JP2012189163A - 高圧流体用逆止弁 - Google Patents

Abstract

【課題】許容方向に流体が流れた後に自動的に閉弁する際の弁前後の圧力差を小さくし、騒音発生の抑制を図ることのできる高圧流体用逆止弁を提供する。
【解決手段】バルブボディ１２に、ガス導入口１４と水素タンク２内を連通する連通路１３を設け、連通路１３内に弁座１９を設ける。弁座１９に対して、連通路１３内の水素タンク２側から離接する弁体１６を設け、弁体１６をスプリング２０によって弁座１９方向に付勢する。弁体１６の弁頭部１６ａの先端部には、非貫通の穴２１を設ける。充填ガスの充填が開始された後には、弁頭部１６ａの穴２１で受ける通過抵抗が開弁保持力として加算され、水素タンク２内のガスの圧力が増大しても弁体１６が安定して開弁状態に維持され易くなる。
【選択図】図２

Description

この発明は、燃料タンクや燃料充填口、高圧流路等の高圧流体が流通する部位に用いられ、高圧流体を一方向にのみに流すよう開弁する高圧流体用逆止弁に関するものである。

流体を扱う各種の装置においては、流体の流れを一方向のみに規制する逆止弁が用いられている（例えば、特許文献１参照）。
この逆止弁は、通路内に弁座と、その弁座に対して離接する弁体が設けられ、弁体がスプリングによって弁座方向に付勢される基本構造とされている。

高圧流体を一方向のみに規制する用途として、近年、特にＣＮＧ（Compressed Natural Gas）や燃料電池システム等の燃料供給流路系で用いられてきている。ここで、それらの燃料タンクでは、内部の燃料ガスが不足したときに外部から燃料ガスを充填するためのガス充填部が設けられている。このガス充填部には、燃料ガスの充填方向の流れのみを許容し、燃料タンク内から放出される方向の燃料ガスの流れを止めるための逆止弁が多く用いられている（例えば、特許文献２参照）。
この燃料タンク用の逆止弁は、一般的な逆止弁と同様に、弁座と、弁座に離接する弁体と、弁体を閉弁方向に付勢するスプリングを備えたものであるが、弁体には、燃料ガスの充填時に、充填方向のガス圧とともに、燃料タンク内のガス圧が逆向きに作用する。

特開平９−４７４１号公報 特開２００８−１３８７４６号公報

この従来の燃料タンク用の逆止弁は、燃料ガスの充填時には、弁体がスプリングと内外のガス圧のバランスによって開弁状態に維持されるため、燃料ガスの充填後期に、弁体に作用する充填燃料ガスとタンク内の燃料ガスとの圧力差による推力が、スプリングの反力よりも小さくなった時点で、弁体が流路を閉じてしまう。しかし、スプリングの付勢力は燃料タンク内のガスの漏れを遮断する閉弁力となるため、燃料ガスの充填効率を高めるためにスプリングの付勢力を下げることはできない。
また、従来の燃料タンク用の逆止弁は、燃料ガスの充填後期に、弁体に作用する充填燃料ガスの推力とタンク内の燃料ガスの推力の差が小さくなるため、弁体と弁座の頻繁な接離による騒音が発生し易い。このように高圧流体用の逆止弁では、許容される方向に流体が流れ、弁の上流側圧力と下流側圧力とが近づいて自動的に閉弁する際の弁前後の圧力を極力小さくすること、及び騒音を低減することが課題となっている。

そこでこの発明は、許容方向に流体が流れた後に自動的に閉弁する際の弁前後の圧力差を小さくし、騒音発生の抑制を図ることのできる高圧流体用逆止弁を提供しようとするものである。

この発明に係る高圧流体用逆止弁では、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
請求項１に係る発明は、流体供給路上に取り付けられるバルブボディ（例えば、実施形態のバルブボディ１２）と、このバルブボディに設けられ、流体導入口（例えば、実施形態のガス導入口１４）と前記流体供給路の流体受容側を連通する連通路（例えば、実施形態の連通路１３）と、前記連通路内に設けられた弁座（例えば、実施形態の弁座１９）と、この弁座に対し、前記連通路内の流体供給路の流体受容側で離接して前記連通路を開閉する弁体（例えば、実施形態の弁体１６）と、この弁体を前記弁座方向に付勢するスプリング（例えば、実施形態のスプリング２０）と、を備え、前記流体供給路の流体受容側への流体の導入時に、前記弁体が前記流体導入口から導入される流体の圧力を受けて開弁する高圧流体用逆止弁であって、前記弁体には、前記流体の導入時に、導入流体の通過抵抗を受ける抵抗受け手段（例えば、実施形態の非貫通の穴２１）が設けられていることを特徴とするものである。
これにより、流体導入口に導入装置が接続され、流体導入口から流体が導入されると、弁体が導入流体の圧力を受けて弁座から離間し、それによって連通路が開口する。このとき、弁体は、導入流体と流体供給路の流体受容側流体との圧力差による推力がスプリングの反力に打ち勝ったところで開弁する。こうして、流体導入口を通した流体の導入が開始されると、弁体の抵抗受け手段が導入流体の通過抵抗を受け、その通過抵抗が弁体の開弁保持力として加算される。

請求項２に係る発明は、請求項１に係る高圧流体用逆止弁において、前記抵抗受け手段は、前記弁体の先端部に設けられた非貫通の穴（例えば、実施形態の非貫通の穴２１）を備えていることを特徴とするものである。
これにより、流体の導入が開始された後には、連通孔を流れる導入流体が弁体の先端部の穴に入り込み、弁体が大きな通過抵抗を受けるようになる。

請求項３に係る発明は、請求項１または２に係る高圧流体用逆止弁において、前記抵抗受け手段は、前記弁体の側面から突出した突出部（例えば、実施形態の傾斜フランジ３０）を備えていることを特徴とするものである。
これにより、流体の導入が開始された後には、連通路を流れる導入流体が突出部に当たり、弁体が大きな通過抵抗を受けるようになる。

請求項４に係る発明は、請求項３に記載の高圧流体用逆止弁において、前記突出部には、少なくとも一つの貫通孔（例えば、実施形態の貫通孔３１）が設けられていることを特徴とするものである。
これにより、流体の導入が開始された後には、連通路を流れる導入流体が貫通孔に向かって流れ、このとき導入流体が突出部に当たって弁体がより大きな通過抵抗を受けるようになる。

この発明によれば、導入流体の通過抵抗を受ける抵抗受け手段が弁体に設けられているため、流体の導入が開始された後には、抵抗受け手段で受ける通過抵抗が開弁保持力として加算され、流体供給路の流体受容側での流体圧力が増大しても、弁体が安定しつつスプリングの反力にさらに抗して開弁状態に維持され易くなる。
したがって、この発明によれば、流体供給路で許容方向に流体が流れた後、自動的に閉弁する際の弁前後の圧力差を小さくすることができるとともに、弁体と弁座の当接頻度を少なくして騒音の発生を抑制することができる。

この発明の実施形態の高圧流体用逆止弁を燃料タンクに採用した燃料電池システムの概略構成図である。 この発明の第１の実施形態の高圧流体用逆止弁の断面図である。 この発明の第２の実施形態の高圧流体用逆止弁の断面図である。 この発明の第２の実施形態の変形例の断面図である。 この発明の第３の実施形態の高圧流体用逆止弁の断面図である。

以下、この発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、高圧流体の例として圧縮水素ガスが用いられる燃料電池システムの概略構成図であり、符号１は、燃料としての水素と酸化剤としての酸素が供給されて発電をする燃料電池スタック（燃料電池）を示している。燃料電池スタック１は、例えば固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）であり、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly、膜電極接合体）をセパレータ（図示しない）で挟持してなる単セルが複数積層されて構成されている。

燃料電池スタック１には、高圧の水素を貯蔵する水素タンク２（流体供給路の流体受容側容器）から水素供給流路３（流体供給路）を介して所定圧力および所定流量の水素ガスが供給されるとともに、図示しない空気供給装置を介して酸素を含む空気が所定圧力および所定流量で供給される。
高圧流体である水素を高圧化して貯蔵する水素タンク２は、長手方向の両端が略半球状の筒状をなし、その長手方向の一端が開口している。この開口部２ａには、水素供給流路３に対する水素タンク２のガス供給と遮断を行う主止弁１０が取り付けられている。

水素供給流路３には、減圧弁５と中圧デバイス７とが介装されている。水素タンク３から放出される高圧（例えば、３５ＭＰａあるいは７０ＭＰａ等）の水素ガスは、減圧弁５によって所定の圧力（例えば、１ＭＰａ以下）に減圧されて中圧デバイス７（受圧デバイス）に供給される。ここで、中圧デバイス７とは、減圧弁５と燃料電池スタック１との間に配置されるデバイスの総称であり、エゼクタ、インジェクタ、加湿器などが含まれる。エゼクタは、燃料電池スタック１から排出される水素オフガスを循環利用するために水素オフガスを再び水素供給流路３に戻すデバイスであり、インジェクタは燃料電池スタック１に供給する水素ガス流量を調整するデバイスであり、加湿器は燃料電池スタック１に供給される水素ガスを加湿するデバイスである。中圧デバイス７としていずれのデバイスが組み込まれるかは燃料電池システムの全体構成により決定される。

この発明に係る高圧流体用逆止弁を燃料タンクに用いた第１の実施形態について説明する。この高圧流体用逆止弁は、例えば、上記の燃料電池システムの水素供給路３の端部である水素タンク２のガス充填部に設置されている。
図２は、第１の実施形態の高圧流体用逆止弁１１（以下「逆止弁１１」と呼ぶ。）の具体的な構造を示す図である。
同図において、１２は、水素タンク２に取り付けられた逆止弁１１のバルブボディであり、１３は、バルブボディ１２に形成され、ガス導入口１４と水素タンク２の内部を連通する連通路である。なお、図２においては、逆止弁１１のバルブボディ１２が水素タンク２に直接取り付けられているように模式的に示されているが、バルブボディ１２は、主止弁１０に一体に設け、主止弁１０とともに水素タンク２に取り付けるようにしても良い。

バルブボディ１２の連通路１３内には、バルブ収容室１５が設けられ、そのバルブ収容室１５内に弁体１６が進退自在に収容されている。この実施形態の場合、弁体１６は、シールリング１８が取り付けられた略円錐状の弁頭部１６ａと、弁頭部１６ａの背部から軸方向に突出する軸部１６ｂとを備え、軸部１６ｂがバルブボディ１２のガイド穴１７内に摺動自在に保持されている。なお、ガイド穴１７の底部には水素タンク２内と導通する導通孔２４が設けられている。

バルブ収容室１５内の弁体１６の弁頭部１６ａと対向する位置にはテーパ状の弁座１９が設けられており、弁体１６の弁頭部１６ａがシールリング１８を介してこの弁座１９に接離し、それによって連通路１３が開閉されるようになっている。
また、ガイド穴１７の底部と弁体１６の軸部１６ｂの間には、弁体１６を弁座１９方向に付勢するスプリング２０が介装されている。

ここで、弁体１６の弁頭部１６ａの上面中央には、抵抗受け手段として非貫通の穴２１が設けられている。この非貫通の穴２１は、後述するように水素タンク２への充填ガスの補充時に、連通孔１３を通過する充填ガスの通過抵抗を大きく受けるようになっている。

この逆止弁１１は、水素タンク２に充填ガスを充填する場合以外では、弁体１６にスプリング２０の付勢力と水素タンク２内のガス圧による推力が作用し、弁体１６がこれらの力によって弁座１９に押し付けられている。

一方、ガス導入口１４（流体導入口）に充填装置（導入装置）を接続して、水素タンク２に充填ガス（導入流体）を充填（導入）する場合には、弁体１６には、弁頭部１６ａの頂面側に作用する充填ガスの開弁方向の推力Ｆ１と、弁頭部１６ａの背面側に作用する水素タンク２内のガスの閉弁方向の推力Ｆ２と、同じく弁頭部１６ａの背面に作用する閉弁方向のスプリング２０の反力Ｆｓとが働く。
推力Ｆ１，Ｆ２は以下の式で表される。
Ｆ１＝Ｐ１×Ｓ１
Ｆ２＝Ｐ２×Ｓ１
ただし、Ｐ１は、充填ガスのガス圧、Ｐ２は、水素タンク２内のガス圧、Ｓ１は、弁体１６の推力に関与する実質的な受圧面積を表す。
そして、弁体１６の開弁時には、Ｆ１＞Ｆ２＋Ｆｓとなる。

また、弁体１６が充填ガスのガス圧を受けて開弁した後には、弁体１６の弁頭部１６ａの先端部の非貫通の穴２１が、連通孔１３を通過する充填ガスの通過抵抗を大きく受け、この穴２１部分で受ける通過抵抗Ｆ３が弁体１６の開弁保持力として加算される。
このとき、弁体１６が開弁状態を維持するときの各力の関係は以下のようになる。
Ｆ１＋Ｆ３＞Ｆ２＋Ｆｓ
なお、通過抵抗Ｆ３は以下の式によって求まる。
Ｆ３＝１／２×ρ・Ｖ^２・Ｓ２・Ｃｄ
ただし、ρは、ガスの流体密度、Ｖは、ガスの流速、Ｓ２は、ガスの当たる部分の前面投影面積、Ｃｄは、抵抗係数を表す。

以上のように、この逆止弁１１においては、充填ガスの通過抵抗を受ける非貫通の穴２１が弁体１６の先端部の中央に設けられ、充填ガスの充填が開始された後には、非貫通の穴２１で受ける通過抵抗Ｆ３が弁体１６の開弁保持力として加算されるため、充填ガスの充填後期に水素タンク２内のガス圧が高まっても弁体１６が安定して開弁状態を維持できるようになる。すなわち、流体供給路の流体受容側でのガス圧力が増大しても、弁体１６が安定してスプリング２０の反力にさらに抗して開弁状態を維持し、流体供給路で許容方向に充填ガスが流れた後に弁体１６が自動的に閉弁する際の弁前後の圧力差を小さくすることができる。
したがって、この逆止弁１１では、充填ガスの充填時に、水素タンク２の圧力が充分に高圧になるまでガスを安定的に充填することができ、ガスの充填効率を確実に高めることができる。また、この逆止弁１１の場合、弁体１６が非貫通の穴２１で大きな通過抵抗を受けるため、充填ガスの充填時に弁体１６と弁座１９の当接頻度が少なくなり、騒音の発生も抑制される。

つづいて、図３に示す第２の実施形態について説明する。なお、以下で説明する実施形態においては、上記の実施形態と同一部分に同一符号を付し、重複する説明を省略するものとする。
図３は、第２の実施形態の高圧流体用逆止弁１１Ａ（以下「逆止弁１１Ａ」と呼ぶ。）の具体的な構造を示す図である。
この実施形態の逆止弁１１Ａは、基本的な構成は第１の実施形態とほぼ同様であるが、弁体１６Ａの軸部１６ｂに弁頭部１６ａ側に斜めに傾斜して弁体１６Ａの外径より大きくされて張り出す傾斜フランジ３０（突出部）が追加され、その傾斜フランジ３０の軸部１６ｂの近傍に軸方向に貫通する複数の貫通孔３１が形成されている。この実施形態においては、弁頭部１６ａの非貫通の穴２１と傾斜フランジ３０が抵抗受け手段を構成している。

この実施形態の逆止弁１１Ａの場合、水素タンク２に充填ガスを充填するときには、弁体１６Ａが開弁した後には連通路１３を流れる充填ガスが弁頭部１６ａの非貫通の穴２１で通過抵抗を受けるとともに、弁頭部１６ａを回り込んだ充填ガスが傾斜フランジ３０の前面（弁頭部１６ａ側の面）に当たってさらに傾斜フランジ３０でも通過抵抗を受ける。

特に、この逆止弁１１Ａにおいては、傾斜フランジ３０の軸部１６ｂの近傍に貫通孔３１が設けられているため、弁頭部１６ａを回り込んだ充填ガスはそのまま傾斜フランジ３０の外周側に流れずに貫通孔３１方向にも流れようとする。このため、傾斜フランジ３０の前面に多くの充填ガスが当たるようになり、より大きな通過抵抗を受けることが可能になる。
したがって、この逆止弁１１Ａでは、充填ガスの充填時に、より大きな通過抵抗を弁体１６Ａの開弁保持力として作用させることができるため、スプリング２０の反力にいっそう抗して開弁状態を維持し、流体供給路で許容方向に充填ガスが流れた後に弁体１６が自動的に閉弁する際の弁前後の圧力差を小さくすることができ、ガスの充填効率をさらに高め、騒音発生もより抑制することができる。

なお、ここで説明した第２の実施形態の逆止弁１１Ａは、弁体１６Ａの軸部１６ｂに抵抗受け手段として傾斜フランジ３０を設けたが、図４に示す変形例の逆止弁１１Ｂのように、弁体１６Ｂの軸部１６ｂに上面が傾斜せずに略水平に延出するフランジ３０Ｂを設け、そのフランジＢを抵抗受け手段としても良い。

また、図５は、第３の実施形態の高圧流体用逆止弁１１Ｃ（以下「逆止弁１１Ｃ」と呼ぶ。）の具体的な構造を示す図である。
この逆止弁１１Ｃは、基本的な構成は第１の実施形態とほぼ同様であるが、弁体１６Ｃの円錐状の弁頭部１６ａの背面に弁頭部１６ａよりも外径の大きい突出部であるフランジ４０が取り付けられている。このフランジ４０は、充填ガスの充填時に、弁頭部１６ａの円錐面を回り込んだ直後の充填ガスが前面に当たり、このとき充填ガスから通過抵抗を受ける。この実施形態の場合、弁頭部１６ａの非貫通の穴２１とフランジ４０が抵抗受け手段を構成している。

この実施形態の逆止弁１１Ｃは、基本的に第２の実施形態とほぼ同様の効果を得ることができるが、弁体１６Ｃの構造が単純であることから、製造コストを低減できるというさらなる利点がある。

なお、この発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更が可能である。例えば、高圧流体は、上記実施形態では高圧水素ガスを用いたが、加圧水や高圧天然ガス等の他の流体であっても良い。流体供給路の流体受容側として示した水素タンクも、容器形状ではなく、管路の一部であっても良い。この場合、逆止弁は、上流管路と下流管路との間で一方向への流れを規制する弁となる。さらに、逆止弁が燃料電池システムを搭載した車両等の充填口に設けられていても、勿論良い。

２…水素タンク（流体供給路の流体受容側容器）
１１，１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ…逆止弁（高圧流体用逆止弁）
１２…バルブボディ
１３…連通路
１４…ガス導入口
１６，１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃ…弁体
１９…弁座
２０…スプリング
２１…非貫通の穴（抵抗受け手段）
３０…傾斜フランジ（突出部，抵抗受け手段）
３０Ｂ…フランジ（突出部，抵抗受け手段）
３１…貫通孔
４０…フランジ（突出部，抵抗受け手段）

Claims (4)

1. 流体供給路上に取り付けられるバルブボディと、
   このバルブボディに設けられ、流体導入口と前記流体供給路の流体受容側を連通する連通路と、
   前記連通路内に設けられた弁座と、
   この弁座に対し、前記連通路内の流体供給路の流体受容側で離接して前記連通路を開閉する弁体と、
   この弁体を前記弁座方向に付勢するスプリングと、を備え、
   前記流体供給路の流体受容側への流体の導入時に、前記弁体が前記流体導入口から導入される流体の圧力を受けて開弁する高圧流体用逆止弁であって、
   前記弁体には、前記流体の導入時に、導入流体の通過抵抗を受ける抵抗受け手段が設けられていることを特徴とする高圧流体用逆止弁。
2. 前記抵抗受け手段は、前記弁体の先端部に設けられた非貫通の穴を備えていることを特徴とする請求項１に記載の高圧流体用逆止弁。
3. 前記抵抗受け手段は、前記弁体の側面から突出した突出部を備えていることを特徴とする請求項１または２に記載の高圧流体用逆止弁。
4. 前記突出部には、少なくとも一つの貫通孔が設けられていることを特徴とする請求項３に記載の高圧流体用逆止弁。

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