JP6385065B2 - 流体供給路を開放するための弁装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えばテクニカルシステムのベントなどを実行するために、流体供給路をただ一度だけ開放するための弁装置に関する。本発明は更に、例えば宇宙航行機の構成要素などのテクニカルシステムに関する。

ただ一度だけ作動させる構造の弁装置は、例えば宇宙航行機などにしばしば用いられている。かかる弁装置の機能は、然るべき時点で確実に、流体供給路を完全に開放または閉塞することにある。そのため、かかる弁装置にはアクチュエータが備えられている。そのアクチュエータとして、これまで殆どの場合、発火作動式アクチュエータである信管が用いられていた。信管を用いることに付随する欠点は、作動時にいわゆる発火衝撃が発生するため、その弁装置を装備したテクニカルシステムのその他の構成要素が、その発火衝撃によって損傷するおそれがあることである。また、通常、信管には動作保証期間というものがあり、その期間の経過後には正常な動作が保証されず、その期間は例えば８年程度である。これに対して、宇宙航行機である例えば通信衛星などは、一般的に、１５年以上もの長期に亘って静止軌道上に配備されることになるため、通信衛星に搭載されているテクニカルシステムの供用期間の終期には、そのテクニカルシステムに装備されている弁装置が確実に作動することはもはや保証の限りではない。

ただ一度だけ作動させる構造の弁装置として現在開発が進められているもののうちに、信管の替わりにワックスアクチュエータを用いた弁装置がある。そのワックスアクチュエータは、力を加えて変形させたスプリングをワックスの中に埋設したものである。スプリングが元の形状に復帰しようとするのを、固体状態のワックスが阻止している。この弁装置を作動させるには、ワックスを加熱して液体状態にする。ワックスが液体状態になるとスプリングの拘束が解かれるため、それによってワックスアクチュエータが、例えば剪断力を発生して細管のキャップを切開するようにしておく。ワックスアクチュエータをこのように機能させるためには、切断刃を装備しておく必要がある。

本発明の目的は、例えばテクニカルシステムのベントなどを実行するために、流体供給路をただ一度だけ開放するための弁装置であって、その流体供給路のただ一度だけの開放を、低コストで、且つ、信頼性の高い方式で行うことのできる弁装置を提供することにある。

上記目的は、請求項１に記載した特徴を備えた弁装置、並びに、請求項１３に記載した特徴を備えたテクニカルシステムにより達成される。従属請求項は、特に有利な構成例の特徴を記載したものである。

本発明によれば、例えばテクニカルシステムのベントなどを実行するために、流体供給路をただ一度だけ開放するための弁装置が提供される。この弁装置は、前記流体供給路に接続される流体流入部と、流体流出部と、前記流体流入部と前記流体流出部との間に配設され、非***作状態にあるときに前記流体流入部と前記流体流出部との間の流体流路を閉塞している操作可能な閉塞手段とを備えている。該閉塞手段は、操作パラメータに応じて相状態が変化する相変化材料を備えており、***作状態において該相変化材料の相変化によって前記流体流路を不可逆的に開放するように構成されている。

本発明に係る弁装置によれば、流体供給路のただ一度だけの開放が、機械的アクチュエータを用いることなく行われる。そのため本発明に係る弁装置は、構造を簡明なものとすることができ、ひいては、低コストで製作することができる。また、本発明に係る弁装置によれば、宇宙航行関連用途に要求される１５年以上の長期に亘る供用期間が経過するまでの間、確実に機能することが保証される。

本発明に係るテクニカルシステムは、その具体例を挙げるならば、例えば、燃料を搭載した宇宙航行機に搭載されている、当該宇宙航行機の放棄処理を実行するための放棄処理システムなどである。かかるシステムにおいて、本発明に係る弁装置は、例えば人工衛星などの宇宙航行機に装備されている、燃料並びに加圧ガスを貯留するタンク及びそれらを供給する配管を、ミッション終了時に不活化するために用いられるものである。この不活化を実施することによって、大気圏への再突入時やデブリの衝突時に、当該宇宙航行機が爆発するのを回避することができる。

特に好適な１つの構成例によれば、前記相変化材料の相変化は加熱により発生し、前記相変化材料は加熱されることで固相状態から液相状態に遷移する。そして、その結果として前記閉塞手段が開放される。前記相変化材料の相変化を発生させるには、いわゆる相変化温度にまで加熱する必要がある。前記相変化材料としては、前記弁装置の意図しない作動が発生することがないように、前記弁装置の環境温度ないし動作温度と、相変化温度との温度差が、十分な大きさとなるような相変化材料を選択することが好ましい。前記弁装置の意図しない作動を発生させる原因としては、例えば、日射による加熱や、他の構成要素からの廃熱による加熱などがある。前記相変化材料は、金属材料を含有する材料、または金属材料のみから成る材料とすることが好ましい。また、金属材料としてはインジウムを用いることが好ましく、インジウムはその融点が１５７℃以上であるため、宇宙航行関連用途における要求条件を満足し得る材料である。尚、ここで使用する金属材料という用語は広義に解釈されるべきものであり、また特に、合金材料をも包含するものである。

特に好適な別の１つの構成例によれば、前記閉塞手段は加熱装置を備えており、該加熱装置が、制御装置を介して起動されることで前記閉塞手段に操作を加えるように構成されている。前記加熱装置によって、固相状態にあるときに前記流体流入部と前記流体流出部との間の前記流体流路を閉塞している前記相変化材料を、その固相状態から液体または気体の状態にすることができ、もって、前記弁装置をただ一度だけ開弁状態にすることができる。前記加熱装置は、抵抗加熱装置として構成したものとするとよい。宇宙航行関連用途の分野では、例えば推進薬としてヒドラジンを使用するロケットエンジンなどに、公知の抵抗加熱装置が用いられている。この種の加熱装置は、発熱体と、リード線と、電気コネクタとを備えている。

前記加熱装置は、前記閉塞手段の内部の前記相変化材料の近傍に配設されているようにすることが好ましい。こうすることで、前記相変化材料の相状態を変化させるために要する反応時間を短縮することができる。

前記弁装置が非***作状態にある間は、前記相変化材料が前記閉塞手段の少なくとも１本の流体流路を閉塞している。換言するならば、前記閉塞手段は１本または複数本の流体流路を備えており、前記弁装置が非***作状態にある間は、固相状態にある前記相変化材料が当該流体流路の中に配設されている。前記弁装置が***作状態にされたならば、前記流体供給路の中に存在していた流体が当該流体流路を通って流出することによって、前記テクニカルシステムのベントが実行される。

特に好適な１つの構成例によれば、前記閉塞手段ないし前記排出弁装置の縦断面の面内において、前記少なくとも１本の流体流路の内壁面の少なくとも一部分が円錐面または段部を有する面として形成されており、もって、前記テクニカルシステムの内部の圧力によって前記相変化材料が前記内壁面に押付けられるようにしてある。こうすることで、排出弁装置が非***作状態にあるときに、前記流体流路を密封している前記相変化材料が、前記テクニカルシステムの動作中に発生する前記テクニカルシステムの内部の圧力によって移動されるおそれがなくなる。もし、そのような移動が発生すると、前記テクニカルシステムに漏出が生じるおそれがある。

別の１つの構成例によれば、前記流体流出部は、少なくとも１つの開口を有する流出管を備えており、該流出管は、前記流体流路と前記流体流出部との間に画成されている前記弁装置の空間の中へ突出しており、前記弁装置の操作がなされたならば、液相状態となった前記相変化材料が前記空間の中へ流出して貯留され、もって、前記流出管の前記少なくとも１つの開口が、前記流体流路を介して前記流体流入部と連通した状態となるようにしてある。また、前記少なくとも１つの開口は、前記流体流出部の前記流出口と連通している。更に、前記弁装置のハウジングに画成されている前記空間は、その容積が、加熱によって相状態が変化した前記相変化材料の全量を当該空間の内部に貯留し得る容積とされている。また、前記流出管は、前記空間の内部において該流出管の前記少なくとも１つの開口が前記相変化材料によって閉塞されることがないように配設されており、もって、排出弁装置である前記弁装置の前記流体流入部と前記流体流出部との間の連通状態が確実に維持されるようにしてある。

前記流体流出部は、該流体流出部の流出口に管部材を連結可能であるように構成しておくのもよい。また、別構成例として、前記流体流出部が、該流体流出部の流出口にノズルを備えているようにするのもよい。また、その場合に、前記ノズルを別体の部材として形成し、それを排出弁装置である前記弁装置の前記流体流出部に連結するようにするのもよい。或いはまた、排出弁装置である前記弁装置の前記流体流出部を、該流体流出部の流出口がノズルの形状に形成されたものとするのもよい。更に別の構成例として、前記流体流出部は、該流体流出部の流出口を、流体の対称的な排出が可能であり、また特に前記弁装置の長手方向軸心に関して対称的な排出が可能な、複数の流出口としたものとするのもよい。こうすることで、前記流体の排出に際して、前記テクニカルシステムに対して、またひいては、例えば人工衛星や宇宙航行機などに横方向の力や回転モーメントが作用するのを確実に回避することができる。このような構造は「無反作用力型の流体流出構造」などと呼ばれている。

前記弁装置が開弁状態になったときに流れる前記流体の流量を規制するために、前記流体流入部と前記閉塞手段との間にオリフィスを配設するのもよい。該オリフィスは、前記テクニカルシステムのベントを実行したときに前記流体が流れる流路の断面積を限定するものである。該オリフィスを装備することに替えて、或いは、該オリフィスを装備することに加えて、前記流体流出部と前記閉塞手段との間に、同様に前記流体の流量を規制するためのオリフィスを配設するのもよい。

尚、本明細書において使用する「流体」という用語は、液体と気体とのいずれをも意味し得るものであり、また具体的には、例えば燃料などを意味するものである。

前記テクニカルシステムは、例えば、以上に説明した弁装置を排出弁装置として装備した宇宙航行機の構成要素などであり、この種のテクニカルシステムにおいては、通常、当該排出弁装置が閉弁状態にある間は、当該テクニカルシステムの内部の流体が加圧状態に維持されている。

以下に図面に示した具体的な実施の形態に即して、本発明を更に詳細に説明して行く。図面については以下の通りである。

排出弁装置として構成した場合の構成例を示した本発明に係る弁装置の模式的な断面図である。 図１の排出弁装置の流体流出部に取付可能な無反作用力型の流体流出構造部の模式図である。 図１の排出弁装置の流体流出部に取付可能なノズルを示した図である。 本発明に係る排出弁装置の模式的な側面図であり加熱機構の構成要素を示した図である。 図４の排出弁装置を上方から見た図である。

図１に示したのは、本発明に係る排出弁装置１の模式的な断面図である。この排出弁装置（以下、単に弁装置ということもある）１はハウジング２を備えている。ハウジング２は第１ハウジング部分２ａと第２ハウジング部分２ｂとを含んでいる。それら２つのハウジング部分２ａ、２ｂは、接続ハウジング部分２ｃを介して互いに接続されている。図示例では、第１ハウジング部分２ａ及び第２ハウジング部分２ｂの断面形状はいずれも円形とされている。更に、図示例では、第１ハウジング部分２ａの直径を第２ハウジング部分２ｂの直径より大きくしてあるが、ただしこのようにすることは必須の要件ではない。その結果として、接続ハウジング部分２ｃの形状は円錐台の形状とされている。また、図示例では、第２ハウジング部分２ｂの直径が、排出弁装置１の流体流入部３の流体流路断面の直径に応じた寸法とされている。ハウジング２は、その流体流入部３と反対側の端部に流体流出部４を備えている。流体流入部３は、例えば宇宙航行機の推力発生システム（エンジン）などのテクニカルシステムの流体供給路（不図示）に接続される。流体流出部４は、例えば周囲環境、他のシステムの配管系、或いは貯留タンクなどに連通するように接続される。

流体流入部３と流体流出部４との間に、操作可能な閉塞手段５が配設されている。閉塞手段５は、少なくとも１本の流体流路７、８を備えたものである。図１には２本の流体流路７、８が示されている。閉塞手段５の内部のそれら２本の流体流路７、８の間に、加熱装置９が配設されている。２本の流体流路７、８には、相変化材料６が充填されている。相変化材料６としては、一般的に、溶融可能な固体材料、即ち、溶融させるのに好都合な固相状態にある材料を用いる。また、相変化材料６としては、例えばインジウムなどの金属材料を用いることが好ましい。インジウムの融点は概ね１５７℃以上である。更に、加熱装置９を作動させたときにのみ相変化材料６の相変化が発生し、例えば日射による加熱や、この排出弁装置１の近傍に存在する他の構成要素からの廃熱による加熱などでは、相変化材料６の相変化が発生しないようにしておく。そのためには、排出弁装置１の環境温度ないし動作温度と、相変化温度との温度差が、十分な大きさとなるようにすればよい。

加熱装置９が非作動状態にある間は、相変化材料６は固相状態を維持している。加熱装置９を作動状態にしたならば、それによって相変化材料６は溶融する。ハウジング２の内部の流体流出部４と閉塞手段５との間に空間１３が画成されており、溶融した相変化材料はこの空間１３の中へ流入する。この空間１３は、流体流出部４と閉塞手段５との間に画成されたチャンバ状の中間空間である。流体流出部４は流出管１０を備えており、この流出管１０は空間１３の中へ突出している。流出管１０は、少なくともその外周部に１つまたは複数の開口１１が形成されたものであり、当該開口１１は流出管１０の流出口１２に連通している。流出口１２は、例えば周囲環境、他のシステムの配管系、或いは貯留タンクなどに連通させておく。

加熱装置９を作動状態にしたならば、それによって相変化材料６は溶融して液相状態となり、そしてその溶融した相変化材料６は、流体流入部３の側に作用しているテクニカルシステム内の残圧によって空間１３の中へ押し出されて流入する。流入したこの空間１３において、その溶融した相変化材料６は、空間１３の底面１４上に貯留される。この状態になったならば、排出しようとしている流体が、流出管１０の開口１１を通って流出可能となり、テクニカルシステム内の残圧が流出口１２の外部の圧力と等しくなるまで、その流出が継続する。

加熱装置９が非作動状態にあるときに（即ち、排出弁装置１が非***作状態にあるときに）、排出弁装置１において流体の漏れが生じるのを防止するために、流体流路７、８の形状は、固相状態の相変化材料６の表面がそれら流体流路７、８の内壁面に密接することで密封状態が得られるような形状としてある。特に図１に示した実施の形態では、流体流路７、８の各々を、小径の部分である第１部分７ａ、８ａと、それより大径の部分である第２部分７ｂ、８ｂとを備えた形状としてある。こうすることで、段部７ｃ、８ｃが形成されており、それら段部７ｃ、８ｃによって、排出弁装置１が閉弁状態にあってテクニカルシステムの内部が高圧であるときに、その圧力のために相変化材料６が流体流路７、８から押し出されることが防止されている。この構成によれば、むしろテクニカルシステムの内部の圧力が高いほど、即ち、排出弁装置１の流入側の圧力が高いほど、相変化材料６は流体流路７、８の内壁面へより良好に密着した状態になる。また、流体流路７、８の形状を、内壁面に円錐面部分が形成された形状とするのもよく、それによっても同様の効果が得られる。

排出弁装置１が開弁状態になったときに流れる流体の流量を規制するために、流体流入部３及び／または流体流出部４にオリフィスを配設するのもよい。図示例では、その１つの具体例として、流体流入部３にオリフィス１５を配設した構成を示した。このオリフィス１５を配設したことによって、流路断面１６の断面積が、流体流入部３の本来の断面積よりも小さなものとなっている。流体流出部４にオリフィスを配設する場合には、例えば流出管１０の流出口１２などにそのオリフィスを配設するとよい。

この排出弁装置１を宇宙航行関連用途に用いる場合には、流体流出部４の流出管１０の流出口１２に、いわゆる無反作用力型の流体流出構造部２０を装備することが好ましく、その１つの具体例を図２に示した。かかる流体流出構造部２０は、例えば流体流出部４の装着部１７に連結可能なものとするとよい。また、かかる流体流出構造部２０を、排出弁装置１の流体流出部４に一体的に形成するようにしてもよい。

無反作用力型の流体流出構造部２０は接続管部２１を備えており、この接続管部２１は流体流出部４の流出管１０の装着部１７に連結可能である。その連結のための構造をいかなる方式（締結式及び／または嵌合式、或いは接着式など）の連結構造とするかは重要ではない。これによって、流体流出構造部２０の流入口２２が流出管１０の流出口１２に接続される。図示例では、接続管部２１から２本の枝管部２１ａ、２１ｂが互いに逆方向へ延出しており、それら枝管部の流出口２３、２４から流体を対称的に排出できるようにしている。基本的に、それら流出口２３、２４の個数は２個に限られず、その他の個数としてもよい。要は、流体の排出が確実に対称的に行われさえすればよく、図示例に関して言えば、図１で見て左右方向に延在するこの排出弁装置１の長手方向軸心に関して対称的に流体の排出が行われるようにすればよい。これによって、テクニカルシステムなどに横方向の力や回転モーメントが作用するのを確実に回避することができる。

以上とは別の構成例として、流体流出部４の流出口１２にノズル３０を連結した構成とするのもよい。図３に示したノズル３０は接続管部３１を備えており、この接続管部３１は、上述した構成例のものと同様に、流体流出部４の流出口１２の装着部１７に連結可能である。その連結のための構造は、締結式及び／または嵌合式などの着脱可能な連結構造としてもよく、接着式などの連結構造としてもよい。或いはまた、ノズル３０を流体流出部４に一体的に形成するようにしてもよい。尚、流入口３２と反対側の端部には、ノズル拡径部３４を備えた流出口３３が形成されている。

既述のごとく、閉塞手段５は加熱装置９により加熱される。加熱装置９は、図１から明らかなように、閉塞手段５の内部の相変化材料６の近傍に配設されている。この種の加熱装置は、例えば推進剤としてヒドラジンを使用するロケットエンジンなどにも用いられているものである。加熱装置９は、発熱体（Ｈ）と、この発熱体のリード線１８と、電気コネクタ１９とを備えている。これを模式的に示したのが図４及び図５であり、図４は本発明に係る排出弁装置１の側面図、図５はその構成を上方から見た図であり、リード線１８と電気コネクタ１９とを示している。それらの図において、参照符号５を付したハッチング領域は、その内部に加熱装置９を備えた閉塞手段５の配設位置を示したものである。

以上に説明した排出弁装置の利点として、低コストであること、耐久性に優れていること、操作時に確実に機能すること、それに構造が簡明であるということがあり、これらの利点は、機械的な構成要素を排除したことによって得られているものである。

１ 排出弁装置
２ ハウジング
２ａ 第１ハウジング部分
２ｂ 第２ハウジング部分
２ｃ 接続ハウジング部分
３ 流体流入部
４ 流体流出部
５ 閉塞手段
６ 相変化材料
７ 流体流路
７ａ 流体流路の小径部分（第１部分）
７ｂ 流体流路の大径部分（第２部分）
７ｃ 段部
８ 流体流路
８ａ 流体流路の小径部分（第１部分）
８ｂ 流体流路の大径部分（第２部分）
８ｃ 段部
９ 加熱装置
１０ 流出管
１１ 開口
１２ 流出管の流出口
１３ 空間
１４ 空間の底面
１５ オリフィス
１６ 流路断面
１７ オリフィス、ノズル、または無反作用力型の流体流出構造部が取付けられる装着部
１８ リード線
１９ 電気コネクタ
２０ 無反作用力型の流体流出構造部
２１ 接続管部
２１ａ 枝管部
２１ｂ 枝管部
２２ 流入口
２３ 流出口
２４ 流出口
３０ ノズル
３１ 接続管部
３２ 流入口
３３ 流出口
３４ ノズル拡径部

Claims (13)

1. テクニカルシステムのベントを実行するために、流体供給路をただ一度だけ開放するための弁装置（１）において、
   前記流体供給路に接続される流体流入部（３）と、
   流体流出部（４）と、
   前記流体流入部（３）と前記流体流出部（４）との間に配設され、非***作状態にあるときに前記流体流入部（３）と前記流体流出部（４）との間の流体流路を閉塞している操作可能な閉塞手段（５）とを備えており、該閉塞手段（５）は、操作パラメータに応じて相状態が変化する相変化材料（６）を備えており、***作状態において該相変化材料（６）の相変化によって前記流体流路を不可逆的に開放するように構成されている、
   弁装置であって、
   前記流体流出部（４）は、少なくとも１つの開口（１１）を有する流出管（１０）を備えており、該流出管（１０）は、前記流体流路と前記流体流出部（４）との間に画成されている前記弁装置（１）の空間（１３）の中へ突出しており、前記弁装置の操作がなされると、液相状態となった前記相変化材料（６）が前記空間（１３）の中へ流出して貯留され、前記流出管（１０）の前記少なくとも１つの開口（１１）が、前記流体流路を介して前記流体流入部（３）と連通した状態となる
   ことを特徴とする弁装置。
2. 前記相変化材料（６）の相変化は加熱により発生し、前記相変化材料（６）は加熱されることで固相状態から液相状態に遷移することを特徴とする請求項１記載の弁装置。
3. 前記相変化材料（６）は、金属材料を含有する材料、または金属材料のみからなる材料であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の弁装置。
4. 前記閉塞手段（５）は加熱装置（９）を備えており、該加熱装置（９）が、制御装置を介して起動されることで前記閉塞手段（５）に操作を加えるように構成されていることを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか１項記載の弁装置。
5. 前記加熱装置（９）は、前記閉塞手段（５）の内部の前記相変化材料（６）の近傍に配設されていることを特徴とする請求項４記載の弁装置。
6. 非***作状態にある間は、前記相変化材料（６）が前記閉塞手段（５）の少なくとも１本の流体流路（７、８）を閉塞していることを特徴とする請求項１〜請求項５の何れか１項記載の弁装置。
7. 前記閉塞手段（５）ないし前記弁装置（１）の縦断面の面内において、前記少なくとも１つの流体流路（７、８）の内壁面の少なくとも一部分が、前記テクニカルシステムの内部の圧力によって前記相変化材料（６）が前記内壁面に押付けられるように、円錐面または段部を有する面として形成されていることを特徴とする請求項６記載の弁装置。
8. 前記流体流出部（４）は、該流体流出部の流出口（１２）に管部材を連結可能であるように形成されていることを特徴とする請求項１〜請求項７の何れか１項記載の弁装置。
9. 前記流体流出部（４）は、該流体流出部の流出口（１２）にノズルを備えていることを特徴とする請求項１〜請求項７の何れか１項記載の弁装置。
10. 前記流体流出部（４）は、該流体流出部の流出口（１２）に、流体の対称的な排出が可能な、複数の流出口（２３、２４）を備えることを特徴とする請求項１〜請求項７の何れか１項記載の弁装置。
11. 前記流体流入部（３）と前記閉塞手段（５）との間に流体の流量を規制するためのオリフィス（１５）が配設されていることを特徴とする請求項１〜請求項１０の何れか１項記載の弁装置。
12. 前記流体流出部（４）と前記閉塞手段（５）との間に流体の流量を規制するためのオリフィス（１５）が配設されていることを特徴とする請求項１〜請求項１１の何れか１項記載の弁装置。
13. 請求項１〜請求項１２の何れか１項記載の弁装置（１）を少なくとも１台備えたことを特徴とする宇宙航行機の構成要素のテクニカルシステム。