JP2015087925A

JP2015087925A - 減圧弁

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Publication number: JP2015087925A
Application number: JP2013225496A
Authority: JP
Inventors: 紀彦重岡; Norihiko Shigeoka; 水田　為俊; Tametoshi Mizuta; 為俊水田
Original assignee: Aisan Industry Co Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Aisan Industry Co Ltd; Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-10-30
Filing date: 2013-10-30
Publication date: 2015-05-07
Anticipated expiration: 2033-10-30
Also published as: WO2015064429A1; US20160274601A1; CN105940256B; CN105940256A; US9983599B2; JP6282439B2

Abstract

【課題】連通路を気体が流れる際に異音が発生しにくくすることができる減圧弁を提供する。【解決手段】減圧弁は、弁室３４と調圧室とを区画するとともに、弁室３４と調圧室とを連通させる連通孔３８１が設けられている区画部材３８を備える。また、弁体４０は、弁室３４内に位置する本体部４１と、本体部４１から連通孔３８１を通じて調圧室までの延びているロッド部４２とを有する。また、区画部材３８における連通孔３８１の周壁とロッド部４２との間に、連通路５０が設けられている。そして、区画部材３８における連通孔３８１の周壁に、環状の溝５１が全周にわたって設けられている。【選択図】図２

Description

本発明は、気体を減圧する減圧弁に関する。

従来、この種の減圧弁として、例えば特許文献１に記載の弁が提案されている。図６にこうした従来の減圧弁の一例を示す。図６に示すように、従来の減圧弁は、同減圧弁よりも上流側から高圧の気体が流入する弁室１０１と同気体を減圧させる調圧室１０２とを区画する区画部材１１０を備えている。この区画部材１１０には弁室１０１内と調圧室１０２内とを連通させる連通孔１１１が設けられており、区画部材１１０において弁室１０１に臨む部位が弁座１１２として機能するようになっている。

また、弁室１０１内には、弁座１１２に近づく方向及び同弁座１１２から離れる方向に進退移動する弁体１２０の本体部１２１が位置しており、同本体部１２１からは連通孔１１１を通じて調圧室１０２内までロッド部１２２が延びている。そして、連通孔１１１の周壁と弁体１２０のロッド部１２２との間が、弁室１０１内から調圧室１０２内に気体を流動させる連通路１０５となっている。

こうした減圧弁において、弁体１２０の本体部１２１が区画部材１１０の弁座１１２に着座しているときには、連通路１０５が弁体１２０によって閉塞され、弁室１０１内から調圧室１０２内への気体の流動が規制される。一方、弁体１２０の本体部１２１が弁座１１２から離れているときには、連通路１０５が開放され、同連通路１０５を通じて弁室１０１内から調圧室１０２内に気体が流れる。そして、調圧室１０２内で所定圧まで減圧された気体が、減圧弁よりも下流側に流出されるようになっている。

特開２００７−１７０４３２号公報

ところで、図７に示すように、区画部材１１０の弁座１１２には、弁体１２０の本体部１２１が着座した際の負荷が付与される。そのため、図８に示すように、当該負荷によって区画部材１１０の弁座１１２が塑性変形し、同弁座１１２の塑性変形に伴って連通孔１１１の周壁の一部が径方向内側に突出し、連通路１０５における弁座１１２の近傍の通路断面積が狭くなることがある。この場合、連通路１０５内で気体の流れに乱れが生じることで同連通路１０５を流れる気体の圧力損失が大きくなり、減圧弁から異音が発生しやすくなる。

本発明の目的は、連通路を気体が流れる際に異音が発生しにくくすることができる減圧弁を提供することにある。

上記課題を解決するための減圧弁は、高圧の気体が流入する弁室と同気体の圧力を減圧させる調圧室とを区画するとともに、弁室内と調圧室内とを連通させる連通孔が設けられている区画部材と、調圧室を挟んで区画部材と対向して配置されるピストンと、を備え、弁室内には、区画部材に近づく方向及び同区画部材から離れる方向に移動する弁体の本体部が位置し、ピストン及び弁体の本体部の少なくとも一方からは、連通孔を通じて他方に向けてロッド部が延びており、連通孔の周壁とロッド部との間に、弁体の本体部が区画部材の弁座に着座しているときには閉塞され、本体部が弁座から離れているときには開放される連通路が設けられている弁を前提としている。そして、この減圧弁において、連通孔の周壁には、環状の溝が全周にわたって設けられている。

区画部材において弁室に臨む部位に設けられている弁座には、弁体の本体部が着座した際の負荷が付与され、区画部材の弁座は同負荷によって塑性変形することがある。上記構成では、区画部材において連通孔の周壁に環状の溝を設けることにより、上記のように区画部材の弁座が塑性変形すると、同弁座の塑性変形に伴う応力が溝に伝わり、同溝の通路断面の形状が変化する。すなわち、弁座の塑性変形が溝によって吸収されるため、弁座が塑性変形したとしても、連通路の通路断面積が狭くなりにくい。その結果、弁座が塑性変形しても、連通路内で気体の流れに乱れが生じにくく、連通路を気体が流れる際の圧力損失が大きくなりにくい。したがって、連通路を気体が流れる際に異音が発生しにくくすることができるようになる。

なお、上記減圧弁において、溝の延びる方向に直交する平面に沿って同溝を切断したときにおける同溝の側面が円弧状をなしているようにしてもよい。この構成によれば、連通孔の周壁に溝を設けやすくすることができる。

一実施形態の減圧弁を備える圧力調整器の概略構成を示す断面図。同実施形態の減圧弁の一部を拡大して示す断面図。（ａ），（ｂ）はシートの弁座が塑性変形する様子を示す作用図。（ａ）は、比較例の減圧弁において、連通路内を気体燃料が流れる際に生じる圧力振動の振幅である圧力振幅と周波数との関係を示すグラフ、（ｂ）は、一実施形態の減圧弁において、連通路内を気体燃料が流れる際に生じる圧力振動の振幅である圧力振幅と周波数との関係を示すグラフ。別の実施形態の減圧弁の概略構成を示す断面図。従来の減圧弁の概略構成を示す断面図。従来の減圧弁の一部を拡大して示す断面図。従来の減圧弁において、弁座が塑性変形した様子を示す作用図。

以下、気体を減圧する減圧弁を、気体燃料の一例であるＣＮＧ（圧縮天然ガス）を内燃機関に供給するための燃料供給装置に設けられている減圧弁に具体化した一実施形態を図面に従って説明する。

図１には、本実施形態の減圧弁３０を備える圧力調整器１０が図示されている。図１に示すように、圧力調整器１０は、ボディ１１と、ボディ１１の図中上部に配置される筒体１２と、筒体１２の図中の上部開口を閉塞する蓋部材１３とを備えている。そして、ボディ１１の図中下部には、減圧弁３０によって規定圧に減圧されたＣＮＧからオイルなどの異物を分離させるオイルセパレータ２０が設けられている。そして、オイルセパレータ２０から流出したＣＮＧが、圧力調整器１０よりも下流側に位置する内燃機関に供給される。

筒体１２内には、ピストン３１と、ピストン３１をボディ１１（すなわち、図中下方）に向けて付勢する調圧用スプリング３２とが設けられている。すなわち、ピストン３１とボディ１１との間の空間が、高圧のＣＮＧを規定圧に減圧させる調圧室３３となっている。

図１及び図２に示すように、ボディ１１内には、燃料タンクから供給される高圧のＣＮＧが流入する弁室３４が設けられている。また、ボディ１１において弁室３４よりも図中上側には、ボディ１１の図中上面に開口し、弁室３４よりも大径の中間部３５が設けられている。この中間部３５内には、図中上下方向である軸方向から見た場合に平面視円形状をなすシート３６と、シート３６の中間部３５内からの離脱を規制するプラグ３７とが設けられている。すなわち、シート３６及びプラグ３７により、弁室３４と調圧室３３とを区画する「区画部材３８」の一例が構成されている。そして、区画部材３８には、軸方向に貫通するとともに、弁室３４内と調圧室３３内とを連通させる連通孔３８１が設けられている。なお、シート３６において弁室３４に臨む部位を「弁座３８２」というものとする。そして、この区画部材３８は、調圧室３３を挟んでピストン３１と対向して配置されている。

減圧弁３０の弁体４０は、弁室３４内に位置する本体部４１と、本体部４１から連通孔３８１を通じて調圧室３３内まで延びているロッド部４２とを有している。そして、本体部４１が位置する弁室３４内には、本体部４１をシート３６の弁座３８２に向けて付勢する弁室スプリング４５が設けられている。

ロッド部４２と、シート３６における連通孔３８１の周壁との間には、弁室３４内から調圧室３３内にＣＮＧを流動させる連通路５０が設けられている。弁体４０の本体部４１がシート３６の弁座３８２に着座しているときには、連通路５０が弁体４０の本体部４１によって閉塞され、弁室３４内から調圧室３３内にＣＮＧが流れない。一方、弁体４０の本体部４１が弁座３８２から離れているときには、連通路５０を通じて弁室３４内から調圧室３３内にＣＮＧが流れるようになっている。

なお、弁体４０の開度、すなわち弁体４０の本体部４１の弁座３８２からの移動量が一定である場合、連通路５０内を流れるＣＮＧの流速は、燃料タンク内における燃料圧力が高いほど速い。また、燃料タンク内の燃料圧力が一定である場合、ＣＮＧの流速は、弁体４０の開度が小さいほど速い。

また、図２に示すように、シート３６における連通孔３８１の周壁には、環状の溝５１が全周にわたって設けられている。この溝５１は、シート３６の軸方向における中心よりも弁座３８２の近くに位置している。こうした溝５１を、同溝５１の延びる方向と直交する平面に沿って切断した場合、溝５１の側面５１ａの形状は円弧状をなしている。

次に、図３及び図４を参照して、本実施形態の減圧弁３０の作用について説明する。なお、図４（ａ），（ｂ）は、連通路５０内をＣＮＧが流れる際に生じる圧力振動の振幅（圧力振幅）と周波数との関係を示している。

シート３６の弁座３８２には弁体４０の本体部４１が着座した際の負荷が付与され、弁座３８２は塑性変形することがある。本実施形態の減圧弁３０にあっては、シート３６の連通孔３８１の周壁には環状の溝５１が全周にわたって設けられている。そのため、図３（ａ），（ｂ）に示すように、弁座３８２が図中上方に押し込まれるように塑性変形されると、弁座３８２の塑性変形に基づく応力が溝５１に伝わり、溝５１は、その通路断面積が狭くなるように変形する。すなわち、弁座３８２の塑性変形に伴って溝５１の側面５１ａの一部が突出し、溝５１の通路断面積が狭くなる。つまり、弁座３８２の塑性変形が溝５１によって吸収される。そのため、弁座３８２が塑性変形しても、連通孔３８１の周壁の一部が径方向内側に突出しにくく、同周壁と弁体４０のロッド部４２との間の連通路５０の通路断面積は狭くなりにくい。したがって、弁座３８２が塑性変形しても、連通路５０内でＣＮＧの流れが乱れにくく、同連通路５０をＣＮＧが通過する際の圧力損失がほとんど変化しない。

ここで、連通孔３８１の周壁に溝５１を設けていない比較例の減圧弁にあっては、例えば図７に示すように、連通孔の周壁の一部が径方向内側に突出し、連通路の通路断面積が狭くなり、連通路５０をＣＮＧが通過する際の圧力損失が大きくなる。ただし、内燃機関でのＣＮＧの消費量が多い場合などのように連通路内を流れるＣＮＧの流速が非常に速いと、圧力損失を大きくするような障害が連通孔の周壁に形成されたとしても、連通路を流れるＣＮＧの流れに乱れが生じにくい。すなわち、比較例の減圧弁でも異音が生じにくい。

しかし、内燃機関でのＣＮＧの消費量が少ない場合などのように連通路５０を流れるＣＮＧの流速が遅いと、上記のような障害が連通孔の周壁に形成されることによって、連通路５０を流れるＣＮＧの流れに乱れが生じやすくなる。その結果、連通路５０をＣＮＧが流れる際における圧力損失が大きくなりやすく、異音が生じやすい。すなわち、図４（ａ）に示すように、第１の周波数Ｐ１に、圧力振幅のピークが表れる。そして、この第１の周波数Ｐ１の異音が減圧弁から生じることとなる。

これに対し、本実施形態の減圧弁３０にあっては、弁座３８２が塑性変形したとしても、上記のような障害が連通孔３８１の周壁に形成されない。そのため、弁座３８２の塑性変形に起因したＣＮＧの流れの乱れが、連通路５０内で生じにくい。

また、本実施形態の減圧弁３０であっても、図４（ｂ）に示すように、第１の周波数Ｐ１よりも高周波の第２の周波数Ｐ２に、圧力振幅のピークが表れる。これは、本実施形態の減圧弁３０であっても、連通路５０内を流れるＣＮＧの流速によっては異音が発生する可能性があることを意味している。

しかし、連通路５０内における圧力振動は、同連通路５０内を流れるＣＮＧの流速が速いほど、すなわち内燃機関でのＣＮＧの消費量が多いほど高周波数化する。言い換えると、本実施形態の減圧弁３０では、内燃機関でのＣＮＧの消費量が少ないときには異音が発生しにくい。また、内燃機関でのＣＮＧの消費量が多いときに連通路５０を流れるＣＮＧの流速が速くなり、減圧弁３０から異音が発生したとしても、この異音は内燃機関自身が発生する騒音や車両走行に伴う騒音によって相殺される。そのため、減圧弁３０から生じる異音は、車両の乗員に伝わりにくい。

ここで、溝５１の設置位置の決定方法について説明する。
連通孔３８１の延びる方向である軸方向において、溝５１を弁座３８２に近づけすぎると、弁座３８２の強度が低下しすぎ、弁体４０の本体部４１が弁座３８２に着座した際の負荷によって、弁座３８２が破損するおそれがある。一方、軸方向で溝５１を弁座３８２から離しすぎると、弁体４０の本体部４１が弁座３８２に着座した際の負荷によって弁座３８２が塑性変形したときに、同弁座３８２の塑性変形に基づいた応力が溝５１まで伝わらないおそれがある。この場合、上記比較例の減圧弁の場合のように、シート３６における連通孔３８１の周壁の一部が径方向内側に突出するおそれがある。そのため、シート３６を構成する材質の強度などの特性、及び弁体４０の本体部４１が弁座３８２に着座する際に同弁座３８２に付与される負荷の大きさなどに基づいて、弁座３８２、すなわちシート３６の破損を招くことなく、且つ弁座３８２の塑性変形を溝５１によって吸収することができるように、軸方向における溝５１の位置や溝５１の形状を決定することが好ましい。

以上、上記構成及び作用によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）シート３６における連通孔３８１の周壁に環状の溝５１を設けることにより、シート３６の弁座３８２が塑性変形したとしても溝５１が変形する。すなわち、弁座３８２の塑性変形が溝５１によって吸収される。これにより、連通路５０の通路断面積が狭くなりにくい。その結果、弁座３８２が塑性変形しても、連通路５０をＣＮＧが流れる際の圧力損失が大きくなりにくく、圧力損失の増大に伴う異音が生じにくい。したがって、連通路５０をＣＮＧが流れる際に異音が発生しにくくすることができる。

（２）また、本実施形態の減圧弁３０にあっては、溝５１を、その側面５１ａが断面略円弧状をなすように構成したため、シート３６に溝を設けやすくすることができる。
なお、上記実施形態は以下のような別の実施形態に変更してもよい。

・溝５１は、その側面が断面略円弧状以外の他の任意の形状であってもよい。例えば、溝５１は、断面略Ｖ字状をなす構成であってもよい。このように溝５１を構成しても、上記（１）と同等の効果を得ることができる。

・上記実施形態の減圧弁は、ロッド部４２が弁体４０の本体部４１から連通孔３８１を通じてピストン３１に向けて延びている構成であるが、連通孔３８１内を通過するロッド部を有するのであれば、他の構成であってもよい。例えば、図５に示すように、減圧弁は、ピストン３１Ａに、連通孔３８１を通じて弁体４０の本体部４１に向けて延びるロッド部４２Ａを設けた構成であってもよい。この場合、ロッド部４２Ａの先端が弁体４０の本体部４１に当接している。こうした構成であっても、シート３６における連通孔３８１の周壁に環状の溝５１を設けることにより、上記（１）と同等の効果を得ることができる。

また、減圧弁は、弁体４０の本体部４１にピストン３１に向けて延びるロッド部を設けるとともに、ピストン３１に向けて延びるロッド部を設けた構成であってもよい。この場合、双方のロッド部の先端同士が、連通孔３８１内で当接することとなる。こうした構成であっても、シート３６における連通孔３８１の周壁に環状の溝５１を設けることにより、上記（１）と同等の効果を得ることができる。

・減圧弁を、ＣＮＧ以外の他の気体が流れる経路上に設けられるものに具体化してもよい。
次に、上記実施形態及び別の実施形態から把握できる技術的思想を以下に追記する。

（イ）前記溝を、前記連通孔の軸方向における中間位置よりも前記弁室の近くに配置することが好ましい。この構成によれば、溝が上記の弁座の近くに配置されることとなる。そのため、弁体の本体部が弁座に付与する負荷によって同弁座が塑性変形するときに、当該塑性変形に応じて溝の通路断面の形状が変形しやすい。すなわち、弁座が塑性変形したとしても、連通路の通路断面積が狭くなるような変形を区画部材に生じさせにくくすることができる。

３０…減圧弁、３１，３１Ａ…ピストン、３３…調圧室、３４…弁室、３８…区画部材、３８１…連通孔、３８２…弁座、４０…弁体、４１…本体部、４２，４２Ａ…ロッド部、５０…連通路、５１…溝、５１ａ…側面。

Claims

高圧の気体が流入する弁室と同気体の圧力を減圧させる調圧室とを区画するとともに、前記弁室内と前記調圧室内とを連通させる連通孔が設けられている区画部材と、
前記調圧室を挟んで前記区画部材と対向して配置されるピストンと、を備え、
前記弁室内には、前記区画部材に近づく方向及び同区画部材から離れる方向に移動する弁体の本体部が位置し、
前記ピストン及び前記弁体の本体部の少なくとも一方からは、前記連通孔を通じて他方に向けてロッド部が延びており、
前記連通孔の周壁と前記ロッド部との間に、前記弁体の本体部が前記区画部材の弁座に着座しているときには閉塞され、同本体部が同弁座から離れているときには開放される連通路が設けられている減圧弁において、
前記連通孔の周壁には、環状の溝が全周にわたって設けられている
ことを特徴とする減圧弁。
前記溝の延びる方向に直交する平面に沿って同溝を切断したときにおける同溝の側面が円弧状をなしている
請求項１に記載の減圧弁。