JP2016524101A - 高圧用途用デュアルベローズセパレータ - Google Patents

Abstract

デュアルベローズを使用する高圧セパレータ／アキュムレータが提供される。デュアルベローズは、機械的にはリンクされていないが、流体媒体を介して動作的に結合されている。高圧セパレータは、第１の内部空間を画定するハウジングを含む。ハウジングは、第１の流体システム及び第２の流体システムと流体連通している。セパレータの内部に第１のベローズが結合されており、第１のベローズは、体積が変化する空間を画定する。この空間は、第１の流体システムと流体連通している。セパレータの内部に第２のベローズが結合されており、第２のベローズは、第１のベローズと略対向しており、体積が変化する空間を画定する。この空間は、第２の流体システムと流体連通している。しかしながら、これら２つの流体システムは、セパレータによって互いに対して隔離されている。ハウジングには、第１のベローズと第２のベローズとの間で力を伝達する流体媒体が充填される。

Description

本発明は、高圧用途用デュアルベローズセパレータに関する。

流体システムは、多くの産業市場において、いたるところで見られる。これらのシステムは、圧力及び／又は温度が変化することが多い。流体システムの拡張及び収縮を相殺することに有用な装置の１つとして、金属ベローズアキュムレーがある。金属ベローズアキュムレータは、システムの圧力、特に、温度が変化するシステムにおいて圧力を維持する為の流体の出入りを可能にする。例えば、一定圧力において温度が上昇すると、ほとんどの流体は密度が減少して、体積の拡張が引き起こされる。これは一般にボイルの法則として知られている。一定圧力において温度が下降すると、ほとんどの流体は密度が増加して、体積の縮小が引き起こされる。ベローズアキュムレータは、閉じた流体システムにおいて温度変化が発生した場合に、全てのシステムにおいて拡張及び収縮を引き起こす。

図１Ａ及び図１Ｂに、先行技術のアキュムレータ１００の断面図を示す。図１Ａでは、アキュムレータ１００は拡張状態１０２で示されている。この構造のアキュムレータ１００は、第１の空間１０６を画定するハウジング１０４又は外殻と、第２の空間１１０を画定する、端部プレート１０９を有するベローズ１０８と、を有する。第１の空間１０６は、所望の圧力及び温度下にある。第１の空間１０６は、第１の流体ポート１１２と流体連通してよく、第１の流体ポート１１２は、第１の空間１０６の圧力及び／又は温度を調整する。ベローズ１０８は、例えば、個別に形成された複数のダイヤフラム１１４が溶接部１１６に沿って互いに溶接されている溶接ベローズであってよく、或いは、円筒状管がベローズに冷間成形された成形ベローズであってよい。第１の空間１０６が大気圧及び大気温度で維持されている状況では、ハウジング１０４は不要であってよい。第２の空間１１０は、第２の流体ポート１１８を通じてシステムと流体連通している。第２の空間１１０は、流体（気体又は液体）でほぼ満たされている。図示されている拡張状態では、第２の空間１１０の圧力は、第１の空間１０６の圧力より大きく、これによってベローズ１０８の拡張が引き起こされている。第１の流体ポート１１２又は第２の流体ポート１１８のいずれかが、流体システム又は調整済み圧力源と流体連通してよいことが理解されよう。

図１Ｂでは、アキュムレータ１００は圧縮された状態１２０で示されている。この状態では、ベローズ１０８は圧縮され、これによって第２の空間１１０の体積が減少し、第１の空間１０６の体積が増加し、このことは、第１の空間１０６が上述の圧力調整システムと連通していない場合には、第１の空間１０６の圧力が低下するように作用する可能性がある。

第１及び第２の空間１０６、１１０内の圧力が変化すると、ベローズ１０８は、より拡張された状態から、より圧縮された状態に動く。圧縮状態１２０と完全拡張状態１０２とで圧力差は最大になる。

ベローズ１０８は、圧縮状態１２０における非常に高い圧力差に耐えることが可能であり、これは、積み重ねられたベローズが接触を通じて互いに支持し合い、ゆがみの量を制限する為である。一方、拡張状態のベローズ１０８は壊れやすい。特に、ベローズの薄い金属と溶接部によって、完全拡張状態でベローズ１０８が耐えうる最大差圧が制限される。これは、個々のダイヤフラム１１４が隣接するダイヤフラムを有効に支持しない為である。

しかしながら、ベローズが耐えうる最大差圧にもかかわらず、高圧ベローズセパレータが望ましい。従って、業界においては、拡張状態で大きな差圧に耐えられる高圧ベローズセパレータが必要とされている。従って、上記の背景技術に対して改良がなされた高圧ベローズセパレータが望ましい。

本発明は、背景技術の課題を解決するためのものである。

この「発明の概要」では、後で「発明を実施するための形態」において詳述される概念のうちの幾つかを簡単に紹介する。この「発明の概要」、並びに上述の「背景技術」は、本特許請求対象の重要な態様又は不可欠な態様を明らかにすることを意図したものではない。更に、この「発明の概要」は、本特許請求対象の範囲を特定することの助けとして用いられることを意図したものではない。

本明細書に記載の技術は、特に、デュアルベローズを使用する高圧セパレータ／アキュムレータを提供する。デュアルベローズは、機械的にはリンクされていないが、流体媒体を介して動作的に結合されている。具体的には、高圧セパレータは、特定の態様では、第１の内部空間を画定するハウジングを有する。ハウジングは、第１の流体システム及び第２の流体システムと流体連通している。セパレータの内部に第１のベローズが結合されており、第１のベローズは、体積が変化する空間を画定する。この空間は、第１の流体システムと流体連通している。セパレータの内部に第２のベローズが結合されており、第２のベローズは、第１のベローズと略対向しており、体積が変化する空間を画定する。この空間は、第２の流体システムと流体連通している。しかしながら、これら２つの流体システムは、セパレータによって互いに対して隔離されている。ハウジングには、第１のベローズと第２のベローズとの間で力を伝達する流体媒体が充填される。

「発明を実施するための形態」及び以下の図面を精査することにより、本発明のシステム及び方法の上記の態様及び他の態様が明らかになるであろう。

好ましい実施形態を含む、本発明の非限定的且つ非網羅的な実施形態を、以下の図面を参照しながら説明する。特に断らない限り、各図面を通して類似の参照符号は類似の要素を表す。

先行技術による金属ベローズアキュムレータの拡張状態における断面図である。 図１Ａの金属ベローズアキュムレータの圧縮状態における断面図である。 本出願の技術によるデュアル金属ベローズアキュムレータの部分断面図である。 図２のデュアル金属ベローズアキュムレータの部分断面図である。 図２のデュアル金属ベローズアキュムレータの部分断面図である。

以下では、本出願の技術を、添付図面を参照しながら、より詳細に説明する。添付図面は、本明細書の一部を成し、特定の例示的実施形態を例として図示する。これらの実施形態は、当業者であれば本出願の技術を実施することが可能になるように、十分詳細に開示されている。しかしながら、実施形態は、多様な形態で実施されてよく、本明細書に記載の実施形態に限定されるものとして解釈されるべきではない。従って、以下の詳細説明は、限定的な意味に取られるべきではない。

本出願の技術は、差圧が高いことにより従来型のベローズを使用できない可能性がある流体システムにおいて使用可能なデュアルベローズセパレータを具体的に参照して説明される。しかしながら、本出願の技術は、ベローズが完全拡張状態の場合に圧力差要求を減らすとベローズの摩耗及び疲労が減って、寿命が延び、保守作業が減る可能性があるようなセパレータ用途であれば有用であると考えられる。更に、本出願の技術は、例示的実施形態に関して説明される。「例示的」という語は、本明細書では「例、事例、又は実例としての役割を果たす」という意味で用いられる。本明細書において「例示的」として記載される実施形態はいずれも、他の実施形態より好ましいか有利であるとは必ずしも解釈されるべきではない。更に、特に断らない限り、本明細書に記載の全ての実施形態は例示的であると見なされるべきである。

ここで図２、図３を参照すると、アキュムレータ２００の部分断面図が示されている。この断面は、アキュムレータの中心線２０１に沿っており、便宜上、アキュムレータ２００の断面の半分だけが示されている。アキュムレータ２００はハウジング２０２を有し、ハウジング２０２には、システム側側部２０４と圧力制御側側部２０６とがある。アキュムレータ２００は、システム側側部２０４に第１のポート２０８を有し、第１のポート２０８によってアキュムレータ２００は流体システムと流体連通する。流体システムは便宜上図示されていないが、当該技術分野では一般に知られている。アキュムレータ２００は、圧力制御側側部２０６に第２のポート２１０を有し、第２のポート２１０は調整済み圧力源と流体連通してよい。アキュムレータの第１及び第２の流体ポートは、最初は蓋がされているか封止されていてよい。例えば、アキュムレータ２００が流体を流体システムに注入するように設計されていた場合、第１及び第２のポートは、（具体的には図示されていないが）破裂板などで封止されてよい。これにより、アキュムレータ２００に流体を充填してシステム内に設置することが可能になり、流体ポートの一方に駆動力をかけることが可能になる。

アキュムレータ２００は、第１のベローズ２１２及び第２のベローズ２１４を有する。この例示的実施形態では、ベローズ２１２、２１４は、ステンレス鋼、ニッケル合金、チタン、チタン合金などから造られたエッジ溶接金属ベローズで構成されてよい。第１のベローズ２１２は、第１の近位端２１６及び第１の遠位端２１８を有する。第１の近位端は、アキュムレータ２００のシステム側側部２０４でハウジング２０２と結合されている。第１の遠位端はプレート２２０において終端されており、プレート２２０はピストンと称されてよい。第１のベローズ２１２は、第１のポート２０８及び流体システムと流体連通する第１の空間２２２を画定しており、これによって、第１の空間２２２は流体システムとほぼ同じ圧力になり、この圧力は図ではＰ２として示されている。第２のベローズ２１４は、第２の近位端２２４及び第２の遠位端２２６を有する。第２の近位端２２４は、アキュムレータ２００の圧力制御側側部２０６でハウジング２０２と結合されている。第２の遠位端２２６はプレート２２８において終端されており、プレート２２８もピストンと称されてよい。第２のベローズ２１４は、第２のポート２１０及び調整済み圧力源と流体連通する第２の空間２３０を画定しており、これによって、第２の空間２３０は調整済み圧力源とほぼ同じ圧力になり、この圧力は図ではＰ２として示されている。

アキュムレータ２００のハウジング２０２は、ハウジング内部であって第１及び第２のベローズ２１２、２１４の外側に第３の空間２３２を画定する。第３の空間２３２には流体Ｆが所定の圧力まで充填され、この圧力は図ではＰ３として示されている。流体Ｆは低熱膨張液体であってよく、例えば、シリコーンジェル、油圧油などであってよい。

図２を具体的に参照すると、アキュムレータ２００は平衡状態２１２で示されている。言い換えると、圧力制御側と流体システム側の圧力がほぼ等しく、即ち、Ｐ１≒Ｐ２≒Ｐ３である。平衡状態又は略平衡状態では、ベローズ２１２、２１４は、Ｌ１、Ｌ２で示されるそれぞれの自由長まで拡張する。プレート２２０、２２０は、流体Ｆ及び距離Ｌ３によって隔てられており、距離Ｌ３は、効率の為に最小化されてよい。なお、第１のベローズ２１２と第２のベローズ２１４は、流体Ｆによって作用的に結合されているが、機械的にはリンクされていない。自由長Ｌ１及びＬ２は、主に、それらが均衡したときのばね定数に関係する。

次に図３を参照すると、Ｐ１＜Ｐ２の状態のアキュムレータ２００が示されている。この場合、図に見られるように、第１のベローズ２１２は拡張して、Ｌ２’＞Ｌ２となる。これに対応して、第２のベローズ２１４は収縮して、Ｌ１’＜Ｌ１となる。なお、プレート２２０とプレート２２８の間の距離Ｌ３は、ほぼ同じままのはずである。この構造では、流体システムと調整済み圧力源との間の圧力差が非常に大きくなってもよく、それは、収縮した第２のベローズ２１４が空間２３０と空間２３２との間の高い差圧に耐えうる為である。第２のベローズ２１４が高い差圧にさらされているであろう間、第１のベローズ２１２は、拡張状態で同様に高い差圧にさらされないように、圧力が比較的一定のままであり、即ち、圧力Ｐ２≒Ｐ３である。

次に図４を参照すると、Ｐ２＜Ｐ１の状態のアキュムレータ２００が示されている。この場合、図に見られるように、第１のベローズ２１２は収縮して、Ｌ２”＜Ｌ２となる。これに対応して、第２のベローズ２１４は拡張して、Ｌ１”＞Ｌ１となる。上述の場合と同様に、プレート２２０とプレート２２８の間の距離Ｌ３は、ほぼ同じままのはずである。この構造では、流体システムと調整済み圧力源との間の圧力差が非常に大きくなってもよく、それは、収縮した第１のベローズ２１２が空間２２２と空間２３２との間の高い差圧に耐えうる為である。第１のベローズ２１２が高い差圧にさらされているであろう間、第２のベローズ２１４は、拡張状態で同様に高い差圧にさらされないように、圧力が比較的一定のままであり、即ち、圧力Ｐ１≒Ｐ３である。

アキュムレータ２００は、流体システムの圧力が高く、調整済み圧力源の圧力が低いシステム、又は流体システムの圧力が低く、調整済み圧力源の圧力が高いシステムのいずれにも対応可能である。そのような流体システムとして、有害な流体が必要とされる用途のものがあってよい。

一例示的用途では、アキュムレータ２００は、衛星への給油に役立つ可能性がある。一般に、ロケット燃料などの流体をアキュムレータなどの貯蔵装置から衛星のタンクに移す為には、駆動力が必要である。ほとんどの用途では、駆動力はポンプである。しかしながら、ほとんどのポンプはエラストマ封止材を使用する。これに対し、ロケット燃料は一般に、ほとんどのエラストマと適合せず、エラストマを使用すると、ほとんどのポンプは要求を満たさなくなる。アキュムレータ２００は、この問題を解決する為に、ポンプ吐出と流体連通する可能性のある調整済み圧力源と、タンクと流体連通する可能性のある流体システムとを分離する。例えば、給油操作を容易にする為に、アキュムレータ２００は、第１又は第２の空間２２２、２３０に燃料を充填してよい。金属ベローズは、燃料を収容し、その燃料をポンプから隔離する。アキュムレータ２００は、他の用途ももちろん可能であり、例えば、パイプライン、油井、及び油井やぐらを有するような炭化水素流体流体システムで使用されることも可能である。

特定の構造及び材料に固有の言い回しで技術を記載してきたが、当然のことながら、添付の特許請求の範囲で定義される本発明は、記載された特定の構造及び材料に必ずしも限定されるものではない。むしろ、それらの特定の態様は、特許請求される本発明を実施する形態として記述されたものである。本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく本発明の多様な実施形態を実施することが可能である為、本発明は、この後に添付されている特許請求の範囲に属するものである。特に断らない限り、本明細書（の特許請求の範囲以外）で使用されている全ての数値又は数式、例えば、寸法、物理特性等を表す数値又は数式は、「略（ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ）」という語によって、あらゆる事例において修正されるものと理解されたい。少なくとも、且つ、特許請求の範囲に対する均等論の適用を限定する試みとしてではなく、「略（ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ）」という語によって修正された各数値パラメータは、少なくとも、記載された有効桁数を踏まえて、且つ、通常の丸め技法を適用することによって解釈されるべきである。更に、本明細書で開示されている全ての範囲は、あらゆる副範囲又はあらゆる副範囲に帰属するあらゆる個別の値を包含するか、これらを記載する特許請求の範囲に対する裏付けを与えるものと理解されたい。例えば、述べられた範囲が１から１０であれば、これは、最小値１と最大値１０の間であり、且つ／又は、最小値１及び最大値１０を含むあらゆる副範囲又は個別の値、即ち、１以上の最小値から始まり１０以下の最大値で終わる全ての副範囲（例えば、５．５から１０、２．３４から３．５６など）、又は１から１０までの任意の値（例えば、３、５．８、９．９９９４など）を包含し、且つ、これらを記載する特許請求の範囲に対する裏付けを与えるものと見なされるべきである。

Claims (11)

1. 第１の側部と、前記第１の側部と対向する第２の側部と、を含む第１の内部空間を画定するハウジングであって、第１の流体システムと流体連通するように構成された第１のポートと、第２の流体システムと流体連通するように構成された第２のポートと、を備える前記ハウジングと、
   前記第１の内部空間内にあって第２の内部空間を画定し、前記ハウジングの前記第１の側部と結合されている第１のベローズであって、前記第２の内部空間は、前記第１のポートと流体連通しており、前記第１の内部空間と流体連通してない、前記第１のベローズと、
   前記第１の内部空間内にあって第３の内部空間を画定し、前記ハウジングの前記第２の側部と結合されている第２のベローズであって、前記第３の内部空間は、前記第２のポートと流体連通しており、前記第１の内部空間と流体連通しておらず、前記第２のベローズは動作可能であって前記第１のベローズと機械的には結合していない、前記第２のベローズと、
   前記第１の内部空間内に所定の圧力まで充填された流体媒体であって、前記流体媒体は前記第１のベローズと前記第２のベローズとを機械的に分離しており、前記流体媒体は前記第１のベローズと前記第２のベローズとの間で力を伝達する、前記流体媒体と、
   を備える装置。
2. 前記流体媒体はシリコーンジェルである、請求項１に記載の装置。
3. 前記流体媒体は油圧油である、請求項１に記載の装置。
4. 前記第１のベローズは金属ベローズである、請求項１に記載の装置。
5. 前記第２のベローズは金属ベローズである、請求項４に記載の装置。
6. 前記第１のベローズ及び前記第２のベローズは同一材料から成形される、請求項５に記載の装置。
7. 前記第１のベローズはエッジ溶接金属ベローズである、請求項１に記載の装置。
8. 前記第２のベローズはエッジ溶接金属ベローズである、請求項７に記載の装置。
9. 前記第１のベローズの第１の遠位端に第１のプレートが溶接されている、請求項７に記載の装置。
10. 前記第１のベローズの第１の遠位端に第１のプレートが溶接されていて、前記第２のベローズの第２の遠位端に第２のプレートが溶接されている、請求項８に記載の装置。
11. 流体システムに流体を注入する方法であって、
    アキュムレータを設けるステップであって、前記アキュムレータは、第１の流体システムと流体連通するように構成された第１のポートと、第２の流体システムと流体連通するように構成された第２のポートと、を有するハウジングと、前記ハウジングの内部にあって前記第１のポートと流体連通している第１のベローズと、前記ハウジングの内部にあって前記第２のポートと流体連通しており、前記第１のベローズと機械的には結合していない第２のベローズと、前記ハウジングの内部にあって前記第１のベローズと前記第２のベローズとの間で力を伝達する流体媒体と、を備える、前記アキュムレータを設ける前記ステップと、
    前記第１のポートを前記第１の流体システムと流体連通させるステップと、
    前記第２のポートを前記第２の流体システムと流体連通させるステップと、を含み、前記第２の流体システムは、
    前記第１又は第２のベローズの少なくとも一方を拡張させて、前記流体媒体の端から端まで力が伝達されるようにし、
    前記第１又は第２のベローズの他方を収縮させ、前記第１又は第２の流体システムの少なくとも一方に流体が注入される、
    方法。
    

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