JP5509338B2 - 多段式弁システム - Google Patents

Description

本発明は、弁システムに関するものであり、とくに圧力駆動式弁を作動させることができる多段式弁システムに関するものである。

パイロット作動弁システムは、当該技術分野において一般的に知られており、さまざまな用途に用いられている。用途によっては、パイロット弁は、圧力駆動式主制御弁を作動させるために用いられるパイロット流体の制御に用いられる場合もある。通常、圧力駆動式弁は、加圧流体源による作用を受けたときに弁を作動させる、付勢ピストンまたは他の要素を備えている。一般的に、パイロット弁は、主制御弁によって制御される作動プロセス流体の圧力よりはるかに小さな圧力を持っているパイロット流体を制御する。主制御弁によって制御されているプロセス流体の圧力より小さな圧力を持っているパイロット流体を用いることにより、パイロット弁を作動させるのに必要となる力がより小さくてすむ。このことは、パイロット弁がソレノイド駆動式パイロット弁であるような場合にとくに当てはまる。状況によっては、ソレノイド駆動式パイロット弁に加えられるパワーは、消費電力、すなわちコストを削減させるため、または政府もしくは他の取り締まり機関によって規定されているパワー規制法のため、制限される場合もある。パイロット流体は、空圧流体、油圧流体などであってもよい。パイロット流体としてどのような流体が用いられるのかは個々の用途によって異なりうる。

パイロット作動式弁システムの特別な使い方の１つは、ブロー成型システム用のプロセスガスの制御である。ブロー成型は、予備成形品を所望の製品に成型するための一般的に知られているプロセスのことである。予備成形品は、加圧ガス（通常空気だが、他のガスが用いられてもよい）を注入するための開口部を一方の端部に持っているチューブ形状を有している。１つの具体的なタイプのブロー成型は、ストレッチブロー成型（ＳＢＭ）である。ＳＢＭ用途では、弁ブロックが、予備成形品をモールドキャビティの中で広げるための低圧ガスおよび高圧ガスの両方を提供する。モールドキャビティは、所望の製品の外形を有している。ＳＢＭは、種々様々な用途で用いることができる。しかしながら、最も広く用いられている用途のうちの１つは、飲用ボトルの如きポリエチレン・テレフタレート（ＰＥＴ）製品の生産である。通常、ＳＢＭプロセスは、予備成形品の中に挿入されるストレッチ用のロッドに沿って供給される低圧流体源を用いて予備成形品を長手方向に沿ってかつ半径方向外側に向かって伸長させ、次に、高圧流体源を用いて予備成形品をモールドキャビティの中で広げる。低圧流体源および高圧流体源の各々は、多段式弁システムを用いて制御することができる。得られた製品は、モールドキャビティの形状に一致する外形を持ったおおむね中空状の製品である。次いで、予備成形品内のガスは１つ以上の排気弁を通して排気される。各ブロー成型サイクル中、このプロセスが繰り返される。

いうまでもなく、現在達成可能な高速の成型サイクルの場合、各成型サイクル中におけるエネルギー損失がほんの少量であったとしても、運転コストは著しく増大することとなる。したがって、弁システムは、主制御弁を制御するために２段式パイロット弁システムを有する多段式弁システムを通常用いている。２段式パイロットシステムは、ソレノイド弁によって必要とされるパワーが最小限に抑えられているために、通常は単段式パイロットシステムよりも好ましい。図１には、従来の多段式弁システムの一例が示されている。

図１は、従来の多段式弁システム１００を示す概略図である。図から明らかなように、弁システム１００の詳細の多くは図を単純化するために省略されている。図示されているように、多段式弁システム１００は、主制御弁１０３を制御する２段式パイロットシステムである。多段式弁システム１００は、第一のパイロット弁１０１と、第二のパイロット弁１０２と、主制御弁１０３とを備えている。第一のパイロット弁および第二のパイロット弁が３／２（３つのポート、２つの位置）弁であり、主制御弁１０３が２／２弁であるものの、他の構造も知られている。図から明らかなように、プロセス流体の供給を制御するために、主制御弁１０３を後述するように作動させることができる。２段式パイロット弁システム１００がＳＢＭ用途で用いられる場合、主制御弁１０３を、たとえばモールドキャビティ（図示せず）への／からのプロセス流体の供給を制御するために用いることができる。

従来の弁システム１００によれば、第一のパイロット弁１０１はバネ付勢式ソレノイド駆動型３／２弁である。第一のパイロット弁１０１は、ソレノイド１０４と、伸縮バネ１０５と、供給ポート１０６と、パイロットポート１０７と、排出ポート１０８とを有している。従来のシステム１００によれば、供給ポート１０６は導管１１０を経由してパイロット流体供給源１０９と連通することができる。パイロットポート１０７は導管１１１を経由して第二のパイロット弁１０２と連通することができる。図示されている概略図では、ソレノイド１０４が動作停止となったとき、バネ１０５は、第一のパイロット弁１０１を付勢により第一の位置へ移動させる。第一の位置では、供給ポート１０６はパイロットポート１０７から遮断されており、パイロットポート１０７は排出ポート１０８と連通することができる。したがって、導管１１１内の流体圧力を排出ポート１０８を通して逃がすことができる。

図示されているように、導管１１２が設けられており、この導管１１２は、パイロット圧供給源１０９と連通する導管１１０から分岐したものである。導管１１２は、導管１１０と第二のパイロット弁１０２の供給ポート１１３との間に流路を提供している。また、導管１１６がさらに設けられている。導管１１６は導管１１２から分岐しており、導管１１２と第二のパイロット弁１０２の第一の付勢ピストン１１７との間を連通させている。当該技術分野において公知となっているように、圧力駆動式弁１０２、１０３の如き圧力駆動式弁は、付勢ピストン１１７の如き付勢部材を有しうる。流体圧力が付勢ピストンに作用して弁を作動させることができる。付勢ピストンの断面と付勢ピストンに作用する流体の圧力とによって、弁を作動させる力が決まる。

図１に示されている従来の多段式弁システム１００では、第二のパイロット弁１０２は第一の付勢ピストン１１７と第二の付勢ピストン１１８とを有している。図示されているように、流体がパイロット圧供給源１０９から提供されている場合は常に、第一の付勢ピストン１１７に圧力が作用する。したがって、ソレノイド１０４が動作停止となると、導管１１６からの流体が第一の付勢ピストン１１７に作用することにより、第二のパイロット弁１０２を第一の位置へと移動させる。第二のパイロット弁１０２が第一の位置にあるとき、供給ポート１１３はパイロットポート１１４から遮断され、パイロットポート１１４は排出ポート１１５と連通する。同様に、プロセス流体導管１２３から分岐している導管１２４からの流体が第一の付勢ピストン１２５に作用することにより、主制御弁１０３を第一の位置へと移動させる。図示されているように、プロセス流体導管１２３は、プロセス流体供給源１２２と連通している。

ソレノイド１０４を作動させると、第一のパイロット弁１０１は、供給ポート１０６がパイロットポート１０７と連通しうる第二の位置へと移動される。この第二の位置では、パイロット流体供給源１０９から伝えられる圧力は、導管１１０、供給ポート１０６、パイロットポート１０７および導管１１１を経由して、第二のパイロット弁１０２の第二の付勢ピストン１１８へと伝えられうる。パイロット流体供給源１０９が第二の付勢ピストン１１８と連通すると、第二のパイロット弁１０２を第二の位置へと移動させることができる。このことは、第二の付勢ピストン１１８に第一の付勢ピストン１１７よりも大きな断面積を与えることによって通常可能としている。したがって、たとえば第一のパイロット弁１０１の呼び内径が小さいため導管１１１を流れる流量が導管１１６の流量を下回る場合であっても、第二の付勢ピストン１１８に作用するパイロット流体によって提供される力は第一の付勢ピストン１１７に作用するパイロット流体によって提供される力よりも大きくなりうる。従来システムによっては、第一のピストン１１７および第二のピストン１１８はたとえば共通のスプールによって結合されている場合もある。

第二のパイロット弁１０２を第二の位置へ移動させると、排出ポート１１５はパイロットポート１１４から遮断され、供給ポート１１３はパイロットポート１１４と連通する。パイロットポート１１４が供給ポート１１３と連通すると、パイロット流体は導管１１９経由して主制御弁１０３に作用することができるようになる。従来の弁システム１００によれば、導管１１９は、第二のパイロット弁１０２のパイロットポート１１４と主制御弁１０３の第二の付勢ピストン１２６との間に流路を提供している。

図示されているように、主制御弁１０３は、第一の流体ポート１２０と第二の流体ポート１２１とを備えた流体駆動式２／２弁である。主制御弁１０３は、プロセス流体源１２２から導管１２３を経由して流れてくる加圧プロセス流体の流量を制御するようになっている。また、主制御弁１０３は、導管１２３から分岐する他の導管１２４をさらに有している。導管１２４は、導管１２３と主制御弁１０３の第一の付勢ピストン１２５との間に流路を提供している。したがって、導管１２４は、主制御弁１０３を第一の位置へ移動させるために第一の付勢ピストン１２５に圧力を加えるようになっている。図示されているように、第一の位置では、第一のポート１２０および第二のポート１２１は互いに連通している状態となっているので、プロセス流体供給源１２２からのプロセス流体を主制御弁１０３を通して移送することができる。

上述のように、ソレノイド１０４を作動させると、加圧パイロット流体は、第二のパイロット弁１０２を通して主制御弁１０３の第二の付勢ピストン１２６へと移送される。パイロット流体が第二の付勢ピストン１２６に作用すると、主制御弁１０３は、第一のポート１２０および第二のポート１２１が互いに遮断される状態となる第二の位置へ移動される。

多段式弁システム１００において用いられるような２段式パイロットシステムが望まれうる理由が複数ある。２段式パイロットシステムを提供する１つの理由は、主制御弁１０３に加える圧力を上げる一方で、ソレノイド１０４の作動に必要となるパワーを最小限に抑えることにある。たとえば、第一のパイロット弁１０１の呼び内径が第二のパイロット弁１０２の呼び内径よりもはるかに小さい場合がある。したがって、第一のパイロット弁１０１を流れる流量が抑制され、第一のパイロット弁１０１を作動させるのに必要となるパワーが減少する場合がある。このことにより、高圧のパイロット流体が許容されるとともに、ソレノイド１０４のサイズを最小化することが可能となる。第二の付勢ピストン１１８に作用する圧力に第一の付勢ピストン１１７に作用する圧力を克服させることを可能とするために、第一の付勢ピストン１１７および第二の付勢ピストン１１８のサイズを簡単に調節することができる。第二のパイロット弁１０２を流れる流量をより大きくすることを可能とすることによって主制御弁１０３の第二の付勢部材１２６に加えられる流量をより大きくすることを可能とするにために、第二のパイロット弁１０２の呼び内径を大きくすることができる。

状況によっては、多段式弁システムが望ましい場合もあるが、従来の多段式弁システム１００は複数の欠点を有している。１つの欠点は、プロセス流体供給源１２２とパイロット流体供給源との間の圧力の差に起因して、主制御弁１０３の第一の付勢ピストン１２５と比較して第二の付勢ピストン１２６が比較的大きな断面積を有することが必要となることである。このことの理由は、第二の付勢ピストン１２６に作用する加圧パイロット流体によって加えられる力が、第一の付勢ピストン１２５に作用する加圧プロセス流体によって加えられる力よりも大きいことが必要とされるからである。第二の付勢ピストン１２６に大きな断面が必要となるため、弁ブロックが非常に大きくなるので、弁システム１００の製造にかかわるコストが莫大な額となってしまう。さらに、プロセス流体供給源の圧力またはパイロット流体供給源の圧力に変化が生じた場合、第二の付勢ピストン１２６に対する第一の付勢ピストン１２５の断面積の比は、弁を正確かつ効率的に作動させるために必要となる必要な力をもはや提供しなくなるおそれがある。したがって、図１に示されている従来の２段式パイロット弁システム１００は、圧力の変化に起因する問題による影響を受けやすい。

本発明は、これらおよび他の課題を克服し、当該技術分野の進歩を実現させるものである。本発明は、２つ以上の位置の間で主制御弁を移動させるためにパイロット流体ではなくプロセス流体を用いる多段式弁システムを提供している。その結果、第一の付勢ピストンの断面積および第二の付勢ピストンの断面積は、種々様々な圧力にわたって一定のままでありえる。さらに、実質的に同一の圧力が主制御弁の第一の付勢ピストンと第二の付勢ピストンとに作用するので、第二の付勢ピストンの断面積を従来の弁システム１００と比較して著しく小さく形成することができる。したがって、弁ブロックのサイズを著しく縮小させることができる。さらに、本発明は、第二のパイロット弁を第一の方向に向かって第一の位置に付勢により移動させるためにプロセス流体を用いている。また、第二のパイロット弁は、従来の設計の場合のようにパイロット流体ではなく、主制御弁へのプロセス流体の流量を制御するようになっている。

本発明のある実施形態に従って、パイロット流体供給源およびプロセス流体供給源を備えた多段式弁システムが提供されている。多段式弁システムは、パイロット流体供給源と連通する第一のポートおよび当該第一のポートと選択的に連通する第二のポートを有する第一のパイロット弁を備えている。また、多段式弁システムは第二のパイロット弁をさらに備えている。本発明のある実施形態によれば、第二のパイロット弁は、パイロット流体供給源と連通する第一のポートおよび当該第一のポートと選択的に連通する第二のポートを有している。また、第二のパイロット弁は、プロセス流体供給源と連通する第一の圧力駆動付勢部材と、第一のパイロット弁の第二のポートと連通する第二の圧力駆動付勢部材とを有している。本発明のある実施形態によれば、多段式弁システムは主制御弁をさらに備えている。主制御弁は、プロセス流体供給源と連通する第一のポートと、当該第一のポートと選択的に連通する第二のポートとを有しうる。また、主制御弁は、プロセス流体供給源と連通する第一の圧力駆動付勢部材と、第二のパイロット弁の第二のポートと連通する第二の圧力駆動付勢部材とを有しうる。

本発明のある実施形態に従って、パイロット流体供給源およびプロセス流体供給源を備えた多段式弁システムの主制御弁を制御する方法が提供されている。かかる方法は、第一のパイロット弁を第一の位置に移動させるステップと、第二のパイロット弁の第二の圧力駆動付勢部材と連通するパイロット流体を第一のパイロット弁を通じて排出するステップとを有している。また、かかる方法は、プロセス流体供給源からのプロセス流体を第二のパイロット弁の第一の圧力駆動付勢部材へ供給して第二のパイロット弁を第一の位置へ移動させるステップをさらに有している。本発明のある実施形態に従って、かかる方法は、主制御弁の第二の圧力駆動付勢部材と連通するプロセス流体を第二のパイロット弁を通じて排出するステップをさらに有している。本発明のある実施形態に従って、かかる方法は、プロセス流体をプロセス流体供給源から主制御弁の第一の圧力駆動付勢部材へ供給して主制御弁を第一の位置へ移動させるステップをさらに有している。

（態様）
本発明のある態様によれば、パイロット流体供給源とプロセス流体供給源とを備えた多段式弁システムは、
パイロット流体供給源と連通する第一のポートおよび当該第一のポートと選択的に連通する第二のポートを有する第一のパイロット弁と、
プロセス流体供給源と連通する第一のポート、当該第一のポートと選択的に連通する第二のポート、プロセス流体供給源と連通する第一の圧力駆動付勢部材、および第一のパイロット弁の第二のポートと連通する第二の圧力駆動付勢部材を有する第二のパイロット弁と、
プロセス流体供給源と連通する第一のポート、当該第一のポートと選択的に連通する第二のポート、プロセス流体供給源と連通する第一の圧力駆動付勢部材、および第二のパイロット弁の第二のポートと連通する第二の圧力駆動付勢部材を有する主制御弁と、
を備えている。

好ましくは、第一のパイロット弁は、第二のポートと選択的に連通する第三のポートをさらに有している。

好ましくは、第二のパイロット弁は、第二のポートと選択的に連通する第三のポートをさらに有している。

好ましくは、多段式弁システムは、第一のパイロット弁を第一の位置に向けて付勢するように構成された付勢部材と、第一のパイロット弁を第二の位置に向けて付勢するように構成されたソレノイドとをさらに備えている。

好ましくは、第二のパイロット弁の第一の圧力駆動付勢部材は、第二のパイロット弁の第二の圧力駆動付勢部材の断面積より小さな断面積を有している。

好ましくは、主制御弁の第一の圧力駆動付勢部材は、主制御弁の第二の圧力駆動付勢部材の断面積より小さな断面積を有している。

本発明の他の態様によれば、パイロット流体供給源とプロセス流体供給源とを有する多段式弁システムの主制御弁を制御する方法は、
第一のパイロット弁を第一の位置へ移動させるステップと、
第二のパイロット弁の第二の圧力駆動付勢部材と連通するパイロット流体を第一のパイロット弁を通じて排出するステップと、
プロセス流体供給源からのプロセス流体を第二のパイロット弁の第一の圧力駆動付勢部材へ供給して第二のパイロット弁を第一の位置へ移動させるステップと、
主制御弁の第二の圧力駆動付勢部材と連通するプロセス流体を第二のパイロット弁を通じて排出するステップと、
プロセス流体をプロセス流体供給源から主制御弁の第一の圧力駆動付勢部材へ供給して主制御弁を第一の位置へ移動させるステップと、
を有している。

好ましくは、かかる方法は、主制御弁が第一の位置にあるとき、プロセス流体供給源を主制御弁の第一のポートから主制御弁の第二のポートへ連通させるステップをさらに有している。

好ましくは、かかる方法は、第一のパイロット弁を第二の位置へ移動させることにより、パイロット流体供給源から第二のパイロット弁の第二の圧力駆動付勢部材への流路を開くステップをさらに有している。

好ましくは、かかる方法は、プロセス流体を第二のパイロット弁の第二の圧力駆動付勢部材へ供給して第二のパイロット弁を第二の位置へ移動させることにより、プロセス流体供給源から主制御弁の第二の圧力駆動付勢部材への流路を開くステップを有している。

好ましくは、かかる方法は、プロセス流体を主制御弁の第二の圧力駆動付勢部材へ供給して主制御弁を第二の位置へ移動させるステップをさらに有している。

好ましくは、第一のパイロット弁を第二の位置へ移動させるステップが、ソレノイドを移動させることを含んでいる。

従来の多段式弁システムを示す概略図である。 本発明のある実施形態にかかる多段式弁システムを示す概略図である。 複数の多段式弁システムを有する弁ブロックを示す部分断面図である。 本発明のある実施形態にかかる多段式弁システムを示す部分断面図である。

図２〜図４および下記の記載には、本発明を最良のモードで実施および利用する方法を当業者に教示するための具体的な実施形態が示されている。本発明の発明原理を教示するために、従来技術のいくつかの側面が単純化または省略されている。当業者にとって明らかなように、これらの実施形態の変形例も本発明の技術範囲に含まれる。また、当業者にとって明らかなように、下記に記載の特徴をさまざまな方法で組み合わせて本発明の複数の変形例を形成することができる。したがって、本発明は、下記に記載の特定の実施形態に限定されるのではなく、特許請求の範囲およびその均等物によってのみ限定される。

図２には、本発明のある実施形態にかかる多段式弁システム２００が示されている。図２には多段式弁システム２００が概略式に示されているので、いうまでもなく、図２には単純化された図面が提供されている。多段式弁システム２００は２段式パイロットシステムを含んでいるが、２の数を超える数のパイロット弁が設けられてもよいことはいうまでもない。多段式弁システム２００は、いくつかの点で多段式弁システム１００と類似しているものの、流路に関して、したがって２段式パイロット弁システム２００の動作に関して、従来の弁システムと比べ改良されたものとなっている。多段式弁システム２００では、パイロット流体供給源２０９によって提供される加圧パイロット流体と、プロセス流体供給源２２２によって提供される加圧プロセス流体とが用いられる。いうまでもなく、パイロット流体およびプロセス流体が同一のタイプの流体、たとえば空気であってもよいし、または異なる流体であってもよい。空気が使用されうる１つのタイプの流体ではあるものの、本発明は空圧式のシステムに限定されるべきでない。もっと正確にいえば、当該システムは、空圧式のシステム、油圧式のシステムなどを制御するために用いられてもよい。ほとんどの実施形態では、パイロット流体は、プロセス流体の圧力よりも実質的に下回る圧力で提供される。たとえば、１つの実施形態では、パイロット流体は、約６バール（８７ｐｓｉ）の圧力を有し、プロセス流体は、約４０バール（５８０ｐｓｉ）の圧力で供給される。これらの圧力は１つの実施形態の具体例に過ぎなく、本発明がこれらの圧力に限定されるべきではない。実施形態によっては、パイロット流体の圧力がプロセス流体の圧力を超える場合もあればまたは等しい場合もある。

本発明のある実施形態によれば、多段式弁システム２００は、第一のパイロット弁２０１と、第二のパイロット弁２０２と、主制御弁２０３とを備えている。本発明のある実施形態によれば、第一のパイロット弁２０１が多段式弁システムの第一の段であり、第二のパイロット弁２０２が多段式弁システムの第二の段である。図示されている実施形態では、主制御弁２０３は、多段式弁システム２００の第三の段となっている。本発明の１つの実施形態によれば、多段式弁システム２００は、ブロー成型システム、とくにストレッチブロー成型システム用のプロセス流体を制御するために用いられうる。しかしながら、いうまでもなく、多段式弁システム２００がＳＢＭ用途に限定されているわけではなく、もっと正確にいえば、本発明は、加圧流体の管理移送（controlled delivery）を必要とするさまざまな用途で用いられうる。

本発明のある実施形態によれば、第一のパイロット弁２０１は、ソレノイド２０４と、付勢部材２０５とを有している。本発明のある実施形態によれば、付勢部材２０５は、第一のパイロット弁２０１を第一の位置へ付勢することができ、ソレノイド２０４は、第一のパイロット弁２０１を第二の位置へ付勢することができる。付勢部材２０５が付勢バネであるとして示されているが、実施形態によっては、付勢バネ２０５および／またはソレノイドが、他の付勢用デバイス、たとえば第二のソレノイド、異なるパイロット圧力、プッシュボタン、プランジャなどと交換されている場合もある。したがって、本発明は、第一のパイロット弁２０１がソレノイドおよび付勢バネ２０５を備えていることを必要とすることに限定されるべきではない。本発明のある実施形態によれば、第一のパイロット弁２０１は複数の流体ポート２０６〜２０８をさらに備えている。図示されている実施形態では、第一のパイロット弁２０１は、供給ポート２０６と、パイロットポート２０７と、排出ポート２０８とを有している。図示されている実施形態では、第一のパイロット弁２０１は、３／２（３つのポート、２つの位置）弁であるが、いうまでもなく、他の構造も可能である。したがって、本発明は３／２弁に限定されるべきではない。さらに、第一のパイロット弁２０１は、パイロットポート２０７が通常は空でソレノイドが駆動されたときに供給ポート２０６と連通するように示されているが、いうまでもなくこれらのポートの位置づけを逆にすることもできる。すなわち、供給ポート２０６が通常パイロットポート２０７と連通するようになっていてもよい。図示されているように、パイロットポート２０７は、供給ポート２０６または排出ポート２０８のいずれかと選択的に連通する。

本発明のある実施形態によれば、供給ポート２０６は、パイロット流体供給流路２１０と連通するためのインターフェースとなる。いうまでもなく、流路２１０および下記の記載のさまざまなさらなる流路は、導管または弁内に形成される内部チャネルであってもよい。パイロット流体供給流路２１０は、パイロット流体供給源２０９と第一のパイロット弁２０１の供給ポート２０６との間に流路を提供している。

本発明のある実施形態によれば、２段式パイロット弁システム２００は第二のパイロット弁２０２をさらに有している。本発明のある実施形態によれば、第二のパイロット弁２０２は圧力駆動式の弁である。第二のパイロット弁２０２はたとえば圧力駆動式スプール弁であってもよい。図示されている実施形態によれば、第二のパイロット弁２０２は３／２弁であるが、他のバルブ構造も可能であり、本発明が３／２弁に限定されるべきではない。本発明のある実施形態によれば、第二のパイロット弁２０２は、供給ポート２１３と、パイロットポート２１４と、排気２１５とを有している。本発明のある実施形態によれば、第二のパイロット弁２０２は、第一の圧力駆動付勢部材２１７と、第二の圧力駆動付勢部材２１８とをさらに有している。図示されている実施形態では、第一の圧力駆動付勢部材および第二の圧力駆動付勢部材が付勢ピストン２１７および付勢ピストン２１８であるが、ダイアフラムの如き他の付勢部材が用いられてもよい。

第二のパイロット弁２０２は、第一の圧力駆動付勢ピストン２１７および第二の圧力駆動付勢ピストン２１８を用いて、第一の位置と少なくとも第二の位置との間で移動可能となっている。図２に示されている実施形態によれば、第二のパイロット弁２０２は、プロセス流体供給源２２２から加圧プロセス流体を供給することにより、第一の位置へ移動させうる。図示されている実施形態によれば、プロセス流体供給源２２２は、流路２２３、２１２および２１６を通じて、第一の圧力駆動付勢ピストン２１７と連通している。図示されているように、流路２２３はプロセス流体供給源２２２から主制御弁２０３までの流路を提供している。流路２１２は、流路２２３から分岐し、流路２２３から第二のパイロット弁２０２の供給ポート２１３までの流路を提供している。流路２１６は、流路２１２から分岐し、流路２１２から第二のパイロット弁２０２の第一の圧力駆動付勢ピストン２１７までの流路を提供して、第二のパイロット弁２０２を付勢により第一の位置へ移動させるようになっている。図示されている実施形態によれば、第一の位置では、供給ポート２１４は、排出ポート２１５と連通した状態にある。

本発明の実施形態によれば、第二のパイロット弁２０２は、加圧パイロット流体を第二の圧力駆動付勢ピストン２１８へ供給することにより、第二の位置へ移動されうる。図示されている実施形態によれば、第二の位置では、供給ポート２１３は、パイロットポート２１４と連通した状態にある。したがって、パイロットポート２１４は、供給ポート２１３または排出ポート２１５のいずれかと選択的に連通する。いうまでもなく、第二のパイロット弁２０２が第二の位置にあるとき、パイロットポート２１４を排出ポート２１５と連通させ、第二のパイロット弁２０２のポート構成を逆にしてもよい。したがって、図面に記載されかつ下記に記載されている特別な構成によって本発明の範囲が制限されるべきではない。

本発明のある実施形態によれば、多段式弁システム２００は主制御弁２０３をさらに有している。主制御弁２０３が２／２弁であるように示されているが、いうまでもなく主制御弁２０３がたとえば３／２弁の如き他の構造であってもよい。主制御弁２０３は、第一のポート２２０と、第二のポート２２１とを有している。第一のポート２２０は、流路２２３を通じて、プロセス流体供給源２２２と連通している。第二のポート２２１は、たとえばＳＢＭキャビティの如きプロセス流体受け入れデバイス（図示せず）と連通可能である。第二のポート２２１は、主制御弁２０３の位置に応じて、第一のポート２２０と選択的にさらに連通する。本発明のある実施形態によれば、主制御弁２０３は、付勢ピストン２２５、２２６の如き第一の圧力駆動付勢部材と、第二の圧力駆動付勢部材とをさらに有している。上述のように、第一の圧力駆動付勢部材および第二の圧力駆動付勢部材はピストンである必要はなく、ダイアフラムの如き他の構成部品が用いられてもよい。本発明のある実施形態によれば、流路２２４は、プロセス流体供給源用流路２２３と第一の圧力駆動付勢ピストン２２５との間に流路を提供している。したがって、第一の圧力駆動付勢部材２２５は、プロセス流体供給源２２２と連通している。

動作時、第一のパイロット弁２０１および第二のパイロット弁２０２を駆動することにより主制御弁２０３の動作を制御することができる。ソレノイド２０４が動作を停止すると、付勢部材２０５は第一のパイロット弁２０１を付勢により第一の位置へと移動させる。図示されている実施形態によれば、第一の位置では、第一のパイロット弁２０１の供給ポート２０６およびパイロットポート２０７は相互に連通していない。もっと正確にいえば、パイロットポート２０７は排出ポート２０８と連通している。したがって、第二のパイロット弁２０２の第二の圧力駆動付勢ピストン２１８に作用している流路２１１内の流体圧力は逃がされる。第二の圧力駆動付勢ピストン２１８に作用するパイロット流体が排出されるものの、第一の圧力駆動付勢ピストン２１７にはプロセス流体が供給される。第二のパイロット弁２０２の第二の圧力駆動付勢ピストン２１８に作用する圧力が逃がされると、加圧プロセス流体が第一の圧力駆動付勢ピストン２１７に作用して、第二のパイロット弁２０２を第一の位置へ移動させることができる。明らかなように、プロセス流体がプロセス流体供給源により供給されると、当該プロセス流体は、流路２２３、２１２および２１６を流れ、第一の圧力駆動付勢ピストン２１７に作用することができる。

図示されている実施形態によれば、第二のパイロット弁２０２が第一の位置にあると、供給ポート２１３はパイロットポート２１４から遮断される。パイロットポート２１４は、排出ポート２１５と連通している。したがって、流路２１９の流体を排出することができる。本発明のある実施形態によれば、流路２１９内の流体が排出されると、主制御弁２０３の第一の圧力駆動付勢ピストン２２５へ供給されるプロセス流体によって生成される力により、主制御弁２０３を付勢により第一の位置へと容易に移動させる。図示されている実施形態から明らかなように、第一の圧力駆動付勢ピストン２２５に作用する力は、プロセス流体流路２２３から分岐している流路２２４内の加圧プロセス流体によって提供される。したがって、主制御弁２０３によって制御されるプロセス流体は、第一の圧力駆動付勢ピストン２２５に作用して主制御弁２０３を第一の位置へ移動させる。本発明の１つの実施形態によれば、第一の位置では、主制御弁２０３は、第一のポート２２０と第二のポート２２１との間に流路を提供する。したがって、プロセス圧力は、主制御弁２０３と連通しているデバイスに対して作用しうる。実施形態によっては、主制御弁２０３は、第一の位置では、第一のポート２２０と第二のポート２２１との間の連通が実質的に遮断されるように構成されうる。したがって、本発明は、主制御弁２０３の第一の位置が第一のポート２２０と第二のポート２２１との間に流路を提供する実施形態に限定されるべきでない、すなわち主制御弁２０３はノーマルオープン型の弁に限定されない。

本発明のある実施形態によれば、主制御弁２０３を第二の位置へ移動させるために、第一のパイロット弁２０１を第二の位置へ移動させうる。１つの実施形態によれば、第一のパイロット弁２０１は、ソレノイド２０４を移動させることにより第二の位置へ移動させることが可能となっているが、上述のように、他の周知のアクチュエーターを用いて第一のパイロット弁２０１を移動させるようにしてもよい。ソレノイド２０４を移動させると、第一のパイロット弁２０１が二の位置へと移動される。図示されている実施形態によれば、第二の位置では、供給ポート２０６およびパイロットポート２０７は互いに連通状態となる。したがって、パイロット流体供給源２０９により提供される加圧パイロット流体は、第一のパイロット弁２０１および流路２１１を通って第二のパイロット弁２０２の第二の圧力駆動付勢ピストン２１８へ供給される。本発明のある実施形態によれば、第二の圧力駆動付勢ピストン２１８は、当該第二の圧力駆動付勢ピストン２１８に作用するパイロット流体が、第一の圧力駆動付勢ピストン２１７に作用するプロセス流体によって生成される力よりも大きな力を生成するようなサイズに形成することができる。したがって、パイロット流体が第二の圧力駆動付勢ピストン２１８に作用すると、第二のパイロット弁２０２が第二の位置へと移動されうる。

本発明のある実施形態によれば、第二のパイロット弁２０２を第二の位置へ移動させると、プロセス流体は、供給ポート２１３からパイロットポート２１４へと供給される。プロセス流体は、第二のパイロット弁２０２を通って流路２１９へ流れ、この流路２１９を経由して、当該プロセス流体は、主制御弁２０３の第二の圧力駆動付勢ピストン２２６へと供給される。本発明のある実施形態によれば、加圧プロセス流体が第一の圧力駆動付勢ピストン２２５および第二の圧力駆動付勢ピストン２２６の両方に作用するときに主制御弁２０３が第二の位置へ移動されるように、主制御弁２０３の第一の圧力駆動付勢ピストン２２５および第二の圧力駆動付勢ピストン２２６を選択することができる。たとえば、第二の圧力駆動付勢ピストン２２６が第一の圧力駆動付勢ピストン２２５の断面積よりも大きな断面積を有するようにしてもよい。図示されている実施形態では、主制御弁２０３が第二の位置にあるとき、当該主制御弁２０３は、第一のポート２２０と第二のポート２２１との間の連通を遮断するようになっている。

いうまでもなく、有利には、本発明にかかる多段式弁システム２００は、プロセス流体を用いて、第二のパイロット弁２０２を第二の位置へ移動させる。同様に、プロセス流体を用いて、主制御弁２０３を第一の位置および第二の位置へ移動させるようになっている。主制御弁２０３の第一の圧力駆動付勢ピストン２２５および第二の圧力駆動付勢ピストン２２６の双方に作用させるべくプロセス流体が用いられるので、第一のピストン２２５および第二のピストン２２６の断面積の比率は、プロセス流体圧力とは実質的に無関係に一定のままでありうる。このことは、付勢ピストン２２５および付勢ピストン２２６の断面積に起因した圧力範囲の制限の下でのみ動作することができる従来の弁システム１００のような従来のシステムとは対照的である。それに加えて、同一の圧力または実質的に同一の圧力が付勢ピストン２２５および付勢ピストン２２６に作用するので、付勢ピストン２２５および付勢ピストン２２６の断面積を著しく削減することができる。したがって、主制御弁２０３に応じた弁ブロック全体のサイズを著しく縮小することができる。

図３および図４は、本発明のある実施形態にかかる多段式弁システム２００を示す部分断面図である。図３には、主弁ブロック３３０と結合されている複数の弁システムが示されている。図示されているように、主弁ブロック３３０と結合されているのは、複数の第一のパイロット弁２０１Ａ〜２０１Ｎである。５つの第一のパイロット弁が示されているものの、弁ブロック３３０の如き弁ブロックは任意の数の第一のパイロット弁を備えるようになっていてもよい。また、図３にさらに示されているのは、第二のパイロット弁２０２Ａの部分断面図である。特筆すべき点は、図３には、多段式弁システム２００の簡略版が示されたものであって、すべての流路が示されているわけではないということである。さらに特筆すべき点は、図３には主制御弁２０３が示されていないが、図４には主制御弁２０３の一部分が示されているということである。

上述のように、第一のパイロット弁２０１の各々は、供給ポート２０６と、パイロットポート２０７と、排出ポート２０８とを有している。また、図３にさらに示されているのは、複数の電気コンタクト３３１である。電気コンタクト３３１を電源に接続することにより、たとえば第一のパイロット弁２０１のソレノイド１０４へパワーを供給するようにすることができる。ソレノイド１０４の移動に基づいて、パイロットポート２０７を供給ポート２０６または排出ポート２０８のいずれかとの連通させることができる。また、供給ポート２０６は流路２１０とさらに連通しており、流路２１０はパイロット流体供給源２０９と結合されうる。

図３および図４に示されている実施形態によれば、ソレノイド１０４を移動させると、パイロット流体を流路２１１を通して第二の圧力駆動付勢ピストン２１８へと流すようにすることができるようになる。図３および図４では、第二の圧力駆動付勢ピストン２１８はダイアフラム３１８をさらに有している。実施形態によっては、ダイアフラム３１８が好まれる場合もある。というのは、通常ダイアフラムはたとえばＯ−リングシールの如き滑り型シールと比べて引き起こす摩擦が少ないからである。しかしながら、他の実施形態では、Ｏ−リングシールまたは他のタイプのシール部材が設けられている場合もある。また、他の実施形態では、ダイアフラム３１８が単なる圧力駆動付勢部材であって、ピストンに取って代わっているような場合もある。

プロセス流体は、パイロット流体とは反対側に作用している。プロセス流体は流路２１６を通って第二のパイロット弁２０２の中に入るようになっている。プロセス流体は第一の圧力駆動付勢ピストン２１７に作用する。図３および図４では、第一の圧力駆動付勢ピストン２１７はボール形状の部材である。プロセス流体によって生成される圧力は、ピストンシート３４０に向けてボール２１７を押圧して実質的な流体密封シールを形成する。第一の圧力駆動付勢ピストン２１７とピストンシート３４０との間の流体密封シールは、供給ポート２１３とパイロットポート２１４との間の連通を遮断する。

本発明のある実施形態によれば、第一のパイロット弁２０１を第二の位置へ移動させると、パイロット流体は、第二の圧力駆動付勢ピストン２１８へ供給される。第一の圧力駆動付勢ピストン２１７と第二の圧力駆動付勢ピストン２１８とがカップリング部材３４１によって結合されているので、第二の圧力駆動付勢ピストン２１８に作用するパイロット流体は、第一の圧力駆動付勢ピストン２１７および第二の圧力駆動付勢ピストン２１８を図３では右側（図４では左側）に向けて移動させる。パイロット流体は、プロセス流体の圧力を著しく下回る圧力であってもよいものの、第二の圧力駆動付勢ピストン２１８は、第一の圧力駆動付勢ピストン２１７の断面積より著しく大きな断面積を持つ。したがって、第二の圧力駆動付勢ピストン２１８に作用する加圧パイロット流体によって生成される力は、第一の圧力駆動付勢ピストン２１７に作用する加圧プロセス流体によって生成される力よりも著しく大きい。いったん第一の圧力駆動付勢ピストン２１７および第二の圧力駆動付勢ピストン２１８が図３における右側（図４における左側）へ移動すると、第一の圧力駆動付勢ピストン２１７とピストンシート３４０との間のシールが解除され、それにより、プロセス流体が、主制御弁２０３の第二の圧力駆動付勢ピストン２２６に向かって、供給ポート２１３からパイロットポート２１４まで流れることができるようになる。図３および図４に示されている実施形態では、供給ポート２１３は流路２１２，２１６と結合した状態で示されており、パイロットポート２１４は流路２１９と結合した状態で示されている。

図４に示されているように、第一の圧力駆動付勢ピストン２２５はその断面積がＤｌであり、第二の圧力駆動付勢ピストン２２６はその断面積がＤ２であり、Ｄ２＞Ｄｌとなっている。したがって、プロセス流体が、図４に単一の流路を構成しているとして示されている流路２２３／２２４を通じて第一の圧力駆動付勢ピストン２２５に作用しているが、第二の圧力駆動付勢ピストン２２６に作用するプロセス流体によって生成される力は、上述されているように、第一の圧力駆動付勢ピストン２２５に作用するプロセス流体によって生成される力よりも大きい。したがって、第二の圧力駆動付勢ピストン２２６に作用するプロセス流体によって生成された力は、第一の圧力駆動付勢ピストン２２５および第二の圧力駆動付勢ピストン２２６を図４における下側に向けて移動させて主制御弁２０３を第二の作動位置へと移動させる。図４に示されている実施形態によれば、第二の作動位置では、第一の圧力駆動付勢ピストン２２５は、ピストンシート４４５に対するシールを行うことにより実質的な流体密封シールを形成する。第一の圧力駆動付勢ピストン２２５とピストンシート４４５との間の実質的な流体密封シールにより、主制御弁２０３の第一のポート２２０と第二のポート２２１との間の連通が遮断される。

本発明のある実施形態によれば、主制御弁２０３を第一の位置へ戻すために、第一のパイロット弁２０１が第一の位置へ戻るようになっている。実施形態によっては、第一のパイロット弁２０１は、ソレノイド１０４を動作停止にすることによって第一の位置へ戻るようになっている場合もある。ソレノイド１０４が動作停止になると、第二の圧力駆動付勢ピストン２１８に作用するパイロット流体は、排出ポート２０８から排出される。パイロット流体が排出されると、第一の圧力駆動付勢ピストン２１７に作用するプロセス流体が第一の圧力駆動付勢ピストン２１７および第二の圧力駆動付勢ピストン２１８を図４における右側（図３における左側）に移動させる。第一の圧力駆動付勢ピストン２１７が図４における右側に移動すると、第一の圧力駆動付勢ピストン２１７が、再びピストンシート３４０に対するシールを行って、実質的な流体密封シールを形成する。本発明のある実施形態によれば、第一の圧力駆動付勢ピストン２１８もまた図４における右側に移動して排出ポート２１５から離隔することにより、流路２１９内にありかつ第二の圧力駆動付勢ピストン２２６に作用している流体の排出を可能としている。図３および図４に示されている実施形態では、排出ポート２０８および排出ポート２１５は、共通の開口部から排出するようになっている。いうまでもなく、他の実施形態では、各排出ポートが別個の異なる開口部を有していてもよい。

第二の圧力駆動付勢ピストン２２６に作用するプロセス流体が排出されると、第一の圧力駆動付勢ピストン２２５に作用するプロセス流体は、第一の圧力駆動付勢ピストン２２５および第二の圧力駆動付勢ピストン２２６を図４に示されているように上方に向けて移動させて、第一の圧力駆動付勢ピストン２２５をピストンシート４４５から離隔させることができる。第一の圧力駆動付勢ピストン２２５がピストンシート４４５から離隔すると、プロセス流体は、所望のデバイスに向けて、第一のポート２２０から第二のポート２２１へと流れることができるようになる。

いうまでもなく、上述の実施形態ではノーマルオープン型の主制御弁２０３が設けられているが、ノーマルクローズド型の制御弁２０３を設けることも本発明の範囲に十分含まれる。さらに、図面に示されかつ記載されている個々の配置は本発明の範囲を制限しない。というのも、個々の用途に応じて、配置および構成が調節されうるからである。いうまでもなく、本発明は、ＳＢＭ用途での使用以外の用途に用いられてもよい。

上述のように、本発明は、主制御弁を駆動させるために２つ以上のパイロット弁を用いた多段式弁システム２００を提供している。従来技術におけるように第二のパイロット弁および主制御弁をパイロット流体で駆動させるのではなく、第二のパイロット弁２０２を、パイロット流体で第一の位置へ移動させ、プロセス流体で第二の位置へ移動させるようになっている。したがって、第二のパイロット弁２０２は、主制御弁２０３へ向かうパイロット流体の流れを制御するのではなく、主制御弁２０３へ向かうプロセス流体の流れを制御するようになっている。さらに、主制御弁２０３は、第一の位置と少なくとも第二の位置との間でプロセス流体を用いて移動されるのであって、２つ以上の位置のうちの１つへパイロット流体を用いて移動されるわけではない。したがって、主制御弁は、広い範囲の作動プロセス圧力にわたって用いられうる第一の圧力駆動付勢ピストン２２５および第二の圧力駆動付勢ピストン２２６から製造することが可能となる。この理由は、プロセス圧力に実質的にかかわらず、同一の圧力が実質的に第一の圧力駆動付勢ピストン２２５および第二の圧力駆動付勢ピストン２２６に作用するからである。したがって、付勢ピストン２２５および付勢ピストン２２６のうちの１つがより大きな断面積を有している限り、付勢ピストン２２５と付勢ピストン２２６との間の断面積の比をパイロット流体圧力とプロセス流体圧力との間の変動に応じて調節する必要はない。

上述の実施形態の詳細な記載は、本発明の範囲内に含まれるものとして本発明者が考えているすべての実施形態を完全に網羅するものではない。さらに正確にいえば、当業者にとって明らかなように、上述の実施形態のうちの一部の構成要素をさまざまに組み合わせてまたは除去してさらなる実施形態を作成してもよい。このようなさらなる実施形態も本発明の範囲内および教示内に含まれる。また、当業者にとって明らかなように、本発明の範囲および教示内に含まれるさらなる実施形態を作成するために、上述の実施形態を全体的にまたは部分的に組み合わせるようにしてもよい。

以上のように、本発明の特定の実施形態または実施例が例示の目的で記載されているが、当業者にとって明らかなように、本発明の範囲内において、さまざまな変更が可能である。本明細書に記載の教示を上述のかつそれに対応する図に記載の実施形態のみでなく他の弁システムにも適用することができる。したがって、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲によって決まる。

Claims (11)

1. パイロット流体供給源（２０９）およびプロセス流体供給源（２２２）含む多段式弁システム（２００）であって、
   前記パイロット流体供給源（２０９）と連通する第一のポート（２０６）および該第一のポート（２０６）と選択的に連通する第二のポート（２０７）を有する第一のパイロット弁（２０１）と、
   前記プロセス流体供給源（２２２）と連通する第一のポート（２１３）、前記第一のポート（２１３）と選択的に連通する第二のポート（２１４）、前記プロセス流体供給源（２２２）と連通する第一の圧力駆動付勢部材（２１７）、および前記第一のパイロット弁（２０１）の前記第二のポート（２０７）と連通する第二の圧力駆動付勢部材（２１８）を有する第二のパイロット弁（２０２）と、
   前記プロセス流体供給源（２２２）と連通する第一のポート（２２０）、前記第一のポート（２２０）と選択的に連通する第二のポート（２２１）、前記プロセス流体供給源（２２２）と連通する第一の圧力駆動付勢部材（２２５）、および前記第二のパイロット弁（２０２）の前記第二のポート（２１４）と連通する第二の圧力駆動付勢部材（２２６）を有する主制御弁（２０３）と
   を備え、
   前記第一の圧力駆動付勢部材（２２５）は、前記第二の圧力駆動付勢部材（２２６）の断面積より小さな断面積を有している、多段式弁システム（２００）。
2. 前記第二のパイロット弁（２０２）の前記第一の圧力駆動付勢部材（２１７）が、前記第二のパイロット弁（２０２）の前記第二の圧力駆動付勢部材（２１８）の断面積より小さな断面積を有している、請求項１に記載の多段式弁システム（２００）。
3. 前記第二のパイロット弁（２０２）が、前記第二のポート（２１４）と選択的に連通する第三のポート（２１５）をさらに有する、請求項１に記載の多段式弁システム（２００）。
4. 前記第一のパイロット弁（２０１）を第一の位置に向けて付勢するように構成された付勢部材（２０５）と、前記第一のパイロット弁（２０１）を第二の位置に向けて付勢するように構成されたソレノイド（２０４）とをさらに備える、請求項１に記載の多段式弁システム（２００）。
5. 前記第一のパイロット弁（２０１）が、前記第二のポート（２０７）と選択的に連通する第三のポート（２０８）をさらに有する、請求項１に記載の多段式弁システム（２００）。
6. パイロット流体供給源およびプロセス流体供給源を有する多段式弁システムの主制御弁を制御する方法であって、
   第一のパイロット弁を第一の位置へ移動させるステップと、
   第二のパイロット弁の第二の圧力駆動付勢部材と連通するパイロット流体を前記第一のパイロット弁を通じて排出するステップと、
   前記プロセス流体供給源からのプロセス流体を前記第二のパイロット弁の第一の圧力駆動付勢部材へ供給して前記第二のパイロット弁を第一の位置へ移動させるステップであって、前記第一の圧力駆動付勢部材は、前記第二のパイロット弁の前記第二の圧力駆動付勢部材の断面積より小さな断面積を有しているステップと、
   前記主制御弁の第二の圧力駆動付勢部材と連通するプロセス流体を前記第二のパイロット弁を通じて排出するステップと、
   プロセス流体を前記プロセス流体供給源から、前記主制御弁の第二の圧力駆動付勢部材の断面積より小さな断面積を有している前記主制御弁の第一の圧力駆動付勢部材へ供給して前記主制御弁を第一の位置へ移動させるステップと、
   を有する方法。
7. 前記主制御弁が第一の位置にあるとき、前記プロセス流体供給源を前記主制御弁の第一のポートから前記主制御弁の第二のポートへ連通させるステップをさらに有する、請求項６に記載の方法。
8. 前記第一のパイロット弁を第二の位置へ移動させて前記パイロット流体供給源から前記第二のパイロット弁の前記第二の圧力駆動付勢部材への流路を開くステップをさらに有する、請求項６に記載の方法。
9. プロセス流体を前記第二のパイロット弁の前記第二の圧力駆動付勢部材へ供給して前記第二のパイロット弁を第二の位置へ移動させることにより、前記プロセス流体供給源から前記主制御弁の前記第二の圧力駆動付勢部材への流路を開くステップをさらに有する、請求項８に記載の方法。
10. プロセス流体を前記主制御弁の第二の圧力駆動付勢部材へ供給して前記主制御弁を第二の位置へ移動させるステップをさらに有する、請求項９に記載の方法。
11. 前記第一のパイロット弁を前記第二の位置へ移動させるステップが、ソレノイドを移動させることを含む、請求項８に記載の方法。

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