JP5329131B2 - 遮断機能を備えたロングストローク・レギュレータ弁 - Google Patents

Description

本発明は、ロケットエンジンに使用される冷媒供給回路のような流体流れ回路のヘッド・ロス（水頭損失）を調節すべく機能するレギュレータ弁の分野に関する。この形式の弁には、その位置に関連してダクト内のヘッド・ロス従って流体の流量を調節するシャッタ要素が設けられている。

レギュレータ弁は殆どの流体レギュレータシステムに既に存在し、このようなシステムの重要要素を構成する。流体の調節について非常に高い性能制御が行えるようにするため、複雑で知能的なレギュレータシステムが継続的に開発されている。それでも、レギュレーションプロセスの処理レベルの如何にかかわらず、レギュレーションシステムは、物理的調節要素すなわちレギュレータ弁に作用することによりいつでも遮断できなくてはならない。
この目的のため、事実上ゼロの流量から所与の体積でできる限り大きい流量に至るまでの流量範囲に亘って、低コストで流体の正確な作用が行えるようにし、好ましくは弁に下される指令に比例するアクションが行われるようにするため、レギュレータ弁が開発されている。

多くの産業において、コストおよび信頼性に関するレギュレータ弁の制約は、サイズおよび重量に関する制約よりも遥かに重要である。かくして、プラグ形式、バタフライ形式またはスロット形式の１／４回転弁のような、時の試練を経た伝統的な弁技術を使用することが知られている。弁の設計の簡単性および広範囲の利用性は、標準化された範囲の弁を低コストで提供できるようにし、これらの弁は、良好な信頼性レベルおよび満足できるレギュレーション性能を呈し、許容できる設計的余裕を与える。この場合には、レギュレーション目的に要求される作動精度は、弁に適合したアクチュエータに基いて定まり、アクチュエータが大きいレベルのパワー（電気または油圧）および高性能制御電子装置と組合わされる場合には、レギュレーションシステムの全体的制御を統御するのはアクチュエータである。より詳しくは、デジタル制御電子装置の使用により、理論的に制限されない精度の閉ループサーボ制御機能を低コストで実施できる。

この形式のシステムでは、弁のストロークの終時に弁を遮断するシーリングを形成する機能は、いかなる特別な技術的困難性を与えることがなく、同じ形式の弁のオン／オフに使用される原理と同じ原理を用いて実施でき、これは、弁の調節／レギュレーション（adjustment/regulation）機能を乱すことなくまたは制限することなく行われる。
しかしながら、航空の分野、特に宇宙発射装置の分野では、レギュレータ弁に適用される要求レベルは全く異なるものである。弁は、この分野では非常に特殊な流体（冷媒、酸化剤、冷却液等の流体）に使用されることを要求されることに加え、主な制約は弁の重量にある。また、宇宙発射装置では、電気エネルギが制限されており、精巧な制御電子装置のコストは非常に高い。

下記特許文献１には、宇宙用途に特有の条件に高度の満足が得られる弁装置が開示されている。この特許文献１に開示の弁装置は、特に、ロケットエンジンのバイパス形の弁として使用されるときに高性能レギュレーション部材を構成するが、信頼性ある遮断機能を得るのに適した設計にはなっていない。残念なことに、殆どのロケットエンジンの作動サイクルは、調節／レギュレーション手段を、流体回路を完全に遮断して、エンジンを停止させかつ安全にする遮断手段に連結する必要がある。この場合の１つの解決方法は、２つの弁を直列に組込み、各弁を特定機能に専用化させること、すなわち、第一弁を、レギュレータ弁として機能する第二弁と直列の遮断弁として機能させる方法である。
しかしながら、この解決方法は、制御すべき部材の数、制御インターフェースの数およびエンジン内に占める体積を増大させ、従って、ロケットエンジンの性能およびコストに負の効果を与えるという大きい欠点をもたらす。従って、ロケットエンジン内の流体制御システムのコスト、重量およびサイズを更に低減できるようにすることが要望されている。

米国特許第７ １５０ ４４５号明細書

本発明は、上記欠点を解消し、かつより高い精度をもつレギュレーション／調節機能および信頼性ある遮断機能の両方を遂行できる弁装置を提供し、これを、製造コストを最小にすると同時に既存の制御システム内に容易に組込むことができる充分に簡単な設計により行うことにある。

上記目的は、流体流れダクトを形成する弁本体を有し、該弁本体内にはスロットル要素が配置され、該スロットル要素は駆動軸を介してアクチュエータ手段によりその軸線の回りで回転され、スロットル要素は底部が開放した円形壁により形成された内部キャビティを備えている構成の弁装置により達成される。円形壁にはその周囲の一部に亘って形状が変化している開口が形成され、該開口は、これがダクトと完全に協働する全開位置と、円形壁がダクトを閉じる全閉位置との間で変化する流体流れ通路をダクト内に形成する。本発明によれば、流体流れダクト内に配置された環状シーリングガスケットを更に有し、該シーリングガスケットはスロットル要素の内部キャビティの壁に接触している。スロットル要素の内部キャビティは球形であり、これにより、弁の全閉位置では、シーリングガスケットの全周がスロットル要素の内部キャビティの壁に接触する。
かくして、本発明の弁装置は、単一のスロットル要素により、高精度で調節／レギュレーションが行えるだけでなく、信頼性のある遮断機能を発揮することができる。

本発明の弁装置は、長い調節／レギュレーションストロークが得られるスロットル要素を有し、これにより、弁装置により遂行されるレギュレーションの精度を低下させることなく、アクチュエータおよび制御電子装置に通常必要とされる位置決め精度を低くすることができる。従って、アクチュエータおよび関連電子装置に賦課されるコストを大幅に低下させることができる。

また、スロットル要素（該要素の壁がガスケットの球形当接面を形成する）の内部キャビティの壁に当接する環状ガスケットを用いて遮断機能を遂行させることにより、弁ダクトの上流側部分と下流側部分との間に卓越したシーリングが形成され、従って、高い信頼性および優れた有効性を有する遮断機能が得られる。遮断機能の制御をレギュレーション電子装置に組込むことは容易かつ簡単である。なぜならば、この機能は、弁を調節するため既に制御されているスロットル要素により遂行されるからである。

また、本発明の弁装置により宇宙発射装置における冷媒の流れを制御する場合、ポリマーは低温で硬化するため、平面でない面に当接するシーリングを行うにはラバー系のポリマーのような材料を使用できる。本発明の弁装置の設計は、シーリングを円筒状／球状接触に変えることによりこの問題を解決でき、これにより、平らな当接面を有するガスケットを使用できる。本発明では、流れダクト内に配置される環状シーリングガスケットは、次の材料、すなわち一般にＴｅｆｌｏｎ（登録商標）と呼ばれているポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、Ｖｅｓｐｅｌ（登録商標）ポリイミドおよびポリトリフルオロクロルエチレン（ＰＴＦＣＥ）の１つで作るのが好ましい。
本発明の弁装置は、調節機能および遮断機能を組合わせると同時に、簡単かつコンパクトな構造を有し、従って開発コストおよび製造コストを節約できる。

本発明の一態様では、スロットル要素は、開口の下にリング部材（ring of material）を有し、これにより、シーリングガスケットは、弁の全開位置においても、直径方向に対向する少なくとも２つのゾーンに当接できる。これにより、スロットル要素の移動中にガスケットが損傷を受ける危険を完全に防止できる。
本発明の弁装置は、流体流れダクト内に配置されたガスケットキャリヤチューブを更に有し、ガスケットは、ガスケットキャリヤチューブの端部とスロットル要素の内部キャビティの壁との間に保持されている。

ガスケットキャリヤチューブは、流体流れダクト内の静止位置に保持されるか、ダクト内でスライドするように取付けることができる。チューブがスライド可能である場合には、弁装置は、ガスケットキャリヤチューブに保持力を加える手段を更に有する。該手段はガスケットキャリヤチューブをスロットル要素の内部キャビティの壁に向けて押圧し、これにより、ガスケットが摩耗した場合でも実際に一定の接触力をガスケットとスロットル要素との間に加えることができる。

スロットル要素の開口は、スロットル要素の回りで徐々に大きくなるプロファイルを有し、これにより、全開位置と全閉位置との間の回転角に関連してリニアな態様で変化する流体流れ断面の変化を得ることができる。
しかしながら、開口は、所望のヘッド・ロス関係に基いた他の何らかのプロファイルにすることができる。
スロットル要素の開口は、約２５０°までの角度に亘ってスロットル要素の円形壁の周囲に配置できる。

本発明の他の特徴および長所は、非制限的な例として示す本発明の特定実施形態について、添付図面を参照して述べる以下の説明から明らかになるであろう。
図１は本発明の一実施形態を構成するレギュレータ弁装置１００を示し、該レギュレータ弁装置１００はその底部に流体流れダクト１１１を形成する弁本体１１０を有し、流体流れダクト１１１は、流れ方向Ｅに対して上流側部分１１１ａおよび下流側部分１１１ｂを備えている。ダクト１１１の各部分１１１ａ、１１１ｂは、弁装置１００を、例えばロケットエンジンの冷媒流体回路のような流体流れ回路内に挿入できるようにするそれぞれの連結フランジを有している。弁装置１００はまた、弁装置１００内に配置されるスロットル要素１２０を有している。

スロットル要素１２０はこれ自体の回転軸線ＸＸ′の回りで回転でき、かつ軸線方向の力および横方向の力を受止めるべく斜交接触（oblique contact）するボールベアリング１１２、１１３に当接する段付形状を有する頂部１２１を有している。流体流れダクト１１１と弁装置１００の残部との間のシーリングは、より詳しくは、スロットル要素１２０と弁本体１１１との間にそれぞれのガスケットキャリヤブシュ１１６、１１７を介して配置される。スロットル要素１２０の頂部１２１の端部１２１ａは、スロットル要素をその軸線ＸＸ′の回りで回転させるアクチュエータシャフト（図示せず）に連結するためのカップリング部品１１８に、ピン１１９を介して連結されている。

図２Ａに示すように、スロットル要素１２０はまた、流体流れダクト１１１内に延びている底部１２２を有している。スロットル要素のこの部分は中空であり、底部が開放した円形壁１２４により形成された内部キャビティ１２３を形成している。円形壁１２４はまた、ダクト１１１に沿う流体の流れを調整できるように形状が変化した開口１２５を有している。

より正確には、図２Ａ〜図２Ｈに示すように、弁は、全開位置（図２Ａ）と全閉位置（図２Ｈ）との間でスロットル要素１２を回転させることにより作動され、全開位置では、開口１２５がダクト１１１と完全に協働して、非常に小さいヘッド・ロスをもつほぼ直線の流れセクションを放出し、全閉位置では、円形壁１２４がダクト１１１を完全に遮断する。開口１２５は形状が変化しているため、スロットル要素１２０は、ダクト１１１により形成される流体流れセクションを徐々に閉じることができ、流体流れセクションは、図２Ａ〜図２Ｈに示すようにスロットル要素１２０に加えられる回転角に関連して変化する。

開口１２５は、約２５０°の角度に亘ってスロットル要素１２０の円形壁１２４の周囲に延びている。開口１２５はスロットル要素の周囲で徐々に拡大し、これにより、流体流れセクションを大きい回転角（ここでは２７０°）に亘って調整（regulated）または調節（adjusted)することができ、従って優れた精度で弁を調節できる。図３は、スロットル要素がその開位置と閉位置との間で回転されるときに、流体流れセクションがいかに変化するかを示すものである。
開口１２５は、弁が全開位置にあるときには、壁１２４を完全に後退できるようにすべく、ダクト１１１の断面と同等サイズの開口を形成する少なくとも第一部分１２５ａを呈する。逆に、壁１２４は、弁本体が全閉位置にあるときは、ダクト１１１が完全に閉じられるようにすべく、ダクトの断面より大きい中実セクション１２４ａの領域を呈さなくてはならない。

ここに説明する実施形態では、開口１２５は徐々にテーパするプロファイルを呈し、これにより、流れセクションを回転角に従ってリニア態様で変化させることができる（ヘッド・ロスは、実際にリニアである）。しかしながら、開口のプロファイルの形状は、弁に望まれる任意のヘッド・ロス関係に関連して適合させることができる（プロファイルの傾斜、段状プロファイル等の変化）。

本発明によれば、弁装置１００はまた、ダクト１１１の上流側部分１１１ａと下流側部分１１１ｂとの間に配置された環状シーリングガスケット１３０を有している。図１に示す実施形態では、シーリングガスケット１３０は、ダクト１１１のスロットル要素１２０から下流側に配置されたガスケットキャリヤチューブ１３１により、スロットル要素１２０の内部キャビティ１２３の壁に対して押付けられた状態に保持されている。ガスケットキャリヤチューブ１３１は、スロットル要素１２０に近い端部に環状ハウジング１３１０を有し、該ハウジング１３１０はガスケット１３０を保持している（図１Ａ）。ガスケットキャリヤチューブ１３１は、ねじ固定、溶接、接着または他の何らかの方法で弁本体１１０に固定されたロッキングリング１３２により所定位置に保持されるので、ガスケットキャリヤ１３１とリング１３２との間のシーリングはガスケット１３３により行われる（図１Ｂ）。

更に本発明によれば、内部キャビティ１２３は球形であり、従って、全閉位置において、環状シーリングリング１３０と、ガスケット１３０の全周の回りに延びている内部キャビティ１２３の壁との間に接触面を得ることができる。かくして、図４に示す全閉位置では、ガスケット１３０はダクトの上流側／下流側シーリングを形成し、これにより、弁装置１００のレギュレーション／調節機能に加え、遮断機能を弁装置１００に付与する。

また、図１および図２Ａ〜図２Ｈに示すように、スロットル要素１２０の壁１２４に形成された開口１２５は、スロットル要素１２０の底部の全周の周りにリング部材１２６（ring of material 126）を残すべく、スロットル要素１２０の底縁部の前に停止する。リング部材１２６の内部キャビティ側で、リング部材１２６は、シーリングリング１３０の永久当接ゾーンを構成する。従って、リング部材１２６の存在により、シーリングガスケット１３０が、図１に示す全開位置にある場合でも、スロットル要素１２０の内部キャビティ１２３の壁に当接する、直径方向に対向する少なくとも２つの当接ゾーンＰ_A、Ｐ_Bを常にもつことが可能になる。これにより、環状シーリングガスケット１３０がスロットル要素の回転により損傷を受けることを防止できる。なぜならば、スロットル要素の全回転ストロークに亘って内部キャビティ１２３の壁に当接する、直径方向に対向する少なくとも２つの当接ゾーンを設けることにより、スロットル要素がバランスのとれた推力をガスケットに加え、これは、ガスケットをガスケットキャリヤチューブのハウジング内の所定位置に維持することに寄与するからである。開口１２５は、シーリングガスケット１３０の直径より小さい最大高さを呈する。

図５には弁装置の変更形態２００が示されており、この弁装置２００は、環状シーリングガスケットが、戻り力によりスロットル要素の内部キャビティの壁に当接して保持される点で、図１に示す実施形態とは異なっている。より正確には、図５に示すように、弁装置２００は、弁装置１００に関して上述した構成と同様に、内部にスロットル要素２２０が配置された弁本体２１０を有している。同様に、弁装置２００は、スロットル要素２２０の内部キャビティ２２３の球形壁に接触する環状シーリングガスケット２３０を有している。シーリングガスケット２３０は、流体流れダクト２１１内でスライドできるように取付けられたガスケットキャリヤチューブ２３１の端部に配置されている。ガスケットキャリヤチューブ２３０をスロットル要素２２０の内部キャビティ２２３の壁に向かって押圧する保持力をガスケットキャリヤチューブに加えるため、ガスケットキャリヤ２３１の他端部とロッキングリング２３２との間でスプリング２４０が圧縮されており、ガスケット２４１および当接ワッシャ２４２が、ガスケットキャリヤとリングとの間のシーリングを形成している（図５Ａ）。この構成は、特に、ガスケットが摩耗した場合に、ガスケットとスロットル要素との間に一定の接触力が確保されることを可能にする。ここに説明する実施形態では、ガスケットキャリヤに加えられる機械的な力はコイルスプリングにより得られる。しかしながら、ガスケットキャリヤチューブをスロットル要素に向かって押圧する力を加えるのに適した他の形式の弾性要素を使用することもできる。このような弾性要素は、ダクト２１１を通って流れる流体により損傷を受ける虞れがあるときは、保護材料により被覆することもできる。他の変更例では、弾性要素をガスケットキャリヤとロッキングリングとの間に配置されるベローズで構成できる。これにより、ベローズは、ガスケットキャリヤに機械的な力を加えること、およびガスケットキャリヤとロッキングリングとの間にシーリングを形成することの両方を行うことができる。

本発明の第一実施形態を構成する弁装置を示す概略断面図である。 図１の弁装置を示す詳細図である。 図１の弁装置を示す詳細図である。 全開位置と全閉位置との間で移動されるときの図１の弁装置のスロットル要素を示す図面である。 全開位置と全閉位置との間で移動されるときの図１の弁装置のスロットル要素を示す図面である。 全開位置と全閉位置との間で移動されるときの図１の弁装置のスロットル要素を示す図面である。 全開位置と全閉位置との間で移動されるときの図１の弁装置のスロットル要素を示す図面である。 全開位置と全閉位置との間で移動されるときの図１の弁装置のスロットル要素を示す図面である。 全開位置と全閉位置との間で移動されるときの図１の弁装置のスロットル要素を示す図面である。 全開位置と全閉位置との間で移動されるときの図１の弁装置のスロットル要素を示す図面である。 全開位置と全閉位置との間で移動されるときの図１の弁装置のスロットル要素を示す図面である。 スロットル要素が回転されるときに、流体流れセクションがいかに変化するかを示す平面上での展開図である。 全閉位置にある図１の弁装置を示す図面である。 本発明の弁装置の変更形態を示す概略断面図である。 図５の弁装置の詳細図である。

符号の説明

１００、２００ レギュレータ弁装置
１１０、２１０ 弁本体
１１１、２１１ 流体流れダクト
１２０、２２０ スロットル要素
１２３、２２３ 内部キャビティ
１２６、２２６ リング部材
１３０、２３０ 環状シーリングガスケット
１３１、２３１ ガスケットキャリヤチューブ
１３２、２３２ ロッキングリング
２４０ スプリング

Claims (7)

1. 弁装置であって、該弁装置は、
   流体流れダクトを形成する弁本体と、
   前記弁本体内に配置されたスロットル要素と、を有し、該スロットル要素は、駆動軸を介してアクチュエータ手段によりその軸線の回りで回転されるようになっており、前記スロットル要素は、
   前記流体流れダクトに延入するように形成され、配置された底部と、
   前記底部の底縁の周囲に配置された環状リングと、
   前記底部で完全に開放した円形壁により形成された球形内部キャビティと、
   前記流体流れダクトに流体流れ通路を形成する単一の形状が変化している開口と、を備え、該単一の形状が変化している開口は、前記球形内部キャビティの円形壁の一部に亘って配置されており、前記単一の形状が変化している開口の形状は、これが流体流れダクトと完全に協働する全開位置と、前記円形壁が前記流体流れダクトを閉じる全閉位置との間で前記円形壁の実質的な部分の周囲で徐々に変化しており、前記弁装置は、
   前記流体流れダクト内に配置されたガスケットキャリヤチューブと、
   環状シーリングガスケットと、を更に有し、前記環状シーリングガスケットは、前記ガスケットキャリヤチューブの開口を取り囲むように前記流体流れダクト内に配置されたガスケットキャリヤチューブの遠位端に結合されており、前記環状シーリングガスケットは、前記スロットル要素が、前記全開位置と前記全閉位置との間でその軸線の回りで回転されるときに、少なくとも前記スロットル要素の底部の周囲の環状リング、および前記球形内部キャビティの円形壁との連続的な接触を維持するように形成され、配置されており、前記ガスケットキャリヤチューブの開口および前記環状シーリングガスケットは、前記スロットル要素の軸線の遠位側にある、弁装置において、
   前記スロットル要素の軸線は、前記スロットル要素がその軸線の回りで回転されるときに、前記ガスケットキャリヤチューブの開口および前記環状シーリングガスケットに侵入することはなく、
   前記ガスケットキャリヤチューブは、前記スロットル要素の軸線と直交しない軸線を有することを特徴とする弁装置。
2. 前記単一の形状が変化している開口は、前記環状シーリングガスケットの直径より小さい最大高さを有することを特徴とする請求項１記載の弁装置。
3. 前記ガスケットキャリヤチューブを前記流体流れダクト内の静止位置に保持する手段を更に有することを特徴とする請求項１記載の弁装置。
4. 前記ガスケットキャリヤチューブは前記流体流れダクト内でスライドできるように取付けられ、前記ガスケットキャリヤチューブを前記スロットル要素の球形内部キャビティの壁に向けて押付ける力を、前記ガスケットキャリヤチューブに加える手段を更に有することを特徴とする請求項１記載の弁装置。
5. 前記単一の形状が変化している開口は、前記スロットル要素に沿って徐々に大きくなるプロファイルを有していることを特徴とする請求項１記載の弁装置。
6. 前記単一の形状が変化している開口は、所望のヘッド・ロス関係に関連するプロファイルを有することを特徴とする請求項１記載の弁装置。
7. 前記単一の形状が変化している開口は、２５０°までの角度に亘って前記スロットル要素の円形壁の周囲に延びていることを特徴とする請求項１記載の弁装置。

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