JP2012514722A - 流体制御弁 - Google Patents

Abstract

流体制御弁は、流入口と流出口とを有するバルブハウジングを含む。調節プラグは、バルブハウジング内に配置され、バルブハウジング内において、流入口と流出口との間の流体の流れを許容する開位置と、流入口と流出口との間の流体の流れを阻止する閉位置との間を、弁軸線に沿って直線的に移動するように構成されている。参照面は、弁軸線に対して垂直に配向されて設けられる。調節プラグは、流出口の流体の流れと流体連通する検出ポートを有するノーズ部を含む。検出ポートは弁軸線に対して垂直であって、参照面に対して略平行に配向されて設けられる。

Description

本発明は一般に流体制御弁に関し、より詳細には、作動力を低減するように構成された流体制御弁に関する。

プラグ弁、特にコンタードプラグ弁は、弁の端面に作用する流体圧力に起因して、弁を動かすために大きな作動力を必要とする場合がある。この大きな作動力により弁の動的応答が低下してしまうことが知られている。このため、プラグ弁に、弁のノーズ部から弁の内側の空洞部まで穿設された経路を設ける場合がある。この内側の空洞部の圧力は弁の肩部にかかる圧力を生成して弁を一の方向に付勢し、これにより、弁の端面に作用して弁を反対方向に付勢する流体の力に対抗する。

作動力を低減させることにより、例えばタービン装置の燃料の調節に用いられる弁等の、高性能用途に使用される弁を、優れた動的応答を有する、費用効果の高い、高速作動する電気アクチュエータで作動させることができる。

一の実施の形態において、流体制御弁は、流入口と流出口とを有するバルブハウジングを含む。調節プラグは、バルブハウジング内に配置される。調節プラグは、バルブハウジング内において、流入口と流出口との間の流体の流れを許容する開位置と、流入口と流出口との間の流体の流れを阻止（ブロック）する閉位置との間を、弁軸線に沿って直線的に移動するように構成される。参照面は、弁軸線に対して垂直に配向されて設けられる。調節プラグは、流出口の近傍において調節プラグの第１の端部に位置するノーズ部と、ノーズ部に配置された検出（センシング）ポートとを含む。検出ポートは、流出口の流体の流れと流体連通して設けられ、弁軸線に対して垂直に、参照面に対して略平行に配向されて設けられる。

他の実施の形態において、流体制御弁は、流入口と流出口とを有するバルブハウジングを含む。調節プラグは、バルブハウジング内に配置される。調節プラグは、バルブハウジング内において、流入口と流出口との間の流体の流れを許容する開位置と、流入口と流出口との間の流体の流れを阻止する閉位置との間を、弁軸線に沿って直線的に移動するよう構成される。参照面は、弁軸線に対して垂直に配向されて設けられる。調節プラグは、流出口の近傍において調節プラグの第１の端部に位置するノーズ部と、ノーズ部に配置された検出ポートとを含む。検出ポートは、流出口の流体の流れと流体連通して設けられ、参照面に対して角度を有して配向されて設けられる。

さらに他の実施の形態において、流体制御弁は、流入口と流出口とを有するバルブハウジングを含む。調節プラグは、バルブハウジング内に配置される。調節プラグは、バルブハウジング内において、流入口と流出口との間の流体の流れを許容する開位置と、流入口と流出口との間の流体の流れを阻止する閉位置との間を、弁軸線に沿って直線的に移動するよう構成される。参照面は、弁軸線に対して垂直に配向されて設けられる。調節プラグは、第１の端部と、第１の端部の反対側に位置する第２の端部と、流出口の近傍において調節プラグの第１の端部に位置するノーズ部とを含む。調節プラグの円錐体は、第１の端部から第２の端部まで延在し、ノーズ部においてテーパを成すテーパ付ネック部を形成して設けられる。調節プラグは、さらに、テーパ付ネック部から延在するリップ部と、ノーズ部に配置された検出ポートとを含む。リップ部のリップ径は、テーパ付ネック部のネック径よりも大きく（幅広に）設けられる。検出ポートは、流出口の流体の流れと流体連通して設けられ、参照面に対して角度を有して配向されて設けられる。

本発明の他の態様、目的及び利点は、添付図面を併せ見れば、以下の詳細な説明によりさらに明らかになるであろう。

本明細書に組み入れられ、本明細書の一部を形成する添付図面は、本発明の複数の態様を例示し、記述とともに、本発明の原理の説明に資する。

図１は一の実施の形態の流体制御弁を示す断面図であり、流体制御弁のノーズ部を含んで示す図である。

図２は、図１に示すノーズ部の拡大断面図である。

図３は、他の実施の形態のノーズ部の拡大断面図であり、テーパ付ネック部およびリップ部を含み、リップ部のリップ径がテーパ付ネック部のネック径よりも大きく設けられたことを示す図である。

図４は、さらに他の実施の形態のノーズ部の拡大断面図であり、参照面に対して角度を有する検出ポートを含んで示す図である。

本発明は、ある好ましい実施の形態と関連付けて説明されるが、それら実施の形態に限定する意図はない。反対に、意図するところは、全ての代替物、変形、および均等物を、特許請求の範囲に定義されているように本発明の精神と範囲の内に含まれるものとして、カバーすることである。

図１および図２を参照して、流体制御弁１００を説明する。流体制御弁１００は、産業用ガスタービンまたは他の連続燃焼システムへの流体（例えば、ガスおよび／または燃料）の流れを制御するよう構成されている。流体制御弁１００は、流体流出口１１２と流体流入口１１４とを有するバルブハウジング１１０を含む。流体流入口１１４は、高圧力下で流体源（不図示）と連通して設けられる。以下に詳細に説明するように、流体制御弁１００が開位置にあるときは、流体は通常、流体流入口１１４と流体流出口１１２との間を、全体として矢印１１６で示す方向に流れることができる。

流体制御弁１００はまた、ピストン部材１９５と、ピストン部材１９５に作動可能に結合する調節プラグ１３０とを含む。ピストン部材１９５および調節プラグ１３０は共に、バルブハウジング１１０内に配置される。一の実施の形態において、ピストン部材１９５と調節プラグ１３０とは、合わせて固定される別体の構成部品として構成される。例えば、調節プラグ１３０は、ピストン部材１９５の端部を受け入れるように、一の端部にねじ穴（不図示）を含んで設けられてもよい。あるいは、ピストン部材１９５は、調節プラグ１３０の端部を受け入れるように、一の端部にねじ穴（不図示）を含んで設けられてもよい。だが望まれるのであれば、ピストン部材１９５と調節プラグ１３０とを一体（単体）の構成要素として構成できることは、理解されることであろう。

図示するように、一の実施の形態において、ピストン部材１９５は全体として円筒状の形状構成を有して設けられ、調節プラグ１３０から軸方向に延在するように設けられる。ピストン部材１９５は適切なアクチュエータ（不図示）によって駆動（作動）され、調節プラグ１３０を開位置と閉位置との間で移動させることにより、流体制御弁１００を通る流体の流れを調節する。作動中は、ピストン部材１９５およびそれに結合する調節プラグ１３０は、弁軸線１３５に沿って特定の方向（例えば鉛直方向）に直線的に移動するように構成されている。参照面（不図示）は、弁軸線１３５に対して垂直に配向されて設けられる。

ピストン部材１９５の軸部材１２０は、直線往復動自在に取り付けられて、調節プラグ１３０を開位置と閉位置との間で移動させる。調節プラグ１３０が開位置にあるときは、流体は通常、流体流入口１１４と流体流出口１１２との間を、全体として矢印１１６で示す方向に流れることができる。一方、調節プラグ１３０が閉位置にあるときは、流体流入口１１４と流体流出口１１２との間の流体の流れは阻止（ブロック）される。

一の実施の形態において、調節プラグ１３０の形状は全体として略円筒形に設けられ、調節プラグ１３０の軸長に沿って、直径の異なる複数の区画または部分を含んでもよい。一の実施の形態において、調節プラグ１３０は、流体流入口１１４の近傍において調節プラグ１３０の一の端部に配置されたステム部１４０と、流体流出口１１２の近傍において調節プラグ１３０の反対側の端部に位置するノーズ部１５０とを含む。ピストン部材１９５は、調節プラグ１３０のステム部１４０に結合されて設けられる。ステム部１４０は、ピストン部材１９５の（最大の）外径よりも小さい直径を有する一以上の段部を含んで設けられてもよい。さらに、調節プラグ１３０は、実質的に一定の圧力で、ピストン部材１９５のストロークまたは位置に対してリニア（線形）なガスの流れをもたらすように整形されたコンタード面１３２を含む。

ノーズ部１５０は、テーパ付ネック部１６０を形成するように放射状に延在してテーパを成す側面を有する円錐状の構成を含む。ノーズ部１５０は、さらに、流体流出口１１２の流体の流れに流体連通する検出（センシング）ポート１７０を含む。一の実施の形態では、検出ポート１７０として、テーパ付ネック部１６０の一の側または両側に配置された複数の検出ポート１７０が含まれる。さらに、複数の検出ポート１７０は、異なる弁（バルブ）ストロークおよび圧力比において流体の流れの動圧を取り込む（キャプチャする）手法を調整するように、調節プラグ１３０の弁軸線１３５に沿う様々な位置に配設するものとしてもよい。

また、流体制御弁１００は、バルブハウジング１１０内に配置された内部チャンバ１８０と、弁軸線１３５に対して略平行にノーズ部１５０から内部チャンバ１８０まで調節プラグ１３０を貫通して延在する流路１９０とを含む。流路１９０は、流体流出口１１２に設けられた検出ポート１７０から内部チャンバ１８０まで流体の流れが連通するように構成されている。その結果、内部チャンバ１８０内の流体のチャンバ圧力が、調節プラグ１３０を第１の方向（例えば、下方向）に付勢して、調節プラグ１３０を第２の方向（例えば、上方向）に付勢する、ノーズ部１５０における流体の流れの流体圧力に少なくとも部分的に対抗する（あるいは部分的に相殺する）。結果として、チャンバ圧力による作用力がピストン部材１９５の肩部１９８に作用して調節プラグ１３０を閉位置に向けて付勢する。ピストン部材１９５の肩部１９８におけるこのチャンバ圧力による作用力は、ノーズ部１５０に作用する調節プラグ１３０を開位置に向けて付勢する流体の圧力の一部（何分の一か）に相当する。このため、特に、バルブ開度が大きく、バルブ流出口圧力が低いときには、流体制御弁１００は限定的に（一部において）平衡（バランス）された状態となる。

流体制御弁１００を開位置と閉位置との間で作動させる（移動する）ために必要な作動力は、ノーズ部１５０における流体の流れの動圧を取り込む（キャプチャする）ことにより低減できる。図１および図２に示す一の実施の形態において、検出ポート１７０は、流体流出口１１２における流体の流れの方向に配向されている。具体的には、検出ポート１７０の長軸は、弁軸線１３５に対して垂直に、且つ全体的に参照面（不図示）に対して平行になるように配向されて設けられている。検出ポート１７０を流体の流れの方向に配向することにより、調節プラグ１３０の肩部１９８に作用するチャンバ圧力を、調節プラグ１３０のノーズ部１５０における流体の流れの速度の関数として増加させることができる。

図３は、流体制御弁１００のノーズ部１５０の他の実施の形態を示す。図３に示す実施の形態において、ノーズ部１５０は、テーパ付ネック部１６０から延在するリップ部２００を含む。図示するように、リップ部２００のリップ径は、テーパ付ネック部１６０のネック径よりも大きく（幅広に）設けられる。リップ部２００のこの大きなリップ径により、ノーズ部１５０における流体の流れのより大きな動圧を、流路１９０を介して（通して）内部チャンバ１８０に連通させることができる。その結果、調節プラグ１３０が開位置と閉位置との間を移動するための作動力は、リップ部１６５がテーパ付ネック部１６０のネック径と略等しいリップ径を有する図１および図２の実施の形態に示す流体制御弁１００のノーズ部１５０と比べて大幅に低減される。

図４は、流体制御弁１００のノーズ部１５０のさらに他の実施の形態を示す。図４の実施の形態に示すように、検出ポート３００の長軸は、参照面に対して角度を有して配向して設けてもよい。図３の実施の形態に示す流体制御弁１００のノーズ部１５０と同様に、リップ部３０２のリップ径は、図４に示す流体制御弁１００の実施の形態におけるテーパ付ネック部３０４のネック径よりも大きく（幅広に）設けられている。検出ポート３００に角度を設けた結果、ノーズ部１５０における流体の流れのより大きな動圧を、流路１９０を介して（通して）内部チャンバ１８０と連通させることができる。これにより、調節プラグ１３０を開位置と閉位置との間で移動するための作動力を低減できる。

本明細書中で引用する公報、特許出願および特許を含むすべての文献は、各文献を個々に、具体的に示し、引用して組み込むかのように、また、その全体を本明細書に記載するかのように、引用して組み込まれる。

本発明の説明に関連して（特に以下の請求項に関連して）用いられる名詞及び同様な指示語の使用は、本明細書中で特に指摘したり、明らかに文脈と矛盾したりしない限り、単数および複数の両方に及ぶものと解釈される。語句「備える」、「有する」、「含む」および「包含する」は、特に断りのない限り、オープンエンドターム（すなわち「〜を含むが限らない」という意味）として解釈される。本明細書中の数値範囲の具陳は、本明細書中で特に指摘しない限り、単にその範囲内に該当する各値を個々に言及するための略記法としての役割を果たすことだけを意図しており、各値は、本明細書中で個々に列挙されたかのように、明細書に組み込まれる。本明細書中で説明されるすべての方法は、本明細書中で特に指摘したり、明らかに文脈と矛盾したりしない限り、あらゆる適切な順番で行うことができる。本明細書中で使用するあらゆる例または例示的な言い回し（例えば「など」）は、特に主張しない限り、単に本発明をよりよく説明することだけを意図し、本発明の範囲に対する制限を設けるものではない。明細書中のいかなる言い回しも、請求項に記載されていない要素を、本発明の実施に不可欠であるものとして示すものとは解釈されないものとする。

本明細書中では、本発明を実施するため本発明者が知っている最良の形態を含め、本発明の好ましい実施の形態について説明している。当業者にとっては、上記説明を読めば、これらの好ましい実施の形態の変形が明らかとなろう。本発明者は、熟練者が適宜このような変形を適用することを期待しており、本明細書中で具体的に説明される以外の方法で本発明が実施されることを予定している。従って本発明は、準拠法で許されているように、本明細書に添付された請求項に記載の内容の修正および均等物をすべて含む。さらに、本明細書中で特に指摘したり、明らかに文脈と矛盾したりしない限り、すべての変形における上記要素のいずれの組合せも本発明に包含される。

１００ 流体制御弁
１１０ バルブハウジング
１１２ 流体流出口
１１４ 流体流入口
１１６ 矢印（流体の流れ）
１２０ 軸部材（ピストン部材）
１３０ 調節プラグ
１３２ コンタード面
１３５ 弁軸線
１４０ ステム部
１５０ ノーズ部
１６０ テーパ付ネック部
１６５ リップ部
１７０ 検出（センシング）ポート
１８０ 内部チャンバ
１９０ 流路
１９５ ピストン部材
１９８ 肩部（ピストン部材）
２００ リップ部
３００ 検出（センシング）ポート
３０２ リップ部
３０４ テーパ付ネック部

Claims (16)

1. 流入口と流出口とを有するバルブハウジングと；
   前記バルブハウジング内に配置された調節プラグとを備え；
   前記調節プラグは、前記バルブハウジング内において、前記流入口と前記流出口との間の流体の流れを許容する開位置と、前記流入口と前記流出口との間の流体の流れを阻止する閉位置との間を、弁軸線に沿って直線的に移動するように構成され；
   参照面は前記弁軸線に対して垂直に配向されて設けられ；
   前記調節プラグは：
   前記流出口の近傍において前記調節プラグの第１の端部に位置するノーズ部と；
   前記ノーズ部に配置された検出ポートとを有し；
   前記検出ポートは前記流出口の流体の流れと流体連通して設けられ；
   前記検出ポートは、前記弁軸線に対して垂直であって、前記参照面に対して平行に配向されて設けられた；
   流体制御弁。
2. 前記バルブハウジング内に配置された内部チャンバと；
   前記弁軸線に対して平行に配向され、前記ノーズ部から前記内部チャンバまで前記調節プラグを貫通して延在する流路とをさらに備え；
   前記流路は、前記検出ポートから前記内部チャンバまで流体の流れを連通するように構成され；
   前記内部チャンバにおける流体のチャンバ圧力が、前記ノーズ部における流体の流体圧力に対抗するように構成された；
   請求項１に記載の流体制御弁。
3. 前記調節プラグは、前記調節プラグの前記第１の端部から、前記第１の端部の反対側に位置する前記調節プラグの第２の端部まで延在する円錐体構成をさらに備え、前記円錐体構成は、前記ノーズ部においてテーパを成してテーパ付ネック部を形成するように構成された、請求項１に記載の流体制御弁。
4. 前記バルブハウジング内に配置され、前記調節プラグの前記第２の端部と作動可能に結合されたピストン部材をさらに備え、前記ピストン部材は、前記調節プラグを前記開位置と前記閉位置との間で移動するように構成された、請求項３に記載の流体制御弁。
5. 前記検出ポートは、前記テーパ付ネック部の周りに放射状に配置された複数の検出ポートを含む、請求項３に記載の流体制御弁。
6. 前記調節プラグは、前記調節プラグの前記第１の端部における前記テーパ付ネック部から延在するリップ部を備えた、請求項３に記載の流体制御弁。
7. 前記リップ部の形状は全体として円筒形状に設けられ、前記リップ部のリップ径は、前記テーパ付ネック部のネック径よりも大きく設けられた、請求項６に記載の流体制御弁。
8. 流入口と流出口とを有するバルブハウジングと；
   前記バルブハウジング内に配置された調節プラグとを備え；
   前記調節プラグは、前記バルブハウジング内において、前記流入口と前記流出口との間の流体の流れを許容する開位置と、前記流入口と前記流出口との間の流体の流れを阻止する閉位置との間を、弁軸線に沿って直線的に移動するように構成され；
   参照面は前記弁軸線に対して垂直に配向されて設けられ；
   前記調節プラグは：
   前記流出口の近傍において前記調節プラグの第１の端部に位置するノーズ部と；
   前記ノーズ部に配置された検出ポートとを有し；
   前記検出ポートは前記流出口の流体の流れと流体連通して設けられ；
   前記検出ポートは、前記参照面に対して角度を有して配向されて設けられた；
   流体制御弁。
9. 前記バルブハウジング内に配置された内部チャンバと；
   前記弁軸線に対して平行に配向され、前記ノーズ部から前記内部チャンバまで前記調節プラグを貫通して延在する流路とをさらに備え；
   前記流路は、前記検出ポートから前記内部チャンバまで流体の流れを連通するように構成され；
   前記内部チャンバにおける流体のチャンバ圧力が、前記ノーズ部における流体の流体圧力に対抗するように構成された；
   請求項８に記載の流体制御弁。
10. 前記調節プラグは、前記調節プラグの前記第１の端部から、前記第１の端部の反対側に位置する前記調節プラグの第２の端部まで延在する円錐体構成をさらに備え、前記円錐体構成は、前記ノーズ部においてテーパを成してテーパ付ネック部を形成するように構成された、請求項８に記載の流体制御弁。
11. 前記検出ポートは、前記テーパ付ネック部の周りに放射状に配置された複数の検出ポートを含む、請求項１０に記載の流体制御弁。
12. 前記バルブハウジング内に配置され、前記調節プラグの前記第２の端部と作動可能に結合されたピストン部材をさらに備え、前記ピストン部材は、前記調節プラグを前記開位置と前記閉位置との間で移動するように構成された、請求項１０に記載の流体制御弁。
13. 流入口と流出口とを有するバルブハウジングと；
    前記バルブハウジング内に配置された調節プラグとを備え；
    前記調節プラグは、前記バルブハウジング内において、前記流入口と前記流出口との間の流体の流れを許容する開位置と、前記流入口と前記流出口との間の流体の流れを阻止する閉位置との間を、弁軸線に沿って直線的に移動するように構成され；
    参照面は前記弁軸線に対して垂直に配向されて設けられ；
    前記調節プラグは：
    第１の端部および前記第１の端部の反対側に位置する第２の端部と；
    前記流出口の近傍において前記調節プラグの前記第１の端部に位置するノーズ部と；
    前記調節プラグの前記第１の端部から前記調節プラグの前記第２の端部まで延在する円錐体構成とを有し；
    前記円錐体構成は、前記ノーズ部においてテーパを成してテーパ付ネック部を形成するように設けられ；
    前記テーパ付ネック部から延在するリップ部を有し；
    前記リップ部のリップ径は前記テーパ付ネック部のネック径よりも大きく設けられ；
    前記ノーズ部に配置された検出ポートを有し；
    前記検出ポートは前記流出口の流体の流れと流体連通して設けられ；
    前記検出ポートは、前記参照面に対して角度を有して配向されて設けられた；
    流体制御弁。
14. 前記バルブハウジング内に配置された内部チャンバと；
    前記弁軸線に対して平行に配向され、前記ノーズ部から前記内部チャンバまで前記調節プラグを貫通して延在する流路とをさらに備え；
    前記流路は、前記検出ポートから前記内部チャンバまで流体の流れを連通するように構成され；
    前記内部チャンバにおける流体のチャンバ圧力が、前記ノーズ部における流体の流体圧力に対抗するように構成された；
    請求項１３に記載の流体制御弁。
15. 前記検出ポートは、前記テーパ付ネック部の周りに放射状に配置された複数の検出ポートを含む、請求項１３に記載の流体制御弁。
16. 前記バルブハウジング内に配置され、前記調節プラグの前記第２の端部と作動可能に結合されたピストン部材をさらに備え、前記ピストン部材は、前記調節プラグを前記開位置と前記閉位置との間で移動するように構成された、請求項１３に記載の流体制御弁。

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