(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体制御バルブであって、
流体入口、流体出口、および該流体入口と流体出口との間の流体通路を有する弁箱と、
流体を一方のケージ端部から受け入れるケージ内部、および、他方のケージ端部において該ケージ内部と連通するキャップ開口を有するキャップ部を備えたケージ部材と、
上記弁箱内に組み込まれ、キャップ開口の近接位置からキャップ開口を離れた位置に柔軟に動いて流体入口と流体出口との間の流体流れを制御する柔軟なダイアフラムと、
上記ケージ内部に、上記他方のケージ端部およびキャップ開口を通過する流体の剥離を低減し、流体が他方のケージ端部から出てキャップ開口に入るときの流れ回復の所要領域を低減するための流れそらせ手段と
を備えており、
上記ケージ部材が、流体を上記流体入口から上記ケージ内部を通して上記キャップ開口を連続的に通過せしめて上記流体出口に至らしめる流体通路の内部に組み込まれてなり、
上記流れそらせ手段が、上記一方のケージ端部から他方のケージ端部にかけてのケージ内部容積減少部分と、上記他方のケージ端部から連続して続く、ケージ内部の内方へ突出した段を有する段部とを有してなる、流体制御バルブ。
【請求項２】
上記流れそらせ手段が、上記一方のケージ端部から他方のケージ端部にかけてのケージ内部容積減少部分と、上記他方のケージ端部から連続して続くケージ内部容積実質的コンスタント部分とを有してなる請求項１記載の流体制御バルブ。
【請求項３】
上記段部がケージ内部容積実質的コンスタント部分を有してなる請求項１記載の流体制御バルブ。
【請求項４】
他方のケージ端部とキャップ開口との間のキャップ部上に、流体入口から流体出口への流体流れを信頼性を持って阻止するために上記ダイアフラムが流体をシールするように着座するための隆起弁座を有してなる請求項１記載の流体制御バルブ。
【請求項５】
ダイアフラム中央取付部を有しており、上記ダイアフラムが該ダイアフラム中央取付部内に取り付けられるダイアフラム中央部を有しており、上記ダイアフラム中央取付部が、ダイアフラム板と、ダイアフラムの一方側に配設された、上記ダイアフラムを上記隆起弁座に着座させるためにダイアフラム板を付勢するためのばね手段とを有してなる請求項４記載の流体制御バルブ。
【請求項６】
上記ダイアフラム中央取付部が、上記ダイアフラムの他方側にダイアフラムヘッドを有しており、該ダイアフラムヘッドが、上記ケージ内部を通過する流体をそらせるための突出鼻部を有してなる請求項５記載の流体制御バルブ。
【請求項７】
上記ケージを弁箱に取り付けるための、上記キャップ部に係止された保持リングを備えており、該保持リングが、上記キャップ開口と協働して流体制御バルブの流量キャパシティーを好ましく減少させるための流体阻止指部を有してなる請求項４記載の流体制御バルブ。
【請求項８】
上記ケージの周囲であり、且つ、キャップ開口から流体出口への流体流れの中に位置して上記流体流れの騒音を減衰するための有孔部材を備えてなる請求項４記載の流体制御バルブ。
【請求項９】
上記ダイアフラムの中央部に連結された、上記ダイアフラムを上記キャップ開口に向けてまたそこから離れるように動かすための弁棒と、弁箱内部に配設された、弁棒の移動を案内するためのガイド手段とを有してなる請求項４記載の流体制御バルブ。
【請求項１０】
上記弁箱側に取り付けられた、上記弁棒と協働して流体制御バルブの開度を示すストローク指示器を有してなる請求項９記載の流体制御バルブ。
【請求項１１】
上記弁棒を駆動するために、該弁棒に連結されたアクチエータを備えてなる請求項９記載の流体制御バルブ。
【請求項１２】
上記ダイアフラムの両側を相互に連通する吸引通路を備えてなる請求項１記載の流体制御バルブ。
【請求項１３】
上記ダイアフラムの一方側に負荷室を画するようにダイアフラムを弁箱に取り付けるためのダイアフラム取付手段と、上記負荷室をダイアフラムの反対側に連通する該ダイアフラム取付手段を貫通して延びる吸引通路とを備えてなる請求項１記載の流体制御バルブ。
【請求項１４】
上記ダイアフラムヘッドに取り付けられた弾力性を有するシール部材を備えており、該シール部材が、流体入口から流体出口への流体流れを阻止するための一次閉止を提供するために上記ケージの他方のケージ端部に係合しうるようにされてなる請求項６記載の流体制御バルブ。
【請求項１５】
上記隆起弁座が、上記ダイアフラムが着座するための鋭利な着座用端縁を有してなる請求項４記載の流体制御バルブ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は流体制御バルブに関し、さらに詳しくは、流れ制御のために制御器オリフィスを閉止する弾性ダイアフラム要素を備えた流体制御器または絞り弁に関する。
【背景技術】
【０００２】
本出願は１９９６年８月２１日に出願された米国仮出願（Ｓ／Ｎ６０／０２４／、４１５）の利益をクレームするものである。
【０００３】
ガス圧制御器のような流体制御器は、システム内の圧力を許容限度内に維持するための補助としてガス配管に一般的に用いられている。例として、ガス圧制御器の第一の機能は、この制御器を流れるガス流量を上記システムのガス需要量に一致させることである。また、このガス圧制御器はシステム内圧力を許容限度内に維持しなければならない。
【０００４】
ある種のかかるガス圧制御器においては、制御器の流体入力部と出力部との間にケージがダイアフラム組立物とともに挿入されており、ダイアフラム組立物はばね力によってケージ頂端部の弁座に着座させられる。かかる構造においては、とくに低流量条件下でたまに信頼性の低い流体シールが認められる。
【０００５】
このような従来の制御器のいくらかにおいては、ダイアフラム組立物が複数の複雑な構造の要素を有しており、要求されるものより大型化し且つ製造コストが上昇している。他の従来型制御器のいくらかにおいては、ケージ頂端部のオリフィス開口を覆う平坦な板を用いることによってダイアフラム組立物の構成部品を最小限に抑えている。しかしながら、そのような従来の制御器においては、ダイアフラムがオリフィス上方の全開位置にあるときでさえ流通路がふさがれ、オリフィスが実質的に開状態にならず、制御器を通過する流体の流量を減少させてしまう。この望ましくない構造は要求されたより低い流量キャパシティーを招来する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
以上を背景として、コンパクト制御器内に収まって高い流量キャパシティーを実現することができ、しかも製造コストおよび組立コストを低減するために構成部品の少ないダイアフラムを備えた流体制御器が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
流体制御バルブには、流体入力部と流体出力部とこれらの間の流体通路とを有する弁箱が備えられている。上記流体通路内にケージ要素が挿入されており、これが流体をこのケージおよび上記流体入力部と出力部との間の頂部オリフィスを通過せしめる。上記入力部と出力部との間を通過する流体を制御するために、ダイアフラム組立物が上記ケージオリフィスの上部に可動状態で取り付けられている。
【０００８】
上記ダイアフラム組立物は、円形を呈した弾性ダイアフラムを備えており、この弾性ダイアフラムは成型屈曲部が接続された平坦中央部を有している。上記成型屈曲部は、その一実施例によれば、凹状の周部に連続した環状の尾根部を有している。他の実施例の成型屈曲部には、ダイアフラムの平坦な中央部および平坦な取付周部それぞれに連続した隆起環状尾根部が形成されている。上記弾性ダイアフラム要素はニトリル系材料または他の弾性材料から形成されている。
【０００９】
制御器の閉位置においてはダイアフラムの平坦中央部はケージ頂端部をカバーするように延びて制御器オリフィスを閉止し、入力部、通路および出力部を通過する流体の流れを阻止する。上記オリフィスを開く制御器の動作に応答して、弾性ダイアフラム要素は、その凹状の上記周部が凸状の周部に切り替わることにより、または、上記第二例の隆起した尾根部が外方へ延びることにより、ケージ頂端部から離れるように柔軟に動き、いずれの場合であっても制御器オリフィスを全開状態にする。このオリフィスの全開状態にあっては、この種の従来の制御器に較べてより大きな許容流体圧力で使用することを可能にする。
【００１０】
ダイアフラム保持リングには、閉止状態においてダイアフラムの環状尾根部に適合する外周面が形成されている。ダイアフラムの上記と反対側において、ダイアフラムが全開位置に向けて曲がり、上記凹状周部が凸状周部に切り替わるかまたは上記隆起環状尾根部が延ばされたときに、ダイアフラムに適合するようにされた内面を有するダイアフラム取付フランジが制御器ボンネットに備えられている。
【００１１】
本発明の改良されたダイアフラム組立物は、その一方側のダイアフラムヘッドと他方側の平坦ダイアフラム板とによって中心部が保持され、それにより、たとえば無負荷制御器における従来の弁体／ばね加重を負荷する構造を通して着座力が提供される。上記ダイアフラムヘッドはまた、ダイアフラムのエロージョンを防止し且つ容量（キャパシティー）を向上させるための流れそらせ手段としても作用する。または、ダイアフラム中央保持部材にドリル穿孔によって負荷／アクチエータ式制御器にバランスポートを形成し、それにより、平衡弁体隔膜型バルブを提供することができる。したがって、弾性ダイアフラム組立物を備えた本発明の圧力制御器は、高容量であり、コンパクトな構造を持ち、インラインメンテナンスが可能な、負荷式および無負荷式の制御バルブとなりうる。
【００１２】
本発明の好ましい実施例においては、絞り弁のような流体制御バルブは、流体入口、流体出口、および該流体入口と流体出口との間の流体通路を有する弁箱を備えている。ケージ部材は、流体を一方のケージ端部から受け入れるケージ内部、および、他方のケージ端部において該ケージ内部と連通するキャップ開口を有するキャップ部を備えている。このケージ部材は、流体を上記流体入口から上記ケージ内部を通して上記キャップ開口を連続的に通過せしめて上記流体出口に至らしめる流体通路の内部に組み込まれている。フレキシブルなダイアフラムが、キャップ開口の近接位置からキャップ開口を離れた位置に柔軟に動いて流体入口と流体出口との間の流体流れを制御するように、上記弁箱内に組み込まれている。流れそらせ手段が上記ケージ内部に組み込まれており、上記ケージ頂端部およびキャップ開口を通過する流体の剥離を低減し、ケージ頂端部から出てキャップ開口に入って上記流体出口に向かう流体の流れ回復の所要範囲を低減する。
【００１３】
一の実施例においては、上記流れそらせ手段に、流体が連続してケージの頂端部に流れる方向に見て、ケージ底部のケージ入口からケージ出口にかけて容積が減少するケージ内部容積減少部分と、そこから連続するケージ内部容積実質的コンスタント部分とが形成されている。このケージ内部容積実質的コンスタント部分の前のケージ内部容積減少部分は、剥離を最小限に抑えて流体流れをケージ頂端部の付近に曲げる傾向にあり、それにより、流体がキャップ開口に入る前に通常必要とされる流れ回復領域の大きさを減少させる。他の実施例においては、流れそらせ手段は、ケージ底部からケージ頂端部に流体が進むにつれて内部容積が減少するケージ内部容積減少部分と、それに続く、ケージ頂端部に連続する突出部が形成されるようにケージ内部の内方へ突出した段部とを有している。段および突出部は鋭利であっても丸みを帯びていてもよい。いずれの場合にも、この流れそらせ手段は流体がケージ頂端部から出てキャップ開口に入るときに流体流れの剥離を減少させる。ケージの頂端部に連続するケージ内部容積実質的コンスタント部分を上記段部に含ませることもできる。
【００１４】
隆起弁座が、ケージのキャップ部の上における、流体がケージから出る部分であるケージ頂端部とキャップ開口との間に形成されている。上記隆起弁座は、緩慢流における低乱流且つ低流速となっているところに位置するのが好ましい。そうすることにより、全ての流れ条件下で隆起弁座に対するダイアフラムの信頼性の高いシールが可能となる。上記全ての流れ条件には、従来の制御バルブでは流体のシールに関する問題が生じるような条件も含む。さらに、流れそらせ手段が絞り部分の付近で流れの剥離を減少させるので、上記弁座を、従来の装置に要求される流量キャパシティーの損失を避けるように効果的に配置することができる。加えて、流れそらせ手段は、望ましい隆起した鋭利弁座つまりナイフエッジ弁座を、弁座上の異物の蓄積を大幅に低減しうるようにケージキャップ上の範囲に位置させることができる。
【００１５】
上記ケージを弁箱内に取り付けるための保持リングが上記キャップ部に配設されている。この保持リングは、全流量が通過しうる中空リング構造とすることができ、また、制御器の流量キャパシティーを所望に減少させるために上記キャップ開口に適合する流れ閉止指部を内部に有する構造とすることもできる。この構造によれば、単に指部のない保持リングや所望本数の指部を有する保持リングに取り替えるだけで、幾通りの容量条件に対しても一個のケージの使用で済む。または、この保持リングを単一の鋳造によってケージと一体化することも可能である。
【００１６】
ダイアフラム中央支持部材がダイアフラムの中央部に取り付けられており、このダイアフラム中央支持部材は、両者でダイアフラムの中央部を挟む弁体形状の下部ダイアフラムヘッドと平坦上部ダイアフラム板とを有している。ダイアフラムの一方側にある負荷室と他方側とを連通する吸引通路が、上記ダイアフラム中央支持部材を貫通して延びている。
【００１７】
他の実施例においては、前述の制御バルブ内に騒音低減器を備えている。この騒音低減器は、流体中の騒音を減衰するように、流体の流れ方向に見たキャップ開口と流体出口との間であってケージの周囲に配置された有孔部材を有している。必要な減衰レベルに応じて、乱流によって生じる騒音が低減するように流れを拡散する一個以上の有孔部材をケージの周囲に組み込むことも可能である。
【００１８】
上記ダイアフラムをキャップ開口に向けてまたそこから離れるように動かすための弁棒がダイアフラムの中央部に連結されており、弁箱内の通路がこの弁棒を収容し、その移動を案内している。この案内された弁棒構造はダイアフラムを安定させる。また、この弁棒の案内に代えて、弁箱内に案内されるスカート部を上記ダイアフラム組立物に備えてもよい。目盛りを有するストローク指示器が弁箱側に取り付けられており、弁棒に配設された指針と協働して弁棒の位置を示し、それによってバルブの開度を示すようにされている。
【００１９】
本発明のさらなる実施例においては、上記ダイアフラム駆動の弁棒が、負荷パイロット弁を通して駆動力が供給される従来型のアクチエータに取り付けられている。このような、本発明による制御器とアクチエータとの組合せは、低差圧条件下で信頼性を持って使用されうる。自駆動式のアクチエータ／制御器組み合わせ体においては、負荷パイロットを通しての駆動力供給に代えて、制御された圧力を下流側の圧力から得ることができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明は、弾性ダイアフラムと絞りケージ要素とを有する従来の制御器において生じる多くの問題を解消することができる。さらに、本発明は以下の事項を含む多くの重要な利点を提供することができる。
【００２１】
Ａ．「弁体状」弾性制御器
ａ．ダイアフラム取付弁体が流体の入口に硬質表面を提供することにより、粒子衝突の高エネルギに対処してエロージョンを防止する。
【００２２】
ｂ．本発明の改良された弁座に沿う上記ダイアフラム弁体によって長寿命化する。ケージの弁座が鋭利な弁座面を有している。このケージの弁座は、圧力降下が絞りケージ内部の他の部位で生じるで、圧力降下ではなく閉止状態を提供する。それによって弁座は保護される。ダイアフラム弁体と協働する上記改良された弁座はその寿命が延長される。
【００２３】
ｃ．上記案内された弁棒を備えたダイアフラム弁体は、最小差圧を低下せしめ且つヒステリシスの不具合を減少させるように、より軽量なダイアフラムの使用を可能にする。このようにして広いレンジにわたる減圧制御を向上させる。
【００２４】
ｄ．上記案内された弁棒を備えたダイアフラム弁体は、圧力範囲にわたって向上した制御安定性を提供する。
【００２５】
ｅ．上記ダイアフラム取付組立物は、ばね補助による流体の閉止をも可能にする。
【００２６】
ｆ．ダイアフラム取付組立物は、平坦シート状からカップ状にすることを可能にし、それによってダイアフラムのコストを低減するとともにダイアフラムの選択の自由度を与える。
【００２７】
ｇ．ダイアフラム取付組立物と案内された弁棒とは、弾性要素装置における実際の弁体位置を示すための、実際のストローク支持器および／またはリミットスイッチなどの使用を可能にする。
【００２８】
Ｂ．絞りケージ
ａ．この絞りケージは、制御バルブを制御器または弾性制御バルブへ転換するために上記制御バルブの弁箱に直接挿入するようにされている。
【００２９】
ｂ．このケージ内の流れそらせ構造は、安定性のためおよび圧力降下領域を隆起弁座の位置から他の部位に移動させて弁座の寿命を延長するためのいわば「流れのダム」を提供する。
【００３０】
ｃ．弾性要素式の制御器における好ましく鋭利にされたつまりナイフエッジ状にされた上記弁座は、上記ダイアフラム弁体に有利に組み合わせられる。
【００３１】
ｄ．上記ケージ保持部材はまたダイアフラム保持部材としても機能する。さらに、このケージ保持部材は流量キャパシティーを選択的に減少させるためにも使用することができる。
【００３２】
ｅ．この絞りケージは一体型の弁座を備えている。さらに、絞りケージは騒音減衰手段と組み合わせることができ、所望により、一次／二次弁座構造と組み合わせることができる。
【００３３】
Ｃ．弾性ダイアフラム
ａ．平坦ダイアフラムを、上記ダイアフラム取付組立物を使用してカップ状に形成することもできる。
【００３４】
ｂ．平坦ダイアフラムは製造が容易であり、たとえば、バイトンやカルボキシル化されたニトリルなどの特別な材料、および他の万能の材料からも製造することができる。
【００３５】
さらに、本発明の流体制御バルブは、（１）気体および液体に使用でき、（２）逃がし弁、背圧弁、減圧弁または（パイロット弁における差圧を介して）パイロットの単純な変化を用いた流量制御バルブとして使用でき、（３）適当な接続具を付けた弁棒を用いて遠隔制御が可能であり、（４）マイクロプロセッサ制御のパイロット弁と組み合わせることができ、（５）合成閉止構造を組み合わせることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
新規であると確信する本発明の特徴は、付属のクレームにおける特徴とともに以下に説明される。この発明は添付の図面とともに以下の記述を参考にすることにより最もよく理解できる。上記図面においてはいくらかの図の中の同じ要素には同じ番号が付されている。
【００３７】
図１および図２は、流体圧制御器に新規な弾性ダイアフラムを組み込んだ本発明を理解するための一参考例を示している。ここで図示されているのは無負荷制御式の流体圧制御器ではあるが、上記弾性ダイアフラムは負荷制御式の流体圧制御器にも適用することができるものである。
【００３８】
図１および図２には、流体入口１４と、流体出口１６と、流体入口１４から制御器本体１２を通して流体出口１６に流体を通すための内部通路１８とを有する制御器本体１２を備えた流体圧制御器１０が示されている。発明の説明を容易にするために、図１における制御器１０の左半分はその閉状態を示し、右半分は開状態を示している。
【００３９】
制御器本体１２内の上記通路１８の内部において、開口２４を取り囲む環状支持棚２２にその底部が取り付けられた延設ケージ２０が設けられ、上記開口２４は流体入口１４と上記ケージ２０の出口２７に通じる中空ケージ内部２６とを連通している。ケージ２０の頂部には、整列したスロット開口３０を有するキャップ部つまり端壁２８が形成されており、上記開口３０は、端壁２８の一方側である中空ケージ内部２６の流体および端壁２８の他方側である通路１８内の出口の流体の通路を形成している。
【００４０】
ケージの端壁２８の外周縁３２は、通路１８内における制御器本体１２の内周面３４に間隙を残して配置されている。この間隙は当該部品の垂直方向の組み入れのためのものである。上記スロット開口３０により、流体がケージ出口２７を通って通路１８から最終的に制御器の出口１６に流れうるように連通される。
【００４１】
制御器オリフィスを通過して流れる流体を制御するためのダイアフラム組立物３６が配設されており、このダイアフラム組立物３６は弾力的なダイアフラム３８を有しており、このダイアフラム３８はその一方側を支持するダイアフラムヘッド４２と他方側を支持するダイアフラム板４４との間に実質的に挟まれた中央部４０を有している。ダイアフラムヘッド４２の垂直ねじ部にナット４６が螺着されており、それによって弾性ダイアフラム３８が定位置に保持され、ダイアフラム組立物３６がしっかりと保持される。上記ダイアフラム板４４はばね座としても機能し、且つ、ケージ出口２７より大きくされて制御器の閉止時に上記出口２７の閉止シールとしても機能する。
【００４２】
図１によれば、便宜のためにその縦中心線４８の左側に、ケージ端壁２８の弁座２９に着座してケージ出口２７を閉止したときのダイアフラム組立物３６の位置を示している。スロット開口３０を有する端壁２８の部分は上記ダイアフラム３８を支持している。
【００４３】
図１の縦中心線４８の右側には、制御器がそのオリフィスを開いて作動しているあいだのダイアフラム組立物３６の位置を示している。この状態では、制御器入口１４からの流体の流れは上記開口２４を通過し、中空ケージ内部２６およびケージ出口２７を通過してダイアフラム室５０に至り、そしてスロット開口３０を通過して通路１８に入り込み、最終的に流体出口１６に至る。
【００４４】
上記弾性ダイアフラム３８はニトリルから、平坦な中央部４０、環状の尾根部５２、および中央部４０と尾根部５２とを繋ぐ凹状周部５４が形成されたものが好ましい。外周取付環部５６が配設されており、この外周取付環部５６はダイアフラム組立物３６をダイアフラム取付ケージ保持リング５８と制御器ボンネット６２のダイアフラム取付フランジ６０との間に組み付けるためのものである。一連の押さえボルト６４が、ダイアフラム組立物３６をそこに挟み込むようにボンネット６２を制御器本体１２に固定するために螺着されている。ケージ保持リング５８はケージ２０を所定位置に配置するために配設されており、それにより、ダイアフラムの必要な伸縮ストロークが得られるようなダイアフラムの屈曲部が形成され、また、ボルト加重によるダイアフラムの圧砕を防止するための金属同士の接触を実現している。本図に示されるようなダイアフラム３８は、ケージ保持リング５８の形状を図９および図１０を参照しつつ後述するように変更することにより、制限された流量キャパシティーが提供されるので、必要に応じて他の制御器に適用することもできる。図示のごとく、ケージ２０の底部と支持棚２２との間およびケージ保持リング５８と制御器本体１２との間には好適なＯリングが配設されている。
【００４５】
その一端が上記ボンネット内面に当接し、他端がダイアフラム板４４に当接したばね６６が配設されている。このばね６６はダイアフラム板４４およびケージ２０の鋭利なコーナーとなった弁座２９に着座荷重を負荷している。典型的に、無負荷制御器においては上記ばね６６はばね設定圧力に設定されており、それにより、出口１６における出口圧力が上記ばね設定圧力を下回ったときには、ダイアフラム組立物３６は図中の中心線４８の左側に示すようにダイアフラム３８がケージ端壁２８のコーナー弁座２９に着座し、制御器のオリフィスは閉止される。前述の先行技術から公知のとおり、ボンネット６２を通してダイアフラム組立物３６の対向側の負荷室６８と連通しているパイロット制御器（図示せず）が出口１６における出口圧力を検知し、それによってこのパイロット制御器が負荷室６８に負荷圧力を吐出させることができ、それによりばね６６に抗して制御器のオリフィスを開く。その結果、入口１４における入口圧力が制御器の流体出口１６に通じ、出口圧力の制御が維持されることの助けとなる。
【００４６】
入口圧力が制御器のオリフィスを開いたとき、すなわち、図１における中心線４８の左側に示される閉止状態から図１の右半分に示す全開状態へ移ったとき、制御器を通して大容量の流体が流れることが要求される。図１の右半分に示す制御器１０において、弾性ダイアフラムリング３８はケージの端壁２８から離れて外方に柔軟に動いて大きなダイアフラム室５０が生じる全開位置に向かう。このダイアフラム室５０は流体の大流量を可能にし、それにより、本制御器を従来の装置より広いレンジの流れに適応させることができる。とくに、上記弾性ダイアフラム３８は成型された屈曲部を有しており、その屈曲部の周部には凹所５４が形成されており、上記バルブが開弁したときにこの凹所５４は図１の右半分に示すように凸状となることに注目すべきである。これにより、実質的に、遮られていない流体通路を確保するための制御器オリフィスの全開は、最小限の直径を有する弾性ダイアフラム要素によって達成される。
【００４７】
上記ダイアフラム取付リング５８は、図１の中心線４８の左側に示すように、弾性ダイアフラムリング３８の凹所５４および環状の尾根部５２の輪郭に相補する内周面７０を有している。また、制御器ボンネット６２は、図１の中心線４８の右側に示す制御器オリフィスが開弁した状態において、上記凹所５４が凸状に切り替わったときの弾性ダイアフラムリング３８の形状に相補する内周面７２を有している。
【００４８】
本発明における弾性ダイアフラム組立物は負荷式制御器に対しても使用でき、そこでは、図１４を参照して後述するように、要求された流れに対応する位置にダイアフラムを位置させるために弾性ダイアフラム３８を移動させる目的で、アクチエータをダイアフラム組立物に取り付けることができる。
【００４９】
図３および図４には、流体入口７８、流体出口８０および内部通路８２を備えた制御器本体７６を有する他の流体圧制御器７４が示されている。
【００５０】
図３および図４に示す制御器は図１および図２に示す制御器におけると同様の構成部品を有している。すなわちこの構成部品とは、弁箱、この弁箱に組み込まれたケージ、弾性ダイアフラムおよび弁体である。しかし、ダイアフラム要素の屈曲部は異なった形状にされている。
【００５１】
キャップ開口８６を有するケージ８４が弁箱内に組み込まれている。弾性ダイアフラム８８は、ケージ９４と弁箱に組み込まれたボンネット９２との間に保持される周縁保持部９０を有している。そして、押し縁シール８４がダイアフラムを弁箱内に保持し、且つ、通路８２を大気からシールしている。
【００５２】
ダイアフラム８８は周縁保持部９０と中央ダイアフラム部９８との間に隆起した環状尾根部９６を備えている。この環状尾根部９６は、ダイアフラムが図１の凹／凸ダイアフラムと同じようにケージの頂部から離れてボンネット９２の内面１００に近接した全開位置に曲がったときには真っ直ぐに延ばされる。
【００５３】
この制御器７４は、上記中央ダイアフラム部９８を挟む下部ダイアフラムヘッド１０２と上部ダイアフラム板１０４とを有するダイアフラム組立物を備えている。図４から判るように、上部ダイアフラム板１０４はボンネット９２のガイド面１０８に案内されて動く環状のスカート部１０６を有しており、それによってダイアフラムの動きも案内される。図示の制御ばね１１０は図１の制御ばね６６と同様に作用する。また、上記ケージ８４は、入口７８から出口８０への流体の流れをダイアフラム９８と協働して閉止するコーナー弁座１１２を有している。
【００５４】
図５〜７には、本発明における弾性ダイアフラム要素を備えた流体制御弁の好ましい参考例が示されている。図示の制御弁１１４は、流体入口１１８、流体出口１２０および内部通路１２２を有する制御器本体１１６を備えている。上記内部通路には延設ケージ１２４が挿入されており、このケージ１２４は、図５に示すようにケージ頂端部におけるケージ出口頂端部１２８に通じる中空ケージ内部１２６を有している。このケージの頂部におけるキャップ部１３０は、そこを貫通する整列したスロット状のキャップ開口１３２を有しており、このキャップ開口１３２は入口１１８から中空ケージ内部１２６を通る流体流れをケージ出口頂端部１２８から出て流体出口１２０に通じる通路１２２に至らしめる。
【００５５】
このケージ１２４はまたそのキャップ部１３０に隆起した環状の弁座１３４を有している。図７に示すように、この隆起した環状の弁座１３４は鋭利な弁座面を提供するためにナイフエッジ状にされ、そして、キャップ部１３０におけるケージ出口頂端部１２８とキャップ開口１３２との中間部に形成されている。図５〜７に示す実施例には、弁座１３４が、低乱流または低速度の流れ、すなわち基本的に緩慢な流れの部分であるキャップ部１３０に位置するように、流れそらせ形状が含まれている。
【００５６】
とくに、図５〜７において、ケージ１２４が、符号１３８で示すケージ底部からケージ内部１４０にかけて内径が減少する下部内側部分１３６を含んでいることは注目すべき点である。続く上部内側部分１４２、すなわち上記ケージ内部１４０からケージ出口頂端部１２８に至る部分はコンスタントな内径を有している。かかる形状においては、下部内側部分１３６と上部内側部分１４２とが、ケージ内部からケージ出口頂端部１２８の周囲を通過してキャップ開口１３２に至る流体流れの剥離を低減する傾向にある。したがって、この流れそらせ構造は、ケージ頂端部を出てキャップ開口１３２に入る前の流体流れを効果的に回復させることができ、それにより、とくに低流速状態において良好な制御器安定性が得られる。さらに、この流れそらせ構造では、隆起した鋭利な弁座１３４が低流速且つ低乱流の領域に位置することになるので、弁座への異物の蓄積やエロージョンを大幅に低減する。加えて、流れの回復のために従来の制御器に要求されていたような、流量を低下せしめる長い回復空間を設ける必要がない。
【００５７】
図５および図７に示すように、ケージ１２４のキャップ部１３０の頂面は円錐台形を呈している。したがって、ケージ出口の全開状態を得るためにダイアフラムに成型屈曲部を設けることに代えて、平坦状のダイアフラム要素１４４が配設される。平坦なダイアフラム１４４は、図１に関して説明したのと同様な手法により、弁体形状の下部ダイアフラムヘッド１４６と上部ダイアフラム板１４８との間に組み込まれている。図５の中心線１５０の左側に閉状態として示すように、上部ダイアフラム板１４８の周縁部は隆起した鋭利な弁座１３４に対応したサイズにされており、それにより、ダイアフラム１４４に対し、これを鋭利弁座１３４上にしっかりと着座させうる信頼性ある着座力が加わる。図示のばね１５２は図１の説明において前述したばね６６と同様な作用を奏する。弁体形状のダイアフラムヘッド１４６は、流体中の粒子の望ましくないダイアフラム１４４への衝突を防止し、図１〜４の参考例におけると同様に流れをダイアフラムからそらせることができる。
【００５８】
図８は、図５〜７の参考例の変形例である、本発明の一実施例の流れそらせ構造を有するケージ１５４を示している。ケージ内部１５８には内方に突出するように突出段部１５６が形成されている。ケージ下部内側部分１６０はその内径が流体の流れ方向に向かって減少していっている。ケージ上部内側部分１６２は、上記突出段部１５６からケージ頂端部１６４にかけて実質的にコンスタントな内径を有している。この流れそらせ形状はまた、ケージ内部１５８からケージ出口頂端部１６４を通過してキャップ開口１６６に向かう流体の剥離を減少させる傾向にあり、図５〜７に関して前述した優れた効果を生むこととなる。このケージ部分は、コンスタントな内径の部分１５６を無くして、段部１５６からケージ出口頂端部１６４へ湾曲させることもできる。さらに、直角の段部１５６に代えてより丸くした段部を採用することにより、頂端部１６４上の流体剥離を低減するための望ましい流れそらせ部を提供することも可能である。
【００５９】
ケージ１２４を所定位置にしっかりと保持するためのケージリング１６７が弁箱の内部の段部内に配設されている。この保持リング１６７はダイアフラム１４４の下方に折れ曲がった周縁リップ部を収容する（図５）のに好適な溝を有している。ボンネットを弁箱に組み付けることにより、ダイアフラム、保持リングおよびケージを所定位置に保持することができる。最初に、ダイアフラムヘッド１４６とダイアフラム板１４８との間にダイアフラム１４４を組み込むことにより、弾性ダイアフラムの周縁リップ部が保持リング内に嵌入される。そして、図５の中心線の左側に示すように、ダイアフラム１４４は円錐台形のキャップ部１３０の上に平坦な状態で載置される。したがって、ダイアフラムは最初は平坦であり、ケージ上に組み付けられると図５に示すようにキャップ部１３０の円錐台形に適合することになる。また、ダイアフラムは、キャップ開口から離れるように動き始めると、上方に曲がり、図５の中心線１５０の右側に示すようにボンネットの内面側の全開位置に至る。
【００６０】
図９および図１０には他のケージ保持リング１６８が示されている。このケージ保持リング１６８は環状の基部１７２から内方へ放射状に延びる多数本の指部１７０を有している。この指部１７０はそれぞれが図６に示すキャップ開口１３２に嵌入されている。このように、たとえば全容量制御器１１４が要求される場合には中央開口を有する前述の保持リング１６７が使用される。制御器１１４にたとえば流量を５０％減少させることが要求される場合には、このケージ保持リング１６７は上記ケージ保持リング１６８に取り替えられ、その指部１７０が少なくとも一部のキャップ開口１３２に嵌入することによって制御器の流量が低下する。以上の点は、従来の制御器では制御器の流量性能を変える場合には各流量特性に対応する異なった複数個のケージを用意しておく必要があったことに対して、有利な特徴である。従来では、所望の流量特性を得るためにもとのケージが取り外されて新たなケージに取り替えられることになるであろう。
【００６１】
本発明によれば、所望の流量特性を有する新しい一個のケージ保持リングを使用することが必要である。したがって、ケージ全体について複数個用意する必要はなく、単に異なる流量特性を有するケージ保持リングを複数個用意すればよい。また、流量特性を変えるために弁箱からケージを取り外す必要がない。
【００６２】
図１１および図１２には、図５に示す本発明の制御器１１４におけると同じ構成部品を多く備えている。たとえば、ケージ１２４、ダイアフラム１４４および弁箱１１６である。加えて、有孔シリンダ部材１７４がキャップ部１３０からケージ１２４の底部にわたるケージ１２４の周囲を囲むように設けられている。上記シリンダ部材１７４の孔１７６を通ることによって流体はシリンダ部材１７４を通過することができる。したがって、上流側であるケージ内部１２６から流れ出た流体はキャップ開口１３２および上記孔１７６を通過して通路１２２に入り、下流側である弁出口１２０に至る。この構造は乱流によって生じる騒音を低減するための流れ拡散器を提供することになる。必要な減衰レベルに応じて一個以上の有孔シリンダ部材１７６をケージ１２４の周囲に組み込むことも可能である。
【００６３】
図１１には相互に連通した通路１８０、１８２を備えた弁体形状の下部ダイアフラムヘッド１７８が示されている。図１１に示すように、一方の通路１８２はダイアフラムヘッド１７８内の縦方向中心線１５０に沿って延び、他方の通路１８０は上記通路１８２と交差するようにダイアフラムヘッド１７８内を横方向に延びている。したがって、ダイアフラム１４４の上方の負荷室１８４は通路１８０、１８２を通してケージ内部１２６と連通することになる。それにより、ダイアフラムが閉位置から開位置に向かって動き始めたとき、負荷室１８４内の負荷室圧力は通路１８２、１８０を通してケージ内部１２６に吸引されることによって除去され、ダイアフラムの迅速な動作およびそれによる制御器の迅速な応答（短い応答時間）が得られる。この吸引手法はもちろん本発明の全ての実施例について利用しうる。
【００６４】
図１３には、図５の制御器１１４に取り付けられるストローク指示器１８６が示されている。制御器１１４はダイアフラム組立物に組み込まれる弁棒１８８を有している。この弁棒１８８の外側部分はガイド部材１９０の中に摺動自在に保持されており、このガイド部材１９０はボンネット１６５に螺着されている。このようにして弁棒１８８がガイド部材１９０に案内されてダイアフラム１４４が定位置範囲で移動することができる。
【００６５】
弁棒１８８の頂部には指針１９２が配設されている。また、上記ガイド部材１９０に取り付けられたスケール部材１９６上には位置目盛り１９４が弁棒上の指針１９２に近接して明示されている。このようにして、弾性ダイアフラム１４４の閉位置から開位置までの開度は、スケール部材１９６上の指針１９２の位置をもってストローク指示器１８６によって示される。また、図１３に示される案内された弁棒１８８とともに、ストロークの電気的な検出および表示のために、ふさわしいリミットスイッチ、マイクロスイッチ、近接スイッチまたは他のマイクロ検出器を用いることもできる。
【００６６】
図１４は、ボンネット１６５に螺着されたガイド部材２００によって案内された弁棒１９８を有する図５の制御器１１４を示している。この弁棒１９８にはアクチエータ２０２が機械的に連結されており、弾性ダイアフラム１４４を上記ケージキャップ開口１３２に向けてまたそれから離れるように機械的に駆動する。アクチエータの駆動力はパイロット制御弁２０３からの負荷圧力によってアクチエータ入口２０６に供給される。このアクチエータシステムは低差圧条件に使用される。
【００６７】
また上記制御器１１４には、代わりのものとして所望の設定制御圧を得るための制御ばねを用いた自駆動制御型式のアクチエータを取り付けることもできる。
【００６８】
図１５は上記制御器１１４に配設される二次弁座構造を示している。弁体形状の下部ダイアフラムヘッド１４６には、その溝の内部に適正に組み込まれるＯリング２１０のような環状の弾力的なシール部材が配設されている。このＯリングは上記ケージ１２４の内径より若干大きい直径を有している。そして、ダイアフラムヘッド１４６がケージ１２４の頂部に向けて下がると、Ｏリング２１０はケージの上部内側部分１６２の環状弁座２１２に係合する。これによって制御器の一次閉止が提供される。
【００６９】
二次閉止は、既に述べたように弾性ダイアフラム１４４がケージ１２４のキャップ部にある隆起した鋭利弁座に着座することによって得られる。この一次閉止と二次閉止とによって制御器の信頼性のある閉止状態が得られ、また、制御ばねからの必要着座力を低減することができる。ある条件下では、単にＯリング２１２による閉止のみでよく、弾性ダイアフラム要素による閉止の必要がない場合があろう。
【００７０】
平坦な弾性ダイアフラム要素を所望の円錐台形状にするために、下部ダイアフラムヘッドおよび上部ダイアフラム板のような二個の輪郭形成保持具の間に保持して所望の形状に曲がり得るようにすることもできる。この場合、これらのダイアフラム保持具は平坦なダイアフラムを所望の形状にすることができる。この手法は特別な成型品をを必要とせず、また、ダイアフラムに使用しうる材料の種類を拡大しうる。
【００７１】
以上の説明は明確な理解のためのみのものであり、変形は当業者にとって明らかであろうから、不必要な限定とは解釈されるべきではない。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明の参考例にかかる流体圧制御器および弾性ダイアフラム組立物の断面図であり、便宜のために中心線の両側に各動作位置を示している。
【図２】ケージ頂端部とダイアフラム要素によってシールされたケージ出口とを示す、図１の制御器のケージの平面図である。
【図３】本発明の他の参考例にかかる流体圧制御器および弾性ダイアフラム組立物の断面図である。
【図４】ケージ頂端部を示すためにボンネットを取り外した状態の図３の制御器の平面図である。
【図５】本発明の好ましい参考例にかかる流体圧制御器および弾性ダイアフラム組立物の断面図であり、便宜のために中心線の両側に各動作位置を示している。
【図６】ケージのキャップ開口に対する隆起鋭利弁座の位置を示す、図５におけるケージの平面図である。
【図７】流れそらせ構造および隆起鋭利弁座を示す、図５におけるケージの頂端部の部分拡大図である。
【図８】図５〜７の流れそらせ構造の変形構成であって、本発明に係る流れそらせ構造の好ましい一実施例を示す部分断面図である。
【図９】ケージのキャップ開口に嵌入する流量キャパシティー指部を備えたケージ保持リングを示す平面図である。
【図１０】図９の１０−１０線断面図である。
【図１１】騒音減衰のためにケージを取り巻く有孔流れ拡散部材と負荷室の圧力を吸引する通路を有する他のダイアフラム取付組立物とを備えた、本発明にかかる制御器の部分断面図である。
【図１２】便宜のためにケージを取り除いて示す図１１の１２−１２線断面図である。
【図１３】案内された弁棒とこの弁棒の位置を示すストローク指示器を備えた、本発明にかかる制御器の部分断面図である。
【図１４】バルブアクチエータに連結された案内された弁棒を備え、パイロット制御弁によって駆動されている、本発明にかかる制御器を示す部分断面図である。
【図１５】第一閉止弁座と二次閉止ダイアフラムとを備えた他の実施例にかかる制御器の部分断面図である。
【符号の説明】
【００７３】
１０    流体圧制御器
１２，１１６    制御器本体（弁箱）
１４    流体入口
１６    流体出口
１８    内部通路
２０，８４，１２４    ケージ
２２    環状支持棚
２４    開口
２６    中空ケージ内部
２７    ケージ出口
２８    ケージ端壁
２９    弁座
３０    スロット開口
３６    ダイアフラム組立物
３８，８８，１４４    ダイアフラム
４０    中央部
４２    ダイアフラムヘッド
４４    ダイアフラム板
５０    ダイアフラム室
５２    尾根部
５６    外周取付環部
５８    ケージ保持リング
６０    フランジ
６６    ばね
【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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【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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