JP3649248B2 - 弁アクチュエーター - Google Patents

Description

本発明は、流体制御装置、特に流体の流量制御を行う弁アクチュエーターに関する。
発明の背景
例えば、ガス又は石油パイプラインにおける流体の流れのオン／オフ制御、又は絞り制御のために、各種の流量制御弁とそれに付属する各種のアクチュエーターが使用されている。これらの流量制御弁は、一般に、弁棒が軸方向に摺動する弁、又は弁棒が回転する弁であり、これらの弁は、正しい絞り制御を行うため、ポジショナーの出力に応じて作動する空気圧駆動ピストン又はダイヤフラム型のアクチュエーターによって操作される。
例えば、パイプラインに設置される流量制御弁には、空気圧アクチュエーターが弁の上部に設置され弁の制御部材に連結されている。ポジショナーを併用する場合は、アクチュエーターの上部又は側部にポジショナーが装着される。このように、アクチュエーターやポジショナーを装着した弁は、全体として相当大型で、重いものとなり、装着部材が弁からかなり上部にまで延び、パイプラインの弁自体から大きく離れて突出することがある。
従って、高さ及び重量を低減すると共に、部品数を少なくして製造コストを低減し、望ましくは運転時の信頼性を高めた流体制御弁用の弁アクチュエーターの提供が望まれている。
発明の概要
本発明の原理によれば、供給される流体圧に応じて機械的制御部材を駆動するアクチュエーターが、固定内部部材と、この固定部材と同軸に配置され軸方向に移動する外部可動部材を備えており、この外部可動部材が制御部材に連結されている。固定内部部材と可動外部部材の間にチャンバーが形成されており、このチャンバー内に供給される流体の圧力によって可動部材が第１方向に移動し、制御部材をこの方向に駆動する。戻し手段により可動部材は第２方向に移動する。
本発明の望ましい実施形態では、流体圧に応じて固定内部円筒部材の外部を可動円筒部材が摺動するパワーモジュールを備えた、流体圧、例えば空気圧、で作動する弁アクチュエーターが設けられている。可動外部部材は流体制御弁の制御部材に連結されている。可動外部部材は固定内部部材より長く、外部部材の端壁と内部部材の端壁の間でチャンバーが形成されている。このチャンバーに空気圧が供給して可動外部部材を内部部材に対して軸方向に移動させるための、導入ポートからチャンバーに至る流路が設けられており、チャンバーに送られる空気圧によって内部円筒部材の外周を外部円筒部材が摺動する。これにより弁の制御部材が第１方向に移動する。固定部材の内部には、一端が固定部材に他端が可動部材に当接する戻しバネが設けられており、可動部材の第１方向への移動によってこのバネが圧縮される。チャンバー内の圧力失われると、戻しバネが可動部材及びこれに連結された制御部材を第２方向に移動させる。
従って、本発明のアクチュエーターは、弁のオン／オフ制御、又は、ポジショナーを併用した弁の細かな絞り制御を行うアクチュエーターとして使用することができる。また、本発明のアクチュエーターは、摺動する弁棒を有する弁、又は、偏心クランク、ラック・ピニオン、スコッチ・ヨークなどの動き変換装置を備えた回転軸を有する弁に適用することができる。
更に、本発明の別の実施形態では、固定内部部材の内部で、可動外部部材と固定内部部材の間に第２チャンバが形成されており、第２チャンバーと第２ポートを結ぶ流路が設けられ、第２ポートに適当な圧力流体源から加圧流体を供給することにより、バネ力によることなく可動外部部材を第２方向に移動させることができる。従って、本発明のアクチュエーターは、種々の運転形態に適用できる多様な形態のものが提供される。例えば、本発明のアクチュエーターを、２方向作動（反比例する２つの空気圧による作動位置の制御）、１方向作動（一方から導入される空気圧と戻しバネ力の併用）；あるいは、バネ付勢による２方向作動（空気圧が失われた時の作動位置がバネによって決まる２方向作動）とすることができる。
更に、バネによる戻し又は付勢された形態によると、固定内部部材と可動外部部材とからなるアクチュエーターのパワーモジュール部分を、バネが押し下げ方向に働く直接作動形式、又は、バネが押し上げ方向に働く戻し形式とすることができ、パワーモジュールの取付方向を変えるだけでアクチュエーターの作動形態を変更することができる。
本発明の更に別の実施形態では、固定内部部材と可動外部部材の間のチャンバー内に流体袋を設けている。流体袋の内部と導入ポートを結ぶ流路が設けられており、この導入ポートに加圧空気を供給すると可動外部部材が第１方向に移動する。固定内部部材と可動外部部材の間に戻しバネが設けられており、最初の動作により、このバネが圧縮される。流体袋内の最初の空気圧が開放されると、バネ力により可動外部部材が第２方向に移動する。
本発明のアクチュエーターは、従来のものに比べて、小型にまとまっており、パワーモジュールの取付方向の逆転、又は取り替えによって、作動形態を変更することができ、少ない構成部品で多様な使用ができる。更に、本発明のアクチュエーターは、双方向の力の作用面積が等しいため、何れの方向にも等しい作動出力が得られる。また、行程の途中で支持作用が大きく変化する従来のピストン作動のアクチュエーターに比べて、固定内部部材とその外周を摺動する可動外部部材を使用することにより、行程の途中で案内支持作用が大きく変わるピストン型アクチュエーターに比べ、可動外部部材は良好な案内支持作用が全行程にわたって維持される。更に、バルブポジショナーを併用する場合は、位置の検知が困難なピストンに比べて、可動外部部材は、より正確な位置の検知とフィードバックできることもピストン型アクチュエーターに対する大きな優位性となる。
【図面の簡単な説明】
本発明の新規な形態については、付属の請求の範囲に詳しく記載されている。添付図面と合わせた以下の説明により本発明が更によく理解できる筈である。幾つかの図面では、共通する部材に共通の符号を使用している。
図１は、本発明の原理に基づく弁アクチュエータの側断面図を示す。
図２は、図１に示すアクチュエーターにおいて、可動外部部材が固定内部部材に対して上昇した状態を示す側断面図である。
図３は、本発明のバルブアクチュエーターの望ましい実施形態を示す立面図である。
図４は、図３のIV−IV線に沿った断面図であり、反転取付可能なパワーモジュール、ヨーク、及びアクチュエーターのカバー部材を示す。
図５は、図３のアクチュエーターの分解斜視図である。
図６は、図３のVI−VI線に沿った部分断面図である。
図７は、図３のVII−VII線に沿った部分断面図である。
図８は、本発明の別の実施形態を示す概略図である。
発明の詳細な説明
図１及び図２は、本発明の原理に基づく弁アクチュエーター10の図であり、後で詳細に述べる弁アクチュエーターの２つの作動位置が図示されている。図１では、弁アクチュエーター10が、流量制御弁14、例えばパイプライン16上の弁棒摺動型の流体制御弁の機械的制御部材12に連結されている。図２に示すように、アクチュエーター12は、動き伝達又は変換機構18を介在させた回動軸タイプの流体制御弁14にも適用できる。
何れの場合も、弁アクチュエーター10は、反転取付が可能なパワーモジュール20と、このパワーモジュール20を直接、又は動き変換機構18を介して流体制御弁14に装着するためのヨーク22を備えている。パワーモジュール20には、固定内部部内24と、この固定内部部材24と同軸に配置される可動外部部材26が含まれている。
固定内部部材24は、一方に端壁28があり他方が開放した円筒形ピストンの形状となっている。可動外部部材26は全体が円筒形で固定内部部材24を取り囲み、内部空間を形成する対向した端壁30、32を有している。固定内部部材24は、可動外部部材26の内部空間に位置し、外部部材26と内部部材24の各端壁、すなわち外部部材の端壁30と内部部材の端壁28との間で形成されるチャンバー36が、Ｏリング34によって封止されている。内部部材の側壁38には側面突出部44が設けられ、導入ポート42につながる流路40がその内部に設けられている。
内部部材24の下端部に設けたＯリング46が、内部部材24の内側で、内部部材の端壁28と可動外部部材の下端壁32との間で形成される第２チャンバー48を封止する。側面突出部50には、第２チャンバ48とポート54を結ぶ流路52が設けられている。側面突出部44、50は、可動外部部材26の対向壁に設けられたスロット45、51から外部に突出している。
可動外部部材26の両端壁には連結板56、58がそれぞれ溶接されている。連結板58は、ロックナット60として図示したような適当な連結手段により、機械的制御部材12に連結される。
チャンバー48内で、端壁28、32の間にバネ62が設けられている。側面突出部44には、ボルト66のような調節可能なストッパー64が螺着され、図２に示すように、外部部材26に突設した第１の棚段70にボルトの先端68が当接する。こうして、可動外部部材26の上向きの動きの範囲がボルト66によって調節でき、所定のストップ位置を維持するようロックナット72で固定する。従って、可動外部部材26は、固定内部部材24に対して、図１に示す下限位置から図２に示す上限位置まで移動し、上限位置ではボルトの先端68が棚段70に当接する。
図１及び図２に示すアクチュエーター10の作動は、導入ポート42に作用する空気圧のような流体圧が流路40を介してチャンバー36に伝達されて可動外部部材26を押し上げ、弁棒、又は回転駆動弁の動き変換リンクに連結された機械的制御部材12を引き上げる。何れの場合も、可動外部部材26の駆動力が、図２に示すようにバネ62を圧縮し、固定内部部材24に対して、可動外部部材26が図１に示す第１位置から図２に示す第２位置まで上昇する。１方向作動形式のアクチュエーターでは、チャンバー36内の圧力が失われると、可動外部部材26がバネ62によって押し下げられて図１に示す位置まで戻る。
弁アクチュエーター10は、ユーザーが、パワーモジュール20の取付方向を逆にして機械的制御部材12と連結板56又は58を連結するだけで、流体圧が失われたときに、バネによって押し上げられて弁が開放するフェールオープン、又はバネによって押し下げられて弁が閉鎖するフェール・クローズの形式変更が簡単にできる。
また、２方向作動アクチュエーターでは、チャンバー48に連通するポート54に空気圧を供給し、場合によりバネ62力を併用して、可動外部部材26を押し下げる。すなわち、２方向作動アクチュエーターにバネ62を使用した場合は、バネ62力と関係なく、ポート54からチャンバー48に供給される戻し圧によって可動外部部材26を押し下げることができる。従って別の実施形態として、バネ62を省略し、ポート54から供給される流体圧のみによって可動外部部材26を押し下げて、アクチュエーターを図１の作動位置まで戻すこともできる。
次に、図３〜図７には、本発明の原理に基づく、固定内部部材と可動外部部材を備えた弁アクチュエーターの好ましい実施形態が示されている。弁アクチュエーター74には、パワーモジュール76、カバー78、及び弁のボンネット82に装着するためのヨーク80が含まれており、ヨーク80の下端部がロックナット84によってボンネット82に固定される。パワーモジュール76は、取付リング90と一体の側面突出部88を有する固定内部部材86を備えている。固定リング90は、一連のキャップネジ92によってヨーク80の上面の取付フランジ91と結合されている。
パワーモジュール76の固定内部部材86は、図４に示すように、下端87が開放し上端が端壁94で閉鎖されたピストン形状となっている。パワーモジュール76は、また、固定内部部材86と同軸でこれを取り囲む円筒容器状の可動外部部材96を有している。可動外部部材96は、図５の分解斜視図に示すように、同一形状の容器状の分割体98、100を、図４に示すように溶接結合したものである。中空ドーム状キャップ120が分割体98に溶接されて可動外部部材96の端壁を形成し、同様の中空ドーム状キャップ104が分割体100に溶接されて可動外部部材96のもう一方の端壁を形成する。弁棒連結板106がキャップ102とキャップ104にそれぞれ溶接され、各弁棒連結板106は、弁棒110挿入用の中央開口部108と一対のネジ孔112を有している。これから分かるように、パワーモジュール76が対称に形成されているために、キャップネジ92を取り外し、図４に示すように、キャップ102と104を逆にして取付けることができる。
固定内部部材86の上端部に上部Ｏリング114が設けられ、上部の分割体98の内面との間で、固定内部部材86と可動外部部材96、すなわち、内部部材の端壁94とキャップ102によって形成される端壁94で形成されたチャンバー116を流体封止している。同様に、固定内部部材86の下端部に設けた下部Ｏリング118が、分割体100の内面との間を封止しており、固定内部部材86の内部で、その上端壁94と分割体100の間にチャンバ120を形成する。
導入ポート122からチャンバ116への圧力流体の流路が図６の部分断面図に図示されている。この流路124は固定内部部材86の肉厚増加部分126に設けられ、流路124の一端がチャンバ116に他端が導入ポート122につながる側面突出部88内の流路128に接続している。従って、導入ポート122に加えられた空気圧のような流体圧がチャンバ116内に作用し、図１及び図２の場合と同様に、可動外部部材96を固定内部部材86に対して押し上げる。
図７には、導入ポート130とチャンバー120の連通状態が図示されている。特に、側面突出部88内の流路132が固定内部部材86の側壁を貫通してチャンバ120に伸びている。図３から分かるように、流路128、132は同一の側面突出部88に設けられ、導入ポート122、130は隣接している。
戻しバネ132（図４参照）が、内部部材の端壁94の突出部134の周りと、分割体104の突出部136の周りの間に設けられている。図５の分解斜視図では、他の作動部材をより明確に図示するためバネ132が省略されている。
対称配置された調整可能なストッパーとして、側面突出部88にねじ込まれたキャップネジ138が設けられている。図４及び図５から分かるように、各側面突出部88は、分割体98、100に設けたスロット部140から外部に突出している。このように、可動外部部材96は、分割体98、100の内面のＯリング114、118と摺接した状態で、固定内部部材86に対して軸方向に移動する。図４は、可動外部部材96が、図の左側に示すキャップネジ138のストップ端142とが当接し、固定内部部材86に対して下限位置にある状態を示す。側面突出部88にねじ込まれたキャップネジ138を調節することにより、上部の分割体98のスロット部140の上端に当接するキャップネジのストップ端142の位置を決めることができる。
同様に、図４の右側に図示されたキャップネジ138の側面突出部88内での位置を調節することにより、分割体100のスロット部140の下端に対するキャップネジ138の先端144の位置を決めることができる。
弁棒取付部材146は、中央のボス部148と、弁棒連結板106のネジ孔112に合致する開口部を有する対称に延びた腕部を有している。キャップネジ150を開口部に通して弁棒連結板106のネジ孔112にねじ込み、ロックナット152を締め付けることによってパワーモジュールが弁棒110に強固に固定される。アクチュエーターを弁に装着し、パワーモジュールを弁の制御部材に連結するための作業用の開口154がヨーク80のハウジングに対称位置に設けられている。
弁アクチュエーター74を弁に装着する前に、先ず、アクチュエーター作動用の流体圧が失われた場合に、弁が開放されるフェール・オープン形式とするか、弁が閉鎖されるフェール・クローズ形式とするかを決定する。図４の例はフェール・クローズ形式であり、導入ポート122からの作動流体圧が失われたときに、バネ132が可動外部部材96を押し下げて流体制御弁の閉鎖位置を保持するようになっている。
弁のフェール・オープン形態が必要な場合は、パワーモジュール76を逆向きに取り付けるだけでよい。これは、リング90上のキャップネジ92を取り外し、パワーモジュールを図４に示す当初の取付方向とは逆向きに、すなわち、分割体100を上に分割体98を下にして取り付けることによって容易に達成できる。パワーモジュール76を逆転すると、当初はパワーモジュールが上昇位置にあって弁が開いており、導入ポート122からの流体圧で可動外部部材96を下降させることによって弁が閉じる。
この弁アクチュエーター74を弁に組み付けるには、先ず、ヨーク80を弁ボンネット82に載せロックナット84で固定する。ロックナット152と弁棒連結部材146を弁棒にねじ込み、弁パッキング棒156の近傍で、且つ弁棒110の先端から離れた位置で保持する。次に、固定内部部材86と取付リング90及び可動外部部材96とから成るパワーモジュール76を弁棒上で保持して、弁棒連結板106の中心孔108に弁棒連結部材146の中心ボス148を挿入する。弁棒連結部材146を１〜２回転させて弁棒にねじ込むと、可動部材96が押されてバネ132が僅かに圧縮される。可動外部部材96が希望の位置に来たとき、弁棒連結板146の方向にロックナット152を締め付けて、パワーモジュール76を弁棒110に固定する。続いて、キャップネジ150を締め付けし、同様にキャップネジ92も締め付けする。最後に、カバー78を組立体の所定位置に載せロックナット158で固定する。
図８には、固定内部部材166と可動外部部材168との間の空間164に流体袋162を設置した、別の実施形態のバルブアクチュエーター160が図示されている。固定内部部材166には、アクチュエーター作動用流体圧の導入ポート172に続く張出し部170が設けられている。張出し部170内の流路174は、流体袋162で覆われた内部空間164と導入ポート172とを連通している。図８に示すように、流体袋176の入口部176は流路174内に接着又は固定されており、導入ポート172に流体圧を加えると、図８に示すように、可動外部部材168が固定内部部材166に対して上方に移動する。
アクチュエーターを弁ボンネット180に載せて、パワーモジュールを機械的制御部材182に連結するために、弁アクチュエーター160には、更にヨーク178が設けられている。必要に応じてカバー184も取り付けする。
図８と図４を比較すると、弁アクチュエーター174ではチャンバー116内がＯリング114で封止されているのに対し、この形態の弁アクチュエーター160には流体袋162が設けられている。この弁アクチュエーター160には、可動外部部材168の戻し及び戻し位置で付勢するための戻しバネ186が使われている。
固定内部部材と可動外部部材を備えた本発明の弁アクチュエーターは、従来のピストンアクチュエーター、ダイヤフラムアクチュエーターに比べて、次のような顕著な利点を有している。
1.（ａ）構成部材の数が少なく、（ｂ）容器型の可動円筒部材が上下同一形状であり、（ｃ）機械加工が少ないこと、
により製造コストが低減される。
2.小さなサイズにまとまっている。
3.通常のアクチュエーターに使われるアクチュエーターロッド、ブッシング、及び弁棒の封止が不要である。
4.弁の作用又は形状を変更するための、パワーモジュールの逆転取付け、又は取替えが可能である。
5.固定内部部材に対する可動外部部材の一定した支持案内作用がアクチュエーターの全作動行程にわたり維持される。
6.ポジショナーが簡単に取り付けでき、可動外部部材の位置フィードバック情報が検知できる。
7.アクチュエーターの運動方向の双方で同一の出力（同一作用面積）が得られる。
8.弁とアクチュエーターの連結構造の偏心が補償されるため、弁とアクチュエーター双方の摺動部及び封止部の摩耗が防止できる。
更に、可動外部部材を駆動してアクチュエーターを作動させるための動力として、上記の空気圧のような流体圧以外に別の駆動源を使用することもできる。従って、電気機械的装置、電子装置、又は、水圧やガス圧を固定内部部材と可動外部部材の間のチャンバーに供給する装置を、上記の空気圧以外の駆動源として使用することができる。
以上の説明は、理解を明確にするためのものであって、これに関係する不要な限定は、当業者にとって自明の改良と解釈すべきである。

Claims (8)

1. 加圧流体によって機械的制御部材を操作するアクチュエーターであって、
   前記アクチュエーターが固定されうるヨーク；
   前記ヨークに固定可能な固定内部部材；
   前記固定部材と同軸に配置されて軸方向に運動可能であり、前記固定部材との間でチャンバーを形成する可動外部部材；
   前記可動部材が前記制御部材と連結されており；
   前記可動部材を第１方向に移動させるための前記チャンバーへの流体圧付与手段；及び前記可動部材を第２方向に移動させる戻し手段とで構成されており、
   前記固定内部部材および可動外部部材が同軸状の中空円 筒部材であり、前記外部中空円筒部材が前記内部中空円 筒部材を超える軸方向長さを有するとともに、両端に当 該内部中空円筒部材を囲む端壁を有しており、
   前記機械的制御部材を前記両端壁のうちいずれか一方に 接続するための連結手段が当該両端壁に配置されてな る、弁アクチュエーター。
2. 前記戻し手段が、固定部材と可動部材の間に設けられたバネを含む請求項１記載のアクチュエーター。
3. 前記固定内部円筒部材が、チャンバーを挟んで可動外部円筒部材の端壁に対向する少なくとも一つの端壁を有する請求項１記載のアクチュエーター。
4. 前記戻し手段が、固定部材の内部に形成され、固定部材に対して可動部材を第二方向に移動させる流体圧が接続可能な第２チャンバーを有する請求項１記載のアクチュエーター。
5. 前記戻し手段が、更に、両部材の間に設けられ、可動部材の第２方向への移動を助けるバネを含む請求項４記載のアクチュエーター。
6. 前記可動部材の第１方向および第２方向の全体移動距離を調節する調整可能なストッパーを含む請求項１記載のアクチュエーター。
7. 前記固定内部部材と可動外部部材との間の 前記チャンバーに設置した流体袋をさらに有しており、 この流体袋が前記流体圧を受ける内部空間を形成してい る、請求項１記載のアクチュエーター。
8. 前記可動外部部材および固定内部部材がパ ワーモジュールを形成しており、当該パワーモジュール が、前記チャンバーの拡張によって前記可動外部部材を 前記制御部材に向けて移動させるような第１動作位置、 および、前記チャンバーの拡張によって前記可動外部部 材を前記制御部材に向かう方向とは反対の方向に移動さ せるような第２動作位置のいずれかになるように選択的 に前記ヨークに固定可能に構成されている、請求項１記 載のアクチュエーター。

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