JP6352699B2 - ボールバルブ用ボールシートの固着構造とその固着方法及びトラニオン型ボールバルブとこのバルブを用いた水素ステーション - Google Patents

Description

本発明は、特に、水素等の高圧流体用に適したボールバルブ用ボールシートの固着構造とその固着方法、及びトラニオン型ボールバルブとこのバルブを用いた水素ステーションに関する。

水素等の高圧流体が流れる配管設備などでは、高圧流体の漏れを確実に防止するために、高圧用のトラニオン型ボールバルブが用いられる。この種のボールバルブは、通常、ボール弁体がステムとトラニオンとを介して回転自在のボデー内に支持され、ボデー内にはボールシートがリテーナ部材に保持された状態で装着され、このボールシートがリテーナ部材を介してスプリングのばね力を介してボール弁体に密着状態に装着された構造に設けられる。その際、リテーナ部材とボデーとの間はシール用Ｏリングによってシールされている。

このような高圧流体用のボールバルブとして、例えば、特許文献１の高圧用トラニオン型ボール弁が開示されている。このボール弁は、特に燃料電池自動車用水素ステーション用のバルブとして適しており、高圧の水素に対して弁座の密封性を長期に渡って維持して耐久性を確保するための観点から、金属製のボールシートすなわちメタルシートがボールとのシール用として装着された構造に設けられている。
一方、ボールバルブの弁座シール性を向上するための別の技術として、特許文献２のボールバルブが開示されている。このボールバルブでは、樹脂製のボールシート、すなわちソフトシートがボールとのシール用として設けられている。この場合、樹脂製ボールシートがシートリテーナに固定され、バネによりボール側に付勢された構造になっている。
これらの高圧流体用ボールバルブでは、ボールとシート側との摺動性を確保しつつ密封性を向上させる必要がある。

これらボールバルブは、例えば、特許文献３に示される水素ステーションにおいて、ディスペンサー内の遮断弁として用いられる。遮断弁は、車への水素充填部位となる充填ノズルに接続ホースで接続され、この遮断弁の開閉により車の水素タンクに接続ホース、充填ノズルを介して水素が供給されるように設けられている。

国際公開第２０１３／１２９５６０号 米国特許第８４９０９４５号明細書 特開２０１２−２３７４３７号公報

高圧流体用ボールバルブに対して、いわゆる超高圧流体と呼ばれる９０ＭＰａ以上の超高圧流体が流れる場合、ボールとシートとの密封性を確保して漏れを防ぐことがより困難となる。しかも、摺動性も確保する必要があることから、特許文献１のようなメタルシートのボールバルブは、その開閉頻度等の使用状態により、高圧流体の完全封止を均一に発揮させることが困難になり、超高圧流体に対して微小漏れを生じるおそれがある。

一方、特許文献２のようなソフトシートのボールバルブの場合、ボールシートがシートリテーナの装着溝に嵌め込まれるように装着され、ボールシートが抜け出し方向に位置規制されていない。このため、９０ＭＰａ以上の超高圧流体が流れたときに、バルブを閉から開に操作する際に、ボールシートとシートリテーナとの間にわずかでも流体が浸入すると、この流体圧によってシートリテーナからボールシートが押し出されて位置ずれや脱落が生じ、弁閉状態にした場合に超高圧流体の漏れにつながる可能性がある。そのため、この高圧用ボールバルブを特許文献３のような水素ステーションで遮断弁として使用する場合には、二次側から高圧水素が漏れ、この高圧水素が充填ホース内に残存することで充填ノズルを車の水素タンクに接続できなくなることがある。これを解消するためには、充填ホース内の圧力を抜く、いわゆる脱圧と呼ばれる作業をおこなう必要が生じるが、水素を有効に利用する観点や充填作業の効率性から脱圧をおこなうことは望ましいことではない。しかも、充填ホースの容量が、例えば約２００ｃｃ程度の小ささである場合、遮断弁から二次側にわずかでも高圧水素が漏れたときには、充填ホース内に水素圧が残存しやすくなって頻繁に脱圧を実施する必要が生じる。

本発明は、上記の課題点を解決するために開発したものであり、その目的とするところは、特に、高圧流体用として適しており、ソフトシートによるシールにより密封性と摺動性とを確保し、超高圧流体が流れた場合にもリテーナにボールシートを保持してその位置ずれや脱落を防止して弁閉時の高シール性を維持するボールバルブ用ボールシートの固着構造とその固着方法及びトラニオン型ボールバルブとこのバルブを用いた水素ステーションを提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、樹脂製の環状シート体の内外周面の途中に段差部を設けて先端側にシート部を、後端側に保持部を設けると共に、シートリテーナの先端にリング状のカシメ縁部を有する内外筒から成る装着溝を形成し、この装着溝に保持部を装着し、内外筒のカシメ縁部を段差部にかしめて密着固定し、シート部をカシメ位置より突出させたボールバルブ用ボールシートの固着構造である。

請求項２に係る発明は、段差部のそれぞれに先端側に傾倒させたテーパ面を形成し、このテーパ面にカシメ縁部を密着シールさせたボールバルブ用ボールシートの固着構造である。

請求項３に係る発明は、シート部を縮径状に形成し、かつ、保持部を厚肉状に形成すると共に、保持部をシート部より長く形成したボールバルブ用ボールシートの固着構造である。

請求項４に係る発明は、環状シート体をＰＥＥＫ材で形成し、かつ、シート部先端面にボール面に接触するシール面を形成したボールバルブ用ボールシートの固着構造である。

請求項５に係る発明は、シートリテーナをニッケル基合金で形成したボールバルブ用ボールシートの固着構造である。

請求項６に係る発明は、シートリテーナの軸心方向にカシメ治具を移動してこのカシメ治具に形成した傾斜面をシートリテーナに形成したテーパ端面部に当接させて位置決めし、次いで、カシメ縁部をテーパ端面部に沿ってテーパ面に密着固定してボールシートをシートリテーナに装着するようにしたボールバルブ用ボールシートの固着方法である。

請求項７に係る発明は、トラニオン型の構造を有するボールバルブの一次側にメタルシート機構を配設し、二次側にはシートリテーナに装着したボールシートを配設したトラニオン型ボールバルブである。

請求項８に係る発明は、ボールバルブを、水素を供給するラインに設けたボールバルブを用いた水素ステーションである。

請求項９に係る発明は、ディスペンサー内に配置され、かつ水素の充填開始と終了に伴って開閉する自動弁と、この自動弁と充填ホースを介して接続された充填ノズルと、水素の充填終了に伴って充填ホース内の水素を大気に放出する脱圧機構を有し、上記の自動弁は、蓄圧器等からの水素の圧力が常時負荷される一次側にメタルシート機構を配設する一方、水素の充填と脱圧に伴って、水素の圧力と大気圧とが交番して負荷される二次側に、樹脂製の環状シート体をかしめにより密着固定したソフトシート機構を配設したトラニオン型ボールバルブとした水素ステーションである。

請求項１に係る発明によると、特に、高圧流体用として適したボールバルブを設けることができ、ソフトシートによるシールにより密封性と摺動性とを確保し、環状シート体の保持部をシートリテーナの装着溝に装着し、シートリテーナのカシメ縁部を段差部にかしめて密着固定させ、シート部をカシメ位置より突出させながらボールシートを保持固定していることにより、例えば、弁開の状態で９８ＭＰａ級の超高圧流体が流れた場合にも、リテーナからの位置ずれや脱落を防止しながらボールシートを強固に保持することができ、弁閉状態における高シール性を確実に維持できる。

請求項２に係る発明によると、段差部のテーパ面にカシメ部を密着シールさせながら、ボールシートをシートリテーナにかしめ固定することで、シートリテーナに対するかしめ位置が正確に設定され、更に、カシメ縁部をテーパ面に沿ってかしめることで、かしめ部位の形状や寸法を正確に出すことが可能になる。

請求項３に係る発明によると、ボールとのシール部分であるシート部を縮径状に形成し、シートリテーナへの取付け部分である保持部を厚肉状に形成しながらシート部よりも長く形成することで、高圧流体が流れた場合にも剛性を確保して変形を防止し、高シール性を維持して流体漏れを確実に防止する。

請求項４に係る発明によると、ＰＥＥＫ材により環状シート体を形成し、シート部先端面にボール面に接触するシール面を形成していることで、バルブ操作時の摺動抵抗を小さくして操作性を向上しながらシール性も確保でき、かつ、摺動性が高まることでボールの耐久性を向上して劣化を抑えることも可能になる。

請求項５に係る発明によると、シートリテーナをニッケル基合金で形成することにより、薄肉でも高強度を有し、水素ぜい化を受けにくくなる。更に、カシメ加工に必要な伸び特性を発揮できる。

請求項６に係る発明によると、カシメ治具の傾斜面を利用してシートリテーナを位置決めしながら、カシメ縁部をテーパ端面部に沿ってテーパ面に密着固定してボールシートをシートリテーナに装着していることで、シートリテーナに対して芯出ししながらボールシートを位置決め固定でき、装着後には、カシメ縁部によりボールシートの位置ずれを防止して超高圧流体に対しても確実に高シール性を維持する。

請求項７に係る発明によると、一次側のメタルシート機構により弁座シール性、耐久性を確保し、二次側のシートリテーナに装着したボールシートのソフトシート機構により漏れを確実に防止する。

請求項８に係る発明によると、操作時の密封性と摺動性とを確保して量産化に対応しつつ、例えば、９８ＭＰａ級の超高圧流体が流れた場合にも、リテーナからの位置ずれや脱落を防止しながらボールシートを強固に保持して高シール性を維持できる。自動又は手動により弁体操作して所定量の水素を供給又は停止できるため、高効率で迅速に所定量の水素を供給でき、脱圧と呼ばれる作業も低減可能になる。

請求項９に係る発明によると、一次側にメタルシート機構を採用することでシートの脱落のおそれがなく、耐久性のある弁座シール性を得ると共に、二次側に樹脂製の環状シート体をかしめにより密着固定したソフトシート機構を採用することでシート脱落のおそれがなく、高いシール性を発揮する弁座シール性を得ることができ、不要な脱圧を低減した水素ステーションを得ることができる。

トラニオン型ボールバルブを示した一部切欠き正面図である。 図１の要部拡大断面図である。 ボールシートを示した縦断面図である。 ボールシートのかしめ固着前の状態を示す断面図である。 ボールシートのかしめ固着後の状態を示す断面図である。 水素ステーションを示したブロック図である。

以下に、本発明におけるボールバルブ用ボールシートの固着構造の実施形態をトラニオン型ボールバルブに適用した場合を図面に基づいて詳細に説明する。図１においては、本発明のボールバルブ用ボールシートの固着構造によりボールシートを固定した高圧流体用トラニオン型バルブを示しており、図２においては、図１の要部拡大断面図を示している。ここで、本実施形態における高圧とは、３５ＭＰａ以上であり、ボールバルブを用いた水素ステーション用の配管設備では、７０〜１０５ＭＰａ、具体的には超高圧流体と呼ばれる９０ＭＰａ以上の高圧流体を想定している。

図において、ボール弁本体（以下、弁本体という）１の内部には、ステム２を介して弁体であるボール３が回転自在に設けられ、このボール３の両側には、シート機構１０、１１がボール３にシール接触可能に配置されている。弁本体１は、ボデー１２と、このボデー１２の一次側と二次側とにそれぞれキャップ部材１３、１３が設けられて構成され、このボデー１２内にシート機構１０、１１がそれぞれ設けられる。

ボデー１２は、略直方体状に形成され、このボデー１２の内部にボール３やステム２等が装着される軸装穴１４、この軸装穴１４との交差方向にシート機構１０、１１を配置可能な連通穴１５、１５がそれぞれ形成され、ボデー１２の両側にガスケット１６を介してキャップ部材１３、１３が螺着される。

キャップ部材１３のボデー１２側には装着穴１７が設けられ、この装着穴１７の他方側にはめねじ部１９が形成され、このめねじ部１９には外部継手２０が螺着により接続可能に設けられている。キャップ部材１３は、接着や溶着等の接合手段によりボデー１２と一体化することも可能である。

ボデー１２内部に設けられるシート機構は、一次側と二次側とでは異なるシート構造に設けられ、一次側のシート機構１０はメタルシート機構、二次側のシート機構１１は、シートリテーナにボールシートが装着されたソフトシート機構からなっている。

二次側のソフトシート機構１１は、ボールシートを成す環状シート体２１、シートリテーナ２２、バネ部材２３、シール部材２４、バックアップリング２５、受け部材２６を有している。
図２、図３において、環状シート体２１は、ＰＴＦＥよりも強度を有するＰＥＥＫ材等の樹脂製からなり、この環状シート体２１の内外周面の途中には段差部３０が設けられ、この段差部３０よりも先端側（ボール３側）にシート部３１、後端側（シートリテーナ２２側）に保持部３２が設けられている。段差部３０には、先端側に傾倒させたテーパ面３３が形成され、このテーパ面３３には、後述するシートリテーナ２２のカシメ縁部３４が密着シール可能に設けられている。本実施形態におけるテーパ面３３は、図において水平方向から略４５°の角度で設けられている。

環状シート体２１のシート部３１は、縮径状、すなわち保持部３２に対してやや薄肉状に形成され、かつ、保持部３２はシート部３１よりも肉厚状に形成されており、更に、保持部３２は、シート部３１よりも長く形成されている。

シート部３１先端面にはボール３のボール面３ａに接触するシール面３５が形成され、このシール面３５は、ボール面３ａの当接部位と略同形状の凹状の円弧形状に加工されている。

図２に示したシートリテーナ２２は、ステンレス鋼や、ニッケル基合金（例えば、インコネル（登録商標）を含むが、これに限られない）を母材として形成され、環状シート体２１をボール３の所定位置に配置し、押圧シールするために設けられる。ニッケル基合金、特にインコネル（登録商標）を用いることにより、薄肉でも高強度を有し、水素ぜい化を受けにくく、更には後述するカシメ加工に必要な伸び特性を有するシートリテーナを得ることができる。シートリテーナ２２は、ボール３側に配設される拡径部４０と、この拡径部４０よりも縮径した筒部４１とを有している。シートリテーナ２２の内側には内部流路４２が形成されている。

二次側シートリテーナ２２の拡径部４０の先端には、リング状のカシメ縁部３４が内筒４３、外筒４４の先端側にそれぞれ設けられ、これら内外筒４３、４４から成る装着溝４５が拡径部４０の先方側に形成されている。本実施形態におけるカシメ縁部３４は、内外筒４３、４４の肉厚の約２５〜３０％程度の薄肉に形成される。装着溝４５には、環状シート体２１の保持部３２が装着可能に形成され、装着溝４５に保持部３２が装着された状態で、内外筒４３、４４のカシメ縁部３４が段差部３０にかしめられて密着固定され、これによりシート部３１がカシメ位置、具体的には、カシメ縁部３４の先端よりも突出される。

一方、一次側のメタルシート機構１０においては、ボールシート部分がこのシートリテーナ２２と一体に同一の金属材料により形成され、その拡径部４０の先端に金属製シート部４６が形成される。このようにして、ボール３の一次側は、金属製シート部４６によりシールされる。この金属製シート部４６のシール面４６ａは、二次側のソフトシート機構１１におけるシート部３１のシール面３５と略同一形状に形成される。

シートリテーナ２２の筒部４１は、単一外径でストレート状に形成され、その外周にはシール部材２４とバックアップリング２５が装着され、この状態でシール部材２４、バックアップリング２５が装着穴１７の内周に挿入される。これにより、シートリテーナ２２は、連通穴１５に対して流路方向に移動可能に設けられ、その移動時には、シール部材２４により筒部４１の外周側がシールされる。

バネ部材２３は、複数枚の皿バネからなり、連通穴１５のシートリテーナ２２に受け部材２６を介して装着される。バネ部材２３によりシートリテーナ２２にはボール３方向への弾発力が付与され、環状シート体２１がボール３に所定圧で押圧されてシールされる。バネ部材２３は、皿バネ以外のバネであってもよく、コイルスプリングを設けるようにしてもよい。受け部材２６はリング状に形成され、装着穴１７の開口側に取り付けられ、バネ部材２３からの力を受けるようになっている。

図１において、シール部材２４はゴム製のＯリングからなり、バックアップリング２５は、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）により形成される。シール部材２４とバックアップリング２５は、それぞれ異なる材料で形成されていてもよいが、その場合、ゴムやＰＴＦＥと同程度の軟質材料をそれぞれ用いることが好ましく、このときにシール性を発揮させながら装着穴１７に装着できる。シール部材２４は、両側にバックアップリング２５が配置されていることで保護されている。

ボール３は、ステンレス鋼を母材として形成され、上部側に軸部４７と、下部側にトラニオン（ロワステム）４８とを有し、軸装穴１４に装着された軸受４９を介して軸部４７とロワステム４８とが取付けられて回動自在に設けられる。ボール３をステム２により回動操作し、ボール３の内部に形成された連通孔３ｂとシートリテーナ２２の内部流路４２とが連通させることで弁開状態となる。

軸装穴１４には、軸受４９に加えてパッキン５０を収納した座金５１、グランド５２、ブッシュ５３、ベアリング５４が配設され、ステム２は、これらを介してボデー１２内に回動自在に装着される。

座金５１は略円筒状に形成され、内部側にステム２外周をシールするパッキン５０が装着され、外周側にはシール用Ｏリング５５、保護リング５６が装着される。座金５１は、ベアリング５４を介してステム２の上部側に配設され、これにより、ステム２はパッキン５０、グランド５２に対して回動可能に設けられる。

グランド５２は略筒状に形成され、座金５１の上部側を嵌入可能な円筒部５７が下部に設けられている。グランド５２は、ボデー１２上部に形成された嵌合凹部５８に嵌合されて座金５１の上部に取付けられる。この場合、座金５１にはパッキン５０の上からブッシュ５３が装着され、このブッシュ５３が座金５１とグランド５２との間に介在されていることで、パッキン５０が座金５１の下面方向に押圧されてシール性が向上する。このような構成によって軸装穴１４方向の高圧流体の漏れが防がれる。

ボデー１２の上面にはカバー６０が取付けられ、このカバー６０を介してアクチュエータ６１が弁本体１に搭載される。アクチュエータ６１の図示しない出力軸はステム２に接続され、アクチュエータ６１によりステム２を介してボール３が自動操作可能に設けられる。

なお、上記実施形態においては、ボールバルブの一次側をメタルシート機構１０としているが、この一次側においても、二次側と同様にしてソフトシート機構を設けるようにしてもよい。

続いて、本発明のボールバルブ用ボールシートの固着構造の上記実施形態における作用を説明する。
本発明のボールシートの固着構造は、樹脂製環状シート体２１に段差部３０を設けてシート部３１、保持部３２をそれぞれ設け、シートリテーナ２２の先端に設けた装着溝４５に保持部３２を装着し、内外筒４３、４４に設けたカシメ縁部３４を段差部３０にかしめて密着固定し、シート部３１をこのカシメ位置より突出させるようにしながら環状シート体２１をシートリテーナ２２に固着していることで、環状シート体２１をカシメ部位により抜け出し方向に位置規制して位置ずれや抜け出しを防止できる。このため、９０ＭＰａ以上の超高圧流体が流れる流路に弁本体１を設けた際に、ボール３を開から閉操作したときに超高圧流体が環状シート体２１とシートリテーナ２２との隙間に浸入することを防ぎ、二次側への微小漏れを確実に防止する。

図２における弁閉時において、ボール３に流体圧が加わったときには、２重シール方式と呼ばれるシール方式により弁本体１が高シール性を発揮する。２重シール方式は、シート部３１の初期つぶし代をバネ部材２３のバネ力でつぶしてシートリテーナ２２とともにボール３に密着させる力と、流体による押圧力でボール３とシート部３１とを密着させる、いわゆる自緊力とによるシール力を発揮する方式であり、高圧流体による圧力を利用して封止性を高める特性を有している。その際、シート部３１の直径方向の幅寸法の調節により自緊力を大きくすることもできる。

このとき、環状シート体２１の外径側がシートリテーナ２２と密着してこの外径部位に弁本体１内のキャビティ側から流体が浸入することを防ぎ、このキャビティ側からの圧力による環状シート体２１の飛び出しを防止できる。一方、環状シート体２１の内径側がシートリテーナ２２と密着することでこの内径部位に流路側から流体が浸入することを防ぎ、この流路側からの圧力による環状シート体２１の飛び出しを防止できる。

しかも、シート部３１がカシメ位置より流路側に突出していることで、このシート部３１とボール３とのシール時にカシメ縁部３４がボール３に接触することがなく、カシメ部分がシート部３１とボール３とのシール性に影響を与えることがない。この場合、シート部３１を縮径状に形成し、保持部３２をこのシート部３１よりも厚肉状に形成すると共に、保持部３２をシート部３１よりも長く形成していることで、保持部３２側の剛性が向上し、高圧流体に対してもシート部３１の傾きなどを防止して、安定した封止性能を発揮し、作動耐久性能を向上することができる。

流路方向において、内径側のカシメ縁部３４が外径側のカシメ縁部３４よりもボール３から離間していることで、内径側のカシメ縁部３４がボール面３ａに接触するおそれがなく、カシメ部位がシート部３１のシール性能に影響を与えることがない。

これらのことから、上述したボールバルブを高圧水素が流れる水素ステーションに用いた場合、二次側からの漏れを防いで水素充填用の流路内に水素が残存することを防ぎ、車の水素タンクへの水素充填用のノズル部位の接続も容易となる。流路内の脱圧を必要最小限に抑えて水素の放出を抑えることができるため、コストの削減やエコロジーの点においても優れた水素ステーションを提供可能になる。

次いで、ボールバルブ用ボールシートの固着方法を説明する。
前述した環状シート体２１は、図４、図５に示したカシメ治具７０によりシートリテーナ２２に固着される。カシメ治具７０は、上型治具７１、下型治具７２を有し、これらの間にシートリテーナ２２、環状シート体２１を装着してカシメ加工を施すようにする。

上型治具７１の底面側には、シートリテーナ２２の内外周の各カシメ縁部３４をかしめるための環状の傾斜面７３が内外周位置に設けられ、これらの傾斜面７３、７３の間には、シートリテーナ２２に仮着された環状シート体２１のシート部３１付近への接触を回避する空間部７４が環状に形成されている。各傾斜面７３は、図において垂直方向から略４５°の角度で設けられ、内周側傾斜面７３の内周側、外周側傾斜面７３の外周側には、それぞれ逃げ部７５が切欠き形成される。図４において、上型治具７１の底面中央部には円柱突部７６が形成され、この円柱突部７６は、シートリテーナ２２の内部流路４２に嵌合可能な外径に設けられている。

一方、下型治具７２の上面側には、シートリテーナ２２の拡径部４０を嵌入可能な装着凹部８０が形成され、この装着凹部８０に続けて、筒部４１を嵌入可能な嵌合穴部８１が形成されている。これら装着凹部８０、嵌合穴部８１に環状シート体２１が仮着されたシートリテーナ２２が位置決め状態で装着され、この上から上型治具７１が下降することでカシメ加工がおこなわれる。

図４において、カシメ加工を施す際には、先ず、環状シート体２１を装着溝４５に仮着したシートリテーナ２２を下型治具７２に装着する。このとき、下型治具７２の装着凹部８０に拡径部４０、嵌合穴部８１に筒部４１が嵌入することで、シートリテーナ２２を下型治具７２に芯出し状態で位置決めしながら取付けできる。

続いて、下型治具７２に装着したシートリテーナ２２に対して上型治具７１を下降移動させ、この上型治具７１の傾斜面７３を、シートリテーナ２２のカシメ縁部３４に続けて略４５°の角度に形成したテーパ端面部８２に当接させて位置決めする。この位置決めによりシートリテーナ２２を介して下型治具７２に対する上型治具７１の位置ずれを防ぐようになっている。

上型治具７１を下降させることにより、カシメ縁部３４をテーパ端面部８２に沿ってかしめてテーパ面３３に密着固定させ、環状シート体２１をシートリテーナ２２に一体に固着する。上型治具７１を、その傾斜面７３がシートリテーナ２２のテーパ端面部８２に当接するよう下降するだけで、シートリテーナ２２のカシメ縁部３４をテーパ端面部８２と略同一の角度で延設することができるなど、カシメ加工の精度を高めることができる。

また、カシメ縁部３４を傾倒するだけで段差部３０のテーパ面３３に密着固定することができるので、カシメ加工が容易であるのみならず、カシメ加工によってカシメ縁部３４付近に加わる塑性変形の領域を最小限に抑えることができる。
しかも、上型治具７１の傾斜面７３がシートリテーナ２２のテーパ端面部８２に当接することにより、上型治具７１の下降を規制することができ、カシメ縁部３４を過度に押圧することが防がれる。

また、シートリテーナ２２のテーパ端面部８２は、その角度をカシメ縁部３４と略同一の角度となるよう形成しておくことにより、上型治具７１との接触を防ぐような浅い角度（例えば３０°）に形成する場合に比して、リテーナ先端の強度を確保することができ、環状シート体２１の段差部３０との密着固定に必要なカシメ縁部３４の強度を維持することができ、９０ＭＰａ以上の高圧流体であってもカシメ縁部３４の変形によってボールシートがずれたり脱落するのを防止することができる。

更に、シートリテーナ２２のテーパ端面部８２と略同一の角度にかしめられたカシメ縁部３４と、環状シート体２１の段差部３０のテーパ面３３とが、略同一の角度を有し、すなわち、平行となるので、カシメ縁部３４とテーパ面３３との間に隙間が生じることが防がれるというメリットがある。

このカシメ後に、環状シート体２１がかしめ固着されたシートリテーナ２２をカシメ治具７０から取外し、図５に示したシート部３１先端側のクロスハッチングで示した除去部３１ａを曲面仕上げ加工により除去し、シート部３１の先端面にシール面３５を形成するようにする。

なお、環状シート体２１の段差部３０のテーパ面３３にカシメ縁部３４が面接触するようにかしめていることで、カシメ加工時に寸法のばらつきがある場合にもこの寸法誤差を吸収し、カシメ縁部３４を段差部３０に密着固定することができる。

更に、環状シート体２１の段差部３０にカシメ縁部３４をかしめる際、段差部３０のテーパ面３３や、あるいは、テーパ端面部８２と略同一の角度に傾斜延設されたカシメ縁部３４によるくさび作用を利用して、カシメ縁部３４が段差部３０をやや軸方向、すなわち図５の下方向に押し気味にかしめた場合には、カシメ加工時の寸法誤差を更に吸収し、この部品の密着シール性を高めることができる。

しかも、上型治具７１に逃げ部７５が形成されていることで、上型治具７１の傾斜面７３をテーパ端面部８２に当接させたときにこの逃げ部７５により空隙が設けられ、この空隙によりカシメ縁部３４全体に傾斜面７３からカシメ力を伝わることを防いで、カシメ縁部３４の過剰な変形を防止して、テーパ面３３に歪みの少ない状態で密着させることができる。

更に、カシメ縁部３４の変形後には、このカシメ縁部３４の先端側とシート部３１との間に隙間Ｇが形成される。この隙間Ｇによりカシメ縁部３４の寸法誤差を許容しつつ、カシメ縁部３４先端がシート部３１に接触するのを防いで、カシメ縁部３４とテーパ面３３との空隙を塞いでこの部分からの流体の浸入を確実に防止する。

カシメ加工後のシート部３１のシール面３５を加工する際には、シート部３１が段差部３０よりも突出していることでカシメ加工後にこのシール面３５の加工が可能になるため、シール面３５がカシメ加工による影響を受けることなく傷付いたりすることを防止できる。

次に、前述したトラニオン型ボールバルブを用いた水素ステーションを述べる。
図６においては、水素ステーションの模式図を示しており、上記した高圧用トラニオン型ボールバルブは、このような水素を供給するラインに設けられる。水素ステーションは、蓄圧器９０、圧縮機９１、ディスペンサー９２、プレクール熱交換器９３、迅速継手９４、充填ホース９５、充填ノズル９６、車載タンク９７を有し、これらは高圧水素の供給ライン９８に設けられる。

上述のトラニオン型ボールバルブは、圧力損失が小さいことから、蓄圧器９０の二次側に設けられることで全体の圧力損失が小さくなるため、この種のシステムに好適である。図６に示すように、トラニオン型ボールバルブとして、水素ステーションの各ユニットの接続部位に手動弁１００が設けられ、各ユニットの一次側又は二次側には自動弁１０１が設けられ、これらの手動弁１００、自動弁１０１により流路が開閉制御される。

蓄圧器９０の内部は、複数のタンクに分かれており、それぞれのタンクと圧縮機９１とを接続するバルブ１００、及びそれぞれのタンクとディスペンサー９２とを接続するバルブ１００が設けられる。これらのバルブ１００の切り替えにより、所定圧に至ったタンクから水素がディスペンサー９２に供給され、一方、所定の下限値圧を下回ったタンクには、圧縮機９１から水素が前記所定圧に至るまで充填される。

ディスペンサー９２内に配置される自動弁１０１は、気体の水素の充填開始と終了に伴って開閉するように設けられ、充填ノズル９６は自動弁１０１と充填ホース９５を介して接続される。ディスペンサー９２には遮断弁１０２を有する脱圧機構１０３が設けられ、この脱圧機構１０３は、水素の充填終了に伴って遮断弁１０２の開放により充填ホース９５内の水素を大気に、あるいは大気圧と略同等の水素回収ラインに放出する機能を有している。自動弁１０１は、蓄圧器９０等からの水素の圧力が常時負荷される一次側にメタルシート機構１０が配設される一方、水素の充填と脱圧に伴って、水素の圧力と大気圧とが交番して負荷される二次側に、樹脂製の環状シート体２１がかしめにより密着固定されたソフトシート機構１１が配設されたトラニオン型ボールバルブとなっている。

この水素ステーションの供給ライン９８において、所定のプログラムにより水素の供給が制御され、車両への供給量に応じて適宜量の水素が供給される。

本発明は、特に、燃料電池で使用される高圧流体の水素等が流れる配管設備に好適であるが、高圧流体が流れる管路であれば優れたシール性とトルク性とを発揮でき、例えば、ＣＮＧ（Compressed Natural Gas：液化天然ガス）ステーションにおけるバルブや、或は、パイプライン用バルブなどの各種の高圧流体の流れる場所で使用される高圧用ボール弁に適している。

１ 弁本体
３ ボール
３ａ ボール面
１０ メタルシート機構
１１ ソフトシート機構
２１ 環状シート体
２２ シートリテーナ
３０ 段差部
３１ シート部
３２ 保持部
３３ テーパ面
３４ カシメ縁部
３５ シール面
４３ 内筒
４４ 外筒
４５ 装着溝
７０ カシメ治具
７３ 傾斜面
８２ テーパ端面部
９８ 供給ライン

Claims (9)

1. 樹脂製の環状シート体の内外周面の途中に段差部を設けて先端側にシート部を、後端側に保持部を設けると共に、シートリテーナの先端にリング状のカシメ縁部を有する内外筒から成る装着溝を形成し、この装着溝に前記保持部を装着し、前記内外筒のカシメ縁部を前記段差部にかしめて密着固定し、前記シート部をカシメ位置より突出させたことを特徴とするボールバルブ用ボールシートの固着構造。
2. 前記段差部のそれぞれに先端側に傾倒させたテーパ面を形成し、このテーパ面に前記カシメ縁部を密着シールさせた請求項１に記載のボールバルブ用ボールシートの固着構造。
3. 前記シート部を縮径状に形成し、かつ、前記保持部を厚肉状に形成すると共に、前記保持部を前記シート部より長く形成した請求項１又は２に記載のボールバルブ用ボールシートの固着構造。
4. 前記環状シート体をＰＥＥＫ材で形成し、かつ、前記シート部先端面にボール面に接触するシール面を形成した請求項１乃至３の何れか１項に記載のボールバルブ用ボールシートの固着構造。
5. 前記シートリテーナをニッケル基合金で形成した請求項１乃至４の何れか１項に記載のボールバルブ用ボールシートの固着構造。
6. 前記シートリテーナの軸心方向にカシメ治具を移動してこのカシメ治具に形成した傾斜面を前記シートリテーナに形成したテーパ端面部に当接させて位置決めし、次いで、前記カシメ縁部を前記テーパ端面部に沿って前記テーパ面に密着固定してボールシートをシートリテーナに装着するようにした請求項３乃至５の何れか１項に記載のボールバルブ用ボールシートの固着方法。
7. トラニオン型の構造を有するボールバルブの一次側にメタルシート機構を配設し、二次側には請求項１乃至５の何れか１項の固着構造により前記シートリテーナに装着したボールシートを配設したトラニオン型ボールバルブ。
8. 請求項７に記載のボールバルブを、水素を供給するラインに設けたことを特徴とするボールバルブを用いた水素ステーション。
9. ディスペンサー内に配置され、かつ水素の充填開始と終了に伴って開閉する自動弁と、この自動弁と充填ホースを介して接続された充填ノズルと、水素の充填終了に伴って充填ホース内の水素を大気に放出する脱圧機構を有し、上記の自動弁は、蓄圧器等からの水素の圧力が常時負荷される一次側にメタルシート機構を配設する一方、水素の充填と脱圧に伴って、水素の圧力と大気圧とが交番して負荷される二次側に、樹脂製の環状シート体をかしめにより密着固定したソフトシート機構を配設したトラニオン型ボールバルブとしたことを特徴とする水素ステーション。

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