JP5503550B2 - リング密閉ダイヤフラム - Google Patents

Description

本発明は、概して、流体プロセス制御デバイスのためのアクチュエータに関し、より具体的には、流体プロセス制御デバイスのためのダイヤフラム組み立て体を備えるアクチュエータに関する。

精製所、化学プラント、もしくは製紙プラント等のプロセスプラントは、種々の消費製品を生産するように、互いに接続される数多くのプロセス制御ループから成ることが、一般的に知られている。これらの制御ループのそれぞれは、圧力、流れ、レベル、または温度等のいくつかの重要なプロセス変量を所要の動作範囲内に保ち、最終製品の品質を確保するように設計されている。これらのループのそれぞれは、プラント内のプロセス制御ループのプロセス変量および制御に影響を及ぼす負荷外乱を受け、かつ内部的にこれを作り出す。これらの負荷外乱の影響を低減するために、プロセス変量が、センサもしくはトランスミッタによって検出され、かつプロセスコントローラへ通信される。プロセスコントローラは、この情報を処理して、変更もしくは修正をプロセスループに提供して、負荷外乱が生じた後にそうあるべきプロセス変量に戻す。修正は、一般的に、いくつかのタイプの制御弁等の最終制御要素を通る流れを変更することによって行われる。制御弁は、ガス、蒸気、水、もしくは化学化合物等の流動流体を操作して、負荷外乱を補い、かつ調整したプロセス変量を所望の制御もしくは設定点にできるだけ近くなるように保つ。

概して、種々の制御弁の構成は、とりわけ特定の用途に対して適用可能であり得ると理解されている。例えば、制御範囲の狭い早開き弁が好適である時には、蝶形弁等の回転制御弁が使用され得る。あるいは、広い制御範囲にわたって正確な制御が必要である時には、摺動ステム制御弁が使用され得る。いずれの構成においても、このような制御弁は、概して、アクチュエータ等の制御デバイスに連結され、これらは制御信号に応答して制御弁の正確な開口量を制御する。したがって、プロセスを設計する時に、プロセス技師は、多くの設計要件および設計制約を考慮しなければならない。例えば、設計技師は、使用される弁の様式、弁のサイズ、アクチュエータのタイプ等を決定しなければならない。

いくつかのシステム、特に空気圧制御の流体プロセスシステムにおいて、任意の所与の流体プロセス制御デバイスのためのアクチュエータには、ダイヤフラムアクチュエータを含むことができる。代表的なダイヤフラムアクチュエータは、ばね付勢ダイヤフラム組み立て体を含む筐体を備える。ダイヤフラム組み立て体は、流体プロセス制御デバイスの開口量を制御するように、ステムもしくは他のアクチュエータロッドを介して動作可能に連結される。

１つの公知のダイヤフラム組み立て体は、ダイヤフラムと、１つ以上のダイヤフラム板と、を備える。ダイヤフラムは、耐流体密閉の布地、ポリマー、もしくは他の好適な材料で構築される、可撓性の円盤状部材を備える。板は、ダイヤフラムに隣接して配置され、筐体内に配置される１つ以上のばねによって係合されるように適合される。加えて、板は、固定された機械的接続をステムに提供する。ばねは、アクチュエータが、制御デバイスを開いた、もしくは閉じた構成に付勢し得るように、ダイヤフラム組み立て体を所定の位置に付勢するように機能する。１つの公知の組み立て体では、ダイヤフラムが、接着剤によってダイヤフラム板に固定される。別の公知の組み立て体では、ダイヤフラム板が、皿状の部分を含み、それに対して、ダイヤフラムが標準的なウォーム歯車ホースクランプによって密閉される。他の公知の組み立て体では、ダイヤフラムが、板に全く固定されない。しかしながら、述べられているように、１つ以上のダイヤフラム板がアクチュエータのステムに堅固に固定される。このような固定は、概して、螺入取り付けによって達成される。例えば、一形態において、ステムは、１つ以上の板内の中央開口を通して配置される、ねじ付き端部分を含む。次いで、ナットをステムのねじ付き端部分に螺入して、ステムを板に取り付ける。加えて、しかしながら、空気圧アクチュエータの正確な制御を可能にするには、筐体内、およびダイヤフラム組み立て体の対向する側面間に、耐流体密閉を提供しなければならない。上述したものによる１つの公知のダイヤフラムアクチュエータでは、ステムと板との間に１つ以上のＯリングが提供される。

これらの公知のダイヤフラム組み立て体のそれぞれは、Ｏリングおよび／もしくはホースクランプ等の追加的な部品が必要であり、したがって、追加的な組み立てステップを必要とする。さらに、これらの追加的な部品は、劣化する傾向があり、それによって、デバイス全体の信頼性が減少する。その上、このような公知のダイヤフラムアクチュエータは、概して、単一の様態、例えば付勢して開いた、もしくは付勢して閉じた構成のいずれかで動作するように構成される。したがって、もしアクチュエータの付勢した構成の変更が所望される場合は、全く異なるアクチュエータを設置しなければならない。

本発明の一実施形態は、流体プロセス制御デバイスのためのアクチュエータを備える。アクチュエータは、筐体と、ステムと、凹状板と、凸状板と、ダイヤフラムと、ナットと、を含む。筐体は、第１の筐体構成要素と、第２の筐体構成要素と、を含む。ステムは、筐体内に摺動可能に配置され、かつ肩部を備える。凹状板は、内側半径方向部分と、外側半径方向部分と、を備える。内側半径方向部分は、ステム上に配置され、かつ中央開口を画定する。凸状板も、内側半径方向部分と、外側半径方向部分と、を備える。凸状板の内側半径方向部分は、凹状板の内側半径方向部分に隣接してステム上に配置される。

開示される実施形態では、ダイヤフラムも、外側半径方向部分と、内側半径方向部分と、を備える。ダイヤフラムの外側半径方向部分は、第１および第２の筐体構成要素の間で圧縮され、内側半径方向部分は、板の外側半径方向部分の間で圧縮される。ナットは、凹状板がステムの肩部を密閉状態で直接的に係合するように、凹状および凸状板の内側半径方向部分を互いに圧縮するように、ステムとねじ係合して配置される。

そのように構成すると、開示される実施形態のアクチュエータは、ダイヤフラムを好都合に圧縮して密閉するとともに、同時に、アクチュエータのステムとの直接密閉係合を提供し、このような構成要素に関連する部品数および組み立てコストの低減を補助し得る。

加えて、好適な一実施形態では、ステムの肩部が、切頭円錐形状表面を備え、凹状板の中央開口が、ステムの肩部と密閉係合する切頭円錐形状表面を備える。

別の好適な実施形態では、ステムは、肩部から凹状および凸状の板の反対側に配置されるねじ付き端部分を備え、ナットが、ステムのねじ付き端部分に螺入される。

しかしながら、代替の一実施形態では、凸状板の内側半径方向部分が、ステムのねじ付き端部分と直接ねじ係合するねじ付き開口を画定し得、それによって、ナットの必要性を排除する。

さらに別の好適な実施形態では、ダイヤフラムが、凹状板と凸状板との間にダイヤフラムを保持するのを支援するように、板の間に画定される空洞内に配置される円周状のビードによって内側開口部を画定する、内側半径方向縁部を備える。

流体プロセス制御デバイスに動作可能に連結される、本発明の原理によるアクチュエータの側面図である。 図１の線ＩＩ−ＩＩから見た時の図１のアクチュエータの側面断面図である。 図１および２のアクチュエータの分解側面断面図である。 図３の線ＩＶ−ＩＶの観点から見た時の、本発明の一実施形態に従って構築されるダイヤフラム板およびダイヤフラムの平面図である。 図３の線ＩＶ−ＩＶの観点から見た時の、本発明の代替の一実施形態に従って構築されるダイヤフラム板およびダイヤフラムの平面図である。 本発明の原理に従って構築されるアクチュエータに関連して使用されるダイヤフラムの代替の一実施形態の側面断面図である。 本発明の原理に従って構築されるアクチュエータのステムおよびダイヤフラム板の代替の一実施形態の部分側面図である。

図１は、本発明の原理に従って構築され、流体プロセス制御デバイス１２に接続されるアクチュエータ１０を示している。図１に示されている実施例において、制御デバイス１２は、流入口１４、流出口１６、のど部１８、および流路２０を画定する玉形弁を備える。流路２０は、流入口１４と流出口１６との間に配置される。制御デバイス１２は、例えば精製所、もしくは化学プラント、または製紙プラント等のプロセスプラントを含む、流体プロセス制御システム内に配置されるように適合される。制御デバイス１２は、１つ以上の動作パラメータに従って、システムを通る流体の流れを制御する。

アクチュエータ１０は、制御デバイス１２ののど部１８内を摺動変位するために配置される弁体２４を含むステム２２を含む。したがって、動作中に、アクチュエータ１２は、制御デバイス１２ののど部１８内に配置される弁座面１９に対して、ステム２２、したがって弁体２４を移動させる。弁座面１９に対する弁体２４の位置は、任意の所与のプロセス用途に対する所望に応じて、流路２０を通って流れる流体の量を制御する。

以下、図２および図３を参照して、本発明の原理に従って構築されるアクチュエータ１０の一実施形態を説明する。具体的には、アクチュエータ１０は、筐体２６と、ダイヤフラム組み立て体２８と、複数のばね３０と、を備える。筐体２６は、内部空洞２７を画定する。ダイヤフラム組み立て体２８は、内部空洞２７を上部空洞２７ａと下部空洞２７ｂに分割するように、筐体２６内に配置される。ダイヤフラム組み立て体２８は、筐体２６の上部および下部空洞２７ａ、２７ｂ間に、耐流体密閉を提供する。開示される実施形態において、ばね３０は、図２に示されているアクチュエータ１０の配向に対して下向きに、ダイヤフラム組み立て体２８を付勢する。この下向きの付勢は、流路２０を通る流体の流れを閉じるように、弁座面１９に対して（図１に示される）弁体２４の位置を定め、それによって、付勢して閉じたアクチュエータ１０を画定する。しかしながら、圧力は、ばね３０の付勢に対して上向きにダイヤフラム組み立て体２８を押すように、筐体２６の下部空洞２７ｂ内に導入することができ、それによって、弁座面１９から弁体２４を持ち上げて、制御弁１２の流路２０を開く。

引き続き図２および図３を参照すると、アクチュエータ１０の筐体２６は、上部筐体構成要素３２と、下部筐体構成要素３４と、を備える。各筐体構成要素３２、３４は、板部分３２ａ、３４ａと、壁３２ｂ、３４ｂと、フランジ３２ｃ、３４ｃと、を備える。開示される実施形態において、板部分３２ａ、３４ａは、概ね円形である。したがって、壁３２ｂ、３４ｂおよびフランジ３２ｃ、３４ｃは、板部分３２ａ、３４ａの円周状に延在する。半径方向のフランジ３２ｃ、３４ｃは、図２に示されるように、上部筐体構成要素３２を下部筐体構成要素３４に固設するように、締結具３８を受容するための複数の開口３６を画定する。開示される実施形態において、締結具３８は、それぞれが、六角ボルトとねじ係合する六角ナットを含む。

さらに、上部筐体構成要素３２は、流体ポート４０を画定し、下部筐体構成要素３４は、流体ポート４２を画定する。流体ポート４０、４２は、筐体２６の上部および下部空洞２７ａ、２７ｂ内の圧力を変動させるための、空気圧供給ライン等の、それぞれの流体供給ラインに連結されるように適合される。さらに、下部筐体構成要素３４は、ステム２２を収容するための開口部４４を画定する。

述べられているように、ステム２２は、ダイヤフラム組み立て体２８を流体プロセス制御デバイス１２に動作可能に連結する。ステム２２は、概して、本体部分２２ａと、ねじ付き端部分２２ｂと、肩部２２ｃとを有する、細長いロッドを備える。本体部分２２ａは、ねじ付き端部分２２ｂの直径よりも大きい直径を含む。肩部２２ｃは、本体部分２２ａとねじ付き端部分２２ｂとの間に配置される。肩部２２ｃは、肩部表面４６を画定し、これは、図３で確認される。開示される実施形態において、肩部表面４６は、本体部分２２ａからねじ付き端部分２２ｂの方へ半径方向に収束する切頭円錐形状表面を含む。

引き続き図２および図３を参照すると、ステム２２のねじ付き端部分２２ｂは、ナット４８によってダイヤフラム組み立て体２８に連結される。開示される実施形態のナット４８は、肩部２２ｃに対してダイヤフラム組み立て体２８の反対側に、ステム２２のねじ付き端部分２２ｂに螺入される六角ナットを含む。加えて、開示される実施形態において、ナット４８は、止めナット５０によってステム２２に保持される。止めナット５０は、ステム２２のねじ付き端部分２２ｂに螺入され、かつナット４８がステム２２に対して緩むのを防止するように、ナット４８と係合する。加えて、以下に説明するように、ダイヤフラム組み立て体２８は、ナット４８に力を印加し、それによって、ステム２２のナット４８が緩むのを防止する。

ダイヤフラム組み立て体２８は、一対のダイヤフラム板５２、５４と、ダイヤフラム５６と、を備える。ダイヤフラム５６は、布地、ポリマー、複合材、および／もしくは耐流体密閉を提供することができる他のあらゆる好適な材料を含み得る、可撓性材料で構築される。より具体的には、ダイヤフラム５６は、外側半径方向部分５６ａと、内側半径方向部分５６ｂと、を含む。外側半径方向部分５６ａは、上部および下部筐体構成要素３２、３４の半径方向のフランジ部分３２ｃ、３４ｃを互いに固設する締結具３８を受容するための、複数の開口５８を画定する。そのように構成すると、半径方向のフランジ部分３２ｃ、３４ｃは、ダイヤフラム５６の外側半径方向部分５６ａを圧縮する。

ダイヤフラム５６の内側半径方向部分５６ｂは、図３に示されているように、円形開口部６２を画定する内側縁部６０を含む。開示される実施形態において、内側縁部６０は、開口部６２の周囲に延在するビード６４を含む。開示される実施形態において、ビード６４は、ダイヤフラム５６の厚さよりも大きい直径を有する、概ね円形の横断面を含む。したがって、ダイヤフラム５６の内側半径方向部分５６ｂは、一対のダイヤフラム板５２、５４の間に配置される。

より具体的には、ダイヤフラム板５２、５４は、図３で確認されるように、外側半径方向部分５２ａ、５４ａと、内側半径方向部分５２ｂ、５４ｂと、を備える。概して、ダイヤフラム板５２、５４は、実質的に同一であり、したがって、共通の機能は、共通の参照番号で識別される。例えば、ダイヤフラム板５２、５４の外側半径方向部分５２ａ、５４ａは、それぞれが、湾曲した表面６６ａを画定する広がり縁部６６を備える。外側半径方向部分５２ａ、５４ａは、ダイヤフラム５６の内側半径方向部分５６ａを圧縮して、耐流体密閉を提供するように適合される。使用中に、ダイヤフラム板５２、５４が筐体２６内を上下に移動する時に、ダイヤフラム５６は、広がり縁部６６の湾曲した表面６６ａを断続的に係合する場合がある。これらの湾曲した表面６６ａは、ダイヤフラム５６が、ダイヤフラム５６に穴を開けたり、破ったり、あるいは損傷を与えたりすること無く、使用中にそれらに耐えられるように、滑らかな表面を好都合に提供する。したがって、広がり縁部６６は、アクチュエータ１０の適切な動作を確保し、かつダイヤフラム５６の動作寿命を最大化する役割を果たす。

ダイヤフラム板５２、５４の内側半径方向部分５２ｂ、５４ｂは、図４に示されているように、それぞれが、複数の隆起部７０と、１つの中央開口７１と、を備える。図４は、下部ダイヤフラム板５４が上部ダイヤフラム板５２およびダイヤフラム５６の下に隠れているので、上部ダイヤフラム板５２およびダイヤフラム５６だけを示していることを理解されたい。それでも、開示される実施形態の複数の隆起部７０は、２つの隆起部７０を含み、それらは、概ね円形であり、ばね３０によって受容されるようにサイズ決定および構成される。例えば、一実施形態において、隆起部７０は、隆起部が、ダイヤフラム板５２、５４に対するばね３０の軸方向位置を保持するように、ばね３０の内径よりもわずかに小さい直径を有する。開示される実施形態において、隆起部７０は、スタンピング、プレス加工、もしくは他の何らかの公知のプロセス等によって、ダイヤフラム５２、５４と一体的に形成される。したがって、図３に示されているように、ダイヤフラム板５２、５４の内側半径方向部分５２ｂ、５４ｂは、凹部７３をさらに画定する。凹部７３は、隆起部７０の反対側のダイヤフラム板５２、５４内に形成される。図２に示されているように、対応するダイヤフラム板５２、５４の凹部７３は、ダイヤフラム組み立て体２８が完全に組み立てられた時に、空洞７５を画定する。

図２にさらに示されているように、ダイヤフラム板５２、５４の中央開口７１は、ステム２２を受容して、ステム２２をダイヤフラム組み立て体２８に接続するのを可能にするように適合される。ダイヤフラム板５２、５４の両方が中央開口７１を画定するが、下部ダイヤフラム板５４内の中央開口７１は、肩部表面７２と、軸受面７４と、を備える。開示される実施形態では、軸受面７４が概ね円筒形であり、肩部表面７２が概ね切頭円錐形である。より具体的には、肩部表面７２は、ステム２２の（図３に示される）肩部表面４６と密閉係合するように適合される、概ね切頭円錐形の表面を備える。例えば、図２において、下部ダイヤフラム板５４によって画定される中央開口７１の肩部表面７２は、ステム２２の肩部表面４６を直接的に係合する。そのように構成すると、かつ以下に詳述するように、下部ダイヤフラム板５４の肩部表面７２は、少なくとも完全、連続的、かつ一定な接触線を提供することによって、ステム２２の肩部表面４６とともに耐流体密閉を提供する。一実施形態では、嵌合する切頭円錐形状表面３６、７２が、好ましくは、高度に仕上げた表面を含み、それによって、完全、連続的、かつ一定な表面接触をそれらの間に提供する。さらに、下部ダイヤフラム板５４内の中央開口７１の軸受表面７４は、ステム２２のねじ付き端部分２２ｂに隣接して配置される。

組み立てる前のダイヤフラム板５２、５４の内側半径方向部分５２ｂ、５４ｂは、図３に示されているように、それらが湾曲した横断面を有するという点で、ベルビルワッシャに概ね類似し得る。例えば、上部ダイヤフラム板５２は、概ね凸状の横断面を備え、一方で、下部ダイヤフラム板５４は、概ね凹状の横断面を備える。したがって、組み立てる前の板５２、５４のそれぞれは、中空の球面の部分もしくは球状のキャップに類似する。しかしながら、組み立て時に、内側半径方向部分５２ｂ、５４ｂは、ステム２２のねじ付き端部分２２ｂ上に引っ張られ、それによって、図２に示されているように、板５２、５４を実質的に平坦化する。一実施形態において、この板５２、５４の平坦化はまた、板５２、５４の直径を少なくとも部分的に増加させ得る。

より具体的には、組み立て中に、下部ダイヤフラム板５４は、ステム２２のねじ付き端部分２２ｂ上に凹状配向で配置される。そのように構成すると、下部ダイヤフラム板５４の中央開口７１の肩部表面７２は、図２に示されているように、ステム２２の肩部表面４６を直接的に係合する。組み立てプロセスのこの段階で、下部ダイヤフラム板５４は、引き続き、概ね凹状の横断面を有する球状キャップに類似する。続いて、ダイヤフラム５６は、ダイヤフラム５６の内側半径方向部分５６ｂが、下部ダイヤフラム板５４の外側半径方向部分５４ａ上に載置されるように、下部ダイヤフラム板５４上に位置付けられる。適切に位置付けられた時には、ダイヤフラム５６の内側縁部６０上のビード６４が、下部ダイヤフラム板５４内に形成される凹部７３内に入る。

ダイヤフラム５６が下部ダイヤフラム板５４上に適切に位置付けられることで、上部ダイヤフラム板５２は、その中央開口７１がねじ付き端部分２２ｂに受容されるように、ステム２２上に凸状配向で配置される。この時点で、ダイヤフラム板５２、５４の内側半径方向部分５２ｂ、５４ｂは、その間に空洞（図示せず）を画定する。最後に、ナット４８は、ステム２２のねじ付き端部分２２ｂ上へ締め付けられる。ナット４８を締め付けることで、ナット４８を上部ダイヤフラム板５２に係合させ、かつダイヤフラム板５２、５４を互いに軸方向に圧縮する。より具体的には、図２に示されているように、ナット４８は、ダイヤフラム板５２、５４の内側半径方向部分５２ｂ、５４ｂを平坦化して圧縮し、ナット４８とステム２２の肩部２２ｃとの間でこれらを互いに係合する。ナット４８がステム２２のねじ付き端部分２２に確実に螺入された後に、止めナット５０をステム２２に螺入してナット４８と係合してもよい。

そのように構成すると、ダイヤフラム板５２、５４の外側半径方向部分５２ａ、５４ａは、ダイヤフラム５６の内側半径方向部分５６ｂを圧縮して密閉する。図４は、図３の線ＩＶ−ＩＶの観点から見た時の組み立て体の平面図を示しているが、明確にするためにボルト４８および固定具５０を取り除き、上部および下部ダイヤフラム板５２、５４の間に配置されるダイヤフラム５６を示している。示されているように、ダイヤフラム５６の内側縁部６０上に形成されるビード６４は、ダイヤフラム板５２、５４内の凹部７３の間に形成される空洞７５内に配置される部分６４ａを含む。したがって、ビード６４のこれらの部分６４ａは、ダイヤフラム５６がダイヤフラム板５２、５４の間から引き出されないように、これを少なくとも部分的に固設する。しかしながら、ビード６４は、空洞７５内に配置されるのではなく、空洞７５の間に円周状に配置される、部分６４ｂも含む。これらの部分６４ｂは、ダイヤフラム板５２、５４の外側半径方向部分５２ａ、５４ａの間で、ダイヤフラム５６の残部と実質的に同じ厚さに圧縮される。したがって、ビード６４のこれらの部分６４ｂは、板５２、５４とダイヤフラム５６との間に形成される密閉を妨害もしくはこれと干渉しない。

図２に戻ると、ボルト４８がステム２２に螺入されてダイヤフラム板５２、５４を圧縮する時に、ダイヤフラム板５２、５４の内側半径方向部分５２ｂ、５４ｂは、互いに離れようとする反対方向にそれら自体を付勢する。そのように構成すると、下部ダイヤフラム板５４の中央開口７１の肩部表面７２は、図２に示されているアクチュエータ１０の配向に対して下向きに押され、ステム２２の肩部表面４６と線接触、耐流体、密閉係合する。さらに、上部ダイヤフラム板５２の内側半径方向部分５２ｂは、図３に示されているアクチュエータ１０の配向に対して上向きに押され、ナット４８と係合する。ステム２２にナット４８を固設する止めナット５０に加えて、上部ダイヤフラム板５２によってナット４８に印加される力は、ナット４８のねじ山とねじ付き端部分２２ｂのねじ山との間に十分な摩擦を発生させて、ナット４８が、アクチュエータ１０の長期間にわたる動作中に、ステム２２のねじ付き端部分２２ｂから不本意に緩むのを防止する。したがって、ステム２２の肩部部分２２ｃおよびナット４８は、ダイヤフラム板５２、５４を図２に示されている圧縮および平坦化した構成に保持し、同時に、上部および下部ダイヤフラム板５２、５４の間に位置するステム２２のねじ付き端部分２２ｂに、引張荷重を印加する。

したがって、本明細書で説明されるダイヤフラム組み立て体２８は、ダイヤフラム５６と圧縮的に係合および密閉されるように設計および構成される、ダイヤフラム板５２、５４を有利に備え、一方で、同時かつ直接的にステム２２を密閉して、筐体２６の上部および下部空洞２７ａ、２７ｂの間に耐流体密閉を提供し、またナット４８をステム２２上に保持するように力を印加する。

ここまでは、本発明のアクチュエータ１０が、ステム２２をダイヤフラム組み立て体２８に接続するナット４８を備えるように開示したが、代替の一実施形態では、ナットが不要となり得ることを理解されたい。例えば、代替の一実施形態において、上部ダイヤフラム板５２内に画定される中央開口７１は、雌ねじを含んでもよい。中央開口７１の雌ねじは、ステム２２のねじ付き端部分２２ｂとねじ係合するようにサイズ決定および構成されてもよい。そのように構成すると、ステム２２のねじ付き端部分２２ｂは、上部ダイヤフラム板５２の雌ねじと直接ねじ係合するように配置される。例えば、図２に示されているように、ステム２２のねじ付き端部分２２ｂを上部ダイヤフラム板５２に締め付けることで、ダイヤフラム板の内側半径方向部分５２ｂ、５４ｂを引っ張る。このような一実施形態では、止めナット５０は、ステム２２および上部ダイヤフラム板５２を互いに保持するのを補助するために利用されるが、ダイヤフラム板５２、５４を変形および圧縮することによって本質的に発生する力は、ステム２２のねじ付き端部分２２ｂと中央開口７１との間に十分な摩擦を発生させて、ステム２２が上部ダイヤフラム板５２から緩むのを防止することを理解されたい。

本明細書では、ダイヤフラム５６が、内側縁部６０内に形成される概ね円形の横断面を有するビード６４を備えているように開示されるが、代替の一実施形態では、ビード６４が不要となり得る。むしろ、ダイヤフラム板５２、５４の外側半径方向部分５２ａ、５４ａによって発生される圧縮力は、ダイヤフラム５６をダイヤフラム板５２、５４の間に十分に保持する。別の代替の実施形態では、ダイヤフラム５６が、内側縁部６０上に形成される複数のビード部分を含み得る。例えば、図４に示されている実施形態では、ダイヤフラム５６が、ビード部分６４ｂを含まず、空洞７５内に配置されるビード部分６４ａだけを含み得る。このような実施形態は、組み立て中に、空洞７５内でビード部分６４ａが適切な場所になるように、アクチュエータ１０を組み立てる技術者を必要とする。当業者は、ビード６４を、円形以外の横断面を有するように構築することができることを認識するであろう。例えば、代替の実施形態は、正方形、長方形、三角形、ダイヤモンド形、もしくは他の形状の横断面を伴うビード６４を含むことができる。

さらに、別の代替の実施形態では、ビード６４が、例えば図６に示されているような、内側補強リング２８５を含むように構築することができる。図６に示されている内側補強リング２８５は、ダイヤフラム５６内に配置され、オーバーモールドしたビード２６４を画定する。オーバーモールドしたビード２６４は、ダイヤフラム５６の残部を形成する材料と一致する外側材料で形成される。内側補強リング２８５は、金属、熱可塑性樹脂、高デュロメータポリマー、ポリマー、もしくは本発明の原理に適することができる他のあらゆる材料で構築することができる。補強リング２８５は、特定の用途において、ビード２６４の押し出しを防止することができる。図６には、内側補強リング２８５が円形の横断面を有するように示されているが、強化リング２８５の代替の実施形態では、概して、あらゆる形状の横断面を有することができる。

さらに、本明細書では、下部ダイヤフラム板５４が、対応するステム２２の切頭円錐形の肩部表面４６と直接密閉係合するように適合される概ね切頭円錐形の肩部表面７２を含む、中央開口７１を備えるように開示されるが、ダイヤフラム組み立て体２８の代替の実施形態では、代替の構成を含み得る。例えば、代替の一実施形態は、ステム２２上に形成される段付き表面と直接密閉係合するように適合される段付き表面を伴う中央開口７１を有する、下部ダイヤフラム板５４を含み得る。別の代替の実施形態では、中央開口７１およびステム２２が、単に直接密閉係合するように適合される平面だけを含み得る。さらに別の実施形態では、ステム２２および中央開口７１のうちの一方がカラーを含み得、他方が、スナップフィット式密閉係合でカラーを受容するように適合される、環状凹部を含み得る。さらに別の代替の実施形態では、肩部表面４６、７２のうちの一方もしくは両方が、ブルノーズ表面を含むことができる。例えば、図７は、ステム２２上の肩部表面４６がブルノーズ表面を含み、下部ダイヤフラム板５４内の中央開口７１の表面７２が切頭円錐形状表面を含む、代替の一実施形態を示している。そのように構成すると、例えば、ステム２２および板５４がずれた状態になる場合であっても、ブルノーズ表面４６は、ステム２２と下部ダイヤフラム板５４との間に耐流体密閉を提供する接触線を保持するのを補助する。他の代替の実施形態では、肩部表面４６を切頭円錐形とすることができ、下部ダイヤフラム板５４上の表面７２をブルノーズとすることができ、もしくは代替として、表面４６、７２の両方をブルノーズとすることができる。いずれにしても、本発明は、本明細書に具体的に開示される表面７２、４６の幾何学的構成に限定されず、むしろ、当業者が請求項および用語の範囲内にあるとみなす、あらゆる幾何学的形状を含むことを意図していることを理解されたい。

さらに、図４を参照すると、ダイヤフラム板５２、５４は、一対のばね３０のためのばね座として機能する一対の隆起部７０を含むように開示されるが、代替の実施形態では、任意の数のばね３０と、ばね座としての役割を果たす隆起部７０と、を含み得る。

さらに、本明細書では、ダイヤフラム板５２、５４が、円周状に離間される一対の隆起部７０を含み、それによって、円周状に離間したばね３０を収容するように適合されて開示されるが、代替の一実施形態では、ダイヤフラム板５２、５４と同心円状に配置される１つ以上のばねを収容するように構成され得る。例えば、図５は、円周状の隆起部１７０を含むダイヤフラム板１５２、１５４の代替の一実施形態を示している。図５は、下部ダイヤフラム板１５４が上部ダイヤフラム板１５２およびダイヤフラム５６の下に隠れているので、上部ダイヤフラム板１５２およびダイヤフラム５６だけを示していることを理解されたい。

それでも、図５に開示される実施形態のダイヤフラム板１５２、１５４は、アクチュエータ１０のステム２２上に組み立てられた時に、円周状の空洞１７５を画定する、円周状の凹部１７３も含む。したがって、図５に示されている実施形態の空洞１７５の横断面は、図２に示されている複数の空洞７５の横断面と同一である。しかしながら、図４に示されている構成と図５に示されている構成との違いは、円周状の空洞１７５が、ビード６４全体を、ダイヤフラム５６の内側縁部６０上に受容もしくは収容することである。加えて、ダイヤフラム板１５２、１５４の円周状の隆起部１７０は、ダイヤフラム板１５２、１５４とともに同心円状に配置される１つ以上のばねを収容するばね座としての役割を果たすように適合される。例えば、一実施形態では、隆起部１７０の内径よりもわずかに小さい直径を有する第１のばねが、上部ダイヤフラム板１５２上の隆起部１７０内に着座され得る。したがって、隆起部１７０は、ばねが上部ダイヤフラム板１５２に対して変位するのを防止する。

別の実施形態は、隆起部１７０の外径よりもわずかに大きい直径を有する別のばねを代替的もしくは補足的に含み得る。そのように構成すると、このばねは、隆起部１７０を受容し、それによってその半径方向の変位を制限するように、上部ダイヤフラム板１５２上に着座され得る。したがって、ダイヤフラム板およびばね構成の他の変形例が、本発明の範囲内に含まれ得ることを理解されたい。

加えて、本明細書では、ばね座を形成する隆起部７０が、ダイヤフラム板５２、５４と一体的に形成されるように開示されるが、代替の実施形態では、ダイヤフラム板５２、５４と一体的に形成されていないばね座を含み得る。例えば、代替の一実施形態において、ダイヤフラム組み立て体２８は、ダイヤフラム板５２、５４に溶接される、ボルトで固定される、または他の方法で取り付けられるばね座を含み得る。さらなる実施形態では、ダイヤフラム板５２、５４が、ばね座をまったく含まない場合があるが、むしろ、上部および／または下部筐体構成要素３２、３４が、ばね座を含む場合がある。

上述したものに照らして、開示されるアクチュエータ１０は、最少数の部品および組み立てステップしか必要としない、ダイヤフラム組み立て体２８を提供する。さらに、ダイヤフラム組み立て体２８は、組み立てた時に、ステム２２の他に、ダイヤフラム５６を直接的かつ強制的に係合して、筐体２６の上部および下部空洞２７ａ、２７ｂの間に耐流体密閉を提供する、ばね付勢式のダイヤフラム板５２、５４を好都合に提供する。本明細書に開示されるダイヤフラム組み立て体２８は、長期間にわたって使用した後に交換を必要とする傾向がある、Ｏリング、ゴムガスケット、もしくは他のいかなるタイプのシールも必要としない。したがって、ダイヤフラム組み立て体２８は、効果的で、かつ信頼性のあるアクチュエータ１０を提供する。

さらに、圧縮したダイヤフラム板５２、５４によって発生される力は、本明細書で開示されるダイヤフラム組み立て体２８が、ダイヤフラム板５２、５４をステム２２に好都合に取り付けるためのナット４８を１つだけしか必要としないようにすることが可能である。上述のように、ナット４８がダイヤフラム板５２、５４を圧縮する時に、上部ダイヤフラム板５２は、軸方向の荷重をナット４８に印加し、これがナット４８のねじ山とステム２２との間に十分な摩擦を発生させる。さらに、本明細書で開示されるダイヤフラム５６の環状の設計が、アクチュエータ１０のコストを低減することを理解されたい。具体的には、ダイヤフラム組み立て体２８の設計は、ダイヤフラム５６が、内側開口部６２とともに構築されることを可能にし、ダイヤフラム材料の所要の量を大幅に低減する。

さらに、ダイヤフラム板５２、５４の同一性は、本明細書で開示される付勢して閉じた構成と、付勢して開いた構成とを容易に逆にできる、アクチュエータ１０を提供する。例えば、アクチュエータを付勢して開いた構成に切り替えるために、技術者もしくは他の技師は、アクチュエータ１０の筐体２６を開いて、ばね３０をダイヤフラム組み立て体２８の下に再配置し、下部ダイヤフラム板５４内に形成される隆起部７０と係合するだけでよい。

上述したものに照らして、本開示の説明は、単に本発明の実施例を提供するものに過ぎないと理解されるべきであり、したがって、本発明の趣旨から逸脱しない変形例が、請求項の範囲内にあることを意図している。

Claims (17)

1. 流体プロセス制御デバイスのためのアクチュエータであって、
   第１の筐体構成要素と、第２の筐体構成要素と、を備える筐体と、
   外側半径方向部分と、内側半径方向部分と、を備えるダイヤフラムであって、前記ダイヤフラムの前記外側半径方向部分が、前記第１の筐体構成要素および前記第２の筐体構成要素との間に担持され、前記内側半径方向部分が、開口部と、前記開口部の周辺に沿って延設されるビードとを有する、ダイヤフラムと、
   前記流体プロセス制御デバイスを制御するための前記ダイヤフラムに動作可能に連結されるステムと、
   前記ステムと前記ダイヤフラムとを接続する板組み立て体であって、前記板組み立て体が、前記ダイヤフラムの前記開口部を通じて互いに対向し、かつ、それぞれが外側半径方向部分および内側半径方向部分を有する第１の板と第２の板を含み、前記第１の板および前記第２の板の前記外側半径方向部分が、それらの間に前記ダイヤフラムの前記内側半径方向部分を圧縮して前記ダイヤフラムの前記内側半径方向部分および前記ビードに圧縮荷重を印加し、前記第１の板の前記内側半径方向部分が、前記板組み立て体と前記ステムとの間に耐流体密閉をもたらす前記ステムとの接触線を提供する中央開口を画定する、板組み立て体と、を備え、
   前記ビードの少なくともいくつかの部分は、前記第１の板の前記外側半径方向部分と前記第２の板の前記外側半径方向部分との間で前記ダイヤフラムのその他の部分と実質的に同一の厚さに圧縮される、アクチュエータ。
2. 前記板組み立て体は、前記ダイヤフラムの前記ビードの少なくとも一部を受容する少なくとも１つの空洞を画定する、請求項１に記載のアクチュエータ。
3. 前記第１の板および前記第２の板の前記内側半径方向部分は、互いに係合している、請求項１に記載のアクチュエータ。
4. 前記第１の板は、前記第２の板に面する方向に向かう凹状板を含み、前記第１の板と前記第２の板とが互に圧縮される前まで、前記第１の板と前記第２の板との間に第２の空洞を画定している、請求項２に記載のアクチュエータ。
5. 前記第１の板および前記第２の板は、一緒に変形し、これにより、前記第２の空洞を圧縮し、前記第１の板と前記第２の板と間の場所で前記ステムに印加される引張荷重を発生させる、請求項４に記載のアクチュエータ。
6. 前記ビードは、オーバーモールドした内側補強リングを含む、請求項４に記載のアクチュエータ。
7. 前記ダイヤフラムは、前記開口部を画定する内側半径方向縁部を備え、前記ビードは、前記ダイヤフラムの前記内側半径方向縁部に沿って延設される、請求項６に記載のアクチュエータ。
8. 前記ビードは、円形、三角形、四角形、およびダイヤモンド形のうちの１つである横断面を含む、請求項７に記載のアクチュエータ。
9. 前記ステムは、前記板組み立て体の前記第１の板と密閉係合する肩部表面を備える、請求項１に記載のアクチュエータ。
10. 前記ステムは、ねじ付き端部分をさらに備える、請求項９に記載のアクチュエータ。
11. 前記ステムの前記ねじ付き端部分に螺入されるナットをさらに備え、それによって、前記肩部表面と前記ナットとの間で、前記第１および第２の板の前記内側半径方向部分を互いに圧縮する、請求項１０に記載のアクチュエータ。
12. 前記第２の板は、前記ステムの前記ねじ付き端部分とねじ係合するねじ付き開口を画定する、請求項１０に記載のアクチュエータ。
13. 前記肩部表面は、切頭円錐形状表面を備え、前記第１の板の前記中央開口は、前記肩部の前記切頭円錐形状表面を係合する切頭円錐形状表面を備える、請求項９に記載のアクチュエータ。
14. 前記第１の板は、中央開口を画定し、前記中央開口および前記ステムの前記肩部表面のうちの少なくとも１つは、ブルノーズ表面を備える、請求項９に記載のアクチュエータ。
15. 流体プロセス制御デバイスのためのアクチュエータであって、
    第１の筐体構成要素と、第２の筐体構成要素と、を備える筐体と、
    前記筐体内に滑動可能に配置され、肩部を備えるステムと、
    前記ステム上に配置される内側半径方向部分と、外側半径方向部分と、を備える凹状板であって、前記凹状板の前記内側半径方向部分が、中央開口を画定する、凹状板と、
    内側半径方向部分と、外側半径方向部分と、を備える凸状板であって、前記ステム上に配置される前記凸状板の前記内側半径方向部分が、前記凹状板の前記内側半径方向部分に隣接する、凸状板と、
    外側半径方向部分と、内側半径方向部分と、を備えるダイヤフラムであって、前記内側半径方向部分は、前記ステムを受容する開口部と、前記開口部の円周に沿って延設されるビードとを有し、前記ダイヤフラムの前記外側半径方向部分は、前記第１の筐体構成要素と前記第２の筐体構成要素との間で圧縮され、前記内側半径方向部分は、前記凹状板の前記外側半径方向部分と前記凸状板の前記外側半径方向部分との間で圧縮される、ダイヤフラムと、
    前記凹状板が、前記ステムの前記肩部を直接的に密閉係合し、前記凹状板の前記外側半径方向部分と前記凸状板の前記外側半径方向部分と間の前記ビードの少なくとも複数の部分を平坦にするように、前記ステムとねじ係合して、前記凹状板の前記内側半径方向部分および前記凸状板の前記内側半径方向部分を互いに圧縮する、ナットとを備え、
    前記凹状板および前記凸状板は、前記凹状板および前記凸状板が互いに圧縮されるまでは、前記凹状板の前記内側半径方向部分と前記凸状板の前記内側半径方向部分と間に空洞を形成している、アクチュエータ。
16. 前記ダイヤフラムは、前記開口部を画定する内側半径方向縁部を備え、前記ダイヤフラムの前記内側半径方向縁部は、円周状の前記ビードを備える、請求項１５に記載のアクチュエータ。
17. 前記凹状板と前記凸状板との間に配置される第２の空洞をさらに備え、前記第２の空洞は、前記円周状のビードを平坦にすることなく、前記円周状のビードの少なくとも一部を受容する、請求項１６に記載のアクチュエータ。

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