JP2017518467A - 低減された重量を有する改良された流れ制御装置 - Google Patents

Abstract

導管１内の気体の流量を調整するための装置であって、前記装置は、作動器３を有する弁部材２を具備し、前記弁部材２が選択的に前記導管１を遮断するように形成される装置において、前記弁部材２の動作が、第一に前記弁部材２の基端面２１に作用する前記弁部材２から上流側の前記導管１内の圧力の結果によって、第二に前記弁部材２の前記基端面２１より大きな面積の前記弁部材２の末端面２２へ与えられる制御圧力の結果によって制御され、前記制御圧力は、供給管４１及び排出管５１を有する増幅室３１において達成され、前記供給管及び排出管４１，５１の一方は一定の流量を与え、他方は制御手段５３によって制御される可変の流量を与えることを特徴とする装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、気体流量を調整するための装置の分野に関し、低推力ロケットエンジンにおいて特別の利用を見出す。

低推力低温ロケットエンジンは、特に、このようなエンジンにおいて使用されるような流量調整のための要素に関して、特に構成要素の寸法上の制約に関連する幾つかの問題を与える。

特に、エンジンの二次系統の多くは、多数の部品のために、エンジンを通過する流体の質量流量に依存する大きさ及びゆえに重量を与える。このような二次系統は、こうして、エンジンの最大推力の増大につれて相対的には減少する重量を与える。

これに対して、気体流量を調整するための装置のような他の二次系統は、大いに、使用される技術に関するインタフェース、機能要求、及び、制約のような他の因子にも依存する重量である。

より正確には、一般に使用される種類の電気制御気体流量調整装置にとって、幾つかの構成要素、
速度を減少させて発生する力を増幅するための要素を使用することによって最小化される寸法の電気モータであって、それでも、不可能となる限界の大きさと、効率損失がモータからの力を増大することによってももはや補うことができない実際的な限界が存在する電気モータと、
主に、例えば、遊星歯車列、遊星歯車装置、又は、変形部品を有する装置のような使用される技術に依存する大きさ及び重量の速度を減少させて発生力を増幅する要素と、
流量調整装置を通過する流量に影響されない大きさのセンサ、密閉要素、コネクタのような補助構成要素と、が流量調整の機能を実施可能とするために必要とされる。

ある特許文献には、例えば、弁部材の対向面に与えられる圧力を調整することによって制御されるロケットエンジンのための流量調整弁を提供する点が開示されています（例えば、特許文献１参照。）。それでも、この特許文献において提案された構造は、大きさに関して満足されず、さらに、弁の本体に設けられる多数の導管のために実施に関して問題がある。

こうして、気体流量調整装置の小型化は、この装置が、それを通過する流体流量の減少につれて大きさ及び重量を満足するように低減することができない問題がある。

米国特許第６２３３９１９号明細書

これらの様々な問題の少なくとも一部に対応するために、本発明は、導管内の気体の流量を調整するための装置を提案し、この装置は、作動器を有する弁部材を具備し、弁部材は、選択的に導管を遮断するように形成され、本装置は、弁部材の動作が、第一に弁部材の基端面に作用する弁部材から上流側の導管内の圧力の結果によって、第二に弁部材の基端面より大きな面積の弁部材の末端面へ与えられる制御圧力の結果によって制御され、前記制御圧力は、供給管及び排出管を有する増幅室において達成され、前記供給管及び排出管の一方は一定の流量を与え、他方は制御手段によって制御される可変の流量を与えることが特徴とされる。

特定の実施形態において、増幅室は、弁部材の基端面へ接続された一端部と、不動のもう一つの端部とを有する蛇腹部材によって形成される。

導管は、一般的に、整列されない上流部分及び下流部分を有し、弁部材は、弁部材の基端面が導管の上流部分の内側断面に一致するように、上流部分に整列されて摺動可能に取り付けられる。

特定の実施形態において、制御手段は、以下の作動器、圧電セラミック作動器と、機械的増幅を伴う圧電式作動器と、磁歪作用作動器と、与えられる外部的な電場又は磁場による変形制御の磁性形状記憶合金を使用する作動器とから選択される。

特定の実施形態において、増幅室は、弁部材から上流側の導管から取り出された気体で満たされる。
本発明の他の特徴、目的、及び、利点は、単なる例示で非限定の以下の記述から明らかになり、この記述は添付図１を参照して読まれる方が良い。

本発明の態様における調整装置を示す図である。

図１は、本発明の態様における調整装置の図である。この図は、気体、例えば、低温気体の流れを通過させるための導管１を示す。

図１は、導管１の一部分を示し、参照番号１１は、この一部分内への気体の進入路を特定し、参照番号１２は、この一部分からの気体の排出路を特定する。こうして、気体は、進入路１１から排出路１２へ流れる。

弁部材２は、可変量の気体が進入路１１から排出路１２へ通過するのを遮断し、又は、許容することを選択的に行うように、導管１内において位置決めされる。

弁部材２の位置の関数としての流量変化（又は開口流れ断面積）に対する関係は、弁部材２回りに固定スリーブを挿入することによって適合させられることができ、このスリーブは、所望の関係に適合させられ、弁部材２の動作によって次第に覆われなくなる形状の穴によって貫通される。

弁部材２は、制御装置３によって制御される。図示された実施形態において、弁部材２は、弁部材が導管１を完全に遮断する閉鎖境界位置と、導管１内の流量がその最大値となる開放境界位置との間を滑り移動するように取り付けられる。

制御装置３は、圧力に応じて弁部材２を動かす。

弁部材２の圧力制御は、弁部材の二つの対向面、弁部材２の基端面２１及び弁部材２の末端面２２へ与えられる圧力の結果である。

弁部材２の基端面２１は、弁部材２から上流側の気体によって発生される圧力を受ける弁部材の面である。弁部材２が導管１を遮断するときには、この圧力は、任意の損失水頭を無視して進入路１１内の圧力である。弁部材２の末端面２２は、基端面２１から離間する弁部材２の面である。

制御装置３は、有する壁の一つが弁部材２の末端面によって形成される可変容積の増幅室３１を具備する。こうして、増幅室３１の容積は、弁部材２の移動量に比例する。

図示された実施形態において、導管１は、曲り形状であり、こうして、実質的に垂直な上流部分１３と下流部分１４とを有する。この例において、弁部材２は、上流部分１３の軸線に沿って摺動するように取り付けられ、弁部材が上流部分１３内に挿入されるときに弁部材２が上流部分を閉鎖するように、上流部分１３の内側断面と同一の断面である。弁部材２の末端面２２に作用する圧力は、弁部材が摺動することを引き起こすことによって上流部分１３から弁部材を押し出すのに役立ち、それにより、導管１内において気体が流れることを可能とする。

図示されたように、増幅室３１は、不動端部壁３３と、弁部材２の末端面２２へ固定された可動基端部分３２と、増幅室３１の容積を変更するように、基端面３２が端部壁３３に関して移動することを可能とする可動側壁３４及び３５と、によって区画形成される。

図示された実施形態において、側壁３４及び３５は、周囲媒体から増幅室３１を隔離するように働く蛇腹式構造、例えば、蛇腹部材を有し、それにより、増幅室３１の容積が変化することを可能とする。この構造は、さらに、それが自身の平衡長に関してどのくらい延伸されるかの関数として、それ自身の機械的剛性を有し、それにより、弁部材２上の力の釣合いに寄与して、その構造によって区画形成される空洞内の異なる圧力を確保する弁部材２のストロークに沿う各点での位置決めを可能する。

増幅室３１は、それぞれ、気体を増幅室３１内へ供給し、増幅室から排出するように働く、供給管４１及び排出管５１へ接続される。増幅室３１内の気体は、導管１内を流れる気体と同じであっても良く、又は、異なる気体であっても良く、又は、それどころか、液体であっても良い。増幅室３１内に気体が導管１内を流れる気体と同じであるときに、供給管３１及び排出管５１は、一般的に、弁部材２から上流側の気体を取り出すように導管１へ接続される。

供給管４１は、増幅室３１内へ流入する気体の流量を調整するための供給調整器４２を含有し、排出管５１は、増幅室３１から流出する気体の流量を調節する排出調整器５２を含有する。

供給調整器４２及び排出調整器５２の一方だけが、一定の流量を提供し、同時に、他方は、制御装置の制御下で可変の流量を提供することができる調整器である。

流量は、一般的に、供給調整器４２又は排出調整器５２を通る流れ断面積を変化させることによって変化させられる。

図１に示された実施形態において、排出調整器５２は、可変流量を提供する調整器であり、特に、制御手段４３によって制御される可変流量減少器であり、一方、供給調整器４２は、一定流量を提供し、この例において、絞り器である。以下の記述は、図１に示されたようなこの構成に関する。逆の構成も可能であり、この構成において、供給調整器４２は、可変流量を提供し、制御装置によって制御され、一方、排出供給器５２は、一定流量調整器である。

その結果として、増幅室３１内の圧力は、排出調整器５２を制御する制御手段５３によって直接的に制御される。こうして、この単一の制御手段５３は、増幅室３１内の圧力を制御するように、従って、弁部材２の動作を制御するように働く。

前述されたように、弁部材２の圧力制御は、弁部材の二つの対向面、弁部材２の基端面２１及び弁部材２の末端面２２へ与えられる圧力の結果である。増幅室３１の基端部分３２が弁部材２の基端面２１の面積より大きな面積を有するように形成されると共に、弁部材の末端面２２は、増幅室３１の基端部分３２へ固定される。こうして、弁部材２の基端面２１及び増幅室３１の基端部分３２へ同一の圧力を与えることによって、増幅室３１の基端部分３２のより大きな面積は、弁部材２の基端面２１へ与えられる圧力から結果としてもたらされる力より大きな結果的な力を提供する。

こうして、増幅室３１は、ピストン２を制御するための制御圧力を増幅し、ピストン２を制御するために必要な圧力は低減される。

こうして、ピストン２の動作、及び、ゆえに導管１内の流量の制御は、増幅室３１の増幅機能のために小さくすることができる寸法の単一の制御手段５３を使用して達成されることができる。

弁部材２は、弁部材２上に作用する力の釣合いによって位置決められ、これらの力は、弁部材２から上流側の圧力及び前述されたような増幅室３１内の圧力の両方からの、及び、さらに、たとえあるとしても、増幅室３１を隔離する構造の壁３４及び３５の機械的剛性からの結果として得られる。

本質的に、制御手段５３も、導管１内を流れる気体に晒されず、それにより、導管１内の低温気体の流れに関連する制約によっても少なくともある程度は影響されないことを可能とする。

例として、制御手段５３は、圧電セラミック作動器、機械的増幅を伴う圧電式作動器、磁歪作用作動器、又は、与えられる外部磁場の制御下で変形させられることができる磁性形状記憶合金を使用する作動器である。

増幅室３１なしに、このような作動器は、作動器が可能とする動作及び作動装置が生じさせることができる力が不十分であるために、弁部材２の動作を制御するのに直接的に使用することができない。

導管１内を流れる流体は、一般的に、気体、又は、気体例えば低温推進剤を含む二相流体である。

こうして、述べられた装置は、特に、低推力低温エンジンを設計するときに、達成される重量及び大きさを十分に抑制することを可能とする。特に、提案された装置は、導管１を通過する気体の流量と作動器５３の寸法との関連を失わせることを可能とし、それにより、気体流量が少ないときに重量の大幅な抑制を達成することを可能とする。

さらに、提案された構造は、伝達又は動作変換機構の使用を必要とせず、こうして、設計に関して有利である。さらに、圧力の釣合いによる提案された制御は、高速の装置を得ることを可能とする。

Claims (5)

1. 導管（１）内の気体の流量を調整するための装置であって、前記装置は、作動器（３）を有する弁部材（２）を具備し、前記弁部材（２）が選択的に前記導管（１）を遮断するように形成される装置において、前記弁部材（２）の動作が、第一に前記弁部材（２）の基端面（２１）に作用する前記弁部材（２）から上流側の前記導管（１）内の圧力の結果によって、第二に前記弁部材（２）の前記基端面（２１）より大きな面積の前記弁部材（２）の末端面（２２）へ与えられる制御圧力の結果によって制御され、前記制御圧力は、供給管（４１）及び排出管（５１）を有する増幅室（３１）において達成され、前記供給管及び排出管（４１，５１）の一方は一定の流量を与え、他方は制御手段（５３）によって制御される可変の流量を与えることを特徴とする装置。
2. 前記増幅室（３１）は、前記弁部材（２）の前記基端面（２１）へ接続された一端部（３２）と、不動のもう一つの端部（３３）とを有する蛇腹部材によって形成される請求項１に記載の装置。
3. 前記導管（１）は、整列されない上流部分（１３）及び下流部分（１４）を有し、前記弁部材（２）は、前記弁部材（２）の前記基端面（２１）が前記導管（１）の前記上流部分（１３）の内側断面に一致するように、前記上流部分（１３）に整列されて摺動可能に取り付けられる請求項１又は２に記載の装置。
4. 前記制御手段（５３）は、圧電セラミック作動器と、機械的増幅を伴う圧電式作動器と、磁歪作用作動器と、与えられる外部的な電場又は磁場による変形制御の磁性形状記憶合金を使用する作動器とから選択される請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置。
5. 前記増幅室（１）は、前記弁部材（２）から上流側の前記導管（１）から取り出された気体で満たされる請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置。

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