JP6384246B2

JP6384246B2 - 空圧作動バルブ

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Publication number: JP6384246B2
Application number: JP2014203873A
Authority: JP
Inventors: 公平多屋; 初男森
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2014-10-02
Filing date: 2014-10-02
Publication date: 2018-09-05
Anticipated expiration: 2034-10-02
Also published as: EP3147548A4; JP2016075293A; US20170097103A1; EP3147548A1; EP3147548B1; WO2016051892A1; US10145481B2

Description

本発明は、空圧作動バルブに関するものである。

下記特許文献１には、宇宙開発において用いられるロケットエンジン用の空圧作動バルブが開示されている。
このような空圧作動バルブにおいて、通常、入口配管より流入する流体（例えば推進剤）は、弁体であるポペットの開閉によって、その流れが制御される。

閉状態では、弁箱に内蔵されるスプリングによりポペットがシート面に規定の軸力で押し付けられることでシールされ、下流側への流体の漏洩を防ぐ。一方、開状態では、弁箱内の圧力室に規定の圧力にて作動用ガスが供給され、ダイアフラムが押し上げられることで、ポペットがシート面を離れ、下流側へと流体が流れる。

特開２００４−３０１３１８号公報

従来では、シール部材に対し弁体を押し付けて閉状態としているが、運用条件や環境条件、製造誤差等によりシール部材に対する弁体の押付力が過大となることがあった。
シール部材への押付力が過大となると、クリープ（歪み）が発生し、バルブの漏洩量が過大となる問題がある。また、シール部材は樹脂を用いることが多く、環境条件によってクリープ限界が異なるため、シール力（弁体の押付力）を厳密に制御する必要がある。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、シール部材に対する弁体の押付力を適切に管理し、クリープの発生を抑えることができる空圧作動バルブの提供を目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明は、弁箱の内部に、シール部材と、前記シール部材と当接可能な弁体を備えるシャフトと、前記シャフトを軸方向に移動させて前記弁体を作動させる弁作動用圧力室と、が設けられた空圧作動バルブであって、前記シャフトは、前記弁作動用圧力室から圧を受ける第１部材と、前記弁体を備え前記第１部材に対し軸方向に相対移動可能な第２部材と、を有し、前記第１部材の移動経路に設けられたストッパーと、前記第１部材と前記第２部材との間に挟まれると共に、前記第１部材が前記ストッパーに接触した状態で蓄勢されて前記弁体を前記シール部材に押し付ける付勢部材と、を有する、という構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、シャフトを第１部材と第２部材とに分割し、第１部材と第２部材との間に付勢部材を挟み、第１部材の移動経路にストッパーを設けることで、第２部材が備える弁体のシール部材に対する押付力を、第１部材に作用する力と切り離して制御することができる。

また、本発明においては、前記第１部材を前記ストッパーに向けて付勢する第２の付勢部材を有する、という構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、第２の付勢部材を設け、弁作動用圧力室から圧を受ける第１部材の移動をアシストする。また、この構成によれば、弁作動用圧力室を無負荷としても第１部材を移動させることができ、保管時において弁体をシール部材に接触させてシャフトの揺れ動きを防止し、繰り返し応力による弁体とシール部材との疲労を抑制することができる。

また、本発明においては、前記付勢部材は、皿バネである、という構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、コイルバネやベローズ等と比較し、小さなスペース、小さいたわみ量で大きな荷重を付加できる皿バネを付勢部材として用いることにより、バルブの小型化・軽量化に寄与できる。

また、本発明においては、前記付勢部材は、コイルバネである、という構成を採用する。
このような構成を採用することによって、本発明では、付勢部材として皿バネの次に好ましいコイルバネを用いることにより、バルブの小型化・軽量化に寄与できる。

また、本発明においては、前記付勢部材は、ベローズである、という構成を採用する。
このような構成を採用することによって、本発明では、付勢部材としてコイルバネの次に好ましいベローズを用いることにより、バルブの小型化・軽量化に寄与できる。

本発明によれば、シール部材に対する弁体の押付力を適切に管理し、クリープの発生を抑えることができる空圧作動バルブが得られる。

本発明の実施形態における空圧作動バルブの構成図である。本発明の実施形態における空圧作動バルブの閉作動時の作用を示す模式図である。本発明の実施形態における空圧作動バルブの保管時の作用を示す模式図である。本発明の別実施形態における空圧作動バルブの構成図である。

以下、本発明に係る空圧作動バルブについて図面を参照して説明する。なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺などを適宜変更している。また、以下の実施形態においては、ロケットエンジン用の空圧作動バルブを例示して説明する。

図１は、本発明の実施形態における空圧作動バルブ１の構成図である。なお、図１の左半分は空圧作動バルブ１の閉状態を示し、図１の右半分は空圧作動バルブ１の開状態を示す。
本実施形態の空圧作動バルブ１は、ロケットエンジン用の推薬弁であり、推進剤（酸化剤／燃料）の流体の流れを制御する構成となっている。空圧作動バルブ１は、流体の流れを制御する弁体２が配置される流路部１０と、弁体２を作動させるアクチュエータ部２０と、を有する。

流路部１０は、弁箱３の内部に設けられている。流体は、流路入口１１から流路部１０に流入し、流路出口１２から流出する。流路出口１２には、シール部材１３が設けられている。シール部材１３は、メインシールであり、弁体２が押し付けられる。本実施形態では、弁体２が金属製であり、シール部材１３が樹脂製である。シール部材１３には、例えばＰＣＴＦＥ（ポリクロロトリフルオロエチレン）等の樹脂を用いることができる。

アクチュエータ部２０は、弁箱３の内部に設けられている。アクチュエータ部２０は、シャフト４を軸方向に移動させて弁体２を作動させる弁作動用圧力室２１を有する。弁作動用圧力室２１は、ベローズ等の伸縮隔壁２２を介して、閉作動用圧力室２１ａと、開作動用圧力室２１ｂと、に分かれている。閉作動用圧力室２１ａには、作動用ガス供給装置２３ａから閉作動用の作動ガスが供給される。また、開作動用圧力室２１ｂには、作動用ガス供給装置２３ｂから開作動用の作動ガスが供給される。

閉作動用圧力室２１ａに作動ガスが供給されると、閉作動用圧力室２１ａの内圧が高まり、シャフト４が軸方向に沿って押し下げられる。これにより、弁体２がシール部材１３に接触し、流路出口１２が液密にシールされ、下流側への流体の漏洩が防止される。
一方、開作動用圧力室２１ｂに作動ガスが供給されると、開作動用圧力室２１ｂの内圧が高まり、シャフト４が軸方向に沿って押し上げられる。これにより、弁体２がシール部材１３から離間し、流路出口１２から下流側へ流体が流れる。

シャフト４は、弁作動用圧力室２１から圧を受ける第１部材３０と、弁体２を備え第１部材３０に対し軸方向に相対移動可能な第２部材４０と、を有する。
第１部材３０は、第２部材４０の上端部（被収容部４１）を収容する収容溝３１と、第２部材４０を軸方向で係止させる爪部３２と、を有する。一方、第２部材４０は、下端部に弁体２を有し、上端部に被収容部４１を有する。

収容溝３１は、第２部材４０の被収容部４１よりも一回り大きく形成されており、第２部材４０が軸方向に相対移動可能な構成となっている。爪部３２は、収容溝３１の下部開口の縁に一体的に取り付けられている。爪部３２は、所定厚の板状に形成され、収容溝３１の下部開口の縁よりも内側に突出している。この爪部３２は、収容溝３１の下部開口に沿って配置されるリング状のものでもよいし、下部開口の周方向に間隔をあけて複数配置される矩形状のものでもよい。

第２部材４０の被収容部４１は、爪部３２に係止するフランジ部４２を有する。フランジ部４２は、所定厚で半径方向にリング状に突出しており、収容溝３１の下部開口よりも若干小さく形成されている。このフランジ部４２の下面は、収容溝３１の下部開口の縁よりも内側に突出する爪部３２の上面と軸方向で対向する。一方、このフランジ部４２の上面は、収容溝３１と軸方向で対向する。第２部材４０は、フランジ部４２の下面が爪部３２の上面と係止することで、第１部材３０に対する相対移動距離（突出量）が一定の範囲に制限される。

一方、第１部材３０の移動経路には、ストッパー５０が設けられている。ストッパー５０は、第１部材３０の爪部３２の下面と軸方向で対向する。第１部材３０は、爪部３２の下面がストッパー５０に係止することで、弁箱３に対する相対移動距離が一定の範囲に制限される。本実施形態のストッパー５０は、弁作動用圧力室２１の内部に設けられており、第１部材３０の軸方向における移動は、弁作動用圧力室２１の内部に制限されるようになっている。このストッパー５０は、シャフトシール５を支持すると共に、流路部１０に突出する第２部材４０を伸縮自在に支持するベローズ等の伸縮隔壁６とも接続される。

空圧作動バルブ１は、第１部材３０と第２部材４０との間に挟まれると共に、第１部材３０がストッパー５０に接触した状態で蓄勢されて弁体２をシール部材１３に押し付ける皿バネ５１（付勢部材）を有する。皿バネ５１は、第１部材３０の収容溝３１と第２部材４０のフランジ部４２との間に配置される。この皿バネ５１は、シール部材１３に対する弁体２の押圧力（シール力）を決定するものである。弁体２の押圧力は、第１部材３０がストッパー５０に接触した状態での皿バネ５１の付勢力（反発力）で管理することができる。

また、空圧作動バルブ１は、第１部材３０をストッパー５０に向けて付勢する皿バネ５２を有する。皿バネ５２は、弁箱３と第１部材３０との間に配置される。この皿バネ５２は、閉作動用圧力室２１ａから圧を受ける第１部材３０の移動（閉作動）をアシストするものである。皿バネ５２は、皿バネ５１の外径よりも内径が大きく形成されており、皿バネ５１が内側に配置されるようになっている。

続いて、上記構成の空圧作動バルブ１の作用について、図２及び図３に示す模式図を参照して説明する。
図２は、本発明の実施形態における空圧作動バルブ１の閉作動時の作用を示す模式図である。図３は、本発明の実施形態における空圧作動バルブ１の保管時の作用を示す模式図である。

図２（ａ）に示すように、空圧作動バルブ１では、閉作動用圧力室２１ａに作動ガスが供給されると、シャフト４の全体が軸方向に移動し、弁体２がシール部材１３に接触する。弁体２がシール部材１３に接触した時点では、図２（ａ）に示すように、第１部材３０（爪部３２）はストッパー５０に係止していない。すなわち、第１部材３０が、ストッパー５０に係止する直前に、弁体２がシール部材１３に接触する。このとき、皿バネ５１は、長さＬ１を有する。

閉作動用圧力室２１ａの内圧がさらに高まると、図２（ｂ）に示すように、第１部材３０（爪部３２）は、ストッパー５０に係止するまで軸方向に移動する。一方、第２部材４０は、弁体２がシール部材１３に接触しているため、軸方向の移動はほとんどない。そうすると、第１部材３０と第２部材４０との間が狭くなり、両者の間に挟まれた皿バネ５１に圧縮力が働く。このとき、皿バネ５１は、長さＬ２を有する共に、Ｌ１＞Ｌ２の関係を有する。

第１部材３０がストッパー５０に接触すると、閉作動用圧力室２１ａ及び皿バネ５２から受ける力は、ストッパー５０の反力（作用・反作用）により相殺され、シール部材１３には、皿バネ５１の付勢力（反発力）のみが作用することとなる。このため、弁体２のシール部材１３に対する押付力を、第１部材３０に作用する力と切り離し、皿バネ５１の圧縮量のみで制御することができる。弁体２の押付力の管理は、事前の皿バネ５１のバネ定数取得と、薄板を挟むことによる皿バネ５１のシーム調整（圧縮量調整）によって、容易且つ精密に制御することができる。

このように、本実施形態の空圧作動バルブ１においては、シャフト４を第１部材３０と第２部材４０とに分割し、力の伝達部位の途中に皿バネ５１を挟み、第１部材３０の移動経路にストッパー５０を設けることで、弁体２のシール部材１３に対する押付力を、第１部材３０に作用する力と切り離して制御することができ、作動圧力の変動誤差やアクチュエータ部２０（皿バネ５２等）の製造誤差に関わらず、シール部材１３に対する弁体２の押付力を適切に管理することが可能となる。このため、シール部材１３に対する弁体２の押付力が安定し、クリープの発生を抑え、流体の漏洩を抑えることができる。

なお、空圧作動バルブ１の開作動時には、図１に示す開作動用圧力室２１ｂに作動ガスが供給され、第１部材３０がストッパー５０から離間すると、皿バネ５１の圧縮が解除される。開作動用圧力室２１ｂの内圧がさらに高まると、図１の紙面右側に示すように、爪部３２が第２部材４０に引っ掛り、弁体２がシール部材１３から離間し、シャフト４の全体が持ち上げられ、開状態となる。

一方、図３に示すように、空圧作動バルブ１の保管時には、弁作動用圧力室２１は無負荷状態となるが、閉作動時にアシストする皿バネ５２を設けることで、無負荷状態であっても第１部材３０をストッパー５０に向けて付勢することができる。この構成によれば、空圧作動バルブ１の保管時において弁体２をシール部材１３に接触させ、内部部品が動かないようにすることができる。このとき、弁体２とシール部材１３との接触状態は、ソフトタッチ状態であり、弁体２の押付力は微小に調整される。

このとき、第１部材３０は、図３に示すように、ストッパー５０に接触する直前の状態となっている。また、皿バネ５１は、長さＬ３を有する共に、Ｌ１＞Ｌ３＞Ｌ２の関係を有する。すなわち、保管時の皿バネ５１は、図２（ａ）と図２（ｂ）との間の圧縮量となり、シール部材１３に対する弁体２の押付力が使用時よりも小さくなる。このように、保管時において弁体２をシール部材１３に接触させてシャフト４の揺れ動きを防止することで、繰り返し応力による弁体２とシール部材１３との疲労を抑制し、バルブの漏洩量の過大化を防止することができる。

また、本実施形態においては、皿バネ５１を用いてシール部材１３に対する弁体２の押付力を管理しているが、この構成によれば、コイルバネと比較し、小さなスペース、小さいたわみ量で大きな荷重を付加できるため、空圧作動バルブ１の小型化・軽量化に寄与できる。また、図１に示すように、皿バネ５２の内側に皿バネ５１を収めるように配置すれば、空圧作動バルブ１のさらなる小型化に寄与できる。

このように、上述の本実施形態によれば、弁箱３の内部に、シール部材１３と、シール部材１３と当接可能な弁体２を備えるシャフト４と、シャフト４を軸方向に移動させて弁体２を作動させる弁作動用圧力室２１と、が設けられた空圧作動バルブ１であって、シャフト４は、弁作動用圧力室２１から圧を受ける第１部材３０と、弁体２を備え第１部材３０に対し軸方向に相対移動可能な第２部材４０と、を有し、第１部材３０の移動経路に設けられたストッパー５０と、第１部材３０と第２部材４０との間に挟まれると共に、第１部材３０がストッパー５０に接触した状態で蓄勢されて弁体２をシール部材１３に押し付ける皿バネ５１と、を有する、という構成を採用することによって、シール部材１３に対する弁体２の押付力を適切に管理し、クリープの発生を抑えることができる。

以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、本発明は、図４に示すような構成を採用し得る。
図４は、本発明の別実施形態における空圧作動バルブ１の構成図である。なお、図４においては、上述の実施形態と同一又は同等の構成部材については同一の符号を付し、その説明を簡略若しくは省略する。

図４に示す別実施形態では、第１部材３０が略筒状に形成されている。第１部材３０は、外周部にスライド片３４を有しており、弁箱３に形成されたスライド溝７に対して、軸方向に移動自在に係合している。第１部材３０の内側は、閉作動用圧力室２１ａとなっており、また、閉作動時の移動をアシストするコイルバネ５４（第２の付勢部材）が配置されている。この第１部材３０の下端部には、爪部３２が取り付けられている。

爪部３２は、弁箱３に設けられたストッパー５０と軸方向で対向している。爪部３２は、ストッパー５０と接触した状態で、第１部材３０と弁箱３との間に開作動用圧力室２１ｂが確保できるような形状を有している。一方、第２部材４０の上端部には、フランジ部４２が設けられており、爪部３２と軸方向で対向している。この第２部材４０も略筒状に形成されており、内側には弁体２の押付力を調整するコイルバネ５３（付勢部材）が配置されている。なお、弁体２は、伸縮隔壁６で支持されており、第２部材４０の下端部には弁体２をシール部材１３に押し付ける押付部４３が設けられている。

上記構成によれば、シャフト４を第１部材３０と第２部材４０とに分割し、力の伝達部位の途中にコイルバネ５３を挟み、第１部材３０の移動経路にストッパー５０を設けることで、弁体２のシール部材１３に対する押付力を、第１部材３０に作用する力と切り離して制御することができ、シール部材１３に対する弁体２の押付力を適切に管理することが可能となる。このため、上述の実施形態と同様に、シール部材１３に対する弁体２の押付力が安定し、クリープの発生を抑え、流体の漏洩を抑えることができる。

その他、例えば、上記実施形態では皿バネやコイルバネを用いた構成を例示したが、その他の多種のバネ、ベローズ等でも付勢力を発生させるものであれば使用は可能である。なお、付勢手段としては、ベローズ、コイルバネ、皿バネの順で好ましく、皿バネが最も好ましい。

１空圧作動バルブ
２弁体
３弁箱
４シャフト
１３シール部材
２１（２１ａ，２１ｂ）弁作動用圧力室
３０第１部材
４０第２部材
５０ストッパー
５１皿バネ（付勢部材）
５２皿バネ（第２の付勢部材）
５３コイルバネ（付勢部材）
５４コイルバネ（第２の付勢部材）

Claims

弁箱の内部に、シール部材と、前記シール部材と当接可能な弁体を備えるシャフトと、前記シャフトを軸方向に移動させて前記弁体を作動させる弁作動用圧力室と、が設けられた空圧作動バルブであって、
前記シャフトは、前記弁作動用圧力室から圧を受ける第１部材と、前記弁体を備え前記第１部材に対し軸方向に相対移動可能な第２部材と、を有し、
前記第１部材の移動経路に設けられたストッパーと、
前記第１部材と前記第２部材との間に挟まれると共に、前記第１部材が前記ストッパーに接触した状態で蓄勢されて前記弁体を前記シール部材に押し付ける付勢部材と、を有する、ことを特徴とする空圧作動バルブ。
前記第１部材を前記ストッパーに向けて付勢する第２の付勢部材を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の空圧作動バルブ。
前記付勢部材は、皿バネである、ことを特徴とする請求項１または２に記載の空圧作動バルブ。