JP6748101B2 - 流体バルブアッセンブリ - Google Patents

Description

本発明は、流体アクチュエータ、特に空気圧アクチュエータ及び液圧アクチュエータの制御に関する。

アクチュエータは、動作をもたらす又は動作を制御するための機構として頻繁に使用される。そのアクチュエータは、エネルギー源、典型的には電流、水圧の流体圧、又は空気圧の流体圧力によって作動され、そのエネルギーを制御バルブの閉鎖要素の動き等のターゲット機構の運動に変換する。

制御バルブは、一般に、様々なパイプライン及びプロセスにおける液体流又はガス流の連続的な制御に使用される。パルプ、紙、石油精製、石油化学及び化学工業等のプロセス産業では、様々な種類の制御バルブが、プラントの配管システムにおいてプロセスの際に流入する制御材料に取り付けられる。材料の流れは、流体、溶液、液体、気体、及び蒸気等のあらゆる流体材料を含むことができる。制御バルブは、通常、バルブの閉鎖要素を全開放位置と全閉鎖位置との間の所望の位置に移動させるアクチュエータに接続される。アクチュエータは、例えば、空気圧シリンダー・ピストン装置であってもよい。アクチュエータ（その一部）は、通常、バルブ制御装置とも呼ばれるバルブ位置決め装置によって制御され、制御バルブの閉鎖要素の位置を制御し、こうしてプロセス制御装置からの制御信号に従ってプロセスにおける材料の流れを制御する。

業界で一般的に用いられるバルブは、大抵の場合、空気圧アクチュエータによって作動する。これらのアクチュエータは、ステムに接続されるダイアフラム又はピストンに作用する圧力によって空気圧をバルブ・ステムの動きに変換する。アクチュエータは単動式又は複動式のいずれでもよい。単動式装置の場合に、反対方向への移動は、バネによって行われ、圧縮空気がこのバネに作用している。空気圧によってバルブが閉じられ、且つバネの作用によってバルブが開けられるときに、アクチュエータは直接作動と呼ばれる。空気圧によってバルブが開かれ、且つバネの作用によってバルブが閉じられるときに、アクチュエータは逆作動と呼ばれる。複動式アクチュエータでは、ダイアフラム又はピストンの両側に空気が供給される。ダイアフラム又はピストンを挟む差圧によって、バルブ・ステムを位置決めする。空気圧信号が回路によって自動的に制御されると、自動運転が行われる。半自動運転は、回路内の手動スイッチによって空気制御バルブに対して行われる。また、空気圧アクチュエータに類似したバルブの位置決めのために液圧アクチュエータを用いることができるが、空気又は空気圧流体の代わりに水圧流体が使用される。

バルブ位置決め装置は、通常、デジタルフィールドバスを介して制御コマンド又はアナログ４〜２０ｍＡ制御信号として制御コマンドを受信できる。高速アドレス可能リモートトランスデューサ（HART）プロトコルは、従来の４〜２０ｍＡのアナログ信号と共にデジタルデータの送信を可能にする。フィールドバスの他の例は、フィールドバス及びプロフィバス（Profibus）である。通常、位置決め装置への全ての電力は、フィールドバス又は４〜２０ｍＡの制御信号から取り込まれる。位置決め装置への別個の電力供給は望ましくない。なぜなら、これは別個のケーブルを必要とするからである。位置決め装置は、電気制御出力を有する電子ユニットと、電気制御信号を取り込んでこの電気制御信号をアクチュエータに対する対応する流体圧力出力に変換する空気圧又は液圧ユニットとを含むことができる。これは、大抵の場合、電流／圧力（I/P）変換と呼ばれる。空気圧ユニット又は液圧ユニットは、前段（Prestage）及び出力段（output stage）を含むことができる。フィールドバス又はアナログ電流ループから得られる電力が非常に制限されるので、前段は、最初に、電気制御信号を、出力段を制御するのに十分な小さなパイロット流体圧力に変換することができる。出力段は、供給流体圧力に接続され、その小さなパイロット圧力信号をアクチュエータによって使用されるより大きな流体圧力出力信号に増幅する。出力段は、大抵の場合、圧力増幅器、圧力ブースタ、又は圧力リレーと呼ばれる。

位置決め装置で使用される空気圧出力段は、大まかに、スプールバルブ・アセンブリとポペットバルブ・アセンブリにグループ化できる。複動式アクチュエータを制御するための５／３スプールバルブ（５ポート／３状態）の簡略化された設計例が図１Ａに及び対応する回路図記号１Ｂに示される。スプールバルブタイプの出力段では、可動部品は、バルブ本体７の中央ボア内を移動するスプール６のみであり、このスプール６によって、圧力供給ポート１からアクチュエータ・ポート２，４へ及びアクチュエータ・ポート２，４から排出ポート３及び５への空気流を制御する。スプールバルブの構造によって、バルブを通る供給空気の漏れが常に存在する。スプールバルブの製造技術には、厳しい公差が非常に要求される。一般に、スプールバルブタイプの出力段は、動作環境の変化や製造する際の変化に対して頑強さに乏しい。

ポペットバルブ設計の出力段は、スプールバルブよりも可動部品の部品点数が多くなってしまう。しかしながら、スプールバルブ部品に許容されるより大きな公差及びクリアランスによって、経済的な大量生産及び最新の製造技術の利用を可能にする。複動式アクチュエータを制御するための従来の４／２ポペットバルブ（４ポート／２状態）の簡略化された設計例を図１Ｃに及び対応する回路図記号を図１Ｄに示す。理解されるように、従来のポペットバルブ・アセンブリでは、２つの別個のポペットバルブ８及び９が、圧力供給ポート１からアクチュエータ・ポート２，４へ及びアクチュエータ・ポート２，４から排出ポート３への空気流を制御するために必要とされる。図１Ｃに示される従来の出力段では、ポペットバルブ８及び９の動きが互いに機械的に接続されていないので、単一のパイロット圧力による制御可能性が貧弱になる。特許文献１は出力段を開示しており、複数のポペットバルブの運動は、作動ビームによって一緒になって同調して動くが、反対方向に動く。作動ビームは、中心ピボット上で回転するロッカーアームである。ポペットバルブの動きはここでは同期している。

図１Ｃに示される従来の出力段と特許文献１の出力段との両方において、ポペットバルブの制御には、押圧力に打ち勝つために非常に大きな力が必要となる。ポペットバルブを開くために必要とされる閾値力は大きくなり、制御領域内に著しい中断点が導入される。ポペットバルブタイプの従来技術の出力段のこの特性は、出力段の制御を著しく困難にさせる。

単動式アクチュエータ用のポペットバルブタイプの３／２出力段（３ポート／２状態）の例が、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４、及び特許文献５に開示されている。

米国特許第６，２７６，３８５号 米国特許第６，９５７，１２７号 米国特許第８，５２２，８１８号 米国特許第７，４５８，３１０号 米国特許第５，２６１，４５８号

本発明の一態様は、流体バルブ・アセンブリ、すなわちポペットバルブ設計の出力段を提供することである。

本発明の一態様は、独立請求項に記載されるような流体バルブ・アセンブリ及びバルブ位置決め装置である。本発明の実施形態は、従属請求項に開示される。

本発明の一態様は、アクチュエータ、特に液圧又は空気圧アクチュエータにアクチュエータ流体圧力を与えるための、加圧流体の供給部に接続するための流体バルブ・アセンブリであって、この流体バルブ・アセンブリは、
加圧流体の供給を受ける少なくとも１つの供給ポートと、制御流体圧力をアクチュエータに供給する少なくとも１つのアクチュエータ・ポートと、少なくとも１つの排出ポートとを含む、中央ボアを有するバルブ本体と、
中央ボア内でパイロット力によって軸線方向に移動可能なステムと、
ステムによって動作可能に結合された少なくとも一対の反作用式メータリング・エッジ（counter-acting metering edge）であって、各反作用対の各メータリング・エッジは、バルブ本体又はステム上の相手側の座面と、可撓性要素によってバルブ本体又はステムに支持されるポペットリングとを含み、可撓性要素は、それぞれのメータリング・エッジの閉鎖状態でも、ポペットリングと支持するバルブ本体又はステムとの相対的な軸線方向の動きを可能にする、メータリング・エッジと、を有する。

一実施形態では、少なくとも一対の反作用式メータリング・エッジは、ステムによって機械的に結合され、それにより各反作用対の両方のメータリング・エッジがステムの中間位置で閉鎖状態になり、ステムの第１の軸線方向位置への移動に伴って、各反作用対の一方のメータリング・エッジが閉じられ、他方のメータリング・エッジが開かれ、ステムの反対の第２の軸線方向位置への移動に伴って、各反作用対の一方のメータリング・エッジが開かれ、他方のメータリング・エッジが閉じられる。

一実施形態では、各反作用対の一方のメータリング・エッジは、それぞれのアクチュエータ・ポートと流体供給部との間の流体流を制御するように構成され、各反作用対の他方の制御エッジは、それぞれのアクチュエータ・ポートと排出ポートとの間の流体流を制御するように構成される。

一実施形態では、各反作用対の一方の制御エッジは、可撓性要素によってステムに支持されるポペットリング及びバルブ本体上のそれぞれの相手側の座面を含み、各反作用対の他方の制御エッジは、可撓性要素によってバルブ本体に支持されるポペットリング及びステム上のそれぞれの相手側の座面を含む。

一実施形態では、ポペットリングは、ステムと同軸線上に配置され、各ポペットリングの可撓性要素は、それぞれの環状シール要素、好ましくは環状シール・ダイアフラム又は環状シール・ベローズを含む。

一実施形態では、各反作用対の一方の制御エッジにおいて、ポペットリングは、そのポペットリングの内円でそれぞれの可撓性の環状シール要素によってステムの外円に対して支持され、及び各反作用対の他方の制御エッジにおいて、ポペットリングは、そのポペットリングの外円でそれぞれの可撓性の環状シール要素によってバルブ本体に対して支持される。

一実施形態では、各ポペットリングは、それぞれのポペットリングに及ぼされる流体圧力を略補償するように圧力平衡される。

一実施形態では、少なくとも一対の反作用式メータリング・エッジは、流体バルブ・アセンブリの各アクチュエータ・ポートのための一対の反作用式メータリング・エッジを含み、アクチュエータ・ポートは、好ましくは、それぞれの対の反作用式メータリング・エッジの間に配置される。

一実施形態では、少なくとも１つのアクチュエータ・ポートは、第１のアクチュエータ・ポートと第２のアクチュエータ・ポートとを含み、少なくとも一対の反作用式メータリング・エッジは、第１のアクチュエータ・ポートのための第１及び第２のメータリング・エッジの第１の反作用対と、第２のアクチュエータのための第３及び第４のメータリング・エッジの第２の反作用対とを含む。

一実施形態では、第１のアクチュエータ・ポートは、第１の反作用対の第１のメータリング・エッジと第２のメータリング・エッジとの間に位置し、第２のアクチュエータ・ポートは、第２の反作用対の第３のメータリング・エッジと第４のメータリング・エッジとの間に位置する。

一実施形態では、
第１のメータリング・エッジは、中央ボア内でステムの周りに同軸線上に配置され、且つ第１の可撓性シール要素部材によってバルブ本体に固定される第１のポペットリングを含み、第１の可撓性シール要素部材は第１のポペットリングの軸線方向の移動を可能にし、第１のポペットリングは、ステム上の第１の相手側の座面と協働して、第１のアクチュエータ・ポートと、供給ポート及び排出ポートの一方との間の流体流を制御し、
第２のメータリング・エッジは、中央ボア内でステムの周りに同軸線上に配置され、且つ第２の可撓性シール部材によってステム装置に接続される第２のポペットリングを含み、第２の可撓性シール部材は第２のポペットリングの軸線方向の移動を可能にし、第２のポペットリングは、バルブ本体上の第２の相手側の座面と協働して、アクチュエータ・ポートと、供給ポート及び排出ポートの他方との間の流体流を制御し、
第３のメータリング・エッジは、中央ボア内でステムの周りに同軸線上に配置され、且つ第３の可撓性シール要素部材によってステムに固定される第３のポペットリングを含み、第３の可撓性シール要素部材は第３のポペットリングの軸線方向の移動を可能にし、第３のポペットリングは、バルブ本体上の第３の相手側の座面と協働して、第２のアクチュエータ・ポートと、供給ポート及び排出ポートの一方との間の流体流を制御し、
第４のメータリング・エッジは、中央ボア内でステムの周りに同軸線上に配置され、且つ第４の可撓性シール部材によってバルブ本体装置に接続される第４のポペットリングを含み、第４の可撓性シール部材は第４のポペットリングの軸線方向の移動を可能にし、第４のポペットリングは、ステム上の第４の相手側の座面と協働して、第２のアクチュエータ・ポートと、供給ポート及び排出ポートの他方との間の流体流を制御する。

一実施形態では、少なくとも１つの供給ポートは、第２対のメータリング・エッジと第３対のメータリング・エッジとの間に規定された中央ボアの中間部分に位置する共通の供給ポートを含み、少なくとも１つの排出ポートは、第１のメータリング・エッジと中央ボアの第１の端部との間に規定された中央ボアの第１の端部セクションに配置された第１の排出ポートと、第４のメータリング・エッジと中央ボアの反対側の第２の端部との間に規定された中央ボアの反対側の第２の端部セクションに配置された第２の排出ポートとを含む。

一実施形態は、ステムの一端に作用する軸線方向のパイロット力を与えるための手段と、ステムの反対側の端部に作用する軸線方向の反力を与えるための手段とを含む。

一実施形態は、パイロット流体圧力に依存する軸線方向のパイロット力を与えるようにステムの一端に配置されるパイロット・ダイアフラム及びピストンを含む。

一実施形態は、反作用ダイアフラムに作用する反作用流体圧力に応じて、軸線方向のパイロット力とは反対の軸線方向の反力を与えるようにステムの一端に配置される反作用ダイアフラム及び反作用ピストンを含む。

一実施形態では、反作用ダイアフラムは、反作用ダイアフラムに作用する供給流体力からの軸線方向の反力を調整するように構成される。

一実施形態では、反作用ダイアフラムは、一方の制御エッジのシール・ダイアフラムを含む。

一実施形態では、全てのメータリング・エッジが軸線方向に整列される。

一実施形態では、軸線方向のパイロット力を与える手段は、パイロット圧力チャンバ内のパイロット流体圧力に依存する軸線方向のパイロット力を与えるためにステムの他端に配置されたパイロット・ダイアフラム及びピストンと、バルブ・アセンブリの供給圧入口からパイロット圧力チャンバ内のパイロット圧力を制御して軸線方向のパイロット力を制御する前段へのさらに制限された流路とを設ける手段を含み、軸線方向の反力を与える手段は、逆圧チャンバ内の反作用ダイアフラムに作用する逆圧力に応じた軸線方向の反力を与えるためにステムの一端に配置された反作用ダイアフラム及び反作用ピストンと、バルブ・アセンブリの供給圧入口から逆圧チャンバまでのさらに制限された流路と、を含む。

一実施形態では、制限された流路及びさらに制限された流路は、軸線方向の反力の変化率及び供給圧入口における供給圧力の変化によるパイロット力の変化率が略等しくなるように寸法決めされる。

一実施形態では、制限された流路及び／又はさらに制限された流路は、好ましくは約０．１ｍｍ〜約０．５ｍｍ、より好ましくは約０．２ｍｍ〜約０．３ｍｍのオリフィス直径を有するオリフィス流量制限器等の流量制限器を含む。

本発明の別の態様は、電気制御出力を有する電子ユニットと、電気制御出力をアクチュエータへの対応する流体圧力出力に変換するように構成された空気圧又は液圧ユニットとを含むプロセスバルブ位置決め装置であって、流体ユニットは、本発明の実施形態による流体バルブ・アセンブリを含む。

一実施形態では、空気圧又は液圧ユニットは、前段及び出力段を含み、前段は、電気制御出力を、出力段を制御するのに十分なパイロット流体圧力に変換するように構成され、出力段は、本発明の実施形態による流体バルブ・アセンブリを含む。

一実施形態では、空気圧又は液圧ユニットは、電気制御出力を反作用流体圧力に変換するように構成された更なる前段を含む。

本発明のさらに別の態様は、プロセスバルブを制御する際の本発明の実施形態による流体バルブ・アセンブリの使用である。

従来技術の５／３スプールバルブの簡略化された例を示す図である。 従来技術の５／３スプールバルブの対応する回路図記号の簡略化された例を示す図である。 従来技術の４／２ポペットバルブの簡略化された例を示す図である。 従来技術の４／２ポペットバルブの対応する回路図記号の簡略化された例を示す図である。 本発明の例示的な実施形態によるステムの第１の位置における流体バルブ・アセンブリを概略的に示す図である。 本発明の例示的な実施形態によるステムの第２の位置における流体バルブ・アセンブリを概略的に示す図である。 本発明の例示的な実施形態によるステムの第３の位置における流体バルブ・アセンブリを概略的に示す図である。 更なる例示的な実施形態によるステムの第１の位置における流体バルブ・アセンブリを概略的に示す図である。 更なる例示的な実施形態によるステムの第２の位置における流体バルブ・アセンブリを概略的に示す図である。 供給圧力から導かれるパイロット力及び反力を用いる流体バルブ・アセンブリを概略的に示す図である。 ステムの第１の位置におけるステムに対するポペットリングの可撓性支持体の例を概略的に示す図である。 ステムの第２の位置におけるステムに対するポペットリングの可撓性支持体の例を概略的に示す図である。 ステムの第３の位置におけるステムに対するポペットリングの可撓性支持体の例を概略的に示す図である。 本発明の実施形態による圧力平衡型ポペットリングの例を概略的に示す図である。 本発明の実施形態による圧力平衡型ポペットリングの例を概略的に示す図である。 本発明の実施形態による圧力平衡型ポペットリングの例を概略的に示す図である。 本発明の実施形態による圧力平衡型ポペットリングの例を概略的に示す図である。 単動式アクチュエータを制御するための更なる例示的な実施形態による流体バルブ・アセンブリを概略的に示す図である。 例示的なプロセス自動化システムの概略ブロック図である。 空気圧アクチュエータによって、バルブ位置決め装置の制御下でプロセスバルブを動作させる例示的な構成を示す図である。 本発明の実施形態による流体バルブ・アセンブリを適用することができる例示的なインテリジェントバルブ制御装置の概略ブロック図である。

以下、本発明について、添付図面を参照して例示的な実施形態により説明する。

図２Ａ、図２Ｂ、及び図２Ｃには、本発明の例示的な実施形態に従ってアクチュエータに制御流体圧力を与えるために加圧流体の供給部に接続される流体バルブ・アセンブリ２０が概略的に示される。

図３Ａ及び図３Ｂには、更なる例示的な実施形態による流体バルブ・アセンブリ２０がより詳細に概略的に示される。図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃ、図３Ａ、及び図３Ｂの同じ参照符号は、同じ又は対応する要素、構造、機能、及び特徴を指す。

例示的な実施形態では、バルブ・アセンブリは、複動式アクチュエータ又は対応する装置を制御するための５つのポート及び３つの位置又は状態を有する５／３バルブである。しかしながら、他の数のポート及び／又は位置又は状態を有するバルブ・アセンブリにも同じ原理を適用することができる。

バルブ・アセンブリ２０は、加圧流体の供給を受ける供給ポートＳと、第１の制御流体圧力を複動式アクチュエータに供給する第１のアクチュエータ・ポートＣ１と、このアクチュエータ・ポートＣ１からの流体圧力を（例えば、環境に）放出する第１の排出ポートＥＸ１と、第２の制御流体圧力を複動式アクチュエータに供給する第２のアクチュエータ・ポートＣ２と、このアクチュエータ・ポートＣ２からの流体圧力を（例えば、環境に）放出する第２の排出ポートＥＸ２とを含む、軸線方向の中央ボア又はチャンバ２０２を有する細長いフレーム又は本体２０１を有する。

本発明の一態様によれば、ステム２０３が、中央ボア２０２内で軸線方向に移動するようにバルブ本体２０１内に設けられる。ステム２０３は、バルブ・アセンブリに設置されたときに単一の剛性ステムを形成するように構成された２つ以上の部品を含んでもよい。ステム２０３は、中央ボア２０２内の軸線方向に離間した位置に配置された複数のポペットリングＰＲ１、ＰＲ２、ＰＲ３、及びＰＲ４を貫通している。各ポペットリングＰＲ１、ＰＲ２、ＰＲ３、及びＰＲ４は、ステム２０３と同軸線上に配置され、相手側の（mating）座面ＰＳ１、ＰＳ２、ＰＳ３、及びＰＳ４と協働し、それぞれのアクチュエータ・ポートＣ１，Ｃ２と供給ポート及び排出ポートの一方との間の流体流を制御するための（図２Ｂ，２Ｃの矢印で示される）制御オリフィスを形成する、メータリング・エッジ（metering edge）（代替的に、制御エッジとも呼ばれる）ＰＲ１／ＰＳ１、ＰＲ２／ＰＳ２、ＰＲ３／ＰＳ３、及びＰＲ４／ＰＳ４を形成する。メータリング・エッジの閉鎖位置では、ポペットリングがそれぞれの相手側の座面に押し付けられるときに、メータリング・エッジを通る流体流は実質的に存在しない。メータリング・エッジが閉じられていると考えられるが、いくつかの実施形態では、流体流又は流体の漏れが許容され得ることを理解されたい。メータリング・エッジの開放位置では、ポペットリングがそれぞれの相手側の座面から分離され、且つそれらポペットリングと相手側の座面との間でオリフィスが開かれるときに、メータリング・エッジを通る流体流が許容される。

本発明の一態様によれば、バルブ・アセンブリ２０のメータリング・エッジＰＲ１／ＰＳ１、ＰＲ２／ＰＳ２、ＰＲ３／ＰＳ３、及びＰＲ４／ＰＳ４は、ステム２０３によって機械的に結合され、且つ可撓性要素ＳＤ１、ＳＤ２、ＳＤ３、及びＳＤ４によって支持される。メータリング・エッジとステム２０３又は本体２０１との軸線方向の相対運動は、これらメータリング・エッジとステム２０３又は本体２０１とが閉鎖位置に達したときにも閉鎖方向に許容される。従来のポペットバルブでは、バルブを閉じると、ポペットの運動は、閉鎖方向に継続することができない。これは、１つのパイロット圧力等の１つのパイロット力で５／３ポペットバルブを正確に制御することができる。これは、図１Ｃに示される従来技術のポペット構造では不可能である。特許文献１に開示される従来のポペット構造では、ポペットバルブ同士の間の機械的接続がロッカーアームによって実施される。

本発明の一態様によれば、一対の反作用式（counter-acting）メータリング・エッジが、アクチュエータ・ポートＣ１及びＣ２のそれぞれに設けられ、その反作用対の両方のメータリング・エッジはステムの中央位置で閉じられ、ステム２０３の第１の軸線方向への移動に伴って、反作用対の一方のメータリング・エッジが閉じられ、他方のメータリング・エッジが開かれ、ステム２０３の反対の第２の軸線方向への移動に伴って、反作用対の一方のメータリング・エッジが開かれ、他方のメータリング・エッジが閉じられる。

ポペットタイプのバルブ・アセンブリは、スプールバルブとは異なり、摩耗し易い軟質のシールを使用しないので、実質的に漏れを生じさせないようにすることができる。要求される製造技術は、クリアランスの小さいスプールバルブほど要求されない。部品点数が増えたにもかかわらず、製造コストは競争力がある。

一実施形態では、ステム２０３と同軸線上に配置された各ポペットリングＰＲ１、ＰＲ２、ＰＲ３、及びＰＲ４は、それぞれの可撓性要素ＳＤ１、ＳＤ２、ＳＤ３、及びＳＤ４によって本体２０１又はステム２０３に対して支持され、それにより、ポペットリングが閉鎖位置に達したときにも、閉鎖方向におけるポペットリングＰＲ１、ＰＲ２、ＰＲ３、及びＰＲ４と、ステム２０３又は本体２０１との軸線方向の相対運動が許容される。

一実施形態では、可撓性要素ＳＤ１、ＳＤ２、ＳＤ３、及びＳＤ４は、図３Ａ及び３Ｂ、並びに図４Ａ、図４Ｂ、及び図４Ｃの例に示されるような、環状シール・ダイアフラム又は環状シール・ベローズである。

一実施形態では、各ポペットリングＰＲ１、ＰＲ２、ＰＲ３、及びＰＲ４は、肩部又はフランジ等のステム２０３のより大きい直径部分によって形成された又は中央ボア２０２内に半径方向に突出した本体部分によって形成されたそれぞれの相手側の座面ＰＳ１、ＰＳ２、ＰＳ３、及びＰＳ４を有し、それによって、本体２０１の内向きの肩部又はフランジ等の、中央ボア２０２のより小さい直径部分を提供する。

本発明の一実施形態では、ポペットリングＰＲ１及びＰＲ４は、外円でそれぞれの可撓性要素ＳＤ１及びＳＤ４によってバルブ本体２０１に支持され、内円は自由である。ポペットリングＰＲ１及びＰＲ４は、中央ボア２０２に対して半径方向内向きに突出し、且つステム２０３のそれぞれの大径端部分２０３Ａ及び２０３Ｂによって形成されたそれぞれの相手側の座面ＰＳ１及びＰＳ４を有する。ポペットリングＰＲ２及びＰＲ３は、内円でそれぞれの可撓性要素ＳＤ２及びＳＤ３によってステム２０３に支持され、外円は自由である。ポペットリングＰＲ２及びＰＲ３は、バルブ体２０１に形成されたそれぞれの相手側の座面ＰＳ２及びＰＳ３を有する。

本発明の一態様によれば、反作用対のメータリング・エッジが、アクチュエータ・ポートＣ１及びＣ２のそれぞれに設けられ、それによって、反作用対の両方のメータリング・エッジはステムの中央位置で閉じられ、ステム２０３の第１の軸線方向への移動に伴って反作用対の一方のメータリング・エッジが閉じられ、他方のメータリング・エッジが開かれ、ステム２０３の反対の第２の軸線方向への移動に伴って、反作用対の一方のメータリング・エッジが開かれ、他方のメータリング・エッジが閉じられる。

一実施形態では、第１のアクチュエータ・ポートＣ１の第１対の反作用式メータリング・エッジは、第１のメータリング・エッジＰＲ１／ＰＳ１と第２のメータリング・エッジＰＲ２／ＰＳ２とを含む。第２のアクチュエータ・ポートＣ２の第２対の反作用式メータリング・エッジは、第３のメータリング・エッジＰＲ３／ＰＳ３と第４のメータリング・エッジＰＲ４／ＰＳ４とを含む。

一実施形態では、第１のメータリング・エッジＰＲ１／ＰＳ１は、第１のアクチュエータ・ポートＣ１と第１の排出ポートＥＸ１との間の流体流を制御し、第２のメータリング・エッジＰＲ２／ＰＳ２は、第１のアクチュエータ・ポートＣ１と供給ポートＳとの間の流体流を制御し、第３のメータリング・エッジＰＲ３／ＰＳ３は、第２のアクチュエータ・ポートＣ２と供給ポートＳとの間の流体流を制御し、第４のメータリング・エッジＰＲ４／ＰＳ４は、第２のアクチュエータ・ポートＣ２と第２の排出ポートＥＸ２との間の流体流を制御する。

一実施形態では、第１のアクチュエータ・ポートＣ１は、第１対のメータリング・エッジＰＲ１／ＰＳ１と第２対のメータリング・エッジＰＲ２／ＰＳ２との間に規定された中央ボア２０２の部分（又はチャンバ）２０２Ｂに配置され、第２のアクチュエータ・ポートＣ２は、第３対のメータリング・エッジＰＲ３／ＰＳ３と第４対のメータリング・エッジＰＲ４／ＰＳ４との間に規定された中央ボア２０２の部分（又はチャンバ）２０２Ｄに配置される。

一実施形態では、供給ポートＳは、第２対のメータリング・エッジＰＲ２／ＰＳ２と第３対のメータリング・エッジＰＲ３／ＰＳ３との間に規定された中央ボア２０２の中間部分（又はチャンバ）２０２Ｃに配置される。第１の排出ポートＥＸ１は、第１のメータリング・エッジＰＲ１／ＰＳ１と中央ボア２０２の一端との間に規定された中央ボア２０２の端部（又はチャンバ）２０２Ａに配置され、第２の排出ポートＥＸ２は、第４のメータリング・エッジＰＲ４／ＰＳ４と中央ボア２０２の反対側の端部との間に規定された中央ボア２０２の反対側の端部（チャンバ）２０２Ｅに配置される。これは、サイズ及び製造の観点から有効な構成である。しかしながら、異なる構成を使用してもよい。例えば、代替実施形態では、供給ポートＳを排出ポートとして構成してもよく、排出ポートＥＸ１及びＥＸ２を供給ポートＳ１及びＳ２として構成してもよい。更なる例として、単一の供給ポートＳを、２つの別個の供給ポートＳ１及びＳ２によって置換してもよい。

代替実施形態では、ポペットリングＰＲ２及びＰＲ３と同様の方法で、それぞれの可撓性シール要素によって全てのポペットリングをステム２０３に支持してもよく、相手側の座面ＰＳ２及びＰＳ３と同様の方法で、全ての相手側の座面をバルブ本体２０１に配置してもよい。さらに代替実施形態では、ポペットリングＰＲ１及びＰＲ４と同様の方法で、それぞれの可撓性シール要素によって全てのポペットリングをバルブ本体２０１に支持してもよく、相手側の座面ＰＳ１及びＰＳ４と同様の方法で、全ての相手側の座面をステム２０３に配置してもよい。しかしながら、この場合に、ポペットリングのいくつかは、それぞれのメータリング・エッジの高圧側にはなく、流量制御及び圧力平衡に問題を引き起こす可能性がある。

一実施形態では、バネ等の前負荷された弾性要素が、メータリング・エッジの閉鎖力を生じさせるために設けられる。例えば、アクチュエータ・ポートＣ１における中央ボア２０２内のステム２０３の周りに１つ又は複数の前負荷されたバネがあり、他端でポペットリングＰＲ１に当接し、且つその他端おいて本体２０１又はステム２０３上で肩部等の適当な支持要素に当接する。これにより、軸線方向の閉鎖力がポペットリングＰＲ１に作用して、このポペットリングＰＲ１を相手側の座面ＰＳ１に押し付ける。同様に、アクチュエータ・ポートＣ２における中央ボア２０２内のステム２０３の周りに１つ又は複数の前負荷されたバネがあり、他端でポペットリングＰＲ４に当接し、且つその他端において本体２０１又はステム２０３上で肩部等の適切な支持要素に当接する。更なる例として、ポペットリングＰＲ２とポペットリングＰＲ３との間でステム２０３の周りに１つ又は複数の前負荷されたバネを配置して、一端においてポペットリングＰＲ２上に及び他端においてポペットリングＰＲ３上に軸線方向の閉鎖力を及ぼすことができる。しかしながら、閉鎖力が生成される特定の技術は、基本的な発明に必須ではないことを理解されたい。

図２Ａに示されるステム２０３の閉じた中央位置では、ステム２０３を中央位置から軸線方向に変位させる軸線方向の正味の力Ｆは存在しない。全てのメータリング・エッジＰＲ１／ＰＳ１、ＰＲ２／ＰＳ２、ＰＲ３／ＰＳ３、及びＰＲ４／ＰＳ４は閉じられている。すなわち、各ポペットリングＰＲ１、ＰＲ２、ＰＲ３、及びＰＲ４は、それぞれの相手側の座面ＰＳ１、ＰＳ２、ＰＳ３、及びＰＳ４に押し付けられている。ポートＥＸ１、Ｃ１、Ｓ、Ｃ２、及びＥＸ２の間には流体流が存在しない。図４Ａ、図４Ｂ、及び図４Ｃは、ステム２０３に対するポペットリングＰＲ３の可撓性支持体ＳＤ３の実装例を概略的に示す。可撓性支持体ＳＤ３は、ステム２０３の外周に固定された内円及びポペットリングＰＲ３の内円に固定された外円を有する折畳み式環状シール・ダイアフラムの形態であってもよい。相手側の座面ＰＳ３は、バルブ本体２０１上の固定面である。図４Ａでは、シール・ダイアフラムＳＤ３のＵ字形状の折畳みは略又は殆ど変形しておらず、ポペットリングＰＲ３は相手側のシール面ＰＳ３に載置される。メータリング・エッジの閉鎖位置は、全移動量の部分範囲、例えば総移動量の１０％を含むことができ、従って、シール・ダイアフラムは僅かに変形し得る、すなわち略又は殆ど変形しない。

軸線方向の正味の力Ｆは、ステム２０３の一端に作用する軸線方向のパイロット力と、ステム２０３の反対側の端部に作用する軸線方向の反力とによって形成することができる。例示的な実施形態では、パイロット力は、図３Ａ及び図３Ｂに示されるように、ステム２０３の一端に配置されたパイロット・ダイアフラム２０６及びピストン２０７に作用するパイロット流体圧力によって与えてもよい。例示的な実施形態では、反力は、図３Ａ及び図３Ｂに示されるように、ステム２０３の反対側の端部に配置された反作用ダイアフラム２０８及び反作用ピストン２０９に作用する反作用流体圧力によって与えてもよい。チャンバ２１１内の逆圧は供給圧力であり、反作用ダイアフラムを用いて、チャンバ２１０内のパイロット圧力によって提供される力に等しい反力を調整し、それによって軸線方向の正味の力Ｆが略ゼロになる。反作用ダイアフラム２０８の面積は、パイロット・ダイアフラム２０６の面積よりも小さい。ダイアフラム面積の比率は、用途に応じて、例えば約０．５〜０．９５であってもよい。供給圧力から反力も導出することにより、反力とパイロット力との両方を、変化し得る供給圧力に合わせて調整させ、こうして供給圧力が平衡した構造を提供することができる。

一実施形態では、図３Ｃに概略的に示されるように、パイロット圧力チャンバ２１０内のパイロット圧力を制御し、それによって軸線方向のパイロット力を制御する前段ＰＲを設けることができる。前段ＰＲは、例えば供給圧力の空気量を環境に分流するバルブ又はフラップを用いて、どれ位の量の空気をパイロット圧力入口３０３を介してパイロット圧力チャンバ２１０に導くかを制御することにより、パイロット圧力チャンバ２１０内のパイロット圧力を制御することができる。最小パイロット圧力は、フラップ又はバルブが開放位置にあるときに得られ、これは、直径が０．５ｍｍ等の所定の絞りオリフィスに対応し得る。次に、フラップ又はバルブが閉鎖方向に駆動され、絞りオリフィスは小さくなり、パイロット圧力が上昇し、最終的にフラップ又はバルブは、最小又はゼロの絞りオリフィス及び最高のパイロット圧力で閉鎖位置になる。典型的には、前段ＰＲに供給される供給圧力は、パイロット圧力の所望の制御範囲に対して供給圧力を予め調整するように制限してもよい。制御範囲を設定するための流量制限は、例えば、０．２ｍｍの絞りオリフィスに対応してもよい。

供給圧力流体が、供給チャンバ２０２Ｃから開いているメータリング・エッジＰＲ２／ＰＳ２又はＰＲ３／ＰＳ３を介してアクチュエータチャンバ２０２Ｂ又は２０２Ｄにそれぞれ流れる動的な状況では、供給圧力が突然低下し、異なる遅延の軸線方向の反力及び軸線方向のパイロット力に対応する低下をもたらす。圧力降下は非常に急激で短く、軸線方向の反力のみに影響を及ぼし、こうして軸線方向の正味の力（正味の力ピーク）を増大させることがある。正味の力を増大すると、ステム２０３が上方に移動し、それによりメータリング・エッジがさらに開き、さらに供給圧力ＳＰが低下する。また、ユーザがある時点で供給圧力を上げると、軸線方向の反力及び軸線方向のパイロット力は、異なる遅延で新しい値に到達し、正味の力に望ましくないピークを引き起こす可能性がある。同様に、ユーザが経時的に供給圧力を減少させると、同様のピークが正味の力に生成され得る。

本発明の一態様によれば、軸線方向の反力及び軸線方向のパイロット力に対する供給圧力の変動の影響が安定化され、均等化される。本発明の例示的な実施形態では、図３Ｃに示される制限された流路３０１等の制限された流路を、逆圧チャンバ２１１と（実際の外側チャンバ２０２Ｃの近くに供給圧力のチャネル部分を含む）供給チャンバ２０２Ｃとの間に設けてもよい。制限された流路３０１によって、供給チャンバ２０２Ｃ又は供給圧力内の急激な供給圧力変動が、逆圧チャンバ２１１から排除される一方、供給チャンバ２０２Ｃ内のより遅い又は永続的な供給圧力変化は、逆圧チャンバ２１１を通過する。

一実施形態では、制限された流路３０２を、（外側供給チャンバ２０２Ｃに近い供給圧入口を含む）供給チャンバ２０２Ｃから前段ＰＲに設けてもよい。制限された流路３０２は、パイロット圧力の制御範囲を設定するための供給圧力の流量制限も実施してもよい。供給チャンバ２０２Ｃに接続された制限流路３０２により、前段ＰＲにおける供給圧力の変動が安定化する。制限された流路３０２によって、供給チャンバ２０２Ｃ内の急激な供給圧力変動は、前段ＰＲの供給圧力及びパイロット圧力チャンバ２１０内に保持されたパイロット圧力から減衰又は排除される一方、供給チャンバ２０２Ｃ内のより遅い又は永続的な供給圧力の変化は、パイロット圧力チャンバ２１０を通過する。制限された流路３０１及び制限された流路３０２は、供給チャンバ２０２Ｃ内の供給圧力の変化が、パイロット圧力チャンバ２１１を通る軸線方向の反力及びパイロット圧力チャンバ２１０を通るパイロット力に対して実質的に同様の割合で影響を及ぼすように寸法決めされるので、正味力の変化は、ゼロ又は非常に小さい。こうして、逆圧チャンバ２１１の逆圧とパイロット圧力チャンバのパイロット圧とが、制御されて安定化した態様で、供給チャンバ２０２Ｃ内の供給圧の変動に追従し、バルブ・ステム２０３の急激な制御不能な動作やオーバーシュートを回避することができる。

いくつかの実施形態では、制限された流路３０１及び３０２は、図３Ｃに示されるように、絞りオリフィス（RO）等の流量制限器と呼ばれる、より狭い又はより小さい直径部分３０１Ａ及び３０２Ａをそれぞれ含むことができる。絞りオリフィスの面積（すなわち、直径）は、指定された圧力及び温度に対する所与のプロセス流体の出口での流量を決定する。絞りオリフィスは、主としてプロセス媒体の制御された流れ又は制限された流れを達成するために使用される。オリフィスはプロセスフローに制限を与え、圧力ヘッドは上流から下流に向けて降下する。例示的な実施形態では、絞りオリフィス３０１Ａ及び３０２Ａは、好ましくは約０．１ｍｍ〜約０．５ｍｍ、より好ましくは約０．２ｍｍ〜約０．３ｍｍのオリフィス直径を有することができる。絞りオリフィス３０１Ａ及び３０２Ａは、典型的には同じサイズでなくてもよいが、それら絞りオリフィスの相対的な寸法は、供給チャンバ２０２Ｃ内の供給圧力の変化が、パイロット圧力チャンバ２１１を通る軸線方向の反力とパイロット圧力チャンバ２１０を通るパイロット力とに対して実質的に同様の割合で影響を及ぼすように寸法決めされるので、正味の力の変化は、ゼロ又は非常に小さい。典型的には、制限流路３０２は、最初に所望のパイロット圧力範囲を得るために寸法決めしてもよく、制限流路３０１は、軸線方向の正味の力を安定させるように寸法決めしてもよい。

別の例として、軸線方向の反力は、ステム２０３の反対側の端部に配置されたバネ等の前負荷された弾性要素によって与えてもよい。しかしながら、この変形例では、バネ力は、供給圧力に伴って変化する機械的な力である一方、パイロット圧力は、供給圧力から導出され、供給圧力に依存する。これにより、使用可能な供給圧力の範囲が制限される。一実施形態では、パイロット流体圧力は、この問題を軽減するために、圧力調整器によって調整される供給流体圧力から導出してもよい。

一実施形態では、反作用ダイアフラム２０８の面積及びパイロット・ダイアフラム２０６の面積は、互いに略等しくてもよく、反作用流体圧力は、予め調整してもよい。

一実施形態では、反作用ダイアフラム２０８の面積及びパイロット・ダイアフラム２０６の面積は、互いに略等しくてもよく、反作用流体圧力は、最初に述べたパイロット流体圧力が制御されるのと同様の方法で、前段によって制御される第２のパイロット流体圧力を有することができる。そのような実施形態では、供給圧力、電気供給、パイロット圧力及び／又は制御信号に障害が発生した場合に、例えば流体バルブ・アセンブリは閉じた中間位置をとり、アクチュエータは現在の位置に留まる（フェイル・フリーズする（Fail Freeze））。

軸線方向の正味の力Ｆは、軸線方向のパイロット力及び軸線方向の反力が等しい場合にゼロであり、バルブ・アセンブリは、図２Ａに示される閉じた中央位置にある。アクチュエータは動かない（例えば、制御バルブは現在の開きを維持する）。軸線方向のパイロット力が軸線方向の反力より大きくなる場合に、正の軸線方向の正味の力Ｆが生成され、図２Ｂ、図３Ａ、及び図４Ｂに示されるように、ステム２０３は上方に（正の方向に）移動する。ステム２０３の肩部等の係合要素２０５がポペットリングＰＲ３に係合し、そのポペットリングを上方に移動させて第３のメータリング・エッジＰＲ３／ＰＳ３を開き、流体が、供給ポートＳからアクチュエータ・ポートＣ２に流れる。図３Ａ及び図４Ｂに示される例では、ポペットリングＰＲ３がステム２０３と共に自由に動くことができるので、シール・ダイアフラムＳＤ３のＵ字形の折畳みは、略変形していない形状をとるか又は形状を維持する。同時に、ステム２０３の上方に移動する座面ＰＳ４が本体２０１に柔軟に支持されたポペットリングＰＲ４と係合して上方に移動するにつれて、反作用式メータリング・エッジＰＲ４／ＰＳ４が閉じた状態に維持される。図３Ａに示される例では、シール・ダイアフラムＳＤ４のＵ字形状が変形して、ポペットリングＰＲ４が本体２０１に対して移動できるようになる。また、ステム２０３の座面ＰＳ１が上方に移動してポペットリングＰＲ１から離れて第１のメータリング・エッジＰＲ１／ＰＳ１を開き、流体は、アクチュエータ・ポートＣ１から排出ポートＥＸ１に流れる。図３Ａに示される例では、シール・ダイアフラムＳＤ１のＵ字形状の折畳みは、略変形しない。同時に、ポペットリングＰＲ２は、ステム２０３に柔軟に支持されているので、本体２０１上の相手側の座面ＰＳ２に対して静止した状態に維持される一方、ステム２０３は、ポペットリングＰＲ２を通って上方に移動する。こうして、メータリング・エッジＰＲ２／ＰＳ２は閉じた状態に維持される。図３Ａに示される例では、シール・ダイアフラムＳＤ２のＵ字形状が変形され、ポペットリングＰＲ２がステム２０３に対して移動できるようになる。アクチュエータは、第１の方向に（例えば、制御バルブの１００％開放に向けて）移動する。

図２Ｂ、図３Ａ、及び図４Ｂに示された位置から開始して、軸線方向のパイロット力が軸線方向の反力に等しいかそれよりも小さくなるように減少する場合に、正の軸線方向の正味の力Ｆが最初に減少し、次に負の軸線方向の正味の力Ｆが形成され、図２Ｃ、図３Ｂ、及び図４Ｃに示されるように、ステム２０３は、下方に（負の方向へ）移動する。ステム２０３の肩部等の係合要素２０４がポペットリングＰＲ２に係合し、このポペットリングを下方に移動させて第２のメータリング・エッジＰＲ２／ＰＳ２を開き、流体は、供給ポートＳからアクチュエータ・ポートＣ１に流れる。図３Ｂに示される例では、シール・ダイアフラムＳＤ２のＵ字形状は、ステム２０３に対するポペットリングＰＲ２の上方への移動に伴って、元の略変形していない形状に復元される。同時に、ポペットリングＰＲ１は、本体２０１に柔軟に支持されているので、ステム２０３の下方に移動する座面ＰＳ１に係合してこれと共に下方に移動するとき、反作用式メータリング・エッジＰＲ１／ＰＳ１は閉じられる。図３Ｂに示される例では、シール・ダイアフラムＳＤ１のＵ字形状が変形して、ポペットリングＰＲ１が本体２０１に対して下方に移動することができる。また、ステム２０３の座面ＰＳ４が下方に移動してポペットリングＰＲ４から離れることにより、第４のメータリング・エッジＰＲ４／ＰＳ４が開き、流体は、アクチュエータ・ポートＣ２から排出ポートＥＸ２に流れる。図３Ｂに示される例では、シール・ダイアフラムＳＤ４のＵ字形状は、本体２０１に対するポペットリングＰＲ４の下方への移動に伴って、元の略又は殆ど変形していない形状に復元される。同時に、ポペットリングＰＲ３は、ステム２０３に柔軟に支持されているので、ステム２０３が下方に移動している間に、本体２０１上の相手側の座面ＰＳ３に向けて移動し、そこで停止する。こうして、メータリング・エッジＰＲ３／ＰＳ３が閉じられる。図３Ｂ及び図４Ｃに示される例では、シール・ダイアフラムＳＤ３のＵ字形状が変形され、ステム２０３に対するポペットリングＰＲ３の上方の移動が可能になる。アクチュエータは、第２の方向に（例えば、制御バルブの０％開放に向けて）移動する。

本発明の一態様によれば、ポペットリングＰＲ１、ＰＲ２、ＰＲ３、及びＰＲ４は、圧力平衡状態であってもよい。圧力平衡型ポペットリングは、ポペットリングに及ぼされる流体圧力が補償されて、それぞれのメータリング・エッジ５０１に作用する結果として生じる流体圧力を非常に小さく又はゼロにさせるように寸法決め及び形状決めにすることができる。その結果、ステムを移動させるのに必要な制御力は、不平衡状態のポペットバルブ・アセンブリに必要な制御力のほんの一部に過ぎない。これは、従来技術のポペットバルブよりも速くステム２０３を制御する（より良好な制御をもたらす）又はより小さなパイロット圧力でステム２０３を制御する（制御装置のエネルギー需要をより低くする）可能性を提供する。流体圧力の補償は、制御範囲に亘るステム２０３の直線動作においても生じる。従来技術の解決策では、高い流体圧力が補償されないことによって、制御範囲のまさに中間部に著しい中断点（大きな不感帯（dead zone））を誘発する。従って、圧力平衡型ポペットリングは、従来技術のポペットバルブ・アセンブリと比較して、例示的な実施形態によるポペット型バルブ・アセンブリの制御性を著しく向上させる。これにより、プロセスバルブの制御精度を損なうことなく、小型のアクチュエータを制御するためにも大容量の出力段を用いることができる。

ポペットリングＰＲ１、ＰＲ２、ＰＲ３、及びＰＲ４は、圧力平衡型ポペットリングの例である。圧力平衡型ポペットリングの別の例を図５Ａに示す。例示的なポペットリングは、圧力平衡型ポペットリングＰＲ３の代わりに使用される場合を示しているが、同様のポペットリングを、図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃ、図３Ａ、図３Ｂ、図４Ａ、図４Ｂ、及び図４Ｃに示されるポペットリングのいずれかの代わりに使用してもよい。図５Ａでは、メータリング・エッジＰＲ３／ＰＳ３が閉じた位置で示されている。ポペットリングＰＲ３は、中間チャンバ２０２Ｃの高圧側（供給圧）にある。可撓性シール・ダイアフラムＳＤ３は、ポペットリングＰＲ３とステム２０３との間に気密シールを提供し、ポペットリングＰＲ３をステム２０３に固定する一方、ポペットリングＰＲ３とステム２０３との軸線方向の相対運動を許容する。ポペットリングＰＲ３の幾何学的形状は、有効なメータリング・エッジＰＲ３／ＰＳ３が、半径方向に比較的狭いリングチップ５０１に形成されるようなものであってもよい。シール・ダイアフラムＳＤ３の折畳みの中間点は、軸線方向（図５Ａの垂直方向）にリングチップ５０１と略整列してもよい。ポペットリングＰＲ３の反対側の端部（図５Ａの上端）には、シール・ダイアフラムＳＤ３の折畳みの中間点から半径方向外向きの幅が、供給圧力による軸線方向（下向き）の押圧力を受けるポペットリングＰＲ３に及ぼされる軸線方向（下向き）の押圧力を決定する所定の上面領域を規定する。ポペットリングＰＲ３の幾何学的形状は、高圧チャンバ２０２Ｇによって示されるように、高圧側がポペットリングより下のリングチップ５０１まで延ばされるように選択することができる。チャンバ２０２Ｇに面する底面５０３は、ポペットリングＰＲ３の底面に作用する供給圧力が、下向きの押圧力に略等しい補償する軸線方向（上向き）の押圧力を与えるように寸法決めすることができる。これにより、ポペットリングＰＲ３に作用する結果として生じる押圧力は、非常に小さいか又はゼロである。低圧側では、低圧が、可撓性ダイアフラムＳＤ３の下で、ポペットリングＰＲ３の半径方向内向きに延びる肩部５０４の上の空間２０２Ｆ内に存在してもよい。肩部５０４の寸法は、低圧流体によって肩部５０４の上面に生じる下向きの押圧力が、低圧流体によってポペットリングＰＲ３の下に生じる上向きの押圧力を略補償するような寸法であってもよい。要素５０２は、可撓性シール・ダイアフラムＳＤ３をポペットリングＰＲ３に固定する例である。図５Ｂは、本体２０１に柔軟に接続されたポペットリングＰＲ１の代わりに、同様のポペットリングを使用する例を示す。ポペットリングＰＲ１のプロファイルは、図５Ａに示されるものと鏡像であってもよい。さらに、ポペットリングＰＲ１の設置は、図３Ａ及び図３Ｂと同様に垂直方向に回転される。図５Ｃは、ポペットリングの更なる例示的なプロファイルを示す（ＰＲ３が一例として示されている）。図５Ｄは、ポペットリングの更なる例示的なプロファイルを示す（ＰＲ１が一例として示されている）。図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃ、図３Ａ、図３Ｂ、図４Ａ、図４Ｂ、及び図４Ｃに示される他のポペットリングＰＲ１、ＰＲ２、ＰＲ３、及びＰＲ４の代わりに、各リングプロファイルを垂直方向又は水平に回転させることができる。同じバルブ・アセンブリ２０に２つ以上の異なるプロファイルのポペットリングが存在してもよい。例えば、ポペットリングＰＲ１及びＰＲ４は、図５Ｄによるプロファイルを有してもよく、ポペットリングＰＲ２及びＰＲ３は、 図５Ｃによるプロファイルを有してもよい。

単動式アクチュエータの場合に、アクチュエータ・ポートは１つだけ必要であり、流体圧供給ポートＳからアクチュエータ・ポートへの流体流を制御するための１つと、アクチュエータ・ポートから排出ポートへの流体流を制御するためのもう１つとの、２つだけのメータリング・エッジが必要である。複動式アクチュエータのための流体バルブ・アセンブリ２０は、アクチュエータ・ポートＣ１及びＣ２の一方のみを使用し他方を遮断することによって、単動式アクチュエータにも使用することができる。

図６には、単動式アクチュエータ又は対応する装置を制御するための更なる例示的な実施形態による流体バルブ・アセンブリ６０が概略的に示される。バルブ・アセンブリ６０は、バルブ・アセンブリ２０の簡略化した変形例であってもよく、複動式アクチュエータの流体バルブ・アセンブリ２０に関連して本明細書に記載されるのと同じ原理を適用することができる。図６及び図２Ａ〜図２Ｃ、図３Ａ〜図３Ｂ、図４Ａ〜図４Ｃ、図５Ａ〜図５Ｄの同じ参照符号は、同じ又は対応する要素、構造、機能及び特徴を指す。

図６に示される例示的な実施形態では、バルブ・アセンブリ６０は、３つのポート及び３つの位置又は状態を有する３／３バルブである。バルブ・アセンブリ６０は、上述したバルブ・アセンブリ２０の簡略化した変形例であり、基本的にはバルブ・アセンブリ２０の下半分である。しかしながら、同様に、バルブ・アセンブリ２０の上半部又は中間部分のメータリング・エッジを用いてバルブ・アセンブリ６０を提供することができる。さらに別の方法として、上部及び下部のメータリング・エッジが使用される一方、中間部分のメータリング・エッジは省略される。バルブ・アセンブリ６０は、加圧流体の供給を受ける供給ポートＳと、単動式アクチュエータに制御流体圧力を与えるアクチュエータ・ポートＣ２と、アクチュエータ・ポートＣ２から流体圧力を（例えば、環境に）放出する排出ポートＥＸ２とを含む、軸線方向の中央ボア又はチャンバ２０２を有する細長いフレーム又は本体２０１を含む。バルブ・アセンブリ６０は、ステム２０３によって機械的に結合された一対のメータリング・エッジＰＲ３／ＰＳ３及びＰＲ４／ＰＳ４の反作用対を含むことができ、反作用対の両方のメータリング・エッジは、ステム２０３の中央位置で閉じられ、ステム２０３の第１の軸線方向への移動に伴って、反作用対の一方のメータリング・エッジが閉じられ、他方のメータリング・エッジが開かれ、ステム２０３の反対の第２の軸線方向への移動に伴って、反作用対の一方のメータリング・エッジが開かれ、他方のメータリング・エッジが閉じられる。本発明の一態様によれば、バルブ・アセンブリ６０のメータリング・エッジＰＲ３／ＰＳ３及びＰＲ４／ＰＳ４は、ステム２０３によって機械的に結合され、且つ可撓性要素ＳＤ３及びＳＤ４によって支持されるので、メータリング・エッジは、それらメータリング・エッジが閉鎖位置に達したときにもステム２０３の方向に移動を継続することができる。本発明の実施形態では、ポペットリングＰＲ３及びＰＲ４は、圧力平衡状態にある。例示的な実施形態では、パイロット力は、ステム２０３の一端に配置されたパイロット・ダイアフラム２０６及びピストン２０７に作用するパイロット流体圧力によって与えてもよい。例示的な実施形態では、シール・ダイアフラムＳＤ３は、パイロット力に対して軸線方向の反力を与える反力ダイアフラムとして機能することもできる。ステム２０３の反対側の端部に配置されたバネ等の前負荷された弾性要素２１２は、故障した場合、例えば供給圧力又は電力が失われたときに、バルブを安全な位置に駆動するために設けることができる。さらに、本体２０１の上部とポペットリングＰＲ３との間でステム２０３の周りに１つ又は複数の前負荷されたバネ２１３を配置して、ポペットリングＰＲ３に軸線方向の閉鎖力を及ぼすことができる。更なる例として、アクチュエータ・ポートＣ２における中央ボア２０２内のステム２０３の周りに１つ又は複数の前負荷されたバネがあり、このバネは、他端でポペットリングＰＲ４に当接し、その他端で本体２０１又はステム２０３上の肩部等の適切な支持要素に当接することができる。図６に示される例では、本体２０１は、本体２０１を形成するように組み立てられる２０１Ａ、２０１Ｂ、及び２０１Ｃ等の複数の別部品を有することができる。このようなアプローチは、流体バルブの製造及び組立を容易にする。

また、複動式アクチュエータの流体バルブ・アセンブリ２０に関して説明した全ての実施形態は、単動式アクチュエータの流体バルブ・アセンブリ６０にも適用することができ、その逆も可能であることを理解されたい。

本発明の実施形態は、流体圧力で作動するあらゆるアクチュエータの制御に適用することができる。本発明の実施形態は、工業プロセス等のあらゆる自動化システムにおいて、制御バルブ、遮断バルブ、スクリーン等の、プロセス装置のアクチュエータの制御に特に適用可能である。

図７は、本発明の原理をバルブ位置決め装置に適用することができる例示的なプロセス自動化システムの概略ブロック図を示す。制御システムブロック７５は、一般に、自動化システムにおいて工場ＬＡＮ７４によって相互接続されている、任意の及び全ての制御室コンピュータ／プログラム及びプロセス制御コンピュータ／プログラム並びにデータベースを表す。制御システムには様々なアーキテクチャがある。例えば、制御システムは、当技術分野で周知の直接デジタル制御（DDC）システム又は分散制御システム（DCS）或いは両方であってもよい。

図７の例では、１つの制御プロセスバルブしか示されていないが、自動化システムは、任意数の制御バルブ等のフィールドデバイス（現場の装置）を含むことができ、それらは大抵の場合、数百個ある。制御システムとフィールドデバイス（例えば、制御バルブ）との間の相互接続をプラント領域内に配置するための様々な代替方法がある。図７において、フィールドバス／プロセスバス７３は、一般にそのような相互接続を表す。慣例上、フィールドデバイスは、２線ツイストペアループによって制御システムに接続されており、各デバイスは、４〜２０ｍＡのアナログ入力信号を供給する単一のツイストペアによって制御システムに接続されている。より最近では、従来の４〜２０ｍＡアナログ信号と共にデジタルデータのツイストペアループでの伝送を可能にする、高速アドレス可能リモートトランスデューサ（HART）プロトコル等の新しい解決策が、制御システムで使用されている。ＨＡＲＴプロトコルは、例えば、刊行物ＨＡＲＴフィールド通信プロトコル：An Introduction for Users and Manufactures, HART Communication Foundation, 1995に詳細に記載されている。ＨＡＲＴプロトコルも工業標準として開発されている。他のフィールドバスの例には、Foundation FieldbusとProfibus PAがある。しかしながら、フィールドバス／プロセスバス７３のタイプ又は実装は、本発明とは関係がないことを理解されたい。フィールドバス／プロセスバス７３は、上述した選択肢のいずれか１つ、又はそれらの任意の組合せ、又は他の実装に基づいてもよい。

プロセスバルブ７１及び位置決め装置／アクチュエータ７２は、プロセス・パイプライン７６内の物質の流れを制御するプロセスに接続することができる。材料の流れは、流体、溶液、液体、気体、及び蒸気等の任意の流体材料を含むことができる。

図８は、空気圧アクチュエータ７２Ｂがバルブ位置決め装置７２Ａの制御下でプロセスバルブ７１を作動させる例示的な構成を示す。プロセスバルブ７１の例は、Metso Corp.のNeles（登録商標）Rotary Globe制御バルブである。本発明の実施形態が適用されるバルブ位置決め装置７２Ａの例は、Metso Corp.のNeles（登録商標）ＮＤ９０００インテリジェントバルブ制御装置である。アクチュエータ７２Ｂの例は、Metso Corp.のQuadra-Powr Ｘシリーズ空気圧アクチュエータである。

バルブ制御装置７２Ａ等のインテリジェントバルブ制御装置の動作は、フィールド接続ライン又はフィールドバス７３から得られる制御情報に基づいてバルブの位置を制御するマイクロプロセッサ（μP）等のマイクロコントローラに基づいてもよい。バルブ制御装置には、好ましくは、バルブ位置測定が設けられており、これに加えて、加圧空気に対する供給圧力、バルブの自己診断に必要であるアクチュエータ・ピストン上の差圧又は温度を測定することができ、バルブ制御装置が、そのような診断情報又は処理された診断情報をフィールドバスを介して制御室コンピュータ、プロセス制御装置、状態監視コンピュータ、又は自動化システムの同様の高レベルユニットに送信する。

バルブ制御装置７２Ａ等のマイクロコントローラベースのインテリジェントバルブ制御装置の例示的なブロック図が図９に示される。制御装置は、電気制御出力９０を有する電子ユニット９１と、電気制御信号９０を取入れ、その信号をアクチュエータ７２Ｂに接続されたアクチュエータ・ポートＣ１，Ｃ２における対応する第１及び第２のアクチュエータの流体圧力出力に変換する空気圧ユニット２０，９３とを含むことができる。空気圧ユニットは、前段９３及び出力段２０を含むことができる。出力段２０は、本発明の実施形態による複動式アクチュエータのための任意の流体バルブ・アセンブリ２０とすることができる。前段９３は、電気制御信号９０を、出力段２０を制御するのに十分な小さなパイロット空気圧制御信号９５に変換する電気／圧力（I/P）変換を実行する。出力段２０の供給ポートＳは、供給空気圧に接続される。出力段２０は、小さな空気圧パイロット信号を、アクチュエータ・ポートＣ１，Ｃ２におけるより大きな空気圧出力信号９６，９７に増幅する。装置は、ローカル設定を可能にするローカル・ユーザインターフェイス（LUI）を含んでもよい。マイクロコントローラ９１はバルブ位置を制御する。そのために、マイクロコントローラ９１は、プロセスバス／フィールドバスを介して４〜２０ｍＡやＨＡＲＴ等の入力信号（設定点）を受信し、様々な測定を実行することができる。装置は、４〜２０ｍＡ又はフィールドバスから給電される。マイクロコントローラは、入力信号及びバルブ位置センサ９２を読み取ることができる。マイクロコントローラは、供給圧力センサＰｓ、第１のアクチュエータ圧力センサＰ１、第２のアクチュエータ圧力センサＰ２、及び出力段位置センサＳＰＳのうちの１つ又は複数を読み取ることもできる。入力信号によって規定される設定点と位置センサ９２によって測定される位置との間の差は、マイクロコントローラ９１内部の制御アルゴリズムによって検出することができる。マイクロコントローラ９１は、入力信号からの情報及びセンサからの情報に基づいて、前段（ＰＲ）コイル電流９０の新しい値を計算する。前段（ＰＲ）に対して変更された電流９０は、パイロット圧力９５を出力段２０に対して変更する。パイロット圧力９５によって、出力段のステム２０３が移動し、アクチュエータ・ポートＣ１及びＣ２におけるアクチュエータ圧力は、上記の本発明の実施形態に関して説明したように、それに応じて変化する。パイロット圧力９５が所定の値になると、ステム２０３がセンタリングされ、メータリング・エッジ（ポペットリング）を通る全ての流路が閉じられ、アクチュエータ７２Ｂは所定の位置に留まる。パイロット圧９５が所定値から上昇すると、ステム２０３が正の方向に移動し、空気が、供給ポートＳからアクチュエータ・ポートＣ２に流れ、さらに二重ダイアフラム・アクチュエータ７２Ｂの一方の側（下側）に流れ、二重ダイアフラム・アクチュエータ７２Ｂの反対側は、アクチュエータ・ポートＣ１を通って排出ポートＥＸ１に通じている。アクチュエータは全開（１００％）方向に移動する。より具体的には、増大する圧力によって、ダイアフラム・ピストン９８を上方に移動させる。アクチュエータ及びフィードバックシャフト９９が回転する。位置センサ９２は、マイクロコントローラ９１の回転を測定する。マイクロコントローラ９１は、入力信号に従ってアクチュエータ７２Ｂの新しい位置に達するまで、定常状態値からＰＲ電流９０を変調する。制御バルブの反対方向への運動（移動）は、パイロット圧力９５を減少させることによってステム２０３を反対方向（０％の方向に下向き）に移動させることによって得られ、アクチュエータ・ポートＣ２は排出ポートＥＸ２に接続され、アクチュエータ・ポートＣ１は、空気供給ポートＳに接続される。図示されるバルブ制御装置は単なる例であり、本発明はバルブ制御装置の特定の実装態様に限定されないことを理解されたい。

同様に、単動式アクチュエータのためのバルブ制御装置は、５／３バルブ・アセンブリ２０の代わりに本発明の実施形態による３／２バルブ・アセンブリ６０を使用し、不要な構造及び機能を除去することによって実現することができる。

詳細な説明及び関連する図面は、本発明の原理を実施例によって説明することのみを意図している。様々な代替実施形態、変形及び変更は、この詳細な説明に基づいて当業者には明らかである。本発明は、本明細書に記載された例に限定されることを意図するものではなく、本発明は、添付の特許請求の範囲の範囲及び精神の範囲内で変更することができる。

Claims (3)

1. 電子制御出力を有する電子ユニットと、空気圧前段及び空気圧出力段を有する空気圧ユニットとを含むプロセスバルブ位置決め装置であって、前記空気圧前段は、前記電子制御出力を、前記空気圧出力段を制御するのに十分なパイロット空気圧力に変換するように構成され、前記空気圧出力段は、空気圧アクチュエータにアクチュエータ空気圧力を与えるための、加圧空気の供給部に接続するための空気圧ポペットタイプバルブ・アセンブリを含み、該空気圧ポペットタイプバルブ・アセンブリは、
   前記加圧空気の供給を受ける少なくとも１つの供給ポートと、前記アクチュエータ空気圧力を前記空気圧アクチュエータに供給する少なくとも１つのアクチュエータ・ポートと、少なくとも１つの排出ポートとを含む、中央ボアを有するバルブ本体と、
   前記中央ボア内で軸線方向のパイロット力によって軸線方向に移動可能なステムと、
   前記空気圧前段から供給され且つパイロット圧力チャンバ内のパイロット・ダイアフラムに作用する前記パイロット空気圧力に応じた前記軸線方向のパイロット力を与えるために前記ステムの一端に配置されたパイロット・ダイアフラム及びピストンと、
   逆圧チャンバ内の反作用ダイアフラムに作用する逆圧力に応じた軸線方向の反作用力を与えるために前記ステムの反対端に配置された反作用ダイアフラム及び反作用ピストンと、
   前記ステムによって動作可能に結合された少なくとも一対の反作用式メータリング・エッジであって、各反作用対の各メータリング・エッジは、前記バルブ本体又は前記ステム上の相手側の座面と、可撓性要素によって前記バルブ本体又は前記ステムに支持されるポペットリングとを含み、前記可撓性要素は、それぞれのメータリング・エッジの閉鎖状態でも、前記ポペットリングと支持する前記バルブ本体又は前記ステムとの相対的な軸線方向の動きを可能にし、各ポペットリングは、前記それぞれのメータリング・エッジに作用する結果として生じる非常に小さい又はゼロの空気圧力を達成するように、それぞれの前記ポペットリングに及ぼされる空気圧力を補償するように圧力平衡される、メータリング・エッジと、
   前記空気圧ポペットタイプバルブ・アセンブリの前記加圧空気の前記供給ポートから、前記パイロット圧力チャンバ内の前記パイロット空気圧力、従って前記軸線方向のパイロット力を供給及び制御する前記空気圧前段への制限された空気流路と、
   前記空気圧ポペットタイプバルブ・アセンブリの前記加圧空気の前記供給ポートから前記逆圧チャンバへのさらに制限された空気流路と、を有しており、
   前記制限された空気流路及び前記さらに制限された空気流路は、前記軸線方向の反力の変化率と、前記加圧空気の前記供給ポートにおける供給圧力の変化による前記パイロット力の変化率とが略等しくなるように、寸法決めされる、
   プロセスバルブ位置決め装置。
2. 前記制限された流路及び／又は前記さらに制限された流路は、約０．１ｍｍ〜約０．５ｍｍのオリフィス直径を有する流量制限器を含む、請求項１に記載のプロセスバルブ位置決め装置。
3. 全てのメータリング・エッジが軸線方向に整列している、請求項１に記載のプロセスバルブ位置決め装置。

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