(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の開口を画定する第１の部分と第２の開口を画定する第２の部分とを備えるバルブであって、前記バルブを通る気体または液体の通過が妨げられる閉鎖形態と、気体または液体の通過が可能とされる開放形態との間で、前記第１の部分が前記第２の部分に対して移動可能であり、
前記閉鎖形態において前記第１の開口と前記第２の開口とが一致せず、前記開放形態において前記第１の開口と前記第２の開口とが一致するように、前記第１の部分が前記第２の部分に対して横方向に移動可能であり、
前記第１の部分は、前記閉鎖形態にあるときに前記第２の部分の封止面と係合し、前記バルブの全体にわたる気体または液体の圧力差に応答して前記閉鎖形態で係止され、第１部分と第２部分との間の相対的な横方向運動を防止するように構成された可撓プレート状部材を備え、
前記可撓プレート状部材が、前記バルブ全体にわたる前記圧力差に応答して、前記封止面のプロファイルに合致するだけの十分な可撓性を有するバルブ。
【請求項２】
前記第１及び第２の部分は第１及び第２の部分の間の抑止摩擦によってバルブ全体にわたる圧力差が存在する時に前記閉鎖形態に係止される、請求項１に記載のバルブ。
【請求項３】
前記第１の部分が、前記第２の部分の前記封止面によって画定される表面に対して平行に移動するように制限される、請求項１または２に記載のバルブ。
【請求項４】
前記閉鎖形態と開放形態との間の移動中、前記第１の部分が前記第２の部分の前記封止面によって支持される、請求項３に記載のバルブ。
【請求項５】
前記第１の部分を前記閉鎖形態から開放形態へ移動させる開放手段と、前記第１の部分を前記開放形態から閉鎖形態へ移動させる閉鎖手段とをさらに備える、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のバルブ。
【請求項６】
前記可撓プレート状部材が、第１の開口のアレイを備え、前記第２の部分が第２の開口のアレイを備える、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のバルブ。
【請求項７】
前記閉鎖形態において前記第１の開口のアレイと前記第２の開口のアレイとが一致せず、前記開放形態において前記第１の開口のアレイと前記第２の開口のアレイとが一致するように、前記第１の部分が前記第２の部分に対して横方向に移動可能である、請求項６に記載のバルブ。
【請求項８】
前記第１の部分が一対の可動プレートを備え、前記一対の各可動プレートが前記第１の開口のアレイのサブセットを備える、請求項７に記載のバルブ。
【請求項９】
前記一対の各可動プレートが、前記第２の開口のアレイ内の別々の開口グループを封止するように構成されている、請求項８に記載のバルブ。
【請求項１０】
前記一対の各可動プレートが、前記第２の開口のアレイ内の同一グループ中の別々のセクションを封止するように構成されている、請求項８に記載のバルブ。
【請求項１１】
前記第１の部分が前記閉鎖形態と前記開放形態との間を移動するとき、前記一対の可動プレートが互いに逆方向に移動する、請求項８から１０のいずれか一項に記載のバルブ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は概して、２つの別個の空間の間の気体および／または液体の流れを制御するバルブに関する。特に、本発明は、個々の空間内のそれぞれにおける圧力が、ある段階では、空間の間に圧力差がなく、別の段階では圧力差があるように変動する可能性のある用途で使用されるバルブに関する。
【背景技術】
【０００２】
このようなバルブは、１つには気体の圧縮および／または膨張の際に適用される。しかしながら、本発明のバルブは、高効率、広バルブ面積、高速バルブ反応、および低圧力損失を必要とする用途での使用に適するであろう。本発明は、エンジン、真空ポンプ、コンプレッサ、エキスパンダ、その他のポンプ、ダクト、およびパイプ流の状況を含むが、それらに限定されない。
【０００３】
現行の圧力機械バルブは通常、逆止めバルブ式である。つまり、リードバルブ、プレートバルブ、ボールバルブ、ポペットバルブ、またはその他の類似の装置であってもよいことを意味する。たとえば、シリンダ空間内で移動するように構成されたピストンを備える往復エアコンプレッサ内での通常動作の際、ピストンは上死点（ＴＤＣ）から下死点（ＢＤＣ）に向かって移動し、シリンダ空間内での圧力低下を導く。閉鎖された１つまたは複数の吸気バルブを保持するバネを圧倒するのに十分なほど圧力が低下すると、１つまたは複数の吸気バルブが開放され、充填空気がシリンダ空間内へ引き込まれる。ピストンがＢＤＣに近づくにつれ、空気流は速度を落とし、圧力差が低下して、１つまたは複数の吸気バルブを閉鎖させる。その時点で、ピストンはＴＤＣに向かって戻り、シリンダ空間内の新たな充填空気を圧縮する。閉鎖された１つまたは複数の排気バルブを保持するバネを圧倒するのに十分なほどシリンダ空間内の空気圧が高くなると、１つまたは複数の排気バルブが開放されて、充填された圧縮空気を圧縮空間内へ送らせる。ピストンがＴＤＣに近づくにつれ、この圧力差と流量は低下し、１つまたは複数の排気バルブを閉鎖させる。
【０００４】
上述の単純なバルブの場合、その有効性を制限するような、バルブの動作に付随して生じる多くの課題が存在する。第１に、バルブを閉鎖するように作用する力を必要とする。つまり、この力を圧倒し、バルブを開放させるように印加された特定量の圧力差があることを意味する。このため、必然的に、バルブを通っていくらかの圧力損失が生じ、圧力差が増加する間にバルブを開放させる際に遅延が起こることになる。この種のバルブのもう１つの課題は、特定の共振周波数に達した場合にバルブが適正に停止して、バルブの振動の発生を導く可能性があることである。このような望ましくない挙動を制限するために堅牢なバルブと強力なバネを配備することができるが、閉鎖バネが強力であるほど、バルブを開放するのに必要な力が大きくなるため、不要な作業と効率低下につながる。
【０００５】
機械を高速で作動させる必要がある場合、低速の場合に必要とされるよりも迅速にバルブを開閉させなければならず、バルブが閉鎖する際の衝撃荷重が高くなる。通常の解決策としては、移動が最小距離となるようにバルブの上昇を制限することである。このようなアプローチは高速動作で起こる衝撃荷重を低減することができるが、望ましくないことに、有効バルブ面積を低下させてしまう。
【０００６】
概して、膨張バルブは、該バルブ上に閉鎖力を生じさせる方向に通常移動する流れに対して開放させておく必要があるため、圧縮バルブよりもずっと複雑である。つまり、膨張バルブを能動的に制御しなければならないことを意味する。この能動的制御は通常、カムとポペットバルブとの配置によって実行され、該配置において、バルブは、バルブによって隔てられる２つの異なる空間の間の圧力差に関係なくサイクル毎に所定の点で開閉する。この膨張バルブの動作方法は、圧力均等化（すなわち、バルブ全体にわたり圧力差が実質的にゼロである）の時点または付近で上記バルブを開放するように構成することが極めて困難であるため、相当な損失を招く。
【０００７】
上述の膨張バルブは通常、バルブが圧力差に対向して開放することができる強力な支持形態を必要とする。これはつまり、このような膨張バルブが、２つの別個の空間の間に圧力差が生じる際に継ぎ目をロックしないようにするのに十分なほど剛体でなければならない大型で重量のある構成要素であることを意味する。このようなバルブは、圧力均等化なしで開放されるときに大きな圧力損失を受けるため、通常は非効率的である。
【０００８】
堅牢なバルブが堅牢なバルブ面に押し当てられて据え付けられると、微粒子による汚染の結果、閉鎖された際にバルブが封止されず、バルブを通じて漏れが生じるため、封止が問題となる可能性がある。バルブとバルブ面との間の良好な封止を得るには、長時間バルブを精確に研磨する、および／または作動させる必要がある。
【０００９】
上記の従来技術のバルブは通常、バルブの上昇を制限し、閉鎖ばねを組み込むガードも含む。ピストンコンプレッサ吸気バルブの例では、このようなガードは、流体の通過するピストン行程の範囲を超えて一体型の空間を形成するが、その空間はデッドスペースまたは間隙と称される。
【００１０】
上述の課題に加えて、従来のバルブ設計はすべて、バルブ面積が相当制限される。吸気バルブと排気バルブの両方がシリンダのヘッド内に設定される通常の圧縮ピストン／シリンダ配置では、ピストン面積の５％または６％のバルブ面積は珍しくない。この制限されたバルブ面積には、コンプレッサが妥当な速度で作動している場合にバルブ面積を通過する流体流がしばしば非常に高速となり、これらのバルブを介する圧力損失が大きくなり得るという第２の課題が存在する。バルブ面積が２倍になると、バルブを通る流速は２分の１に低下し、圧力損失は約４分の１に減少する。
【００１１】
バルブ面積を増加させるには、シリンダの周囲に複数のバルブを間隔をおいて配置することが、コンプレッサの設計で通常に行われる方法である。これはバルブ面積を増加させる作用を有するが、ピストンリングを入口／出口ポートのレベルより下に維持しなければならないため、デッドスペースまたは間隙の量を増加させる作用も有する。
【００１２】
バルブ内のデッドスペース、主シリンダとの接続、およびＴＤＣにおけるピストン周囲の空間のすべてを結合すると、総間隙容積となる。間隙は通常、最大容積（行程容積＋間隙容積）に対する間隙容積の比として定義され、
間隙＝間隙容積／（行程容積＋間隙容積）（％）
ピストンコンプレッサの場合、通常は５％〜１５％の範囲である。間隙は、以下のように定義される容積効率に非常に大きな影響を及ぼす。
【００１３】
容積効率＝１行程中に実際に吸気された気体／行程容積（％）
圧力損失を無視すると、これは、
容積効率＝（総容積−吸気バルブ開放時の容積）／行程容積（％）
に近似する。
ただし、総容積＝行程容積＋間隙容積
大部分の通常のピストンコンプレッサの場合、容積効率は７０％〜８０％の範囲にあるが、これはコンプレッサの圧力比などの多くの要因に応じて変動する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
したがって、従来技術に付随する課題のいくつかを克服する、あるいは少なくとも軽減する改良されたバルブを提供することが望まれる。特に、現行バルブと比較して、迅速な開閉時間、低慣性、高容積効率、低圧力損失、圧力式開放、および良好な封止を提供する改良されたバルブを提供することが望まれる。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明によると、第１の開口を画定する第１の部分と第２の開口を画定する第２の部分とを備えるバルブであって、バルブを通る流体の通過が実質上妨げられる閉鎖形態と、流体の通過が可能とされる開放形態との間で、第１の部分が第２の部分に対して移動可能であるバルブが提供される。
【００１６】
第１および第２の部分は、バルブ全体にわたる圧力差に応答して、閉鎖形態で係止するように構成することができる。さらに、第１の部分は、第１および第２の部分が閉鎖形態で係止される場合、バルブ全体にわたる圧力差によって第２の部分に対して封止されるように構成することができる。このように、バルブ全体にわたる圧力差が封止力を提供し、バルブ全体にわたり大きな圧力差が存在する間、封止形態で係止されたままであるバルブを提供することができる。該バルブは、バルブ全体にわたる圧力差が実質的にゼロまで低下すると、係止された封止形態から自動的に解放される。バルブはバルブが非荷重または軽荷重であって、２つの空間の間に圧力差が全くないか、あるいはほとんどないときのみに移動するため、摩耗を最小限にとどめられる。つまり、バルブを必要に応じて無潤滑状態にできることを意味する。
【００１７】
一実施形態では、第１の部分は、閉鎖形態にあるときに第２の部分の封止面と係合し、バルブ全体にわたる圧力差に応答して閉鎖形態で係止するように構成された可撓プレート状部材を備えることができる。プレート状部材は、バルブを封止するため、バルブ全体にわたる圧力差に応答して、封止面のプロファイルに合致するのに十分な可撓性を有することができる。このように、軽量バルブ部材を小さな圧力差によっても適所に係止し、小さなエネルギー入力で迅速なバルブ運動を提供するのに使用することのできるバルブが提供される。さらに、可撓プレート状部材の順応性により、該プレート状部材は、第１の部分と第２の部分との間に汚染物があっても、第２の部分の封止面に対して良好な封止を提供することができる。
【００１８】
第１の部分は、閉鎖形態において第１の開口と第２の開口が一致せず、開放形態において第１の開口と第２の開口が一致するように、第２の部分（たとえば、第２の部分の平面）に対して横方向に移動可能とすることができる。このように、第１および第２の部分が開放形態にあるときに、第１の部分は気体の流路から外れて保持されるため、振動傾向が回避され、空気はハルブを通る制限されない通路を有する。第１の部分は、封止面の表面と平行に移動するように構成することができる。封止面の表面は、平面、単独の湾曲面（たとえば、円筒状面）、または回転面とすることができる。
【００１９】
第１の部分は、第２の部分に対して直線的に移動する（すなわち、線形摺動バルブを形成する）ように構成する、あるいは第２の部分に対して回転する（すなわち、回転摺動バルブを形成する）ように構成することができる。第１の部分は、開放形態と閉鎖形態との間の移動中、第２の部分の封止面によって支持することができる。好都合なことに、第２の部分に対する第１の部分の摺動運動は、自己清浄機構として作用する傾向がある。
【００２０】
一実施形態では、第１の部分は、第２の部分の封止面の表面と略平行に移動するように制限することができる。たとえば、可撓プレート状部材を備える第１の部分の場合、可撓プレート状部材は、部材（すなわち、その最も堅牢な軸）の平面内において移動するように制限することができる。可撓プレート状部材は、保持プレートによって封止面の表面に沿って移動するように制限することができる。
【００２１】
保持プレートは、可撓プレート状部材をほぼ覆うように構成された有孔スクリーンを備えることができる。制限する運動に加えて、保持プレートは可撓プレート状部材を保護する役割もさらに果たすことができる。保持プレートは、可撓プレート状部材が該部材の平面に垂直な運動にほぼ抵抗しつつ、該部材の平面に沿って自由に移動することができるように構成することができる。このように、保持プレートは、可撓プレート状部材の湾曲や波打ちを低減することができる。保持プレートは、略平面状の本体を備えることができる。このように、圧縮チャンバまたは膨張チャンバに配置されたとき、保持プレートは最小限のデッドスペースを提供するように構成することができる。一実施形態では、保持プレートは、バルブを通る流れに影響を及ぼさずに最小限のデッドスペースを提供するように成形された（たとえば、レーザ切断された、水切断された、あるいはフォトエッチングされた）比較的薄い材料を備えることができる。たとえば、保持プレートは、張力を付与された一連のワイヤ、一連のキャップ付きスタッド、薄く切断された金属シートまたは金属ウェビングのうちの１つを備えることができる。
【００２２】
保持プレートは移動可能とする必要がないため、重量に関係なく強度または熱特性に関して選択された材料を用いて構成することができる。たとえば、保持プレートは、熱的に有益な被覆（たとえば、断熱被覆）を施したステンレス鋼を備えることができる。
【００２３】
保持プレートは、第１および第２の開口を通る流体流の邪魔をしないことが好ましく、その場合、追加の乱流を最小限にとどめるという点で、略等エントロピー挙動が重要である。適切な材料または表面被覆が選択されれば、保持プレートは、略等エントロピー挙動の向上にも貢献する低放射率および／または低熱伝導率を有することができる。保持プレートは、第１の部分に衝突するかもしれない屑からバルブプレートを保護することもできる。
【００２４】
第１および第２の部分は、第１の部分と第２の部分との間の抑止摩擦によって、バルブ全体にわたる圧力差が存在する場合に閉鎖形態で係止するように構成することができる。たとえば、第２の部分の封止面のプロファイルに適合されたときの可撓プレート状部材と封止面との間の摩擦は、封止面に対する可撓プレート状部材の横方向運動をほぼ防止するのに十分とすることができる。抑止摩擦に頼ることができない状況下では、第１および第２の部分を閉鎖形態に維持するために、圧力差によって係止手段を提供することができる。係止手段は、第１の部分と第２の部分との間の横方向運動に対抗する追加の抵抗を提供する正圧駆動係止機構（たとえば、ラッチ機構）または静的圧力始動幾何的制約物（たとえば、保持突起またはスタッド）を備えることができる。
【００２５】
バルブは、閉鎖形態から開放位置へ第１の部分を移動させる開放手段と、開放位置から閉鎖形態へ第１の部分を移動させる閉鎖手段とを備えることができる。開放手段および閉鎖手段は２つの別個の機構であってもよいし、あるいは単独の機構（たとえば、単独の空気式アクチュエータ）を備えていてもよい。
【００２６】
一実施形態では、開放手段は、第１の部分が閉鎖形態にあるときに付勢作用を与えるように構成された開放バイアス手段を備えることができ、バルブは、第１の部分が開放形態にあるときに閉鎖手段と選択的に係合するトリガ手段をさらに備えることができる。このように、開放装置は、圧力がまだバルブを適所に係止している間、付勢力をバルブに印加する役割を果たし、それによって、付勢力が圧力差によって生成される係止力（たとえば、摩擦力）を上回るため、バルブは圧力均等状態または略圧力均等状態で開放される。
【００２７】
閉鎖手段は、開放バイアス手段を圧倒するように構成された閉鎖力生成手段を備えることができる。トリガ手段の動作は、バルブ全体にわたる圧力と無関係にすることができる。一実施形態では、閉鎖力生成手段は予荷重力生成装置を備え、閉鎖事象は力生成装置に予荷重を与えるのに必要な時間に対して速くなる。別の実施形態では、第１および第２の部分のうちの一方が、閉鎖手段を配置し、閉鎖手段をさらにリセットするための、１つまたは複数の閉鎖ピンを収容する位置スロットを備えることができる。同様に、第１および第２の部分のうちの一方が、１つまたは複数の開放ピンに対する配置を可能にする１つまたは複数の配置穴を備えることができる。
【００２８】
閉鎖位置は、閉鎖力生成装置と組み合わせて１つまたは複数の正確に配置されたピンによって制御することができ、可撓プレート状部材はその間で張力を付与された状態で保持される。別の実施形態では、開放形態にあるときの第２の部分に対する第１の部分の横方向位置は、開放バイアス手段と組み合わせて１つまたは複数の正確に配置されたピンによって制御することができ、該プレートはその間で張力を付与された状態で保持される。
【００２９】
バルブは、第１の部分が圧力差により閉鎖形態で係止されるときに閉鎖手段を選択的に離脱させるリセット手段をさらに備えることができる。バルブの閉鎖は、サイクル中の選択可能に変動する点で機械的に作動させることができる。
【００３０】
開放手段は、開放ハウジング手段、開放ピン手段、および開放バネ手段を備えることができる。閉鎖手段は、閉鎖ハウジング手段、閉鎖ピン手段、トリガ手段、および閉鎖バネ手段を備えることができる。閉鎖バネ手段は開放ピン手段より強力であってもよい。開放手段と閉鎖手段が単独の機構によって提供される場合、開放ピン手段と閉鎖ピン手段は単独のピンを備えることができる。
【００３１】
トリガ手段が始動されて、閉鎖バネ手段が（閉鎖ピン手段を介して）第１の部分を閉鎖形態へ移動させるとき、第１の部分は開放形態から閉鎖形態へ移動するように構成することができる。第１の部分が閉鎖形態に向かって移動する際、閉鎖バネ手段が開放バネ手段よりも強力であるため、開放ピン手段と開放バネ手段は同時に移動するように構成することができる。
【００３２】
開放手段が係合される前に、閉鎖手段は機械的にリセットされるように、またトリガ手段は適所に係止されるように構成することができる。開放手段は、開放バネ手段と開放ピン手段とを介して開放形態に第１の部分を付勢するように構成することができる。このように、バルブプレートの両側の圧力が均等または略均等であるとき、第１の部分は閉鎖形態から開放形態に自動的に移動する。
【００３３】
第１の部分は、局所的剛性を提供する補強部材を備えることができる。可撓プレート状部材の場合、補強部材は、第１の部分の重量を実質上増加させずに、可撓プレート状部材の封止面のプロファイルへの適合能力を維持しつつ、可撓プレート材料での大きな応力を回避するのを助けることができる。補強部材は、第１の部分と対向して、あるいは第１の部分の応力場によって要求されるように、第１の部分の実質上第１の側部から第１の部分の第２の側部へと延在する伸長部を備えることができる。
【００３４】
補強部材は別の部材であってもよいし、同一構造の一体的部分であってもよい。
第２の部分に対して第１の部分を移動させると、開放手段と閉鎖手段のうちの少なくとも１つは補強部材に係合することができる。開放手段および／または閉鎖手段は、第１の部分の重心の位置または重心の前方で補強部材と係合することができる。可撓プレート状部材の場合にこの構造は特に有益である。可撓プレート状部材が重心の後ろに位置する点から押される場合、可撓プレート状部材を制して保持するために正確なガイドが必要となる場合がある。
【００３５】
一実施形態では、第１および第２の部分は、第１の部分と第２の部分との間の相対運動（たとえば、振動運動）を制御する相互に係合可能な部分を備える。一実施形態では、相互に係合可能な部分は、誘導ピンと、誘導ピンを収容する対応スロットとを備える。このように、第１の部分と第２の部分との間の相対運動はスロットによって画定される通路内を移動するように制限することによって、第１の部分と第２の部分との間の相対運動の方向と距離の両方を制御することができる。
【００３６】
一実施形態では、第１の部分が単独の直線または単独の弧上でのみ第２の部分に対して後退および前進することができ、他の方向での移動が最小化されるように、第２の部分に対する第１の部分の移動は、２つまたはそれ以上の正確に配置され寸法を調整された位置ピンによって制限される。好都合なことに、このような構造の使用によって、第１の部分と第２の部分との間の運動を精密な始動機構を設ける必要なく正確に制御することができる。一実施形態では、第１の部分と第２の部分のうちの一方が、第１および第２の部分が開放形態または閉鎖形態を得たときに他方の部分で誘導ピンを接触させる停止ピンをさらに備えることができる。一実施形態では、停止ピン及び位置ピンは、正確な誘導位置と正確な停止位置との両方を提供することによって同一の役割を果たす。
【００３７】
一実施形態では、第１の部分は第１の開口のアレイを備え、第２の部分は第２の開口のアレイを備える。第１の形態において第１および第２の開口のアレイが一致せず、第２の形態において第１および第２の開口のアレイが一致するように、第１の部分が第２の部分に対して横方向に移動可能である。
【００３８】
第１および第２の開口のアレイの各開口はそれぞれ、第１および第２の部分の面積と比べて比較的小さな断面積を有することができる。このため、開放形態と閉鎖形態との間で第１の部分と第２の部分を移動させるのに、第１の部分と第２の部分との間のわずかな相対運動しか必要としない。さらに、比較的小さな開口のアレイを使用することによって、非均一形状の第１および第２の部分をバルブ面積の損失なく作製することができる。これは、バルブの当該部分に、バルブ面積への最小限の影響で、（支柱などの）他の構造を割り込ませることができることも意味する。軽量構造は、ピストンヘッドなどの往復動部材内に嵌合させることもできる。
【００３９】
可撓プレート状部材を備える第１の部分の場合、可撓プレート状部材が大きな弛みなく第２の部分の対応する開口を橋絡することができるように、開口寸法を設定することができる。さらに、第１の部分が閉鎖形態に移動するとき、可撓プレート状部材が第２の部分の対応する開口の縁に引っかからないことを確保する開口寸法を設定することができる。
【００４０】
一実施形態では、総開放開口面積（すなわち、第１および第２の部分が開放形態にあるときの総開放開口面積）は、総バルブ面積の２０％を超える。別の実施形態では、総開放開口面積は総バルブ面積の３０％を超える。さらに別の実施形態では、総開放開口面積は総バルブ面積の４０％を超える。さらに別の実施形態では、総開放開口面積は総バルブ面積の５０％を超える。
【００４１】
一実施形態では、開口密度（すなわち、バルブ面の単位面積当たりの開口数）は１０００／ｍ２を超える。別の実施形態では、開口密度は２０００／ｍ２を超える。別の実施形態では、開口密度は４０００／ｍ２を超える。さらに別の実施形態では、開口密度は８０００／ｍ２を超える。さらに別の実施形態では、開口密度は１２０００／ｍ２を超える。さらに別の実施形態では、開口密度は１６０００／ｍ２を超える。
【００４２】
一実施形態では、平均開口面積は総バルブ面積の１％未満である。別の実施形態では、平均開口面積は総バルブ面積の２％未満である。別の実施形態では、平均開口面積は総バルブ面積の３％未満である。さらに別の実施形態では、平均開口面積は総バルブ面積の４％未満である。さらに別の実施形態では、平均開口面積は総バルブ面積の５％未満である。
【００４３】
一実施形態では、開口周囲の封止面積は総バルブ面積の４０％未満である。別の実施形態では、開口周囲の封止面積は総バルブ面積の３０％未満である。別の実施形態では、開口周囲の封止面積は総バルブ面積の２０％未満である。さらに別の実施形態では、開口周囲の封止面積は総バルブ面積の１０％未満である。
【００４４】
一実施形態では、バルブは２０ｋｇ／ｍ２未満の質量を有する。別の実施形態では、バルブは１５ｋｇ／ｍ２未満の質量を有する。さらに別の実施形態では、バルブは１０ｋｇ／ｍ２未満の質量を有する。さらに別の実施形態では、バルブは５ｋｇ／ｍ２未満の質量を有する。さらに別の実施形態では、バルブは２ｋｇ／ｍ２未満の質量を有する。
【００４５】
第１および第２の開口のアレイは均等に（たとえば、均一に）第１および第２の部分全体に分布させることができる。好都合なことに、このような開口の均一分布は、略等エントロピー圧縮または膨張工程が必要とされるときに、望ましくない乱流を低減するために特定されてきた。
【００４６】
第１の部分は、１層または複数層で構成することのできる１つまたは複数のバルブプレートで構成することができる。
一実施形態では、第１の部分は１対の可動プレート（たとえば、線形に移動可能または回転移動可能）を備え、該対の各プレートは第１の開口のアレイのサブセットを備える。第１の部分が第１の形態と第２の形態との間を移動するとき、１対の可動プレートは互いに逆方向に移動するように構成することができる。一実施形態では、該対の各プレートは、第２の開口のアレイ内で別々の開口グループを封止するように構成されている。別の実施形態では、該対の各プレートは、第２の開口のアレイ内の同じ開口グループ中の別々のセクションを封止するように構成されている。このように、単独層において摺動する１つまたは複数のバルブプレートで達成可能な以上に、閉鎖時間を低減する、あるいはバルブ面積を増加させるようにバルブを構成することができる。
【００４７】
第１の部分が第２の部分に対して線形に移動するように構成される場合、第１の部分は一実施形態では、さらに２対の可動プレートを備えることができ、各対は別々の軸（たとえば、異なる共面軸）に対応づけられ、各対の可動プレートは各自の軸に沿って逆方向に移動するように構成される。別の実施形態では、第１の部分はさらに３対の可動プレートを備えることができ、各対は別々の軸（たとえば、異なる共面軸）に対応づけられ、各対の可動プレートは各自の軸に沿って逆方向に移動するように構成される。１対の可動プレートと対応づけられる各軸は、隣接軸から均等に間隔をおいて配置することができる。
【００４８】
一実施形態では、第２の部分の封止面のプロファイルは、それに対して第１の部分を円滑に移動させるように構成される。たとえば、封止面の各開口は、第１の部分が上を摺動できるようにしつつ、良好な封止を確保するように構成された半径を有する周縁部を備えることができる。このようにして、第２の部分上を摺動する際に第１の部分が縁部を「突く」危険性を低減することができる。可撓プレート状部材は開口を横断する際にわずかに弛むほど柔軟であるため、第１の部分が該部材を備える場合に、このような突きが特定の課題となる場合がある。たとえば、４ｍｍ×４ｍｍの開口寸法、０．５ｍｍマイラー製バルブ、開口周囲の１ｍｍの封止縁部では、０．０５ｍｍ〜０．１ｍｍの半径が第２の部分の開口で適用される。
【００４９】
バルブ材料は、封止面によって支持されるときに特に強力である必要はない。つまり、軽量とすることができ、低慣性を有し、それ故により小さなエネルギーでより高速に移動することができる。バルブ封止面積は、バルブ面積に対して特に大きくする必要はない。封止面積が小さいほど、漏れを防ぐためにバルブプレートの位置を制御するのに必要な精度が高まる。概して、１つのバルブプレートでは、総面積の５０％弱の理論上の最大値を達成することができ、２つのプレートでは、この値を６６．７％弱まで増加させることができる。他の有効な線形組み合わせは、６および８個のバルブプレートで構成され、その場合の理論上の最大値はそれぞれ８６％弱と８９％弱になる。大きな総開口面積を有する複数のバルブプレートを使用するもう１つの利点は、各プレートを非常に軽量にできるためにより迅速な動作が可能になることである。
【００５０】
バルブ材料は、様々な材料から構成することができ、たとえば、プラスチック（たとえば、マイラー、ピーク）、複合物（たとえば、カーボン、ガラス、アラミド樹脂）、金属（たとえば、ステンレス鋼）、およびセラミック（たとえば、薄いシリコンカーバイドカーボンシート）などがその例である。関係する温度と圧力は、使用の際に有害に変形しないことを確保するために選択される実際の材料に大きな影響を及ぼす。特定の用途では、他の有益な特性を有するため、クリープや塑性変形を起こす材料を使用することが有益である。この場合、クリープや塑性変形は、マイラー上にステンレス鋼などの局所的強度を提供するためにより強靭な材料を接合することによって克服することができる。バルブ材料（可撓プレート状部材を含む）は、レーザ切断、水切断、フォトエッチングにより切断する、あるいはその他の手段によって形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１ａ】本発明の第１の実施形態に係るバルブを備える複動ピストンの概略図である。
【図１ｂ】図１ａのピストンのバルブプレート手段のセクション「Ａ」の概略図である。
【図２ａ】バルブプレート手段が開放位置にある状態で、封止面プレート手段と組み合わせたバルブプレート手段の概略図である。
【図２ｂ】バルブプレート手段が閉鎖位置にある状態で、封止面プレート手段と組み合わせたバルブプレート手段の概略図である。
【図３】バルブプレート手段のない図２ａおよび２ｂの封止面手段の概略図である。
【図４ａ】図１ａのピストンの開放手段の概略図である。
【図４ｂ】図１ａのピストンの開放手段の概略図である。
【図５ａ】図１ａのピストンの閉鎖手段の概略図である。
【図５ｂ】図１ａのピストンの閉鎖手段の概略図である。
【図６】本発明の別の実施形態に係るバルブのバルブプレート手段の概略図である。
【図７】図６のバルブプレート手段と共に使用するための封止面プレート手段の概略図である。
【図８】開放位置における図６および７に示されるバルブプレート手段および封止面プレート手段を備えるバルブの概略図である。
【図９】開放位置にある図８のバルブの概略断面図である。
【図１０】閉鎖位置にある図８のバルブの概略図である。
【図１１】閉鎖位置にある図８のバルブの概略断面図である。
【図１２ａ】本発明の実施形態に係るバルブの線形バルブおよび回転バルブ構造を示す概略平面図である。
【図１２ｂ】本発明の実施形態に係るバルブの線形バルブおよび回転バルブ構造を示す概略平面図である。
【図１２ｃ】本発明の実施形態に係るバルブの線形バルブおよび回転バルブ構造を示す概略平面図である。
【図１２ｄ】本発明の実施形態に係るバルブの線形バルブおよび回転バルブ構造を示す概略平面図である。
【図１２ｅ】本発明の実施形態に係るバルブの線形バルブおよび回転バルブ構造を示す概略平面図である。
【図１２ｆ】本発明の実施形態に係るバルブの線形バルブおよび回転バルブ構造を示す概略平面図である。
【図１３ａ】本発明の実施形態に係る経路構造の概略断面図。
【図１３ｂ】本発明の実施形態に係る経路構造の概略断面図。
【図１３ｃ】本発明の実施形態に係る経路構造の概略断面図。
【図１３ｄ】本発明の実施形態に係る経路構造の概略断面図。
【図１３ｅ】本発明の実施形態に係る経路構造の概略断面図であって、好ましい実施形態を示す。
【図１３ｆ】本発明の実施形態に係る経路構造の概略断面図であって、好ましい実施形態を示す。
【図１４】第１の保持プレートの概略図である。
【図１５】は、抑止摩擦が圧力差の力で適所にバルブプレートを係止するのに十分でないときに使用可能な保持スタッドの形状の幾何的制約を示す。
【図１６】一体型補強部材を有するバルブプレート手段の概略詳細図である。
【発明を実施するための形態】
【００５２】
本発明の実施形態を、以下の添付の図面を参照して例として説明する。
図１ａおよび１ｂ
図１ａは、複数の封止ポート６０を含むピストン面手段２と、保持プレート手段３と、バルブプレート手段１０と、開放手段１００と、閉鎖手段２００とを含むバルブ５を備える複動ピストン１の概略図である。
【００５３】
図１ｂに示すように、バルブプレート手段１０は、複数のバルブプレートポート２０と、複数の装着点手段３０と、位置ピン手段４０とを備える。使用の際、バルブプレート手段１０は、バルブ５を通る流体流を実質上阻む閉鎖位置と、バルブを通る流体の通過を可能とする開放位置との間で、ピストン面手段２に対して移動可能である。
【００５４】
閉鎖位置において、封止ポート６０とバルブプレートポート２０は完全に一致せず、バルブプレート手段１０はピストン面手段２に対して封止される。開放位置において、封止ポート６０とバルブプレートポート２０は一致して、バルブを通る複数の経路を形成する。
図２ａ
図２ａは、封止面手段５０と組み合わせた、本発明の第２の実施形態に係るバルブプレート手段１０’を示す。バルブプレート手段１０’は強化ストリップ手段７０と複数のバルブプレートポート２０’とを備え、封止面プレート手段５０は複数の封止面ポート６０’と位置ピン手段４０’とを備える。図２ａに示すように、バルブプレート手段１０’は開放位置にあり、バルブプレートポート２０’は封止面手段５０上の封止面ポート６０’と完全に位置合わせされている。
図２ｂ
図２ｂは、閉鎖位置におけるバルブプレート手段１０’を示し、バルブプレートポート２０’は封止面手段５０上の封止面ポート６０’と完全にオフセットしている。
図３
図３は、複数の封止面ポート６０’と位置ピン４０’とを備える封止面手段５０を示す。
図４ａおよび４ｂ
図４ａおよび４ｂは、開放バネ手段１０１と、開放ピン手段１０２と、開放ハウジング手段１０３とを備える開放手段１００を示す。
【００５５】
開放バネピン手段１０２が開放バネ手段１０１を圧迫する方向に移動すると、開放バネ手段１０１は開放ピン手段１０２を介して閉鎖位置から開放位置へバルブプレート手段１０を移動させるときに利用可能な付勢力を提供し、その際にバルブ５全体にわたる圧力差は圧力均等化または略圧力均等化状態にある。
図５ａおよび５ｂ
図５ａおよび５ｂは、閉鎖バネ手段２０１と、閉鎖ハウジング手段２０３と、トリガ手段２０４と、閉鎖ピン手段２０２、トリガスロット手段２０５、およびリセットローラ２０６を有する閉鎖シャフト手段２０７とを備える閉鎖手段２００を示す。
【００５６】
リセットローラ手段２０６はリセットカム手段（図示せず）に沿って移動すると、閉鎖バネ手段２０１が圧迫され、トリガ手段２０４がトリガスロット手段２０５内に落ちるように、閉鎖シャフト手段２０７を閉鎖ハウジング手段２０３に押し込む。リセットローラ手段２０６はリセットカム手段（図示せず）を超えて移動し、閉鎖バネ手段２０１はトリガスロット手段２０５を介して閉鎖シャフト手段２０７をトリガ手段２０４に押し付ける。この位置において、開放手段１００は、バルブプレート手段１０を閉鎖位置から開放位置へと圧力均等化または略圧力均等化状態に移動させることができる。
【００５７】
トリガ手段２０４はトリガ停止手段（図示せず）に接触すると、トリガ手段２０４をトリガスロット手段２０５から外方に持ち上げ、閉鎖ピン手段２０２に連結されるバルブプレート手段１０が開放位置から閉鎖位置に移動するように、閉鎖バネ手段２０１が閉鎖シャフト手段２０７を介して閉鎖ピン手段２０２を移動させる。
【００５８】
バルブプレート手段１０の運動が開放バネ手段１０１を圧迫することによって開放バネ手段１０１に「再ロード」するように、閉鎖バネ手段２０１は開放バネ手段１０１よりも強力である。
図６〜１０
図６〜１０は、本発明の別の実施形態に係るバルブ手段３００を示し、バルブ手段３００は、第１のバルブプレート手段３０２と、第２のバルブプレート手段３０１と、バルブ封止面手段３０３とを備える。使用の際、第２のバルブプレート手段３０１は、第１のバルブプレート手段３０２とバルブ封止面手段３０３との間に配置される。
【００５９】
図８および９は、開放位置にあるバルブ手段３００を示す。バルブを閉鎖するには、バルブプレート手段３０２を左方向に距離ｘだけ移動させ、バルブプレート手段３０１を右方向に距離ｙだけ移動させることが必要である。開放位置において、バルブプレート手段３０１および３０２にわたる圧力差は存在しないため、該手段は互いの上およびバルブ封止面手段３０３の上を容易に摺動することができる。
【００６０】
図１０および１１は、閉鎖位置にあるバルブ手段３００を示す。使用の際、バルブプレート３０２が強制的にバルブプレート手段３０１上に置かれ、次いで、バルブ封止面手段３０３上に置かれるように、バルブ手段３００全体にわたる圧力差が生じる。この力は圧力に応じて変動し、バルブ手段３００全体にわたり圧力が均等化される、あるいはほぼ均等化されるゼロの値近くまで低下する。
【００６１】
この閉鎖位置において、バルブ封止ポート手段３０５はバルブプレート手段３０２の堅固セクション手段３０７によって覆われ、バルブ封止ポート手段３０６はバルブプレート手段３０１の堅固セクション手段３０８によって覆われる。
図１２ａ
図１２ａは、単動バルブ手段４００の基本的な運動作用を示す。その場合、バルブカバー手段４０１は、バルブポート手段４０２を覆うように図示される直線方向へ移動することができる。この構造での論理上の最大バルブ面積は５０％をわずかに下回る。
図１２ｂ
図１２ｂは、複動バルブ手段４１０の基本的な運動作用を示す。その場合、バルブカバー手段４１１はバルブポート手段４１３を覆うように図示される直線方向に移動することができ、別のバルブカバー手段４１２はバルブポート手段４１４を覆うように逆方向に移動する。この構造での論理上の最大バルブ面積は６６．６％をわずかに下回る。
図１２ｃ
図１２ｃは、６方向線形バルブ手段４２０の基本的な運動作用を示す。その場合、バルブカバー手段４２１、４２２、４２３、４２４、４２５、および４２６はポート４２７、４２８、４２９、４３０、４３１、および４３２を覆うように図示される方向に移動する。この構造での理論上の最大バルブ面積は８６％をわずかに下回る。
図１２ｄ
図１２ｄは、８方向線形バルブ手段４４０の基本的な運動作用を示す。その場合、バルブカバー手段４４１、４４２、４４３、４４４、４４５、４４６、４４７、４４８、４４９、および４５０はポート４５１、４５２、４５３、４５４、４５５、４５６、４５７、４５８、４５９、および４６０を覆うように図示される方向に移動する。この構造での理論上の最大バルブ面積は８９％をわずかに下回る。
図１２ｅ
図１２ｅは、単動回転バルブ手段４７０の基本的な運動作用を示す。その場合、バルブカバー手段４７１はバルブポート手段４７２を覆うように矢印で示される回転方向に移動することができる。この構造での理論上の最大バルブ面積は５０％をわずかに下回る。
図１２ｆ
図１２ｆは、複動回転バルブ手段４８０の基本的な運動作用を示す。その場合、バルブカバー手段４８１はバルブポート手段４８３を覆うように矢印で示される回転方向に移動することができ、別のバルブカバー手段４８２はバルブポート手段４８４を覆うように逆の回転方向に移動する。この構造での理論上の最大バルブ面積は６６．６％をわずかに下回る。
図１３ａおよび１３ｂ
図１３ａおよび１３ｂは、バルブ封止面ポート手段６００とポートエッジ手段６０３を示す。バルブプレート手段６０１は、両隅が丸みの無い９０度の隅を有するために動作中にポートエッジ手段６０２上で引っかかる場合のあるコーナー手段６０２を有する。これは問題となる可能性があるため、できれば回避すべきである。
図１３ｃおよび１３ｄ
図１３ｃおよび１３ｄは、バルブ封止面ポート手段６１０とポートエッジ手段６１３を示す。バルブプレート手段６１１は、丸みをつけられているためにポートエッジ手段６１３上で引っかからないコーナー手段６１２を有する。この丸みは封止面積の全体を覆うため好ましくなく、バルブプレート手段６１１が適切に封止しない可能性がある。
図１３ｅ
図１３ｅおよび１３ｆは、バルブ封止面ポート手段６２０とポートエッジ手段６２３を示す。バルブプレート手段６２１は、わずかに丸みをつけられているためポートエッジ手段６２３に引っかからないコーナー手段６２２を有する。丸み部分が封止面積のたとえば、５〜１０％を覆う場合、バルブプレート手段６２１はまだ封止している。これはほとんど問題になることがないが、最終的な丸みの度合いはポート寸法、バルブプレート厚、およびバルブプレート材料の特性によって決定される。
図１４
図１４は、１つまたは複数のバルブプレート（図示せず）を制限するポートおよびカバー手段５０３を通る流体の自由な流れを可能にする開口手段５０２を備える保持プレート手段５０１を示す。保持プレート手段３０１は、デッドスペースを最小限にするのを助ける浅いプロファイルを有する。
図１５
図１５は、バルブ封止面７２０に対するバルブプレート手段７１０の動きを制限する保持スタッド７００の形状の幾何的制約を示す。図１５において、ＦＮはバルブ上の垂直な力で、局所有効面積と圧力差（Ｆ）の積であり、θはバルブ配置面での保持スタッドの角度であり、ＦＯは印加される開放力によって克服される力であり（＝Ｆｔａｎθ）、Ｄは印加される開放力の方向である。
【００６２】
図１ａのピストンで使用される種類のスクリーンバルブは、開放力が開口の前方で印加される結果、圧力差がゼロに近づくときに迅速な開放を導くように、閉鎖されたバルブを係止するためにバルブ全体にわたる圧力差に依存する。開口部に対して２つの形式の制限、すなわち抑止摩擦と幾何的制約とが利用可能である。
抑止摩擦
抑止摩擦の使用は、非潤滑バルブに適する。バルブ上の垂直な力（通常、圧力とバルブの利用可能な開放面積との積に近い）に抑止摩擦係数を掛けた値が、自身の面でバルブを摺動させるのに印加される強制開放力より大きい場合、抑止摩擦は運動に対して絶対的な制限を提供する。一例として、
バルブの有孔率＝３０％
開口に関する最大圧力差＝０．０１バール（１０００Ｎ／ｍ２）
抑止摩擦係数＝０．３５
総バルブ開口面積
バルブの直径＝０．３ｍ
バルブの開口面積＝π×０．３２×０．２８／４
＝０．０１９８ｍ２
０．０１バールの圧力差でバルブを開放する力
＝０．０１９８×１０００×０．３５
＝６．９３Ｎ
エンジン用途では、この種のバルブは通常１０バールの差で動作することを要求されるため、サイクルピーク圧の０．１％でサイクルガス圧によってトリガされる動作を表す。
幾何的制約
バルブが潤滑環境で動作する場合、潤滑剤が粘性を抑止し、バルブを適所に係止するのに抑止摩擦を利用することができないので、バルブは印加された開放力により開放してドリフトする場合がある。
【００６３】
この場合、保持スタッド７００またはスタッド群が設けられ、バルブプレートと接触する点におけるスタッド７００の勾配が、圧力差が存在するときに開放に対する抵抗の横成分を提供する。
【００６４】
バルブプレートの可撓性のため、総バルブ面積は、保持スタッド上への上昇に抵抗する垂直力を提供するのに有効でないかもしれないため、そこでは「有効面積」にプレート上の封止圧を掛けている。スタッド角のタンジェントを掛けると、必要な開放力が求められる。スタッド角が急なほど、大きな開放力に対応し、ひいては開放の際の圧力差を低下させる。このバルブ係止方法は、有効な摩擦がない場合に作用することができる。
図１６
図１６は、複数のバルブプレートポート２０’と、より厚く、したがってより堅牢なバルブプレート手段１０”の局所セクションによって画定される一体型補強部材７０’とを備えるバルブプレート手段１０”を示す。
【図１ａ】
0005572553.tif 000002
【図１ｂ】
0005572553.tif 000003
【図２Ａ】
0005572553.tif 000004
【図２Ｂ】
0005572553.tif 000005
【図３】
0005572553.tif 000006
【図４Ａ】
0005572553.tif 000007
【図４Ｂ】
0005572553.tif 000008
【図５Ａ】
0005572553.tif 000009
【図５Ｂ】
0005572553.tif 000010
【図６】
0005572553.tif 000011
【図７】
0005572553.tif 000012
【図８】
0005572553.tif 000013
【図９】
0005572553.tif 000014
【図１０】
0005572553.tif 000015
【図１１】
0005572553.tif 000016
【図１２ａ】
0005572553.tif 000017
【図１２ｂ】
0005572553.tif 000018
【図１２ｃ】
0005572553.tif 000019
【図１２ｄ】
0005572553.tif 000020
【図１２ｅ】
0005572553.tif 000021
【図１２ｆ】
0005572553.tif 000022
【図１３Ａ】
0005572553.tif 000023
【図１３Ｂ】
0005572553.tif 000024
【図１３Ｃ】
0005572553.tif 000025
【図１３Ｄ】
0005572553.tif 000026
【図１３Ｅ】
0005572553.tif 000027
【図１３Ｆ】
0005572553.tif 000028
【図１４】
0005572553.tif 000029
【図１５】
0005572553.tif 000030
【図１６】
0005572553.tif 000031