JP2006502361A - 比例出力を伴うガスバルブ - Google Patents

Abstract

流体の流れを制御するバルブであって、入口（１０）および出口（９０）を有する流体通路を備えた本体（１００）と、通路を通る流体の流れを抑制するバルブ部材と、そして、バルブ部材を運動させることで入口から出口まで制御された流体の流れを提供する運動手段（４０，５０）と、を有し、バルブ部材はブレードの形を取り、その一方の端部（４１，５１）は通路から離れた位置で設置されており、バルブ部材を運動させる運動手段（６０）は、ブレードのもう一方の端部に作用し、それによって通路を通る流体を制御する、という前記バルブ。

Description

本発明は低圧の燃焼ガス流の制御に関する。

圧電アクチュエータの運動を増幅する種類のインデックス機構については、英国特許出願：ＧＢ００３０２６３．８号やＧＢ００１１３５０．３号に開示されているように、これを用いることで面シールを徐々に開くことができる。ただし、そのようなシステムのコストは、手動の解決手段に比べて非常に高くなる。
こうした用途では一般に、シールを開口部の上に押し当て、また、そこから引き離す形で持ち上げる、というポペット弁が使用されるが、こうした装置の比例制御には、その開口部の性質が妨げとなる。入ってくるガスの圧力がバネの抵抗を受け、アクチュエータが当該バネを引き離す、という状況では、アクチュエータに関して求められる力が、バネのシール力によって、さらには、そのバネレートによって大きくなる。バルブがガス圧によって閉じられている場合、圧力差はシールが開き始めると低下し、そうして、アクチュエータは一線を越える。この問題は、ウォーム駆動を備えたモータなどの解決手段によって解決可能であるが、そのコストは非常に高くなる。

コストの点からは、エネルギー消費の低い単純な部品を利用するのが望ましく、ここから、圧電アクチュエータが考慮されることとなった。しかしながら、こうしたアクチュエータは、必要とされる運動量が大きい状況において問題に直面する。ガスバルブを扱う場合、バルブ部材Ｖに求められる運動量は、入口開口部の径Ｄによって決まる。スムーズな流れが実現されるのは、図１に示すように、弁部材Ｖが、開口部から少なくとも径の２５％の距離だけ上にある場合である。これは、シリンダの径Ｄの面積とＤの２５％の高さとが、穴Ｄの面積に匹敵しており、そのため、開口部が絞りを構成することがないからである。

ガス制御バルブには、最大流量レートを超えた場合、１ミリバール程度圧力を降下させることが求められる。ただし、これは、個別の仕様に伴って変化する。こうした小さな圧力降下を実現するには、開口部のサイズを入口側の管とおおよそ同じにする必要がある。大半の調理設備において、パイプは４ｍｍの内径を有するため、バルブは、開口部から少なくとも１ｍｍ（それよりも大きい方が好ましい）離れた位置まで上げなくてはならない。この運動量は、圧電セラミックベンダからのみ実現可能であるが（スタックからは不可）、こうした運動を手ごろなコストで提供してくれるデザインは範囲が限られている。

さらに別の要素として、圧電ベンダから加わる力は、図２に示すように、運動量に比例して小さくなる、という事実がある。使用に耐えるレベルの力を維持するためには、組立品の動作は、図２において網掛け部分で示すように、力の５０％内、そして、無負荷撓み（unloaded deflection）の５０％の範囲で行わなければならない。
上に示した情報から分かるように、底圧（bottom pressure）システムを用いて動作させるのは好ましくない。密封用バネによって、アクチュエータに必要とされる作業量が２倍になり、それによって、既に実用限界に近い運動量が半分に減ってしまうからである。ベンダからそのレベルの運動を実現するには、比較的剛性の低いシステムが必要となる。システムの剛性が低い場合、ガスの圧力に逆らう形で開けるプロセスは、バルブが開くにつれて低下のために生じる衝撃に耐えなければならない。アクチュエータが、必要な動きをもたらすに充分な可撓性を有する場合、開口部から離れて、非制御の振動状態に入ってしまう傾向があり、そうなると、ガス流を正確に調整することは不可能である。

アクチュエータ自体をシール手段として用いるのは望ましくない。圧電素材の性質において、動作後にブレードが平坦なシール状態を形成するのを妨げるレベルのヒステリシスが存在するからである。
また、頂圧（top pressure）バルブを開ける手段として、調整できない振動を防止し、その一方でさらに、充分な範囲のアクチュエータ運動を利用可能にする、という手段を有することが望ましい。

本発明が提供するのは、流体の流れを制御するバルブであって、入口および出口を有する流体通路を備えた本体と、通路を通る流体の流れを抑制する可撓性のバルブ部材と、そして、バルブ部材を運動させることで入口から出口まで制御された流体の流れを提供する運動手段と、を有し、バルブ部材は弾性ブレードの形を取り、当該ブレードは、通路から離れた位置の軸を基準にピボット運動する、というバルブである。

好ましい構成として、ブレードは、所望の力／運動特性を実現するように形成されている。
また、好ましい実施の形態においては、バルブ部材を運動させる手段は圧電アクチュエータである。さらに、バルブが複数の入力を備え、それらが各々固有のバルブ部材を備える、としてもよい。この場合、バルブ部材の特性は同一である必要はないが、単一のアクチュエータを用いて２つのバルブ部材を操作するのが好ましい。

さらに、複数のバルブをバルブ組立品の中に並べて配置することもでき、これによって、組立品を多数の層から構成する形が可能となる。

本発明をより確実に理解してもらうために、一例として示す実施の形態について、添付図面を参照しながら、以下に説明する。
図３に示す本発明の実施の形態の場合、ガスバルブは主たるバルブ本体１００を有し、当該本体は、出口９０と、シール状態でバルブ本体１００に接続されたカバー部材１０１とを備えている。カバー部材１０１は、ガス供給源に接続する形に構成された入口１０を備え、さらに、バルブ内部にチャンバ１０２を形成している。入口１０と出口９０との間のガスの流れを制御するのは、１つ以上のバルブ部材であり、当該バルブ部材はブレード４０、５０の形を取り、バルブ本体１００内にあって出口９０につながる通路７０、８０への入口をシールするように構成されている。

バルブ部材のブレードについては、後でより詳細に説明するが、適切なアクチュエータ６１に接続された引き上げ部材６０によって運動させられるものである。アクチュエータは、圧電アクチュエータの形とするのが好ましい（例えば、Servocellの商品名で英国のHarlowにあるPBT Limitedから販売されているもの）。ただし、その他のアクチュエータ、例えば、磁歪型、電歪型あるいは、その他の活物質（active material）であって、ベンダ形状に形成することのできる素材を用いたアクチュエータを利用してもよい。低速動作の場合、その機構は熱バイメタルによって動作させてもよい。

図３に示すように、アクチュエータ６１はバルブの外の位置にあり、引き上げ部材６０はカバー１０１を通って突き出している。このようにする場合は、もちろん、カバーを貫通する開口部に、引き上げ部材６０に伴うスライド型シールを形成することが必要となる。関連する流体によっては、アクチュエータ６１をバルブ自体の内部の位置に置き、そうすることで、シールされた開口部を不要とすることも可能であろう。最終的な設計では、アクチュエータ用の個別のチャンバは存在しない。それは、アクチュエータが適当な保護層の中でコート処理されており、その表面には、アクチュエータが破損した場合に生じうる火花を防止する導電フィルムを有しているからである。

次いで、ブレード４０、５０を見る。図において、これらはそれぞれ一方の端部４１、５１において、本体１００の上側面１０４上に設置されており、もう一方の端部４２、５２を引き上げ部材６０の作用によって持ち上げ、又は引き上げることで、通路７０、８０への入口を開くことができる。設置の手段としては、クランプ留め、溶接、接着が考えられるが、後述するように、所望の程度のシールを実現するためには、端部４１、５１に対して認める運動の量を制限するのが好ましいであろう。

ブレード４０、５０は薄いブレードの形を取り、その寸法および磨き（finish）は、２０ｍＢａｒの頂圧が加えられた際に気密シールを実現するのに適したものとなっている。この１枚以上のブレードについては、所望の程度の弾性を備えた金属で作るのが好ましい。ブレードの形状としては、本用途に適したものが数多くある。こうしたブレードの例として挙げられるのは、開くにつれて剛性が等比的に変化する渦巻き材（convolute）、単純なカンチレバー、あるいは定圧ビーム（constant stress beam）である。こうした基本的なビーム形状を図４に示しているが、これらは単なる例示である。図４（ａ）に示すのは単純なカンチレバー、図４（ｂ）に示すのは定圧ビーム、図４（ｃ）に示すのが等比的な渦巻き材である。

図４に示した形状は、切り抜きやその他の特徴を導入する形で変形させ、剛性が増減するようにしてもよい。
ブレード４０はバイパスチャネル７０を覆うバイパスブレードを形成している。バイパスチャネルは、限られた量のガスのみがバルブの出口９０に流れるようにし、表示灯やトロ火機能（simmer function）に適した小さな（low-level）炎を制御された形でもたらすものである。一方、ブレード５０はメインのフローブレードを形成しており、これは、バルブを特徴付ける全開流量を供給するメインチャネル８０を覆うものである。圧力感知システムの形で適切なフィードバックを設ければ、予備およびメインのバーナ機能を、開口部およびブレードを１つだけ有する構成から提供することが可能となる。

シール状態からブレードを引き上げるのに必要な力は、以下の計算式で求められる。

Ｆ＝Ｓ１＋（Ｓ×ｄ）＋（Ｐ×Ａ）
・上記式において
Ｓ１：シールブレードから加わる初期圧縮力
Ｓ：シールブレードのバネレート
ｄ：シールにおけるコンプライアンスの克服に必要な距離
Ｐ：バルブと出口との間のガス圧差
Ａ：開かれる開口部の面積

同式は開口動作全体に当てはまる。

非制御振動の現象は、単純なカンチレバーにおいて充分な剛性を持たせることで軽減されるが、ブレードの形状を、開口部が開くにつれて急速に剛性が大きくなる、というものにするのが好ましい。ビームの撓みは下記の式で求められる。

ｄ＝ｗｌ³／３ＥＩ
・上記式において
ｄ：撓み
Ｗ：負荷
ｌ：カンチレバーの長さ
Ｅ：素材のヤング率（Young's Modulus）
Ｉ：セクションの第２の慣性モーメント

単純なビームの場合、第２の慣性モーメントは以下のように決められる。

Ｉ＝ｂｄ３／１２
・上記式において
ｂ：幅
ｄ：ビームの厚み

ビームの幅が等比数列の形で変化すれば、相対的な撓みは、この値の線形（linear）逆関数の形で変化するであろう。図４（ｃ）に示すコンセプトでは、当該部品は、運動にあたっての剛性が大きくなっていく。図５は、通路（８０）に通じる穴（opening）の位置を、ビームの形状と共に示している。使用圧力の降下が大きくなる場合には、剛性の変化のレートも高くするのが望ましいであろう。そして、これを実現するために、値“ｄ”を変化させることができる。なぜなら、これは３次関数だからである。上記のことは、図５に示すような補助ブレード（５５）の導入によって実現され、当該補助ブレードはエッジ５６に沿って設置される。先ず、穴が可撓性ブレードによって開かれて、圧力差が低下するにつれ、振動は剛性のより大きい構成部によって弱められる。

図５に示す構造を用いる場合には、全体の構造を変更して、Ｏ−リングシール８１の場合に存在するような弾性シール面を通路８０への入口が備える形にするのが効果的である、ということが知られている。これの詳細を図６に示す。
さらに、可撓性ブレードは、限られた範囲での縦方向運動を可能とするように、その設置エッジ５１において緩く設置されているが（図３参照）、これによって、ブレード５０はＯ−リング８１に対するシールが可能となる。補助ブレード５５は、通路８０に通じる穴のエリア内で可撓性ブレードと接触するように構成されている。好ましい形として、これは、穴における点接触とするのが効率的である。これ以前に述べた実施の形態の場合と同様、可撓性ブレードおよび補助ブレード５５の形状については、所望のバルブ特性を実現するように選択することができる。

使用時には、アクチュエータ６０を起動して、ブレード５０および補助ブレード５５の弾性力、ならびにガス圧に逆らう形で、同ブレード５０の端部５２を持ち上げて通路８０を開く。通路はブレード５０の弾性によって閉じられるが、その際の力は、補助ブレード５５およびガス圧によって加えられるものである。シールは、これらの力ならびにベンチュリ効果によって維持される。

こうしたバルブ機能の性質は、好都合な点として、構成要素を層構造で製造するのに適しており、基本構造を複製して複数出力システムとすることを可能にする。図７は、１枚の素材シートから形成された７つのバルブブレードで成る配列を示す。配列の数は適当なものとすることができるが、７つであれば、４つのホブ（hob）、１つのグリル、そして２つのオーブンがまかなえる。

圧電ベンダアクチュエータを用いれば、アクチュエータは、単一の部品として作ることも可能であるが、それ以外にも、その方が好ましいのであれば、動作装置を多数集めた形で作ることもできる。図８は完成形のバルブ組立品を示すが、ここでのアクチュエータは単一配列として形成されている。
図７、８に示す構成を変形させて、図６に関連して説明した構造を図４に示した基本構成として利用することもできる。

上述の構成、または、これに類似の構成によれば、以下のような、比例的な電子式バルブを実現することができる。すなわち、小さな力で大きく運動するアクチュエータを用い、臨界的な開口の制御を伴う形で、２０〜２００ｍＢａｒの範囲の頂圧に逆らって働き、さらに、制限ゾーンを用いて、急な開放や、それに伴う流れの制御不能な変動を防止する、というバルブである。

本発明に関わる基本原理を説明するための概略図である。 本発明に関わる基本原理を説明するための更に別の概略図である。 本発明の実施の形態によるバルブの一部分を示す、側面から見た断面図である。 本発明に関して有用な３つの異なる形状のバルブ部材を示す図である。 図３に示すバルブの一部を変形させた状態を示す図である。 図５に示す構成に対する変形の詳細を示す図である。 本発明と共に用いることのできるバルブ部材の配列を上から示した平面図である。 個々には図４で示すバルブを複数有した完成品のバルブ組立物を示す斜視図である。

Claims (5)

1. 流体の流れを制御するバルブであって、
   入口および出口を有する流体通路を備えた本体と、通路を通る流体の流れを抑制するバルブ部材と、そして、バルブ部材を運動させることで入口から出口まで制御された流体の流れを提供する運動手段と、を有し、
   バルブ部材はブレードの形を取り、その一方の端部は通路から離れた位置で設置されており、
   バルブ部材を運動させる運動手段は、ブレードのもう一方の端部に作用し、それによって通路を通る流体を制御すること、
   を特徴とする前記バルブ。
2. ブレードの形状は、運動手段によって運動させられる際に所望の剛性を実現するように作られていること、
   を特徴とする請求項１に記載のバルブ。
3. ブレードは前記一方の端部において緩く設置されており、それによって、運動方向への限られた量の運動を実現すること、
   を特徴とする請求項２に記載のバルブ。
4. 補助部材は可撓性ブレードの上に配置され、通路への入口の周縁境界の内側でブレードと接触していること、
   を特徴とする請求項３に記載のバルブ。
5. シール部材は入口の周縁を囲む形で設けられていること、
   を特徴とする請求項３又は４に記載のバルブ。

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