JP3922027B2

JP3922027B2 - 圧力増幅装置

Info

Publication number: JP3922027B2
Application number: JP2002004483A
Authority: JP
Inventors: 慶太百瀬; 正明山口; 浩一増喜
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2002-01-11
Filing date: 2002-01-11
Publication date: 2007-05-30
Anticipated expiration: 2022-01-11
Also published as: JP2003206901A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、供給流体圧と入力流体圧とを受けこの入力流体圧の変化に応じて出力流体圧を変化させて、流体の圧力を増幅する圧力増幅装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図４は、従来の圧力増幅装置の断面図である。図５は、従来の圧力増幅装置における入力流体圧の変化と出力流体圧の変化とを示すグラフである。図６は、従来の圧力増幅装置のヒステリシスを示すグラフである。
従来の圧力増幅装置１０１は、図４に示すように、弁本体（ベース）１０２と、この弁本体１０２内を移動する移動体（ディスク）１０３と、供給流体圧Ｐ_S を受ける供給圧室１０４及びバイアス室１０５と、入力流体圧Ｐ_N を受ける入力圧室１０６と、入力流体圧Ｐ_N が増加すると一定倍率で出力流体圧Ｐ_O が減少する出力圧室１０７と、出力圧室１０７から空気が排出する排気圧室１０８と、供給圧室１０４と出力圧室１０７とを接続する流路１０９，１１０と、この流路１０９を開閉する弁プラグ（ポペット）１１１と、この弁プラグ１１１を付勢するばね１１２と、弁本体１０２と移動体１０３とを連結するダイヤフラム１１３，１１４と、弁本体１０２と移動体１０３との間に挟み込まれるＯリング１１５，１１６とを備えている。
【０００３】
弁本体１０２は、供給圧室１０４及びバイアス室１０５に空気を供給する供給口１０２ａ，１０２ｂと、入力圧室１０６に空気が流入する入力口１０２ｃと、図示しないアクチュエータに空気が流出する出力口１０２ｄと、大気中に空気が排出する排気口１０２ｅとを有する。移動体１０３は、空気を排出する流路１０３ａを有する。バイアス室１０５は、ダイヤフラム１１３とダイヤフラム１１４とによって区画されており、入力圧室１０６はダイヤフラム１１３とＯリング１１５とによって区画されており、排気圧室１０８はダイヤフラム１１４とＯリング１１６とによって区画されている。弁プラグ１１１は、流路１０３ａを開閉し、ばね１１２は流路１０３ａを閉じるように弁プラグ１１１を付勢する。
【０００４】
次に、従来の圧力増幅装置の動作を説明する。
図４に示すように、供給口１０２ａ，１０２ｂから供給圧室１０４及びバイアス室１０５に空気が流入して供給流体圧Ｐ_S が加わると、流路１１０を通過した空気が出力圧室１０７に流入する。そして、弁プラグ１１１と移動体１０３との間の隙間を通過して流路１０３ａから排気圧室１０８に流入し排気口１０２ｅから排出される。また、出力圧室１０７が出力流体圧Ｐ_O を受けて出力口１０２ｄを通じて図示しないアクチュエータに空気圧力が加わる。入力口１０２ｃから入力圧室１０６に空気が流入して入力流体圧Ｐ_N が増加すると、ダイヤフラム１１３とＯリング１１５との受圧面積の差分に相当する加圧力が入力圧室１０６側からダイヤフラム１１３側に作用する。
【０００５】
その結果、入力圧室１０６の入力流体圧Ｐ_N が増加すると移動体１０３がＡ方向に移動して、弁プラグ１１１と流路１０３ａとの間の間隔が大きくなる。その結果、出力圧室１０７から流路１０３ａを通過して排気圧室１０８に空気が流入して、排気口１０２ｅから大気中に空気が排出されるとともに、出力圧室１０７内の出力流体圧Ｐ_O が低下する。
【０００６】
一方、入力圧室１０６の入力流体圧Ｐ_N が低下すると、移動体１０３に作用する加圧力が低下して、バイアス室１０５側からの加圧力によって移動体１０３がＢ方向に移動する。その結果、弁プラグ１１１と流路１０３ａとの間の間隔が狭くなり、出力圧室１０７の出力流体圧Ｐ_O が増加する。このように、従来の圧力増幅装置１０１では、図５に示すように、入力圧室１０６の入力流体圧Ｐ_N を増加させることによって出力圧室１０７の出力流体圧Ｐ_O を一定倍率で低下させて、図示しないアクチュエータに加わる空気圧力を増幅させている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来の圧力増幅装置１０１では、ダイヤフラム１１３とＯリング１１５との受圧面積の差分が大きいため、入力流体圧Ｐ_N に対する出力流体圧Ｐ_O のゲインを大きくすることができるとともに、Ｏリング１１５を使用することで装置の外径寸法を小さく設計することができる。しかし、従来の圧力増幅装置１０１では、移動体１０３が移動するとこの移動体１０３とＯリング１１５，１１６との間に摩擦力が発生するため、図６に示すように出力流体圧Ｐ_N を減少させ増加させると大きな不感帯が発生していた。また、従来の圧力増幅装置１０１では、長時間使用するとＯリング１１５，１１６が磨耗して部品の交換や点検などの作業が必要となり問題があった。
【０００８】
この発明の課題は、低ヒステリシスで高ゲインを得ることができるとともに、低コスト化を図ることができる圧力増幅装置を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明は、以下のような解決手段により、前記課題を解決する。
請求項１の発明は、弁本体とこの弁本体に内蔵された移動体との間がダイアフラムによって複数に仕切られた部屋に供給流体と入力流体とが供給され、入力流体の圧力の変化に応じて出力流体の圧力を変化させる圧力増幅装置において、前記供給流体が供給される供給圧室と、この供給圧室に隣接され、前記移動体と第１ダイアフラムとで仕切られた出力圧室と、この出力圧室に隣接され、前記移動体と第２ダイアフラムとで仕切られた排気圧室と、この排気圧室に隣接され、前記移動体と第３ダイアフラムとで仕切られた入力圧室と、この入力圧室に隣接され、前記移動体と第４ダイアフラムとで仕切られたバイアス室と、このバイアス室に隣接され、前記移動体と第４ダイアフラムとで設けられたフィードバック室と、前記入力圧室に供給される入力流体に応じて移動する前記移動体に追従して前記出力圧室と前記供給圧室との間を移動し、前記出力圧室から出力される圧力を変化させる弁プラグとを具備したことを特徴とする圧力増幅装置である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、この発明の実施形態について詳しく説明する。
図１は、この発明の実施形態に係る圧力増幅装置の断面図である。
圧力増幅装置１は、供給流体圧Ｐ_S と入力流体圧Ｐ_N とを受けこの入力流体圧Ｐ_N の変化に応じて出力流体圧Ｐ_O を変化させて、流体の圧力を増幅する装置である。圧力増幅装置１は、空気式バルブの空気圧を制御するバルブポジショナなどの構成要素であり、開度を調整可能なコントロールバルブ（調節弁）などを外乱に抗して正確に駆動するために、入力流体圧Ｐ_N の変化量に対して出力流体圧Ｐ_O の変化量を一定倍率に制御するパイロットリレーなどである。圧力増幅装置１は、図１に示すように、弁本体２と、移動体３と、ダイアフラム４〜７と、供給圧室８と、バイアス室９と、入力圧室１０と、出力圧室１１と、排気圧室１２と、フィードバック室１３と、弁プラグ１４と、ばね１５などを備えている。
【００１３】
弁本体２は、装置本体を構成する収容部（ケーシング）である。弁本体２には、空気などの流体を供給圧室８に供給する供給口２ａと、空気などの流体を入力圧室１０に流入させる入力口２ｂと、出力圧室１１から流体を流出させる出力口２ｃと、排気圧室１２から流体を排出させる排気口２ｄと、供給圧室８とバイアス室９とを接続する流路２ｅと、出力圧室１１とフィードバック室１３とを接続する流路２ｆと、供給圧室８と出力圧室１１とを接続する流路２ｇと、供給圧室８と出力圧室１１とを接続する流入孔（ブリード孔）２ｈとが形成されている。弁本体２には、移動体３、ダイヤフラム４〜７、弁プラグ１４及びばね１５などが収容されている。
【００１４】
移動体３は、ダイヤフラム４〜７の弾性変形によって移動する部材である。移動体３には、出力圧室１１と排気圧室１２とを接続する流路３ａ，３ｂが形成されている。移動体３は、ダイアフラム４〜７によって弁本体２内に移動自在に支持されており、ダイヤフラム４〜７が弾性変形するとＡ方向及びＢ方向に移動する。
【００１５】
ダイアフラム４〜７は、弁本体２と移動体３とを連結しこの移動体３を移動自在に支持する膜板である。ダイアフラム４は、一方の表面側に出力流体圧Ｐ_O を受け他方の表面側に供給流体圧Ｐ_S を受けて弾性変形する。ダイアフラム５は、一方の表面側に供給流体圧Ｐ_S を受け他方の表面側に入力流体圧Ｐ_N を受けて弾性変形し、ダイアフラム４よりも受圧面積が小さく形成されている。ダイアフラム６は、一方の表面側に入力流体圧Ｐ_N を受け他方の表面側に排気流体圧Ｐ_E を受けて弾性変形する入力ダイアフラムであり、ダイアフラム５よりも受圧面積が大きく形成されている。ダイアフラム７は、一方の表面側に排気流体圧Ｐ_E 又は大気圧を受け他方の表面側に出力流体圧Ｐ_O を受けて弾性変形するフィードバックダイアフラムである。ダイアフラム７は、ダイアフラム４よりも受圧面積が大きいために、ダイアフラム７とダイアフラム４との受圧面積の差分に相当する力が移動体３に作用したときに、移動体３をＢ方向に移動させるように機能する。
【００１６】
供給圧室８は、供給流体圧Ｐ_S を受ける空間である。供給圧室８は、供給口２ａに接続されており、この供給口２ａから空気が供給されると供給流体圧Ｐ_S を内部に受ける。供給圧室８は、弁本体２の端部側に形成されており、内部にばね１５を収容する。
【００１７】
バイアス室９は、供給流体圧Ｐ_S を受ける部屋である。バイアス室９は、一対のダイアフラム４，５によって仕切られており、供給圧室８と流路２ｅを通じて接続されているために供給圧室８と同じ大きさの供給流体圧Ｐ_S を内部に受ける。バイアス室９は、入力圧室１０とフィードバック室１３との間に位置しこれらに隣接して配置されている。バイアス室９は、ダイアフラム４がダイアフラム５よりも受圧面積が大きいために、ダイアフラム４とダイアフラム５との受圧面積の差分に相当する付勢力を移動体３に常時作用させ、移動体３をＢ方向に付勢する空気ばねとして機能する。バイアス室９は、図１に示すように、入力ダイアフラム６及び弁プラグ１４の外側に位置する。
【００１８】
入力圧室１０は、入力流体圧Ｐ_N を受ける部屋である。入力圧室１０は、一対のダイアフラム５，６によって仕切られており、入力口２ｂから空気が流入すると入力流体圧Ｐ_N を内部に受ける。入力圧室１０は、バイアス室９と排気圧室１２との間に位置しこれらに隣接して配置されるとともに、バイアス室９と弁プラグ１４との間に位置する。入力圧室１０は、ダイアフラム（入力ダイアフラム）６がダイアフラム５よりも受圧面積が大きいために、ダイアフラム５とダイアフラム６との受圧面積の差分に相当する力が移動体３に作用したときに、この移動体３をＡ方向に移動させるように機能する。
【００１９】
出力圧室１１は、入力流体圧Ｐ_N が変化すると出力流体圧Ｐ_O が変化する空間である。出力圧室１１は、ダイアフラム７、移動体３及び弁本体２によって仕切られる空間である。出力圧室１１は、弁プラグ１４が流路２ｇを開くと弁プラグ１４と流路２ｇとの間の隙間を通じて供給圧室８から空気が流入し出力流体圧Ｐ_O を内部に受ける。出力圧室１１は、図示しないアクチュエータに出力口２ｃから空気を排出する。出力圧室１１は、供給圧室８と排気圧室１２との間に位置しこれらに隣接して配置されている。また、図１に示すように、入力圧室１０と出力圧室１１との間には排気圧室１２が配置されており、入力圧室１０と出力圧室１１とは離間して配置されている。
【００２０】
排気圧室１２は、空気を排出させる空間である。排気圧室１２は、一対のダイアフラム６，７によって仕切られており、流路３ａ，３ｂから流入した空気を排気口２ｄから大気中に排出させる。排気圧室１２は、入力圧室１０と出力圧室１１との間に位置し、これらに隣接して配置されている。
【００２１】
フィードバック室１３は、出力流体圧Ｐ_O を受けるダイアフラム４を有する部屋である。フィードバック室１３は、弁本体２とダイアフラム４とによって仕切られており、出力圧室１１と流路２ｆを通じて接続されているために出力圧室１１と同じ大きさの出力流体圧Ｐ_O を内部に受ける。バイアス室９及びフィードバック室１３は、入力ダイアフラム６及び弁プラグ１４の外側に位置する。
【００２２】
弁プラグ１４は、供給圧室８と出力圧室１１とを接続する流路２ｇを開くポペットである。弁プラグ１４には、流路３ａを開閉する先端突起部１４ａと、流路２ｇを開閉する後端突起部１４ｂとが形成されている。弁プラグ１４は、流路２ｇを貫通した状態で供給圧室８と出力圧室１１との間に配置され収容されている。弁プラグ１４は、入力流体圧Ｐ_N が増加して移動体３がＡ方向に移動したときに、出力流体圧Ｐ_O が増加するように流路２ｇを開く。
【００２３】
ばね１５は、弁プラグ１４を付勢する付勢部材である。ばね１５は、弁プラグ１４の先端突起部１４ａが流路３ａを閉鎖し後端突起部１４ｂが流路２ｇを閉鎖するように、この弁プラグ１４をＢ方向に常時付勢する。ばね１５は、入力流体圧Ｐ_N が増加して弁プラグ１４を加圧しながら移動体３がＡ方向に移動すると圧縮される。
【００２４】
次に、この発明の実施形態に係る圧力増幅装置の動作を説明する。
（平衡状態）
図１に示すように、供給口２ａから供給圧室８に空気が供給されると、供給圧室８とバイアス室９とが流路２ｅによって接続されているため、供給圧室８及びバイアス室９が供給流体圧Ｐ_S を受ける。また、入力口２ｂから入力圧室１０に空気が流入して、入力圧室１０が入力流体圧Ｐ_N を受ける。供給圧室８から流路２ｈを通じて出力圧室１１に僅かに空気が流入すると、出力圧室１１とフィードバック室１３とが流路２ｆによって接続されているため、出力圧室１１及びフィードバック室１３が出力流体圧Ｐ_O を受ける。このとき、弁プラグ１４をばね１５がＢ方向に付勢して後端突起部１４ｂが流路２ｇを閉鎖しているが、先端突起部１４ａと流路３ａとの間には僅かに隙間が形成されている。その結果、供給圧室８から流路２ｈを通じて出力圧室１１に流入する空気が先端突起部１４ａと流路３ａとの間の隙間から排気圧室１２に流入して、力学的に安定した平衡状態になっている。
【００２５】
（出力増加）
図２は、この発明の実施形態に係る圧力増幅装置において出力流体圧が増加したときの状態を示す断面図である。
入力口２ｂから入力圧室１０に流入する空気圧力が増加すると、入力圧室１０が受ける入力流体圧Ｐ_N が増加する。ダイアフラム５の受圧面積よりもダイアフラム６の受圧面積が大きいため、こられの受圧面積の差分に相当する力によってダイアフラム５，６が撓み移動体３がＡ方向に移動する。一方、バイアス室９が供給流体圧Ｐ_S を受けると、ダイアフラム５の受圧面積よりもダイアフラム４の受圧面積が大きいため、これらの受圧面積の差分に相当する力がＢ方向に抵抗力として移動体３に作用する。そして、ばね１５の付勢力に抗してこのばね１５を圧縮しながら移動体３が弁プラグ１４を加圧して、先端突起部１４ａが流路３ａを閉鎖して移動体３と弁プラグ１４とが一体となってＡ方向に移動する。その結果、弁プラグ１４が流路２ｇを徐々に開き、後端突起部１４ｂと流路２ｇとの間の隙間を通じて供給圧室８から出力圧室１１に空気が流入して、出力圧室１１が受ける出力流体圧Ｐ_O が増加する。
【００２６】
流路２ｇから出力圧室１１に流入する空気圧力が増加するとフィードバック室１３が受ける出力流体圧Ｐ_O も増加して、この出力流体圧Ｐ_O の増加分がフィードバック室１３にフィードバックされる。ダイアフラム４の受圧面積よりもダイアフラム７の受圧面積が大きいため、こられの受圧面積の差分に相当する力がＢ方向に抵抗力として移動体３に作用する。このように、入力流体圧Ｐ_N が増加すると一定倍率で出力流体圧Ｐ_O が増加する。
【００２７】
（出力減少）
図３は、この発明の実施形態に係る圧力増幅装置において出力流体圧が減少したときの状態を示す断面図である。
入力口２ｂから入力圧室１０に流入する空気圧力が減少して、入力圧室１０が受ける入力流体圧Ｐ_N が減少すると、ダイアフラム５，６の受圧面積の差分に相当する力が低下して移動体３をＡ方向に移動する力が低下する。一方、バイアス室９は供給流体圧Ｐ_S を受けており、ダイアフラム４，５の受圧面積の差分に相当する力がＢ方向に作用するため移動体３がＢ方向に移動する。このため、弁プラグ１４と移動体３とが離間して先端突起部１４ａが流路３ａを開く。その結果、出力圧室１１から流路３ａ，３ｂを通じて排気圧室１２に空気が流入し、排気圧室１２内の空気が排気口２ｄから大気中に排出されて、出力圧室１１及びフィードバック室１３が受ける出力流体圧Ｐ_O が減少する。
【００２８】
この発明は、以上説明した実施形態に限定するものではなく、種々の変形又は変更が可能であり、これらもこの発明の範囲内である。例えば、この実施形態では、バルブポジショナを例に挙げて説明したが、空気回路や圧力伝達が可能な機器などにもこの発明を適用することができる。また、この実施形態では、一種類の入力流体圧（信号）Ｐ_N に対して一種類の出力流体圧（信号）Ｐ_O を発生する圧力増幅装置１を例に挙げて説明したが、これに限定するものではない。例えば、一種類の入力流体圧Ｐ_N に対して二種類の出力流体圧Ｐ_O を発生するように二つの圧力増幅装置１を一体化して、これらの出力流体圧Ｐ_O の差圧によってバルブを駆動制御する複動型ポジショナについてもこの発明を適用することができる。
【００２９】
【発明の効果】
この発明の実施形態に係る圧力増幅装置には、以下に記載するような効果がある。
(1) この実施形態では、供給流体圧Ｐ_S を受ける一対のダイアフラム４，５をバイアス室９が有するとともに、入力流体圧Ｐ_N を受ける一対のダイアフラム５，６を入力圧室１０が有し、これらのダイアフラム４〜７の弾性変形によって移動体３が移動する。その結果、図４に示す従来の圧力増幅装置１０１のようなＯリング１１８，１１９と移動体１０３とが摩擦接触する部分がなくなって、低ヒステリシス化を実現することができる。また、この実施形態では、一対のダイアフラム４，７の受圧面積が異なるとともに、一対のダイアフラム５，６の受圧面積が異なり、一対のダイアフラム４，７の受圧面積の差を小さくすることにより、ゲイン｛（一対のダイアフラム５，６の受圧面積の差）／（一対のダイアフラム４，７の受圧面積の差）｝を高くすることができる。
【００３０】
(2) この実施形態では、入力圧室１０と出力圧室１１とが離間して配置されている。例えば、入力圧室と出力圧室とを隣接させてこれらの間をダイアフラムによって仕切る構造の圧力増幅装置では、入力流体圧が変化して出力流体圧が変化すると、ある時点で入力流体圧と出力流体圧の大小が逆転するため、ダイアフラムが入力圧室側に突出したり出力圧室側に突出したりする。その結果、ダイアフラムに繰返し応力が加わりダイアフラムの耐久性が低下するおそれがある。この実施形態では、出力圧室１０と出力圧室１１とが離間しているためダイアフラムに繰り返し応力が加わらない。その結果、ダイアフラムの点検作業などが軽減されるとともに、ダイアフラムを長時間使用することができる。
【００３１】
以上説明したように、この発明によると、低ヒステリシスで高ゲインを得ることができるとともに、低コスト化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施形態に係る圧力増幅装置の断面図である。
【図２】この発明の実施形態に係る圧力増幅装置において出力流体圧が増加したときの状態を示す断面図である。
【図３】この発明の実施形態に係る圧力増幅装置において出力流体圧が減少したときの状態を示す断面図である。
【図４】従来の圧力増幅装置の断面図である。
【図５】従来の圧力増幅装置における入力流体圧の変化と出力流体圧の変化とを示すグラフである。
【図６】従来の圧力増幅装置のヒステリシスを示すグラフである。
【符号の説明】
１圧力増幅装置
２弁本体
２ａ供給口
２ｂ入力口
２ｃ出力口
２ｄ排気口
２ｅ，２ｆ，２ｇ，２ｈ流路
３移動体
３ａ，３ｂ流路
４，５，６，７ダイアフラム
８供給圧室
９フィードバック室
１０入力圧室
１１出力圧室
１２排気圧室
１３フィードバック室
１４弁プラグ
１４ａ先端突起部
１４ｂ後端突起部
１５ばね
Ｐ_S 供給流体圧
Ｐ_N 入力流体圧
Ｐ_O 出力流体圧
Ｐ_E 排気流体圧

Claims

弁本体とこの弁本体に内蔵された移動体との間がダイアフラムによって複数に仕切られた部屋に供給流体と入力流体とが供給され、入力流体の圧力の変化に応じて出力流体の圧力を変化させる圧力増幅装置において、
前記供給流体が供給される供給圧室と、
この供給圧室に隣接され、前記移動体と第１ダイアフラムとで仕切られた出力圧室と、
この出力圧室に隣接され、前記移動体と第２ダイアフラムとで仕切られた排気圧室と、
この排気圧室に隣接され、前記移動体と第３ダイアフラムとで仕切られた入力圧室と、
この入力圧室に隣接され、前記移動体と第４ダイアフラムとで仕切られたバイアス室と、
このバイアス室に隣接され、前記移動体と第４ダイアフラムとで設けられたフィードバック室と、
前記入力圧室に供給される入力流体に応じて移動する前記移動体に追従して前記出力圧室と前記供給圧室との間を移動し、前記出力圧室から出力される圧力を変化させる弁プラグと
を具備したことを特徴とする圧力増幅装置。