JP2015206432A - 複動用コントロールリレー、及び同リレーにより制御されるバルブポジショナ - Google Patents

Abstract

【課題】制御応答性を高め、かつ保守性能の向上をはかる。
【解決手段】ノズル背圧（Ｐ_ＩＮ）の変化により、第１の出力圧室（Ｐ_ＯＵＴ１）と、第２の出力圧室（Ｐ_ＯＵＴ２）との間に差圧を発生させて、バルブを駆動する複動用コントロールリレー１であって、第１の出力圧室と、第１のポペット１２と、第１のポペットに対向して配置された第１の排気弁１３とを含む第１のユニット＃１（１０）と、第２の出力圧室と、第２のポペット２２と、第２のポペットに対向して配置された第２の排気弁２３とを含む第２のユニット＃２（２０）とを備え、ノズル背圧の変化に伴い、第１の出力圧室が、第１の排気弁と第１のポペットとの間隙が変化して、外気圧と供給圧との間で出力が変化し、第２の出力圧室が、第２の排気弁と第２のポペットとの間隙が変化して、外気圧と前記供給圧との間で出力が変化する。
【選択図】図１

Description

本発明は、複動用コントロールリレー、及び同リレーにより制御されるバルブポジショナに関する。

例えば、特許文献１の図３，図４に記載されているように、コントロールリレーは、入力圧（以下、ノズル背圧という）に応じて、バルブを駆動する出力圧を発生させるバルブポジショナの構成ユニットの一つである。複動用コントロールリレーの場合は、出圧力１と出圧力２を発生させる。

図５に、従来の複動用コントロールリレーの断面図を示す。図５によれば、複動用コントロールリレー１００は、内部が、供給圧室（Ｐ_ＳＵＰ）、出力圧室（Ｐ_ＯＵＴ１、Ｐ_ＯＵＴ２）、ノズル背圧室（Ｐ_ＩＮ）に分かれており、各圧力室は、ゴム製のダイアフラムやＯリング１０５、金属製のポペット１０２，２０２や弁座でそれぞれ区切られている。なお、符号１０４は、排気弁を示す。

図６に、複動用コントロールリレーと複動形バルブの接続例を示す。図６によれば、複動用コントロールリレー１００は、ノズル背圧の変化により出力圧室（Ｐ_ＯＵＴ１）と出力圧室（Ｐ_ＯＵＴ２）との間に差圧を発生させ、バルブポジショナが動作して複動形バルブ２００のステム位置を調整する。なお、出力圧室（Ｐ_ＯＵＴ１）と出力圧室（Ｐ_ＯＵＴ２）の間は、Ｏリング１０５によるシール構造が採用されている。単動形バルブ用に単動用コントロールリレーも存在するが、構造は出力室（Ｐ_ＯＵＴ２）側の部品が異なり、Ｐ_ＯＵＴ２出力口が塞がっていること以外は、複動用コントロールリレー１００とほぼ同等であり、動作原理も同じである。

出力圧が変化する原理について、図５，図６を参照しながら説明すると以下のようになる。複動用コントロールリレー１００中央に排気弁１０４が、両サイドにポペット１０２，２０２が配置されているが、排気弁１０４とポペット１０２，２０２との位置関係によって出力圧の値が変化する。

例えば、Ｐ_ＯＵＴ１側ポペット１０２と排気弁１０４との位置関係が十分に離れている場合、Ｐ_ＯＵＴ１室は排気弁１０４内部を通ってリレー外部に通じているため、Ｐ_ＯＵＴ１室内の圧力は外気圧になる。逆に、Ｐ_ＯＵＴ１側ポペットと排気弁１０４が完全に接続されると、Ｐ_ＯＵＴ１室は外部とは隔離される一方、供給室（Ｐ_ＳＵＰ）と繋がっているため、Ｐ_ＯＵＴ１室内の圧力はＰ_ＳＵＰ室内の供給圧と一致する。このように、排気弁１０４とポペット１０２，２０２との距離に応じてＰ_ＯＵＴ１室内から排気される空気量も変化し、室内の圧力も外気圧と供給圧との間で変化することになる。

次に、ノズル背圧入力に伴う出力圧変化等、複動用コントロールリレー１００全体の動作原理について、図１１〜図１３に示す排気弁とポペットとの位置関係を示す図を参照して説明する。ノズル背圧室（Ｐ_ＩＮ）に空気が供給されていない状態において、排気弁１０４は、Ｐ_ＯＵＴ１室内のスプリングによって紙面右側に押され、Ｐ_ＯＵＴ２側ポペット２０２に接触する。つまり、Ｐ_ＯＵＴ１は外気圧、Ｐ_ＯＵＴ２は供給圧になる（図１１（ａ））。

ノズル背圧室（Ｐ_ＩＮ）の圧力を増加させると、ノズル背圧によって排気弁１０４が紙面左側に押され、Ｐ_ＯＵＴ１側ポペット１０２に近づくことでＰ_ＯＵＴ１の圧力が増加していく（図１１（ｂ）（ｃ），図１２（ａ））。更に、Ｐ_ＯＵＴ１の圧力が増加することで、紙面上でＰ_ＯＵＴ２室左隣にあるＰ_ＯＵＴ１室内の圧力も上がるため、排気弁１０４が紙面左側に押され増幅される。このようにノズル背圧の増加に伴いＰ_ＯＵＴ１の圧力も増加していく一方、排気弁１０４がＰ_ＯＵＴ２側ポペット２０２から離れていくとＰ_ＯＵＴ２の圧力は減少していき、最終的にＰ_ＯＵＴ２の圧力は外気圧になる（図１３）。

上記したように、ノズル背圧室（Ｐ_ＩＮ）への入力圧によってＰ_ＯＵＴ１とＰ_ＯＵＴ２の圧力が両方同時に変化するため、図６に示したように複動用コントロールリレー１００を複動形バルブ２００に接続し、Ｐ_ＯＵＴ１とＰ_ＯＵＴ２に差圧を発生させることによって複動形バルブ２００を駆動することができる。

特開２００９−２５７５１３号公報

ところで、上記した従来の複動用コントロールリレー１００によれば、ノズル背圧増加時と減少時において入出力特性が一致せず、ヒステリシスが発生するという第１の課題がある。図７に、横軸にノズル背圧、縦軸に出力圧を目盛った複動用コントロールリレー１００の入出力特性図が示されている。また、図８に、Ｐ_ＯＵＴ１室のみの入出力特性図を示しているが、ここでは、ノズル背圧を増減させるとヒステリシスが発生している。これは、複動用コントロールリレー１００内部にあるＰ_ＯＵＴ２室と隣接してＰ_ＯＵＴ１室を区切っているＯリング１０５による摩擦の影響と考えられる。このＯリング１０５によるシール構造を取り除くことでヒステリシスは解消されるものと考えられる。

また、上記した従来の複動用コントロールリレー１００によれば、Ｐ_ＯＵＴ１室、Ｐ_ＯＵＴ２室の圧力が増加し、または、減少する際に、出力圧変化あるいはノズル背圧変化の傾きが一定でなく、一部に不感帯が発生するという第２の課題がある。図９にノズル背圧増加時の入出力特性図を示している。出力状態は、図１０にテーブルで示すように７つのモードに分類される。不感帯が発生している際の排気弁１０４とポペット１０２，２０２との位置関係は、図１１（ｃ）の状態“Ｃ”、または、図１２（ｂ）の状態“Ｅ”である。ここでは、状態“Ｅ”を例示して説明する。

図１２（ａ）に示す状態“Ｄ”から図１２（ｂ）に示す状態“Ｅ”に遷移した瞬間、排気弁１０４はＰ_ＯＵＴ１側ポペット１０２から物理的な力は受けていないが、図１２（ｃ）に示す状態“Ｆ”において、排気弁１０４は、Ｐ_ＯＵＴ１側ポペット１０２に取り付けられたバネを介して紙面右方向に力を受けている。つまり、状態“Ｅ”とは、Ｐ_ＯＵＴ１側ポペット１０２のバネの力を超えて図１２（ｃ）に示す状態“Ｆ”に遷移するまで間の状態であり、ノズル背圧（Ｐ_ＩＮ）が増加しても排気弁１０４の位置が変わらず、出力も変化しない。状態“Ｃ”においても同等の事象が起きているため、図９に示す入出力特性を確認すると、Ｐ_ＯＵＴ１、Ｐ_ＯＵＴ２のいずれにも不感帯が発生している。

従来の複動用コントロールリレー１００は、排気弁１０４、および、Ｐ_ＯＵＴ１側ポペット１０２、Ｐ_ＯＵＴ２側ポペット２０２が一体化した構造であり、排気弁１０４を共用している。このことが、不感帯を発生させる原因になっており、したがって、排気弁１０４をＰ_ＯＵＴ１用とＰ_ＯＵＴ２用に分割することで不感帯は解消するものと考えられる。

また、上記した従来の複動用コントロールリレー１００によれば、Ｏリング１０５の摺動部が摩耗するという第３の課題がある。すなわち、Ｐ_ＯＵＴ１室とＰ_ＯＵＴ２室とを区切っているＯリング１０５は排気弁１０４の駆動によって磨耗するため、Ｐ_ＯＵＴ１室とＰ_ＯＵＴ２室のシール性能を維持するためには定期的に点検し、あるいは交換する必要がある。したがって、第１の課題と同様、Ｏリング１０５によるシール構造を取り除くことが望ましい。

本発明は、上記した課題を解決するためになされたものであり、制御応答性を高め、かつ保守性能の向上をはかった、複動用コントロールリレー、及び同リレーにより制御されるバルブポジショナを提供することを目的とする。

上記した課題を解決するために本発明は、ノズル背圧の変化により第１の出力圧室と第２の出力圧室との間に差圧を発生させてバルブを駆動する複動用コントロールリレーであって、前記第１の出力圧室と、第１のポペットと、前記第１のポペットに対向して配置された第１の排気弁とを含む第１のユニットと、前記第２の出力圧室と、第２のポペットと、前記第２のポペットに対向して配置された第２の排気弁とを含む第２のユニットとを備え、前記ノズル背圧の変化に伴い、前記第１の出力圧室が、前記第１の排気弁と前記第１のポペットとの間隙が変化して外気圧と供給圧との間で出力が変化し、前記第２の出力圧室が、前記第２の排気弁と前記第２のポペットとの間隙が変化して前記外気圧と前記供給圧との間で出力が変化することを特徴とする。

本発明において、前記第１のユニットを構成する第１のベースに、第１のスプリングにより付勢される前記第１のポペットの先端部と前記第１の排気弁との間の距離を調整する第１の調整ネジを設け、前記第２のユニットを構成する第２のベースに、第２のスプリングにより付勢される前記第２のポペットの先端部と前記第２の排気弁との間の距離を調整する第２の調整ネジを設けたことを特徴とする。

本発明において、前記第１のユニットと前記第２のユニットとは取り外し自在に構成されることを特徴とする。

本発明において、前記ノズル背圧が比較的低い第１の値になると、前記第１の出力圧室は、前記第１の排気弁がバネによって第１の方向に付勢され、前記第１のポペットから離れて外気圧になり、前記第２の出力圧室は、前記第２の排気弁が供給圧によって前記第１の方向とは逆の第２の方向に付勢されて前記第２のポペットに接触して供給圧になり、前記ノズル背圧が前記第１の値より高い第２の値に増加すると、前記第１、第２の出力圧室は、前記第１の排気弁が前記第２の方向に押され、前記第２の排気弁が前記第１の方向に押されて前記第１、第２の排気弁と前記第１、第２のポペットとの間隙が変化して前記外気圧から前記供給圧との間で出力が変化し、前記ノズル背圧が前記第２の値より更に高い第３の値になった場合、前記第１の排気弁が前記ノズル背圧によって前記第２の方向に、前記第２の排気弁が前記第１の方向に押しつけられ、前記第１の出力圧室は、前記供給圧、前記第２の出力圧室は、前記外気圧になることを特徴とする。

本発明において、複動用コントローラにより制御されるバルブポジショナは、前記複動用コントロールリレーと、前記複動用コントロールリレーにより駆動されるバルブと、前記バルブの開度を検出する変位センサと、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、制御応答性を高め、かつ保守性能の向上をはかった、複動用コントロールリレー、及び同リレーにより制御されるバルブポジショナを提供することができる。

本発明の実施の形態に係る複動用コントロールリレーの断面構造を示す図である。 本発明の実施の形態に係る複動用コントロールリレーの動作を時系列に説明するために引用した図である。 本発明の実施の形態に係る複動用コントロールリレーの動作を時系列に説明するために引用した図である。 本発明の実施の形態に係る複動用コントロールリレーの動作を時系列に説明するために引用した図である。 従来の複動用コントロールリレーの断面構造を示す図である。 従来の複動用リレーと複動形バルブの接続例を示す図である。 従来の複動用コントロールリレーの入出力特性図である。 従来の複動用コントロールリレーのヒステリシスと不感帯とを説明するために引用したグラフである。 従来の複動用コントロールリレーのノズル背圧増加時の入出力特性を示す図である。 従来の複動用コントロールリレーのモード毎の排気弁とポペットとの位置関係をテーブル形式で示した図である。 従来の複動用コントロールリレーのモード毎の排気弁とポペットとの位置関係を示す断面図である。 従来の複動用コントロールリレーのモード毎の排気弁とポペットとの位置関係を示す断面図である。 従来の複動用コントロールリレーのモード毎の排気弁とポペットとの位置関係を示す断面図である。

（実施形態の構成）
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態（以下、「実施形態」という。）について詳細に説明する。なお、実施形態の説明の全体を通して同じ要素には同じ番号を付している。

図１に示すように、本実施形態に係る複動用コントロールリレー１は、ノズル背圧の変化によりＰ_ＯＵＴ１室（第１の出力圧室）とＰ_ＯＵＴ２室（第２の出力圧室）との間に差圧を発生させ、図示省略したバルブを駆動する複動用コントロールリレー１である。そして、その複動用コントロールリレー１は、Ｐ_ＯＵＴ１室１１と、ポペット１２（第１のポペット）と、ポペット１２に対向して配置された排気弁１３（第１の排気弁）とを含むユニット＃１（１０）（第１のユニット）と、Ｐ_ＯＵＴ２室２１（第２の出力圧室）と、ポペット２２（第２のポペット）と、ポペット２２に対向して配置された排気弁２３（第２の排気弁）とを含むユニット＃２（２０）（第２のユニット）とを備えている。

上記構成において、ノズル背圧（Ｐ_ＩＮ）の変化に伴い、Ｐ_ＯＵＴ１室１１が、排気弁１３とポペット１２との間隙が変化して外気圧と供給圧との間で出力が変化し、Ｐ_ＯＵＴ２室２１が、排気弁２３とポペット２２との間隙が変化して外気圧と前記供給圧との間で出力が変化する。

具体的に、ノズル背圧Ｐ_ＩＮが低いと、Ｐ_ＯＵＴ１室１１は、排気弁１３がバネによって第１の方向に付勢され、ポペット１２から離れて外気圧になり、Ｐ_ＯＵＴ２室は、排気弁２３が供給圧によって第１の方向とは逆の第２の方向に付勢されてポペット２２に接触して供給圧になる。また、ノズル背圧Ｐ_ＩＮが増加すると、Ｐ_ＯＵＴ１室１１，Ｐ_ＯＵＴ２室２１は、排気弁１３が第２の方向に押され、排気弁２３が第１の方向に押されて、排気弁１３，２３とポペット１２，２２との間隙が変化して外気圧から供給圧との間で出力が変化する。そして、ノズル背圧Ｐ_ＩＮが更に増加すると、排気弁１３がノズル背圧Ｐ_ＩＮによって第１の方向に、排気弁２３が第２の方向に押しつけられ、Ｐ_ＯＵＴ１室１１は、供給圧、Ｐ_ＯＵＴ２室２１は、外気圧になる。

また、ユニット＃１（１０）を構成する弁本体１７（第１のベース）に、バネ１６（第１のスプリング）により付勢されるポペット１２の先端部と排気弁１３との間の距離を調整する調整ネジ１５（第１の調整ネジ）を設け、ユニット＃２（２０）を構成する弁本体２７（第２のベース）に、バネ２６（第２のスプリング）により付勢されるポペット２２の先端部と排気弁２３との間の距離を調整する調整ネジ２５（第２の調整ネジ）が設けられている。

これにより、外部から位置調整が可能であり、この結果、Ｐ_ＯＵＴ１室１１とＰ_ＯＵＴ２室２１が一致する圧力（バランス圧）を任意に調整することができる。Ｐ_ＯＵＴ２側の吸気弁座をＰ_ＯＵＴ１側に近づけることでバランス圧は増加し、Ｐ_ＯＵＴ１側から遠ざけることでバランス圧が減少する。

なお、ユニット＃１（１０）とユニット＃２（２０）とは取り外し自在に構成されており、それぞれを単動用コントロールリレーとして用いることができる。ユニット＃１（１０）とユニット＃２（２０）は、その接合面が、例えば、ネジにより固定されており、そのネジを取り外しすることで、それぞれを単動用コントロールリレーとして使用することができる構造になっている。なお、符号１４，２４は、ダイアフラム、Ｐ_ＳＵＰは供給圧を示す。

特徴的には、複動用コントロールリレー１は、Ｐ_ＯＵＴ１側のユニット＃１（１０）とＰ_ＯＵＴ２側のユニット＃２で構成されており、また、排気弁１３，２３は、Ｐ_ＯＵＴ１用とＰ_ＯＵＴ２用に分割されており、更に、Ｏリングによるシール構造が無いことにある。また、調節ネジ１５，２５がＰ_ＯＵＴ１側、Ｐ_ＯＵＴ２側のそれぞれに取り付けられており、より柔軟に入出力特性の調整を行うことが出来る構造になっている。

以下、図２〜図４を参照して本実施形態に係る複動用コントロールリレー１の動作について詳細に説明する。

まず、ノズル背圧Ｐ_ＩＮが十分に小さいときは、図２（ａ）に示すように、ユニット＃１（１０）の排気弁１３はバネによって紙面右側に押し付けられ、ポペット１２から離れることでＰ_ＯＵＴ１室は外気圧になる。一方、ユニット＃２（２０）の排気弁２３は、供給圧Ｐ_ＳＵＰによって紙面左に押し付けられ、ポペット２２に接続することでＰ_ＯＵＴ２室は供給圧になる。図２（ｂ）にそのときの入出力特性が示されている。

次に、ノズル背圧Ｐ_ＩＮを増加させていくと、図３（ａ）に示すように、ユニット＃１（１０）の排気弁１３はノズル背圧の増加に伴い紙面左側に押され、ユニット＃２（２０）の排気弁２３反対に紙面右端に押される。この結果、排気弁２３とポペット２２の間隔が変化することによりＰ_ＯＵＴ１室１１、Ｐ_ＯＵＴ２室２１は外気圧から供給圧の間で出力が変化する。図３（ｂ）にそのときの入出力特性を示す。

最後に、ノズル背圧Ｐ_ＩＮが十分に高い場合は、図４（ａ）に示すように、ユニット＃１（１０）排気弁１３はノズル背圧Ｐ_ＩＮによって紙面左側に、ユニット＃２（２０）の排気弁２３紙面右端に押しつけられるため、Ｐ_ＯＵＴ１室１１は供給圧、Ｐ_ＯＵＴ２室２１は外気圧になる。図４（ｂ）にそのときの入出力特性を示す。

（実施形態の効果）
以上説明のように本実施形態に係る複動用コントロールリレー１によれば、Ｐ_ＯＵＴ１側のユニット＃１（１０）とＰ_ＯＵＴ２側のユニット＃２（２０）でそれぞれが独立したユニット構造を採用することで、Ｐ_ＯＵＴ１室とＰ_ＯＵＴ２室を仕切るＯリングによるシール構造を不要とし、その結果、ヒステリシスが発生しないため制御対象であるバルブポジショナ等の機器の制御応答性が向上する。また、排気弁１３，２３をＰ_ＯＵＴ１用とＰ_ＯＵＴ２用に分割することで、不感帯が発生せず、したがって、入出力特性に迅速に追従でき、かつ機器の制御応答性が向上する。更に、Ｏリングの摩耗を考慮する必要がなくなるため、耐久性、保守性に優れた複動用コントロールリレー１を提供することがきる。

また、調節ネジ１５，２５がＰ_ＯＵＴ１側、Ｐ_ＯＵＴ２側の両方に実装されるため、より柔軟な入出力特性の調整が可能になる。また、ユニット＃１（１０）とユニット＃２（２０）とが取り外し自在に構成されることで、例えば、Ｐ_ＯＵＴ２側のユニット＃２（２０）を取り外すことで、複動用コントロールリレー１を簡単に単動用コントロールリレーとして使用することができる。

なお、本実施形態に係る複動用コントロールリレー１と、この複動用コントロールリレー１により駆動される、例えば、図６に示した複動形バルブ２００と、この複動形バルブ２００の開度を検出する図示省略した変位センサとによりバルブポジショナが構成され、制御応答性が向上したバルブポジショナを提供することができる。

以上、実施形態を用いて本発明を説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されないことは言うまでもない。上記実施形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。またその様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

１…複動用コントロールリレー、１０…ユニット＃１、１１…Ｐ_ＯＵＴ１室（第１の出力圧室）、１２，２２…ポペット、１３，２３…排気弁、１４，２４…ダイアフラム、１５，２５…調整ネジ、１６，２６…スプリング、１７，２７…弁本体（ベース）、２０…ユニット＃２、２１…Ｐ_ＯＵＴ２室（第２の出力圧室）

Claims (5)

1. ノズル背圧の変化により第１の出力圧室と第２の出力圧室との間に差圧を発生させてバルブを駆動する複動用コントロールリレーであって、
   前記第１の出力圧室と、第１のポペットと、前記第１のポペットに対向して配置された第１の排気弁とを含む第１のユニットと、
   前記第２の出力圧室と、第２のポペットと、前記第２のポペットに対向して配置された第２の排気弁とを含む第２のユニットとを備え、
   前記ノズル背圧の変化に伴い、
   前記第１の出力圧室が、前記第１の排気弁と前記第１のポペットとの間隙が変化して外気圧と供給圧との間で出力が変化し、
   前記第２の出力圧室が、前記第２の排気弁と前記第２のポペットとの間隙が変化して前記外気圧と前記供給圧との間で出力が変化することを特徴とする複動用コントロールリレー。
2. 前記第１のユニットを構成する第１のベースに、
   第１のスプリングにより付勢される前記第１のポペットの先端部と前記第１の排気弁との間の距離を調整する第１の調整ネジを設け、
   前記第２のユニットを構成する第２のベースに、
   第２のスプリングにより付勢される前記第２のポペットの先端部と前記第２の排気弁との間の距離を調整する第２の調整ネジを設けたことを特徴とする請求項１記載の複動用コントロールリレー。
3. 前記第１のユニットと前記第２のユニットとは取り外し自在に構成されることを特徴とする請求項１記載の複動用コントロールリレー。
4. 前記ノズル背圧が比較的低い第１の値になると、前記第１の出力圧室は、前記第１の排気弁がバネによって第１の方向に付勢され、前記第１のポペットから離れて外気圧になり、前記第２の出力圧室は、前記第２の排気弁が供給圧によって前記第１の方向とは逆の第２の方向に付勢されて前記第２のポペットに接触して供給圧になり、
   前記ノズル背圧が前記第１の値より高い第２の値に増加すると、前記第１、第２の出力圧室は、前記第１の排気弁が前記第２の方向に押され、前記第２の排気弁が前記第１の方向に押されて前記第１、第２の排気弁と前記第１、第２のポペットとの間隙が変化して前記外気圧から前記供給圧との間で出力が変化し、
   前記ノズル背圧が前記第２の値より更に高い第３の値になった場合、前記第１の排気弁が前記ノズル背圧によって前記第２の方向に、前記第２の排気弁が前記第１の方向に押しつけられ、前記第２の出力圧室は、前記供給圧、前記第２の出力圧室は、前記外気圧になることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の複動用コントロールリレー。
5. 請求項１〜請求項４のいずれか１項記載の複動用コントロールリレーと、
   前記複動用コントロールリレーにより駆動されるバルブと、
   前記バルブの開度を検出する変位センサと、
   を備えたことを特徴とするバルブポジショナ。

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