(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
井戸からのプロセス流体の流量を調整するシステムであって、
前記井戸からのプロセス流体を捕集する捕集管と；
前記捕集管を通るプロセス流体の流量を検知する流量センサと；
自家電源と；
前記流量センサと直列であり、弁ハウジングと弁部材とを有するウェルヘッド弁であって、前記捕集管を通るプロセス流体の流量を調整するように前記弁部材が可動なウェルヘッド弁と；
前記弁部材を移動させるのに必要な駆動力を低減するための複数の歯車を備える減速歯車列と；
前記自家電源により電力供給を受け前記駆動力を提供し、前記減速歯車列を介して前記駆動力により前記ウェルヘッド弁を駆動する電動モータとを備える；
システム。
【請求項２】
前記ウェルヘッド弁の駆動に対してプロセス流体を利用することも放出することもせずに、前記弁部材はあらゆる位置間に位置決めされる；
請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
制動装置を更に備え、前記制動装置は、前記制動装置が前記弁部材に作用して前記弁部材の現在位置を保持するオン位置を有する；
請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記制動装置は、手動で駆動されるセレクタースイッチを介して前記オン位置とオフ位置との間を可動である；
請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
手動制御機能入力とクラッチとを更に備え、
前記手動制御機能入力は、前記手動制御機能入力を手動回転することで前記弁部材を位置決めするように前記弁部材に連結され、
前記クラッチは、前記手動制御機能入力が前記減速歯車列および前記弁部材に与えるトルク量を制限するように配列される；
請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記弁部材へ保持力を与える動的制動装置を更に備え、
前記電動モータは前記動的制動装置の前記保持力に打ち勝つのに十分な大きさの電動力を提供して前記ウェルヘッド弁を駆動し、
前記動的制動装置は、前記弁部材が前記電源からの電力喪失時に現在位置を維持するよう、前記電動モータが電動力を何ら提供していないときに、前記減速歯車列の少なくとも一部を介して作用して前記弁部材の現在位置を保持する；
請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記弁部材を全閉位置へ付勢するバネを更に備え、
前記弁部材は電動モータへの電力喪失時に自動的に前記全閉位置まで移動し、
電動モータへの電力喪失時に前記弁部材の位置を選択的に設定する制動装置と手動入力とを含む手段を更に備える；
請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記弁部材を全開位置へ付勢するバネを更に備え、
前記弁部材は電動モータへの電力喪失時に自動的に前記全開位置まで移動し、
電動モータへの電力喪失時に前記弁部材の位置を選択的に設定する制動装置と手動入力とを含む手段を更に備える；
請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記電動モータは、ステッパーモータとブラシレスＤＣモータと無スパークＡＣモータの中から選ばれた無スパークモータである；
請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記速歯車列の歯車比は約１００：１より大きく、
前記電動モータが前記弁部材に与える前記駆動力は、前記歯車比分増大する；
請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記歯車比が４００：１より大きい；
請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記電動モータを選択的に通電するコントローラを更に備え、
前記電動モータは前記弁部材の現在位置を保持する保持モードと、前記ウェルヘッド弁を駆動する駆動モードとを有し、
前記電動モータは保持モードで１乃至３ワットを消費し、駆動モードで４乃至１２ワットを消費する；
請求項１０に記載のシステム。
【請求項１３】
前記自家電源により電力供給を受けて、前記電動モータを操作して弁部材の位置を設定するコントローラを更に備え、
前記コントローラは、前記弁部材が現在位置に保持される保持モードと、前記コントローラがアクティブに前記電動モータを通電して前記弁部材を位置決めするアクティブモードとを有し、
前記電動モータが前記保持モードにある場合、前記アクティブモードの場合よりも自家電源からの電力消費が少ない；
請求項１に記載のシステム。
【請求項１４】
前記自家電源が、前記ウェルヘッド弁に近接するソーラーパワーグリッドとバッテリとを備える；
請求項１に記載のシステム。
【請求項１５】
前記自家電源により電力供給を受け、前記井戸からのプロセス流体の要求出力を表す要求入力を有するコントローラを更に備え、
前記コントローラは前記流量センサに応答して前記要求入力に従って前記弁部材の位置を設定する；
請求項１に記載のシステム。
【請求項１６】
前記弁部材の位置を指し示す位置センサを更に備え、前記コントローラは前記位置センサに応答して、前記要求入力に従って前記弁部材の位置を設定する；
請求項１５に記載のシステム。
【請求項１７】
前記位置センサは、前記コントローラに組み込まれ、前記電動モータに送信するモータ位置制御信号から前記弁部材の位置を導き出す、アナログ位置センサを含み、
フィードバックを前記コントローラに提供して前記アナログ位置センサの精度を確認する予備位置センサを更に備える；
請求項１６に記載のシステム。
【請求項１８】
前記コントローラと電気通信して、前記自家電源により電力供給を受けるワイヤレストランシーバを更に備え、
前記コントローラは、無線で前記弁部材の位置を調節するよう遠隔制御でき、無線で操作パラメータを表示できる；
請求項１６に記載のシステム。
【請求項１９】
前記弁部材は、前記弁ハウジング内に摺動可能に取付けられ直線往復運動を行い、
前記弁部材はラックに連結され、
前記減速歯車列は、前記電動モータの回転出力軸上の入力ピニオン歯車と、前記ラックと噛み合い前記ラックを駆動する出力ピニオン歯車と、前記入力ピニオン歯車と前記出力ピニオン歯車との間の複数の歯車とを含み、前記入力ピニオン歯車から前記出力ピニオン歯車へ至るまでに減速してトルクを増大する；
請求項１に記載のシステム。
【請求項２０】
前記弁部材の移動に対して抵抗をもたらすように配列された動的制動装置と、
前記自家電源により電力供給を受けて、前記動的制動装置がもたらす抵抗に打ち勝つのに十分な力で前記弁部材の位置を設定するように駆動モードの前記電動モータに通電するコントローラとを更に備え、
前記コントローラは、前記電動モータを通電しないスリープモードを有し、
前記動的制動装置は、前記スリープモードに前記弁部材に作用するバネ力および／または流体力を打ち消して前記スリープモード時の前記弁部材の移動を阻止するのに十分な力で、前記減速歯車列を少なくとも部分的に介して機能する；
請求項１に記載のシステム。
【請求項２１】
自家電源を用いて井戸からのプロセスガスの流量を制御するウェルヘッド弁の弁部材の位置を制御する方法であって、
プロセスガスを放出せずにプロセスガスの流量を調整するために電動力で前記ウェルヘッド弁を電気的に駆動するステップと；
前記自家電源を用いて前記電気的駆動に電力を供給するステップと；
前記電動力を減速歯車列によって増幅し、それによって前記電気的駆動の速度を低下させるステップであって、前記増幅は、前記自家電源だけを使って前記電気的駆動を達成するに足る、ステップとを含む；
方法。
【請求項２２】
付勢力によって前記弁部材を開位置または閉位置へ付勢するステップを更に含み、
増幅された前記電動力は前記付勢力よりも大きい；
請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記弁部材に制動力を与えるステップと、前記制動力を増幅させるステップとを更に含み、
増幅された前記制動力は、前記弁部材の現在位置を保持するために前記付勢力よりも大きいが、増幅された前記電動力よりは小さい；
請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記電気的駆動の喪失時に、前記弁部材を手動で選択位置に位置決めするステップと、前記付勢力を回避するように十分な力で前記弁部材を前記選択位置に選択的に保持するステップを更に含む；
請求項２２に記載の方法。
【請求項２５】
前記捕集管を通る流量を検知するステップと；
前記捕集管を通る流体の流れに対する要求流量を受信するステップと；
要求流量を前記検知した流量にマッチングさせるよう前記弁部材の位置を制御するステップとを更に含む；
請求項２１に記載の方法。
【請求項２６】
前記弁部材の位置を検知するステップを更に含み、
前記制御するステップは前記検知された位置に応じて前記弁部材をセットポイントまで動かす；  
請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記ウェルヘッド弁に近接するソーラーパネルおよびバッテリを用いて、前記自家電源を発電してこれを蓄電するステップを更に含む；
請求項２１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は調整弁に関し、より詳細には、地下井からの天然ガスまたは他のプロセス流体の流量を調整するウェルヘッド用調整弁等、電気の商業供給を容易に確保できない遠隔地において高負荷下で動作する調整弁に関する。  
【背景技術】
【０００２】
民間の天然ガス生産業では、多くの場合、地理上の局在区域内に、ガス捕集管ネットワークによって何十本から何百本もの天然ガスの地下井が互いに接続したり、分岐したりしている。個々の井戸は、ガス捕集管ネットワークを介して共通の出力場所へ天然ガスを送ることになる。産出天然ガスをその民間の商業サプライヤに販売できる異なる複数の土地所有者および／または鉱業権所有者がこうした井戸を所有する場合もある。普通は、民間サプライヤが必要に応じて、土地または権利の所有者から天然ガスを購入することになる。このことにより、各井戸の産出天然ガスを調整したりモニタしたりする必要が生じる。天然ガスの民間購入者が土地の権利または鉱業権を所有するにしても、各井戸の産出をモニタおよび／または調整してその供給をコントロールしたいであろう。所望の天然ガス産出量は、結合した複数の井戸の最大生産能力に満たないことが多い。かかる需要は、周期的な季節的傾向や他の経済的理由によって変動する。  
【０００３】
個々の井戸の産出量を調整するために、個々の井戸の分岐捕集管は、流体的に直列に配列された流量調整弁とガス流量センサとを有するのが普通である。ガス流量センサは捕集管を通って流れる天然ガス量を指し示す。調整制御弁は、捕集管内に絞りオリフィスを形成する可変開度を与えることにより、捕集管内の天然ガス流量を設定する。  
【０００４】
天然ガス鉱床の地理的分布により、天然ガス生産井群は、電気の商業供給を受けられない遠隔地域にあることが多い。また、係る井戸は文化圏から離れており、容易にアクセスできない。その結果、これまではガス調整弁の自動制御および自動駆動を達成する直接的な解決法がなかった。天然ガス生産井内の流体圧力は、高ければ約６，２１０ｋＰａ［約９００ｐｓｉ］あるいはそれ以上になることもあり、低ければ約６８．９ｋＰａ［約１０ｐｓｉ］にしかならないこともある。このことから、これらウェルヘッド（坑井）調整弁には何百ニュートン［何百ポンド］もの力が作用し得るので、高い駆動力を持つ駆動手段が必要となる。従来技術での容易な解決策では、プロセスガス（例えば天然ガス）のうちの少量を動作流体として用い、空圧レギュレータ／アクチュエータの構成要素の組み合わせに動力を与えてきた。空圧アクチュエータ、Ｉ／Ｐレギュレータ、減圧レギュレータ、ポジショナを含む上記組み合わせは、現行の典型的なウェルヘッド生産井システムを表す図２２で略示するように、調整ウェルヘッド弁を配置した操作流体ネットワーク内に配列される。この配列では、動作流体の流量を制御しなくてはならない。多くの場合は、ソーラーパネルとバッテリ（費用の理由でできるだけ小型化する）とを用いて小型自家電源を備えることにより、動作流体の流量を電気的に制御するモータ操作式レギュレータに電力を供給する。このことは、空圧アクチュエータに対する電気制御を与える。  
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
空圧駆動が動作することは分かっているが、図２２で示すように空圧駆動でのいくつもの深刻な欠点が長いこと指摘されてきた。特に、従来技術の空圧駆動システム（個々のレギュレータおよびアクチュエータの構成要素の多くを含む）は、天然ガスを消費もするし排出もする。これは、調整弁の位置を変更し、すなわち調整弁を他の状態に制御する際に、天然ガスが大気中に放出されることを意味する。ガスの吐出が原因で、これらシステムは、天然ガスの逸散排出に関わる厳しい環境規制への適合に困難を伴うかもしれない。さらに、天然ガスの逸散排出には重大な安全上の問題がある。照明、またはその他の隣接する設備や構成要素（電子制御装置を含む）から生じたか、ガスネットワーク上での作業時（これらは安全注意事項に従わないと増えるであろう）にメンテナンス要員やメンテナンス設備から生じた、電気スパークが、放出された天然ガスに着火して爆発状態を引き起こす可能性もある。  
【０００６】
上記に鑑み、ウェルヘッド用調整弁を制御する際に発生する天然ガスの逸散排出に伴う危険およびその他の欠点を抑制−可能であれば排除−できる実用的で、経済的に実現可能な解決策をもたらすことの必要性が長年指摘されてきた。  
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一局面は、ウェルヘッド弁の駆動に電気的駆動を利用して、井戸からのプロセス流体の流量を調整するシステムに関する。このシステムは、井戸からのプロセス流体を捕集する捕集管と、この捕集管を通るプロセス流体の流量を検知する流量センサと、自家電源と、捕集管を通るプロセス流体の流量を調整する、流量センサと直列のウェルヘッド弁とを含む。電気的駆動は、減速歯車列と電動モータとによって得られる。この減速歯車列は、ウェルヘッド弁を移動させるのに必要な駆動力を低減する複数の歯車を備える。電動モータは自家電源から電力を得て、減速歯車列を介してウェルヘッド弁を駆動する。  
【０００８】
本発明の利点は、ウェルヘッド弁駆動に対してプロセスガスを利用することも放出することもせずに、ウェルヘッド弁をあらゆる位置間に位置決めできる点である。さらに、典型的にはバッテリとソーラーパネルとを備える既存の自家電源を用いて、電動ウェルヘッド弁へ電力を供給できる。  
【０００９】
本発明の別の局面は、自家電源を用い、ウェルヘッド弁の位置を制御して井戸からのプロセスガスの流量を制御する新規な方法に関する。この方法は、電動力でウェルヘッド弁を電気的に駆動し、プロセスガスを放出せずにプロセスガスの流量を調整するステップと、自家電源を用いて電気的駆動に電力を供給するステップと、電動力を増幅し、それによって電気的駆動の速度を低下させるステップとを含み、ここでの増幅は、自家電源だけを使って電気的駆動を達成するに足るものである。  
【００１０】
本発明の更なる局面は、ウェルヘッド弁を改造して、井戸からのプロセスガスの排出を削減する方法に関する。この方法は、ウェルヘッド弁を位置決めするのにプロセスガスを利用して排気する空圧アクチュエータ（およびその動作流体を調整する構成要素）を取り外すステップを含み、ここでは、自家電源を用いて空圧アクチュエータを電気的に制御している。その後、空圧アクチュエータを、電動モータと減速歯車列とを有する電動アクチュエータ機構に置き替える。電動アクチュエータ機構は、駆動力のためのプロセスガスを放出せずに、減速歯車列を介してウェルヘッド弁を駆動する。この方法は、自家電源によって電動モータに電力を供給するステップを更に含む。このとき、減速歯車列は、ウェルヘッド弁に作用するプロセス流体圧力および／またはバネ力にかかわらず、電動モータが減速歯車列を介してウェルヘッド弁を駆動できるに足る自家電源となるのに十分な大きさの減速比を有する。ウェルヘッド弁を同時に置き替えできるか否かは問わない。  
【００１１】
本発明の別の局面は、電動アクチュエータの新規な配列に関する。このアクチュエータは、出力軸を回転させるようになされた電動モータと、出力軸上の入力歯車および回転出力を含む複数の歯車を有する減速歯車列とを備える。これら歯車は、電動モータが出力軸を回転させるとき、入力歯車から回転出力への力を増幅するようになされる。電動アクチュエータは、減速歯車列に作用して手動駆動を可能にする手動制御機能入力と、オン位置を持つ制動装置とを更に備える。オン位置では、制動装置が減速歯車列のバックドライブを防ぐようになされる。  
【００１２】
この局面によれば、減速歯車列を所定方向に付勢するために、バネを配列してもよい。制動装置がオン位置にあるときに、そのバネの作用に抗して減速歯車列の現在位置を保持するに十分な抵抗を提供する。電動モータは、オン位置にあるときの制動装置の抵抗に打ち勝って減速歯車列を駆動するのに十分な回転出力を有する。  
【００１３】
本発明の更なる特徴は、電動アクチュエータを３種類の異なる運転モードで構成できることである。３種類の異なるモードから成る構成は、手動で反転できるバネの付勢力と、バネが減速歯車列を駆動できるようなオフ位置を更に有する制動装置とを有することで達成される。そして電動アクチュエータは、電動モータへの電力喪失時に３種類の異なる構成可能な運転モードを有する。この運転モードは、制動装置がオフ位置にある状態での電力喪失時に、減速歯車列を第１リミットに至る第１方向へ付勢するようにバネを配列した第１フェイル・バイアスモードと、制動装置がオフ位置にある状態での電力喪失時に、減速歯車列を第２リミットに至る反対方向へ付勢するようにバネを配列した第２フェイル・バイアスモードと、制動装置がオン位置にあって減速歯車列の現在位置を保持するフェイル・フィックスモードとを含む。  
【００１４】
電動アクチュエータを弁に実装または実装可能にして、電動弁パッケージを提供してもよい。  
【００１５】
発明の更なる特徴に加え、本発明の他の利点についても、本明細書における発明の詳細な説明から明らかとなろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
ウェルヘッド弁１２に特に好適な電動アクチュエータ１０を、本発明の好ましい実施の形態に従って全図にわたって示す。図１は、電動アクチュエータ１０の例示の用途および運転環境である天然ガス井生産システム１４を示す。図１で示すように、ウェルヘッド弁１２は、捕集管１８を通る、天然ガス生産井１６の産出量を調整する。ウェルヘッド弁１２は、ガス流量センサ２０と流体的に直列に捕集管１８へ装着される。ウェルヘッド弁１２の開度と井戸１６の天然ガス圧力（典型的には、ほとんどの生産井で、約６８．９〜６２１０ｋＰａ［約１０〜９００ｐｓｉ］の範囲かそれ以上）とによって捕集管１８を通る天然ガスの流量が決まる。ガス流量センサ２０が、捕集管１８を通って流れる天然ガスの量を測定する。ガス流量センサ２０は、検知流量を表す電気フィードバックを、電動アクチュエータ１０およびウェルヘッド弁１２に対して閉ループ制御を行う電子コントローラ２２に提供する。  
【００１７】
井戸１６の場所は商用電源から離れていることがあるので、図示のシステム１４は、典型的には小型ソーラーパネル２４とバッテリ２６とを備える自家電源を含む。ソーラーパネル２４が少量の供給電力を発電し、バッテリ２６がこれを蓄電する。好都合なことは、電動アクチュエータ１０は、新たな動力すなわち発電を必要とせずに、必要ならもっぱら既存の自家電源を用いて、空圧駆動システムに取って替わることができる。こうして、発電に追加のコストをかけずに、本発明を改造装置として採用して、既存のウェルヘッド弁のところにある空圧駆動システムに取って代わることができる。しかしながら、追加の発電能力または蓄電能力の拡大が望まれる場合があることに留意するべきである。  
【００１８】
図１には別体の２つのコントローラ２２、８２が示されるが、必要であれば、一体化して単体のコントローラアセンブリとしてもよい。改造システムと新規システムの両方に提供するため、典型的には別体の２つのコントローラ２２、８２が用いられる。  
【００１９】
ウェルヘッド弁１２は、直動弁、回転弁、または他の可動／位置決め弁であってもよい。図２から図４および図８を参照すると、図示のウェルヘッド弁１２は、弁ハウジング２８と直動弁部材３０とを備える直線型として示されている。弁ハウジング２８は、流路３２を画成する弁本体４１を含む。流路３２は、弁本体４１の両端にある一対の取付フランジ３４間を通って延在する。取付フランジ３４は、ウェルヘッド弁１２を捕集管１８へ取付けるようになされている。弁部材３０は、図示のように、プラグ部材３６とプラグ部材３６から延びる細長い弁ステム３８とを含め別体の構成要素を含んでもよい。弁ステム３８は弁ハウジング２８を貫通して延在し、電動アクチュエータ１０の作用を受ける。弁ステム３８は、電動アクチュエータ１０からプラグ部材３６へ、選択的位置決め力を伝達する。プラグ部材３６は、流路３２に沿うケージ４２内に位置し、弁を通る流量を調整する絞りオリフィスを提供する。プラグ部材３６は、全閉位置および全開位置と、その両者の中間位置との間で、弁座４０へ接近し離間するように直動可能である。プラグ部材３６は、全閉位置にあるときに流れをすべて遮断し、全開位置にあるときに最大流量を許容する。
【００２０】
可動弁部材３０を装着するために、弁ハウジング２８を複数の部品で構成してもよい。これら部品には、弁本体４１と、弁プラグ部材３６の動きを半径方向で制約して案内する計量ケージ４２と、シール編成４６を半径方向で制約して提供するボンネット４４とが含まれる。シール編成４６は、天然ガスが弁１２から洩れるのを防ぐ静的シールおよび動的シールを提供する。弁での天然ガス洩れを防ぐのに好適なシール編成の１つが、ドン・アーバックル（Don Arbuckle）の米国特許第６，１６１，８３５号に示されており、その開示内容はすべて、参照して本明細書に組み込まれる。
【００２１】
しかし、開示の本実施の形態は、より好都合な新規のシール編成４６を含む。このシール編成は、それほど複雑ではなく、より低コストで信頼性が高い。図９および図１０を参照すると、シール編成４６は、弁ステム３８を貫通して延びてそれを囲む加圧環状ピストン４７を含む。ピストン４７の一面は、弁流路３２に収容されるプロセス流体の作用を受け、シーラントキャビティ４８に収容されるシール潤滑流体を加圧する。ピストン４７は、シールパッキンを収容するスリーブ部４９を含む。ピストン４７の外周縁は、プロセス流体と潤滑油との連通を阻止するＯリングシール５０を担持する。Ｏリングシール５０を配置した場合、ピストンは移動したとしても、その移動量はそれほど大きくないことが予測される。従って実際上は、これを静的シールとみなしてよい。シーラントキャビティ４８からの洩れを防ぐために、別の静的Ｏリングシール５１を弁本体４１とボンネット４４との間に設ける。従って、２つのＯリングシール５０、５１を直列に配列して予備バックアップを提供することにより、プロセス流体がシーラントキャビティから確実に洩れないようにする。  
【００２２】
ピストンスリーブ部４９に収容されるシールパッキンは、流体的に直列に配列される一対の動的Ｏリングシール５２と、スペーサーエレメント５３と、一対のシール保持ワッシャ５４と、ＰＴＦＥガイドブッシュ５５と、スナップリング５６と、保持ワッシャ５７とを含む。スナップリング５６は、ピストンスリーブ部４９の溝に嵌入し、シールパッキンを軸方向定位置に保持する。ＰＴＦＥガイドブッシュ５５は、弁ステム３８の周りに締まり嵌めして、弁部材３０の低摩擦摺動を提供する。スペーサーエレメント５３は、シール５２のバランスと保持力を提供するように、シール保持ワッシャ５４と共にＯリングシール５２間に軸方向間隔をあけている。ポート５８は、潤滑油の円筒状加圧リングが動的シール５２間で弁ステム３８を囲むことで、潤滑油が各シール５２にそれぞれ作用するよう、スペーサーエレメント５３を貫通して延びる。  
【００２３】
パッキンおよびピストンを覆うカバー５９を設け、塵埃および他の外部の汚染物質によってシール編成４６が損傷しないようにする。カバー５９を取り外して、シール５０、５１、５２がどの程度適切に機能しているかを指し示す潤滑油面を手動で確認できる。具体的には、ピストンスリーブ部の端部がシーラント液面指示器６１としての役目を果たす。スリーブ端部、つまり指示器６１が、ボンネット４４の上面と同一平面内すなわち共面であれば、適量のシーラント潤滑油がシーラントキャビティ４８内に収容されている。ピストンの軸方向移動によって、指示器が上面より上に上昇した場合、これはシーラントが洩れたことを示す。ピストンスリーブ部４９の外面に沿って、仕切られた目盛りを設け、必要に応じて、潤滑油面を数値指示してもよい。このシール編成４６によっていくつかの利点が提供される。それには、製造および組立の容易化、汚染物質のシール編成への浸入防止、および一体化機構によるシール潤滑油面表示が含まれる。
【００２４】
ウェルヘッド弁１２は、可動弁部材３０を開位置または閉位置のいずれかへ付勢するバネ６０を含んでもよい。図３および図８で示すように、バネ６０は、弁部材３０を閉位置へ付勢するよう配列された鋼製コイルバネとして示されている。バネハウジング６２が電動アクチュエータ１０と弁本体４１との間に取付けられて、バネ６０を格納して支持する。バネ６０はアクチュエータステム６６が支持するバネ座プレート６４に乗って、バネハウジング６２の一端部により支持される。アクチュエータステム６６の一端部は弁ステム３８と係合し、他端部は駆動ラック６８を有する。  
【００２５】
図３および図１１から図１３を参照すると、駆動ラック６８は、アクチュエータステム６６に対して回転できるよう、アクチュエータステム６６上を摺動するスリーブ部材６７を備える。駆動ラック６８は波形バネ７１によって軸方向定位置に保持されるので、スラスト軸受７０は、特に駆動ラック６８の自由回転をより確かなものにする。スリーブ部材６７は、アクチュエータステム６６に取付けた一対のナット６９と、スリーブ部材６７および駆動ラック６８をアクチュエータステム６６の固定位置へ付勢する波形バネ７１との間で軸方向の制約を受ける。この配列は、バネ６０の力で駆動ラック６８のねじれを引き起こさないように駆動ラック６８の自由回転を許容することによって、初期磨耗を防ぐだけでなく、駆動ラックをアクチュエータステム上の軸方向固定位置に保持する。また、波形バネ７１は、弁部材３０が弁座に接触すると軽く縮むので、歯車への衝撃荷重が軽減される。回転エネルギーを直線運動に変換するラック・ピニオン機構の代替としてボールネジ機構があるが、代替としてそれを用いても、それ以外の変換機構を用いてもよい。  
【００２６】
注意すべきは、図８で、バネハウジング６２およびバネ６０がウェルヘッド弁１２の一部として示されている点である。しかし、代替として、バネハウジング６２およびバネ６０を電動アクチュエータの一部とみなしてもよいし、および／または、電動アクチュエータまたは弁の構成要素に一体化することもできる。いずれの場合にせよ、バネ６０は電動弁に付勢力を与え、この付勢力は、直接的か間接的かにかかわらず、弁プラグ部材３６と減速歯車列７６の両方へ効果的に作用する。  
【００２７】
また開示の本実施の形態はアクチュエータステム６６上に支持構造６５を備え、支持構造６５はバネ６０の駆動力を反転する特徴を提供する。図２０に示すように、バネ６０は、代替の支持構造６５に支持されたバネ座プレート６４で、バネハウジング６２の他端に係合してもよい。それによって、バネ座プレート６４とバネハウジング６２との間で圧縮されるバネが、弁を開位置へ付勢する。こうして、電動ウェルヘッド弁が開状態または閉状態のいずれかへ付勢されるよう構成され得るように、バネを反転できる。  
【００２８】
図２から図７を参照すると、電動アクチュエータ１０は、通常は、ステッパーモータ７４を収容して支持するアクチュエータハウジング７２（好ましくは漏洩防止状態で互いに締着した複数のアルミ製シェルで構成される）と、減速歯車列７６と、制動機構７８と、手動制御機能機構８０と、一般的にモーターコントローラ８２として示されるモータードライバとを備える。アクチュエータハウジング７２は、バネハウジング６２上に装着される。ステッパーモータ７４は、不発火型モータであり、電動アクチュエータを天然ガスまたは他の可燃性流体周辺で使用する際のスパーク形成を防ぎ、これによって、仮にガス洩れが発生しても、危険な状況となる可能性をより低減する。それ以外に考えられる好適な無スパーク型モータには、ブラシレスＤＣモータおよび無スパークＡＣモータがある。  
【００２９】
ウェルヘッド弁の使用に関わる本発明の実施の形態では、コントローラ８２が選択的にモータ７４に通電する。コントローラ８２は、電動モータ７４を、ウェルヘッド弁１２の現在位置を保持する保持モードと、ウェルヘッド弁１２を駆動する駆動モードとで動作させることができる。電動モータは、保持モード（制動オフで弁の現在位置を保持する力を提供）で１乃至３ワットを消費し、駆動モードで４乃至１２ワットを消費する。このように消費電力が非常に少ないことから、電動アクチュエータ１０は、ソーラーパネル２４およびバッテリ２６が提供する既存の電源（この自家電源は元来、電空ウェルヘッド弁の調整だけを意図していたかもしれない）だけで作動できる。  
【００３０】
図１１から図１４を参照すると、ステッパーモータ７４は、アクチュエータハウジング７２に対して固定関係で取付けられるモータハウジング、つまり固定子８４と、出力軸８６を備えるロータとを含む。出力軸８６は固定子８４に対して回転する。出力軸８６は、（出力軸を機械加工するか、別体の歯車の歯を出力軸に取付けるかして）一体にピニオン歯車８８を備え、それによって減速歯車列７６へ入力を提供する。減速歯車列７６は複数の個別の減速歯車９０ａ−ｄを備える。各減速歯車は上流側に大歯車９２ａ−ｄ、下流側に小歯車９４ａ−ｄ（すなわち、「ピニオン」歯車）を有し、これらは共通の歯車軸９６ａ−ｄに取付けられる。
【００３１】
歯車軸９６ａ−ｄは互いに平行に、アクチュエータハウジング７２へ回転可能に取付けられ、すなわち回転可能に支持される。出力軸８６のピニオン歯車８８は、モータ出力軸８６から第１歯車軸９６ａへ力が増幅されるように、第１減速歯車９０の大歯車９２ａと噛み合う。減速歯車列のその他の歯車についても同様に、大歯車９２ｂ−９２ｄを駆動する小歯車９４ａ−９４ｃをそれぞれ有して配列される。モータ７４が回転すると、モータが提供する電動力は、モータ出力軸８６から回転出力まで減速歯車列７６全体にわたって作用し、増幅され、よって、末端の小ピニオン歯車９４ｄによりその回転出力は作用される。小歯車９４ｄは駆動ラック６８と噛み合って駆動ラック６８を駆動し、それによって回転エネルギーを直線運動エネルギーに変換する。アクチュエータハウジング７２が支持する、バネ付勢されたカムエレメント７３は、ラックを、ピニオン歯車歯９４ｄに対して噛み合った関係で付勢された状態に維持する（これを、エラーやオーバートルク状態が発生した際の損傷を防ぐトルク制限装置として用いてもよい）。回転エネルギーを直線運動に変換するラック・ピニオン機構の代替としてボールネジ機構があるが、代替としてそれを用いても、それ以外の変換機構を用いてもよい。  
【００３２】
ウェルヘッド弁システム１４でウェルヘッド弁１２を駆動するに足るようにするためには、歯車列の歯車減速比が、少なくとも１００：１であることが好ましく、より好ましくは少なくとも４００：１である。このような高い歯車減速比により、小さなモータ力（例えば、容易に利用できる現在のモータ技術によって弁を駆動するのに４乃至１２ワットが消費される）は減速歯車列によって増幅され、バネ力および／または流体力に抗して弁１２を駆動して位置決めするのに十分な駆動力を提供する。これは、井戸圧力が約６８．９〜６，２１０ｋＰａ［約１０〜９００ｐｓｉ］の範囲で変化し得るという事実に照らせば、非常に重要であるといえる。弁１２の全開位置から全閉位置への移動時間に約１〜５分を要することで、駆動速度が大幅に低下することは明らかであろう。移動時間が遅くてもそれは許容範囲であり、井戸生産制御へのはっきりとした影響もないと認識されている（特に、多くの場合、一日２４時間体制で生産され、井戸の産出量の変更が求められることは比較的まれであるから）。また、これは特に、ウェルヘッド弁の設置サイトへ典型的に設ける自家電源を用いてガスの逸散排出を削減する−実際には事実上排除する−ことに伴う顕著な利点を考慮すれば、正しいと言える。  
【００３３】
図１５から図１９を参照すると、制動機構７８は、減速歯車列７６を介して少なくとも部分的に、そして開示の本実施の形態で示すように、直接的にモータ７４の出力軸８６に作用する。わずかな力だけをモータ７４のモータ軸８６に伝達するよう、制動機構７８はモータピニオン８８に作用して、歯車列を介して伝達される伸縮バネの力および／または流体圧力の力を抑制してもよい。このようにして制動機構７８を用いて、モータが現在の弁位置を保持するのに必要とする保持力の大きさを大幅に削減してもよく、また現在の弁位置を維持する保持力を完全になくしてもよい。  
【００３４】
制動機構７８は、一対の制動キャリパ１１０と、ロータ１１２とを含む。キャリパ１１０は外周縁に、固定支持ピン１１６を受け入れるスロット１１４を備える。この支持ピンは、アクチュエータハウジング７２に支持されて取付けられ、そこから延在する。ピン１１６はキャリパ１１０を固定状態に保持し、キャリパ１１０の回転を防ぐ。また外側キャリパ１１０は、軸方向でアクチュエータハウジング７２に突き当たって支持される。ロータ１１２は、出力軸８６へスプライン結合されるスリーブ部１１８と、制動キャリパ１１０間で軸方向に挟持されるプレート部１２０とを含む。キャリパ１１０は、半径方向内側に突出する円形リブ１２２を含む。このリブは、制動装置がオン位置に入ったとき、ロータプレート部１２０と摩擦係合する。リブ１２２は比較的半径方向に薄く、ロータ１１２と係合する直径が実質的に一定のリングを提供して、より均一な制動力を提供する（例えば、それによって半径方向に幅広の制動パッドキャリパを用いて起こり得る、小径での滑りを回避する）。制動バネ１２４は軸方向に力をかけて、ロータ１１２の両側へキャリパ１１０を摩擦係合させる。  
【００３５】
制動機構７８を恒久的にオン位置に配置することで、単に動的制動装置として設計できるが、制動機構は、図１８ａおよび図１８ｂで示すオン位置とオフ位置との間で制動装置を手動で係合したり、係合を解いたりするアクチュエータ装置１２６を含むのが好ましい。制動装置は異なる係合レベルを有して、異なるレベルの制動力を提供してもよい。開示の本実施の形態では、アクチュエータ装置１２６はアクチュエータハウジング７２に螺合されるか、さもなければ取付けられるスリーブ状支持ハウジング１２８を含む。また、アクチュエータ装置１２６は、摺動可能に支持ハウジング１２８へ挿入されて支持ハウジング１２８に対して回転および直線移動するシャンク状セレクタースイッチ部材１３０を更に含む。  
【００３６】
支持ハウジング１２８に対するスイッチ部材１３０の直線および回転移動は、ピン１３２およびスロット１３４機構により制約を受ける。ピン１３２はスイッチ部材１３０へ堅固に取付けられ、そこから半径方向外側に向かって、支持ハウジング１２８が画成するスロット１３４内に延伸する。スロット１３４は、オン位置およびオフ位置にそれぞれ対応する、第１および第２の軸方向に延びるレッグ１３８、１４０と、前記レッグ１３８、１４０を隔てる半径方向に延びる中間部１４２とを含む。第１レッグ１３８は第２レッグ１４０よりも長く、オン位置およびオフ位置を提供する。外側バネ１４４は、アクチュエータハウジング７２によって固定位置に固定保持されるワッシャ１４６に支持される。外側バネ１４４は、ピン１３２がレッグ１３８、１４０のいずれかに位置するときに、拘束されレッグの終端に向けて付勢させられるよう、スイッチ部材１３０を支持ハウジング１２８に向けて軸方向に付勢する。  
【００３７】
スイッチ部材１３０は、支持ハウジング１２８内の中央孔を貫通して延在する駆動ステム部１４８を含む。ステム部１４８は、アクチュエータハウジング７２の外側に露出した手動クランク式ヘッド部を含む。図示のクランク式ヘッド部は、ネジ回し用溝１５０、または工具もしくはクランク機構によって回動するようになされた別の構造を含む。図１８ａ、図１８ｂで示すように、スイッチ部材１３０を、外側伸縮バネ１４４の作用に抗して内方へ手動で押したり、オン位置とオフ位置との間（図１５で示すように、支持ハウジング外側に表示されている）を手動で回転したりすることができる。  
【００３８】
セレクタースイッチ部材１３０は、軸方向制動力を制動キャリパ１１０に作用させるようになされた制動バネ１２４を担持する。制動バネ１２４は、一端をバネ座１５２に支持され、制動作用プレート１５４をセレクタースイッチ部材１３０から離間させるよう付勢する。バネ座１５２は、セレクタースイッチ部材１３０に対するバネ座１５２の位置を固定させるよう自己ロックネジを介してセレクタースイッチ部材１３０のネジ開口部１５８に螺合してロックするネジ付ステム１５６を含む。通常、セレクタースイッチ部材１３０へのバネ座１５２のねじ込み深さは組み付け時に決まり、それを用いて制動機構７８がオン位置のときに受ける制動力をゲージ測定して設定する。制動作用プレート１５４は、バネ座１５２に対して軸方向に移動できる。ショルダーボルト１６０は制動作用プレート１５４を貫通して延伸し、バネ座１５２に取付けられる。ショルダーボルト１６０は作用プレート１５４の軸方向摺動を支持および案内する。
【００３９】
図１８ａで示すように、制動機構７８がオン位置にあるときは、ロータ１１２へ制動キャリパ１１０を押し付けるように、制動バネ１２４は作用プレート１５４を内側制動キャリパ１１０へ付勢する。図１８ｂで示すように、制動機構７８がオフ位置にあるときは、制動バネ１２４は作用プレート１５４を、バネがキャリパ１１０に作用しないようにするストッパとしての役割を果たす、ショルダーボルト１６０のヘッドへ付勢する。  
【００４０】
また、電動アクチュエータ１０は手動制御機能機構８０を備え、この機構は、手動クランクまたは工具と係合可能な矩形構造を持つヘッド１６４を有する回動可能なクランク式入力軸１６２を含む。入力軸１６２はアクチュエータハウジング７２内に支承される。入力軸１６２は、弁部材３０に対する入力軸１６２の回転を手動で線形に操作できるよう、トルク制限クラッチ１６６（または別のトルク制限装置、例えばシヤーピン）を介して、一の歯車軸９０ｄに作用する。トルク制限クラッチ１６６は、装置における手動でのオーバートルクを防ぎ、それによって手動でのオーバートルクに伴って生じかねない駆動ラック６８および駆動ピニオン９４ｄへの損傷を防ぐ。トルク制限クラッチ１６６は、歯車軸９０ｄに連結する出力プレートと摩擦係合する入力軸１６２に連結する、入力プレートを含んでもよい。所定の力つまりトルクで、クラッチ１６６のプレートが相互に滑って弁のオーバードライブを防ぐ。滑りが生じる所定トルクが、手動でのオーバートルクによってウェルヘッド弁１２が損傷を受けないほどに小さく、かつ、弁に作用するあらゆる制動力および付勢力−例えば制動機構７８および弁付勢バネ６０によって生じる力−に打勝つのに十分な大きさとなるよう、クラッチ１６６を設置する。これによって、制動機構７８がオン位置に入った状態でも、手動制御機能機構８０を手動操作でき、弁部材３０を全開位置と全閉位置との間の選択位置に駆動する。入力軸１６２の頭部はポインタ１７２を有し、アクチュエータハウジング７２は弁１２の開度を指し示す目盛り１７４を有する。弁を手動で調節する際、ポインタ１７２および目盛り１７４を用いて弁の位置を視覚的に、メンテナンス要員用に指し示す。  
【００４１】
開示の本実施の形態における重要な特徴は、電動アクチュエータ１０を３種類の異なる運転モードで構成できることである。かかる構成は、手動で反転できるバネ６０の付勢力と、オン位置およびオフ位置を持つ制動機構７８とを有することで得られる。これによって、電力喪失時でも、バネ６０が減速歯車列７６および弁部材３０を駆動でき、制動機構７８を用いて弁位置を保持できる。従って電動アクチュエータ１０は、電動モータ７４での電力喪失時に３種類の異なる構成可能な運転モードを有する。これらには、制動機構７８がオフ位置にある状態での電力喪失時に、減速歯車列７６および弁部材３０を全開位置へ付勢するようにバネ６０を配列したフェイル・オープンモードと、制動機構７８がオフ位置にある状態での電力喪失時に、減速歯車列７６および弁部材３０を全閉位置へ付勢するようにバネ６０を配列したフェイル・クローズモードと、制動機構７８がオン位置にあって減速歯車列７６および弁部材３０の現在位置を保持するフェイル・フィックスモードとが含まれる。  
【００４２】
開示の本実施の形態では、複数の位置検知装置を採用している。第１に、モーターコントローラ８２は、電動ステッパーモータ７４に送信するモータ位置制御信号から回転出力の位置を導き出すアナログ位置センサ１７６を一体的に組み込んでいる。アナログ位置センサは、電子的に弁１２の位置を導き出すのにステッパーモータ７４が駆動されるにつれ、カウントに加算したりカウントから減算したりするアキュムレータまたはカウンタの形態をとる。弁位置の変化は、アナログ位置センサ１７６のカウントの変化に線形に比例する。開示の本実施の形態は、ワイヤで電気接続されてモーターコントローラ８２にフィードバックを提供する予備位置センサを更に含む。これをポテンショメータ１７８の形態で示す。ポテンショメータ１７８は、最後の歯車軸９６ｄの延長部の偏心面から作用を受けるカムによって位置決めされる。ポテンショメータ１７８は予備フィードバックを提供する。これを用いて、ステッパーモータ７４で電力損失または滑りが生じた場合に誤差が発生し得るアナログ位置センサ１７６の精度を確認する。最後に、開示の本実施の形態は、最後の歯車軸９６ｄに近接して、全開位置および全閉位置としても定義されるウェルヘッド弁１２の移動の終端を表すセットポイントに取付けられるリミットスイッチ１８４を更に含んでもよい。延在する出力歯車軸９６ｄは、セットポイントのリミットスイッチ１８４を駆動させるカム偏心器を含む。リミットスイッチ１８４は、カスタマーインタフェースへワイヤで電気接続され、弁がセットポイントにあるときにそれを指し示す。これによって独立したフィードバックを提供して操作の精度を確認する。代替として、リミットスイッチ信号を用いてモータ７４への電力供給を遮断することにより、全開位置または全閉位置のいずれかを通過させるような弁を駆動する信号をコントローラ８２がモータに送らないようにすることができる。また、リミットスイッチ１８４は、エンドユーザが異なる移動範囲の終端を定めたい場合に、エンドユーザが適宜、移動範囲の終端を手動で設定できるよう、出力軸９６ｄに対して調節および手動回転が可能である。  
【００４３】
図１を参照すると、システム１４は、コントローラ２２、８２の一方または両方と導通する自家電源によって電力が供給されるワイヤレストランシーバ１８６を更に含んでもよい。第１コントローラ２２を、典型的には電動アクチュエータ１０外側のウェルヘッドの設置サイトに設け、システムレベル制御を提供することが注目される。モーターコントローラ８２は、電動アクチュエータ１０の駆動およびウェルヘッド弁１２の位置決めに対する制御を容易にする、モータードライバのようなものである。いずれの場合でも、ワイヤレストランシーバ１８６は遠隔配置されたトランシーバ１８８から、無線で遠隔制御入力および要求信号を受信できる。それによって、コントローラ２２、８２の一方または両方を遠隔制御してウェルヘッド弁１２の位置を無線で調節できる。また、トランシーバ１８６が遠隔地にフィードバックを伝達することによって、メンテナンス要員にウェルヘッドの設置サイトの運転パラメータ（例えば、流量、弁位置、動力レベル、誤作動等）を知らせることができる。  
【００４４】
実施の形態における更なる代替の局面は、電動アクチュエータ１０にスリープモードを組み込める点である。スリープモードでは、弁１２が正しい位置にあるときには、電動アクチュエータ１０が実質的に電力を消費せず、自動的にそれ自体の電源を切る。このモードに従えば、制動機構７８は通常オン位置にあり、従って、弁１２の移動に抵抗を与えるよう配列された動的制動装置の役目を果たす。オン位置にある制動機構７８は、電力喪失時に歯車列のバックドライブを防ぐのに十分な力を提供するため、ウェルヘッド弁１２の現在位置を保持するよう操作できる。電動モータ７４は必要に応じて、制動装置を滑らせることで制動装置に勝ってウェルヘッド弁１２を移動させるのに十分な力およびトルクをもたらす。さらにスリープモードは、これら遠隔地での電力が不足するとき、エネルギー効率に配慮し、電力消費を低下させる。  
【００４５】
図２１に示す別の特徴は、減速歯車９０ｂの代替となり得る差し込み式クラッチ減速歯車１９０ｂである。クラッチ減速歯車１９０ｂを、バネ６０が図２０に示すように弁を付勢して開かせるように配列したフェイル・オープンモードで構成した場合のアクチュエータに用いることができ、特に有用である。クラッチ減速歯車１９０ｂは同様に、歯車軸１９６ｂ上に大歯車１９２ｂと小ピニオン歯車１９４ｂとを含む。図示のように、大歯車１９２ｂはスリーブブッシュ１９１によって摺動可能に取付けられる。軸方向に固定された軸受支持部材１９５（アクチュエータハウジングに支持される）に支持される一対のバネ座金１９３は、一対の支持プレート１９７と摩擦係合ディスク１９８との間に大歯車１９２ｂを挟持した状態で、両者を共にピニオン歯車１９４ｂへ付勢する。支持プレート１９７は、バネ座金１９３による圧縮が働いて所定トルク未満で大歯車１９２ｂを軸１９６ｂにロックしたり、所定トルクを超えたら大歯車１９２ｂの回転滑りを許容したりするよう、軸１９６ｂへスプライン結合またはキー結合される。減速歯車１９０ｂに組み込まれるクラッチ機構の利点は、所定トルクで滑りが発生することである。ステッパーモータ７４を用いると、高負荷時にステッパーモータ内で滑りが生じる。クラッチ減速歯車の滑りを低目の負荷時に設定することで（歯車増幅のため）、バネによって弁が好ましくない位置に移動しかねない、ステッパーモータ７４の滑りを生じさせないことをより確実にする。
【００４６】
最後に、本発明は、ウェルヘッドでの天然ガスの制御または調整での使用に対して示したが、本発明を他の用途に使用してもよい。例えば、アクチュエータ１０を、他の種類の気体および液体を含め、他の種類のプロセス流体の流量を調整する弁と共に用いてもよい。
本明細書中で引用する刊行物、特許出願および特許を含むすべての文献を、各文献を個々に具体的に示し、参照して組み込むのと、また、その内容のすべてをここで述べるのと同じ限度で、ここで参照して組み込む。
【００４７】
以下の発明を開示する。
第１の態様の発明は、出力軸を回転させるようになされた電動モータと；前記出力軸により駆動される入力歯車を含む複数の歯車と回転出力とを備える減速歯車列であって、前記複数の歯車は、前記電動モータが前記出力軸を回転させると、前記入力歯車から前記回転出力に至る力を増幅するようになされる、減速歯車列と；前記減速歯車列に作用する手動制御機能入力と；前記減速歯車列に作用するオン位置およびオフ位置を持つ制動装置であって、前記オン位置にあるときに、前記減速歯車列のバックドライブを防ぐようになされた制動装置と；通過する流体の流量を制御するようになされた弁であって、弁ハウジングと弁部材とを含み、前記弁ハウジングが流路を画成し、前記弁部材は、前記流路の開度を制御するように前記弁ハウジング内で開位置と閉位置との間を可動である、弁とを備える；電動弁であってもよい。
第２の態様の発明は、前記開位置と前記閉位置との一方へ前記弁を付勢するよう配列したバネを更に備え、前記制動装置は前記オン位置にあるとき、前記バネの作用に抗して前記弁の現在位置を保持するのに十分な抵抗をもたらし、前記モータは前記オン位置にあるときの前記制動装置の抵抗に打ち勝つのに十分な回転出力を有して前記弁を動かす；第１の態様に記載の電動弁であってもよい。
第３の態様の発明は、前記バネの付勢力を手動で反転でき、前記電動弁は前記電動モータへの電力喪失時に３種類の異なる構成可能な運転モードを有し、運転モードには、前記制動装置が前記オフ位置にある状態での電力喪失時に、前記弁を前記開位置へ付勢するようにバネを配列したフェイル・バイアスオープンモードと、前記制動装置が前記オフ位置にある状態での電力喪失時に、前記弁を前記閉位置へ付勢するよう前記バネを配列したフェイル・バイアスクローズモードと、前記制動装置が前記オン位置にあって前記弁の現在位置を保持するフェイル・フィックスモードとが含まれる；第２の態様に記載の電動弁であってもよい。
第４の態様の発明は、前記ウェルヘッド弁は、弁ハウジングと前記弁ハウジング内に摺動可能に取付けられ直線往復運動を行う弁部材とを備え、前記弁部材はラックに連結され、前記減速歯車列は、前記電動モータの回転出力軸上の入力ピニオン歯車と、前記ラックと噛み合い前記ラックを駆動する出力ピニオン歯車と、前記入力ピニオン歯車と前記出力ピニオン歯車との間の複数の中間歯車とを含み、前記入力ピニオン歯車から前記出力ピニオン歯車へ至るまでに減速してトルクを増大する；第１の態様に記載の電動弁であってもよい。
第５の態様の発明は、前記手動制御機能入力を前記減速歯車列に連結するクラッチを更に備え、前記クラッチは、前記弁のオーバートルクを防ぐために所定トルクで滑ったり、前記オン位置にある前記制動装置に勝る十分な所定トルクでつかんだりするように構成される；第１の態様に記載の電動弁であってもよい。
第６の態様の発明は、前記制動装置は、手動で駆動されるセレクタースイッチを介して前記オン位置と前記オフ位置との間を可動である；第１の態様に記載の電動弁であってもよい。
第７の態様の発明は、前記制動装置が前記出力軸に直接作用し、前記制動装置が、前記出力軸と一体であるロータ要素を含む；第１の態様に記載の電動弁であってもよい。
第８の態様の発明は、前記電動モータの通電を制御するコントローラを更に備え、前記コントローラは、前記電動モータに送信するモータ位置制御信号から前記弁の位置を導き出すアナログ位置センサを組み込み、前記弁との間で検知上の通信を行ってフィードバックを前記コントローラに提供し、前記アナログ位置センサの精度を確認する予備位置センサを更に備える；第１の態様に記載の電動弁であってもよい。
第９の態様の発明は、前記弁の予め選択された位置を示すリミットスイッチを更に備える；第８の態様に記載の電動弁であってもよい。
第１０の態様の発明は、アクチュエータハウジングと、バネハウジングと、バネとを更に備え、前記アクチュエータハウジングは前記歯車を収容して回転可能に支持し、前記バネハウジングは前記バネを収容して前記弁ハウジングと前記アクチュエータハウジングとの間に介在し、前記弁部材はプラグ部材と前記プラグ部材から前記弁ハウジングを貫通して延在する弁ステムとを含み、前記回転出力によって変換手段を介して直線移動を行うアクチュエータステムを備え、前記アクチュエータステムは前記バネハウジングを貫通して延在し、前記バネは前記アクチュエータステムに直接作用するよう配列される；第１の態様に記載の電動弁であってもよい。
第１１の態様の発明は、出力軸を回転させるようになされた電動モータと；前記出力軸に駆動される入力歯車を含む複数の歯車と回転出力とを備える減速歯車列であって、前記複数の歯車は、前記電動モータが前記出力軸を回転させるとき前記入力歯車から前記回転出力に至る力を増幅するようになされる、減速歯車列と；前記減速歯車列に作用する手動制御機能入力と；オン位置を持つ制動装置であって、前記オン位置において前記減速歯車列のバックドライブを防ぐようになされる、制動装置とを備える；電動アクチュエータであってもよい。
第１２の態様の発明は、前記減速歯車列を所定方向に付勢するようにバネが配列され、前記オン位置にある前記制動装置は前記バネの作用に抗して前記減速歯車列の現在位置を保持するのに十分な抵抗をもたらし、前記電動モータは、前記オン位置にあるときの前記制動装置の抵抗に打ち勝つのに十分な回転出力を有して前記減速歯車列を駆動する；第１１の態様に記載の電動アクチュエータであってもよい。
第１３の態様の発明は、前記バネの付勢力を手動で反転でき、前記制動装置がオフ位置を有し、前記電動アクチュエータは前記電動モータへの電力喪失時に３種類の異なる構成可能な運転モードを有し、運転モードには、前記制動装置が前記オフ位置にある状態での電力喪失時に前記減速歯車列を第１リミットに至る第１方向へ付勢するように前記バネを配列した第１フェイル・バイアスモードと、前記制動装置が前記オフ位置にある状態での電力喪失時に前記減速歯車列を第２リミットに至る第２方向へ付勢するように前記バネを配列した第２フェイル・バイアスモードと、前記制動装置が前記オン位置にあって前記減速歯車列の現在位置を保持するフェイル・フィックスモードとが含まれる；第１２の態様に記載の電動アクチュエータであってもよい。
第１４の態様の発明は、前記減速歯車列の前記回転出力は一体的に出力ピニオン歯車を備え、前記出力ピニオン歯車はアクチュエータステム上に担持されるラックを駆動し、前記減速歯車列は前記電動モータの回転出力軸上の入力ピニオン歯車と、前記入力ピニオン歯車と出力ピニオン歯車との間の複数の中間歯車とを含み、前記入力ピニオン歯車から前記出力ピニオン歯車へ至るまでに減速してトルクを増大する；第１１の態様に記載の電動アクチュエータであってもよい。
第１５の態様の発明は、前記手動制御機能入力を前記減速歯車列に連結するクラッチを更に備え、前記クラッチは、前記減速歯車列のオーバートルクを防ぐために所定トルクで滑ったり、前記オン位置にある前記制動装置に勝る十分な所定トルクでつかんだりするように構成される；第１１の態様に記載の電動アクチュエータであってもよい。
第１６の態様の発明は、前記制動装置は、手動で駆動するセレクタースイッチを介して前記オン位置とオフ位置との間で可動である；第１１の態様に記載の電動アクチュエータであってもよい。
第１７の態様の発明は、前記制動装置が前記出力軸に直接作用し、前記制動装置が、前記出力軸と一体であるロータ要素を含む；第１１の態様に記載の電動アクチュエータであってもい。
第１８の態様の発明は、前記電動モータの通電を制御するコントローラを更に備え、前記コントローラは、前記電動モータに送信するモータ位置制御信号から前記回転出力の位置を導き出すアナログ位置センサを組み込み、フィードバックを前記コントローラに提供し、前記アナログ位置センサの精度を確認する予備位置センサを更に備える；第１１の態様に記載の電動アクチュエータであってもよい。
第１９の態様の発明は、前記弁の予め選択された位置を示すリミットスイッチを更に備える；第１８の態様に記載の電動アクチュエータであってもよい。
第２０の態様の発明は、アクチュエータハウジングと、バネハウジングと、バネとを更に備え、前記アクチュエータハウジングは前記歯車を収容して回転可能に支持し、前記バネハウジングは前記バネを収容して前記アクチュエータハウジングに取付けられ、前記回転出力によって変換手段を介して直線移動を行うアクチュエータステムを備え、前記アクチュエータステムは前記バネハウジングを貫通して延在し、前記バネは前記アクチュエータステムに直接作用するよう配列される；第１１の態様に記載の電動アクチュエータであってもよい。
第２１の態様の発明は、前記制動装置が少なくとも部分的に前記減速歯車列を介して前記回転出力に作用する；第１１の態様に記載の電動アクチュエータであってもよい。
第２２の態様の発明は、前記制動装置が少なくとも部分的に前記減速歯車列を介して前記回転出力に作用する；第１の態様に記載の電動弁であってもよい。
第２３の態様の発明は、前記弁は、井戸からのプロセス流体の流量を調整する捕集管に取付けられるようになされたウェルヘッド弁であり、前記電動モータは、コントローラを介して前記井戸に近接する自家電源により電力供給を受けるようになされ、前記電動モータは、前記ウェルヘッド弁に作用するバネ力および／または流体力にかかわらず、前記減速歯車列による力の増幅によって前記自家電源だけを利用して前記弁を駆動するのに十分な駆動力をもたらす；第１の態様に記載の電動弁であってもよい。
第２４の態様の発明は、井戸からのプロセスガスの放出を削減するためにウェルヘッド弁を改造する方法であって、ウェルヘッド弁を位置決めするためにプロセスガスを利用して、これを排出する空圧駆動装置を取り外すステップであって、前記空圧駆動装置は自家電源を用いて電気的に制御される、ステップと；前記空圧駆動装置を、電動モータと減速歯車列とを有する電動アクチュエータ機構に取り替えるステップであって、前記電動アクチュエータ機構は、駆動力のためのプロセスガスを放出せずに、前記減速歯車列を介して前記ウェルヘッド弁を駆動する、ステップと；前記自家電源によって前記電動モータに電力を供給するステップであって、前記減速歯車列は、前記ウェルヘッド弁に作用するプロセス流体圧力および／またはバネ力にかかわらず前記電動モータが前記減速歯車列を介して前記ウェルヘッド弁を駆動するに足る前記自家電源となるように大きな減速比を有する、ステップとを含む；方法であってもよい。
第２５の態様の発明は、前記ウェルヘッド弁を新しいウェルヘッド弁に取り替えるステップを更に含む；第２４の態様に記載の方法であってもよい。
第２６の態様の発明は、前記電動アクチュエータを、制動装置およびバネを用いる３つのフェイル・バイアスモードから１つ選択して構成するステップを更に含み、フェイル・バイアスモードには、前記制動装置が前記オフ位置にある状態での電力喪失時に前記弁を前記開位置へ付勢するように前記バネを配列したフェイル・バイアスオープンモードと、前記制動装置が前記オフ位置にある状態での電力喪失時に前記弁を前記閉位置へ付勢するように前記バネを配列したフェイル・バイアスクローズモードと、前記制動装置が前記オン位置にあって、電力喪失時にバネ力および／または流体力に抗して前記弁の現在位置を保持するフェイル・フィックスモードとが含まれる；第２４の態様に記載の方法であってもよい。
第２７の態様の発明は、前記減速歯車列に接続する手動制御機能入力を配列するステップを更に含む；第２４の態様に記載の方法であってもよい。
第２８の態様の発明は、前記自家電源を補うことなしに前記自家電源を利用するステップを更に備える；第２４の態様に記載の方法であってもよい。
【００４８】
本発明の説明に関連して（特に以下のクレームに関連して）用いられる名詞及び同様な指示語の使用は、本明細書中で特に指摘したり、明らかに文脈と矛盾したりしない限り、単数および複数の両方に及ぶものと解釈される。語句「備える」、「有する」、「含む」および「包含する」は、特に断りのない限り、オープンエンドターム（すなわち「〜を含むが限定しない」という意味）として解釈される。本明細書中の数値範囲の具陳は、本明細書中で特に指摘しない限り、単にその範囲内に該当する各値を個々に言及するための略記法としての役割を果たすことだけを意図しており、各値は、本明細書中で個々に列挙されるかのように、明細書に組み込まれる。本明細書中で説明されるすべての方法は、本明細書中で特に指摘したり、明らかに文脈と矛盾したりしない限り、あらゆる適切な順番で行うことができる。本明細書中で使用するあらゆる例または例示的な言い回し（例えば「など」）は、特に主張しない限り、単に本発明をよりよく説明することだけを意図し、本発明の範囲に対する制限を設けるものではない。明細書中の如何なる言い回しも、本発明の実施に不可欠である、請求項に記載されていない要素を示すものとは解釈されないものとする。  
【００４９】
本明細書中では、発明を実施するため本発明者が知っている最良の形態を含め、本発明の好ましい実施の形態について説明している。当業者にとっては、上記説明を読んだ上で、これらの好ましい実施の形態の変形が明らかとなろう。本発明者は、熟練者が適宜このような変形を適用することを期待しており、本明細書中で具体的に説明される以外の方法で発明が実施されることを予定している。従って本発明は、準拠法で許されているように、本明細書に添付された請求項に記載の内容の修正および均等物をすべて含む。さらに、本明細書中で特に指摘したり、明らかに文脈と矛盾したりしない限り、好ましい実施の形態で考えられるすべての変形における上記要素のいずれの組合せも本発明に包含される。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】図１は、本発明の好ましい実施の形態による電動弁を含むウェルヘッドシステムの概略平面図である。
【図２】図２は、図１に示す電動弁の等角図である。
【図３】図３は、図２に示す電動弁の断面図であり、前方から見た断面を示す。
【図４】図４は、図２に示す電動弁の断面図であり、側方から見た断面を示す。
【図５】図５は、図３の電動アクチュエータ部の断面図である。
【図６】図６は、図３の電動アクチュエータ部の断面図である。
【図７】図７は、上記各図に示す電動アクチュエータを上から見たときの断面図である。
【図８】図８は、図４に示す電動弁のバルブ部の拡大断面図である。
【図９】図９は、図８の拡大断面図であり、弁のシール配列を示す。
【図１０】図１０は、図９に示すシール配列の分解組立図である。
【図１１】図１１は、上記各図に示す電動アクチュエータの内部機構の等角図である。
【図１２】図１２は、上記各図に示す電動アクチュエータの内部機構の側面図である。
【図１３】図１３は、上記各図に示す電動アクチュエータの内部機構の正面図である。
【図１４】図１４は、上記各図に示す電動アクチュエータの内部機構の背面図である。
【図１５】図１５は、上記各図に示す電動アクチュエータで用いる制動機構の前端図である。
【図１６】図１６は、制動装置ハウジングの等角図である。
【図１７】図１７は、上記各図に示す電動アクチュエータで用いる制動機構の後端図である。
【図１８ａ】図１８ａは、図１５から図１７で示す制動機構の断面図であり、オン位置にある場合を示す。
【図１８ｂ】図１８ｂは、図１５から図１７で示す制動機構の断面図であり、オフ位置にある場合を示す。
【図１９】図１９は、図１５から図１８で示す制動機構の分解組立図である。
【図２０】図２０は、バネを反転して弁を開位置へ向けて付勢する点を除き、図３と同一の図である。
【図２１】図２１は、複数歯車の１つに代えて、電動アクチュエータで用いることができる差し込み式クラッチ歯車の断面図である。
【図２２】図２２は、ウェルヘッド弁用に広く採用されている制御システムの概略図である。
【符号の説明】
【００５１】
１０  電動アクチュエータ
１２  ウェルヘッド弁
１４  天然ガス井生産システム
１６  天然ガス生産井（井戸）
１８  捕集管
２０  ガス流量センサ
２２  電子コントローラ
２４  ソーラーパネル
２６  バッテリ
２８  弁ハウジング
３０  可動弁部材
３２  流路
３４  取付フランジ
３６  プラグ部材
３８  弁ステム
４０  弁座
４１  弁本体
４２  （計量）ケージ
４４  ボンネット
４６  シール編成
４７  加圧環状ピストン
４８  シーラントキャビティ
４９  スリーブ部
５０、５１  Ｏリングシール
５２  動的Ｏリングシール
５３  スペーサーエレメント
５４  シール保持ワッシャ
５５  ＰＴＦＥガイドブッシュ
５６  スナップリング
５７  保持ワッシャ
５８  ポート
５９  カバー
６０  バネ
６２  バネハウジング
６４  バネ座プレート
６５  代替の支持構造
６６  アクチュエータステム
６８  駆動ラック
６９  ナット
７０  スラスト軸受
７１  波形バネ
７２  アクチュエータハウジング
７３  カムエレメント
７４  ステッパーモータ
７６  減速歯車列
７８  制動機構
８０  手動制御機能機構
８２  モーターコントローラ
８４  固定子
８６  出力軸
９０ａ−ｄ  減速歯車
９２ａ−ｄ  大歯車
９４ａ−ｄ  小歯車
９６ａ−ｄ  歯車軸
１１０  制動キャリパ
１１２  ロータ
１１４  スロット
１１６  固定支持ピン
１１８  スリーブ部
１２０  プレート部
１２２  円形リブ
１２４  制動バネ
１２６  アクチュエータ装置
１２８  スリーブ状支持ハウジング
１３０  シャンク状セレクタースイッチ部材
１３２  ピン
１３４  スロット
１３８、１４０  レッグ
１４２  中間部
１４４  外側バネ
１４６  ワッシャ
１４８  駆動ステム部
１５０  ネジ回し用溝
１５２  バネ座
１５４  制動作用プレート
１５６  ネジ付ステム
１５８  ネジ開口部
１６０  ショルダーボルト
１６２  クランク式入力軸
１６４  ヘッド
１６６  トルク制限クラッチ
１７２  ポインタ
１７４  目盛り
１７６  アナログ位置センサ
１７８  ポテンショメータ
１８４  リミットスイッチ
１８６  ワイヤレストランシーバ
１９０ｂ  クラッチ減速歯車
１９１  スリーブブッシュ
１９２ｂ  大歯車
１９３  バネ座金
１９４ｂ  小ピニオン歯車
１９５  軸受支持部材
１９６ｂ  歯車軸
１９７  支持プレート
１９８  摩擦係合ディスク
【図１】
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【図２】
0004526531.tif 000003
【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】
0004526531.tif 000013
【図１３】
0004526531.tif 000014
【図１４】
0004526531.tif 000015
【図１５】
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【図１６】
0004526531.tif 000017
【図１７】
0004526531.tif 000018
【図１８ａ】
0004526531.tif 000019
【図１８ｂ】
0004526531.tif 000020
【図１９】
0004526531.tif 000021
【図２０】
0004526531.tif 000022
【図２１】
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【図２２】
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