JP2011081602A - 減圧弁 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で耐圧性の向上を図った減圧弁を提供する。
【解決手段】高圧となる一次側のポート２３から、低圧となる二次側のポート２４に至る経路の途中に設けられた弁座２１に着座することによって弁を閉じ、弁座２１から離れることで弁を開く弁体１０を備え、弁体１０は、その一方が前記経路内であって弁座２１よりも上流側の領域に通じる貫通孔２２内で、往復動自在に配置される軸部１２を有すると共に、軸部１２と貫通孔２２との間の環状隙間を封止する封止部材３０を備えた減圧弁１００において、封止部材３０は、筒状の弾性体によって構成されており、その内周面が軸部１２の外周面に接着により固定され、かつその外周面が貫通孔２２の内周面に接着により固定されていることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば、高圧ガス用の圧力制御弁（より具体的な例としては、燃料電池車に用いられる高圧水素ガス用の圧力制御弁）として用いられる減圧弁に関するものである。

高圧の流体圧力（一次側圧力）を、それよりも低い圧力で利用したい場合に、減圧弁が用いられる。図５は従来例に係る減圧弁の主要構成を示す模式図である。

減圧弁は、高圧（元圧）Ｐ１となる一次側のポートから、低圧（制御圧）Ｐ２となる二次側のポートに至る経路の途中に設けられた弁座２００に着座することによって弁を閉じ、弁座２００から離れることで弁を開く弁体１１０を備えている。この弁体１１０は、軸部１１２と、この軸部１１２の先端に設けられた弁本体部１１１とから構成される。そして、軸部１１２は、その一方が前記経路内であって弁座２００よりも上流側の領域Ｒに通じる貫通孔３００内で、往復移動自在に配置されている。この軸部１１２が往復移動することによって、弁が開閉される。また、貫通孔３００の他方は大気圧Ｐ３となる領域に通じている。なお、貫通孔３００の他方が二次側の圧力Ｐ２と等しくなるように構成される場合もある。

ここで、前記領域Ｒの流体圧力が、貫通孔３００を通って逃げてしまわないように、軸部１１２と貫通孔３００との間の環状隙間を封止する必要がある。

そこで、従来、この環状隙間を封止するために、Ｏリングなどのシールリング４００が設けられている。例えば、図５に示すように、貫通孔３００の内周面に環状溝３０１を設けて、この環状溝３０１内にシールリング４００を装着する構成が採用されている。これにより、弁体１１０が往復移動した場合であっても、軸部１１２の外周面とシールリング４００の内周面とが摺動し、密封性を維持することができる。

しかしながら、一次側の圧力が極めて高く、一次側の圧力Ｐ１と大気圧Ｐ３（または二次側の圧力Ｐ２）との差圧が非常に大きくなる場合には、軸部１１２とシールリング４００との摩擦力も非常に大きくなる。そのため、ヒステリシスの増加や、摺動部分の固着によって、圧力調整機能（制御機能）が低下してしまう問題がある。

これを解消する方法として、減圧弁を複数個直列に配置することによって、各減圧弁における弁体にかかる差圧を小さくする技術が知られている。しかし、この技術を採用する場合には、複数の減圧弁が必要となり、減圧系の複雑化を招いたり、部品点数が増加してしまったり、重量が増加してしまったりするなどのデメリットがある。

なお、一般的に、相対的に移動する２部材間の隙間を封止する方法として、ゴム膜により構成されるダイヤフラムや金属製のベローズなどのシール部品を用いる技術も知られている。しかし、これらのシール部品の耐圧性には限界があり、これらのシール部品にかかる差圧が非常に大きな場合には利用することができない。

特許第４０４６４０９号公報 特開２００７−１４８４６５号公報 特開２００５−３０９９８３号公報

本発明の目的は、簡易な構成で耐圧性の向上を図った減圧弁を提供することにある。

本発明は、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。

すなわち、本発明の減圧弁は、
高圧となる一次側のポートから、低圧となる二次側のポートに至る経路の途中に設けられた弁座に着座することによって弁を閉じ、該弁座から離れることで弁を開く弁体を備え、
前記弁体は、その一方が前記経路内であって前記弁座よりも上流側の領域に通じる貫通孔内で、往復動自在に配置される軸部を有すると共に、
該軸部と前記貫通孔との間の環状隙間を封止する封止部材を備えた減圧弁において、
前記封止部材は、筒状の弾性体によって構成されており、その内周面が前記軸部の外周面に接着により固定され、かつその外周面が前記貫通孔の内周面に接着により固定されていることを特徴とする。

本発明によれば、環状隙間を封止する封止部材は、その内周面及び外周面がいずれも接着固定されており、摺動することはない。そのため、封止部材にかかる差圧が大きくなっても、摺動摩擦を原因とする問題が生じない。

また、封止部材がせん断方向に変形することによって、軸部（弁体）は貫通孔内で往復移動することが可能である。なお、筒状の弾性体で構成された封止部材における軸方向の長さＬと径方向の厚みＴの比（Ｌ／Ｔ）を大きくするほど、耐圧性を高めることができる。

前記貫通孔における他方は、大気圧となる領域に通じているとよい。

また、前記貫通孔における他方は、前記二次側の圧力となる領域に通じていることも好適である。

これにより、封止部材にかかる二次側の圧力による影響を低減させることができる。

前記封止部材は円筒形状（本発明においては、例えば先端にＣ面やＲ面等が形成されたような、実質的に円筒形状のものも含む）であり、かつ前記弁体における受圧領域は円形であり、
前記封止部材における内径と外径の平均の径が、前記受圧領域における円形の径と等しくなる（完全に等しいことを意味している訳ではなく、設計上において等しくなることを意味する）ように設定されているとよい。

これにより、弁体にかかる一次側の圧力による影響を低減させることができる。

前記弁体の先端には、前記二次側の圧力を受ける受圧部材が固定されると共に、該弁体の後端側に向かう推力が作用するように構成されており、
前記受圧部材が受ける圧力と前記推力によって、前記弁体の動作が制御されて弁の開閉が制御されるとよい。

なお、上記各構成は、可能な限り組み合わせて採用し得る。

以上説明したように、本発明によれば、簡易な構成で耐圧性の向上を図ることができる。

図１は本発明の実施形態に係る減圧弁の主要構成を示す模式図である。 図２は本発明の実施形態に係る減圧弁の模式的断面図である。 図３は本発明の実施例１に係る減圧弁の模式的断面図である。 図４は本発明の実施例２に係る減圧弁の模式的断面図である。 図５は従来例に係る減圧弁の主要構成を示す模式図である。

以下に図面を参照して、この発明を実施するための形態を例示的に詳しく説明する。ただし、以下に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

＜減圧弁の基本的な構成＞
図１を参照して、本発明の実施形態に係る減圧弁の基本的な構成を説明する。本発明の実施形態に係る減圧弁１００は、高圧Ｐ１となる一次側のポートから、低圧Ｐ２となる二次側のポートに至る経路の途中に設けられた円形の弁座２１に着座することによって弁を閉じ、この弁座２１から離れることで弁を開く弁体１０を備えている。この弁体１０は、軸部１２と、この軸部１２の先端に設けられた弁本体部１１とから構成される。なお、図１においては、弁体１０における中心軸を通る面で切断した断面を示している。弁体１０はこの中心軸を中心とする回転対称形状である。

そして、軸部１２は、その一方が前記経路内であって弁座２１よりも上流側の領域Ｒに通じる貫通孔２２内で、往復移動自在に配置されている。この軸部１２が往復移動することによって、弁が開閉される。また、貫通孔２２の他方は大気圧Ｐ３となる領域に通じている。ただし、以下に説明するように、貫通孔２２の他方が二次側の圧力Ｐ２と等しくなるように構成することも可能である。

なお、弁座２１及び貫通孔２２は、弁体１０などを収納するハウジング２０の内部に設けられている。

そして、前記領域Ｒの流体圧力が、貫通孔２２を通って逃げてしまわないように、軸部１２と貫通孔２２との間の環状隙間を封止するために、封止部材３０が設けられている。この封止部材３０は、円筒状の弾性体によって構成されている。弾性体の材料の好適な例としては、ＥＰＤＭ（エチレンプロピレンジエンゴム）を挙げることができる。

この封止部材３０は、その内周面が軸部１２の外周面に接着により固定され、かつその外周面が貫通孔２２の内周面に接着により固定されている。より具体的には、焼き付けによって、内周面及び外周面共に、全周に亘って全面が接着されている。

上記のように構成される弁体１０の受圧領域は、弁本体部１１と弁座２１との接触部の内側の領域、つまり円形の領域である。また、封止部材３０の受圧領域は、円筒部の外径と内径との平均径Ｄ１の円形の領域である。本実施形態においては、弁体１０の受圧領域である円の径Ｄ２と、封止部材３０における円筒部の外径と内径との平均径Ｄ１とが等しくなるように設定されている。つまり、両者の受圧面積を等しくしている。

＜本実施形態に係る減圧弁の優れた点＞
本実施形態に係る減圧弁１００によれば、環状隙間を封止する封止部材３０は、その内周面及び外周面がいずれも接着固定されている。従って、封止部材３０と弁体１０の軸部１２との間、及び封止部材３０と貫通孔２２の内周面との間で摺動することはない。そのため、封止部材３０にかかる差圧（Ｐ１とＰ３との間の差圧）が大きくなっても、摺動摩擦を原因とする問題が生じない。特に、本実施形態に係る減圧弁１００においては、封止部材３０における内周面及び外周面のいずれも全面に亘って接着固定させる構成を採用している。そのため、接着部の単位面積当たりに加わる力を可及的に小さくすることができ、耐圧性を向上させることができる。

また、封止部材３０がせん断方向に変形することによって、軸部１２（弁体１０）は貫通孔２２内で往復移動することが可能である。なお、図１（ａ）は弁が閉じた状態を示しており、同図（ｂ）は後述するソレノイドなどの推力により、弁体１０が図中左側に移動して、弁が開いた状態を示している。

ここで、円筒状の封止部材３０における軸方向の長さＬと径方向の厚みＴの比（Ｌ／Ｔ）を大きくするほど、耐圧性を高めることができる。例えば、封止部材３０の材料としてＥＰＤＭを採用した場合に、Ｌ／Ｔ比を４〜５０（より望ましくは１０〜３０）に設定することによって、数十ＭＰａ以上の耐圧性能を実現することが可能である。また、このＬ／Ｔ比を大きくするということは、封止部材３０の軸方向の長さを長くするということでもあり、封止部材３０によって支持される弁体１０が安定する（位置決め精度が向上する）ことにもなる。

また、本実施形態に係る減圧弁１００によれば、封止部材３０自体の弾性復元力によって、弁が閉じる位置に向かって、弁体１０を移動させることができる。なお、上記Ｌ／Ｔ比を大きくするほど、弾性復元力は高くなる。

また、本実施形態においては、弁体１０の受圧領域である円の径Ｄ２と、封止部材３０における円筒部の外径と内径との平均径Ｄ１とが等しくなるように設定されている。つまり、弁体の受圧面積と封止部材３０の受圧面積を等しくしている。これにより、弁体１０にかかる一次側の圧力Ｐ１は相殺され、弁体１０は、一次側の圧力Ｐ１による影響を殆ど受けることがない。従って、一次側の圧力Ｐ１が変動しても安定的に弁の開閉を行わせることができる。なお、一次側の圧力（元圧）Ｐ１がタンクに蓄積されたガスの圧力の場合には、タンク内のガスが消費されることで、一次側の圧力Ｐ１は変動する。

また、貫通孔２２の他方が二次側の圧力Ｐ２と等しくなるように構成した場合には、弁体１０にかかる二次側の圧力Ｐ２も相殺される。従って、弁体１０は二次側の圧力Ｐ２による影響も殆ど受けることがなく、二次側の圧力Ｐ２が変動しても安定的に弁の開閉を行わせることができる。

＜減圧弁の具体的構成＞
図２を参照して、本発明の実施形態に係る減圧弁のより具体的な構成について説明する。なお、この図２に示す減圧弁１００においては、上述の減圧弁の基本的な構成が備えられており、同一の構成部分については同一の符号を付して、その説明は適宜省略する。

図２に示すように、減圧弁１００におけるハウジング２０には、高圧Ｐ１となる一次側のポート２３と、低圧Ｐ２となる二次側のポート２４が設けられている。この一次側のポート２３から二次側のポート２４に至る経路の途中に弁座２１が設けられている。この弁座２１に着座することによって弁を閉じ、この弁座２１から離れることで弁を開く弁体１０を備えている点については、上記基本的な構成で説明した通りである。

また、ハウジング２０における図中左側にもポート２５が設けられており、このポート２５は、貫通孔２２における領域Ｒとは反対側の領域に通じている。このポート２５が大気に露出する構成を採用した場合には、当該反対側の領域は大気圧Ｐ３となり、このポート２５と二次側のポート２４とが閉空間で繋がる構成を採用した場合には、当該反対側の領域は二次側の圧力Ｐ２と等しくなる。

また、本実施形態に係る減圧弁１００においては、弁体１０の先端側に、弁座２１よりも更に先端方向に突出した突出部１３が設けられている。そして、この突出部１３の先端に二次側の圧力（制御圧）Ｐ２を受ける受圧部材としてのベローズ４０が設けられている。

また、突出部１３の先端には、弁体１０の後端側に向かう推力Ｆが作用するように構成されている。この推力Ｆを発生させる方法としては、バネを用いたり、流体圧力を用いたり、後述のようにソレノイドなどの電磁力を用いたりすることが可能である。

更に、弁体１０の後端（軸部１２の端部）には、弁体１０を先端側に向けて付勢するバネ５０が設けられている。

以上のように構成される減圧弁１００によれば、ベローズ４０が受ける圧力（制御圧力）Ｐ２と推力Ｆによって、弁体１０の動作が制御され、その結果、弁の開閉が制御される。これにより、制御圧力Ｐ２を制御することができる。

なお、より具体的には、本実施形態において弁体１０に作用する力は、一次側の圧力Ｐ１と、２次側の圧力Ｐ２と、大気圧Ｐ３と、ベローズ４０が圧力Ｐ２を受けることでベローズ４０により弁体１０に作用する力と、推力Ｆと、封止部材３０の弾性復元力と、バネ５０のバネ力である。従って、弁体１０の位置は、これらの力のバランスにより定まる。従って、一次側の圧力Ｐ１に対して二次側の圧力Ｐ２を所望の圧力に制御するためには、ベローズ４０の特性，推力Ｆ，封止部材３０の弾性力、及びバネ５０のバネ定数を適宜設定すればよい。

なお、上記の通り、一次側の圧力Ｐ１は相殺されるため、力のバランスには寄与しない。また、貫通孔２２における領域Ｒとは反対側の領域の圧力が二次側の圧力Ｐ２となるように構成される場合には、二次側の圧力Ｐ２も相殺されるので、力のバランスには寄与しない。

また、本実施形態に係る減圧弁１００においては、ソレノイドによる推力Ｆが発生していないときは、弁を閉じている必要がある。そして、減圧弁１００に急激な加速度や振動が加えられた場合でも、弁を閉じた状態を維持するために、弁体１０には初期荷重（セット荷重）を与える必要がある。

弁体１０に初期荷重を与える方法として、封止部材３０自身の弾性反発力によって荷重を与える方法と、封止部材３０の後方にバネ５０を設けて荷重を与える方法がある。前者の場合には封止部材３０を初期的に変形させる必要があり、封止部材３０の変形可能域が減少する。これに対して後者の場合には、封止部材３０の変形可能域を大きくすることができ、弁体１０の移動量を極力大きく設定したい場合に有効である。

また、減圧弁１００は、制御圧Ｐ２となる領域よりも下流側に設けられた設備のガス使用量が変動したような場合に、弁体１０の移動量が変化することにより、制御圧Ｐ２を維持する機能（圧力調整機能）を有する。通例、圧力調整機能を発揮させるためには、弁体
１０の移動量に関係なく、弁体１０を押す力が一定に保つように設定される。本実施例に係る弁体構造では、弁体１０の移動量と共に封止部材３０の弾性反発力が増加してしまう。しかし、本実施例の場合には、弁体１０の移動量と共に、ソレノイド推力Ｆも増加するように設定し、上記の弾性反発力の増加分を相殺することによって、弁体１０を押す力を一定に保ち、圧力調整機能を発揮させている。

（実施例１）
図３を参照して、減圧弁１００のより具体的な例（実施例１）を説明する。なお、この図３に示す減圧弁１００においては、図１を参照して説明した減圧弁の基本的な構成及び図２を参照して説明した減圧弁の具体的な構成が備えられており、同一の構成部分については同一の符号を付して、その説明は適宜省略する。

本実施例に係る減圧弁１００においては、上述した図２に示す構成を、より具体的にしたものである。本実施例に係る減圧弁１００は、ベローズ４０を介して弁体１０とは反対側にソレノイド６０が設けられている。このソレノイド６０は、概略、コイル６１と、磁性体で構成された略円筒状のセンターポスト６２と、コイル６１への通電により磁気的に吸引されてセンターポスト６２に向かって移動するプランジャ６３と、プランジャ６３に固定されたロッド６４とを備えている。このロッド６４は、センターポスト６２の中心に設けられた貫通孔を挿通するように設けられて、その先端がベローズ４０に固定されている。

以上の構成により、コイル６１への通電によって、プランジャ６３を図中左側に移動させることができる。これに伴って、ロッド６４によって、ベローズ４０を介して、弁体１０を図中左側に押す力が発生する。つまり、弁体１０の先端には、弁体１０の後端側に向かう推力Ｆが作用する。従って、コイル６１への通電を制御することで、推力Ｆを制御することができ、結果的に、弁の開閉を制御して、圧力Ｐ２を制御することができる。

（実施例２）
図４を参照して、減圧弁１００のより具体的な例（実施例２）を説明する。なお、この図４に示す減圧弁１００においては、図１を参照して説明した減圧弁の基本的な構成及び図２を参照して説明した減圧弁の具体的な構成の一部が備えられており、同一の構成部分については同一の符号を付して、その説明は適宜省略する。

本実施例に係る減圧弁１００においても、上記実施例１の場合と同様に、ソレノイド６０が設けられている。ソレノイド６０の構成等については、上記実施例１で説明した通りであるので、その説明を省略する。

本実施例に係る減圧弁１００においては、上記実施例１の場合とは異なり、弁体１０には突出部１３が設けられていない。その代わりに、ベローズ４０に弁座２１の内側の貫通孔を挿通するように設けられた突出部４１が設けられている。そして、この突出部４１が弁体１０の先端に当る（固定してもしなくてもよい）ように構成されており、実施例１の場合と同様に、ソレノイド６０によって、弁体１０の先端には、弁体１０の後端側に向かう推力Ｆが作用する。従って、コイル６１への通電を制御することで、推力Ｆを制御することができ、結果的に、弁の開閉を制御して、圧力Ｐ２を制御することができる。

また、本実施例に係る減圧弁１００においては、貫通孔２２における領域Ｒとは反対側の領域から二次側のポート２４へと繋がる通路Ｓを設けている。これにより、貫通孔２２における領域Ｒとは反対側の領域の圧力は二次側の圧力Ｐ２と等しくなる。従って、上記の通り、弁体１０は二次側の圧力Ｐ２による影響を殆ど受けることがなく、二次側の圧力Ｐ２が変動しても安定的に弁の開閉を行わせることができる。

１０ 弁体
１１ 弁本体部
１２ 軸部
１３ 突出部
２０ ハウジング
２１ 弁座
２２ 貫通孔
２３ （一次側の）ポート
２４ （二次側の）ポート
２５ ポート
３０ 封止部材
４０ ベローズ
４１ 突出部
５０ バネ
６０ ソレノイド
６１ コイル
６２ センターポスト
６３ プランジャ
６４ ロッド
１００ 減圧弁
Ｆ 推力

Claims (5)

1. 高圧となる一次側のポートから、低圧となる二次側のポートに至る経路の途中に設けられた弁座に着座することによって弁を閉じ、該弁座から離れることで弁を開く弁体を備え、
   前記弁体は、その一方が前記経路内であって前記弁座よりも上流側の領域に通じる貫通孔内で、往復動自在に配置される軸部を有すると共に、
   該軸部と前記貫通孔との間の環状隙間を封止する封止部材を備えた減圧弁において、
   前記封止部材は、筒状の弾性体によって構成されており、その内周面が前記軸部の外周面に接着により固定され、かつその外周面が前記貫通孔の内周面に接着により固定されていることを特徴とする減圧弁。
2. 前記貫通孔における他方は、大気圧となる領域に通じていることを特徴とする請求項１に記載の減圧弁。
3. 前記貫通孔における他方は、前記二次側の圧力となる領域に通じていることを特徴とする請求項１に記載の減圧弁。
4. 前記封止部材は円筒形状であり、かつ前記弁体における受圧領域は円形であり、
   前記封止部材における内径と外径の平均の径が、前記受圧領域における円形の径と等しくなるように設定されていることを特徴とする請求項１，２または３に記載の減圧弁。
5. 前記弁体の先端には、前記二次側の圧力を受ける受圧部材が固定されると共に、該弁体の後端側に向かう推力が作用するように構成されており、
   前記受圧部材が受ける圧力と前記推力によって、前記弁体の動作が制御されて弁の開閉が制御されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の減圧弁。

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