JP2004318683A - Pressure regulator - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液化ガス利用機器、ガス供給設備など、特に固体酸化物型燃料電池(SOFC)および固体高分子型燃料電池(PEFC)の燃料供給安定用として、導入高圧ガスの圧力を減圧して一定の出口圧力を得るための圧力調整器に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
通常、例えばガスボンベに収容された液化ガス、一般高圧ガスの圧力は、そのままでは利用するのに圧力が高すぎる。また、これらのガス圧力は周囲温度、ガス残量等の要因により大きく変動する。そのため、液化ガス利用機器、ガス供給設備等では、高圧ガス減圧用として圧力調整器(調圧ガバナ)が広く利用されてきた。これら圧力調整器は減圧圧力をダイヤフラムで検知し、ダイヤフラムの偏位に連動して動く調圧弁を持ち、導入された入口圧力が変動しても調整された出口圧力が一定となるよう調圧弁を作動させ、所定の出口圧力を得るようにした構造となっている(例えば、特許文献1参照)。
【0003】
【特許文献1】
特開平8−303773号公報
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
上記のようなダイヤフラムを用いた圧力調整器により高圧ガスを減圧調整する場合に、入口圧力の広い範囲において設定された出口圧力に精度良く調圧することが望まれる。しかし、出口圧力の設定は、ダイヤフラムに印加する調圧荷重を変更することによって行うが、入口圧力の最高圧と出口圧力の設定圧力との差が大きいときには、調圧精度の低下を招く問題がある。
【0005】
つまり、1つの調圧弁による減圧が大きいと、その調圧弁の開度変動に対する圧力変動が大きくなり、その動作精度、弁構造の製作精度が調整精度に大きく影響し、それらの精度を確保するのが困難となる。
【0006】
上記点より、本発明では2つのガバナ機構すなわち2つのダイヤフラムと調圧弁を用いて2段階に減圧して調圧精度を高めるものであるが、単に2つのガバナ機構を並列配置すると圧力調整器が大型化する問題を有する。
【0007】
また、前述の調圧弁は非常に狭い弁隙間で減圧を行うため、その弁体、若しくは弁座の少なくとも一方はゴム材等の弾性体で形成するのが一般的であるが、不活性ガスを除き多くのガスが多かれ少なかれこの弾性体を膨潤させ体積変化を生じさせる問題がある。この体積変化は主に調圧弁の開閉作動方向に生じるため、使用時間の経過に伴って弁体と弁座との弁隙間が減少し、出口圧力が低下する原因となる。特にジメチルエーテル(DME)のような溶解性の高いガスに使用した場合、数10分でガス流が停止する場合がある。
【0008】
また、圧力調整器を構成する部材として汎用性合成樹脂を用いると、その素材によっては、前述のジメチルエーテルなどの溶解性の高いガスに長時間接触した際に、その部材にガス透過性や腐食またはクラックを生じて使用不能となる問題を有する。
【0009】
上記ジメチルエーテルは、液化石油ガスの代替燃料、または固体酸化物型燃料電池(SOFC)や固体高分子型燃料電池(PEFC)の燃料として使用が期待されるが、温度に対する蒸気圧変化が大きく、例えば使用環境を80℃まで考慮した場合ジメチルエーテルの蒸気圧は2000kPaに達し、この圧力範囲で十分に低圧に減圧調整でき、かつ溶解性に対する耐性構造とする必要がある。
【0010】
本発明はこのような点に鑑みなされたもので、低圧から高圧の広い入口圧力の範囲で精度良く一定の出口圧力に調整する機構を小型で簡便に構成した圧力調整器を提供することを目的とするものである。
【0011】
また、ジメチルエーテルのような溶解性の高いガスに対しても長時間使用可能な圧力調整器を提供することを目的とするものである。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明の圧力調整器は、導入ガスの入口圧力を中間圧力に減圧する第1調圧弁を有する1段目ガバナ機構と、前記中間圧力を出口圧力に減圧する第2調圧弁を有する2段目ガバナ機構とを備え、前記1段目ガバナ機構における前記第1調圧弁を作動する第1ダイヤフラムの偏位方向と、前記2段目ガバナ機構における前記第2調圧弁を作動する第2ダイヤフラムの偏位方向とが交差するように、前記1段目ガバナ機構および2段目ガバナ機構を設置してなることを特徴とするものである。
【0013】
具体的には、前記1段目ガバナ機構は、高圧ガスが導入されるガス導入口と、該ガス導入口の入口圧力を中間圧力に減圧する第1調圧弁と、該第1調圧弁を通過したガスの圧力振動を緩和する第1調圧室と、該第1調圧室と大気室とを画成し、第1調圧室の中間圧力を受けて偏位する第1ダイヤフラムと、該第1ダイヤフラムに一端が固着され他端近傍に前記第1調圧弁の弁体が装着された第1プランジャと、前記第1ダイヤフラムの偏位量を調整する第1圧力設定部とを備え、前記2段目ガバナ機構は、前記第1調圧室から導入されたガスの中間圧力を出口圧力に減圧する第2調圧弁と、該第2調圧弁を通過したガスの圧力振動を緩和する第2調圧室と、該第2調圧室と大気室とを画成し、第2調圧室の出口圧力を受けて偏位する第2ダイヤフラムと、該第2ダイヤフラムに一端が固着され他端近傍に前記第2調圧弁の弁体が装着された第2プランジャと、前記第2ダイヤフラムの偏位量を調整する第2圧力設定部と、出口圧力を有するガスを排出するガス排出口とを備え、前記第1プランジャと前記第2プランジャとが直交配置され、前記第1調圧室から前記第2調圧室に至るガス通路に前記第2プランジャの一部が摺動自在に挿通され、前記第2調圧弁が前記第1調圧室に配置してなるものが好適である。
【0014】
前記1段目ガバナ機構の第1ダイヤフラムの受圧面積を、前記2段目ガバナ機構の第2ダイヤフラムの受圧面積より小さく形成するのが好適である。
【0015】
前記第1調圧弁および前記第2調圧弁は弁体または弁座の一方が弾性体を含み、該弾性体の膨潤変形方向を、弁開閉作動方向と異なる方向とするのが好適である。前記弾性体をウレタン系ゴム材で形成するのが好ましい。前記弾性体をO−リングで構成するのが好適である。
【0016】
また、前記1段目ガバナ機構および2段目ガバナ機構における第1および第2調圧弁と前記第1および第2ダイヤフラムとを連結する第1および第2プランジャ、前記第1および第2ダイヤフラムにかかる圧力設定用荷重を受け止めるサポータを、アルミニウム、ジュラルミン等の軽金属、もしくは結晶性樹脂であるポリアミド、ポリアセタール、ポリブチレンテレフタレート、ポリプロピレンのいずれか1つで構成するか、もしくは非結晶性樹脂であるアセタール、ポリカーボネイト、アクリロニトリルブタジエンスチレンで形成しその表面にエポキシ樹脂またはポリアミド樹脂をコーティングして構成するのが好適である。さらに、前記1段目ガバナ機構および2段目ガバナ機構を設置するケースを、結晶性樹脂であるポリアミド、ポリアセタール、ポリブチレンテレフタレート、ポリプロピレンのいずれか1つで構成するか、もしくは非結晶性樹脂であるアセタール、ポリカーボネイト、アクリロニトリルブタジエンスチレンで形成しその表面にエポキシ樹脂またはポリアミド樹脂をコーティングして構成するのが好適である。前記エポキシ樹脂は、ポリフェノールとエポユリアを主成分としたものが好ましい。
【0017】
また、前記ケースを結晶性樹脂であるポリアミド、ポリアセタール、ポリブチレンテレフタレート、ポリプロピレンで構成すると共に、超音波溶着にて接合したなるものが好適である。
【0018】
本発明の圧力調整器は、前記高圧ガスが液化石油ガスの代替燃料または固体酸化物型燃料電池(SOFC)や固体高分子型燃料電池(PEFC)の燃料として用いられるジメチルエーテルである場合にも適用でき、その燃料供給安定用として好適である。
【0019】
【発明の効果】
上記のような本発明によれば、2つのガバナ機構を備え高圧ガスの入口圧力を段階的に出口圧力に減圧し、1つの圧力調整器によって広い入口圧力範囲で精度良く設定圧力に減圧した出口圧力を得ることができ、調整精度が高まるとともに、2つのダイヤフラムの偏位方向を交差配置したことにより、圧力調整器のコンパクト化が図れる。
【0020】
また、第1プランジャと第2プランジャとを直交配置し、第1調圧室から第2調圧室に至るガス通路に第2プランジャの一部を摺動自在に挿通し、第2調圧弁を第1調圧室に配置すると、内部構造が簡素化でき、製造面およびコスト面で有利となる。
【0021】
また、1段目ガバナ機構の第1ダイヤフラムの受圧面積を、2段目ガバナ機構の第2ダイヤフラムの受圧面積より小さく形成すると、大きな受圧面積の第2ダイヤフラムによって出口圧力の調整精度を確保しつつ、第1ダイヤフラムの小型化によって圧力調整器全体のコンパクト化が図れる。
【0022】
一方、第1調圧弁および第2調圧弁の弁体または弁座の一方が弾性体を含み、この弾性体の膨潤変形方向を弁開閉作動方向と異なる方向とすると、弾性体が膨潤して体積変化が生じても、使用時間の経過に伴って弁体と弁座との隙間変化が少なく、ジメチルエーテルのような溶解性の高いガスを調圧しても、流量変化を招かず性能を確保することができる。特に、弾性体をウレタン系ゴム材で形成すると、より一層溶解性ガスの影響を受けなくなる。
【0023】
また、第1および第2プランジャ、圧力設定用荷重を受け止めるサポータを、アルミニウム、ジュラルミン等の軽金属、もしくは結晶性樹脂であるポリアミド、ポリアセタール、ポリブチレンテレフタレート、ポリプロピレンのいずれか1つで構成するか、もしくは非結晶性樹脂であるアセタール、ポリカーボネイト、アクリロニトリルブタジエンスチレンで形成しその表面にエポキシ樹脂またはポリアミド樹脂をコーティングして構成すると、これらの部材が固着されたダイヤフラムと一体に作動する部材の軽量化が図れ、ダイヤフラム偏位に対する調圧弁のレスポンスが向上するとともに、慣性力の低減によりチャタリング現象の発生が防止でき、さらに、ジメチルエーテル等の溶解性の影響を受けず、腐食またはクラックを生じることもない。
【0024】
さらに、ケースを、結晶性樹脂であるポリアミド、ポリアセタール、ポリブチレンテレフタレート、ポリプロピレンのいずれか1つで構成するか、もしくは非結晶性樹脂であるアセタール、ポリカーボネイト、アクリロニトリルブタジエンスチレンで形成しその表面にエポキシ樹脂またはポリアミド樹脂をコーティングして構成すると、その樹脂化により軽量化、コストの低減化、また、超音波接合が可能となることから組み立てが簡便に行えるとともに、ジメチルエーテルの溶解性の影響を受けず、腐食またはクラックを生じることもない。
【0025】
特に固体酸化物型燃料電池(SOFC)や固体高分子型燃料電池(PEFC)の燃料供給安定用の圧力調整器の場合は、供給するジメチルエーテルに金属イオンが存在することが極端に嫌われるが、上記部材の樹脂化によって金属イオンの溶出が防止できる。
【0026】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を詳細に説明する。図1は一つの実施の形態における圧力調整器の断面図である。
【0027】
本実施形態の圧力調整器1は、使用用途が固体酸化物型燃料電池(SOFC)および固体高分子型燃料電池(PEFC)の燃料供給安定用であり、高圧ガスとしてジメチルエーテルが用いられ、導入ガスの入口圧力を中間圧力に減圧する第1調圧弁21を有する1段目ガバナ機構2と、中間圧力を出口圧力に減圧する第2調圧弁31を有する2段目ガバナ機構3とを備える。
【0028】
そして、1段目ガバナ機構2の第1調圧弁21を作動する第1ダイヤフラム22の偏位方向(第1調圧弁21の開閉作動方向)と、2段目ガバナ機構3の第2調圧弁31を作動する第2ダイヤフラム32の偏位方向(第2調圧弁31の開閉作動方向)とが交差するように、1段目ガバナ機構2および2段目ガバナ機構3が設置されてなる。
【0029】
具体的には、1段目ガバナ機構2は、ケース10の一部を第1調圧室24と第1大気室25とに画成する第1ダイヤフラム22と、高圧ガスが導入されるガス導入口11と、第1ダイヤフラム22に連動してガス導入口11から第1調圧室24に連通するガス通路26を開閉してガス導入口11の入口圧力を中間圧力へ第1段階の減圧調整を行う第1調圧弁21と、第1ダイヤフラム22と第1調圧弁21を繋いで連動させる第1プランジャ23と、第1ダイヤフラム22の偏位量を調整する第1圧力設定部27とを備える。
【0030】
そして、第1調圧室24は第1調圧弁21を通過したガスの圧力振動を緩和するもので、この第1調圧室24の中間圧力を受けて第1ダイヤフラム22は偏位し、第1プランジャ23を介して第1調圧弁21を作動するように構成されている。
【0031】
また、2段目ガバナ機構3は、ケース10の一部を第2調圧室34と第2大気室35とに画成する第2ダイヤフラム32と、第2ダイヤフラム32に連動して第1調圧室24から第2調圧室34に連通するガス通路36の開口を開閉して第1調圧室24の中間圧力を出口圧力へ第2段階の減圧調整を行う第2調圧弁31と、第2ダイヤフラム32と第2調圧弁31を繋いで連動させる第2プランジャ33と、第2ダイヤフラム32の偏位量を調整する第2圧力設定部37と、第2調圧室34を経て圧力調整された出口圧力を有するガスを排出するガス排出口12とを備える。
【0032】
そして、第2調圧室34は第2調圧弁31を通過したガスの圧力振動を緩和するもので、この第2調圧室34の出口圧力を受けて第2ダイヤフラム32は偏位し、第2プランジャ33を介して第2調圧弁31を作動するように構成されている。
【0033】
前記第1プランジャ23と第2プランジャ33とが直交配置され、ガス導入口11から第1調圧室24に至るガス通路26に第1プランジャ23の一部が摺動自在に挿通され、この第1プランジャ23の先端に装着された第1調圧弁21の弁体21aがガス導入口11に配置されている。また、第1調圧室24から第2調圧室34に至るガス通路36に第2プランジャ33の一部が摺動自在に挿通され、この第2プランジャ33の先端に装着された第2調圧弁31の弁体31aが第1調圧室24に配置されている。
【0034】
さらに、前記第1調圧弁21および第2調圧弁31は、それぞれの弁体21a,31aがウレタン系ゴム材で形成されたO−リングによる弾性体で構成され、この弾性体による弁体21a,31aが弁開閉移動方向に膨潤変形しないよう、すなわち弁体21a,31aの膨潤変形方向が弁開閉作動方向と異なる方向(本例では直交方向)となるように、第1プランジャ23および第2プランジャ33の周溝部に保持されてなり、高圧ガスが弾性体に対し膨潤等の影響を及ぼすジメチルエーテル等の使用を可能としている。
【0035】
また、1段目ガバナ機構2の第1ダイヤフラム22は、2段目ガバナ機構3の第2ダイヤフラム32より外径が小さく、その受圧面積が小さく設けられている。
【0036】
さらに詳しく説明する。前記ケース10はケース本体部10aと1段目ガバナ機構2の第1カバー部10bと2段目ガバナ機構3の第2カバー部10cとからなる。
【0037】
ケース本体部10aの1段目ガバナ機構2の設置部には、ガス導入口11となる凹部が、それと対向する反対側には第1調圧室24となる凹部がそれぞれ形成され、両凹部の中心位置にガス導入口11と第1調圧室24とを連通するガス通路26が開口されている。第1カバー部10bは内部が中空で第1大気室25となり、この第1カバー部10bを第1ダイヤフラム22を介してケース本体部10aに接合することにより、第1調圧室24と第1大気室25が第1ダイヤフラム22によって画成される。
【0038】
また、ケース本体部10aの2段目ガバナ機構3の設置部には、第2調圧室34となる凹部が形成され、この凹部の側方には外部に開口するガス排出口12が形成され、さらに底部中心位置には第2調圧室34と第1調圧室24とを連通するガス通路36が開口されている。第2カバー部10cは内部が中空で第2大気室35となり、この第2カバー部10cを第2ダイヤフラム32を介してケース本体部10aに接合することにより、第2調圧室34と第2大気室35が第2ダイヤフラム32によって画成される。第1調圧室24および第2調圧室34は、ある程度の容積を有し、第1調圧弁21および第2調圧弁31を通過したガスの圧力振動を緩和する。
【0039】
第1ダイヤフラム22および第2ダイヤフラム32は、外径が異なるが、第1調圧室24の中間圧力または第2調圧室34の出口圧力を受けて第1大気室25または第2大気室35との圧力差に応じて弾性偏位可能であり、その中心部には、ケース本体部10a側に第1プランジャ23および第2プランジャ33が、第1および第2カバー部10b,10c側に第1サポータ28および第2サポータ38がそれぞれ締結されて固着され、第1ダイヤフラム22および第2ダイヤフラム32の偏位に応じてそれぞれ一体に軸方向に移動可能である。
【0040】
第1プランジャ23および第2プランジャ33は、それぞれ先端に棒状に延長された軸部23a,33aを備え、この軸部23a,33aの先端近傍に形成された周溝部に第1調圧弁21および第2調圧弁31のO−リング(弾性体)による弁体21a,31aが装着される。
【0041】
また、第1および第2サポータ28,38のフランジ部には、第1および第2カバー部10b,10cの筒状部内に設置された第1および第2圧力設定部27,37の調圧スプリング27a,37aの一端部が当接し圧力設定用荷重を受ける。両調圧スプリング27a,37aの他端部は位置調整可能に螺合された第1調圧ネジ27bおよび第2調圧ネジ37b(アジャスタ)に当接し、この第1および第2調圧ネジ27b,37bの軸方向位置の調整に応じて、それぞれの調圧スプリング27a,37aによる第1ダイヤフラム22および第2ダイヤフラム32への付勢力が調整される。上記第1調圧ネジ27bおよび第2調圧ネジ37bは中心に軸方向に貫通開口した連通孔27c,37cを有し、この連通孔27c,37cによりそれぞれの第1大気室25および第2大気室35を大気開放している。
【0042】
前記ケース本体部10aのガス導入口11には、ガスボンベ等よりジメチルエーテルなどの高圧ガスを導入する不図示のコネクタが接続される。このガス導入口11と第1調圧室24を連通するガス通路26が第1調圧弁21によって開閉され、このガス通路26には前記第1プランジャ23の軸部23aが摺動可能に挿通され、第1調圧弁21の弁体21aがガス導入口11に臨み、ガス通路26の開口周縁が第1調圧弁21の弁座21bに構成される。
【0043】
そして、第1調圧弁21は、第1プランジャ23の移動に伴い弁体21aが上記弁座21bに密着してガス通路26を閉じ、弁体21aが弁座21bより離れてガス通路26を開いた際には、その開口量に応じたガス量が、ガス通路26と第1プランジャ23の隙間を通ってガス導入口11から第1調圧室24へ流入する。
【0044】
また、ケース本体部10aにおける第2調圧室34の底部のガス通路36が第2調圧弁31によって開閉され、このガス通路36には前記第2プランジャ33の軸部33aが摺動可能に挿通され、第2調圧弁31の弁体31aが第1調圧室24に臨み、ガス通路36の開口周縁が第2調圧弁31の弁座31bに構成される。
【0045】
そして、第2調圧弁31は、第2プランジャ33の移動に伴い弁体31aが上記弁座31bに密着してガス通路36を閉じ、弁体31aが弁座31bより離れてガス通路36を開いた際には、その開口量に応じたガス量が、ガス通路36と第2プランジャ33の隙間を通って第1調圧室24から第2調圧室34へ流入する。
【0046】
前記第1および第2プランジャ23,33、第1および第2サポータ28,38は、アルミニウム、ジュラルミン等の軽金属、もしくは結晶性樹脂であるポリアミド(PA)、ポリアセタール(POM)、ポリブチレンテレフタレート(PBT)、ポリプロピレン(PP)のいずれか1つで構成される。もしくは非結晶性樹脂であるアセタール、ポリカーボネイト、アクリロニトリルブタジエンスチレンで形成され、その表面にエポキシ樹脂またはポリアミド樹脂をコーティングして構成されてなる。これにより軽量化とジメチルエーテルに対する耐性を得る。
【0047】
また、前記ケース10は、結晶性樹脂であるポリアミド(PA)、ポリアセタール(POM)、ポリブチレンテレフタレート(PBT)、ポリプロピレン(PP)のいずれか1つで構成される。もしくは非結晶性樹脂であるアセタール、ポリカーボネイト、アクリロニトリルブタジエンスチレンで形成され、その表面にエポキシ樹脂またはポリアミド樹脂をコーティングして構成されてなる。これにより軽量化とジメチルエーテルに対する耐性を得る。
【0048】
上記コーティングのエポキシ樹脂は、ポリフェノールとエポユリアを主成分としている。
【0049】
さらに、ケース10(ケース本体部10a、第1および第2カバー部10b,10c)を、結晶性樹脂であるポリアミド(PA)、ポリアセタール(POM)、ポリブチレンテレフタレート(PBT)、ポリプロピレン(PP)で構成し、それらを互いに超音波溶着にて接合してもよい。
【0050】
前記第1および第2プランジャ23,33、第1および第2サポータ28,38の軽量化を図ると、第1および第2ダイヤフラム22,32の偏位に対するレスポンスが向上するとともに、チャタリング現象の発生が防止できる。つまり、第1および第2ダイヤフラム22,32には第1および第2調圧弁21,31と一体となった第1および第2プランジャ23,33並びに第1および第2サポータ28,38が取り付けられ、その重量が大きい場合、ダイヤフラム偏位の際にレスポンスが低下し、また、余計な慣性力により圧力差によるものより偏位し過ぎ、そこからまた逆方向に偏位し過ぎの繰り返しで振動(チャタリング現象)を生起する。そこでこれらの構成部品はなるべく軽量化する必要があり、実際にはアルミニウムやジュラルミン、樹脂で構成するとチャタリング現象は発生しない。
【0051】
また、ケース10の樹脂化を図ると、軽量化、コストの低減化が実現でき、特に超音波接合が可能な樹脂化を図ると組立性が改善できる。つまり、ケース10全体を金属やダイキャストで構成するとどうしても全体の重量が増加し、コストが高く、またビス止めする必要があることから組み立てが面倒となる。このケース10を樹脂化することにより軽量化、コストの低減化、また、超音波接合が可能となることから組み立てが簡便に行える。
【0052】
なお、ケース10、第1および第2プランジャ23,33、第1および第2サポータ28,38といったガスが直接触れる部材に金属を用いると、主に高圧ガスに溶解性の強いジメチルエーテルなどを流した場合、ガス中に微量の金属イオンが溶出し、調圧したガスを送給する機器に対し悪影響を与える場合があり、この点からも樹脂化が望ましい。
【0053】
具体的には、固体酸化物型燃料電池(SOFC)や固体高分子型燃料電池(PEFC)の燃料としてジメチルエーテルが期待されるが、どちらの燃料電池でも金属イオンは悪影響があるため極端に嫌われるもので、上記のような樹脂化構造を採用する。
【0054】
次に、前記1段目ガバナ機構2および2段目ガバナ機構3により、その第1および第2ダイヤフラム22,32の偏位に応じた第1および第2調圧弁21,31の作動で、入口圧力をその圧力に関係なく所定の出口圧力に中間圧力を経て減圧調整するものであり、その作用を説明する。
【0055】
まず、ガス導入口11に流入した高圧ガスは、第1調圧弁21を通過し、ガス通路26を経て第1調圧室24に流入し、中間圧力に減圧される。この第1調圧室24の中間圧力のガスは、第2調圧弁31を通過し、ガス通路36を経て第2調圧室34に流入し、出口圧力に減圧されたガスがガス排出口12より排出される。
【0056】
第1ダイヤフラム22および第2ダイヤフラム32はそれぞれ第1および第2プランジャ23,33と第1および第2サポータ28,38で支持されており、中間圧力と大気圧または出口圧力と大気圧との差圧による力と、第1および第2調圧スプリング27a,37aによる付勢力とが平衡した位置に保たれる。そして、入口圧力の変動、ガス排出口12からのガス排出量の変動等に応じて中間圧力または出口圧力が変化した場合、これに応動して第1ダイヤフラム22または第2ダイヤフラム32が偏位し、それに応じた第1および第2プランジャ23,33の移動に伴い第1調圧弁21および第2調圧弁31が開閉作動し、中間圧力および出口圧力を一定に保つ。第1および第2圧力設定部27,37の調圧ネジ27b,37bを動かすことにより調圧スプリング27a,37aの付勢力を変化させ、任意の中間圧力および出口圧力が設定可能である。
【0057】
また、第1調圧弁21および第2調圧弁31の弁体21a,31aをO−リングによる弾性体で構成し、ジメチルエーテルのような溶解性の強いガスを流通した際に、それに接してO−リングが膨潤、体積膨張したとしても、その体積変化は弁開閉移動方向に垂直な方向に抑制されているため、O−リングの体積膨張による圧力調整およびガス流量の変化は抑えられる。
【0058】
さらに、1段目ガバナ機構2と2段目ガバナ機構3の直交配置によりガス流路の簡素化、コンパクト化が図れる。第1ダイヤフラム22は外径が小さいことで、さらにコンパクトになる。一方、最終的な出口圧力の調整精度は、径の大きい第2ダイヤフラム32の作動で行うことで確保できる。つまり、入口圧力から出口圧力への減圧を第1調圧弁21と第2調圧弁31とで2段階に行うことにより、1つの調圧弁で減圧する場合と比較して各調圧弁で生じる減圧程度を小さくでき、減圧分が大きく弁体と弁座との弁隙間が極端に狭くなることなく、安定した性能が得られる。
【0059】
なお、前記実施形態では、第1調圧弁21および第2調圧弁31の弁体21a,31aをO−リングによる弾性体で構成しているが、弁座21b,31bをO−リングによる弾性体で構成してもよく、その場合においても、弾性体が弁開閉移動方向に対し変形しないよう周溝構造などにより規制して配置する。また、O−リング以外の弾性材で構成してもよい。
【0060】
次に、本発明の圧力調整器(図1に示す実施形態のもの)による調圧作用を評価した測定結果を、図2〜図4に示す。
【0061】
圧力調整器の基本的な設定として、入口圧力が400kPaにおいて、中間圧力が110kPa、出口圧力が50kPa、流量が80mL/minとなるように設定する。実験ではN2ガス(不活性ガス)を使用している。
【0062】
<測定例1>
この測定は、入口圧力を200〜2000kPaの範囲で変化させ、それに対する出口圧力の変動を測定した。その結果を図2のグラフに示し、出口圧力は入口圧力の変動に対して変動せず、設定圧力の50kPaに安定した出口圧力が得られた。
【0063】
なお、上記入口圧力の変動範囲は、ジメチルエーテルの約0〜80℃の蒸気圧変動に相当する。
【0064】
<測定例2>
この測定は、入口圧力を200〜2000kPaの範囲で変化させ、それに対する出口流量の変動を測定した。その結果を図3のグラフに示し、出口流量は入口圧力の変動に対して変動せず、設定流量の80mL/minに安定したガス排出量が得られた。
【0065】
<測定例3>
この測定は、入口圧力を400kPa(ジメチルエーテルの約23℃の蒸気圧に相当する)に設定し、出口流量(ガス排出量)を10〜100mL/minの範囲で変化させ、それに対する出口圧力の変動を測定した。その結果を図4のグラフに示し、出口圧力は出口流量の変動に対して変動せず、設定圧力の50kPaに安定した出口圧力が得られた。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一つの実施の形態における圧力調整器の断面図
【図2】圧力調整器における入口圧力を変化させた場合の出口圧力の変化を測定した結果を示すグラフ
【図3】圧力調整器における入口圧力を変化させた場合の出口流量の変化を測定した結果を示すグラフ
【図4】圧力調整器における出口流量を変化させた場合の出口圧力の変化を測定した結果を示すグラフ
【符号の説明】
1 圧力調整器
2 1段目ガバナ機構
3 2段目ガバナ機構
10 ケース
11 ガス導入口
12 ガス排出口
21 第1調圧弁
21a 弁体
21b 弁座
22 第1ダイヤフラム
23 第1プランジャ
24 第1調圧室
25 第1大気室
26 ガス通路
27 第1圧力設定部
31 第2調圧弁
31a 弁体
31b 弁座
32 第2ダイヤフラム
33 第2プランジャ
34 第2調圧室
35 第2大気室
36 ガス通路
37 第2圧力設定部[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention reduces the pressure of the introduced high-pressure gas for stabilizing the fuel supply of liquefied gas utilization equipment, gas supply equipment, and the like, particularly for solid oxide fuel cells (SOFC) and polymer electrolyte fuel cells (PEFC). The present invention relates to a pressure regulator for obtaining a constant outlet pressure.
[0002]
[Prior art]
Usually, for example, the pressure of a liquefied gas or a general high-pressure gas contained in a gas cylinder is too high to be used as it is. Further, these gas pressures fluctuate greatly depending on factors such as the ambient temperature and the remaining amount of gas. For this reason, pressure regulators (pressure regulating governors) have been widely used for decompressing high-pressure gas in liquefied gas utilization equipment, gas supply equipment, and the like. These pressure regulators detect the depressurized pressure with the diaphragm and have a pressure regulating valve that moves in conjunction with the displacement of the diaphragm, and adjust the regulated pressure so that the adjusted outlet pressure is constant even if the introduced inlet pressure fluctuates. It is configured to be activated to obtain a predetermined outlet pressure (for example, see Patent Document 1).
[0003]
[Patent Document 1]
JP-A-8-303773
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
When the high-pressure gas is depressurized and adjusted by the pressure regulator using the diaphragm as described above, it is desired to accurately adjust the pressure to the outlet pressure set in a wide range of the inlet pressure. However, the setting of the outlet pressure is performed by changing the pressure regulating load applied to the diaphragm, but when the difference between the maximum pressure of the inlet pressure and the set pressure of the outlet pressure is large, there is a problem that the pressure regulating accuracy is reduced. is there.
[0005]
In other words, when the pressure reduction by one pressure regulating valve is large, the pressure variation with respect to the variation in the opening degree of the pressure regulating valve becomes large, and the operation accuracy and the manufacturing accuracy of the valve structure greatly affect the adjustment accuracy, and the accuracy is secured. Becomes difficult.
[0006]
In view of the above, in the present invention, pressure is reduced in two stages by using two governor mechanisms, that is, two diaphragms and a pressure regulating valve to increase pressure regulation accuracy. However, if two governor mechanisms are simply arranged in parallel, the pressure regulator becomes There is a problem of increasing the size.
[0007]
In addition, since the pressure regulating valve described above performs pressure reduction in a very narrow valve gap, at least one of the valve body and the valve seat is generally formed of an elastic body such as a rubber material. Except for a large amount of gas, there is a problem that the elastic body swells more or less to cause a volume change. Since this volume change occurs mainly in the opening / closing operation direction of the pressure regulating valve, the valve gap between the valve element and the valve seat decreases with the elapse of use time, which causes a decrease in outlet pressure. In particular, when used for a highly soluble gas such as dimethyl ether (DME), the gas flow may stop in several tens of minutes.
[0008]
In addition, when a general-purpose synthetic resin is used as a member of the pressure regulator, depending on the material, when the member is in contact with a highly soluble gas such as dimethyl ether for a long time, the member may have gas permeability or corrosion or corrosion. There is a problem that it becomes unusable due to cracks.
[0009]
The dimethyl ether is expected to be used as a substitute fuel for liquefied petroleum gas or as a fuel for solid oxide fuel cells (SOFC) and polymer electrolyte fuel cells (PEFC). When the use environment is considered up to 80 ° C., the vapor pressure of dimethyl ether reaches 2000 kPa, and it is necessary to adjust the pressure to a sufficiently low pressure in this pressure range and to have a structure resistant to solubility.
[0010]
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a pressure regulator in which a mechanism for accurately adjusting a constant outlet pressure in a wide range from a low pressure to a high pressure to a constant outlet pressure is small and simple. It is assumed that.
[0011]
It is another object of the present invention to provide a pressure regulator that can be used for a long time even with highly soluble gas such as dimethyl ether.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
The pressure regulator of the present invention includes a first-stage governor mechanism having a first pressure regulating valve for reducing the inlet pressure of the introduced gas to an intermediate pressure, and a second-stage governor mechanism having a second pressure regulating valve for reducing the intermediate pressure to an outlet pressure. A governor mechanism, the direction of deflection of a first diaphragm that operates the first pressure regulating valve in the first stage governor mechanism, and the direction of deviation of a second diaphragm that operates the second pressure regulating valve in the second stage governor mechanism. The first-stage governor mechanism and the second-stage governor mechanism are provided so as to intersect with the position direction.
[0013]
Specifically, the first-stage governor mechanism includes a gas inlet through which high-pressure gas is introduced, a first pressure regulating valve that reduces an inlet pressure of the gas inlet to an intermediate pressure, and a gas passing through the first pressure regulating valve. A first pressure regulating chamber for alleviating the pressure oscillation of the gas, a first diaphragm which defines the first pressure regulating chamber and the atmosphere chamber, and which is deflected by receiving an intermediate pressure in the first pressure regulating chamber; A first plunger having one end fixed to the first diaphragm and having a valve body of the first pressure regulating valve mounted near the other end; and a first pressure setting unit configured to adjust a deviation amount of the first diaphragm, The second-stage governor mechanism includes a second pressure-regulating valve that reduces the intermediate pressure of the gas introduced from the first pressure-regulating chamber to an outlet pressure, and a second pressure-reducing valve that reduces pressure oscillation of the gas that has passed through the second pressure-regulating valve. A second pressure regulating chamber, a second pressure regulating chamber and an atmosphere chamber, and a second die which is displaced by receiving an outlet pressure of the second pressure regulating chamber; A second plunger having one end fixed to the second diaphragm and having a valve body of the second pressure regulating valve mounted near the other end; and a second pressure setting unit for adjusting the amount of deviation of the second diaphragm. A gas outlet for discharging gas having an outlet pressure, wherein the first plunger and the second plunger are orthogonally arranged, and the gas plunger is provided in a gas passage extending from the first pressure regulating chamber to the second pressure regulating chamber. It is preferable that a part of the second plunger is slidably inserted and the second pressure regulating valve is arranged in the first pressure regulating chamber.
[0014]
It is preferable that the pressure receiving area of the first diaphragm of the first stage governor mechanism is smaller than the pressure receiving area of the second diaphragm of the second stage governor mechanism.
[0015]
It is preferable that one of the valve body and the valve seat of the first pressure regulating valve and the second pressure regulating valve includes an elastic body, and the swelling and deformation direction of the elastic body is different from the valve opening / closing operation direction. It is preferable that the elastic body is formed of a urethane rubber material. It is preferable that the elastic body is constituted by an O-ring.
[0016]
Further, the present invention relates to first and second plungers connecting the first and second pressure regulating valves and the first and second diaphragms in the first-stage governor mechanism and the second-stage governor mechanism, and to the first and second diaphragms. A supporter that receives a load for pressure setting, aluminum, a light metal such as duralumin, or a crystalline resin such as polyamide, polyacetal, polybutylene terephthalate, or one of polypropylene, or an acetal that is an amorphous resin, It is preferable to form it from polycarbonate or acrylonitrile butadiene styrene and coat the surface with an epoxy resin or a polyamide resin. Further, the case where the first-stage governor mechanism and the second-stage governor mechanism are installed may be made of any one of a crystalline resin such as polyamide, polyacetal, polybutylene terephthalate, or polypropylene, or may be made of an amorphous resin. It is preferable to be formed from a certain acetal, polycarbonate, or acrylonitrile butadiene styrene, and to coat the surface with an epoxy resin or a polyamide resin. The epoxy resin is preferably one containing polyphenol and epouria as main components.
[0017]
Further, it is preferable that the case is made of a crystalline resin such as polyamide, polyacetal, polybutylene terephthalate, or polypropylene and joined by ultrasonic welding.
[0018]
The pressure regulator of the present invention is also applicable when the high-pressure gas is dimethyl ether used as a substitute fuel for liquefied petroleum gas or a fuel for a solid oxide fuel cell (SOFC) or a polymer electrolyte fuel cell (PEFC). It is suitable for stabilizing the fuel supply.
[0019]
【The invention's effect】
According to the present invention as described above, an outlet provided with two governors and gradually reducing the inlet pressure of the high-pressure gas to the outlet pressure and reducing the pressure to the set pressure with a single pressure regulator over a wide inlet pressure range with high accuracy. The pressure can be obtained, the adjustment accuracy can be increased, and the pressure regulator can be made more compact by arranging the two diaphragms so that their deflection directions cross each other.
[0020]
Further, the first plunger and the second plunger are arranged orthogonally, a part of the second plunger is slidably inserted into a gas passage from the first pressure regulating chamber to the second pressure regulating chamber, and the second pressure regulating valve is connected to the first plunger. By arranging it in the first pressure regulation chamber, the internal structure can be simplified, which is advantageous in terms of manufacturing and cost.
[0021]
When the pressure receiving area of the first diaphragm of the first stage governor mechanism is formed smaller than the pressure receiving area of the second diaphragm of the second stage governor mechanism, the adjustment accuracy of the outlet pressure is ensured by the second diaphragm having a large pressure receiving area. In addition, the size of the first diaphragm can be reduced, so that the entire pressure regulator can be reduced in size.
[0022]
On the other hand, if one of the valve body and the valve seat of the first pressure regulating valve and the second pressure regulating valve includes an elastic body, and the swelling deformation direction of the elastic body is different from the valve opening / closing operation direction, the elastic body swells and the volume increases. Even if a change occurs, the gap between the valve body and the valve seat changes little with the lapse of use time, and even if the pressure of highly soluble gas such as dimethyl ether is adjusted, the flow rate does not change and the performance is secured. Can be. In particular, when the elastic body is formed of a urethane rubber material, the elastic body is less affected by the soluble gas.
[0023]
In addition, the first and second plungers, the supporter for receiving the pressure setting load, aluminum, a light metal such as duralumin, or a crystalline resin such as polyamide, polyacetal, polybutylene terephthalate, or any one of polypropylene, Alternatively, if it is formed of non-crystalline resin such as acetal, polycarbonate, acrylonitrile butadiene styrene and coated with epoxy resin or polyamide resin on the surface, the weight of the member that operates integrally with the diaphragm to which these members are fixed is reduced. As a result, the response of the pressure regulating valve to the diaphragm displacement is improved, the occurrence of chattering can be prevented by the reduction of the inertial force, and corrosion or cracks are generated without being affected by the solubility of dimethyl ether etc. No.
[0024]
Further, the case is made of any one of a crystalline resin such as polyamide, polyacetal, polybutylene terephthalate, or polypropylene, or is formed of a non-crystalline resin such as acetal, polycarbonate, acrylonitrile butadiene styrene and has an epoxy on its surface. When resin and polyamide resin are coated, the weight can be reduced and the cost can be reduced by using the resin, and the ultrasonic bonding can be performed, so that the assembly can be performed easily and the solubility of dimethyl ether is not affected. No corrosion, or cracking.
[0025]
In particular, in the case of a pressure regulator for stabilizing the fuel supply of a solid oxide fuel cell (SOFC) or a polymer electrolyte fuel cell (PEFC), the presence of metal ions in the supplied dimethyl ether is extremely disliked, Elution of metal ions can be prevented by resinification of the member.
[0026]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. FIG. 1 is a sectional view of a pressure regulator according to one embodiment.
[0027]
The pressure regulator 1 of the present embodiment is used for stabilizing the fuel supply of a solid oxide fuel cell (SOFC) and a polymer electrolyte fuel cell (PEFC), and uses dimethyl ether as a high-pressure gas, A first-
[0028]
The direction of deflection of the
[0029]
Specifically, the first-
[0030]
The first
[0031]
The second-stage governor mechanism 3 includes a
[0032]
The second
[0033]
The
[0034]
Further, the first
[0035]
The
[0036]
This will be described in more detail. The
[0037]
A recess serving as the gas inlet 11 is formed in the installation portion of the first
[0038]
Further, a concave portion serving as a second
[0039]
Although the
[0040]
The
[0041]
The pressure adjusting springs of the first and second
[0042]
A connector (not shown) for introducing a high-pressure gas such as dimethyl ether from a gas cylinder or the like is connected to the gas inlet 11 of the case body 10a. A
[0043]
The first
[0044]
A
[0045]
The second
[0046]
The first and
[0047]
The
[0048]
The epoxy resin of the coating contains polyphenol and epoyuria as main components.
[0049]
Further, the case 10 (the case body 10a, the first and
[0050]
When the weights of the first and
[0051]
In addition, when the
[0052]
When metal is used for the members such as the
[0053]
Specifically, dimethyl ether is expected as a fuel for a solid oxide fuel cell (SOFC) or a solid polymer fuel cell (PEFC), but metal ions have an adverse effect on both fuel cells and are extremely disliked. And adopts the above-mentioned resin structure.
[0054]
Next, the first-
[0055]
First, the high-pressure gas flowing into the gas inlet 11 passes through the first
[0056]
The
[0057]
Further, the valve bodies 21a and 31a of the first
[0058]
Furthermore, the orthogonal arrangement of the first-
[0059]
In the above-described embodiment, the valve bodies 21a and 31a of the first
[0060]
Next, FIG. 2 to FIG. 4 show measurement results of evaluating the pressure regulating action by the pressure regulator (the embodiment shown in FIG. 1) of the present invention.
[0061]
The basic settings of the pressure regulator are such that the inlet pressure is 400 kPa, the intermediate pressure is 110 kPa, the outlet pressure is 50 kPa, and the flow rate is 80 mL / min. In the experiment N 2 Gas (inert gas) is used.
[0062]
<Measurement Example 1>
In this measurement, the inlet pressure was changed in the range of 200 to 2000 kPa, and the change in the outlet pressure was measured. The results are shown in the graph of FIG. 2, and the outlet pressure did not fluctuate with respect to the fluctuation of the inlet pressure, and a stable outlet pressure at the set pressure of 50 kPa was obtained.
[0063]
Note that the fluctuation range of the inlet pressure corresponds to the fluctuation of the vapor pressure of dimethyl ether at about 0 to 80 ° C.
[0064]
<Measurement Example 2>
In this measurement, the inlet pressure was changed in the range of 200 to 2000 kPa, and the change in the outlet flow rate was measured. The results are shown in the graph of FIG. 3. The outlet flow rate did not fluctuate with respect to the change in the inlet pressure, and a stable gas discharge amount was obtained at the set flow rate of 80 mL / min.
[0065]
<Measurement Example 3>
In this measurement, the inlet pressure was set to 400 kPa (corresponding to a vapor pressure of dimethyl ether of about 23 ° C.), the outlet flow rate (gas discharge amount) was changed in the range of 10 to 100 mL / min, and the outlet pressure fluctuation corresponding thereto was changed. Was measured. The results are shown in the graph of FIG. 4. The outlet pressure did not change with respect to the change in the outlet flow rate, and a stable outlet pressure at the set pressure of 50 kPa was obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a pressure regulator according to one embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a graph showing a result of measuring a change in outlet pressure when an inlet pressure in a pressure regulator is changed.
FIG. 3 is a graph showing a result of measuring a change in an outlet flow rate when an inlet pressure in a pressure regulator is changed.
FIG. 4 is a graph showing a result of measuring a change in outlet pressure when the outlet flow rate in the pressure regulator is changed.
[Explanation of symbols]
1 Pressure regulator
2 First stage governor mechanism
3 Second stage governor mechanism
10 cases
11 Gas inlet
12 Gas outlet
21 1st pressure regulating valve
21a valve body
21b Valve seat
22 1st diaphragm
23 1st plunger
24 1st pressure regulation room
25 First air chamber
26 Gas passage
27 1st pressure setting section
31 2nd pressure regulating valve
31a valve body
31b valve seat
32 2nd diaphragm
33 2nd plunger
34 2nd pressure regulation room
35 Second air chamber
36 Gas passage
37 Second pressure setting unit
Claims (12)
前記1段目ガバナ機構における前記第1調圧弁を作動する第1ダイヤフラムの偏位方向と、前記2段目ガバナ機構における前記第2調圧弁を作動する第2ダイヤフラムの偏位方向とが交差するように、前記1段目ガバナ機構および2段目ガバナ機構を設置してなることを特徴とする圧力調整器。A first-stage governor mechanism having a first pressure regulating valve for reducing the inlet pressure of the introduced gas to an intermediate pressure, and a second-stage governor mechanism having a second pressure regulating valve for reducing the intermediate pressure to an outlet pressure;
The direction of deviation of the first diaphragm operating the first pressure regulating valve in the first stage governor mechanism intersects the direction of deviation of the second diaphragm operating the second pressure regulating valve in the second stage governor mechanism. A pressure regulator comprising the first-stage governor mechanism and the second-stage governor mechanism.
前記2段目ガバナ機構は、前記第1調圧室から導入されたガスの中間圧力を出口圧力に減圧する第2調圧弁と、該第2調圧弁を通過したガスの圧力振動を緩和する第2調圧室と、該第2調圧室と大気室とを画成し、第2調圧室の出口圧力を受けて偏位する第2ダイヤフラムと、該第2ダイヤフラムに一端が固着され他端近傍に前記第2調圧弁の弁体が装着された第2プランジャと、前記第2ダイヤフラムの偏位量を調整する第2圧力設定部と、出口圧力を有するガスを排出するガス排出口とを備え、
前記第1プランジャと前記第2プランジャとが直交配置され、前記第1調圧室から前記第2調圧室に至るガス通路に前記第2プランジャの一部が摺動自在に挿通され、前記第2調圧弁が前記第1調圧室に配置されてなることを特徴とする請求項1記載の圧力調整器。The first-stage governor mechanism includes a gas inlet through which a high-pressure gas is introduced, a first pressure regulating valve that reduces an inlet pressure of the gas introducing port to an intermediate pressure, and a pressure oscillation of the gas that has passed through the first pressure regulating valve. A first pressure regulating chamber that reduces pressure, a first diaphragm that defines the first pressure regulating chamber and an atmosphere chamber, and that is deflected by receiving an intermediate pressure in the first pressure regulating chamber; and one end of the first diaphragm A first plunger in which a valve body of the first pressure regulating valve is mounted near the other end, and a first pressure setting unit that adjusts a deviation amount of the first diaphragm,
The second-stage governor mechanism includes a second pressure-regulating valve that reduces the intermediate pressure of the gas introduced from the first pressure-regulating chamber to an outlet pressure, and a second pressure-regulating valve that reduces pressure oscillation of the gas that has passed through the second pressure-regulating valve. A second pressure regulating chamber, a second diaphragm which defines the second pressure regulating chamber and an atmosphere chamber, and which is deflected by receiving an outlet pressure of the second pressure regulating chamber; and one end of which is fixed to the second diaphragm. A second plunger in which a valve body of the second pressure regulating valve is mounted near an end, a second pressure setting unit for adjusting the amount of deviation of the second diaphragm, and a gas outlet for discharging gas having an outlet pressure; With
The first plunger and the second plunger are arranged orthogonally, and a part of the second plunger is slidably inserted into a gas passage extending from the first pressure regulating chamber to the second pressure regulating chamber. 2. The pressure regulator according to claim 1, wherein a second pressure regulating valve is disposed in the first pressure regulating chamber.
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