(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体の流量を制御する質量流量制御器であって、該質量流量制御器は、
前記流体を受け取る流入口と、
前記流体が該質量流量制御器を通過する流路と、
前記流路を通る前記流体の質量流量に対応する信号を提供する質量流量計と、
該質量流量制御器の流出口から出る前記流体の前記流量を調節する力作動式変調制御バルブであって、該力作動式変調制御バルブは、計量オリフィスと、バルブシートとを備えており、前記バルブシートは、計量ギャップの下流側の部分が、計量ギャップの上流側の部分と比較して前記計量オリフィスを形成する部材から遠位に配置され、動作中の高速の流れストリームとの接触を低減されるようにした力作動式変調制御バルブと、
前記バルブシートの計量ギャップから下流側に配置され、高速の流体が前記バルブシートの表面に向かって循環することを防止する流れシールドであって、前記力作動式変調制御バルブのバルブ本体に固定された流れシールドと、
バルブ制御信号を印加して、前記力作動式変調制御バルブを望ましいバルブ位置に調整し、該質量流量制御器の流出口から出る前記流体の前記流量を制御する制御器とを備える質量流量制御器。
【請求項２】
前記バルブシートはナイフエッジシートを具備し、該バルブシートにおいて前記ナイフエッジシートの近傍の直径は、該ナイフエッジシートからより離れた部分の直径よりも小さくなっている請求項１に記載の質量流量制御器。
【請求項３】
前記バルブシートにおいて前記計量ギャップの上流側の部分の外縁部に前記ナイフエッジシートが配置される請求項２に記載の質量流量制御器。
【請求項４】
高速の流体がスプール組立体の部分に向かって循環することを防止するために、前記流れシールドは前記バルブシートの計量ギャップの外側に配置されており、前記バルブシートは前記スプール組立体の一部を含んでいる請求項３に記載の質量流量制御器。
【請求項５】
前記バルブシートにおいて前記計量ギャップの上流側の部分の直径が、該バルブシートの計量ギャップにおいて最大となる請求項１に記載の質量流量制御器。
【請求項６】
前記バルブシートはナイフエッジシートを有しており、前記計量ギャップが該バルブシートにおいて前記計量ギャップの上流側の部分の外縁部に配置されるようになっている請求項５に記載の質量流量制御器。
【請求項７】
前記力作動式変調制御バルブは直動式ソレノイドバルブである請求項１に記載の質量流量制御器。
【請求項８】
前記力作動式変調制御バルブはパイロット作動式ベローズバルブである請求項１に記載の質量流量制御器。
【請求項９】
前記力作動式変調制御バルブは圧力平衡型バルブではない請求項１に記載の質量流量制御器。
【請求項１０】
流体の流量を制御する質量流量制御器であって、該質量流量制御器は、
前記流体を受け取る流入口と、
前記流体が該質量流量制御器を通過する流路と、
前記流路を通る前記流体の質量流量に対応する信号を提供する質量流量計と、
該質量流量制御器の流出口から出る前記流体の前記流量を調節する力作動式変調制御バルブであって、該力作動式変調制御バルブは、計量オリフィスと、ナイフエッジシートを有したバルブシートとを備えており、前記バルブシートは、前記ナイフエッジシートの下流側の部分が、前記ナイフエッジシートの上流側の部分と比較して前記計量オリフィスを形成する部材から遠位に配置され、動作中の高速の流れストリームとの接触を低減されるようにした力作動式変調制御バルブと、
前記バルブシートの前記ナイフエッジシートから下流側に配置され、高速の流体が前記バルブシートの表面に向かって循環することを制限する流れシールドであって、前記力作動式変調制御バルブのバルブ本体に固定された流れシールドと、
バルブ制御信号を印加して、前記力作動式変調制御バルブを望ましいバルブ位置に調整し、該質量流量制御器の流出口から出る前記流体の前記流量を制御する制御器とを備える質量流量制御器。
【請求項１１】
前記バルブシートにおいて前記ナイフエッジシートの近傍の直径は、該ナイフエッジシートから一層離間した部分の直径よりも小さくなっている請求項１０に記載の質量流量制御器。
【請求項１２】
前記ナイフエッジシートは、計量ギャップが、前記バルブシートの外縁部となるように、前記バルブシートに配置されている請求項１１に記載の質量流量制御器。
【請求項１３】
前記バルブシートの直径が、該バルブシートの計量ギャップにおいて最大となる請求項１０に記載の質量流量制御器。
【請求項１４】
前記ナイフエッジシートは、前記計量ギャップが、前記バルブシートの外縁部となるように、前記バルブシートに配置されている請求項１３に記載の質量流量制御器。
【請求項１５】
流体力が前記力作動式変調制御バルブの本体に伝達される請求項１０に記載の質量流量制御器。
【請求項１６】
前記力作動式変調制御バルブは直動式ソレノイドバルブである請求項１０に記載の質量流量制御器。
【請求項１７】
前記力作動式変調制御バルブはパイロット作動式ベローズバルブである請求項１０に記載の質量流量制御器。
【請求項１８】
前記力作動式変調制御バルブは圧力平衡型バルブではない請求項１０に記載の質量流量制御器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は流量制御の分野に関し、より詳細には、力作動式変調制御バルブに関する。
【背景技術】
【０００２】
バルブは、種々の通路を開放、閉鎖、又は部分的に遮断することにより、流体（気体、液体、流動固体、又はスラリー）の流れを調整、方向付け、又は制御する装置である。バルブの１つのタイプにソレノイドバルブがある。ソレノイドバルブは、流体工学において最もよく使用されている制御部材である。ソレノイドバルブは、ソレノイドを通る電流によって制御される。ソレノイドは、電気エネルギーを機械的エネルギーに変換し、さらに、この機械的エネルギーによりバルブが機械的に開閉する。ソレノイドバルブは、迅速かつ安全な切替え、高い信頼性、長い耐用年数、使用する材料の良好な媒体互換性、低い制御動力、及び小型設計を提供する。
【発明の概要】
【０００３】
本発明の実施形態は、力作動式変調制御バルブであって、計量位置の下流に低減された直径を有するバルブシートを備え、動作中の高速の流れストリームとの接触を低減する、力作動式変調制御バルブを含む。１つの実施形態では、前記計量位置の下流の前記低減された直径は、前記バルブシートの底部にのみ実現される。他の実施形態では、前記計量位置の下流の前記低減された直径は、前記バルブシートの全部分に実現される。或る特定の実施形態では、前記バルブシートは、前記計量位置が該バルブシートの外径にあるようにナイフエッジシートを備える。また、或る特定の実施形態では、該力作動式変調制御バルブは、前記バルブシートの計量位置のすぐ外側に配置された流れシールドを備え、高速の流体がスプール組立体の部分に向かって循環することが防止される。１つの実施形態では、前記流れシールドは器具の本体に固定され、流体の力が前記器具の本体に伝達されるようになっている。開示の力作動式変調制御バルブの例示の実施形態は、直動式ソレノイドバルブ及びパイロット作動式ベローズバルブに適用可能である。さらに、開示の力作動式変調制御バルブの実施形態は、圧力平衡バルブ及び非圧力平衡バルブに適用可能である。
【０００４】
さらに、力作動式変調制御バルブの実施形態は、流体流量を制御する質量流量制御器において使用することもできる。例えば、１つの実施形態では、該質量流量制御器は、前記流体を受け取る流入口と、前記流体が該質量流量制御器を通過する流路と、前記流路を通る前記流体の質量流量に対応する信号を提供する質量流量計と、該質量流量制御器の流出口から出る前記流体の前記流量を調節する力作動式変調制御バルブであって、該力作動式変調制御バルブは、計量位置の下流に低減された直径を有するバルブシートを備え、動作中の高速の流れストリームとの接触を低減する、力作動式変調制御バルブと、バルブ制御信号を印加して、前記力作動式変調制御バルブを所望のバルブ位置に調整し、該質量流量制御器の流出口から出る前記流体の前記流量を制御するように構成されている制御器とを備える。
【０００５】
更なる実施形態、利点、及び新規の特徴は、詳細な説明において記載する。
【０００６】
本発明の例示的な実施形態は、添付図面を参照して以下で詳細に記載する。これらの図面は、引用することにより本明細書の一部をなす。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】開示の実施形態に係る圧力平衡型の一般的な力作動式バルブを示す図である。
【図２Ａ】開示の実施形態に係るバルブ位置の小さい変化に起因する流量プロファイルの変化の一例を示す図である。
【図２Ｂ】開示の実施形態に係るバルブ位置の小さい変化に起因する流量プロファイルの変化の一例を示す図である。
【図３Ａ】開示の実施形態に係るノッチ付きシートを備えるバルブの例を示す図である。
【図３Ｂ】開示の実施形態に係るノッチ付きシートを備えるバルブの例を示す図である。
【図３Ｃ】開示の実施形態に係るノッチ付きシートを備えるバルブの例を示す図である。
【図４Ａ】開示の実施形態に係るナイフエッジシートを備えるバルブの例を示す図である。
【図４Ｂ】開示の実施形態に係るナイフエッジシートを備えるバルブの例を示す図である。
【図４Ｃ】開示の実施形態に係るナイフエッジシートを備えるバルブの例を示す図である。
【図５Ａ】開示の実施形態に係るフランジを取り除かれたナイフエッジシートを備えるバルブの例を示す図である。
【図５Ｂ】開示の実施形態に係るフランジを取り除かれたナイフエッジシートを備えるバルブの例を示す図である。
【図６Ａ】開示の実施形態に係るフランジを取り除いて流れシールドを追加されたナイフエッジシートを備えるバルブの一例を示す図である。
【図６Ｂ】開示の実施形態に係るフランジを取り除かずに流れシールドを追加されたナイフエッジシートを備えるバルブの一例を示す図である。
【図７】開示の実施形態に係る標準的なフラットシート構成に関する、様々な動作位置及び流出口圧力での、スプールに対する計算された力を示すグラフである。
【図８】開示の実施形態に係る標準的なフラットシートバルブの大気放出に関する試験データを示すグラフである。
【図９】開示の実施形態に係る標準的なフラットシートバルブの真空放出に関する試験データを示すグラフである。
【図１０】開示の実施形態に係るナイフエッジシートバルブに関する、様々な動作位置及び流出口圧力での、スプールに対する計算された力を示すグラフである。
【図１１】開示の実施形態に係るナイフエッジシートバルブの大気放出に関する試験データを示すグラフである。
【図１２】開示の実施形態に係るナイフエッジシートバルブの真空放出に関する試験データを示すグラフである。
【図１３】開示の実施形態に係るナイフエッジシートバルブの真空放出に関する第２の設定の試験データを示すグラフである。
【図１４】開示の実施形態に係るナイフエッジシート及び流れシールドを備えるバルブに関する計算された力を示すグラフである。
【図１５】開示の実施形態に係る流れシールドを有するナイフエッジシートを備えるバルブ及び大気圧の流出口圧力に関する試験データを示すグラフである。
【図１６】開示の実施形態に係る流れシールドを有するナイフエッジシートを備えるバルブ及び真空の流出口圧力に関する試験データを示すグラフである。
【図１７】開示の実施形態に係る流れシールドを有するナイフエッジシートを備えるバルブ及び真空の流出口圧力に関する第２の設定の試験データを示すグラフである。
【図１８】開示の実施形態に係るフラットシートを備える従来の非平衡バルブの一例を示す図である。
【図１９】開示の実施形態に係るナイフエッジシート及び流れシールドを備える従来の非平衡バルブの一例を示す図である。
【図２０】質量流量制御器の一例を示す図であり、開示のバルブの実施形態は、流量を制御するのに用いることができる。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
開示した実施形態及びそれらの利点は、図面の図１〜図２０を参照することによって最もよく理解される。同様の参照符号は、様々な図面の同様の対応する部分に用いられている。開示した実施形態の他の特徴及び利点は、以下の図及び詳細な説明を検討すると、当業者には明らかであるか、又は明らかとなる。全てのそのような追加の特徴及び利点は、開示した実施形態の範囲内に含まれることが意図されている。さらに、示す図は、例示にすぎず、種々の実施形態を実施することができる環境、アーキテクチャ、設計、又はプロセスに関する限定を主張することも意味することも何ら意図していない。
【０００９】
直動式ソレノイドバルブは、実質的に無限の分解能を提供し、迅速な応答を有し、実質的にヒステリシスがないため、正確な流量制御に用いられることが多い。このタイプのバルブは、ソレノイドの力とばね（複数の場合もある）の復元力との間の平衡を維持することにより位置を定める。さらにまた、このタイプのバルブは、可動シールを有せず、動作に起因する摩耗を生じない。
【００１０】
図１は、一例として、一般的な直動式ソレノイドバルブ１００の主要構成要素を示している。ソレノイドバルブ１００は、スプール組立体１１０及び計量オリフィス１２０を備える。スプール組立体１１０は、磁気プランジャー１１２と、ばね１１４と、テーパー付きプランジャー１１６と、バルブシート１１８とを備える。ソレノイドバルブ１００の設計の欠点は、スプール組立体１１０に対して付加的な力を与える何らかのものがある場合、平衡位置が乱されることである。平衡位置が乱されると、計量される流量が変化する。流量変化によりバルブのスプール組立体１１０に対する力の変化が引き起こされる場合、不安定さ、すなわち振動につながり得る不安定なフィードバックが発生する可能性がある。
【００１１】
開示の実施形態によると、バルブの計量部分を出る際、バルブ変位に関して流速場が不安定であると判断された。例えば、図２Ａ、２Ｂは、バルブ位置の小さい変化(0.001in)に起因する流量プロファイルの変化を示している。例えば、図２Ａは、0.015inのバルブ変位時の流量プロファイルを示している。図に示すように、高速の流れ２１０はバルブシート１１８の底部に密着している（attached）。対照的に、図２Ｂは、0.065inのバルブ変位時の流量プロファイルを示しているが、このとき、高速の流れ２１０はバルブシート１１８から離れている。これにより、バルブスプール組立体１１０に対する圧力が不安定になり、このことは、スプール組立体１１０の動きにより計量される流れが不安定になることにつながる。この問題は、バルブシール１１８がオリフィス１２０よりも実質的に大きい場合のより小さい計量オリフィス１２０及び低い流出口圧力の場合、悪化する。特に、ソレノイドバルブ１００は、器具が高い流入口圧力及び低い流出口圧力で動作する場合、特に振動を起こしやすい。さらに、真空への動作は非常に振動を起こしやすい。
【００１２】
開示される１つの実施形態によると、スプール組立体１１０にダンパーを追加し、安定性を向上させるのが１つの解決策であると判断された。しかし、ダンパーは、反応が遅く、ヒステリシスが加わり、動作によって摩耗する部材を有する可能性がある場合がある。可能性のある別の解決策は、ばねの剛性を増加させることにより、スプール組立体１１０の固有周波数を増加させることである。この変更は、僅かにしか効果的でない場合がある。なぜなら、固有周波数は剛性に僅かにしか相関せず、剛性を増加させることで、バルブ位置を維持するのに必要な力を増加させるためである。
【００１３】
したがって、問題を低減するのにより良い方法は、バルブの設計を変更することであると判断された。特に、１つの実施形態において、図３Ａ〜図３Ｃに示す種々の例に示すように、計量オリフィス１２０の下流のバルブシート１１８の部分１１８Ｒは取り除かれている。こうすることにより、開示の実施形態は、バルブシート１１８を、動作中の高速の流れストリームから遠ざける。バルブシート１１８を流れストリームから遠ざけることにより、位置に伴う力の変化が大幅に低減される。例えば、１つの実施形態において、流れ排出領域におけるバルブシート１１８の直径は、図３Ｄに示すように低減される。
【００１４】
別の実施形態において、バルブシート１１８に対する更なる改良は、図４Ａ、４Ｂに示す異なる実施形態に示すように、ナイフエッジ１２２を用いることと、計量ギャップの流れ出口からバルブスプールの部品を取り除くこととにより、一点に対する接触を低減することである。ナイフエッジ１２２は、最も早い瞬間においてバルブシート１１８からの流れの分離を促進する。好ましい一実施形態において、ナイフエッジ１２２は、バルブシート１１８の領域下の圧力変動がバルブに対する著しい力の作用を有しないように、できるだけ薄くするべきである。
【００１５】
図４Ｃは、現行のバルブシート118Oを備える現行のバルブ設計４００Ａと、開示の実施形態に係るバルブシート１１８Ｎを備えるバルブ設計４００Ｂとを並べて比較する。図４Ｃに示すように、バルブシート１１８Ｎの外側底部は、前に開示した実施形態に記載されているように、動作中の高速の流れストリームとの接触を回避又は低減するように取り除かれている。さらに、バルブシート１１８Ｎは、バルブシート１１８Ｎからの流れの分離を促進するように、一点に対する接触を低減するナイフエッジ１２２を含む。
【００１６】
しかし、別の実施形態では、バルブシート１１８の外側フランジのかなりの部分を取り除くことができる。例えば、図５Ａにおいて、ナイフエッジ１２２を有するバルブシート１１８の外側フランジ部分１２６は、動作中の高速の流れストリームとの接触を最小限にするように取り除かれてもよい。取り除かれる外側フランジ部分１２６の大きさは、異なる実施形態において変化することができる。代替的に、図５Ｂに示すような別の実施形態では、バルブシート１１８の外側部分１２８全体が完全に取り除かれてもよい。これらの実施形態は、流速力が作用する可能性がある平坦領域を更に低減する。
【００１７】
ここで、図６Ａ、６Ｂを参照すると、別の実施形態において、流れシールド１３０をバルブシート１１８のすぐ下流に追加し、振動を引き起こす力を生じ得る、シート領域における流れの再循環を排除又は低減することができる。例えば、図６Ａは、流れシールド１３０が、ナイフエッジ１２２を有するバルブシート１１８に追加され、図５Ａに示すような外側フランジ部分１２６が取り除かれているのを示している。流れシールド１３０の長さ、幅、及び高さは、異なる実施形態において変化することができる。例えば、別の例のように、図６Ｂは、より厚い流れシールド１３０が、ナイフエッジ１２２を有するバルブシート１１８に追加されているのを示し、図５Ａに示すような外側フランジ部分１２６は、バルブシート１１８から取り除かれていない。また、或る特定の実施形態において、流れシールド１３０はバルブ本体に固定され、バルブ位置における力変動の一切の効果を排除する。
【００１８】
図７は、開示の実施形態に係る標準的なフラットシート構成に関する、様々な動作位置及び流出口圧力での、スプールに対する計算された力を示すグラフである。図７に示すように、バルブスプール組立体に対する力は、圧力及び位置の関数である。この力は、高い変位及び低い流出口圧力での圧力に関して方向を変化させる。
【００１９】
図８は、開示の実施形態に係る標準的なフラットシートバルブの大気放出に関する試験データを示すグラフである。特に、図８は、45psiaの流入口圧力及び大気圧の流出口圧力での設置点の動作範囲を超えた標準的なフラットシートバルブの振動挙動を示している。この振動挙動グラフは、以下の２つのデータを示している。すなわち、１）菱形の線は、加速度計によって測定される振動の相対振幅であり、２）正方形の線は、振動の周波数である。実験データに基づいて、振動の相対振幅が−６０ｄＢを上回る場合、振動は、流量制御器の精度の変化を引き起こすのに十分であると判断された。したがって、例示及び比較の目的で、図８、図９、図１１〜図１３、図１５〜図１７に示す試験データチャートの全てに−６０ｄＢの基準線が引かれている。図８、図９、図１１〜図１３、図１５〜図１７に関して、菱形の線が基準線を上回る場合、バルブは性能を低下させるレベルで振動する。例えば、図８のデータに基づくと、菱型の線は基準線を上回ることがないため、バルブの振動は起こらない。
【００２０】
図９は、開示の実施形態に係る標準的なフラットシートバルブの真空放出に関する試験データを示すグラフである。特に、図９は、45psiaの流入口圧力及び真空の流出口圧力での、図８で参照したものと同じフラットシートバルブの性能を示している。これらの動作条件下では、バルブは、図９に示すように１５％〜５０％の設置点で振動する。
【００２１】
図１０は、開示の実施形態に係るナイフエッジシートバルブに関する、様々な動作位置及び流出口圧力での、スプールに対する計算された力を示すグラフである。ナイフエッジシートバルブの例示の実施形態は、図４Ａ〜図４Ｃに示す。図７とは対照的に、流出口圧力の作用のほとんどは取り除かれ、図１０に示すように、全ての曲線が互いに重なっている。しかし、低い流出口圧力の場合の位置に伴う力の変化はまだ存在する。
【００２２】
図１１は、開示の実施形態に係るナイフエッジシートバルブの大気放出に関する試験データを示すグラフである。特に、図１１は、45psiaの流入口圧力及び大気放出圧力でのナイフエッジシートバルブの試験データを示している。データから認められるように、これらのパラメーター下ではこのタイプのバルブシートの動作範囲を超える振動は起こらない。
【００２３】
図１２は、開示の実施形態に係るナイフエッジシートバルブの真空放出に関する試験データを示すグラフである。特に、図１２は、45psiaの流入口圧力及び真空放出圧力でのナイフエッジシートバルブの試験データを示している。これらの条件下では、データは、−６０ｄＢの制限を上回る振動を示さない。しかし、グラフに示すように、５０％の設置点における点はこの制限に非常に近い。
【００２４】
図１３は、開示の実施形態に係るナイフエッジシートバルブの真空放出に関する第２の設定の試験データを示すグラフである。図１３のデータは、流入口圧力が65psiaまで引き上げられ、流出口圧力が真空のままであることを除いて、図１２で試験したものと同じバルブを用いて確定された。これらのより厳しい条件下では、バルブは、グラフに示すように、自由にほとんどの設置点で不所望に振動する。
【００２５】
開示される別の実施形態によると、図１４は、45psiaの流入口圧力での、また種々の流出口圧力を有する、ナイフエッジシート及び流れシールドを備えるバルブの力のグラフを示している。このバルブ構成の非限定的な例が図６Ａ、６Ｂに示す。図１０に示す試験データと同様に、全ての流出口圧力の場合の曲線は互いに重なっている。さらに、高いバルブ上昇における力変動は、このタイプのバルブをこれらの条件設定下で用いる場合、排除されている。
【００２６】
図１５は、開示の実施形態に係る流れシールドを有するナイフエッジシートを備えるバルブ及び大気圧の流出口圧力に関する試験データを示すグラフである。特に、図１５は、45psiaの流入口圧力及び大気圧の流出口圧力での流れシールドを有するナイフエッジシートを備えるバルブの振動のグラフを示している。試験データによって示されているように、このタイプのバルブを用いてこれらの条件設定下では、どの設置点でも振動は観測されない。
【００２７】
図１５とは対照的に、図１６は、45psiaの流入口圧力での、また真空の流出口圧力を有する、流れシールドを有するナイフエッジシートを備えるバルブの試験データを示す、振動のグラフである。一方、図１５と同様に、このタイプのバルブの場合、これらの条件設定下では、どの設置点でも振動は観測されない。
【００２８】
この特定の実施形態の有効性を更に試験するために、図１７は、65psiaの流入口圧力での、また大気圧の流出口圧力を有する、ナイフエッジシート及び流れシールドを有するバルブの振動のグラフを示している。図１５に示す試験データを超えて20psiaの流入口圧力の増加を伴ってさえ、どの設置点でもまだ振動は観測されない。
【００２９】
したがって、開示の実施形態は、従来のバルブシート設計において起こる振動の問題を低減又は排除するバルブシートを提供する。本開示のグラフは、主に力平衡バルブ設計に関するが、開示の実施形態は、圧力平衡特性を有しない従来の力作動式バルブとまた同様に作動する。例えば、図１８は、開示の実施形態を適用することができるフラットシートを備える従来の非平衡バルブを示している。例えば、図１９は、本明細書に開示されているようなナイフエッジシート１２２及び流れシールド１３０の特徴を有する従来の非平衡バルブを示している。
【００３０】
図２０は、質量流量制御器（ＭＦＣ）８００の一例を示す図であり、開示のバルブの実施形態は、流量を制御するのに用いることができる。質量流量制御器８００は、ＭＦＣの構成要素が取り付けられたプラットフォームであるブロック８１０を有する。例えば、１つの実施形態において、熱式質量流量計８４０及びバルブ組立体８５０は、流体流入口８２０と流体流出口８３０との間のブロック８１０に取り付けられる。バルブ組立体８５０はバルブ８７０を備え、バルブ８７０は、本明細書に開示されているバルブのタイプのいずれかとすることができる。熱式質量流量計８４０は、通常は流体流量の大部分が通流するバイパス８４２と、流体流量のそれよりも少ない一部が通流する熱式流量センサー８４６とを備える。
【００３１】
熱式流量センサー８４６は、取り付け板、すなわち基部８０８に取り付けられたセンサーハウジング８０２内に収容されている。センサー８４６は、通常は毛細管と呼ばれる小径の管であり、センサー流入口部分８４６Ａと、センサー流出口部分８４６Ｂと、２つの抵抗コイル、すなわち抵抗巻線８４７、８４８が周囲に配置されているセンサー測定部分８４６Ｃとを有する。動作中、電流が２つの抵抗巻線８４７、８４８に提供され、これらの巻線は、センサー測定部分８４６Ｃと熱接触している。これらの抵抗巻線８４７、８４８内の電流は、測定部分８４６内を流れる流体を、バイパス８４２を通流する流体の温度よりも高い温度に加熱する。巻線８４７、８４８の抵抗は、温度とともに変化する。流体がセンサー導管を通流する際、熱が、上流の抵抗器８４７から下流の抵抗器８４８に向けて運ばれ、この温度差はセンサーを通る質量流量率に比例する。
【００３２】
センサーを通る流体流量に関連した電気信号は、２つの抵抗巻線８４７、８４８から導出される。この電気信号は、抵抗巻線の抵抗の差から又は各巻線を特定の温度に維持するために各抵抗巻線に提供されるエネルギーの量の差から等の複数の異なる方法で導出することができる。熱式質量流量計内の流体の流量率と相関する電気信号を求めることができる様々な方法の例は、例えば、同一出願人の米国特許第6,845,659号に記載されている。この米国特許は、引用することによって本明細書の一部をなす。信号処理後における抵抗巻線８４７、８４８から導出された電気信号はセンサー出力信号を含む。
【００３３】
このセンサー出力信号は、電気信号が測定されたときに流体流量を求めることができるように質量流量計内の質量流量と相関している。センサー出力信号は、通常は、第１にセンサー８４６内の流量と相関し、次いで、この流量は、バイパス８４２内の質量流量と相関し、そのため、流量計を通る総流量を求めることができ、バルブ８７０をそれに応じて制御することができる。センサー出力信号と流体流量との間の相関は複雑であり、流体種、流量率、流入口圧力及び／又は流出口圧力、温度等を含む複数の動作条件に依存する。
【００３４】
未処理のセンサー出力を流体流量と相関させるプロセスは、質量流量制御器のチューニング及び／又は較正を伴う。例えば、質量流量センサーは、既知の流体の既知の量をセンサー部分に通し、或る特定の信号処理パラメーターを調整することによって、流体流量を正確に表す応答を提供するようにチューニングすることができる。例えば、この出力は、センサー出力の０Ｖ〜５Ｖ等の指定電圧範囲が、ゼロからセンサーの範囲の最高値までの流量率範囲に対応するように正規化することができる。この出力は、センサー出力の変化が流量率の変化に線形に対応するように線形化することもできる。出力が線形化された場合、例えば、流体出力を２倍にすると、電気出力が２倍になる。
【００３５】
バイパスをセンサーに更に取り付けることができ、このバイパスは、流量計を通る総流量をセンサー出力信号から求めることができるように、質量流量センサー内を流れる流体と当該バイパス内を様々な既知の流量率で流れる流体との間の適切な関係を定める既知の流体によって特徴付けられる。或る特定の実施形態では、バイパスは用いられず、全流量がセンサーを通過する。質量流量センサー部分及びバイパスは、バルブ８７０及び制御電子機器部分に更に結合することができ、更に既知の条件下で再度チューニングすることができる。制御電子機器及びバルブ８７０の応答は、この場合、設置点又は入力圧力の変化に対するシステムの全体応答が既知であるように特徴付けられ、この応答は、所望の応答を提供するようにシステムを制御するのに用いることができる。
【００３６】
制御電子機器８６０は、所望の質量流量率を示す設置点と、センサー導管内を流れる流体の実際の質量流量率を示す質量流量センサーからの電気流量信号とに従って制御バルブ８７０の位置を制御する。このとき、比例制御、積分制御、比例積分（ＰＩ）制御、微分制御、比例微分（ＰＤ）制御、積分微分（ＩＤ）制御及び比例積分微分（ＰＩＤ）制御等の従来のフィードバック制御方法が、質量流量制御器において流体の流量を制御するのに用いられる。制御信号（例えば、バルブ駆動信号）は、流体の所望の質量流量率を示す設置点信号と、質量流量センサーによって感知された実際の質量流量率に関係したフィードバック信号との間の差である誤差信号に基づいて生成される。バルブ８７０は、主要流体流路（通常、バイパス及び質量流量センサーの下流）に位置決めされ、主要流体流路を通流する流体の質量流量率を変化させるように制御（例えば、開放又は閉鎖）を受けることができ、この制御は、質量流量制御器によって提供される。
【００３７】
数量が特定されていないもの（the singular forms "a", "an" and "the"）は、本明細書において用いられるとき、文脈が複数形を含まないことを明確に示していない限り、複数形も同様に含むように意図されている。「備える」（"comprise" and/or "comprising"）という用語は、この明細書及び／又は特許請求の範囲において用いられるとき、明記した特徴、要素、及び／又は構成要素が存在することを明示しているが、１つ又は複数の他の特徴、要素、構成要素、及び／又はそれらの群が存在すること又は追加されることを排除していないことが更に理解されるであろう。添付の特許請求の範囲における全ての手段又はステップに機能を加えた要素の対応する構造、材料、動作、及び均等物は、その機能を、具体的に請求項に記載されている他の請求項に記載の要素と組み合わせて実行するための任意の構造、材料、又は動作を含むように意図されている。
【００３８】
上記実施形態についての具体的な詳細を説明してきたが、上記は、単なる例示の実施形態として意図されているにすぎず、開示した実施形態の構造も実施態様も限定するように意図されていない。本発明の範囲及び趣旨から逸脱することなく、多くの変更形態及び変形形態が当業者に明らかであろう。実施形態の記述は、特許請求の範囲に記載された本発明の原理及び実用的な用途を説明するとともに、他の当業者が、考慮されている特定の使用に適するように様々な変更を有する様々な実施形態について本発明を理解することを可能にするために選ばれて記載されている。請求項の範囲は、開示した実施形態及び任意のそのような変更を広く包含するように意図されている。
本発明は、以下の特徴を以って実施することができる。
［特徴１］
力作動式変調制御バルブであって、計量位置の下流に低減された直径を有するバルブシートを備え、動作中の高速の流れストリームとの接触を低減する力作動式変調制御バルブ。
［特徴２］
前記バルブシートは、前記計量位置の下流に該バルブシートの底部にのみ前記低減された直径を有する特徴１に記載の力作動式変調制御バルブ。
［特徴３］
前記バルブシートは、前記計量位置の下流に該バルブシートの全部分に前記低減された直径を有する特徴１に記載の力作動式変調制御バルブ。
［特徴４］
前記バルブシートは、前記計量位置が該バルブシートの外径にあるようにナイフエッジシートを備える特徴２に記載の力作動式変調制御バルブ。
［特徴５］
前記バルブシートは、前記計量位置が該バルブシートの外径にあるようにナイフエッジシートを備える特徴３に記載の力作動式変調制御バルブ。
［特徴６］
前記バルブシートの計量位置のすぐ外側に配置された流れシールドを更に備え、高速の流体がスプール組立体の部分に向かって循環することが防止される特徴４に記載の力作動式変調制御バルブ。
［特徴７］
前記流れシールドは器具の本体に固定され、流体の力が前記器具の本体に伝達されるようになっている特徴６に記載の力作動式変調制御バルブ。
［特徴８］
前記力作動式変調制御バルブは直動式ソレノイドバルブである特徴６に記載の力作動式変調制御バルブ。
［特徴９］
前記力作動式変調制御バルブはパイロット作動式ベローズバルブである特徴６に記載の力作動式変調制御バルブ。
［特徴１０］
前記力作動式変調制御バルブは圧力平衡型バルブではない特徴６に記載の力作動式変調制御バルブ。
［特徴１１］
流体の流量を制御する質量流量制御器であって、該質量流量制御器は、
前記流体を受け取る流入口と、
前記流体が該質量流量制御器を通過する流路と、
前記流路を通る前記流体の質量流量に対応する信号を提供する質量流量計と、
該質量流量制御器の流出口から出る前記流体の前記流量を調節する力作動式変調制御バルブであって、該力作動式変調制御バルブは、計量位置の下流に低減された直径を有するバルブシートを備え、動作中の高速の流れストリームとの接触を低減する、力作動式変調制御バルブと、
バルブ制御信号を印加して、前記力作動式変調制御バルブを所望のバルブ位置に調整し、該質量流量制御器の流出口から出る前記流体の前記流量を制御するように構成されている制御器とを備える質量流量制御器。
［特徴１２］
前記バルブシートは、前記計量位置の下流に該バルブシートの底部にのみ前記低減された直径を有する特徴１１に記載の質量流量制御器。
［特徴１３］
前記バルブシートは、前記計量位置の下流に該バルブシートの全部分に前記低減された直径を有する特徴１１に記載の質量流量制御器。
［特徴１４］
前記バルブシートは、前記計量位置が該バルブシートの外径にあるようにナイフエッジシートを備える特徴１２に記載の質量流量制御器。
［特徴１５］
前記バルブシートは、前記計量位置が該バルブシートの外径にあるようにナイフエッジシートを備える特徴１３に記載の質量流量制御器。
［特徴１６］
前記バルブシートの計量位置のすぐ外側に配置された流れシールドを更に備え、高速の流体がスプール組立体の部分に向かって循環することが防止される特徴１４に記載の質量流量制御器。
［特徴１７］
前記流れシールドは器具の本体に固定され、流体の力が前記器具の本体に伝達されるようになっている特徴１６に記載の質量流量制御器。
［特徴１８］
前記力作動式変調制御バルブは直動式ソレノイドバルブである特徴１６に記載の質量流量制御器。
［特徴１９］
前記力作動式変調制御バルブはパイロット作動式ベローズバルブである特徴１６に記載の質量流量制御器。
［特徴２０］
前記力作動式変調制御バルブは圧力平衡型バルブではない特徴１６に記載の質量流量制御器。
【符号の説明】
【００３９】
１００    直動式ソレノイドバルブ
１１０    スプール組立体
１１２    磁気プランジャー
１１６    プランジャー
１１８    バルブシール
１２０    計量オリフィス
１２２    ナイフエッジ
１２６    外側フランジ部分
１２８    外側部分
１３０    シールド
８００    質量流量制御器
８０２    センサーハウジング
８０８    基部
８１０    ブロック
８２０    流体流入口
８３０    流体流出口
８４０    熱式質量流量計
８４２    バイパス
８４６    測定部分
８４６    センサー
８４６    熱式流量センサー
８４６Ａ    センサー流入口部分
８４６Ｂ    センサー流出口部分
８４６Ｃ    センサー測定部分
８４７    巻線（抵抗器）
８４８    巻線（抵抗器）
８５０    バルブ組立体
８６０    制御電子機器
８７０    制御バルブ
【図１】
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【図２Ａ−２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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