JP5040826B2 - 弁装置 - Google Patents

Description

本発明は、弁装置に関し、詳しくは、水素ガスなどの高圧ガスを貯蔵するガスタンクに適用できる軽量化された弁装置に関する。

高圧流体を貯蔵するガスタンクの開口部を閉塞する栓体には、ガスタンクの内部と外部とを連通する１以上の流路をもち、その流路内におけるガスの流通を制御する弁装置が設けられている。弁装置の一例として、外部に導出するガスの圧力を制御する減圧弁がある。

弁装置としては弁体などをもつ弁部材をもち、その弁部材が装着される弁挿着孔が内部に形成されたボディを有する。この弁挿着孔には高圧流体を導入する導入流路の一端が開口される。

ところで、近年、燃料電池を用いた車両の開発が進められている。燃料電池の燃料として高圧の水素ガスを用いる方法がある。この高圧の水素ガスを貯蔵するために用いられるガスタンクは弁装置などの付属機器も含めて軽量化が求められている。例えば、弁装置について軽量化するために、比重が小さいアルミニウム合金からボディを形成する試みが行われている（特許文献１など）。
特開平７−３５２５７号公報（請求項１など） 特開２００５−３２５８９１号公報（請求項１、図１など）

ところで、弁部材はある程度の大きさが必要であるため、弁を装着する孔である弁挿着孔の内径の方が高圧ガスを導入する流路である導入流路の内径よりも大きくなる。従って、導入流路の一端が弁挿着孔内に開口する際に、相対的になだらかな弁挿着孔の内面に導入流路の一端が開口する形態になる。そのため、弁挿着孔内に導入流路が開口する開口部には鋭利な角が形成されることになり、その角の部分に応力が集中することになる。先述したように、弁装置の軽量化のため、ボディの材質をアルミニウム合金にする場合には、応力集中による耐久性の低下が問題になる。応力集中を軽減するには、ひとたび形成された鋭利な角を後加工により鈍角にすることも考えられるが、後加工を行うことによる無視できないコストの上昇が問題になる。

本発明は上記実情に鑑み完成されたものであり、軽量化しても耐久性の高い弁装置を提供することを解決すべき課題とする。

上記課題を解決する請求項１に係る弁装置の特徴は、高圧流体の流れを制御する弁部材と、
前記弁部材が内設され、前記高圧流体が流入する高圧側の内面が円筒状である弁挿着孔と、前記弁挿着孔の前記高圧側の円筒状空間の側面に一端が開口し、前記円筒状空間の軸方向に交叉する方向に形成された連通孔であり、前記高圧流体が前記弁挿着孔内に流れ込む導入流路と、をもつ内部空間を区画するボディと、
を有し、
前記ボディはアルミニウム合金から形成され、
前記導入流路は前記円筒状空間内面の前記導入流路の開口部における法線に対して前記円筒状空間の軸方向から見て傾斜していることにある。

上記課題を解決する請求項２に係る弁装置の特徴は、請求項１において、前記導入流路は前記円筒状空間の軸方向に対して垂直方向に形成されていることにある。

上記課題を解決する請求項３に係る弁装置の特徴は、請求項１又は２において、前記導入流路は真っ直ぐに形成された孔であり、
前記導入流路の前記一端方向への延長線は前記円筒状空間の中心軸に対してずれていることにある。

上記課題を解決する請求項４に係る弁装置の特徴は、請求項１〜３の何れか１項において、前記弁部材は減圧弁であることにある。

請求項１に係る発明においては、高圧流体を導入する流路である導入流路を形成する方向を弁挿着孔の内面に対して傾斜することにより、導入流路が弁挿着孔の内面に開口する部分が応力集中を緩和できる形態とすることができる。導入流路は円筒状空間内面の導入流路の開口部における法線に対して円筒状空間の軸方向から見て傾斜している。換言すると、導入流路は弁挿着孔の円筒状空間内面の導入流路の開口部における法線に対して円筒状空間の周方向に傾斜しているものである。開口部における応力集中が抑制できるため、弁装置の耐久性が向上できる。

請求項２に係る発明においては、導入流路が円筒状空間の軸方向に対して垂直方向に形成されていることにより、応力集中を効果的に緩和することができる。

請求項３に係る発明においては、導入流路を真っ直ぐに形成することにより加工が容易になると共に、円筒状空間の中心軸からずらすことで応力集中を十分に緩和することできる。

請求項４に係る発明においては、減圧弁に採用することにより高い性能を発揮することができる。減圧弁における高い頻度で弁の開閉に伴い、応力の大きさも変動するため、応力集中の低減効果が顕著に表れる。

以下、本発明の弁装置を３５ＭＰａ以上の圧力である高圧流体としての水素ガスをエネルギ効率が適した状態で貯蔵する水素用ガスタンクにおいて水素ガスを所定の圧力に減圧する減圧弁に具現化した一実施形態を図面に従って説明する。高圧の水素ガスを扱う弁装置とすることにより高い性能を発揮することができる。このような高い圧力のガスを流通させることにより、弁装置には非常に高い応力が加わることになるため、応力集中の低減効果が顕著に表れる。

（構成）
本実施形態の減圧弁は、図１に示すように、導入流路１１１に対してＡ方向に導入される高圧の水素ガスを所望の圧力に減圧し、導出流路１１２からＢ方向に導出する弁である。導入流路１１１には高圧の水素ガスを貯蔵する高圧水素タンク（図略）のガス導出口（図略）に接続され、導出流路１１２は水素の供給が必要な装置（図略）の水素供給口（図略）に接続される。

本実施形態の減圧弁は、弁機構１０と調圧機構２０とを有する。

弁機構１０はボディ１１とポペット１２とシート１３とその他の部材とをもつ。ボディ１０はアルミニウム合金から形成される。アルミニウム合金としては熱処理をしたＡ６０６１（Ａ６０６１−Ｔ６）が例示できる。調圧機構２０はピン２１と調圧ピストン２２とスプリング２３と調圧ねじ２４とカバー２５とその他の部材とをもつ。

（弁機構１０）
ポペット１２は先端の一部が先細の略円錐形状となった柱状物である。先端の略円錐形状部分の外周面がシート１３に形成された孔内に着離することにより、本弁機構１０の開閉が行われる。ポペット１２の先端の略円錐形状部分の更に先端には先端部が平らになった柱状の部材が設けられている。この先端の柱状部材がある程度の隙間を介して挿入可能な孔がシート１３に設けられている。この先端の柱状部材が軸方向に押されることによりポペット１２が軸方向に移動する。この先端の柱状部材の押圧は調圧機構２０のピン２１により行われる。つまり、ポペット１２は、ピン２１により適宜、押圧されることにより弁機構１０の開閉を行い、結果、流出する水素ガスの圧力を制御する。

ポペット１２の内部には、略円錐形状部分と反対方向に開口する柱状の空洞であるスプリング収納部が形成されている。そのスプリング収納部内にはポペット１２を略円錐形状部分方向に向けて一端側で付勢するスプリング１４が配設されている。スプリング１４の付勢力は後述するスプリング２３の付勢力よりも十分に小さい値とする。スプリング１４の他端側は押さえ部材１６にて押さえられている。押さえ部材１６は一端部がポペット１２に形成されたスプリング収納部に一端側から緩嵌される緩嵌部をもつ。緩嵌部の他端側にはポペット１２の開口部がそれ以上進むことができず、それ以上、緩嵌部がポペット１２のスプリング収納部内に挿入できないように規制する段差部をもつ。段差部によりポペット１２の軸方向の移動距離が制限される。ポペット１２はその軸方向に移動可能なガイド空間が形成されたガイド部材１５と共にボディ１１内に設けられた円筒状空間１１ａ内に配設される。ガイド空間はガイド部材１５を貫通する孔である。ガイド空間の開口径は一端部を除き、ポペット１２がほぼ隙間なく通過可能な大きさで概ね同じ長さである。ガイド空間の一端部はポペット１２の略円錐形状部分に対応する側の端部であり、ポペット１２が通過できない程度に縮径されている。この縮径部分にシール部材１３が嵌め込まれている。ポペット１２の外周部にはガイド空間の内周部との間に水素ガスが流通可能にする隙間を形成するため、軸方向に延びる溝１２１が形成される。

ボディ１１内には一端が開口する円筒形状の円筒状空間１１ａが形成されている。その円筒状空間１１ａの開口部には更に拡径された開口凹部が形成される。開口凹部の底面には導出流路１１２が斜め方向に形成される。導出流路１１２の内径は後述する導入流路１１１の内径よりも大きくなっている。押さえ部材１６及びガイド部材１５はこの順で円筒状空間１１ａ内の奥から配設されている。ボディ１１の円筒状空間１１ａの内面における押さえ部材１６及びガイド部材１５が配設される部分にはねじ溝が形成されており、対応するねじ溝が外周に形成された押さえ部材１６及びガイド部材１５をねじ込むことにより挿設される。押さえ部材１６及びガイド部材１５の間には、ボディ１１の円筒状空間１１ａの軸方向に隙間が形成されており、この隙間を通じて水素ガスを流通させる。ボディ１１の円筒状空間１１ａには、先述の押さえ部材１６及びガイド部材１５の間に形成された隙間に対応する位置に一端が開口する導入流路１１１が形成されている。導入流路１１１の内径はボディ１１の円筒状空間１１ａの内径よりも小さくなっている。導入流路１１１については後に詳述する。ガイド部材１５及びボディ１１の円筒状空間１１ａの間にはＯリングであるシール部材１５１が介設されている。シール部材１５１は水素ガスの圧力により図１における図面上方向に付勢されるのでシール部材１５１にはバックアップリング１５２及び１５３を隣（図面上方側）に配設している。

（調圧機構２０）
ピン２１は先端部が略円錐形状になった柱状部材である。ピン２１の略円錐形状部分の更に先端には先端が平らになった柱状部材が形成されている。この柱状部材の径は、先述したポペット１２の先端に形成されている柱状部材の大きさと同程度の大きさであり、このピン２１の先端部分によりポペット１２の先端部分を押圧するものである。ピン２１は同程度の径の孔をもつピンガイド部材２６内に挿設されている。ピンガイド部材２６に設けられた孔は一端部が縮径された円柱形状をもつ。一端部の縮径の程度はピン２１の先端部が挿入可能な程度となっている。

ピンガイド部材２６は一端部をガイド部材１５に向けて、ガイド部材１５に装着されている。ガイド部材１５にはピンガイド部材２６が装着できる孔が形成されており、ピンガイド部材２６の外周及びガイド部材１５の孔の間には螺合可能なねじ溝が形成されている。なお、ガイド部材１５及びピンガイド部材２６にてシール部材１３を挟持・固定している。ピン２１は、ピンガイド部材２６内において、軸方向に移動可能である。ピン２１がポペット１２側に移動することで、ポペット１２を軸方向に押圧し、弁機構１０は開弁状態になる。反対にピン２１がポペット１２とは反対方向に移動することによりポペット１２への押圧は解消される。ピン２１の外周部は角柱状になっており、ピンガイド部材２６に設けられた孔の内周との間に隙間を形成する。この隙間を通じて水素ガスが流通する。

ピン２１は先端部の反対側である他端部にてピストン２２にて押圧される。ピン２１はピストン２２及びポペット１２の間に挟持されて軸方向に移動することになる。ピン２１はピストン２２の先端突部２２１ａにて押圧される。ピストン２２がピンガイド部材２６に当接するときにピン２１の先端部がポペット１２を押圧して弁機構１０が開弁状態になる程度の大きさに先端突部２２１ａの大きさが決定される。ピストン２２はピストン本体部２２１とシール部材２２２とホルダー２２３と摺動部材２２４とをもつ。シール部材２２２はカバー２５との間の気密を保つＯリングであり、ホルダー２２３によりピストン本体部２２１に保持されている。ピストン２２は、摺動部材２４により、カバー２５の内面を滑らかに摺動することができる。カバー２５は一端部が大きく開口し、その開口方向にピストン２２を付勢するスプリング２３が配設される。カバー２５は、ボディ１１の開口凹部に、双方の開口部が対抗するように嵌め込まれる。両者の間の気密はシール部材２５１にて保持される。スプリング２３の一端はピストン２２をピン２１方向に付勢し、他端はカバー２５内に配設されたスプリング押さえ２７に当接している。スプリング押さえ２７に対してスプリング２３に当接する側と反対方向から押圧する調節ねじ２４が配設される。調節ねじ２４はカバー２５の開口方向反対側に設けられたねじ孔にねじ込まれており、ねじ込みの程度を調節することにより、スプリング押さえ２７の位置を調節する。スプリング押さえ２７の位置を変位されることにより、スプリング２３の圧縮の程度を調節することができ、スプリング２３によりピストン２２を付勢する付勢力の大きさを調節することができる。カバー２５内外を適宜、連通できる開放弁２８が配設される。

（ボディ１１）
ボディ１１の円筒状空間１１ａに一端が開口する導入流路１１１が形成される方向は、その円筒状空間１１ａの内面に対して傾くように形成される。特に、導入流路１１１は加工の容易さの観点から真っ直ぐな孔として形成可能であり、その場合には導入流路１１１を軸方向に延長した場合に、円筒状の円筒状空間１１ａの軸とは、ずれており交わらない。特に、導入流路１１１は、図２に示すように、ボディ１１の円筒状空間１１ａの軸方向の断面における接線に沿って形成されることが望ましい。その結果、導入流路１１１の中心軸１１１ｃを円筒状空間１１ａ方向に延長した場合、円筒状空間１１ａの中心軸１１ｃから、ずれることになる。導入流路１１１はボディ１１の円筒状空間１１ａの軸方向に対して垂直になるように形成されることが望ましい。

（作用効果）
本実施形態の弁装置は以上の構成をもつことから以下の作用効果を発揮する。まず、質量が相対的に大きいボディ１１を形成する材料をアルミニウム合金としたことにより、軽量化が実現できる。ボディ１１の円筒状空間１１ａには高圧の水素ガスが導入されるため、ボディ１１にも高い強度が求められる。そんため、ボディ１１は必然的に質量が大きくなっているため、ボディ１１をアルミニウム合金にすることによる軽量化を行った結果、弁装置全体として大きな軽量化を実現することができる。

次に、弁装置の作動について説明する。水素ガスが導入流路１１１からＡ方向に導入される場合を考えると、導入された水素ガスはポペット１２の外周に形成された溝１２１に沿ってシート１３が配設される部位に到達する。ここで、ポペット１２の先端部がシート１３に当接している場合には水素ガスはそれ以上、進むことができず、ポペット１２の先端部がシート１３から離間している場合には、水素ガスがシート１３を通ってピストン２２、カバー２５、及びボディ１１の開口凹部にて区画される流路Ｃを通って、導出流路１１２からＢ方向に流れ出ることになる。

ポペット１２がシート１３に着離する機構を説明すると、流路Ｃ内の圧力が低下して、流路Ｃ内の圧力によりピストン２２に加わる力がスプリング２３によるピストン２２への付勢力よりも小さくなると、ピストン２２はスプリング２３の付勢力により、ポペット１２側に変位する。すると、ポペット１２の先端はピン２１を介してピストン２２により押圧されて、ポペット１２はシート１３から離間する。流路Ｃ内の圧力は導出流路１１２からの水素ガスの流出により低下する。

反対に、流路Ｃ内の圧力が高くなり、流路Ｃ内の圧力によりピストン２２に加わる力がスプリング２３によるピストン２２への付勢力よりも大きくなると、ピストン２２はスプリング２３の付勢力に抗して、ポペット１２側から離間する方向に変位する。すると、ポペット１２にはシート１３から離間する方向に加わっていた力がなくなり、スプリング１４による付勢力によりシート１３に当接する。流路Ｃ内の圧力は導入流路１１１から流路Ｃ内に水素ガスが流入することにより向上する。

このように、弁機構１０は、流路Ｃ内の圧力がスプリング２３の付勢力により決定される所定の圧力範囲になるように機械的に調節されることになる。スプリング２３の付勢力はスプリング押さえ２７の変位により調節できるから、調節ねじ２４による調節により、流路Ｃ内の圧力は所定の圧力範囲に設定可能である。すなわち、流路Ｃに接続された導出流路１１２から導出される水素ガスの圧力もある範囲内に調節することが可能になる。

このように、本実施形態の弁装置は、弁機構１０の速やかな開閉により調圧を行うため、ボディ１１の円筒状空間１１ａにおける水素ガスの圧力は脈動することが考えられる。ここで、本実施形態において取り扱う水素ガスは非常に高圧であり、ボディ１１には大きく且つ変動する応力が加わることになる。ボディ１１はアルミニウム合金から構成しているため、本実施形態では加わる応力の値を低下させている。具体的には、導入流路１１１の説明として前述したように、導入流路１１１の形成方向をボディ１１の円筒状空間１１ａの内面における法線方向（導入流路１１１が開口する部分）に対して傾けることなどにより、応力を低下させることができる。

以下、図３を用いて説明する。図３（ａ）及び（ｂ）においては矢印Ｘの方向が円筒状空間１１１（又は９１１１）の中心軸方向である。従来技術のように、円筒状空間９１１ａの内面における法線方向Ｈ１（垂直方向）と導入流路を形成する方向Ｄ１とを同じにすると（図３（ｃ））、開口部の形状は概ね真円に近くなり（図３（ａ））、導入流路の形成方向での断面における角Ｋ１及びＫ２に応力が集中することがシミュレーション及び実験の結果から明らかになっている。つまり、図３（ａ）における開口部の外周全体に同程度の大きさの応力が加わることになる。これに対し、本実施形態のように、導入流路１１１を形成する方向Ｄ２を円筒状空間１１ａの内面の法線Ｈ２から傾けることにより（図３（ｄ））、開口部の形状は円筒状空間１１ａの軸方向に短軸（つまり、周方向に長軸）をもつ楕円形状になって（図３（ｂ））、導入流路の形成方向での断面における角Ｋ３に集中する応力を考慮しても開口部全体の何れの部位においても従来技術より低下できることがシミュレーション及び実験の結果から明らかになっている。この理由としては明らかではないが、角Ｋ４においては鈍角化による効果により応力集中が低下しているものと推測でき、角Ｋ３においては導入流路１１１の形成方向（円筒状空間１１ａの軸方向に垂直方向）における鋭角化による影響よりも、図３（ｂ）に示したような開口部の鈍角化や開口部の周囲が長くなった応力低下の効果が勝ったことによることが考えられる。なお、Ｄ２の方向はＨ２に対して傾いているが、円筒状空間１１ａの軸方向を含む断面においては導入流路１１１が形成される方向（Ｄ２に相当する）は円筒状空間１１ａの内面の法線（Ｈ２に相当する）と同一の方向であること、すなわち、導入流路１１１が形成される方向は円筒状空間１１ａの軸方向に対して垂直であることが、シミュレーション及び実験の結果から望ましいことが明らかになっている。

以上説明したように、導入流路１１１を形成する方向をボディ１１の円筒状空間１１ａの内面における法線から傾けることにより、応力集中を低下でき、ボディ１１の耐久性向上、延いては弁装置の耐久性向上を実現することができる。

（変形態様）
本発明の弁装置は円筒状空間の周方向の内面に開口する導入流路をもつボディをもつものであれば十分であり、弁機構、調圧機構などは上記構成に限定されるものではない。また、本実施形態では弁装置として減圧弁を例として説明したが、その他の弁（電磁弁など）に適用することも可能である。

実施形態における弁装置の部分断面模式図である。 実施形態における弁装置の部分断面模式図である（図１におけるII−II断面）。 実施形態及び従来技術における導入流路の形成方向を示す断面模式図であり、図３（ａ）は図３（ｃ）のＨ１矢視方向での一部拡大図、図３（ｂ）は図３（ｄ）のＨ２矢視方向での一部拡大図、図３（ｃ）は図３（ａ）におけるｍ−ｍ断面拡大図、図３（ｄ）は図３（ｂ）におけるｎ−ｎ断面拡大図である。

符号の説明

１０…弁装置
１１…ボディ １２…ポペット １３…シート １４…スプリング １５…ガイド部材 １１１…導入流路 １１２…導出流路
２０…調圧機構
２１…ピン ２２…ピストン ２３…スプリング ２４…調節ねじ ２５…カバー ２６…ピンガイド部材 ２７…スプリング押さえ

Claims (4)

1. 高圧流体の流れを制御する弁部材と、
   前記弁部材が内設され、前記高圧流体が流入する高圧側の内面が円筒状の空間である弁挿着孔と、前記弁挿着孔の前記高圧側の円筒状空間の側面に一端が開口し、前記円筒状空間の軸方向に交叉する方向に形成された連通孔であり、前記高圧流体が前記弁挿着孔内に流れ込む導入流路と、をもつ内部空間を区画するボディと、
   を有し、
   前記ボディはアルミニウム合金から形成され、
   前記導入流路は前記円筒状空間内面の前記導入流路の開口部における法線に対して前記円筒状空間の軸方向から見て傾斜していることを特徴とする弁装置。
2. 前記導入流路は前記円筒状空間の軸方向に対して垂直方向に形成されている請求項１に記載の弁装置。
3. 前記導入流路は真っ直ぐに形成された孔であり、
   前記導入流路の前記一端方向への延長線は前記円筒状空間の中心軸に対してずれている請求項１又は２に記載の弁装置。
4. 前記弁部材は減圧弁である請求項１〜３の何れか１項に記載の弁装置。

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