JP4022143B2 - 耐衝撃性の瞬時オン型の弁 - Google Patents

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Description

【0001】
(技術分野)
本発明はガス弁に関し、具体的には瞬時オン型のガス弁に関する。
【0002】
(背景技術)
環境問題や、大気汚染防止法、並びに排出ガス規制により、自動車の製造業者らは、ガソリンの代替物として使用するために、清浄燃焼及び費用効率の良い燃料を模索している。こうした目的に見合う候補の1つは天然ガスであり、多くの車両が燃料源を天然ガスに転換してきた。典型的に天然ガスは、車両に搭載された1つ又はそれ以上の加圧シリンダに、圧縮された形態で貯蔵される。
【0003】
こうした加圧シリンダからのガスの流れは、弁によって制御される。1つの主要な問題は、衝突損傷に対するこうしたガス弁の脆弱性である。車両が事故に巻き込まれた場合に、ガス弁は、安全でない即ち壊滅的な形で破損してはならない。このために、内部に取付けられるガス弁が、そうした安全でない即ち壊滅的な状態を軽減するように設計されてきた。そうした弁の例は、Wadensten他に付与された米国特許第4,197,966号、Wass他に付与された米国特許第5,197,710号、及びBorland他に付与された米国特許第5,562,117号に開示されている。
【0004】
WassとBorlandの両者は、内部に取り付けられるガス弁を開示しているが、これらのガス弁は、下流の圧力が比較的低いときに開くのが比較的遅いという難点がある。さらに、Wadenstenの特許に開示されたガス弁は、WassやBorlandの特許に開示されたガス弁に比べて速く開くことに特徴付けられるが、Wadenstenの弁の設計は複雑であり、比較的多数の構成部品を必要とする。さらに、Wadenstenの弁は、同じタンクノズルを通してのタンクへの充填作業に使用することはできず、それゆえ、充填作業のために関連するタンク内に他のノズルを必要とする。
【0005】
(発明の概要)
1つの広い態様においては、本発明は、ガスの流れを制御するための流れ制御弁を提供し、この流れ制御弁は、第1導管オリフィス、第2導管オリフィス、及び第3導管オリフィスを含む導管と、第3導管オリフィスをシールするように構成された1次ピストン弁、第1開口及び第2開口、並びに第1開口から第2開口まで延び、第1開口と第3導管オリフィスとの間の連通を容易にするように構成されたボアを有し、導管内に配置される1次ピストンと、導管と1次ピストンとの間に介設され、第1導管オリフィスと第2導管オリフィスとの間、及び第1導管オリフィスと第3導管オリフィスとの間の導管内部からガスが流出するのを防ぐように構成されたシール部材と、1次ピストンの第1開口をシールするように構成された第1の弁、及び第1導管オリフィスをシールするように構成された第2の弁を有し、1次ピストンと第1導管オリフィスとの間の導管内に配置された2次ピストンと、を備えている。
【0006】
別の態様においては、本発明は上記のような弁を提供し、1次ピストンは、導管に対して1次ピストンの第1位置から1次ピストンの第2位置まで移動可能であり、第3導管オリフィスは、1次ピストンが1次ピストンの第1位置にある時に1次ピストン弁によってシールされ、第3導管オリフィスは、1次ピストンが1次ピストンの第2位置にある時に第2導管オリフィスと連通する。
【0007】
別の態様においては、本発明は上記のような弁を提供し、2次ピストンは、導管に対して2次ピストンの第1位置から1次ピストンの第2位置まで移動可能であり、1次ピストンの第1開口は、2次ピストンが2次ピストンの第1位置にある時に第1の弁によってシールされ、第1導管オリフィスは、2次ピストンが2次ピストンの第2位置にある時に第2の弁によってシールされ、2次ピストンが2次ピストンの第2位置にある時に、1次ピストンは1次ピストンの第2位置をとる。さらに別の態様においては、本発明は上記のような弁を提供する。
【0008】
さらに別の態様においては、本発明は上記のような弁を提供し、1次ピストンは弁座を有し、弁座内に第1開口が形成され、第1の弁は、2次ピストンが2次ピストンの第1位置にある時に弁座とシール係合するように構成される。
【0009】
別の態様においては、本発明は上記のような弁を提供し、2次ピストンは弾性部材によって2次ピストンの第1位置に向けて付勢される。
【0010】
別の態様においては、本発明は上記のような弁を提供し、2次ピストンの移動を開始させるように構成されたソレノイドをさらに備えている。
【0011】
別の態様においては、本発明は上記のような弁を提供し、2次ピストンは電磁界に感応する材料から構成されている。
【0012】
別の態様においては、本発明は上記のような弁を提供し、2次ピストンは磁性材料から構成される。
【0013】
別の態様においては、本発明は上記のような弁を提供し、第1開口は、1次ピストンの第1オリフィスを定め、1次ピストンの第1オリフィスと第1導管オリフィスの各々は、第3導管オリフィスより小さい断面積によって特徴付けられる。
【0014】
別の態様においては、本発明は上記のような弁を提供し、第1導管オリフィスは、1次ピストンの第1オリフィスより大きい断面積によって特徴付けられる。
【0015】
別の態様においては、本発明は上記のような弁を提供し、圧力容器内に配置される。
【0016】
別の態様においては、本発明は上記のような弁を提供し、圧力容器のノズルに連結される。
【0017】
別の態様においては、本発明は上記のような弁を提供し、圧力容器は貯蔵容積によって特徴付けられ、第1導管オリフィスと第2導管オリフィスの各々は貯蔵容積と連通する。
【0018】
別の態様においては、本発明は上記のような弁を提供し、1次ピストンは第1部分と第2部分からなり、第2部分は第1部分に対して第3導管オリフィスから遠くに配置され、第1部分は非磁性材料から構成され、第2部分は磁性材料から構成される。
【0019】
別の態様においては、本発明は上記のような弁を提供し、1次ピストンは第1部分と第2部分からなり、第2部分は第1部分に対して第3導管オリフィスから遠くに配置され、第1部分は非磁性材料から構成され、第2部分は磁性材料から構成される。
【0020】
別の態様においては、本発明は上記のような弁を提供し、第2導管オリフィスは、第1導管オリフィスと第3導管オリフィスとの間に介設される。
【0021】
別の態様においては、本発明は上記のような弁を提供し、シール部材は、第1導管オリフィスと第2導管オリフィスとの間に介設される。
【0022】
1次ピストンと2次ピストンを単一のスリーブ内部に嵌めることによって、部品の数が減り、それにより構造体の複雑さが明らかに減少する。さらに、2次ピストンを付勢して弁からの流れを閉鎖するための付勢手段を設けることにより、弁に形成された通路をタンクの充填作業に使用できるようになり、それによりタンクに充填作業専用の別のノズルを設ける必要性がなくなる。
【0023】
(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。
【0024】
図1は、本発明の一実施形態の内部に取り付けられる瞬時オン型の弁(10)を示している。瞬時オン型の弁(10)は、圧力容器(16)のノズル(14)内部に取り付けるように構成された弁本体(12)を含む。圧力容器(16)は貯蔵容積(17)を含む。弁本体(12)は、出口ポート(18)と入口ポート(20)とを含んでいる。流路(24)は、出口ポート(18)から弁本体(12)を通して延び、入口ポート(20)と連通する。流路(24)内に弁座(26)が設けられている。弁座(26)はオリフィス(28)を定めている。ボア(29)は、出口ポート(18)とオリフィス(28)との間に延び、流路(24)の一部を形成している。
【0025】
弁本体(10)は導管(11)を含む。導管(11)は、第1導管オリフィス(54)と、第2導管オリフィス(21)と、第3導管オリフィス(28)とを含む。第2導管オリフィス(21)は、入口ポート(20)として機能する。
【0026】
導管(11)は、スリーブ(22)を含んでいる。導管(11)のスリーブ(22)の中に、1次ピストン(32)と2次ピストン(31)とが配置され、かつ滑動可能に支持され、これらはスリーブ内で移動可能である。2次ピストン(31)は、1次ピストン(32)と第1導管オリフィス(54)との間に介設されている。スリーブ(22)は、第1端部(48)と第2端部(50)とを有する。第1端部(48)は、流路(24)と連通するように開放されている。第2端部(50)は、オリフィスが形成された弁座(52)を有する。側壁(51)は、弁座(52)から末端部(53)まで延び、そこで第2端部(50)が定められる。スリーブ(22)は、オリフィス(54)を通して圧力容器(16)と連通する。
【0027】
1次ピストン(32)は、第1端部(34)と第2端部(36)を備える本体(33)を含む。1次ピストン(32)は、非磁性材料からなる。抽気通路(44)として機能するボアは、本体(33)内部に配置され、第1端部(34)の第1開口(46)と第2端部(36)の第2開口(42)との間で該本体を貫通して延びている。第2開口(42)はオリフィス(43)を定める。開口(46)は流路(24)に通じ、具体的にはボア(29)に通じる。開口(42)並びにオリフィス(43)は、抽気通路(44)を介して流路(24)に連通している。O−リングのようなシール部材(56)が、本体(33)と導管(11)のスリーブ(22)との間で本体(33)の周辺に支持され、それによりオリフィス(54)とスリーブ(22)の第1端部(48)との間からガスが流出するのを防ぐシールを形成している。この点で、2次ピストン(32)は導管(11)にシール係合されている。
【0028】
1次ピストン(32)の第1端部(34)は、オリフィス(28)を閉鎖するためのシール面(38)を備える弁を含んでいる。第1端部(34)は、圧力容器(16)内部のガスの圧力に曝される表面(35)により更に特徴付けられる。第2端部(36)は弁座(40)を含む。弁座(40)にオリフィス(43)が配置されている。
【0029】
図1に示されるように、オリフィス(43)とオリフィス(54)の各々は、オリフィス(28)の断面積より小さい断面積によって特徴付けられる。これは、後で説明するように、1次ピストン(31)がより迅速に弁座(26)から離れて、第3導管オリフィス(28)のシールがより迅速に外されることを容易にする。
【0030】
1つの実施形態においては、オリフィス(43)は、オリフィス(54)より小さい断面積によって特徴付けられる。これは、後で説明するように、スリーブ(22)から抽気通路(44)を通してのガスの抽気を容易にする。
【0031】
1次ピストン(32)と第1導管オリフィス(54)との間に2次ピストン(31)が配置されている。2次ピストン(31)は、第1端部(58)と第2端部(60)とを有する。2次ピストン(31)は磁性材料からなる。第1端部(58)は、オリフィス(43)を閉鎖するためのシール面(62)を備える弁を含む。第2端部(62)は、弁座(52)に係合してオリフィス(54)を閉鎖するための第2シール面(64)を備える弁を含む。弾性部材すなわちばね(66)が、2次ピストン(31)に押し当たって、2次ピストン(31)を1次ピストン(32)に向けて付勢し、第1シール面(62)を弁座(40)に押付け、それによりオリフィス(43)を閉鎖する。1つの実施形態においては、ばね(66)は、スリーブ(22)の第2端部(50)に収容されて、2次ピストン(31)の第2端部(60)を押し付けている。
【0032】
スリーブ(22)を囲んでいるのはソレノイド・コイル(68)である。ソレノイド・コイル(68)は、外部からの操作によって2次ピストン(31)に電磁力を印加するために設けられ、これにより2次ピストン(31)をばね(66)の力とスリーブ(22)内の流体圧力による力に対抗して移動させる。
【0033】
図1、図2、及び図3は、本発明による瞬時オン型の弁(10)の一実施形態の種々の作動状態を示している。図1は、閉鎖位置にある瞬時オン型の弁(10)を示している。この状態において、ソレノイド・コイル(68)は励磁されていない。これらの状況下では、ばね(66)が2次ピストン(31)を1次ピストン(32)に向けて付勢している。この点で、第2シール面(64)は、スリーブ(22)の弁座(52)のオリフィス(54)から離間され、それによりオリフィス(54)を圧力容器(16)内の流体圧力に開口させている。これと同時に、2次ピストン(31)の第1シール面(62)が1次ピストン(32)の弁座(40)に押付けられ、それによりオリフィス(43)を閉鎖している。スリーブ(22)のオリフィス(54)が圧力容器(16)の流体圧力に開口しているので、シール部材(56)とオリフィス(54)との間の空間も圧力容器(16)の流体圧力に曝されている。1次ピストン(32)に戻ると、1次ピストン(32)の第1端部(34)は、入口ポート(20)を通じて圧力容器(16)内部の流体圧力に曝されている。1次ピストン(32)に作用するこれらの流体の力は、ばね(66)と、スリーブ(22)内の流体の圧力との協働によって打ち負かされ、この後者の力は2次ピストン(31)によって1次ピストン(32)に伝えられるものである。したがって、1次ピストン(32)のシール面(38)が弁座(26)に押し付けられ、それによりオリフィス(28)を閉鎖している。
【0034】
図2は、過渡位置にある瞬時オン型の弁(10)を示している。瞬時オン型の弁(10)は、ソレノイド・コイル(68)が励磁された後の瞬時は過渡位置にある。ソレノイド・コイル(68)が励磁された後の瞬時に、生じた電磁力が2次ピストン(31)に作用して、ばね(66)とスリーブ(22)内部のガス圧によって及ぼされる力に打ち勝ち、それにより2次ピストン(31)の第2シール面(64)が、スリーブ(22)に設けられた弁座(52)に着座して、オリフィス(54)を閉鎖する。それと同時に、2次ピストン(31)の第1シール面(62)が、1次ピストン(32)の弁座(40)から後退し、それによりオリフィス(43)が開放される。1次ピストン(32)のオリフィス(43)が開放されることにより、スリーブ(22)内に包含されているガスが、オリフィス(43)を通って1次ピストン(32)内の抽気通路(44)から流れ始め、出口ポート(18)を通じて瞬時オン型の弁(10)から流出する。この際に、スリーブ(22)内部のガス圧が低下し始める。しかしながら、これらの条件下では、この領域内の流体の圧力は、1次ピストン(32)が弁座(26)から外れるのに十分なほどには低下しない。なぜなら、ボア(29)内の流体の力を含めて、1次ピストン(32)の第1端部(34)の表面に作用する流体の力は、1次ピストン(32)の第2端部(36)の表面に作用するスリーブ(22)内部の流体の力に打ち勝つにはまだ不十分であるからである。
【0035】
図3は、開放位置にある瞬時オン型の弁(10)を示している。この状態においては、シール部材(56)とオリフィス(54)との間のスリーブ(22)内部の流体は、1次ピストン(32)の抽気通路(44)を通じて更に流出する。この時点で、第2端部(36)の表面の裏側に作用する気体の力は、1次ピストン(32)の第1端部(34)の表面に作用する流体の力によって打ち負かされる程に十分低下している。これに対応して、1次ピストン(32)のシール面(38)が弁座(26)から離れ、それにより、圧力容器(16)の内部と出口ポート(18)との間に、流体通路(24)を介した途切れのない流体通路が形成される。
【0036】
図4は、本発明の瞬時オン型の弁(100)の別の実施形態を示している。図4に示されている瞬時オン型の弁(100)は、1次ピストン(32)が第1部分(32a)と第2部分(32b)から構成されるという点を除いて、図1、図2、及び図3に示されている瞬時オン型の弁(100)とあらゆる点で同じである。第1部分(32a)は非磁性材料から構成される。第2部分(32b)は磁性材料から構成される。第2部分(32b)は、第1部分(32a)に比べて第3導管オリフィス(28)から遠くに配置される、すなわち、第1部分(32a)と第2ピストン(31)との間に配置される。第1部分(32a)は、第2部分(32b)と合体されている。一実施形態においては、第2部分(32b)は第1部分(32a)にねじ込まれる。この配置を用いることによって、1次ピストン(32)は、図1、図2及び図3に示されている瞬時オン型の弁(10)に比べて、弁座(26)からより早く離される。
【0037】
図5は、圧力容器(16)に混合気体を充填する間に、該混合気体が瞬時オン型の弁(10)の中を通る流路を示している。典型的には迅速接続型の継手である充填弁(70)が開放され、充填ステーション(72)から圧力容器(16)までガスが流れることになる。ガスが、逆止め弁(74)を通って、充填作業中は入口ポートとして機能する出口ポート(18)から瞬時オン型の弁(10)に流入する。ガスは、ポート(18)からボア(29)を通ってオリフィス(28)を流れる。オリフィス(28)を流れるガスが1次ピストン(32)を押すことによって、1次ピストン(32)が弁座(26)から離れる。その結果、ポート(18)と、それによる充填ステーション(72)と、圧力容器(16)との間に途切れのない流路が形成される。充填作業が完了すると、ばね(66)が2次ピストン(31)に十分な力をかけ、該力が1次ピストン(32)に伝わって、1次ピストン(32)がオリフィス(28)を閉鎖することになる。
【0038】
図6は、本発明の瞬時オン型の弁(200)の別の実施形態を示している。この瞬時オン型の弁(200)は、出口ポート(18)とオリフィス(28)との間の流路(24)に手動の遮断弁(202)が設けられ、それにより、手動による流路(24)の遮断が可能になるという点を除いて、図1、図2、及び図3に示されている瞬時オン型の弁(10)とあらゆる点で同じである。この点で、瞬時オン型の弁(200)は、第1貫通ボア(29)に通じている第2ボア(204)を含んでいる。第1ボア(29)は、出口(18)とオリフィス(28)との間に介在するオリフィス(208)を備える第2弁座(206)を含んでいる。手動の遮断弁(202)は、出口ポート(18)と入口ポート(20)の間の連通が遮られるように、弁座(206)に着座させて、オリフィス(208)を閉鎖し、流路(24)を遮断するためのシール面(2041)を有する。ステム(210)は、シール面(2041)からボア(204)を通って圧力容器(16)に設けられたポート(212)の中に延びている。手動操作による流路(24)の閉鎖を容易にするために、ステム(210)の末端部(216)に手動レベル(214)が設けられている。
【0039】
一実施形態においては、瞬時オン型の弁(100)又は(200)は、5000psig(34.5MPa)までの作動圧力により特徴付けられる環境で作動するように設計されている。
【0040】
本開示は、本発明の好ましい実施の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の形態に限定され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】 本発明の瞬時オン型の弁の一実施形態の断立面図であり、閉鎖位置にある瞬時オン型の弁が示されている。
【図2】 図1に示された瞬時オン型の弁の断立面図であり、過渡位置にある瞬時オン型の弁が示されている。
【図3】 図1に示された瞬時オン型の弁の断立面図であり、開放位置にある瞬時オン型の弁が示されている。
【図4】 本発明の瞬時オン型の弁の別の実施形態の断立面図である。
【図5】 図1に示された瞬時オン型の弁の断立面図であり、関連する圧力容器に混合気体を充填する間に瞬時オン型の弁を通り抜ける流体の通路が示されている。
【図6】 本発明の瞬時オン型の弁の別の実施形態の断立面図である。

Claims (17)

  1. 流体通路と、第1ポートと、第2ポートと、第3ポートとを含み、ポートの各々が流体通路と連通して配置されている導管と、
    流体通路内に移動可能にシールして配置された1次ピストンであって、1次ピストンの流体通路内へのシール配置が流体通路内で1次ピストンと第1ポートとの間に空間を定めており、該空間と第3ポートとの間を連通させる抽気通路を含み、かつ、第2ポートと第3ポートとの間の流体連通をシールするように構成された1次ピストンと、
    流体通路内に移動可能にシールして配置された2次ピストンであって、抽気通路と空間との間の流体連通をシールするように構成されると共に、第1ポートを閉じるように構成された2次ピストンと、
    該2次ピストンを、(i)第1ポートから変位させ第1ポートと空間とを流体連通させ、かつ(ii)空間と抽気通路との間の流体連通をシールするように付勢する付勢手段と、
    2次ピストンを第1ポートを閉鎖するように付勢するために2次ピストンに電磁力を印加すべく構成されたソレノイドと、
    を備え、
    第1および第2ポートは、共通の流体圧力源であって、その流体圧力が第3ポートに連通している流体圧力源の流体圧力を超える共通の流体圧力源と流体連通して配置されており、
    (i)ソレノイドが2次ピストンに電磁力を印加していない間、1次ピストンは第2ポートと第3ポートとの間の流体連通をシールし、2次ピストンは空間と抽気通路との間の流体連通をシールし、かつ第1ポートは第1ポートと空間との間を流体連通させるべく開き、
    (ii)ソレノイドが2次ピストンに電磁力を印加している間、2次ピストンは第1ポートを閉じ、空間と抽気通路との間が流体連通され、空間の減圧が抽気通路を経由した第3ポートを介してなされ、
    流体通路内の1次ピストンのシールされた配置が、空間の減圧中に、ガスが第2ポートから空間へ流れるのを防止することを特徴とするガスの流れを制御する弁。
  2. 1次ピストンは、空間の減圧が流体通路内の流体圧力による1次ピストンの変位を可能とするとき、第2ポートと第3ポートとの間の流体連通を開くべく変位され、第2ポートから第3ポートへのガスの流れを有効とすることを特徴とする請求項1に記載の弁。
  3. 1次ピストンは、第2ポートと第3ポートとの間の流体連通をシールするべく構成された1次ピストンシール面、第1開口、第2開口および第1開口から第2開口に延び抽気通路を定めるボアをさらに含み、2次ピストンが1次ピストンの第1開口をシールするべく構成されていることを特徴とする請求項2に記載の弁。
  4. 2次ピストンは、第1シール面および第2シール面を含み、第1シール面は1次ピストンの第1開口をシールし、第2シール面は第1ポートを閉じるべく構成されていることを特徴とする請求項3に記載の弁。
  5. 1次ピストンは、第1開口が定められている弁座をさらに含み、2次ピストンの第1シール面が該弁座にシールして係合するべく構成されていることを特徴とする請求項4に記載の弁。
  6. 付勢手段は、弾性部材からなることを特徴とする請求項5に記載の弁。
  7. 2次ピストンは、電磁界に感応する材料からなることを特徴とする請求項6に記載の弁。
  8. 2次ピストンは、2次ピストンの第2シール面が第1ポートを閉鎖するとき弁座に係合することを特徴とする請求項7に記載の弁。
  9. 1次ピストンは、流体通路内の1次ピストンのシールされた配置を果たすべく構成されたシール部材をさらに含むことを特徴とする請求項8に記載の弁。
  10. シール部材は、(i)第1ポートと第3ポートとの間、および(ii)第2ポートと第3ポートとの間に配置されていることを特徴とする請求項9に記載の弁。
  11. 2次ピストンは、1次ピストンと第1ポートとの間に配置されていることを特徴とする請求項10に記載の弁。
  12. 第1開口は、第1の1次ピストンオリフィスを定め、第1ポートは第1導管オリフィスを定め、第3ポートは第3導管オリフィスを定め、第1の1次ピストンオリフィスと第1導管オリフィスの各々は、第3導管オリフィスより小さい断面積によって特徴付けられることを特徴とする請求項3に記載の弁。
  13. 第1導管オリフィスは、第1の1次ピストンオリフィスより大きい断面積によって特徴付けられることを特徴とする請求項12に記載の弁。
  14. 2次ピストンは、2次ピストンが第1ポートを閉鎖するとき弁座に係合することを特徴とする請求項2に記載の弁。
  15. 第1および第2ポートが共通の流体圧力源と流体連通して配置されている間、および、第3ポートが共通の流体圧力源の流体圧力を超える流体圧力である別の流体圧力源に連通している間、1次ピストンは第2および第3のポート間の流体連通を開くべく変位されることを特徴とする請求項2に記載の弁。
  16. 2次ピストンは、2次ピストンが第1ポートを閉鎖するとき弁座に係合することを特徴とする請求項15に記載の弁。
  17. ソレノイドをさらに備え、1次ピストンは第1部分と第2部分とからなり、第2部分は第1部分に対して第3ポートから遠くに配置され、第1部分は非磁性材料から構成され、第2部分は磁性材料から構成され、ソレノイドは2次ピストンと1次ピストンの第2部分との移動を作動させるべく構成されていることを特徴とする請求項1に記載の流れ制御弁。
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