CN104115084A - 提动阀 - Google Patents

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Abstract

提动阀包括：薄片部(22)，其具有圆锥形状的内周面，该内周面呈具有中心轴线(O)；以及圆锥部(61)，其在中心轴线方向上使薄片部(22)的内侧位移，且在该圆锥部(61)与薄片部(22)之间形成环状截面的流路，该圆锥部(61)支承于与薄片部(22)同心的位置。由此，提高在流路中流动的流体的整流效果，防止噪音的产生。

Description

提动阀
技术领域
本发明涉及一种用于控制流体的压力的提动阀的构造。
背景技术
在燃料电池系统中应用有一种减压阀，该减压阀使自燃料箱引导的一次压力的燃料气体降低到预定的二次压力并供给于燃料电池。
日本专利局在1998年发行的JP10-169792A中提出了一种阀，该阀作为以大流量且高压的燃料气体为对象的减压阀，交替地层叠多个板与弹性体间隔物且在板之间形成有狭缝。
日本专利局发行的JP2010-026825A提出有一种提动型的减压阀。该减压阀包括使气体通过的阀座、以及与该阀座对置的能够提动的阀体，在阀座与阀体之间划分有节流流路。
作为设于高压且大流量的气体的流路中的减压阀，包含上述现有技术的减压阀在内，在将高压气体的流动节流的部位的下游侧产生涡流，由气体流产生高频的噪音。
发明内容
发明要解决的问题
因而，本发明的目的在于防止由高压气体的流动而引起减压阀产生噪音。
用于解决问题的方案
为了达成以上的目的，本发明的提动阀包括：薄片部，其具有内周面，该内周面呈具有中心轴线的圆锥形状；以及圆锥部，其在中心轴线方向上使薄片部的内侧位移，且在该圆锥部与薄片部之间形成环状截面的流路，该圆锥部支承于与薄片部同心位置。
本发明的详情及其他的特点、优点在说明书的以下记载中进行说明，并且在附图中示出。
附图说明
图1是本发明的实施方式的提动阀的纵剖视图。
图2是放大了提动阀的主要部位的纵剖视图。
图3是表示自提动阀产生的噪音等级的测量结果的特性的图表。
具体实施方式
参照附图的图1，在燃料电池系统中，提动阀1应用于将燃料箱的例如30-70兆帕斯卡(MPa)的燃料气体减压到数MPa的压力且供给于燃料电池。燃料气体中使用了氢气。提动阀1并不限定于氢气，还能够在使用其他气体或液体的其他装置、设备中用于调整流体的压力。
提动阀1包括：阀座20，其横截面为环状，在中央部形成有供气体通过的通孔；阀体60，其通过在阀座20的通孔内沿轴向位移来整流气体的流动；活塞40，其利用比阀座20靠下游侧的气体压力驱动阀体60；弹簧11，其用于向开阀方向对阀体60施力；以及弹簧12，其克服弹簧11的作用力而向闭阀方向对阀体60施力。活塞40与阀体60结合在一起，且一体地位移。
在提动阀1工作时，活塞40和阀体60根据自流体供给源引导的气体压力而沿图中的水平方向位移，阀体60通过在其与阀座20之间改变气体的流路截面积，将向燃料电池供给的燃料气体的压力减压到设定压力。
提动阀1包括阀壳70和活塞壳80。在阀壳70内配置有阀座20、阀体60和弹簧12。
提动阀1包括：一次压力口71，其向阀壳70开口；提动阀通路30，其收装有阀体60；控制压室45，其利用活塞40划分而成；以及二次口77，其向阀壳70开口。
如图中箭头所示，自流体供给源供给的燃料气体流入一次口71。燃料气体在提动阀1内自一次口71经由通孔72而流入提动阀通路30。通过在阀座20与阀体60之间将流路节流而使经过提动阀通路30的燃料气体的气压降低。经过了提动阀通路30的燃料气体流入控制压室45。活塞40使阀体60位移，以使控制压室45的气压成为设定压力。经过了控制压室45的燃料气体经由通孔76自二次口77供给于燃料电池。
提动阀通路30包括：提动阀上游流路31，其与一次口71连通；节流流路32，其在阀座20与阀体60之间被划分出来；以及提动阀下游流路33，其连通节流流路32和控制压室45。
参照图2，阀体60具有圆锥部61。另一方面，阀座20作为用于划分提动阀通路30的部位包括：薄片部22，其具有与圆锥部61对置的圆锥形状的内周面；通路部23，其为圆筒状；出口部24，其具有使直径自通路部23朝向提动阀下游流路33逐渐增加的圆锥形状的内周面。
阀体60具有活塞杆62，该活塞杆62自圆锥部61的顶端延伸至与活塞40连结。活塞杆62与阀座20的通路部23及出口部24之间的空间构成提动阀下游流路33的上游部分。
在薄片部22与圆锥部61之间形成有节流流路32。节流流路32通过圆锥部61落座于薄片部22而关闭，通过阀体60向附图中的左方位移使得圆锥部61自薄片部22离开而打开。
薄片部22的内周面与圆锥部61的外周面具有共用的中心轴线O。
图1和图2表示将提动阀1利用包含中心轴线O在内的平面剖切而成的提动阀1的纵截面。在这些纵截面上，表示薄片部22的内周面的两根直线A22所成的角度θ22相当于薄片部22的圆锥形状的内周面的顶角。同样地，表示圆锥部61的外周面的两根直线A61所成的角度θ61相当于圆锥部61的外周面的顶角。在此，将角度θ61形成为比角度θ22大预定角度以上。预定角度设定为使节流流路32的截面积朝向下游逐渐增加所需的值。
通过以上的设定，形成于薄片部22的内周面与圆锥部61的外周面之间的节流流路32自上游朝向下游地渐扩大流路宽度。节流流路32的流路截面积也自上游侧朝向下游侧逐渐增大。
薄片部22所指的是自相当于上游端的边缘部27到相当于下游端的端部28为止的区间。通过圆锥部61落座于边缘部27，提动阀上游流路31与节流流路32的连通被切断。端部28为通路部23与薄片部22的边界。
薄片部22形成为在提动阀1的最小开度、即阀关闭时，端部28在中心轴线O方向上在与圆锥部61的顶端65大致相同的位置与顶端65对置。圆锥部61的顶端65为圆锥部61与活塞杆62的边界。通过该设定，节流流路32在燃烧气体能够流通的状态、即圆锥部61至少略微向附图中的左侧位移后的状态下，始终位于活塞杆62的附近。通过该设定，能够确保提动阀1作为减压阀而运转的状态下的节流流路32的流路长度。
薄片部22的长度S22形为最大半径R22的预定比例以上。薄片部22的长度S22为自阀体60的薄片部22的边缘部27到端部28为止的部分在中心轴线O方向上的长度。薄片部22的最大半径R22为自中心轴线O到边缘部27为止的距离。
发明人们通过改变薄片部22的长度S22与薄片部22的最大半径R22的比例S22/R22而测量了提动阀1所产生的噪音的变化。所获得的测量结果为图3所示的图表。从图表中得知：当将比例S22/R22设定在1以上时，能够有效地降低提动阀1所产生的噪音的等级。而且，若考虑该实验结果与提动阀1的尺寸，则优选将比例S22/R22设定在从1到4的范围内。
再次参照图1，在阀壳70上，在中心轴线O上同心地形成有用于划分提动阀上游流路31的通路孔73、以及与通路孔73连续地向阀壳70的端面75开口的大径的螺孔74。
再次参照图2，阀座20包括：引导套筒25，其为圆筒状，与通路孔73嵌合；以及分隔部21，其为圆盘状，落座在螺孔74的底部。阀座20利用与螺孔74螺合的插头50固定于阀壳70。
在阀体60的圆锥部61的上游侧形成有大径的圆盘状的引导部63。引导部63与圆锥部61的基端邻接且沿径向方向突出，将其外周面以能够滑动的状态与阀座20的引导套筒25嵌合。通过引导部63与引导套筒25的嵌合，能够确保阀体60和阀座20在中心轴线O上的同心性。
在引导套筒25上形成有缺口26。引导部63的上游侧与下游侧利用缺口26连通。替代缺口26，还能够通过形成贯穿引导部63的通孔而使引导部63的上游侧与下游侧连通。
再次参照图1，在阀体60上还包括引导销64，该引导销64自引导部63朝向上游突出。在阀壳70上，在相当于通路孔73的底面的部位形成有引导孔78。引导销64自引导部63贯穿通路孔73从而以能够滑动的方式将顶端与引导孔78嵌合。引导销64发挥使阀体60和阀座20在中心轴线O上的同心性更可靠的作用。
圆筒状的插头50的外周与阀壳70的螺孔74螺合。
控制压室45利用插头50的周围的环状的空间构成。在活塞40上形成有用于划分控制压室45的圆锥形状的凹部42。插头50进入凹部42的内侧。通过形成凹部42，能够充分地确保控制压室45的容积，并且能够谋求提动阀1的小型化。
活塞壳80形成为圆筒状，并与阀壳70的外周螺合。活塞40借助O型环41以能够滑动的方式与活塞壳80的内周面嵌合。在活塞壳80的一端上组装有罩85。在活塞40与罩85之间以压缩状态安装有线圈状的弹簧11。
容纳弹簧11的活塞40与罩85之间的空间作为背压室46发挥功能。大气压作为先导压力自外部借助未图示的通孔引导至背压室46内。
接着，说明提动阀1的动作。如图1的箭头所示，自流体供给源向一次口71供给的燃料气体如图2的箭头所示那样经由构成提动阀通路30的提动阀上游流路31、节流流路32、提动阀下游流路33流入控制压室45。燃料气体还自控制压室45经由通孔76、二次口77供给于燃料电池。在该过程中，燃料气体在阀体60的周围向图1和图2的右方流动，在控制压室45中转变流动的方向，经由通孔76向图1和图2中的左方流动。通过这样的流路的设定，能够将一次口71和二次口77一起配置在阀壳70的一端，能够避免提动阀1的大型化。
与弹簧11和弹簧12之间的弹簧力差相当的作用力在开阀方向上作用于阀体60。另外，在闭阀方向上作用有因控制压室45和背压室46之间的压力差而产生的作用力。阀体60通过向这些作用力相平衡的位置位移，来增加或减少节流流路32的流路截面积。其结果，对通过节流流路32的燃料气体流施加的阻力变化，而能够将制压室45和二次口77的压力调整为设定值。
例如，若控制压室45的压力低于设定值，则阀体60向图1的左方移动。由此，节流流路32的流路截面积扩大，控制压室45的压力上升且接近设定值。若活塞40的凹部42的底面43与插头50的端面相抵接，则阀体60的进一步的位移被限制，提动阀1的开度成为最大。另外，在活塞40的凹部42的底面43抵接到插头50的端面的状态下，为了能够确保插头50的内侧与外侧之间的連通，在它们之间预先设有未图示的燃料气体的流路。
另一方面，若控制压室45的压力高于设定值，则阀体60向图1的右方移动。由此，节流流路32的流路截面积减少，控制压室45的压力降低且接近设定值。若圆锥部61与薄片部22相抵接，则阀体60的进一步的位移移动被限制，提动阀1的开度成为最小值的零，燃料气体的流动被阻断。
在阀体60位移到了图1的最左方的提动阀1的最大开度时，薄片部22的端部28位于圆锥部61的顶端65的略靠图中的右侧。另一方面，在阀体60移动到了图1中的最右方的提动阀1的最小开度时、即阀关闭时，薄片部22的端部28位于圆锥部61的顶端65的略左侧。
在以往的提动阀中，通过燃料气体经由节流流路能够提高流速，在节流流路的前后压差较高的条件下，可能自节流流路朝向其下游侧产生涡流。
相对于此，通过在薄片部22与圆锥部61之间形成圆锥筒状的节流流路32，经由提动阀1的燃料气体在沿薄片部22的内周面与圆锥部61的外周面流动的过程中被整流。通过该整流能够抑制涡流的产生。
如上所述，根据图3所示的实验结果，通过将薄片部22的长度S22与薄片部22的半径R22的比例S22/R22设定在1以上，能够有效地降低从提动阀1产生的噪音等级。
节流流路32的流路宽度自上游朝向下游逐渐扩大，使在节流流路32中流动的燃料气体的压力逐渐降低。这在提高燃料气体的流动的整流效果的基础上是优选的，还能够抑制节流流路32对燃料气体的流动施加的阻力。
该提动阀1起到以下所示的作用效果。
(1)提动阀1包括：薄片部22，其使流体通过；以及圆锥部61，在该圆锥部61与薄片部22之间形成节流流路32；由于将划分节流流路32的薄片部22的内周面与圆锥部61的外周面在中心轴线O上形成为同心的圆锥形状，因此，能够将节流流路32设定地较长。因而，节流流路32能够对燃料气体的流动施加足够的整流作用，从而能够抑制涡流的产生。由此，能够防止由流体的涡流引起自提动阀1产生噪音。
(2)由于将薄片部22的长度S22与薄片部22的最大半径R22的比例S22/R22设定在1以上，因此，供通过提动阀1的燃料气体沿薄片部22的内周面与圆锥部61的外周面流动的节流流路32形成为能够充分地发挥整流作用的长度。由于能够有效地发挥整流作用，因此，能够抑制涡流的产生。因而，能够防止因流体的涡流引起提动阀1产生噪音的现象。
(3)在薄片部22和圆锥部61的包括中心轴线O在内的纵截面上，相当于圆锥部61的外周面的两条直线A61之间的角度θ61设定为比相当于薄片部22的内周面的两条直线A22之间的角度θ22大预定角度以上。由此，由于节流流路32的流路截面积朝向下游侧逐渐变大，因此，在节流流路32中流动的燃料气体的压力逐渐降低，能够提高整流燃料气体的流动的效果。另外，还能够抑制节流流路32对流体的流动施加的阻力。
(4)由于薄片部22的端部28至少在最小开度时形成于与圆锥部61的顶端65大致对置的位置，因此，节流流路32构成为对直到圆锥部61的顶端65为止有效。这样的设定有助于确保节流流路32的流路长度，并且在提动阀1的小型化方面是优选的。
(5)由于节流流路32延伸至上述活塞杆62的附近，因此，能够确保节流流路32的流路长度。其结果，经过节流流路32朝向控制压室45流动的流体通过沿薄片部22的内周面和圆锥部61的外周面流动而被充分地整流，而能够抑制涡流的产生。
(6)提动阀1包括：引导部63，其与圆锥部61的基端侧相连接且沿径向突出；以及引导套筒25，其与薄片部22相连接且沿圆锥部61的轴向延伸；由于引导部63以能够滑动的方式插入于引导套筒25，因此，圆锥部61借助引导部63保持于与薄片部22同心的位置，圆锥筒状的节流流路32在径向方向上的宽度跨过整周地维持为均等。其结果，由于能够获得在节流流路32中流动的燃料气体的流动难以产生湍流的环境，因此，能够更可靠地防止提动阀1的噪音产生。
关于以上的说明，结合了引用至该说明中的以2012年3月15日为申请日的日本国特愿2012-59446号的内容。
以上，通过特定的实施方式说明了本发明，本发明并不限定于上述的实施方式。对于本领域技术人员，能够在权利要求的技术范围内对实施方式施加各种修正或变更。
例如，用于开闭驱动圆锥部61的部件不限定于利用燃料气体的压力而工作的活塞40，还可以使用其他的驱动器。
另外，成为利用提动阀进行减压的对象的流体不限定于燃烧气体，可以是任何流体。
产业上的可利用性
本发明的提动阀特别是对防止燃料电池系统的燃料气体的减压阀的噪音起到较佳的效果。
本发明的实施例所包含的排他性或特征以所附权利要求书要求保护。

Claims (7)

1.一种提动阀，包括：
薄片部，其具有内周面，该内周面呈具有中心轴线的圆锥形状；以及圆锥部，其在中心轴线方向上使薄片部的内侧位移，且在该圆锥部与薄片部之间形成环状截面的流路，该圆锥部支承于与薄片部同心的位置。
2.根据权利要求1所属的提动阀，其中，
薄片部的中心轴线方向上的长度与薄片部的最大半径的比设定为1以上。
3.根据权利要求1所述的提动阀，其中，
将圆锥部的顶角设定为大于薄片部的内周面的顶角。
4.根据权利要求3所述的提动阀，其中，
在提动阀内流动的流体设定为在流路内向圆锥部的直径变小的方向流动，流路的截面积朝向下游逐渐增大。
5.根据权利要求1所述的提动阀，其中，
在圆锥部落座在薄片部的状态下，薄片部的下游侧的顶端位于圆锥部的顶端的附近。
6.根据权利要求1所述的提动阀，其中，
在提动阀内流动的流体在流路内向圆锥部的直径变小的方向流动，该提动阀还包括：控制压室，其形成于节流流路的下游侧；活塞，其在控制压室内的流体压力作用下沿中心轴线方向位移；以及活塞杆，其连结圆锥部和活塞。
7.根据权利要求1所述的提动阀，其中，
该提动阀还包括：引导部，其自圆锥部的大径侧的端部向径向方向突出；以及引导套筒，其以与中心轴线平行的方式自薄片部突出，且该引导套筒保持引导部的外周并使之滑动自如。
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