JP2017126268A - 圧力調整弁 - Google Patents

Abstract

【課題】入口部材が変形してボデー部材から離れること（入口部材の持ち上がり）を抑制して、必要とされる弁座の潰し量を確保することができる圧力調整弁を提供すること。
【解決手段】 シート１２と、バルブ１４と、バルブ１４をシート１２に対して当接および離間させるように移動させるピストン１５と、を有する圧力調整弁１において、入口通路３２を備える入口ブロック部材１１と、バルブ１４及びピストン１５を収容するボデー部材１３とを有し、入口ブロック部材１１は、ボデー部材１３に対してボルト締めで固定され、シート１２は、入口ブロック部材１１とボデー部材１３とに挟まれて所定量潰れた状態で保持されており、入口ブロック部材１１又はボデー部材１３のいずれか一方は、シートの外方において他方の部材に当接する突出部２５を備え、突出部２５の当接部分以外で入口ブロック部材１１とボデー部材１３との間に隙間δが形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、高圧の気体燃料の圧力を減圧して所望の圧力に調整する圧力調整弁に関するものである。

従来技術として、特許文献１に開示されるような圧力調整弁が存在する。この圧力調整弁は、バルブ収容孔内に配置される調圧バルブと、調圧室内に配置されるピストンと、バルブ収容孔と調圧室を区画する弁座と、調圧バルブを弁座側へ付勢するバルブスプリングとを有している。そして、ピストンが、調圧バルブに対してバルブスプリングの付勢方向の先に配置されている。

特開２０１２−７３８８６号公報

しかしながら、上記の圧力調整弁では、バルブ収容孔や調圧室を気密に保つために、基体と筒状体の間や、ピストンと筒状体の間や、弁座と基体の間などに、各々シール部材が設けられており、部品点数が多く、構造が複雑である。そして、製造コストや製造時の作業性の観点から、部品点数を出来るだけ削減して、圧力調整弁の構造を簡素化することが望まれている。

そのため、本出願人は、弁室を備える入口部材と、調圧室を備えるボデー部材とを有し、弁座が、入口部材とボデー部材とに挟まれて両部材に密着している圧力調整弁を提案した（特願２０１５−０６３７４１参照）。このような構成において、入口部材とボデー部材とをボルトで締結する場合、弁座からの反力と、内部圧力がかかった場合には内部圧力とが入口部材に作用することによって、入口部材が変形してボデー部材から離れて（持ち上がって）しまい、必要とされる弁座の潰し量を確保することができないおそれがある。

そこで、本発明は上記した問題点を解決するためになされたものであり、入口部材が変形してボデー部材から離れること（入口部材の持ち上がり）を抑制して、必要とされる弁座の潰し量を確保することができる圧力調整弁を提供することを目的とする。

上記課題を解決するためになされた本発明の一形態は、弁座と、弁体と、前記弁体を前記弁座に対して当接および離間させるように移動させるピストンと、を有する圧力調整弁において、入口通路を備える入口部材と、前記弁体及び前記ピストンを収容するボデー部材とを有し、前記入口部材は、前記ボデー部材に対してボルト締めで固定され、前記弁座は、前記入口部材と前記ボデー部材とに挟まれて所定量潰された状態で保持されており、前記入口部材又は前記ボデー部材のいずれか一方は、前記弁座の外方において他方の部材に当接する突出部を備え、前記突出部の当接部分以外で前記入口部材と前記ボデー部材との間に隙間が形成されていることを特徴とする。

この圧力調整弁では、入口部材とボデー部材との間に隙間が形成されているため、入口部材をボデー部材に対してボルト締めで組み付けると、そのときの軸力に対応して入口部材を弁座を押さえ込む方向へ変形させる（撓ませる）ことができる。このとき、入口部材とボデー部材とは弁座の外方において突出部で当接するため、弁座は必要とされる潰し量（所定量）だけ潰されて、入口部材とボデー部材とに挟まれて保持される。

ここで、入口部材に対して弁座からの反力と、内部圧力がかかった場合には内部圧力とが作用することによって、入口部材がボデー部材から離れる方向へ変形する。しかしながら、この圧力調整弁では、入口部材とボデー部材とを弁座の外方において突出部で当接させて、入口部材を弁座を押さえ込む方向へ変形させているため、入口部材がボデー部材から離れる方向への変形を抑制することができる。その結果として、入口部材がボデー部材から離れること、つまり入口部材の持ち上がりを抑制することができ、弁座の潰し量の減少を抑制することができるため、必要とされる弁座の潰し量を確保することができる。

そして、上記した圧力調整弁において、前記突出部は、円環形状に形成されていることが望ましい。

このような構成にすることにより、それぞれのボルト締結部分におけるボルト締めにより発生する各軸力を均等にすることができるため、入口部材を弁座を押さえ込む方向へ均等に変形させる（撓ませる）ことができる。これにより、弁座の全周（全域）にわたって、必要とされる弁座の潰し量を確保することができる。

本発明に係る圧力調整弁によれば、入口部材が変形してボデー部材から離れること（入口部材の持ち上がり）を抑制して、必要とされる弁座の潰し量を確保することができる。

実施形態に係る圧力調整弁の全体断面図である。 隙間がない場合のボルト締付け前における入口ブロック部材とボデー部材との関係を模式的に示す図である。 隙間がない場合のボルト締付け前における入口ブロック部材とボデー部材との関係を模式的に示す図である。 隙間を設けた場合のボルト締付け後における入口ブロック部材とボデー部材との関係を模式的に示す図である。 隙間を設けた場合のボルト締付け後における入口ブロック部材とボデー部材との関係を模式的に示す図である。 シートの潰し量（変形量）及び入口ブロック部材の変形量を説明するための説明図である。

本発明に係る実施形態である圧力調整弁について、図１を参照しながら詳細に説明する。図１は、本実施形態に係る圧力調整弁の断面図である。
なお、以下の説明において、「上流側」とは燃料ガスＧの流れ方向の上流側であり、「下流側」とは燃料ガスＧの流れ方向の下流側である。

圧力調整弁１は、高圧の燃料ガスＧを減圧しながら所望の圧力に調整する弁である。なお、燃料ガスＧは、例えば、燃料電池（不図示）に供給される水素ガスである。そして、圧力調整弁１の上流側には、燃料タンク（不図示）に貯留された燃料ガスＧを供給又は停止する主止弁（不図示）が接続されている。また、圧力調整弁１の下流側には、燃料ガスＧを燃料電池に供給するインジェクタ（不図示）が接続されている。

図１に示すように、圧力調整弁１は、入口ブロック部材１１と、シート（弁座）１２と、ボデー部材１３と、バルブ１４（弁体）と、ピストン１５と、スプリング１６と、出口ブロック部材１７と、リリーフ弁１８と、リークチェックポート１９などを有する。そして、ボデー部材１３の内部に、第１調圧室２１が形成されている。また、ボデー部材１３とピストン１５と出口ブロック部材１７とに区画されるようにして、第２調圧室２２が形成されている。

入口ブロック部材１１は、入口３１と入口通路３２などを備えている。入口３１は、圧力調整弁１への燃料ガスＧの流入口である。入口通路３２は、入口３１とシート１２のシート孔３３に連通する通路である。また、入口通路３２には、燃料ガスＧ中の異物を除去するフィルタ３４が配置されている。さらに、フィルタ３４とシート１２との間には、ブッシュ３５が配置されている。

シート１２は、樹脂製であり、所定量（後述する潰し量Ａ：図６参照）だけ潰された状態で、入口ブロック部材１１とボデー部材１３に挟まれて保持されている。シート１２は、略円環状に形成されている。シート１２は、入口通路３２と第１調圧室２１に連通するシート孔３３を備えている。

ボデー部材１３は、圧力調整弁１の筐体であり、その内側に、バルブ１４とピストン１５とスプリング１６と出口ブロック部材１７の一部を収容している。ボデー部材１３の入口ブロック部材１１側の端面に、円環形状の突出部２５が形成されている。突出部２５の中央部分に凹部２５ａが設けられており、この凹部２５ａにシート１２が配置されている。そして、突出部２５は、シート１２の外方において入口ブロック部材１１に当接している。これにより、突出部２５の当接部分以外で入口ブロック部材１１とボデー部材１３との間に隙間δが形成されている。

そして、入口ブロック部材１１とボデー部材１３の突出部２５とが当接した状態で、入口ブロック部材１１がボデー部材１３に４本のボルト７０によって固定されている。すなわち、入口ブロック部材１１の四隅でそれぞれボルト締めされることにより、入口ブロック部材１１がボデー部材１３に対して固定されている。ここで、入口ブロック部材１１とボデー部材１３との間に隙間δが形成されている。そのため、ボルト７０の締結力により発生する軸力に対応して、入口ブロック部材１１が、シート１２を押さえ込む方向へ変形している（撓んでいる）。このとき、入口ブロック部材１１とボデー部材１３とは、シート１２の外方において突出部２５で当接するため、シート１２は必要とされる潰し量Ａだけ潰されて、入口ブロック部材１１とボデー部材１３とに挟まれて保持されている。

ここで、図２〜図６を参照にして、シート１２の潰れ量について、入口ブロック部材１１とボデー部材１３との間に隙間δがない場合（従来）と隙間δがある場合（本発明）を比較しながら説明する。図２〜図５は、ボルト締付け前後における入口ブロック部材とボデー部材との関係を模式的に示す図である。図６は、シートの潰し量（変形量）及び入口ブロック部材の変形量を説明するための説明図である。

まず、ボルト締付け前において、隙間δがない場合は、図２に示すように、必要とされる潰し量Ａだけ、入口ブロック部材１１とボデー部材１３とが離れた状態となる。これに対して、隙間δがある場合は、図４に示すように、潰し量Ａに隙間δを加えた距離だけ、入口ブロック部材１１とボデー部材１３とが離れた状態となる。
なお、潰し量Ａは、図６に示す直線Ｘからわかるように、規定トルクでボルト７０を締付けたときに発生する軸力Ｆ１が、シート１２に作用したときにシート１２が潰れる量である。直線Ｘは、シート１２に作用する荷重とシート１２の潰し量との関係を表すシート１２の潰し特性を示すものである。

そして、ボルト締付け後において内部圧力がかかっていない状態では、隙間δがない場合には、図３に示すように、シート１２を潰す反力Ｒが、入口ブロック部材１１に作用するため、シート１２付近において入口ブロック部材１１がボデー部材１３から離れて浮き上がる。つまり、図６に示す直線Ｘと直線Ｙとの交点で荷重が釣り合うので、シート１２の潰し量が減少して潰し量Ｂとなる。直線Ｙは、隙間δがない場合において、入口ブロック部材１１に作用する荷重と入口ブロック部材１１の変形量との関係を表す入口ブロック部材１１の変形特性を示すものである。なお、直線Ｙでは、入口ブロック部材１１が変形すると、シート１２の潰し量が減少するので、変形量のプラスマイナスを逆方向に示している。
このように隙間がない場合には、シート１２の潰し量が減少して、必要とされる潰し量Ａを確保することができなくなる。

一方、隙間δを設けた圧力調整弁１では、図５に示すように、シート１２を潰す反力Ｒが、入口ブロック部材１１に作用するが、その反力Ｒが荷重Ｆ３になるまでは入口ブロック部材１１がボデー部材１３から離れて浮き上がることはない。荷重Ｆ３は、図６に示す直線Ｚにおいて変形量が「０」になる荷重であり、隙間δの大きさに対応して変化する。つまり、荷重Ｆ３は、入口ブロック部材１１を隙間δだけ変形させるために必要な荷重である。例えば、隙間δを大きくすれば、直線Ｚが下方へ平行移動するため、荷重Ｆ３が大きくなる。逆に隙間δを小さくすれば、直線Ｚが上方へ平行移動するため、荷重Ｆ３が小さくなる。従って、隙間δを調整することにより適切な荷重Ｆ３を設定することができる。そのため、圧力調整弁１の特性に応じて（反力Ｒ及び後述する荷重Ｆ２の大きさを考慮して）、適切な荷重Ｆ３が得られるように隙間δを設定すればよい。

なお、直線Ｚは、隙間δがある場合において、入口ブロック部材１１に作用する荷重と入口ブロック部材１１の変形量との関係を表す入口ブロック部材１１の変形特性を示すものである。この直線Ｚは、直線Ｙをδだけ下方へ平行移動したものである。直線Ｚでも、入口ブロック部材１１が変形すると、シート１２の潰し量が減少するので、変形量のプラスマイナスを逆方向に示している。

バルブ１４は、シート１２よりも下流側の第１調圧室２１内に配置されている。バルブ１４は、第１調圧室２１内を移動して、シート１２に対して当接および離間することにより、燃料ガスＧの流れを遮断および許容する。すなわち、バルブ１４は、シート１２のシート孔３３と第１調圧室２１とに連通する流路を開閉する。バルブ１４は、ピストン１５の端部４３においてピストン１５に取り付けられており、ピストン１５と一体になっている。なお、バルブ１４の材質は、金属（例えば、ステンレス）である。

ピストン１５は、本体部３６と、軸状部３７と、通路３８などを備えている。本体部３６は、円筒状に形成されている。本体部３６は、軸状部３７に対して下流側の位置に配置されている。本体部３６は、そのスプリング１６側の面において、スプリング１６が当接するばね受座３９（スプリング１６との当接部）を備えている。なお、本体部３６の外周面には、パッキン４１が配置されている。

軸状部３７は、円筒状に形成されている。軸状部３７は、本体部３６に対して上流側の位置に配置されている。軸状部３７は、流入孔４２を備えている。通路３８は、ピストン１５の中心軸方向に形成されている。また、軸状部３７の上流側（シート１２側）の端部４３において、バルブ１４が配置されている。このようにして、ピストン１５は、バルブ１４と一体になっており、バルブ１４をシート１２に対して当接および離間させる。また、軸状部３７の外周面には、パッキン４４が配置されている。なお、ピストン１５の材質は、金属（例えば、アルミニウム）である。

スプリング１６は、ボデー部材１３とピストン１５との間に配置されている。スプリング１６は、ピストン１５を、出口ブロック部材１７側、すなわち、バルブ１４の開弁方向へ付勢している。

出口ブロック部材１７は、出口５１を備えている。出口５１は、圧力調整弁１からの燃料ガスＧの流出口である。リリーフ弁１８は、出口ブロック部材１７に取り付けられており、出口５１内の燃料ガスＧの圧力を所定の設定値以下に調整する。リークチェックポート１９は、出口ブロック部材１７に取り付けられている。

第１調圧室２１は、シート１２に対して下流側の位置に形成されている。第１調圧室２１は、バルブ１４がシート１２から離間したときに、入口ブロック部材１１の入口３１と連通する。第２調圧室２２は、ピストン１５の下流側の位置に形成されている。第２調圧室２２は、ボデー部材１３とピストン１５と出口ブロック部材１７とに区画されるようにして形成されている。
これら第１調圧室２１と第２調圧室２２において、高圧の燃料ガスＧの圧力が調圧値に調整されるようになっている。

次に、本実施形態の圧力調整弁１の作用（動作方法）について説明する。図１に示すように、例えば、車両用の燃料電池への燃料ガスＧの供給が開始され、出口５１から燃料ガスＧが矢印の方向（ピストンの中心軸方向）へ流出すると、第２調圧室２２内に貯留される燃料ガスＧの圧力が低下する。そのため、スプリング１６の付勢力によりピストン１５は出口ブロック部材１７側へ向かって移動するので、ピストン１５と一体のバルブ１４がシート１２から離間する。すると、燃料タンクから供給される高圧の燃料ガスＧが、入口３１と入口通路３２とシート１２のシート孔３３を流れて、第１調圧室２１に流入する。さらに、第１調圧室２１に流入した燃料ガスＧは、ピストン１５の流入孔４２と通路３８を流れて、第２調圧室２２内に流入する。

そして、第２調圧室２２の燃料ガスＧの圧力が上昇して、燃料ガスＧの圧力によりピストン１５に作用する力がスプリング１６の付勢力よりも大きくなると、ピストン１５は、スプリング１６の付勢力に対抗して、シート１２側へ向かって移動する。そうすると、ピストン１５と一体のバルブ１４がシート１２に当接し、第１調圧室２１と第２調圧室２２への燃料ガスＧの流入が停止する。このようにして、第１調圧室２１と第２調圧室２２の燃料ガスＧの圧力は、所定の値に維持される。具体的には、第１調圧室２１と第２調圧室２２の圧力は、パッキン４１によってシールされた径の面積Ｓ１からパッキン４４によってシールされた径の面積Ｓ２を引いた面積に第２調圧室２２の圧力を乗算した力がスプリング１６の付勢力と等しくなるように概略調圧される。

ここで、燃料ガスＧが圧力調整弁１に供給されて、入口ブロック部材１１の内部の圧力が上昇すると、外部の大気に対する差圧により発生する荷重Ｆ２が作用する。なお、荷重Ｆ２は、ブッシュ３５の径の面積（投影面積）Ｓ３に外部の大気の圧力と入口３１の圧力との差圧を乗算した力である。

このとき、隙間δがない場合には、図３に示すように、シート１２を潰す反力Ｒに加えて荷重Ｆ２が、入口ブロック部材１１に作用するため、シート１２付近において入口ブロック部材１１がボデー部材１３からさらに離れて浮き上がる。つまり、図６に示す直線Ｙに従って、入口ブロック部材１１が変形するため、シート１２の潰し量がさらに減少して潰し量Ｃとなる。

一方、隙間δを設けた圧力調整弁１では、入口ブロック部材１１をシート１２を押さえ込む方向へ変形させているため、図６に示す直線Ｚからわかるように、シート１２を潰す反力Ｒに加えて荷重Ｆ２が作用しても、それらの合計荷重が荷重Ｆ３になるまでは、入口ブロック部材１１がボデー部材１３から離れて浮き上がることはない（図５参照）。これにより、シート１２の潰し量は潰し量Ａのままとなる。このように隙間δを、反力Ｒと荷重Ｆ２との合力よりも荷重Ｆ３が大きくなるように設定することにより、入口ブロック部材１１がボデー部材１３から浮き上がることを防止することができ、シート１２において必要とされる潰し量Ａを確保することができる。

以上、詳細に説明したように本実施形態に係る圧力調整弁１によれば、入口ブロック部材１１とボデー部材１３とをシート１２の外方において突出部２５で当接させて、入口ブロック部材１１をシート１２を押さえ込む方向へ変形させているため、入口ブロック部材１１がボデー部材１３から離れる方向へ変形することを抑制することができる。そのため、入口ブロック部材１１がボデー部材１３から離れること、つまり入口ブロック部材１１の持ち上がりを抑制することができ、シートの潰し量の減少を抑制することができる。これにより、シート１２の潰し量は潰し量Ａのままとなり、必要とされるシート１２の潰し量Ａを確保することができる。

なお、上記した実施の形態は単なる例示にすぎず、本発明を何ら限定するものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能であることはもちろんである。例えば、上記の実施形態では、突出部２５がボデー部材１３に形成されている場合を例示したが、突出部２５は入口ブロック部材１１に形成されていてもよい。

１ 圧力調整弁
１１ 入口ブロック部材
１２ シート（弁座）
１３ ボデー部材
１４ バルブ（弁体）
１５ ピストン
１６ スプリング
２５ 突出部
２５ａ 凹部
３２ 入口通路
７０ ボルト
δ 隙間
Ｇ 燃料ガス

Claims (2)

1. 弁座と、弁体と、前記弁体を前記弁座に対して当接および離間させるように移動させるピストンと、を有する圧力調整弁において、
   入口通路を備える入口部材と、
   前記弁体及び前記ピストンを収容するボデー部材とを有し、
   前記入口部材は、前記ボデー部材に対してボルト締めで固定され、
   前記弁座は、前記入口部材と前記ボデー部材とに挟まれて所定量潰れた状態で保持されており、
   前記入口部材又は前記ボデー部材のいずれか一方は、前記弁座の外方において他方の部材に当接する突出部を備え、
   前記突出部の当接部分以外で前記入口部材と前記ボデー部材との間に隙間が形成されている
   ことを特徴とする圧力調整弁。
2. 請求項１に記載する圧力調整弁において、
   前記突出部は、円環形状に形成されている
   ことを特徴とする圧力調整弁。

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