JP4790705B2 - 弁アクチュエータ用の非対称ボリュームブースタ構成 - Google Patents

Description

本発明は、一般的に制御弁システムに関するものであり、さらに詳細には、制御弁の弁アクチュエータに用いられる流れパターンが非対称なボリュームブースタ構成に関するものである。

発明が解決しようとする課題および課題を解決するための手段

本出願は、２００４年４月１６日に出願された米国特許仮出願第60/562,905号に基づく優先権を主張するものである。

プロセスシステムにおいて圧縮空気、天然ガス、オイル、プロパン等の如き液体および／またはガスの流量を制御するための弁システムが当該技術分野において知られている。これらのシステムでは、構成部品を損傷しうるまたはシステム機能を妨害しうる流体内の圧力サージを防止または阻止するために制御弁を用いることができる。

一つの用途では、通常の動作状態において、コンプレッサが、プロセスシステム内で流れる空気の圧力を上げている。下流側のスロットル弁が閉弁される場合のように需要が下がると、空気の一部に対する必要性が急激に下がり、コンプレッサの流量が下がる。流量が十分に下がると、コンプレッサは、不安定状態に突入する。この不安定状態においては、ガスは、コンプレッサを通って、外側から内側に向かって逆方向に流れる。この時点において、ガス流は、前進流と後進流との間で急激に振動する。この現象は、サージとして知られ、好ましくない。というのは、サージは、ブレードおよびベアリングの如きコンプレッサの構造部材に対して過度のストレスを与えるからである。

一般的に、サージは、サージを発生させる動作ポイント近傍にコンプレッサがあるときコンプレッサの流出口からの流れを流入口へそらす、コンプレッサのまわり制御弁を交換することにより対処される。サージが急激かつ不安定な流れの現象であるので、制御弁は、迅速に動作しなければならない。従来、制御弁はオン／オフデバイスであった。しかしながら、自動化用のソフトウェアおよび電子機器の進歩ならびにコンプレッサの大型化により、制御弁をオン／オフデバイスではなくスロットルデバイスとすることにより、動作効率および信頼性を著しく向上させることが可能となっている。オン／オフ弁に代わるスロットル弁の利点を十分に実現し、コンプレッサをサージから保護するためには、弁の位置を迅速かつ正確に制御しなければならない。

通常、制御弁の位置はポジショナにより制御される。大容量アクチュエータの場合には、標準型のポジショナにより制御弁を開閉するため、１０〜２０秒またはそれ以上の時間を要する。このような弁ポジショナは、サージの発生を最適に防止するための望ましい応答時間で動作することができないし、または、アクチュエータを移動させるための適切な量の流体を供給することができない。

この問題に対処するために、制御弁組立体は、アクチュエータのストローク速度を上げるために、スロットル制御弁にボリュームブースタおよびポジショナを組み入れうる。一または複数のボリュームブースタを用いることで、弁およびアクチュエータのストローク速度を１５〜２０倍にまで増幅または上昇させることができる。

ボリュームブースタの使用により、応答時間が遅いという問題が削減されるものの、ポジショナに応答する弁性能の非対称性がさらに増幅されることになる。非対称性とは、たとえば、アクチュエータが閉弁方向において不足減衰（オーバシュート）となり、また、開弁方向において過剰減衰（緩慢）となることである。ボリュームブースタにより、アクチュエータの応答またはストロークが増幅されるだけでなく内在する非対称性をも増幅される。この非対称性は、ボリュームブースタを搭載した大容量のアクチュエータにおいてとくに顕著となる。

一般的いえば、ポジショナおよび弁システムは、低電圧の電気システムによりおおむね駆動される。ポジショナは、４ｍＡ〜２０ｍＡの如き電気信号を圧力出力に変換し、アクチュエータに信号を送る。ポジショナが動作する電流が低いことおよびポジショナの内部特性により、制御弁を閉弁するためにポジショナにより送信される信号は、制御弁を開弁するための信号よりも速く送信される。このことにより、ポジショナの性能には非対称性が内在する。ブースタの使用は、この問題を悪化させるだけである。

一般的にいえば、コンプレッサのサージ発生を防止する用途においては、制御弁組立体は、長ストロークのアクチュエータを備えているとともに、アクチュエータの上側と下側（上側および下側のポートまたはチェンバ）に、同じ数のボリュームブースタを備えている。一例では、ポジショナおよび複数のボリュームブースタの内在する非対称性により、アクチュエータの応答は、開弁方向において不足減衰となり、閉弁方向において過剰減衰となる。サージ状態においてアクチュエータが開弁するようなっているフェイルオープン型のアクチュエータでは、閉弁方向におけるオーバシュートは、多くの状況下において特に望ましいことではない場合もある。たとえば、コンプレッサのサージを防止する用途では、閉弁方向のオーバシュートにより、スロット弁を閉弁方向に極端に閉め過ぎたり、極端に速く閉弁したり、またはその両方を行ったりすることで、偶然に、弁をサージ状態においてしまう場合がある。一般的に閉弁方向の応答を著しく減衰するようにポジショナのチューニングを変更することによって減衰不足の応答による有害な影響を減少させることは、当業者にとって明かなことであるものの、このチューニングの変更によって開弁方向の過剰減衰が大きくなってしまい応答が緩慢なものとなるので好ましくない。

一般的にいえば、制御弁組立体の性能は、アクチュエータが対称なダイナミックスを有して動作する場合に向上すると考えられている。たとえば、アクチュエータは、弁の開弁方向の応答ダイナミックスが閉弁方向の応答ダイナミックスと実質的に同一である場合に、対称なダイナミックスを有して動作する。

したがって、制御弁システムおよびその関連する構成部材の構成および／または作用の絶え間のない向上が望ましい。

本発明に対してさまざまな変形および他の構成を加えられるものの、ある例示的な実施形態が、図面に示されているとともに以下に詳細に記載されている。しかしながら、いうまでもなく、これらは、本発明を、開示されている特定の形態に制限することを意図したものでなく、添付の特許請求の範囲に規定される本発明の精神および範疇に含まれる変形例、他の構成および均等物をすべて網羅することを意図したものである。

本明細書に記載の実施形態は、網羅することを意図したものではなく、また、本発明の範疇を開示の実施形態に正確に制限することを意図したものでもない。それよりもむしろ、以下の実施形態は、本発明の本質を最も分かり易く説明するためにまた他の当業者がその教示を理解することができるようにすることを目的として記載されている。

図面を参照すると、図１には、本発明の教示に従って構築されるブースタ構成を用いた制御弁の可能な実施例のうちの一つが示されている。図１およびとくに図２には、流体が通って流れる流路14が形成されている弁12が示されている。弁12は、当該弁12内のケージ18内において移動可能に配置されている弁体16を備えている。ケージ18は、流体が通過できるよう穿孔されている。弁体16は弁棒20に接続され、第一の位置と第二の位置との間を移動可能となっている。第一の位置とは、流路14が開いて、流体がケージ18の孔を通って流れることができる図２に示された位置のことであり、第二の位置とは、弁体16が下方に移動してケージ18の孔を遮断することにより流体が流路14を通って流れることができなくなっている位置のことである。さらに、弁12は、それを通って流れる量を制御するために第一の位置と第二の位置との間のいずれの位置にでも移動することができるようになっているスロットル弁として働く。

アクチュエータ24は、弁12に隣接して配置され、第一の位置と第二の位置との間で弁12を移動させるように構成されている。アクチュエータ24は、ピストン棒28が摺動するシリンダ26を備えている。ピストン棒28は、ピストン30とアクチュエータヨーク32とを備えている。ヨーク32は、ピストン28が移動すると弁体16が同様に移動するように、弁棒コネクタ33を介して弁棒20へ作用可能に接続されている。制御エレメント22が、弁棒コネクタ33の隣に配置され、弁体16の位置を検出することができるようになっている。

ピストン30はシリンダ26のチェンバ34内で摺動するようになっている。ピストン30は、チェンバ34を上側チェンバ36と下側チェンバ38とに分離している。これらのチェンバはピストン30により相互に実質的にシールされている。第一のポート40により流体を上側チェンバ36の中へ供給することが可能となり、第二のポート42により下側チェンバ38の中へ流体を供給することが可能となる。

公知のように、弁12を用いて流路14を閉めるために、加圧流体を、第一のポート40から上側チェンバ36の中へ供給し、下側チェンバ38の中の流体を第二のポート42から放出することができる。そのとき、ピストン棒28および弁体16を下方に押し、流路14を閉める。また、流路14を開くために、加圧流体を、第二のポート42から下側チェンバ38の中へ供給し、上側チェンバ36の中の流体を第一のポート40から放出することができる。そのとき、ピストン棒28および弁体16に上方の力が作用し、流路14を開く。

上側チェンバ34は、第一のコネクタ46を介して、第一のブースタ44と連通している。下側チェンバ36は、第二のコネクタ50を介して、第二のブースタ48と連通している。したがって、第一のブースタ44により供給される流体は、第一のコネクタ46および第一のポート40を通って、上側チェンバ36の中へと流れて行くようになってる。同様に、第二のブースタ48により供給される流体は、第二のコネクタ50および第二のポート42を通って、下側チェンバ38の中へと流れて行くようになっている。この例では、第一のコネクタ46および第二のコネクタ50は、パイプニップルからなっているが、他のタイプのコネクタ、たとえば可撓性または剛性のプラスチックを用いても良い。この明細書においては、用語「流体」は、エンジニアリングにおける意味で用いられ、少なくとも液体および気体を含んでいる。

さらに図１を参照すると、主供給配管52が、レギュレータ54に接続され、空気コンプレッサの如き圧力供給源からの加圧流体をレギュレータ54に供給するようになっている。レギュレータ54は、第一のブースタ供給配管58、第二のブースタ供給配管60およびポジショナ供給配管62を通じてそれぞれに対応する第一のブースタ44、第二のブースタ48およびポジショナ56と連通して加圧流体を供給するようになっている。先の場合と同様に、これらの供給配管は、金属チューブ、剛性のプラスチックチューブまたは可撓性のプラスチックチューブからなっていても良い。レギュレータ54は、これらの構成部材へ供給される流体の圧力を調整することができる。

ポジショナ56は、入力センター63と電気的に接続されている。ポジショナ56は、弁12を、所望の位置、たとえば閉弁位置、開弁位置またはそれらの間の任意の位置に移動させるコマンドを入力センター63から受信するようになっている。ポジショナ56は、制御エレメント22と電気的に接続されうるので、弁12内の弁体16の位置を決定することができる。ポジショナ56は、第一のブースタと第二のブースタ48とを選択的に用いることにより、本明細書記載の方法で弁12の移動を指示するようになっている。

ポジショナ56は、第一のポジショナ出力配管64を通じて第一のブースタ44と連通し、第二のポジショナ出力配管66を通じて第二のブースタ48と連通している。ポジショナ56は、入力センター63から入力される電気コマンドを受信し、この電気信号をニューマチック信号（空圧信号）へ変換する。ポジショナ56では、第一のニューマチック信号を第一の出力配管64を通じて第一のブースタ44へ送りまた第二のニューマチック信号を第二の出力配管64を通じて第二のブースタ44へ送るために、レギュレータ54からの加圧流体が用いられる。

コマンド入力が非緊急モードで弁12を開弁するようにポジショナ56に指示した場合、ポジショナ36は、加圧流体を、第二のブースタ48を通じてアクチュエータ24の下側チェンバ38へ供給し、第一のブースタ44を通じて上側チェンバ36から大気中または第三の容器へ加圧流体を排出することを可能とする。コマンド入力が弁を閉弁するように指示した場合、逆のことが起こる。

当該技術分野において公知であるように、サージ状態下で、入力センターからの信号がポジショナ56に弁12を至急に開弁するように指示した場合、第二のニューマチック信号は第二のブースタ48を通って下側チェンバ38へと流れる。また、第二の信号は、本明細書において記載されているように、大量の加圧流体を、第二のブースタ供給配管58を通して、第二のブースタ48から下側チェンバ38へ流れさせることにより弁12を迅速に開弁するように、第二のブースタ48を駆動するようになっている。

本明細書において詳細に記載されているように、開示している第一のボリュームブースタ44および第二のボリュームブースタ48は、上記のダイナミックスの非対称性を軽減するまたは排除するためにブースタ構成に用いられうる特徴を有している。以下で記載するように、ブースタ44、48は、ダイナミックスの非対称性を補正または是正するために弁システムに対して機能的な非対称性を導入すべく、他のボリュームブースタと配置されうる。これにより、実質的に対称な性能を備えるシステムの実現が可能となる。

図３に、本明細書に記載の第一のボリュームブースタ44が断面図で示されており、図４に、第二のボリュームブースタ48が断面図で示されている。第一のブースタ44は、流入口チェンバまたは供給チェンバ102と出力チェンバ104とを有しているケーシングまたは本体100を備えている。これらのチェンバは、本体100内の供給ポート106を通じて、相互に連通している。供給チェンバ102は、一端において、本体100の外側に向かって開口している供給開口部108を備えている。供給チェンバ102は、その内側端部において、供給ポート106と連通している。出力チェンバ104は、その内側端部において供給ポート106と連通し、出力開口部110において本体100の外側に向かって開口している。供給チェンバ102および供給開口部108は、上記の例では、第一のブースタ供給配管58を通じて、レギュレータ54と連通している。出力チェンバ104は、上述のアクチュエータ24の如きアクチュエータと連通している。

バイパス用の絞り流路112は、出力流路104と連通しているとともに調整ネジ114を備えている。以下で記載するように、ボリュームブースタの機能を実行することなく、バイパスの調整ネジ114を調整することにより、少量の流体を、ポジショナ56から、第一のブースタ44を通ってアクチュエータの上側チェンバ34へ流すことができるようになっている。第一のブースタ44の大きな差圧により以下で記載するようにブースタが駆動される。

供給チェンバ102内の供給ポート106に隣接して、供給弁116が設けられている。この例では、供給弁116は、弁棒118のうちの一部上に一体的に支持されているとともに、バネ122により、閉弁位置の方向に向かって、供給ポート106の弁座120に対して比較的しっかりと付勢されている。簡単にいえば、バネ122は、ブースタの動作が停止したときまたは弁システムの故障が発生した場合に、供給弁116が閉弁したまま留まっていることを担保するための安全機構である。

上記の例では、本体内のうちのチェンバ102、104および供給弁116の上方にキャビティ124が設けられている。キャビティ124の排出チェンバ128と供給ポート106の下流側の出力チェンバ104との間を連通して第一の排出ポート126が設けられている。ポジショナ56からの第一のブースタ供給管58とキャビティ124の上側信号チェンバセクション132との間を連通して入力信号ポート130が設けられている。

バイパス流路112と入力信号ポート130との間を連通してバイパスポート133が設けられている。ポジショナが、弁12を閉弁させるために、入力信号ポート130を通って第一のブースタへ流体を圧送する場合、その流体は、上側信号チェンバ132の中およびバイパスポート133を通って移動する。本明細書において記載するように、この流体の圧力が第一のブースタ44を駆動するにあたって十分に高くない場合、その流体は、バイパスポート133およびバイパス用の絞り流路122を通って、出力チェンバ104の中へ流入する。ここから、流体は、アクチュエータ24へ流れ、弁12を閉弁する。もちろん、第一のブースタ44が駆動されていないので、弁12の閉弁には比較的長時間必要となる。

浮遊ダイアフラム組立体134は、キャビティ124内の位置に設けられ、このキャビティ124を排出チェンバ128と信号チェンバ132との分離し、ポペット弁として機能するようになっている。このダイアフラム組立体134は、一対のダイアフラム138、140の間に挟まれている浮遊マニフォールド136を備えている。上側ダイアフラム138は、インスツルメントダイアフラムと呼ばれ、単一チェンバ132を形成している。下側ダイアフラム140は、フィードバックダイアフラムと呼ばれ、排出チェンバ132を形成している。マニフォールド136は、中央開口部142と、そこから半径方向外側に向かって延びる複数の半径方向の流路144とを備えている。これらの半径方向の流路144は、ダイアフラム138、140の間でマニフォールド136の周りを延びている環状の流路146と連通している。環状の流路146は、本体100の外側の大気へ排出するための排出用の流出口とさらに連通している。

弁棒118のうちの供給弁116とは反対側には排出弁150が支持されている。マニフォールド136の底部に、第二の排出ポート152が設けられ、排出チェンバ128とマニフォールド136の中央開口部142との間を連通させている。排出弁150は、弁座154に対して押さえつけられ、第二の排出ポート152を閉止する。ダイアフラム組立体134の上方に、バネキャビティ156が設けられ、バネ158を収容している。このバネ158は、浮遊組立体
134を下方に排出弁に対して付勢し、第二の排出ポート152を閉止するようになっている。排出弁150が閉弁されているとき、排出チェンバ128は排出用の流出口148と連通していない。開弁されているとき、ブースタの出力チェンバ104は、排出チェンバ128およびダイアフラムのマニフォールド136を通って排出用の流出口148と連通している。

ここで図３を参照すると、第二のブースタ48が示されている。この例では、第二のブースタ48は、本明細書に記載の差異を除いて、第一のブースタ44と同一である。第二のブースタ44は、出力チェンバ204と、この出力チェンバ204の上方にあるキャビティ224とを備えている。キャビティ224と出力チェンバ204とは、第一の排出ポート226により接続されている。第二のブースタ48では、第一の排出ポート226の断面積は第一のブースタ44の第一の排出ポート126の断面積よりも小さくなっている。いうまでもなく、第一のブースタ44を通って流れる排出流に対する抵抗は、第二のブースタ48を通って流れる排出流に対する抵抗よりも小さくなっている。

上述のようにおよび一例として第一のブースタ44を再び参照すると、ポジショナ56は、アクチュエータ24の位置に基づいて電気インパルスから変換されるニューマチック信号を伝達する。この圧力信号は、信号ポート130、すなわちブースタの信号チェンバ132へ伝達される。さらに、レギュレータ28により、安定した供給圧力が供給チェンバ102へ供給される。出力チェンバ104はアクチュエータ24に接続されている。

第一のブースタ44の差圧は、（第一の排出ポート226を通じて、）信号チェンバ132と排出チェンバ128、すなわち出力チェンバ104との間において生じる。ブースタバイパス調整器により求められるおよび所望によるブースタ22の差圧が（ｉｎｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌ）無視できる程度である場合、弁116、150は閉弁されたまま留まっている。ダイアフラム組立体134は、静的な無負荷の位置にあり、弁116、150はそれぞれ対応する弁座120、154に対して押しつけられた状態にある。バネ122、158は、無視できる程度のまたは零の差圧状態において、それぞれ対応する弁116、150を付勢し、閉弁させることを補助をしている。無視できない差圧とは、ダイアフラム組立体134を上方または下方に力を作用させることができる十分な大きさの差圧であり、各々が弁棒118に固定されている供給弁116および排出弁150を連動して移動させることができる。

動作中においては、圧力が出力チェンバ104におけるよりも信号チェンバ132における方が非常に高いとき、正の差圧状態が形成される。ポジショナ56は、高圧信号を信号ポート130へ伝達する。この圧力差により、浮遊ダイアフラム組立体134が下方に向けて排出弁150上に押しつけられ、第二の排出ポート152を閉鎖したまま供給弁116を開弁する。したがって、第一のブースタ44は、ある量の加圧空気を、供給チェンバ102から出力チェンバ104を通ってアクチュエータ24に供給するようになっている。また、ブースタ44の出力は、排出ポート126を通じて、ダイアフラム組立体134にも到達する。出力チェンバ104の圧力が信号チェンバ132の圧力にまで上昇すると、供給弁116が上昇して閉止する。

圧力が出力チェンバ104におけるよりも信号チェンバ132おける方が著しく低いとき、負の差圧が形成される。たとえば、ポジショナ56は、比較的に低圧でありうる補正ニューマチック信号を信号ポート130に対して発生しうる。浮遊ダイアフラム組立体134および弁棒118は上昇する。供給弁116は、それがすでに閉鎖されていなければ、供給ポート106を閉止する。いったん閉止されると、弁棒11および弁116、150はそれ以上上方に向かって移動することはない。出力チェンバ104からの背圧により、浮遊ダイアフラム組立体134は、バネ158の力に抗してさらに上昇し、第二の排出ポート152を開く。この例において空気は、排出用流出口148を通って出力チェンバ104から大気中へ放出される。

調整ネジ114を調整して、ポジショナ56からの異なる圧力がブースタを駆動するように、バイパスを絞ることができるようになっている。たとえば、ネジ114がほぼ完全にバイパスを遮断した場合、すべての圧力が上側ダイアフラム138に加えられて供給弁116を下方に向かって移動させるので、ポジショナからの圧力が小さくてもブースタを駆動する。また、ネジ114によりバイパスを通じて大きな圧力が逃がされる場合、より小さな圧力が上側ダイアフラム138上に加えられことになり、ブースタは、ポジショナからの比較的高い圧力によってのみ駆動される。

このタイプのボリュームブースタでは、排出量は、排出流路沿いにある最も狭いまたは小さなサイズの流路、ポートまたはキャビティである第一の排出ポート126、226のサイズにより制限される。本発明によれば、アクチュエータダイナミックスの非対称性は、ブースタ排出量に非対称性を形成することによって削減または実質的に排除されている。これは、第一のブースタ44の第一の排出ポート126が、第二のブースタ48の第一の排出ポート226よりも大きくすることによって達成される。したがって、流体流に対する抵抗は、第一のブースタ44におけるよりも第二のブースタ48における方が大きい。一例としては、フライス削りまたは他の方法を用いて第一の排出ポート126のサイズを大きくすることにより、第二のブースタ48を第一のブースタ44へ変換することができる。このようにして、ブースタ排出量の非対称性が達成される。

アクチュエータ24の下側チェンバ38が流路18を開くために充填される場合、ストローク速度を著しく引き上げるために、第二のブースタ48を用いることができる。第一のブースタ44は、上側チェンバ36内の空気を放出すべくより多くの排出容量を提供するために、より大きな排出ポート126を有している。これにより、弁の開弁中の減衰を削減することができる。減衰量を、アクチュエータの上側または下側を補助しているブースタの数およびブースタ44、48の排出ポート126、226間のサイズの差によって制御することができる。

流路18を閉めるためにアクチュエータ24の上側チェンバ36が充填される場合、第一のブースタ44を用いてストローク速度を引き上げることができるが、その程度は小さい。第二のブースタ48は、その排出容量が小さいため、第一のブースタ44が開弁ストローク中にもたらす減衰と較べて少しだけ大きい減衰効果をもたらす。

大容量のアクチュエータおよび弁システムにおいて形成される内在的な非対称性ダイナミックスを相殺するために、サイズの異なるブースタ排出ポート126を用いることができる。したがって、あるシステムが、閉弁ストロークが開弁ストロークよりも速くなる非対称な性能を備えている場合、対称な性能を実現するために、第一のブースタ44および第二のブースタ48を用いて開弁ストローク時における排出量を上げることができる。

この実施例で開示されているアクチュエータは、ピストンタイプである必要はなく、実質的にいかなるタイプのアクチュエータであっても良い。たとえば、このアクチュエータは、スプリングダイアフラムタイプのアクチュエータであっても良い。さらに、上記のシステムは、所望ならば、アクチュエータの上側または下側に対して複数のボリュームブースタを用いても良い。各ストローク中においてブースティング性能やダイナミック性能（ｂｏｏｓｔ ａｎｄ ｄｙｎａｍｉｃ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）を略対称とするため、同一の数のブースタをアクチュエータの上側または下側に対して用いることが好ましい。非対称性ダイナミックスに対して所望の量の補正を達成するために、本明細書記載の非対称なブースタ排出サイズが、アクチュエータの両側のブースタのうちの一または複数に用いられても良い。さらに、非対称な性能を相殺する目的でブースタ44、48の非対称な機能性を提供するために、他の構成を用いても良い。この構成には、たとえば、同一のブースタを用いて一方の側に排出を制限するためのレギュレータを設置した構成、または、供給もしくは排出の流れに対する抵抗に影響を与えるその他のブースタ自体の内部構成もしくは外部構成のような、異なる流れ抵抗を形成するいかなる構成をも含みうる。

記載の実施例では、第一の排出ポート126および第二の排出ポート226が、円形の断面を有し、円柱状であり、第一の排出ポート126が第二の排出ポート226よりも大きな直径を有しているものとして示されている。これにより、流体の流れに対する抵抗は、第一のブースタ44におけるよりも第二のブースタ48における方が大きい。しかしながら、いうまでもなく、流体の流量を増加または減少させるためにいかなる数の構造物を形成しても良い。これには、タブ（ｔａｂ）、ブロック（ｂｌｏｃｋ）、バー（ｂａｒ）、ベント（ｖｅｎｔ）、ファン（ｆａｎ）などの如き排出ポートの通路内に障害物を設置することが含まれる。また、第二の排出ポート226が、流体の流れに対する抵抗を増大するために、異形状の縁部を備えていても良い。これには、孔にネジ山を形成すること、多角形の断面を形成することなどが含まれる。他の障害物や異形状の側壁は当業者にとって明かである。

図５には、第二のブースタ48の他の実施形態として、第三のブースタ300が示され、流体の流れに対する抵抗を増大させる他の方法を示している。第三のブースタ300は、第一の排出ポート126よりも長い第三の排出ポート326を備えている。第一の排出ポート126および第三の排出ポート326は、それぞれ直径が同じ円形状の断面を有しているものの、第三の排出ポート326の全長は、第一の排出ポート126の全長よりも長くなっている。抵抗をさらに増大させるために、第三の排出ポート326は、湾曲状のまたは蛇行状のデザインを有しうる。この例では、第三の出力チェンバ304の容積が小さくなっているが、第三の出力チェンバ304の容積を減少させない他のデザインが用いられても良い。一般的にいえば、第一のブースタ44に対して、第二のブースタ48（または、第三のブースタ300）を通って流れる排出流体を制限するいかなるデザインであっても良い。

図６には、非対称性を形成するために排出流路を制限する（絞る）ことに代わる他の例として、二つのブースタの供給流路の空気流に対する抵抗が非対称となっている。この目的を達成するために、第一のブースタ44内の供給ポート106aの断面は、第二のブースタ48の供給ポート206よりも小さくなっている。この例では、内在する非線形性は、第一のブースタよりも第二のブースタを通って流れる流体の質量流量をアクチュエータ24に多く供給することにより相殺される。もちろん、供給ポートに加えて、排出ポートが操作されても良い。

第一のブースタ44を通って流れる流量を操作する他の方法では、供給弁116の構成が変更されうる。図３に示されている供給弁116の形状は円錐状である。これに代えて、図７に示されているように、供給弁116aは、供給弁116を通って流れる流体の流量をさらに小さい振幅に制限するために、鐘形状であっても良い。これに代えて、図８に示されているように、第二のブースタ48の供給弁216aは、流量を増やすために、平坦な板の形状を有しても良い。

図９および図１０には、本明細書記載の非対称ボリュームブースタ構成を採用することにより達成することができるシステムおよびシステム出力の一例が示されている。各プロットにおける実線は理論的に完璧な対称性を表している。点線は、異なる構成に対する実際の試験性能を表している。

図９には、さまざまなサイズのブースタ／アクチュエータ／弁を組み合わせた場合における１ストロークサイクルのストローク速度の一例が示されている。各プロットでは、１００％ストロークが約１から２秒未満で達成されている。各試験は、４つのボリュームブースタ構成を用い、二つのボリュームブースタがアクチュエータのそれぞれの側面に設けられている。

図１０には、開示のブースタ構成を用いると、略対称なダイナミックを有する長ストロークサイクルおよび逆ストロークサイクルが達成できることが示されている。各プロットの左側の軸はストロークの全長に対するパーセンテージを表している。各プロットの下側の軸は経過時間を表している。これらのプロットは、長ストロークサイクルおよび逆ストロークサイクルを示し、記載のシステム10を用いて達成された弁の性能が略対称であることを示している。

図１１には非対称デザインがスプリングダイアフラム型のアクチュエータ500に対して用いられる他の実施例が示されている。先の実施例と同様に、アクチュエータ500は、弁502へ取り付けられている。このアクチュエータは、ダイアフラム506が配置されているハウジング504を備えている。ダイアフラム506は、アクチュエータヨーク508に接続されている。このアクチュエータヨーク508は弁502へ接続されている。ダイアフラム506およびハウジング504により上側チェンバ510が形成されている。上側チェンバ510内の流体圧力が、ダイアフラム506、すなわちヨーク508および弁502を下方に押している。上側チェンバ510内の流体圧力が下がると、バネ512によりダイアフラム506が上方に押し戻される。明らかなように、ダイアフラム506を上方に押し上げるために空気圧力を用いていない。したがって、この構成だけでは、アクチュエータ500の応答性能が非対称となる。

この例では、ポジショナ514は、流体を、第一のブースタ516と第二のブースタ518とに並列に供給するようになっている。第一のブースタ516および第二のブースタ518は、アクチュエータ500の上側チェンバ510と連通している。第一のブースタ516のみが加圧流体供給源に配管520を通じて接続されているので、ポジショナ514からの信号がブースタ516、518を駆動させると、第一のブースタ516のみが加圧流体をアクチュエータ500の上側チェンバ510へ供給する。しかしながら、ポジショナ514からの信号が低くなると、バネ512の力によりダイアフラム506が上方に押し上げられ、上側チェンバ510内の加圧流体が第一のブースタ516および第二のブースタ518の両方を通って排出される。上述のようにたとえば流体供給流路または流体排出流路を拡大または縮小することにより、第一のブースタ516および第二のブースタ518を通って流れる流体の流量を操作することができる。一般的にいえば、流体供給流路は流体排出流路に較べて絞られている。たとえば、第一のブースタ516内の流体供給流路は、供給絞り部を有しうるし、第一のブースタ内の第一の流体排出流路と第二のブースタ内の第二の流体排出流路とは、それぞれ対応して、第一の排出絞り部と第二の排出絞り部とを有しうる。供給絞り部は、第一の排出絞り部および第二の排出絞り部の断面積を合計したものよりも小さな断面積を有しうる。また、本明細書に記載の他の技術を用いても良い。このようにして、スプリングダイアフラム型のアクチュエータ500の性能のダイナミックスを対称性のあるものとすることができる。

さまざまな図面の上記の詳細事項は相互に排他的なものではない。すなわち、本明細書記載の実施例によれば、幾つかの図面からさまざまな態様を選択し、これらの選択された態様を異なる図面に記載されている他の態様から選択されたものとを組み合わせてもよい。

上述の説明により、本発明のさまざまな変形例および他の実施例が可能であることは、当業者にとって明らかである。したがって、これらの説明は、例示のみを目的としたものであり、本発明を実行するにあたって考えられている最良のモードを当業者に教示することを目的としたものである。本明細書に記載の構造の詳細事項を、本発明の精神から逸脱することなく著しく変更することが可能であり、文字通りにまたは均等論に従って添付の特許請求の範囲の範疇に該当するすべての変形例の排他的な使用権を保持するものとする。

ピストンタイプの弁アクチュエータを備えている本発明の教示に従って構築されたフェイルオープン型制御弁の一例を示す概略図である。 図１のアクチュエータおよび弁の部分断面を示す詳細図である。 図１に示されている第一のボリュームブースタを示す断面図である。 図１に示されている第二のボリュームブースタを示す断面図である。 図２に示されている第二のボリュームブースタの他の例を示す断面図である。 第一のボリュームブースタの供給ポートの他の構成を示す図である。 第一のボリュームブースタの供給弁の他の構成を示す図である。 第二のボリュームブースタの供給弁の他の構成を示す図である。 本発明の教示に従って構築されたボリュームブースタ構成を備えている一例の制御弁システムのアクチュエータの全ストロークおいて、アクチュエータの移動パーセントおよび理論上のアクチュエータの移動パーセントを経過時間に対してプロットしたグラフである。 本発明の教示に従って構築されたボリュームブースタ構成を備えている一例の制御弁システムのアクチュエータの全ストロークおいて、アクチュエータの移動パーセントおよび理論上のアクチュエータの移動パーセントを経過時間に対してプロットしたグラフである。 スプリングダイアフラム型アクチュエータ用いた非対称性組立体の第二の例を示す図である。

Claims (24)

1. 非対称ボリュームブースタ組立体であって、
   第一の方向および第二の方向に移動可能なアクチュエータと、
   第一の供給流路および第一の排出流路を有し、前記アクチュエータと連通している第一のブースタと、
   第二の供給流路および第二の排出流路を有し、前記アクチュエータと連通している第二のブースタとを備えており、
   前記第一の供給流路が前記アクチュエータへ流体を供給し、前記第一の排出流路が前記アクチュエータから流体を排出し、前記排出流路が第一の流体流抵抗を生じるように構成されており、
   前記第二の供給流路が前記アクチュエータへ流体を供給し、前記第二の排出流路が前記アクチュエータから流体を排出し、前記排出流路が第二の流体流抵抗を生じるように構成されており、
   前記第一の流体流抵抗を前記第二の流体流抵抗よりも大きくすることにより、前記アクチュエータが前記第一の方向および前記第二の方向に対して略対称に移動するよう構成され、
   前記第一の排出流路が第一の絞り部を有し、前記第二の排出流路が第二の絞り部を有し、前記第一の絞り部が前記第二の絞り部よりも小さな断面積を有し、
   前記第一の排出流路が、第一の出力チェンバと、第一の排出ポートと、第一の排出チェンバと、流路が設けられている第一のマニフォールドと、第一の排出用流出口とを有し、前記第二の排出流路が、第二の出力チェンバと、第二の排出ポートと、第二の排出チェンバと、流路が設けられている第二のマニフォールドと、第二の排出用流出口とを有し、前記第一の排出ポートにより前記第一の絞り部分が形成され、前記第二の排出ポートにより前記第二の絞り部が形成され、前記第一の排出ポートが前記第一の排出チェンバと前記第一の出力チェンバとの間に位置し、前記第二の排出ポートが前記第二の排出チェンバと前記第二の出力チェンバとの間に位置してなる、組立体。
2. 前記第一のブースタが第一の信号ポートをさらに有し、前記第二のブースタが第二の信号ポートをさらに有しており、空気圧力が前記第一の信号ポートにおけるよりも前記第一の出力チェンバにおける方が大きいとき、前記空気圧力により第一のマニフォールドが上方に向かって押されることにより、前記第一の供給流路を閉じたまま前記第一の排出流路が開かれ、空気圧力が前記第二の信号ポートにおけるよりも前記第二の出力チェンバにおける方が大きいとき、前記空気圧力により第二のマニフォールドが上方に向かって押されることにより、前記第二の供給流路を閉じたまま前記第二の排出流路が開かれるように構成されてなる、請求項１記載の組立体。
3. 前記アクチュエータが、第一の方向および第二の方向に移動可能なピストンを有しており、前記第一のブースタが、前記ピストンを前記第一の方向に移動させるために流体を前記アクチュエータに供給するように構成されており、前記第二のブースタが、前記ピストンを前記第二の方向に移動させるために流体を前記アクチュエータに供給するように構成されており、前記第一のブースタを通って前記アクチュエータから流れる流体流に対する抵抗が、前記第二のブースタを通って前記アクチュエータから流れる流体流に対する抵抗よりも大きいことにより、おおむね対称な性能を達成するように構成されてなる、請求項１記載の組立体。
4. 非対称ボリュームブースタ組立体であって、
   第一の方向および第二の方向に移動可能なアクチュエータと、
   第一の供給流路および第一の排出流路を有し、前記アクチュエータと連通している第一のブースタと、
   第二の供給流路および第二の排出流路を有し、前記アクチュエータと連通している第二のブースタとを備えており、
   前記第一の供給流路が前記アクチュエータへ流体を供給し、前記第一の排出流路が前記アクチュエータから流体を排出し、且つ第一の出力チェンバと第一の排出チェンバとの間に位置する第一の排出ポートを有して第一の流体流抵抗を生じるように構成されており、
   前記第二の供給流路が前記アクチュエータへ流体を供給し、前記第二の排出流路が前記アクチュエータから流体を排出し、且つ第二の出力チェンバと第二の排出チェンバとの間に位置する第二の排出ポートを有して第二の流体流抵抗を生じるように構成されており、
   前記第一の流体流抵抗を前記第二の流体流抵抗よりも大きくすることにより、前記アクチュエータが前記第一の方向および前記第二の方向に対して略対称に移動するよう構成され、
   前記第一の排出流路が第一の絞り部を有し、前記第二の排出流路が第二の絞り部を有し、前記第一の絞り部が前記第二の絞り部よりも小さな断面積を有し、
   ポジショナと、前記ポジショナから前記ブースタまでの第一の配管と、前記ポジショナから前記第二のブースタまでの第二の配管とをさらに備えており、前記ポジショナが、前記第一の配管と前記第二の配管とを通る加圧流体である第一の信号と第二の信号とを用いて、前記第一のブースタと前記第二のブースタとに選択的に信号を送るように構成され、前記第一の信号の伝達が前記第二の信号の伝達よりも遅くなっている、組立体。
5. 前記第一の排出ポートは、前記第二の排出ポートよりも長くなっている、請求項４記載の組立体。
6. 前記第一の排出流路は、前記第二の排出流路の断面積と同等の断面積を有してなる、請求項４記載の組立体。
7. 非対称ボリュームブースタ組立体であって、
   第一の方向および第二の方向に移動可能なアクチュエータと、
   前記アクチュエータと連通し、供給流路および排出流路を有し、これら供給流路及び排出流路によって前記アクチュエータに対する流体の給排出を行う第一のブースタと、
   前記第一のブースタから前記アクチュエータに向かって流れる流体を制御するために、前記第一のブースタに配置された第一の供給弁と、
   前記アクチュエータと連通し、供給流路および排出流路を有し、これら供給流路及び排出流路によって前記アクチュエータに対する流体の給排出を行う第二のブースタと、
   前記第二のブースタから前記アクチュエータに向かって流れる流体を制御するために、前記第二のブースタに配置された第二の供給弁とを備えており、
   前記第一の供給弁は、前記第二の供給弁よりも高い流体流抵抗を有してなる、組立体。
8. 前記第一の供給弁は、釣鐘形状であり、前記第二の供給弁は、平坦な板である、請求項７記載の組立体。
9. 前記第一の供給弁は、流量を制限するように構成された供給ポートに配置されてなる、請求項８記載の組立体。
10. 前記第一のブースタの排出流路及び前記第二のブースタの排出流路は、第一のブースタの排出流路が第二のブースタの排出流路よりも小さい流体流抵抗を有するようなサイズ及び形状になっている、請求項７記載の組立体。
11. 非対称ボリュームブースタ組立体であって、
    第一の方向および第二の方向に移動可能なアクチュエータと、
    第一の供給流路および第一の排出流路を有し、前記アクチュエータと連通している第一のブースタと、
    第二の排出流路を有し、前記アクチュエータと連通している第二のブースタとを備えており、
    前記第一の供給流路が前記アクチュエータへ流体を供給し、前記第一の排出流路が第一の出力チェンバと第一の排出チェンバとの間に位置する第一の排出ポートを有し、そして前記アクチュエータから流体を排出し、
    前記第二の排出流路が第二の出力チェンバと第二の排出チェンバとの間に位置する第二の排出ポートを有し、そして前記アクチュエータから流体を排出し、
    前記第一の排出流路と前記第二の排出流路とを組み合わせたものが前記第一の供給流路よりも小さな流体流抵抗を有することにより、前記アクチュエータの動作のダイナミックスが対称なものとなるように構成され、
    前記第１のブースタが、ハウジングと、前記ハウジング内に配置され、前記ハウジングを排出チェンバと信号チェンバとに分割し、前記信号チェンバに向かって前記第一の方向におよび前記排出チェンバに向かって前記第二の方向に移動可能なダイアフラムと、前記信号チェンバ内に配置され、前記ダイアフラムを前記信号チェンバから離れる方向に付勢しているバネとを備えており、前記第一のブースタが、前記ダイアフラムを前記第一の方向に移動させるために前記排出チェンバに流体を供給し、前記バネが、前記排出チェンバ内の前記流体の放出時に前記ダイアフラムを前記第二の方向に移動させるように構成されてなる、組立体。
12. 前記第一の供給流路が第一の絞り部を有し、前記第一の絞り部が、前記第一及び第二の排出ポートの断面積を合計したものよりも小さな断面積を有してなる、請求項１１記載の組立体。
13. 前記第一の絞り部、前記第一の排出ポートおよび前記第二の排出ポートの各々が、円形状の断面を有してなる、請求項１２記載の組立体。
14. 前記第一の絞り部が、前記流体流抵抗を増大させるための異形状の縁部を有してなる、請求項１２記載の組立体。
15. 前記第一の絞り部が、前記第一の供給流路内に配置される障害物を有してなる、請求項１２記載の組立体。
16. 非対称ボリュームブースタ組立体であって、
    一方側と他方側とを有し、第一の方向および第二の方向に移動可能なアクチュエータと、
    動作可能にレギュレータに接続される主供給配管と、
    前記主供給配管と連通し、第一及び第二のニューマチック信号を供給するように構成されているバルブポジショナと、
    前記アクチュエータの一方側に連通すると共に、第一のブースタ供給配管を介して前記主供給配管に連通し、供給流路、第一の出力チェンバと第一の排出チェンバとの間に位置する第一の排出ポートを有する排出流路、信号ポートを有し、前記供給流路が前記アクチュエータの一方側に流体を送り、該信号ポートを介して前記バルブポジショナから受けた前記第一のニューマチック信号に応じて前記第一の方向に前記アクチュエータを動かすようになっている第一のブースタと、
    前記アクチュエータの他方側に連通すると共に、第二のブースタ供給配管を介して前記主供給配管に連通し、供給流路、第二の出力チェンバと第二の排出チェンバとの間に位置する第二の排出ポートを有する排出流路、信号ポートを有し、前記供給流路が前記アクチュエータ他方側に流体を送り、該信号ポートを介して前記バルブポジショナから受けた前記第二のニューマチック信号に応じて前記第二の方向に前記アクチュエータを動かすようになっている第二のブースタとを備えており、
    前記第一のブースタの排出流路は、第一の流体流抵抗を有し、前記第二のブースタは、第二の流体流抵抗を有し、該第二の流体流抵抗が前記第一の流体流抵抗より大きくなっている、組立体。
17. 前記第一の排出ポートは、前記第一の流体流抵抗に影響すべく構成され、前記第二の排出ポートは、第二の流体流抵抗に影響すべく構成されている、請求項１６記載の組立体。
18. 前記第一の排出ポートは、第二の排出ポートの断面積よりも大きい断面積を有してなる、請求項１７記載の組立体。
19. 前記第一の排出ポートは、第二の排出ポートより短くなっている、請求項１７記載の組立体。
20. 第一及び第二のブースタは、共に流出口ベントと、供給弁と排出弁とを支持するポペット弁とを有し、第一及び第二のブースタの供給弁は、主供給配管からアクチュエータの一方側及び他方側に向かう流体を制御するように夫々構成され、第一及び第二のブースタの排出弁は、アクチュエータの一方側及び他方側から第一及び第二のブースタの流出口ベントに夫々向かう流体を制御するように夫々構成されてなる、請求項１６記載の組立体。
21. 非対称ブースタ組立体であって、
    第一の方向と第二の方向に移動可能なアクチュエータと、
    主供給配管と、
    前記主供給配管に連通し、第一及び第二の信号を供給するように構成されたバルブポジショナと、
    前記アクチュエータの一方側に連通すると共に、第一のブースタ供給配管を介して前記主供給配管に連通し、供給流路及び第一の排出流路が共に形成され、前記第一の排出流路が第一の出力チェンバと第一の排出チェンバとの間に位置する第一の排出ポートを有し、前記供給流路が前記アクチュエータの一方側に流体を送り、前記バルブポジショナから受けた前記第一の信号に応じて前記第一の方向に前記アクチュエータを動かすようになっている第一のブースタと、
    前記アクチュエータの他方側に連通すると共に、第二のブースタ供給配管を介して前記主供給配管に連通し、供給流路及び第二の排出流路が共に形成され、前記第二の排出流路が第二の出力チェンバと第二の排出チェンバとの間に位置する第二の排出ポートを有し、前記供給流路が前記アクチュエータの他方側に流体を送り、前記バルブポジショナから受けた前記第二の信号に応じて前記第二の方向に前記アクチュエータを動かすようになっている第二のブースタと、を備え、
    第一及び第二のブースタは、他方に対して機能的に非対称になっており、
    非対称な機能は、第一の排出流路が第二の排出流路の排出抵抗よりも小さい排出抵抗を有するように構成するか、又は第一のブースタが、第二のブースタの第二の流体流抵抗よりも大きい第一の流体流抵抗を有するように構成することにより達成されてなる、組立体。
22. 第一のブースタの排出流路は、第一の排出抵抗に影響するように構成された第一の排出ポートと、第二の排出抵抗に影響するように構成された第二の排出ポートとを有してなる、請求項２１記載の組立体。
23. 第一のブースタの供給流路に配置された供給ポートは、第一の流体流抵抗を与える、請求項２１記載の組立体。
24. 第一のブースタの供給流路に配置された供給弁は、第二の流体流抵抗を与える、請求項２１記載の組立体。

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