JP2020076416A - 遮断弁 - Google Patents

Abstract

【課題】摺動部における摺動性が良好で、摺動部における水素ガスの漏洩が低減され、且つ、摺動に対する耐久性が良好な遮断弁の提供。【解決手段】本発明の遮断弁（３０）は、摺動部分（１１Ａ：例えば、弁体２を備えたロッド１が往復動する部分）に摺動性は良好であるがシール性が弱い軸シール（４：例えばシール性能に方向性のあるシール材、カップシール）を配置し、軸シール（４）の下流側（カップシール４から漏れた水素ガスが流れる側：遮断弁３０の外部側）に別のシール部材（５：例えば、Ｏ−リング等）を設けた。【選択図】図１

Description

本発明は、例えば燃料電池自動車（ＦＣＶ）に水素を充填する水素充填装置で用いられる遮断弁に関する。

燃料電池自動車（ＦＣＶ）に水素を充填する水素充填装置の一例が、図７で示されている。
図７において、全体を符号１００で示す水素充填装置には、燃料充填系統である水素ガス管路４３が配設されており、水素ガス管路４３は、水素供給源である水素ボンベ４１と充填ノズル４２を、図示しない充填ホースを介して接続している。水素ガス管路４３には、流量計４４、流量調整弁４５、水素ガス管路冷却部４６、圧力センサ４８Ａ、４８Ｂ、温度センサ４９、遮断弁５０が介装されている。水素ガス管路４３から脱圧機構の脱圧用管路５１が分岐しており、脱圧用管路５１には（脱圧用）遮断弁５２、圧力センサ４８Ｃが介装されている。
水素充填装置１００の制御装置５３は、流量計４４、圧力センサ４８Ａ、４８Ｂ、４８Ｃ、温度センサ４９その他のセンサから出力される計測信号に基づき、流量調整弁４５、遮断弁５０、５２に制御信号を発信し、水素ガス管路４３、脱圧用配管５１における水素ガスの流れを制御する。
水素ガス管路４３の遮断弁５０、脱圧用配管５１の遮断弁５２は、トラブル発生の緊急時において制御装置５３からの制御信号により、或いは作業者判断の手動により、遮断される。なお、符号５４、５５はそれぞれ冷媒冷却部、表示装置である。

遮断弁５０、５２においては、弁体を設けた軸が摺動する様に構成されており、当該摺動する部分をシールするシール材が設けられている。その様なシール材として、例えば、方向性のあるシール材（いわゆる「カップシール」）が採用される。しかし、カップシールでは軸の摺動性は良好であるが、シール性が低いという問題点が存在する。
一方、摺動部のシール材をＯ−リング等で構成し、シール性を向上させた事例も存在する。しかし、Ｏ−リング等ではシール性は良好であるが、耐久性が低いという問題が存在する。
そのため、軸の摺動性は良好、シール性に優れ、且つ、耐久性が良好なシール材が望まれているが、未だに提案されていないのが実情である。

その他の従来技術として、弁体の飛散を防止する高圧水素ガス用の遮断弁が提案されている（例えば特許文献１参照）。
しかし、係る従来技術は、上述した問題点の解決を意図するものではない。

特開２０１０−１９０２９７号公報

本発明は上述した従来技術の問題点に鑑みて提案されたものであり、摺動部における摺動性が良好で、摺動部における水素ガスの漏洩が低減され、且つ、摺動に対する耐久性が良好な遮断弁の提供を目的としている。

本発明の遮断弁（３０）は、摺動部分（１１Ａ：例えば、弁体２を備えたロッド１が往復動する部分）に摺動性は良好であるがシール性が弱い軸シール（４：例えばシール性能に方向性のあるシール材、カップシール）を配置し、
軸シール（４）の下流側（カップシール４から漏れた水素ガスが流れる側：遮断弁３０の外部側）に別のシール部材（５：例えば、Ｏ−リング等）を設けたことを特徴としている。

本発明において、軸シール（４）の下流側で前記別のシール部材（５）よりも軸シール（４）側（上流側）には貯蔵空間（６：例えば、漏洩した水素ガス用のサージタンク）に連通する流路（７）が形成されているのが好ましい。
そして、当該流路（７）或いは貯蔵空間（６）には、漏洩した水素ガスを検出する検出装置（８：圧力センサ、水素センサ等）が設けられているのが好ましい。

ここで、前記別のシール部材（５）は、弾性材料製のＯ−リング（５Ａ）、或いはテーパー面同士が当接するタイプの開閉弁（５Ｂ）で構成されているのが好ましい。

上述の構成を具備する本発明の遮断弁（３０）によれば、軸シール（４）の下流側（カップシール４から漏れた水素ガスが流れる側：遮断弁３０の外部側）に別のシール部材（例えば、Ｏ−リング等）を設けているので、軸シール（４）が劣化したとしても、軸シール（４）から漏出した水素ガスは当該別のシール部材（５）により遮断されるので、継続的な水素ガスの漏洩は防止される。
そして、軸シール（４）の摺動性が良好であるため摩擦による劣化が生じ難く、軸シール（４）交換の頻度を減少させることが出来る。そのため、軸シール（４）交換に係る労力及びコストが節減される。

本発明において、軸シール（４）の下流側で前記別のシール部材（５）よりも軸シール（４）側（上流側）には貯蔵空間（６：例えば、漏洩した水素ガス用タンク）に連通する流路（７）が形成すれば、軸シール（４）から漏洩した水素は抵抗の大きい前記別のシール部材（５）側には流れず、前記流路（７）を介して前記貯蔵空間（６）内に流入する。そのため、軸シール（４）から漏洩した水素が遮断弁（３０）或いは水素充填装置の系外に漏れ出てしまうことが防止される。
そして前記別のシール部材（５）側に到達する水素の量が少ないため、前記別のシール部材（５）のシール性能はさほど良好でなくても不都合はない。そして、前記別のシール部材（５）の負担が小さくなる。
さらに当該流路（７）或いは貯蔵空間（６）に漏洩した水素ガスを検出する検出装置（８：圧力センサ、水素センサ等）を設ければ、軸シール（４）の劣化を早期に検知することが出来る。

本発明の第１実施形態を示す断面図である。 図１において遮断弁が開放した状態の弁体近傍を示す断面図である。 カップシールの作用を示す説明図である。 本発明の第２実施形態を示す説明図である。 第１実施形態及び第２実施形態の変形例を示す部分拡大断面図である。 本発明の第３実施形態を示す説明図である。 水素充填装置の一例を示すブロック図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
最初に、図１を参照して、本発明の第１実施形態を説明する。
図１において、第１実施形態に係る遮断弁３０は、円柱状形状の本体ハウジング１０、本体ハウジング１０の上部に固定される上部ハウジング１１を有しており、本体ハウジング１０の底部には下方蓋部１４が着脱可能に取り付けられている。
本体ハウジング１０の側面において、流入口１０Ａに連続して水素流路１０Ｂが形成されている。流入口１０Ａには、図示しない水素供給源（水素ボンベ等）側から供給された水素ガスが流入する。水素流路１０Ｂは、後述するスプリング収容部１０Ｆに連通している。明示されていないが、流入口１０Ａは配管コネクタ（図示せず）と接続されている。
本体ハウジング１０において、流入口１０Ａが形成されているのとは反対側（図１では右側）の側面において、流出口１０Ｃが形成されている。流出口１０Ｃは、その垂直方向位置が流入口１０Ａよりも上方であり、本体ハウジング１０の円周方向については流入口１０Ａと対峙する位置（本体ハウジング１０の平面の中心に対して、流入口１０Ａと点対称な位置）に配置されており、水素ガスを図示しない噴射ノズル側（下流側）に流出する。
流出口１０Ｃの流入口１０Ａ側（上流側）に連続して水素流路１０Ｄが形成されており、水素流路１０Ｄはる本体ハウジング１０のロッド収容部１０Ｈに連通している。明示されていないが、流出口１０Ｃは図示しない配管コネクタと接続されている。

本体ハウジング１０には、上下方向に延在する中心軸に沿って、本体ハウジング側のロッド収容部１０Ｈ、弁体収容部１０Ｅ、スプリング収容部１０Ｆが形成され、弁体収容部１０Ｅの上端近傍には、弁体２の弁座１２が設けられている。
図１において、遮断弁３０の開放時（図２）においては、水素供給源から供給される水素ガスは、流入口１０Ａから遮断弁３０に流入し、水素流路１０Ｂ、スプリング収容部１０Ｆ、弁体収容部１０Ｅ、本体ハウジング側ロッド収容部１０Ｈ、水素流路１０Ｄを経由して、流出口１０Ｃから噴射ノズル側に流出する。図２において、遮断弁３０開放時の水素ガスの流れは、実線の矢印Ｆで示されている。なお、図１は遮断弁３０の遮断時を示しており、弁体収容部１０Ｅ、ロッド収容部１０Ｈの境界部分で、弁体２が弁座１２に座着することにより、水素流路は遮断されている。
また、図１において、本体ハウジング１０の上端部の半径方向中心近傍の領域には上部ハウジング収容部１０Ｇが形成され、上部ハウジング収容部１０Ｇには上部ハウジング１１の下端に形成された本体ハウジング接合部１１Ｃが収容され、以て、本体ハウジング１０と上部ハウジング１１は結合されている。

弁体収容部１０Ｅには、弁体２が軸方向（図１で上下方向）に摺動可能に収容される。ここで、弁体２はロッド１の下端に一体的に形成されていても良いし、或いはロッド１とは別体に構成して、ロッド１に取り付けても良い。
スプリング収容部１０Ｆにはスプリング３が収容されており、スプリング３は、弁体台座１３を介して弁体２に当接し、弁体２を常時閉方向（図１で上方）に付勢している。
上述した様に、図１では遮断弁３０が閉鎖している状態が示され、弁体２はスプリング３の弾性反撥力により弁座１２に押圧され、弁体収容部１０Ｅにおける水素流路を閉鎖している。弁体２がスプリング３の弾性反撥力により弁座１２に押圧されることにより、下端に弁体２が固定されているロッド１も上方に付勢されている。
また図１において、下方蓋部１４の上方に連続して下方ロッド１５が設けられ、下方ロッド１５はスプリング３の内部空間に延在しており、下方ロッド１５の上端と弁体２（弁体台座１３）は離隔している。下方ロッド１５の上端部は、遮断弁が開放された際に弁体２（弁体台座１３）が開放側（図１では下方）に移動する際におけるストッパとして機能する。

上部ハウジング１１において、上部ハウジング側のロッド収容部１１Ａが、上下方向に延在する中心軸に沿って形成されている。ロッド収容部１１Ａにおける上端近傍には、拡大部１１Ｂが形成されている。ロッド収容部１１Ａにはロッド１（下端に弁体２を備えたロッド）が収容され、ロッド１は軸方向に往復動する。図１における符号１Ａは、ロッド１の操作部である。
ロッド１が往復動する摺動部分であるロッド収容部１１Ａにおいて、本体ハウジング１０側（図１では下側）にカップシール収容部（符号なし）が形成され、当該カップシール収容部にはカップシール４が上下方向に複数収容される。ここで、カップシール４は「シール性能に方向性があるシール材」の一例であり、図示の実施形態では軸シールを構成している。ただし、「シール性能に方向性があるシール材」に相当するシール材であれば、符号４で示すシール材はカップシールに限定される訳ではない。
なおカップシール４は、Ｏ−リングと比較すると、摺動性では良好であるがシール性が弱い。上述した様に、カップシール４はシール性能に方向性があり、カップシール４の断面が拡がった側（図１、図３では下側）を高圧側（弁体２側）に向けてカップシール４を配置して場合には、シール性能を発揮する。カップシール４のシール性能の方向性については、図３を参照して後述する。

収容部１１Ａにおいて、軸シールであるカップシール４の下流側（カップシール４から漏れた水素ガスが流れる側：遮断弁３０の外部側：図１では上側）であって、拡大部１１Ｂの下端部近傍にはＯ−リング収容部（符号なし）が形成され、当該Ｏ−リング収容部には弾性材料製のＯ−リング５Ａ（別のシール部材５）が収容される。
図１において、符号９は、本体ハウジング１０と上部ハウジング１１の接合部から水素ガスの漏洩を防止するためのシール部材（例えばＯ−リング）である。
図１の第１実施形態において、水素充填時や脱圧時の様に、遮断弁３０を遮断（閉鎖）した際、或いは開放した際に、上述した本体ハウジング１０の水素流路から漏洩した水素ガス（図１では一点鎖線の矢印Ｌ１で示す）を遮断弁３０外に漏らさないため、カップシール４及びＯ−リング５Ａが設けられている。なお、本体ハウジング１０の水素流路から水素ガスが漏洩する時間としては、充填時間或いは脱圧時間（例えば５分程度：図７参照）と想定されるので、水素ガスの漏洩量はさほど大量ではない。

軸シールであるカップシール４の劣化等に起因してカップシール４から水素ガスが漏洩すると、漏洩した水素ガスは、ロッド収容部１１Ａにおけるカップシール４の下流側の領域を流れる（図１における一点鎖線の矢印Ｌ２）。しかし、当該漏洩した水素ガス（Ｌ２）はＯ−リング５Ａにより遮断され、遮断弁３０外へ継続的に漏洩することは防止される。
ここで、上述した通りカップシール４の摺動性は良好であるため、（Ｏ−リングに比較して）摩擦による劣化が生じ難いので、カップシール４の交換頻度を減少させることが出来る。そのため、カップシール４の交換に係る労力及びコストが節減される。
また、Ｏ−リングは圧力差が存在しない場合、摩耗に対する耐性及び摺動性は低くない。そのため、カップシール４が劣化せず、水素がＯ−リング５Ａ側に漏洩しなければ、ロッド１が摺動しても劣化しない。そのため、Ｏ−リング５Ａの交換頻度も減少する。それに加えて、図１で示す様に、ロッド１の端部１Ａが上部ハウジング１１の端面１１Ｓと離隔している場合に、カップシール４の劣化により水素が漏洩したとしても、Ｏ−リング５Ａにより、確実に漏洩を防止することが出来る。

遮断弁３０が開放した状態における要部を示す図２において、ロッド１が開放側（図１、図２では下方）に押下げられ（矢印Ａ）、弁体２はスプリング３（図１参照）の弾性反撥力に抗して開放側（図１、図２で下方）に移動する（矢印Ａ）。そのため、弁体２は弁座１２から離間し、弁体収容部１０Ｅと本体ハウジング側ロッド収容部１０Ｈが連通する。
その結果、遮断弁３０は開放状態となり、図１における水素流路Ｆ（流入口１０Ａ→水素流路１０Ｂ→スプリング収容部１０Ｆ→弁体収容部１０Ｅ→本体ハウジング側ロッド収容部１０Ｈ→水素流路１０Ｄ→流出口１０Ｃ）が連通する。

ここで、図３を参照して、カップシール４の作用について説明する。
カップシール４をロッド１に対して配置した場合、カップシール４断面の突出した側（尖った側：図３では上方）から圧力が掛かると（断面の突出した側を高圧側にすると）、カップシール４断面が拡がった側（図３では下方）では、その幅方向（図３では左右方向）寸法が狭まり、カップシール４はロッド１と隙間をシールすることが出来ない。
それに対して、カップシール４断面が拡がった側（図３では下方）から圧力が掛かると（断面が拡がった側を高圧側にすると）、当該拡がった側の幅方向寸法が拡がり、シール性が向上する。そのため、カップシール４はロッド１と隙間をシールすることが出来る。
したがって、カップシール４は、その断面の突出した側（図３では上方）を低圧側、その断面が拡がった側（図３では下方）を高圧側にして配置すれば、カップシール４のシール性能を有効に発揮することが出来る。図１では、カップシール４の水素流路側（弁体２側：図１では下方）が高圧側であり、カップシール４の断面が拡がった側を水素流路側（弁体２側）に向けて配置している。

図４は本発明の第２実施形態を示している。
図４の第２実施形態の遮断弁３０−１は、図１の第１実施形態の遮断弁３０に対して、以下の点が異なっている。
第２実施形態の遮断弁３０−１では、カップシール４（軸シール）の下流側で、Ｏ−リング５Ａ（別のシール部材）よりもカップシール４側において、ロッド収容部１１Ａから水素流路７が分岐している。
水素流路７はサージタンク６（貯蔵空間）に連通しており、サージタンク６において漏洩した水素ガスを貯属することが出来る。さらに、サージタンク６には、漏洩した水素ガスを検出する検出装置として圧力センサ８を設けている。ただし、圧力センサ８は、サージタンク６ではなく水素流路７に設けることも出来る。また、水素ガスを検出する検出装置として、圧力センサ８に代えて水素センサを設けても良い。

図４の第２実施形態において、カップシール４の劣化等に起因してカップシール４から水素ガスが漏洩して、カップシール４の下流側（図４で上方）に流れると（一点鎖線の矢印Ｌ２）、漏洩した水素ガス（Ｌ２）は流路抵抗の大きいＯ−リング５Ａ（別のシール部材）側には流れず、流路抵抗の小さい水素流路７を介して（一点鎖線の矢印Ｌ３）、サージタンク６（貯蔵空間）内に流入する（一点鎖線の矢印Ｌ４）。そのため、カップシール４（軸シール）から漏洩した水素ガスが遮断弁３０−１の系外に漏れ出てしまうことが防止される。上述した様に、カップシール４（軸シール）から水素ガスが漏洩するのは充填時と脱圧時であり、水素の漏洩量はさほど大量ではない。
カップシール４の下流側（図４で上方）に漏洩した水素ガスは水素流路７を通過してサージタンク６に流入し、Ｏ−リング５Ａ側に到達する水素ガスの量が少ない。そのため、Ｏ−リング５Ａのシール性能はさほど良好でなくても不都合はなく、Ｏ−リング５Ａの負担が小さくなる。

ここで、サージタンク６或いは水素流路７には、漏洩した水素ガスを検出する検出装置として圧力センサ８（或いは水素センサ）を設けているので、水素ガスがカップシール４から漏洩していることが、定量的に検出可能である。
そして、カップシール４（軸シール）の劣化を早期に検知して、カップシール４を交換する必要があることを把握することが可能になる。

第２実施形態において、軸シールはカップシール４で構成されているので、カップシール４（軸シール）の上流側（図４の下方）の圧力が低下して水素流路７或いはサージタン６ク内の圧力が比較的に高くなった場合に、図３で説明した様に、カップシール４の断面が突出した側（図３、図４の上方）が高圧となり、カップシール４の断面が狭まってシール機能が低下する。その結果、水素流路７或いはサージタンク６内の圧力がカップシール４（軸シール）の上流側（図１、図４の下方）に抜け、水素流路７或いはサージタンク６内を降圧することが出来る。
一方、カップシール４に代えて、Ｏ−リングを軸シールとして用いた場合、当該軸シールの上流側（図４の下方）の圧力が低下してもＯ−リングのシール性能は変化しないので、水素流路７或いはサージタンク６内を降圧することが出来ず、水素流路７或いはサージタンク６内の圧力は昇圧し続けることになってしまう。図示の第２実施形態において、Ｏ−リングその他のシール性能に方向性が無いシールを軸シールとして用いる場合には、前記水素流路７或いはサージタンク６内を降圧する機構を別途設ける必要がある。

図４の第２実施形態におけるその他の構成及び作用効果については、図１の第１実施形態と同様である。

図５は図１〜図４の第１及び第２実施形態の変形例を示す。図１〜図４の第１及び第２実施形態では、別のシール部材５であるＯ−リング５Ａは上部ハウジング１１のロッド収容部１１Ａに設けられているが、それに限定される訳ではない。図５の変形例で示す様に、Ｏ−リング５Ａを別の位置に設けることが出来る。
図５で示す変形例においては、上部ハウジング１１の端面１１ＳにＯ−リング５Ａが設けられている。Ｏ−リング５Ａを上部ハウジング１１の端面１１Ｓに配置することにより、ロッド１が摺動してもＯ−リング５Ａとの間に摩擦は無く、Ｏ−リング５Ａは軸シールとして作用することはない。そして、ロッド１の端部１Ａが上部ハウジング１１の端面１１Ｓと当接することにより、Ｏ−リング５Ａは別のシール材５として作用し、カップリング４の劣化により漏洩した水素をシールする。

図１〜図４の実施形態では、カップシール４（軸シール）の下流側（カップシール４から漏れた水素ガスが流れる側）に、別のシール部材としてＯ−リング５Ａが設けられているが、Ｏ−リング５Ａを省略することも可能である。図６に示す第３実施形態は、図１、図４のＯ−リング５Ａを省略している。
図６において、ロッド１上端の操作部１Ａにはテーパー部１Ｃ（弁体）が形成されている。そして、上部ハウジング１１のロッド収容部１１Ａ（拡大部１１Ｂ）の上端に、ロッド１のテーパー部１Ｃと相補形状のテーパー部１１Ｄ（弁座）が形成されている。
ロッド１のテーパー部１Ｃ（弁体）と上部ハウジング１１のテーパー部１１Ｄ（弁座）によりテーパー開閉弁５Ｂ（テーパー面同士が当接するタイプの開閉弁）が構成され、テーパー部１Ｃ（弁体）とテーパー部１１Ｄ（弁座）を当接することによりテーパー開閉弁５Ｂは閉鎖され、テーパー部１Ｃ）とテーパー部１１Ｄ（弁座）を離隔させることによりテーパー開閉弁５Ｂは開放される。そして、テーパー開閉弁５Ｂが、第３実施形態において、別のシール部材５を構成する。
なお、図６においては、遮断弁３０−２は遮断（閉鎖）されている。

図６に示す第３実施形態において、テーパー部１Ｃ（弁体）とテーパー部１１Ｄ（弁座）によるテーパー開閉弁５Ｂ（別のシール部材）は、カップシール４（軸シール）から漏洩した水素ガスを遮断する機能を有する。上述した通り、カップシール４から水素ガスが漏洩する量はさほど大量ではない。
ロッド１と上部ハウジング１１が共に金属製であれば、ロッド１のテーパー部１Ｃと上部ハウジング１１のテーパー部１１Ｄは強固に当接し、高いシール性を示すため、別のシール材としてＯ−リング等の弾性部材を設ける必要がない。

図６には図示されていないが、図６の第３実施形態において、図４の第２実施形態と同様に、カップシール４（軸シール）の下流側に、サージタンク６に連通する水素流路７を設けることが出来る。その場合においても、カップシール４が劣化して水素ガスが漏洩すると、水素流路７を介してサージタンク６内にガスが流入する。
そして、水素流路７或いはサージタンク６にセンサ（例えば、圧力センサ、水素センサ）を設けて、カップシール４（軸シール）から漏洩していることを検知することが出来る。
図６の第３実施形態におけるその他の構成及び作用効果については、図１〜図４の実施形態と同様である。

図示の実施形態はあくまでも例示であり、本発明の技術的範囲を限定する趣旨の記述ではないことを付記する。
例えば、図示の実施形態では軸シール４としてカップシールを選択しているが、摺動性が良好であればカップシール以外のシール部材を選択することが可能である。また、別のシール部材としてＯ−リング５を選択しているが、シール性が良好であれば、Ｏ−リング以外のシール部材を使用することも可能である。

１・・・ロッド
２・・・弁体
３・・・スプリング
４・・・カップシール（軸シール）
５・・・別のシール部材
５Ａ・・・Ｏ−リング
５Ｂ・・・・テーパー開閉弁
６・・・サージタンク（貯蔵空間）
７・・・水素流路
８・・・圧力センサ（検出装置）
１０・・・本体ハウジング
１１・・・上部ハウジング
１１Ａ・・・上部ハウジング側のロッド収容部（摺動部）
３０・・・遮断弁

Claims (3)

1. 摺動部分に摺動性は良好であるがシール性が弱い軸シールを配置し、
   軸シールの下流側に別のシール部材を設けたことを特徴とする遮断弁。
2. 軸シールの下流側で前記別のシール部材よりも軸シール側には貯蔵空間に連通する流路が形成されている請求項１の遮断弁。
3. 前記流路或いは前記貯蔵空間には、漏洩した水素ガスを検出する検出装置が設けられている請求項２の遮断弁。

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