JP2010528235A - 高圧双方向弁 - Google Patents

Abstract

弁が閉弁されているとき、制御要素に加えられる力を合計した正味の力が制御要素を付勢力により弁座（２４０）に着座させる力となるよう、双方向弁の制御要素（１６０）は流出口圧力（２００）および流入口圧力（１８０）と流体を介して繋がるようになっている。この弁は、弁座（２４０）を保持する弁箱（１２０）を備えている。制御要素（１６０）は弁座の流出口側ではバランスがとれているため、流出口圧力が制御要素に対して加える正味の力は実質的にゼロである。それとは対照的に、制御要素は弁座の流入口側ではバランスがとれておらず、流入口圧力により加えられる正味の力は制御要素を付勢力により弁座（２４０）に着座させる。

Description

本発明は、一般的に空気駆動式の双方向弁に関するものであり、とくに空気駆動式の高圧双方向弁に関するものである。

プラントおよび工場では、プロセス内の流体の流れを制御するためにプロセス制御デバイスが用いられている。ここで、「流体」には、液体、気体、または配管を流れることができるいかなる混合物が含まれてもよい。燃料、食物および衣服の如き消費者用の製品を製造するための製造プロセスには、流体の流れを制御および調節する制御弁が必要である。中規模の工場でさえ、プロセスを制御するために何百もの制御弁が用いられている場合もある。制御弁は１世紀以上も利用されてきており、この期間、弁設計者は絶え間なく制御弁の動作性能を向上させ続けてきている。

プロセスを設計するとき、設計者は複数の設計要件および設計制約条件に直面する。たとえば、プロセス制御用途によっては、双方向流れ弁と呼ばれることが多い２つの方向に向けた流れを可能とする弁が必要になる場合もある。設計制約条件の他の一例としては、プロセス内で流体が動作する圧力が挙げられる。たとえば、約１０，０００ｐｓｉｇ（平方インチ当たりポンド）未満のような比較的低い圧力で動作するプロセスもあれば、１０，０００ｐｓｉｇから最大約２０，０００ｐｓｉｇのような比較的高い圧力で動作するプロセスもある。

図１には、従来の双方向制御弁１０の一例が示されている。さらに具体的にいえば、図１の双方向制御弁１０には、制御弁１０の制御に気体供給源が用いられる空気駆動式の双方向制御弁１０が含まれる。

通常、従来の双方向制御弁１０は、弁箱１２と、アクチュエータ組立体１４とを備えている。アクチュエータ組立体１４は、図１に示されている閉弁位置と開弁位置（図示せず）との間で摺動可能に変位するように構成された制御要素１６を弁箱１０内に有している。

さらに詳細にいえば、弁箱１２は、流入口部１８と、流出口２０と、喉部２２とを有している。喉部２２は、記載のように弁１０を閉弁するために制御要素１６と係合する弁座２４を保持している。記載のように、アクチュエータ組立体１４は制御要素１６を有している。これに加えて、アクチュエータ組立体１４は、ハウジング２６と、弁挿入部材２８と、バネ３０とを有している。通常、制御部材１６は、弁棒部３２と、ピストン３４とを有している。弁棒部３２は、弁箱１２の喉部２２を貫通して延びており、また、おおむね円錐台形状の着座面３６を形成する直径の小さな部分３２ａを有している。制御要素１６が閉弁位置にあるとき、着座面３６は弁座２４と係合するようになっている。

弁挿入部材２８は、３１６ステンレススチールから造られており、その内部には、制御要素１６の弁棒部３２のうちの一部を摺動可能に受け入れる孔部３８が形成されている。従来の弁挿入部材２８内の孔部３８は、弁棒部３２が孔部３８の中で自由に往復運動することが可能であるように、弁棒部３２の外径よりも僅かに大きい直径を有している。しかしながら、これに加えて、孔部３８の直径は、弁箱１２内のガイド孔部４８とほぼ等しく、弁座２４内の孔部２５の直径よりも僅かに小さくなっている。たとえば、図示されている弁１０では、弁挿入部材２８内の孔部３８および弁箱１２内のガイド孔部４８は、１インチの約１００分の２５（０．２５インチ）の直径を有し、弁座２４内の孔部２５は１インチの約１０００分の２５７（０．２５７インチ）の直径を有している。

バネ３０は、ピストン３４、ひいては制御要素１６を図１の弁１０の配置に対して上方に向けて付勢して閉弁位置に移動するように、弁挿入部材２８とピストン３４との間に配設されている。図示されている従来の弁１０では、バネは、１インチの約１００分の６６（０．６６インチ）のロード高さＨ_Lを有し、閉弁方向に向かって約７０ポンド力（７０ｌｂｆ）を生成することができる。ハウジング２６は、弁箱１２に螺合されており、他の構成部品の位置関係を維持している。

図１に示されているように、制御要素１６のピストン３４は、ハウジング２６により形成されたピストンキャビティ４０内に摺動可能に配設されている。これに加えて、ハウジング２６は、約８０ｐｓｉｇと約１５０ｐｓｉｇとの間の圧力で供給される作業用圧縮空気などの気体供給源に接続される供給配管（図示せず）を螺合するためのネジ切りされたアパーチャ４２をさらに形成している。ピストン３４を移動させるのに必要となる力はピストン３４の表面積の関数である。開示されている従来の弁１０では、ピストン３４は、１と１０００分の３７５インチ（１．３７５インチ）の直径を有している。この直径は、作業用圧縮空気が必要に応じてピストン３４を変位させるのに十分な表面積を提供する。

このように構成すると、ピストンキャビティ４０の中に圧縮空気を投入することによって制御弁１０内の制御要素１６の位置を制御することができるようになる。たとえば、キャビティ４０へ供給される圧縮空気がないと、バネ３０は、ピストン３４を付勢して図１に示された位置に移動する。このことにより、弁棒３２の着座面３６は弁座２４に係合してシールを形成し弁１０を閉弁する。しかしながら、圧縮空気がキャビティ４０の中に投入されると、ピストン３４の上方のキャビティ４０内の圧力が上昇して、ピストン３４および制御要素１６全体が図１に示された弁１００の配置に対して下方に向けて変位する。したがって、弁棒部３２の着座面３６は、弁座２４から離脱して、弁１０を開弁することにより、流体が弁を通って流れることを可能としている。

従来の用途の中には、図１に示されているように弁１０が閉弁すると、流体プロセスは、圧力がシステム内で上昇したまま留まっているような状態である。したがって、弁１０は、制御弁箱１２の流入口１８で流入口圧力Ｐ_Iを受け、弁箱１２の流出口２０で流出口圧力Ｐ_Oを受ける。流入口圧力Ｐ_Iは、ある与えられた瞬間においてまたはある与えられた用途において流出口圧力Ｐ_Oと等しくてもよいし、それよりも小さくてもよいし、または、それよりも大きくてもよい。低圧力用途では、流入口圧力Ｐ_Iおよび流出口圧力Ｐ_Oは約１０，０００ｐｓｉｇまで上昇しうる。高圧力用途では、流入口圧力および流出口圧力は約１０，０００ｐｓｉｇと約２０，０００ｐｓｉｇとの間の範囲の圧力にまで上昇しうる。したがって、図１に示されているように、従来の制御弁１０は、制御要素１６の弁棒部３２のまわりに配設された上部ｏ−リング４４と下部ｏ−リング４６とをさらに有している。

上部ｏ−リング４４は、弁棒３２と弁挿入部材２８内の孔部３８との間のギャップを閉じることにより、流体を密封するシールを形成するようになっている。したがって、上部ｏ−リング４４は、孔部３８の直径、すなわち１インチの１００分の２５（０．２５インチ）とほぼ等しい外径を有している。下部ｏ−リング４６は、弁棒部３２と弁箱１２内に形成されたガイド孔部４８との間のギャップを閉じる。したがって、下部ｏ−リング４６は、弁箱１２内のガイド孔部４８の直径、すなわち１インチの１００分の２５（０．２５インチ）とほぼ等しい外径を有している。上部ｏ−リング４４は、流出口圧力Ｐ_Oで圧縮された弁箱１２の流出口２０の流体が、弁棒部３２と弁挿入部材２８との間で漏洩するのを防止する。下部ｏ−リング４６は、流入口圧力Ｐ_Iで圧縮された弁箱１２の流入口１８の流体が、弁棒部３２と弁箱１２との間から漏洩してガイド孔部４８の中に流れるのを防止する。

上述のように、ハウジング２６のピストンキャビティ４０に供給される圧縮空気がないと、バネ３０は、着座面３６が弁座２４に着座するように制御要素１６を付勢力により図１に示されているような閉弁位置に移動させる。したがって、バネ３０は、このシールの特性および完全性を達成する補助をする。

これに加えて、流入口圧力Ｐ_Iがこのシールの特性および完全性の補助をしてもよい。たとえば、図１に示されているように、流入口圧力Ｐ_Iは、弁棒３２のうちの弁座２４よりも下に配置されている部分に作用する。詳細にいえば、弁棒部３２は、着座面３６の直ぐ下方に配置された肩部５０をさらに有している。肩部５０は、弁棒部３２０の長手方向の軸に対してほぼ直角に配設されているリング形状の面５１を形成している。また、流入口圧力Ｐ_Iは、この肩部５０に作用し、図１の弁１０の配置に対して上方向きの力を弁棒部３２に加える。したがって、この力は、弁棒部３２の着座面３６を弁座２４に着座させるのを促進する。また、流入口圧力Ｐ_Iは、下部ｏ−リング４６に作用して反対方向、すなわち図１の弁１０の配置に対して下方向きの力を弁棒部３２に加える。しかしながら、流入口圧力Ｐ_Iにより作用される肩部５０の面積が流入口圧力Ｐ_Iにより作用される下部ｏ−リング４６の面積よりも大きいので、流入口圧力Ｐ_Iにより生成されて弁座２４より下方の弁棒部３２上に加えられる力を合計した正味の力は、弁棒３２に上方向きに加えられる力となる。

それに対して、弁箱１２の流出口２０の流出口圧力Ｐ_Oは、弁棒３２のうちの弁座２４よりも上方の部分に作用する。さらに詳細には、上述のように、弁棒部３２は直径の小さな部分３２ａを有している。これに加えて、弁棒部３２は、直径の小さな部分３２ａのうちの着座面３６とは反対側に位置する第二の円錐台形状の面５２を形成している。したがって、流出口圧力Ｐ_Oは、弁座２４の孔部２５内に位置する着座面３６のうちの一部に作用して、弁１０の配置に対して下方向きの力を弁棒部３２に加える。流出口圧力Ｐ_Oは、第二の円錐台形状の面５２にも作用して弁１０の配置に対して上向きの力を弁棒３２に加える。さらに、流出口圧力Ｐ_Oは、弁棒部３２と弁挿入部材２８内の孔部３８との間で弁棒部３２により保持される上部ｏーリング４４のうちの一部に作用する。また、上部のｏ−リング４４に作用する圧力も上方向きの力を生成して弁棒部３２に加える。

しかしながら、弁挿入部材２８内の孔部３８の直径が弁座２４内の孔部２５の直径よりも小さいので、第二の円錐台形状の面５２と流出口圧力Ｐ_Oにより作用される上部ｏ−リング４４とを合計した領域は、流出口圧力Ｐ_Oにより作用される弁座２４内に位置する着座面３６の部分の領域よりも小さい。したがって、流出口圧力Ｐ_Oは、図１の弁１０の配置に対して下方向きのより大きな力を弁棒部３２に加える。したがって、流出口圧力Ｐ_Oおよび流入口圧力Ｐ_Iがほぼ等しい場合、流出口圧力Ｐ_Oにより生成される下方向きの力は、流入口圧力Ｐ_Iにより生成される上方向きの力を少なくとも部分的に打ち消すことになる。したがって、バネ３０は、弁棒部３２の着座面３６が弁座２４に着座したまま留まることを担保するように機能する唯一の構成部品である。

通常、バネ３０はこの機能を提供するのに十分である。しかしながら、高圧条件の下では、すなわち約１０，０００ｐｓｉｇと約２０，０００ｐｓｉｇとの間では、流入口圧力Ｐ_Iおよび流出口圧力Ｐ_Oにより生成されて弁棒３２に加えられる力およびそのことにより提供される効果の差は相当なものとなる場合もある。このことは、弁棒部３２の着座面３６と弁座２４との間のシールの完全性、ひいては弁１０の性能を危うくする場合もある。

本発明の１つの態様では、高圧流体制御デバイスが提供されている。この流体制御デバイスは弁箱を備えており、当該弁箱には、流入口、流出口、およびこれらの流入口と流出口との間に配置される喉部が形成されている。弁箱の喉部には弁座が取り付けられている。また、制御要素が、弁箱内に配設され、開弁位置と閉弁位置との間で移動可能となっている。制御要素は、直径の小さな部分とこの直径の小さな部分に隣接する着座面とが形成された弁棒を有している。制御要素が閉弁位置にあるとき直径の小さな部分のうちの少なくとも一部が弁座内に配置され、着座面が弁座に当接して当該着座面および直径の小さな部分が流体を介して流出口と繋がる。また、弁挿入部材が弁箱により保持されている。弁挿入部材には、制御要素の弁棒のうちの一部を摺動可能に受け入れる孔部が形成されている。弁挿入部材内の孔部は、弁座の直径とほぼ等しい直径を有している。

一つの実施形態では、バネが、弁挿入部材により保持されており、また、制御要素と係合して制御要素を付勢力によりし閉弁位置に移動するようになっている。

他の実施形態では、弁棒は、直径の小さな部分の第一の面とは反対側に位置する第二の面を有している。

一つの実施形態では、第一の面が第二の面に面している。

さらに他の実施形態では、第一の面および第二の面のうちの少なくとも一つが円錐台形状の面を含んでいる。

さらに他の実施形態にかかる制御要素は、弁棒により保持される第一のｏ−リングをさらに備えており、当該第一のｏ−リングは弁棒と弁挿入部材の孔部との間にシールを形成する。

さらに他の実施形態では、制御要素が閉弁位置にあるとき、弁棒の着座面が第一の領域を形成し、弁棒と第一のｏ−リングのうちの少なくとも一部が組み合わさって第二の領域を形成する。第一の領域は第二の領域とほぼ等しくてもよい。

一つの実施形態では、制御要素は、弁座の第一のｏ−リングとは反対側で弁棒により保持されている第二のｏ−リングをさらに有している。第二のｏ−リングは、流体を介して流入口と繋がっており、弁棒と弁箱との間をシールしている。

一つの実施形態では、第二のｏ−リングは、第一のｏ−リングの外径より小さな外径を有している。

したがって、少なくとも一つの実施形態では、高圧流体制御デバイスは双方向弁を含んでいる。弁が閉弁されているとき双方向弁の制御要素は流出口圧力および流入口圧力と流体を介して繋がっており、制御要素に加えられる力を合計した正味の力が制御要素を付勢力により弁座に着座させて閉弁位置に移動させる。弁座の流出口側では、制御要素はバランスがとれており、制御要素に加えられる流出口圧力の正味の力が実質的にゼロとなっている。それとは対照的に、弁座の流入口側では、制御要素はバランスがとれておらず、弁座の流入口側において制御要素に加えられる流入口圧力の正味の力が制御要素を付勢力により弁座に着座させて閉弁位置に移動させる。

従来の空気駆動式の双方向制御弁の側面を示す断面図である。 本発明に従って製造された空気駆動式の双方向制御弁の一実施形態の側面を示す断面図である。 図２の円ＩＩＩから得られた図２の制御弁の側面を部分的に示す断面図である。

図２には、本発明の原理に従って製造された空気駆動式の双方向制御弁１００の一実施形態が示されている。制御弁１００は、とくに高圧条件の下で従来技術に関する問題を軽減するように設計および構成されている。制御弁１００の利点および効果は下記の詳細な記載から理解されるだろう。本発明に従って製造される制御弁の一実施形態を記述しているものの、本明細書に記載の請求項の技術範囲を制限することを意図したものではない。

通常、制御弁１００は弁箱１２０とアクチュエータ組立体１４０とを備えている。アクチュエータ組立体１４０は、図２に示されている閉弁位置と開弁位置（図示せず）との間で弁箱１００内を摺動可能に変位するように構成された制御要素１６０を収容している。

さらに詳細にいえば、弁箱１２０は、流入口１８０と、流出口２００と、喉部２２０と、口部２０２と、ガイド孔４８０とを備えている。喉部２２０は、記載のように、制御要素１６０が係合して弁１００を閉弁するための弁座２４０を保持している。弁座２４０は、孔部２５０が形成されたおおむねリング形状の本体を有している。開示の実施形態では、弁座２４０の孔部２５０は、１インチの約１０００分の２５７（０．２５７インチ）の直径Ｄ１（図３に示されている）を有している。

図２をさらに参照すると、アクチュエータ組立体１４０は、弁箱１２０の口部２０２に取り付けられており、記載されているように、制御要素１６０を有している。通常、制御要素１６０は、締結部材３２４により相互に固定されている弁棒３２０、バネ座３２２およびピストン３４０を有している。これに加えて、アクチュエータ組立体１４０は、ハウジング２６０と、弁挿入部材２８０と、バネ３００とを有している。ハウジング２６０は、止めリング２６６により相互に固定される本体２６２と、端板２６４を含んでいる。本体２６２と端板２６４とによりピストンキャビティ４００とバネキャビティ４０２とが形成される。ピストンキャビティ４００は、制御要素１６０のピストン３４０を摺動可能に保持している。バネキャビティ４０２は、バネ３００と、バネ座３２２と、締結部材３２４とを収容するようになっている。端板２６４は、たとえば気体供給配管（図示せず）に結合されるネジ切りされたアパーチャ２６８を有している。圧縮空気をピストンキャビティ４００に供給するように気体供給配管を構成してもよい。ハウジング２６０の本体２６２は、弁箱１２０の口部２０２に螺合されている。したがって、本体２６２は、弁箱１２０と共に、アクチュエータ組立体１４０のその他の構成部材の位置の関係を維持するようになっている。詳細にいえば、本体２６２は弁挿入部材２８０と係合しており、弁挿入部材２８０が弁箱１２０の口部２０２の内部の位置に留まっている。このことにより、弁挿入部材２８０は、弁棒３２０を摺動可能に保持することにより制御要素１６０の位置を維持するように働く。

制御要素１６０の弁棒３２０は、アクチュエータ組立体１４０から、弁箱１２０の喉部２２０を貫通させて延設されている。一般的に、弁棒３２０は、上部３２０ａと、下部３２０ｂと、これら上部３２０ａと下部３２０ｂとの間に配設された首部３２６とを有している。

図３に示されているように、弁棒３２０の上部３２０ａは、ネジ切りされた孔部３２１と、環状の凹部３２３とを有している。ネジ切りされた孔部３２１は、締結部材３２４と螺合している。環状の凹部３２３は、上部ｏーリング４４０とバックアップリング４４２とを収容している。バックアップリング４４２は、凹部３２３内の位置に上部ｏ−リング４４０を維持するようなサイズおよび構造に成されたプラスチックリングを含んでいる。開示されている実施形態では、上部ｏ−リングは、１インチのおよそ１０００分の７（０．０７インチ）の断面直径を有している。しかしながら、他の実施形態では、は個々の用途に適切な実質的にいなかなるサイズのｏ−リングを備えていてもよい。

弁棒３２０の下部３２０ｂは、弁箱１２０のガイド孔部４８０内に摺動可能に部分的に配設されている。 したがって、ガイド孔部４８０は、弁棒３２０の下部３２０ｂの直径よりも大きな直径Ｄ３を有している。開示されている実施形態では、ガイド孔部４８０は、１インチのおよそ１００分の２５（０．２５インチ）の直径Ｄ２を有している。弁棒３２０の下部３２０ｂには環状の凹部３２５が形成されている。下部３２０ｂの環状の凹部３２５は下部ｏ−リング４６０とバックアップリング４６２とを収容するようになっている。バックアップリング４６２は、凹部３２５の位置に下部ｏ−リング４６０を維持するようなサイズおよび構造に形成されている。弁棒３２０の下部３２０ｂは、弁棒３２０の下部３２０ｂの環状の凹部３２５と弁棒３２０の首部３２６との間で配設された肩部５００をさらに有している。図３に示されているように、肩部５００は、弁棒３２０の長手方向の軸と交差する面に設けられるリング形状の面５０２を含んでいる。長手方向の軸は、図３の参照符号Ａにより表されている。開示されている実施形態にかかるリング形状の面５０２は、弁棒３２０の長手方向の軸Ａに対してほぼ直角となっている。しかしながら、他の実施形態では、リング形状の面５０２は、長手方向の軸Ａを実質的にいかなる角度で横断、すなわち交差するように設けられる面に含まれるものであってもよい。

弁棒３２０の首部３２６は、その対向する軸方向の端部が着座面３６０および第二の面３５２に隣接している。制御要素１６０が図示されているような閉弁位置にあるとき、着座面３６０は弁座２４０に着座する。開示されている実施形態では、着座面３６０は、弁棒３２０の下部３２０ｂから首部３２６へと先細になっていくおおむね円錐台形状の面を含んでいる。それとは対照的に、第二の面３５２は、弁棒３２０の上部３２０ａから首部３２６まで先細になっていく円錐台形状の面を含んでいる。円錐台形状の面を含んでいるような着座面３６０および第二の面３５２が本明細書に記載されているが、他の実施形態は、弁棒３２０の長手方向の軸Ａを横断、すなわち交差する面に少なくとも一部が含まれる面を有した実質的にいかなる形状の面を含んでいてもよい。このように構成されると、首部３２６は、弁棒３２０のその他の部分の直径および／または弁座２４０の孔部２５０の直径Ｄ１より小さい直径を有することになる。したがって、弁１０が開弁位置（図示せず）におかれると、首部３２６は、システム内の流体が弁箱１２０の流入口１８０と流出口２００との間で移動しうるように弁座２４０の孔部２５０の内部に配置される。

図３をさらに参照すると、弁挿入部材２８０には、制御要素１６０の弁棒３２０の上部３２０ａを摺動可能に受ける孔部３８０が形成されている。弁１００の動作時、弁棒３２０が孔部３８０内で自由に往復運動しうるように、孔部３８０は弁棒３２０の少なくとも上部３２０ａの外径よりよりもわずかに大きな直径を有している。したがって、図３において参照符号Ｇにより表されているギャップが弁棒３２０と孔部３８０との間に配設されている。弁１００の開示された実施形態では、孔部３８０は、１インチの約１０００分の２５６（０．２５６インチ）の直径Ｄ３を有している。したがって、弁１００の本実施形態の弁挿入部材２０内の孔部３８０の直径Ｄ３は、弁座２４０の孔部２５０の直径Ｄ１とほぼ等しい。この直径Ｄ１は、上述のように、１インチの約１０００分の２５７（０．２５７インチ）である。これに加えて、弁座２４０および弁挿入部材２８０の孔部２５０、２８０の直径Ｄ１、Ｄ３の各々は、弁箱１２０のガイド孔４８０の直径Ｄ２よりも大きい。直径Ｄ２は、開示された実施形態では、上述のように、１インチの約１００分の２５（０．２５インチ）である。

図２を参照すると、弁１００の本実施形態のバネ３００は、制御要素１６０の弁挿入部材２８０とバネ座３２２との間に配置されている。したがって、バネ３００は、図２の弁１００の配置に対して上方に向けて制御要素１６０を付勢して図示された位置に移動させる。したがって、上述のように、制御要素１６０のピストン３４０は、ハウジング２６０の本体２６２と端板２６４とにより形成されているピストンキャビティ４００内に摺動可能に配設されている。

このように配置されると、制御弁１０内の制御要素１６０の位置は、圧縮空気をネジ切りされたアパーチャ２６８を通してピストンキャビティ４００の中に導入することにより制御されることになる。キャビティ４００へ供給される圧縮空気がないと、バネ３００は、ピストン３４０を付勢して図２に示された位置に移動する。このことにより、弁棒３２０の着座面３６０は弁座２４０に着座して弁１００を閉弁する。しかしながら、空気がキャビティ４００の中に導入されると、キャビティ４００内の圧力が上昇してバネ３００により生成された力に打ち勝つ。このことにより、ピストン３４０および制御要素１６０全体が図２に示された弁１００の配置に対して下方に向けて変位する。したがって、弁棒３２０の着座面３６０は、弁座２４０から離脱して、弁１００を開弁することにより、流体が弁を通って流れることを可能としている。

図２および図３に示されているように弁１００が閉弁されると、流体プロセスは、システム内で上昇したまま留まっているような状態である。したがって、弁１００は、弁箱１２０の流入口１８０で流入口圧力Ｐ_Iを受け、弁箱１２０の流出口２００で流出口圧力Ｐ_Oを受ける。流入口圧力Ｐ_Iは、ある与えられた瞬間においてまたはある与えられた用途において流出口圧力Ｐ_Oと等しくてもよいし、それよりも小さくてもよいし、または、それよりも大きくてもよい。低圧力用途では、流入口圧力Ｐ_Iおよび流出口圧力Ｐ_Oは約１０，０００ｐｓｉｇまで上昇しうる。高圧力用途では、流入口圧力および流出口圧力は約１０，０００ｐｓｉｇと約２０，０００ｐｓｉｇとの間の範囲の圧力にまで上昇しうる。このような加圧用途では、上部ｏ−リング４４０よび下部ｏ−リング４６０は、弁１００の流入口領域１８０および流出口領域２００の内部に流体を収容して弁１００の性能に影響を与えうる漏洩を防止するように作用する。

詳細には、上部ｏ−リング４４０は、弁挿入部材２８０内の弁棒３２０と孔部３８０との間のギャップＧを閉じることにより、流体を密封をするシールを形成するようになっている。下部ｏ−リング４６０は、弁棒３２０と弁箱１２０内に形成されたガイド孔部４８０との間の同様のギャップを閉じてシールする。したがって、上部ｏ−リング４４０は、流出口圧力Ｐ_Oで圧縮された弁箱１２０の流出口２００の流体が、弁棒３２０と弁挿入部材２８０との間で漏洩するのを防止する。下部ｏ−リング４６０は、流入口圧力Ｐ_Iで圧縮された弁箱１２０の流入口１８０の流体が、弁棒３２０と弁箱１２０の間から漏洩して弁箱１２０のガイド孔部４８０の中に流れるのを防止する。

上述のように、ハウジング２６０のピストンキャビティ４００に供給される圧縮空気がないと、バネ３００は、着座面３６０が弁座２４０に着座するように、制御要素１６０を付勢して図２に示されているような閉弁位置に移動させる。したがって、バネ３００は、このシールの特性および完全性を達成するための補助をする。

これに加えて、流入口圧力Ｐ_Iが、このシールの特性および完全性の補助をする。たとえば、図３に示されているように、流入口圧力Ｐ_Iは、弁棒３２０のうちの弁座２４０よりも下に配置されている部分に作用する。詳細にいえば、流入口圧力Ｐ_Iは、肩部５００に隣接して配設されている弁棒３２０の面５０２に作用して図２および図３の弁１００の配置に対して弁棒３２０に上方向きの力を加える。したがって、この上方向きの力は、弁棒３２０の着座面３６０を弁座２４０に着座させるのを促進させる。また、流入口圧力Ｐ_Iは、下部ｏ−リング４６０に作用して反対方向、すなわち図２および図３の弁１００の配置に対して下方向きの力を弁棒３２０も加える。しかしながら、流入口圧力Ｐ_Iにより作用される面５０２の面積が流入口圧力Ｐ_Iにより作用される下部ｏ−リング４６０の面積よりも大きいので、流入口圧力Ｐ_Iにより加えられる上方向きの力と下方向きの力とを合計した正味の力が弁棒３２０の上方向きの力となる。

弁箱１２０の流出口２００の流出口圧力Ｐ_Oは、弁棒３２０のうちの弁座２４０よりも上方の部分に作用する。さらに詳細には、流出口圧力Ｐ_Oは、弁座２４０の孔部２５０の内に位置する着座面３６０のうちの一部に作用して、弁１００の配置に対して下方向きの力を弁棒３２０に加える。それとは対照的に、流出口圧力Ｐ_Oは、第二の面３５２にも作用して弁１００の配置に対して上向きの力を弁棒３２０に加える。さらに、流出口圧力Ｐ_Oは上部ｏーリング４４０の一部に作用する。上部ｏーリング４４０は、弁棒３２０により保持されるとともに、弁棒３２０と弁挿入部材２８０内の孔部３８０との間のギャップＧ内に露出されている。また、上部のｏ−リング４４０に作用する圧力も上方向きの力を生成して弁棒３０に加える。

上述のように、弁挿入部材２８０の孔部３８０の直径Ｄ３は、弁座２４０の孔部２５０の直径Ｄ１とほぼ等しい。したがって、第二の面３５２と、流出口圧力Ｐ_Oにより作用される上部ｏ−リング４４０のうちのギャップＧ内に露出された部分とを組み合わせた面積は、弁座２４０の孔部２５０内に露出されるとともに流出口圧力Ｐ_Oにより作用される着座面３６０の面積とほぼ等しい。このように、流出口圧力Ｐ_Oは、弁座２４０の上方でほぼ等しくかつ反対方向のほぼ等しい力を弁棒３２０に加えるため、流出口圧力Ｐ_Oにより弁棒３２０に加えられる上方向きまたは下方向きの正味の力が実質的にゼロとなる。したがって、流入口圧力Ｐ_Iにより生成され、弁棒３２０の肩部５００の面５０２に加えられる上方向きの正味の力によって、弁１００の本実施形態にかかるバネ３００が着座面３６０を弁座２４０に着座させ続けることが補助されている。したがって、この弁棒３２０上のプラスの上方向きの力は、高圧条件の下、すなわち約１０，０００ｐｓｉｇと約２０，０００ｐｓｉｇとの間で著しい効果を奏する。

また、本発明にかかる弁１００の他の態様は、高圧条件の下において著しい効果を奏する。たとえば、バネ３００は、従来の空気駆動式の双方向弁１０のバネ３０よりも大きくてもよい。詳細にいえば、バネ３００は、従来の７０ポンド力（７０ｌｂｆ）とは異なり、約１３５ポンド力（１３５ｌｂｆ）を生じる圧縮コイルバネを含みうる。したがって、より大きなバネ３００は、より大きな力に耐えることができるため、弁棒３２０を弁座２４０に着座させ続けることができる。

さらに、本発明の本実施形態にかかる制御要素１６０のピストン３４０の直径は、従来の制御要素１６のピストン３４の直径よりも大きくなっている。詳細にいえば、本発明の本実施形態にかかる制御要素１６０のピストン３４０は、従来のピストン３４のサイズである１インチと１００分の３７５インチ（１．３７５インチ）とは異なり、１インチと１０００分の８７５インチ（１．８７５インチ）である。このように構成すると、ピストン３４０のより大きな直径が圧力が作用するより大きな表面積を提供するため同一の空気圧力であってもより大きなバネ３００に打ち勝つ十分な力を生成することができるので、約８０ｐｓｉｇと１５０ｐｓｉｇとの間の圧力でピストンキャビティ４００に供給される標準的な作業用圧縮空気源を用いて本発明の弁１００を駆動することが可能となる。

最後に、弁１００の本実施形態にかかる弁挿入部材２８０が従来の弁１０の挿入部材２８よりもより強靱な材料から造られてもよい。詳細にいえば、一実施形態では、弁挿入部材２８０が、従来の弁挿入部材２８の３１６ステンレススチールとは異なり、１７−４ステンレススチールから造られてもよい。より強靱なスチール製の弁挿入部材２８０は、高圧条件の下の変形および／または劣化に対して耐性を有しているので、制御弁の耐用年数を延ばすことができる。

したがって、本発明は、制御空気圧力が供給されないと必然的にシステム内の圧力が弁を付勢して閉弁位置に移動させるようなサイズおよび構成に形成される高圧空気駆動式の双方向制御弁１００を提供するという利点を有している。詳細にいえば、本発明は、弁座の上方では実質的にバランスがとれ、すなわち弁座の上方では流出口圧力により弁棒に加えられる力の合計がゼロであり、弁座の下方では着座方向に正味の力を生じるように構成された双方向弁のための制御要素および弁挿入部材を提供している。

以上に記載されているように、本明細書の詳細な記載は、本発明の原理に従って製造される空気駆動式の双方向制御弁の一例を例示することを意図したものに過ぎないということはいうまでもない。本発明の技術思想および技術範囲から逸脱することなく用いられる材料の変更を含む変更および修正は、添付の特許請求の範囲内に含まれるものとする。

Claims (32)

1. 流入口、流出口および前記流入口と前記流出口との間に配設される喉部が形成されている弁箱と、
   前記弁箱の前記喉部内に取り付けられている弁座と、
   前記弁箱内に配設され、開弁位置と閉弁位置との間を移動可能であり、直径の小さな部分と該直径の小さな部分に隣接する着座面とが設けられた弁棒を有している制御要素と、
   前記弁箱により保持されている弁挿入部材と、
   前記弁挿入部材により保持され、前記制御要素と係合して前記制御要素を付勢力により前記閉弁位置に移動させるバネとを備えており、
   前記制御要素が前記閉弁位置にあるとき、前記着座面が前記弁座に当接し、前記直径の小さな部分が流体を介して前記流出口と繋がるよう前記直径の小さな部分のうちの少なくとも一部が前記弁座内に配置されるように構成されており、
   前記弁挿入部材には、前記制御要素の前記弁棒のうちの一部を摺動可能に受け入れる孔部が形成され、前記弁挿入部材内の前記孔部が前記弁座の直径とほぼ等しい直径を有してなる、高圧流体制御デバイス。
2. 前記弁棒が、前記直径の小さな部分のうちの前記第一の面とは反対側に位置する第二の面を有してなる、請求項１に記載のデバイス。
3. 前記第一の面が前記第二の面に面するように構成されてなる、請求項２に記載のデバイス。
4. 前記第一の面および前記第二の面のうちの少なくとも一つが円錐台形状の面を含んでなる、請求項２に記載のデバイス。
5. 前記制御要素が、前記弁棒に取り付けられる第一のｏ−リングをさらに有しており、該第一のｏ−リングが前記弁棒と前記弁挿入部材の前記孔部との間にシールを形成してなる、請求項１に記載のデバイス。
6. 前記制御要素が前記閉弁位置にあるとき、前記弁棒の前記着座面が、前記流出口と流体を介して繋がる第一の領域を形成し、また、前記制御要素が前記閉弁位置にあるとき、前記弁棒と前記第一のｏ−リングのうちの少なくとも一部とが組み合わさって前記流出口と流体を介して繋がる第二の領域を形成し、前記第一の領域が前記第二の領域とほぼ等しい、請求項５に記載のデバイス。
7. 前記制御要素が、前記弁棒のうちの前記第一のｏ−リングとは反対側の位置で前記弁棒に取り付けられている第二のｏ−リングをさらに有し、該第二のｏ−リングが、前記流入口と流体を介して繋がっているとともに、前記弁棒と前記弁箱との間にシールを形成してなる、請求項５に記載のデバイス。
8. 前記第二のｏ−リングが前記第一のｏ−リングの外径より小さな外径を有してなる、請求項７に記載のデバイス。
9. 高圧流体制御デバイスであって、
   流入口圧力に適合するように構成された流入口、流出口圧力に適合するように構成された流出口および前記流入口と前記流出口との間に配設された喉部が形成されている弁箱と、
   前記弁箱の前記喉部内に取り付けられている弁座と、
   前記弁箱内に配設され、開弁位置と閉弁位置との間で変位する制御要素とを備えており、
   前記制御要素には、前記制御要素が前記閉弁位置にあるとき前記流出口と流体を介して繋がる第一の領域と、前記制御要素が前記閉弁位置にあるとき少なくとも部分的に前記第一の領域に面するとともに前記流出口と流体を介して繋がる第二の領域とが形成されており、
   前記第一の領域が前記第二の領域とほぼ等しいため、前記制御要素が前記閉弁位置にあるとき、前記流出口圧力が、前記第一の領域と前記第二の領域に対してほぼ等しくかつ反対方向の力を加えるように構成されてなる、デバイス。
10. 前記制御要素が、直径の小さな部分と、該直径の小さな部分の軸方向に沿って対向する端部に位置する第一の面および第二の面とを有してなる、請求項９に記載のデバイス。
11. 前記弁箱に設けられる弁挿入部材をさらに備えており、該弁挿入部材には 前記制御要素を摺動可能に受け入れる孔部が形成されてなる、請求項８に記載のデバイス。
12. 前記制御要素が、前記弁挿入部材内の前記孔部に係合してシールを形成するｏ−リングをさらに有してなる、請求項１１に記載のデバイス。
13. 前記第一の面と前記ｏ−リングのうちの少なくとも一部とが前記制御要素の前記第一の領域を形成し、前記第二の面が前記制御要素の前記第二の領域を形成してなる、請求項１２に記載のデバイス。
14. 前記弁挿入部材内の前記孔部が、前記弁座内の孔部の直径とほぼ等しい直径を有してなる、請求項１１に記載のデバイス。
15. 前記制御要素の前記第一の面が前記制御要素の前記第二の面におおむね面するように構成されてなる、請求項１０に記載のデバイス。
16. 前記第一の面および前記第二の面のうちの少なくとも一つが円錐台形状の面を有してなる、請求項１０に記載のデバイス。
17. 前記弁箱により保持されるバネをさらに備え、該バネが、前記制御要素と係合して、前記制御要素を付勢力により前記閉弁位置に移動させてなる、請求項９に記載のデバイス。
18. 高圧流体制御デバイスであって、
    流入口圧力に適合するように構成された流入口および流出口圧力に適合するように構成された流出口が形成されている弁箱と、
    前記弁箱内に取り付けられている弁座と、
    前記弁箱内に配設され、開弁位置と閉弁位置との間を摺動可能な制御要素と、
    前記弁箱により保持されている弁挿入部材とを備えており、
    前記制御要素が、第一の面と第二の面との間に位置する直径の小さな部分が形成された弁棒を有しており、
    前記制御要素が閉弁位置にあるとき、前記直径の小さな部分、前記第一の面および前記第二の面が前記流出口と流体を介して繋がっており、
    前記弁挿入部材には、前記制御要素の前記弁棒のうちの少なくとも一部を摺動可能に受け入れる孔部が形成されており、
    前記弁座および前記弁挿入部材内の前記孔部は、前記制御要素が閉弁位置にあるとき前記流出口圧力がほぼ等しくかつほぼ反対方向の力を前記制御要素に加えるようなサイズおよび構造に形成されてなる、デバイス。
19. 前記弁挿入部材内の前記孔部が、前記弁座内の孔部の直径とほぼ等しい直径を有してなる、請求項１８に記載のデバイス。
20. 前記第一の面および前記第二の面が前記制御要素の長手方向の軸を横切るように配設されてなる、請求項１８に記載のデバイス。
21. 前記第一の面および前記第二の面が、前記制御要素が前記閉弁位置にあるとき前記弁箱の前記流出口と流体を介して繋がる第一の領域および第二の領域とを少なくとも部分的にそれぞれ対応して形成しており、前記第一の領域が前記二の領域とほぼ等しい、請求項２０に記載のデバイス。
22. 前記弁棒により保持され、前記弁挿入部材内の前記孔部と係合してシールを形成するｏ−リングをさらに備えてなる、請求項２１に記載のデバイス。
23. 前記制御要素の前記第一の面と前記ｏ−リングのうちの少なくとも一部とにより前記第一の領域が形成され、前記第二の面により前記第二の領域が形成されてなる、請求項２２に記載のデバイス。
24. 前記制御要素の前記第一の面が前記制御要素の前記第二の面におおむね面するように構成されてなる、請求項２０に記載のデバイス。
25. 前記第一の面および前記第二の面のうちの少なくとも一つが円錐台形状の面を含んでなる、請求項２５に記載のデバイス。
26. 高圧流体制御デバイスであって、
    流入口圧力に適合するように構成された流入口、流出口圧力に適合するように構成された流出口および前記流入口と前記流出口との間に配設された喉部が形成されている弁箱と、
    相互に対向する第一の面と第二の面との間に位置する直径の小さな部分を有している制御要素と、
    前記弁箱の前記喉部内に取り付けられているとともに孔部を有している弁座と、
    前記弁箱により保持されている弁挿入部材とを備えており、
    前記制御要素が、前記弁箱内に配設され、開弁位置と閉弁位置との間を摺動可能であり、前記制御要素が前記閉弁位置にあるとき、前記第一の面および前記第二の面が前記流出口と流体を介して繋がるように構成されており、
    前記制御要素が前記閉弁位置にあるとき、前記弁座内の前記孔部が、前記制御要素の前記第二の面により係合されて前記流出口と連通するようになっており、
    前記弁挿入部材には前記制御要素を摺動可能に受け入れる孔部が形成され、前記制御要素が前記閉弁位置にあるとき、前記弁挿入部材内の前記孔部が前記流出口と連通するようなっており、前記弁挿入部材内の前記孔部が、前記弁座内の前記孔部の直径とほぼ等しい直径を有してなる、デバイス。
27. 前記制御要素が、前記弁挿入部材内の前記孔部に係合してシールを形成するｏ−リングをさらに有してなる、請求項２６に記載のデバイス。
28. 前記制御要素の前記第一の面が前記制御要素の前記第二の面におおむね面するように構成されてなる、請求項２６に記載のデバイス。
29. 前記第一の面および前記第二の面のうちの少なくとも一つが円錐台形状の面を有してなる、請求項２６に記載のデバイス。
30. 前記制御要素の前記第一の面と前記第一のｏ−リングのうちの少なくとも一部とが前記制御要素の第一の領域を形成し、前記第二の面が前記制御要素の第二の領域を形成し、前記制御要素が前記閉弁位置にあるとき前記流出口圧力がほぼ等しくかつほぼ反対方向の力を前記制御要素に加えるように、前記第一の領域および前記第二の領域が前記流出口と流体を介して繋がるように構成されてなる、請求項２７に記載のデバイス。
31. 前記弁箱により保持され、前記制御要素と係合して前記制御要素を付勢力により前記閉弁位置に移動させるバネをさらに備えてなる、請求項２６に記載のデバイス。
32. 前記制御要素が、前記弁座のうちの前記第一のｏ−リングとは反対側に配置されている第二のｏ−リングをさらに有しており、前記制御要素が前記閉弁位置にあるとき、該第二のｏ−リングが、前記流入口と流体を介して繋がっているとともに、前記制御要素と前記弁箱との間にシールを形成してなる、請求項２７に記載のデバイス。

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