JP2017101778A

JP2017101778A - 調圧弁

Info

Publication number: JP2017101778A
Application number: JP2015236759A
Authority: JP
Inventors: 康志三石; Koji Mitsuishi; 三好　新二; Shinji Miyoshi; 新二三好; 栄治大川内; Eiji Okawachi
Original assignee: Toyota Motor Corp; Soken Inc
Current assignee: Toyota Motor Corp; Soken Inc
Priority date: 2015-12-03
Filing date: 2015-12-03
Publication date: 2017-06-08

Abstract

【課題】流体の脈動を抑制し、騒音を抑制することが可能な調圧弁を提供することを目的としている。【解決手段】ボディ２０に形成された流路内にポペット弁体５４が設けられ、流路を流れる流体によってポペット弁体５４が変位して流路内に設けられた弁座部３７に近接離間することで、流路を流れる流体の圧力を調整する調圧弁１０であって、ポペット弁体５４は、弁座部３７とポペット弁体５４との間の弁シール部Ｓよりも下流側に、流体の流れを複数の流れに分散する分散部Ｄを有し、弁シール部Ｓの下流直近の流路幅をＬ１、弁シール部Ｓから分散部Ｄまでの距離をＬ２としたときに、Ｌ１とＬ２との関係がＬ２＜Ｌ１×１０である。【選択図】図２

Description

本発明は、調圧弁に関する。

弁体と、弁体と接することで流体をシールするシート部材とを備えた調圧弁において、シート部材と弁体の間の流路を通過するガスの流れに生じる渦流を整流する整流スリットをシート部材より下流に設けて騒音を低減するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１５−２１６０８号公報

しかしながら、上記の整流スリットは、シート部材と弁体の間の流路から離れた位置に設けられているので、整流スリット位置において乱流が生じ、流体が脈動して騒音が発生する。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、流体の脈動を抑制し、騒音を抑制することが可能な調圧弁を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の調圧弁は、
ボディに形成された流路内に弁体が設けられ、前記流路を流れる流体によって前記弁体が変位して前記流路内に設けられた弁座部に近接離間することで、前記流路を流れる流体の圧力を調整する調圧弁であって、
前記弁体は、前記弁座部と前記弁体との間の弁シール部よりも下流側に、前記流体の流れを複数の流れに分散する分散部を有し、
前記弁シール部の下流直近の流路幅をＬ１、前記弁シール部から前記分散部までの距離をＬ２としたときに、Ｌ１とＬ２との関係がＬ２＜Ｌ１×１０である。

この構成の調圧弁によれば、送り込まれる流体の流れを分散部で複数に分散して整流することで、流体の流れの偏りによる脈動を抑制して騒音を低減することができる。また、弁シール部の下流直近の流路幅Ｌ１と弁シール部から分散部までの距離Ｌ２との関係をＬ２＜Ｌ１×１０としたことで、衝撃波の急激な成長を抑制して騒音をより効果的に低減させることができる。

本発明の調圧弁によれば、流体の脈動を抑制し、騒音を抑制することができる。

本実施形態に係る調圧弁の断面図である。本実施形態に係る調圧弁の一部の拡大断面図である。拘束部材を説明する拘束部材の斜視図である。他の形状の拘束部材を説明する拘束部材の斜視図である。流体の流れを可視化した模式図である。距離Ｌ２に対する流路幅Ｌ１の比と騒音レベルとの関係を示すグラフである。流路の分散数と騒音レベルとの関係を示すグラフである。ピストン棒部のピン部に分散部が形成された調圧弁の一部の拡大断面図である。ピストンピンとポペット弁体とが嵌め合いによって接続された調圧弁の一部の拡大断面図である。変形例に係る調圧弁の一部の拡大断面図である。変形例に係る調圧弁の一部の拡大断面図である。

以下、本発明に係る調圧弁の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係る調圧弁の断面図である。図２は、本実施形態に係る調圧弁の一部の拡大断面図である。図３は、拘束部材を説明する拘束部材の斜視図である。図４は、他の形状の拘束部材を説明する拘束部材の斜視図である。

図１に示すように、本実施形態に係る調圧弁１０は、ボディ２０と、ピストン部材５０とを有している。

ボディ２０は、円筒形状のシリンダ部２１を有している。シリンダ部２１は、一端側が壁部２２によって閉鎖されている。ボディ２０は、壁部２２と反対側に底壁２３が設けられている。これにより、ボディ２０は、シリンダ部２１、壁部２２及び底壁２３によって囲われたシリンダ室Ｓを有している。底壁２３には、シリンダ室Ｓと反対側に、ブロック部２４が形成されており、このブロック部２４には、シリンダ室Ｓと反対側に、流入路２５が形成されている。ボディ２０は、シリンダ部２１の底壁２３側の端部における一か所に、シリンダ室Ｓと連通する流出路２６が形成されている。

底壁２３には、シリンダ室Ｓ側に、ブロック部２４の流入路２５と連通する凹部２７が形成されており、この凹部２７には、円筒状のプラグ３２が嵌合されている。また、凹部２７には、その底面に、シート収容凹部２８が形成されており、このシート収容凹部２８には、中心にシート孔３５を有する板状のシート部材３６が収容されている。このシート部材３６は、シート収容凹部２８の底面とプラグ３２の端面との間に保持されている。

図２に示すように、シート部材３６のシート孔３５には、プラグ３２と反対側に、次第に広がるテーパ面３５ａが形成されており、これにより、シート部材３６には、テーパ面３５ａの端部に、周方向へわたる角部からなる弁座部３７が形成されている。また、ブロック部２４の流入路２５は、シート部材３６側へ向かって次第に縮径するテーパ面２５ａを有している。このテーパ面２５ａは、シート部材３６のテーパ面３５ａと連続するように形成されている。プラグ３２は、その底部に、連通路３１が形成されている。また、プラグ３２の底部には、シート部材３６側へ向かって次第に縮径するテーパ面３１ａが形成されている。

ピストン部材５０は、円板状に形成されたピストン板部５１と、ピストン板部５１の一方側の面における中心に設けられたピストン棒部５２とを有している。ピストン板部５１は、シリンダ室Ｓ内に、軸方向へ摺動可能に収容されている。ピストン棒部５２は、ピストンピン５３と、ポペット弁体（弁体）５４とを有しており、ピストンピン５３とポペット弁体５４との間に、小径に形成されたピン部５５を有している。ピストン棒部５２は、ピストンピン５３がプラグ３２内に配置され、ポペット弁体５４が流入路２５内に配置されている。ピストンピン５３は、ピン部５５に向かって次第に縮径するテーパ面５３ａを有しており、ポペット弁体５４は、ピン部５５に向かって次第に縮径するテーパ面５４ａを有している。そして、このポペット弁体５４のテーパ面５４ａとシート部材３６の弁座部３７との間が、流路面積を増減させる弁シール部Ｓとされている。また、ピストンピン５３には、軸方向に貫通するピストンピン孔５３ｂが形成されている。

ピストンピン５３とポペット弁体５４とは、別体からなるもので、ピン部５５において、拘束部材６０によって互いに連結されている。この拘束部材６０は、プラグ３２の連通路３１内に収容されている。

図３に示すように、拘束部材６０は、円筒状に形成されており、その外周側に複数のスリット６２を有している。これらのスリット６２を有することで、流体は、その流れが複数の流れに分散される。つまり、複数のスリット６２を有する拘束部材６０は、流体の流れを複数に分散する分散部Ｄとされている。なお、拘束部材６０としては、図４に示すように、複数の貫通孔６３を有し、これらの貫通孔６３で流体の流れを複数に分散するものでも良い。

また、ブロック部２４の流入路２５には、固定部材７１が設けられており、この固定部材７１とピストン棒部５２との間には、ピストン部材５０のポペット弁体５４を押し込む方向へ付勢する一次スプリング７２が設けられている。また、ボディ２０のシリンダ室Ｓには、ピストン板部５１と壁部２２との間に、ピストン部材５０のピストンピン５３を押し込む方向へ付勢する二次スプリング７３が設けられている。また、ボディ２０のシリンダ室Ｓには、ピストン板部５１と底壁２３との間に、ピストン部材５０の底壁２３側への移動を規制する台座７５が設けられている。

上記構成の調圧弁１０では、弁シール部Ｓの下流直近の流路幅をＬ１、弁シール部Ｓから分散部Ｄまでの距離をＬ２としたときに、Ｌ１とＬ２とは、次式（１）の関係を満たしている。

Ｌ２＜Ｌ１×１０…（１）

上記構成の調圧弁１０では、流入路２５に送り込まれる流体は、ポペット弁体５４の外周側の流路を通り、さらに、ピン部５５とシート孔３５との間の流路を通り、拘束部材６０の複数のスリット６２からなる複数の流路を通過する。拘束部材６０のスリット６２からなる複数の流路を通過した流体は、ピストンピン孔５３ｂ内を通り、シリンダ室Ｓから流出口２６へ送り出される。

このとき、高圧流体が、流入路２５に送り込まれることで、ポペット弁体５４が押し込まれて変位すると、ポペット弁体５４のテーパ面５４ａがシート部材３６の弁座部３７に近づき、ポペット弁体５４のテーパ面５４ａとシート部材３６の弁座部３７との間の弁シール部Ｓでの流路面積が小さくなって圧損が生じる。すると、下流側の流体圧力が上流側に比して低下する。このように、調圧弁１０は、流入路２５から送り込まれる上流側の流体圧力を所定の圧力に減圧及び安定化させて下流側の流出口２６から送り出す。

このように、上記構成の調圧弁１０は、送り込まれる流体によってポペット弁体５４が変位し、このポペット弁体５４のテーパ面５４ａが弁座部３７に近接離間することで、流路内を流れる流体の圧力を調整する。

そして、本実施形態に係る調圧弁１０によれば、送り込まれる流体の流れを分散部Ｄで複数に分散して整流することで、流体の流れの偏りによる脈動を抑制して騒音を低減することができる。また、弁シール部Ｓの下流直近の流路幅Ｌ１と弁シール部Ｓから分散部Ｄまでの距離Ｌ２との関係をＬ２＜Ｌ１×１０としたことで、衝撃波の急激な成長を抑制して騒音をより効果的に低減させることができる。

ここで、弁シール部Ｓを通過した流体の流速分布は、超音速流れとなり、衝撃波を発生することが知られている。そして、この衝撃波の脈動や流体エネルギーがポペット弁体５４やポペット弁体５４に接するピストンピン５３に大きな振動を与えて騒音の原因となる。

また、弁シール部Ｓを通過する流体の流れは偏りがなく一様であることが好ましいが実際には流速の偏りが生じており、速度の大きい箇所では大きな衝撃波が発生し、騒音レベルが大きくなってしまう。

例えば、高圧ガス（７００気圧など）が流れる燃料電池システムなどで使用される場合、弁シール部Ｓの下流での極狭流路で流体が超音速流れとなり、それに伴い局所的な衝撃波が発生する。

図５は、流体の流れを可視化した模式図である。図５に示すように、衝撃波は、流路幅がＬ１からＬ１よりも大きいＬ４に変化する付近で発生する。これは、流路に流体が音速で流れると、流路幅の拡張に伴って流路内の流体（例えば、水素などの媒体）の容積が増えるため、音波が急激に発達し衝撃波の成長を助長させるためであると考えられる。そして、このように局所的に発生する衝撃波こそ、騒音の原因となる加振源となり得ることを突き止めた。さらに、極狭流路に偏りが発生することで流れのマッハ数が増大し、騒音の原因となる衝撃波も拡大することが判った。なお、図５において、弁シール部Ｓからの距離Ｌ２で流路幅がＬ１からＬ４に拡張される。また、距離Ｌ２は流路幅Ｌ１の１０倍に等しい距離である。

また、弁シール部Ｓの下流直近の流路幅をＬ１とし、弁シール部Ｓを起点とした分散部Ｄまでの流路後方距離をＬ２とし、距離Ｌ２に対する流路幅Ｌ１の比と騒音レベルとの関係を調べた。その結果を、図６に示す。図６に示すように、分散部Ｄがない場合（図６におけるＡ参照）に比べ、分散部Ｄを設ければ、騒音の発生を抑制することができるが、特に、弁シール部Ｓの下流直近の流路幅Ｌ１に対して、弁シール部Ｓを起点とした流路後方距離Ｌ２との関係がＬ２＜Ｌ１×１０であることで、効果的に騒音を低減できることがわかった。つまり、分散部ＤをＬ２＜Ｌ１×１０の関係で設置すると流路内の衝撃波の急激な発達や成長を抑えることができると考えられる。

また、分散部Ｄでの流路の分散数と騒音レベルとの関係を調べた。その結果を図７に示す。図７に示すように、分散部Ｄがない場合（図７におけるＢ参照）に比べ、分散部Ｄを設けることで、騒音レベルを低減でき、また、その分散数を多くすることで、騒音レベルをより低減できることがわかった。

上記のことから、調圧弁において、その騒音の発生を抑制するには、弁シール部Ｓよりも下流側に流体の流れを複数の流れに分散する分散部Ｄを設け、さらに、弁シール部Ｓの下流直近の流路幅をＬ１、弁シール部Ｓから分散部Ｄまでの距離をＬ２としたときに、Ｌ１とＬ２との関係をＬ２＜Ｌ１×１０とすることで、衝撃波の急激な成長を抑制して騒音をより効果的に低減できることがわかった。

なお、上記実施形態では、ピストンピン５３とポペット弁体５４とを繋ぐ拘束部材６０にスリット６２や貫通孔６３を形成して分散部Ｄとしたが、図８に示すように、ピストン棒部５２のピン部５５に、スリット６２や貫通孔６３を有する分散部Ｄを形成しても良い。

また、上記実施形態では、ピストンピン５３とポペット弁体５４とを拘束部材６０によって繋いだが、ピストンピン５３とポペット弁体５４との連結は、拘束部材６０を用いたものに限らず、図９に示すように、凹凸嵌合で連結する接合部６５を有する構造としても良い。

次に、変形例に係る調圧弁について説明する。
図１０に示すように、変形例に係る調圧弁１０Ａは、ボディ８０に小径流路部８１と大径流路部８２とを有する流路８３が形成されている。この流路８３には、小径流路部８１側から流体が送り込まれ、大径流路部８２側へ送り出される。ボディ８０は、小径流路部８１と大径流路部８２との境の段差部分が弁座部８４とされている。また、調圧弁１０Ａは、大径流路部８２側に、円錐形状に形成されて先端が小径流路部８１へ向けられた弁体８５を有しており、この弁体８５と弁座部８４との間が弁シール部Ｓとされている。そして、この調圧弁１０Ａでは、弁体８５における弁シール部Ｓよりも下流側に、流体の流れを複数の流れに分散する複数のスリット（図示略）または貫通孔（図示略）を有する分散部Ｄが設けられている。また、この調圧弁１０Ａにおいても、弁シール部Ｓの下流直近の流路幅をＬ１、弁シール部Ｓから分散部Ｄまでの距離をＬ２としたときに、Ｌ１とＬ２との関係がＬ２＜Ｌ１×１０とされている。

この変形例に係る調圧弁１０Ａの場合も、流路８３内に送り込まれる流体の流れを分散部Ｄで複数に分散して整流することで、流体の流れの偏りによる脈動を抑制して騒音を低減することができる。また、弁シール部Ｓの下流直近の流路幅Ｌ１と弁シール部Ｓから分散部Ｄまでの距離Ｌ２との関係をＬ２＜Ｌ１×１０としたことで、衝撃波の急激な成長を抑制して騒音をより効果的に低減させることができる。

なお、上記の変形例に係る調圧弁１０Ａにおいて、弁体８５の形状としては、円錐形状に限らず、図１１に示すように、球状であっても良い。この場合も、流路８３内に送り込まれる流体の流れを分散部Ｄで複数に分散して整流することで、流体の流れの偏りによる脈動を抑制して騒音を低減することができる。また、弁シール部Ｓの下流直近の流路幅Ｌ１と弁シール部Ｓから分散部Ｄまでの距離Ｌ２との関係をＬ２＜Ｌ１×１０としたことで、衝撃波の急激な成長を抑制して騒音をより効果的に低減させることができる。

１０調圧弁
２０ボディ
２５流入路（流路）
２６流出路（流路）
３７弁座部
５４ポペット弁体（弁体）
Ｄ分散部
Ｌ１流路幅
Ｌ２距離
Ｓ弁シール部

Claims

ボディに形成された流路内に弁体が設けられ、前記流路を流れる流体によって前記弁体が変位して前記流路内に設けられた弁座部に近接離間することで、前記流路を流れる流体の圧力を調整する調圧弁であって、
前記弁体は、前記弁座部と前記弁体との間の弁シール部よりも下流側に、前記流体の流れを複数の流れに分散する分散部を有し、
前記弁シール部の下流直近の流路幅をＬ１、前記弁シール部から前記分散部までの距離をＬ２としたときに、Ｌ１とＬ２との関係がＬ２＜Ｌ１×１０である、調圧弁。