JP2003526055A

JP2003526055A - 拡張範囲比例弁

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Publication number: JP2003526055A
Application number: JP2001560045A
Authority: JP
Inventors: フリージンガー，ポール・ダブリユ; ホーラー，ピーター・アール; ホールボロー，ピーター・エイ
Original assignee: アスコ・コントロールズ・エル・ピー
Priority date: 2000-02-18
Filing date: 2001-01-17
Publication date: 2003-09-02
Also published as: EP1266164A4; CN1188619C; WO2001061226A1; EP1266164A1; AU2001229548A1; CN1425114A

Abstract

(57)【要約】連続した低、中、高範囲にわたって、質量流量を制御することのできる拡張範囲比例弁１０は、ソレノイドの電機子８４に取り付けられたパイロット部材６８を有し、この電機子８４は、主弁部材３０内のパイロット開口５８に対してディザオン／オフすることができ、この主弁部材３０は、主弁開口１８を密封して、ソレノイドコイルのパルス幅変調電流のデューティサイクルおよび／または周波数を変化させることにより、低範囲にわたる質量流量を制御する。中間流量および高流量は、それぞれ主弁シート１８から比較的短い距離および比較的長い距離だけ主弁部材３０を上昇させるのに十分なデューティサイクルおよび／または周波数で、パイロット弁部材６８をディザすることにより達成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】発明の背景本発明は、電気ソレノイドにより操作される比例流量タイプの弁に関する。よ
り詳細には、本発明は、高いターンダウン比を有する弁、すなわち、非常に低い
流量から中間流量を通り非常に高い流量まで流量を制御することのできる弁に関
する。

【０００２】比例流量弁は、混合および測定機能を果たすことに有用性が見出されている。
例えば、ガソリンを正確に混合し特定のオクタン値等の所望の特性を達成するた
め、高温および低温の水を混合して所望の温度を得るため、ガソリン等の液体や
空気および天然ガス等の気体を含む圧縮可能および圧縮不可能な流体を分配する
ために、比例流量弁を使用する。比例流量弁を使用する適用例に応じて、非常に
低い一定の流量並びに非常に高い一定の流量、および前記高い流量と低い流量の
間の中間の一定の流量を維持する必要がある。

【０００３】従来技術の比例弁には、主弁部材を主弁シートに対して上昇および下降して、
弁を開閉するものがある。主弁部材は、膜の中央に取り付けることができる。こ
のような弁は米国特許第５６７６３４２号に示される。この弁により、弁を通る
流体流量が、弁を制御するソレノイドアクチュエータのコイルを通る電流量に比
例する。このタイプの構成では、アクチュエータは直線状に動作する、すなわち
、ソレノイド電機子により発生する力が、ソレノイドに印加される電流に直線状
に比例する。従って、ソレノイド電機子は、弁部材を弁シートに向けて常に押圧
する閉鎖ばねに対して直線状に働く。このように、弁部材が弁シートから離れる
距離は、ソレノイドに印加される電流量に比例する。

【０００４】主弁部材の頂部にはパイロット弁シートがあり、これは主弁部材の中央を通る
パイロット開口を囲む。主弁部材上方のソレノイドのプランジャは、パイロット
弁部材を担持し、このパイロット弁部材は、下降して主弁部材内のパイロット弁
開口を密封し、上昇して主弁部材内のパイロット弁開口を開放する。

【０００５】また、ハウジングまたは膜内にもしくは別のチャネルを通って、抽気開口があ
り、これを通って流体が、膜上方のリザーバチャンバと膜下方の吸込チャンバと
の間を流れることができる。この抽気開口はパイロット開口よりも小さい。パイ
ロット開口がプランジャにより密封されると、吸込口からの流体が膜下方の吸込
チャンバに入り、膜内の抽気開口を通過して膜上方のリザーバへ流れる。膜上方
の流体は、膜を主弁シートに向けて下方へ押圧し、それにより主弁シートに囲ま
れた主弁開口を密封する。ソレノイドが作動してプランジャをパイロット開口か
ら上昇させると、膜上方の流体が、より小さい抽気開口を通って流入するときよ
りも速い速度でパイロット開口を通って排出され、これにより、膜上方の圧力を
減少させ、膜下方の吸込口からの流体圧が膜を上方へ押圧するようにして、主弁
部材を主弁シートから上昇させて弁を開放する。

【０００６】前記米国特許第５６７６３４２号の弁は、その機能を立派に果たすことがわか
っている。しかし、非常に低い流量を維持するときに、膜が主弁部材を主弁開口
からわずかに上昇させることのできる位置に、プランジャが移動する。このとき
、膜の上方域と下方域との圧力差が非常に大きいので、主弁部材が主弁シートか
ら上昇する際に飛び上がる傾向にあり、非常に低い流量を達成することができな
くなる。この発生は、流れの下端対電流の特性を示す。すなわち、ソレノイドコ
イルに印加された電流を減少させることにより流量が均一に減少する弁では、ソ
レノイドコイル電流が、主弁部材が主弁シート上に押圧されるレベルまで減少す
ると、流れが突然遮断される。

【０００７】逆に、主弁部材が主弁シートに係合し、比例ソレノイド弁のコイル内で誘導さ
れた電流が次第に増加すると、主弁部材が、主弁シートから、弁に対する最低可
能流量が達成される位置まで飛び上がるレベルに到達する。この最低流量は、弁
の構成要素の設計パラメータの入念な選択を通して最適化することができるが、
正確な低流量が必要な場合には十分に改良することができない。

【０００８】弁ソレノイドに全波交流電流を印加して主弁部材を主弁シートから移動させる
ことにより一定の高流量で、および、交流電流を整流して、ソレノイドコイルに
印加されると流体がパイロット開口を通過できるようにするが、主弁部材を主弁
シートから上昇することのできる十分な上昇力を提供することはない、半波交流
信号を得ることにより一定の低流量で、ソレノイド弁を操作することが、当技術
分野で公知である。このような弁は、Ｊｏｈｎｓｏｎ他の米国特許第４５０３８
８７号の主題である。

【０００９】さらに、弁のソレノイドコイルに周期パルス直流電流の形で電力を印加するこ
とにより、パイロット弁部材を比例弁内のパイロット弁シートから移動する度合
を変化させ、パルス幅変調と呼ばれることもあるように、電流量をパルスの「オ
ン」および「オフ」時間の長さと共に変化させることが、当技術分野で公知であ
る。この目的のパルス幅変調は、ＬａＭａｒｃａの米国特許第５２９４０８９号
およびＯｔｔｏの米国特許第５６７６３４２号に開示されている。

【００１０】前記の手法のいずれも、高いターンダウン比を持つ比例ソレノイド弁、すなわ
ち、主弁部材が主弁シートから移動する非常に高いレベルおよび中間レベルから
、主弁部材が取り付けられたままとなって主弁開口を密封し、流量がパイロット
開口を通る通路に限定される低レベルまで、流量を連続して変化させることがで
きる、比例ソレノイド弁を製造する問題の解決を提供していない。

【００１１】発明の概要本発明によれば、主弁部材を主弁シートから上昇させることなく、比例ソレノ
イド弁のコイルに印加された電流のパルス幅およびまたは周波数を通して、連続
した範囲にわたって低流量が達成される。低流量、例えば０．５標準立法フィー
ト／分（ｓｃｆｍ）〜５．０ｓｃｆｍの割合のガス流に対し、ソレノイド電機子
またはプランジャが、デューティサイクルで振動しまたは主弁部材上のパイロッ
ト弁シートにディザオン／オフし、このデューティサイクル中に、パイロット開
口がサイクルの一部で加圧された吸込流体に晒され、パイロット開口がサイクル
の残りの部分で閉鎖されることにより、主弁部材を主弁シート上に維持し、流体
流をパイロット開口を通る通路に限定する。流量が増加するにつれて、ソレノイ
ド電機子のデューティサイクルが調整されて、パイロット開口が流体に晒される
サイクルの割合を増加させ、これにより、パイロット開口を通る流体流量を増加
させる。

【００１２】流体流量が、より低い流量で発生する飛上がりの問題を生じることなく主弁部
材を主弁シートから移動することを制御することのできるレベルに近付くにつれ
て、ソレノイド電流のデューティサイクルがさらに調整されて、パイロット弁を
、パイロット開口を通る流量が主弁開口を通る限定された流れにより補充される
所望の中間流量に対応する距離だけ、主弁部材を主弁シートから上昇させるのに
十分な長さで開いたままとすることができるようになる。中間質量流量での流れ
は、主弁部材が主弁シートから短い距離の位置まで上昇する際に可能になる。パ
イロット開口を通る流れが重要とならない高い流量は、主弁部材が主弁シートか
らさらに離れて上昇する際に達成される。

【００１３】従って、本発明の目的は、従来実現不可能であった範囲にわたって流量を連続
して変化させることのできる、単一の比例流量弁を提供することである。

【００１４】本発明の別の目的は、可変デューティサイクルを有する電流により通電するこ
とのできるソレノイドアクチュエータを持ち、パイロット弁部材を主弁部材上の
パイロットシートに対してディザオン／オフし、主弁部材を主弁シートから上昇
させることなく弁内のパイロット開口を通して低流量の連続範囲を可能にする、
比例流量弁を提供することである。

【００１５】本発明のさらに別の目的は、主弁部材を主弁シートから上昇させる開口での臨
界流量に達することなく、取り付けられた主弁部材内のパイロット開口を通る流
れを変調する装置を提供することである。

【００１６】本発明のさらなる目的は、パルス幅変調ソレノイド電流のデューティサイクル
および／または周波数を調整して、パイロット弁が主弁部材を主弁シートから上
昇させるのに十分な、所望の中間流量または高流量に対応する長さで開いたまま
とすることのできる、前記タイプの弁を提供することである。

【００１７】本発明のさらに別の目的は、パイロット開口のみを通る（主弁は閉鎖している
）低流量の範囲から、パイロット開口および主弁開口の両方を通過する重要な成
分を有する中間流量を通って、主弁開口を主に通って生じる高流量まで移行が生
じる際に、比例ソレノイド弁内の低流量、中間流量、および高流量の間の連続性
を維持することである。

【００１８】本発明の他のおよびさらなる目的は、種々の図において同一の参照符号を使用
して同一の部分を示す、本発明の以下の図面および好適な実施形態の説明から明
らかであろう。

【００１９】好ましい実施形態の説明図面の図１〜４を参照する。本発明を例示するために選択された比例フロー弁
１０は、流体入口ポート１４、流体出口ポート１６および主オリフィス２０を取
り囲む主弁座１８を有する弁胴１２を含む。出口ポート１６は、水平セクション
２２と垂直セクション２８を接合する直角ベント２４を有する中空エルボの中に
存在する。垂直セクション２８は主弁座１８に達する。

【００２０】主弁ユニット３０は、出口ポート１６の垂直セクション２８の中に滑動可能に
取り付けられて往復軸運動する主弁部材３２を含む。主弁部材３２は概して円形
の断面を有し、軸方向に延び円周方向に間隔を置いて配置された平行ベーン３４
を有する。図面ではそのうち２枚の平行ベーンを見ることができる。主弁部材３
２の外周は、環状の平らな下面を有するダイヤフラム支持ワッシャ３６および環
状の平らな上面を有するダイヤフラム保持リング３８を受け入れることができる
輪郭を有する。主弁部材３２と一緒に運動するダイヤフラム支持ワッシャ３６の
環状の下面とダイヤフラム保持リング３８の環状の上面の間には、弁１０の圧力
部材として働く柔軟な環状ダイヤフラム１７の中央領域が挟み込まれている。

【００２１】弁胴１２の頂部には、適当な留め具４２によってボンネットプレート４０が固
定されている。ボンネットプレート４０と弁胴１２の頂部の盛り上がった円周リ
ッジ４４との間には、ダイヤフラム１７の外周が配置されている。ダイヤフラム
１７の外周はその上面がボンネットプレート４０によって、その下面が、弁胴１
２の盛り上がった円周リッジ４４およびリッジ４４の内側にあってリッジ４４と
同心のシール４６によって固定されて保持されている。シール４６はダイヤフラ
ム１７の下面を保護し、ボンネットプレート４０、弁胴１２およびダイヤフラム
１７間の境界面での流体の漏れを防ぐ。

【００２２】主弁部材３２の周囲に切られたみぞに捕らえられた環状の保持クリップ４８が
、ダイヤフラム１７の中央領域に向かって上部ダイヤフラム支持ワッシャ３６を
押しつけて、ダイヤフラム保持リング３８に対してダイヤフラム１７を固定する
。保持リング３８の下の環状主弁シール５０を受け取るため、ベーン３４には切
欠きがつけられている。主弁シール５０はエラストマ材料から製作されることが
好ましい。

【００２３】主弁ユニット３０は、主弁部材３２、上部ダイヤフラム支持ワッシャ３６、ダ
イヤフラム保持リング３８、ダイヤフラム１７、保持クリップ４８および主弁シ
ール５０を含み、これらは全て一体として主弁座１８に接近し、主弁座１８から
遠ざかる。このような運動の間、ダイヤフラム１７の中間の環状部分５４は自由
に撓曲し、伸びることができ、一方、ダイヤフラム１７の外周は所定の位置に固
定されて保持される。主弁ユニット３０が軸方向に移動すると、主弁部材３２の
ベーン３４は、主弁座１８から続く出口ポート１６の円筒形の垂直壁の中に導か
れる。

【００２４】主弁部材３２の中には、上端がパイロット弁座５８によって取り囲まれ下端が
出口ポート１６に向かって開いた円形ボア５６の形態のパイロット通路が部材の
中心軸に沿って走っている。パイロット通路５６は、パイロット弁シール部材６
８によって選択的に開閉される。

【００２５】ボンネットプレート４０に形成されたショルダ６２と上部ダイヤフラム支持ワ
ッシャ３６の上面との間に主弁ばね６０が圧縮されており、これによって主弁ユ
ニット３０が押し下げられ主弁座１８と係合する。

【００２６】流体入口ポート１４は、主弁ユニット３０（ダイヤフラム１７を含む）の下面
および出口ポート１６の垂直セクション２８の外面によって境界されている。リ
ザーバ６４が、主弁ユニット３０の上の何もない容積を占めている。

【００２７】ダイヤフラム１７は、比例フロー弁１０によって制御される流体に対して不透
過性である。ボンネット４０および弁胴１２の中のブリード通路６６が、リザー
バ６４と入口ポート１４の間の流体連絡を可能にし、そのため、入口ポート１４
からの流体は、主弁ユニット３０の上のリザーバ６４に入ることができる。ブリ
ード通路６６は、パイロット通路５６の最小断面よりも小さな断面を有し、その
ため、パイロット通路５６が開いているときに流体は、ブリード通路６６を通過
するよりも速くパイロット通路５６を通過することができる。

【００２８】図１に示すようにパイロット弁が閉じているとき、すなわちパイロット弁シー
ル部材６８がパイロット弁座５８と係合しているとき、かつ主弁が閉じていると
き、すなわち主弁シール５０が主弁座１８と係合しているときには、流体は、流
体入口ポート１４から流体出口ポート１６へ流れることができない。図２に示す
ように、パイロット弁が開いているとき、すなわちパイロット弁シール部材６８
がパイロット弁座５８と係合していないとき、かつ主弁が閉じているときには、
流体は、流体入口ポート１４からブリード穴通路６６を通ってリザーバ６４に入
り、次いでリザーバ６４からパイロット通路５６を通って流体出口ポート１６ま
で流れることができる。したがってこのような流体流れは低い質量流量に制限さ
れる。実際の流量は、パイロット弁が閉じている時間に対するパイロット弁が開
いている相対的な時間によって決まる。

【００２９】主弁シール５０が主弁座１８と係合していないとき、流体は、主弁部材３２の
ベーン３４間の空間を通して流れることができる。ベーン３４間の開口の露出面
積は主弁ユニット３０が上昇するにつれて大きくなり、それに対応して流体入口
ポート１４から流体出口ポート１６への流量も増大する。

【００３０】最初に、例えば主弁部材を、主弁開口の直径の２５％以下の距離だけ主弁座か
ら移動させると、主弁開口を通した流れは制限され、パイロット開口を通した流
量がこの弁全体の流量、すなわち主弁開口の質量流量とパイロット弁開口の質量
流量の和のかなりの部分を占める。主弁部材を、主弁開口の直径の２５％以下の
距離だけ主弁座から移動させる上に述べた条件の下での弁の質量流量は、流れが
パイロット開口に限定されているときに弁が制限される低流量よりも大きい中間
の流量で起こる。

【００３１】主弁部材を、主弁開口の直径の２５％よりも大きな距離だけ主弁座から移動さ
せると、高質量流量が達成される。高流量の流れは主として主弁開口を通して起
こり、パイロット開口を通した流量はごくわずかとなる。

【００３２】弁のパイロット開口だけを通した低流量を達成するため、すなわち弁が図２に
示した状態にある間に低流量を達成するためには、パイロット開口を通した流体
の流れを高速に切り換える周波数およびデューティサイクルを有する電流によっ
てパイロット弁部材をパイロット弁座に対してディザして、リザーバ６４内の十
分な圧力を保ち、ダイヤフラムの下の入口圧力が主弁部材を主弁座から持ち上げ
ることを防ぐ。

【００３３】パイロット開口を通した流量は単一の大きさに限定される必要はない。パルス
幅変調ソレノイド電流の周波数および／またはデューティサイクルを変化させる
ことによって、パイロット弁部材によってパイロット開口が閉鎖される時間に対
するパイロット弁開口がリザーバ６４の中の流体に露出される相対時間を変更し
て、パイロット開口を通した流量を連続的に増大させまたは低減させることがで
き、一方で、ダイヤフラムが主弁座から持ち上がるほどにリザーバ６４内の圧力
が低下することを防ぐことができる。

【００３４】ソレノイド電流の周波数およびパルス幅に応じ、弁は、図１に示したオフ状態
と図２に示したオン状態の間を交互に移動して、主弁を開くことなく、すなわち
主弁部材を主弁座から持ち上げることなく低流量を可能にする。

【００３５】ボンネットプレート４０の上にはソレノイドアクチュエータ７０がある。ソレ
ノイドアクチュエータ７０は、電気的および磁気的に非伝導性の材料から作られ
たスプール７４に巻かれた電気伝導性ワイヤから成るコイル７２を含む。ソレノ
イドコイル７２に電流を供給する電流源に接続するために適当な端子が提供され
る。ソレノイドコイル７２の周囲には磁気材料から成るハウジング７６がある。

【００３６】スプール７４の上部には固定のアーマチュアまたはプラグナット７８が位置し
ている。コアチューブ８０が、プラグナット７８からスプール７４の残りの部分
を通して下方へ延びている。コアチューブ８０の下部の周囲にはカラー８２があ
り、ボンネットプレート４０の上部に固定されている。コアチューブ８０とカラ
ー８２の間の固定およびカラー８２とボンネットプレート４０の間の固定は、プ
レスばめ、溶接、クリンピング、ねじ留め、または頑丈な流体密接続を形成する
当業者に周知の他の従来の方法によって実施することができる。

【００３７】コアチューブ８０の中には、磁気材料の可動アーマチュア８４が軸方向に滑動
可能に配置されている。可動アーマチュア８４の下端近くには円周フランジ８６
が取り付けられている。円周フランジ８６とカラー８２の下面の間には、可動ア
ーマチュア８４を取り囲んでパイロット弁ばね８８が圧縮されており、可動アー
マチュア８４を下方へ押しやり、可動アーマチュア８４をプラグナット７８から
遠ざけている。可動アーマチュア８４の上面とプラグナット７８の下面は対応し
た輪郭を有し、そのため、可動アーマチュア８４がプラグナット７８の方へ移動
すると２つの面は嵌合する。可動アーマチュア８４はその下端に、弾性材料から
形成されたパイロット弁シール部材６８を担持している。

【００３８】ソレノイドコイル７２の電流を遮断し（図１）、比例フロー弁１０の流体入口
ポート１４を加圧流体源、例えばガソリンポンプに接続すると、流体は、ブリー
ドチャネル６６を通って主弁ユニット３０の上のリザーバ６４に入る。流体に対
して露出した主弁ユニット３０の頂部の面積は、流体に対して露出した主弁ユニ
ット３０の下部の面積よりも大きい。したがってばね６０の力と合わさった主弁
ユニット３０の頂部の流体の力が、主弁座１８に対して主弁シール５０を保持し
て比例フロー弁１０を閉じる。最初にソレノイドコイル７２に通電すると（図２
）、可動アーマチュア８４はプラグナット３に引きつけられ、したがってばね８
８の力に抗して上向きに移動し始める。上昇するにつれて、可動アーマチュア８
４はパイロット弁シール部材６８をパイロット弁座５８から遠ざけ、それによっ
て入口流体が、通路５６を通って低い出口圧力に維持された出口ポート１６に流
れるようになる。パイロット通路５６を通した有効流量は、ブリードチャネル６
６を通した有効流量よりも大きいので、主弁ユニット３０およびダイヤフラム１
７よりも情報の圧力は低下し始める。図示した本発明の好ましい実施形態のパイ
ロット開口の直径はブリード開口の直径よりも大きいが、フローチャネルが、乱
流によって、ブリードチャネルを通した流量がパイロット開口を通した流量に対
して遅延するようなものであるときには、たとえパイロット開口の直径のほうが
小さい場合でも、パイロット開口を通した有効流量をブリード開口を通した流量
よりも大きくすることができる。

【００３９】ソレノイド電流の周波数およびパルス幅が、パイロット弁シール部材６８をパ
イロット弁座５８から十分に長い時間持ち上げるのに十分である場合、主弁ユニ
ット３０にかかる流体入口圧力の上向きの力が、主弁ユニット３０にかかる流体
圧力の下向きの力を上回り始め、主弁ユニット３０は上昇し始め（図３）、主弁
ユニット３０は主弁座１８から離れる。主弁シール５０は主弁座１８からはずれ
、主弁部材３２のベーン３４間の空間を通した流体入口ポート１４と流体出口ポ
ート１６の間の連絡が可能となり、これによって始めて、入口ポート１４から出
口ポート１６へ中間流体流れが可能となる。

【００４０】パイロット弁座５８がパイロット弁シール部材６８と係合するまで、すなわち
パイロット弁が閉じるまで、主弁ユニット３０は上昇し続ける。その結果、高圧
流体はリザーバ６４から逃げることができない。リザーバ６４に入った流体が蓄
積するにつれ、弁ユニット３０にかかる下向きの力は増大し、この増大は、ばね
６０の下向きの力と合わせた力が、主弁ユニット３０の下面に対する入口流体の
上向きの力を再び上回るまで続く。その結果、主弁ユニット３０は下方へ移動す
る。しかし、主弁ユニット３０が下方へ移動し始めるとすぐにパイロット弁６８
が開き、主弁ユニット３０の上の高圧流体が再び、通路５６を通して流体出口ポ
ート１６に逃げることができるようになる。すぐに平衡位置（図４）が確立され
る。平衡位置では、主弁ユニット３０が絶えず非常に短い距離を振動してパイロ
ット弁６８が繰り返し開閉される。

【００４１】振動するときのユニットとしての主弁ユニット３０の位置は、可動アーマチュ
ア８４の位置、したがってパイロット弁シール部材６８の位置によって決定され
る。この位置はさらに、主弁部材３２と主弁座１８の間の間隔を決定し、したが
って主弁開口を通した流量を決定する。

【００４２】中間質量流量が得られるのか、または高質量流量が得られるのかは、主弁座か
ら主弁部材が持ち上げられる程度によって決まり、これは、可動アーマチュア８
４の位置に従って設定され、可動アーマチュア８４の位置は、ソレノイドコイル
７２に適用されるパルス幅変調電流のデューティサイクルおよび／または周波数
の関数である。ソレノイド起動の比例フロー制御弁に対する好ましい電流制御方
法はパルス幅変調（ＰＷＭ）である。

【００４３】従来技術の比例電磁弁で使用されているパルス幅変調を使用して、コイル中の
電流を直線的に変化させるために周波数固定、デューティサイクル可変の方形波
をソレノイドのコイルに適用し、それによってソレノイドによって弁起動機構に
加えられる力を変化させ、したがって弁を通した流れを変化させる。方形波信号
の使用には、ソレノイド電流の制御に線形増幅器を使用するよりも優れた２つの
明瞭な利点がある。第１に、スイッチング型のコントローラは、線形増幅器より
もはるかに高い効率を有する。第２に、方形波の固定のスイッチング周波数を適
当に選択することによって、ソレノイド電流の変動を小さくすることができる。
ソレノイド電流の変動は、持ち上げられたソレノイドアーマチュアの機械的ディ
ザに変換され、これは、弁の静摩擦および機械的ヒステリシスの効果を低減する
。パルス幅変調および／または周波数変調を介して機械的ディザを慎重に制御す
ることによって、主弁を開くことなくある流量範囲にわたって、パイロット開口
を通した所望の質量流量の選択が可能である。本明細書ではこれを低質量流量と
呼ぶ。

【００４４】パルス幅変調されたソレノイド電流のデューティサイクルを増大させて、パイ
ロット開口を通る流れの大きさを主弁部材の上のタンク内の圧力を解除するだけ
大きくすることで、主弁が主弁座を上げることができるようにすることによって
、中間の流量および高い流量が達成される。

【００４５】パルス幅変調電圧のデューティサイクルが５０％である場合は、ソレノイドコ
イル７２を流れる電流は最大の５０％になる。その結果、可動電機子８４は、主
弁が閉じている場合の位置（図１）と、弁が完全に開いている場合、すなわち弁
の上面がプラグナット７８の下面と係合する場合の位置（図４）との間の最大ス
トロークの半分だけ上昇する。その結果、主弁ユニット３０は最大上昇量のちょ
うど５０％だけ上昇することができ、従って、主弁ユニット３０は最大間隔の約
１／２だけ主弁座１８から離間する。このように、流体入り口１４と流体出口１
６との間で最大流量の約１／２が弁を流れることができる。

【００４６】電圧が時間の７５％でオンであり、２５％でオフである場合、すなわちデュー
ティサイクルが７５％である場合は、可動電機子８４は最大ストロークの３／４
だけ上昇し、その結果、流体入り口１４と流体出口１６との間で最大流量の約３
／４が弁を流れることができる。従って、主弁を通る大量の流量はソレノイドコ
イル７２に供給される電流の量に比例することが分かる。

【００４７】ソレノイド電機子の最大ストローク、および主弁開口の直径に応じて中間的な
質量流量、および高い質量流量を達成可能である。例えば、パルス幅変調電圧の
デューティサイクルが２５％である場合は、ソレノイドコイル７２を流れる電流
は最大の２５％になる。その結果、可動電機子８４は最大ストロークの１／４だ
け上昇する。その結果、主弁ユニット３０は最大上昇量のちょうど２５％だけ上
昇でき、また主弁ユニット３０は最大間隔の約１／４だけ主弁座１８から離間す
る。主弁開口の直径が可動電機子８４の最大ストロークの２５％以上である場合
は、流量は中間的な範囲になる。

【００４８】高い流量で動作される場合、すなわち流体の流れが主として主弁座を横切る場
合、本発明の弁は米国特許明細書第５，２９４，０８９号の弁と同様に動作する
。この弁は、小さいパイロットオリフィスの制御によって、それ自体はずっと大
きいオリフィスを通る流れを制御するダイアフラムをソレノイドが有効に位置付
けできるようにする流体補助式の設計である。この種類の弁の制御範囲にわたる
ターンダウン率は標準的には約１０ないし１である。前述の先行技術の弁の場合
と同様に、電機子の位置の制御は、連続直流の振幅を単に変化させる場合と比較
して、パルス直流電源がソレノイドコイル７２に印加されると最も精密なものに
なる。

【００４９】先行技術の弁は中間的な流量範囲と高い流量範囲だけでしか動作できない。こ
のような弁で電流をパルス式にすると、主弁部材を主弁座から変位させる場合と
比較して極めて小さい振幅で可動電機子８４にディザが加わる。従って、羽根３
４の間の開口の露出領域によって決定され、かつ主弁ユニット３０が上昇すると
増大する流量にディザが及ぼす影響は些細なものである。

【００５０】本発明の弁の場合、低い流量はパイロット開口を通してのみ発生する。連続的
な範囲にわたって低い流量を達成するため、弁を流れる流量を決定するためにパ
ルス幅、およびディザされたパイロット弁の密封部材の周波数が変更される。厳
密に制御されたパルスの作用時間の範囲にわたってパイロットソレノイドをパル
ス化することで、主弁部材を主弁座から持ち上げることによってダイアフラムに
より主弁が開かれずに、弁内のパイロットフローの開口を流れる流量を精密に制
御できることが判明している。パルス幅と、ソレノイドコイルに印加される波形
の周波数を同時に変更することによって、従来は中間的な流量範囲と高い流量破
棄で行われてきたような、電流と流量との直線的な対応関係の厳密な近似が低い
流量範囲で得られるようになる。その上、中間的な流量範囲から高い流量範囲へ
の移行に際して可能であるように、低い流量範囲から中間的な流量範囲への移行
を電流対流れ特性の急激な不連続性なく明瞭にすることができる。

【００５１】低い流量の場合、パルスのオン時間は、ソレノイドがパイロット弁部材をパイ
ロット座から持ち上げることができるが、ダイアグラムによって主弁部材が主弁
座から持ち上げられるに程度までパイロット弁部材がパイロット開口を露出させ
ることはできないような範囲内になければならない。更に、ソレノイドコイルに
印加される電流の周波数は、パイロットソレノイドの電機子がパルスモードで動
作しつづける範囲に限定されなければならない。

【００５２】３つの機械的なパラメータを平衡させることによって、連続的な低い流量範囲
を達成することができ、その各々はソレノイドコイル電流の周波数とパルス波デ
ューティサイクルを制御することによって選択できる。これらの機械的なパラメ
ータとはハセイロットオリフィスの面積、有効ブリードチャソルの面積、および
ダイアフラム抑制ばね定数、およびばね力である。

【００５３】パイロットオリフィスの面積は広範囲の低い流量を達成する際の主要の制御要
因である。パイロット開口の断面積が増大すると、利用できる低い流量の範囲、
または低い流量範囲の電流対流量特性のターンダウン率も増大する。

【００５４】比例ソレノイド弁のブリードチャネルはダイアフラムの上と下の圧力と力を平
衡させる。ブリードチャネルの断面積は標準的には主弁部材を貫くパイロット開
口の断面積よりも小さい。パイロット弁部材をパイロット弁座から持ち上げるこ
とでパイロット開口が露出されると、ダイアフラムにかかる圧力が不均衡になっ
て、弁の主部材が主弁座から引き離される。逆に、パイロット開口の密封によっ
てダイアフラムの両側にかかる圧力が平衡され、それによって例えばばねのよう
な機械的な力に応動してこれを閉鎖させることができる。ブリード面積が小さす
ぎる場合はブリードチャネルのサイズはある程度重要になり、タンク内の圧力は
パルスサイクルの開始段階中に急激に低下して、ダイアフラムが主弁部材を永続
的に持ち上げるようになり、ひいては低い流量範囲でのハイエンドが制限される
。ブリード面積が大きすぎる場合は、パイロット弁部材をパイロット座へと、ま
たパイロット座からディザすることで得られる流れ範囲を拡張させる可能性があ
る一方で、主弁部材を移行のための主弁座から高い流量範囲へと、すなわち主弁
座を横切って変位させるために必要なダイアフラムの両側への圧力の必要な不均
衡さに支障を及ぼすであろう。

【００５５】ダイアフラムの上面に適宜のばね定数とばね力とを有するばねを配することに
よって、主弁部材を閉鎖位置に保持することが、すなわち主弁の開口を密封する
ことが可能であり、それによって、高いデューティサイクルと周波数での動作が
可能になり、ひいては低い流量範囲を最大限にすることができることが判明して
いる。

【００５６】ソレノイドのデューティサイクルと周波数、パイロット開口面積、ブリードチ
ャネルの面積、およびダイアフラムのばね定数およびばね力を平衡させることに
よって、単一の比例ソレノイド弁によって高いターンダウン率、すなわち広範囲
の流量を達成できる。

【００５７】実施例１直径が０．７８インチの円形のパイロット開口と、直径が０．０７３インチの
ブリードチャネルと、ばね力が１．５ＩｂＳのダイアフラム抑制ばねとを有する
比例ソレノイド弁では、ソレノイドコイル電流のパルス幅デューティサイクルと
周波数を８％と２０Ｈｚから５０％と２５Ｈｚにそれぞれ変更することによって
、０．５−５．０ｓｃｆｍの低い流量範囲が得られた。弁のサイズと設計に応じ
て、適宜のデューティサイクルと組み合わせれば、実質的な範囲にわたって低い
流量を得る上で４０Ｈｚまたはそれ以上に高い周波数が有効でありえる。

【００５８】ここで図５を参照すると、方形波ジェネレータ１０１はパルス直流信号の形式
の電流を比例弁ソレノイド７０のコイル７２へと印加する。デューティサイクル
、すなわち方形波信号の単一サイクルでのオン時間とオフ時間との比率は、当業
者には構造が公知であるパルス幅モジュレータ１０３によって制御される。ジェ
ネレータ１０１によって生成されるパルス直流信号の毎秒サイクル数を設定する
ために周波数設定回路１０５も備えられる。周波数設定回路の構造も当業者には
公知である。

【００５９】ジェネレータ１０１によってソレノイドコイルに印加される直流パルスの周波
数とデューティサイトルとを同時に調整するためにパルス幅モジュレータ回路１
０３と周波数調整回路１０５とに接続されたディジタルマイクロコントローラ１
０７に信号を送信するためにトランスデューサに、例えばガソリンポンプのハン
ドルにある制御レバーのような手動制御装置を機械的に連結することができる。
主弁部材が主弁座から持ち上がって離れることを防止しつつ、比例弁のパイロッ
ト開口を通してのみ流れることが可能であるように、ソレノイド電機子がディザ
される時間での低い流量が可能であるようにするため、狭いパルスが印加される
ように、すなわちパルス波形が低いデューティサイクルを有するように、マイク
ロコントローラ１０７と、パルス幅モジュレータ回路１０３と、周波数設定回路
１０５とを設計し、および／またはプログラムしてもよい。更に、ソレノイドコ
イル電流のデューティサコイクルと周波数を調整して、主弁部材の持ち上がりを
依然として防止しつつ、パイロット開口を通る流量を高めるようにしてもよい。
ソレノイドコイル電流のデューティサイクルを、主弁部材が主弁座から持ち上が
って離れることが発生する比率以上に拡張することによって、流量は更に増大す
る。

【００６０】本発明の拡張範囲比例弁を採用することによって、著しく低い流量から著しく
高い流量の範囲に対して流量とポンプハンドル位置との間に実質的な線形関係が
達成されることになり、これによって１００〜１以上までもの流量倍率に対して
線形的な流量調節が可能になることが明らかとなった。

【００６１】本発明の拡張範囲比例弁の設計の際には、ソレノイドオペレータに印加される
ＰＷＭ（パルス幅変調）制御電圧に対する弁の反応を試験することによって弁の
動作を実験することが好ましい。この電圧の波形はソレノイドの電機子の位置を
変化させる。次に、このソレノイドの電気子が動作すると弁を通る質量流量の割
合が変動する。

【００６２】電気子の動作は、電気子のフリーボディーダイアグラムおよび重力、伸縮バネ
の力および磁石の引力等の電気子に作用する関連するすべての力から導いた標準
的な二次差よって説明することができる。

【００６３】Ｍｄ^２ｘ／ｄｒ^２＋Ｂｄｘ／ｄｔ＋Ｋｘ＝Ｆ−Ｆ_０ｘ＝最初の位置からの電気子の移動量（ｍ）Ｆ＝電気子の磁力（Ｎ）ｔ＝時間（秒）Ｍ＝電気子の質量（ｋｇ）Ｂ＝電気子の摩擦力（Ｎ／ｍ／秒）Ｋ＝電気子のバネのバネ定数（Ｎ／ｍ）Ｆ_０＝起動時に超えなければならない電気子の最初の力（Ｎ）ＰＷＭの励起電圧によって駆動さるソレノイドコイルのの電気回路の動力学は
は以下の関係によって説明される。

【００６４】ＰＷＭ信号の“ＯＮ”期間中Ｅ＝ＮｄＮ／ｄｔ＋ＩＲＰＷＭ信号の“ＯＦＦ”期間中ＮｄＮｄｔ＋ＩＲ＝０上式中、Ｍ＝ソレノイドコイルの巻数に関連する総流量（Ｗｂ＝ウェーバー）Ｉ＝ソレノイドのコイル電流（アンペア）Ｒ＝ソレノイドコイルの抵抗（Ω）Ｅ＝ＰＷＭ信号の“ＯＮ”期間中のソレノイドコイルの電圧（Ｖ）Ｎ＝ソレノイドコイルの巻数ソレノイドのコイル電流および電気子の磁気吸引力（ニュートン）は、ソレノ
イドコイルの巻数と関係する総流量の関数および最初の位置からの電気子の移動
量の関数の両方である。すなわち、Ｉ＝ｆ（Ｍ，ｘ）およびＦ＝ｆ（Ｍ，ｘ）である。

【００６５】上記の関係は両方とも非線形関数であり、ソレノイドオペレータの形状および
弁構成要素の製造材料に左右される。上記等式の解は市販のＳＰＩＣＥプログラ
ムなどの回路ソルバソフトウェアを使用することによってデジタルコンピュータ
で弁の機械的および電気的要素をモデリングすることによって得ることができる
。このようなモデルでは、電気ドライバ回路は電気要素によって作られ、機械要
素は電気的類似物を対応させることによって作られる。

【００６６】逆のｅｍｆ（電磁力）（ＮｄＮ／ｄｔ）、磁心位置、電流およびソレノイド力
の電磁結合は、ソレノイドのパラメータの表データを受け取る要素を使用するこ
とによってモデリングされる。この表データは磁心位置およびコイル励磁の種々
の値について得られた解を用いて、動作条件の範囲に対するソレノイドの磁気的
有限要素分析から引き出すことができる。デジタルコンピュータでこの分析を実
行ことのできる市販のソフトウェアソルバの一例には、Ｐｉｔｔｓｂｕｒｇｈ
ＰＡのＡｎｓｏｆｔのＥＭ質量総量がある。このソルバは磁気的有限要素分析プ
ログラムにＳＰＩＣＥプログラムの一バージョンを統合している。そのようなソ
ルバでこのプログアムをモデリングすることによって、移動量ｘ、すなわち最初
の位置からの電気子の移動量を得ることができる。

【００６７】質量流量が低い範囲にある場合、弁を通る質量総量の総量はパイロット流量の
みに等しい。すなわち、主弁部材は弁座に乗ったままであり、これによって主弁
の開口を通る流れが妨げられる。ソルバによって決定されるような置換量ｘを用
いることによって、主弁部材のパイロット開口を通る気体または液体の質量総量
を以下の関係から算出することができる。弁を通過する流動体が気体の場合は、Ｍ_{パイロット（気体）}＝（ＫＰ_ｌＣ_ｄＢｘＤ_ｌＮ_ｌ２）／（Ｔ^ｌ／２）となる
。

【００６８】上式中、（＝気体定数Ｍ＝単位時間当たりの質量総量Ｒｏ＝ランキン度ｘ＝最初の位置からの電気子の移動量（インチ）Ｋ＝定数（Ｒｏ^ｌ／２）／単位温度＝［（（−ｌ）／２（／（Ｐ_１／Ｐ_２）^（ ^{（−ｌ／（−ｌ）］} −（ｌ／（）Ｐ_１＝入口圧力（ポンド／平方インチ）Ｐ_２＝主弁座の下流圧力Ｃ_ｄ＝流量係数Ｄ_ｌ＝パイロットシール面の直径Ｎ_ｌ２＝所定の値の全体的温度および圧力における単位面積当たりの実際の流
量と音響の流れとの比［（Ｐ_２／Ｐ_１）^２／（−（Ｐ_２／Ｐ_１）^{（（＋ｌ）／（}／（（（−ｌ）／２
（２／（＝１））^{（（＋１）／（（−ｌ）}）］^ｌ／２Ｔ＝入口温度（Ｒｏ）弁を通過する流動体が液体の場合は、Ｍ_{パイロット（液体）}＝Ｃ_ｄｘＤ_ｌ（２ｇ_ｃｐ（Ｐ１−Ｐ２））^ｌ／２上式中、ｇ_ｃ＝重力定数（３８６ｉｎ−１ｂｍ／１ｂｆ−秒^２）ｐ＝密度（１ｂｍ／ｉｎ^３）この弁を通る総質量総量は主弁座からの主弁座の移動量、すなわちダイアフラ
ムのストロークＸ_ｄ＞０までのパイロット質量総量に等しい。

【００６９】主弁座から主弁部材をいつ上昇させるかを決定して、弁を通る質量総量を増大
させる弁開口を通る質量総量を増大させる主弁開口を開かせるために、弁で生じ
る圧力、温および体積の変動間の関係は以下のように考えられる。

【００７０】理想的な気体の等式はＭ＝ＰＶ／ＲＹＴであることが知られている。この式中
、Ｐ＝ダイアフラムチャンバの圧力Ｖ＝ダイアフラムチャンバの体積Ｒ＝完全気体定数Ｍ＝ダイアフラムチャンバの気体の質量この理想的な気体の等式から以下の式を導く。

【００７１】ｍ／Ｍ＝ｐ／Ｐ＋ｖ／Ｖ＋ｔ／Ｔ＝０上式中ｖ＝体積Ｖの変化ｐ＝温度Ｐの変化ｔ＝温度Ｔの変化である。

【００７２】ポリトローププロセスを仮定すれば、体積変動に対する圧力変動の関係は次式
から算出される。

【００７３】Ｐ＝ｎＰＡ_ｄＸ_ｄ／Ｖ上式中、Ａ_ｄ＝ダイアフラムの面積Ｘ_ｄ＝ダイア負ラムの動きｎ＝１（一定温度）〜（（一定のエントロピー）（＝比熱比である。

【００７４】Ｘ_ｄについて解くとダイアフラムの移動量が得られる。

【００７５】Ｘ_ｄ＝ｐＶ／ｎＰＡ_ｄソレノイドコイルのパルス幅変調電流の負荷サイクルおよび／または電流の周
波数を変動させてパイロット弁部材をパイロット弁座の上方およびパイロット弁
座から離れる方向にディザすることによって、連続的な低い範囲を超える質量流
量が達成される。質量流量の割合が主弁部材の差圧が主弁座から最初に上昇され
る大きさまで増大すると、主弁部材のパイロット開口を通る質量流量は、主弁開
口に近接している主弁部材によって部分的に阻止される主弁開口を通る制限され
た質量流量によって補われる。主弁座から主弁部材が主弁開口の直径の２５％以
下に等しい距離だけ動かされると、中間範囲を超える質量総量が達成される。一
旦、主弁開口から主弁部材が主弁開口の直径の２５％を超える距離だけ上がると
、高い範囲を超える質量総量が達成される。

【００７６】一旦、主弁開口が開放されると、流量の中間範囲を通る質量総量は次式のよう
に算出することができる。

【００７７】Ｍ_総量＝拡張範囲比例弁を通る質量流量Ｍ_{総量＠ｘｄ＜２５Ｄ２}＝Ｍ_{ダイアフラム}＋Ｍ_{パイロット} 上式中、Ｄ_２＝主弁開口の直径Ｍ_{ダイアフラム}＝主弁開口を通る質量流量Ｍ_{パイロット}＝パイロット開口を通る質量流量主弁部材の移動量が増大し、かつ主弁部材が主弁開口に近接した状態ではいら
れなくなるにつれて、主弁部材のパイロット開口を通る質量総量の割合は主弁開
口を通る質量総量の割合に対して微小になるので無視することができる。したが
って、流量の高い範囲を通る質量総量は次式のように算出することができる。

【００７８】Ｍ_{総量＠ｘｄ＜．２５Ｄ２}＝Ｍ_{ダイアフラム} Ｍ_{ダイアフラム（気体）}＝（ＫＰ_１Ｎ_ｌ２）／（Ｔ^ｌ／２）Ｍ_{ダイアフラム（液体）}＝Ａｌ（２ｇ_ｃｐ（Ｐ_１−Ｐ_２））^ｌ／２上式中、Ａ_ｌ＝Ｘ_ｄＣｄＤ_１Ｂ＝主弁開口の有効面積である。

【００７９】主弁部材が主弁座から主弁開口のの直径の２５％未満だけ移動したとき、主弁
開口の有効面積は主弁開口の面積に等しくなり、主弁部材が主弁開口を通る質量
総量に影響を及ぼさないように十分に移動したときに、この面積で同様の条件下
で等しい圧力低下が起こる。

【００８０】実施例２天然ガス（使用されるメタンの気体定数）の流れを制御する本発明の好適な実
施形態に従って構成された拡張範囲比例弁においては、以下のパラメータ値が適
用される。

【００８１】Ｋ＝気体定数（Ｒｏ^ｌ／２）／単位温度＝［（（比熱比、（−ｌ）／２（）
（（Ｐ１Ｐ２）（（−ｌ）／（−ｌ）］−（１／（）＝２３．１４Ｐ_１＝入口圧力（ｉｎ）＝７９．７ポンド／平方インチＣ_ｄ＝放出係数（入口の制限による損失を考慮する）Ｄ_ｌ＝パイロットシール面の面積＝．５６” Ｎ_ｌ２＝所定の値の全体的温度における単位面積当たりの実際の流量と音響の
流れとの比圧力＝Ｐ_２＝．９５Ｐ_ｌ＝７５．７２ポンド／平方インチしたがって、Ｎ_ｌ２＝．４５０７［（Ｐ_２／Ｐ_ｌ）^２／ｙ−（Ｐ_２／Ｐ_ｌ）^（ ^{ｙ＋ｌ）／ｙ} ／（ｙ−ｌ）／２（２／（ｙ＋ｌ））^{（ｙ＋ｌ）／（ｙ−ｌ）}）］ ^ｌ／２Ｔ＝入口圧力（ランキン度Ｒｏ）＝５２７Ｃ_ｄＤ_ｌ＝メインオリフィス＝．３２８”−（．１６５２〜．３２６）Ｍ＝電気子の質量（ｋｇ）＝．０２７７Ｂ＝電気子の圧力（Ｎ／ｍ／秒）Ｋ＝電気子のバネのバネ定数（Ｎ／ｍ）＝２１８５Ｆ_ｏ＝起動時に超えなければならない電気子の最初の力（Ｎ）＝１．３３８Ｒ＝ソレノイドコイルの抵抗＝６．５Ω Ｎ＝ソレノイドコイルの巻数＝８５０上式は本発明の好適な一実施形態の説明であり、本発明の精神および範囲から
逸脱することなく変更および変形を行ってよいことを理解すべきである。例えば
、本発明をパイロット作動式の比例電磁弁の設計に応用することも可能であり、
ここでは柔軟性のあるダイアフラムの代わりに堅いピストン上の圧力を用いて主
弁部材が上昇される。

【００８２】図６〜８は本明細書に示した特定の教示に従って製造された流体フローシステ
ムの模範的一実施形態の特定の特徴を示している。

【００８３】まず図６を参照すると液体制御システム６０が示されており、このシステムは
コントローラ６１、２つの所定周波数の１つでパルス幅変調信号を生成する電力
回路６２、電力回路６２からのパルス幅変調信号をそのアクチュエータで受け取
り、それに応じて入口流動体供給ライン６３から出口流動体ライン６４への気体
または液体の流れを制御する弁７０を備えている。

【００８４】制御装置６１は、その入力部において弁６４を流れる所要流量の流体流に対応
する流体流指令信号を受信する。この指令信号は、例えば時間当たり流体重量ポ
ンド、またはｋｇ／秒などの他の単位で表す所要の流体流量を表す、アナログま
たはデジタルの指令信号の形をとることができる。制御装置６１は指令信号を受
信し、これに応答して、電力回路６２に供給される固定周波数とパーセントデュ
ティサイクルに対応する出力制御信号を発生させる。電力回路６２は、固定周波
数パルス幅変調信号を発生することによってこれらの信号に応答し、この固定周
波数パルス幅変調信号は、指令形制御装置６１に対応する活動デュティサイクル
を有する。図１〜４に関連して先に論述した弁に類似の弁７０は、パルス幅変調
信号に応答して、管路６３から管路６４への流体の流れを調整する。

【００８５】制御装置６１は、適切なデジタルまたはアナログ回路構成を使用して作ること
ができ、独立しているかまたはさらに大きなシステムの一部であるマイクロプロ
セッサをベースとするデジタル制御装置の形をとることができる。一般に、制御
装置６１は、入力流指令信号の「マッピング」を所要の固定周波数およびデュテ
ィサイクルに供給するために構成される。図７は、低周波数モード制御のための
制御装置６１によって実施される例示的マッピング曲線を示す。特定すれば、こ
れは、例示的な弁に関するさまざまな流量とデュティサイクルを示すマッピング
曲線を図示している。図示された「マップ」では、図示されたパラメータに対応
するＰＷＭ信号の周波数は変数ではなく、３１Ｈｚなどの比較的低い周波数に固
定されている。低周波数は、制御装置６１によって制御されるべき弁７０の物理
的特性に対応して選択され、こうして、この周波数において、およびあるデュテ
ィサイクル以下においてＰＷＭ信号に応答して、弁７０を通る流れの大部分は、
先に論述した低流モードにしたがって弁のパイロットオリフィスを通過する。図
７に示すマッピングは、参照用テーブル、曲線当てはめ、または他の適切な手段
を通じて制御装置６１において実現することができる。

【００８６】曲線を調べてみると、図７の曲線から、曲線の傾斜が比較的一定で比較的緩い
ので曲線は比較的「平坦」であることが明らかである。言い換えれば、デュティ
サイクルにおける変化のパーセントとしての流体流量は、図示されたデュティサ
イクル範囲については大きくはない。これは、弁７０に供給されるＰＷＭ信号の
ために異なるより高い固定周波数が使用される、代わりのモードへの円滑な移行
ができるようになるという点で有益である。

【００８７】図１〜４の弁について先に論述したことから明らかなように、弁に加えられる
低周波数ＰＷＭ信号のデュティサイクルが増加するにつれて、パイロットオリフ
ィスを通る多くの流体流があり、また潜在的に主弁を通る流れもあるという点に
到達することになる。この点では、流体流の正確な制御は困難になる。その理由
は、比較的低い周波数においては、さらに上向きの調節は弁４０を通る流量の容
易で正確な調節を可能にしないからである。それなりに、この点に到達すると、
制御装置６１は「高周波」制御モードを実施することになり、この場合、電力回
路６２に供給される固定周波数指令は、図７に関連して論述した低周波制御モー
ドのために使用される比較的低い周波数から、比較的高い周波数に変化する。論
述する特定の例では、高い周波数は１６０Ｈｚである。

【００８８】「低周波」および「高周波」制御モードに割り当てられた特定の値は、大部分
は弁７０の機械的構造と弁において使用されるソレノイドアクチュエータの電気
的特性に依存することに注目すべきである。特定すれば、低周波数を、この周波
数範囲における弁７０へのＰＷＭ信号の印加がパイロット弁部材の上下移動を可
能にして、各ＰＷＭパルス間でパイロットオリフィスを開閉するように、選択す
べきである。さらに、高周波数を、予期されるデュティサイクルにおける、この
周波数範囲にあるＰＷＭ信号の印加が結果的に、大きなディザ動作なしにパイロ
ット弁部材の比較的安定した位置決めとなるように、選択すべきである。

【００８９】図８は、高周波モード制御のために制御装置６１によって実施することができ
る例示的なマッピング曲線を示す。図からわかるように、図示された曲線は０％
のデュティサイクルで始まっておらず、約４０％のデュティサイクルで始まって
いる。この理由は、制御装置６１によって実施される制御計画の下では、制御装
置は一般的に、弁７０を通るいくらかの流れが低周波モードでの弁の制御を通じ
て確立された後に、高周波制御モードを実施する。図示された曲線は３つの基本
区画６５、６６、６７を有することが、図８の曲線を見れば注目される。区画６
５は、曲線の低い流れ端部を示し、注目されるように、比較的低くて平坦な傾斜
を有する。区画６６はさらに高い傾斜を有し、区画６８は非常に急な傾斜を有す
ることが。一般に区画６７は、ＰＷＭ活動デュティサイクルが１００％または１
００％近くにあり、弁７０を通る流体流が最大値に達している点を表す。区画６
６は、弁７０の正規の「高周波」動作条件に対応すべきほぼ一定の傾斜の区画を
表す。

【００９０】図８の区画６５は、区画６６とはかなり異なっており、その傾斜は著しく緩く
て、曲線は活動デュティサイクルの妥当な範囲にわたって本質的に平坦である。
図８を図７の「低周波」曲線と比較すると、（１）平らな区画は低周波曲線の傾
斜と同じ曲線を本質的に有し、（２）高周波曲線のこの範囲にわたる流量とデュ
ティサイクルとの値は、低周波曲線のこの範囲にわたる流量とデュティサイクル
と本質的に重なっていることに注目することができる。この重なりは、弁７０を
通る流体流が増加するときの低周波制御モードから高周波制御モードへの円滑な
移行を可能にする。

【００９１】確認された範囲における高周波曲線と低周波曲線が重なるので、制御装置６１
は、下記のように低周波曲線から高周波曲線への移行を実施する。すなわち、先ず、弁７０を通る流れをゼロから送り出されて、制御装置６１は、活動デュ
ティサイクルが上で確認した重なり領域に対応する点に到達する点に達するまで
、図７に示したものなどの低周波マッピングを使用して、低周波モードで動作す
る。この点で、流体指令信号のさらなる増加に応答して、制御装置６１は高周波
モードに移り、それから図８に示すように高周波マッピングを実行する。低周波
および高周波ＰＷＭ信号に応答する弁７０の動作特性は上で確認した重なり領域
を準備するので、低周波制御から高周波制御へのこの移行が起こり、ＰＷＭデュ
ティサイクルにおける大きな変化または弁を通る流れの大きな変化は全くない。
こうして、重なり範囲内で低周波制御から高周波制御への移行を実施することに
よって、制御装置６１は広い流量範囲にわたって円滑な流体流の制御を可能にす
る。

【００９２】低周波モード制御から高周波モード制御への移行が発生する特定のデュティサ
イクル／流量は、この移行が上述の重なり領域内において起こるかぎり重大では
ない。さらに、先の論述は、流体流が増加するときの、低周波モード制御から高
周波モード制御への移行に関したものであるが、弁７０を通る流体流の制御され
た減少が望まれる場合には、高周波モード制御から。低周波モード制御への移行
も起こり得る。流体の増加および流体の減少の両方を円滑に制御することが望ま
れる場合には、制御装置６１を、ヒステリシスの形を提供するように、重なり領
域内の低高および高低移行に関してさまざまな点で移行するために構成して、流
体指令がこの領域における１点の周りでわずかに変化している場合に、繰り返し
移行を防止することができる。

【００９３】低または高定周波数であるかどうかを識別する制御装置６１の出力と、任意の
活動デューティサイクルは、デジタルまたはアナログ信号の形態を取ってもよい
。これらは電力回路６２に設けられたものであり、在来の構成であってもよい。
電力回路６２は制御信号を定周波数信号に変換し、弁７０に適用し、弁を介して
流動を制御する。このように、システム６０は流体の流れの広範囲におよぶ流量
の効果的な制御を可能にする。

【００９４】上記の論議が示すように、図６の電力回路６０の効果的な操作は、流量と、低
周波数でＰＷＭ信号を受信する際と高周波ＰＷＭ信号を受信する際の弁に固有な
活動ＰＷＭデューティサイクルとの間に、重複する領域があるという弁７０の特
性によって可能となる。この重複領域の存在と、その領域の範囲は、弁７０の設
計および構成によって、大幅に規定される。図９は上記において確認された重複
領域および図６に図示したような流体制御に適した他の特性を提供する弁７０を
詳細に示したものである。

【００９５】図９の弁７０は、図１〜４との関連において図示し説明した多くの要素や構成
要素を含むが、そのような構成要素の配置や構成は先に説明した弁とは幾つかの
点で異なる。一般に、弁７０の操作は、図１〜４の弁との関連において先に説明
したものと同様である。

【００９６】弁７０は、弁体７２を含み、弁体は弁と共に使用される流体に適した金属また
は他の材料で形成してもよい。吸気ポートは二つの部分を有し、第一の部分は第
一の直径を有し、第二の部分は第一の直径よりも小さい第二の直径を有する。図
９には示さないが、吸気ポートはＶＣＲフィテイングのような連結装置またはチ
ューブに取り付け、弁がながれ線に接続しうるようにしてもよい。

【００９７】弁体７２は、吸気ポートの方向へ垂直方向に延びる流出チューブ７３を規定す
る。小さな円筒状リザーバ７４へ流動させる流出チューブ７３は弁体７２によっ
ても規定される。図示した弁において、流出チューブは吸気ポートの部分１４ｂ
から延びている。円筒状リザーバは流出チューブよりも大きな直径を有する。図
示した例では、弁体７２はＯ−リングまたは図７の要素で表され他の適切な封止
部材を受けとめるための陥凹領域をも規定する。弁体７２は主として合金の金属
材料で形成されるが、封止部材７６ならびに以下に説明する他の封止部材は、主
として圧縮性のエラストマ系材料で形成される。

【００９８】弁体７２は更に流出チューブ７３の方向へ平行にではあるが吸気ポートの方向
へ垂直な方向に延びる主リザーバ７７を規定する。主リザーバ７７は二つの部分
、即ち、一般的に円筒形であって第一の直径を有する第一の部分７７と、第一の
部分から延びて第一の部分よりも小さな直径を有する第二の部分７７ｂ、とを有
する。主リザーバは吸気ポート１４と流体交信があるため吸気ポートへ流出する
流体はリザーバ７７へ流れる。リザーバ７７の先端部近くに、該弁体は封止部材
（不標識）を受け入れる陥凹部７９を規定する。

【００９９】主リザーバ７７は弁体７２によっても規定される排気ポート１６と流体交信が
ある。排気ポートは吸気ポート１４の方向へ平行にではあるが主リザーバ７７の
方向へ垂直な方向に延びている。吸込口１４と共に、排出口を外部追従、取付金
具、またはカップリング（図示せず）に結合して、流体ラインへの取付けを容易
にしてもよい。

【０１００】抽気管７３が、主リザーバの部分とは反対側の弁本体７２の吸込口内に延びて
いることに注目してもよい。これはリザーバ７７において発生する潜在的にかな
りの乱流を有する領域に対向して比較的安定した流量領域（即ち、吸気ポート）
の流体を流出チューブ７３に受け入れさせることができると考えるからである。

【０１０１】周知のように、図９の模範的な弁において、弁体７２は単一材料で容易に加工
され、形成されるような弁である。具体的には、ブロック７２で規定されるチュ
ーブ、ポートおよびリザーバは全て互いに平行か、垂直であり、その部品は高価
で時間のかかる製造工程を踏まずに容易に製造することができる。

【０１０２】図９の弁において、弁座チューブ８０は主リザーバ７７内に位置づけられてい
る。弁座チューブは弁体７２を形成するのに使用された材料と同じか、または異
なる金属材料で形成されている。弁座チューブ８０は主リザーバの下部７６ｂの
内径よりも多少大きな内径と、延長する長さ、実質的には主リザーバ７７の長さ
と、を有する。弁座チューブ８０は主リザーバの下部７７ｂ内に位置づけされて
おり、便座チューブと主リザーバの下部７７ｂとの間に圧入によって入れ子状に
定着している。図示した実施例では、シール８１は弁封止チューブ８０を主リザ
ーバの下部７７ｂ内に位置づけるのに役立つ。周知のように、弁体７２と弁座チ
ューブ８０は、弁座チューブが主弁体７２に手軽に挿入しうるように、それぞれ
組みたてられるように構成されている。

【０１０３】バルブ台座チューブ８０内の位置にあるのは、保持部材間にはさまれた、流れ
形成エレメント８２、上部保持部材８３ａ、下部保持部材８３ｂ、および可撓性
ダイアフラム８４を含む可動構造体である。ダイアフラムは、主容器７７を横切
って伸びる位置にある。シール部材８５は、下部保持部材８３ｂの下側の位置に
ある。上部保持部材８３ａが、主容器７７の反対側のダイアフラム側でダイアフ
ラム８４に接触する。

【０１０４】流れ形成エレメント８２は、可撓性ダイアフラム８４が撓んで動くとき、流れ
形成エレメント８２がダイアフラムとともに動くように、上部保持部材８３ａお
よび下部保持部材８３ｂ、ならびにダイアフラム８４に、固定的に取り付けた一
体構造体である。バルブ形成部材は、流れ形成エレメント８２の長さだけ伸びる
長い円筒排出通路８７中に供給する、パイロットチューブ８６を画定する可撓性
ダイアフラム８４の上方に伸びる第１の部分を画定する。図中に示されるように
、流れ形成エレメント８２は、バルブ台座チューブ８０のかなりの部分に沿って
伸び、いくつかの実施形態では、バルブ台座チューブ８０の内径の２．５倍以上
の長さだけ伸びる。

【０１０５】流れ形成エレメント８２は、バルブ台座チューブの内径にほぼ等しいが、幾分
小さい外径を有する第２の部分を画定する。バルブ台座チューブ８０の上部部分
のより詳細な図とともに、流れ形成エレメントのこの部分のより詳細な図を、図
１０に示す。

【０１０６】図１０は、図９からの流れ形成エレメント８２およびバルブ台座チューブ８０
の拡大図を示す。図１０を参照すると、バルブ台座チューブ８０の上部部分が、
バルブ台座を画定する、幾分持ち上がった部分８０ａを画定するのを見ることが
できる。可撓性ダイアフラムが、正常で、変形されない状態にあるとき、流れ形
成エレメント８２を含む可動構造体に関連したシール部材８５が、バルブ台座８
０ａに載り、したがってバルブ台座上の流体の流れを遮断する。

【０１０７】図１０が示すように、流体形成エレメント８２は、可撓性ダイアフラム８４の
下方に伸びる第２の部分を含む。第２の部分は３つの部品を有し、第１の部品８
２ａは、バルブ台座チューブ８０の壁と実質的に平行な方向に伸びる直線部分を
有する。流れ形成エレメントの第２の部品８２ｂは、比較的一定な傾斜で内側に
テーパがある部分を含み、それは、図示した例では、バルブ台座チューブ８０の
壁に対して１１度の傾斜にある。バルブ形成エレメントの第３の部品８２ｃは、
排出通路８７の延長部、および、通路８２ｃから伸びる羽根から構成される。図
中には、このような羽根を、２枚だけ例示してある。バルブ７０の流体の流動特
性を強化するほか、この羽根は流れ形成エレメント８２を、したがって、エレメ
ント８２に取り付けてある可撓性ダイアフラム８４を安定化する。

【０１０８】流体形成エレメント８２の独特の形状は、図９および図１０のバルブを、図６
に関連して記述されたもののような流体制御システムに利用できるようにしてい
る流動特性をもたらすのに重要である。具体的には、主容器７７における流体圧
力が可撓性ダイアフラム８４が上方に撓む点まで上昇すると、流れ形成エレメン
ト８２が、バルブ台座８０ａを持上げ始め、したがって流体が、バルブ台座８０
ａ上、および、流れ形成エレメント８２の第２の部分と、バルブ台座チューブ８
０の内壁との関係によって画定された通路全体にわたって、流れることができる
。具体的には、流れ形成エレメントとして流体形成エレメントが、バルブ台座８
０ａから最初に持ち上がると、バルブ台座チューブ８０中に、バルブ台座８０ａ
上を流れることができる流体量の変化は、流体形成エレメント８２の上方運動に
対応し、比較的小さいであろう。これは、このような流体が通らなければならな
い通路が、流れ形成エレメント８２の直線部分８２ａにより画定され、この位置
における流体形成エレメントの上方運動が、それとわかるほどこの通路の直径を
増加させないためである。この、流れ形成エレメント８２の直線部分８２ａが存
在することは、図７の直線の、比較的平坦な、低傾斜の領域６５をもたらすこと
を助長する。したがって、流体形成エレメント８２のこの部分の独特な形状は、
「高周波」流動特性をもたらすことを助長し、この特性が、バルブ７０を、図６
に例示するシステムにおける使用に、特に適したものにしている。

【０１０９】ダイアフラム８４の撓みに応答して弁成形素子８２が上方に移動すると、流量
形成素子のテーパのついた区画８２ｂが、弁シート８０ａを越えて弁シート用チ
ューブ８０へと流体が流れる通路を規定し始める瞬間に達する。この瞬間で、上
方への動きの変化の百分率としての流体流の変化率は素子８２の直線区画８２ａ
で通路が規定されたときに存在するそれを超えて有意に増大するであろう。した
がって、流量成形素子８２の動きのこの領域の間で、弁７０は図８の中間区画６
６で反映される特性を示すであろう。流量成形素子８２の連続的な上方への動き
は、流体が弁シート８０ａを越えて優位な制限を受けることなく直接的にチュー
ブ８０へと流れるように、流量成形素子８２の区画８２ａおよび８２ｂが上方に
向いて弁シート用チューブ８０から出る結果につながる。図１０に描かれている
この瞬間で、弁は図８の曲線の高い方の流量支配域にあるであろう。

【０１１０】弁成形素子８２の詳細な例示を供給するのに加えて、図１０はまた可撓性のダ
イアフラム８４が上側と下側の保持部材８３ａと８３ｂとの間に位置決めされる
方式、および素子８３ａと８３ｂの構成をも例示する。例示した実施例で、下側
の保持部材８３ｂは概して円形の部材であって流体成形素子８２とダイアフラム
８４の両方に装着される。しかしながら上側の保持部材８３ａはもっと複雑な構
造である。特に、上側の保持部材８３ａは環状のくぼんだ領域９０を規定する２
つの立ち上がり区画を含む。さらに、上側保持部材８３ａを含む可動性の部材は
第１のバイアス用バネ９２と上側保持部材８３ａとの間の関係によって不本意な
方式で上方に動くのを防止される。特に、上側保持部材８３ａはバイアス用バネ
９２の一方の端部を受け入れるサイズになった環状の出っ張り構造９３を規定す
る。バイアス用バネの他方の端部は上側弁本体１００の一部に向かって位置決め
され、これは以下にさらに詳細に検討する。バイアス用バネ９２は下方向のバイ
アス力を供給し、それが上側保持部材８３ａおよび、その結果その部材に固定様
式で取り付けられるすべての部品（例えば、ダイアフラム８４および流体成形素
子８２）をバイアスしようとする。

【０１１１】図１０から気付くように、バイアス用バネ９２は形状が円錐形であり、バネの
一方の端部９２ａが上側保持部材８３ａによって受けられるバネの他方の端部９
２ｂよりも大きな直径を有するという特殊な特徴を有する。バネ９２のこの特徴
は上側保持部材に「角度のついた」力が加わる結果につながり、上側保持部材に
加わるその力は、（１）上側保持部材とそれに固定様式で取り付けられるすべて
の部品を弁シート８０ａに向けて下方向にバイアスする「下方向」部分と、（２
）上側保持部材とそれに取り付けられるすべての部品を横方向の動き（例えば図
１０で右または左）から保持しようとする「横方向」または「横向き」成分との
両方を有するであろう。バネ９２のこの二重バイアス特性はさらに弁７０の特殊
な流量特性に貢献する。

【０１１２】弁７０は図１から４との関連で述べた弁と同じ総合的方式で動作するであろう
から、弁の流量特性は多くの点でパイロットチューブ８６を通って流れる流体の
性能によって決まるであろう。パイロットチューブ８６を通って流れる流体の性
能は、大部分で、パイロットシール素子がパイロットチューブ８６から持ち上げ
られるときにパイロットチューブからパイロットシール素子１２０へと上に延び
るように視覚化できる想定上の円筒の容積によって決まるであろう。この想定上
の円筒の容積はパイロットシール素子１２０とパイロットチューブ８６の流体流
方向の実効断面積とを隔てる距離を含めたいくつかのパラメータによって決まる
であろう。パイロットチューブ８６の実効断面積は、今度は逆に、パイロットチ
ューブの配列によって決まり、上側保持部材８３ａを含む可動性構造の何らかの
ロック、横方向運動、またはその他の運動がこの実効断面積に影響を与えるであ
ろう。したがって正確で信頼性があって再現性のある流体流のためには、パイロ
ットチューブの実効断面積の変動能力を下げることが重要である。低流量で弁７
０を動作させようとするときにこれは特に厳密になる。特殊な二重バイアス用バ
ネ９２の利用は、こうして、弁７０の能力を促進して低流量における制御可能な
流体流を供給する。

【０１１３】上側保持部材８３ａのさらなる特徴は、可撓性ダイアフラム８４の実効面積を
制御するために上側保持部材の外径が弁シート用チューブ８０の内径に関して特
殊なサイズにされていることである。可撓性ダイアフラムの実効面積はダイアフ
ラムを支えている畝になった素子の直径によって規定される。例えば、図１０の
ダイアフラム８４の実効面積は上側保持部材８３ａの外径とくぼみ７９にあって
ダイアフラム８４の外側部分をクランプするＯ−リングシール部材の直径との間
のほぼ中間であろう。上側保持部材８３ａの内径を制御することによって、可撓
性ダイアフラム８４の実効面積を低下させ、それによって弁７０のさらに実効的
な制御をすることが可能である。弁７０の一実施形態では、上側保持部材８３ａ
の最大外径は弁シール用チューブ８０の外径と等しいかまたはそれ未満となるよ
うなサイズにされる。上側保持部材８３ａの外径と弁シール用チューブ８０との
間のこの関係は特に有利な流量制御を提供すると思われる。

【０１１４】図８１０にもやはり反映されているように、パイロットシール部材（ときには
シール用ディスクと称される）１２０は、図１から４でソレノイドの励起に応答
して動く素子に対応する可動性制御素子（ときにはソレノイドコアと称される）
１２５内部に配置される。この素子は、バネ９２との関連で上述したのと同様の
方式で動作する二重バイアス用バネ１３０によってパイロットチューブ８６に向
けて下方向にバイアスされる。パイロットシール部材１２０の不本意な横方向ま
たはその他の動きもまたパイロットチューブ８６を経由して流量に影響を与える
ので、この素子に関する二重バイアス用バネの使用もまた弁７０の性能を向上さ
せ、低流量レベルで正確、制御可能な流量を提供する。

【０１１５】弁７０のさらなる特徴は可動性制御素子１２５（またはソレノイドコア）の独
特な構成で図１０に図示した。特に、素子１２５のパイロットシール部材１２０
に隣接する領域で材料が除去されるように可動性制御素子が加工されていること
に気付くことができる。この加工はこの部材がパイロットシール部材と結合する
場所の近くで部材が狭くなる結果につながる。制御素子１２５のこの加工は制御
素子の質量を下げ、それによって制御素子１２５とそのバイアス用バネ１３０で
形成される機械システムの固有周波数が高くなる。システムの固有周波数の上昇
は、（１）固定周波数ＰＷＭに使用される周波数、および（２）流体が弁を通っ
て流れるときに生じるであろう振動周波数から上述の機械システムの固有周波数
を切り離す傾向にある。周波数のこの分離は弁の不本意な振動を低減し、流体流
量の増進された制御という結果につながるであろう。制御素子１２５（またはソ
レノイドコア）のこの加工は、ソレノイドコアが本質的に一様な円筒状部材とし
て保持される従来の弁構成から有意に逸脱していると考えられる。弁７０の一構
成によると、本来のソレノイドコアの重量の２８％もの多くが制御素子１２５か
ら除去される。

【０１１６】図１０に戻ると、上述した素子に加えて弁７０は主弁本体７２と同じ材料で作
製してもよい上側弁本体１００を含む。上側弁本体は、上側本体１００が主弁本
体７２の上に配置されると流体が入り口１４からブリードチューブ７３とリザー
バ７４を経由して通路１３０に流入できるようにリザーバ７４と流体連絡する角
度のついた通路を規定する材料の単一片で作製されてもよい。流路１３０は上部
タンク１３５と流体連通している。タンク１３５はその上方位置に開口部を有す
る。バルブが取り付けられた時に、上部保持部材８３ａがこのタンク１３５中に
位置され、パイロット（案内）管８６がこのタンク中に開放される。上述のよう
に、パイロット管８６（またはパイロットオリフィス）とブリード管（または有
効ブリードエリア）の断面部分と、ダイヤフラム８４パイロットにバイアスをか
けるスプリング９２のばね定数との関係は、如何なる所与の周波数と負荷サイク
ルパルスについての流量制御の使用可能な範囲を達成する上で非常に重要なもの
であろう。

【０１１７】パイロットオリフィスの寸法決定は、低周波数モード（例えば３１Ｈｚ）およ
び高周波数モード（例えば１６０Ｈｚ）のフロー対ＰＷＭ負荷サイクル曲線の関
係が適切な重複部分を含んでおり、明瞭な転移点を可能とすることを確認する上
で重要である。もしパイロットオリフィスが大きすぎると、高周波数モードで得
られる最低流量が影響を受け、そして低周波数モードにおける制御可能最大流量
を越える恐れがある。もしパイロットオリフィスが小さすぎると、低周波数モー
ド曲線の上限が制限され、重複しない高／低周波数モード曲線を再度招来するこ
とになる。

【０１１８】ここで論じられているバルブのブリードパス（流路）は、ダイヤフラムの上下
の圧力と力の均衡を得るために用いられる。このブリードパスは通常パイロット
流量パス（流路）より小さい。パイロット流量パスを開放すると、ダイヤフラム
にかかる圧力・力の不均衡を生じさせ、バルブの主要部分を開放させることとな
る。これとは逆に、パイロット流量パスを閉じると、ダイヤフラムにかかる圧力
・力を均衡させ、ダイヤフラムを機械的な手段によって閉じることを可能にする
。他の変量との関連におけるこのブリードエリアの寸法決定は、もしこのブリー
ドエリアが小さすぎると、低周波数ＰＷＭパルスの作動部分中において、圧力が
パイロット流量パスを通じて、ブリード流量パスによって補充されるよりも早く
放出されてしまう、と言う意味で重要な意義がある。これによって、ダイヤフラ
ムが持ち上げられ、バルブの主要部分が早まって開放する恐れがあり、かくして
低流量範囲の可能性を制限することになる。低周波数モードにおいて得られる流
量を最大にしている際に、ブリードエリアの寸法が大きすぎると、ダイヤフラム
が平衡を破ることが出来ず、バルブの主要部分が開いてより大きな流量を招くこ
とが出来なくなる。ブリードエライが大きすぎると、これに加えて、弁座とパイ
ロットシーリング部材の分離を大きくして、バルブが不安定になる恐れがあるこ
とが分かっている。

【０１１９】ダイヤフラムバイアススリングに関しては、もしこのスプリングが弱すぎると
、ダイヤフラムが低周波数モードにおいて早まって開いてしまう恐れがあり、制
御可能な流量範囲を制限する。もしスプリングが強すぎると、高周波数曲線の上
点が限定され、ターンダウン比を低下させる。

【０１２０】低周波または高周波モードにおけるバルブの良好な作動を決定する、単一の変
量は、負荷サイクル、周波数、パイロットエリア、ブリードエリア、またはダイ
ヤフラムスプリングであれ、存在しないことに留意すべきである。それはむしろ
全ての変量のバランスである。

【０１２１】読者が察知出来るように、上部ボデイ１００はその優雅なデザインの故に、容
易に作り上げられ、主バルブボデイ７２に取り付けることが出来る。かくして、
主バルブボデイ７２、バルブ弁座チューブ８０および上部ボデイ１００の構造に
よって、バルブ７０を比較的容易に、優れたコスト効率を以て、「ボトム」アッ
プ方式で構築することが可能である。

【０１２２】上述の可動制御要素１２５を含む作動機構と、通電信号に応えて可動制御要素
１２５を動かすソレノイドを形成する磁気材料およびその他の材料が、タンク１
３５の上部開口に取り付けてある。バルブ７０のこの部分の構造と作動は第１−
４図のバルブについて以前に説明したものと同じであり、ここではこれ以上の説
明は行わない。

【０１２３】バルブ７０の一般的作動は第１−４図のバルブについて上に述べたところと同
じである。かくして、バルブが低流量を与えている時には、低周波数ＰＷＭ制御
信号を提示する制御器に呼応して作動しているものである。流体のフローは、流
体の吸込口１４中への、そしてブリード管７５を通じてタンク１３５中への流れ
込みの結果として、そしてＰＷＭ期間中の可動制御要素１２５の上方への動きの
結果として、パイロット管８６を通じて、流路８７を通じて、そして出口１６か
らの流れとして起こるものである。ＰＷＭ制御のアクティブ（能動）負荷サイク
ルはこの低周波数モードにおいて増大するので、ＰＷＭ期間中においてはより多
くの流体がバルブ７０を通じて流れ、そしてダイアフラムが僅かに上方に曲げら
れ、流体がバルブ弁座８０ａを越えてバルブ弁座管８０中に流れ、そして出口１
６から流れる時点が来ると思われる。低周波数モードの作動における流体の流れ
の遙かに大部分はブリード及びパイロット管を通じて流れるものであるが、上記
のことはバルブ弁座８０ａを越えての流体の流れの中には本書での教示とは一致
しないものがあり得ることを示すために述べたものである。

【０１２４】バルブ７０を制御する制御器が高周波数モードの制御に切り替わる時点が来る
と、可動制御要素１２５は、バルブ７０が完全に開放される時点まで、制御され
た態様で上方に動く。

【０１２５】本発明は望ましい実施例に関して述べてきたが、本発明および望ましい実施例
の変形および変更は、ここに述べられた発明の概念から遊離すること無しに、行
うことが可能である。従って、ここに述べる発明は明示的に記述されたものに限
定せず、ここに付されたクレームおよび同クレームの均等物の範囲に入る全ての
良好な変形と変更も含むものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の好適な実施形態による比例流量弁の横断面図であり、ソレノイドアク
チュエータが通電されておらず、弁が閉鎖された状態の図である。

【図２】図１と同様であるが、低範囲の質量流量を可能にしている弁を示す図である。

【図３】図１と同様であるが、中間範囲の質量流量を可能にしている弁を示す図である
。

【図４】図１と同様であるが、高範囲の質量流量を可能にしている弁を示す図である。

【図５】図１〜４の制御構造ソレノイドを示す概略ブロック図である。

【図６】本発明の流体制御システムの概略ブロック図である。

【図７】本発明による低周波数モード制御のマッピング曲線を説明する図である。

【図８】本発明による高周波数モード制御のマッピング曲線を説明する図である。

【図９】所望の重なり特性を提供する、本発明の比例流量弁の横断面図である。

【図１０】図９と同様であるが、流れ形成要素をより詳細に示す図である。

【手続補正書】

【提出日】平成１４年１０月２２日（２００２．１０．２２）

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】全図

【補正方法】変更

【補正の内容】

【図１】

【図２】

【図３】

【図４】

【図５】

【図６】

【図７】

【図８】

【図９】

【図１０】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ，ＴＲ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＢＺ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者ホールボロー，ピーター・エイアメリカ合衆国、ニユー・ジヤージー・ 07830、クリフオン、フイルハウアー・アベニユー・149 Ｆターム(参考） 3H106 DA05 DA23 DA35 DB02 DB12 DB23 DB32 DC02 DC14 DC17 DD03 EE04 EE07 FA04 FB12 GA15 GA19 GA23 HH02 KK01 5H307 AA20 BB02 BB04 BB08 DD20 EE02 EE07 EE12 EE19 GG11 HH02 HH14 JJ10 KK08

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】吸込口、排出口、および主リザーバを画定する主弁本体と、主リザーバ内に配置された可動要素であって、主リザーバ全体に配置された膜
と、可動要素を通るパイロット通路を画定する部材とを含む可動要素と、パイロット密封部材と、パイロット密封部材に結合されたソレノイドコアを有するソレノイドアクチュ
エータを備えた可動制御要素であって、ソレノイドコアが、パイロット密封部材
に結合される位置近くに狭窄部を有する可動制御要素と、を備える、流量弁。
【請求項２】ソレノイドコアが、材料を除去することにより加工されて減
少部分を提供する円筒形コアを備える、請求項１に記載の流量弁。
【請求項３】加工により除去された材料の質量が、加工されていないソレ
ノイドコアの質量の少なくとも２８％を占める、請求項１に記載の流量弁。
【請求項４】流体流コマンドを受け、所望のパルス幅変調周波数および所
望のデューティサイクルを示す信号を応答して発生するコントローラと、所望のパルス幅変調周波数およびデューティサイクルを示す信号を受け、所望
のデューティサイクルに対応する有効デューティサイクルを有する固定周波数パ
ルス幅変調信号を発生するコントローラに結合された電力回路と、電力回路からの固定周波数パルス幅変調信号を受けて、弁を通過する流体流を
制御するソレノイドアクチュエータを含む流量弁であって、弁が、弁シートと、
弁シート内に配置された流れ形成要素とを備え、流れ形成要素が、第１の固定パ
ルス幅変調周波数と第１のデューティサイクルで弁を通る流体流が第２の大きさ
のパルス幅変調周波数と第１のデューティサイクルで弁を通る流体流にほぼ等し
くなるように構成される、流量弁と、を備える、流体流システム。
【請求項５】吸込口、排出口、および主リザーバを画定する主弁本体と、主リザーバ内に配置された、外径を有する弁密封管と、弁密封管内に配置された可動要素であって、主リザーバ全体に配置された膜と
、主リザーバの反対側で膜に接触する上部保持部材とを含み、上部保持部材の外
径が弁密封管の外径よりも小さいかまたは等しい、可動要素と、を備える、流量弁。