JP4714008B2

JP4714008B2 - 圧力調整器

Info

Publication number: JP4714008B2
Application number: JP2005338109A
Authority: JP
Inventors: 信之川村; 宏和 ▲桑▼原
Original assignee: Honda Motor Co Ltd; Hamai Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd; Hamai Co Ltd
Priority date: 2005-11-24
Filing date: 2005-11-24
Publication date: 2011-06-29
Anticipated expiration: 2025-11-24
Also published as: JP2007146875A

Description

本発明は、圧力調整器に係り、詳しくは１次圧の変動に２次圧が影響を受けない圧力調整器に関するものである。

従来、高圧ガスのガス圧を調整し、所望の圧力に減圧する装置として、圧力調整器がある。この圧力調整器における減圧構造は、大別して、ピストンタイプと、ダイアフラムタイプの２種類が存在する。
例えば、ピストンタイプの圧力調整器は、特許文献１に開示されている如く、ピストンに加わる１次圧と、これに抗する２次圧のバランスを調整し、所望の２次圧に設定するものである。また、ダイアフラムタイプの圧力調整器は、特許文献２に開示されている如く、ダイヤフラムを介して弁体を開閉動作させ、ダイヤフラムに加わる１次圧と、ダイヤフラムに作用する付勢部材（スプリング等）とのバランスによって、弁体を開放し、所望の２次圧を得るものである。
特開２００３−９７７９６号。特開平１１−３９０４２号。

ピストンタイプの圧力調整器は、１次圧の変動によって、２次圧も変動するといった問題があった。また、ダイアフラムタイプの圧力調整器は、２次圧は、１次圧の変動に影響されないが、１次圧が高圧である場合には、圧力に耐え得る強度を有するダイヤフラムが得られないといった問題があった。また、調圧するガスが水素ガスである場合には、従来のダイアフラムタイプでは、ダイヤフラムを水素が透過してしまうため水素ガス密封することが難しいといった問題もあった。
特に、水素ガスを燃料として使用する燃料電池自動車や、水素ガスを燃料として燃焼する水素ガス自動車では、搭載する水素ガス量を増やすために、高圧水素ガス容器が用いられている。このような車両用の高圧水素ガス容器を用いると、高圧の１次圧（例えば、３５メガパスカル）を低圧の２次圧（例えば、１．５メガパスカル以下）に減圧する必要があり、このうように、１次圧と２次圧の差が過大である場合には、ピストンタイプを用いなければならず、この場合には、１次圧の変動による２次圧の変動が特に大きいといった問題がある。

この発明の目的は、高圧ガスの減圧に使用可能で、２次圧が１次圧の変動により影響されない圧力調整器を提供することにある。

以上のような問題を解決する本発明は、以下のような構成を有する。
（１）本体と、
前記本体内において、１次圧側に連通する１次圧室と、
前記１次圧室に対して弁座口を介して連通する弁室と、
前記弁室に連通し、該弁室よりも内径が大きい２次圧室とを有し、
前記弁室に挿入され、前記弁座口に押圧される弁体部が設けられた減圧部材と、
前記減圧部材に設けられ、前記弁室内に挿入される第１ピストンと、
前記減圧部材に設けられ、前記第１ピストンよりも大径であって、前記２次圧室内に挿入される第２ピストンと、
弁座口から弁体部を離間させる方向へ前記減圧部材を付勢する付勢部材と、
前記減圧部材内に設けられ弁座口が弁体部により塞がれた状態で１次圧室に連通する背圧室と、
前記背圧室に嵌入孔を介して連通するシリンダ室に挿入され、前記本体側に設けられた第３ピストンとを有し、
前記第３ピストンの先端には、前記第３ピストンの径より小径の嵌入部が形成され、前記嵌入部は、前記嵌入孔に嵌入されていることを特徴とする圧力調整器。

（２）前記第３ピストンの径は、弁座口の径と同一である上記（１）に記載の圧力調整器。

（３）弁体部は、弁座口に押圧されるシール部材と、
前記シール部材に形成され、前記背圧室と前記１次圧室とを連通する連通路と、
前記シール部材の背圧室側面に臨む開口と２次圧室側とを連通する連通孔と、
前記連通孔への前記背圧室側からの通気を不能とする遮断部とを有する上記（１）又は（２）に記載の圧力調整器
（４）前記遮断部は、前記シール部材の背圧室側面、又はこれに対向するシール部材を収納する収納部内の背圧室開口周囲面の内、いずれか一方に形成された環状凸条部である上記（３）に記載の圧力調整器。

（５）
前記凸条部の径は、弁座口の径よりも小さい上記（４）に記載の圧力調整器。

（６）弁体部は、弁座口に押圧されるシール部材と、
前記背圧室と前記１次圧室とを連通する連通路と、
前記弁体部に設けられ、前記シール部材を収納する収納部とを有し、
前記収納部内において、収納されたシール部材の背圧室側面に臨む位置に一端が開口し、他端が前記１次圧室よりも下流側に開口する連通孔を有する上記（２）に記載の圧力調整器。

請求項１に記載の発明によれば、背圧室に供給される１次圧によって、減圧部材に対して弁座口へ向けて減圧部材を押し出す力が作用し、１次圧によって、弁座口から離間する方向に加わる力が減殺される。２次圧は、主として、第２ピストン径と第１ピストン径の差と、付勢部材の付勢力とによって決定されることとなり、１次圧の変動により、２次圧の値に与える影響を抑制することができる。
請求項２に記載の発明によれば、特に、第３ピストン径と弁座口の径とを同一とすることによって、減圧部材に対して作用する、１次圧により起因する力を相殺させることができるので、１次圧の変動による２次圧の変動を防止できる。

請求項３に記載の発明によれば、空間内は、１次圧よりも圧力が低い２次圧となっているので、１次圧によってシール部材を減圧部材側へ押し込む力が働く。これにより、シール部材が減圧部材から離脱するといった不都合が抑制される。
請求項４に記載の発明によれば、前記空間は、前記シール部材の背圧室側の前記減圧部材に形成された凸状部と、該凸状部に接触する前記シール部材の背圧室側面とによって構成されるため、シール部材の収容部内に凸状部を設けるといった簡易な構成でシール部材の離脱を抑制できる。

請求項５に記載の発明によれば、１次圧の作用による、シール部材を収納部から押し出す力よりも押し込む力が大きくなるので、シール部材の離脱をより一層抑制できる。
請求項６に記載の発明によれば、シール部材は、シール面に対して反対側の背圧室側面が、連通孔を介して１次圧よりも圧力が低い下流側に連通しているので、１次圧により、シール部材を収納部へ押し込む圧力が働き、シール部材が収納部から離脱するといった問題が解消される。

以下本発明の好適実施形態について添付図面に基づいて詳細に説明する。本発明の圧力調整装置は、高圧水素ガス容器から高圧水素ガスを取り出す際に、容器内圧（１次圧）を所望の圧力（２次圧）に減圧する際に使用される。取り付け位置は、例えば、高圧水素ガス容器の取り出し口や、配管途中であってもよい。
図１は、本発明の圧力調整器１の全体断面側面図である。圧力調整器１は、ハウジングである本体２と、本体２内に収納された減圧部材３と、減圧部材３と本体２の底部との間に介挿された付勢部材であるスプリング４と、減圧部材３に保持されたシール部材５とを備えている。

本体２は、筒状に形成され、２つの筒体２ａと２ｂとを、それぞれの開口を螺合させて一体化することにより構成されており、内側に減圧部材３を収納する収納空間２０を画成している。筒体２ａ側には、水素ガス容器又はガス供給配管に接続される１次側接続部２１が設けられ、該接続部２１の先端には、供給口２１１が開口し、該供給口２１１は、供給路２１２を介して１次圧室２１３に連通している。供給口２１１、供給路２１２、１次圧室２１３及び後述する弁座口２１４は、筒体２ａの軸線上に配置されている。

筒体２ａの内側には、スプリング４を収納するスプリング収納部２０１が、筒体２ａの中心軸を中心として円環状に形成され、この円環に沿ってコイル状のスプリング４が収容される。さら、スプリング収納部２０１の内側には、減圧部材３が挿入される弁室２０２が形成されている。弁室２０２は、減圧部材３に設けられた第１ピストン３１が気密に摺動するシリンダとして機能する。
弁室２０２の軸線は、筒体２ａと同一軸線上に位置している。弁室２０２は、既述の１次圧室２１３と、弁座口２１４を介して連通しており、弁座口２１３の周端部には、弁室２０２の凹んだ底面から隆起した円環状の凸条で構成される弁座２０３が設けられている。

図２に示されているように、弁室２０２内において、減圧部材３の先端部に形成された隙間により、減圧室２０４が画成される。
減圧部材３は、先端部の円筒状に形成された挿入部３２と、挿入部３２の基端側に設けられた筒状の本体部３３と、本体部３３の基端側に接続された第２ピストン３４とを有している。挿入部３２は、弁室２０２に挿入され、外周には環状シール材が埋設された第１ピストン３１が設けられている。第２ピストン３４の外径は、第１ピストン３１の外径より大きく構成されている。第２ピストン３４には、スプリング受け部３４１が設けられ、スプリング受け部３４１と本体2との間に、圧縮スプリング４が介挿されている。圧縮スプリング４によって、減圧部材３は、弁座口２１４から離間する方向へ付勢される。挿入部３２の先端面と、本体部３３の内空３３１との間は、流路３２１が形成されており、減圧室２０４と、２次圧室とを連通している。

さらに、挿入部３２の先端面には、先端面から突出して形成された弁体部３５が設けられている。弁体部３５は、弁座口２１４へ向けて突出しており、円筒状に凹んだ収容部３５１を有し、収容部３５１内にはシール部材５が収容されている。収容部３５１は、先端へ向けて内径が漸減する形状に構成され、シール部材５が先端側へ外れないように構成されている。収容部３５１の中央部には、背圧室３６１が連通し、さらには背圧室３６１には嵌入孔３６２が連通している。嵌入孔３６２には、後述する第３ピストン２４１が挿入されるシリンダ室３６３が連通している。

収容部３５１、背圧室３６１、嵌入孔３６２、シリンダ室３６３は、それぞれ減圧部材３の軸線上に配置されている。背圧室３６１、嵌入孔３６２、シリンダ室３６３により、背圧室としての機能が発揮される。
収容部３５１内には、背圧室３６１の開口の周囲面３５２に、突起が環状に連続した凸条部３７１が形成されている。該凸条部３７１の外側には、収容部３５１の内壁とシール部材５の背面５２との間に空間３７２が形成されている。空間３７２には、シール部材５の背面に望む開口３７４を有する連通孔３７３の一端が接続され、他端は流路３２１に連通している。凸条部３７１は、シール部材５の背面５２と接触することによって、背圧室３６１側からガスが流入することを防止する遮断部として機能する。この凸条部３７１は、シール部材５の背面５２に形成されていてもよい。

シール部材５の中央には、弁座口２１４に対向するシール面５１と背面５２とを連通する連通路５３が形成されている。連通路５３は、シール部材５が弁座２０３に押圧された状態で、１次圧室２１３に連通する。この連通路５３によって、背圧室３６１には１次圧が供給される。
一方、減圧部材３の基端部に設けられた第２ピストン３４は、筒体２ｂの内側に形成されたシリンダ部２３内に収容され、気密状態で摺動可能に構成されている。このシリンダ部２３によって２次圧室が構成される。

筒体２ｂの外部中央には、筒体２ｂの軸線上に出口側接続部２２が設けられ、該接続部２２の先端には、排出口２２１が形成され、排出口２２１には、軸線上に形成された排出路２２２が接続されている。排出路２２２には、シリンダ部２３に連通する複数の排出通路２２３が形成されている。
筒体２ｂのシリンダ部２３の中央には、支柱２４が軸線に沿って設けられ、先端には、支柱２４より小径の第３ピストン２４１が立設され、さらにその先端には、更に小径の嵌入部２４２が形成されている。支柱２４、第３ピストン２４１、嵌入部２４２は、筒体２ｂの軸線上に位置している。嵌入部２４２は、減圧部材３の嵌入孔３６２に嵌入され、第３ピストン２４１は、外周に環状シール材が埋設されて、シリンダ室３６３に、気密状態で摺動自在に挿入される。

以上のように構成された本発明の圧力調整器１の作用について説明する。図１に示されているように、ガスが流入していない待機状態では、減圧部材３は、スプリング４の付勢力によって、弁体部３５が弁座２０３から離れた状態に固定されている。
１次圧室２１３に高圧ガスが供給されると、減圧室２０４、流路３２１、本体内空３３１、シリンダ部２３の順にガスが流入し、シリンダ部２３で構成される２次圧室のガス圧が上昇し、このガス圧が予め設定された２次圧に達した時点で、２次圧が、スプリング４の付勢力に抗して、減圧部材３を弁座２０３の方向へ移動させる。弁座２０３にシール部材５が押接されることにより、１次圧ガスの減圧室２０４への流入が遮断されるので、２次圧室へのガスの供給が止まり、２次圧室のガス圧が減少する。このガス圧の減少により減圧部材３を弁座２０３の方向へ移動させる圧力よりもスプリング４の付勢力が強くなった時点で、減圧部材３は元の位置へ戻され弁座口２１４が開放される。以上の動作が繰り替えされることにより、１次圧は、２次圧に減圧される。

また、スプリング４の付勢力によって、２次圧が決定される。例えば、スプリングの弾性係数を大きくする程、２次圧は大きくなり、小さくする程、２次圧は小さくなる。
ここで、弁座２０３に弁体部３５が押圧されている状態では、連通路５３によって、背圧室３６１内は１次圧となっている。背圧室３６１内のガス圧は、シリンダ部３６３と第３ピストン２４１の作用によって、減圧部材３を弁座２０３の方向へ押し出す圧力を発生させる。また、シール部材５のシール面５１には、減圧部材３を弁座２０３から離間させる方向へ圧力を加える。即ち相互に逆向きに作用し、減圧部材３に作用する力を相殺させる。この１次圧によって発生する外力は、第３ピストン２４１の外径（シリンダ室３６３の内径）と、弁座２０３の径によって決定される。弁座２０３の径が、第３ピストン２４１の外径よりも大きければ、１次圧により、減圧部材３を弁座２０３から離間させる方向に作用する力が強くなる。弁座２０３の径が、第３ピストン２４１の外径よりも小さければ、１次圧により、減圧部材３を弁座２０３方向に押し出す力が強くなる。そして、弁座２０３の径と、第３ピストン２４１の外径が同一であれば、１次圧により減圧部材３に作用する力は相殺され略ゼロとなる。本実施形態では、弁座２０３の径と、第３ピストン２４１の外径が同一に設定されている。

従って、減圧部材３に作用する力は、２次圧によって発生する力と、スプリング４の付勢力のみとなり、２次圧によって発生する力は、第２ピストン３４の外径と第１ピストン３１の外径と差によって決定される。即ち、１次圧の値に関わりなく、スプリング４の弾性係数と、第１ピストン及び第２ピストンの径を決定することで、２次圧値を設定することが可能となる。
このような構成とすることで、高圧水素ガス容器ないのガスが消費され、容器内ガス圧が低下し、１次圧が低下した場合であっても、圧力調整器１で減圧された２次圧値は、一定に維持させることができる。

また、弁体部３５に形成された、連通孔３７３は、減圧室２０４の下流側と、シール部材５の背面側とを連通させているので、減圧室２０４の下流側と、減圧室２０４の上流側である１次圧室２１３と背圧室３６１との圧力差により、シール部材５を収容部３５１内へ押さえ込む作用を発揮する。ここで、凸条部３７１は、背圧室３６１内のガスが直接連通孔３７３へ流入することを防止するものであり、凸条部３７１により、連通孔３７３が確実に機能する。

尚、凸条部３７１は、環状に形成されており、この環の径は、弁座２０３の径よりも小さいことが好ましい。シール部材５には、２つの方向から１次圧が加わる。つまり、弁座２０３側から加わる１次圧と、背圧室３６１側から加わる１次圧である。この圧力によって加わる力は、弁座２０３の径と、凸条部３７１の径によって、圧力の加わる面積が決まるため、径の小さい方が、加わる力が小さくなる。弁座２０３の径よりも凸条部３７１の径を小さくすることで、シール部材５を離脱させる力よりも、押し込む力が大きくなるので、より好ましい。
シール部材５の中央には、弁座口２１４に対向するシール面５１と背面５２とを連通する連通路５３が形成されている。連通路５３は、シール部材５が弁座２０３に押圧された状態で、１次圧室２１３に連通する。この連通路５３によって、背圧室３６１には１次圧が供給される。

図３は、弁体部３５の他の構成例を示す部分拡大断面側面図である。この弁体部３５では、弁体３５の先端部に、背圧室３６１に連通する通路３６１ａが開口し、通路３６１ａの周囲に、円環状の溝が形成され、環状シール部材５ａを収納する収納部３５１ａが設けられている。収納部３５１ａは、開口側（弁座２０３に対向する側）の内壁が内側に傾斜して、開口幅が漸減する構成となっており、収納されているシール部材５ａが、弁座２０３側へ容易に離脱しないように構成されている。シール部材５ａは、外側に露出する面が弁座２０３に押接するシール面５１となっており、その他の面は、収納部３５１ａにより覆われている。

収納部３５１ａ内では、連通孔３７３の一端開口３７４が、シール部材５ａの背圧室３６１側（シール面５１の反対側）の面５２に臨む位置に設けられており、連通孔３７３の他端は流路３２１の開口３７５となっている。この連通孔３７３の開口３７５は、１次圧よりも低い圧力となっている空間であれば、何れの位置に設けられていてもよい。開口３７５を、そのような位置に設けることによって、シール部材５ａに対して、１次圧との圧力差により、連通孔３７３へ向けて押し込む力が作用し、シール部材５ａの収容部３５１ａからの離脱が抑制される。なお、開口３７４は、シール部材５ａの外側面に臨む位置に設けられていても良いが、シール面５１からより離れた位置であることが望ましい。

本発明の圧力調整器の全体断面側面図である。弁体部の拡大断面側面図である。他の実施形態における弁体部の拡大断面側面図である。

符号の説明

１圧力調整器
２本体
２１３１次圧室
２１４弁座口
２０２弁室
２４１第３ピストン
３減圧部材
３１第１ピストン
３４第２ピストン
３６１背圧室
４スプリング（付勢部材）
５シール部材

Claims

本体と、
前記本体内において、１次圧側に連通する１次圧室と、
前記１次圧室に対して弁座口を介して連通する弁室と、
前記弁室に連通し、該弁室よりも内径が大きい２次圧室とを有し、
前記弁室に挿入され、前記弁座口に押圧される弁体部が設けられた減圧部材と、
前記減圧部材に設けられ、前記弁室内に挿入される第１ピストンと、
前記減圧部材に設けられ、前記第１ピストンよりも大径であって、前記２次圧室内に挿入される第２ピストンと、
弁座口から弁体部を離間させる方向へ前記減圧部材を付勢する付勢部材と、
前記減圧部材内に設けられ弁座口が弁体部により塞がれた状態で１次圧室に連通する背圧室と、
前記背圧室に嵌入孔を介して連通するシリンダ室に挿入され、前記本体側に設けられた第３ピストンとを有し、
前記第３ピストンの先端には、前記第３ピストンの径より小径の嵌入部が形成され、前記嵌入部は、前記嵌入孔に嵌入されていることを特徴とする圧力調整器。
前記第３ピストンの径は、弁座口の径と同一である請求項１に記載の圧力調整器。
弁体部は、弁座口に押圧されるシール部材と、
前記シール部材に形成され、前記背圧室と前記１次圧室とを連通する連通路と、
前記シール部材の背圧室側面に臨む開口と２次圧室側とを連通する連通孔と、
前記連通孔への前記背圧室側からの通気を不能とする遮断部とを有する請求項１又は２に記載の圧力調整器。
前記遮断部は、前記シール部材の背圧室側面、又はこれに対向するシール部材を収納する収納部内の背圧室開口周囲面の内、いずれか一方に形成された環状凸条部である請求項３に記載の圧力調整器。
前記凸条部の径は、弁座口の径よりも小さい請求項４に記載の圧力調整器。
弁体部は、弁座口に押圧されるシール部材と、
前記背圧室と前記１次圧室とを連通する連通路と、
前記弁体部に設けられ、前記シール部材を収納する収納部とを有し、
前記収納部内において、収納されたシール部材の背圧室側面に臨む位置に一端が開口し、他端が前記１次圧室よりも下流側に開口する連通孔を有する請求項２に記載の圧力調整器。