JP5194027B2 - ダイアフラム駆動装置 - Google Patents

Description

この開示は、広く制御弁駆動装置に関し、より詳しくは、その駆動装置のシャフトに対して密封して係合したダイアフラムを有するダイアフラム駆動装置に関する。

制御弁は、プロセスコントロールシステムで一般的に用いられる。一般的に、制御弁は、液体を源から目的地まで送るか、配るために、望ましいセットポイントにプロセス変数を管理すべく、流れる液体を操作するのに用いられることがある。制御弁アセンブリは、一般的に、弁を操作する（たとえば、プラグまたは弁の内部にある流れを制御する部材の位置を決定する）ために、シャフトによって駆動力を提供するためにバルブ本体とシャフトと駆動装置とを含む。

ばねとダイアフラム空気圧駆動装置は、一般的にダイアフラム駆動装置と呼ばれ、それらの信頼性のゆえに制御弁の用途にしばしば選ばれる。ダイアフラム駆動装置は、一般的に、ダイアフラムに作用するコントロール圧がない場合に、従来の位置に駆動装置シャフトを戻すために、ダイアフラムと駆動装置シャフトと１つ以上のばねとを収容したケースを有している。一般的に、ダイアフラム駆動装置は、駆動装置シャフトを動かして、それによって制御弁を開閉するか、調整するために、ダイアフラムの一方への可変的なガス（たとえば空気）の圧力を受ける。駆動装置のコントロール動作は、ダイアフラム、ダイアフラムプレート、戻りばね、および駆動装置シャフトの構成に依存する。増加したコントロール圧が、ダイアフラムと駆動装置シャフトとを駆動装置ケースから離れて延ばすように、ダイアフラム駆動装置は正の動作であるように構成されることができる。或いは、増加した気圧がダイアフラムと駆動装置シャフトとを格納するように、ダイアフラム駆動装置は逆の動作であるように構成されることができる。

ダイアフラム駆動装置が構成される制御動作のタイプに関係なく、「ステム」と呼ばれることもある駆動装置シャフトは、ダイアフラムに機械的に結合されるか、固定される。一般的に、シャフトまたはステムの端部はダイアフラムの中心開口を通過する。そして、１つ以上の機械式留め具要素（たとえばワッシャー、ナット、ボルト、その他）は、締めるか、さもなければダイアフラムの中心部をシャフトまたはステムに取り付けるのに用いられる。このように、コントロール圧変化に応じてのダイアフラムの動きまたは置き換えは、駆動装置シャフトまたはステムの対応する動きまたは置き換えを引き起こす。コントロール圧がダイアフラムの一方側で維持されるのを可能にするために、駆動装置シャフトまたはステムの端が通る開口は、シャフトまたはステムのまわりで漏出を防ぐために、一般的に密封される。しかし、シャフトまたはステムが一般的に通るダイアフラムの中心開口を密封する従来の技術は、ワッシャーやＯ−リングや専門部品の比較的複雑で高価な配置を用いる。

１つの例としては、ダイアフラム駆動装置に用いられるダイアフラムは、中心開口と、中心開口の周囲の必須の密封突起とを有する。さらに、その密封突起は、ダイアフラム駆動装置の可動構成要素に対して密封して係合するように構成されている。

図１は、従来のばねとダイアフラム駆動装置とを有した制御弁の断面図である。 図２は、図１の従来のダイアフラムと駆動装置シャフトアセンブリの一部を拡大した断面図である。 図３は、駆動装置シャフトの肩に密封して係合するダイアフラムを備えているダイアフラム駆動装置とばねを有している制御弁の例の断面図である。 図４は、図３の駆動装置シャフトとダイアフラムの一例を示した拡大断面図である。 図５は、図３および図４に例示される密封装置のダイアフラムとシャフトとの間を密封して結合する他の密封係合を示した拡大断面図である。

ここに記述されるダイアフラム駆動装置内における駆動装置シャフトにダイアフラムを密封する装置の一例は、多くの従来のダイアフラム駆動装置で使われる比較的複雑で高価な密封装置を不要とする。より詳しくは、ここに記述される１つの例は、中心開口と、その中心開口の周囲に位置する密封ビードのような必須の密封突起を有するダイアフラムとを含む。その密封突起は、ダイアフラム駆動装置のシャフトの肩に密封して係合するように構成される。特に、密封突起（たとえば密封ビード）は、シャフトの肩にある環状凹部に係合されてもよい。そして、それによってシャフトに対してダイアフラムが結合することが可能になって、これまで伝統的に、このような密封を提供するのに用いられてきたｏ−リングやワッシャー、その他の比較的複雑で高価な配列を不要にすることができる。

上に示したダイアフラムと駆動装置シャフトの密封装置の例について述べる前に、従来の密封装置について、図１と図２とを通して以下に簡単に説明する。図１を見ると、従来のばねとダイアフラム駆動装置１０１とを有する制御弁１００の断面図が示されている。図１に示されるように、このダイアフラム駆動装置１０１は、上部ケーシング１０２と下部ケース１０４を備えている。そして、それらは従来の方法でケース１０２および１０４の端の外側に沿って置かれた複数のねじ付き締め具１０６，１０８と結合される。ダイアフラム１１０は、ケース１０２と１０４との間で挟まれていて、ケース１０２および１０４の内部で、制御圧力室１１２と気圧室１１４とにスペースを分割している。ダイアフラムプレート１１６は、ダイアフラム１１０に対して強固に補強していて、図２に従って以下により詳細に述べるように、密封アセンブリ１２０によって、駆動装置ステムまたはシャフト１１８にダイアフラム１１０の密封係合を容易にする。その上、ステムまたはシャフト１１８は、継手１２４によって制御弁１００のステムまたはシャフト１２２に対して有効に結合される。圧縮スプリング１２６は、ダイアフラムプレート１１６と上部ケーシング１０２の内壁１２８との間に配置されていて、それによって、ダイアフラム１１０と、ダイアフラムプレート１１６と、駆動装置シャフト１１８とを制御弁１００の方へ圧迫するか、偏らせるように構成されている。その結果、２ウェイプラグ弁として描写されている制御弁１００のステムまたはシャフト１２２は、制御弁１００を閉じるために偏る。すなわち、弁１００を通って流体が流れるのを防ぐ。

動作において、コントロール圧信号は、室１１２で圧力を変えるために、コントロール圧ポート１３０を通して、室１１２に提供されてもよい。圧力が室１１２で変化するのと同時に、室１１４の圧力は、ポートまたは穴１３２を通して、ほぼ大気圧に維持される。これによって、室１１２の圧力が大気圧より上に増やされて、ダイアフラム１１０は圧迫され、動かされて、上部ケース１０２の方へ駆動装置シャフト１１８を引くためにばね１２６の力に抗して上部ケース１０２の方へ向かう。そして、それによって制御弁１００のシャフト１２２が上部ケース１０２の方へ制御弁１００を開く。反対に、室１１２の圧力が減少すると、ダイアフラム１１０は下部ケース１０４の方へ進み、それによって、駆動装置シャフト１１８とシャフト１２２とを動かして制御弁１００を閉じる。ダイアフラム駆動装置１０１が正の動作制御を提供するように構成されて、増加した圧力が制御弁１００を開ける傾向があるが、逆の動作構成が代わりに採用されるようにもなっている。

図２は、図１の従来のダイアフラム駆動装置１０１の密封アセンブリ１２０の拡大断面図である。図２に示されているように、ダイアフラム１１０およびダイアフラムプレート１１６は、それぞれ駆動装置シャフト１１８の端部２０４が通る中心開口２００，２０２を有している。ワッシャー２０６，２０８は、ダイアフラム１１０とダイアフラムプレート１１６とを挟んで、シャフト１１８の端部２０４に通されてワッシャー２０６に対して締められたナット２１０から付与される圧縮密封力を受けたり、広げまたは分配するのに役立っている。図２で分かるように、ワッシャー２０８は、シャフト１１８の肩２１２に対して機械的に止められている。そして、このように、ナット２１０が締められると、増大された圧縮力は、ワッシャー２０６，２０８と、ダイアフラムプレート１１６と、ダイアフラム１１０と、ｏ−リング２１４，２１６，２１８に対して使われる。

より詳細に述べると、ダイアフラム１１０の開口２００に封をするために、ナット２１０は、ワッシャー２０８とダイアフラム１１０との間にあるｏ−リング２１４，２１６を締め付けて圧縮して、ワッシャー２０８と肩２１２との間にあるｏ−リング２１８を締め付けて圧縮する。このように、ダイアフラム１１０の開口２００を通る漏出経路は、駆動装置１０１の室１１２と１１４との圧力差の維持を容易にするために封止されている（図１）。しかし、図１および図２で示されるように従来の密封アセンブリ１２０の描写から理解できるように、比較的多くのそして複雑な部品の配置が、ダイアフラム１１０の開口２００を密封するために使われている。さらに、ワッシャー２０８はｏ−リング２１８を受けるために面取りまたはそれに類似するものを提供する特別な造作を要求することがある。そして、そのような特別な造作は密封アセンブリ１２０に多大なコストを加えることがある。

図３は、従来一般的に駆動装置シャフトにダイアフラムを密封するのに使われてきた（たとえば、図１と２で表されている従来の密封アセンブリ１２０）追加のｏ−リングや他の構成要素を除くばね、ダイアフラム駆動装置３００の例を示す断面図である。図３に示すように、ダイアフラム駆動装置３００は、複数のねじ付き締め具３０６，３０８によって接合される上部ケーシング３０２と下部ケース３０４との間で挟まれているダイアフラム３１６から構成されている。ねじ付き締め具３０６，３０８は、ケース３０２と３０４とをそれらの外側の端で固定する。ダイアフラム３１６は、上下のケース３０２と３０４を気圧室３２２と制御圧力室３２４とに分ける。上部ケーシング３０２は、部屋３２２で大気圧を維持するために、空気口３１０も備えている。下部のケース３０４は、制御圧力室３２４で圧力を変えるためにコントロール圧を受けるために、コントロール圧インレット３１２を備えている。ダイアフラムプレート３１８は強固な補強をダイアフラム３１６に提供して、図４によって後でより詳しく説明するように、密封アセンブリ３２６によって駆動装置ステムまたはシャフト３２０にダイアフラム３１６の密封係合を容易にする。ばね３１４は、ダイアフラムプレート３１８と上部ケーシング３０２の内壁３２８の間に配置されている。ばね３１４は、ダイアフラム３１６とダイアフラムプレート３１８とを圧迫して、駆動装置シャフト３２０が、上部ケーシング３０２から離れて駆動装置シャフト３２０に対して有効に結合している制御弁（図示せず）の方に向かうように構成されている。図３に示すように、駆動装置３００は、正の動作制御として構成されている。しかし、逆の動作構成も代わりに用いられる。

図４は、図３の例のダイアフラム駆動装置３００の密封アセンブリ３２６の拡大した断面図である。図４に示すように、密封アセンブリ３２６において、ダイアフラム３１６はシャフト３２０の肩４１４に、直接密封して係合されている。より詳しくは、ダイアフラム３１６はダイアフラム３１６の中心開口４１２の周囲に配列される必須の密封突起４０４を含んでいる。図４で示すように、密封突起４０４は、中心開口４１２に接する曲がった性質を持つ台座ビードとして構成されている。しかし、必須の密封突起４０４の他のジオメトリーや位置が代わりに使われてもよい。たとえば、密封突起４０４は、長方形のものを使用し、および／または放射状に配置し、或いは、中心開口４１２から距離を置いて配置することによって、図４に示される構成例と同様、或いは、類似の結果を達成することができる。しかし、ダイアフラム３１６は、より好ましくは、必然的ではないが、弾力性のある材料で形成されていて、布や、望ましい硬さ、強度、寿命を提供するようなその他の補強層を含んでいることが望ましい。

必須の密封突起４０４の特定のジオメトリーや位置に関係なく、密封突起４０４はダイアフラム駆動装置の可動構成要素に密封して係合するよう構成されており、特に、密封突起４０４は機械的に駆動装置シャフト３２０を結合させて、密封して係合するように構成されている。図４の例において、肩４１４はシャフト３２０の縦の軸とほぼ直角をなして、密封突起４０４を受けるように構成される環状溝または凹部４０６を含む。環状凹部４０６は、長方形の形状を有するものとして示されている。しかし、他のどの適当な形状も、密封突起４０４とシャフト３２０との間の機械的結合および密封係合を成し遂げるのに代用可能である。さらに、肩４１４がシャフト３２０の縦の軸とほぼ直角をなすものとして示されているが、肩４１４はシャフト３２０の縦の軸に対して他のどの角度であってもよい。

シャフト３２０の端部４０８は、ダイアフラム３１６の中心開口４１２、ダイアフラムプレート３１８の中心開口４１０およびワッシャー４００に係合し通過するように、シャフト３２０の残りの部分よりも小さな直径を持つべく、寸法取られ、大きさを設定される。シャフト３２０の端部４０８は、さらに少なくとも１つの締め具、たとえばナット４０２、を係合するか、受けるように構成される。この例において、シャフト３２０の端部４０８は、シャフト３２０の肩４１４に対して、ワッシャー４００、ダイアフラムプレート３１８および密封突起４０４を圧迫するよう締められたナット４０２を受けるように装着される。このように、密封突起４０４は、ダイアフラム３１６とシャフト３２０との間に密封を形成し、それによってダイアフラム３１６の中心開口４１２を通してシャフト３２０とダイアフラム３１６との間の漏出をほぼ排除するために、環状凹部４０６へ押される。

ワッシャー４００は、中心開口で平らな表面を持つように構成されてもよい。しかし、他のワッシャー構成および／または追加ワッシャーが、代用されてもよい。たとえば、１つ以上の波ワッシャー、ベルヴィルワッシャー、ばねワッシャー等が、ワッシャー４００の代わりに、または加えて使用されてよい。さらに、ワッシャー４００および／またはどのような追加のワッシャーも、金属、プラスチックまたは他のどの適当な材料でできていてよい。加えて、締め具４０２が１つのナットとして描写されているが、異なるおよび／または追加の締め具が使われてもよい。たとえば、戻り止めナット、プッシュナットおよび／またはどのようなタイプの締め具やロック装置でも、シャフト３２０との密封係合においてダイアフラム３１６を支えるために、締め具４０２の代わりとして、或いはそれに加えて使用可能である。

図５は、図３および図４の装置を拡大した例でのダイアフラムとシャフトとの間の他の密封係合を表している拡大断面図である。図５の中で表されるように、マテリアル５００の層は密封突起４０４と環状凹部４０６との間で配置されている。マテリアル５００は、凹部４０６内で密封突起４０４の密封係合を容易にする接着剤または他の材料であってもよい。さらに、マテリアル５００は凹部４０６の全体かまたは凹部４０６の一部だけに沿ってもよい。

特定の実施例に係る装置がここに記述されたが、本特許出願が扱う範囲はそれに制限されない。反対に、この特許は、字義通り、或いは同等のドクトリンにおいて、添付の請求範囲にまさに該当する製造のすべての方法、装置と品目をカバーする。

Claims (8)

1. ケースと、
   前記ケースの中に配置された駆動装置シャフトと、
   前記ケースの内部を２つの室に分けるダイアフラムと、
   前記ダイアフラムを補強し、前記駆動装置シャフトに対する前記ダイヤフラムの密封係合を容易にするダイアフラムプレートとを備え、
   前記ダイアフラムは、中心開口と、前記中心開口の周囲に位置する必須の密封突起とを含み、前記密封突起は、前記中心開口から距離を置いて配置され、前記駆動装置シャフトと密封係合するように構成されている、ダイアフラム駆動装置。
2. 前記密封突起が前記駆動装置シャフトに機械的に結合するよう構成されている、請求項１に記載のダイアフラム駆動装置。
3. 前記密封突起が密封ビードから成る、請求項２に記載のダイアフラム駆動装置。
4. 前記駆動装置シャフトは、前記ダイアフラムの前記中心開口を通って延びている、請求項３に記載のダイアフラム駆動装置。
5. 前記駆動装置シャフトは、肩を有しており、
   前記肩は、環状凹部を含んでおり、
   前記密封ビードが前記環状凹部に係合される、請求項４に記載のダイアフラム駆動装置。
6. シャフトの一部が前記ダイアフラムの中心開口に係合するように構成されている、請求項５に記載のダイアフラム駆動装置。
7. 前記駆動装置シャフトの端部にナットが設けられており、
   前記ナットが前記密封ビードを前記環状凹部に押し込むことによって、前記駆動装置シャフトに対して前記ダイヤフラムが密封係合される、請求項５に記載のダイアフラム駆動装置。
8. 前記ダイアフラムと前記肩との間にマテリアルの層をさらに含んでいる、請求項５に記載のダイアフラム駆動装置。

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