JP2019199926A - 弁装置 - Google Patents

Abstract

【課題】シール性の低下を抑制できる弁装置を提供する。【解決手段】弁機構８は、供給流路１２の一部を拡径してなる弁座収容部１４に圧入された円環状の弁座２２と、弁座２２を弁座収容部１４の底面１４ａとの間で軸方向に圧縮しつつ固定するプラグ２３と、弁座２２に対して接離可能な弁体２１とを備える。底面１４ａには、弁座収容部の内周面１４ｂよりも径方向内側の位置に、底面１４ａとプラグ２３における底面１４ａとの対向面２３ａとの間の軸方向間隔が他の位置よりも狭くなるように突出した狭窄部９１が形成される。狭窄部９１は、内周縁部１４ｃにおいて軸方向間隔が最も狭くなるとともに、軸方向間隔が径方向外側から径方向内側に向かって直線的に狭くなるように形成されている。【選択図】図２

Description

本発明は、弁装置に関する。

従来、燃料電池自動車に用いられる高圧水素ガス等の圧力調整を行うための減圧弁（レギュレータ）がある（例えば、特許文献１）。こうした減圧弁は、ボディにおける一次ポートと二次ポートとの間に設けられる弁機構（開閉弁）と、二次ポート側の圧力に応じて弁機構を構成する弁体を押圧して該弁機構の開き量（開度）を変化させる押圧機構とを備えている。そして、弁機構の開き量に応じて一次ポートから流入する高圧の水素ガスを減圧し、二次ポートに送出する。

特許文献１の減圧弁を構成する弁機構は、円環状の弁座（シート）と、弁座に対して接離する弁体とを備えており、一次ポートと二次ポートとを繋ぐガス流路の途中に設けられている。詳しくは、弁座は、ガス流路の一部を拡径してなる弁座収容部に圧入されるとともに、該弁座収容部の下流側に螺着されたプラグによって弁座収容部の底面（弁座収容部とガス流路との段差面）に押し付けられることにより、圧縮された状態でボディに固定されている。これにより、弁座は、プラグにおける弁座収容部の底面との対向面、該弁座収容部の内周面及び底面に密着し、ボディとプラグとの間を気密にシールしている。

特開２０１６−８５６２７号公報（第１図等）

ところで、上記特許文献１の構成では、プラグの対向面と弁座収容部の底面とが略平行をなしており、これらの間の軸方向間隔（対向面と底面との間の距離）はその径方向全域に亘って略一定となっている。ここで、弁座は、弁座収容部に圧入されるとともにプラグによって押し付けられることでその内部に応力が発生している。そのため、経年変化等によるクリープ変形に起因して、弁座におけるプラグの対向面と弁座収容部の底面との間に挟まれた部位から径方向内側への肉移動が生じ、当該部位の肉量（体積）が減少することがある。その結果、弁座と底面及び対向面との間の密着が弱まり、シール性が低下するおそれがあった。

本発明の目的は、シール性の低下を抑制できる弁装置を提供することにある。

上記課題を解決する弁装置は、ガス流路が形成されたボディと、前記ガス流路の一部を拡径してなる弁座収容部に収容された環状の弁座と、前記弁座を前記弁座収容部の底面との間で軸方向に圧縮しつつ固定する弁座固定部材と、前記ガス流路内に収容され、該弁座に対して接離可能な弁体とを備え、前記底面、及び前記弁座固定部材における該底面との対向面の少なくとも一方には、前記弁座収容部の内周面よりも径方向内側の位置に、前記底面と前記対向面との間の軸方向間隔が他の位置よりも狭くなるように突出した狭窄部が形成された。

上記構成によれば、狭窄部によって弁座収容部の底面と弁座固定部材の対向面との間の軸方向間隔が狭くなるため、弁座における底面と対向面との間に挟まれた部位から径方向内側への肉移動が規制され、当該部位の肉量（体積）の減少を抑制できる。これにより、弁座と底面及び対向面との間の密着を維持し、シール性が低下することを抑制できる。

上記弁装置において、前記狭窄部は、前記弁座収容部の内周縁部において前記軸方向間隔が最も狭くなるように形成されることが好ましい。
上記構成によれば、弁座における底面と対向面との間に挟まれた部位全体について、当該部位から径方向内側への肉移動が狭窄部によって最も効果的に規制されるため、シール性の低下を好適に抑制できる。

上記弁装置において、前記狭窄部は、前記軸方向間隔が径方向外側から径方向内側に向かって徐々に狭くなるように形成されることが好ましい。
上記構成によれば、弁座における狭窄部と接触する部位に径方向外側の反力が作用するようになるため、弁座における底面と対向面との間に挟まれた部位から径方向内側への肉移動を効果的に規制することができる。

本発明によれば、シール性の低下を抑制できる。

一実施形態の減圧弁の一部断面図。 （ａ）は一実施形態の減圧弁における弁機構の拡大断面図、（ｂ）は同じく弁座の拡大断面図。 変形例の弁座の拡大断面図。 変形例の弁座の拡大断面図。

以下、弁装置を減圧弁に具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１に示す減圧弁（レギュレータ）１は、燃料電池自動車に搭載される水素ガスのガスタンク２と燃料電池３とをつなぐ流体回路の途中に設けられ、高圧（例えば最大８７．５ＭＰａ程度）の水素ガスを減圧（例えば１．２ＭＰａ程度）して燃料電池３側に送出する。減圧弁１は、一次ポート５及び二次ポート６が形成されたボディ７と、ボディ７内における一次ポート５と二次ポート６との間に設けられた弁機構８と、弁機構８の開き量（開度）を調整する押圧機構９とを備えている。

ボディ７には、一次ポート５及び二次ポート６に連通するとともに、外部に開口した丸穴状の収容穴１１が形成されている。一次ポート５から延びるガス流路としての供給流路１２は収容穴１１の底面１１ａにおける中央に開口し、二次ポート６へ延びるガス流路としての送出流路１３は収容穴１１の底面における偏心した位置に開口している。

供給流路１２は断面円形の直線状に形成されるとともに、その収容穴１１側の開口部分は弁機構８を収容するように他の部分よりも大きな内径に設定されている。具体的には、供給流路１２の開口部分は、供給流路１２の上流側（図１中、下側）から順に円筒状の弁座収容部１４、及び弁座収容部１４に連続するとともに底面１１ａに開口する円筒状のプラグ取着部１５を有している。弁座収容部１４及びプラグ取着部１５は、内径がこの順で大きくなるとともに、それぞれ収容穴１１と同軸上に配置されるように形成されている。

図１、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、弁機構８は、供給流路１２に収容される弁体（ポペット）２１と、弁座収容部１４に収容される弁座２２と、プラグ取着部１５に取着される弁座固定部材としてのプラグ２３とを備えている。

弁体２１は、有底筒状の筒状部３１と、筒状部３１の底部から下流側（図１及び図２中、上側）に向かって外径が小さくなるテーパ状の頭部３２と、頭部３２の下流側端部から突出した円柱状の当接部３３とを有している。筒状部３１、頭部３２及び当接部３３は、同軸上に一体形成されている。そして、弁体２１は、供給流路１２の内周面との間に隙間を有して供給流路１２に挿入されており、軸方向移動可能に配置されている。頭部３２の外周面は、その軸線に対して略一定の傾斜角を有するテーパ状に形成されており、当接部３３の外周面は、その軸線に対して略平行な円筒状に形成されている。

筒状部３１内には、コイルバネ等の付勢部材３４が収容されている。付勢部材３４は、供給流路１２の上流側に配置された棒状の支持部材３５と弁体２１との間で圧縮されている。これにより、弁体２１は、付勢部材３４によって弁座２２側に付勢されている。

弁座２２は、弁孔４１を有する円環状に形成されており、弁座収容部１４内に圧入されている。なお、弁座２２は、ポリイミドやポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）等の弾性変形可能な硬質樹脂により構成されている。弁孔４１は、その軸線に対する傾斜角が頭部３２の傾斜角よりも大きいテーパ状の内周面を有するテーパ孔部４２と、その軸線と平行な円筒状の内周面を有する円筒孔部４４とを有している。弁座２２における軸方向両端面は、それぞれ軸線に対して直交する平面状に形成されている。

プラグ２３は、円柱状に形成されており、弁座２２を弁座収容部１４の底面１４ａ（弁座収容部１４と供給流路１２との段差面）に対して軸方向に圧縮しつつプラグ取着部１５の内周に螺着されている。これにより、弁座２２は、弁座収容部１４の底面１４ａ、内周面１４ｂ、及びプラグ２３における底面１４ａとの対向面２３ａに密着した状態で固定されており、ボディ７とプラグ２３との間を気密にシールしている。プラグ２３の中央には、軸方向に貫通するプラグ孔５１が弁孔４１と同軸上に形成されている。プラグ孔５１は、その大部分が略一定の内径を有する円筒状に形成されるとともに、上流側に近い部分で上流側に向かって小径となるテーパ状に形成され、プラグ孔５１における弁孔４１に連続する上流側部分は他の部分よりも小径とされている。また、プラグ２３は、その一部が収容穴１１内に突出している。プラグ２３における収容穴１１内に突出した突出部５２には、径方向に延びてプラグ孔５１と収容穴１１とを連通する流路孔５３が形成されている。

押圧機構９は、プラグ孔５１内に配置されるピン６１と、収容穴１１に固定されるシリンダ６２と、シリンダ６２内に摺動可能に収容されるピストン６３と、シリンダ６２とピストン６３との間に圧縮状態で配置されるコイルバネ等の付勢部材６４とを備えている。

ピン６１は、軸状に形成された摺動部７１と、摺動部７１から下流側に突出する下流端部７２と、摺動部７１から上流側に突出する上流端部７３とを有している。摺動部７１の外径は、プラグ孔５１の内径よりも僅かに小さく設定されており、プラグ孔５１内で軸線方向移動可能である。また、摺動部７１には、軸方向に延びる複数の流路孔７４がその中心軸周りに等角度間隔で形成されている。下流端部７２の外径は、摺動部７１よりも小径の円柱状に形成されている。上流端部７３の外径は弁体２１における当接部３３の外径と略等しく設定されており、上流端部７３及び当接部３３は弁孔４１及びプラグ孔５１内に挿通されて互いに当接している。

シリンダ６２は有底円筒状に形成されている。シリンダ６２は、その円筒部８１の外周部分が収容穴１１の内周に螺着されるとともに、その底部８２の外周部分にロックナット８３が螺着されることによりボディ７に固定されている。なお、円筒部８１の開口部外周には、Ｏリング等のシール部材８４が装着されており、収容穴１１と外部との間の気密を確保している。

ピストン６３は有底円筒状に形成されるとともに、その外径は円筒部８１の内径よりも僅かに小さく設定されている。ピストン６３は、その底部が円筒部８１の開口端側に位置する姿勢で円筒部８１内に軸方向に摺動可能収容され、円筒部８１内を二次ポート６側の圧力調整室８５と大気開放された減圧室８６とに区画している。なお、ピストン６３の外周にはウェアリングやリップシール等のリング部材８７が装着されており、圧力調整室８５と減圧室８６との間の気密を確保している。そして、ピストン６３は、ピン６１の下流端部７２に当接している。これにより、ピン６１及び弁体２１は、ピストン６３の摺動に応じて一体で移動する。

付勢部材６４は、シリンダ６２とピストン６３との間で圧縮された状態で収容されている。そして、付勢部材６４は、弁体２１が弁座２２から離座する、すなわち弁機構８の開き量が大きくなるようにピストン６３を付勢している。

このように構成された減圧弁１では、圧力調整室８５と減圧室８６との差圧、付勢部材３４，６４の付勢力に応じてピストン６３が円筒部８１内を摺動する。そして、ピストン６３の軸方向位置に応じて弁機構８の開き量、より厳密には弁体２１の頭部３２とテーパ孔部４２及び円筒孔部４４間のエッジ状をなす境界部分との間の流路断面積を調整することで、二次ポート６側の圧力（圧力調整室８５内の圧力）が所定圧を超えないようにしている。

ここで、弁座２２は、弁座収容部１４に圧入されるとともにプラグ２３によって押し付けられることでその内部に応力が発生している。そのため、経年変化等によるクリープ変形に起因して、弁座２２における対向面２３ａと底面１４ａとの間に挟まれた部位である被圧縮部２２ａから径方向内側への肉移動が生じ、当該部位の肉量（体積）が減少することがある。

この点を踏まえ、図２（ｂ）に示すように、弁座収容部１４の底面１４ａには、内周面１４ｂよりも径方向内側の位置に、底面１４ａと対向面２３ａとの間の軸方向間隔（図２中、上下方向に沿った間隔）が他の部位よりも狭くなるように突出した狭窄部９１が形成されている。なお、説明の便宜上、図面では狭窄部９１の大きさを誇張して記載している。

詳しくは、本実施形態の狭窄部９１は、底面１４ａの径方向幅の全域を環状に突出させて形成されており、弁座収容部１４の内周縁部１４ｃにおいて軸方向間隔が最も狭くなるとともに、軸方向間隔が径方向外側から径方向内側に向かって直線的に狭くなるように形成されている。つまり、狭窄部９１は、下流側に向かって凸となるテーパ状の外表面を有する円環状に形成されている。なお、弁座２２における底面１４ａと対向する軸方向端面は、プラグ２３によって押し付けられることで弾性変形している。

本実施形態の作用及び効果について説明する。
（１）狭窄部９１によって弁座収容部１４の底面１４ａとプラグ２３の対向面２３ａとの間の軸方向間隔が狭くなるため、被圧縮部２２ａから径方向内側への肉移動が規制され、被圧縮部２２ａの肉量（体積）の減少を抑制できる。これにより、弁座２２と底面１４ａ、内周面１４ｂ及び対向面２３ａとの間の密着を維持し、シール性が低下することを抑制できる。また、被圧縮部２２ａから径方向内側への肉移動が規制されることで、弁孔４１が縮径することを抑制でき、通過する水素ガスの圧力損失を低減できる。

（２）狭窄部９１を、内周縁部１４ｃにおいて軸方向間隔が最も狭くなるように形成したため、被圧縮部２２ａ全体について、被圧縮部２２ａから径方向内側への肉移動が狭窄部９１によって最も効果的に規制される。これにより、シール性の低下を好適に抑制できる。

（３）狭窄部９１を、軸方向間隔が径方向外側から径方向内側に向かって徐々に狭くなるように形成したため、図２（ｂ）において白抜き矢印で示すように、被圧縮部２２ａにおける狭窄部９１と接触する部位に径方向外側の反力が作用するようになる。これにより、被圧縮部２２ａから径方向内側への肉移動を効果的に規制することができる。

本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変形例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
・上記実施形態において、弁座２２における軸方向端面を狭窄部９１の凸形状に倣う凹形状としてもよい。このように構成することで、被圧縮部２２ａの圧縮量の均一化を図ることができる。

・上記実施形態では、狭窄部９１を、弁座収容部１４の底面１４ａのみに形成したが、これに限らず、底面１４ａ及びプラグ２３の対向面２３ａの少なくとも一方に形成すればよく、例えば図３に示すように、底面１４ａに形成した狭窄部９１に加え、狭窄部９２を対向面２３ａに形成してもよい。この構成では、弁座２２における底面１４ａ側及び対向面２３ａ側の双方が狭窄部９１，９２に当接するため、例えば弁座２２における底面１４ａ側のみが狭窄部９１に当接する場合に比べ、弁座２２の一部が大きく圧縮されることを抑制できる。

また、狭窄部を対向面２３ａのみに形成してもよい。このように狭窄部９２を対向面２３ａに形成する場合、プラグ２３をプラグ取着部１５に螺着される部分と狭窄部９２が形成された部分とに分割することで、プラグ２３を容易に組み付けることができる。

・上記実施形態では、狭窄部９１を、軸方向間隔が径方向外側から径方向内側に向かって直線的に狭くなるように形成したが、これに限らず、例えば曲線的、又は段階的に小さくなるように形成してもよく、その形状は適宜変更可能である。また、狭窄部９１を、内周縁部１４ｃよりも径方向外側において軸方向間隔が最も狭くなる形成してもよい。さらに、底面１４ａの径方向幅の全域ではなく一部の領域に形成してもよい。したがって、例えば図４に示すように、狭窄部９１を断面略四角形をなす円環状に形成してもよい。

・上記実施形態において、減圧弁１を高圧の水素ガスを減圧する用途に用いたが、これに限らず、水素以外の気体を減圧する用途に用いてもよい。
・上記実施形態では、弁装置を弁機構８から減圧した水素ガスを送出する減圧弁１として構成したが、これに限らず、例えば弁機構８により水素ガスの流出を止める逆止弁等の他の弁装置としてもよい。

１…減圧弁（弁装置）、７…ボディ、８…弁機構、９…押圧機構、１２…供給流路（ガス流路）、１３…送出流路（ガス流路）、１４…弁座収容部、１４ａ…底面、１４ｂ…内周面、１４ｃ…内周縁部、２１…弁体、２２…弁座、２３…プラグ（弁座固定部材）、２３ａ…対向面、４１…弁孔、５１…プラグ孔、９１，９２…狭窄部。

Claims (3)

1. ガス流路が形成されたボディと、
   前記ガス流路の一部を拡径してなる弁座収容部に収容された環状の弁座と、
   前記弁座を前記弁座収容部の底面との間で軸方向に圧縮しつつ固定する弁座固定部材と、
   前記ガス流路内に収容され、該弁座に対して接離可能な弁体とを備え、
   前記底面、及び前記弁座固定部材における該底面との対向面の少なくとも一方には、前記弁座収容部の内周面よりも径方向内側の位置に、前記底面と前記対向面との間の軸方向間隔が他の位置よりも狭くなるように突出した狭窄部が形成された弁装置。
2. 請求項１に記載の弁装置において、
   前記狭窄部は、前記弁座収容部の内周縁部において前記軸方向間隔が最も狭くなるように形成された弁装置。
3. 請求項１又は２に記載の弁装置において、
   前記狭窄部は、前記軸方向間隔が径方向外側から径方向内側に向かって徐々に狭くなるように形成された弁装置。