JP6804254B2

JP6804254B2 - 温度調節弁、及び流量調節方法

Info

Publication number: JP6804254B2
Application number: JP2016199695A
Authority: JP
Inventors: エー．ヒメルマンリチャード
Original assignee: Hamilton Sundstrand Corp
Current assignee: Hamilton Sundstrand Corp
Priority date: 2015-10-09
Filing date: 2016-10-11
Publication date: 2020-12-23
Anticipated expiration: 2036-10-11
Also published as: US20170102722A1; US10331147B2; EP3153692B1; JP2017072252A; EP3153692A1

Description

本発明は、温度調節弁、タービンポンプアセンブリ、及び弁を介した流量調節方法に関する。

一部のタービンポンプアセンブリは、タービンポンプアセンブリの回転速度を決定するガスの質量流量を調節するように速度制御弁を用いる。

そういった速度制御弁が設計の目的通りに功を奏する一方で、産業界では常に追加的特徴及び制御を供給するシステム及び方法に対する要望がある。

本明細書の開示は、温度調節弁である。弁は、第１の熱膨張係数を持つ第１の材料で作られた第１の部材、第２の熱膨張係数を持つ第２の材料で作られ第１の部材と連動可能な第２の部材、及び第１の部材の第１の面と第２の部材の第２の面との間の距離によって少なくとも部分的に定められる流通路を含み、第１の熱膨張係数及び第２の熱膨張係数は、流通路の流領域が、第１の部材及び第２の部材のうち少なくとも１つの温度変化に応じて変化するように選択され、前記距離は、さらに、第１の部材及び第２の部材の温度変化に関係なく調節可能である。

前述の１つ以上の特徴に加え、または代替的に、さらなる実施形態では、第１の部材の第１の面と第２の部材の第２の面との間の距離は、第１の部材及び第２の部材のうち少なくとも１つの温度低下に応じて増大する。

前述の１つ以上の特徴に加え、または代替的に、さらなる実施形態では、距離の増大は、第１の部材及び第２の部材の両方の温度低下に対応する。

前述の１つ以上の特徴に加え、または代替的に、さらなる実施形態では、距離は軸方向距離である。

前述の１つ以上の特徴に加え、または代替的に、さらなる実施形態では、前記距離の増大により、流通路の流領域を増加させる。

前述の１つ以上の特徴に加え、または代替的に、さらなる実施形態では、第１の部材の第３の面と、第２の部材の第４の面と、の間の半径方向の距離は、第１の部材及び第２の部材のうち少なくとも１つの温度低下に応じて、第４の面に対して第３の面が半径方向に移動することによって変化する。

前述の１つ以上の特徴に加え、または代替的に、さらなる実施形態では、半径方向の距離は、第１の部材及び第２の部材のうち少なくとも１つの温度低下に応じて増大する。

前述の１つ以上の特徴に加え、または代替的に、さらなる実施形態では、第３の面及び第４の面のうち少なくとも１つは、少なくとも１つの半径方向凹部を有する。

前述の１つ以上の特徴に加え、または代替的に、さらなる実施形態では、距離を増大させるように第１の部材が第２の部材に対して付勢される。

前述の１つ以上の特徴に加え、または代替的に、さらなる実施形態では、第１の熱膨張係数及び第２の熱膨張係数のうち少なくとも１つは、マイナスである。

前述の１つ以上の特徴に加え、または代替的に、さらなる実施形態では、第１の部材はスリーブであり、第２の部材はガスフローバルブのステム（stem）である。

本明細書のさらなる開示は、弁を介した流量調節方法である。その方法は、第１の熱膨張係数を持つ第１の材料から作られた第１の部材、及び第２の熱膨張係数を持つ第２の材料から作られた第２の部材、のうち少なくとも１つの温度を変化させることであって、第１の部材及び第２の部材がその間に流通路の少なくとも一部を画定する、それらの第１の部材及び第２の部材のうち少なくとも１つの温度を変化させることと、その温度変化により、第１の部材及び第２の部材のうち少なくとも１つの寸法を変化させることと、その少なくとも１つの寸法を変化させることにより、流通路の流領域を変化させることと、温度変化に関係なく、第１の部材を第２の部材に対して移動させることにより、流通路の流領域を変化させることと、を含む。

前述の１つ以上の特徴に加え、または代替的に、さらなる実施形態は、第１の部材及び第２の部材のうち少なくとも１つの温度低下に応じて、流領域を増大させることを含む。

前述の１つ以上の特徴に加え、または代替的に、さらなる実施形態は、温度を変化させることにより、流領域の軸方向の寸法を変化させることを含む。

前述の１つ以上の特徴に加え、または代替的に、さらなる実施形態は、温度を変化させることにより、流領域の半径方向の寸法を変化させることを含む。

本明細書のさらなる開示は、タービンポンプアセンブリである。タービンポンプアセンブリは、第１の熱膨張係数を持つ第１の材料で作られた第１の部材、第２の熱膨張係数を持つ第２の材料で作られ第１の部材と連動できる第２の部材、及び第１の部材と第２の部材間に少なくとも部分的に定められた流通路を備えるタービン速度制御弁を含み、第１の熱膨張係数及び第２の熱膨張係数は、流通路の流領域が第１の部材及び第２の部材のうち少なくとも１つの温度変化に応じて変化するように選択される。

前述の１つ以上の特徴に加え、または代替的に、さらなる実施形態は、フライウエイト調速機アセンブリを含み、このフライウエイト調速機アセンブリは、その回転速度に比例して、第１の部材に対して第２の部材を動かすように構成される。

前述の１つ以上の特徴に加え、または代替的に、さらなる実施形態では、フライウエイト調速機アセンブリは、その回転速度の増加に応じて第２の部材をタービン速度制御弁の閉路方向に動かす。

本開示の主題は、明細書の結びにおける請求項内で詳細に指摘され、かつ直接特許請求される。本開示の先行の、かつ他の特徴、及び利点は、添付の図面と共に用いられる以下の詳細な記述から明らかである。

本明細書に開示の温度調節弁の断面図である。図１の温度調節弁の一部の拡大図である。本明細書に開示の、使用されているタービンポンプアセンブリの斜視断面図である。

図１及び２を参照して、本明細書に開示される温度調節弁の断面図が符号１０に説明される。温度調節弁１０は、第１の熱膨張係数を持つ第１の材料１８から作られた第１の部材１４、及び第２の熱膨張係数を持つ第２の材料２６から作られた第２の部材２２を含む。第２の部材２２は、第１の部材１４に対して軸方向に移動可能である。少なくとも１つの流通路３０Ａ、３０Ｂ（本実施形態に説明される２つ）は、第１の部材１４と第２の部材２２間の少なくとも一部で定められる。第１の熱膨張係数及び第２の熱膨張係数は、流通路３０Ａ、３０Ｂの流領域が第１の部材１４及び第２の部材２２のうち１つまたは両方の温度変化に応じて変化するように選択される。温度調節弁１０の１つの実施形態では、説明されるように、第１の部材１４はスリーブであり、かつ第２の部材２２はタービンポンプアセンブリ（ＴＰＡ)３２（図３にさらに示される）のステムである。

１つの実施形態では、流通路３０Ａは軸方向に形成され、かつ流通路３０Ｂは半径方向に形成される。流通路３０Ａは、第２の部材２２の第２の面４２に対する、第１の部材１４の第１の面３８との間の軸方向の距離３４により部分的に形成される。軸方向の距離３４は、第１の部材１４及び第２の部材２２のうち１つまたは両方の温度変化に応じて変化する。その際流通路３０Ａの流領域は変化する。軸方向の距離３４は、１つの実施形態において少なくとも１つの部材１４、２２の温度が低下するにつれ増大するよう構成される。説明される実施形態において、第１の面３８が第２の面４２の半径方向内部にオフセットされるように示される一方で、他の実施形態では面３８、４２を半径方向に整列させることができ、それにより特定の状態中に流通路３０Ａを閉じるよう面が互いに接することができる。

圧縮ばねとして１つの実施形態に示される付勢部材４６は、第２の部材２２の軸方向の寸法３６（図１のみ）の縮小によって軸方向の距離３４を増大させる方向に、第１の部材１４に対して第２の部材２２を付勢する。留意すべきは、温度調節弁１０は、部材１４、２２の温度が変化しない間であっても、距離３４の調節ができるよう構成される。そういった実施形態では、距離３４は部材１４、２２の温度変化とは関係なく調節可能である。

１つの実施形態では半径方向の流通路３０Ｂは、第１の部材１４の第３の面５０と第２の部材２２の第４の面５４との間に定められる。第３の面５０は第１の部材１４の内部半径方向の面であり、第４の面５４は第２の部材２２の外部半径方向の面である。流通路３０Ｂの流領域は、第３の面５０と第４の面５４との間の半径方向の距離５８により定められる。１つの実施形態では，流通路３０Ｂの流領域は、第２の部材２２の半径方向の寸法５６（図２のみ）を減少させる第２の部材２２の温度低下に応じて半径方向の距離５８が増大するに従い、増大する。第３の面５０と第４の面５４との間の半径方向の距離５８の増大は、第１の部材１４及び第２の部材２２の両方の温度低下に対応していてもよい。さらに、１つの実施形態では第３の面５０及び第４の面５４のうち１つまたは両方が、そこに１つ以上の半径方向の凹部６２を持っていてもよい。

先行の構造は、動作するように第１の部材１４と第２の部材２２間の熱膨張係数に依存する。距離３４、５８が変化する分量は、熱膨張係数の関連する値に部分的に基づいて材料１８、２６を選択することにより、少なくとも部分的に制御することができる。これらの係数は、部材１４、２２の軸方向及び／または半径方向の膨張と収縮の差をもたらし、これにより、与えられた温度変化において流通路３０Ａ、３０Ｂの流領域にさらなる、またはより少ない変化を生じさせる。第１の熱膨張係数及び第２の熱膨張係数のうち少なくとも１つをマイナスとなるように選択し、他方がプラスとなるように選択することにより、流通路３０Ａ、３０Ｂの流領域の、温度によってもたらされる変化を上回るよりよい制御を供給することができる。

図２及び３を参照して、タービンポンプアセンブリ（ＴＰＡ）３２の断面斜視図は、本明細書に開示のタービン速度制御弁６４と共に説明される。タービン速度制御弁６４は、温度調節弁１０の特徴と以下に記述されるような他の特徴を含む。タービンシャフト６５の回転速度は、タービン速度制御弁６４により制御される。弁６４は、タービンシャフト６５が回転している時、付勢部材４６により開放のまま保持される（図に示されるような弁の位置）。矢印６６の方向（図１のみに示される）でのガス流は、入口７０を通り、弁６４へと入り、流通路３０Ａ、３０Ｂを通り、出口７４を通じて出て、タービンシャフト６５を回転させる。ガス圧が上がるにつれ、タービンシャフト６５は加速する。シャフト６５が回転するにつれ、フライウエイト調速機アセンブリ（fly weight governor assembly）７８も回転する。フライウエイト調速機アセンブリ７８の回転は、旋回軸８６を中心として半径方向外側にアセンブリ７８のアーム８２を動かす求心力を生じさせる。アーム８２の回転は、半径方向の動きを、接続部材９０を介して第２の部材２２の軸方向の動きへと変える。この軸方向の動きは、プロセスにおいて第２の部材２２を付勢部材４６へと圧縮するように促す。軸方向の動きは、前述のように流通路３０Ａの流領域を減少させる。タービンシャフト６５が速く回転するにつれ、弁６４はさらに閉じるよう押し出される。シャフト６５が全速力に達する時、アーム８２における求心力が、タービンシャフト６５の速度を維持するよう十分に流通路３０Ａの流領域が開放された状態で、付勢部材４６の軸方向の力とのつりあいを保つ。追加的負荷がＴＰＡ３２に加わる場合、シャフト６５は、その出力が弁６４を通流するガスの質量流量（mass flow rate）に比例するため、減速し始める。シャフト６５が速度低下するにつれてアーム８２に作用する求心力は低下し、付勢部材４６の付勢方向に第２の部材２２を動かすことにより弁６４を開放させる。このように、弁６４の開放及び閉鎖は継続し、シャフト６５の速度を維持する。

入口ガス温度は、−２５０°Ｆから１００°Ｆまで変動しうる。本明細書に開示される弁６４の温度補償型の態様により、弁が極低温にさらされている時、さらなる質量流量（mass flow）を、弁６４を通じて流れさせ、それによりタービンポンプアセンブリ３２の動作向上に役立つ。例えば、弁６４の１つの実施形態は、比較的低い（このケースではマイナスの）熱膨張係数を持つ第１の部材１４のための第１の材料１８、Ｉｎｖａｒ（ＩｍｐｈｙＡｌｌｏｙｓの登録商標）（−３０＊＊−６／°Ｋ）、及び比較的高い熱膨張係数を持つ第２の部材２２のための第２の材料２６、マグネシウム（２６＊＊−６／°Ｋ）を含む。ガス温度が７２°Ｆから−２５０°Ｆに減少すると、１つの実施形態では、これらの材料の使用により、流通路３０Ａにおける軸方向開口部の２５％の自然増加を提供することができる。同様に、ガス温度が７２°Ｆから−２５０°Ｆに減少すると、１つの実施形態では、これらの材料の使用により、流通路３０Ｂにおける半径方向開口部の２００％の自然増加を提供することができる。

本開示が、限られた数の実施形態のみに関連して詳細を記述してきた一方で、本開示はそういった開示の実施形態に限定されないことが容易に理解されるべきである。むしろ、本開示は、これまで記述されていない変化、変更、代用または同等の仕組みをいくつでも組み込むために修正できるが、それらは本開示の趣旨及び範囲に相当するものである。さらに、本開示の様々な実施形態が記述されてきた一方で、本開示の態様が、記述された実施形態のいくつかのみを含み得るということが明らかとなる。従って、本開示は先行の記述により限定されるものではなく、添付の請求項の範囲によってのみ限定される。

１０…温度調節弁
１４…第１の部材
１８…第１の材料
２２…第２の部材
２６…第２の材料
３０Ａ，３０Ｂ…流通路
３４…軸方向距離
３６…軸方向寸法
３８…第１の面
４２…第２の面
４６…付勢部材
６６…ガス流
７０…入口
７４…出口
７８…フライウエイト調速機アセンブリ
８２…アーム
８６…旋回軸
９０…接続部材

Claims

タービンポンプアセンブリのタービンシャフトの回転速度を、弁を介して制御する流量調節方法であって、
第１の熱膨張係数を持つ第１の材料から作られた第１の部材と、第２の熱膨張係数を持つ第２の材料から作られた第２の部材と、の間に流通路の少なくとも一部が画定された、該第１の部材と、該第２の部材と、であって、前記第１の部材はスリーブであり、前記第２の部材は前記スリーブ内に配置されるとともに前記第１の部材に対して軸方向に移動可能であり、前記第２の部材が、付勢部材に動作可能に接続されて、前記付勢部材が該第２の部材を、前記第１の部材に対し前記流通路の流領域の軸方向の距離を増大させる方向に付勢し、少なくとも一つの接続部材が、前記第２の部材に動作可能に連結されて、半径方向の動きを、前記付勢部材に対向する軸方向の動きへと変換するように構成された、前記第１の部材と、前記第２の部材と、のうち少なくとも一つの温度を変化させ、
前記温度を変化させることにより、前記第１の部材及び前記第２の部材のうち少なくとも１つの寸法を変化させ、
前記少なくとも１つの寸法を変化させることにより、前記流通路の流領域を変化させ、
温度の変化に関係なく、前記第１の部材を前記第２の部材に対して移動させることにより、前記流通路の前記流領域を変化させ、
フライウエイト調速機アセンブリの回転速度に比例して前記第２の部材を前記第１の部材に対して移動させる、
ことを備えた、流量調節方法。
前記第１の部材及び前記第２の部材のうち少なくとも１つの温度低下に応じて、前記流領域を増大させることをさらに備えた、請求項１に記載の流量調節方法。
前記温度を変化させることにより、前記流通路の前記流領域の軸方向の寸法を変化させることをさらに備えた、請求項１に記載の流量調節方法。
前記温度を変化させることにより、前記流通路の前記流領域の半径方向の寸法を変化させることをさらに備えた、請求項１に記載の流量調節方法。