(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
コントロールバルブの弁茎を動かすための空気式バルブアクチュエータであって、
上部ケーシングおよび下部ケーシングを含むダイヤフラムケーシングであって、前記上部ケーシングは上部フランジを有し、前記下部ケーシングは下部フランジを有し、前記上部フランジおよび前記下部フランジは、締結具を受容するようにそれぞれサイズ設定される取り付け孔を有する、ダイヤフラムケーシングと、
前記上部ケーシングと前記下部ケーシングとの間に可動に配置されるダイヤフラム板であって、前記弁茎に動作可能に連結されて、前記弁茎を動かすように配設される、ダイヤフラム板と、
前記上部ケーシングと前記下部ケーシングとの間に配置され、前記ダイヤフラム板を第１の方向へ付勢するように配設される、ばねと、
前記上部ケーシングと前記下部ケーシングとの間に配置される、ダイヤフラムであって、前記ダイヤフラム板の動作と連動して可動である中央部分を含み、前記上部フランジと前記下部フランジとの間に適合するようにサイズ設定された外側部分と、前記上部フランジおよび前記下部フランジの前記取り付け孔に位置合わせ可能な外側部分の取り付け孔とを含む前記ダイヤフラムと、
前記上部フランジ及び下部フランジの間に配置され、且つ前記ダイヤフラムの前記取り付け孔内部に位置し、前記締結具を受容するようにサイズ設定された複数の挿入物と、
前記ダイヤフラムケーシング内に画定され、空気供給源に取り付けるために配設される、給気口であって、前記空気供給源が前記ダイヤフラム板を第２の方向へ付勢することを可能にする、給気口と、
前記上部フランジと前記下部フランジとの間に配置され、前記ダイヤフラムの前記外側部分と係合するように位置付けられる、保持リングであって、
前記ダイヤフラムの前記外側部分の表面と係合するように位置付けられる突起と、前記上部フランジ及び下部フランジの前記取り付け孔に位置合わせ可能な孔を有する外側部分とを含む、保持リングと、を備える、バルブアクチュエータ。
【請求項２】
前記リングは、内側部分を含み、前記突起は、前記内側部分に隣接して形成される、請求項１に記載のバルブアクチュエータ。
【請求項３】
前記突起は、湾曲した断面を含む、請求項１に記載のバルブアクチュエータ。
【請求項４】
前記突起は、前記リングの内側部分に隣接した厚い部分を提供することによって形成される、請求項１に記載のバルブアクチュエータ。
【請求項５】
前記リングは、角度がついた断面を含み、さらに前記リングの内側部分は、第１の厚さを有し、前記リングの外側部分は、前記第１の厚さより小さい第２の厚さを有する、請求項１に記載のバルブアクチュエータ。
【請求項６】
前記突起は、縁を含む、請求項１に記載のバルブアクチュエータ。
【請求項７】
コントロールバルブの弁茎を動かすための空気式バルブアクチュエータであって、
上部ケーシングおよび下部ケーシングを含む、ケーシングであって、前記上部ケーシングは上部フランジを有し、前記下部ケーシングは下部フランジを有し、前記上部フランジおよび前記下部フランジは、締結具を受容するようにサイズ設定される取り付け孔を有する、ケーシングと、
前記上部ケーシングと前記下部ケーシングとの間に可動に配置される、ダイヤフラム板であって、前記弁茎に動作可能に連結されて、前記弁茎を動かすように配設される、ダイヤフラム板と、
前記ダイヤフラム板に動作可能に連結され、前記ダイヤフラム板を第１の方向へ付勢するように配設される、ばねと、
前記上部ケーシングと前記下部ケーシングとの間に配置される、ダイヤフラムであって、前記ダイヤフラム板の動作と連動して可動である中央部分を含み、前記上部フランジと前記下部フランジとの間に適合するようにサイズ設定された外側部分と、前記上部フランジおよび前記下部フランジの前記取り付け孔に位置合わせ可能な外側部分の取り付け孔とを含む、ダイヤフラムと、
前記上部フランジ及び下部フランジの間に配置され、且つ前記ダイヤフラムの前記取り付け孔内部に位置し、前記締結具を受容するようにサイズ設定された複数の挿入物と、
前記ケーシング内に画定され、空気供給源に取り付けるために配設される、給気口であって、前記空気供給源が前記ダイヤフラム板を第２の方向へ付勢することを可能にする、給気口と、
前記フランジのうちの選択された１つによって支持され、前記ダイヤフラムの前記外側部分と係合するように位置付けられる、環状突出縁であって、前記ダイヤフラムの前記外側部分の表面に対して支えるようにサイズ設定される、環状突出縁と、を含む、バルブアクチュエータ。
【請求項８】
前記選択されたフランジは、内側部分を含み、前記縁は、前記内側部分に隣接して形成される、請求項７に記載のバルブアクチュエータ。
【請求項９】
前記縁は、湾曲した断面を含む、請求項８に記載のバルブアクチュエータ。
【請求項１０】
前記縁は、前記選択されたフランジの内側部分に隣接した厚い部分を提供することによって、形成される、請求項７に記載のバルブアクチュエータ。
【請求項１１】
前記選択されたフランジは、角度がついた断面を含み、さらに前記選択されたフランジの内側部分は、第１の厚さを有し、前記選択されたフランジの外側部分は、前記第１の厚さより小さい第２の厚さを有する、請求項７に記載のバルブアクチュエータ。
【請求項１２】
コントロールバルブ内のダイヤフラムの保持を改善する方法であって、前記コントロールバルブは、弁茎に連結される可動のダイヤフラム板と、前記ダイヤフラム板に動作可能に連結されるばねと、前記ダイヤフラム板の動作と連動して可動である中央部分を有するダイヤフラムと、を含み、前記方法は、
アクチュエータケーシングの上部フランジおよび下部フランジをサイズ設定することであって、前記アクチュエータのケーシングは、前記ダイヤフラム板および前記ダイヤフラムを格納し、前記上部フランジおよび前記下部フランジは、締結具を受容するようにサイズ設定される孔を有する、サイズ設定することと、
前記上部フランジと前記下部フランジとの間に適合するようにサイズ設定された保持リング上に、環状リング型突起を形成することと、
前記保持リングの外側部分を通る取り付け孔を提供することであって、それぞれの取り付け孔は、前記締結具を受容するようにサイズ設定される、取り付け孔を提供することと、
前記ダイヤフラムの外側部分を通る取り付け孔を提供することであって、前記上部フランジおよび前記下部フランジの取り付け孔に位置合わせ可能なダイヤフラムの取り付け孔を提供することと、
前記ダイヤフラムの取り付け孔が前記上部および下部フランジ内の孔と位置合わせするように、前記リングを位置付けることと、
前記ダイヤフラムを前記上部フランジと前記下部フランジとの間に位置付けることと、
前記上部フランジと下部フランジとの間の前記ダイヤフラムの取り付け孔にスペーサを挿入することと、
前記リング型突起が前記ダイヤフラムの外側部分の表面を支えるように、前記リング型突起を前記上部フランジと前記下部フランジとの間に位置付けることと、
前記上部フランジおよび下部フランジをともに固定することと、を含む、方法。
【請求項１３】
前記リングの内側部分に隣接して前記リング型突起を形成することを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
湾曲した断面を有するように前記リング型突起を成形することを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記リングの内側部分に隣接した厚い部分を提供することによって、前記リング型突起を形成することを含む、請求項１２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、プロセス制御バルブに使用される空気式バルブアクチュエータ等のバルブアクチュエータに関する。より具体的には、本発明は、空気式バルブアクチュエータ内にダイヤフラムを保持するためのデバイスおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
精製所、化学工場、または紙パルプ工場等のプロセス工場が、様々な消費者製品を生産するための互いに接続された多数のプロセス制御ループからなることは、一般的に知られている。これらのプロセス制御ループのそれぞれは、最終製品の質を確保するために、圧力、流量、レベル、または温度等のいくつかの重要なプロセス変数を必要な操作範囲内に保つように設計される。これらのループのそれぞれは、工場内のプロセス制御ループのプロセス変数および制御に影響する負荷外乱を受容し、それを内部で生じる。これらの負荷外乱の影響を減少させるために、プロセス変数をセンサまたは送信器によって検出し、プロセス制御装置に通信する。プロセス制御装置は、この情報を処理し、負荷外乱が発生後、プロセス変数をあるべき数値に戻すため、プロセスループを変更または修正する。修正は、典型的には、コントロールバルブ等のある種類の最終制御素子を介して流量を変更することによって生じる。コントロールバルブは、負荷外乱を補い、調節されたプロセス変数を所望の制御点または設定点にできるだけ近く維持するように、ガス、蒸気、水、または化合物等の流動流体を操作する。
【０００３】
様々なコントロールバルブの構成が、特定の用途に特に適用可能である場合があることが、一般的に理解される。例えば、狭い制御範囲の急開バルブが適している時、バタフライバルブ等の回転コントロールバルブが、使用されてもよい。あるいは、大きな制御範囲にわたる精密な制御が必要な時、スライドステムコントロールバルブが使用されてもよい。任意の構成において、かかるコントロールバルブは、制御信号に応じてコントロールバルブの正確な開口量を制御するアクチュエータ等の制御デバイスに、一般的に連結する。したがって、プロセスを設計する際に、プロセス技術者は、多くの設計要件および設計制約条件を検討しなければならない。例えば、設計技術者は、使用されるバルブの型、バルブの大きさ、アクチュエータの種類等を決定しなければならない。
【０００４】
いくつかのシステムにおいて、特に空気圧で制御された流体プロセスシステムにおいて、任意の所与の流体プロセス制御デバイスのアクチュエータは、ダイヤフラムアクチュエータを含んでもよい。典型的なダイヤフラムアクチュエータは、ばね付勢されたダイヤフラムアセンブリを収容するハウジングを含む。ダイヤフラムアセンブリは、液体プロセス制御デバイスの開口量を制御するために、弁茎または他のアクチュエータロッドを通して流量制御素子に動作可能に連結する。
【０００５】
１つの既知のダイヤフラムアセンブリは、ダイヤフラムおよび１つ以上のダイヤフラム板を含む。ダイヤフラムは、流体密封の繊維、重合体、または他の適した素材から構成される柔軟性のある円盤状の部材を含む。プレートは、ダイヤフラムに隣接して配置され、ハウジング内に配置された１つ以上のばねによって係合されるように適応される。さらに、プレートは、弁茎との硬い機械的結合を提供する。ばねは、アクチュエータが、制御デバイスを開いたまたは閉じた構成に付勢することができるように、ダイヤフラムアセンブリを規定の位置へ付勢するように機能する。
【０００６】
これらの既知のダイヤフラムアセンブリのそれぞれにおいて、ダイヤフラムの外側部分を、アクチュエータのハウジングの外側部分に固定することも必要である。好ましくは、ダイヤフラムの外側部分は、ダイヤフラム故障の可能性を最小限にする方法で、およびアセンブリを簡略化する方法で、固定する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】空気式アクチュエータを有し、かつ本発明の教示に従って組み立てられた例示的なコントロールバルブの斜視図である。
【図２】本発明の開示された例に従って組み立てられたダイヤフラムおよび保持リングアセンブリを説明している、図１のコントロールバルブの断面図である。
【図３】図２に示される空気式アクチュエータの右側を通して取った、保持リングの態様を説明する、拡大部分断面図である。
【図４】図３と同様の、さらなる、大きな断片的な断面図である。
【図５】例示的な保持リングの斜視図である。
【図６】保持リング、ダイヤフラム、および挿入物の一部を説明する拡大部分分解図である。
【図７】本発明の別の開示された例に従って組み立てられる保持リングの一部を説明する拡大部分分解図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下の文章では、本発明の例示的な実施形態の詳細な説明を示すが、本発明の法的範囲は、本特許の最後に示される特許請求の範囲の文言によって定義されることが理解されるべきである。詳細な説明は、例としてのみ解釈されるべきであり、可能なすべての実施形態を説明することは、不可能ではないにしても、非現実的であるため、本発明の可能なすべての実施形態を説明しない。本開示を読むことに基づいて、当業者は、現在の技術または本特許の出願日後に開発された技術のいずれかを使用して、１つ以上の代替実施形態を実装することが可能な場合がある。かかる追加の起訴は、本発明を定義する特許請求の範囲に含まれるであろう。
【０００９】
ここで図面を参照すると、図１および２は、プロセス制御システムに一般に使用される種類のコントロールバルブ２０を示す。コントロールバルブ２０は、バルブ本体２２、バルブ入口２４、バルブ出口２６、および入口２４と出口２６との間に延在する流路２８を含む。流路２８は、入口流路３０、出口流路３２、および制御流路３４を含む。
【００１０】
図２に示すように、コントロールバルブ２０は、開示される例で、弁体３８の形態を取る可動の制御部品３６を含む。弁体３８は、弁茎４０に接続され、弁体３８および弁茎４０は、弁体が制御流路３４中に配置されるように、サイズ設定され、位置付けられる。制御部品３６は、限定ではなく、一例として、バルブスリーブ、バルブディスク、またはコントロールバルブの分野において一般に使用される制御部品の他の種類の形態を取ってもよい。さらに、弁茎４０は、スライドステム、回転ステム、または可動の、もしくはシフト可能な弁茎の他の任意の形態であってもよい。コントロールバルブ２０は、パッキンナット４６を有するパッキン箱４４を有する弁帽４２、ヨーク４８、ヨーク４８に接続されたアクチュエータ５０も含み、バルブポジショナー５２を含んでもよい。図解されたアクチュエータ５０は、バルブポジショナー５２またはアクチュエータを制御するための任意の他の機構に、適切に接続される場合がある空気式アクチュエータである。アクチュエータ５０は、周継手６０に沿って互いに連結される上部５６および下部５８を有するダイヤフラムケーシング５４を含む。
【００１１】
図２をさらに参照すると、アクチュエータ５０は、出力軸６４に適切に接続される内部ダイヤフラム板６２も含み、次に出力軸６４は、適切な継手６６を使用して弁茎４０に接続される。適切な付勢アセンブリ６８は、アクチュエータ５０内に配置される。図解された例において、付勢アセンブリ６８は、ダイヤフラム板６２の上部を支え、かつダイヤフラムケーシング５４の上部５６の内側または底表面も支える。開示される例において、付勢アセンブリは、複数のばねである。アクチュエータは、ダイヤフラム板６２の中央部分７２を支える、柔軟性のあるダイヤフラム７０も含む。ダイヤフラムは、ダイヤフラムケーシング５４の上部５６と下部５８との間の接続部６０に配置されるように、半径方向外向きに延在するようにサイズ設定された外側部分７４を含む。図２に示されるように（以下により詳細に説明される）、本発明の開示される例の教示に従って組み立てられる保持リング７６は、接続部６０に沿ってダイヤフラムケーシング５４内に配置される。ポジショナー５２の操作に対応して、圧力が、ダイヤフラムケーシング５４内で変化し、ダイヤフラムケーシング５４内でダイヤフラム７０およびダイヤフラム板６２を、順に上下に動かす。この上下の動きは、コントロールバルブ２０を介してプロセス流体の流量を制御するために、制御部品３６の位置を変化する。
【００１２】
ここで、図３および図４を参照すると、ダイヤフラムケーシング５４の上部５６および下部５８は、より詳細に示され、ダイヤフラム７０および保持リング７６の外側部分７４も同様に、示される。ダイヤフラムケーシング５４の上部５６および下部５８のそれぞれは、外側フランジ７８および８０をそれぞれ含み、外側フランジ７８および８０は、接続部６０を形成するために、複数の取り付けボルト８２によって同時に接続される。ダイヤフラム板６２（図３）は、表面８４ａを有する上方に拡張する部分８４を含む。ダイヤフラム７０は、ダイヤフラム板６２が上下に動く時に、ダイヤフラム７０の一部が、表面８４ａに反して巻きつくように折り返し部８５を含む。上記のように、ダイヤフラム７０の外側部分７４は、外側のフランジ７８と外側のフランジ８０との間を広げる。好ましくは、ダイヤフラム７０は、取り付けボルト８２のうちの対応する１つを受容するようにサイズ設定され、外側のフランジ７８内の複数の取り付け孔８８、および外側のフランジ８０内の取り付け孔９０のうちの選択された１つで位置決めするために位置付けられる場合がある、（図６により明確に示される）複数の取り付け孔８６を含む。保持リング７６は、外側のフランジ７８と外側のフランジ８０との間の配置に対してサイズ設定され、保持リング７６は、取り付け孔８６および８８、ならびにダイヤフラム７０の外側部分７４上の取り付け孔８６によって、位置決めされる複数の取り付け孔９１も含む。したがって、フランジ７８、８０、ダイヤフラム７０の外側部分７４、保持リング７６、および取り付けボルト８２は、接続部６０をともに形成する。
【００１３】
図５および６を参照すると、保持リング７６は、内側部分９２および外側部分９４を含み、好ましくは、取り付け孔９１は、一般的に外側部分９４に隣接して形成される。保持リング７６は、突起９６も含む。好ましくは、突起９６は、一般的に保持リング７６の内側部分９２に隣接して形成される。本開示例において、突起９６は、図３、図４、および図６に示される断面において保持リング７６を見る際に、保持リング７６の最も内側の端９２ａにおいて形成される。保持リング７６は、上面９８および下面１００を含む。したがって、保持リング７６が図３および４に図解される本開示例中に示されるように位置付けられる時、上面９８は、ダイヤフラム７０の外側部分７４の下面１０２に隣接して位置付けられる。下面１００は、外側フランジ８０の上面１０４に隣接して位置付けられる。その結果、本開示例において、ダイヤフラム７０の外側部分７４は、保持リング７６の上面９８と外側のフランジ７８の下面との間に位置付けられる。示されるように位置付けられた時、突起９６は、ダイヤフラム７０の隣接部分１０６と係合し、下からダイヤフラム７０の隣接部分１０６を圧縮するために保持リングの上面９８から上方へ延在する。保持リングは、ダイヤフラム７０の外側部分７４の上に位置付けられ、上方を向いたダイヤフラム７０の表面に、突起９６が下向きに延在するようにされてもよく、したがって、上から保持ダイヤフラム７０に係合することが理解されるであろう。
【００１４】
ここで図３、図４、および図６を参照すると、突起９６は、断面に示される。本開示例に従って、突起９６の断面は、曲がっている、または概して半円状である。断面の他の形が、適していると証明される場合がある。本開示例に従って、突起９６は、一片の素材から保持リング７６のバランスで残部から一体で形成される。その結果、示された例では、突起９６は、厚くなった縁１０４によって形成される。あるいは、突起９６は、接着された、溶接された、または他の方法で保持リング７６の残部に適切に固定された、分離したリング等の分離した別個の部品から形成されてもよい。さらに、突起９６は、内側部分９２に隣接して示されるが、突起は、保持リング７６の中央部分９５または外側部分９４に隣接して形成されてもよい。
【００１５】
図４および６に最も良く示されるように、孔８６は、好ましくは、挿入物１０８を受容するためにサイズ設定される。示された例中、孔８６は、孔９１よりも大きい。挿入物は、孔８６の直径Ｄ２と一致するためにサイズ設定された外径Ｄ１を有し、取り付けボルト８２を受容するために、サイズ設定された内側の孔１１０を有する。本開示例に従って、挿入物１０８は、ダイヤフラム７０とボルト８２との間の界面において受けた負荷を分散し、ダイヤフラム７０内の応力上昇を避ける。
【００１６】
図７に示されるように、保持リングに対する代替の実施形態が示され、参照番号１７６と称される。図７に示されるように、保持リング１７６は、厚くなった部分１７８を含む。示されるように、厚くなった部分１７８は、内側の末端１８０が外側の末端１８２よりも厚いように、保持リング１７６の内側の末端１８０に隣接して配置される。あるいは、厚くなった部分１７８は、内側の末端１８０と離間され、または内側の末端１８０から少し離れてもよい。示されるように、保持リング１７６は、内側の末端１８０が外側の末端１８２よりも厚い、少し楔状の断面を有することができる。
【００１７】
上述の保持リング７６、１７６のうちのいずれか１つを組み込むコントロールバルブ２０は、以下のように従来のバルブから組み立てることができる。取り付け孔８８および９０の場所を含む、外側のフランジ７８および８０の採寸後、ダイヤフラム７０は、従来の素材から選択されてもよく、従来のサイズ設定の原理を基にサイズ設定することができる。ダイヤフラム７０は、取り付け孔８８および９０と位置合わせするため、およびボルト８２を受容するためにサイズ設定され配置される取り付け孔９１と共に提供される。孔８６は、好ましくは、挿入物１０８を受容するためにサイズ設定される。
【００１８】
保持リング７６は、上部フランジと下部フランジとの間に適合するようにサイズ設定される環状のリング型突起と共に提供され、ダイヤフラムは、上部フランジと下部フランジとの間に位置付けられ、ダイヤフラムの外側部分の隣接した表面を支えるように突起を位置付けられる。フランジは、ともに固定される。
【００１９】
好ましくは、環状のリング型突起は、上部フランジと下部フランジとの間に適合するようにサイズ設定されたリング上に形成されてもよく、リングの外側部分を通る取り付け孔と共に提供され、それぞれの取り付け孔は、締結具を受容するようにサイズ設定される。リングは、取り付け孔が、上部および下部フランジの孔と整合されるように、整合されるまたは位置付けられ、スペーサまたは挿入物は、フランジ間の取り付け孔内に挿入される。リング型突起は、リングの内側部分と隣接して、リングの外側部分に、またはリングの中央部分に隣接して、形成されてもよい。突起は、湾曲した断面を有してもよく、リングの内側部分に隣接して、またはリングの他の適した部分に隣接して厚くなった部分を提供することによって形成されてもよい。リング型突起は、上部フランジまたは下部フランジのうちから選択された一方を、選択されたフランジの内側部分が、第１の厚さを有し、選択されたフランジの外側部分が、第１の厚さより小さい第２の厚さを有するように、角度がついた断面を有するように成形することによって、形成されてもよい。
【００２０】
前述の説明を考慮すると、本発明の多数の修正および代替の実施形態が、当業者にとって明白であろう。したがって、この説明は、実例としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の形態を当業者に教示することを目的とする。本開示の詳細は、本発明の精神から逸脱することなく変更する場合があり、特許請求の範囲内である全修正形態の独占使用が留保される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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