JP6771463B2 - 電子制御されるバルブアセンブリ - Google Patents

Description

本発明は、バルブアセンブリに関し、特に電子制御されるバルブアセンブリに関する。

本発明は、米国政府の支援を受けて、アメリカミサイル防衛局によって付与された契約番号ＨＱ０１４７−１１−Ｃ−００１７の下でなされたものである。米国政府は、本発明に関してある一定の権利を有する。

本開示は、２０１４年１１月２９日に出願された米国仮特許出願第６２／０８５５４２号の優先権を主張する。

調整バルブは、航空宇宙ビークル、地上車両やコンポーネント間で流体の流れを制御する他のシステムで使用することができる。例えば、航空宇宙ビークルは、推進用に加圧流体を利用する。調整バルブは、供給源よりも低い圧力で加圧流体を供給するように圧力を低下させるために使用可能である。

本開示の例によるバルブアセンブリは、流体入口と流体出口とを有するハウジングと、ハウジング内に配置されたピントルと、ピントルを移動させるようにピントルに動作可能に連結されたアクチュエータと、を含む。ピントルは、流体出口と、リニアアクチュエータの近傍でピントルとハウジングとの間に位置する圧力平衡容積と、を流体的に連通させる通路を含む。コントローラが、アクチュエータと電気的に接続されている。流体入口から流体出口への可変流路面積が、ピントルとハウジングとの間に確定されている。

上述の実施例の更なる実施例では、アクチュエータは、圧電アクチュエータである。

上述の実施例の更なる実施例では、ピントルは、シャンク部と、シャンク部の第１の軸方向端部における拡大ヘッド部と、シャンク部の反対側の第２の軸方向端部における拡大基部と、を含んでいる。

上述の実施例の更なる実施例では、ピントルは、後退面を含む。

上述の実施例の更なる実施例では、通路は直線状の中央通路である。

上述の実施例の更なる実施例では、ピントルの移動方向に対して、流体入口は径方向の入口であり、流体出口は軸方向の出口である。

上述の実施例の更なる実施例では、コントローラは、リニアアクチュエータを介して、少なくとも流体入口における瞬間入口圧力に応じてピントルを移動させるように構成されている。

上述の実施例の更なる実施例では、コントローラは、アクチュエータを介して、少なくとも流体出口における瞬間出口圧力に応じてピントルを移動させるように構成されている。

上述の実施例の更なる実施例では、コントローラは、アクチュエータを介して、流体入口における瞬間入口圧力と、流体出口における瞬間出口圧力と、の圧力比に応じてピントルを移動させるように構成されている。

上述の実施例の更なる実施例では、コントローラは、アクチュエータを介して、流体入口における瞬間入口圧力と、流体出口における瞬間出口圧力と、の圧力比の変化に応じてピントルを動的に移動させるように構成されている。

上述の実施例の更なる実施例では、可変流路面積は、ピントルの直線位置に対して直線状に変化する。

上述の実施例の更なる実施例は、コントローラへの電子フィードバック信号に基づいてピントルの直線位置を制御することを含む。電子フィードバック信号は、瞬間圧力または瞬間ピントル位置の少なくとも一方を示す。

上述の実施例の更なる実施例では、瞬間圧力は、流体入口における瞬間入口圧力である。

上述の実施例の更なる実施例では、瞬間圧力は、流体出口における瞬間出口圧力である。

上述の実施例の更なる実施例では、瞬間圧力は、流体入口における瞬間入口圧力と、流体出口における瞬間出口圧力と、の圧力比である。

上述の実施例の更なる実施例では、制御は、瞬間圧力の変化に従ってピントルの直線位置を動的に変更することを含む。

本開示の例によるバルブアセンブリは、流体入口と流体出口とを有するハウジングと、ハウジング内に配置されたピントルと、アクチュエータと、アクチュエータに電気的に接続されたコントローラと、ピントルとハウジングとの間に確定された流体入口から流体出口への可変流路面積と、を含む。アクチュエータは、ハウジングに対するピントルの位置を変更することにより、可変流路面積を変更するように動作可能である。

上述の実施例の更なる実施例では、アクチュエータは、ハウジングに連結されているとともに、ピントルに対してハウジングを移動させるように動作可能である。

上述の実施例の更なる実施例では、ピントルは、可変流路面積を確定する後退面を含んでいる。

本開示の種々の特徴及び利点は、以下の実施形態により当業者に明らかになる。実施例に付随する図面は、以下に簡単に説明される。

例示的なバルブアセンブリの断面図である。 バルブアセンブリのピントルの例示的な開位置を示す断面図である。 他の例示的なバルブアセンブリの断面図である。

図１は、電子制御されて流量を正確に制御するために使用することができる例示的なバルブアセンブリ２０の断面図を示す。バルブアセンブリ２０は、流体入口２４と流体出口２６とを有するハウジング２２を含む。流体入口２４と流体出口２６とは、ハウジング２２の内部キャビティ２８の内外に通じる通路である。この例では、流体入口は径方向の通路であり、流体出口は軸方向の通路である。

ピントル３０が、内部キャビティ２８に配置されている。ピントル３０は、ピントル３０がハウジング２２の内部キャビティ２８内のバルブシート２２ａに接触する全閉位置と、ピントル３０がバルブシート２２ａから離間されている複数の開位置と、の間で中心軸Ａに沿って移動可能である。この例では、ピントル３０は、シャンク部３０ａ、拡大ヘッド部３０ｂ、拡大基部３０ｃ及び基部３０ｃから軸方向に延びるステム部３０ｄを有する。「拡大」とは、部分３０ｂ，３０ｃがシャンク部３０ａに対して直径が大きくなっていることを指す。拡大ヘッド部３０ｂと拡大基部３０ｃとは、シャンク部３０ａの反対側の軸方向端部に位置する。拡大ヘッド部３０ｂは、バルブトリム３１を含む。バルブトリム３１は、流体出口２６からの前方への流れの方向に対して後方に傾斜する後退面または後退部３０ｂである。全閉位置では、バルブトリム３１は、バルブシート２２ａと接する。

ピントル３０は、ピントル３０の基部３０ｃの後方に位置する圧力平衡容積３４と流体出口２６とを流体的に連通させる通路３２をさらに含む。例えば、この例における通路３２は直線状で、基部３０ｃの近傍で容積３４と連通する１つまたは複数の径方向オリフィスを含みうる。通路３２は、ピントル３０にわたる圧力を平衡させるように機能し、これによりピントル３０を移動させるのに必要な力の量を減少させる。例えば、流体出口２６からの圧力は、通路３２を通って伝達されて容積３４を加圧する。加圧された容積３４は、流体がバルブアセンブリ２０を通って流れるときにピントル３０にかかる力を平衡させる。

アクチュエータ３６が、ハウジング２２に対するピントル３０の位置を変更するように作動可能である。この例では、アクチュエータ３６は、静止したハウジング２２に対して、ピントル３０の移動を可能とするようにステム部３０ｄと動作可能に連結されている。例えば、アクチュエータは、軸Ａに沿ってピントル３０を軸方向で前後に移動させるように作動可能なリニアアクチュエータである。アクチュエータ３６は、ハウジング２２に固定または締結されたハウジング３６ａを含む。アクチュエータ要素３６ｂがハウジング３６ａ内に取り付けられて、ピントル３０を移動させるように機能する。一例では、アクチュエータ３６は、電気的に応答してピントル３０を移動させる圧電アクチュエータである。アクチュエータ３６は、ピントル３０の直線位置を検出するように作動可能な直線可変変位変換器３６ｃをさらに含みうる。

コントローラ３８が、アクチュエータ要素３６ｂ及びアクチュエータ３６の直線可変変位変換器３６ｃと電気的に接続されている。例えば、コントローラ３８は、ここで説明する制御機能を実行するよう構成及び／またはプログラムされたハードウェア（例えば、マイクロプロセッサ、コンピュータ等）、ソフトウェアまたはこれらの両方を含むことができる。

図１では、ピントル３０は、拡大ヘッド部３０ｂのバルブトリム３１がハウジング２２のバルブシート２２ａに対して密閉される全閉位置で示されている。図２は、典型的な開位置でピントル３０を示しており、この位置では、流体入口２４から流体出口への流路面積（ｆｌｏｗ ａｒｅａ）４０が生じるようにピントルが後退している。流路面積４０は、ピントル３０のバルブトリム３１とハウジング２２のバルブシート２２ａとの間に定められる。アクチュエータ３６は、ハウジング２２に対するピントル３０の位置を変更し、制御された方法で可変流路面積４０の大きさを変更するように作動可能である。例えば、ピントル３０のバルブトリム３１の形状寸法とハウジングのバルブシート２２ａの形状寸法とは、ピントル３０の直線位置に対して流路面積４０が直線的に変化するように設けられている。

コントローラ３８は、１つまたは複数の電子フィードバック信号を利用してピントル３０の位置を正確に制御することができる。位置の正確な制御により、流体出口からの流れのより細かい制御が可能になる。例えば、電子フィードバック信号は、瞬間圧力、瞬間ピントル位置またはこれらの組み合わせを示す信号を含みうる。瞬間圧力は、流体入口２４における瞬間入口圧力、流体出口２６における瞬間出口圧力及び／または瞬間入口圧力と瞬間出口圧力との圧力比とすることができる。例えば、これらの圧力は、流体入口２４及び流体出口２６の近傍の圧力タップにより得られる。

他の例では、コントローラ３８は、瞬間入口圧力および瞬間出口圧力の両方と共に瞬間ピントル位置を利用しうる。例えば、コントローラ３８は、圧電アクチュエータに供給される電力量を調整することによって、ピントル３０を予め選択された開位置に移動させることができる。コントローラ３８は、予め選択された位置と電力レベルとを関連づけるルックアップ表または他のデータによって予めプログラム可能である。従って、ピントル３０の瞬間位置よりも多くの流れまたは少ない流れの需要があるときは、コントローラ３８は予め選択された異なる位置にピントルを移動させて流れを調整するか、流れが所望のレベルに調整されるまでピントル３０を連続的に移動させることができる。

さらに他の例では、コントローラ３８は、瞬間入口圧力と瞬間出口圧力との圧力比を調整するようにピントル位置３０を変更してもよい。バルブアセンブリ２０の図示の構成により、瞬間入口圧力と瞬間出口圧力との間で約２０：１までの制御された圧力ターンダウン比が可能となる。さらに、コントローラ３８は、供給源の圧力の変化に応じてピントル位置を動的に変更することもできる。例えば、供給源の圧力が変化して瞬間入口圧力が変化した場合、コントローラ３８は圧力比の変化を検出し、設定出口圧力を回復するためにピントル位置を調整する。

以上のように、バルブアセンブリ２０の構成、流路面積４０の形状寸法および電子フィードバック信号は、コントローラ３８がピントル位置を調整して出口圧力を細かく制御することを可能とする。出口流れを正確に制御する能力により、流体をより効率的に利用することができる。流体が宇宙船の推進薬や燃料であれば、より効率的な利用により、宇宙船が運ぶ必要のある推進薬や燃料を減少させて軽量化を図ることができる。推力システムで使用される場合には、バルブの作動時に出口圧力を変更することによって推力レベルが変更可能となる。

図３は、他の例示的なバルブアセンブリ１２０を示している。この開示では、同じ参照符号は同じ構成要素を適宜示し、百または百の倍数を加えた参照符号は、対応する構成要素の同じ特徴や利点を有する変更された構成要素を示す。この例では、アクチュエータ１３６は、ハウジング２２に対するピントル１３０の位置を変更することにより可変流路面積４０を変更するように作動可能である。しかし、アクチュエータ１３６は、ピントルを移動させるように連結される代わりに、ハウジング２２を移動させるように連結されており、ピントル１３０は静止したままである。この点について、ハウジング２２は、１つまたは複数のガイドピン１５０に移動可能に取り付けられている。１つまたは複数のガイドピン１５０は、閉鎖部１５２から軸方向に延びる。ピントル１３０及び閉鎖部１５２は、単一片として一体に形成される。

この例では、アクチュエータ１３６は、ハウジング２２に固定されており、静止したアクチュエータ部材１３６ａが閉鎖部１５２に固定されている。静止したアクチュエータ部材１３６ａは、ねじ切りされており、アクチュエータ１３６は、ハウジング２２を軸方向に移動させるようにねじに係合するロータリーアクチュエータである。アクチュエータ１３６は、コントローラ３８に電気的に接続されており、上述の例で説明された制御戦略を使用して制御可能である。

説明した実施例には特徴の組み合わせが示されているが、本開示の種々の実施例の利点を実現するために全ての特徴を組み合わせる必要はない。換言すると、本開示の実施例によって設計されたシステムは、いずれかの図面に示された全ての特徴または図面に概略的に示された全ての部分を必ずしも含まない。さらに、１つの例示的な実施例の選択された特徴は、他の例示的な実施例の選択された特徴と組み合わせることができる。

上述の説明は、限定的なものではなく、例示的なものである。開示の例の当業者に明らかな変形または改良は、本開示から必ずしも逸脱しない。本開示に与えられる法的な保護の範囲は、以下の請求項の検討によってのみ判断することができる。

Claims (11)

1. 流体入口と流体出口とを有するハウジングと、
   前記ハウジング内に配置されたピントルと、
   前記ピントルを移動させるように該ピントルに動作可能に連結されたアクチュエータと、を有し、前記ピントルは、前記流体出口と、前記アクチュエータの近傍で前記ピントルと前記ハウジングとの間に位置する圧力平衡容積と、を流体的に連通させる通路を含み、さらに、
   前記アクチュエータと電気的に接続されたコントローラと、
   前記ピントルと前記ハウジングとの間に確定された前記流体入口から前記流体出口への可変流路面積と、を有し、
   前記アクチュエータは、圧電アクチュエータであり、
   前記コントローラは、前記アクチュエータを介して、前記流体入口における瞬間入口圧力と、前記流体出口における瞬間出口圧力と、の圧力比に応じて流れを調節するように、前記ピントルを移動させるように構成されており、
   前記可変流路面積は、前記ピントルの直線位置に対して直線的に変化することを特徴とするバルブアセンブリ。
2. 前記ピントルは、シャンク部と、該シャンク部の第１の軸方向端部における拡大ヘッド部と、該シャンク部の反対側の第２の軸方向端部における拡大基部と、を含むことを特徴とする請求項１に記載のバルブアセンブリ。
3. 前記ピントルは、後退面を含むことを特徴とする請求項１に記載のバルブアセンブリ。
4. 前記通路は、直線状の中央通路であることを特徴とする請求項１に記載のバルブアセンブリ。
5. 前記ピントルの移動方向に対して、前記流体入口は径方向の入口であり、前記流体出口は軸方向の出口であることを特徴とする請求項１に記載のバルブアセンブリ。
6. 前記コントローラは、前記アクチュエータを介して、前記流体入口における瞬間入口圧力と、前記流体出口における瞬間出口圧力と、の圧力比の変化に応じて、前記ピントルを動的に移動させるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のバルブアセンブリ。
7. 請求項１に記載のバルブアセンブリの制御方法であって、
   前記コントローラへの電子フィードバック信号に基づいて前記ピントルの直線位置を制御することを含み、前記電子フィードバック信号は、前記流体入口における瞬間入口圧力と、前記流体出口における瞬間出口圧力と、の圧力比を示す、ことを特徴とする方法。
8. 前記制御は、前記流体入口における瞬間入口圧力と、前記流体出口における瞬間出口圧力と、の圧力比の変化に応じて前記ピントルの直線位置を動的に変更することを含むことを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 流体入口と流体出口とを有するハウジングと、
   前記ハウジング内に配置されたピントルと、
   アクチュエータと、
   前記アクチュエータと電気的に接続されたコントローラと、
   前記ピントルと前記ハウジングとの間に確定された前記流体入口から前記流体出口への可変流路面積と、を有し、前記アクチュエータは、前記ハウジングに対する前記ピントルの位置を変更することにより、前記可変流路面積を変更するように動作可能であり、
   前記アクチュエータは、圧電アクチュエータであり、
   前記可変流路面積は、前記ピントルの直線位置に対して直線的に変化し、
   前記ピントルは、シャンク部と、該シャンク部の第１の軸方向端部における拡大ヘッド部と、該シャンク部の反対側の第２の軸方向端部における拡大基部と、を含み、
   前記ピントルの移動方向に対して、前記流体入口は径方向の入口であり、前記流体出口は軸方向の出口であり、
   前記コントローラは、前記アクチュエータを介して、前記流体入口における瞬間入口圧力と、前記流体出口における瞬間出口圧力と、の圧力比の変化に応じて流れを調節するように、前記ピントルを動的に移動させるように構成されていることを特徴とするバルブアセンブリ。
10. 前記アクチュエータは、前記ハウジングと連結されており、前記ピントルに対して前記ハウジングを移動させるように動作可能であることを特徴とする請求項９に記載のバルブアセンブリ。
11. 前記ピントルは、前記可変流路面積を確定する後退面を含むことを特徴とする請求項１に記載のバルブアセンブリ。

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