JP4870799B2 - 流量調節バルブ - Google Patents

Description

本発明は、流量調節バルブに関し、より詳細には、バルブの重さを減らすことができ、バルブ入口および出口の急激な圧力変化にも常に一定の流量が流れるようにする流量調節バルブに関する。

一般的に、流量制御バルブは、化工プラントや原子力発電所、火力発電所、船舶、航空機、ロケットエンジンなどすべての産業全般に用いられている。

液体推進ロケットは、液体状態の燃料と酸化剤を混合して燃焼室で燃焼させ、その排気ガスをノズルを介して噴出することにより、作用−反作用原理による推進力を得る飛行装置である。このような液体推進ロケットは、複数のバルブと複数のポンプを介して推進力を容易に調節できるという長所を有しているため、固体推進ロケットに比べて選好されている傾向にある。液体ロケットの推進力を調節するためには、燃焼室に供給される燃料および酸化剤の流量を調節しなければならず、このために流量制御バルブを必要とする。

流量制御バルブが地上設備などで用いられる場合には、重さ増加による問題はないが、船舶、航空機、ロケットなどのような場合には、重いほど燃費が悪くなるため、バルブは軽いほど好ましい。

従来技術に係る流量調節バルブは、ポペット（ｐｏｐｐｅｔ）バルブが主に用いられるが、このようなポペットバルブは、バルブの流路中にポペットという開閉用部材を往復移動が可能なように設置し、このポペットの動きによって流路を選択的に開閉しながら開度を調整する構造でなされている。

すなわち、このような従来技術に係る流量制御バルブは、バルブポペットが流動方向に対して垂直に運動してバルブの流路面積を調節することで流体の流量を制御する方式である。

しかしながら、従来技術に係る流量調節バルブは、バルブポペットに作動する流体力により、ポペットが上下に動くときに多くの力が必要となるため、アクチュエータが大きくなるしかないという問題が発生する。

また、バルブポペット上の流体力によってアクチュエータを駆動させる駆動力が大きくなければならないため、アクチュエータの構成がより一層複雑になって重くなり、制御が難しく、故障の頻度がそれだけ高くなる。

さらに、流量制御バルブの入口または出口の圧力が外乱によって非正常的に急激に変化する場合、これによる急激な流量変化が発生し、システムの安全に致命的な結果をもたらすことがあるという短所がある。

本発明は、上述のような問題点を解決するために案出されたものであって、バルブ流量を調節するアクチュエータの駆動力を減少させ、アクチュエータの大きさを減らすことができ、これによってバルブ全体の重さまでも減少させることができ、バルブの入口または出口に急激な圧力変化が発生しても、圧力変化が保障器具を介して吸収され、常に一定の流量が流れる流量調節バルブを提供することを目的とする。

本発明に係る流量調節バルブは、流路が形成されたバルブ本体と、前記バルブ本体内に固定設置されるが、一側に流体が流入する流入口が形成され、前記流入した流体が前記バルブ本体の流路に流出する流出ホールが形成された第１ポペットと、前記バルブ本体内に固定設置されるが、一側に前記流体が流出する流出口が形成され、前記バルブ本体の流路から前記流体が流入する流入ホールが形成された第２ポペットと、アクチュエータによって前記第１ポペットの外面に沿ってスライディングして前記第１ポペットの流出ホールを遮り、前記流出ホールの面積を調節するスリーブと、前記第１ポペットおよび前記第２ポペットの外面に沿ってスライディングが可能なように前記第１ポペットおよび第２ポペットの間に備えられるが、前記第２ポペットに弾性支持され、前記第１ポペットに流入する流体の圧力によってスライディングして前記第２ポペットの流入ホールを遮り、前記流入ホールの面積を調節するスプール（ｓｐｏｏｌ）とを備えることができる。

前記スプールは、両側が開口したパイプの形態で形成されるが、内部には前記スプールを２つの部分に区画する隔膜板が形成され、開口した前記スプールの両側にそれぞれ第１ポペットの他側または第２ポペットの他側が挿入され、前記第１ポペットの他側と前記スプールの隔膜板の間には前記第１ポペットと連通する第１チャンバが形成されるが、前記第１ポペットの他側には前記流体が流出入する筒孔が形成されることができる。

前記第２ポペットの他側と前記スプールの隔膜板の間には第２チャンバが備えられるが、前記第２チャンバの内部には前記スプールを弾性支持するスプリングが載置され、前記スプールには前記第２チャンバと前記バルブ本体の流路を連通させる連通ホールが形成されることができる。

前記スプールの隔膜板にはガイドホールが形成され、前記第１ポペットの他側と前記第２ポペットの他側は、前記隔膜板のガイドホールを貫通して前記スプールのスライディングを案内するガイドバーで連結され、前記第１ポペットには内部に突出した突出部が形成され、前記筒孔は、入口が前記突出部に形成されて出口が前記ガイドバーに形成されることができる。

前記スリーブの一側にはラックが備えられ、前記アクチュエータは、前記ラックに歯合し、駆動部によって回転するピニオンを備えることができる。

また、前記駆動部は、直流電気モータを備えることができる。

本発明に係る流量調節バルブは、バルブの流量を調節するスリーブを薄い厚さで形成するため、スリーブに作用する流体の圧力による力（流体力）を減らすことができ、これによってスリーブを移動させる駆動力も減り、小さいアクチュエータを用いてスリーブを移動させることができ、流量調節バルブの重さを減らすことができるという長所がある。

また、スリーブをラックとピニオンを用いて駆動させることにより、精密な流量制御が可能であるという長所がある。

さらに、第１ポペットの流入口または第２ポペットの流出口に急激な圧力変化が発生しても、スプールが第２ポペットの流入ホールを遮断または開放して流入ホールの面積を調節することにより、常に一定の流量の流れるという長所がある。

本発明に係る流量調節バルブを示す断面図である。 本発明に係る流量調節バルブのスリーブのスライディング動作を示す断面図である。 図１のような入出口の圧力において、本発明に係る流量調節バルブの第１ポペットの流入口に外乱によって急激に高い圧力が発生した場合を示す動作状態図である。

以下、添付の図面を参照しながら、本発明に係る好ましい実施形態について詳しく説明する。これに先立ち、本明細書および特許請求の範囲に用いられる用語や単語は、通常的あるいは辞書的な意味として解釈されてはならず、発明者はその自身の発明を最も最善の方法として説明するために、用語の概念を適切に定義することができるという原則に立脚し、本発明の技術的思想に符合する意味と概念として解釈されなければならない。

したがって、本明細書に記載された実施形態と図面に示された構成は、本発明の最も好ましい一実施に過ぎず、本発明の技術的思想をすべて代弁するものではないため、本出願時点において、これらを代替することができる多様な均等物と変形例があり得ることを理解しなければならない。

図１は、本発明に係る流量調節バルブを示す断面図である。

本発明に係る流量調節バルブは、流路１１１が形成されたバルブ本体１１０と、バルブ本体１１０内に固定設置されるが、一側に流体が流入する流入口１２１が形成され、流入した流体がバルブ本体１１０の流路１１１に流出する流出ホール１２３が形成された第１ポペット１２０と、バルブ本体１１０内に固定設置されるが、一側に流体が流出する流出口１３１が形成され、バルブ本体１１０の流路１１１から流体が流入する流入ホール１３３が形成された第２ポペット１３０と、アクチュエータによって第１ポペット１２０の外面に沿ってスライディングして第１ポペット１２０の流出ホール１２３を遮り、流出ホール１２３の面積を調節するスリーブ１４０と、第１ポペット１２０および第２ポペット１３０の外面に沿ってスライディングが可能なように第１ポペット１２０および第２ポペット１３０の間に備えられるが、第２ポペット１３０に弾性支持され、第１ポペット１２０に流入する流体の圧力によってスライディングして第２ポペット１３０の流入ホール１３３を遮り、流入ホール１３３の面積を調節するスプール１５０とを備える。

第１ポペット１２０の流入口１２１は流量調節バルブの入口を形成し、第２ポペット１３０の流出口１３１は流量調節バルブの出口を形成する。

バルブ本体１１０の内部には第１ポペット１２０と第２ポペット１３０が備えられ、本体の内面と第１ポペット１２０および第２ポペット１３０の外面によって流路１１１が形成される。

スリーブ１４０の一面にはラック１４１が備えられ、アクチュエータは、ラック１４１に歯合し、駆動部によって回転するピニオンＰからなる。

駆動部は、電気モータ方式、空圧方式、流圧方式などの多様な駆動手段を用いることができるが、好ましくは、より精密な制御のために、直流電気モータが用いられる。詳細に説明すれば、ピニオンＰは、駆動力Ｔに軸設されて回転し、駆動力Ｔは、スリーブ１４０に精密な制御が提供されるように直流電気モータに連結される。

スプール１５０は、両側が開口したパイプの形態で形成されるが、内部にはスプール１５０を２つの部分に区画する隔膜板１５１が形成され、開口したスプール１５０の両側にそれぞれ第１ポペット１２０の他側または第２ポペット１３０の他側が挿入され、第１ポペット１２０の他側とスプール１５０の隔膜板１５１の間には第１ポペット１２０と連通する第１チャンバＣ１が形成されるが、第１ポペット１２０の他側には流体が流出入する筒孔Ｈが形成される。

すなわち、第１チャンバＣ１は、スプール１５０とスプール１５０に挿入された第１ポペット１２０の他側によって形成され、第１チャンバＣ１は、筒孔Ｈによって第１ポペット１２０と連通する。

第２ポペット１３０の他側とスプール１５０の隔膜板１５１との間には第２チャンバＣ２が備えられるが、第２チャンバＣ２の内部にはスプール１５０を弾性支持するスプリングＳが載置され、スプール１５０には第２チャンバＣ２とバルブ本体１１０の流路１１１を連通させる連通ホール１５３が形成される。

すなわち、第２チャンバＣ２は、スプール１５０とスプール１５０に挿入された第２ポペット１３０の他側によって形成され、第２チャンバＣ２内に載置されたスプリングＳは、一端が第２ポペット１３０の他側に支持され、他端がスプール１５０の隔膜板１５１に支持される。

スプール１５０の隔膜板１５１にはガイドホール１５１ａが形成され、第１ポペット１２０の他側と第２ポペット１３０の他側は、隔膜板１５１のガイドホール１５１ａを貫通してスプール１５０のスライディングを案内するガイドバー１６０で連結され、第１ポペット１２０には内部に突出した突出部１２５が形成され、前記筒孔Ｈは、入口が突出部１２５に形成されて出口がガイドバー１６０に形成される。

勿論、ガイドバー１６０は、スプール１５０の第１チャンバＣ１および第２チャンバＣ２を介して第１ポペット１２０と第２ポペット１３０を連結する。

一方、第１ポペット１２０内の流体が第１チャンバＣ１に円滑に流動することができるように、筒孔Ｈが突出部１２５と第１チャンバＣ１内に位置するガイドバー１６０に渡って形成される。

上述のように構成された本発明に係る可変式流量調節バルブの作用効果について説明すれば、次のとおりとなる。

図２は、本発明に係る流量調節バルブのスリーブのスライディング動作を示す断面図であり、図３は、本発明に係る流量調節バルブの第１ポペットの流入口に高い圧力が発生した場合を示す動作状態図である。

第１ポペット１２０の流入口１２１に流入した流体は、第２ポペット１３０の流出口１３１を介して吐出される。すなわち、流体は、第１ポペット１２０の流出ホール１２３を介してバルブ本体１１０の流路１１１に流動し、流路１１１内の流体は、第２ポペット１３０の流入ホール１３３を介して第２ポペット１３０に流動する。

勿論、第１ポペット１２０内の流体は、筒孔Ｈを介して第１チャンバＣ１に流動することができる。

まず、流量調節バルブの全体的な流量を調節させる方法について説明すれば、図２に示すように、スリーブ１４０が第１ポペット１２０の流出ホール１２３を遮り、第１ポペット１２０からバルブ本体１１０の流路１１１に流動する流体の流量を調節する。

詳細に説明すれば、スリーブ１４０の一面に形成されたラック１４１は、ピニオンＰと歯合し、駆動部に軸設したピニオンＰの回転により、スリーブ１４０は、第１ポペット１２０の外面に沿ってスライディングする。スリーブ１４０のスライディングによってスリーブ１４０が第１ポペット１２０の流出ホール１２３を部分的に遮り、流出ホール１２３の面積を調節する。

すなわち、スリーブ１４０のスライディングにより、第１ポペット１２０の流出ホール１２３の面積が調節される。したがって、流出ホール１２３の面積が大きくなれば流量調節バルブの流量が増加し、流出ホール１２３の面積が小くなれば流量調節バルブの流量が減少する。

ピニオンＰを回転させる駆動部は、電気直流モータで構成され、これによってスリーブ１４０を精密に操作することができる。また、スリーブ１４０を電気直流モータで調節することにより、流量調節バルブの重さを減少させることができる。

次に、第１ポペット１２０の流入口１２１の圧力が増加したり第２ポペット１３０の流出口１３１の圧力が減少し、第１ポペット１２０の流入口１２１と第２ポペット１３０の流出口１３１の圧力の差について詳察する。

第１ポペット１２０の流入口１２１の圧力が急激に増加する場合には、図３に示すように、第１チャンバＣ１の体積が増加するようになる。すなわち、増加した流入口１２１の圧力が筒孔Ｈを介して第１チャンバＣ１に伝達される。これにより、スプール１５０が第２ポペット１３０の方向にスライディングする。勿論、スプール１５０のスライディングは、ガイドバー１６０によって案内されることができる。

スライディングしたスプール１５０は、第２ポペット１３０の流入ホール１３３を部分的に遮るようになり、流入ホール１３３の面積を調節するようになる。すなわち、第１ポペット１２０の流入口１２１の圧力増加によって第１ポペット１２０の流出ホール１２３に流出する流量は増加するが、スプール１５０のスライディングによって流入ホール１３３の面積が小くなり、第２ポペット１３０の流入ホール１３３を経る流量は、圧力が増加する前と同じようになる。結果的に、流量調節バルブに流体が急激に高い圧力で流入しても、流量調節バルブには常に一定の流量が流れるようになる。

勿論、スプール１５０が第２ポペット１３０の流入ホール１３３を遮る程度は、第１チャンバＣ１の圧力と第２チャンバＣ２の圧力による力、およびスプリングＳの弾性力が平衡をなす点で決定される。

また、連通ホール１５３は、スプール１５０がスライディングするとき、第２チャンバＣ２と流路１１１の間で流体を流出入させる役割をする。

第１ポペット１２０の流入口１２１の圧力が低くなれば、スプリングＳの弾性力によってスプール１５０が元の位置にスライディングする。すなわち、スプール１５０のスライディングにより、第２ポペット１３０の流入ホール１３３の面積が大きくなる。結果的に、流量調節バルブには、常に一定の流量が流れるようになる。

すなわち、上述のような流量調節バルブは、バルブの入口または出口の圧力が急激に変化しても、スプール１５０が第２ポペット１３０の流入ホール１３３の面積を調節し、常に一定の流量が流れるという長所がある。

上述したように、本発明の好ましい実施形態を参照して説明したが、該当の技術分野において熟練した当業者にとっては、特許請求の範囲に記載された本発明の思想および領域から逸脱しない範囲内で、本発明を多様に修正および変更させることができることを理解することができるであろう。すなわち、本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲に基づいて定められ、発明を実施するための最良の形態により制限されるものではない。

１１０：バルブ本体
１１１：流路
１２０：第１ポペット
１２１：流入口
１２３：流出ホール
１２５：突出部
１３０：第２ポペット
１３１：流出口
１３３：流入ホール
１４０：スリーブ
１４１：ラック
１５０：スプール
１５１：隔膜板
１５１ａ：ガイドホール
１５３：連通ホール
Ｃ１：第１チャンバ
Ｃ２：第２チャンバ
Ｈ：筒孔
Ｐ：ピニオン
Ｔ：駆動力

Claims (6)

1. 流路が形成されたバルブ本体と、
   前記バルブ本体内に固定設置されるが、一側に流体が流入する流入口が形成され、前記流入した流体が前記バルブ本体の流路に流出する流出ホールが形成された第１ポペットと、
   前記バルブ本体内に固定設置されるが、一側に前記流体が流出する流出口が形成され、前記バルブ本体の流路から前記流体が流入する流入ホールが形成された第２ポペットと、
   アクチュエータによって前記第１ポペットの外面に沿ってスライディングして前記第１ポペットの流出ホールを遮り、前記流出ホールの面積を調節するスリーブと、
   前記第１ポペットおよび前記第２ポペットの外面に沿ってスライディングが可能なように前記第１ポペットおよび第２ポペットの間に備えられるが、前記第２ポペットに弾性支持され、前記第１ポペットに流入する流体の圧力によってスライディングして前記第２ポペットの流入ホールを遮り、前記流入ホールの面積を調節するスプールと、
   を備える流量調節バルブ。
2. 前記スプールは、両側が開口したパイプの形態で形成されるが、内部には前記スプールを２つの部分に区画する隔膜板が形成され、
   開口した前記スプールの両側にそれぞれ第１ポペットの他側または第２ポペットの他側が挿入され、
   前記第１ポペットの他側と前記スプールの隔膜板の間には前記第１ポペットと連通する第１チャンバが形成されるが、前記第１ポペットの他側には前記流体が流出入する筒孔が形成されることを特徴とする請求項１に記載の流量調節バルブ。
3. 前記第２ポペットの他側と前記スプールの隔膜板の間には第２チャンバが備えられるが、前記第２チャンバの内部には前記スプールを弾性支持するスプリングが載置され、
   前記スプールには前記第２チャンバと前記バルブ本体の流路を連通する連通ホールが形成されることを特徴とする請求項２に記載の流量調節バルブ。
4. 前記スプールの隔膜板にはガイドホールが形成され、
   前記第１ポペットの他側と前記第２ポペットの他側は、前記隔膜板のガイドホールを貫通して前記スプールのスライディングを案内するガイドバーで連結され、
   前記第１ポペットには内部に突出した突出部が形成され、前記筒孔は、入口が前記突出部に形成されて出口が前記ガイドバーに形成されることを特徴とする請求項２に記載の流量調節バルブ。
5. 前記スリーブの一面にはラックが備えられ、
   前記アクチュエータは、前記スリーブのラックに歯合し、駆動部によって回転するピニオンであることを特徴とする請求項１〜４のうちのいずれか一項に記載の流量調節バルブ。
6. 前記駆動部は、直流電気モータであることを特徴とする請求項５に記載の流量調節バルブ。