JP2013087802A - 流体制御弁 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】エア調圧弁4は、ステッピングモータの回転を直進運動に変換して、バルブシャフト44をバルブハウジング41内において軸方向に移動させている。バルブシャフト44に取り付けられたバルブ部材45は、バルブシャフト44とともに移動して、調圧弁座411fに対し着座あるいは離間することによりエア調圧弁4を開閉している。バルブ部材45は、シール部材452が取り付けられたバルブフレーム451を有し、バルブフレーム451の取付部451dは、バルブシャフト44の先端部の支持体445に対し傾き可能に取り付けられている。バルブフレーム451の円筒部451cの内周面とバルブシャフト44の外周面との間には半径方向の隙間が形成されており、当該半径方向隙間によって、バルブ部材45の傾き角度が規制されている。
【選択図】図2
Description
特許文献1に開示された開閉弁は、燃料電池システムの酸化ガス供給路上に設けられ、ダイヤフラムで互いに区分けされた一対の圧力室に選択的にエアを導入することにより、ダイヤフラムに接続されたバルブ体を、供給路上に形成された弁座に対して当接あるいは離間させることにより供給路を断続している。
この従来技術に開示されたポペットバルブ式の開閉弁は、閉弁時に一方向からの高圧に対する耐力が高く、エアコンプレッサから吐出された高圧の酸化ガスを十分にシールすることができる。
このためには、これまで、バルブ体が弁座に着座する際に、バルブ体と弁座との間の平行度のばらつきを、弾性材料にて形成されたシール部材を部分的に潰すことによって吸収してきた。これによって、バルブ体と弁座のシール面とが平行でなくても、弁座の全面にシール部材が当接するようになり、開閉弁のシール不良を防止することができる。
これに対して、弁体取付軸と主軸との間のガタを低減しようとすれば、各部品の寸法精度を向上させなければならず、コストの増大を余儀なくされていた。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、閉弁時にバルブ部材と弁座との間において確実にシール力を発生することができる小型で低コストの流体制御弁を提供することにある。
また、バルブ部材は、弁軸の先端部を中心に規則的に傾き、半径方向隙間で規制される所定角度以上には傾かないため、バルブ部材の振動およびそれに伴う騒音の発生が防止され、流体制御弁の内部を通過する流体の流量変動を低減することができ、流体制御弁の流量制御性能を向上させことができる。
また、取付部をかしめてバルブ部材と弁軸との間の軸方向の隙間を形成することにより、当該軸方向の隙間を、極力、小さくすることができる。
図1乃至図10に基づき、本発明の実施形態1によるエア調圧弁4について説明する。
図1に示すように、本実施形態によるエア調圧弁4(流体制御弁に該当する)は、車両に搭載された燃料電池システム1の酸素系2に適用されている。しかしながら、本発明はこれに限定されるべきものではなく、燃料供給系システムあるいは油圧ブレーキシステムといった、車両用流体制御弁として広範囲に使用することが可能であり、また、家庭用機器もしくは一般産業機械用の流体制御弁としても適用することが可能である。
また、以下、図2における上方および下方を、それぞれエア調圧弁4の上方および下方とし、図2における右方および左方を、それぞれエア調圧弁4の右方および左方として説明しているが、車両におけるエア調圧弁4の実際の取付方向とは無関係である。
電池スタック6は、これに限定されるべきものではないが、複数の固体高分子型の単セルが積層されることで形成されている。複数の単セルは電気的に直列に接続されており、各々の単セルは電解質膜と、これを挟むアノード極およびカソード極(いずれも図示せず)を含んでいる。また、単セルのアノードセパレータ(図示せず)には、アノード極に対して水素ガスを供給するためのアノード流路61が形成されており、カソードセパレータ(図示せず)には、カソード極に対して空気を供給するためのカソード流路62が形成されている。
カソード流路62の他端には酸素系排出配管21bの一端が接続されており、酸素系排出配管21b上には、2ポートの流体制御弁であるエア調圧弁4が設けられている。また、前述した三方弁3は3ポートの流体制御弁であって、バイパス管路21cの一端が接続されており、バイパス管路21cの他端は、酸素系排出配管21bのエア調圧弁4よりも下流側部位(電池スタック6が接続されていない側)に接続されている。
動力系7は、車両を走行させるための電動モータ71を備えている。電動モータ71は電池スタック6の正極および負極と接続されており、電池スタック6の発電によって駆動される。
制御装置9は、エアコンプレッサ23、三方弁3、エア調圧弁4、遮断弁53、循環ポンプ57および冷却ポンプ81と電気的に接続されている。制御装置9は車両の走行状態に応じて算出された電池スタック6の必要な発電量に基づき、これらの各構成要素の作動を制御している。
酸素系2において、エアフィルタ22を介して吸引された酸素を含んだ空気は、エアコンプレッサ23において圧縮された後、インタークーラ24によって冷却される。三方弁3は、電池スタック6の発電量に応じてバルブ部材の位置を変位させ、インタークーラ24から供給された空気を分流してバイパス配管21cへ逃すことにより、電池スタック6への空気の流量を制御している。
また、エア調圧弁4は、その開度を調整し電池スタック6内に残存した空気の排出量を調整することにより、電池スタック6内の圧力を制御している。
さらに、バルブボデー411の内周面において、調圧弁インレット411dと調圧弁アウトレット411eとの間には調圧弁座411f(弁座に該当する)が形成されている。調圧弁座411fは平坦な円環状に形成されている。
バルブ部材45のバルブフレーム451は、ステンレス等の金属板がプレス成形されて形成されている。バルブフレーム451は、バルブシャフト44の軸心に対し、半径方向に円板状に延びた平板部451aを有しており、平板部451aには外周縁を覆うようにシール部材452が固着されている。
また、バルブフレーム451は、一端が段部451bに連続した円筒部451c(筒状部に該当する)を有している。円筒部451cは、平板部451aに対して垂直方向に延び、バルブシャフト44の円柱部443が挿入されている。さらに、バルブフレーム451は、円筒部451cの他端に連続して形成され、先端が半球状の曲面によって袋状に閉じていることにより、バルブシャフト44の支持体445の曲面を受けることが可能な取付部451dを有している。
次に、パンチPを戻した状態で、バルブフレーム451を60°回転させた後、上述したパンチPによって同様にかしめられる。これによって、取付部451dはバルブシャフト44の支持体445に対して、円周上の6箇所のかしめ部451eにおいて均等にかしめられ、支持体445に対して脱落不能に接続される。
通常、シールリップ452aの直径φは、エア調圧弁4を通過させる流体の量に基づいて機能的に設定される。また、バルブ部材45と調圧弁座411fとの間の平行度の精度のばらつきは、バルブハウジング41およびモータアッセンブリ42の製造上の精度によって決定される。
また、ダイヤフラム保持体455は、半径方向内端にバルブシャフト44の軸方向に延びる係合部455aを有し、係合部455aの上端からは、押圧部455bが半径方向に延びている。押圧部455bの下面がスプリングリテーナ453の連結部453cの上端に当接するまで、係合部455aが連結部453cの内周面に圧入されることにより、スプリングリテーナ453とダイヤフラム保持体455は一体化されている。
また、バルブシャフト44の支持体445を挿入した後、取付部451dをかしめてバルブ部材45とバルブシャフト44とを接続することにより、簡単な構成で低コストに、所定量だけバルブ部材45がバルブシャフト44に対して傾くことができるエア調圧弁4を形成することができる。
また、バルブシャフト44と円筒部451cとの間の半径方向隙間εの大きさは、シール部材452のシールリップ452aの直径φに基づいて設定されていることにより、バルブ部材45が調圧弁座411fに着座する際に、バルブ部材45の平面方向と調圧弁座411fのシール面との間の平行度、およびシールリップ452aの直径φに起因して発生する調圧弁座411fの高低差hを確実に吸収することができる。
また、支持体445の外周面と取付部451dのかしめ部451eとの間の軸方向の隙間δは僅かな大きさであるため、バルブシャフト44に対するバルブ部材45の振動および振動に伴う騒音は低減され、流体の流量変動をさらに抑制することができる。
次に、本発明を適用した実施形態2による三方弁3(流体制御弁に該当する)の構造について、図11乃至図13に基づき詳細に説明する。尚、以下、図11における上方および下方を、それぞれ三方弁3の上方および下方とし、図11における右方および左方を、それぞれ三方弁3の右方および左方として説明しているが、車両における三方弁3の実際の取付方向とは無関係である。
図11に示したように、三方弁3も実施形態1によるエア調圧弁4と同様に、バルブハウジング31の外周面にモータアッセンブリ32(駆動源に該当する)が取り付けられて形成されている。バルブハウジング31は、ともに合成樹脂材料にて形成された第1ボデー311と第2ボデー312とを、互いに液密的に嵌合させて形成している。
また、第2ボデー312の内周面において、三方弁インレット311aと三方弁アウトレット312aとの間には制御弁座312b(弁座に該当する)が形成されている。制御弁座312bは平坦な円環状に形成されている。
さらに、バルブフレーム351は、エア調圧弁4と同様に、円筒部351cの他端に連続して形成され、バルブシャフト33の支持体335を受け入れる取付部351dを有している。取付部351dは、かしめによりバルブシャフト33の支持体335に対し脱落不能に取り付けられている。
また、バルブフレーム351はバルブシャフト33に取り付けられた状態において、円筒部351cの内周面と、バルブシャフト33の円柱部331の外周面との間には、バルブシャフト33の軸心に対する半径方向隙間εが全周上に形成されている。
三方弁3において、バルブ部材35は、制御弁座312bとバイパス弁座311dとの間において任意の位置をとることにより、三方弁インレット311aから供給された流体の、三方弁アウトレット312aおよびバイパス口311bへそれぞれ分流される流量を、流体が通過する通路の断面積に基づき制御することができる(図11示)。
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、次のように変形または拡張することができる。
調圧弁4のバルブフレーム451の内周面とバルブシャフト44の外周面との間にシール部材を弾発的に介装させることにより、バルブシャフト44に対するバルブ部材45の振動および振動に伴う騒音を低減し、流体の流量変動を抑制するようにしてもよい。
また、図2および図11に示したバルブ部材35、45において、円筒部351c、451cの下方に平板部351a、451aを形成し、さらに、平板部351a、451aの下方に、平板部351a、451aに連続するように取付部351d、451dを形成してもよい。
Claims (6)
- 内部に流体の流入口と流出口とが形成されたバルブハウジングと、
前記バルブハウジングに取り付けられた駆動源と、
前記駆動源によって、前記バルブハウジング中において軸方向に移動する弁軸と、
前記弁軸の軸心に対し半径方向に延びるように取り付けられ、前記弁軸とともに移動することにより、一側の面において、前記バルブハウジング内に形成された弁座に対して着座あるいは離間し、前記流入口と前記流出口との間を断続するバルブ部材と、
を備え、
前記バルブ部材は、
前記弁軸の軸方向に延び前記弁軸が挿入される筒状部と、前記筒状部から前記弁軸に対し半径方向に拡がった延在部と、前記筒状部または前記延在部に連続するとともに、一端が袋状に閉じており、前記弁軸の先端部に形成された曲面を受ける取付部と、を有するバルブフレームと、
前記延在部に取り付けられ、前記弁座に対して当接可能なシール部材と、
により形成され、
前記弁軸は、前記筒状部との間に半径方向隙間を有し、前記取付部に対しては脱落不能に接続されているとともに、軸方向の隙間を有する流体制御弁。 - 前記バルブフレームは金属板をプレス成型して形成され、前記弁軸の先端部を挿入した後、前記取付部をかしめることにより、前記バルブ部材と前記弁軸とを接続するとともに、前記軸方向の隙間を形成する請求項1記載の流体制御弁。
- 前記弁軸と前記筒状部との間の前記半径方向隙間の大きさは、前記バルブ部材が前記弁座に着座する際に、前記弁座に倣って、前記弁軸の先端部を中心に前記バルブ部材が前記弁軸に対して所定量だけ傾くように、前記シール部材の前記弁座に対するシール径に基づいて設定されている請求項1または2に記載の流体制御弁。
- 前記バルブ部材と前記バルブハウジングとの間には、前記弁軸を円周方向に取り囲むように設けられ、前記バルブ部材を前記弁軸の先端方向に向けて付勢するコイルバネが介装されている請求項1乃至3のうちのいずれか一項に記載の流体制御弁。
- 前記弁軸の外周面と前記筒状部の内周面との間には、リング状のシール部材が弾発的に介装されている請求項1乃至4のうちのいずれか一項に記載の流体制御弁。
- 前記バルブハウジングの内周面には、表裏を貫通する装着孔を有したダイヤフラムの外周縁が液密的に固定されるとともに、前記装着孔の内周縁が前記バルブ部材の外周部に液密的に固定されることにより、前記ダイヤフラムおよび前記バルブ部材によって前記バルブハウジングの内部が区分けされ、前記流入口、前記流出口および前記弁座を含み前記流体が通過する流体室と、前記流体の進入が防止される空気室とが形成されている請求項1乃至5のうちのいずれか一項に記載の流体制御弁。
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