JP2000055215A - 迅速に開弁するポペット弁の形成 - Google Patents

迅速に開弁するポペット弁の形成

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JP2000055215A
JP2000055215A JP21033199A JP21033199A JP2000055215A JP 2000055215 A JP2000055215 A JP 2000055215A JP 21033199 A JP21033199 A JP 21033199A JP 21033199 A JP21033199 A JP 21033199A JP 2000055215 A JP2000055215 A JP 2000055215A
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upstream
spool
bore
valve
fluid
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JP21033199A
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Stephen R Lewis
アール ルイス スティーヴン
Charles B Looney
ビー ルーニー チャールズ
J Lobel Wayde
ジェイ ローベル ウェイド
Jr Larry R Mitzelfelt
アール ミッツェルフェルト ジュニア ラリー
David E Martin
イー マーティン ディヴィッド
James D Griffith
ディー グリフィス ジェームズ
Dwain Manahan J
ドゥウェイン マナハン ジェイ
S Sandyu Avter
エス サンデュー アヴター
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Caterpillar Inc
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Caterpillar Inc
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    • F16K1/00—Lift valves or globe valves, i.e. cut-off apparatus with closure members having at least a component of their opening and closing motion perpendicular to the closing faces
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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  • Sliding Valves (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 スプールが迅速に弁座から離れ、迅速に所望
の流体流れを得る。 【解決手段】 スプール(209)がボア内を摺動して、弁
を開閉する。スプールは、第１方向へ移動して、ボア(2
07)内の弁座(213)に強制的に係合し弁を閉じる。スプー
ルは、第１方向と反対の第２方向へ移動し、弁座から離
れて弁を開く。通常は、静的圧力によりスプール弁が開
くのが遅れるが、弁座近くのスプールとボアの配列の適
当な構成により、静的圧力が発生するのを防ぐ。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【０００２】
【発明の属する技術分野】本発明は、一般にポペット弁
に関し、より詳しくは燃料供給システムのポペット弁に
関する。
【０００３】
【従来の技術】燃料インジェクター用ポペット弁等の多
くの弁では、少なくとも2つの位置の１つにポペット型
スプールを引くのにアクチュエータが使用される。この
2つの位置は、１つはスプールが（弁を開く又は閉じる
ため）弁座に係合し、１つはスプールが弁座に係合しな
い。この種の弁では、着座した位置へ向かい離れるスプ
ールの移動の制御が望まれる。例えば、弁が開弁位置へ
移動しようとするとき、スプールが非常に迅速に弁座か
ら離れて弁を完全に開き、できるだけ迅速に所望の流体
流れを得るのが有利である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述の問題
の１つ又はそれ以上を解決することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明の１態様では、ポ
ペット弁が、内部にボアを含む弁本体を備える。該ボア
は、流体をボアへ入れる入口ポートを含む。該ボアはま
た、少なくとも１つの弁座を含む。ボア内のスプール
は、スプールが弁座と間隔をおいた開位置と、スプール
が弁座に係合する閉位置との間を摺動する。スプールと
ボアが、入口ポートと流体接続する上流流体流れ体積(u
pstream fluid flow volume)の少なくとも一部を形成す
る。弁座もまた上流流体流れ体積を通って入口ポートと
流体接続する。上流流体流れ体積は、スプールが開位置
にあり流体が入口ポートから上流流体流れ体積を通って
弁座へ流れているとき、入口ポートから上流流体流れ体
積に入る流体の有効流れ面積(effective flow area)
は、スプールと弁座の間を通過する流体の有効流れ面積
を大きくは超えないように形作られている。
【０００６】本発明の他の態様では、ポペット弁が、内
部にボアを含む弁本体を備える。該ボアは、流体をボア
へ入れる入口ポートを含む。該ボアはまた、少なくとも
１つの弁座を含む。ボア内のスプールは、スプールが弁
座と間隔をおいた開位置と、スプールが弁座に係合する
閉位置との間を摺動する。スプールとボアが、入口ポー
トと流体接続する上流流体流れ体積の少なくとも一部を
形成する。弁座もまた上流流体流れ体積を通って入口ポ
ートと流体接続する。弁は、スプールが開位置にあり流
体が入口ポートから上流流体流れ体積を通って弁座へ流
れているとき、上流流体流れ体積内に静的流体圧力が発
生しないように保持する圧力制御手段を備える。
【０００７】本発明の更に他の態様では、弁本体を備え
る弁に使用するポペット弁を形作る方法が提供される。
上流壁部分と下流壁部分を有するボアが、弁本体内に形
成される。弁本体内にボア内の入口ポートで終了する流
体通路が形成され、流体通路を入口ポートでボアと流体
接続する。ボアの上流壁部分と下流壁部分の間に、弁座
が形成される。不均一な直径を有するスプールが、ボア
内の弁座と係合できるように形作られ、ボアの弁座を通
る流体接続をブロックする。スプールが、ボア内に摺動
可能に配置され、ボア内の弁座を通る流体接続を与える
ようにスプールが弁座と間隔をおいたボア内の第1位置
と、ボア内の弁座を通る流体接続をブロックするように
スプールが弁座に係合するボア内の第2位置との間を摺
動する。下流壁部分とスプール表面の間に下流体積が形
成され、スプールが第1位置にあるとき、スプールと弁
座の間を通過する流体の第１有効流れ面積が、第１の所
定の値を有する。上流壁部分とスプール表面の間に上流
体積が形成される。上流体積は、一部が入口ポートによ
り形成されるように形成され、流体通路と流体接続し、
入口ポートから上流体積に入る流体の第２有効流れ面積
は、第１の所定の値よりかなり大きくはない第２の所定
の値を有するようにする。
【０００８】
【発明の実施の形態及び実施例】図１、２に示す本発明
の実施例では、流体通路205と本体ボア207を有する弁本
体201を備える。本体ボア207内に、弁座213と、流体通
路205と流体接続する入口ポート215と、環形217とが形
成される。スプール209が、ボア207内で開弁位置(図１)
と、閉弁位置(図２)の間を摺動可能である。スプール20
9の環状グルーブ221が、本体ボア207と共に入口ポート2
15と流体接続する上流流体流れ体積（即ち、弁座213よ
り上流の体積）を形成する。
【０００９】図１に示す開弁位置では、スプール209
は、弁座213から間隔をおいていて、流体は、入口ポー
ト215から、環状グルーブ221を通って、弁座213を過ぎ
て環形217へ流れることができる。スプール209が着座し
ない位置へ移動するとき、入口ポートから上流流体流れ
体積の上流領域221aへ入る流体の有効流れ面積は、下流
領域221bを離れる流体の有効流れ面積（スプールと弁座
の間を通過する流体の流れ面積）に事実上等しい（又は
少なくともかなり超えることはない）ように、環状グル
ーブ221は形作られている。
【００１０】この構成を実現するため上流領域221aの有
効流れ面積を計算する1つの方法は、丸いポートから近
くの平らなプレート上に流れる流体の場合を考えること
である。この場合、流れ面積はポートの円周（周長）に
ポートからプレートまでの距離をかけたものである。従
って、それぞれの流れ面積をバランスさせる1つの良い
方法は、図1に示すように、スプール209が入口ポート21
5の上流縁部に接触し、入口ポート215から下流方向に角
度を付けて離れるように、環状グルーブ221を形成する
ことである。そして、(a)入口ポート215の円周（周長）
215Dにスプール209からの平均距離をかけたものが、(b)
弁座213とスプール209の間の間隙の幅213Dにスプール20
9を囲むその間隙の中心で定義される円周（周長）213C
をかけたものに等しくなるようにする。
【００１１】図３は開弁位置にある他の弁の一部を示
す。この弁は図１に示す弁に近似しているが、この例
は、スプール219が異なる形状の環状グルーブ222を有
し、有効流れ面積はバランスされない。
【００１２】図２に示す閉弁位置で、スプール209は強
制的に弁座213と係合して、流体流れをブロックする。
図面は説明のため強調してある。開弁位置と閉弁位置の
間の実際のスプールの移動は非常に小さい。
【００１３】ポペット弁作動の実験で、開弁を遅らせる
作用をする予期せず不所望の状態が起こり得ることが分
かった。図１〜３を参照すると、スプール209が着座し
ないとき、入口ポート215からの流体は、環状グルーブ2
21,222へ入り、弁座213を通過して流れる。このとき、
図３の環状グルーブ等の典型的な環状グルーブでは、か
なりの静的圧力が起こり、それが(図の)上方向の力を生
じることが分かった。このため、図３のスプール219は
着座位置へ向かって押される。この起こる原因は、典型
的な環状グルーブ222の上流領域222aの流体は停滞する
傾向があるが、典型的な環状グルーブ222の下流領域222
bの流体は弁座213を迅速に通過するからである。ゆっく
り移動する流体は同じ体積の速く移動する流体より高い
圧力を有するので、このため圧力の不均衡が起こり、そ
れがスプール219に作用する上方向への静圧を生じる。
【００１４】上述したように、スプール209が着座しな
い位置へ移動するとき、上流領域221aの有効流れ面積
（入口ポートから上流流体流れ体積へ入る流体の流れ面
積）は、下流領域221bの有効流れ面積（スプールと弁座
の間を通過する流体の流れ面積）に事実上等しくなるよ
うに、環状グルーブ221（図１，２）を形作ると、この
問題は解決される。こうすると、2つの領域221aと221b
の圧力差が減少し、スプールが弁座から完全に離れるの
が遅れず、弁は迅速に最大流体流れ条件に到達する。
【００１５】本発明を上述した特定の実施例に関して記
述してきたが、多くの代替、改変、変形が当業者には明
らかであろう。従って、ここに記述した発明の実施例
は、例示のためであり、制限する意図はない。特許請求
の範囲範囲から離れずに、色々の変形を行うことができ
る。さらに、本発明の他の態様、利点は、発明の詳細な
説明、図面、及び特許請求の範囲から得ることが出来
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の環状グルーブの実施例の開弁位置に
ある図。
【図２】 図１の実施例の閉弁位置にある概略側面断面
図。
【図３】 環状グルーブの他の実施例の概略側面断面
図。
【符号の説明】
201 弁本体 205 流体通路 207 本体ボア 209 スプール 213 弁座 215 入口ポート 217 環形 221,222 環状グルーブ 221a,222a 上流領域 221b,222b 下流領域
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 チャールズ ビー ルーニー アメリカ合衆国 イリノイ州 61744 グ リドリー イースト ナインス ストリー ト 104 (72)発明者 ウェイド ジェイ ローベル アメリカ合衆国 イリノイ州 61761 ノ ーマル ノース リンデン ストリート 2000 アパートメント ジェイ303 (72)発明者 ラリー アール ミッツェルフェルト ジ ュニア アメリカ合衆国 イリノイ州 61550 モ ートン イースト アイドルウッド スト リート 544 (72)発明者 ディヴィッド イー マーティン アメリカ合衆国 イリノイ州 61761 ノ ーマル オライリー コート 1411 (72)発明者 ジェームズ ディー グリフィス アメリカ合衆国 イリノイ州 61726 チ ェノア サウス ディヴィジョン ストリ ート 226 (72)発明者 ジェイ ドゥウェイン マナハン アメリカ合衆国 イリノイ州 61704 ブ ルーミントン アールアール ４ (72)発明者 アヴター エス サンデュー アメリカ合衆国 イリノイ州 61704 ブ ルーミントン ウィンドミル ロード 3408

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ポペット弁において、 内部にボアを含む弁本体を備え、 前記ボアは、流体を前記ボアへ入れる入口ポートを含
    み、 前記ボアは、前記入口ポートと流体接続する上流流体流
    れ体積の少なくとも一部を形成し、 前記ボアは、前記上流流体流れ体積を通って前記入口ポ
    ートと流体接続する少なくとも１つの弁座を備え、 前記ボア内にスプールが、少なくとも(1)前記スプール
    が前記弁座と間隔をおいた開位置と、(2)前記スプール
    が前記弁座に係合する閉位置との間を摺動可能に配置さ
    れ、 前記スプールが、上流流体流れ体積の少なくとも一部を
    形成し、 前記スプールが前記開位置にあり流体が前記入口ポート
    から前記上流流体流れ体積を通って前記弁座へ流れてい
    るとき、前記入口ポートから前記上流流体流れ体積に入
    る流体の有効流れ面積は、前記スプールと前記弁座の間
    を通過する流体の有効流れ面積を大きくは超えないよう
    に、前記上流流体流れ体積が形作られていることを特徴
    とする弁。
  2. 【請求項２】 ポペット弁において、 内部にボアを含む弁本体を備え、 前記ボアは、流体を前記ボアへ入れる入口ポートを含
    み、 前記ボアは、前記入口ポートと流体接続する上流流体流
    れ体積の少なくとも一部を形成し、 前記ボアは、前記上流流体流れ体積を通って前記入口ポ
    ートと流体接続する少なくとも１つの弁座を備え、 前記ボア内にスプールが、少なくとも(1)前記スプール
    が前記弁座と間隔をおいた開位置と、(2)前記スプール
    が前記弁座に係合する閉位置との間を摺動可能に配置さ
    れ、 前記スプールが、上流流体流れ体積の少なくとも一部を
    形成し、 前記スプールが前記開位置にあり流体が前記入口ポート
    から前記上流流体流れ体積を通って前記弁座へ流れてい
    るとき、前記上流流体流れ体積内で静的流体圧力が発生
    しないように保持するための、圧力制御手段が設けられ
    ていることを特徴とする弁。
  3. 【請求項３】 請求項２に記載したポペット弁であっ
    て、前記圧力制御手段は、前記上流流体流れ体積の上流
    流体流れ体積構成を備え、前記スプールが前記開位置に
    あり流体が前記入口ポートから前記上流流体流れ体積を
    通って前記弁座へ流れているとき、前記入口ポートから
    前記上流流体流れ体積に入る流体の有効流れ面積は、前
    記スプールと前記弁座の間を通過する流体の有効流れ面
    積を大きくは超えないことを特徴とする弁。
  4. 【請求項４】 弁本体を備える弁に使用するポペット弁
    を形作る方法において、 前記弁本体内に、上流壁部分と下流壁部分を有するボア
    を形成し、 前記弁本体内に流体通路を形成し、前記流体通路は、前
    記ボア内の入口ポートで終了し、前記流体通路を前記入
    口ポートで前記ボアと流体接続し、 前記ボア内の前記上流壁部分と前記下流壁部分の間に弁
    座を形成し、 前記ボア内に、表面と不均一な直径を有し、前記ボア内
    の前記弁座を通る流体の流通をブロックするため、前記
    弁座と係合できるように形作られたスプールを形成し、 前記ボア内に、前記スプールが、前記弁座と間隔をおき
    前記ボア内の前記弁座を通る流体を流通させる前記ボア
    内の第１位置と、前記スプールが前記弁座に係合し、前
    記ボア内の前記弁座を通る流体の流通をブロックする前
    記ボア内の第２位置との間を摺動可能に、前記スプール
    を配置し、 前記下流壁部分と前記スプール表面の間に下流体積を形
    成し、前記スプールが前記第１位置にあるとき、前記ス
    プールと前記弁座の間を通過する流体の第１有効流れ面
    積が、第１の所定の値を有するようにし、 前記上流壁部分と前記スプール表面の間に上流体積を形
    成し、前記上流体積は一部が前記入口ポートにより形成
    され、前記流体通路と流体接続し、前記入口ポートから
    前記上流体積に入る流体の第２有効流れ面積が、前記第
    1の所定の値よりかなり大きくはない第２の所定の値を
    有するようにする、ことを特徴とする方法。
  5. 【請求項５】 請求項１に記載したポペット弁であっ
    て、 前記スプールは、垂直スプール軸を有し、前記上流流体
    流れ体積の上流内壁を形成し、ここに垂直は、摺動可能
    に配置された前記スプールの摺動方向に平行な方向であ
    り、 前記ボアが、前記上流流体流れ体積の上流外壁を形成
    し、 前記上流流体流れ体積は、前記スプール軸から半径方向
    に測定して、前記上流内壁から前記上流外壁への水平距
    離と定義される変化する上流幅を有し、 前記上流幅は、前記入口ポートの比較的下流部分で交差
    する第2水平面より、前記入口ポートの比較的上流部分
    で交差する第1水平面において小さいことを特徴とする
    弁。
  6. 【請求項６】 請求項５に記載したポペット弁であっ
    て、前記上流流体流れ体積の前記内壁は、垂直から傾い
    ていて、前記上流幅は、前記第1水平面から前記第２水
    平面へ次第に大きくなることを特徴とする弁。
  7. 【請求項７】 請求項６に記載したポペット弁であっ
    て、変化する前記上流幅は、前記第1水平面から前記第
    ２水平面へ均一な割合で次第に大きくなることを特徴と
    する弁。
  8. 【請求項８】 請求項３に記載したポペット弁であっ
    て、 前記スプールは、垂直スプール軸を有し、前記上流流体
    流れ体積の上流内壁を形成し、ここに垂直は、摺動可能
    に配置された前記スプールの摺動方向に平行な方向であ
    り、 前記ボアが、前記上流流体流れ体積の上流外壁を形成
    し、 前記上流流体流れ体積は、前記スプール軸から半径方向
    の測定して、前記上流内壁から前記上流外壁への水平距
    離と定義される変化する上流幅を有し、 前記上流幅は、前記入口ポートの比較的下流部分で交差
    する第2水平面より、前記入口ポートの比較的上流部分
    で交差する第1水平面において小さいことを特徴とする
    弁。
  9. 【請求項９】 請求項８に記載したポペット弁であっ
    て、前記上流流体流れ体積の前記内壁は、垂直から傾い
    ていて、前記上流幅は、前記第1水平面から前記第２水
    平面へ次第に大きくなることを特徴とする弁。
  10. 【請求項１０】 請求項９に記載したポペット弁であっ
    て、変化する前記上流幅は、前記第1水平面から前記第
    ２水平面へ均一な割合で次第に大きくなることを特徴と
    する弁。
  11. 【請求項１１】 請求項４に記載した方法であって、 前記スプールは、垂直スプール軸を有し、前記上流流体
    流れ体積の上流内壁を形成し、ここに垂直は、摺動可能
    に配置された前記スプールの摺動方向に平行な方向であ
    り、 前記ボアが、前記上流流体流れ体積の上流外壁を形成
    し、 前記スプールを形成することは、前記入口ポートの比較
    的上流部分で交差する第1水平面での前記スプール軸の
    周りの前記内壁の第１円周が、前記入口ポートの比較的
    下流部分で交差する第２水平面での前記スプール軸の周
    りの前記内壁の第２円周より大きくなるように、前記上
    流流体流れ体積の前記上流内壁を形成することを含むこ
    とを特徴とする方法。
  12. 【請求項１２】 請求項１１に記載した方法であって、
    前記スプールを形成することは、前記スプール軸の周り
    の前記内壁の変化する円周が、前記第１円周から前記第
    ２円周へ移動するにつれて次第に小さくなるように、前
    記内壁を垂直から傾かせることを含むことを特徴とする
    方法。
  13. 【請求項１３】 請求項１１に記載した方法であって、
    前記スプールを形成することは、前記スプール軸の周り
    の前記内壁の変化する円周が、前記第１円周から前記第
    ２円周へ移動するにつれて均一な割合で次第に小さくな
    るように、前記内壁を垂直から傾かせることを含むこと
    を特徴とする方法。
JP21033199A 1998-07-24 1999-07-26 迅速に開弁するポペット弁の形成 Pending JP2000055215A (ja)

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