JP2017157119A - 圧力調整弁 - Google Patents

Abstract

【課題】弁体と弁座の芯ズレを抑制してシール性を向上させ、調圧性能を向上させることができる圧力調整弁を提供すること。
【解決手段】ハウジング１０と、ハウジング１０内に形成された調圧室２１，２２と、ハウジング１０内を軸方向に移動可能なピストン１５と、ピストン１５とともに移動するバルブ１４と、バルブ１４が着座可能なシート１２と、ピストン１５を開弁方向に付勢するスプリング１６とを有する圧力調整弁１において、バルブ１４は、ピストン１５の端部に設けられた凹部４３に対して周方向に隙間Ｃを設けて、凹部４３の底面に当接して配置されており、ピストン１５と当接するバルブ１４の当接端部１４ｂが球形状をなしている。
【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に開示されている圧力調整弁がある。この圧力調整弁は、ハウジングと、ハウジング内に形成された流体通路と、流体通路内に形成された調圧室内を軸方向に移動可能なピストンと、ピストンを開弁方向に付勢するスプリングと、ピストンと一体で動作するバルブ（弁体）と、バルブが着座可能なバルブシート（弁座）とを備えている。

特表２０１０−５３９５９５号公報

しかしながら、上記の圧力調整弁では、ピストンの傾きや組み付け時の各部品のズレ等によって、バルブとバルブシートの芯ズレが発生してしまう。このような芯ズレが発生すると、バルブの一部がバルブシートに密着しなくなってシール性が悪化し、調圧性能が低下するおそれがあった。

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、弁体と弁座の芯ズレを抑制してシール性を向上させ、調圧性能を向上させ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、ハウジングと、前記ハウジング内に形成された調圧室と、前記ハウジング内を軸方向に移動可能なピストンと、前記ピストンとともに移動する弁体と、前記弁体が着座可能な弁座と、前記ピストンを開弁方向に付勢するスプリングとを有する圧力調整弁において、前記弁体は、前記ピストンの端部に設けられた凹部に対して周方向に隙間を形成し、前記凹部の底面に当接して配置されていることを特徴とする。

この圧力調整弁では、弁体が、ピストンの端部に設けられた凹部に対して周方向に隙間（ガタ）を設けて、凹部の底面に当接して配置されているので、弁体がピストンに対して軸方向と直交する方向（ピストンの径方向）へ相対的に移動することができる。そのため、弁体が弁座に接して着座する際に、弁体が移動して弁体と弁座の芯ズレを抑制することができる。これにより、シール性を向上させることができ、調圧性能を向上させることができる。

上記した圧力調整弁において、前記弁体と前記ピストンとが当接する、前記弁体の端部又は前記ピストンの凹部底面の少なくとも一方が球形状であることが望ましい。

このような構成にすることにより、弁体がピストンとの当接部を支点として揺動（首振り）することができる。そのため、弁体がピストンに対して軸方向と直交する方向への相対的な移動だけでは吸収することができないような弁体と弁座の芯ズレが生じていても、弁体を弁座に対して正確にセンタリングすることができる。従って、シール性をより向上させることができ、調圧性能を一層向上させることができる。

上記した圧力調整弁において、前記弁体の弁座側の端部は、球形状であることが望ましい。

このような構成にすることにより、弁体の端部を、弁座に設けられた貫通孔の全周に対して確実に線接触で密着させることができる。従って、シール性を向上させることができるので、調圧性能を向上させることができる。

上記した圧力調整弁において、前記弁体と前記ピストンとを連結する連結機構を有する
ことが望ましい。

ここで、弁体はピストンの凹部底面に当接しているにすぎないため、弁体が弁座に向かって移動する（弁が閉じる）ときには、弁体はピストンと一体で移動する一方、弁体が弁座から離れる（弁が開く）ときは、制御流体の圧力によって弁体が移動させられる。そのため、開弁時において、弁体がピストンと一体で移動しない（ピストンの移動に追従できない）おそれがあり、開弁時の応答性が悪化するおそれがある。

そこで、弁体とピストンとを連結する連結機構を有することにより、開弁時においても弁体が確実にピストンと一体となって移動する。従って、開弁時の応答性の悪化を確実に防止することができる。

なお、連結機構としては、例えば、弁体とピストンの凹部との隙間に環状の弾性部材を配置して連結する機構、ピストンの凹部と弁体端部とを係合させて連結する機構、あるいは弁体とピストンの凹部との当接部に磁石を設けて磁力により連結する機構などを挙げることができる。

本発明に係る圧力調整弁によれば、弁体と弁座の芯ズレを抑制してシール性を向上させ、調圧性能を向上させることができる。

第１実施形態に係る圧力調整弁の全体断面図である。 第１実施形態に係る圧力調整弁の調圧特性を示す図である。 第２実施形態の第１実施例に係る連結機構を示す図である。 第２実施形態の第２実施例に係る連結機構を示す図である。 第２実施形態の第３実施例に係る連結機構を示す図である。 連結機構の変形例を示す図である。 連結機構の別の変形例を示す図である。

［第１実施形態］
本発明に係る実施形態である圧力調整弁について、図１及び図２を参照しながら詳細に説明する。高圧の燃料ガスを減圧して供給対象へ供給する減圧弁に本発明を適用した場合について説明する。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、燃料ガスＧを減圧しながら所望の圧力に調整する減圧弁である。なお、燃料ガスＧは、例えば、車両用の燃料電池（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、ハウジング１０と、シート（弁座）１２と、バルブ（弁体）１４と、ピストン１５と、スプリング１６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。ハウジング１０は、入口ブロック部材１１と、ボデー部材１３と、出口ブロック部材１７とで構成されている。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１８の一部を収容している。

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。なお、バルブ１４の材質は金属である。

そして、バルブ１４の先端（シート側の端部）１４ａは、球形状をなしている。これにより、バルブ１４の先端１４ａを、シート１２のシート孔３３の全周に対して確実に線接触で密着させることができる。

一方、バルブ１４の反対側端部（ピストン側の端部）である当接端部１４ｂは、ピストン１５の端部に形成された凹部４３の底面に当接している。つまり、バルブ１４の一部がピストン１５の凹部４３内に周方向に隙間（ガタ）Ｃを形成して配置されている。これにより、バルブ１４がピストン１５に対して軸方向と直交する方向へ相対的に移動することができるようになっている。また、バルブ１４の端部１４ｂは、球形状をなしている。これにより、バルブ１４がピストン１５との当接部を支点として揺動（首振り）することができるようになっている。

なお、本実施形態では、バルブ１４の当接端部１４ｂを球形状にしているが、ピストン１５の凹部４３の底面を球形状にしてもよい。このようにしても、バルブ１４がピストン１５との当接部を支点として揺動（首振り）するようになる。

このようにバルブ１４と当接するピストン１５は、本体部３６と、軸状部３７と、通路３８と、凹部４３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、シール部材であるパッキン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）の端部に凹部４３が形成されている。そして、この凹部４３にバルブ１４の一部が配置されている。これにより、ピストン１５の移動に伴って、バルブ１４がシート１２に対して当接および離間するようになっている。また、軸状部３７の外周面には、シール部材であるパッキン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。出口ブロック部材１７（ハウジング１０）には、リリーフ弁１８が一体的に設けられている。そして、リリーフ弁１８は、第２調圧室２２（通路３８）内の燃料ガスＧの圧力を所定の設定値以下に調整するようになっている。また、出口ブロック部材１７には、リークチェックポート１９が設けられている。さらに、出口ブロック部材１７には、絞り部５２が形成されている。

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、燃料ガスＧの圧力が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。

そして、バルブ１４がシート１２から離間すると、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。

そうすると、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。このピストン１５の移動に伴って、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（調圧値）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調圧される。

ここで、ピストン１５の傾きや組み付け時の各部品のズレ等によって、バルブ１４とシート１２の芯ズレが発生してしまうおそれがある。このような芯ズレが発生してしまうと、バルブ１４の一部がシート１２に密着しなくなってシール性が悪化し、調整性能が低下してしまう。

しかしながら、圧力調整弁１では、バルブ１４が、ピストン１５の凹部４３に対して周方向に隙間（ガタ）Ｃを設けた状態で、凹部４３の底面に当接して配置されているため、バルブ１４がピストン１５に対して軸方向と直交する方向へ相対的に移動することができる。そのため、バルブ１４がシート１２に接して着座する際に、バルブ１４が移動してバルブ１４とシート１２の芯ズレが抑制される。従って、シール性が向上するので調圧性能が向上する。

また、圧力調整弁１では、バルブ１４がピストン１５との当接部を支点として揺動（首振り）するため、バルブ１４がピストン１５に対して軸方向と直交する方向への相対的な移動だけでは吸収することができないようなバルブ１４とシート１２の芯ズレが生じていても、バルブ１４をシート１２に対して正確にセンタリングすることができる。よって、シール性をより向上させることができ、調圧性能を一層向上させることができる。

さらに、圧力調整弁１では、バルブ１４の先端１４ａが球形状をなしているので、シート孔３３の全周に対してバルブ１４を確実に線接触で密着させることができる。これによっても、シール性が向上する。

このように圧力調整弁１では、バルブ１４がシート１２に当接（着座）するときに、バルブ１４とシート１２の芯ズレを抑制してバルブ１４をシート１２に対して正確にセンタリングした上で、シート孔３３の全周に対してバルブ１４を確実に線接触で密着させることができる。そのため、シール性が向上することにより、調圧性能が向上する。

そこで、圧力調整弁１の調整性能を確認するために調圧特性を調べたので、その結果を図２に示す。図２において、実線が圧力調整弁１の調圧特性（本発明）であり、破線が従来の圧力調整弁の調圧特性（従来技術）である。なお、図２における縦軸のＰ２は、第２調圧室の圧力である。

図２から明らかなように、圧力調整弁１は従来の圧力調整弁と比べて、流量がゼロ付近、つまりバルブ１４がシート１２に着座した状態（閉弁状体）において、調圧値が上がっていないことがわかる。つまり、圧力調整弁１は、圧力特性がフラットになっており、従来の圧力調整弁よりもシール性が向上して調圧性能が向上している。

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、バルブ１４が、ピストン１５の端部に設けられた凹部４３に対して周方向に隙間（ガタ）Ｃを設けて、凹部４３の底面に当接して配置されている。また、バルブ１４の当接端部１４ｂが球形状をなしている。これらのことにより、バルブ１４がピストン１５に対して軸方向と直交する方向へ相対的に移動することができるとともに、バルブ１４がピストン１５との当接部を支点として揺動（首振り）することができる。従って、バルブ１４がシート１２に接して着座する際に、バルブ１４が移動及び揺動してバルブ１４とシート１２の芯ズレが抑制されるので、シール性が向上して、調圧性能が向上する。

［第２実施形態］
次に、第２実施形態について説明する。第２実施形態は、第１実施形態と基本的な構成は同じであり、バルブ１４とピストン１５（凹部４３）とを連結する連結機構を備えている点が異なる。そのため、第１実施形態と同等の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略し、相違点を中心に述べる。

ここで、第１実施形態では、バルブ１４はピストン１５の凹部４３の底面に当接しているにすぎないため、バルブ１４がシート１２に向かって移動する（弁が閉じるる）ときには、バルブ１４はピストン１５と一体で移動する一方、バルブ１４がシートから離れる（弁が開く）ときは、燃料ガスＧの圧力によってバルブ１４が移動させられる。そのため、開弁時において、バルブ１４がピストン１５と一体で移動しない（ピストン１５の移動に追従できない）おそれがあり、開弁時の応答性が悪化するおそれがある。そこで、本実施形態では、バルブ１４とピストン１５（凹部４３）とを連結する連結機構を設けている。以下に、連結機構の具体例について述べる。

（第１実施例）
まず、第２実施形態の第１実施例について、図３を参照しながら説明する。本実施例では、バルブ１４とピストン１５の凹部４３との隙間ＣにＯリング６０が設けられている。これにより、バルブ１４はＯリング６０を介してピストン１５に連結（一体化）されている。つまり、環状の弾性部材であるＯリング６０が連結機構の一例に相当する。

このように本実施例によれば、バルブ１４とピストン１５とを連結するＯリング（連結機構）６０を有しているので、開弁時においてバルブ１４が確実にピストン１５と一体となって移動する。そのため、開弁時の応答性が悪化することがない。また、Ｏリングは６０は弾性変形するため、バルブ１４がシート１２に着座する際における、バルブ１４の移動及び揺動を妨げることがないため、第１実施形態と同様の効果を奏する。

（第２実施例）
次に、第２実施形態の第２実施例について、図４を参照しながら説明する。本実施例では、バルブ１４に径方向へ突出する係合部１４ｃを設けるとともに、ピストン１５の凹部４３の開口端部の内側に係合爪４３ｃを設けている。そして、凹部４３の係合爪４３ｃにバルブ１４の係合部１４ｃを係合させて、バルブ１４をピストン１５に連結（一体化）している。つまり、係合部１４ｃ及び係合爪４３ｃが連結機構の一例に相当する。

このように本実施例によれば、バルブ１４とピストン１５とが、係合部１４ｃ及び係合爪４３によって係合されているので、開弁時においてバルブ１４が確実にピストン１５と一体となって移動する。そのため、開弁時の応答性が悪化することがない。また、バルブ１４はピストン１５の凹部４３に係合しているので、バルブ１４がシート１２に着座する際における、バルブ１４の移動及び揺動を妨げることがないため、第１実施形態と同様の効果を奏する。

（第３実施例）
次に、第２実施形態の第３実施例について、図５を参照しながら説明する。本実施例では、バルブ１４の当接端部１４ｂとピストン１５の凹部４３の底部とに磁石Ｓ，Ｎを設けている。もちろん、バルブ１４に当接端部１４ｂとピストン１５の凹部４３の底部とを磁化してもよい。これにより、磁力によってバルブ１４をピストン１５に連結（一体化）している。つまり、磁石Ｓ，Ｎが連結機構の一例に相当する。

このように本実施例によれば、バルブ１４とピストン１５とが、磁石Ｓ，Ｎによって連結されているので、開弁時においてバルブ１４が確実にピストン１５と一体となって移動する。そのため、開弁時の応答性が悪化することがない。また、バルブ１４はピストン１５の凹部４３に磁力によって連結しているので、バルブ１４がシート１２に着座する際における、バルブ１４の移動及び揺動を妨げることがないため、第１実施形態と同様の効果を奏する。

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、連結機構として、Ｏリング６０の代わりに、図６に示すように、チューブ状の弾性体６１を適用することもできる。あるいは、図７に示すように、隙間Ｃに弾性体６２を配置して、その弾性体６２とバルブ１４とを接着し、バルブ１４とピストン１５とを連結することもできる。

１ 圧力調整弁
１０ ハウジング
１２ シート
１３ ボデー部材
１４ バルブ
１４ａ 先端
１４ｂ 当接端部
１４ｃ 係合部
１５ ピストン
１６ スプリング
２１ 第１調圧室
２２ 第２調圧室
３３ シート孔
４３ 凹部
６０ Ｏリング
Ｃ 隙間
Ｇ 燃料ガス

Claims (4)

1. ハウジングと、前記ハウジング内に形成された調圧室と、前記ハウジング内を軸方向に移動可能なピストンと、前記ピストンとともに移動する弁体と、前記弁体が着座可能な弁座と、前記ピストンを開弁方向に付勢するスプリングとを有する圧力調整弁において、
   前記バルブは、前記ピストンの端部に設けられた凹部に対して周方向に隙間を設けて、前記凹部の底面に当接して配置されている
   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、
   前記弁体と前記ピストンとが当接する、前記弁体の端部又は前記ピストンの凹部底面の少なくとも一方が球形状である
   ことを特徴とする圧力調整弁。
3. 請求項１又は請求項２に記載する圧力調整弁において、
   前記弁体の弁座側の端部は、球形状である
   ことを特徴とする圧力調整弁。
4. 請求項１に記載する圧力調整弁において、
   前記弁体と前記ピストンとを連結する連結機構を有する
   ことを特徴とする圧力調整弁。

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