JP2008511809A - 受動型複動式真空作動ベントバルブ - Google Patents

Abstract

【課題】内部環境を外部環境から分離するハウジングを持つコントロールモーメントジャイロ（ＣＭＧ）１００で使用するためのバルブ（１２０）を提供する。
【解決手段】 バルブ（１２０）は、バルブハウジング（１２２）と、バルブエレメント（１２６）と、ベローズ（１２８）とを含む。バルブハウジング（１２２）は、ＣＭＧハウジングに連結するように形成されており、キャビティ（１３６）を形成する内面と、外面と、内面と外面との間を延びる開口部とを含む。バルブエレメント（１２６）は、バルブハウジングキャビティ（１３６）内に配置されており、バルブハウジング開口部を通って流体が流れないようにする閉鎖位置と、バルブハウジング開口部を通して流体を流すことができる開放位置との間で移動自在である。ベローズ（１２８）は、ベローズの内部チャンバ（１２９）とバルブハウジングキャビティ（１３６）との間の差圧に応じてバルブエレメント（１２６）を閉鎖位置と開放位置との間で選択的に移動する。
【選択図】図１

Description

本発明は、全体として、コントロールモーメントジャイロ又は反動輪に関し、更に詳細には、コントロールモーメントジャイロ又は反動輪で使用するためのベントバルブに関する。

宇宙船の姿勢は、反動輪やコントロールモーメントジャイロ（ＣＭＧ）等の様々な回転慣性部材によって制御される。ＣＭＧは、代表的には、回転速度が一定の又は可変のロータを含む。ロータは、最大６０００ｒｐｍで回転する。ＣＭＧは、更に、ロータに連結されたジンバルアッセンブリを含んでいてもよい。ＣＭＧの回転軸線は、ジンバルアッセンブリを使用してＣＭＧを移動することによって傾けることができる。この移動により、回転軸線及びジンバル軸線と直交するジャイロトルク(gyroscopic torque) を発生する。

代表的には、ＣＭＧロータは、気擦抗力を減少するため、減圧されたハウジング内に配置される。ロータの回転中にハウジング内で圧力が発生しないように、ＣＭＧハウジングに少なくとも一つのハウジングベントが設けられる。ハウジングベントには、ＣＭＧと外部環境との間に圧力差が存在する場合に閉鎖し、二つの圧力が実質的に同じである場合に開放するバルブが設けられている。

従来、受動型単動式ベントバルブがＣＭＧハウジングベントで使用されてきた。ベントバルブは、全体に、ＣＭＧハウジングに連結されており、ハウジングベントの一つと流体連通している。ベントバルブは、試験中にＣＭＧを熱真空チャンバ内に配置し、圧力を低下したとき、又はＣＭＧが地球の大気圏外で移動して軌道に到達するとき、ＣＭＧハウジングの内部と外部との間でガスをベントするように形成されている。

従来のベントバルブは安全であり且つ効果的であったが、幾つかの欠点があった。第１に、ベントバルブは、単動式であるため、代表的には、作動させる上で再着座させる必要がある。ベントバルブを再着座するため、ベントバルブを手作業で再着座させる。幾つかの形体では、ベントバルブはバルブカバーを含み、このカバーが取り外される。しかしながら、ＣＭＧが比較的大型の宇宙船に組み込まれた場合には、ベントバルブにアクセスすることはできず、そのため、バルブカバーを手作業で取り外してベントバルブを再着座させることには問題がある。更に、従来のベントバルブのシール力は比較的小さい。その結果、経時的に小さな漏れが生じ、バルブの保守に対する必要が高まり、地上試験中のＣＭＧの作動効率を低下させる。

従って、受動的に再着さできるバルブが望ましい。更に、シール力が高く、必要とされるバルブの保守が最小のバルブが望ましい。更に、本発明の他の所望の特徴及び特性は、添付図面及びこの背景技術と関連して本発明の以下の詳細な説明及び特許請求の範囲を読むことにより明らかになるであろう。

内部を持つコントロールモーメントジャイロ（ＣＭＧ）ハウジングで使用するためのバルブを提供する。バルブは、バルブハウジングと、バルブエレメントと、ベローズとを含む。バルブハウジングは、ＣＭＧハウジングに連結するように形成されており、キャビティを形成する内面と、外面と、内面と外面との間を延びる開口部とを含む。バルブエレメントは、少なくとも一部がバルブハウジングキャビティ内に配置されており、バルブハウジング開口部を通って流体が流れないようにする閉鎖位置と、バルブハウジング開口部を通して流体を流すことができる開放位置との間で移動自在である。ベローズは、バルブハウジング内に配置されており、バルブエレメントに連結されている。ベローズは内部チャンバを有し、ベローズの内部チャンバとバルブハウジングキャビティとの間の差圧に応じてバルブエレメントを閉鎖位置と開放位置との間で選択的に移動するように形成されている。 本発明を、同様のエレメントに同じ参照番号を付した添付図面と関連して、以下に説明する。

本発明の以下の詳細な説明は、単なる例示であって、本発明、又は本発明の用途及び使用を限定しようとするものではない。更に、本発明の背景技術に記載した任意の理論、又は本発明の以下の詳細な説明によって括ろうとする意図はない。本発明は、第１環境を持つ任意のシステムと関連して使用してもよく、この場合、システムは、第２環境に露呈されてもよく、第１及び第２の環境を選択的に分離するのが望ましい。このようなシステムは、宇宙船、航空機、船舶、又は任意の他の種類の乗り物で使用される減圧構成要素を含むが、このような減圧構成要素に限定されない。

図１は、宇宙船１０２に取り付けられた例示のコントロールモーメントジャイロ（ＣＭＧ）１００を示す。ＣＭＧ１００は、内ジンバルアッセンブリ１０４と、トルクモータアッセンブリ１０８と、スリップリングアッセンブリ１１０とを含む。トルクモータアッセンブリ１０８は、内ジンバルアッセンブリ１０４の一端に連結されており、全体に、ジンバルシャフト１０６を含み、このシャフトにジンバルモータ１１４が連結される。ジンバルモータ１１４は、内ジンバルアッセンブリ１０４をジンバル軸線を中心として回転する動力を供給する。内ジンバルアッセンブリ１０４の回転速度は、速度センサ（図示せず）によって監視されてもよい。速度センサは、随意であるが、トルクモータアッセンブリ１０８に連結されていてもよい。スリップリングアッセンブリ１１０は、内ジンバルアッセンブリ１０４の他端に連結されており、回転モータ１１８に電力を伝達するためのスリップリング１０７を含む。これを以下に詳細に説明する。

内ジンバルアッセンブリ１０４にはロータ１１６が配置されており、このロータが回転モータ１１８に連結される。回転モータは、ロータ１１６に動力を提供し、このロータを所定のロータ軸線を中心として所定の角速度で、例えば最大６０００ｒｐｍで回転させる。内ジンバルアッセンブリ１０４は、その内部環境をＣＭＧ１００を取り囲む周囲環境９８から分離するため、実質的にシールされている。とりわけ、ロータ１１４の回転速度に悪影響を及ぼす気擦抗力及び回転支承抗力の作用を低下するため、内ジンバルアッセンブリ１０４の内部環境を、好ましくは、実質的に０ｐｓｉまで減圧する。内ジンバルアッセンブリ１０４には、宇宙船１０２が真空環境に近づくか或いは真空環境にある場合等で周囲圧力と内ジンバルアッセンブリ１０４の内部が所定の圧力差にある場合、アッセンブリの内容物を周囲環境９８に選択的にベントするため、少なくとも一つのアッセンブリ開口部１４２が形成されている。ベントを制御するため、アッセンブリ開口部１４２と流体連通した少なくとも一つのバルブ１２０が内ジンバルアッセンブリ１０４に連結される。以下に詳細に説明するバルブ１２０は、ベントを受動的に制御するように形成されている。

図２を参照すると、この図にはバルブ１２０の例示の実施例が示してある。一般的には、バルブ１２０は、バルブハウジング１２２と、弁座１２４と、バルブエレメント１２６と、密封されたベローズ１２８とを含む。バルブハウジング１２２は、側壁１３０及び上壁１３２を有する。しかしながら、他の実施例では、バルブハウジング１２２の壁はこれよりも多くても少なくてもよいということは理解されよう。バルブハウジング１２２を取り囲む周囲環境９８にキャビティ１３６をベントするため、バルブハウジング１２２を通して少なくとも一つのベント穴１３８が形成されている。ベント穴１３８は、側壁１３０、上壁１３２、又はこれらの両方のうちの一つ又はそれ以上に形成されていてもよい。バルブハウジング１２２は、露呈される圧力変化及び温度変化に耐えることができる多くの材料のうちの任意の材料で形成されていてもよい。このような材料には、例えば、鉄／非鉄金属又はプラスチックが含まれる。

弁座１２４は、バルブハウジング１２２に連結され、ハウジング内にキャビティ１３６を形成する。例示の実施例では、弁座１２４はバルブハウジング１２２の壁である。弁座１２４は、バルブ開口部１４０及びシールエレメント１３４を含む。バルブ開口部１４０は弁座１２４を通して形成され、アッセンブリ開口部１４２と流体連通している。シールエレメント１３４は、バルブ開口部１４０と近接して連結される。この実施例では、シールエレメント１３４は弁座１２４の下面に連結されている。しかしながら、シールエレメント１３４は、バルブエレメント１２６が当たって着座し、これによって内ジンバルアッセンブリ１０４の内部環境を周囲環境９８からシールする接触面を提供するように、バルブ１２０の任意の場所に配置されていてもよい。シールエレメント１３４は、Ｏ−リング、ガスケット、グランド、又はテーパした弁座シール、又は任意の他の種類のシーリング機構等の多くの様々なシーリング形体のうちの任意の１つの形体を備えていてもよい。

バルブエレメント１２６は、一部がバルブハウジング１２２内に配置されており、閉鎖位置と開放位置との間で移動自在である。閉鎖位置では、バルブエレメント１２６は、弁座１２４及び／又はシールエレメント１３４と接触し、流体がバルブ開口部１４０を通って流れないようにする。逆に、開放位置では、バルブエレメント１２６は、弁座１２４及び／又はシールエレメント１３４と接触せず、バルブ開口部１４０を通して流体を流すことができる。図２に示すバルブエレメント１２６は、バルブシャフト１４６及び第１及び第２のプレート１４８ａ及び１４８ｂを含む。これらのプレートの各々は、バルブシャフト１４６のいずれかの端部に連結されている。バルブシャフト１４６は、バルブ開口部１４０内に摺動自在に配置されており、第１プレート１４８ａはキャビティ１３６内に配置されており、第２プレート１４８ｂはバルブハウジング１２２の外側にある。第２プレート１４８ｂは、弁座１２４と接触するように形成されている。当業者には理解されるように、バルブエレメント１２６は、バルブ開口部１４０を塞いだり開放したりできる、プランジャー形体を含むがこれに限定されない多くの他の形状のうちの任意の形状を備えていてもよい。

ベローズ１２８はバルブエレメント１２６に連結されており、密封された内部チャンバ１２９を含む。このチャンバは、例えば０ｐｓｉ乃至２０ｐｓｉの所定の大きさの圧力で加圧されている。かくして、ベローズ１２８は、ベローズの内部チャンバ１２９とバルブハウジングキャビティ１３６との間の圧力差に応じて膨らんだり萎んだりする。ベローズ１２８がバルブエレメント１２６に連結されているため、ベローズの膨張及び収縮により、バルブエレメント１２６が開放位置と閉鎖位置との夫々の間で移動する。例えば、図２の実施例では、ベローズの内部チャンバ１２９を減圧し、バルブ１２０を０ｐｓｉ以上の圧力に露呈すると、ベローズ１２８が収縮し、第２プレート１４８ｂが弁座１２４と接触して着座するまで、バルブシャフト１４６を上方に引っ張る。従って、バルブ１２０は閉鎖位置にある。ベローズ１２８が、宇宙にある場合のように実質的に０ｐｓｉの圧力に露呈された場合には、ベローズ１２８は自由に膨張し、第２プレート１４８ｂはシーリング機構１４２と接触せず、バルブ１２０は開放位置にある。

ベローズ１２８は、バルブエレメント１２６に連結されていることに加え、好ましくは、バルブハウジング１２２又はバルブ１２０の別の部分に連結され、ベローズ１２８の膨張及び収縮の基準点を提供する。図２に示す実施例では、ベローズ１２８はキャビティ１３６内に配置されており、多くの適当な大きさのうちの任意の大きさであり、ベローズ１２８はバルブハウジング１２８内に収容されている。幾つかの実施例では、一つ又はそれ以上のベローズ１２８は、バルブハウジング１２２よりも僅かに小さい大きさであってもよい。このような場合には、弁座１２４に対して十分な量の力及び／又はバルブ１２０を開放するための圧力を得るため、ベローズ１２８とハウジング１２２との間に一つ又はそれ以上のシム１４４を置く。別の例示の実施例では、ベローズ１２８はバルブハウジング１２２の外側に位置決めされる。

図２に示す実施例は、上文中に論じた発明の多くの実施形体のうちの任意の１つの形体の単なる例示に過ぎないということは理解されよう。例えば、図３、図４、及び図５は、様々な他の例示の実施例を示す図であり、これらの実施例の各々を以下に説明する。

先ず最初に図３を参照すると、バルブ１２０の別の例示の実施例が示してある。上述の実施例と同様に、ベローズ１２８はバルブハウジング１２２内に配置されており、バルブエレメント１２６に連結されている。しかしながら、バルブ１２０は、ここでは、幾つかの異なる特徴を備えている。例えば、バルブ１２０は、アッセンブリ開口部１４２と螺合した中間インターフェース１５０を備えている。この中間インターフェース１５０には、更に、バルブ開口部１４０と内ジンバルアッセンブリ１０４の内部との間を流体連通する貫通通路１５２が形成されている。

上述の実施例と同様に、バルブシャフト１４６がバルブ開口部１４０内に摺動自在に配置されている。しかしながら、バルブシャフト１４６の一端に連結されたバルブプレート１４８が一つしかないという点が異なっている。更に、バルブシャフト１４６は末広がりになっており、他端の直径が弁座開口部１４０よりも大きい。弁座１２４は、バルブハウジング１２２の底部に連結されており、シールエレメント１３４がバルブ開口部１４０内に配置されている。上述の実施例におけるのと同様に、ベローズ１２８とハウジング１２２の上壁１３２との間にシム１４４を置く。しかしながら、バルブ１２０はシム１４０なしで実施できる。ベローズ１２８の膨張時の長さを更に制御するため、バルブプレート１４８には、更に、ベローズストップ１５２が連結されていもよい。これは、キャビティ１３６をベントするために流体が弁座開口部１４０を通って自由に流れることができるように、バルブプレート１４８と弁座１２４との間に離間空間を提供するためである。

上述の実施例と同様に、ベローズの内部チャンバ１２９は、減圧されていてもよいし加圧されていてもよい。バルブ１２０にベローズの内部チャンバ１２９の圧力よりも大きな圧力が加わると、ベローズ１２８は収縮し、バルブシャフト１４６が弁座エレメント１２８と接触してこれに着座し、バルブ１２０を閉鎖するまで、バルブシャフト１４６を上に引っ張る。バルブ１２０がベローズの内部チャンバ１２９の圧力よりも低い圧力に露呈されると、ベローズ１２８は膨張し、シャフト１４６は弁座エレメント１２８と接触しなくなり、バルブ１２０が開放する。ベローズストップ１５２は、バルブプレート１４８と弁座１２４との間に開放経路を維持する。

図４は、バルブ１２０の別の例示の実施例を示す。上述の実施例と異なり、ベローズ１２８はバルブハウジング１２２の外側に配置される。バルブハウジング１２２は延長部１５８を有する。ベローズ１２８は、少なくとも一部が延長部１５８に取り付けられており、少なくとも一部がＬ形状アーム１６０に取り付けられている。アーム１６０は、以下に更に詳細に説明するように、ベローズ１２８の膨張及び収縮に応じてバルブエレメント１２６を開放位置と閉鎖位置との間で移動するように形成されている。

バルブエレメント１２６は、バルブシャフト１４６と、バルブプレート１４８とを含む。バルブシャフト１４６は、ハウジング１２２の上壁１３２に形成されたシャフト開口部１６４内に摺動自在に配置されており、端部がアーム１６０及びバルブプレート１４８のいずれかに連結されている。バルブプレート１４８は、シールエレメント１３４と近接してハウジングキャビティ１３６内に配置されており、アーム１６０及びバルブシャフト１４６の移動に応じて垂直方向に移動する。例示の実施例では、シールエレメント１３４は中間インターフェース１５０に連結されている。中間インターフェースは、アッセンブリ開口部１４２内に配置されており、開口部１４２の壁に螺着されている。中間インターフェース１５０は、バルブキャビティ１３６と内ジンバルアッセンブリ１０４の内部との間を流体連通する通路１５２を含む。

ベローズ１２８は、減圧され、又は加圧される。ベローズ１２８がベローズの内部チャンバ１２９の圧力よりも大きい圧力に露呈されたとき、ベローズ１２８は収縮し、アーム１６０を内方に引っ張り、これによって、レバー１６２がバルブエレメント１２６を弁座１２４に向かって押し、弁座開口部１４０と接触させる。圧力がベローズの内部チャンバ１２９の圧力よりもかなり低くなると、ベローズ１２８が膨張し、アーム１６０を外方に押す。この移動により、アームに取り付けられたレバー１６２によってバルブエレメント１２６を持ち上げて弁座１２６から離し、バルブ１２０を開放する。

更に別の例示の実施例を図５に示す。図３及び図４に示す実施例と同様に、バルブハウジング１２２は、側壁１３０と、上壁１３２を有する。弁座１２４はバルブハウジング１２２に連結され、キャビティ１３６を形成する。バルブエレメント１２６は、細長いバルブシャフト１４６と、このシャフト１４６の各端部に連結された第１及び第２のプレート１４８ａ、１４８ｂとを有する。第１及び第２のプレート１４８ａ、１４８ｂ間には、ベローズ１２８ａ、１２８ｂが位置決めされている。これらのベローズ１２８ａ、１２８ｂは、各々、少なくとも一部が上壁１３２及び第１プレート１４８ａに連結されている。この実施例には二つのベローズが示してあるけれども、これよりも少数の又は多数のベローズを使用してもよいということは理解されよう。第２プレート１４８ｂは、キャビティ１３６内に配置されている。弁座１２４の上面には、弁座開口部１４０と近接してシールエレメント１３４が連結されている。

この実施例では、ベローズ１２８ａ、１２８ｂは、減圧され、又は加圧され、バルブ１２０がベローズ１２８ａ、１２８ｂの内部圧力よりも大きい圧力に露呈されたとき、ベローズ１２８ａ、１２８ｂの両方が収縮し、第１プレート１４８ａを下に引っ張る。その結果、シャフト１４６がシャフト開口部１６４を通って下方に摺動し、第２プレート１４８ｂをシールエレメント１３４と接触させる。バルブ１２０がベローズ１２８ａ、１２８ｂの内部圧力よりも小さい圧力に露呈されたとき、ベローズ１２８ａ、１２８ｂが膨張し、第１プレート１４８ａ及びシャフト１４６を上に引っ張り、第２プレート１４８ｂを移動し、シールエレメント１３４から遠ざける。

少なくとも一つの例示の実施例を以上の本発明の詳細な説明に記載したが、これらの例示の実施例は単なる例であって、本発明の範囲、用途、又は形体を限定しようとするものではないということは理解されるべきである。というよりはむしろ、以上の詳細な説明は、本発明の例示の実施例を実施するための便利な方法を当業者に提供するものである。例示の実施例に記載したエレメントの機能及び構成に、特許請求の範囲に記載した本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更を加えてもよいということは理解されよう。

図１は、本発明による例示のコントロールモーメントジャイロの斜視図である。 図２は、図１に示すコントロールモーメントジャイロで使用する例示のバルブの概略図である。 図３は、図１に示すコントロールモーメントジャイロで使用する別の例示のバルブの概略図である。 図４は、図１に示すコントロールモーメントジャイロで使用する更に別の例示のバルブの概略図である。 図５は、図１に示すコントロールモーメントジャイロで使用する他の例示のバルブの概略図である。

符号の説明

９８ 周囲環境
１００ コントロールモーメントジャイロ
１０２ 宇宙船
１０４ 内ジンバルアッセンブリ
１０６ ジンバルシャフト
１０７ スリップリング
１０８ トルクモータアッセンブリ
１１０ スリップリングアッセンブリ
１１４ ジンバルモータ
１１６ ロータ
１１８ 回転モータ
１２０ バルブ
１４２ アッセンブリ開口部

Claims (10)

1. 内部を持つコントロールモーメントジャイロ（ＣＭＧ）ハウジングで使用するためのバルブ（１２０）において、
   前記ＣＭＧハウジングに連結するように形成された、キャビティ（１３６）を形成する内面と、外面と、前記内面と前記外面との間を延びる開口部とを含むバルブハウジング（１２２）と、
   少なくとも一部が前記バルブハウジングキャビティ（１３６）内に配置された、前記バルブハウジング開口部を通って流体が流れないようにする閉鎖位置と、前記バルブハウジング開口部を通して流体を流すことができる開放位置との間で移動自在のバルブエレメント（１２６）と、
   少なくとも一部が前記バルブハウジング（１２２）内に配置された、前記バルブエレメント（１２６）に連結されたベローズ（１２８）とを有し、前記ベローズ（１２８）は内部チャンバ（１２９）を有し、前記ベローズの前記内部チャンバ（１２９）と前記バルブハウジングキャビティ（１３６）との間の差圧に応じて前記バルブエレメント（１２６）を前記閉鎖位置と前記開放位置との間で選択的に移動するように形成されている、バルブ（１２０）。
2. 請求項１に記載のバルブ（１２０）において、更に、
   前記バルブハウジング（１２２）に連結された弁座（１２４）を備えている、バルブ（１２０）。
3. 請求項２に記載のバルブ（１２０）において、
   前記弁座（１２４）は、前記バルブハウジング開口部内に配置されている、バルブ（１２０）。
4. 請求項３に記載のバルブ（１２０）において、
   前記弁座（１２４）は、Ｏ−リングを含む、バルブ（１２０）。
5. 請求項２に記載のバルブ（１２０）において、
   前記弁座（１２４）は、前記バルブハウジング（１２２）に連結されており、前記バルブハウジング開口部内に配置されており、前記弁座（１２４）は、貫通したバルブ開口部（１４０）を有する、バルブ（１２０）。
6. 請求項５に記載のバルブにおいて、
   前記バルブエレメント（１２６）は、プレート（１４８）と、第１及び第２の端部を持つシャフト（１４６）を含み、前記プレート（１４８）は、前記シャフト（１４６）の第１端部と前記ベローズ（１２８）との間に連結され、前記シャフト（１４６）の前記第２端部は、少なくとも一部が前記バルブ開口部（１４０）内に摺動自在に配置されている、バルブ。
7. 請求項６に記載のバルブにおいて、
   前記シャフト（１４６）の前記第２端部の直径は、前記バルブ開口部（１４０）の直径よりも大きい、バルブ。
8. 請求項１に記載のバルブにおいて、
   前記バルブハウジング（１２２）は少なくとも一つの壁を有し、前記バルブ（１２０）は、更に、少なくとも一つの壁に形成された少なくとも一つのベント開口部（１３８）を備えている、バルブ。
9. 請求項１に記載のバルブにおいて、
   前記ベローズの前記内部チャンバ（１２９）は減圧されている、バルブ。
10. 請求項１に記載のバルブにおいて、
    前記バルブエレメント（１２６）は、第１プレート（１４８ａ）と、第２プレート（１４８ｂ）と、前記第１プレート（１４８ａ）と前記第２プレート（１４８ｂ）との間に連結されたシャフト（１４６）とを含み、前記第１プレート（１４８ａ）は前記ベローズ（１２８）に連結され、前記第２プレート（１４８ｂ）は前記キャビティ（１３６）内に配置されている、バルブ。

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