JP2022164453A - 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、開口部を有する第１弁体と、第１弁体の内部に配置されているとともに第１弁体に対して相対移動可能である第２弁体と、弁室の開口部の周囲に設けられており、第１弁体が接触する第１弁座と、第１弁体の開口部の周囲に設けられており、第２弁体が接触する第２弁座と、第２弁体に接触し、第２弁体が第２弁座から離反するように第２弁体に力を加えるピストンと、第１弁体に固定されており、第１弁体に対する第２弁体の軸方向の移動量を規制する移動量規制部材と、第１弁体が第２弁体に対して回転することを規制する回転規制部材を備えている。【選択図】図１

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（開口部に設けられている弁座）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

特許文献１のバルブ装置は、弁体が弁座から離反することにより、弁体と弁室の隙間を流体が移動し、バルブ装置の下流に流体を供給する。特許文献１のバルブ装置は、弁体と弁座の距離を大きくすることにより流体の供給量を増大させることが可能であるが、その場合でも弁体と弁室の隙間のサイズ（流路サイズ）は変化しないので、供給量の大幅な増大は見込めない。中空の弁体（第１弁体）を用意し、第１弁体の内部にさらに弁体（第２弁体）を配置すれば、流体が通常供給量のとき（大流量が不要の場合）は第２弁体のみ開弁し、流体の供給量を増大させる必要が生じた際にさらに第１弁体を開弁することにより、流体の供給量を増大させることができる。

しかしながら、第１弁体と第２弁体を用いる場合、スプリングを用いて第２弁体を弁室の開口部に付勢することにより、第２弁体が第１弁体の開口部を塞ぐとともに、第１弁体が弁室の開口部を塞ぐ形態となる。この場合、バルブ装置が開弁しているとき（流体を供給しているとき）に。第２弁体はスプリングの押圧力によって回転が規制されるが、第１弁体は回転してしまうことが起こり得る。第１弁体が回転すると、バルブ装置が閉弁したときに、第１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ことが起こり得る。第１弁体と開口部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、第１弁体と、第２弁体と、弁室と、第１弁座と、第２弁座と、スプリングと、ピストンと、移動量規制部材と、回転規制部材を備えている。第１弁体は、中空であるとともに開口部を有してよい。第２弁体は、第１弁体の内部に配置されているとともに第１弁体に対して相対移動可能であり、第１弁体の開口部から突出している突出部を有していてよい。弁室は、第１弁体を収容しているとともに開口部を有していてよい。第１弁座は、弁室の開口部の周囲に設けられており、第１弁体が接触してよい。第２弁座は、第１弁体の開口部の周囲に設けられており、第２弁体が接触してよい。スプリングは、第２弁体を第２弁座に付勢してよい。ピストンは、第２弁体の突出部に接触し、第２弁体が第２弁座から離反するように第２弁体に力を加えてよい。移動量規制部材は、第１弁体に固定されており、第１弁体に対する第２弁体の軸方向の移動量を規制してよい。回転規制部材は、第１弁体が第２弁体に対して回転することを規制してよい。

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、第２弁体の移動量規制部材側に、第２弁体の軸方向に窪んだ凹部が設けられていてよい。また、移動量規制部材に、第２弁体に向けて突出しているとともに、第２弁体が移動量規制部材に接触したときに、上記凹部内に侵入している凸部が設けられていてよい。このバルブ装置では、上記凹部と上記凸部によって、回転規制部材が構成されてよい。

本明細書で開示する第３技術は、上記第２技術のバルブ装置であって、上記凸部が、第２弁体を付勢するスプリングの外側に位置していてよい。

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、移動量規制部材がリング状であり、２個の上記凸部が、移動量規制部材の中心に対して対称の位置に設けられていてよい。

本明細書で開示する第５技術は、上記第１から第４技術のいずれかのバルブ装置であって、弁室内に、第１弁体を第１弁座に付勢する第２のスプリングが設けられており、第２のスプリングが、回転規制部材を構成していてよい。

第１技術によると、バルブ装置の作動中（流体を供給している間）、第１弁体が回転することを抑制することができる。第１弁体の回転を抑制することにより、第１弁体が第１弁座に着座した際、第１弁体のシール位置（第１弁体と第１弁座の相対位置）が変動することが抑制される。

第２技術によると、第１弁体の回転動作を、凹部と凸部が接触することによって規制することができる。なお、本明細書で開示するバルブ装置では、ピストンが第２弁体に力を加えて第２弁座（第１弁体の開口部の周囲）から離反させた後、第２弁体が移動量規制部材に接触することによって第１弁体が第１弁座（弁室の開口部の周囲）から離反する。すなわち、第１弁体と第２弁体を有するバルブ装置では、移動量規制部材は必須の部材である。第２技術では、第２弁体に回転規制部材の一部の機能を形成し、移動量規制部材に回転規制部材の一部の機能を形成することにより、部品数が増大することを抑制することができる。

第３技術によると、移動量規制部材（回転規制部材）の中央部分に、流体の流路を広く確保することができる。換言すると、移動量規制部材が、バルブ装置内の流路を制限することを抑制することができる。

第４技術によると、移動量規制部材に形成する凸部の数が増大することを抑制することができるとともに、第１弁体が回転することをより確実に規制する（回転規制部材としての機能を十分に発揮）することができる。

第５技術によると、第２のスプリングによって、第２弁体から独立して、第１弁体自体の回転を規制することができる。

第１実施例のバルブ装置の断面図を示す。 図１の破線IIで囲った部分の拡大図を示す。 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。 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。 回転規制部材の一部の斜視図を示す。 回転規制部材の一部の斜視図を示す。 第２実施例のバルブ装置の要部断面図を示す。 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６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。

図１に示すように、バルブ装置１００は、ハウジング３８と、第１弁体８と、第２弁体１２と、ピストン３４を備えている。弁体８，１２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。第１弁体８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。

第２弁体１２は、第１弁体８の内部に配置されている。すなわち、第１弁体８は、中空である。水素ガス流出孔１６の周囲に第１弁座（シール材）１４が設けられている。第１弁座１４には、第１弁体８が接触（着座）する。第１弁体８は、弁室４内に配置されている。第１弁体８は開口部を有し、開口部の周囲が第２弁座８ａを構成している。第２弁座８ａには、第２弁体１２が接触（着座）する。水素ガス流出孔１６は、第１弁体８が第１弁座１４に接触し、第２弁体１２が第２弁座８ａに接触することによって塞がれる。また、第２弁体１２の先端部１８は、第１弁体８の開口部より小サイズであり、水素ガス流通路４４内に突出している。先端部１８は、第２弁体の突出部の一例である。先端部１８は、ピストン３４の先端部４６に接触する。第２弁体１２は、コイルスプリング６によって第２弁座８ａに付勢されている。コイルスプリング６は、一端が第２弁体１２に接触し、他端がスペーサ２４に接触している。また、第１弁体８は、第２弁体１２によって（コイルスプリング６によって間接的に）第１弁座１４に付勢されている。

第１弁体８と第２弁体１２は固定されておらず、第１弁体８と第２弁体１２は相対移動可能である。すなわち、第２弁体１２は、第１弁体８に対して軸方向に移動することができる。しかしながら、第１弁体８には、第１弁体８に対する第２弁体１２の軸方向の移動量を規制するリング部材５が固定されている。リング部材５は、移動量規制部材の一例である。リング部材５によって、第１弁体８に対する第２弁体１２の軸方向の移動量が規制される。すなわち、第２弁体１２がリング部材５に接触した状態では、第１弁体８と第２弁体１２は、共に軸方向に移動する。リング部材５の一部には凸部が設けられており、第２弁体の一部には凹部が設けられている。凸部及び凹部の詳細については後述する。なお、第１弁体と弁室４の壁面（ハウジング３８の内壁）の間には隙間２２が設けられており、第２弁体と第１弁体８の内壁面の間には隙間２０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から図４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、後退位置でバランスする（図２）。そのため、第１弁体８及び第２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８，１２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３）。その結果、ピストン３４が第２弁体１２に力を加え、第２弁体１２を第２弁座８ａから離反させる。第１弁体８と第２弁体１２の間に隙間が生じ、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。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、第１弁体８と第２弁体１２の隙間２０を通じて水素ガス流出孔１６に移動する。

水素ガス流通路４４内の圧力がさらに低下、すなわち、燃料電池へ供給する水素ガスの必要量がさらに増大すると、ピストン３４はさらに前進し、第２弁体１２がリング部材５に接触し、第１弁体８が第２弁体１２と共に軸方向に移動する（図４）。その結果、第１弁体８が第１弁座１４から離反し、第１弁体８と第１弁座１４の間に隙間が生じる。その結果、水素ガスは、第１弁体８と第２弁体１２の隙間２０に加え、第１弁体８と弁室４の壁面の間の隙間２２を通じて水素ガス流出孔１６に移動することができる。すなわち、第１弁体８が第１弁座１４から離反することにより、バルブ装置１００の流路面積が増大する。

（回転規制部材）
図５及び図６を参照し、第２弁体１２及びリング部材５について詳細に説明する。図５は第２弁体１２のリング部材５側の端部の斜視図を示しており、図６はリング部材５の斜視図を示している。図５に示すように、第２弁体１２に、端面１２ｅから軸方向に窪んだ凹部１２ａが設けられている。２個の凹部１２ａが、第２弁体１２の中心１２ｃに対して対称の位置に設けられている。また、図６に示すように、リング部材５には、リング表面５ｓから突出している凸部５ａが設けられている。２個の凸部５ａが、リング部材５の中心５ｃに対して対称の位置に設けられている。

リング部材５は、第１弁体８の端部（スペーサ２４側の端部）に固定されている。より具体的には、リング部材５は、第１弁体８のスペーサ２４側端部から第１弁体８の内面に圧入されている。リング部材５の凸部５ａは、バルブ装置１００が作動していない状態では、先端部分が凹部１２ａ内に位置している（図２も参照）。そして、凸部５ａは、バルブ装置１００が作動を開始し（図３）、第１弁体８と第２弁体１２が共に移動を開始しても（図４）、凹部１２ａ内に位置している。そのため、第１弁体８が第２弁体１２に対して回転することが規制される。凸部５ａ及び凹部１２ａは、第１弁体８が第２弁体１２に対して回転することを規制する回転規制部材として機能する。なお、第２弁体１２は、コイルスプリング３６の付勢力によって回転が規制される。そのため、第１弁体８が第２弁体１２に対する第１弁体８の回転を規制すれば、バルブ装置１００の作動中に第１弁体８が回転することを規制することができる。

なお、図１から図４は、凸部５ａ及び凹部１２ａの関係と、凸部５ａ及び凹部１２ａが設けられていない部分の第２弁体１２とリング部材５の関係が明確になるように、凸部５ａ及び凹部１２ａが設けられている部分と、凸部５ａ及び凹部１２ａが設けられていない部分の断面を示している。バルブ装置１００が作動していない状態（図２）において、第２弁体１２の端面１２ｅとリング部材５のリング表面５ｓの距離は、凸部５ａのリング表面５ｓからの突出高さより短い。そのため、バルブ装置１００が作動していない状態であっても、凸部５ａは凹部１２ａ内に位置している。凹部１２ａ内に常に凸部５ａが存在するため、バルブ装置１００の状態（停止中または作動中）に依らず、第１弁体８の回転を規制することができる。

また、凸部５ａのリング表面５ｓからの突出高さは、凹部１２ａの深さ（第２弁体１２の端面１２ｅから凹部１２ａの底面までの距離）より短い。そのため、バルブ装置１００が作動し、凸部５ａが凹部１２ａの深部まで侵入しても、凸部５ａの先端は凹部１２ａの底面に接触しない。すなわち、第１弁体８がリング部材５（リング表面５ｓ）に接触しても、凸部５ａの先端は凹部１２ａの底面に接触しない（図４を参照）。そのため、第２弁体１２及びリング部材５に凸部５ａ及び凹部１２ａを形成しても、移動量規制部材としてのリング部材５の機能が損なわれることはない。

（バルブ装置１００の利点）

上述したように、バルブ装置１００は、第１弁体８が回転することを規制する回転規制部材（凸部５ａ及び凹部１２ａ）を備えている。第１弁体８の回転を規制することにより、第１弁体８と第１弁座１４の位置がずれることを抑制することができ、バルブ装置１００のシール性（第１弁体８と第１弁座１４のシール性）が向上する。その結果、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。また、第２弁体１２に凹部１２ａを形成し、リング部材５（移動量規制部材）に凸部５ａを設けることにより、新たな部品を追加することなく、第１弁体８の回転を規制することができる。

凸部５ａは、コイルスプリング６の外側に設けられている。そのため、リング部材５の開口を広く確保することができ、水素ガスの流路を広く確保することができる。さらに、凸部５ａを中心５ｃの位置に対称に形成し、凹部１２ａを中心１２ｃの位置に対称に形成することにより、凸部５ａ及び凹部１２ａの数を増大させることなく、第１弁体８の回転を確実に規制することができる。なお、凸部５ａ及び凹部１２ａの数が増大することを抑制することにより、水素ガスの流れが乱れることを抑制することができる。

（第２実施例）
図７を参照し、バルブ装置２００について説明する。バルブ装置２００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７は、バルブ装置２００の一部を示しており、バルブ装置１００における図２に示した部分に相当する。

バルブ装置２００は、表面の凸部が設けられていないリング部材２０５が第１弁体８に固定されている。リング部材２０５は、移動量規制部材の一例である。また、第２弁体２１２にも凹部が設けられていない。バルブ装置２００では、第１弁体８とスペーサ２４の間に、コイルスプリング２０６が配置されている。第１弁体８は、コイルスプリング２０６によって第１弁座１４に付勢されている。コイルスプリング２０６は、第２のスプリングの一例である。バルブ装置２００では、コイルスプリング２０６の付勢力によって第１弁体８の回転を規制する。すなわち、バルブ装置２００は、第２弁体２１２から独立して、第１弁体９の回転を規制することができる。なお、バルブ装置２００は、第１弁体８及び第２弁体２１２に凹凸加工を行うことなく、第１弁体８の回転を規制することができるという利点が得られる。

（第３実施例）
図８を参照し、バルブ装置３００について説明する。バルブ装置３００はバルブ装置１００，２００の変形例であり、バルブ装置１００，２００と実質的に同じ構造については、バルブ装置１００，２００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８は、バルブ装置３００の一部を示しており、バルブ装置１００における図２に示した部分に相当する。

バルブ装置３００は、バルブ装置１００とバルブ装置２００の双方の特徴を備えている。具体的には、バルブ装置３００は、凸部５ａ及び凹部１２ａによる回転規制構造（回転規制部材）と、コイルスプリング２０６による回転規制構造（回転規制部材）を備えている。バルブ装置は、第１弁体８が回転することをさらに確実に規制することができる。

（他の実施形態） 上記第１及び第３実施例では、第２弁体に凹部が設けられ、移動量規制部材（リング部材）に凸部が設けられているバルブ装置について説明した。しかしながら、第２弁体に凸部を設け、移動量規制部材（リング部材）に凹部を設けてもよい。また、凹部及び凸部の数及び形成位置は、必要に応じて適宜変更可能である。例えば、凹部及び凸部は、１個であってもよいし、３個以上であってもよい。また、凹部及び凸部は、第２弁体及びリング部材の周方向に等間隔に設けられていなくてもよい。すなわち、凹部及び凸部を各々２個設ける場合であっても、凹部及び凸部は、第２弁体及びリング部材の中心に対して対称の位置でなくてもよい。

本明細書に開示するバルブ装置の要旨は、第１弁体及び第２弁体が配置されている弁室内に、第１弁体の回転を規制する回転規制部材を設けることである。そのため、移動量規制部材に凸部（回転規制部材の一部）を形成する場合であっても、第２弁体及びリング部材を利用して回転規制部材を構成する場合であっても、例えば、第２弁体の周面に軸方向に伸びる長穴を形成し、その長穴に挿入される挿入部をリング部材に形成してもよい。

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
５：移動量規制部材
５ａ，１２ａ：回転規制部材
６：スプリング
８：第１弁体
８ａ：第２弁座
１２：第２弁体
１４：第１弁座
３４：ピストン

Claims (5)

1. 中空であるとともに開口部を有する第１弁体と、
   第１弁体の内部に配置されているとともに第１弁体に対して相対移動可能であり、第１弁体の開口部から突出している突出部を有する第２弁体と、
   第１弁体を収容しているとともに開口部を有する弁室と、
   弁室の開口部の周囲に設けられており、第１弁体が接触する第１弁座と、
   第１弁体の開口部の周囲に設けられており、第２弁体が接触する第２弁座と、
   第２弁体を第２弁座に付勢するスプリングと、
   第２弁体の突出部に接触し、第２弁体が第２弁座から離反するように第２弁体に力を加えるピストンと、
   第１弁体に固定されており、第１弁体に対する第２弁体の軸方向の移動量を規制する移動量規制部材と、
   第１弁体が第２弁体に対して回転することを規制する回転規制部材と、
   を備えているバルブ装置。
2. 請求項１に記載のバルブ装置であって、
   第２弁体の移動量規制部材側に、第２弁体の軸方向に窪んだ凹部が設けられており、
   移動量規制部材に、第２弁体に向けて突出しているとともに、第２弁体が移動量規制部材に接触したときに、前記凹部内に侵入している凸部が設けられており、
   前記凹部と前記凸部によって、回転規制部材が構成されるバルブ装置。
3. 請求項２に記載のバルブ装置であって、
   前記凸部が、第２弁体を付勢するスプリングの外側に位置しているバルブ装置。
4. 請求項３に記載のバルブ装置であって、
   移動量規制部材がリング状であり、
   ２個の前記凸部が、移動量規制部材の中心に対して対称の位置に設けられているバルブ装置。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載のバルブ装置であって、
   弁室内に、第１弁体を第１弁座に付勢する第２のスプリングが設けられており、
   第２のスプリングが、回転規制部材を構成しているバルブ装置。

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