JP5607029B2 - 流体流量システムの利得調節装置および流体流量調整装置 - Google Patents

Description

本開示は、概して、流体流量の安定性を改善するための自己調節流体増幅器を含む、流体流量システムの利得調節装置および流体流量調整装置に関する。

生産加工設備は、例えば、加工作業において、流体（例えば、気体、液体等）の流体流量を制御する等の多種多様の用途において調整弁を使用する。流体流量システムが、調整弁が、より高速な流速を提供することを必要とするまで、気体流量の調整は、調整弁が、気体の低流速を提供し、維持することを必要とする。しかしながら、低流速条件での、特定の型の調整弁の不安定性により、調整弁は、開口後、閉口する傾向があり得る。このオンオフ型の挙動は、低流速が常に維持されるように、流体流量システムにおいて、技術者が、流体流量制限を手動で開口する必要があり得る。しかしながら、これは、その後の増加する流体流量条件の間、調整弁の作業の正確性の低減を生じ得る。また、調整弁が、循環型流体流量要求に左右される場合、流量制限を調節することが可能な技術者を有することが必ずしも可能であるとは限らない。

調整された流体流量システムの利得を調節するための装置は、調整弁の入口に関連する流体流量を受容し、弁機構に、および該調整弁の弁部材の片側に、調節された流体流量を提供するための流体増幅弁を含む。流体増幅弁は、増幅器の開口部に流量ピンを有し、該流量ピンは、該調整弁の該弁部材に接続される。該調整弁の出口での流体流量の変化は、該弁機構に、該調節された流体流量を調節させ、該弁部材および該流量ピンを同時に移動させ、該調整された流体流量システムの利得を変化させる。

既知の流体流量システムの断面図である。

例示的な調整弁および例示的な自己調節増幅弁を有する流体流量システムの断面図である。

一般に、本明細書に記載される例示的な装置および方法は、様々な種類の流体流量工程において、流体流量を調整するために利用され得る。さらに、本明細書に記載される実施例は、生産加工産業の製品流量の制御に関連して説明される一方、本明細書に記載される例は、さらに一般に、異なる目的の様々な工程制御作業に、適用され得る。

図１は、調整弁２０、制限器５０、パイロット弁６０、および流体フィルタ７０を有する既知の流体流量システム１０を図示する。調整弁２０は、弁筐体２１、入口２２、出口２４、負荷圧入口２５、弁通路２８での弁座２６、および弁部材３０を有する。弁部材３０は、負荷圧チャンバ３４に含まれる弾性部材３２（例えば、バネ）によって、弁座２６と接触するように付勢される。弾性部材３２は、筐体２１の接続金具３３ａに摺動可能に配置されるバネ力調節器３３の端部３５に係合する。

また、流体流量システム１０は、側路または流体接続部４０も含む。流体接続部４０は、流体フィルタ７０に入口流圧を伝達する接続部分４２、手動操作される制限器５０に入口流圧を伝達する接続部分４４、調整弁２０の負荷圧入口２５に減圧した入口流圧または負荷流圧を伝達する接続部分４６、パイロット弁６０に負荷流圧を伝達する接続部分４７、およびパイロット弁６０に、出口２４で出口流圧を伝達する接続部分４８を有する。

パイロット弁６０は、筐体６１、排出口６３から大気に放出されるチャンバ６２ａ、およびダイヤフラム６５を係合する手動で調節可能なバネ６４を含む。弁部材モジュール６８は、ダイヤフラム６５に付設され、弁頭バネ６９を係合する弁頭６７ａを有する摺動可能な弁部材６７を有する。弁頭６７ａは、弁座６１ａで、流体流量を制御する。筐体６１は、チャンバ６２ａの反対側のダイヤフラム６５の片側に位置する筐体チャンバ６２ｂに、接続部分４８の出口流圧を連通する流体入口６１ｂを含む。

流体制限器５０は、減圧した入口流圧または負荷流圧が、調整弁２０の負荷圧入口２５および負荷圧チャンバ３４に接続部分４６を介して伝達するように、接続部分４２から受容した入口流体流量および流圧を低減または制限する。また、負荷流圧を、接続部分４７によって、パイロット弁６０の弁頭座６１ａにある弁頭６７ａに伝達する。一般に、弁頭６７ａは、負荷流圧が、接続部分４８に弁頭座６１ａを流れ過ぎるように、弁頭座６１ａと係合されない。

調整弁２０の主要機能は、流体流量システム１０において、流体流量に対する下流要求（即ち、図１の流量矢印Ａの方向に流体流量要求がある下流要求）に、調整弁２０を通して流体の流量を一致させることである。同時に、調整弁２０は、流体流量システム１０の出口２４で、特定の限度内に流体流量圧を維持しなければならない。流体流量矢印Ａの方向に流体流量に対する下流要求が一定である場合、弁頭６７ａは、パイロット弁６０の弁座６１ａから切り離されるため、接続部分４６、負荷圧入口２５および負荷圧チャンバ３４に伝達される、負荷圧は、調整弁２０に弁部材３０の位置を維持する。流体流量システム１０において、流体流量に対する下流要求が変化する場合、出口２４、接続部分４８で、およびパイロット弁６０のチャンバ６２ｂにおいて、変化した圧力により、ダイヤフラム６５を適宜反応させる。パイロット弁６０の結果として生じる操作は、負荷圧チャンバ３４に伝達された負荷圧の調節を再配置させ、その後、調整弁２０の弁部材３０の配置を維持させる。

例えば、流体流量システム１０において、流量矢印Ａの方向に流体流量に対する下流要求の増加がある場合、接続部分４８およびチャンバ６２ｂの流圧は、ダイヤフラム６５が若干下方に移動できるように減少し、弁頭６７ａが、下方に移動し、弁頭座６１ａから離れることになる。弁頭６７ａの下方移動は、接続部分４４における流圧が、制限器５０を通して流出することができるよりも速く、接続部分４７のさらなる負荷圧が、接続部分４８へ下流に流出することを可能にする。これは、弁通路２８での流圧が、弁座２６から離れるように弁部材３０を付勢し、筐体出口２４への流体流量を増加させるように、接続部分４６、負荷圧入口２５、および負荷圧チャンバ３４における負荷圧を低減する。同様に、流体流量システム１０において、流体流量に対する下流要求の低減により、パイロット弁６０の接続部分４８および筐体チャンバ６２ｂの流圧を増加させ、弁頭座６１ａに向かって上方にダイヤフラム６５を移動させる。ダイヤフラム６５の上方移動は、弁頭座６１ａを通して流体流量を制限するように上方に弁頭６７ａを移動させ、それに対応して、負荷圧チャンバ３４に伝達される負荷圧を増加させる。負荷圧チャンバ３４での負荷圧の増加は、弁座２６に向かって移動する弁部材３０に、弁通路２８を通して出口２４への流体流量を低減させる。

図１において、パイロット弁６０および制限器５０は、調整弁２０の操作の感知度が変化するように機能する。流体流量システム１０の下流流体流量の圧力の変化が、感知され、負荷流圧のより大きい変化に変換され得る場合、調整弁２０は、流体流量に対する下流要求の変化に対してさらに感知度が高くなり得る。パイロット弁６０は、下流流圧に対する負荷流圧の増幅を達成し、増幅の量は、利得またはパイロット利得と呼ばれる。したがって、下流流圧の変化あたりの負荷流圧の変化は、相当する位置に弁部材３０を移動させ、調整弁２０を通して流体流量を調整する。

しかしながら、図１の流体流量システム１０において、低い流体流量条件で、調整弁２０は、不安定なオンオフの方法において操作する傾向がある（例えば、開口条件と閉口条件の間で、循環を制限するか、または振動し得る）。調整弁２０が、弁座２６を通して少量の流体流量を有する場合、調整弁２０は、開口したままの状態の代わりに、閉口し、流体流量を停止し、比較的安定した量の流体流量を出口２４に提供し得る。流体流量システム１０のこの不安定なオンオフの操作を最小化するのを支援するために、技術者は、制限器５０を手動で操作し、接続部分４６に連通される入口流体流量の量を増加させるために少量で、パイロット利得の低減を達成し、かつ、固定された、または安定した開口位置に調整弁２０の弁部材３０を移動させることが可能である。しかしながら、パイロット利得のこの低減はまた、流体流量に対する下流要求の増加がある場合、調整弁２０の操作の正確性を低減させる。言い換えれば、接続部分４６に入口流体流量を増加させるための制限器５０の調節は、流体流量システム１０の初期操作において、さらなる安定性を提供するが、流体流量システム１０の操作の正確性の全体的な低減も生じる。さらに、流体流量システム１０を供用する際、技術者は、制限器５０を手動で調節する必要がある。しかしながら、循環型流体流量要求を有する流体流量システムに関しては、流体流量要求が変更される際、技術者が、必ずしも、制限器５０を調節することが可能であるとは限らない。

図２は、例示的な調整弁２２０および例示的な自動調節または自己調節増幅弁１８０を有する流体流量システム２００の断面図である。図１の流体流量システム１０における構造デバイスと同一または類似している図２の流体流量システム２００における構造デバイスは、１００ずつ増量される同一の参照番号を有する。流体流量システム２００は、パイロット弁１６０および流体フィルタ１７０を含む。例示的な調整弁２２０は、筐体２２１、入口２２２、出口２２４、負荷圧入口２２５、弁通路２２８での弁座２２６、および弁部材２３０を有する。弁部材２３０は、負荷圧チャンバ２３４に位置する弾性部材２３２によって弁座２２６と接触するように付勢される。弾性部材２３２は、筐体２２１の接続金具２３３ａに摺動可能に配置されるバネ力調節器２３３の端部２３５に係合する。バネ力調節器２３３は、例示的な自己調節増幅弁１８０から延在する移動コネクタ１８７に接続されるか、または一体となるように、接続金具２３３ａから延在する。バネ力調節器２３３および移動コネクタ１８７は共に、バネ力調節器２３３および増幅器の計測ピンもしくは流量ピン１８６が、変位される場合、同一の距離を移動するように、固定長の接続を提供する。

また、流体流量システム２００は、側路または流体接続部１４０も含む。流体接続部１４０は、流体フィルタ１７０に入口流圧を伝達する接続部分１４２、例示的な自己調節増幅弁１８０に入口流圧を伝達する接続部分１４４、例示的な調整弁２２０の負荷圧入口２２５に減圧した入口流圧または負荷流圧を伝達する接続部分１４６、パイロット弁１６０に負荷流圧を伝達する接続部分１４７、およびパイロット弁１６０に出口２２４での出口流圧を伝達する接続部分１４８を有する。

図２のパイロット弁１６０は、図１において、上で説明されたパイロット弁６０と同一であり、したがって、再度説明はしない。

例示的な自己調節または自動調節増幅弁１８０は、増幅器のチャンバ１８５に位置する、増幅器の入口１８２、増幅器の出口１８３、増幅器の開口部１８４、および移動コネクタ１８７に接続される増幅器の流量ピン１８６を有する増幅器の筐体１８１を含む。増幅器の流量ピン１８６および増幅器の開口部１８４は、増幅器の入口１８２と増幅器の出口１８３との間の入口流圧を制限または限定する。移動コネクタ１８７は、接続金具２３３ａから延在するバネ力調節器２３３に、増幅器の流量ピン１８６を接続する。

例示的な自己調節増幅弁１８０は、接続部分１４２から受容し、かつ、例示的な調整弁２２０の負荷圧入口２２５および負荷圧チャンバ２３４に、接続部分１４６を介して負荷流圧として伝達される入口流圧を低減または限定する。また、負荷流圧を、接続部分１４７によって、パイロット弁１６０の弁頭座１６１ａにある弁頭１６７ａに伝達する。一般に、弁頭１６７ａは、負荷流圧が、接続部分１４８に弁頭座１６１ａを流れ過ぎるように、弁頭座１６１ａと係合されない。

調整弁２２０の主要機能は、流体流量システム２００において、流体流量に対する下流要求（即ち、図２の流量矢印Ａの方向に流体流量要求がある下流要求）に、調整弁２２０を通して流体の流量を一致させることである。同時に、調整弁２２０は、流体流量システム２００の出口２２４で、特定の限定内に流体流量圧を維持しなければならない。流体流量矢印Ａの方向に流体流量に対する下流要求が一定である場合、弁頭１６７ａは、パイロット弁１６０の弁座１６１ａから切り離されるため、接続部分１４６、負荷圧入口２２５および負荷圧チャンバ２３４に伝達される、負荷流圧は、調整弁２２０に弁部材２３０の位置を維持する。流体流量システム２００において、流体流量に対する下流要求が変化する場合、出口２２４、接続部分２４８で、およびパイロット弁１６０のチャンバ１６２ｂにおいて、変化した圧力により、ダイヤフラム１６５が適宜反応する。パイロット弁１６０の結果として生じる操作は、負荷圧チャンバ２３４に伝達された負荷圧の調節を再配置させ、その後、調整弁２２０の弁部材２３０の配置を維持させる。

例えば、流体流量システム２００において、流量矢印Ａの方向に流体流量に対する下流要求の増加がある場合、接続部分１４８およびチャンバ１６２ｂの流圧は、ダイヤフラム１６５が若干下方に移動できるように減少し、弁頭１６７ａが、下方に移動し、弁頭座１６１ａから離れることになる。弁頭１６７ａの下方移動は、接続部分１４７のさらなる負荷流圧が、接続部分１４８に下流を流出することを可能にする。接続部分１４６および１４７の負荷流圧は、接続部分１４４における流圧が、増幅器の開口部１８４を通して移動または流出することができるよりも速く、下流に流出する。接続部分１４６、負荷圧入口２２５、および負荷圧チャンバ２３４の負荷流圧のこの減圧は、筐体出口２２４への流体流量を増加させるように、弁座２２６から離れるように弁部材２３０を付勢する、弁通路２２８での流圧を生じる。同様に、流体流量システム２００において、流体流量に対する下流要求の低減により、パイロット弁１６０の接続部分１４８および筐体チャンバ１６２ｂの流圧を増加させ、弁頭座１６１ａに向かって上方にダイヤフラム１６５を移動させる。ダイヤフラム１６５の上方移動は、弁頭座１６１ａを通して流体流量を制限するように上方に弁頭１６７ａを移動させ、それに対応して、負荷圧チャンバ２３４に伝達される負荷圧を増加させる。負荷圧チャンバ２３４での負荷流圧の増加は、弁座２２６に向かって移動する弁部材２３０に、弁通路２２８を通して筐体出口２２４への流体流量を低減させる。

流体流量システム２００において、低い流体流量条件で、例示的な調整弁２２０は、入口２２２と出口２２４との間の連続的な流体流量を可能にするように、正確に作動する。例示的な調整弁２２０が、出口２２４で少量の流体流量を有する際、弁部材２３０は、例示的な調整弁２２０の弁座２２６から短距離で分離される。接続部分１４８の流圧は、弁頭１６７ａが、弁頭座１６１ａで流体流量を制限するように、パイロット弁１６０のダイヤフラム１６５を上方に位置付ける。例示的な自己調節増幅弁１８０および例示的な調整弁２２０がなければ、弁頭座１６１ａでの流体流量の制限は、接続部分１４６およびチャンバ２３４のより高い負荷流圧を生じ、弁部材２３０に、弁座２２６を係合させ、弁通路２２８での流体流量を停止させ得る。しかしながら、例示的な自己調節増幅弁１８０および例示的な調整弁２２０は、流体流量システム２００の弁通路２２８で、安定した、連続的な流体流量を達成するように作動する。

さらに具体的には、例示的な自己調節または自動調節増幅弁１８０は、下流流体流量条件の要求を変更する間、流体流量システム２００の感知度または利得を自己調節する。低流体流量条件で、例示的な自己調節増幅弁１８０の移動コネクタ１８７および弁部材２３０に接続されたバネ力調節器２３３は、短距離だけ上方に移動する。移動コネクタ１８７に接続された増幅器の流量ピン１８６は、負荷流体流量の所定量を増幅器の出口１８３および接続部分１４６に流動することができるように、増幅器の開口部１８４に対して位置付けられる。負荷流体流量の所定量は、負荷流圧を減圧するには十分大きく、低パイロット利得を維持する。流体流量システム２００は、低い流体流量条件で、低パイロット利得を達成する。したがって、弁部材２３０は、下流要求が低い流体流量の間、安定した、連続的な流体流量を提供するように、開口されたままである。

流体流量システム２００が、流量矢印Ａの方向に流体流量に対する増加した下流要求を有する場合、接続部分１４８の流圧は、弁頭１６７ａが、弁頭座１６１ａで流体流量の増加を可能にするように、パイロット弁１６０のダイヤフラム１６５を下方に移動することができるように減少する。弁部材２３０が、弁通路２２８での流圧によって弁座２２６から離れて移動し得るように、接続部分１４７および１４６の負荷流圧を低減し、それによって、例示的な調整弁２３０を通して流体流量を増加させる。しかしながら、弁部材２３０の上方移動は、バネ力調節器２３３、移動コネクタ１８７、および例示的な自己調節増幅弁１８０の増幅器の流量ピン１８６を、上方に移動させ、増幅器の開口部１８４での流体流量を自動的に制限する。増幅器の筐体弁座１８４での流体流量の自動制限は、下流要求が増加する、または高い流体流量の間、流体流量システム２００の利得を増加させる。

例示的な自己調節増幅弁１８０および例示的な調整弁２２０は、流体流量システム２００が、下流要求が低い流体流量条件で、低パイロット利得を達成し、下流要求が高い流体流量条件で、増加したパイロット利得を達成することを可能にする。したがって、例示的な調整弁２２０および例示的な自己調節増幅弁１８０の使用は、高い流体流量条件の間、流体流量システム２００の操作上の正確性および安定性を維持する。さらに、低い流体流量条件で、あるいは循環型流体流量要求条件の変化で、操作のために流体流量システム２００を調節することが可能な技術者を有する必要性が排除される。

図２をさらに参照すると、例示的な自己調節増幅弁１８０は、例示的な調整弁２２０あるいはパイロット弁１６０のいずれかに包含される、または格納され得る。図２において、筐体２２１は、例示的な自己調節増幅弁１８０が、例示的な調整弁２２０の筐体２２１に包含されるように、破線の輪郭で示される拡張部２２１Ａを含む。代替として、筐体１６１は、例示的な自己調節増幅弁１８０が、パイロット弁１６０の筐体１６１に包含されるように、破線および点線の輪郭で示される拡張部１６１Ａを含み得る。また、接続部分１４６の全て、あるいは一部のいずれかは、調整弁２２０の拡張部２２１Ａまたはパイロット弁１６０の拡張部１６１Ａに包含され得る。

特定の例示的な装置および方法を、本明細書に説明してきたが、本特許の対象範囲は、これに限定されない。反対に、本特許は、文言上、あるいは均等論下のいずれかで、添付の特許請求の範囲内に公平に含まれる、全ての方法、装置、および製造物を網羅する。

Claims (19)

1. 調整された流体流量システムの利得を調節するための流体流量システムの利得調節装置であって、
   調整弁の入口に関連する流体流量を受容し、弁機構に、および前記調整弁の弁部材の片側に、調節された流体流量を提供するための流体増幅弁であって、前記流体増幅弁は、増幅器の開口部に流量ピンを有し、前記流量ピンは、固定長の移動コネクタによって前記調整弁の前記弁部材に固定的に接続され、前記調整弁の出口での流体流量の変化は、前記弁機構に、前記調節された流体流量を調整させ、前記弁部材および前記流量ピンを同時に移動させ、前記調整された流体流量システムの前記利得を変化させる、流体増幅弁を備える、流体流量システムの利得調節装置。
2. 前記弁部材および前記流量ピンが、前記弁機構によって同時に移動する際、同量だけ移動する、請求項１に記載の流体流量システムの利得調節装置。
3. 自動的に前記利得を調整するために流体流量の変化に応じて自動的に作動する、請求項１に記載の流体流量システムの利得調節装置であって、
   前記流体増幅弁は、自動調整になっており、前記調整弁の出口との継続的な流体連通をとりながら、前記調整弁の出口での流体流量の変化に応じて、前記弁機構に、および前記調整弁の弁部材の片側に、調整された流体流量を提供する、請求項１に記載の流体流量システムの利得調節装置。
4. 前記流体増幅弁は、前記調整弁の一部である、請求項１に記載の流体流量システムの利得調節装置。
5. 前記流体増幅弁は、前記弁機構の一部である、請求項１に記載の流体流量システムの利得調節装置。
6. 前記流体増幅弁は、前記調整弁に接続される筐体を含む、請求項１に記載の流体流量システムの利得調節装置。
7. 流体流量を調整するための流体流量調整装置であって、
   弁入口および弁出口と、弁通路にある筐体弁座と、片側で負荷流圧に供され、前記筐体弁座で流体流量を調整するように移動可能な弁部材と、を有する、制御弁と、
   前記弁入口および前記弁出口と連通するための流体接続部と、
   前記弁入口と関連する流体流量を受容するように、前記流体接続部に配置され、かつ、増幅器の開口部と、前記増幅器の開口部にあり、固定長の移動コネクタによって前記弁部材に固定的に接続される流量ピンと、前記負荷流圧を前記弁部材の片側に連通するための増幅器出口と、を含む、流体増幅器と、
   前記増幅器出口から受容した負荷流圧を調整し、前記調整された負荷流圧を、前記弁出口へ連通するように、前記流体接続部に配置される弁機構であって、前記弁出口での流体流量の変化は、前記筐体弁座での流体流量を調整するように、弁機構に、前記弁部材に連通された前記調整された負荷流圧を変化させる、弁機構と、を備える、流体流量調整装置。
8. 前記弁部材および前記流量ピンが、前記弁機構によって同時に移動する際、同量だけ移動する、請求項７に記載の流体流量調整装置。
9. 前記制御弁は、ガスの流量を調整する調整弁である、請求項７に記載の流体流量調整装置。
10. 前記流体増幅器は、前記制御弁の一部である、請求項７に記載の流体流量調整装置。
11. 前記流体増幅器は、前記弁機構の一部である、請求項７に記載の流体流量調整装置。
12. 前記流量ピンは、前記弁部材を係合するように延在する、請求項７に記載の流体流量調整装置。
13. 流体流量を調整するための流体流量調整装置であって、
    前記流体流量を調整するための弁部材を有する制御弁と、
    前記制御弁の入口と出口との間の流体流量を連通するための流体接続部と、
    前記流体接続部に配置され、固定長の移動コネクタによって、前記弁部材へ固定的に接続される流量ピンを有する、増幅器弁であって、前記制御弁に負荷流体流量を提供する、増幅器弁と、
    前記負荷流体流量を調整し、前記調整された負荷流体流量を前記出口に連通させる、弁機構であって、前記出口での流体流量の変化は、前記弁機構に、前記調整された負荷流体流量を変化させ、前記弁部材および前記流量ピンを同時に移動させ、前記出口で前記流体流量を提供する、弁機構と、を備える、流体流量調整装置。
14. 前記弁部材および前記流量ピンが、前記弁機構によって同時に移動する際、同量だけ移動する、請求項１３に記載の流体流量調整装置。
15. 前記増幅弁および前記制御弁は、筐体内に包含される、請求項１３に記載の流体流量調整装置。
16. 前記増幅弁および前記弁機構は、筐体内に包含される、請求項１３に記載の流体流量調整装置。
17. 前記増幅弁は、前記制御弁によって支持される、請求項１３に記載の流体流量調整装置。
18. 前記同時移動は、前記出口で前記流体流量の量に従って前記弁機構の前記利得を調節するステップをさらに含む、請求項１３に記載の流体流量調整装置。
19. 前記制御弁は、調整弁であり、前記固定長の移動コネクタは、自動調節増幅弁の少なくとも一部を提供する、請求項１３に記載の流体流量調整装置。

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