JPS6118046B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 開示の概要 負荷接続部を流過する流体の流量が、広汎なダ
イナミツク・レンジにわたつて入力信号に極めて
厳密に追従するフイードバツクを用いた二段型流
量制御弁装置が開示されている。この装置は、二
つのポペツト弁を帰還路に於ける流量センサとし
て用いている。これらのセンサを流過する流体の
流量は、それらセンサに与えられる圧力に正比例
せず、設定された流量からの変位によつて生ずる
圧力降下は、高流量の範囲に於ける圧力降下より
も低流量範囲に於て圧力降下が大きい。通常は低
流量範囲での流量調整がより困難であつたが、本
発明では低流量範囲での厳密な流量調整が可能と
なる効果がある。

発明の分野 本発明は、負荷に対する流体の流量が、入力信
号によつて決定され、システム圧及び背圧の何れ
の変化にも実質的に影響されない流量制御弁に関
する。

発明の背景 多くの実際的な応用においては、入力信号に応
じて負荷への流体の流量を制御する弁装置が必要
とされる。この種の種々の弁装置は過去に用いら
れてきた。これらのうちの１つは、入力信号が制
御流体の流量を設定する弁装置であり、この弁装
置は、入力信号に比例した流量で流体を流してい
る。また、負荷への流体の実際の流量を測定し
て、それを表す信号を発生して、流体源にフイー
ドバツクし、実際の流量を所望の流量に等しくす
る多くの弁装置が用いられてきた。流量を測定す
る最も簡単で最も一般的な方法の一つは、流路中
にオリフイスを挿入し、このオリフイスを横切る
圧力降下を測定することである。流量を表すこの
圧力降下を、流体源にフイードバツクすることが
できる。流量を測定するために簡単なオリフイス
を用いる弁装置は、多くの用途に満足すべきこと
がわかつたが、これら弁装置は、低流量では制御
精度が急激に低下するという問題がある。これ
は、簡単なオリフイスを横切る圧力降下が、流量
の２乗に比例するからである。このことは、同じ
流量変化であつても、低流量での圧力降下変化
は、高流量での圧力降下変化より小さいことを意
味する。このことは、また、低流量では、制御が
困難であることを意味している。もし、圧力降下
と流量との間の関係が直線的であるか、あるいは
逆の傾向で非直線的であるならば、一定の流量変
化は、高流量におけるよりも低流量において圧力
降下の大きな変化を生じさせる。このような関係
を達成するために過去に多くの弁装置が提案され
てきたが、本願人の知りうる限りでは、既に提案
されている弁装置は、非常に複雑であるか、ある
いは動作が不満足であるか、あるいはこれらの両
方であつた。

本願人の知る従来技術の多くの制御弁装置の他
の問題点は、これら制御弁装置は待機していると
きでさえも、最大圧力の流体の連続的な供給を必
要とすることである。このことは、また、ピーク
連続パワーに対して設計され、かつ、ほぼ全負荷
で常に動作し、決して遊ぶことのないポンプを必
要とする。このような弁装置は、パワーを浪費
し、多くの場合、特別の冷却装置によつて消費し
なければならない多量の熱を発生する。簡単なオ
ープン・センタ弁がこれらの問題点を解決するよ
うに考えられるが、このような弁は、弁が中立位
置にあるときにロツク状態に負荷を保持するため
には、および同時に広いダイナミツクレンジに亘
つて流量を正確に制御するためにはかなり複雑に
なることがわかつた。

そこで本願人は、入力信号に応じて負荷への流
量を制御する改善された弁装置をすでに提案して
いる（米国特許第3899002号）。

第４図に、既提案の弁装置１１１を模式的に示
す。この弁装置は、入口接続部１１２を有してお
り、この入口接続部は、動作中、所定の一定流量
で流体流を与える主流体源１１３に接続されてい
る。このような流体源は、例えば、定排水ポンプ
を備えることができる。第１分枝路は、入口接続
部１１２と流体帰還接続部１１６との間に直列に
接続された可変オリフイス１１４及び定流量検出
リストリクタ（restrictor）１１５を備えてい
る。流体帰還接続部１１６は、流体帰還路又はタ
ンク１１７に接続される。第２分枝路は、入口接
続部１１２と出口接続部１１９との間に接続され
る他の可変オリフイス１１８を備えている。出口
接続部１１９は、水力原動機のような有効負荷装
置１２１に接続されている。オリフイス１１４と
１１８は、これらオリフイスの寸法が同時かつ逆
方向に可変するように、作動機構１２２に機械的
に連結されている。すなわち、一方のオリフイス
がその開口を大きくする方向に変えられあるいは
調整されると、他のオリフイスは同時にその開口
を小さくする方向に調整される。

出口接続部１１９への流体の所望流量を示す入
力信号が、制御装置１２３に供給される。この制
御装置は、また、流量検出リストリクタ１１５の
両側の圧力を示す信号を受ける。これらの後者の
信号は、このリストリクタを流れる流体の流量を
表している。正確には、これら後者の信号は、ま
た、出口接続部１１９への流体の流量を表してい
る。出口接続部１１９への流体の流量が、入力信
号によつて指示される流量と同一でないならば、
制御装置１２３は制御信号を発生し、制御信号路
１２４を経て作動機構１２２に送る。信号路１２
４は、機械的な接続または電気的な接続のような
多くの形態をとることができるが、１本以上の水
圧路を用いるのが望ましい。いずれにしても、制
御信号路１２４は、作動機構１２２を制御して、
オリフイス１１４および１１８の寸法を適切な方
向に同時に変化させて、出口接続部１１９への流
体の流量を入力信号によつて指示される流量に等
しくさせる。水圧信号を発生させるには、制御装
置１２３を、補助入力接続部１２５により、制御
源１２６に接続するか、あるいは入口接続部１１
２から流体を取り出すことにより行うことができ
る。

広いダイナミツクレンジに亘つて、流量の正確
な制御を得るには、低流量すなわち全定格流量の
10％以下の流量に対して特別の注意を払う必要が
ある。これは、簡単な構造のオリフイスであるリ
ストリクタ１１５を横切つて生じる圧力降下が、
低流量では高流量での同一の流量変化が生じるよ
りもかなり小さい圧力降下変動を生じさせるから
である。簡単にオリフイスを流れる流量は、次式
で与えられる。

Ｑ＝Ｋ√△ ここにＱは流量であり△Ｐは圧力降下である。

この式は、次ように表すことができる。

△Ｐ＝KQ² この関係を第５図にグラフで示す。曲線１３１
は、簡単なオリフイスを横切る圧力降下がそれを
流れる流量に対していかに変化するかを示してい
る。この曲線から、下側範囲で生じる５％の流量
変化は、上側範囲で発生する同じ流量変化が生じ
る圧力降下変化よりもかなり小さい圧力降下変化
を生じることがわかる。これは、通路内の簡単な
オリフイスによつて流量を測定する制御装置が、
流量が全定格流量の10％以下となると、精度が急
激に失われる原因となる。

第４図において、入口接続部１１２を流れる流
体の流量は、帰還接続部１１６および出口接続部
１１９を流れる流体の流量の和に等しいことは明
らかである。言い換えれば、出口接続部１１９を
流れる流体の流量は、入口接続部１１２を流れる
流体の流量から帰還接続部１１６を流れ流体の流
量を引いたものに等しい。入口接続部１１２を流
れる流体の流量が既知の一定流であるとすると、
流量検出リストリクタ１１５を横切る圧力降下
は、帰還接続部１１６を流れる流量だけでなく、
出口接続部１１９を流れる流体の流量をも表して
おり、従つて出口接続部１１９を流れる流体の流
量を制御するために用いることができる。

第５図において、前述したように曲線１３１は
流量検出リストリクタ１１５及び流体帰還接続部
１１６を流れる流体の流量を表している。入口接
続部１１２を流れる流体の流量は一定であるか
ら、この流量を縦座標１３２で表すことができ
る。出口接続部１１９を流れる流体の流量は、入
口接続部１１２を流れる流体の流量と帰還接続部
１１６を流れる流体の流量の差であり、従つて曲
線１３３で表すことができる。これら曲線は、帰
還接続部１１６の高流量は、出口接続部１１９の
低流量に相当し、従つて出口接続部１１９の流量
の低範囲で生じる出口接続部１１９の流量変化
は、流量検出リストリクタ１１５及び帰還接続部
１１６の流量の高範囲で生じる流量変化に相当す
る。このことは、前述したように、制御をしたい
出口接続部１１９を流れる流体の流量の低範囲で
得られる圧力降下の変化は大きくなることを意味
している。したがつて、非常に低い流量の正確な
制御が可能となる。

第６図に、既提案の発明を含む放出弁装置を示
す。この弁装置は、中空シリンダ１３７を形成す
る主ハウジング１３６を備えている。中空シリン
ダ１３７内には、シリンダ１３７と協働し、かつ
小径部１４２で相互接続されたランド１３９，１
４１を有している。主ハウジング１３６には、小
径部１４２の領域のほぼ中央でシリンダと連通
し、かつ入口接続部１４４に連結された通路１４
３が形成されている。入口接続部１４４は、動作
中、既知の所定流量で流体を供給する主流体源
（Ｐ_Mで示す）に連結されている。ハウジング１３
６には、また、通路１４３の両側でシリンダ１３
７に連通する通路１４５及び１４６が形成されて
いる。通路１４５は流量検出リストリクタ１４７
を経て流体帰還接続部１４８に連結されている。
帰還接続部１４８は、動作中、Ｒで示される外部
タンクに接続される。通路１４６は、有効負荷装
置１５１に連結される出口接続部１４９に接続さ
れる。通路１４５とランド１３９は、通路１４３
から通路１４５への流体の流量を制御する可変オ
リフイス１５２を形成する寸法に設定されおよび
配置されている。通路１４６とランド１４１は、
同様に、通路１４３から通路１４６への流体の流
量を制御する可変オリフイス１５３を形成する寸
法に設定されおよび配置されている。すべての部
品は、図に示すようにシリンダ１３７内の中央に
配置されているピストン１３８によつて、オリフ
イス１５２および１５３の両方が図示のように部
分的に開かれるような寸法と位置とが与えられて
いる。ピストン１３８が一方向に充分に移動され
たときに、可変オリフイスの一方が完全に閉じ、
他方が完全に開くように構成されている。

この弁装置は、また、中空パイロツトシリンダ
１５４が形成されたパイロツトハウジング１５３
を有している。中空パイロツトシリンダ１５４の
両端には、パイロツトピストン１５５および１５
６が設けられている。これら各ピストンは、内側
に延びる突出部が形成されている。これら突出部
は、トルク・モータ１５７の作動アームの両側に
係合している。ピストン１５５および１５６は、
スプリング１５８および１５９によつて内側に押
されている。これらスプリングは、シリンダ両端
の端部スペース内に設けられており、調整ネジ１
６１及び１６２によつてそれぞれ調整することが
できる。トルク・モータ１５７は、端子１６３に
供給される入力端子に応じて、ピストンを一方ま
たは他方に押す。

パイロツト圧力源１６４が、パイロツト入口接
続部１６５に連結されており、この入口接続部１
６５はさらに２つの分路に接続される。これら分
路の一方は、固定リストリクタ１６６と、ハウジ
ング１５３内に形成され且つシリンダ１５４の内
部に連通する通路１６７とを有しており、他方の
分路は、固定リストリクタ１６８と、ハウジング
１５３内に形成され且つシリンダ１５４の内部に
連通する通路１６９を有している。２個のピスト
ン１５５と１５６との間の領域のシリンダ１５４
内部は適当な通路を経てパイロツト帰還接続部１
７１に接続されている。前記適当な通路は、前記
内部をピストン１５６に隣接する端部スペース１
５９に接続し、この端部スペースを、流体帰還接
続部１７１に接続している。ピストン１５５，１
５６および通路１６７，１６９は、パイロツトオ
リフイス１７２，１７３をそれぞれ形成する寸法
および配置とする。これらオリフイスは、図示の
ようにピストンが中央位置にあるときに、両方共
に部分的に開いて、通路１６７，１６９からオリ
フイス１７２，１７３を経て流体帰還接続部１７
１へ流体路を与える。トルク・モータ１５７は、
端子１６３に供給される入力信号の大きさに従つ
て、ピストン１５５，１５６を右側に押す。ピス
トンのこのようなシフトは、パイロツトオリフイ
ス１７３をさらに開き、同時にパイロツトオリフ
イス１７２を閉じる。

固定オリフイス１６６とパイロツトオリフイス
１７２との間は、水圧路１７４によつて、ランド
１３９に隣接するシリンダ１３７内の端部スペー
スに接続されている。同様に、固定オリフイス１
６８とパイロツトオリフイス１７３との間は、水
圧路１７５によつて、ランド１４１に隣接するシ
リンダ１３７内の端部スペースに接続されてい
る。流量検出リストリクタ１４７と可変オリフイ
ス１５２との間は、水圧路１７６によつて、ピス
トン１５５に隣接するシリンダ１５４内の端部ス
ペースに接続されている。

次に、この弁装置の動作を説明する。初めに、
スプリング１５８及び１５９は、トルク・モータ
１５７への入力信号がない状態及び入口接続部１
４４と入口接続部１６５のいずれにも流体源が供
給されていない状態で、スプリング１５９がスプ
リング１５８に打ち勝ち、ピストン１５５および
１５６が最も左側に押され、可変パイロツトオリ
フイス１７３が完全に閉じ、可変パイロツトオリ
フイス１７２が完全に開くように調整する。流体
源が入口接続部１６５に供給されると、流体路１
７５の圧力が流体路１７４の圧力よりも大きくな
り、ピストン１３８は左側に押される。このと
き、可変オリフイス１５３が完全に閉じ、可変オ
リフイス１５２が完全に開く。次に、流体源を入
口接続部１４４に供給すると、すべての流体はオ
リフイス１５２を流れ、流体は有効負荷１５１に
流れない。流量検出オリフイス１４７を流れる流
体は、オリフイスを横切る圧力降下を生じさせ、
その結果通路１７６の圧力は帰還接続部１４８の
圧力より大きくなり、これによりピストン１５
５，１５６を右に押す。スプリング１５８，１５
９及びトルク・モータ１５７の内部調整はつり合
い、その結果、トルク・モータ１５７への入力信
号がなく、入口接続部１４４からの全部の流れが
帰還接続部１４８に行き、流体路１７６のフイー
ドバツク圧は、ピストン１５５，１５６を中央に
位置させるに充分である。この状態のもとで、流
体路１７４，１７５の圧力が等しいと、ピストン
１３８は前述のようにして得られた位置に留ま
る。有効負荷１５１に流体を供給するときには、
トルク・モータ１５７の端子１６３に、ピストン
１５５，１５６を右に押す適当な信号を供給す
る。このような動作は、パイロツトオリフイス１
７２をさらに閉じ、パイロツトオリフイス１７３
をさらに開く。これにより、通路１７４の圧力を
通路１７５の圧力よりも増大させて、ピストン３
８を右へ押す。これにより、可変オリフイス１５
３が部分的に開き、可変オリフイス１５２が部分
的に閉じ流体が有効負荷１５１に流れるようにな
る。オリフイス１５２が部分的に閉じると、通路
１７６の圧力を減じ、これにより、スプリング１
５９が、ピストン１５５，１５６を左へ押すよう
なる。このようなシフトは、ピストン１５５，１
５６が中央位置にくるまで続く。この弁装置は、
中央に位置されたピストン１５５，１５６によつ
て安定化され、ピストン１３８は、入力信号によ
つて指示される流量で有効負荷１５１へ流体を流
す。

上述の既提案の流量制御弁装置は、低流量範囲
での流量制御精度が向上するが、以下のような欠
点を有している。すなわち、トルク・モータのヒ
ステリシス、温度変化、摩擦等に基因する僅かな
誤作動や小さなスプリアス信号による誤作動が排
除できず、対応策を講じなければ各部の意図され
ざる移動および負荷への意図されざる流体流を生
ぜせしめ、精度が低下する。

本発明の目的は、出力流体の流量が、広汎に亘
つて入力信号に厳密に追随するとともに、上記欠
点を改善した流量制御弁装置を提供することであ
る。

発明の要約 本発明は、ポペツト弁が優れた流量センサとし
ての機能を果し得ると云うことの発見に部分的に
関係がある。即ち、流体が流れているラインにポ
ペツト弁が介在するとき、それを横切る圧力降下
と流量とは正比例せず、設定された流量から流量
が変化するとき、高流量の範囲に於けるよりも低
流量の範囲でより大きい圧力降下が得られること
が判つた。この発見に基づいて、本発明に於て
は、上述の目的を達成するために、二段型四方向
弁にポペツト弁を組込んでいる。

即ち、本発明の二段型四方向弁に於ては、第２
段の弁自体と流体帰還接続部との間の各流体帰還
路に一つずつ、合計二つのポペツト弁を流量セン
サとして用いている。これらの流量センサ即ちポ
ペツト弁に於ける圧力降下は、フイードバツク信
号として第１段に与えられて、入力信号と比較さ
れ、それによつて誤差信号を発生して第１段の弁
を制御し、それによつて第２段を制御する。

好適な具体例の説明 本発明を明確に理解するため、以下の詳細な説
明と添附図面とを参照されたい。

第１図を参照すると、該流量制御弁装置は主段
もしくは第２段のハウジング１１を持つている。
このハウジングなる語は、ブロツク、スリーブ、
端部キヤツプ、マニホルド等、一般に弁の静止構
造の全てを包含するものとして用いられている。
該ハウジング１１は、中空のシリンダ１２を形成
するよう形作られており、そしてその中には、参
照数字１３によつて概括的に示されたピストンが
設置されている。該ハウジングはまた、流体入口
接続部１４を形成するよう形作られており、それ
は該弁の凡そ中央に於いてシリンダ１２と連通し
ている。作動時に、該入口接続部１４は、加圧流
体源と接続する。該ハウジング１１はまた、第１
と第２の流体負荷接続部１６及び１７を形成する
よう形作られており、それらは該入口接続部１４
から軸方向に両側に外れた位置で該シリンダ１２
の内部と連通している。

該ピストン１３は、縮小直径部分２１により、
互いに結合されている第１と第２の内側ランド１
８，１９を持つている。該ランド１８及び１９
は、引続き後に述べる他のランドと同様に、一般
には円筒状であつて、それが内設されているシリ
ンダの内部と水密的に密接しており、ランド１８
及び１９の場合は、シリンダ１２と密接してい
る。

第１図に示された、これら各部の中立位置で
は、該ランド１８及び１９は、該入口接続部１４
の両側で既に均等に離隔しており、そして負荷接
続部１６及び１７を閉塞するよう、それらの両側
に僅かずつオーバラツプするような寸法と位置と
を与えられている。該ピストン１３はまた、縮小
直径部分２４と２５とによつて夫々内側ランド１
８及び１９に結合されている二つの外側ランド２
２及び２３をも持つている。中空のシリンダ１２
は、その両端で該ランド２２及び２３を越えて延
長しており、そしてまた増大された直径を持つて
いて、夫々環状肩部２６及び２７を形成し、そし
てまた端部スペース２８及び２９を形成してい
る。スプリング３１は、予じめ圧縮されて、該端
部スペース２８内に置かれ、その左端で該ハウジ
ング１１に接し、その右端で該肩部２６に部分的
に接し、また該ランド２２にも部分的に接してい
る。同様のスプリング３２が、該端部スペース２
９内にも設置され、そしてそれは肩部２７に部分
的に接し、また該ランド２３に部分的に接してい
る。これらのスプリングは、通常遭遇する流体圧
に比較して極めて弱く、そして流体圧がないとき
に該ピストン１３を図示された中立位置に確実に
復帰せしめるため、及び後に更に詳細に説明され
るように、たとえ小さな入力信号があつても、流
体を流さないよう予定されたデツド・スペースを
設定するのを補助する附加的な目的にも用いられ
ている。上述のランド１８，１９とシリンダ１２
との水密的な密接と、ランド１８，１９の負荷接
続部１６，１７上での僅かなオーバラツプと、ス
プリング３１，３２の極めて弱い反発力とは、ピ
ストン１３の中立位置への確実な復帰と、入力信
号がゼロのとき流体流もまたゼロであるような完
全な中立位置の付与と、そしてまた小さいスプリ
アス信号に対する応答を防止することに部分的に
寄与している。

該ハウジング１１は、第１と第２の流体帰還路
３３及び３４を形成するようにも形作られてお
り、それらはシリンダ１２の内部と縮小直径部分
２４及び２５、即ち、ランド１８及び１９の入口
接続部１４から隔たつた側で夫々連通している。
該ハウジング１１はまた、内部室３５を形成する
よう形作られており、該流体帰還路３３及び３４
は、それと連通することができる。これらの帰還
路が該室３５と結合する部分に於いて、該室には
夫々弁座３６及び３７を形成するよう形作られて
いる。これらの弁座は、夫々ポペツト弁３８及び
３９と夫々協働する。該弁３８は、該弁座３６と
協働する板状部３８ａと、該ハウジング１１内に
形成された凹部４１内に延びている柄部３８ｂと
を持つている。該ポペツト弁３９は、同様に弁座
３７と協働する板状部３９ａと、該ハウジング１
１内の凹部４２内に延びている柄部３９ｂとを含
んでいる。伸長スプリング４３及び４４は、該板
状部３８ａ及び３９ａに対して接し、そしてそれ
らを各弁座３６及び３７と係合するよう押しやる
ように配置されている。上述のシリンダ１２と、
帰還接続部１５に連通する内部室３５との間に設
けた帰還路３３，３４を設けることにより、外部
帰還接続部を排除している。

第１図の流量制御弁装置はまた、パイロツト中
空シリンダ５２を形成するよう形作られたパイロ
ツト・ハウジング５１と、パイロツト入口接続部
５３と、パイロツト帰還接続部５４とを持つてい
る第１段をも含んでいる。該装置の作動中は、該
パイロツト入口接続部５３が加圧流体源に接続さ
れる。この加圧流体源は、第２段に用いられたも
のと同一であつても良いが、しかし通常は、濾過
条件が第１段と第２段とで異なるので、加圧流体
源は別にされるのも良い。その圧力は同じであつ
ても違つていても良く、そして圧力に関して何れ
か一方又は両方が厳密に調整されている必要はな
い。

該第１段は、作動アーム５６を有するトルク・
モータ５５を含んでいる。動作時には、該トル
ク・モータは入力信号を受けとり、そしてそれに
応答して該作動アーム５６を第１図に於いて左又
は右に偏倚させる。該トルク・モータ５５は、通
常の構造のものであり、そして入力信号が存在し
ないときに該アーム５６を中立位置にもたらす弱
い内部スプリングを持つている。該ハウジング５
１はまた、中央室５７を形成するよう形作られて
おり、そしてその中央室は、シリンダ５２と凡そ
その中央に於いて連通している。該トルク・モー
タ５５は、該作動アームが該室５７を通つて延
び、そしてシリンダ５２の軸と凡そその中央で交
わるよう、該ハウジング５１上に装着されてい
る。該室５７は、パイロツト帰還接続部５４と連
通している。

シリンダ５２内には、夫々参照数字５８及び５
８′によつて概括的に示されている二つの分離し
たパイロツト・ピストンが配置されている。該ピ
ストン５８は、第１のもしくは内側のランド６１
と、それに対して縮小された直径を有する部分６
３によつて結合された第２のもしくは外側のラン
ド６２とを持つている。該ランド６１は、該装置
の中央に面した該ランドの面にある中央開口内に
挿入された調整ねじ６４を持つている。該ねじ６
４は、自己係止ナツト６５と、丸みを持つた先端
６６とを持つており、そしてその先端は、第１図
に示された各部の中立位置に於いて、該トルク・
モータ５５の作動アーム５６と係合する。該ピス
トン５８′が同様の構造であつて、詳細に説明す
る必要のないことは明らかであろう。同様の部分
は対応する参照文字によつて示されているが、し
かしダツシユが付されている。

該ハウジング５１はまた、第１の制御導管６７
を形成するよう形作られており、そしてそれは、
該シリンダ５２の内部と第１図に於いて見られる
如く、該ランド６１の左側面の領域で連通してお
り、それ故、図示された中立位置では、該ランド
６１、該ハウジング５１、及び該制御導管６７に
よつて形成された、部分的に開いた可変オリフイ
スが存在する。該中空のシリンダ５２の該ランド
６１と６２との間の領域に於ける部分は、通路手
段６８によつて、該室５７と帰還接続部５４とに
連通している。同様に、該ハウジング５１は、第
２の制御導管６７′を形成するよう形作られてお
り、そしてそれはランド６１′及びハウジング５
１と共に第２の可変オリフイスを形成しており、
そしてそれはまた、図示された各部の中立位置に
於いて、僅かに開いている。また該ランド６１′
と６２′との間のスペースは通路手段６８′によつ
て、該室５７連通している。該制御導管６７は、
流体リストリクタ（restrictor）６９を介して、
該パイロツト入口接続部５３と連結しており、同
様に該制御導管６７′は、リストリクタ６９′を介
して、該パイロツト入口接続部５３に連結してい
る。

該シリンダ５２は、該ランド６２及び６２′を
越えて延長して端部スペース７１及び７１′を
夫々形成している。これらの端部スペースは、該
シリンダ５２の残余の部分と同一直径であるのが
良く、センタリング・スプリング７２及び７２′
が、それらの中に設置されていて、直接にランド
６２及び６２′と接している。これらのスプリン
グは、極めて弱いのが良く、そしてそれらは主と
して、入力信号が存在しないときに、或いは加圧
流体の供給がなかつたときに、該ピストンを中立
位置に戻すことである。該端部スペース７１及び
７１′は、夫々フイードバツク通路７３及び７４
と連通しており、そしてそれらは、順次主段のポ
ペツト弁３８及び３９の上流点に於ける流体帰還
路３３及び３４と連通している。該制御導管６７
及び６７′は主段に向つて延び、そして該端部ス
ペース２８及び２９と夫々連通している。

第２段の端部スペース２８，２９と、第１段の
入口接続部５３とのオリフイス６９，６９′を介
した接続、第１段に於けるパイロツト・ピストン
５８，５８′のランド６１，６１′と制御導管６
７，６７′のシリンダ５２に於ける開口とによつ
て形成される可変オリフイス及び通路手段６８，
６８′を介して第１段の帰還接続部５４に連通し
ている第１段の中央室５７と第２段の端部スペー
ス２８，２９との接続、第１段の端部スペース７
１，７１′と第２段の帰還路３３，３４とのフイ
ードバツク通路７３，７４を介しての接続、帰還
路３３，３４と、帰還接続部１５に連通している
内部室３５との間に介在させたポペツト弁３８，
３９との配列により、設定された流量からの変位
によつて生ずる圧力降下が低流量範囲でより大き
くなり、それが第１段へのフイードバツク信号と
して与えられ、それはトルク・モータによる入力
信号と比較されて誤差信号を生じそれが第１段の
弁を制御し、その結果第２段の弁を制御すると云
う構成によつて、極めて広い流量範囲にわたつて
精度の高い流量制御が可能となる。また上述の構
成により第１段と第２段の加圧流体源は別個に設
けたとしても圧力を厳密に調整する必要をなくし
ている。また、上述の全ての構成によつてトル
ク・モータのヒステリシス、温度変化、摩擦等に
基因する僅かな誤作動や小さなスプリアス信号に
よる誤作動が排除でき、精度が格段に向上する。

動 作 第１図に示された位置に於いては、全てがその
中立位置にあり、負荷接続部１６又は１７何れに
も流体流が存在しない。該トルク・モータにヒス
テリシスがなく、温度変化に基因する変化もな
く、そして摩擦もないとすれば、デツド・スペー
スを与えるために種々のセンタリング・スプリン
グは必要がなく、該ポペツト弁を常時流れを許
し、密閉することのない或る種のセンサに置換さ
れ得る。しかし乍ら、完全な条件はないのであ
り、トルク・モータの僅かなヒステリシス及び／
又はスプリアス信号が対応策を構じなければ各部
の意図されざる移動及び負荷への意図されざる流
体流を生ぜせしめるような様々な条件が見出され
ている。斯くて先に述べた如き構造が好ましいの
である。

今トルク・モータ５５に、スプリアス信号か又
は極く小さい信号が与えられていると仮定する。
この信号は、アーム５６及びピストン６３を左に
動かそうとする方向のものであると仮定する。一
見したところ、該スペース７１、フイードバツク
通路７３、流体帰還路３３及びシリンダ１２が該
ピストン６３の運動を阻止するような流体ロツク
を形成するかに思われるかも知れない。しかし乍
ら、該ピストン６３は実際に僅かな距離だけ移動
し、そして極く少量の流体を排出することに留意
しなければならない。固有のリーケイジは流体ロ
ツクが生ずるのを回避するのに充分であり、それ
故トルク・モータに与えられた極く小さな信号
は、実際にピストン６３を左方に移動させ、そし
てスプリング７２′は、ピストン５８′をして追従
せしめる。そのような移動が行なわれたとき、制
御導管６７に関連したオリフイスは縮小し、制御
導管６７′に関連したオリフイスは増大し、それ
によりこれら導管内に差圧を生ぜしめ、それてそ
れは主ピストン１３を右へ動かそうとする。該入
力信号とその結果生ずる差圧とが極めて小さいと
きは、該センタリング・スプリング３１及び３２
は、差圧の閾値に到達するまではピストン１３の
移動を阻止する。そこで該ピストン１３がシフト
され、流体入口接続部１４が加圧流体源に接続さ
れていると仮定すると、流体は該入口接続部１４
から負荷接続部１７へ流れ、そして負荷接続部１
６を通つて流体帰還路３３に戻ろうとする。該ポ
ペツト弁３８は、このとき閉じているから、該流
体は行き場がない。しかし乍ら、その圧力の増加
はフイードバツク通路７３を介して該端部スペー
ス７１に伝達され、そこでそれは該入力信号の作
用に抗して該ピストン６３を右へ押しやる。これ
は該差圧を減少させ、従つて該装置は負荷接続部
１６及び１７に流体が流れない均衡位置に到達す
る。

今度は、大きい入力信号が、該トルク・モータ
５５に再びアーム５６を左方に押しやる方向で与
えられたと仮定する。前述の通り、該ピストン６
３は、左方に移動し、制御導管６７及び６７′に
制御差圧を生ぜしめ、そしてそれはピストン１３
を右にシフトさせる。流体が負荷接続部１６を介
して流体帰還路３３に流れるとき、該ポペツト弁
３８は開いて、流体が帰還接続部１５へ向つて流
れるのを許す。該ポペツト弁３８を横切る圧力降
下は、フイードバツク通路７３を介して端部スペ
ース７１に伝達される。この圧力は、ランド６２
の面に対する力に変換され、そしてそれはトル
ク・モータ５５のアーム５６によつて与えられて
いる力と比較される。これらの力が等しければ均
衡位置に到達し、そしてそれらの力は制御導管６
７と６７′とに生じた差圧がスプリング３１と３
２との力に打ちかつのに丁度等しいときに等しく
なる。該ピストン１３は斯くて得られた位置にと
どまり、負荷接続部１６及び１７を流過する流量
は極めて小さい誤差範囲内で入力信号によつて指
令された通りとなる。

第２図を参照すると、ポペツト弁の一つが、負
荷に大量の流体が流れているときに採る僅かに開
いた位置で示されている。図示の如く、該ポペツ
ト弁は、その弁座上で距離Ｔだけもち上がつてお
り、流体帰還路３３の直径がＤであり、この導管
内の圧力がＰ_FBで表わされると仮定する。一つの
オリフイスを流過する流量は次式で表わされる。

Ｑ＝KA√△ (1) 尚 Ｑ＝流体の流量 Ｋ＝オリフイス定数 Ａ＝オリフイス面積 △Ｐ＝オリフイスを横切る圧力降下 差し当り、該オリフイスの下流側に於ける圧力
は、それが流体帰還路に接続されているので０と
考えることができ、従つて △Ｐ＝Ｐ_FB である。

流体が流れつつある領域の面積は、次の如く表
わされ得る。

Ａ＝πDT (2) スプリング４３に与えられた予じめの負荷を無
視することにより、Ｋ_Sをスプリング定数とすれ
ば、距離Ｔは次の如く表わされ得る。

従つて等式(1)は、次の如く書き直すことができ
る 又は Ｑ＝Ｋ／Ｋ_Ｓ・π^２Ｄ^３／４×（Ｐ_FB）^3/2 (5) 先にも述べた如く、該スプリング４３は予じめ
僅かに負荷を与えられるのが良く、それ故いくら
かでも流れが生ずる前にフイードバツク圧力の閾
量が存在することが要求される。このことを考慮
に入れれば、フイードバツク圧力と流量との間の
関係は、およそ第３図に示された如くなるのであ
つて、第３図の縦軸は流量の最大値に対するパー
センテージを示し、横軸は流体帰環路３３，３４
内の圧力Ｐ_FBの最大値に対するパーセンテージを
示している。

第１段のピストンに与えられたフイードバツク
信号は、アーム５６によつて与えられた力と均衡
する力である。この力は実質的に入力信号に比例
し、ここでは入力信号は流れとして表われる。従
つて、入力信号の函数としての流量の変化を表わ
すカーブは、第３図に示されたと実質的に同様の
形状をとる。この図に示されたように、この非直
線性は流量と入力信号との両方の値が高いときよ
りも低い値のときの方がカーブがより平担である
ような傾向にある。このことは、設定流量（即ち
入力信号によつて規定された流量）からの所与の
逸脱は、高い流量に於けるときよりも低い流量に
於いてフイードバツク圧力のより大きい確実な変
化（absolute change in feedback pressure）を
生ぜしめると云うことを意味する。このことは、
更に厳密な流量の制御が低範囲で、とりわけ全流
（full flow）の10％以下で得られるので、該流量
制御弁装置のダイナミツク・レンジ（満足な精密
度が得られる設定流量の範囲）が極めて広くな
る。

今や並ならぬ広いダイナミツク・レンジに亘つ
て極めて厳密に入力信号に追従する負荷への流量
を与えることができる改良された流量調整弁装置
を本件出願人が提供したことが明らかである。こ
れまでに特定の具体例につき詳細に記述したが、
当該技術分野の熟達者等には多くの変形が考えら
れよう。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明を組み込んだ２段型センター
閉止弁（two stage closed center valve）の模
式的断面図である。第２図は、本発明を説明する
のに有用な流量センサーの一つを示す部分的断面
図である。第３図は、本発明を説明するのに有用
なグラフである。第４図は、既提案の弁装置の模
式図である。第５図は、第４図の弁装置を説明す
るのに有用なグラフである。第６図は、第４図の
弁装置の模式的断面図である。 符号の説明、１１……第２段のハウジング、１
２……第２段のシリンダ、１３……ピストン、１
４……流体入口接続部、１５……帰還接続部、１
６，１７……負荷接続部、１８……第１の内側ラ
ンド、１９……第２の内側ランド、２２，２３…
…外側ランド、２８，２９……端部スペース、３
１，３２……スプリング、３３，３４……帰還
路、３５……内部室、３６，３７……弁座、３
８，３９……ポペツト弁、４３，４４……スプリ
ング、５１……第１段のハウジング、５２……シ
リンダ、５３……パイロツト入口接続部、５４…
…パイロツト帰環路、５５……トルク・モータ、
５６……作動アーム、５８，５８′……ピスト
ン。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 第１と第２の制御導管と、入力信号に応答し
   て上記導管内に流体制御圧を生ずる第１段と、一
   つのシリンダとピストン弁と上記ピストン弁を中
   立位置に復帰させる手段と、流体入口接続部と、
   第１と第２の流体負荷接続部と、一つの流体帰還
   接続部とを有する第２段と、上記帰還接続部に上
   記シリンダとピストン弁を各々相互接続する第１
   と第２の流体帰還通路とを有し、上記シリンダと
   ピストン弁とは上記導管内の上記制御圧力に応答
   して上記入口接続部から上記負荷接続部の内の一
   方への流体流量及び上記負荷接続部の内の他方か
   ら上記流体帰還通路を介して上記流体帰還接続部
   への流体流量を制御する弁装置であつて、上記第
   １と第２の帰還通路に夫々介在する第１と第２の
   可変流量センサを有し、上記センサは第１と第２
   のポペツト弁より成り、夫々関連する帰還通路に
   於ける圧力押圧に抗して閉位置に向かつて弾性的
   にバイアスされており、上記第１段と上記センサ
   の上流位置に於ける上記第１と第２の帰還通路と
   の間に流体の連通を与える第１と第２のフイード
   バツク通路を有し、上記フイードバツク通路は上
   記流体帰還通路からの流体圧を上記入力信号に対
   する上記第１段の応答動作に対抗して伝達するこ
   とを特徴とする流量制御弁装置。 ２ 特許請求の範囲第１項に記載の流量制御弁装
   置であつて、上記第２段は上記流体帰還接続部と
   連通する一つの室を形成するよう形作られた一つ
   のハウジングを有し、上記ハウジングはまた上記
   室と上記第１と第２の流体帰還通路との間の連通
   を与える第１と第２の開口と上記第１と第２の開
   口を夫々囲繞する第１と第２の弁座とを形成する
   よう形作られており、そして上記第１と第２の弁
   座に近接して上記室内に配置された第１と第２の
   板状部分と上記第１と第２の板状部分を上記第１
   と第２の弁座に係合するよう夫々押しやつている
   第１と第２のスプリングとを有する第１と第２の
   ポペツト弁を有する流量制御弁装置。 ３ 特許請求の範囲第１項に記載の流量制御弁装
   置であつて、上記第２段のシリンダとピストン弁
   は中空シリンダを形成するよう形作られた一つの
   ハウジングと、上記シリンダ内に一つのピストン
   とを有する四方向弁であり、上記ピストンはそれ
   が中立位置にあるとき上記第１と第２の負荷接続
   部を僅かにオーバラツプする第１と第２のランド
   を有し、上記入口接続部は上記第１と第２のラン
   ドとの間で実質的に上記シリンダの中央で該シリ
   ンダと連通しており、上記流体帰還通路は上記シ
   リンダと上記入口接続部から離隔した上記ランド
   の側方で連通しており、上記ピストンは上記第１
   と第２のランドの外側に離隔した第３と第４のラ
   ンドをも持つており、それらの第３と第４のラン
   ドは上記シリンダに第１と第２の端部スペースを
   形成し、上記第１と第２の制御導管は上記第１と
   第２の端部スペースと夫々連通している流量制御
   弁装置。 ４ 特許請求の範囲第３項に記載の流量制御弁装
   置であつて、上記ピストンを中立位置に押しやる
   ための上記端部スペース内に配置された第１と第
   ２ののスプリングを有する流量制御弁装置。 ５ 特許請求の範囲第３項に記載の流量制御弁装
   置であつて、上記ハウジング、上記ピストン及び
   上記ランドは上記ピストンが上記中立位置にある
   とき、上記入口接続部からの流体の全流を実質的
   に閉止するような形状及び相対的配置を持つてい
   る流量制御弁装置。 ６ 特許請求の範囲第１項に記載の流量制御弁装
   置であつて、上記第１段は一つのパイロツト入口
   接続部と、一つのパイロツト帰還接続部と、上記
   入力信号に応答する一つのトルク・モータと、一
   つのパイロツト・シリンダと、上記トルク・モー
   タによつて作動され上記パイロツト入口接続部と
   上記パイロツト帰還接続部と協働して上記制御導
   管内に上記流体制御圧を発生させるピストン弁と
   を有する流量制御弁装置。 ７ 特許請求の範囲第６項に記載の流量制御弁装
   置であつて、上記パイロツト・シリンダとピスト
   ン弁とは一つのパイロツト中空シリンダを形成す
   るよう形作られた一つのパイロツト・ハウジング
   と、上記パイロツト・シリンダ内に配置された第
   １と第２の分離したピストンと、一つの作動アー
   ムを有する上記トルク・モータと、上記第１と第
   ２のピストンを上記作動アームと係合するよう弾
   性的に押しやる手段とを持つており、上記第１と
   第２のピストンの各々は第１と第２のランドを持
   つており、上記第１のランドの各々は上記第２の
   ランドの内側にあつて上記第１と第２の制御導管
   と夫々協働して上記第１と第２の制御導管と上記
   パイロツト帰還接続部とを相互接続する第１と第
   ２の可変オリフイスを形成しており、上記パイロ
   ツト入口接続部と上記第１と第２の制御導管とを
   夫々相互接続する第１と第２のリストリクタを更
   に持つており、上記第１と第２のピストンの上記
   第２のランドは上記パイロツト・シリンダと協働
   して上記第１と第２の端部スペースを夫々形成し
   ている流量制御弁装置。