JPS59166777A - 差圧制御サ−ボ弁 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 圧力またに差圧を制御するサーボ制御弁は多くの液圧サ
ーボ系統において重要で燃料流量調整、流体流量調整お
よびその他の技術分野において多くの潜在的用途を有し
ている。この目的に使用するサーボ制御弁は一般にやや
複雑で、減衰が不十分で振動しまた高価であった。現在
のサーボ制御弁はまたスチツクション（ＳｉｌＣｔｌＯ
ｎ）およびその他のヒステリシス特性に関する大きな問
題を有していて弁が一部を形成しているサーボ機構の製
造と精度とを非常に複雑にする。

本発明の目的は、弁にわたる差圧が電流の単純でなめら
かな関数であり、弁がヒステリシスまたがスチックショ
ン特性を有せずまた弁の速度が非常に速いミリ秒程度の
Ｔ）である差圧制御サーボ弁を提供することである。本
発明の他の１つの目的に，強力な減衰特性を有するサー
ボ弁を提供することである。弁はサーボ系統を全体とし
て臨界的に減衰させるか任意他の所望の減衰比に設定す
る本構造にできる。この減衰特徴によりサーボ系統を安
定にし簡素化するのを容易にする。

本発明のサーボ弁はフェライト物質の非常に低い磁気ヒ
ステリシスと敏速な応答との特性とを利用して層流力学
に基いて作られている。多くの高周波回路に使用する植
込みコアに非常に以ているフエライト磁石がコイル電流
の変化に即時に応答する浮動板に磁力をかける。この磁
力には浮動板にわたる差圧により生じた等しく反対の圧
力が掛抗する。浮動板に静水力学的支持（その特性は正
確に計算できる）の如く燃科またはその他の液体のフイ
ルム上を浮動する。浮動板をフェライト磁石から分離す
るフイルムの厚味が変化すると弁を通る流体の流量を敏
速に変える。フィルムの厚味の変化はスクイズフィルム
効果により減衰する。

寸法と半径との比を適当に選択すると、浮動板のスクイ
ズフイルム減衰を制御することにより弁の減衰特性を制
御できる。弁は非常に敏速で分析により予見できる応答
性をもつて正確に計算できる減衰特性を有し機械的ヒス
テリシスとスチックションとをゼロにして作れる。弁は
安価に作れまた磁気的粒子をサーボ弁を通り過ぎる流体
から慎重にろ出する限り耐用性がある。

これらの望ましい特性は以下に詳細に示す如く達成され
る。

第１図と第２又とを参照すると、サーボアセンブリ５，
６，７．９．　ｊ　Ｏが試験ハウジング１２内に装着し
てあろう液体がフェライト板１０と平たいプラーナー面
８との平行な円形平面間の通路ろから通路ＩＫ矢印方向
に流れろっフェライト電磁石５，６゜７０円形表面８と
フェライトフラッパ板アセンプＩＪ　９．１０との間の
間隙がフィルムの厚味りであろっフェライト７ラツパ板
９，１０にわたる設定した差圧に対する流れは１】ろに
比例しまたスクイズフィルムによる減衰力Ｈｈ乙に反比
例するっ設定したフィルム厚味に対する流れに流体速度
に比例しまた設定したフィルム厚味に対する減衰力は流
体の粘度に反比例する。従って、サーボ系統におけろサ
ーボ弁の減衰力はサーボ系統が作用する流体の粘度に鈍
感である。

フェライト軍１磁石５に多くの高周波回路の変圧器に商
業的に使用されている植込みコアに非常に相似しサーボ
弁が作用する周波数では無視できろ程度の磁気ヒステリ
スしか有しないうフェライト霜−磁石５にガソリン抵抗
性エポキシまたにその他のプラスチックに植え込まれろ
コイル巻きワイヤ６を含んでいて、フェライト電磁石５
とワイヤ６、！：、　ノ間ノＩＪｊ　部表面８げフェラ
イトフラッパ板９の下方のフェライトフラッパ板１０の
下面に係合する幾何学的になめらかで平たい平面を形成
する。

フェライト電磁石アセンブリ５　、６のプラーナー面づ
なわちＴＩＡ部千面８にはフェライト板９に接のブラー
ナー表面にフェライト電磁石の円形平面に対応し磁力に
より通路１・６間の差圧を平Φｙｖｃする円形の静水フ
ィルム支えの形状であるつエラストマーシー）１００表
面と表面８との間のフィルム厚味げフィルム厚味りとし
て示してあろ（拡大して）つエラストマーシート１０に
クランシアセンブリ１１で締め付けられ、従って、フェ
ライト板９にはたばたする弾性ヒンジ乞形成するフラッ
パによりフェライト％磁石にほぼ並べられろっこのヒン
ジは取ろに足りない程度の減尺とほぼゼロの機械的ヒス
テリシスとが特徴であろっ磁気的に非透過性材でなけれ
ばならない機械的イルム厚味ｈｙ抑制するっ フェライト電磁石５・６とフラッパ板アセンブＩＪ　９
　、１０との間で形成されたサーボ弁アセンブリの物理
的作用は単純であろっフェライト電、磁石の霜磁力はＮ
（コイルの巻数）と１（電流）とに比例するっフェライ
トフラッパ板９のフェライト部品げ麟＜磁気的に不ｌり
過性のエラストマーシート１０により表面８から分離さ
れている。このエラストマーシートはスペーサとして作
用しフェライトフラッパ板９を矩′磁石に引っ張り込む
磁力が弁が作用するフィルム１阜味１１の範囲内のＩＭ
ｉ隔には鈍感となるように配置しである。フェライトフ
ラッパ板９とエラストマーシート１０とに磁力を平（！
ＩＩＪｖｃ　′ｆろ静水フィルム支えとして浮動するっ
フェライトフラッパ板９の動きは静的屋擦と機械的ヒス
テリシスとがほぼゼロであるのが特徴であろつ弁を作る
磁性材（フェライト）に磁気ヒステリシスがほとんどゼ
ロでコイルの電流の変化に有効に即座に応答するっ表面
８に相対的なフェライトフラッパ板９とエラストマーフ
ラッパシート１０とのｍきｎ中ｑの円形ティスフのスク
イズフィルム減衰力により減衰されろ。

サーボ弁の物理的特性に第６図、第４図および第５図を
参照して詳細に説明１−ろっ第ろし１に１９６８年にマ
ツククロー〇ヒル・ブンク会カンパニイが出版した［潤
滑工学の標準手引］第１６−第１８頁にダツドレイ・テ
ィ・フーラーが述へ汀静水学的潤滑」の記事に添えて支
えという見地からサーボ弁である円形の静水学的段支え
の性能ケ示す第１５頁を変えたものである。第６図参照
。半径ＲＯの円にわたる圧力（通路乙におけ７−）Ｅ力
は流体が半径方向に流れるに従い段支えでげＲ６におい
てゼロにまで減少するっ　（フラッパアセンブリ９１１
０の下手側の圧力は計算上の目的でゼロ［Ｒ９定するっ
フラッパアセンブリ９．１０を表面８から引離す傾向の
あるフィルムにおけろ流体の集成した総力げＷであり、
これσ以下の式で表わされろ。

すなわち。

上式において Ｒ−インチで示した支えの外側半径 Ｒｏ−インチで示した支えの凹所半径 Ｉｎ−自然対数 Ｐｏ＝ｐｓｉて示したイ共給圧力 静水学的支えケ通り過ぎろ流体のイ５ｉｊ、　１ｉ１−
（サーボ弁により調整さ」また流体の流量）げＱであり
、これは次の式で一衣わされろ、すなわち、Ｗ−ボンド
で示すかけた負荷 ｈ−インチで示した床上（ｓｉＡｔ）のフィルム）９味 Ｑ−立方インチ７秒で示した流量 μ＝絶対粘度、レインズ（ＦＺｅｙｎｓ　）　（ポンド
−秒／平方インチ） フラップ板アセンブリ９・１０乞平秩■にするため、Ｗ
をフェライト電磁石アセンブリ５．６からの磁力と平衡
Ｖｃｆろっ け弁の性能に関連しているっフィルムを通る流体゛の流
量は粘度に反比例しフィルム厚味の立方に比例する。更
にまた。静水学的支へフィルムを通る流体の流量げＲか
Ｒ６の絶的値の関数でな（静水学的支えにおけろ流れが
層流であり層流でない限する２つの静水学的支えに一方
が他方の半径の２倍の半径を有していても同じ差圧を有
するっ更にので流量ＱＨこの比自体に対しては比較的に
鈍感である。要約すると、流量Ｑげ粘度、フィルム厚フ
ラッパ９・１０アセンブリを表面８から分離するフィル
ム厚味りが一定である限り、前記した方程式は流れが層
流となるに十分薄いフィルム厚味には正確に事実である
。しかしながらｈの変化げスクイズフィルム効果により
減衰されろっ第４図と第５図とけ前記した「潤滑工学の
標準手引」の第７＝のフランツ・アール・アーチバルド
てよろ「スクイズフィルム」から引用したものである。

アーチバルドがこの章の第１節にスクイズフィルムの基
本的物理学２良く要約している。ｆなわち。

１粘性流体のフィルムを互いに接近している１対の表面
間から押し出すと、これら表面が互いに接近する傾向に
抵抗する圧力を生じろう」。そのような条件の下でに流
体層乞「スクイズフィルム」と呼称するっ粘性の流れが
線形方程式により説明する現象であるので１重ね合わせ
の数学的原理乞使用して静水学的支えの流れ効果をスク
イズフィルム効果に有効に組み合わせろことかできろ、
第４図にアーチバルドの第５−７頁から取った中実の円
形ディスクの幾何学形状でスクイズフィルム／流体力学
乞示すっスクイズフィルム力Ｗｓ［イルムカＷｓか粘度
に比例し、フィルム厚味の立方に反比例し、フィルム厚
味の減少率（ｄｉ　）に比例しまた半径の５乗に比例す
る。従って、スクイズフィルム減衰力は半径の絶対値に
きわめて敏する）。流れが幾何学的形状に依存１〜ろこ
とと比較して減衰力が幾学的形状に機能的に依存すると
いう対照により現在の形式の静水学的磁気サーボ弁を非
常に広範囲の減衰比にわたり！制御できろ。

第５図にアーチバルドの記事におけろ対応するものであ
るが基本的にげ第１図でにスクイズフィルムとして示し
た中空状の円形ディスクのスクイズフィルム減衰を示す
。この場合の減艮力Ｗｓ％性が第５図に示してあろっ方
程式σ次のとおりである。すなわち、 この方程式σ簡単な円形ディスク用の方程式としイ”ｂ
ｉｌｌ、σ）立イｋ　Ｆ　　Ｐ％　ｍＦ　（−ｒｒｆ　
か　／　　Ａ　　ｈ、ｌ　　　Ｌ　ｒｒｓ　　二Ｌｌ＝
　ｒｙ　　ｒ、ａＲ とんと敏感て２以上の］見比には一層非常に敏感である
。たとえば、第１図と第２図とに示したす一ボ弁け］見
二５．０の比を有しているう一方がＲ＝、７５インチ、
Ｒｏ＝、’１５インチを有し他方がＲ二１５インチＲ８
−６ろ０インチを有する第１図に一致１−ろ２つの幾何
学的に似でいろ２つのサーボ弁乞考察する９２つのサー
ボ弁においてゴζが同じで灯るので、設定した差圧に対
する流量は両方の場合に同じフィルム厚味に対して同じ
ｈ であろっしかしながら、単位７７当りの減衰力に極端に
変化する第１の場合の方程式σ次のとおりである。ｆな
わち 第２の場合の方程式は次のとおりである。すなわち ティスフの場合の１６．０に非常に近い。同じ差圧を標
準的にする第１および第２の場５合に考察したサーボ弁
け１６：１の比だけ異なろサーボ機に２ｊｉ減衰比馨有
することになる。第１図と第２図とに関連して説明した
サーボ弁の相対比２変えろことにより広範囲にわたり適
応できろ減哀特恰を有１−ろ敏速に応答するサーボ弁を
咋れろことにサーボ機械的技術に精通１−６者にけ明か
と思うつ多くのサーボ系統たとえば、Ａ、Ｅ、Ａ　　が
作用１−ろ・燃料流量調整内燃機関に対してはスクイズ
フィルム減衰と流量との間の関係（共に粘度とフィルム
厚味ｌ）とが変ると変化１−ろのできわめて簡単な純粋
０）利得サーボ系統に対′−３−ろ流儀変化に対して臨
界的に減衰せしめられほとんど畑状であるサーボ系統を
形成するう 本発明のサーボ弁の製造と使用とにげ抽々実用上の配應
乞行５つサーボ弁は非磁性のプラスチックに対して自動
フラツシングであるが、（１ｈ性粒子が電磁的表面８に
集積してサーボ弁の性能Ｗ＠、救に劣化させろっ従って
、本発明のサーボ弁に効率の良い粒子フィルタ２設けて
使用することか肝要てあろっ水入フェライト磁石で簡単
に作れるそのようなフィルタ系統に安価て゛ある。別の
問題にゼロ市流である時間停止した後に始動さぜろ時の
サーボ弁１り）（／１−能ＶＣ関す石、電磁石はその特
徴として霜層（石の表面８にフラッパ板アセンブリ９．
１０引っ張る残留磁気を有するっ時間をかけ過ぎろと、
スクイズフィルム効果にこのフィルムを非常ニ薄（シ、
従って、スクイズフィルム効果が非常に薄いフィルムｌ
Ｌは非常に高いのでフィルムが元に戻ろまでに可成り時
間がかかる。従って１表面８に接角虫′ｆろエラストマ
ーシートのフラッパ１０の表面に僅かに粗面にしてこの
表面が非常に背（・フィルム厚味でＥ高れやすく」なる
ようにすると有用である。この特徴はしゃ所持性を全く
犠牲にしてあがなう必要があるがこの犠牲２払うだけの
価値があろっサーボ弁を冷却しても流体フィルムを頁通
して流れろ流体が熱を運ひ去るので典型的には問題にな
らないがある用途でに問題が生じろこともある。第１図
に示した如きサーボ弁を直列にして使用することに原理
的にも実用的にも簡単であろうもし非常に大きい差圧を
必要とする場合には、これらサーボ弁を直列にして使用
する必要があろっまた第１図に示した如きストッパ１４
馨含め神々のコイルの熱伝達特性を調和させろ限り本発
明のサーボ弁を並列にして使用することも簡単であろっ
平行に流れる場合にげ、サーボ弁の増大する間隙特性で
磁力が減退するので一方のフランパ弁かストッパに十分
圧接するまで他方の７ラソパ弁に完全に閉じたままにな
ることもかろうコイルからの熱伝達が穏当である限りこ
のことけ許容さン１．ろべきであろっ 本発明の磁気静水サーボ弁は安価で、非常に敏速で、サ
ーボ機械的用途に対し広範囲の減衰比に適合できヒステ
リシスがないことか特徴であるついくつかのサーボ機ｇ
＾的用途に使用１−ろσ）に便利である。

第１図と第２図とを参照して中心の円形静水学的支えの
幾何学的形状を説明したが、長用形またに矩形状の支え
幾何学的形状でも同じ作用？果せることげ明かと思う。

【図面の簡単な説明】

第１図にフェライト電磁石を形成するためフェライト製
柿込みコア５に包まれた植え込んだワイヤのコイル６と
、電磁石に静水学的支えとして係合するフェライト板９
と、フェライト板を支持し可撓性シートフラップ１０お
よびフラップ締付は手段１１から成るフラッパアセンブ
リｉ０．１′１および弁用のハウジング１２を示すハウ
ジング内のサーボ弁の断面図５第２図は一緒になってサ
ーボ弁を形成するフェライト電磁石とフラップに支持さ
れた板との幾何学的形状を詳細に示す第１図のサーボ弁
の余１祝図、第６図は１９６８年にマツフグロー・ヒル
社が発行した「潤津工学の標準手引」の第６−１８頁に
ダツドンイ・ティ・フラーが記述した「静水学的潤滑」
と題する記事から引用し如（１”ｌにして燃料弁が静水
学的支えとして作用しまた静水学的フィルム力と磁力と
を平衡にするごとにより流体の流れを制御する作用を行
うかを示す第１図と第２図とのサーボ弁に示した特性を
有する静水学的円形の支え用の線図および方程式。 第４図と第５図とは弁を分析に便利な方法でｄ★、哀す
るスクイズフィルム流体力を示し、第４図に前記した「
潤滑工学」の第７章にフランク・了−ル・アーチバルド
が記述した「スクイズフィルム」から引用しサーボ弁の
減衰の流体工学時＋＜、にのいく１図に調和させろため
アーチバルドの記事から引用したが基本的にけアーチバ
ルドの記事のａＬ　６−７＠から引用し、中空の円形テ
ィスフのスクイズフィルム減衰を示し図示した中空の円
形ティスフスクイズフィルム減衰が第１図と第２図との
サーボ弁の減衰え調和するものである。 ５・・・フェライト部磁石、　　６・・・コア、　　８
・・ブラーナー表面、　　９・・・フェライトティスフ
。 １０・・・可撓性の弾性支持体。 （外４名） ＦＩＧ、　３ Ｗ；−，９ｆ［Ｒ“号腎駁攬 Ｈｐ＝に−［み丁コて− ＦＩＧ、　５ 手続補正書 昭和タデ年　３月　Ｌ日 特許庁石官若杉和　夫殿 １、事件の表示 昭和ｕ年特許願第　ンぐ８２　号 ２、発明の名称 先Ｆ悸″目むヤーボ゛斗 ６、補正をする者 事件との関係　　特許出願人 住所 名　ｔｘ、ｖ−ト七ディフ′ｊヱンレン・ア・ノシェイ
ゾ４、代　理　人 −４７１＝

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）弁匠わたろ差圧が電流の単純でなめらかな関数であ
   ろ差ｌｌＥη１１）御サーボ弁であり、該サーボ弁が中
   心位置てした入口および出口を有するハヅジングと、入
   口に流体連通してハウジング内に位置決めされたフェラ
   イト電磁石とを備え、該フェライト昂２磁石が内部にコ
   イル巻きされたワイヤのコアを有するトロイド状フェラ
   イト本体を備え、ワイヤのコアがガソリン抵抗性物質に
   よりトロイド状本体に植え込まれ５　トロイド状本体に
   より形成された中心開口がハウジングの入口を取り巻き
   、フェライト霜゛磁石が頂部および底部乞有し、頂部が
   ハウジングの入口に直角ななめらかなブラーナ−光面７
   ａ１′有し、サーボ弁が更にまた川面および底面を有し
   市：磁石のハウジングと同じ平面に延びろ寸法にしたフ
   ェライトディスクとフェライトディスクの底面に固着さ
   れフェライトディスクとほぼ同じに延び、且つフェライ
   トディスクの縁＝Ｉｂｗ越え外方に延びている舌片を有
   する磁気的に不透過性のフィルムとを備え、ディスクが
   フィルムラ電磁石と向かい合わせの関係疋して電磁石の
   グラーナー頂面に位置決めされ、締付は手段がフィルム
   の舌片をハウジングに固着してディスクを市磁石フエラ
   イトテイスクが電磁石のプラーナー損部から引き上げら
   れると入口から流れを受けろようにした出口室を有し、
   それにより入口内の流体がフィルムと筆、磁石のプラー
   ナー頂面との間を通り静水フィルム支えを形成して静水
   フィルム圧力が磁力を事例にしま−た電磁石への電流の
   流れに減損されずになめらかに応答するようにしたこと
   乞特徴とする差圧制御サーボ弁。 ２）流れ制御エレメントが磁気的に負荷された静水段支
   えである液体流制御サーボ弁であり、電磁石がそれ乞舅
   通する中心の液体通路乞有し、この中心通路からの流れ
   が電磁石の対応するプラーナー表面に対応するプラーナ
   ー表面を有する磁気透過性の平たい板により締め切られ
   ，それにより平たし板にわたる差圧が静圧段支え、の方
   法で板を薄い液体フイルムに浮動させ、この液体フイル
   ムの厚味が静水支え圧力Ｗと板上の電磁石からの力との
   間に平衡力を生じるよう敏速に調節することを特徴とす
   る液体流制制御サーボ弁。 ３）電磁石と電磁的に透過性の平たい板とが敏速に電磁
   的に応答するためフエライトの如き磁気ピステリシスが
   非常に低い材料で作られている特許請求の範囲第２項の
   サーボ弁。 ４）平たい板が取るに足りない機械的ヒステリシスが特
   徴である比較的にはためく可撓性の弾性的支持体により
   静水支えモードで作用するよう保持さねている特許請求
   の範囲第２項のサーボ弁。 ５）サーボ弁が作用する磁力対距離曲線を平均にするよ
   うに平たい板と電磁石とのプラーナー表面間に磁気的に
   不透過性の物質が入れてある特許請求の範囲第２項のサ
   ーボ弁。 ６）平たい板の最大フイルム厚味が該板が電磁石から遠
   ざかる運動を制限する機械的ストッパにより抑制されて
   いる特許請求の範囲第２項のサーボ弁。 ７）静水学的段支えとして相互に作用する平たい板と電
   磁石との平面が中心孔を設けた円形テイスクの形式であ
   る特許請求の範囲第２項のサーボ弁。 ８）円形の静水学的板の半径の絶対値がサーボ弁の作動
   において減衰するスクイズフイルムの特定の程度を生じ
   るよう配置されている特許請求の範囲第７項のサーボ弁
   。 ９）静水学的段支えを形成する幾何学的平面が停止中残
   留磁気により過度に締め付け合わないようにするに十分
   な粗面を有している特許請求の範囲第２項のサーボ弁。