JP2015113948A - 流路開閉弁 - Google Patents

Abstract

【課題】流路開閉弁において、バルブの弁閉時におけるシール性のさらなる向上を図る。
【解決手段】流路開閉弁１０を構成するボディ１２には、バルブ１４の着座面４４に着座可能なバルブシート１６が設けられ、前記バルブシート１６の外周側には、円筒状のホルダ４５が装着され、その一端部に形成された第１フランジ４８が前記バルブシート１６の一端部に係合され、他端部に形成された第２フランジ５０とアタッチメント２８との間にスプリング５２が介装されている。そして、スプリング５２の弾発力がホルダ４５の第１フランジ４８を介してバルブシート１６へと付与され、該バルブシート１６がバルブ１４側に向かって押圧される。
【選択図】図２

Description

本発明は、駆動部の駆動作用下にバルブを開閉動作させることで、流体の流通状態を切り換える流路開閉弁に関する。

本出願人は、モータの駆動作用下にシャフトを介してバルブを開閉させることで、流体の流通状態を切換可能な流路開閉弁を提案している（特許文献１参照）。この流路開閉弁は、駆動部の駆動作用下にシャフトを介して回動するバルブと、該バルブが着座するバルブシートとを有し、前記バルブが回動して外周面が前記バルブシートに当接することで、該バルブの上流側と下流側との連通が遮断され、一方、前記バルブが回動して内部に形成された貫通孔と前記バルブシートとが同軸上となることで、上流側と下流側とが貫通孔を通じて連通する。このバルブシートは、その外周側に設けられたスプリングの弾発作用下にバルブ側へと押圧されることで、弁閉時において前記バルブに対して密着される。

特開２０１０−２３６６８２号公報

本発明は、前記の提案に関連してなされたものであり、バルブの弁閉時におけるシール性のさらなる向上を図ることが可能な流路開閉弁を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明は、流体の流通する流路を有したボディと、外周面の少なくとも一部が球状であり、該外周面の曲率中心に対して偏心して回動するように前記流路に配置され前記流体の流通状態を切り換えるバルブと、前記バルブの着座するシート部と前記流体の流通する連通孔とを有し前記ボディ内に設けられるシート部材とを備える流路開閉弁において、
前記シート部材の外周側にはホルダが設けられ、
前記ホルダは、前記シート部材の内周側に突出し、前記シート部材において前記シート部とは反対側となる端部に係合される係合部と、
前記シート部材の外周側に突出し、前記ボディとの間に介装される弾性体を係止する弾性体係止部とを有し、
前記弾性体は、前記ホルダの外周側に設けられることを特徴とする。

本発明によれば、ボディの内部に設けられバルブが着座するシート部材には、その外周側にホルダが設けられ、ホルダは、シート部材においてシート部とは反対側となる端部に係合される係合部と、ボディとの間に介装される弾性体を係止する弾性体係止部とを有し、係合部がシート部材の内周側、弾性体係止部がシート部材の外周側へと突出するように形成されている。

そして、弾性体の弾発力が、ホルダの弾性体係止部に対して付与されることで、弾性体係止部より内周側に形成された係合部を介してシート部材がバルブ側へと押圧される。

その結果、バルブシートをバルブ側に向かって付勢する際、弾性体より内周側で押圧することでシート部材に生じるモーメント力が抑制され、シート部材の歪みが低減するため、シート部材のシート部をより確実且つ高精度にバルブに対して押圧して密着させることが可能となり、バルブがシート部材のシート部に着座した弁閉時におけるシール性をより一層向上させることができる。

また、弾性体がシート部材の外周側に配置されているため、例えば、シート部材の弾発力を増加させる目的で軸寸法の大きな別のスプリングを用いる場合、弾性体をシート部材の端部に直列に配置した場合と比較し、軸方向への大型化が防止されボディの大型化を回避することができる。

さらに、ボディには、シート部材が内部に収納される収納孔を有し、収納孔の内周径と弾性体係止部の外周径とを略同一となるように形成することにより、ボディの収納孔にホルダの装着されたシート部材を組み付ける際、弾性体係止部が収納孔に沿って軸方向に案内されることで、ホルダを介して収納孔に対するバルブシートの径方向の位置決めが好適になされるため、組付性の向上を図ることができる。

さらにまた、シート部材の内部に挿入されるガイド部材を備え、ガイド部材を、ボディに対して固定することにより、シート部材がボディの内部において軸方向に沿って案内され、径方向への移動が規制された状態となるため、シート部材の軸線に対する傾きが防止され、シート部材をバルブに対して高精度に密着させシール性を高めることが可能となる。

本発明によれば、以下の効果が得られる。

すなわち、流路開閉弁において、ボディの内部に設けられバルブに着座するシート部材の外周側にホルダが設けられ、ホルダはシート部材においてシート部とは反対側となる端部に係合され内周側へと突出した係合部と、シート部材の外周側に突出しボディとの間に介装される弾性体を係止する弾性体係止部とを有し、弾性体がホルダの外周側に設けられており、弾性体の弾発力が、ホルダの弾性体係止部に対して付与されることで、弾性体係止部より内周側に形成された係合部を介してシート部材がバルブ側へと押圧される。その結果、バルブシートをバルブ側に向かって付勢する際、弾性体より内周側で押圧することでシート部材に生じるモーメント力が抑制され、シート部材の歪みが低減するため、シート部材のシート部をより確実且つ高精度にバルブに対して押圧して密着させることが可能となり、バルブがシート部材のシート部に着座した弁閉時におけるシール性をより一層向上させることができる。

本発明の実施の形態に係る流路開閉弁の全体断面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。 図２のホルダ近傍を示す拡大断面図である。

本発明に係る流路開閉弁について好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照しながら以下詳細に説明する。図１において、参照符号１０は、本発明の実施の形態に係る流路開閉弁を示す。

この流路開閉弁１０は、例えば、燃料電池システムに用いられ、反応ガスである水素又は酸素の流通する配管に接続されて使用される。この流路開閉弁１０は、図１に示されるように、ボディ１２と、該ボディ１２の内部に回動自在に設けられるバルブ１４と、前記バルブ１４の外周面に当接するバルブシート（シート部材）１６と、前記ボディ１２の上部に設けられ、前記バルブ１４に対して駆動部からの駆動力を伝達する駆動力伝達機構１８とを含む。

なお、ここでは、図示しない駆動部の非通電時に弁体が全閉となり、該弁体を挟んだ流路の上流側と下流側とが連通状態となるノーマルクローズタイプの流路開閉弁１０について説明する。

ボディ１２は、例えば、図示しない配管を通じて反応ガスを供給するための流入ポート２０と、その反対側に設けられ前記反応ガスを導出する流出ポート（流路）２２と、前記流入ポート２０と前記流出ポート２２との間に設けられる連通室（流路）２４とを有する。なお、流入ポート２０、流出ポート２２及び連通室２４は、略水平方向（矢印Ａ１、Ａ２方向）に沿って一直線状に配置される。

また、連通室２４と流入ポート２０との間には、断面円形状の収納孔２６が形成され、前記収納孔２６にはバルブ１４の外周面に摺接するバルブシート１６が設けられると共に、前記流入ポート２０の外側からアタッチメント（ガイド部材）２８の一部が挿入される。

さらに、ボディ１２には、連通室２４に対して鉛直方向に向かって延在する軸孔２９が形成され、前記軸孔２９に挿通されたシャフト６０にバルブ１４が連結される。

アタッチメント２８は、例えば、ボディ１２の側面に固定される取付フランジ３０と、該取付フランジ３０に対して突出したガイド部３２とを有し、前記ガイド部３２及び前記取付フランジ３０の中央部には軸方向（矢印Ａ１、Ａ２方向）に沿って貫通孔（流路）３４が貫通している。

ガイド部３２は、取付フランジ３０より小径な円筒状に形成され、収納孔２６に挿入されると共に、その外周径が軸方向（矢印Ａ１、Ａ２方向）に沿って略一定径で形成される。そして、アタッチメント２８は、ガイド部３２が流入ポート２０及び収納孔２６に挿入された状態で、取付フランジ３０が複数の締結ボルト３６によってボディ１２に対して固定され、図示しない配管がアタッチメント２８に対して接続されることで、反応ガスが貫通孔３４を通じて流入ポート２０へと供給される。

なお、ガイド部３２は、流入ポート２０及び収納孔２６に対して同軸上に配置されているため、前記ガイド部３２の外周面と前記流入ポート２０及び収納孔２６の内周面との間隔が径方向に沿って略一定となる。

バルブシート１６は、図１〜図３に示されるように、例えば、樹脂製材料から形成され、円筒状に形成される本体部３８と、該本体部３８の端部に形成されバルブ１４に当接するシート部４０と、前記本体部３８及びシート部４０の中央に軸方向（矢印Ａ１、Ａ２方向）に沿って貫通した連通孔４２とを含む。すなわち、本体部３８及びシート部４０は、連通孔４２を中心として環状に形成され、前記シート部４０は、前記本体部３８に対して半径外方向に突出すると共に、バルブ１４の着座する着座面４４が略球面状若しくは平面状に形成される。

また、バルブシート１６は、収納孔２６の内部において軸方向（矢印Ａ１、Ａ２方向）及び径方向に移動可能に設けられ、その本体部３８がアタッチメント２８側（矢印Ａ１方向）となり、シート部４０が連通室２４側（矢印Ａ２方向）となるように配置される。

そして、本体部３８の外周側にはホルダ４５が設けられると共に、連通孔４２の内部にはアタッチメント２８のガイド部３２が挿入され摺接している。このため、バルブシート１６は、アタッチメント２８のガイド部３２に沿って軸方向（矢印Ａ１、Ａ２方向）に移動自在に案内されることとなる。

ホルダ４５は、例えば、プレス成形によって円筒状に形成され、バルブシート１６の外周側に設けられる。このホルダ４５は、略一定径で円筒状に形成された筒部４６と、該筒部４６の一端部に形成され内周側（図３中、矢印Ｂ２方向）に向かって折曲された第１フランジ（係合部）４８と、前記筒部４６の他端部に形成され外周側（図３中、矢印Ｂ１方向）に向かって折曲された第２フランジ（弾性体係止部）５０とを有する。

すなわち、第１及び第２フランジ４８、５０は、ホルダ４５の軸方向（矢印Ａ１、Ａ２方向）に対して略直交して互いに略平行となり、前記第２フランジ５０に対して前記第１フランジ４８が内周側（矢印Ｂ２方向）に設けられる。

また、第２フランジ５０の外周径は、収納孔２６の内周径と略同等、若しくは、若干だけ小さくなるように設定されているため、ホルダ４５を含むバルブシート１６を収納孔２６に組み付ける際、前記第２フランジ５０が前記収納孔２６に当接することで、前記収納孔２６に対する前記バルブシート１６の径方向への位置決めがなされる。すなわち、ホルダ４５の第２フランジ５０は、バルブシート１６を収納孔２６内において径方向に位置決め可能な位置決め手段としても機能する。

そして、ホルダ４５は、バルブシート１６における本体部３８の一部を覆うように設けられ、第１フランジ４８が本体部３８の端部に当接し、他端部が収納孔２６の内周面側（矢印Ｂ２方向）に向かって延在し、アタッチメント２８の外壁面との間にスプリング（弾性体）５２が介装される。なお、この第１フランジ４８の係合されるバルブシート１６の端部とは、シート部４０の形成される端部とは反対側（矢印Ａ１方向）となる端部である。

スプリング５２は、例えば、螺旋状に形成されたコイルスプリングからなり、その一端部がアタッチメント２８の取付フランジ３０とガイド部３２との間に形成された段付部５４に係合され、他端部がホルダ４５の第２フランジ５０に係合される。そして、スプリング５２の弾発力は、ホルダ４５をアタッチメント２８から離間させる方向、すなわち、バルブ１４側（矢印Ａ２方向）に向かって付勢している。

このスプリング５２の弾発力によってホルダ４５がバルブ１４側（矢印Ａ２方向）に向かって押圧され、該ホルダ４５の第１フランジ４８の係合されたバルブシート１６が一体的に前記バルブ１４側（矢印Ａ２方向）へと押圧される。この際、バルブシート１６は、アタッチメント２８のガイド部３２に沿って軸方向（矢印Ａ１、Ａ２方向）へガイドされているため、前記軸方向に沿ってのみ移動する。

換言すれば、バルブシート１６は、ガイド部３２の案内作用下に軸方向と直交する径方向に移動してしまうことが防止される。

バルブ１４は、例えば、金属製材料から形成され、略半球面状の着座面４４を有し略円盤状に形成されたベース部５６と、該ベース部５６の端部から軸方向に突出し、シャフト６０に連結される軸部５８とを備える。この軸部５８は、図２に示されるように、着座面４４の曲率半径に対してオフセットした位置に形成され、その端部がナットによってシャフト６０へと連結され、前記シャフト６０が回転することによってバルブ１４が一体的に回転する。

駆動力伝達機構１８は、図１に示されるように、バルブ１４の連結されるシャフト６０と、前記シャフト６０の上端部に連結されるバルブギア６２と、ボディ１２の上部に連結され前記バルブギア６２を介して前記シャフト６０を回転駆動させる駆動部（図示せず）とを含む。なお、駆動部は、例えば、通電作用下に回転駆動するステッピングモータ、ロータリーアクチュエータ、若しくは、ＤＣモータからなる。

シャフト６０は、その上端部がバルブギア６２の略中央部に挿通されてナットを締め付けることによって固定されると共に、ボディ１２においてバルブ１４の上方及び下方にそれぞれ装着された軸受６４ａ、６４ｂによって回転自在に支持されている。

また、シャフト６０は、図２に示されるように、その軸線Ｃ１がバルブ１４における着座面４４の曲率中心を通る軸線Ｃ２に対して偏心した位置となるように連結されている。すなわち、軸線Ｃ１は、バルブ１４の軸線Ｃ２に対して所定距離だけ離間して平行となるように設定されている。このため、バルブ１４は、軸線Ｃ２から偏心した位置に設定された軸線Ｃ１を中心として回動（揺動）するように連通室２４内に設置されている。

そして、図示しない駆動部の駆動力がバルブギア６２へと伝達され、該バルブギア６２の回転によってシャフト６０が回転することでバルブ１４が所定角度だけ回転する。また、バルブギア６２とボディ１２との間には、該バルブギア６２を介してシャフト６０を所定の回転方向に付勢する弾発力（付勢力）を有したリターンスプリング６６（図１参照）が介装される。このリターンスプリング６６は、例えば、螺旋状に形成されたコイルスプリングからなり、その弾発作用下にバルブ１４が弁開する方向に付勢される。

本発明の実施の形態に係る流路開閉弁１０は、基本的には以上のように構成されるものであり、次にその動作並びに作用効果について説明する。なお、ここでは、図１及び図２に示されるように、バルブ１４がバルブシート１６のシート部４０に着座し、流入ポート２０と流出ポート２２との間の流路が前記バルブ１４によって遮断された弁閉状態を初期位置として説明する。

図２に示すように、初期位置では、バルブ１４の着座面４４がバルブシート１６のシート部４０に当接している。従って、流入ポート２０に反応ガスが供給されているが、反応ガスはバルブシート１６より下流側（矢印Ａ２方向）へ流通しない。

また、この弁閉状態において、バルブシート１６は、ホルダ４５を介して付与されるスプリング５２の弾発力によってバルブ１４側（矢印Ａ２方向）に向かって軸方向に押圧され、そのシート部４０が前記バルブ１４の着座面４４に対して確実且つ所定圧力で密着した状態となる。その結果、バルブ１４とバルブシート１６との間のシール性をより一層高めることが可能となり、前記バルブ１４と前記バルブシート１６との間を通じた反応ガスの漏出が確実に防止される。

次に、このような弁閉状態から、図示しない駆動部が駆動すると、その回転駆動力がバルブギア６２を介してシャフト６０へと伝達され、前記シャフト６０に連結されたバルブ１４が軸線Ｃ２から偏心した位置に設定された軸線Ｃ１を中心として所定角度だけ回転する。このように、偏心した軸線Ｃ１を中心にバルブ１４が回転することにより、前記バルブ１４はバルブシート１６から離間する方向に変位する。

これにより、バルブ１４の着座面４４が、シート部４０から離間することによって、弁開状態となり着座面４４と前記シート部４０との間の間隙を通じて流入ポート２０に供給された反応ガスが連通室２４内へと導入される。

そして、図示しない駆動部の駆動作用下にさらにバルブ１４を回転させることにより、該バルブ１４がバルブシート１６から徐々に離間し、前記バルブ１４が初期位置から、例えば、約９０°回転した状態で完全な弁開状態（全開状態）となる。このような弁開状態において、流入ポート２０に供給された反応ガスが、バルブシート１６の連通孔４２、連通室２４を通じて流出ポート２２へと流通し、図示しない燃料電池システムへと供給される。

以上のように、本実施の形態では、流路開閉弁１０を構成するバルブシート１６の外周側に筒状のホルダ４５を設け、その一端部の第１フランジ４８を前記バルブシート１６の端部に係合させ、他端部の第２フランジ５０とアタッチメント２８との間にスプリング５２を介装させることにより、前記第２フランジ５０で受けた前記スプリング５２の弾発力を、前記第２フランジ５０に対して内周側に設けられた第１フランジ４８を介してバルブシート１６へと付与してバルブ１４側（矢印Ａ２方向）へと押圧することができる。

すなわち、バルブシート１６を、ホルダ４５によってスプリング５２より内周側でバルブ１４側に向かって軸方向に押圧することができる。

そのため、バルブシート１６をバルブ１４側に向かって付勢する際、スプリング５２より内周側で押圧することで前記バルブシート１６に生じるモーメント力が抑制され、前記バルブシート１６の歪みが低減するため、前記バルブシート１６をより確実且つ高精度にバルブ１４に対して押圧して密着させることが可能となる。その結果、バルブ１４がバルブシート１６のシート部４０に着座した弁閉時におけるシール性をより一層向上させることが可能となる。

また、スプリング５２がバルブシート１６における本体部３８の外周側に配置されているため、例えば、前記バルブシート１６に付勢される弾発力を増加させる目的で、軸寸法の大きな別のスプリングを採用する場合でも、軸方向への大型化が防止され、ボディ１２の大型化を回避することができる。

さらに、ホルダ４５の軸方向に沿った長さを変更するだけで、バルブシート１６に付勢されるスプリング５２の弾発力を自在に調整することができる。具体的には、軸寸法の短いホルダ、すなわち、第１フランジ４８と第２フランジ５０の離間距離が近いホルダを用いることで、スプリング５２の圧縮量が多くなるため、弾発力を強めることが可能となり、反対に、軸寸法の長いホルダ、すなわち、第１フランジ４８と第２フランジ５０の離間距離が離れたホルダを用いることで、スプリング５２の圧縮量が少なくなるため、弾発力を弱めることが可能となる。そのため、スプリング５２を交換することなくホルダ４５を交換するだけで容易に弾発力の調整を行い、バルブ１４に対するバルブシート１６のシート圧を調整することが可能となる。

さらにまた、ホルダ４５における第２フランジ５０の外周径を、ボディ１２における収納孔２６の内周径と略同一径とすることで、前記ホルダ４５と共にバルブシート１６を前記収納孔２６の内部に挿入する際、該収納孔２６の内周面がガイドとなり径方向に位置決めされた状態でバルブシート１６を挿入することが可能となる。その結果、ボディ１２に対するバルブシート１６の組付性を向上できると共に、該バルブシート１６がボディ１２に対して高精度に位置決めされることで、その内部に挿入されるアタッチメント２８を容易に組み付けることができる。すなわち、ボディ１２に対するバルブシート１６及びアタッチメント２８の組付性を向上させることができる。

さらにまた、アタッチメント２８のガイド部３２が、バルブシート１６の連通孔４２へと挿入されることで、前記バルブシート１６が軸方向（矢印Ａ１、Ａ２方向）に沿って移動可能で、且つ、径方向及び傾動方向への移動が規制された状態となるため、前記バルブシート１６の軸線に対する傾きが防止され、該バルブシート１６をバルブ１４に対して直交する方向のみで移動させることで、高精度に密着させシール性を高めることが可能となる。

また、上述した実施の形態では、反応ガスが流入ポート２０側から流出ポート２２側へと流通する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、上記とは反対に、前記流出ポート２２側から流入ポート２０側へと反応ガスが流れる流路開閉弁にも適用可能である。

なお、本発明に係る流路開閉弁は、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。

１０…流路開閉弁 １２…ボディ
１４…バルブ １６…バルブシート
２０…流入ポート ２２…流出ポート
２６…収納孔 ２８…アタッチメント
３０…取付フランジ ３２…ガイド部
３８…本体部 ４０…シート部
４２…連通孔 ４５…ホルダ
４６…筒部 ４８…第１フランジ
５０…第２フランジ ５２…スプリング
６０…シャフト

Claims (3)

1. 流体の流通する流路を有したボディと、外周面の少なくとも一部が球状であり、該外周面の曲率中心に対して偏心して回動するように前記流路に配置され前記流体の流通状態を切り換えるバルブと、前記バルブの着座するシート部と前記流体の流通する連通孔とを有し前記ボディ内に設けられるシート部材とを備える流路開閉弁において、
   前記シート部材の外周側にはホルダが設けられ、
   前記ホルダは、前記シート部材の内周側に突出し、前記シート部材において前記シート部とは反対側となる端部に係合される係合部と、
   前記シート部材の外周側に突出し、前記ボディとの間に介装される弾性体を係止する弾性体係止部とを有し、
   前記弾性体は、前記ホルダの外周側に設けられることを特徴とする流路開閉弁。
2. 請求項１記載の流路開閉弁において、
   前記ボディには、前記シート部材が内部に収納される収納孔を有し、前記収納孔の内周径と前記弾性体係止部の外周径とが略同一となるように形成されることを特徴とする流路開閉弁。
3. 請求項１又は２記載の流路開閉弁において、
   前記シート部材の内部に挿入されるガイド部材を備え、前記ガイド部材は、前記ボディに対して固定されることを特徴とする流路開閉弁。

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