JP2004060889A

JP2004060889A - バルブアセンブリ

Info

Publication number: JP2004060889A
Application number: JP2003203228A
Authority: JP
Inventors: Magnus Hallback; マグヌス　ハルベック; Fredrik Jalde; フレードリク　ヤルデ; Ake Larsson; オーケ　ラルソン
Original assignee: Siemens Elema AB
Current assignee: Siemens Elema AB
Priority date: 2002-07-30
Filing date: 2003-07-29
Publication date: 2004-02-26
Also published as: DE60303239T2; EP1387116A1; US20040021108A1; EP1387116B1; DE60303239D1; US6886801B2; SE0202336D0

Abstract

【課題】ベアリングアセンブリにおける摩擦のもたらす問題を回避する。
【解決手段】ベアリングアセンブリはシャフトの磁気サスペンションを生じるように構成された協働マグネット装置を設ける。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、バルブアセンブリに関する。
【０００２】
本発明は特に、シャフトの並進運動および／または回転運動によって流体の流れを調整する弁を用いて、関連するフォースジェネレータから加えられる力に応じてバルブ開口部を開放または閉鎖するバルブアセンブリに関する。
【０００３】
【従来の技術】
機械的に軸受されたシャフトを備えたバルブアセンブリではベアリングでの摩擦から問題が発生しやすい。その最も一般的なものは、摩擦力がしばしばシャフトを特定の位置に固定してしまい、そこからシャフトを動かすために加えられる力の変化が予測不能の結果をもたらすことである。さらに、摩擦力そのものの大きさも多くの場合に予測不能である。なぜならバルブの経年数、シャフトからベアリングへかかる圧力、また、バルブ開口部の開放または閉鎖に関連しない方向へのシャフトの運動などによって摩擦力が変化するからである。摩擦力を克服するためにフォースジェネレータからの力がシャフトに加えられ、これを予測できるようにしている。
【０００４】
本明細書ではソレノイド型のフォースジェネレータを本発明のバルブアセンブリに関連して詳細に説明する。ただし当該分野の技術者であれば、本明細書で説明されるバルブアセンブリに対して、本発明の範囲内で種々のフォースジェネレータを適用し、要求される運動を生じさせることができるはずである。
【０００５】
米国特許第５７８７９２４号明細書には、シャフトがソレノイドコイル型フォースジェネレータのコイル軸線に沿って運動可能なバルブアセンブリが記載されている。制御回路が設けられており、これによりコイルを通る電流が変更され、シャフトに働く電磁力が変化して、シャフトは所望の位置へ並進運動する。次に制御回路は付加的な発振電流を印加し、最大規模の発振力をシャフトに加える。これは所望位置の周辺でバルブの流量調整への悪影響が出ない小さな規模でシャフトに共振を生じさせる。この連続発振運動はシャフトが機械的軸受装置の所定個所に固定されてしまうことを回避する。付加される力の最大規模は、周知のように、シャフトの既知の位置および所望の位置を表すエラー信号の大きさに依存して定められる。
【０００６】
【特許文献１】
米国特許第５７８７９２４号明細書
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、ベアリングアセンブリにおける摩擦のもたらす問題を回避することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この課題は、ベアリングアセンブリはシャフトの磁気サスペンションを生じるように構成された協働マグネット装置を設けることにより解決される。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明によれば、可動シャフトを案内する機械的軸受がマグネットベアリングに置換され、シャフトとベアリングとのあいだの能動的な摩擦力、受動的な摩擦力またはこれら２つの組み合わせを効果的に消去することができる。このようにして前述の摩擦を制御する有効な手段への要求が満足される。
【００１０】
さらに、マグネットベアリングは可動シャフトに作用し、フォースジェネレータからシャフトへの力の印加がない場合に、バルブを開放または閉鎖するバイアス磁力を所望のように形成する。この実施形態は、マグネットベアリングをバルブアセンブリ内で使用している安全上重要な機器、例えば一般的な機械的ベンチレータの気圧回路における呼吸気フローコントロールバルブなどの機器で使用するのに特に有利である。患者に対する安全性のために、こうした適用分野では、フォースジェネレータにエラーが発生した場合にはバルブが開放または閉鎖されることが望ましい。
【００１１】
【実施例】
本発明のバルブアセンブリの実施例を以下に添付図を参照しながら説明する。
【００１２】
図１によれば、電磁弁アセンブリは流入口２を備えたバルブ４４を有しており、その開口部４はメンブレイン６によって開放または閉鎖される。
【００１３】
メンブレイン６は弾性を備えた部材である。バルブ４４を閉鎖する際には可動シャフト８がメンブレイン６を開口部４に押しつける。バルブ４４を開放する際には可動シャフト８は図１の上方へ引っぱられ、これによりメンブレイン６は弾性によって開口部４から離れる。これにより開口部４を介して流入口２から流体が流れ込んだり、また排出口１０から流体が流れ出たりする。
【００１４】
可動シャフト８はケーシングカバー１２を貫通しており、マグネットベアリングアセンブリ１４、１６の個所で運動軸線に沿った縦方向の運動が可能なように支承されている。運動軸線はこの実施例ではコイル軸線Ｃ（ソレノイドコイル２０が巻回されている対称の軸線）である。ベアリングアセンブリ１４、１６は可動シャフト８の案内に用いられている。
【００１５】
磁気材料から成るアーマチュア１８は可動シャフト８上に固定されており、ソレノイドコイル２０内に位置している。アーマチュア１８はソレノイドコイル２０と共働してこの実施例ではフォースジェネレータを形成しており、ここにエネルギを供給されると可動シャフト８が運動する。したがって適切な電流Ｉが関連する電流制御ユニット２２からソレノイドコイル２０へ供給されると、アーマチュア１８および可動シャフト８は、この実施例では、コイル軸線Ｃに対して平行にレシプロ並進運動を行う。これに代えて、いわゆる“ボイスコイル”装置、すなわちアーマチュア１８に代えてソレノイドを可動シャフトに取り付け、スタティックソレノイドコイル２０に代えて永久磁石を配置した装置を採用してもよい。この実施例も本発明の範囲内で前述のフォースジェネレータを置換することができる。
【００１６】
バルブの開放度、すなわちバルブ座として用いられる開口部４からメンブレイン６までの距離の大きさは、電流制御ユニット２２を介してソレノイドコイル２０へ供給される電流Ｉを変更することにより制御される。
【００１７】
可動シャフト８上に個別のアーマチュア１８を設けることに代えて、可動シャフト８自体の少なくとも一部を磁気材料から形成して、これをアーマチュアとして用いることもできる。さらに別の手段として、可動シャフト８の少なくとも一部を磁気材料でカバーしてもよい。
【００１８】
安全上の理由のために、有利にはバイアス手段、ここではスプリング２４を介して可動シャフト８にばね力を与え、ソレノイドコイル２０への電流Ｉが遮断されたときにバルブ４４がデフォルト位置へ戻るようにすることができる。バイアス手段２４はこの実施例ではケーシング１２の延長部１２’内に収容されており、可動シャフトを動かしてメンブレイン６をバルブ開口部４へ押しつけ、電流Ｉの欠落時にバルブ４４を閉鎖する。これは、バルブ４４が一般的な機械的ベンチレータの気圧回路の流入量制御弁として用いられる場合に特に有利である。バルブ４４が機械的ベンチレータの気圧回路の排出量制御弁として用いられる場合には、当該のバイアス手段は有利にはソレノイドコイル２０への電流Ｉの欠落時にバルブの開放が維持されるように構成される。
【００１９】
バルブアセンブリのうちこの実施例のマグネットベアリングアセンブリ１４を含む領域が図２に詳細に示されている。ここで以下の説明はマグネットベアリングアセンブリ１６にも同様に相当する。ベアリングアセンブリ１４は典型的には永久磁石である第１のスタティックマグネット２６を有している。スタティックマグネット２６は、この実施例では、連続したリング状磁石または複数のセグメントから成るリング状磁石であって、ケーシング１２の所定のセクションに取り付けられており、可動シャフト８のほうへ配向された極面２８を有している。またベアリングアセンブリ１４内には典型的には永久磁石である第２のマグネット３０も設けられており、これも連続したリング状磁石または複数のセグメントから成るリング状磁石である。このマグネットは可動シャフト８に取り付けられており、第１のマグネット２６の極面２８のほうへ配向された極面３２を有している。図２に示されているベアリングアセンブリ１４の実施例では、極面２８、３２はそれぞれ同じ磁極に面するように配向されている。つまりベアリングアセンブリ１４の協働マグネット装置２６、３０のあいだの放射方向の磁気反発力により第１のスタティックマグネット２６内で可動シャフト８の磁気サスペンションが生じ、これにより可動シャフト８はバルブ４４の開放度制御のために運動するときまで第１のマグネット２６の極面２８から小さな空隙３４を介して分離されたまま保持される。
【００２０】
前述の放射方向の磁力に加えて、軸線方向の磁力（すなわちコイル軸線Ｃに平行な磁力）もマグネットベアリングアセンブリ１４の協働マグネット装置２６、３０の磁場の相互作用によって形成される。このことも前述の場合と同様にマグネットベアリングアセンブリ１６の協働マグネット装置にも相当する。軸線方向の磁力は可動シャフト８がコイル軸線Ｃに沿って運動すると変化する。磁極２８、３２および磁石２６、３０の軸線方向での相対位置を適切に選択することにより、ベアリングアセンブリ１４または１６の協働マグネット装置２６、３０によって形成される軸線方向の磁力はバイアス力を得るために用いられる。図１の実施例では、コイル２０への電流Ｉが遮断される場合に所望に応じて、スプリング２４によりメンブレイン６のバルブ開口部４に対するデフォルト開放位置またはデフォルト閉鎖位置が達成される。
【００２１】
マグネット装置の可能な手段の１つとして、図１のバルブアセンブリのマグネットベアリングアセンブリ１４、１６を図３に示されているように構成することができる。この装置は、以下に詳述するが、運動軸線（ここではソレノイド軸線Ｃ）に沿った方向に作用する軸線方向のバイアス磁力Ｆ_ｘを形成し、さらにこの実施例では、図１のバルブアセンブリのスプリング２４によって形成されるばね力と等価に作用する。図３を参照すると、第１のベアリングアセンブリ４６はケーシング１２の壁に固定に配置された第１の磁石３６と、可動シャフト８上に取り付けられた第２の磁石３８とを有している。これらの第１の磁石および第２の磁石３６、３８は各磁石の同極（この実施例ではＮ極）が相互に向かい合うように配置されている。同様に、第２のベアリングアセンブリ４８はケーシング１２の壁に固定に配置された第３の磁石３６’と、可動シャフト８上に取り付けられた第４の磁石３８’とを有しており、これらの第３の磁石および第４の磁石３６、３８は各磁石の同極（この実施例ではＮ極）が相互に向かい合うように配置されている。この実施例ではベアリングアセンブリ４８の２つの磁石の向かい合う極はベアリングアセンブリ４６のそれと同じに選択されている。
【００２２】
磁石３８、３８’は可動シャフト８上で相補的な磁石３６、３６’に対して位置決めされており、これにより関連するベアリングアセンブリ４６、４８の協働マグネット装置が形成されている。協働マグネット装置３６、３８間および協働マグネット装置３６’、３８’間での軸線方向での磁気反発力は、可動シャフト８が図３の大きな矢印の方向へ運動してバルブ４４を開放するとき増大する。したがって軸線方向でのバイアス磁力Ｆ_ｘはバルブ４４が開放されると（すなわち可動シャフト８が図３の大きな矢印のほうへ運動すると）増大し、可動シャフト８をつねに、つまりコイル２０を通る電流Ｉの欠落している場合にも、バルブを閉鎖する方向へ動かそうとする（すなわち可動シャフト８を図３の小さな矢印のほうへ戻そうとする）。このように、この実施例でのマグネットベアリングアセンブリは図１の実施例で存在しているバイアス手段２４を置換することができる。
【００２３】
当該分野の技術者にとっては、バイアス磁力Ｆ_ｘの方向および大きさを、相対するマグネットベアリングアセンブリ４６、４８における各磁極の方向および協働マグネット装置３６、３８；３６’、３８’の物理的相対位置を適切に選択することにより可変にできることは明らかである。さらに、上述のマグネットベアリングアセンブリ１４、１６、４６、４８は全て永久磁石のみを使用しているが、本発明の範囲内でこの全てまたは一部を電磁石に変更することもできる。こうした電磁石を使用すると、有利には、電磁石に流れる電流を変更することにより放射方向の磁気サスペンションおよび軸線方向のバイアス磁力の規模を調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のバルブアセンブリの概略図である。
【図２】図１のバルブアセンブリで使用される本発明のマグネットベアリング装置の詳細図である。
【図３】バルブアセンブリ内で所望のバイアス磁力の効果を得るための本発明のマグネットベアリング装置の図である。
【符号の説明】
４４　バルブ
２　流入口
４　開口部
６　メンブレイン
８　シャフト
１０　排出口
１２　ケーシング
１４，１６　ベアリングアセンブリ
１８　アーマチュア
２０　ソレノイドコイル
２２　電流制御ユニット
２４　スプリング
２６，３０　協働マグネット装置
２８，３２，３６，３８，３６’，３８’　極面
４６，４８　ベアリングアセンブリ

Claims

バルブ開口部（４）と、エネルギを供給されて力を発生するフォースジェネレータ（１８、２０）と、該フォースジェネレータ（１８、２０）に操作可能に結合されたシャフト（８）と、バルブ開口部（４）に対して相対運動するシャフトを案内するベアリングアセンブリ（１４，１６；４６，４８）とを有しており、シャフト（８）が発生した力の作用を受けてバルブ開口部（４）に対して相対的に運動することによりバルブ（４４）の開放度が制御される
バルブアセンブリにおいて、
ベアリングアセンブリ（１４，１６；４６，４８）はシャフト（８）の磁気サスペンションを生じるように構成された協働マグネット装置（２６、３０；３６，３８；３６’，３８’）を有する
ことを特徴とするバルブアセンブリ。
協働マグネット装置（２６、３０；３６，３８；３６’，３８’）はさらにバルブ（４４）の開放度を制御するために所定の方向でシャフト（８）のバイアス磁力を生じるように構成されている、請求項１記載のバルブアセンブリ。
協働マグネット装置（３６，３８；３６’，３８’）はシャフト（８）を運動させてバルブ（４４）の開放度を低減するバイアス磁力を生じるように構成されている、請求項２記載のバルブアセンブリ。
協働マグネット装置（３６，３８；３６’，３８’）はシャフト（８）を運動させてバルブ（４４）の開放度を増大するバイアス磁力を生じるように構成されている、請求項２記載のバルブアセンブリ。
フォースジェネレータはソレノイドコイル（２０）を備えた電磁力発生器（１８，２０）を有し、該ソレノイドコイルはコイル軸線（Ｃ）を有し、ここに電磁力を発生するためのエネルギが供給され、シャフト（８）は発生した電磁力に応じてコイル軸線（Ｃ）に対して平行にレシプロ並進運動を行い、バルブ（４４）の開放度を制御するように構成されている、請求項１から４までのいずれか１項記載のバルブアセンブリ。