KR20170137767A - 유체 밸브 조립체 및 프로세스 밸브 포지셔너 - Google Patents

유체 밸브 조립체 및 프로세스 밸브 포지셔너 Download PDF

Info

Publication number
KR20170137767A
KR20170137767A KR1020177029679A KR20177029679A KR20170137767A KR 20170137767 A KR20170137767 A KR 20170137767A KR 1020177029679 A KR1020177029679 A KR 1020177029679A KR 20177029679 A KR20177029679 A KR 20177029679A KR 20170137767 A KR20170137767 A KR 20170137767A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
stem
fluid
metering
pressure
actuator
Prior art date
Application number
KR1020177029679A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102012116B1 (ko
Inventor
얀 구넬
칼레 부오리오
Original Assignee
메트소 플로우 컨트롤 오와이
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 메트소 플로우 컨트롤 오와이 filed Critical 메트소 플로우 컨트롤 오와이
Publication of KR20170137767A publication Critical patent/KR20170137767A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102012116B1 publication Critical patent/KR102012116B1/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
    • F16K11/00—Multiple-way valves, e.g. mixing valves; Pipe fittings incorporating such valves
    • F16K11/02—Multiple-way valves, e.g. mixing valves; Pipe fittings incorporating such valves with all movable sealing faces moving as one unit
    • F16K11/022—Multiple-way valves, e.g. mixing valves; Pipe fittings incorporating such valves with all movable sealing faces moving as one unit comprising a deformable 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
    • 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
    • F15B13/0426—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 fluid-operated pilot valves, i.e. multiple stage valves
    • 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
    • F16K31/126—Actuating devices; Operating means; Releasing devices actuated by fluid the fluid acting on a diaphragm, bellows, or the like
    • F16K31/1266—Actuating devices; Operating means; Releasing devices actuated by fluid the fluid acting on a diaphragm, bellows, or the like one side of the diaphragm being acted upon by the circulating fluid
    • 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
    • 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
    • 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
    • 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
    • F16K11/00—Multiple-way valves, e.g. mixing valves; Pipe fittings incorporating such valves
    • F16K11/02—Multiple-way valves, e.g. mixing valves; Pipe fittings incorporating such valves with all movable sealing faces moving as one unit
    • F16K11/04—Multiple-way valves, e.g. mixing valves; Pipe fittings incorporating such valves with all movable sealing faces moving as one unit comprising only lift valves
    • F16K11/044—Multiple-way valves, e.g. mixing valves; Pipe fittings incorporating such valves with all movable sealing faces moving as one unit comprising only lift valves with movable valve members positioned between valve seats
    • 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
    • F16K11/00—Multiple-way valves, e.g. mixing valves; Pipe fittings incorporating such valves
    • F16K11/02—Multiple-way valves, e.g. mixing valves; Pipe fittings incorporating such valves with all movable sealing faces moving as one unit
    • F16K11/04—Multiple-way valves, e.g. mixing valves; Pipe fittings incorporating such valves with all movable sealing faces moving as one unit comprising only lift valves
    • F16K11/048—Multiple-way valves, e.g. mixing valves; Pipe fittings incorporating such valves with all movable sealing faces moving as one unit comprising only lift valves with valve seats positioned between movable valve members
    • 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
    • F16K31/126—Actuating devices; Operating means; Releasing devices actuated by fluid the fluid acting on a diaphragm, bellows, or the like
    • 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
    • F16K31/126—Actuating devices; Operating means; Releasing devices actuated by fluid the fluid acting on a diaphragm, bellows, or the like
    • F16K31/1262—Actuating devices; Operating means; Releasing devices actuated by fluid the fluid acting on a diaphragm, bellows, or the like one side of the diaphragm being spring loaded
    • 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
    • F15B13/0405—Valve members; Fluid interconnections therefor for seat valves, i.e. poppet 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
    • F15B2211/60—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
    • F15B2211/6309—Electronic controllers using input signals representing a pressure the pressure being a pressure source supply 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
    • F15B2211/63—Electronic controllers
    • F15B2211/6303—Electronic controllers using input signals
    • F15B2211/634—Electronic controllers using input signals representing a state of a valve
    • 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
    • F15B2211/705—Output members, e.g. hydraulic motors or cylinders or control therefor characterised by the type of output members or actuators
    • F15B2211/7051—Linear output members
    • F15B2211/7053—Double-acting output members
    • F15B2211/7054—Having equal piston areas

Landscapes

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

Abstract

단동형 또는 복동형 액추에이터를 제어하기 위한 유체 밸브 조립체(20)는 압력 하의 유체 공급을 수용하기 위한 적어도 하나의 공급 포트, 액추에이터에 대한 제어 유체 압력을 제공하기 위한 적어도 하나의 액추에이터 포트(C1, C2), 및 적어도 하나의 배기 포트(EX1, EX2)를 구비한 중앙 보어(202)를 갖는 밸브 본체(201)를 포함한다. 유체 밸브 조립체는 파일럿 힘에 의해 축 방향으로 상기 보어 내에서 이동가능한 스템(203)에 의해 함께 작동적으로 묶이는 적어도 한 쌍의 역동형 계량 에지를 포함한다. 각각의 역동형 쌍의 각각의 계량 에지는 밸브 본체 또는 스템에 마련된 정합 시트 표면(PS1, PS2, PS3, PS4), 및 포핏 링의 상대적인 축방향 이동을 허용하며 각각의 계량 에지의 폐쇄 상태에서도 밸브 본체 또는 스템을 지지하는 방식으로 가요성 요소(SD1, SD2, SD3, SD4)에 의해 밸브 본체 또는 스템에 지지되는 포핏 링(PS1, PS2, PS3, PS4)을 포함한다. 본 발명은 또한 프로세스 밸브 포지셔너, 및 프로세스 밸브의 제어에 있어서의 유체 밸브 조립체의 용도에 관한 것이다.

Description

유체 밸브 조립체 및 프로세스 밸브 포지셔너
본 발명은 유체 액추에이터, 특히 공압 및 유압 액추에이터를 제어하는 것에 관한 것이다.
액추에이터는 움직임 또는 제어 움직임을 도입하기 위한 기구로서 자주 사용된다. 액추에이터는, 에너지, 전형적으로는 전류, 유압 유체 압력, 또는 공압 유체 압력의 공급원에 의해 작동되고, 그 에너지를 대상 기구의 움직임으로, 예를 들어 제어 밸브의 폐쇄 요소의 이동으로 변환한다.
제어 밸브는 일반적으로 상이한 파이프라인(pipeline) 및 프로세스(process)에서의 액체 또는 가스 유동의 연속적인 제어를 위해 사용된다. 펄프 및 종이, 정유, 석유화학 및 화학 산업 같은 가공 산업에서, 플랜트(plant)의 파이프 시스템에 설치된 다양한 종류의 제어 밸브는 프로세스에서의 재료 유동을 제어한다. 재료 유동은 유체, 독주, 액체, 가스 및 증기 같은 임의의 유체 재료를 포함할 수 있다. 제어 밸브는 통상적으로 밸브의 폐쇄 요소를 완전 개방 및 완전 폐쇄 위치 사이에서 원하는 위치로 이동시키는 액추에이터와 연결된다. 액추에이터는 예를 들어 공압 실린더-피스톤 장치일 수 있다. 액추에이터는, 그 일부가, 통상적으로 제어 밸브의 폐쇄 요소의 위치를 제어하고 따라서 프로세스 제어기로부터의 제어 신호에 따라 프로세스에서의 재료 유동을 제어하는 밸브 제어기라고도 지칭되는 밸브 포지셔너(valve positioner)에 의해 제어된다.
상기 산업에 적용되는 밸브는 일반적으로 흔히 공압 액추에이터에 의해 작동된다. 이들 액추에이터는 공압을 다이어프램(diaphragm) 또는 스템(stem)에 연결된 피스톤에 작용하는 압력에 의해 밸브 스템 움직임으로 변환한다. 액추에이터는 단동형(single-acting) 또는 복동형(double-acting) 중 어느 하나일 수 있다. 단동형 장치에 있어서, 대향 방향의 이동은 스프링에 의해 달성되며, 스프링에는 압축 공기가 작용하고 있다. 공기 압력이 밸브를 폐쇄시키고 스프링이 밸브를 개방시킬 때, 액추에이터는 직동형(direct acting)이라고 지칭된다. 공기 압력이 밸브를 개방시키고 스프링이 밸브를 폐쇄시킬 때, 액추에이터는 역동형(reverse acting)이라고 지칭한다. 복동형 액추에이터는 공기가 다이어프램 또는 피스톤의 양측에 공급된다. 다이어프램 또는 피스톤을 가로지르는 상이한 압력이 밸브 스템을 위치결정한다. 공압 신호가 회로에 의해 자동적으로 제어될 때, 자동 작동이 제공된다. 반자동 작동은 회로의 수동 스위치에 의해 공기 제어 밸브에 제공된다. 또한, 유압 액추에이터가 공압 액추에이터와 마찬가지로 밸브의 위치결정을 위해 채용될 수 있고, 최근에는 유압 유체가 공기 또는 공압 유체 대신에 사용된다.
밸브 포지셔너는 전형적으로 디지털 필드버스(digital fieldbus)에 의해 또는 아날로그 4...20 mA 제어 신호로서의 제어 명령을 수신할 수 있다. 하이웨이 어드레서블 리모트 트랜스듀서(Highway Addressable Remote Transducer)(HART) 프로토콜이 종래의 4 내지 20 mA 아날로그 신호와 함께 디지털 데이터의 전송을 허용한다. 필드버스의 다른 예는 필드버스 및 프로피버스(Profibus)이다. 전형적으로, 포지셔너로의 모든 전기 전력은 필드버스 또는 4...20 mA 제어 신호로부터 취해진다. 포지셔너에 대한 별도의 전기 전력 공급은 바람직하지 않은데, 이는 별도의 전선작업을 필요로 하기 때문이다. 포지셔너는 전기 제어 출력부를 갖는 전자 유닛 및 전기 제어 신호를 받아들이고 그것을 액추에이터에 대한 대응하는 유체 압력 출력으로 변환하는 공압 또는 유압 유닛을 포함할 수 있다. 이는 흔히 전류 대 압력(I/P) 변환이라 칭한다. 공압 또는 유압 유닛은 프리스테이지(prestage) 및 출력 스테이지를 포함할 수 있다. 필드버스 또는 아날로그 전류 루프로부터 가용한 전기 전력은 매우 제한적이기 때문에, 프리스테이지가 먼저 전기 제어 신호를 출력 스테이지를 제어하기에 충분한 작은 파일럿(pilot) 유체 압력으로 변환할 수 있다. 출력 스테이지는 공급 유체 압력에 연결되며 작은 파일럿 압력 신호를 액추에이터에 의해 사용되는 더 큰 유체 압력 출력 신호로 증폭한다. 출력 스테이지는 흔히 압력 증폭기, 압력 부스터(booster), 또는 압력 릴레이(relay)라 지칭된다.
포지셔너에서 사용되는 공압 출력 스테이지는 스풀 밸브 조립체(spool valve assembly) 및 포핏 밸브 조립체(poppet valve assembly)로 대략적으로 그룹화될 수 있다. 복동형 액추에이터를 제어하기 위한 5/3 스풀 밸브(5 포트/3 상태)의 단순화된 설계 예가 도 1a에 도시되어 있으며, 도 1b에는 대응하는 도식적 기호가 도시되어 있다. 스풀 밸브 유형의 출력 스테이지에서, 유일한 이동 부품은 밸브 본체(7)의 중앙 보어(bore) 내에서 이동하며 공급 압력 포트(1)로부터 액추에이터 포트(2, 4)에 그리고 액추에이터(2, 4)로부터 배기 포트(3 및 5)에의 공기 유동을 제어하는 스풀(6)이다. 스풀 밸브의 구조로 인해, 항상 밸브를 통한 공급 공기 누설이 있다. 엄격한 공차는 스풀 밸브의 제조 기술을 매우 까다롭게 만든다. 일반적으로, 스풀 밸브 유형의 출력 스테이지는 작동 환경 및 제조에 있어서의 변화에 대해 확고하지 않다.
포핏 밸브 설계를 갖는 출력 스테이지는 스풀 밸브보다 더 많은 이동 부품을 갖는다. 그러나, 스풀 밸브 부품에 대해 허용되는 더 큰 공차 및 여유가 경제적인 대량 생산 및 최신의 제조 기술을 이용할 수 있게 한다. 복동형 액추에이터를 제어하기 위한 4/2 스풀 밸브(4 포트/2 상태)의 단순화된 설계 예가 도 1c에 도시되어 있으며, 도 1d에는 대응하는 도식적 기호가 도시되어 있다. 볼 수 있는 바와 같이, 종래의 포핏 밸브 조립체에서 2개의 별개의 포핏 밸브(8 및 9)는 공급 압력 포트(1)로부터 액추에이터 포트(2, 4)에의 그리고 액추에이터 포트(2, 4)로부터 배기 포트(3)에의 공기 유동을 제어하는 것이 요구된다. 도 1c에 도시된 종래의 출력 스테이지에서, 포핏 밸브(8 및 9)의 이동은 서로 기계적으로 연결되지 않기 때문에, 단일 파일럿 압력에 의한 제어성은 불량하다. US 6276385는 포핏 밸브의 이동이 가동 빔에 의해 함께 일치하여 그러나 대향 방향으로 이동하는 출력 스테이지를 개시하고 있다. 가동 빔은 중앙 피봇(pivot)에서 회전하는 로커 아암(rocker arm)이다. 포핏 밸브의 이동은 이제 동기화된다.
도 1c에 도시된 종래의 출력 스테이지 및 US6276385의 출력 스테이지에서, 포핏 밸브의 제어는 압력 힘을 극복하기 위해 매우 큰 힘을 필요로 한다. 포핏 밸브를 개방하기 위해 요구되는 임계 힘은 커지고 제어 영역 내에 중요한 중단 지점을 도입하다. 종래 기술의 포핏 밸브 유형의 출력 스테이지의 이런 특징은 출력 스테이지의 제어를 상당히 더 어렵게 만든다.
단동형 액추에이터에 대한 포핏 밸브 유형의 3/2 출력 스테이지(3 포트/2 상태)의 예가 US6276385, US6957127, US8522818, US7458310, 및 US5261458에 개시되어 있다.
본 발명의 양태는 포핏 밸브 설계를 갖는 유체 밸브 조립체 또는 출력 스테이지를 제공하는 것이다.
본 발명의 양태는 독립 청구항에 규정된 바와 같은 유체 밸브 조립체 및 밸브 포지셔너이다. 본 발명의 실시예가 종속 청구항에 개시되어 있다.
본 발명의 양태는 액추에이터, 특히 유압 또는 공압 액추에이터에 액추에이터 유체 압력을 제공하기 위해 압력 하의 유체 공급부에의 연결을 위한 유체 밸브 조립체로서,
압력 하의 유체 공급을 수용하기 위한 적어도 하나의 공급 포트, 액추에이터에 제어 유체 압력을 제공하기 위한 적어도 하나의 액추에이터 포트, 및 적어도 하나의 배기 포트를 갖는 중앙 보어를 구비하는 밸브 본체;
파일럿 힘에 의해 축 방향으로 상기 중앙 보어 내에서 이동가능한 스템;
스템에 의해 함께 작동적으로 묶인 적어도 한 쌍의 역동형 계량 에지(counter-acting metering edge)로서, 각각의 역동형 쌍의 각각의 계량 에지는 밸브 본체 또는 스템에 마련된 정합 시트 표면, 및 각각의 계량 에지의 폐쇄 상태에서도 포핏 링 및 포핏 링의 상대적인 축방향 이동을 허용하며 각각의 계량 에지의 폐쇄 상태에서도 밸브 본체 또는 스템을 지지하는 방식으로 가요성 요소에 의해 밸브 본체 또는 스템에 지지되는 포핏 링을 포함하는, 적어도 한 쌍의 역동형 계량 에지를 포함하는, 유체 밸브 조립체이다.
실시예에서, 적어도 한 쌍의 역동형 계량 에지는, 각각의 역동형 쌍의 양 계량 에지가 스템의 중간 위치에서 폐쇄되고, 스템이 제1 축방향 위치로 이동하는 상태에서 각각의 역동형 쌍의 하나의 계량 에지는 폐쇄되고 다른 계량 에지는 개방되며, 스템이 대향하는 제2 축방향 위치로 이동하는 상태에서 각각의 역동형 쌍의 하나의 계량 에지는 개방되고 다른 계량 에지는 폐쇄되도록 스템에 의해 함께 기계적으로 묶인된다.
실시예에서, 각각의 역동형 쌍의 하나의 계량 에지는 각각의 액추에이터 포트와 유체 공급부 사이의 유체 유동을 제어하도록 배치되고, 각각의 역동형 쌍의 다른 제어 에지는 각각의 액추에이터 포트와 배기 포트 사이의 유체 유동을 제어하도록 배치된다.
실시예에서, 각각의 역동형 쌍의 하나의 제어 에지는 가요성 요소에 의해 스템에 지지되는 포핏 링 및 밸브 본체에 마련된 각각의 정합 시트 표면을 포함하고, 각각의 역동형 쌍의 다른 제어 에지는 가요성 요소에 의해 밸브 본체에 지지되는 포핏 링 및 스템에 마련된 각각의 정합 시트 표면을 포함한다.
실시예에서, 포핏 링은 스템과 동축으로 배치되고, 각각의 포핏 링의 가요성 요소는 각각의 환상 밀봉 요소, 바람직하게는 환상 밀봉 다이어프램 또는 환상 밀봉 벨로즈(bellows)를 포함한다.
실시예에서, 각각의 역동형 쌍의 하나의 제어 에지에서, 포핏 링은 그 내측 원에서 각각의 환상 가요성 밀봉 요소에 의해 스템의 외측 원에 지지되고, 각각의 역동형 쌍의 다른 제어 에지에서 포핏 링은 그 외측 원에서 각각의 환상 가요성 밀봉 요소에 의해 밸브 본체에 지지된다.
실시예에서, 각각의 포핏 링은 각각의 포핏 링에 가해진 유체 압력 힘을 대략적으로 보상하도록 압력-균형될 수 있다.
실시예에서, 역동형 계량 에지의 적어도 하나의 쌍은 유체 밸브 조립체의 각각의 액추에이터 포트를 위한 역동형 계량 에지의 하나의 쌍을 포함하고, 액추에이터 포트는 바람직하게는 각각의 쌍의 역동형 계량 에지 사이에 위치된다.
실시예에서, 적어도 하나의 액추에이터 포트는 제1 액추에이터 포트 및 제2 액추에이터 포트를 포함하고, 역동형의 적어도 하나의 쌍은 제1 액추에이터 포트를 위한 역동형의 제1 및 제2 계량 에지의 제1 쌍 및 제2 액추에이터를 위한 역동형의 제3 및 제4 계량 에지의 제2 쌍을 포함한다.
실시예에서, 제1 액추에이터 포트는 제1 역동형 쌍의 제1 계량 에지와 제2 계량 에지 사이에 위치되고, 제2 액추에이터 포트는 제2 역동형 쌍의 제3 계량 에지와 제4 계량 에지 사이에 위치된다.
실시예에서,
제1 계량 에지는 상기 중앙 보어 내에서 스템 주위에 동축으로 배치되고 제1 포핏 링의 축 방향의 이동을 허용하는 제1 가요성 밀봉 요소 부재에 의해 밸브 본체에 고정되는 제1 포핏 링을 포함하고, 제1 포핏 링은 스템에 마련된 제1 정합 시트 표면과 협력하여 제1 액추에이터 포트와 공급 및 배기 포트 중 하나 사이의 유체 유동을 제어하고;
제2 계량 에지는 상기 중앙 보어 내에서 스템 주위에 동축으로 배치되고 제2 포핏 링의 축 방향의 이동을 허용하는 제2 가요성 밀봉 요소 부재에 의해 스템 장치에 연결되는 제2 포핏 링을 포함하고, 제2 포핏 링은 밸브 본체에 마련된 제2 정합 시트 표면과 협력하여 액추에이터 포트와 공급 및 배기 포트 중 다른 것 사이의 유체 유동을 제어하고;
제3 계량 에지는 상기 중앙 보어 내에서 스템 주위에 동축으로 배치되고 제3 포핏 링의 축 방향의 이동을 허용하는 제3 가요성 밀봉 요소 부재에 의해 스템에 고정되는 제3 포핏 링을 포함하고, 제3 포핏 링은 밸브 본체에 마련된 제3 정합 시트 표면과 협력하여 제2 액추에이터 포트와 공급 및 배기 포트 중 하나 사이의 유체 유동을 제어하며;
제4 계량 에지는 상기 중앙 보어 내에서 스템 주위에 동축으로 배치되고 제4 포핏 링의 축 방향의 이동을 허용하는 제4 가요성 밀봉 부재에 의해 밸브 본체 장치에 연결되는 제4 포핏 링을 포함하고, 제4 포핏 링은 스템에 마련된 제4 정합 시트 표면과 협력하여 제2 액추에이터 포트와 공급 및 배기 포트 중 다른 것 사이의 유체 유동을 제어한다.
실시예에서, 적어도 하나의 공급 포트는 계량 에지의 제2 및 제3 쌍 사이에 형성되는 중앙 보어의 중간 구간에 위치되는 공통 공급 포트를 포함하고, 적어도 하나의 배기 포트는 제1 계량 에지와 중앙 보어의 제1 단부 사이에 형성된 중앙 보어의 제1 단부 구간에 위치되는 제1 배기 포트, 및 제4 계량 에지와 중앙 보어의 대향 제2 단부 사이에 형성된 중앙 보어의 대향 제2 단부 구간에 위치되는 제2 배기 포트를 포함한다.
실시예는 스템의 일 단부에 영향을 주는 축방향 파일럿 힘을 제공하는 수단 및 스템의 대향 단부에 영향을 주는 축방향 대항 힘을 제공하는 수단을 포함한다.
실시예는 파일럿 유체 압력에 따른 축방향 파일럿 힘을 제공하기 위해 스템의 일 단부에 배치된 파일럿 다이어프램 및 피스톤을 포함한다.
실시예는 대항 다이어프램에 영향을 주는 대항 유체 압력에 따라 축방향 파일럿 힘에 대향하는 축방향 대항 힘을 제공하기 위해 스템의 일 단부에 배치되는 대항 다이어프램 및 대항 피스톤을 포함한다.
실시예에서, 대항 다이어프램은 대항 다이어프램에 영향을 주는 공급 유체 힘으로부터의 축방향 대항 힘을 스케일링(scaling)하도록 배치된다.
실시예에서, 대항 다이어프램은 제어 에지 중 하나의 밀봉 다이어프램을 포함한다.
실시예에서, 모든 계량 에지는 축 방향으로 정렬된다.
실시예에서, 축방향 파일럿 힘을 제공하는 상기 수단은 파일럿 압력 챔버(chamber)의 파일럿 유체 압력에 따른 축방향 파일럿 힘을 제공하기 위해 스템의 다른 단부에 배치되는 파일럿 다이어프램 및 피스톤을 제공하는 상기 수단, 및 밸브 조립체의 공급 압력 입구로부터 파일럿 압력 챔버의 파일럿 압력 및 그에 따른 축방향 파일럿 힘을 제어하는 프리스테이지까지의 추가 규제된 유동 경로를 포함하고, 축방향 대항 힘을 제공하는 상기 수단은 대항 압력 챔버의 대항 다이어프램에 영향을 주는 대항 압력에 따른 축방향 대항 힘을 제공하기 위해 스템의 일 단부에 배치되는 대항 다이어프램 및 대항 피스톤, 및 밸브 조립체의 공급 압력 입구로부터 대항 압력 챔버까지의 추가 규제된 유동 경로를 포함한다.
실시예에서, 규제된 유동 경로 및 추가 규제된 유동 경로는, 공급 압력 입구의 공급 압력의 변화로 인한 축방향 대항 힘의 변화율 및 파일럿 힘의 변화율이 대략 동일하도록 치수설정된다.
실시예에서, 규제된 유동 경로 및/또는 추가 규제된 유동 경로는, 바람직하게는 약 0.1 mm 내지 약 0.5 mm, 더 바람직하게는 약 0.2 mm 내지 약 0.3 mm의 오리피스 직경을 갖는 유동 오리피스 규제기 같은 유동 규제기를 포함한다.
본 발명의 다른 양태는 전기 제어 출력을 갖는 전자 유닛 및 전기 제어 출력을 액추에이터에 대한 대응하는 유체 압력 출력으로 변환하도록 배치되는 공압 또는 유압 유닛을 포함하는 프로세스 밸브 포지셔너이며, 상기 유체 유닛은 본 발명의 실시예에 따른 유체 밸브 조립체를 포함한다.
실시예에서, 공압 또는 유압 유닛은 프리스테이지 및 출력 스테이지를 포함하고, 프리스테이지는 전기 제어 출력을 출력 스테이지를 제어하기에 충분한 파일럿 유체 압력으로 변환하도록 배치되고, 출력 스테이지는 본 발명의 실시예에 따른 유체 밸브 조립체를 포함한다.
실시예에서, 공압 또는 유압 유닛은 전기 제어 출력을 대항 유체 압력으로 변환하도록 배치된 추가 프리스테이지를 포함한다.
본 발명의 또 다른 양태는 프로세스 밸브의 제어에 있어서의 본 발명의 실시예에 따른 유체 밸브 조립체의 사용이다.
이하에서, 본 발명을 첨부의 도면을 참고하여 예시적인 실시예에 의해 설명한다.
도 1a 및 도 1b는 각각 종래기술의 5/3 스풀 밸브 및 대응하는 도식적 기호의 단순화된 예를 도시한다.
도 1c 및 도 1d는 각각 종래기술의 4/2 스풀 밸브 및 대응하는 도식적 기호의 단순화된 예를 도시한다.
도 2a, 도 2b 및 도 2c는 스템의 3개의 위치에 있어서의 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 유체 밸브 조립체를 도식적으로 도시한다.
도 3a 및 도 3b는 스템의 2개의 위치에 있어서의 추가적인 예시적인 실시예에 따른 유체 밸브 조립체를 도식적으로 도시하며, 도 3c는 공급 압력으로부터 유도되는 파일럿 힘 및 대항 힘을 갖는 유체 밸브 조립체를 도식적으로 도시한다.
도 4a, 도 4b 및 도 4c는 스템의 3개의 위치에 있어서의 스템에 대한 포핏 링의 가요성 지지부의 예를 도식적으로 도시한다.
도 5a, 도 5b, 도 5c 및 도 5d는 본 발명의 실시예에 따른 압력-균형된 포핏 링의 예를 도식적으로 도시한다.
도 6은 단동형 액추에이터를 제어하는 추가의 예시적인 실시예에 따른 유체 밸브 조립체를 도식적으로 도시한다.
도 7은 예시적인 프로세스 자동화 시스템의 도식적인 블록도를 도시한다.
도 8은 공압 액추에이터가 밸브 포지셔너의 밸브의 제어 하에 프로세스 밸브를 작동시키는 예시적인 구성을 도시한다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 유체 밸브 조립체가 적용될 수 있는 예시적인 지능형 밸브 제어기의 도식적인 블록도를 도시한다.
도 2a, 도 2b, 및 도 2c에는, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 제어 유체 압력을 갖는 액추에이터를 제공하기 위해 압력 하의 유체 공급부에 연결될 수 있는 유체 밸브 조립체(20)가 개략적으로 도시되어 있다.
도 3a 및 도 3b에서, 추가의 예시적 실시예에 따른 유체 밸브 조립체(20)가 더 상세하게 개략적으로 도시되어 있다. 도 2a, 도 2b, 도 2c, 도 3a 및 도 3b의 동일한 참조 부호는 동일한 또는 대응하는 요소, 구조, 기능성 및 특징을 나타낸다.
예시적인 실시예에서, 밸브 조립체는 5개의 포트 및 복동형 액추에이터 또는 대응하는 장치를 제어하는 3개의 위치 또는 상태를 갖는 5/3 밸브이다. 그러나, 다른 수의 포트 및/또는 위치 또는 상태를 갖는 밸브 조립체에도 동일한 원리가 적용될 수 있다.
밸브 조립체(20)는 압력 하의 유체 공급을 수용하기 위한 공급 포트(S), 제1 제어 유체 압력을 복동형 액추에이터에 제공하기 위한 제1 액추에이터 포트(C1), 액추에이터 포트(C1)로부터 (예를 들어, 주위로) 유체 압력을 배출하기 위한 제1 배기 포트(EX1), 제2 제어 유체 압력을 복동형 액추에이터에 제공하는 제2 액추에이터 포트(C2), 및 액추에이터 포트(C2)로부터 (예를 들어, 주위로) 유체 압력을 배기하기 위한 제2 배기 포트(EX2)를 갖는 축방향 중앙 보어 또는 챔버(202)를 갖는 세장형 프레임 또는 본체(201)를 포함한다.
본 발명의 양태에 따르면, 스템(203)은 중앙 보어(202)에서 축 방향으로 이동하도록 밸브 본체(201) 내에 제공된다. 스템(203)은 밸브 조립체에 설치될 때 단일 강성 스템을 형성하도록 배치되는 2개 이상의 부품을 포함할 수 있다. 스템(203)은 중앙 보어(202) 내에 축방향으로 이격된 위치에 배치되는 복수의 포핏 링(PR1, PR2, PR3 및 PR4)을 통해 연장된다. 각각의 포핏 링(PR1, PR2, PR3 및 PR4)은 각각의 정합 시트 표면(PS1, PS2, PS3 및 PS4)과 협력하여 각각의 액추에이터 포트(C1, C2)와 공급 및 배기 포트 중 하나 사이의 유체 유동을 제어하기 위한 제어 오리피스(도 2b, 도 2c에서 화살표로 도시됨)를 형성하는 각각의 계량 에지(대안적으로, 제어 에지라 지칭될 수 있음)(PR1/PS1, PR2/PS2, PR3/PS3 및 PR4/PS4)를 형성하도록 스템(203)과 동축으로 배치된다. 계량 에지의 폐쇄된 위치에서, 포핏 링이 각각의 정합 시트 표면에 대해 가압될 때, 실질적으로 계량 에지를 통한 유체 유동은 없다. 계량 에지가 폐쇄된 것으로 고려되더라도, 일부 유체 유동 또는 유체 누설은 일부 실시예에서 허용될 수 있다는 것을 인식해야 한다. 계량 에지의 개방 위치에서, 포핏 링이 각각의 정합 시트 표면으로부터 분리되고 오리피스가 그 사이에서 개방될 때, 계량 에지를 통한 유체 유동이 허용된다.
본 발명의 양태에 따르면, 밸브 조립체(20)의 계량 에지(PR1/PS1, PR2/PS2, PR3/PS3 및 PR4/PS4)는 스템(203)에 의해 함께 기계적으로 묶이고 가요성 요소(SD1, SD2, SD3 및 SD4)에 의해 지지된다. 계량 에지 및 스템(203) 또는 본체(201)의 축방향 상대 이동은 그들이 그들의 폐쇄 위치에 도달했을 때에도 폐쇄 방향으로 허용된다. 종래의 포핏 밸브에서, 밸브가 폐쇄될 때, 포핏의 이동은 폐쇄 방향으로 계속될 수 없다. 이는 하나의 파일럿 힘에 의해, 예를 들어 하나의 파일럿 압력에 의해 5/3 포핏 밸브의 정확한 제어를 가능하게 한다. 이는 도 1c에 도시된 종래기술의 포핏 구조에서는 가능하지 않다. US 6276385에 개시된 종래의 포핏 구조에서, 포핏 밸브 사이의 기계적인 연결은 로커 아암에 의해 실행된다.
본 발명의 양태에 따르면, 한 쌍의 역동형 계량 에지는, 역동형 쌍의 양 계량 에지가 스템의 중심 위치에서 폐쇄되고, 스템(203)이 제1 축 방향으로 이동하는 상태에서 역동형 쌍의 하나의 계량 에지가 폐쇄되고 다른 계량 에지가 개방되며, 스템(203)이 대향 제2 축 방향으로 이동하는 상태에서 역동형 쌍의 하나의 계량 에지가 개방되고 다른 계량 에지가 폐쇄되도록 액추에이터 포트(C1 및 C2)의 각각에 제공된다.
포핏 유형 밸브 조립체는 스풀 밸브와 달리 마모가 쉬운 연질 실링을 사용하지 않고 실제로 누설이 없게 이루어질 수 있다. 요구되는 제조 기술은 소 유격 스풀 밸브의 것처럼 까다롭지 않다. 더 많은 수의 구성요소에도 불구하고, 제조 비용은 경쟁력이 있다.
실시예에서, 스템(203)과 동축으로 배치되는 각각의 포핏 링(PR1, PR2, PR3 및 PR4)은, 포핏 링이 그들의 폐쇄 위치에 도달했을 때에도 폐쇄 방향에 있어서의 포핏 링(PR1, PR2, PR3 및 PR4) 및 스템(203) 또는 본체(201)의 축방향 상대 이동이 허용되도록, 각각의 가요성 요소(SD1, SD2, SD3 및 SD4)에 의해 본체(201) 또는 스템(203)에 지지된다.
실시예에서, 가요성 요소(SD1, SD2, SD3 및 SD4)는, 도 3a 및 도 3b 및 도 4a, 도 4b 및 도 4c의 예에 도시된 바와 같은 환상 밀봉 다이어프램 또는 환상 밀봉 벨로즈이다.
실시예에서, 각각의 포핏 링(PR1, PR2, PR3)은, 어깨부 또는 플랜지(flange) 같은 스템(203)의 대직경 구간에 의해 형성되거나 중앙 보어(202) 안으로 반경방향으로 돌출하는 본체 구간에 의해 형성되어, 본체(201)의 내향 어깨부 또는 플랜지 같은 중앙 보어(202)의 소직경 구간을 제공하는 각각의 정합 시트 표면(PS1, PS2, PS3 및 PS4)을 갖는다.
본 발명의 실시예에서, 포핏 링(PR1 및 PR4)은 그들의 외측 원에서 각각의 가요성 요소(SD1 및 SD4)에 의해 밸브 본체(201)에 지지된다. 포핏 링(PR1 및 PR4)은 중앙 보어(202)로 반경방향 내향 돌출할 수 있고 스템(203)의 각각의 대직경 단부 구간(203A 및 203B)에 의해 형성되는 각각의 정합 시트 표면(PS1 및 PS4)을 가질 수 있다. 포핏 링(PR2 및 PR3)은 그들의 내측 원에서 각각의 가요성 요소(SD2 및 SD3)에 의해 스템(203)에 지지되며, 그들의 외측 원은 자유롭다. 포핏 링(PR2 및 PR3)은 밸브 본체(201)에 의해 형성되는 각각의 정합 시트 표면(PS2 및 PS3)을 갖는다.
본 발명의 양태에 따르면, 한 쌍의 역동형 계량 에지는, 역동형 쌍의 양 계량 에지가 스템의 중심 위치에서 폐쇄되고, 스템(203)이 제1 축 방향으로 이동하는 상태에서 역동형 쌍의 하나의 계량 에지가 폐쇄되고 다른 계량 에지가 개방되며, 스템(203)이 대향 제2 축 방향으로 이동하는 상태에서 역동형 쌍의 하나의 계량 에지가 개방되고 다른 계량 에지가 폐쇄되도록 액추에이터 포트(C1 및 C2) 각각에 제공된다.
실시예에서, 제1 액추에이터 포트(C1)를 위한 제1 쌍의 역동형 계량 에지는 제1 계량 에지(PR1/PS1) 및 제2 계량 에지(PR2/PS2)를 포함한다. 제2 액추에이터 포트(C2)를 위한 제2 쌍의 역동형 계량 에지는 제3 계량 에지(PR3/PS3) 및 제4 계량 에지(PR4/PS4)를 포함한다.
실시예에서, 제1 계량 에지(PR1/PS1)는 제1 액추에이터 포트(C1)와 제1 배기 포트(EX1) 사이의 유체 유동을 제어하고, 제2 계량 에지(PR2/PS2)는 제1 액추에이터 포트(C1)와 공급 포트(S) 사이의 유체 유동을 제어하고, 제3 계량 에지(PR3/PS3)는 제2 액추에이터 포트(C2)와 공급 포트(S) 사이의 유체 유동을 제어하며, 제4 계량 에지(PR4/PS4)는 제2 액추에이터 포트(C2)와 제2 배기 포트(EX2) 사이의 유체 유동을 제어한다.
실시예에서, 제1 액추에이터 포트(C1)는 제1 및 제2 쌍의 계량 에지(PR1/PS1 및 PR2/PS2) 사이에 형성된 중앙 보어(202)의 구간(또는 챔버)(202B)에 위치되며, 제2 액추에이터 포트(C2)는 제3 및 제4 쌍의 계량 에지(PR3/PS4) 사이에 형성된 중앙 보어(202)의 구간(또는 챔버)(202D)에 위치된다.
실시예에서, 공급 포트(S)는 제2 및 제3 쌍의 계량 에지(PR2/PS2 및 PR3/PS3) 사이에 형성된 중앙 보어(202)의 중간 구간(또는 챔버)(202C)에 위치된다. 제1 배기 포트(EX1)는 제1 계량 에지(PR1/PS1)와 중앙 보어(202)의 하나의 단부 사이에 형성된 중앙 보어(202)의 단부 구간(또는 챔버)(202A)에 위치되고, 제2 배기 포트(EX2)는 제4 계량 에지(PR4/PS4)와 중앙 보어(202)의 대향 단부 사이에 형성된 중앙 보어(202)의 대향 단부 구간(챔버)(202E)에 위치된다. 이는 크기 및 제조 관점에서 효과적인 구성이다. 그러나, 상이한 구성이 사용될 수 있다. 예를 들어, 대안적인 실시예에서, 공급 포트(S)는 배기 포트가 되도록 구성될 수 있으며, 배기 포트(EX1 및 EX2)는 공급 포트(S1 및 S2)가 되도록 구성될 수 있다. 추가의 예로서, 단일 공급 포트(S)는 2개의 별개의 공급 포트(S1 및 S2)로 대체될 수 있다.
대안적인 실시예에서, 모든 포핏 링은 포핏 링(PR2 및 PR2)과 마찬가지로 각각의 가요성 밀봉 요소에 의해 스템(202)에 지지될 수 있으며, 모든 정합 시트 표면은 정합 시트 표면(PS2 및 PS3)과 마찬가지로 밸브 본체(201)에 배치될 수 있다. 추가의 대안적인 실시예에서, 모든 포핏 링은 포핏 링(PR1 및 PR4)과 마찬가지로 각각의 가요성 밀봉 요소에 의해 밸브 본체(201)에 지지될 수 있으며, 모든 정합 시트 표면은 정합 시트 표면(PS1 및 PS4)과 마찬가지로 스템(203)에 배치될 수 있다. 그러나, 이 경우 포핏 링의 일부는 유동 제어 및 압력-균형에 있어서 문제를 일으킬 수 있는 각각의 계량 에지의 고압측에 있지 않을 수 있다.
실시예에서, 스프링 같은 예비부하형 탄성 요소가 계량 에지에 대해 폐쇄 힘을 형성하기 위해 제공된다. 예를 들어, 다른 단부에서 포핏 링(PR1)에 인접하고 다른 단부에서 본체(201) 또는 스템(203)에 마련된 어깨부 같은 적절한 지지 요소에 인접하도록 액추에이터 포트(C1)에서 중앙 보어(202)의 스템(203) 주위에 하나 이상의 예비부하형 스프링이 있을 수 있다. 이에 의해, 축방향 폐쇄 힘이 포핏 링(PR1)에 가해져서 그것을 정합 시트 표면(PS1)에 가압한다. 마찬가지로, 다른 단부에서 포핏 링(PR4)에 인접하고 다른 단부에서 본체(201) 또는 스템(203)에 마련된 어깨부 같은 적절한 지지 요소에 인접하도록 액추에이터 포트(C2)에서 중앙 보어(202)의 스템(203) 주위에 하나 이상의 예비부하형 스프링이 있을 수 있다. 추가의 예로서, 하나 이상의 예비부하형 스프링이 포핏 링(PR2 및 PR3) 사이에서 스템(203) 주위에 배치되어 하나의 단부에서 포핏 링(PR2)에 그리고 다른 단부에서 포핏 링(PR3)에 축방향 폐쇄 힘을 가할 수 있다. 그러나, 폐쇄 힘을 생성하는 특별한 기술이 기본 발명에 본질적인 것은 아니라는 것을 인식해야 한다.
도 2a에 도시된 스템(203)의 폐쇄된 중심 위치에서, 스템(203)을 축 방향의 중심 위치로부터 변위시키는 축방향 순 힘(F)은 없다. 모든 계량 에지(PR1/PS1, PR2/PS2, PR3/PS3 및 PR4/PS4)가 폐쇄되는데, 즉 각각의 포핏 링(PR1, PR2, PR3 및 PR4)이 그 각각의 정합 시트 표면(PS1, PS2, PS3 및 PS4)에 대해 가압된다. 포트(EX1, C1, S, C2 및 EX2) 사이에 유체 유동은 없다. 도 4a, 도 4b 및 도 4c는 스템(203)에 대한 포핏 링(PR3)을 위한 가요성 지지부(SD3)의 구현 예를 도식적으로 도시한다. 가요성 지지부(SD3)는 스템(203)의 외주에 고정된 내측 원을 갖고 포핏 링(PR3)의 내측 원에 고정된 외측 원을 갖는 절첩형 환상 밀봉 다이어프램의 형태일 수 있다. 정합 시트 표면(PS3)은 밸브 본체(201)에 마련된 고정 표면이다. 도 4a에서, 밀봉 다이어프램(SD1)의 U 형상 절첩부는 대략 또는 거의 변형되지 않으며, 포핏 링(PR3)은 정합 시일 표면(PS3)에 놓인다. 계량 에지의 폐쇄 위치는 총 이동의 부분범위(subrange), 예를 들어 총 이동의 10퍼센트를 포함할 수 있으며, 따라서 밀봉 다이어프램은 약간 변형될 수 있는데, 즉 대략 또는 거의 변형되지 않는다는 것을 인식해야 한다.
축방향 순 힘(F)은 스템(203)의 일 단부에 영향을 주는 축방향 파일럿 힘 및 스템(203)의 대향 단부에 영향을 주는 축방향 대항 힘에 의해 형성될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이 파일럿 힘은 스템(203)의 일 단부에 배치된 피스톤(207) 및 파일럿 다이어프램(206)에 영향을 주는 파일럿 유체 압력에 의해 제공될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이 대항 힘은 스템(203)의 대향 단부에 배치된 대항 피스톤(209) 및 대항 다이어프램(208)에 영향을 주는 대항 유체 압력에 의해 제공될 수 있다. 챔버(211)의 대항 압력은 공급 압력일 수 있으며, 대항 다이어프램은 축방향 순 힘(F)이 거의 0이 되도록 챔버(210)의 파일럿 압력에 의해 제공되는 힘과 동일하도록 대항 힘을 스케일링하기 위해 채용될 수 있다. 대항 다이어프램(208)의 면적은 파일럿 다이어프램(206)의 면적보다 작을 것이다. 다이어프램 면적의 비는 용례에 따라 예를 들어 약 0.5 내지 0.95일 수 있다. 또한, 공급 압력으로부터 대항 힘을 유도하는 것은 대항 힘 및 파일럿 힘이 변할 수 있는 공급 압력에 따라 스케일링되도록 하며, 따라서 공급 압력 균형 구조를 제공한다.
실시예에서, 도 3c에 도식적으로 도시된 바와 같이, 파일럿 압력 챔버(210)의 파일럿 압력 및 그에 따라 축방향 파일럿 힘을 제어하는 프리스테이지(PR)가 제공될 수 있다. 프리스테이지(PR)는, 예를 들어 밸브 또는 플랩(flap)에 의해 어느 정도 양의 공급 압력 공기가 주위로 분기되고 어느 정도 양의 공기가 파일럿 압력 입구(303)를 통해 파일럿 압력 챔버(210)로 지향될지를 제어함으로써 파일럿 압력 챔버(210)의 파일럿 압력을 제어할 수 있다. 플랩 또는 밸브가 직경 0.5 mm 같은 미리정해진 규제 오리피스에 대응할 수 있는 그 개방 위치에 있을 때 최저 파일럿 압력이 얻어질 수 있다. 플랩 또는 밸브가 폐쇄 위치로 구동되면, 규제 오리피스는 작아지고 파일럿 압력은 상승하며, 최종적으로 플랩 또는 밸브는 최저 또는 0의 규제 오리피스 및 최고 파일럿 압력을 갖는 폐쇄 위치에 있게 된다. 전형적으로, 프리스테이지(PR)에 공급되는 공급 압력은 파일럿 압력의 원하는 제어 범위에 대해 공급 압력을 프리스케일링(prescaling)하도록 규제될 수 있다. 제어 범위를 설정하기 위한 유동 규제는 예를 들어 0.2 mm 규제기 오리피스에 대응할 수 있다.
공급 압력 유체가 각각 개방 계량 에지(PR3/PS3 또는 PR3/PS3)를 통해 공급 챔버(202C)로부터 액추에이터 챔버(202B 또는 202D)로 유동하는 동적 상황에서, 공급 압력은 갑작스럽게 강하할 수 있고, 이는 상이한 지연으로 축방향 대항 힘 및 축방향 파일럿 힘의 대응하는 강하를 초래한다. 따라서 압력 강하는 갑작스럽고 짧을 수 있으며, 이는 예를 들어 축방향 대항 힘에만 영향을 줄 수 있고, 따라서 축방향 순 힘의 증가(순 힘 피크(peak))를 초래한다. 순 힘의 증가는 스템(203)을 상방으로 이동시킬 것이고, 따라서 계량 에지를 더 개방하고 추가로 공급 압력(SP)을 강하시킨다. 사용자가 소정 시점에 공급 압력을 상승시키는 경우에도, 축방향 대항 힘 및 축방향 파일럿 힘은 상이한 지연으로 그 새로운 값에 도달할 수 있고, 또한 순 힘에 있어서의 원하는 피크를 유발한다. 마찬가지로, 사용자가 시간에 걸쳐 공급 압력을 하강시키는 경우, 순 힘에 있어서의 유사한 피크가 발생할 수 있다.
본 발명의 양태에 따르면, 축방향 대항 힘 및 축방향 파일럿 힘에 대한 공급 압력의 변동의 영향이 안정화되고 동일해진다. 본 발명의 예시적인 실시예에서, 도 3c에 도시된 규제된 유동 경로(301) 같은 규제된 유동 경로가 대항 압력 챔버(211)와 공급 챔버(202C)(실제 외측 챔버(202C)에 근접하는 공급 압력 채널의 구간을 포함) 사이에 제공될 수 있다. 규제된 유동 경로(301)에 의해, 공급 챔버(202C) 또는 공급 압력에 있어서의 급작스러운 공급 압력 변동이 대항 압력 챔버(211)로부터 제거되며, 공급 챔버(202C)에 있어서의 더 느리거나 완만한 공급 압력 변화가 대항 압력 챔버(211)로 보내질 것이다.
실시예에서, 규제된 유동 경로(302)가 공급 챔버(202C)(외측 공급 챔버(202C)에 근접하는 공급 압력 입구를 포함)로부터 프리스테이지(PR)에 제공될 수 있다. 규제된 유동 경로(302)는 또한 파일럿 압력의 제어 범위를 설정하기 위한 공급 압력의 유동 규제를 실행할 수 있다. 공급 챔버(202C)에 연결된 규제된 유동 경로(302)에 의해, 프리스테이지(PR)에서의 공급 압력의 변동이 안정화된다. 규제된 유동 경로(203)에 의해, 공급 챔버(202C)에 있어서의 갑작스러운 공급 압력 변동이 프리스테이지(PR)의 공급 압력 및 파일럿 압력 챔버(210)에 유지된 파일럿 압력으로부터 감쇠 또는 제거되며, 공급 챔버(202C)에 있어서의 더 느리거나 완만한 공급 압력 변화가 파일럿 압력 챔버(210)로 보내질 것이다. 규제된 유동 경로(301) 및 규제된 유동 경로(302)는, 공급 챔버(202C)에 있어서의 공급 압력의 변화가 파일럿 압력 챔버(211)를 통한 축방향 대항 힘과 파일럿 압력 챔버(210)를 통한 파일럿 힘에 실질적으로 유사한 비율로 영향을 주어 순 힘의 변화가 0이 되거나 매우 작아지도록 치수설정될 수 있다. 따라서, 대항 압력 챔버(211)의 대항 압력 및 파일럿 압력 챔버의 파일럿 압력은 제어된 및 안정된 방식으로 공급 챔버(202C)에 있어서의 공급 압력의 임의의 변동을 추종할 수 있고, 따라서 밸브 스템(203)의 급속한 제어되지 않은 이동 또는 오버슈트(overshoot)를 회피할 수 있다.
일부 실시예에서, 규제된 유동 경로(301 및 302)는 도 3c에 도시된 바와 같이 규제 오리피스(RO) 같은 유동 규제기라 칭해지는 더 좁거나 더 작은 직경의 구간(301A 및 302A)을 각각 포함할 수 있다. 규제 오리피스의 면적(즉, 직경)은 특정 압력 및 온도에 대한 주어진 프로세스 유체의 출구에서의 유량을 결정한다. 규제 오리피스는 주로 프로세스 매체의 제어된 또는 규제된 유동을 달성하기 위해서 사용된다. 오리피스는 프로세스 유동의 규제를 제공하며, 압력 수두는 상류로부터 하류로 강하한다. 예시적인 실시예에서, 규제 오리피스(301A 및 302A)는 바람직하게는 약 0.1 mm 내지 약 0.5 mm, 더 바람직하게는 약 0.2 mm 내지 약 0.3 mm의 오리피스 직경을 가질 수 있다. 규제 오리피스(301A 및 302A)는 전형적으로 동일한 크기가 아닐 수 있고, 그들의 상대적인 크기는 공급 챔버(202C)에 있어서의 공급 압력의 변화가 파일럿 압력 챔버(211)를 통한 축방향 대항 힘과 파일럿 압력 챔버(210)를 통한 파일럿 힘에 실질적으로 유사한 비율로 영향을 주어 순 힘의 변화가 0이 되거나 매우 작아지도록 치수설정될 수 있다는 것을 인식해야 한다. 전형적으로, 규제 경로(302)는 먼저 원하는 파일럿 압력 범위를 얻도록 치수설정될 수 있고, 규제 경로(301)는 축방향 순 힘을 안정화시키도록 치수설정될 수 있다.
다른 예로서, 축방향 대항 힘은 스템(203)의 대향 단부에 배치된 스프링 같은 탄성 예비부하 요소에 의해 제공될 수 있다. 그러나, 이런 대안에서, 스프링력은 공급 압력에 따라 변하지 않는 기계적인 힘이며, 파일럿 압력은 공급 압력으로부터 그리고 그에 종속하여 유도된다. 이는 사용될 수 있는 공급 압력 범위를 제한한다. 실시예에서, 이러한 문제를 완화하기 위해 파일럿 유체 압력은 압력 조절기에 의해 조절되는 공급 유체 압력으로부터 유도될 수 있다.
실시예에서, 대항 다이어프램(208)의 면적 및 파일럿 다이어프램(206)의 면적은 서로 대략 동일할 수 있으며, 대항 유체 압력은 프리스케일링될 수 있다.
실시예에서, 대항 다이어프램(208)의 면적 및 파일럿 다이어프램(206)의 면적은 서로 대략 동일할 수 있으며, 대항 유체 압력은 먼저 언급된 파일럿 유체 압력이 제어되는 것과 유사한 방식으로 프리스테이지에 의해 제어되는 제2 파일럿 유체 압력을 포함할 수 있다. 이러한 실시예에서, 예를 들어 공급 압력, 전기 공급, 파일럿 압력 및/또는 제어 신호의 실패의 경우에, 유체 밸브 조립체는 폐쇄된 중간 위치를 유지할 것이고, 액추에이터는 현재의 위치에 머무를 수 있다(페일 프리즈(Fail Freeze)).
축방향 순 힘(F)은 축방향 파일럿 힘 및 축방향 대항 힘이 동일할 때 0이고, 밸브 조립체는 도 2a에 도시된 폐쇄된 중심 위치에 있다. 액추에이터는 이동하지 않는다(예를 들어, 제어 밸브는 그 현재의 개방을 유지한다). 축방향 파일럿 힘이 축방향 대항 힘보다 크게 증가하는 경우, 파지티브(positive) 축방향 순 힘(F)이 생성되고, 스템(203)은 도 2b, 도 3a 및 도 4b에 도시된 바와 같이 상방으로 (파지티브 방향으로) 이동한다. 스템(203)의 어깨부 같은 결합 요소(205)는 포핏 링(PR3)에 결합되고 그것을 상방으로 이동시킴으로써 제3 계량 에지(PR3/PS3)를 개방시키며, 유체는 공급 포트(S)로부터 액추에이터 포트(C2)로 유동한다. 도 3a 및 도 4b에 도시된 예에서, 포핏 링(PR3)은 스템(203)과 함께 자유롭게 이동할 수 있기 때문에, 밀봉 다이어프램(SD3)의 U 형성 절첩부는 거의 변형되지 않은 형상을 취하거나 유지한다. 동시에, 스템(203)의 상향 이동 시트 표면(PS4)이 결합되고, 본체(20)에 유연하게 지지되는 포핏 링(PR4)을 상방으로 이동시킴에 따라, 대항 작용 계량 에지(PR4/PS4)는 폐쇄된 상태로 유지된다. 도 3a에 도시된 예에서, 밀봉 다이어프램(SD4)의 U 형상은 본체(201)에 대한 포핏 링(PR4)의 이동을 허용하도록 변형된다. 또한, 스템(203)의 시트 표면(PS1)은 상방으로 이동하고 포핏 링(PR1)으로부터 분리됨으로써, 제1 계량 에지(PR1/PS1)를 개방시키고 유체는 액추에이터 포트(C1)로부터 배기 포트(EX1)로 유동한다. 도 3a에 도시된 예에서, 밀봉 다이어프램(SD1)의 U 형상 절첩부는 거의 변형되지 않는다. 동시에, 포핏 링(PR2)은, 스템(203)에 유연하게 지지되기 때문에, 스템(203)이 포핏 링(PR2)을 통해 상방으로 이동하는 동안 본체(201)에 마련된 정합 시트 표면(PS2)에 대해 고정된 상태로 유지된다. 따라서, 계량 에지(PR2/PS2)는 폐쇄된 상태로 유지된다. 도 3a에 도시된 예에서, 밀봉 다이어프램(SD2)의 U 형상은 스템(203)에 대한 포핏 링(PR2)의 이동을 허용하도록 변형된다. 액추에이터는 제1 방향으로(예를 들어, 제어 밸브의 100% 개방을 향해) 이동한다.
도 2b, 도 3a 및 도 4b에 도시된 위치로부터 시작해서, 축방향 파일럿 힘이 축방향 대항 힘과 동일하게 그리고 그보다 작게 감소하는 경우, 파지티브 축방향 순 힘(F)이 먼저 감소하고 그 후 네거티브(negative) 축방향 순 힘(F)이 생성되며, 스템(203)은 도 2c, 도 3b 및 도 4c에 도시된 바와 같이 하방으로(네거티브 방향으로) 이동한다. 스템(203)의 어깨부 같은 결합 요소(204)는 포핏 링(PR2)에 결합되고 그것을 하방으로 이동시킴으로써 제2 계량 에지(PR2/PS2)를 개방시키며, 유체는 공급 포트(S)로부터 액추에이터 포트(C1)로 유동한다. 도 3b에 도시된 예에서, 밀봉 다이어프램(SD2)의 U 형상은 스템(203)에 대한 포핏 링(PR2)의 상방 이동에 의해 원래의 거의 변형되지 않은 형상으로 복원된다. 동시에, 포핏 링(PR1)은, 본체(201)에 유연하게 지지되기 때문에, 그것이 스템(203)의 하방 이동 시트 표면(PS1)과 결합되고 그것에 의해 하방으로 이동될 때, 대항 작용 계량 에지(PR1/PS1)가 폐쇄된다. 도 3b에 도시된 예에서, 밀봉 다이어프램(SD1)의 U 형상은 본체(201)에 대한 포핏 링(PR1)의 하방 이동을 허용하도록 변형된다. 또한, 스템(203)의 시트 표면(PS4)은 하방으로 이동하고 포핏 링(PR4)으로부터 분리됨으로써, 제4 계량 에지(PR4/PS4)를 개방시키고 유체는 액추에이터 포트(C2)로부터 배기 포트(EX2)로 유동한다. 도 3b에 도시된 예에서, 밀봉 다이어프램(SD4)의 U 형상은 본체(201)에 대한 포핏 링(PR4)의 하방 이동에 의해 원래의 대략 또는 거의 변형되지 않은 형상으로 복원된다. 동시에, 포핏 링(PR3)은, 스템(203)에 유연하게 지지되기 때문에, 본체(201)에 마련된 정합 시트 표면(PS3)에 대해 이동하고 스템(203)이 하방으로 이동하는 동안 거기에 정지된다. 따라서, 계량 에지(PR3/PS3)는 폐쇄된다. 도 3b 및 도 4c에 도시된 예에서, 밀봉 다이어프램(SD3)의 U 형상은 스템(203)에 대한 포핏 링(PR3)의 상방 이동을 허용하도록 변형된다. 액추에이터는 제2 방향으로(예를 들어, 제어 밸브의 0% 개방을 향해) 이동한다.
본 발명의 양태에 따르면, 포핏 링(PR1, PR2, PR3 및 PR4)은 압력 균형될 수 있다. 압력 균형 포핏 링은, 포핏 링에 가해진 유체 압력 힘이 보상되어 각각의 계량 에지(501)에 영향을 주는 결과적인 유체 압력 힘을 매우 작거나 0이 되게 하도록 치수설정 및 형성될 수 있다. 결과적으로, 스템을 이동시키기 위해서 필요한 제어 힘은 단지 불균형된 포핏 밸브 조립체에 필요한 제어력의 일부이다. 이는 종래 기술의 포핏 밸브에서보다 더 빠르게(결과적으로, 더 우수한 제어로) 또는 더 작은 파일럿 압력으로(결과적으로 제어기의 더 낮은 에너지 필요성으로) 스템(203)을 제어할 가능성을 제공한다. 유체 압력 힘의 보상은 또한 소정 제어 범위에 걸친 스템(203)의 선형 작동을 초래한다. 종래 기술의 해결책에서는, 보상되지 않은 높은 유체 압력 힘이 정확히 그 제어 범위의 중간에서 상당한 중단 지점(큰 데드 존(dead zone))을 유발한다. 그러므로, 압력 균형된 포핏 링은 종래기술의 포핏 밸브 조립체에 비해 예시적인 실시예에 따른 포핏 밸브 조립체의 상당히 더 우수한 제어성을 초래한다. 이는 또한 프로세스 밸브의 제어 정밀도의 손실 없이 작은 액추에이터를 제어하는 고용량 출력 스테이지의 채용을 허용한다.
포핏 링(PR1, PR2, PR3 및 PR4)은 압력 균형된 포핏 링의 예이다. 압력 균형된 포핏 링의 다른 예는 도 5a에 도시되어 있다. 예시적인 포핏 링은 압력 균형된 포핏 링(PR3) 대신에 사용되는 경우로 도시되어 있지만, 유사한 포핏 링이 도 2a, 도 2b, 도 2c, 도 3a, 도 3b, 도 3b, 도 4a, 도 4b 및 도 4c에 도시된 포핏 링 중 임의의 것 대신에 사용될 수 있다. 도 5a에서, 계량 에지(PR3/PS3)는 폐쇄된 위치에 도시되어 있다. 포핏 링(PR3)은 중간 챔버(202C)의 고압측(공급 압력)에 있다. 가요성 밀봉 다이어프램(SD3)은 포핏 링(PR3)과 스템(203) 사이에 기밀 밀봉을 제공할 수 있고, 포핏 링(PR3) 및 스템(203)의 축방향 상대 이동을 허용하면서 스템(203)에 대해 포핏 링(PR3)을 고정한다. 포핏 링(PR3)의 지오메트리(geometry)는, 반경 방향으로 비교적 좁은 링 첨단(501)에 효과적인 계량 에지(PR3/PS3)가 형성되도록 구성될 수 있다. 밀봉 다이어프램(SD3)의 절첩부의 중간 지점은 축 방향(도 5a에서 수직 방향)으로 링 첨단(501)과 대략 정렬될 수 있다. 포핏 링(PR3)의 대향 단부(도 5a에서 상위 단부)에서, 밀봉 다이어프램(SD3)의 절첩부의 중간 지점으로부터 외향으로의 반경방향 폭은 공급 압력으로 인해 축방향(하방) 압력 힘을 받는 포핏 링(PR3)에 가해지는 축방향(하방) 압력 힘을 결정하는 미리정해진 상위 표면적을 형성할 수 있다. 포핏 링(PR3)의 지오메트리는, 고압측이 고압 챔버(202G)에 의해 도시된 바와 같이 포핏 링 아래로 링 첨단(501)까지 연장되도록 선택될 수 있다. 챔버(202)에 대면하는 저부 표면(503)은, 포핏 링(PR3)의 저부 표면에 영향을 주는 공급 압력이 하방 압력 힘과 대략 동일한 축방향(상방) 압력 힘의 보상을 제공하도록 치수설정될 수 있다. 이에 의해, 포핏 링(PR3)에 영향을 주는 결과적인 압력 힘은 매우 작거나 0이다. 저압측에서, 포핏 링(PR3)의 반경방향 내향 연장 어깨부(504) 위 및 가요성 다이어프램(SD4) 아래의 공간(202F)에 저압이 존재할 수 있다. 어깨부(504)의 치수는, 어깨부(504)의 상위 표면의 저압 유체에 의해 유발되는 하방 압력 힘이 포핏 링(PR3) 아래의 낮은 유체 압력에 의해 유발되는 상방 압력 힘을 대략 보상하도록 이루어질 수 있다. 요소(502)는 포핏 링(PR3)에 가요성 밀봉 다이어프램(SD3)을 고정시키는 예이다. 도 5b는 본체(201)에 유연하게 연결되는 포핏 링(PR1) 대신에 유사한 포핏 링을 사용하는 예를 도시한다. 포핏 링(PR1)의 프로파일(profile)은 도 5a에 도시된 것의 미러 이미지(mirror image)일 수 있다. 또한, 링(PR1)의 설치부는 도 3a 및 도 3b에 도시된 것과 유사한 방식으로 수직으로 회전한다. 도 5c는 포핏 링의 추가의 예시적인 프로파일을 도시한다(PR3이 예로서 도시되어 있다). 도 5d는 포핏 링의 추가의 예시적인 프로파일을 도시한다(PR1이 예로서 도시되어 있다). 상기 링 프로파일 각각은 도 2a, 도 2b, 도 2c, 도 3a, 도 3b, 도 4a, 도 4b 및 도 4c에 도시된 다른 포핏 링(PR1, PR2, PR3 및 PR4) 대신에 수직으로 또는 수평으로 회전할 수 있다. 또한, 동일한 밸브 조립체(20)에 2개 이상의 상이한 프로파일이 있을 수 있다. 예를 들어, 포핏 링(PR1 및 PR4)은 도 5d에 따른 프로파일을 가질 수 있고, 포핏 링(PR2 및 PR3)은 도 5c에 따른 프로파일을 가질 수 있다.
단동형 액추에이터에는 오직 하나의 액추에이터 포트가 필요하고, 오직 2개의 계량 에지가 필요하며, 하나는 유체 압력 공급 포트(S)로부터 액추에이터 포트로의 유체 유동을 제어하기 위한 것이고 다른 하나는 액추에이터 포트로부터 배기 포트로의 유체 유동을 제어하기 위한 다른 것이다. 복동형 액추에이터의 유체 밸브 조립체(20)는 액추에이터 포트(C1 및 C2) 중 하나만을 사용하고 다른 하나를 차단함으로써 단동형 액추에이터에도 사용될 수 있다.
도 6에는, 단동형 액추에이터를 제어하기 위한 추가의 예시적인 실시예에 따른 유체 밸브 조립체(60) 및 대응하는 장치가 개략적으로 도시되어 있다. 밸브 조립체(60)는 밸브 조립체(20)의 간략화된 형태일 수 있으며, 복동형 액추에이터를 위한 유체 밸브 조립체(20)와 관련하여 여기서 설명된 것과 동일한 원리가 적용될 수 있다. 도 6 및 도 2a 내지 도 2c, 도 3a 내지 도 3b, 도 4a 내지 도 4c, 도 5a 내지 도 5d의 동일한 도면 부호는 동일한 또는 대응하는 요소, 구조, 기능 및 특징부를 지칭한다.
도 6에 도시된 예시적인 실시예에서, 밸브 조립체(60)는 3 포트 및 3 위치 또는 상태를 갖는 3/3 밸브이다. 밸브 조립체(60)는 위에서 설명된 간략화된 형태의 밸브 조립체(20)이며, 이것은 기본적으로 밸브 조립체(20)의 저부 반부이다. 그러나, 마찬가지로 상부 반부의 계량 에지 또는 밸브 조립체(20)의 중간 구간이 밸브 조립체(60)를 제공하기 위해 사용될 수 있다. 추가의 대안으로서, 상부 및 저부 계량 에지가 사용될 수 있는 한편, 중간 구간의 계량 에지는 생략된다. 밸브 조립체(60)는 압력 하의 유체 공급부를 수용하기 위한 공급 포트(S), 제어 유체 압력을 단동형 액추에이터에 제공하기 위한 액추에이터 포트(C2), 및 액추에이터 포트(C2)로부터의 유체 압력을 (예를 들어, 주위로) 배기하기 위한 배기 포트(EX2)를 갖는 축방향 중앙 보어 또는 챔버(202)를 갖는 세장형 프레임 또는 본체(201)를 포함한다. 밸브 조립체(60)는, 역동형 쌍의 양 계량 에지가 스템(203)의 중심 위치에서 폐쇄되고, 제1 축 방향으로의 스템(203)의 이동에 의해 역동형 쌍의 하나의 계량 에지가 폐쇄되고 다른 계량 에지가 개방되며, 반대측 제2 축 방향으로의 스템(203)의 이동에 의해 역동형 쌍의 하나의 계량 에지가 개방되고 다른 계량 에지가 폐쇄되도록, 스템(203)에 의해 기계적으로 함께 묶이는 한 쌍의 역동형 계량 에지(PR3/PS3 및 PR4/PS4)를 포함할 수 있다. 본 발명의 양태에 따르면, 밸브 조립체(60)의 계량 에지(PR3/PS3 및 PR4/PS4)는 스템(203)에 의해 함께 기계적으로 묶이고 가요성 요소(SD3 및 SD4)에 의해 지지되므로, 계량 에지는 그들이 그들의 폐쇄 위치에 도달했을 때에서 스템(203)의 방향으로 이동을 지속할 수 있다. 본 발명의 실시예에서, 포핏 링(PR3 및 PR4)은 압력 균형된다. 예시적인 실시예에서, 파일럿 힘은 파일럿 다이어프램(206)에 영향을 주는 파일럿 유체 압력 및 스템(203)의 일 단부에 배치되는 피스톤(207)에 의해 제공될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 밀봉 다이어프램(SD3)은 파일럿 힘의 축방향 대항 힘을 제공하기 위해 대항 힘 다이어프램으로서도 기능할 수 있다. 스템(203)의 반대측 단부에 배치되는 스프링 같은 탄성 예비부하형 요소(212)가 실패의 경우에, 예를 들어 공급 압력 또는 전기 전력이 상실될 때에 밸브를 안전한 위치로 구동하기 위해 제공될 수 있다. 또한, 하나 이상의 사전부하형 스프링(213)이 포핏 링(PR3)에 축방향 폐쇄 힘을 가하도록 본체(201)의 상부와 포핏 링(PR3) 사이에서 스템(203) 주위에 배치될 수 있다. 추가의 예로서, 다른 단부에서 포핏 링(PR4)에 인접하고 다른 단부에서 본체(201) 또는 스템(203)에 마련된 어깨부 같은 적절한 지지 요소에 인접하도록 액추에이터 포트(C2)에서 중앙 보어(202)의 스템(203) 주위에 하나 이상의 예비부하형 스프링이 있을 수 있다. 도 6에 도시된 예에서, 본체(201)는 본체(201)를 형성하도록 조립되는 201A, 201B, 및 201C 같은 복수의 별개의 부품을 포함할 수 있다. 이러한 접근법은 유체 밸브를 제조하고 조립하는 것을 더 용이하게 만들 수 있다.
또한, 복동형 액추에이터를 위한 유체 밸브 조립체(20)와 관련하여 논의된 모든 실시예는 단동형 액추에이터를 위한 유체 밸브 조립체(60)에도 적용될 수 있으며 그 반대로도 될 수 있다는 것을 인식해야 한다.
본 발명의 실시예는 임의의 유체 압력 작동식 액추에이터의 제어에 적용될 수 있다. 본 발명의 실시예는 특히 임의의 산업 프로세스 등을 위한 임의의 자동화 시스템에서의 제어 밸브, 차단 밸브, 스크린(screen) 등과 같은 프로세스 장치의 액추에이터의 제어에 적용가능하다.
도 7은 본 발명의 원리가 밸브 포지셔너에 적용될 수 있는 예시적인 프로세스 자동화 시스템의 개략적인 블록도를 도시한다. 제어 시스템 블록(75)은 자동화 시스템에 있어서의 공장 LAN(74)에 의해 상호연결될 수 있는 임의의 그리고 모든 제어 룸(room) 컴퓨터(들)/프로그램 및 프로세스 제어 컴퓨터(들)/프로그램과 데이터베이스를 개략적으로 나타낸다. 제어 시스템에 대한 다양한 아키텍쳐(architecture)가 있다. 예를 들어, 제어 시스템은 직접 디지털 제어(Direct Digital Control)(DDC) 시스템 또는 분산 제어 시스템(Distributed Control System)(DCS)일 수 있으며, 양자 모두는 본 기술분야에 잘 알려져 있다.
도 7의 예에서, 오직 하나의 제어형 프로세스 밸브가 도시되어 있지만, 자동화 시스템은 대게 수백 개의 제어 밸브 같은 임의의 수의 필드 장치(field device)를 포함할 수 있다. 플랜트 영역에는 제어 시스템과 제어 밸브 같은 필드 장치 사이의 상호연결부를 배치하는 다양한 대안적인 방식이 있다. 도 7에서, 필드/프로세스 버스(73)는 임의의 이러한 상호연결부를 개략적으로 나타낸다. 전통적으로, 필드 장치는 2개의 와이어 꼬임 쌍 루프(wire twisted pair loop)에 의해 제어 시스템에 연결되어 있으며, 각각의 장치는 4 내지 20mA 아날로그 입력 신호를 제공하는 하나의 꼬임 쌍에 의해 제어 시스템에 연결된다. 더 최근에는, 꼬임 쌍 루프에서 종래의 4 내지 20mA 아날로그 신호와 함께 디지털 데이터를 전송하는 것을 허용하는 하이웨이 어드레서블 리모트 트랜스듀서(Highway Addressable Remote Transducer)(HART) 프로토콜 같은 새로운 해결책이 제어 시스템에 사용되었다. HART 프로토콜은 예를 들어 HART Field Communication Protocol 간행물: 1995년 An Introduction for Users and Manufacturers, HART Communication Foundation에 더 상세하게 설명되어 있다. HART 프로토콜은 또한 산업 규격으로 개발되었다. 다른 필드버스의 예는 Foundation Fieldbus 및 Profibus PA를 포함한다. 그러나, 필드/프로세스 버스(73)의 종류 또는 구현은 본 발명과 관련되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 필드/프로세스 버스(73)는 위에서 설명된 대안 중 어느 하나 또는 동일한 것의 임의의 조합, 또는 임의의 다른 구현에 기초할 수 있다.
프로세스 밸브(71) 및 포지셔너/액추에이터(72)는 프로세스 파이프라인(76)의 물질의 유동을 제어하기 위해 프로세스에 연결될 수 있다. 재료 유동은 유체, 독주, 액체, 가스 및 증기 같은 임의의 유체 재료를 포함할 수 있다.
도 8은 공압 액추에이터(72B)가 밸브 포지셔너(72A)의 밸브의 제어 하에 프로세스 밸브(71)를 작동시키는 예시적인 구성을 도시한다. 프로세스 밸브(71)의 예는 Metso Corp로부터의 Neles® RotaryGlobe 제어 밸브이다. 본 발명의 실시예가 적용될 수 있는 밸브 포지셔너(72A)의 예는 Metso Corp로부터의 Neles® ND9000 지능형 밸브 제어기이다. 액추에이터(72B)의 예는 Metso Corp로부터의 Quadra-Powr X 시리즈 공압 액추에이터이다.
밸브 제어기(72A) 같은 지능형 밸브 제어기의 작동은 필드 연결 라인 또는 필드버스(73)로부터 획득되는 제어 정보에 기초하여 밸브의 위치를 제어하는 마이크로프로세서(μP) 같은 마이크로컨트롤러에 기초할 수 있다. 밸브 제어기에는 바람직하게는 밸브 위치 측정부가 제공될 수 있으며, 그 외에 밸브의 자가 진단에 필요할 수 있거나, 밸브 제어기가 그대로 또는 처리된 진단 정보로서 필드 버스를 통해 자동화 시스템의 제어 룸 컴퓨터, 프로세스 제어기, 조건 감시 컴퓨터 또는 유사한 고수준 유닛에 전달하는 가압 공기에 대한 공급 압력, 액추에이터 피스톤에 걸친 압력 차 또는 온도 같은 많은 다른 변수를 측정할 수 있다.
밸브 제어기(72A) 같은 마이크로컨트롤러 기반 지능형 밸브 제어기의 예시적인 블록도가 도 9에 도시되어 있다. 제어기는 전기적 제어 신호(90)를 취하며 그것을 액추에이터(72B)에 연결된 액추에이터 포터(C1, C2)에서 대응하는 필드 압력 출력(P1, P2)으로 변환하는 전기 제어 출력부(90) 및 공압 유닛(20, 93)을 갖는 전자 유닛(91)을 포함할 수 있다. 공압 유닛은 프리스테이지(93) 및 출력 스테이지(20)를 포함할 수 있다. 출력 스테이지(20)는 본 발명의 실시예에 따른 복동형 액추에이터를 위한 임의의 유체 밸브 조립체(20)일 수 있다. 프리스테이지(93)는 출력 스테이지(20)를 제어하는데 충분한 작은 파일럿 공압 제어 신호(95)로의 전기 제어 신호(90)의 전기 대 압력(I/P) 변환을 실행한다. 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 지역적 구성을 가능하게 하는 로컬 유저 인터페이스(Local User Interface)(LUI)를 포함할 수 있다. 마이크로컨트롤러(11)는 밸브 위치를 제어한다. 이를 위해, 마이크로컨트롤러(91)는 4-20mA 쌍 및 HART 같은 프로세스/필드버스(93)에 의해 입력 신호(설정점)를 수신할 수 있고 다양한 측정을 실행할 수 있다. 장치는 4-20mA 또는 필드버스로부터 급전될 수 있다. 마이크로컨트롤러(91)는 입력 신호 및 밸브 위치 센서(92)를 판독할 수 있다. 마이크로컨트롤러는 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 형성된 설정점과 위치 센서(92)에 의해 측정된 위치 사이의 차이는 마이크로컨트롤러(91) 내부의 제어 알고리즘에 의해 검출될 수 있다. 마이크로컨트롤러(91)는 입력 신호 및 센서(들)로부터의 정보에 기초하여 프리스테이지(PR) 코일 전류(90)에 대한 새로운 값을 계산할 수 있다. PR에 대한 변화된 전류(90)는 출력 스테이지(20)에 대한 파일럿 압력(95)을 변화시킨다. 파일럿 압력(95)은 위에서 본 발명의 실시예와 관련하여 설명한 바와 같이 출력 스테이지의 스템(203)을 이동시키고 그에 따라 액추에이터 포트(C1 및 C2)의 액추에이터 압력이 변화한다. 파일럿 압력(95)이 미리정해진 값에 있을 때, 스템(203)은 중심맞춤되고 계량 에지(포핏 링)를 통한 모든 유동 채널은 폐쇄되며, 액추에이터(72B)는 제자리에 머문다. 파일럿 압력(95)이 미리정해진 값으로부터 상승할 때, 스템(202)은 파지티브 방향으로 이동하고 공기는 공급 포트(S)로부터 액추에이터 포트(C2)로 유동하며 나아가 그로부터 이중 다이어프램 액추에이터(72B)의 일측(하측)으로 유동하며, 이중 다이어프램 액추에이터(72B)의 반대측은 액추에이터 포트(C1)를 통해 배출 포트(X1)로 배기된다. 액추에이터는 완전 개방 (100%) 방향으로 이동한다. 더 구체적으로는, 압력의 증가는 다이어프램 피스톤(98)을 상방으로 이동시킬 것이다. 액추에이터 및 피드백 샤프트(99)가 회전한다. 피스톤 센서(92)는 마이크로컨트롤러(91)에 대한 회전을 측정한다. 마이크로컨트롤러(91)는, 입력 신호에 따른 액추에이터(90)의 새로운 위치가 도달될 때까지 PR 전류(90)를 정적 상태 값으로 변조시킨다. 반대 방향의 제어 밸브의 이동(움직임)은 파일럿 압력(95)을 감소시킴으로써 스템(203)이 반대 방향(하방, 0% 방향)으로 이동하게 함으로써 달성되며, 따라서 액추에이터 포트(C2)는 배기 포트(EX2)에 연결되고 액추에이터 포트(C1)는 공압 공급 포트(S)에 연결된다. 도시된 밸브 제어기는 단지 예이며 본 발명은 밸브 제어기의 임의의 특정한 구현으로 한정되지 않는다는 것을 인식해야 한다.
마찬가지로, 단동형 액추에이터의 밸브 제어기는 5/3 밸브 조립체(20) 대신에 본 발명의 실시예에 따른 3/2 밸브 조립체(60)를 사용하고 불필요한 구조 및 기능을 제거함으로써 구현될 수 있다.
상기 설명된 관련된 도면은 단지 본 발명의 원리를 예로서 예시하기 위한 것이다. 본 설명을 기초로 통상의 기술자에게는 다양한 대안적인 실시예, 변형 및 변경이 명백하다. 본 발명은 여기 설명된 예로 한정되는 것이 아니고 본 발명은 첨부된 청구항의 범위 및 사상 내에서 변화될 수 있다.

Claims (25)

  1. 액추에이터, 특히 유압 또는 공압 액추에이터에 액추에이터 유체 압력을 제공하기 위한 압력 하의 유체 공급부에의 연결을 위한 유체 밸브 조립체이며,
    압력 하의 유체 공급을 수용하기 위한 적어도 하나의 공급 포트, 액추에이터에 제어 유체 압력을 제공하기 위한 적어도 하나의 액추에이터 포트, 및 적어도 하나의 배기 포트를 갖는 중앙 보어를 구비하는 밸브 본체;
    파일럿 힘에 의해 축 방향으로 상기 중앙 보어 내에서 이동가능한 스템;
    상기 스템에 의해 함께 작동적으로 묶인 적어도 한 쌍의 역동형 계량 에지(counter-acting metering edge)로서, 각각의 역동형 쌍의 각각의 계량 에지는 밸브 본체 또는 스템에 마련된 정합 시트 표면, 및 포핏 링의 상대적인 축방향 이동을 허용하며 각각의 계량 에지의 폐쇄 상태에서도 밸브 본체 또는 스템을 지지하는 방식으로 가요성 요소에 의해 밸브 본체 또는 스템에 지지되는 포핏 링(poppet ring)을 포함하는, 적어도 한 쌍의 역동형 계량 에지를 포함하는, 유체 밸브 조립체.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 적어도 한 쌍의 역동형 계량 에지는, 각각의 역동형 쌍의 양 계량 에지가 스템의 중간 위치에서 폐쇄되고, 스템이 제1 축방향 위치로 이동하는 상태에서 각각의 역동형 쌍의 하나의 계량 에지는 폐쇄되고 다른 계량 에지는 개방되며, 스템이 대향 제2 축방향 위치로 이동하는 상태에서 각각의 역동형 쌍의 하나의 계량 에지는 개방되고 다른 계량 에지는 폐쇄되도록, 스템에 의해 함께 기계적으로 묶이는, 유체 밸브 조립체.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    각각의 역동형 쌍의 하나의 계량 에지는 각각의 액추에이터 포트와 유체 공급부 사이의 유체 유동을 제어하도록 배치되고, 각각의 역동형 쌍의 다른 제어 에지는 각각의 액추에이터 포트와 배기 포트 사이의 유체 유동을 제어하도록 배치되는, 유체 밸브 조립체.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 하나의 항에 있어서,
    각각의 역동형 쌍의 하나의 제어 에지는, 가요성 요소에 의해 스템에 지지되는 포핏 링, 및 밸브 본체에 마련된 각각의 정합 시트 표면을 포함하고, 각각의 역동형 쌍의 다른 제어 에지는, 가요성 요소에 의해 밸브 본체에 지지되는 포핏 링, 및 스템에 마련된 각각의 정합 시트 표면을 포함하는, 유체 밸브 조립체.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 포핏 링은 스템과 동축으로 배치되며, 각각의 포핏 링의 가요성 요소는 각각의 환상 밀봉 요소, 바람직하게는 환상 밀봉 다이어프램 또는 환상 밀봉 벨로즈를 포함하는, 유체 밸브 조립체.
  6. 청구항 5에 있어서,
    각각의 역동형 쌍의 하나의 제어 에지에서, 포핏 링은 그 내측 원에서 각각의 환상 가요성 밀봉 요소에 의해 스템의 외측 원에 지지되며, 각각의 역동형 쌍의 다른 제어 에지에서, 포핏 링은 그 외측 원에서 각각의 환상 가요성 밀봉 요소에 의해 밸브 본체에 지지되는, 유체 밸브 조립체.
  7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 하나의 항에 있어서,
    각각의 포핏 링은 각각의 포핏 링에 가해지는 유체 압력 힘을 대략적으로 보상하도록 압력 균형되는, 유체 밸브 조립체.
  8. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 하나의 항에 있어서,
    역동형 계량 에지의 적어도 하나의 쌍은 유체 밸브 조립체의 각각의 액추에이터 포트를 위한 한 쌍의 역동형 계량 에지를 포함하며, 액추에이터 포트는 각각의 쌍의 역동형 계량 에지 사이에 위치되는 것이 바람직한, 유체 밸브 조립체.
  9. 복동형 액추에이터를 위한 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 하나의 항에서 청구된 바와 같은 유체 밸브 조립체이며,
    상기 적어도 하나의 액추에이터 포트는 제1 액추에이터 포트 및 제2 액추에이터 포트를 포함하고,
    상기 적어도 한 쌍의 역동형 계량 에지는, 제1 액추에이터 포트를 위한 제1 쌍의 역동형의 제1 및 제2 계량 에지, 및 제2 액추에이터를 위한 제2 쌍의 역동형의 제3 및 제4 계량 에지를 포함하는, 유체 밸브 조립체.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 제1 액추에이터 포트는 제1 역동형 쌍의 제1 계량 에지와 제2 계량 에지 사이에 위치되며,
    상기 제2 액추에이터 포트는 제2 역동형 쌍의 제3 계량 에지와 제4 계량 에지 사이에 위치되는, 유체 밸브 조립체.
  11. 청구항 9 또는 청구항 10에 있어서,
    상기 제1 계량 에지는 상기 중앙 보어 내에서 스템 주위에 동축으로 배치되고 제1 포핏 링의 축 방향의 이동을 허용하는 제1 가요성 밀봉 요소 부재에 의해 밸브 본체에 고정되는 제1 포핏 링을 포함하고, 상기 제1 포핏 링은 스템에 마련된 제1 정합 시트 표면과 협력하여 제1 액추에이터 포트와 공급 및 배기 포트 중 하나 사이의 유체 유동을 제어하고;
    상기 제2 계량 에지는 상기 중앙 보어 내에서 스템 주위에 동축으로 배치되고 제2 포핏 링의 축 방향의 이동을 허용하는 제2 가요성 밀봉 요소 부재에 의해 스템 장치에 연결되는 제2 포핏 링을 포함하고, 상기 제2 포핏 링은 밸브 본체에 마련된 제2 정합 시트 표면과 협력하여 액추에이터 포트와 공급 및 배기 포트 중 다른 것 사이의 유체 유동을 제어하고;
    상기 제3 계량 에지는 상기 중앙 보어 내에서 스템 주위에 동축으로 배치되고 제3 포핏 링의 축 방향의 이동을 허용하는 제3 가요성 밀봉 요소 부재에 의해 스템에 고정되는 제3 포핏 링을 포함하고, 상기 제3 포핏 링은 밸브 본체에 마련된 제3 정합 시트 표면과 협력하여 제2 액추에이터 포트와 공급 및 배기 포트 중 하나 사이의 유체 유동을 제어하며;
    상기 제4 계량 에지는 상기 중앙 보어 내에서 스템 주위에 동축으로 배치되고 제4 포핏 링의 축 방향의 이동을 허용하는 제4 가요성 밀봉 부재에 의해 밸브 본체 장치에 연결되는 제4 포핏 링을 포함하고, 상기 제4 포핏 링은 스템에 마련된 제4 정합 시트 표면과 협력하여 제2 액추에이터 포트와 공급 및 배기 포트 중 다른 것 사이의 유체 유동을 제어하는, 유체 밸브 조립체.
  12. 청구항 11에 있어서,
    적어도 하나의 공급 포트는 계량 에지의 제2 및 제3 쌍 사이에 형성되는 중앙 보어의 중간 구간에 위치되는 공통 공급 포트를 포함하고, 적어도 하나의 배기 포트는 제1 계량 에지와 중앙 보어의 제1 단부 사이에 형성된 중앙 보어의 제1 단부 구간에 위치되는 제1 배기 포트, 및 제4 계량 에지와 중앙 보어의 대향 제2 단부 사이에 형성된 중앙 보어의 대향 제2 단부 구간에 위치되는 제2 배기 포트를 포함하는, 유체 밸브 조립체.
  13. 청구항 1 내지 청구항 12 중 어느 하나의 항에 있어서,
    스템의 일 단부에 영향을 주는 축방향 파일럿 힘을 제공하는 수단 및 스템의 대향 단부에 영향을 주는 축방향 대항 힘을 제공하는 수단을 포함하는, 유체 밸브 조립체.
  14. 청구항 1 내지 청구항 13 중 어느 하나의 항에 있어서,
    파일럿 유체 압력에 의존하는 축방향 파일럿 힘을 제공하기 위해 스템의 일 단부에 배치되는 파일럿 다이어프램 및 피스톤을 포함하는, 유체 밸브 조립체.
  15. 청구항 1 내지 청구항 14 중 어느 하나의 항에 있어서,
    대항 다이어프램에 영향을 주는 대항 유체 압력에 따른 축방향 파일럿 힘에 대향하는 축방향 대항 힘을 제공하기 위해 스템의 일 단부에 배치되는 대항 다이어프램 및 대항 피스톤을 포함하는, 유체 밸브 조립체.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 대항 다이어프램은 대항 다이어프램에 영향을 주는 공급 유체 힘으로부터의 축방향 대항 힘을 스케일링하도록 배치되는, 유체 밸브 조립체.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 대항 다이어프램은 제어 에지 중 하나의 밀봉 다이어프램을 포함하는, 유체 밸브 조립체.
  18. 청구항 13에 있어서,
    축방향 파일럿 힘을 제공하는 상기 수단은, 파일럿 압력 챔버의 파일럿 유체 압력에 의존하는 축방향 파일럿 힘을 제공하기 위해 스템의 다른 단부에 배치되는 파일럿 다이어프램 및 피스톤을 제공하는 상기 수단, 및 밸브 조립체의 공급 압력 입구로부터 파일럿 압력 챔버의 파일럿 압력 및 그에 따른 축방향 파일럿 힘을 제어하는 프리스테이지(prestage)까지의 추가가 규제된 유동 경로를 포함하고,
    축방향 대항 힘을 제공하는 상기 수단은, 대항 압력 챔버의 대항 다이어프램에 영향을 주는 대항 압력에 따른 축방향 대항 힘을 제공하기 위해 스템의 일 단부에 배치되는 대항 다이어프램 및 대항 피스톤, 및 밸브 조립체의 공급 압력 입구로부터 대항 압력 챔버까지의 추가 규제된 유동 경로를 포함하는, 유체 밸브 조립체.
  19. 청구항 18에 있어서,
    규제된 유동 경로 및 추가 규제된 유동 경로는, 공급 압력 입구의 공급 압력의 변화로 인한 축방향 대항 힘의 변화율 및 파일럿 힘의 변화율이 대략 동일하도록 치수설정되는, 유체 밸브 조립체.
  20. 청구항 18 또는 청구항 19에 있어서,
    규제된 유동 경로 및/또는 추가 규제된 유동 경로는, 바람직하게는 약 0.1 mm 내지 약 0.5 mm, 더 바람직하게는 약 0.2 mm 내지 약 0.3 mm의 오리피스 직경을 갖는 유동 오리피스 규제기 같은 유동 규제기를 포함하는, 유체 밸브 조립체.
  21. 청구항 1 내지 청구항 17 중 어느 하나의 항에 있어서,
    모든 계량 에지는 축 방향으로 정렬되는, 유체 밸브 조립체.
  22. 프로세스 밸브 포지셔너이며, 전기 제어 출력을 갖는 전자 유닛, 및 전기 제어 출력을 액추에이터에 대한 대응하는 유체 압력 출력으로 변환하도록 배치되는 공압 또는 유압 유닛을 포함하며, 상기 공압 또는 유압 유닛은 청구항 1 내지 청구항 18 중 어느 하나의 항에 따른 유체 밸브 조립체를 포함하는, 프로세스 밸브 포지셔너.
  23. 청구항 19에 있어서,
    상기 공압 또는 유압 유닛은 프리스테이지 및 출력 스테이지를 포함하고, 상기 프리스테이지는 전기 제어 출력을 출력 스테이지를 제어하기에 충분한 파일럿 유체 압력으로 변환하도록 배치되며, 상기 출력 스테이지는 청구항 1 내지 청구항 18 중 어느 하나의 항에 따른 유체 밸브 조립체를 포함하는, 프로세스 밸브 포지셔너.
  24. 청구항 20에 있어서,
    상기 공압 또는 유압 유닛은 전기 제어 출력을 대항 유체 압력으로 변환하도록 배치되는 추가 프리스테이지를 포함하는, 프로세스 밸브 포지셔너.
  25. 프로세스 밸브의 제어에 있어서의 청구항 1 내지 청구항 18 중 어느 하나의 항에 따른 유체 밸브 조립체의 용도.
KR1020177029679A 2015-03-16 2016-03-15 유체 밸브 조립체 및 프로세스 밸브 포지셔너 KR102012116B1 (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FI20155177 2015-03-16
FI20155177A FI126989B (fi) 2015-03-16 2015-03-16 Virtaavan aineen venttiilikokoonpano, prosessiventtiilin asennoitin sekä virtaavan aineen venttiilikokoonpanon käyttö prosessiventtiilin ohjauksessa
PCT/FI2016/050159 WO2016146890A1 (en) 2015-03-16 2016-03-15 A fluid valve assembly and a process valve positioner

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20170137767A true KR20170137767A (ko) 2017-12-13
KR102012116B1 KR102012116B1 (ko) 2019-10-21

Family

ID=56918415

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020177029679A KR102012116B1 (ko) 2015-03-16 2016-03-15 유체 밸브 조립체 및 프로세스 밸브 포지셔너

Country Status (9)

Country Link
US (1) US10598194B2 (ko)
EP (1) EP3271624B1 (ko)
JP (1) JP6748101B2 (ko)
KR (1) KR102012116B1 (ko)
CN (1) CN107532733B (ko)
BR (1) BR112017019694B1 (ko)
FI (1) FI126989B (ko)
RU (1) RU2686653C2 (ko)
WO (1) WO2016146890A1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102127365B1 (ko) * 2019-01-29 2020-06-26 (주)씨엔에스 소형 압력 컨트롤 밸브

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FI126989B (fi) 2015-03-16 2017-09-15 Metso Flow Control Oy Virtaavan aineen venttiilikokoonpano, prosessiventtiilin asennoitin sekä virtaavan aineen venttiilikokoonpanon käyttö prosessiventtiilin ohjauksessa
US10255561B2 (en) 2015-05-14 2019-04-09 Mastercard International Incorporated System, method and apparatus for detecting absent airline itineraries
FI128617B (en) 2016-03-30 2020-08-31 Metso Flow Control Oy Fluid valve arrangement, use of process valve positioning and fluid valve arrangement in process valve control
EP3409987B1 (en) * 2017-05-31 2020-11-04 Hamilton Sundstrand Corporation Spring sealed pneumatic servo valve
CN109268548B (zh) * 2018-12-06 2024-01-23 杭州老板电器股份有限公司 调节阀及燃气灶
EP3966479B1 (en) * 2019-05-09 2023-08-09 DeLaval Holding AB A membrane for a moving a valve disk of a control valve, and a control valve
CN110578806B (zh) * 2019-09-30 2024-04-05 上海龙猛机械有限公司 一种减震背压阀
KR102196957B1 (ko) 2020-10-20 2020-12-30 신상열 유압포지셔너가 구비된 밸브제어시스템
US20230167834A1 (en) * 2021-11-30 2023-06-01 Dresser, Llc Eliminating bleed on flow controls
DE102022122546A1 (de) 2022-09-06 2024-03-07 Samson Aktiengesellschaft Elektropneumatischer Stellungsregler für einen pneumatischen Stellantrieb und Stellgerät umfassend einen Stellantrieb und einen elektropneumatischen Stellungsregler

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5231930U (ko) * 1975-08-27 1977-03-05
JPH10288273A (ja) * 1997-04-15 1998-10-27 I Ee H:Kk バルブ開閉機構

Family Cites Families (46)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2866476A (en) 1952-04-03 1958-12-30 British Messier Ltd Electro-magnetically operated control valves
US2833301A (en) * 1956-01-18 1958-05-06 Walter Ratner Valve device
SU126697A1 (ru) * 1957-03-06 1959-11-30 Ю.В. Апраксин Мембранный четырехходовой клапан
DE1500297A1 (de) 1965-04-21 1969-04-10 Werner & Pfleiderer Steuerschieber,insbesondere fuer in dichter Folge arbeitende hydraulische Pressen-Anlagen
CH431217A (fr) * 1965-11-11 1967-02-28 Lucifer Sa Valve à clapet
CH499739A (fr) * 1969-04-22 1970-11-30 Lucifer Sa Valve à clapets
SU396509A1 (ru) * 1971-02-05 1973-08-29 Четырехходовой двухпозиционный распределитель с цилиндрическим золотииком
JPS4634959Y1 (ko) * 1971-03-09 1971-12-02
US3785392A (en) 1971-10-21 1974-01-15 Eaton Corp Flow control valve
NL7302575A (ko) 1972-03-01 1973-09-04
US3779280A (en) * 1972-08-17 1973-12-18 Whitlock Inc Control valve for contaminant-laden gases
US3964515A (en) * 1974-12-23 1976-06-22 Acf Industries, Incorporated By-pass valve with pressure relief feature
DE2509716C2 (de) * 1975-03-06 1982-12-16 Festo-Maschinenfabrik Gottlieb Stoll, 7300 Esslingen 5-Wege-Steuerventil
JPS5229582A (en) * 1975-09-01 1977-03-05 Oji Seiki Kogyo Kk Remote control device using oil pressure bridge circuit
DE2553250C3 (de) * 1975-11-27 1981-10-29 Festo-Maschinenfabrik Gottlieb Stoll, 7300 Esslingen Membranbetätigtes 5/2-Mehrwegeventil
JPS5632678Y2 (ko) * 1977-08-29 1981-08-03
SE406631B (sv) 1977-10-03 1979-02-19 Joelson Karl Evert Anordning for styrning av tryckfluidflode
JPS5590856U (ko) * 1978-12-19 1980-06-23
FR2452647A1 (fr) 1979-03-26 1980-10-24 Renault Servo-valve
US4445333A (en) 1981-07-16 1984-05-01 General Motors Corporation Valve assembly
GB2154707B (en) * 1984-02-22 1988-09-14 Ross Operating Valve Co Inline poppet valve
US4574844A (en) * 1984-11-13 1986-03-11 Mac Valves, Inc. Four-way poppet valve
US5042832A (en) 1988-01-29 1991-08-27 Nissan Motor Company, Limited Proportioning valve assembly and actively controlled suspension system utilizing the same
JPH0544626Y2 (ko) 1988-05-25 1993-11-12
JPH02129483A (ja) 1988-11-09 1990-05-17 Aisin Aw Co Ltd 圧力調整弁
DE4035817A1 (de) 1990-11-10 1992-05-14 Bosch Gmbh Robert Elektromagnetbetaetigtes ventil, insbesondere fuer hydraulische bremsanlagen von kraftfahrzeugen
JPH04201616A (ja) 1990-11-30 1992-07-22 Nissan Motor Co Ltd 能動型サスペンション用圧力制御弁
US5261458A (en) 1992-04-28 1993-11-16 Allied-Signal Inc. Pilot relay valve with load piston
DE4214661A1 (de) 1992-05-02 1993-11-04 Bosch Gmbh Robert Elektrohydraulische stelleinrichtung
SE470408C (sv) 1992-07-07 1997-08-04 Atlas Copco Rock Drills Ab Slagverk
US5549137A (en) 1993-08-25 1996-08-27 Rosemount Inc. Valve positioner with pressure feedback, dynamic correction and diagnostics
US5562125A (en) 1995-09-26 1996-10-08 Caterpillar Inc. Two stage electrohydraulic pressure control valve
JP2912867B2 (ja) * 1996-02-29 1999-06-28 シーケーディ株式会社 スプール弁タイプの機械操作弁
US5913577A (en) 1996-12-09 1999-06-22 Caterpillar Inc. Pilot stage of an electrohydraulic control valve
US5899231A (en) * 1996-12-30 1999-05-04 Drori; Mordecki Automatic three-way valve
US6272401B1 (en) 1997-07-23 2001-08-07 Dresser Industries, Inc. Valve positioner system
JP4212187B2 (ja) 1999-06-25 2009-01-21 アドバンスド エナジー ジャパン株式会社 排気装置の圧力制御システム
US6276385B1 (en) 2000-06-09 2001-08-21 Fisher Controls International, Inc. Plug and seat positioning system for control applications
JP2002081557A (ja) * 2000-09-07 2002-03-22 Advance Denki Kogyo Kk 混合比率制御弁構造
JP2002243059A (ja) 2001-02-19 2002-08-28 Smc Corp 流体圧力調整装置
AU2005238895B2 (en) 2004-04-16 2011-03-03 Fisher Controls International Llc Asymmetric volume booster arrangement for valve actuators
US20080169439A1 (en) 2006-12-18 2008-07-17 Borgwarner Inc. Integrated two-stage low-leak control valve
JP5007858B2 (ja) * 2007-02-08 2012-08-22 Ｓｍｃ株式会社 流量制御弁
US8522818B2 (en) 2009-03-30 2013-09-03 Sti Srl Booster valve
WO2014080664A1 (ja) 2012-11-21 2014-05-30 株式会社コガネイ 間欠エア吐出装置
FI126989B (fi) 2015-03-16 2017-09-15 Metso Flow Control Oy Virtaavan aineen venttiilikokoonpano, prosessiventtiilin asennoitin sekä virtaavan aineen venttiilikokoonpanon käyttö prosessiventtiilin ohjauksessa

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5231930U (ko) * 1975-08-27 1977-03-05
JPH10288273A (ja) * 1997-04-15 1998-10-27 I Ee H:Kk バルブ開閉機構

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102127365B1 (ko) * 2019-01-29 2020-06-26 (주)씨엔에스 소형 압력 컨트롤 밸브

Also Published As

Publication number Publication date
FI126989B (fi) 2017-09-15
BR112017019694A2 (pt) 2018-05-22
JP2018509577A (ja) 2018-04-05
WO2016146890A9 (en) 2016-11-10
RU2017134363A3 (ko) 2019-04-03
US20180045227A1 (en) 2018-02-15
KR102012116B1 (ko) 2019-10-21
CN107532733A (zh) 2018-01-02
EP3271624B1 (en) 2019-06-19
EP3271624A4 (en) 2018-04-04
WO2016146890A1 (en) 2016-09-22
JP6748101B2 (ja) 2020-08-26
FI20155177A (fi) 2016-09-17
RU2017134363A (ru) 2019-04-03
BR112017019694B1 (pt) 2022-05-10
US10598194B2 (en) 2020-03-24
CN107532733B (zh) 2019-10-11
RU2686653C2 (ru) 2019-04-29
EP3271624A1 (en) 2018-01-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102012116B1 (ko) 유체 밸브 조립체 및 프로세스 밸브 포지셔너
US6276385B1 (en) Plug and seat positioning system for control applications
EP2798227B1 (en) Valve positioner system with bleed prevention
US11274685B2 (en) Actuator of a process device having a controller configured to operate in a measured position feedback mode and a simulated position feedback mode
KR20070009643A (ko) 비례전자 밸브의 제어장치
EP3441624B1 (en) Generating two pneumatic signals to operate an actuator on a valve assembly
KR102222662B1 (ko) 유체 밸브 어셈블리, 프로세스 밸브 포지셔너 및 프로세스 밸브의 제어에서의 유체 밸브 어셈블리의 사용
Yimvuthikul et al. How to fully benefit from function blocks of Foundation Fieldbus for digital cascade control with high system safety
Love Valve Positioners
BAUMANN et al. 6.2 Accessories and Positioners

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant