JP2016080104A - バルブ機構 - Google Patents

Abstract

【課題】弁体をシール部材に当接させることによって閉塞を行うバルブ機構において、シール部材等にクリープが生じることを抑制する。【解決手段】流体を吐出する開口を有するシール部材１０と、上記シール部材１０と当接されることで上記開口を閉塞する弁体９と、上記弁体９が取り付けられると共に上記シール部材１０に向けて移動される軸部７とを備えるバルブ機構１であって、上記弁体９を上記軸部７の移動方向に対して傾動可能に支持する弁体傾動機構１１を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、バルブ機構に関するものである。

例えば、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等に用いられる空圧作動バルブが開示されている。この空圧作動バルブは、流体（例えば推進剤）が吐出される開口を有するシール部材と、当該シール部材に対して当接されるポペットヘッド（弁体）とを備えている。このような空圧作動バルブにおいては、シール部材に対してポペットヘッドが押圧されているときには、上記開口が閉塞されて流体の吐出が停止され、シール部材に対してポペットヘッドが離間しているときには、開放から上記開口から流体が吐出される。

特開２００４−３０１３１８号公報

しかしながら、上述のような空圧作動バルブは、例えば数十℃程度の高温環境からマイナス２００℃近い極低温環境まで、極めて広い温度範囲で用いられる。このため、シール部材等の熱変形が大きくなり経年劣化が早まる傾向にある。また、常に振動が加わることからも経年劣化が早まる傾向にある。このようにシール部材等が経年劣化した場合や機械的誤差があると、ポペットヘッドのシール部材への当たりに偏りが生じ、押圧力が局所的に過大となるおそれがある。この結果、クリープが生じる等によりシール部材等の寿命が短くなり、メンテナンスの頻度が増加する等の問題が生じる。

なお、このような問題は、シール部材等の経年劣化に係る時間の長短はあるものの、ロケットエンジン等に搭載される空圧作動バルブに限られるものではなく、弁体をシール部材に対して当接させることで閉塞を行うバルブ機構全体において生じるものである。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、弁体をシール部材に当接させることによって閉塞を行うバルブ機構において、シール部材等にクリープが生じることを抑制することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するための手段として、以下の構成を採用する。

第１の発明は、流体を吐出する開口を有するシール部材と、上記シール部材と当接されることで上記開口を閉塞する弁体と、上記弁体が取り付けられると共に上記シール部材に向けて移動される軸部とを備えるバルブ機構であって、上記弁体を上記軸部の移動方向に対して傾動可能に支持する弁体傾動機構を備えるという構成を採用する。

第２の発明は、上記第１の発明において、上記弁体傾動機構が、上記軸部を傾動可能かつ軸心方向へ移動可能に支持する球面軸受機構からなるという構成を採用する。

第３の発明は、上記第２の発明において、上記弁体が上記シール部材に対して離間している場合に上記軸部の傾動を規制する傾動規制部を備えるという構成を採用する。

第４の発明は、上記第１の発明において、上記弁体傾動機構が、上記軸部と上記弁体との間に介在される弾性部材からなるという構成を採用する。

第５の発明は、上記第１の発明において、上記軸部が、上記弁体が固定されるヘッドと、当該ヘッドに対して球面軸受機構を介して接続される基部とを有し、上記弁体傾動機構が、上記球面軸受機構からなるという構成を採用する。

本発明によれば、弁体傾動機構によって弁体が軸部の移動方向に対して傾動可能に支持されている。このため、経年劣化等によってシール部材あるいは弁体が変形したような場合であっても、弁体をシール部材に対して当接させるときに、弁体が傾動してシール部材に対して最も安定した位置となるように調芯される。この結果、弁体がシール部材に対して偏って当接することを抑制することができ、弁体のシール部材への押圧力が局所的に過大となることを防止することができる。したがって、本発明によれば、弁体をシール部材に当接させることによって開閉を行うバルブ機構において、シール部材等にクリープが生じることを抑制することができる。

本発明の一実施形態における空圧作動バルブの構成を示す断面図である。 本発明の一実施形態における空圧作動バルブが備えるポペットヘッド及びシール部材を含む部分拡大図であり、（ａ）がシール部材にポペットヘッドが当接した状態を示し、（ｂ）がシール部材からポペットヘッドが離間した状態を示す。 本発明の一実施形態における空圧作動バルブが備える球面軸受機構を含む部分拡大図である。 本発明の一実施形態における空圧作動バルブが備える傾動規制部を含む部分拡大図であり、（ａ）がシール部材からポペットヘッドが離間した状態を示し、（ｂ）がシール部材にポペットヘッドが当接した状態を示している。 本発明の一実施形態における空圧作動バルブの変形例における部分拡大図である。 本発明の一実施形態における空圧作動バルブの変形例における部分拡大図である。

以下、図面を参照して、本発明に係るバルブ機構の一実施形態について説明する。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、各部材の縮尺を適宜変更している。なお、以下の実施形態においては、ロケットエンジン用の液体推進剤の供給を制御するための推薬弁である空圧作動バルブに対して本発明を適用した例について説明する。

図１は、本実施形態の空圧作動バルブ１（バルブ機構）の構成を示す断面図である。なお、図１において、左半分は空圧作動バルブ１の閉状態を示し、右半分は空圧作動バルブ１の開状態を示す。また、空圧作動バルブ１の姿勢は任意であるが、以下の説明においては便宜上、図１の上側を上、図１の下側を下と称する。

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液体推進剤の供給を制御するための推薬弁であり、図１に示すように、ケーシング２と、ピストン３と、第１皿バネ４と、作動用ガス供給装置５と、第１ベローズ６と、軸部７と、第２皿バネ８と、ポペットヘッド９（弁体）と、シール部材１０と、球面軸受機構１１と、第２ベローズ１２と、傾動規制部１３とを備えている。

ケーシング２は、シリンダ２ａと、ボディ２ｂと、ヘッド２ｃと、第１ボルト２ｄと、第１バネ２ｅと、第２ボルト２ｆと、第２バネ２ｇとを備えている。シリンダ２ａは、ピストン３を収容する部位であり、ボディ２ｂの上部と連結されている。ボディ２ｂは、上部にピストン３が連結され、下部にヘッド２ｃが連結されている。ボディ２ｂは、内部が流路２ｂ１とされた筒形状の部位であり、流体入口２ｂ２を有している。ヘッド２ｃは、ボディ２ｂの内部と連通し、液体推進剤を吐出するための流体出口２ｃ１を有している。

また、シリンダ２ａとボディ２ｂ、及び、ボディ２ｂとヘッド２ｃは、僅かな隙間を介して連結されている。なお、これらの隙間は、シリンダ２ａ、ボディ２ｂ及びヘッド２ｃが熱変形したときに、その変形を許容するための空間である。なお、これらの隙間は他の部材によって封止されており、これによって液体推進剤や作動用ガスが漏出することが防止されている。第１ボルト２ｄは、シリンダ２ａ側から挿入されると共にボディ２ｂと螺合することによってシリンダ２ａとボディ２ｂとを締結する。第１バネ２ｅは、第１ボルト２ｄの頭部とシリンダ２ａとの間に介挿される皿バネであり、シリンダ２ａをボディ２ｂに対して付勢することにより、シリンダ２ａ及びボディ２ｂとが熱変形した場合であってもガタツキを防止する。第２ボルト２ｆは、ヘッド２ｃ側から挿入されると共にボディ２ｂと螺合することによってボディ２ｂとヘッド２ｃとを締結する。第２バネ２ｇは、第２ボルト２ｆの頭部とヘッド２ｃとの間に介挿される皿バネであり、ヘッド２ｃをボディ２ｂに対して付勢することにより、ボディ２ｂとヘッド２ｃとが熱変形した場合であってもガタツキを防止する。

ピストン３は、シリンダ２ａの内部に収容されており、作動用ガス供給装置５から供給される作動用ガスによって上下に移動される。第１皿バネ４は、シリンダ２ａとピストン３との間に介挿されており、ピストン３を下方に向けて付勢する。これによって、ピストン３は、作動用ガス供給装置５から作動用ガスが供給されていない場合には常に下方に位置することになる。

作動用ガス供給装置５としては、ピストン３の上端面が露出する閉作動用圧力室２ａ１に作動用ガスを供給する閉作動用ガス供給装置５ａと、ピストン３の下端面が露出する開作動用圧力室２ａ２に作動用ガスを供給する開作動用ガス供給装置５ｂとが設けられている。第１ベローズ６は、上端がピストン３に固定され下端がボディ２ｂに固定されており、シリンダ２ａの内部を上記閉作動用圧力室２ａ１と、閉作動用ガス供給装置５ａとに隔離している。

軸部７は、第２皿バネ８を介してピストン３の下部に接続されていると共にピストン３から下方に向けて延びる棒部材であり、先端（下方側の端部）にポペットヘッド９が取り付けられている。このような軸部７は、ピストン３の上下動により上下方向に移動される。このような軸部７の下方にはシール部材１０が配置されていることから、軸部７はピストン３の移動によりシール部材１０に向けて移動される。

第２皿バネ８は、軸部７とピストン３との間に介挿されており、ポペットヘッド９がシール部材１０に対して当接されているときに、軸部７を下方に向けて付勢することで、ポペットヘッド９をシール部材１０に対して押圧する。つまり、この第２皿バネ８の付勢力によって、ポペットヘッド９のシール部材１０に対する押圧力が規定される。

図２は、ポペットヘッド９及びシール部材１０を含む部分拡大図であり、（ａ）がシール部材１０にポペットヘッド９が当接した状態を示し、（ｂ）がシール部材１０からポペットヘッド９が離間した状態を示している。図２に示すように、ポペットヘッド９は、下部が球面状に湾曲された略半球型形状を有しており、例えばニッケル基超合金によって形成されている。このポペットヘッド９は、上方から見てシール部材１０の後述する開口１０ａよりも大径とされており、シール部材１０に当接することによって開口１０ａを閉塞する。

シール部材１０は、流体を吐出するための開口１０ａが設けられた樹脂製の部材であり、開口１０ａがヘッド２ｃの流体出口２ｃ１と連通するようにボディ２ｂとヘッド２ｃとによって挟持されている。開口１０ａの周面には、開口１０ａが下方に向けて窄むようにテーパ面１０ｂが設けられている。このテーパ面１０ｂは、上方から当接されるポペットヘッド９を、ポペットヘッド９が全周に亘ってシール部材１０に対して均一な押圧力で当接する位置（例えば上方から見て開口１０ａの中心とポペットヘッド９の中心とが重なる位置であり、シール部材１０に当接するポペットヘッド９が安定する位置）に案内する。このようなシール部材１０は、例えばＰＣＴＦＥ（ポリクロロトリフルオロエチレン）等の樹脂を用いて形成することができる。

図３は、球面軸受機構１１を含む部分拡大図である。この図に示すように、球面軸受機構１１は、内輪１１ａと、外輪１１ｂと、リテーニングリング１１ｃとを備えている。内輪１１ａは、外周面が球面とされると共に軸部７が挿通される開口を有する環状部材である。この内輪１１ａは、外輪１１ｂに対して嵌合されることにより支持されている。また、外輪１１ｂに対して外周面を摺動面として当接され、外輪１１ｂに対して傾動可能とされている。外輪１１ｂは、リテーニングリング１１ｃによってボディ２ｂに対して固定されている。

このような球面軸受機構１１は、内輪１１ａが外輪１１ｂに対して傾動可能とされていることから、内輪１１ａに挿通される軸部７を傾動可能に支持する。また、内輪１１ａが極めて微小な隙間を空けて軸部７を囲っており、軸部７を上下方向に移動可能としている。なお、軸部７が上下方向に移動可能であれば、内輪１１ａは、軸部７の周面に対して摺動可能に当接されていても良い。

このような球面軸受機構１１においては、軸部７が軸部７の本来の移動方向（ピストン３の移動方向であって上下方向）に対して僅かにでも傾動した場合には、軸部７が内輪１１ａに接触した状態でピストン３の移動に伴って移動することになる。例えばロケットエンジンに空圧作動バルブ１が搭載される場合には、広い温度範囲で使用されることから、グリース等の潤滑剤を用いることはできない。このため、軸部７が内輪１１ａに接触している場合であっても円滑に移動されるよう、内輪１１ａ及び軸部７の摩擦係数、内輪１１ａの内径、軸部７の外径、及び内輪１１ａの軸部７の延在方向の長さ等が設定されている。具体的には、軸部７と内輪１１ａとの間の摩擦力が軸部７の円滑な移動を阻害する程度に局所的に過大とならないよう、内輪１１ａと軸部７との接触面積を広く確保する必要があり、このような接触面積が確保されるように内輪１１ａ及び軸部７の摩擦係数、内輪１１ａの内径、軸部７の外径、及び内輪１１ａの軸部７の延在方向の長さ等が設定される。

図１に戻り、第２ベローズ１２は、軸部７を囲うようにしてボディ２ｂの内部に配置されている。このような第２ベローズ１２は、球面軸受機構１１や軸部７とピストン３との接続部位が配置される空間をボディ２ｂの内部に形成される流路２ｂ１から隔離するものである。この第２ベローズ１２によって、ボディ２ｂの流路２ｂ１に供給される流体が球面軸受機構１１や軸部７とピストン３との接続部位を通じてシリンダ２ａ内部に流入することを防止することができる。

図４は、傾動規制部１３を含む部分拡大図であり、（ａ）がシール部材１０からポペットヘッド９が離間した状態を示し、（ｂ）がシール部材１０にポペットヘッド９が当接した状態を示している。傾動規制部１３は、シリンダ２ａ内部の上部に設けられており、ガイド部１３ａ、厚肉部１３ｂと、薄肉部１３ｃとを備えている。ガイド部１３ａは、シリンダ２ａの天井から下方に向けて垂下された突起部である。厚肉部１３ｂ及び薄肉部１３ｃは、ピストン３の上部に設けられており、厚肉部１３ｂの上方に薄肉部１３ｃが設けられている。厚肉部１３ｂは、薄肉部１３ｃよりもピストン３の中心側に膨出されるように、薄肉部１３ｃよりも肉厚に形成された部位である。この厚肉部１３ｂは、図３（ａ）に示すように、シール部材１０からポペットヘッド９が離間した状態すなわちピストン３が上昇した状態においてガイド部１３ａの外周面に対して摺動可能に当接し、図３（ｂ）に示すように、シール部材１０にポペットヘッド９が当接した状態すなわちピストン３が下降した状態においてガイド部１３ａと接触しなくなる位置及び厚さに形成されている。

このような傾動規制部１３では、ピストン３が上昇した状態においてガイド部１３ａの外周面に対して当接することから、シール部材１０からポペットヘッド９が離間した状態においてピストン３すなわち軸部７が傾動しないように規制する。

このように構成された本実施形態の空圧作動バルブ１によれば、閉作動用ガス供給装置５ａから作動用ガスが閉作動用圧力室２ａ１に供給されると、ピストン３が下方に押され、軸部７が下降してポペットヘッド９がシール部材１０に当接される。これによって、シール部材１０の開口１０ａが閉鎖されて流体が流体出口２ｃ１から吐出されない状態となる。一方、開作動用ガス供給装置５ｂから作動用ガスが開作動用圧力室２ａ２に供給されると、ピストン３が上方に押され、軸部７が上昇してポペットヘッド９がシール部材１０から離間される。これによって、シール部材１０の開口１０ａが開放され、流体が流体出口２ｃ１から吐出される。

以上のような本実施形態の空圧作動バルブ１においては、球面軸受機構１１によってポペットヘッド９が軸部７の移動方向に対して傾動可能に支持されている。このため、経年劣化等によってシール部材１０が変形したような場合であっても、ポペットヘッド９をシール部材１０に対して当接させるときに、ポペットヘッド９が傾動してシール部材１０に対して最も安定した位置となるように調芯される。この結果、ポペットヘッド９がシール部材１０に対して偏って当接することを抑制することができ、ポペットヘッド９のシール部材１０への押圧力が局所的に過大となることを防止することができる。したがって、本実施形態の空圧作動バルブ１によれば、シール部材１０にクリープが生じることを抑制することができる。

また、本実施形態の空圧作動バルブ１においては、本発明の弁体傾動機構として、軸部７を傾動可能かつ軸心方向へ移動可能に支持する球面軸受機構１１を用いている。このような本実施形態の空圧作動バルブ１によれば、簡易な機構によって、ポペットヘッド９の調芯を行うことが可能となる。

また、本実施形態の空圧作動バルブ１においては、ポペットヘッド９がシール部材１０から離間している場合に、軸部７の傾動を規制する傾動規制部１３を備えている。このため、ポペットヘッド９がシール部材１０から離間しているときに、軸部７が振動等することを防止することができる。

以上、添付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ないことは言うまでもない。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、本発明の趣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、本発明においては、図５に示すように、軸部７とポペットヘッド９との間に介在されるコイルバネ２０（弾性部材）を設け、このコイルバネ２０を本発明の弁体傾動機構とすることも可能である。このような場合には、軸部７を傾動させることなくポペットヘッド９のみを傾動させることができる。また、図６に示すように、軸部７を、ポペットヘッド９が固定されるヘッド７ａと、ヘッド７ａに対して球面軸受機構３０を介して接続される基部７ｂとを有する構造とし、球面軸受機構３０を本発明の弁体傾動機構とすることも可能である。このような場合には、弁体傾動機構を軸部７の内部に形成することができ、軸部７を製造することによって同時に弁体傾動機構を設けることが可能となる。

また、上記実施形態においては、シール部材１０が樹脂からなる構成について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、ポペットヘッド９を樹脂によって形成し、シール部材１０を金属によって形成することも可能である。

また、上記実施形態においては、本発明のバルブ機構を空圧作動バルブ１に適用した例について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、広い温度範囲で使用されるバルブ機構や振動のある環境で使用されるバルブ機構等に好適なものである。

１ 空圧作動バルブ（バルブ機構）
２ ケーシング
２ａ シリンダ
２ａ１ 閉作動用圧力室
２ａ２ 開作動用圧力室
２ｂ ボディ
２ｂ１ 流路
２ｂ２ 流体入口
２ｃ ヘッド
２ｃ１ 流体出口
２ｄ 第１ボルト
２ｅ 第１バネ
２ｆ 第２ボルト
２ｇ 第２バネ
３ ピストン
４ 第１皿バネ
５ 作動用ガス供給装置
５ａ 閉作動用ガス供給装置
５ｂ 開作動用ガス供給装置
６ 第１ベローズ
７ 軸部
７ａ ヘッド
７ｂ 基部
８ 第２皿バネ
９ ポペットヘッド（弁体）
１０ シール部材
１０ａ 開口
１０ｂ テーパ面
１１ 球面軸受機構（弁体傾動機構）
１１ａ 内輪
１１ｂ 外輪
１１ｃ リテーニングリング
１２ 第２ベローズ
１３ 傾動規制部
１３ａ ガイド部
１３ｂ 厚肉部
１３ｃ 薄肉部
２０ コイルバネ（弁体傾動機構）
３０ 球面軸受機構（弁体傾動機構）

Claims (5)

1. 流体を吐出する開口を有するシール部材と、前記シール部材と当接されることで前記開口を閉塞する弁体と、前記弁体が取り付けられると共に前記シール部材に向けて移動される軸部とを備えるバルブ機構であって、
   前記弁体を前記軸部の移動方向に対して傾動可能に支持する弁体傾動機構を備えることを特徴とするバルブ機構。
2. 前記弁体傾動機構は、前記軸部を傾動可能かつ軸心方向へ移動可能に支持する球面軸受機構からなることを特徴とする請求項１記載のバルブ機構。
3. 前記弁体が前記シール部材に対して離間している場合に前記軸部の傾動を規制する傾動規制部を備えることを特徴とする請求項２記載のバルブ機構。
4. 前記弁体傾動機構は、前記軸部と前記弁体との間に介在される弾性部材からなることを特徴とする請求項１記載のバルブ機構。
5. 前記軸部が、前記弁体が固定されるヘッドと、当該ヘッドに対して球面軸受機構を介して接続される基部とを有し、
   前記弁体傾動機構は、前記球面軸受機構からなることを特徴とする請求項１記載のバルブ機構。

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