JP2022052262A - 流量制御弁 - Google Patents

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Abstract

Figure 2022052262000001
【課題】小型化を図ることができる流量制御弁を提供する。
【解決手段】本開示の一態様は、流量制御弁1において、ゴムシール部22には、当該ゴムシール部22の軸方向について当接面31側とは反対側の端部にて形成され、流量制御弁1が閉弁状態であるときに弁体14と当接して弁座13と弁体14との間を封止するシート面17と、ゴムシール部22の軸方向について当接面31側の端部にて弁座基部21よりも当接面31側に突出して形成され、当接面31と当接して弁座13とハウジング6との間を封止する弁座ハウジング間封止部51と、が設けられている。
【選択図】図8

Description

本開示は、流体の流量を調節するために使用される流量制御弁に関する。
特許文献1には、ガス流路を開閉する流量制御弁(封止弁)が開示されており、この流量制御弁には弁座に弁体との間を封止するシール部(シール部材)が設けられていることが開示されている。
特開2019-029129号公報
特許文献1に開示される流量制御弁においては、弁座と弁体がボデー(ハウジング)内に収容されており、弁座はボデーの一部である管部の段部に配置されているが、弁座とボデー(詳しくは、段部)との間を封止する手法については何ら開示されていない。そこで、弁座とボデーとの間を封止するための部材を別途設けることが考えられるが、部品点数が多くなって、流量制御弁が大型化するおそれがある。
そこで、本開示は上記した課題を解決するためになされたものであり、小型化を図ることができる流量制御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開示の一形態は、環状の弁座と、前記弁座に対して当接および離間する弁体と、前記弁座と前記弁体を収容するボデーと、を有する流量制御弁において、前記弁座は、環状の弁座基部と、当該弁座基部に対して内周側に設けられる環状の弁座シール部と、を備え、前記ボデーは、前記弁座基部における当該弁座基部の軸方向の一方側の端部が当接するボデー当接面と、前記弁座基部の外周面が圧入されるボデー圧入面と、を備え、前記弁座シール部には、当該弁座シール部の軸方向について前記ボデー当接面側とは反対側の端部にて形成され、前記流量制御弁が閉弁状態であるときに前記弁体と当接して前記弁座と前記弁体との間を封止するシート面と、前記弁座シール部の軸方向について前記ボデー当接面側の端部にて前記弁座基部よりも前記ボデー当接面側に突出して形成され、前記ボデー当接面と当接して前記弁座と前記ボデーとの間を封止する弁座ボデー間封止部と、が設けられていること、を特徴とする。
この態様によれば、弁座と弁体との間、および、弁座とボデーとの間の2箇所の封止を、1つの弁座シール部で行うことができる。そのため、流量制御弁について、部品点数を抑えて、小型化を図ることができる。
上記の態様においては、前記弁座基部は、当該弁座基部の軸方向の前記ボデー当接面側の端部にて、当接面側端面と、前記当接面側端面からさらに前記ボデー当接面側に突出して形成される基部突出部と、を備えていること、が好ましい。
この態様によれば、弁座をボデーに圧入するときに、基部突出部の先端面をボデー当接面に当接させることにより、弁座をそれ以上移動させないようにして止めることができる。そのため、基部突出部について、弁座のボデーへの圧入時のストッパとして機能させることができる。
上記の態様においては、前記弁座ボデー間封止部は、前記ボデー当接面と当接していない状態にて、前記基部突出部よりも前記ボデー当接面側に突出するように形成されていること、が好ましい。
この態様によれば、弁座をボデーに圧入して基部突出部の先端面を当接面に当接させたときに、弁座ボデー間封止部を圧縮させながら当接面に当接させることができる。そのため、基部突出部について弁座のボデーへの圧入時のストッパとして機能させながら、より確実に弁座ボデー間封止部により弁座とボデーとの間を封止できる。
上記の態様においては、前記弁座基部は、当該弁座基部の外周面における前記ボデー当接面側の端部にて、前記弁座基部の外周面から前記弁座基部の内周側に向かって多段形状で傾斜するように形成される多段傾斜部を備えていること、が好ましい。
この態様によれば、弁座をボデーに圧入するときに、弁座基部の多段傾斜部を、ボデーにおける当接面と圧入面とが交わる隅部から逃がすことができる。そのため、ボデーにおける当接面と圧入面とが交わる隅部に弁座基部が干渉し難くなる。
上記の態様においては、前記ボデーは、前記ボデー圧入面に対して前記弁座の圧入方向の上流側の位置にて、前記弁座基部の外周面に対向する面に形成され、前記ボデー圧入面よりも前記弁座基部の径方向の外側の位置に形成される段差部と、前記段差部から前記ボデー圧入面に向かって傾斜するように形成される傾斜部と、を備えていること、が好ましい。
この態様によれば、弁座をボデーに圧入し易くなる。
上記の態様においては、前記流量制御弁は、燃料電池システムに使用されるものであり、前記弁座は、燃料電池が設けられる側に向かって前記ボデーに圧入されたものであること、が好ましい。
この態様によれば、燃料電池側が負圧になったときであっても、弁座はボデーに圧入される方向に引かれることになるのでボデーから外れ難い。
本開示の流量制御弁によれば、小型化を図ることができる。
本実施形態の流量制御弁が使用される燃料電池システムの概略構成図である。 本実施形態の流量制御弁の斜視図である。 閉弁状態(全閉状態)における弁部を一部破断して示す斜視図である。 開弁状態(全開状態)における弁部を一部破断して示す斜視図である。 閉弁状態の弁座、弁体及び回転軸を示す側面図である。 図5のA-A断面図である。 本実施形態の弁座とその周辺の断面図(弁座の軸方向に沿って切り取ったときの断面図)である。 図7の領域αの部分の拡大図である。 本実施形態の弁座とその周辺の断面図(弁座の軸方向に沿って切り取ったときの断面図)であり、弁座をハウジングに圧入する直前の状態を示す図である。
以下、本開示の流量制御弁の実施形態について説明する。なお、本実施形態の流量制御弁1について説明する前に、まず、流量制御弁1が使用される燃料電池システム101について説明する。
<燃料電池システムの説明>
燃料電池システム101は、図1に示すように、燃料電池スタック(燃料電池、FCスタック)111と、水素系構成部112と、エア系構成部113を有する。
燃料電池スタック111は、燃料ガスの供給と酸化剤ガスの供給を受けて発電を行う。本実施形態では、燃料ガスは水素ガスであり、酸化剤ガスはエアである。すなわち、燃料電池スタック111は、水素系構成部112からの水素ガスの供給と、エア系構成部113からのエアの供給を受けて発電を行う。そして、燃料電池スタック111で発電された電力は、例えば、インバータ(図示略)を介して駆動用モータ(図示略)に供給される。
水素系構成部112は、燃料電池スタック111のアノード側に設けられている。この水素系構成部112は、水素供給通路121、水素排出通路122を備えている。水素供給通路121は、水素タンク(不図示)から燃料電池スタック111へ水素ガスを供給するための通路である。水素排出通路122は、燃料電池スタック111から排出される水素ガス(以下、適宜、「水素オフガス」という。)を排出するための通路である。
エア系構成部113は、燃料電池スタック111のカソード側に設けられている。このエア系構成部113は、エア供給通路131、エア排出通路132、バイパス通路133を備えている。エア供給通路131は、エアが流れる流路であり、燃料電池システム101の外部から燃料電池スタック111へ、エアを供給するための通路である。エア排出通路132は、エアが流れる流路であり、燃料電池スタック111から排出されるエア(以下、適宜、「エアオフガス」という。)を排出するための通路である。バイパス通路133は、エア供給通路131から燃料電池スタック111を介さずにエア排出通路132へ、エアを流すための通路である。
エア系構成部113は、エア供給通路131において、入口封止弁141を備えている。入口封止弁141は、エア供給通路131を開閉する弁であり、燃料電池スタック111へのエアの供給と遮断を切り換える弁である。そして、本実施形態では、入口封止弁141として、後述する流量制御弁1が使用されている。
また、エア系構成部113は、エア排出通路132において、出口封止弁142を備えている。出口封止弁142は、エア排出通路132を開閉する弁であり、燃料電池スタック111からのエアオフガスの排出と遮断を切り換える弁である。そして、本実施形態では、出口封止弁142として、後述する流量制御弁1が使用されている。
また、エア系構成部113は、バイパス通路133において、バイパス弁143を備えている。バイパス弁143は、バイパス通路133におけるエアの流量を制御する弁である。なお、バイパス弁143として、後述する流量制御弁1が使用されていてもよい。
以上のような構成の燃料電池システム101において、水素供給通路121から燃料電池スタック111に供給された水素ガスは、燃料電池スタック111にて発電に使用される。その後、水素ガスは、燃料電池スタック111から水素オフガスとして水素排出通路122を介して、燃料電池システム101の外部に排出される。また、エア供給通路131から燃料電池スタック111に供給されたエアは、燃料電池スタック111にて発電に使用された後、燃料電池スタック111からエアオフガスとしてエア排出通路132を介して、燃料電池システム101の外部に排出される。
<流量制御弁の説明>
次に、前記の燃料電池スタック111における入口封止弁141や出口封止弁142やバイパス弁143として使用される流量制御弁1について説明する。
(流量制御弁の全体概要について)
まず、流量制御弁1の概要について説明する。図2に示すように、流量制御弁1は、二重偏心弁より構成される弁部2と、モータを内蔵したモータ部3と、複数のギヤを内蔵した減速機構部4とを備える。弁部2は、内部に流体が流れる流路11を有する金属製の管部12を含み、流路11の中には弁座13、弁体14及び回転軸15が配置される。流路11の内形、弁座13の外形、弁体14の外形は、それぞれ平面視で円形又はほぼ円形をなしている。回転軸15には、モータの回転力が複数のギヤを介して伝えられるようになっている。この実施形態で、流路11を有する管部12は、ハウジング6の一部に相当し、モータ部3のモータや減速機構部4の複数のギヤは、このハウジング6により覆われる。ハウジング6は、弁座13や弁体14などを収容するボデーであって、アルミ等の金属により形成される。
図3と図4に示すように、ハウジング6の一部の管部12には段部10が形成され、そのハウジング6の段部10に弁座13が組み込まれている。本実施形態では、弁座13は、ハウジング6の段部10に圧入(固定)されている。弁座13は、円環状をなし、中央に円形又はほぼ円形の弁孔16を有する。弁孔16の縁部には環状のシート面17が形成される。本実施形態では、弁座13に、弁座13と弁体14との間を封止するためのゴムシール部22(本開示の「シール部」の一例)が設けられており、このゴムシール部22にシート面17が形成されている。なお、弁座13の詳細については後述する。
弁体14は、円板状をなし、その外周には、シート面17に対応する環状のシール面18が形成される。弁体14は回転軸15に固定され、回転軸15と一体的に回動して、弁座13に対して当接および離間する。
図6に示すように、回転軸15の軸線L1は、弁体14及び弁孔16の径方向と平行に伸び、弁孔16の中心P1から弁孔16の径方向へ偏心して配置されると共に、弁体14のシール面18が回転軸15の軸線L1から弁体14の軸線L2が伸びる方向へ偏心して配置される。
図5と図6に示すように、弁体14は、その上側の板面14aから突出しており、かつ、回転軸15に固定される山形状の固定部14bを含む。この固定部14bは回転軸15の軸線L1から回転軸15の径方向へずれた位置にて、回転軸15の先端から突出するピン15aを介して回転軸15に固定される。また、図6に示すように、固定部14bは、弁体14の軸線L2上に配置され、固定部14bを含む弁体14が、弁体14の軸線L2を中心に左右対称形状をなすように形成される。
このような構成の流量制御弁1は、弁体14を回転軸15の軸線L1を中心に回動させることにより、弁体14のシール面18が弁座13のシート面17に当接する閉弁状態(全閉状態、図3参照)や、弁体14のシール面18が弁座13のシート面17から離間する開弁状態になる。なお、図4は、開弁状態のうち、弁体14のシール面18が弁座13のシート面17から最も離れた全開状態を示している。
(弁座および弁座の周辺について)
次に、弁座13および弁座13の周辺の構造と作用について説明する。
図7と図8に示すように、弁座13は、ハウジング6(詳しくは、ハウジング6の一部である管部12に形成される段部10)に圧入されている。本実施形態では、図7や図8において弁座13の下側に燃料電池スタック111が設けられており、図9に示すように、弁座13は、燃料電池スタック111が設けられる側に向かってハウジング6に圧入されるものである。なお、図7と図9においては、説明の便宜上、弁体14と回転軸15を省略して図示している。
弁座13は、弁座基部21と、当該弁座基部21に対してその内周側に設けられるゴムシール部22を備えている。そして、この弁座基部21とゴムシール部22は、ともに環状(詳しくは、円環状または略円環状)に形成されている。なお、ゴムシール部22は、本開示の「弁座シール部」の一例である。また、弁座基部21の材質はステンレスなどの金属であり、ゴムシール部22の材質はゴムである。
ハウジング6は、その段部10において、当接面31と圧入面32を備えている。当接面31は、弁座基部21における当該弁座基部21の軸方向(図7や図8の上下方向)の一方側(下側)の端部が当接する面である。また、圧入面32は、弁座基部21の外周面41が圧入される面である。なお、当接面31は本開示の「ボデー当接面」の一例であり、圧入面32は、本開示の「ボデー圧入面」の一例である。
また、圧入面32は、全周に亘って弁座13に隠れて露出していない。そのため、弁座13をハウジング6に圧入する際に発生したバリなどが、弁座基部21の外周面41と圧入面32との圧入部分からその外部へ脱落する(または、排出される)ことを抑制できる。
そして、本実施形態では、ゴムシール部22には、前記のシート面17の他に、弁座ハウジング間封止部51(以下、単に「封止部51」という。)が設けられている。なお、封止部51は、本開示の「弁座ボデー間封止部」の一例である。
詳しくは、シート面17は、ゴムシール部22の軸方向(図7や図8の上下方向)について当接面31側とは反対側(上側)の端部にて形成されている。そして、シート面17は、流量制御弁1が閉弁状態であるとき(図3参照)に弁体14のシール面18と当接して弁座13と弁体14との間を封止する。
また、封止部51は、ゴムシール部22の軸方向について当接面31側(下側)の端部にて、後述する弁座基部21の当接面側端面42よりも当接面31側に突出して形成されている。そして、封止部51は、当接面31と当接して弁座13とハウジング6との間(詳しくは、ゴムシール部22と当接面31との間)を封止している。なお、この封止部51は、図8の破線や図9に示すように、当接面31と当接していない状態(すなわち、弁座13がハウジング6の段部10に圧入される前の状態)にて、後述する弁座基部21の基部突出部43よりも当接面31側に突出するように形成されている。
また、図7や図8に示すように、弁座基部21は、当該弁座基部21の軸方向の当接面31側の端部にて、当接面側端面42と基部突出部43を備えている。当接面側端面42は、弁座基部21の軸方向の当接面31側の端面である。基部突出部43は、当接面側端面42からさらに当接面31側に突出して形成されている。そして、この基部突出部43の先端面43aが、当接面31に当接している。
また、弁座基部21は、当該弁座基部21の外周面41における当接面31側の端部にて、2段傾斜部44を備えている。この2段傾斜部44は、外周面41側から弁座基部21の内周側(図8の右側)に向かって2段形状で傾斜するように形成されている。なお、2段傾斜部44の代わりに、3段以上の形状で傾斜する傾斜部としてもよい。すなわち、弁座基部21は、外周面41側から弁座基部21の内周側に向かって多段形状(すなわち、2段以上の形状)で傾斜するように形成される多段傾斜部を備えていればよい。
また、図8に示すように、ハウジング6の段部10は、圧入面32に対して弁座13の圧入方向の上流側(図8の上側)の位置にて、弁座13を段部10に圧入するときに弁座13を案内する圧入ガイド部33を備えている。
そして、この圧入ガイド部33は、段差部61と傾斜部62を備えている。段差部61は、弁座基部21の外周面41に対向する面に形成され、圧入面32よりも弁座基部21の径方向の外側(図8の左側)の位置に形成されている。また、傾斜部62は、段差部61から圧入面32に向かって傾斜するように形成されている。
また、弁座基部21の外周面41における(圧入面32との)圧入長さは、弁座13とハウジング6との間を封止する封止部51の反発力以上に圧入保持荷重を確保できる長さに設定されている。
なお、この圧入ガイド部33と弁座基部21の外周面41との間の隙間の大きさは、外部から来た異物が挟まらないような大きさに設定されており、隙間よりも大きい異物が隙間内に残らないようになっている。そのため、流量制御弁1が洗浄し易くなっている。
<本実施形態の作用効果>
以上のように本実施形態によれば、弁座13のゴムシール部22には、シート面17と封止部51が設けられている。
このように、ゴムシール部22において、流量制御弁1の閉弁状態時に弁体14に当接して弁座13と弁体14との間を封止するシート面17とともに、当接面31に当接して弁座13とハウジング6との間を封止する封止部51が設けられている。これにより、弁座13と弁体14との間、および、弁座13とハウジング6との間の2箇所の封止を、1つのゴムシール部22で行うことができる。そのため、流量制御弁1について、部品点数を抑えて、小型化を図ることができる。
また、弁座13の弁座基部21は、基部突出部43を備えている。
このようにして、弁座基部21における当接面31側の端部に、基部突出部43が設けられている。これにより、弁座13を段部10に圧入するときに、基部突出部43の先端面43aを当接面31に当接させることにより、弁座13をそれ以上移動させないようにして止めることができる。そのため、基部突出部43について、弁座13の段部10への圧入時のストッパとして機能させることができる。
また、基部突出部43を弁座基部21の外周面41側の位置に設けることにより、弁座基部21の外周面41にて、圧入長さについて基部突出部43を設けた分長くできるので、必要な圧入長さを確保しやすくなる。
さらに、基部突出部43は、ゴムシール部22における封止部51との間に隙間δを形成しながら設けられている。
これにより、例えば弁座13の段部10への圧入時に生じるバリなどが、隙間δ内に溜まるようにして、弁座基部21とゴムシール部22との界面に入り込まないようにすることができる。
また、弁座13が段部10に圧入されて、ゴムにより形成される封止部51が当接面31に当接して圧縮されたときに、封止部51の一部が隙間δ内に入り込むことができる。そのため、封止部51の一部がゴムシール部22の内周側の弁孔16に入り込み難くなるので、弁孔16における流路径に影響を与え難くなる。したがって、流量制御弁1で制御される流体の流量に影響を与え難くなる。
また、封止部51は、当接面31と当接していない状態にて、基部突出部43よりも当接面31側に突出するように形成されている。
このようにして、封止部51を当接面31に当接させる前の状態において、封止部51は基部突出部43よりも当接面31側に突出している。そのため、弁座13を段部10に圧入して基部突出部43の先端面43aを当接面31に当接させたときに、封止部51を圧縮させながら当接面31に当接させることができる。したがって、基部突出部43について弁座13の段部10への圧入時のストッパとして機能させながら、より確実に封止部51により弁座13とハウジング6との間を封止できる。
また、弁座基部21は、2段傾斜部44を備えている。
このように、弁座基部21は、その外周面41における当接面31側の端部の角部について、ピン角で形成されておらず、2段傾斜部44として内周側に向かって2段形状で傾斜するように形成されている。これにより、弁座13を段部10に圧入するときに、弁座基部21の2段傾斜部44を、段部10における当接面31と圧入面32とが交わる隅部34に形成されるR形状部(すなわち、曲線状に形成された部分)やC形状部(すなわち、面取り形状のように斜めに直線状に形成された部分)から逃がすことができる。そのため、段部10の隅部34に弁座基部21が干渉し難くなる。
また、弁座基部21の外周面41における当接面31側の端部の角部について、仮に1段傾斜部として1段形状で傾斜するように形成されていると弁座基部21の外周面41における圧入長さが減少するおそれがあるが、本実施形態では2段傾斜部44として2段形状で傾斜するように形成されているので弁座基部21の外周面41における圧入長さを確保できる。
また、ハウジング6は、その段部10にて、段差部61と傾斜部62を備える圧入ガイド部33を備えている。
これにより、弁座13を段部10の圧入面32に圧入するときに、弁座13を段差部61の内側に通して傾斜部62により案内しながら圧入面32に圧入できる。そのため、弁座13を圧入面32に圧入し易くなる。
また、弁座13は、燃料電池スタック111が設けられる側に向かってハウジング6の段部10に圧入させている。
これにより、燃料電池スタック111側が負圧になったときであっても、弁座13は段部10に圧入される方向に引かれることになるので段部10から外れ難い。
なお、上記した実施の形態は単なる例示にすぎず、本開示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。
1 流量制御弁
2 弁部
6 ハウジング
10 段部
12 管部
13 弁座
14 弁体
15 回転軸
16 弁孔
17 シート面
18 シール面
21 弁座基部
22 ゴムシール部
31 当接面
32 圧入面
33 圧入ガイド部
34 隅部
41 外周面
42 当接面側端面
43 基部突出部
43a 先端面
44 2段傾斜部
51 封止部(弁座ハウジング間封止部)
61 段差部
62 傾斜部
101 燃料電池システム
111 燃料電池スタック
112 水素系構成部
113 エア系構成部
131 エア供給通路
132 エア排出通路
133 バイパス通路
141 入口封止弁
142 出口封止弁
143 バイパス弁
δ 隙間

Claims (6)

  1. 環状の弁座と、
    前記弁座に対して当接および離間する弁体と、
    前記弁座と前記弁体を収容するボデーと、
    を有する流量制御弁において、
    前記弁座は、
    環状の弁座基部と、
    当該弁座基部に対して内周側に設けられる環状の弁座シール部と、
    を備え、
    前記ボデーは、
    前記弁座基部における当該弁座基部の軸方向の一方側の端部が当接するボデー当接面と、
    前記弁座基部の外周面が圧入されるボデー圧入面と、
    を備え、
    前記弁座シール部には、
    当該弁座シール部の軸方向について前記ボデー当接面側とは反対側の端部にて形成され、前記流量制御弁が閉弁状態であるときに前記弁体と当接して前記弁座と前記弁体との間を封止するシート面と、
    前記弁座シール部の軸方向について前記ボデー当接面側の端部にて前記弁座基部よりも前記ボデー当接面側に突出して形成され、前記ボデー当接面と当接して前記弁座と前記ボデーとの間を封止する弁座ボデー間封止部と、
    が設けられていること、
    を特徴とする流量制御弁。
  2. 請求項1の流量制御弁において、
    前記弁座基部は、
    当該弁座基部の軸方向の前記ボデー当接面側の端部にて、
    当接面側端面と、
    前記当接面側端面からさらに前記ボデー当接面側に突出して形成される基部突出部と、
    を備えていること、
    を特徴とする流量制御弁。
  3. 請求項2の流量制御弁において、
    前記弁座ボデー間封止部は、前記ボデー当接面と当接していない状態にて、前記基部突出部よりも前記ボデー当接面側に突出するように形成されていること、
    を特徴とする流量制御弁。
  4. 請求項1乃至3のいずれか1つの流量制御弁において、
    前記弁座基部は、当該弁座基部の外周面における前記ボデー当接面側の端部にて、前記弁座基部の外周面から前記弁座基部の内周側に向かって多段形状で傾斜するように形成される多段傾斜部を備えていること、
    を特徴とする流量制御弁。
  5. 請求項1乃至4のいずれか1つの流量制御弁において、
    前記ボデーは、
    前記ボデー圧入面に対して前記弁座の圧入方向の上流側の位置にて、
    前記弁座基部の外周面に対向する面に形成され、前記ボデー圧入面よりも前記弁座基部の径方向の外側の位置に形成される段差部と、
    前記段差部から前記ボデー圧入面に向かって傾斜するように形成される傾斜部と、
    を備えていること、
    を特徴とする流量制御弁。
  6. 請求項1乃至5のいずれか1つの流量制御弁において、
    前記流量制御弁は、燃料電池システムに使用されるものであり、
    前記弁座は、燃料電池が設けられる側に向かって前記ボデーに圧入されたものであること、
    を特徴とする流量制御弁。
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