(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
弁又はスイッチとして機能するように構成されるとともに前記弁又はスイッチの開閉の制御を可能にする制御要素であって、前記制御要素は：
ビーム部材であり、該ビーム部材の両端部の間で該ビーム部材を座屈させるように圧縮荷重をかけられている、ビーム部材、及び
前記ビーム部材の前記両端部の間に配置された運動制限部材であり、該運動制限部材に対する前記ビーム部材の長手方向の運動を可能にしたまま、前記ビーム部材の座屈を制限し、前記ビーム部材を第一区分及び第二区分に区切るように構成されている、運動制限部材、
を有し、
前記制御要素は、前記ビーム部材の前記両端部が固定された状態で、前記第一区分及び前記第二区分のうちの一方が座屈し且つこれに対応して前記第一区分及び前記第二区分のうちの他方が伸長することを可能する、又は前記一方が伸長し且つこれに対応して前記他方が座屈することを可能にするとともに、前記他方の伸張又は座屈を、他の部材の開閉を制御するための出力として利用する、制御要素。
【請求項２】
前記第一区分及び前記第二区分のうちの一方を動作させて、前記第一区分及び前記第二区分のうちの他方において対応する変化を起こすように、前記ビーム部材に対して配置されている作動機構、を更に有する、請求項１に記載の制御要素。
【請求項３】
前記作動機構は、電磁石、液圧、気体圧又は圧電体を有する、請求項２に記載の制御要素。
【請求項４】
前記運動制限部材は、ピボットを有する、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の制御要素。
【請求項５】
前記弁として構成されている、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の制御要素。
【請求項６】
圧縮機において使用される、請求項５に記載の制御要素。
【請求項７】
膨張機において使用される、請求項６に記載の制御要素。
【請求項８】
能動的又は受動的な制御を使用した流体の順方向又は逆方向の流れを要求するシステムにおいて使用される、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の制御要素。
【請求項９】
内燃機関又は外燃機関において使用される、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の制御要素。
【請求項１０】
スイッチとして構成されている、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の制御要素。
【請求項１１】
電気回路に接続されている、請求項１０項に記載の制御要素。
【請求項１２】
圧縮室内において高圧排出室内よりも高い、圧力差が存在する場合に、受動的に前記圧縮室から出る流れを可能にするように、前記圧縮室から離れて開く、第二の請求項１に記載の制御要素、と組み合わせて、
前記圧縮室内において低圧吸入室内よりも低い、圧力差が存在する場合に、前記圧縮室に向かって開き、受動的に前記圧縮室の中への流れを可能にする、圧縮機内の吸込み弁で使用される請求項１に記載の制御要素、
を有する、弁組立体。
【請求項１３】
圧縮室内において低圧吸入室内よりも低い、圧力差が存在する場合に、前記圧縮室に向かって開き、受動的に前記圧縮室の中への気体流を可能にする、圧縮機内の吸込み弁で使用される請求項１に記載の制御要素、及び
前記圧縮室内において高圧排出室内よりも高い、圧力差が存在する場合に、気体が前記圧縮室から受動的に流れ出ることを可能にするように、前記圧縮室から離れて開く、第二の請求項１に記載の制御要素、
を有する、弁組立体。
【請求項１４】
膨張機モードにおいて使用される、請求項１３に記載の弁組立体。
【請求項１５】
前記高圧排出室は、該高圧排出室が高圧吸入室になるように、高圧源によって供給され、
低圧吸入室は、該低圧吸入室が低圧排出室になるように、低圧排出回路に接続されている、
請求項１４に記載の弁組立体。
【請求項１６】
前記の第二の制御要素は、膨張サイクルの一部分の間、能動的に開いた状態に保たれるように構成されている、請求項１５に記載の弁組立体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
弁及びスイッチ等の、座屈部材を備えた制御要素。
【背景技術】
【０００２】
本装置は、気体圧式又は液圧式の機械及び産業の技術分野に属する。より具体的には、本装置は、弁及び流体制御の技術分野に分類される。
【０００３】
この技術はまた、気体圧式又は液圧式の以外の用途のために使用され得る。高い速度の電気的スイッチングは、高い速度が有利であり且つ本装置が使用されることができるもう一つの領域である。これは、高い速度のリレーのためであってもよく又はアークを低減するための高電圧スイッチのためであってもよい。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
一つの実施形態における本装置は、弁又はスイッチの開閉の能動的及び／又は受動的な機械的制御又は電気機械的制御を可能にする、弁又はスイッチとして機能し得る制御要素（control  element）を含む。それは、弁又はスイッチとして機能する座屈ビーム（buckled  beam）を含み、その座屈ビーム部材に蓄えられたエネルギーは、弁を開から閉に動かすため又はその間で比例的に動かすために小さな作動力及び／又は変位が要求されるように、ピボット部材のいずれかの側に、双安定状態の間で利用、適合及び伝達されることができる。
【０００５】
一つの実施形態において、ビーム部材（beam  member）であり、該ビーム部材の反対側の両端部（opposed  ends）の間で該ビーム部材を座屈させる（buckle）ように圧縮荷重をかけられている、ビーム部材；ビーム部材の反対側の両端部の間に配置された横断方向の（transverse）運動制限部材（motion  limiting  member）であり、該運動制限部材に対するビーム部材の長手方向の運動を可能にしたまま、運動制限部材とビーム部材との間の接触部（contact）  においてビーム部材の座屈を制限及び制御し、ビーム部材を第一区分及び第二区分に区切る（separate）ように構成されている、運動制限部材、を有する、制御要素が提供される。また、第一区分及び第二区分のうちの一方又は両方を動作させて（operate）、第一区分及び第二区分のうちの他方において対応する変化を起こすように、ビーム部材に対して配置されている作動機構（actuation  mechanism）が設けられてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
これから、複数の実施形態が、例として図面を参照して記述されるであろう。図面において、同様の参照符号は同様の要素を示す。
【０００７】
【図１】制御要素の弁及び弁座（valve  seat）の実施形態の一つの例示的な実施形態の等角図である。
【０００８】
【図２】図１の実施形態の側面図である。
【０００９】
【図３】図１の実施形態の上面図である。
【００１０】
【図４】圧縮機シリンダヘッドに嵌合する（fit  into）ように設計された制御要素の一つの例示的な実施形態の透視図である。
【００１１】
【図５】開位置にある、本装置による制御要素の一つの例示的な実施形態の側面図を示す。
【００１２】
【図６】閉位置にある、本装置による制御要素の一つの例示的な実施形態の側面図を示す。
【００１３】
【図７Ａ】図７Ａ‐Ｅは、制御要素のいくつかの他の可能な実施形態を示し、ビーム部材のための端部状態の複数の可能な変形を図示する。図７Ａ‐Ｅは、制御要素を具体化する全ての機構の決定的な集合ではなく、制御要素の背後の動作原理を提示することを意図されている。
【図７Ｂ】制御要素の他の可能な実施形態を示す。
【図７Ｃ】制御要素の他の可能な実施形態を示す。
【図７Ｄ】制御要素の他の可能な実施形態を示す。
【図７Ｅ】制御要素の他の可能な実施形態を示す。
【００１４】
【図８Ａ】図８Ａ‐Ｄは、開示される制御要素を使用するための弁アクチュエータのいくつかの可能な実施形態の側面図である。図８Ａ‐Ｄは、制御要素によって具体化される全ての作動方法の決定的な集合ではなく、制御要素の作動の背後の動作原理を提示することを意図されている。注：上記の概略図は、様々な開位置、閉位置及び中間位置にある、座屈ビーム部材を示す。
【図８Ｂ】開示される制御要素を使用するための弁アクチュエータの可能な実施形態の側面図である。
【図８Ｃ】開示される制御要素を使用するための弁アクチュエータの可能な実施形態の側面図である。
【図８Ｄ】開示される制御要素を使用するための弁アクチュエータの可能な実施形態の側面図である。
【００１５】
【図９Ａ】回路を閉じる電気的接続部（electrical  connector）として使用される制御要素の一つの実施形態を示す、単純化された概略図である。
【図９Ｂ】回路を閉じる電気的接続部として使用される制御要素の一つの実施形態を示す、単純化された概略図である。
【００１６】
【図１０】スイッチの一つの実施形態を起動するために使用される圧電セラミックス（piezo  ceramics）を示す、概略図である。
【００１７】
【図１１Ａ】圧縮機のためのリード弁（reed  valve）動作の概略図を示す。
【図１１Ｂ】圧縮機のためのリード弁動作の概略図を示す。
【図１１Ｃ】圧縮機のためのリード弁動作の概略図を示す。
【図１１Ｄ】圧縮機のためのリード弁動作の概略図を示す。
【図１２Ａ】圧縮機のためのリード弁動作の概略図を示す。
【図１２Ｂ】圧縮機のためのリード弁動作の概略図を示す。
【図１２Ｃ】圧縮機のためのリード弁動作の概略図を示す。
【図１２Ｄ】圧縮機のためのリード弁動作の概略図を示す。
【図１２Ｅ】圧縮機のためのリード弁動作の概略図を示す。
【図１２Ｆ】圧縮機のためのリード弁動作の概略図を示す。
【００１８】
【図１３】制御要素の一つの例示的な実施形態を示す。
【図１４】制御要素の一つの例示的な実施形態を示す。
【図１５】制御要素の一つの例示的な実施形態を示す。
【図１６】制御要素の一つの例示的な実施形態を示す。
【図１７】制御要素の一つの例示的な実施形態を示す。
【図１８】制御要素の一つの例示的な実施形態を示す。
【図１９】制御要素の一つの例示的な実施形態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本明細書において記述される実施形態に対して、特許請求の範囲に含まれるものから逸脱することなく、重要でない変更が成され得る。特許請求の範囲において、“有する（comprising）”という単語は、包括的な意味で使用され、他の要素が存在することを排除しない。特許請求の範囲の特徴の前の“一つ”及び“ある”並びに数を記載しない場合（不定冠詞“a”及び“an”）は、その特徴が一つより多く存在することを除外しない。本明細書において記述される個々の特徴の各々は、一つ又はそれ以上の実施形態において使用されてもよく、本明細書において記述されるという理由のみによって、特許請求の範囲によって定義される全ての実施形態に必須であると解釈されるべきではない。
【００２０】
これから、より詳細に本装置を参照すると、図１乃至図４は、弁としての使用に適するように構成された、制御要素２０の一つの実施形態の基本的な組立体（assembly）及び構造を示す。ビーム又はビーム部材２１は、弁ブロック２３の中に機械加工される弁座２２に堅く取り付けられている。ビーム２１は、ビーム２１の反対側の両端部（opposed  ends）の間でビーム２１を座屈させるようにビーム２１の長手方向に沿って圧縮荷重をかけられている。ビーム２１、弁座２２及び弁ブロック２３は、制御要素の一つの実施形態の一つの可能な用途の表現に過ぎず、如何なる点においても本発明の範囲を制限することはない。横断方向の運動制限装置２４は、ビーム２１の反対側の両端部の間に、ビーム２１と接触して配置されており、ビーム２１に対して横断方向の運動を制限する。運動制限装置２４は、垂直運動制限装置２４とビーム部材２１との間の接触部においてビーム部材２１の横断方向の運動、又は座屈（buckling）を制限し、ビーム部材２１を運動制限装置２４のいずれかの側の第一区分２５及び第二区分２６に分割するように構成されている。運動制限部材を作り出して、ビーム２１において制限された横断方向の運動の領域を作り出す一つの可能な方法として図１乃至図４に図示されているように、運動制限装置は、ピボット、屈曲部（flexure）又はロッカー（rocker）であってもよい。ローラー及び／又は屈曲部又はスライダーを含む、多くの他の長手方向に適合的な（compliant）、ビーム拘束方法が想定可能である。最小限の摩擦及びイナーシャを有する、概して長手方向の運動を可能にしたまま、横断方向の運動を制限する任意のものは、好ましい。長手方向の運動への参照によって、横断方向の運動制限部材に対して長手方向に動くことが許されるのは、ビーム全体ではなく、運動制限部材のところのビームの一部分であることが理解される。ピボット２４は、ギア付きピボットであってもよい。一つの実施形態において、制御要素は、弁を開閉するために、受動的な動きで機能して、流体圧力又は流れ抵抗に依存してもよい。この場合において、作動機構は、流体流れそれ自体である。
【００２１】
図５及び図６は、それぞれ開位置及び閉位置にある、制御要素２０を通る流体流れＦＦを制御するための、弁要素として機能する本装置による制御要素２０を示す。図５及び図６はまた、二つの区分：作動領域又は作動区分２５及び封止領域又は弁区分２６に分割されたビーム２１を示す。ロッカー２４は、複数の区分の間でビームの横断方向の運動を制限する。ロッカー２４に対する代替的な変形は：直動軸受、屈曲部、滑り面、垂直方向の加重を支えながら直線方向の運動を可能にする任意の機構、及び前述の変形の任意の組み合わせを使用することを含み得るが、それらに限定されない。
【００２２】
これから、より詳細に制御要素２０の一つの実施形態を参照すると、上に述べたように、制御要素２０は作動区分２５及び弁区分２６を有するビーム部材２８を有して、作動区分２５及び弁区分２６は、ピボット部材２４の反対の両側に位置付けられてもよく、作動区分２５の能動的制御は、弁区分２６の座屈を起こして、弁区分２６を閉状態から開状態にするか、又は弁区分２６の弛緩を起こして、弁区分２６を開状態から閉状態にする。
【００２３】
ビーム２１は、座屈を誘導するように、長手方向に予め荷重をかけられている。この長手方向の荷重の効果は、座屈ビーム部材２１内部の長手方向の圧縮応力、及び座屈ビーム部材２１の蓄えられたエネルギーを、その荷重をかけられていないか又は座屈していない又は応力の無い状態のそれ以上に高めることである、ビーム２１は、弁を長手方向に座屈させることによって誘導された高められた内部エネルギーを、小さな作動力及び迅速な応答時間を伴って二つの双安定状態の間で迅速に作動させるために使用する。ビーム２１内の蓄えられたエネルギー及び内部応力に起因して、弁を循環させるために作動領域２５に加えられるべき要求される力は、小さくてもよい。代替的に、作動させるための力は高くてもよいが、この原理は、それが長手方向に荷重をかけられていないか、又はより小さな荷重が長手方向にかけられている場合よりも、弁からのより高い速度の動きを達成するために使用されることができる。ビーム２１は、弁を長手方向に予め荷重することによって誘導された、高められた内部エネルギーを、小さな作動力及び迅速な応答時間を伴って、迅速に双安定状態の間でスイッチするために使用する。いずれの場合においても、作動力は、ビーム２１を、図５における開状態から図６における閉状態に、又はその逆に切換えさせる。本明細書において使用されるような、用語“切換える（toggle）”は、座屈ビーム部材の一部分が、直線的に、ほぼ直線的に、又はそれが座屈させられた場合に比較してより直線的な位置で動くことを意味し得る。それはまた、反対側の方向におけるわずかな湾曲に向かってビーム部材が直線的な位置を通過することを参照し得る。
【００２４】
反対の座屈区域のこの構成は、封止領域２６の開閉を制御／作動するために小さなエネルギーが使用され得ることを意味する。さらに、ビーム部材の低質量に対して高いレベルの蓄えられるエネルギーは、結果として双安定状態の間での非常に高い速度のスイッチング効果のための潜在能力をもたらす。制御要素２０の一つの更なる実施形態は、弁座２２に対して接線方向に保持された封止領域２６に最も近いビーム２１の端部を有し、その一方で作動領域２５に最も近いビーム２１の端部は回動することが許容され、そのため作動領域２５は弁座２２の平面の上で上下に動くことができる。ビーム２１の作動は、電磁石、機械的カム、圧電性物質、液圧式及び気体圧式、手動作動若しくは他の部材との接触に由来する力等の、しかしそれらに限定されない装置によって実現されてもよい。
【００２５】
これから、制御要素２０の一つの実施形態の構造を参照すると、ビーム２１は、バネ鋼板材料、ステンレス鋼、高銅合金、及びバネ材料に適した他の合金等の、しかしそれらに限定されない材料で作られてもよい。プラスチック又は繊維強化複合材料等の非金属材料もまた、使用されてもよい。図１乃至図４に示されるような、４インチ（約１０．１６ｃｍ）のピストンを備えた圧縮機の一つの非限定的な例示的な用途において、ビーム２１は、２インチ（約５．０８ｃｍ）幅及び０．５０インチ（約１．２７ｃｍ）厚さで、１２インチ（約３０．４８ｃｍ）長さの寸法を有してもよい。吸込み及び排出弁（intake  and  exhaust  valve）を備えた圧縮機シリンダヘッドを形成するために、図１乃至図４に示される組立体の二つ、又は図１乃至図４からの組立体の二つと同じ効果を達成する構成要素の組み合わせが利用されてもよい。圧縮機吸入弁組立体（inlet  valve  assembly）は、それが受動的に（作動入力の有無に関わらず）、ピストン吸込みストローク時に空気が入ることを許容するように、ビーム２１の湾曲を有してもよい。圧縮機吐き出し弁は、作動入力の有無に関わらずピストンの排出ストローク時に空気が逃げることができるように、ビーム２１の湾曲を有してもよい。
【００２６】
図１乃至図４の組立体は、限定するものとして見られるべきでなく、単に制御要素２０の基本原理を伝えることを意図されているだけである。封止面２２の中へのスロット切り込みは、一つの非限定的な例として、ビーム２１の幅の８０％に等しい幅を有してもよく、又は複数のスロットが使用されてもよい。ロッカー２４は、標準的な転がり軸受を使用して作られてもよく、ビーム２１の封止面２２に最も近い端部は、軟鋼等の、しかしこれに限定されない材料で作られた締め具（クランプ）を使用して封止面２２に対して接線方向に締め付けられてもよい。
【００２７】
いくつかの動作状況において好ましい性能を達成するために、ビーム２１に対する複数の変形が存在する、例えば、これらに限定されないが：ビーム２１の形状を凹状、凸状又は凹凸の任意の組み合わせの区分に片寄らせること、ビーム２１の幅をその長さに沿って変えること、及び幾何学的形状に応じて又は独立してビーム２１の材料性質を変えること、並びに前述の変形の任意の組み合わせ。
【００２８】
いくつかの動作状況において好ましい性能を達成するために、弁座２２に対する複数の変形が存在する、例えば、これらに限定されないが：平面以外の形状に輪郭を変更すること、ウレタン又はｐｅｅｋプラスチック等の、しかしこれらに限定されない鉄以外の材料を使用すること、並びに前述の変形の任意の組み合わせ。
【００２９】
代替的な存在する弁ブロック２３に対する変形は、これらに限定されないが：ロッカー２４の長手方向位置の調節の提供、封止領域２６に最も近い端部におけるビーム２１の締め付けの角度の調節の提供、ビーム２１の端部における締め付け固定又は非締め付け固定の任意の組み合わせ、ビーム２１の両端部の間の長さの調節の提供、動作状況に基づく材料選択の調節、一つ又はそれ以上の弁ブロック２３のシリンダヘッドを作り出すための他の構成要素との組み合わせ、弁ブロック２３の特性の既存のシリンダヘッドとの統合、並びに前述の変形の任意の組み合わせ、を含む。本装置はまた、流体回路内の高速作動弁として又はｍｅｍｓ装置を含む任意のサイズの電気的スイッチとして使用されてもよい。
【００３０】
図８Ａは、ビーム運動制限器（limiter）の一方側のビームの区分に対して動作し、運動制限器の他方側においてビーム状態に対応する変化を起こすように配置されている、第一及び第二の電磁石ＥＭ１及びＥＭ２を使用して形成される作動装置を示す。この実施例において示される制御要素２０は、図１乃至図４に従って構築されてもよい。第一の電磁石ＥＭ１を通って電流が流れるときに、隣接するビーム区分が作動させられ、他方の区分は伸ばされる（straightened）、それは、一つの弁の実施形態において弁を閉じるように動作可能であってもよい。図８Ｂは、図８Ａの作動装置を示し、電流は第二の電磁石ＥＭ２を通って流れ、弁を開く。
【００３１】
図８Ｃは、ビームの一つの区分に対して動作するように配置された、液圧式又は気体圧式のポンプＰ及びバッグＢを使用して形成された作動装置を含み、図８Ｃにおいて、液圧式又は気体圧式のポンプＰは、バッグＢを膨張及び収縮させてビームのその区分を動かし、ビームの他方の区分の対応する動きを起こす。図１乃至図４に従って作られてもよい、ここで示される制御要素２０の場合、作動機構による作動の下での制御要素２０の作用（action）は、弁を開閉させる。
【００３２】
“ダーリントンペア（Darlington  Pair）”（図示なし）において、第二のより大きな制御用を作動させるために第一の制御要素が使用される。第一の制御要素の作動が第二の制御要素を動作させられるように、圧力室が、第一の制御要素と第二のより大きな制御要素との間に設けられる。
【００３３】
図８Ｄは、圧電機構を使用して形成された作動装置を示す。制御要素２０のビームの作動区分には、例えばビームに接触することによって、ビームに対して動作するように配置された圧電素子ＰＺが設けられている。圧電素子にエネルギーが与えられたときに、それらは、曲がること及び／又は接触すること又は拡張することによって、それらが取り付けられたビームの区分に作用して、ビームの区分を動かし、ビームの他方の区分において対応する変化を起こす。
【００３４】
制御要素２０は、制御要素２０を横切るか又は通る一方又は両方の方向に気体の移動を伴って、圧縮機又は膨張器において使用されてもよく、従って制御要素２０は弁として動作してもよい。それはまた、内燃機関において使用されてもよく、そこでは一つ又はそれ以上の制御要素が吸入弁として機能し、一つ又はそれ以上は排出弁として機能するであろう。両方の制御要素はこの場合において、開くように作動させられない限りチャンバーから出る流れを防ぐ逆止弁として動作するであろう。基本的に、弁は、圧縮モードにおいて受動的又は能動的に働く。膨張モードにおいて、先の弁の閉じるタイミングは、シリンダー（又は他の膨張装置）内の圧力が、シリンダー圧力を（吸込みであろうと又は排出であろうと）適切なポートと等しくすることを可能にするために十分に低下又は増大するように、常に十分に迅速でなければならない。これは、開く必要がある次の弁が、圧力差に逆らわずにそうすることを可能にする。
【００３５】
ビーム部材２１は、開状態にあるときの流体流れのための穴又はスロットを有してもよい。穴又はスロットは、閉状態にあるときに弁座に接して封止する。
【００３６】
図９Ａ及び図９Ｂは、本実施例においては磁気アクチュエータ端部を用いた作動によって、電気回路ＥＣを閉じる電気的接続部として本装置を示す、単純化された概略図を示す。電流が電磁石ＥＭ１を通り、電磁石ＥＭ２を通らずに流れるときに、電気回路ＥＣは開く。電流が第二の電磁石ＥＭ２を通り、電磁石ＥＭ１を通らずに流れるときに、電気回路ＥＣは閉じる。
【００３７】
図１０に示されるように圧電セラミックスもまた、回路を閉じるためのスイッチ若しくは他の電気的接続部として使用される場合に、制御要素２０を作動させるために使用されてもよい。ＭＥＭＳスイッチ及び流れ制御弁もまた、この原理を用いて作られてもよい。
【００３８】
制御要素２０は、膨張機としても機能することができる可逆的な圧縮機において制御されてもよい。この用途において、開示される制御要素２０は、機能の面ではリード弁と同様に、閉じているときに逆止弁として機能してもよい。しかしながら、リード弁と異なり、制御要素２０は、例えば、これに限らないが膨張機において使用される場合に、逆流が通り抜けることを可能にする開位置に保たれることができる。開いた弁を通る逆流の間、ビーム部材を弁端部における座屈状態に保つために、三つの作動端部において比較的小さな力が要求される。これは、切換えられる作動端部が、座屈状態にある端部を超える機械的利益（mechanical  advantage）を有するからである。これは、ビームのアクチュエータ端部における比較的小さな力を用いて、高い流率（flow  rate）で、逆流の間に弁が開いた状態に保たれることを可能にする。逆流の間に閉じる事象が望まれる場合、例えば、これに限られないがピストン膨張サイクルの動力／吸込み（power／intake）ストロークの終わりには、開いた弁を通る気体の逆流の空気力学的な力は、磁石が起動解除されたとき及び／又は磁石が起動されたときにビーム部材に作用し、高い速度でそれを閉じるであろう。
【００３９】
座屈ビーム設計が使用され得る他の用途は：電気的又は機械的なトリガー、高電圧スイッチ、機械的ＭＥＭＳ用途、絞り弁、質量流量絞り弁、質量流量制御器、ＰＷＭノズル、及びセンシング用途等の、ただしこれらに限定されない、任意の種類の高速作動装置から成ってもよい。
【００４０】
用途は、自動車、航空宇宙、宇宙船、発電機、エネルギー貯蔵システム、工業製品、消費者製品、並びに高い速度及び／又は軽い重量の作動が要求される任意の場面を含むが、これらに限定されない。
【００４１】
［リード弁動作の概略図の例示的な概要］
【００４２】
図１１Ａ乃至図１１Ｄ及び図１２Ａ乃至図１２Ｆに示されるのは、どのようにして本装置が、逆に膨張器としても動作させられることができる気体圧縮機に適用されることができるかの非限定的な実施例である。本実施例において、排出圧力は、２９００ｐｓｉでしめされている。カム駆動の弁システムと異なり、制御要素２０は、ピストン圧縮機及び／又は膨脹器等の、ただしこれらに限定されない置換装置（displacement  device）が、圧縮機モード又は膨脹機モードで動作させられることを可能にし、また、いずれかの方向に動くピストン及びクランクシャフト（又は他のピストン作動方法）と共に動作し得ることに留意されたい。制御要素２０はまた、バウンスピストンエンジン又は圧縮機若しくは膨脹機又はロータリー圧縮機若しくは膨脹機等の、他の圧縮機又は膨張機装置において使用されてもよい。この例示的な実施形態は、多くの想定可能であり且つ予期される構成及び用途のうちの一つの非限定的な例として与えられる。この非限定的な例に示されるような電磁石以外の作動手段もまた、使用されてもよい。
【００４３】
図１１Ａ乃至図１２Ｄ及び図１２Ａ乃至図１２Ｆにおいて、ＬＰは低圧を示し、ＨＰは高圧を示す。点線のピストン線Ｌは、各ステップにおけるピストンの開始位置を示す。境界線は、吸入室及び排出室を示す（様々に、ＬＰ室及びＨＰ室は吸入室及び排出室である）。ＨＰ室又はＬＰ室とシリンダーとの間のポート内の矢印の長さは、ＨＰ室及びＬＰ室とシリンダーとの間の相対圧力を示す。磁石Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３及びＭ４内の矢印は、磁石のそれぞれの間の相対磁力を示す。磁石Ｍ１及びＭ２の周りの境界は、シリンダー容積に接続／通気されてもよい。代替的に、磁石Ｍ１及びＭ２を収容するチャンバーは、シリンダー容積から封止されてもよい。これは、ＬＰ弁の座屈部材及びピボット部材の周りの封止を要求する。磁石Ｍ３及びＭ４の周りの境界は、シリンダー容積から封止された形のＨＰ室の内部に位置付けられている。
【００４４】
磁力矢印の長さは、様々な位相（phases）において要求されるパワーを示すことに留意されたい。具体的に、作動事象（event）を開始するために要求される磁力は、典型的に（ただし必要的にではなく）、ビーム部材をその位置に保つために要求される磁力よりも大きい。
【００４５】
図１１Ａ乃至図１１Ｄは、それが気体圧縮機モードにおいて使用され得るような本装置の動作シークエンスの一つの非限定的な実施例を示し、また、以下の表（「表１」）は、ステップａ、ステップｂ、ステップｃ及びステップｄを記述する。
【表１】
0006793120.tif 000002
【００４６】
ステップａは、図示されるように上死点（Top  Dead  Center）付近で始まり、下死点（Bottom  Dead  Center）付近に向かって進行する吸込み位相（Intake  phase）を示す。
【００４７】
ステップｂは、下死点付近での吸込み弁閉鎖事象を示す。
【００４８】
ステップｃは、下死点付近で始まり、上死点の前で終わる圧縮位相を示す。
【００４９】
ステップｄは、その付近でシリンダー及び排出ポートの圧力が等しくなる上死点の前で始まり、上死点付近で終わる排出位相を示す。
【００５０】
図１２Ａ乃至図１２Ｆは、それが気体に動力を与えられるモーター又は膨張機モードにおいて使用され得るような、同じ弁構成を示し、また、以下の表（「表２」）は、ステップａ乃至ステップｆを記述する。
【表２】
0006793120.tif 000003
0006793120.tif 000004
0006793120.tif 000005
【００５１】
ステップＡにおいて、ＨＰ弁は、ＴＤＣ又はＴＤＣ付近で、また好ましくはＴＤＣの前で開く。シリンダー内の圧力は、好ましくは、（排出位相Ｅの間に正確な位置でＬＰ排出弁が閉じ、ＴＤＣにおいて、わずかにＨＰ吸入口圧力の上までシリンダー圧力を増大させることの一つの結果として）わずかにＴＤＣの前でＨＰ源圧力に到達する。これは、圧力が弁の両側で等しくされるか又は弁のシリンダー側でわずかに大きいので、ＨＰ弁が高圧吸込みポートの背圧に逆らって開くことを必要としない状態を作り出す。これは、ＴＤＣの前で、小さな体積の気体をシリンダーからＨＰ吸入ポートの中に排出させることができる。これは吸入弁が開くことを防止することができるので、これは、発明者によって、ＨＰ吸入ポートの圧力に到達しないシリンダー圧力に好ましいと考えられる。
【００５２】
ステップＢにおいて、膨張の間の吸入弁閉鎖事象が示されている。制御要素２０の高い速度の性質は、特に、より速く弁が閉じるほど、弁閉鎖の間のスロットリング損失（throttling  losses）が小さいので、この場合において有意な利益を有する。この弁閉鎖のタイミングは、シリンダー圧力が、ステップＣにおいて記述されるようにＢＤＣにおいて又は好ましくはＢＤＣよりわずかに前において、排出ポート圧力まで又は排出ポート圧力のわずかに下まで低下するために、ＢＤＣまで又はＢＤＣよりわずかに前までの残りのピストン行程（travel）が適度（adequate）であるように、プロセス状況に基づいてＣＰＵによって決定される。
【００５３】
ステップＣにおいて、ＨＰ弁閉鎖事象ＢからＢＤＣ付近又はＢＤＣまでの膨脹が示されている。ステップＤは、排出位相を示す。
【００５４】
ステップＥは、ＬＰ弁閉鎖事象を示す。本装置の高い速度の性質は、排出位相の間により速く排出弁が閉じるほど、弁閉鎖の間のスロットリング損失が小さいので、この場合においての同じ様に有意な利益を有する。この弁閉鎖の時期は、シリンダー圧力が、ステップＡにおいて記述されるようにＴＤＣにおいて又は好ましくはＴＤＣよりわずかに前において、吸込みポート圧力まで又は吸込みポート圧力のわずかに上まで上昇するために、ＴＤＣまで又はＴＤＣよりわずかに前までの残りのピストン行程が適度であるように、プロセス状況に基づいてＣＰＵによって決定される。
【００５５】
座屈部材は、電磁石の磁気引力及び／又は反発力を増大させるために、それに取り付けられた永久磁石及び／又は軟磁性材料を有してもよい。
【００５６】
弁は、様々な制御シーケンス及び弁タイミング戦略で気体又は液体を用いて使用されてもよく、それらのうちのいくつかは、非限定的な例として本明細書に与えられている。
【００５７】
スピノーダル銅（Spinodal  bronze）は、ピボット及び／又はロッカー軸受及び／又はロッカー軸受の反対側の平らな滑り面のために好ましい材料である。多くの他の材料もまた、異なる複数の用途において使用されてもよい。
【００５８】
本装置１３０の単純化され、概略的、非限定的、例示的な実施形態が、圧縮機の排出弁として構成されて、図１３に示される。この構成はまた、膨張機のための吸入弁として使用されてもよい。低圧源からの吸入弁もまた、圧縮機用途において必要とされるが、簡明さのために図１３乃至図１９には図示されていない。
【００５９】
図１３を参照すると、ハウジング１３１は、一方の端部において座屈弁部材１３２の端部を保持する手段を含み、作動端部１３４において部材が回動（pivot）することを許容する手段を含む。図１４は、どのようにしてロッカー要素１３５が部材１３２の作動端部１３６を弁／流れ制御端部１３７から区切るかを示す。ロッカー要素１３５は、この非限定的な実施例において転がり円筒軸受からなるが、シャフト上の静止転がり軸受け若しくは屈曲部、又は、ロッカー１３５と接触する場所で座屈部材１３２の長さ方向の動きを許容しながら、部材１３２の制御された高さを、それがロッカー１３５と接触する領域内に維持する、多くの他の想定可能な方法を含む、任意の構造のものであり得る。
【００６０】
この非限定的な例は、０．０４インチ（．０４”）（約１．０１６ｍｍ）の厚さを備えた長さ１０インチ（１０”）（約２５．４ｃｍ）及び１インチ（１”）（約２．５４ｃｍ）の座屈部材１３２を使用する。座屈部材１３２の流れ制御端部１３６の垂直方向の撓みは、部材１３２の材料の柔軟性、並びに流率等の、ただしこれに限定されない他のシステム要求に依存して、開いたときに０．００１インチ（．００１”）（約０．０２５４ｍｍ）以下から０．５インチ（．５”）（約１．２７ｃｍ）以上の大きさまでであってもよい。非常に高いサイクル数を可能にするこの装置の高い速度の作動に起因して、部材１３２に対する曲げ応力は、好ましくは、材料の疲労強度より低く保たれる。同様の弁構成の試作品は、１ミリ秒未満の閉鎖速度を実証した。
【００６１】
電磁石１４０，１４１は、弁１３０の作動端部１３６において座屈部材１３２の上及び下でハウジングに固定されている。電磁石又は他の作動手段はまた、弁１３７の流れ端部において、部材１３２に位置付けられ、部材１３２に作用してもよい（その作動部材はここでは図示されていない）。
【００６２】
図１５において、スピノーダル銅等の、ただしこれに限定されない材料で作られた、低摩耗及び好ましくは低摩擦のインサート１３８は、ロッキング部材軸受１３５の反対側の、部材１３２の下面の近位に位置付けられている。ロッキング部材軸受１３５及びインサート１３８の目的は、この領域における部材１３２の望まれない垂直方向の動きを許すことなく、この領域における部材１３２の長さ方向の動きを可能にすることである。部材１３５のために転がり軸受け要素が使用される場合、長さ方向運動規制面１３９が、要素１３５を所定の最大長さ方向変位の中に配置するために好ましくは使用される。
【００６３】
部材１３２に対する長さ方向の予加重を調節するための手段は、図１６に示される。多くの他の調節方法が、発明者によって想定可能であり且つ予期されている。この非限定的な例において、楔形（wedge  shaped）部材１４１は、ハウジング１３１と固定されたピボット部材１４３との間に配置されている。ボルト１４２及び楔部材１４１が調節される場合に、楔部材１４１は、ネジ付きボルト１４２（ここではネジは図示されていない）によって垂直方向に調節され、調整の間に、固定されたピボット部材１４３を、座屈部材１３２の長さ方向軸に沿って水平方向に動かす。ひとたび調節されると、固定されたピボット部材１４３は静止したまま留まる。
【００６４】
座屈部材１３２は、直接的に調節ブロックに接触してもよく（ここでは図示されていない）、又は、好ましくは、ここに図示されるように、部材１３２の端部よりも大きな接触領域を備えた転がり接触部材１４４が、転がり接触領域の接触圧力を低減するために使用されてもよい。転がり接触部材１４４は、座屈部材１３２の端部のための受容スロット１４５を有し、また、好ましくは、固定及び転がり接触のピボット部材１４３及び１４６の間の垂直方向の転がり接触を可能にするが、固定されたピボット部材１４３に対する転がり接触ピボット部材１４４の垂直方向の摺動を防止する、かみ合い係合（meshing  engagement）幾何学的形状１４６を備えた転がり接触面を有する。
【００６５】
複数の部材１４３及び１４４上の丸められた歯１４６は、如何なる適切な歯輪郭外形のものであってもよく、好ましくは、部材１３２の作動の間に滑らかな転がり接触を可能にするために十分に小さい。組立中に歯１４６の正確な垂直方向の整列を可能にするために、固定されたピボット部材１４３上の突出面１４７は、転がり接触部材１４３上の歯１４６が部材１４３上の歯１４６と正しくに係合することを確かにする。転がり接触部材上の縮小された半径領域１４８は、転がり接触部材の垂直方向の転がり変位を可能にするが、組立中に正しい歯が完全に係合させられた後のみである。図１７は、動作中に部材１３２の作動端部１３６が座屈させられた場合に、どのようにして縮小された半径方向距離領域１４８及び突出部１４７が互いを立ち退かせる（clear）か、を示す。
【００６６】
図１８に示されるように、部材１３２の作動端部１３６の切換え／伸びること（toggling／straightening）に起因して部材１３２の弁端部１３７が座屈させられたときに、弁１３０は開位置にある。これは、矢印１５２によって図解されるように、気体又は液体がシリンダー１５０内の排出ポート／複数の排出ポート１４９を通って上に流れ、高圧排出空洞１５１の中に横方向に流れ込むことを可能にする。下方の電磁石１５３（又は、座屈部材の作動端部を平らにする（flatten）座屈部材の上面及び／又は底面及び／又は側面上の他の作動手段）にエネルギーを与えることは、ここで図示されるように座屈部材１３２の流れ制御端部１３７をシリンダー１５０の上の開位置に保持する。このように電磁石１５３（又は他の作動手段）にエネルギーを供給することはまた、例えば、ただしこれに限定されないが、弁１３０が気体膨張機又は液圧式モーターを駆動するために使用される場合に、液体又は気体の逆流に逆らって、弁端部１３７上で座屈部材１３２をこの開位置に保持してもよい。非限定的な例のために、圧縮機又は膨張機としてのピストンと共に弁１３０が使用される場合、ピストン１５４について、排出／吸入ポート１４９内の体積のある比率を取り上げる突出部１５５を有することが、好ましい。これは、上死点における気体体積を減少させることによって、ピストン１５４及びシリンダー１５０の圧縮及び／又は膨張の比を増大させるためである。
【００６７】
下方の電磁石１５３がエネルギー供給を解除され、上方の電磁石１５６（又は、座屈部材１３２の作動端部１３６を曲げ、座屈させる、座屈部材の上面及び／又は底面及び／又は側面上の他の作動手段）がエネルギー供給された場合、図１９に示されるように、弁１３０の流れ制御端部１３７は、閉じるであろう。これは、座屈部材１３２に、ポート１４９を取り囲む封止された区域１５７を作り出させる。排出ポート１５１内の流体の圧力は、弁が閉じられる場合、及びシリンダー１５０内の圧力がポート１５１内の圧力よりも低い場合に、流体密封の封止のために必要な接触圧力を提供する。この封止作用は、受動的なリード弁のそれに類似する。本装置の一つの有意な利益は、例えば、ただしこれに限定されないが、本装置がシリンダー又は他の装置の中へ流体の流れを制御するために使用される場合、例えば、ただしこれに限定されないが、本装置が膨張機又は液圧式モーターと共に使用される場合等に、望まれる場合には座屈弁１３２が開いた状態で保持され、ポート１５１からシリンダー１５０の中への逆流を可能にすることである。
【００６８】
圧縮機等の、ただしこれに限定されない用途のために、好ましくはシリンダー毎に本装置の二つの弁が使用されることに留意されたい。一方は、図１３乃至図１９と同様に構成されるであろう。他方は、好ましくは、図１１及び図１２において記述される弁タイミングシークエンスにおいて示されるように、それはシリンダー１５０から離れるのではなくシリンダー１５０の中に開くように、反転されるであろう。これは、同じシリンダー１５０の中への吸入流れ及びシリンダー１５０からの排出流れを制御するために二つの弁１３０の組み合わせが使用されることを可能にするであろう。本装置は、流体の流れによって加えられる力が流れ端部１３７に対する力を提供して弁を開く及び／又は閉じるために適度である場合に、いくつかの用途において、逆止弁として受動的に動作させられてもよい。これは、本装置が密度の低い圧縮性流体ではなく非圧縮性流体と共に使用される場合に、より効果的であると考えられる。この受動的な動作モードは、能動的な制御と一緒に組み合わせて、様々な時に使用されてもよい。能動的なモードで弁を動作させるための、多くの想定可能な方法が存在する。一つの非限定的な例は、図１９に示されている。図１９の例において、ＣＰＵ１５８は、渦電流センサ又は超音波センサ又は光学センサ等の、ただしこれらに限定されない、ピストン位置センサ１６０及び弁位置センサ１５９からの入力を受信する。ＣＰＵ１５８は、例えば、図１１及び図１２に記述されるものであるが、これらに限定されない所定の弁タイミングシークエンスに従って、一つ又はそれ以上の辺の正しい開放及び閉鎖のタイミングを決定し、最適な弁作動タイミングを制御するために適切な時に電磁石１５３及び１５６にエネルギーを供給又は供給解除するように、弁駆動部１６１に制御信号を送信する。
【００６９】
端部が切換えられ／座屈しない場合にロックすることを防止するために、座屈部材にわずかな曲りが予め設けられてもよい。
【００７０】
開示される制御要素２０は、能動的制御、及び電磁石、液圧、気体圧、圧電体又は任意の他の作動方法を使用した弁の作動を可能にする。
【００７１】
開示される制御要素２０は、能動的又は受動的な制御を使用した流体の順方向及び／又は逆方向の流れを要求し且つ内燃機関又は外燃機関において使用することができるシステムにおいて、圧縮機、膨張機又は両方の設定で動作してもよい。
【００７２】
いくつかの実施形態において、横断方向の運動制限器のビームのいずれかの側の区分の両方が作動させられてもよい。特許請求の範囲における“区分のうちの一つ”への言及は、この可能性を排除しない。したがって、弁の場合において、制御端部の作動に加えて又は制御端部の作動なしに、弁の封止された端部の直接的な作動があってもよい。
【００７３】
幾つかの実施形態において、横断方向の運動制限器又はロッカー機構のいずれかの側のビームの端部の両方は、同じ又は異なる流れ回路のための流れ制御弁として機能してもよい。
【図１】
0006793120.tif 000006
【図２】
0006793120.tif 000007
【図３】
0006793120.tif 000008
【図４】
0006793120.tif 000009
【図５】
0006793120.tif 000010
【図６】
0006793120.tif 000011
【図７Ａ】
0006793120.tif 000012
【図７Ｂ】
0006793120.tif 000013
【図７Ｃ】
0006793120.tif 000014
【図７Ｄ】
0006793120.tif 000015
【図７Ｅ】
0006793120.tif 000016
【図８Ａ】
0006793120.tif 000017
【図８Ｂ】
0006793120.tif 000018
【図８Ｃ】
0006793120.tif 000019
【図８Ｄ】
0006793120.tif 000020
【図９Ａ】
0006793120.tif 000021
【図９Ｂ】
0006793120.tif 000022
【図１０】
0006793120.tif 000023
【図１１Ａ】
0006793120.tif 000024
【図１１Ｂ】
0006793120.tif 000025
【図１１Ｃ】
0006793120.tif 000026
【図１１Ｄ】
0006793120.tif 000027
【図１２Ａ】
0006793120.tif 000028
【図１２Ｂ】
0006793120.tif 000029
【図１２Ｃ】
0006793120.tif 000030
【図１２Ｄ】
0006793120.tif 000031
【図１２Ｅ】
0006793120.tif 000032
【図１２Ｆ】
0006793120.tif 000033
【図１３】
0006793120.tif 000034
【図１４】
0006793120.tif 000035
【図１５】
0006793120.tif 000036
【図１６】
0006793120.tif 000037
【図１７】
0006793120.tif 000038
【図１８】
0006793120.tif 000039
【図１９】
0006793120.tif 000040