JP4286219B2 - ガス圧を制御するためのバタフライ弁 - Google Patents

Description

本発明は、ガス圧を制御するバタフライ弁に関し、より詳しくは、航空機のキャビンの内部におけるガス圧を制御するためのバタフライ弁に関する。

バタフライ弁は通常、液体又はガス流体の流量を制御するために使用される。従来のバタフライ弁は、シャフトによって決まる回転軸線の回りを回転するように弁ハウジング内に配置されたクロージャー部材を有する。通常、クロージャー部材は、流体が弁ハウジングを流れることを許容する開位置と、流体が弁ハウジングを流れることを妨げる閉位置との間でシャフトによって回転させられる円板からなる。シャフトは通常、電動モーターのような外部アクチュエーターからのトルクによって駆動される。
特に航空機産業において、バタフライ弁は、ＵＳ−Ａ−５８８１９９５に記載されているように、航空機のキャビン内の空気圧を制御するために使用される。キャビン内を循環する空気の流量、そして、その結果としてのキャビン内の空気圧は、クロージャー部材の開位置に影響される。空気は圧縮可能な流体であるので、空気圧を制御するバタフライ弁は、振動、摩耗及びノイズから悪影響を受ける。例えば、高圧又は高速の空気の流量は、開位置の広い範囲にわたって空力的な絞りを発生し、その結果、クロージャー部材の不利な張力状態を生ずる。この張力状態はクロージャー部材に亀裂のようなダメージを発生させるおそれがある。亀裂が広がれば、クロージャー部材が破損し、弁ハウジングの断面積の解放によって急激で危険な圧力のロスが発生するおそれがある。

本発明の目的は、たとえクロージャー部材の破損が発生しても弁ハウジングの制限された断面積が確保されるバタフライ弁を提供することである。
上記の目的は本発明によれば、バタフライ弁が請求項１の特徴を有することによって達成される。したがって、本発明のバタフライ弁は、長手軸線を有し長手軸線に沿うガスの流路を形成する弁ハウジングと、回転軸線を有するシャフトと、シャフトに接続されたクロージャー部材とを備えている。クロージャー部材は、ガスが弁ハウジングを流れることを許容する開位置とガスが弁ハウジングを流れることを妨げる閉位置との間で回転軸線の回りに回転するように弁ハウジング内に枢支されている。更に、クロージャー部材は、第１円板と相補的な第２円板とからなり、これらが互いに接触している。第１円板及び第２円板は、回転軸線に対して所定の傾斜角で延びる対称軸線に対して対称に配置されている。

本発明の好ましい実施形態によれば、第１円板及び第２円板は、それぞれ第１表面、第１表面と反対側で第１表面より軸方向に長い第２表面、第１表面と第２表面との間の第１厚みを有する先端部、及び第１表面と第２表面との間の第２厚みを有する基端部を備え、第１厚みは第２厚みより大きい。こうして、第１円板及び第２円板は略楔形の設計であり、これによって、第１円板及び第２円板が弁ハウジングの長手軸線の方向に重なっても全体の厚みが比較的薄いクロージャー部材が確保される。それゆえ、バタフライ弁のコンパクトな設計を達成することができる。

好ましくは、第１円板及び第２円板がそれぞれ少なくとも１つの接触面を備え、その接触面はそれぞれの他方の円板の対応する接触面に接触している。接触面によって、第１円板及び第２円板の正確に対称的な配置が確保されている。
更に本発明の好ましい実施形態によれば、接触面が基端部から先端部に向かって延び、第１表面の対称軸線方向長さの約１０％から約９０％、好ましくは約５０％の長さを有している。第１円板及び第２円板が接触面に沿って重なっているので、接触面のこのような構成により、１つの円板が破損した場合に、それでも他方の円板が弁ハウジングの流路面積の５０％から９０％を占め、これによって航空機のキャビンにおける有害な圧力のロスを確実に防ぐ事ができる。これに関連して、接触面が第１表面の約半分を占める場合に非常に有利であることが分かっている。この場合に、それぞれの円板は、それぞれの他方の円板が破損した場合に、弁ハウジングの断面積の２／３を十分に閉じる。その上、この場合に第１円板及び第２円板が重なっていることは、一方でクロージャー部材を十分に確実に固定できるものとしながら、他方で無事な円板の機能に影響を与えずに破損した円板を安全に除くことを可能にする。

本発明の別の好ましい実施形態によれば、接触面は、対称軸線に平行に延びる主要部と、主要部の上端部から第１表面へ第１角度で延びる第１補助部とを備えている。第１補助部によって、接触面の延長が可能になる。補助部が主要部に対して第１角度で延びているので、第１円板と第２円板との間に効果的なポジティブ・ロッキングが生ずる。
第１円板と第２円板との間のポジティブ・ロッキングは、接触面が更に主要部の下端部から第２表面へ第２角度で延びる第２補助部を備えることによってさらに高められる。第１円板と第２円板とが対称に構成されているので、クロージャー部材の取付状態において第１角度と第２角度は同程度の角度であるが方向が逆になっている。好ましくは、主要部と第１補助部との間の第１角度、及び、主要部と第２補助部との間の第２角度が共に約９０°より小さく、これによって接触面に略Ｚ字状の輪郭が付与され、確実なポジティブ・ロッキングが確保される。

更に、本発明の好ましい実施形態によれば、主要部が垂直軸に沿って延びている。このように、対称軸線及び垂直軸線が一致し、シャフトの回転軸線が垂直軸線に対して傾斜角だけ傾く結果となる。接触面の主要部がこのように、クロージャー部材の座面に沿って延びている。第１円板及び第２円板に作用する弁ハウジングを流れる空気の力が、第１円板及び第２円板の接触構造を支持している。
本発明の別の好ましい実施形態において、第１円板及び第２円板はそれぞれ開口を有し、これらの開口がシャフトを収容するように一直線に並んでいる。開口はシャフトがクロージャー部材を通過することを許容し、その結果クロージャー部材の簡単な組み立てと強固な取り付けを確実なものとしている。
好ましくは、それぞれの開口は接触面の主要部に対して傾斜角で延びている。このように、開口の軸線はシャフトの回転軸に一致している。

クロージャー部材の迅速且つ簡単な組み立てに関して、好ましくはシャフトがポジティブ・ロッキングによって開口に固定されている。クロージャー部材は、それゆえ、第１円板及び第２円板及びシャフトのみからなる。クロージャー部材の個々の部品を固定するために非ポジティブ結合部材又は螺子のような追加の固定手段は不要である。但し、このことは、クロージャー部材を組み立てる際に必要に応じて個々の部品を一時的に固定するための固定手段を使用することを排除する趣旨ではない。
本発明の好ましい実施形態によれば、シャフトがスプラインシャフトとして形成される。このことは、第１円板及び第２円板の開口の内側表面に、スプラインシャフトに対応する輪郭形状が設けられていることを意味する。このようにして、シャフトと第１円板及び第２円板との確実なポジティブ・ロッキングが達成される。

最後に、本発明の好ましい実施形態によれば、傾斜角は約１５°より小さく、好ましくは約５°と約１０°との間である。このような傾斜角を有するバタフライ弁は、航空機のキャビン内部の空気圧の制御に関して好ましいことが分かっている。

図１ａ及び図１ｂに示されているように、バタフライ弁は、長手軸線１１を有し航空機のキャビンから流れる空気のための長手軸線１１に沿う流路を形成する弁ハウジング１０を有する。バタフライ弁は更に、クロージャー部材３０又はフラップを備え、これは弁ハウジング１０内に枢支されると共に回転軸線２１を有するシャフト２０に接続され、アクチュエーター、例えば電動モーターによって駆動される。こうして、クロージャー部材３０は、図１ｂに示すように空気が弁ハウジング１０を流れることを許容する開位置と、図１ａに示すように空気が弁ハウジング１０を流れることを妨げる閉位置との間で回動自在である。
商用の航空機は、キャビン内の空気圧を制御するために、そのようなバタフライ弁を備えている。航空機の飛行中に、航空機の高度の変化によって周囲の気圧が急激に変化する。バタフライ弁は通常、キャビン圧制御システムによって制御され、バタフライ弁から流れ出るキャビン空気を調整することによってキャビン内の空気圧を比較的快適なレベルに維持するように働く。キャビン空気の流れはクロージャー部材３０の位置によって決まる。図１ａに示すような閉位置では、クロージャー部材３０は弁ハウジング１０の壁１３に密閉係合して内部の空気の流れを遮断する。クロージャー部材３０の周辺部には、壁１３と協働する密封部材３６が備えられている。密封部材３６は、図４ａ及び図４ｂに良く示されているように、円周状の溝３５に設けられている。溝３５に配置された弾性部材３８が密封部材３６に所定の与圧を付与し、これによって弁ハウジング１０内におけるクロージャー部材３０の密なる係合を確実なものとしている。

クロージャー部材３０は、第１円板４０と相補的な第２円板５０とからなり、これらが互いに接触している。第１円板４０及び第２円板５０は、対向する第１表面４６、５６と第２表面４７、５７とを有する。図２に示すように、第２表面４７及び５７には、強化リブ３４及び通路３７が設けられ、一直線に並んでシャフト２０を収容する貫通孔４８、５８がさらに形成されている。
更に、同一に形成された第１円板４０及び第２円板５０は、図６ｂに示されているように、それぞれ先端部４１、５１及び基端部４２、５２を有する。第１円板及び第２円板４０、５０の先端部４１、５１は、第１表面４６、５６と第２表面４７、５７との間の第１厚みを有し、これは基端部４２、５２における第１表面４６、５６と第２表面４７、５７との間の第２厚みより大きい。こうして、第１円板４０及び第２円板５０は、ほぼ楔形の設計となっている。

図５ａ及び図６ｂに示されているように、第１円板４０及び第２円板５０はそれぞれ接触面４３〜４５；５３〜５５を有し、これらは基端部４２、５２から先端部４１、５１へ延び、弁ハウジング１０の長手軸線１１に対して垂直に延びる垂直軸線１２に沿って第１表面４６、５６の約５０％を占めている。接触面は、対称軸線３１に平行に延びる主要部４４、５４を有する。接触面は更に、図５ａに示すように、主要部４４、５４の上端から第１表面４６、５６へ第１角度αで延びる第１補助部４３、５３と、主要部４４、５４から第２表面４７、５７へ第２角度βで延びる第２補助部４５、５５とを備えている。第１円板４０及び第２円板５０は対称軸線３１に関して対称に配置され、第１円板４０の主要部４４、第１補助部４３及び第２補助部４５が、第２円板５０の対応する主要部５４、第１補助部５３及び第２補助部５５にそれぞれ接触している。主要部４４、５４と第１補助部４３、５３との間の第１角度α、及び、主要部４４、５４と第２補助部４５、５５との間の第２角度βは共に、第１円板４０及び第２円板５０の対称な設計のために同じ程度となっている。好ましくは、第１角度α及び第２角度βは共に９０°より小さく、接触面４３〜４５、５３〜５５に略Ｚ字状の輪郭を与えている。接触面４３〜４５、５３〜５５のこのような輪郭は、第１円板４０と第２円板５０との間の確実なポジティブ・ロッキングを確保している。

クロージャー部材３０の安定性は、シャフト２０と第１円板４０と第２円板５０との間のポジティブ・ロッキングによって更に高くなっている。図３から図７に示されているように、シャフト２０はスプラインを有するスプラインシャフトであり、それらのスプラインは貫通孔４８、５８の対応する凹部に係合している。第１円板４０を第２円板５０に接続するための追加の固定手段は基本的には不要である。しかしながら、図２から図５ａに示されているように、強化リブ３４に孔３２が設けられ、これらが螺子３３を収容するようになっている。これらの螺子３３は、好ましくはアルミニウムのような軽金属で作られ、単に、シャフト２０が貫通孔４８、５８に通される前に第１円板及び第２円板４０、５０を一時的に固定して整列させるために使用される。クロージャー部材３０が組み立てられた後は、螺子３３は孔３２を塞いでノイズの発生を回避するために必要とされるにすぎない。

特に図５ａから図６ｂに示されているように、対称軸線３１はシャフト２０の回転軸線２１に対して所定の傾斜角γで延びている。この傾斜角γは通常、約１５°より小さく、好ましい実施形態では図５ａから図６ｂに示されているように、約８°である。貫通孔４８、５８の軸線は回転軸線２１に一致し、したがって、対称軸線３１に対してやはり傾斜角γだけ傾いている。対称軸線３１と回転軸線２１との間の傾斜によって、クロージャー部材３０の本来的な安定性が生ずる。この本来的な安定性は、クロージャー部材３０の座面における主要部４４、５４の配置によって高くなる。このことは、主要部４４、５４が、長手軸線１１に垂直な垂直軸線１２に沿って延びていることを意味している。回転軸線２１は、したがって、図３に示されているように、垂直軸線１２に対して傾斜角γで延びている。この故に、通路３７は、図４ａ及び図４ｂに示されているように、第１表面４７、５７から徐々に出て来る。接触面の主要部４４、５４がクロージャー部材３０の座面に沿って延びているので、第１円板及び第２円板４０、５０に作用する弁ハウジング１０内を流れる空気の力が、第１円板及び第２円板４０、５０の接触構造を支持している。

上述のバタフライ弁は、クロージャー部材３０の限られた数の部品による簡単な組み立てによって特徴付けられる。更に、クロージャー部材３０は、第１円板及び第２円板４０、５０とシャフト２０のポジティブ・ロッキングによる自己安定性の利点を有している。もしもクロージャー部材３０の破損が発生しても、バタフライ弁によって弁ハウジング１０の制限された断面積が確保される。この理由は、クロージャー部材３０の分割された設計であり、第１円板及び第２円板４０、５０が対称軸線３１に関して対称に配列されている結果である。

本発明の種々の特徴及び有利な点は、以下の詳細な説明と添付の図面によって一層容易に理解されるであろう。ここで、同様の参照番号は同様の部品を示す。
図１ａは、クロージャー部材の閉成位置を示すバタフライ弁の断面図である。
図１ｂは、図１ａにおけるクロージャー部材の開位置を示す断面図である。
図２は、図１ａ及び図１ｂにおけるクロージャー部材を示す斜視図である。
図３は、図２におけるシャフトに接続されたクロージャー部材の側面図である。
図４ａは、図３におけるＩＶａ−ＩＶａ線に沿う断面図である。
図４ｂは、図３におけるＩＶｂ−ＩＶｂ線に沿う断面図である。
図５ａは、図３におけるＶａ−Ｖａ線に沿う断面図である。
図５ｂは、図５ａにおけるＶｂで指定された部分の詳細を示す拡大図である。
図６ａは、図３におけるクロージャー部材の側面図である。
図６ｂは、図６ａにおけるクロージャー部材の断面図である。
図７は、図６ａにおけるクロージャー部材の一部分を示す平面図である。

符号の説明

１０ 弁ハウジング
１１ 長手軸線
１２ 垂直軸線
１３ 壁
２０ スプラインシャフト
２１ 回転軸線
３０ クロージャー部材
３１ 対称軸線
３２ 孔
３３ 螺子
３４ 強化リブ
３５ 円周状の溝
３６ 密封部材
３７ 通路
３８ 弾性部材
４０ 第１円板
４１ 先端部
４２ 基端部
４３ 第１補助部
４４ 主要部
４５ 第２補助部
４６ 第１表面（内側表面）
４７ 第２表面（外側表面）
４８ 貫通孔
５０ 第２円板
５１ 先端部
５２ 基端部
５３ 第１補助部
５４ 主要部
５５ 第２補助部
５６ 第１表面（内側表面）
５７ 第２表面（外側表面）
５８ 貫通孔
α 第１角度
β 第２角度
γ 傾斜角

Claims (11)

1. 航空機のキャビン内のガス圧を制御するためのバタフライ弁であって、
   長手軸線を有し、長手軸線に沿うガスの流路を形成する弁ハウジングと、
   回転軸線を有するシャフトと、
   前記シャフトに接続されたクロージャー部材とを有し、前記クロージャー部材は、前記ガスが前記弁ハウジングを流れることを許容する開位置と前記ガスが前記弁ハウジングを流れることを妨げる閉位置との間で前記回転軸線の回りに回転するように前記弁ハウジングに枢支され、
   前記クロージャー部材は互いに接触する第１円板と相補的な第２円板とからなり、前記第１円板及び前記第２円板は前記回転軸線に対して所定の傾斜角で延びる対称軸線に関して対称に配置され、
   前記第１円板及び前記第２円板はそれぞれ第１表面、前記第１表面と反対側で前記第１表面より軸方向に長い第２表面、及び少なくとも１つの接触面を備え、その接触面はそれぞれの他方の円板の対応する接触面に接触し、
   前記接触面が、前記対称軸線に平行に延びる主要部と、前記主要部の一端部から前記第１表面又は前記第２表面へ所定の角度で延びる少なくとも１つの補助部を備えていることを特徴とするバタフライ弁。
2. 請求項１記載のバタフライ弁であって、前記第１円板及び前記第２円板は、それぞれ前記第１表面と前記第２表面との間の第１厚みを有する先端部、及び前記第１表面と前記第２表面との間の第２厚みを有する基端部を備え、前記第１厚みが前記第２厚みより大きいことを特徴とするバタフライ弁。
3. 請求項２記載のバタフライ弁であって、前記接触面は、前記基端部から前記先端部に向かって延び、前記第１表面の前記対称軸線方向長さの約１０％から約９０％の長さを有していることを特徴とするバタフライ弁。
4. 請求項１から３のいずれか１項記載のバタフライ弁であって、前記接触面が、前記主要部の上端部から前記第１表面へ第１角度で延びる第１補助部と、前記主要部の下端部から前記第２表面へ第２角度で延びる第２補助部とを備えていることを特徴とするバタフライ弁。
5. 請求項４記載のバタフライ弁であって、前記主要部と前記第１補助部との間の前記第１角度が約９０°より小さいことを特徴とするバタフライ弁。
6. 請求項４又は５記載のバタフライ弁であって、前記主要部と前記第２補助部との間の前記第２角度が約９０°より小さいことを特徴とするバタフライ弁。
7. 請求項１から６のいずれか１項記載のバタフライ弁であって、前記主要部が前記対称軸線に沿って延びていることを特徴とするバタフライ弁。
8. 請求項１から７のいずれか１項記載のバタフライ弁であって、前記第１円板及び前記第２円板はそれぞれ開口を有し、前記開口は一直線に並んでシャフトを収容可能であることを特徴とするバタフライ弁。
9. 請求項８記載のバタフライ弁であって、前記開口が前記接触面の前記主要部に対して前記傾斜角で延びていることを特徴とするバタフライ弁。
10. 請求項８又は９記載のバタフライ弁であって、前記シャフトがスプラインシャフトとして形成されていることを特徴とするバタフライ弁。
11. 請求項１から１０のいずれか１項記載のバタフライ弁であって、前記傾斜角は約１５°より小さいことを特徴とするバタフライ弁。

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