(57)【要約】【課題】  ガスタービンエンジンへの燃料流れを調節する弁アセンブリを提供する。【解決手段】  ガスタービンエンジンにおける燃焼を能動的に制御するために、燃料ノズルへの燃料の流れを、高周波で、あるいは段階的に調節する弁アセンブリが開示される。この弁アセンブリは、弁ハウジングとこの弁ハウジングの内部に配備される機構とを含む。弁ハウジングは、燃料源から燃料を初期流量において受け入れる流入部分と、検知される燃焼状態に応じて、初期流量または調節される流量において燃料を燃料ノズルに供給する流出部分とを画定し、機構は、検知される燃焼状態に応答して、流出部分への燃料の流量を調節する。【選択図】  図１
2007182879.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンエンジンにおける燃焼を能動的に制御するために燃料ノズルへの燃料の流れを制御する弁アセンブリであって、
ａ）燃料源から燃料を初期燃料流量において受け入れる流入部分、および、検知される燃焼状態に応じて、該初期燃料流量または調節される燃料流量において燃料を燃料ノズルに供給する流出部分を有する弁ハウジングと、
ｂ）検知される燃焼状態に応答して該燃料ノズルに供給される燃料の流量を調節するための、該弁ハウジング内部に配備される手段と、
を含む弁アセンブリ。
【請求項２】
前記燃料流量を調節する前記手段が、燃料の流れを予め定められた調節範囲内において調節するように調整されかつ構成される請求項１に記載の弁アセンブリ。
【請求項３】
前記燃料流量を調節する前記手段が、前記弁ハウジング内において少なくとも１つの弁ロータを含んでおり、該弁ロータは、調節される燃料が前記流出部分に流入し得る第１の係合位置と、調節される燃料が前記流出部分に流入し得ない第２の係合位置との間で作動するように装着される請求項２に記載の弁アセンブリ。
【請求項４】
前記少なくとも１つの弁ロータが、磁束透過性のフェライト系材料から形成され、かつ、第１および第２の磁気的に係合される位置の間に揺動作動するように装着される請求項３に記載の弁アセンブリ。
【請求項５】
前記燃料流量を調節する前記手段が、前記少なくとも１つの弁ロータを、磁気的に係合される前記第１位置および第２位置に交互に係合させる電磁的手段をさらに含む請求項４に記載の弁アセンブリ。
【請求項６】
前記燃料流量を調節する前記手段が、前記少なくとも１つの弁ロータを、１つの磁気的に係合される位置からもう１つの磁気的に係合される位置に交互に作動させるバネ手段をさらに含む請求項５に記載の弁アセンブリ。
【請求項７】
前記少なくとも１つの弁ロータが、前記弁ハウジング内に配備される弁シャフト上に揺動作動するように装着される請求項６に記載の弁アセンブリ。
【請求項８】
前記少なくとも１つの弁ロータおよび前記弁シャフトが対応する燃料ポートを有しており、該対応する燃料ポートは、該少なくとも１つの弁ロータが前記第１の磁気的に係合される位置にある時は、該少なくとも１つの弁ロータの燃料ポートが該弁シャフトの燃料ポートと連通し、該少なくとも１つの弁ロータが前記第２の磁気的に係合される位置にある時は、該少なくとも１つの弁ロータの燃料ポートが該弁シャフトの燃料ポートと連通しないように配置される請求項７に記載の弁アセンブリ。
【請求項９】
前記弁シャフトの燃料ポートが、前記弁シャフトの内部に形成される燃料通路と、前記少なくとも１つの弁ロータが前記第１の磁気的に係合される位置にある時は、調節される燃料が該燃料通路に流入して前記弁ハウジングの前記流出部分に流れ、該少なくとも１つの弁ロータが前記第２の磁気的に係合される位置にある時は、調節される燃料が該燃料通路に流入しないように連通する請求項８に記載の弁アセンブリ。
【請求項１０】
前記バネ手段が、前記少なくとも１つの弁ロータと機能的に関連する複数のコイルバネを含む請求項６に記載の弁アセンブリ。
【請求項１１】
前記バネ手段が、前記少なくとも１つの弁ロータと機能的に関連する捩りバネを含む請求項６に記載の弁アセンブリ。
【請求項１２】
前記バネ手段が、前記少なくとも１つの弁ロータと機能的に関連するカンチレバーバネを含む請求項６に記載の弁アセンブリ。
【請求項１３】
前記電磁的手段が、第１および第２の磁束経路を含む請求項５に記載の弁アセンブリ。
【請求項１４】
前記少なくとも１つの弁ロータが、前記第１磁束経路が付勢される時は、前記第１の磁気的に係合される位置への第１方向に回転し、該弁ロータが、前記第２磁束経路が付勢される時は、前記第２の磁気的に係合される位置への第２方向に回転する請求項１３に記載の弁アセンブリ。
【請求項１５】
前記弁ロータが、平均の燃料流れ状態を実現するように、前記電磁的手段が付勢されない時に中立位置に作動するように調整される請求項１３に記載の弁アセンブリ。
【請求項１６】
前記少なくとも１つの弁ロータが、前記弁シャフト上に装着する形状に構成される略円筒状の本体部分と、該本体部分から半径方向に外側に延びて直径上に対向する１対のパドルであって前記電磁的手段と相互作用するパドルとを有する請求項９に記載の弁アセンブリ。
【請求項１７】
前記弁ロータの揺動作動を支持する流体軸受けを前記弁シャフトの外面と該弁ロータの円筒状の本体部分の内面との間に確立する手段が、該弁シャフト内に形成される内部燃料通路と連通して、該弁シャフトに設けられる請求項１６に記載の弁アセンブリ。
【請求項１８】
前記弁ハウジング内に複数の弁ロータが配置され、各弁ロータが、それと関連する対応燃料ポートの形状に応じて、該弁シャフトに対して独自の燃料流れ状態を作り出すように調整されかつ形態化される請求項９に記載の弁アセンブリ。
【請求項１９】
前記弁ロータが、単一の弁シャフト上に軸方向に連続して装着される請求項１８に記載の弁アセンブリ。
【請求項２０】
前記複数の弁ロータのそれぞれが別個の弁シャフト上に装着される請求項１８に記載の弁アセンブリ。
【請求項２１】
ガスタービンエンジンにおける燃焼を能動的に制御するために燃料ノズルへの燃料の流れを調節する弁アセンブリであって、
ａ）燃料源から燃料を初期燃料流量において受け入れる流入部分、および、検知される燃焼状態に応じて、該初期燃料流量または調節される燃料流量において燃料を燃料ノズルに供給する流出部分を有する弁ハウジングと、
ｂ）該弁ハウジングを通して燃料を導くために、該弁ハウジング内に画定され、かつ、該流入部分と該流出部分との間に延びる第１次燃料流路と、
ｃ）該弁ハウジング内に配備される弁シャフトであって、該弁シャフト内に形成されかつ該弁ハウジングの流出部分と流体連通する第２次燃料通路を有する弁シャフトと、
ｄ）第１および第２の磁気的に係合される位置の間に揺動作動するように該弁シャフト上に装着される弁ロータであって、該第１位置においては、該第１次燃料流路からの燃料が、該流出部分に供給されるように該弁シャフト内の第２次燃料通路に流入することができ、該第２位置においては、該第１次燃料流路からの燃料が、該弁シャフト内の第２次燃料通路に流入することを停止される弁ロータと、
ｅ）燃料ノズルに供給される燃料の流量を検知される燃焼状態に応答して調節するために、該弁ロータを、該第１および該第２の磁気的に係合される位置に交互に係合させる電磁的手段と、
ｆ）該弁ロータを、１つの磁気的に係合される位置からもう１つの磁気的に係合される位置に交互に作動させるバネ手段と、
を含む弁アセンブリ。
【請求項２２】
前記弁ロータおよび前記弁シャフトが対応する燃料ポートを有しており、該対応する燃料ポートは、該弁ロータが前記第１の磁気的に係合される位置にある時は、該弁ロータの燃料ポートが該弁シャフトの燃料ポートと連通し、該弁ロータが前記第２の磁気的に係合される位置にある時は、該弁ロータの燃料ポートが該弁シャフトの燃料ポートと連通しないように配置される請求項２１に記載の弁アセンブリ。
【請求項２３】
前記弁シャフトの燃料ポートが、該弁シャフト内に形成される燃料通路と連通する請求項２２に記載の弁アセンブリ。
【請求項２４】
前記バネ手段が、前記少なくとも１つの弁ロータと機能的に関連する複数のコイルバネを含む請求項２１に記載の弁アセンブリ。
【請求項２５】
前記バネ手段が、前記少なくとも１つの弁ロータと機能的に関連する捩りバネを含む請求項２１に記載の弁アセンブリ。
【請求項２６】
前記バネ手段が、前記少なくとも１つの弁ロータと機能的に関連するカンチレバーバネを含む請求項２１に記載の弁アセンブリ。
【請求項２７】
前記電磁的手段が、第１および第２の磁束経路を含む請求項２１に記載の弁アセンブリ。
【請求項２８】
前記弁ロータが、前記第１磁束経路が付勢される時は、前記第１の磁気的に係合される位置への第１方向に作動し、該弁ロータが、前記第２磁束経路が付勢される時は、前記第２の磁気的に係合される位置への第２方向に作動する請求項２７に記載の弁アセンブリ。
【請求項２９】
前記弁ロータが、前記第１次燃料流路と前記弁シャフト内に形成される燃料通路との間に平均の燃料流れ状態を実現するように、前記電磁的手段が付勢されない時に中立位置に作動するように調整される請求項２１に記載の弁アセンブリ。
【請求項３０】
前記弁ロータが、前記弁シャフト上に装着する形状に構成される略円筒状の本体部分と、該本体部分から半径方向に外側に延びて直径上に対向する１対のパドルであって前記電磁的手段と相互作用するパドルとを有する請求項２１に記載の弁アセンブリ。
【請求項３１】
前記弁ロータが、磁束透過性のフェライト系材料から形成される請求項３０に記載の弁アセンブリ。
【請求項３２】
前記弁ロータの揺動作動を支持する流体軸受けを前記弁シャフトの外面と該弁ロータの円筒状の本体部分の内面との間に確立する手段が、該弁シャフト内に形成される前記燃料通路と連通して、該弁シャフトに形成される請求項３０に記載の弁アセンブリ。
【請求項３３】
前記弁ハウジング内に複数の弁ロータがそれぞれ各々の弁シャフト上に配置され、各弁ロータが、それと関連する対応燃料ポートの形状に応じて、それと関連する弁シャフトに対して独自の燃料流れ状態を作り出すように調整されかつ形態化される請求項２２に記載の弁アセンブリ。
【請求項３４】
ガスタービンエンジンにおける燃焼を能動的に制御するために燃料ノズルへの燃料の流れを制御する方法であって、
ａ）燃料を初期流量において受け入れるステップと、
ｂ）検知される燃焼状態に応答して該燃料の流量を調節するステップと、
ｃ）該燃料を、該調節された流量において燃料噴射器に供給するステップと、
を含む方法。
【請求項３５】
前記エンジンの燃焼室内部における燃焼状態を検知するステップをさらに含む請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
ガスタービンエンジンにおける燃焼の不安定を能動的に制御するために燃料ノズルへの燃料の流れを調節する方法であって、
ａ）燃料を初期流量において受け入れるステップと、
ｂ）検知される燃焼の不安定の振幅に比例して該燃料の初期流量を調節するステップと、
ｃ）該燃料を、該調節された流量において燃料噴射器に供給するステップと、
を含む方法。
【請求項３７】
ガスタービンエンジンの燃焼室内部における燃焼の不安定を検知するステップをさらに含む請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
前記弁アセンブリに対して、検知される燃焼の不安定の振幅に比例して前記燃料流量を調節するように指令するステップをさらに含む請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
前記燃料の初期流量を調節するステップが、燃料を、約５００〜１５００Ｈｚの速度、好ましくは約１０００Ｈｚの速度でパルス化することを含む請求項３６に記載の方法。
【請求項４０】
前記初期流量を調節するステップが、平均流量について最小燃料流量と最大燃料流量との間に及ぶ範囲内における調節を含む請求項３６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンエンジンに関するものであり、より詳細には、燃焼過程を能動的に制御して燃焼の安定を維持しかつその他にエンジン性能を最適化するための、ガスタービンエンジンの燃焼器への燃料の流れを調節する弁アセンブリに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃焼の不安定は、ガスタービン用の低排出物・高性能燃焼室の設計における重要な問題点である。燃焼の不安定は、一般的には、燃焼過程の乱流特性と燃焼室内における大きな容積エネルギーの放出との結果として生じる大振幅の圧力変動として理解される。燃焼の不安定は、エンジンシステムの性能を低下させ、圧力変動の結果として発生する振動は、燃焼室そのものを含む装置の構成部品を損傷する可能性がある。さらに、燃焼熱の放出が音響圧力波と一致してそれを強めると、結果的に熱音響的な不安定が生じる。
【０００３】
過去には、燃焼の不安定を補正するために受動的な制御方法が採用された。例えば、燃料噴射分布のパターンを修正する方式、あるいは燃焼室の形状または容量を変える方式が、この方法に含まれる。受動制御は、多くの場合、高価であり、燃焼器の性能を制限する。ごく最近、装置内部の圧力を修正することによって燃焼の不安定を補正する能動的制御方法が用いられるようになってきた。これを実行し得る１つの方法は、音響圧力波の振幅および周波数を検知することによるものであり、これに続いて、不安定と合致しない周波数において燃料の噴射を修正する方式である。
【０００４】
現在、燃料噴射器の流量は、共通の燃料マニホールドに送られる燃料の圧力を変化させて制御され、各燃料噴射器に対する個別の制御は行われない。例えば、特許文献１は、マニホールドを介して複数の燃料噴射器と連通する燃料パルセータを含む燃焼制御装置を開示している。燃料は、安定燃焼を促進する周波数にパルス化されて、マニホールドを通して噴射器に送られる。
【特許文献１】米国特許第６，６７２，０７１号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００５−０２４７０６６Ａ１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
燃料の流れを、各燃料噴射器において個別に調節またはパルス化することができれば、燃焼の安定を能動制御によって一層効果的に実現し得るであろう。さらに、燃料の流れを高周波でパルス化して各燃料噴射器に送ることができれば、燃料の液滴サイズを著しく低減することができ、これによって点火が改善され、エンジン性能が最適化されるであろう。
【０００６】
従って、ガスタービンエンジン用の能動型燃焼制御システムのための弁アセンブリであって、燃焼を効果的に安定させかつその他にエンジン性能を最適化するように、１０００Ｈｚ程度以上の比較的高周波で個々の燃料噴射器へのパルス化された燃料流れを調節するかあるいはまた制御するように設計される弁アセンブリを提供することは有益なことであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、燃焼システムにおける流体の流れを能動的に制御する新規で有用な装置に関するものであり、より詳細には、エンジンの燃焼室内部において検知される局所状態に基づいて燃焼を能動的に制御するために、ガスタービンエンジンの個々の燃料ノズルへの燃料の流れを調節する独特の弁アセンブリに関する。
【０００８】
本発明の弁アセンブリは、燃料計量ユニットまたは他の燃料源から所定圧力および初期燃料流量において燃料を受け入れる流入部分と、燃料を燃料ノズルに供給する流出部分とを有する弁ハウジングを含んでいる。この燃料の供給は、初期の燃料流量において、あるいは、検知された燃焼状態、例えば、圧力変動またはホットスポットの結果として生じる熱音響的な燃焼の不安定に応じて調節される燃料流量において行われる。
【０００９】
本発明の弁アセンブリを、燃焼を能動的に安定化させるために用いる例においては、燃料の流量が、検知された燃焼の不安定に応答して、予め定められた範囲内で、好ましくは平均燃料流量について調節される。本発明の弁アセンブリを、燃焼器の温度パターン因子を能動的に制御することによって燃焼効率を改善するために用いる例においては、弁アセンブリを通過する燃料の流れを、定常流量、例えば、平均燃料流量に維持することができると共に、検知されるホットスポットに応答して能動的に減少させるか、あるいはまた調節することができる。同様に、検知される他の燃焼状態に応答して、あるいはある時間にわたってエンジンを能動的に調整するように、燃料流量を定常流量に対して能動的に増大させることができる。
【００１０】
本発明の弁アセンブリは、さらに、燃料ノズルに供給される燃料の流量を検知される燃焼状態に基づいて調節するための、弁ハウジング内部に配備される手段を含んでいる。弁アセンブリを、燃焼の不安定を能動的に制御するために利用する例においては、流量が、検知される燃焼の不安定の振幅に比例して、好ましくは、最小流量と最大流量との間に及ぶ予め定められた調節範囲内において調節される。
【００１１】
燃焼の不安定および他の燃焼状態は、例えば、炎の特性を検知する光学センサまたは燃焼室内の圧力変動を検知する圧力センサのような、エンジンの燃焼室に機能的に関連する検知装置によって検知するのが好ましい。このセンサは、弁アセンブリの運転を指令する制御器と連通されることになろう。燃焼状態検知用の適切な光学検知装置の例が、特許文献２に開示されている。この開示は、この参照によって、その全体が本出願に含まれる。
【００１２】
燃料噴射器に供給される燃料の流量を調節する手段は、弁ハウジング内部でステータに対して揺動作動するように装着される少なくとも１つの弁ロータを含んでいる。運転においては、この弁ロータは、調節される燃料が弁ハウジングの流出部分に流入することができる第１係合位置と、調節される燃料が弁ハウジングの流出部分に流入することができない第２係合位置との間に作動する。
【００１３】
弁ロータは磁束透過性のフェライト系材料から形成され、第１および第２の磁気的に係合される位置の間に揺動作動するように、弁ハウジング内部に装着される。同様に、ステータも磁束透過性のフェライト系材料から構成することが望ましい。従って、ステータおよびロータは、弁アセンブリ内部において可変の磁束経路を画定する。
【００１４】
燃料の流量を調節する手段は、さらに、弁ロータを、第１および第２の磁気的に係合される位置に交互に係合させる電磁的手段と、弁ロータを、１つの磁気的に係合される位置からもう１つの磁気的に係合される位置に急速に作動させるかあるいはまた加速するバネ手段とを含む。
【００１５】
弁ロータは、好ましくは、弁ハウジング内に配備される細長い弁シャフト上に揺動作動するように装着される。この弁ロータおよび弁シャフトは対応する燃料ポートを有しており、この対応する燃料ポートは、弁ロータが第１の磁気的に係合される位置にある時は、弁ロータの燃料ポートが弁シャフトの燃料ポートと連通し、弁ロータが第２の磁気的に係合される位置にある時は、弁ロータの燃料ポートが弁シャフトの燃料ポートと連通しないように配置される。
【００１６】
弁シャフトの燃料ポートは、弁シャフトの内部に形成される燃料通路と、弁ロータが第１の磁気的に係合される位置にある時は、調節される燃料が弁シャフトの燃料通路に流入して弁ハウジングの流出部分に流れるような様態で連通する。弁ロータが第２の磁気的に係合される位置にある時は、調節される燃料は燃料通路に流入しない。弁ロータは、安全なエンジンの運転を促進する平均の燃料流れ状態を実現するために、例えば停電の場合のように電磁的手段が付勢されない時に、中立位置に作動するように調整されることが望ましい。
【００１７】
弁ロータを、１つの磁気的に係合される位置からもう１つの磁気的に係合される位置に交互に作動させるかあるいはまた加速するバネ手段は、いくつかの異なる形式のものとすることができる。例えば、以下に述べる本発明の一実施形態においては、バネ手段が、弁ロータの外部部分と機能的に関連する複数のコイルバネを含む。本発明の別の実施形態においては、バネ手段が、弁ロータの内部部分と機能的に関連する捩りバネを含む。さらに別の実施形態においては、バネ手段は、弁ロータの外部部分と機能的に関連するカンチレバーバネを含む。本発明によれば、バネおよびロータは磁気的に係合される位置間を固有周波数で揺動する。
【００１８】
電磁的手段は、交互に交替する第１および第２の磁束経路を含むことが望ましい。本開示に従って、弁ロータは、第１磁束経路が付勢される時は、第１の磁気的に係合される位置への第１方向に回転するかあるいはまた作動し、第２磁束経路が付勢される時は、弁ロータは、第２の磁気的に係合される位置への第２方向に回転するかあるいはまた作動する。
【００１９】
本発明の一実施形態においては、電磁的手段が、上部の隣り合う第１および第２の電磁コイルと下部の隣り合う第３および第４の電磁コイルとを含んでいる。弁ロータが揺動動作するように装着される弁シャフトの軸を通って広がる水平面に対して、第１および第３の電磁コイルが互いに水平面対向し、第２および第４の電磁コイルが互いに水平面対向する。弁ロータは、第１および第４電磁コイルが付勢されると、第１の磁気的に係合される位置への第１方向に作動し、第２および第３電磁コイルが付勢されると、弁ロータは、第２の磁気的に係合される位置への第２方向に作動する。
【００２０】
交互に交替する２つの磁束経路で、水平面対向する電磁コイルに関連する磁束経路は、設計の選択に応じて種々の形態を取り得ることが考えられる。例えば、交互に交替する２つの磁束経路が、共通の半径方向リターン極（例えば複数の電磁コイルの軸と同じ平面内にある軸を有する極）または共通の軸方向リターン極（例えば複数の電磁コイルの軸に垂直に延びる軸を有する極）を含むことができる場合、あるいは共通のリターン極を全く含まない場合が考えられる。さらに、電磁的手段が、互いに側方に配置されるかあるいは互いに水平面に対向して配置される２つの電磁コイルだけを含むことができることも考えられ、これもまさに本発明の範囲内である。この場合には、各磁束経路に単一の電磁コイルが存在することになろう。このような例においては共通のリターン極は存在しなくてもよい。共通のリターン極がない例においては、磁束の経路は弁ハウジングの独立の構造的構成部品によって画定することができる。
【００２１】
弁ロータは、弁シャフト上に装着する形状に構成される略円筒状の本体部分と、その本体部分から半径方向に外側に延びて直径上に対向する１対のパドルであって電磁的手段と相互作用するパドルとを有する。弁シャフトの周囲に、その弁シャフト内に形成される内部燃料通路と連通して環状の溝を形成して、弁シャフトの外面と弁ロータの円筒状の本体部分の内面との間に流体軸受けを確立するようにすることが望ましい。この流体軸受けは弁ロータの急速な揺動作動を支持し、シャフトおよびロータ間の摩擦表面接触を減少させる。
【００２２】
装置の調節範囲内における高度の流量分解度を実現するために、弁ハウジング内部に複数の弁ロータを配置して、各弁ロータを、それと関連する対応燃料ポートの寸法に応じて弁シャフトに対して独自の燃料流れ状態を作り出すように調整しかつ形態化することが望ましい。本発明の一実施形態においては、弁ハウジングの内部に４つの弁ロータが配置されて各ロータが独自の燃料流れ状態を作り出し、その結果、１つの圧力に対して、合計で１６個の異なる燃料流量を、初期流量と最大流量との間の範囲内に得ることができる。弁アセンブリの一形態においては、４つの弁ロータが、単一の弁シャフト上に軸方向に連続して装着され、別の形態においては、４つの弁ロータのそれぞれが別個の弁シャフト上に装着され、この別個の弁シャフトが平行に配置される。
【００２３】
本発明は、さらに、エンジンにおける燃焼を能動的に制御するために燃料ノズルへの燃料の流れを制御する新規で有用な方法に関する。この方法は、燃料を初期流量において受け入れるステップと、検知される燃焼状態に応答して燃料の流量を調節するステップと、燃料を、調節された流量において燃料噴射器に供給するステップとを含んでいる。
【００２４】
本発明は、さらにまた、ガスタービンエンジンにおける燃焼の不安定を能動的に制御するために燃料ノズルへの燃料の流れを調節する方法に関する。この方法は、燃料を初期流量において受け入れるステップと、検知される燃焼の不安定の振幅に比例して燃料の初期流量を調節するステップと、燃焼の不安定を補正するために、燃料を、調節された流量で燃料噴射器に供給するステップとを含んでいる。この方法は、ガスタービンエンジンの燃焼室内部における燃焼の不安定を検知するステップと、弁アセンブリに対して、燃焼の不安定の振幅に比例して燃料流量を調節するように指令するステップとをさらに含む。
【００２５】
本発明の係合揺動型弁アセンブリの以上並びに他の様態と、この弁アセンブリを用いる方法とが、図面に関連付けてなされる本発明に関する以下の詳細な説明から、当業者にはさらに容易に明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
次に、本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。これによって、本発明が属する分野の当業者は、本発明の揺動係合型弁アセンブリの使用方法についてより容易に理解するであろう。
【００２７】
ここに開示する係合揺動型の弁アセンブリは能動型の燃焼制御システムと連携して用いるように意図されている。能動型の燃焼制御システムは、好ましくは、ガスタービンエンジンの燃焼室内部における局所的な熱音響的燃焼不安定を低減するように設計される。ここに開示する弁アセンブリは、このような例において、検知される燃焼の不安定に比例して、個々の燃料噴射器への燃料の流れを約１０００Ｈｚより高い極高周波でパルス化するかあるいはまた調節するために用いることができる。
【００２８】
能動型の燃焼制御システムは、また、エンジンの排出物質を削減し、エンジンの動力学を改善し、運転効率を最大化する目的をも有している。このような例においては、本発明の弁アセンブリを、個々の燃料噴射器への燃料の流れを絞り込むかあるいはまた能動的に調節して、燃焼器における温度パターン因子を制御し、それによってホットスポットおよび他の検知される燃焼状態を低減するために用いることができる。この弁アセンブリは、さらに、局所的な燃料流れのパターンをある時間にわたって能動的に調節することによってエンジンを自己調整し、エンジンの健全性を維持するためにも用いることができるであろう。
【００２９】
ここに開示する弁アセンブリは、例えば、主燃料流れおよびパイロット燃料流れを備えた２段燃料噴射器を含む種々のタイプの燃料噴射器と連携して使用し得ることが考えられる。このような例においては、パイロット燃料流れを調節するかあるいはまた主燃料流れに対して高周波でパルス化して、燃焼状態を制御することができる。
【００３０】
当業者は、ここに開示する係合揺動型の弁アセンブリを、ガスタービン技術分野以外の燃焼用途にも簡単に利用し得ることを容易に認めるであろう。本発明の弁アセンブリは、例えば、自動車の燃料噴射システムにおいて見られるようなパルス幅変調弁として使用することができるであろう。
【００３１】
実際にはさらに、本発明の弁アセンブリを、燃焼技術分野以外の装置またはプロセスにおいて、流体の流れを比較的高周波で調節するかあるいはまたパルス化するために容易に使用し得るのではないかと考えられる。例えば、ここに開示する弁アセンブリを、能動型のプロセス制御システムと連携して、第１プロセス流体を第２プロセス流体中に比例的に計量注入する流体滴定システムのような化学プロセス工業領域における用途にも利用し得るであろう。燃焼技術分野以外の他の用途としては、油圧システム用のサーボ弁または冷凍システムにおけるガス流量制御弁が含まれるであろう。
【００３２】
以下の説明においては、能動型の燃焼制御システムと連携して使用するものとして３種類の異なる係合揺動型弁アセンブリを開示する。各弁アセンブリは異なる構造を有しているが、３種類共すべて、燃料をガスタービンエンジンの燃焼器に注入する燃料噴射器への燃料の流れを能動的に制御するかあるいはまた調節するように、同様に機能する。３つの弁アセンブリ間の操作上の基本的な類似性は、構成要素弁が、エネルギー所要量を最小化するために共振周波数で作動するという点である。以下に詳細に議論するように、開示される弁アセンブリの構成要素弁を操作位置の間に揺動させるために用いられるエネルギーは、機械的なバネに蓄えられる。バネの種類と弁アセンブリの相対的な形状とが、３つの弁アセンブリのそれぞれを相互に区分する因子である。
【００３３】
さらに、３つの弁アセンブリは、各構成要素弁が、電力が消失すると平均または中立の燃料流れ状態に戻るという点で類似しており、各弁アセンブリは、流れが調節されている時には平均の燃料流れが変化しないように設計される。運転においては、本発明の弁アセンブリによって実現される燃料調節は、運転中の燃焼器内に存在する燃焼の不安定の振幅に比例する。燃料調節の振幅または燃料流量の振幅は、互いに同調して作動する複数の弁ユニットを用いて変えられるが、この場合特定の弁アセンブリにおける各構成要素弁は異なる燃料流れを有している。構成要素弁の揺動周波数は、構成要素弁を開位置に磁気的に係合する時間的長さを調整することによって変化させられ、位相は、構成要素弁を係合位置から解放する時点によって変えられる。
【００３４】
３つの弁アセンブリは、約２３０℃の温度と、約１０００Ｈｚ以上の非常に高い操作周波数において作動するように設計される。弁は、好ましくは、約３００億サイクルの作動寿命（すなわち、５００Ｈｚにおいて１７，０００時間の運転時間）を有する。弁アセンブリは最大約４０ワットの電力を消費し、少なくとも１０００ｐｐｈの平均燃料流れで２００ｐｐｈの燃料を調節するように設計される。弁アセンブリは、弁の揺動部品に関して金属対金属の接触または摩擦が生じないように、流体もしくは油圧軸受けによって設計される。弁アセンブリは、好ましくは約２５０グラム未満の質量を有する。
【００３５】
本発明の弁アセンブリのこれらの特徴および他の特徴は、本発明の好ましい実施形態について図面と関連付けてなされる以下の詳細な説明から、当業者には一層容易に明らかになるであろう。
【００３６】
コイルバネを備えた係合揺動型弁アセンブリ
本発明の好ましい実施形態に従って組み立てられた、コイルバネ作動構成要素弁を有する係合揺動型弁アセンブリを図１〜図１４に示す。これには、全体として参照番号１００が付せられている。弁アセンブリ１００は、以下に詳細に述べるように、４−ビットの弁アセンブリとして示されかつ説明される。換言すれば、この弁アセンブリは、各弁ロータが開（またはオン）位置および閉（またはオフ）位置を有して二進的にまたはビット状に作動するようなデジタル方式に構成されている。従って、以下に説明するように、弁アセンブリ１００は、４つの弁と１６（２4）個の異なる作動位置とを有しており、単一の燃料流れ圧力に対して１６個の異なる燃料流れ状態を作り出し、燃焼状態を能動的に制御するための実質的な分解度を提供する。
【００３７】
しかし、当業者は、以下の開示から、弁アセンブリ１００をさらに多くの燃料流れ状態を作り出すように構成して、より高い分解度と燃料流れ状態に対するより精密な制御とを提供し得ることを容易に理解するであろう。例えば、弁アセンブリを、６４（２6）個の異なる燃料流れ状態を作り出す６−ビットシステムとして組み立てることができるであろう。逆に、弁アセンブリをより少数の燃料流れ状態を作り出すように構成して、より大まかな制御を提供することもできる。例えば、弁アセンブリ１００は、単に、完全開位置および完全閉位置を含む２つ（２1）の異なる作動位置を有する１−ビットシステム、すなわち真の二進弁を含むことができるであろう。
【００３８】
図１を参照すると、弁アセンブリ１００は、燃料ポンプまたは燃料計量装置（図示せず）のような燃料源から必要に応じて燃料を受け入れる流入端部分１１０を有する。燃料は、所定圧力および初期流量において流入端部分１１０に受け入れられる。弁アセンブリ１００は、また、燃料を燃料噴射装置（図示せず）に供給するための環状の燃料チャンバ１１２ａを構成する流出端部分１１２をも有している。燃料チャンバ１１２ａから、燃料を、流入端部分１１０において受け入れられた初期燃料流量において、または初期流量とは異なる調節された流量において供給することができる。調節された燃料流量は、予め定められた流量調節範囲または管理幅内にあることが望ましい。この流量調節範囲または管理幅は、最小燃料流量（弁ロータがすべて完全閉とされた状態）と最大燃料流量（弁ロータがすべて完全開とされた状態）との間に及び、好ましくは、弁アセンブリに対する平均の燃料流量について変化する。
【００３９】
弁アセンブリ１００を燃焼の不安定を制御するために用いる用途においては、調節された流量が検知される燃焼の不安定の振幅に比例するように、流量を高周波（パルス化された燃料流れ）で調節する。弁アセンブリ１００をガスタービンエンジンの燃焼室内における熱的パターン因子を制御するために用いる用途においては、燃料流量を、定常流れの状態または平均の燃料流れ状態に対して能動的に調節するかあるいはまた増減方向に整えて、検知されるホットスポットまたは同類のものを低減するかあるいはまた緩和することができる。このような例においては、流量を、例えば弁アセンブリが中立位置にある場合に対応する第１の定常状態から、弁アセンブリを中立位置に置いた場合に得られる流量に対して流量が増減される別の定常状態に段階的に増減させることができるであろう。
【００４０】
弁アセンブリ１００は、流入端部分１１０から流出端部分１１２に縦方向に連続して配置される４つの係合揺動型弁ユニットまたはビットを含んでいる。弁ユニットは、内部燃料チャンバ１１６（例えば図５参照）を画定する弁ケーシング１１４内に収納される。燃料チャンバ１１６は、流入端部分１１０から流出端部分１１２にバイパス流れ（すなわち弁ユニットをバイパスする第１次燃料流れ）を輸送する。参照を容易にするため、弁アセンブリ１００の４つの弁ユニットまたはビットを、続けて弁ユニット１２０ａ〜１２０ｄと呼称するものとする。
【００４１】
種々の図面に関して以下にさらに詳しく述べるように、弁アセンブリ１００の各弁ユニット１２０ａ〜１２０ｄは、特に、１つの弁ロータと、水平面に対向する２対の電磁石と、４つのコイルバネとを含んでいる。この弁ロータは、磁束透過性の材料から形成され、開位置と閉位置との間で揺動作動するように細長い弁シャフト上に装着され、水平面に対向する２対の電磁石は、どちらの電磁石対が付勢されるかに応じて開位置または閉位置のいずれかに弁ロータを磁気的に係合するために、直径上に対向する磁極を構成するような位置に配置され、４つのコイルバネは、構成要素弁が対角線上に対向する１つの電磁石対から係合を解かれてもう１つの対角線上に対向する電磁石対の方に向かって引き付けられる時に、弁ロータを開位置と閉位置との間に加速するかあるいはまた急速作動させるに必要な機械的エネルギーを供給する。弁ロータの固有周波数または切り換え速度は、約１０００Ｈｚ以上のレベルとすることが好ましい。当業者は、電磁石の唯一の機能がロータを係合することであり、一方コイルバネの唯一の機能は、係合位置間にロータを急速に作動させることであることを理解するべきである。
【００４２】
図２を参照すると、弁アセンブリ１００は４−ビットのロータアセンブリ１０５を含み、このロータアセンブリ１０５は、流入プレート１２５から延びて燃料管または導管を形成する細長い円筒状の弁シャフト１２２を具備している。流入プレート１２５は軸から偏移した燃料流入ポート１２５ａを有する。この燃料流入ポート１２５ａは、燃料を燃料源から所定圧力で第１次燃料チャンバ１１６に送り出す。弁シャフト１２２上には、回転可能に支持される４つの弁ロータ１２４ａ〜１２４ｄが軸方向に連続して支持される。弁シャフト１２２は中心の燃料通路１２６を有しており、この燃料通路１２６は、縦方向に間隔を置いて配置される４つの一連の燃料ポート対１２８ａ〜１２８ｄで、直径上に対向する半径方向の燃料ポート対１２８ａ〜１２８ｄと連通している。
【００４３】
開示される弁アセンブリの実施形態においては、燃料ポート対１２８ａ〜１２８ｄの開口寸法は、燃料通路１２６の流入端から燃料通路１２６の流出端の方向に減少しているので、流入端の燃料ポート１２８ａが相対的に最大の開口寸法を有し、流出端の燃料ポート１２８ｄが相対的に最小の開口寸法を有する。さらに詳細には、本発明に従って、下流方向に見て、流入端から流出端に、弁シャフト１２２の連続する燃料ポート対のそれぞれは、隣の対向燃料ポート対の流れ面積の半分を備えている。従って、燃料ポート対１２８ｂの流れ面積は燃料ポート対１２８ａの流れ面積の半分であり、燃料ポート対１２８ｃの流れ面積は燃料ポート対１２８ｂの流れ面積の半分であり、燃料ポート対１２８ｄの流れ面積は燃料ポート対１２８ｃの流れ面積の半分である。当業者は、燃料ポート対の開口寸法および付随する流れ面積を、設計上の選択と用途とに応じて上記に開示した形態から変更し得ることを容易に認めるであろう。例えば、対向燃料ポートの各連続対は、特殊な用途によって必要とされる場合は、対向燃料ポートの隣の対の流れ面積の１／３を備えることができるであろう。またその代わりに、燃料ポートの流れ面積を、弁シャフトに沿って同じように分布させることも可能であろう。
【００４４】
弁シャフト１２２は、縦方向に間隔配置される４対の環状溝１３０ａ〜１３０ｄをも含んでいる。この環状溝の対１３０ａ〜１３０ｄは、以下に詳細に述べるように、弁シャフト１２２の中心燃料通路１２６と流体連通している。このため、各環状溝の対１３０ａ〜１３０ｄは、所定量の燃料を送出して、各溝におけるあるいは各溝に隣接する流体軸受けを形成し、この流体軸受けが、ロータアセンブリの各弁ロータ１２４ａ〜１２４ｄの弁シャフト１２２の外周面に対する回転を支持する。これは、弁ロータと弁シャフトとの間の表面対表面接触を低減する機能を果たす。
【００４５】
図３と関連付けて図２の参照を続けると、弁アセンブリ１００の各弁ロータ１２４ａ〜１２４ｄは、直径が縮小された端部１３２ａ、１３２ｂを備えた中心の円筒状の本体部分１３２と、弁シャフト１２２を回転支持関係において受け入れる寸法および形状を備えた穿孔１３３とを有する。各弁ロータ１２４ａ〜１２４ｄは、側方に対向する１対の翼部分１３４ａ、１３４ｂを有しており、この翼部分１３４ａ、１３４ｂは、４つの電磁石の水平面に対向する係合面と適合するように調整されかつ形態化される傾斜した係合面を備えている。翼部分１３４ａ、１３４ｂの各係合面には、各コイルバネ（図示せず）の端末部分を受け入れる座ぐり座１３６が設けられる。
【００４６】
翼部分１３４ａ、１３４ｂの表面には、弁ロータの全体重量を低減し、かつ、弁ケーシング１１４内部に配置される隣接ステータ構造に対するロータの相対的動きを受け入れるために、窪み１３５が設けられる。各ロータ１２４ａ〜１２４ｄの対向翼１３４ａおよび１３４ｂは、直径上に対向配置されて縦方向に延びる燃料供給スロットの対１４０ａ〜１４０ｄによって互いに分離される。各弁ロータ１２４ａ〜１２４ｄにおける対向燃料供給スロットは、弁ケーシング１１４の主内部燃料チャンバ１１６と連通するような寸法および形状に構成される（図５参照）。さらに詳細には、図３に最もよく見られるように、縦方向に延びる各燃料供給スロット（すなわちスロット１４０ａ）が、直径が縮小された本体端部部分１３２ａ、１３２ｂの範囲内にそれぞれ形成される構造的障害のない対向端部部分１４１ａ、１４１ｂを有しており、この対向端部部分１４１ａ、１４１ｂは主内部燃料チャンバ１１６と連続的に流体連通している。従って、運転中は、弁ロータの燃料供給スロットは、必要時に弁シャフト１２２の燃料通路１２６に即応的に流入し得る燃料で常に充満されている。
【００４７】
図２および図５を参照すると、弁ロータ１２４ａ〜１２４ｄの燃料供給スロット対１４０ａ〜１４０ｄの内部に、直径上に対向する燃料供給ポート対１４２ａ〜１４２ｄが形成され、この燃料供給ポート対１４２ａ〜１４２ｄは、これに対応して弁シャフト１２２に形成される直径上対向燃料ポート対１２８ａ〜１２８ｄに適合する寸法および形態に構成される。従って、連続して配置される各弁ロータに対して、燃料供給ポート対１４２ａ〜１４２ｄの開口寸法は、弁シャフトの流入端から弁シャフトの流出端に向かって減少する。さらに詳細には、弁シャフトの流入端に最も近く配置される弁ロータ（すなわち弁ロータ１２４ａ）が最大の燃料供給ポートを有し、一方、弁シャフトの流出端に最も近い弁ロータ（すなわち弁ロータ１２４ｄ）が最小の燃料供給ポートを有する。この開口寸法の差異は、弁シャフト１２２に形成される直径上対向燃料流入ポート対の開口寸法差異にまさに一致しており、連続する各燃料供給ポート対は１つ前の燃料供給ポート対の流れの面積の半分の面積を備えている。当業者は、弁シャフトの燃料ポートに関して上記に述べたように、弁ロータにおける燃料ポートの寸法および／または大きさを変化させ得ることを容易に認めるであろう。
【００４８】
以下にさらに詳細に説明するが、図４によく示されるように、弁ロータ１２４ａ〜１２４ｄは、弁シャフト１２２の外周の回りで、磁気的に係合される開位置と閉位置との間に揺動する。これによって、弁ロータ１２４ａ〜１２４ｄの燃料供給ポート対１４２ａ〜１４２ｄが動いて、弁シャフト１２２に形成される対応燃料ポート対１２８ａ〜１２８ｄ（図２参照）と流体連通することと、流体連通しなくなることとが可能になり、弁シャフト１２２の中心燃料通路１２６を通って流れる燃料の量を能動的に調節することができる。
【００４９】
かくして、図１および図２を参照すると、燃料が、所定圧力および初期流量において、流入プレート１２５の燃料流入ポート１２５ａからケーシング１１４の内部燃料チャンバ１１６に流入し、流出端部分１１２の燃料流出ポート１２５ｂを通って流出チャンバ１１２ａに流れる時に、４つの弁アセンブリ１０５を好ましくは高周波（例えば１０００Ｈｚ以上）で操作して、燃料噴射器に供給される燃料の流量を予め定められた調節範囲内で調節することができる。これは、調節される燃料の要求量を、ケーシング１１４の燃料チャンバ１１６（図５参照）から流出端部分１１２の流出チャンバ１１２ａに、弁シャフト１２２の中心燃料通路１２６を経由して供給することによって実現される。弁シャフト１２２の中心燃料通路１２６からの調節される燃料の要求量は、流出端部分１１２の流出チャンバ１１２ａ内部において、内部燃料チャンバ１１６の流出ポート１２５ｂからの第１次（またはバイパス）燃料流れと合流する。続いて、この合流したあるいは組み合わされた調節燃料流れが、流出チャンバ１１２ａから、弁アセンブリ１００と連通する燃料噴射器に供給される。
【００５０】
さらに詳細には、ロータアセンブリ１０５の４つの弁ロータ１２４ａ〜１２４ｄがすべて磁気的に閉位置に係合され、従って、弁ロータ１２４ａ〜１２４ｄの燃料供給ポート対１４２ａ〜１４２ｄと、弁シャフト１２２の燃料ポート対１２８ａ〜１２８ｄとの間に流体連通がなければ、弁アセンブリ１００を通過する燃料の流量は、システムに対する最小燃料流量に一致する。逆に、４−ビットロータアセンブリ１０５の４つの構成要素弁１２４ａ〜１２４ｄがすべて磁気的に開位置に係合され、その結果、弁ロータ１２４ａ〜１２４ｄの燃料供給ポート対１４２ａ〜１４２ｄと、弁シャフト１２２の燃料ポート対１２８ａ〜１２８ｄとの間に完全な流体連通が確立されると、弁アセンブリ１００を通過する燃料の流量は、システムに対する最大燃料流量に一致する。
【００５１】
１つの４−弁アセンブリには、完全開位置および完全閉位置に加えて１４個の弁ロータの位置が存在するが、上記の結果として、弁ロータ位置の指令された任意の組み合わせにおいて、弁アセンブリに接続される燃料噴射器に供給される燃料の流量は、予め定められた流量調節範囲内で最小および最大燃料流量の間で変化することになる。調節される燃料の流量は、システムに対する平均の燃料流量について変化することが好ましい。
【００５２】
当業者は、燃料調節範囲の大きさは、燃料制御システムの運転条件と弁アセンブリが用いられるエンジンとに応じて変化し得ることを容易に認めるであろう。例えば、弁アセンブリを、燃料流量調節範囲が約３０％となるように設計することができるであろう。また、弁アセンブリの調節範囲内における分解度を、前記の記述に従って追加の弁ユニットを設けることによって、４−ビット弁アセンブリに対して高め得ることも考えられる。すなわち、例えば、異なる流れ面積の６つの弁ロータを有する６−ビット弁アセンブリを用いると、単一圧力に対して６４個の異なる燃料流れ状態を作り出すことができる。
【００５３】
４−弁のアセンブリ１００に対する中間段階の燃料調節状態の例を図４に示す。この例においては、第１弁ロータ１２４ａおよび第３弁ロータ１２４ｃが開位置（図７〜図９も参照）に係合され、一方、第２弁ロータ１２４ｂおよび第４弁ロータ１２４ｄは閉位置（図１０〜図１２も参照）に係合されている。この結果、燃料は、弁ロータ１２４ａおよび１２４ｃの燃料供給ポート１４２ａおよび１４２ｃを通して、それぞれ対応する位置にある燃料流入ポート１２８ａおよび１２８ｃに供給され、弁シャフト１２２の燃料通路１２６に流入する。これに対して、燃料は、弁ロータ１２４ｂおよび１２４ｄの燃料供給ポート１４２ｂおよび１４２ｄから、対応する位置にある燃料管１２２の燃料流入ポート１２８ｂおよび１２８ｄには供給されない。
【００５４】
図４に示す例示的弁配置は、弁ロータ１２４ａ、１２４ｃによって弁シャフト１２２の燃料通路１２６に送り込まれる調節燃料の量が、弁アセンブリが付属するガスタービンエンジンの燃焼室内部に検知される燃焼の不安定に比例するような指令運転条件に対応することができるであろう。この場合には、弁は、その不安定と逆位相の指令周波数において開閉するであろう。
【００５５】
この代わりに、図４の例示的な弁配置は、燃焼室内に検知されるホットスポットに応答して指令される燃料流れ状態で、定常状態または平均の燃料流れ状態に対して低減されるかあるいは絞り込まれた定常状態の燃料流れ状態に対応することができるであろう。また、この例示的な弁配置は、検知される燃焼状態に対してエンジンを調整するに必要な要求燃料流れ状態に対応する燃料流れ状態で、定常状態または平均の燃料流れ状態に対して増大された燃料流れ状態に対応する可能性があることも当然考えられる。本発明の弁アセンブリは、燃料を高周波でパルス化するかあるいはまた調節するために用いることができるが、この弁アセンブリは、１つの定常状態の燃料流れ状態から別の定常状態の燃料流れ状態に段階的に変化させることによって燃料の流れを調節するようにも使用し得ることを、当業者は容易に認めるであろう。
【００５６】
ここで例として図５を参照すると、弁ユニット１２０ａが、電源に個別に接続された４つの電磁石１５０ａ〜１５０ｄを含んでいる。各電磁石は、ボビン１５４ａ〜１５４ｄ上に支持されると共に磁極片１５６ａ〜１５６ｄを囲繞するコイル巻線１５２ａ〜１５２ｄを含む。対角線上に対向する極片が対等になる磁束経路を画定する。すなわち、極片１５６ａおよび１５６ｄが第１磁束経路の一部を画定し、極片１５６ｂおよび１５６ｃが、第１経路とは異なる第２の磁束経路の一部を画定する。磁極片１５６ａ〜１５６ｄは、それぞれ、弁ロータ１２４ａの側方の対向翼１３４ａ、１３４ｂの傾斜係合面と磁気的に相互作用する傾斜磁気係合面１５８ａ〜１５８ｄを備えている。これについては以下にさらに詳しく述べる。
【００５７】
弁アセンブリ１００の４つの弁ユニットまたはビット１２０ａ〜１２０ｄは、それぞれ、対応する極片１５６ａ〜１５６ｄの内部に個別に支持される４つのコイルバネ１６０ａ〜１６０ｄをも含んでいる。各コイルバネ１６０ａ〜１６０ｄの内側の端部部分は、弁ロータ１２４ａの対向翼１３４ａ、１３４ｂの係合面に形成される対応座ぐり座１３６の中に納められるかあるいはまた支持される。コイルバネは、それぞれのネジ付き固定具１６５ａ〜１６５ｄによって極片の内部に保持される。コイルバネ１６０ａ〜１６０ｄは、磁気的に係合される開閉位置間において弁ロータ１２４ａを加速するかあるいはまた作動させるための機械的エネルギーを蓄える。これについては以下にさらに詳しく述べる。
【００５８】
図５においては、弁ロータ１２４ａは、係合されていない中立位置に描かれている。この位置は、電力が消失して、この弁ロータに関連する４つの電磁石１５０ａ〜１５０ｄがいずれも付勢されない場合に生じる。この状態は、弁ユニット１２０ａに対する平均燃料流れ状態に合致しており、図６によく見られるように、弁ロータ１２４ａは部分的に開になっている。従って、万一停電の場合でも、弁アセンブリ１００を通過する燃料の流れは確実なレベルに維持されるであろう。それは、弁ロータ１２４ａの対向燃料供給ポート１４２ａが弁シャフト１２２の対向燃料流入ポート１２８ａと部分的に重なり合っており、燃焼がエンジン内で生じ続けると見られるからである。この状態は各弁ユニット１２０ａ〜１２０ｄにおいて生じるはずであるので、弁アセンブリ１００に対して平均または中立の流量が実現されることになる。
【００５９】
図７〜図９を参照すると、弁ロータ１２４ａが開位置にある弁ユニット１２０ａが示されている。弁ロータ１２４ａがこの開位置にある時は、弁ロータ１２４ａは、図５の部分的に開閉された中立位置から第１の方向（例えば時計回りの方向）に回転されている。この結果、弁ロータ１２４ａの対向燃料供給ポート１４２ａは、図８によく見られるように、弁シャフト１２２の対向燃料流入ポート１２８ａと完全に同心になっているので、調節される燃料の要求量が、弁ケーシング１１４の内部燃料チャンバ１１６から弁シャフト１２２の燃料通路１２６に流入することができる。この位置においては、弁ユニット１２０ａの電磁石１５０ａおよび１５０ｄが付勢され、その結果、弁ロータ１２４ａは、極片１５６ａおよび１５６ｄの対角線上に対向する係合面１５８ａおよび１５８ｄに関してそれぞれ磁気的に係合される。この例においては、図９に表現されるように、弁ロータ１２４ａを開位置に係合する役割を果たす磁束の磁界が、対角線上に対向する極片１５６ａおよび１５６ｄ間に流れる。その場合、磁束の磁界は、大部分が弁ロータ１２４ａ自体と、上部端末キャップ１６２ａと、下部端末キャップ１６４ａと、上部中央ステータ１６６ａと、下部中央ステータ１６８ａとによって画定される経路を通過する。
【００６０】
弁ロータ１２４ａがこの開位置に磁気的に係合される時は、対角線上に対向するコイルバネ１６０ａおよび１６０ｄは圧縮され、従って機械的エネルギーを蓄える。コイルバネ１６０ａおよび１６０ｄに蓄えられる機械的エネルギーは、弁ロータ１２４ａが係合から解放されると同時に対角線上に対向する電磁石１５０ｂおよび１５０ｃが付勢される時に、弁ロータ１２４ａを図１０の閉位置に向かって加速するかあるいはまた急速作動させるのに十分である。この揺動は、ロータおよびバネ系の固有周波数において生じる。しかし、圧縮状態のコイルバネ１６０ａおよび１６０ｄが生成するトルクは、弁ロータ１２４ａを図７の開位置に保持する磁気的な係合力に打ち勝つには十分でない。
【００６１】
ここで図１０〜図１２を参照すると、弁ロータ１２４ａが閉位置にある弁ユニット１２０ａが示されている。ロータ１２４ａがこの閉位置にある時は、ロータ１２４ａは、図５に示される中立位置から第２の方向（例えば反時計回りの方向）に回転されている。この結果、弁ロータ１２４ａの対向燃料供給ポート１４２ａは、図１１に示されるように、弁シャフト１２２の対向燃料流入ポート１２８ａと流体連通していないので、調節される燃料は、内部燃料チャンバ１１６から弁シャフト１２２の燃料通路１２６に流入することができない。この位置においては、対角線上に対向する電磁石１５０ｂおよび１５０ｃが付勢され、その結果、弁ロータ１２４ａは、極片１５６ｂおよび１５６ｃの対角線上に対向する係合面１５８ｂおよび１５８ｃに関してそれぞれ磁気的に係合される。この例においては、図１２に表現されるように、弁ロータ１２４ａを開位置に係合する役割を果たす磁束の磁界が、極片１５６ｂおよび１５６ｃ間に流れる。その場合、磁束の磁界は、弁ロータ１２４ａ自体と、上部端末キャップ１６２ａと、下部端末キャップ１６４ａと、上部ステータ１６６ａと、下部ステータ１６８ａとによって画定される経路を通過する。
【００６２】
弁ロータ１２４ａがこの閉位置に磁気的に係合される時は、対角線上に対向するコイルバネ１６０ｂおよび１６０ｃが圧縮され、従って機械的エネルギーを蓄える。コイルバネ１６０ｂおよび１６０ｃに蓄えられる機械的エネルギーは、弁ロータ１２４ａが係合から解放されると同時に電磁石１５０ａおよび１５０ｄが付勢される時に、弁ロータ１２４ａを開位置に向かって加速するかあるいはまた急速作動させるのに十分である。しかし、圧縮されたコイルバネ１６０ｂおよび１６０ｃが生成するトルクは、ロータ１２４ａを図１０のこの閉位置に保持する磁気的な係合力に打ち勝つには不十分である。
【００６３】
ここで図１３および図１４を参照すると、本発明の好ましい実施形態に従って組み立てられたコイルバネ作動弁ユニットのもう１つの実施形態が示されており、全体として参照番号１２０ｆが付せられている。弁ユニット１２０ｆは平均の燃料流れ位置に示されており、弁ロータ１２４ｆが、弁シャフト１２２に関して部分的な開状態に置かれている。弁ユニット１２０ｆは、すべての点で、弁アセンブリ１００の弁ユニット１２０ａ〜１２０ｄと実質的に同じであるが、弁ユニット１２０ｆが、例えば図５に示される弁ユニット１２０ａの上部および下部ステータ１６６ａ、１６８ａを含んでいないという点が異なっている。
【００６４】
この例においては、電磁石１５０ａ〜１５０ｄの２つの付勢状態に対する、例えば図９および図１２に示される磁束の経路が、少なくとも部分的に、弁ロータ１２４ｆと、端末キャップ（１６２ｆ’、１６２ｆ”）および（１６４ｆ’、１６４ｆ”）と、極片１５６ａ〜１５６ｄとによって形成される。さらに詳細には、第１磁束経路は、対角線上に対向する端末キャップ１６２ｆ’および１６４ｆ”と、対角線上に対向する極片１５６ａおよび１５６ｄと、弁ロータ１２４ｆとによって画定され、第２磁束経路は、対角線上に対向する端末キャップ１６２ｆ”および１６４ｆ’と、対角線上に対向する極片１５６ｂおよび１５６ｃと、弁ロータ１２４ｆとによって画定される。代替的な磁束経路の残りの部分は、図示されていないが、弁ケーシングの一部または磁束透過性の折れ曲がりストラップ部材のような他の手段によって形成することができる。この結果、弁ユニット１２０ｆの全質量が、弁１２０ａの質量に比べて減少する。ここには示していないが、弁アセンブリの弁ユニットが、４つの電磁石ではなく２つの電磁石のみを含むことができることも想定される。このような例においては、各付勢状態に対する磁束の経路は、１つの電磁石のみとそれに付随する極片とを含むであろう。弁ケーシングの、各極片と連通するそれぞれ構造的に絶縁された部分が各磁束経路をさらに画定し、弁ロータは磁束経路の一部を形成しないことになろう。この構成は、弁の質量をさらに低下させるであろう。
【００６５】
捩りバネを備えた係合揺動型弁アセンブリ
本発明の好ましい実施形態に従って組み立てられた、捩りバネ作動構成要素弁を有する係合揺動型弁アセンブリが図１５〜図２４に示されており、全体として参照番号２００が付せられている。弁アセンブリ２００は、２−弁（２−ビット）のアセンブリとして示されかつ説明される。従って、以下に説明するように、弁アセンブリ２００は、単一の燃料流れ圧力に対して、４つ（２2）の異なる燃料流れ状態を作り出す８つの異なる操作位置を有している。２−弁のアセンブリ２００を適合させかつ形状を合わせて、例えば図２５および図２６のように、１つ以上の追加の２−ビット弁アセンブリと一緒に結合し、以下に詳細に述べるように、単一の燃料流れ圧力に対して１６個以上の異なる燃料流れ状態を作り出すことができる。
【００６６】
図１５〜図１７を参照すると、弁アセンブリ２００は、互いに対して共面平行関係に配置される２つの係合揺動型弁ユニット２２０ａおよび２２０ｂを含む。弁ユニット２２０ａおよび２２０ｂは、前端プレートおよび後端プレート２１４ａ、２１４ｂを含む略長方形の弁ケーシング２１４の内部に収納される。弁ケーシング２１４は、弁ユニット２２０ａの折れ曲がりストラップ部材２１５ａ、２１５ｂのような、空間的に絶縁された折れ曲がりストラップ部材によって包み込まれる。この折れ曲がりストラップ部材は、以下に詳細に述べる各弁ユニット関連の磁束の経路の一部を形成する。
【００６７】
流入プレート２１０は、前端プレート２１４ａに接して、弁ケーシング２１４の流入側に取り付けられ、流出プレート２１２は、後端プレート２１４ｂに接して、弁ケーシング２１４の流出側に取り付けられる。流入プレート２１０は、燃料を、所定圧力および初期流量において燃料ポンプまたは計量ユニットから受け入れるための流入継ぎ手２１０ａを含み、流出プレート２１２は、燃料を、初期流量または調節された流量において、ガスタービンエンジンの燃焼器と連通する燃料噴射装置に供給するための流出継ぎ手２１２ａを含んでいる。
【００６８】
ここで図１７および図１８を参照すると、本開示の非限定的な例示的実施形態において、弁アセンブリ２００の各弁ユニット２２０ａ、２２０ｂが、上部電磁石２５０ａ、２５０ｂおよび下部電磁石２５０ｃ、２５０ｄを含む４つの電磁石を有している。上部電磁石２５０ａ、２５０ｂは、磁束非透過性の材料から形成される上部コイル支持プレート２５５ａ上に支持され、下部電磁石２５０ｃ、２５０ｄは、これも磁束非透過性の材料から形成される下部コイル支持プレート２５５ｂに同様に支持される。各電磁石は、それぞれの極片２５６ａ〜２５６ｄを囲繞するコイル巻線２５２ａ〜２５２ｄを含み、各極片２５６ａ〜２５６ｄは、関連する係合面２５８ａ〜２５８ｄを有する（図２２〜図２４参照）。
【００６９】
図１７に示されるように、各弁ユニット２２０ａ、２２０ｂの上部および下部の電磁石は、端子装着台２８０を経由して電流源に個別に接続される。各端子装着台は、導線（図示せず）を取り付けるための配線ポスト対２８２ａ、２８２ｂを有している。端子装着台２８０はネジ付き固定具２８５によってそれぞれの極片に固定される。
【００７０】
弁アセンブリ２００においては、弁アセンブリ１００の場合と同様に、対角線上に対向する電磁石が協同作用する磁極を構成し、それが交互に交替する磁束経路の一部を形成する。従って、対角線上に対向する電磁石２５０ａおよび２５０ｄが第１磁束経路の一部を画定し、対角線上に対向する電磁石２５０ｂおよび２５０ｃが第２磁束経路の一部を画定する。２セットの対角線上に対向する電磁石に関連する２つの磁束経路は、さらに空間的に絶縁された磁束透過性の折れ曲がりストラップ部材２１５ａ、２１５ｂをもそれぞれ含んでいる（図１５および図１６参照）。
【００７１】
各弁ユニットの電磁石２５０ａ〜２５０ｄは、例えば図１７に示されるように、各弁ロータ２２４ａ、２２４ｂの側方対向翼２３４ａ、２３４ｂの末広面と磁気的に相互作用するそれぞれの係合プレート２５８ａ〜２５８ｄと機能的に関連している。各弁ロータ２２４ａの対向翼２３４ａ、２３４ｂには、例えば図１８および図１９に示されるように、弁ロータ２２４の重量を低減するために細長い窪み２３５が形成される。
【００７２】
ここで図１７〜図２１を参照すると、弁ユニット２２０ａ、２２０ｂの弁ロータ２２４ａ、２２４ｂが、各弁シャフト２２２ａ、２２２ｂ上に揺動作動するように装着されている。一例として、弁シャフト２２２ａは、全貫通でないとしても少なくとも部分的な範囲にわたる中心穿孔または燃料通路２２６ａを有する。図１９のように、燃料管２２２ａの外周面には、縦方向に間隔を置いて配置される１対の環状の溝２３０ａ、２３０ｂが形成される。溝２３０ａ、２３０ｂは、円周上に間隔を置いて配置される半径方向の複数の通路２２５を介して弁シャフト２２２ａの中心穿孔２２６ａと流体連通している。環状溝２３０ａ、２３０ｂは、中心穿孔２２６ａから燃料を受け入れて、運転中の流体圧力の差異を均衡させる。
【００７３】
さらに、図１９に示されるように、燃料管２２２ａの外表面に、環状の燃料供給溝２３７が形成される。供給溝２３７は、弁ロータ２２４ａの本体２３２ａに形成される円周上配置の複数の燃料供給開口２３９と流体連通している。燃料供給開口２３９は、燃料を燃料供給溝２３７に送り出し、次いで燃料供給溝２３７は、燃料を、直径が縮小された環状の軸受け領域２４１に供給する。この燃料は、弁ロータ２２４ａの弁シャフト２２２ａに対する回転を支持する流体軸受けとして作用する。同様の流体軸受け構成が、弁シャフト２２２ａの直径縮小された環状の軸受け領域２４３に関しても確立される。燃料は、弁シャフトとロータとの間に存在する図示されていない寸法上の隙間を通して、弁シャフト２２２ａのこの領域に直接供給される。
【００７４】
弁シャフト２２２ａの中心燃料通路２２６ａは、図２０によく見られるように、環状溝２３０ａ、２３０ｂ間の弁シャフト２２２ａに形成される直径上対向の半径方向燃料流入ポート２２８ａ、２２８ｂとも連通している。燃料流入ポート２２８ａ、２２８ｂは、弁ロータ２２４ａの円筒状の本体部分２３２ａに対応して形成される直径上対向燃料供給ポート２４２ａ、２４２ｂと連通するような寸法および位置に形成される。これについては図２２〜図２４に関して以下にさらに詳しく述べる。
【００７５】
本発明の教示に従って、弁シャフト２２２ａの対向燃料流入ポート２２８ａ、２２８ｂと、弁ユニット２２０ａの弁ロータ２２４ａの対応する燃料供給ポート２４２ａ、２４２ｂとの開口寸法は、燃料管２２２ｂの対向燃料流入ポート２２８ａ、２２８ｂと、弁ユニット２２０ｂの弁ロータ２２４ｂの対応する燃料ポート２４２ａ、２４２ｂとの開口寸法から相違している。例えば、弁ユニット２２０ａにおいてロータおよびシャフトの対応する燃料ポートが提供する流れ面積が、弁ユニット２２０ｂにおいてロータおよびシャフトの対応する燃料ポートが提供する流れ面積の２倍になるように、燃料ポートの寸法が異なっている。
【００７６】
弁ロータ２２４ａは、機能的に円筒状の捩りバネ２９０ａに装着される。捩りバネ２９０ａは弁シャフト２２２ａの中心穿孔２２６ａを貫通して延びている。さらに詳細には、捩りバネ２９０ａの先端は、環状の継ぎ手２９２ａにロウ付けされるかあるいはまた固定される。継ぎ手２９２ａは、弁ロータ２２４ａの円筒状の本体部分２３２ａの中心穿孔２３３ａの内部に環状の締め付けリング２９３ａによって固定される。従って、弁ロータ２２４ａおよび捩りバネ２９０ａは、磁気的に係合される位置間において、互いと共に揺動することになる。運転においては、一体結合された捩りバネと弁ロータとの揺動は、系の固有共振周波数において生じる。
【００７７】
図１８によく見られるように、捩りバネ２９０ａの後端は調整可能なコレットアセンブリ２９５ａと機能的に繋がっている。このコレットアセンブリ２９５ａは、捩りバネ２９０ａの後端を弁シャフト２２２ａに締め付けるための六角形の調整可能な協同作用固定具２９４ａ、２９６ａを含む。この固定具は、弁シャフト２２２ａを弁ロータ２２４ａに関して固定された軸方向位置に保持するために、弁ケーシング２１４と協同機能するように設計することが好ましい。さらに、調整可能なコレットアセンブリ２９５ａの協同作用固定具２９４ａ、２９６ａは、捩りバネ２９０ａの弁ロータ２２４ａに対する適切な芯合わせを簡単に行えるように調整されかつ形態化される。これは、磁気的に係合される１つの位置からもう１つの位置への揺動の必要な加速を実現するに十分なバネの変位を得るためである。
【００７８】
図２１を参照すると、２つの弁アセンブリ２２０ａ、２２０ｂが弁ケーシング２１４の内部に並列関係において示されている。流入プレート２１０の流入ポート２１０ａは、第１および第２の分岐流入通路２１１ａ、２１１ｂに分岐しており、この分岐流入通路２１１ａ、２１１ｂが、燃料を、初期燃料流量においてそれぞれ弁ユニット２２０ａ、２２０ｂに供給する。流入通路２１１ａは、前部磁束透過構造２０２ａの開口２０５ａを通して、弁ユニット２２０ａの第１次燃料チャンバ２１６ａと連通している。前部磁束透過構造２０２ａは軸方向の端末極を形成する。
【００７９】
図２２〜図２４によく見られるように、弁ユニット２２０ａの第１次燃料チャンバ２１６ａは、磁束透過性の軸方向端末極２０４ａの背後に配置される１組の４つの開口２８５ａ〜２８５ｄを通して、流出プレート２１２に形成される流出チャンバ２０６ａと連通している。この１組の開口は、燃料チャンバ２１６ａから流出チャンバ２０６ａに、バイパス燃料流れあるいは第１次燃料流れを供給する。弁アセンブリ２２０ａの流出チャンバ２０６ａは、燃料通路２７０ａを介して、流出プレート２１２の流出ポート２１２ａと直接連通している。
【００８０】
同様に、流入通路２１１ｂは、前部磁束透過構造２０２ｂに形成される開口２０５ｂを通して、弁アセンブリ２２０ｂに画定される第１次燃料チャンバ２１６ｂと連通している。弁アセンブリ２２０ｂの第１次燃料チャンバ２１６ｂは、磁束透過構造２０４ｂの軸方向端末極の背後の流出プレート２１２に形成される開口（例えば図２２に示される）によって、流出プレート２１２に形成される流出チャンバ２０６ｂと連通している。弁アセンブリ２２０ｂの流出チャンバ２０６ｂは、燃料通路２７０ｂを介して、流出プレート２１２の流出ポート２１２ａと直接連通している。
【００８１】
弁アセンブリ２２０ａの弁ロータ２２４ａは、前部および後部の磁束透過構造２０２ａ、２０４ａの間の第１次燃料チャンバ２１６ａの内部に配置される。運転においては、弁ロータ２２４ａが磁気的に係合される完全開位置にある時は、第１次燃料チャンバ２１６ａからの調節燃料は、同心に合わされた弁シャフト２２２ａおよび弁ロータ２２４ａのそれぞれの燃料ポート２２８ａ、２４２ａを通って、弁シャフト２２２ａの中心燃料通路２２６ａに流入することができる。弁シャフト２２２ａの中心燃料通路２２６ａは、調節される燃料を中心燃料供給チャンネル２７５によって流出ポート２１２ａに供給するために、流出プレート２１２に形成される横方向の第２次燃料チャンネル２７５ａと連通している。
【００８２】
弁ユニット２２０ｂの弁ロータ２２４ｂも、同様に、磁束透過性軸方向端末極２０２ｂおよび２０４ｂの間に配置される第１次燃料チャンバ２１６ｂの内部に置かれる。運転においては、弁ロータ２２４ｂが磁気的に係合される完全開位置にある時は、第１次燃料チャンバ２１６ｂからの調節燃料は、同心に合わされた弁シャフト２２２ｂおよび弁ロータ２２４ｂの燃料ポートを通って、弁シャフト２２２ｂの中心燃料通路２２６ｂに流入することができる。燃料管２２２ｂの中心燃料通路２２６ｂは、調節される燃料を中心燃料供給チャンネル２７５によって流出ポート２１２ａに供給するために、流出プレート２１２に形成される横方向の第２次燃料チャンネル２７５ｂと連通している。すなわち、燃料供給チャンネル２７５が、弁ユニット２２０ａおよび２２０ｂのそれぞれの第２次燃料チャンネル２７５ａおよび２７５ｂの合流管として機能する。
【００８３】
図２２を参照すると、弁ユニット２２０ａの弁ロータ２２４ａが、係合から解放された中立位置に描かれている。この位置は、４つの電磁石２５０ａ〜２５０ｄのすべてが付勢されない時に生じる。この状態は平均の燃料流れ状態に相当し、弁ロータ２２４ａは部分的な開位置に置かれている。この位置においては、弁ロータ２２４ａの対向燃料供給ポート２４２ａ、２４２ｂは、弁シャフト２２２ａの対向燃料流入ポート２２８ａ、２２８ｂと部分的に重なり合っているので、調節される燃料は、捩りバネ２９０ａと燃料通路２２６ａの内壁との間に画定される環状の燃料通路の中に流入する。
【００８４】
弁ロータ２２４ａが図２３の完全閉位置にある時は、弁ロータ２２４ａは図２２の中立位置から第１方向または反時計回りの方向に回転されている。従って、弁ロータ２２４ａの対向燃料供給ポート２４２ａ、２４２ｂは、弁シャフト２２２ａの対向燃料流入ポート２２８ａ、２２８ｂと全く重なり合わない位置に動かされている。この位置においては、電磁石２５０ｂおよび２５０ｃが付勢され、その結果、弁ロータ２２４ａが、極片２５６ｂおよび２５６ｃの対角線上に対向する係合面２５８ｂおよび２５８ｃに対して磁気的に係合されている。
【００８５】
弁ロータ２２４ａが図２３のこの閉位置に磁気的に係合される時は、捩りバネ２９０ａは反時計回りの方向に捩られ、従って機械的エネルギーをトルクの形で蓄える。捩りバネ２９０ａに蓄えられた機械的エネルギーは、弁ロータ２２４ａが係合面２５８ｂおよび２５８ｃから解放されると同時に電磁石２５０ａおよび２５０ｄが付勢される時に、弁ロータ２２４ａを図２４の開位置に向かって加速するかあるいはまた急速作動させるのに十分である。この例においては、しかし、捩られた捩りバネ２９０ａが生成するトルクは、弁ロータ２２４ａを図２３の閉位置に保持する磁気的な係合力に打ち勝つには不十分である。
【００８６】
弁ロータ２２４ａが図２４の完全開位置にある時は、弁ロータ２２４ａは図２２の中立位置から第２方向または時計回りの方向に回転されている。従って、弁ロータ２２４ａの対向燃料供給ポート２４２ａ、２４２ｂは、弁シャフト２２２ａの対向燃料流入ポート２２８ａ、２２８ｂと完全に同心になっている。この位置においては、電磁石２５０ａおよび２５０ｄが付勢され、その結果、弁ロータ２２４ａが、極片２５６ａおよび２５６ｄの対角線上に対向する係合面２５８ａおよび２５８ｄに対して磁気的に係合されている。
【００８７】
弁ロータ２２４ａが図２４のこの開位置に磁気的に係合される時は、捩りバネ２９０ａは時計回りの方向に捩られ、従って機械的エネルギーをトルクの形で蓄える。捩りバネ２９０ａに蓄えられたこの機械的エネルギーは、弁ロータ２２４ａが係合面２５８ａおよび２５８ｄから解放されると同時に電磁石２５０ｂおよび２５０ｃが付勢される時に、弁ロータ２２４ａを図２３の閉位置に向かって急速作動させるのに十分である。この例においては、しかし、捩られた捩りバネ２９０ａが生成するトルクは、弁ロータ２２４ａを図２４の開位置に保持する磁気的な係合力に打ち勝つには不十分である。
【００８８】
ここで図２５および図２６を参照すると、捩りばね作動弁を有する４−ビットの係合揺動型弁アセンブリが示されており、その全体に参照番号４００が付せられている。この弁アセンブリは、協同作用する２つの２−ビット弁アセンブリ２００ａおよび２００ｂから構成される。この配置においては、流入継ぎ手２１０ａは弁アセンブリ２００ａの流入側と機能的に繋がっており、流出継ぎ手２１２ａは弁アセンブリ２００ｂの流出側と機能的に繋がっている。２つの弁アセンブリの間に、第１次燃料流路および調節される燃料の流路に関して両者間の流体連通を容易にするための中間ブリッジプレート４１５が配置される。ブリッジプレート４１５には、弁アセンブリ２００ａの流出側および弁アセンブリ２００ｂの流入側と連通するように、適切にポートおよび流路が形成される。当業者は、燃料流れ状態に対するより高い分解度とより高度の制御を提供するために、任意の個数の２−ビット弁アセンブリを図２５および図２６に示される方法で連結し得ることを容易に認めるであろう。
【００８９】
カンチレバーバネを備えた係合揺動型弁アセンブリ
図２７を参照すると、本発明の弁アセンブリと連携して用いるためのもう１つの係合揺動型弁ユニットが示されており、その全体に参照番号３２０が付せられている。弁ユニット３２０は、上部電磁石３５０ａ、３５０ｂおよび下部電磁石３５０ｃ、３５０ｄを含む４つの電磁石を備えている。上部電磁石３５０ａ、３５０ｂは、それぞれ上部係合プレート３５８ａ、３５８ｂに機能的に連結され、下部電磁石３５０ｃ、３５０ｄは、それぞれ下部係合プレート３５８ｃ、３５８ｄに機能的に連結される。
【００９０】
弁ユニット３２０は、円筒状の本体部分３２３を有する弁ロータ３２４を含み、この円筒状本体部分３２３は、細長い弁シャフト３２２を回転支持関係において受け入れるような寸法および形状に構成される（例えば図２８参照）。側方に対向する翼部分３３４ａおよび３３４ｂが、電磁石３５０ａ〜３５０ｄと関連する上下の係合面３５８ａ〜３５８ｄと相互作用するように本体部分３２３から延びている。弁ユニット３２０はさらに対向する上下のカンチレバーバネ３６２および３６４を含んでおり、このカンチレバーバネ３６２および３６４が、運転中に弁シャフト３２２内部の燃料流れを調節するために弁ロータ３２４を磁気的に係合される開位置および閉位置間に急速揺動させるかあるいはまた加速させる機械的エネルギーを蓄える。
【００９１】
図２７をさらに続けて参照すると、上部カンチレバーバネ３６２は、上部取り付けロッド３７５ａに支持される２つの内側に傾けられたレバー３６２ａおよび３６２ｂを有している。この上部レバー３６２ａおよび３６２ｂはそれぞれ湾曲する末端部分３６３ａおよび３６３ｂを含んでおり、この末端部分３６３ａおよび３６３ｂは、図２８によく見られるように、弁ロータ３２４の中央本体部分３２３から上方に延びる上部係合歯３８５ａのインボリュート面と接し合う。同様に、下部カンチレバーバネ３６４は、下部取り付けロッド３７５ｂに支持される２つの内側に傾けられたレバー３６４ａおよび３６４ｂを有している。レバー３６４ａおよび３６４ｂはそれぞれ湾曲する末端部分３６５ａおよび３６５ｂを含んでおり、この末端部分３６５ａおよび３６５ｂは、図２８によく見られるように、弁ロータ３２４の中央本体部分３２３から下方に延びる下部係合歯３８５ｂのインボリュート面と接し合う。
【００９２】
上部および下部カンチレバーバネ３６２および３６４のバネレバー（３６２ａ、３６２ｂおよび３６４ａ、３６４ｂ）の対向する湾曲末端部分（３６３ａ、３６３ｂおよび３６５ａ、３６５ｂ）と、図２８に示される上部および下部の係合歯３８５ａおよび３８５ｂのインボリュート面との間の機械的な相互作用は、互いに噛み合う２つの平歯車間の相互作用に類似している。これは、バネレバーとロータの係合歯との間の転がり接触を最大化し、その間の滑り摩擦を最小化する役割を果たす。
【００９３】
図２８においては、弁ロータ３２４が、係合から解放された中立位置に描かれている。この位置は、４つの電磁石３５０ａ〜３５０ｄがいずれも付勢されない時に生じる。この位置は平均の燃料流れ状態に相当し、弁ロータ３２４の対向燃料供給ポート３４２ａ、３４２ｂは、弁シャフト３２２の対向燃料流入ポート３２８ａ、３２８ｂと部分的に重なり合っている。
【００９４】
図２９を参照すると、弁ロータ３２４が閉位置にある時、弁ロータ３２４は図２８の中立位置から第１方向または反時計回りの方向に回転されている。従って、弁ロータ３２４の対向燃料供給ポート３４２ａ、３４２ｂは、弁シャフト３２２の対向燃料流入ポート３２８ａ、３２８ｂと全く重なり合わない位置に動かされている。この位置においては、対角線上に対向する電磁石３５０ｂおよび３５０ｃが付勢され、その結果、弁ロータ３２４が、対角線上に対向する係合面３５８ｂおよび３５８ｃに対して磁気的に係合されている。
【００９５】
弁ロータ３２４が図２９の閉位置に磁気的に係合される時は、上部カンチレバーバネ３６２のバネレバー３６２ａと下部カンチレバーバネ３６４のバネレバー３６４ｂとが撓められ、従って機械的エネルギーを蓄える。２つのバネレバー３６２ａ、３６４ｂに蓄えられる機械的エネルギーは、弁ロータ３２４が係合から解放されると同時に対角線上に対向する電磁石３５０ａおよび３５０ｄが付勢される時に、弁ロータ３２４を図３０の開位置に向かって作動させるのに十分である。しかし、撓められたバネレバー３６２ａ、３６４ｂが生成する力は、弁ロータ３２４を図２９の閉位置に保持する磁気的な係合力に打ち勝つには不十分である。
【００９６】
図３０を参照すると、弁ロータ３２４が開位置にある時、弁ロータ３２４は図２８の中立位置から第２方向または時計回りの方向に回転されている。従って、弁ロータ３２４の対向燃料供給ポート３４２ａ、３４２ｂは、弁シャフト３２２の対向燃料流入ポート３２８ａ、３２８ｂと完全に同心になっている。この位置においては、対角線上に対向する電磁石３５０ａおよび３５０ｄが付勢され、その結果、弁ロータ３２４が、対角線上に対向する係合面３５８ａおよび３５８ｄに対して磁気的に係合されている。
【００９７】
弁ロータ３２４が図３０の開位置に磁気的に係合される時は、上部カンチレバーバネ３６２のバネレバー３６２ｂと下部カンチレバーバネ３６４のバネレバー３６４ａとが撓められ、従って機械的エネルギーを蓄える。２つの撓められたバネレバー３６２ｂ、３６４ａに蓄えられる機械的エネルギーは、弁ロータ３２４が係合から解放されると同時に対角線上に対向する電磁石３５０ｂおよび３５０ｃが付勢される時に、弁ロータ３２４を図２９の閉位置に向かって作動させるのに十分である。しかし、撓められたバネレバー３６２ｂ、３６４ａが生成する力は、ロータ３２４を図３０の開位置に保持する磁気的な係合力に打ち勝つには十分でない。
【００９８】
本発明およびその各構成要素を好ましい実施形態に関して説明してきたが、当業者は、この好ましい実施形態に対して、添付の特許請求の範囲に規定される本発明の本質および範囲から離れることなく変更および修正を加え得ることを容易に認めるであろう。例えば、開示された本発明の各実施形態においては、調節される燃料が、１つ以上の係合揺動型弁ロータを経由して、弁シャフト内部に形成される燃料通路に流入する。しかし、開示された本発明の各実施形態を、調節される燃料が、弁シャフトの燃料通路から弁シャフトの外側の燃料流路に１つ以上の係合揺動型弁ロータを経由して流入するように構成し得ることが考えられ、これもまさに本発明の範囲内である。このような例においては、第１次燃料流路が弁シャフト内の通路によって画定され、一方、調節される流れの流路が弁シャフトの穿孔の外側に画定されるであろう。流れの他の配置もまた可能である。
【００９９】
例えば、本発明の弁アセンブリは、弁ハウジングを通過するいかなるバイパス流れ流路もなしに作動するように構成し得ることが考えられ、これもまさに本発明の範囲内である。この場合は、結果的に、弁シャフトを通して供給される調節燃料流れが、弁アセンブリからの唯一の流出流れになる。このような例においては、弁アセンブリに対する平均の燃料流量は、弁ロータの中立位置に対応するものとし得るであろう。さらに、本発明の弁アセンブリがこの方式で構成される場合、この弁アセンブリを単独で使用すること、あるいは、燃料を未調節状態で噴射器に供給する別の燃料流路と組み合わせて使用することが可能であると考えられる。この場合は、噴射器には、直列または並列のいずれかに配置される２つの別個の燃料流れから燃料供給されることになる。
【図面の簡単な説明】
【０１００】
【図１】本発明の好ましい実施形態に従って構成された揺動係合型弁アセンブリの第１のタイプの斜視図であり、４セットの電磁コイルが４−ロータ形態において示される。
【図２】図１の弁アセンブリの調節される燃料の導管を画定する弁シャフトと、この弁シャフト上に回転可能に支持される４つの弁ロータとの斜視図である。
【図３】図１の弁アセンブリの弁ロータの斜視図である。
【図４】図１の弁アセンブリの一部分の断面斜視図であり、ロータアセンブリの４つの弁ロータが、調節された所要の燃料流れ状態を実現するような位置に配置されている。この場合、第１および第３弁ロータが第１方向もしくは反時計回りの方向に回転されて閉位置にあり、第２および第４ロータが第２方向もしくは時計回りの方向に回転されて開位置にある。
【図５】図１の線５−５に沿う断面図であり、中立の非係合位置における４−ロータアセンブリの第１弁ロータを示す。この中立の非係合位置は、弁アセンブリ内部における平均の燃料流れ状態に対応する。
【図６】図５に示す位置の弁ロータを局所的に拡大した図であり、弁ロータが中立位置にある時の、弁ロータにおける対向燃料輸送ポートと、弁シャフトにおける対向燃料流入ポートとの相対的な位置を示す。
【図７】図１の線５−５に沿う４−ロータアセンブリの弁の断面図であり、完全開位置に磁気的に係合された第１弁ロータを示す。この場合、対角線上に対向する第１および第４のコイルバネが、図１０の閉位置に向かって弁ロータを加速する機械的エネルギーを蓄えるように圧縮されている。
【図８】図７における弁ロータを局所的に拡大した図であり、弁ロータが開位置にある時の、弁ロータにおける対向燃料輸送ポートと、弁シャフトにおける対向燃料流入ポートとの相対的な位置を示す。
【図９】弁ロータと弁ハウジングの上下の共通の半径方向ステータ極とを通って流れる磁力線で、弁ロータを図７および図８の開位置に磁気的に係合させる磁力線を概略的に示す。
【図１０】図１の線５−５に沿う４−ロータアセンブリの弁の断面図であり、完全閉位置に磁気的に係合された第１弁ロータを示す。この場合、対角線上に対向する第２および第３のコイルバネが、図７の開位置に向かって弁ロータを加速する機械的エネルギーを蓄えるように圧縮されている。
【図１１】図１０における弁ロータを局所的に拡大した図であり、弁ロータが閉位置にある時の、弁ロータにおける対向燃料輸送ポートと、弁シャフトにおける対向燃料流入ポートとの相対的な位置を示す。
【図１２】弁ロータと弁ハウジングの上下の共通の半径方向ステータ極とを通って流れる磁力線で、弁ロータを図１０および図１１の閉位置に磁気的に係合させる磁力線を概略的に示す。
【図１３】図５の弁アセンブリの代替的実施形態の断面図である。弁アセンブリの全重量を低減するために、弁ステータハウジングが共通の半径方向ステータ極を有していない。
【図１４】図１３に示す、平均の燃料流量状態に対応する中立位置における弁ロータを局所的に拡大した図である。
【図１５】本発明の好ましい実施形態に従って組み立てられた弁アセンブリの第２のタイプの斜視図である。
【図１６】図１５に示す弁アセンブリの側壁を取り除いた斜視図であり、弁ケーシング内部に配置されるいくつかの水平面に対向する電磁石を示す。
【図１７】図１５の弁アセンブリの流出プレートを取り除いた斜視図であり、弁ケーシング内部に配置される２−ロータアセンブリの弁ロータを示す。
【図１８】図１５の弁アセンブリの内部における弁ロータおよび関連する弁シャフトを断面で示した斜視図であり、弁シャフト内部に設けられる捩りバネおよび燃料通路を示す。
【図１９】図１８に示す弁ロータおよび弁シャフトの分解斜視図であり、捩りバネが弁シャフトの中心穿孔内部に配備されている。
【図２０】図１９の弁ロータおよび弁シャフトを部分的に断面にした組み立て斜視図であり、２つの協同作用する構造間の関係を示す。
【図２１】図１５の線２１−２１に沿う断面図であり、２つのロータアセンブリを収納する弁ケーシング内部に構成される第１次燃料通路および調節される燃料の通路を示す。燃料は所定圧力および初期流量において流入プレートに流入し、その所定圧力と、弁ロータの位置に応じて同じ流量かあるいは調節された流量において流出プレートから流出する。
【図２２】図２１の線２２−２２に沿う断面図であり、弁ロータが中立位置にある時の、弁ロータにおける対向燃料輸送ポートと、弁シャフトにおける対向燃料流入ポートとの相対的な位置を示す。
【図２３】図２１の線２２−２２に沿う断面図であり、弁ロータが完全な閉位置に磁気的に係合された時の、弁ロータにおける対向燃料輸送ポートと、弁シャフトにおける対向燃料流入ポートとの相対的な位置を示す。
【図２４】図２１の線２２−２２に沿う断面図であり、弁ロータが完全な開位置に磁気的に係合された時の、弁ロータにおける対向燃料輸送ポートと、弁シャフトにおける対向燃料流入ポートとの相対的な位置を示す。
【図２５】図１５の２−弁アセンブリを２つ直列に連結して組み立てられた４−弁アセンブリの斜視図である。
【図２６】図２５に示す４−弁アセンブリの斜視図であり、直列に連結された弁ケーシングの内部と、対角線上に対向する電磁石間に延びる磁束経路の一部を形成する折れ曲がりストラップ部材の構造とを示すために、側壁を部分的に除去して断面化している。
【図２７】本発明の好ましい実施形態に従って組み立てられた弁ロータアセンブリのもう１つのタイプの斜視図である。このアセンブリは、磁気的に係合される開位置と閉位置との間に弁ロータを加速させるに必要な機械的エネルギーを蓄えるための対向する上下のカンチレバーバネを含んでいる。
【図２８】図２７のロータアセンブリの断面図である。弁ロータは、カンチレバーバネのレバーが中立の傾きを有する中立位置にある。
【図２９】図２７のロータアセンブリの断面図である。弁ロータは完全閉位置に磁気的に係合されており、対向するカンチレバーバネのレバーが、図３０の開位置に向かうように傾けられている。
【図３０】図２７のロータアセンブリの断面図である。弁ロータは完全開位置に磁気的に係合されており、対向するカンチレバーバネのレバーが、図２９の閉位置に向かうように傾けられている。
【符号の説明】
【０１０１】
１００、２００、４００  弁アセンブリ
１０５  ロータアセンブリ
１１０  流入端部分
１１２  流出端部分
１１２ａ  燃料チャンバ
１１４、２１４  弁ケーシング
１１６  内部燃料チャンバ
１２０ａ−ｄ、２２０ａ，ｂ、３２０  弁ユニット
１２０ｆ  弁ユニット
１２２、２２２ａ，ｂ、３２２  弁シャフト
１２４ａ−ｄ、２２４ａ，ｂ、３２４  弁ロータ
１２４ｆ  弁ロータ
１２５  流入プレート
１２５ａ  燃料流入ポート
１２５ｂ  燃料流出ポート
１２６、２２６ａ，ｂ  燃料通路
１２８ａ−ｄ、２２８ａ，ｂ、３２８ａ，ｂ  燃料流入ポート
１３０ａ−ｄ、２３０ａ，ｂ  環状溝
１３２、２３２ａ  円筒状本体部分
１３２ａ，ｂ  弁ロータ端部
１３３、２３３ａ  穿孔
１３４ａ，ｂ、２３４ａ，ｂ、３３４ａ，ｂ  翼部分
１３５、２３５  窪み
１３６  座ぐり座
１４０ａ−ｄ  燃料供給スロット
１４１ａ，ｂ  対向端部部分
１４２ａ−ｄ、２４２ａ，ｂ、３４２ａ，ｂ  燃料供給ポート
１５０ａ−ｄ、２５０ａ−ｄ、３５０ａ−ｄ  電磁石
１５２ａ−ｄ、２５２ａ−ｄ  コイル巻線
１５４ａ−ｄ  ボビン
１５６ａ−ｄ、２５６ａ−ｄ  磁極片
１５８ａ−ｄ  磁気係合面
１６０ａ−ｄ  コイルバネ
１６２ａ  上部端末キャップ
１６２ｆ’  端末キャップ
１６２ｆ”  端末キャップ
１６４ａ  下部端末キャップ
１６４ｆ’  端末キャップ
１６４ｆ”  端末キャップ
１６５ａ−ｄ  ネジ付き固定具
１６６ａ  上部中央ステータ
１６８ａ  下部中央ステータ
２００ａ，ｂ  弁アセンブリ
２０２ａ，ｂ  前部磁束透過構造
２０４ａ，ｂ  後部磁束透過構造
２０５ａ，ｂ  開口
２０６ａ，ｂ  流出チャンバ
２１０  流入プレート
２１０ａ  流入継ぎ手、流入ポート
２１１ａ，ｂ  分岐流入通路
２１２  流出プレート
２１２ａ  流出継ぎ手、流入ポート
２１４ａ  前端プレート
２１４ｂ  後端プレート
２１５ａ，ｂ  折曲りストラップ部材
２１６ａ，ｂ  第１次燃料チャンバ
２２５  燃料通路
２３７  環状の燃料供給溝
２３９  燃料供給開口
２４１  軸受け領域
２４３  軸受け領域
２５５ａ，ｂ  コイル支持プレート
２５８ａ−ｄ、３５８ａ−ｄ  磁気係合プレート
３２３  円筒状本体部分
３６２  上部カンチレバーバネ
３６２ａ，ｂ  レバー
３６３ａ，ｂ  末端部分
３６４  下部カンチレバーバネ
３６４ａ，ｂ  レバー
３６５ａ，ｂ  末端部分
４１５  中間ブリッジプレート
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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