JP6474996B2 - 減圧弁およびガス供給装置 - Google Patents

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Description

本発明は、減圧弁およびガス供給装置に関する。
ガス供給装置の減圧弁として、バネによって付勢されたピストンを用いて筒状部の内側に画定した空間において、一次側流路から二次側流路に供給されるガスを減圧するものが知られている（特許文献１を参照）。
特開２０１４−９６０９４号公報
特許文献１の減圧弁では、二次側流路から伝わる反射波を受けたピストンが振動することによって、騒音を発生する場合があるという課題があった。そのため、二次側流路から伝わる反射波による騒音を低減可能な減圧弁が望まれていた。
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、以下の形態として実現することが可能である。
（１）本発明の一形態によれば、一次側流路から二次側流路に供給されるガスを減圧する減圧弁が提供される。この減圧弁は、筒状を成し、前記一次側流路に通じる導入口と、前記二次側流路に通じる導出口とを有する筒状部と；前記筒状部の内側に嵌まり込み、前記筒状部の内側において前記筒状部の軸方向に沿って摺動可能に構成され、前記導入口および前記導出口に通じる空間を前記筒状部の内側に画定するピストンと；前記ピストンを前記空間に向けて付勢するバネとを備え、前記軸方向から見た場合、前記導出口は、前記ピストンの中心から一方に外れた位置にあり、前記バネが前記ピストンを付勢する付勢力は、前記ピストンの前記中心より前記導出口側に偏って分布する。この形態によれば、筒状部の内側に画定される空間のうち比較的に圧力が低い導出口側へと傾斜しやすいピストンに対して、バネによる付勢力が導出口側に偏って分布するため、筒状部の内側を摺動するピストンの摺動抵抗を増強できる。これによって、二次側流路から伝わる反射波によるピストンの振動を抑制できる。その結果、二次側流路から伝わる反射波による騒音を低減できる。
（２）上記形態の減圧弁において、前記バネが前記ピストンに接触する部位は、前記ピストンの前記中心より前記導出口側に偏って分布してもよい。この形態によれば、導出口側に偏って分布する付勢力を容易に実現できる。
（３）上記形態の減圧弁において、前記軸方向から見た場合、前記バネが前記ピストンに接触する部位は、前記導出口の少なくとも一部に重なってもよい。この形態によれば、導出口側に偏って分布する付勢力を容易に実現できる。
（４）上記形態の減圧弁において、前記バネは、コイルスプリングであり、前記軸方向から見た場合、前記導出口は、前記ピストンの前記中心を基準として、前記ピストンに接触する前記バネの端部から、前記バネの巻き方向に９０°の位置にあってもよい。この形態によれば、ピストンの摺動抵抗をいっそう増強できる。これによって、二次側流路から伝わる反射波によるピストンの振動をいっそう抑制できる。その結果、二次側流路から伝わる反射波による騒音をいっそう低減できる。
（５）本発明の一形態によれば、ガス供給装置が提供される。このガス供給装置は、上記形態の減圧弁と；前記二次側流路に接続され、前記二次側流路内のガスを噴射する噴射部とを備える。この形態によれば、噴射部によるガスの噴射に起因する反射波による減圧弁の騒音を低減できる。
本発明は、減圧弁およびガス供給装置以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、本願発明は、減圧弁を備える燃料電池システム、ガスを減圧する方法などの形態で実現することができる。
燃料電池システムの構成を示す説明図である。 減圧弁の内部構造を模式的に示す断面図である。 減圧弁の内部構造を模式的に示す断面図である。 減圧弁の断面を示す説明図である。 減圧弁の振動レベルを評価した結果を示すグラフである。 第２実施形態における減圧弁の内部構造を模式的に示す断面図である。 減圧弁の断面を示す説明図である。
Ａ．第１実施形態
図１は、燃料電池システム１０の構成を示す説明図である。燃料電池システム１０は、燃料電池２０と、ガス供給装置３０とを備える。本実施形態では、燃料電池システム１０は、車両に搭載され、車両の走行に用いられる電力を供給する。
燃料電池システム１０の燃料電池２０は、反応ガスの電気化学反応に基づいて発電する。本実施形態では、燃料電池２０は、水素と酸素との電気化学反応に基づいて発電する。本実施形態では、燃料電池２０には、水素ガスおよび空気が反応ガスとして供給される。
ガス供給装置３０は、ガスを供給する装置である。本実施形態では、ガス供給装置３０は、水素ガスを燃料電池２０に供給する。ガス供給装置３０は、タンク３２と、ガス流路３４と、ガス流路３６と、インジェクタ３８と、減圧弁３００とを備える。
ガス供給装置３０のタンク３２は、ガスを貯蔵する容器である。本実施形態では、タンク３２は、水素ガスを貯蔵する。ガス供給装置３０のガス流路３４は、タンク３２から減圧弁３００へとガスを流す一次側流路である。ガス供給装置３０のガス流路３６は、減圧弁３００からインジェクタ３８へとガスを流す二次側流路である。ガス供給装置３０のインジェクタ３８は、ガス流路３６に接続され、ガス流路３６内のガスを燃料電池２０側へと噴射する噴射部である。
図２および図３は、減圧弁３００の内部構造を模式的に示す断面図である。図２における減圧弁３００の状態は、ガス流路３４と減圧弁３００の内部との間が開放された状態である。図３における減圧弁３００の状態は、ガス流路３４と減圧弁３００の内部との間が閉鎖された状態である。図２および図３には、減圧弁３００の軸ＡＬを通る平面で切断した減圧弁３００の断面形状が模式的に図示されている。
図２および図３には、ＸＹＺ軸が図示されている。図２および図３のＸＹＺ軸は、互いに直交する３つの空間軸として、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸を有する。Ｘ軸に沿ったＸ軸方向のうち、＋Ｘ軸方向は、紙面手前から紙面奥に向かう正の方向であり、−Ｘ軸方向は、＋Ｘ軸方向の反対側に向かう負の方向である。Ｙ軸に沿ったＹ軸方向のうち、＋Ｙ軸方向は、紙面右側から紙面左側に向かう正の方向であり、−Ｙ軸方向は、＋Ｙ軸方向の反対側に向かう負の方向である。本実施形態では、Ｚ軸は、減圧弁３００の軸ＡＬに沿った軸である。Ｚ軸に沿ったＺ軸方向のうち、＋Ｚ軸方向は、紙面下側から紙面上側に向かう正の方向であり、−Ｚ軸方向は、＋Ｚ軸方向の反対側に向かう負の方向である。図２および図３のＸＹＺ軸は、他の図におけるＸＹＺ軸に対応する。
ガス供給装置３０の減圧弁３００は、ガス流路３４からガス流路３６に供給されるガスを減圧する。減圧弁３００は、本体３１０と、ピストン３２０と、バネ３３０と、弁体３４０と、ピン３４８と、バネ３５０とを備える。
減圧弁３００の本体３１０は、ピストン３２０、バネ３３０、弁体３４０、ピン３４８およびバネ３５０を内部に保持する筐体である。本実施形態では、本体３１０は、複数の部材を組み合わせて構成される。本実施形態では、本体３１０を構成する部材は、ステンレス鋼から成る。本体３１０は、筒状部３１５と、流路３１２と、流路３１８とを備える。
本体３１０の筒状部３１５は、筒状を成す部位である。筒状部３１５は、導入口３１４および導出口３１６に接続された柱状の空間を内側に画定する。本実施形態では、筒状部３１５は、軸ＡＬを中心とする円筒状を成し、軸ＡＬを中心とする円柱状の空間を内側に画定する。
本体３１０の流路３１２は、ガス流路３４へと接続される流路である。流路３１２は、ガス流路３４から流れるガスを筒状部３１５の導入口３１４へと流す。
本体３１０の流路３１８は、ガス流路３６へと接続される流路である。流路３１８は、筒状部３１５の導出口３１６から流れるガスをガス流路３６へと流す。
減圧弁３００の弁体３４０は、導入口３１４を開閉する。本実施形態では、弁体３４０は、流路３１２の内側において軸ＡＬに沿って摺動可能に構成されている。減圧弁３００のピン３４８は、導出口３１６の内側に配置され、ピストン３２０の変位を弁体３４０へと伝達する。減圧弁３００のバネ３５０は、弁体３４０が導入口３１４を閉塞する方向（＋Ｚ軸方向）に向けて弁体３４０を付勢する。
図２に示すように、ピストン３２０によって画定される空間ＣＢの圧力が所定値より低い場合、弁体３４０は、ピストン３２０の変位に応じて導入口３１４を開放する。これによって、ガス流路３４から流路３１２および導入口３１４を通じてガスが空間ＣＢに流入するため、空間ＣＢの圧力は上昇する。
図３に示すように空間ＣＢの圧力が所定値以上である場合、弁体３４０は、ピストン３２０の変位に応じて導入口３１４を閉塞する。これによって、ガス流路３４から空間ＣＢへのガスの流入が停止される。その後、インジェクタ３８からガスが噴射された場合、空間ＣＢから導出口３１６および流路３１８を通じてガス流路３６へとガスが流出することによって、空間ＣＢの圧力は低下する。
減圧弁３００のピストン３２０は、筒状部３１５の内側に嵌り込む筒状を成す。本実施形態では、ピストン３２０は、軸ＡＬを中心とする円筒状を成す。ピストン３２０は、筒状部３１５の内側において軸ＡＬに沿って摺動可能に構成されている。本実施形態では、ピストン３２０は、ステンレス鋼から成る。本実施形態では、ピストン３２０の外周には、筒状部３１５の内壁との間を密閉するシール部材３２８が設けられている。
ピストン３２０は、導入口３１４および導出口３１６に通じる空間ＣＢを筒状部３１５の内側に画定する。本実施形態では、空間ＣＢは、ピストン３２０より−Ｚ軸方向側に画定される。本実施形態では、空間ＣＢは、軸ＡＬを中心とする空間である。
本実施形態では、導入口３１４は、軸ＡＬの周囲に均等に配置されている。本実施形態では、導出口３１６は、軸ＡＬから一方（−Ｙ軸方向）に外れた位置にある。そのため、空間ＣＢにおける圧力の分布に偏りが発生し、軸ＡＬから＋Ｙ軸方向側の圧力は、軸ＡＬから−Ｙ軸方向側の圧力より高くなる傾向にある。これによって、ピストン３２０には、軸ＡＬより−Ｙ軸方向側を−Ｚ軸方向側へと傾かせる方向に働くモーメントＭｐが加わる。
減圧弁３００のバネ３３０は、ピストン３２０を空間ＣＢに向けて付勢する。バネ３３０がピストン３２０を付勢する付勢力は、ピストン３２０の中心である軸ＡＬより導出口３１６側に偏って分布する。これによって、ピストン３２０に加わるモーメントＭｐが増強される。
本実施形態では、バネ３３０は、コイルバネである。本実施形態では、バネ３３０は、軸ＡＬ（Ｚ軸）に沿って伸縮する。本実施形態では、バネ３３０の＋Ｚ軸方向側は、本体３１０に接触し、バネ３３０の−Ｚ軸方向側は、ピストン３２０に接触する。
図４は、減圧弁３００の断面を示す説明図である。図４には、図２の矢視Ｆ４−Ｆ４（＋Ｚ軸方向）から見た筒状部３１５およびピストン３２０の断面が図示されている。図４には、軸ＡＬから−Ｙ軸方向に外れた位置に導出口３１６が破線を用いて図示されている。図４には、バネ３３０がピストン３２０に接触する部分が一点鎖線およびハッチングを用いて図示されている。本実施形態では、バネ３３０がピストン３２０に接触する部位は、ピストン３２０の中心である軸ＡＬより導出口３１６側に偏って分布する。
本実施形態では、筒状部３１５の軸方向であるＺ軸方向から見た場合、バネ３３０がピストン３２０に接触する部位は、導出口３１６の少なくとも一部に重なる。他の実施形態では、筒状部３１５の軸方向であるＺ軸方向から見た場合、バネ３３０がピストン３２０に接触する部位は、導出口３１６から外れた位置にあってもよい。
本実施形態では、筒状部３１５の軸方向であるＺ軸方向から見た場合、導出口３１６は、ピストン３２０の中心である軸ＡＬを基準として、ピストン３２０に接触するバネ３３０の端部３３１から、バネ３３０の巻き方向に９０°の位置にある。他の実施形態では、導出口３１６は、ピストン３２０に接触するバネ３３０の端部３３１から、バネ３３０の巻き方向に９０°から１８０°の範囲に位置してもよい。
図５は、減圧弁の振動レベルを評価した結果を示すグラフである。図５の横軸は、バネ３３０の端部３３１と導出口３１６との位置関係を示す。図５の縦軸は、減圧弁の振動レベルを示す。
図５の評価試験では、試験者は、バネ３３０の端部３３１と導出口３１６との位置関係が異なる４つの減圧弁を試料１〜４として用意した。試料２は、図２〜４に示した減圧弁３００と同様であり、試料１，３，４は、導出口３１６の位置関係を除き、図２〜４に示した減圧弁３００と同様である。試験者は、各試料の減圧弁を用いてガスを減圧し、その際に減圧弁が振動する振動レベルを測定した。減圧弁の振動レベルは、減圧弁の騒音レベルと相関があり、振動レベルが大きくなる程、騒音レベルも大きくなる。
試料１の導出口３１６は、軸ＡＬを基準としバネ３３０の端部３３１からバネ３３０の巻き方向に０°の位置とした。試料２の導出口３１６は、軸ＡＬを基準としバネ３３０の端部３３１からバネ３３０の巻き方向に９０°の位置とした。試料３の導出口３１６は、軸ＡＬを基準としバネ３３０の端部３３１からバネ３３０の巻き方向に１８０°の位置とした。試料４の導出口３１６は、軸ＡＬを基準としバネ３３０の端部３３１からバネ３３０の巻き方向に２７０°の位置とした。
図５の評価結果によれば、騒音を抑制する観点から、導出口３１６は、軸ＡＬを基準としバネ３３０の端部３３１からバネ３３０の巻き方向に９０°の位置であることが好ましく、１８０°の位置であっても騒音を抑制できることが分かった。このことから、導出口３１６をバネ３３０の端部３３１から少なくとも９０°から１８０°の範囲に配置することによって、騒音を抑制できると考えられる。
以上説明した第１実施形態によれば、筒状部３１５の内側に画定される空間ＣＢのうち比較的に圧力が低い導出口３１６側へと傾斜しやすいピストン３２０に対して、バネ３３０による付勢力が導出口３１６側に偏って分布するため、筒状部３１５の内側を摺動するピストン３２０の摺動抵抗を増強できる。これによって、二次側流路であるガス流路３６から伝わる反射波によるピストン３２０の振動を抑制できる。その結果、二次側流路から伝わる反射波による騒音を低減できる。また、ガス供給装置３０において、インジェクタ３８によるガスの噴射に起因する反射波による減圧弁３００の騒音を低減できる。
また、バネ３３０がピストン３２０に接触する部位は、ピストン３２０の中心である軸ＡＬより導出口３１６側に偏って分布するため、導出口３１６側に偏って分布する付勢力を容易に実現できる。また、筒状部３１５の軸方向であるＺ軸方向から見た場合、バネ３３０がピストン３２０に接触する部位は、導出口３１６の少なくとも一部に重なるため、導出口３１６側に偏って分布する付勢力を容易に実現できる。
また、導出口３１６は、ピストン３２０の中心である軸ＡＬを基準として、ピストン３２０に接触するバネ３３０の端部３３１から、バネ３３０の巻き方向に９０°の位置にあるため、ピストン３２０の摺動抵抗をいっそう増強できる。これによって、二次側流路から伝わる反射波によるピストン３２０の振動をいっそう抑制できる。その結果、二次側流路から伝わる反射波による騒音をいっそう低減できる。
Ｂ．第２実施形態
図６は、第２実施形態における減圧弁３００Ｂの内部構造を模式的に示す断面図である。図６には、図２と同様にＸＹＺ軸が図示されている。減圧弁３００Ｂは、導出口３１６とは形状が異なる導出口３１６Ｂを備える点を除き、第１実施形態の減圧弁３００と同様である。
図７は、減圧弁３００Ｂの断面を示す説明図である。図７には、図６の矢視Ｆ７−Ｆ７から見た導出口３１６Ｂの形状が図示されている。第２実施形態の導出口３１６Ｂは、導入口３１４より外側における軸ＡＬの周囲に均等に配置されている。本実施形態では、導出口３１６Ｂは、軸ＡＬを中心とする環状の溝である。
第２実施形態によれば、二次側流路であるガス流路３６から伝わる反射波がピストン３２０に対して局所的に当たることを抑制できるため、二次側流路であるガス流路３６から伝わる反射波によるピストン３２０の振動を抑制できる。その結果、二次側流路から伝わる反射波による騒音を低減できる。
Ｃ．他の実施形態：
本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部または全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部または全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
減圧弁は、ピストン３２０の側面に設けられ、ピストン３２０の摺動移動に対してダンパーとして作用するＯリングを、更に備えてもよい。これによって、筒状部３１５の内壁とピストン３２０の側面との摺動抵抗を増加させることができる。したがって、二次側流路であるガス流路３６から伝わる反射波によるピストン３２０の振動を抑制できる。その結果、二次側流路から伝わる反射波による騒音を低減できる。
ピストン３２０の側面には、比較的に高粘度のグリースが塗布されていてもよい。これによって、筒状部３１５の内壁とピストン３２０の側面との摺動抵抗を増加させることができる。したがって、二次側流路であるガス流路３６から伝わる反射波によるピストン３２０の振動を抑制できる。その結果、二次側流路から伝わる反射波による騒音を低減できる。
１０…燃料電池システム
２０…燃料電池
３０…ガス供給装置
３２…タンク
３４…ガス流路
３６…ガス流路
３８…インジェクタ
３００，３００Ｂ…減圧弁
３１０…本体
３１２…流路
３１４…導入口
３１５…筒状部
３１６，３１６Ｂ…導出口
３１８…流路
３２０…ピストン
３２８…シール部材
３３０…バネ
３３１…端部
３４０…弁体
３４８…ピン
３５０…バネ
ＣＢ…空間
ＡＬ…軸
Ｍｐ…モーメント

Claims (5)

  1. 一次側流路から二次側流路に供給されるガスを減圧する減圧弁であって、
    筒状を成し、前記一次側流路に通じる導入口と、前記二次側流路に通じる導出口とを有する筒状部と、
    前記筒状部の内側に嵌まり込み、前記筒状部の内側において前記筒状部の軸方向に沿って摺動可能に構成され、前記導入口および前記導出口に通じる空間を前記筒状部の内側に画定するピストンと、
    前記ピストンを前記空間に向けて付勢するバネと、
    前記ピストンの外周に配置され、前記筒状部の内壁と前記ピストンの外周との間を密閉するシール部材と
    を備え、
    前記ピストンは、前記筒状部の内側における摺動抵抗を増大させるために、前記筒状部に対して前記導出口側に向けて傾くように構成されており、
    前記軸方向から見た場合、前記導出口は、前記ピストンの中心から一方に外れた位置にあり、
    前記バネが前記ピストンを付勢する付勢力は、前記ピストンの前記中心より前記導出口側に偏って分布する、減圧弁。
  2. 前記バネが前記ピストンに接触する部位は、前記ピストンの前記中心より前記導出口側に偏って分布する、請求項１に記載の減圧弁。
  3. 前記軸方向から見た場合、前記バネが前記ピストンに接触する部位は、前記導出口の少なくとも一部に重なる、請求項１または請求項２に記載の減圧弁。
  4. 請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の減圧弁であって、
    前記バネは、コイルスプリングであり、
    前記軸方向から見た場合、前記導出部は、前記ピストンの前記中心を基準として、前記ピストンに接触する前記バネの端部から、前記バネの巻き方向に９０°の位置にある、減圧弁。
  5. 請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の減圧弁と、
    前記二次側流路に接続され、前記二次側流路内のガスを噴射する噴射部と
    を備えるガス供給装置。
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