CN102734481B - 高压氢气用开闭阀 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高压氢气用开闭阀，在导阀上设有圆锥状的第一抵接面，在导阀座上设有与第一抵接面抵接的初始抵接部为圆弧截面的环状的第二抵接面。第一抵接面由具有弹性的树脂形成，第二抵接面由金属形成。在压接载荷小时，第一抵接面与第二抵接面线接触，当压接载荷增大时，第一抵接面与第二抵接面面接触。

Description

高压氢气用开闭阀

技术领域

本发明涉及一种在处理高压气体的流路中使用，通过阀芯与阀座的抵接或分离开闭流路的高压气体用开闭阀。

背景技术

在燃料电池及处理CNG(Compressed Natural Gas)等高压气体的系统中，截止阀等各种阀部中使用开闭阀。在这种用途中使用的开闭阀，有阀芯与阀座的高密闭性(隔断性能)和长期使用中的耐久性的要求，高水平地满足这两者的要求是很重要的。

为此，作为应对该问题的高压气体用开闭阀，提出了如下一种结构：将阀芯侧的抵接面形成为圆锥状，并且将阀座侧的抵接面设置成收容阀芯侧的抵接面的锥形，使阀芯和阀座的一方由金属形成，另一方由树脂形成(例如，参照日本国专利第4330943号公报)。

但是，在该现有的高压气体用开闭阀中，由于是阀芯和阀座的抵接面始终以面来接触的构造，所以虽然在闭阀时两者的压接载荷高的情况下能够同时实现可靠的闭阀和高耐久性，但在两者的压接载荷小的情况下难以维持阀芯和阀座的密闭性(隔断性能)。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种高压气体用开闭阀，其能够在阀芯与阀座之间的压接载荷小的状况下维持密闭性，而且能够在作用大的压接载荷的状况下维持阀芯与阀座的高耐久性。

本发明的方案为了解决上述问题而采用了以下手段。

(A)本发明的一方案提供一种高压气体用开闭阀，通过使同轴配置的阀芯和阀座抵接及分离而开闭流路，其中，所述阀芯和阀座中的一方具备圆锥状的第一抵接面，另一方具备与所述第一抵接面抵接的初始抵接部 为圆弧截面的环状的第二抵接面，所述第一抵接面和所述第二抵接面中的一方由树脂形成，另一方由金属形成。

由此，在阀芯相对于阀座的压接载荷小时，阀芯和阀座通过圆锥状的第一抵接面和第二抵接面的圆弧截面部分线接触，在阀芯相对于阀座的压接载荷增大时，第一抵接面和第二抵接面通过树脂材料的变形而面接触。

(B)在上述(A)的方案的基础上，可以是在所述阀芯与所述阀座抵接时，比其抵接区域靠所述阀芯侧的区域与第一气体流路导通，比其抵接区域靠所述阀座侧的区域与第二气体流路导通。

由此，通过阀芯与阀座的分离和抵接，使第一气体流路与第二气体流路之间开闭。 

(C)在上述(A)或(B)的方案的基础上，所述树脂可以为聚酰胺酰亚胺。

由此，第一抵接面和第二抵接面中的一方所使用的树脂能够弹性变形，且具有高强度的特性。

如上所述，根据本发明的方案，在阀芯与阀座的压接载荷小时，通过圆锥状的第一抵接面和第二抵接面的圆弧截面部分线接触，当阀芯与阀座的压接载荷增大时，第一抵接面和第二抵接面通过树脂材料的变形而面接触，所以在阀芯与阀座之间的压接载荷小的状况下能够维持可靠的密闭性，而且在作用大的压接载荷的状况下也能够维持阀芯与阀座的高耐久性。

附图说明

图1是采用了本发明的实施方式的高压气体用开闭阀的燃料电池系统的概略构成图。

图2是本发明的第一实施方式的截止阀的纵向剖视图。

图3是与图2的A部分对应的放大剖视图。

图4是与图2的A部分对应的放大剖视图。

图5是本发明的第一实施方式的截止阀的纵向剖视图。

图6是本发明的第一实施方式的截止阀的纵向剖视图。

图7是本发明的第二实施方式的减压阀的纵向剖视图。

图8是与图7的B部分对应的放大剖视图。

图9是本发明的第二实施方式的减压阀的纵向剖视图。

图10是与图9的C部分对应的放大剖视图。

图11是表示图2的A部分的变形例的放大剖视图。

图12是表示图7的B部分的变形例的放大剖视图。

图13A是表示图2的A部分的另一变形例的放大剖视图。

图13B是表示图2的A部分的另一变形例的放大剖视图。

图14A是表示图7的B部分的另一变形例的放大剖视图。

图14B是表示图7的B部分的另一变形例的放大剖视图。

具体实施方式

以下，基于附图说明本发明的实施方式。

首先，对图1～图6所表示的第一实施方式进行说明。

图1是燃料电池系统的概略构成图，符号1表示被供给作为燃料的氢和作为氧化剂的氧而发电的燃料电池组(燃料电池)。燃料电池组1例如是固体高分子型燃料电池(Polymer Electrolyte Fuel Cell：PEFC)，通过将利用隔板(未图示)夹持MEA(Membrane Electrode Assembly，膜电极接合体)而成的单电池多个层叠来构成。

从贮藏高压的氢的储氢罐2(高压流体的供给源)经由氢供给流路3向燃料电池组1供给规定压力及规定流量的氢气，并且经由未图示的空气供给装置以规定压力及规定流量向燃料电池组1供给含有氧的空气。

储氢罐2呈长度方向的两端为大致半球状的筒状，其长度方向的一端开口。在该开口部2a安装有主关闭阀(高压气体用开闭阀)10，其进行储氢罐2对氢供给流路3的气体供给和储氢罐2与氢供给流路3之间的气体的隔断。

在氢供给流路3上安装有减压阀(高压气体用开闭阀)5和受压器件7。从储氢罐2释放出的高压(例如，35MPa或70MPa等)的氢气被减压阀5减到规定的压力(例如，1MPa以下)后供给到受压器件7。

在此，受压器件7是配置在减压阀5与燃料电池组1之间的器件的总称，包括喷射器、注射器、加湿器等。喷射器是为了将从燃料电池组1 排出的氢废气循环利用而使氢废气再次回到氢供给流路3的器件，注射器是对向燃料电池组1供给的氢气流量进行调整的器件，加湿器是对向燃料电池组1供给的氢气进行加湿的器件。作为受压器件7到底组装哪个器件是由燃料电池系统的整体构成决定的。

该第一实施方式是在上述的燃料电池系统的主关闭阀10上应用了本发明的高压气体用开闭阀的实施方式。

图2是表示主关闭阀10的具体的结构的图，图3、图4是与图2的A部分相当的部分的放大图。另外，图5、图6是表示主关闭阀10的动作状态的图。

主关闭阀10由先导式的电磁阀构成，如图2所示，阀体11兼作密封插塞而安装在储氢罐2的开口部2a。在阀体11上设有与储氢罐2的内部导通的导入通路12(第一气体流路)和与储氢罐2的外部的氢供给通路3导通的释放通路13(第二气体流路)。另外，在阀体11内的导入通路12与释放通路13之间设有阀收容室14，在该阀收容室14内收容有对释放通路13的端部进行开闭的进退自如的主阀15。导入通路12沿径向(例如，图中横向)贯通阀收容室14(阀体11)的一端侧(例如，图中下端侧)的外周壁而形成，释放通路13沿轴向(例如，图中纵向)贯通阀收容室14(阀体11)的另一端侧(例如，图中上端侧)的端部壁而形成。

主阀15包括：与设置于阀收容室14的端部壁的主阀座16接触或分离的阀头部17；从该阀头部17的背部沿轴向延伸出的轴部18；包围轴部18的周围区域向阀头部17的相反侧(与轴部18同向)延伸出的导向筒部19。其中，主阀座16以包围释放通路13的端部的周围区域的方式从端部壁突出设置。

导向筒部19与轴部18一起在内侧形成凹状空间20，该凹状空间20相对于阀体11的导入通路12始终导通。在阀头部17和轴部18的轴心位置形成有将凹状空间20和释放通路13连通的导孔21。

另外，在导向筒部19的内侧配置有能够进退位移的后述的驱动单元22的柱塞23。在柱塞23上设有沿径向贯通的长孔24，与导向筒部19的对置壁结合的连结销25插入到该长孔24内。换言之，主阀15(导向筒部19)和柱塞23带有由长孔24产生的轴向的若干游隙而通过连结销25 连结。

在配置于凹状空间20内的柱塞23的端面安装有具备阀头部26a的导阀26(阀芯)。导阀26与主阀15的导孔21同轴配置，导孔21的面向凹状空间20一侧的端缘作为与导阀26接触或分离的导阀座27(阀座)。对导阀26和导阀座27后面详细叙述。

驱动单元22是用于对导阀26和主阀15进行开闭操作的构件，在收容电磁线圈28的壳体29的内侧的轴心位置设有凹部30，在该凹部30内收容有由磁性材料构成的进退自如的上述柱塞23。凹部30朝向主阀15的导向筒部19侧开口，且与导向筒部19同轴配置。在凹部30与柱塞23之间安装有作为施力机构的弹簧31，柱塞23在该弹簧31的作用力的作用下被始终朝向主阀15的轴部18侧施力。

在该主关闭阀10的情况下，在电磁线圈28未被励磁期间，柱塞23受到弹簧31的作用力，导阀26的阀头部26a与主阀15的导阀座27抵接，且主阀15的阀头部17与阀体11的主阀座16抵接。因此，此时，在主阀15的导孔21被导阀26闭塞的状态下，阀体11的释放通路13被主阀15闭塞，所以释放通路13相对于储氢罐2的内部(导入通路12)成为隔断状态。

另外，若从该状态起电磁线圈28受到励磁，则柱塞23从电磁线圈28受到克服弹簧31的作用力的推力，如图5所示，柱塞23的端部的导阀26从主阀15的导阀座27分离。由此，主阀15的导孔21开口，储氢罐2内的氢气通过导孔21以小流量向释放通路13喷出。其结果，作用在主阀15的前后(图中上下)的压力的差减小。

然后，若从该状态起电磁线圈28进一步受到励磁，则如图6所示，柱塞23的长孔24的端部与连结销25抵接，主阀15经由连结销25与柱塞23一体地位移。由此，释放通路13被主阀15打开，氢气以大流量从导入通路12向释放通路13喷出。

此外，在该主关闭阀10中，导阀26由具有弹性的树脂形成，如图3、图4中放大所示，其阀头部26a突出而形成为圆锥状。该阀头部26a的圆锥面构成第一抵接面32。构成该第一抵接面32的树脂优选具有弹性且相对于压接载荷具有高的耐久性，例如采用聚酰胺酰亚胺等。

另一方面，设置于主阀15的轴部18的导阀座27由金属形成。该导阀座27如图3、图4所示，导孔21的端部的角部在整个圆周方向上被倒成圆弧状，该部分作为圆弧截面33a。在该实施方式中，圆弧截面33a部分和其内外的缘部作为第二抵接面33。

该第二抵接面33在与导阀26侧的第一抵接面32初始抵接时，如图3所示，以圆弧截面33a部分相对于第一抵接面32线接触，若从该状态起增大压接载荷，则如图4所示，在由树脂构成的第一抵接面32的以第二抵接面33侧的圆弧截面33a部分为基点的弹性变形的作用下，第二抵接面33相对于第一抵接面32面接触。此时，导阀26的阀头部26a插入到导孔21内来增大与导阀座27的接触面积。

在此，对于第二抵接面33的圆弧截面33a来说，为了在较小的压接载荷下也能够维持导阀26与导阀座27之间的密闭性，曲率半径越小是越有利的，但兼顾考虑到由树脂材料构成的第一抵接面32的耐久性，导阀26侧和导阀座27侧的各部分优选设定在以下的范围。例如，

导孔21的直径                  →0.2mm～0.5mm

导阀26的阀头部26a的圆锥角度   →60°～120°

圆弧截面33a的曲率半径         →0.1mm～0.5mm

如上所述，在该实施方式的主关闭阀10中，由具有弹性的树脂构成的圆锥状的第一抵接面32设置在导阀26的阀头部26a，由金属构成且具有圆弧截面的第二抵接面设置在导阀座27，所以在导阀26与导阀座27之间的压接载荷小的期间，第一抵接面32与第二抵接面33的圆弧截面33a部分线接触，从而能够维持密闭性，而且，在导阀26与导阀座27之间的压接载荷增大时，第一抵接面32与第二抵接面33随着第一抵接面32的树脂变形而面接触，由此能够维持抵接面的高耐久性。

此外，在该实施方式中第一抵接面32由树脂形成，第二抵接面33由金属形成，但也可以相反，第一抵接面32由金属形成，第二抵接面33由树脂形成。

另外，在此，说明了在主关闭阀10的导阀26和导阀座27部分应用了本发明的高压气体用开闭阀的情况，但也可以在主关闭阀10的主阀15和主阀座16部分应用本发明的高压气体用开闭阀。此时，主阀15侧和主 阀座16侧的各部分优选设定在以下的范围。例如，

释放通路13的主阀座16侧的端部的直     →3mm～8mm

主阀15的阀头部17的圆锥角度           →60°～120°

主阀座16的圆弧截面的曲率半径         →0.1mm～0.5mm

接着，对图7～图10所示的第二实施方式进行说明。在该实施方式中，在图1所示的燃料电池系统的减压阀5上应用了本发明的高压气体用开闭阀。

图7、图9是表示减压阀5的具体的结构的图，图8、图10是分别将图7、图9的B、C部分放大的图。

如这些图所示，减压阀5在阀壳40的内部隔着隔壁41设有一次侧压力室42(第一气体流路)和二次侧压力室43(第二气体流路)。一次侧压力室42经由阀壳40的流入口44与氢供给流路3的上游侧(储氢罐2侧)连接，二次侧压力室43经由阀壳40的流出口45与氢供给流路3的下游侧(受压器件7侧)连接。

在隔壁41上设有将一次侧压力室42和二次侧压力室43连通的连通孔46，该连通孔46被后述的阀芯47从一次侧压力室42侧进行开闭。

另外，在阀壳40内以面向二次侧压力室43的方式设置有隔膜48。隔膜48的面向二次侧压力室43一侧的面作为受压面48a，受压面48a的背面侧的空间部与大气导通。在隔膜48的中央部连结有贯通隔壁41的连通孔46的上述阀芯47的阀轴47b。阀芯47具备在连通孔46内贯通的阀轴47b和与阀轴47b的端部连设且对连通孔46的一次侧压力室42侧的端部进行开闭的阀头部47a。另外，在隔膜48的背面侧设有弹簧39，该弹簧39向阀芯47使连通孔46开口的方向对隔膜48施力。

在隔膜48上作用有弹簧39的作用力和二次侧压力室43的压力。因此，阀芯47在通过受压器件7侧的氢气的消耗(流动)而使得二次侧压力室43的压力下降到规定压力以下时，阀头部47a使连通孔46开口，使高压的氢气减压而从一次侧压力室42流入二次侧压力室43。

另外，如图8、图10所示，在阀芯47中，阀头部47a朝向阀轴47b侧突出而形成为圆锥状。该阀头部47a的圆锥面构成第一抵接面49，在金属制的基座面上安装由具有弹性的树脂形成的表皮件50而构成。构成 表皮件50的树脂优选具有弹性且相对于压接载荷具有高的耐久性，例如采用聚酰胺酰亚胺等。

另一方面，连通孔46的一次侧压力室42侧的端缘作为阀芯47的阀头部47a接触或分离的阀座51。该阀座51整体由金属形成。另外，阀芯47相对于该阀座51同轴配置。

阀座51的连通孔46的端部的角部在整个圆周方向上被倒成圆弧状，该部分作为圆弧截面52a。在该实施方式中，圆弧截面52a部分和其内外的缘部作为第二抵接面52。该第二抵接面52在与阀芯47侧的第一抵接面49初始抵接时，如图8所示，以圆弧截面52a部分相对于第一抵接面49线接触，若从该状态起增大压接载荷，则如图10所示，在由树脂构成的第一抵接面49的弹性变形的作用下，第二抵接面52相对于第一抵接面49面接触。此时，阀芯47的阀头部47a插入到连通孔46中来增大与阀座51的接触面积。

此外，阀芯47侧和阀座51侧的各部分优选设定在以下的范围。例如，

连通孔46的直径                        →3mm～8mm

阀芯47的阀头部47a的圆锥角度           →60°～120°

阀座51的圆弧截面52a的曲率半径         →0.1mm～0.5mm

另外，在该该减压阀5的情况下，隔膜48的受压面48a的面积S(mm²)和弹簧39的弹簧常数k(N/mm)设定成满足以下的式(1)、(2)。

P1×S-k×ΔL＞C    (1)

P1＜P2             (2)

其中，式中的P1表示阀芯47关闭连通孔46时的二次侧压力室43的压力(MPa或N/mm²)，ΔL表示弹簧39的从自由长度开始的位移(mm)，C表示阀芯47的截止所需最低载荷(N)，P2表示受压器件7的允许最大压力(MPa或N/mm²)。

由于采用了这种设定，所以在该减压阀5中，当因受压器件7的动作停止等而使得受压器件7侧的氢气的流动停止时，当初作用于隔膜48的二次侧压力室43的压力P1所产生的闭阀方向的推力(P1×S)与弹簧39所产生的开阀方向的推力(k×ΔL)平衡，如图7、图8所示处于阀芯47相对于阀座51微小接触的状态。

在该状态下，阀芯47与阀座51之间的压接力弱，所以随着时间的经过，一次侧压力室42的高压氢气从阀芯47与阀座51的间隙向二次侧压力室43侧少量泄漏，二次侧压力室43和受压器件7侧的流路的压力P1逐渐升高。这样一来，当二次侧压力室43的压力P1升高到规定压力时，作用于隔膜48的二次侧压力室43的压力P1所产生的闭阀方向的推力(P1×S)与弹簧39所产生的开阀方向的推力(k×ΔL)之差达到阀芯47的截止所需最低载荷C，如图9、图10所示，阀芯47与阀座51之间被密闭，一次侧压力室42与二次侧压力室43之间被完全隔断。此时，阀芯47侧的第一抵接面49与阀座51侧的第二抵接面52如前所述通过第一抵接面49的弹性变形相互面接触。

此外，此时的二次侧压力室43的压力P1如上述式(2)所示设定在不会达到受压器件7的允许最大压力的范围，所以即使持续该闭阀状态时，受压器件7也不会因气体的压力P1而受到不良影响。

如上所述，在该实施方式的减压阀5中，阀芯47和阀座51通过圆锥状的第一抵接面49和具有圆弧截面52a的第二抵接面52抵接，第一抵接面49由具有弹性的树脂形成，第二抵接面52由金属形成，所以在闭阀方向的推力小的期间，能够使第一抵接面49与第二抵接面52线接触而闭阀，当闭阀方向的推力增大时，能够使第一抵接面49与第二抵接面52通过树脂的变形而面接触。

因此，在该减压阀5中，能够从作用于隔膜48的闭阀方向的推力比较小的阶段开始通过线接触部将阀芯47与阀座51之间密闭，所以能够避免隔膜48的受压面积过度增大，实现装置的小型化。另外，在作用于隔膜48的闭阀方向的推力增大时，阀芯47与阀座51通过面来接触，所以能够维持阀芯47及阀座51的抵接面的高耐久性。

此外，本发明并不仅限于上述的实施方式，能够在不脱离其要旨的范围内施加各种设计变更。例如，在上述的各实施方式中，圆锥状的第一抵接面设置在阀芯侧，具有圆弧截面的第二抵接面设置在阀座侧，但也可以如图11及图12所示，将圆锥状的第一抵接面设置在阀座侧，将具有圆弧截面的第二抵接面设置在阀芯侧。另外，还可以如图13A、13B、14A及14B所示，使圆锥的倾斜方向与图3、8、11及12相反。

Claims (4)

1.一种高压氢气用开闭阀，通过使同轴配置的阀芯和阀座抵接及分离而开闭流路，其中，

所述阀芯具备圆锥状的第一抵接面，所述阀座具备与所述第一抵接面抵接的初始抵接部为圆弧截面的环状的第二抵接面，

所述第一抵接面和所述第二抵接面中的一方由树脂形成，另一方由金属形成，

所述阀芯和所述阀座由施力机构向闭阀方向施力，

所述第一抵接面的圆锥角度设定为60°～120°，

所述第二抵接面的圆弧截面的曲率半径设定为0.1mm～0.5mm，

所述树脂是聚酰胺酰亚胺。

2.根据权利要求1所述的高压氢气用开闭阀，其中，

在所述阀芯与所述阀座抵接时，比其抵接区域靠所述阀芯侧的区域与第一气体流路导通，比其抵接区域靠所述阀座侧的区域与第二气体流路导通。

3.一种高压氢气用开闭阀，通过使同轴配置的阀芯和阀座抵接及分离而开闭流路，其中，

所述阀座具备圆锥状的第一抵接面，所述阀芯具备与所述第一抵接面抵接的初始抵接部为圆弧截面的环状的第二抵接面，

所述第一抵接面和所述第二抵接面中的一方由树脂形成，另一方由金属形成，

所述阀芯和所述阀座由施力机构向闭阀方向施力，

所述第一抵接面的圆锥角度设定为60°～120°，

所述第二抵接面的圆弧截面的曲率半径设定为0.1mm～0.5mm，

所述树脂是聚酰胺酰亚胺。

4.根据权利要求3所述的高压氢气用开闭阀，其中，

在所述阀芯与所述阀座抵接时，比其抵接区域靠所述阀芯侧的区域与第一气体流路导通，比其抵接区域靠所述阀座侧的区域与第二气体流路导通。