JP2009530552A - 流体作動式バルブ - Google Patents

Abstract

本発明は流体作動式バルブに関し、バルブの開閉状態がバルブを流れる流体によって制御される。バルブのジオメトリは、流体と、開閉事象の期間の制御を行う、広がる流体フロー特性と、次いでこれらの事象の間にバルブを通る放出量を使用する。バルブジオメトリは、移動エレメントが完全に開いた位置または完全に閉じた位置に近づいたときの、バルブ本体と移動エレメント間の相対速度を低減するのにも利用される。
【選択図】なし

Description

本発明は流体作動式バルブに関する。流体系が開閉事象のタイミングと期間を調整する準自立型バルブに関するアプリケーションは数多くある。

このバルブの一アプリケーションは、高圧分離系への応用である。このバルブは、内燃機関にあるような燃焼室で使用され、このバルブによって燃焼室をチャージして、燃焼室での燃焼時に準自立的にバルブを閉じて、高圧ガスを分離する。燃焼室中のこの高圧ガスを仕事に使用することができる。

本発明の最も広い態様においては、バルブ本体と、開位置と閉位置の間に無数の位置を有する可動エレメントを提供する。この可動エレメントは、バルブ中の圧力差に応じて、バルブを開いたり閉じたりする。

本発明の更なる態様においては、バルブ本体と、開位置と閉位置の間に無数の位置を有する可動エレメントを提供する。この可動エレメントは、バルブ中の圧力差に応じてバルブを開いたり閉じたりし、作動流体のフロー特性を利用して、バルブの応答時間を変える移動エレメントの動きによってバルブを開閉させる。

本発明の更なる態様においては、バルブ本体と、開位置と閉位置の間に無数の位置を有する可動エレメントを提供する。この可動エレメントは、バルブ中の圧力差に応じてバルブを開いたり閉じたりし、作動流体のフロー特性を利用して、バルブの応答時間を変える移動エレメントの動きによってバルブを開閉させ、作動流体のフロー特性を利用して、バルブを通る流体フローのインピーダンスを上げる、あるいはこのインピーダンスを最小にする。

ある形式のバルブでは、流体フローに対するこのインピーダンス、あるいは、開方向における流出量は、バルブ本体に取り付けられた外側固定子を伴う流線型の可動エレメント形を有することによって最小になる。この可動エレメントは、ガイド栓によって案内される。反対方向、すなわち、閉期間では、流体フロー又は流出量が高インピーダンスに直面する。この閉期間にわたり、固定子は、流れてくる流体フローに鈍頭物体でできたアレイを提供し、次に、完全に開いた位置以外の全ての位置で可動エレメントが、不連続面、すなわち、固定子を伴う鈍頭面を形成する。固定子は、湾曲したピラミッド（あるいは、多面体）に似ている一連の幾何学的形状からなり、その頂端は、開いたときにフロー方向にある。反対方向におけるフローは、これらのピラミッド、すなわち、鈍頭物体でできたアレイの底部分にあたる。固定子には、一連の曲面が設けられており、局面と、平面において円形配列を作っているいくつかのエレメントでできたアレイのうちの一のエレメントとしての対応するピラミッドがある。可動エレメントが完全に開いた位置にある場合、このエレメントは曲面とともに楕円形あるいは流線型断面を提供し、開方向におけるフローに対するインピーダンスを最小にする。その他の位置にある可動エレメントでは、曲面の環状アレイは固定子の部分として固定されたままであり、可動エレメントの断面は、固定子を伴う流線型表面を残した鋭いエッジとして存在する。

バルブの流路に沿った流量範囲は、流動効果を利用して、バルブの高圧側から低圧側への圧力差を最大にして、可能な限り迅速にバルブを閉じることができるように変動する。可動エレメントの座領域は、可動エレメントからわずかな距離突出している。バルブ本体の座領域は、バルブ本体中にわずかな距離へこんでおり、座面がほぼ閉じると、小さな流体タンクが二つの座面の間に収容される。流体がこのタンクから放出されるときまで、閉鎖速度は実質的に低減される。

フロー特性と鈍頭物体の固定子がどのようであるかについての説明を用いて、ここで、バルブが閉じる方向におけるフローに対するインピーダンスを上げることを説明する。燃焼事象、あるいはステップ関数などのように、十分な圧力差が急激にバルブに与えられる場合、可動エレメントが閉位置にないバルブのすぐ上流に圧力がかかると、流体フローが開始して流体中に衝撃波前面を高速で形成する。このようにしてできたフローの放出時間は複雑であり、過渡流れ現象である。放出フローも、可動エレメントによってそのフローに与えられる移動境界によって変わる。

衝撃波前面は、ある速度でバルブを伝わり、非常に高速でバルブの入口に到着する。バルブの入口と出口は、流体が流れる方向によって決まる。衝撃波前面は非常に急であり、バルブ流体経路に沿ったある位置で、圧力の階段関数としてみることができる。衝撃波前面の先端および衝撃波前面に非常に近いところでは、流体はこの前面によって、乱されない。このことは、圧縮可能なフロー状態においては、このような衝撃波前面は、バルブを通って大量流出が生じすることなく、ほとんど完全にバルブを通過することができることを意味する。

衝撃波前面が伝達するある位置では、衝撃波前面がバルブを横切るときに、衝撃波前面が移動エレメントの立ち上がり面に達する。可動エレメントの上下の面積の総和を乗じた圧力（すなわち、圧力が発生した力）は、閉じる方向においてバルブの加速が開始する真の力である。可動エレメントの慣性は、エレメントが閉じる方向へ感知できる動きをすることなく、衝撃波前面がバルブを通過する程度である。しかしながら、衝撃波前面は鈍頭物体、すなわち、固定子に一体化された逆ピラミッドアレイの基部にあたり、バルブ本体に沿って部分的に反射する。これによっても、鈍頭物体近傍のフロー領域を通るフローの障害が生じる。

鈍頭物体にあたる衝撃波前面によって生じるフローへの全体的なかく乱は、事象の複合を生じさせる。その一つは、上流側の圧力が上がり、従って、可動エレメントの上側の圧力が高まり、加速して閉じるほうへのエレメントの速度が速くなる。鈍頭物体近傍のフロー領域を通る流出量が減って、鈍頭物体の下流側の放出が下がる。真の効果は、可動エレメントがより早く移動して、鈍頭物体がなかった場合の閉ポイントまである期間バルブを通る所定の大量流出が生じることである。より高速での閉じる事象の意義は、二つある。第１に、閉じる期間が短いほど、大量放出期間が短くなる。意義の第２のポイントは、高速で移動している移動エレメントが、より早いレートでその後ろ空間を作り、入ってくるフローがこの空間を満たす。この空間を満たす塊は、ここに入らなければバルブを介して放出するであろう。すなわち、大量放出に対するバルブ塊容量は、可動エレメントの速度が速くなると大きくなる。移動しているエレメントは、バルブが閉じている間、塊がバルブを通過しないように、十分に早く移動する。

放出量が下がることに加えて、可動エレメントが閉じる方向に移動するときに、固定子に一体化した追加の鋭いエッジ面がフローに露出される。

可動エレメントの上側面から下側面への圧力差を強くするために、固定子からの流路に沿ったフロー領域は、下側面のある位置で最小に収束し（例えば、座の内経において）、次いで出口の上から発散する。バルブのこの領域は、ラバルノズル（convergent divergent nozzle）としてみることができる。このようなジオメトリにすることによって、衝撃波前面が固定子を通過した後のバルブを通るフローが圧力差が最大になるようにして、バルブの圧力比が約０．８と高くなる（圧力比とは、バルブの入口の圧力に対するバルブの出口の圧力の比である。）圧力比を０．８以下にするには、定在衝撃波前面がのど状部分と出口とのあいだのどこかに位置することになり、定在衝撃波前面が出口に位置する状態が圧力比に関する最良の状態となる。

開閉時の衝撃が問題とならないようにするために、可動エレメントの突出部分が本体のへこんだ部分に入ってタンクを形成する。側部クリアランスは、これらの部分の動的合体によって形成された先細のタンクからの流体フローが遅れるようにつりあっている。流体は、変化する圧力で先細のタンクから放出される。排出流体の体積を乗算した圧力総和は、移動するエレメントを遅らせるのに行われた仕事である。

材料特性によって閉じるときにある程度の衝撃応力が発生するのであれば、座領域は、可動エレメントの質量と座面積の商が十分に低くなる比率となり、この商が低くなればなるほど、ほぼ閉じた速度が低くなる。商の値が約２２あるいはそれ以下で衝撃応力が低くなるという数学モデルが提案されている。上述した先細のタンクを有することは必要ではない。

バルブを通過する流体は、圧縮可能であっても不可能であっても良い。バルブにわたる圧力差は、どのような大きさであっても良い。

本明細書では、固定子は多面体アレイを有し、鈍頭物体を形成して、バルブのフローインピーダンスを増やすものであるが、いくつかの鈍頭物体アレイあるいは、必要であれば無秩序に配置した鈍頭物体、あるいは、流体フローを停滞させる、妨げる、または中断させる何らかのシステムが配置され、バルブを通って放出される質量に対する可動エレメントの速度を上げ、これによって、閉じている間の放出を小さくする。鈍頭物体はどのような形であっても良い。

バルブ本体あるいは移動エレメントの動的制御面は、必要な応答時間と大量放出特性に達するように展開することができる。この制御面は、内部流体フローによって、あるいは外部手段を介して変えることができる。

必要があれば、バルブに対する内側あるいは外側からの機械的な開閉補助を行っても良い。ここで機械的ということは、圧電、磁気、電磁気、水圧、空圧、カム駆動、誘起磁場を意味する。

本明細書において、可動エレメントは、ガイド栓によって案内されるものであり、可動エレメントは、そのジオメトリがバルブ本体のジオメトリと正しく整列することが必要であり、これは、様々な方法で実現することができる。可動エレメントを案内する方法は、本発明に密接な関係はない。

本体と可動エレメントの間に形成されたキャビティ、あるいは可動エレメントまたは本体に取り付けたその他のエレメントを本発明の精神と範囲から外れることなく、展開することができる。このキャビティまたはエレメントに流体を捕獲して、バルブが閉じてキャビティの体積が小さくなったときに、圧力で流体をくみ出すようにする。

鈍頭本体に沿った固定子は、あるフロー状態ではなくてもよい。ある形では、可動エレメントが開閉する間常に流体フローにある流線型本体を形成する。

本発明の別の形では、バルブが開いている間は可動エレメントがフローを妨害することがないが、閉じている間は妨害する。このことは、バルブが閉じているがバルブを通るフローがある間、流体に最も主として作動する、乱流遷移、フロー分離遷移、および、渦巻き発生面など、様々なフロー妨害面を設けることで達成できる。これらのフロー妨害面は、可動エレメントあるいはバルブ本体のいずれか、あるいは両方に配置することができる。

この明細書において、本発明の特定の形状を述べたが、流体動態学あるいは流体エンジニアリングの分野の当業者は、本発明の精神と範囲から逸脱することなくこれらの態様のいくつかにおいて変形例を提供することができる。

Claims (26)

1. バルブ本体と移動エレメントからなるバルブにおいて、当該バルブにわたる圧力差が前記移動エレメントの位置を決定することを特徴とするバルブ。
2. バルブにわたる圧力差が当該バルブの開閉状態を決定することを特徴とするバルブ。
3. 好ましい方向のフローが妨げられないことを特徴とするバルブ。
4. 好ましい方向のフローが妨げられることを特徴とするバルブ。
5. 請求項３に記載のバルブにおいて、前記好ましい方向が開方向であることを特徴とするバルブ。
6. 請求項３及び５に記載のバルブにおいて、流路にそった全ての位置において、前記バルブ本体と移動エレメントが、前記フローに対して流線型本体として存在することを特徴とするバルブ。
7. 請求項４に記載のバルブにおいて、前記好ましい方向が閉方向であることを特徴とするバルブ。
8. 請求項４及び７に記載のバルブにおいて、フロー経路に沿った様々な地点に、前記フローに対して前記バルブ本体に取り付けたフローインヒビタが設けられていることを特徴とするバルブ。
9. 請求項４及び７に記載のバルブにおいて、前記フロー経路に沿った様々な地点に、前記フローに対して移動エレメントに取り付けたフローインヒビタが設けられていることを特徴とするバルブ。
10. 請求項７に記載のバルブにおいて、フロー経路に沿った様々な地点に、前記フローに対して前記バルブ本体と前記移動エレメントに取り付けたフローインヒビタが設けられていることを特徴とするバルブ。
11. 請求項６に記載のバルブにおいて、固定子が前記バルブ本体に固定されて設けられており、当該固定子が、前記移動エレメントが開位置にあるときに前記移動エレメントに合体して、前記バルブの開方向を通って流れる流線型通路を提供することを特徴とするバルブ。
12. 請求項１１に記載のバルブにおいて、前記固定子が逆多面体アレイでできており、この多面体頂部が前記バルブの開方向を通るフローに面していることを特徴とするバルブ。
13. 請求項１２に記載のバルブにおいて、フロー領域が前記多面体の横にあることを特徴とするバルブ。
14. 請求項７及び１３に記載のバルブにおいて、前記固定子が逆多面体アレイでできており、この多面体のベースが閉方向からのフローに面して、鈍頭物体を形成して当該フローに提供することを特徴とするバルブ。
15. 移動エレメントが、各方向においてフロー経路に沿った全ての地点で流線型であることを特徴とするバルブ。
16. バルブ本体が、各方向においてフロー経路に沿った全ての地点で流線型であることを特徴とするバルブ。
17. フローインヒビタが、移動エレメント及び／又はバルブ本体に配置されていることを特徴とするバルブ。
18. 請求項１７に記載のバルブにおいて、フローインヒビタが、乱流遷移、又はフロー分離遷移、又は前記移動エレメント及び／又は前記バルブ本体に一体化した渦巻き発生器からなることを特徴とするバルブ。
19. フロー経路に沿った面積が変化して、移動エレメントの上側と座側間の圧力差を最大にすることを特徴とするバルブ。
20. 請求項１９に記載のバルブにおいて、閉方向において前記流路に沿って前記フローに存在するフロー領域が、前記流路のある地点で収束しており、その後、出口で発散することを特徴とするバルブ。
21. バルブ本体と移動エレメントの間に形成された動的に変化する体積から汲み出される流体が提供されて、前記移動エレメントの閉速度を減少させることを特徴とするバルブ。
22. バルブ本体と移動エレメントの間に形成された動的に変化する体積から汲み出される流体が提供されて、前記移動エレメントの開速度を減少させることを特徴とするバルブ。
23. バルブ本体、または移動エレメントのいずれかに動的制御面が提供されていることを特徴とするバルブ。
24. バルブ本体、または移動エレメントのいずれかに動的制御面が設けられており、当該制御面が、初期流体フローによって、あるいは外付け手段によって変化することを特徴とするバルブ。
25. 外付け手段によって動きが補助される移動エレメントが設けられていることを特徴とするバルブ。
26. 外付けの機械的手段によって動きが補助される移動エレメントが設けられていることを特徴とするバルブ。