JP4071960B2 - フェイルフリーズサーボバルブ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する分野】
本発明は、概して電動流体圧システムの分野に関し、特に、流量を制御し、また、特に航空機燃料噴射回路に使用されるサーボバルブに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、サーボバルブは、例えばトルクモータのような電気モータと、流量が電気モータに印加された制御電流と比例するよう制御される流体圧分配バルブとを装備している。これは、高出力にて高速且つ正確な制御を提供するように、位置、速度、または力がサーボ制御されるシステムにおいて使用される。
【０００３】
コンピュータや電気制御装置の使用がより一般的となっている航空機および航空宇宙産業では、回路の除霜または冷却、コンプレッサの運転、排気ノズルの調整、また当然ながら燃料噴出用の回路にサーボバルブが適用されている。これらは航空エンジンに関連したほんの数例に過ぎない。現在では、このタイプのサーボバルブは、航空機制御コンピュータにおいて電気的故障が生じた場合に、制御される部材の位置をフリーズする（ｆｒｅｅｚｅ）または固定する必要があることが知られている。こうすることにより、故障の発見と修理の後でも、制御される部材が、故障前と全く同一な状態のままにすることができる。
【０００４】
位置を記憶する「フェイルフリーズ（ｆａｉｌ−ｆｒｅｅｚｅ）」バルブは、当業者には良く知られたものである。バルブに結合された受容部材を、決まった位置に固定することが可能である。図８は、測定装置３を制御するための電気流体圧サーボバルブ２に結合された、このようなフェイルフリーズバルブ１の一例を示す。サーボバルブは、従来の３ポートサーボバルブ（高圧（ＨＰ）供給４、戻り５、負荷６）と同様に、その電気モータ７と、該電気モータにより制御され、高圧供給から測定装置に制御圧力（または負荷圧力）を供給するその流体圧分配バルブ８と共に動作し、サーボバルブと測定装置の間に配置されたフェイルフリーズバルブは、通常動作では停止している。反対に、電気的故障の際には、逆方向に作動されるサーボバルブ２が、第４ポート９を介して、該位置記憶バルブ１を直ちに（図８に示す位置）に移動させ、測定装置３を隔離して、測定装置３は、電気的故障の前に測定装置が占有していた位置に固定される。
【０００５】
残念ながら、上述の構造には欠点がいくつかある。まず、この構造は、切り換え段階（第３スライドとも呼ばれる）を追加する必要があり、これにより、特に搭載装置としては容積の問題が生じる。さらに、この構造の位置固定動作は、単一制御圧力でのみ行われるため、制御される受容部材のタイプが制限されてしまう。最後に、スライド１、２の通常位置と、固定されたスライドに関する位置との間の過渡段階の間に、スライド１の移動（図中では右側に）により、スライド３がスライド１によって移動された量（この量は、圧縮不可能なスライド１、３のチャンバに共通している）に対応する分だけ押される（左側に）。この移動は、小さなものであっても、特定の用途では有害となってしまう。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明は、従来技術に伴う欠点を軽減する電動流体圧装置の提供を探求する。本発明の目的は、構造が単純で、特にコンパクトなそのような装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
これらの目的は、以下のようなフェイルフリーズ機能を組み込まれたサーボバルブにより達成することができる。すなわち、電気モータと、前記電気モータにより制御された分配バルブとを有するサーボバルブであって、前記分配バルブが、シリンダ内で、前記電気モータの制御電流を変更することにより、流体圧スライドの２つの端部において生成された圧力不均衡により駆動され、直線的に移動できる流体圧スライドを有し、前記流体圧スライドが、前記分配バルブの連絡オリフィスと協働するためのブロックが取り付けられた中心ロッドを有し、前記ブロックが相互に、また前記流体圧スライドの前記端部と協働して、環状チャンバを画定し、前記連絡オリフィスが、少なくとも１つの高圧供給オリフィスと、少なくとも１つの排出オリフィスと、制御される受容部材と接続した少なくとも２つの負荷オリフィスとを有し、前記環状チャンバが、２つのパイロットチャンバと、少なくとも２つの高圧チャンバと、少なくとも１つの低圧チャンバと、少なくとも２つの負荷チャンバとを有し、サーボバルブがさらに、各負荷チャンバを直ぐ隣の環状チャンバと連絡させるために、前記中心ロッドの内部に貫通している２つの負荷チャネルを有し、これら２つの負荷チャンバを分離するブロックの両側に同一の圧力が確実に加えられ、また、前記ブロックが隙間を有して前記負荷オリフィスを閉鎖する、フェイルフリーズ位置として知られている所定の安全位置において、前記隙間から生じる前記負荷オリフィスからの漏出が、一定の圧力（好ましくは排出低圧）にて排出されることを特徴とする。
【０００８】
従って、このサーボバルブの分配バルブの特別な構造の実現により、前記サーボバルブにより制御される受容部材の位置を固定するだけでなく、とりわけ、漏出をかなり減少および制御し、該制御される受容部材がドリフトする方向を画定することが可能である。
【０００９】
好ましくは、前記フェイルフリーズ位置にある負荷オリフィスを閉鎖するブロックが、前記負荷オリフィスに対して相当な重なりを有して取り付けられている。前記重なりは、１から５ミリメートル（ｍｍ）の範囲の大きさである。
【００１０】
好ましい実施形態では、サーボバルブは、分配バルブの２つの端部に配置された２つのパイロットチャンバと、前記パイロットチャンバ内に開口したパイロットオリフィスに加えて５つの連絡オリフィスとを含む、７つの環状チャンバを形成する６つのブロックを備えた、中心ロッドを有している。変形実施形態では、負荷オリフィスの１つを閉鎖するブロックが、その周囲に、ロッド内に貫通した第３負荷チャンネルを介して前記低圧チャンバと連絡する２つの環状排出溝を有する。
【００１１】
別の実施形態では、サーボバルブは、分配バルブの２つの端部に２つのパイロットチャンバと、前記パイロットチャンバ内に開口したパイロットオリフィスに加えて７つの連絡オリフィスとを含む、９つの環状チャンバを形成する８つのブロックを備えた中心ロッドを有している。
【００１２】
本発明の特徴と利点は、非限定的な表示の方法における以下の説明と、添付の図面を参照することでより明らかになる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は、電気モータ１２と流体圧式分配バルブ１４を備え、燃料噴射装置用の測定回路１６のような受容部材の制御を目的とした、本発明のサーボバルブ１０の好ましい第１の実施形態を示す概略図である。電気モータ１２と、結合される流体力学要素１８（流体圧式電位差計、および分配バルブ用のパイロット部材を形成する機械フィードバック２０）は、本発明に直接関係していないため、これらについての詳細な説明は省く。これらは、例えば図８に示す従来技術のような従来のものである。
【００１４】
従って、本発明は本質的に、分配バルブ１４に関し、該分配バルブ１４は、電気モータ１２により動されるパイロット部材により、２つの端部２６、２８に加えられた圧力不平衡により駆動され、結合されるシリンダ（または分配バルブの内径）２４内で直線的な移動が可能な流体圧スライド２２を備える。
【００１５】
スライドは、分配バルブの連絡オリフィスと協働し、互いの間と、スライドの両端部とに様々な環状チャンバ４４から５６を画定するために、６つのブロック（またはカラー）３２から４２が取り付けられた中心ロッド３０を備えている。オリフィス５８、６０を介してパイロット部材に接続した２つの端部チャンバ４４、５６は、パイロットチャンバとして機能する。このパイロットチャンバの圧力は、スライドの移動を制御するべく互いに反対方向に作用する。「高圧チャンバ」はチャンバ４６、５４を示し、「低圧チャンバ」はチャンバ５０を示す。これらのチャンバは、スライドが平衡位置（図３の中立位置）にあるときに、対応する連絡オリフィスと位置が合う。残る２つのチャンバを、「負荷チャンバ」４８、５２と呼ぶ。
【００１６】
さらに、２つの負荷チャネル６２、６４が、スライドのロッド３０内に貫通しているため、２つの負荷チャンバがそれぞれ、負荷チャンバ４８については低圧チャンバ５０と、別の負荷チャンバ５２については２つの高圧チャンバ５４と連絡する。
【００１７】
分配バルブには、パイロットオリフィス５８、６０に加えて、５つの連絡オリフィス６６から７４（分配バルブ１４のチャンバ内に開口している）が貫通している。５つの連絡オリフィスの各々は、以下に示す内のそれぞれ１つと接続する。すなわち、２つの高圧（ＨＰ）供給、排出（または低圧（ＢＰ）タンクへの戻り）、２つの負荷Ｕ１、Ｕ２。排出オリフィス７０は、２つの負荷オリフィス６８、７２の間の負荷圧力チャンバ５０内に開口し、また、各々の高圧供給オリフィス６６、７４は、各負荷オリフィスを超えて開口している。
【００１８】
図１に示す、制御される受容部材１６の固定した位置に対応する位置において、スライド２２は、シリンダ２４の端部２６と接し、その６つのブロックの内の２つ（３６、４０）が、負荷オリフィス６８、７２を閉鎖する。同様に、高圧オリフィス７４の１つが端部ブロック４２によって閉鎖される。この安全な位置において、また、低圧チャンバ５０と第１負荷チャンバ４８との間、および高圧チャンバ５４と第２負荷チャンバ５２との間に接続をそれぞれ確立する負荷チャネル６２、６４が存在している理由から、これら２つのブロックの各々の両側に、同一で一定レベルの圧力、つまり、この例では排出または低圧ＢＰが存在する。従って、この、負荷オリフィス周囲への圧力差ΔＰの印加を防ぐこの特定構造を用いることで、スライドを過ぎた場所（より正確には、そのブロックの外周面と分配バルブの内壁との間）で生じる可能性のあるあらゆる妨害的な層流漏出は特に少なくなり、この層流漏出は低圧排出口へと排出される。測定ユニット１６に加えられた流体圧力のみが、前記負荷オリフィスＵ１とＵ２の間の小さな圧力差を生じることが可能である。さらに、これらの力は、測定ユニットのスライドを左側へ押圧することにより、測定オリフィスを閉鎖する傾向があることが観察される。
【００１９】
次に、図２から図５を参照しながら、サーボバルブの動作について以下に説明する。
【００２０】
図２は、分配バルブ１４からの排出流量が、本発明のサーボバルブの電気モータ１２に印加される制御電流の関数として変化する様子を示すグラフである。同図は、サーボバルブが、ゼロ流量部分（０とＡとの間）と、線形動作部分（ＢとＣとの間）とを含む動作範囲を有することを示している。上の図１に示すように、ゼロ流量部分は、フェイルフリーズモードで動作するサーボバルブに対応する。
【００２１】
安定した状況下（図２中のＦ点に対応する状況）で、スライド２２はその中心の平衡位置（図３）にあり、負荷オリフィスＵ１、Ｕ２は２つのブロックにより閉鎖される。２つのブロックのうち、高圧チャンバ４６と第１負荷チャンバ４８の間にある第１ブロック（３４）は、その片側を高圧供給にさらされ、別の側を、第１負荷チャネル６２を介して低圧にさらされる。２つのブロックのうち、低圧チャンバ５０と第２負荷チャンバ５２の間にある第２ブロック（３８）は、その片側を低圧にさらされ、別の側を、第２負荷チャネル６４を介してオリフィス７４から付加される高圧供給にさらされる。
【００２２】
動的な条件下において、パイロット圧力が、第１段階（モータ１２）への電気的命令の影響の元で変化するときに、スライド２２にかかる反対方向の力は、それ以上補正を行わず、不均衡が明確となり、これにより、サーボバルブの最大往復運動に対応する正反対の２つの位置間で、不均衡の符号に従って、スライドを分配バルブのどちらかの端部へと移動する。この形態ではサーボバルブはそれ自体が完全に中立であるため、ドリフト方向は、制御される受容部材の特性のみに依存する。様々な隙間からの漏出の状態がどの様なものであろうと、漏出が、制御される受容部材を移動するような流れとなることはないが、一方で、均衡を失った制御される受容部材が引き起こす漏出の流れを受ける可能性はある。
【００２３】
図４は、最大直線動作に対応する負の位置（図２中のＢ点）にあるスライドを示している。この位置において、負荷オリフィス６８、７２は完全に自由であり、対応する負荷チャンバ４８、５２と直接連絡する。この場合、これらの負荷チャンバ４８、５２の１つは供給高圧にあり、別の１つは排出低圧にある。図５は、最大直線動作の正位置（図２中のＣ点）にあるスライドを示している。スライドがシリンダ２４の端部２８と接しているこの位置において、負荷オリフィス６８、７２は、同様に完全に自由であるが、高圧チャンバ４８、低圧チャンバ５０のどちらかと直接連絡している。
【００２４】
安全または「フェイルフリーズ」位置にあるスライド２２を表す、本発明の変形実施形態を図６Ａに（図６Ｂは拡大図）示す。この構造は、６つのブロックと７つの環状チャンバを備えた図１の構造と非常に類似していることがわかる。それでも、端部ブロック４２の方が幅が狭いため、図中に示すこの位置にある場合、高圧供給オリフィス７４は、覆われていない。その結果、チャンバ５２と高圧チャンバ５４の間にある第２負荷チャネル６４のために、負荷チャンバ５２は高圧になる。同様に、この別形態の実施形態では、負荷オリフィス７２を閉鎖するブロック４０は幅がより広く、その周囲に、ロッド３０に貫通した第３負荷チャネル７８を介して低圧チャンバ５０と連絡する、２つの環状排出溝７６ａ、７６ｂを備えている。そのため、図１の好ましい実施形態にあるように、２つの負荷オリフィス６８、７２は排出低圧により「包囲」されるため、これらの負荷オリフィスから流体を低圧へと排出することが可能になる。
【００２５】
これら実施形態の各々において、排出低圧において負荷オリフィスから排出される漏出を、これらオリフィスを閉鎖するブロック３６、４０を適切に寸法することによって、正確に調節することができる。幅を過度に増加することができないこれらブロックは、負荷オリフィスを正確に覆わず、これらと分配バルブの内壁の間にある程度の重なりが生じる（従来の装置では、この重なりは数百分の１ミリメートル程度である）。本発明ではこの重なりがより大きく、すなわち、約数ミリメートル、好ましくは１から５ｍｍの範囲であり、制御される部材の一定のドリフトを得るべく正確に決定される。漏出体積流量Ｑは、次式を用いて求めることができる。
【００２６】
【数１】

ここで、
Ｑは、体積流量である（ｌ／ｈ）。
【００２７】
ρは、流体の密度である（ｋｇ／ｌ）。
【００２８】
νは、流体の動粘度である（ｍｍ^２／ｓ）。
【００２９】
Ｄは、オリフィスの直径（ｍｍ）である。
【００３０】
Ｊは、漏出隙間（スライドの直径隙間）（ｍｍ）である。
【００３１】
ｌは、オリフィスの縁とブロックの縁の間の距離（ｍｍ）である。
【００３２】
ΔＰは、漏出部分に加えられた圧力差（ｂａｒ）である。
【００３３】
従って、本発明により、漏出の大きさを正確な大きさにすることが可能になる。例えば、適度な２ｂａｒの圧力差ΔＰを仮定すると、４分間で０．１４ｍｍ移動する、直径３４．７ｍｍのスライドに対応する５％の一定な流量におけるドリフトが、直径０．８ｍｍのオリフィスについて、直径隙間３μｍ、重なり幅２．６ｍｍが得られる（ｐ＝０．７８ｋｇ／ｌ、ν＝１ｍｍ^２／ｓ）。
【００３４】
この計算では、チャンバ６８、５０の間、または７２、５４の間の直接漏出は無視することができる。これは、これらの場所における非常に大きな重なりが、スライド２２の動作ストロークに何の影響も及ぼさないためである。
【００３５】
図７は、本発明の別の実施形態を示している。この実施形態では、分配バルブ１４が、８つのブロック８２から９６と、通常のパイロットオリフィス１１２、１１４に加えて、７つの連絡オリフィス９８から１１０とを具備したロッド８０を有している。この実施形態では、従って、分配バルブは、両端に２つのパイロットチャンバ１１６、１３２、２つの高圧チャンバ１２２、１２６、３つの低圧チャンバ１１８、１２４、１３０、２つの負荷チャンバ１２０、１２８を具備した、９つの環状チャンバ１１６から１３２を有している。第１排出オリフィス１０４は、高圧供給オリフィス１０２、１０６の間に開口しており、これら高圧供給オリフィス自体も、２つの負荷オリフィス１００、１０８間に開口している。最後に、別の２つの排出オリフィス９８、１１０が、各負荷オリフィスを越えて開口している。
【００３６】
図７に示したスライドの位置は、フェイルフリーズ位置にあるサーボバルブに対応する位置である。従って、負荷オリフィス１００、１０８は、同一な一定の圧力にさらされた両側を各々備えたブロック８６、９４によって閉鎖される。これは、１つのブロック９４については、第１低圧チャンバ１３０と、第１低圧チャンバ１３０および第１負荷チャンバ１２８の２つのチャンバ間のロッド８０内に貫通した第１負荷チャネル１３６を介して移送された、第１負荷チャンバ１２８とに存在する排出低圧であり、また、もう１つのブロック８６については、第１高圧チャンバ１２２と、第１高圧チャンバ１２２および第２負荷チャンバ１２０の２つのチャンバ間のロッド８０内に貫通した第２負荷チャネル１３４を介して移送された、第２負荷チャンバ１２０とに存在する供給高圧である。この実施形態における分配バルブは、上述した受けた圧力の不均衡に従って、一方の方向または他方の方向に移動するスライドの動作と類似した動作を行う。ブロック８６、９４は、制御される受容部材１６のドリフトの振幅を、これら２つのブロックの各々に存在する圧力レベルにより決定されたこのドリフトの方向（高圧から排出口へ向う）によって、管理するような寸法にすることができる。前出の実施形態とは異なり、サーボバルブは完全にバイアスされており、様々な隙間からの漏出の量に関係なく、Ｕ１からＵ２へと向かう漏出の流れを生じる。これにより、制御される部材の移動が決定される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のフェイルフリーズサーボバルブの好ましい第１の実施形態を示す概略図である。
【図２】図１のサーボバルブの動作範囲を示すグラフである。
【図３】図１のサーボバルブの分配バルブの様々な位置を示す図である。
【図４】図１のサーボバルブの分配バルブの様々な位置を示す図である。
【図５】図１のサーボバルブの分配バルブの様々な位置を示す図である。
【図６Ａ】本発明のフェイルフリーズサーボバルブの分配バルブの第２の実施形態を示す概略図である。
【図６Ｂ】図６Ａの１部分を示す拡大詳細図である。
【図７】本発明のフェイルフリーズサーボバルブの分配バルブの第３の実施形態を示す概略図である。
【図８】従来技術によるフェイルフリーズバルブの一例を示す図である。
【符号の説明】
１０ サーボバルブ
１２ 電気モータ
１４ 流体圧分配バルブ
１６ 燃料噴出用測定回路
１８ 電動流体圧要素
２０ 流体圧電位差計および機械フィードバック
２２ 流体圧スライド
２４ シリンダ
２６、２８ 端部
３０ 中心ロッド
３２、３４、３６、３８、４０、４２ ブロック
４４、４６、４８、５０、５２、５４、５６、１１６、１１８、１２０、１２４、１２８、１３０、１３２ 環状チャンバ
５８、６０ オリフィス
６２、６４ 負荷チャネル
６６、６８、７０、７２、７４ 連絡オリフィス
７６ａ、７６ｂ 環状排出溝
７８ 第３負荷チャネル
８０ ロッド
８２、８４、８６、８８、９０、９２、９４、９６ ブロック
１１２、１１４ パイロットオリフィス
１２２、１２６ パイロットチャンバ

Claims (7)

1. 電気モータ（１２）と、前記電気モータにより制御される分配バルブ（１４）とを有するサーボバルブであって、前記分配バルブが、シリンダ（２４）内で、前記電気モータの制御電流を変更することにより、流体圧スライド（２２）の２つの端部（２６、２８）において生成された圧力不均衡により駆動され、直線的に移動できる前記流体圧スライド（２２）を有し、前記流体圧スライドが、前記分配バルブの連絡オリフィス（６６から７４、９８から１１０）と協働するためのブロック（３２から４２、８２から９６）が取り付けられた中心ロッド（３０、８０）を有し、前記ブロックが相互に、また前記流体圧スライドの前記端部と協働して、環状チャンバ（４４から５６、１１６から１３２）を画定し、前記連絡オリフィスが、少なくとも２つの高圧供給オリフィス（６６、７４、１０２、１０６）と、少なくとも１つの排出オリフィス（７０、９８、１０４、１１０）と、制御される受容部材（１６）と接続した少なくとも２つの負荷オリフィス（６８、７２、１００、１０８）とを有し、前記環状チャンバが、２つのパイロットチャンバ（４４、５６、１１６、１３２）と、少なくとも２つの高圧チャンバ（４６、５４、１２２、１２６）と、少なくとも１つの低圧チャンバ（５０、１１８、１２４、１３０）と、少なくとも２つの負荷チャンバ（４８、５２、１２０、１２８）とを有し、サーボバルブがさらに、各負荷チャンバを直ぐ隣の環状チャンバと連絡させるために、前記中心ロッド（３０、８０）の内部に貫通している２つの負荷チャネル（６２、６４、１３４、１３６）を有し、該２つの負荷チャンバを分離するブロック（３６、４０、８６、９４）の両側に同一の圧力が確実に加えられ、また、前記ブロックが隙間を有して前記負荷オリフィスを閉鎖する、所定の安全位置において、前記隙間から生じる前記負荷オリフィスからの漏出が、一定の圧力にて排出されることを特徴とするサーボバルブ。
2. 前記一定の圧力が、排出低圧であることを特徴とする、請求項１に記載のサーボバルブ。
3. 前記安全位置において前記負荷オリフィスを閉鎖する前記ブロック（３６、４０、８６、９４）が、前記負荷オリフィス（６８、７２、１００、１０８）に対して大きな重なりを有して取り付けられることを特徴とする、請求項１に記載のサーボバルブ。
4. 前記重なりが、約１ｍｍから５ｍｍの範囲であることを特徴とする、請求項３に記載のサーボバルブ。
5. 分配バルブ（１４）の２つの端部に配置された２つのパイロットチャンバ（４４、５６）と、前記パイロットチャンバ内に開口したパイロットオリフィス（５８、６０）に加えて、５つの連絡オリフィス（６６から７４）とを含む、７つの環状チャンバ（４４から５６）を形成する６つのブロック（３２から４２）を備えた中心ロッド（３０）を有することを特徴とする、請求項１に記載のサーボバルブ。
6. 負荷オリフィス（７２）の１つを閉鎖するブロック（４０）が、周囲に、ロッド（３０）内に貫通した第３負荷チャンネル（７８）を介して、低圧チャンバ（５０）と連絡する２つの環状排出溝（７６ａ、７６ｂ）を備えることを特徴とする、請求項５に記載のサーボバルブ。
7. 分配バルブ（１４）の２つの端部に２つのパイロットチャンバ（１１６、１３２）と、前記パイロットチャンバ内に開口したパイロットオリフィス（１１２、１１４）に加えて、７つの連絡オリフィス（９８から１１０）とを含む、９つの環状チャンバ（１１６から１３２）を形成する８つのブロック（８２から９６）を備えた中心ロッド（８０）を有することを特徴とする、請求項１に記載のサーボバルブ。

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