JP2016085627A - 減圧弁 - Google Patents

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Abstract

【課題】乱流の発生自体を抑制して、乱流による異音の発生を抑制することができる減圧弁を提供する。【解決手段】減圧弁の弁体12は、弁孔31の内周面に着座する一段テーパ部23を有する。弁孔31の内周面には、第1領域33、第2領域34、第3領域35が前記流体の流通方向の上流側から順に形成されている。第1領域33は、開弁時に、弁体12の一段テーパ部23との間の流路高さが流通方向の下流側に向かうほど漸減するように形成されている。第2領域34は、開弁時に流路高さが一定であるとともに閉弁時にはその全領域が前記一段テーパ部に当接するように形成されている。また、第3領域35は、開弁時に、流路高さが流通方向の下流側に向かうほど漸増するように形成されている。【選択図】図4

Description

本発明は、減圧弁に関する。
一般に、減圧弁(レギュレータ)は、高圧ガスが流入する一次ポートと外部供給側の二次ポートとの間に開閉弁(ポペット)を備えている。この開閉弁が開閉することにより、一次ポートから二次ポートに流入する高圧ガスの圧力を減圧して外部へと供給する。
このような減圧弁としては、燃料電池システムに使用される減圧弁がある。この燃料電池システムに使用される減圧弁の開閉弁(ポペット)は可変絞り部を有しており、前記一次ポートから流入した高圧の水素ガスを、前記可変絞り部で絞られる流路を通過させることにより水素ガスが急激に減圧されて二次ポートに送られる。
すなわち、水素ガスが流れる流路は可変絞り部の直前の部分で急激に狭くなるように形成されていて、前記可変絞り部の最も流路が狭い部分の下流では、急激に流路断面積が大きくなるように形成されている。
この可変絞り部に接続されて流路断面積の変化する部分では、水素ガスが急激に圧縮し、及び急激に膨張するという変化をそれぞれ起こす。このため、従来、膨張する部分では、異音の発生の原因となる乱流が発生する。
特許文献1では、上記のような乱流による異音の発生を抑制するために、バルブシートの下流端に流体整流部を設けて、バルブシートとポペット弁を通過して流体に生じる乱流(渦流)を整流するようにしている。
特開2013−196053号公報
しかしながら、特許文献1では、バルブシートの下流端に流体整流部を形成する部品を別体または一体に設ける必要がある。このため、部品点数の増大、組付け工数の増加、或いは、流体整流部を形成するため加工数が増加する問題がある。また、特許文献1では、乱流が発生した後、その乱流を流体整流部で整流していることから、乱流自体の抑制とはなっていない。
本発明の目的は、乱流の発生自体を抑制して、乱流による異音の発生を抑制することができる減圧弁を提供することにある。
上記問題点を解決するために、本発明の減圧弁は、ハウジングに設けられるとともに流体が導入される弁室と、前記ハウジングに設けられた減圧室であって、前記弁室との間に設けられた弁座の弁孔を介して前記弁室と連通する減圧室と、前記弁室内に配置されるとともに前記弁孔の内周面に対して着座可能に設けられた弁体と、を備え、前記弁体が開弁時に、前記流体を前記弁孔を介して前記減圧室へ移動させることにより前記流体の圧力を減圧する減圧弁において、前記弁体は、前記弁孔の内周面に着座する一段テーパ部を有し、前記弁孔の内周面には、開弁時に、前記弁体の前記一段テーパ部との間の流路高さが流通方向の下流側に向かうほど漸減する第1領域と、開弁時に、前記流路高さが一定であるとともに閉弁時にはその全領域が前記一段テーパ部に当接する第2領域と、開弁時に、前記流路高さが前記流通方向の下流側に向かうほど漸増する第3領域を含むように、前記流通方向の上流側から順に形成されているものである。
上記構成により、流路の急激な縮小が行われる第1領域と、流路の急激な拡大が行われる第3領域との間に、流路高さが一定、即ち、流路断面積が一定に維持される第2領域を形成することにより、流体の膨張時に乱流が発生するのが抑制される。
また、閉弁時には、弁体の一段テーパー部と弁孔の第2テーパ部が、面当たりすることにより、弁体の姿勢が安定し、流路の不均一も発生することがない。従って、流路の不均一によって乱流が発生することはなく、異音も発生することがない。なお、従来は、閉弁時に弁体が弁座に対して面当たりしないため、弁体の姿勢が安定しない場合がある。この場合は、閉弁状態にあるにもかかわらず、流体が通過する流路が形成されているため、乱流が発生し、異音が発生する。
また、前記弁座は、弾性変形可能な硬質樹脂により形成されていることが好ましい。
上記構成により、閉弁時において、第2テーパ部は弁体が面当たりする際に弾性変形した状態となり、確実に閉弁状態を保持する。
本発明によれば、乱流の発生自体を抑制して、乱流による異音の発生を抑制することができる効果を奏する。
一実施形態の減圧弁の断面図。 図1の2−2線における上面図。 図1の3−3線における断面図。 一実施形態の弁座と弁体の概略断面図。 (a)は従来の弁座の弁孔を水素ガスが通過するときの状態を示す弁座と弁体の概略半断面図、(b)は一実施形態の弁座の弁孔を水素ガスが通過するときの状態を示す概略半断面図。 従来の減圧弁の弁座と弁体の断面図。
以下、本発明を、高圧の水素ガスを減圧する減圧弁に具体化した一実施形態を、図1〜図5を参照して説明する。
(減圧弁の構成)
図1に示すように、減圧弁10は、図示しない一次ポートと二次ポートとの間を接続するハウジング11と、ハウジング11内に収容される弁体12、弁座13、弁座固定部材14、バルブステム15、及びピストン16等を備えている。
ハウジング11の内部には、第1〜第3の円筒部111〜113及びシリンダ114が下側から順に同軸に形成されている。これら第1〜第3の円筒部111〜113及びシリンダ114の内径は、この順に大きくなるように設定されている。なお、図示は省略するが、第1の円筒部111は、図示しない弁を介して高圧ガスの供給源(例えば水素タンク)である一次ポートと接続されている。また、シリンダ114は、図示しないインジェクターを介して二次ポートと接続されている。
第1の円筒部111には、同第1の円筒部111の内径よりも若干小さい外径を有する金属製の弁体12が収容されている。第1の円筒部111は弁室に相当する。弁体12は、第1の円筒部111内を上下移動可能とされおり、弁ばね71により上方に向かって常時付勢されている。
弁体12は、ポペット形の弁であって、円柱状の弁体本体部21と、弁体本体部21の上部に連続して同弁体本体部21よりも小さい外径を有する弁体先端部22と、弁体本体部21と弁体先端部22との間に形成された一段テーパ部23とを有する。一段テーパ部23は弁体本体部21と弁体先端部22との間において、弁体先端部22側に向かうに従って直線的に徐々に外径が小さくなるテーパ面を有していて、可変絞り部を構成している。一段テーパ部23のテーパ面のテーパ角は2βとしている。なお、テーパ角2βについては、後述する。弁体先端部22は、第2の円筒部112を通過して第3の円筒部113内に侵入している。すなわち、弁体先端部22は、後述する弁孔31内を挿通されている。
第2の円筒部112には、弾性変形可能な硬質樹脂からなる輪状の弁座13が収容されている。前記硬質樹脂は、ポリイミド樹脂等を挙げることができ、例えばベスペル(登録商標:デュポン社)があるが、これらの樹脂に限定するものではない。なお、弁座13の厚み(上下方向長さ)は、第2の円筒部112の深さ(上下方向長さ)よりも若干厚く(長く)形成されている。
弁座13の弁孔31は、図4に示すように、水素ガスの流通方向の上流側から下流側に向けて順に、第1領域33、第2領域34、第3領域35及び第4領域36が形成されている。なお、図4は弁孔31の拡大図であり、一部の構成は省略されている。
第1領域33は、弁体12の一段テーパ部23のテーパ角2βよりも大きいテーパ角2αのテーパ面を有している。この結果、弁体12が開弁したときにおいて、第1領域33と一段テーパ部23とが形成する流路の流路高さは、前記流通方向の下流側に向かうほど漸減するようにされている。なお、流路高さは、弁孔31の内周面に対して直交する線が、対向する一段テーパ部23に達するまでの弁孔31の内周面からの前記線の長さをいうものとする。
第2領域34は、第1領域33のテーパ角よりも小さいテーパ角2β(<2α)のテーパ面を有している。第2領域34のテーパ面のテーパ角は、一段テーパ部23と同じテーパ角2βであるため、弁体12の閉弁時に第2領域34はその全領域において、一段テーパ部23の一部の面が当接可能である。従って、弁体12が開弁したときにおいて、第2領域34と一段テーパ部23とが形成する流路の流路高さは、開弁量(すなわち、閉弁状態から開弁方向に移動したときの弁体の移動量)に応じた数値になるとともに、その全領域において一定とされている。
また、本実施形態では、弁座13が、弾性変形可能な硬質樹脂により形成されているため、第2領域34に一段テーパ部23が当接した際に、第2領域34は、一段テーパ部23の押圧力に応じて押圧される方向に弾性変形する。これにより、閉弁時における弁体12の当接時の衝撃を緩和する。
第3領域35及び第4領域36は、ともに同軸及び同径の断面円形状の内周面を有していて、弁体先端部22の外径よりも若干大きい内径とされている。第3領域35及び第4領域36は、弁体12の開弁量に応じてその上下長さが可変する領域である。すなわち、弁体12が閉弁時には、第3領域35は図4において、上下方向長さが最大となり、反対に第4領域36の上下方向長さは最小となる。また、開弁量が最大の開弁状態では、第3領域35は、図4において、上下方向長さが最小となり、反対に第4領域36は最大となる。
弁体12の一段テーパ部23の先端部は、閉弁時には、弁孔31において、前記断面円形状で同径を有する内周面で囲まれる空間領域に配置される大きさに形成されている。
そして、開弁時には、第3領域35と一段テーパ部23とが形成する流路の流路高さが、前記流通方向の下流側に向かうほど漸増するように弁体12が配置されている。一方、第4領域36では、第4領域36と弁体先端部22の外周面間に形成される流路の流路高さは、第4領域の全領域に亘って同じにされている。
図1に示すように第3の円筒部113の内壁には、ねじ溝113aが切られている。前記第3の円筒部113には、外面にねじ山14aが切られた円筒の弁座固定部材14が螺着されている。弁座固定部材14は、金属材料により形成されている。弁座固定部材14の底面は、弁座13の上面と当接する。弁座固定部材14の螺入に伴い、弁座13は下方に向かって押圧される。従って、弁座13は、弁座固定部材14と第2の円筒部112の底部との間で挟持される。これにより、第2の円筒部112の底部と弁座13との間の気密が確保される。
また、図1において二点鎖線で示すように、弁座13は、弁ばね71により付勢されている弁体12と弁座固定部材14との間で挟持される場合がある。この場合、第2領域34と一段テーパ部23とが当接し、これら両者間の気密が確保される。
また、弁座固定部材14の内部、すなわち上下方向に貫通する貫通孔41は、弁座13の弁孔31と連続する。これにより、弁体先端部22は、弁座固定部材14内に侵入している。
図2に示すように、弁座固定部材14の上部42の外形は、六角形とされている。これにより、上部42は、取り付け工具に相当する図示しない六角ソケットと係合可能とされている。弁座固定部材14は、上部42と係合する図示しない六角ソケットを介して回転させられることにより、第3の円筒部113に螺着されている。
図3に示すように、弁座固定部材14の上部42には、径方向に延びる4つの流路孔43が形成されている。4つの流路孔43は、等角度間隔(ここでは90°間隔)に設けられている。また、4つの流路孔43は、上部42の角部42aを避けるように設けられている。これにより、上部42の角部42aにおける図示しない六角ソケットとの係合強度が確保されている。図1に示すように、貫通孔41とシリンダ114との間は、4つの流路孔43によって接続されている。なお、図2に示すように、弁座固定部材14の上端面45は、凹凸のない均一面とされている。
図1に示すように、弁座固定部材14の厚み(上下方向長さ)は、第3の円筒部113の深さ(上下方向長さ)よりも厚く形成されている。このため、弁座固定部材14の上部42は、シリンダ114内に侵入している。
図1に示すように、貫通孔41には、金属製のバルブステム15が収容されている。バルブステム15は、円錐台状のバルブステム下端部51と、その上側に連続するバルブステム本体部52と、さらにその上側に連続する円柱状のバルブステム上端部53と、を備えている。バルブステム15は、バルブステム下端部51が貫通孔41に侵入している弁体先端部22と当接している。図2に示すように、バルブステム本体部52は、径方向に延びる4つの羽根52aを備えている。4つの羽根52aは、等角度間隔(ここでは90°間隔)に設けられている。なお、隣り合う羽根52a及び弁座固定部材14の内壁によって囲まれた4つの空間は、流路18として機能する。
図1において二点鎖線で示すように、一段テーパ部23が第2領域34と当接した閉弁状態にあるとき、バルブステム上端部53は、弁座固定部材14の上部から突出し、シリンダ114内に侵入する。
図1に示すように、シリンダ114には、ピストン16が上下移動自在に収容されている。ピストン16は、金属材料により円筒状に形成されている。シリンダ114の内壁とピストン16との間には各種のシール部材80が介在されており、シール部材80によって、シリンダ114の内壁とピストン16との間の気密が確保されている。シリンダ114内は、ピストン16によって2つの空間に区画されていて、ピストン16の上方に設けられる空間は圧力調整室91とされ、ピストン16の下方に設けられる空間は減圧室92とされている。
ピストン16は、その内部に収容されたピストンばね72により下方に向かって常時付勢されている。ピストンばね72の付勢力は、弁ばね71の付勢力よりも強く設定されている。これにより、ピストン16の下端面61は、バルブステム上端部53と常時当接する。なお、ピストン16の下端面61は、凹凸のない均一面とされている。また、ピストン16の下端面61は、その直径が弁座固定部材14の上端面45の外径よりも大きく設定され、弁座固定部材14の上端面45と当接可能とされている。このため、ピストン16の下方への変位は、下端面61が弁座固定部材14の上端面45と当接することにより規制される。
図1において実線で示すように、ピストン16の下端面61と弁座固定部材14の上端面45とが当接する状態にあるとき、一段テーパ部23と、第2領域34とが離間している。すなわち、弁体12は開弁量が最大である全開となる。
また、前述の弁体12が全開の開弁状態から、ピストン16が上方に変位するにつれて、一段テーパ部23と第2領域34とが近接する。そして、図1において二点鎖線で示すように、ピストン16の下端面61と弁座固定部材14の上端面45とが離間した状態にあるとき、一段テーパ部23と第2領域34とが当接する。これにより、弁体12が閉弁する。
(実施形態の作用)
上記のように構成された減圧弁10の作用について説明する。なお、ピストン16には、圧力調整室91から減圧室92に向かう方向にピストンばね72の付勢力が作用している。また、ピストン16には、減圧室92から圧力調整室91に向かう方向にピストンばね72の付勢力よりも小さい付勢力を有する弁ばね71の付勢力が作用している。
説明の便宜上、ここでは、ピストン16は、弁体12が全開となる位置、すなわち、ピストン16の下端面61が弁座固定部材14の上端面45と当接する位置とされている状態から説明を開始する。
まず、概略的に、減圧弁10におけるガスの流れ、及び弁体12、ピストン16の作動を説明する。
高圧ガスが減圧弁10に供給されると、当該高圧ガスは、第1の円筒部111(弁室)、全開の弁体12、弁座固定部材14の内部(正確には貫通孔41)、及び流路孔43を通って減圧室92に導入される過程で減圧され、二次ポートに供給される。これにより、ピストン16は、減圧室92に導入されたガスの圧力によって減圧室92から圧力調整室91に向かう方向に押圧される。すなわち、ピストン16は、ガスの圧力による押圧力及び弁ばね71の付勢力の総和とピストンばね72の付勢力との大小関係により変位する。
詳しくは、ガスの圧力による押圧力及び弁ばね71の付勢力の総和よりもピストンばね72の付勢力が小さい場合には、ピストン16は上方(圧力調整室91側)に変位する。これにより、バルブステム15及び弁体12が上方に変位して、図4に示す弁体12の一段テーパ部23が第2領域34のテーパ面に当接して弁体12が閉弁する。
この閉弁時には、弁体12の一段テーパ部23のテーパ面が、第2領域34のテーパ面に面当たりするため、センタリングがし易くなる。
図6は、従来例の場合である。図6の従来例では第2領域34が省略されて、第1領域33の下流に第3領域35、第4領域36が形成されている。従来例では、一段テーパ部23のテーパ角2βが、第1領域33のテーパ角2αよりも小さいため、図6に示すように、閉弁時には、一段テーパ部23は、第1領域33と第3領域35との稜線で線当たりとなる。この結果、従来例では、この線当たりにより、弁体12の姿勢が不安定となる問題がある。本実施形態では、前述したように弁体12と弁座13とは面当たりとなるため、弁体12の姿勢が不安定となることはない。
また、弁座13が、弾性変形可能な硬質樹脂により形成されているため、第2領域34に一段テーパ部23が当接した際に、第2領域34は、一段テーパ部23の押圧力に応じて後退する方向に弾性変形して、閉弁時における弁体12の当接時の衝撃を緩和する。
一方、ガスの圧力による押圧力及び弁ばね71の付勢力の総和よりもピストンばね72の付勢力が大きい場合には、ピストン16は下方(減圧室92側)に変位する。これにより、バルブステム15及び弁体12が下方に変位して第2領域34のテーパ面から弁体12の一段テーパ部23が離間して弁体12が開く。
次に、弁体12が開弁している状態での弁体12と弁孔31との間の流路でのガスの流通状態を以下に説明する。
図5(b)に示すように、弁体12が開弁している状態では、ガスは、弁体12の一段テーパ部23と第1領域33の両テーパ面間に形成された流路を通過する。この流路では流路高さが、流通方向の下流側に向かうほど漸減するために、ガスは圧縮される。そして、圧縮されたガスは、弁体12の一段テーパ部23と第2領域34の両テーパ面間に形成された流路を通過する。この流路では、流路高さが第2領域34の全領域で一定となっている。このため、この流路ではガスは同じ圧縮状態が保持されて、すなわち、ガスに乱流が生じることが抑制された状態で下流の第3領域35へ移動する。続いて、圧縮されたガスは、弁体12の一段テーパ部23と第3領域35間に形成された流路に入る。この流路は流路高さが流通方向の下流側に向かうほど漸増する。このため、この流路に入ったガスは膨張して、第4領域36と弁体先端部22の外周面間に形成された流路を移動する。
図5(a)は、比較例、すなわち、従来構成の場合を示している。図5(a)において、前記実施形態に相当する構成については、同一符号を付している。
図5(a)の従来例では、第2領域34が省略されて、第1領域33の下流に第3領域35、第4領域36が形成されている。この従来例では、開弁している場合、第1領域33と一段テーパ部23間の流路で圧縮されたガスが、第3領域35と一段テーパ部23間の流路で一気に膨張するため、乱流が発生し、この乱流により異音が発生する。
話しを本実施形態に戻して、ガスの減圧弁10への供給を停止した場合、ガスの圧力による押圧力及び弁ばね71の付勢力の総和よりもピストンばね72の付勢力が大きくなるので、ピストン16は下方(減圧室92側)に変位する。そして、最終的には、当該ピストン16の下端面61と弁座固定部材14の上端面45とが当接する。これらピストン16の下端面61及び弁座固定部材14の上端面45は、ともに均一面とされているので、この当接は、面同士が衝突するいわゆる面接触となる。面接触となることにより当接の衝撃は、面全体に分散される。
以上詳述したように、本実施形態によれば、以下に示す効果が得られる。
(1)本実施形態の減圧弁10では、弁体12は、弁孔31の内周面に着座する一段テーパ部23を有する。また、弁孔31の内周面には、第1領域33、第2領域34、第3領域35が前記流体の流通方向の上流側から順に形成されている。また、第1領域33は、開弁時に、弁体12の一段テーパ部23との間の流路高さが流通方向の下流側に向かうほど漸減するように形成されている。また、第2領域34は、開弁時に流路高さが一定であるとともに閉弁時にはその全領域が前記一段テーパ部に当接するように形成されている。また、第3領域35は、開弁時に、流路高さが流通方向の下流側に向かうほど漸増するように形成されている。この結果、本実施形態によれば、乱流の発生自体を抑制して、乱流による異音の発生を抑制することができる効果を奏する。
また、閉弁時には、弁体12の一段テーパ部23のテーパ面が、第2領域34のテーパ面に面当たりするため、センタリングがし易くなる。この結果、閉弁時の弁体12の姿勢が不安定となることがないとともに、開弁直後における流路の不均一も発生することがなく、乱流によって異音が発生することがなくなる。
(2)本実施形態の減圧弁10では、弁座13は、弾性変形可能な硬質樹脂により形成されている。この結果、本実施形態によれば、閉弁時に第2領域34に一段テーパ部23が当接した際に、第2領域34は、一段テーパ部23の押圧力に応じて後退する方向に弾性変形する。これにより、閉弁時における弁体12の当接時の衝撃を緩和できる。
なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
・前記実施形態では、弁体をポペット形としたが、ニードル弁としてもよい。
・上記実施形態の減圧弁が減圧するガスは、水素であったが、例えば酸素や窒素などの水素以外の気体であってもよい。またガスを構成する元素は、単一な気体に限らない。すなわち、減圧されるガスは、複数の元素で構成されていてもよい。
また、気体以外の流体、例えば、蒸気、或いは水、油等の液体としてもよい。
10…減圧弁、11…ハウジング、12…弁体、13…弁座、14…弁座固定部材、
15…バルブステム、16…ピストン、18…流路、22…弁体先端部、
23…一段テーパ部、31…弁孔、
33…第1領域、34…第2領域、35…第3領域、36…第4領域、
92…減圧室、111…第1の円筒室(弁室)、112…第2の円筒室、
113…第3の円筒室。

Claims (2)

  1. ハウジングに設けられるとともに流体が導入される弁室と、
    前記ハウジングに設けられた減圧室であって、前記弁室との間に設けられた弁座の弁孔を介して前記弁室と連通する減圧室と、
    前記弁室内に配置されるとともに前記弁孔の内周面に対して着座可能に設けられた弁体と、を備え、前記弁体が開弁時に、前記流体を前記弁孔を介して前記減圧室へ移動させることにより前記流体の圧力を減圧する減圧弁において、
    前記弁体は、前記弁孔の内周面に着座する一段テーパ部を有し、
    前記弁孔の内周面には、
    開弁時に、前記弁体の前記一段テーパ部との間の流路高さが流通方向の下流側に向かうほど漸減する第1領域と、
    開弁時に、前記流路高さが一定であるとともに閉弁時にはその全領域が前記一段テーパ部に当接する第2領域と、
    開弁時に、前記流路高さが前記流通方向の下流側に向かうほど漸増する第3領域とを含むように、前記流通方向の上流側から順に形成されている減圧弁。
  2. 前記弁座は、弾性変形可能な硬質樹脂により形成されている請求項1に記載の減圧弁。
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