JP2013196053A - 制御バルブ - Google Patents

Abstract

【課題】制御バルブの騒音を低減する。
【解決手段】通過する流体の圧力を制御する制御バルブ１であって、流体を通過させるシート部２２を有するバルブシート２０と、バルブシート２０に挿入されシート部２２との間で流体の圧力を調整するポペット弁６０と、バルブシート２０に設けられポペット弁６０によって圧力が調整された流体を整流する流体整流部５０と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガス供給源からガス供給先へと導かれるガスの圧力を制御する制御バルブに関するものである。

例えば燃料電池システムには、燃料タンクから導かれる高圧（一次圧）の燃料ガスを所定の低圧（二次圧）に制御して燃料電池に供給する制御バルブが用いられている。

燃料電池システム等における高圧、大流量のガスが流れる回路に設けられる制御バルブとして、特許文献１に開示されたものは、複数のプレートと弾性体スペーサを交互に積層してプレート間にスリットを形成した弁を備えている。

また、特許文献２には、ポペット形減圧弁が開示されている。このポペット形減圧弁は、ガスを通過させるシート部と、このシート部に対峙するポペット弁と、を備え、両者の間にポペット絞り流路を画成している。

特開平１０−１６９７９２号公報 特開２０１０−０２６８２５号公報

しかしながら、高圧、大流量のガスが流れる回路に設けられる従来の制御バルブにあっては、高圧のガスの流れを絞る部位の下流側に渦流が生じ、ガス流から高周波の騒音が発生するという問題点があった。

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、制御バルブの騒音を低減することを目的とする。

本発明は、通過する流体の圧力を制御する制御バルブであって、流体を通過させるシート部を有するバルブシートと、バルブシートに挿入されシート部との間で流体の圧力を調整するポペット弁と、バルブシートに設けられポペット弁によって圧力が調整された流体を整流する流体整流部と、を備える構成とした。

本発明では、バルブシートのシート部とポペット弁の間を通過して流体に生じる渦流が流体整流部を通過することにより整流される。これにより、流体の渦流に起因する制御バルブの騒音を低減できる。

本発明の第１実施形態を示す制御バルブの縦断面図である。 図１の一部を拡大した縦断面図である。 図２のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 本発明の第２実施形態を示す制御バルブの縦断面図である。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。

（第１実施形態）
図１に示す制御バルブ１は、燃料電池システムに用いられ、燃料タンク（以下ガス供給源という）から導かれる例えば３０〜７０ＭＰａの燃料ガス（以下ガスという）を数ＭＰａの所定値に制御して燃料電池（以下ガス供給先という）に供給するものである。なお、制御バルブ１は、燃料ガスとして水素ガスを導くものであるが、これに限らず、他の気体または液体を導く他の装置、設備等における高圧、大流量の流体が流れる回路に設けてもよい。

制御バルブ１は、ガスを通過させるシート部２２を有するバルブシート２０と、このシート部２２との間でガスの流れを絞るポペット弁６０と、バルブシート２０より下流側のガス圧力によってポペット弁６０を駆動するピストン４０と、ピストン４０の背面に設けられ、ポペット弁６０を開弁方向に付勢するスプリング１１と、このスプリング１１の付勢力に対抗してポペット弁６０を閉弁方向に付勢するスプリング１２と、を備える。

制御バルブ１の作動時には、ガス供給源から導かれるガス圧力に応じてピストン４０とポペット弁６０が図１の左右方向に移動し、ポペット弁６０がシート部２２との間でガスの流れを絞ることにより、ガス供給先へと導かれるガス圧力が設定値に調整される。

制御バルブ１は、そのケーシングとして、バルブハウジング７０とピストンハウジング８０と、を備える。バルブハウジング７０にはバルブシート２０とポペット弁６０とスプリング１２とが収容される。

制御バルブ１は、バルブハウジング７０に開口する一次ポート７１と、ポペット弁６０が介装されるポペット通路３０と、ピストン４０によって画成される制御圧室４５と、バルブハウジング７０に開口する二次ポート７７と、を備える。

ガス供給源から供給されるガスは、図中矢印で示すように、一次ポート７１に流入し、通孔７２を通って、ポペット通路３０に流入する。ポペット通路３０を通過するガスは、シート部２２とポペット弁６０の間で絞られることによってその流量（圧力）が調整される。ポペット通路３０を通過して降下するガス圧力が制御圧室４５に導かれ、このガス圧力が所定値になるようにピストン４０がポペット弁６０を駆動する。制御圧室４５を通過したガスは、通孔７６、二次ポート７７を通って、ガス供給先へと導かれる。

ポペット通路３０は、一次ポート７１に連通するポペット上流路３１と、シート部２２とポペット弁６０の間に画成されるポペット絞り流路３２と、ポペット絞り流路３２の下流側に画成されるポペット下流路３３と、ポペット下流路３３と制御圧室４５とを連通させる連通路３４と、を備える。

ポペット弁６０は、シート部２２に対峙するポペット弁体６１を有する。一方、バルブシート２０は、図２に示すように、ポペット通路３０を画成する部位として、下流側に向けて縮径した円錐台状（線形テーパー状）のシート部２２と、円筒状の連通路２３と、下流側に向けて拡径した円錐台状（線形テーパー状）の出口部２４と、を有する。

シート部２２とポペット弁体６１との間に環状のポペット絞り流路３２が画成される。ポペット弁６０が図１、２にて左方向に移動してシート部２２から離れることにより、ポペット絞り流路３２の流路断面積が拡大する。

シート部２２の内周面とポペット弁体６１の外周面は、それぞれ中心線Ｏについて同心上に延びる円錐台状（線形テーパー状）に形成される。シート部２２及びポペット弁体６１の中心線Ｏを含む縦断面において、シート部２２の内周面が沿う２つの仮想線（直線）間の角度は、ポペット弁体６１の外周面が沿う２つの仮想線（直線）間の角度より所定の角度差だけ大きく形成される。これにより、閉弁時にポペット弁体６１がシート部２２の基端に形成されるシートエッジ部２７に着座し、密封性が確保される。

ポペット弁６０は、ポペット弁体６１の先端から延びてピストン４０に連結されるロッド６２を有する。ポペット弁６０は、ロッド６２を介してピストン４０とに連結されており、ピストン４０と一体となって移動する。

バルブハウジング７０には、ポペット上流路３１を画成する通路穴７３と、その端面７５に開口するネジ穴７４とが、中心線Ｏについて同心上に形成される。

バルブシート２０は、通路穴７３に嵌合される円筒状のガイドシリンダ部２５と、ネジ穴７４の底部に着座する円盤状の仕切部２１と、を有して、バルブハウジング７０に取り付けられる。

ポペット弁６０は、ポペット弁体６１の基端側に径方向に突出する環状のガイド部６３を有する。このガイド部６３は、バルブシート２０のガイドシリンダ部２５に摺動可能に挿入される。ポペット弁６０は、ガイド部６３を介してバルブシート２０の中心線Ｏについて同心上に支持され、円錐台状のポペット絞り流路３２がその周方向について均等な間隙（流路幅）を有する。

円筒状のガイドシリンダ部２５には、切欠部２６が形成される。この切欠部２６によってガイド部６３の上流側と下流側が連通される。なお、これに限らず、ガイド部６３に通孔を形成して、その上流側と下流側が連通される構成としてもよい。

ポペット弁６０は、ガイド部６３から軸方向に突出するガイドピン部６４を有する。一方、バルブハウジング７０には、ガイドピン部６４が摺動可能に挿入されるガイド穴７８が形成される。ポペット弁６０は、ガイドピン部６４がガイド穴７８に摺動可能に挿入されることにより、バルブシート２０の中心線Ｏについて同心上に支持される。

ポペット通路３０を流れるガスは、ポペット弁体６１によって圧力が調整され、流速が高められるのに伴って渦流が生じる。

これに対処して、バルブシート２０にはポペット弁体６１によって圧力が調整された流体を整流する流体整流部５０が設けられる。

流体整流部５０は、バルブシート２０の端部に設けられ、シート部２２と流体整流部５０がポペット弁６０の軸方向に並ぶように配置される。

流体整流部５０は、バルブハウジング７０のネジ穴７４に螺合して取り付けられる。流体整流部５０の外周面５３には、ネジ穴７４に螺合する雄ネジが形成されている。流体整流部５０とバルブハウジング７０の間にバルブシート２０が挟持される。

流体整流部５０の内周には雌ネジ５１が形成され、この雌ネジ５１にプラグ９０が螺合して組み付けられる。

プラグ９０は、流体整流部５０の雌ネジ５１に螺合する円筒部９１と、流体整流部５０の端面５６に当接するフランジ部９５とを有する。

本発明では流体整流部５０とバルブシート２０は別体で形成されているが、流体整流部５０をバルブシート２０に一体に形成する構成としてもよい。

ポペット弁６０のロッド６２は、ポペット弁体６１の先端に接続する小径ロッド部６５と、この小径ロッド部６５から拡径して形成されピストン４０に接続する大径ロッド部６６と、を有する。大径ロッド部６６は、プラグ９０の内周面９２に摺動可能に挿入される。

流体整流部５０とポペット弁６０の間にポペット下流路３３が設けられる。小径ロッド部６５とプラグ９０の内周面９２の間には、環状の間隙１３が画成される。プラグ９０の外周面９３と流体整流部５０の内周面５２の間には、環状の間隙１４が画成される。プラグ９０には、間隙１３と間隙１４を連通する複数の通孔９６が形成され、これらによってポペット下流路３３が構成される。

流体整流部５０の筒状端部は、ポペット絞り流路３２を通過したガスを連通路３４に導入するポペット下流路壁部５９を構成している。ポペット下流路壁部５９はポペット下流路３３を画成し、ポペット下流路壁部５９には連通路３４が開口している。

連通路３４は、ポペット下流路３３からポペット弁６０の径方向（中心線Ｓ方向）に延びている。

連通路３４は、流体整流部５０の端面５６にプレス加工または切削加工が施されることによって形成される溝５７によって整流路を構成する。溝５７の深さは任意（例えば０．１〜０．２ｍｍ）に設定される。要求される特性に応じて、溝５７の形状、深さを変えればよいので、設定が容易に変更できる。なお、溝５７はプラグ９０の端面９７に設けてもよい。

図３は、図２のＡ−Ａ線に沿う流体整流部５０の断面図である。これに示すように、流体整流部５０には、３本の溝５７が形成される。なお、溝５７の本数は、これに限らず、要求される性能に応じて任意に設定される。

各溝５７は、それぞれの中心線Ｓが中心線Ｏを中心とする半径方向に延びるように放射状に形成される。各溝５７は、周方向に均等な間隔を持って形成される。

溝５７の横断面は、扇形に形成される。溝５７の中心線Ｓに直交する開口幅は、中心線Ｏを中心とする外径方向に向かって次第に大きく形成される。これにより、連通路３４の流路断面積は、連通路３４の上流側から下流側にかけて次第に大きくなるように構成される。

流体整流部５０は、断面六角形の内周面５２と、断面円形の外周面５３と、を有する。溝５７は、その一端が内周面５２に開口し、その他端が外周面５３に開口する。これにより、連通路３４は、その一端がポペット下流路３３に臨み、その他端が制御圧室４５に臨む。

流体整流部５０の内周面５２に開口する溝５７の断面積が、連通路３４の最小流路断面積となる。この連通路３４の最小流路断面積は、ポペット絞り流路３２の最大流路断面積より大きくなるように設定される。これにより、ポペット通路３０を通過するガスの流れに対して、ポペット絞り流路３２が付与する抵抗（圧力損失）が、連通路３４が付与する抵抗より大きくなり、ポペット絞り流路３２の流路断面積を変えることによって、制御圧室４５に導かれるガスの圧力を応答性よく制御することができる。

制御圧室４５は、流体整流部５０とプラグ９０のまわりに環状の空間として画成される。ピストン４０には、制御圧室４５を画成する凹部４２が形成される。この凹部４２の内側に流体整流部５０とプラグ９０が配置される。これにより、制御圧室４５の容積を十分に確保することと、制御バルブ１の小型化をはかることが両立される。

筒状のピストンハウジング８０は、バルブハウジング７０の一端に締結される。ピストン４０は、Ｏリング４１を介してピストンハウジング８０に摺動可能に挿入される。

ピストンハウジング８０の一端にキャップ８５が締結される。ピストン４０とキャップ８５の間にコイル状のスプリング１１が圧縮して介装される。

ピストン４０とキャップ８５の間に背圧室４６が画成される。この背圧室４６には、ポペット弁６０を開弁方向に付勢するスプリング１１が収容されるとともに、パイロット圧として大気圧が外部から通孔（図示せず）を介して導かれる。

以下、制御バルブ１の作動について説明する。図１、２に矢印で示すように、ガス供給源から一次ポート７１に供給されるガスは、ポペット通路３０において、ポペット上流路３１、ポペット絞り流路３２、ポペット下流路３３、連通路３４、を順に通って、制御圧室４５へと導かれ、制御圧室４５から、通孔７６、二次ポート７７を通ってガス供給先へと導かれる。図１、２において、ガスは、ポペット弁６０に沿って右方向に流れ、続いて連通路３４及び制御圧室４５を折り返し、通孔７６を通って左方向に流れる。これにより、一次ポート７１と二次ポート７７とを共にバルブハウジング７０の一端に配置することが可能となり、制御バルブ１の大型化が避けられる。

ポペット弁６０には、スプリング１１、１２のバネ力差による付勢力が開弁方向に働くとともに、制御圧室４５と背圧室４６の圧力差による付勢力が閉弁方向に働く。ポペット弁６０は、これらの付勢力とが釣り合う位置に移動し、ポペット絞り流路３２の流路断面積が増減することによって、ポペット絞り流路３２を通過するガス流に付与される抵抗が変わり、制御圧室４５及び二次ポート７７の圧力が設定値に保たれる。

制御圧室４５の圧力が設定値より低下すると、ポペット弁６０が図１において左方向に移動する。これによって、ポペット絞り流路３２の流路断面積が拡大し、制御圧室４５の圧力が上昇して設定値に近づく。やがてピストン４０の凹部４２の底面４３がプラグ９０の端面９９に当接することにより、ポペット弁６０の移動が規制され、制御バルブ１の開度が最大になる。なお、ピストン４０の凹部４２の底面４３が流体整流部５０の端面５６に当接しても、両者の間にはガスが流れる流路（図示せず）が確保されている。

一方、制御圧室４５の圧力が設定値より上昇すると、ポペット弁６０が図１において右方向に移動する。これによって、ポペット絞り流路３２の流路断面積が減少し、制御圧室４５の圧力が低下して設定値に近づく。やがてポペット弁体６１がシート部２２に当接することにより、ポペット弁６０の移動が規制され、制御バルブ１の開度が最小（零）になり、ガスの流れが止められる。

ポペット通路３０を流れるガスは、ポペット弁６０によって圧力が調整され、ポペット絞り流路３２の前後差圧が高い条件では、ポペット絞り流路３２の下流側に渦流が生じる。

この渦流が生じたガスは、ポペット下流路３３から流体整流部５０に形成された連通路３４に流入することによってその流れが整流される。ポペット絞り流路３２の下流側に生じる渦流が整流されることにより、制御バルブ１から騒音が発生することを防止できる。

連通路３４は、その流路断面積が下流側に向けて次第に大きくなっているため、連通路３４を流れるガスの圧力が次第に低下し、ガスの流れを整流する効果が高められるとともに、ガスの流れに付与する抵抗を抑えられる。

連通路３４が制御圧室４５の上流側に設けられるため、ポペット絞り流路３２と連通路３４がそれぞれガスの流れに付与する抵抗によって制御圧室４５の圧力が制御され、連通路３４がガスの流れに付与する抵抗によって二次ポート７７に導かれるガスの圧力が変動することを抑えられる。

（第２実施形態）
次に図４に示す本発明の第２実施形態を説明する。図４は、制御バルブ１の断面図である。この制御バルブ１の構成は、第１実施形態と基本的に同じであるため、以下では、第１実施形態と相違する点のみについて説明する。なお、第１実施形態と同一の構成には同一の符号を付す。

制御バルブ１に設けられる流体整流部５０は、ポペット下流路３３を画成するポペット下流路壁部５９と、このポペット下流路壁部５９に開口してポペット下流路３３と制御圧室４５とを連通させる複数の連通路３５と、を備え、この連通路３５は流体整流部５０に形成される複数の孔５５によって画成される。

各孔５５は、その一端がポペット下流路壁部５９の内周面に開口し、ポペット下流路３３に臨み、他端がポペット下流路壁部５９の外周面に開口し、制御圧室４５に臨む。

各孔５５は、それぞれの中心線が中心線Ｏを中心とする半径方向に延びるように放射状（直線状）に形成される。各孔５５は、周方向に均等な間隔を持って形成される。

ポペット通路３０を流れるガスは、ポペット弁体６１によって圧力が調整され、ポペット絞り流路３２の下流側に渦流が生じる。この渦流が生じたガスは、ポペット下流路３３から連通路３５に流入することによって整流される。ポペット絞り流路３２の下流側に生じる渦流が整流されることにより、制御バルブ１から騒音が発生することを防止できる。

以上の実施形態によれば、以下に示す作用、効果を奏する。

（１）バルブシート２０にポペット弁６０によって圧力が調整された流体を整流する流体整流部５０が設けられるため、バルブシート２０のシート部２２とポペット弁６０の間を通過して流体（ガス）に生じる渦流が流体整流部５０を通過することにより整流される。これにより、流体の渦流に起因する制御バルブ１の騒音を低減できる。

（２）流体整流部５０は、バルブシート２０の端部に設けられるため、バルブシート２０のシート部２２に流体整流部５０を近づけることが可能となり、バルブシート２０のシート部２２とポペット弁６０の間を通過して流体（ガス）に生じる渦流が流体整流部５０によって有効に整流される。

（３）ポペット弁６０と流体整流部５０との間に設けられるポペット下流路３３と、流体整流部５０の下流側に設けられポペット弁６０を駆動するピストン４０によって画成される制御圧室４５と、を備え、流体整流部５０はポペット下流路３３と制御圧室４５とを連通させる連通路３４を備えるため、流体の渦流が制御圧室４５に導かれることが抑えられ、制御バルブ１から騒音が発生することを防止できる。そして、連通路３４は、制御圧室４５の上流側に設けられるため、連通路３４が流体の流れに付与する抵抗によって流体供給先へと導かれる流体の圧力が変動することを抑えられる。

なお、ポペット弁６０を開閉駆動する手段は、流体の圧力によって作動するピストン４０に限らず、他のアクチュエータを用いてもよい。

（４）流体整流部５０に設けられる溝５７によって連通路３４が形成されるため、連通路３４を通過する流体が、溝５７に沿うことにより、渦流を整流させることができる。

また、連通路３５が溝５７で形成され、加工が容易であるため、要求される特性に応じて、溝５７の形状、深さを変えることによって、設定が容易に変更できる。

（５）連通路３４の流路断面積が下流側に向けて次第に大きく形成されるため、連通路３４を流れる流体の圧力が次第に低下し、流体の流れを整流する効果を高められるとともに、流体の流れに付与する抵抗を抑えられる。

（６）連通路３４はポペット下流路３３からポペット弁６０の径方向（中心線Ｓ方向）に延びるため、流体の流れ方向がポペット弁６０の軸方向から径方向へと変換され、連通路３４を折り返すように流体を導くことが可能となる。これにより、ポペット通路３０の通路長がポペット弁６０の軸方向について大きくなることを抑えられ、制御バルブ１の大型化が避けられる。

（７）第２実施形態において、連通路３５は、流体整流部５０に設けられる孔５５によって画成されるため、流体が孔５５の内周面に沿って流れることによって整流される。

なお、各孔５５は、上述した構成に限らず、その内周面を下流側に向けて縮径した円錐台状（線形テーパー状）に形成してもよい。これにより、連通路３５の流路断面積が下流側に向けて次第に大きく形成されるため、連通路３５を流れる流体の圧力が次第に低下し、流体の流れを整流する効果を高められるとともに、流体の流れに付与する抵抗を抑えられる。

本発明は上記の実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。

１ 制御バルブ
２０ バルブシート
２２ シート部
３０ ポペット通路
３２ ポペット絞り流路
３３ ポペット下流路
３４ 連通路
３５ 連通路
４０ ピストン
４５ 制御圧室
５５ 孔
５０ 流体整流部
５７ 溝
６０ ポペット弁

Claims (7)

1. 通過する流体の圧力を制御する制御バルブであって、
   前記流体を通過させるシート部を有するバルブシートと、
   前記バルブシートに挿入され前記シート部との間で前記流体の圧力を調整するポペット弁と、
   前記バルブシートに設けられ前記ポペット弁によって圧力が調整された流体を整流する流体整流部と、を備えたことを特徴とする制御バルブ。
2. 前記流体整流部はバルブシートの端部に設けられることを特徴とする請求項１に記載の制御バルブ。
3. 前記ポペット弁と前記流体整流部との間に設けられるポペット下流路と、
   前記流体整流部の下流側に設けられ前記ポペット弁を駆動するピストンによって画成される制御圧室と、をさらに備え、
   前記流体整流部は前記ポペット下流路と前記制御圧室とを連通させる連通路を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の制御バルブ。
4. 前記連通路は前記流体整流部に設けられる溝によって画成されることを特徴とする請求項３に記載の制御バルブ。
5. 前記連通路は前記流体整流部に設けられる孔によって画成されることを特徴とする請求項３に記載の制御バルブ。
6. 前記連通路は流路断面積が下流側に向けて次第に大きく形成されることを特徴とする請求項３から５のいずれか一つに記載の制御バルブ。
7. 前記連通路は前記ポペット下流路から前記ポペット弁の径方向に延びることを特徴とする請求項３から６のいずれか一つに記載の制御バルブ。

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