JPH0619675B2 - ネガティブフィ−ドバックを備えた流れ−圧力変換器用空気圧増幅器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 １．発明の分野 本発明は、排出導管内の背圧に応答するネガティブフィ
ードバック配列を提供することにより、作動を安定化さ
せる流体ブースター増幅器に関するものである。

２．先行技術の説明 米国特許第4,481,967号明細書には、パイロット圧が空
気圧信号を流体増幅器に与え、この増幅器がプロセス制
御のための圧力を提供するような流れ−圧力変換器を制
御する回路が示してある。米国特許第4,481,767号明細
書に開示された装置には、電気的フィードバックが備え
てある。

この特許明細書の第１図には、慣用的な設計になる空気
圧ブースター増幅器がブロック図の形態で示してある。
典型的な空気圧ブースター増幅器は、パイロット圧に応
答するダイアフラムを提供し、さらに当該ダイアフラム
は、釣合った状態でパイロット圧に比例する出力圧を与
えるバルブ装置を作動させる。

米国特許第4,325,399号明細書にも、流れ−圧力変換器
が開示してあり、スプール・バルブ型空気圧増幅器が模
式的に図解してある。

添付図面の第１図には、慣用的な先行技術の流体増幅器
が図解してある。第１図に示された慣用的な先行技術の
増幅器の場合、制御空気供給が供給ポートと排出ポート
の間のバルブ組立体に比例するという問題が生じる。排
出バルブが開く場合の量（大きさ）は、例えば前述した
諸特許に図解されたノズルによって発生されたパイロッ
ト圧のような、パイロット圧に応答する可撓性ダイアフ
ラムの位置に依存している。

排出ポートを通る排出流れが増加し、且つ排出通路に背
圧が発生するのに伴ない、排出制御バルブは排出背圧に
よって発生された力で移動する。この正のフィードバッ
クにより、バルブの微調節が困難となり、これは作動上
の不安定性を生ずる傾向がある。

他の標準的な型式の空気圧ブースター増幅器について
は、空気圧コントローラーの説明がなされているバン・
ノストランド(Van Nostrand)科学百科事典、第６版（19
83年），第2265−2266頁に示してある。典型的な空気圧
ブースター増幅器については、「モダーン・コントロー
ル・エンジニアリング」(Modern Control Engineering)
（オーガッタ・プレンテイス・ホール(Ogate Prentice
Hall)社，1970年），第５・２章，第161頁にも示してあ
る。

発明の要約 本発明は、主として流れ−圧力変換器又は空気圧コント
ローラーに使用され、入力圧又はパイロット圧に比例す
る出力圧を発生するように励起される増幅バルブを備え
ている空気圧ブースター増幅器に関するものである。こ
れは、排出通路と制御圧に対する出口の間の供給源から
の流体量を平衡させることにより達成される。

本発明の増幅器には、排出背圧の増加に伴なって排出流
れを閉じる傾向のある補助的な釣合い力を与えるよう
に、排出背圧に感応する付加的なダイアフラムが含まれ
ている。排出バルブを閉じる傾向がある付加的なダイア
フラムからの力は、増幅器が極めて容易に動的に調節さ
れ、作動中にその所望の釣合った位置からオーバーシュ
ートする排出バルブの動きを少なくする傾向があるよう
に、相当低いレベルに制御可能である。

空気圧増幅器には、流れ供給中にパイロット圧に応答し
て制御バルブを開き、出口圧力を与え、当該出口圧力も
排出バルブを開いて圧力の平衡が得られる迄排出流れを
生ぜしめるように作用するようにした二重ダイアフラム
組立体が備えてある。ダイアフラムの寸法は、排出ポー
トを開くよりむしろ閉じようとする傾向のある正味圧力
を排出通路内の背圧が発生するように選択される。

本ユニットは現存のシステム内に容易に据付けられ、機
械的素子を使って安定性を助ける負のフィードバックを
もたらす。

図面の簡単な説明 第１図は空気圧コントローラーに使用された先行技術の
直接作用型空気圧増幅器の模式的横断面図である。

第２図は本発明に従って作成された空気圧ブースター増
幅器の模式的横断面図である。

好適な実施態様の詳細な説明 第１図には、典型的な先行技術による空気圧ブースター
増幅器が模式的に示されている。この増幅器にはハウジ
ング１０が含まれ、当該ハウジング１０には第１内部チ
ヤンバー１１が備えられる。そして当該チヤンバーに
は、このチヤンバー１１をパイロット圧励起部分１３と
出口ポート14Aで排出する排出チヤンバー部分１４の２
つの部分に分割するように、横切って延在する可撓性ダ
イアフラム１２の組立体が備えられている。

ダイアフラム１２には、排出弁座を有するバルブ・ハウ
ジング１５を含む中央部分が備えてある。ポペット・バ
ルブ組立体１６には、排出弁座と組合っている第１排出
バルブ・ヘッド１７が備えてある。バルブ組立体１６に
は、ポペット・バルブ組立体１６を上方へ強制するばね
１８に接続されたステム16Aが備えてある。

バルブ組立体１６は、ハウジング１０の内部を、空気供
給チヤンバー２１と出力制御圧チヤンバー２５とよりな
る付加的なチヤンバーに分離する、隔壁１９の開口部を
貫通する。第２バルブ・ヘッド２０は、供給圧チヤンバ
ー２１と出力制御圧チヤンバー２５の間の流れの制御す
るために、隔壁１９の弁座と組合わされる。ダイアフラ
ム１２は、排出チヤンバー１４に対して相対的に出力チ
ヤンバー２５の壁を形成するように、バルブ・ハウジン
グ１５とハウジング１０の壁に接続される。

供給圧チヤンバー２１は、所望の圧力の空気圧を与える
空気供給部に接続されている。ばね１８は、供給圧力が
バルブ・ヘッド２０を壁１９の座に対して着座させて、
供給チヤンバー２１を出力チヤンバー２５から遮断させ
る傾向が生ずるように、バルブ・ヘッド２０を支持す
る。

可撓性ダイアフラム１２は、パイロット圧（Ｐin）がチ
ヤンバー１３内で増加している場合、又はパイロット圧
が最初に検出される場合にバルブ１６に向ってたわむ。
バルブ・ハウジング１５は次にバルブ・ヘッド１７に支
えられ、バルブ・ヘッド２０をその壁１９の座から離
し、流体を空気圧供給源およびチヤンバー２１からチヤ
ンバー２５内へ流すことが出来るようにする。

チヤンバー２５内の圧力はダイアフラム１２に作用し
て、排出チヤンバー１４に吐出するように、バルブ・ヘ
ッド１７を通ってハウジング１５内へいたる通路を開き
始める。ハウジング１５のチヤンバー内の開口部を通じ
て排出部にいたる流れは、排出ポート14Aを通じて流出
する。出力圧力からの力がパイロット圧からの力と均衡
した場合、バルブは平衡状態に達し、両方のバルブ・ヘ
ッド１７及び２０が閉じられることになる。

平衡状態が達成されようとしており、かつ排出流れが存
在する場合には、そして特に排出ライン内に制限がある
場合には、チヤンバー１４内に背圧が発生する傾向があ
る。チヤンバー１４内の背圧は、チヤンバー１３内のパ
イロット圧(Pin)とはダイアフラム１２の反対側に作用
し、また排出流れによって生ずる背圧はダイアフラム１
２とバルブ・ハウジング１５を上昇させる傾向があり、
かくして排出開口部をバルブ・ヘッド１７に対して相対
的に増加させる傾向がある。これはバルブに対するポジ
ティブな（正方向の）フィードバックである。

パイロット圧Ｐinが低下すると、ダイアフラム１２はハ
ウジング１５から離れ、ハウジングとバルブの組をバル
ブ・ヘッド１７から離すことにより排出バルブを開き、
再び平衡状態が確立される迄排出流れを生ぜしめる。こ
こで又、排出圧力のポジティブフィードバックが不安定
性を生ぜしめることになる。

チヤンバー２５内の圧力がＰin（パイロット圧）に比例
する場合は、平衡状態が確立されることが望ましい。し
かし乍ら、正のフィードバックの場合、排出開口部はオ
ーバシュートする傾向があり、増幅器がハンチング作動
をするので、本ユニットを感度高く、しかも安定したも
のに調節することが困難になる。

第２図に示された本発明の装置は、第１図に示された先
行技術の増幅器に固有の不安定性を克服するものであ
る。

第２図に示されるように、空気圧ブースター増幅器３４
には慣用的な様式で形成されたハウジング３５が含ま
れ、さらに、ハウジング３５内で全体的に 39Aで示され
た内部空洞を規定する第１ダイアフラム組立体３８によ
って規定されるパイロット圧チヤンバー３７にいたる、
パイロット圧入口導管３６が含まれている。

図から理解されるように、第１ダイアフラム組立体３８
には、ハウジング３５内に内部空洞を規定する壁に当該
組立体を結合する可撓性環状ウエブ３９及び堅固な（剛
性の）中央板部分４０が備えてある。ハウジング３５の
内部空洞39Aには更に、第１ダイアフラム組立体３８か
ら隔置されており、かつ全体的に符号４２で示される第
２ダイアフラム組立体が備えられ、またこの第２ダイア
フラム組立体には、ハウジング３５の内部空洞39Aの壁
および堅固な中央板部分４４に固着された可撓性環状ダ
イアフラム・ウエブ４３が備えてある。

中央の板状ダイアフラム部分４０及び４４は符号４５で
示された単一のバルブ・ハウジングに固定され、ダイア
フラム組立体３８及び４２の間の空間は、排出導管４７
にいたる排出チヤンバー（全体として符号４６で示され
る）を規定する。バルブ・ハウジング４５は板部分４４
に対して密封され、且つ符号５０で示された下方弁座を
規定する装置を備えている。

通路５２の内壁に接続されている第３可撓性ダイアフラ
ム５３により、ハウジング３５内に規定された内部通路
５２の壁にバルブ・ハウジング４５が結合される。ダイ
アフラム５３とダイアフラム４２の間に形成されたチヤ
ンバー４８は大気に連通される。

本発明のこの実施例においては、弁座５０に対して適合
するような排出バルブ・ヘッド５３がポペット・バルブ
組立体５４に備えられている。そして、バルブが開かれ
た場合には、バルブ・ヘッド５５によって制御される如
くバルブ・ハウジング４５の内部にいたる排出ポートが
形成される。弁座５０に生ずる排出ポートは、排出チヤ
ンバー４６内に連通し、したがって排出導管４７に連通
する開口部５７を有するバルブ・ハウジング４５内の内
部チヤンバーに連通される。

内部通路５２の下端部は、その内部に定められた弁座５
９を有し、かつダイアフラム５３から隔離された（図示
の如くその下方にある）壁５８で閉じられる。バルブ組
立体５４には、弁座５９と組合わされ、且つ壁５８とダ
イアフラム５３の間に形成された出力制御圧チヤンバー
６３への流れを制御するように、当該弁座と協働する第
２バルブ・ヘッド６２が備えてある。出力チヤンバー６
３には、出力制御圧を遠隔のアクチュエーター又は他の
所望のパルス又はコントロール装置に与えるように設け
られた出力圧導管６４が備えてある。

バルブ組立体５４には、バルブ・ヘッド６４の下方に延
びており、かつハウジング３５上に支持された可撓性ダ
イアフラム６６に接続されているバルブ・ステム６５が
備えてある。ダイアフラム６６の外側又は下方側は大気
圧に面している。壁５８とダイアフラム６６の間には供
給圧チヤンバー６７が形成してある。圧力供給導管７０
は加圧状態下の流体供給源からチヤンバー６７に達して
いる。

本発明の装置においては、パイロット圧Ｐinが導管３６
を通して増加する（又は開始する）場合、バルブ・ハウ
ジング４５をバルブ組立体５４に向って移動させようと
する、ダイアフラム組立体３８のプレート４０上の圧力
による力が発生され、同時にダイアフラム組立体４２の
中央板部分４４は、それがダイアフラム組立体３８の中
央板部分４０に機械的に接続してあるために、移動され
ることになる。壁５８に向かうこの運動により、バルブ
・ヘッド６２は弁座５９から離され、加圧状態下の流体
を、供給源から弁座５９を通って出力圧チヤンバー６３
内へ流入させ、次に出力制御圧導管６４の外へ出す。

チヤンバー６３内で発生された圧力はダイアフラム５３
に作用し、ダイアフラムの中央板部分４０上のパイロッ
ト圧によって発生される力と平衡させようとする。

次に、出力圧からの力がバルブ・ハウジング４５と中央
ダイアフラム部分４０及び４４をバルブ・ヘッド５５か
ら離れるように移動させ、かくしてバルブ・ヘッド５５
を弁座５０から分離させ、チヤンバー６３内の加圧流体
の一部分をバルブ・ハウジング４５内に排出可能とし、
さらに開口部５７を通じて排出チヤンバー４６内にいた
らしめ、導管４７を通じて排出させることが出来る。パ
イロット圧を均衡させる主要な（一次的な）フィードバ
ックは、ダイアフラム５３の下面に作用する制御圧力に
より与えられる。

本発明の装置の設計にあたり、ダイアフラム組立体４２
の作用部分を効果的にもたらす中央板部分４４は、ダイ
アフラム組立体３８のダイアフラム中央板部分４０より
僅かに直径が大きく作成されている。これは、排出導管
４７を通ずる流れによって発生される背圧に起因して、
チヤンバー４６内に発生される圧力が、排出背圧の増加
に伴ない、同様にバルブ・ヘッド５５に対してバルブ・
ハウジング４５を後方に移動させる傾向のある力を発生
することを意味している。従って、これはダイアフラム
組立体３８の上面に作用する圧力と共に排出ポート５０
を遮断しようとする傾向を生ずる。

排出背圧からもたらされる正味のバルブを閉じる力は負
のフィードバックを与えるので、排出流れが増加するの
に伴ない（そして排出背圧が増加するのに伴ない）、弁
座５０を通過する流れを遮断しようとする、より大きな
傾向が生ずる。これは、導管６４内で与えられている流
れ又は圧力が導管３６内のパイロット圧と比例するこ
と、及び不安定にすることなしにパイロット圧の変化に
極めて感応性があるようにバルブを調節出来ることを確
実にする意味で、一層容易に平衡化された圧力制御装置
をもたらす。

パイロット圧が減少すれば、制御チヤンバー６３内の圧
力が、全体のバルブ・ハウジング４５とダイアフラム中
央板部分４０及び４４とをバルブ・ヘッド５５から離れ
るように移動させ、排出流れを弁座５０およびバルブ・
ヘッド５５を通じて発生させる。さらに、制御チヤンバ
ー６３に対する空気の供給は、バルブ・ヘッド６２が弁
座５９に向って上方へ移動し、供給圧力を遮断すること
から、減少される。平衡状態が確立され、この様にして
導管６４内の制御圧がパイロット圧Ｐinに比例するよう
にされる。

ダイアフラムの寸法を選択し、かつ排出背圧によって影
響を受ける２個のダイアフラム（一方のダイアフラムが
一方向に力を発生させる間に、他方のダイアフラムが逆
向きの力を発生する）を相互に効果的に結合することに
より、ダイアフラムは排出流れに応答する負のフィード
バックを生ずるようにされることができ、これによっ
て、感度又は精度を犠牲にせずにシステムの安定性を高
め得ることが理解されるであろう。

第２図に示された本発明の装置は、この負のフィードバ
ックを発生することにより、排出サイクル中の利得を減
少させ、この型式のブースター増幅器が使用されている
完全な流れ−圧力変換器の容易にして動的な調節を可能
にする。

前述した如く、ダイアフラム５３とダイアフラム４２の
間に形成されたチヤンバーは大気に連通され、排出流れ
を有しないので、バルブ・ハウジング４５はその特定の
チヤンバーの領域で遮断され、即ちバルブ・ハウジング
はダイアフラム４２とダイアフラム５３の間では開かな
い。空洞39Aと通路５２の横断面形状は円形又は他の所
望の構成に出来る。

本発明について好適な実施態様を参照しながら説明して
来たが、当技術の熟知者は本発明の技術思想と範囲から
逸脱せずに形態上及び詳細な点で変更をなし得ることに
気付かれよう。

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ハウジングを含む流体増幅器に与えられる
   パイロット圧を表わす制御圧を与える加圧流体供給部に
   接続する流体増幅器であって： 加圧状態下の流体供給を受取る供給チヤンバー； 制御圧導管に制御圧を与える出力チヤンバー； 排出出口を通じて排気され、排出流れの関数として排出
   背圧を発生させる排出チヤンバー； パイロット圧を受取るパイロット圧チヤンバー； 供給チヤンバーから出力チヤンバーへの流体の流れを制
   御する第１バルブと、出力チヤンバーから排出チヤンバ
   ーへの流体の流れを制御する第２バルブとを有し、かつ
   出力チヤンバー内の制御圧を制御するように、流体の流
   れを制御する励起（駆動）力に応答するハウジング内の
   バルブ装置； 第１励起力をバルブ装置に与えるように、バルブ装置に
   接続されてパイロット圧に応答する第１活性領域を有
   し、排出背圧が第１ダイアフラムの第１活性領域上に作
   用して、第２の力でパイロット圧に対抗するようにした
   第１ダイアフラム組立体； バルブ装置に接続され、制御圧を安定化させるために排
   出背圧の負のフィードバックを与えるように、第１活性
   領域と少なくとも同じ大きさの第２活性領域を有し、且
   つ第１ダイアフラム上の排出背圧に起因して、第１ダイ
   アフラム上に発生された力に対抗する第２の力より大き
   い第３の力をバルブ装置に与えるように、排出背圧に感
   応する第２ダイアフラム；及び 制御圧がパイロット圧の所望の関数である場合に、平衡
   状態を達成するように、パイロット圧により与えられる
   第１の力に対抗する第４の力をバルブ装置に与えるよう
   に、出力チヤンバー内の制御圧に感応する第３ダイアフ
   ラムを備えた流体増幅器。
2. 【請求項２】第３ダイアフラムは、出力チヤンバーの圧
   力を増加させた時点で、第２バルブを開いて出力チヤン
   バーから排出チヤンバーへの流れを増加させる傾向のあ
   る励起力を発生するようにした請求の範囲第１項に記載
   の流体増幅器。
3. 【請求項３】前記第１ダイアフラムと第２ダイアフラム
   が、機械的に接続されて共に移動し、且つ排出チヤンバ
   ーを規定する対面壁を形成するようにした請求の範囲第
   １項に記載の流体増幅器。
4. 【請求項４】前記第３ダイアフラムの寸法が実質的に第
   １ダイアフラムおよび第２ダイアフラムより小さくなっ
   ている請求の範囲第３項に記載の流体増幅器。
5. 【請求項５】前記第２バルブが排出チヤンバーにいたる
   通路を形成する弁座と組合っており、前記弁座が前記第
   １及び第２ダイアフラムと共に移動するように設置さ
   れ、かくしてパイロット圧の増加により前記第１及び第
   ２ダイアフラムと前記弁座とが前記第２バルブに向って
   移動される傾向があるようにした請求の範囲第３項に記
   載の流体増幅器。
6. 【請求項６】出口において流体増幅器に与えられるパイ
   ロット圧の関数である制御圧を発生する流体増幅器組立
   体であって； 内部チヤンバーを有するハウジング； ダイアフラムの表面を横切って実質的に等しい距離に隔
   離配置され、ハウジングの内部チヤンバー上に設置され
   て当該内部チヤンバーを第１チヤンバーと第２チヤンバ
   ーに分割する第１及び第２ダイアフラム； パイロット圧チヤンバーを含む前記第１チヤンバー； 前記第１ダイアフラムと第２ダイアフラムの間に形成さ
   れて排出チヤンバーを含む前記第２チヤンバー； 前記排出チヤンバーにいたる排出弁座を規定する装置； 前記ハウジング内に設置され、前記排出弁座を規定する
   装置に接続された第３ダイアフラム；および 前記ハウジングに設置され、加圧流体供給源から出口に
   いたる流れを制御する第１バルブ部分を有するバルブ組
   立体よりなり、 前記排出弁座が前記出口から開き、前記バルブ組立体は
   出口から排出チヤンバーへの流れを制御するように前記
   排出弁座と組合わされている第２バルブ部分を有し、 前記第１，第２及び第３ダイアフラムと前記排出弁座を
   規定する前記装置が方向性軸線に沿った同時的運動のた
   め結合され、 前記パイロット圧チヤンバー内の圧力の増加が前記第１
   ダイアフラムに前記排出弁座を第２バルブ部分に対して
   移動させ、第１バルブ部分を開いて流体を加圧流体供給
   源から前記出口へ流し得るようにし、 前記第３ダイアフラムが出口における圧力に応答し、前
   記排出弁座を前記第２バルブ部分から離して前記流体を
   前記出口から前記排出チヤンバーを通じて排出させ、 前記第２ダイアフラムは、排出チヤンバー内の流体から
   の負のフィードバックを発生するように、前記第１ダイ
   アフラムより大きい寸法になっており、制御圧が安定化
   され且つ、前記排出チヤンバー内の圧力が前記排出弁座
   を前記第２バルブ部分に向って移動させる傾向があるよ
   うにされた流体増幅器組立体。
7. 【請求項７】前記第３ダイアフラムは、実質的にその有
   効寸法が前記第１及び第２ダイアフラムより小さくなっ
   ている請求の範囲第６項に記載の流体増幅器組立体。
8. 【請求項８】前記第１バルブ部分と第２バルブ部分が、
   同時的運動のため共に機械的に固定されたアクチュエー
   ター部分を含むようにした請求の範囲第６項に記載の流
   体増幅器組立体。
9. 【請求項９】第１バルブ部分がハウジングに対して固定
   された弁座を含むようにした請求の範囲第８項に記載の
   流体増幅器組立体。