュレータ弁１０４内に配置されたカートリッジ２００を有している。カートリッジ２００は、第一の部分２０２と、第二の部分２０４と、遷移部２０６と、導管部２０８とを有している。第一の部分２０２および第二の部分２０４は、略円筒形状であり、同軸上に並ぶように設けられている。第一の部分２０２は、概して厳しい公差の範囲内で制御組立体１２２の弁体１２８を受容するように設計された内径Ｄ１を有している。一実施形態では、弁体１２８は、カートリッジ２００の第一の部分２０２内に受容されうる。本明細書で用いられる場合、用語「摺動可能に受容」は、弁体１２８が第一の部分２０２の内径Ｄ１に接触することを要さず、むしろ弁体１２８と第一の部分２０２との間における接触がない、周期的な接触のみがある、僅かな接触のみがある等の形態を全て含むことを意図したものである。それにもかかわらず、弁体１２８が第一の部分２０２内に摺動可能に受容されるとき、弁ポート１３６を流れる流体のうちのごく少量の流体しか弁体１２８とカートリッジ２００との間を通過することができない。弁体１２８は、アクチュエータ１０２に向けた流体の流れを遮断、制限または実質的に阻止するように効率的に機能する。第二の部分２０４は、第一の部分２０２の内径Ｄ１より大きな内径Ｄ２を有しているので、弁体１２８は第二の部分２０４の中に摺動可能に受容されることはない。

遷移部２０６は、第一の部分２０２と第二の部分２０４との間に軸線方向に並ぶように配置されている。遷移部２０６も第一の部分２０２および第二の部分２０４と同軸上に並ぶように設けられている。さらに、開示されている実施形態にかかる遷移部２０６は、略円錐台状（テーパ形状と言い換えてもよい）であり、第二の部分２０４から第一の部分２０２の方に向けて先細になっている。

開示されている実施形態では、カートリッジ２００の第一の部分２０２は、その側壁を貫通するアパーチャ２１０が形成されている。このように、導管部２０８は、アパーチャ２１０に隣接して配置され、カートリッジ２００のその他の部分とは反対側に延出している。アパーチャ２１０および導管部２０８は、図３Ａおよび図４にＤ３として示されるように、その直径がほぼ等しい。開示の実施形態では、アパーチャ２１０および導管部２０８の直径Ｄ３は、カートリッジ２００の第一の部分２０２および第二の部分２０４それぞれの直径Ｄ１およびＤ２よりも小さくなっている。

記載のように、カートリッジ２００の第二の部分２０４は、レギュレータ弁１０４の口部１１２内に配置されている。より詳細にいえば、カートリッジ２００の第二の部分２０４の円筒状の外面は、口部１１２の開口１１４に接触している。したがって、カートリッジ２００は、当該カートリッジが異なるカートリッジと交換可能となりうるようにまたはレギュレータ１００をカートリッジ無しで動作させうるように、レギュレータ弁１０４内に着脱可能に配置されてもよい。

カートリッジ２００が設置されると、第一の部分２０２、第二の部分２０４および遷移部２０６には、レギュレータ弁１０４の弁ポート１３６と口部１１２との間に矢印Ｆ１が示す方向に向かう第一の流路が形成される。さらに、カートリッジ２００のアパーチャ２１０および導管部２０８には、レギュレータ弁１０４の弁ポート１３６と流出口１０８との間に矢印Ｆ２が示す方向に向かう第二の流路が形成される。開示の実施形態では、第一の流路Ｆｌおよび第二の流路Ｆ２は互いに直交している。

図２には、閉弁位置におかれた制御要素２７を備えた本実施形態に係るレギュレータ１００が示されている。したがって、制御要素１２７は、シール面１８８が弁ポート１３６の流出口１５２にシールを形成して係合するように、カートリッジ２００の第一の部分２０２内に摺動可能に配置されている。この場合、ガスは、弁ポート１３６およびレギュレータ弁１０４を通り抜けて流れることがない。これが達成されるのは、ハウジング１１６の制御キャビティ１１８内の圧力に対応する圧力であってダイヤフラム１２４により感知される圧力である流出圧が、制御バネ１３０によって付与される力よりも大きいためである。したがって、流出圧により、ダイヤフラム１２４、ピストン１３２および弁体１２８が閉弁位置へと押される。

しかしながら、ガス分配システムに動作要求がなされる、たとえばユーザが加熱炉、ストーブなどの器具の操作をし始めると、当該器具は、レギュレータ１００の制御キャビティ１１８からガス流を引き出すことにより、ダイヤフラム１２４により感知される圧力を降下させる。ダイヤフラム１２４により感知される圧力が降下するに従って、ダイヤフラム１２４に作用する制御バネの力と流出圧の力との間における力の釣り合いが崩れ、その結果、制御バネ１３０が伸び、ダイヤフラム１２４およびピストン１３２をハウジング１１６に対して下方に相対変位させる。これにより、レバー１８０が回転ピン１８６を中心として時計回り方向に回転し、これにより、ナックル部１８７が弁棒１７８内の凹部１７８ｂに対して相対回転する。これにより、弁棒１７８および制御要素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および図３Ａには、一例ではあるが、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。詳細にいえば、制御要素１２７は、弁ポート３６から離れてカートリッジ２００内のアパーチャ２１０の領域内へと移動する。しかしながら、制御要素１２７は、カートリッジ２００の第一の部分２０２内に少なくとも部分的に留まる。

この場合、ガス分配システムは、制御バネ１３０により設定される制御圧力でレギュレータ弁１０４を通して下流側の器具にガスを供給することができるようになる。また、ダイヤフラムサブアセンブリ１２１は、レギュレータ弁１０４の流出圧を感知し続ける。流出圧が制御圧力とほぼ等しいままである限り、制御組立体１２２はこの同じ通常位置に弁体１２８を維持する。しかしながら、流出口の流量、すなわち要求量が減少し、これにより制御バネ１３０により設定された制御圧力を上回るまで流出圧が上昇した場合、ダイヤフラム１２４は、流出圧の上昇を感知し、制御バネ１３０の付勢力に対抗して上向きに移動する。また、流出口の流量、すなわち要求量が増大し、それによって制御圧力を下回る流出圧が降下した場合、ダイヤフラム１２４は、流出圧の降下を感知し、バネ１３０が、ダイヤフラム１２４およびピストン１３２を下向きに付勢し、レギュレータ弁１０４を開く。このように、流出圧、即ち制御圧力が少しズレると、制御組立体１２２は、それに反応し、ズレに応じたぶんだけ弁体１２８の位置を調節するようになっている。

制御バネ１３０が伸びて制御要素１２７を変位させることにより弁ポート１３６を開弁するにつれて、制御バネ１３０が生成する力が小さくなり、ダイヤフラム１２４の面積が広くなる。図１および図１Ａを参照して前述した従来のレギュレータ１０では、このバネ力の減少およ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となる流出圧の大きさが減少し、これによりダイヤフラム２４が実際の流出圧よりも低い圧力を感知することとなる。これにより、制御組立体２２が弁ポート３６をさらに開き、レギュレータ弁１４の流出圧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、開示の実施形態に係るレギュレータ弁１０４はカートリッジ２００を備えている。カートリッジ２００は、システムに「ブースト」を与えることにより「ドループ」を削減するように構成されている。詳細にいえば、前述したように、第一の動作モードまたは動作条件の間、制御要素１２７は、図３および３Ａに示されているように、カートリッジ２００の第一の部分２０２内に位置している。この位置では、制御要素１２７の直径がカートリッジ２００の第一の部分２０２の直径Ｄ１よりも僅かしか小さくないので、制御要素１２７およびカートリッジ２００は、口部１１２内の開口１１４を実質的に閉じることにより、ガスが口部１１２を通ってアクチュエータ１０２の中へ流れないようにしている。もっと正確にいえば、カートリッジ２００の第一の部分２０２および制御要素１２７は、ガスの流れをカートリッジ２００のアパーチャ２１０および導管部２０８に向け、最終的にはレギュレータ弁１０４の流出口１０８へ案内するようにしている。特筆すべきは、このように構成されると、カートリッジ２００の第一の部分２０２によって提供される制限（ｒｅｓｔｒｉｃｔｉｏｎ）に起因してカートリッジ１８２が見かけ上低い圧力または誤った圧力をダイヤフラム１２４に感知させうる点である。ダイヤフラム１２４で圧力が低く感知されるため、制御バネ１３０はダイヤフラム１２４を下向きに付勢し、これにより、弁ポート１３６がさらに開かれることになる。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、開示の本発明の実施形態に係るカートリッジ２００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。

システムに故障が生じた場合、開示の実施形態に係る制御要素１２７はレギュレータ１００の逃がし機能に影響を与えることはない。より正確にいえば、図６に示されているように、第二のモード、即ち故障動作モードでは、制御要素１２７は、レギュレータ１００に圧抜きを提供するための全開位置へ移動する。第二の部分２０４は、制御要素１２７と同様にカートリッジ２００の第一の部分２０２よりも大きな直径を有している。したがって、ガスは、カートリッジ２００の第二の部分２０４を通り抜けかつ制御要素１２７の周囲を流れてアクチュエータ１０２へと流れていく。第二の部分２０４の直径が大きいため、流れは、実質的に制限されることなくアクチュエータへと流れ、弁１０４の流出圧と実質的に等しい圧力をダイヤフラム１２４に作用することになる。したがって、ピストン１３２および密閉用カップ１３８を最下方位置に移動させることになる。この場合、カートリッジ２００の第二の部分２０４の大きな直径は、たとえば図３Ａに記載の位置にある間、流れに対する制限（絞り）を最小限に抑え、放出弁１４２の構造により予め定められているような圧抜きをレギュレータ弁１０４の流出口１０８に提供する。

たとえば、いったん制御キャビティ１１８内の圧力が逃がしバネ１４０によって設定された逃がし圧力を越えると、この圧力は、ダイヤフラム１２４および組合せバネ座１６４を上向きに押し、これにより逃がしバネ座１６６に対抗して逃がしバネ１４０を圧縮する。次いで、これにより、ダイヤフラム１２４がピストン１３２のシールカップ１３８から離脱し、ガスが開口１４４、１７０を通ってダイヤフラム１２４上の逃がしキャビティ１３４内へと流れる。逃がしキャビティ１３４がガスで充填されると、その圧力が上昇する。

逃がしキャビティ１３４内の圧力が所定の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に関して前述した排気ポート１５６を通して大気中にガスを排出する。詳細にいえば、図２および図３に示されているように、放出弁１４２は弁体１４６と放出バネ１５４とを有している。放出弁１４２は、ハウジング１１６の上側ハウジング部材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、逃がしキャビティ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、放出バネ１５４は、排気ポート１５６の弁座面１９８に対抗して閉弁位置へ弁体１４６を付勢していることになる。

このため、本発明に従って製造されたレギュレータおよび／またはカートリッジは、レギュレータ１００内の圧抜きの性能に対して悪い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に向け、かつアクチュエータ１０２とは反対側に向けて案内することによって、「ドループ」を相殺する、又は発生しないようにする効果を奏する。さらに、複数の交換可能なカートリッジは、さまざまな特定の用途に対してレギュレータ１００を調整可能になるという効果を奏しうる。たとえば、交換可能なカートリッジの各々が第一の部分、第二の部分ならびに／またはアパーチャおよび導管部に対して異なる寸法を有するように構成されてもよい。したがって、本発明は、本明細書に記載のレギュレータ１００および／またはカートリッジ２００に限定されるものではなく、より正確にいえば添付の請求項の技術範囲および技術思想に含まれる変形および代替構成を網羅することを意図したものである。

たとえば図２〜図４を参照して本明細書に記載されているカートリッジ２００はレギュレータ弁１０４から分離された構成部材として記載されているが、レギュレータ弁３０４の他の実施形態は、レギュレータ弁３０４とカートリッジ部３００とが一つの部材として成形されている図５に記載の一体成形されたカートリッジ部３００を備えていてもよい。すなわち、カートリッジ部３００はレギュレータ弁３０４と一体成形されている。図５に記載のレギュレータ弁３０４は、一体成形されたカートリッジ部３００を有していること以外は、前述のレギュレータ弁１０４と同等である。このように、一体成形されたカートリッジ部３００は、前述のカートリッジ２００と略同一なので、制御要素１２７と組み合わされると、「ブースト」を提供して「ドループ」を削減するという同じ効果を奏する。

さらに、レギュレータ１００が「ブースト」を提供して「ドループ」を削減させるためにカートリッジのみを用いるかのようにこれまで記載したが、レギュレータ１００の他の実施形態は、「ブースト」の提供を促進するための追加の手段を組み入れてもよい。たとえば図６には、本発明の原理に従って製造されるレギュレータ弁４０４の他の実施形態が示されている。レギュレータ弁４０４はカートリッジ４００とピトー管４１８とを備えている。カートリッジ４００は、第一の部分４１２と、第二の部分４１４と、これらの第一の部分４１２と第二の部分４１４との間に配置されている遷移部４１６とを備えているという点において、図２〜図４を参照して記載のカートリッジ２００と類似する。また、第二の部分４１４は、その側壁にアパーチャ４２０が形成されている。カートリッジ４００の第二の部分４１４内のアパーチャ４２０は、ピトー管４１８を受容するようになっている。たとえば、ピトー管４１８は第一の端部４２２と検出端部４２４とを有している。第一の端部４２２は、カートリッジ４００の第二の部分４１４のアパーチャ４２０内に配置されている。検出端部４２４は、カートリッジ４００の下流側に、さらに具体的にいえばレギュレータ弁４０４の流出口４０８に隣接して配置されている。このように配置されると、図６に示されている実施形態に係るピトー管４１８は、流出口４０８に隣接する圧力を感知し、カートリッジ４００の第二の部分４１４に伝達し、次いでこの圧力が、アクチュエータ１０２、さらに具体的にいえばアクチュエータ１０２のダイヤフラム１２４に伝達され、制御組立体１２２を制御するようになっている。

図７には、本発明に係るレギュレータに用いられるレギュレータ弁５０４の他の実施形態が示されている。レギュレータ弁５０４は、前述のカートリッジ２００、３００、４００のうちのいずれかに類似するカートリッジ５００を備えていることに加えて、シュラウド５８２と、「ブースト」の提供に特化して製造された弁ポート５３６とをさらに備えている。レギュレータ弁５０４およびカートリッジ５００は、図３および図３Ａを参照して前述したレギュレータ弁１０４およびカートリッジ２００と略同一であるため、同様の部材には同様の参照数字が付与されている。

シュラウド５８２は、弁体１２８のシール面１８８の周囲を、該シール面１２８を軸線方向に越えるようにして延出しており、制御要素１２７が図示されているような通常動作位置にあるとき、当該シュラウド５８２は、弁ポート１３６からのガスの流れをダイヤフラム１２４とは反対側に向かうガスの流れをレギュレータ弁１０４の流出口１０８に向けて流すことができるようになっている。特筆すべきは、このように構成されると、シュラウド５８２によって提供される制限に起因してシュラウド５８２が見かけ上低い圧力または誤った圧力をダイヤフラム１２４に感知させうる点である。したがって、開示されている実施形態に係るシュラウド５８２は、本来生じうる「ドループ」を相殺するための「ブースト」を提供するためにカートリッジ５００を補完するようになっている。

一実施形態では、シュラウド５８２を調節可能に弁体１２８に取り付けることができる。したがって、たとえば制御要素１２７に対してシュラウド５８２の軸線方向の位置を調節することで、シュラウド５８２がシール面１８８を越えて延出する程度を調節して、ガスの流れをレギュレータ弁５０４の流出口１０８に向けることにより、制御要素１２７をさまざまな用途に対して調整可能となる。シュラウド５８２に関するさらなる詳細については、２００７年４月２０日に出願された「ガスレギュレータの調節可能な弁体」という表題の米国特許仮出願第６０／９１３，１０９号に開示されている。この特許の全内容は本明細書で参照することにより援用されるものとする。

図７をさらに参照すると、記載のように、レギュレータ弁５００の開示の実施形態には、特別に製造された弁ポート５３６が設けられている。所望の用途における流れ性能および流れ効率を最適化するために異なる弁ポートと交換できるように、特別に製造された弁ポート５３６はレギュレータ弁５００から取外し可能となっている。たとえば本明細書において参照することによりここで明示的にその全内容を援用するものとする、２００７年４月２０日に出願され、「ブースト性能を向上したサービスレギュレータ」という表題を有した米国仮特許出願第６０／９１３，１３５号番に開示されているように、本発明の技術思想に従って製造されるさまざまな弁ポートは、たとえば弁ポートからレギュレータ弁の流出口を通って流れるガスの流れ効率を最大化する特定の弁座高さを有した弁座を備えるように特別製造されている。一実施形態では、弁座高さを弁ポートのオリフィスまたは孔部の直径に対して実質的に反比例させることができる。しかしながら、他の実施形態では、弁座高さは、たとえば個々の弁ポートの流れ容量、所望の流出圧または実質的にいかなる他の因子の関数として設計されてもよい。このように構成されると、さまざまな用途に対して流れ性能、さらに具体的にいえば流れ効率を効果的に最適化するために特化して製造された弁座高さを備える弁ポートを用いることができる。

言うまでもなく、図７の記載に基づいて、カートリッジ５００、シュラウド５８２および特別製造された弁ポート５３６は、単独で、相互に組み合わせてまたは本明細書に記載されていない他の構成部材と組み合わせて、本発明に係る「流れ制限部材（絞り部材）」と考えられうる。

上記のとおり、本発明はガスレギュレータの「ドループ」の影響を相殺および／または防止する有効な手段を提供しているが、本明細書に記載のレギュレータ１００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ことはいうまでもない。また、他のレギュレータおよび制御弁を有する他の流体制御デバイスも、本発明の構造および／または利点から利益を享受することができる。

Claims (25)

1. 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た喉部を有している弁と、
   前記弁に結合され、弁体を有しているアクチュエータと、
   前記弁に配置されており、前記喉部の近傍に配置される略円筒状の第一の部分、前記アクチュエータの近傍に配置される略円筒状の第二の部分、及び前記第一の部分から延び、前記第一の部分と前記弁の前記流出口との間に配置される導管部を有しているカートリッジとを備え、
   前記弁体が、前記弁内に配置されているとともに、前記喉部に隣接する閉弁位置と、前記喉部とは反対側に第一の距離だけ離れている動作位置と、前記喉部とは反対側に第二の距離だけ離れている逃がし位置との間を変位するように構成されており、
   前記弁体および前記カートリッジが協働して前記喉部からの流体の流れを前記流出口の方に向けかつ前記アクチュエータとは反対側に向けて案内するよう、前記カートリッジの前記第一の部分が、前記弁体が前記動作位置にあるときに前記弁体のうちの少なくとも一部分を摺動可能に受容するよう設計および構成された内寸を有する、デバイス。
2. 前記カートリッジの前記第一の部分が第一の直径を有し、前記カートリッジ前記第二の部分が前記第一の直径より大きな第二の直径を有する、請求項１に記載のデバイス。
3. 前記弁体が前記逃がし位置にあるとき、前記弁体が前記カートリッジの前記第二の部分に配置され、流体が前記カートリッジの前記第二の部分を通って前記アクチュエータの中へと流れることを許容する、請求項２に記載のデバイス。
4. 前記弁体が前記動作位置にあるとき、前記第一の部分が前記弁体の少なくとも一部を摺動可能に受容するよう構成される、請求項１に記載のデバイス。
5. 前記導管部が前記第一の部分に対して垂直に配置される、請求項１に記載のデバイス。
6. 前記カートリッジが前記弁内に着脱可能に配置される、請求項１に記載のデバイス。
7. 前記カートリッジが前記弁と一体成形される、請求項１に記載のデバイス。
8. 前記弁の前記流出口に隣接して配置され、前記流出口の圧力を前記アクチュエータに伝達する検出端部を有したピトー管をさらに備える、請求項１に記載のデバイス。
9. 流れ絞り器をさらに備え、
   当該流れ絞り器は、前記弁体の周面に配置され、前記喉部に向けて軸線方向に延びているシュラウドと、前記弁の前記喉部内に配置され、孔部および弁座が形成された特別製造された弁ポートとの少なくとも一つから成り、前記孔部は、流体が前記弁を流れるのを許容するように構成され、前記弁座は、前記弁体が前記閉弁位置にあるときに前記弁体と係合するように構成され、
   前記弁体が前記動作位置にあるときに、前記流れ絞り器、前記カートリッジおよび前記喉部が協働して流体の流れを前記喉部から前記流出口に向けかつ前記アクチュエータとは反対側に向けて案内する、請求項１に記載のデバイス。
10. 流体を調節するデバイスであって、
    流入口、流出口、前記流入口と前記流出口との間で配置された喉部を有する弁と、
    前記弁に結合され、弁体を有するアクチュエータと、
    前記喉部に隣接するよう前記弁に設けられ、円筒状の側壁を有する第一の部分を有しているカートリッジとを備え、
    前記弁体は、前記弁内に配置され、前記喉部に隣接する閉弁位置と、前記喉部から間隔をおいて離れた動作位置との間を変位するように構成され、
    前記円筒状の側壁には、前記喉部と前記弁箱の前記流出口との間にアパーチャが形成され、
    前記円筒状の側壁が、前記弁体が前記動作位置にあるときに前記弁体を摺動可能に受容し、前記喉部から前記アクチュエータに向かう流体の流れを実質的に阻止し、前記喉部から前記弁の前記流出口に向かう流体の流れを促進するよう構成される、デバイス。
11. 前記カートリッジが円筒状の側壁を具備する第二の部分をさらに有し、該第二の部分が前記アクチュエータに隣接して配置される、請求項１０に記載のデバイス
12. 前記カートリッジの前記第一の部分の前記円筒状の側壁が第一の直径を有し、前記カートリッジの前記第二の部分の前記円筒状の側壁が前記第一の直径よりも大きな第二の直径を有する、請求項１１に記載のデバイス。
13. 前記カートリッジが前記第一の部分と前記第二の部分と間に配置されたテーパ状の遷移部をさらに有する、請求項１１に記載のデバイス。
14. 前記カートリッジが導管部をさらに有しており、該導管部が、前記アパーチャに隣接する前記第一の部分から延び、前記アパーチャから前記弁の前記流出口に向かう流れを促進するように構成される、請求項１０に記載のデバイス。
15. 前記カートリッジが前記弁内に着脱可能に配置される、請求項１０に記載のデバイス。
16. 前記カートリッジが前記弁と一体成形される、請求項１０に記載のデバイス。
17. 前記弁の前記流出口に隣接して配置され、前記流出口の圧力を前記アクチュエータに伝達する検出端部を有したピトー管をさらに備える、請求項１０に記載のデバイス。
18. 流れ絞り器をさらに備え、
    当該流れ絞り器が、前記弁体の周面に配置され、前記弁ポートに向けて軸線方向に延びているシュラウドと、前記弁の前記喉部内に配置され、孔部および弁座が形成された特別製造された弁ポートとの少なくとも一つから成り、前記孔部は、流体が前記弁を流れるのを許容するように構成され、前記弁座は、前記弁体が前記閉弁位置にあるときに前記弁体と係合するように構成されており、
    前記弁体が前記動作位置にあるときに、前記流れ絞り器、前記カートリッジおよび前記喉部が協働して流体の流れを前記喉部から前記流出口に向けかつ前記アクチュエータとは反対側に向けて案内する、請求項１０に記載のデバイス。
19. 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た喉部を有する弁と、
    前記弁に結合され、弁体を有するアクチュエータと、
    前記弁に配置され、前記喉部の近傍に配置される略円筒状の第一の部分、前記アクチュエータの近傍に配置される略円筒状の第二の部分、及び前記第一の部分から延び、前記喉部と前記弁の前記流出口との間に配置される導管部を有しているカートリッジと、
    前記弁体の周面に配置され、前記喉部に向けて軸線方向に延びているシュラウド、及び前記弁の前記喉部内に配置され、孔部および弁座が形成された特別製造された弁ポートのうちの少なくとも一つから成る流れ絞り器とを備え、
    前記弁体が、前記弁内に配置されているとともに、前記喉部に隣接する閉弁位置と、前記喉部とは反対側に第一の距離だけ離れている動作位置と、前記喉部とは反対側に第二の距離だけ離れている逃がし位置との間を変位するように構成され、
    前記カートリッジの前記第一の部分が、前記弁体が前記動作位置にあるときに前記弁体を摺動可能に受容するよう構成され、
    前記孔部は、流体が前記弁を流れるのを許容するよう構成され、前記弁座は、前記弁体が前記閉弁位置にあるときに前記弁体と係合するように構成され、
    前記弁体が前記動作位置にあるときに、前記流れ絞り器、前記カートリッジおよび前記喉部が協働して流体の流れを前記喉部から前記弁の前記流出口に向けかつ前記アクチュエータとは反対側に向けて案内する、デバイス。
20. 前記カートリッジの前記第一の部分が第一の直径を有し、前記カートリッジ前記第二の部分が前記第一の直径より大きな第二の直径を有する、請求項１９に記載のデバイス。
21. 前記弁体が前記逃がし位置にあるとき、前記弁体が前記カートリッジの前記第二の部分に配置され、流体が前記カートリッジの前記第二の部分を通って前記アクチュエータの中へと流れるのを許容する、請求項１９に記載のデバイス。
22. 前記導管部が前記第一の部分に対して垂直に配置されてなる、請求項１９に記載のデバイス。
23. 前記カートリッジが前記弁内に着脱可能に配置される、請求項１９に記載のデバイス。
24. 前記カートリッジが前記弁と一体成形される、請求項１９に記載のデバイス。
25. 前記流出口に隣接して配置され、前記流出口の圧力を前記アクチュエータに伝達する検出端部を有したピトー管をさらに備える、請求項１９に記載のデバイス。

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