JP4477630B2 - 空気貯蔵スライドバルブ - Google Patents

Description

本出願は，「空気貯蔵スライドバルブ」と題する，２００３年４月２７日出願の米国仮出願第60/320149号に基づく。

本発明は，ガス発生器の分野に関し，特に圧力スイング吸着装置に関する。

航空機搭載型の不活性ガス発生システム（OBIGS），航空機搭載型の酸素発生システム（OBOGS）が，圧力スイング吸着（PSA）プロセスを採用する分子シーブ（sieve）を使用し，窒素または酸素生成ガスを発生させるために長年使用されてきた。この既知のPAS技術は，たくさんのキャニスターのひとつに含まれる分子シーブを加圧するために，ひとつ以上のバルブを通して調節して供給されるエンジンブリード空気または圧縮空気を使用する。所定の時間が経過した後，バルブは状態を変え，スリーブで満ちたひとつのキャニスターを排気し，次のキャニスターを加圧する。この加圧および排気のプロセスは，PSAプロセスである。従来のPSAシステムは，固定あるいは可変速モータによって駆動されるロータリーバルブにより制御されていた。

既知のPSAシステムは，リニアの四方向スライドバルブ（空気吸入ポートをひとつのキャニスターに接続し，排気ポートを別のキャニスターに接続する）を使用している。バルブは状態を変えて，抜き口を第一のキャニスターと接続させるのと同時に第二のキャニスターを吸入空気に接続させる。リニアの四方向スライドバルブはシステムに必要な独立した専用バルブの複雑なシステムを単純化する。リニアの四方向スライドバルブはまたロータリーバルブまたはバルブシステム（同じ仕事を達成する）のいずれにも，信頼性をもつものである。

典型的なPSAシステム上で使用されるリニアバルブは空気圧で操作される。ミニアチュア・パイロット・ソレノイド・バルブ（EMI（電磁波）遮蔽体に収納されたソリッドステート電子回路を使用して開閉されている）がパイロットガスを制御する。パイロットソレノイドは，スライドブロックに連結している二つのガスシリンダーにガス圧力を伝える。このブロックは三つの開口部またはポートを有する合わせ板に沿ってスライドする。ポートは直線にそって形成されている。外側のポートは中心のポートから等距離である。スライドブロックは流路の役割をするアンダーカット部分を有している。流路はいかなる時点でも三つの開口のうちの二つと接続させるような大きさになっている。コントローラ（制御装置）は，所定の時間でミニアチュアパイロットバルブを開閉させるように設定されている。

船上窒素システムにおいて，圧縮空気を貯蔵するために，順番となった枠組みでのバルブシステムの使用が検討された。順番となったキャニスターの加圧を開始するために排気ガスを使用することにより，新しい空気を確保することができた。限定的な空気源PSAシステム（システムの全効率が改善できたことを示す）において圧縮空気の“再利用”は改善でき，圧縮器の大きさを小さくすること，システムを小さくすること，または高い製品出力を与えることの一連のオプションが与えられる。

ある応用例では，新しい空気源は限定されている。多くの航空機搭載および地上に基礎をおいたシステムの空気源は有限である。ロータリーおよび固定スイング航空機で，多くのビード空気が使用され，したがって利用可能な空気の貯蔵が問題である。これらの開発の多くは特許文献１，２および３にまとめられている。
米国特許第5858063号明細書 米国特許第6409807号明細書 米国特許第5074893号明細書

既知のシステムの問題点は，システムが空気の貯蔵プロセスまたは原理を実行するために，数の多い独立した二方および三方向ソレノイドバルブに一般的に依存していることである。本発明は（通常は四方向バルブのように操作する）非常に信頼性のあるスライドバルブ装置を利用する。本発明において，この装置は，空気流の新しい連通路（所望の空気の再利用または貯蔵）を多数のバルブの不必要な複雑さをともなくとなく提供する。パーツの減少および空気の利用の改善は，航空機に酸素または窒素のシステムを使用する際に問題となる重量を減少させる。

上記特許文献は多くの価値ある利点や技術的改良を導入し開示するが，本発明により達成される目的を満たすものではない。

本発明にしたがって，少なくとの第一および第二のガス濃縮ベッドユニットを有するガス発生手段を調節するスライドタイプの弁が外側本体（この外側本体は，その外側本体内に形成された内部空洞と連通する少なくとも三つの開口ポートを含むスライド面をもつ）を含む。スライド面は，外側表面と基本的に平坦な内側面を有する。開口ポートは，排気ポートおよび少なくとも二つのベッドポート（それぞれは空気流をガス濃縮ベッドユニットへと通す）を形成する。外側本体の供給ポートが供給空気を外側本体の内部空洞へと通す。外側本体のスライド面の内側面にそってスライドするのに適した基本的に平坦な面をもつスライドブロックが中空内側ならびに第一および第二の開口部（外側本体の開口ポートと整合性のある，平坦面を貫通する）を有する。スライドブロックのスライド面は，第一の開口部と第二の開口部との間に，閉鎖部を有する。コントローラが，ガス濃縮ベッドユニット，供給空気ポートおよび排気ポートの間での所望の空気流のために，第一の状態と第二の状態との間でスライドブロックを移動させる。

本発明の，これらおよび他の目的，利点ならび特徴は，本発明の好適実施例を示す添付図面と以下の説明により明らかになるであろう。

本発明の上記，要約的記述は，以下の記述および添付図面に示された例により明らかになろう。上記の特徴などは以下の記述から詳細に分かるであろう。図は本発明の典型的な好適実施例のみを示し，本発明の範囲を限定するものではなく，本発明は同等の例に適用できる。

上記要約的に記述した本発明の上記特徴，利点，目的は，以下の特定の実施例，添付図面を参照して理解されよう。図において，同じ要素には同じ符号が付されている。

本願は，バルブの数を四つ以上の個別のバルブからひとつのバルブに減らすことにより空気貯蔵技術を実行する装置を開示する。システムの特有の信頼性は改善され，システム１０の全重量は減少し，PSAシステム１０から排気ガスを再使用することにより，空気貯蔵の原理が効率よく実施される。装置はまた，スライドバルブと一体となった，ひとつのスライドブロックの機械的な関係から，摩耗とは無関係に空気貯蔵能力を維持する。多くのバルブに依存する他のシステムは摩耗しやすく，常に状態を変え，空気貯蔵システムの効率を悪くする。

PSAプロセスは，シーブで満たされたキャニスター１１，１２，１３，１４のセットに澄んだ乾燥空気源を単に与えることにより働く。ひとつのキャニスターの加圧，第二のキャニスターの排気を交互に行うことにより，PSAプロセスは排気ガスを吸着し，製品が通過することを可能にする。所定の時間の間，一度加圧されたキャニスターが排気され，排気されたキャニスターが加圧される。そのプロセスは，主に機械的であることから，プロセスは反転可能であり，システムコントロールが作動可能である限り，酸素にせよ窒素にせよ限りない製品源を生成し，加圧された空気源は利用可能である。

特許文献３に記述され，図１に示されているように，多くのバルブでもって，連続して加圧されたベッドを予め加圧するために，排気ガスを選択的に使用することが可能である。“排気”ガスをこのように使用することにより，効率的に新しい空気の使用が節約される。所定の期間，予めなす加圧は停止され，残った排気ガスがシステム１０から排気され，新しい空気が加圧およびガス分離を行うために使用される。予めなす加圧は，空気貯蔵の方法として，次の排気／加圧サイクルの間に，実行される。

図２は四方向スライドバルブを使用する既知のPSAシステム１０を示す。第一の状態で，バルブは供給空気をベッド１に向け，その間排気ガスをシステムの外に向ける。バルブが状態を変化させると，ベッド１の排気ガスはシステムの外に向けられ，ベッド２は供給空気を受け入れる。

図３は空気の貯蔵を行うために，一連の独立したバルブ，二方向または三方向バルブを使用する既知のPSAシステム１０を示す。多くのバルブが，PSAシステムの通常の加圧および排気を行うために使用されている。さらに他のバルブが，加圧を予め行うために使用されている。本発明は二方向および三方向バルブの組み合わせにより，独立した多数のバルブを除去している。本発明は，特許文献３（流体吸着システム）および特許文献４（分子シーブタイプのガス分離装置および方法）に教示の他のバルブの全てを除去し，二つの非常に信頼性のあるソレノイドバルブまたは同様の機能をもつモータ，およびひとつのリニアー・スライドバルブでもって空気貯蔵を達成する。
米国特許第6,077,331号明細書

本バルブVの特徴はつぎの通りである。まず，リニアー・スライドバルブは特許文献２に記述されている特徴のすべてを有するが，まだ知られていない空気貯蔵の特徴を含む。本バルブが有する内部スライドブロック１００は，三つのポート１３０，１３２，１３４のあるスライドプレート１０６にそって直線上に行き来する。スライドプレートのポートは，図４Aないし図４Eに図示のプレートに連続的に示され，“ポート１”，“排気ポート”および“ポート２”とレベル付けされている。供給空気流れ１０８は“供給空気”ポート１４４とラベル付けされた第四のポートを通過し，スライドブロック１００の位置にしたがって，ポート１（１３０），ポート２（１３４）を交互に加圧する。ポート１３０が供給空気に連通されると，ポート２（１３４）は，スライドブロック１００内の内部チェンバー１４８にある空気または流体通路１１０により，排気ポート１３２に連通する。図４Aを参照。

バルブが状態を変えると，反対になる。すなわち，ポート２（１３４）は供給空気１４４に連通し，ポート１（１３０）は流体またはガス流１１０のための排気ポート１３２と連通する。図４Eを参照。

少なくとも第一および第二のガス濃縮ベッドユニット１２および１４を有するガス発生システム１０（図３を参照）を調節するスライドタイプのバルブVが外側本体１２０を含み，その外側本体は，外側本体１２０内に形成された内部空洞１３６と連通する少なくとも三つの開口ポート１３０，１３２および１３４を有するスライド面１０６を有する。スライド面１０６は外側表面１４０および基本的に平坦な内側表面１４２を有する。開口ポートは排気ポート１３２および少なくとも二つのベッドポート１３０，１３４（それぞれはガス濃縮ベッドユニット１２，１４へと空気流を流す）を形成する。排気ポート１３２は二つのベッドポート１３０および１３４の間に形成される。外側本体１２０の供給空気ポート１４４が外側本体１２０の内側空洞１３６へと供給空気流れ１０８を流す。外側本体１２０のスライド面１４２の内側表面にそってスライドするのに適した基本的に平坦な面１４６を有するスライドブロック１００が，中空の内部空洞１４８，ならびに外側本体１２０の開口ポートと整合性のある平坦な面１４６とそれぞれ貫通する第一および第二の開口部１５０および１５２を有する。スライドブロック１００のスライド面１４６は第一および第二の開口部１５０および１５２の間に位置する閉鎖部１０４を有する。コントローラCがガス濃縮ベッドユニット１２，１４と排気ポート１３２との間で所望の空気流を形成するように，第一の状態S１と第二の状態S２との間でスライドブロックを移動させる。

アンダーカット１０２，スライドブロック１００のスライド面１４６の両端，閉鎖部１０４，ならびに排気の開口部１５０および１５２は図４Aないし図４Eの示されているように供給空気流れ１０８および流体流れ１１０を可能にすべく形成される。

本発明は内部スライドブロック１００を有し，このブロックは前述したように排気ガス路を形成するためのアンダーカット１０２を有する。アンダーカット１０２に加え，スライドブロック１００のベース１０６と同じ面で，アンダーカット１０２の中心に閉鎖部１０４があり，リニア・スライドバルブVの排気（中央）ポート１３２を覆うように位置すると，排気ポート１３２を閉鎖する。スライドブロックの閉鎖部１０４に加え，開口部１５０，１５２およびアンダーカット１０２は既知の技術より変えられる。

開口部１５０，１５２の間のスペース，およびスライド面１４６は重要な大きさをもち，スライドブロック１００のアンダーカット１０２でもって離れている。動作中，PSAプロセスは，典型的なOBOGSまたはOBIGGSにおいて，連続的に実行できる。位置A（図４Aの状態S１に対応）において，供給空気流れまたは流体流れ１０８は供給空気ポート１４４を通り，ポート１（１３０）へと向かう。同時に，ポート２（１３４）では，排気の副産物であるガスまたは流体流れ１１０は，スライドブロック１００に形成された内部空洞１４８を通り，排気ポート１３２へと向かう。スライドブロック１００がコントロール１（１６０）およびコントロール２（１６２）の動作により状態を変化させように指示されると，スライドブロック１００は図４Eに示されているように，位置B（状態S２に対応）へと直線上に移動する。スライドブロック１００は固定位置をもたず，スライドブロックの移動により，種々のサブ状態が生ずる。図４Bのサブ状態A１では，スライドブロック１００およびそのスライド面１４６は，スライドブロック１００がポート１（１３０）およびポート２（１３４）の両方に対して，供給空気ポートを閉鎖する。またサブ状態A１では，スライドブロック１００の閉鎖部１０４およびアンダーカット１０２は排気ポート１３２を効率的に閉鎖し，ポート１（１３０）とポート２（１３４）の両方において、流体流れが形成される。

図４Cのサブ状態A２では、スライドブロック１００は、ポート１（１３０）およびポート２（１３４）が連通して流体が流れる位置に移動する。ポート１（１３０）での流体はポート１５０を通って内部空洞１４８へ、ポート１５２を通ってポート２（１３４）へ、またはその逆に流れる。この流体路１１０はポート１（１３０）からの排気流体がスライドブロック１００の内部空洞１４８を通ってポート２（１３４）へといたる。同時に閉鎖部１０４はポート１３２へまたはそこからのガスまたは流体の流れを阻止する。供給空気流れ１０８のポート１（１３０）、ポート１３２およびポート２（１３４）への流体流れが阻止される。

スライドブロック１００が図４Dのサブ状態A３に進むと，排気ポート１３２はポート１（１３０）への流体流れのために開き，ポート２（１３４）および供給空気流１０８に対しては閉じる。ポート２（１３４）は，他の貫通ポートへの流体流れに対して，スライドブロック１００のスライド表面１４６により阻止されている。排気流れ１１０はポート１５０を通り空洞１４８と通ずるポート１（１３０）と排気ポート１３２に対して部分的に開いている排気開口１５２との間の流れとなる。

位置B，図４Eの状態S２では，供給空気ポート１４４はポート２（１３４）に対して完全に開き，流体流れ１０８は供給空気ポート１４４から内部空洞１３６を通りポート２（１３４）へ至る。排気ポート１３２はポート１（１３０）に対して完全に開き，流体はポート１３０からスライドブロック１００の空洞１４８を通りスライドブロック１００のポート１５０および１５２を通って排気ポート１３２へと流れることができる。

バルブVは状態を変え，プロセスは反転することができる。ここでポート２（１３４）からの排気流体流れ１１０が，位置Bから位置A，すなわち状態S２からS１へと移る間，ポート１（１３０）で予め加圧され得る。

コントロール１（１６０）およびコントロール２（１６２）は動作特徴に対して選択されるソレノイドを有する。これらソレノイドが反対ではあるが共同して動作すると，スライドブロック１００が前進，後進する。これに代え，ひとつ以上の既知のリニア駆動モータがスライドブロック１００を移動させてもよい（コントロール１（１６０）およびコントロール２（１６２）のソレノイドに置き換えられる）。

バルブ，ロータリーバルブまたはスライドバルブのシステムを使用する既知のPSAと比較して，本発明の空気貯蔵スライドバルブは１５%以上効率を向上する。

本発明の上記の開示および説明は，例示に過ぎず，大きさ，形状，材料，ならびに図示の構成の細部について種々の変更を，本発明の思想から逸脱することなくなし得る。

図１は，既知のガス濃縮装置の説明図である。 図２は，既知のPSA濃縮器サブシステムおよびコントローラ／モニターの通気システムである。 図３は，酸素発生のための，二つの既知のベッド吸着システムの略示図で，節約クロスオーバー構成を含む。 図４Aは本発明のバルブの一連の断面図である。 図４Bは本発明のバルブの一連の断面図である。 図４Cは本発明のバルブの一連の断面図である。 図４Dは本発明のバルブの一連の断面図である。 図４Eは本発明のバルブの一連の断面図である。 図５は本発明のスライドバルブの一実施例の底面図である。

Claims (10)

1. 第一および第二のガス濃縮ベッドユニットを有するガス発生システムを調節するスライドタイプのバルブであって，
   外側本体であって，該外側本体内形成された内側空洞と連通する少なくとも四つの開口ポートを有し，外側表面と基本的に平坦な内側表面を有するスライド表面をもつ外側本体と，
   前記外側本体のスライド表面の内側表面にそってスライドするのに適した基本的に平坦な面を有するスライドブロックと，
   コントロール手段と，
   を含み，
   開口ポートは，ガス濃縮ベッドユニットにガス流をそれぞれが流す少なくとも二つのベッドポートおよび排気ポートを形成し，排気ポートは二つのベッドポートの間に形成され，二つのベッドポートおよび排気ポートはスライド表面に形成され，
   開口ポートは，外側本体の内部空洞へと供給空気流れを形成する，外側本体に形成される供給空気ポートを形成し，
   スライドブロックは，中空内部空洞と，外側本体の開口部と整合する平坦な面を貫通する第一および第二の開口部を有し，
   スライドブロックは，第一の開口部と第二の開口部との間に位置する閉鎖部を有し，閉鎖部は，二つのベッドポートと第一および第二の開口部とがそれぞれ整合したときに、排気ポートを閉鎖するものであり，
   コントロール手段は，ガス濃縮ベッドユニットと排気ポートとの間で所望の空気流れを形成する第一の状態と第二の状態との間でスライドブロックを移動させる，
   ことを特徴とするバルブ。
2. スライドブロックは，スライドブロックの平坦な面と外側本体の平坦な内側表面との間を通過する，スライドブロックの内部空洞からの不所望な空気流を最小にするために，平坦な内側表面に対して密接している，請求項１に記載のバルブ。
3. コントロール手段は，スライドブロックを共同して動かすための，第一のコントロール手段と向かい合う第二のコントロール手段をさらに含む，請求項１に記載のバルブ。
4. 第一および第二のコントロール手段はソレノイドである，請求項３に記載のバルブ。
5. コントロール手段はリニア駆動モータをさらに含む，請求項１に記載のバルブ。
6. 少なくとの第一および第二のガス濃縮ベッドユニットを有するガス発生システムを制御するコントロールシステムであって，
   外側本体を有するスライドバルブであって，外側本体に形成された内部空洞と連通する少なくとも四つの開口ポートが形成されたスライド面を有し，スライド面は外側表面と基本的に平坦な内部表面を有する，スライドバルブと，
   外側本体のスライド面の内側表面にそってスライドできるように，基本的に平坦な面をもつスライドブロックと，
   コントロール手段と，
   を含み，
   開口ポートは，ガス濃縮ベッドユニットに流体をそれぞれが流す少なくとも二つのベッドポートおよび排気ポートを形成し，排気ポートは二つのベッドポートの間に形成され，
   開口ポートは，外側本体の内部空洞へと供給空気流れを形成する，外側本体に形成される供給空気ポートを形成し，
   スライドブロックは，中空内部空洞と，外側本体の開口部と整合する平坦な面と貫通する第一および第二の開口部を有し，
   スライドブロックは，第一の開口部と第二の開口部との間に位置する閉鎖部を有し，閉鎖部は，二つのベッドポートと第一および第二の開口部とがそれぞれ整合したときに、排気ポートを閉鎖するものであり、
   コントロール手段は，ガス濃縮ベッドユニットと排気ポートとの間で所望の空気流れを形成する第一の状態と第二の状態との間でスライドブロックを移動させる，
   ことを特徴とするコントロールシステム。
7. スライドブロックは，スライドブロックの平坦な面と外側本体の平坦な内側表面との間を通過する，スライドブロックの内部空洞からの不所望な空気流を最小にするために，平坦な内側表面に対して密接している，請求項６に記載のコントロールシステム。
8. コントロール手段は，スライドブロックを共同して動かすための，第一のコントロール手段と向かい合う第二のコントロール手段をさらに含む，請求項７に記載のコントロールシステム。
9. 第一および第二のコントロール手段はソレノイドである，請求項８に記載のコントロールシステム。
10. コントロール手段はリニア駆動モータをさらに含む，請求項６に記載のコントロールシステム。

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