JP2009281405A - 流体供給弁組付装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】固定部材に流体供給弁を取り付けるにあたり、外周拘束面と内周拘束面とにおける『かじり』を抑制させるのに有利な流体供給弁組付装置を提供する。
【解決手段】固定部材1の凹状嵌合部17は、雌ねじ部18とストッパ面20とを有する。流体供給弁4は、第2流路6と、凹状嵌合部17に取り付けられる凸状挿入部40とを有する。凸状挿入部40は、凹状嵌合部17の雌ねじ部18に螺合される雄ねじ部62を有する軸状部400と、面取外周面451をもつ面取部450と、外周拘束面403とを有する。外周拘束面403と内周拘束面19とが嵌合して流体供給弁4が拘束される状態を第1拘束状態とする。雌ねじ部18と雄ねじ部62とが螺合して流体供給弁4が拘束される状態を第2拘束状態とする。第1拘束状態による拘束は、第2拘束状態による拘束よりも優先されている。
【選択図】図2

Description

本発明は固定部材に流体供給弁を固定状態に取り付ける流体供給弁組付装置に関する。
従来、固定部材に流体供給弁を固定状態に取り付ける流体供給弁組付装置が知られている(特許文献1)。流体供給弁を固定状態に取り付けるための固定部材は、流体が通過する第1流路と、凹状嵌合部と、凹状嵌合部の内周部に形成された雌ねじ部と、円筒形状をなす内周拘束面と、軸直角方向に沿って延設されたリング状をなすストッパ面とを有する。また流体供給弁は、第1流路に連通可能な第2流路と、第2流路を開閉可能な弁体と、固定部材の凹状嵌合部に挿入されて取り付ける凸状挿入部とを有する。凸状挿入部は、凹状嵌合部の内周拘束面に嵌合して拘束される円筒形状の外周拘束面をもつ。
特開2005−23975号公報
ところで上記した装置によれば、固定部材に流体供給弁を取り付けるにあたり、凸状挿入部の外周拘束面は、凹状嵌合部の内周拘束面に嵌合させて拘束させつつ、雄ねじ部および雌ねじ部を螺合させる。これにより流体供給弁の凸状挿入部を直径方向において位置決めし、固定部材の凹状嵌合部に嵌合させた状態で取り付けることにしている。この場合、凸状挿入部の外周拘束面と凹状嵌合部の内周拘束面とに『かじり』が発生することがある。
殊に、外周拘束面をもつ凸状挿入部、内周拘束面をもつ凹状嵌合部のうちの一方または双方が、アルミニウム合金やステンレス鋼等の軟らかめの金属で形成されていることがある。この場合、凸状挿入部の外周拘束面と凹状嵌合部の内周拘束面とに『かじり』が発生し易くなる。殊に、気密性が要請される分野では、凸状挿入部の外周拘束面と凹状嵌合部の内周拘束面との隙間、雌ねじ部および雄ねじ部の隙間が極力小さくなるように設計されている場合には、上記した『かじり』が発生し易くなる。
このため上記した特許文献1によれば、凸状挿入部を2部品化し、外周拘束面をもつ第1部品と、雄ねじ部をもつ第2部品とに分割し、直径方向に第1部品および第2部品を独立して変位できるようにしている。しかしながらこのように凸状挿入部を2部品化すると、部品点数が増加し、製造工程が複雑化する。
本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、凸状挿入部を2部品化する方策を廃止し、固定部材に流体供給弁を固定状態に取り付けるにあたり、凸状挿入部の外周拘束面と凹状嵌合部の内周拘束面とにおける『かじり』を抑制させるのに有利な流体供給弁組付装置を提供することを課題とする。
本発明に係る流体供給弁組付装置は、(i)流体が通過する第1流路と、凹状嵌合部と、凹状嵌合部の内周部に形成された雌ねじ部と、凹状嵌合部の内周部において雌ねじ部よりも奥方に形成された内周拘束面と、軸直角方向に沿って延設されたリング状をなすストッパ面とを有する固定部材と、(ii)一端が固定部材の第1流路に連通可能であり他端が流体供給源に連通可能な第2流路と、第2流路を開閉可能な弁体と、凹状嵌合部に挿入されて取り付けられる凸状挿入部とを有する流体供給弁とを具備し、(iii)固定部材に流体供給弁が取り付けられる流体供給弁組付装置であり、(iv)流体供給弁の凸状挿入部は、凹状嵌合部の雌ねじ部に螺合される雄ねじ部を外周部に有する軸状部と、軸状部に連設され軸直角方向に沿って延設され雄ねじ部および雌ねじ部の螺合により固定部材のストッパ面に当接可能なリング状をなす当接面をもつフランジ部と、軸長方向において雄ねじ部の先方に位置するように軸状部の先端部に形成され先端部の先端に向かうにつれて外径が小さくなるリング状をなす面取外周面をもつ面取部と、面取部と雄ねじ部との間に位置するように軸長方向において面取部の後方に形成され固定部材の内周拘束面に嵌合する外周拘束面とを有しており、且つ、凸状挿入部の軸状部の外周拘束面と凹状嵌合部の内周拘束面とが嵌合して直径方向において流体供給弁が拘束される状態を第1拘束状態とし、凹状挿入部の雌ねじ部と凸状挿入部の雄ねじ部とが螺合して直径方向において流体供給弁が拘束される状態を第2拘束状態とするとき、第1拘束状態による拘束は、第2拘束状態による拘束よりも優先されていることを特徴とする。流体供給弁は第2流路を開閉可能な弁体をもつものであれば何でも良く、オンオフ弁でも、流量調整弁でも、圧力調整弁でも、電磁弁でも、手動操作弁でも良い。
本発明に係る流体供給弁組付装置によれば、流体供給弁の凸状挿入部の外周拘束面が固定部材の凹状嵌合部の内周拘束面に直径方向において拘束されつつ、流体供給弁の凸状挿入部の雄ねじ部が凹状嵌合部の雌ねじ部に螺合される。これにより流体供給弁の凸状挿入部が直径方向において位置決めされた状態で固定部材の凹状嵌合部に取り付けられる。
このように固定部材の凹状嵌合部に流体供給弁の凸状挿入部が嵌合して取り付けられるにあたり、凸状挿入部の軸状部の外周拘束面が凹状嵌合部の内周拘束面に当接して拘束されることにより、直径方向において流体供給弁の凸状挿入部の位置が拘束される(第1拘束状態)。また、凹状挿入部の雌ねじ部と凸状挿入部の雄ねじ部とが螺合すると、直径方向において流体供給弁の凸状挿入部の位置が拘束される(第2拘束状態)。仮に第1拘束状態よりも第2拘束状態が優先すると、雌ねじ部と雄ねじ部との螺合が優先されるため、凸状挿入部の軸状部の外周拘束面と凹状嵌合部の内周拘束面とにおいて『かじり』が発生するおそれがある。殊に、凹状嵌合部および凸状挿入部がアルミニウム合金やステンレス鋼等の比較的軟らかい金属で形成されている場合には、『かじり』が発生するおそれがある。
そこで本発明によれば、第1拘束状態による拘束は、第2拘束状態による拘束よりも優先されている。この結果、面取部により案内されつつ、凸状挿入部の軸状部の外周拘束面が凹状嵌合部の内周拘束面に優先的に当接することにより、直径方向において流体供給弁の凸状挿入部の位置を拘束させる。このため上記した『かじり』が抑制される。殊に、凹状嵌合部および凸状挿入部がアルミニウム合金やステンレス鋼等の比較的軟らかい金属で形成されている場合であっても、『かじり』が抑制される。
本発明によれば、好ましくは、次の態様が採用される。
・内周拘束面と外周拘束面との間に形成される直径方向の隙間をα1マイクロメートルとし、雌ねじ部と雄ねじ部との間に形成される直径方向の隙間をα2マイクロメートルとし、内周拘束面と外周拘束面との間に形成される半径方向の隙間を0.5×α1マイクロメートルとし、雌ねじ部と雄ねじ部との間に形成される半径方向の隙間を0.5×α2マイクロメートルとし、雄ねじ部の中心軸線と外周拘束面の中心軸線との直径方向における芯ずれをβマイクロメートルとするとき、下記の式を満足するように設定されていることが好ましい。
0.5・α1+0.5・α2>β…(1)
α2>(2β−α1)…(2)
α2>{(2β−α1)×N}…(3)
(ここでNは1.00以上の任意値)
N=1.00〜3.00が例示される。Nが大きいと、雌ねじ部と雄ねじ部との間に形成される隙間α2が大きくなり、第1拘束状態による拘束は、第2拘束状態による拘束よりも優先される度合が高くなる。
ここで、雄ねじ部の呼び径等にもよるが、雄ねじ部の呼び径が0.99〜355ミリメートルのときには、α1は−77〜261マイクロメートル、殊に、16〜45マイクロメートル、20〜200マイクロメートル、77〜261マイクロメートル等が例示される。α2は6〜1840マイクロメートル、50〜1000マイクロメートル、殊に、104〜304マイクロメートルが例示される。呼び径は、ねじの寸法を代表する直径であり、雄ねじ部の外径の基準寸法が使用される(JISハンドブック2007 ねじI)。
・凸状挿入部を凹状嵌合部に挿入させるにあたり、損傷等を抑制させるためには、凸状挿入部の外周拘束面を凹状嵌合部の内周拘束面に直径方向において緩やかに当接させることが好ましい。そこで図6および図7に例示されるように、凸状挿入部の中心軸線に沿った断面において、面取部のうち外径が最も大きくなる部位は円弧アール状とされていることが好ましい(請求項2)。
・前述同様に、凸状挿入部を凹状嵌合部に挿入させるにあたり、損傷等を抑制させるためには、凸状挿入部が凹状嵌合部の奥方に相対的に進入するとき、凸状挿入部の外周拘束面を凹状嵌合部の内周拘束面に直径方向において緩やかに当接させることが好ましい。そこで、図9に例示されるように、凸状挿入部の中心軸線に沿った断面において、凸状挿入部の中心軸線と平行な方向に沿った仮想線と面取部の面取外周面との間の角度を面取角と、面取部の面取外周面の外径が小さい部位を始端とし、面取部の面取外周面の外径が大きい部位を終端とするとき、面取部の面取外周面の始端側の面取角は、面取部の面取外周面の終端側の面取角よりも大きくされていることが好ましい(請求項3)。
・面取部の面取外周面は、面取部の面取外周面の外径が小さい始端側の第1面取外周面と、面取部の面取外周面の外径が大きい終端側の第2面取外周面とを備えていることが好ましい(請求項4)。
・好ましくは、固定部材は、気体や液体等の流体を貯蔵するタンク室を有するタンクに取り付けられる。従って、気体は高圧ガスとすることができる。気体は水素ガス、水素含有ガスとすることができる(請求項5)。タンク室に貯蔵されているガスの圧力は、例えば5MPa〜200MPaが例示される。圧力はこれに限定されるものではない。
本発明によれば、第1拘束状態による拘束は、第2拘束状態による拘束よりも優先されている。このため、固定部材に流体供給弁を固定状態に取り付けるにあたり、凸状挿入部の外周拘束面と凹状嵌合部の内周拘束面とにおける『かじり』を抑制させるのに有利な流体供給弁組付装置を提供することができる。
本発明の実施形態1を図1〜図7を参照して説明する。図1および図2に示すように、流体供給弁組付装置は、固定部材1と、固定部材1に着脱可能に取り付けられる流体供給弁4とを有する。
図1に示すように、固定部材1は、気体(水素ガス)を高圧状態で貯蔵するタンク3のタンク室30を形成する内壁面31cを有するタンク壁31の取付穴32に取り付けられる。タンク室30には高圧の気体(水素ガス)が貯蔵されている。タンク室30の圧力は大気圧よりも高圧であり、一般的には10〜250MPaの範囲内、20〜150MPaの範囲内、40〜100MPaの範囲内にできる。但しこれらに限定されるものではない。
固定部材1は流体供給弁4をタンク3に固定するためのものであり、タンク壁31の取付穴32に取り付けられた軸状をなす第1部分11と、タンク3外方の大気圧雰囲気に対面するように第1部分11に連設されたフランジ状の第2部分12とを有する。第2部分12は、流体供給弁4に通電する電気配線を保持するコネクタ部24(ハーメチックコネクタ部)を有する。
図1に示すように、固定部材1の第1部分11の外周部とタンク壁31の取付穴32の内周部との間には、シール材料で形成されたリング形状をなす第1シール部材14が配置されている。第1シール部材14は、固定部材1の第1部分11の外周部に同軸状に形成されたリング形状をなす第1シール溝15に配置されており、固定部材1の外周部とタンク3の取付穴32の内周部との間を気密的にシールする。
図1に示すように、固定部材1の第1部分11の中央には、第1流路16が軸長方向に沿って形成されている。第1流路16は、流体としてのガス(水素ガス)が通過するものであり、ガス(水素ガス)を燃料電池のスタック側に供給する。なお、固定部材1の第1流路16の出口側と燃料電池のスタックのアノード(燃料極)との間には、減圧弁(図示せず)が設けられている。
図2に示すように、固定部材1は、凹状の円筒形状をなす凹状嵌合部17を有する。凹状嵌合部17は固定部材1の第1部分11に同軸的に形成されており、タンク室30に向けて開口する。凹状嵌合部17の内周部は、雌ねじ部18と、軸長方向において雌ねじ部18よりも奥方(タンク3のタンク室30から遠ざかる方向)に形成された軸長方向に沿ってつまり中心軸線P1に沿って延設された円筒形状をなす内周拘束面19とを有する。凹状嵌合部17において、内周拘束面19および雌ねじ部18は、固定部材1の中心軸線P1に対して同軸的に配置されている。
固定部材1には、これの軸直角方向(直径方向,矢印R方向)に沿って延設されたリング状をなすストッパ面20が形成されている。ストッパ面20はタンク室30に対向する側に位置している。更に固定部材1には、電気配線21aが通過する配線孔21が形成されている。
図2に示すように、流体供給弁4は電磁弁で形成されており、固定部材1の凹状嵌合部17に挿入されて着脱可能に取り付けられる円筒形状をなす凸状挿入部40と、凸状挿入部40に部分的に嵌合する筒形状のプラグ41と、プラグ41に部分的に嵌合すると共にパイロット流路42aを有する筒形状の弁体として機能するメインポペット42と、メインポペット42の先端部が着座可能でありメイン口45aを有するメインシート45と、筒形状のパイロットポペット46と、パイロットポペット46の先端部が着座可能でありパイロット口48aを有するパイロットシート48と、直径方向に貫通する貫通孔49aを有する副プラグ49と、筒形状のプランジャ50と、プランジャ50とパイロットポペット46と副プラグ49とを連結させるピン52と、プランジャ50を閉弁方向(矢印P4方向)に付勢するスプリング53と、筒形状のストッパ54と、ストッパ54およびプランジャ50の外周側に配置された筒形状をなす励磁コイル55と、励磁コイル55が励磁されるとき磁路を形成するためのヨーク56と、タンク室30に対面する塵埃除去用のフィルタ57とを有する。
流体供給弁4の凸状挿入部40は、固定部材1の中心軸線P1と同軸的となる中心軸線P2をもつ。ここで、励磁コイル55に通電されていないとき、スプリング53の付勢力により、プランジャ50は閉弁方向(矢印P4方向)に付勢され、ピン52を介してパイロットポペット46は閉弁方向(矢印P4方向)に付勢されてパイロットシート48のパイロット口48aを閉弁している。更に、メインポペット42は閉弁方向(矢印P4方向)に付勢されてメインシート45のメイン口45aを閉弁している。
図2に示すように、流体供給弁4の内部には、タンク3のタンク室30のガスを第1流路16に向けて流すための第2流路6が形成されている。第2流路6の一端である出口6pは凸状挿入部40に同軸的に形成されており、固定部材1の第1流路16に連通可能である。第2流路6の他端である入口6iは、流体供給源としてのタンク3のタンク室30に対面している。具体的には、第2流路6は、タンク3のタンク室30に入口6iを介して連通する流路6aと、ヨーク56の外周側に設けられた流路6bと、プラグ42にこれの直径方向に貫通する流路6cと、メインポペット42の外周部に形成された流路6eと、メインシート45に形成されたメイン口45aと、凸状挿入部40の中央に形成された流路6fとを備えている。
本実施形態においては、流体供給弁4を開弁させるにあたっては、励磁コイル55に通電してこれを励磁すると、ヨーク56を通る磁路が形成される。すると、スプリング53の付勢力に抗しつつ、プランジャ50が開弁方向(矢印P3方向)に移動する。するとピン52を介してパイロットポペット46が開弁方向(矢印P3方向)に移動し、パイロットシート48のパイロット口48aが開放される。すると、タンク室30の高圧のガスが副プラグ49の流路49a、パイロット口48a、メインポペット42のパイロット流路42a、メインシート45のメイン口45aを流れ、固定部材1の第1流路16側に流れる。すると、メインポペット42を閉弁方向(矢印P4方向)に作用させる圧力とメインポペット42を開弁方向(矢印P3方向)に作用させる圧力との差圧が減少する。これによりメインポペット42が開弁方向(矢印P3方向)に移動し、メインシート45のメイン口45aが開放される。これによりタンク室30の高圧のガスは、流路6b,6c,6e、メインシート45のメイン口45aを介して凸状挿入部40の流路6fに流れ、更には固定部材1の第2流路16に流れ、ひいては図略の減圧弁を介して燃料電池のスタックのアノード(燃料極)側に流れる。なお、流体供給弁4を閉弁させるにあたっては、励磁コイル55に断電すれば良い。
図2,図3に示すように、凸状挿入部40は、凹状嵌合部17の雌ねじ部18に螺合される雄ねじ部62を外周部に有する円筒形状をなす軸状部400と、軸状部400のうちタンク室30側の一端部に連設され軸直角方向に沿って延設されリング状をなす当接面401をもつフランジ部402と、軸状部400のうちタンク室30から遠ざかる側の先端部に形成された面取部450とを同軸的に有する。
図2および図3に示すように、軸状部400は、雌ねじ部18と螺合する雄ねじ部62と、軸長方向において雄ねじ部62よりも奥方つまりタンク室30から遠ざかる側に形成された円筒形状をなす外周拘束面403とを同軸的にもつ。外周拘束面403は円筒形状をなしており、延設方向P5において面取部450と雄ねじ部62との間に形成されている。ここで、雄ねじ部62と雌ねじ部18とが螺合されると、凸状挿入部40はタンク室30から遠ざかる方向(矢印P4方向)に移動する。この結果、凸状挿入部40のフランジ部402の当接面401は、固定部材1のストッパ面20に当接する。このため凸状挿入部40は延設方向P5において位置決めされる。
図6は面取部450付近を示す。図6に示すように、面取部450は、中心軸線P2の回りを1周する面取外周面451をもつ。面取外周面451は、軸状部400のうちタンク室30から遠ざかる先端部の先端面400eに向かうにつれて、外径が次第に小さくなるほぼ円錐面状をなす。
ここで、流体供給弁4の凸状挿入部40の雄ねじ部62(メートルねじ)の呼び径は14ミリメートルとされている。雄ねじ部62の外径(雄ねじ部62の山の頂に接する仮想的な円筒の直径)は14ミリメートルであり、ピッチは1ミリメートルとされている。流体供給弁4の凸状挿入部40の雄ねじ部62の谷の径(雄ねじ部62の谷底に接する仮想的な円筒の直径)は12.917ミリメートルであり、有効径は13.35ミリメートルである。有効径は、雌ねじ部18の溝幅と雄ねじ部62のねじ山の幅が等しくなるような仮想的な円筒の直径を意味する。但し、呼び径、ピッチおよび有効径等は上記した値に限定されるものではなく、必要に応じて変更できるものである。
本実施形態によれば、凹状嵌合部17の雌ねじ部18と凸状挿入部40の雄ねじ部62との間に形成される隙間α2は、JIS規格において許容隙間幅のうちの最大値または最大値付近であるように設定されている。具体的には、凹状嵌合部17の雌ねじ部18と凸状挿入部40の雄ねじ部62との隙間α2(図4参照)は、60マイクロメートル以上に設定されている。殊に、90マイクロメートル以、100マイクロメートル以上に設定されていることが好ましい。なお、凹状嵌合部17の雌ねじ部18と凸状挿入部40の雄ねじ部62との隙間α2の上限値としては、400マイクロメートル、500マイクロメートルとすることができる。なお、従来技術によれば、雌ねじ部18と雄ねじ部62との隙間α2は、26マイクロメートル程度とされている。上記したように本実施形態によれば、雌ねじ部18と雄ねじ部62との螺合は、緩めに設定されている。
次に、タンク3に取り付けられている固定部材1に流体供給弁4を取り付ける場合について説明を加える。この場合には、中心軸線P1,P2がほぼ同軸となるように、流体供給弁4をタンク室30側に配置した状態で、固定部材1の凹状嵌合部17に流体供給弁4の凸状挿入部40を対面させる。この状態で、固定部材1の凹状嵌合部17に対して、流体供給弁4を凸状挿入部40と共に中心軸線P1回りで相対回転させる。これにより固定部材1の凹状嵌合部17の雌ねじ部18に流体供給弁4の凸状挿入部40の雄ねじ部62を螺合させる。凸状挿入部40のフランジ部402の当接面401が固定部材1のストッパ面20に当たると、延設方向P5における流体供給弁4の凸状挿入部40の位置決めが完了する。このとき、図2,図3に示すように、凸状挿入部40の先端面400eと凹状嵌合部17の底面17との間には、隙間400kが形成されている。この場合、当接面401とストッパ面20とによるストッパ機能が良好に得られる。
上記したように固定部材1の凹状嵌合部17に流体供給弁4の凸状挿入部40を着脱可能に嵌合させて取り付ける。このように取り付けるにあたり(図4参照)、面取部450の面取外周面451が直径方向(矢印R方向)におけるガイド機能を果たす。そして、凸状挿入部40のうちガイドされた軸状部400の外周拘束面403が凹状嵌合部17の内周拘束面19に当接または接近する。これにより直径方向(矢印R方向,軸直角方向)における流体供給弁4の凸状挿入部40の位置を拘束することになる(第1拘束状態)。
また、凹状嵌合部17の雌ねじ部18と凸状挿入部40の雄ねじ部62とが螺合すると、直径方向(矢印R方向,軸直角方向)において凸状挿入部40の位置を拘束することになる(第2拘束状態)。
仮に、第1拘束状態による拘束よりも第2拘束状態による拘束が優先されると、凹状嵌合部17の雌ねじ部18と凸状挿入部40の雄ねじ部62とが螺合するものの、凸状挿入部40の軸状部400の外周拘束面403が凹状嵌合部17の内周拘束面19に無理やり当接することにより、外周拘束面403および内周拘束面19において、『かじり』が発生するおそれがある。殊に、凹状嵌合部17および凸状挿入部40は、これらの水素脆性を抑制するため、アルミニウム合金やステンレス鋼(例えばSUS304,SUS316)等の金属(耐水素脆性金属)で形成されており、軟らかめであるため、上記した『かじり』が発生するおそれがある。
この点について本実施形態によれば、前述したように第1拘束状態を第2拘束状態よりも優先させることにしている。このため、凹状嵌合部17の雌ねじ部18と凸状挿入部40の雄ねじ部62との隙間α2(図4参照)は90マイクロメートル以上、100マイクロメートル以上と大きめに設定されている。この結果、隙間α2は、凹状嵌合部17の雌ねじ部18と凸状挿入部40の雄ねじ部62との許容最大のねじ隙間、あるいは、それに近い値に設定されている。なお、直径方向において内周拘束面19と外周拘束面403との間に形成される隙間α1は、隙間α2よりも小さく設定されている。
この結果、第2拘束状態は優先されておらず、第1拘束状態は第2拘束状態よりも優先されている。すなわち、凸状挿入部40の軸状部400の外周拘束面403が凹状嵌合部17の内周拘束面19に当接することにより、直径方向(矢印R方向,軸直角方向)において凸状挿入部40の位置を優先的に拘束する。このため、従来技術とは異なり、軸状部400の外周拘束面403と凹状嵌合部17の内周拘束面19とにおける『かじり』が効果的に抑制される。ひいては『かじりによる固着』が効果的に抑制される。殊に、軸状部400および凹状嵌合部17がアルミニウム合金やステンレス鋼等の比較的軟らかい金属で形成されている場合であっても、『かじり』ひいては『かじりによる固着』が効果的に抑制される。
本実施形態によれば、図4において、直径方向において内周拘束面19と外周拘束面403との間に形成される隙間をα1とし、直径方向において雌ねじ部18と雄ねじ部62との間に形成される隙間をα2とし、雄ねじ部62の中心軸線と外周拘束面403の中心軸線との直径方向における芯ずれをβとするとき、下記の(3)式を満足するように設定されている。
ここで、凹状嵌合部17に流体供給弁4の凸状挿入部40が嵌合するとき、図4において、内周拘束面19と外周拘束面403との間に形成される直径方向の両側の合計隙間はα1となり、直径方向の片側の隙間は0.5・α1となり、雌ねじ部18と雄ねじ部62との間に形成される直径方向の両側の合計隙間はα2となり、直径方向の片側の隙間は0.5・α2となる。
凹状嵌合部17に流体供給弁4の凸状挿入部40が嵌合するためには、凹状嵌合部17の中心軸線P1に対して流体供給弁4の凸状挿入部40の中心軸線P2が傾斜しつつ嵌合することを考慮すると、(1)式の関係が満足されることが好ましい。これを展開すると、(2)式および(3)式となる。
0.5・α1+0.5・α2>β…(1)
α2>(2β−α1)…(2)
α2>{(2β−α1)×N}…(3)
ここでNは1.00以上の任意値であり、N=1.00〜3.00の範囲内、1.00〜1.50の範囲内、または、1.00〜1.20の範囲内が例示される。Nが大きいと、雌ねじ部18と雄ねじ部62との間に形成される隙間α2が大きくなり、雌ねじ部18と雄ねじ部62との螺合拘束が緩くなる。よって、第1拘束状態による拘束は、第2拘束状態による拘束よりも優先される。
隙間α1は第2シール部材65のシール性に影響を与えるため、小さくすることが好ましい。従って本実施形態によれば、雄ねじ部62の呼び径が14ミリメートル、ピッチが1ミリメートルのとき、隙間α1=16〜45マイクロメートルに設定されている。但しこれに限定されるものではない。ピッチは例えば0.1〜10ミリメートルの範囲内、1〜7ミリメートルの範囲内において適宜設定できる。(3)式を考慮すると、α1が小さく設定されると、α2は大きく設定されることになる。
更に、雌ねじ部18と雄ねじ部62との間に形成される隙間α2について、図5を参照して説明を加える。図5において、線M1は雄ねじ部62の外径が最も小さい場合を模式的に示す。線M2は雄ねじ部62の外径が最も大きい場合を模式的に示す。線F1は雌ねじ部18の内径が最も大きい場合を模式的に示す。線F2は雌ねじ部18の内径が最も小さい場合を模式的に示す。
図5に示すように、雌ねじ部18について、基準寸法をAとし、上の寸法許容差をBとし、下の寸法許容差をCとする。これに対して、雄ねじ部62について、基準寸法をaとし、上の寸法許容差をbとし、下の寸法許容差をcとする。雌ねじ部18と雄ねじ部62との間に形成される隙間α2の最大値α2maxおよび最小値α2minについては、次のように示される。
α2の最大値α2max=(A−a)+(B−c)
α2の最小値α2min=(A−a)+(C−b)
ここで、雄ねじ部62の呼び径が14ミリメートルであるときを例にとって説明する。この場合、図5に示すように、雌ねじ部18の有効径の基準寸法A=13.35mm、雌ねじ部18の上の寸法許容差B=+0.160mm、下の寸法許容差C=0.035mmと例示する。雄ねじ部62について基準寸法a=13.35mm、上の寸法許容差b=−0.069mm、下の寸法許容差c=−0.144mmと例示する。
ここで、雌ねじ部18と雄ねじ部62との間に形成される隙間α2の最大値α2maxについては、α2の最大値α2max=(A−a)+(B−c)=(13.35mm−13.35mm)+(+0.160mm−(−0.144mm))=0.304mm=304マイクロメートルとなる。
これに対して隙間α2の最小値α2minについては、α2の最小値α2min=(A−a)+(C−b)=(13.35mm−13.35mm)+(0.035−(−0.069mm))=0.104mm=104マイクロメートルとなる。従って、この場合には、隙間α2は104マイクロメートル以上であり、304〜104マイクロメートルの範囲内に設定する。
次に、円錐面状をなす面取部450に基づくガイド機能について、図6,図7を参照して説明を加える。図6,図7は、凸状挿入部40の中心軸線P2に沿った断面を示す。面取部450に基づく直径方向におけるガイド機能を高めるためには、面取部450の面取外周面451において最大径と最小径との差が大きい方が好ましい。そこで本実施形態によれば、図6,図7に示すように、凸状挿入部40の中心軸線P2と平行な方向に沿った仮想線E1と面取部450の面取外周面451との間の角度を面取角ηとするとき、面取角ηは40°以上に設定されており、具体的には45°〜70°の範囲内、殊に55°〜70°の範囲内と大きく設定されている。この結果、面取部450の面取外周面451において最大径と最小径との差の寸法を大きくできる。故に、面取部450の面取外周面451におけるガイド幅G1を増加でき、直径方向(矢印R方向)における面取部450のガイド機能を高めることができる。従って、雄ねじ部62と雌ねじ部18との螺合も良好に行い得る。なお従来技術によれば、面取角ηはせいぜい30°程度であった。
また、凸状挿入部40を凹状嵌合部17に挿入させるにあたり、凸状挿入部40および凹状嵌合部17における機械的な損傷等を抑制させるためには、直径方向(矢印R方向)において、凸状挿入部40の外周拘束面403を凹状嵌合部17の内周拘束面19に緩やかに接触させることが好ましい。そこで本実施形態によれば、図6,図7に示すように、面取部450のうち外径が最も大きくなる部位は、曲率半径r1を有する凸円弧のアール状をなすアール面451rとされている。この結果、流体供給弁4の凸状挿入部40を固定部材1の凹状嵌合部17の奥方に相対的に進入させるとき、直径方向(矢印R方向)における当接に基づく衝撃をできるだけ低減させることができる。すなわち、凸状挿入部40の外周拘束面403を凹状嵌合部17の内周拘束面19に緩やかに当接させ、直径方向に拘束させるのに有利となる。ひいては、上記した隙間α1を小さくして第2シール部材65のシール性を確保しつつ、外周拘束面403および内周拘束面19における機械的な損傷等を抑制させるのに有利となる。
なお本実施形態によれば、面取部450が内周拘束面19により拘束される拘束開始の時点では、雌ねじ部18と雄ねじ部62との螺合は開始されていない。面取部450続いて外周拘束面403が直径方向おいて内周拘束面19によりある程度拘束された後に、雌ねじ部18と雄ねじ部62との螺合が開始される。
上記したように本実施形態によれば、前述したように、固定部材1の凹状嵌合部17の雌ねじ部18に流体供給弁4の凸状挿入部40の雄ねじ部62を螺合させることにより、固定部材1の凹状嵌合部17に流体供給弁4の凸状挿入部40を取り付ける。この場合、本実施形態によれば、流体供給弁4の凸状挿入部40の位置をこれの直径方向(矢印R方向,軸直角方向)に拘束させるにあたり、前述したように、第1拘束状態を第2拘束状態よりも優先させる。ここで、第1拘束状態の基準は、外周拘束面403の外径、内周拘束面19の内径である。ここで、外周拘束面403にはリング状の第2シール溝406が同軸的に形成されている。シール材料で形成されたリング状の第2シール部材65が第2シール溝406に配置されている。第2シール部材65がシールしている状態では、第2シール部材65は弾性変形してシール性を高めている。このように本実施形態によれば、凸状挿入部40のうち第1拘束状態の基準となり『かじり』が抑制される外周拘束面403において、第2シール部材65が設けられている。このため直径方向(矢印R方向)における第2シール部材65を均一に弾性変形させるのに有利となる。ひいては第2シール部材65の弾性変形の偏りを抑制させるのに有利となる。故に、第2シール部材65によるシール性を効果的に高め得る利点が得られる。
さて図8は、本実施形態と類似した構造を表す参考例を示す。本実施形態と共通する部位には共通の符号を付する。図8において、仮に、中心軸線P2が延設されている延設方向P5において、仮に、フランジ部402の当接面401から面取部450の先端面400eまでの距離P8が増大させる構造が採用されている場合には、流体供給弁4の取付時において、凸状挿入部40の中心軸線P2が固定部材1の中心軸線P1に対して微小量傾斜したとしても、直径方向(矢印R方向,軸直角方向)において凸状挿入部40の先端面400eのずれ量が増加する。この場合、流体供給弁4の取付精度を向上させるためには、好ましくない。そこで本実施形態によれば、フランジ部402の当接面401から面取部450の先端面400wまでの距離P8を短縮させる『短縮構造』が採用されている。
すなわち、図1に示すように、前述したように、固定部材1の外周部とタンク3の取付穴32の内周部との間には、第1シール部材14が配置されている。凸状挿入部40の中心軸線P2が延設される延設方向P5において、第1シール部材14はタンク3外方の大気圧雰囲気Wよりもタンク室30側に接近されている。更に、図2,図3に示すように、延設方向P5において第1シール部材14の位置に第2シール部材65の位置が接近している。このため上記した『短縮構造』を得るに有利である。ここで、第1シール部材14の中心および第2シール部材65の中心との距離は、L1(図2,図3参照)として示される。L1は、外周拘束面403の直径ひいては半径よりも短い。このため本実施形態によれば、延設方向P5においてフランジ部402の当接面401から面取部450の先端面400eまでの距離を、できるだけ短縮させることができる。これにより流体供給弁4の取付精度を向上させるのに有利となる。
更に、参考図である図8を参照して説明を加える。流体供給弁4が閉弁しているときであっても、タンク室30の高圧のガス(水素ガス)は、タンク3の取付穴32の内周部と固定部材1の外周部との間の隙間201に進入する。すなわち、高圧のガスは、隙間201において、第1シール部材14よりもタンク室30側の領域WA(隙間201において△で示す領域)に進入すると考えられる。但し、ガスといえども、第1シール部材14を矢印P4方向に超えることは容易ではないと考えられる。従って、隙間201において、第1シール部材14よりもタンク室30から矢印P4方向に遠ざかる領域VA(隙間201において○で示す領域)は、実質的に大気圧と考えられる。
また、タンク室30の高圧のガス(水素ガス)は、内周拘束面19と外周拘束面403との間の隙間204にも進入する。このとき高圧のガスは、隙間204において、第2シール部材65よりもタンク室30側の領域WB(隙間204において×で示す領域)進入すると考えられる。但し、ガスといえども、第2シール部材65を矢印P4方向に超えることは容易ではないと考えられる。従って、隙間204において、第2シール部材65よりもタンク室30から矢印P4方向に遠ざかる領域VB(隙間204において●で示す領域)は、大気圧に近いと考えられる。
ここで、上記した短縮構造を採用するためには、延設方向P5において、第1シール部材14および第2シール部材65は、大気圧雰囲気側よりもタンク室30側に寄っていた方が好ましい。もし、図8に示すように、延設方向P5において、第1シール部材14がタンク室30に寄っているものの、第2シール部材65がタンク室30から大きく遠ざかっていると、次の不具合が発生する。
すなわち、隙間201の領域WA(△で示す領域)には、ここに進入した高圧のガスにより矢印Fi方向(縮径方向)の力が固定部材1の第1部分11に作用する。これに対して、隙間204の領域WB(×で示す領域)には、ここに進入した高圧のガスにより矢印Fp方向(拡径方向)の力が固定部材1の第1部分11に作用する。
ここで、延設方向P5において第1シール部材14および第2シール部材65が同じ位置であると、互いに向きが異なる矢印Fi方向の力と矢印Fp方向の力とが相殺される割合が高くなる。結果として、固定部材1の第1部分11に作用する無用な負荷が軽減される。
これに対して、図8に示す参考図のように、延設方向P5において、第1シール部材14と第2シール部材65とが離間して距離L2とされていると、固定部材1の第1部分11に対して矢印Fp方向の力のみが作用する領域が増加する。矢印Fp方向の力のみが作用する領域は、距離L2の領域である。このように矢印Fp方向の力のみが作用する結果、固定部材1の第1部分11に拡径方向に作用する無用な負荷が増加する。この場合、タンク室30のガスの圧力は前述したように高圧であるため、上記した負荷は大きなものである。この場合、固定部材1の第1部分11を変形または疲労させたり、第1シール部材14および第2シール部材65に予想外の負荷を与えることにもなりかねない。
そこで本実施形態によれば、図2および図3に示すように、延設方向P5において第1シール部材14と第2シール部材65とが接近している。ここで、第1シール部材14の中心と第2シール部材65の中心との距離は、L1(図2参照,L1<L2)として示される。L1は、外周拘束面403の直径ひいては半径よりも短い。このため本実施形態によれば、図8に示す参考例とは異なり、矢印Fi方向の力と矢印Fp方向の力とが相殺される割合が向上する。従って、固定部材1の第1部分11を変形、疲労させたり、第1シール部材14および第2シール部材65に予想外の負荷を与えるといった不具合を改善することができる。
(実施形態2)
図9は実施形態2を説明する。本実施形態は実施形態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。以下、相違する部分を中心として説明する。図9は、流体供給弁4の凸状挿入部40の中心軸線P2に沿った断面を示す。前述したように、雄ねじ部62および雌ねじ部18の螺合により、凸状挿入部40を凹状嵌合部17に挿入させる。この場合、凸状挿入部40や凹状嵌合部17の損傷等を抑制させるためには、直径方向(R方向)において、凸状挿入部40の外周拘束面403を凹状嵌合部17の内周拘束面19になるべく緩やかに当接させることが好ましい。
ここで、図9に示すように、凸状挿入部40の中心軸線P2と平行な方向に沿った仮想線E1と面取部450Bの面取外周面451Bとの間の角度を、面取角とする。そして、面取部450Bの面取外周面451Bの外径が小さい部位を始端451hとする。面取部450Bの面取外周面451Bの外径が大きい部位を終端451kとする。このとき、面取部450Bの面取外周面451Bの始端451h側の面取角η1は、面取部450Bの面取外周面451Bの終端451k側の面取角η2よりも大きく設定されている。η1は45°以下が例示される。η2は15°以下が例示される。
すなわち、図9に示すように、面取部450Bの面取外周面451Bは、相対的に大きな面取角η1を有するリング状の第1面取外周面451fと、相対的に小さな面取角η2(η1>η2)を有するリング状の第2面取外周面451sとを有する。従って、雄ねじ部62および雌ねじ部18の螺合により凸状挿入部40を凹状嵌合部17の奥方に挿入させるにあたり、面取部450の第1面取外周面451Bによるガイド寸法Gを増加でき、面取外周面451による直径方向におけるガイド機能を高めつつ、外周拘束面403を内周拘束面19になるべく緩やかに当接させることができる。
(実施形態3)
本実施形態は実施形態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ため、図1〜図7を準用する。以下、相違する部分を中心として説明する。上記した実施形態1によれば、外周拘束面403が内周拘束面19により拘束される拘束開始の時点では、雌ねじ部18と雄ねじ部62との螺合は開始されていない。外周拘束面403が内周拘束面19により直径方向においてある程度拘束された後に、雌ねじ部18と雄ねじ部62との螺合が開始される。これに対して本実施形態によれば、まず、雌ねじ部18と雄ねじ部62との螺合が開始され、直径方向において外周拘束面403のある程度の位置決めがされた後に、面取部450および外周拘束面403が内周拘束面19により拘束される。本実施形態においても、第1拘束状態による拘束は、前記第2拘束状態による拘束よりも優先されている。
(他の実施形態)
雄ねじ部62の呼び径、雄ねじ部62の外径、雄ねじ部62の谷の径は、上記した数値に限定されるものではなく、固定部材1および流体供給弁4の種類に応じて適宜変更できる。上記したように雄ねじ部62の呼び径は上記した値に限定されず、0.99〜355ミリメートルの範囲内が例示される。この場合、ねじピッチが0.2〜8ミリメートルであれば、隙間α2としては、雄ねじ部62の呼び径に応じて6〜1840マイクロメートルの範囲内が例示される。上記した各実施形態によれば、タンク3は高圧の水素ガスを貯蔵させているが、燃料電池の改質用の燃料となり得るメタンガス等の炭化水素系の燃料ガスでも良い。更には、燃料電池の内部、改質器が設けられている場合には、改質器の内部をパージするためのアルゴンガスや窒素ガス等のパージガスでも良い。更に、酸素ガスなどのカソードガスといった他の高圧ガスでも良い。上記した各実施形態は燃料電池システムに適用されるが、これに限定されるものではなく、他のシステムにも適用できる。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。ある実施形態に特有の構造および機能は他の実施形態についても適用できる。
本発明は燃料電池システムに利用することができる。燃料電池システムは例えば車両用、定置用、産業用、電気機器用等が挙げられる。
実施形態1に係り、高圧のガスを貯蔵するタンクの固定部材に流体供給弁が取り付けられている状態を示す断面図である。 高圧のガスを貯蔵するタンクの固定部材に流体供給弁が取り付けられている状態を拡大して示す部分断面図である。 高圧のガスを貯蔵するタンクの固定部材に流体供給弁が取り付けられている状態を更に拡大して示す部分断面図である。 直径方向において内周拘束面と外周拘束面との間に形成される隙間α1、直径方向において雌ねじ部と雄ねじ部との間に形成される隙間α2と模式的に示す断面図である。 雌ねじ部と雄ねじ部との間に形成される隙間α2を説明するための模式図である。 凸状挿入部の面取部付近を拡大して示す断面図である。 凸状挿入部の面取部付近を更に拡大して示す断面図である。 参考例に係り、凸状挿入部が凹状嵌合部に嵌合して状態を模式的に示す断面図である。 実施形態2に係り、凸状挿入部の面取部付近を拡大して示す断面図である。
符号の説明
図中、1は固定部材、11は第1部分、12は第2部分、14は第1シール部材、15は第1シール溝、16は第1流路、17は凹状嵌合部、18は雌ねじ部、19は内周外周拘束面、20はストッパ面、3はタンク(気体供給源)、30はタンク室、31はタンク壁、32は取付穴、4は流体供給弁、40は凸状挿入部、400は軸状部、401は当接面、402はフランジ部、403は外周拘束面、406は第2シール溝、450は面取部、451は面取外周面、41はブラグ、42はメインポペット(弁体)、45はメインシート、46はパイロットポペット、50はプランジャ、53はスプリング、55は励磁コイル、56はヨーク、6は第2流路、6pは出口(一端)、6iは入口(他端)、62は雄ねじ部、65は第2シール部材を示す。

Claims (5)

  1. 流体が通過する第1流路と、凹状嵌合部と、前記凹状嵌合部の内周部に形成された雌ねじ部と、前記凹状嵌合部の内周部において前記雌ねじ部よりも奥方に形成された内周拘束面と、軸直角方向に沿って延設されたリング状をなすストッパ面とを有する固定部材と、
    一端が前記固定部材の前記第1流路に連通可能であり他端が流体供給源に連通可能な第2流路と、前記第2流路を開閉可能な弁体と、前記凹状嵌合部に挿入されて取り付けられる凸状挿入部とを有する流体供給弁とを具備し、前記固定部材に前記流体供給弁が取り付けられる流体供給弁組付装置であり、
    前記流体供給弁の前記凸状挿入部は、
    前記凹状嵌合部の前記雌ねじ部に螺合される雄ねじ部を外周部に有する軸状部と、前記軸状部に連設され軸直角方向に沿って延設され前記雄ねじ部および前記雌ねじ部の螺合により前記固定部材の前記ストッパ面に当接可能なリング状をなす当接面をもつフランジ部と、軸長方向において前記雄ねじ部の先方に位置するように前記軸状部の先端部に形成され前記先端部の先端に向かうにつれて外径が小さくなるリング状をなす面取外周面をもつ面取部と、前記面取部と前記雄ねじ部との間に位置するように軸長方向において前記面取部の後方に形成され前記固定部材の内周拘束面に嵌合する外周拘束面とを有しており、且つ、
    前記凸状挿入部の前記軸状部の前記外周拘束面と前記凹状嵌合部の前記内周拘束面とが嵌合して直径方向において前記流体供給弁が拘束される状態を第1拘束状態とし、前記凹状挿入部の前記雌ねじ部と前記凸状挿入部の前記雄ねじ部とが螺合して直径方向において前記流体供給弁が拘束される状態を第2拘束状態とするとき、前記第1拘束状態による拘束は、前記第2拘束状態による拘束よりも優先されていることを特徴とする流体供給弁組付装置。
  2. 請求項1において、前記凸状挿入部の中心軸線に沿った断面において、前記面取部のうち外径が最も大きくなる部位は、円弧アール状とされていることを特徴とする流体供給弁組付装置。
  3. 請求項1または2において、前記凸状挿入部の中心軸線に沿った断面において、前記凸状挿入部の中心軸線と平行な方向に沿った仮想線と前記面取部の面取外周面との間の角度を面取角とし、前記面取部の面取外周面の外径が小さい部位を始端とし、前記面取部の前記面取外周面の外径が大きい部位を終端とするとき、前記面取部の面取外周面の始端側の面取角は、前記面取部の前記面取外周面の終端側の面取角よりも大きくされていることを特徴とする流体供給弁組付装置。
  4. 請求項3において、前記面取部の前記面取外周面は、前記面取部の前記面取外周面の外径が小さい始端側の第1面取外周面と、前記面取部の前記面取外周面の外径が大きい終端側の第2面取外周面とを備えていることを特徴とする流体供給弁組付装置。
  5. 請求項1〜4のうちの一項において、前記固定部材は、流体を貯蔵するタンク室を有するタンクに取り付けられていることを特徴とする流体供給弁組付装置。
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