KR102222662B1 - 유체 밸브 어셈블리, 프로세스 밸브 포지셔너 및 프로세스 밸브의 제어에서의 유체 밸브 어셈블리의 사용 - Google Patents

유체 밸브 어셈블리, 프로세스 밸브 포지셔너 및 프로세스 밸브의 제어에서의 유체 밸브 어셈블리의 사용 Download PDF

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Abstract

유체 밸브 어셈블리(60)가, 중심 보어(202)와, 중심 보어 내에서 축방향으로 이동할 수 있고, 축방향 파일럿 힘(F_pil)과 축방향 카운터 힘(F_sup)에 의해 작동되는 스템(203)을 포함한다. 스템에 작용하는 축방향 카운터 힘을 제공하는 안정화된 공급 압력을 유지하기 위해 내부 공급 압력 챔버(202E)가 제공된다. 시일 부재(603)가, 내부 공급 압력 챔버와, 공급 압력 입력 라인(S)에 연결되는 외부 공급 압력 챔버 사이의 스템과 공통 축으로 배열된다. 미터링 엣지(PR3, PS3)가 외부 공급 압력 챔버로부터 액추에이터 챔버(202D)로의 유체 흐름을 제어하기 위해 스템과 공통축으로 배열된다. 외부 공급 압력 챔버에서의 급격한 압력 강하에 대해, 내부 챔버의 공급 압력을 안정화시키기 위한 수단(605)이 제공된다.

Description

유체 밸브 어셈블리, 프로세스 밸브 포지셔너 및 프로세스 밸브의 제어에서의 유체 밸브 어셈블리의 사용
본 발명은 유체 액추에이터, 특히 공압 및 유압 액추에이터를 제어하는 것에 관한 것이다.
액추에이터는 동작 또는 제어 동작을 도입하는 메커니즘으로서 자주 사용된다. 이는 에너지원, 일반적으로 전류, 유압 유체 압력, 또는 공압 유체 압력에 의해 작동되며, 그 에너지를 제어 밸브의 폐쇄 요소의 이동과 같은 대상 메커니즘의 동작으로 변환한다.
제어 밸브는 일반적으로 상이한 파이프 라인과 프로세스에서 액체 또는 가스 흐름의 연속적인 제어를 위해 사용된다. 펄프 및 종이, 정유, 석유 및 화학 산업과 같은 프로세싱 산업에서, 플랜트의 파이프 시스템에 설치된 서로 다른 종류의 제어 밸브는 프로세스에서 재료 흐름을 제어한다. 재료 흐름은 유체, 주류, 액체, 기체 및 증기와 같은 임의의 유체 재료를 포함할 수 있다. 제어 밸브는 보통 완전 개방 위치와 완전 폐쇄 위치 사이의 원하는 위치로 밸브의 폐쇄 요소를 이동시키는 액추에이터와 연결된다. 액추에이터는, 예를 들면, 공압 실린더-피스톤 장치일 수 있다. 액추에이터는 보통, 제어 밸브의 폐쇄 요소의 위치를 제어하여, 프로세스 컨트롤러로부터의 제어 신호에 따른 프로세스에서 재료 흐름을 제어하고, 밸브 컨트롤러라고도 불리는 밸브 포지셔너에 의해 제어된다.
산업에서 일반적으로 적용되는 밸브는 종종 공압 액추에이터에 의해 작동된다. 이러한 액추에이터는 스템에 연결되는 피스톤 또는 다이어프램 상에 작용하는 압력에 의해 공압 압력을 밸브 스템 동작으로 변환한다. 액추에이터는 단동식(single-acting) 또는 복동식(double-acting) 중 하나일 수 있다. 단동식 장치의 경우, 반대 방향의 이동은 스프링, 스프링에 반대로 작용하는 압축된 공기에 의해 이루어진다. 공기 압력이 밸브를 폐쇄하고, 스프링 동작이 밸브를 개방하는 경우, 액추에이터는 직접 동작(direct acting)이라고 한다. 공기 압력이 밸브를 개방하고, 스프링 동작이 밸브를 폐쇄하는 경우, 액추에이터는 역동작(reverse acting)이라고 한다. 복동식 액추에이터는 다이어프램 또는 피스톤 양 측 모두에 공급되는 공기를 갖는다. 다이어프램 또는 피스톤을 가로지르는 차압은 밸브 스템의 위치를 결정한다. 공압 신호가 회로에 의해 자동적으로 제어되는 경우 자동 작동이 제공된다. 회로의 수동 스위치에 의해 반자동 작동이 공기 제어 밸브에 제공된다. 또한, 유압 액추에이터는 공압 액추에이터와 유사한 밸브의 위치 결정을 위해 사용될 수 있으나, 이제는 공기 또는 공압 유체 대신에 유압 유체가 사용된다.
밸브 포지셔너는 일반적으로 디지털 필드버스를 통해 또는 아날로그 4...20 mA 제어 신호로서 제어 명령을 수신할 수 있다. HART(Highway Addressable Remote Transducer) 프로토콜은 기존의 4 내지 20 mA 아날로그 신호와 함께 디지털 데이터의 전송을 가능하게 한다. 필드버스의 다른 예시는 Fieldbus 및 Profibus이다. 일반적으로, 포지셔너에 대한 모든 전력은 필드버스 또는 4...20 mA의 제어 신호로부터 획득된다. 별도의 케이블링이 필요하기 때문에, 포지셔너에 대해서는 별도의 전력 공급 장치는 바람직하지 않다. 포지셔너는 전기 제어 출력을 갖는 전기 유닛과, 전기 제어 신호를 받아, 액추에이터에 대한 대응하는 유체 압력 출력으로 변환하는 공압 또는 유압 유닛을 포함할 수 있다. 이는 종종 전류-압력(I/P) 변환이라고 한다. 공압 또는 유압 유닛은 프레스티지(prestage)와 출력 스테이지를 포함할 수 있다. 파일버스 또는 아날로그 전류 루프로부터 사용 가능한 전력은 매우 제한적이기 때문에, 프레스티지는 먼저, 전기 제어 신호를 출력 스테이지를 제어하기 충분히 작은 파일럿 유체 압력으로 변환할 수 있다. 출력 스테이지는 공급 유체 압력에 연결되며, 액추에이터에 의해 사용되는 더 큰 유체 압력 출력 신호로 작은 파일럿 압력 신호를 증폭한다. 출력 스테이지는 종종 압력 증폭기, 압력 부스터, 또는 압력 릴레이라고 한다.
포지셔너에 사용되는 공압 출력 스테이지는 스풀(spool) 밸브 어셈블리와 포펫 밸브 어셈블리로 굵직하게 그룹화될 수 있다. 복동식 액추에이터를 제어하기 위한 5/3 스풀 밸브(5개의 포트/3개의 상태)의 단순화된 설계의 예시는 도 1a와 대응하는 회로도 기호인 도 1b에 나타내었다. 스풀 밸브 유형의 출력 스테이지에서, 유일하게 움직이는 부분은 밸브 본체(7)의 중심 보어 내에서 움직이고, 공급 압력 포트(1)에서 액추에이터 포트(2, 4)까지, 그리고 액추에이터 포트(2, 4)에서 배기 포트(3 및 5)까지 공기 흐름을 제어하는 스풀(6)이다. 스풀 밸브의 구조로 인하여, 밸브를 통한 공급 공기 누출이 항상 존재한다. 엄격한 허용 오차는 스풀 밸브의 제조 기술을 매우 어렵게 만든다. 일반적으로, 스풀 밸브 유형의 출력 스테이지는 작동 환경과 제조 상의 변화에 견고하지 못하다.
포펫 밸브 설계를 갖춘 출력 스테이지는 스풀 밸브보다 움직이는 부품의 수가 많다. 그러나, 스풀 밸브 부품에 허용되는 더 큰 허용 오차와 클리어런스는 경제적인 대량 생산과 최신 제조 기술을 이용할 수 있게 한다. 복동식 액추에이터를 제어하기 위한 기존의 4/2 포펫 밸브(4 포트/2 상태)의 단순화된 설계 예시는 도 1c와 도 1d에서 대응하는 회로도 기호에 나타내었다. 알 수 있는 바와 같이, 기존의 포펫 밸브 어셈블리에서, 2개의 개별적인 포펫 밸브(8 및 9)는 공급 압력 포트(1)에서 액추에이터 포트(2, 4)까지, 그리고 액추에이터 포트(2, 4)에서 배기 포트(3)까지의 공기 흐름을 제어하기 위해 필요하다. 도 1c에 나타낸 종래의 출력 스테이지에서, 포펫 밸브(8 및 9)의 움직임이 서로 기계적으로 연결되지 않기 때문에 단일 파일럿 압력의 제어 가능성은 떨어진다. US 6276385는 출력 스테이지를 개시하며, 포펫 밸브의 이동은 작동 빔에 의해 함께 이루어져 일제히, 그러나 반대 방향으로 이동한다. 작동 빔은 중심 피벗 사에서 회전하는 로커 암(rocker arm)이다. 포펫 밸브의 이동은 이제 동기화된다.
도 1c에 나타낸 종래의 출력 스테이지와 US 6276385의 출력 스테이지 모두에서, 포펫 밸브의 제어는 압력 힘을 극복하기 위해 매우 큰 힘을 필요로 한다. 포펫 밸브를 개방하기 위해 필요한 임계 힘은 커지며, 제어 영역 내에서 중요한 불연속점이 발생한다. 포펫 밸브 유형의 종래 기술의 출력 스테이지의 이러한 특성은 출력 스테이지의 제어를 훨씬 더 어렵게 만든다.
단동식 액추에이터에 대한 포펫 밸브 유형의 3/2 출력 스테이지(3 포트/ 2 상태)의 예시는 US 6276385, US 6957127, US 8522818, US 7458310, 및 US 5261458에 개시되어 있다.
본 발명의 일 양상은 새로운 설계를 갖는 유체 밸브 어셈블리 또는 출력 스테이지를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 양상은 독립항으로 정의된 바와 같은 유체 밸브 어셈블리와 밸브 포지셔너이다. 본 발명의 실시예들은 종속항들에 개시되어 있다.
본 발명의 일 양상은 액추에이터, 특히 유압(hydraulic) 또는 공압(pneumatic) 액추에이터에 액추에이터 유체 압력을 제공하기 위한 압력 하에서 유체의 공급부에 연결하기 위한 유체 밸브 어셈블리로서,
중심 보어(bore)를 갖는 밸브 본체로서, 상기 중심 보어는 내부 공급 압력 챔버, 공급 압력 입력 라인에 연결되는 외부 공급 압력 챔버; 액추에이터 챔버; 및 배기(exhaust) 챔버를 포함하는 밸브 본체;
상기 중심 보어 내에서 축방향으로 이동 가능한 스템(stem)으로서, 상기 스템에 영향을 미치는 축방향 파일럿(pilot) 힘과 축방향 카운터(counter) 힘에 의해 작동되는 스템;
상기 스템과 공통 축으로 배열되고, 상기 스템에 의해 제어되며, 상기 외부 공급 압력 챔버로부터 상기 액추에이터 챔버로, 그리고 상기 액추에이터 챔버로부터 상기 배기 챔버로의 유체 흐름을 각각 제어하도록 배열된 미터링(metering) 엣지 및 카운터액팅(counteracting) 미터링 엣지;
상기 외부 공급 압력 챔버와 상기 내부 공급 압력 챔버 사이에서 상기 스템과 공통 축으로 배열된 시일(seal) 부재; 및
상기 내부 공급 압력 챔버에서의 상기 공급 압력을 안정화하기 위한 수단을 포함하고,
상기 내부 공급 압력 챔버는 상기 내부 공급 압력 챔버 내에서 상기 스템에 영향을 미치는 상기 축방향 카운터 힘을 제공하는 안정화된 공급 압력을 유지하도록 배열된다.
일 실시예에서, 상기 내부 챔버 내에서의 공급 압력을 안정화하기 위한 수단은, 상기 내부 공급 압력 챔버와 상기 외부 공급 압력 챔버 사이의 제한 유로를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 제한 유로는 상기 내부 공급 압력 챔버에서 유지되는 안정화된 공급 압력을 상기 외부 공급 압력 챔버에서의 공급 압력으로 미리 결정된 속도로 낮추도록 배열된다.
일 실시예에서, 상기 제한 유로는, 상기 외부 공급 압력 챔버에서의 공급 압력이 상기 내부 공급 압력 챔버에서 유지되는 안정화된 공급 압력보다 높은 경우, 상기 내부 공급 압력 챔버에서 유지되는 안정화된 공급 압력을 미리 결정된 속도로 상승시키도록 배열된다.
일 실시예에서, 상기 제한 유로는 흐름 제한기(flow restrictor)를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 흐름 제한기는 바람직하게는 약 0.1 mm 내지 약 0.5 mm의 오리피스(orifice) 직경, 보다 바람직하게는 약 0.2 mm 내지 약 0.3 mm의 오리피스 직경을 갖는 흐름 오리피스 제한기이다.
일 실시예에서, 상기 내부 챔버에서의 공급 압력을 안정화시키는 수단은, 상기 외부 공급 챔버에서의 압력이 상기 내부 공급 챔버에서 유지되는 안정화된 공급 압력 아래로 떨어지는 경우, 상기 내부 공급 압력 챔버와 상기 외부 공급 압력 챔버 사이의 공급 압력 유로를 차단하도록 구성되고, 그렇지 않으면 공급 압력 유로를 개방하도록 배열되는 체크 밸브 또는 유사한 흐름 제어 장치를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 시일 부재는 립(lip) 시일, 링 시일, 실링 다이어프램 또는 실링 벨로즈(bellows)를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 시일 부재는, 상기 외부 공급 압력 챔버에서의 압력이 상기 내부 공급 압력 챔버에서 유지되는 안정화된 공급 압력보다 떨어지는 경우, 상기 외부 공급 압력 챔버로부터 상기 내부 공급 압력 챔버를 밀봉하도록 배열되며, 상기 외부 공급 압력 챔버에서의 공급 압력이 상기 내부 공급 압력 챔버에서 유지되는 안정화된 공급 압력보다 높아지는 경우, 상기 내부 공급 압력 챔버에서 유지되는 안정화된 공급 압력을 상승시키기 위해 상기 외부 공급 압력 챔버로부터 상기 내부 공급 압력 챔버로 상기 공급 압력을 통과시키도록 배열된 환형의 립 시일이다.
일 실시예에서, 상기 외부 공급 압력 챔버의 공급 압력 입구로부터 파일럿 압력 및 이에 따른 상기 축방향 파일럿 힘을 제어하는 프레스티지까지의 추가 제한 유로를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 제한 유로 및 상기 추가 제한 유로는, 상기 외부 공급 압력 챔버에서의 공급 압력의 변화로 인해 상기 축방향 카운터 힘의 변화율과 상기 파일럿 힘의 변화율이 대략 동일하도록 치수가 정해진다.
일 실시예에서, 상기 내부 챔버에서의 공급 압력을 안정화시키기 위한 수단은, 상기 외부 공급 챔버에서의 압력이 상기 내부 공급 챔버에 유지된 안정화된 공급 압력 아래로 떨어지는 경우, 상기 내부 공급 압력 챔버와 상기 외부 공급 압력 챔버 사이의 공급 압력 유로를 차단하도록 구성되고, 그렇지 않으면 공급 압력 유로를 개방하도록 배열된 체크 밸브 또는 유사한 흐름 제어 장치를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 내부 챔버의 공급 압력을 안정화시키기 위한 수단은, 상기 외부 공급 챔버에서의 압력이 상기 내부 공급 챔버에서 유지되는 안정화된 공급 압력 아래로 떨어지는 경우, 상기 내부 공급 압력 챔버와 상기 외부 공급 압력 챔버 사이의 공급 압력 유로를 차단하도록 구성되고, 그렇지 않으면 공급 압력 유로를 개방하도록 배열되고, 또한, 상기 내부 공급 압력 챔버로부터 파일럿 압력 및 이에 따른 상기 축방향 파일럿 힘을 제어하는 프레스티지까지의 제한 유로를 포함하는 체크 밸브 또는 유사한 흐름 제어 장치를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 미터링 엣지와 상기 카운터액팅 미터링 엣지 중 하나는, 플렉시블(flexible) 요소에 의해 상기 스템 및 벨브 본체 상의 각각의 메이팅(mating) 시트면에 지지되는 포펫(poppet) 링을 포함하고, 상기 미터링 엣지와 상기 카운터액팅 미터링 엣지 중 다른 하나는, 플렉시블 요소에 의해 상기 벨브 본체 및 상기 스템 상의 각각의 메이팅 시트면에 지지되는 포펫 링을 포함하며, 지지 장치는 상기 각각의 미터링 엣지의 폐쇄 상태에서도 상기 포펫 링과, 상기 지지 벨브 본체 또는 스템의 상대적인 축방향 이동을 허용한다.
일 실시예에서, 상기 플렉시블 요소 각각은, 각각의 실링 요소, 바람직하게는 실링 다이어프램 또는 실링 벨로즈를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예는 전기 제어 출력을 갖는 전자 유닛과, 상기 전기 제어 출력을, 액추에이터에 대해 대응하는 유체 압력 출력으로 변환하도록 배열된 공압 또는 유압 유닛을 포함하며, 상기 공압 또는 유압 유닛은 청구항 1 내지 청구항 15 중 어느 한 항에 따른 유체 벨브 어셈블리를 포함하는 밸브 포지셔너이다.
일 실시예에서, 상기 공압 또는 유압 유닛은 프레스티지와 출력 스테이지를 포함하고, 상기 프레스티지는 상기 전기 제어 출력을 상기 출력 스테이지를 제어하기 충분한 파일럿 압력으로 변환하도록 배열되며, 상기 출력 스테이지는 본 발명의 실시예들에 따른 유체 밸브 어셈블리를 포함한다.
본 발명의 또 다른 양상은 프로세스 밸브의 제어에서 본 발명의 실시예들에 따른 유체 밸브 어셈블리의 사용이다.
이하에서, 본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 예시적인 실시예들에 의해 설명될 것이다.
도 1a 및 1b는 각각, 종래 기술의 5/3 스풀 밸브의 단순화된 예시와 대응하는 회로도 기호를 나타낸다.
도 1c 및 1d는 각각, 종래 기술의 4/2 스풀 밸브의 단순화된 예시와 대응하는 회로도 기호를 나타낸다.
도 2a, 2b 및 2c는 스템의 3가지 위치에서 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 유체 밸브 어셈블리를 개략적으로 나타낸다.
도 3은 다른 예시적인 실시예에 따른 유체 밸브 어셈블리를 개략적으로 나타낸다.
도 4a, 4b 및 4c는 스템의 3가지 위치에서 스템에 대한 포펫 링의 플렉시블 지지의 예시를 개략적으로 나타낸다.
도 5a 및 5b는 본 발명의 실시예에 따른 압력-평형 포펫 링의 예시를 개략적으로 나타낸다.
도 6, 7 및 8은 또 다른 예시적인 실시예에 따른 유체 밸브 어셈블리를 개략적으로 나타낸다.
도 9는 흐름 제한기의 예시를 개략적으로 나타낸다.
도 10a 및 10b는 파일럿 압력 안정화를 갖는 다른 예시적인 실시예에 따른 유체 밸브 어셈블리를 개략적으로 나타낸다.
도 11은 예시적인 프로세스 자동 시스템의 개략적인 블록 다이어그램을 나타낸다.
도 12는 공압 액추에이터가 밸브 포지셔너의 제어 하에서 프로세스 밸브를 작동시키는 예시적인 장치를 나타낸다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 유체 밸브 어셈블리가 적용될 수 있는 예시적인 지능형(intelligent) 밸브 컨트롤러의 개략적인 블록 다이어그램을 나타낸다.
동일한 양수인을 갖는 동시 계류 중인 핀란드 특허 출원 FI 20155177에서, 유체 밸브 어셈블리 또는 출력 스테이지가 다양한 개선된 특징을 제공하는 것으로 개시된다. FI 20155177의 개시는 유체 밸브 어셈블리 구조의 보다 상세한 설명을 제공하기 위해 본 명세서에 참조로서 포함되며, 본 발명의 원리와 실시예에도 적용될 수 있다. FI 20155177에 개시된 유형의 유체 밸브 어셈블리는 포펫-형 밸브 등으로 구현될 수 있다. 포펫-형 밸브 어셈블리는 스풀 밸브와는 달리, 마모되기 쉬운 소프트 실링을 사용하지 않고도 실질적으로 누출이 없을 수 있다. 필요한 제조 기술은 소규모-클리어런스의 스풀 밸브의 것만큼 까다롭지 않다. 더 많은 수의 구성요소에도 불구하고, 제조 비용은 경쟁력이 있다. 밸브 어셈블리의 미터링 엣지는 스템에 의해 함께 기계적으로 결합되며, 플렉시블 요소에 의해 지지된다. 미터링 엣지와 스템 또는 밸브 본체의 축방향의 상대적인 이동은 폐쇄 위치에 도달했을 때에도, 폐쇄 방향으로 허용될 수 있다. 종래의 포펫 밸브에서, 밸브가 폐쇄되는 경우, 포펫의 이동은 폐쇄 방향으로 계속될 수 없다. 이는 하나의 파일럿 압력과 같이, 하나의 파일럿 힘을 갖는 포펫 밸브의 정확한 제어를 가능하게 한다.
도 2a, 2b 및 2c에서는, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른, 제어 유체 압력을 갖는 액추에이터를 제공하기 위한 압력 하에서 유체의 공급부에 연결될 수 있는 유체 밸브 어셈블리(20)를 개략적으로 나타낸다.
도 3에서, 다른 예시적인 실시예에 따른 유체 밸브 어셈블리(20)를 보다 상세하게 도식적으로 나타낸다. 도 2a, 2b, 2c 및 3에서 동일한 참조 기호는 동일하거나 대응하는 요소, 구조, 기능 및 특징을 나타낸다.
예시적인 실시예에서, 단동식 액추에이터 또는 대응하는 장치를 제어하기 위한 3개의 위치 또는 상태, 3개의 포트를 갖는 3/3 밸브 어셈블리를 나타내었다. 그러나, 동일한 원리는 또한, 다른 수의 포트 및/또는 위치 또는 상태를 갖는 밸브 어셈블리에도 적용될 수 있다.
밸브 어셈블리(20)는 압력 하에서 유체의 공급을 수용하기 위한 공급 챔버(202C) 또는 공급 포트(S), 단동식 액추에이터에 제어 유체 압력을 제공하기 위한 액추에이터 챔버(202D) 또는 액추에이터 포트(C), 및 액추에이터 포트(C)로부터 유체 압력을 (예를 들면, 환경으로) 배출하기 위한 배기 챔버(202C) 또는 배기 포트(EX)를 갖는 챔버(202) 또는 축방향 중심 보어를 갖는 신장된 프레임 또는 본체(201)를 포함한다.
본 발명의 일 양상에 따르면, 중심 보어(202)에서 축방향으로 이동하도록 밸브 본체(201) 내에서 스템(203)이 제공된다. 스템(203)은 밸브 어셈블리에 설치되는 경우, 단일의 강성 스템을 형성하도록 배열된 2개 이상의 부분을 포함할 수 있다. 스템(203)은 중심 보어(202) 내에 축방향으로 이격된 위치에서 배열된 복수의 포펫 링(PR3 및 PR4)을 통해 연장된다. 각각의 포펫 링(PR3 및 PR4)은 각각의 메이팅 시트면(PS3 및 PS4)과 함께 작동하기 위해 스템(203)과 공통축으로 배열되어, 액추에이터 포트(C)(액추에이터 챔버(202C))와, 공급부(S)(공급 챔버(202D)) 및 배기 포트(EX)(배기 챔버(202B)) 중 하나 사이에서의 유체 흐름을 제어하기 위해 (대안적으로 제어 엣지라고 불릴 수 있는) 각각의 미터링 엣지(PR3/PS3 및 PR4/PS4) 형성 제어 오리피스(도 2b, 2c에서 화살표로 도시됨)를 형성한다. 미터링 엣지의 폐쇄 위치에서, 포펫 링이 각각의 메이팅 시트면에 대해 가압되는 경우, 실질적으로 미터링 엣지를 통한 흐름이 없다. 미터링 엣지가 폐쇄된 것으로 여겨지더라도, 일부 실시예에서, 일부 유체 흐름 또는 유체 누출이 허용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 미터링 엣지의 개방 위치에서, 포펫 링이 각각의 메이팅 시트면으로부터 분리되고, 오리피스가 이들 사이에서 개방되는 경우, 미터링 엣지를 통한 유체 흐름이 허용된다.
본 발명의 일 양상에 따르면, 밸브 어셈블리(20)의 미터링 엣지(PR3/PS3 및 PR4/PS4)는 스템(203)에 의해 기계적으로 결합되며, 플렉시블 요소(SD3 및 SD4)에 의해 지지된다. 미터링 엣지와, 스템(203) 또는 본체(201)의 축방향의 상대적 이동은 폐쇄 위치에 도달했을 때에도, 폐쇄 방향으로 허용된다. 종래의 포펫 밸브에서, 밸브가 폐쇄되는 경우, 포펫의 이동은 폐쇄 방향으로 계속될 수 없다. 이는 포펫 밸브의 정확한 제어를 가능하게 한다.
본 발명의 일 양상에 따르면, 한 쌍의 카운터액팅 메이팅 엣지가, 카운터액팅 쌍의 미터링 엣지 모두가 스템의 중심 위치에서 폐쇄되도록, 액추에이터 포트(C)에 제공되며, 제1 축방향으로의 스템(203)의 이동과 함께, 하나의 미터링 엣지가 폐쇄되고, 카운터액팅 쌍의 다른 미터링 엣지는 개방되며, 반대인 제2 축방향으로의 스템(203)의 이동과 함께, 하나의 미터링 엣지가 개방되고 카운터액팅 쌍의 다른 미터링 엣지는 폐쇄된다.
포펫-형 밸브 어셈블리는, 스풀 밸브와는 달리, 마모되기 쉬운 소프트 실링을 사용하지 않고 실질적으로 누출이 없을 수 있다. 필요한 제조 기술은 소규모-클리어런스의 스풀 밸브의 것만큼 까다롭지 않다. 많은 수의 구성요소에도 불구하고, 제조 비용은 경쟁력이 있다.
일 실시예에서, 포펫 링(PR3 및 PR4)과, 스템(203) 또는 본체(201)의 폐쇄 방향으로의 축방향의 상대적 이동이 포펫 링이 폐쇄 위치에 도달할 때에도 허용되도록, 스템(203)과 공통축으로 배열된 각각의 포펫 링(PR3 및 PR4)이 각각의 플렉시블 요소(SD3 및 SD4)에 의해 본체(201) 또는 스템(203)에 지지된다.
일 실시예에서, 플렉시블 요소(SD3 및 SD4)는 도 3 및 도 4a, 4b 및 4c의 예시에 나타낸 바와 같이, 환형의 실링 다이어프램 또는 환형의 실링 벨로즈이다.
일 실시예에서, 각각의 포펫 링(PR3 및 PR4)은, 숄더(shoulder) 또는 플랜지(flange)와 같은, 스템(203)의 더 큰 직경 섹션에 의해 형성되거나, 중심 보어(202) 내로 반경 방향으로 돌출되어, 본체(201)의 플랜지 또는 내부 숄더와 같은, 중심 보어(202)의 더 작은 직경 섹션을 제공하는 본체 섹션에 의해 형성된 각각의 메이팅 시트면(PS3 및 PS4)을 갖는다.
본 발명의 실시예에서, 포펫 링(PR4)은, 내부 원이 자유로운 반면에, 외부 원에서 플렉시블 요소(S4)에 의해 밸브 본체(201)에 지지된다. 포펫 링(PR4)은 중심 보어(202)에 반경 방향으로 내부로 돌출될 수 있으며, 스템(203)의 각각의 더 큰 직경 단부(203B)에 의해 형성된 각각의 메이팅 시트면(PS4)을 가질 수 있다. 포펫 링(PR3)은, 외부 원이 자유로운 반면에, 내부 원에서 플렉시블 요소(SD3)에 의해 스템(203)에 지지된다. 포펫 링(PR3)은 밸브 본체(201) 상에 형성된 각각의 메이팅 시트면(PS3)을 갖는다.
본 발명의 일 양상에 따르면, 한 쌍의 카운터액팅 미터링 엣지(PR3/PS3 및 PR4/PS4)가, 카운터액팅 쌍의 미터링 엣지 모두 스템의 중심 위치에서 폐쇄되며, 제1 축방향으로 스템(203)의 이동과 함께 하나의 미터링 엣지가 폐쇄되고, 카운터액팅 쌍의 나머지 미터링 엣지는 개방되며, 그리고 반대의 제2 축방향으로 스템(203)의 이동과 함께 하나의 미터링 엣지가 개방되고, 카운터액팅 쌍의 나머지 미터링 엣지는 폐쇄되도록 액추에이터 포트(C)에 제공된다.
일 실시예에서, 미터링 엣지(PR3/PS3)는 액추에이터 포트(C)(액추에이터 챔버(202D))와 공급 포트(S)(공급 챔버(202C)) 사이의 유체 흐름을 제어하며, 미터링 엣지(PR4/PS4)는 액추에이터 포트(C)(액추에이터 챔버(202D))와 배기 포트(EX)(배기 챔버(202C)) 사이의 유체 흐름을 제어한다.
대안적인 실시예에서, 모든 포펫 링은 포펫 링(PR3)과 유사한 방식으로 각각의 플렉시블 실링 요소에 의해 스템(202)에 지지되며, 모든 메이팅 시트면은 메이팅 시트면(PS3)과 유사한 방식으로 밸브 본체(201) 상에 배열될 수 있다. 다른 대안적인 실시예에서, 모든 포펫 링은, 포펫 링(PR4)과 유사한 방식으로 각각의 플렉시블 실링 요소에 의해 밸브 본체(201)에 지지되며, 모든 메이팅 시트면은 메이팅 시트면(PS4)과 유사한 방식으로 밸브 본체(203) 상에 배열될 수 있다. 그러나, 본 경우에서, 일부의 포펫 링은 흐름 제어와 압력 평형에 문제를 발생시킬 수 있는 각각의 미터링 엣지의 더 높은 압력 측이 아닐 수 있다.
일 실시예에서, 스프링과 같이 사전 로드된 탄성 요소가 미터링 엣지에 대해 폐쇄시키는 힘을 만들기 위해 제공된다. 예를 들면, 하나 이상의 사전 로드된 스프링(213)은 본체의 상부(201)와 포펫 링(PR3) 사이의 스템(203) 주위로 배열되어, 포펫 링(PR3) 상에 축방향 폐쇄시키는 힘을 가하고, 메이팅 시트면(PS3)에 대해 가압할 수 있다. 유사하게, 다른 단부에서 포펫 링(PR4)을 적합한 지지 요소에 인접하게 하기 위해, 액추에이터 포트(C)(액추에이터 챔버(202D))에서 중심 보어(202)의 스템(203) 주위의 하나 이상의 사전 로드된 스프링이 있을 수 있다. 그러나, 폐쇄시키는 힘이 생성되는 특정 기술은 기본 발명에 필수적이지 않다는 것이 이해되어야 한다.
도 2a에서 나타낸 스템(203)의 폐쇄 중심 위치에서, 축방향의 중심 위치에서 스템(203)을 변위시키는 축방향 알짜 힘 F_tot는 존재하지 않는다. 모든 미터링 엣지(PR3/PS3 및 PR4/PS4)는 폐쇄, 즉 각각의 포펫 링(PR3 및 PR4)은 각각의 메이팅 시트면(PS3 및 PS4)에 대해 가압된다. 포트(EX, C 및 S)(즉, 챔버(202B, 202C 및 202D)) 사이의 유체 흐름은 존재하지 않는다. 도 4a, 4b 및 4c는 스템(203)에 대한 포펫 링(PR3)의 플렉시블 지지부(SD3)의 예시적인 구현을 개략적으로 나타낸다. 플렉시블 지지부(SD3)는 스템(203)의 외부 주변에 고정된 내부 원을 가지며, 포펫 링(PR3)의 내부 원에 고정된 외부 원을 갖는, 접힌 환형의 실링 다이어프램의 형태일 수 있다. 메이팅 시트면(PS3)은 밸브 본체(201) 상의 고정된 표면이다. 도 4a에서, 실링 다이어프램(SD1)의 U-형 폴드는 대략 또는 거의 변형되지 않고 포펫 링(PR3)은 메이팅 시일 표면(PS3)에 맞닿는다. 미터링 엣지의 폐쇄 위치는 총 이동의 하부 범위, 예를 들면, 총 이동의 10 퍼센트를 포함할 수 있으며, 따라서 실링 다이어프램은 약간 변형, 즉, 대략 또는 거의 변형되지 않을 수 있음이 이해되어야 한다.
축방향 알짜 힘 F_tot는 스템(203)의 일 단부 상에 작용하는 축방향 파일럿 힘 F_pil과 스템(203)의 반대 단부 상에 작용하는 축방향 카운터 힘 F_sup에 의해 형성될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 파일럿 힘 F_pil은, 도 3에 나타낸 바와 같이, 파일럿 압력 챔버(210)에서 스템(203)의 일 단부에 배열된 피스톤(207)과 파일럿 다이어프램(206)에 작용하는 파일럿 유체 압력에 의해 제공될 수 있다.
축방향 파일럿 힘 F_pil과 축방향 카운터 힘 F_sup이 동일한 경우, 축방향 알짜 힘 F_tot는 0이며, 밸브 어셈블리는 도 2a에 나타낸 폐쇄된 중심 위치에 있다. 액추에이터는 움직이지 않는다(예를 들면, 제어 밸브는 현재 개방을 유지한다). 도 2b, 3 및 4에 나타낸 바와 같이, 축방향 파일럿 힘 F_pil이 축방향 카운터 힘 F_sup보다 더 커지도록 증가하면, 양의 축방향 알짜 힘 F_tot가 생성되며, 스템(203)은 (양의 방향으로) 상방향으로 이동한다. 스템(203)의 숄더와 같은, 결합 요소(205)는 포펫 링(PR3)에 결합하고, 상방향으로 이동하여 제3 미터링 엣지(PR3/PS3)를 개방하며, 유체는 공급 포트(S)로부터 액추에이터 포트(C)로 흐른다. 도 3a 및 4b에 나타낸 예시에서, 포펫 링(PR3)은 스템(203)과 자유롭게 이동할 수 있기 때문에, 실링 다이어프램(SD3)의 U-형 폴드는 대략 변형되지 않은 형태를 취하거나, 유지한다. 동시에, 카운터액팅 미터링 엣지(PR4/PS4)는, 스템(203)의 상방향으로 이동하는 시트면(PS4)이 본체(20)에 의해 유연하게 지지되는 포펫 링(PR4)과 결합하여 상방향으로 이동함에 따라, 폐쇄 상태로 유지된다. 도 3a에 나타낸 예시에서, 실링 다이어프램(SD4)의 U-형은 변형되어 본체(201)에 대한 포펫 링(PR4)의 이동을 허용한다. 또한, 스템(203)의 시트면(PS1)은 상방향으로 이동하고, 포펫 링(PR1)과 분리되어, 제1 미터링 엣지(PR1/PS1)를 개방하며, 유체는 액추에이터 포트(C1)로부터 배기 포트(EX1)로 흐른다. 도 3a에 나타낸 예시에서, 실링 다이어프램(SD1)의 U-형 폴드는 대략 변형되지 않는다. 동시에, 포펫 링(PR2)은, 스템(203)에 유연하게 지지되므로, 스템(203)이 포펫 링(PR2)을 통해 상방향으로 이동하는 동안 본체(201) 상의 메이팅 시트면(PS2)에 대해 정지 상태로 유지된다. 따라서, 미터링 엣지(PR2/PS2)는 폐쇄 상태로 유지된다. 도 3a에 나타낸 예시에서, 실링 다이어프램(SD2)의 U-형은 스템(203)에 대한 포펫 링(PR2)의 이동을 허용하도록 변형된다. 액추에이터는 제1 방향으로(예를 들면, 제어 밸브의 100% 개방으로) 이동한다.
도 2b 및 4b에 나타낸 위치로부터 시작하여, 축방향 파일럿 힘 F_pil이 축방향 카운터 힘 F_sup과 동일하게 되도록 감소하여, 이후 더 작아지는 경우, 양의 축방향 알짜 힘 F_tot는 먼저 감소하여 음의 축방향 알짜 힘 F_tot이 생성되며, 스템(203)은 도 2c, 3 및 4에 나타낸 바와 같이, 하방으로 (음의 방향으로) 이동하고, 스템(203)의 시트면(PS4)은 하방으로 이동하며, 포펫 링(PR4)으로부터 분리되어, 미터링 엣지(PR4/PS4)를 개방하고, 유체는 액추에이터 포트(C)로부터 배기 포트(EX)로 흐른다. 도 3에 나타낸 예시에서, 실링 다이어프램(SD4)의 U-형은 본체(201)에 대한 포펫 링(PR4)의 하방향 이동과 함께 원래의, 대략 또는 거의 변형되지 않은 형태로 복원된다. 동시에, 포펫 링(PR3)은, 스템(203)에 유연하게 지지되므로, 스템(203)이 하방으로 이동하는 동안 본체(201) 상의 메이팅 시트면(PS3)에 대해 이동하며, 거기에서 정지한다. 따라서, 미터링 엣지(PR3/PS3)는 폐쇄된다. 도 3 및 4c에 나타낸 예시에서, 실링 다이어프램(SD3)의 U-형은 변형되어 스템(203)에 대해 포펫 링(PR3)의 상향 이동을 허용한다. 액추에이터는 제2 방향으로(예를 들면, 제어 밸브의 0% 개방으로) 이동한다.
본 발명의 일 양상에 따르면, 포펫 링(PR3 및 PR4)은 압력 평형일 수 있다. 압력 평형 포펫 링은, 포펫 링 상에 가해지는 유체 압력 힘이 보상되어, 각각의 미터링 엣지에 작용하는 결과적인 유체 압력 힘이 매우 작거나 0이 되도록 치수와 형상이 결정될 수 있다. 그 결과, 스템을 이동시키기 위한 제어 힘은 불균형 포펫 밸브 어셈블리에 필요한 제어 힘의 일부에 불과하다. 이는 종래 기술의 포펫 밸브보다 스템(203)을 더 신속하게(더 나은 제어를 초래함), 또는 더 작은 파일럿 압력으로(컨트롤러의 필요 에너지를 감소시킴) 제어할 수 있는 가능성을 제공한다. 유체 압력 힘의 보상은 또한, 제어 범위에 걸쳐 스템(203)의 선형 작동을 초래한다. 종래 기술의 해결 방식에서, 보상되지 않은 높은 유체 압력 힘은 제어 범위의 정확히 중앙에 상당한 불연속점(큰 데드 존(dead zone))을 유도한다. 따라서, 압력 평형 포펫 링은 종래 기술의 포펫 밸브 어셈블리와 비교하여, 예시적인 실시예에 따른 포펫 밸브 어셈블리의 훨씬 나은 제어 가능성을 갖게 한다. 이는 프로세스 밸브의 제어 정확도를 잃지 않으면서 또한 소형 액추에이터를 제어하기 위한 대용량 출력 스테이지를 사용하도록 할 수 있다.
포펫 링(PR3 및 PR4)은 압력 평형 포펫 링의 예시이다. 압력 평형 포펫 링의 다른 예시는 도 5a에 나타내었다. 예시적인 포펫 링은 압력 평형 포펫 링(PR3)이 사용되는 경우가 도시되어 있지만, 유사한 포펫 링이 도 2a, 2b, 2c, 3, 4a, 4b 및 4c에 나타낸 임의의 포펫 링 대신에 사용될 수 있다. 도 5a에서, 미터링 엣지(PR3/PS3)가 폐쇄 위치로 나타난다. 포펫 링(PR3)은 공급 압력 챔버(202C)의 고압력 측(공급 압력(SP)) 상에 있다. 플렉시블 실링 다이어프램(SD3)은 포펫 링(PR3)과 스템(203) 사이의 기밀한(air-tight) 실링을 제공하고, 포펫 링(PR3)과 스템(203)의 축방향의 상대 이동을 허용하면서 포펫 링(PR3)을 스템(203)에 고정시킬 수 있다. 포펫 링(PR3)의 기하학적 형태는, 유효 미터링 엣지(PR3/PS3)가 반경 방향으로 상대적으로 좁은 링 팁(501)에 형성되도록 이루어질 수 있다. 실링 다이어프램(SD3)의 폴드의 중앙점은, 도 5a의 대칭 라인(200)에 의해 나타낸 바와 같이, 축방향(도 5a의 수직 방향)으로 링 팁(501)과 대략 정렬될 수 있다. 포펫 링(PR3)의 반대 단부에서(도 5a의 상단부), 실링 다이어프램(SD3)의 폴드의 중심점으로부터 외측방향으로의 반경 방향의 폭은, 공급 압력(SP)에 의해 축방향(하방향) 압력 힘을 받는 포펫 링(PR3)에 가해지는 축방향(하방향) 압력 힘을 결정하는 미리 결정된 상부면 영역을 한정할 수 있다. 포펫 링(PR3)의 기하학적 형태는, 고압 챔버(202G)로 나타낸 바와 같이, 고압력 측이 포펫 링 하방으로 링 팁(501)까지 연장되도록 선택될 수 있다. 챔버(202G)를 향하는 저면(503)은, 포펫 링(PR3)의 저면에 작용하는 공급 압력(SP)이 하방향 압력 힘과 대략 동일한 보상 축방향(상방향) 압력 힘을 제공하도록 치수가 정해질 수 있다. 따라서, 포펫 링(PR3)에 영향을 주는 결과적인 압력 힘은 대칭 라인(200)의 일측(좌측)에서 매우 작거나 0이다. 저압력 측에서, 저압력은 플렉시블 다이어프램(SD3) 아래 및 포펫 링(PR3)의 반경 방향에서 안쪽으로 연장하는 숄더(504) 위의 공간(202F)에 존재할 수 있다. 숄더(504)의 치수는, 숄더(504)의 상부면 상의 저압 유체에 의해 발생한 하방향 압력이 포펫 링(PR3) 아래의 낮은 유체 압력에 의해 발생한 상방향 압력을 거의 보상하도록 이루어질 수 있다. 요소(502)는 플렉시블 실링 다이어프램(SD3)을 포펫 링(PR3)에 고정하는 예시이다. 유사한 포펫 링이 본체(201)에 유연하게 연결되는 포펫 링(PR4)을 대신하여 사용될 수 있다. PR4의 프로파일은 도 5a에 도시된 것의 거울상일 수 있다. 도 5b는 포펫 링의 다른 예시 프로파일을 나타낸다(PR3이 예시로서 도시됨).
예시적인 실시예에서, 파일럿 힘 F_pil은 스템(203)의 일 단부에 배열된 피스톤(207)과 파일럿 다이어프램(206)에 작용하는 파일럿 유체 압력에 의해 제공될 수 있다. 스템(203)의 반대 단부에 배열된 스프링과 같이, 탄성의 사전 로드된 요소(212)는, 예를 들면, 공급 압력(SP) 또는 전력이 손실되는 경우, 고장시 밸브를 안전한 위치로 구동하도록 제공될 수 있다.
예시적인 실시예에서, 카운터 힘 F_sup은 도 3에 나타낸 바와 같이, 스템(203)의 단부에 배열된 카운터 피스톤(203a)에 작용하는 공급 압력(SP)에 의해 제공될 수 있다. 챔버(202C)의 유체 압력은 공급 압력(SP)일수 있으며, 카운터 피스톤(203a) 및/또는 포펫 링(PR3)의 치수는, 축방향 알짜 힘 F_tot가 중심 위치에서 대략 0이 되도록 챔버(210)의 파일럿 압력에 의해 제공되는 파일럿 힘 F_pil과 동일한 카운터 힘 F_sup를 스케일링하는데 사용될 수 있다. 또한, 공급 압력(SP)으로부터 카운터 힘 F_sup를 도출함으로써 카운터 힘 F_sup 및 파일럿 힘 F_pil 모두를, 변할 수 있으므로, 공급 압력 평형 구조를 제공하는 공급 압력(SP)으로 스케일링한다.
예시적인 실시예에 따른 평형 포펫-형 밸브 어셈블리에서의 힘의 예시는 도 3 및 5a를 참조하여 이하에서 검토될 것이다. 스템은 파일럿 힘 F_pil과 카운터 힘 F_sup에 의해 작동된다.
F_tot = F_pil - F_sup
공급 압력(SP)은 대칭 라인(200)에 의해 정의되고, 직경(D)을 가지며, 따라서 카운터 힘 F_sup를 제공하는 영역을 통해 스템(203)에 작용한다.
F_sup = A * p = π * (D/2)^2 * SP
공급 압력은 또한, 대칭 라인(200) 외부의 포펫 링(PR3)의 영역에 작용하지만, 정적 상태에서 이 영역은 동일한 직경에서(대칭 라인(200)에서) 시작하고 끝나므로, 대칭 라인(200) 외부의 영역으로부터의 총 힘은 약 0 뉴턴이다.
그러나, 발명자는 공급 압력 유체가 공급 챔버(202C)로부터 개방 측정 엣지(PR3/PS3)를 통해 액추에이터 챔버(202D)로 흐르는 동적 상태에서, 공급 압력(SP)은 갑자기 떨어질 수 있어, 축방향 카운터 힘 F_sup가 떨어지며, 축방향 알짜 힘 F_tot를 증가시킬 수 있다. 알짜 힘 F_tot를 증가시키면 스템(203)을 상방향으로 이동시키며, 측정 엣지를 더욱 개방시키고 또한 공급 압력(SP)을 떨어뜨린다. 이러한 일련의 사건은 새로운 평형이 발견될 때까지 반복된다. 따라서, 스템(203)의 이동은 다소 제어 불능 상태가 된다. 일부 상황에서, 일련의 사건은 스템(203)이 완전히 개방 위치에 있을 때까지 반복될 수 있다. 밸브 포지셔너와 같은 컨트롤러는, 너무 많은 공기가 이동하고 있음을 알기 때문에, (파일럿 압력 제어로 F_pil을 감소시킴으로써) 스템을 "후퇴(pull back)"할 수 있다. 그러나, 보통 컨트롤러는 이 작업을 충분히 신속하고 정확하게 할 수는 없다.
본 발명의 일 양상은 유체 밸브 어셈블리에서 스템의 이동이 제어되지 않거나 불안정한 것을 피하는 것이다.
본 발명의 일 양상에 따르면, 공급 챔버는 시일 부재에 의해, 2개의 상이한 챔버, 즉 외부 공급 챔버와 내부 공급 챔버로 나누어진다. 내부 챔버는 외부 챔버가 공급 압력 라인에 연결되고 액추에이터 챔버에 공급하는데 사용되는 동안, 스템을 작동시키는데 사용된다. 내부 챔버의 공급 압력 변동을 안정화시키기 위한 수단이 또한 제공된다.
도 6, 7 및 8에서, 다른 예시적인 실시예에 따른 유체 밸브 어셈블리(60)를 더욱 상세하게 도식적으로 나타낸다. 기본적으로, 밸브 어셈블리(60)는 전술한 밸브 어셈블리(20)의 모든 특징을 포함할 수 있다. 도 6은 일부 추가적인 특징을 제외하고는 도 3의 밸브 어셈블리(20)와 실질적으로 동일한 밸브 어셈블리(60)를 나타낸다. 도 7은 일부 세부 사항을 생략한 단순화되고 더욱 개략적인 예시의 밸브 어셈블리(60)를 나타낸다. 도 8은 상이한 유형의 내부 챔버의 공급 압력 변동을 안정화시키기 위한 수단을 갖는 다른 개략적인 예시의 밸브 어셈블리(60)를 나타낸다. 도 2a, 2b, 2c, 3, 4a, 4b, 4c, 5a 및 5b뿐 아니라, 도 6, 7 및 8의 동일한 참조 기호는 동일하거나 대응하는 요소, 구조, 기능 및 특징을 나타내며, 유체 밸브 어셈블리(20)와 관련하여 본 명세서에 설명된 바와 같이 동일한 원리가 적용될 수 있다.
도 6, 7 및 8에 도시된 예시적인 실시예에서, 공급 챔버가 분리 또는 시일 부재(603)에 의해 2개의 상이한 챔버, 즉 외부 공급 챔버(202C)와 내부 공급 챔버(202E)로 나누어진다. 내부 챔버(202E)는, 외부 챔버(202C)가 공급 압력 라인(미도시)에 연결되고 액추에이터 챔버(202D)에 공급되는데 사용되는 동안 스템(202)을 작동하기 위해 사용된다. 시일 홀더(602)와 같은, 분할 또는 분리 벽은, 카운터 피스톤 부분(203A)과 같은, 스템(203)의 단부를 둘러싸도록 제공될 수 있다. 스템(203)이 챔버의 하부 단부로부터 챔버 내로 연장되고 챔버 내에서 축방향으로 이동할 수 있는 동안, 시일 홀더(602)는 폐쇄된 상부 단부를 갖는 챔버로 한정할 수 있다. 시일 홀더(602)의 반경 방향 내부 프로파일의 적어도 일부는 카운터 피스톤(203A)의 반경 방향 외부 프로파일에 밀접하게 또는 느슨하게 끼워 맞추어지도록 배열될 수 있으며, 끼워 맞춤부는 환형의 시일 부재(603)에 의해 밀봉된다. 도 6 및 7에 나타낸 예시적인 실시예에서, 시일 홀더(602)의 내부면은 환형의 그루브(groove) 또는 환형의 플랜지 또는 시일 부재(603)를 고정하는 임의의 다른 구조가 제공될 수 있다. 따라서, 시일 부재(603)는 축방향으로 이동하는 스템(203)에 대해 고정되어 있다. 도 6 및 7에 나타낸 예시적인 실시예에서, 시일 부재(603)는 카운터 피스톤(203A)의 외부면에 대해 가압하는 립을 갖는 립 실(lip seal)이다. 그러나, 임의의 다른 유형의 시일 또는 분리 요소가 링 실, 실링 다이어프램, 실링 벨로즈, 밀접 맞춤(tight fit) 등과 같은, 시일 부재(603)에 사용될 수 있다. 시일 또는 분리 부재(603)에 대해 약간의 공기 누출이 허용될 수 있다.
시일 홀더(602)와 시일 부재(603) 내에서 축방향으로 이동하도록 배열된 카운터 피스톤(203A)의 상부 단부, 일반적으로 스템(203)의 단부는 시일 부재에 대한 메이팅 외부면을 갖는다. 축방향에서 메이팅 외부면의 길이는 바람직하게는 적어도 피스톤(203A)의 축방향 이동 또는 스트로크(stroke)의 길이이다. 본 발명의 예시적인 실시예에서, 예를 들면, 공급 압력(SP) 또는 전력이 손실되는 경우, 고장시 밸브를 안전 위치로 구동하도록 제공될 수 있는 스템(203)의 반대 단부에 배열되는 스프링과 같은 탄성의 사전 로드된 요소(212)에 대한 피스톤(203A)의 상부면에서 리세션(recession)이 제공될 수 있다. 스템(203) 내의 탄성 요소(212)를 부분적으로 가짐으로써, 밸브 본체(201)의 축방향 치수를 실질적으로 증가시킬 필요 없이 스템의 충분히 긴 메이팅 표면과 충분히 강한 탄성 요소(212)를 가능하게 한다. 도 6에 도시된 예시에서, 탄성 요소(212)에 대한 리세션이 한정되도록 환형의 원통형 플랜지(604)가 피스톤(203A)의 상부 단부에 제공된다. 플랜지(604)의 외부 반경 방향 표면은 축방향으로 피스톤(203A)의 메이팅 표면의 적어도 일부를 제공한다. 도 7에 나타낸 예시적인 실시예에서, 리세션 또는 플랜지(604)가 없는 카운터 피스톤(203A)이 도시된다.
대안적으로, 스템(203) 또는 특히, 카운터 피스톤(203A)에는 시일 부재(603)와 유사한 시일 부재를 고정하는 그루브와 같은 구조가 제공될 수 있다. 이러한 경우, 시일 부재는 분할 벽(602)에 의해 한정되는 챔버 내에서 카운터 피스톤(203)과 함께 축방향으로 이동할 것이다. 립 실의 립과 같은, 시일 부재는 분할 벽(602)의 메이팅 내부면 상에 가압될 것이다.
본 발명의 일 양상에 따르면, 내부 챔버(202E)에 유지되는 공급 압력(SP)의 변동이 안정화된다. 본 발명의 예시적인 실시예에서, 도 6 및 7에 나타낸 제한 유로(605)와 같은, 제한 유로가 (실제 외부 챔버(202C)에 가까운 공급 압력 채널(S)의 섹션을 포함하는) 외부 공급 챔버(202C)와 내부 공급 챔버(202E) 사이에 제공될 수 있다. 제한 유로(605)를 통해, 외부 챔버(202C)의 급격한 공급 압력 변동이 내부 챔버(202E)로부터 제거되는 한편, 외부 챔버(202C)의 더 느리거나 영구적인 공급 압력 변화가 내부 챔버(202E)로 통과할 것이다. 따라서, 내부 챔버(202E)의 안정화된 공급 압력은, 밸브 스템(203)의 신속한 제어되지 않은 이동 또는 오버슈트(overshoot)가 회피될 수 있도록 외부 챔버(202C)의 공급 압력의 임의의 변동을 제어되고 안정된 방식으로 따를 수 있다.
예를 들면, 제한 유로(605)는, 예를 들면, 외부 챔버(202C)의 공급 압력이 공급 압력 유체가 개방 측정 엣지(PR3/PS3)를 통해 외부 공급 챔버(202C)로부터 액추에이터 챔버(202D)로 흐를 때 급격하게 떨어지는 경우, 내부 공급 압력 챔버(202E)에서 유지되는 안정화된 공급 압력(SP)을 미리 결정된 속도로 외부 공급 압력 챔버의 공급 압력(SP)으로 낮추도록 배열될 수 있다. 유사하게, 제한 유로(605)는, 외부 공급 압력 챔버(202C)의 공급 압력이 내부 공급 압력 챔버에서 유지되는 안정화된 공급 압력보다 높은 경우, 미리 결정된 속도로 내부 공급 압력 챔버(202E)에서 유지되는 안정화된 공급 압력(SP)으로 상승시키도록 배열될 수 있다. 또한, 공급 압력(SP)이 밸브 어셈블리(60)에 최초로 인가되는 경우, 제한 유로(605)는 공급 압력이 내부 공급 챔버(202E)에 도달할 수 있게 한다. 또한, 사용자가 임의의 시점에서 공급 압력을 상승시키는 경우, 제한 유로(605)는 상승된 공급 압력이 내부 공급 챔버로 도달하게 할 것이다. 더 추가로, 사용자가 시간에 따라 공급 압력을 감소시키는 경우, 제한 유로(605)는 내부 공급 챔버의 공급 압력을 낮추기 위해, 내부 공급 챔버로부터 공기가 빠져 나오게 할 것이다.
도 6 및 7을 참조하여, 예시적인 실시예에 따른 외부 공급 압력 챔버와 내부 챔버를 갖는 평형 포펫-형 밸브 어셈블리의 힘의 예시를 검토한다. 스템(203)은 파일럿 힘 F_pil과 카운터 힘 F_sup로 작동된다.
F_tot = F_pil - F_sup
단일 공급 챔버를 갖는 실시예와는 달리, 스템(203)에 작용하는 공급 압력은 이제 내부 챔버(202E)에서 유지되는 안정화된 공급 압력이다. 또한, 안정화된 공급 압력(SP)은 대칭 라인(200)에 의해 한정되고, 직경(D)을 가지며, 따라서 카운터 힘 F_sup를 제공하는 영역을 통해 스템(203)에 작용한다.
F_sup = A * p = π * (D/2)^2 * SP
또한, 안정화된 공급 압력은 대칭 라인(200) 외부의 포펫 링(PR3)의 영역 상에 작용하지만, 정적 상태에서, 이 영역은 (대칭 라인(200)에서) 동일한 직경에서 시작되고 끝나며, 따라서 대칭 라인(200) 외부의 영역으로부터 총 힘은 약 0 뉴턴이다.
그러나, 공급 압력 유체가 공급 챔버(202)로부터 개방 측정 엣지(PR3/PS3)를 통해 액추에이터 챔버(202D)로 흐르고, 외부 챔버(202C)의 공급 압력(SP)이 급격하게 떨어지는 동적 상태에서, 안정화된 공급 압력은 내부 챔버 내에서 실질적으로 변화하지 않거나 일정한 상태로 유지된다. 따라서, 스템(203)에 작용하는 힘 F_sup는 실질적으로 변하지 않거나, 일정하게 유지되며, 이는 스템(203)과 측정 엣지(PR3/PS3) 또한 파일럿 힘 F_pil이 변할 때까지 제자리에 유지되는 것을 의미한다. 컨트롤러가 때때로 스템(203)을 "후퇴"시킬 필요가 없으므로, 컨트롤러는 하나의 공급 압력 챔버를 갖는 실시예보다 더 적극적인 제어 전략을 실행할 수 있어야 한다.
일부 실시예에서, 제한 유로(605)는, 도 9에 나타낸 바와 같이, 제한 오리피스(RO)와 같은 흐름 제한기로 지칭되는 더 좁은, 또는 작은 직경의 섹션(605A)을 포함할 수 있다. 제한 오리피스의 영역(즉, 직경)은 특정 압력 및 온도에 대해 주어진 프로세스 유체의 출력에서 흐름의 속도를 결정한다. 제한 오리피스는 프로세스 매체의 제어되거나 제한된 흐름을 달성하기 위해 주로 사용된다. 오리피스는 프로세스 흐름에 대한 제한을 제공하며, 압력 헤드는 상류로부터 하류로 떨어진다. 예시적인 실시예에서, 제한 오리피스(605A)는 바람직하게는 약 0.1 mm 내지 약 0.5mm, 보다 바람직하게는 약 0.2 mm 내지 약 0.3 mm의 오리피스 직경을 가질 수 있다. 가장 간단한 형태에서, 제한 유로(605) 또는 제한 오리피스는 분할 벽의 작은 홀 또는 시일 홀더(602), 구조들 사이, 예를 들면 밸브 본체(201)와 분할 벽(602) 사이의 작은 홀 또는 갭, 시일 부재(603)에서의 설계된 누출 지점 등을 포함할 수 있다. 제한기는 밸브 본체(201) 또는 분할 벽(602)에 삽입되는 분리 요소일 수 있다. 이는 특별한 도구와 기술로 매우 작은 직경의 오리피스를 생산하도록 하여, 예를 들면, 기성의 제한기를 밸브 본체(201) 또는 분할 벽(602)에서의 더 큰 홀 또는 채널로 삽입하게 한다. 제한 유로(605) 및/또는 제한기의 일부분은 또한, 밸브 본체(201)의 외부에 배열될 수 있다.
일부 실시예에서, 시일 부재(603)는 체크 밸브와 같이, 한 방향으로만 압력을 유지하도록 구성된 환형의 립 실일 수 있다. 립 실(603)은, 외부 공급 챔버(203C)의 압력이 내부 공급 챔버(202E)에서 유지되는 안정화된 공급 압력 아래로 떨어지는 경우(립이 압력 차이에 의해 메이팅 표면에 대해 가압됨), 외부 공급 챔버(202C)로부터 내부 공급 챔버(202E)를 밀봉하도록 배열될 수 있으며, 외부 공급 챔버(202C)의 공급 압력이 내부 공급 챔버(202E)에서 유지되는 안정화된 공급 압력보다 높은 경우(립이 압력 차이에 의해 메이팅 표면으로부터 결합이 해제됨), 외부 공급 챔버(202C)로부터 내부 공급 챔버(202E)로 공급 압력을 통과시켜 내부 공급 챔버(202E)에서 유지되는 안정화된 공급 압력을 상승시키도록 배열될 수 있다. 이러한 배열로, 흐름은 내부 챔버로부터 외부 챔버의 방향으로 제한된다. 이러한 배열은 제한 유로(605)의 구현의 방식에 관계없이 이루어질 수 있다.
일 실시예에서, 체크 밸브(805)를 갖는 공급 경로(805A)는 도 8에 나타낸 바와 같이, 립 실에 의해 제공되는 것과 유사한 효과를 제공하기 위해 제한기(605)와 평행하게 제공될 수 있다. 대안적으로, 임의의 다른 유형의 흐름 제어 장치는 한 방향으로만 압력을 유지하도록 구성되는 것으로 사용될 수 있다. 그러나, 특히, 파일럿 힘 F_pil과 카운터 힘 F_sup가 동일한 공급 압력으로부터 형성되는 경우에, 이러한 일 방향 흐름 제한은 또한, 원하지 않는 빠른 스템의 이동을 발생시킬 수 있다. 따라서, 이러한 배열은 많은 적용에서 바람직하지 않다.
일 실시예에서, 도 10a 및 10b에 개략적으로 나타낸 바와 같이, 프레스티지(PR)는 파일럿 압력 챔버(210)의 파일럿 압력을 제어하여, 축방향 파일럿 힘을 제어하도록 제공될 수 있다. 프레스티지(PR)는, 예를 들면, 공급 압력 공기의 양이 환경으로 분배되고, 공기의 양이 파일럿 입구(906)를 통해 파일럿 압력 챔버(210)로 향하도록 밸브 또는 플랩으로 제어함으로써, 파일럿 압력 챔버(210)에서의 파일럿 압력을 제어할 수 있다. 가장 낮은 파일럿 압력은 플랩 또는 밸브가 개방 위치에 있을 때 얻어질 수 있으며, 이는 직경이 0.5 mm인 것과 같이, 미리 결정된 제한 오리피스에 상응할 수 있다. 플랩 또는 밸브가 폐쇄 위치로 구동되는 경우, 제한 오리피스는 더 작아지며, 파일럿 압력은 증가하여, 결국 플랩 또는 밸브는 가장 작거나 0인 제한 오리피스와 가장 높은 파일럿 압력을 갖는 폐쇄 위치에 있게 된다. 일반적으로, 프레스티지(PR)에 공급되는 공급 압력은 파일럿 압력의 원하는 제어 범위에 대해 공급 압력을 사전 스케일링하도록 제한될 수 있다. 제어 범위를 설정하기 위한 흐름 제한은, 예를 들면, 0.2 mm 제한 오리피스에 상응할 수 있다.
일 실시예에서, 도 10a 나타낸 이러한 예시적인 실시예의 제한 유로(905)가 (외부 공급 챔버(202C)에 가까운 공급 압력 입구(S)를 포함하는) 외부 공급 챔버(202C)로부터 프레스티지(PR)로 제공될 수 있다. 제한 유로(905)는 또한, 파일럿 압력의 제어 범위를 설정하기 위해 공급 압력의 흐름 제한을 구현할 수 있다. 제한 유로(905)는 제한기(605)와 유사한 방식으로 구현될 수 있는 더 좁은, 또는 작은-직경의 섹션(905A)을 포함할 수 있다. 제한 유로(905)에 의해, 프레스티지(PR)에서의 공급 압력(SP)의 변동이 안정화된다. 제한 유로(906)에 의해, 외부 챔버(202C)의 급격한 공급 압력 변동이 프레스티지(PR)에서의 공급 압력 및 파일럿 압력 챔버(210)에서 유지되는 파일럿 압력으로부터 제거되는 반면에, 외부 챔버(202C)에서의 더 느린 또는 영구적인 공급 압력 변화는 파일럿 압력 챔버(210)를 통과할 것이다. 제한 유로(605)와 추가 제한 유로(905)는, 알짜 힘 F_tot의 변화가 0 또는 매우 작도록, 외부 챔버(202C)에서의 공급 압력(SP)의 변화는 내부 공급 챔버(202E)를 통해 카운터 힘 F_sup에 그리고 파일럿 압력 챔버를 통한 파일럿 힘 F_pilot에 유사한 비율로 영향을 주도록, 치수가 결정될 수 있다. 카운터 힘 F_sup와 파일럿 힘 F_pilot이 변화한 비율에 차이가 있었다면, 스템(203)의 원하지 않는 이동과 알짜 힘 F_tot의 힘 피크가 있을 것이다. 일 실시예에서, 도 10b에 나타낸 예시적인 실시예인, 체크 밸브(1005A)를 갖는 공급 유로(1005)는 (외부 공급 챔버(202C)에 가까운 공급 압력 입구(S)를 포함하는) 외부 공급 챔버(202C)로부터 내부 공급 챔버(202E)로 제공될 수 있다. 대안적으로, 한 방향만으로 압력을 유지하도록 구성된 임의의 유형의 흐름 제어 장치(1005A)가 사용될 수 있다. 체크 밸브(1005A)는, 외부 공급 챔버(203C)의 압력이 내부 공급 챔버(202E)에서 유지되는 안정화된 공급 압력 아래로 떨어지는 경우, 내부 공급 챔버(202E)로부터 외부 공급 챔버(202C)로의 흐름을 차단하도록 구성될 수 있으며, 외부 공급 챔버(202C)의 공급 압력이 내부 공급 챔버(202E)에서 유지되는 안정화된 공급 압력보다 높은 경우, 외부 공급 챔버(202C)로부터 내부 공급 챔버(202E)로 공급 압력을 통과하여, 내부 공급 챔버(202E)에서 유지되는 안정화된 공급 압력을 상승시키도록 배열된다. 이러한 배열에 의해, 흐름은 내부 챔버로부터 외부 챔버의 방향으로 제한된다. 또한, 제한 유로(905)는 (체크 밸브(1005A)와 내부 공급 챔버(202E) 사이의 공급 유로(1005) 섹션을 포함하는) 내부 공급 챔버(202E)로부터 프레스티지(PR)로 제공될 수 있다. 제한 유로(905)는 또한, 파일럿 압력의 제어 범위를 설정하기 위한 공급 압력의 흐름 제한을 구현할 수 있다. 제한 유로(905)는, 예를 들면, 도 9에 나타낸 바와 같이, 제한기로서 구현될 수 있는 더 좁거나, 또는 작은 직경의 섹션(905A)을 포함할 수 있다. 제한 유로(905)가 내부 공급 챔버(202E)에 연결되면, 프레스티지(PR)에서의 공급 압력(SP)은 내부 공급 챔버의 안정화된 공급 압력을 따르고, 축방향 알짜 힘 F_tot는 공급 압력 변동에 의해 영향을 받지 않는다. 외부 챔버(202C)의 급격한 공급 압력 강하는 내부 공급 챔버(202E)뿐 아니라, 프레스티지(PR)의 공급 압력과 파일럿 압력 챔버(210)에 유지되는 파일럿 압력으로부터 제거된다. 프레스티지(PR)가 점진적으로 환경에 압력을 누출함에 따라, 내부 공급 챔버(202E)의 안정화된 공급 압력은 외부 챔버(202C)의 공급 압력 아래로 점진적으로 감소할 것이고, 체크 밸브(1005A)는 다시 외부 공급 챔버(202C)로부터 내부 공급 챔버(202E)로의 공급 압력을 통과시킬 것이다. 따라서, 도 10a의 유로(605)와 같은, 임의의 다른 제한 유로는 필요하지 않을 수 있다.
본 발명의 실시예는 임의의 유체 압력 작동 액추에이터의 제어에 적용될 수 있다. 본 발명의 실시예는 특히, 임의의 산업 프로세스 등을 위한 임의의 자동화 시스템에서, 제어 밸브, 차단 밸브, 스크린 등과 같은, 프로세스 장치의 액추에이터 제어에 적용될 수 있다.
도 11은 예시적인 프로세스 자동화 시스템의 개략적인 블록 다이어프램을 나타내며, 본 발명의 원리는 밸브 포지셔너에 적용될 수 있다. 제어 시스템 블록(75)은 일반적으로, 자동화 시스템에서, 공장 LAN(74)에 의해 상호 연결될 수 있는, 데이터베이스뿐만 아니라, 임의의 그리고 모든 제어실 컴퓨터(들)/프로그램 및 프로세스 제어 컴퓨터(들)/프로그램을 나타낸다. 제어 시스템에 대한 다양한 아키텍처들이 있다. 예를 들면, 제어 시스템은 기술 분야에서 모두 널리 공지된 다이렉트 디지털 제어(Direct Digital Control, DDC) 시스템 또는 분산 제어 시스템(Distributed Control System, DCS)일 수 있다.
도 11의 예시에서, 단 하나의 제어 프로세스 밸브가 도시되지만, 그러나, 자동화 시스템은, 종종 이들 중 수백 개의 제어 밸브와 같은, 임의의 수의 필드 장치를 포함할 수 있다. 플랜트 영역에서, 제어 밸브와 같은, 필드 장치와 제어 시스템 사이의 상호 연결을 배열하는 다양한 대안적인 방법이 있다. 도 10에서, 필드/프로세스 버스(73)는 일반적으로 임의의 이러한 상호 연결에 의해 나타낸다. 전통적으로, 필드 버스는 2-와이어 트위스트 페어(twisted pair) 루프에 의해 제어 시스템에 연결되어 있으며, 각 장치는 4 내지 20 mA 아날로그 입력 신호를 제공하는 단일의 트위스트 페어에 의해 제어 시스템에 연결된다. 보다 최근에는, 트위스트 페어 루프의 기존의 4 내지 20 mA의 아날로그 신호와 함께 디지털 데이터를 전송할 수 있도록 하는, HART(Highway Addressable Remote Transducer) 프로토콜과 같은 새로운 해결책이 제어 시스템에서 사용되었다. HART 프로토콜은, 예를 들면, HART Field Communication Protocol: An Introduction for Users and Manufacturers, HART Communication Foundation(1995)의 출판물에서, 더욱 상세하게 설명되어 있다. HART 프로토콜은 또한, 산업 표준으로도 개발되었다. 다른 필드버스의 예시로는 Foundation Fieldbus와 Profibus PA를 포함한다. 그러나, 필드/프로세스 버스(73)의 구현 또는 유형은 본 발명과 관련이 없다는 것이 이해되어야 한다. 필드/프로세스 버스(73)는 전술한 대안들 중 어느 하나, 또는 동일한 임의의 조합, 또는 임의의 다른 구현에 기초할 수 있다.
프로세스 밸브(71)와 포지셔너/액추에이터(72)는 프로세스 파이프라인(76)에서 물질의 흐름을 제어하는 프로세스에 연결될 수 있다. 물질 흐름은 유체, 주류, 액체, 기체 및 증기와 같은 임의의 유체 물질을 포함할 수 있다.
도 12는 예시적인 배열을 나타내며, 공압 액추에이터(72B)는 밸브 포지셔너(72A)의 제어 하에서 프로세스 밸브(71)를 작동시킨다. 프로세스 밸브(71)의 예시는 Metso Corp의 Neles® RotaryGlobe 제어 밸브이다. 본 발명의 실시예가 적용될 수 있는 밸브 포지셔너(72A)의 예시는 Metso Corp의 Neles® ND9000 지능형 밸브 컨트롤러이다. 액추에이터(72B)의 예시는 Metso Corp의 Quadra-Powr X 시리즈 공압 액추에이터이다.
밸브 컨트롤러(72A)와 같은, 지능형 밸브 컨트롤러의 작동은, 필드 연결 라인 또는 필드버스(73)로부터 얻어진 제어 정보에 기초하여 밸브의 위치를 제어하는 마이크로 프로세서(μP)와 같은 마이크로 컨트롤러에 기초할 수 있다. 밸브 컨트롤러는 바람직하게는, 밸브 위치 측정과 함께 제공되며, 또한, 가압 공기에 대한 공급 압력, 액추에이터 피스톤에 대한 압력 차이 또는 온도와 같은 많은 다른 변수들을 측정할 수 있으며, 이는 밸브의 자가 진단에서 필요할 수 있으며, 또는 밸브 컨트롤러는 프로세스된 진단 정보 또는 이와 같은 것을 제어실 컴퓨터, 프로세스 컨트롤러, 상태 감시 컴퓨터, 또는 필드 버스를 통한 자동화 시스템의 유사한 상위-레벨 유닛에 전송할 수 있다.
밸브 컨트롤러(72A)와 같은, 마이크로 컨트롤러-기반 지능형 밸브 컨트롤러의 예시적인 블록 다이어그램이 도 13에 도시된다. 예시적인 밸브 컨트롤러는 복동식 액추에이터에 대해 설명되지만, 유사하게 단동식 액추에이터의 밸브 컨트롤러는 5/3 밸브 어셈블리(20)를 대신하여 본 발명의 예시에 따른 3/2 밸브 어셈블리(60)를 사용하고, 불필요한 구조와 기능을 제거함으로써 구현될 수 있다.
컨트롤러는 전기 제어 출력(90)을 갖는 전자 유닛(91)과, 전기 제어 신호(90)를 취득하고, 이를 액추에이터(72B)에 연결되는 액추에이터 포트(C1, C2)에서의 대응하는 유체 압력 출력(P1, P2)으로 변환하는 공압 유닛(20, 93)을 포함할 수 있다. 공압 유닛은 프레스티지(93)와 출력 스테이지(20)를 포함할 수 있다. 출력 스테이지(20)는 본 발명의 실시예에 따른 복동식 액추에이터의 임의의 유체 밸브 어셈블리(20)일 수 있다. 프레스티지(93)는 전기 제어 신호(90)를 출력 스테이지(20)를 제어하기에 충분한 작은 파일럿 공압 제어 신호(95)로 전기-압력(I/P) 변환을 수행한다. 출력 스테이지(20)의 공급 포트(S)는 공급 공기 압력에 연결된다. 출력 스테이지(20)는 액추에이터 포트(C1, C2)에서, 작은 공압 파일럿 신호를 더 큰 공압 압력 출력 신호(96, 97)로 증폭시킨다. 장치는 로컬 구성을 가능하게 하는 로컬 사용자 인터페이스(Local User Interface, LUI)를 포함할 수 있다. 마이크로 컨트롤러(11)는 밸브 위치를 제어한다. 이를 위해, 마이크로 컨트롤러(91)는 4-20 mA 및 HART와 같은 프로세스/필드버스(93)를 통해 입력 신호(설정 포인트)를 수신할 수 있으며, 다양한 측정을 수행할 수 있다. 장치는 4-20 mA 또는 필드버스로부터 전원을 공급받을 수 있다. 마이크로 컨트롤러(91)는 입력 신호와 밸브 위치 센서(92)를 판독할 수 있다. 마이크로 컨트롤러는 또한, 공급 압력 센서(Ps), 제1 액추에이터 압력 센서(P1), 제2 액추에이터 압력 센서(P2) 및 출력 스테이지 위치 센서(SPS) 중 하나 이상을 판독할 수 있다. 입력 신호에 의해 정의된 설정 포인트와 위치 센서(92)에 의해 측정된 위치 사이의 차이는 마이크로 컨트롤러(91) 내부의 제어 알고리즘에 의해 검출될 수 있다. 마이크로 컨트롤러(91)는 입력 신호와 센서(들)로부터의 정보에 기초하여 프레스티지(PR) 코일 전류(90)에 대한 새로운 값을 계산한다. PR에 대해 변경된 전류(90)는 파일럿 압력(95)을 출력 스테이지(20)로 변경시킨다. 위 본 발명의 실시예에 대해 설명된 바와 같이, 파일럿 압력(95)은 외부 스테이지의 스템(203)을 이동시키고, 액추에이터 포트(C1 및 C2)에서의 액추에이터 압력은 이에 따라 변경된다. 파일럿 압력(95)이 미리 결정된 값인 경우, 스템(203)은 중심에 위치하고, 미터링 엣지(포펫 링)를 통한 모든 흐름 채널은 폐쇄되며, 액추에이터(72B)는 제자리에 유지된다. 파일럿 압력(95)이 미리 결정된 값으로부터 상승하는 경우, 스템(203)은 양의 방향으로 이동하고, 공기는 공급 포트(S)로부터 액추에이터 포트(C2)로, 또한 그로부터 이중 다이어프램 액추에이터(72B)의 일측(하부측)으로 흐르며, 이중 다이어프램 액추에이터(72B)의 반대 측은 액추에이터 포트(C1)를 통해 배기 포트(X1)로 통기된다. 액추에이터는 완전 개방(100%) 방향으로 이동한다. 보다 구체적으로, 증가하는 압력은 다이어프램 피스톤(98)을 위로 이동시킬 것이다. 액추에이터와 피드백 샤프트(99)는 회전한다. 위치 센서(92)는 마이크로 컨트롤러(91)의 회전을 측정한다. 마이크로 컨트롤러(91)는 입력 신호에 따라 액추에이터(90)의 새로운 위치에 도달할 때까지 정상 상태값으로부터 PR-전류(90)를 조절한다. 반대 방향으로의 제어 밸브의 움직임(이동)은, 액추에이터 포트(C2)가 배기 포트(EX2)에 연결되고, 액추에이터 포트(C1)가 공압 공급 포트(S)에 연결되도록, 파일럿 압력(95)을 감소시켜, 스템(203)이 반대 방향(0% 방향에서의 아래쪽)으로 이동하도록 함으로써 얻어진다. 도시된 밸브 컨트롤러는 단지 예시이며, 본 발명이 밸브 컨트롤러의 임의의 특정 구현에만 제한되지 않는다는 것이 이해되어야 한다.
상세한 설명과 관련된 도면은 단지 예시를 통해 본 발명의 원리를 설명하도록 의도된 것이다. 이러한 설명에 기초하여, 다양한 대안적인 실시예, 변형 및 변경이 통상의 기술자에게 명백하다. 본 발명은 본 명세서에 설명된 예시들에 제한되는 것으로 의도된 것이 아니며, 본 발명은 첨부된 청구항들의 범위와 사상 내에서 변경될 수 있다.

Claims (18)

  1. 유압(hydraulic) 또는 공압(pneumatic) 액추에이터에 액추에이터 유체 압력을 제공하기 위한 압력 하에서 유체의 공급부에 연결하기 위한 유체 밸브 어셈블리로서,
    중심 보어(bore)를 갖는 밸브 본체로서, 상기 중심 보어는 공급 압력 입력 라인에 연결되는 공급 압력 챔버; 액추에이터 챔버; 및 배기(exhaust) 챔버를 포함하는 밸브 본체;
    상기 중심 보어 내에서 축방향으로 이동 가능한 스템(stem)으로서, 상기 스템에 영향을 미치는 축방향 파일럿(pilot) 힘과 축방향 카운터(counter) 힘에 의해 작동되는 스템;
    상기 스템과 공통 축으로 배열되고, 상기 스템에 의해 제어되며, 상기 공급 압력 챔버로부터 상기 액추에이터 챔버로, 그리고 상기 액추에이터 챔버로부터 상기 배기 챔버로의 유체 흐름을 각각 제어하도록 배열된 미터링(metering) 엣지 및 카운터액팅(counteracting) 미터링 엣지;
    상기 공급 압력 챔버를 외부 공급 압력 챔버와 내부 공급 압력 챔버로 나누기 위한, 상기 스템과 공통 축으로 배열된 시일(seal) 부재; 및
    상기 내부 공급 압력 챔버 내에서 상기 공급 압력을 안정화하기 위한, 상기 내부 공급 압력 챔버와 상기 외부 공급 압력 챔버 사이의 제한 유로로서, 상기 외부 공급 압력 챔버로부터 상기 내부 공급 압력 챔버로의 급격한 공급 압력의 변동이 전달되는 것을 방지함으로써, 상기 스템의 제어되지 않은 축방향 이동을 방지하도록 구성된 상기 제한 유로를 포함하고,
    상기 내부 공급 압력 챔버는 상기 내부 공급 압력 챔버 내에서 상기 스템에 영향을 미치는 상기 축방향 카운터 힘을 제공하는 공급 압력에 의해 상기 스템이 작동되도록 배열되고, 상기 외부 공급 압력 챔버는 상기 공급 압력 입력 라인에 연결되어 상기 액추에이터 챔버에 공급하도록 배열되는 유체 밸브 어셈블리.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제한 유로는 상기 내부 공급 압력 챔버에서 유지되는 안정화된 공급 압력을 상기 외부 공급 압력 챔버에서의 공급 압력으로 미리 결정된 속도로 낮추도록 배열되는 유체 밸브 어셈블리.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제한 유로는, 상기 외부 공급 압력 챔버에서의 공급 압력이 상기 내부 공급 압력 챔버에서 유지되는 안정화된 공급 압력보다 높은 경우, 상기 내부 공급 압력 챔버에서 유지되는 안정화된 공급 압력을 미리 결정된 속도로 상승시키도록 배열되는 유체 밸브 어셈블리.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제한 유로는 흐름 제한기(flow restrictor)를 포함하는 유체 밸브 어셈블리.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 흐름 제한기는, 0.1 mm 내지 0.5 mm의 오리피스(orifice) 직경을 갖는 흐름 오리피스 제한기인 유체 밸브 어셈블리.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 내부 공급 압력 챔버에서의 상기 제한 유로는, 상기 외부 공급 압력 챔버에서의 압력이 상기 내부 공급 압력 챔버에서 유지되는 안정화된 공급 압력 아래로 떨어지는 경우, 상기 내부 공급 압력 챔버와 상기 외부 공급 압력 챔버 사이의 공급 압력 유로를 차단하도록 구성되고, 그렇지 않으면 공급 압력 유로를 개방하도록 배열되는 체크 밸브 또는 유사한 흐름 제어 장치를 포함하는 유체 밸브 어셈블리.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 시일 부재는, 립(lip) 시일, 링 시일, 실링 다이어프램 또는 실링 벨로즈(bellows)를 포함하는 유체 밸브 어셈블리.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 시일 부재는, 상기 외부 공급 압력 챔버에서의 압력이 상기 내부 공급 압력 챔버에서 유지되는 안정화된 공급 압력보다 떨어지는 경우, 상기 외부 공급 압력 챔버로부터 상기 내부 공급 압력 챔버를 밀봉하도록 배열되며, 상기 외부 공급 압력 챔버에서의 공급 압력이 상기 내부 공급 압력 챔버에서 유지되는 안정화된 공급 압력보다 높아지는 경우, 상기 내부 공급 압력 챔버에서 유지되는 안정화된 공급 압력을 상승시키기 위해 상기 외부 공급 압력 챔버로부터 상기 내부 공급 압력 챔버로 상기 공급 압력을 통과시키도록 배열된 환형의 립 시일인 유체 밸브 어셈블리.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 외부 공급 압력 챔버의 공급 압력 입구로부터, 파일럿 압력 및 이에 따른 상기 축방향 파일럿 힘을 제어하는 프레스티지까지의 추가 제한 유로를 포함하는 유체 밸브 어셈블리.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 제한 유로 및 상기 추가 제한 유로는, 상기 외부 공급 압력 챔버에서의 공급 압력의 변화로 인해 상기 축방향 카운터 힘의 변화율과 상기 파일럿 힘의 변화율이 동일하도록 치수가 정해지는 유체 밸브 어셈블리.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 제한 유로는, 상기 외부 공급 압력 챔버에서의 압력이 상기 내부 공급 압력 챔버에서 유지되는 안정화된 공급 압력 아래로 떨어지는 경우, 상기 내부 공급 압력 챔버와 상기 외부 공급 압력 챔버 사이의 공급 압력 유로를 차단하도록 구성되고, 그렇지 않으면 공급 압력 유로를 개방하도록 배열되고, 또한, 상기 내부 공급 압력 챔버로부터 플렉시블(flexible) 요소에 의해 상기 스템 및 밸브 본체 상의 각각의 메이팅(mating) 시트면에 지지되는 추가 제한 유로를 포함하고,
    상기 미터링 엣지와 상기 카운터액팅 미터링 엣지 중 다른 하나는, 플렉시블 요소에 의해 상기 밸브 본체 및 상기 스템 상의 각각의 메이팅 시트면에 지지되는 포펫 링을 포함하며, 지지 장치는 상기 각각의 미터링 엣지의 폐쇄 상태에서도 상기 포펫 링과, 상기 밸브 본체 또는 스템의 상대적인 축방향 이동을 허용하는 유체 밸브 어셈블리.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 플렉시블 요소 각각은, 실링 다이어프램 또는 실링 벨로즈를 포함하는 유체 밸브 어셈블리.
  13. 전기 제어 출력을 갖는 전자 유닛과, 상기 전기 제어 출력을, 액추에이터에 대해 대응하는 유체 압력 출력으로 변환하도록 배열된 공압 또는 유압 유닛을 포함하며, 상기 공압 또는 유압 유닛은 청구항 1 내지 청구항 12 중 어느 한 항에 따른 유체 밸브 어셈블리를 더 포함하는 프로세스 밸브 포지셔너.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 공압 또는 유압 유닛은, 프레스티지와 출력 스테이지를 포함하고, 상기 프레스티지는 상기 전기 제어 출력을 상기 출력 스테이지를 제어하기 충분한 파일럿 압력으로 변환하도록 배열되며, 상기 출력 스테이지는 상기 유체 밸브 어셈블리를 포함하는 프로세스 밸브 포지셔너.
  15. 프로세스 밸브의 제어에서 청구항 1 내지 청구항 12 중 어느 한 항에 따른 유체 밸브 어셈블리의 사용.
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  17. 삭제
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