JP6526751B2 - ダイアフラムのサイクル寿命を改善するためのダイアフラム境界面装置 - Google Patents

Description

本特許は、全般的には流体調整器に関し、より具体的には、ダイアフラムのサイクル寿命を改善するためのダイアフラム境界面装置に関する。

流体調整器は、一般的には、様々な流体（例えば、液体、気体等）の圧力を制御するために、プロセス制御システム全体にわたって分散される。流体調整器は、典型的には流体の圧力を実質的に一定値に調整するよう使用される。特に、流体調整器は、典型的に供給流体を比較的高圧で受け取る入口を有し、比較的低圧かつ実質的に一定圧を出口にて提供する。下流圧を調整するために、流体調整器は一般的に、下流圧と流体連通されて出口圧を検知するための検知要素又はダイアフラムを含有する。エラストマー性ダイアフラムは、コスト効率が高く、典型的に低圧適用又は非腐食性プロセス流体で使用される。高純度適用、高圧適用又は高腐食性プロセス流体については、流体調整器は金属ダイアフラム（例えば、ステンレス鋼ダイアフラム）をしばしば用いる。

金属ダイアフラムを流体調整器に結合させるために、従来の流体調整器は、調整器弁本体とボンネットとの間で金属ダイアフラムの周縁部を締付ける。かかる締付接続は、金属ダイアフラム上で変形及び応力を局在化する。更に、金属ダイアフラムに支持を与えるために、流体調整器は、典型的には、金属ダイアフラムに係合する実質的にフラットな又は平面状の接触面を有するバックアッププレートを用いる。しかしながら、一部の金属ダイアフラムは、ダイアフラムの感度を増加させるための***部又は波形輪郭部を含有する。実質的に平面状の接触表面を有するバックアッププレートが比較的小さな接触領域を備えた***部を有する金属ダイアフラムと係合することによって、接触面における金属ダイアフラムへの応力集中が増大する。金属ダイアフラムに付与される、かかる局在化した応力集中は、金属ダイアフラムのサイクル寿命又は疲労寿命を著しく低減し、したがって、メンテナンス及びコストの増大を生じる。

一例において、流体調整器は、入口と出口との間に流体流通路を含み、ここでは検知室が流体流通路の一部分を規定する。ダイアフラムは検知室内で圧力を検知し、検知室に隣接するダイアフラム境界面は、検知室内の圧力変化に応答して移動するダイアフラムの一部分に接触するための湾曲面を有する。この湾曲面は、流体調整器の稼働時にダイアフラムの部分に付与される応力の量に影響を与える。

別の例においては、流体調整器は、流体調整器のダイアフラムの可動部分を支持するために、ボンネットと弁本体との間に配設されたダイアフラム支持体を含む。このダイアフラム支持体は、稼働時にダイアフラム支持体とダイアフラムの可動部分との間の接触面積を増大させるために、ダイアフラムの可動部分の面の湾曲面に実質的に相補的である湾曲面を有する。

既知の流体調整器を図示する。 図１Ａの既知の流体調整器の一部分の拡大図を図示する。 金属ダイアフラムを有し、閉位置で示された本明細書に記載の例示的流体調整器を図示する。 開位置で示された図２Ａの例示的流体調整器を図示する。 図２Ａ及び２Ｂの例示的流体調整器の一部分の拡大図である。 図２Ａ、２Ｂ及び３Ａの例示的流体調整器の一部分の別の拡大図である。 図２Ａ、２Ｂ、３Ａ及び３Ｂの例示的流体調整器の本明細書に記載の例示的保持部材を図示する。 図２Ａ、２Ｂ、３Ａ及び３Ｂの例示的流体調整器の本明細書に記載の例示的ダイアフラムプレートを図示する。 図５Ａのダイアフラムプレートの断面図である。

本明細書に記載の例示的流体調整器は、検知要素又はダイアフラムのサイクル寿命又は疲労寿命を実質的に改善する。より具体的には、本明細書に記載の例示的流体調整器は、流体調整器の稼働時に移動する（例えば、屈曲する又は撓む）ダイアフラムの部分への局在化した変形又は応力集中を低減するための１つ以上のダイアフラム境界面又はダイアフラム支持体を含有する。

本明細書に記載の例示的流体調整器は、流体調整器の検知室に隣接するダイアフラム境界面を含有する。このダイアフラム境界面は、検知室内の圧力変化に応答して移動するダイアフラムの一部分に接触するための湾曲面を有する。この湾曲面は、稼働時にダイアフラムの可動部分に付与される応力の量に影響を与える。特に、本明細書に記載の湾曲面は、ダイアフラムのより大きな部分にわたって応力を分散させるために、増大した接触面でかかる可動性ダイアフラム部分に係合し、これによって、稼働時に移動するダイアフラムの部分への局在化した応力集中を低減する。

本明細書に記載のいくつかの例では、ダイアフラム境界面の湾曲面は、稼働時にそこでダイアフラム境界面が係合するダイアフラムの一部分のプロファイルに相補的な湾曲したプロファイルを有する面又は係合面を備える。例えば、本明細書に記載の流体調整器のダイアフラム境界面は、ダイアフラムの断面形状又はプロファイルに実質的に同様である断面形状又はプロファイルを有する支持体又は接触面を含有し、ダイアフラム境界面とダイアフラムとの間の接触面積を実質的に増大させる。言い換えると、この接触面は、ダイアフラムが屈曲し又は撓んでダイアフラム境界面と係合する場合、実質的にダイアフラムと係合可能であるよう構成されるか又は形作られる。その結果、流体調整器のダイアフラム境界面とダイアフラムとの間の増大した接触面積は、ダイアフラム上に付与される応力をダイアフラムのより大きな面積又はその部分にわたって分散させることによって応力集中を低減し、これによって、ダイアフラムの局在化した応力又は疲労変形を著しく低減する。結果として、ダイアフラム境界面は、ダイアフラムのサイクル寿命又は疲労寿命を著しく改善する。

本明細書に記載の例示的流体調整器を説明する前に、既知の流体調整器１００の簡単な説明が、図１Ａ及び１Ｂに提供されている。図１Ａ及び１Ｂを参照すると、例示的流体調整器１００は、入口１０６と出口１０８との間の流体通路を規定するボンネット１０４にネジ結合する弁本体１０２を含有する。負荷アセンブリ１１０がボンネット１０４内に配設され、これはダイアフラム１１２に負荷をもたらすよう調整可能であり、この負荷は、所望の流体出口圧に相当する。ダイアフラム１１２の周縁部１１４は、ダイアフラム１１２の第１の側１１６と弁本体１０２が通路１２０を介して出口１０８と流体連通する検知室１１８を規定するように、ボンネット１０４と弁本体１０２との間に締付けられるか又は捕捉される。更に、ダイアフラム１１２に支持を提供するために、流体調整器１００は、ダイアフラム１１２の第２の側１２６の一部分に係合する、実質的にフラットか又は平面状の接触面１２４を有するバックアッププレート１２２を含有する。このダイアフラム１１２は、ダイアフラム１１２の感度を増大させるための複数の波形輪郭部又は***部１２８を有する金属ダイアフラムである。ポペット弁１３０が弁座１３４に対して移動し、入口１０６と出口１０８との間の流体の流れを調整するか又は絞る。付勢要素１３６がポ
ペット弁１３０を弁座１３４に向かって偏倚させる。ポペット弁１３０はまた、ダイアフラム１１２とバックアッププレート１２２に係合するための幹状部１３８も含有する。

稼働時に、出口１０８における流体圧が、ダイアフラム１１２の第１の側１１６に力をもたらし、その力が負荷アセンブリ１１０によってダイアフラム１１２の第２の側１２６にもたらされる力を超えるか又はそれに等しい場合、ダイアフラム１１２とバックアッププレート１２２は、幹状部１３８から離れる。その結果、ポペット弁１３０は弁座１３４に密封状態で係合し、入口１０６と出口１０８との間の流体流を制限する。ダイアフラム１１２の第１の側１１６にもたらされる力が、負荷アセンブリ１１０によってダイアフラム１１２の第２の側１２６にもたらされる力未満であるように、出口１０８における流体圧が減少する場合、ダイアフラム１１２は撓むか又は弁本体１０２に向かって移動し、ポペット弁幹状部１３８に係合し、このことが、ポペット弁１３０を弁座１３４から離れさせて、入口１０６と出口１０８との間の流体流をもたらす。加圧された流体は、ダイアフラム１１２の第１の側１１６及び第２の側１２６への力が釣り合うまで、入口１０６と出口１０８との間で流れる。

図１Ｂに最も明確に示されるように、ダイアフラム１１２の周縁部１１４が、挟み込み点又は領域１４０で、ボンネット１０４と弁本体１０２との間で締付けられている。かかる締付接続は、稼働時にダイアフラム１１２が撓み又は屈曲する場合、これが挟み込み点１４０に直隣接する領域又は点１４２で比較的高い応力集中を発生するために、不利である。言い換えると、ダイアフラム１１２の領域１４２は、比較的高い応力集中を受けると同時に、屈曲するか又は撓み（すなわち、稼働時に移動し）、このことが稼働時に領域１４２を破断させ又は疲労を生じさせる場合がある。結果として、高度に集中された又は局在化した応力はダイアフラム１１２のサイクル寿命又は疲労寿命を低減し又は制限し得る。

加えて、示されてはいないが、一部の既知の例では、ダイアフラム１１２が弁座１３４に対して移動する場合、バックアッププレート１２２の平面状の接触面１２４は、ダイアフラム１１２の波形輪郭部１２８に係合する。特に、バックアッププレート１２２の接触面１２４は実質的にフラットであるために、接触面１２４は、ダイアフラム１１２の波形輪郭部１２８のピーク部１４４を介してダイアフラム１１２と係合する。したがって、バックアッププレート１２２は、比較的小さな接触面積で波形輪郭部１２８のピーク部に係合する。その結果、バックアッププレート１２２は、ピーク部１４４を介してダイアフラム１１２上に付与される増大した又は局在化した応力集中を生じさせ得る。上述したように、かかる局在化した応力は、ダイアフラム１１２を破断させるか又は疲労を生じさせる可能性があり、これによって、ダイアフラム１１２のサイクル寿命又は疲労寿命を低減させ、メンテナンス費用を増大させる。

図２Ａ及び２Ｂは、本明細書に記載の例示的流体調整器２００を図示する。図２Ａは、閉位置２０２での例示的流体調整器２００を図示し、図２Ｂは、開位置２０４での例示的流体調整器２００を図示する。

図２Ａ及び２Ｂを参照すると、例示的流体調整器２００は、下部本体部分又は弁本体２０８に結合した（例えば、ネジ結合した）上部本体部分又はボンネット２０６を有する調整器本体を含有する。弁本体２０８は、流体調整器２００の入口２１０と出口２１２との間に流体流経路を形成する。ダイアフラム２１４は、ダイアフラム２１４の第１の側２１６とボンネット２０６が、負荷アセンブリ２２０を受け取るための負荷室２１８を規定するように、弁本体２０８とボンネット２０６との間で捕捉されている。ダイアフラム２１４の第２の側２２２と弁本体２０８の内側表面２２４は、検知室２２６を規定する。検知室２２６は、通路２２８を介して出口２１２に流動的に結合され、出口２１２において流
体の圧力を検知する。図示された例では、ダイアフラム２１４は、例えば、ステンレス鋼から構成される金属ダイアフラムである。

負荷アセンブリ２２０は、ダイアフラムプレート又はバックアッププレート２３０を介してダイアフラム２１４に機能的に接続され、ダイアフラム２１４に基準力又は負荷（例えば、事前設定された力）をもたらす。この例では、負荷アセンブリ２２０は、バックアッププレート２３０を介してダイアフラム２１４に負荷を提供する負荷室２１８内に配設された付勢要素２３２（例えば、バネ）を含有する。バネ調整器２３４は、付勢要素２３２がダイアフラム２１４の第１の側２１６上に及ぼす事前設定された力又は負荷の量を調整する（例えば、増加又は減少させる）。示すように、バネ調整器２３４は、ボンネット２０６にネジ結合され、かつ調整可能なバネ座２３８に係合するネジ２３６にキー締めされた制御ノブを含有する。制御ノブの第１の方向（例えば、時計回り方向）での回転又は第２の方向（例えば、反時計回り方向）での回転は、付勢要素２３２の圧縮の量を変更し（例えば、付勢要素２３２を圧縮するか又は圧縮解除する）、したがって、ダイアフラム２１４の第１の側２１６に及ぼされる負荷の量を変更する。

弁装置又は弁カートリッジアセンブリ２４０が、入口２１０に流動的に結合された入口室２４４を規定する弁本体２０８の内腔２４２内に配設されている。弁装置２４０は、流体調整器２００が閉位置２０２にある場合、入口２１０と出口２１２との間の流体流を制限するよう弁座２４８に向かって移動するポペット弁２４６を含有する。流体調整器２００が開位置２０４にある場合、ポペット弁２４６が弁座２４８から離れて、入口２１０と出口２１２との間の流体の流れをもたらす。付勢要素２５０はポペット弁２４６を弁座２４８に向かって偏倚させる。シール２５２（例えば、Ｏ−リング）が弁装置２４０と流体調整器２００の弁本体２０８問の間に配設され、検知室２２６と入口室２４４との間の密封をもたらす。

稼働時に、例示的流体調整器２００は、例えば入口２１０を介して比較的高圧力の流体（例：気体）をもたらす上流側圧力供給源に流動的に結合し、並びに例えば出口２１２を介して低圧下流側装置又はシステムに流動的に結合する。流体調整器２００は、流動調整器２００を通過する流体の出口圧を、調整可能な負荷アセンブリ２２０によってもたらされる事前設定された負荷に相当する所望の圧力に調整する。

所望の出口圧を達成するために、制御ノブが回転され（例えば、時計回り又は反時計回り方向で）、ダイアフラム２１４の第１の側２１６に付勢要素２３２によって及ぼされる負荷を増加させるか又は減少させる。付勢要素２３２によってもたらされる負荷は、所望の出口圧に相当するよう調整される。基準圧力設定を使用して、検知室２２６は、通路２２８を介して出口２１２における加圧された流体の圧力を検知し、これが検知室２２６内の圧力変化に応答して、ダイアフラム２１４を移動させる。

例えば、流体が入口２１０と出口２１２との間を流れると同時に、出口２１２における流体の圧力が増大する。検知室２２６内の加圧された流体の圧力が増大すると同時に、流体の圧力はダイアフラム２１４の第２の側２２２に力を及ぼし、ダイアフラム２１４と付勢要素２３２を弁本体２０８から離れて往復直線運動で移動させる。今度は、弁装置２４０の付勢要素２５０が、ポペット弁２４６を弁座２４８に向かって移動させて、入口２１０と出口２１２との間の流体流を制限する。ダイアフラム２１４の第２の側２２２上に力を及ぼす検知室２２６内の流体の、ダイアフラム２１４の第１の側２１６上に負荷アセンブリ２２０によって及ぼされる基準圧力又は力を超える圧力が、バックアッププレート２３０を弁本体２０８から離れさせて、図２Ａに示すように、ポペット弁２４６を弁座２４８に密封状態で係合させて、流体調整器２００を通過する流体流を制限し又は抑制する。

検知室２２６内の加圧された流体の圧力が、ダイアフラム２１４の第１の側２１６に付勢要素２３２によって及ぼされる基準圧力又は力未満である場合、ダイアフラム２１４は、弁本体２０８に向かって移動し、屈曲し又は撓む。今度は、バックアッププレート２３０がポペット弁２４６の幹状部２５４に係合し、ポペット弁２４６を弁座２４８から離し、入口２１０と出口２１２との間の流体流をもたらすか又は増大させる。ダイアフラム２１４の全体にわたる圧力差が実質的にゼロに近い場合（すなわち、検知室２２６内の流体の圧力が負荷アセンブリ２２０によってもたらされる負荷に実質的に等しい力を発生する圧力に調整されている場合）、ポペット弁２４６は、弁座２４８に向かって移動し、入口２１０と出口２１２との間の流体流を抑制し又は制限する。

図２Ａ及び２Ｂで示すような稼働時に、ダイアフラム２１４は、ポペット弁２４６を閉位置２０２に向かって移動させる図２Ａに示す第１の位置と、ポペット弁２４６を開位置２０４に向かって移動させる図２Ｂに示す第２の位置との間で移動し、撓み、又は屈曲して移動する。

図３Ａ及び３Ｂは、図２Ａ及び２Ｂの流体調整器２００の拡大された部分を図示する。図３Ａ及び３Ｂに最も明確に示すように、図示された例のダイアフラム２１４は、周縁部３０２と、中央部分３０４と、周縁部３０２と中央部分３０４との間の中間の可動性又は可撓性部分３０６とを含有する。周縁部３０２と中央部分３０４のそれぞれは、実質的に平面状の又はフラットな表面を有する。中間部分３０６は、ダイアフラム２１４が図２Ａ及び２Ｂに示す第１の位置と第２の位置との間を移動する場合、撓み又は屈曲する複数の波形輪郭部又は***部３０８を有する。特に、中間部分３０６の輪郭部３０８のそれぞれは、連続する滑らかな曲線若しくは波形輪郭部又は***部３０８を形成する凸状部又は湾曲面３１０並びに凹状部又は湾曲面３１２を含有する。凸状部３１０及び／又は凹状部３１２のそれぞれは、実質的に同様な曲率半径を有してもよく、又は異なる曲率半径を有してもよい。例えば、輪郭部３０８ａの第１の凸状部分３１０ａ及び／又は凹状部３１２ａは、第１の曲率半径を有してもよく、輪郭部３０８ｂの第２の凸状部分３１０ｂ及び／又は凹状部３１２ｂは、第１の曲率半径とは異なる第２の曲率半径を有してもよい。輪郭部３０８は、ダイアフラム２１４の感度を著しく増大させて、流体調整器２００がよりコンパクトな寸法外形を有することを可能にする。ダイアフラム２１４は、例えば、ステンレス鋼などの金属材料から構成される。

ダイアフラム２１４の中間部分３０６上の応力集中を低減するために、流体調整器２００は、検知室２２６に隣接する１つ以上のダイアフラム境界面又は支持面３１４、３１６及び／又は３１８を含有する。ダイアフラム境界面３１４、３１６及び／又は３１８のそれぞれは、ダイアフラム２１４のサイクル寿命又は疲労寿命を増大させる。特に、ダイアフラム境界面３１４、３１６及び／又は３１８のそれぞれは、ダイアフラム２１４と係合する場合の接触面積を実質的に増大させて、これによって、稼働時のダイアフラム２１４への応力集中を低減する。いくつかの例においては、流体調整器は、ダイアフラム境界面３１４、３１６又は３１８のうちの１つだけを用いる。しかしながら、境界面３１４、３１６及び３１８のいずれの組み合わせが用いられてもよい。

図示された例において、ダイアフラム境界面３１４は、一体型ピース又は構造として、弁本体２０８と共に一体的に形成される。示すように、弁本体２０８は環状壁３２０を有し、これは内側表面２２４に隣接する環状壁３２０の上縁部又は部分３２２においてダイアフラム境界面３１４を規定する。弁本体２０８のダイアフラム境界面３１４は、ダイアフラム２１４の周縁部３０２を保持し、受け取り又は周縁部に係合するリング状座部又はダイアフラム取付台３２４を含有する。リング状座部３２４は、流体調整器２００の稼働時に移動する又は撓むダイアフラム２１４の周縁部３０２及び／又は中間部３０６の一部分を支持するための、ダイアフラム取付台３２４に隣接する丸くなった縁部又は円弧縁部
３２６ａを有する湾曲した、勾配がある又は傾斜面３２６を含有する。

ダイアフラム取付台３２４は、ダイアフラム２１４の周縁部３０２を受け取り又はこれに係合するための実質的に平面状又はフラットな表面を有する。示すように、ダイアフラム取付台３２４は、内側表面２２４に実質的に垂直である。傾斜部分３２６及び円弧縁部３２６ａは、ダイアフラム取付台３２４と内側表面２２４との間に位置する。傾斜部分３２６は、均一の曲率半径を有する湾曲面、又は連続する傾斜部分を形成する異なる曲率半径を有する複数の湾曲面を有してもよい。傾斜部分３２６及び／又はダイアフラム取付台３２４は、ダイアフラム２１４が流体調整器２００に結合する場合、実質的に気密な金属同士の密封状態をもたらす。いくつかの例では、金属同士の密封を容易にするために、弁本体２０８の段が付けられた環状壁３２７に隣接するダイアフラム取付台３２４の肩部３２５が、傾斜部分３２６に対して（例えば、図３Ａの方向で傾斜部分３２６よりも低く）オフセット（例えば、０．０１５インチのオフセット）される。このようにして、ボンネット２０６が弁本体２０８に結合する場合、弁本体２０８の傾斜部分３２６に加えられるトルクが、傾斜面３２６の少なくとも一部分を変形させるかフラットにさせて、実質的に気密な金属同士の密封状態をもたらす。弁本体２０８は、ダイアフラム２１４の材料よりも比較的柔軟な材料から構成され得る。

稼働時に、傾斜部分３２６は、周縁部３０２に隣接するダイアフラム２１４の一部分が、傾斜部分３２６に沿って撓むか又は転がることを可能にする。例えば、周縁部３０２に隣接するダイアフラム２１４の中間部分３０６が、弁本体２０８に向かって移動し又は撓んで第２の位置（例えば、図２Ｂの位置）になる場合、周縁部３０２に隣接する中間部分３０６の第２の側２２２は、弁本体２０８の傾斜部分３２６に係合する。傾斜部分３２６は、中間部分３０６と弁本体２０８との間の接触面積を増大させて、中間部分３０６に付与された応力を、傾斜部分３２６に係合する又はその回りを転がるダイアフラム２１４の領域又は部分にわたってより均一に分散させるか又は低減させる。言い換えると、傾斜面又は湾曲面３２６は、周縁部３０２に隣接する中間部分３０６が著しく低減された応力集中を受けると同時に、撓み又は屈曲することを可能にする。

例えば、図１Ａ及び１Ｂの既知の流体調整器１００とは対照的に、ダイアフラム境界面３１４又は弁本体２０８の傾斜部分３２６は、弁本体２０８とボンネット２０６との間の挟み込み点又は領域（例えば、図１Ａ及び１Ｂの挟み込み点１４０）を著しく低減又は排除する。傾斜部分３２６は、周縁部３０２に隣接するダイアフラム２１４のより大きな部分又は領域が、図１Ｂの挟み込み点１４０に比較してより小さい捩り剛性と曲げ剛性で傾斜部分３２６の回りで転がり又は撓むことを可能にし、これによって、周縁部３０２に隣接するダイアフラム２１４のより大きな接触面積全体に応力を分散させることで、応力の集中を低減させる。換言すると、ダイアフラム１１２が挟み込み点１４０の回りで屈曲する場合に、図１Ａ及び１Ｂの流体調整器１００のダイアフラム１１２に付与される圧縮応力及び引張応力に比較して、ダイアフラム２１４の第２の側２２２に付与されるより小さい圧縮応力で、かつダイアフラム２１４の第１の側２１６に付与されるより小さい引張応力で、ダイアフラム２１４は傾斜部分３２６の回りで屈曲する。したがって、傾斜部分３２６は、弁本体２０８と中間部分３０６との間の接触面積を増大させて、これによって、周縁部３０２に隣接するダイアフラム２１４の中間部分３０６にわたる応力集中を低減する。傾斜部分３２６は、機械加工、鋳造又は任意の他の好適な製造プロセス（複数可）を介して形成され得る。示すように、実質的に気密な金属同士の密封が必要とされない場合、冗長密封をもたらすために及び／又は組立を容易にするために、ダイアフラム境界面３１４又はダイアフラム取付台３２４は、必要に応じて、弁本体２０８とボンネット２０６との間の密封（例えば冗長密封）をもたらすために、Ｏ−リング３３０を受け取るための凹部３２８を有してもよい。Ｏ−リング３３０は、金属同士の密封をもたらすのに必要とされるトルクに比べて、密封をもたらすためにより小さいトルクを必要とするために、組
立を容易にすることができる。

図示された例において、流体調整器２００は、ボンネット２０６と弁本体２０８との間でダイアフラム２１４を保持し又は締付けるために、リング状クランプ又は保持部材３３２を用いる。更に、保持部材３３２は、周縁部３０２に隣接する中間部分３０６に支持をもたらすダイアフラム境界面３１６を規定する。ダイアフラム境界面３１６は、ダイアフラム締付部分３３４と、ダイアフラム締付部分３３４に隣接するダイアフラム支持部分３３６とを含有する。

示すように、ダイアフラム２１４の周縁部３０２は、ダイアフラム締付部分３３４と弁本体２０８のダイアフラム取付台３２４との間で締付けられる。特に、ボンネット２０６及び弁本体２０８の組立て中に、トルクがボンネット２０６に加えられる場合、ダイアフラム２１４と弁本体２０８との間の金属同士の密封状態をもたらすよう補助するために、弁本体２０８がボンネット２０６に結合されるときに、保持部材３３２のダイアフラム締付部分３３４は、ダイアフラム２１４の周縁部３０２に負荷を移行させる。弁本体２０８に結合させる場合、ボンネット２０６は、保持部材３３２を介してダイアフラム２１４の周縁部３０２に圧縮負荷をもたらす。この例においては、保持部材３３２は、保持部材３３２、弁本体２０８、ボンネット２０６及びダイアフラム２１４の間の金属同士の接触をもたらすために、例えば、ステンレス鋼などの金属材料から構成される。

ダイアフラム境界面３１６のダイアフラム支持部分３３６は、ダイアフラム締付部分３３４から離れて、かつ周縁部３０２から検知室２２６に向かって内向きに突出する湾曲した又は弓形の表面３３６ａを含有する。例えば、ダイアフラム支持部分３３６は、弁本体２０８の環状壁３２０の内側表面２２４又は上縁部３０２を超えて又はこれらを通過して延在する。かかる伸長部は、ダイアフラム２１４を支持するために、ダイアフラム支持部分３３６が周縁部３０２に隣接する中間部分３０６の第１の側２１６に係合することを可能にする。特に、ダイアフラム支持部分３３６は、ダイアフラム２１４の第１の側２１６の輪郭部３０８の凹状部３１０の少なくとも一部分３３７に係合する。したがって、保持部材３３２又はダイアフラム境界面３１６並びに傾斜部分３２６又はダイアフラム境界面３１４は、ダイアフラム２１４の対向面又は対向側２１６及び２２２にそれぞれ係合する。更に、図３Ａ及び３Ｂに示すように、湾曲面３３６ａは、周縁部分３０２に隣接する中間部分３０６の形状又はプロファイルと実質的に同様な形状又はプロファイルを有することで、湾曲面は、周縁部３０２に隣接する中間部分３０６に結合可能に係合する。

図４は、図３Ａ及び３Ｂの保持部材３３２の断面を示す。図４をまた参照すると、保持部材３３２は、外径４０４と内径４０６を有するリング状クランプ４０２である。例えば、外径４０４は、約６４．５ミリメートルであってもよく、内径４０６は、約４４．５ミリメートルである。この例では、ダイアフラム締付部分３３４は長さ４０８を有し、ダイアフラム支持部分３３６は、長さ４１０を有する。例えば、長さ４０８は約５．２５ミリメートルであり、長さ４１０は約４．７５ミリメートルである。しかしながら、他の長さ及び／又は直径が、特定の用途の必要性に適するよう使用されてもよい。

更に、図示された例において、ダイアフラム支持部分３３６の湾曲面は、周縁部３０２に隣接する中間部分３０６の曲率半径と実質的に同様である曲率半径４１２を有する。したがって、湾曲面３３６ａは、周縁部３０２に隣接する中間部分３０６の湾曲したプロファイルに相補的である湾曲したプロファイルを有し得る。例えば、湾曲面の半径４１２は約８．５ミリメートルである。しかしながら、曲率半径は、特定の用途の必要性に適するよう必要に応じて変更されてもよい。

このように、湾曲面３３６ａは、例えば、図１Ａ及び１Ｂの流体調整器１００と比較し
て、比較的大きな接触面積で、周縁部３０２に隣接する中間部分３０６に係合し、これによって、稼働時にダイアフラム２１４が第１の位置と第２の位置との間を移動する場合、周縁部３０２に隣接する中間部分３０６における応力集中を低減する。例えば、ダイアフラム１１２が挟み込み点１４０の回りで屈曲する場合の図１Ａ及び１Ｂの流体調整器１００のダイアフラム１１２に付与される圧縮応力及び引張応力と比較して、保持部材３３２は、ダイアフラム２１４の第１の側２１６上の高圧縮応力集中を著しく軽減し、並びに検知室２２６を介してダイアフラム２１４の第２の側２２２に圧力又は力が加えられる場合のダイアフラム２１４の第２の側２２２上の高引張応力集中を著しく低減する。その結果、ダイアフラム境界面３１６は、ダイアフラム２１４のサイクル寿命又は疲労寿命を著しく改善する。他の例において、湾曲面３３６ａは、ダイアフラム２１４の中間部分３０６の曲率半径とは異なる曲率半径を有してもよい。

図示されていないが、保持部材３３２及び／又はダイアフラム境界面３１６若しくはダイアフラム支持部分３３６は、一体型ピース又は構造として、ボンネット２０６と一体的に形成されてもよい。換言すると、ダイアフラム支持部分３３６は、ボンネット２０６の内側表面３３８から延在してもよく、保持部材３３２が省かれてもよい。

図５Ａ及び５Ｂは、流体調整器２００のバックアッププレート２３０を図示する。図２Ａ、２Ｂ、３Ａ、５Ａ及び５Ｂを参照すると、バックアッププレート２３０は、ダイアフラム２１４に係合しかつこれを支持するためのダイアフラム境界面又は支持表面３１８を含有する。バックアッププレート２３０は、負荷アセンブリ２２０の付勢要素２３２を受け取るための空洞部５０４を有する円筒状本体部分５０２を有する。示すように、ダイアフラム境界面３１８は、ダイアフラム２１４とバックアッププレート２３０との間の接触面積を増大させるための湾曲した支持表面又は面５０６を含有する。図示された例では、バックアッププレート２３０のダイアフラム境界面３１８は、ダイアフラム２１４の中央部分３０４（図３Ａ）に係合するための実質的に平面状又はフラットな係合表面５０８を含有する。

湾曲した支持表面又は面５０６は、バックアッププレート３２０に係合するダイアフラム２１４の部分のプロファイルに相補的である湾曲したプロファイルを有する。このように、湾曲した支持表面５０６は、ダイアフラム２１４の中間部分３０６又は輪郭部３０８に係合するための比較的大きな接触面積をもたらす。図示された例において、湾曲した支持表面５０６は、滑らかな連続する波形の湾曲した支持表面をもたらすために、凸状湾曲部分５１２に隣接する凹状湾曲部分５１０を含有する。言い換えれば、湾曲した支持部分５０６の断面形状は、ダイアフラム２１４の輪郭部３０８の断面形状と実質的に同様である。例えば、湾曲した支持表面５０６の凹状湾曲部分５１０は、ダイアフラム２１４の輪郭部３０８の凸状部分３１０の曲率半径と実質的に同様である曲率半径を有する。同様に、湾曲した支持表面５０６の凸状湾曲部分５１２は、ダイアフラム２１４の輪郭部３０８の凹状部分３１２の曲率半径と実質的に同様である曲率半径を有する。

更に、湾曲した支持表面５０６の第１の凹状湾曲部分５１０ａは、湾曲した支持表面５０６の第２の凹状湾曲部分５１０ｂの曲率半径とは異なる、又はこれと同様である曲率半径を有してもよい。例えば、凹状湾曲部分５１０の曲率半径は、６．０と８．０ミリメートルとの間の範囲であり得る。同様に、湾曲した支持表面５０６の第１の凸状湾曲部分５１２ａは、第２の凸状湾曲部分５１２ｂの曲率半径とは異なる、又はこれと同様である曲率半径を有してもよい。例えば、凸状湾曲部分５１２の曲率半径は、８．０と１０．０ミリメートルとの間の範囲であり得る。

したがって、図１Ａのバックアッププレート１２２とは対照的に、バックアッププレート２３０のダイアフラム境界面３１８は、ダイアフラム２１４の中間部分３０６に実質的
に結合可能に係合し、バックアッププレート２３０とダイアフラム２１４との間に増大した接触面積をもたらし、これが検知室２２６内の圧力変化に応答して移動するダイアフラム２１４の中間部分３０６に付与される応力の量に影響を与える（例えば、低減する）。この例では、ダイアフラム支持表面５０６は、ダイアフラム２１４上の局在化した応力集中を低減する。例えば、ダイアフラム２１４が、図２Ａに示される位置と図２Ｂで示される位置との間を移動する場合、バックアッププレート２３０は比較的大きな接触面積で、ダイアフラム２１４の中間部分３０６に係合する（結合可能に係合する）。結果的に、局在化した応力集中における減少が、ダイアフラム２１４のサイクル寿命又は疲労寿命を著しく改善し、又は著しく増大させる。

他の例において、バックアッププレート２３０のダイアフラム境界面３１８は、ダイアフラム２１４の形状、プロファイル又は断面とは異なる形状、プロファイル又は断面を含む。例えば、湾曲した支持表面５０６とダイアフラム２１４の輪郭部３０８との間の曲率半径は、ダイアフラム２１４がバックアッププレート２３０とは結合可能に係合しないが、それにもかかわらず図１Ａ及び１Ｂのバックアッププレートに対して増大した接触面積をもたらすように異なってもよい。

したがって、本明細書に記載の流体調整器２００は、ダイアフラム境界面３１４、３１６及び／又は３１８を含有し、これらは、ダイアフラム境界面３１４、３１６及び／又は３１８とダイアフラム２１４との間の接触面積を増大させるために、ダイアフラム２１４の形状又はプロファイルと実質的に同様である形状又はプロファイルを有するよう構成され得る。例えば、ダイアフラム境界面３１４、３１６及び／又は３１８のそれぞれは、稼働時に移動するダイアフラム２１４の一部分に付与される応力集中を低減するために、ダイアフラム２１４によって係合される場合、接触面積を増大させるための対応の湾曲面又は部分を含有することができる。いくつかの例では、ダイアフラム境界面３１４、３１６及び／又は３１８の支持表面は、ダイアフラム２１４の断面形状又はプロファイルと実質的に同様である断面形状又はプロファイルを有することで、ダイアフラム境界面３１４、３１６及び／又は３１８は、ダイアフラム２１４の少なくとも一部分と結合可能に係合する。結果的に、ダイアフラム境界面３１４、３１６及び／又は３１８は、ダイアフラム２１４に付与される応力集中を低減し、これによって、ダイアフラム２１４のサイクル寿命又は疲労寿命を増大させる。例えば、ダイアフラム２１４のサイクル寿命は約８５，０００サイクルであり、一方図１Ａ及び１Ｂのダイアフラム１１２の寿命サイクルは、約１０，０００サイクルである。いくつかの例において、流体調整器２００は、ダイアフラム境界面３１４、３１６及び／又は３１８のうちの１つだけで実現可能であるか、又は境界面３１４、３１６及び３１８の任意の組み合わせで実現可能である。

特定の例示的方法、装置及び製造の物品が本明細書で説明されてきたが、本特許でカバーされる範囲は、これらに限定されるものではない。反対に、本特許は、文字通り又は等価物の原則の下に、添付された特許請求の範囲の範囲内に適正に収まる全ての方法、装置及び製造の物品をカバーするものである。

Claims (20)

1. 流体調整器であって、
   入口と出口との間の流体流通路を規定する弁本体と、
   前記弁本体に連結されたボンネットと、
   前記弁本体とボンネットの間に捕捉されたダイアフラムと、
   前記ボンネットとダイアフラムの第１の側との間に規定された負荷室と、
   前記弁本体と、前記ダイアフラムの第１の側と反対側の第２の側によって規定され、負荷室に対向するように位置して、前記流体流通路の一部分を規定する検知室と、
   前記検知室に隣接する第１及び第２のダイアフラム境界面と、を含む流体調整器であり、
   前記第１のダイアフラム境界面は、前記負荷室内に配置されたダイアフラム支持プレートを備え、該ダイアフラム支持プレートは第１の湾曲面を備え、
   前記第２のダイアフラム境界面は、少なくとも部分的に検知室を規定するリング状の要素を含み、リング状の要素はクランプの部分と支持体を含み、クランプの部分はダイアフラムの周縁を保持するように構成され、支持体は第２の湾曲面を備え、
   前記負荷室内に配置され、第３の湾曲面を有する第３のダイアフラム境界面を備え、
   第１、第２及び第３の湾曲面は、検知室の圧力変化に応答して移動するダイアフラムの第１、第２及び第３部分に夫々接触し、それにより、流体調整器の稼働時に、ダイアフラムの第１、第２及び第３部分に与えられる応力の量を減じる、流体調整器。
2. 前記第２のダイアフラム境界面のリング状の要素が、前記ダイアフラムの周縁を保持するためのリング状座部を含み、前記第２の湾曲面が、前記流体調整器の稼働時に移動する前記ダイアフラムの前記第２部分に接触する前記リング状座部の円弧内縁部を含む、請求項１に記載の流体調整器。
3. 更に、前記第３のダイアフラム境界面はダイアフラムの周縁を保持するリング状のクランプを備え、該リング状のクランプは前記第３の湾曲面を備え、該第３の湾曲面は前記ダイアフラムの前記周縁から内向きに突出し、前記流体調整器の稼働時に前記ダイアフラムの前記第３部分の一方の側だけに接触する前記リング状クランプの部分を含む、請求項２に記載の流体調整器。
4. 前記リング状クランプの前記部分と前記円弧内縁部が、前記流体調整器の稼働時に、前記ダイアフラムの対向面と接触する、請求項３に記載の流体調整器。
5. 更に前記第３のダイアフラム境界面は前記ダイアフラムの周縁を保持するためのリング状のクランプを含み、該リング状のクランプは前記第３の湾曲面を含み、該第３の湾曲面が、前記ダイアフラムの前記周縁部から内向きに突出し、前記流体調整器の稼働時に前記ダイアフラムの前記第３部分の一方の側だけに接触する前記リング状クランプの部分を含む、請求項１に記載の流体調整器。
6. 前記リング状クランプの部分が、前記ダイアフラムの前記第３部分の湾曲したプロファイルに相補的である湾曲したプロファイルを有する、請求項５に記載の流体調整器。
7. 前記第３のダイアフラム境界面は、ダイアフラム支持プレートの周囲に配置された、請求項１に記載の流体調整器。
8. 前記第２のダイアフラム境界面は、前記弁本体と一体に形成された、請求項１に記載の流体調整器。
9. 前記第１、第２及び第３の湾曲面が、前記第１、第２及び第３のダイアフラム境界面と前記ダイアフラムの夫々前記第１、第２及び第３部分との間の接触面積を増大させる、請求項１〜８のいずれかに記載の流体調整器。
10. 更に、前記流体調整器の負荷室内に配置された付勢要素を備え、該付勢要素は前記ダイアフラム支持プレートを介して前記ダイアフラムに付勢負荷を付与するように構成された、請求項１に記載の流体調整器。
11. 流体調整器であって、
    弁本体と、
    前記弁本体に連結されたボンネットと、
    前記弁本体とボンネットの間に捕捉されたダイアフラムと、
    前記ボンネットとダイアフラムによって規定された負荷室と、
    ダイアフラムの可動部分を支持するために、ボンネットと弁本体との間に配設された第１及び第２のダイアフラム支持体を含み、
    前記第１のダイアフラム支持体は、前記流体調整器の負荷室内に配置されたバックアッププレートを備え、該バックアッププレートは前記ダイアフラムの可動部分の面に係合するように構成された第１の湾曲面を有する支持面を有し、
    前記第２のダイアフラム支持体は、負荷室に対向して少なくとも部分的に流体調整器の検知室を規定するリング状の要素を含み、該リング状の要素はクランプの部分と支持体を含み、クランプの部分はダイアフラムの周縁を保持するように構成され、支持体は第２の湾曲面を備え、
    前記負荷室内に配置されて、ダイアフラムの可動部分を支持し、第３の湾曲面を備える第３のダイアフラム支持体を含み、
    前記第１、第２及び第３の湾曲面は、前記ダイアフラムの可動部分の湾曲面に夫々相補的で、前記流体調整器の稼働時に、各第１、第２及び第３のダイアフラム支持体とダイアフラムの可動部分との接触面積を増大させる、流体調整器。
12. 前記リング状の要素は、前記弁本体の内側表面に隣接して配置されたダイアフラム取付台を備え、前記弁本体は、前記ダイアフラム取付台と前記内側表面との間に傾斜面を有し、前記傾斜面が、前記ダイアフラム取付台と前記ダイアフラムの別の面から離れて延在する、請求項１１に記載の流体調整器。
13. 前記リング状の要素の支持体が、前記クランプの部分と前記ダイアフラムの前記面から離れて延在する、請求項１１又は１２に記載の流体調整器。
14. 前記リング状の要素が、前記弁本体が前記ボンネットに結合する場合、前記ダイアフラムの前記周縁に負荷を移行させる、請求項１１に記載の流体調整器。
15. 前記バックアッププレートの前記支持面が、実質的に平面状の支持面を有する中央部分と、前記中央部分に隣接する外側部分とを含有し、前記外側部分が、波形輪郭部を有する、請求項１１乃至１４の何れかに記載の流体調整器。
16. 前記ダイアフラムが、中央部分と、周縁部と、前記中央部分と前記周縁部との間に配設された中間部分とを有し、前記周縁部と前記中央部分のそれぞれが、実質的に平面状の表面を含み、前記中間部分が、前記ダイアフラムの感度を増大させるための複数の波形輪郭部を含む、請求項１５に記載の流体調整器。
17. 前記バックアッププレートの前記中央部分が、前記ダイアフラムの前記中央部分に係合するように構成され、前記バックアッププレートの前記第１の湾曲面が、前記中央部分に隣接する前記ダイアフラムの前記中間部分の実質的に相補的な波形輪郭部に係合するためのものである、請求項１６に記載の流体調整器。
18. 前記バックアッププレートの第１の湾曲面の波形輪郭部が、前記ダイアフラムの前記中間部分の波形輪郭部の曲率半径と実質的に同様である曲率半径を含有する、請求項１６又は１７のいずれかに記載の流体調整器。
19. 流体調整器であって、
    流体流通路を規定する弁本体と、
    前記弁本体に連結されたボンネットと、
    流体流通路を通過する流体流を調整するための手段であり、金属材料から構成されるダイアフラムを含む流体流を調整するための手段と、
    前記ボンネットとダイアフラムによって規定された負荷室と、
    稼働時に前記ダイアフラムの可動部分に付与される応力集中を低減させるための手段と、を含み、
    前記応力集中を低減させるための手段は、第１、第２及び第３のダイアフラム支持体を備え、
    該第１のダイアフラム支持体は、前記流体調整器の負荷室内に配置されたダイアフラム支持プレートを備え、該ダイアフラム支持プレートは前記流体調整器内の圧力変化に応じて移動する前記ダイアフラムの第１部分に接するように構成された第１の湾曲面を有し、
    前記第２のダイアフラム支持体は、負荷室に対向して少なくとも部分的に流体調整器の検知室を規定するリング状の要素を含み、該リング状の要素はクランプの部分と支持体を含み、クランプの部分はダイアフラムの周縁を保持するように構成され、支持体は流体調整器の圧力変化に応答して移動するダイアフラムの第２部分に接するように配置された第２の湾曲面を備え、
    前記第３のダイアフラム支持体は、負荷室内に配置されて、流体調整器内の圧力変化に応じて動くダイアフラムの第３部分に接するように配置された第３の湾曲面を備える、流体調整器。
20. 前記応力を低減するための手段が、移動する前記ダイアフラムの前記第１及び第２部分と前記応力を低減させるための手段との間の接触面積を増大させるための手段を含む、請求項１９に記載の流体調整器。

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