JP2015537165A - パルス幅調整弁およびパルス幅調整弁の操作方法 - Google Patents

Abstract

流体の流れおよび／または流体の圧力を調整するパルス幅調整弁（１）は、流入弁（１ｂ）と直列に接続された遮断弁（１ａ）を有し、少なくとも前記遮断弁（１ａ）および前記流入弁（１ｂ）の一方に、開始位置から離れた開位置および／または閉位置を備え、軸方向に移動可能または回転可能な弁要素（１０ａ,１０ｂ）が設けられるものによって定められる。少なくとも２つの変位曲線（９ａ,９ｂ）に基づく弁同期装置（２３）による弁ギア装置（２）の調整は、１つまたは１つ以上の弁アクチュエータ（２０,２０’）によって、前記パルス幅調整弁（１）に配設された対応する前記弁要素（１０ａ,１０ｂ）を変位または回転させる工程を含むパルス幅調整弁（１）の操作方法によって定められる。【選択図】図８

Description

本発明は、流体の流れおよび／または流体の圧力を制御するパルス幅調整弁およびパルス幅調整弁の操作方法に関する。

電気的なパルス幅変調と同様に、１つまたは１つ以上の弁が周期的な流体の流れを制御する流体の流れにおいて存在し、それ／それらが開いた位置にある時に、１つの弁または複数の弁は可能な限り低い圧力低下が達成されるように動作される。理想的には、パルス幅変調に用いられるバルブは、２つの状態のみを備え、つまり全開（ＯＮ）または全閉（オフ）のいずれかになる。これは電気的なパルス幅変調にも当てはまり、一般にトランジスタのような形態の電気式のスイッチは、完全にオンまたは完全にオフになる。可変的な流れは、開時間と閉時間の関係を変化させて達成されるが、周波数は、通常、一定に保たれる。開状態の時間と閉状態の時間の関係は、通常、デューティサイクルと称され、多くの場合に記号”Ｄ”で示され、パーセントで与えられる。与えられた動作周波数における周期的な動作の間、デューティサイクルは、それから独立し、上述したオフとオンの間の間隔の関係のみ定める。達成された流体の流れは、主に、バルブ（そして、同様に、電気的な環境のスイッチ）のデューティサイクルに比例する。０％（Ｄ＝０％）のデューティサイクルにおいて、弁は全閉されて、流体の流れは存在しない。利用可能な全ての流体の流れの５０％または５０％強は、回路内の残留抵抗および供給圧力等に応じて、達成される。

図１は、異なるデューティサイクルを備えたパルス幅変調回路の機能図を示している。

流体の流れの可変的な調整において、チョーク／スロットル弁の形態を用いることも一般的である。チョーク弁の使用は、それが部分的に開いている時に、比較的大きな損失を伴う。損失は、一般に、等エンタルピー的な圧力降下、および自由膨張および／または発生する乱流現象から生じる摩擦による形態であって、流体の通路中の狭いまたは他の流体の流れが規制された通路に起因するものであって、絞りと流体の性質に全て依存する。弁は、弁の開口が大きく、かつ、十分な流体の流量において弁を介した圧力降下が小さい時にのみ、最小限の損失で動作する。開口部および可能であれば純粋なオフ／オン弁のバルブ要素の溝／開口は、弁が全開の時に小さい損失しか示さないため、期待されまたは必要な流体の流れに応じて決定されるが、可変的な流体の流れの提供を意図した比例弁または他の形態のバルブは、部分的な流れ、つまりバルブの位置が全開放と全閉鎖の間の状態にあるときに、常に相当な損失がある。

小さな流体の流れを必要とする小規模なアプリケーションでは、これは必ずしも問題ではない。問題は、大きな流体の流れによる圧力降下の形で大きな損失が発生する時のみに生じ、そして、このような場合において、パルス幅調節弁を用いることは非常に有利であって、その弁は上記の説明によれば相当に低い損失を示すことになる。

熱機関、特定の蒸気エンジンおよびその変形例において、それはパルス幅変調／調整の形態を用いることが一般的であり、切断調整噴霧器として多くの場合に定義される。この形態のパルス幅変調によって作動流体を生成し、多くの場合、蒸気は、チャンバが一定量に達するまで、全圧力によって膨張室、多くの場合にエンジンのシリンダ室に注入される。蒸気の供給は次に遮断（切断）され、蒸気は排気弁が開かれるまで略断熱的に膨張し、シリンダ室はほとんど全ストローク体積に達する。このように、蒸気の供給は、特定の絞り無しに調整され、そうでなければ相当な損失を伴う。

従来技術において、このような過程を制御する多くの弁の解決法が存在する。以前の蒸気エンジンにおいて、供給弁のデューティサイクルを与える遮断ポイントは、移動方向に沿って調整可能なスライド弁のストロークによって調整され、とりわけ、そのようにして、調整可能な遮断が達成されていた。上述したように、これは、絞り弁によるエンジンに大きな利点をもたらした。このようなエンジンは、簡便でもあって、適切な弁ギア機構が用いられることによって逆転される。切断の調整およびその逆の調整の両方を制御可能な弁ギア機構の一例は、ステファンソン（Ｓｔｅｐｈｅｎｓｏｎ）機構である。これは、通常、蒸気エンジン車のために用いられ、ワァルシャーツ（Ｗａｌｓｃｈａｅｒｔｓ）機構、コーリス（Ｃｏｒｌｉｓｓ）機構、より最近では、キャポロティ（Ｃａｐｒｏｔｔｉ）機構のような、無数の他の対応する機構がある。形態に応じて、これらは遮断およびその逆を可変する機能を備えたスライド弁、部分回転弁、シート弁の全てを制御することができる。

それにも関わらずそれらのいくつかで問題となっていることは、切り替え状態の時に、十分に速い弁要素の加速、または可能であれば十分に短い開／閉時間を達成することである。特定の設計が施された解決法において、開始からまたは停止で終わる切り替えポイント（開／閉）での弁の動作、つまり、これらの領域では、切り替え状態の間における相当な絞りによって弁要素が低速を示すことが多発する。

いくつかの弁ギア機構では、その機能には弁の総開口部に相当な絞りが多用され、サイクル状態の動作において、それらは遮断の状態に近い。これは、たとえ弁機構がパルス幅変調に関する実際的な方法を提供しても、閉状態と開状態を切り替える時の絞りの存在によって、弁は実際に相当な損失を伴いながら動作することを意味する。

加えて、デューティサイクルにおいて十分に低い下限を達成することは困難であって、つまり、特に損失を伴う絞りの要素無しには、遮断によってデューティサイクルを０％に下げることを達成することは困難である。詳細には、遮断ポイントを例えば５乃至１０％未満に調整することは、達成することが困難であり、それは蒸気エンジンにおいて低い出力での調整は困難であって部分的に不可能であることを意味する。

この発明は、従来技術の欠点の少なくとも一つを改善または低減し、または少なくとも従来技術に有用な代替を提供することを目的とする。

この目的は、以下の説明と特許請求の範囲によって表された特徴によって達成される。

直列接続された２つの弁ユニットから構成されるパルス幅変調弁は、より具体的には流入弁および遮断弁であって、蒸気エンジンまたは同様のエンジンの弁の開閉における主要な問題を解決するために、切り替え状態の時にそれぞれの弁ユニットの速度を増加させる行程を備えている。

ＳＡＥ７４０２９６およびＳＡＥ７５００６８の公報には、原理的に、低い遮断ポイント、つまり短い開間隔を望ましくは０％近傍にすることができる解決方法が施されたシート弁が開示されている。シート弁の使用は、閉状態の近傍で比較的高いスロットリングをそれでも示し、そのシート弁の性質によるものであって、その欠点である。

直列接続された２つの弁ユニットを用いることによって、一般的に、流入弁が開状態の時に高い切り替えを十分に示し、遮断弁が閉状態の時に速い切り替えを十分に示すことから、状態の切替は両方の弁ユニットの両方向（開／閉）において必ずしも高速である必要はない。この方法では、処理は単に一つの方向の切り替え特性に関して速度を増加させつつ、同時に、弁の総合的な機能において、それでも高い切り替え特性を示す。単に一方向において速い速度を提供することは、いくつかの利点を有する。例えば、電気的に動作される弁において、一般的には弁は単に１つの方向に最速の切り替え速度を示し、通常はその方向はソレノイドによって制御され、その問題はソレノイドの引く力または押す力に反する方向へ戻るバネを備えた弁にあった。

弁の非対称な速度制御は、閉動作が開動作よりも典型的にはるかに速いような、歴史的な設計によって実現され：トリップギアは、供給／注入弁による高速の遮断／遮断の提供において、多用されていた。この利点は絞りが最小化されることであるが、摩擦の問題に付随して、弁要素の加速度を高める必要が生じる欠点がしばしばあった。このような機構は、例えば毎分約２００回転までの低回転の動作を満たす機能しか未だに有していない。より高速回転するエンジンのために、さらに高速な機構の要求があってもよいが、これが例えばスライドのように単一の弁要素によって実現されると、必要とされる加速は、実用化に至らないレベルにしか至らないか、最悪の場合、実装は不可能である。

図１は、パルス幅変調装置の一般的な機能図を示している。これらは、原理的には、電気回路および流体回路の両方に適用してもよいが、以下では、それらは流体回路に適用されるものと仮定する。比例的、つまり線形的な流体回路において、弁ストロークと瞬時的な流体の流れの間には相関関係があり、流体の流れの調整において、流体の流れのアナログ的な破断がバルブを介して達成できる。図１は、瞬間的な流体の流れが別個の特性を有する以外、機能的にこれと同等なものを示し、つまり、流体の流れは完全に遮断または最大のみであって、原理的には、中間のレベルは存在していない。それでも、開状態および閉状態の間隔の関係を調節することによって、平均流れをそれに非常に相関させることができ、このようにしてパルス幅調整回路は、直線的に調整回路を置き換えることができる。パルス幅調整回路においてアキュムレータのような圧力および流れを均等化するユニットを導入する必要があり、流体の流れがより小さな変動のみ示すために、急速に変化する圧力および流れのレベルによる、システムへの大きな負荷を避ける必要があるということが言える。

実用的に実装されたパルス幅調整回路において、物理的なシステムは無限に速い加速を成し得ないことから、ＯＦＦ状態およびＯＮ状態の間の切替ポイントにおいて一定の立ち上がり時間と立下り時間が生じる。実際には、関数曲線は、図１に示されている切替ポイントのものよりも曲線になる。このような曲線の部分は、いくらかの損失を招くものの、パルス幅調整回路による利益は直線的に制御する回路に関してなお大きい。

図１は、パルス幅が調整されたデバイスの機能図であって、パルス幅の周期が１５，３０，４５，６０，７５，および９０％のものをそれぞれ示している。 図２は、弁要素が第１実施形態の弁ギアに接続されたパルス幅調整弁の原理図を示している。 図３は、第２実施形態の弁ギアを備えたパルス幅調整弁の原理図を示している。 図４は、スライドまたはピストン弁に基づくパルス幅調整弁の部分断面図を示している。 図５は、関連する位相変化曲線を備えるパルス幅調整弁の機能図を示している。 図６は、噴霧器として用いられるパルス幅調整弁のフローシーケンスを図式によって示している。 図７は、パルス幅調整弁の機械的要素の原理図を示している。 図８は、図７に図示したものに対応した原理図であって、１つの要素が駆動流路も備えているものを示している。 図９は、２つの全サイクルにわたって動作中のパルス幅調整弁の機能の原理図を示している。 図１０は、熱力学エンジン、より詳しくはピストンエンジンに用いられるパルス幅調整弁の原理図を示している。 図１１は、多段膨張エンジン、この場合には複合エンジンに用いられるパルス幅調整弁の原理図を示している。 図１２は、蒸気エンジンまたは同様のエンジンの典型的なＰＶ線図を示している。 図１３は、駆動流通口（リーク流通口）を備えたパルス幅調整弁の図を示している。 図１４は、図１３における流体の流れがサイクロンに流通されるパルス幅調整弁を示している。 図１５は、内部熱交換器を備えた熱力学エンジンにおける作動流体の噴霧器として用いられる図１３のパルス幅調整弁であって、作動流体が熱力学エンジンの作動室にサイクロン状に注入される。 図１６ａは、回転可能な弁要素を実装したパルス幅調整弁の径方向断面図を示している。 図１６ｂは、図１６ａの弁の軸方向断面図であって、弁要素を図１６ａに表されたものに関連して９０°回転させて示している。 図１７ａは、回転可能な弁要素の回転機構の異なる実施形態の原理図を示している。 図１７ｂは、回転可能な弁要素の回転機構の異なる実施形態の原理図を示している。

図２は、位相調整ユニットによって互いに関連して位相変位されるようなプロフィールを備えた２つのカム軸によって動作させることができる２つの弁ユニットを直列に配置する方法を模式的に示している。代わりに、２つのプロファイルを備えた１つのカム軸を用いることができ、カム軸のプロファイルは十分な位相調整ユニットによるそれぞれのカム軸に関連して変化されてもよい。位相調整ユニットは、様々な形態によって構成および規定してもよい。従来、機械な原理が位相調整に多用されていたが、より最近は、油圧式、電気油圧式および電気機械式な調整原理がより用いられる。本発明は、ほとんどの形態の位相調整ユニットおよびその方法に適用することができ、特定の解決方法に依存せず、したがって、その形態の記述にはそれ以上の重点が置かれていない。位相調整ユニットに含まれるアクチュエータは、異なる形態であってもよい。機械式、油圧式および電気式のアクチュエータを用いることができ、さらに図２および３に示されている。

弁ユニット自体に関して、重要な点は、異なる弁の形態が、どの程度の開閉速度を達成できるかについて異なる特性を有していることである。シート弁は、例えば、常に停止状態から加速されなければならない；つまり、シート弁要素が弁シートと接触して液密となっている時に閉鎖状態が存在する事実によって、その速度はシート弁要素が開シーケンスを開始する状態においてゼロである。シート弁が開き、開シーケンスの最初の期間において、弁が十分に開いて弁を介した圧力降下が減少するまで、比較的高い流れ抵抗を有することになる。同様の現象が、閉シーケンスの最後の期間において、例えば、弁ギアが適合していることによって、シート弁要素が弁シートに減速して接近することができる。低い開速度および／または閉速度は、これらの状態における流路の絞りがその後の損失を伴う相当な圧力降下を生じさせることから、大流量を通す弁が必要とされるものでは一般的に不利である。

そのような圧力降下による欠点は、切替速度を高速にできる形態の弁を導入することによって制限することができる。その１つ方法は、摺動口変位（ｇｌｉｄｉｎｇ ｐｏｒｔ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｓ）を備えた弁を用いることである。摺動口変位を備えた弁の例として、ボール弁、スライド弁、ピストン弁、または円筒形状に設計され放射状の口を備えた回転弁がある。そのような弁では、弁要素の加速は、損失が最も決定的な過渡期間に先立って発生するかもしれない。弁要素は、その閉状態または開状態に到達する前に高速を達成することができ、それによって、好ましくない過渡周期の継続を制限することができ、それに伴い損失も相応して低減される。その結果、弁は実質的に速く開閉され、これは、両方向、つまり、開閉の両方に適用される。

弁の流れの損失を低減するように最適化した熱機関は、エンジンの総合的な性能の決定付け、それは有益な実施形態と非有益な実施形態の違いを意味する。

制御された２つの位相の流体の流れ（流体とガスの混合）を備えた装置において、その流体とガスが分離された状態を保持され、流体が効果的な方法によって可能であれば加温され、パルス幅調整器に接続したサイクロンを用いてもよく、パルス幅調整器は遮断弁が閉じられた時に少量の流体の流出（漏洩）が制御される駆動流通口に配設されている。これによって、主要な流れが遮断されても、サイクロン内へのサイクロン流れを維持することを助けることができる。図１３および１４は、下流側のサイクロンを備えた及び備えていない原理図をそれぞれ示している。駆動流通口は、遮断弁要素自体に配設してもよく、内部弁の独立した通路として、または流体貯蔵庫から内部弁へ至る通路とされる。駆動流通口は、通常、流体の流れを制限する絞りを含み、駆動流れは、通常、流体の流量によって判断される調整された主要な流れとの比による。

内部熱交換器、作動流体注入器、および特に流体注入器を備えた熱機関において、駆動流通口を備えたパルス幅調整器は、特に好ましく、主要な流れが遮断された後においても、駆動流れが相当な対流を維持することができ、内部熱交換器と作動流体の間の熱伝達に非常に良い効果を奏することできる。図１５は、このような構成の一例を示している。

Ｄ＝１００％までの動作範囲であれば、記載した弁の機能によって達成され、並行に接続した２つ以上の弁を用いることができる。２つの弁は、それぞれ開口間隔１８０°において５０％までのデューティサイクル（Ｄ）を有し、所望の効果を奏することができる。それぞれの開口周期は、利点として１８０°から減少され、一例として、遮断弁は流入弁の開口間隔と異なる開口間隔を備え、その結果、例えば、どんな小さな望ましくない漏れも制限される。

本発明の第１形態は、より具体的に、流体の流れおよび／または流体の圧力を調整するパルス幅調整弁であって、流入弁と直列に接続された遮断弁を有し、少なくとも遮断弁および流入弁の一方に、開始位置から離れた開位置および／または閉位置を備え、軸方向に移動可能または回転可能な弁要素が設けられることを特徴するものによって定められる。

少なくとも遮断弁および流入弁の一方は、シェル弁、スライド弁、または全または部分回転弁を含む系によって構成してもよい。

遮断弁は、閉速度よりも早い開速度を有してもよく、流入弁は、開速度よりも早い閉速度を有してもよい。

少なくとも遮断弁および流入弁の一方は、弁ギア装置に接続されてもよい。

弁ギア装置は、機械式の弁アクチュエータ、油圧式の弁アクチュエータ、空気圧式の弁アクチュエータ、電気機械式の弁アクチュエータ、電気油圧式の弁アクチュエータおよび電気空気圧式の弁アクチュエータを含む系からなる、少なくとも１つの形態の少なくとも１つのアクチュエータによって構成してもよい。

弁ギア装置は、弁同期装置に接続されてもよい。

弁同期装置は、少なくとも２つの弁の間の開閉動作に関係する動作位相を制御するようにしてもよい。

パルス幅調整弁は、少なくとも１つの入口、少なくとも１つの出口、および少なくとも１つの中間通路口を備えた弁保護部材を含み、少なくとも２つの弁要素のそれぞれの弁要素開口部は、開放及び遮断のために配設され、それぞれの流体の流れの方向は、少なくとも１つの入口から少なくとも一つの中間通路口を介して少なくとも１つの出口へ至る方向である。

弁保護部材は、少なくとも１つのリーク口が備えられてもよい。

少なくとも１つの入口、少なくとも１つの出口、および少なくとも１つの中間通路口、の少なくとも１つは、少なくとも１つの弁要素の全変位領域の拡張領域における最大の弁開口を維持する、少なくとも１つの弁要素開口と実質的に異なる開口を備えてもよい。

少なくとも１つの弁要素は、弁要素がその開位置にある時に流体の流れを維持する、少なくとも１つのリーク路が形成されてもよい。

弁要素の第１および第２端面から、弁ステムは、弁保護部材に配設されたそれぞれの弁封止部材を介して突出してもよい。

第１および第２端面は、等しい大きさの軸方向に向かう圧力面を形成してもよい。

弁要素は、軸方向に組み込まれ、組み込んだ要素は、第１および第２端面に対して圧縮力を提供してもよい。

本発明の第２形態は、より具体的に、本発明の第１形態によるパルス幅調整弁の操作方法に関し、以下の工程を含む方法によって定めており、
少なくとも２つの変位曲線に基づく弁同期装置による弁ギア装置の調整では、
１つまたは１つ以上の弁アクチュエータによって、前記パルス幅調整弁に配設された対応する前記弁要素を変位または回転させる。

本方法は、さらに工程を含んでもよく、少なくとも２つの変位曲線の間の位相関係を連続的に調整する。

本発明の第３形態は、より具体的に、熱機関、熱ポンプ、圧縮機、膨張機、パルス幅を変調された油圧式または空気圧式の回路における、本発明の第１形態および／または第２形態によるパルス幅調整弁の使用に関する。

熱機関は、熱電併給所に配設してもよい。

以下、好ましい実施形態の一例は、記載され、添付の図面によって可視化されている。

図１，５および９の機能図において、“ａ”および“ｂ”の参照は、それぞれ、開状態および閉状態にパルス幅が変調された流れ回路を示している。
図５および９の位相変化曲線において、“０”および“Ｃ”の参照は、それぞれ、開状態および閉状態の弁要素を示している。“Ｄ”は、弁の開状態の時間と閉状態の時間の関係を示し、デューティサイクルと称される。

“ｑ”は、図２，３，４，６，１０および１１において、流体の流れを示している。

“ψ”は、図６において、クランク軸、弁駆動軸、または同様の軸の回転角を示している。

“ｍ”は、図１５において、特定量の作動流体を示し、“Ｑｉ１”は、外部熱源から作動流体への熱エネルギの特定の供給を示し、および“Ｑｉ２”は、膨張室の内部熱交換器から作動流体への熱エネルギの特定の供給を示している。

最初に図２を参照し、パルス幅調整弁１は、第１弁要素１０ａおよび第２弁要素１０ｂを備えた弁ユニット１０を含んでいる。弁ギア２は、弁ユニット１０に配設されている。第１弁要素１０ａは、遮断弁要素とも称され、流体の流れｑの供給を遮断するために用いられる。第２弁要素１０ｂは、流入弁要素とも称され、例えば熱機関１００（図１０，１１および１５を参照）のような、下流の消費対象（ｄｏｗｎｓｔｒｅａｍ ｃｏｎｓｕｍｅｒ）への流体の流れｑの供給を行うために用いられる。遮断弁要素１０ａおよび流入弁要素１０ｂは、ところで、流体の流れにおいて逆の順に配設してもよい。弁ギア２は、第１弁アクチュエータ２０および第２弁アクチュエータ２０’を含み、ここでは２段のカム軸、第１カム軸２２ａおよび第２カム軸２２ｂに同期された回転を与える弁駆動軸２ａ、および弁アクチュエータ２０および２０’に所望の位相変化によって動作させる弁同期装置２３が示されている。弁アクチュエータ２０および２０’は、例えばロッドのような、それぞれ弁アクチュエータ接続部２０ａによって、弁要素１０ａおよび１０ｂに接続されている。

図３において、弁ギア２は、弁同期装置２３によって同期および位相変化される電気機械式、油圧式または空気圧式のアクチュエータの形態の弁アクチュエータ２０および２０’とともに示されている。サーボは、弁アクチュエータ２０および２０’として典型的に用いることができる。

図４を参照し、パルス幅調整弁１は、弁保護部材１９の第１部分１９ａおよび第２部分１９ｂにそれぞれ配設されたスライド式の２つの弁要素１０ａおよび１０ｂとともにより詳細に示されている。弁要素１０ａおよび１０ｂは、前述した弁ギア２に接続されている。弁保護部材１９は、第１弁要素１０ａに関連する入口１２、第２弁要素１０ｂに関連する出口１３、および弁保護部材１９の第１部分１９ａおよび第２部分１９ｂの間の連通を形成する中間通路口１４を含んでいる。入口１２、出口１３および中間通路口１４は、弁要素１０ａおよび１０ｂの変位によって閉開される。弁要素１０ａ、１０ｂは、流体通路１１ａおよび１１ｂに備えられている。

弁保護部材１９は、弁要素１０ａおよび１０ｂを介した意図しない漏れに起因する圧力の上昇を防止するリーク口１６も備えられている。

本実施形態の出口１３が弁要素１０ａおよび１０ｂの流路１１ａおよび１１ｂに大きな断面を備えていることは注目に値する。弁要素１０ａおよび１０ｂが最高の変位速度を示した時に開閉位置を切り替えることも注目に値する。これは開閉と関係する流れの損失を低減させる。

図５は、弁要素１０ａおよび１０ｂの間の異なる位相変化の効果を示している。遮断弁要素１０ａの変位曲線９ａは、破線によって示され、流入弁要素１０ｂの変位曲線９ｂは、実線によって示されている。弁関数曲線８によれば、開状態ａおよび閉状態ｂの間におけるパルス幅調整弁１の切り替えをそれぞれ示している。曲線は、３５％および６％のデューティサイクルのものが示されている。

図６は、流入弁要素１０ｂがその開放位置にある限り遮断弁要素１０ａが駆動流体の流れｑ２を供給する駆動流路に備えられた、パルス幅調整弁１の弁関数曲線８によるものを示している。駆動流路およびその効果は、以下に記載されている。遮断弁要素１０ａおよび流入弁要素１０ｂの両方が開いている限り、弁１は、主要な流体の流れｑ１を出力する。これに対応して、流入弁要素１０ｂの駆動流路の効果によって、主要な流体の流れｑ１に続いて駆動流体の流れｑ２を提供する。

パルス幅調整弁１の原理図を示す図７と、遮断弁要素１０ａに駆動流路１１ｃが備えられた以外は同様のものを示す図８を参照する。それは、熱交換器を備えた膨張室における一定量の対流／強制流の提供に好適である。これは、膨張室と連通する流体がある駆動流路１１ｃを用いることによって提供されてもよい。この原理は、図１３および１４に模式的にも示され、駆動流路１１ｃは絞りが備えられた駆動流通口１５を含んでいる。駆動流路１１ｃは、図１４のサイクロン１０１’のように模式的に示され、様々な方法、例えば流入弁要素１０ｂを介して、または弁保護部材１９の部材等を介して、流体レシーバに通じてもよい。駆動流通口１１ｃは、図８に示すように、遮断弁要素１０ａ自体に形成されてもよく、または中間弁（図示せず）に独立した口（ポート）として形成されてもよい。

図９は、変位曲線９ａおよび９ｂおよび３５％のデューティサイクルの弁関数曲線８に対応した２つの完全なデューティサイクルの過程の異なる位置における遮断弁要素１０ａおよび流入弁要素１０ｂをそれぞれ示している。

図１０は、ピストンエンジン１００に配設されたパルス幅調整弁１の典型的な実施形態を示している。

図１１は、ピストンエンジン１００（多段膨張エンジン）の第１膨張室１０１および第２膨張室１０２に配設された第１パルス幅調整弁１および第２パルス幅調整弁１，１’を同様に示している。

図１２は、蒸気エンジンまたは同様のエンジンの典型的なＰＶ線図１１００を示し、１１１０は作動ストロークを示し、１１１０ａは流入過程を示し、１１１０ａ’は本発明によって達成される改良された流入過程の効果を示し、１１１０ｂは略断熱膨張過程を示し、および１１１０Ｃは流出（排気）の開始を示している。さらに、１１１０ｄは流出過程、１１１０ｅは前圧縮過程、および１１１０ｆは初期流入過程／予備流入を示している。

図１５は、熱機関の作動流体回路に配設されたパルス幅調整弁１を原理的に示している。

図１６ａおよび１６ｂを参照し、パルス幅調整弁１には流路１１ａおよび１１ｂに回転可能な弁要素１０ａおよび１０ｂが備えられ、それぞれ開口部１１ａ’および１１ｂ’の径方向に延在し、それぞれ弁要素の中心軸に向かって減少している。入口１２の開口部は、参照番号１２’によって示されている。中間通路口１４の開口部は、参照番号１４’によって示されている。出口１３の開口部は、参照番号１３’によって示されている。

図１７ａおよび１７ｂは、弁アクチュエータ２０の揺動運動を弁アクチュエータ接続部２０ａを介して弁要素１０ａ及び１０ｂの回転運動に変換する異なる原理を、それ自体公知の回転するカム軸２２ａ及び２０ｂによって示し、第１実施形態（図１７ａを参照）では、押棒２０ａの揺動運動をピッチラック部２０ａ’を介して弁要素１０ａおよび１０ｂの１つの弁ステム１０ｃ、できれば１０ｄに配設された歯車１０３に伝達し、第２実施形態（図１７ｂを参照）では、押棒２０ａの揺動運動を弁要素１０ａ、１０ｂの１つの弁ステム１０ｃ、できれば１０ｄに配設された弁アーム１０３’に伝達している。

弁同期装置２３は、模式的に示され、カム軸２２ａ及び２２ｂの回転を位相変化できるように弁ギア２に配設されている。

左右対称の弁要素１０ａ及び１０ｂにおいて、つまり、弁要素１０ａ及び１０ｂの両端部は、弁ステム１０ｃ及び１０ｄを形成し、それぞれが弁封止部材１８を通って突出し、等しい大きさの弁封止部材１８に対面した第１端面１０４および第２端面１０４’によって、弁素子１０ａおよび１０ｂにバランスの取れた軸方向の圧力負荷を与える。
それによって、弁要素１０ａおよび１０ｂと弁封止部材１８の間の摩擦力は、低減される。小さな力のみ、弁要素１０ａおよび１０ｂを動かすために、それによって必要とされる。弁１は、通常、所定の位置に弁封止部材１８を保持する端板（不図示）が備えられている。また、１つ以上の弁封止部材１８は、それぞれの弁ステム１０ｃ，１０ｄに配設してもよく、その場合、通常は、弁１は対応する余分な端材（不図示）が備えられる。

弁要素１０ａおよび１０ｂの切り替えは、開放位置および閉位置の間で調整可能な位相変化をもたらし、常に流体で満たされた中間通路口１４によって形成される中間弁体積によって定められる最小レベルからの十分な可変弁機能を提供する。

上述した実施形態においても、回転弁要素は記述されおよび示され、記述した効果は、それらの開いた位置とそれらの閉じた位置を示すスライド弁を用いることによっても達成される。

弁保護部材１９の弁要素軸受１７の使用は、機能および少なくとも１０，０００時間のような形態の装置である弁１の寿命に極めて重要であり得る。

第１弁ユニット１ａの前面の蓄電池（不図示）を用いる利点は、特に水の注入であって、ガスの注入においても重要であり、それはつまり弁１がＯＲＣ（有機ランキンサイクル）エンジンに用いられる時である。蓄電池は、液体が注入される時の圧力ピークのリスクを低減し、初期注入中の圧力降下を低減させる。好ましい形態の蓄電池は、例えば１８０℃以上の高温に耐えることができる金属ベローズ蓄電池である。

弁要素１０ａ及び１０ｂは、弁要素の開口部１１ａ及び１１ｂの周方向の幅が約６ｍｍの時に典型的に約２４ｍｍであって、比較的大きな直径において有利である。大きな直径のものが小さい直径のものと比べて大きな周速度を伴うことは、回転速度および高い切り替え速度が与えられ、弁が開状態から閉状態またはその逆になる時に発生し、切り替え状態（ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｐｈａｓｅｓ）における大きな圧力降下やそれに伴う損失を避けるために重要である弁ステム１０ｃ，１０ｄの直径は、他方、比較的小さく、弁要素の直径２４ｍｍに対して典型的に約８乃至１０ｍｍである。

弁要素の開口部１１ａ，１１ｂは、例えは２／１０乃至４／１０の範囲のように、その高さとの関係において、小さい幅（つまり、弁要素１０ａ、１０ｂの移動方向の範囲）が好ましい。前項で述べた弁要素１０ａおよび１０ｂの寸法において、幅／高さの比は、典型的に約４／１４である。これは、大きな幅を備えたものと比べて速い開閉を提供する。

典型的な実施形態においても、カム軸２２（図１７ａおよび１７ｂを参照）を備えた弁ギア２は、実用的な用途としても使用可能な全回転の機械式弁ギアとして示されている。全回転する弁ギアは、非常に簡易および安価な利点を有している。カム軸２２を備えた弁ギア２は、他方、特定のフレーム内で操作可能な弁の速度プロファイルに利点を与える。カムギアにおいて、優れた速度は、切り替え状態（ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｐｈａｓｅ）、つまり弁要素１０ａ、１０ｂが開状態から閉状態またはその逆になる時に達成される。同時に、全開の位置に達した時にほぼ停止する。これによって、弁１を介した圧力降下に良好な効果を有し、損失の低減をもたらす。全回転弁ギアにおいて、弁１の口１２および１３をより大径にすることも考えられ、それによって圧力降下をもたらし、いずれにしても、圧力を相対的に低くし、そのような場合、良好且つ簡易な構成が達成できる。

液体の注入において、中間弁で生じる状況は、流入弁１ｂが閉じられ、遮断弁１ａが開かれ、および中間弁が液体で満たされた状態の中間通路口１４によって表される。これは、望まない圧力ピーク（キャビテーション）を引き起こす。遮断弁１ａを柔らかく開くことは、したがって有益であり、カムギアに実装され、それに対応して、遮断弁１ａの閉鎖は絞りによる損失を低減するために速くなければならない。この組合せは、適応したカムのプロファイルによって満たされる。この影響から、一定の速度で全回転する弁ギアを実現することが困難である。

弁１の要素、つまり要素１０ａおよび１０ｂおよび弁要素軸受１７等は、噴霧器によって力を損失しないために作動流体の最高温度とほぼ同じ温度にするべきである。これは、動的部材と静的部材の間において停止の虞がある摩擦の増加のリスクを低減するためにも好ましい。これは、確立されている既存の熱交換器への良好な熱的な接続によって、または可能であれば熱した熱流体の循環路が備えられた弁保護部材１９によって解決してもよい。弁保護部材１９は、可能であれば絶縁してもよい。

回転可能な弁要素１０ａ、１０ｂは、図１６ｂに示された典型的な実施形態において、弁要素１０ａ、１０ｂの軸方向の位置を決定する軸方向に組込み済みである。組込み済みの要素１８ｂは、典型的にはＯリングから構成され、高耐熱性プラスチック材料によって形成された弁封止部材１８とスライド盤１８ａの間に配設され、弁要素１０ａおよび１０ｂおよびスライド盤１８ａの間に組み込まれた結果によって生じる摩擦力を最小限にする。

パルス幅調整弁１は、特に図１０および１１に示すように、熱機関１００またはより一般的な置換エンジンの１以上の作動室１０１及び１０２と連通した流体の中に備えている。置換エンジンは、典型的には、ピストンエンジン、スクロールエンジン（螺旋状のエンジン）、翼エンジン、ギヤーエンジン、またはスクリューエンジンからなる。当業者にとって、置換エンジンが同様に油圧シリンダを意味することは明らかである。

本発明は、流体の流れおよび／または流体の圧力を制御するパルス幅調整弁およびパルス幅調整弁の動作方法に関する。

電気的なパルス幅変調と同様に、１つまたは１つ以上の弁が周期的な流体の流れを制御する流体の流れにおいて存在し、それ／それらが開いた位置にある時に、１つの弁または複数の弁は可能な限り低い圧力低下が達成されるように動作される。理想的には、パルス幅変調に用いられるバルブは、２つの状態のみを備え、つまり全開（ＯＮ）または全閉（オフ）のいずれかになる。これは電気的なパルス幅変調にも当てはまり、一般にトランジスタのような形態の電気式のスイッチは、完全にオンまたは完全にオフになる。可変的な流れは、開時間と閉時間の関係を変化させて達成されるが、周波数は、通常、一定に保たれる。開状態の時間と閉状態の時間の関係は、通常、デューティサイクルと称され、多くの場合に記号”Ｄ”で示され、パーセントで与えられる。与えられた動作周波数における周期的な動作の間、デューティサイクルは、それから独立し、上述したオフとオンの間の間隔の関係のみ定める。達成された流体の流れは、主に、バルブ（そして、同様に、電気的な環境のスイッチ）のデューティサイクルに比例する。０％（Ｄ＝０％）のデューティサイクルにおいて、弁は全閉されて、流体の流れは存在しない。利用可能な全ての流体の流れの５０％または５０％強は、回路内の残留抵抗および供給圧力等に応じて、達成される。

図１は、異なるデューティサイクルを備えたパルス幅変調回路の機能図を示している。

流体の流れの可変的な調整において、チョーク／スロットル弁の形態を用いることも一般的である。チョーク弁の使用は、それが部分的に開いている時に、比較的大きな損失を伴う。損失は、一般に、等エンタルピー的な圧力降下、および自由膨張および／または発生する乱流現象から生じる摩擦による形態であって、流体の通路中の狭いまたは他の流体の流れが規制された通路に起因するものであって、絞りと流体の性質に全て依存する。弁は、弁の開口が大きく、かつ、十分な流体の流量において弁を介した圧力降下が小さい時にのみ、最小限の損失で動作する。開口部および可能であれば純粋なオフ／オン弁のバルブ要素の溝／開口は、弁が全開の時に小さい損失しか示さないため、期待されまたは必要な流体の流れに応じて決定されるが、可変的な流体の流れの提供を意図した比例弁または他の形態のバルブは、部分的な流れ、つまりバルブの位置が全開放と全閉鎖の間の状態にあるときに、常に相当な損失がある。

小さな流体の流れを必要とする小規模なアプリケーションでは、これは必ずしも問題ではない。問題は、大きな流体の流れによる圧力降下の形で大きな損失が発生する時のみに生じ、そして、このような場合において、パルス幅調節弁を用いることは非常に有利であって、その弁は上記の説明によれば相当に低い損失を示すことになる。

熱機関、特定の蒸気エンジンおよびその変形例において、それはパルス幅変調／調整の形態を用いることが一般的であり、切断調整噴霧器として多くの場合に定義される。この形態のパルス幅変調によって作動流体を生成し、多くの場合、蒸気は、チャンバが一定量に達するまで、全圧力によって膨張室、多くの場合にエンジンのシリンダ室に注入される。蒸気の供給は次に遮断（切断）され、蒸気は排気弁が開かれるまで略断熱的に膨張し、シリンダ室はほとんど全ストローク体積に達する。このように、蒸気の供給は、特定の絞り無しに調整され、そうでなければ相当な損失を伴う。

従来技術において、このような過程を制御する多くの弁の解決法が存在する。以前の蒸気エンジンにおいて、供給弁のデューティサイクルを与える遮断ポイントは、移動方向に沿って調整可能なスライド弁のストロークによって調整され、とりわけ、そのようにして、調整可能な遮断が達成されていた。上述したように、これは、絞り弁によるエンジンに大きな利点をもたらした。このようなエンジンは、簡便でもあって、適切な弁ギア機構が用いられることによって逆転される。切断の調整およびその逆の調整の両方を制御可能な弁ギア機構の一例は、ステファンソン（Ｓｔｅｐｈｅｎｓｏｎ）機構である。これは、通常、蒸気エンジン車のために用いられ、ワァルシャーツ（Ｗａｌｓｃｈａｅｒｔｓ）機構、コーリス（Ｃｏｒｌｉｓｓ）機構、より最近では、キャポロティ（Ｃａｐｒｏｔｔｉ）機構のような、無数の他の対応する機構がある。形態に応じて、これらは遮断およびその逆を可変する機能を備えたスライド弁、部分回転弁、シート弁の全てを制御することができる。

それにも関わらずそれらのいくつかで問題となっていることは、切り替え状態の時に、十分に速い弁要素の加速、または可能であれば十分に短い開／閉時間を達成することである。特定の設計が施された解決法において、開始からまたは停止で終わる切り替えポイント（開／閉）での弁の動作、つまり、これらの領域では、切り替え状態の間における相当な絞りによって弁要素が低速を示すことが多発する。

いくつかの弁ギア機構では、その機能には弁の総開口部に相当な絞りが多用され、サイクル状態の動作において、それらは遮断の状態に近い。これは、たとえ弁機構がパルス幅変調に関する実際的な方法を提供しても、閉状態と開状態を切り替える時の絞りの存在によって、弁は実際に相当な損失を伴いながら動作することを意味する。

加えて、デューティサイクルにおいて十分に低い下限を達成することは困難であって、つまり、特に損失を伴う絞りの要素無しには、遮断によってデューティサイクルを０％に下げることを達成することは困難である。詳細には、遮断ポイントを例えば５乃至１０％未満に調整することは、達成することが困難であり、それは蒸気エンジンにおいて低い出力での調整は困難であって部分的に不可能であることを意味する。

この発明は、従来技術の欠点の少なくとも一つを改善または低減し、または少なくとも従来技術に有用な代替を提供することを目的とする。

この目的は、以下の説明と特許請求の範囲によって表された特徴によって達成される。

直列接続された２つの弁ユニットから構成されるパルス幅変調弁は、より具体的には流入弁および遮断弁であって、蒸気エンジンまたは同様のエンジンの弁の開閉における主要な問題を解決するために、切り替え状態の時にそれぞれの弁ユニットの速度を増加させる行程を備えている。

ＳＡＥ７４０２９６およびＳＡＥ７５００６８の公報には、原理的に、低い遮断ポイント、つまり短い開間隔を望ましくは０％近傍にすることができる解決方法が施されたシート弁が開示されている。シート弁の使用は、閉状態の近傍で比較的高いスロットリングをそれでも示し、そのシート弁の性質によるものであって、その欠点である。

直列接続された２つの弁ユニットを用いることによって、一般的に、流入弁が開状態の時に高い切り替えを十分に示し、遮断弁が閉状態の時に速い切り替えを十分に示すことから、状態の切替は両方の弁ユニットの両方向（開／閉）において必ずしも高速である必要はない。この方法では、処理は単に一つの方向の切り替え特性に関して速度を増加させつつ、同時に、弁の総合的な機能において、それでも高い切り替え特性を示す。単に一方向において速い速度を提供することは、いくつかの利点を有する。例えば、電気的に動作される弁において、一般的には弁は単に１つの方向に最速の切り替え速度を示し、通常はその方向はソレノイドによって制御され、その問題はソレノイドの引く力または押す力に反する方向へ戻るバネを備えた弁にあった。

弁の非対称な速度制御は、閉動作が開動作よりも典型的にはるかに速いような、歴史的な設計によって実現され：トリップギアは、供給／注入弁による高速の遮断／遮断の提供において、多用されていた。この利点は絞りが最小化されることであるが、摩擦の問題に付随して、弁要素の加速度を高める必要が生じる欠点がしばしばあった。このような機構は、例えば毎分約２００回転までの低回転の動作を満たす機能しか未だに有していない。より高速回転するエンジンのために、さらに高速な機構の要求があってもよいが、これが例えばスライドのように単一の弁要素によって実現されると、必要とされる加速は、実用化に至らないレベルにしか至らないか、最悪の場合、実装は不可能である。

図１は、パルス幅変調装置の一般的な機能図を示している。これらは、原理的には、電気回路および流体回路の両方に適用してもよいが、以下では、それらは流体回路に適用されるものと仮定する。比例的、つまり線形的な流体回路において、弁ストロークと瞬時的な流体の流れの間には相関関係があり、流体の流れの調整において、流体の流れのアナログ的な破断がバルブを介して達成できる。図１は、瞬間的な流体の流れが別個の特性を有する以外、機能的にこれと同等なものを示し、つまり、流体の流れは完全に遮断または最大のみであって、原理的には、中間のレベルは存在していない。それでも、開状態および閉状態の間隔の関係を調節することによって、平均流れをそれに非常に相関させることができ、このようにしてパルス幅調整回路は、直線的に調整回路を置き換えることができる。パルス幅調整回路においてアキュムレータのような圧力および流れを均等化するユニットを導入する必要があり、流体の流れがより小さな変動のみ示すために、急速に変化する圧力および流れのレベルによる、システムへの大きな負荷を避ける必要があるということが言える。

実用的に実装されたパルス幅調整回路において、物理的なシステムは無限に速い加速を成し得ないことから、ＯＦＦ状態およびＯＮ状態の間の切替ポイントにおいて一定の立ち上がり時間と立下り時間が生じる。実際には、関数曲線は、図１に示されている切替ポイントのものよりも曲線になる。このような曲線の部分は、いくらかの損失を招くものの、パルス幅調整回路による利益は直線的に制御する回路に関してなお大きい。

図１は、パルス幅が調整されたデバイスの機能図であって、パルス幅の周期が１５，３０，４５，６０，７５，および９０％のものをそれぞれ示している。 図２は、弁要素が第１実施形態の弁ギアに接続されたパルス幅調整弁の原理図を示している。 図３は、第２実施形態の弁ギアを備えたパルス幅調整弁の原理図を示している。 図４は、スライドまたはピストン弁に基づくパルス幅調整弁の部分断面図を示している。 図５は、関連する位相変化曲線を備えるパルス幅調整弁の機能図を示している。 図６は、噴霧器として用いられるパルス幅調整弁のフローシーケンスを図式によって示している。 図７は、パルス幅調整弁の機械的要素の原理図を示している。 図８は、図７に図示したものに対応した原理図であって、１つの要素が駆動流路も備えているものを示している。 図９は、２つの全サイクルにわたって動作中のパルス幅調整弁の機能の原理図を示している。 図１０は、熱力学エンジン、より詳しくはピストンエンジンに用いられるパルス幅調整弁の原理図を示している。 図１１は、多段膨張エンジン、この場合には複合エンジンに用いられるパルス幅調整弁の原理図を示している。 図１２は、蒸気エンジンまたは同様のエンジンの典型的なＰＶ線図を示している。 図１３は、駆動流通口（リーク流通口）を備えたパルス幅調整弁の図を示している。 図１４は、図１３における流体の流れがサイクロンに流通されるパルス幅調整弁を示している。 図１５は、内部熱交換器を備えた熱力学エンジンにおける作動流体の噴霧器として用いられる図１３のパルス幅調整弁であって、作動流体が熱力学エンジンの作動室にサイクロン状に注入される。 図１６ａは、回転可能な弁要素を実装したパルス幅調整弁の径方向断面図を示している。 図１６ｂは、図１６ａの弁の軸方向断面図であって、弁要素を図１６ａに表されたものに関連して９０°回転させて示している。 図１７ａは、回転可能な弁要素の回転機構の異なる実施形態の原理図を示している。 図１７ｂは、回転可能な弁要素の回転機構の異なる実施形態の原理図を示している。

図２は、位相調整ユニットによって互いに関連して位相変位されるようなプロフィールを備えた２つのカム軸によって動作させることができる２つの弁ユニットを直列に配置する方法を模式的に示している。代わりに、２つのプロファイルを備えた１つのカム軸を用いることができ、カム軸のプロファイルは十分な位相調整ユニットによるそれぞれのカム軸に関連して変化されてもよい。位相調整ユニットは、様々な形態によって構成および規定してもよい。従来、機械な原理が位相調整に多用されていたが、より最近は、油圧式、電気油圧式および電気機械式な調整原理がより用いられる。本発明は、ほとんどの形態の位相調整ユニットおよびその方法に適用することができ、特定の解決方法に依存せず、したがって、その形態の記述にはそれ以上の重点が置かれていない。位相調整ユニットに含まれるアクチュエータは、異なる形態であってもよい。機械式、油圧式および電気式のアクチュエータを用いることができ、さらに図２および３に示されている。

弁ユニット自体に関して、重要な点は、異なる弁の形態が、どの程度の開閉速度を達成できるかについて異なる特性を有していることである。シート弁は、例えば、常に停止状態から加速されなければならない；つまり、シート弁要素が弁シートと接触して液密となっている時に閉鎖状態が存在する事実によって、その速度はシート弁要素が開シーケンスを開始する状態においてゼロである。シート弁が開き、開シーケンスの最初の期間において、弁が十分に開いて弁を介した圧力降下が減少するまで、比較的高い流れ抵抗を有することになる。同様の現象が、閉シーケンスの最後の期間において、例えば、弁ギアが適合していることによって、シート弁要素が弁シートに減速して接近することができる。低い開速度および／または閉速度は、これらの状態における流路の絞りがその後の損失を伴う相当な圧力降下を生じさせることから、大流量を通す弁が必要とされるものでは一般的に不利である。

そのような圧力降下による欠点は、切替速度を高速にできる形態の弁を導入することによって制限することができる。その１つ方法は、摺動口変位（ｇｌｉｄｉｎｇ ｐｏｒｔ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｓ）を備えた弁を用いることである。摺動口変位を備えた弁の例として、ボール弁、スライド弁、ピストン弁、または円筒形状に設計され放射状の口を備えた回転弁がある。そのような弁では、弁要素の加速は、損失が最も決定的な過渡期間に先立って発生するかもしれない。弁要素は、その閉状態または開状態に到達する前に高速を達成することができ、それによって、好ましくない過渡周期の継続を制限することができ、それに伴い損失も相応して低減される。その結果、弁は実質的に速く開閉され、これは、両方向、つまり、開閉の両方に適用される。

弁の流れの損失を低減するように最適化した熱機関は、エンジンの総合的な性能の決定付け、それは有益な実施形態と非有益な実施形態の違いを意味する。

制御された２つの位相の流体の流れ（流体とガスの混合）を備えた装置において、その流体とガスが分離された状態を保持され、流体が効果的な方法によって可能であれば加温され、パルス幅調整器に接続したサイクロンを用いてもよく、パルス幅調整器は遮断弁が閉じられた時に少量の流体の流出（漏洩）が制御される駆動流通口に配設されている。これによって、主要な流れが遮断されても、サイクロン内へのサイクロン流れを維持することを助けることができる。図１３および１４は、下流側のサイクロンを備えた及び備えていない原理図をそれぞれ示している。駆動流通口は、遮断弁要素自体に配設してもよく、内部弁の独立した通路として、または流体貯蔵庫から内部弁へ至る通路とされる。駆動流通口は、通常、流体の流れを制限する絞りを含み、駆動流れは、通常、流体の流量によって判断される調整された主要な流れとの比による。

内部熱交換器、作動流体注入器、および特に流体注入器を備えた熱機関において、駆動流通口を備えたパルス幅調整器は、特に好ましく、主要な流れが遮断された後においても、駆動流れが相当な対流を維持することができ、内部熱交換器と作動流体の間の熱伝達に非常に良い効果を奏することできる。図１５は、このような構成の一例を示している。

Ｄ＝１００％までの動作範囲であれば、記載した弁の機能によって達成され、並行に接続した２つ以上の弁を用いることができる。２つの弁は、それぞれ開口間隔１８０°において５０％までのデューティサイクル（Ｄ）を有し、所望の効果を奏することができる。それぞれの開口周期は、利点として１８０°から減少され、一例として、遮断弁は流入弁の開口間隔と異なる開口間隔を備え、その結果、例えば、どんな小さな望ましくない漏れも制限される。

本発明の第１形態は、より具体的に、流入弁と直列に接続された遮断弁を有し、少なくとも遮断弁および流入弁の一方に、軸方向に移動可能または回転可能な弁要素が設けられる、流体の流れおよび／または流体の圧力を調整するパルス幅調整弁であって、 弁要素は、摺動口変位を提供する弁要素の開始位置から離れた開位置および／または閉位置を有することを特徴とするものによって定められる。

少なくとも遮断弁および流入弁の一方は、シェル弁、スライド弁、または全または部分回転弁を含む系によって構成してもよい。

遮断弁は、閉速度よりも早い開速度を有してもよく、流入弁は、開速度よりも早い閉速度を有してもよい。

少なくとも遮断弁および流入弁の一方は、弁ギア装置に接続されてもよい。

弁ギア装置は、機械式の弁アクチュエータ、油圧式の弁アクチュエータ、空気圧式の弁アクチュエータ、電気機械式の弁アクチュエータ、電気油圧式の弁アクチュエータおよび電気空気圧式の弁アクチュエータを含む系からなる、少なくとも１つの形態の少なくとも１つのアクチュエータによって構成してもよい。

弁ギア装置は、弁同期装置に接続されてもよい。

弁同期装置は、少なくとも２つの弁の間の開閉動作に関係する動作位相を制御するようにしてもよい。

パルス幅調整弁は、少なくとも１つの入口、少なくとも１つの出口、および少なくとも１つの中間通路口を備えた弁保護部材を含み、少なくとも２つの弁要素のそれぞれの弁要素開口部は、開放及び遮断のために配設され、それぞれの流体の流れの方向は、少なくとも１つの入口から少なくとも一つの中間通路口を介して少なくとも１つの出口へ至る方向である。

弁保護部材は、少なくとも１つのリーク口が備えられてもよい。

少なくとも１つの入口、少なくとも１つの出口、および少なくとも１つの中間通路口、の少なくとも１つは、少なくとも１つの弁要素の全変位領域の拡張領域における最大の弁開口を維持する、少なくとも１つの弁要素開口と実質的に異なる開口を備えてもよい。

少なくとも１つの弁要素は、弁要素がその開位置にある時に流体の流れを維持する、少なくとも１つのリーク路が形成されてもよい。

弁要素の第１および第２端面から、弁ステムは、弁保護部材に配設されたそれぞれの弁封止部材を介して突出してもよい。

第１および第２端面は、等しい大きさの軸方向に向かう圧力面を形成してもよい。

弁要素は、軸方向に組み込まれ、組み込んだ要素は、第１および第２端面に対して圧縮力を提供してもよい。

本発明の第２形態は、より具体的に、本発明の第１形態によるパルス幅調整弁の動作方法に関し、以下の工程を含む方法によって定めており、
少なくとも２つの変位曲線に基づく弁同期装置による弁ギア装置の調整では、
１つまたは１つ以上の弁アクチュエータによって、パルス幅調整弁に配設された対応する弁要素を変位または回転させる。

本方法は、さらに工程を含んでもよく、少なくとも２つの変位曲線の間の位相関係を連続的に調整する。

本発明の第３形態は、より具体的に、熱機関、熱ポンプ、圧縮機、膨張機、パルス幅を変調された油圧式または空気圧式の回路における、本発明の第１形態および／または第２形態によるパルス幅調整弁の使用に関する。

熱機関は、熱電併給所に配設してもよい。

以下、好ましい実施形態の一例は、記載され、添付の図面によって可視化されている。

図１，５および９の機能図において、“ａ”および“ｂ”の参照は、それぞれ、開状態および閉状態にパルス幅が変調された流れ回路を示している。
図５および９の位相変化曲線において、“０”および“Ｃ”の参照は、それぞれ、開状態および閉状態の弁要素を示している。“Ｄ”は、弁の開状態の時間と閉状態の時間の関係を示し、デューティサイクルと称される。

“ｑ”は、図２，３，４，６，１０および１１において、流体の流れを示している。

“ψ”は、図６において、クランク軸、弁駆動軸、または同様の軸の回転角を示している。

“ｍ”は、図１５において、特定量の作動流体を示し、“Ｑｉ１”は、外部熱源から作動流体への熱エネルギの特定の供給を示し、および“Ｑｉ２”は、膨張室の内部熱交換器から作動流体への熱エネルギの特定の供給を示している。

最初に図２を参照し、パルス幅調整弁１は、第１弁要素１０ａおよび第２弁要素１０ｂを備えた弁ユニット１０を含んでいる。弁ギア２は、弁ユニット１０に配設されている。第１弁要素１０ａは、遮断弁要素とも称され、流体の流れｑの供給を遮断するために用いられる。第２弁要素１０ｂは、流入弁要素とも称され、例えば熱機関１００（図１０，１１および１５を参照）のような、下流の消費対象（ｄｏｗｎｓｔｒｅａｍ ｃｏｎｓｕｍｅｒ）への流体の流れｑの供給を行うために用いられる。遮断弁要素１０ａおよび流入弁要素１０ｂは、ところで、流体の流れにおいて逆の順に配設してもよい。弁ギア２は、第１弁アクチュエータ２０および第２弁アクチュエータ２０’を含み、ここでは２段のカム軸、第１カム軸２２ａおよび第２カム軸２２ｂに同期された回転を与える弁駆動軸２ａ、および弁アクチュエータ２０および２０’に所望の位相変化によって動作させる弁同期装置２３が示されている。弁アクチュエータ２０および２０’は、例えばロッドのような、それぞれ弁アクチュエータ接続部２０ａによって、弁要素１０ａおよび１０ｂに接続されている。

図３において、弁ギア２は、弁同期装置２３によって同期および位相変化される電気機械式、油圧式または空気圧式のアクチュエータの形態の弁アクチュエータ２０および２０’とともに示されている。サーボは、弁アクチュエータ２０および２０’として典型的に用いることができる。

図４を参照し、パルス幅調整弁１は、弁保護部材１９の第１部分１９ａおよび第２部分１９ｂにそれぞれ配設されたスライド式の２つの弁要素１０ａおよび１０ｂとともにより詳細に示されている。弁要素１０ａおよび１０ｂは、前述した弁ギア２に接続されている。弁保護部材１９は、第１弁要素１０ａに関連する入口１２、第２弁要素１０ｂに関連する出口１３、および弁保護部材１９の第１部分１９ａおよび第２部分１９ｂの間の連通を形成する中間通路口１４を含んでいる。入口１２、出口１３および中間通路口１４は、弁要素１０ａおよび１０ｂの変位によって閉開される。弁要素１０ａ、１０ｂは、流体通路１１ａおよび１１ｂに備えられている。

弁保護部材１９は、弁要素１０ａおよび１０ｂを介した意図しない漏れに起因する圧力の上昇を防止するリーク口１６も備えられている。

本実施形態の出口１３が弁要素１０ａおよび１０ｂの流路１１ａおよび１１ｂに大きな断面を備えていることは注目に値する。弁要素１０ａおよび１０ｂが最高の変位速度を示した時に開閉位置を切り替えることも注目に値する。これは開閉と関係する流れの損失を低減させる。

図５は、弁要素１０ａおよび１０ｂの間の異なる位相変化の効果を示している。遮断弁要素１０ａの変位曲線９ａは、破線によって示され、流入弁要素１０ｂの変位曲線９ｂは、実線によって示されている。弁関数曲線８によれば、開状態ａおよび閉状態ｂの間におけるパルス幅調整弁１の切り替えをそれぞれ示している。曲線は、３５％および６％のデューティサイクルのものが示されている。

図６は、流入弁要素１０ｂがその開放位置にある限り遮断弁要素１０ａが駆動流体の流れｑ２を供給する駆動流路に備えられた、パルス幅調整弁１の弁関数曲線８によるものを示している。駆動流路およびその効果は、以下に記載されている。遮断弁要素１０ａおよび流入弁要素１０ｂの両方が開いている限り、弁１は、主要な流体の流れｑ１を出力する。これに対応して、流入弁要素１０ｂの駆動流路の効果によって、主要な流体の流れｑ１に続いて駆動流体の流れｑ２を提供する。

パルス幅調整弁１の原理図を示す図７と、遮断弁要素１０ａに駆動流路１１ｃが備えられた以外は同様のものを示す図８を参照する。それは、熱交換器を備えた膨張室における一定量の対流／強制流の提供に好適である。これは、膨張室と連通する流体がある駆動流路１１ｃを用いることによって提供されてもよい。この原理は、図１３および１４に模式的にも示され、駆動流路１１ｃは絞りが備えられた駆動流通口１５を含んでいる。駆動流路１１ｃは、図１４のサイクロン１０１’のように模式的に示され、様々な方法、例えば流入弁要素１０ｂを介して、または弁保護部材１９の部材等を介して、流体レシーバに通じてもよい。駆動流通口１１ｃは、図８に示すように、遮断弁要素１０ａ自体に形成されてもよく、または中間弁（図示せず）に独立した口（ポート）として形成されてもよい。

図９は、変位曲線９ａおよび９ｂおよび３５％のデューティサイクルの弁関数曲線８に対応した２つの完全なデューティサイクルの過程の異なる位置における遮断弁要素１０ａおよび流入弁要素１０ｂをそれぞれ示している。

図１０は、ピストンエンジン１００に配設されたパルス幅調整弁１の典型的な実施形態を示している。

図１１は、ピストンエンジン１００（多段膨張エンジン）の第１膨張室１０１および第２膨張室１０２に配設された第１パルス幅調整弁１および第２パルス幅調整弁１，１’を同様に示している。

図１２は、蒸気エンジンまたは同様のエンジンの典型的なＰＶ線図１１００を示し、１１１０は作動ストロークを示し、１１１０ａは流入過程を示し、１１１０ａ’は本発明によって達成される改良された流入過程の効果を示し、１１１０ｂは略断熱膨張過程を示し、および１１１０Ｃは流出（排気）の開始を示している。さらに、１１１０ｄは流出過程、１１１０ｅは前圧縮過程、および１１１０ｆは初期流入過程／予備流入を示している。

図１５は、熱機関の作動流体回路に配設されたパルス幅調整弁１を原理的に示している。

図１６ａおよび１６ｂを参照し、パルス幅調整弁１には流路１１ａおよび１１ｂに回転可能な弁要素１０ａおよび１０ｂが備えられ、それぞれ開口部１１ａ’および１１ｂ’の径方向に延在し、それぞれ弁要素の中心軸に向かって減少している。入口１２の開口部は、参照番号１２’によって示されている。中間通路口１４の開口部は、参照番号１４’によって示されている。出口１３の開口部は、参照番号１３’によって示されている。

図１７ａおよび１７ｂは、弁アクチュエータ２０の揺動運動を弁アクチュエータ接続部２０ａを介して弁要素１０ａ及び１０ｂの回転運動に変換する異なる原理を、それ自体公知の回転するカム軸２２ａ及び２０ｂによって示し、第１実施形態（図１７ａを参照）では、押棒２０ａの揺動運動をピッチラック部２０ａ’を介して弁要素１０ａおよび１０ｂの１つの弁ステム１０ｃ、できれば１０ｄに配設された歯車１０３に伝達し、第２実施形態（図１７ｂを参照）では、押棒２０ａの揺動運動を弁要素１０ａ、１０ｂの１つの弁ステム１０ｃ、できれば１０ｄに配設された弁アーム１０３’に伝達している。

弁同期装置２３は、模式的に示され、カム軸２２ａ及び２２ｂの回転を位相変化できるように弁ギア２に配設されている。

左右対称の弁要素１０ａ及び１０ｂにおいて、つまり、弁要素１０ａ及び１０ｂの両端部は、弁ステム１０ｃ及び１０ｄを形成し、それぞれが弁封止部材１８を通って突出し、等しい大きさの弁封止部材１８に対面した第１端面１０４および第２端面１０４’によって、弁素子１０ａおよび１０ｂにバランスの取れた軸方向の圧力負荷を与える。
それによって、弁要素１０ａおよび１０ｂと弁封止部材１８の間の摩擦力は、低減される。小さな力のみ、弁要素１０ａおよび１０ｂを動かすために、それによって必要とされる。弁１は、通常、所定の位置に弁封止部材１８を保持する端板（不図示）が備えられている。また、１つ以上の弁封止部材１８は、それぞれの弁ステム１０ｃ，１０ｄに配設してもよく、その場合、通常は、弁１は対応する余分な端材（不図示）が備えられる。

弁要素１０ａおよび１０ｂの切り替えは、開放位置および閉位置の間で調整可能な位相変化をもたらし、常に流体で満たされた中間通路口１４によって形成される中間弁体積によって定められる最小レベルからの十分な可変弁機能を提供する。

上述した実施形態においても、回転弁要素は記述されおよび示され、記述した効果は、それらの開いた位置とそれらの閉じた位置を示すスライド弁を用いることによっても達成される。

弁保護部材１９の弁要素軸受１７の使用は、機能および少なくとも１０，０００時間のような形態の装置である弁１の寿命に極めて重要であり得る。

第１弁ユニット１ａの前面の蓄電池（不図示）を用いる利点は、特に水の注入であって、ガスの注入においても重要であり、それはつまり弁１がＯＲＣ（有機ランキンサイクル）エンジンに用いられる時である。蓄電池は、液体が注入される時の圧力ピークのリスクを低減し、初期注入中の圧力降下を低減させる。好ましい形態の蓄電池は、例えば１８０℃以上の高温に耐えることができる金属ベローズ蓄電池である。

弁要素１０ａ及び１０ｂは、弁要素の開口部１１ａ及び１１ｂの周方向の幅が約６ｍｍの時に典型的に約２４ｍｍであって、比較的大きな直径において有利である。大きな直径のものが小さい直径のものと比べて大きな周速度を伴うことは、回転速度および高い切り替え速度が与えられ、弁が開状態から閉状態またはその逆になる時に発生し、切り替え状態（ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｐｈａｓｅｓ）における大きな圧力降下やそれに伴う損失を避けるために重要である弁ステム１０ｃ，１０ｄの直径は、他方、比較的小さく、弁要素の直径２４ｍｍに対して典型的に約８乃至１０ｍｍである。

弁要素の開口部１１ａ，１１ｂは、例えは２／１０乃至４／１０の範囲のように、その高さとの関係において、小さい幅（つまり、弁要素１０ａ、１０ｂの移動方向の範囲）が好ましい。前項で述べた弁要素１０ａおよび１０ｂの寸法において、幅／高さの比は、典型的に約４／１４である。これは、大きな幅を備えたものと比べて速い開閉を提供する。

典型的な実施形態においても、カム軸２２（図１７ａおよび１７ｂを参照）を備えた弁ギア２は、実用的な用途としても使用可能な全回転の機械式弁ギアとして示されている。全回転する弁ギアは、非常に簡易および安価な利点を有している。カム軸２２を備えた弁ギア２は、他方、特定のフレーム内で操作可能な弁の速度プロファイルに利点を与える。カムギアにおいて、優れた速度は、切り替え状態（ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｐｈａｓｅ）、つまり弁要素１０ａ、１０ｂが開状態から閉状態またはその逆になる時に達成される。同時に、全開の位置に達した時にほぼ停止する。これによって、弁１を介した圧力降下に良好な効果を有し、損失の低減をもたらす。全回転弁ギアにおいて、弁１の口１２および１３をより大径にすることも考えられ、それによって圧力降下をもたらし、いずれにしても、圧力を相対的に低くし、そのような場合、良好且つ簡易な構成が達成できる。

液体の注入において、中間弁で生じる状況は、流入弁１ｂが閉じられ、遮断弁１ａが開かれ、および中間弁が液体で満たされた状態の中間通路口１４によって表される。これは、望まない圧力ピーク（キャビテーション）を引き起こす。遮断弁１ａを柔らかく開くことは、したがって有益であり、カムギアに実装され、それに対応して、遮断弁１ａの閉鎖は絞りによる損失を低減するために速くなければならない。この組合せは、適応したカムのプロファイルによって満たされる。この影響から、一定の速度で全回転する弁ギアを実現することが困難である。

弁１の要素、つまり要素１０ａおよび１０ｂおよび弁要素軸受１７等は、噴霧器によって力を損失しないために作動流体の最高温度とほぼ同じ温度にするべきである。これは、動的部材と静的部材の間において停止の虞がある摩擦の増加のリスクを低減するためにも好ましい。これは、確立されている既存の熱交換器への良好な熱的な接続によって、または可能であれば熱した熱流体の循環路が備えられた弁保護部材１９によって解決してもよい。弁保護部材１９は、可能であれば絶縁してもよい。

回転可能な弁要素１０ａ、１０ｂは、図１６ｂに示された典型的な実施形態において、弁要素１０ａ、１０ｂの軸方向の位置を決定する軸方向に組込み済みである。組込み済みの要素１８ｂは、典型的にはＯリングから構成され、高耐熱性プラスチック材料によって形成された弁封止部材１８とスライド盤１８ａの間に配設され、弁要素１０ａおよび１０ｂおよびスライド盤１８ａの間に組み込まれた結果によって生じる摩擦力を最小限にする。

パルス幅調整弁１は、特に図１０および１１に示すように、熱機関１００またはより一般的な置換エンジンの１以上の作動室１０１及び１０２と連通した流体の中に備えている。置換エンジンは、典型的には、ピストンエンジン、スクロールエンジン（螺旋状のエンジン）、翼エンジン、ギヤーエンジン、またはスクリューエンジンからなる。当業者にとって、置換エンジンが同様に油圧シリンダを意味することは明らかである。

Claims (16)

1. 流体の流れおよび／または流体の圧力を調整するパルス幅調整弁（１）であって、流入弁（１ｂ）と直列に接続された遮断弁（１ａ）を有し、少なくとも前記遮断弁（１ａ）および前記流入弁（１ｂ）の一方に、開始位置から離れた開位置および／または閉位置を備え、軸方向に移動可能または回転可能な弁要素（１０ａ,１０ｂ）が設けられることを特徴とするパルス幅調整弁（１）。
2. 少なくとも前記遮断弁（１ａ）および前記流入弁（１ｂ）の一方は、シェル弁、スライド弁、および全または部分回転弁を含む系によって構成された、請求項１に記載のパルス幅調整弁（１）。
3. 前記遮断弁（１ａ）は、閉速度よりも早い開速度を有し、前記流入弁（１ｂ）は、開速度よりも早い閉速度を有する、請求項１に記載のパルス幅調整弁（１）。
4. 少なくとも前記遮断弁（１ａ）および前記流入弁（１ｂ）の一方は、弁ギア装置（２）に接続された、請求項１に記載のパルス幅調整弁（１）。
5. 前記弁ギア装置（２）は、機械式の弁アクチュエータ、油圧式の弁アクチュエータ、空気圧式の弁アクチュエータ、電気機械式の弁アクチュエータ、電気油圧式の弁アクチュエータおよび電気空気圧式の弁アクチュエータを含む系からなる、少なくとも１つの形態の少なくとも１つのアクチュエータ（２０）によって構成された、請求項４に記載のパルス幅調整弁（１）。
6. 前記弁ギア装置（２）は、弁同期装置（２３）に接続された、請求項４または５に記載のパルス幅調整弁（１）。
7. 前記弁同期装置（２３）は、少なくとも２つの弁（１ａ,１ｂ）の間の開閉動作に関係する動作位相を調整するために配設された、請求項６に記載のパルス幅調整弁（１）。
8. 少なくとも１つの入口（１２）、少なくとも１つの出口（１３）および少なくとも１つの中間通路口（１４）を備えた弁保護部材（１９）を含み、それぞれ弁要素開口部（１１ａ,１１ｂ）を備えた少なくとも２つの前記弁要素（１０ａ,１０ｂ）は、開放及び遮断のために配設され、それぞれの流体の流れは、少なくとも１つの前記入口（１２）から少なくとも一つの前記中間通路口（１４）を介して少なくとも１つの前記出口（１３）へ至る方向を有する、請求項１〜７のいずれか１項に記載のパルス幅調整弁（１）。
9. 前記弁保護部材（１９）は、少なくとも１つのリーク口（１５）が備えられた、請求項１〜８のいずれか１項に記載のパルス幅調整弁（１）。
10. 少なくとも１つの前記入口（１２）、少なくとも１つの前記出口（１３）および少なくとも１つの前記中間通路口（１４）、の少なくとも１つは、少なくとも１つの前記弁要素（１０ａ,１０ｂ）の全変位領域の拡張領域における最大の弁開口を維持する、少なくとも１つの弁要素開口（１１ａ’,１１ｂ’）と実質的に異なる開口（１２’、１３’,１４’）を有する、請求項１〜９のいずれか１項に記載のパルス幅調整弁（１）。
11. 少なくとも１つの前記弁要素（１０ａ）は、その開位置にある時に流体の流れを維持する、少なくとも１つのリーク路（１１ｃ）が形成された、請求項１〜１０のいずれか１項に記載のパルス幅調整弁（１）。
12. 前記弁要素（１０ａ,１０ｄ）の第１および第２端面（１０４,１０４’）から、弁ステム（１０ｃ,１０ｄ）は、弁保護部材（１９）に配設されたそれぞれの弁封止部材（１８）を介して突出した、請求項１〜１１のいずれか１項に記載のパルス幅調整弁（１）。
13. 前記第１および前記第２端面（１０４,１０４’）は、等しい大きさの軸方向に向かう圧力面を形成した、請求項１２に記載のパルス幅調整弁（１）。
14. 前記弁要素（１０ａ,１０ｂ）は、軸方向に向かって組み込まれ、組み込んだ要素（１８）は、前記第１および前記第２端面（１０４,１０４’）に対して圧縮力を提供する、請求項１２または１３に記載のパルス幅調整弁（１）。
15. 少なくとも２つの変位曲線（９ａ,９ｂ）に基づく弁同期装置（２３）による弁ギア装置（２）の調整では、
    １つまたは１つ以上の弁アクチュエータ（２０,２０’）によって、前記パルス幅調整弁（１）に配設された対応する前記弁要素（１０ａ,１０ｂ）を変位または回転させる工程を含む、請求項１〜１４のいずれか１項に記載のパルス幅調整弁（１）の操作方法。
16. 少なくとも２つの変位曲線（９ａ,９ｂ）の間の位相関係を連続的に調整する工程を含む、請求項１５に記載のパルス幅調整弁（１）の操作方法。