JP2017110678A - 高圧用逆止め弁とこれを用いた水素ステーション - Google Patents

Abstract

【課題】水素ステーションにおける超高圧水素などの適用流体に対して要求される高い耐圧性・耐久性及び高精度なシール性を備えながらも、従来製品よりさらにシンプルかつ面間寸法が小さくコンパクトに構成された高圧用逆止め弁とこれを用いた水素ステーションを提供することにある。【解決手段】所定の肉厚を有する短尺状の円柱体であるボデー内に弁室を設け、この弁室内にスプリングの弾発力で閉止するポペット弁体を内蔵すると共に、断面コ字形状で弁座シール面を有するキャップ体をボデーの外周面に嵌合した状態の嵌合長さのうち外端部側からの一部の長さにボデーとキャップ体とをガスケットを介して螺着結合するための螺着結合部を設けた高圧用逆止め弁である。【選択図】 図１

Description

本発明は高圧用逆止め弁に関し、特に、水素等の高圧流体が流れる水素ステーションなどの流路にインラインチャッキとして用いられる高圧用逆止め弁とこれを用いた水素ステーションに関する。

近年、自動車用燃料電池の水素ステーションの供給インフラが普及しつつあり、この水素ステーションの配管設備には、通常、流量制御用のバルブなどと共に、インラインチャッキである逆止め弁が用いられる。この場合、水素ステーションでは、例えば、約９９ＭＰａの高圧水素が流れることもあることから、流量制御用バルブなどと同様に逆止め弁も超高圧に耐え得ることが必要となる。

高圧流体用の逆止め弁としては、例えば、特許文献１の高圧チェックバルブが知られている。このチェックバルブはバルブボデーのほぼ中央にポペットバルブがスプリングを介装された状態で左右に移動可能に嵌入され、その両端に中心水孔を有する中間子が嵌合された構造になっている。ポペットバルブは、バルブボデーの中心孔にガイドされながらこのバルブボデー内を往復動し、弁開時には、流体がポペットバルブの外周に形成された縦溝を介して流れ、弁閉時には、ポペットバルブと中間子との端部同士が平面接触して弁閉状態になる。

一方、特許文献２の逆止弁では、スプリングにより弁閉方向に弁体が弾発され、この弁体の先端側がテーパ状に形成され、この先端に装着されたＯリングがテーパ状の弁座に着座することで弁閉状態を維持しようとする構造になっている。更に、特許文献３の逆止弁では、弁体のＯリングと密着可能な屈曲部が弁座に形成され、この屈曲部を起点として第１傾斜部及び第２傾斜部が形成されている。弁閉時には、この弁座側にＯリングを装着した弁体が着座して高圧流体を密封シールしてシール部材の寿命を延ばそうとしている。

さらに、図７に示す逆止め弁も提案されており、これは、円筒空間部３を有するボデー１の雄ねじ部２と、キャップ４のめねじ部５とを螺着結合してボデー１のシール部６とキャップ４のシール部７とをメタルタッチで外部シールすると共に、キャップ４の流路開口端部にスプリングを介して装着されたポペット弁体８が、円筒空間部３の有底部に設けられた弁座部９に当接して弁座シールするように構成されている。

実開昭６０−８５６７０号公報 特開２０１１−８０５７１号公報 特許第４７９１１９６号公報

しかしながら、特許文献１のチェックバルブは、ポペットバルブと中間子との端部同士が平面接触によりシールするため、これらの端部が金属面である場合には高圧時に平面同士の間に隙間が生じて漏れが発生するおそれがある。更に、このチェックバルブは、圧力範囲が比較的高圧の場合に限られており、低圧流体が流れた場合に平面接触部分に隙間が生じて漏れを生じる可能性もある。

特許文献２、３のように弁座シールにＯリング等のゴム材料を使用した逆止め弁では、超高圧用チェックバルブとして水素ステーション等に使用したときに、高差圧の流速によるエロージョンによって耐久性が悪くなる。このエロージョン対策として、逆止め弁をメタルシールの弁座構造にすることが考えられるが、５ＭＰａ程度の低圧時のシール性能が悪くなり、その結果、低圧から超高圧までの幅広い圧力の流体に対して逆止め性能を発揮することが難しくなる。しかも、ゴムシールの場合、繰り返しの開閉動作による耐久性も悪くなり、数千回程度の少ない弁体開閉動作によりシール性が悪化して漏れを生じることがあった。耐久性を向上するためにステンレス製の弁体に別材料を溶着して硬度を上げることも考えられるが、この場合、溶接部に水素脆性の問題があらたに生じるために実施は難しい。弁体全体を高硬度材料で成形することも考えられるが、この場合には高価になるという問題が生じる。

さらに、逆止め弁は本来、配管系統の様々な場所に様々な目的で設けられるものであり、これは水素ステーションにおいても同様である。特に近年、水素ステーション関連の技術開発の進展が著しい。このため、水素ステーションなどの高圧流体の配管系統を備えるシステムでは、上記のような高シール性・耐久性を維持しつつ、さらにコンパクトかつシンプルに構成された逆止め弁が熱望されている。その中でも、バルブの面間寸法を短小化したコンパクトな逆止め弁への需要はとりわけ高まっている。

これに対して、本件出願人は上記課題を解決すべく、特願２０１２−１３６２０４号にて、高圧用逆止め弁を提案したが、近年は、上記のようにさらにコンパクトかつシンプルに構成された逆止め弁が要望されていた。

また、図７に示した従来の逆止め弁は、シール部６とシール部７とがメタルタッチシールする点や、雄ねじ部２及びめねじ部５の螺着結合部の長さが長い点、といった欠点を有している。すなわち、外部シール構造をガスケットシールでなくメタルタッチシールとした場合、シール性に劣るため、９９ＭＰａ水素流体などの超高圧流体に対する耐久性・シール性の高い確実な外部シールを確保するためには、雄ねじ部２及びめねじ部５の螺着結合部を長くとらねばならなくなる。実際、図７の逆止め弁の螺着結合部の長さは、ボデー１とキャップ４との嵌合長さにほぼ等しく、嵌合箇所のほぼ全面に設けられている。

しかしながら、この逆止め弁に更なる耐圧性が要求され、これに対応すべく外部シールを高める必要が生じた場合、螺着結合部の長さが嵌合長さと同程度であれば、螺着結合部の長さを長くして外部シール力を高めるような設計変更は不可能となる。よって、設計変更による対応が困難な汎用性、延いては使用性の低い構造であると言わざるを得ないものである。

そこで、本発明は上記問題点を解決するために開発されたものであり、その目的とするところは、水素ステーションにおける超高圧水素などの高圧流体に対し要求される高い耐圧性・耐久性及び高精度なシール性を備えながらも、従来製品よりさらにシンプルかつ面間寸法が小さくコンパクトに構成された高圧用逆止め弁とこれを用いた水素ステーションを提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、所定の肉厚を有する短尺状の円柱体であるボデー内に弁室を設け、この弁室内にスプリングの弾発力で閉止するポペット弁体を内蔵すると共に、断面コ字形状で弁座シール面を有するキャップ体をボデーの外周面に嵌合した状態の嵌合長さのうち一部の長さにボデーとキャップ体とをガスケットを介して螺着結合するための螺着結合部を設けた高圧用逆止め弁である。

請求項２に係る発明は、ポペット弁体の先端に設けた平面部を弁座シール面に当接し、弁座シール面には、鈍角でエッジ形状の鈍角エッジ部を設け、鈍角エッジ部の硬度より平面部の硬度を低い材料で形成し、低圧時のとき、鈍角エッジ部と平面部とのシール幅が狭く、高圧時のとき、平面部が変形して鈍角エッジ部と平面部とのシール幅が広くなるようにした高圧用逆止め弁である。

請求項３に係る発明は、ボデーの先端面に鈍角のエッジシール部を備え、かつキャップ体の奥側端面にも鈍角のエッジシール部を備え、この両者のエッジシール部で金属製のガスケットを狭圧して外部シール部を構成した高圧用逆止め弁である。

請求項４に係る発明は、高圧水素の供給ラインに高圧用逆止め弁を用いた水素ステーションである。

請求項１に記載の発明によると、所定の肉厚を有する短尺状の円柱体であるボデー内に弁室を設け、この弁室内にスプリングの弾発力で閉止するポペット弁体を内蔵し、断面コ字形状で弁座シール面を有するキャップ体をボデーの外周面に嵌合したので、ポペット弁体の動作領域及び高圧対応可能な十分な肉厚を有した弁室の外殻を確保しながら、キャップ体の流路長さ方向の尺を最小限に短尺化することが可能となる。このため、確実なシール性をもって高圧流体を閉止可能な逆止め性能を発揮すると共に、小面間でコンパクトな逆止め弁を構成することが可能となる。

また、ボデーにキャップ体を嵌合した状態の嵌合長さのうち一部の長さにボデーとキャップ体とをガスケットを介して螺着結合するための螺着結合部を設けたので、逆止め弁に要求される使用最高圧力に応じて、螺着結合部の長さやボデー肉厚を変更することができ、同じ面間のままで更なる高圧に対応でき、今後の仕様変更などに対する製品の汎用性・使用性を高めることができる。

請求項２に記載の発明によると、弁座シール面には、鈍角でエッジ形状の鈍角エッジ部を設け、鈍角エッジ部の硬度より平面部の硬度を低い材料で形成し、低圧時のとき、鈍角エッジ部と平面部とのシール幅が狭く、高圧時のとき、平面部が変形して鈍角エッジ部と平面部とのシール幅が広くなるようにしたので、低圧から超高圧までの流体の漏れを確実に防いで優れた逆止性能を発揮しつつ、弁開時には大流量を確保してバルブ容量を向上し、しかも耐久性を飛躍的に向上してシール性を確保しながら弁体の動作回数の限界を延ばすことができ、特に、高圧の水素などの適用流体に好適なインラインチャッキとして用いることができる。

請求項３に記載の発明によると、ボデーの先端面に鈍角のエッジシール部を備え、かつキャップ体の奥側端面にも鈍角のエッジシール部を備え、この両者のエッジシール部で金属製のガスケットを狭圧して外部シール部を構成したので、ガスケットの外径をガスケット装着面全体で受けて流体漏れを確実に防止しながらボデーにキャップ体を取り付けることができ、このようにキャップ体の段部面を利用した広いシール面とすることにより、キャップ体を径方向に小型化した場合にも高シール性を発揮でき、全体をコンパクト化しつつ大流量化を図ることも可能となる。

請求項４に記載の発明によると、高圧用逆止め弁がインラインチャッキとして機能し、低圧から超高圧までの流体の漏れを防いで優れた逆止め性能を発揮しつつ、弁開時には大流量を確保してバルブ容量を向上し、しかも耐久性を飛躍的に向上してシール性を確保しながらこの高圧用逆止め弁の弁体の動作回数の限界を延ばすことにより、メンテナンスの頻度を低減することができる水素ステーションを提供できる。

本発明の高圧用逆止め弁を示した斜視図である。 本発明の高圧用逆止め弁の開弁状態を示した断面図である。 本発明の高圧用逆止め弁の閉弁状態を示した断面図である。 図２の一部拡大断面図である。 （ａ）は低圧時のシール状態を示した要部拡大断面図、（ｂ）は高圧時のシール状態を示した要部拡大断面図である。 水素ステーションの一例を示したブロック図である。 従来の逆止め弁を示した断面図である。

以下に、本発明における高圧用逆止め弁の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。本発明の高圧用逆止め弁は、水素ステーションにおける超高圧水素流体の逆止め弁として特に好適である。図１は、本発明の高圧用逆止め弁の外観斜視図であり、図２は、本発明の高圧用逆止め弁の開弁状態の断面図であり、図３は、本発明の高圧用逆止め弁の閉弁状態の断面図である。

図１〜３において、ボデー１０は、例えば、ステンレス合金（ＳＵＳ３１６）によって略筒状に形成されている。ボデー１０の一端側、図において右側には雌螺子１２からなる管接合部が形成され、この管接合部１２には図示しない外部継手の雄螺子を螺合可能になっている。この管接合部１２に続けて縮径穴１３が形成され、この縮径穴１３と連通して縮径穴１３よりも拡径した円筒空間部１４（弁室）がボデー１０内に設けられている。

図４に示すように、ボデー１の円筒空間部１４よりも開口側であって、後述のキャップ体２０の奥側端面２９との対向位置となる先端面１５には、鈍角のエッジシール部１６形成され、このエッジシール部１６の角度α１は、１６０〜１７８度程度からなり、本実施形態では、この角度α１を１７０度の鈍角としている。このエッジシール部１６により、ガスケット１７をシール可能となる。ボデー１０における管接合部１２と縮径穴１３との間には、気密検査用の検査孔１８が設けられている。

図２、３に示すように、ボデー１０は高圧流体に対する所定の耐圧性を備えるため、所定の肉厚をもって流路の外殻を形成していると共に、バルブの面間寸法Ｍを短く形成されていることから、ボデー１０は、流路方向に短尺状の略円柱形状を呈している。このため、図１に示すように、本発明の逆止め弁も、厚肉状で面間寸法Ｍがコンパクトな形状となっている。また、ボデー１０の外周面の一部には、長さＬの雄ねじ部１９が設けられている。

図１〜３において、キャップ体２０は、例えば、ボデー１０同様にステンレス合金（ＳＵＳ３１６）によって略筒状に形成されている。キャップ体２０の一端側（図において左側）には雌螺子２２からなる管接合部が形成され、この管接合部２２には図示しない外部継手の雄螺子を螺合可能になっている。この管接合部２２に続けて縮径穴２３が形成され、この縮径穴２３は、ボデー１０を嵌合して取り付けるための円筒状空間である嵌合部２４に連通している。また、嵌合部２４の内周面の一部には、長さＬのめねじ部２５が設けられている。管接合部２２と縮径穴２３との間、及び嵌合部２４奥側の有底部附近には、それぞれ気密検査用の検査孔２６が適宜設けられている。

図４に示すように、キャップ体２０の奥側端面２９（縮径穴２３が内部の嵌合部２４へ向けて開口する開口側端面（後述のポペット弁体４０との対向面））には、弁座シール面２７が形成され、この弁座シール面２７には、鈍角でエッジ形状の鈍角エッジ部２８が形成されている。

ここで、後述のように、本発明の高圧用逆止め弁においては、ポペット弁体４０を、主にボデー１０の円筒空間部１４に収容すると共に、このポペット弁体４０により閉止される弁座シール面２７を、キャップ体２０の奥側端面２９に設けている。このように、特定形状に形成される鈍角エッジ部２８を有する弁座シール面２７を、スペースが狭く加工しにくい円筒空間部１４の内部（ボデー１０側）でなく、広く開放され加工し易い奥側端面２９（キャップ体２０側）に設けるので、弁座シール面２７（鈍角エッジ部２８）を容易に形成することができる。

図４において、鈍角エッジ部２８は断面が山状であり、この山の角度θは、１６０〜１７８度程度に設けられ、本実施形態ではこの鈍角エッジ部２８の内径側と外径側とのテーパ角が異なっている。図４において、内径側テーパ角θ１は５°、外径側テーパ角θ２は２°に形成されており、これらのテーパ角θ１、θ２により鈍角エッジ部２８の角度θは１７３°の鈍角に設けられている。外径側テーパ角θ２を内径側テーパ角θ１よりも小さく形成しているのは、低圧時のときには、後述するシール径（シールエッジ径Ｄｓ）を小さくし、高圧時のときには、ポペット弁体４０の後述する平面部４１とのシール幅を外径方向に広くするためである。これにより、低圧時から高圧時まで、確実にシールすることが可能になる。鈍角エッジ部２８の頂点付近２８ａは、鋭くする必要はなく、半径の小さい断面Ｒ形状としてもよい。なお、外径側テーパ角θ２を０°より大きく設定し、例えば、１°であってもよく、本実施形態においては、０°＜θ２＜５°、より好ましくは、１°＜θ２＜３°の範囲に設定するのがよい。

図４において、キャップ体２０の弁座シール面２７よりも外径側において、ボデー１０の先端面１５との対向位置である奥側端面２９が形成され、この奥側端面２９の外径側に内端面３６が形成されており、奥側端面２９には内端面３６に位置決めされるようにガスケット１７を装着可能になっている。奥側端面２９には鈍角のエッジシール部３０が形成され、このエッジシール部３０の角度α２は、例えば、ボデー１０のエッジシール部１６と同様に１６０〜１７８°程度になっている。本実施形態では、この角度α２は、角度α１と同じ１７０°の鈍角に設けられている。

同図に示すように、本実施形態では、ボデー１０とキャップ体２０とを螺着した取り付け完了時において、先端面１５の外径部と、この外径部に対向する内端面３６との間に、隙間Ｇ（０．２ｍｍなど）が形成されるようにしている。ボデー１０とキャップ体２０との取り付け完了時に、このように先端面１５が内端面３６に当接しないように余裕を設けていることにより、ボデー１０とキャップ体２０とを増し締めしてガスケット１７を挟圧するようにしてシール性の向上を図っている。なお、図４に示した隙間Ｇは、下部側のみを示したが、ガスケット１７と隙間Ｇは、対称構造であり、同図上、下部側のみを示した。

図２、３は、キャップ体２０の嵌合部２４にボデー１０を嵌合させ、ボデー１０の雄ねじ部１９とキャップ体２０のめねじ部２５を螺着して取り付けた状態を示している。同図に示すように、キャップ体２０は、筒部３１と遮蔽肉厚部３２とからなる断面コ字形状であり、長さＬ’は筒部３１の長さ（嵌合部２４の深さ）、長さｌは遮蔽肉厚部３２の厚さを示している。本発明の逆止め弁に必要とされる耐圧性などの諸特性に応じて、長さＬ’及び厚さｌをそれぞれ必要最小限に設定することにより、面間寸法Ｍや肉厚が最小限にコンパクト化された逆止め弁を構成できる。

ボデー１０とキャップ体２０とをガスケット１７を介して螺着結合するための螺着結合部の長さは、雄ねじ部１９及びめねじ部２５が螺合する螺合部のネジ長さであるから、雄ねじ部１９又はめねじ部２５のネジ長さの短い方に等しい。本実施形態では、雄ねじ部１９及びめねじ部２５は共に長さＬに設けられると共に、それぞれが全長で螺合するから、螺着結合部の長さもＬとなる。この螺着結合部は、図２、３の取り付け状態に示すように、キャップ体２０の外端部３３（嵌合部２４の開口側端部）を起点として、嵌合部２４の内周面に、その奥側へ向けて長さＬだけ形成されるようになっており、一方、ボデー１０とキャップ体２０との嵌合する嵌合長さは、嵌合部２４の深さＬ’に等しいことから、螺着結合部の長さＬは、ボデー１０とキャップ体２０との嵌合長さＬ’の、同図における右端を起点とした一部の長さとなっている。なお、同図において、螺着結合部の長さＬは、嵌合長さＬ’の１／２以下に設定しているが、長さＬは、所定条件下で自由設定可能であるから、例えば長さＬ’の２／３以下などに設定してもよい。

図２、３に示すように、ボデー１０の雄ねじ部１９以外の先端面１５側の外周側面は、円柱形状の嵌合部１０ａとなっている。また、キャップ体２０のめねじ部２５に続いてその奥側に、拡径した短い大径部２５ｂが形成され、この大径部２５ｂに続いてその奥側に、嵌合部２４に挿入されたボデー１０を挿入ガイド可能なテーパ部２５ａが形成され、このテーパ部２５ａに続いてその奥側に、嵌合部２４の内周側面の底側面部である円筒形状の奥側小径部２４ａが形成されている。この奥側小径部２４ａは、ボデー１０の取り付け完了時に嵌合部１０ａの対向位置となると共に、ボデー１０と大径部２５ｂ及びテーパ部２５ａとの間には、空間Ｘが形成されるようになっている。

図２、３に示したボデー１０における長さａは、嵌合長さＬ’から螺着結合部の長さＬを引いた長さ（Ｌ’−Ｌ）に等しく、キャップ体２０における長さｂは、嵌合長さＬ’から奥側小径部２４ａの長さ（深さ）を引いた長さに等しい。

また、図１〜３に示すように、ボデー１０とキャップ体２０とを螺着結合した状態において、キャップ体２０の外端面３３は、ボデー１０の管接合部１２側（図において右側）の外端面３５と、ほぼ同一平面上となる（外端面３３、３５が面一となる）ことにより、長さＬ’が可能な限り長く確保されており、後述するような将来的な仕様変更への対応に余裕があるほか、全体として厚肉状で面間寸法Ｍがコンパクトな印象を与える形状となっている。

なお、本発明におけるボデーとキャップ体は、相対的な位置づけであり、その名称は、ボデーをキャップ体に、キャップ体をボデーと指称することも当然に可能である。また、本発明におけるボデーとキャップ構造と外部シール構造から成る高圧用逆止め弁は、内部構造をフィルタ構造にすることによって高圧用フィルタにも適用できることはもちろんである。

ここで、ボデー１０とキャップ体２０とを螺着結合して構成される逆止め弁の耐圧性は、弁室を形成するボデー１０の厚さと、螺着結合部のネジの螺合長さによるものであるが、本発明の逆止め弁はガスケット１７を介して外部シールするので、図７に示したメタルタッチにより外部シールする逆止め弁よりもシール性が高く、使用最高圧力（９９ＭＰａ）にも耐え得ることから、螺着結合部の長さをボデー１とキャップ４との嵌合長さのように全長程度に設ける必要がなく、上記のように嵌合長さＬ’に対して一部の長さＬで済むようになる。このため、今後更なる高圧対応が求められる場合、ボデー１０の厚さや螺着結合部の長さを増大させる必要があるが、螺着結合部の長さＬについては、最大で嵌合長さＬ’程度まで延長することができる。したがって、高圧対応のためにはボデーの肉厚及びネジ嵌合を変更すればよく、同程度の面間とする条件において設計上の余裕を有していることから、将来的な仕様変更にも対応し易い構造である。

とくに本発明の逆止め弁は、螺着結合部の長さＬ（雄ねじ部１９及びめねじ部２５の長さ）を、嵌合長さＬ’を上限として、要求される使用最高耐圧などに応じて、自由に設定することができるので、例えば長さａ、ｂをａ＞ｂに設定した場合は、逆止め弁の組立時にボデー１０をキャップ体２０に挿入した際、ボデー１０の嵌合部１０ａの挿入側の先端部は、雄ねじ部１９がめねじ部２５と噛み合う前にテーパ部２５ａに到達し、嵌合部１０ａが奥側小径部２４ａに挿入ガイドされた状態で螺着を開始できるから、螺着結合部のネジ締結がしやすくなる。しかも、ネジ長さｂより挿入ガイドする長さａが長い場合、嵌合部１０ａによるボデー１０の軸心の保持力が高まるので、雄ねじ部１９及びめねじ部２５の螺進によりキャップ体２０奥側へ進行していく先端面１５は、螺進による軸心のブレやガタツキが抑制された状態のまま確実にガスケット１７を挟圧していくことができ、外部シール部３４のシール性を高めることができる。

また、図示していないが、本実施形態では、雄ねじ部１９のネジの長さを、めねじ部２５のネジの長さより所定長さ（２ｍｍなど）分長く設けており、これにより、ボデー１０のキャップ体２０へのねじ込みが若干ずれていても螺着結合部の長さＬを確実に確保できるようにしている。そして、図２、３に示した空間Ｘは、ボデー１０とキャップ体２０との取り付け完了時において、めねじ部２５のネジ長さに対する雄ねじ部２５のネジ長さの増分を収容可能なスペースとしている。

ボデー１０をキャップ体２０に取り付けるには、キャップ体２０の奥側端面２９にガスケット１７を装着した後、キャップ体２０のめねじ部２５をボデー１０の雄ねじ部１９に螺着して結合する。これにより、キャップ体２０とボデー１０との間に外部シール部３４が設けられる。外部シール部３４は、前記したボデー１０側のエッジシール部１６、キャップ体２０側のエッジシール部３０の両者により、金属製のガスケット１７を挟圧シールすることにより構成される。

ガスケット１７は、例えば、銅又は銅合金などにより形成され、ボデー１０の雄ねじ部１９と、キャップ体２０のめねじ部２５との螺着により、エッジシール部１６、３０の間に挟着されている。このガスケット１７によって、ボデー１０とキャップ体２０との間の漏れが防がれる。

図２、３に示したポペット弁体４０は、先端に平面部４１を有しており、この平面部４１の軸方向に連続する円筒部４２と、当該ポペット弁体４０の外周と円筒部４２とを連通する流路穴４３を有している。この連通路である流路穴４３は、平面部４１と円筒部４２との間のポペット弁体４０の外周側に径方向９０°毎に４つ配置され、弁開時にはこの流路穴４３を介して縮径穴１３と縮径穴２３とが連通可能になる。流路穴４３における外周側開口部は、ポペット弁体４０の外周に設けた傾斜面４４に設けられている。図示していないが、平面部４１の円柱部分の外径Ｄ３と円筒部４２の円筒部分の外径Ｄ４とは、外径Ｄ３＜外径Ｄ４の関係に設定されている。本実施形態の傾斜面４４の谷部は、平面部４１の外径Ｄ３よりも小径に設定されている。これにより、ポペット弁体４０の外周には、傾斜面４４付近に凹部が形成され、流体が効率的に案内されている。ポペット弁体４０は、ボデー１０の円筒空間部１４にコイルスプリングからなるスプリング４５を介して装着され、スプリング４５の弾発力により弁座シール面２７に平面部４１を当接可能になっている。

ポペット弁体４０は、平面部４１が鈍角エッジ部２８の硬度よりも低くなるように、比較的硬度の低い材料で形成されている。本実施形態では、ポペット弁体４０の材質は樹脂であり、この樹脂は、鈍角エッジ部２８を有するキャップ体２０の硬度よりも低い材質で且つ、高圧流体の封止に必要な高強度を有する材質になっている。この樹脂としては、例えば、スーパーエンジニアリングプラスチックに属するポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）又はポリイミド（ＰＩ）であり、本実施形態では、ＰＥＥＫに３０％のグラファイトを混合したものを用いてポペット弁体を形成した。なお、本実施形態において、「平面部４１が鈍角エッジ部２８の硬度より低い」とは、流体圧の上昇に伴って、平面部４１と鈍角エッジ部２８の弁座シール面２７とのシール幅が広がる一方、流体圧の下降に伴って、シール幅が狭くなるよう、平面部４１が弾性変形する程度の硬度をいう。

このような低い硬度のポペット弁体４０により、低圧時のとき、図５（ａ）に示すように、鈍角エッジ部２８と平面部４１とのシール幅Ｗ１が狭くなり、高圧時のとき、図５（ｂ）に示すように、平面部４１が変形して鈍角エッジ部２８と平面部４１とのシール幅Ｗ２が広くなるようになっている。内周側と連通する４つの流路穴４３が等間隔に設けられ、弁開時には、この流路穴４３を介して縮径穴１３と縮径穴２３とが連通可能になる。

ポペット弁体４０は、弁室内にスプリング４５の弾発力で閉止するように内蔵されており、ボデー１０の円筒空間部１４に遊嵌状態で往復動可能にガイドされ、通常時にはスプリング４５の弾発力によりキャップ体２０の方向に付勢されている。この場合、ポペット弁体４０の円筒部分を円柱部分の２倍程度の長さに設けることにより、ポペット弁体４０は、傾きが防がれつつ確実にシール状態を維持しながらボデー１０内を摺動可能になっている。
ポペット弁体４０の４つの流路穴４３の穴面積やポペット弁体４０が開動作したときのキャップ体２０の弁座開口面積（縮径穴２３の開口面積）は、ボデー１０の縮径穴１３の面積よりも大きくなっている。

高圧用逆止め弁を組込む際には、ボデー１０の円筒空間部１４にポペット弁体４０をスプリング４５により弾発状態で装着し、キャップ体２０をボデー１０に螺着して一体化する。ボデー１０の先端面１５とキャップ体２０の奥側端面２９との間には、前述したようにガスケット１７が介在され、ボデー１０の雄ねじ部１９とキャップ体２０のめねじ部２５との螺着によりこのガスケット１７がエッジシール部１６、３０の間に挟着される。

続いて、上述した実施形態の高圧用逆止め弁の動作を説明する。
図２においては、逆止め弁の弁開状態を示している。図において左方から高圧流体が流れると、その流体圧によってポペット弁体４０がスプリング４５の弾発力に抗して右方向に押圧され、キャップ体２０の弁座シール面２７が開口した状態になり、矢印に示すように流体が縮径穴２３から円筒空間部１４に流れ、流路穴４３を介してポペット弁体４０内部に案内され、このボペット弁体４０を介して縮径穴１３よりボデー１０の外部へと流れる。前述したように、流路穴４３の穴面積やキャップ体２０の弁座開口面積は、ボデー１０の流路面積よりも大きく設けていることで、高Ｃｖ値が確保されている。

図３において、流体が逆流しようとしたときには、ポペット弁体４０がその流体圧によって左方向に押され、弁座シール面２７に平面部４１が押圧される。その際、平面部４１が逆止圧力の増加に応じて弾性変形し、接触面積を増加しつつ弁座シール面２７に当接シールする。

図５において、このときの逆止圧力の大きさの違いによる弁座の当接状態の変化を説明する。
ポペット弁体４０に逆止圧力が加わったときには、先ず、平面部４１が弁座シール面２７の鈍角エッジ部２８に接触し、続いてこの平面部４１が鈍角である弁座シール面２７に沿うように変形して当接する。鈍角エッジ部２８がシールするときのシールエッジ径Ｄｓは、小さいほどシールするために必要な荷重が少なくて済むため、できるだけ小さくなるように形成されている。

このシール時において、低圧時のときには、図５（ａ）に示すように、弁座シール面２７に平面部４１がシール幅Ｗ１で当接シールする。この場合、ポペット弁体４０がキャップ体２０側に押される力が弱いため、この鈍角エッジ部２８と平面部４１とのシール幅Ｗ１が狭くなっている。このように狭いシール幅Ｗ１によって弁座シール面２７と平面部４１とがシールされることで高いシール性が発揮される。

一方、高圧時のときには、図５（ｂ）に示すように、弁座シール面２７に平面部４１がシール幅Ｗ２で当接シールする。この場合、ポペット弁体４０がキャップ体２０側に押される力が強くなっているため、シール幅Ｗ２はシール幅Ｗ１に比べて広くなっている。このように広いシール幅Ｗ２で弁座シール面２７と平面部４１とがシールされることで、シール性を高めて高圧流体を確実に逆止めできる。しかも、シール幅が広くなることで平面部４１の単位面積当たりに加わる力を小さくできるため、耐久性が良くなることから長期に亘って高シール性を維持できる。

このときのポペット弁体４０のシールエッジ径Ｄｓを最小寸法にし、鈍角エッジ部２８の内径側テーパ角度θ１を５°、外径側テーパ角度θ２を２°に設けていることで、特に、高圧時において外側に向けて広がるようにシール幅Ｗ３が形成されつつ平面部４１が変形して高いシール性を発揮でき、耐久性もより向上する。例えば、テーパ角度θ１、θ２を調節し、平面部４１の弾性変形量が０．０３ｍｍとなる隙間Ｃを鈍角エッジ部２８の内径側に設けることでシール幅Ｗ２を１．２ｍｍ程度とすることができ、このシール幅Ｗ２により高圧の逆止圧力に耐え得ることが可能となる。このように、ポペット弁体４０の弾性変位内で収まるように弁座シール面２７の角度を設定することが望ましい。

上記したように、本発明の逆止め弁は、弁室が内部に形成されたボデー部材側に雄ねじを形成した上で、主にこのボデー部材側で所定の耐圧に必要な肉厚を確保すると共に、キャップ部材側にめねじを形成した上で、螺着結合した際にこのキャップ部材がボデー部材を必要最小限の肉厚で被覆するように筒部と遮蔽肉厚部から成る断面コ字形状に形成している。この構造により、ポペット弁体の動作領域及び必要な耐圧性を維持しつつ、面間寸法を最小限に抑えて逆止め弁をコンパクトに構成することができる。また、スリーブなどを使用していないので、ボデー１０と弁座シール面２７を有するキャップ体２０とを、それぞれ単一部材で形成した場合は、部品点数や生産性・加工性などの面で使用価値が高い。

また、ボデー１０とキャップ体２０を、ガスケット１７を介して螺着結合し、円筒空間部１４内にスプリング４５を介してポペット弁体４０を装着し、キャップ体２０の弁座シール面２７にポペット弁体４０の平面部４１を当接可能に設け、弁座シール面２７に鈍角エッジ部２８を設け、この鈍角エッジ部２８の硬度より平面部４１の硬度が低くなるような材料で形成されている。そして、低圧時のとき、鈍角エッジ部２８と平面部４１とのシール幅Ｗ１が狭くなるようになっており、高圧時のとき、平面部４１が変形してこの平面部４１と鈍角エッジ部２８とのシール幅Ｗ２が広くなるようにしているので、低圧から高圧までの幅広い圧力の流体に対して、平面部４１がその圧力に応じて異なる変形量により変形して必要なシール面圧を発揮する。これにより、例えば、５ＭＰａの低圧流体、又は９９ＭＰａの超高圧流体の何れの場合にも逆止性能を確実に発揮し、超高圧用のチェックバルブとして用いた場合にも、高圧時はおろか、低圧時においても確実に逆止め性能を発揮して漏れを防止できる。しかも、少ない部品点数で簡単な組み合わせにより設けることができるため、低コストで製作できる。

図４において、ボデー１０の円筒空間部１４の先端面１５に鈍角のエッジシール部１６を形成し、キャップ体２０の奥側端面２９に鈍角のエッジシール部３０を形成して、この両者のエッジシール部１６、３０で金属製のガスケット１７を挟圧して外部シール部３４を構成していることから、弁座シール面２７と平面部４１とのシールの場合と同様に、これらのエッジシール部１６、３０によって高いシール面圧を発揮してボデー１０とキャップ体２０とをシールできる。

図６は、本発明の高圧用逆止め弁を用いた水素ステーションのブロック図を示している。水素ステーションは、例えば、蓄圧機７０、圧縮機７１、ディスペンサ７２、プレクール熱交換器７３、迅速継手７４、充填ホース７５、充填ノズル７６、車載タンク７７を有し、これらは高圧水素の供給ライン７８としてシステムを構成している。

本発明の高圧用逆止め弁であるバルブ本体８５は、例えば、インラインチャッキとしてディスペンサ７２の二次側の適宜箇所（供給ライン７８の入口箇所など）に設けられ、或は、その他の様々な箇所に設けられ、このバルブ本体８５により一次側への水素漏れが防がれて優れた逆止め性能が発揮されると共に、弁開時の大流量を確保しつつ、耐久性やシール性も極めて高い。

なお、水素ステーションの各ユニットの接続部位には手動弁８１が設けられ、各ユニットの一次側又は二次側に適宜自動弁８０が設けられている。蓄圧機７０の内部は、複数のタンクに分かれており、それぞれのタンクと圧縮機７１とを接続するバルブ８０、及びそれぞれのタンクとディスペンサ７２とを接続するバルブ８０を適宜切り替えることにより、所定圧に至ったタンクから水素をディスペンサに供給する一方、所定の下限値圧を下回ったタンクには、圧縮機７１から水素を前記所定圧に至るまで充填する。この水素ステーションに設けられた供給ライン７８において、所定のプログラムによって水素供給が制御され、車両供給量に応じて適宜に水素を供給制御可能になっている。

更に、本発明は、前記実施の形態の記載に限定されるものではなく、本発明の特許請求の範囲に記載されている発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更ができるものである。

１０ ボデー
１４ 円筒空間部（弁室）
１５ 先端面
１６ エッジシール部
１７ ガスケット
１９ 雄ねじ部
２０ キャップ体
２５ 雄ねじ部
２７ 弁座シール面
２８ 鈍角エッジ部
２９ 奥側端面
３０ エッジシール部
３３ 外端面
３４ 外部シール部
４０ ポペット弁体
４１ 平面部
４５ スプリング
７８ 供給ライン
Ｌ 螺着結合部の長さ
Ｌ’ 嵌合長さ
Ｍ 面間寸法

Claims (4)

1. 所定の肉厚を有する短尺状の円柱体であるボデー内に弁室を設け、この弁室内にスプリングの弾発力で閉止するポペット弁体を内蔵すると共に、断面コ字形状で弁座シール面を有するキャップ体をボデーの外周面に嵌合した状態の嵌合長さのうち一部の長さにボデーとキャップ体とをガスケットを介して螺着結合するための螺着結合部を設けたことを特徴とする高圧用逆止め弁。
2. 前記ポペット弁体の先端に設けた平面部を前記弁座シール面に当接し、前記弁座シール面には、鈍角でエッジ形状の鈍角エッジ部を設け、鈍角エッジ部の硬度より前記平面部の硬度を低い材料で形成し、低圧時のとき、鈍角エッジ部と平面部とのシール幅が狭く、高圧時のとき、平面部が変形して鈍角エッジ部と平面部とのシール幅が広くなるようにした請求項１に記載の高圧用逆止め弁。
3. 前記ボデーの先端面に鈍角のエッジシール部を備え、かつ前記キャップ体の奥側端面にも鈍角のエッジシール部を備え、この両者のエッジシール部で金属製のガスケットを狭圧して外部シール部を構成した請求項１又は２に記載の高圧用逆止め弁。
4. 高圧水素の供給ラインに請求項１乃至３の何れか１項に記載の高圧用逆止め弁を用いたことを特徴とする水素ステーション。

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