(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャンバを囲むように設けられ、流入口と、流出口と、移動が可能な弁体により閉鎖される弁座とを有するハウジングを備えた急動弁において、
前記ハウジングを支持し、作動信号に応じて、前記弁座から前記弁体が離れるように前記ハウジングを変位させるアクチュエータと、
前記ハウジングに設けられ、前記ハウジングが変位されることによって、前記弁座から離れた弁体に衝撃を加えるプランジャと
を備えたことを特徴とする急動弁。
【請求項２】
チャンバを囲むように設けられ、流入口及び流出口を有し、かつ移動が可能な弁体により閉鎖される弁座を備えるハウジング、並びに、前記ハウジングを支持し、作動信号に応じて、前記弁座から前記弁体が離れるように前記ハウジングを変位させるアクチュエータを具備する急動弁において、
前記アクチュエータは前記ハウジングを前記弁座の着座面に対して平行な方向へ加速するようにしてあり、
前記ハウジングに設けられ、前記弁座の着座面に対して平行に案内され、前記弁体に向けられており、前記ハウジングが変位されることによって、前記弁座から離れた弁体に衝撃を加えるプランジャを備えたことを特徴とする急動弁。
【請求項３】
前記アクチュエータが圧電体である請求項１又は２に記載の急動弁。
【請求項４】
前記アクチュエータが、それぞれの間に電極層が配された複数の圧電層を含む請求項３に記載の急動弁。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流入口と、流出口と、移動が可能な弁体によって閉鎖される弁座とを有するチャンバを備えた急動弁に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ある種の用途においては、液体を急激に流せるとともに、高頻度の交換が可能な急動弁が必要である。このような弁の使用例としては、マイクロシステム技術の分野のみならず、体積を厳密に限定した気体試料を分光分析にかける試料分光計、衛星制御ノズルへの電圧印加等がある。このような用途では、かなり短い交換時間と高い反復頻度の弁が要求される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
米国特許5,037,062 により、弁座に球が配置された急動玉弁が周知である。弁座を横切る方向に作動する作動装置を使い、球に側面から衝撃を加えることによって球を取り除くことができる。球のこの変位により起きた流れが球を弁座の上に戻す。このタイプの弁は衝撃を加える装置の正確な心合わせを必要とし、また同じ衝撃を加える動作の再現が難しい。
【０００４】
先行公報PCT/EP98/05091（後に公告）は、作動信号に応じて、弁体が追随できないほど速く弁座を弁体から離すアクチュエータによって弁座が支持されている急動弁を開示している。この設計では、弁座からの弁体の距離は、弁座が移動する量によって決まる。従って、これらの弁の開放時間は比較的短い時間でしかない。
【０００５】
本発明は、短時間で交換できる一方、弁体を弁座からかなりの距離離れさせ、その結果、弁の開口が完全に開放され、より長時間開放されている、気体及び液体のための急動弁の提供を目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
第１発明の急動弁は、チャンバを囲むように設けられ、流入口と、流出口と、移動が可能な弁体により閉鎖される弁座とを有するハウジングを備えた急動弁において、前記ハウジングを支持し、作動信号に応じて、前記弁座から前記弁体が離れるように前記ハウジングを変位させるアクチュエータと、前記ハウジングに設けられ、前記ハウジングが変位されることによって、前記弁座から離れた弁体に衝撃を加えるプランジャとを備えたことを特徴とする。
即ち、本発明の急動弁は、弁体を収納し、弁座を支持するハウジングを備えており、その内部に前記チャンバを有する。
第２発明の急動弁は、チャンバを囲むように設けられ、流入口及び流出口を有し、かつ移動が可能な弁体により閉鎖される弁座を備えるハウジング、並びに、前記ハウジングを支持し、作動信号に応じて、前記弁座から前記弁体が離れるように前記ハウジングを変位させるアクチュエータを具備する急動弁において、前記アクチュエータは前記ハウジングを前記弁座の着座面に対して平行な方向へ加速するようにしてあり、前記ハウジングに設けられ、前記弁座の着座面に対して平行に案内され、前記弁体に向けられており、前記ハウジングが変位されることによって、前記弁座から離れた弁体に衝撃を加えるプランジャを備えたことを特徴とする。
【０００７】
第３発明の急動弁は、第１又は第２発明のアクチュエータが圧電体であることを特徴とする。
【０００８】
第４発明の急動弁は、第３発明のアクチュエータが、それぞれの間に電極層が配された複数の圧電層を含むことを特徴とする。
【０００９】
周知の弁と比べた場合、本発明の弁は、アクチュエータがプランジャと一緒に弁座を動かすことにより開放される。プランジャと弁座との間には関連した動作は起きない。球が、最初は自身の慣性だけで弁座から移動し、そしてプランジャにぶつかり、この一撃によって弁座から向こうへ押しやられるほど、弁座の動きが速い。アクチュエータの動きは、最初は弁座から球を離す役目をする。ここで、プランジャは、弁座から離れたばかりの球に、反対方向へ弁座から押しやるほどの強い一撃を加える。従って、球が弁座から完全に移動し、弁の開口は、開くだけではなく、単なる変位で開くであろうよりも大きく開放される。
【００１０】
本発明の急動弁は、100 μs 以下のオーダーの短い交換時間が得られるように設計することができる。実際には、400 〜1000Hzの反復頻度が達成された。もちろん、応答速度と反復頻度とは弁の構造寸法によって決まり、特に弁体の質量によっても決まる。質量を小さくするためには、弁体の密度が低くなくてはならない。例えば、弁体が空洞であってもよい。
【００１１】
本発明の弁は、特に気体の交換を意図している。しかし、液体の交換にも用いることができる。この弁は、例えば内燃機関の燃料噴射に適している。
【００１２】
弁座を支持しているアクチュエータは、作動信号に応じて収縮する圧電収縮体として設計されることが好ましい。代わりに、アクチュエータは、例えば電気機械的に作動するものであってもよい。弁座の加速度が、少しの時間、媒体の圧力により弁体に加わる加速度より高くなることが必要である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
弁は、周囲から密閉されているチャンバ11を囲むハウジング10を備えている。チャンバ11は、共通の軸線上に配列された流入口12と流出口13とを有する。流入口12は交換すべき媒体の圧力源（不図示）に連結しており、一方、流出口13は負荷もしくはユーザに連結している。
【００１４】
ハウジング10を支持しているアクチュエータ15は、固定された搭載手段14の上に配置されている。さらに、搭載手段14は、流入口12に連結されている可撓性パイプ又はホース管16を固定する役目もしている。
【００１５】
アクチュエータ15は、それぞれの間に薄い金属のシートが配された複数の圧電層を含む圧電収縮体である。従って、圧電素材により、複数のコンデンサが誘電体として形成されている。シートに電圧が印加されると、シートの間の圧電層が膨張する。この電圧が下げられるか、遮断されると、層は再び収縮する。
【００１６】
弁は流出口13の部分に弁座17を有し、弁座は、弁体19、本発明の場合は球、によって密封されることが可能である。ハウジング10には、固定されたピン形のプランジャ20が設けられており、弁体19である球が閉鎖位置にあるとき、プランジャ20は球の径方向に沿って中心に向く。プランジャ20はアクチュエータ15の軸方向に向けられており、言い換えれば、アクチュエータ15が衝撃を加える方向と同じ方向を向いている。閉鎖位置にある弁体19とプランジャ20との間には、数μm オーダーのすきま又はギャップ21が設けられている。弁体19及びプランジャ20は金属製であることが好ましい。
【００１７】
図示した弁は以下のように動く。閉鎖位置において、管16から与えられた圧力がチャンバ11に達し、これにより、弁体19が弁座17に押し付けられる。従って、流出口13が閉鎖される。弁体19はプランジャ20のわずか上に位置している。弁を短時間開放するために、アクチュエータ15に電気パルス信号が与えられ、それによってアクチュエータ15は長手方向に急激に膨張する。それによって、ハウジング10は弁座17を横切る方向へ加速される。弁体19は、自身の慣性のために弁座17の動きに追随できず、その結果、弁座17をわずかに開放する。その後、プランジャ20が弁体19にぶつかる。この弾性衝撃のために、弁体19はプランジャ20と反対の方向へ弁座17から押しやられる。プランジャ20は弁座17の平面と平行方向に向けられており、プランジャ20の衝撃面又は端面は弁座17の平面と垂直な方向に展延している。プランジャ20の助力で弁座から弁体19を押しのけることによって弁が開き、いまや液体は弁体19を超え、流出口13を通って流れることができる。この流れの作用によって、弁体19は再び弁座17の方へ動かされ、ついには弁座を再び閉じる。励起電圧が遮断されると、アクチュエータ15は収縮状態に戻る。
【００１８】
弁は、図中における水平方向だけの動きが可能なだけではなく、他のいかなる方向にも動く。これは、もしも、流入と流出との間に十分な差圧があるとすれば、弁座17の方向に弁体19を押し戻す流力が重力よりはるかに大きいという事実が理由である。
【００１９】
【発明の効果】
本発明の急動弁は、短時間で交換できる一方、弁体を弁座からかなりの距離離れさせ、その結果、弁の開口が完全に開放され、より長時間開放されているという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の急動弁の長手方向断面の模式図である。
【符号の説明】
10  ハウジング
11  チャンバ
12  流入口
13  流出口
14  搭載手段
15  アクチュエータ
16  ホース管
17  弁座
19  弁体
20  プランジャ
21  ギャップ
【図１】
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