JPS5911765B2 - デジタル流れ制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明では一定圧力の流体を供給する為の流体源がマニ
ホルドに結合されており、該マニホルドは前記流体源内
の圧力よりも低い一定の圧力をもった流体を受ける為の
流体受けに結合されている。

これらの結合部の内の一つには一定の横断面積を有する
オリフィスが形成されており、もう一つの結合部には個
々に作動させることのできる複数のデジタル・バルブ素
子が含まれている。

例えばアナログ・バルブ・プラグの為の作動装置の如き
、圧力に呼応して運動し得る装置がマニホルドに結合さ
れている。

デジタル・バルブ素子の状態は命令を表わしているデジ
タル信号によって制御されるから、これらのデジタル・
バルブ素子の運動は命令を表示する。

夫々のデジタル・バルブ素子はこれらを組立て５しまっ
た後これらのバルブを開放した状態に於いて個々の有効
オリフィス面積を調節することができるように設計され
ている。

本発明装置はデジタル・バルブ素子を個別的に調節する
ことにより公差の変動によって生じた諸効果を補償すべ
く調整されるものである。

本発明は流体の流れ制御装置の分野に関し、更に特定す
ればデジタル命令信号を表わす流体圧を発生する流体制
御装置に関するものである。

従来成る流体装置内を流れる流体の流れはオリフィスと
可動プラグを含むアナログ・バルブによって制御され、
その流速はオリフィスに対するプラグの位置、つまりフ
ラグがオリフィスを閉塞する度合によって決定されてき
た。

デジタル・コンピュータを用いて諸工程を自動的に遂行
させることが多くの化学工場及び石油処理工場に於いて
一般化されて来ている。

この場合デジタル・コンピュータは電気的なデジタル命
令を発生して、圧力呼応型の作動装置によって直接的に
又は閉塞されたループ状の空気圧制御装置を介して間接
的にアナログ・バルブ・プラグの位置を調節する。

電気的なデジタル・アナログ変換器とアナログ信号に呼
応する圧力変換器を用いることによりデジタル・コンピ
ュータと作動装置又は制御装置を両立させることが可能
となる。

一般に処理作業現場にデジタル・アナログ変換器又はデ
ジタル・コンピュータを設置することは不都合であるか
ら、圧力変換器とアナログ・バルブの設置場所にアナロ
グ信号を伝送する為にアナログ型の電圧−電流変換器も
必要となる。

さもなければアナログ信号はこれを処理作業現場まで移
送する為に使用される長い伝送線に沿って伝送されてい
る間に劣化されるであろう。

斜上の変換装置に対する必要性は個々に作動させること
のできる幾つかの双安定性のデジタル・バルブ素子で構
成された装置をアナログ・バルブの代りに用いることに
より排除することができる。

デジタル・バルブ素子のオリフィス面積はコンピュータ
から発せられる二進符号化されたデジタル出力に応じて
重味が付されている。

非常に高い圧力と大きな流速を有する流体を取扱う為に
は多くの処理装置が必要である。

その結果バルブ構造体は多くの場合巨大なものとなり、
更に又か５るバルブに十分な動力を供給してこれを作動
させる為に精功な閉ループ型制御装置が必要となる。

アナログ・バルブを使用している現存する諸装置内で用
いられる制御装置は普通は空気圧型のものであるが、斜
上の如きアナログ・バルブを他のものと置き換えること
により高価な空気圧制御装置が省略されると共に前記ア
ナログ・バルブの代りに置き換えられるべきバルブ自体
も不要となる。

従って多くの装置にあっては現存するアナログ・バルブ
をいくつかのデジタル・バルブ素子で構成した装置で置
き換えることは不経済的であろう。

本発明に依ればアナログ・バルブのプラグの位置を直接
制御するか、空気圧制御装置の為の設定値として用いる
か、或いは又その他の圧力感知装置を作動させる為の圧
力を発生させるべく個々に作動させることのできる複数
個のデジタル・バルブ素子が使用される。

デジタル・バルブ素子によって発生せられた圧力は重味
を付した符号の形態にて命令を表示しているデジタル信
号によって制御される前記複数個のデジタル・バルブ素
子の状態の組合せを示している。

この様にプラグを作動させる為の圧力は電気的なデジタ
ル・アナログ変換器、アナログ型の電圧−電流変換器、
及び圧力変換器を具備していないコンピュータのデジタ
ル出力から直接発生させることができる。

プラント内で処理される流体を取扱う為に用いる代りに
、前記デジタル・バルブ素子は処理流体を取扱う為のア
ナログ・バルブの位置を調節する為の制御流体を取扱う
為に用いられる。

該制御流体の圧力は遥かに低く且その流速も小さい。

幾つかのデジタル・バルブ素子で構成された小型で比較
的安価な装置を斜上の如き態様にて使用することにより
、高い圧力と大きな流速を有する処理流体を取扱う為の
処理装置内に含まれているアナログ型の圧力呼応装置に
対してデジタル・コンピュータを結合スることが可能で
ある。

そしてこの場合幾つかのデジタル・バルブ素子で構成さ
れた比較的高価な大型の装置で前記アナログ型の現存装
置の全てを置き換えることは不要である。

特定実施例に即して説明すると、定圧流体源が流体室に
結合されており、該流体室は前記定圧流体源の圧力より
も低い成る一定圧力の流体を受容する為の流体受けに結
合されている。

これらの結合部の内の一つは一定の横断面積を有するオ
リフィスを含んでおり、もう一方の結合部は個々に作動
させることのできる好ましくは双安定性の複数のデジタ
ル・バルブ素子を含んでいる。

これらのデジタル・バルブ素子は例えばコンピュータか
ら発せられるデジタル出力の如き重味を付した二進化符
号の形態にて全体として一個の命令を表わす複数の二進
化信号に呼応して開閉する。

流体室は例えばアナログ・バルブのプラグに対して機械
的に結合された作動装置の如き圧力を感知するか又は圧
力に呼応する装置に対して結合されている。

デジタル・バルブ素子はコントローラ・モジュール内に
形成された第一と第二のマニホルドを互いに連結するよ
うにコントローラ・モジュール内に配設しておくのが好
ましい。

流体室を構成している第二のマニホルドは流体受けを構
成している大気に対して一定の横断面積を具えたオリフ
ィスによって結合されている。

加圧された流体は流体源を構成している第一のマニホル
ドに対して圧力調整器によって供給される。

本発明のもつ重要な特徴はデジタル・バルブ素子をコン
トローラ・モジュール内に組込んだ後、何個のデジタル
・バルブ素子が開放された状態に於いてその有効オリフ
ィス面積を調節することができるということである。

これによって第二のマニホルド内の圧力がデジタル・バ
ルブ素子及びコントローラ・モジュールの諸構成部材の
公差の変動とは実質的に関係をもたず、且デジタル・バ
ルブ素子の諸状態の組合せの函数であって而も高度の直
線性を具えた反復可能な函数となるように装置を調整す
ることが可能となる。

コントローラ・モジュールは夫々のデジタル・バルブ素
子は順次開放し、第二のマニホルド内の圧力がか５るバ
ルブ素子を示す所望の値になる迄その夫々の有効オリフ
ィス面積を調節することによって調整される。

本発明の一つの特徴はデジタル・バルブ素子の両端間に
於ける圧力降下と一定の横断面積を有するオリフィスの
両端間に於ける圧力降下の間に関係を制御して第二のマ
ニホルド内の圧力の変化範囲に亘って出来るだけ高度の
直線性を発揮させたことである。

成る実施例に於いて前記一定のオリフィスは孔として形
成されている。

開放されたデジタル・バルブ素子とオリフィスを通過す
る流れは第二のマニホルド内に形成された全圧力範囲に
亘って音速にて維持される。

全圧力範囲に亘って音速流を維持することが実際的では
ないもう一つの実施例に於いては、前記一定オリフィス
は管体として形成されている。

管体内に於ける流速の函数である管体の両端間に於ける
圧力降下の非直線性は夫々のデジタル・バルブ素子内に
於ける流速が亜音速である場合か５る流速の函数である
夫々のデジタル・バルブ素子の両端間に於ける圧力降下
の非直線性によって相殺される。

次に添附の図面に示した実施例に即して本発明の詳細な
説明する。

第１図に於いてデジタル信号源としてのデジタル・コン
ピュータ１０は流体装置内に設けられたアナログ・バル
ブのプラグ１１を制御して流体の流れを調節する。

この図に於いて１本の実線で表わした矢標は電気的結合
を表わしており、２本の実線で表わした矢標は流体的、
つまり液圧的又は空気圧的結合を表わしており、２本の
破線で表わした矢標は機械的結合を表わしている。

デジタル・コンピュータ１０の出力は複数個の二進化信
号を含んでおり、これらの信号は全体として重味を付し
た二進化符号の形態にてプラグ１１の位置を定める為の
デジタル命令を表示する。

二進化符号の性質は本発明にとって不可欠な必要条件で
はなく、例えば２の等比級数や変形された２の等比級数
を用いることもできるし、或いは又全ての信号に同一の
重味を付すことも可能である。

説明の便宜上前記二進化符号は７個の数字で構成された
直線的な２の等比級数、１，２，４，８，１６，３２，
６４であると仮定しておく、圧力が余り高過ぎることな
く且流速も余り大きくない場合に好ましい紙上の符号を
用いることによって１２ Ｐｓｉｇ（約ｏ、 ９４Ｋｙ
／ｃｒ／ｌ ）の圧力範囲内で約０．ＩＰｓｉｇ（約０
．００７Ｋｙ／ｃｒｆｔ ）までの精度を得ることがで
きる。

デジタル・コンピュータ１０によって発生された複数の
二進化出力信号はコントローラ・モジュール１２に結合
され、該コントローラ・モジュール１２に於いて夫々同
一個数の双安定性デジタル・バルブ素子（第１図には図
示せず）を作動させる。

定圧力流体源としての加圧空気源１３内の加圧空気は圧
力調整器１４によってコントローラ・モジュール１２内
の上流マニホルドに供給される。

調節可能な圧力設定装置を具備した圧力調整器１４は加
圧空気源１３から上流マニホルドに空気を供給して該上
流マニホルド内の圧力を一定に維持する。

つまり上流マニホルドは成る調整された圧力にて維持さ
れる。

デジタル・バルブ素子は上流マニホルドを下流マニホル
ドに結合する。

一定の横断面積を有するオリフィスは下流マニホルドを
第１図にブロック１５で示した大気に連通させる。

下流マニホルド内に形成される圧力はデジタル・コンピ
ュータ１０から発せられる個々の二進化出力信号によっ
て制御される個々のデジタル・バルブ素子の状態、つま
りこれらのデジタル・バルブ素子が開放状態にあるか、
それとも閉塞状態にあるかに応じて決まる。

実際的にはデジタル・コンピュータ１０とデジタル・バ
ルブ素子を作動させる為のソレノイド・コイルの間にね
インターフェイス装置が配設されていて、か＼るインタ
ーフェイス装置には、コンピュータ１０から発せられる
間歇的な出力を連続的な出力に変換する為のバッファ・
レジスタと前記ソレノイド・コイルを駆動するのに十分
な電力を供給する為の増幅器を含ませである。

換言すれば、下流マニホルドは成る調整されていない圧
力にて維持される。

デジタル・コンピュータ１０の二進化出力信号が一つの
値をもつ時、これと対応したデジタル・バルブ素子が閉
塞される。

デジタル・コンピュータ１０の二進化出力信号がもう一
つの値をもつ時、これと対応したデジタル・バルブ素子
が開放される。

複数個のデジタル・バルブ素子が開放されている時これ
らの素子の有効オリフィス面積は、デジタル・コンピュ
ータ１０から発せられる個々の二進化出力信号に付され
る重味と同一比率にて相互に関連を有している。

従ってコントローラ・モジュール１２内の開放されたデ
ジタル・バルブ素子の有効オリフィス面積の和はデジタ
ル・コンピュータ１０から発せられた二進化出力信号に
よって表示された数に比例している。

下流マニホルド内の圧力は成る程度までは開放されたデ
ジタル・バルブ素子の有効オリフィス面積の和の直線的
な函数である。

従ってか＼る直線性の度合はコントローラ・モジュール
１２の状態と関係を有する一つの重要な要素である。

コントローラ・モジュール１２の下流マニホルドはアナ
ログ・バルブのプラグ１１に対して機械的に結合された
例えば可動的なピストン又はダイヤフラムの如き圧力呼
応型又は圧力感知型のアナログ作動装置１７に結合しで
ある。

ブロック１８で表わした如く、プラグ１１の位置はこの
流体装置の動的状態に影響を与える。

流体装置の動的状態はか＼る状態を表わす１個乃至それ
以上の帰還信号を発生する感知装置１９によって検知さ
れる。

前記感知装置１９から発せられた電気的な帰還信号はア
ナログ・デジタル変換器２０へ送られ、デジタル・コン
ピュータ１０に供給し得るような二進数へと変換される
。

デジタル・コンピュータ１０は感知装置１９によって検
知された動的状態の変化に基づいて命令信号を連続的に
調整し直す。

第１図に於いて本発明は閉塞ループ型の制御装置と関連
させて説明されているが、本発明は開放ループ型の制御
装置内で用いることもできるし、或いは又設定点圧力を
評塞ループ型の流体制御装置に送り込む為の装置内で用
いることもできる。

第２図は本発明の一実施例によるコントローラ・モジュ
ール１２を垂直方向に切断して、一方の半部分を詳細に
示した斜面図である。

コントローラ・モジュール１２のもう一方の半部分は図
示した半部分を鏡に映した時の像と同一の形状を具えて
いる。

ハウジング３２内の円柱形の凹部３１内には円板状のコ
ア３０が配置しである。

ケーシング３２にはこれに被せる為の蓋体３３が設けて
あり、この蓋体はボルト（図示せず）によってケーシン
グ３２に固定できるようにしである。

コア３０の周縁部には環状溝が割設されており、該環状
溝はこれに隣接する凹部３１の側壁と共に流体室として
の上流マニホルド３４を限定している。

同様にコア３０が周縁部の一端にはもう一つの環状溝が
割設されており、該環状溝はこれに隣接する凹部３１の
表面と共に流体室としての下流マニホルド３５を限定し
ている。

コア３０の周囲には例えば符号３６，３７，３８，３９
で示した如き７個の双安定性デジタル・バルブ素子が配
設されている。

これらのデジタル・バルブ素子はオリフィスの横断面積
の小さいものから大きいものへと順次円形に配列しであ
る。

上流マニホルド３４内の圧力を成る調整された値に維持
しておく為に第２図には図示されていない取付部材を介
して上流マニホルド３４に空気が供給される。

コア３０内には上流及び下流マニホルド３４．３５間に
成る一定の横断面積を有する例えば孔６４の如き気孔が
１個乃至それ以上穿たれている。

孔６４の横断面積は全てのデジタル・バルブ素子が閉塞
された状態にある時、下流マニホルド３５内に所望の最
小限の圧力が形成されるような大きさにしである。

ハウジング３２内には下流マニホルド３５をハウジング
３２外の大気に連通させる為の一定の横断面積を有する
例えば孔６５の如き排気孔が１個乃至それ以上穿たれて
いる。

本明細書に於いて孔という語はその直径に比べて長さの
小さいオリフィスを意味している。

孔６５の横断面積は全てのデジタル・バルブ素子が開放
された状態にある時コントローラ・モジュール１２内を
流れる空気の流速が所望の最大流速を越えないような大
きさにしである。

上流マニホルド３４と下流マニホルド３５はコア３０の
周縁部に割設された個々の溝内に保持されているＱ
ＩＪソング６．６７によって、コア３０の末端面内に割
設された溝内に保持されているＯＩＪング６８によって
及び個々のデジタル・バルブ素子に対して設けられた例
えば符号６９で示した如き０−リングによって相互にも
う一方のマニホルドから密閉遮断されると共にコア３０
の上方に形成されたハウジング３２内の空間からも密閉
遮断されている。

次に第３図に分解して示したデジタル・バルブ素子３６
を他の６個のデジタル・バルブ素子ノ代表的な一例とし
て説明しよう。

プラグ４５とオリフィス４６はデジタル・バルブ素子３
６が開放された状態にある時そのオリフィス面積を決定
することによりデジタル・バルブ素子３６内を流れる流
体の流れを決定する。

オリフィス４６は上流及ヒ下流マニホルド３４．３５の
間で伸びている標準サイズの空洞内に圧入される挿入体
４７内に精密穿孔作業によって形成される。

オリフィス４６と整列させて上流マニホルド３４からコ
ア３０の外部まで前記オリフィス４６よりも大きな孔４
８が穿たれている。

プラグ・ハウジング４９の一端には孔４８に螺入するこ
とのできる螺子結合部５０が形成されており、他端には
このプラグ・ハウジング４９を捻回することができるよ
うにスクリュー・ドライバ・スロット（第２図）が割設
されている。

プラグ・ハウジング４９はソレノイド・コイル５２の為
のコアとしての作用をする。

フラグ・ハウジング４９の内部に形成されている中央案
内室５３は一端に於いて閉塞されており、上流マニホル
ド側の末端部に於いて開放されている。

プラグ４５は中央案内室５３の閉塞端とオリフィス４６
の間の距離によって限定される二つの終端位置の間にて
中央案内室５３内で運動する。

中央案内室５３の閉塞端と対面するプラグ４５の末端部
に形成された凹部内に装填されている圧縮スプリング５
４は中央案内室５３の閉塞端に係接している。

従ってソレノイド・コイル５２に対して給電されていな
い時、プラグ４５は圧縮スプリング５４によって付勢さ
れてオリフィス４６に圧接され、デジタル・バルブ素子
３６を閉塞する。

閉塞状態に於いてプラグ４５はオリフィス４６をＩ閉す
るから上流マニホルド３４から下流マニホルド３５へ流
体は全く流動し得ない。

ソレノイド・コイル５２に給電すると該ソレノイド・コ
イル５２は磁性体で形成されたプラグ４５を更に一層中
央案内室５３内に引き込んで該中央案内室５３の閉塞端
に係接させる。

鞘体５５はプラグ・ハウジング４９の周りに嵌め込まれ
ており、保持リング５６はコア３０に対して回転しない
ようにプラグ・ハウジング４９を固定している。

端子ブロック６０とコア３０はボルト６１によってケー
シング３２に固着されている。

ソレノイド・コイル５２とその他のデジタル・バルブ素
子の為のソレノイド・コイルに給電する為の導線（第３
図）は端子ブロック６０に固定された夫々の端子６２に
接続されている。

材質の摩耗によってオリフィス４６の横断面積が変化す
ることがないように挿入体４７は非常に硬い物質で形成
するのが好ましい。

プラグ４５は円錐形の先端部を有するピン７０とキー溝
７２（第３図）を割設したプラグ基部７１とを含んでい
る。

前記キー溝７２は圧力を均衡させる為にプラグ４５に沿
って流体を自由に移動させる役目をもっている。

プラグ基部Ｔ１だけは磁性体で形成しなくてはならぬが
ピンは耐摩耗性の大きな非磁性体で形成することもでき
る。

プラグ・ハウジング４９は三つの部分、つまり磁性体で
形成されたキャップ７３（第３図）と、磁性体で形成さ
れたハウジング基部７４（第３図）と、非磁性体で形成
されたコア７５（第２図）とを含んでおり、これら三つ
の部分は互いにろう付けすることにより一体的な部材を
構成している。

ソレノイド・コイル５２を構成している巻線は夫夫キャ
ップ７３とハウジング基部７４の隣り合う末端部に形成
されたフランジ７６．７７の間で均−に巻かれている。

孔４８の内面に切った雌螺子内に螺入されて螺子結合部
５０を形成する雄螺子７８と中央案内室５３の開放端の
間でハウジング基部７４に割設された溝内には０−ＩＪ
ソング９が保持されている。

その他のデジタル・バルブ素子はオリフィス４６のサイ
ズとプラグ４５のピン７０のサイズを除けば斜上のデジ
タル・バルブ素子３６と同一である。

デジタル・バルブ素子の語構成部材はプラグ４５がその
一方の終端位置に於いて中央案内室５３の閉塞された末
端部に当接している時、つまり当該デジタル・バルブ素
子が開放された状態にある時にピン７０の円錐状の先端
部がオリフィス４６の内部に居残るような寸法にしであ
る。

従ってデジタル・バルブ素子は流体の流れの為の環状オ
リフィスを提供する。

これらの環状オリフィスの横断面積は中央案内室５３の
閉塞端から挿入体４７までの距離を変化させて環状オリ
フィスの内径を変えることにより個々に調節することが
できる。

かＸる調節は螺子結合部５０の内部で孔４８と共にプラ
グ・ハウジング４９を捻回して中央案内室５３の閉塞端
とオリフィス４６の間の距離を変化させ、従って又プラ
グ４５の行程を変化させることによって行なわれる。

プラグ・ハウジング４９をまず孔４８内に螺入し、次に
保持リング５６をそのファスナによってコア３０に弛や
かに取付けた後スクリュー・ドライバをスロット５１に
挿入してプラグ・ハウジング４９を捻回することにより
オリフィスの横断面積を調節してこれを丁度所望の値に
する。

最後に保持リング５６のファスナを締め付けて保持リン
グ５６をプラグ・ハウジング４９の基部フランジ７７に
圧接させ、螺子結合部５０に荷重を加えることにより、
プラグ・ハウジング４９を調節された位置に於いて固定
する。

第２図に示した如く、プラグハウジング４９を固定した
状態に於いて基部フランジ４７と保持リング５６はコア
３０の面から隔てられている。

要するに夫々のデジタル・バルブ素子の有効オリフィス
面積は正しく所望の値になるように斜上の態様にて調節
される。

実際には夫々のデジタル・バルブ素子内に多くの異なる
オリフィスが形成されているから、本明細書に於いて「
有効オリフィス面積」という語は夫々のバルブ素子によ
って提供される合成オリフィス面積、つまり上流マニホ
ルド３４を下流マニホルド３５に連通させる一様な横断
面積を具えた単一の孔として見た場合のオリフィスの合
成面積を表わしている。

第５図と第６図はコントローラ・モジュール１２の別形
実施例を示している。

簡潔に説明すれば、コントローラ・モジュールは上流マ
ニホルド８１と下流マニホルド８２と配線凹部８３を有
する主要ブロック８０を含んでいる。

該主要ブロック８０には例えば螺子８５の如き固着部材
によって夫々１個のデジタル・バルブ素子を収納した複
数個のサブ・ブロック８４が固設される。

夫々のサブ・ブロック８４は、第６図の右方向へ運動し
て通路９６の末端を密閉すると共に左方向へ運動して通
路９６を開放し上流マニホルド８１から下流マニホルド
８２へ流体を流動させる為のソレノイド駆動型のプラグ
９５を具えている。

上流マニホルド８１と通路９６の間の通路の有効オリフ
ィス面積を制御する為に、従って又デジタル・バルブ素
子の有効オリフィス面積を制御する為に固定螺子９７が
調節される。

該固定螺子９７はコントローラ・モジュールの外部に露
呈されている（第５図を参照のこと）。

第一の変更点は下流マニホルド８２が主要ブロック８０
を貫いてその一端から他端まで完全に伸びているという
ことである。

この場合下流マニホルド８２の一端はこれに螺入したプ
ラグ８７によって閉塞されている。

該プラグ８７内には管体８８の一端が嵌め込んであり、
更に該管体８８の他端は下流マニホルド８２内に伸びて
いる。

本明細書に於いて管体という語は孔という語とは異なり
、その内径に較べて長さの大きいオリフィスを意味する
。

導管８９はプラグ８７と主要ブロック８０を貫通して下
流マニホルド８２と配線凹部８３の間で伸びている。

管体８８と導管８９は下流マニホルド８２を大気に連通
ずる排気オリフィスを形成している。

管体８８の寸法は導管８９の寸法を除外するならばそれ
によって実質的に排気オリフィスを通過する際の流速が
決まるような大きさである。

プラグ８７内に割設した溝によって保持された０−リン
グ９０は空気が下流マニホルド８２から直接導管８９に
漏出するのを阻止する。

下流マニホルド８２から出た空気は管体８８と導管８９
を介して配線凹部８３から大気中に放出される。

このように空気を放出することによりコントローラ・モ
ジュール付近に滞留し勝ちな可燃性ガスは配線凹部８３
内から排除される。

第二の変更点はデジタル・バルブ素子を具備したサブ・
ブロックの内の一つを上流マニホルド８１と下流マニホ
ルド８２の間に抽気オリフィスを設けて成るサブ・ブロ
ック９１で置き換えるということである。

抽気オリフィスの有効オリフィス面積は外部に露呈され
た固定螺子９２を捻回することによって調節される。

固定螺子９２の先端には円柱状の通路９４内に突入して
調節可能な環状空間を形成する円錐部９３が設けである
。

抽気オリフィスの有効オリフィス面積は円錐部９３が通
路内９４内に突入している長さによって決まる。

プラグ・アセンブリとこれと関連したソレノイド・アセ
ンブリが具備されていないことを除外すれば、サブ・ブ
ロック９１はサブ・ブロック８４と同一であるというこ
とが第６図から理解できよう。

デジタル・バルブ素子の両端間に於ける圧力降下と排気
オリフィスの両端間に於ける圧力降下の関係を制御する
ことによって、下流マニホルド内で発生される圧力の変
化範囲に亘って高度の直線性が達成される。

下流マニホルド内の絶対圧力に対する上流マニホルド内
の絶対圧力の比は臨界圧力比、つまり空気の場合には約
２：１よりも大きな値に維持すると共に、大気圧に対す
る下流マニホルド内の絶対圧力の比を該下流マニホルド
内の圧力の全変化範囲に亘って臨界圧力比２：１よりも
大きな値に維持するのが好ましい。

この様にした場合開放されているデジタル・バルブ素子
を音速にて通過する空気流によって上流マニホルドは下
流マニホルドから遮断される。

換言すれば、下流マニホルド内での圧力変化は開放され
ているデジタル・バルブ素子を通過する際の主要流速に
影響を与えない。

開放されたデジタル・バルブ素子を音速にて通過する空
気流は上流マニホルドとデジタル・バルブ素子の間で臨
界圧力比を確立する。

上流マニホルド内の圧力は一定であるから、開放された
デジタル・バルブ素子を通過する際の流速は下流マニホ
ルド内の圧力とは関係なく、開放されたデジタル・バル
ブ素子の有効オリフィス面積の和に正比例する、つまり
か５る和の線型函数である。

この場合排気オリフィスは一個の孔である。排気オリフ
ィス内を空気が音速にて流動する結果下流マニホルド内
の圧力は排気オリフィスを通過する空気の流速に正比例
する、つまりかＮる流速の線型函数となる。

連続測定した結果によれば排気オリフィスを通過する際
の流速は開放されたデジタル・バルブ素子を通過する際
の流速と同一である。

従って下流マニホルド内の圧力は開放されたデジタル・
バルブ素子の有効オリフィス面積の和に正比例する、フ
まりか〜る和の線型函数となる。

例を掲げると下流マニホルド内に於ける圧力範囲は１５
−３０ Ｐｓｉｇ （約１．０５〜２．１ Ｋｌｍ）上
流マニホルド内の調整された圧力は７５Ｐｓｉｇ（約５
．２５Ｋｐ／ｄ）にすることができる。

ところが処理施設に具備されたバルブ作動装置と空気圧
コントローラの為の標準圧力範囲は３−３−１５Ｐｓｉ
約ｏ、２ ｉ 〜１．ｏ ５Ｋｐ／ｍ）であるから、下
流マニホルド内での典型的な圧力範囲は３−３−１５Ｐ
ｓｉ約０．２１〜１．０５ Ｋｙ／ｃｒｌｌ ）である
。

この場合には下流マニホルド内での全圧力範囲に亘って
排気オリフィスの両端に於ける圧力比を２：１に維持す
る為に排気オリフィスを構成している孔は大気圧ではな
くこれよりも低い圧力と連通させておかねばならぬであ
ろう。

このことは排気オリフィスを大気に対してではなく、真
空ポンプによって部分的に空気を抜き取ったプレナム・
チャンバ（Ｐ ｌｅｎｕｍ Ｃｈｏｍｂｅｒ ）と連通
させることにより達成される。

最小限度２：１の圧力比を維持することなく下流マニホ
ルドから上流マニホルドへ音速にて空気を流動させ続け
る為に他の型の装置を用いることもできる。

本発明の重要な特徴の一つは下流マニホルド内の圧力の
全変化範囲に亘って排気オリフィスを通過する空気流の
速度を音速に維持することなく高度の直線性を維持する
ということである。

特に排気オリフィスは孔としてではなく、むしろ第５図
に示した管体８８として形成されている。

下流マニホルド内の圧力範囲が３−３−１５Ｐｓｉ約０
．２１〜１．０５ Ｋｙ／ａｌｌ ）であると仮定する
と、管体８８の寸法として適当な値は長さが４インチ、
（約１０．１６ｃｍ、）内径が０．０３０インチ（約０
．０７６ＣｒｒＬ）であり、上流マニホルド内の調整さ
れた圧力の値としては２９ Ｐｓｉｇ （約２．０３
Ｋｐ／ｃｒｆｌ ）が適当である。

管体８８内を亜音速にて空気が流動する場合、該管体８
８内に於ける流速Ｗは第８図に示した如く下流マニホル
ド内の圧力Ｐｘの非線型函数、つまり平方根函数となる
。

か５る平方根関係を補償する為に上流マニホルド内の調
整された圧力は下流マニホルド内での少くとも一部圧力
範囲に亘ってデジタル・バルブ素子を通して空気を亜音
速にて流動させるべく意図的に選ばれる。

この様な場合、開放されたデジタル・バルブ素子の有効
オリフィス面積の和Ａは第７図に示した如く開放された
全デジタル・バルブ素子に亘って流速Ｗの非線型函数、
つまり平方函数となる。

流速が小さり、命とＰｘの間の平方根関係かはゾ直線的
である場合には、上流マニホルド内の圧力は開放された
素子内を空気が実質的に音速で流動し得るような値に調
整される。

流速が増大すると共にＷとＰｘの関係が一層非線型的に
なると（この関係は第８図にだいて点Ｗ５にて細い直線
から分岐した太い彎曲線によって示されている）、開放
されたデジタル・バルブ素子内を通過する空気の速度は
低下する。

開放されたデジタル・バルブ素子内を通過する空気の速
度が低下するとＷとＡの関係は非線型内になる（この関
係は第７図に於いて点Ｗ５にて細い直線から分岐した太
い曲線で示されている）。

下流マニホルド内の圧力を成る所定の圧力範囲にする為
には、ＷとＡの間の平方関係とＷとＰｘの間の平方根関
係のずれができるだけ小さくなるように、つまりこれら
二つの関係が互いに補償し合うように管体８８の長さと
内径を選ぶと共に上流マニホルド内の圧力を調整する。

その結果ＰｘとＡの間には高度の直線性が得られる。

か５る直線性に対する必要度が余り高くない場合、音速
でデジタル・バルブ素子内を流れる空気流は排気孔又は
管体内に於ける流速により下流マニホルド内の圧力が受
ける影響とは無関係に維持することができよう。

上流マニホルド内の調整された圧力はそれが下流マニホ
ルド内の最大圧力の少くとも二倍の大きさとなるように
選ばれる。

こうすることによって成る応用例に於いては満足すべき
直線性が得られる。

第４図は７個のデジタル・バルブ素子の状態の夫々の組
合せに対して下流マニホルド内に所望の圧力を確立する
為の調整装置を示しており、下流マニホルドは非常に精
密な圧力計に結合しである。

説明の便宜上、アナログ・バルブ作動装置に対する標準
的な人力圧力範囲である３−１５Ｐｓｉｇ（ト）０．２
１〜１．０５ Ｋｐ／ｃｒｌｌ ）の圧力を下流マニホ
ルド内に確立することが要求されているものと仮定し、
更に又全てのデジタル・バルブ素子が閉塞された状態に
ある時、下流マニホルド内に公称値３Ｐ ｓｉｇ（約０
．２ｉＫｙ／ｍ）の圧力を発生するように抽気オリフィ
スが設計されており耳金てのデジタル・バルブ素子が開
放された状態にある時標準温度・圧力で毎分０．３立方
フイート（約０．００８４ｍ８）の最大流速にて空気を
放出し得るように排気オリフィスが設計されているもの
と仮定する。

この場合の調整方法は第２図々第３図に示した実施例、
及び第５図と第６図に示した実施例の場合と幾分相違し
ている。

第５図と第６図に示した実施例の場合、調整作業の第一
段階は下流マニホルド内に圧力が発生していない時に圧
力計を零に合わせることであり、第二の段階は固定螺子
９２を捻回してサブ・ブロック９１内の抽気オリフィス
の有効オリフィス面積を調整し、全てのデジタル・バル
ブ素子が閉塞された状態にある時下流マニホルド内の圧
力が正確に３Ｐｓｉｇ（約０．２１ Ｋｙ ／７）とな
るようにすることである。

次いで夫々のデジタル・バルブ素子を順次開放し、かＮ
るバルブ素子を表わす下流マニホルド内の圧力が、圧力
計による測定によって所望の値に達したことが示される
迄螺子を捻回することによってバルブ素子の有効オリフ
ィス面積を調節した後バルブ素子を閉塞する。

個々のデジタル・バルブ素子の有効オリフィス面積を調
節して下流マニホルド内の圧力が経験的に判別される量
だけその正常値から僅かにずれた値になるようにした時
、デジタル・バルブ素子の状態の全ての組合せに対して
最高度の直線性が発揮できるということが判明した。

例えば重味４を付したデジタル・バルブ素子が開放して
いる時下流マニホルド内に公称圧力値３．３７５ Ｐｓ
ｉｇ（約０．２３６２ＫＰ／Ｃｒ１．）ではな（３，３
７８Ｐｓｉｇ（約０．２３６４Ｋｐ／７）を発生するよ
うにこのデジタル・バルブ素子が調節されている時一層
高度の全体的直線性が達成されるということが経験的に
云い得る。

第２図と第３図に示した実施例の場合、調整作業の第一
段階は下流マニホルド内に圧力が存在していない時圧力
計を零に合わせることであり、第二の段階は全てのデジ
タル・バルブ素子が閉塞された状態にある時下流マニホ
ルド内の圧力が正確に３ｐｓｉｇ（約０．２１ Ｋｙ／
ｃｒｌｌ ）となるように圧力調整器をセットすること
である。

これによって抽気オリフィス、排気オリフィス、上流マ
ニホルド、及び下流マニホルドに於ける寸法変化を上流
マニホルド内で確立される調整された圧力により補償す
ることが可能となる。

換言すれば、上流マニホルド内の調整された圧力はコン
トローラ・モジュールの構造に於けるこれらの公差変化
を補償する為にその公称値７５ Ｐｓｉｇ（約５．２５
Ｋｙ／７）と僅かに異なるが下流マニホルド内での全
圧力範囲に亘って上流及び下流マニホルド間に少くとも
２：１の絶対圧力比を維持するのに十分な値にセットさ
れる。

第三の段階は開放状態に於いて最小限の有効オリフィス
面積を具えたデジタル・バルブ素子を設け、デジタル・
バルブ素子の状態のかかる組合せに対して圧力計が下流
マニホルド内の所望の圧力を表示する迄前記デジタル・
バルブ素子の行程を調節することであり、第四の段階は
二番目に小さな有効オリフィス面積を有するデジタル・
バルブ素子を開放状態にしておき、か５るデジタル・バ
ルブ素子の状態の組合せに対して圧力計が下流マニホル
ド内の所望の圧力を表示する迄前記デジタル・バルブ素
子の行程を調節することである。

この作業は続行され、夫々のデジタル・バルブ素子は全
てのデジタル・バルブ素子が共に開放される迄有効オリ
フィス面積を増大すべく開放される。

次位のバルブ素子が開放される以前にその上位のバルブ
素子が夫々開放された後、丁度開放されたばかりのバル
ブ素子の行程はデジタル・バルブ素子の状態のか５る組
合せに対して圧力計が下流マニホルド内の所望の圧力を
表示する迄調整される。

個々のバルブ素子の行程を調節することによってこれら
のバルブ素子の諸部材の公差変化は補償される。

従って有効オリフィス面積はコントローラ・モジュール
に結合された二進化信号から成る二進化符号に従って正
確に重味付けされる。

要するに第２図と第３図の実施例に関連して上に説明し
た調整方法に於いては調整器が抽気オリフィスと排気オ
リフィスと上流及び下流マニホルドの寸法変化を補償す
べくセットされ、他方デジタル・バルブ素子の行程がか
５るバルブ素子の諸部材の公差変化を補償すべくセット
される。

全てのデジタル・バルブ素子が閉塞された状態にある時
、下流マニホルド内の圧力が零となるようにしたい場合
には抽気オリフィスは省略される。

この場合最も小さいオリフィス面積を有するデジタル・
バルブ素子が調整作業時に抽気オリフィスの役割を果す
。

換言すれば、このデジタル・バルブ素子は開放され、調
整器は該デジタル・バルブ素子の行程を調節することな
く所望の圧力が下流マニホルド内で確立されるようにセ
ットされる。

残余のデジタル・バルブ素子の行程は最も小さなオリフ
ィス面積を有するデジタル・バルブ素子に比べて適当に
重味を付されたオリフィス面積を順次提供することがで
きるように調節される。

上述した本発明の実施例は好ましいと思われるものを本
発明の概念を実例で示す為に掲げたに過ぎず、本発明の
領域はか５る実施例にのみ限定されるものではない。

当業者は本発明の領域と精神から逸脱することなく紙上
の実施例とは異なる多くの構成を考案することかできよ
う。

例えばマニホルド３４．８１内に大気圧以下の圧力を形
成することによりコントローラ・モジュール内を流れる
流体の流動方向を反転することも可能であろう。

但しこの様な構成は圧力の最大値が１４．７ Ｐｓｉｇ
（約１．０２９ Ｋｔ／ｃｒ／ｌ ）のものに限られる
。

排気オリフィスは大気圧以外の成る一定圧力を具えた追
加的なマニホルド又はプレナム・チャンバに結合するこ
ともできる。

上に述べた如く、このことは音速流を維持する為に排気
オリフィスの下流の圧力を大気圧以下にしたい場合には
特に有用であろう。

デジタル・バルブ素子と排気オリフィスは互いに交換す
ることもできる。

つまり排気オリフィスを二つのマニホルドに結合し、デ
ジタル・バルブ素子を一方のマニホルドに結合すること
により大気に連通させることもできる。

本発明は例えば二進化信号の如き、二進化信号以外のデ
ジタル信号に対しても適用可能である。

この様な場合、デジタル・バルブ素子は轟該デジタル信
号と同数の状態、つまり二進化信号の場合であれば三つ
の状態をもつように改変されなくてはならぬ。

下流マニホルドに結合された圧力呼応型の作動装置の代
りに、例えばタービン流量計の如き流量計を用いて流速
を監視することによって下流マニホルド内の圧力を感知
することもできる。

か５る場合タービンの角速度は下流マニホルド内の圧力
を表わしている。

デジタル・バルブ素子で構成されたその他の装置はコン
トローラ・モジュール１２として用いることもできる。

更に又第２図と第３図に示したデジタル・バルブ素子で
構成された装置は中程度の圧力と流速を以って行なわれ
る処理作業に於いて処理流体の流れを取扱う為に圧力調
整器１４、排気オリフィス６５、抽気オリフィス６４を
用いることなく使用することができる。

而して、本発明では各バルブ素子が開放状態の時の前記
オリフィス４６の圧力が下流マニホルド３５の圧力の変
化に無感応であるようにした点に特徴を有し、 この無感応にしたことによって、上流マニホルド内の圧
力は一定に保たれ、開放されているバルブ素子を通過す
る流速は下流マニホルド内の圧力とは関係なく、開放さ
れたバルブ素子の有効オリフィス面積の和に正比例し、
以後の制御系を正確に作動し得る利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の諸原理を適用した流体の流れ制御装置
の簡略的なブロック図、第２図は第１図にブロックで示
したコントローラ・モジュールの一実施例をその軸を含
む垂直面で切断して得られた手部分の斜面図、第３図は
第２図に示した幾つかのデジタル・バルブ素子の内の一
つの分解斜面図、第４図は第２図に示したコントローラ
・モジュールの為の調整装置の簡略化した説明図、第５
図は第１図にブロック図で示したコントローラ・モジュ
ールの態形実施例を一部断面で示した側面図、第６図は
第５図に示したコントローラ・モジュールを線６−６で
切って見た断面図、第７図と第８図は夫々第５図と第６
図に示したコントローラ・モジュールに於ける流速と有
効オリフィス面積と圧力の函数関係を示すグラフである
。 １０・・・・・・デジタルコンピュータ、１１・・・・
・・プラグ、１２・・・・・・コントローラ・モジュー
ル、１４・・・・・・圧力調整器、１９・・・・・・感
知装置、２０・・・・・・アナログデジタル変換器、３
０・・・・・・コア、３１・・・・・・円柱形凹部、３
２・・・・・・ケーシング、３４・・・・・・上流マニ
ホルド、３５・・・・・・下流マニホルド、３６，３７
゜３８．３９・・・・・・デジタルバルブ素子、４５・
・・・・・プラグ、４６・・・・・・オリフィス、４７
・・・・・・挿入体、４９・・・・・・プラグハウジン
グ、５２・・・・・・ソレノイドコイル、６０・・・・
・・端子ブロック、６３・・・・・・ケーブル挿入口、
７０・・・・・・ピン、８０・・・・・・主要ブロック
、８１・・・・・・上流マニホルド、８２・・・・・・
下流マニホルド、８３・・・・・・配線用凹部、８４・
・・・・・サブブロック、８７・・・・・・プラグ、８
８・・・・・・管体、８９・・・・・・導管、９１・・
・・・・サブ・ブロック、９５・・・・・・プラグ、９
６・・・・・・通路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 上流マニホルドと、下流マニホルドと、各々が前記
   上流マニホルドと下流マニホルドとを相互に連通ずる流
   体流路をもつ複数のデジタルバルブ素子と、前記流路内
   にある流れを決定するオリフィスと、信号に呼応してバ
   ルブ素子を開放状態にして前記流路を介して流体が流れ
   るようにしたり又はバルブ素子を閉じた状態にして流体
   が前記流路を介して流れないようにする部材と、各バル
   ブ素子が開放状態の時の前記オリフィスの圧力が下流マ
   ニホルドの圧力の変化に無感応であるようにしたこと、
   とから成るデジタル流れ制御装置。 ２ 上流マニホルドに連通される第一の圧力きしてのガ
   ス源と、下流マニホルドと連通し且つ第一の圧力よりも
   低い第二の圧力を有するガス受は器とを含み、各バルブ
   素子が、開放状態の時の流れを決定するオリフィスの圧
   力が下流マニホルドの圧力の変化に無感応であるように
   したことと、開放状態の時に流れを決定するオリフィス
   を介して流れるガス流を音速に確立する部材、とから成
   る特許請求の範囲第１項に記載のデジタル流れ制御装置
   。 ３ 音速確立部材が、第二の圧力に対する第一の圧力と
   の比率がガスの臨界圧力率よりも大きい率を維持するよ
   うにするための部材から成る特許請求の範囲第２項に記
   載のデジタル流れ制御装置。 ４ 少なくともいくつかのオリフィスの面積が２の等比
   級数に従っている特許請求の範囲第１項に記載の装置。