JP2008133928A - ダイヤフラム式バルブ装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】駆動部の小型化を図るのに有利なダイヤフラム式バルブ装置を提供する。
【解決手段】バルブ装置は、弁体21を有する可動体2を開閉させる駆動部4と、可動体2の動作に伴い撓み変形するローリングダイヤフラム6とをもつ。ボディ1および可動体2のうちの少なくとも一方は、可動体2の開閉動作に伴いローリングダイヤフラム6に対面接触する傾斜面7をもつ。傾斜面7は、ローリングダイヤフラム6の曲成部63の曲率を変化させてローリングダイヤフラム6の有効受圧面積を可変とする。弁体21の閉弁時におけるローリングダイヤフラム6の有効受圧面積をAshutとし、弁体21の開弁時におけるローリングダイヤフラム6の有効受圧面積をAopenとする。傾斜面7は、AshutよりもAopenを小さくするように傾斜している。
【選択図】図1
【解決手段】バルブ装置は、弁体21を有する可動体2を開閉させる駆動部4と、可動体2の動作に伴い撓み変形するローリングダイヤフラム6とをもつ。ボディ1および可動体2のうちの少なくとも一方は、可動体2の開閉動作に伴いローリングダイヤフラム6に対面接触する傾斜面7をもつ。傾斜面7は、ローリングダイヤフラム6の曲成部63の曲率を変化させてローリングダイヤフラム6の有効受圧面積を可変とする。弁体21の閉弁時におけるローリングダイヤフラム6の有効受圧面積をAshutとし、弁体21の開弁時におけるローリングダイヤフラム6の有効受圧面積をAopenとする。傾斜面7は、AshutよりもAopenを小さくするように傾斜している。
【選択図】図1
Description
本発明はボディ内を仕切るダイヤフラムを備えるバルブ装置に関する。
可撓性をもつ膜状のダイヤフラムを搭載するダイヤフラム式バルブ装置が知られている。このものは、入口ポート、出口ポート、弁口をもつボディと、弁口を開閉する弁体と、弁体を開弁および閉弁させる弁軸と、弁軸を開弁動作および閉弁動作させる励磁コイル部を備える駆動部と、ボディ内を仕切るダイヤフラムと、弁体を閉弁方向に付勢するバネとを備えている。このものでは、入口ポートの入口側圧力はダイヤフラムの下面に受圧され、出口ポートの出口側圧力はダイヤフラムの上面に受圧される。そして励磁コイル部に通電されると、磁気吸引力が開弁力として作用して弁軸を開弁方向(下方向)に移動させ、これにより弁体を開弁方向(下方向)に移動させ、弁体を弁座から離して弁口が開弁される。
このものでは、入口ポートの入口側圧力は弁体に受圧され、下向きの力として開弁方向に作用する。また入口ポートの入口側圧力はダイヤフラムの下面に受圧され、上向きの力として閉弁方向に作用する。ここで弁体の有効受圧面積とダイヤフラムの有効受圧面積とは等しく設定されている。このため閉弁時には、入口ポートの入口側圧力の影響は、キャンセルされる。これにより弁口の前後の差圧だけで流量が一定となるように制御されている。
特開2003−269262号公報
上記したバルブ装置では、ダイヤフラムの曲成部の有効受圧面積を可変とする構造は採用されていない。また上記したバルブ装置では、流量が増加すると、弁口の前後に大きさ差圧が発生するため、弁体を開くには、大きな開弁力が必要とされる。よって大きな開弁力を発生させる駆動部として機能する励磁コイル部の大電流化、励磁コイル部の大型化を招くおそれがある。
更に上記したバルブ装置では、出口ポートの出口側圧力がダイヤフラムの上面側に導入される構造が採用されているため、流体に異物質が含まれているときには、異物質がダイヤフラムの上面側に流入し、結果として、弁軸の摺動部位に異物質が付着したり堆積したりする不具合があり、弁軸の開弁動作不良が発生するおそれがある。
本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、弁体を開弁させる開弁力を発生させる駆動部の小型化を図るのに有利であり、更に、弁軸等の可動体の摺動部位に異物質が付着したり堆積したりすることを抑制するのに有利なダイヤフラム式バルブ装置を提供することを課題とする。
(1)様相1に係るダイヤフラム式バルブ装置は、
(a)流体が供給される入口ポート、流体が吐出される出口ポート、入口ポートおよび出口ポートの間に形成された弁口をもつボディと、
(b)弁口を開閉する弁体と弁体を開弁および閉弁させる可動部とをもつ可動体と、
(c)可動体を開弁動作および閉弁動作させる駆動部と、
(d)入口ポートに連通する流体室と入口ポートに非連通の作動室とにボディ内を仕切るようにボディの可動体との間に設けられ、可動体の開弁動作および閉弁動作に伴い撓み変形するローリングダイヤフラムとを具備しており、
(e)ボディおよび可動体のうちの少なくとも一方は、
可動体の開弁動作および閉弁動作に伴いローリングダイヤフラムに対面接触可能に設けられ、対面接触に伴いローリングダイヤフラムの曲成部の曲率を変化させてローリングダイヤフラムの有効受圧面積を可変とする傾斜面を備えており、
(f)弁体が閉弁しているときにおける開弁方向に受圧するローリングダイヤフラムの有効受圧面積をAshutとし、弁体が開弁しているときにおける開弁方向に受圧するローリングダイヤフラムの有効受圧面積をAopenとするとき、AshutよりもAopenを小さく(Aopen<Ashut)設定するように、傾斜面は、可動体の軸芯に対して傾斜されていることを特徴とする。
(a)流体が供給される入口ポート、流体が吐出される出口ポート、入口ポートおよび出口ポートの間に形成された弁口をもつボディと、
(b)弁口を開閉する弁体と弁体を開弁および閉弁させる可動部とをもつ可動体と、
(c)可動体を開弁動作および閉弁動作させる駆動部と、
(d)入口ポートに連通する流体室と入口ポートに非連通の作動室とにボディ内を仕切るようにボディの可動体との間に設けられ、可動体の開弁動作および閉弁動作に伴い撓み変形するローリングダイヤフラムとを具備しており、
(e)ボディおよび可動体のうちの少なくとも一方は、
可動体の開弁動作および閉弁動作に伴いローリングダイヤフラムに対面接触可能に設けられ、対面接触に伴いローリングダイヤフラムの曲成部の曲率を変化させてローリングダイヤフラムの有効受圧面積を可変とする傾斜面を備えており、
(f)弁体が閉弁しているときにおける開弁方向に受圧するローリングダイヤフラムの有効受圧面積をAshutとし、弁体が開弁しているときにおける開弁方向に受圧するローリングダイヤフラムの有効受圧面積をAopenとするとき、AshutよりもAopenを小さく(Aopen<Ashut)設定するように、傾斜面は、可動体の軸芯に対して傾斜されていることを特徴とする。
本様相によれば、ローリングダイヤフラムは、入口ポートに連通する流体室と入口ポートに非連通の作動室とに、ボディ内を仕切る。ローリングダイヤフラムは、入口ポートおよび流体室の流体が作動室に進入することを防止する。これにより作動室内に保持されている部品を流体から保護する。入口ポートおよび流体室の流体圧は、弁体を開弁させる方向にローリングダイヤフラムに作用する。ここで、ローリングダイヤフラムの有効受圧面積とは、弁体を開弁させる方向に入口ポート側の流体がローリングダイヤフラムに作用する受圧面積であると定義される。ローリングダイヤフラムの有効受圧径とは、有効受圧面積を規定する直径と定義される。開弁状態の弁体を閉弁させるとき、ローリングダイヤフラムに作用する流体受圧力は、閉弁抵抗として作用する。このため駆動部の閉弁用駆動力は、ローリングダイヤフラムの流体受圧力(閉弁抵抗)に打ち勝って、弁体を閉弁方向に移動させる必要がある。
本様相によれば、上記したように弁体の開弁時における開弁方向に受圧するローリングダイヤフラムの有効受圧面積Aopenは、弁体の閉弁時における開弁方向に受圧するローリングダイヤフラムの有効受圧面積Ashutよりも相対的に小さい(Aopen<Ashut)。このため開弁状態の弁体を閉弁させるとき、閉弁力を小さくでき、ひいては、駆動部の駆動力を小さくできる利点が得られる。この場合、駆動部の小型化を図り得る。
これに対して、閉弁状態の弁体を開弁させるときには、駆動部の開弁用駆動力は、ローリングダイヤフラムの有効受圧面積に作用する流体受圧力によってアシストされる。上記したように弁体の閉弁時におけるローリングダイヤフラムの有効受圧面積Ashutは、弁体の開弁時におけるローリングダイヤフラムの有効受圧面積Aopenよりも、相対的に大きい(Aopen<Ashut)。従って、上記したローリングダイヤフラムを開弁方向に付勢するアシスト力は、相対的に大きい。このため閉弁状態の弁体を開弁させるとき、アシスト力を開弁力として加算できる。このため弁体を開弁方向に移動させる駆動部の開弁用駆動力を小さくできる利点が得られる。この場合、駆動部の小型化を図り得る。
駆動部としては、駆動モータが例示されるが、励磁コイル部としても良い、ポンプ類で生成される空気圧または油圧等の流体圧が供給される流体圧室としても良い。ローリングダイヤフラムは、入口ポートに連通する流体室と入口ポートに非連通の作動室とにボディ内を仕切るものである。可動体の開弁動作および閉弁動作に伴い、ローリングダイヤフラムは撓み変形する。なお、弁体を閉弁方向に付勢するバネ等の付勢要素は、装備されていても良いし、装備されていなくても良い。
(2)様相2に係るバルブ装置によれば、上記様相において、傾斜面は、ボディのうちダイヤフラムに対面する内壁面に設けられており、可動体の開弁動作が進行する方向に進むにつれて、内壁面の内径が減少するように円錐状に形成されていることを特徴とする。
この場合、傾斜面は、ボディのうちダイヤフラムに対面する内壁面において、可動体の開弁動作が進行する方向に進むにつれて、内壁面の内径が減少するように円錐状に形成されている。このため、弁体が閉弁しているときにおけるローリングダイヤフラムの有効受圧面積をAshutとし、弁体が開弁しているときにおけるローリングダイヤフラムの有効受圧面積をAopenとするとき、上記した傾斜面によって、AshutよりもAopenを小さく(Aopen<Ashut)設定することができる。
(3)様相3に係るバルブ装置によれば、上記様相において、傾斜面は、可動体のうちダイヤフラムに対面する外壁面に設けられており、可動体の開弁動作が進行する方向に進むにつれて、外壁面の外径が増加するように円錐状に形成されていることを特徴とする。このため、弁体が閉弁しているときにおけるローリングダイヤフラムの有効受圧面積をAshutとし、弁体が開弁しているときにおけるローリングダイヤフラムの有効受圧面積をAopenとするとき、上記した傾斜面によって、AshutよりもAopenを小さく(Aopen<Ashut)設定することができる。
(4)様相4に係るバルブ装置によれば、上記様相において、可動体は、ローリングダイヤフラムに対面してローリングダイヤフラムの姿勢を支持する姿勢支持部材を備えており、姿勢支持部材は傾斜面を備えていることを特徴とする。このため、様相3に示す作用が得られる。
本発明によれば、弁体の開弁時におけるローリングダイヤフラムの有効受圧面積Aopenは、弁体の閉弁時におけるローリングダイヤフラムの有効受圧面積Ashutよりも相対的に小さい(Aopen<Ashut)。このため開弁状態の弁体を閉弁させるとき、閉弁抵抗が小さくなり、駆動部による閉弁力を小さくできる。このため弁体を閉弁方向に移動させる駆動部の駆動力を小さくできる。
また本発明によれば、弁体の開弁時におけるローリングダイヤフラムの有効受圧面積Aopenよりも、弁体の閉弁時におけるローリングダイヤフラムの有効受圧面積Ashutは、相対的に大きい(Aopen<Ashut)。閉弁状態の弁体を開弁させるとき、開弁アシスト力(ローリングダイヤフラムの有効受圧面積Ashutに流体圧が開弁方向に作用する力)が相対的に大きくなり、駆動部による開弁力を小さくできる。このため弁体を開弁方向に移動させる駆動部の駆動力を小さくでき、駆動部の小型化を図るのに有利である。
更に本発明によれば、出口ポートの流体はローリングダイヤフラムのうち可動体側に流入しない構造が採用されている。このため、弁軸などの可動体の摺動部位に異物質が付着したり堆積したりすることを抑制するのに有利となる。
(実施形態1)
以下、本発明の実施形態1について図1〜図4を参照して説明する。図1に示すように、バルブ装置は、ボディ1と、可動体2と、駆動部4と、ローリングダイヤフラム6とを備えている。ボディ1は、高圧側の横向きの入口ポート10と、低圧側の下向きの出口ポート11と、入口ポート10および出口ポート11の間に形成された円形状をなす弁口12と、弁口12を形成するリング形状の突起からなる弁座13ともつ。ボディ1は、第1ボディ1fと、第1ボディ1fに取付具により着脱可能に固定された第2ボディ1sとを備える。第1ボディ1fは、入口ポート10と、出口ポート11と、弁口12と、弁座13とをもつ。第2ボディ1sは、円筒形状の取付孔14をもつ円筒形状をなす鉛直方向に沿った軸芯をもつ取付部15と、大気と連通する第1連通孔16fおよび第2連通孔16sとをもつ。第1連通孔16fおよび第2連通孔16sは、ローリングダイヤフラム6の作動につれて呼吸する呼吸孔とされている。このため後述する作動室19は大気開弁とされている。
以下、本発明の実施形態1について図1〜図4を参照して説明する。図1に示すように、バルブ装置は、ボディ1と、可動体2と、駆動部4と、ローリングダイヤフラム6とを備えている。ボディ1は、高圧側の横向きの入口ポート10と、低圧側の下向きの出口ポート11と、入口ポート10および出口ポート11の間に形成された円形状をなす弁口12と、弁口12を形成するリング形状の突起からなる弁座13ともつ。ボディ1は、第1ボディ1fと、第1ボディ1fに取付具により着脱可能に固定された第2ボディ1sとを備える。第1ボディ1fは、入口ポート10と、出口ポート11と、弁口12と、弁座13とをもつ。第2ボディ1sは、円筒形状の取付孔14をもつ円筒形状をなす鉛直方向に沿った軸芯をもつ取付部15と、大気と連通する第1連通孔16fおよび第2連通孔16sとをもつ。第1連通孔16fおよび第2連通孔16sは、ローリングダイヤフラム6の作動につれて呼吸する呼吸孔とされている。このため後述する作動室19は大気開弁とされている。
図1に示すように、可動体2は、弁口12を開閉する円板状をなす弁体21と、弁体21を開弁および閉弁させる可動部として機能する弁軸24とをもつ。弁軸24は弁体21の中央域に位置しており、弁軸24の外径方向に突出する鍔部25をもつ。弁体21は弁軸24に対して鍔状とされているため、弁体21の外径は弁軸24の外径よりも大きくされている。弁軸24は鉛直方向に沿った縦軸型をなしており、第2ボディ1sの取付孔14に筒形状のブッシュ17を介して鉛直方向に沿って摺動可能に設けられている。弁軸24の他端部(上端部)側には、ラック歯26が連続するラック部27(歯部)が弁軸24の軸長方向に沿って形成されている。
図1に示すように、弁体21は、弁軸24の先端部(下端部)に取り付けられた金属または硬質樹脂製の第1弁体21fと、第1弁体21fの外周面および下面を被覆するゴムや軟質樹脂等の可撓材料で形成された第2弁体21sとを備えている。第2弁体21sが弁座13に着座するため、弁体21の閉弁時におけるシール性が得られる。
可動体2は、金属または硬質樹脂製の姿勢支持部材3を同軸的に備えている。姿勢支持部材3はローリングダイヤフラム6に対面してローリングダイヤフラム6の姿勢を支持するものである。姿勢支持部材3は、弁軸24と同軸的に配置された円筒形状をなしており、弁軸24の外径方向に突出する鍔部25で固定された底部30と、底部30から上方に向けて延設された断面円形状をなす筒部32とをもつ。筒部32はこれの軸長方向において外径がほぼ等しい直円筒形状とされている。入口ポート10の流体により、ローリングダイヤフラム6の上面6uが筒部32に離脱可能に張り付いている。
図1に示すように、ローリングダイヤフラム6のうち外縁部60は、厚肉状とされており、第1ボディ1fと第2ボディ1sとに挟持されて固定されている。ローリングダイヤフラム6の内縁部61は、弁体21の第1弁体21fと鍔部25とにより挟持されて固定されている。ローリングダイヤフラム6は、ゴムや軟質樹脂等の可撓性をもつ材料を基材として形成されている。ローリングダイヤフラム6の内部には、硬質樹脂や金属で形成された流体バリヤ層が埋設されていても良い。ローリングダイヤフラム6は、入口ポート10に連通する流体室18と入口ポート10に非連通の作動室19とにボディ1内を仕切る。作動室19には弁軸24および後述のピニオン42が配置されている。ローリングダイヤフラム6は、可動体2の開弁動作(矢印H1方向)および閉弁動作(矢印H2方向)に伴い、撓み変形する。弁体21が弁座13に着座して弁口12が閉弁されているときには、ローリングダイヤフラム6は上方(弁体21および弁口12から遠ざかる方向)に突出するように曲成された曲成部63をもつ。曲成部63は弁軸24の軸芯PKの回りでリング形状とされている。
駆動部4は、可動体2を開弁動作(矢印H1方向)および閉弁動作(矢印H2方向)させるものであり、ボディ1の第2ボディ1sに固定されている。駆動部4は、第2ボディ2sに固定された駆動モータ40と、駆動軸41と、駆動軸41に取り付けられた作動子として機能するピニオン42とをもつ。ピニオン42はラック歯26に噛み合う。駆動モータ40が一方向に駆動すれば、ピニオン42とラック歯26との噛み合いにより、弁軸24は開弁動作(矢印H1方向,上方向)に移動する。駆動モータ40が他方向に駆動すれば、ピニオン42とラック歯26との噛み合いにより、弁軸24は閉弁動作(矢印H2方向,下方向)に移動する。
図1に示すように、ボディ1の第2ボディ1sの内壁面1iは、作動室19に対面している。第2ボディ1sの内壁面1iのうちローリングダイヤフラム6の上面6uに対面する領域には、傾斜面7が形成されている。傾斜面7としては、可動体2の開弁動作(矢印H1方向)が進行する方向に進むにつれて(鉛直方向の上方に向かうにつれて)、傾斜面7の内径Diが減少するように円錐状に形成されている。この円錐は弁軸24の軸芯PKの回りに形成されており、軸芯PKに対して角度θa傾斜している。角度θaとしては、5〜60°の範囲内、10〜35°の範囲内で設定することが好ましい。可動体2の開弁動作が進行するにつれて、ローリングダイヤフラム6の上面6uは傾斜面7に離脱可能に張り付くことができる。
弁軸24が開弁動作したり閉弁動作したりすると、第2ボディ1sの傾斜面7とローリングダイヤフラム6の上面6uとが対面接触しつつ、ローリングダイヤフラム6が曲成部63を形成しつつ撓み変形するように、ローリングダイヤフラム6および傾斜面7は設けられている。この対面接触に伴い、ローリングダイヤフラム6の曲成部63の曲率半径および曲率が変化し、曲成部63の頂部64の直径(有効受圧径)R0が変化する。このように開弁動作および閉弁動作に伴い、ローリングダイヤフラム6の有効受圧径の大きさが変化するため、ローリングダイヤフラム6の有効受圧面積の大きさは可変とされる。
以下、更に説明を加える。ローリングダイヤフラム6の有効受圧面積は、弁体21および弁体21を開弁方向(矢印H1方向)に、入口ポート10側の流体(一般的には気体または液体)がローリングダイヤフラム6を持ち上げて、弁体21を開弁させる方向にアシスト力として寄与するものである。従ってローリングダイヤフラム6の有効受圧面積は、ローリングダイヤフラム6の曲成部63の頂部64よりも内側の部分が受圧する面積を意味する。ローリングダイヤフラム6の曲成部63の頂部64よりも内側の部分に、入口ポート10側の流体が作用すると、弁体21および弁体21を開弁方向(矢印H1方向)に付勢させる。ここで、ローリングダイヤフラム6の曲成部63の頂部64よりも外側の部分は、第2ボディ1sを開弁方向(矢印H1方向)に引っ張る機能を果たすが、弁軸24及び弁体21の開弁力には寄与しないため、ローリングダイヤフラム6の有効受圧面積には含まれない。
図2は弁体21がyぶん開弁している状態を示す。開弁状態の弁体21を閉弁方向(矢印H2方向,下方向)に移動させて閉弁させるとき、入口ポート10および流体室18の流体の圧力は、ローリングダイヤフラム6の下面6dを上向き(矢印H1方向)に付勢するため、閉弁状態の弁体21を矢印H1方向に開弁させるときには開弁アシスト力として寄与し、開弁状態の弁体21を矢印H2方向に閉弁させるときには閉弁抵抗として作用する。このため、駆動部4の閉弁用駆動力は、ローリングダイヤフラム6に作用する流体受圧力(閉弁抵抗)に打ち勝って、弁体21を閉弁方向(矢印H2方向)に移動させる必要がある。
図3は、閉弁している弁体21が開弁方向(矢印H1方向,上方)に移動するときにおけるローリングダイヤフラム6の曲成部63の変化を示す。形態M0は、弁体21が閉弁しているときにおけるローリングダイヤフラム6の曲成部63を示す。弁体21が弁座13から離間して弁口12が開弁方向(矢印H1方向,上方)に進行すると、形態M0→形態M1→形態M2となる。
形態M0では、曲成部63の中心をC0とし、中心C0の直径をR0とし、曲成部63の曲率半径をr0とする。形態M1では、曲成部63の中心をC1とし、中心C1の直径をR1とし、曲成部63の曲率半径をr1とする。形態M2は、弁体21が弁座13から離間して弁口12が少し開弁しているときにおけるローリングダイヤフラム6の曲成部63を示す。形態M2では、曲成部63の中心をC2とし、中心C2の直径をR2とし、曲成部63の曲率半径をr2とする。
図3から理解できるように、弁体21の開弁度が進行するにつれて、ローリングダイヤフラム6の上面6uがボディ1の傾斜面7に張り付く量が増加する。結果として、図3から理解できるように、曲成部63の曲率半径としては、r2<r10<r0の関係とされており、弁体21の開弁が進むにつれて、曲成部63の曲率半径は次第に小さくなる。更に、ローリングダイヤフラム6の有効受圧径としては、R2<R1<R0の関係とされており、開弁が進むにつれて、ローリングダイヤフラム6の有効受圧面積は次第に小さくなる。
従って、本実施形態によれば、弁体21が閉弁しているときにおけるローリングダイヤフラム6の有効受圧面積をAshutとし、弁体21が開弁しているときにおけるローリングダイヤフラム6の有効受圧面積をAopenとすると、AshutよりもAopenは相対的に小さく(Aopen<Ashut)設定されている。このため開弁状態の弁体21を閉弁方向(矢印H2方向)に移動させて閉弁させる初期において、入口ポート10および流体室18における流体の圧力に起因する閉弁抵抗が小さくなり、閉弁動作がスムースに行われる。このため開弁状態の弁体21を閉弁方向(矢印H2方向)に移動させる駆動部4の駆動力を小さくでき、駆動部4の小型化を図り得る。
図1は弁体21が閉弁している状態を示す。閉弁状態の弁体21を開弁方向(矢印H1方向)に持ち上げて開弁させるときには、駆動部4の駆動モータ40が駆動して弁軸24を矢印H1方向に持ち上げ、弁体21を持ち上げる。この場合、入口ポート10および流体室18の圧力は、ローリングダイヤフラム6を持ち上げる方向(開弁方向)に寄与している。結果として、ローリングダイヤフラム6に作用する入口ポート10および流体室18の圧力は、開弁アシスト力として機能することができる。従って、駆動部4の開弁用駆動力によって弁体21を開弁方向(矢印H1方向)に移動させるとき、駆動部4の開弁用駆動力は、ローリングダイヤフラム6の下面6dの有効受圧面積に作用する流体受圧力によってアシストされる。ここで、上記したようにAopen<Ashutの関係に設定されている。この結果、閉弁状態の弁体21を開弁させるとき、ローリングダイヤフラム6の有効受圧面積Ashut(Aopen<Ashut)に起因するアシスト力によって開弁力を増加させることができる。このため閉弁状態の弁体21を開弁方向に移動させる駆動部4の開弁用駆動力を小さくできる。この場合、駆動部4の小型化を図り得る。
本実施形態によれば、図1から理解できるように、弁体21が閉弁しているとき、ローリングダイヤフラム6の曲成部63の頂部64を、弁軸24の軸芯PKと平行に通過する仮想線をKAとすると、仮想線KAの延長線は、ボディ1の弁座13の着座部またはこの付近を通過するように設定されている。また図2から理解できるように、弁体21が開弁しているとき、ローリングダイヤフラム6の曲成部63の頂部64を、弁軸24の軸芯PKと平行に通過する仮想線をKBとすると、仮想線KBは、ボディ1の弁座13(仮想線KA)よりも径内側に移動している。従って仮想線KBは仮想線KAよりも径内側(軸芯PK側)に移動している。
更に本実施形態によれば、上記した特許文献1とは異なり、閉弁時において、出口ポート11は弁体21で閉鎖されている。よって、入口ポート10の流体はもとより、出口ポート11の流体はローリングダイヤフラム6のうち可動体2側の作動室19に流入しない構造が採用されている。このため、流体(一般的には気体または液体)が異物質を含むときであっても、弁軸24の摺動部位に異物質が付着したり堆積したりすることを抑制するのに有利となる。
(好ましい範囲)
好ましい範囲について、図4を用いつつ更に説明を加える。ここでAは面積(Area)、vは弁体21(valve)、inは入口、outは出口、dはダイヤフラム(diaphragm)を意味する。符号0はローリングダイヤフラム6の閉弁状態を意味する。符号1はローリングダイヤフラム6の開弁状態を意味する。入口ポート10(流体室18)の圧力をP1とし、出口ポート11の圧力をP2とし、大気圧をPaとする。
好ましい範囲について、図4を用いつつ更に説明を加える。ここでAは面積(Area)、vは弁体21(valve)、inは入口、outは出口、dはダイヤフラム(diaphragm)を意味する。符号0はローリングダイヤフラム6の閉弁状態を意味する。符号1はローリングダイヤフラム6の開弁状態を意味する。入口ポート10(流体室18)の圧力をP1とし、出口ポート11の圧力をP2とし、大気圧をPaとする。
弁体21が閉弁しているときには、図4に示すように、弁体21の有効受圧径およびローリングダイヤフラム6の有効受圧径をそれぞれ同一径に設定し、R0とする。出口ポート11には流体が流れていないため、出口ポート11の圧力P2は大気圧となり、Paとなる。入口ポート10の圧力P1を下向きに受圧する弁体21の有効受圧面積Avinとする。なお、弁体21の上面の外縁領域21uと弁体21の下面の外縁領域21dには、入口ポート10の圧力P1が互いに逆方向に作用して実質的に相殺される。
図4において、出口ポート11の圧力P2を上向き(開弁方向)に受圧する弁体21の有効受圧面積をAvout(弁体21の下面のうちリング状の弁座13の着座面で区画される開口の面積に相当)とする。ローリングダイヤフラム6の下面6dは、入口ポート10の圧力P1を上向き(開弁方向)に受圧する。閉弁時において、入口ポート10の圧力P1を上向き(開弁方向)に受圧するローリングダイヤフラム6の有効受圧面積Adin0(Adin0はAshutに相当)とする。また、開弁時において、入口ポート10の圧力P1を上向き(開弁方向)に受圧するローリングダイヤフラム6の有効受圧面積をAdin1(Adin1はAopenに相当)とする。
ここで、ローリングダイヤフラム6の有効受圧面積Adin0(Adin0はAshutに相当)と、有効受圧面積Adin1(Adin1はAopenに相当)とは共に、ローリングダイヤフラム6の曲成部63の頂部64よりも径内側の領域に相当する。
また図4において、ローリングダイヤフラム6の上面6uは、作動室19の圧力Paを下向き(閉弁方向)に受圧する。閉弁時において、作動室19の圧力(Pa)を下向き(閉弁方向)に受圧するローリングダイヤフラム6の有効受圧面積Adout0とする。開弁時において、作動室19の圧力(Pa)を下向き(閉弁方向)に受圧するローリングダイヤフラム6の有効受圧面積Adout1とする。
Adout0およびAdout1についても、ローリングダイヤフラム6の曲成部63の頂部64の内側の領域の面積に相当する。作動室19の圧力は弁軸24の軸端面24uに作用するため、Adout0およびAdout1はそれぞれ、軸端面24uの受圧面積も含む。
駆動部4の駆動力を小さくし、駆動部4の小型化を図るためには、弁体21が閉弁している状態において、図4に示すように、Avin=Adin0の関係、Avout=Adout0の関係に、弁体21、ローリングダイヤフラム6、傾斜面7,弁口12および弁座13の構造は設定されていることが好ましい。
更に説明を加える。入口ポート10の流体がダイヤフラムを上向き(開弁方向)に加圧する力を負記号とする。入口ポート10(流体圧18)の流体が弁体21を下向き(閉弁方向)に加圧する力を正記号とする。閉弁時には、出口ポート11には流体が流れないため、出口ポート11の圧力P2は大気圧Paとなる。ここで、弁軸24を閉弁方向に付勢する力をF1とすると、式(1)が得られる。
式(1)…
F1=P1・Avin+Pa・Adout0−P1・Adin0−Pa・Avout
ここで図4から理解できるように、弁体21が閉弁しているとき、ローリングダイヤフラム6の曲成部63の頂部64を、軸芯PKと平行に通過する仮想線をKAとすると、仮想線KAは、ボディ1の弁座13の着座部を通るように設定されている。故に、図4から理解できるように、Avin=Adin0であり、Avout=Adout0の関係に設定されている。
式(1)…
F1=P1・Avin+Pa・Adout0−P1・Adin0−Pa・Avout
ここで図4から理解できるように、弁体21が閉弁しているとき、ローリングダイヤフラム6の曲成部63の頂部64を、軸芯PKと平行に通過する仮想線をKAとすると、仮想線KAは、ボディ1の弁座13の着座部を通るように設定されている。故に、図4から理解できるように、Avin=Adin0であり、Avout=Adout0の関係に設定されている。
故に、これらを式(1)に代入すれば、弁軸24を閉弁方向に付勢する力F1としては、弁F1=0となる。このため入口ポート10および流体室18の圧力P1の変動の影響を受けることを避けつつ、駆動部4は小さな開弁用駆動力で弁軸24および弁体21を開弁させることができる。故に、駆動モータ40を、出力トルクが小さな小型のモータにでき、バルブ装置の小型化、軽量化および低廉化を図り得る。駆動モータ40に代えて励磁コイル部を設ける場合であっても、励磁コイル部を小型化できる。
このように弁体21が閉弁している状態において、弁軸24を閉弁方向に付勢する力F1を0とし、入口ポート10の圧力P1の変動の影響を駆動部4が受けることを抑えるという効果を得るためには、Avin=Adin0の関係、Avout=Adout0の関係、あるいは、Avin≒Adin0の関係、Avout≒Adout0の関係とすることが好ましい。従って、Avin/Adin0としては、0.8〜1.2の範囲内が好ましく、更には、0.9〜1.0の範囲内、あるいは、0.95〜1.05の範囲内が好ましい。また、弁体21が閉弁しているとき、Avout/Adout0としては、0.8〜1.2の範囲内が好ましく、更には0.9〜1.0の範囲内、0.95〜1.05の範囲内が好ましい。
図2は弁体21が開弁している状態を示す。開弁されている弁口12を介して、流体が入口ポート10から出口ポート11に流れるとき、流体の流量をQとすると、圧力損失により、P2−Pa=f(Q)の特性(一般的には一次式または二次式に近似)が得られる。流量Qの増加に伴い、圧力損失は増加する。
図4によれば、開弁しているとき弁軸24に閉弁方向に付勢する力をF2とすると、式(2)が得られる。
式(2)…F2=P1・Avin+Pa・Adout1−P1・Adin1−P2・Avout
ΔP1=P1−Pa、ΔP2=P2−Paとすると、式(3)が得られる。ここで、ΔP1は、バルブ装置自身の圧力損失とバルブ装置出口側に接続される配管等の圧力損失との和を意味する。ΔP2は、バルブ装置出口側に接続される配管等の圧力損失を意味する。
式(3)…F2=(ΔP1+Pa)・Avin+Pa・Adout1−(ΔP1+Pa)・Adin1−(ΔP2+Pa)・Avout
更に、式(3)を整理すると、式(4)〜式(9)が得られる。
式(4)…F2=ΔP1・Avin+Pa・Avin+Pa・Adout1−ΔP1・Adin1−Pa・Adin1−ΔP2・Avout−Pa・Avout
式(5)…F2=ΔP1・Avin+−ΔP1・Adin1−ΔP2・Avout+Pa・Avin+Pa・Adout1−Pa・Adin1−Pa・Avout
式(6)…F2=ΔP1(Avin−Adin1)−ΔP2・Avout+Pa{Avin−Adin1)−(Avout−Adout1)}
式(2)…F2=P1・Avin+Pa・Adout1−P1・Adin1−P2・Avout
ΔP1=P1−Pa、ΔP2=P2−Paとすると、式(3)が得られる。ここで、ΔP1は、バルブ装置自身の圧力損失とバルブ装置出口側に接続される配管等の圧力損失との和を意味する。ΔP2は、バルブ装置出口側に接続される配管等の圧力損失を意味する。
式(3)…F2=(ΔP1+Pa)・Avin+Pa・Adout1−(ΔP1+Pa)・Adin1−(ΔP2+Pa)・Avout
更に、式(3)を整理すると、式(4)〜式(9)が得られる。
式(4)…F2=ΔP1・Avin+Pa・Avin+Pa・Adout1−ΔP1・Adin1−Pa・Adin1−ΔP2・Avout−Pa・Avout
式(5)…F2=ΔP1・Avin+−ΔP1・Adin1−ΔP2・Avout+Pa・Avin+Pa・Adout1−Pa・Adin1−Pa・Avout
式(6)…F2=ΔP1(Avin−Adin1)−ΔP2・Avout+Pa{Avin−Adin1)−(Avout−Adout1)}
閉弁状態から開弁状態に移行するにつれて、ローリングダイヤフラム6の有効受圧断面積が減少する減少量をΔA(図4参照)とする。図4から理解できるように、
ΔA+Adin1=Avin、また、ΔA+Adout1=Adout0=Avout
従って、ΔA=Avin−Adin1=Avout−Adout1
これを式(6)に代入すると、式(7)が得られる。
式(7)…F2=ΔP1(Avin−Adin1)−ΔP2・Avout
ここで、c=Avout/Avin(固定値)とすると、式(8)が得られる。
式(8)…F2=ΔP1(Avin−Adin1)−ΔP2・c・Avin
ここで、力F2を0とするためには、
F2=0=ΔP1(Avin−Adin1)−ΔP2・c・Avin
0=ΔP1・Avin−ΔP1・Adin1−ΔP2・c・Avin
ΔP1・Adin1=ΔP1・Avin−ΔP2・c・Avin
Adin1=Avin−(ΔP2/ΔP1)・c・Avin
式(9)…Adin1=Avin(1−c(ΔP2/ΔP1))
上記した式(9)が得られるように、第2ボディの傾斜面7の円錐形状の傾き角度θaを設定すれば、力F2は0となる。この結果、圧力P1の変化の影響を避けつつ、駆動モータ40の駆動力を低減させることができる。故に、駆動モータ40を、出力トルクが小さな小型のモータにでき、バルブ装置の小型化および軽量化を図り得る。駆動モータ40を励磁コイル部に変更した場合であっても、励磁コイル部を小型化できる。
ΔA+Adin1=Avin、また、ΔA+Adout1=Adout0=Avout
従って、ΔA=Avin−Adin1=Avout−Adout1
これを式(6)に代入すると、式(7)が得られる。
式(7)…F2=ΔP1(Avin−Adin1)−ΔP2・Avout
ここで、c=Avout/Avin(固定値)とすると、式(8)が得られる。
式(8)…F2=ΔP1(Avin−Adin1)−ΔP2・c・Avin
ここで、力F2を0とするためには、
F2=0=ΔP1(Avin−Adin1)−ΔP2・c・Avin
0=ΔP1・Avin−ΔP1・Adin1−ΔP2・c・Avin
ΔP1・Adin1=ΔP1・Avin−ΔP2・c・Avin
Adin1=Avin−(ΔP2/ΔP1)・c・Avin
式(9)…Adin1=Avin(1−c(ΔP2/ΔP1))
上記した式(9)が得られるように、第2ボディの傾斜面7の円錐形状の傾き角度θaを設定すれば、力F2は0となる。この結果、圧力P1の変化の影響を避けつつ、駆動モータ40の駆動力を低減させることができる。故に、駆動モータ40を、出力トルクが小さな小型のモータにでき、バルブ装置の小型化および軽量化を図り得る。駆動モータ40を励磁コイル部に変更した場合であっても、励磁コイル部を小型化できる。
上記した式(9)を考慮すれば、Adin1=Avin(1−c(ΔP2/ΔP1))×βが好ましい。βは補正係数であり、0.8〜1.2の範囲内が好ましく、更には、0.9〜1.0の範囲内、あるいは、0.95〜1.05の範囲内が好ましい。
なお、上記した流体が乾燥空気である場合、(P2/P1)<0.52が成立し、且つ、P1が一定の場合には、P2の値とは関係なしに、弁口12の開口面積と流量とは比例関係となる。従って弁体21の開弁方向の変位yと流量Qは比例関係となり(Q=a・y)となる。また、弁口12の圧損をΔP2とするとき、ΔP2が流量Qとほぼ比例関係と近似できる場合には(ΔP2=b・Q)、ΔP2=a・b・yとなる。上記した式(9)にこれらを代入すると、Adin1=Avin(1−(a・b・c・y)/ΔP1)となる。この式がほぼ成立するように、傾斜面7の傾きを設定する。
(実施形態2)
図5は実施形態2を示す。本実施形態は実施形態1と基本的には同様の構成、作用効果を有する。以下、相違する部分を中心として説明する。図5に示すように、弁体21を閉弁方向に付勢する付勢要素として機能するバネ9が設けられている。バネ9は弁軸24と同軸的なコイル状をなしているが、板バネ等にしても良い。バネ9の一端部がブッシュ17の着座面17xに着座しており、バネ9の他端部が弁軸24の鍔部25に着座している。この場合、入口ポート10の圧力P1、出口ポート11の圧力P2が共に大気圧Paとされるときであっても、バネ9の閉弁方向への付勢力により、弁体21は良好に閉弁される。
図5は実施形態2を示す。本実施形態は実施形態1と基本的には同様の構成、作用効果を有する。以下、相違する部分を中心として説明する。図5に示すように、弁体21を閉弁方向に付勢する付勢要素として機能するバネ9が設けられている。バネ9は弁軸24と同軸的なコイル状をなしているが、板バネ等にしても良い。バネ9の一端部がブッシュ17の着座面17xに着座しており、バネ9の他端部が弁軸24の鍔部25に着座している。この場合、入口ポート10の圧力P1、出口ポート11の圧力P2が共に大気圧Paとされるときであっても、バネ9の閉弁方向への付勢力により、弁体21は良好に閉弁される。
閉弁時において、入口ポート10の圧力P1を閉弁方向(矢印H2方向、下向き)に受圧する弁体21の有効受圧面積Avinとし、ローリングダイヤフラム6の曲成部63の頂部64で区画され開弁方向(矢印H1方向、上向き)に受圧する有効断面積をAdin0とすると、バネ9の閉弁方向(矢印H2方向)への付勢力を考慮し、Adin0>Avinに設定する。
換言すると、バネ9が搭載されている場合には、バネ9の閉弁方向への付勢力をFSとすると、基本的には、P1・Avin+FS=P1・Adin0の関係に設定することが好ましい。即ち、FS=P1・(Adin0−Avin)となるように、Adin0およびAvinの各有効面積を設定することが好ましい。
従って補正係数をδとすると、FS=P1・(Adin0−Avin)・δとなるようにAdin0およびAvinの有効受圧面積を設定することが好ましい。δは補正係数であり、0.8〜1.2、あるいは、0.9〜1.1、あるいは、0.95〜1.05が採用される。
(実施形態3)
図6〜図8は実施形態3を示す。本実施形態は実施形態1と基本的には同様の構成、作用効果を有する。以下、相違する部分を中心として説明する。図6に示すように、ボディ1は第1ボディ1fと第2ボディ1sとをもつ。第2ボディ1sのうち、ローリングダイヤフラム6に対面する内壁面1iは、鉛直方向に沿って延設されており、弁軸24の軸芯PKに沿ったほぼ円筒状の内周面をもつ。図6に示すように、可動体2は、鉛直方向に沿っており、弁口12を開閉する円板状をなす弁体21と、弁体21を開弁および閉弁させる可動部として機能する弁軸24とをもつ。弁軸24は弁体21の中央域に配置されている。弁軸24は鉛直方向に沿った縦軸型をなしており、第2ボディ1sの取付孔14に筒形状のブッシュ17を介して鉛直方向に沿って摺動可能に設けられている。
図6〜図8は実施形態3を示す。本実施形態は実施形態1と基本的には同様の構成、作用効果を有する。以下、相違する部分を中心として説明する。図6に示すように、ボディ1は第1ボディ1fと第2ボディ1sとをもつ。第2ボディ1sのうち、ローリングダイヤフラム6に対面する内壁面1iは、鉛直方向に沿って延設されており、弁軸24の軸芯PKに沿ったほぼ円筒状の内周面をもつ。図6に示すように、可動体2は、鉛直方向に沿っており、弁口12を開閉する円板状をなす弁体21と、弁体21を開弁および閉弁させる可動部として機能する弁軸24とをもつ。弁軸24は弁体21の中央域に配置されている。弁軸24は鉛直方向に沿った縦軸型をなしており、第2ボディ1sの取付孔14に筒形状のブッシュ17を介して鉛直方向に沿って摺動可能に設けられている。
図6に示すように、可動体2は、ローリングダイヤフラム6に対面してローリングダイヤフラム6の姿勢を支持する金属または硬質樹脂製の姿勢支持部材3Bを備えている。姿勢支持部材3Bは円錐筒形状をなしており、弁軸24の鍔部25と弁体21とで固定された底部30と、底部30から上方に円錐筒形状に延設された筒部32Bとをもつ。筒部32Bの内壁面32iは弁軸24に対面している。筒部32Bの外壁面としての傾斜面7Bは、可動体2のうちローリングダイヤフラム6に対面している。可動体2の開弁動作が進行する方向(矢印H1方向)に進むにつれて、筒部32Bの傾斜面7Bの外径Dpは増加するように、傾斜面7Bは円錐状に形成されている。傾斜面7Bは弁軸24の軸芯PKに対して角度θb傾いている。角度θbとしては、5〜60°の範囲内、10〜35°の範囲内で設定することが好ましい。このように姿勢支持部材3の筒部32の外壁面に傾斜面7Bは形成されている。入口ポート10および流体室18の流体圧によって、姿勢支持部材3Bの傾斜面7Bとボディ1のほぼ直円筒形状の内壁面1iとにローリングダイヤフラム6が離脱可能に張り付いている。
図8は、閉弁している弁体21が開弁方向(矢印H1方向,上方)に移動するときにおけるローリングダイヤフラム6の曲成部63の変化を示す。弁軸24が矢印H1,H2方向に移動するとき、姿勢支持部材3の傾斜面7Bは、実質的に平行移動する。図8において、形態M00は、弁体21が閉弁しているときにおけるローリングダイヤフラム6の曲成部63を示す。弁体21が開弁方向(矢印H1方向,上方)に進行すると、形態M00→形態M10→形態M20となる。
形態M00では、ローリングダイヤフラム6については、曲成部63の中心をC00とし、中心C00の直径をR00とし、曲成部63の曲率半径をr00とする。形態M10では、曲成部63の中心をC10とし、中心C10の直径をR10とし、曲成部63の曲率半径をr10とする。形態M20では、曲成部63の中心をC20とし、中心C20の直径をR20とし、曲成部63の曲率半径をr20とする。図8から理解できるように、曲成部63の曲率半径としては、r00<r10<r20とされており、ローリングダイヤフラム6の有効受圧径としては、R20<R10<R00とされている。
図8から理解できるように、閉弁している弁体21が開弁方向(矢印H1方向)に移動して開弁度が進行するにつれて、ローリングダイヤフラム6が筒部32Bの傾斜面7Bに張り付いている張り付き量は、次第に減少していく。更に、ローリングダイヤフラム6の曲成部63の頂部64の直径を示す有効受圧径としては、R00→R10→R20のように次第に減少する。結果として、ローリングダイヤフラム6の有効受圧面積(曲成部63の頂部64よりも内側の面積)は、次第に減少する。ローリングダイヤフラム6の有効受圧面積は、ローリングダイヤフラム6の有効受圧径R00,R10,R20に対応するためである。
従って、弁体21が閉弁しているときにおけるローリングダイヤフラム6の有効受圧面積Ashutとし、弁体21が開弁しているときにおけるローリングダイヤフラム6の有効受圧面積Aopenとするとき、Ashutよりもopenは相対的に小さく(Aopen<Ashut)設定されている。
この結果、入口ポート10および流体室18の流体の圧力P1がローリングダイヤフラム6の下面6dを開弁方向に付勢している力(開弁アシスト力、閉弁抵抗)については、開弁時は閉弁時よりも相対的に小さくなる。従って、開弁している弁体21を閉弁方向(矢印H2方向)に移動させる閉弁初期において、入口ポート10および流体室18における流体の圧力P1に起因する閉弁抵抗が小さくなり、駆動部4による閉弁動作をスムースに行なうことができる。このため開弁状態の弁体21を閉弁方向(矢印H2方向)に移動させるとき、駆動部4の閉弁用駆動力を小さくでき、駆動部4の小型化を図り得る。
また図6は弁体21が閉弁している状態を示す。閉弁状態の弁体21を開弁方向(矢印H1方向)に持ち上げて開弁させるとき、駆動部4の駆動モータ40が駆動して弁軸24を矢印H1方向に持ち上げ、弁体21を持ち上げる。この場合、第1ポート10および流体室18の流体(気体または液体)の圧力P1は、ローリングダイヤフラム6を開弁方向(矢印H1方向)に付勢している。結果として、ローリングダイヤフラム6の下面6dに作用する第1ポート10および流体室18の圧力P1は、開弁アシスト力として機能することができる。従って、駆動部4の開弁用駆動力によって弁体21を開弁方向(矢印H1方向)に移動させるとき、駆動部4の開弁用駆動力は、開弁アシスト力によってアシストされる。従って、駆動部4の開弁用駆動力を小さくできる。この場合、駆動部4の小型化を図り得る。
本実施形態では、図6から理解できるように、弁体21が閉弁しているとき、ローリングダイヤフラム6の曲成部63の頂部64を、弁軸24の軸芯PKと平行に通過する仮想線をKCとする。また図7から理解できるように、弁体21が開弁しているとき、ローリングダイヤフラム6の曲成部63の頂部64を、弁軸24の軸芯PKと平行に通過する仮想線をKDとすると、仮想線KDは仮想線KCよりも径内側(軸芯PK側)に移動している。
更に本実施形態においても、上記した特許文献1とは異なり、図6から理解できるように、閉弁時において、出口ポート11は弁体21で閉鎖されている。故に、入口ポート10の流体はもとより、出口ポート11の流体は、ローリングダイヤフラム6のうち可動体2側に流入しない構造が採用されている。このため、流体が異物質を含むときであっても、弁軸24の摺動部位に異物質が付着したり堆積したりすることを抑制するのに有利となる。
(実施形態4)
図9は実施形態4を示す。本実施形態は燃料電池システムに適用している。実施形態1と基本的には共通の構成および共通の作用効果を有する。共通する部位に共通の符号を付する。燃料発電システムは、改質器100と、燃焼器200と、燃料電池300と、改質器100と燃料電池300とを繋ぐ供給通路400とを備えている。改質器100には、改質用原料としての原料ガス(例えば天然ガス、都市ガス)および原料水(または水蒸気)を送給する送給通路110が設けられている。送給通路110には、原料ガスの流量を制御する制御弁100e、原料ガスを搬送するポンプ等の搬送要素100f、原料ガスのガス源100kが接続されている。改質器100は、水蒸気を利用して原料ガスを改質させて水素リッチな燃料ガス(燃料)を生成する。このため改質器100で改質された燃料ガスは水蒸気を含むことが多い。
図9は実施形態4を示す。本実施形態は燃料電池システムに適用している。実施形態1と基本的には共通の構成および共通の作用効果を有する。共通する部位に共通の符号を付する。燃料発電システムは、改質器100と、燃焼器200と、燃料電池300と、改質器100と燃料電池300とを繋ぐ供給通路400とを備えている。改質器100には、改質用原料としての原料ガス(例えば天然ガス、都市ガス)および原料水(または水蒸気)を送給する送給通路110が設けられている。送給通路110には、原料ガスの流量を制御する制御弁100e、原料ガスを搬送するポンプ等の搬送要素100f、原料ガスのガス源100kが接続されている。改質器100は、水蒸気を利用して原料ガスを改質させて水素リッチな燃料ガス(燃料)を生成する。このため改質器100で改質された燃料ガスは水蒸気を含むことが多い。
燃焼器200は、燃焼用原料としての燃焼用ガスを燃焼させることにより改質器100を改質反応に適するように加熱する。燃焼器200は改質器100を効果的に加熱できるように改質器100に隣接されている。改質器100と燃焼器200とで改質ユニットを構成する。燃焼器200に燃焼用ガスを供給する燃焼用ガス通路220が設けられている。燃焼用ガス通路220には、燃焼用ガスの流量を調整する制御弁220eが設けられている。
燃料電池300は燃料極と酸化剤極とを有する。燃料電池300は発電運転により昇温するため、冷却水通路320を流れる冷却水により冷却され、燃料電池300の過熱が抑制されている。供給通路400は、改質器100の出口100pと燃料電池300の燃料極の入口300iとを繋ぐ。供給通路400には、供給弁500(燃料遮断要素)が燃料電池3の燃料極の入口300iの上流に位置して設けられている。
改質器100で改質された燃料ガスは、供給通路400を介して燃料電池300の燃料極に供給される。酸化剤通路330から酸化剤ガス(空気)は加湿器333で加湿された後に、燃料電池300の酸化剤極に供給される。これにより燃料電池300は発電する。
燃料電池300の燃料極の燃料出口300pと燃焼器200とを繋ぐ帰還通路610が設けられている。帰還通路610には開閉可能な帰還弁600(燃料オフ流体遮断要素)が設けられている。燃料電池300で発電反応に使用された燃料オフガス(燃料オフ流体)には、燃料成分が残留していることがある。そこで、帰還弁600が開弁すると、帰還通路610は、燃料電池300で発電反応に使用された燃料オフガスを燃料極の出口300pから凝縮器730を介して燃焼器200に帰還させ、燃焼器200で再利用する。
図9に示すように、供給通路400には分岐部400aを介してバイパス通路650が設けられている。バイパス通路650は、改質器100で改質された燃料ガスを燃料電池300に流さないように、燃料電池300を迂回させるものである。バイパス通路650には、開閉可能なバイパス弁660(燃料遮断要素)が設けられている。システムの起動時には、改質器100の温度が必ずしも充分に安定していない。このため、改質器100の改質反応で生成された燃料ガスの組成は、必ずしも充分に安定していないことがある。そこで、システムの起動時には、供給弁500および帰還弁600を遮断し、バイパス弁660を開弁させて、改質器100からの燃料ガスを燃料電池300に流さず、バイパス通路650から燃焼器200に帰還させる。これにより起動直後に改質された燃料ガスは、燃焼器200の燃焼に再利用される。
使用方法について説明を加える。起動時には、供給弁500および帰還弁600が閉弁されている。先ず、制御弁220eが開弁して燃焼用ガス通路220から燃焼用ガス(燃焼用原料)が燃焼器200に供給されるとともに、空気通路230から空気が燃焼器200に供給され、燃焼器200で燃焼用ガスが燃焼する。これにより改質器100が次第に加熱されて昇温する。送給通路110により原料ガスおよび水蒸気が改質器100に供給され、改質器100において改質反応により水素リッチな燃料ガスが生成される。
しかしシステムの起動時初期には、改質器100の温度が必ずしも充分に安定していないことがある。このため、改質器100の改質反応で生成された燃料ガスの組成は、必ずしも充分に安定していないことがある。例えば、定常運転のときよりも、水素濃度が低いことがある。また、燃料電池300の燃料極に担持されている触媒に影響を与える物質が燃料ガスに含有されているおそれがある。
そこでシステムの起動時初期には、供給弁500および帰還弁600が閉弁されている状態で、バイパス弁660を開弁して、改質器100からの燃料ガスを燃料電池300の燃料極に流さず、バイパス通路650から凝縮器730を介して燃焼器200に帰還させる。これにより燃料ガスは燃焼器200の燃焼に再利用される。
燃焼器200での燃焼が継続されると、改質器100の温度が安定する。改質器100の改質反応で生成された燃料ガスの組成も次第に安定する。そこで、バイパス弁660が閉弁した状態で、供給弁500および帰還弁600が開弁する。すると、改質器100で生成された燃料ガスは、供給通路400および供給弁500を経て燃料電池300の燃料極の入口300iに至り、発電反応に使用される。燃料電池300の酸化剤極の入口に繋がる酸化剤通路330には、酸化剤供給用の供給弁335が設けられている。燃料電池300の酸化剤極の出口には酸化剤排出通路337が設けられ、酸化剤排出通路337には、酸化剤オフガスを排出する排出弁338が設けられている。発電反応を経た酸化剤ガス(一般的には空気)は酸化剤オフガスとなり、燃料電池300の酸化剤極の出口から酸化剤排出通路337および排出弁338を経て外気に放出される。
発電反応を経た燃料は燃料オフガスとなる。燃料オフガスは、燃料電池300の燃料極の出口300pから帰還通路600に吐出され、帰還通路610および帰還弁600を経て、更に凝縮器730を経て燃焼器200に帰還する。これにより燃料オフガスは燃焼器200の燃焼に再利用される。発電反応を経た燃料は燃料オフガスとなる。
供給通路400の供給弁500、帰還通路610の帰還弁600、バイパス通路650のバイパス弁660、酸化剤通路330の供給弁335、酸化剤排出通路337の排出弁338のうち少なくとも一つを、上記した各実施形態に係るバルブ装置とすることができる。更に制御弁220eについても、上記した各実施形態に係るバルブ装置とすることができる。このバルブ装置は上記したように駆動部の小型化を図り得る。なお、改質器を搭載しないものの燃料貯蔵タンクを搭載している燃料電池システムに適用しても良い。
(その他)
上記した実施形態によれば、駆動部4は駆動モータ40を備えているが、これに限らず、駆動部は駆動モータ40に代えて励磁コイル部を備えていることにしても良い。励磁コイル部に通電すると発生する磁気吸引力により弁軸24を開弁方向に移動させても良い。この場合には弁軸24は、磁気で吸引させる材質で形成する必要がある。あるいは、気体室をボディ内に設け、気体室に供給した気体の圧力により、弁軸24を開弁方向に移動させても良い。更に上記した実施形態によれば、弁軸24の軸芯PKは鉛直方向に沿っているが、これに限らず、鉛直方向に対して傾斜させても良い。本発明は上記し且つ図面に示した実施形態のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施可能である。ある実施形態に設けられている特有の構造および機能は、他の実施形態においても適用可能である。
上記した実施形態によれば、駆動部4は駆動モータ40を備えているが、これに限らず、駆動部は駆動モータ40に代えて励磁コイル部を備えていることにしても良い。励磁コイル部に通電すると発生する磁気吸引力により弁軸24を開弁方向に移動させても良い。この場合には弁軸24は、磁気で吸引させる材質で形成する必要がある。あるいは、気体室をボディ内に設け、気体室に供給した気体の圧力により、弁軸24を開弁方向に移動させても良い。更に上記した実施形態によれば、弁軸24の軸芯PKは鉛直方向に沿っているが、これに限らず、鉛直方向に対して傾斜させても良い。本発明は上記し且つ図面に示した実施形態のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施可能である。ある実施形態に設けられている特有の構造および機能は、他の実施形態においても適用可能である。
本発明は車両、産業機器などに使用されるダイヤフラム式バルブ装置に利用できる。
1はボディ、10は入口ポート、11は出口ポート、12は弁口、13は弁座、2は可動体、21は弁体、24は弁軸、27はラック部、4は駆動部、40は駆動モータ、41は駆動軸、42はピニオン、18は流体室、19は作動室、3は姿勢支持部材、32は筒部、6はローリングダイヤフラム、63は曲成部、64は頂部、7は傾斜面を示す。
Claims (4)
- 流体が供給される入口ポート、流体が吐出される出口ポート、前記入口ポートおよび前記出口ポートの間に形成された弁口をもつボディと、
前記弁口を開閉する弁体と前記弁体を開弁および閉弁させる可動部とをもつ可動体と、
前記可動体を開弁動作および閉弁動作させる駆動部と、
前記入口ポートに連通する流体室と前記入口ポートに非連通の作動室とに前記ボディ内を仕切るように前記ボディと前記可動体との間に設けられ、前記可動体の開弁動作および閉弁動作に伴い撓み変形するローリングダイヤフラムとを具備しており、
前記ボディおよび前記可動体のうちの少なくとも一方は、
前記可動体の開弁動作および閉弁動作に伴い前記ローリングダイヤフラムに対面接触可能に設けられ、対面接触に伴い前記ローリングダイヤフラムの曲成部の曲率を変化させて前記ローリングダイヤフラムの有効受圧面積を可変とする傾斜面を備えており、
前記弁体が閉弁しているときにおける開弁方向に受圧する前記ローリングダイヤフラムの有効受圧面積をAshutとし、前記弁体が開弁しているときにおける開弁方向に受圧する前記ローリングダイヤフラムの有効受圧面積をAopenとするとき、
AshutよりもAopenを小さく(Aopen<Ashut)設定するように、前記傾斜面は、前記可動体の軸芯に対して傾斜されていることを特徴とするダイヤフラム式バルブ装置。 - 請求項1において、前記傾斜面は、前記ボディのうち前記ローリングダイヤフラムに対面する内壁面に設けられており、前記可動体の開弁動作が進行する方向に進むにつれて、前記内壁面の内径が減少するように円錐状に形成されていることを特徴とするダイヤフラム式バルブ装置。
- 請求項1において、前記傾斜面は、前記可動体のうち前記ローリングダイヤフラムに対面する外壁面に設けられており、前記可動体の開弁動作が進行する方向に進むにつれて、前記外壁面の外径が増加するように円錐状に形成されていることを特徴とするダイヤフラム式バルブ装置。
- 請求項3において、前記可動体は、前記ローリングダイヤフラムに対面して前記ローリングダイヤフラムの姿勢を支持する姿勢支持部材を備えており、
前記姿勢支持部材は前記傾斜面を備えていることを特徴とするダイヤフラム式バルブ装置。
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-
2006
- 2006-11-29 JP JP2006321844A patent/JP2008133928A/ja not_active Withdrawn
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