JP6255029B2 - モータ駆動されるスリーブバルブ - Google Patents

Description

下記の実施形態は、バルブに関し、特にモータ駆動されるスリーブバルブに関する。

流体制御バルブは、流体の流れ及び/又は圧力を制御すべく、種々の広い用途で用いられている。流体は液体、ガス又はそれらの組み合わせを含む。流体は浮遊する粒子を含む。流体制御バルブは、流体流通路を開閉するのに用いられる特定の構成にて広く変わるが、流体制御バルブの１つの特定のタイプは、ポペットバルブである。ポペットバルブは一般に１以上のバルブオリフィスと、バルブ機能を実行すべくバルブオリフィスに接して封止するように動くポペット部材を含む。ポペットバルブは種々の異なる方法で駆動される。例えば、ポペットバルブの中には、ソレノイドを用いて駆動されるものがある。或いはポペットバルブはパイロット流体源によって駆動される。ソレノイドで駆動されるポペットバルブにあっては、ソレノイドはコイルを通る電流を含み、コイルは一般的に磁気コアの回りに形成される。エネルギ駆動されるソレノイドは、磁界を生成する。磁界はポペット部材に接続された移動可能な電機子上で作動する。一般的に、ポペットはまた磁界に反する付勢力を生成するバネ又は他の付勢部材を含む。従って、ソレノイドによって生成される磁界がなければ、ポペット部材は通常は開位置、又は通常は閉位置に動かされる。

ポペットバルブは幾つかの利点を有する。ポペットバルブは高い流速を受け入れることが出来る。ポペットバルブは変化する流速を受け入れることが出来る。ポペットバルブは湿気、汚れ、破片等が存在しても、高い信頼性のシールを形成することができる。ポペットバルブが付与する利点故に、ポペットバルブは産業上の用途にて非常に一般的である。

図１は、従来技術のソレノイド駆動されるポペットバルブ100を示す。ポペットバルブ100は、ハウジング101、流体入口102、流体出口103、流体チャンバ104、弁座107、及びポペット部材106を含む。ポペット部材106は移動可能な電機子111に連結される。移動可能な電機子111は、電磁気コイル108及び磁気コア110によって生成される磁界に応じて動く。電磁気コイル108はボビン109の回りに巻き付けられる。電流がコイル108に付与されると、磁束が生成される。磁気コア110は移動可能な電機子111を通って磁束の方向を変えるべく配備され、それによって移動可能な電機子111及びポペット部材106を磁気コア110の方に引く。ポペット部材106を磁力と反対の方向に付勢する付勢部材112もまた配備される。磁束が無い場合では、付勢部材112はポペット部材106を磁力とは反対の方向に動かす。ソレノイド駆動されるポペットバルブの一般的な動作は公知であり、従って記載の簡潔さの為、より詳細な記載を省く。

しばしば、バルブ100の入口102における流体はポペット部材106に作用し、該ポペット部材106に付勢力を付与する。この付勢力は入口102での圧力が増加するにつれ増加する。ポペット部材106を弁座107に対して保つべく、付勢部材112は当該技術分野で公知の如く、π×ｒ^２で定義される領域を横切って作用する流体圧力よりも大きくなければならない。従って、断面が円形と仮定すると、流体圧によってポペット部材106に作用する付勢力は、以下となる。

ここで、Ｆ_ｂは付勢力であり、Ｐは流体圧であり、ｒはポペット部材の半径である。

流体圧が増加すると、付勢部材112の強さは増加し、電磁気コイル108からのより強い電磁気力が要求される。流体からの付勢力はバルブを小さくすることによって最小化されるが、しかし、これはバルブを開いたときに、バルブを通る流れを制限する結果となる。逆により高い流速を得るために、バルブはしばしば大型化する。しかし、このアプローチは流体圧からの増加した付勢力に帰し、流体圧に打ち勝ちバルブを駆動するために、より強いバルブ駆動力が要求される。より強いバルブ駆動力は、電磁気コイル108によって要求される電力消費を増加させる結果となる。従って、これは許容可能な流速とバルブの電力消費との間に一般に二律背反がある。

あるバルブ用途では電力消費は重要ではないが、従来技術のソレノイド駆動ポペットバルブ100のようなバッテリで電力供給されるバルブについては、電力消費は一般的に大きな関心事である。従って、バッテリで電力供給されるバルブはしばしば比較的小さく、バルブを通る流れを制限する。その制限は必ずしも理想的だとは限らず、また、より高い流量及び/又はより速い駆動時間が望まれるいくつかの状況がある。
従って、増加した流体圧及び/又は流速で作動することができるモータ駆動弁を求めるニーズが当該技術分野にある。下記の実施形態は、この及び他の問題を克服し、当該技術分野における進歩を達成する。下記の実施形態は、モータ駆動されるスリーブバルブを提供する。該モータ駆動されるスリーブバルブはバルブ本体の少なくとも一部を囲むスリーブを駆動する。従って、開いたバルブを介した圧力低下は最小となり、従って、流れの制限は減少する。従って、流体圧はスリーブに最小圧を付与し、このようにバルブの流速容量を犠牲にすることなく、バルブを駆動するのにより小さなモータが使用され得る。

発明の概要
一実施形態に従って、モータ駆動されるスリーブバルブが提供される。実施形態に従って、モータ駆動されるスリーブバルブは第１の流体ポートと第２の流体ポートを規定するバルブ本体を備える。モータ駆動されるスリーブバルブは更に、バルブ本体の少なくとも一部を囲み第１の位置と少なくとも第２の位置の間を動いて、流体が第２の流体ポートを通って流れることを選択的に許すバルブスリーブを含む。実施形態に従って、モータ駆動されるスリーブバルブは更に、バルブスリーブを第１の位置と第２の位置の間で作動させるように構成された電気モータを備える。

一実施形態に従って、モータ駆動されるスリーブバルブを形成する方法が提供される。モータ駆動されるスリーブバルブは第１の流体ポートと第２の流体ポートを含むバルブ本体を備える。実施形態に従って、方法は、バルブスリーブが第１の位置と少なくとも第２の位置の間を動いて、流体が第２の流体ポートを通って流れることを選択的に許すように、バルブ本体の少なくとも一部をバルブスリーブにて囲む工程を有する。実施形態に従って、方法は更に、バルブスリーブの内側に電気モータを位置決めし、バルブスリーブを第１の位置と第２の位置の間で作動させる工程を含む。

態様
一態様に従って、モータ駆動されるスリーブバルブは、
第１の流体ポートと第２の流体ポートを規定するバルブ本体と、
バルブ本体の少なくとも一部を囲み、第１の位置と少なくとも第２の位置の間を動いて、流体が第２の流体ポートを通って流れることを選択的に許すバルブスリーブと、
バルブスリーブを第１の位置と第２の位置の間で作動させるように構成された電気モータを備える。
バルブ本体は、１以上の支持アームにて分離される第１のバルブ本体の端部と第２のバルブ本体の端部を備えるのが好ましい。

第２の流体ポートは、第１のバルブ本体の端部と第２のバルブ本体の端部にて規定されるのが好ましい。
モータ駆動されるスリーブバルブは更に、第２のバルブ本体の端部から第１のバルブ本体の端部に向かって延びて、流体を第１の流体ポートと第２の流体ポートの間に向ける突起を備えているのが好ましい。
電気モータは、バルブスリーブに螺合するネジ付きスピンドルを備えるのが好ましい。
モータ駆動されるスリーブバルブは更に、１以上のシール部材を備え、少なくとも１つのシール部材は、モータ駆動されるスリーブバルブを通って流れる流体から半径方向内側のバルブスリーブの領域をシールするのが好ましい。
モータ駆動されるスリーブバルブは更に、バルブスリーブに形成された１以上の排出口を備えるのが好ましい。

他の態様に従って、モータ駆動されるスリーブバルブを第１の流体ポートと第２の流体ポートを含むバルブ本体と共に形成する方法は、
バルブ本体の少なくとも一部をバルブスリーブで囲み、バルブスリーブが第１の位置と少なくとも第２の位置の間を動いて、流体が第２の流体ポートを通って流れることを選択的に許す工程と、
バルブスリーブの内側に電気モータを位置決めして、バルブスリーブを第１の位置と第２の位置の間で駆動する工程を備える。
方法は更に、１以上の支持アームを用いて、バルブ本体を第１のバルブ本体の端部と第２のバルブ本体の端部に分離する工程を備えるのが好ましい。
方法は更に、第１のバルブ本体の端部と第２のバルブ本体の端部との間にて、第２の流体ポートを規定する工程を備えるのが好ましい。

方法は更に、第１のバルブ本体の端部に向かって延びる第２のバルブ本体の端部から突起を伸ばす工程を備えるのが好ましい。
方法は更に、バルブスリーブを電気モータから延びるネジ付きスピンドルと螺合させる工程を備えるのが好ましい。
方法は更に、１以上のシール部材をバルブ本体上に位置決めし、少なくとも１つのシール部材が、モータ駆動されるスリーブバルブを通って流れる流体から半径方向内側のバルブスリーブの領域をシールする工程を備えるのが好ましい。
方法は更に、バルブスリーブに１以上の排出口を形成する工程を備えるのが好ましい。

図１は、従来技術のソレノイド駆動されるポペットバルブを示す。 図２は、本実施形態に従ったモータ駆動されるスリーブバルブを示す。 図３は、本実施形態に従った閉位置にあるモータ駆動されるスリーブバルブの断面図を示す。 図４は、本実施形態に従った開位置にあるモータ駆動されるスリーブバルブの断面図を示す。 図５は、本実施形態に従った管状の覆い内に位置するモータ駆動されるスリーブバルブの断面図を示す。

図２−図５及び以下の記述は特定の例を記載して、スリーブバルブの実施形態の最良のモードを作り使用する方法を当業者に開示する。進歩性を有する原理を開示する目的で、いくつかの従来の態様は単純化されたか省略された。
当業者は、これらの例示から現在の記述の範囲以内にある変形例を理解するだろう。当業者は、下記に述べられた特徴が種々の方法で組み合わされて、スリーブバルブの多数の変形例を形成することを理解するだろう。その結果、下記に述べられた実施形態は、下記に述べられた特定の例にではなく特許請求の範囲とそれらの等価物によってのみ限定される。

図２は実施形態に従って、モータ駆動されるスリーブバルブ200を示す。
実施形態によれば、モータ駆動されるスリーブバルブ200は、バルブ本体201とバルブ本体201の少なくとも一部を囲むバルブスリーブ202を備える。バルブスリーブ202は少なくとも一部が透明であると示されるが、他の実施形態ではバルブスリーブ202は少なくとも一部は不透明である。バルブ本体201は、バルブ本体201とバルブスリーブ202との間に流体が漏れないシールを形成する１以上のシール部材203、204を含む。シール部材203、204はOリングを備えるとして示されるが、他のタイプのシールが用いられ得る。

実施形態に従って、モータ駆動されるスリーブバルブ200は更に、電気モータ205の形式のアクチュエータ205を備える。電気モータ205はバルブスリーブ202内に位置決めされる。実施形態に従って、電気モータ205はバルブ本体201に連結されて、電気モータ205が移動することを防ぐ。電気モータ205はバルブスリーブ202をバルブ本体201に対して動かすことにより、バルブを駆動するように構成される。示された実施形態に従って、電気モータ205はバルブスリーブ202に螺合したネジ付きスピンドル206を介してバルブスリーブ202を動かし、電気モータ205の作動時にその長軸の回りに回転させる。、電気モータ205は正逆転可能であって、ネジ付きスピンドル206は時計方向及び反時計方向に回転することが出来る。ネジ付きスピンドルは例えば、バルブスリーブ202に連結されてバルブ200の長軸Ｙ-Ｙ(図５参照)に対して平行に動くスライド接極子(armature)のような他の要素に置換可能であることは理解されるべきである。従って、以下の特許請求の範囲は、ネジ付きスピンドルに全く限定されない。
そのような状況では、電気モータ205は公知の如く、電気的リニアモータである。

実施形態に従って、電気モータ205はバッテリから電力供給される電気モータを備える。しかし、他の電気モータ205は外部ソースから力を受け取る。以下に詳述するように、バルブのスリーブ構成により、電気モータ205は従来技術のポペットバルブ100のソレノイドによって要求される高い発動駆動力を供給する必要はない。
むしろ、所定の流体圧については、バルブスリーブ202はポペット部材106よりはるかに低い付勢力で作動される。

図２に示される実施形態によれば、バルブ本体201は第１の流体ポート207及び第２の流体ポート208を含む。バルブ本体201は複数の支持アーム209を含み、第２のバルブ本体の端部211から第１のバルブ本体の端部210を一定間隔で配置し、第２の流体ポート208の少なくとも一部を定義する。第２の流体ポート208は、２つのバルブ本体の端部210と211の間で位置するように示される。
示された実施形態によれば、第２の流体ポート208は、バルブ本体201の回りでおよそ360度で半径方向に延びる。他の実施形態では、第２の流体ポート208は360度未満に延びている。多くの記載は入口を含む第１の流体ポート207、及び出口を含む第２の流体ポート208に言及するが、流れは逆にすることができ、流れの方向は特定の実行に依存する。

実施形態に従って、第１のバルブ本体の端部210は流体源、流体を搬送するパイプラインなどに連結される。幾つかの実施形態では、全てのスリーブバルブ200は、流体が提供されるデバイス内に位置する。あるいは、スリーブバルブ200は、第2の流体ポート208が大気に開いている排気口として使用されてもよい。
理解されるように、例えば、バルブスリーブ202が第２のポート208を覆うので、第２のポート208は、チューブまたはパイプと嵌合接続を有することは通常は出来ない。
当業者は、容易に管状の覆い500のようなスリーブバルブ200用の適切な流体継手を理解するだろう(図５を参照)。管状の覆い500は第１のバルブ本体の端部210に連結されるように示されるが、他の連結される構成は確かに可能である。

上記の如く、加圧流体がポペット部材の比較的大部分に作用するので、従来技術のポペットバルブは電気モータの駆動に一般に適さない。従って、流体圧の付勢力に打ち勝つように、より高い作動力が必要とされる。例えば、図の中で示される電気モータ205は高い電力消費量故に、ポペットバルブ100を駆動させるのには一般に不適切である。電気モータの寿命は、バルブ100の他の要素の寿命よりはるかに短いであろう。
しかし、モータ駆動されるスリーブバルブ200はこれらの欠点を克服し、より低い動力が供給された電動機のために同様かより高い流量及び/又は同様かより低い圧力低下を維持しつつ、より低い電力の電気モータが用いられることを可能にする。低電力が要求されるから、バッテリの寿命は改善され、高い電力のソレノイドの使用は不要である。

図３は、一実施形態によるモータ駆動されるスリーブバルブ200の断面図を示す。
図３に示される実施形態では、バルブ200は閉じ、即ち入口207の流体は出口208を採って流れることができない。むしろ、入口207の流体は流体チャンバ307に残る。
図３から理解されるように、入口207の気圧調節された流体でさえ、シール部材203及び204により、流体はバルブスリーブ202上の付勢力をほとんど付与しない。
従って、流体圧はバルブスリーブ202に長軸Ｙ-Ｙに平行な方向に作用する (及びバルブスリーブ202の運動とも平行な)のではなく、バルブスリーブ202に放射状に作用し、そして長軸Ｙ-Ｙに垂直に作用する。このように、流体の付勢圧は流体のバイアスをかける圧力は、このように、バルブスリーブ202に要求される作動力に影響をほとんど及ぼさない。
スリーブバルブ200の１つの利点は、バルブスリーブ202がネジ付きスピンドル206及び電気モータ205によって駆動されるから、任意の希望の位置でバルブスリーブ202が保持されることである。これにより、種々のサイズのポート開口が可能となる。
他の利点は電気モータ205に連続的に電力を供給することなく、任意の希望の位置でバルブスリーブ202が保持されることである。

図４は、別の実施形態によるモータ駆動されるスリーブバルブ200を示す。
図４に示す実施形態では、バルブスリーブ202は図３に示す第１の位置からバルブ本体201に関する第２の位置に駆動される。第２の位置にて、バルブスリーブ202は流体が出口208を流れることを可能にすべく開く。
一実施形態によれば、例えば、バルブスリーブ202は電気モータ205及びネジ付きスピンドル206を用いて駆動される。理解されるように、一旦電気モータ205が所望の位置へバルブスリーブ202を駆動させれば、バルブスリーブ202は電気モータ205から更なるエネルギーを要求せずに、その位置に残ることができる。
これが、電気モータ205及びネジ付きスピンドル206を用いる1つの主な利点である。
理解ことができるように、そのような構成はバルブを開いておくためにパワーの連続的な供給を要求し、バネの付勢力に対抗するポペットバルブ100のソレノイドよりも非常に少ない力を要求する。

バルブスリーブ202が第２の位置にある状態で、矢印で示すように、流体は入口207から出口208を通って自由に流れる(又は流れは逆になる)。一実施形態によれば、バルブ本体201は第２の端部211から第１の端部210に延びる突起311を含む。突起311は流体を出口208へ向けるために付与される。
従って、流体は入口207に入って図１のポペット部材106によって示される平面に流れて、乱流及び圧力損失の形でエネルギーを失うのではなく、突起311は流体流れを１つのポートから他のポートに向けることにより乱流を防ぐ。
一実施形態によれば、突起311は、流体を両方向に向けるのに役立つ。換言すれば、突起311は入口207から出口208に流体を向けるが、実施形態では流れが逆になると、突起311は同様に出口208から入口207に流体を向けるように付随的に形作られる。従って、モータ駆動されるスリーブバルブ200を通る流体流れの向きは、限定されない。

一実施形態によれば、バルブスリーブ202はさらに１つ以上の排出口402を含むことができる。バルブスリーブ202がバルブ本体201に対して移動すると、排出口402は真空が形成されることを防ぐ。排出口402がなければ、シール部材204故に真空はおそらく形成され、このようにバルブスリーブ202の駆動はより大きな駆動力を要するだろう。
従って、排出口402は、真空が形成されることを防ぎ、バルブスリーブ202の重量を低減することにより、要求される駆動力を低減することができる。

図４によって理解することが出来るように、バルブスリーブ202が第１の位置に戻る駆動は、従来技術のポペットバルブのポペット部材106よりも必要な駆動力は小さくなる。
これは断面が円形と仮定して、単純な表面積計算で実現し得る。
バルブ200が他の横断面の形を含むかもしれず、円形断面は単に例として用いられることは理解されるべきである。ポペットバルブの入口102の流体圧は、上記にてπ×ｒ^２で定義されるポペット部材106の全断面表面積に作用する。例示を簡単にする目的から、スリーブバルブ200の外径ｒ_０は、ポペット部材106の半径ｒに等しいと仮定する。しかし、シール部材204故に、流体圧はバルブスリーブ202の全断面積に作用しない。むしろ、流体圧はπ×ｒ_０ ^２―π×ｒ_ｉ ^２で定義される領域にのみ作用し、ここでｒ_０はバルブスリーブ202の外側半径であり、ｒ_ｉはバルブスリーブ202の内側半径である。このように、所定の流体圧については、バルブスリーブ202に付与される付勢力は、式(２)にて提供される。

ここで
ｒ_０はバルブスリーブ202の外側半径であり、
ｒ_ｉはバルブスリーブ202の内側半径である。

従って、ポペットバルブ100に比して、より小さな付勢力がスリーブバルブ200の流体によって付与される。シール部材204が流体と連通するバルブスリーブ202の領域を制限するから、バルブスリーブ202を駆動するのに必要な駆動力は小さくなる。従って、バルブ200を適切に駆動する間は、小さな電気モータ205が配備される。更に、所定のサイズの電気モータ205について、バルブを介して圧力低下を減じ流速を増やすべく、大きな流れ領域が提供される。シール部材204はバルブ本体201とバルブスリーブ202の間に流体が漏れないシールを付与するように構成されるが、少量の流体漏れがシール部材204を通過しても、流体は排出口402を出ることができることは理解されるべきである。従って、バルブスリーブ202内で築かれる圧力は生じないし、電気モータ205に必要な力は増加させる必要はない。

上記の実施形態は、流体圧の増加に伴って劇的に増加する高い駆動力を要求しないモータ駆動されるスリーブバルブ200を付与する。実施形態は有利なことに、バルブ200を閉じるのに１つの流体ポート208を覆うバルブスリーブ202を用いる。流体ポート208を閉じるとすぐに、入口207における流体圧はバルブスリーブ202上に半径方向にのみ作用する。従って、連続した閉じ力は不要である。

上記の実施形態の詳細な記述は、現在の記述の範囲内にある発明者によって熟考された全ての実施形態の完全な記述ではない。実際に当業者は、さらに実施形態を作成するために上記実施形態のある要素が種々に組み合わせられるかもしれないし除去されるかもしれないことを認識している、そしてそのような、さらなる実施形態は現在の記述の範囲及び開示の範囲内にある。
このように、特定の実施形態が説明の目的のためにここに記述されているが、当業者が認識するように、様々な等価な修正は現在の記述の範囲内で可能である、。ここに提供される開示は、他のスリーブバルブに適用可能であり、上記に記載され添付の図面に示された実施形態だけではない。従って、上記の実施形態の範囲は、添付の特許請求の範囲から決定されるべきである。

Claims (10)

1. 第１の流体ポート(207)と第２の流体ポート(208)を規定するバルブ本体(201)と、
   前記バルブ本体(201)の少なくとも一部を囲み、第１の位置と少なくとも第２の位置の間を動いて、流体が前記第２の流体ポート(208)を通って流れることを選択的に許すバルブスリーブ(202)と、
   前記バルブスリーブ(202)内に配備されて、前記バルブスリーブ(202)を第１の位置と第２の位置の間で作動させるように構成され、前記バルブスリーブ(202)に螺合するネジ付きスピンドル(206)を備えた電気モータ(205)と、
   １以上のシール部材(203、204)を備え、
   少なくとも前記１つのシール部材(204)は、モータ駆動されるスリーブバルブ(200)を通って流れる流体から半径方向内側(ｒ_１)のバルブスリーブ(202)の領域をシールし、
   それによって、流体圧は前記バルブスリーブ(202)に半径方向、且つ前記バルブスリーブ(202)の長軸に直交して作用する、モータ駆動されるスリーブバルブ(200)。
2. 前記バルブ本体(201)は、１以上の支持アーム(209)にて分離される第１のバルブ本体の端部(210)と第２のバルブ本体の端部(211)を備える、請求項１に記載のモータ駆動されるスリーブバルブ(200)。
3. 前記第２の流体ポート(208)は、前記第１のバルブ本体の端部(210)と前記第２のバルブ本体の端部(211)にて規定される、請求項２に記載のモータ駆動されるスリーブバルブ(200)。
4. 更に、前記第２のバルブ本体の端部(211)から前記第１のバルブ本体の端部(210)に向かって延びて、流体を前記第１の流体ポートと前記第２の流体ポート(207、208)の間に向ける突起(311)を備えている、請求項２に記載のモータ駆動されるスリーブバルブ(200)。
5. 更に、前記バルブスリーブ(202)に形成された１以上の排出口(402)を備える、請求項１に記載のモータ駆動されるスリーブバルブ(200)。
6. モータ駆動されるスリーブバルブを第１の流体ポートと第２の流体ポートを含むバルブ本体と共に形成する方法であって、
   前記バルブ本体の少なくとも一部をバルブスリーブで囲み、該バルブスリーブが第１の位置と少なくとも第２の位置の間を動いて、流体が前記第２の流体ポートを通って流れることを選択的に許す工程と、
   前記バルブスリーブの内側に電気モータを位置決めして、前記バルブスリーブを第１の位置と第２の位置の間で駆動する工程と、
   １以上のシール部材を前記バルブ本体上に位置決めし、少なくとも１つの前記シール部材が、前記モータ駆動されるスリーブバルブを通って流れる流体から半径方向内側の前記バルブスリーブの領域をシールし、且つ流体が連通するバルブスリーブ(202)の領域を制限し、それによって流体圧は前記バルブスリーブ(202)に半径方向、且つ前記バルブスリーブ(202)の長軸に直交して作用する工程と、
   前記バルブスリーブを前記電気モータから延びるネジ付きスピンドルと螺合させる工程を備える、方法。
7. 更に、１以上の支持アームを用いて、前記バルブ本体を第１のバルブ本体の端部と第２のバルブ本体の端部に分離する工程を備える、請求項６に記載の方法。
8. 更に、前記第１のバルブ本体の端部と前記第２のバルブ本体の端部との間にて、前記第２の流体ポートを規定する工程を備える、請求項７に記載の方法。
9. 更に、前記第１のバルブ本体の端部に向かって延びる第２のバルブ本体の端部から突起を伸ばす工程を備える、請求項７に記載の方法。
10. 更に、前記バルブスリーブに１以上の排出口を形成する工程を備える、請求項６に記載の方法。

Images