JP2006528330A - 真空システムのサーボ弁 - Google Patents

Abstract

本発明は、真空システム内で動作可能であり、小さい力を使用しても開状態と閉状態との間で切り換えることができるサーボ弁を実現する。そのために、弁は、制御室（１３）の制御圧力と導入ポート（２）および排出ポート（３）それぞれの圧力との差の影響で、開位置と閉位置との間で動作する閉鎖部材（４）を有する。制御室は、導入ポートと常に流体連絡し、排出ポートとは調節可能な状態で流体連絡して、調節可能な流体連絡に応じて、主に導入ポート圧力と排出ポート圧力によって制御圧力に影響を及ぼす。本発明はさらに、このようなサーボ弁を有する真空システムを提供する。

Description

本発明は、真空システムの流体導入ポートと流体排出ポートとの間の通路を開閉するサーボ弁に関し、特に本発明は、高圧と低圧の差があるシステムに挿入することができ、単純な起動手段で操作可能である弁に関する。

概して、導入ポートまたは排出ポートと制御室との間の圧力差の影響で、ピストンが閉位置と開位置との間で動作可能である圧力システムのサーボ弁が存在する。圧力差を使用することにより、このような弁は、例えばソレノイドなどを介して、電力消費量が少なく、重量が小さい比較的単純なアクチュエータによって操作可能である。起動は、ポートの１つと制御室との間の流体通路を開閉するように配置構成されたパイロット弁を動作させることによって行われる。この種の既存の弁は、例えば漏れ検出用途などの関連する真空システムには様々な理由で適切でない。このようなシステムでは、その各操作間で弁内に少しでも残留流体があることを回避することが重要である。したがって、弁とシステムの同様の構成要素は完全に排出させることができなければならず、ポートを制御室に接続する様々な大小の通路がある比較的複雑な構造的レイアウトのために、通常、従来のサーボ弁にとって排液が問題となっていた。さらに、既存のサーボ弁は、特定の予め指定された圧量差にわたって作動するように作られていた。１〜１００バールの範囲の圧力差に対して設計されている弁を１バール未満の圧力差の間に挿入すると、通常、その圧力差が弁を開放するには十分でなく、その逆もある。さらに、圧力差は弁の開放直後に消失するので、従来のサーボ弁のサーボ効果も消失する。この理由から、従来通りのサーボ弁は、真空システムには有用でない。

発明が解決しようとする課題と課題を解決するための手段

真空システムのために設計され、１バール未満の圧力差の間に挿入することができ、それでも中程度の力を使用してサーボが与える力で開放することができる弁を実現することが、本発明の目的である。したがって、本発明は、制御室を区画しているハウジングと、第１内圧の流体導入ポート部分と第２内圧の流体排出ポート部分を有する弁通路とを備える真空システムのサーボ弁に関する。それらの部分は、室内の圧力圧と第１、第２内圧との差の影響により、開位置と閉位置との間で動作するようにハウジング内に装着された閉鎖部材によって分離されている。その開位置は、弁通路が２つの部分間で開放している位置であり、閉位置は、弁通路が２つの部分間で閉鎖している位置である。制御室は、導入ポート部分と排出ポート部分に接続され、閉位置と開位置との間でおよびその逆に閉鎖部材の動作を切り換えるように制御するために、主に第１内圧または第２内圧のうち一方によって、その内圧を切り換え可能に制御される。

制御室を導入ポート部分と排出ポート部分に接続することによって、制御室内の圧力を切換可能に制御できるので、弁は、過度の力を加えずに圧力差を使用して動作することができる。

閉鎖部材は、排出ポートと制御室との間にパイロット通路を備える。そのパイロット通路は、パイロット通路が開放する開位置とパイロット通路が閉鎖する閉位置との間で閉鎖部材に対して動作可能であるパイロット閉鎖部材によって閉鎖可能である。弁が開放するように意図されている場合、パイロット閉鎖部材はその開位置へと、つまりパイロット通路が開放する位置へと動作する。パイロット通路が開放していると、制御室は弁通路の排出ポート部分と流体連絡し、その間の圧力が均等になる。したがって、閉鎖部材を閉位置から開位置へと動作させることができる圧力差が生じる。

閉鎖部材が移動すると、導入ポート部分と排出ポート部分との圧力が均等になり、排出ポート部分が制御室と流体連絡するので、制御室と弁通路の導入ポート部分との圧力差が消失する。この圧力差は、閉鎖部材を開位置に維持するために使用されるので、閉鎖部材は、弁の向きと自身を流れる流体の流速に応じて、その閉位置へと戻ることがある。これを回避するために、弁はパイロット閉鎖部材を有し、これは例えば弾性ゴム・バンド、コイルばねのようなばね、または弾力的に伸張可能な同様の配置構成を介してなど、弾性変形可能な結合部を介して閉鎖部材に可動状態で締め付けられる。特に、１Ｎ／ｍｍなどの０．５〜１．５Ｎ／ｍｍの範囲内のばね定数を有するばねが、真空システムに使用する弁に適している。ばねは、約３Ｎ、つまり約３ｍｍへと設定することができる。

弁に「常時閉」特徴を設けるために、例えば可撓性ゴム棒またはコイルばねなどの弾性圧縮可能な部材によって、閉鎖部材に閉位置に抗するバイアスをかけることができる。

パイロット閉鎖部材、したがって弁の開閉は、電磁気駆動で、あるいは空気圧、液圧、または押しボタンまたは引きボタンを介して単純に手動で動作させることが好ましい。いずれの場合も、弁の開放に必要な力を減少させるために、例えば弁通路の面積より５〜２０倍小さいサイズの面積など、弁通路の開口より小さい断面積のパイロット通路を形成することが有利である。

例えば漏れを検出する真空システムの弁の使用に関連して、幾つかの用途では、各開閉シーケンス間に弁から流体の全ての残りが排出されることを保証することが目的である。そのために、制御室は、流体排出ポートから閉鎖部材までの通路と連続して配置構成すると有利であり、したがって好ましくは制御室と弁通路の少なくとも排出ポート部分を同軸に配置構成する。実際には、弁通路の排出ポート部分と制御室は、ハウジング内で長手方向に延びている１つのボアとして形成することが望ましい。

密封部材は、玉弁として、またはハウジングの円筒形空隙内で前後に移動するように配置構成されたピストンとして形成することができる。ピストンと円筒形空隙は、任意の一致する断面形状を有してよい。しかし、弁の製造を支援するために、円形の断面形状の部品を設けて、空隙をボア穴として形成できるようにすると有利である。

弁の感度を改善するために、ピストンの重量を低く抑えることが目的である。したがって、ピストンには３つの主要部品、つまり細長い軸部によってカップ形部品へと上方向に接続させられた下部密封フランジを備えた形状に形成することができ、カップ形部品は底壁とその底壁から密封フランジに向かう方向とは反対の方向で開口の上方へ向かって延ぶる側壁を形成する。パイロット通路を、ピストンの軸部の内側に形成することができ、密封フランジ、カップ形部品、細長い軸部を同軸で形成することができる。

ピストンがハウジングの円筒形空隙内で前後運動する間に、傾斜せずに滑らかに運動する、より信頼性が高い弁を確保するために、ピストンは、カップ形部品の底壁と開口との間でピストンの中心軸に沿った位置に重心を有するように形成することができる。重心がカップ形部品の区域にある、上述した特定のカップと軸部の形のピストンによって、非常に低い真空、例えば１×１０⁻³〜１×１０⁻⁶ｍＢａｒの範囲の圧力の弁を使用することができる。

弁の開放中に、パイロット閉鎖部材をピストンから離れる方向に動作させることによって、パイロット閉鎖部材をその閉位置から持ち上げ、パイロット通路を開放させる。その結果生じる制御室と弁通路の導入ポート部分との圧力差によって、ピストンが上昇し、弁通路を開放する。この動作中に、ピストンは再びパイロット閉鎖部材に近づく。ピストンがパイロット閉鎖部材に向かって移動するときに、パイロット通路が閉鎖されるのを回避するために、パイロット閉鎖部材の最大可能行程は、ピストンの対応する最大可能行程より大きいと有利である。閉鎖部材の位置および／またはパイロット閉鎖部材の位置を読み取るために、弁は、ハウジングまたは閉鎖部材の一方に組み込んだ１つまたは複数の磁石と、ハウジングまたは閉鎖部材の反対の一方にある対応する磁石センサ、例えばリード・スイッチを有していてもよい。磁石が焼結で作成したタイプである場合は、多少多孔性の構造を、例えば亜鉛、または亜鉛と銅と亜鉛または同様にしっかり密封する複合体などの層のサンドイッチなどを備えるコーティングで密封することができる。多孔性構造の密封は、磁石が油、水分または気体で汚染するのを回避するために用いられる。

ピストンの密封フランジは、フッ素ゴム（ＤｕｐｏｎｔのＦＰＭ、ｗｗｗ．ｄｕｐｏｎｔ．ｃｏｍ参照）などの弾性材料から作成され、フランジにある窪みの２つの側壁間に配置構成される密封リングを備えてよい。弁の排出を改善するために、壁は窪みの両壁と、任意選択で窪みの底壁にも形成された少なくとも１つの切り欠きを備えてよい。排出中に、切り欠きを介して弁から流体を強制的に出すことができる。

弁はさらに、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）などで作成した少なくとも１つのピストン・リングを備えてもよい。ピストン・リングは、円筒形空隙内でピストンを案内する働きをする。パイロット閉鎖部材がその閉位置にある場合に、弁通路の導入ポート部分と制御室との間の圧力を等しくし、それによって弁を閉鎖できるようにするために、ピストン・リングは、弁通路の導入ポート部分と制御室との間に少なくとも１つの通気通路を形成するように成形する。その通路は、ピストン・リング内に、または円筒形空隙とピストン・リングとの間に、またはピストンの側壁とピストン・リングとの間に形成することができる。ピストン・リングとハウジングまたはピストンそれぞれとの間に形成する通路に対して代替的または追加的に、制御室と弁通路の導入ポート部分との間に、例えばハウジングの壁のボア穴の形態で、１つまたは複数の通路を設けることができる。

１つまたは複数のピストン・リングがピストン上でスライドしないように固定するために、１つまたは複数のリングを、ピストンのカップ形部品の外周表面に形成された窪みの２つの側壁間に配置構成することができる。弁の排出を向上させるために、窪みの壁は、壁の両方に、窪みを横切って少なくとも１つの切り欠きを形成することができる。１つまたは複数のピストン・リングの背後、つまりピストンとリングとの間を流体が通過できるようにするために、窪みの底壁にも切り欠きを形成することができ、これによって流体は窪みの側壁の一方にある１つの切り欠き内へと通り、窪みの底壁の切り欠き内へと下降して、窪みの他方の側壁に形成された切り欠きを通して出ることができる。排出をさらに改善するために、１つまたは複数の窪みは複数の切り欠きを有することができる。

第２の態様では、本発明は、前述した種類のサーボ弁を備えた真空システムに関する。

以下では、本発明の好ましい実施形態について、図面に関してさらに詳細に説明する。

図１で示す弁は、閉鎖部材４によって分離された導入ポート部分２と排出ポート部分３を有する弁通路を形成するハウジング１を有する。閉鎖部材は、ピストンの閉鎖フランジ７の底面に円形の密封表面５を形成するピストンの形状を有する。密封方面は、ゴムなどの弾性材料で作成したリブ状輪郭（図５も参照）またはＯ形輪郭のリング（Ｏリング）８を保持する。閉鎖フランジは、弁の導入ポート部分に面する密封表面に対して反対側となる上面９を有する。弁は、ピストンが閉位置にある状態で図示され、密封表面は、Ｏリングがハウジングの座１０を密封する位置まで下降している。それに対向する端部では、ピストンは、底壁１１とその底壁から上方向に延びている側壁１２を有するカップ形であり、ハウジング内に形成された制御室１３を区画している。制御室は弁通路の低圧部分に連絡させられる。ピストンは、弁通路の低圧部分からピストンの軸部６を通って制御室へと延びているパイロット通路１４を形成している。パイロット通路は、パイロット閉鎖部材１６によって閉鎖可能であるパイロット弁座で上方向に終了する。開示された実施形態では、パイロット閉鎖部材１６は、そのパイロット閉鎖部材をパイロット座１５に対して密封状態で締め付ける働きをする弾性ゴム・ガスケット１７を有する、棒形の細長いアンカの形態で作成する。パイロット閉鎖部材は、アンカ・チューブ１８内でスライドすることができ、例えばソレノイド（図示せず）などの影響で、パイロット座１５から持ち上げることができる。パイロット閉鎖部材は、ピストンに向かってバイアス付与され、ピストンはこれによってコイルばね１９からの力の影響で閉位置に抗してバイアス付与される。コイルばね２０は閉鎖部材をパイロット閉鎖部材に結合し、ピストン・リング２１、２２が、ハウジングの内部側壁２３に沿ったピストンの案内と、さらに制御室と弁通路の高圧部分との間の外側通路の形成の両方の働きをする。外側通路は、ハウジングの内部側壁２３とピストンの側壁１２との間に形成される。制御室の頂部壁を形成するカバー２４がハウジングに取り付けられる。弾性Ｏリング２５が、カバーとハウジングとの間の溝２６内に配置構成される。アンカ・チューブ１８が、プラグ２７を介してカバーに締め付けられ、弾性Ｏリング２８が流体の漏れないシールを固定する。あるいは、アンカ・チューブとカバー、またはハウジングを、例えば成形プロセスなどによって一体作成する。重量を抑えるために、図３でさらに詳細に図示されているカップ形ピストンは、比較的小さい肉厚かつ軽量の材料で成形する。ピストンの幾何学的形状は、重心が導入ポート部分から制御室までの入り口より上であるように選択される。重量を減少させるために、ピストンの比較的スリムな軸部分を選択する。

弁の開放動作中に、パイロット閉鎖部材がパイロット座から解放されるまで、例えば２２０Ｖの始動電圧などでソレノイドを起動させる。解放された時点で、ソレノイドに加えた電圧は通常、例えば加えられた電流を特定のチョッピング周波数を有するこれより小さいビットへチョッピングするか、単に加えられた電圧を例えば平均して１１０Ｖの大きさにすることによって低下させる。パイロット閉鎖部材が座から解放されると、弁通路の排出ポート部分の真空によって制御室が排気され、弁通路の導入ポート部分の圧力と制御室と排出ポート部分それぞれの圧力との圧力差によって引き起こされる上向きの力が蓄積し始める。導入ポート部分の比較的高い圧力が、ピストンのカップ形部分の底壁１１の下面と、閉鎖フランジ７の上面との両方に作用する。閉鎖フランジ７の下面と底壁７の上面それぞれに反対方向で作用する排出ポート部分と制御室の比較的低い圧力にも、同じことが当てはまる。しかし、下向き、上向きの表面のサイズが異なるので、その結果の力が、ピストンを閉位置から開位置へと上方向に移動させる。ピストンが開位置へと移動すると、弁通路の低圧部分と高圧部分との圧力が均等になり、外側通路とパイロット通路を介して制御室内の圧力も弁通路の圧力と均等になる。その結果、圧力差によって引き起こされる上向きの力が終了する。この時点で、パイロット閉鎖部材とピストンとの間の結合によって、つまりコイルばね２０によって、ピストンが開位置に保持される。

図２は、図１のパイロット閉鎖部材と閉鎖部材との間の結合部の拡大図を示し、図１の数字を含む。拡大図では、結合ばね２０が、最初の巻線と最後の巻線をそれぞれピストンとパイロット閉鎖部材の溝２９、３０にロックすることによって、パイロット閉鎖部材１６とピストン６の両方にしっかり固定されることが明白に分かるであろう。パイロット閉鎖部材１６をピストンに対してバイアスさせ、それによってピストンを閉位置に対してバイアスさせるように配置構成されるコイルばね１９は、パイロット閉鎖部材の半径方向外側に延びているフランジ３１を押す。パイロット通路１４は、上方向に圧縮され、通路の広い方の部分３３と狭い方の部分３４との間の遷移部３２が、表面３５で面取りされ、ピストンと通路の中心軸３６に対して約４５°の角度を形成する。

図３では、図１のピストン６が立体図で図示されている。ピストンのカップ形部分の側壁１２に形成された下部窪み４１と上部窪み４２が、ピストン・リング（図１の番号２１、２２）を所定の位置に保持する働きをする。窪みを横切って、つまり窪み部分の側壁と底壁の両方に形成された切り欠き３９、４０が、弁の各開閉シーケンス間で弁が完全に排気する能力を向上させる働きをする。円形の閉鎖フランジ７内に形成された窪み４３は、座１０に対して密封するために、弾性材料のＯリングまたはリブ状輪郭のリングを保持する働きをする。また、窪みの側壁に、および任意選択で底壁に作成され、窪みを横切って相互に面している切り欠き３７、３８は、各開閉シーケンス間で弁を完全に空にする能力を向上させる働きをする。図３では、パイロット通路１４の開口が、滑らかに丸まった隅部を有し、これが流れと各動作間で弁を空にする能力を向上させることを明白に示している。

ピストン・リングが図４に図示されている。リングは、ピストンに面する内面４４とハウジングの円筒形空隙の壁に面する外面４５、４６を有する。階段状の外面のために、壁とリングの周面の半径方向のサイズが最小である部分、つまり図４の表面４５との間に通気通路が形成される。

図５では、窪み４３の弾性材料の密封リング５１の断面図が図示されている。リングは、リブ形輪郭の形状を有する。

図６は、図１で開示した弁のアンカとアンカ・チューブの拡大図を示す。アンカの長手方向に延びている１つまたは複数の溝６１は、アンカの頂部表面６３とアンカ・チューブ６４と境界を接する空間６２を排気する働きをする。溝は、制御室の点６５で終了する。弁は、アンカの最大可能行程Ｌ２が閉鎖部材４の最大可能行程Ｌ１より大きくなるように寸法決定される。したがって、パイロット通路は、弁の開放中は、閉鎖部材がその最大開位置にあっても、開放状態である。この特徴は、弁からの流れを改善し、したがって弁の高速かつ完全な排気を支援する。

本発明による弁の断面図である。 パイロット閉鎖部材と閉鎖部材との間の結合部の詳細図である。 本発明による弁の閉鎖部材の立体図である。 弁通路の高圧部分と制御室との間に通気通路を形成するピストン・リングの詳細図である。 リブ状輪郭を有する密封リングの断面図である。 アンカとアンカ・チューブの拡大図である。

Claims (15)

1. 制御室（１３）を区画しているハウジング（１）を備え、かつ第１圧力の流体導入ポート部分（２）と第２圧力の流体排出ポート部分（３）を有する弁通路（２、３）を備える真空システムのサーボ弁であって、それらの部分が、前記制御室の制御圧力と前記第１、第２内圧それぞれとの差の影響により、開位置と閉位置との間で動作するために前記ハウジング内に装着された閉鎖部材（４）によって分離されており、その際、前記開位置は、前記弁通路が前記導入ポート部分と前記排出ポート部分の間で開放している位置であり、前記閉位置は、前記弁通路が前記導入ポート部分と前記排出ポート部分の間で閉鎖している位置であり、前記制御室は、常に開放している通路を介して前記導入ポート部分と流体連絡し、パイロット閉鎖部材（１６）によって閉鎖可能であるパイロット通路（１４）を介して前記排出ポート部分と制御自在に流体連絡されるようになっており、前記パイロット閉鎖部材（１６）は、前記パイロット閉鎖部材の位置に応じて主に前記第１圧力と前記第２圧力のうち一方によって前記制御圧力に影響を与え、前記閉鎖部材（４）の閉位置と開位置との間の動作を制御するために、前記パイロット通路（１４）が開放している開位置と、前記パイロット通路（１４）が閉鎖している閉位置との間で閉鎖部材（４）に対して動作可能であるサーボ弁。
2. 前記パイロット通路（１４）が前記閉鎖部材（４）内に形成されている請求項１に記載のサーボ弁。
3. 前記パイロット閉鎖部材（１６）が、弾性変形可能な結合部（２０）を介して前記閉鎖部材に締め付けられる請求項２に記載のサーボ弁。
4. 前記閉鎖部材が、弾性圧縮可能な部材（１９）によって閉位置に対してバイアス付与される、請求項１から３に記載のサーボ弁。
5. 前記パイロット閉鎖部材（１６）が、電磁気駆動によってその閉位置から開位置へと動作可能である請求項２から４に記載のサーボ弁。
6. 前記パイロット通路（１４）が、前記弁通路（２、３）より小さい断面の開口を形成する先行する請求項のいずれか１項に記載のサーボ弁。
7. 前記制御室（１３）が、前記パイロット通路（１４）に連続して配置される請求項２から６のいずれか１項に記載のサーボ弁。
8. 閉鎖部材（４）が、その重心が弁通路（２、３）と前記制御室（１３）との間にあるように成形されるように前記ハウジング（１）に対して配置構成される先行する請求項のいずれかに記載のサーボ弁。
9. 前記閉鎖部材（４）がピストンとして成形され、前記ハウジング（１）の円筒形空隙内で前後に動作するように配置構成される先行する請求項のいずれかに記載のサーボ弁。
10. 前記閉鎖部材（４）と前記円筒形空隙が、円形の断面が一致する形状を有し、常に開放している通路が、前記閉鎖部材（４）の側壁（１２）と前記円筒形空隙の内部側壁（２３）との間に形成される請求項９に記載のサーボ弁。
11. 前記パイロット通路（１４）が前記閉鎖部材（４）と同軸に形成される請求項９又は１０に記載のサーボ弁。
12. 前記パイロット閉鎖部材（１６）が、前記閉鎖部材（４）の行程より大きい行程で、円筒形空隙内で前後に動作するように配置構成される請求項９から１１のいずれか１項に記載のサーボ弁。
13. 前記閉鎖部材（４）が、前記弁通路（２、３）を閉鎖する密封フランジ（７）を形成し、前記密封フランジ（７）が、細長い軸部（６）によってカップ形部品（１１、１２）に接続され、前記カップ形部品が、底壁（１１）と、前記底壁から前記密封フランジに向かう方向とは反対の方向で開口に向かって延びる側壁（１２）とで形成され、前記カップ形部品と前記細長い軸部が同軸で形成される請求項９から１２のいずれか１項に記載のサーボ弁。
14. 前記閉鎖部材（４）が少なくとも１つの窪み（４３）を備え、前記窪みを横切って形成された少なくとも１つの切り欠き（３７、３８）を備える請求項９から１３のいずれか１項に記載のサーボ弁。
15. 先行する請求項のいずれかに記載のサーボ弁を備えた真空システム。

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