JP2022164452A - バルブ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】バルブ装置のシール性を改善する技術を提供する。【解決手段】バルブ装置は、弁体と、弁体を収容しているとともに開口部を有する弁室と、開口部の周囲に設けられており、弁体が接触する弁座と、弁体を弁座に付勢するスプリングと、弁体が弁座から離反するように弁体に力を加えるピストンと、弁体の軸心を調心する調心構造を備えている。【選択図】図３

Description

本明細書に開示する技術は、バルブ装置に関する。

特許文献１にバルブ装置が開示されている。特許文献１のバルブ装置は、弁室の開口部を、スプリングで付勢された弁体が塞いでいる。また、特許文献１のバルブ装置は、流路下流（バルブ装置より下流）の圧力減少に伴って弁体を開口部から離反させるピストンを備えている。すなわち、ピストンが、流路下流の圧力減少に伴ってピストンに力を加え、開口部を開口する。

特開２０１９－１２１２６９号公報

上述したように、特許文献１のバルブ装置では、弁体は、スプリングによって弁室の開口部に付勢されており、バルブ装置が作動する際にピストンによって力が加えられて移動する（開口部を開口する）。そのため、特許文献１のバルブ装置は、弁体が傾きやすく、その結果、弁体と開口部の位置関係が変動しやすい。弁体と開口部（開口部に設けられている弁座）の位置関係が変動すると、バルブ装置のシール性が変化する。その結果、バルブ装置に「漏れ」が生じることが起こり得る。本明細書は、バルブ装置のシール性を改善する技術を提供することを目的とする。

本明細書で開示する第１技術は、バルブ装置であり、弁体と、弁体を収容しているとともに開口部を有する弁室と、開口部の周囲に設けられており、弁体が接触する弁座と、弁体を弁座に付勢するスプリングと、弁体が弁座から離反するように弁体に力を加えるピストンと、弁体の軸心を調心する調心構造を備えていてよい。

本明細書で開示する第２技術は、上記第１技術のバルブ装置であって、弁体及びピストンの一方に凹部が設けられており、弁体及びピストンの他方に上記凹部内に位置する凸部が設けられており、上記凹部と上記凸部が接触することにより、弁体の軸心が調心されてよい。

本明細書で開示する第３技術は、上記第１又は第２技術のバルブ装置であって、弁室内にスプリングの軸心がずれることを規制する規制部材が設けられており、スプリングの軸心ずれを規制することにより、弁体の軸心が調心されてよい。

本明細書で開示する第４技術は、上記第３技術のバルブ装置であって、スプリングがコイルスプリングであり、規制部材は、弁室に固定されており、コイルスプリングの内側に向けて突出する突出部を備えていてよい。

第１技術によると、調心構造によって弁体の軸心変化が抑制され、弁室の開口部に対する弁体の位置変動を抑制することができる。弁体と弁室（弁室に設けられている弁座）の位置変動が抑制され、バルブ装置のシール性が向上する。その結果、バルブ装置の「漏れ」を抑制することができる。また、弁体の軸心変化を抑制することにより、バルブ装置が作動している間（弁室の開口部が開口している間）、弁体と弁室の隙間（流路）が変動することを抑制することもできる。流路変動を抑制することにより、バルブ装置の作動中、流体の流速が安定し、流体の脈動を抑制することができる。その結果、バルブ装置の駆動中に異音が発生することが抑制される。

第２技術によると、バルブ装置の作動中、弁体とピストンの接触位置がずれることを抑制することができる。換言すると、弁体の軸心をピストンの軸心に調心することができ、弁室に対する弁体の位置を安定させることができる。なお、ピストンに凹部が設けられ弁体に凸部が設けられていてもよいし、弁体に凹部が設けられピストンに凸部が設けられていてもよい。また、凹部の形状は、特に限定されないが、底部の面積が表面（開口部）の面積より小さくてよい。凹部の形状は、底部に向かうに従って断面積が連続的に小さくなる形状であってよい。例えば、凹部の形状は、Ｖ字型であってよい。また、凹部の側面（凹部の開口部から底部までの面）は曲面であってよい。例えば、凹部の形状は、球場（半球状）であってよい。なお、凸部の形状も特に限定されないが、先端部分が端部に向かうに従って断面積が連続的に小さくなる形状（先細り形状）であってよい。

第３技術によると、弁室に対するスプリングの位置ずれを抑制することができる。弁体は、スプリングによって弁室の開口部に付勢されている。そのため、弁室に対するスプリングの位置ずれが抑制されれば、結果的に弁室に対する弁体の位置変動を抑制することができる。なお、第３技術は、バルブ装置に対して第２技術（弁体とピストンに凹凸を設ける）と同時に適用することもできるし、第２技術を適用せずに単独で適用することもできる。また、規制部材は、弁室に対するスプリングの位置変動を抑制することができる形態であれば、特に限定されない。例えば、規制部材は、スプリングの軸方向中間部分（弁体に接触する端部と、弁室に接触する端部の間）の位置変動を規制してもよいし、スプリングの軸方向端部（弁室に接触する側の端部）の位置変動を規制してもよい。

第４技術によると、弁室内に、流体の流路面積を大きく確保することができる。例えば、規制部材がコイルスプリングの外側部分でコイルスプリングの位置変動を規制する形態の場合、コイルスプリングの外側部分の空間に占める規制部材のサイズが大きくなり、流体の流路面積が狭くなる。一方、第４技術の場合、コイルスプリングの外側部分の空間に占める規制部材のサイズを小さくすることができ、コイルスプリングの外側部分に流体流路（流路面積）を広く確保することができる。

第１実施例のバルブ装置の断面図を示す。 第１実施例のバルブ装置が作動しているときの状態を示す。 図１の破線IIIで囲った部分の拡大図を示す。 第２実施例のバルブ装置の要部断面図を示す。 規制部材の平面図を示す。 第３実施例のバルブ装置の要部断面図を示す。

（第１実施例）
図１から図３を参照し、バルブ装置１００について説明する。バルブ装置１００は、例えば燃料電池システムを備えた車両に搭載され、燃料電池に水素を供給する水素ガス配管に配置される。バルブ装置１００は、燃料電池に水素を供給する必要がある場合に作動して水素ガス配管を開き、燃料電池に水素を供給する必要がない場合に停止して水素ガス配管を閉じる。

バルブ装置１００は、ハウジング３８と、弁体１２と、ピストン３４を備えている。弁体１２とピストン３４は、共通のハウジング３８内に収容されている。弁体１２及びピストン３４は、ハウジング３８内を、弁室４、ピストン室４２、水素ガス流通路４４に区画している。弁室４は、水素ガス流入孔２と水素ガス流出孔１６を備えている。水素ガス流出孔１６は、弁室４の開口部の一例である。水素ガス流入孔２は、配管６０を介して、水素ボンベ（図示省略）に接続されている。水素ガス流入孔２には、スペーサ２４が固定されている。スペーサ２４は、リング状であり、外周が弁室４に接触し（固定され）、中央部分に開口２６が設けられている。水素ガス流出孔１６の周囲には弁座（シール材）１４が設けられている。水素ガス流出孔１６は、弁体１２が弁座１４に接触することによって塞がれる。また、弁体１２の先端部１８は、水素ガス流出孔１６より小サイズであり、水素ガス流出孔１６を通じて水素ガス流通路４４内に突出している。先端部１８は、ピストン３４の先端部４６に接触する。弁体１２は、コイルスプリング６によって弁座１４に付勢されている。コイルスプリング６は、一端が弁体１２に接触し、他端がスペーサ２４に接触している。なお、弁体１２と弁室４の壁面（ハウジング３８の内壁）の間には隙間８が設けられている。

ピストン室４２は、ハウジング３８とプレート４０とピストン３４によって画定されている。プレート４０は、ハウジング３８に固定されている。ピストン３４は、ハウジング３８内に配置されている。ピストン３４は、ハウジング３８に固定されておらず、コイルスプリング３６によってプレート４０に支持されている。すなわち、コイルスプリング３６は、ハウジング３８とピストン３４に接触している。ピストン３４とハウジング３８の間にはピストンシール（Ｏリング）３２が配置されている。ピストン３４は、ピストン室４２と水素ガス流通路４４を区画している。ピストン室４２内は、大気圧に維持されている。ピストン３４は、ピストン室４２と水素ガス流通路４４の圧力差に応じて、ハウジング３８内で移動する（ハウジング３８に対して摺動する）。ピストン３４は、ハウジング３８内において、コイルスプリング３６の圧縮又は伸張力と、ピストン室４２と水素ガス流通路４４の圧力差とがバランスする場所に位置する。具体的には、水素ガス流通路４４の圧力が上昇するとピストン３４は後退（ピストン室４２内空間が小さくなるように移動）し、水素ガス流通路４４の圧力が低下するとピストン３４は前進（ピストン室４２内空間が大きくなるように移動）する。

（バルブ装置１００の動作）
図２を参照し、バルブ装置１００の動作を説明する。例えば、燃料電池に水素ガスが供給されていない状態等、水素ガス流通路４４内の圧力が比較的高い場合、ピストン３４は、後退位置（図１に示す位置）でバランスする。そのため、弁体１２は、コイルスプリング６の付勢力によって、水素ガス流出孔１６を塞いでいる。弁体１２が水素ガス流出孔１６を塞いでいるときは、水素ガス流通路４４に水素ガスが供給されない。燃料電池への水素ガスの供給が開始されると、水素ガス流通路４４内の圧力が低下する。水素ガス流通路４４内の圧力が低下すると、ピストン３４は、ピストン室４２と水素ガス流通路４４の圧力差に応じて前進する（図２の状態）。その結果、ピストン３４が弁体１２に力を加え、弁体１２を弁座１４から離反させる。水素ガス流出孔１６が開口し、弁室４と水素ガス流通路４４が連通する（バルブ装置１００が作動する）。その結果、矢印３に示すように、水素ガスが配管６０から水素ガス流通路４４に流通する。なお、水素ガス流入孔２に流入した水素ガスは、スペーサ２４の開口２６を通過し、弁体１２と弁室４の壁面の間の隙間８を通じて水素ガス流出孔１６に移動する。

上述したように、ピストン３４は、ピストン室４２と水素ガス流通路４４の圧力差に応じて移動量が変化する。そのため、ピストン３４は、水素ガス流通路４４内の圧力が低下する程（燃料電池に供給する水素ガス必要量が増加する程）前進し、弁体１２に大きな力を加える。ピストン３４が前進する程、水素ガス流出孔１６の開度が増大し、水素ガス流通路４４に供給される水素ガス量が増加する。一方、燃料電池に供給する水素ガス必要量が減少すると、ピストン３４が後退し、水素ガス流出孔１６の開度が低下し、水素ガス流通路４４に供給される水素ガス量が減少する。バルブ装置１００は、水素ガス流通路４４内の圧力を適値に調整する圧力調整バルブと捉えることもできる。

（バルブ装置１００の利点）
利点１:図３を参照し、バルブ装置１００のさらなる特徴、及び、利点を説明する。図３に示すように、ピストン３４の先端部４６に凹部４８が設けられており、弁体１２の先端部１８に凸部２０が設けられている。凸部２０の一部は、凹部４８内に位置している。そのため、ピストン３４が前進して弁体１２に力を加え、弁体１２が弁座１４から離反しても（バルブ装置１００が作動しても）、弁体１２が傾くことが抑制される。その後、弁体１２が弁座１４に着座する際（バルブ装置１００が停止する際）、弁座１４に対する弁体１２の位置がずれる（シール位置がずれる）ことを抑制することができる。凸部２０及び凹部４８は、弁体１２の軸心を調心する調心構造と捉えることができる。バルブ装置１００は、調心構造を有することにより、シール性が向上し、バルブ装置１００に「漏れ」が生じることを抑制することができる。

利点２：上述したように、バルブ装置１００は、作動中、弁体１２が傾くことを抑制することができる。そのため、バルブ装置１００の作動中、弁体１２と弁室４の壁面の隙間８が変化することを抑制することもできる。水素ガスの流路幅（隙間８）が一定に保たれるので、水素ガスが脈動することが抑制され、バルブ装置１００の作動中に異音が生じることを抑制することもできる。なお、ピストン３４の先端部４６に凹部４８が設けられていない場合（調心構造が設けられていない場合）、ピストン３４が前進して弁体１２に力を加えると、弁体１２（先端部１８）がピストン３４（先端部４６）に対して滑り、弁体１２が傾くことが起こり得る。そのため、上記利点１、及び／又は、上記利点２が得られにくくなる。

利点３：凹部４８は、表面（開口部）の開口面積が底部の面積より広い。そのため、凹部４８内に凸部２０が侵入しやすく、また、ピストン３４の軸心と弁体１２の軸心がより一致しやすい。バルブ装置１００では、凹部４８の面積が、表面から底部に向かうに従って小さくなっている。より具体的には、凹部４８は球状（半球状）の窪みであり、縦断面（図３に示す断面）は円弧状である。そのため、ピストン３４が弁体１２に力を加えると、凸部２０はスムーズに凹部４８の底部に移動し、ピストン３４の軸心と弁体１２の軸心が一致する。なお、バルブ装置１００では、凸部２０の縦断面も円弧状である。

（第２実施例）
図４及び図５を参照し、バルブ装置１００ａについて説明する。バルブ装置１００ａはバルブ装置１００の変形例であり、バルブ装置１００と実質的に同じ構造については、バルブ装置１００に付した参照番号と同一の参照番号を付すことにより説明を省略することがある。なお、図４は、バルブ装置１００ａの一部を示しており、バルブ装置１００における図３に示した部分に相当する。

バルブ装置１００ａでは、ピストン３４の先端部４６に凹部が設けられていない。そのため、ピストン３４と弁体１２の間には、弁体１２の軸心を調心する調心構造は設けられていない。また、バルブ装置１００ａでは、水素ガス流入孔２に、中央部分に規制部２８が設けられたスペーサ２４ａが固定されている。より具体的には、スペーサ２４ａは、水素ガス流入孔２に圧入されている。図５に示すように、スペーサ２４ａは、リング状であり、外周部２５の一部と規制部２８が接続部２７によって接続されている。外周部２５と規制部２８の間には、複数の開口２６が設けられている。

図４に示すように、コイルスプリング６は、規制部２８の外側に接触している。また、規制部２８は、コイルスプリング６の内側に向けて突出している。そのため、コイルスプリング６は、スペーサ２４ａに対して位置変動することが抑制されている。上述したように、弁体１２は、コイルスプリング６によって弁座１４に付勢されており、燃料電池への水素ガスの供給が開始されると（バルブ装置１００ａが作動すると）、ピストン３４から力が加えられる。ピストン３４から弁体１２に力が加わると、コイルスプリング６に圧縮力が加わる。その結果、一般的に、コイルスプリング６は、スペーサ２４に対して位置変動しやすい。コイルスプリング６がスペーサに対して位置変動すると、弁体１２が弁座１４に着座する際、弁座１４に対する弁体１２の位置がずれやすく、シール性が低下しやすい。しかしながら、バルブ装置１００ａでは、スペーサ２４ａ（規制部）によって、スペーサ２４に対するコイルスプリング６の位置変動が抑制されているので、弁体１２が弁座１４に着座する際、弁座１４に対する弁体１２の位置がずれることを抑制することができる。スペーサ２４ａは、規制部材の一例であり、弁体１２の軸心を調心する調心構造と捉えることができる。

（バルブ装置１００ａの利点） 上述したように、バルブ装置１００ａでは、スペーサ２４ａによって弁体１２の軸心が調心されている。そのため、上記した利点１及び利点２と同様の利点を得ることができる。さらに、規制部（突出部）２８が、スペーサ２４ａの中央部に設けられ、コイルスプリング６の内側で、コイルスプリング６の位置変動を抑制している。そのため、例えばコイルスプリング６の外側に規制部（突出部）を設ける形態と比較して、開口のサイズを広く確保することができる。その結果、弁室４内に流入する水素ガスの流路を広く確保することができる（利点４）。

（第３実施例）
図６を参照し、バルブ装置１００ｂについて説明する。バルブ装置１００ｂはバルブ装置１００，１００ａの変形例であり、バルブ装置１００，１００ａと実質的に同じ構造については、バルブ装置１００，１００ａに付した参照番号と同一の参照番号を付すことにより説明を省略することがある。なお、図６は、バルブ装置１００ｂの一部を示しており、バルブ装置１００における図３に示した部分に相当する。

バルブ装置１００ｂは、バルブ装置１００とバルブ装置１００ａの双方の特徴を備えている。具体的には、バルブ装置１００ｂは、凸部２０及び凹部４８による弁体１２の調心構造と、スペーサ２４ａによる弁体１２の調心構造を備えている。そのため、バルブ装置１００ｂは、上述した利点１から４の全てを得ることができる。特に、バルブ装置１００ｂは、利点１及び利点２をより確実に得ることができる。

（他の実施形態） 上記第１及び第３実施例では、凹部及び凸部で構成される調心構造を備えるバルブ装置について説明した。第１及び第３実施例では、ピストンに凹部が形成され、弁体に凸部が形成されている形態について説明したが、ピストンに凸部を形成し、弁体に凹部を形成してもよい。

上記第２及び第３実施例では、コイルスプリングの内側に突出部（規制部）が設けられたスペーサ（規制部材）を備えるバルブ装置について説明した。しかしながら、突出部（規制部）がコイルスプリングの外側部分を規制するタイプのスペーサを用いることもできる。

上記実施例では、弁体がコイルスプリングによって弁座に付勢されるバルブ装置について説明した。しかしながら、第１実施例の形態においては、コイルスプリングに代えて、例えば、ダイヤフラムスプリング等のディスクスプリングを用いることもできる。

また、本明細書に開示するバルブ装置の要旨は、バルブ装置が弁体の軸心を調心する調心構造を備えているということである。そのため、調心構造は、弁体の軸心を調心することが可能な形態であれば、ピストン及び弁体に凹部及び凸部を設ける形態、スプリングの軸心ずれを規制する規制部材を設ける形態に限定されず、種々の形態を採用することができる。

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

４：弁室
６：スプリング
１２：弁体
１４：弁座
１６：開口部
２０，４８：調心構造
３４：ピストン

Claims (4)

1. 弁体と、
   弁体を収容しているとともに開口部を有する弁室と、
   開口部の周囲に設けられており、弁体が接触する弁座と、
   弁体を弁座に付勢するスプリングと、
   弁体が弁座から離反するように弁体に力を加えるピストンと、
   弁体の軸心を調心する調心構造と、
   を備えるバルブ装置。
2. 請求項１に記載のバルブ装置であって、
   弁体及びピストンの一方に凹部が設けられており、
   弁体及びピストンの他方に前記凹部内に位置する凸部が設けられており、
   前記凹部と前記凸部が接触することにより、弁体の軸心が調心されるバルブ装置。
3. 請求項１又は２に記載のバルブ装置であって、
   弁室内にスプリングの軸心がずれることを規制する規制部材が設けられており、
   スプリングの軸心ずれを規制することにより、弁体の軸心が調心されるバルブ装置。
4. 請求項３に記載のバルブ装置であって、
   スプリングがコイルスプリングであり、
   規制部材は、弁室に固定されており、コイルスプリングの内側に向けて突出する突出部を備えているバルブ装置。

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