JPS63502223A - ネガティブフィ−ドバックを備えた流れ−圧力変換器用空気圧増幅器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ネガティブフィードバックを備えた流れ一圧力変換器用空気圧増幅器 発明の背景 Ｌ　発明の分野 本発明は、排出導管内の背圧に応答するネガティブフィードバック配列を提供す ることによシ、作動を安定化させる流体ブースター増幅器に関するものである。

λ　先行技術の説明 米国特許第４，４８１，９６７号明細書には、パイロット圧が空気圧信号を流体 増幅器に与え、この増幅器がプロセス制御のための圧力を提供するような流れ一 圧力変換器を制御する回路が示しである。米国特許第４，４８１，７６７号明細 書に開示された装置には、電気的フィードバックが備えである。

この特許明細書の第１図には、慣用的な設計になる空気圧ブースター増幅器がブ ロック図の形態で示しである。典型的な空気圧ブースター増幅器は、パイロット 圧に応答するダイアフラムを提供し、さらに当該ダイアフラムは、釣合った状態 でパイロット圧に比例する出力圧を与えるバルブ装置を作動させる。

米国特許第４，３２５，３９９号明細書にも、流れ一圧力変換器が開示してら） 、スプール・バルブ凰空気圧増幅器が模式的に図解しである。

添付図面の第１図には、慣用的な先行技術のｉ体増幅器が図解しである。第１図 に示された慣用的な先行技術の増幅器の場合、制御空気供給が供給ボートと排出 ボートの間のパルプ組立体に比例するといり問題が生じる。排出パルプが開く場 合の量（大きさ）は、例えば前述した諸特許に図解されたノズルによって発生さ れたパイロット圧のよりな、パイロット圧に応答す排出ボートを通る排出流れが 増加し、且つ排出通路に背圧が発生するのに伴ない、排出制御バルブは排出背圧 によって発生された力で移動する　この正のフィードバックにょシ、バルブの微 調節が困難とな夛、これは作動上の不安定性を生ずる傾向がある。

他の標準的な型式の空気圧ブースター増幅器については、空気圧コントローラー の説明がなされているパン・ノストランド（Ｖａｎ　Ｎｏｍｔｒａｎｄ　）科学 百科事典、第６版（１９８３年）、第２２６５−２２６６頁に示しである。典型 的な空気圧ブースター増幅器についテハ、「モダーンロコントロール争エンジニ アリンク」（Ｍｏｄｅｒｎ　ＣｏｎｔｒｏｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）　（オー ガツタ争プレンティスーホール（Ｏｇａｔａ　Ｐｒｅｎｔｉｅｅ　Ｈａｌｌ）社 、１９７０年）、第５・、２章、第１６１頁にも示しである。

発明の要約 本発明は、主として流れ一圧力変換器又は空気圧コントローラーに使用され、入 力圧又はパイロット圧に比例する出力圧を発生するよりに励起される増幅バルブ を備えている空気圧ブースター増幅器に関するものである。これは、排出通路と 制御圧に対する出口の間の供給源からの流体量を平衡させることによシ達成され る。

本発明の増幅器には、排出背圧の増加に伴なって排出流れを閉じる傾向のある補 助的な釣合い力を与えるように、排出背圧に感応する付加的なダイア７：７ムが 含まれている。排出バルブを閉じる傾向がある付加的なダイアフラムからの力は 、増幅器が極めて容易に動的に調節され、作動中にその所望の釣合り九位置から オーバーシュートする排出パルプの動きを少なくする傾向があるように、相当低 いレベルに制御可能である。

空気圧増幅器には、流れ供給中にパイロット圧に応答して制御バルブを開き、出 口圧力を与え、当該出ロ圧力本排出パルプを開いて圧力の平衡が得られる迄排出 流れを生ぜしめるように作用するようにした二重ダイア７２ム組立体が備えであ る。ダイア７２ムの寸法は、排出ボートを開くよシむしろ閉じようとする傾向の おる正味圧力を排出通路内の背圧が発生するように選択される。

本ユニットは現存のシステム内に容易に据付けられ、機械的素子を使って安定性 を助ける負のフィードバックをもたらす。

図面の簡単な説明 第１図は空気圧コントローラーに使用された先行技術の直接作用型空気圧増幅器 の模式的横断面図である。

第２図は本発明に従って作成された空気圧ブースター増幅器の模式的横断面図で おる。

好適な実施態様の詳細な説明 第１図には、典型的な先行技術による空気圧ブースター増幅器が模式的に示され ている。この増幅器にはハウジングｌＯが含まれ、当該ハウジング１０には第１ 内部チャ／バー１１が偏見られる。そして当該チャンバーには、このチャンバー １１をパイロット圧励起部分１３と出口ボー）　１４Ａで排出する排出チャンバ 一部分１４０２つの部分に分割するように、横切って延在する可撓性ダイア７２ ム１２の組立体が備えられ【いる。

ダイアフラム１２には、排出弁座を有するバルブ・ハウジング１５を含む中央部 分が備えである。ポペット・バルブ組立体１６には、排出弁座と組合っている第 １排出バルブ・ヘッド１７が備えである。パルプ組立体１６には、ポペット・パ ルプ組立体１６を上方へ強制するばね１８に接続されたステム１６人が備えてる る。

パルプ組立体１６は、ハウジング１０の内部を、空気供給チャンバー２１と出力 制御圧チャンバー２５とよシなる付加的なチャンバーに分離する、隔壁１９の開 口部をヌ通する。第２パルプ・ヘッド２０は、供給圧チャンバー２１と出力制御 圧チャンバー２５の間の流れを制御するために、隔壁１９の弁座と組合わされる 。ダイヤフラム１２は、排出チャンバー１４に対して相対的に出力チャンバ−２ ５の壁を形成するよりに、バルブ・ハウジング１５とハウジング１０の壁に接続 される。

供給圧チャンバー２１は、所望の圧力の空気圧を与える空気供給部に接続されて いる。ばね１８は、供給圧力がバルブ・へラド２０を壁１９０座に対して着座さ せて、供給チャンバー２１を出力チャンバ−２５から遮断させる傾向が生ずるよ つに、パルプ・ヘッド２０を支持する。

出される場合にパルプ１６に向ってたわむ。パルプ・ハウジング１５は次にパル プ・ヘクト１７に支えられ、パルプ・ヘッド２０をその壁１９０座から離し、流 体を空気圧供給源およびチャンバー２１からチャンバー２５内へ流すことが出来 るように出チャンバー１４に吐出するよりに、パルプ・ヘッド１７を通ってハウ ジング１５内へいたる通路を開き始める。ハウジング１５のチャンバー内の開口 部を通じて排出部にいたる流れは、排出ボー）　１４Ａを通じて流出する。出力 圧力からの力がパイロット圧からの力と均衡した場合、パルプは平衡状態に達し 、両方のパルプ・ヘッド１７及び２０が閉じられることになる。

平衡状態が達成されよりとしておシ、かつ排出流れが存在する場合には、そして 特に排出ライン内に制限がある場合には、チャンバー１４内に背再が発生する傾 向がある。チャンバー１４内の背圧は、チャンバー１３内のパイロット圧（Ｐ　 ｓｎ）とはダイア７う＋’ｌ　１２の反対側に作用し、また排出流れによって生 ずる背圧はダイアフラム１２とパルプ・７・ウジング１５を上昇さ対して相対的 に増加させる傾向があや。これはパルプに対するポジティブな（正方向の）フィ ードバックである。

パイロット圧Ｐｌｎが低下すると、ダイアフラム１２はハウジング１５から離れ 、ハウジングとパルプの組をパルプ・ヘッド１７から離すことにより排出バルブ を開き、再び平衡状態が確立される迄排出流れを生ぜしめる。ここで又、排出圧 力のポジティブフィードバックが不安定性を生ぜしめることになる。

チャンバー２５内の圧力がＰＩ！ｌ（パイロット圧）に比例する場合は、平衡状 態が確立されることが望ましい。しかし乍ら、正のフィードバンクの場合、排出 開口部はオーバシュートする傾向があり、増幅器がハンチング作動をするので、 本ユニットを感度高く、シかも安定したものに調節することが困難になる一１蕗 ２図に示された本発明の製置は、第１図に示された先行技術の増＠器に固有の不 安定性を克服するものである。

第２図に示されるよりに、空気圧ブースター増幅６３４には慣用的な様式で形成 されたｌ・ウジング３５が含まれ、さらに、ハウジング３５内で全体的に３９Ａ で示された内部空洞を規定する第１ダイアフラム組立体３８により【規定される パイロット圧チャンバー３７にいたる、パイロット圧入口導管３６が含ま図から 理解されるように、第１ダイアフラム組立体３８には、ハウジング３５内に内部 空洞を規定する壁に当該組立体を結合する可撓性環状ウェブ３９及び竪固な（剛 性の）中央板部分４０が備えてちる。ハウジング３５の内部空洞３９Ａには更に 、第１ダイアプラム組立体３８から隔置されており、かつ全体的に符号４２で示 される第２ダイアフラム組立体が備えられ、またこの第２ダイアフラム組立体に は、ハウジング３５の内部空洞３９Ａの壁および竪固な中央板部分４４に固着さ れた可撓性環状ダイアフラム・ウェブ４３が備えである。

中央の板状ダイアフラム部分４０及び４４は符号４５で示された単一のパルプ・ ハウジングに固定され、ダイアフラム組立体３８及び４２０間の空間は、排出導 管４７にいたる排出テヤハクジング４５は板部分４４に対して密封され、且つ符 号５０で示された下方弁座を規定する装置を備えている。

通路５２の内壁に接続されている第３可撓性ダイアスラム５３によシ、ハウジン グ３５内に規定された内部通路５２の壁にパルプ・ハウジング４５が結合される 。ダイアフラム５３とダイアフラム４２の間に形成されたチャンバー４８は大気 に連通される。

本発明のこの実施例においては、弁座５０に対して適合するような排出パルプ・ ヘッド５５がポペット・ノくルプ組立体５４に備えられている。そして、パルプ が開かれた場合には、パルプ・ヘッド５５によって制御される如くパルプ・ノ翫 つジング４５の内部にいたる排出ポートが形成される。弁座５０に生ずる排出ボ ートは、排出チャンバー４６内に連通し、したがって排出導管４７に連通する開 口部５７を有するパルプ・ハウジング４５内の内部チャンバーに連通される。

内部通路５２の下端部は、その内部に定められた弁座５９を有し、かつダイアク ラム５３から隔離された（図示の如くその下方にちる）壁５８で閉じられる。バ ルブ組立体５４には、弁座５９と組合わされ、且つ壁５８とダイアフラム５３の 間に形成された出力制御圧チャンバー６３への流れを制御するように、当該弁座 と協働する第２バルブ・ヘッド６２が備えてちる。出力チャンバ−６３には、出 力制御圧を遠隔のアクチュエーター又は他の所望のパルプ又はコントロール装置 に与えるように設けられた出力圧導管６４が備えである。

バルブ組立体５４には、バルブ・ヘッド６２の下方に延びており、かつハウジン グ３５上に支持された可撓性ダイア７ラム６６に接続されているバルブ・ステム ６５が備えである。ダイア７ラム６６の外側又は下方側は大気圧に面している。

壁５８とダイアフラム６６の間には供給圧チャンバー６７が形成しである。圧力 供給導管７０は加圧状態下の流体供給源からチャンバー６７に達している。

本発明の装置においては、パイロット圧Ｐａｎが導管３６を通して増加する（又 は開始する）場合、バルブ・ハウジング４５をバルブ組立体５４に向って移動さ せようとする、ダイアプラム組立体３８のグレー）４０上の圧力による°力が発 生され、同時にダイアフラム組立体４２の中火板部分４４は、それがダイアフラ ム組立体３８の中央板部分４０に機絨的に接続しであるために、移動されること になる。壁５８に向かうこの運動によシ、バルブ・ヘッド６２は弁座５９から離 され、加圧状態下の流体を、供給源から弁座５９を通って出力圧チャンバー６３ 内へ流入させ、次に出力制御圧導管６４の外へ出す。

チャンバー６３内で発生された圧力はダイアフラム５３に作用し、ダイアフラム の中央板部分４０上のパイロット圧によりて発生される力と平衡させようとする 。

次に、出力圧からの力がバルブ・ハウジング４５と中央グイ離させ、チャンバー ６３内の加圧流体の一部分をバルブ・ハウジング４５内に排出可能とし、さらに 開口部５７を通じて排出チャンバー４６内にいたらしめ、導管４７を通じて排出 させることが出来る。パイロット圧を均衡させる主要な（−次的な）フィードバ ックは、ダイアフラム５３の下面に作用する制御圧力によシ与えられる。

本発明の装置の設計にあたり、ダイアフラム組立体４２０作用部分を効果的にも たらす中央裾部分４４は、ダイアプラム組立体３８のダイアフラム中央板部分４ ０より僅かに直径が大きく作成されている。これは、排出導管４７を通ずる流れ によって発生される背圧に起因して、チャンバー４６内に発生される圧力が、排 出背圧の増加に伴ない、同様にバルブ・ヘッド５５に対してバルブ・ハウジング ４５を後方に移動させる傾向のある力を発生することを意味している。従って、 これはダイアフラム組立体３８の上面に作用する圧力と共に排出ボート５０を遮 断しようとする傾向を生ずる。

排出背圧からもたらされる正味のバルブを閉じる力は負のフィードバックを与え るので、排出流れが増加するのに伴ない（そして排出背圧が増加するのに伴ない ）、弁座５ｏを通過する流れを遮断しよりとする、よシ大きな傾向が生ずる。こ れは、導管６４内で与えられている流れ又は圧力が導管３６内のパイロット圧と 比例すること、及び不安定にすることなしにパイロット圧の変化に極めて感応性 があるようにバルブを調節出来ることを確実にする意味で、一層容易に平衡化さ れた圧力制御装置をもたらす。

パイロット圧が減少すれば、制御チャンバー６３内の圧力が、全体のバルブ・ハ ウジング４５とダイアフラム中央板部分４゜及び４４とをバルブ・ヘッド５５か ら離れるように移動させ、排出流れを弁座５０およびバルブ・ヘッド５５を通じ て発生させる。さらに、制御チャンバー６３に対する空気の供給は、バルブ・ヘ ッド６２が弁座５９に向って上方へ移動し、供給圧力を遮断することから、減少 される。平衡状態が確立され、このコにされる。

ダイアフラムの寸法を選択し、かつ排出背圧によって影響を受ける２個のダイア フラム（一方のダイアフラムが一方向に力を発生させる間に、他方のダイアフラ ムが逆向きの力を発生する）を相互に効果的に結合することによシ、ダイアフラ ムは排出流れに応答する負のフィードバックを生ずるようにされることができ、 これによって、感度又は精度を犠牲にせずにシステムの安定性を高め得ることが 理解されるであろう。

第２図に示された本発明の装置は、この負のフィードバックを発生することによ シ、排出サイクル中の利得を減少させ、この型式のブースター増幅器が使用され ている完全な流れ一圧力変換器の容易にして動的な調節を可能にする。

前述した如く、ダイアフラム５３とダイアフラム４２の閾に形成さｎたチャンバ ーは大気に連通され、排出流れを有しないので、バルブ・ハウジング４５はその 特定のチャンバーの領域で遮断され、即ちバルブ・ハウジングはダイアフラム４ ２とダイアフラム５３の間では開かない。空洞３９Ａと通路５２の横断面形状は 円形又は他の所望の構成に出来る。

本発明について好適な実施態様を参照しながら説明して来たが、当技術の熟知者 は本発明の技術思想と範囲から逸脱せずに形態上及び詳細な点で変更をなし得る ことに気付かれようっｐ（ｗ Ｐｔ〜 二ｒ？６父８

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. （１）ハウジングを含む流体増幅器に与えられるパイロット圧を表わす制御圧を 与える加圧流体供給部に接続する流体増幅器であって： 加圧状態下の流体供給を受取る供給チャンバー；制御圧導管に制御圧を与える出 力チャンバー；排出出口を通じて排気され、排出流れの関数として排出背圧を発 生させる排出チャンバー； パイロット圧を受取るパイロット圧チャンバー；供給チャンバーから出力チャン バーへの流体の流れを制御する第１バルブと、出力チャンバーから排出チャバー への流体の流れを制御する第２バルブとを有し、かつ出力チャンバー内の制御圧 を制御するように、流体の流れを制御する励起（駆動）力に応答するハウジング 内のバルブ装置；第１励起力をバルブ装置に与えるように、バルブ装置に接続さ れてパイロット圧に応答する第１活性領域を有し、排出背圧が第１ダイアフラム の第１活性領域上に作用して、第２の力でパィロット圧に対抗するようにした第 １ダイアフラム組立体；バルブ装置に接続され、制御圧を安定化させるために排 出背圧の負のフイードバックを与えるように、第１活性領域と少なくとも同じ大 きさの第２活性領域を有し、且つ第１ダイアフラム上の排出背圧に起因して、第 １ダイアフラム上に発生された力に対抗する第２の力より大きい第３の力をバル ブ装置に与えるように、排出背圧に感応する第２ダイアフラム；及び制御圧がパ イロット圧の所望の関数である場合に、平衡状態を達成するように、パイロット 圧により与えられる第１の力に対抗する第４の力をバルブ装置に与えるように、 出力チヤンバー内の制御圧に感応する第３ダイアフラムを備えた流体増幅器。
2. （２）第３ダイアララムは、出力チャンバーの圧力を増加させた時点で、第２バ ルブを開いて出力チャンバーから排出チャンバーへの流れを増加させる傾向のあ る励起力を発生するようにした請求の範囲第１項に記載の流体増幅器。
3. （３）前記第１タイアフラムと第２ダイアフラムが、機械的に接続されて共に移 動し、且つ排出チャンバーを規定する対面壁を形成するようにした請求の範囲第 １項に記載の流体増幅器。
4. （４）前記第３ダイアフラムの寸法が実質的に第１ダイアフラムおよび第２ダイ アフラムより小さくなつている請求の範囲第３項に記載の流体増幅器。
5. （５）前記第２バルブが排出チャンバーにいたる通路を形成する弁座と組合って おり、前記弁座が前記第１及び第２ダイアフラムと共に移動するように設置され 、かくしてパイロット圧の増加により前記第１及び第２ダイアフラムと前記弁座 とが前記第２バルブに向って移動される傾向があるようにした請求の範囲第３項 に記載の流体増幅器。
6. （６）出口において流体増幅器に与えられるパイロット圧の関数である制御圧を 発生する流体増幅器組立体であって：内部チャンバーを有するハウジング； ダイアフラムの表面を横切つて実質的に等しい距離に隔離配置され、ハウジング の内部チャンバー上に設置されて当該内部チャンバーを第１チャンバーと第２チ ャンバーに分割する第１及び第２ダイアフラム； パイロット圧チャンバーを含む前記第１チャンバー；前記第１ダイアフラムと第 ２ダイアフラムの間に形成されて排出チャンバーを含む前記第２チャンバー；前 記排出チャンバーにいたる排出弁座を規定する装置；前記ハウジング内に設置さ れ、前記排出弁座を規定する装置に接続された第３ダイアフラム；および前記ハ ウジングに設置され、加圧流体供給源から出口にいたる流れを制御する第１バル ブ部分を有するバルブ組立体よりなり、 前記排出弁座が前記出口から開き、前記バルブ組立体は出口から排出チャンバー への流れを制御するように前記排出弁座と組合わされている第２バルブ部分を有 し、前記第１，第２及び第３ダイアフラムと前記排出弁座を規定する前記装置が 方向性軸線に沿つた同時的運動のため結合され、前記パイロット圧チャンバー内 の圧力の増加が前記第１ダイアフラムに前記排出弁座を第２バルブ部分に対して 移動させ、第１バルブ部分を開いて流体を加圧流体供給源から前記出口へ流し得 るようにし、 前記第３ダイアフラムが出口における圧力に応答し、前記排出弁座を前記第２バ ルブ部分から離して前記流体を前記出口から前記排出チャンバーを通じて排出さ せ、前記第２ダイアフラムは、排出チャンバー内の流体からの負のフィードバッ クを発生するように、前記第１ダイアフラムより大きい寸法になつており、制御 圧が安定化され且つ、前記排出チャンバー内の圧力が前記排出弁座を前記第２バ ルブ部分に向つて移動させる傾向があるようにされた流体増幅器組立体。
7. （７）前記第３ダイアフラムは、実質的にその有効寸法が前記第１及び第２ダイ アフラムより小さくなつている請求の範囲第６項に記載の流体増幅器組立体。
8. （８）前記第１バルブ部分と第２バルブ部分が、同時的運動のため共に機械的に 固定されたアクチュエーター部分を含むようにした請求の範囲第６項に記載の流 体増幅器組立体。
9. （９）第１バルブ部分がハウジングに対して固定された弁座を含むようにした請 求の範囲第８項に記載の流体増幅器組立体。