(57)【要約】【課題】負荷変化に伴う流量変化に拘わらず、安定した高精度な差圧制御を行うこと。【解決手段】大径ダイヤフラム３７と小径ダイヤフラム４０によるダブルダイヤフラム装置３５を用い、中間の第２ダイヤフラム室４４を大気開放し、上側の第１ダイヤフラム室４３の圧力と下側の第３ダイヤフラム室４５の圧力の差圧が所定値になるように動作し、流量として現れる負荷を代表する圧力を第１ダイヤフラム室４３に導入し、これが弁開方向に作用することにより、負荷の増大に応じて弁体２０のバランス位置を弁開側に変位させる。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一次側ポートと二次側ポートとの間に弁ポートと有し、弁軸方向に移動する弁体によって前記弁ポートの開閉および開度調整を行う差圧動作式流量制御弁において、
第１のダイヤフラム径による大径ダイヤフラムと、前記大径ダイヤフラムの一方の側に連結され前記第１のダイヤフラム径より小さい第２のダイヤフラム径による小径ダイヤフラムとの連結体を有し、
前記大径ダイヤフラムの前記小径ダイヤフラムとの連結側とは反対の側に第１ダイヤフラム室を画定し、前記大径ダイヤフラムと前記小径ダイヤフラムとの間に第２ダイヤフラム室を画定し、前記小径ダイヤフラムの前記大径ダイヤフラムとの連結側とは反対の側に第３ダイヤフラム室を画定し、
前記大径ダイヤフラムと前記小径ダイヤフラムとの連結体に前記弁体が連結され、前記第１ダイヤフラム室の圧力と前記第２ダイヤフラム室の圧力と前記第３ダイヤフラム室の圧力により、前記大径ダイヤフラムに作用する差圧と、前記小径ダイヤフラムに作用する差圧によって前記弁体を弁軸方向に駆動することを特徴とする差圧動作式流量制御弁。
【請求項２】
前記弁体を弁閉方向に付勢する弁閉ばねを有し、
前記第２ダイヤフラム室が大気開放され、前記第１ダイヤフラム室の圧力が弁開方向に作用し、前記第３ダイヤフラム室の圧力が弁閉方向に作用することを特徴とする請求項１記載の差圧動作式流量制御弁。
【請求項３】
前記弁体の弁軸に連結され、電磁力によって前記弁体を開閉駆動する電磁コイル装置を有していることを特徴とする請求項１または２記載の差圧動作式流量制御弁。
【請求項４】
前記二次側ポートと直接連通している二次室の側、あるいは前記一次側ポートと直接連通している一次室の側に均圧室を設けられており、
前記均圧室が二次室の側の場合には、該均圧室は均圧通路によって一次室に連通して、当該均圧室の圧力（一次側圧力）が二次室の圧力に対向して前記弁体に作用し、
前記均圧室が一次室の側の場合には、該均圧室は均圧通路によって二次室に連通して、当該均圧室の圧力（二次側圧力）が一次室の圧力に対向して前記弁体に作用することを特徴とする請求項１〜３の何れか１項記載の差圧動作式流量制御弁。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、差圧動作式流量制御弁に関し、特に、２種の異なる流体回路の差圧制御を行う差圧動作式流量制御弁に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
化学プラント、エネルギ機器等において、２種の異なる流体回路の差圧を所定値に保つプロセス制御を行う場合、差圧に応動する流量制御弁（圧力制御弁）を一方の流体回路に組み込み、流量制御弁によって他方の流体回路の圧力に応じて一方の流体回路の流量（圧力）制御を行い、２つの流体回路の差圧を所定値に保つことができる。
【０００３】
上述のプロセス制御に行う流量制御弁としては、一方の側に第１受圧室を、他方の側に第２受圧室を各々画定するダイヤフラムのような感圧要素を含み、この感圧要素の一方の側に作用する第１受圧室の圧力と感圧要素の他方の側に作用する第２受圧室の圧力との差圧によって弁体を弁軸方向に開閉駆動する差圧動作式の流量制御弁がある。
【０００４】
上述の差圧動作式流量制御弁では、第１受圧室には他方の流体回路の圧力を導入し、第２受圧室には一方の流体回路の圧力を導入し、第１受圧室の圧力が弁開方向に作用し、第２受圧室の圧力が弁閉方向に作用することにより、他方の流体回路の圧力が増大すると、開弁量が増加し、この開弁量の増加に伴って一方の流体回路の圧力が増加すると、開弁量が低減し、或る開弁量にてバランスして２つの流体回路の差圧が所定値に保たれる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述の差圧動作式流量制御弁では、流量が多く、これに伴って流体回路の圧力が高いときも、逆に、流量が少なく、これに伴って流体回路の圧力が低いときも、感圧要素の一方の側に作用する第１受圧室の圧力と感圧要素の他方の側に作用する第２受圧室の圧力との差圧により生じる力は、等しく、弁開度としては、同開度でバランスする。
【０００６】
このため、流量があまり大きく変化しない場合には、問題を生じないが、流量がプラント負荷に相関し、プラント負荷の変動に伴う流量変化量が大きい場合には、大流量側で、バランス過程での開閉弁の繰り返しが頻繁になり、所謂、ハンチング現象が発生し、安定した制御を行うことが難しくなる。
【０００７】
たとえば、プラント負荷の増大したことにより流量が増加し、これに伴い第１受圧室の圧力が増大すると、開弁量が増加する。開弁量が増加すると、一方の流体回路の流量が増加し、これに伴い第２受圧室の圧力が増大するので、開弁量が低減する。開弁量が低減すると、一方の流体回路の流量が低減する。この結果、弁体は開閉を繰り返し、制御が安定しない。
【０００８】
この発明は、上述の如き問題点を解消するためになされたもので、負荷変化に伴う流量変化に拘わらず、安定した高精度な差圧制御を行う差圧動作式流量制御弁を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、この発明による差圧動作式流量制御弁は、一次側ポートと二次側ポートとの間に弁ポートと有し、弁軸方向に移動する弁体によって前記弁ポートの開閉および開度調整を行う差圧動作式流量制御弁において、第１のダイヤフラム径による大径ダイヤフラムと、前記大径ダイヤフラムの一方の側に連結され前記第１のダイヤフラム径より小さい第２のダイヤフラム径による小径ダイヤフラムとの連結体を有し、前記大径ダイヤフラムの前記小径ダイヤフラムとの連結側とは反対の側に第１ダイヤフラム室を画定し、前記大径ダイヤフラムと前記小径ダイヤフラムとの間に第２ダイヤフラム室を画定し、前記小径ダイヤフラムの前記大径ダイヤフラムとの連結側とは反対の側に第３ダイヤフラム室を画定し、前記大径ダイヤフラムと前記小径ダイヤフラムとの連結体に前記弁体が連結され、前記第１ダイヤフラム室の圧力と前記第２ダイヤフラム室の圧力と前記第３ダイヤフラム室の圧力により、前記大径ダイヤフラムに作用する差圧と、前記小径ダイヤフラムに作用する差圧によって前記弁体を弁軸方向に駆動する。
【００１０】
この発明による差圧動作式流量制御弁によれば、基本的には、第２ダイヤフラム室を大気開放し、第１ダイヤフラム室の圧力と第３ダイヤフラム室の圧力の差圧が所定値になるように動作し、流量として現れる負荷を代表する圧力が第１ダイヤフラム室に導入され、これが弁開方向に作用することにより、負荷の増大に応じて弁体のバランス位置が弁開側に変位する。
【００１１】
この場合、更に、前記弁体を弁閉方向に付勢する弁閉ばねを設け、前記第１ダイヤフラム室の圧力が弁開方向に作用し、前記第３ダイヤフラム室の圧力が弁閉方向に作用するようにすればよい。
【００１２】
また、この発明による差圧動作式流量制御弁は、応答遅れを補償するために、前記弁体の弁軸に連結され、電磁力によって前記弁体を開閉駆動する電磁コイル装置を有していてよい。
【００１３】
また、この発明による差圧動作式流量制御弁は、好ましくは、差圧の影響を弁体が受けないよう、前記二次側ポートと直接連通している二次室の側、あるいは前記一次側ポートと直接連通している一次室の側に均圧室を設けられており、前記均圧室が二次室の側の場合には、該均圧室は均圧通路によって一次室に連通して、当該均圧室の圧力（一次側圧力）が二次室の圧力に対向して前記弁体に作用し、前記均圧室が一次室の側の場合には、該均圧室は均圧通路によって二次室に連通して、当該均圧室の圧力（二次側圧力）が一次室の圧力に対向して前記弁体に作用する構成にすることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に添付の図を参照してこの発明の実施の形態を詳細に説明する。
（実施形態１）
図１はこの発明による差圧動作式流量制御弁の実施形態１を示している。
【００１５】
差圧動作式流量制御弁は、弁ハウジング１１を有している。弁ハウジング１１には、入口ポートである一次側ポート１２と、出口ポートである二次側ポート１３と、一次室１４と、弁ポート１５と、二次室１６と、ばね収容室（均圧室）１７とが形成されている。
【００１６】
一次室１４は弁ポート１５より上側にあって一次側ポート１２に直接連通している。二次室１６は、弁ポート１５の下側にあって弁ポート１５を介して一次室１４に連通し、連通路１８によって二次側ポート１３に直接連通している。
【００１７】
弁ポート１５の二次室１６側の開口縁部にはリング状のゴム弁座部材１９が弁ハウジング１１に固定されている。二次室１６には弁体２０が設けられている。
【００１８】
弁体２０は、弁軸方向（上下方向）に移動可能であり、ゴム弁座部材１９に対する軸線方向の位置関係により、弁ポート１５の開度を設定する。弁体２０は、図１で見て下方への移動により弁ポート１５の開度（弁開量）を増大し、これとは逆の上方への移動により、弁ポート１５の開度（弁開量）を減少する。
【００１９】
弁体２０には、一次側ポート１２の一次側圧力Ｐａ１に等しい一次室１４の内圧と二次側ポート１３の二次側圧力Ｐａ２に等しい二次室１６の内圧との差圧ΔＰａ＝Ｐａ１−Ｐａ２が作用する。差圧ΔＰａが弁体２０に作用する面積は、弁ポート１５の内径（弁体２０の有効受圧径）φＶにより決まる。
【００２０】
弁体２０の一方の側（上側）には弁軸２１が一体に設けられている。弁軸２１は、弁ポート１５、一次室１４を上下方向に横切って延在し、一次室１４の天井面１４Ａに開口している弁軸支持孔２２に貫通係合して弁ハウジング１１より支持され、上端部２１Ａにて後述するダブルダイヤフラム装置３５に連結されている。
【００２１】
ばね収容室１７は、二次室１６の更に下側にあり、下側を弁ハウジング１１のねじ部１１Ａにねじ止めされた固定側ばねリテーナ２３によって閉じられ、上側を可撓性の均圧ダイヤフラム２４によって二次室１６と区画され、密閉室構造をなしている。
【００２２】
弁ハウジング１１には一次室１４とばね収容室１７とを連通接続する内部均圧通路２５が形成されている。これにより、ばね収容室１７の内圧は一次室１４の内圧に等しくなり、ばね収容室１７が一次側圧力Ｐａ１を及ぼされる均圧室になる。
【００２３】
均圧ダイヤフラム２４は、外周縁を、弁体２０の全開位置を設定するストッパリング部材２６と共にリング形状の固定ねじ部材２７によって弁ハウジング１１に気密に固定されている。均圧ダイヤフラム２４は、中心部（内周縁）を、弁体２０の先端部の小径軸部２０Ａに固定されたボール受け部材２８によって弁体２０に気密に接続されている。
【００２４】
均圧ダイヤフラム２４には、二次室１６の内圧（二次側圧力）Ｐａ２とばね収容室１７の内圧、すなわち、一次室１４の内圧（一次側圧力）Ｐａ１との差圧ΔＰａが作用する。差圧ΔＰａが均圧ダイヤフラム２４に作用する面積は、均圧ダイヤフラム２４の有効受圧径φＤ３により決まり、図示されている実施形態では、均圧ダイヤフラム２４の有効受圧径φＤ３は弁ポート１５の内径（弁体２０の有効受圧径）φＶと等しい寸法（φＶ＝φＤ３）に設定されている。
【００２５】
ばね収容室１７には可動ばねリテーナ２９が軸線方向（弁軸方向）に可動配置されている。可動ばねリテーナ２９と固定側ばねリテーナ２３との間には弁閉ばね（調整ばね）３０が設けられている。
【００２６】
可動ばねリテーナ２９の上面部は球面受座部になっており、この球面受座部と弁体２０の側のボール受け部材２８との間にはボール部材（鋼球）３１が挟まれている。ボール部材３１は、固定ねじ部材２７の内径部２７Ａに所定の空隙をもって係合することにより、固定ねじ部材２７により軸線方向に可動支持されている。
【００２７】
ボール部材３１は、一方において可動ばねリテーナ２９の球面受座部に球面関節式に当接し、他方においてボール受け部材２８に球面関節式に当接し、弁体２０と可動ばねリテーナ２９との間で自動求心接続構造をなし、弁閉ばね３０のばね力を上向きの弁閉力として弁体２０に伝達している。
【００２８】
ダブルダイヤフラム装置３５は、弁ハウジング１１の上部に固定された上蓋３６と、外周縁を弁ハウジング１１と上蓋３６とに挟まれて弁ハウジング１１に固定された第１のダイヤフラム径Ｄ１による可撓性の大径ダイヤフラム３７と、大径ダイヤフラム３７の内周縁を接続された中央当金部材３８と、外周縁を弁ハウジング１１と止金具３９とに挟まれて弁ハウジング１１に固定され、内周縁を中央当金部材３８に接続された第２のダイヤフラム径Ｄ２による可撓性の小径ダイヤフラム４０と、上蓋３６と中央当金部材３８との間に設けられた補助ばね４１と、弁ハウジング１１と中央当金部材３８との間に設けられた補助ばね４２Ａ、４２Ｂとを有し、中央当金部材３８に弁棒２１の上端部２１Ａが係合している。なお、第２のダイヤフラム径Ｄ２は第１のダイヤフラム径Ｄ１より小さく、Ｄ１＞Ｄ２である。
【００２９】
ダブルダイヤフラム装置３５は、大径ダイヤフラム３７の上側に第１ダイヤフラム室４３を画定し、大径ダイヤフラム３７と小径ダイヤフラム４０との間に第ダイヤフラム室４４を画定し、小径ダイヤフラム４０の下側に第３ダイヤフラム室４５を画定している。
【００３０】
第１ダイヤフラム室４３には上蓋３６に形成された圧力ポート４６より流体回路Ｂの流体圧力Ｐｂが導入される。第２ダイヤフラム室４４は弁ハウジング１１に形成された大気開放ポート４７によって大気開放され、第２ダイヤフラム室４４には大気圧が及ぼされる。第３ダイヤフラム室４５には弁ハウジング１１に形成された圧力ポート４８より流体回路Ａの二次側圧力Ｐａ２が導入される。
【００３１】
図２に示されているように、大径ダイヤフラム３７の有効受圧径がφＤ１で、大径ダイヤフラム３７の感圧有効面積をＡｄ１、小径ダイヤフラム４０の有効受圧径がφＤ２で、小径ダイヤフラム４０の感圧有効面積をＡｄ２、弁閉ばね３０のばね荷重をＷ１、補助ばね４１、４２Ａ、４２Ｂのばね荷重を各々Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４と、弁口径有効面積をＡｖ、均圧ダイヤフラム２４の感圧有効面積をＡｄ３とすると、当該差圧動作式流量制御弁の平衡式は下式（１）で表される。式（１）において、左辺が下向き力（弁開力）、右辺が上向き力（弁閉力）である。
（Ａｄ１−Ａｄ２）Ｐｂ＋Ａｄ２・Ｐｂ＋Ｗ２＋Ａｖ・ΔＰａ＝Ａｄ２・Ｐａ２＋Ｗ１＋Ｗ３＋Ｗ４＋Ａｄ３・ΔＰａ　　…（１）
【００３２】
補助ばね４１、４２Ａ、４２Ｂは、大気圧状態で、大径ダイヤフラム３７、小径ダイヤフラム４０、中央当金部材３８を初期位置に保持するもので、補助ばね４１のばね荷重Ｗ２と補助ばね４２Ａ、４２Ｂのばね荷重Ｗ３、Ｗ４を相殺することができる。
【００３３】
φＤ＝φＤｆで、Ａ＝Ａｆ３であるから、Ａｖ・ΔＰａとＡｄ３・ΔＰａは相殺キャンセルされ、弁体２０が、一次側圧力Ｐａ１と二次側圧力Ｐａ２との差圧ΔＰａの影響を受けることがない。
【００３４】
これにより、差圧動作式流量制御弁の実効平衡式は下式（２）で表される。
（Ａｄ１−Ａｄ２）Ｐｂ＋Ａｄ２・Ｐｂ＝Ａｄ２・Ｐａ２＋Ｗ１　　…（２）
【００３５】
この平衡式において、左辺の（Ａｄ２・Ｐｂ）と右辺の（Ａｄ２・Ｐａ２）とが流体回路Ａの流体回路Ｂの差圧を検知する項であり、左辺の｛（Ａｄ１−Ａｄ２）Ｐｂ｝が負荷（流体回路Ｂの流量）を検知する項である。
【００３６】
この差圧動作式流量制御弁の基本制御は、一次側ポート１２と二次側ポート１３に接続される配管による流体回路Ａの圧力（二次側圧力Ｐａ２）と、流体回路Ａとは別の流体回路Ｂの流体圧力Ｐｂとの差圧を所定値に制御する差圧制御である。
【００３７】
この差圧制御は、Ｗ１＝０であれば、Ａｄ２・Ｐｂ＝Ａｄ２・Ｐａ２で、Ｐｂ＝Ｐａ２（差圧：Ｐｂ−Ｐａ２＝０）となるように行われ、弁ハウジング１１のねじ部１１Ａにねじ止めされた固定側ばねリテーナ２３のねじ止め位置の調整により、弁閉ばね３０のばね荷重Ｗ１を調整することで、任意の差圧設定値とすることができる。
【００３８】
｛（Ａｄ１−Ａｄ２）Ｐｂ｝により表される下向きの力（弁開力）が弁体２０に作用する。この弁開力により、流体回路Ｂの圧力Ｐｂの増加、換言すれば、流体回路Ｂの流量増加、すなわち、負荷の増加に応じて、弁体２０の弁開度バランス位置が弁開方向に変位する。
【００３９】
これにより、大流量でもバランス過程で、弁体２０が頻繁に開閉移動するハンチング現象が生じることがなく、流量変化に拘わらず、安定した高精度な差圧制御が行われる。
【００４０】
（実施形態２）
図３はこの発明による差圧動作式流量制御弁の実施形態２を示している。なお、図３において、図１に対応する部分は、図１に付した符号と同一の符号を付けて、その説明を省略する。
【００４１】
この実施形態では、応答遅れを補償するために、弁軸２１に連結され、電磁力によって弁体２０を開閉駆動する電磁コイル装置６１が設けられている。
【００４２】
電磁コイル装置６１は、上蓋３６に固定された吸引子６２と、吸引子６２の下端外側に固定された底板６３および底板６３に取り付けられた外凾６４と、吸引子６２の上部に固定されたプランジャケース６５と、外凾６４の上端部に装着された磁気ガイド部材６６とを有しており、プランジャケース６５内にプランジャ室６７を画定している。
【００４３】
プランジャ室６７はプランジャ６８を収容している。プランジャ６８にはプランジャロッド６９の上端が固定されている。プランジャロッド６９の下端はダブルダイヤフラム装置３５の中央当金部材３８に係合している。プランジャケース６５とプランジャ６８との間にはプランジャばね７０が設けられている。
【００４４】
外凾６４の内側には吸引子６２及びプランジャケース６５の外周部に嵌合した電磁コイル部７１が設けられており、電磁コイル部７１の励磁により、吸引子６２の上端面がプランジャ６８の磁気吸引面７２となる。
【００４５】
電磁コイル装置６１は、弁開度が大きく変化する過渡状態時に、ダブルダイヤフラム装置３５の応答遅れを補償するために、弁体２０を開閉駆動し、ダブルダイヤフラム装置３５の応答遅れによる障害を回避する。
【００４６】
なお、上述の何れの実施形態でも、均圧室（ばね収容室１７）が二次室１６の側に設けられている場合について述べたが、均圧室は一次室１４の側に設けることもでき、この場合には、均圧室は均圧通路によって二次室１４に連通し、二次側圧力Ｐａ２が一次室１４の圧力（一次側圧力Ｐａ１）に対向して弁体２０に作用する構成とする。
【００４７】
【発明の効果】
以上の説明から理解される如く、この発明による差圧動作式流量制御弁によれば、差圧が所定値になるように動作すると共に、負荷を検知して負荷に応じて弁開度バランス位置を変更できるから、流量変化（負荷変化）に拘わらず、安定した高精度な差圧制御が行われるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による差圧動作式流量制御弁の実施形態１を示す断面図である。
【図２】この発明による差圧動作式流量制御弁のダブルダイヤフラム装置の圧力作用状態を示す説明図である。
【図３】この発明による差圧動作式流量制御弁の実施形態２を示す断面図である。
【符号の説明】
１１　弁ハウジング
１２　一次側ポート
１３　二次側ポート
１４　一次室
１５　弁ポート
１６　二次室
１７　ばね収容室（均圧室）
２０　弁体
２１　弁軸
２３　固定側ばねリテーナ
２４　ダイヤフラム
２９　可動ばねリテーナ
３０　弁閉ばね
３１　ボール部材
３５　ダブルダイヤフラム装置
３７　大径ダイヤフラム
４０　小径ダイヤフラム
４３　第１ダイヤフラム室
４４　第２ダイヤフラム室
４５　第３ダイヤフラム室
６１　電磁コイル装置
６２　吸引子
６８　プランジャ
７１　電磁コイル部
【図１】
2004019907.tif 000003
【図２】
2004019907.tif 000004
【図３】
2004019907.tif 000005