JP5049296B2 - ドームロード型圧力調整器 - Google Patents

Description

本発明は、一般的に圧力調整器に関するものであり、さらに詳細にはドームロード型圧力調整器に関するものである。

ほとんどのプロセス制御システムは、圧力調整器を用いて、プロセス流体の圧力の制御、プロセス制御デバイス（たとえば、アクチュエータ）に加えられる圧力の制御などを行っている。減圧調整器は、比較的に高圧の流体を受け入れ、比較的に低圧に調整された圧力の流体を出力するために一般的に用いられている。このように、減圧調整器は、広範囲の出力負荷（すなわち、流量要求、容量など）に対して、調整器の前後における圧力降下にもかかわらず、比較的一定の流体出力圧力を提供することができる。

ドームロード型減圧調整器と呼ばれる減圧調整器のなかには、制御圧力（たとえば、セットポイント圧力または所望の出力圧力）を受けるために、ドームまたはパイロットステージを用いている場合もある。通常、ドームまたはパイロットステージの制御圧力によりセンサ（たとえば、ピストン）が移動され、このセンサにより、調整器の出力圧力が実質的に制御圧力と等しくなるように、弁棒およびその弁体が、付勢バネに抗して弁座の方向に向かってまたはそれとは反対側に向かって移動されるようになっている。

しかしながら、このようなドームロード型調整器は、通常分離されたピストンまたはセンサとプラグ／弁棒組立体とを用いている。ピストン組立体と弁体／弁棒組立体が分離されているため、これらのタイプの調整器は、目標出力圧力を超過してしまったり（過剰であったり）、その圧力に届かなかったり（過少であったり）する傾向があり、および／または、振動する出力圧力を生成する場合もある。具体的にいえば、ピストンが弁棒に機械的に結合されていないので、ピストンが弁棒／弁座から分離され、弁座からの弁体の位置の制御を一時的にまたは瞬間的に喪失してしまうことがある。したがって、これらのタイプの減圧調整器製品は、ドーム圧力（すなわち、制御圧力）の急激な変化に応答して、不安定な（過剰、過少、振動など）出力圧力を生じうる。たとえば、一部の既知の用途では、制御圧力またはドーム圧力は、高速動作ソレノイド弁を通じて供給または制御され、このことにより、ドーム内の圧力に急激な変化がもたらされるため、これらの公知になっているドームロード型調整器の上述の安定性の問題をさらに悪化させることとなる。公知になっているドームロード型減圧調整器の安定性問題に加えて、上述のドームロード型減圧調整器は比較的多数の部品を用いており、このことにより、調整器の材料および保守コストならびに調整器が故障する可能性が増大することになる。

比較的に少数の可動部品および実質的に一体化されたピストンまたはセンサと弁体との組立体を備えた減圧調整器は、米国特許出願第２００４／０００７２６９号に開示されており、その全内容は、本明細書において参照することにより援用するものとする。この特許出願公開に記載の減圧調整器は、出力圧力の制御にパイロットステージまたはドームを用いず、その代わりに、前もって定義された出力圧力を達成するためにバネを用いるインライン減圧調整器である。可動部品の数を減らすことに加えて、実質的に一体化されたピストンまたはセンサと弁体との組立体は、上述のドームロード型調整器で生じうるピストン／センサから弁体が分離するという可能性をさらに排除する。

さらに、一部の用途では、単一の圧力供給源に由来する複数の圧力出力（これらは異なる圧力値であってもよい）を提供することが望ましい場合がある。一般的に、このような複数の出力圧力の提供は、マニホルドおよび／またはパイプを通じて、上述のドームロード型調整器の如き調整器組立体を２つ以上の流体を用いて繋げることにより実現されている。しかしながら、このような多重出力式の調整器組立体は、たとえば組み立て費用が高価であり、かさばり、重く、保守が困難である。

開示されている１つの実施例では、圧力調整器は、圧力入口と圧力出口とを有する本体を備えている。この本体には、ピストンが、配置され、圧力入口、圧力出口および圧力制御入口と流体を通じて繋がっている。このピストンは、圧力制御入口を通じてピストンの表面に加えられる圧力に応答して、弁座と接し、圧力入口から圧力出口まで流れる流体の流量を制御するように構成されている。

開示されている他の実施例では、圧力調整器は、圧力入口、圧力出口および制御圧力と流体を通じて繋がっているドームロード型圧力調整弁を備えている。この圧力調整弁はピストンを有しており、このピストンは、弁座と係合するように構成されているとともに、この弁座を通じて、制御圧力に応答して、圧力入口と圧力出口との間を流れる流体の流量を制御するように構成されている。

開示されているさらに他の実施例では、圧力調整器は、圧力入口と第一の圧力出口および第二の圧力出口とを有する本体を備えている。また、例示の調整器は、第一の圧力調整弁および第二の圧力調整弁をさらに備えており、これらの第一の圧力調整弁および第二の圧力調整弁は、本体に配設されているとともに、流体を通じて、それぞれ対応する第一の圧力出口および第二の圧力出口と、圧力入口とに繋がれている。これらの第一の圧力調整弁および第二の圧力調整弁の各々は、制御圧力を受ける第一の部分と、当該第一の部分に固定され、弁座とシール状態で係合するように構成されている第二の部分を有したピストンを備えている。

一般的に、本明細書に記載の多重出力式のドームロード型減圧調整器の一例は、複数の圧力調整弁を保持する１つの調整器本体を備えている。圧力調整弁の各々は独立した圧力出力または圧力出口を提供しており、これらの独立した圧力出力は調整器本体の単一圧力源入口から導かれている。

これに加えて、公知になっているドームロード型圧力調整弁と比べて、本明細書に記載されている例示的な多重出力式減圧調整器は、ドーム圧力または制御圧力の急激な変化に起因しうる出力圧力の不安定性（たとえば、過剰、過少、振動など）を著しく減少または除去する実質的に単一のまたは一体化されたピストンまたはセンサおよび弁組立体の圧力調整弁を用いている。また、一体式のピストンまたはセンサおよび弁組立体は、一部の公知になっている圧力調整弁と比べて、圧力調整弁の実現に必要とされる部品数を減らすことにより、コンパクトな設計、信頼性の向上および低コストを可能とするように働く。

したがって、本明細書に記載の例示的な一体式の多重出力調整器構成は、公知になっている一部の多重出力設計調整器において必要とされている複数のフィッティング、チューブ、かさばって高価なマニホルドなどの必要性を排除する単一の調整器本体を有した多重出力調整器組立体を備えている。さらに、例示的な多重出力調整器を実現するために用いられる圧力調整弁は、わずかな内部部品しか用いられていない。したがって、本明細書に記載された例示的な多重出力調整器組立体は、全体的により少ない数の部品を使用することによる信頼性の向上により、保守コストが低下することに加えて、製造／制作コストも低下しうる。

図２の例示的な多重出力減圧調整器を説明する前に、まず、図１を参照して、公知になっているドームロード型減圧調整器１００について記載する。図１の公知になっている調整器１００は、入口１０４と出口１０６とを有する本体１０２と、パイロット圧力インプットまたは制御圧力インプット１０８とを備えている。プラグまたはボンネット１１０は、本体１０２にネジ込まれて、チャンバ空間またはドーム空間１１２を形成している。本体１０２の間の内側流路１１６に対してシールを形成しているＯ−リング１１４は、ボンネット１１０と本体１０２との間からＯ−リング１１４が押し出されないようにリング１１８により後押しされている。ピストンまたはセンサ１２０は、流路１１６と摺動可能に係合されており、流路１１６に対するシールを形成するためにＯ−リング１２２およびバッキングリング１２４，１２６を備えている。ピストン１２０は、プラグ１３２のシャフト１３０を通じて弁組立体１２８と接するようになっている。プラグ１３２は、バネ１３５により、弁座１３４の方向に向かってまたはその弁座に対して促されているかまたは付勢されている。

動作においては、所望の制御圧力が、パイロットインプット１０８、ひいてはピストン１２０に加えられるようになっている。出口１０６における圧力が制御圧力よりも小さい場合、ピストン１２０は、弁座１３４の方向に向かって変位され、プラグ１３２を弁座１３４とは反対側の方向に向けて移動させるようになっている。したがって、入口１０４と出口１０６との間の絞りが、減少し、出口１０６における圧力の上昇が可能となる。出口１０６における圧力が上昇すると、ピストン１２０を弁座１３４の反対側に向かって促す圧力の量が上昇する。ピストン１２０の第一の面１３６に加えられた圧力（すなわち、パイロットインプット１０８の圧力）がピストン１２０の第二の面１３８に加えられた圧力（すなわち、出口１０６の圧力）と略等しいとき、ピストン１２０は、流路１１６内において比較的に静止したまま留まり、出口１０６の圧力は、略一定のかつパイロットインプット１０８の圧力に等しいまま留まる。

しかしながら、公知になっている図１のドームロード型減圧調整器１００は、出力圧力が不安定になりやすい。たとえば、一部の用途では、調整器１００へのドーム供給圧力（すなわち、パイロットインプット１０８に加えられる圧力）は２つのソレノイド弁（図示せず）を用いて制御されている。一方のソレノイド弁は、開弁し、パイロットインプット１０８を通じてドーム空間１１２の中に空気圧力を導入するようになっており、他方のソレノイド弁は、パイロットインプット１０８を通じてドーム空間１１２からの圧力を逃がすようになっている。このようなソレノイドの構成が調整器のドーム空間１１２の中に高圧空気圧力を導入する高速に作動する方法を可能とするが、このような構成は、比較的不安定（たとえば、過剰、過少、振動など）になりやすい。さらに詳細にいえば、ドーム空間１１２の中へ空気を急激に導入（たとえば、空気の急激な導入）すると、調整器１００が最大流量状態にまで急速に開き、このことにより、調整器１００の出力圧力が過剰に上昇することになる。出力圧力の過剰な上昇に応答して、調整器１００内の弁１２８は急速に閉弁し、このことにより、調整器の出力圧力が所望の制御圧力に届かないことになる。したがって、この不安定により、調整器の出力圧力が圧力過剰と圧力過少とを繰り返すようになるまたは連続振動するようになる場合がある。

図２は、例示的なデュアル出力式のドームロード型減圧調整器２００を示す断面図である。この例示的なデュアル出力式のドームロード型減圧調整器２００は、減圧弁組立体２０６および２０８をそれぞれ対応して有した第一の減圧調整器２０２および第二の減圧調整器２０４を備えている。図２に示されているように、第一の減圧調整器２０２および第二の減圧調整器２０４は、単一の実質的に一体成形された本体２１０内に配置されている。この本体は、たとえば真鍮、ステンレス鋼、または減圧調整器２００の意図された用途に適切な他のいかなる金属または材料からなっていてもよい。本体２１０は、第一の減圧調整器２０２および第二の減圧調整器２０４の圧力供給源となる単一の圧力入口２１２と、第一の減圧調整器２０２および第二の減圧調整器２０４にそれぞれ対応する独立した多重のまたは二重の圧力出口（または圧力出力部）２１４および２１６とを備えている。

第一の減圧調整器２０２を詳細に参照すると、ボンネット（またはキャップ）２１８が本体２１０とシール状態で螺合している。ボンネット２１８は、パイロット入口もしくは入力部または圧力制御入口（もしくは圧力制御入力部）２２０を提供しており、この圧力制御入口２２０は、ドーム空間（またはチャンバ）２２４に向かう流体流路２２２を形成している。図２の一例に示されているように、流体絞り２２６は、圧力制御入口２２０とドーム空間２２４との間の流体経路内に挿入されている。

本体２１０と摺動可能に係合されているピストン（またはセンサ）２２８は、ドーム空間２２４および流路２２２を通じて、圧力入口２１２、圧力出口２１４および圧力制御入力部２２０と流体を介して繋がれている。ピストン２２８は、圧力制御入力部２２０を通じて圧力（すなわち、ドーム空間（またはチャンバ）２２４内の圧力）を受ける面２３２を有する第一の部分２３０を備えている（ここでは、ピストン２２８の面２３２はドーム空間２２４と接して、ドーム空間２２４内の圧力を受けるように関連づけられている）。これに加えて、ピストン２２８は、圧力制御入力部２２０を通じてピストン２２８の面２３２に加えられた圧力（制御圧力）に応答して、弁座２３６と接して、圧力入口２１２から圧力出口２１４への流体流量を制御するように構成されている第二の部分２３４を備えている。一部の公知になっているドームロード型減圧調整器および調整弁とは対照的に、ピストン（またはセンサ）２２８の第一の部分２３０および第二の部分２３４は、繋げられており（すなわち、弁２０６の動作中に分離することができない）ために、実質的にワンピースまたは一体式の部材を形成している。

弁座２３６は、実質的に大体が、ピストン２２８を構成する材料より比較的柔らかなプラスチック材料またはその他の材料からなっているプラグ形状の部材であってもよい。本体２１０のシート部２４０とピストン２２８の肩部２４２との間に配設されたバネ２３８は、ピストン２２８の中央孔２４５の環状面２４４を、弁座２３６の方向に向けてまたは弁座２３６とシール状態で係合または接触するよう付勢するようになっている。環状のチャンネルまたは溝２５２、２５４および２５６にそれぞれ対応して配設されている複数の円周状のシール（たとえば、Ｏ−リング）２４６、２４８および２５０は、本体２１０とボンネット２１８とをシール状態に係合するようになっている。さらに、シール２５０は、シール２５０が溝２５６から押し出されることを阻止または防止するために、バッキングリング２５８を含んでいる。

動作において、制御圧力（たとえば、所望の出力圧力）は、パイロット入力部または圧力制御入力部２２０へ加えられる。次いで、制御圧力は、流体絞り２２６を通じて、ドーム空間（またはチャンバ）２２４を加圧する。このように、流体絞り２２６は、ピストン２２８の面２３２に加えられる圧力が過度に急速に上昇（または減少）しないようにするため、出口２１４における圧力の不安定性（たとえば、過剰、過少、振動など）を著しく削減または除去すると考えられる。たとえば、ソレノイド弁（図示せず）を用いてドーム空間２２４の圧力を上昇（すなわち、ロード）または減少させる場合、流体絞り２２６は、ドーム空間２２４からソレノイド弁への空気の流れ／ドーム空間２２４への空気の流れを遅くし、このことは、ピストン２２８の移動を遅くして、ピストン２２８、ひいては出口２１４における圧力が所望の出力圧力を中心として振動またはサイクリングすることを防止する。

動作中、入口２２０を通じてピストンの面２３２に加えられる制御圧力は、バネ２３８の力に抗してピストン２２８を移動して、弁座２３６とは反対側の方向に向かって環状の面２４４を移動させ、このことにより、入口２１２と出口２１４との間の絞りを減少させ、出口２１４における圧力が上昇することを可能とする。出口２１４における圧力が上昇すると、ピストンの肩部２４２および面２６０に対する圧力が、ドーム空間（またはチャンバ）２２４内の圧力に抗してピストン２２８を移動させ、環状の面２４４を弁座２３６の方向に向かって移動させ、このことにより、入口２１２と出口２１４との間の絞り増大させて、出口２１４における圧力が降下すること（または、上昇することを止めること）を可能とする。環状の面２４４を弁座２３６とは反対側に向かって移動させる圧力と弁座の方向に向かって移動させる圧力とが釣り合っている場合、出口２１４における圧力は、圧力制御入口２２０を通じてドーム空間（またはチャンバ）２２４へ供給される圧力と実質的に等しい。

シール２４６、２４８および２５０は、ピストン２２８と本体２１０との間をシールすることに加え、減圧調整器２０２の出力の安定性を増大させる役目もする。さらに詳細にいえば、シール２４７、２４８および２５０は、入口２１２、圧力制御入力部２２０および／または出口２１４における比較的急激な圧力変化または摂動に応答してピストン２２８の移動を減衰させる本体２１０との摩擦係合を形成する。

実質的にワンピースまたは一体式のピストン２２８は、減圧調整器２０２の動作の安定性をさらに向上させる。具体的にいえば、一部の公知になっているドームロード型圧力調整器とは異なって、プラグまたはシール面（たとえば、シール面２４４）は、ピストン（またはセンサ）２２８と一体式になっていることにより、弁座２３６を通過する流体の流量を制御する機構とドーム空間２２４内の圧力を検知またはそれに晒されおよび応答する機構との間が分離される可能性を排除するようになっている。

バネ２３８により提供される付勢によって、シール面２４４は、ドーム空間２２４内に制御圧力が存在しない状態で、弁座２３６とシール状態で接するようになっている。このようにして、調整弁２０６は、圧力がないときには閉じている（ｎｏｒｍａｌｌｙ−ｃｌｏｓｅｄ）デバイスとして構成されている。これに加えて、調整弁２０６は、積極的（たとえば、自己回復型）シール設計を実現している。たとえば、弁座２３６が、シール面２４４および／または弁座２３６に付着した砕片またはなんらかの欠陥から漏れを生じた場合、出口２１４における圧力が上昇し、ピストン２２８の肩部２４２および面２６０に対してより大きな力を加え、シール面２４４を弁座２３６に対して押圧するようになっている。弁座２３６が、たとえばプラスチックの如き比較的に柔らかな材料（すなわち、ピストン２２８の面２４４より柔らか）で作られている場合、弁座は、変形され、および／または欠陥、砕片などを収容するように形状を一致させ、表面２４４をシールする。変形されるかまたは面２４４に合わせて形状を一致させると、弁座２３６を通過する漏洩は著しく減少または排除される。

第二の減圧調整器２０４および弁２０８は、第一の減圧調整器２０２に用いられている構成部品と同一の部品を用いて形成されているため、第二の減圧調整器２０４およびその弁２０８を本明細書においてさらに詳細には記載しない。これに加えて、図示されていないが、安全弁または逃がし弁が第一の減圧調整器２０２および第二の減圧調整器２０４の出口２１４および出口２１６に追加されてもよく、また、砕片が弁２０６および弁２０８、とくに弁座（たとえば、弁座２３６）に達することのないように、入口フィルタを入口２１２内に設けてもよい。なお、第一の減圧調整器２０２および第二の減圧調整器２０４のドーム（たとえば、ドーム空間２２４）内の圧力が等しくなければならないというわけはない（すなわち、減圧調整器は異なるパイロット圧力または制御圧力を受けて、異なる出力圧力を提供してもよい）。同様に、流体絞り（たとえば、流体絞り２２６）は、望ましい充填流量および／または排出流量を実現するために、同様のまたは異なるサイズまたは構成に形成されてもよい。

さらに、いうまでもなく、図２の例示的な減圧調整器２００が２つの減圧調整器を備えているが、他の設計では、個々の用途において、このような調整器を１つだけ有していてもよいし、２つ以上の調整器を有していてもよい。他の実施例では、さらなる減圧調整器が、減圧調整器２００に、ボルトで固定されてもよいしまたは他の方法で固定されてもよい。この場合、さらなる入口ポートがさらなる（たとえば、第三の）減圧調整器の入口に接続され、さらなる（たとえば、第三の）減圧調整器の出口が第一の減圧調整器２０２および第二の減圧調整器２０４のドーム（たとえば、ドーム空間２２４）へ圧力を供給するように構成される。あるいは、さらなる減圧調整器の出口がソレノイドに供給してもよい。このソレノイドは、ドーム（たとえば、ドーム空間２２４）内の圧力を制御する役目をすることになる。

非常に安定な出力圧力を提供することに加えて、例示的な調整器２００の構成は、公知になっている多重出力式の減圧調整器に比べて、たとえばエルボー、ティーなどの如き複数のフィッティングの必要性を排除している。それに加えて、例示的な減圧調整器２００は、公知になっている多重出力式の調整器と比べると、全体的にサイズが比較的小さく、重量も軽くなっている。さらに、例示的な減圧調整器２００は、内部部品が少なくなっているため、公知になっている多重出力式の調整器に比べて、例示的な減圧調整器２００のコストは低く、信頼性は高いと考えられる。

本明細書において、ある特定の装置、方法および製品が記載されているが、本発明の技術範囲はこれらの実施形態に限定されるわけではない。それとは反対に、本発明は、文字通りにまたは等価論の原理の下で、添付の特許請求の範囲内に適正に包含される実施形態をすべて含むものである。

公知のドームロード型減圧調整器を示す断面図である。 デュアル出力式のドームロード型減圧調整器の一例を示す断面図である。

Claims (13)

1. 圧力入口および圧力出口を有する本体と、
   前記本体に配設されているとともに、前記本体と摩擦係合され、且つ、流体を通じて前記圧力入口、前記圧力出口および圧力制御入口とに繋がれているピストンとを備えており、
   前記ピストンが、
   圧力入口を圧力出口に流体を通じて接続するためにピストン内に流体流路を形成している中央孔と、
   前記ピストンの第一の面を含む第一の部分と、
   実質的にこの第一の部分と一体に形成されている第二の部分と、
   この第二の部分は前記ピストンの前記中央孔の部分を形成する第二の面を含み、
   このピストンの第二の面は、
   弁座に接するようになっており、
   圧力出口の圧力を受けるようになっていると共に、
   前記第二の面及び前記ピストンの前記第一の部分にある肩部の面に加わる出口圧力と前記圧力制御入口を通じて前記ピストンの第一の面に加えられる第一の圧力との間の差圧に応じて前記中央孔を通過する流体の流量を制御すべく、前記第一の面と共に弁座に相対的に移動するように構成されてなる、
   圧力調整器。
2. 流体絞りをさらに備えており、
   前記流体絞りは、前記ピストンの第一の面に関連づけられたチャンバと前記圧力制御入口とを流体を介して繋ぐ流路内に直列に挿入されている、請求項１に記載の圧力調整器。
3. 前記ピストンは、前記弁座をシール状態で係合するように構成された環状の面を具備する中央孔を有している、請求項１に記載の圧力調整器。
4. 前記ピストンを前記弁座と接するように付勢するためのバネをさらに備えている、請求項１に記載の圧力調整器。
5. 前記ピストンと係合する複数のシールリングをさらに備えている、請求項１に記載の圧力調整器。
6. 前記シールリングのうちの少なくとも１つがＯ−リングである、請求項５に記載の圧力調整器。
7. 前記弁座がプラグ形状の部材である、請求項１に記載の圧力調整器。
8. 前記弁座は、実質的にプラスチック材料からなっている、請求項１に記載の圧力調整器。
9. 前記本体に配設されているとともに、前記流体入口と繋がれている第二の圧力調整器をさらに備えており、
   前記第二の圧力調整器は、前記本体に配設されているとともに、前記圧力入口、第二の圧力出口および第二の圧力制御入口と流体を通じて繋がれており、前記第二のピストンが、前記第二の圧力制御入口を通じて前記第二のピストンの面に加えられる第二の圧力に応答して、第二の弁座と接し、前記圧力入口から前記第二の圧力出口へ流れる流体の流量を制御するように構成されている、請求項１に記載の圧力調整器。
10. 前記ピストンの第一の面はチャンバを介して圧力制御入口に流体を通じて接続されている請求項１に記載の圧力調整器。
11. 前記ピストンが、前記弁座と係合するようバネにより付勢されている、請求項１に記載の圧力調整器。
12. 前記ピストンが、前記弁座と係合するための環状の面を有する流路を備えている、請求項１に記載の圧力調整器。
13. 前記ピストンの第一の面が、流体絞りを経由して、前記圧力制御入口から入力された制御圧力に流体を介して繋がるように構成されている、請求項１に記載の圧力調整器。

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