JP5170011B2

JP5170011B2 - 逆止弁

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Publication number: JP5170011B2
Application number: JP2009151972A
Authority: JP
Inventors: 泰弘山本; 隆志辰濱
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-06-26
Filing date: 2009-06-26
Publication date: 2013-03-27
Anticipated expiration: 2029-06-26
Also published as: JP2011007275A

Description

本発明は、逆止弁に関し、更に詳しくは、逆止弁のチャタリング防止技術に関する。

流体の逆流を防止する逆止弁として種々のものが開発されている。例えば、弁体を付勢することにより、流体の圧力に応じて弁座と弁体との距離を変化させるタイプのものが広く知られている。こうしたタイプの逆止弁では、例えば、上流側の流体の圧力が下流側よりも所定以上高くなって、付勢された弁体が付勢方向と反対側に移動することにより弁座と弁体との距離が離れると、その隙間が流路を形成し、流体を上流側から下流側へ流通可能にする。一方、上流側及び下流側の流体の圧力差が所定以内となって、弁体が付勢方向に移動することにより弁体が弁座に着座すると、上述の隙間が塞がれて、流体を流通不可能にし、逆流を防止する（例えば、下記特許文献１）。

しかしながら、かかる構成の逆止弁では、上流側及び下流側の圧力差と弁体の付勢力とがほぼ均衡した状態になると、弁体が付勢方向及びその反対方向に頻繁に移動して、弁座と離れた状態と、弁座に着座した状態とを頻繁に繰り返す、いわゆるチャタリングが生じることが問題となっていた。チャタリングが生じると、流体の流量制御が不安定になるほか、騒音の発生、弁体や弁座の耐久性の低下などの問題も生じることとなる。

特開平２−１４３４７９号公報

上述の問題の少なくとも一部を考慮し、本発明が解決しようとする課題は、逆止弁のチャタリングを好適に抑制することである。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］逆止弁であって、流体の導入口としての第１の孔部を有する弁座と、前記弁座の方向に付勢され、前記第１の孔部に流入する流体の圧力に応じて、前記第１の孔部を開閉する弁体であって、該弁体の側面に形成された少なくとも１つの孔部である第２の孔部と、該弁体の内部に形成され、該第２の孔部と連通し、前記流体を導出側へ導く内部流路とを備えた弁体とを備え、前記第２の孔部の実質的な流路としての断面積の総和に対する前記内部流路の断面積の比率が２１０％以上である逆止弁。

かかる構成の逆止弁は、第２の孔部の実質的な流路としての断面積の総和に対する流路の断面積の比率が２１０％以上であるので、第１の孔部に流入する流体の圧力と、内部流路における流体の圧力との差を大きくできる。その結果、弁体が付勢方向に移動しにくくなるので、弁体が頻繁に第１の孔部を開閉して、チャタリングを生じることを抑制することができる。

［適用例２］逆止弁であって、流体の導入口としての第１の孔部を有する弁座と、前記弁座の方向に付勢され、前記第１の孔部に流入する流体の圧力に応じて、前記第１の孔部を開閉する弁体であって、該弁体の側面に形成された少なくとも１つの孔部である第２の孔部と、該弁体の内部に形成され、該第２の孔部と連通し、前記流体を導出側へ導く流路とを備えた弁体とを備え、前記第２の孔部の上流側と、前記内部流路とにおける前記流体の圧力差は、０．０４５ＭＰａ以上である逆止弁。

かかる構成の逆止弁は、第１の孔部に流入する流体の圧力と、内部流路における流体の圧力との差を、チャタリングが生じないレベルとすることができる。

［適用例３］前記第２の孔部には、前記流体が流通可能なフィルタが設けられた適用例１または適用例２のいずれか記載の逆止弁。

かかる構成の逆止弁は、第２の孔部にフィルタが設けられているので、第２の孔部における圧損を大きくできる。したがって、第２の孔部の上流側と、内部流路とにおける流体の圧力差をさらに大きくして、チャタリングの発生抑制効果を高めることができる。また、フィルタを交換して、その孔径、量などを異なるものとすれば、第２の孔部における圧損を容易に調節することができる。

［適用例４］前記弁体の前記弁座側の端面は、前記第１の孔部の開口面と略平行な平坦面を備えた適用例１ないし適用例３のいずれか記載の逆止弁。

かかる構成の逆止弁は、弁体の弁座側の端面が、第１の孔部の開口面と略平行、すなわち、流体の流れ方向に対して略直交する平坦面を備えるので、流体が弁体を付勢方向と反対の方向に押す力が大きくなる。その結果、弁体が付勢方向に移動しにくくなるので、チャタリングの発生抑制効果を高めることができる。

本発明の第１実施例としての逆止弁２０の概略構成を示す説明図である。逆止弁２０の動作についての説明図である。孔部総断面積Ｓ２と差圧ΔＰ２との関係と、当該関係におけるチャタリングの発生状況を示す説明図である。孔部総断面積Ｓ２ごとの、圧力Ｐ３２と差圧ΔＰ２との関係を示す説明図である。第２実施例としての逆止弁１２０の概略構成を示す説明図である。変形例としての逆止弁２２０の概略構成を示す説明図である。

Ａ．第１実施例：
本発明の第１実施例について説明する。本発明の第１実施例としての逆止弁２０の概略構成を図１に示す。逆止弁２０は、本実施例においては、燃料電池システムの発電反応に供される反応ガスの供給経路に設けられる逆止弁である。ただし、逆止弁２０の用途や流体の種類は特に限定するものではなく、例えば、流体は液体であってもよい。図１（ａ）は、逆止弁２０の分解斜視図である。図示するように、逆止弁２０は、弁座３０と弁体４０とケーシング６０とを備えている。

弁座３０は、本実施例では、円筒形の弾性部材（ここではブチルゴム）であり、略円形の断面の中央部に、当該断面を貫通する第１の孔部３２を備えている。弁座３０は、逆止弁２０における流体の上流側に設けられる。弁体４０は、弁座３０に向かって先細りする略円錐形状を有する弁頭部４２、円筒形状を有する弁棒部４５、弁棒部４５の外周部に形成された円筒状の２つの突出形状である凸部４６、弁頭部４２と凸部４６との間の弁棒部４５の表面に形成された第２の孔部４４とを備えている。ケーシング６０は、弁座３０と接合され、その内部に弁体４０を収納する筐体であり、円筒形の中空形状を有している。弁体４０及びケーシング６０の材質としては、逆止弁２０の使用条件に応じた種々の金属を用いることができ、本実施例では、反応ガスに対する耐腐食性を考慮して、ステンレス鋼を用いた。

図１（ａ）に示した逆止弁２０のＡ−Ａ断面図を図１（ｂ）に示す。逆止弁２０は、流体を弁座３０の側から弁体４０の側へ流通可能とするものであり、以下の説明において、弁座３０の側を上流側、弁体４０の側を下流側ともいうこととする。図示するように、ケーシング６０の上流側の端面は、弁座３０と気密に接合されている。弁座３０の第１の孔部３２は、下流側から上流側に向かって先細りしたテーパ形状となっており、第１の孔部３２の側面が略円錐形状の弁頭部４２と気密に当接可能となるように形成されている。

ケーシング６０の内部空間には、弁体４０が収納されている。ケーシング６０の内部には、弁体４０と弁座３０とケーシング６０とによって囲まれた空間である弁室４９が形成される。弁体４０の凸部４６は、ケーシング６０の内壁との間に僅かなクリアランスを確保して設けられている。弁棒部４５の内部には、第２の孔部４４と連通する内部流路４７が形成されている。第２の孔部４４は、弁室４９と内部流路４７とを連通させている。内部流路４７は、弁棒部４５を下流側に向けて貫通し、弁棒部４５の下流側の端面において出口孔４８を形成している。ケーシング６０の下流側の端面には、出口孔４８と連通する導出口６２が設けられている。導出口６２は、流体を逆止弁２０からさらに下流側に導くための開口部であり、出口孔４８よりも大きく、弁棒部４５よりも小さい径で形成されている。

２つの凸部４６のうちの下流側の凸部４６と、ケーシング６０の下流側の端面との間には、２つのスプリング５０が弁棒部４５の円軸に対して対称な位置に設けられている。スプリング５０は、その両端が凸部４６とケーシング６０とに固着され、弁体４０を下流側から上流側に向かって付勢している。この付勢力によって、弁頭部４２は弁座３０と気密に当接する。

図１（ｂ）に示した逆止弁２０のＢ−Ｂ断面を図１（ｃ）に示す。図示するように、略円形のケーシング６０の断面の中央部には、内部に内部流路４７が形成された弁棒部４５が配置されている。本実施例においては、内部流路４７の直径Ｒ１は３．５ｍｍである。また、弁棒部４５には、３つの第２の孔部４４（４４ａ〜４４ｃ）が形成されている。本実施例の第２の孔部４４ａ〜４４ｃは、いずれも同一サイズで均等間隔に形成されており、その直径Ｒ２は１．５ｍｍである。

かかる構成の逆止弁２０は、以下のように動作する。
（１）逆止弁２０への流体の流入が停止された状態においては、上述したように、弁体４０は、スプリング５０によって下流側から上流側に向かって付勢されているので、弁頭部４２は、図２（ａ）に示すように、第１の孔部３２と当接した状態となっている。つまり、第１の孔部３２が弁頭部４２によって封止されて、第１の孔部３２と弁室４９との間を流体が流通不可能な状態となっている。

（２）そして、逆止弁２０の上流側から流体が所定の圧力で流入し、第１の孔部３２における流体の圧力Ｐ３２と、内部流路４７における流体の圧力Ｐ４７との差圧ΔＰ１に相当する作用力が、スプリング５０の上流側への付勢力Ｆ１を上回ると、図２（ｂ）に示すように、流体によって、弁体４０が下流側へ押される。その結果、第１の孔部３２と弁頭部４２とは離れた状態になり、それらの間に、流体が流通可能な流路が形成される。かかる状態においては、流体は、上流側から、第１の孔部３２、弁室４９、第２の孔部４４、内部流路４７、出口孔４８を介した第１の経路と、凸部４６とケーシング６０とのクリアランスを介した第２の経路によって、導出口６２に導かれる。ただし、凸部４６は、２箇所に設けられており、これらの間には、流体が滞留可能な比較的大きな空間が確保されている。したがって、第２の経路の圧損は、第１の経路よりも大きくなり、流体は、主に第１の経路によって、上流側から導出口６２に導かれることとなる。

（３）弁室４９における流体の圧力Ｐ４９と圧力Ｐ４７との差圧ΔＰ２に相当する作用力が付勢力Ｆ１よりも大きい場合には、弁体４０は更に下流側に移動する。そして、弁体４０が所定距離だけ下流側に押されると、図２（ｃ）に示すように、弁棒部４５の下流側の端面がケーシング６０の下流側の端面と当接する。かかる状態では、流体は、上流側から第１の経路のみによって、下流側の導出口６２に導かれる。

（４）その後、差圧ΔＰ２に相当する作用力が付勢力Ｆ１よりも小さくなると、弁体４０は上流側に押し戻され、差圧ΔＰ２に相当する作用力と付勢力Ｆ１とが均衡すれば、図２（ｂ）に示した位置に弁体４０が停止する。

（５）一方、差圧ΔＰ２に相当する作用力が付勢力Ｆ１よりも小さければ、弁体４０は、さらに上流側に押し戻され、弁座３０と当接し、第１の孔部３２と弁室４９とを連通させる流路を封止する、すなわち、図２（ａ）の位置に戻る。以上のように、弁体４０は、上流側の流体の圧力が下流側よりも所定以上大きい場合にのみ、第１の孔部３２と弁室４９とを連通させる流路を開くので、下流側から上流側への流体の逆流を防止することができる。なお、図２（ｂ）に示したように、弁体４０が弁座３０に近接した位置で、差圧ΔＰ２に相当する作用力と付勢力Ｆ１とが均衡する場合には、差圧ΔＰ２が変動することによりチャタリングを生じるおそれがある。

上述した逆止弁２０の効果について説明する前に、上述した逆止弁２０における第２の孔部４４の開口断面積の総和である孔部総断面積Ｓ２と、差圧ΔＰ２との関係と、当該関係におけるチャタリングの発生状況を図３に示す。ここでの孔部総断面積Ｓ２とは、第２の孔部４４の孔数が複数の場合には、各々の第２の孔部４４の開口断面積の和である。また、孔部総断面積Ｓ２とは、第２の孔部４４の実質的な流路としての断面積である。例えば、第２の孔部４４の開口断面に編み目形状が形成されているような場合には、各々の編み目の開口面積の総和である。

図３に示すように、内部流路４７の断面積である流路断面積Ｓ１が一定（Ｓ１＝Ｒ１²×π／４＝１１．３４ｍｍ²）の場合において、第２の孔部４４の直径Ｒ２や孔数ＮＨを変化させることで孔部総断面積Ｓ２（Ｓ２＝Ｒ２²×π／４×ＨＮ）を変化させれば、孔部総断面積Ｓ２が小さくなるに従って、差圧ΔＰ２が大きくなる。具体的には、例えば、孔部総断面積Ｓ２＝１０．６ｍｍ²時のプロットデータＤ１（ＨＲ＝６，Ｒ２＝１．５ｍｍ）では、差圧ΔＰ２は０．０２ＭＰａとなる。このとき、流路断面積Ｓ１と孔部総断面積Ｓ２の比は、Ｓ１／Ｓ２＝１０７％である。また、孔部総断面積Ｓ２＝５．３ｍｍ²時のプロットデータＤ２（ＨＲ＝３，Ｒ２＝１．５ｍｍ）では、差圧ΔＰ２は０．０４５ＭＰａとなる。このとき、流路断面積Ｓ１と孔部総断面積Ｓ２の比は、Ｓ１／Ｓ２＝２１０％である。

ここで、各プロットデータの条件におけるチャタリングの発生状況の実験結果は、図３に示すとおり、孔部総断面積Ｓ２が５．３ｍｍ²以下の場合にはチャタリングが発生せず、それよりも大きい場合には発生する結果となった。換言すれば、Ｓ１／Ｓ２が２１０％以上の場合、差圧ΔＰ２が０．０４５ＭＰａ以上の場合に、チャタリングが発生しない結果となった。孔部総断面積Ｓ２を小さくすると、第２の孔部４４の圧損が大きくなり、その結果、差圧ΔＰ２が大きくなるからである。

また、流路断面積Ｓ１が一定（Ｓ１＝１１．３４ｍｍ²）の場合において、孔部総断面積Ｓ２＝１０．６ｍｍ²の場合と、Ｓ２＝５．３ｍｍ²の場合の、圧力Ｐ３２と差圧ΔＰ２との関係を図４に示す。図示するように、圧力Ｐ３２が増加するほど差圧ΔＰ２は小さくなっていくが、いずれの圧力Ｐ３２の値においても、Ｓ２＝５．３ｍｍ²の場合の方が、Ｓ２＝１０．６ｍｍ²の場合と比べて、差圧ΔＰ２が大きくなることが顕著にみてとれる。

上述した構成の逆止弁２０は、Ｓ１／Ｓ２≧２１０％となる範囲で、換言すれば、差圧ΔＰ２≧０．０４５ＭＰａとなる範囲で、流路断面積Ｓ１と孔部総断面積Ｓ２を設定しているので、チャタリングの発生を抑制することができる。このようにチャタリングの発生を抑制することができるのは、差圧ΔＰ２を所定以上大きくすることで、差圧ΔＰ２が小さくなる方向に変動しても、弁体４０が弁座３０側に移動しにくくなるので、弁座３０が頻繁に第１の孔部３２を開閉する動作を抑制することができるからである。

Ｂ．第２実施例：
本発明の第２実施例について説明する。第２実施例としての逆止弁１２０の概略構成を図５に示す。第２実施例としての逆止弁１２０は、弁体４０の構成が第１実施例と異なり、その他の点については、第１実施例と同様である。以下、第１実施例と異なる点についてのみ説明する。なお、図５は、第１実施例の図１に相当する図であり、第１実施例と同様の構成については、図１と同一の符号を付している。

図５（ａ）及び図５（ｃ）に示すように、逆止弁１２０の弁棒部１４５は、６つ（ＮＨ＝６）の第２の孔部１４４（１４４ａ〜１４４ｆ）を備えている。本実施例の第２の孔部１４４ａ〜４４ｆは、いずれも同一サイズで均等間隔に形成されており、その直径Ｒ２は、第１実施例と同様に１．５ｍｍである。

また、図５（ｂ）及び図５（ｃ）に示すように、第２の孔部１４４には、その上流側にフィルタ１７０が充填されている。フィルタ１７０は、本実施例では、ガラス繊維のろ布を用いた。ただし、フィルタ１７０は、第２の孔部１４４の実質的な流路としての断面積を小さくできるものであればよく、換言すれば、第２の孔部１４４の圧損を大きくできるものであればよく、例えば、樹脂系ろ布でもよいし、網目状や多孔質の金属などであってもよい。

かかる逆止弁１２０において、第２の孔部１４４の孔部総断面積Ｓ２は、フィルタ１７０によって減少する実質的な流路としての断面積の減少分を考慮しなければ、Ｓ２＝Ｒ２²×π／４×ＮＨ＝１０．６ｍｍ²となり、Ｓ１／Ｓ２＝１０７％となるが、フィルタ１７０によって、第２の孔部１４４の実質的な流路としての断面積を小さくして、Ｓ１／Ｓ２≧２１０％とすることが可能である。また、第２の孔部１４４の圧損を０．０４５ＭＰａ以上とすることが可能である。

したがって、Ｓ１／Ｓ２≧２１０％となるようにフィルタ１７０を第２の孔部１４４に充填すれば、逆止弁１２０は、第１実施例と同様の効果を奏する。それに加えて、逆止弁１２０は、第２の孔部１４４に充填するフィルタ１７０を交換して、その孔径、量などを異なるものとすれば、第２の孔部１４４での圧損を所望の程度に容易に調節することができる。さらに、第１実施例の第２の孔部４４にフィルタ１７０を充填する構成とすれば、差圧ΔＰ２を更に大きくすることができるので、第１実施例に比べて、チャタリングの発生抑制効果を高めることができる。

Ｃ.変形例：
上述の実施例の変形例について説明する。
Ｃ−１．変形例１：
上述の実施形態においては、弁頭部４２は、弁座３０に向かって先細りする略円錐形状を有していたが、弁頭部４２の形状は、かかる形状に限られるものではない。かかる点について、変形例としての逆止弁２２０の概略構成について図６に示す。逆止弁２２０は、弁頭部２４２の構成のみが上述の第１実施例と異なるものであり、その他の点については、第１実施例と同様である。以下、第１実施例と異なる点についてのみ説明する。なお、図６は、第１実施例の図１に相当する図であり、第１実施例と同様の構成については、図１と同一の符号を付している。図６（ａ），（ｂ）に示すように、弁頭部２４２の弁座３０側の端面は、第１の孔部３２の開口面と略平行、換言すれば、第１の孔部３２での流体の流れ方向に略直行する平坦面２４３を備えている。

かかる構成の逆止弁２２０は、流体の流れ方向に対して略直交する平坦面２４３を備えているので、流体の圧力によって弁棒部４５の円軸方向に作用する力成分を大きくできる。つまり、流体が弁体４０を付勢方向と反対の方向に押す力を大きくできる。その結果、差圧ΔＰ２が小さくなる方向に変動しても、弁体４０が弁座３０側に移動しにくくなるので、弁体４０が頻繁に第１の孔部３２を開閉して、チャタリングが生じることを抑制することができる。

Ｃ−２．変形例２：
上述の実施形態においては、弁体４０は、２つの凸部４６を備える構成としたが、弁体４０の形状は、かかる形状に限るものではなく、第１の孔部３２から導出口６２に流体を通過させる経路を、第１の孔部３２、弁室４９、第２の孔部４４、内部流路４７、出口孔４８を介した第１の経路に主に限定可能な形状であればよい。例えば、弁体４０は、１つの凸部４６のみを備える構成（例えば、図１（ｂ）において、２つの凸部４６のうちの下流側の凸部４６のみを備える構成）としてもよい。

あるいは、弁体４０は、凸部４６を備えない構成とし、加えて、弁体４０の弁棒部４５は、ケーシング６０の内壁との間に僅かなクリアランスを確保して設けられる構成としてもよい。かかる場合、第２の孔部４４は、弁頭部２４２の表面上に設けてもよい。また、弁体４０が所定距離だけ下流側に移動した際に、第１の孔部３２から導出口６２に流体を流通させる経路を第１の経路に限定するために、弁棒部４５の下流側の端面がケーシング６０の下流側の端面と当接可能にする突出形状を弁棒部４５、または、ケーシング６０に設けてもよい。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上述した実施形態における本発明の構成要素のうち、独立クレームに記載された要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を脱しない範囲において、種々なる態様で実施できることは勿論である。

２０，１２０，２２０…逆止弁
３０…弁座
３２…第１の孔部
４０…弁体
４２，２４２…弁頭部
４４，４４ａ〜４４ｃ，１４４，１４４ａ〜１４４ｆ…第２の孔部
４５，１４５…弁棒部
４６…凸部
４７…流路
４８…出口孔
４９…弁室
５０…スプリング
６０…ケーシング
６２…導出口
１７０…フィルタ
２４３…平坦面

Claims

逆止弁であって、
流体の導入口としての第１の孔部を有する弁座と、
前記弁座の方向に付勢され、前記第１の孔部に流入する流体の圧力に応じて、前記第１の孔部を開閉する弁体であって、該弁体の側面に形成された少なくとも１つの孔部である第２の孔部と、該弁体の内部に形成され、該第２の孔部と連通し、前記流体を導出側へ導く内部流路とを備えた弁体と
を備え、
前記第２の孔部の実質的な流路としての断面積の総和に対する前記内部流路の断面積の比率が２１０％以上である
逆止弁。
逆止弁であって、
流体の導入口としての第１の孔部を有する弁座と、
前記弁座の方向に付勢され、前記第１の孔部に流入する流体の圧力に応じて、前記第１の孔部を開閉する弁体であって、該弁体の側面に形成された少なくとも１つの孔部である第２の孔部と、該弁体の内部に形成され、該第２の孔部と連通し、前記流体を導出側へ導く内部流路とを備えた弁体と
を備え、
前記第２の孔部の上流側と、前記内部流路とにおける前記流体の圧力差は、０．０４５ＭＰａ以上である
逆止弁。
前記第２の孔部には、前記流体が流通可能なフィルタが設けられた請求項１または請求項２のいずれか記載の逆止弁。
前記弁体の前記弁座側の端面は、前記第１の孔部の開口面と略平行な平坦面を備えた請求項１ないし請求項３のいずれか記載の逆止弁。