JPS5977175A - 流量制御装置 - 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】 本発明は、一般的には流量制御装置に係り、更に詳細に
は入口圧力及び流入流量の変化に起因する流量変化が小
さい流量制御装置に係る。

導管内を流れる流体の流量は該導管の流路断面積及び該
導管を横切る圧力降下に依存することがよく知られてい
る。従って流量制御装置により流体の流出を所望の値に
制御Ｊ”るには、流出制御装置の流路断面積だ（：Ｊで
なくそれを横切る圧力降下をも制御づる必要がある。航
空機用ガスタービンエンジンの流体機械的燃１１制御装
置の如き装置に於ては、燃料制御装置への入）ｊ、例え
ばパイ「］ットのパワーレバー又はこれど同様の制御入
力装置の駆動により行われるリンク等の運動に応答して
エンジンへ供給される燃料の流量を変化させることが望
ましい。上述の如き流体機械的燃料制御装置に於ては、
それぞれ固有のケーシング内に互いに独立して収容′さ
れた泪邑弁（スロットル弁〉及び圧力制御弁を設（〕る
ことが従来より一般に行われており、圧力制御弁は計量
弁を横切る圧力降下を一定に維持し−１これにより一つ
の変量、即ち流路断面積を制御することにより所望の流
量が得られるようになっている。燃料流出制御装置のコ
ンパクトさを改善すべく、単一のケーシング内に圧力制
御弁及び計量弁を有する種々の流ω制御装置が従来より
開発されている。かかる流１１制御ｌｌｌ装置の一つが
本願出願人と同一の出願人により本願と同日付（）にて
出願された特願昭５８−号に開示されている。

」−述の如き流出制御装置に於ては、計量弁を横切る圧
ノｊ降下は計量弁要素に設けられたウィンドウの上流側
及び下流側の流体圧を圧力制御弁要素の両端に作用させ
、（れらの流体圧によって圧ツノ制御弁要素に作用する
力をプレロードを与えられたばねにより与えられる反力
と釣合わせることによって一定の値に維持されるように
なっている。

かかる流量制御装置に於ては、本発明の効果がな（〕れ
ば、流流量制御装置を流れる流体の流動力（速度効果、
その大きさは流量制御装置内を流れる流体の流体圧及び
流量により決定される〉により圧力制御弁要素の設定状
態が乱されてしまう。

かくして圧力制御弁要素の設定状態が乱されることにに
り計量弁要素を横切る圧力降下が変化され、従って流ω
制御装置より流出する流体の流出が変化されてしＪ、う
。

流量制！１１１１装置の用途によっては上述の如き圧力
制御弁要素の設定状態の変化が許容されるが、圧力制御
弁要素により設定される圧力降下が正確に１１ｆｌ持さ
れる必要があるガスタービンエンジンの燃ｆｉｌ制御装
冒の如き用途に於ては、流量制御ｌｌ装置Ｊ：り流出す
る流体の圧力に応答して流ｆｄ制御装置へ供給される流
体の流ｎ）を調節するバイパス圧力制御弁を組込むこと
が従来より一般に行われている。

従って流量制御装置へ供給される流体のかなりの部分が
バイパス圧力制御弁へ戻されなければならず、そのため
流量制御装置へ流体を供給するために使用されるポンプ
はバイパス圧力制御弁へ十分な量の流体を供給し得るに
足る十分な能力を有するものでなければならず、また如
何なるにも流量制御装置内を通過覆る主流が必要である
。更にバイパス圧力制御弁は一般に定容積ポンプを必要
とし、従って遠心ポンプが使用される流体系に於ては使
用できないものである。またバイパス圧力制御弁を組込
まれた流量制御ＩＩ装置に於ては、その吐出ジオメトリ
−が流量制御装置を非常にかさ張ったものにするジオメ
トリ−にならざるを冑ない。

本発明の目的は、流量制御装置の内部の条件及び入口圧
力の変動に起因する流量の変動が小さい流量制御装置を
提供することである。

本発明ににれば、圧力制御弁要素の両端に作用する流体
圧に抗して圧力制御弁要素の釣合いをとるばねのばね定
数は、そのばねが圧力制御弁要素に作用する流動力の釣
合いをも取り得るよう選定されている。ばね定数は流量
制御装置を横切る所要の最大圧力降下と、圧力制御弁要
素により流体の流れ方向が転換される角度のコナインと
、計量弁のウィンドウの閉塞されていない部分の流路断
面積と、圧力制御弁要素の最大所要ストロークの逆数と
の積の２倍に実質的に等しい。計量弁要素はハウジング
に設番Ｊられた流体入口通路及び流体出口通路にそれぞ
れ対応し且これと連通する入口ウィンドウ及び出ｌ］ウ
ィンドウを含む実質的に管状の部材を含ｌυでいる。計
量弁要素がハウジング内にて選択的に位置決めされると
、ウィンドウの一方が該一方のウィンドウとそれに対応
する通路どの間の実効流路断面ｖ１を調節すべく整合度
合を変化可能に前記対応づ−る通路と整合した状態にも
たらされる。圧力制御弁は計量弁内にて往復動可能なス
プール型の弁であって、流量制御装置を横切る圧力時下
を制御すべく計量弁要素に設けられた他方のウィンドウ
どの整合度合を変化可能にこれと整合する第一の部分を
含む弁を含んでいる。

圧力制御弁要素の両端には一方のウィンドウの前後の流
体圧が作用づるよ−うになっており、上述の如さばね定
数を右するばねによって与えられるばね力にまりの１１
力制御弁要素の両端に作用する流体圧の差の釣合いがと
られ、これにより流ｆｆｉ　ｌｌｉ’Ｊ　Ｉｌｌ装置を
流れる流体の流量が計量弁要素の位置のみを調節するこ
とによって選択的に設定され得るようになっている。

以下に添付の図を参照しつつ、本発明を実施例について
詳細に説明する。

添付の第１図に於て、本発明による流量制御装置は入口
通路１５及び出口通路２０とり一−ボ流体ポート２２及
び２３とをイ１りるハウジング（ケーシング）１０を含
んでいる。図示の如くハウジング１０は実質的に円筒形
ぐあり、その一端２５に於て閉じられており、その他端
３０に於てフＣ−ドバックロッド３５を受入れるべく開
いている。

ロッドａ５の位ｎは計量弁要素の設定状態を示す。

入口通路１５より流量制御装置へ流入した流体は入口通
路の環状溝４０内を流れ、出口通路２０の環状溝４５を
経て流量制御装置より流出する。また環状溝４５は幅の
狭い環状通路５０とも連通しており、これにより流量制
御装置の出口圧力が流量制御装置の下端に於て後に詳細
に説明する如く維持されるようになっている。

計量弁要素５５はハウジング１０内に受入れられており
、ハウジングと共動してその両端に室５７及び５８を郭
定している。計量弁要素５５は長手方向に運動し得るよ
うその一端に於−Ｃシャフト３５に接続されている。図
示の如く計量弁要素５５はその両端に於°Ｃ閉じられて
おり、実質的に中空の円筒形をなしている。ｆｆ１ｆｆ
ｉ弁要素５５は入口通路１５を経て供給された流体にて
計量弁要素の内部を加圧ずべく環状溝４０と流体的に連
通した少くとも一つの入［］ウィンドウ６０を有してい
る・勿論所望の弁寸法及び必要とされる流量容ｆｉ■に
応じて複数個の入口ウィントウ６０が採用されてよい。

かかる複数個のウィンドウは図示のウィンドウと整合し
且環状ｉ％Ｌ４０と連通した状態にて８１偵弁要素の周
りに周縁方向に配列される。尚本用細書に於て、し入口
ウィントウ」は採用される全ての入口ウィントウを集合
的に相称するものである。

また８１量弁ｙ、素５５は該計ｆｆ（弁要素の内部より
環状溝４５を経て出口通路２０／＼流体を導くべく環状
溝４５と流体的に連通した少くとも一つの出［１ウイン
ドウ６５を有している。弁寸法及び必要とされる流出容
量に応じて図示のウィンドウと周縁方向に整合した複数
個の出口ウィントウが採用されてよい。尚本川１ｍにに
於て、［出口ウィントウ」は採用される全ての出口ウィ
ントウを集合的に相称するものである。

また計量弁要素５５はその側壁を貫通する孔６７を含ｌ
υでおり、孔６７は幅の狭い環状通路５０（及び出口通
路２０）と計量弁要素５５の下端の内部とを流体的に連
通接続している。

計量弁要素５５の内部には該計量弁要素と共に長手方向
、に往復動可能に圧力制御弁要素７０が配置されている
。圧力制御弁要素７０は直径の小さい中間部分８５の両
端に配置された一対の互いに隔置されたカップ形のラン
ド７５及び８０を臼むスプール型の弁要素である。圧力
制御弁要素７０の第一の部分（ランド７５）は計量弁要
素５５に設けられた入口ウィントウ６０の連通度合を変
化し得るようこれに整合して配置されている。中間部分
８５にはボア９０及び９５が設置ノられており、これら
のボアは計は弁要素５５の内部であって中間部分８５の
周りの空間とランド７０の内部とを流体的に連通接続し
ている。ランド８０の内部は翳１ｍ弁要素５５の下端の
内部が環状通路５０及び孔６７を経て環状溝４５と連通
接続されることにより、出口圧力にある流体にて加圧さ
れるようになっている。

／、Ｅｈｆｌｉｌｊ御弁要索７ｏはそのランド８ｏとリ
テー−１−カーｉ’ド１００上に摺動可能に配置された
ばねリテーナ９８どの間に弾装されたばね９７により図
にて上方へイ」勢されており、リテーナガイド１゜Ｏは
ピン１０５により［１最弁要素５５の下方部分に連結さ
れ（いる。リテーナ９８とガイド１００のベースどの間
には複数個の凹状及び凸状のバイメタルディスク１０７
が／ｌ−Ｈされており、これにより流体の温度変化に伴
なって流ｍ　ｆｈｌ　Ｉｌｌ装置の性能が変化すること
を低減寸べく、流量制御装置ににり流量制御される流体
の温度に応答してばね９７のばね荷重を調整し得るよう
になっている。

作動に於ては一流量制御装置ｌ＼の入力信号は室５７及
び５８の一方を選択的に加圧して８Ｉｆｆｉ弁要素５５
を直線運動させるべくボート２２及び２３を経て流量制
御装置へ導入される圧力流体によって与えられる。計量
弁要素５５がハウジング１゜内にて直線運動することに
より、出口ウィントウ６５と出口通路２０の環状溝４５
との連通度合が変化され、これにより環状溝７１．５と
出口ウィントウ６５との間の実効流路断面積が調節され
る。かくして例えば適当なポンプ（図示せず〉により流
量制御装置へ供給される加圧された流体は、入口通路１
５を経てハウジング１ｏ内へ流入し、環状溝４０．入口
ウィントウ６０を通過し、中間部分８５の表面に沿って
流れ、出口ウィントウ６５より流出する。入口ウィント
ウ６ｏはハウジング１０の如何なる部分によってもｗ１
塞されない状態が維持されるよ・うな寸法に形成され且
装置されている。かくして流量制御装置の実効流路断面
積は出口ウィントウ６５と環状溝４５との連通度合によ
り決定される。

上述の如く、流体の流量を正確に制ｔＩｎ−ｉ−るため
には、流は制御装置の流路断面積だけでなくそれを横切
る圧力降下をも制御する必要がある。本発明に於ては、
出口ウィントウ６５を横切る圧力降下は圧力制御弁要素
７ｏによりある予測可能な値に維持され、これにより流
量制御装置は一つの入力、即ち１ｉｌｈｌ弁要素５５の
設定により効果的に制御される。

圧力制御弁要素７０の第一の部分くランド７５）は入口
ウィントウ６０と整合した状態にて配置されている。従
ってウィンドウ６０と６５どの間の計量弁要素５５の内
部（出口ウィントウ６５の内側）に於ける圧力は、入口
ウィントウ６０の連通度合、換言すればランド７５によ
る入口ウィントウ６０の閑′Ｍ度合により決定される。

出［コラインドウ６５の下流側の流体圧は実質的に計量
弁要素５５の位置決めに応答して確立される出口圧力で
ある。出口ウィントウ６５を横切る圧力降下を予測可能
４Ｃ値に維持サベく、環状溝４５、環状通路５０、計量
弁要素５５に設けられた孔６７を経てランド８０の内部
（端面）に出口圧力が付与される。計量弁要素５５の内
側であって出口ウィントウ６５に近接した部分（出口ウ
ィントウ６５の上流側）の流体圧はボア９０及び９５を
経てランド７５の内部（端面）に付与される。

従って出口ウィントウ６５を横切る差圧は圧力制御弁要
素７００両端に作用し、ばね９７により釣合いがとられ
る。流ｉ３制御装首によりある所望の流量が維持されて
おり、その流量を増大させることが望ましいものと仮定
ツれば、ポート２２を経て導入されＩこ圧力流体により
計量弁要素５５が図にて下方へ駆動される。このことに
Ｊ、り出口ウィントウ６５と環状溝４５との間の連通度
合（整合度合）が増大さね、これにより出口通路２０へ
流れる流体の流量が増大される。圧力の制御１　ｔＪ：
、出口ウィントウ６５を横切る圧ノコ降下を実質的に一
定に維持Ｊる圧力制御弁要素７０及びばね９７により行
われる。

前述の如く、圧力制御弁要素７０に作用する流動力によ
り、圧ツノ制御弁要素が流量制御装置の所望の制御流量
に対応する圧力制御弁要素の位置又は設定状態より逸さ
れることがある。流体がウィンドウ６０を経て計量弁要
素５５内へ流入すると、その流体は加速され、流体圧の
かなりの部分が動圧に変換され、その動圧がランド８０
に作用することにより圧力制御弁要素７０が図にて下方
へ付勢される。流体はウィンドウ６５を紅て計重弁要素
より流出する前に減速され、その動圧のかなりの部分が
ランド７５及び８０に作用する全圧に変換される。かく
してランド８０に作用する押圧力はランド７５に作用す
る押圧力よりも大きく、その結果圧力制御弁要素を変位
させんとづ−る下向きの正味のツノが生じ、これにより
流ｆｆｉ　ｆｔｉ’ｌ　ｔｉｌｌ　Ｍ置の制御流量を所
望の流量にす°べく圧力制御弁要素により維持されるべ
き所要の位置より圧力制御弁要素が逸される。

ばね９７のばね定数を適宜に選定することにより流動力
による悪影響を最小限に抑えることができることが解っ
た。本発明によれば、ばね９７のばね定数は流量制御装
置のジオメトリ−及び流量制御装置を通過する流体の流
れの特徴の関数であり、下記の値に実質的に等しい。

ここにＡは流量制御装置を通過する流体の流量が最大流
量である場合に於けるウィンドウ６０の実際の流路断面
積（圧力制御弁要素７０のランド７５により閉塞されて
いイ【いウィンドウ６０の部分の実際の流路断面積）で
あり、 Ｘは流量制御装置を通過覆る流体の流量が最大流量であ
る場合に於（）る圧力制御弁要素の最大ストロークであ
り、 θは流体がウィンドウ６０より排出される際に圧力制御
弁要素により流体の流れ方向が転換される角度を圧力制
御弁要素の長手方向＠線の方向より測定した場合の角ｇ
、（第１図参照）であり、ΔＰｃは流量制御装置を横切
る最大圧力降下である。

上述の式の各項の値を求めるに当っては、流量制御装置
のジオメトリ−及び流ｈ）制御装置により流量制御され
るべき流体の最大流Φに基づいて、流市制ｔ２ｊ装置を
通過づる流体の流量が最大流量である場合に於（プるウ
ィンドウ６０の閉塞されていない部分の流路断面積Ａを
容易に計算づ゛ることができる。圧力制御弁要素の安定
性を最適化す゛る場合の如くウィンドウ６０が三角形で
ある場合には、項２△／ＸはＸ　ｔａｎφ（ここにφは
第２図に示されている如く三角形のウィンドウの閉塞さ
れていない部分の角度である）に低下νる。

また流量制御装置のジオメトリ−及び流量制御装置を通
過Ｊる流体の所要の最大流量より、流量制御装置の作動
範囲全体に亙り、流量制御装置を通過する流体の流量が
最大流量である場合に於ける圧力制御弁要素の最大スト
【］−り×を流路断面積Δと同様に容易に泪陣すること
ができる。

同様に圧力制御弁要素により流体の流れ方向が転換され
る角度０も流は制御装置のジオメトリ−より容易に目粋
される。

更に項ΔＰｃも入口導管１５を経て流量制御装置へ供給
される流体の特徴及び流量制御装置の下流側の所望の圧
力よりバ１算可能である。第３図は流量制御＋装置へ流
入する流体（入力流体）及び流■制御装置より流出する
流体（出力流体）について圧力と流量どの関係を示寸グ
ラフである。流量制御装置へ流入づる流体については、
説明の目的で、その曲線番よ例えばガスタービンエンジ
ンへ燃料を供給するために一般に使用される遠心ポンプ
の特徴を示している。流出流体の曲線は流！■制御装置
を通過づる流体の種々の流ｆｉｌについて流量制御装置
により必要とされる最小圧力を示している。

従って流量制御装置を横切る所要の最大圧力降下（ΔＰ
ｃ　＞は、流ｍがＦ＋である場合に於（〕る最犬ポンプ
出力曲線と最小流量制御装置出力曲線との間の最大偏差
である。

第４図は本発明の流量制御装置に於（）る種々の流量制
御装置出力流量について、流量制御装置全体を横切る圧
力降下に対する計量弁ウィンドウを横切る圧力降下の関
係を示すグラフである。この第４図より、ばね９７に本
発明に従っでばね定数（剛性）を付与することににす、
例えばポンプ吐出圧（流量制御装置へ流入する流体の圧
力）が通常の範囲にて変動覆ることにより流量制御装置
全体を横切る圧力降下が激しく変化しても、ｌ　ｆｆｔ
弁ウィンドウを横切る圧力降下が流量が一定の場合には
比較的一定に維持されることが解る。しかし、流量が増
大づると、計量弁ウィンドウを横切る圧ツノ降下は少な
くとも一部にはばね９７の剛性に起因して低下り−る。

流量制御装置の圧力ではなく流量制御装置の流路断面積
を設定することによって流出を制御することが望Ｊ、シ
いので、−り述の如き圧力降下の低下はそれが補正され
イ【ければ流出制御装置が流量制御りる際の精度に悪影
響を及ぼす。

しかし上述の如き圧ツノ降下の低下は計量弁ウィンドウ
のジオメ［・リーを適宜に選定することによって容易に
補正される。周知の如く、ある導管内を流れる流体の流
（ｉは以下の式によって表わされる。

Ｑ　　＝　　Ｋ　　△　ｍ ここに Ｑ−流出 １く一定数 Ａ−導管の通路断面積 ΔＰ−導管を横切る圧力降下 かくして流量制御装置を通過する流体の流出が増大する
につれて計量弁ウィンドウを横切る圧力降下が低下覆る
ことは、設定流量が増大するにつれて計量弁ウィンドウ
の流路断面積が増大するようにすることによって補正さ
れる。第１図及び第２図に示されている如く、計■１弁
ウィンドウの流路断面積の上述の如き増大はウィンドウ
６５の形状を図示の如き形状とすることによって達成さ
れている。

以上に於ては本発明による流量制御装置を、圧ツノ制御
弁要素の一端に出口圧力が作用し、圧力制御弁かヘロウ
ィンドゥの実効流路断面積を調節づるよう構成されＩこ
実施例について説明したが、本発明による流量制御装置
はこれど等価な他の構造に”Ｃ構成されてもよい。例え
ば本発明による流出制御３［１装置は、入口圧力が圧力
制御弁要素の一端に作用し、圧力制御弁要素が出口ウィ
ントウの実効流路断面積を調節するよう構成されてもよ
い。

以上に於ては本発明を特定の実施例について詳細に説明
したが、本発明はかがる実施例に限定されるものではな
（、本発明の範囲内にて種々の実施例が可能であること
は当業者にとって明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による流出制御装置の一つの実施例を示
す縦断面図である。 第２図は流量制御装置の入口ウィントウを示す拡大部分
図である。 第３図は本発明による流量制御装置へ流入する流体及び
それにり流出する流体の流量と圧力との関係を示すグラ
フである。 第４図は種々の流出について流θ）制御装置全体を横切
る圧力降下に対づ”る流量制御装置の計量弁部分を横切
る圧力降下の関係を示すグラフである。 １０・・・ハウジング、１５・・・人口通路、２０・・
・出口通路、２２．２３・・・流体ボート、２５・・・
一端。 ３０・・・他端、３５・・・フィードバックロッド、４
０．４５・・・環状溝、５０・・・環状通路、５５・・
・Ｊ１吊弁要素、５７．５８・・・室、６０・・・入口
ウィントウ、６５・・・出口ウィントウ、６７・・・孔
、７０・・・圧力制御弁要素、７５．８０・・・ランド
、８５・・・中間部分。 ９０．９５・・・ボア、９７・・・ばね、９８・・・ば
ねリテーナ、ｉｏｏ・・・リテーナガイド、１０５・・
・ビン。 １０７・・・バイメタルディスク ４７８ （自　発） 手続補正書 昭和５８年１１月７日 特許庁長官　若　杉　和　夫　　殿 １、事件の表示　昭和５８年特許願第１７６１’２６号
２、発明の名称　流量制御′３装置 ３、補正を゛する者 事件どの関係　　特許出願人 住　所　　アメリカ合衆国コネヂカット州、ハートフォ
ード、フィナンシャル・プラグ　１ 名　称　　ユナイテッド・チクノロシーズ・コーポレイ
ション４、代理人

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 流体入に１通路と流体出口通路とを有するハウジングと
   、 前記流体入に１通路及び前記流体出口通路にそれぞれ対
   応し１１これらとそれぞれ連通づる入口ウィントウと出
   口ウィントウとを有し、少なくとも一方のウィンドウが
   該一方のウィンドウとそれに対応づる前記通路との間の
   実効流路断面積を調節すべく前記対応覆る通路との連通
   度合を選択的に変化し得るよう前記ハウジング内に配置
   された計量弁要素と、 前記計量弁要素内に配置された圧力制御弁要素であって
   、前記圧力制御弁要素の第一の部分は他力のウィンドウ
   どの整合度合を変化可能にこれと整合しており、前記他
   方のウィンドウの閉塞されていない部分は流体の通過を
   許し、前記圧力制御弁要素はその両端に於て前記一方の
   ウィンドウの両側の流体圧にて加圧され旦その両端に作
   用づる圧力の差に起因して前記圧力制御弁要素に作用す
   る正味の力との釣合をとるばねにより付勢されている如
   き圧力制御弁要素と、 ここに Ａ：、流量制ｔｉ１１装置を通過する流体の流ｍが所要
   の最大流＾１にある場合に於ける前記他方のウィンドウ
   の流路断面積 Ｘ：前記流量制御装置を通過する流体の流量が前記所要
   の最大流量である場合に於ける前記圧力制御弁要素の最
   大ストローク θ：流量制御装置を通過する流体が前記圧力制御弁によ
   って方向転換される角度 ΔＰＣ：前記流量制御装置を横切る所要の最大圧力降下 に実質的に等しいばね定数を有し゛（いることを特徴と
   する流量制御装置。