JP3927116B2

JP3927116B2 - 圧力調整器

Info

Publication number: JP3927116B2
Application number: JP2002506377A
Authority: JP
Inventors: ジルアードエリック
Original assignee: テレフレックスジーエフアイコントロールシステムズインコーポレイテッド
Priority date: 2000-06-23
Filing date: 2001-06-22
Publication date: 2007-06-06
Anticipated expiration: 2021-06-22
Also published as: US6523565B2; KR100709997B1; AU2001268876A1; US20020011270A1; KR20030031913A; EP1295190A1; WO2002001307A1; JP2004502230A; CA2312237A1

Description

【０００１】
（技術分野）
本発明は、ガスの流れを制御するための圧力調整器に関し、より詳細には、圧縮された又は液化された天然ガス又は水素のような高圧気体燃料に使用される圧力調整器に関する。
【０００２】
（背景技術）
内燃エンジンにプロパン又は天然ガス、或いは燃料セルに水素というように、いわゆる代替燃料を使用することは、ますます一般的になりつつある。そうしたエンジンは、１つ又はガソリンと天然ガスといった２つ以上の燃料源を使用するように切替えられることが多い。オペレータは、これらの燃料の有用性と価格に応じて燃料源を切替えることが可能である。
【０００３】
多くの車両はガソリンのみで作動するように製造され、２つ以上の燃料で走行するように切替えられる。車両は、ガソリン用の貯蔵タンクと、ガソリンをタンクからエンジンに移動させるためのポンプと、燃料と燃焼に必要な量の空気をエンジン内に導入するためのキャブレータ又は燃料噴射器とを備えるように製造されている。
【０００４】
プロパン、天然ガス、及び水素といった気体燃料は、取扱い可能な体積まで気体を圧縮して、加圧シリンダに貯蔵されねばならない。加圧貯蔵シリンダで安全に対処し得る最高レベルまで圧力を高めることにより、そのシリンダに貯蔵可能な燃料の量が増え、車両の最大走行距離が延びる。典型的な貯蔵シリンダの圧力範囲は、２０００ｐｓｉｇ（１３．８ＭＰa）から５０００ｐｓｉｇ（３４．５ＭＰa）までである。
【０００５】
内燃エンジンは、そのような高圧では作動させることができず、エンジンが安全に作動可能なレベルまで気体の圧力を低減させねばならない。
【０００６】
また、低減させる際の圧力は、貯蔵シリンダ内の圧力が低下されてもエンジンに流入する燃料の圧力がほぼ一定であることを保証するように調整されねばならない。それと同時に、圧力調整は、貯蔵シリンダから可能な限り多くの気体を取り出せなくてはならず、したがって、貯蔵シリンダの圧力を可能な限り作動圧力に近づくように降下させなければならない。圧力調整器にまたがる圧力差が高いということは、貯蔵シリンダに未使用の燃料が残存し、かつこれはエンジンに利用できないことを意味する。
【０００７】
圧力を低減させる１つ又はそれ以上の段を有する従来の圧力調整器は周知であり、圧力を低減するため及び圧縮されたガスの流れを調整するために永く用いられてきた。これらの幾つかは、圧力バランス式調整器として公知であり、該調整器の種々の段にわたる圧力と流体の流れのバランスをとるために、ばね、ダイヤフラム、及び機械加工部品の種々の配置を用いている。この点で、ガスの供給を開いたり閉じたりする弁が典型的にはダイヤフラムに取り付けられており、それによりガスの流れを調整する。
【０００８】
こうした圧力バランス式調整器のダイヤフラムは、圧力変動に曝されて、ダイヤフラムの応力を生じさせることになる。弾性材料で作成されたダイヤフラムは、上述の応力に起因する機械疲労と故障を生じることが多い。ダイヤフラムの故障や破断は、関連する弁によってもたらされるシールが損なわれ、それによりダイヤフラムを貯蔵シリンダ内の高いガス圧に曝すような場合に特定の関心事である。
【０００９】
同様に、弁シールからの漏れに起因する過剰圧力状態は、弁に過剰な応力をかけて、この構成部材の早期の故障を招くことになる。
【００１０】
（発明の概要）
１つの広い態様においては、本発明は、高圧チャンバと低圧チャンバを有するハウジングと、低圧チャンバから高圧チャンバを隔離するように構成された可動圧力境界部材と、可動圧力境界部材を通して延びるピントル・ステムとピントル・ステムに支持され低圧チャンバ内に配置されたピントル保持器とを有するピントル弁と、ピントル保持器と可動圧力境界部材との間に挟み込まれる弾性部材とを備えている圧力調整器を提供する。
【００１１】
別の態様においては、本発明は、本体と、低圧チャンバと、本体内部に配置された流体通路と、流体通路内に配置された弁座と、弁座内に配置され、流体通路と連通するオリフィスと、可動圧力境界部材を通して延びるピントル・ステムとピントル・ステムに支持され低圧チャンバ内に配置されるピントル保持器とを有し、オリフィスをシールするように構成された弁ピントルと、弁ピントルに連結され、低圧チャンバから流体通路を隔離するように構成された可動圧力境界部材と、ピントル保持器と可動圧力境界部材との間に挟み込まれる弾性部材とを備えている圧力調整弁を提供する。
【００１２】
さらに別の態様においては、本発明は、本体と、本体内部に配置された流体通路と、流体通路内に配置された弁座と、弁座内に配置され、流体通路と連通するオリフィスと、オリフィスをシールするように構成された弁ピントルと、弁ピントルに連結され、ダイヤフラムを含んでいる可動圧力境界部材と、可動圧力境界部材の移動を制限するように構成された移動止めとを備えている圧力調整弁を提供する。
【００１３】
さらに別の態様においては、本発明は、低圧チャンバと高圧チャンバを有するハウジングと、低圧チャンバから高圧チャンバを隔離するように構成された可動圧力境界部材と、低圧チャンバ内に配置され、可動圧力境界部材の移動を制限するように構成された移動止めとを備えている圧力調整弁を提供する。
【００１４】
ピントル・ナットとダイヤフラム板との間に弾性部材を設けることによって、過剰圧力条件下でのピントル弁への過剰な負荷が軽減される。さらに、過剰圧力条件下でダイヤフラムに接触させて、ダイヤフラムを支持することが可能な途切れのない面を与えることによって、ダイヤフラムの故障も軽減される。
【００１５】
（詳細な説明）
本発明は、以下の詳細な説明を考慮すると、より良く理解され、上記以外の目的が明らかになるであろう。こうした説明は付属の図面を参照して行われる。
【００１６】
図１は、本発明の圧力調整器（１０）の一実施形態を示すものであり、こうした圧力調整器（１０）が断立面図で示されている。圧力調整器（１０）は、ベース（１４）に取り付けられたばねハウジング（１２）を含み、調整器ハウジング（１６）を形成している。ハウジング（１６）は、ピントル・チャンバ（２０）と連通する入口ポート（１８）を含み、内面（１７）により特徴付けられている。ピントル・チャンバ（２０）は、出力チャンバ（２２）と連通し、オリフィス（２４）を備える弁座（２３）を含む。弁ピントル（２６）は、ピントル・チャンバ（２０）内に配置され、弁座（２３）に対して押し付けることによりオリフィス（２４）を閉鎖するシール面（２８）を含んでいる。出力チャンバ（２２）は、ハウジング（１６）内に形成された出口ポート（２５）（図５参照）と連通する。
【００１７】
弁ピントル（２６）は、ばね（３０）と可動圧力境界部材（３１）との協働に呼応してオリフィス（２４）を開閉するように移動可能である。ばね（３０）は、ハウジング（１６）内に設けられ、開放位置に向けて弁ピントル（２６）を移動させる傾向がある力を及ぼし、これによりシール面（２８）が弁座（２３）から離され、オリフィス（２４）が開放されて出力チャンバ（２２）と連通する。ピントル・チャンバ（２０）及び出力チャンバ（２２）内のガス圧が、可動圧力境界部材（３１）及び弁ピントル（２６）に対して作用し、それにより、ばね（３０）によって及ぼされる力に対抗し、弁ピントル（２６）を閉鎖位置に向けて移動させ、シール面（２８）が弁座（２３）に押し付けられて、オリフィス（２４）を閉鎖する。ピントル・ステム（３４）は、弁ピントル（２６）からピントル・ナット（３６）の中まで延びている。ピントル・ナット（３６）は、中心ボス（３８）内に取り付けられている。中心ボス（３８）は、可動圧力境界組立体（３１）の中心を通して延びている。ロック用リング（４４）が中心ボス（３８）の上に嵌まり、可動圧力境界部材（３１）の上にのしかかっている。
【００１８】
一実施形態においては、可動圧力境界部材（３１）は、ダイヤフラム（３２）と、第１ダイヤフラム板（４０）と、ダイヤフラム支持板（４２）とからなるダイヤフラム組立体である。ダイヤフラム（３２）は、ダイヤフラム（３２）の片側に配置され中心ボス（３８）から延びている第１ダイヤフラム板（４０）上に取り付けられている。ダイヤフラム（３２）は、ダイヤフラム支持板（４２）とロック用リング（４４）とによって、第１ダイヤフラム板（４０）に保持されている。このようにして、ダイヤフラム（３２）は、第１ダイヤフラム板（４０）とダイヤフラム支持板（４２）との間に介在され、挟持されている。ダイヤフラム（３２）を受け入れるための溝（４８）が、ハウジング（１６）内に形成され、これによりダイヤフラム（３２）をハウジング（１６）に固定している。ダイヤフラム（３２）は、板（４０）及び（４２）と共に、高圧チャンバすなわち出力チャンバ（２２）と低圧チャンバ（４５）とを定めている。低圧チャンバ（４５）は、ばねチャンバ（４６）を含む。この点で、ダイヤフラム（３２）が出力チャンバ（２２）をばねチャンバ（４６）からシールし、それにより出力チャンバ（２２）をばねチャンバ（４６）から隔離させる。ダイヤフラム（３２）は、平坦な外形により一般に特徴付けられる。ダイヤフラム（３２）は、第１側面（５６）と第２側面（５８）とを含む。第１側面（５６）は、出力チャンバ（２２）内のガスに曝される。ダイヤフラム（３２）はさらに、中心ボス（３８）を受け入れる貫通孔（６０）を含む。一実施形態においては、ダイヤフラム（３２）は、ダイヤフラム（３２）の挙動を改善するために、平坦な外形により特徴付けられる部分（５２）から延びている波形の回旋部（５０）を含んでいる。具体的には、この設計は、ダイヤフラム（３２）が常に引張状態にある（すなわち、決して剪断状態又は圧縮状態にはない）ことを保証しようとするものである。したがって、回旋部が波状になる際に、ダイヤフラム（３２）は決して伸びたり歪曲したりしない（すなわち、ヒステリシスが大幅に除去される）。
【００１９】
ばね（３０）がロック用リング（４４）に嵌められ、ダイヤフラム支持板（４２）上に支持される。ばね（３０）は、コイルばね、ばね座金、又はエラストマー型のばねを含むことができる。ばね（３０）は、ハウジング（１６）内に形成されたばねチャンバ（４６）内に保持される。ばねチャンバ（４６）は、内側の側壁（１９）によって定められ、ばね（３０）を半径方向に拘束かつ位置決めして、弁ピントル（２６）を開放位置に向けて付勢するよう作用する。この点で、側壁（１９）の表面（１７）は、ダイヤフラム（３２）の軸線にほぼ平行である。図２を参照すると、側壁（１９）は、ダイヤフラム支持板（４２）の近くで終わり、したがって内縁部（２７）の位置のダイヤフラム（３２）で終わる。支持面（３３）は、縁部（２７）において側壁（１９）から半径方向外向きに延びており、ばねチャンバ（４６）の周辺の環状のスペース（２９）のための境界を与えている。
【００２０】
中心ボス（３８）内でピントル・ナット（３６）と第１ダイヤフラム板（４０）との間に取り付けられているのは、弾性部材（５４）である。一実施形態においては、弾性部材（５４）は、互いに積み重ねられた複数のばね座金を含んでいる。別の実施形態においては、弾性部材（５４）は、互いに積み重ねられた複数の皿型の座金からなる。ピントル・ナット（３６）が、弾性部材（５４）の上にのし掛かり、ばね（３０）によってロック用リング（４４）に加えられた力を伝えている。弾性部材（５４）は、異常な作動状態の際に弁ピントル（２６）に過剰な応力が加わるのを防ぐために設けられている。例えば、調整器（１０）の出力ポートが閉鎖されている時に、弁ピントル（２６）によるオリフィス（２４）のシールが失敗すると、出力チャンバ（２２）は極めて高いガス圧に曝されることになる。こうした圧力が正常の範囲を超える場合には、ダイヤフラム（３２）と第１ダイヤフラム板（４０）が変位して、弾性部材（５４）が圧縮されることになる。ピントル・ナット（３６）の下に配置されている弾性部材（５４）が、弁ピントル（２６）に過剰な応力が加わることを防ぐ。シール面（２８）が弁座（２３）に対して係合されると、弁ピントル（２６）は、定位置に固定され、ダイヤフラム（３２）とダイヤフラム板（４０）及び（４２）にかかるガスによる圧力の方向にそれ以上移動できなくなる。出力チャンバ（２２）内にガスによる圧力がかかる時に弁ピントル（２６）がこの位置にあると、弾性部材（５４）が圧縮されて、ダイヤフラム（３２）とダイヤフラム板（４０）及び（４２）が上記のガス圧による力に呼応して移動する際にこれらの構成部品によって伝わる力が吸収される。
【００２１】
弁ピントル（２６）によるオリフィス（２４）の不適切なシールはまた、ダイヤフラム（３２）の機械的疲労及び故障を招く場合がある。このため、一実施形態においては、調整器ハウジング（１６）とダイヤフラム支持板（４２）は、出力チャンバ内（２２）の極限の圧力条件下でダイヤフラム（３２）を支持するように適合されている。ダイヤフラム支持板（４２）は、図１及び図３にそれぞれ示されるような第１及び第２位置によって特徴付けられる。図１においては、出力チャンバ（２２）内のガス圧は、正常な圧力範囲内である。これらの条件下では、ダイヤフラム支持板（４２）は、ハウジング（１６）の支持面（３３）から間隙（６１）だけ離間され、ダイヤフラム（３２）の第２側面（５８）の第１部分（６２）と接触している（図２参照）。同時に、ダイヤフラム（３２）の第２側面（５８）の第２部分（６４）はどんな硬い面にも接触しておらず、ハウジング（１６）の支持面（３３）と出力チャンバ（２２）との間で宙に浮いている。一実施形態においては、部分（６４）は、波形の回旋部（５０）を含んでいる。これらの条件下では、ダイヤフラム（３２）は、ダイヤフラム（３２）の第１側面（５６）上に作用するガス圧によって掛かる力の方向に、依然として伸びて変形することが可能である。
【００２２】
図３は、チャンバ（２２）内の圧力が過剰圧力条件により特徴付けられる、ダイヤフラム（３２）とダイヤフラム支持板（４２）の第２位置における状態を示している。これらの条件下では、ダイヤフラム支持板（４２）は、第２位置にあると考えられ、出力チャンバ（２２）内のガスによる力が、ダイヤフラム支持板（４２）をハウジング（１６）の表面（３３）に付勢し又は押し付けて接触させ、これにより、出力チャンバ（２２）内のガスによってかかる圧力の方向にダイヤフラム支持板（４２）がそれ以上移動しないようにする。この点で、表面（３３）は、可動圧力境界部材（３１）の移動を制限するように構成された移動止めである。同時に、出力チャンバ（２２）内のガス圧による力がダイヤフラム（３２）を付勢して、ダイヤフラム支持板（４２）と平行してハウジング（１６）の表面（３３）に向けて移動させる（図４参照）。したがって、この過剰圧力条件下では、実質的に全ての第２側面（５８）がダイヤフラム支持板（４２）か又は表面（３３）のいずれかと接触している。
【００２３】
ダイヤフラム支持板（４２）とハウジング（１６）の支持面（３３）との組合せは、出力チャンバ（２２）内のガスによってかかる圧力の方向にダイヤフラム（３２）が移動する又は伸びるのを制限するための、途切れのない支持面又は移動止めを与える。したがって、ダイヤフラム支持板（４２）がこの第２位置にあるとき、ダイヤフラム（３２）は、（ｉ）第１側面（５６）に対してかかる圧力と、
（ｉｉ）第２側面（５８）に対してかかる圧力との差がダイヤフラムの強度より大きい場合に起こり得る破断又は損傷から保護される。この点で、ハウジング（１６）の支持面（３３）とダイヤフラム支持板（４２）は、第２側面（５８）に反力をかけ、該反力は、出力チャンバ（２２）内のガス圧によって第１側面（５６）上にかかった力に等しく、この力とは反対向きである。
【００２４】
過剰圧力条件下でのダイヤフラム（３２）の破断を防ぐ一助とするために、ハウジング（１６）の移動止め（３３）は、通常の作動条件下でダイヤフラム（３２）の近傍に間隔をもって位置する対向面を与える。さらに、過剰圧力条件下では、移動止め（３３）は、ダイヤフラム（３２）が過剰な圧力に曝されるが破断しない場合に、ダイヤフラム（３２）の形状に一致するような形状にされた表面を与える。
【００２５】
図２を参照すると、一実施形態においては、ダイヤフラム支持板（４２）は、ほぼ波形の回旋部（５０）の方向に延びている側壁（６８）からなる周辺部（６６）を含み、これにより波形の回旋部（５０）を支持するための支持面（７０）を与えている。波形の回旋部（５０）を支持するための支持面（７０）を与えることによって、過剰圧力条件下でダイヤフラム支持板（４２）がハウジング（１６）に向けて移動するときに、波形の回旋部（５０）がダイヤフラム支持板（４２）とハウジング（１６）との間に挟まれることになる危険性が低減される。
【００２６】
一実施形態においては、及び図５に示すように、入口ポート（１８）は、圧力容器（７２）内に貯蔵された高圧ガスと、ソレノイド弁（７４）を介して連通している。ソレノイド弁（７４）は、圧力容器（７２）からのガスの流れを制御する。ソレノイド弁（７４）は、入口ポート（７６）と出口ポート（７８）とを含む。出口ポート（７８）は、流体通路（８０）を介して調整器（１０）の入口ポート（１８）と連通する。ソレノイド弁（７４）と入口ポート（１８）との間の流れを遮断するために、手動の遮断弁（８２）が設けられている。
【００２７】
図３に示すように、出口ポート（２５）は、第２段圧力調整器（１００）の入口ポート（１８）と連通するように適合させることができる。一実施形態においては、圧力調整器（１００）はバランス式の調整器である。一実施形態においては、関連するばね（３０）の圧縮を調節して、弁ピントル（２６）の流れ制御特性を変化させるために、ハウジング（１６）を貫通して延びるねじ（１０２）のような調節可能な部材が設けられている。
【００２８】
ハウジング（１６）内部には、ばねチャンバ（４６）と連通させるための排気通路（８４）も形成されている。これにより、出力チャンバ（２２）からダイヤフラム（３２）を通過してばねチャンバ（４６）内に漏れるガスのいずれも排気され、ばねチャンバ（４６）内部にガスがたまることを防止する。直列の第１段調整器（１０）及び第２段調整器（１００）によって圧力調整が達成される場合には、第１段調整器（１０）のばねチャンバ（４６）は第２段調整器（１００）の出力チャンバ（２２）に排気し、第２段調整器（１００）のばねチャンバ（４６）は大気中に排気する。
【００２９】
第２段調整器（１００）から出口ポート（２５）を通って流れるガスは、出口通路（１０４）に接続されている。随意的に出口通路（１０４）に圧力逃がし装置（１０６）が接続され、逃がし出口接続部（１０８）に排気する。出口のガス圧を測定するために、出口ポート（１０４）にセンサポート（１１０）を接続することもできる。
【００３０】
本開示は、本発明の好ましい実施形態について説明し図示するものであるが、本発明はこれらの特定の実施形態に限定されるものではないことを理解されたい。当業者には、多くの変形及び修正が想起されるであろう。本発明の定義としては、特許請求の範囲の請求項を参照されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の圧力調整器の実施形態の断立面図であり、第１位置にあるダイヤフラム支持板を示している。
【図２】図１の圧力調整器の破断された断立面図であり、環状チャンバの近傍の構成部品を示している。
【図３】本発明の圧力調整器の実施形態の断立面図であり、第２位置にあるダイヤフラム支持板を示している。
【図４】図３の圧力調整器の破断された断立面図であり、環状チャンバの近傍の構成部品を示している。
【図５】本発明のガス流調整システムの断立面図であり、二段調整器を含んでいる。

Claims

高圧チャンバと低圧チャンバとを含むハウジングと、
ダイヤフラムを含み、前記高圧チャンバを前記低圧チャンバから隔離するように構成された可動圧力境界部材と、
前記可動圧力境界部材に連結され、前記高圧チャンバ内の流体通路をシールするように構成された弁と、
前記高圧チャンバ内の流体から受ける圧力によって前記ダイヤフラムにかけられる力の方向への前記ダイヤフラムの伸びを制限するよう、ハウジング内壁の縁部の一部として構成された支持面と、
前記可動圧力境界部材と前記弁との間に配置され、前記高圧チャンバ内の圧力に応じて弾性変形するように構成された弾性部材と、を備えることを特徴とする圧力調整器。
前記支持面は、前記高圧チャンバ内の流体から受ける圧力によってダイヤフラムにかけられる力とは反対向きの反力をダイヤフラムにかけるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の圧力調整器。
前記支持面は、前記ダイヤフラムが伸びた状態のときに、前記高圧チャンバに面する前記ダイヤフラムの第一側面とは反対側にある、前記低圧チャンバに面する前記ダイヤフラムの第二側面と係合するように構成されていることを特徴とする請求項２に記載の圧力調整器。
前記高圧チャンバは、入力チャンバと、出力チャンバと、入力チャンバと出力チャンバとの間を連通させるオリフィスを定める弁座とを含み、前記弁は前記弁座に対して着座するように構成され、前記支持面は、前記弁が前記弁座に対して着座されたときに、前記高圧チャンバ内の流体から受ける圧力によって前記ダイヤフラムにかけられた力の方向への前記ダイヤフラムの伸びを制限するように構成されていることを特徴とする請求項３に記載の圧力調整器。
前記可動圧力境界部材はダイヤフラム支持板を含み、前記ダイヤフラムは、前記ダイヤフラム支持板の周辺から延び出て前記ハウジングに固定され、前記高圧チャンバ内の流体から受ける圧力によって前記ダイヤフラムにかけられた力の方向への前記ダイヤフラム支持板の移動が、ハウジング内壁の縁部の一部として構成される移動止めによって制限されることを特徴とする請求項３に記載の圧力調整器。
前記ダイヤフラムの前記第二側面は、前記ダイヤフラムが伸びた状態の時に、前記ダイヤフラム支持板と前記支持面に係合するように構成されていることを特徴とする請求項５に記載の圧力調整器。
前記ダイヤフラムは波形の回旋部を有し、前記ダイヤフラム支持板は、前記波形の回旋部に接し得る前記支持面を有することを特徴とする請求項６に記載の圧力調整器。