JP2004301318A - 高温・高圧ガス方向切換バルブ - Google Patents

Abstract

【課題】 小型化を図ると共に、切換をスムーズに行なう。
【解決手段】 流入通路１２２から流入してきた高温・高圧ガスＧが、流出通路１２３に流入することによりロケットエンジンが駆動し、流出通路１２４に流入することによりベント状態となる。ピストン部１１０のシリンダ室１１１ｂへの駆動用ガスｇの供給を停止すると、シリンダ室１１１ａに作用する高温・高圧ガスＧの圧力及びスプリング１６０のスプリング力により、ピストン１１２ひいてはポペット１１５がα方向に移動し、ポペット１１５により流出通路１２３が閉塞され、流路１２２と流路１２３が繋がる。シリンダ室１１１ｂへ駆動用ガスｇを供給すると、ピストン１１２ひいてはポペット１１５がβ方向に移動し、ポペット１１５により流出通路１２４が閉塞され、流路１２２と流路１２３が繋がる。
【選択図】 図１

Description

本発明は高温・高圧ガス方向切換バルブに関し、特に液体ロケットエンジンにおいて高温・高圧ガスの流路切換に使用して好適なものである。

液体ロケットエンジンにおいては、エンジンの燃焼開始時もしくは燃焼終了時に、エンジンに供給される流体をバルブの作動により制御している。
この制御対象となる流体の温度範囲は、極低温と呼ばれる液体水素温度領域から４００°Ｃを越える高温領域までと広く、このため流体の方向切り換えを用途とするバルブは、バルブに流入する流体の圧力、温度によりさまざまな種類がある。

通常、ガス等の流体の流路を切り換える方向切換バルブは、流路切り換えに伴い作動させる可動部からの流体の流出を防止するために、可動部にはシール材を設けている。
このシール材としては、対象となる流体の温度により樹脂材またはゴム材等の可撓材、及び金属が適切に選択されて使用されているため、バルブとしてはさまざまな種類が存在することになる。

このうち、樹脂材又はゴム材等の可撓材で作製されたシール材を使用するバルブは、使用温度域が限られる。
例えば４００°Ｃ以上にもなる高温・高圧ガスの流路の切り換えを目的としたバルブでは、高温用として製造された可撓材で製作されたシール材でも、高温のために材料強度の著しい低下によりシール機能が損なわれ、バルブとしての機能を満足できない。
このため、高温・高圧ガス用の方向切換バルブでは、耐熱性に富む金属で作製された可撓性のある金属製ベローズをシール材として使用している。

図７は、このような金属製ベローズをシール材として使用するようにした、従来の高温・高圧ガス方向切換バルブを示す断面図である。

図７に示すように、高温・高圧ガスの流路切換を行なう高温・高圧ガス方向切換バルブ１は、ピストン部２と、ベローズ３と、ケース４を有している。

ケース４には、穿設されて形成された流路４１と分岐部４２が設けられている。ベローズ３は、ピストン部２のシャフト２３の外周に配置されている。このベローズ３は、ピストン部２の作動時に流路４１ｂを流れる高温・高圧ガスが、ピストン部２の可動部の隙間を通ってピストン部２に流入するのを防止する機能と、ピストン部２を駆動させるために用いるピストン駆動用ガス６１，６２が流路４１ｂに流入するのを防止する機能とを有している。

ピストン部２は、シリンダ２１と、ピストン２２と、シャフト２３と、ポペット２４とからなる。

シリンダ２１は、その円筒状の内部空間がケース４に形成されて構成されている。円板状のピストン２２は、シリンダ２１内に導入されるピストン駆動用ガス６１又はベローズ３の内部に導入されるピストン駆動用ガス６２の作動圧によって、シリンダ２１内を往復摺動する。シャフト２３は、その後端（図では左端）がピストン２２の前面中心部に固着され、ピストン２２の作動によりシリンダ２１の軸方向に往復摺動する。ポペット２４は、その中心部がシャフト２３の先端（図では右端）に固着されて分岐部４２内を往復摺動する。このポペット２４が往復摺動することにより、分岐部４２内にテーパ面として設けられたエンドシール部４３と、ポペット２４の前端外周部及び後端外周部に形成された球面が線接触し、流路４１と流路４１ａまたは流路４１ｂとを遮断又は連通する。

また、ベローズ３は２枚の波形に成形された金属板で円筒状に形成されており、その一端（図では左端）がピストン２２の前面（図では右面）にそれぞれ固着され、その他端（図では右端）がピストン２２の前面に対向するケース４の壁面にそれぞれ固着されている。このベローズ３は、ピストン２２の往復摺動に伴い伸縮して、ポペット２４とエンドシール部４３との接触ができるようにすると共に、流路４１ｂを流れる高温・高圧ガスが、シャフト２３の摺動用の貫通孔を介してシリンダ２１内へ流入するのを防止するようにしている。

ピストン２２の作動はピストン駆動用ガス６１，６２の供給を切り換えることにより行なう。
すなわち、ピストン２２の前進作動の際には、シリンダ２１の内部にピストン駆動用ガス６１を導入し、併せてピストン駆動用ガス６２の導入を止め、ベローズ３内部に導入されていたピストン駆動用ガス６２をピストン２２の前進作動により前面に押し戻すようにしている。
ピストン２２の後退作動の際には、ピストン駆動用ガス６１の導入を止め、併せて、ケース４の壁面に穿設された孔からベローズ３の内部にピストン駆動用ガス６２を導入することにより、シリンダ２１に導入されていたピストン駆動用ガス６１をピストン２２の後退により後方に押し戻すようにしている。

このように高温・高圧ガス方向切換バルブ１は形成されているので、シリンダ２１内へのピストン駆動用ガス６１の導入によるピストン２２の前進により、図７（ｂ）に示すように、ポペット２４先端外周面が流路４１ａ入口側に設けられているエンドシール部４３を押圧する。この状態にすることにより、流入口に連通した流路４１と一方の流出口に連通する流路４１ａとを遮断し、流路４１と他方の流出口に連通する流路４１ｂとを連通させることができる。

また、２枚のベローズ３の内部へのピストン駆動用ガス６２の導入によるピストン２２の後退により、図７（ａ）に示すように、ピストン２２の前進により閉鎖されていた流路４１ａが解放されると共に、ポペット２４の後端外周面が流路４１ｂ入口側に設けられているエンドシール部４３を押圧することにより、解放されていた流路４１と流路４１ｂとの連通を遮断することができる。

なお、ベローズ３は、ピストン２２、シャフト２３、ポペット２４又はケース４と同様に、インコネル７１８等の耐熱性の金属で形成されている。このため、流路４１ｂを流れる高温・高圧ガスが、シャフト２３が貫通したケース４の貫通孔を介して、シャフト２３外周に沿ってシリンダ２１内のシャフト２３の周囲に流入することがあっても、シール機能を失うことがない。この結果、ピストン駆動用ガス６１，６２を導入するための孔への高温・高圧ガスのリークを防止することができる。

なお、液体ロケットエンジンにおける高温・高圧ガスの流路を切り換える弁としては、特許第２９２３２７４号に開示されている高温・高圧ガス用弁があるが、この高温・高圧ガス用弁ではリンク機構を用いて弁を作動させているため、構造が複雑で大型なものであった。

特許第２９２３２７４号公報

しかしながら、前述した液体ロケットエンジン等で使用される方向切換弁は、上述の高温環境に加えて、１００Ｋｇｆ／ｃｍ² Ｇを越える高圧環境下で使用されているものもある。

このような高圧環境下でシール材としてベローズ３を使用しようとすれば、高圧によるベローズ３の破壊を防ぐために、ベローズの単位長さ当りの伸縮量はごく僅かな量しか取れない。前述したように、ポペット２４を、一方の流出口に連通する流路４１ａの入口側に設けられているエンドシール部４３と、他方の流出口に連通する流出口４１ｂの入口側に設けられているエンドシール４３との間で往復動できるようにするため、換言すれば、シリンダ２１内でのピストン２２の摺動距離を大きくするためには、ベローズ３の長さを長くして伸縮量を大きくする必要がある。このようにすると、自ずと高温・高圧ガス方向切換バルブ１全体のサイズも大型化する不具合がある。

ベローズ３の長さを短くするためには、ピストン駆動用ガス６１，６２の導入時に、ベローズ３を塑性変形範囲まで利用し伸縮をさせるようにしたものもある。しかし、このようにして利用するためには、ピストン２２の摺動に必要な力が増加し、このためピストン２２をはじめとするピストン部２の構成部材の径を大きくする必要が生じ、高温・高圧ガス方向切換バルブ１が大型化し、重量が増大する不具合は十分に解消できない。さらにベローズ３の耐久性が損なわれ寿命が短くなる不具合が生じる。

液体ロケットエンジン、特に、上段ロケットに装備されるエンジンで使用される高温・高圧ガス方向切換バルブの場合、その重量はロケット打ち上げ時からペイロード分離の直前まで、打ち上げ負荷として作用するため、軽量化が重要な課題であるにもかかわらず、従来の高温・高圧ガス方向切換バルブでは、上述した理由により、十分な軽量化を図ることができないという不具合があった。

本発明は、上記従来技術に鑑み、高温・高圧ガスの切換を確実にできる軽量な高温・高圧ガス方向切換バルブを提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の構成は、シリンダと、このシリンダ内に配置されてシリンダ内空間を第１シリンダ室と第２シリンダ室とに区画するピストンと、第２シリンダ室側に配置されて一端が前記ピストンに連結されてピストンと共に往復移動するシャフトと、このシャフトの他端に連結されピストンと共に往復移動するポペットとを有するピストン部と、
前記ポペットが位置する空間である分岐部と、この分岐部に連通しており高温・高圧ガスを分岐部に向けて流通させる流入通路と、前記分岐部に連通するとともに分岐部に臨む入口部に第１のエンドシール部を備えた第１の流出通路と、前記分岐部に連通するとともに分岐部に臨む入口部に第２のエンドシール部を備えた第２の流出通路とを有し、しかも、第１シリンダ室側から第２シリンダ室側に向けて前記ポペットが移動した際にポペットが第１のエンドシール部に当接して第１の流出通路を閉塞すると共に、第２シリンダ室側から第１シリンダ室側に向けて前記ポペットが移動した際にポペットが第２のエンドシール部に当接して第２の流出通路を閉塞する配置状態となっている流路構造部と、
前記流入通路と第１シリンダ室とを連通しているガス通路と、
第２シリンダ室に駆動用ガスを供給する駆動用ガス通路と、
前記ガス通路に介装されると共に排気通路が接続されており、第１のスイッチングモードでは流入通路と第１シリンダ室との連通状態を維持しつつガス通路と排気通路との連通を遮断し、第２のスイッチングモードでは第１のシリンダ室と排気通路との連通状態を維持しつつ第１のシリンダ室と流入通路との連通状態を遮断する三方弁とを具備することを特徴とする。

また本発明の構成は、上記構成要件の他に、
前記シャフトの往復移動を許容しつつこのシャフトの周面を緊密に把持するシャフト案内部を具備していたり、
第２シリンダ室と、第１と第２の流出通路のうちの一方とを連通する貫通孔を具備していたり、
第１シリンダ室側から第２シリンダ室側に向けて前記ピストンを付勢するスプリングを備えていたり、
前記シャフト案内部には、シールリングやガイドリングが配置されていたり、
前記ピストンには、ガイドリングが配置されていることを特徴とする。

また本発明の構成は、上記構成要件の他に、
前記シャフト案内部のうちシャフト周面を把持する面には、耐摩耗コーティングが施されているあるいはポリイミド樹脂が適用されていたり、
前記ピストンの外周面には、耐摩耗コーティングが施されているあるいはポリイミド樹脂が適用されているピストンリングが配置されていたり、
前記シリンダの内周面には、耐摩耗コーティングが施されていたり、
前記耐摩耗コーティングは、固体潤滑剤と無機系バインダーからなる膜であり、前記固体潤滑剤は黒鉛またはＭｏＳ₂のいずれからなり、前記無機系バインダーはリン酸塩またはケイ酸塩のいずれからなっていたり、または、窒化処理した上に施した固体潤滑剤と無機系バインダーからなる膜であることを特徴とする。

本発明の高温・高圧ガス方向切換バルブでは、金属ベローズを使用する必要がなく、全体的に小型化を図ることができ、特に液体ロケットエンジン用のバルブとして好適である。
また、ピストンひいてはポペットの一方向への移動は、高温・高圧ガス自体の圧力を利用しているため、この一方向への移動を急峻に行なうことができる。したがって、液体ロケットエンジン用のバルブとして用いたときに、急峻にロケットエンジンの停止をさせることができる。

また本発明の高温・高圧ガス方向切換バルブでは、シャフトの往復移動を許容しつつこのシャフトの周面を緊密に把持するシャフト案内部を具備している構成とすることにより、全体を小型化しても、シャフトの往復移動を安定して行なうことができると共に、シリンダ室の密閉性を確保することができる。

また本発明の高温・高圧ガス方向切換バルブでは、貫通孔を介して第２シリンダ室のガスを抜くようにしているため、迅速且つ高精度に切換動作をすることができる。

また本発明の高温・高圧ガス方向切換バルブでは、第１シリンダ室側から第２シリンダ室側に向けて前記ピストンを付勢するスプリングを備える構成にすることにより、ノーマルベント状態を確保することができ、安全性が高い。

また本発明の高温・高圧ガス方向切換バルブでは、ガイドリングを備えてシャフトひいてはポペットの傾き（倒れ）を防ぐようにしたので、ポペットによる流出通路の遮蔽性能が向上する。

また本発明の高温・高圧ガス方向切換バルブでは、シャフト案内部のうちシャフト周面を把持する面や、ピストンリングや、シリンダの内周面に、耐摩耗コーティングを施している。この耐摩耗コーティングを施すことにより、耐摩耗性が向上した。

以下に本発明の最良の形態を実施例に基づき詳細に説明する。

図１及び図２は、本発明の実施例１に係る高温・高圧ガス方向切換バルブ１００を示す構成図である。この高温・高圧ガス方向切換バルブ１００は、液体ロケットエンジンに搭載されて、高温・高圧（例えば４００°Ｃ，２００Ｋｇｆ／ｃｍ² ）となっている高温・高圧ガスＧの流れの切り換えを行なうものである。高温・高圧ガスＧとしては、例えば水素ガスを用いている。

この高温・高圧ガス方向切換バルブ１００は、ピストン部１１０と、流路構造部１２０と、ガス通路１３０と、駆動用ガス通路１４０とシャフト案内部１５０とスプリング１６０と三方弁１８０を主要部材として構成されている。

ピストン部１１０のシリンダ１１１は、ケース１７０に穿設されて形成されており、このシリンダ１１１内にはピストン１１２が配置されている。このため、シリンダ内空間はピストン１１２により、第１シリンダ室１１１ａと第２シリンダ室１１１ｂとに区画されている。ピストン１１２の外周面には、ピストンリング１１３が取り付けられている。このピストンリング１１３には耐摩耗コーティングが施されている。耐摩耗コーティングの材質については後述する。

また、シャフト１１４は第２シリンダ室１１１ｂ側に配置されており、シャフト１１４の一端（図では左端）がピストン１１２に連結されてピストン１１２と共に往復移動する。シャフト１１２の他端（右端）にはポペット１１５が連結されており、このポペット１１５もピストン１１２と共に往復移動する。

流路構造部１２０は、ケース１７０に穿設されて形成されている。この流路構造部１２０は、分岐部１２１と、流入通路１２２と、第１の流出通路１２３と、第２の流出通路１２４を有している。

分岐部１２１は、ポペット１１５が位置する空間であり、この分岐部１２１の空間内でポペット１１５は往復移動する。流入通路１２２は分岐部１２１に連通しており、高温・高圧ガスＧを分岐部１２１に向けて流通させる。

第１の流出通路１２３は分岐部１２１に連通しており、分岐部１２１に臨む入口部にはエンドシール部１２３ａを備えている。この流出通路１２３を流通していった高温・高圧ガスＧは、ロケットエンジンのタービン（図示省略）に送られてタービンを駆動する。タービンが駆動すると、タービンに連結されたポンプが作動し、ポンプの作動により酸素と水素が噴射部に供給されて燃焼が行なわれる。即ち、液体ロケットエンジンが作動する。

第２の流出通路１２４は分岐部１２１に連通しており、分岐部１２１に臨む入口部にはエンドシール部１２４ａを備えている。この流出通路１２４を流通していった高温・高圧ガスＧは、ロケットエンジンのタービンに送られることはない。つまり、液体ロケットエンジンを停止させているときには、高温・高圧ガスＧを第２の流出通路１２４にベントする。

ポペット１１５が第１シリンダ室１１１ａ側から第２シリンダ室１１１ｂ側に向けて（図１，図２において矢印α方向に向けて）移動してくると、流出通路１２３のエンドシール部１２３ａに当接する。この状態（図１に示す状態）になると、流出通路１２３が閉塞されて、流入通路１２２と流出通路１２４とが連通状態となり、液体ロケットエンジンが停止する。

また、ポペット１１５が第２シリンダ室１１１ｂ側から第１シリンダ室１１１ａ側に向けて（図１，図２において矢印β方向に向けて）移動してくると、流出通路１２４のエンドシール部１２４ａに当接する。この状態（図２に示す状態）になると、流出通路１２４が閉塞されて、流入通路１２２と流出通路１２３とが連通状態となり、液体ロケットエンジンが作動する。

結局、ポペット１１５の往復移動により、エンドシール部１２３ａまたはエンドシール部１２４ａに当接するように、流路構造部１２０の配置状態が設定されている。

ガス通路１３０は、ケース１７０に穿設されて形成されており、流入通路１２２と、シリンダ１１１の第１シリンダ室１１１ａとを連通している。
また、駆動用ガス通路１４０は、ケース１７０に穿設されて形成されており、この駆動用ガス通路１４０を介して、駆動用ガスｇが、シリンダ１１１の第２シリンダ室１１１ｂに供給される。駆動用ガスｇの供給や供給停止は、図示しないバルブにより行なわれる。

シャフト案内部１５０は、ケース１７０に穿設されてシリンダ１１１の端面壁として機能している。このシャフト案内部１５０には、シャフト１１４が貫通しており、シャフト案内部１５０は、シャフト１１４の往復移動を許容しつつシャフト１１４の周面を緊密に把持している。シャフト案内部１５０のうち、シャフト１１４の周面を把持する部分には耐摩耗コーティングが施されている。耐摩耗コーティングの材質については後述する。

スプリング１６０はシリンダ室１１１ａ内に配置されている。このスプリング１６０は、第１シリンダ室１１１ａ側から第２シリンダ室１１１ｂ側に向けて（図１，図２において矢印α方向に向けて）ピストン１１２を付勢する。

三方弁１８０は、ガス通路１３０に介装されている。また三方弁１８０には排気通路１８１が接続されている。そして三方弁１８０は、第１のスイッチングモードと、第２のスイッチングモードとに切り換えられる。
第１のスイッチングモードでは、流入通路１２２と第１シリンダ室１１１ａとの連通状態を維持しつつ（即ちガス通路１３０の流通状態を維持しつつ）、ガス通路１３０と排気通路１８１との連通を遮断する（図１参照）。
第２のスイッチングモードでは、第１のシリンダ室１１１ａと排気通路１８１との連通状態を維持しつつ、第１のシリンダ室１１１ａと流入通路１２２との連通状態を遮断する（図２参照）。

三方弁１８０で扱うガス量は少ないので、三方弁１８０としては小型・軽量なものを使用すれば十分である。

上記構成となっている高温・高圧ガス方向切換バルブ１００の動作を説明する。

ロケットエンジンが停止しているときには、第２シリンダ室１１１ｂへの駆動用ガスｇの供給は停止されている。また三方弁１８０は第１のスイッチングモード（図１参照）になっている。このため、図１に示すように、ピストン１１２は、スプリング１６０のスプリング力により矢印α方向に押されており、α方向に移動したポペット１１５により流出通路１２３が閉塞されて、流入通路１２２と流出通路１２４とが連通した状態となる。このようにスプリング１６０のスプリング力により流出通路１２３を閉塞して、ノーマルベント状態としているため、電源が遮断されてもエンジンを安全にカットオフすることができる。

ロケットエンジンを駆動させるためには、三方弁１８０を第２のスイッチングモード（図２参照）にすると共に、駆動用ガスｇを第２シリンダ室１１１ｂへ供給する。そうするとピストン１１２は、図２に示すように、駆動用ガスｇのガス圧により、矢印β方向に移動して、β方向に移動したポペット１１５により流出通路１２４が閉塞されて、流入通路１２２と流出通路１２３とが連通した状態となる。このため、高温・高圧ガスＧは流出通路１２３を通ってタービンに供給されて、ロケットエンジンが駆動する。このとき、第１シリンダ室１１１ａ内に入っていたガスは、三方弁１８０を通り排気通路１８１を介して排気される。

駆動していたロケットエンジンを停止させる際には、第２シリンダ室１１１ｂに供給していた駆動用ガスｇを抜くと共に、三方弁１８０を第１のスイッチングモード（図１参照）に戻す。そうすると、第１シリンダ室１１１ａに供給される高温・高圧ガスＧによるガス圧力と、スプリング１６０のスプリング力により、ピストン１１２は急激にα方向に移動し、これに併せて、ポペット１１５も急激にα方向に移動して流出通路１２３を閉塞する。このため、ロケットエンジンを急峻に停止させることができる。

なお、シャフト案内部１５０は、シャフト１１４の往復移動を許容しつつシャフト１１４の周面を緊密に把持している。このため、シャフト１１４はスムーズ且つ安定して軸方向に移動することができる。特に、高温・高圧ガス方向切換バルブ１００の全体を小型化して、シャフト１１４やピストン１１２が小型化しても、シャフト案内部１５０により、シャフト１１４の把持をしているため、シャフト１１４のスムーズで安定した軸方向移動を確保することができる。

また、シャフト案内部１５０は、シャフト１１４の往復移動を許容しつつシャフト１１４の周面を緊密に把持してこの部分のシールを確保している。また、ピストン１１２の外周面にピストンリング１１３を配置してこの部分のシールを確保している。このため、第２シリンダ室１１１ｂのシール性は高い。したがって、第２シリンダ室１１１ｂに供給した駆動用ガスｇが、流出通路１２４や第１シリンダ室１１１ａに漏れでることはない。また、高温・高圧ガスＧが第２シリンダ室１１１ｂ内に流入することもない。

ここで、シャフト案内部１５０のうちシャフト１１４の周面を把持する部分に施した耐摩耗コーティング、及び、ピストンリング１１３に施した耐摩耗コーティングの材質について説明する。

上記耐摩耗コーティングとしては、次の（１）〜（４）の中の、いずれか１つを採用した。
（１）黒鉛とリン酸塩とによる膜
（２）ＭｏＳ₂ とケイ酸塩とによる膜
（３）窒化処理した上に施した黒鉛とリン酸塩とによる膜
（４）窒化処理した上に施したＭｏＳ₂ とケイ酸塩とによる膜

上記耐摩耗コーティングを、シャフト案内面１５０やピストンリング１１３に施したため、耐磨耗性が向上した。

ここで、上記耐摩耗コーティングの耐摩耗特性を、実験により確認したのでその実験例を説明する。

実験では、ピストンリングに見立てたリング状試験片と、スリーブ内面に見立てたディスク状試験片を揺動摺動させるリング／ディスク形摩耗試験を実施した。すべてのディスク材料とコーティングを行なったリング材は、ニッケル基合金であるインコネル７１８とした。温度は４００°Ｃである。

試験結果を表１に示す。表１において、比較材Ａは無処理、比較材Ｂは窒化処理したもの、比較材Ｃはテフロン樹脂（「テフロン」は登録商標）、本発明品（１）はポリイミド樹脂、本発明品（２）〜（５）は、上記（１）〜（４）のコーティングを施したものである。
本実験では、摩耗や変形が大きい場合や摺動面の損傷により摩耗係数が増加する場合は使用できないので、この状態になるまでの揺動回数（１００回）を耐久性として評価した。

表１から、比較材Ａ〜Ｂでは、全く使用に耐えないことが分かった。本発明品（１）〜（５）は１００回の揺動回数を経ても、十分な耐久性を保持していることが分かった。ロケットエンジンでは、最大でも揺動回数は２０回であるので、１００回の揺動回数にたえれば、安全性を考慮しても十分の耐久性であると判定することができた。また、この試験から、上記（１）〜（４）の耐摩耗コーティングを、シャフト案内部１５０に適用しても良好な効果が得られることが分かった。

なお、実験では、比較材Ｃと本発明品（１）は、図３（ａ）の態様で、本発明品（２）（３）は、図３（ｂ）の態様で、本発明品（４）（５）は、図３（ｃ）の態様にして実験を行なった。
つまり、図３において、２００はニッケル基合金、２０１は耐熱樹脂または固体潤滑複合材、２０２はコーティング部、２０３は下地硬化（窒化処理）部、２０４はコーティング部である。

次に本発明の実施例２に係る高温・高圧ガス方向切換バルブ１００Ａを、全体構成図である図４及び要部拡大図である図５並びに図６を参照して説明する。なお、実施例２は、実施例１を改良したものであり、実施例１と同じ機能を果たす部分には同一符号を付し、重複する説明は省略し、実施例２に独特な部分を中心に説明をする。

図４及び図５に示すように、実施例２の高温・高圧ガス方向切換バルブ１００Ａでは、シャフト案内部１５０に貫通孔３００が形成されており、この貫通孔３００は、第２シリンダ室１１１ｂと第２の流出通路１２４とを連通している。
なお、貫通孔３００は少なくとも１つ具備されており、必要に応じて複数の貫通孔３００を形成しても良い。また、第２シリンダ室１１１ｂと、第１の流出通路１２３とを連通するタイプの貫通孔としてもよい。この貫通孔３００の機能については後述する。

シャフト案内部１５０には、シャフト１１４の周面に摺接してシール機能を発揮する複数（本例では２個）のシールリング３０１，３０２が配置されている。この場合、図６に示すように、シールリング３０１の合口３０１ａと、シールリング３０２の合口３０２ａは、周方向の位置（位相）が異なるように配置してある。
このようにシールリング３０１，３０２を配置しているので、シャフト案内部１５０とシャフト１１４との間のシール性能が向上する。

またシャフト案内部１５０には、シャフト１１４の周面に摺接してシャフト１１４の傾き（倒れ）を防ぐ機能を発揮するガイドリング３０３が配置されている。このガイドリング３０３は周方向にわたる複数箇所で分割されている。
またピストン１１２の外周面には、シリンダ１１１の内周面に摺接してシャフト１１４の傾き（倒れ）を防ぐ機能を発揮するガイドリング３０４が配置されている。このガイドリング３０４は周方向にわたる複数箇所で分割されている。

このようにガイドリング３０３とガイドリング３０４を配置することにより、シャフト１１４の傾き（倒れ）、ひいては、ポペット１１５の傾き（倒れ）を防ぐことができる。この結果、ポペット１１５がエンドシール部１２３ａやエンドシール部１２４ａに当接して、流出通路１２３や流出通路１２４を閉塞した際におけるシール性（流出通路の閉塞性）が向上する。

更にシリンダ１１１の内周面には、耐摩耗コーティングが施されている。耐摩耗コーティングの種類は、実施例１で用いたのと同じ種類のものを用いる。これにより、シリンダ１１１の内周面の耐摩耗性が向上する。
他の部分の構成は、実施例１と同様である。

ここで貫通孔３００の機能を説明する。
駆動していたロケットエンジンを停止させる際には（ロケットエンジン駆動時にはポペット１１５はエンドシール部１２４ａに当接している）、第２シリンダ室１１１ｂに供給していた駆動用ガスｇを抜くと共に、三方弁１８０を第１のスイッチングモード（図４参照）に戻す。そうすると、第１シリンダ室１１１ａに供給される高温・高圧ガスＧによるガス圧力と、スプリング１６０のスプリング力により、ピストン１１２は急激にα方向に移動し、これに併せて、ポペット１１５も急激にα方向に移動して流出通路１２３を閉塞する。このようにして、ロケットエンジンを急峻に停止させることができる。
この場合、ピストン１１２のα方向への移動により、第２シリンダ室１１１ｂ内のガスは、貫通孔３００を通して流出通路１２４に排出される。つまり、第２シリンダ室１１１ｂ内のガスが、ピストン１１２のα方向への移動を邪魔することがなくなる。したがって、ピストン１１２をより高速に移動させて、ロケットエンジンをより急峻に停止させることができる。
しかも、貫通孔３００の孔径（漏れ面積）は予め決まっている。このため、ピストン１１２のα方向の移動速度は、高温・高圧ガスＧの圧力と、スプリング１６０のスプリング力と、貫通孔３００の孔径（漏れ面積）によって、ピストン１１２のα方向の移動速度は一定に決まる。このため、ロケットエンジンの停止タイミングをより精度よくコントロールすることができる。

なお、貫通孔３００が無い場合には、ピストンリング１１３でのガス漏れ量や、シャフト案内部１５０とシャフト１１４との隙間でのガス漏れ量により、ピストン１１２のα方向への移動速度や移動タイミングがばらついてしまうことがある。特に、シャフト１１４やピストン１１２が傾いたりすると、上記ガス漏れ量が変化してしまい、ピストン１１２のα方向への移動速度や移動タイミングの「ばらつき」が大きくなってしまう。
実施例２では、貫通孔３００を形成して第２シリンダ室１１１ｂのガスを抜いているので、ピストンリング１１３でのガス漏れ量や、シャフト案内部１５０とシャフト１１４との隙間でのガス漏れ量は問題とならず、精度良く且つ迅速にロケットエンジンの停止（流出通路１２３の閉塞）を行うことができる。

本発明は、液体ロケットエンジンの切換バルブや、その他の高温・高圧ガスを切り換える切換バルブとして利用することができる。

本発明の実施例１に係る高温・高圧ガス方向切換バルブを示す構成図。 本発明の実施例１に係る高温・高圧ガス方向切換バルブを示す構成図。 耐摩耗コーティング材の実験手法を示す構成図。 本発明の実施例２に係る高温・高圧ガス方向切換バルブを示す構成図。 本発明の実施例２に係る高温・高圧ガス方向切換バルブの要部を示す構成図。 本発明の実施例２に係る高温・高圧ガス方向切換バルブに用いるシールリングを示す斜視図。 従来の高温・高圧ガス方向切換バルブを示す構成図。

符号の説明

１００，１００Ａ 高温・高圧ガス方向切換バルブ
１１０ ピストン部
１２０ 流路構造部
１３０ ガス通路
１４０ 駆動用ガス通路
１５０ シャフト案内部
１６０ スプリング
１７０ ケース
１８０ 三方弁
１８１ 排気通路
３００ 貫通孔
３０１，３０２ シールリング
３０３ ガイドリング
３０４ ガイドリング

Claims (13)

1. シリンダと、このシリンダ内に配置されてシリンダ内空間を第１シリンダ室と第２シリンダ室とに区画するピストンと、第２シリンダ室側に配置されて一端が前記ピストンに連結されてピストンと共に往復移動するシャフトと、このシャフトの他端に連結されピストンと共に往復移動するポペットとを有するピストン部と、
   前記ポペットが位置する空間である分岐部と、この分岐部に連通しており高温・高圧ガスを分岐部に向けて流通させる流入通路と、前記分岐部に連通するとともに分岐部に臨む入口部に第１のエンドシール部を備えた第１の流出通路と、前記分岐部に連通するとともに分岐部に臨む入口部に第２のエンドシール部を備えた第２の流出通路とを有し、しかも、第１シリンダ室側から第２シリンダ室側に向けて前記ポペットが移動した際にポペットが第１のエンドシール部に当接して第１の流出通路を閉塞すると共に、第２シリンダ室側から第１シリンダ室側に向けて前記ポペットが移動した際にポペットが第２のエンドシール部に当接して第２の流出通路を閉塞する配置状態となっている流路構造部と、
   前記流入通路と第１シリンダ室とを連通しているガス通路と、
   第２シリンダ室に駆動用ガスを供給する駆動用ガス通路と、
   前記ガス通路に介装されると共に排気通路が接続されており、第１のスイッチングモードでは流入通路と第１シリンダ室との連通状態を維持しつつガス通路と排気通路との連通を遮断し、第２のスイッチングモードでは第１のシリンダ室と排気通路との連通状態を維持しつつ第１のシリンダ室と流入通路との連通状態を遮断する三方弁とを具備することを特徴とする高温・高圧ガス方向切換バルブ。
2. 請求項１において、前記シャフトの往復移動を許容しつつこのシャフトの周面を緊密に把持するシャフト案内部を具備することを特徴とする高温・高圧ガス方向切換バルブ。
3. 請求項１または請求項２において、第２シリンダ室と、第１と第２の流出通路のうちの一方とを連通する貫通孔を具備することを特徴とする高温・高圧ガス方向切換バルブ。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか一項において、第１シリンダ室側から第２シリンダ室側に向けて前記ピストンを付勢するスプリングを備えていることを特徴とする高温・高圧ガス方向切換バルブ。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか一項において、前記シャフト案内部には、前記シャフトの周面に摺接してシール機能を発揮するシールリングが配置されていることを特徴とする高温・高圧ガス方向切換バルブ。
6. 請求項５において、前記シールリングは前記シャフトの軸方向に沿う複数箇所に配置されており、周方向に沿う各シールリングの合口の位置が異なっていることを特徴とする高温・高圧ガス方向切換バルブ。
7. 請求項１乃至請求項６のいずれか一項において、前記シャフト案内部には、前記シャフトの周面に摺接してシャフトの傾きを防ぐ機能を発揮するシャフト案内部側ガイドリングが配置されていることを特徴とする高温・高圧ガス方向切換バルブ。
8. 請求項１乃至請求項７のいずれか一項において、前記ピストンには、前記シリンダの内周面に摺接してシャフトの傾きを防ぐ機能を発揮するシリンダ側ガイドリングが配置されていることを特徴とする高温・高圧ガス方向切換バルブ。
9. 請求項１または請求項８のいずれか一項において、前記シャフト案内部のうちシャフト周面を把持する面には、耐摩耗コーティングが施されているあるいはポリイミド樹脂が適用されていることを特徴とする高温・高圧ガス方向切換バルブ。
10. 請求項１乃至請求項８のいずれか一項において、前記ピストンの外周面には、耐摩耗コーティングが施されているあるいはポリイミド樹脂が適用されているピストンリングが配置されていることを特徴とする高温・高圧ガス方向切換バルブ。
11. 請求項１乃至請求項８のいずれか一項において、前記シリンダの内周面には、耐摩耗コーティングが施されていることを特徴とする高温・高圧ガス方向切換バルブ。
12. 請求項９乃至請求項１１のいずれか一項において、前記耐摩耗コーティングは、固体潤滑剤と無機系バインダーからなる膜であり、前記固体潤滑剤は黒鉛またはＭｏＳ₂のいずれからなり、前記無機系バインダーはリン酸塩またはケイ酸塩のいずれからなることを特徴とする高温・高圧ガス方向切換バルブ。
13. 請求項９乃至請求項１１のいずれか一項において、前記耐摩耗コーティングは、窒化処理した上に施した固体潤滑剤と無機系バインダーからなる膜であることを特徴とする高温・高圧ガス方向切換バルブ。

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