(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダ内に往復摺動自在に嵌合されたポペット弁の上下面が臨む２つの室の圧力差により、該ポペット弁の先端シート部を弁座に着脱してガス通路を開閉するように構成されたフローティング式ポペット弁装置において、
前記ポペット弁は、シールリングが嵌装された外周摺動部と該外周摺動部より小径にした弁体下部とその弁体下部先端にシート部とを有し、該先端シート部を端部が縮小した円錐形状に形成し、前記弁座は、そのシート面を前記先端シート部の形状に沿った円錐状面に形成するとともに、該円錐状面と下流のガス通路との間に形成されるチョーク部の通路面積を、前記ポペット弁の最大リフト時における前記先端シート部と前記シート面との間の通路面積よりも小さくなるように構成したことを特徴とするフローティング式ポペット弁装置。
【請求項２】
前記ポペット弁の先端シート部は、該ポペット弁が最大リフト位置までリフトしたときその先端位置が、前記弁座のシート面の下端に形成されるチョーク部よりも上方に位置するように構成されたことを特徴とする請求項１記載のフローティング式ポペット弁装置。
【請求項３】
前記弁体下部にその軸心線に対称に第１の通口を設けるとともに、前記弁体部を軸線上に貫通し前記第１の通口を介して前記２つの室を連通する第２の通口を有し、前記第２の通口にオリフィスを設けてなることを特徴とする請求項１若しくは２記載のフローティング式ポペット弁装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ロケットエンジンのスラスタ装置における推力制御等に使用されるフローティング式ポペット弁装置に関し、特にポペット弁と弁座とのシート部の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体推進薬を使用するロケットエンジンにおいては、燃焼室に通ずるノズルスロート部におけるスロート面積を変化させることにより、ノズルスロート部を通過する燃焼ガス流量を制御している。かかるノズルスロート部のスロート面積を制御する技術として、特公平６−５８０９０号の発明が提供されている。
この発明においては、燃焼室チャンバの後端にピントルを固着するノズルスカートを有して該ピントルとによりノズルスロート部を形成するノズルホルダーを前記燃焼室チャンバに軸方向移動可能に装着し、該ノズルホルダーを軸方向に移動させてノズルスロート面積を連続的に変化させるように構成している。
かかる発明の場合は、ノズルスカートを有するノズルホルダーを軸方向に移動するため、移動部分が大型になる。
【０００３】
そこで、上記のような問題点を有しないスロート面積を変化させる手段として、図５〜図６に示されるフローティング式ポペット弁装置が提案されている。図５〜図６は、かかるフローティング式ポペット弁装置の概略構成を示し、図５はポペット弁の閉弁時、図６は開弁時である。
【０００４】
図５〜図６において、１はハウジング、２は該ハウジング１に形成されたシリンダであり、該シリンダ２内にはフローティング式のポペット弁０３が往復摺動自在に嵌合されている。該ポペット弁０３はタングステン等の耐熱金属によって構成されている。
【０００５】
図５〜図６に示すフローティング式ポペット弁装置の作動時において、燃焼室（不図示）にて生成された燃焼ガスは供給口９から入口室５に導入される。
一方、ポペット弁０３の閉時には、図５に示すように、パイロット弁制御装置（不図示）によって、パイロット弁６が閉じられて圧力室８内の作動流体の圧力が高圧となり、該作動流体の圧力による下向きの力が入口室５内の燃焼ガス圧力による上向きの力よりも大きくなって、ポペット弁０３のシート部０３ａがハウジング１の弁座１ａに押しつけられ、燃焼ガスのノズル４への流出を遮断している。
【０００６】
図６に示すように、前記パイロット弁制御装置によってパイロット弁６が開弁されると、圧力室８内の作動流体が排出され、入口室５内における燃焼ガスによる上向きの力が前記作動流体による下向きの力よりも大きくなってポペット０３は上動し、前記シート部０３ａが弁座１ａから離れてポペット弁は開弁する。
該ポペット弁０３の開弁により、燃焼ガスが、図６の矢印に示すように、入口室５からノズル４へと流れて外部に噴出されることにより、推力を発生する。
【０００７】
一方、入口室５内の燃焼ガスの一部は、通孔０１１に入り、ポペットオリフィス０１０にて絞られて圧力室８側へ流入した後、パイロット弁６を経て外部に排出される。このポペットオリフィス０１０の絞り度つまり通路面積を変化させることにより、ポペット０３の開弁速度及び閉弁速度を調整する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
図５〜図６に示される従来技術に係るフローティング式ポペット弁装置にあっては、次のような問題点を有している。
即ち該ポペット弁０３は、作動中全体が高温となるためＯリングの使用は不可能となりポペット弁０３の外周面とシリンダ２との摺動部の隙間を大きく形成せざるを得ず、該隙間を燃焼ガスが流れてポペット弁０３の熱スティックの発生をみることが多い。
【０００９】
また、前記通孔０１１がポペット弁０３の軸心０３ｃ上に無いため、該ポペット弁０３の下部０３ｂ周りの燃焼ガスの流れが軸心０３ｃに対称な流れとならず、該軸心０３ｃに直角方向の流体力Ｔがポペット０３に作用し、該ポペット弁０３には、この流体力Ｔによって拗れが発生し、これによりポペット弁０３のスティックが引き起こされる。さらに、前記ポペット弁０３を構成するタングステン材は比重が１９ｇ／ｃｍ３程度と大きいため、ポペット弁０３の重量が大きく該ポペット弁０３の応答性が低くなる。
【００１０】
かかる問題点を解決するため、本件出願人は、特願平１１−８５７３６号の発明を提案した。
【００１１】
かかる発明を、比較例として図３〜図４に示す。
図３〜図４はロケットエンジン用フローティング式ポペット弁装置の概略構成を示し、図３はポペット弁の閉弁時、図４は開弁時を示している。
【００１２】
図３〜図４において、１はハウジング、２は該ハウジング１に形成されたシリンダであり、該シリンダ２内にはフローティング式のポペット弁３が往復摺動自在に嵌合されている。
８は該ポペット弁３の上面とシリンダ２とにより区画形成された圧力室で、該圧力室８にはパイロット弁６によって開閉される作動流体供給口７が開口している。該パイロット弁６は、アクチュエータ（不図示）によって開閉作動することにより、前記圧力室８の圧力を制御するようになっている。
【００１３】
５は、前記ハウジング１内に形成された燃焼ガスの入口室で、前記ポペット弁３の下部３ｂの外周が臨んでいる。９は該入口室５への燃焼ガスの供給口で、燃焼室（不図示）に接続されている。４は燃焼ガスを噴出させるためのノズルである。
前記ポペット弁３は、その下端部３ｂの先端に円錐状のシート部３ａが形成され、ハウジング１に設けられた弁座１ａと着脱することにより、前記入口室５とノズル４との間を開閉するようになっている。
【００１４】
前記ポペット弁３は熱伝導率の小さいセラミックス繊維等の耐熱複合材からなる。
１１は該ポペット弁３の内部に穿孔された通孔である。該通孔１１はポペット弁３の上面、つまり前記圧力室８に臨む面に開口され、この上面からポペット弁３の軸心３ｃに沿って下方に延び、該ポペット弁３の下部３ｂにおいて直角方向に分岐（１１ａ）し、前記入口室５に開口している。そして、該通孔１１の途中には、通路を絞ったポペットオリフィス１０が設けられている。前記ポペット弁３の外周摺動部には、耐熱耐油ゴム材からなるＯリング１２が嵌装され、該Ｏリング１２の上下に耐熱性及び摺動性の良好な金属からなるピストンリング１３、１３が嵌装されている。
【００１５】
かかるフローティング式ポペット弁装置の作動時において、燃焼室（不図示）にて生成された燃焼ガスは、供給口９から入口室５に導入される。
一方、ポペット弁３の閉時には、図３に示すように、パイロット弁制御装置（不図示）によって、パイロット弁６が閉じられて圧力室８内の作動流体の圧力が高圧となり、該作動流体の圧力による下向きの力が入口室５内の燃焼ガス圧力による上向きの力よりも大きくなって、ポペット弁３のシート部３ａがハウジング１の弁座１ａに押し付けられ、燃焼ガスのノズル４への流出を遮断している。
【００１６】
図４に示すように、前記パイロット弁制御装置によってパイロット弁６が開弁されると、圧力室８内の作動流体が排出され、入口室５内における燃焼ガスによる上向きの力が前記作動流体による下向きの力よりも大きくなって、ポペット弁３は上動し、前記シート部３ａが弁座１ａから離れて、ポペット弁は開弁する。該ポペット弁３の開弁により、燃焼ガスが、図４の矢印に示すように、入口室５からノズル４へと流れて外部に噴出されることにより、推力を発生する。
【００１７】
一方、入口室５内の燃焼ガスの一部は通孔１１に入り、ポペットオリフィス１０にて絞られて圧力室８側へ流入した後、パイロット弁６を経て外部に排出される。このポペットオリフィス１０の絞り度つまり通路面積を変化させることにより、ポペット弁３の開弁速度及び閉弁速度を調整する。
【００１８】
かかる比較例において、ポペット弁３は従来のタングステン材に比べて熱伝導率が充分に小さいセラミックス繊維の耐熱複合材で構成されているため、燃焼ガスに直接触れる下部３ｂが加熱されて高温となるが、シリンダ２との摺動部への熱伝導量が少なくなり、該摺動部の温度上昇が抑制される。
これにより、該摺動部に耐熱、耐油ゴムからなるＯリング１２を用いても、これが焼損を起こすことは無く、また当然ながら金属製のピストンリング１３、１３を使用しても充分に高い耐熱性を有する。
従って、ポペット弁３の外周摺動部のシール性が、金属面のシールの場合に比べて大幅に向上する。これにより、外周摺動部からの燃焼ガスの漏洩が回避され、該漏洩によるポペット弁の熱スティックの発生が回避される。
【００１９】
また、該ポペット弁３は、その軸心３ｃに対称にポペットオリフィス１０付きの通孔１１を設けているので、該ポペット弁３に作用する燃焼ガスによる流体力Ｔがバランスし、従来技術のようなアンバランス力の発生が回避され、該アンバランス力によるポペット弁３の拗れの発生及びこれにより引き起こされるポペット弁３の作動不良の発生が防止され、ポペット弁３は滑らかに作動可能となる。更に、該ポペット弁３は、従来技術のタングステン材（比重＝１９ｇ／ｃｍ３程度）に比べて比重が小さいので、軽量となり、開閉時における応答性が良好となる。
【００２０】
しかしながら、図３〜図４に示される比較例においては、次のような解決すべき課題を有している。
即ち、かかる比較例においては、図４に示す開弁時において、作動流体が、弁座１ａとシート部３ａとの隙間で形成されるチョーク部１４ａにてチョーク（絞り込み）され、該作動流体の流れの流路面積が最小となる部分は、弁座１ａのシート部近傍にある。かかる形状は、前記チョーク部１４ａの下流の流速が超音速になり、該超音速状態での流れのとき、作動流体の圧力が上流の入口室５の圧力の約１／２となり、ポペット弁下部３ｂの先端に低圧領域を発生させ、該ポペット弁３が閉じる際に必要な差圧による閉止力を発生させるために必要な形状である。
【００２１】
しかしながら、かかる比較例にあっては、図４に示されるように、前記ポペット弁３が開いているとき、該ポペット弁３の先端３ｄが前記チョーク部１４ａの下流側にあるため、前記のように超音速状態まで加速された作動流体は、ポペット弁３の先端３ｄから衝撃波を発生させる。該衝撃波の発生があると、下流側のノズル４内における流れに乱れが生じ、推力が低下する。
【００２２】
従って、かかる比較例におけるポペット弁装置にあっては、ポペット弁３の先端部及び弁座１ａの形状が前記のように構成されているため、推力係数が小さくなり、同一分量の推薬を消費しても、これが推力として有効利用されないという問題点を抱えている。
尚、実開平１−１７９１００号にて、ポペット弁の先端シート部及び弁座のシート面を、端部が縮小した円錐形状に形成したポペット弁装置が提供されているが、かかる従来技術においては、弁座のチョーク部とポペット弁との関係は開示されていない。
【００２３】
本発明は、かかる従来技術あるいは比較例の課題に鑑み、ポペット弁先端近傍に低圧領域を確保しつつ、下流のノズル内に有害な衝撃波の発生を回避し、推力係数が大きく高効率のポペット弁装置を提供することを目的とする。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
本発明はかかる課題を解決するため、請求項１記載の発明として、  シリンダ内に往復摺動自在に嵌合されたポペット弁の上下面が臨む２つの室の圧力差により、該ポペット弁の先端シート部を弁座に着脱してガス通路を開閉するように構成されたフローティング式ポペット弁装置において、
前記ポペット弁は、シールリングが嵌装された外周摺動部と該外周摺動部より小径にした弁体下部とその弁体下部先端にシート部とを有し、該先端シート部を端部が縮小した円錐形状に形成し、前記弁座は、そのシート面を前記先端シート部の形状に沿った円錐状面に形成するとともに、該円錐状面と下流のガス通路との間に形成されるチョーク部の通路面積を、前記ポペット弁の最大リフト時における前記先端シート部と前記シート面との間の通路面積よりも小さくなるように構成したことをことを特徴とするフローティング式ポペット弁装置を提案する。
【００２５】
請求項２記載の発明は、請求項１において、前記ポペット弁の先端シート部は、該ポペット弁が最大リフト位置までリフトしたときその先端位置が、前記弁座のシート面の下端に形成されるチョーク部よりも上方に位置するように構成されたことを特徴とする。
【００２６】
かかる発明によれば、パイロット弁が開弁されると、ポペット弁の上側にある圧力室内の作動流体が排出され、入口室内における燃焼ガスによる上向きの力が前記作動流体による下向きの力よりも大きくなって、ポペット弁は上動し、その先端シート部が弁座の円錐面から離れて、該ポペット弁は開弁する。
該ポペット弁の開弁により、燃焼ガスが、入口室から、ポペット弁先端シート部と弁座の円錐面との間及び前記チョーク部を通って下流のガス通路即ちノズルへと流れて外部に噴出され、これにより推力を発生する。
【００２７】
かかるポペット弁の開弁時において、弁座のシート面をポペット弁の先端シート部の形状に沿った円錐状面に形成しているため、この流路部の流路面積が一定に保たれるとともに、前記弁座の円錐状面と下流のガス通路の間に形成されるチョーク部の通路面積を、前記ポペット弁の最大リフト時における前記ポペット弁の先端シート部と前記弁座のシート面との間の通路面積よりも小さく形成しているため、作動流体の流れは、該チョーク部において前記流路部よりも僅かに絞られることにより音速即ちマッハ１となり、かつ前記シート部側流路部の流れは亜音速内で高速に保たれる。
【００２８】
かかる作用により、前記ポペット弁の先端部近傍における低圧領域は従来のものと同等の低圧が保持され、かつ、前記のように、シート部側流路部の流れは亜音速であるため、前記従来技術や比較例のように衝撃波が発生するのが阻止される。
さらに前記構成に加えて、請求項２のように、前記ポペット弁の先端シート部の、該ポペット弁がリフトしたときの先端位置を、前記チョーク部よりも上方に位置するように構成することにより、該ポペット弁の先端部によって、下流のガス通路で作動流体の流れの乱れが発生するのが阻止される。
【００２９】
従って、かかる発明によれば、ポペット弁先端部近傍に低圧領域を確保しつつ、下流のガス通路内において有害な衝撃波の発生が阻止され、推力係数が大きく高効率のポペット弁装置が得られる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態を例示的に詳しく説明する。但しこの実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がないかぎりは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
【００３１】
図１〜図２は本発明の実施形態に係るロケットエンジン用フローティング式ポペット弁装置の概略構成を示し、図１はポペット弁の閉弁時、図２は開弁時を示す。
【００３２】
図１〜図２において、１はハウジング、２は該ハウジング１に形成されたシリンダであり、該シリンダ２内にはフローティング式のポペット弁３が往復摺動自在に嵌合されている。
８は該ポペット弁３の上面とシリンダ２とにより区画形成された圧力室で、該圧力室８にはパイロット弁６によって開閉される作動流体供給口７が開口している。該パイロット弁６は、アクチュエータ（不図示）によって開閉作動することにより、前記圧力室８の圧力を制御するようになっている。
【００３３】
５は、前記ハウジング１内に形成された燃焼ガスの入口室で、前記ポペット弁３の下部３ｂの外周が臨んでいる。９は該入口室５への燃焼ガスの供給口で、燃焼室（不図示）に接続されている。４は燃焼ガスを噴出させるためのノズルである。
前記ポペット弁３は、その下部３ｂの先端部に円錐状のシート部３ａが形成され、ハウジング１に設けられ後述するように構成された弁座１ａのシート面１ｂと着脱することにより、前記入口室５とノズル４との間を開閉するようになっている。
【００３４】
前記ポペット弁３は熱伝導率の小さいセラミックス繊維等の耐熱複合材からなる。
１１は該ポペット弁３の内部に穿孔された通孔である。該通孔１１はポペット弁３の上面、つまり前記圧力室８に臨む面に開口され、この上面からポペット弁３の軸心３ｃに沿って下方に延び、該ポペット弁３の下部３ｂにおいて直角方向に分岐（１１ａ）し、前記入口室５に開口している。そして、該通孔１１の途中には、通路を絞ったポペットオリフィス１０が設けられている。
【００３５】
前記ポペット弁３の外周摺動部には、耐熱耐油ゴム材からなるＯリング１２が、並びに該Ｏリング１２の上下に耐熱性及び摺動性の良好な金属からなるピストンリング１３、１３が嵌装されている。
【００３６】
以上の構成は、図３〜図４に示される比較例と同様である。
本発明においては、前記ポペット弁３と弁座１ａとのシート部分の構造を改良している。
【００３７】
即ち、図１〜図２において、前記ポペット弁３は、図３〜図４の比較例と同様に、
下部３ｂ先端のシート部３ａをその先端３ｄ側が縮小した円錐形状に形成している。
一方、前記弁座１ａは、そのシート面１ｂが、前記ポペット弁３の先端のシート部３ａの形状に沿った円錐状面に形成されている。そして、前記弁座１ａのシート面１ｂの出口側と下流のノズル４との間には通路面積が絞られたチョーク部１４ｂが形成されている。該チョーク部１４ｂは、その通路面積を、前記ポペット弁３の最大リフト時における前記シート部３ａと前記シート面１ｂとの間の通路面積よりも小さくなるように構成される。
【００３８】
また、前記ポペット弁３の先端シート部３ａは、該ポペット弁３がリフトしたときその先端３ｄの位置が、前記チョーク部１４ｂよりも上方に位置するように構成される
【００３９】
かかる構成からなるフローティング式ポペット弁装置の作動時において、燃焼室（不図示）にて生成された燃焼ガスは、供給口９から入口室５に導入される。一方、ポペット弁３の閉時には、図１に示すように、パイロット弁制御装置（不図示）によって、パイロット弁６が閉じられて圧力室８内の作動流体の圧力が高圧となり、該作動流体の圧力による下向きの力が入口室５内の燃焼ガス圧力による上向きの力よりも大きくなって、ポペット弁３のシート部３ａがハウジング１の弁座１ａのシート面１ｂに押し付けられ、燃焼ガスのノズル４への流出を遮断している。
【００４０】
図２に示すように、前記パイロット弁６が開弁されると、圧力室８内の作動流体が排出され、入口室５内における燃焼ガスによる上向きの力が前記作動流体による下向きの力よりも大きくなって、ポペット弁３は上動し、前記シート部３ａが弁座１ａのシート面１ｂから離れて、ポペット弁３は開弁する。
該ポペット弁３の開弁により、燃焼ガスが、図２の矢印に示すように、入口室５から、ポペット弁先端のシート部３ａと弁座のシート面１ｂとの間の流路及び前記チョーク部１４ｂを通って下流のガス通路即ちノズル４へと流れて外部に噴出され、これにより推力を発生する。
【００４１】
一方、入口室５内の燃焼ガスの一部は通孔１１に入り、ポペットオリフィス１０にて絞られて圧力室８側へ流入した後、パイロット弁６を経て外部に排出される。このポペットオリフィス１０の絞り度つまり通路面積を変化させることにより、ポペット弁３の開弁速度及び閉弁速度を調整する。
【００４２】
かかる実施形態において、ポペット弁３の開弁時において、弁座１ａのシート面１ｂをポペット弁３のシート部３ａの形状に沿った円錐状面に形成しているため、前記ポペット弁３のシート部３ａと弁座１ａのシート面１ｂとの間の流路部の流路面積が一定に保たれるとともに、前記弁座１ａの円錐状のシート面１ｂと下流のノズル４との間に形成されるチョーク部１４ｂの通路面積を、前記ポペット弁３の最大リフト時における該ポペット弁３のシート部３ａと前記弁座１ａのシート面１ｂとの間の通路面積よりも小さく形成しているため、作動流体の流れは、該チョーク部１４ｂにおいて前記流路部よりも僅かに絞られることにより音速即ちマッハ１となり、かつ前記シート部側流路部の流れは亜音速内で高速に保たれる。
【００４３】
かかる作用により、前記ポペット弁３の先端部近傍における低圧領域は従来のものと同等の低圧が保持され、かつ、前記のように、シート部側流路部の流れは亜音速であるため、前記従来技術や比較例のように衝撃波が発生するのが阻止される。
【００４４】
さらに、前記ポペット弁３の先端シート部３ａの、該ポペット弁３がリフトしたときの先端３ｄの位置を、前記チョーク部１４ｂよりも上方に位置するように構成されているので、該ポペット弁３の先端部３ｄによって、下流のガス通路つまりノズル４で作動流体の流れの乱れが発生するのが阻止される。
【００４５】
【発明の効果】
以上記載のごとく、本発明によれば、弁座のシート面をポペット弁の先端シート部の形状に沿った円錐状面に形成し、チョーク部の通路面積を、前記ポペット弁の最大リフト時における前記ポペット弁の先端シート部と前記弁座のシート面との間の通路面積よりも小さく形成しているため、ポペット弁の先端部近傍における低圧領域は従来のものと同等の低圧が保持され、かつ、シート部側流路部の流れは亜音速となるため、ガス通路内において衝撃波が発生するのを阻止できる。
【００４６】
従って、本発明によれば、ポペット弁先端部近傍に低圧領域を確保しつつ、下流のガス通路内において有害な衝撃波の発生が阻止され、推力係数が大きく高効率のポペット弁装置が得られる。
【００４７】
さらに前記構成に加えて、請求項２のように、前記ポペット弁の先端シート部の、該ポペット弁がリフトしたときの先端位置を、前記チョーク部よりも上方に位置するように構成することにより、該ポペット弁の先端部によって、下流のガス通路で作動流体の流れの乱れが発生するのが阻止される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施形態に係るロケットエンジン用フローティング式ポペット弁装置の構成を示す断面図で、ポペット閉弁時を示す図である。
【図２】  前記実施形態におけるポペット開弁時を示す図である。
【図３】  比較例を示す図１対応図である。
【図４】  前記比較例における図２対応図である。
【図５】  従来技術に係るフローティング式ポペット弁装置の弁閉時を示す図１対応図である。
【図６】  従来技術における弁開時を示す図２対応図である。
【符号の説明】
１      ハウジング
１ａ    弁座
１ｂ    シート面
２      シリンダ
３      ポペット弁
３ａ    シート部
３ｂ    下部
３ｄ    先端
４      ノズル
５      入口室
６      パイロット弁
７      作動流体供給口
８      圧力室
９      供給口
１０    ポペットオリフィス
１１    通孔
１２    Ｏリング
１３    ピストンリング
１４ｂ    チョーク部
【図１】
0003652940.tif 000002
【図２】
0003652940.tif 000003
【図３】
0003652940.tif 000004
【図４】
0003652940.tif 000005
【図５】
0003652940.tif 000006
【図６】
0003652940.tif 000007