JP4574542B2 - 減圧弁 - Google Patents

Description

本発明は、高圧ガス等の流体の減圧に用いられる減圧弁に関するものである。

従来、減圧弁は、減圧弁の流出口側の２次側流体の圧力によって弁体を押圧し、弁体に設けられたシール部材が流入口と弁室の接続部に設けられた弁座を閉塞することによって流入口側の１次側流体が流出口側に流通するのを停止するとともに、弁体が付勢部材によって付勢されることによって、シール部材が弁座から離間して接続部が開放されるようになっている。したがって、２次側流体の圧力が所定の値以上になった場合には接続部が閉塞されて、流入口側から流出口側への流体の流通が停止され、２次側流体の圧力が所定の値未満となった場合には、付勢部材の付勢力によってシール部材が弁座から離間して接続部が開放されるとともに流入口側から流出口側に流体が流通し、２次側流体の圧力が所定の値以上になった場合には、シール部材が弁座を押圧、接続部が閉塞されて流体の流通が停止されるようになっている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００５−２５８５１３号公報

しかしながら、このように構成された減圧弁において、２次側流体の圧力が低下すると、弁体が付勢力によって流出口側に移動してシール部材が弁座から離間する際に、弁体の慣性力によって弁体が流出口側に大きく移動して弁座の開度が過度に大きくなり、その結果、一次側流体が必要以上に流出口側に流出して２次側流体の圧力が設定圧以上に昇圧される、いわゆるオーバーシュートが発生する場合がある。
また、オーバーシュートが発生して、１次側流体が必要以上に流出口側に移動すると、過度に高くなった２次側流体の圧力によって、弁体が流入口側に強く押圧され、この動作が繰り返されることによって、２次側流体の圧力が大きく振動する、いわゆるチャタリングが発生する場合がある。

本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、減圧弁の弁体が接続部を開閉する場合に発生する２次側圧力のオーバーシュートやチャタリングの発生を抑制し、安定した減圧圧力と気体流量の供給が可能な減圧弁を提供することにある。

上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
請求項１記載の発明は、１次側流体の流入口と、２次側流体の流出口と、前記流入口と流出口とを連通するとともに流入口との接続部に弁座が設けられた弁室と、前記弁座を押圧するシール部材を有するとともに、前記弁室内に移動自在に配置され、前記２次側流体の圧力により前記シール部材を前記弁座に押圧する弁体と、前記シール部材を前記弁座から離間する方向に付勢する付勢部材とを備え、前記２次側流体の圧力が所定圧になることで前記シール部材が前記弁座に押圧して前記接続部を閉塞されるとともに、前記２次側流体の圧力が所定圧未満となることで前記シール部材が前記弁座から離間して、前記接続部が開放される減圧弁であって、前記シール部材が弁座を開閉する際の移動速度を小さくする緩衝手段を備え、前記緩衝手段は、前記弁室の２次側に形成される第１の圧力室と流出口の間にオリフィスを設け、前記オリフィスは、前記弁体から延在するロッド部と流出口の間に形成される間隙によって形成され、前記弁体には、前記接続部が開放された場合に、前記流入口から前記流出口に流体が流通可能な流通路が形成されていることを特徴とする。

この発明に係る減圧弁によれば、流入口との接続部に弁座が設けられた弁室に、シール部材を有する弁体が移動自在に配置されており、２次側流体の圧力が所定圧以上になることによりシール部材が弁座を押圧して接続部を閉塞して１次側の流入口から２次側の流出口への流体の流通が停止される。また、弁体は、付勢部材によってシール部材を弁座から離間する方向に付勢されており、２次側流体の圧力が所定圧未満になった場合に、付勢部材の付勢力によって弁体のシール部材が弁座から離間することで接続部が開放されて、流入口から流出口に流体が流通する。
かかる接続部を開閉する際の弁体の移動に対して、弁体の移動速度を小さくする緩衝手段を備えていて、弁体の慣性によって弁体が過度に移動してシール部材が弁座から過度に離間するのが抑制され、その結果、接続部の開度が過大になって２次側流体の圧力のオーバーシュートとチャタリングが抑制される。
また、弁体に対して２次側流体の圧力を付与し、シール部材を弁座に押圧する第１の圧力室と流出口の間に形成されたオリフィスが緩衝手段として設けられているので、１次側流体の圧力と２次側流体の圧力の差が大きくなるに従いシール部材を備えた弁体が弁座から離間する移動速度が抑制され、接続部の開度が過度に大きくなるのが抑制される。
また、前記弁体から延在するロッド部と流出口の間に形成される間隙によって形成されるオリフィスによって、第１の圧力室と流出口の間の流体の流通が制限されるようになっているので弁体の移動速度が抑制され、また、弁体には流入口から流出口に流体が流通可能な流通路が形成されているので、接続部が開放された場合に弁体の移動速度を抑制しつつ、流入口から流出口への流体の流通量を大きく確保することができる。

本発明に係る減圧弁によれば、弁座にシール部材を押圧して接続面を閉塞することで流体の流通を制御する弁体の移動速度が緩衝手段によって抑制されるので、弁体が接続面を開閉する際に接続面の開度が大きくなり過ぎるのが抑制され、その結果、２次側圧力のオーバーシュートやチャタリングの発生が抑制される。

図１は、本発明の一実施の形態に係る減圧弁を示す図であり、符号１は減圧弁であり、流入口から弁室への接続部が開放された状態を示している。
減圧弁１は、減圧弁本体１０と、弁体４０と、コイルスプリング（付勢部材）５０とを備えており、減圧弁本体１０は、流入側部材２０と、流出側部材３０とが組み合わされることによって構成されている。

流入側部材２０は、円筒形状とされ、一方側の端部に流入口２１を有し、流入口２１の反対側には凹部２２が形成されるとともに、凹部２２の中央にはボス２３が形成されるとともにボス２３の中央部には凹部２５が形成され、流入口２１から凹部２５に向かって流入路２４が形成され、流体が流通可能とされている。

流出側部材３０は、流出口３１と、円筒形状の第１の凹部３３と、第１の凹部３３の基端側に設けられた第２の凹部３４と、流出口３１と第２の凹部３４側に設けられた流出口絞部３２とを備えている。
減圧弁本体１０は、流入側部材２０の凹部２２の内周面に形成された雌ネジ２７と、流出側部材３０の外周面３６に形成された雄ネジ３６とが係合されることによって、減圧弁本体１０と、流入側部材２０と、流出側部材３０とが同軸に一体化されていて、流入側部材２０の内面と、流出側部材３０の内面とによって、弁室２が画成され、流通路２４が弁室２と接続される接続部２８には弁座２９が設けられている。

弁体４０は、多段円柱形状とされ、大径部４１と、小径部４２とを備え、大径部４１は、第２の凹部３４内に収容される大径外周部４１ａと、受圧面４１ｂと、スプリング受部４１ｃとを有し、大径外周部４１ａには大径環状溝４６が形成されるとともに大径環状溝４６にはＯリング４６ａが配置され、小径部４２の外周面には小径環状溝４７が形成されるとともに小径環状溝４７にはＯリング４７ａが配置されている。

弁体４０は、大径外周部４１ａは、第２の凹部３４内に配置されるとともに、大径環状溝４６に配置されたＯリング４６ａが内周面３４ａに摺動可能に配置されることで、第１の圧力室３内の２次側流体が減圧弁１の外部に漏洩するのを防止して、第１の圧力室３内部の圧力を維持するようになっている。

また、小径部４２は、凹部２５内に配置されるとともに、小径環状溝４７に配置されたＯリング４７ａが凹部２５の内周面２５ａに摺動可能に配置されることで、第２の圧力室４内の２次側流体が減圧弁１の外部に漏洩するのを防止して、２次側流体の圧力を維持するようになっている。また、小径部４２の先端には、弁座２９を押圧することで接続部２８を閉塞するシール部材４８が設けられている。
この場合、２次側流体の圧力によって、弁体４０に発生する押圧力は、概ね、
２次側流体の圧力×（第１の圧力室側の軸線Ｏ方向の投影面積−第２の圧力室側の軸線Ｏ方向の投影面積）で表される。

また、弁体４０には、大径部４１から流出口３１側に向かって延在するロッド部４９が形成され、流出口３１の流出口絞部３２との間に、例えば約１ｍｍの間隙Ｇを設けて流出口絞部３２内に配置されている。
また、弁体４０の中央部には、小径部４２の先端近傍から、大径部４１、ロッド部４９にわたって軸線Ｏ方向に流通路４３が形成され、小径部４２の先端近傍の補助流路４３ａを通じることで接続部２８を介して流入口２１側に通じており、流体が流入口２１側から流出口３１側に流通可能とされている（図１、流通ロ４３内の矢印）。

また、弁室２は、弁体４０によって、第１の凹部３３とボス２３とによって画成され、コイルスプリング５０が収納される空間と、第１の圧力室３と、第２の圧力室４とに区画されており、コイルスプリング５０が収納される空間は、孔３７によって減圧弁１の外部と連通されて大気圧に保持され、第１の圧力室３と第２の圧力室４とは、接続部２８が閉塞された状態では２次側流体の圧力を保持するようになっている。

コイルスプリング５０は、第１の凹部３３により構成されるコイルスプリング５０が収納される空間内にて、一方の端部が凹部２２の底面に配置され、他方の端部が弁体４０のスプリング受部４１ｃに配置されており、シール部材４８が弁座２９から離間する方向に弁体４０を付勢するとともに、受圧面４１ｂが２次側流体から受ける圧力によって弁体４０に生じる押圧力により圧縮されるようになっている。
弁体４０のロッド部４９は、流出口３１の流出口絞部３２に間隙Ｇを以て挿入され、流出口絞部３２の内周面との間に、オリフィス６を形成するようになっている。

次に、上記構成の減圧弁１の作用について説明する。
まず、流出口３１側の２次側流体と同圧とされる第１の圧力室３内の２次側流体によって、弁体４０の受圧面４１ｂが加圧されて、コイルスプリング５０の付勢力に抗して弁体４０を流入口２１側に押圧する。
２次側流体の圧力が所定値以上の場合には、シール部材４８が弁座２９に押圧されて接続部２８が閉塞されることによって、流入口２１から流出口３１への流体の流れが停止される。

２次側流体が消費される等により２次側流体の圧力が所定の値未満に低下すると、弁体４０に２次側流体の圧力によって生じる押圧力が小さくなり、コイルスプリング５０の付勢力が、弁体４０が２次側流体から受ける押圧力より大きくなる。その結果、弁体４０は、流出口３１側に移動するとともに、シール部材４８が弁座２９から離間して接続部２８が開放され、流体が補助流路４３ａ及び流通路４３を介して流入口２１から流出口３１側に流通する。

この場合、流出路３１内の２次側流体の圧力は、１次側流体が流入するにつれて昇圧される。
図１において２点鎖線で示した弁体４０の大径部４１は、弁体４０が２次側流体の圧力によって流入口２１側に押圧された状態を表したものであり、この状態において、第１の圧力室３の容積は最大となり、軸線Ｏ方向の長さがＬとされる。また、Ｘは、弁体４０の移動量を示したものであり、通常は、コイルスプリング５０の付勢力、２次側流体の圧力、弁体４０の移動に伴う慣性力等により決定されるものであって、弁体４０の前進端の中間位置に位置する。図１に示した例は、弁体４０の流出口３１側への移動量Ｘが最大とされるに前進端に位置する場合を示している。

第１の圧力室３内における２次側流体は、弁体４０が流入口２１側にあるときの第１の圧力室３の軸線Ｏ方向長さＬと弁体４０の流出口側への移動量Ｘに基づいて昇圧され、例えば、弁体４０が第１の圧力室３の軸線Ｏ方向長さの１／２進行した場合には、第１の圧力室３内の圧力は第１の圧力室３の容積が１／２となるため、オリフィス６からの流体の流通がないと仮定した圧力（２倍）からオリフィス６を通じて第１の圧力室３から流出した流体の流量分だけ差し引かれた圧力まで昇圧されることとなる。図１における間隙Ｇ部分の両矢印で示した流れは、オリフィス６における第１の圧力室３と流出口３１間の２次側流体の流通を示している。

したがって、弁体４０の移動量Ｘに対してオリフィス６からの流体の流出が小さく設定されている場合には、接続部２８が開放されて弁体４０が移動する際の弁体４０の移動量Ｘが大きくなるにつれて、第１の圧力室３内の圧力は２次流体以上に昇圧され、その結果、第１の圧力室３内における２次側流体は、オリフィス６によって移動が制限されているため、弁体４０の受圧面４１ｂは、流出口３１内に位置する２次側流体よりも高い圧力で加圧されることになり、弁体４０の流出口３１側への過度な移動が抑制される。
その結果、接続部２８が開放される際に、接続部２８の開放方向への弁体４０の移動速度が小さくなるため、接続部２８の開度が過大になることによる流入口２１から流出口３１への流体の流れを抑制して、２次側流体の圧力が上昇しすぎるいわゆるオーバーシュートを抑制することができる。

つぎに、弁体４０が流出口３１側に前進すると、第１の圧力室３内の流体はオリフィス６を通じて流出するとともにコイルスプリング５０が伸長してコイルスプリング５０の付勢力が低下する。第１の圧力室３内の２次側流体の圧力により発生する弁体４０への押圧力がコイルスプリング５０の付勢力よりも大きくなると、弁体４０は、流入口２１側に移動し始め、最終的に、シール部材４８が弁座２９を押圧して、接続部２８が閉塞される。
このように弁体４０が、流入口２１側に移動して第１の圧力室３内は容積が拡大されることで第１の圧力室３内の圧力は低下し、それにともなって、第１の圧力室３内の圧力が２次側流体の圧力よりも低くならないようにオリフィス６を通じて第１の圧力室３内に２次側流体が流入する。
また、２次側流体の消費等が停止された場合、２次側流体の圧力が所定の値まで上昇した場合にも、オリフィス６を通じて第１の圧力室３内に２次側流体が流入する。

この場合、第１の圧力室３内への２次側流体の流通がオリフィス６を通じて行われるため、第１の圧力室３内への２次側流体の流通が制限されて弁体４０の移動速度が小さくなり、シール部材４８が弁座２９に当接する際の速度が小さくなり、シール部材４８が弁座２９に当接した後に跳ね返ることが抑制されるので、接続部２８の閉塞を確実に行なうことができ、その結果、２次側流体の圧力にチャタリングが発生するのを抑制することができる。

以上のように、上記実施の形態の減圧弁１によれば、弁体４０が接続部２８を開閉する際の慣性によって過度に移動してシール部材４８が弁座２９から過度に離間するのが抑制され、その結果、接続部２８の開度が過大になって２次側流体の圧力のオーバーシュートするのが抑制される。
また、シール部材４８が弁座２９に当接する際の速度が小さくなることにより、シール部材４８が弁座２９に当接した後に跳ね返ることが抑制されるので、接続部２８の閉塞を確実に行なうことができる。
その結果、２次側流体の圧力にチャタリングが発生するのを抑制することができる。

弁体４０に対して２次側流体の圧力を付与する第１の圧力室３と流出口３１の間に形成されたオリフィス６が緩衝手段として設けられているので、１次側流体の圧力と２次側流体の圧力の差が大きくなるに従い、弁体４０が弁座２９から離間する移動速度が抑制され、その結果、接続部２８の開度が過度に大きくなることが抑制され、１次側から２次側に安定した減圧圧力で、安定した流量の流体を流すことができる。

また、弁体４０から延在するロッド部４９と流出口３１の間に形成される間隙Ｇによって形成されるオリフィス６によって、第１の圧力室３と流出口３１の間の流体の流通が制限されるようになっているので、簡単な構成にて弁体４０の移動速度が抑制され、また、弁体４０には流入口２１から流出口３１に流体が流通可能な流通路４３が形成されているので、接続部２８が開放された場合に流入口２１から流出口３１への流体の流通量を大きく確保することができる。

また、上記実施の形態の減圧弁１によれば、緩衝手段が、弁体４０から延在するロッド部４９と流出口３１の流出口絞部３２との間の間隙Ｇによって形成されるオリフィス６から構成されているので、１次側流体の圧力、２次側流体の圧力等、種々の使用条件に対して、間隙Ｇの大きさの調整によって容易に対応することができる。

なお、この発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更をすることが可能である。
上記実施の形態においては、緩衝手段が、流出口３１の流出口絞部３２と、流出口絞部３２に挿入されたロッド部４９とにより形成されるオリフィス６の場合について説明したが、他の緩衝手段、例えば、弁室の２次側に形成された圧力室に限らず、他の構成の圧力室や、オイルダンパー等の油圧式緩衝手段、電磁式の緩衝手段、又は弾性体等を用いてもよい。

また、接続部２８から流出した流体が、弁体４０に形成された流通路４３及び補助流路４３ａを流通して、流出路３１に流出される場合について説明したが、接続部２８を通過した流体が通過する流路については、弁体４０の内部ではなく、弁体４０の外部に形成された、例えば、減圧弁本体１０内に形成され、又は減圧弁本体１０の外部に設けられた配管による流路を流通して、流出路３１に流出するように構成してもよい。

また、付勢部材がコイルスプリング５０により構成される場合について説明したが、付勢部材については、円すい形等の他のコイルバネ、たけのこバネ、皿バネ、樹脂で形成された弾性体等、種々の構成のものを使用することが可能である。

また、減圧弁１で使用可能な流体としては、窒素、アルゴン等の不活性ガス、水素、メタン、エチレン等の可燃性ガス、酸素等の支燃性ガス、塩素、二酸化硫黄等の腐食性ガスをはじめとする気体のほか、水、酸又はアルカリを含有する液体等、種々の流体を対象とすることができる。

本発明の一実施の形態を示す全体断面図である。

符号の説明

１ 減圧弁
２ 弁室
３ 第１の圧力室
６ オリフィス（緩衝手段）
１０ 減圧弁本体
２１ 流入口
２８ 接続部
２９ 弁座
３１ 流出口
４０ 弁体
４３ 流通路
４３ａ 補助流通路
４８ シール部材
４９ ロッド部
５０ コイルバネ（付勢部材）
Ｇ 間隙

Claims (1)

1. １次側流体の流入口と、
   ２次側流体の流出口と、
   前記流入口と流出口とを連通するとともに流入口との接続部に弁座が設けられた弁室と、
   前記弁座を押圧するシール部材を有するとともに、前記弁室内に移動自在に配置され、
   前記２次側流体の圧力により前記シール部材を前記弁座に押圧する弁体と、
   前記シール部材を前記弁座から離間する方向に付勢する付勢部材とを備え、
   前記２次側流体の圧力が所定圧になることで前記シール部材が前記弁座に押圧して前記接続部を閉塞されるとともに、前記２次側流体の圧力が所定圧未満となることで前記シール部材が前記弁座から離間して、前記接続部が開放される減圧弁であって、
   前記シール部材が弁座を開閉する際の移動速度を小さくする緩衝手段を備え、
   前記緩衝手段は、前記弁室の２次側に形成される第１の圧力室と流出口の間にオリフィスを設け、
   前記オリフィスは、
   前記弁体から延在するロッド部と流出口の間に形成される間隙によって形成され、前記弁体には、前記接続部が開放された場合に、前記流入口から前記流出口に流体が流通可能な流通路が形成されていることを特徴とする減圧弁。

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