KR20100127208A - 스풀 밸브용 액츄에이터 - Google Patents

스풀 밸브용 액츄에이터 Download PDF

Info

Publication number
KR20100127208A
KR20100127208A KR1020107017172A KR20107017172A KR20100127208A KR 20100127208 A KR20100127208 A KR 20100127208A KR 1020107017172 A KR1020107017172 A KR 1020107017172A KR 20107017172 A KR20107017172 A KR 20107017172A KR 20100127208 A KR20100127208 A KR 20100127208A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
spool
positioner
actuator
fluid
fluid flow
Prior art date
Application number
KR1020107017172A
Other languages
English (en)
Other versions
KR101512872B1 (ko
Inventor
플라비오 톤도로
Original Assignee
에스티아이 에스알엘
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 에스티아이 에스알엘 filed Critical 에스티아이 에스알엘
Publication of KR20100127208A publication Critical patent/KR20100127208A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101512872B1 publication Critical patent/KR101512872B1/ko

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16K—VALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K31/00—Actuating devices; Operating means; Releasing devices
    • F16K31/12—Actuating devices; Operating means; Releasing devices actuated by fluid
    • F16K31/42—Actuating devices; Operating means; Releasing devices actuated by fluid by means of electrically-actuated members in the supply or discharge conduits of the fluid motor
    • F16K31/423—Actuating devices; Operating means; Releasing devices actuated by fluid by means of electrically-actuated members in the supply or discharge conduits of the fluid motor the actuated members consisting of multiple way valves
    • F16K31/426—Actuating devices; Operating means; Releasing devices actuated by fluid by means of electrically-actuated members in the supply or discharge conduits of the fluid motor the actuated members consisting of multiple way valves the actuated valves being cylindrical sliding valves
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B13/00—Details of servomotor systems ; Valves for servomotor systems
    • F15B13/02—Fluid distribution or supply devices characterised by their adaptation to the control of servomotors
    • F15B13/04—Fluid distribution or supply devices characterised by their adaptation to the control of servomotors for use with a single servomotor
    • F15B13/0401—Valve members; Fluid interconnections therefor
    • F15B13/0402—Valve members; Fluid interconnections therefor for linearly sliding valves, e.g. spool valves
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B13/00—Details of servomotor systems ; Valves for servomotor systems
    • F15B13/02—Fluid distribution or supply devices characterised by their adaptation to the control of servomotors
    • F15B13/04—Fluid distribution or supply devices characterised by their adaptation to the control of servomotors for use with a single servomotor
    • F15B13/042—Fluid distribution or supply devices characterised by their adaptation to the control of servomotors for use with a single servomotor operated by fluid pressure
    • F15B13/043—Fluid distribution or supply devices characterised by their adaptation to the control of servomotors for use with a single servomotor operated by fluid pressure with electrically-controlled pilot valves
    • F15B13/0433—Fluid distribution or supply devices characterised by their adaptation to the control of servomotors for use with a single servomotor operated by fluid pressure with electrically-controlled pilot valves the pilot valves being pressure control valves
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B2211/00—Circuits for servomotor systems
    • F15B2211/30—Directional control
    • F15B2211/31—Directional control characterised by the positions of the valve element
    • F15B2211/3105—Neutral or centre positions
    • F15B2211/3116—Neutral or centre positions the pump port being open in the centre position, e.g. so-called open centre
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B2211/00—Circuits for servomotor systems
    • F15B2211/30—Directional control
    • F15B2211/32—Directional control characterised by the type of actuation
    • F15B2211/327—Directional control characterised by the type of actuation electrically or electronically
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B2211/00—Circuits for servomotor systems
    • F15B2211/30—Directional control
    • F15B2211/32—Directional control characterised by the type of actuation
    • F15B2211/329—Directional control characterised by the type of actuation actuated by fluid pressure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B2211/00—Circuits for servomotor systems
    • F15B2211/60—Circuit components or control therefor
    • F15B2211/63—Electronic controllers
    • F15B2211/6303—Electronic controllers using input signals
    • F15B2211/6306—Electronic controllers using input signals representing a pressure
    • F15B2211/6313—Electronic controllers using input signals representing a pressure the pressure being a load pressure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B2211/00—Circuits for servomotor systems
    • F15B2211/60—Circuit components or control therefor
    • F15B2211/63—Electronic controllers
    • F15B2211/6303—Electronic controllers using input signals
    • F15B2211/6336—Electronic controllers using input signals representing a state of the output member, e.g. position, speed or acceleration
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B2211/00—Circuits for servomotor systems
    • F15B2211/60—Circuit components or control therefor
    • F15B2211/665—Methods of control using electronic components
    • F15B2211/6656—Closed loop control, i.e. control using feedback
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B2211/00—Circuits for servomotor systems
    • F15B2211/70—Output members, e.g. hydraulic motors or cylinders or control therefor
    • F15B2211/75—Control of speed of the output member
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B2211/00—Circuits for servomotor systems
    • F15B2211/70—Output members, e.g. hydraulic motors or cylinders or control therefor
    • F15B2211/765—Control of position or angle of the output member
    • F15B2211/7656—Control of position or angle of the output member with continuous position control
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B2211/00—Circuits for servomotor systems
    • F15B2211/80—Other types of control related to particular problems or conditions
    • F15B2211/885—Control specific to the type of fluid, e.g. specific to magnetorheological fluid
    • F15B2211/8855—Compressible fluids, e.g. specific to pneumatics
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B5/00—Transducers converting variations of physical quantities, e.g. expressed by variations in positions of members, into fluid-pressure variations or vice versa; Varying fluid pressure as a function of variations of a plurality of fluid pressures or variations of other quantities
    • F15B5/006—Transducers converting variations of physical quantities, e.g. expressed by variations in positions of members, into fluid-pressure variations or vice versa; Varying fluid pressure as a function of variations of a plurality of fluid pressures or variations of other quantities with electrical means, e.g. electropneumatic transducer
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T137/00—Fluid handling
    • Y10T137/0318—Processes
    • Y10T137/0324—With control of flow by a condition or characteristic of a fluid
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T137/00—Fluid handling
    • Y10T137/2496—Self-proportioning or correlating systems
    • Y10T137/2514—Self-proportioning flow systems
    • Y10T137/2531—Flow displacement element actuates electrical controller
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T137/00—Fluid handling
    • Y10T137/2496—Self-proportioning or correlating systems
    • Y10T137/2559—Self-controlled branched flow systems
    • Y10T137/265—Plural outflows
    • Y10T137/2652—Single actuator operates plural outlets simultaneously
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T137/00—Fluid handling
    • Y10T137/8593—Systems
    • Y10T137/86493—Multi-way valve unit
    • Y10T137/86574—Supply and exhaust
    • Y10T137/86622—Motor-operated
    • Y10T137/8663—Fluid motor
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T137/00—Fluid handling
    • Y10T137/8593—Systems
    • Y10T137/86493—Multi-way valve unit
    • Y10T137/86574—Supply and exhaust
    • Y10T137/8667—Reciprocating valve
    • Y10T137/86694—Piston valve
    • Y10T137/8671—With annular passage [e.g., spool]
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T137/00—Fluid handling
    • Y10T137/8593—Systems
    • Y10T137/86493—Multi-way valve unit
    • Y10T137/86831—Selective opening of plural ports
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T137/00—Fluid handling
    • Y10T137/8593—Systems
    • Y10T137/877—With flow control means for branched passages
    • Y10T137/87708—With common valve operator
    • Y10T137/87716—For valve having a flexible diaphragm valving member
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T137/00—Fluid handling
    • Y10T137/8593—Systems
    • Y10T137/877—With flow control means for branched passages
    • Y10T137/87708—With common valve operator
    • Y10T137/8778—Spring biased

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Multiple-Way Valves (AREA)
  • Fluid-Driven Valves (AREA)

Abstract

밸브 폐쇄 요소를 제어하기 위한 밸브 포지셔너(10)가 제공된다. 이 포지셔너는 유체 공급원 및 밸브 폐쇄 요소와 유체 소통하는 복수의 유체 유동 통로를 갖는 하우징을 포함한다. 포지셔너 하우징은 분리 가능한 스풀 매니폴드 조립체(14)를 수용하도록 형성된다. 스풀 매니폴드 조립체는 복수의 유체 유동 통로에 인접하여 배치된다. 스풀 매니폴드 조립체는 복수의 유체 유동 통로로부터 유체 유동을 선택적으로 포팅하도록 형성되는 왕복 이동 가능한 스풀(34)을 포함한다. 스풀 매니폴드 조립체는 가요성 샤프트(50)에 의해 스풀에 연결되는 다이어프램(48)을 포함한다. 다이어프램은 다이어프램이 팽창하거나 수축함으로써 스풀을 변위시키도록 하는 유체를 수용하기 위한 변환기와 유체 소통한다. 가요성 샤프트는 다이어프램과 스풀 사이의 축방향 백래시를 최소화하기 위해 방사상으로 탄성이 있다. 가요성 샤프트의 구성은 스풀 스트로크를 최소화한다.

Description

스풀 밸브용 액츄에이터{ACTUATOR FOR A SPOOL VALVE}
관련 출원에 대한 상호 참조
본 발명은 그 개시 내용이 본 명세서에 의해 참조되는, 2008년 1월 14일자로 제출된 U.S.가출원 제61/011,035호에 대한 우선권을 주장한다.
미연방정부의 연구/개발 지원에 관한 진술:
해당사항 없음
본 발명은 일반적으로 유체 유동 제어, 보다 상세하게는 유체 회로 내의 유체 유동을 조절하기 위한 고 유동 용량 포지셔너(high flow capacity positioner)에 관한 것이다.
제어 밸브는 가스, 증기, 물, 또는 화학적 화합물과 같이 유동하는 유체를 조절한다. 액츄에이터는 제어 밸브 내의 유체의 유동을 조절하는데 사용될 수 있다. 액츄에이터는 밸브를 개방하거나 폐쇄하기 위해 원동력(motive power)을 제공하며 그에 따라 밸브 내의 유체 유동을 조절한다.
밸브 포지셔너(valve positioner)는 밸브 포지셔너와 전기 통신하는 제어기의 출력에 의해 결정되는 제어 전략을 실행할 수 있는 액츄에이터 상에 장착되는 장치이다. 이 제어기는 밸브 포지셔너에 가변 전류 신호를 제공한다. 가변 전류 신호는 밸브 포지셔너의 상태에 비례한다. 예를 들면, 밸브 포지셔너는 4 밀리암페어(mA)의 전류 신호에 응답하여 밸브를 완전히 개방시킬 수 있으며, 20mA의 전류 신호에 응답하여 밸브를 완전히 폐쇄시킬 수 있다. 이 밸브 포지셔너는 액츄에이터의 위치와 전류 신호를 비교하여 그에 따라 액츄에이터를 움직이는데 필요한 원동력을 제공한다. 전류 신호가 액츄에이터의 위치와 상이한 경우, 밸브 포지셔너는 정확한 위치에 도달될 때까지 액츄에이터를 이동시킨다. 밸브 포지셔너는 기술상 주지되어 있다. 2가지 유형의 주지된 포지셔너는 레인지 스프링(range spring)에 의해 대향되는 액츄에이터의 일 측면으로부터 공기를 보내고 배출시키는 단일 작동 공압 포지셔너 및 액츄에이터의 양 측면으로부터 공기를 보내고 배출시키는 이중 작동 공압 포지셔너를 포함한다. 밸브 포지셔너는 액츄에이터를 위치시키고 키 변수(key variables)를 모니터링하며, 제어 알고리즘 및 기록 데이터를 실행하기 위해 마이크로 프로세서를 사용하는 디지털 장치의 사용을 통하여 크게 개선되었다.
액츄에이터는 압축된 공기 형태의 에너지를 선형 동작 또는 회전 동작을 포함하는 동작으로 전환시킨다. 액츄에이터는 유체 유동을 조절하기 위한 희망 위치로 변위되도록 하기 위해, 큰 체적의 공기 유동을 수용하도록 형성된다. 액츄에이터에 원동력을 제공하는데 유압보다 압축 공기를 사용하는 것에 대한 주지의 이점들이 존재한다. 이들 이점들은 오일이 아닌 공기를 대기로 배출하는 것을 포함한다. 압축된 공기를 사용하는 것은 또한 과도한 힘을 흡수하는데 보다 적합하다. 또한, 저장된 공기는 밸브 포지셔너에 대한 힘이 상실될 때 사용될 수 있다. 추가로, 압축 공기의 사용에 좌우되는 액츄에이터에 대해 최소의 유지보수가 요구된다. 마이크로 프로세서 기반 전류를 전달함으로써 액츄에이터의 움직임을 제어하도록 밸브 포지셔너를 사용하는 것이 향상된 정확도 및 효율을 위해 널리 보급된다. 액츄에이터를 보다 정확하고 효율적으로 제어하는 능력은 대부분 밸브 포지셔너의 제어기에 의한 것이다. 상기 지시된 바와 같이, 제어기는 밸브 이동 위치(valve travel position)의 피드백을 수신하고 특정한 프로세스를 제어하기 위한 희망 액츄에이터 위치를 나타내는 전류를 조정하는 것으로 알려져 있다. 밸브 포지셔너는 압축 공기의 정량화할 수 있는 양을 액츄에이터에 공급하는데 사용되는 압력 신호로 제어기에 의해 출력된 전류 신호를 전환시키는 것으로 알려져 있다. 밸브 위치 피드백은 밸브 포지셔너의 위치에 중요하다. 피드백이 없으면, 제어 밸브는 그 절대 안전 위치(failsafe position) 또는 임의의 위치로 디폴트(default)될 수 있다.
유체 회로 내의 유체의 유속을 정확하게 조절하는 밸브 포지셔너의 능력은 중요한 특성이다. 밸브 포지셔너는 실린더 내에 밀봉된 피스톤으로 통상적으로 구성되는 액츄에이터를 이동시키도록 사용된다. 밸브 포지셔너는 실린더의 대향 단부로부터 압축 공기를 끌어내거나 배출시키는 동시에, 실린더의 일 단부로 압축 공기를 가함으로써, 피스톤을 이동시킨다. 밸브 포지셔너는 폐-루프 시스템에서 가장 자주 사용되며, 폐-루프 시스템에서 액츄에이터의 위치 및 밸브 포지셔너 내에서 유동하는 압축 공기의 속도 및/또는 압력은 시스템 피드백 신호를 발생시키는 피드백 장치를 이용하여 연속적으로 모니터링된다. 제어기는 실린더 내의 피스톤의 실제 위치와 피스톤의 희망 위치 사이의 오차를 최소화하도록 밸브 포지셔너에 의해 수신되는 전류 신호를 발생시키도록 시스템 피드백 신호를 사용한다.
밸브 포지셔너는 일반적으로 스풀을 일체화하며, 스풀은 압축 공기 유동을 액츄에이터로 포팅(port)하거나 액츄에이터로부터 하나 또는 그보다 많은 배출 포트로 공기 유동을 지향시키도록 하우징 내에서 축방향으로 회전하거나 활주한다. 그러나 높은 유체 유동 속도를 제공하도록 구성된 밸브 포지셔너 시스템을 위해, 비교적 큰 스풀이 포지셔너에 일체화된다. 큰 스풀은 비교적 높은 토크 출력을 갖는 스테퍼 모터의 사용을 필요로 하는 비교적 큰 관성 모멘트를 요구한다. 전기 모터를 이용하여 큰 스풀을 변위시키는 것은 장치가 분리된 전력 공급원을 필요로 함을 의미한다. 스테퍼 모터를 사용하는 밸브 포지셔너는 통상적으로 스풀이 초기화되어야 하는 개방-루프 방식으로 스풀을 배치한다. 개방-루프식으로 스풀을 배치하는 것은 폐-루프식보다 지연에 더 민감하며, 증가된 정확도 및 효율을 요하는 적용에 대해 추천되지 않는다. 초기화 중에, 스풀은 출발 지점 또는 초기화 위치로 이동되며, 이 위치로부터 희망 위치로 스테퍼 모터가 스풀의 움직임을 초기화할 수 있다. 제어기가 스풀을 이동시키도록 스테퍼 모터에 명령할 수 있음으로써, 제어기는 초기화 위치로부터 연속하는(a sequence of) 전류 신호를 추적하며, 그 메모리 내에 실제의 스풀 위치를 보존할 수 있다. 스테퍼 모터가 연속하는 드라이버 신호(driver signals)를 정확히 추적하는 한, 액츄에이터의 피스톤의 실제 위치와 희망 위치 사이의 오차는 최소화된다. 스풀을 변위시키기 위해 스테퍼 모터를 사용하는 것은 주지된 단점을 갖는다. 모터의 토크는 원치 않는 스풀 회전을 발생시킬 수 있다. 스테퍼 모터를 사용하여 스풀을 변위시키는 것은 밸브 포지셔너의 정확도에 부정적인 충격을 나타내는 스풀 축과 추력 축(thrust axis) 사이의 오정렬에 기여할 수도 있다.
밸브 포지셔너 내의 스풀을 이동시키는데 사용되는 다른 공지된 방법은 압력 반응 다이어프램(pressure responsive diaphragm)의 사용이다. 다이어프램은 스풀 상에 힘을 가하도록 압축 공기의 형태로 유체 압력을 수용할 수 있으며 스풀을 이동하게 한다. 다이어프램은 또한 스풀 움직임의 방향으로부터 반대 방향으로 힘을 가하기 위해 공기를 방출하도록 형성된다. 따라서, 다이어프램은 스풀이 배치되는 하우징에 대해 두 방향으로 스풀을 이동시키는데 사용될 수 있다. 그러나 다이어프램은 더 높은 유동 용량이 요구될 때 추천되지 않는다. 더 높은 유동 용량은 스풀을 이동시키는데 더 큰 힘을 요구하는 보다 큰 스풀을 필요로 한다. 이러한 상황에서, 압력 반응 다이어프램을 사용하는 것은 가능하지 않을 수 있다. 이는 증가된 유동 용량을 위해 더 큰 스풀을 변위시키도록 스테퍼 모터를 사용할지 또는 더 작은 크기의 스풀을 변위시키도록 압력 반응 다이어프램을 사용할지에 대한 딜레마를 일으킨다. 희망 유동 용량은 스테퍼 모터 또는 압력 반응 다이어프램이 사용되는지 여부에 영향을 미칠 수 있다.
밸브 포지셔너 성능은 유동 용량을 기초로 평가될 수 있다. 유동 용량은 유동 계수(CV)에 의해 측정된다. 유동 계수(CV)는 밸브 포지셔너의 유동 용량에 선형적으로 관련된다. 예를 들면 유동 계수(CV)의 증가는 증가된 유동 용량에 대응한다. 장치의 유동 계수는 유체 회로 내의 유체 유동의 효율의 상대 측정(relative measure)이다. 유동 계수(CV)는 유체 회로에 걸친 압력 강하와 대응하는 유속 사이의 관계를 나타낸다. 유동 계수(CV)는 밸브를 가로질러 1 파운드/제곱인치(psi)의 압력 강하로 밸브를 통하여 분당 유동할 60℉의 물의 체적(US 갤런)이다. 예를 들면, CV = 22는 60℉에서 22갤런의 물이 밸브에 걸쳐서 1 psi의 압력 강하로 밸브를 통하여 유동할 것임을 의미한다. 유동 계수(CV)의 사용은 밸브 용량을 비교하고 특정 산업에서 널리 수용되는 특수한 적용을 위한 크기로 밸브를 만드는 표준 방법을 제공한다.
종종 보다 큰 유동 용량을 갖는 밸브 포지셔너가 더 많은 양의 유체를 이동시킬 수 있는 그 능력으로 인해 선호된다. 그러나 증가된 유동 용량을 갖는 밸브 포지셔너 시스템은 제조하기에 보다 비용이 많이 들며 복잡하다. 증가된 유동 용량은 보다 빠른 스풀 스트로크 시간(spool stroke times)과 관계된다. 스풀 스트로크 시간이 더 빨라질수록 액츄에이터는 더 빨리 희망 위치로 구동되어야 한다. 또한, 더 빠른 스풀 스트로크 시간은 보다 우수한 주파수 응답과 관계된다. 보다 빠른 스풀 스트로크 시간은 작은 전류 신호 변화에 대한 보다 우수한 응답으로 해석된다. 대안적으로, 보다 느린 스풀 스트로크 시간은 감소된 유동 성능 등급과 상관된다. 스풀이 한 위치로부터 다른 위치로 이동하는 시간이 더 길수록, 액츄에이터를 희망 위치로 구동하는데 드는 시간이 더 길어진다. 보다 긴 스풀 스트로크 시간은 주파수 응답을 감소시키며 그에 따라 제어기로부터의 전류 신호의 보다 작은 변화에 응답할 수 있는 능력이 감소된다. 스풀이 이동할 수 있는 범위를 최소화하는 것은 보다 빠른 스풀 스트로크 시간을 위해 사용될 수 있는 한 방법이다. 그러나 보다 빠른 스풀 스트로크 시간은 감소된 정확도를 초래할 수 있다. 따라서, 정확도가 보다 더 중요한 적용에 대해, 보다 우수한 스풀 위치결정 정확도를 위해 스풀 스트로크 시간을 감소시키는 것이 바람직할 수 있다.
광범위한 사용을 위해 밸브 포지셔너 시스템을 향상시키는 것은 예를 들면 제조 비용, 전력 소모 및 유동 용량을 포함하는 다양한 요인들에 대한 주의를 요한다. 밸브 포지셔너에 관한 전력 소모는 통상적으로 전류 루프 소오스(current loop source)에 관련된다. 전류 루프는 제어기로부터 밸브 포지셔너로 신호하기 위해 전압 대신 전류를 사용하는 통신 인터페이스이다. 대중적이며 널리 사용되는 산업 표준은 4 내지 20 mA의 전류 루프 범위를 포함한다. 따라서, 밸브 포지셔너는 4 내지 20 mA의 전류 소오스 내에서 효과적으로 기능하는 것이 중요하다.
밸브 포지셔너의 유동 용량을 증가시키는 것은 보다 빠른 스풀 스트로크 시간을 갖는 보다 큰 스풀을 필요로 한다. 보다 큰 스풀을 보다 빨리 이동시키는데 요구되는 힘은 더 크다. 특정 범위의 스풀 움직임을 위한 보다 빠른 스풀 스트로크 시간은 또한 보다 큰 전력을 필요로 하는 보다 큰 추력을 필요로 한다. 힘의 증가는 밸브 포지셔너의 전력 소모를 증가시킴으로써 보상될 수 있다. 그러나 4 내지 20 mA의 전류 루프에 의해 보상되는 전력 소모를 유지하는 것은 또한 산업상 폭넓은 사용으로 인해 중요한 고려 사항이다. 소모된 전력이 4 내지 20 mA보다 더 큰 전류 루프 소오스를 필요로 하는 경우, 밸브 포지셔너는 4 내지 20 mA 표준을 기대하는 특정한 적용에 대해 수용될 수 없다. 따라서, 밸브 포지셔너 시스템의 상업적 성공은 4 내지 20 mA의 전류 루프의 업계 표준(industry wide standard) 내에 남아 있는 것을 조건으로 할 수 있다.
특정한 비용 및 전력 소모 범위 내에서 고 유동 용량의 포지셔너 시스템을 설계하는 것은 일부 사항에서 제한된다. 밸브 포지셔너의 유동 용량을 증가시키는데 사용되는 주지의 방법은 부스터의 사용을 포함한다. 부스터는 액츄에이터에 공급되는 공기의 체적을 증폭시킨다. 부스터가 설치된 밸브 포지셔너는 보다 큰 Cv 용량을 제공하지만, 그 단점은 제어 품질의 상당한 감소를 포함한다. 이에 대해, 부스터는 본래의 지연 시간(lag time)을 갖는 포지셔너 유동에 의해 구동되는 기계-공압식 유동 증폭기이다. 결과적으로, 높은 증폭비는 불안정성을 일으키며, 이때 낮은 증폭비는 종종 동적인 성능 요구조건을 충족시키지 못한다. 부스터의 추가는 또한 배관 및 부속품의 추가를 포함하여 비용 및 부품의 증가를 초래한다. 여분의 부품들은 유지보수를 보다 어렵게 하며, 또한 고장 및/또는 누전의 위험이 잠재적으로 증가한다. 또한, 부스터가 보정되고 조정되어야 하며, 이는 시간과 비용을 필요로 한다.
따라서, 하나 또는 그보다 많은 전술된 또는 관련된 결함을 다루는 밸브 포지셔너에 대한 필요성이 기술상 존재한다.
본 발명은 특히 상기 언급된 기술상 결함을 다루고 경감시킨다. 이에 관하여, 본 발명은 밸브 포지셔너에 작동적으로 결합시키기 위한 스풀 매니폴드 조립체에 관한 것이다. 스풀 매니폴드 조립체는 액츄에이터와 같은 밸브 폐쇄 요소로 및 밸브 폐쇄 요소로부터 유체를 포팅하는데 사용된다. 이 스풀 매니폴드 조립체는 복수의 유체 유동 통로로부터 유동하는 공기를 수용하고 배출하기 위한 복수의 개구를 갖는 하우징을 포함한다. 상기 하우징 상의 복수의 개구는 상기 스풀 매니폴드 조립체가 밸브 포지셔너에 결합될 때, 상기 복수의 유체 유동 통로와 실질적으로 정렬된다. 관형 슬리브가 상기 하우징 내에 배치된다. 상기 관형 슬리브는 상기 유체 유동 통로 중 대응하는 통로로부터 유동하는 유체를 수용하도록 형성된 복수의 개구를 포함한다. 상기 스풀 매니폴드 조립체는 또한 상기 관형 슬리브 내에 배치되는 스풀을 포함한다. 상기 스풀은 상기 유체 유동 통로 및 배출 포트로 유체를 포팅하도록 종축을 따라 축방향으로 활주된다. 상기 스풀 매니폴드 조립체는 또한 가요성 샤프트를 포함한다. 상기 가요성 샤프트는 불균형 위치(unbalanced position)와 균형(중립) 위치 사이에서 스풀 변위를 최소화하도록 설계된다. 불균형 스풀 위치는 액츄에이터 또는 밸브 폐쇄 요소로 유동하는 유체에 대응하는 반면, 불균형 스풀 위치는 유체가 스풀 매니폴드 조립체로부터 배출되는 것을 방지한다. 상기 가요성 샤프트는 2개의 대향 단부를 포함한다. 제 1 단부는 상기 스풀에 결합되고, 제 2 단부는 다이어프램에 결합된다. 상기 가요성 샤프트의 제 2 단부는 종축을 따라 상기 하우징으로부터 멀리 연장한다. 상기 다이어프램, 가요성 샤프트 및 스풀은 모두 종축을 따라 정렬된다. 다이어프램에 대한 유체 압력이 증가될 때, 다이어프램은 팽창하며 가요성 샤프트 상에 원동력(motive force)을 가하여 스풀이 지정된 거리만큼 변위되게 한다. 다이어프램에 대한 유체 압력이 감소될 때, 다이어프램은 수축하여서 또한 스풀이 정해진 거리만큼 떨어져 반대 방향으로 변위하게 한다.
일 실시예에서 스풀은 제 1 직경인 주요 본체부를 포함한다. 상기 스풀은 또한 상기 주요 본체부로부터 방사상으로 연장하며 등거리만큼 이격되어 있는 복수의 원통형 형상의 로브(lobes)를 포함한다. 이 로브는 상기 주요 본체부의 제 1 직경보다 더 큰 제 2 직경이다. 원통형 로브는 스풀의 스풀 위치에 따라 관형 슬리브와 결합되는 하나 이상의 개구로 유체의 유동을 방지하거나 차단하도록 형성된다. 상기 스풀은 상기 스풀이 불균형 위치에 있을 때, 상기 유체 유동 통로 중 하나 이상으로부터 상기 액츄에이터로 유체의 유동을 허용하도록 작용한다. 상기 스풀은 종축을 따라 상기 스풀의 주요 본체부 내에서 축방향으로 연장하는 보어를 포함할 수도 있다. 상기 보어는 상기 가요성 샤프트의 제 1 단부를 수용하는 크기로 만들어진다.
또 다른 실시예에서, 상기 스풀 매니폴드 조립체는 상기 다이어프램과 하우징 사이에 배치되는 바이어싱 스프링을 포함한다. 상기 바이어싱 스프링은 상기 가요성 샤프트의 일부에 인접하여 위치될 수 있다. 상기 바이어싱 스프링은 상기 다이어프램 상에 힘을 가하도록 형성된다. 유체 압력에 의해 상기 다이어프램 상에 가해진 힘이 바이어싱 스프링에 의해 가해진 힘과 동일할 때, 상기 스풀은 균형 또는 중립 위치에 남아 있다. 그러나 상기 다이어프램에 대한 압력이 상기 바이어싱 스프링이 압도되는 지점으로 증가되거나 상기 바이어싱 스프링이 영향을 받지 않는(under-whelmed) 지점으로 감소되는 경우, 상기 스풀은 불균형 위치로 이동한다. 일 실시예에서, 상기 가요성 샤프트의 중요한 부분은 긴 슬리브 내에 배치된다. 상기 긴 슬리브는 상기 가요성 샤프트의 측방향 변위를 최소화하도록 형성된다. 상기 가요성 샤프트의 제 1 단부 및 제 2 단부는 축방향으로 견고한 조인트(axially rigid joint)를 형성한다. 상기 가요성 샤프트는 상기 스풀이 변위될 때 축방향 백래시(backlash)를 최소화하도록 방사상으로 탄성이 있도록 설계된다.
본 발명은 또한 밸브 포지셔너(valve positioner)에 관한 것이다. 상기 밸브 포지셔너는 유체 회로 내에서 유동하는 유체를 조절하기 위해 액츄에이터를 제어하는데 사용된다. 상기 밸브 포지셔너는 포지셔너 하우징을 포함한다. 상기 포지셔너 하우징 내에는 포지셔너 마이크로 프로세서가 배치된다. 상기 포지셔너 마이크로 프로세서는 액츄에이터 위치를 나타내는 입력 신호를 수신하도록 형성된다. 상기 입력 신호는 4 mA 내지 20 mA 사이의 범위인 전류 신호일 수 있다. 상기 입력 신호는 제어기로부터 포지셔너 마이크로 프로세서로 전달될 수 있다. 상기 포지셔너 하우징 내에는 복수의 유체 유동 통로가 또한 배치된다. 복수의 유체 유동 통로에 인접하여 스풀 매니폴드 조립체가 있다. 상기 스풀 매니폴드 조립체는 상기 유체 유동 통로로부터 액츄에이터로 유체를 선택적으로 포팅하도록 형성되는 왕복 이동 가능한(reciprocally moveable) 스풀을 포함한다. 상기 가요성 샤프트는 다이어프램에 상기 스풀을 연결하는데 사용된다. 상기 포지셔너 하우징 내에는 변환기(transducer)가 또한 배치된다. 상기 변환기는 상기 다이어프램과 유체 소통하며 상기 마이크로 프로세서와 전기 통신한다. 상기 변환기는 상기 스풀을 변위시키기 위해 상기 다이어프램에 공급되는 유체를 조절하도록 작용하는 공압 신호를 수용하도록 형성된다.
상기 마이크로 프로세서는 액츄에이터 위치와 입력 신호를 비교하도록 일련의 제어 알고리즘을 사용할 수 있다. 상기 마이크로 프로세서는 입력 신호와 액츄에이터 위치 사이의 차이를 최소화하는데 사용되는 공압 신호를 발생시킨다. 상기 포지셔너 하우징 내에 배치되는 복수의 유체 유동 통로는 각각 이들이 스풀 매니폴드 조립체를 향해 연장함에 따라 폭이 점차적으로 감소함으로써 최적화된다. 상기 유체 유동 통로 중 하나 이상은 가압 유체 유동 공급원(pressurized fluid flow supply source)으로부터 유체 유동을 수용하도록 형성된다. 가압 유체 유동 공급원은 포지셔너 하우징 외부에 배치될 수 있다. 다른 실시예에서, 가압 유체 유동 공급원은 상기 포지셔너 하우징 내에 배치될 수 있다. 상기 포지셔너 하우징은 이중 배출 포트를 포함할 수도 있다. 각각의 배출 포트는 가요성 다이어프램을 포함할 수도 있다. 상기 밸브 포지셔너는 상기 액츄에이터에 결합되며 상기 포지셔너 마이크로 프로세서와 전기 통신하는 피드백 기구를 포함할 수도 있다. 상기 피드백 기구는 상기 액츄에이터에 의해 발생된 부하(load)를 흡수하기 위한 샤프트를 포함한다. 상기 피드백 기구는 센서를 또한 포함하며, 센서는 탄성적으로 장착되며 액츄에이터에 의해 발생된 원치 않는 부하의 흡수를 방지하도록 샤프트로부터 독립적이다. 상기 피드백 기구는 피드백 신호를 포지셔너 마이크로 프로세서로 전송하도록 형성된다. 상기 피드백 신호는 상기 액츄에이터에 관한 압력 변화 또는 위치 변화를 나타낼 수 있다.
다른 실시예에서, 유체 회로 내에서 유동하는 유체를 조절하기 위한 방법이 제공된다. 이 방법은 상기 포지셔너 내에 배치된 포지셔너 마이크로 프로세서에서 입력 신호를 수신하는 단계를 포함한다. 상기 포지셔너는 복수의 유체 유동 통로를 갖는 포지셔너 하우징 및 상기 하우징 내에 배치되는 스풀 매니폴드 조립체를 포함한다. 상기 스풀 매니폴드 조립체는 복수의 유체 유동 통로로부터 액츄에이터로 유체를 선택적으로 포팅하기 위한 스풀을 포함한다. 상기 방법은 액츄에이터 위치와 입력 신호를 비교하고 공압 신호를 발생시킴으로써 계속된다. 상기 공압 신호는 그 후 하우징 내에 배치된 변환기로 전송된다. 그 후 다이어프램은 변환기로부터 유체를 공급받는다. 상기 다이어프램은 또한 상기 스풀과 기계적 소통된다. 이 방법은 상기 다이어프램에 관한 압력의 변화에 응답하여 상기 액츄에이터로의 유체 유동을 조절하기 위해 상기 하우징에 대해 상기 스풀을 변위시키면서 계속된다. 상기 액츄에이터 내의 압력차를 나타내는 피드백 신호가 발생된다. 상기 피드백 신호는 상기 포지셔너 마이크로 프로세서와 전기 통신하며 상기 액츄에이터에 결합되는 피드백 기구를 사용하여 발생된다. 이 방법은 상기 액츄에이터 위치가 수신된 입력 신호에 대응할 때까지 전술된 단계들을 반복할 수 있다.
본 발명은 첨부 도면과 함께 읽을 때 하기의 상세한 설명을 참조로 가장 잘 이해될 것이다.
본 명세서에 개시된 다양한 실시예의 여타 특장점은 하기의 상세한 설명 및 도면에 대하여 보다 잘 이해될 것이다.
도 1은 본 발명에 따라 구성된 포지셔너 시스템의 횡단면도이고;
도 2는 포지셔너 시스템의 나머지로부터 분리된 바와 같은 포지셔너 시스템의 스풀 매니폴드 조립체를 도시하는, 포지셔너 시스템의 분해도이며;
도 3은 스풀 매니폴드 조립체를 포함하며 본 발명에 따라 구성된 포지셔너 시스템의 포지셔너의 횡단면도이며;
도 4는 본 발명에 따라 구성된 포지셔너 시스템의 측면도이며;
도 5는 중립 위치에 있는 스풀 매니폴드 조립체의 스풀을 도시하는 도 2에 도시된 스풀 매니폴드 조립체의 횡단면도이며;
도 6은 가요성 샤프트를 통해 스풀에 연결된 다이어프램을 도시하는 스풀 매니폴드 조립체의 일부의 측면도이며;
도 7은 스풀 매니폴드 조립체의 가요성 샤프트 및 다이어프램을 도시하는 스풀 매니폴드 조립체의 부분 횡단면도이며;
도 8은 스풀 매니폴드 조립체의 가요성 샤프트의 확대된 부분 횡단면도이며;
도 9는 유동 위치에 있는 스풀 매니폴드 조립체의 스풀을 도시하는 스풀 매니폴드 조립체의 횡단면도이며;
도 10은 유동 위치에 있는 스풀 매니폴드 조립체의 스풀을 도시하는 스풀 매니폴드 조립체의 횡단면도이며;
도 11은 본 발명에 따라 구성된 포지셔너 시스템의 내부 기능을 도시하는 블록도이며;
도 12는 본 발명에 따라 구성된 포지셔너 시스템의 피드백 기구의 부분 횡단면도이다.
이제 본 발명의 실시예를 도시하기 위한 것으로 본 발명을 제한하고자 하지 않는 도면을 참조하면, 도 1은 본 발명에 따라 구성된 포지셔너(10)를 도시한다. 이 포지셔너(10)는 스풀 매니폴드 조립체(14) 및 전기 부품(17)을 일체화하는 인쇄회로기판(PCB) 조립체(16)를 포함한다. 포지셔너(10)의 역할은 액츄에이터(미도시)에 기계적으로 연결되는 위치 제어기(서보 기구)의 역할이다. 포지셔너(10)는 액츄에이터에 대한 그 출력을 조정하여 입력 전류 신호에 비례하여 액츄에이터의 희망 위치를 유지하도록 형성된다. 따라서, 포지셔너(10)는 액츄에이터가 연결되는 밸브를 개폐하기 위해, 희망 위치로 액츄에이터를 변위시키는데 필요한 원동력을 제공하도록 사용된다.
스풀 매니폴드 조립체(14)는 포지셔너(10)의 일체형 부분이다. 스풀 매니폴드 조립체(14)는 압축 공기의 유동을 액츄에이터로 포팅한다. 스풀 매니폴드 조립체(14)는 액츄에이터로부터 배출된 공기를 배출 포트(18)로 지향시킬 수도 있다. 스풀 매니폴드 조립체(14)는 액츄에이터로 압축 공기의 유동을 지향시키면서 동시에 배출 포트(18)로 유체 압력을 배출할 수 있다. 유체의 유동은 상세한 설명에 걸쳐서 압축 공기의 유동으로 지시될 것이다. 그러나 유체의 유동은 가스 또는 임의의 다른 적용 가능한 유체와 같이 압축 공기가 아닌 매체를 지칭할 수 있는 것으로 생각된다. 압축 공기의 사용은 상세한 설명을 통하여 본 발명의 단 하나의 실시예로 제시되지만, 본 발명에 사용되는 유체의 유형에 대한 임의의 제한을 두지 않는다. 포지셔너(10)의 배출 포트(18)는 액츄에이터에 의해 배출된 압축 공기를 포지셔너(10)에 대한 외부의 대기로 방출할 수 있다.
PCB 조립체(16)는 포지셔너(10)의 전기 부품(17)을 수용한다. PCB 조립체(16)는 스풀 매니폴드 조립체(14)로부터 분리되는 것으로 생각된다. 이에 대해, PCB 조립체(16)는 민감한 전기 부품(17)의 보호를 위해 방수 엔클로저(waterproof enclosure) 내에 수용된다. PCB 조립체(16)는 포지셔너(10)의 다양한 출력을 제어하는데 사용되는 제어 알고리즘을 처리하기 위한 마이크로 프로세서를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, PCB 조립체(16)는 보호 실리콘 코팅을 갖는 트레이 내에 보호되는 것으로 생각된다.
이제 간단히 도 2를 참조하면, 스풀 매니폴드 조립체(14)는 포지셔너(10)로부터 분리된다. 이에 대해, 스풀 매니폴드 조립체(14)는 포지셔너(10)로부터 제거될 수 있다. 스풀 매니폴드 조립체(14)는 하기에 보다 상세히 설명되는 바와 같이 스풀 매니폴드 조립체(14) 및 그 다양한 부품들의 조사를 위해 포지셔너(10)로부터 제거 가능하다. 조사에 따라 스풀 매니폴드 조립체(14)가 과도한 사용으로부터의 마모로 인해 교체되어야 하는 것이 결정될 수 있다. 이러한 조사는 교체가 아닌 일상의 유지보수가 요구됨을 나타낼 수 있다. 스풀 매니폴드 조립체(14)를 분리할 수 있는 능력은 스풀 매니폴드 조립체(14)의 세척을 허용한다. 포지셔너(10)로부터 스풀 매니폴드 조립체(14)를 제거하는 선택권은 비용 효율적이며 시간 절약적인 방법이다. 또한, 스풀 매니폴드 조립체(14)는 포지셔너 시스템(10)의 정확도와 효율에 관한 일체형 부분(integral part)이다. 스풀 매니폴드 조립체(14) 내의 매우 작은 양의 오물 또는 마모조차도 포지셔너(10)의 정확도 및 효율에 부정적으로 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 포지셔너(10) 전체를 그 작용 환경으로부터 제거하지 않고 포지셔너(10)로부터 스풀 조립체(14)를 제거할 수 있는 능력이 바람직하다.
다시 도 1을 참조하면, 포지셔너(10)는 전술된 바와 같은 2개의 배출 포트(18)를 포함한다. 스풀 매니폴드 조립체(14)는 포지셔너(10)로부터 대기로 유체 유동을 방출하기 위해 액츄에이터로부터 배출 포트(18)로 유체 유동을 포팅하도록 형성된다. 가요성 다이어프램 시트(19)가 각각의 배출 포트(18)에 결합될 수 있다. 가요성 다이어프램 시트(19)는 물, 먼지 및 다른 파편이 일반적으로 스풀 매니폴드 조립체(14) 또는 포지셔너(10)의 민감한 영역으로 들어가는 것을 방지하도록 체크 밸브와 유사한 기능을 한다. 본 발명의 환경 보호 특성에 대해, 가요성 다이어프램 시트는 열대성 강우, 먼지 및/또는 모래가 존재하는 거친 환경에서 설치되는 제어 밸브와 함께 사용하기에 특히 적합하다. 대부분의 밸브 포지셔너 시스템이 그 배출 포트로 물이 들어가는 상태에서 복잡한 상황을 겪지만, 포지셔너(10)의 내부에 들어가는 물은 그 안전성 또는 기능성에 해롭지 않다. 이에 대해, 포지셔너(10)는 IP 66 보호 등급(IP 66 protection class)을 충족시킨다. 또한, 포지셔너(10)는 배출 포트(18)를 통하여 그 내부로 들어가는 물을 방지하거나 최소화하도록 설계된다. 가요성 다이어프램 시트(19)는 시일(seals)로서 사용되어 배출 포트(18)로 물이 들어가는 것을 방지하지만, 배출 포트(18)로부터 대기로 공기 또는 다른 유체의 자유로운 방출을 허용한다.
이제 도 3을 참조하면, 포지셔너(10)는 내부에 스풀 매니폴드 조립체(14)가 배치되는 포지셔너 하우징(20)을 포함한다. 포지셔너 하우징(20) 내에는 복수의 유체 유동 통로(22, 24, 26)가 배치된다. 3개의 유체 유동 통로(22, 24, 26)가 존재한다. 중심의 유체 유동 통로(24)는 압력 공급원의 형태로 압축 공기 소오스에 연결된다. 중심의 유체 유동 통로(24)에 연결되는 압력 공급원은 포지셔너 하우징(20) 내에 배치될 수 있다. 다른 실시예에서, 중심의 유체 유동 통로(24)에 연결되는 압력 공급원은 포지셔너(10)의 외부에 위치된다. 유체 유동 통로(22, 26)는 또한 액츄에이터에 유체 연결되는 포트(28, 30)와 같이, 도 4에 도시된 액츄에이터 챔버 연결 포트(28, 30)에 연결된다. 보다 상세하게, 액츄에이터 챔버 연결 포트(28, 30)는 유체 유동 통로(22, 26) 각각에 유체 연결되어 이들로부터 압축 공기를 수용한다. 대안적으로, 액츄에이터 챔버 연결 포트(28, 30)는 액츄에이터로부터 배출된 공기를 배출 포트(18)로 지향되도록 하기 위해 유체 유동 통로(22, 26) 중 각각에 공급하도록 형성된다. 유체 유동 통로(22, 26)로부터 공기 유동을 공급하거나 수용할 수 있는 액츄에이터 챔버 연결 포트(28, 30)의 능력은 스풀 매니폴드 조립체(14)의 스풀 조립체(32) 및 특히 스풀 조립체(32)의 스풀(34)의 위치에 좌우된다. 스풀(34)은 하기에 보다 상세히 설명되는 바와 같이, 공기의 유동을 액츄에이터 챔버 연결 포트(28, 30) 또는 배출 포트(18)로 포팅하도록 형성된다.
이제 도 5, 6, 9 및 10을 참조하면, 스풀 조립체(32)는 액츄에이터 및 그에 따라 유체 회로 내의 유체 유동을 조작하기 위해 지정된 위치(prescribed position)로 압축 공기를 포팅하도록 유체 유동 통로(22, 24, 26)와 효과적으로 연계된다(interfaced). 스풀(34)은 정해진 방식으로 스풀 조립체(32)를 통하여 유체 유동을 실행하는데 요구되는 바에 따라 스풀 조립체(32) 내에서 축방향으로 활주하도록 구성된다. 스풀 조립체(32)에서, 스풀(34)은 종축(A)을 형성하는 주요 본체부(37)를 포함한다. 주요 본체부(37)로부터 방사상 외부로 3개의 원통형 로브(38)가 연장하며, 이 로브는 등거리로 이격된 간격으로 배치된다. 이에 대해, 주요 본체부(37)는 제 1 직경이며, 이때 로브(38)는 각각 제 1 직경을 초과하는 제 2 직경이다. 스풀(34) 외에도, 스풀 조립체(32)는 중공의 관형 슬리브(36)를 포함한다. 스풀 조립체(32)에서, 스풀(34)은 슬리브(36)에 대해 지정된 위치로 종축(A)을 따라 활주 가능하게 이동할 수 있으며 지정된 위치 내에서 동심으로 배치된다. 도 5, 9 및 10에서 볼 수 있는 바와 같이, 슬리브(36)는 연속적인 외벽을 형성하지 않으며, 그보다 슬리브(36)가 포지셔너 하우징(20)의 내부 내에 작동적으로 장착될 때, 유체 유동 통로(22, 24, 26) 중 각각과 정렬되는 3개의 분리된 개구를 형성한다. 이에 대해, 포지셔너 하우징(20)은 내벽부(21)를 포함하며, 내벽부는 유체 유동 통로(22, 24, 26)를 형성하는 것 외에도, 벽 구획을 더 형성하며, 벽 구획은 그에 따라 형성된 개구에 인접하여 개구 사이에서 연장하는 이들 슬리브(26) 부분에 대해 접한다. 도 5, 9 및 10에서 또한 볼 수 있는 바와 같이, 슬리브(36)의 그 개구에 인접하여 개구 사이에서 연장하는 이들 슬리브(36)의 부분들은 각각 외부의 환형 홈을 포함하며, 환형 홈은 O-링(40)과 같은 밀봉 부재를 수용하며, O-링(40)은 또한 슬리브(36)에 대해 접하는 그러한 내벽부(21)의 구획과 밀봉 맞물림된다.
스풀 조립체(32)에서, 스풀(34)은 중립 또는 균형 위치와 2개의 분리된 불균형 위치 사이에서 선택적으로 이동 가능하다. 도 5에서, 스풀(34)은 그 중립 위치에 있는 것으로 도시된다. 도 9에서, 스풀(32)은 그 2개의 불균형 위치 중 하나에 있는 것으로 도시되며, 불균형 위치들 중 다른 하나는 도 10에 도시된다. 스풀(32)이 그 불균형 위치 중 어느 하나에 있을 때, 로브(38)는 유체 유동 통로(22, 24, 26) 중 특정한 통로와 일반적으로 정렬됨으로써, 유체는 지정된 방식으로 액츄에이터로 및 액츄에이터로부터 선택적으로 포팅된다. 스풀(34)이 도 5에 도시된 그 균형 위치로 이동될 때, 액츄에이터의 이동이 중립이 된다(neutralized). 도 5에서 중심의 유체 유동 통로(24)에 도시된 화살표는 압력 공급원에 의해 공급된 압축 공기를 나타낸다. 스풀(34)이 그 중립 위치에 있을 때, 압축 공기는 중심의 유체 유동 통로(24)와 통하는 슬리브(36)의 개구를 효과적으로 차단하는 스풀(34)의 중심 로브(38)로 인해, 유체 유동 통로(22, 26)를 거쳐 액츄에이터 챔버 포트(28, 30)로 유동하는 것이 방지된다. 도 5에서 유체 유동 통로(22, 26)에 도시된 화살표는 스풀(34)이 그 중립 위치에 있을 때 액츄에이터로부터 액츄에이터 챔버 연결 포트(28, 30)로 배출되는 공기를 나타낸다. 도 5에 도시된 바와 같은 유체 유동 통로(22, 26)를 통하는 공기의 유동은 또한 포지셔너 하우징(20)의 개방된 내부로 및 그 후 스풀(34)의 외부의 로브(38) 쌍에 의해 배출 포트(18)를 거쳐 대기로 유동하는 것이 효과적으로 차단된다. 보다 상세하게, 도 5에서 볼 수 있는 바와 같이, 배출 공기는 유체 유동 통로(22, 26)를 통해 각각의 인접하는 로브(38) 쌍 사이에 형성되는 공간(voids)으로 유동할 수 있지만, 외부의 로브(38) 쌍은 슬리브(36) 내에서 이들 개구를 효과적으로 차단하며, 이들 개구는 차단되지 않은 경우, 배출 공기가 슬리브(36)로부터 포지셔너 하우징(20)의 개방된 내부로, 그리고 배출 포트(18) 및 이에 대해 작동적으로 연계되는 다이어프램(19)을 거쳐 대기를 향해 외부로 유동하게 할 것이다.
도 9에 도시된 바와 같은 그 불균형 위치를 취하기 위해, 스풀(34)은 도 9에 도시된 관점으로부터 볼 때 좌측으로의 방향으로 도 5에 도시된 중립 위치로부터 종축(A)을 따라 이동한다. 이러한 특히 불균형 위치에 있을 때, 중심 로브(38)는 유체 유동 통로(24)와 소통하는 슬리브(36)의 그러한 개구를 효과적으로 차단하지 않으며, 그에 따라 가압 공기 또는 다른 유체가 유체 유동 통로(24)로부터 도 9에서 유체 유동 통로(24, 26)에 포함된 화살표에 의해 지시되는 방식으로 유체 유동 통로(26)로 유동하게 한다. 인지되는 바와 같이, 유체 유동 통로(24)를 통해 및 그 후 유체 유동 통로(26)로 유동하는 가압 유체는 액츄에이터 챔버 연결 포트(30) 및 그 후 액츄에이터로 보내진다. 동시에, 액츄에이터로부터 액츄에이터 챔버 연결 포트(28)로 및 그 후 유체 유동 통로(22)로 배출된 공기는, 도 9에서 화살표로 또한 지시된 방식으로 배출 포트(18)를 거쳐 대기로 결국 배기되기 전에, 이제 맨 좌측 로브(38)에 인접하는 슬리브(36)의 차단되지 않은 개구를 통하여 포지셔너 하우징(20)의 개방된 내부로 효과적으로 보내진다.
도 10에 도시된 바와 같은 그 불균형 위치를 취하기 위해, 스풀(34)은 도 5에 도시된 중립 위치로부터 도 10에 도시된 관점으로부터 볼 때 우측으로의 방향으로 종축(A)을 따라 이동한다. 이러한 특정한 불균형 위치에 있을 때, 중심 로브(38)는 유체 유동 통로(24)와 소통하는 슬리브(36)의 그러한 개구를 효과적으로 차단하지 않으며, 그에 따라 가압 공기 또는 다른 유체가 유체 유동 통로(24)로부터 도 10에서 유체 유동 통로(22, 24)에 포함된 화살표에 의해 지시되는 방식으로 유체 유동 통로(22)로 유동하게 한다. 인지되는 바와 같이, 유체 유동 통로(24)를 통해 및 그 후 유체 유동 통로(22)로 유동하는 가압 유체는 액츄에이터 챔버 연결 포트(28) 및 그 후 액츄에이터로 보내진다. 동시에, 액츄에이터로부터 액츄에이터 챔버 연결 포트(30)로 및 그 후 유체 유동 통로(26)로 배출된 공기는, 도 10에서 화살표로 또한 지시된 방식으로 배출 포트(18)를 거쳐 대기로 결국 배기되기 전에, 이제 맨 우측 로브(38)에 인접하는 슬리브(36)의 차단되지 않은 개구를 통하여 포지셔너 하우징(20)의 개방된 내부로 효과적으로 보내진다.
당업자에게 인지되는 바와 같이 도 5, 9 및 10의 각각의 도면에 도시된 불균형 위치들 중 하나와 중립 위치 사이에서 스풀(34)의 움직임은 정해진 방식으로 액츄에이터의 움직임을 촉진하는데 요구되는 바에 따라 액츄에이터로 및 액츄에이터로부터 공기를 효과적으로 포팅하도록 작용한다. 전술된 바와 같이, 액츄에이터는 또한 밸브 폐쇄 요소에 결합되며, 지정된 방식으로 유체 회로 내의 유체 유동을 조절하는데 요구되는 바에 따라 밸브 폐쇄 요소를 효과적으로 작동시키는데 필요한 원동력을 제공한다.
도 3에 가장 잘 도시되고 전술된 바와 같이, 포지셔너 하우징(20)의 유체 유동 통로(22, 24, 26)는 포지셔너(10)의 유동 용량을 최대화하도록 최적화된다. 이러한 최적화는 유체 유동 통로(22, 24, 26)의 형상에 관계된다. 특히, 유체 유동 통로(22, 24, 26)의 폭은 이러한 유체 유동 통로(22, 24, 26)가 스풀(34)에 접근할 때 감소한다. 그러나 유체 유동 통로(22, 24, 26)는 공기 유동원이 초기에 그 내부로 도입되는 최대폭이다. 예를 들면, 유체 유동 통로(22, 26)가 보다 폭이 넓은데 이곳에서 액츄에이터로부터 배출된 공기는 액츄에이터 챔버 연결 포트(28, 30)의 각각으로부터 그 내부로 도입된다. 유사하게, 중심의 유체 유동 통로(24)는 가장 폭이 넓은데, 이곳에서 압축 공기가 압력 공급원으로부터 그 내부로 도입된다. 유체 유동 통로가 스풀(34)에 접근할 때 일어나는 것과 같은 유체 유동 통로(22, 24, 26)의 폭을 좁게 하는 것은 스풀(34)의 요구되는 스트로킹 범위(stroking range)를 효과적으로 감소시킨다. 이러한 감소된 스트로킹 범위는 상기에 강조된 불균형(유동) 위치들 중 어느 하나와 중립(비유동) 위치 사이에서 스풀(34)이 빠른 스트로크 시간을 얻을 수 있게 한다. 스풀(34)의 치수는 유체 유동 통로(22, 24, 26)의 폭을 좁게 한 결과로서 또한 감소될 수 있다. 또한, 유체 유동 통로(22, 24, 26)의 폭의 감소는 스풀 조립체(32)에 걸쳐서 압력 강하를 최소화한다. 스풀 조립체(32)에 걸친 압력 강하를 최소화하는 것은 액츄에이터가 공기를 빠르고 효율적으로 수용하거나 배출하게 한다. 스풀(34)이 그 불균형 위치 중 하나로 이동할 때 액츄에이터에 대한 압력 공급이 더 클수록 액츄에이터 스트로킹 시간이 더 빨라진다. 더 빠른 액츄에이터의 스트로킹은 유체 회로 내에서 유체 유동을 조절하기 위해 밸브 폐쇄 요소를 보다 빠르게 개방 또는 폐쇄시킨다.
포지셔너 하우징(20) 내에 배치된 최적화된 유체 유동 통로(22, 24, 26)는 고용량의 스풀(34)의 설계를 보충한다. 스풀(34)의 치수는 가장 격렬한 상태하에서 효율 및 정확도에 중요하다. 최적화된 유체 유동 통로(22, 24, 26)가 스풀 조립체(32)와의 인터페이스에서 좁아지지 않을 경우, 그렇지 않을 경우에 액츄에이터 및 배출 포트(18)로의 압축 공기의 유동을 차단하거나 방지하도록 요구될 스풀 치수(34)는 반드시 크기가 훨씬 더 커야 할 것이다. 그러나 이러한 더 큰 치수의 스풀(34) 및 그에 따라 대응하는 스풀 조립체(32)는 보다 큰 질량의 스풀(34)을 초래할 것이다. 증가된 질량의 스풀(34)은 또한 보다 큰 양의 관성을 일으킬 것이다. 이러한 증가된 양의 관성은 또한 포지셔너(10)에 의해 소모될 증가된 전력량을 요구할 것이다. 따라서, 스풀(34)의 치수의 임의의 증가는 바람직하지 않다. 그보다는 포지셔너(10)의 유동 계수를 감소시키지 않고 최대 범위로 스풀(34)의 치수를 감소시키는 것이 바람직하며, 이는 본 발명에 의해 이루어진다. 전술된 바와 같이, 스풀(34)의 치수를 감소시키는 것은 그 질량을 효과적으로 감소시키며, 그로 인해 그 스트로크 시간을 증가시키고 본래의 유동 특성에 긍정적으로 영향을 미치며, 이러한 유동 특성에서 최대 유동 계수는 스풀(34)의 최소 운동으로 얻어진다.
스풀(34)은 그 질량을 최소화하는 재료로 제조될 것이다. 전술된 바와 같이, 스풀(34)을 변위시키는데 요구되는 힘은 스풀(34)의 질량이 최소화될 때 감소된다. 그 결과, 스풀(34)을 변위시키는데 요구되는 전력이 또한 감소된다. 스풀(34)은 마찰이 감소된 재료로 제조될 수 있으며, 이러한 감소된 마찰은 종축(A)을 따르는 그 변위 중에 스풀(34)의 운동학(kinematics)에 유리하다. 스풀은 동축으로 배치되는 슬리브(36)와 스풀(34) 사이의 임의의 마찰을 극복하는데 요구되는 필요한 힘을 감소시키는 재료로 제조된다. 스풀(34)과 슬리브(36) 사이의 정지 마찰은 스풀 조립체(32) 내의 사각대(dead band)의 주요 원인이 될 수 있다. 따라서, 내부에 스풀(34)이 활주 가능하게 배치되는 슬리브(36)와 스풀(34) 사이의 마찰을 최소화하는 것은 사각대 효과를 감소시킨다. 단지 예로서 및 비제한적으로, 스풀(34)은 알루미늄 합금, 스테인리스스틸, 세라믹 또는 중합체로 제조될 수 있으며, 이들은 모두 표면 처리되거나 표면 처리되지 않고 제공될 수 있다. 또한, 전술된 바와 같이, 스풀 조립체(32)의 구성은 스풀(34)에 대한 짧은 스트로크를 고려한다. 일 실시예에서, 스풀(34)의 스트로크의 범위는 대략 2밀리미터이다. 그 중립 위치로부터 불균형 유동 위치들 중 하나로의 스풀(34)의 스트로크 범위는 중심의 스풀 로브(38)의 폭의 대략 1/2이다. 스풀(34)의 스트로크는 짧지만, 포지셔너(10)는 높은 용량의 유동 계수를 유지할 수 있다. 효과적으로, 최적화된 유체 유동 통로(22, 24, 26)와 결합하는 스풀 조립체(32) 및 포지셔너 하우징(20) 내의 다른 요소들을 포함하는 스풀 매니폴드 조립체(14)는 높은 주파수 변화에 응답하는 스풀(34)의 능력을 보충한다. 높은 주파수 응답은 낮은 압력 반응 다이어프램(48)을 사용하여 스풀(34)을 구동시킬 때 중요하며 그 특정한 특성은 하기에 보다 상세히 논의될 것이다. 일 실시예에서, 스풀 주파수 응답은 대략 6Hz이다. 작은 주파수 변화에 응답할 수 있는 스풀(34)의 능력은 포지셔너(10)의 높은 유동 용량에 기여한다.
도 3 및 도 5 내지 10에서 볼 수 있는 바와 같이, 스풀 매니폴드 조립체(14)는 긴 가요성 샤프트(50)를 더 포함하며, 이 샤프트는 스풀(34)을 포지셔너(10)의 전술된 압력 반응 다이어프램(48)에 작동적으로 결합시키는데 사용된다. 가요성 샤프트(50)는 제 1 단부를 가지며, 이 제 1 단부는 상보적인 개구 내에 수용되고 견고하게 고정되며, 이 개구는 스풀(34)의 주요 본체부(37) 내에서 그에 따라 형성된 종축(A)을 따라 축방향으로 연장한다. 스풀(34)에 대한 가요성 샤프트(50)의 견고한 인터페이스는 축방향으로 견고한 조인트를 형성한다. 스풀(34) 내부로 전진되지 않는 샤프트(50)의 그러한 부분에 대하여, 그 길이의 상당한 부분이 긴 슬리브(51) 내에 배치된다. 슬리브(51)는 하기에 보다 상세히 논의되는 바와 같이 샤프트(50)의 측방향 변위를 효과적으로 최소화한다. 슬리브(51)는 그 자체가 결합 부재(59)를 통해 전진되며, 이 결합 부재는 또한 포지셔너 하우징(20)의 스풀 매니폴드 블록(15) 또는 내부 지지 표면에 부착된다. 결합 부재(59)로부터 돌출하는 슬리브(51)의 말단부는 상보적인 보어 내부로 전진되며 다이어프램 지지 부재(53)에 견고하게 고정된다. 다이어프램 지지 부재(53)는 또한 슬리브(51)와 동축으로 정렬되며 결합 부재(59)의 말단부를 수용하는 공동을 형성한다. 다이어프램 지지 부재(53)에 대한 샤프트(50)의 견고한 인터페이스는 슬리브(51)를 거쳐서 또한 축방향으로 견고한 조인트를 형성한다.
도 3, 도 5 내지 도 7, 도 9 및 도 10에서 더 볼 수 있는 바와 같이, 결합 부재(59)의 외부에는 환형 스프링 부싱(57)이 장착된다. 다이어프램 지지 부재(53)와 스프링 부싱(57)에 대해 접하고 이들 사이에서 연장하는 것은 바이어싱 부재, 보다 구체적으로는 나선형 바이어싱 스프링(55)이다. 이에 대해, 다이어프램 지지 부재(53) 및 스프링 부싱(57)은 각각 특히 그 작동 위치에 이들 사이에서 연장하는 바이어싱 스프링(55)을 효과적으로 유지시키도록 형성된다. 바이어싱 스프링(55)은 일반적으로 다이어프램 지지 부재(53)를 다이어프램(48)을 향하여 및 그에 따라 스풀(34)로부터 멀리 바이어스시킨다.
그 중립 위치와 각각의 그 불균형 유동 위치들 사이에서의 스풀(34)의 움직임은 종축(A)을 따르는 샤프트(50)의 움직임에 의해 구동된다. 샤프트(50)의 움직임은 또한 다이어프램 지지 부재(53)에 대해 다이어프램(48)에 의해 가해진 압력에 의해 영향을 받으며, 다이어프램 지지 부재는 전술된 바와 같이 슬리브(51)를 거쳐 샤프트(50)에 견고하게 부착된다. 다이어프램(48)에 의해 다이어프램 지지 부재(53)에 가해지는 압력이 없고 그에 따라 샤프트(50)에 가해지는 임의의 미는 힘이 없어지는 경우, 스풀(34)은 도 9에 도시된 바와 같은 그 불균형 위치를 취할 것이다. 이에 대해, 스풀(34)은, 바이어싱 스프링(55)에 의해 다이어프램 지지 부재(53)에 가해진 바이어싱 힘의 결과로서, 도 9의 관점으로부터 볼 때 그 이용 가능한 스트로크의 가장 좌측 한도로 구동된다. 도 9에 도시된 불균형 위치로부터 도 5에 도시된 중립 위치로의 스풀(34)의 움직임은, 도 9에 도시된 관점으로부터 볼 때 지지 부재(53)의 작은 증가 운동(small incremental movement)을 우측으로 촉진하기에 충분한 레벨에서 다이어프램(48)에 압력을 가함으로써 촉진된다. 인지되는 바와 같이, 이러한 증가 운동을 용이하게 하도록 다이어프램(48)에 의해 다이어프램 지지 부재(53)에 가해진 압력은 바이어싱 스프링(55)에 의해 다이어프램 지지 부재(53)에 일반적으로 가해지는 바이어싱 힘을 극복하기에 충분하여야 하며 그에 따라 바이어싱 스프링(55)의 결과적인 압축을 일으켜야 한다.
또한, 당업자에게 인지되는 바와 같이, 스풀(34)이 도 10에 도시된 불균형 유동 위치를 취하게 하는 것은, 다이어프램(48)에 의해 다이어프램 지지 부재(53)에 가해지는 압력의 양이, 도 5에 도시된 관점으로부터 볼 때 스풀(34)의 추가의 움직임을 그 중립 위치에 대한 우측으로 얻을 수 있도록, 바이어싱 스프링(55)에 의해 가해진 바이어싱 힘을 극복하는데 필요한 만큼 증가되는 것을 요구한다. 다이어프램 지지 부재(53)에 대한 결합 부재(59)의 말단부의 접합(abutment)은, 필요한 부싱 힘이 샤프트(50)에 의해 결합 부재의 단부에 가해지면 결합 부재의 단부가 도 10에 도시된 불균형 위치를 취한 후에, 우측으로 스풀(34)의 추가 이동을 제한하는 정지를 제공한다. 본 발명의 가요성 샤프트(50)는 스풀(34)을 위한 구동 링크장치 디자인의 일체형 부분이다. 전술된 바와 같이, 샤프트(50)는 스풀(34)을 압력 반응 다이어프램(48)에 효과적으로 결합시킨다. 샤프트(50)는 가요성 스풀/다이어프램 결합(coupling)을 제공한다.
샤프트(50)에 의해 촉진되는 다이어프램(48)에 대한 스풀(34)의 가요성 결합은, 스풀(34)이 다이어프램(48)에 가해진 압력의 결과로서 지정된 위치로 축방향으로 변위될 때, 다이어프램(48)과 스풀(34) 사이의 비교적 작은 오정렬에 의해 야기되는 마찰을 최소화한다. 스풀(34)의 종축(A)과 다이어프램(48)의 추력 축(thrust axis) 사이의 작은 오정렬은 방지하기 어렵다. 그러나 전술된 축들 사이의 임의의 오정렬에 관계없이 스풀(34)을 매끄럽게 구동시키는 것이 중요하다. 샤프트(50)에 의해 촉진된 방사상으로 탄성이지만 축방향으로 견고한 조인트에 의한 다이어프램(48)과 스풀(34)의 연결(linking) 또는 결합은 축방향 백래시 또는 축방향 유극(play)을 방지하거나 아무리 적어도 최소화하는 것으로 생각된다. 이러한 탄성이 있는 방사상 조인트는 또한 축방향 백래시를 감소시키는 더 낮은 최소 추력(thrust)을 또한 초래한다. 가요성 샤프트(50)에 의해 제공되는 본래의 탄성이 있는 방사상 조인트로 인해, 종축(A)을 따르는 선형 변위는 매우 낮은 추력을 초래하며 축방향 백래시를 초래하지 않는다. 축방향 백래시는 장치의 입력이 방향을 변화시킬 때, 장치의 입력과 출력 사이의 일시적인 단절로부터 야기되는 사각대의 형태이다. 기계적 연결부의 슬랙(slack) 또는 헐거움(looseness)은 통상적인 예시이다. 가요성 샤프트(50)는 다이어프램(48)과 스풀(34) 사이의 슬랙을 최소화하도록 설계된다. 동시에, 샤프트(50)의 과도한 축방향 변위는 슬리브(51)에 의해 제한된다. 슬리브(51)에 의해 촉진되는 샤프트(50)의 최대 축방향 변위의 제한이 유리하고 바람직한데, 이는 이러한 제한이 샤프트(50)가 좌굴(buckling)하는 것이 방지되기 때문이다. 또한, 샤프트(50)의 탄성 특성은 도 8에서 참조 번호 52로 표시되는 길고 자유로운 편향 길이(long free deflection length)를 허용한다. 샤프트(50)는 통상적인 압축 추력이 비교 가능한 포지셔너에 대해 매우 자주 10N미만인 것을 고려할 때 극도로 높은 용량인 50 뉴턴(N)보다 큰 압축 추력을 견딜 수 있는 능력을 갖는다.
샤프트(50)는 또한 스풀(34)이 종축(A)을 따라 선형적으로 변위되어야 하여서 그 중립의 균형인 비유동 위치로부터 그 불균형 유동 위치 중 하나로 이동하는 범위를 감소시키도록 구성된다. 스풀(34)의 감소된 범위는 스풀(34)의 더 짧은 스트로크로 해석된다. 더 짧은 스풀의 스트로크는 전술된 바와 같이 스풀 스트로킹을 최소화하며 그에 따라 개선된 스풀 주파수 반응을 초래한다. 포지셔너(10)는 스풀(34)의 스트로킹 시간이 최소화될 때, 주파수 변화를 갖는 입력 전류 신호에 대해 향상된 반응을 갖는다. 이는 입력 신호의 변화가 최소이며 그에 따라 작은 주파수 변화에 대해 증가된 민감성을 필요로 할 때 특히 중요하다.
전술된 바와 같이, 다이어프램(48)은 포지셔너 하우징(20) 내에 배치되며, 포지셔너(10)의 변환기(54)로부터 압축 공기를 수용하는 것에 응답하여 가요성 샤프트(50)로 힘을 전달하는 가요성 압력 반응 요소이다. 변환기(54)는 전류에서 압력으로의 전환기이며, 포지셔너 하우징(20)의 내부 내에 형성되는 후방 다이어프램 구획(56)에 유체 결합되는 것으로 생각된다. 인지되는 바와 같이 및 도 3에 도시된 바와 같이, 다이어프램(48)은 구획(56)과 다이어프램 지지 부재(53) 사이에 밀봉된 유체 밀봉 배리어(sealed, fluid-tight barrier)를 효과적으로 생성한다. 전류 신호를 수신하면, 변환기(54)는 구획(56)에 압축 공기를 공급하도록 작용한다. 구획(56) 내의 공기 압력이 높아질 때, 이러한 공기 압력은 다이어프램(48)에 힘을 가하여 바이어싱 스프링(55)의 반력(opposing force)를 극복한다. 상기에 설명된 바와 같이, 다이어프램(48)에 가해진 힘은 다이어프램 지지 부재(53)로 및 또한 슬리브(51)에 의해 가요성 샤프트(50)로 전달된다. 샤프트(50)로의 힘의 전달은 종축(A)을 따라 추력 동작 또는 추진(pushing)을 일으킴으로써, 도 5 및 도 10 중 각각에 도시된 위치들 중 어느 하나로 스풀(34)을 변위시킨다. 전술된 바와 같이, 바이어싱 스프링(55)의 작용으로 결합되는 구획(56) 내의 임의의 공기 압력의 부재(absence)는 스풀(34)이 도 9에 도시된 불균형 위치를 취하게 한다. 제 1 레벨에서 구획(56)으로 공기 또는 다른 유체 압력을 도입하는 것은 도 5에 도시된 그 중립 위치로 스풀(34)의 이동을 촉진하게 할 것이며, 이때 제 1 레벨을 초과하는 제 2 레벨로의 구획(56) 내의 압력 레벨의 추가 증가는 도 10에 도시된 바와 같은 다른 불균형 위치로 스풀(34)의 추가 증가 운동을 촉진한다. 다시, 제 2 레벨을 넘는 구획(56) 내의 압력 레벨의 임의의 추가의 증가는, 결합 부재(59)와 다이어프램 지지 부재(53) 사이에 생성되는 기계적 정지의 결과로서, 도 10에 도시된 위치를 지나 스풀(34)의 임의의 추가 이동을 촉진하지 않는다.
포지셔너(10)에서, 구획(56)뿐 아니라 다이어프램(48)은 배출 포트(18)의 임의의 배압(back pressure)의 영향으로부터 이동되도록 포지셔너 하우징(20) 내에 배치된다. 이에 대해, 배출 포트(18)에 대한 포지셔너 하우징(20) 내의 다이어프램(48)의 위치는 다이어프램(48) 상의 임의의 축방향 부하를 방지하거나 최소화하도록 선택된다. 예를 들면, 배출 포트(18)로부터 나오는 배출 배압의 영향은 6 bar를 초과할 수 있지만, 포지셔너 하우징(20) 내의 다이어프램(48)은 다이어프램(48) 상에 가해진 압력이 통상적으로 2 bar 미만이도록 배치된다.
포지셔너(10)의 변환기(54)는 마이크로 프로세서(72)로부터의 직접적인 전기 입력 신호를 수신하는 성능을 갖는다. 변환기(54)는 토크 모터, 노즐 플레퍼(nozzle-flapper) 및 공압 릴레이(pneumatic relay)를 사용하여 전기 신호 또는 전류 신호를 비례하는 공압 출력 신호로 전환할 수 있다. 노즐 압력은 릴레이를 작동시키며, 토크 모터 피드백 벨로우즈(torque motor feedback bellows)에 배관되어 입력 신호와 노즐 압력 사이의 비교를 제공한다. 변환기(54)는 바람직하게 포지셔너 하우징(20)의 내부 내에 형성된 방수 밀봉 구획(58) 내에 배치되어 배출 포트(18)의 배출 압력 영향 및 거친 환경으로부터 변환기를 보호한다.
포지셔너(10)는 선형 장비 및 회전식 장비를 갖는 단일 작용 액츄에이터 및 이중 작용 액츄에이터 모두의 제어를 용이하게 하는데 사용될 수 있다. 통상적인 이중 작용 액츄에이터는 이중 작용 작동을 제공하도록 가압 유지 실린더(pressurized retaining cylinder)의 내부에 배치되는 활주 밀봉 플레이트 또는 피스톤을 포함한다. 이중 작용 액츄에이터를 위해 공기는 포지셔너(10)에 의해 피스톤의 어느 한 측면으로 공급된다. 보다 구체적으로, 포지셔너(10)는 피스톤의 일 측으로 압축 공기를 운반하면서, 피스톤의 지정된 위치에 도달될 때까지 공기가 피스톤의 타측으로부터 효과적으로 배기되도록 할 수 있다. 스프링은 절대 안전 기구로서 작용하도록 이중 작용 액츄에이터의 실린더에 포함될 수 있다. 액츄에이터는 단일 작용이든지 이중 작용이든지 선형 밸브 또는 회전식 밸브와 함께 사용될 수 있다. 선형 디자인은 액츄에이터의 전체 움직임이 밸브의 밸브 스템에 직접적으로 전달되기 때문에 효율적이다.
이제 포지셔너(10)의 내부 기능을 나타내는 블록도인 도 11이 참조된다. 포지셔너(10)는 다른 유사한 크기의 포지셔너에 비해 증가된 유동 용량 및 더 큰 효율을 제공한다. 포지셔너(10)는 전류에서 공압으로의 기구(current-to-pneumatic instrument)에 기초한 마이크로 프로세서이다. 포지셔너(10)는 액츄에이터 내의 압력의 변화 및 밸브 위치의 피드백을 수용하도록 형성된다. 그러므로, 포지셔너(10)는 그 자신, 밸브 및 포지셔너가 장착되는 액츄에이터를 진단할 수 있다. 포지셔너(10)는 밸브가 위치되어야 하는 곳을 나타내는 설정점 및 전기 전력을 제공하는 입력 신호(전기 신호)를 수신한다. 설정점은 제어되는 프로세스 변수의 희망값을 나타내는 기준값이다. 이 입력 신호는 액츄에이터를 구동시키고 그에 따라 밸브를 제어하도록 포지셔너(10)에 의해 사용되는 전류 신호로 지칭될 수도 있다. 포지셔너(10)는 2줄 와이어(a two-wire)로부터 4 내지 20 mA의 입력 신호를 수신한다. 입력 신호는 백분율로 정량화될 수 있다. 예를 들면, 0%의 입력 신호는 밸브의 폐쇄된 위치로 정의되고, 100%의 입력 신호는 밸브의 개방된 위치로 정의될 수 있는 것으로 생각된다. 아날로그 소오스(analog source)를 사용하여, 4 내지 20 mA의 신호는 백분율로 전환된다. 루프 보정(loop calibration) 중에, 0% 및 100%에 대응하는 신호들이 정해진다. 예를 들면, 루프 보정은 4 mA = 0% 입력 신호이고 20 mA = 100% 전류 신호임을 제공할 수 있다. 이 예시에서, 12 mA는 50%의 전류 신호를 나타낸다. 0%와 100% 사이의 범위인 복수의 입력 신호들이 존재함에 주의해야 한다. 공압 작동 밸브는 제어기로부터 입력 신호를 수신하고 입력 신호를 밸브 변위로 전환하기 위해 포지셔너(10)에 의존한다. 입력 신호는 유체 회로 내의 유체의 유동을 조작하기 위해 포지셔너(10)가 액츄에이터를 특정한 위치로 변위시키도록 지시한다. 변환기(54)는 포지셔너 마이크로 프로세서(72)로부터 입력 신호를 수신하여 공압 신호로 이를 전환시킨다.
포지셔너(10)는 액츄에이터의 위치와 수신된 입력 신호를 비교하도록 형성된다. 신호와 액츄에이터 위치가 상이한 경우, 포지셔너(10)는 정확한 위치에 도달될 때까지 액츄에이터를 변위시키도록, 압축 공기를 통하여 필요한 원동력을 보낸다. 이는 네거티브 피드백(negative feedback)의 원리로서 공지되어 있으며, 제어 입력은 피드백 기구에 의해 출력시 측정되는 바와 같은 기계 시스템의 실제 위치와 비교된다. 실제값과 원하는 값 사이의 임의의 차이("오차 신호")는 증폭되며, 오차를 감소시키거나 제거하는데 필요한 방향으로 스풀(34)을 구동시키는데 사용된다. 전자-공압 포지셔너는 전류 신호를 동등한 공압 신호로 전환시킬 수 있으며, 이 신호는 그 후 포지셔너(10)의 파일럿 밸브(66)를 작동시킬 수 있다. 유리하게, 포지셔너(10)는 스풀 운동을 발생시키기 위해 입력 신호와 공압 신호 사이의 일정한 관계에 의지하지 않는다. 공압 신호는 파일럿 밸브(66)를 구동시키는 포지셔너 마이크로 프로세서(72)에 의해 특정한 알고리즘에 의해 발생된다. 파일럿 밸브(66)는 제한된 유동 제어 공급(limited-flow control feed)을 통상적으로 고압 또는 높은 유동 공급을 제어하는 분리된 스풀 밸브(70)에 대해 제어하는 작은 밸브이다. 파일럿 밸브(66)는 작고 쉽게 작동되는 공급이 훨씬 더 높은 압력 또는 더 높은 유동 공급을 제어하게 할 수 있기 때문에 유용하며, 그렇지 않을 경우 작동시키는데 훨씬 더 큰 힘을 필요로 할 것이다. 포지셔너(10)는 스풀 밸브(70)와 통신하는 공압 인터페이스(68)를 더 포함할 수 있다. 공압 인터페이스(68)는 압축 공기를 액츄에이터로 보내기 위한 스위치이다. 공압 인터페이스(68)는 포지셔너(10)의 공압 시스템과 포지셔너 마이크로 프로세서(72) 사이의 인터페이스이다.
포지셔너(10)는 압력 포지셔너에 대한 아날로그 전류와 유사하게 기능한다. 포지셔너(10)는 입력 신호로서 공기 대신 전기 전류(4 내지 20 mA)를 사용한다. 이는 전자 신호 변환이 아날로그가 아닌 디지털인 점에서 상이하다.
포지셔너(10)는 입력 신호에 의해 결정된 제어 전략을 실행하는 포지셔너 마이크로 프로세서(72)를 포함한다. 포지셔너 마이크로 프로세서(72)는 또한 입력 신호에 비례하여 희망 위치를 유지시키기 위해 액츄에이터에 대한 그 출력을 자동으로 조정하도록 형성된다. 도 11에 도시된 바와 같이, 포지셔너 마이크로 프로세서(72)는 위치 피드백 센서(54) 및 압력 피드백 센서(67)로부터 피드백을 수신하도록 형성될 수 있다.
포지셔너(10)는 전력 공급원으로부터 설정점을 수신하며 지시된 곳에 밸브를 배치시킨다. 입력 신호는 PCB 조립체(16)로 지향되며, PCB 조립체에서 마이크로 프로세서(72)는 변환기(54)에 대한 입력 신호를 초래하는 디지털 제어 알고리즘을 작동시킨다. 변환기(54)는 공급 압력에 연결되며 입력 신호를 압력 출력 신호로 전환한다. 전류에서 압력으로의 출력은 공압 인터페이스(68) 조립체로 보내진다. 공압 인터페이스(68)는 공급 압력에 또한 연결되며, 변환기(54)로부터 단일 작용 액츄에이터에 의해 사용되는 단일하고 보다 큰 공압 출력 신호로 작은 공압 신호를 증폭시킨다. 이중 작용 액츄에이터에 대해, 공압 인터페이스(68)는 변환기(54)로부터 공압 신호를 수용하며, 2개의 공압 출력 신호를 제공한다. 액츄에이터에 대한 공압 인터페이스(68)의 출력 압력의 변화는 밸브를 이동시킨다. 밸브 위치는 포지셔너(10) 피드백 센서에 의하여 피드백 기구를 통해 감지된다. 이 센서는 제어 알고리즘에서 사용되는 피드백 신호를 제공하기 위해 PCB 조립체(16)에 전기적으로 연결된다.
블록도는 본 발명의 포지셔너(10)에 관한 요소, 기능 및 소프트웨어 블록을 강조하기 위해 단순한 형태로 제공됨에 주의해야 한다.
이에 대해, 스풀(34)의 폐루프 제어에 관계되는 요소들만이 포함된다. 내부 루프는 특정한 하드웨어에 의해 제어될 수 있다. 내부 루프의 하드웨어 제어는 임의의 소프트웨어 관련 지연을 방지한다. 또한, 스풀 밸브(70)는 액츄에이터 내의 목표 압력의 변화에 의해 제어될 수 있다. 목표 압력 변화는 델타 압력(delta presusre)으로 지칭될 수 있다.
이제 피드백 기구가 도시되는 도 12를 참조한다. 피드백 기구는 특별히 강한 피드백 샤프트 가이드(76)를 갖는 피드백 센서(74)를 포함한다. 이 샤프트(76)는 임의의 부하를 흡수하기 위해 긴 부하 지지 가이드를 포함한다. 피드백 센서(74) 및 피드백 샤프트 가이드(76)는 액츄에이터에 결합된다. 피드백 센서(74)는 포지셔너(10)에 대한 여러 가지 중요한 기능들을 제공한다. 피드백 센서(74)는 액츄에이터의 위치를 결정하도록 형성될 수 있다. 그러나 피드백 센서(74)는 측방향 부하 또는 축방향 부하를 발생시킬 수 있는 임의의 작은 오정렬을 방지하는 것이 중요하다. 측방향 부하 또는 축방향 부하는 액츄에이터 내의 압력의 변화 또는 액츄에이터의 위치에 관계되기 때문에 피드백 센서(74)의 정확도를 훼손시킬 수 있다. 측면 부하 또는 축방향 부하를 발생시킬 수 있는 작은 오정렬을 방지하기 위해, 피드백 센서(74)는 전기적으로 및 피드백 샤프트 가이드(76)와 독립적으로 장착되며, 따라서 향상된 효율 및 정확도를 위해 최소 부하를 흡수한다. 피드백 센서(74) 및 피드백 샤프트 가이드(76)를 포함하는 피드백 기구는 액츄에이터 위치 및/또는 액츄에이터 내의 압력의 변화를 피드백 신호의 형태로 마이크로 프로세서(72)로 전달한다.
전류 신호는 액츄에이터 위치와 비교된다. 임의의 편차가 존재하는 경우, 포지셔너 마이크로 프로세서(72)는 내부 루프 제어(스풀-드라이브)에 신호를 보내어 그에 따라 이 편차에 따라서 스풀(34)을 이동시킨다. 내부 루프는 스풀(34)의 위치를 신속하게 조정한다. 이러한 이동은 전류 신호와 액츄에이터 위치 사이의 편차를 감소시킨다. 이러한 프로세스는 편차가 제거될 때까지 계속될 수 있다. 액츄에이터가 희망 위치에 있으면, 스풀(34)은 어떠한 공기 유동도 액츄에이터의 어느 한 측면으로 허용되지 않도록 배치될 것이다. 예를 들면, 포지셔너(10)는 12 mA가 영(0)의 편차에 대응하도록 보정될 수 있다. 이때, 12 mA로부터 16 mA로 전류 신호의 변화가 존재한다면, 포지셔너(12)는 75%의 입력 신호로서 16 mA를 확인한다. 따라서, 편차는 75%(16 mA) 마이너스 50%(12 mA)이며, 이는 25%와 동일하다. 양의 편차로 인해, 제어 알고리즘에 기초한 포지셔너 마이크로 프로세서(72)는 스풀(34)이 그 현재 위치로부터 이동하도록 전류 신호를 보낸다. 스풀(34)이 이동할 때, 압축 공기가 액츄에이터로 공급되며 공기는 액츄에이터로부터 배출된다. 액츄에이터 내의 압력의 이러한 새로운 변화는 액츄에이터가 75%의 희망 위치를 향하여 이동하기 시작하게 한다. 액츄에이터가 이동할 때, 편차는 감소하기 시작한다. 포지셔너 마이크로 프로세서(72)에 의해 처리된 제어 알고리즘은 포지셔너(10)가 불균형 위치로의 스풀(34)의 이동을 감소시키도록 지시한다. 이러한 프로세스는 편차가 제거될 때까지 계속된다. 이때 스풀(34)은 그 균형 중립 위치에 있다.
개인용 컴퓨터(PC) 및 진단 소프트웨어 응용프로그램이 포지셔너(10)와 연계하도록 제공될 수 있다. 소프트웨어 응용프로그램은 포지셔너 마이크로 프로세서(72)에 입력을 제공한다. 이 응용프로그램은 HART(highway addressable remote transducer) 또는 TTL RS232와 같은 트랜지스터 간 논리 원거리통신 회로와 양립할 수 있다. 이러한 응용프로그램은 포지셔너(10)에 대한 사용자 인터페이스를 제공한다. 소프트웨어 응용프로그램은 포지셔너(10)로부터 모니터 또는 다른 디스플레이 장치상의 디스플레이 결과로 결과적인 데이터를 얻을 수 있다. 다양한 파라미터가 포지셔너(10)를 제어하기 위해 인터페이스에 입력될 수 있다. 소프트웨어 응용프로그램은 포지셔너(10)와 관련된 복수의 파라미터를 설정하는 선택권을 제공할 수 있다. 복수의 파라미터는 낮은 제한 백분율, 높은 제한 백분율, 빈틈없는 폐쇄 압력, 빈틈없는 개방 압력, 튜닝, 개방에 대한 비례 이득, 폐쇄에 대한 비례 이득, 개발 시간, 폐쇄 시간, 의도 사각대, 폐쇄 속도 제한, 개방 속도 제한, 개방된 속도 댐핑 인자, 폐쇄된 속도 댐핑 인자, 전환된 제어 오차 한계치, 스위프 압력(sweep pressure), 전환된 제어 기능, 액츄에이터 위치, 요구되는 액츄에이터 위치, 다이어프램 위치, 전류 입력 및 압력 센서 보정을 포함할 수 있다. 개시된 이 파라미터들은 예시이며 어떠한 종류의 제한으로도 의도되지 않는다. 델타 압력과와 같은 파라미터는 소프트웨어 인터페이스에 입력될 수 있으며, 액츄에이터의 포지셔너(10) 구성에 대한 모니터링 포인트(monitoring point)로 사용될 수 있다.
따라서, 전술한 바로부터 명확한 바와 같이, 포지셔너(10)는 고용량의 스풀(34) 및 포지셔너 하우징(20) 설계, 제어 알고리즘 및 하드웨어, 환경 보호, 부하로부터 보호되는 특별히 강한 피드백 샤프트(74) 및 피드백 센서(76), 그리고 PC 인터페이스 및 진단 툴의 특징들을 제공한다. 이들 특징들을 포함하는 결과, 포지셔너(10)는 부스터를 사용하지 않고 증가된 Cv 용량을 제공하지만 여전히 4 내지 20 mA의 전력 소모 표준을 고수하도록 작용한다. 특히 제어 알고리즘에 대하여, 내부 루프(스풀 드라이브)는 특정한 하드웨어에 의해 제어됨으로써 전술된 바와 같은 어떠한 소프트웨어 관련 지연도 가능하지 않다. 제어 알고리즘은 또한 내부 루프가 스풀 위치 또는 개방 루프 방법의 사용과 반대로 "목표 델타 압력"에 의해 추가로 제어되는 예외적인 성능을 허용한다. 유사한 스풀 크기를 갖는 포지셔너와 비교할 때, 본 발명은 작은 신호 변화, 더 빠른 스풀 스트로크 시간, 더 짧은 스풀 스트로크 범위 및 더 큰 유동(Cv) 용량을 제공한다. 포지셔너(10)는 꼭 맞게 만들어진 부스터의 사용을 필요로 하지 않으면서 이들 본래의 특성을 포함한다. 본 발명에서 불필요한 부스터를 배제시킴으로써, 작은 신호 변화에 대한 매우 짧은 지연 시간 및 큰 신호 변화에 대해 불안정하지 않은 높은 속도를 포함하여, 동적인 성능에 상당한 향상이 이루어진다. 또한, 본 발명에서 불필요한 부스터를 배제시킴으로써, 전술한 바와 같이 오작동 및/또는 누전의 몇몇 원인인 배관 및 부속품이 배제된다. 또한, 부스터 및 관련 배관, 부속품 및 배관작업의 부재로 인한 비용 절감이 상당하다. 본 발명의 포지셔너(10)는 또한 필드(filed)에서 또는 밸브 위치에서 보정하기가 용이하며, 이때 이에 대한 부스터의 조정을 필요로 하지 않기 때문에 상당한 시간 절약 및 그에 따른 비용 절감이 얻어진다. 포지셔너의 높은 유동이 대부분의 응용에 대해 부스터를 불필요하게 하더라도, 포지셔너는 부스터를 구동시킬 수 있다. 기존의 낮은 CV 포지셔너와 비교할 때, 제어 품질은 요구되는 낮은 증폭으로 인해 보다 우수하다.
전술된 다양한 실시예는 예시로서 제공되며 본 발명을 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 당업자는 본 발명의 본질적인 사상 및 범주를 벗어나지 않으면서, 본 명세서에 기재되고 도시된 하기의 예시적인 실시예 및 응용예를 따르지 않는 본 발명에 대한 다양한 변형예 및 변화가 이루어질 수 있음을 쉽게 인지할 것이다.

Claims (20)

  1. 밸브 포지셔너에 결합시키기 위한 스풀 매니폴드 조립체로서:
    유체를 수용하고 배출하기 위한 복수의 유체 유동 통로를 갖는 하우징;
    상기 하우징 내에 배치되며, 상기 유체 유동 통로로부터 유체를 수용하기 위한 복수의 개구를 형성하는 관형 슬리브;
    상기 슬리브 내에 배치되고, 종축을 형성하며 상기 복수의 개구를 거쳐 상기 복수의 유체 유동 통로로 유체를 포팅(port)하도록 상기 종축을 따라 축방향으로 활주하도록 형성되는 스풀;
    상기 종축을 따라 연장하는 가요성 샤프트로서, 상기 가요성 샤프트가 상기 스풀에 결합되는 제 1 단부 및 다이어프램에 결합되는 제 2 단부를 가지며, 상기 다이어프램은 상기 하우징 내에 배치되며 그와 관련된 압력 변화에 응답하여 상기 스풀 상에 원동력을 가하도록 형성되는, 가요성 샤프트; 및
    상기 다이어프램과 상기 스풀 사이의 상기 가요성 샤프트 둘레에 배치되며, 상기 스풀을 지정된 위치로 정상적으로 바이어스 시키도록 작용하는 바이어싱 스프링;을 포함하는
    밸브 포지셔너에 결합시키기 위한 스풀 매니폴드 조립체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 스풀은 중립 위치와 불균형 위치 사이에서 선택적으로 이동 가능하고, 상기 중립 위치에 있을 때 상기 유체 유동 통로로부터 액츄에이터로 유체의 유동을 방지하도록 작용하며, 상기 바이어싱 스프링은 상기 스풀을 상기 불균형 위치로 정상적으로 바이어싱 시키는
    밸브 포지셔너에 결합시키기 위한 스풀 매니폴드 조립체.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 스풀은 상기 불균형 위치에 있을 때 상기 유체 유동 통로 중 하나 이상으로부터 상기 액츄에이터로 유체의 유동을 허용하도록 형성되는
    밸브 포지셔너에 결합시키기 위한 스풀 매니폴드 조립체.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 스풀은 상기 종축을 따라 그 내부에서 축방향으로 연장하는 보어를 포함하고, 상기 보어는 상기 가요성 샤프트를 부분적으로 수용하도록 형성되는
    밸브 포지셔너에 결합시키기 위한 스풀 매니폴드 조립체.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 가요성 샤프트의 일부는 긴 슬리브 내에 배치되고, 상기 긴 슬리브는 상기 가요성 샤프트 상에 압축력이 가해질 때 상기 가요성 샤프트의 측방향 변위를 최소화하는 크기로 만들어지고 형성되는
    밸브 포지셔너에 결합시키기 위한 스풀 매니폴드 조립체.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 가요성 샤프트의 제 1 단부 및 상기 가요성 샤프트의 제 2 단부는 축방향으로 견고한 조인트를 각각 형성하는
    밸브 포지셔너에 결합시키기 위한 스풀 매니폴드 조립체.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 가요성 샤프트는 방사상으로 탄성이 있는
    밸브 포지셔너에 결합시키기 위한 스풀 매니폴드 조립체.
  8. 유체 회로 내에서 유동하는 유체를 조절하도록 액츄에이터를 제어하기 위한 밸브 포지셔너로서:
    내부에 배치되는 복수의 유체 유동 통로를 갖는 포지셔너 하우징;
    상기 포지셔너 하우징 내에 배치되며, 액츄에이터 위치를 나타내는 입력 신호를 수신하도록 형성되는 포지셔너 마이크로 프로세서;
    상기 유체 유동 통로에 인접하여 상기 포지셔너 하우징 내에 배치되며, 상기 유체 유동 통로로부터 상기 액츄에이터로 유체 유동을 선택적으로 포팅하도록 형성되는 왕복 이동 가능한 스풀을 갖는 스풀 매니폴드 조립체;
    상기 스풀에 작동적으로 결합되어 연결되는 다이어프램으로서, 상기 다이어프램 상에 가해지는 압력 레벨에 따라 상기 스풀을 변위시키도록 형성되는, 다이어프램;
    상기 스풀과 다이어프램 사이에서 연장하며 이들에 연결되는 가요성 샤프트; 및
    상기 다이어프램과 유체 소통하고, 상기 포지셔너 마이크로 프로세서와 전기 통신하며, 상기 스풀을 변위시키기 위해 상기 다이어프램에 공급되는 유체를 조절하도록 작용하는 공압 신호를 수신하도록 형성되는 변환기;를 포함하는
    액츄에이터를 제어하기 위한 밸브 포지셔너.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 포지셔너 마이크로 프로세서는 일련의 제어 알고리즘을 포함하고, 상기 알고리즘은 액츄에이터 위치와 상기 입력 신호를 비교하고 공압 신호를 발생시키도록 작용하는
    액츄에이터를 제어하기 위한 밸브 포지셔너.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 복수의 유체 유동 통로는 각각 상기 스풀 매니폴드 조립체를 향해 연장함에 따라, 폭이 각각이 점차 감소하는
    액츄에이터를 제어하기 위한 밸브 포지셔너.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 유체 유동 통로 중 하나 이상은 가압 유체 유동 공급원으로부터 유체 유동을 수용하도록 형성되는
    액츄에이터를 제어하기 위한 밸브 포지셔너.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 유체 유동 통로에 인접하여 상기 포지셔너 하우징 내에 배치되는 이중 배출 포트를 더 포함하고, 상기 이중 배출 포트는 상기 포지셔너 하우징으로부터 유체를 배출하도록 형성되는
    액츄에이터를 제어하기 위한 밸브 포지셔너.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 배출 포트는 각각 가요성 다이어프램에 의해 둘러싸이는
    액츄에이터를 제어하기 위한 밸브 포지셔너.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 액츄에이터에 결합되는 피드백 기구를 더 포함하는
    액츄에이터를 제어하기 위한 밸브 포지셔너.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 피드백 기구는:
    상기 액츄에이터에 의해 발생되는 부하를 흡수하기 위한 샤프트; 및
    탄성적으로 장착되고, 상기 샤프트로부터 독립적이며, 상기 액츄에이터에 의해 발생되는 임의의 부하를 흡수하지 않도록 형성되는 센서;를 포함하는
    액츄에이터를 제어하기 위한 밸브 포지셔너.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 피드백 기구는 상기 포지셔너 마이크로 프로세서와 전기 통신하며, 상기 액츄에이터 내의 압력 변화를 나타내는 피드백 신호를 발생시키도록 작용하는
    액츄에이터를 제어하기 위한 밸브 포지셔너.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 포지셔너 마이크로 프로세서는 업데이트된 공압 신호를 발생시키기 위해 상기 일련의 제어 알고리즘을 사용하여 상기 피드백 기구로부터 수신된 피드백 신호를 처리하도록 작용하는
    액츄에이터를 제어하기 위한 밸브 포지셔너.
  18. 제 8 항에 있어서,
    상기 포지셔너 마이크로 프로세서와 통신하며, 공압 신호를 발생시키기 위해 상기 포지셔너 마이크로 프로세서에 대한 복수의 희망 변수의 입력을 수용하도록 구성되는 소프트웨어 인터페이스를 더 포함하는
    액츄에이터를 제어하기 위한 밸브 포지셔너.
  19. 유체 회로 내에서 유동하는 유체를 조절하기 위한 방법으로서:
    a. 복수의 유체 유동 통로를 갖는 포지셔너 하우징 및 상기 포지셔너 하우징 내에 배치되며 상기 유체 유동 통로로부터 액츄에이터로 유체 유동을 선택적으로 포팅하기 위한 스풀을 갖는 스풀 매니폴드 조립체를 포함하는 포지셔너 내에 배치되는 포지셔너 마이크로 프로세서에서 입력 신호를 수용하는 단계;
    b. 상기 액츄에이터의 위치와 입력 신호를 비교하고 전기 신호를 발생시키는 단계;
    c. 상기 포지셔너 마이크로 프로세서로부터 상기 포지셔너 하우징 내에 배치되는 변환기로 전기 신호를 전송하는 단계;
    d. 상기 변환기로부터의 유체를 상기 스풀에 기계적으로 연결되는 다이어프램에 공급하는 단계;
    e. 상기 다이어프램과 관련된 압력의 변화에 응답하여 상기 액츄에이터로의 유체 유동을 조절하기 위해 상기 포지셔너 하우징에 대해 상기 스풀을 변위시키는 단계;
    f. 상기 액츄에이터에 결합되는 피드백 기구를 사용하여 상기 액츄에이터 내의 압력차를 나타내는 피드백 신호를 발생시키는 단계로서, 상기 피드백 기구는 상기 포지셔너 마이크로 프로세서와 전기 통신하며, 상기 포지셔너 마이크로 프로세서는 상기 피드백 신호를 처리하도록 형성되는, 피드백 신호를 발생시키는 단계; 및
    g. 상기 액츄에이터 위치가 수신된 상기 입력 신호에 대응할 때까지 상기 단계(b) 내지 단계(f)를 반복하는 단계;를 포함하는
    유체 회로 내에서 유동하는 유체를 조절하기 위한 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 단계(a)는 제어기로부터 입력 신호를 수신하는 단계를 포함하는
    유체 회로 내에서 유동하는 유체를 조절하기 위한 방법.
KR1020107017172A 2008-01-14 2009-01-07 스풀 밸브용 액츄에이터 KR101512872B1 (ko)

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US1103508P 2008-01-14 2008-01-14
US61/011,035 2008-01-14
US12/200,597 2008-08-28
US12/200,597 US8201580B2 (en) 2008-01-14 2008-08-28 High flow capacity positioner
PCT/IB2009/050036 WO2009090569A1 (en) 2008-01-14 2009-01-07 Actuator for a spool valve

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20100127208A true KR20100127208A (ko) 2010-12-03
KR101512872B1 KR101512872B1 (ko) 2015-04-16

Family

ID=40849625

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020107017172A KR101512872B1 (ko) 2008-01-14 2009-01-07 스풀 밸브용 액츄에이터

Country Status (7)

Country Link
US (1) US8201580B2 (ko)
EP (1) EP2238377B1 (ko)
JP (1) JP5539900B2 (ko)
KR (1) KR101512872B1 (ko)
CN (1) CN101939577B (ko)
CA (1) CA2711530C (ko)
WO (1) WO2009090569A1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101285242B1 (ko) * 2011-08-31 2013-07-11 주식회사 영텍 공압 포지셔너용 파일럿 구조

Families Citing this family (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014022812A1 (en) * 2012-08-02 2014-02-06 Ingersoll-Rand Company Variable speed control of fluid driven motors
DE102014204066A1 (de) * 2014-03-06 2015-09-10 Robert Bosch Gmbh Ventilscheibe
DE102014204069A1 (de) * 2014-03-06 2015-09-10 Robert Bosch Gmbh Ventilscheibe
US9611857B2 (en) 2014-04-24 2017-04-04 Control Components, Inc. Dead time reducer for piston actuator
DE102014010815A1 (de) * 2014-07-23 2016-01-28 Wabco Gmbh Elektropneumatisches Regelventil
WO2016085705A1 (en) * 2014-11-29 2016-06-02 Aerojet Rocketdyne, Inc. Valve assembly with electronic control
WO2016209610A1 (en) 2015-06-25 2016-12-29 Illinois Tool Works Inc. Piezo actuator type valve
US10161396B2 (en) 2015-09-17 2018-12-25 Monkey Pumps, LLC Zero emission reciprocating drive pump
US9670921B2 (en) 2015-09-17 2017-06-06 Monkey Pumps, LLC Reciprocating drive mechanism with a spool vent
DE102015016661A1 (de) * 2015-12-19 2017-07-06 Wabco Gmbh Anordnung mit einem in einer Führung in einem Gehäusedeckel angeordneten Stößelkolben und Verwendung derselben in einem pneumatischen Bremswertgeber
CN107990023B (zh) 2016-10-26 2019-11-26 3M创新有限公司 换向阀以及包括该换向阀的家用净水器
EP3710906B1 (en) 2017-12-05 2024-06-05 Flowserve Pte. Ltd. Position sensors for valve systems and related assemblies, systems and methods
WO2019145943A1 (en) * 2018-01-25 2019-08-01 Amiad Water Systems Ltd. Filtration system
US10754362B1 (en) * 2019-02-20 2020-08-25 Fisher Controls International, Llc Adjustment of loop-powered pneumatic process control device interfaces
US11003151B2 (en) * 2019-02-20 2021-05-11 Fisher Controls International Llc Loop-powered control of pneumatic process control devices
IT202100019937A1 (it) 2021-07-27 2023-01-27 Sti S R L Posizionatore intelligente e wireless
DE102022122576A1 (de) * 2022-09-06 2024-03-07 Samson Aktiengesellschaft Stellungsregler
DE102022122565A1 (de) * 2022-09-06 2024-03-07 Samson Aktiengesellschaft Stellungsregler und Verfahren zum Herstellen eines Stellungsreglers

Family Cites Families (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2276591A (en) * 1940-07-27 1942-03-17 William R Ray Operator
US2520386A (en) * 1944-07-17 1950-08-29 Detroit Lubricator Co Refrigeration expansion valve
US2761646A (en) * 1950-11-30 1956-09-04 Thompson Prod Inc Nozzle structure
GB766865A (en) 1955-01-10 1957-01-23 John Eldridge Collins Valve
US3089509A (en) * 1959-03-04 1963-05-14 Int Basic Economy Corp Three-way valve and sleeve seat
US3625246A (en) * 1969-09-22 1971-12-07 Matrix Corp Nonbleed high-pressure positioner
GB1590581A (en) * 1976-10-14 1981-06-03 Hawker Siddeley Dynamics Eng Electro-hydraulic systems
US4951549A (en) * 1988-12-12 1990-08-28 Olsen Controls, Inc. Digital servo valve system
JPH0669492B2 (ja) 1992-08-20 1994-09-07 日機装株式会社 血液ポンプ
US6237617B1 (en) * 1999-03-16 2001-05-29 Sturman Bg, Llc Isolated proportional valve
JP2000297869A (ja) * 1999-04-14 2000-10-24 Fukui Seisakusho:Kk パイロット弁
JP3609331B2 (ja) * 2000-09-12 2005-01-12 Ｓｍｃ株式会社 位置検出機能を備えたマニホールドバルブ
CN2480646Y (zh) * 2000-12-19 2002-03-06 姜瀛洲 旋塞歧管阀
JP4072756B2 (ja) * 2002-07-05 2008-04-09 Ｓｍｃ株式会社 センサー付きマニホールドバルブ
US7066189B2 (en) * 2002-12-20 2006-06-27 Control Components, Inc. Predictive maintenance and initialization system for a digital servovalve
US6923212B2 (en) * 2003-01-03 2005-08-02 Control Components, Inc. Fail safe apparatus for a direct-drive servovalve
JP4461329B2 (ja) * 2004-08-31 2010-05-12 旭有機材工業株式会社 流体制御装置
JP5154806B2 (ja) * 2007-01-31 2013-02-27 ナブテスコ株式会社 流体装置

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101285242B1 (ko) * 2011-08-31 2013-07-11 주식회사 영텍 공압 포지셔너용 파일럿 구조

Also Published As

Publication number Publication date
EP2238377A1 (en) 2010-10-13
CA2711530A1 (en) 2009-07-23
CA2711530C (en) 2016-03-15
WO2009090569A1 (en) 2009-07-23
US8201580B2 (en) 2012-06-19
US20090178713A1 (en) 2009-07-16
KR101512872B1 (ko) 2015-04-16
CN101939577A (zh) 2011-01-05
CN101939577B (zh) 2013-01-16
JP5539900B2 (ja) 2014-07-02
JP2011510230A (ja) 2011-03-31
EP2238377B1 (en) 2012-12-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101512872B1 (ko) 스풀 밸브용 액츄에이터
JP4196293B2 (ja) 真空調圧用バルブ
US6543223B2 (en) Drive device
CA2746138C (en) Method and apparatus for controlling a fluid operated actuator
KR101462977B1 (ko) 진공 조압 시스템
JP4547674B2 (ja) 真空調圧システム
KR101001611B1 (ko) 진공압력제어시스템
EP2391842B1 (en) Actuator having an override apparatus
US8973890B2 (en) Fluid-operated actuating drive on a valve
EP2236840B1 (en) Booster valve
WO2007069231A1 (en) Actuator controller
JP5504871B2 (ja) ２重制御アクチュエータ装置

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E701 Decision to grant or registration of patent right
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20180307

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20200305

Year of fee payment: 6