(57)【要約】第１および第２段階の調整を行うフロー制御装置である。第１段階は、中間チャンバ（一連の相互接続された通路および空洞で形成されたもの）の内部圧力を、出口ポートの圧力を上回る所定の範囲内に維持する、という圧力調整段階である。第２段階は流速を対象とし、これを目標流速周辺の所定範囲内に維持するものである。いずれの段階でも、出口ポート内の圧力のサンプリングし、自動的に流体の流れを調整して、入口ポートと出口ポートとでの圧力の不一致が流速に影響を与えないことを保証する。流速は、ユーザが決定した設定値によって設定および制御される。圧力は１以上のフィードバックシステムによって調整される。使用するフィードバックシステムは、動作環境に応じて、機械的なものと電気的なものとしてもよい。
2004517387.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入口ポート、出口ポート、そして、入口ポートと出口ポートとの間を延びる主要フローパスが形作られたハウジングアセンブリと、
主要フローパス内に配置された制限部材と、
主要フローパスに沿っての流体の流れを通したり妨げたりするように配置された第１の弁アセンブリと、
主要フローパスに沿っての流体の流れを通したり妨げたりするように配置された第２の弁アセンブリと、
制限部材をはさんでの圧力差に基づいて第１の弁アセンブリを動作させるように配置された第１の調節アセンブリと、
制限部材をはさんでの圧力差に基づいて第２の弁アセンブリを動作させるように配置された第２の調節アセンブリと、を有すること、
を特徴とするフロー制御装置。
【請求項２】
ハウジングアセンブリにはさらに、バイパスパスが形作られており、制限部材をはさんでの圧力差は、少なくとも部分的には、バイパスパス内部の圧力に基づいて検知されること、
を特徴とする請求項１に記載のフロー制御装置。
【請求項３】
第１の調整アセンブリは、第１の弁アセンブリと、当該第１の弁アセンブリを開閉させることで出口ポートから出る流体の流れを一定に保つように配置された第１のフィードバックシステムと、を有すること、
を特徴とする請求項１に記載のフロー制御装置。
【請求項４】
第２の調整アセンブリは、第２の弁アセンブリと、当該第２の弁アセンブリを開閉させることで出口ポートから出る流体の流れを一定に保つように配置された第２のフィードバックシステムと、を有すること、
を特徴とする請求項１に記載のフロー制御装置。
【請求項５】
第２の調整アセンブリは、第２の弁アセンブリと、当該第２の弁アセンブリを開閉させることで出口ポートから出る流体の流れを一定に保つように配置された第２のフィードバックシステムと、を有すること、
を特徴とする請求項３に記載のフロー制御装置。
【請求項６】
第１のフィードバックシステムは、制限部材をはさんでの圧力差を直接的に感知する機械的フィードバックシステムで成ること、
を特徴とする請求項３に記載のフロー制御装置。
【請求項７】
第２のフィードバックシステムは、制限部材をはさんでの圧力差を直接的に感知する機械的フィードバックシステムで成ること、
を特徴とする請求項４に記載のフロー制御装置。
【請求項８】
第１のフィードバックシステムが、制限部材をはさんでの圧力差を直接的に感知する第１の機械的フィードバックシステムで成り、
第２のフィードバックシステムが、制限部材をはさんでの圧力差を直接的に感知する第２の機械的フィードバックシステムで成ること、
を特徴とする請求項５に記載のフロー制御装置。
【請求項９】
第１のフィードバックシステムは、制限部材をはさんでの圧力差を間接的に感知する電気的フィードバックシステムで成ること、
を特徴とする請求項３に記載のフロー制御装置。
【請求項１０】
第２のフィードバックシステムは、制限部材をはさんでの圧力差を間接的に感知する電気的フィードバックシステムで成ること、
を特徴とする請求項４に記載のフロー制御装置。
【請求項１１】
第１のフィードバックシステムが、制限部材をはさんでの圧力差を間接的に感知する第１の電気的フィードバックシステムで成り、
第２のフィードバックシステムが、制限部材をはさんでの圧力差を間接的に感知する第２の電気的フィードバックシステムで成ること、
を特徴とする請求項５に記載のフロー制御装置。
【請求項１２】
第１のフィードバックシステムが、制限部材をはさんでの圧力差を直接的に感知する機械的フィードバックシステムで成り、
第２のフィードバックシステムが、制限部材をはさんでの圧力差を間接的に感知する電気的フィードバックシステムで成ること、
を特徴とする請求項５に記載のフロー制御装置。
【請求項１３】
第１のフィードバックシステムが、制限部材をはさんでの圧力差を間接的に感知する電気的フィードバックシステムで成り、
第２のフィードバックシステムが、制限部材をはさんでの圧力差を直接的に感知する機械的フィードバックシステムで成ること、
を特徴とする請求項５に記載のフロー制御装置。
【請求項１４】
電気的フィードバックシステムは、
制御信号に応じて第１の弁アセンブリを開閉させるアクチュエータアセンブリと、
制限部材をはさんでの圧力差を示す少なくとも１つの信号に応じて制御信号を発生させる制御回路と、を有すること、
を特徴とする請求項９に記載のフロー制御装置。
【請求項１５】
電気的フィードバックシステムは、
制御信号に応じて第２の弁アセンブリを開閉させるアクチュエータアセンブリと、
制限部材をはさんでの圧力差を示す少なくとも１つの信号に応じて制御信号を発生させる制御回路と、を有すること、
を特徴とする請求項１０に記載のフロー制御装置。
【請求項１６】
第１の電気的フィードバックシステムは、
第１の制御信号に応じて第１の弁アセンブリを開閉させる第１のアクチュエータアセンブリと、
制限部材をはさんでの圧力差を示す少なくとも１つの信号に応じて第１の制御信号を発生させる第１の制御回路と、を有し、
第２の電気的フィードバックシステムは、
第２の制御信号に応じて第２の弁アセンブリを開閉させる第２のアクチュエータアセンブリと、
制限部材をはさんでの圧力差を示す少なくとも１つの信号に応じて第２の制御信号を発生させる第２の制御回路と、を有すること、
を特徴とする請求項１１に記載のフロー制御装置。
【請求項１７】
第１の調整アセンブリは第１のダイヤフラムアセンブリを有し、ハウジングアセンブリと第１のダイヤフラムアセンブリとによって、入口チャンバ、第１のバイパスチャンバ、そして第１の調整チャンバが形作られており、
第２の調整アセンブリは第２のダイヤフラムアセンブリを有し、ハウジングアセンブリと第２のダイヤフラムアセンブリとによって、出口チャンバ、第２のバイパスチャンバ、そして第２の調整チャンバが形作られており、
第１のダイヤフラムアセンブリは、流体が入口チャンバと第１のバイパスチャンバとの間を流れることを可能にする第１のバイパス通路を形作っており、第１のバイパス通路内部にはバイパス部材が配置されて、入口チャンバと第１のバイパスチャンバとの間の圧力差を作り出し、
ハウジングアセンブリは、流体が第１のバイパスチャンバと第２のバイパスチャンバとの間を流れることを可能にする第２のバイパス通路と、流体が出口チャンバから第２のバイパスチャンバに流れることを可能にするサンプリング通路とを形作っており、
バイパスパスが、第１のバイパス通路、第１のバイパスチャンバ、第２のバイパス通路、第２のバイパスチャンバ、そしてサンプリング通路を通って延びていること、
を特徴とする請求項２に記載のフロー制御装置。
【請求項１８】
第１の調整アセンブリは、少なくとも一部が第１の調整チャンバ内部に位置する第１の制御システムを有し、第１のダイヤフラムアセンブリが第１の制御システムを、主要パスおよびバイパスパスに沿って流れる流体から隔てており、
第２の調整アセンブリは、少なくとも一部が第２の調整チャンバ内部に位置する第２の制御システムを有し、第２のダイヤフラムアセンブリが第２の制御システムを、主要パスおよびバイパスパスに沿って流れる流体から隔てていること、
を特徴とする請求項１７に記載のフロー制御装置。
【請求項１９】
第１の弁アセンブリは、取り外し可能な形でハウジングアセンブリに装着された第１の弁シート部材を有し、
第２の弁アセンブリは、取り外し可能な形でハウジングアセンブリに装着された第２の弁シート部材を有すること、
を特徴とする請求項１に記載のフロー制御装置。
【請求項２０】
ハウジングアセンブリは、中間部材、第１の端部部材、そして第２の端部部材を有し、
第１の端部部材は取り外し可能な形で中間部材に装着されて、第１の弁シート部材へのアクセスを可能とし、そして、第２の端部部材は取り外し可能な形で中間部材に装着されて、第２の弁シート部材へのアクセスを可能としていること、
を特徴とする請求項１９に記載のフロー制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
・関連する出願
本出願は、２０００年１０月１１日になされた米国仮出願、通番：６０／２３９，７１６号の優先権を主張する。
【０００２】
・技術分野
本発明は、圧力を加えられた流体のフローを制御するシステムおよび方法に関し、さらに詳しく言えば、高圧で可変、および／または不明の圧力を有するソースからの流体のフローを精確に制御することを可能とするシステムおよび方法に関する。
【０００３】
・発明の背景
多くの分野において、加圧された液体を供給する際に分量を正確に守らなければならない場合がある。通常、供給される液体の量は、液体の流れを調整することによって制御される。流速（Ｆｌｏｗ−ｒａｔｅ）は導管のサイズや供給圧力などには影響を受けず、流速を制御することで、正確な量の流体を必要とされる場所に確実に送り届けることができる。
【０００４】
本発明は、気体のフローを比較的低い流速において制御するのに使用される場合に、特に意義がある。また、本発明は、液体などの他の流体、そして比較的大きな流速に対しても適用される。そうして、本発明の範囲は、以下に示す詳細な説明ではなく、ここに付加された特許請求の範囲に関連して決定されるべきものである。
【０００５】
供給する気体の量を正確に制御する必要がある現場の１例として、病院患者への気体の供給がある。この場合、気体は、所望の効果を得るために、換気装置を介して患者に供給される空気に混ぜ合わされる。患者に供給される気体の量が少なすぎた場合は、所望の効果が得られないおそれもある。一方、気体の量が多すぎれば、これは患者に害を与えるかもしれない。正確な分量の気体を供給する必要のある現場の例としては、その他に、科学や医療の分野での検査、産業プロセス、そしてスキューバダイビングなどがある。
【０００６】
気体の流れを一定に保つ上で根本的な障害となるのは、気体が供給される際の圧力が不明であったり、変化したりするという点である。加圧気体の供給源は、圧力容器や圧縮器である場合も多い。これらの供給源のいずれかによって供給される流体の圧力は、際立って変動が大きい。例えば、圧力容器の中にある気体の量が減るにつれ、タンクから流れ出る流体の圧力も低くなっていく。そのため、気体の流れが重要となるシステムの多くでは、流速を計測および監視し、さらには、システムを必要に応じて調節することで、流速を前もって決定された範囲内に持続する必要がある。
【０００７】
・関連技術
本出願人に発行された合衆国特許：Ｎｏ．４，０１５，６２６号には、流速を一定に保つための弁アセンブリが開示されている。この弁アセンプリはハウジングを有し、当該ハウジングには、上流チャンバおよび下流チャンバ、これらチャンバの間に配置された可動壁、下流チャンバ内に置かれ可動壁に働きかけるスプリング、上流チャンバ内にその制御ステムが可動壁と契合する形で配置されたバイセクル弁（ｂｉｃｙｃｌｅ−ｖａｌｖｅ）、そして、チャンバ間に接続された高抵抗渦巻き管が形作られている。下流チャンバの圧力が変化することにより、可動壁は移動して自転車弁制御ステムを操作することが可能となる。その結果、バイセクル弁を開閉させて、弁アセンブリを通って流れる液体の流れを制御することができる。また、スプリングを調節することによって流速を変えることも可能である。管類は、圧力を下げる制限物として作用するとともに、それ自体を通って流れる流体の流速を平均化する機能も果たす。
【０００８】
’６２６号特許に開示された弁アセンブリは比較的複雑であり、製造コストも高い。また、高抵抗管における圧力降下は、得られる流速の範囲を決定する上で重要な役割を演ずる。管における圧力降下量を変えることで流速の範囲を変化させようとしても、異なる管（すなわち、長さや通路サイズを変えること）が必要となるため、困難であろう。供給される高抵抗管が長いと、システムは比較的大きくなり、さらに故障の危険性も大きくなる。そのため、この弁アセンブリは、比較的低い（８０〜１５０）ｐｓｉでのみ動作するように設計される。
【０００９】
また、２０００年２月２２日に本出願人に対して発行された合衆国特許６，０２６，８４９号に開示された調整フロー制御装置は、圧力が高圧、可変、および／または不明である圧力源を用いて動作する。この‘８４９号特許に開示されたシステムおよび方法によって、流体（特に気体）を一定の流速で供給することに関する問題の多くは解決された。
【００１０】
しかしながら、‘８４９号特許に開示されたような調整フロー制御装置に対しても、この技術を特定の環境に適用できるようにするという、改良の必要は存在する。
【００１１】
・好適な実施の形態の詳細な説明
１．第１の実施の形態
先ず、図１を参照する。同図において番号２０で示すのが、本発明の原理に基づき、これを具体化する形で構成されたフロー制御システムである。第１の実施の形態におけるフロー制御システムは、比較的安価に製造できるとともに、予想される入圧力の範囲や希望する流速の範囲などの要因に応じて、さまざまな構成で、信頼できるかたちで動作するように設計されている。
【００１２】
ここに例示したフロー制御システム２０はハウジング用アセンブリ２２を有し、当該アセンブリ２２は、第１の端部部材２４、第２の端部部材２６、中間部材２８、そして第１および第２のダイヤフラム部材３０、３２を有する。第１および第２の端部部材２４、２６がボルト３４によって中間部材２８に取り付けられることで、ハウジング用アセンブリ２２が形成される。そのように組み立てられた上で、第１のダイヤフラム部材３０が、第１の端部部材２４と中間部材２８との間に配置されることで、入口チャンバ４０と第１の調整チャンバ４２とが形作られる。また、第２のダイヤフラム部材３２が、第２の端部部材２６と中間部材２８との間に配置されることで、出口チャンバ４４と第２の調整チャンバ４６とが形作られる。
【００１３】
次いで、図４を参照する。同図を見れば分かるように、ここに例示した中間部材２８は溝きり加工されており、それによって、第１および第２の端部空洞５０、５２が形作られている。ここに例示した第１および第２の端部空洞５０、５２は類似しており、各々が、外側部分５４、ミゾ切り中間部分５６、そして内側部分５８を有する。
【００１４】
第１および第２の弁アセンブリ６０、６２はそれぞれ、第１および第２の空洞５０、５２内部にほぼ納まる形で配置されている。寸法の差を除けば、ここに例示した弁アセンブリ６０、６２は同様の構造をしている。
【００１５】
さらに具体的に言えば、第１の弁アセンブリ６０は、第１の弁シート部材７０、第１のＯ−リング７２、第１の弁ステムアセンブリ７４、そして第１の弁スプリング７６を有する。第２の弁アセンブリ６２は、第２の弁シート部材８０、第２のＯ−リング８２、第２の弁ステムアセンブリ８４、そして第２の弁スプリング８６を有する。
【００１６】
第１および第２の弁シート部材７０、８０はそれぞれ、第１、第２の端部空洞５０、５２のネジきり部分５６内にネジ留めされる。Ｏ−リング７２、８２は、弁シート部材７０、８０によって、端部空洞５０、５２のネジきり部分５６内部に保持される。第１のＯ−リング７２をこのように第１の端部空洞５０のネジ切り部分５６に配置することで、空洞５０のネジ切り部分５６と内側部分５８との間を流体が流れるのを防止する。第２のＯ−リング８２についても、第２の端部空洞５２のネジ切り部分５６に同様に配置することで、空洞５２のネジ切り部分５６と内側部分５８との間を流体が流れることを防止している。
【００１７】
ここに例示した弁ステムアセンブリ７４、８４は同一であり、それぞれがステム部材９０と弁部材９２とを有する。ここに例示したステム部材９０はＴ字形状をした部品であり、そのクロスバーは弁部材９２内にはめ込まれている。
【００１８】
弁ステムアセンブリ７４、８４のステム部材９０は、それぞれ弁シート部材７０、８０に形成された第１および第２のステム開口部１１０、１１２を通って延びており、また、それらに支持されている。加えて、弁ステムアセンブリ７４、８４の弁部材９２は、弁シート部材７０、８０上に形成された弁シート面１１４、１１６に接する形に配置されている。
【００１９】
弁ステムアセンブリ７４、８４は弁シート部材７０、８０に対して短い距離を移動し、それによって、弁部材９２は弁シート面１１４、１１６に接したり、逆にこれらから離れたりする。弁部材９２が弁シート面１１４、１１６から離れると、弁シート部材７０、８０それぞれに形成された第１および第２の弁通路１２０、１２２を通って流体が流れることが可能となる。弁部材９２が弁シート面１１４、１１６と接している状態では、流体が第１および第２の弁通路１２０、１２２を通って流れることはできない。
【００２０】
第１および第２の弁スプリング７６、８６は、第１および第２の端部空洞５０、５２それぞれの内側部分５８の中に配置され、弁ステムアセンブリ７４、８４の弁部材９２を弁シート面１１４、１１６方向に押しやっている。
【００２１】
このように、弁アセンブリ６０、６２は、通常は閉じた弁となっている。さらに、弁アセンブリ６０、６２は、弁ステムアセンブリ７４、８４の上側部材１２４、１２６に加わる第１および第２の弁制御力に応じて、ほぼ直線的に開放する。
【００２２】
弁ステムアセンブリ７４、８４の上側部材１２４、１２６は、入口チャンバ４０、４４内に位置している。また、第１および第２の弁プレート１３０、１３２はそれぞれ、入口チャンバ４０、４４内にあって、弁ステム上側部材１２４、１２６と第１、第２のダイヤフラム部材３０、３２との間に位置している。第１および第２のピストン部材１４０、１４２は、第１および第２の調整チャンバ４２、４６内にあって、第１および第２のダイヤフラム部材３０、３２をはさんで第１および第２の弁プレート１３０、１３２の反対側となる位置に置かれている。また、第１および第２の調整スプリング１４４、１４６も、調整チャンバ４２、４６内に配置され、第１および第２のピストン部材１４０、１４２を、ダイヤフラム部材３０、３２を介して、弁プレート１３０、１３２方向に押しやっている。ダイヤフラム部材３０、３２は可撓性であり、それによって、ピストン部材１４０、１４２に加わる力を弁プレート１３０、１３２に移すことができる。
【００２３】
ここで、ハウジングアセンブリ２２の構造に話題を戻す。図３を見ると、接続通路１５０が入口チャンバ４０と第２の端部空洞５２の内側部分５８との間を延びていることが分かる。これにより、第２弁アセンブリ６２が開くと、流体は入口チャンバ４０から出口チャンバ４２まで、第２弁アセンブリ６２を通って流れることができる。
【００２４】
図４に破線で示す入口通路１５２は、入口ポート１５４から第１の端部空洞５０の内側部分５８にまで延びている。そのため、第１の弁アセンブリ６０が開くと、流体は入口ポート１５４から入口チャンバ４２まで、第１の弁アセンブリ６０を通って流れることができる。
【００２５】
図３および４に示す制限通路１５６は、流体が出口チャンバ４２から出口通路１５８まで制限チャンバ１６０を通って流れることを可能にする。制限チャンバ１６０内には、制限部材１６２が配置されている。次いで、出口通路１５８は、流体が制限通路１５６から制限部材１５６を通って出口ポート１６４まで流れることを可能とする。
【００２６】
また、図４に示す通り、第１および第２のサンプリング通路１７０、１７２によって、流体は出口通路１５８から第１、第２の調整チャンバ４２、４６それぞれに流れることが可能となっている。
【００２７】
さらに、図４に示すように、制限チャンバ１６０は、中間部材２８に開けられたアクセスホール１８０によって形成されている。アクセスホール１８０にはネジが切られており、それによって、細長プラグ１８２を中間部材２８に装着することが可能となっている。プラグ１８２はプラグチャンバ１８４を形作り、これを通って、流体は制限通路１５６から制限チャンバ１６０に流れる。第１のプラグＯ−リング１８６が配置されることで、流体が制限通路１５６から制限チャンバ１６０内の制限部材１６２だけを通って流れることが保証される。また、第２のＯ−リング１８８が配置されることで、流体がアクセスホール１８０を通ってシステム２０外に出る事態は防止される。
【００２８】
使用時、流体はメイン流体パスに沿って、入口ポート１５４から出口ポート１６４まで、以下に説明するように流れる。先ず、入口ポート１５４内の流体が、入口通路１５２を通って入口チャンバ４０に流れ込む。次いで、流体は、入口チャンバ４０から出口チャンバ４４まで、第１の弁アセンブリ６０、接続通路１５０、そして第２の弁アセンブリ６２を通って流れる。その後、出口チャンバ４４内の流体は、制限通路１５６、制限チャンバ１６０内の制限部材１６２、そして出口通路１５８を通って、出口ポート１６４まで流れる。
【００２９】
出口通路１５８内の流体は、サンプリング通路１７０、１７２を通って第１および第２の調整チャンバ４２、４６へ流れる。調整チャンバ４２、４６内の流体圧力と、調整スプリング１４４、１４６から加わるバイアス力との組み合わせによって、制御力が作り出される。当該制御力は、弁アセンブリを制御して、フロー制御装置を通じての流体の流速を実質的に一定に保たせ、流速が上流または下流の圧力変化から実質的に影響を受けないようにする。
【００３０】
ここでいったん図２に戻る。同図において参照番号１９０で示される圧力調節アセンブリは、第２の調整スプリング１４６から第２の弁ステムアセンブリ８４の上側部材１２６に加えられる制御力を調節する。圧力調節アセンブリ１８０は、システム２０を通じての流体の流速調節を可能にする。ここに例示した圧力調節アセンブリ１８０は手動で操作されるが、後で述べるように、電源つき圧力調節アセンブリを用いることも可能であり、その場合は、流速の制御を遠隔から、および／または、自動的に行うことが可能となる。
【００３１】
ハウジングアセンブリ２２の設計によって、フロー制御システム２０を異なる環境に合う形に構成することも容易に行える。具体的に言えば、比較的複雑な部品である中間部材２８でさえ、標準的な形で製造することができる。そして、この標準的な中間部材２８に対し、第１および第２の弁シート部材７０、７２や制限部材１６２を適切に選択することで、特定の使用環境に対応した構成とすることできる。
【００３２】
弁シート部材については、有効断面積の異なる弁通路を有するという、異なる形で製造してもよい。与えられた第１または第２の弁シート部材に関する弁通路の有効断面積は、予想される上流および下流の流体圧力の範囲に基づいて選択される。システム設計者は、前提となる環境に合った適切な弁シート部材を選択する。２つの弁シート部材を、それぞれ断面積の異なる形で製造したとすれば、システム設計者は、フロー制御システムの４つある有効な構成の中から選択することができる。弁シート部材の数を増やせばそれだけ、有効なフロー制御システムの構成のパターンも多様になる。
【００３３】
制限部材１６２は、制限通路１５６と出口通路１５８との間で、所定の圧力降下を生じさせる。圧力降下の度合いについては、異なる制限部材を選択する、および／または、２つ以上の制限部材を様々に組み合わせて用いることにより、変化させることができる。つまり、本発明のフロー制御システムの特性は、制限部材１６２の適切な選択によって変化させることができる。
【００３４】
このように、フロー制御システム２０は、当該システム２０が使用される環境に応じた様々に異なる構成で容易に実施できる、という汎用フロー制御装置を形成する。
【００３５】
２．第２の実施の形態
まず、図５を参照する。同図において番号２２０で示すのが、本発明の原理に基づき、これを具体化する形で構成されたフロー制御システムの第２の実施の形態である。第２の実施の形態におけるフロー制御システム２２０は、予想される入圧力の範囲や所望の流速の範囲などの要因に応じたさまざまな構成において、信頼できるかたちで動作するように設計されている。フロー制御システム２２０は数多くの環境で用途があるが、流体汚染の危険性を最小限に抑制しなければならない清潔な環境において、特に有意義なものである。
【００３６】
ここに例示したフロー制御システム２２０は、ハウジング用アセンブリ２２２を有し、当該アセンブリ２２２は、第１の上側部材２２４、第２の上側部材２２６、ベースまたは中間部材２２８、そして第１および第２のダイヤフラムアセンブリ２３０、２３２を有する。
【００３７】
ダイヤフラムアセンブリ２３０、２３２は互いと類似しており、それぞれに、第１、第２のダイヤフラム部材２３４、２３５を有する。第１のダイヤフラムアセンブリ２３０はさらに、第１のダイヤフラムプレート２３６と第１のダイヤフラムスリーブ２３７とを有する。また、第２のダイヤフラムアセンブリ２３２もさらに、第２のダイヤフラムプレート２３８と第２のダイヤフラムスリーブ２３９とを有する。
【００３８】
ダイヤフラム部材２３４、２３５はダイヤフラムプレート２３８、２３９に接合されている。ダイヤフラム部材２３４は、加えて、ダイヤフラムスリーブ２３７、２３９にも接合されている。一方、ダイヤフラム部材２３５は、ダイヤフラムスリーブ２３７、２３９と中間部材２２４との間で固定されている。そして、第１および第２の上側部材２２４、２２６は、ベース部材２２８にネジ留めされてハウジング用アセンブリ２２２を形成している。
【００３９】
このように組み立てられることで、第１のダイヤフラムアセンブリ２３０が、入口チャンバ２４０と第１の調整チャンバ２４２とを形作っている。第２のダイヤフラムアセンブリ２３２は、出口チャンバ２４４と第２の調整チャンバ２４６とを形作っている。接合とシール処理とを用いることで、ここまでに説明した各種チャンバ間の流れは、以下に規定する通路またはフローパスのみを通ることが保証される。
【００４０】
ここに例示したベース部材２２８は溝きり加工されており、その結果、第１および第２の端部空洞２５０、２５２が形作られている。ここに例示した第１および第２の空洞２５０、２５２は類似しており、各々が、ミゾ切り外側部分２５４、ミゾ切り中間部分２５６、そして内側部分２５８を有する。
【００４１】
第１および第２の弁アセンブリ２６０、２６２はそれぞれ、第１および第２の端部空洞２５０、２５２内部にほぼ納まる形で配置されている。後で述べる寸法の差を除けば、ここに例示した弁アセンブリ２６０、２６２は同様の構成となっている。
【００４２】
さらに具体的に言えば、第１の弁アセンブリ２６０は、第１の弁シート部材２７０、第１のＯ−リング２７２、第１の弁ステムアセンブリ２７４、そして第１の弁スプリング２７６を有する。第２の弁アセンブリ２６２は、第２の弁シート部材２８０、第２のＯ−リング２８２、第２の弁ステムアセンブリ２８４、そして第２の弁スプリング２８６を有する。
【００４３】
第１および第２の弁シート部材２７０、２８０はそれぞれ、第１、第２の端部空洞２５０、２５２のネジきり部分２５６内にネジ留めされている。Ｏ−リング２７２、２８２は、弁シート部材２７０、２８０によって、端部空洞２５０、２５２のネジきり部分２５６内部に保持される。第１のＯ−リング２７２がこのように、第１の端部空洞２５０のネジ切り部分２５６に配置されることで、空洞２５０のネジ切り部分２５６と内側部分２５８との間を流体が流れる事態は防止される。第２のＯ−リング２８２についても、第２の端部空洞２５２のネジ切り部分２５６に同様に配置されることで、その空洞２５２のネジ切り部分２５６と内側部分２５８との間を流体が流れる事態は防止される。
【００４４】
ここに例示した弁ステムアセンブリ２７４、２８４は同一であり、それぞれがステム部材２９０と弁部材２９２とを有する。ここに例示したステム部材２９０はＴ字形状をした部品であり、そのクロスバーは弁部材２９２内にはめ込まれている。
【００４５】
弁ステムアセンブリ２７４、２８４のステム部材２９０は、それぞれ弁シート部材３７０、３８０に形成された第１および第２のステム開口部３１０、３１２を通って延びていると共に、それらに支持されている。加えて、弁ステムアセンブリ２７４、２８４の弁部材２９２は、弁シート部材２７０、２８０上に形成された弁シート面３１４、３１６に接する形に配置されている。
【００４６】
弁ステムアセンブリ２７４、２８４は弁シート部材２７０、２８０に対して短い距離を移動し、それによって、弁部材２９６は弁シート面３１４、３１６に接したり、逆にこれらから離れたりする。弁部材２９６が弁シート面３１４、３１６から離れると、弁シート部材２７０、２８０それぞれに形成された第１および第２の弁通路３２０、３２２を通って、流体は流れることができる。一方、弁部材２９６が弁シート面３１４、３１６と接していると、流体が第１および第２の弁通路３２０、３２２を通って流れることはできない。
【００４７】
第１、第２の弁スプリング２７６、２８６はそれぞれ、第１、第２の調整チャンバ２４２、２４６内に配置されている。詳細は後で説明するが、弁スプリング２７６、２８６は、弁ステムアセンブリ２７４、２８４弁部材２９２を弁シート面３１４、３１６方向に押しやる。
【００４８】
このように、弁アセンブリ２６０、２６２は、通常は閉じた弁となっている。さらに、弁アセンブリ２６０、２６２は、弁ステムアセンブリ２７４、２８４の上側部分３２４、３２６に加わる第１および第２の弁制御力に応じて、ほぼ直線的に開放する。
【００４９】
弁ステムアセンブリ２７４、２８４の上側部分３２４、３２６は、入口チャンバ２４０、２４４内に位置付けられており、それぞれ、ダイヤフラムプレート２３６、２３８に強固に接続されている。そして、ダイヤフラムプレート２３６、２３８は、第１、第２の調整チャンバ２４２、２４６内に位置付けられた第１、第２の調整プレート３３０、３３２に接続されている。
【００５０】
第１、第２の調整チャンバ２４２、２４６内にはさらに、第１、第２の調整スプリング３４０、３４２が位置付けられて、第１、第２の調整プレート３３０、３３２を、弁スプリング２７６、２８６を介して、ダイヤフラムプレート２３６、２３８方向に押しやっている。
【００５１】
第１の調整プレート３３０、第１のダイヤフラムプレート２３８、そして第１の弁部材２７４はこうして、互いと強固に接続されて第１のスライドアセンブリ３４４を形成している。そして同様に、第２の調整プレート３３２、第２のダイヤフラムプレート２３９、そして第２の弁部材２８４も互いと強固に接続されて第２のスライドアセンブリ３４６を形成している。
【００５２】
スライドアセンブリ３４４、３４６は、弁シート部材３７０、３８０に形成された第１および第２のステム開口部３１０、３１２、ダイヤフラム部材２３４、２３６、弁スプリング２７６、２８６、そして第１および第２の調整スプリング３４０、３４２によって保持される。ダイヤフラム部材２３４、２３６およびスプリング２７６、２８６、３４０、３４２が柔軟であるため、スライドアセンブリ３４４、３４６は移動が可能である。加えて、弁部材２７４、２８４は、弁シート部材３７０、３８０に対してスライド移動する。従って、スライドアセンブリ３４４、３４６がハウジングアセンブリ２２２内で移動すると、ダイヤフラム部材２３４、２３６に力が加わって、この力が弁アセンブリ２６０、２６２を開閉させる。
【００５３】
ここで、再び図５を参照する。接続通路３５０が入口チャンバ２４０と第２の端部空洞２５２の内側部分２５８との間を延びている。これにより、第２弁アセンブリ２６２が開くと、流体は入口チャンバ２４０から出口チャンバ２４２まで、第２弁アセンブリ２６２を通って流れることができる。
【００５４】
入口通路３５２は、入口ポート３５４から第１の端部空洞２５０の内側部分２５８にまで延びている。そのため、第１の弁アセンブリ２６０が開くと、流体は入口ポート３５４から入口チャンバ２４０まで、第１の弁アセンブリ２６２を通って流れることができる。
【００５５】
制限通路３５６は、流体が出口チャンバ２４２から出口通路３５８まで制限チャンバ３６０を通って流れることを可能にする。制限チャンバ３６０内には、制限部材３６２が配置されている。次いで、出口通路３５８は、流体が制限通路３５６から制限部材３６２を通って出口ポート３６４まで流れることを可能とする。
【００５６】
ダイヤフラムプレート２３８に形成された第１のバイパス通路３７０によって、流体は、入口チャンバ２４０から第１のバイパスチャンバ３７２（第１のダイヤフラムアセンブリ２３０とハウジングアセンブリ２２２とによって形作られたもの）まで流れることが可能となる。また、ベース部材２２４に形成された第２のバイパス通路３７４によって、流体は、第１のバイパスチャンバ３７２から第２のバイパスチャンバ２４６（第２のダイヤフラムアセンブリ２３２とハウジングアセンブリ２２２とによって形作られたもの）まで流れることが可能となる。サンプリング通路３７８は出口通路３５８を第２のバイパスチャンバ３７４に接続している。バイパス部材３８０が第１のバイパス通路３７０内部に位置付けられて、入口チャンバ２４０と第１のバイパスチャンバ３７２との間に圧力差を生じさせる。
【００５７】
使用時、流体は、入口ポート３５４に導き入れられ、その後、主要フローパスに沿ってシステム２２０内を以下に説明するように流れる。先ず、入口ポート３５４内の流体が、入口通路２５２を通って入口チャンバ２４０に流れ込む。次いで、流体は、入口チャンバ２４０から出口チャンバ２４２まで、第１の弁アセンブリ２６０、接続通路２５０、そして第２の弁アセンブリ２６２を通って流れる。その後、出口チャンバ２４２内の流体は、制限通路３５６、制限チャンバ３６０内の制限部材３６２、そして出口通路３５８を通って、出口ポート３６４まで流れる。
【００５８】
入口チャンバ２４０内の流体のうち少量は、バイパスパスに沿って、第１のバイパス通路３７０内のバイパス部材２７８を通り、第１のバイパスチャンバ３７２に流れ込む。この流体は続いて、バイパスパスに沿い、第２のバイパス通路３７４を通って、第２のバイパスチャンバ３７６に入る。その後、流体はさらに、バイパスパスに沿って、第２のバイパスチャンバ３７６から出口通路３５８まで、サンプリング通路３７８を通って流れ続ける。
【００５９】
このようにして、第１および第２のバイパスチャンバ３７２、３７６内部の圧力は、出口通路３５８内部の圧力と同じになる。バイパスチャンバ３７２、３７６内の流体圧力と、調整スプリング３４４、３４６から加わるバイアス力との組み合わせによって、制御力が作り出される。当該制御力は、弁アセンブリ２６０、２６２を制御して、フロー制御装置を通じての流体の流速を実質的に一定に保ち、流速が上流または下流の圧力変化に実質的に影響を受けないようにする。ただし、バイパスチャンバやバイパス通路に流体が溜まることはない。なぜなら、この少量の流体は、システム２２０の通常動作の間にバイパスパスに沿って流れるからである。
【００６０】
ここでいったん図５に戻る。同図において参照番号３９０で示される圧力調節アセンブリは、第２の調整スプリング３４６から第２の弁ステムアセンブリ２８４に対して加えられる制御力を調節する。圧力調節アセンブリ３９０は、システム２２０を通る流体の流速の調節を可能にする。ここに例示した圧力調節アセンブリ３９０は手動で操作されるが、電源つき圧力調節アセンブリを用いることも可能であり、その場合は、流速の制御を遠隔から、および／または、自動的に行うことが可能となる。
【００６１】
こうしたハウジングアセンブリ２２２の設計により、スプリングと制御対象の流体との接触を避けなければならない環境や、流体がシステム２２０内のどこにも溜まることは許されない環境において使用するのに適したフロー制御システム２２０が可能となる。
【００６２】
前に説明したシステム２０の場合と同様、弁シート部材については、それぞれに有効断面積が異なる弁通路を有するという、異なる形状で製造してもよい。与えられた第１または第２の弁シート部材に関する弁通路の有効断面積は、予想される上流および下流の流体圧力の範囲に基づいて選択される。システム設計者は、前提となる環境に合った適切な弁シート部材を選択すればよい。２つの弁シート部材を、それぞれ断面積が異なる別の形で製造したとすれば、システム設計者は、フロー制御システムの４つある有効な構成の中から選択を行うことができる。弁シート部材の数を増やせばそれだけ、有効なフロー制御システムの構成のパターンも多様になる。加えて、システム２０の弁シート部材をシステム２２０と同じにしたうえで、これに用いることとしてもよい。
【００６３】
制限部材３６２は、制限通路３５６と出口通路３５８との間で、所定の圧力降下を生じさせる。圧力降下の度合いについては、異なる制限部材を選択すること、および／または、２つ以上の制限部材を様々に組み合わせて用いること、によって変化させることができる。つまり、本発明のフロー制御システムの特性は、制限部材３６２の適切な選択によって変化させることができる。
【００６４】
３．第３の実施の形態
まず、図７参照する。同図において番号４２０で示すのが、本発明の原理に基づき、これを具体化する形で構成されたフロー制御システムの、さらに別の実施例である。この第３の実施の形態におけるフロー制御システム４２０は、上述のフロー制御システム２２０に類似している。簡潔かつ明瞭なものとするために、以下のフロー制御システム４２０に関する説明は、主として、フロー制御システム２２０との差分を対象とする。
【００６５】
フロー制御システム４２０は電気的に制御されるよう設計されており、それによって、システム４２０は遠隔から動作させる、および／または、集中制御部を有する大型システムの一部として動作させる、ということが可能となる。
【００６６】
ここに例示したフロー制御システム４２０はハウジング用アセンブリ４２２を有し、当該ハウジング用アセンブリ４２２は、第１の上側部材４２４、第２の上側部材４２６、ベースまたは中間部材４２８、そして第１および第２弁アセンブリ４３０、４３２を有する。第１および第２の上側部材４２４、４２６がベース部材４２８にネジ留めされて、ハウジング用アセンブリ４２２を形成している。
【００６７】
第１および第２の弁アセンブリ４３０、４３２はそれぞれ、ハウジング用アセンブリ４２２に形作られた第１および第２の調整チャンバ４３４、４３６の下に配置されている。ここに例示した弁アセンブリ４３０、４３２は構成が類似しており、それぞれ、弁スプリング４４０、弁部材４４２、そして弁シート面４４４を有する。弁スプリング４４０は、弁部材４４２を弁シート面４４４方向に押しやって、弁アセンブリ４３０、４３２が通常は閉じられた状態となるようにしている。
【００６８】
弁アセンブリ４３０、４３２は、第１および第２調整プレート４５０、４５２に加わる第１および第２の弁制御力に応じて、ほぼ直線的に開放する。調整プレート４５０、４５２は、調整チャンバ４３４、４３６内にあって、弁スプリング４４０と第１および第２の調整スプリング４５４、４５６との間に保持されている。調整スプリング４５４、４５６は、弁スプリング４４０の力に逆らって、弁アセンブリ４３０、４３２を開位置に押し込む。
【００６９】
使用時、流体は入口ポート４６０に導き入れられ、その後、主要フローパスに沿って出口ポート４６２まで、システム４２０内を通って以下のように流れる。少量の流体はバイパスパスに沿って流れ、その結果、バイパスパスに沿った流体圧力と、調整スプリング４５４、４５６から加わるバイアス力との組み合わせによって、制御力が作り出される。当該制御力は、弁アセンブリ４３０、４３２を制御して、フロー制御装置４２０を通じての流体の流速を実質的に一定に保つ。適当な条件の下では、フロー制御装置４２０を通る流体の流速は、上流または下流の圧力変化に実質的に影響を受けない。
【００７０】
ここに例示したシステム４２０において、弁アセンブリ４３２に加わる制御力は、少なくともその一部が制御システム４７０（その一部分が第２の上側部材４２６上に載っているもの）によって生成される。さらに詳しく言えば、制御システム４７０は、モータアセンブリ４７２、アクチュエータ部材４７４、そしてハウジング４７６を有する。ハウジング４７６は、モータアセンブリ４７２を第２の調整チャンバ４３６上に支えている。アクチュエータ部材４７４のネジきり部分は、ネジきりアクチュエータ開口部４７８を通って、第２の上側部材４２６内にまで延びている。アクチュエータ部材４７４は第２の調整プレート４５２とかみ合って制御力を働かせる。この制御力は、第２の調整スプリング４５６から調整プレート４５２に加わる力に対向する。
【００７１】
アクチュエータ部材４７４は、モータアセンブリ４７２の動作がアクチュエータ部材４７４を軸方向回転させる、という形で、モータアセンブリ４７２に動作的に接続されている。また、アクチュエータ部材４７４はネジきりアクチュエータ開口部４７８にもかみ合っており、それによって、部材４７４の軸方向回転は、部材４７４を第２の調整プレート４５２に近づけたり遠ざけたりする形での軸方向移動に変換されることになる。このように、モータアセンブリ４７２の動作によって、調整プレート４５２に加わる制御力の増減が可能となる。
【００７２】
既に述べたフロー制御システム２２０に関する説明からも明らかなように、調整プレート４５２に加わる制御力の増減は、主要フローパスに沿って制御装置４２０を通る流体の流速を変化させる。
【００７３】
モータアセンブリ４７２は従来型のステップモータでよく、これは、「ユーザ設定値入力」信号によって制御されて、アクチュエータ部材４７４を軸方向に回転させるものである。「ユーザ設定値」信号を所望の値としておけば、システム４２０は流体の流速を、当該所望の値に対応した一定の値に維持する。「ユーザ設定値」信号が第２の所望の値に変更されれば、システム４２０を通る流体の流れは、第２の所望の値に対応した第２の流速に変化する。
【００７４】
従って、「ユーザ設定値」信号を生成するコントローラであれば、与えられた時点において必要とされる通り、流速を所望の値に変更することができる。所望の流速が設定された後のシステム４２０は、システム２２０に関連して既に説明したのと同じように、上流及び下流の圧力の変化に関わりなく流速を一定に保つように動作する。
【００７５】
ここに例示したモータアセンブリ４７２は、さらにロータリエンコーダを有し、当該エンコーダはアクチュエータ部材４７４の角度位置に対応する「角度位置出力」信号を発生させる。「角度位置出力」はコントローラにフィードバックを提供し、これによって、コントローラは、モータアセンブリ４７２をより正確に制御するための「ユーザ設定値」信号を発生させる。
【００７６】
４．第４の実施の形態
まず、図８を参照する。同図において番号５２０で示すのが、本発明の原理に基づき、これを具体化する形で構成されたフロー制御システムの、さらに別の実施例である。この第４の実施の形態におけるフロー制御システム５２０は、上述のフロー制御システム２２０に類似している。簡潔かつ明瞭なものとするために、以下のフロー制御システム５２０に関する説明は、主として、フロー制御システム２２０との差分を対象とする。
【００７７】
フロー制御システム５２０は電気的に制御されるよう設計されており、それによって、システム５２０については、遠隔から動作させる、および／または、集中制御部を有する大型システムの一部として動作させる、ということが可能である。
【００７８】
ここに例示したフロー制御システム５２０はハウジング用アセンブリ５２２を有し、当該アセンブリ５２２は、第１の上側部材５２４、第２の上側部材５２６、ベースまたは中間部材５２８、そして第１および第２の弁アセンブリ５３０、５３２を有する。第１および第２の上側部材５２４、５２６がベース部材５２８にネジ留めされて、ハウジング用アセンブリ５２２を形成している。
【００７９】
第１および第２の弁アセンブリ５３０、５３２はそれぞれ、少なくとも一部分が、ハウジングアセンブリ５２２に形作られた調整チャンバ５３４、調整空洞５３６内部におさまるように配置されている。ここに例示した弁アセンブリ５３０は、弁スプリング５４０、弁部材５４２、そして弁シート面５４４を有する。弁スプリング５４０は弁部材５４２を、弁アセンブリ５３０が通常閉じた形となるように、弁シート面５４４方向に押しやっている。ここに例示した弁アセンブリ５３２は、弁部材５４６そして弁シート面５４８を有する。弁アセンブリ５３２は、弁部材５４６が弁シート面５４８に接している間は閉じられている。
【００８０】
弁アセンブリ５３０は、調整プレート５５０に加わる第１の弁制御力に応じて、ほぼ直線的に開放する。調整プレート５５０は、調整チャンバ５３４内にあって、弁スプリング５４０と調整スプリング５５２との間に保持されている。調整スプリング５５２は、弁スプリング５４０の力に逆らって、弁アセンブリ５３０を開位置に押し込む。
【００８１】
使用時、流体は入口ポート５６０に導き入れられ、その後、主要フローパスに沿って出口ポート５６２まで、システム５２０内を通って以下のように流れる。少量の流体がバイパスパスに沿って流れることにより、第１の弁アセンブリ５３０を、これに第１の制御力を加えることで制御する。バイパスパスに沿って流れる流体の圧力はさらに第２の弁アセンブリ５３２を制御するのにも使われる。制御された弁アセンブリ５３０、５３２は、フロー制御装置５２０を通じての流体の流速を、実質的にほぼ一定に保つ。適当な条件の下では、フロー制御装置５２０を通じての流体の流速は、上流または下流の圧力変化に実質的に影響を受けない。
【００８２】
さらに言えば、ここに例示したシステム５２０は更に、制御システム５７０を有する。制御システム５７０は圧電アクチュエータ５７２（図８参照）と制御回路５７４（図９参照）とを有する。圧電アクチュエータ５７２は従来型のものであり、シャフト５７５を有する。当該シャフト５７５は、アクチュエータ５７２の入力５７６から入ってくる「アクチュエータ制御」信号に従い、シャフト軸に沿って移動する。そして、シャフト５７５は動作的に弁部材５４６と接続されており、シャフト５７５の移動によって弁部材５４６も移動させられることになっている。ここに例示したアクチュエータ５７２はカラー部材５７８にボルト締めされており、カラー部材５７８はハウジングアセンブリ５２２の一部を形成すると共に、第２の上側部材５２６によって所定位置に保持されている。
【００８３】
図９に示すように、制御回路５７４は、「設定値」信号と１以上の圧力信号「圧力１」、「圧力２」とに基づいて、「アクチュエータ制御」信号を発生させる。また、制御回路５７４は「計量出力」信号を生成するが、当該信号は、システム５２０が調整された状態では、システム５２０を通る流体の流速に対応している。
【００８４】
ここに例示したフロー制御システム５２０においては、アクチュエータ５７２と制御回路５７４とが電気的機械フィードバックシステムを形成しており、これは、上で述べたフロー制御システム２０、２２０そして４２０に用いられていた機械的フィードバックシステムのいずれかの代替となるものである。
【００８５】
更に詳しく言えば、圧力信号「圧力１」、「圧力２」は、システム５２０に用いられた制限部材５８０の上流、下流の圧力に相当する。「圧力１」と「圧力２」との差分は、制限部材５８０をはさんでの圧力差となる。
【００８６】
ここに例示したシステム５２０の場合、「圧力１」、「圧力２」の信号は、多数あるサンプリング位置のいずれか１つでサンプリングされる、とするのが好ましい。これらサンプリング位置は、バイパスパスに沿って間隔を取り、出口ポートの位置に置いてもよいし、その他の類似の配置とすることも可能である。流体の汚染感度が高い場合には、センサは主要フローパスやバイパスフローパスから隔てた位置に置くべきである。
【００８７】
制御回路５７４は、ソフトウェアプログラムの制御のもとで動作するマイクロプロセッサとすればよい。この場合、適当なデジタル・アナログコンバータ、およびアナログ・デジタルコンバータを用いて、マイクロプロセッサ周辺の部品で用いられるアナログ信号とマイクロプロセッサ内部で処理されるデジタルの信号および命令との間の変換処理を行う。ソフトウェアプログラムは特定の用途に合わせてカスタマイズされるであろうが、一般に、以下に述べる「アクチュエータ制御」信号の生成に必要なアルゴリズムやロジックを実行することになる。
【００８８】
別の形として、制御回路５７４は、アナログ専用回路またはデジタル／アナログのハイブリッド回路としてもよく、これは、「アクチュエータ制御」信号の生成に必要なアルゴリズムやロジックを直接実行する。ソフトウェア制御のマイクロプロセッサとアナログ専用またはハイブリッドの回路とのいずれを用いるかの決定は、システム５２０に関するサイズ特性、コスト特性そして性能特性などの要素に左右されるであろう。
【００８９】
例示したシステム５２０における「アクチュエータ制御」信号は、アナログ電圧であり、圧電アクチュエータを制御し、システム５２０を通しての流体の流れを「設定値」信号で決定される流速に維持するのに必要な形で、弁部材５４６を移動させる。
【００９０】
特定の環境においては、上で説明したフロー制御装置２０、２２０、４２０に用いられる機械的フィードバックシステムは、継続的に「閉」弁位置と「開」弁位置との間を往復移動することで流体の流れを維持することになる。それに対して、フロー制御システム５２０の制御システム５７０は弁アセンブリ５３２を操作し、流体の流れを一定に保つのに必要な形で、弁アセンブリ５３２を閉状態、部分的開状態、または全開状態とする。弁アセンブリ５３２の部分的開状態を可能としたことにより、制御システム５７０は安定した状態で存在することになり、機械的フィードバックシステムとの衝突を招きかねない往復移動は行わない。
【００９１】
多くの環境では、継続的に往復移動する弁アセンブリも許容されるが、その他の環境では、弁アセンブリを安定状態にできる方が好ましく、そうした場合は、システム５２０の実装を選択すべきであろう。
【００９２】
いくつか状況では、制御回路５７４が実行するアルゴリズムは、流体の温度に関わりなく動作するものであってよい。しかし状況によっては、システム５２０を通して流体の流れの安定性を高めるために、流体の温度を監視することにしてもよい。具体的に言えば、ここに例示する制御回路５７４は、さらに、システム５２０を流れる流体の温度に対応した「温度」信号にも基づいて、「アクチュエータ制御」信号を生成する。「温度」信号によって、制御回路アルゴリズムは、システム５２０を流れる流体の状態にも関与できるようになる。システムを流れる流体の状態は、流体の質量流や粘度に影響する。流体の状態を認識しておくことは、状況によっては、較正（ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ）のために重要になるであろう。
【００９３】
５．第５の実施の形態
まず、図１０を参照する。同図において番号６２０で示すのが、本発明の原理に基づき、これを具体化する形で構成されたフロー制御システムの、さらに別の実施例である。この第５の実施の形態におけるフロー制御システム６２０は、上述のフロー制御システム２２０に類似している。簡潔かつ明瞭なものとするために、以下のフロー制御システム６２０に関する説明は、主として、フロー制御システム２２０との差分を対象とする。
【００９４】
フロー制御システム６２０は電気的に制御されるよう設計されており、それによって、遠隔から動作させる、および／または、集中制御部を有する大型システムの一部として動作させる、ということが可能となっている。
【００９５】
ここに例示したフロー制御システム６２０は、ハウジング用アセンブリ６２２を有し、当該アセンブリ６２２は、第１の上側部材６２４、第２の上側部材６２６、ベースまたは中間部材６２８、そして第１および第２の弁アセンブリ６３０、６３２を有する。第１および第２の上側部材６２４、６２６がベース部材６２８にネジ留めされて、ハウジング用アセンブリ６２２を形成している。
【００９６】
第１および第２の弁アセンブリ６３０、６３２はそれぞれ、ハウジング用アセンブリ６２２に形作られた第１および第２の調整チャンバ６３４、６３６の下に配置されている。ここに例示した弁アセンブリ６３０は、弁スプリング６４０、弁部材６４２、そして弁シート面６４４を有する。弁スプリング６４０は、弁アセンブリ６３０が通常閉じた形となるように、弁部材６４２を弁シート面６４４方向に押しやっている。また、ここに例示した弁アセンブリ６３２は、弁部材６４６と弁シート面６４８とを有する。弁アセンブリ６３２は、弁部材６４６が弁シート面６４８に接している時は、閉じた状態となる。
【００９７】
弁アセンブリ６３０は、調整プレート６５０に加わる第１の弁制御力に応じて、ほぼ直線的に開放する。調整プレート６５０は、調整チャンバ６３４内にあって、弁スプリング６４０と調整スプリング６５２との間に保持されている。調整スプリング６５２は、弁スプリング６４０の力に逆らう形で、弁アセンブリ６３０を開位置に押し込む。
【００９８】
使用時、流体は入口ポート６６０に導き入れられ、その後、主要フローパスに沿って出口ポート６６２までシステム６２０内を通り、以下のように流れる。バイパスパスに沿って流れる少量の流体は、第１の弁アセンブリ６３０に第１の制御力を加えることで、これを制御する。バイパスパスに沿って流れる流体の圧力はさらに第２の弁アセンブリ６３２を制御するのにも使われる。弁アセンブリ６３０、６３２は、フロー制御装置６２０を通じての流体の流速を実質的にほぼ一定に保つように制御される。適当な条件の下では、フロー制御装置６２０を通じての流体の流速は、上流または下流の圧力変化に実質的に影響を受けない。
【００９９】
具体的には、ここに例示したシステム６２０は更に、制御システム６７０を有する。制御システム６７０はソレノイドアクチュエータ６７２（図１０参照）と制御回路６７４（図１１参照）とを有する。ソレノイドアクチュエータ６７２は従来型のものであり、巻き線６７６とソレノイド部材６７８とを有する。当該ソレノイド部材６７８は、アクチュエータ６７２の入力６８０に入ってくる「アクチュエータ制御」信号に従い、ソレノイド軸に沿って移動する。ソレノイド部材６７８は、第２の調整チャンバ６３６内にあって、ソレノイドスプリング６８２によって支持されている。そして、ソレノイド部材６７８は動作的に弁部材６４６と接続されているので、ソレノイド部材６７８が移動すると弁部材６４６も移動することになる。
【０１００】
図１１に示すように、制御回路６７４は、「設定値」信号と１以上の信号「圧力１」、「圧力２」とに基づいて、「アクチュエータ制御」信号を発生させる。また、制御回路６７４は「計量出力」信号を生成するが、当該信号は、システム６２０が較正された状態では、システム６２０を通る流体の流速に相当する。
【０１０１】
ここに例示したシステム６２０の場合、「圧力１」、「圧力２」の信号はバイパスパスに沿ったサンプリング位置でサンプリングすることとして、「圧力１」、「圧力２」の信号を生成する圧力センサに主要な流体の流れが接触しないようにするのが好ましい。さらに、汚染感度がより低い流体の場合には、他のサンプリング位置も可能である（直接、出口ポート６６２の位置などでサンプリングしてもよい）。
【０１０２】
ここに例示したフロー制御システム６２０では、アクチュエータ６７２と制御回路６７４とで電気的機械フィードバックシステムを形成しており、これは、上で述べたフロー制御システム２０、２２０そして４２０に用いられていた機械的フィードバックシステムのいずれかの代替となるものである。
【０１０３】
更に詳しく言えば、圧力信号「圧力１」、「圧力２」は、システム６２０に用いられた制限部材６９０の上流、下流の圧力に相当する。制限部材６９０をはさんでの圧力差は、弁アセンブリ６３０、６３２を制御するのに用いられる。これらの圧力値は、バイパスパスに沿って間隔を置いて設けられたサンプリング位置や出口ポート、その他において計測される。流体の汚染感度が高い場合には、センサを主要フローパスやバイパスフローパスから隔てた位置に置くべきである。
【０１０４】
制御回路６７４は、ソフトウェアプログラムの制御のもとで動作するマイクロプロセッサとしてもよいし、アナログ専用回路またはデジタル／アナログのハイブリッド回路としてもよい。ソフトウェアプログラムまたはハイブリッド回路は、「アクチュエータ制御」信号の生成に必要なアルゴリズムやロジックを実行する。
【０１０５】
例示したシステム６２０における「アクチュエータ制御」信号は、巻き線６７６を流れるアナログ電流であり、システム６２０を通じての流体の流れを「設定値」信号によって決定される流速に維持するのに必要な形で、先ずソレノイド部材６７８、次いで弁部材６４６の移動を引き起こす。
【０１０６】
上で説明したフロー制御システム５２０における制御システム５７０と同様に、フロー制御システム６２０における制御システム６７０は、流体の流れを一定に保つのに必要な形で、弁アセンブリ６３２を閉状態、部分的開状態、または全開状態で操作する。弁アセンブリ６３２を部分的開状態とできるようにしたことで、制御システム６７０は安定した状態で存在することになり、機械的フィードバックシステムとの衝突を招きかねない往復移動は行わない。特定の環境では、弁アセンブリを安定状態にできる方が好ましく、そうした場合は、システム６２０の実装を選択すべきであろう。
【０１０７】
状況によっては、制御回路６７４が実行するアルゴリズムは、流体の温度に関わりなく動作するものであってもよい。しかし、流体の流れの安定性を高めるために、ここに例示したシステム６２０では、流体の温度を監視している。具体的に言えば、ここに例示した制御回路６７４は、システム６２０を流れる流体の温度に対応した「温度」信号にも基づいて「アクチュエータ制御」信号を生成する。よって、制御回路アルゴリズムは、「温度」信号によって、システム６２０を流れる流体の状態にも関与できることになる。
【０１０８】
６．第６の実施の形態
まず、図１２を参照する。同図において番号７２０で示すのが、本発明の原理に基づき、これを具体化する形で構成されたフロー制御システムの、さらに別の実施例である。この第６の実施の形態におけるフロー制御システム７２０は、上述のフロー制御システム２２０に類似している。簡潔かつ明瞭なものとするために、以下のフロー制御システム７２０に関する説明は、主として、フロー制御システム２２０との差分を対象とする。
【０１０９】
フロー制御システム７２０は電気的に制御されるよう設計されており、それによって、遠隔から動作させる、および／または、集中制御部を有する大型システムの一部として動作させる、ということが可能となっている。
【０１１０】
ここに例示したフロー制御システム７２０は、ハウジング用アセンブリ７２２を有し、当該アセンブリ７２２は、第１の上側部材７２４、第２の上側部材７２６、ベースまたは中間部材７２８、そして第１および第２の弁アセンブリ７３０、７３２を有する。第１および第２の上側部材７２４、７２６がベース部材７２８にネジ留めされて、ハウジング用アセンブリ７２２を形成している。
【０１１１】
第１および第２の弁アセンブリ７３０、７３２はそれぞれ、ハウジング用アセンブリ７２２に形作られた第１および第２の調整チャンバ７３４、７３６の下に配置されている。ここに例示した弁アセンブリ７３０は、弁部材７４０と弁シート面７４２とを有する。ここに例示した弁アセンブリ７３２も同様に、弁部材７４４そして弁シート面７４６を有する。弁アセンブリ７３０、７３２は、弁部材７４０、７４４がそれぞれ弁シート面７４２、７４６に接している時は、閉じられた状態となる。
【０１１２】
使用時、流体は入口ポート７６０に導き入れられ、その後、主要フローパスに沿って出口ポート７６２まで、システム７２０内を通って以下のように流れる。少量の流体がバイパスパスに沿って流れる。バイパスパスに沿って流れる流体の圧力は、第１および第２の弁アセンブリ７３０、７３２を制御するのに使われ、その制御によって、フロー制御装置７２０を通じての流体の流速は実質的にほぼ一定に保たれる。適当な条件の下では、フロー制御装置７２０を通じての流体の流速は、上流または下流の圧力変化に実質的に影響を受けない。
【０１１３】
さらに言えば、ここに例示したシステム７２０は更に、制御システム７７０を有する。制御システム７７０は、第１および第２のソレノイドアクチュエータ７７２、７７４（図１２参照）と制御回路７７６（図１３参照）とを有する。ソレノイドアクチュエータ７７２および７７４は従来型のものであり、それぞれに巻き線７７６とソレノイド部材７７８とを有する。当該ソレノイド部材７７８は、アクチュエータ７７２、７７４によって規定される軸に沿って移動する。「第１のアクチュエータ制御」信号と「第２のアクチュエータ制御」信号とがアクチュエータ７７２、７７４の入力７８０に入り、それらがソレノイド部材７７８の移動を制御する。ソレノイド部材７７８は、ソレノイドスプリング７８２によって、第１および第２の調整チャンバ７３４、７３６内部で支持されている。そして、ソレノイド部材７７８は、第１および第２の弁部材７４０、７４４に動作的に接続され、これらを移動させる。
【０１１４】
図１３に示すように、制御回路７７６は、「設定値」信号と１以上の圧力信号「圧力１」、「圧力２」とに基づいて、「アクチュエータ制御」信号を発生させる。また、制御回路７７６は「計量出力」信号を生成するが、当該信号は、システム７２０が較正された状態では、システム７２０を通る流体の流速に相当する。
【０１１５】
ここに例示したシステム７２０の場合、「圧力１」、「圧力２」の信号は適切なサンプリング位置に配置された圧力センサによって生成される。流体の汚染感度が高い場合には、センサを主要フローパスやバイパスフローパスから隔てた位置に置くべきである。ただし、汚染感度がより低い流体の場合には、他のサンプリング位置も可能である（直接、出口ポートの位置などでサンプリングしてもよい）。
【０１１６】
ここに例示したフロー制御システム７２０では、アクチュエータ７７２と制御回路７７６とで電気的機械フィードバックシステムが形成されており、これは、上で述べたフロー制御システム２０、２２０そして４２０に用いられていた機械的フィードバックシステムの代替となるものである。
【０１１７】
更に詳しく言えば、圧力信号「圧力１」、「圧力２」は、システム７２０に用いられた制限部材７９０の上流、下流の圧力に相当する。「圧力１」信号と「圧力２」信号との差分は、制限部材７９０をはさんでの圧力差を表し、弁アセンブリ７３０、７３２を制御するのに用いられる。
【０１１８】
制御回路７７６は、ソフトウェアプログラムの制御のもとで動作するマイクロプロセッサとしてもよいし、アナログ専用回路またはデジタル／アナログのハイブリッド回路としてもよい。ソフトウェアプログラムまたはハイブリッド回路は、「アクチュエータ制御」信号の生成に必要なアルゴリズムやロジックを、以下に説明するような形で実行する。
【０１１９】
例示したシステム７２０における「アクチュエータ制御」信号は、巻き線７７６を流れるアナログ電流であり、システム７２０を通しての流体の流れを「設定値」信号で決定される流速に維持するのに必要な形で、先ずソレノイド部材７７８の、次いで弁部材７４０および７４４の移動を引き起こす。
【０１２０】
上で説明したフロー制御システム５２０、６２０における制御システム５７０、６７０と同様に、制御システム７７０は、流体の流れを一定に保つのに必要な形で、弁アセンブリ７３０、７３２を閉状態、部分的開状態、または全開状態で操作する。弁アセンブリ７３０、７３２を部分的開状態とできるようにしたことで、制御システム７７０は安定した状態で存在することとなり、機械的フィードバックシステムとの衝突を招きかねない往復移動は行わない。両方の弁アセンブリを安定状態にできる方が好ましい場合もあるが、そうした場合には、システム７２０の実装を選択するのがよい。
【０１２１】
ここに例示したシステム７２０において、例示した制御回路７７６は、システム７２０を流れる流体の温度に対応した「温度」信号にも基づいて、「アクチュエータ制御」信号を生成する。ただし、「温度」信号の使用は、本発明のいかなる形の実装に対しても、必須ではない。
【０１２２】
７．備考
上述の実施の形態で、構成部品のいくつかについては、与えられた実施例において使用される形で説明した。これらの構成部品の多くについては、それらの特性を使用環境に応じて変化させることができ、それによって、特定の用途に適した形にフロー制御装置を「調整する」こともできる。
【０１２３】
例えば、使用される各種のスプリング、弁ステムによって形作られた内部チャンバ、そして、弁ステムの入口開口部および出口開口部については、液体の種類、予想される入口圧力、そして、希望する流速に基づいて選択する必要がある。
【０１２４】
加えて、各種構成部品に使用する素材は、予想される流体の圧力および種類に基づいて選択する必要がある。例えば、圧力の低い空気の場合には、多くの構成部品にプラスチックが使用できるであろう。流体が腐食性で圧力もより高い場合には、スチールまたはステンレス製スチールを使用するのがよいかもしれない。
【０１２５】
１以上の電気的機械フィードバックシステムを用いるシステムでは、制御回路によって実行されるアルゴリズムは、別個の構成部品を用いるかソフトウェアを用いるかにかかわらず、前もって決定された所定のパラメータセットに対応した形に作られる。
【０１２６】
説明を簡潔にするために、出願人は、本発明の原理に従って構成されるフロー制御システムについて、実施例を６個しか説明しなかった。しかしながら、通常の当業者であれば、これらシステムの特徴のいくつかは組み合わせることが可能であり、そうした組み合わせによって、さらに数多く、本発明の原理に従って構成されるフロー制御装置の実現形態を提供できることは理解できるであろう。
【０１２７】
具体的に言えば、第１および第２の実施の形態におけるフロー制御システム２０、２２０は、それぞれ、キャニスターやプレートで成る構造物と特徴づけることができ、これは、ハウジング用アセンブリの全体的な外見による。ただし、ハウジング用アセンプリ２２は、おおよそ円筒形をしたベースまたは中間部材２８を有するのに対し、ハウジング用アセンプリ２２２は、おおよそ平らな形をしたベースまたは中間部材２２８を有する。
【０１２８】
また、第３から第６までの実施の形態３２０、４２０、５２０、６２０そして７２０は、プレート形状で、１以上の電気的機械フィードバックシステムを用いるものとして開示されている。しかしながら、このような電気的機械フィードバックシステムについては、キャニスター形状でも用いることができるであろう。更に言えば、これら電気的機械フィードバックシステムは、お互いと組み合わせたり、与えられた環境に対して望ましい種類の他のフィードバックシステムと組み合わせたりして使用する事もできるであろう。
【０１２９】
設計者は、フロー制御システムが使用される動作環境を初期的に決定することによって、特定の実装形態を設計してもよい動作環境とは、流体それ自体の特性、流体の入口圧力および出口圧力の予想範囲、外的条件、許容エラー範囲などを含む。また、設計者は、コストなどの商業的要素を考慮してもよい。
【０１３０】
動作上の、そして商業上の条件に基づいて、設計者は先ず、キャニスター型、プレート型やその他の複数の基本的な構造の種類の中から選択する形で、フロー制御装置のハウジングに関し基本的な物理構造を決定する。
【０１３１】
また、設計者は、ハウジング用アセンプリや他の構成部品の製造原料となる素材を、動作上の、そして商業上の条件に基づいて選択する。液体が腐食性の液体または気体である場合、ハウジング用アセンブリは、ステンレス製スチールまたはその他の、腐食に対する耐性を有する素材から製造するのがよい。もし商業的な理由からフロー制御システムを使い捨てとする場合には、素材としてプラスチックを選択するのがよいであろう。
【０１３２】
それから、設計者は、入口および出口の調整器で使用されるフィードバック調整システムの種類を決定することになる。一般に、設計者は、これら調整器のいずれか又は両方に対して、機械的フィードバックシステムまたは電気フィードバックシステムを選んで使用することができる。電気フィードバックシステムを使用する場合、設計者は、ステッピングモータなどの回転式装置、または、圧電アクチュエータやソレノイドアクチュエータのような移動式装置を選んで使用することができる。
【０１３３】
こうして、動作環境や商業的な条件、そしてフロー制御システムの物理的な構成が決定されると、次は、この物理的構造を特定の環境で実現するために必要なアルゴリズムが決定される。機械的フィードバックシステムの場合、このステップは、スプリングやその他の使用する制御装置に関して、種類や配列を選定する処理を含むことになる。電気的フィードバックシステムにおいては、このステップは、所望の動作特性を得るのに適したフィードバックループを設計する処理を含むことになる。
【０１３４】
したがって、本発明については、その思想や根本的な特徴を保ったままで、本明細書に記述した実施の形態とは異なる形式で実施することも可能である。すなわち、ここに示した本発明の実施の形態は、あらゆる点で例示的なものであり、発明をこれらに限定するものではない。本発明の範囲は、これまでの説明によってではなく「特許請求の範囲」によって示される。それゆえ、特許請求の範囲に均等な意味や範囲におさまるものである限り、あらゆる変更は本発明の範囲に含まれるものと意図している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理に基づき、これを具体化する形で構成されたフロー制御装置の第１の実施の形態を示す端部平面図である。
【図２】図１の線２−２に沿って第１の実施の形態のフロー制御装置を示す断面図である。
【図３】図２に示した第１の実施の形態のフロー制御装置の詳細を示す拡大断面図である。
【図４】図２の線４−４に沿って第１の実施の形態のフロー制御装置を示す断面図である。
【図５】本発明の原理に基づき、これを具体化する形で構成されたフロー制御装置の第２の実施の形態を示す断面図である。
【図６】（ａ）図５に示した第２の実施の形態のフロー制御装置の入力段階における詳細を示す断面図である。
（ｂ）図５に示した第２の実施の形態のフロー制御装置の出力段階における詳細を示す断面図である。
【図７】本発明の原理に基づき、これを具体化する形で構成されたフロー制御装置の第３の実施の形態を示す断面図である。
【図８】本発明の原理に基づき、これを具体化する形で構成されたフロー制御装置の第４の実施の形態を示す断面図である。
【図９】図８に示すフロー制御装置と接続して使用される制御システムを示すブロック図である。
【図１０】本発明の原理に基づき、これを具体化する形で構成されたフロー制御装置の第５の実施の形態を示す断面図である。
【図１１】図１０に示すフロー制御装置と接続して使用される制御システムを示すブロック図である。
【図１２】本発明の原理に基づき、これを具体化する形で構成されたフロー制御装置の第６の実施の形態を示す断面図である。
【図１３】図１２に示すフロー制御装置と接続して使用される制御システムを示すブロック図である。
【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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【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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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004517387.tif 000069
2004517387.tif 000070
【国際調査報告】
2004517387.tif 000071
2004517387.tif 000072