JP2014040875A - 弁構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】信頼性の高い弁構造体を提供する。
【解決手段】外形が円柱状である可動栓体５０と、水素が充填される充填室と連通する連通孔Ｈを有し、径方向外向きに凹む収容溝１４が内周面に形成される円筒状の固定部材１０と、可動栓体５０が固定部材１０に挿入される閉弁状態において、可動栓体５０の外周面と固定部材１０の収容溝とによって形成される収容領域Ｆに収容され、水素をシールするＯリング２０と、収容領域ＦにおいてＯリング２０の軸方向外側に収容され、Ｏリング２０の移動を規制するバックアップリング３０と、を備える。可動栓体５０の外周面には、一端が収容領域Ｆよりも軸方向内側に設けられ、他端が連通孔Ｈに臨む圧抜き溝５１ａ，５１ｂが形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、Ｏリングを備える弁構造体に関する。

近年、燃料電池車の開発が急速に進められ、その航続距離を延ばす一手法として、燃料電池に水素を供給する水素タンクの高圧化が図られている。水素タンクの口金部にはバルブボディが螺合され、高圧水素を充填するための充填室が形成される。バルブボディ内には遮断弁（主止弁）が設けられ、ＥＣＵ（Electric Control Unit）からの指令に従って開閉することで、充填室から燃料ガス供給流路に水素（燃料ガス）を供給／遮断する機能を有している。

また、水素タンクのバルブボディには、リリーフ弁（安全弁）が設けられている。リリーフ弁は、通常時は閉弁しているが、火災発生時など水素タンクの温度が上昇した場合に開弁し、高圧水素を外部に逃がす機能を有している。これによって、高温時に水素タンクの内圧（充填室の圧力）が上昇することを防止している。

ちなみに、閉弁時（つまり、通常時）においてもリリーフ弁には、充填室の高圧水素による圧力が作用している。したがって、リリーフ弁の可動栓体（挿入部材）と固定部材（被挿入部材）との間に環状の収容領域を設け、この収容領域にＯリングを収容することで、高圧水素が外部に漏洩することを防止している。

特許文献１には、シリンダ部に摺動自在に収納されたピストンと、ピストンを開放する向きに付勢するスプリングと、ピストンと本体との間に設けられる可溶合金と、を備えた安全弁について記載されている。
前記したピストンには、シリンダ部の閉塞端部とピストンとの間の空間と、ガス流路とを連通する通路が形成されている。また、ピストンに形成された第１摺動部、第２摺動部、及び第３摺動部には、それぞれＯリングが設けられている。

特開２００１−３１７６４５号公報

特許文献１の記載の安全弁では、第１摺動部に設けられたＯリングが高圧ガスによって軸方向外向きに加圧され、第３摺動部に設けられたＯリングが高圧ガスによって軸方向内向きに加圧される。そうすると、前記した各Ｏリングが、ピストンとシリンダ部との隙間が食い込んで損傷してしまう。これを防止するため、仮に、第１摺動部に設けられたＯリングの軸方向内側にバックアップリングを設けると、ゴム製のＯリングを透過した高圧ガスがバックアップリングによってシールされ、当該バックアップリングとＯリングとの間に滞留し続ける。

そうすると、ピストンが軸方向外向きに移動する際、前記バックアップリングとＯリングとの間に滞留している高圧ガスの圧力によって、Ｏリングがピストンとシリンダ部との間に噛み込んでしまう可能性がある。つまり、特許文献１に記載の技術では、軸方向におけるピストンの移動が規制されるため、高圧ガスの外部への放出が適切になされない可能性がある。

そこで、本発明は、信頼性の高い弁構造体を提供することを課題とする。

前記課題を解決するための手段として、本発明に係る弁構造体は、外形が円柱状である挿入部材と、流体が充填される充填室と連通するか又は流体が供給される流体供給流路と連通する連通孔を有し、径方向外向きに凹む収容溝が前記連通孔の内周面に形成される円筒状の被挿入部材と、前記挿入部材が、前記被挿入部材の前記連通孔に挿入される閉弁状態において、前記挿入部材の外周面と前記被挿入部材の前記収容溝とによって形成される収容領域に収容され、流体をシールするＯリングと、前記収容領域において前記Ｏリングの軸方向外側又は両側に収容され、前記Ｏリングの移動を規制するバックアップリングと、を備え、前記挿入部材の外周面には、一端が前記収容領域よりも軸方向内側に設けられ、他端が前記連通孔に臨む圧抜き路が形成されることを特徴とする。

かかる構成によれば、弁構造体が閉弁状態から開弁状態に移行する際（つまり、挿入部材が被挿入部材から離脱する際）、圧抜き路の一端がＯリングよりも軸方向外側に移動し、軸方向外側のバックアップリングとＯリングとの間の空間に臨む。ここで、「軸方向外側」とは、挿入部材が被挿入部材に取り付けられる際、被挿入部材から遠い側を意味している。
その結果、前記した空間（高圧流体が滞留している空間）が、圧抜き路及び連通孔を介して充填室（又は流体供給流路）と連通する。したがって、前記した空間に滞留している高圧流体が、圧抜き路及び連通孔を介して充填室などに放出される。

そうすると、前記した空間の圧力が、充填室などの圧力と略等しくなるため、挿入部材と被挿入部材との間にＯリングが噛み込むことを防止できる。したがって、挿入部材が軸方向外向き（被挿入部材から離脱する向き）にスムーズに移動する、信頼性の高い弁構造体を提供できる。

また、前記弁構造体において、前記圧抜き路は、軸方向に沿って前記挿入部材の外周面に形成される圧抜き溝であることが好ましい。

かかる構成によれば、圧抜き溝の一端が、バックアップリングとＯリングとの間の空間に臨むと、当該空間が圧抜き溝及び連通孔を介して充填室（又は流体供給流路）と連通し、高圧流体が放出される。したがって、弁構造体が閉弁状態から開弁状態に移行する際、挿入部材をスムーズに移動させることができる。

また、前記弁構造体において、前記挿入部材のうち、軸方向内側の部分が円筒状であり、前記圧抜き路は、前記挿入部材のうち前記円筒状の部分を貫通する圧抜き孔であることが好ましい。

かかる構成によれば、圧抜き孔の一端が、バックアップリングとＯリングとの間の空間に臨むと、当該空間が圧抜き孔及び連通孔を介して充填室（又は流体供給流路）と連通し、高圧流体が放出される。したがって、弁構造体が閉弁状態から開弁状態に移行する際、挿入部材をスムーズに移動させることができる。

また、本発明に係る弁構造体は、外形が円柱状であり、径方向内向きに凹む収容溝が外周面に形成される挿入部材と、流体が充填される充填室と連通するか又は流体が供給される流体供給流路と連通する連通孔を有する円筒状の被挿入部材と、前記挿入部材が前記被挿入部材の前記連通孔に挿入される閉弁状態において、前記挿入部材の前記収容溝と前記被挿入部材の内周面とによって形成される収容領域に収容され、流体をシールするＯリングと、前記収容領域において前記Ｏリングの軸方向外側又は両側に収容され、前記Ｏリングの移動を規制するバックアップリングと、を備え、前記被挿入部材の外周面には、一端が前記収容領域よりも軸方向外側に設けられ、他端が外部空間に臨む圧抜き路が、軸方向に沿って形成されることを特徴とする。

かかる構成によれば、弁構造体が閉弁状態から開弁状態に移行する際（つまり、挿入部材が被挿入部材から離脱する際）、圧抜き路の一端がＯリングの軸方向外側に収容されるバックアップリングを越えて収容領域に臨む。そうすると、バックアップリングとＯリングとの間の空間（高圧流体が滞留している空間）が、圧抜き路を介して外部空間と連通する。したがって、圧抜き路を介して高圧流体が外部空間に放出される。

その結果、収容領域の圧力が外部空間の圧力と略等しくなるため、挿入部材と被挿入部材との間にＯリングが噛み込むことを防止できる。したがって、挿入部材を軸方向外向き（被挿入部材から離脱する向き）にスムーズに移動させることができる。

また、前記弁構造体において、前記挿入部材が前記被挿入部材に挿入される前記閉弁状態において、前記圧抜き路の前記一端が、前記収容領域に隣接することが好ましい。

かかる構成によれば、挿入部材が軸方向外向きに移動する際、短い移動距離で、圧抜き路の一端が、Ｏリングとバックアップリングとの間の空間に臨む。したがって、弁構造体が閉弁状態から開弁状態に移行する際、前記した空間に密封されている高圧流体を、短時間で外部空間に放出できる。

また、燃料ガス流路に前記流体である燃料ガスが供給され、酸化剤ガス流路に酸化剤ガスが供給されて発電する燃料電池を備える燃料電池システムにおいて、前記流体供給流路は、前記燃料ガス流路の流入口に接続される燃料ガス供給流路であり、前記弁構造体は、前記連通孔が、前記充填室と連通するか又は前記燃料ガス供給流路と連通するように設置されることが好ましい。

かかる構成によれば、挿入部材が軸方向外向きに移動する際、バックアップリングとＯリングとの間の空間が、圧抜き路を介して充填室（若しくは燃料ガス供給流路、又は外部空間）と連通する。したがって、挿入部材を軸方向外向きにスムーズに移動させることができる。

本発明によれば、信頼性の高い弁構造体を提供できる。

本発明の第１実施形態に係るリリーフ弁を、中心軸を含む平面で切断した場合の端面図であり、（ａ）はリリーフ弁が閉弁した状態を示し、（ｂ）はリリーフ弁が開弁した状態を示している。 図１（ａ）に示す領域Ｋの部分拡大図であり、（ａ）はリリーフ弁が閉弁した状態を示す端面図であり、（ｂ）は圧抜き溝を介して圧抜きしている状態を示す端面図であり、（ｃ）はリリーフ弁が開弁した状態を示す端面図である。 本発明の第２実施形態に係るリリーフ弁を、中心軸を含む平面で切断した場合の端面図（図１（ａ）に示す領域Ｋに相当）であり、（ａ）はリリーフ弁が閉弁した状態を示し、（ｂ）は圧抜き孔を介して圧抜きしている状態を示している。 本発明の第３実施形態に係るリリーフ弁を、中心軸を含む平面で切断した場合の端面図（図１（ａ）に示す領域Ｋに相当）であり、（ａ）はリリーフ弁が閉弁した状態を示し、（ｂ）は圧抜き溝を介して第１密封領域の圧抜きをしている状態を示し、（ｃ）は圧抜き溝を介して第２密封領域の圧抜きをしている状態を示している。 本発明の第４実施形態に係るリリーフ弁を、中心軸を含む平面で切断した場合の端面図（図１（ａ）に示す領域Ｋに相当）であり、（ａ）はリリーフ弁が閉弁した状態を示し、（ｂ）は圧抜き溝を介して圧抜きしている状態を示し、（ｃ）はリリーフ弁が開弁した状態を示している。

本発明を実施するための形態（以下、実施形態という）について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において、Ｏリング２０及びバックアップリング３０を、実際に使用するものよりも大きめに記載している。

≪第１実施形態≫
図１（ａ）は、リリーフ弁を、中心軸を含む平面で切断した場合の端面図であり、リリーフ弁が閉弁している状態を示している。
リリーフ弁１００（弁構造体）は、燃料電池車又は定置型の燃料電池システムに設けられ、燃料電池の水素供給源となる水素タンク（図示せず）の安全弁として用いられる。水素タンクは、内部に充填室を有する殻状の充填室体（図示せず）と、充填室体の一端部から延びる円筒状の口金部（図示せず）と、口金部に螺合されるバルブボディＢ（図１（ａ）参照）と、を有している。ちなみに、前記した充填室には、高圧の水素（燃料ガス、流体）が充填されている。

図１（ａ）に示すバルブボディＢ内には、遮断弁（図示せず）が設けられている。遮断弁は、水素タンクの充填室と連通する放出流路（図示せず）と、当該放出流路を開閉する弁体（図示せず）と、当該弁体を軸方向に往復運動させるプランジャ（図示せず）及びソレノイド（図示せず）と、を有している。そして、ＥＣＵ（Electric Control Unit）からの指令によって遮断弁を開閉することで、水素タンクから燃料ガス供給流路（図示せず）に水素を供給／遮断するようになっている。

バルブボディＢ（図１（ａ）参照）には、前記した放出流路（図示せず）と連通し、内周面に雌ネジ部Ｂａが形成された孔（図１（ａ）の固定部材１０が螺合される孔）が設けられている。一方、リリーフ弁１００が備える固定部材１０の一端側（紙面下側）には、雌ネジ部Ｂａに対応する雄ネジ部１１ａが形成されている。
そして、雌ネジ部Ｂａと雄ネジ部１１ａとを螺合させることによって、リリーフ弁１００がバルブボディＢに取り付けられる。

＜リリーフ弁（弁構造体）の構成＞
以下では、可動栓体５０が固定部材１０に挿入される（又は引き抜かれる）際の中心軸を、単に「中心軸」又は「軸」と記す。すなわち、軸方向とは、図１の紙面上下方向に対応している。また、軸方向外側は外部空間側（図１の紙面上側）に対応し、軸方向内側は、連通孔Ｈと連通している充填室側（図１の紙面下側）に対応している。

リリーフ弁１００は、常閉型の弁であって、開弁することで充填室の高圧水素を外部に放出し、充填室（図示せず）の圧力を低下させるものである。リリーフ弁１００は、固定部材１０と、Ｏリング２０と、バックアップリング３０と、コイルばね４０と、可動栓体５０と、可溶合金６０と、キャップ７０と、を備えている。

＜固定部材（被挿入部材）＞
固定部材１０は、概ね段違いの外周面を有する円筒状の部材である。固定部材１０は、基端部１１と、着座部１２と、本体部１３と、を有している。
基端部１１の外周面には、前記したように、バルブボディＢと螺合させるための雄ネジ部１１ａが形成されている。基端部１１には、軸方向に延びる連通孔Ｈが形成され、バルブボディＢ内の放出流路（図示せず）を介して充填室（図示せず）と連通している。

着座部１２は、前記した基端部１１と一体に形成され、その外径は、基端部１１の外径よりも大きい。リリーフ弁１００をバルブボディＢに組み付ける際、基端部１１と着座部１２との段差によってリリーフ弁１００の軸方向内向きの移動が規制され、リリーフ弁１００がバルブボディＢに着座する。なお、着座部１２は、後記する収容溝１４を除いて基端部１１と略同一の内径を有し、前記した連通孔Ｈが軸方向に延びている。

また、基端部１１及び着座部１２の内周面において、軸方向における所定箇所（図１では、着座部１２寄り）に、径方向外向きに凹む環状の収容溝１４が形成されている。当該収容溝１４は、側断面が矩形状であり、後記するＯリング２０及びバックアップリング３０が収容されている。

本体部１３は、概ね円筒状を呈しており、前記した基端部１１及び着座部１２と一体形成されている。本体部１３の外径は、前記した着座部１２の外径と略同一である。
一方、本体部１３の内径は、基端部１１及び着座部１２の内径よりも大きい。すなわち、本体部１３は、肉薄の円筒状を呈し、後記するコイルばね４０、可動栓体５０、及び可溶合金６０が収容される空間を有している。

本体部１３の軸方向内側には、複数の流出孔１３ａ_１，１３ａ_２，…が設けられている（図１（ａ）の端面図では、２個の流出孔１３ａ_１，１３ａ_２を図示している）。流出孔１３ａ_１，１３ａ_２，…は、可動栓体５０が上方に移動して開弁した際に、連通孔Ｈを介して流入する高圧水素を外部に逃がすための孔である。
また、本体部１３の軸方向外側には、複数の流出孔１３ｂ_１，１３ｂ_２，…が設けられている（図１（ａ）の端面図では、２個の流出孔１３ｂ_１，１３ｂ_２を図示している）。流出孔１３ｂ_１，１３ｂ_２，…は、高温時において溶融した可溶合金６０を、コイルばね４０の付勢力によって外部に流出させる（押し出す）ためのものである。

＜Ｏリング＞
Ｏリング２０は、外部から押圧されていない状態において側断面（中心軸を含む平面で切断した場合の断面）が円形であり、例えばゴム状の弾性材料からなる。Ｏリング２０は、可動栓体５０が固定部材１０に対して同軸的に挿入された閉弁状態において、可動栓体５０の外周面と、固定部材１０の収容溝１４（内周面）とによって形成される収容領域Ｆ（図２（ａ）参照）に収容される。
この状態においてＯリング２０は、可動栓体５０の外周面と収容溝１４とによって、径方向に圧縮され、変形する。当該変形によってＯリング２０のシール機能が発揮され、水素が外部に漏洩しないようにしている。

＜バックアップリング＞
バックアップリング３０は、前記した収容領域Ｆ（図２（ａ）参照）においてＯリング２０の軸方向の移動を規制する環状部材であり、フッ素樹脂、ポリアミド樹脂、硬質ゴム、軽金属などの硬質材料で形成されている。バックアップリング３０は、Ｏリング２０の軸方向外側に、当該Ｏリング２０と隣り合うように設けられている。このようにバックアップリング３０を設けることで、可動栓体５０と固定部材１０との極小隙間にＯリング２０が食い込むことを防止し、Ｏリング２０の周面が損傷しないようにしている。
なお、図１（ａ）では、バックアップリング３０の側断面が矩形状である場合を示している。

＜コイルばね＞
コイルばね４０は、固定部材１０の本体部１３内に収容され、可動栓体５０に対して軸方向外向きに付勢力をかけている。ちなみに、可溶合金６０が溶融した場合、コイルばね４０による付勢力によって可動栓体５０が軸方向外向きに移動し、溶融した可溶合金６０は流出孔１３ｂ_１，１３ｂ_２，…を介して外部に押し出される。

＜可動栓体（挿入部材）＞
可動栓体５０は、段違いの円柱状を呈しており、軸方向下側に位置する挿入部５１と、軸方向上側に位置する嵌合部５３と、軸方向において挿入部５１と嵌合部５３との間に位置する支持部５２と、を有している。
挿入部５１は円柱状を呈しており、その径は、固定部材１０の基端部１１及び着座部１２の内径に対応している。挿入部５１の外周面には、軸方向に沿って延びる２条の圧抜き溝５１ａ，５１ｂ（圧抜き路）が形成されている。なお、圧抜き溝５１ａ，５１ｂの詳細については、後記する。

支持部５２は、挿入部５１と一体形成され、本体部１３の内径に対応する径を有する円柱状を呈している。支持部５２は、その下面がコイルばね４０と接触して軸方向外向きの付勢力を受けるとともに、その上面で可溶合金６０を支持している。ちなみに、支持部５２の周面には、径方向内向きに凹む環状の収容溝５４が形成され、この収容溝５４にＯリング５５が収容されている。Ｏリング５５は、収容溝５４と、本体部１３の内周面とによって径方向に圧縮されている。

嵌合部５３は、支持部５２よりも小径の円柱状を呈しており、後記するキャップ７０に設けられた円柱状の被嵌合部７１に対応する径を有している。なお、可溶合金６０が溶融していない状態（つまり、閉弁時）において、嵌合部５３の先端はわずかにキャップ７０の被嵌合部７１に嵌まっている。これによって、可溶合金６０が溶融した際、上方に向けて可動栓体５０をスムーズに移動させることができる。

＜その他の部材＞
可溶合金６０は、側断面が矩形の環状を呈している。可溶合金６０の内径は嵌合部５３の径に対応し、可溶合金６０の外径は本体部１３の内径に対応している。つまり、可溶合金６０は、嵌合部５３と本体部１３との間にできる環状の空間に嵌まるようになっている。リリーフ弁１００の閉弁時において可溶合金６０は、コイルばね４０から軸方向外向きの力を受けるとともに、キャップ７０から軸方向内向きの抗力を受けている。なお、可溶合金６０は、充填室（図示せず）の水素を外部に放出すべき所定温度に達すると、溶融する。

キャップ７０は、軸方向に被嵌合部７１（円柱状の凹み）が形成され、前記した本体部１３にコイルばね４０と、可動栓体５０と、可溶合金６０と、順次嵌め込んだ（落とし込んだ）後、軸方向外側から本体部１３に装着される。その際、キャップ７０と本体部１３とは、例えば螺合又は圧入によって固定される。
なお、被嵌合部７１の軸方向長さは、リリーフ弁１００の開弁時において、可動栓体５０が着座部１２から離脱し得るように設定されている。したがって、可動栓体５０が上方に移動して開弁すると、充填室（図示せず）からの高圧水素が、図１（ａ）に示す空間Ｐに向けて流入するようになっている。

図１（ｂ）は、リリーフ弁が開弁した状態を示す端面図である。例えば、火災などが発生してリリーフ弁１００の周囲が高温になると、可溶合金６０が溶融する。そうすると、コイルばね４０の付勢力によって可動栓体５０が軸方向外向きに移動し、溶融した可溶合金６０が流出孔１３ｂ_１，１３ｂ_２，…を介して外部に流出する（実線矢印を参照）。

その際、嵌合部５３はキャップ７０に形成された被嵌合部７１内で、軸方向外向きに移動する。その結果、可動栓体５０（挿入部材）が固定部材１０（被挿入部材）から離脱し、高圧水素が流入する環状の隙間ができる。充填室（図示せず）に充填されていた高圧水素は、大気圧との圧力差によって連通孔Ｈを介して空間Ｐに流入し、さらに、流出孔１３ａ_１，１３ａ_２，…を介して外部に放出される（白抜き矢印を参照）。
このように、高温時において充填室の高圧水素を外部に逃がすことで、水素タンク（図示せず）の破損を防止している。

＜圧抜き溝を介した圧抜き＞
図２（ａ）は、図１（ａ）の領域Ｋ内の部分拡大図であり、リリーフ弁が閉弁した状態を示す端面図である。
前記したように、充填室（図示せず）の高圧水素によって収容領域Ｆに収容されたＯリング２０が加圧されると、高圧水素がゴム製のＯリング２０を透過していく。そうすると、バックアップリング３０は高圧水素によって加圧され、収容溝１４の壁面、及び可動栓体５０の外周面に密着して高圧水素をシールする。Ｏリング２０を透過した水素は、Ｏリング２０とバックアップリング３０との間の密封領域Ｆａ（網掛け部分）に滞留するため、この密封領域Ｆａに高圧水素が封じ込められた状態になる。

図２（ａ）に示す圧抜き溝５１ａ，５１ｂ（圧抜き路）は、可動栓体５０が固定部材１０から離脱する際、密封領域Ｆａに封じ込められた高圧水素を圧抜きするために設けられている。
図２（ａ）に示すように、可動栓体５０の外周面には、一端（軸方向外側の端部）が収容領域Ｆよりも軸方向内側に位置し、他端（軸方向内側の端部）が連通孔Ｈに臨む２条の圧抜き溝５１ａ，５１ｂが、軸方向に沿って形成されている。

閉弁状態において、圧抜き溝５１ａ，５１ｂの軸方向長さＡ１は、収容領域Ｆの軸方向内側の端部と、可動栓体５０の先端との距離Ｂ１よりも短くなっている。ちなみに、前記した「収容領域Ｆ」とは、リリーフ弁１００が閉弁している状態において、可動栓体５０の周面と、固定部材１０の収容溝１４とによって形成される環状領域である。

２条の圧抜き溝５１ａ，５１ｂは、可動栓体５０の周面から径方向内向きに穿たれた溝であり、中心軸を基準として互いに線対称の位置に設けられている。
前記したように、圧抜き溝５１ａ，５１ｂの一端を、収容領域Ｆよりも軸方向内側に設けることによって、閉弁状態においてＯリング２０が圧抜き溝５１ａ，５１ｂに食い込まないようにしている。
また、圧抜き溝５１ａ，５１ｂの他端を連通孔Ｈに臨ませることによって、圧抜きする際（図２（ｂ）参照）、密封空間Ｆａに封じ込まれた高圧水素を連通孔Ｈに逃がすことができる。

図２（ｂ）は、圧抜き溝を介して圧抜きしている状態を示す端面図である。つまり、図２（ｂ）は、可溶合金６０が溶融し、可動栓体５０が軸方向外向きに所定距離だけ移動した状態を示している。
当該状態において、圧抜き溝５１ａ，５１ｂの一端は、Ｏリング２０とバックアップリング３０との間の密封空間Ｆａに臨んでいる。図２（ｂ）に示すように、圧抜き溝５１ａ，５１ｂが圧抜き可能な所定位置に達した状態において、圧抜き溝５１ａ，５１ｂの密封空間Ｆａに臨む端部（軸方向外側の端部）と、収容領域Ｆの軸方向内側の端部との距離をＣ１とする。

図２（ｂ）に示すように、圧抜き溝の軸方向長さＡ１は、前記した距離Ｃ１よりも長くなるように設定されている。これは、可動栓体５０の先端が、収容領域Ｆよりも軸方向外側に達する前に圧抜きするためである。これによって、可動栓体５０と固定部材１０との間にＯリング２０が噛み込むことを防止できる。
ちなみに、連通孔Ｈは高圧水素によって所定圧力となっているが、密封空間Ｆａに封じ込められている水素は、前記した所定圧力よりもさらに高圧となっている場合が多い。その場合、図２（ｂ）に示す状態において、密封領域Ｆａの高圧水素は、圧抜き溝５１ａ，５１ｂ及び第１連通孔Ｈを介して充填室（図示せず）に流入し、圧抜きされる。

図２（ｃ）は、リリーフ弁が開弁した状態を示す端面図である。図２（ｂ）のように密封領域Ｆａに封じ込められた高圧水素が圧抜きされると、密封領域Ｆａの圧力と、連通孔Ｈの圧力とが略等しくなる。したがって、可動栓体５０と固定部材１０との間にＯリング２０が噛み込むことなく、可動栓体５０が軸方向外向きにスムーズに移動する。
そして、図２（ｃ）に示すように、可動栓体５０が固定部材１０から離脱すると、連通孔Ｈを介して水素が本体部１３内の空間Ｐに流入し（図１（ｂ）参照）、流出孔１３ａ_１，１３ａ_２，…を介して外部に流出する。

＜効果＞
本実施形態に係る弁構造体１００によれば、以下のような効果を奏する。すなわち、可動栓体５０が軸方向外向きに移動する過程において、密封領域Ｆａに封じ込められていた高圧水素が、圧抜き溝５１ａ，５１ｂを介して連通孔Ｈ（及び充填室）に放出される。
その結果、密封領域Ｆａの圧力が、連通孔Ｈ（及び充填室）の圧力と略等しくなるため、可動栓体５０と固定部材１０との間にＯリング２０が噛み込むことを確実に防止できる。
したがって、可動栓体５０を軸方向外向きにスムーズに移動させ、充填室（図示せず）の高圧水素を外部に逃がし、リリーフ弁１００の信頼性を向上させることができる。

さらに、本実施形態では、２条の圧抜き溝５１ａ，５１ｂが軸方向に沿って可動栓体５０の周面に形成されている。したがって、弁構造体１００の製造段階で圧抜き溝５１ａ，５１ｂに対応する部分を軸方向に沿って削り取りさえすればよく、圧抜き溝５１ａ，５１ｂを簡単に形成することができる。

≪第２実施形態≫
第２実施形態は、第１実施形態と比較して、可動栓体５０Ａの形状が異なる。また、第２実施形態は、第１実施形態で説明した圧抜き溝５１ａ，５１ｂに代えて、圧抜き孔５１ｃ，５１ｄを設けた点が異なるが、その他の点は第１実施形態と同様である。したがって、当該異なる部分について説明し、重複する部分については説明を省略する。

＜リリーフ弁（弁構造体）の構成＞
図３（ａ）は、リリーフ弁が閉弁した状態を示す端面図であり、図１（ａ）の領域Ｋに相当する（以下、図３（ｂ）、図４、図５も同様）。図３（ａ）に示すように、本実施形態では可動栓体５０Ａは、軸方向内側の部分が円筒状に形成されている。なお、図３（ａ）、図３（ｂ）では、可動栓体５０Ａのうち中実部分の図示を省略している。
本実施形態では、例えば、外形が段違いの円柱状を呈する可動栓体５０のうち挿入部５１Ａが円筒状を呈し、支持部５２及び嵌合部５３（図１参照）が中実の円柱状を呈している。

そして、軸方向における挿入部５１Ａの所定箇所に、径方向に貫通する２つの圧抜き孔５１ｃ，５１ｄ（圧抜き路）が形成されている。
図３（ａ）に示すように、圧抜き孔５１ｃ，５１ｄは、挿入部５１Ａの先端よりも距離Ａ２だけ軸方向外側に設けられている。そして、リリーフ弁１００が閉弁している状態において、収容領域Ｆの軸方向内側の端部と、挿入部５１Ａの先端との距離Ｂ２は、前記した距離Ａ２よりも長くなっている。これによって、閉弁状態において、圧抜き孔５１ｃ，５１ｄを介してＯリング２０に部分的な負圧がかからないようにし、Ｏリング２０の損傷を防止している。

図３（ｂ）は、圧抜き孔を介して圧抜きしている状態を示す端面図である。可動栓体５０Ａが軸方向外向きに移動してリリーフ弁１００が開弁する過程において、図３（ｂ）に示す状態が生じる。すなわち、圧抜き孔５１ｃ，５１ｄを介して圧抜き可能な位置まで可動栓体５０Ａが引き上げられた状態において、収容領域Ｆの軸方向内側の端部と、圧抜き孔５１ｃ，５１ｄとの距離（軸方向）をＣ２とする。

図３（ｂ）に示すように、挿入部５１Ａの先端から圧抜き孔５１ｃ、５１ｄまでの距離Ａ２は、前記した距離Ｃ２よりも長くなっている。これによって、挿入部５１Ａの先端が、収容領域Ｆに達するよりも前に圧抜きすることができ、可動栓体５０Ａと固定部材１０との隙間にＯリング２０が噛み込むことを防止できる。
密封領域Ｆａの高圧水素は、圧抜き孔５１ｃ，５１ｄ及び連通孔Ｈを介して充填室（図示せず）に流入し、圧抜きされる。なお、圧抜き後は、前記した図２（ｃ）と同様であるから説明を省略する。

＜効果＞
本実施形態では、可動栓体５０Ａのうち軸方向内側の部分が円筒状であり、この円筒状部分を径方向に貫く圧抜き孔５１ｃ，５１ｄが２つ形成されている。したがって、密封領域Ｆａに封じ込められた高圧水素を、圧抜き孔５１ｃ，５１ｄを介して放出することができる。その結果、開弁時において可動栓体５０Ａが軸方向外向きにスムーズに移動するため、リリーフ弁１００の信頼性を向上することができる。

≪第３実施形態≫
第３実施形態は、第１実施形態と比較して、２つのバックアップリング３１，３２が設けられている点と、圧抜き溝５１ｅ，５１ｆの軸方向長さとが異なるが、その他の部分は第１実施形態と同様である。したがって、当該異なる部分について説明し、重複した説明を省略する。

図４（ａ）は、リリーフ弁が閉弁した状態を示す端面図である。図４（ａ）に示すように、Ｏリング２０、第１バックアップリング３１、及び第２バックアップリング３２が、収容領域Ｆに収容されている。第１バックアップリング３１はＯリング２０の軸方向内側に収容され、第２バックアップリング３２はＯリング２０の軸方向外側に収容されている。

なお、第１バックアップリング３１、第２バックアップリング３２については、第１実施形態で説明したものと同様であるから説明を省略する。
第１バックアップリング３１とＯリング２０との間の領域（第１密封領域Ｆ１と記す）と、Ｏリング２０と第２バックアップリング３２との間の領域（第２密封領域Ｆ２と記す）には、それぞれ高圧水素が滞留している。

第１実施形態と同様に、可動栓体５０の外周面には、一端が収容領域Ｆよりも軸方向内側に位置し、他端が連通孔Ｈに臨む２条の圧抜き溝５１ｅ，５１ｆが、軸方向に沿って形成されている。図４（ａ）に示すように、閉弁状態において、収容領域Ｆの軸方向内側の端部と、可動栓体５０の先端との距離をＢ３とする。圧抜き溝５１ｅ，５１ｆは、その軸方向長さＡ３が、前記した距離Ｂ３よりも短くなるように形成されている。
これによって、閉弁状態においてバックアップリング３１が圧抜き溝５１ｅ，５１ｆに食い込まないようにしている。

図４（ｂ）は、圧抜き溝を介して第１密封領域の圧抜きをしている状態を示す端面図である。可動栓体５０が軸方向外向きに移動する過程において、圧抜き溝５１ｅ，５１ｆの一端が、第１密封領域Ｆ１に臨む。ここで、圧抜き溝５１ｅ，５１ｆの軸方向長さＡ３は、第１バックアップリング３１の軸方向長さ（厚さ）Ｃ３よりも長い。したがって、図４（ｂ）に示すように、圧抜き溝５１ｅ，５１ｆが、軸方向において第１バックアップリング３１を跨ぐ状態になる。この状態において、第１密封領域Ｆ１に封じ込められていた高圧水素は、圧抜き溝５１ｅ，５１ｆを介して連通孔Ｈ（及び充填室）に放出され、圧抜きされる。

図４（ｃ）は、圧抜き溝を介して第２密封領域の圧抜きをしている状態を示す端面図である。なお、図４（ｃ）に示す状態において、第１密封領域Ｆ１の水素圧が、連通孔Ｈ（及び充填室）の水素圧と略等しくなっている。したがって、Ｏリング２０が軸方向内向きに移動して第１バックアップリング３１に密着している。

図４（ｂ）に示す状態から、可動栓体５０がさらに軸方向外向きに移動して図４（ｃ）の状態になると、圧抜き溝５１ｅ，５１ｆの一端が第２密封領域Ｆ２に臨む。このように、圧抜き溝５１ｅ，５１ｆが第２密封領域Ｆ２を圧抜き可能な位置に達した状態において、収容領域Ｆの軸方向内側の端部と、可動栓体５０の先端との距離をＤ３とする。
図４（ｃ）に示すように、圧抜き溝５１ｅ，５１ｆの軸方向長さＡ３は、前記した距離Ｄ３よりも長くなっている。したがって、図４（ｃ）に示す状態において、第２密封領域Ｆ２の高圧水素は、圧抜き溝５１ｅ，５１ｆを介して連通孔Ｈ（及び充填室）に流入し、圧抜きされる。
なお、圧抜き後は、前記した図２（ｃ）と同様であるから説明を省略する。

＜効果＞
本実施形態によれば、軸方向においてＯリング２０と隣り合う第１バックアップリング３１及び第２バックアップリング３２を設けることで、可動栓体５０の周面と、固定部材１０の内周面との極小隙間にＯリング２０が食い込むことを防止できる。すなわち、Ｏリング２０の損傷を防止し、リリーフ弁１００の信頼性を向上することができる。

また、軸方向に沿って延びる２条の圧抜き溝５１ｅ，５１ｆが、可動栓体５０の周面に形成されている。これによって、リリーフ弁１００を開弁する過程において、第１密封領域Ｆ１に密封された高圧水素と、第２密封領域Ｆ２に密封された高圧水素とが、順次圧抜きされる。したがって、リリーフベン１００の開弁時において、可動栓体５０を軸方向外向きにスムーズに移動させることができる。

≪第４実施形態≫
第４実施形態は、第１実施形態と比較して、可動栓体５０Ｂに収容溝５６が形成されている点と、固定部材１０Ｂに圧抜き溝１０ｇ，１０ｈが形成されている点とが異なるが、その他の点は第１実施形態と同様である。したがって、当該異なる部分について説明し、第１実施形態と重複する部分については説明を省略する。

図５（ａ）は、リリーフ弁が閉弁した状態を示す端面図である。図５（ａ）に示すように、可動栓体５０Ｂの周面には、径方向内向きに凹む環状の収容溝５６が形成されている。そして、当該収容溝５６と、固定部材１０Ｂの内周面とによって、環状の収容領域Ｆが形成されている。収容領域Ｆには、Ｏリング２０が収容され、さらに、Ｏリング２０よりも軸方向外側にバックアップリング３０が収容されている。

なお、第１実施形態と同様に、Ｏリング２０とバックアップリング３０との間の密封領域Ｆｂには、高圧水素が滞留している。当該高圧水素によって高圧が作用し、Ｏリング２０が軸方向内向きに圧縮され、変形している。

図５（ａ）に示すように、固定部材１０Ｂの外周面には、一端が収容領域Ｆよりも軸方向外側に位置し、他端が外部空間に連通する２条の圧抜き溝１０ｇ，１０ｈ（圧抜き路）が、軸方向に沿って形成されている。
ちなみに、前記した「外部空間」は、固定部材１０Ｂの本体部１３内の空間Ｐ（図１（ａ）参照）も含むものとする（空間Ｐは、流出孔１３ａ_１，１３ａ_２，…を介して外部と連通している）。

このように、圧抜き溝１０ｇ，１０ｈの一端を、収容領域Ｆよりも軸方向外側に設けることで、閉弁状態においてバックアップリング３０に部分的な負圧（大気圧）がかからないようにし、バックアップリング３０の損傷を防止している。
また、圧抜き溝１０ｇ，１０ｈの他端が外部空間に臨んでいることで、圧抜きする際、密封空間Ｆｂに封じ込まれた高圧水素を外部空間に逃がすことができる。なお、圧抜き溝１０ｇ，１０ｈの軸方向長さは、バックアップリング３０の軸方向長さ（厚さ）よりも長い。

図５（ｂ）は、圧抜き溝を介して圧抜きしている状態を示す端面図である。可動栓体５０Ｂが軸方向外向きに移動する過程において、図５（ｂ）に示すように、軸方向で圧抜き溝１０ｇ，１０ｈがバックアップリング３０を跨ぐ状態が生じる。
そうすると、Ｏリング２０とバックアップリング３０との間の密封領域Ｆｂに封じ込められた高圧水素は、圧抜き溝１０ｇ，１０ｈを介して外部空間に放出され、圧抜きされる。その結果、密封領域Ｆｂの水素圧は、大気圧と略等しくなる。

図５（ｃ）は、リリーフ弁が開弁した状態を示す端面図である。前記したように、密封領域Ｆｂの水素圧が大気圧と略等しくなると、Ｏリング２０を軸方向内向きに圧縮する力が非常に小さくなる。したがって、Ｏリング２０が固定部材１０Ｂの内周面を径方向外向きに押す力、及び、Ｏリング２０が収容溝５６の周面を径方向内向きに押す力も小さくなる。したがって、可動栓体５０Ｂを軸方向上向きにスムーズに移動させることができる。
可動栓体５０Ｂが固定部材１０Ｂの着座部１２（図１（ｂ）参照）から離脱すると、高圧水素が連通孔Ｈを介して本体部１３内の空間Ｐに流入し、流出孔１３ａ_１，１３ａ_２，…を介して外部に放出される。

＜効果＞
本実施形態では、可動栓体５０Ｂの外周面に、径方向内向きに凹む環状の収容溝５６が形成され、固定部材１０Ｂの内周面に２条の圧抜き溝１０ｇ，１０ｈが形成されている。したがって、可動栓体５０Ｂが軸方向外向きに移動すると、収容溝５６の底面（環状の平面）に押されてＯリング２０も移動する。したがって、可動栓体５０Ｂと固定部材１０Ｂとの間にＯリング２０が噛み込むことを確実に防止できる。

また、可動栓体５０Ｂが軸方向上向きに移動する過程において、Ｏリング２０とバックアップリング３０との間の密封空間Ｆｂに封じ込まれている高圧水素が外部に放出される。そうすると、密封空間Ｆ２が大気圧と略等しくなるため、径方向におけるＯリング２０の変形が緩和される。その結果、Ｏリング２０が固定部材１０Ｂ及び可動栓体５０Ｂを圧迫する力が小さくなり、可動栓体５０Ｂを軸方向外向きにスムーズに移動させることができる。

≪変形例≫
以上、本発明に係るリリーフ弁１００について各実施形態により説明したが、本発明の実施態様はこれらの記載に限定されるものではなく、種々の変更を行うことができる。
例えば、前記各実施形態では、圧抜き溝又は圧抜き孔を２条設ける場合について説明したが、これに限らない。すなわち、圧抜き溝などを１条、又は３条以上設けてもよい。

また、前記各実施形態では、側断面が矩形状のバックアップリング３０（３１，３２）を用いる場合について説明したが、これに限らない。すなわち、側断面が、例えば台形状や三角形状のバックアップリングを用いてもよい。この場合、バックアップリング３０の形状に対応するように収容溝１４を形成する。

また、第１実施形態では、圧抜き溝５１ａ，５１ｂが収容領域Ｆから軸方向内側に離れている場合について説明したが、これに限らない。すなわち、可動栓体５０が固定部材１０に挿入される閉弁状態において、圧抜き溝５１ａ，５１ｂの一端が収容領域Ｆに隣接する（つまり、図２（ａ）に示す距離Ａ１と距離Ｂ１とを等しくする）ようにしてもよい。
これによって、可動栓体５０が軸方向外向きに移動する際、短い移動距離で、圧抜き溝５１ａ，５１ｂの一端が収容領域Ｆに臨む。したがって、リリーフ弁１００が閉弁状態から開弁状態に移行する際、収容領域Ｆに密封されている高圧水素を、短時間で外部空間に放出できる。
同様に、第２実施形態において、圧抜き孔５１ｃ，５１ｄが収容領域Ｆに隣接する（つまり、図３（ａ）に示す距離Ａ２と距離Ｂ２とを等しくする）ようにしてもよい。第３、第４実施形態についても同様である。

また、前記各実施形態は、適宜組み合わせることができる。例えば、第３実施形態と第４実施形態とを組み合わせてもよい。この場合、可動栓体５０Ｂ（図５参照）に環状の収容溝５６を設け、固定部材１０Ｂの内周面と、収容溝５６とによって収容領域Ｆｂを形成する。そして、この収容領域Ｆｂに、Ｏリング２０と、当該Ｏリング２０を軸方向において挟むように２つのバックアップリングを設ける。
一方、固定部材１０Ｂの内周面に、軸方向に延びる圧抜き溝１０ｇ、１０ｈ（図５参照）を形成する。これによって、Ｏリング２０の損傷を確実に防止し、リリーフ弁１００の信頼性を向上させることができる。

また、前記各実施形態では、リリーフ弁１００が水素タンクのバルブボディＢに設置される場合について説明したが、これに限らない。例えば、燃料ガス流路に水素（燃料ガス、流体）が供給され、酸化剤ガス流路に酸素を含む空気（酸化剤ガス）が供給されて発電する燃料電池において、前記燃料ガス流路の流入口に接続される燃料ガス供給流路（流体供給流路）にリリーフ弁１００を設置してもよい。

例えば、真夏の高温環境下で燃料電池車を走行させると、コンプレッサ（図示せず）などの内部機器から発せられる熱や、外気の熱によって水素が膨張し、燃料電池に供給される水素の圧力が目標圧力を上回る可能性がある。また、燃料ガス供給流路に設置される減圧弁（図示せず）に不具合が発生しても同様の事態が生じ得る。したがって、環境温度が高くなった場合に開弁するリリーフ弁１００を、燃料ガス供給流路の所定箇所（例えば、減圧弁の下流側）に設置することが好ましい。
これによって、目標値を上回る高圧の水素が燃料電池に供給されることを防止し、燃料電池の損傷及び劣化を防止できる。

なお、リリーフ弁１００を設置する際には、その設置箇所において、固定部材１０の連通孔Ｈを燃料ガス供給流路と連通させる。ここで、燃料ガス供給流路に設置するリリーフ弁１００は、前記各実施形態又はその組み合わせから適宜選択することができる。
また、前記した燃料ガスは、水素（Ｈ_２）に限らない。例えば、メタン（ＣＨ_４）など、その用途に応じて適宜選択できる。

１００ リリーフ弁（弁構造体）
１０，１０Ｂ 固定部材（被挿入部材）
１０ｇ，１０ｈ 圧抜き溝（圧抜き路）
１３ａ_１，１３ａ_２，… 流出孔
１３ｂ_１，１３ｂ_２，… 流出孔
１４，５６ 収容溝
２０ Ｏリング
３０ バックアップリング
３１ 第１バックアップリング（バックアップリング）
３２ 第２バックアップリング（バックアップリング）
４０ コイルばね
５０，５０Ｂ 可動栓体（挿入部材）
５１ａ，５１ｂ，５１ｅ，５１ｆ 圧抜き溝（圧抜き路）
５１ｃ，５１ｄ 圧抜き孔（圧抜き路）
６０ 可溶合金
７０ キャップ
Ｈ 連通孔
Ｆ 収容領域

Claims (6)

1. 外形が円柱状である挿入部材と、
   流体が充填される充填室と連通するか又は流体が供給される流体供給流路と連通する連通孔を有し、径方向外向きに凹む収容溝が前記連通孔の内周面に形成される円筒状の被挿入部材と、
   前記挿入部材が、前記被挿入部材の前記連通孔に挿入される閉弁状態において、前記挿入部材の外周面と前記被挿入部材の前記収容溝とによって形成される収容領域に収容され、流体をシールするＯリングと、
   前記収容領域において前記Ｏリングの軸方向外側又は両側に収容され、前記Ｏリングの移動を規制するバックアップリングと、を備え、
   前記挿入部材の外周面には、一端が前記収容領域よりも軸方向内側に設けられ、他端が前記連通孔に臨む圧抜き路が形成されること
   を特徴とする弁構造体。
2. 前記圧抜き路は、軸方向に沿って前記挿入部材の外周面に形成される圧抜き溝であること
   を特徴とする請求項１に記載の弁構造体。
3. 前記挿入部材のうち、軸方向内側の部分が円筒状であり、
   前記圧抜き路は、前記挿入部材のうち前記円筒状の部分を貫通する圧抜き孔であること
   を特徴とする請求項１に記載の弁構造体。
4. 外形が円柱状であり、径方向内向きに凹む収容溝が外周面に形成される挿入部材と、
   流体が充填される充填室と連通するか又は流体が供給される流体供給流路と連通する連通孔を有する円筒状の被挿入部材と、
   前記挿入部材が前記被挿入部材の前記連通孔に挿入される閉弁状態において、前記挿入部材の前記収容溝と前記被挿入部材の内周面とによって形成される収容領域に収容され、流体をシールするＯリングと、
   前記収容領域において前記Ｏリングの軸方向外側又は両側に収容され、前記Ｏリングの移動を規制するバックアップリングと、を備え、
   前記被挿入部材の外周面には、一端が前記収容領域よりも軸方向外側に設けられ、他端が外部空間に臨む圧抜き路が、軸方向に沿って形成されること
   を特徴とする弁構造体。
5. 前記挿入部材が前記被挿入部材に挿入される前記閉弁状態において、前記圧抜き路の前記一端が、前記収容領域に隣接すること
   を特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の弁構造体。
6. 燃料ガス流路に前記流体である燃料ガスが供給され、酸化剤ガス流路に酸化剤ガスが供給されて発電する燃料電池を備える燃料電池システムにおいて、
   前記流体供給流路は、前記燃料ガス流路の流入口に接続される燃料ガス供給流路であり、
   前記弁構造体は、前記連通孔が、前記充填室と連通するか又は前記燃料ガス供給流路と連通するように設置されること
   を特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の弁構造体。

Images