DE102021132421A1

DE102021132421A1 - Druckreduzierventil

Info

Publication number: DE102021132421A1
Application number: DE102021132421.1A
Authority: DE
Inventors: Kazushi NUMAZAKI; Tetsuya Kaneko; Akira Nakano; Kazuhiro TAKABAYASHI; Kazuo Haneda; Yuya KIHARA
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2020-12-11
Filing date: 2021-12-09
Publication date: 2022-06-15
Also published as: JP2022092791A; CN114623273A; US20220186848A1; US11698141B2

Abstract

Ein Druckreduzierventil (1) hat: einen Körper (11), einen Ventilsitz (12) und ein Ventilelement (13), das den Ventilsitz (12) gemäß einem Unterschied zwischen einem Druck an der Einlassseite und einem Druck an der Auslassseite öffnet und schließt. Eine Druckkammer (43A), die ein Raumabschnitt zwischen dem Ventilelement (13) und dem Ventilsitz (12) ist, ist an der Einlassseite des Ventilelementes (13) vorgesehen. Das Ventilelement (13) weist eine Vielzahl an horizontalen Löchern (86), die jeweils zu der Druckkammer (43A) offen sind, und ein vertikales Loch (87) auf, das die horizontalen Löcher (86) und die Auslassseite des Ventilelementes (13) miteinander in Kommunikation bringt. Die horizontalen Löcher (86) und das vertikale Loch (87) sind so vorgesehen, dass ein eine Größe eines Verhältnisses aus einer Strömungskanalfläche des vertikalen Loches (87) zu einer Gesamtfläche, die eine Gesamtheit von Strömungskanalflächen der horizontalen Löcher (86) ist, den Wert 1,16 überschreitet.

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Druckreduzierventil.
2. Beschreibung des zugehörigen Standes der Technik
Wie dies beispielsweise in der ungeprüften japanischen Patentanmeldung JP 2017-126269 A beschrieben ist, gibt es Druckreduzierventile, die einen Druck eines von einem Einlassanschluss gelieferten Gases reduzieren und das Gas, dessen Druck reduziert worden ist, zu einem Auslassanschluss liefern. Die Druckreduzierventile umfassen jeweils einen Körper, einen Ventilsitz, ein Ventilelement und ein Vorspannelement. Im Inneren des Körpers ist ein Strömungskanal vorgesehen, der den Einlassanschluss und den Auslassanschluss miteinander in Kommunikation bringt. Der Ventilsitz ist in dem Strömungskanal vorgesehen. Das Ventilelement ist in einer derartigen Weise vorgesehen, dass es mit dem Ventilsitz in Kontakt gelangen kann und sich von diesem weg bewegen kann. Das Vorspannelement spannt das Ventilelement in eine Richtung vor, in der das Ventilelement sich von dem Ventilsitz weg bewegt. Das Ventilelement bewegt sich gemäß einem Druckunterschied zwischen einem Druck an der Einlassanschlussseite und einem Druck an der Auslassanschlussseite und einer Vorspannkraft des Vorspannelementes. Der Auslassdruck wird durch eine Blende (Öffnung) des Druckreduzierventils eingestellt, die gemäß der Position des Ventilelementes variiert.
Zusammenfassung der Erfindung
In dem Druckreduzierventil der JP 2017-126269 A gibt es folgendes Problem. Beispielsweise nimmt in einem Zustand, bei dem das Druckreduzierventil offen ist, wenn Gas schnell von dem Einlassanschluss herein gelangt, der Druck an dem Einlassanschluss des Ventilelementes schnell zu. Daher wird der Unterschied zwischen dem Druck an der Einlassanschlussseite und dem Druck an der Auslassanschlussseite des Ventilelementes größer, was eine Verzögerung im Ventilschließvorgang des Ventilelementes verursachen kann. Es besteht ein Problem dahingehend, dass die Verzögerung beim Ventilschließvorgang bewirkt, dass der Auslassdruck einen Einstellwert (Sollwert) für den Druck überschreitet.
Die vorliegende Erfindung schafft ein Druckreduzierventil, das noch genauer einen Druck eines Gases einstellen kann.
Ein Druckreduzierventil gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung hat: einen Körper mit einem Gasströmungskanal; einen Ventilsitz, der in dem Gasströmungskanal vorgesehen ist; und ein Ventilelement, das stromabwärtig des Ventilsitzes in dem Gasströmungskanal vorgesehen ist und konsistent in einer Richtung vorgespannt ist, in der das Ventilelement sich von dem Ventilsitz weg bewegt, wobei das Ventilelement den Ventilsitz gemäß einem Unterschied zwischen einem Druck an einer Einlassseite und einem Druck an einer Auslassseite öffnet und schließt. Eine Druckkammer, die ein Raumabschnitt zwischen dem Ventilelement und dem Ventilsitz ist, ist an der Einlassseite des Ventilelementes in dem Gasströmungskanal vorgesehen. Das Ventilelement weist eine Vielzahl an horizontalen Löchern, die sich jeweils entlang einer Richtung erstrecken, in der das horizontale Loch sich mit einer Achse des Ventilelementes an einer Position nahe zu dem Ventilsitz in dem Ventilelement schneidet, und die zu der Druckkammer offen sind, und ein vertikales Loch auf, das sich entlang der Achse des Ventilelementes erstreckt und die horizontalen Löcher und die Auslassseite des Ventilelementes in dem Gasströmungskanal miteinander in Kommunikation bringt. Die horizontalen Löcher und das vertikale Loch sind in einer derartigen Weise vorgesehen, dass eine Größe eines Verhältnisses einer Strömungskanalfläche des vertikalen Loches zu einer Gesamtfläche, die eine Gesamtheit von Strömungskanalflächen der horizontalen Löcher ist, 1,16 überschreitet.
Gemäß diesem Aspekt ist die Strömungskanalfläche des vertikalen Loches auf einen Wert eingestellt, der relativ zu der Fläche größer ist, die eine Gesamtheit aus den Strömungskanalflächen der horizontalen Löcher ist. Daher strömt ein Gas, das von der Druckkammer in das vertikale Loch über die horizontalen Löcher einströmt, noch sanfter zu der Auslassseite des Ventilelementes in dem Gasströmungskanal. Folglich kann selbst dann, wenn eine große Menge an Gas schnell zu der Druckkammer geliefert wird, ein schneller Anstieg des Drucks in der Druckkammer eingeschränkt (vermieden) werden. Da es weniger wahrscheinlich ist, dass zwischen dem Druck in der Druckkammer an der Einlassseite des Ventilelementes und dem Druck an der Auslassseite des Ventilelementes eine Differenz auftritt, führt das Ventilelement einen Ventilschließvorgang zu einer noch besser geeigneten Zeitabstimmung zusammen mit einem Druckanstieg an der Auslassseite des Ventilelementes aus. Daher kann der Druck des Gases, das zu der Auslassseite des Ventilelementes zu liefern ist, noch genauer eingestellt werden.
In dem vorstehend erläuterten Aspekt können die jeweiligen Innendurchmesser der horizontalen Löcher sämtlich auf den gleichen Wert festgelegt sein. In dem vorstehend erläuterten Aspekt können die horizontalen Löcher bei einem regelmäßigen Abstand (Intervall) in einer Umfangsrichtung des Ventilelementes vorgesehen sein.
Diese Konfigurationen ermöglichen, dass das Gas im Inneren der Druckkammer noch gleichmäßiger und sanfter in die horizontalen Löcher strömt und zu der Auslassseite des Ventilelementes in dem Gasströmungskanal über das vertikale Loch in einer günstigen Weise strömt.
Der vorstehend erläuterte Aspekt ermöglicht ein noch genaueres Einstellen eines Drucks eines Gases.
Figurenliste
Die Merkmale, Vorteile und die technische und industrielle Bedeutung der Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen.

1 zeigt eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels eines Druckreduzierventils, das entlang seiner Achse aufgeschnitten dargestellt ist.
2 zeigt eine vergrößerte Schnittansicht eines Bereiches in der Nähe eines Ventilelementes und eines Ventilsitzes in einem Ausführungsbeispiel.

Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Ein Ausführungsbeispiel eines Druckreduzierventils ist nachstehend beschrieben. Wie dies in 1 beispielartig gezeigt ist, ist ein Druckreduzierventil 1 in einem Fluidkreislauf vorgesehen, der einen Gastank 2 für ein Wasserstoffgas und eine Brennstoffzelle 3 verbindet, die in einem Brennstoffzellenfahrzeug montiert ist. Das Druckreduzierventil 1 reduziert einen Einlassdruck, der ein Druck des von dem Gastank 2 über einen Einlassanschluss 4 gelieferten Wasserstoffgases ist, auf einen Druck, der gleich wie oder unterhalb eines Solldrucks (Einstelldrucks) ist, und liefert das Gas, dessen Druck reduziert worden ist, zu der Brennstoffzelle 3 über einen Auslassanschluss 5. Der Einlassdruck des von dem Einlassanschluss 4 gelieferten Gases ist beispielsweise ein hoher Druck von ungefähr 87,5 MPa. Der Solldruck, der ein Zielwert (Sollwert) für einen Auslassdruck ist, der ein durch das Druckreduzierventil 1 reduzierter Druck ist, beträgt beispielsweise ungefähr 1,2 MPa.
Das Druckreduzierventil 1 hat einen Körper 11, einen Ventilsitz 12, ein Ventilelement 13, ein Vorspannelement 14, ein erstes Abdichtelement 15 und ein zweites Abdichtelement 16. Der Körper 11 umfasst einen Gasströmungskanal 17, der den Einlassanschluss 4 und den Auslassanschluss 5 miteinander in Kommunikation bringt, wobei ein Hochdruckgas in dem Gasströmungskanal 17 strömt. Der Ventilsitz 12 ist in dem Gasströmungskanal 17 angeordnet. Das Ventilelement 13 ist stromabwärtig des Ventilsitzes 12 in dem Gasströmungskanal 17 angeordnet. Das Vorspannelement 14 spannt das Ventilelement 13 in einer Richtung vor, in der sich das Ventilelement 13 von dem Ventilsitz 12 weg bewegt. Das erste Abdichtelement 15 und das zweite Abdichtelement 16 sind jeweils an einer Außenumfangsfläche des Ventilelementes 13 angebracht (befestigt). Das Ventilelement 13 gelangt mit dem Ventilsitz 12 gemäß einem Druckunterschied (Druckdifferenz) zwischen dem Einlassdruck und dem Auslassdruck und einer Vorspannkraft des Vorspannelementes 14 in Kontakt und bewegt sich von diesem weg. Der Auslassdruck wird auf einen Druck, der gleich wie oder niedriger als ein Sollwert ist, durch eine Öffnung (Blende) des Druckreduzierventils 1 eingestellt, die gemäß der Position des Ventilelementes 13 variiert.
Der Körper 11 umfasst ein Verbindungselement 21, ein erstes Unterbringelement (erstes Gehäuseelement) 22 und ein zweites Unterbringelement (zweites Gehäuseelement) 23. Das Verbindungselement 21, das erste Unterbringelement 22 und das zweite Unterbringelement 23 sind jeweils aus einem Metall hergestellt. Der Körper 11 ist zusammengebaut, indem das Verbindungselement 21, das erste Unterbringelement 22 und das zweite Unterbringelement 23 in der erwähnten Reihenfolge von der stromaufwärtigen Seite in einer Richtung, in der das Wasserstoffgas strömt, verbunden sind. In dem zusammengebauten Körper 11 sind das Verbindungselement 21, das erste Unterbringelement 22 und das zweite Unterbringelement 23 auf einer gemeinsamen Achse L angeordnet.
Das Verbindungselement 21 hat eine im Wesentlichen absatzartige säulenartige Form. Eine Außenumfangsfläche eines Abschnittes 31 mit großem Durchmesser des Verbindungselementes 21 weist ein Außengewinde auf. Das Verbindungselement 21 weist einen Verbindungsströmungskanal 32 auf, der ein Teil des Gasströmungskanals 17 ist. Der Verbindungsströmungskanal 32 erstreckt sich linear (geradlinig) entlang der Achse L und ist an entgegengesetzten Enden des Verbindungselementes 21 offen. Die Öffnung an der stromaufwärtigen Seite des Verbindungsströmungskanals 32 fungiert als der Einlassanschluss 4. Das Verbindungselement 21 weist einen Filter 33 auf. Der Filter 33 ist in der Öffnung an der stromabwärtigen Seite des Verbindungsströmungskanals 32 vorgesehen.
Das erste Unterbringelement 22 hat eine im wesentlichen säulenartige Form. Das erste Unterbringelement 22 hat einen Außendurchmesser, der größer ist als jener des Verbindungselementes 21. Das erste Unterbringelement 22 weist ein erstes Montageloch 41 und ein zweites Montageloch 42 auf, die Teile des Gasströmungskanals 17 bilden. Das erste Montageloch 41 und das zweite Montageloch 42 haben jeweils eine runde Lochform. Das erste Montageloch 41 ist an einer Endfläche an der stromaufwärtigen Seite des ersten Unterbringelementes 22 offen. Das zweite Montageloch 42 ist zu der stromabwärtigen Seite des ersten Montageloches 41 fortlaufend. Das erste Montageloch 41 und das zweite Montageloch 42 sind jeweils auf der gleichen Achse L vorgesehen. Eine Innenumfangsfläche des ersten Montageloches 41 weist ein Innengewinde auf. Das Verbindungselement 21 ist mit dem ersten Gehäuseelement 22 verbunden, indem der Abschnitt 31 mit großem Durchmesser an dem ersten Montageloch 41 befestigt ist. Das zweite Montageloch 42 hat einen Innendurchmesser, der kleiner ist als jener des ersten Montageloches 41. Der Ventilsitz 12 ist in dem zweiten Montageloch 42 montiert. Anders ausgedrückt ist der Ventilsitz 12 in dem Gasströmungskanal 17 vorgesehen.
Das erste Unterbringelement 22 weist ein Aufnahmeloch (Empfangloch) 43 auf, das ein Teil des Gasströmungskanals 17 ist. Das Aufnahmeloch 43 hat eine im Wesentlichen runde Lochform. Das Aufnahmeloch 43 steht mit dem zweiten Montageloch 42 in Kommunikation und ist an einer Endfläche an der stromabwärtigen Seite des ersten Unterbringelementes 22 offen. Das Aufnahmeloch 43 ist auf der Achse L vorgesehen. Das erste Unterbringelement 22 weist eine Trennwand 44 auf, die das Aufnahmeloch 43 und das zweite Montageloch 42 voneinander trennt. Die Trennwand 44 ist in einer derartigen Weise vorgesehen, dass sie unter Betrachtung in einer Richtung entlang der Achse L eine ringartige Form hat. Die Trennwand 44 ist in einer derartigen Weise vorgesehen, dass ein Innendurchmesser in einem Abschnitt an der stromaufwärtigen Seite des Aufnahmeloches 43 allmählich zu der stromaufwärtigen Seite abnimmt. Ein Teil (Abschnitt) des Ventilelementes 13 ist im Inneren des Aufnahmeloches 43 aufgenommen. Anders ausgedrückt ist das Ventilelement 13 stromabwärtig des Ventilsitzes 12 in denm Gasströmungskanal 17 vorgesehen.
Das erste Unterbringelement 22 weist eine ringartige Einbaunut 46 auf. Die Einbaunut 46 ist an der Außenumfangsseite des Aufnahmeloches 43 positioniert. Wie das Aufnahmeloch 43 ist die Einbaunut 46 zu der stromabwärtigen Seite des ersten Unterbringelementes 22 offen. Die Einbaunut 46 ist als ein Spalt (Zwischenraum) zwischen einer zylindrischen Innenwand 47 und einer zylindrischen Außenwand 48 vorgesehen, die an dem ersten Unterbringelement 22 vorgesehen ist. Die Innenwand 47 definiert einen Innenrand der Einbaunut 46. Die Außenwand 48 definiert einen Außenrand der Einbaunut 46. Die Außenwand 48 ragt stromabwärtig der Innenwand 47 vor. Eine Außenumfangsfläche der Außenwand 48 bildet einen Abschnitt einer Außenumfangsfläche des ersten Unterbringelementes 22. Ein Außengewinde ist an der Außenumfangsfläche der Außenwand 48 vorgesehen. Das Außengewinde ist an einer Position vorgesehen, die derjenigen der Einbaunut 46 entspricht. Es ist hierbei zu beachten, dass das erste Unterbringelement 22 einen Kommunikationskanal 49 aufweist, der das Innere der Einbaunut 46 und die Außenseite des Körpers 11 miteinander in Kommunikation bringt.
Das zweite Unterbringelement 23 hat eine im Wesentlichen säulenartige Form. Das zweite Unterbringelement 23 hat einen Außendurchmesser, der geringfügig größer ist als jener des ersten Unterbringelementes 22. Das zweite Unterbringelement 23 weist ein Verbindungsloch 51 auf. Das Verbindungsloch 51 ist an einer Endfläche an der stromaufwärtigen Seite des zweiten Unterbringelementes 23 offen. Das Verbindungsloch 51 hat eine runde Lochform. Ein Innengewinde ist an einer Innenumfangsfläche des Verbindungsloches 51 vorgesehen. Das Innengewinde ist an einer Position nahe zu einem offenen Ende des Verbindungsloches 51 angeordnet. Das erste Unterbringelement 22 ist mit dem zweiten Unterbringelement 23 verbunden, indem die Außenwand 48 in das Verbindungsloch 51 eingeführt und darin befestigt ist. Es ist hierbei zu beachten, dass ein drittes Abdichtelement 52, beispielsweise ein O-Ring, an der Außenumfangsfläche der Außenwand 48 sitzt.
Außerdem weist das zweite Unterbringelement 23 einen Gehäuseströmungskanal 53 auf, der ein Teil (Abschnitt) des Gasströmungskanals 17 ist. Der Gehäuseströmungskanal 53 erstreckt sich linear (geradlinig) entlang der Achse L. Der Gehäuseströmungskanal 53 weist eine Öffnung der stromaufwärtigen Seite in einer Bodenfläche des Verbindungsloches 51 und eine Öffnung der stromabwärtigen Seite in einer Endfläche an der stromabwärtigen Seite des zweiten Unterbringelementes 23 auf. Die Öffnung an der stromabwärtigen Seite des Gehäuseströmungskanals 53 fungiert als der Auslassanschluss 5.
Der Ventilsitz ist aus Kunststoff hergestellt. Der Ventilsitz 12 hat eine ringartige Form. Der Ventilsitz 12 ist in dem zweiten Montageloch 42 des ersten Unterbringelementes 22 angeordnet. Außerdem wird der Ventilsitz 12 gegen eine Bodenfläche des zweiten Montageloches 42 gedrückt, indem das Verbindungselement 21 in dem ersten Montageloch 41 montiert ist. Der Ventilsitz 12 weist ein Ventilloch 61 auf. Das Ventilloch 61 erstreckt sich linear (geradlinig) entlang der Achse L und ist an entgegengesetzten Endflächen an der Achse L des Ventilsitzes 12 offen. In einem Bereich an der stromabwärtigen Seite des Ventilloches 61 ist eine Innenumfangsfläche des Ventilloches 61 in einer derartigen Weise geneigt (schräg gestellt), dass ein Innendurchmesser zu der stromabwärtigen Seite hin zunimmt.
Das Ventilelement 13 ist aus einem Metall hergestellt. Wie dies in 2 gezeigt ist, hat das Ventilelement 13 einen Kopfabschnitt 71, einen Körperabschnitt 72 und einen Druckempfangabschnitt (Druckaufnahmeabschnitt) 73. Der Kopfabschnitt 71, der Körperabschnitt 72 und der Druckempfangabschnitt 73 sind in einer einstückigen Weise in der erwähnten Reihenfolge von der stromaufwärtigen Seite aus ausgebildet. Der Kopfabschnitt 71 und der Körperabschnitt 72 sind in dem Aufnahmeloch 43 des ersten Unterbringelementes 22 aufgenommen. Der Druckempfangabschnitt 73 ragt zu der stromabwärtigen Seite von der Innenwand 47 vor und ist an der Innenseite der Außenwand 48 aufgenommen. Das Ventilelement 13 ist entlang der Achse L im Inneren des Körpers 11 beweglich. Außerdem ist das Ventilelement 13 dazu in der Lage, mit dem Ventilsitz 12 in Kontakt zu gelangen und sich von diesem weg zu bewegen.
Der Kopfabschnitt 71 hat eine im Wesentlichen säulenartige Form. Der Kopfabschnitt 71 hat eine abgeschrägte Form, die zu der distalen Endseite hin, d.h. zur stromaufwärtigen Seite, abgeschrägt ist. Die Abschrägungsform des Kopfabschnittes 71 ist in einer derartigen Weise geneigt, dass sie der Neigung an dem Bereich an der stromabwärtigen Seite des Ventilloches 61 entspricht.
Der Körperabschnitt 72 hat eine im Wesentlichen absatzartige säulenartige Form. Der Körperabschnitt 72 weist einen distalen Endabschnitt 81, einen Zwischenabschnitt 82 und einen proximalen Endabschnitt 83 auf. Der distale Endabschnitt 81, der Zwischenabschnitt 82 und der proximale Endabschnitt 83 sind in einer einstückigen Weise in der erwähnten Reihenfolge von der stromaufwärtigen Seite aus ausgebildet. Der Kopfabschnitt 71 ist an einer Endfläche an der stromaufwärtigen Seite des distalen Endabschnittes 81 vorgesehen. Eine Größe eines Außendurchmessers des Körperabschnittes 72 ist in einer derartigen Weise festgelegt, dass sie in der Reihenfolge des distalen Endabschnittes 81, des Zwischenabschnittes 82 und des proximalen Endabschnittes 83 zunimmt. Eine Außenumfangsfläche des proximalen Endabschnittes 83 umfasst eine erste Einpassnut 84. Die erste Einpassnut 84 ist in einer ringartigen Form vorgesehen, die sich über einen gesamten Umfang des proximalen Endabschnittes 83 erstreckt.
Der Außendurchmesser des distalen Endabschnittes 81 ist kleiner als ein Innendurchmesser der Trennwand 44 des ersten Unterbringelementes 22, und ein Zwischenraum (Spalt) zwischen dem distalen Endabschnitt 81 und der Trennwand 44 fungiert als ein Teil (Abschnitt) des Gasströmungskanals 17. Der Außendurchmesser des Zwischenabschnittes 82 ist größer als der Außendurchmesser des distalen Endabschnittes 81. Der Außendurchmesser des proximalen Endabschnittes 83 ist geringfügig kleiner als ein Innendurchmesser des Aufnahmeloches 43. Die Außenumfangsfläche des proximalen Endabschnittes 83 ist relativ zu einer Innenumfangsfläche des Aufnahmeloches 43 gleitfähig.
Außerdem weist der Körperabschnitt 72 eine Vielzahl (beispielsweise vier) horizontale Löcher 86 und ein vertikales Loch 87 auf. Jedes horizontale Loch 86 erstreckt sich linear (geradlinig) entlang einer Richtung, die senkrecht zu der Achse L ist. Jedes horizontale Loch 86 ist an einer Außenumfangsfläche des Zwischenabschnittes 82 offen. Die horizontalen Löcher 86 sind unter gleichen Winkeln in einer Umfangsrichtung des Körperabschnittes 72 vorgesehen. Das vertikale Loch 87 erstreckt sich linear (geradlinig) entlang der Achse L. Das vertikale Loch 87 ist an einer Endfläche an der von dem Kopfabschnitt 71 entgegengesetzten Seite des Körperabschnittes 72 offen. Anders ausgedrückt ist ein Endabschnitt an der stromabwärtigen Seite des vertikalen Loches 87 zu der stromabwärtigen Seite (Auslassseite) des Ventilelementes 13 in dem Gasströmungskanals 17 offen. Ein Endabschnitt an der stromaufwärtigen Seite des vertikalen Loches 87 steht mit jedem der horizontalen Löcher 86 in Kommunikation. Die horizontalen Löcher 86 und das vertikale Loch 87 bilden einen Ventilelementströmungskanal.
Der Druckempfangabschnitt (Druckaufnahmeabschnitt) 73 hat eine im Wesentlichen absatzartige ringartige Form. Der Druckempfangabschnitt 73 erstreckt sich radial nach außen von einem Endabschnitt an der stromabwärtigen Seite des Körperabschnittes 72. Der Druckempfangabschnitt 73 hat einen Außendurchmesser, der geringfügig kleiner ist als ein Innendurchmesser der Außenwand 48 des ersten Unterbringelementes 22. Eine Außenumfangsfläche des Druckempfangabschnittes 73 ist relativ zu einer Innenumfangsfläche der Außenwand 48 gleitfähig. Eine Dicke in der Richtung entlang der Achse L des Druckempfangabschnittes 73 ist in einem radial äußeren Abschnitt größer als an einem radial inneren Abschnitt. Die Außenumfangsfläche des Druckempfangabschnittes 73 weist eine zweite Einpassnut 88 auf. Die zweite Einpassnut 88 ist in einer ringartigen Form so vorgesehen, dass sie sich über einen gesamten Umfang des Druckempfangabschnittes 73 erstreckt.
Für das Vorspannelement 14 ist beispielsweise eine Schraubenkompressionsfeder angewendet. Das Vorspannelement 14 ist in der Einbaunut 46 aufgenommen. Das Vorspannelement 14 wird entlang der Achse L zwischen einer Bodenfläche der Einbaunut 46 und dem Druckempfangabschnitt 73 des Ventilelementes 13 in der Einbaunut 46 zusammengedrückt. Das Vorspannelement 14 spannt das Ventilelement 13 in einer Ventilöffnungsrichtung, in der sich das Ventilelement 13 von dem Ventilsitz 12 wegbewegt, d.h. zu der stromabwärtigen Seite in der Richtung, in der das Wasserstoffgas strömt, vor.
Für sowohl das erste Abdichtelement 15 als auch das zweite Abdichtelement 16 wird eine Lippendichtung angewendet. Das erste Abdichtelement 15 sitzt in der ersten Einpassnut 84, und das zweite Abdichtelement 16 sitzt in der zweiten Einpassnut 88. Das erste Abdichtelement 15 sieht eine Abdichtung zwischen einer Außenumfangsfläche des Körperabschnittes 72 und der Innenumfangsfläche des Aufnahmeloches 43 vor. Das zweite Abdichtelement 16 sieht eine Abdichtung zwischen der Außenumfangsfläche des Druckempfangabschnittes 73 und der Innenumfangsfläche der Außenwand 48 vor. Folglich wird ein Freigeben des Wasserstoffgases, dessen Druck reduziert ist, zu der Außenseite über die Einbaunut 46 und den Kommunikationskanal 49 verhindert (gehemmt).
Nachstehend ist der Betrieb des Druckreduzierventils 1 beschrieben. In einem Anfangszustand vor dem Liefern des Hochdruckwasserstoffgases von dem Einlassanschluss 4 wird das Ventilelement 13 in einem Zustand gehalten, bei dem es durch die Vorspannkraft des Vorspannelementes 14 zu der stromabwärtigen Seite bewegt ist. Anders ausgedrückt wird das Druckreduzierventil 1 in einem Ventilöffnungszustand gehalten, bei dem das Ventilelement 13 von dem Ventilsitz 12 entfernt ist (beabstandet ist).
Das Wasserstoffgas, das einen Einlassdruck aufweist, und das von dem Einlassanschluss 4 geliefert wird, tritt durch den Verbindungströmungskanal 32, der in dem Gasströmungskanal 17 umfasst ist, und strömt in das Aufnahmeloch 43 über das Ventilloch 61 und dem Kopfabschnitt 71 des Ventilelementes 13. Wenn das Wasserstoffgas durch einen Zwischenraum zwischen dem Ventilloch 61 und dem Kopfabschnitt 71 tritt, wird der Druck des Wasserstoffgases gemäß einer Größe des Zwischenraums reduziert. Das Wasserstoffgas, dessen Druck reduziert worden ist, strömt in den Gehäuseströmungskanal 53, der in dem Gasströmungskanal 17 umfasst ist, über die horizontalen Löcher 86 und das vertikale Loch 87, und wird von dem Auslassanschluss 5 geliefert. Als ein Ergebnis einer Zunahme der Menge an Wasserstoffgas, die in dieser Weise über das Ventilloch 61 einströmt, nimmt ein Auslassdruck zu.
Das Ventilelement 13 wird in der Ventilöffnungsrichtung, die eine Richtung zu der stromabwärtigen Seite ist, durch die Vorspannkraft des Vorspannelementes 14 und eine Vorspannkraft, die dem Einlassdruck entspricht, der durch den Kopfabschnitt 71 über das Ventilloch 61 empfangen wird, vorgespannt. Andererseits wird das Ventilelement 13 in einer Ventilschließrichtung, die eine Richtung zu der stromaufwärtigen Seite ist, durch eine Vorspannkraft vorgespannt, die einem Auslassdruck entspricht, der hauptsächlich durch den Druckempfangabschnitt 73 empfangen wird. Das Ventilelement 13 bewegt sich gemäß einer Beziehung der Größe zwischen der Vorspannkraft zu der stromaufwärtigen Seite und der Vorspannkraft zu der stromabwärtigen Seite.
Das Ventilelement 13 bewegt sich so, dass es den Ventilsitz 12 schließt, gemäß einer Zunahme des Auslassdrucks, und wenn der Auslassdruck den Einstelldruck (Solldruck) erreicht, wird (ist) das Ventilelement 13 auf dem Ventilsitz 12 gesetzt. Anders ausgedrückt wird das Druckreduzierventil 1 geschlossen. Anschließend bewegt sich, wenn der Auslassdruck abfällt, weil das Wasserstoffgas in der Brennstoffzelle 3 verbraucht wird, das Ventilelement 13 zu der stromabwärtigen Seite zusammen mit dem Auslassdruckabfall. Dann strömt, wenn das Druckreduzierventil 1 schließlich erneut öffnet, das Wasserstoffgas von dem Einlassanschluss 4 ein. Als ein Ergebnis der in dieser Weise bewirkten Bewegung des Ventilelementes 13 gemäß einem Druckunterschied zwischen dem Einlassdruck und dem Auslassdruck wird das Wasserstoffgas, das auf dem Solldruck (Einstelldruck) eingestellt wird, von dem Druckreduzierventil 1 zu der Brennstoffzelle 3 geliefert.
Bei dem wie vorstehend dargelegt aufgebauten Druckreduzierventil 1 tritt das folgende Problem auf. Beispielsweise ist es in einem Zustand, bei dem das Druckreduzierventil 1 offen ist, denkbar, dass, wenn eine große Menge an Wasserstoffgas schnell von dem Einlassanschluss 4 einströmt, ein Druck an der Seite des Einlassanschlusses 4 des Ventilelementes 13, genauer gesagt ein Druck in einer Druckkammer 43A, die ein Raumabschnitt an der stromaufwärtigen Seite (Einlassseite) relativ zu dem proximalen Endabschnitt 83 in dem Aufnahmeloch 43 ist, schnell ansteigt. In diesem Fall kann eine Zunahme in Unterschied zwischen dem Druck an der Seite des Einlassanschlusses 4 und dem Druck an der Seite des Auslassanschlusses 5 des Ventilelementes 13 eine Verzögerung beim Ventilschließvorgang des Ventilelementes 13 bewirken. Es besteht ein Problem dahingehend, dass die Verzögerung beim Ventilschließvorgang des Ventilelementes 13 bewirkt, dass der Auslassdruck einen Wert des eingestellten Drucks (Solldruck) überschreitet.
Daher wird im vorliegenden Ausführungsbeispiels die folgende Konfiguration für das Ventilelement 13 angewendet. Anders ausgedrückt sind ein Innendurchmesser des vertikalen Loches 87 und ein Innendurchmesser des horizontalen Loches 86 in einer derartigen Weise festgelegt, dass ein Wert aus einem Verhältnis aus einer Strömungskanalfläche des vertikalen Loches 87 zu einer Gesamtfläche, die eine Gesamtheit der Strömungskanalflächen der horizontalen Löcher 86 ist, den nachfolgenden Ausdruck (1) erfüllt. $S 2 /S 1 \cdot N = π {(φ 2 / 2)}^{2} / π {(φ 1 / 2)}^{2} \cdot N > 1,16$
Hierbei ist „S2“ die Strömungskanalfläche des vertikalen Loches 87, und „S1“ ist die Strömungskanalfläche jedes horizontalen Loches 86. „N“ ist der Zählwert der Öffnungen der horizontalen Löcher 86 in der Druckkammer 43A. „tp2“ ist der Innendurchmesser des vertikalen Loches 87, und „φ1“ ist der Innendurchmesser jedes horizontalen Loches 86. „π“ ist das Umfangsverhältnis.
Wenn beispielsweise der Öffnungszählwert N der horizontalen Löcher 86 den Wert „4“ hat, wird der Innendurchmesser φ2 des vertikalen Loches 87 auf „6,5 mm“ festgelegt und wird der Innendurchmesser φ1 des horizontalen Loches 86 auf „3,0 mm“ festgelegt. In diesem Fall beträgt ein Wert aus einem Verhältnis der Strömungskanalfläche S2 des vertikalen Loches 87 zu einer Gesamtfläche, die eine Gesamtheit aus den Strömungskanalflächen S1 der horizontalen Löcher 86 ist, ungefähr „1,17“ und erfüllt somit den Ausdruck (1). Als ein Ergebnis einer Simulation beträgt der Druck in der Druckkammer 43A, die die Einlassseite des Ventilelementes 13 ist, „1,6 MPa“ und der Druck an der Auslassseite des Ventilelementes 13 beträgt „1,5 MPa“, und somit wurde bestätigt, dass kein signifikanter Druckunterschied auftritt.
Außerdem ist, wenn der Öffnungszählwert N der horizontalen Löcher 86 „4“ beträgt, falls der Innendurchmesser φ2 des vertikalen Loches 87 auf „3,5 mm“ und der Innendurchmesser φ1 jedes horizontalen Loches 86 auf „1,7 mm“ festgelegt ist, ein Wert aus einem Verhältnis der Strömungskanalfläche S2 des vertikalen Loches 87 auf eine Gesamtfläche, die eine Gesamtheit der Strömungskanalflächen S1 der horizontalen Löcher 86 ist, ungefähr „1,06“, und somit ist der Ausdruck (1) nicht erfüllt. Als ein Ergebnis einer Simulation beträgt der Druck in der Druckkammer 43A, die die Einlassseite des Ventilelementes 13 ist, „3,2 MPa“, und der Druck an der Auslassseite des Ventilelementes 13 beträgt „1,5 MPa“, und somit wird bestätigt, dass eine Druckdifferenz auftritt.
Die Anwendung der vorstehend erläuterten Konfiguration sieht den folgenden Betrieb und die folgenden Effekte vor. In einem Zustand, bei dem das Druckreduzierventil 1 offen ist, strömt das von dem Einlassanschluss 4 gelieferte Wasserstoffgas in die Innenseite des Aufnahmeloches 43, genauer gesagt in die Druckkammer 43A, die ein Raumabschnitt an der stromaufwärtigen Seite relativ zu den proximalen Endabschnitt 83 in dem Aufnahmeloch 43 ist, über den Ventilsitz 12 und den Kopfabschnitt 71 des Ventilelementes 13. Das in das Innere des Aufnahmeloches 43 einströmende Wasserstoffgas strömt in den Innenraum des vertikalen Loches 87 über die horizontalen Löcher 86.
Hierbei sind das vertikale Loch 87 und die horizontalen Löcher 86 in einer derartigen Weise vorgesehen, dass ein Wert aus einem Verhältnis aus der Strömungskanalfläche des vertikalen Loches 87 zu einer Fläche, die die Gesamtheit der Strömungskanalflächen der horizontalen Löcher 86 ist, größer wird. Anders ausgedrückt ist die Strömungskanalfläche des vertikalen Loches 87 auf einen Wert festgelegt, der relativ zu der Fläche größer ist, die eine Gesamtheit der Strömungskanalflächen der horizontalen Löcher 86 ist. Daher strömt das Wasserstoffgas, das aus der Druckkammer 43A in das vertikale Loch 87 von den jeweiligen horizontalen Löchern 86 strömt, noch sanfter und gleichmäßiger zu der Auslassseite des Ventilelementes 13 in dem Gasströmungskanal 17. Folglich kann selbst dann, wenn eine große Menge an Wasserstoffgas schnell von dem Einlassanschluss 4 in einem Zustand einströmt, bei dem das Druckreduzierventil 1 offen ist, ein schneller Druckanstieg in der Druckkammer 43A vermieden werden. Da es wenig wahrscheinlich ist, dass eine Differenz zwischen dem Druck in der Druckkammer 43A und dem Druck an der Seite des Auslassanschlusses 5 des Ventilelementes 13 auftritt, beginnt das Ventilelement 13 mit einem Ventilschließvorgang bei einem besser geeigneten Zeitpunkt zusammen mit einem Anstieg des Drucks an der Seite des Auslassanschlusses 5 des Ventilelementes 13. Daher wird beispielsweise verhindert, dass der Druck an der Seite des Auslassanschlusses 5 des Ventilelementes 13 den Solldruck überschreitet. In dieser Weise ermöglicht das Druckreduzierventil 1 einen angemesseneren Einstelldruck des Wasserstoffgases.
Weitere Ausführungsbeispiele
Das vorliegende Ausführungsbeispiel kann wie folgt abgewandelt werden. Obwohl im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Schraubenkompressionsfeder für das Vorspannelement 14 angewendet wird, ist die Erfindung nicht auf dieses Beispiel beschränkt, und es kann beispielsweise ein anderes elastisches Element wie eine Scheibenfeder angewendet werden.
Obwohl im vorliegenden Ausführungsbeispiel sämtliche Innendurchmesser φ1 der horizontalen Löcher 86 den gleichen Wert haben, können die horizontalen Löcher 86 ein horizontales Loch 86 mit einem anderen Innendurchmesser umfassen. Obwohl im vorliegenden Ausführungsbeispiel die horizontalen Löcher 86 unter einem regelmäßigen Intervall in der Umfangsrichtung des Ventilelementes 13 vorgesehen sind, können die horizontalen Löcher 86 unter einem unregelmäßigen Intervall vorgesehen sein.
Obwohl im vorliegenden Ausführungsbeispiel das Druckreduzierventil 1 zum Zwecke des Verringerns eines Drucks von Hochdruckwasserstoffgas angewendet ist, ist die vorliegende Erfindung nicht auf dieses Beispiel beschränkt, und das Druckreduzierventil 1 kann zum Zwecke des Reduzierens eines Drucks eines anderen Hochdruckgases außer Wasserstoff angewendet werden.
Das Druckreduzierventil 1 hat: einen Körper 11, einen Ventilsitz 12 und ein Ventilelement 13), das den Ventilsitz 12 gemäß einem Unterschied zwischen einem Druck an der Einlassseite und einem Druck an der Auslassseite öffnet und schließt. Eine Druckkammer 43A, die ein Raumabschnitt zwischen dem Ventilelement 13 und dem Ventilsitz 12 ist, ist an der Einlassseite des Ventilelementes 13 vorgesehen. Das Ventilelement 13 weist eine Vielzahl an horizontalen Löchern 86, die jeweils zu der Druckkammer 43A offen sind, und ein vertikales Loch 87 auf, das die horizontalen Löcher 86 und die Auslassseite des Ventilelementes 13 miteinander in Kommunikation bringt. Die horizontalen Löcher 86 und das vertikale Loch 87 sind so vorgesehen, dass ein eine Größe eines Verhältnisses aus einer Strömungskanalfläche des vertikalen Loches 87 zu einer Gesamtfläche, die eine Gesamtheit von Strömungskanalflächen der horizontalen Löcher 86 ist, den Wert 1,16 überschreitet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2017126269 A [0002, 0003]

Claims

Druckreduzierventil (1) dadurch gekennzeichnet, dass es Folgendes aufweist: einen Körper (11) mit einem Gasströmungskanal (17); einen Ventilsitz (12), der in dem Gasströmungskanal (17) vorgesehen ist; und ein Ventilelement (13), das stromabwärtig des Ventilsitzes (12) in dem Gasströmungskanal (17) vorgesehen ist und konsistent in einer Richtung vorgespannt ist, in der das Ventilelement (13) sich von dem Ventilsitz (12) weg bewegt, wobei das Ventilelement (13) den Ventilsitz (12) gemäß einem Unterschied zwischen einem Druck an einer Einlassseite und einem Druck an einer Auslassseite öffnet und schließt, wobei eine Druckkammer (43A), die ein Raumabschnitt zwischen dem Ventilelement (13) und dem Ventilsitz (12) ist, an der Einlassseite des Ventilelementes (13) in dem Gasströmungskanal (17) vorgesehen ist, das Ventilelement (13) eine Vielzahl an horizontalen Löchern (86), die sich jeweils entlang einer Richtung erstrecken, in der das horizontale Loch (86) sich mit einer Achse des Ventilelementes (13) an einer Position nahe zu dem Ventilsitz (12) in dem Ventilelement (13) schneidet, und die zu der Druckkammer (43A) offen sind, und ein vertikales Loch (87) aufweist, das sich entlang der Achse des Ventilelementes (13) erstreckt und die horizontalen Löcher (86) und die Auslassseite des Ventilelementes (13) in dem Gasströmungskanal (17) miteinander in Kommunikation bringt, und die horizontalen Löcher (86) und das vertikale Loch (87) in einer derartigen Weise vorgesehen sind, dass eine Größe eines Verhältnisses einer Strömungskanalfläche des vertikalen Loches (87) zu einer Gesamtfläche, die eine Gesamtheit von Strömungskanalflächen der horizontalen Löcher (86) ist, 1,16 überschreitet.
Druckreduzierventil (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeweilige Innendurchmesser der horizontalen Löcher (86) sämtlich auf die gleiche Größe festgelegt sind.
Druckreduzierventil (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die horizontalen Löcher (86) unter einem regelmäßigen Abstand in einer Umfangsrichtung des Ventilelementes (13) vorgesehen sind.