JP2005315290A - 逆止弁 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池システムのように流体の差圧が低い場合であっても、弁漏れを充分に防止可能な逆止弁を提供する。
【解決手段】 流体流路１２の開口１４の周縁部に装着された環状の弾性体からなる弁座２１を、例えば弁本体１１の端面から突出形成された軸部１５に嵌着するなどの手段によって、その外周部が弁本体１１に当接せずに外側へ開放された状態で装着するようにした。これにより、弾性体頂部の波打ち等によりシール面の平坦度が低下することなく平坦なシール面が得られ、低差圧下で使用する場合であっても充分にシール性能を確保できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は逆止弁に関し、特に、燃料電池のシステムなど、流体による差圧が比較的低い用途に適した逆止弁に関する。

例えば、冷暖房などの冷媒循環サイクルのように、流体を特定方向にのみ流通させる必要があるシステムでは、流体が流路を逆流することを防止するために、流路に逆止弁を設けている（例えば特許文献１を参照）。

図１０は、従来使用されている逆止弁の一例を示した要部断面図である。この逆止弁１０１では、弁本体１１１における流体流路１１２の開口１１４の周縁部に、Ｏリング固定用の環状溝１１９が形成され、この環状溝１１９に弁座となるＯリング１２４が嵌着されている。

弁本体１１１と接続された外筒１６１内には内筒１６２が挿入され、正圧方向からの流体圧を受けない状態では、スプリング１６３によって内筒１６２が弁本体１１１の方向に付勢されて、その先端部に取り付けられた弁板１４１がＯリング１２４を押圧し、Ｏリング１２４を押し潰した状態で流路を閉止している。一方、流体が正圧方向に流れると、流体圧によって弁板１４１がＯリング１２４のシール面から離反して流路が開放される。

ところで、最近では燃料電池が各種の用途に使用され、その開発が進んでいるが、燃料電池のシステムにも逆止弁が用いられる。例えば、燃料改質型の燃料電池では、燃料から取り出した水素と、ブロワで加圧した後に加湿器で加湿した空気とを、燃料電池内で化学反応させることにより電力を発生させているが、この際、燃料電池から空気回路に向かって、水素あるいは水素と空気との混合気などの可燃性流体が逆流することを防止するために逆止弁が設けられる。

燃料電池のシステムで制御する流体は、都市ガスなどの燃料、水素、酸素、純水、水蒸気、またはこれらの混合気などであり、これらの流体は可燃性、燃焼補助性を有しているため、これらの流体が大気へ開放されることを防止するために逆止弁が設けられる。さらに、燃料電池システム内の機器にこれらの流体が入り込むと故障を引き起こす可能性があるため、これを防止するために逆止弁が設けられる。
特開平８−８６３７０号公報

図１０に示したような従来の逆止弁では、弁閉時のシール性能を確保するために、スプリングの付勢力と逆止圧によりＯリング１２４を弁板１４１で潰すことによって気密に封止している。ところが、燃料電池のシステムでは、流体による差圧が例えば２〜５ｋＰａと低いため、こうした低差圧下においても弁漏れを防止するために充分なシール性能が求められるが、このような構造の逆止弁を用いた場合、次のような問題点がある。

すなわち、Ｏリングを環状溝に嵌め込んで装着しているため、環状溝の側壁によってＯリングが内周側および外周側の両方から押圧され、環形状が規制される。これによってＯリングの形状が歪み、シール面となるＯリングの頂部近傍が波打つように変形するため、場所によってＯリング頂部の高さが異なるようになり、充分に平坦なシール面を得ることができない。

さらに、上記したような低差圧下では、弁板をＯリング方向に付勢するスプリングに強い付勢力を持つものを使用すると、正圧方向へ流体が流れてもスプリングの付勢力に抗して弁板をＯリングから離反させることができず、あるいは弁が開いても圧力損失が大きくなり効率に影響するため、スプリングを使用しないか、あるいは付勢力が弱いスプリングを使用する必要がある。このため、充分なシール性能が得られる程度にＯリングを押し潰すことができず、上記のようなシール面が波打ったＯリングを弁座とすると弁漏れを引き起こす。

本発明は、上記した従来技術における問題点を解決するためになされたものであり、燃料電池システムのように流体の差圧が低い場合であっても、弁漏れを充分に防止可能な逆止弁を提供することを目的としている。

本発明の逆止弁は、流体流路の開口の周縁部に弁座が設けられた弁本体と、前記弁座に対して当接および離反可能な弁板とを備え、流体の流れ方向に応じて前記弁板を前記弁座に対して当接または離反させることにより前記流体流路の開口を開閉し、これにより一方向にのみ流体を通過させる逆止弁であって、
前記弁座が、前記流体流路の開口の周縁部に装着された環状の弾性体からなり、該弾性体は、その外周部が前記弁本体に当接せずに外側へ開放された状態で装着されていることを特徴としている。

このように構成された本発明では、環状の弾性体が、外側からその形状が規制されず、外周部が押圧されない構造であるため、例えばＯリングを溝に嵌め込んで装着する場合のように、外周側から環形状が規制され、これによる歪みによってシール面となる弾性体の頂部近傍が波打つことがない。このため、平坦なシール面を得ることができ、例えば燃料電池システムのように低差圧下で使用する場合であっても、弁閉時のシール性能を充分に確保できる。

本発明の逆止弁は、弁本体の端面から突出形成され、前記弾性体の内径に対応した外径を有する軸部に前記流体流路の開口が設けられ、前記弾性体が前記軸部に嵌着されていることを特徴としている。

このように構成することにより、例えばＯリングのような環状の弾性体を、その外周部を規制することなく弁本体に装着することができ、平坦なシール面が得られるので、弁閉時のシール性能を充分に確保できる。

本発明の逆止弁は、前記軸部に、その先端部から拡径方向へ延出する鍔状の抜け止め部が形成され、該抜け止め部に、前記軸部に嵌着した前記弾性体が係合されていることを特徴としている。

このように構成された本発明では、抜け止め部に弾性体が係止され、弾性体が上方へ移動することを規制するため、弾性体が軸方向に位置ずれしたり、軸部から離脱したりすることを防止することができる。

本発明の逆止弁は、前記弾性体が、その断面が略円状である環状弾性体の内周側を切り欠いて、内周部を平坦面とした形状であり、該平坦面で前記軸部の外周部に当接するようにしたことを特徴としている。

このように構成された本発明では、軸部にＯリングのような弾性体を装着した際に、内
周部の平坦面で軸部と当接するので、環が捩れた状態で装着されることがなく、この捩れによってシール面の平坦度が損なわれることがない。

さらに、断面が円状である同径（同規格）のＯリングを使用する場合と比較して、内周部を切り欠いた分だけ軸部における流路径を大きくすることができ、これによって圧力損失を低減することができる。

本発明の逆止弁は、前記弾性体がゴム材からなり、その表面に非粘着処理が施されていることを特徴としている。
例えば燃料電池システムのように低差圧の乾燥流体が流れる流路に逆止弁を配設する場合、弁座として弾性の低い金属製もしくは樹脂製の弾性体を用いると弁漏れ性能が低下するので、ゴム材からなる弾性体を使用することが好ましい。ところが、ゴム材からなる弾性体を使用すると、粘着性によってそのシール面と弁板とが固着することがあり、これにより弁開のための差圧が上昇したり、弁が開かなくなったりすることがある。そこで、その表面にＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）の膜を形成する処理のような、ゴム表面の粘着性を抑制する処理を施すことによって、弁板との固着を防止することができる。

本発明の逆止弁は、前記弾性体がゴム材からなり、前記流体流路の開口の周縁部に焼付け固定されていることを特徴としている。
このように、ゴム材からなる弾性体を、弁本体の開口周縁の端面に焼付けて固着することによって、弁本体と弾性体とが気密に密着するため、弾性体あるいは弁本体の表面の傷などにより弁漏れすることがなく、充分なシール性能を確保できる。

本発明の逆止弁は、燃料電池システムなどのように流体の差圧が低い場合であっても、弁漏れを充分に防止することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の一実施形態における逆止弁の断面図であり、弁が開放されている状態を示し、図２は、弁が閉止されている状態を示す。図３は、この逆止弁の弁座近傍における拡大断面図である。

本実施形態の逆止弁は、燃料電池のシステムにおける、例えば燃料、水素、酸素、純水、水蒸気、またはこれらの混合気などのような流体用の配管に配設されるものである。図１および図２に示したように、この逆止弁１は、流体流路を構成する配管５１ａ、５１ｂの内部に嵌着されており、弁本体１１に対して、ホルダ３１が弁板４１を収納した状態で取り付けられた構造となっている。

弁本体１１における流体流路１２の開口１４の周縁部には、弁座２１を構成するＯリング２４が装着されている。流体が正圧方向に流れると、図１のように弁板４１は弁座２１から離反して弁を開放し、流体を通過させる。一方、流体が逆圧方向に流れると、図２のように弁板４１は弁座２１に当接して弁を閉止し、流体の逆流を妨げる。

弁本体１１は、その外径が配管５１ａ、５１ｂの内径と略同一に形成され、その外周部には、半径方向外側に突設された環状の外周突出部１７が形成されている。配管５１ａ、５１ｂを両側から弁本体１１に嵌入し、その端部５２ａ、５２ｂを外周突出部１７に対して両側から当接させた状態で、外周突出部１７の周囲を溶接することによって配管同士の継手を構成するとともに、弁本体１１を配管５１ａ、５１ｂの内部に嵌着固定している。

ホルダ３１は、弾性板材で形成され、その配管５１ａの内周に沿った側部は、配管軸方
向に延びる複数本の脚部３２からなっている。脚部３２の先端には、内方に折り曲げられた折り曲げ部３３が形成され、弁本体１１の外周部に形成された嵌合溝１８に折り曲げ部３３を嵌め込むことによりホルダ３１を弁本体１１に取り付けている。それぞれの脚部３２の間は流体が通過できるように開放され、配管５１ａの内周面と脚部３２との間には所定の空間が設けられているので、弁開時には開口１４からの流体がこの空間を介して脚部３２の間から通過できるようになっている。

ホルダ３１の内部に収納された弁板４１は、流体の流れ方向に応じて弁座２１とホルダ３１上部との間を移動可能であり、弁板４１の全開位置であるホルダ３１上部では、下方に突出する爪状のストッパ３４の下端により弁板４１の上動範囲を規制している。なお、複数本の脚部３２からなるホルダ３１の側部における径方向の幅は、弁板４１の幅よりもやや大きく余裕があるので、弁板４１が流れ方向に対して斜め方向を向くこともあるが、弁板４１が斜めに押し上げられても全開位置ではストッパ３４と脚部３２とに規制されて水平配置に復帰する。

弁本体１１における流体流路１２の開口１４の周縁部には、Ｏリング装着用の軸部１５が形成され、この軸部１５に弁座２１となるＯリング２４が嵌着される。本実施形態では、ＮＢＲなどのゴム材からなるＯリングの表面にダイヤモンドライクカーボン（Diamond Like Carbon：ＤＬＣ）の表面処理膜を形成したものを使用している。燃料電池のシステ
ムでは流体の差圧が例えば２〜５ｋＰａと低いため、弁板１１と当接した際にＯリング２４のシール面が変形することにより良好なシール性能を確保するために、ゴム材からなるＯリングを使用することが特に好ましい。他には、テフロン（登録商標）のような弾性を有する樹脂材からなるＯリングを使用することもできる。

このように弁板とＯリングのシール面との良好なシール性を得るためには、Ｏリングの硬度は６０°程度であることが好ましく、弁漏れを有効に防止することができる。一般に汎用されている硬度が７０°のＯリングでは、硬度が高いために低差圧時において弁漏れが発生する可能性がある。弾性体の硬度を通常の７０°から６０°程度まで下げることによって、弁板とＯリングのシール面との密着性が増し、弁漏れを抑制することができる。

ゴム材からなるＯリングを使用した場合、表面の粘着性によってそのシール面と弁板とが固着することがあり、これにより弁開のための差圧が上昇したり、弁が開かなくなったりすることがある。例えば長期間閉弁していると、弁板がＯリングに貼り付き、逆止弁の基本性能である開弁圧力が上昇し、圧力損失が増加する。そこで、本実施形態ではその表面にＤＬＣの膜を形成することによりＯリング表面の粘着性を抑制し、弁板との固着を防止している。ゴム材の表面にＤＬＣ膜を形成する技術は既に知られており、公知の手法を用いて表面処理を行うことができる。

図１および図３に示したように、Ｏリング２４は、弁本体１１の端面１３から突出形成され、Ｏリング２４の内径に対応した外径を有する軸部１５に嵌着されている。即ち、Ｏリング２４が弁本体１１の端面１３に当接するまで軸部１５に嵌め込んだ状態で装着され、その頂部２７でシール面２２を構成している。

軸部１５の外径はＯリング２４の内径よりもやや大きく、例えば汎用のＯリングを使用する場合では、軸外径を、JIS B 2401規格あるいはAS568規格に規定されたＯリング内径
＋０．１ｍｍ程度に設定することが好ましい。これにより、Ｏリング２４と軸部１５との間を気密に封止するとともに、Ｏリングの内径寸法のバラツキによる弁漏れを防止することができる。

本実施形態では、Ｏリング２４の外周部２８が外側に開放された状態で装着され、その
形状が外側から規制されていないため、Ｏリング２４の頂部２７環方向に沿って平坦であり、シール性能が良好である。前述したように、例えばＯリングを溝に嵌め込んで装着した場合、Ｏリングの外側形状が溝の外周に対応するように押し込まれるため、これによる歪みによってＯリング頂部が波打ったように変形して平坦度が低下する。しかし本実施形態ではＯリング２４の外周部２８が外側から押圧されず、外側からその形状が規制されない構造であるため、この外側からの押圧によるシール面の波打ちが防止され、平坦なシール面を得ることができる。

燃料電池システムのように流体の差圧が低い条件下では、Ｏリングのシール面と弁板とが当接することにより、Ｏリングはその弾性によってシール面が若干変形するものの、弁板による圧力でＯリングを押し潰して密着性を確保することはできない。このような場合では、Ｏリングのシール面が波打ち平坦度が低くなると、弁閉時に充分に気密性を確保することが困難になるが、本実施形態では平坦なシール面によって弁閉時におけるシール性能を充分に確保できる。

図３に示したように、軸部１５の先端部には、拡径方向へ延出する鍔状の抜け止め部１６が形成され、この抜け止め部１６に、軸部１５に嵌着したＯリング２４が係止されている。これによって、Ｏリング２４の上方への移動が規制されるため、Ｏリング２４が軸方向に位置ずれしたり、軸部１５から離脱したりすることを防止することができる。

従来では、装着溝などからＯリングが離脱することを防止するために、弁板の移動距離を小さく制限していたが、弁板の移動距離が小さいと流路抵抗が増加する。また、流路抵抗を考慮して流路径を大きくした場合、Ｏリングの離脱を防止するために太いＯリングを用いる必要がある。しかし、本実施形態では抜け止め部１６によりＯリング２４の離脱を防止しているので、弁板４１の移動距離を大きくでき、流路抵抗を低減することができるとともに、流路径を大きくした場合であっても細いＯリングを使用することができる。なお、抜け止め部１６の拡径方向の突起寸法は、Ｏリング２４の線径の２０％程度が好ましい。

図４は、本発明の他の実施形態における逆止弁の断面図であり、図５は、図４の逆止弁の弁座近傍における拡大断面図である。本実施形態では、通常のＯリングの内周側を切り欠いた形状の環状弾性体を弁座としている。すなわち、図５に示したように、この弁座２１は、その断面が略円状である環状弾性体の内周部を平坦面２３とした形状であり、この平坦面２３で軸部１５の外周部に当接してこれらの間をシールしている。

これによって、環が捩れた状態で装着されることがなく、この捩れによってシール面の平坦度が損なわれることを防止できる。さらに、図５に示したように、断面が円状である同径（同規格）のＯリングを使用する場合（同図の破線部）と比較して、内周部を切り欠いた幅Ａの分だけ軸部における流路径を大きくすることができる。このため、流路径の増加により圧力損失を低減することができる。

図６は、本発明の他の実施形態における逆止弁の断面図であり、図７は、図６の逆止弁の弁座近傍における拡大断面図である。
本実施形態では、弁座２１として異形ゴムリング２５を使用している。図７に示したように、この異形ゴムリング２５は、弁本体１１の端面１３から軸部１５の外周面に渡る形状に対応した当接面を有し、軸部１５に被せるように嵌め込んで弁本体１１と密着させ、内周側を気密に封止するとともに、軸部１５の先端部に形成された鍔状の抜け止め部１６の形状に対応するように環状に窪んだ係止部２９が設けられ、これらの係合によって異形ゴムリング２５の軸部１５から抜け出ることを防止している。

前述した実施形態の場合と同様に、弁座となる異形ゴムリング２５は、その外周部２８が、外側への変形を規制されないように開放された状態で装着されているので、シール面の平坦度の低下を防止することができる。

図８は、本発明の他の実施形態における逆止弁の断面図であり、図９は、図８の逆止弁の弁座近傍における拡大断面図である。
本実施形態では、弁座２１として焼付けゴム２６を使用し、流体流路の開口の周縁部に焼付け固定している。Ｏリングを弁座とした場合、Ｏリング表面もしくは軸部の表面が傷付いていたり、これらの寸法に異常があったりすると、Ｏリングと軸部との間隙から弁漏れ（裏漏れ）する可能性があるが、ゴム材を焼付けにより弁本体１１の端面１３に接着することによって、これらの間が気密に封止され、裏漏れを防止できる。

焼付けゴム２６のシール面となる頂部のＲは、０．５程度が好ましい。Ｒがあまり大きいと、弁板１１との接触面積が大きくなり、ゴムが粘着性により弁板１１に貼り付き開弁圧力が上昇する可能性がある。

また、前述した実施形態の場合と同様に、弁座となる焼付けゴム２６は、その外周部２８が、外側への変形を規制されないように開放された状態で接着されているので、シール面の平坦度の低下を防止することができる。

以上、本発明を実施形態に基づき説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されることはなく、種々の変形、変更および修正が可能である。

図１は、本発明の一実施形態における逆止弁の断面図であり、正圧方向に流体が作用して弁が開放されている状態を示す。 図２は、図１の逆止弁において、逆圧方向に流体が作用して弁が閉止されている状態を示す。 図３は、図１、２の逆止弁の弁座近傍における拡大断面図である。 図４は、本発明の他の実施形態における逆止弁の断面図である。 図５は、図４の逆止弁の弁座近傍における拡大断面図である。 図６は、本発明の他の実施形態における逆止弁の断面図である。 図７は、図６の逆止弁の弁座近傍における拡大断面図である。 図８は、本発明の他の実施形態における逆止弁の断面図である。 図９は、図８の逆止弁の弁座近傍における拡大断面図である。 図１０は、従来の逆止弁の一例を示した要部断面図である。

符号の説明

１ 逆止弁
１１ 弁本体
１２ 流路
１３ 端面
１４ 開口
１５ 軸部
１６ 抜け止め部
１７ 外周突出部
１８ 嵌合溝
２１ 弁座
２２ シール面
２３ 平坦面
２４ Ｏリング
２５ 異形ゴムリング
２６ 焼付けゴム
２７ 頂部
２８ 外周部
２９ 係止部
３１ ホルダ
３２ 脚部
３３ 折り曲げ部
３４ ストッパ
４１ 弁板
５１ａ 配管
５１ｂ 配管
５２ａ 端部
５２ｂ 端部

Claims (6)

1. 流体流路の開口の周縁部に弁座が設けられた弁本体と、前記弁座に対して当接および離反可能な弁板とを備え、流体の流れ方向に応じて前記弁板を前記弁座に対して当接または離反させることにより前記流体流路の開口を開閉し、これにより一方向にのみ流体を通過させる逆止弁であって、
   前記弁座が、前記流体流路の開口の周縁部に装着された環状の弾性体からなり、該弾性体は、その外周部が前記弁本体に当接せずに外側へ開放された状態で装着されていることを特徴とする逆止弁。
2. 弁本体の端面から突出形成され、前記弾性体の内径に対応した外径を有する軸部に前記流体流路の開口が設けられ、前記弾性体が前記軸部に嵌着されていることを特徴とする請求項１に記載の逆止弁。
3. 前記軸部に、その先端部から拡径方向へ延出する鍔状の抜け止め部が形成され、該抜け止め部に、前記軸部に嵌着した前記弾性体が係合されていることを特徴とする請求項２に記載の逆止弁。
4. 前記弾性体が、その断面が略円状である環状弾性体の内周側を切り欠いて、内周部を平坦面とした形状であり、該平坦面で前記軸部の外周部に当接するようにしたことを特徴とする請求項２または３に記載の逆止弁。
5. 前記弾性体は、その表面に非粘着処理が施されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の逆止弁。
6. 前記弾性体がゴム材からなり、前記流体流路の開口の周縁部に焼付け固定されていることを特徴とする請求項１に記載の逆止弁。