JP2009197939A - 流体制御弁 - Google Patents

Abstract

【課題】 流体制御弁を高温の圧力流体を供給する流体供給源と接続する場合に、外部に熱交換器を設けなくても、部材の熱膨張による影響がなく、圧力や流量を精度よく制御できる流体制御弁を提供することである。
【解決手段】 ボディ１に、弁部材１１，１３を組み込むとともに、この弁部材１１，１３に対して圧力流体を導く流入ポート７と、弁部材１１，１３によって圧力もしくは流量を制御された流体を流出させる流出ポート８と、流体供給源からの圧力流体を導く導入ポート６とを設け、上記導入ポート６と流入ポート７とを接続する冷却用迂回路９を、上記弁部材よりも外側におけるボディ１内に設ける。そして、この冷却用迂回路９を通過する過程で、高温の圧力流体がボディ１外の空気と熱交換して冷却されるようにした。
【選択図】 図１

Description

この発明は、高温流体を制御するための流体制御弁に関する。

従来から、高温流体を制御する流体制御弁は、流体供給源と当該制御弁の流入ポートとの接続過程に、高温流体を冷却するための熱交換器を必要としていた。なぜならば、高温流体を当該制御弁の流入ポートに直接導くと、流体の高温の作用でポペットやシート部等が熱膨張して、それらの寸法に狂いが生じてしまうからである。
なお、制御対象である高温流体としては、例えば、燃料電池用の水素ガスが考えられる。この水素ガスは、水素吸蔵合金から放出されるが、水素吸蔵合金は、低温になると水素の放出能力が落ちてしまう性質がある。そこで、水素吸蔵合金から水素ガスを効率的に放出させるためには、水素吸蔵合金の加熱が不可欠である。この加熱温度は、合金の種類によって異なるが、現実には、８０℃〜３００℃に加熱して用いている。このように加熱された水素吸蔵合金から放出される水素は当然高温となる。

このような高温の水素ガスの圧力を必要な圧力まで減圧したり、あるいはその流量を調整したりしようとすると、当該流体制御弁の構成部品は耐熱材料で構成しなければならない。また、部品を耐熱部材で構成したとしても、当該流体制御弁の各構成部品が高温で膨張してしまい、流体の圧力や流量を正確に制御できないという問題が発生する。そのため、実際には、高温の流体を供給する流体供給源と、流体制御弁との間に、上記したように熱交換器を設けて、流体供給源側の高温流体を冷却してから流体制御弁に導くようにしていた。
特開２００７−１４８４６５号公報

上記のように、従来は、高温流体を制御する流体制御弁を用いるときには、流体供給源と流体制御弁との間に、冷却用の熱交換器を設けなければならなかったので、その熱交換器の分だけシステムが大きくなってしまうという問題があった。
この発明の目的は、上記熱交換器を不要にした流体制御弁を提供することである。

この発明は、ボディに、流入ポートと流出ポートとを形成するとともに、この流入ポートから流出ポートへ流れる流体の圧力もしくは流量を制御する弁部材を上記ボディに組み込んだ流体制御弁を前提とする。
上記流体制御弁を前提とし、第１の発明は、上記ボディには、流体供給源からの圧力流体を導く導入ポートを設け、この導入ポートと上記流入ポートとを連通させる冷却用迂回路を、上記弁部材よりも外側におけるボディ内に設けた点に特徴を有する。

第２の発明は、上記冷却用迂回路を、ボディ外周に沿って螺旋状に形成した点に特徴を有する。
第３の発明は、導入ポートと流入ポートとの間を接続する複数の冷却用迂回路を形成した点に特徴を有する。
第４の発明は、上記ボディの外周に、放熱手段を設けた点を特徴とする。

この発明によれば、流体制御弁のボディに圧力流体の冷却用迂回路を形成したので、流体供給源から供給される高温の圧力流体が、冷却用迂回路を通過する間に、ボディを介して外部の空気と熱交換することができる。このように、高温の圧力流体が冷却用迂回路を通過する間に熱交換により冷却されるので、減圧弁の外部に熱交換器を設けなくても、流体制御弁の流入ポートには冷却された流体が流入することになる。そのため、高温の圧力流体によって、弁部材などの部品が熱膨張して寸法が狂ってしまうことがなくなる。
従って、圧力流体の圧力や流量を精度よく制御するために、熱交換機を必要としない。つまり、システムが大型化しない。
また、流体制御弁において、弁部材などの部品を構成する材料の耐熱性のレベルを下げることができるので、材料選択の自由度が高まる。そのため、安価な材料を選択して、材料コストを下げることもできる。さらに、樹脂など、加工しやすい材料を用いることにより、加工コストを下げることも可能になる。

第２の発明では、螺旋状にすることによって、冷却用迂回路の長さを長くできる。そのため、高温の圧力流体がボディを介して熱交換する放熱面積が大きくなり、圧力流体を十分冷却できる。
第３の発明によれば、冷却用迂回路の数を多くして、高温の圧力流体の放熱面積を大きくすることができ、圧力流体を十分に冷却できる。
第４の発明によれば、冷却用迂回路を通過する圧力流体と外部空気との熱交換効率をさらに高めることができる。熱交換効率を高くできる分、冷却用迂回路を短くすることもでき、流量制御弁を小型化することも可能になる。

図１、図２に、この発明の第１実施形態を示す。
この第１実施形態は、内部に円柱状の空間を有する第１本体２、第２本体３、蓋部４及び基台５によって、ボディ１を構成するとともに、ボディ１内に弁部材を組み込み、その作用によって、流体供給源から供給される圧力流体を減圧してから流出させるための減圧弁である。
そして、上記蓋部４には、図示しない流体供給源から供給される高温の圧力流体を導く導入ポート６を開口させるとともに、上記第２本体３には、上記導入ポート６から導入される一次流体を、減圧機構に導く一次側ポート７と、減圧された流体を排出する二次側ポート８とを形成している。これら一次側ポート７がこの発明の流入ポートであり、二次側ポート８がこの発明の流出ポートである。

そして、蓋部４に形成した導入ポート６と上記第２本体３に形成した一次側ポート７とを、後で詳しく説明する複数の冷却用迂回路９を介して接続している。
また、第２本体３において、一次側ポート７と二次側ポート８との間には、スプリング室３ａとシート部１０を形成し、このシート部１０を開閉する位置にポペット１１を組み込んでいる。このポペット１１は、上記スプリング室３ａ側に位置するポペット部１１ａと、このポペット部１１ａの両側にポペット部１１ａと一体的に設けた第１ロッド部１１ｂと第２ロッド部１１ｃとを備えている。そして、上記基台５側の第１ロッド部１１ｂの先端側を、基台５に形成した支持凹部５ａ内に摺動自在に挿入し、この第１ロッド部１１ｂと反対側の第２ロッド部１１ｃを上記シート部１０から第１本体２側に向かって突出させている。また、上記スプリング室３ａでは、ポペット部１１ａと基台５との間にスプリング１２を介在させ、このスプリング１２によってポペット１１にシート部１０を閉じる方向の弾性力を作用させている。

さらに、ボディ１内であって、上記ポペット１１の第２ロッド部１１ｃの先端側には、第１、第２本体２，３の内周を摺動して軸方向に移動可能なピストン１３を組み込み、このピストン１３と第１本体２のスプリング室２ａの端面２ｂとの間にスプリング１４を介在させている。そして、このスプリング１４によって、ピストン１３にポペット１１方向への弾性力を作用させている。また、このピストン１３の外周にはシール部材１５を設け、スプリング室２ａに圧力流体が流入しないようにしている。
なお、上記ピストン１３側のスプリング１４の弾性力を、ポペット１１側のスプリング１２より大きくし、ポペット１１及びピストン１３に流体圧が作用していないとき、ポペット１１が、シート部１０より、図１の下方へ移動し、シート部１０を全開状態にするようにしている。但し、上記スプリング１４の弾性力を、図示しない調整手段によって調整可能にすることもできる。

このように構成した減圧弁の作用は次のとおりである。
上記ポペット１１とピストン１３とには、図１において上方に向かう力として、ポペット１１側のスプリング１２の弾性力、一次側ポート７から導入される一次圧及び二次側ポート８の二次圧が作用し、図中下方に向かう力として、ピストン１３側のスプリング１４の弾性力が作用する。従って、これらの力のバランスによって、上記ポペット１１及びピストン１３が上下方向に移動してシート部１０の開度を調整する。

例えば、一次圧が大きい場合、ポペット１１の上向きの力、すなわちシート部１０の開度を小さくする方向の力が大きくなる。また、シート部１０の開口から二次側ポート８へ流体が流れているとき、二次側ポート８の二次圧が、ピストン１３に対して上向きの力として作用する。そこで、上記二次圧が高くなって、上向きの力がスプリング１４の弾性力より大きくなると、上記ピストン１３がスプリング１４を撓ませて上方へ移動する。

一方、上記両スプリング１２，１４の弾性力は対向する方向に作用するとともに、この減圧弁の作動中には、ポペット１１に上向きの力として作用する一次圧の方が上記二次圧よりも高いため、ポペット１１の第２ロッド部１１ｃの先端はピストン１３に押し付けられ、ポペット１１はピストン１３と一体的に移動するようになっている。そこで、上記のように、二次圧が高くなってピストン１３が上昇すると、ポペット１１もピストン１３に追従して上昇することになる。ポペット１１が上昇すれば、シート部１０の開度が小さくなるので、二次圧の上昇を抑えることになる。
反対に、二次圧が低くなって、ピストン１３に作用する上向きの力が小さくなれば、スプリング１４の弾性力の作用によってピストン１３が押し下げられる。このとき、ポペット１１はピストン１３によって押し下げられるので、ポペット部１１ａがシート部１０から離れて開度を大きくし、二次圧の低下を抑える。

このように、ポペット１１及びピストン１３に作用する力のバランスで、ポペット１１が上下することによってシート部１０の開度を調整し、二次圧を一定の圧力に保つことができる。つまり、上記ポペット１１とピストン１３とによって、この発明の弁部材を構成し、この弁部材とシート部１０によって減圧機構を構成している。

上記のような減圧弁の作用は、従来の減圧弁と同様であるが、この第１実施形態の減圧弁は、上記導入ポート６と一次側ポート７とを接続する複数の冷却用迂回路９を備えている点が特徴である。
この冷却用迂回路９は、図１に示すように、上記導入ポート６に連通する流体室１６と第２本体３に形成した一次側ポート７とを接続する通路である。上記流体室１６は、ボディ１の蓋部４と第１本体２との間に形成された円盤状の流体室であり、この流体室１６の外周に沿って、複数の冷却用迂回路９を形成している（図２参照）。そして、この流体室１６の外周に沿って冷却用迂回路９を形成した位置が、この発明の弁部材よりも外側におけるボディ１内に相当する。
そして、図示していないが、上記スプリング室３ａには、上記冷却用迂回路９と同数の一次側ポート７を開口させ、上記複数の冷却用迂回路９は、上記流体室１６と反対側の端部で、それぞれ一次側ポート７に接続している。

このように、上記冷却用迂回路９は、ボディ１において、ポペット１１及びピストン１３からなる弁部材よりも外壁側に設けられ、導入ポート６から一次側ポート７までに一定以上の距離を保っている。そのため、流体供給源から上記導入ポート６へ供給される高温の圧力流体が、この複数の冷却用迂回路９を通過する間に、ボディ１の外壁を介して外部の空気と熱交換して冷却される。特に、この第１実施形態では、冷却用迂回路９を複数本設けることによって、流体がボディ外壁に接触する放熱面積を大きくするようにして、流体を十分に冷却できるようにしている。

そのため、弁部材を構成するポペット１１やシート部１０の寸法が熱膨張によって変化して、圧力制御に影響を与えることを防止できる。
言い換えれば、上記第１実施形態の減圧弁は、ボディ１に冷却用迂回路９を設けたので、減圧弁のボディ１の外部に、別個に熱交換器を設けなくても、流体供給源から供給される圧力流体の高温の影響を受け難くなり、二次圧を精度よく制御できる。そして、減圧弁の外部に熱交換器を必要としない分、システムを小型化することができる。

図３に示す第２実施形態は、冷却用迂回路９を、ボディ１の外周に沿った１本の螺旋状の通路にした減圧弁である。このように、冷却用迂回路９を螺旋状に形成することによって、１本の冷却用迂回路９の長さを長くすることができ、放熱面積を大きくして、冷却用迂回路９を通過する高温の圧力流体を十分に冷却できるようにしている。その他の構成は、上記第１実施形態と同じなので、第１実施形態と同じ構成要素には、同じ符号を用いている。
また、この第２実施形態の減圧弁としての作用も第１実施形態と同様なので、その説明も省略する。

この第２実施形態の減圧弁も、流体供給源から供給された高温の圧力流体は、導入ポート６から一次側ポート７に導入されるまでに螺旋状の冷却用迂回路９を通過し、その間でボディ１外の空気と熱交換する。
従って、流体供給源から高温の圧力流体が導入ポート６に導入されても、ポペット１１及びピストン１３からなる弁部材が熱膨張の影響を受け難く、二次圧を精度よく制御することができる。そして、減圧弁の外部に熱交換器を必要としない分、システムを小型化することができる。

なお、上記螺旋状の冷却用迂回路９は、どのようにして形成してもよいが、例えば、筒状のボディを、外筒と内筒とで構成される二重構造にすることによって形成することができる。具体的には、外筒の内壁に線状の凹部を螺旋状に形成し、この外筒の内壁に外壁が一致する内筒を挿入するか、外壁に螺旋状の凹部を形成した内筒を、凹部を形成していない外筒内に挿入するかして第１本体２及び第２本体３を構成する。あるいは、外筒の内周と内筒の外周の両方に螺旋状凹部を形成し、両者を一致させて、第１本体２及び第２本体３を構成する。このようにすれば、ボディ壁面の肉厚内に螺旋状の冷却用迂回路９を形成できる。

そして、上記冷却用迂回路９内を流れる高温の圧力流体と外部空気との熱交換効率を高めるためには、高温の圧力流体がボディ１に接触する放熱面積を大きくする必要がある。そのために、第１実施形態では、冷却用迂回路９の数を多くし、第２実施形態では、１本の冷却用迂回路９の長さを長くしているが、複数の冷却用迂回路９を螺旋状に形成することによって、より放熱面積を大きくすることができる。
また、上記冷却用迂回路９を、ボディ１の外壁側に近づけて形成することも、熱交換効率を高めるために有効である。

さらに、ボディ１の外周に、フィンや突起などの放熱手段を設けることによって、熱交換効率をさらに高めることもできる。
なお、この発明の流体制御弁は、上記第１、第２実施形態の減圧弁に限らない。この発明の流体制御弁としては、導入ポートと流入ポートとを弁部材の外側におけるボディ内に設けた冷却用迂回路９によって接続し、弁部材を用いて圧力流体の圧力や流量を制御するものであれば、その他の構造はどのようなものでもよい。
また、上記流体制御弁の制御対象となる圧力流体は、液体でもガスでもよい。例えば、水素吸蔵合金を、水素ガス供給源として用いる場合にも、この発明の流体制御弁を用いれば、水素吸蔵金属を加熱して水素の放出効率を高めながら、燃料電池への供給圧力もしくは流量を正確に制御する際に、冷却用の熱交換器を不要にすることができる。

第１実施形態の断面図である。 図１のII-II線断面図である。 第２実施形態の断面図である。

符号の説明

１ ボディ
２ 第１本体
３ 第２本体
４ 蓋部
５ 基台
６ 導入ポート
７ （流入ポートである）一次側ポート
８ （流出ポートである）二次側ポート
９ 冷却用迂回路
１０ シート部
１１ ポペット
１３ ピストン

Claims (4)

1. ボディに、流入ポートと流出ポートとを形成するとともに、この流入ポートから流出ポートへ流れる流体の圧力もしくは流量を制御する弁部材を上記ボディに組み込んだ流体制御弁において、上記ボディには、流体供給源からの圧力流体を導く導入ポートを設け、この導入ポートと上記流入ポートとを連通させる冷却用迂回路を、上記弁部材よりも外側におけるボディ内に設けた流体制御弁。
2. 上記冷却用迂回路を、ボディ外周に沿って螺旋状に形成した請求項１に記載の流体制御弁。
3. 上記導入ポートと流入ポートとの間を接続する複数の冷却用迂回路を形成した請求項１または２に記載の流体制御弁。
4. 上記ボディの外周に、放熱手段を設けた請求項１〜３のいずれかに記載の流体制御弁。

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