JP6010106B2 - ユニバーサルなダイアフラム装着位置を有するダイアフラム制御弁 - Google Patents

Description

本発明は、一般にダイアフラム流体制御弁に関する。より具体的には、本発明は、様々なタイプのダイアフラムに対応して、異なる流体特性を有するシステムのために制御弁をカスタマイズする、弁本体および弁帽を含む流体制御弁に関する。

精製所などのプロセスプラント、化学プラントまたはパルプおよび製紙プラントは、互いに接続されて様々な消費者製品を製造する多数のプロセス制御ループで構成されることが一般に知られている。これらのプロセス制御ループのそれぞれは、圧力、流量、水位、または温度など、一部の重要なプロセス変数を必要な動作範囲内に保って、最終製品の品質を保証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、プラント内におけるプロセス制御ループのプロセス変数およびプロセス制御に影響を及ぼす負荷変動を受け取りかつ内部で生成する。これらの負荷変動の影響を低減するために、プロセス変数は、センサまたはトランスミッタにより検出され、プロセスコントローラに伝達される。プロセスコントローラは、負荷変動発生後、この情報を処理し、変更または修正をプロセスループに提供して、プロセス変数をあるべき値へ戻す。修正は一般に、制御弁などの一部のタイプの最終制御要素を介して流量を変更することにより起こる。制御弁は、ガス、蒸気、水、または化学物質などの流動流体を操作して、負荷変動を相殺し、調整されたプロセス変数を所望の制御またはセットポイントに可能な限り近づけて維持する。

一般に、各種の制御弁構成は、特定の用途専用に適用可能であることが理解されている。例えば、制御範囲の狭い早開き弁が適切である場合、蝶形弁などのロータリー式制御弁を使用してもよい。あるいは、広い制御範囲にわたって正確な制御が要求される場合、スライドステム制御弁を使用してもよい。どのような構成であれ、このような制御弁は一般に、制御信号に応答して制御弁の正確な開弁量を制御するアクチュエータなどの制御装置に連結される。したがって、プロセス設計時には、プロセスエンジニアは、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、設計エンジニアは、使用されるバルブのスタイル、バルブの寸法、アクチュエータの種類などを決定しなければならない。

一部のシステム、特に、空気圧制御式の流体プロセスシステムでは、任意の所与の流体プロセス制御装置のためのアクチュエータは、ダイアフラム型アクチュエータを含むこともある。典型的なダイアフラム型アクチュエータは、ばね付勢されたダイアフラム組立体を含むハウジングを備える。流体プロセス制御装置の開口量を制御するために、ダイアフラム組立体は、バルブステムまたは他のアクチュエータロッドを介して流量制御要素に動作可能に連結される。

一部のオペレーティングシステムは、制御弁の動作範囲全体にわたって流体の流動特性の正確な制御を必要とする。ダイアフラム制御弁は、そのような正確な制御のために使用される。１つのタイプのダイアフラム流体制御弁は、流体の流路内に挿入されるケージを備えている。少なくとも１つの制御ダイアフラムを含む制御ダイアフラム組立体は、弁座として動作するケージの一方の端部に対して移動して、弁を通る流体の流れを制御する。このような制御ダイアフラム制御弁は、弁の動作範囲全体にわたって流体の流動特性の正確な制御を必要とするシステムにおいて、特に有利である。制御ダイアフラム制御弁はまた、特に低流量条件下で、閉位置においてより確実に密閉する。

システム要件または特性に基づいて、異なるタイプの制御ダイアフラムを制御弁に使用してもよい。例えば、高温システムは、故障することなく、高温に耐えるように、金属製ダイアフラムを必要であろう。他方、より低温のシステムでは、製造コストが廉価であり得るエラストマー製ダイアフラムを使用できる。エラストマー製ダイアフラムはまた、金属製ダイアフラムがプロセス流体と化学反応し得るシステムにおいて、望ましいこともある。

既知の制御ダイアフラム制御弁は、１種類の制御ダイアフラムを使用するように設計されている。例えば、既知の制御ダイアフラム制御弁は、金属製ダイアフラム、またはエラストマー製ダイアフラムのいずれか一方を使用することもある。一般に、金属製ダイアフラムは、エラストマー製ダイアフラムの代替とはなり得ず、その逆もまた同様である。それは、金属製ダイアフラムとエラストマー製ダイアフラムとは、形状や弾性などが異なり、異なるハウジング構成を必要とするためである。

本開示の教示により構成されたダイアフラム制御弁の斜視図である。 図１の制御弁の弁部分の立面断面図である。 図２の制御弁の弁帽と弁本体との交差部分におけるダイアフラム装着位置の拡大断面図である。ダイアフラム装着位置は、エラストマー製ダイアフラムを含む。 図２の制御弁の弁帽と弁本体との交差部分におけるダイアフラム装着位置の拡大断面図である。ダイアフラム装着位置は、金属製ダイアフラムを含む。

以下の説明は、本発明の例示的な実施形態の詳細な説明を記載するが、本発明の法的範囲は、本特許の末尾に記載の特許請求の範囲の文言によって定義されることが理解されるべきである。詳細な説明は単なる例示として解釈されるべきであり、あらゆる可能な実施形態を説明することは、不可能ではないとしても、非現実的であるため、本発明のあらゆる可能な実施形態を説明するものではない。本開示を読んで、当業者は、現行の技術または本特許の出願日後に開発された技術のいずれかを使用して、１つまたは２つ以上の代替的な実施形態を実施できるであろう。そのような追加の訴えは依然として本発明を規定する特許請求の範囲内に入るであろう。

ここで図面を参照すると、図１および図２は、プロセス制御システムにおいて一般的に用いられるタイプの制御弁２０を示す。制御弁２０は、弁本体２２と、弁入口２６と、弁出口２４と、入口２６と出口２４との間に延びる流路２８と、を含む。流路２８は、入口通路３２と、出口通路３０と、制御通路３４と、を含む。

図２に示すように、制御弁２０は、移動可能な制御構成要素３６を含み、開示された例において、ダイアフラム３８および弁プラグ４０の形態をとっている。弁プラグ４０は、弁ステム４１に接続され、弁プラグ４０および弁ステム４１は、弁プラグ４０が制御通路３４内に配置されるように、寸法決めされ、かつ位置される。制御構成要素３６はまた、互いに相互作用して、弁２０を通る流体の流れを制御する弁プラグ４０および弁座４３を含む、カートリッジ４２を含む。制御弁２０は、弁帽４４と、ヨーク４６（図１）と、ヨーク４６に接続されたアクチュエータ４８とを含み、また、弁ポジショナ５２を含んでもよい。図示のアクチュエータ４８は、空気圧式アクチュエータであり、弁ポジショナ５２、またはアクチュエータ４８を制御するための任意のその他の機構に、適切に接続されてもよい。アクチュエータ４８は、周継手６０に沿って接合される上側部分５６および下側部分５８を有するダイアフラムケーシング５４を含む。

この実施形態におけるアクチュエータ５０は、当技術分野で周知のような空気圧制御式ダイアフラム型アクチュエータである。その他のアクチュエータタイプが、その他の実施形態において使用されてもよい。さらに、アクチュエータは、ポジショナからの入力信号に依存しない、自己調節式アクチュエータであってもよい。アクチュエータ５０は、出力軸（図示せず）に適切に連結された内部ダイアフラムプレート（図示せず）を含んでもよい。また、出力軸は、次いで、弁ステムに接続される。適切な付勢組立体（図示せず）は、アクチュエータ４８内に配置される。付勢組立体は、ダイアフラムプレートを支える。ポジショナ５２が、ハウジングの上側部分または下側部分に流体を流入させると、内部ダイアフラムは、（図１に示すように）上方または下方に移動し、これにより、出力軸が上方または下方に移動する。次に、出力軸は、弁プラグ４０（図２）を弁座４３に対して移動する弁ステムを移動して、弁２０を通る流体の流れを制御する。

カートリッジ４２は、カートリッジ入口６２と、カートリッジ出口６４とを含む。カートリッジ出口６４は、弁座４３とダイアフラム３８との間に位置する。ダイアフラム３８が閉位置にある際に、弁プラグ４０は、弁座４３と連携して、弁２０を通る流体の流れを阻む。

弁帽４４は、弁本体２２の装着部７２を覆う装着フランジ７０を含んでもよい。弁帽４４を弁本体２２に取り付けるために、複数の締結具（図示せず）を使用してもよい。その他の実施形態では、弁帽４４は、溶接、接着剤、ねじ、クランプなどのその他の方法で弁本体２２に取り付けられてもよい。ダイアフラム３８は、弁２０内において、弁帽４４と弁本体２２との間に、装着フランジ７０および装着部７２の近くに固定される。弁帽４４および弁本体２２は、様々なタイプのダイアフラム３８を受け入れるように形成される。例えば、新しい弁帽４４または弁本体２２を必要とすることなしに、システム用件に基づいて、様々な材料で作成されたダイアフラム３８、様々な寸法のダイアフラム、様々な形状のダイアフラムなどを弁２０に実装してもよい。このように、以下に詳述するように、開示された制御弁２０は、ユニバーサルな弁本体および弁帽を含む。

ここで図３を参照すると、ダイアフラム３８の装着位置７１がより詳細に記載されている。図３の装着位置７１は、装着フランジ７０と装着部７２との間に配置されたエラストマー製ダイアフラム３８を含む。上述したように、ダイアフラム３８は、弁２０内において弁帽４４の装着フランジ７０および弁本体２２の装着部７２の領域内に固定される。装着フランジ７０は、丸み付きのアーチ型表面７６さらには第１の環状保持表面７８へと移行する実質的に平坦な弁帽締め付け面７４を含む。第１の環状保持表面７８は、弁本体２２の装着部７２の少なくとも一部分にわたって延びる外側スカート部分８０により形成される。

弁本体２２の装着部７２は、陥凹溝８４を有する本体締め付け面８２を含む。本体締め付け面８２は、弁帽締め付け面７４と向かい合っている。本体締め付け面８２は、第２の環状保持表面８６へと移行する。第２の環状保持表面８６は、装着部７２における上向きの環状リップ８８により形成される。上向きの環状リップ８８は、第１の環状保持表面７８から離間されて、環状間隙９０を形成する。環状間隙９０により、弁帽４４が弁本体２２に取り付けられた際、弁帽４４は、自動調心することができる。より具体的には、環状間隙９０は、弁帽４４が弁本体２２に螺合される時に、弁帽４４および弁本体２２が、互いに対してわずかに移動できるようにし、これにより、堅固にねじ連結される。

ダイアフラム３８の一部分は、弁帽締め付け面７４と本体締め付け面８２との間に締め付けられる。座金本体９３を含む締め付け座金９２は、ダイアフラム３８と弁帽締め付け面７４との間に配置される。締め付け座金９２は、好ましくは、耐久性を有する金属により形成されて、金属間の取り付けおよび密閉を提供してもよい。締め付け座金９２は、ダイアフラム３８の周縁を越えて、装着フランジ７０と上向きのリップ８８との間に延びる突起または突出部９４を含んでもよい。このように、締め付け座金９２は、装着フランジ７０と装着部７２との間に、直接取り付けられる。このようにして、使用されるダイアフラムのタイプによらず、金属間の締め付けおよび密閉は形成されてもよい。図３の実施形態では、ダイアフラム３８は、エラストマー材料から作製される。

締め付け座金９２は、エラストマー製ダイアフラム３８の部分を圧縮する。ダイアフラムの圧縮された部分９６は、外側へ、ダイアフラム３８の周縁まで延びてもよく、また、ダイアフラム３８の圧縮されていない部分よりも薄くてもよい。締め付け座金９２は、組立の間に、ダイアフラム３８の一部分を圧縮する。これは、締め付け座金９２と圧縮されていないダイアフラム３８との合計の厚さは、上向きのリップ８８と突起または突出部９４の厚さとの合計の高さよりも大きいためである。これらの相対的な厚さは、弁２０が組み立てられる際、ダイアフラム３８の一部分が圧縮されて、ダイアフラム３８と弁本体２２との間に良好な密閉状態をもたらすことを確実にする。さらに、突起または突出部９４の厚さは、締め付け止めを形成し、締め付け止めは、弁帽締め付け面７４と、突起または突出部９４と、上向きのリップ８８との間に形成される金属接合部の一体性を提供し、またダイアフラム３８の過剰な圧縮も防ぐ。このように、所定の圧縮量は、突起または突出部９４の厚さにより設定されてもよい。陥凹溝８４内に配置されたＯリング９８により、追加的な密閉を行ってもよい。

代替的な実施形態では、弁本体は、上向きのリップ８８の代わりに、締め付け座金９２が係止されて金属同士の接触を達成する段付き部または凹部（図示せず）を含んでもよい。

図４は、金属製ダイアフラム１３８を含む装着位置７１を示す。金属製ダイアフラム１３８は、図３のエラストマー製ダイアフラム３８のように、弁帽締め付け面７４と本体締め付け面８２との間に装着される。締め付け座金１９２は、金属製ダイアフラム１３８と弁帽締め付け面７４との間に配置される。締め付け座金１９２は、図３の締め付け座金９２とは異なり、突起または突出部を含まない。しかしながら、図４に図示される装着位置は、金属同士の接触を依然として含んで、弁帽４４と、締め付け座金１９２と、ダイアフラム１３８と、弁本体２２との間を密閉する。締め付け座金１９２の厚さは、上向きのリップ８８と弁帽４４の装着フランジ７４との間が直接接触するのを阻むのに十分である。換言すると、締め付け座金１９２の厚さと、ダイアフラム１９２の厚さとの合計は、上向きの環状リップ８８の高さよりも大きい。結果として、弁の使用中、締結具のトルクが適切に維持される。さらに、装着部７２は、上向きのリップ８８の外に向かって、面取り面９９を含んでもよく、面取り面９９は、弁２０の組み立て中の位置合わせを容易にする場合がある。

上に開示されたダイアフラム装着位置は、装着位置内に配置されたダイアフラムのタイプに関わりなく、金属同士の接触を提供する。金属同士の接触は、弁帽のトルクを維持することから、制御弁の寿命にわたって、弁帽締結具を増し締めする必要を低減する。さらに、開示された装着位置は、有利なことに、弁帽または弁本体を変更することなしに、様々なタイプのダイアフラムの置き換えを可能とする。より正確に言えば、ダイアフラムを変えるには、ダイアフラムそのものと座金とだけを変えればよい。このようにして、開示された装着位置は、おおむねユニバーサルな性質であり、複数のダイアフラムタイプを受け入れることができる。このユニバーサルな性質は、締め付け座金の厚さと圧縮されていないダイアフラムの厚さとの合計を、エラストマー製ダイアフラムと金属製ダイアフラムとの両方で、ほぼ等しくすることにより補われる。さらに、開示された装着位置は、様々な動作環境に容易に適合可能であり、また、開示された制御弁は、１つのオペレーティングシステムから別のオペレーティングシステムに移動されてもよく、ダイアフラムおよび座金だけを変えればよい。このように、開示された弁および装着位置は、従来のダイアフラム制御弁によりも、より柔軟であり、多くの異なるタイプの弁を保管しておく必要は少なくなる。この柔軟性はまた、より効率的な製造を可能にし、供給元が１種類の弁を置いておくだけでよいことから、供給元の在庫量を削減できる。

ダイアフラム制御弁の組み立て方法は、装着フランジとスカートにより形成される第１の環状保持表面へと移行する第１の締め付け面とを含む弁帽を提供することと、第１の締め付け面に向かい合う第２の締め付け面を有する弁本体を提供することであって、第２の締め付け面が、上向きのリップにより形成される第２の環状保持表面へと移行する、弁本体を提供することと、エラストマー製ダイアフラムおよび金属製ダイアフラムのうちの１つを選択することと、エラストマー製ダイアフラムと金属製ダイアフラムとのうちの選択された１つを第１の締め付け面と第２の締め付け面との間で締め付けることとを含む。

前述の説明から、当業者には、本発明の多数の修正および代替の実施形態が明らかであろう。したがって、この説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実施するための最良の形態を当業者に教示するためのものである。本開示の詳細は、本発明の趣旨から逸脱することなく変化してもよく、特許請求の範囲内にある全ての変更の排他的な使用が保留されている。

Claims (21)

1. ダイアフラム制御弁であって、
   弁本体に固定するための弁帽であって、装着フランジおよび弁帽締め付け面を含む弁帽と、
   流体入口、流体出口、および流路を有する弁本体であって、前記流路が入口通路、出口通路、および前記入口通路と前記出口通路との間に位置する制御通路を含み、前記弁本体が前記弁帽の前記装着フランジに近接して位置付けられた本体締め付け面を有する装着部をさらに含み、前記本体締め付け面が前記弁帽締め付け面に向かい合う弁本体と、
   前記制御通路内に位置付けられたダイアフラムであって、前記ダイアフラムの少なくとも一部分が前記弁帽締め付け面と前記本体締め付け面との間に締め付けられるダイアフラムと、
   本体を含む締め付け座金であって、前記締め付け座金が前記ダイアフラムと前記弁帽締め付け面との間に配置された締め付け座金とを備え、
   前記弁帽締め付け面が、スカートにより形成される第１の環状保持表面へと移行し、前記本体締め付け面が、上向きの環状リップにより形成される第２の環状保持表面へと移行し、前記スカートが、前記弁本体の少なくとも一部分にわたって延び、間隙が、前記上向きの環状リップと前記スカートとの間に形成され、
   前記締め付け座金の厚さと前記ダイアフラムの厚さとの合計は前記上向きの環状リップの高さよりも大きい、ダイアフラム制御弁。
2. 前記本体締め付け面内に配置された陥凹溝をさらに備える、請求項１に記載のダイアフラム制御弁。
3. 前記陥凹溝内に配置されたＯリングをさらに備える、請求項２に記載のダイアフラム制御弁。
4. 前記ダイアフラムが金属から作製される、請求項１〜３のいずれか一項に記載のダイアフラム制御弁。
5. 前記ダイアフラムがエラストマー材料から作製される、請求項１〜３のいずれか一項に記載のダイアフラム制御弁。
6. 前記締め付け座金が突起を備え、前記突起が、前記上向きの環状リップと前記弁帽締め付け面との間に配置される、請求項１〜５のいずれか一項に記載のダイアフラム制御弁。
7. ダイアフラム制御弁であって、
   弁本体に固定するための弁帽であって、前記弁帽が装着フランジおよび弁帽締め付け面を含む弁帽と、
   流体入口、流体出口、および流路を有する弁本体であって、前記流路が入口通路、出口通路、および前記入口通路と前記出口通路との間に位置付けられる制御通路を含み、前記弁帽の前記装着フランジに近接して位置付けられた本体締め付け面を有する装着部をさらに含み、前記本体締め付け面が前記弁帽締め付け面に向かい合う弁本体と、
   前記制御通路内に位置付けられたダイアフラムであって、前記ダイアフラムの少なくとも一部分が前記弁帽締め付け面と前記本体締め付け面との間に占め付けられるダイアフラムと、
   本体と突起とを含む締め付け座金であって、前記ダイアフラムと前記弁帽締め付け面との間に配置された締め付け座金とを備え、
   前記弁帽締め付け面が、スカートにより形成される第１の環状保持表面へと移行し、前記本体締め付け面が、上向きの環状リップにより形成される第２の環状保持表面へと移行し、前記スカートが、前記弁本体の少なくとも一部分にわたって延び、間隙が、前記上向きの環状リップと前記スカートとの間に形成され、
   前記突起が、前記上向きの環状リップと前記弁帽との間に配置される、ダイアフラム制御弁。
8. 前記ダイアフラムがエラストマー材料から作製される、請求項７に記載のダイアフラム制御弁。
9. 前記ダイアフラムの一部分が、前記締め付け座金と前記本体締め付け面との間で圧縮され、前記ダイアフラムの前記圧縮された部分が、前記ダイアフラムの圧縮されていない部分よりも薄い、請求項７または８に記載のダイアフラム制御弁。
10. 前記本体締め付け面が陥凹溝を含む、請求項７〜９のいずれか一項に記載のダイアフラム制御弁。
11. 前記陥凹溝内に配置されたＯリングをさらに備える、請求項１０に記載のダイアフラム制御弁。
12. 前記締め付け座金の厚さと前記ダイアフラムの厚さとの合計が、前記突起の厚さと前記上向きの環状リップの高さとの合計よりも大きい、請求項７〜１１のいずれか一項に記載のダイアフラム制御弁。
13. 丸み付きのアーチ型表面が前記弁帽締め付け面と前記第１の環状保持表面との間に配置される、請求項７〜１２のいずれか一項に記載のダイアフラム制御弁。
14. ダイアフラム制御弁であって、
    弁本体に固定するための弁帽であって、装着フランジおよび弁帽締め付け面を含む弁帽と、
    流体入口、流体出口、および流路を有する弁本体であって、前記流路が入口通路、出口通路、および前記入口通路と前記出口通路との間に位置付けられる制御通路を含み、前記弁本体が前記弁帽の前記装着フランジに近接して配置された本体締め付け面を有する装着部をさらに含み、前記本体締め付け面が前記弁帽締め付け面に向かい合う弁本体と、
    前記制御通路内に位置付けられた金属製ダイアフラムであって、前記ダイアフラムの少なくとも一部分が前記弁帽締め付け面と前記本体締め付け面との間に取り付けられる金属製ダイアフラムと、
    本体を含む締め付け座金であって、前記ダイアフラムと前記弁帽締め付け面との間に配置された締め付け座金とを備え、
    前記弁帽締め付け面が、スカートにより形成される第１の環状保持表面へと移行し、前記本体締め付け面が、上向きの環状リップにより形成される第２の環状保持表面へと移行し、前記スカートが、前記弁本体の少なくとも一部分にわたって延び、間隙が、前記上向きの環状リップと前記スカートとの間に形成され、
    前記締め付け座金の厚さと前記ダイアフラムの厚さとの合計は前記上向きの環状リップの高さよりも大きい、ダイアフラム制御弁。
15. 丸み付きのアーチ型表面が前記弁帽締め付け面と前記第１の環状保持表面との間に配置される、請求項１４に記載のダイアフラム制御弁。
16. 前記本体締め付け面内に配置された陥凹溝をさらに備える、請求項１４または１５に記載のダイアフラム制御弁。
17. 前記陥凹溝内に配置されたＯリングをさらに備える、請求項１６に記載のダイアフラム制御弁。
18. 制御弁の組み立て方法であって、
    装着フランジとスカートにより形成される第１の環状保持表面へと移行する弁帽締め付け面とを含む弁帽を提供することと、
    前記第１の締め付け面に向かい合う本体締め付け面を有する弁本体を提供することであって、上向きのリップにより形成される第２の環状保持表面へと移行し、間隙が前記上向きのリップと前記スカートとの間に形成される、弁本体を提供することと、
    エラストマー製ダイアフラムおよび金属製ダイアフラムのうちの１つを選択することと、
    締め付け座金を前記弁帽締め付け面と、前記エラストマー製ダイアフラムと前記金属製ダイアフラムとのうちの前記選択された１つとの間に挿入することと、
    前記エラストマー製ダイアフラムと前記金属製ダイアフラムとのうちの前記選択された１つを前記弁帽締め付け面と前記本体締め付け面との間で締め付けることとを備え、
    前記締め付け座金の厚さと前記エラストマー製ダイアフラムと前記金属製ダイアフラムとのうちの前記選択された１つの厚さとの合計は前記上向きの環状リップの高さよりも大きい、制御弁の組み立て方法。
19. 前記締め付け座金は、突起または突出部を有する締め付け座金および突起または突出部なしの締め付け座金から選択されている、請求項１８に記載の方法。
20. 前記エラストマー製ダイアフラムが選択された際に、前記突起または突出部を有する前記締め付け座金が選択される、請求項１９に記載の方法。
21. 前記金属製ダイアフラムが選択された際に、前記突起または突出部なしの前記締め付け座金が選択される、請求項１９に記載の方法。

Images