JP6490007B2 - 高圧用トラニオン型ボール弁およびこれを用いた水素ステーション - Google Patents

Description

本発明は、ボール弁に関し、特に、水素等の高圧流体が流れる水素ステーションなどの設備に好適な高圧用トラニオン型ボール弁およびこれを用いた水素ステーションに関する。

近年、エネルギー政策の見直しに伴って、燃料電池自動車用水素ステーションの供給インフラの普及が強く推進されている。水素ステーションなどの高圧流体が流れる配管設備では、例えば、水素の圧力の場合には８０ＭＰａ以上の高圧になることがあり、場合によっては約１０３ＭＰａ（１５０００ｐｓｉ）程度の高圧水素ガスに対応する必要が生じることもある。そのため、高圧流体の流量を確保しながら流路をオンオフするために、高圧用のトラニオン型ボール弁が使用されることが多い。
高圧用トラニオン型ボール弁では、弁体に高い流体圧が加わり、この弁体からステム軸装部に流路方向に力が働くことで操作時のトルクが大きくなりやすい。そのため、特にこの種のバルブでは、高圧下においても弁座シール性を維持しつつ、操作時には低トルク性を確保しながら操作性を安定させることが求められている。

この種のボール弁として、例えば、特許文献１の高圧ボール弁が開示されている。この高圧ボール弁は、ボール部分の上下部にそれぞれステムが設けられ、ボール部分はこれらステムを介してボトムエントリ構造によりボデー内に装着されている。同文献１の図５、図６においては、ボール部分の上下部に一体に円柱状のステムが延設され、かつ、このステムのボールを中心とする対称位置にそれぞれＯリングが配置された構造に設けられている。

一方、特許文献２のボールバルブは、ボール部に円柱状の上部ステムと下部ステムとが一体化されたトラニオン型ボール弁であり、このボール弁の上部ステム、下部ステムのボール部を中心とする対称位置にラジアルベアリングが配置され、上部ステムに接続されている操作軸にスラストベアリングが配置された構造になっている。

特公平４−８６６９号公報 特開２００８−２８６２２８号公報

しかしながら、前者の特許文献１の高圧ボール弁は、２５００ｐｓｉ（約１７ＭＰａ）や６０００ｐｓｉ（約４１ＭＰａ）の流体圧力に対応する技術に留まり、これ以上の高圧流体に対応することは難しい。
そして、特許文献１の軸シールに採用されているＯリングとバックアップリングとの組み合わせによるシール部材では、上記のような高圧流体を封止することが難しく、Ｏリング溝からＯリングが飛び出すおそれがある。このＯリングの飛び出しを防止するため、剛性を上げたシール部材を採用することも考えられるが、特許文献１はシール部材（Ｏリング）をステム外周に設けた溝に装着する構造のため、シール部材の剛性を上げると溝への装着が困難になる。
この高圧ボール弁の弁体に高圧流体が加わると、弁体からステムにラジアル方向（ステム軸と直交方向）の力が働くことで、弁体開閉時の操作トルクが大きくなる。
さらに、上ステムが分割構造であり、弁体から分割された操作ステムにラジアル方向の軸受やスラスト方向（ステム軸方向）の軸受を設けているために構造が複雑になり、バルブの組立てやメンテナンスに手間がかかるという問題もある。

一方、後者の特許文献２のボールバルブは、軸シールを上部ステムと別体の操作軸のみでおこなっているため、キャビティ内の高圧流体によりこの操作軸には大きなスラスト荷重が加わり、弁の操作トルクが大きくなる。この操作トルクを確実に伝達するためにはスラストベアリングが必要となるほか、ボールやステムの軸を太く設ける必要があり、特に、ボールとステムとの嵌合部の強度が軸全体の最弱点になることを防ぐために、この付近の軸を太く設ける必要がある。
しかし、軸を太く設けると、これに伴ってバルブ本体の耐久性を高めるようにバルブ本体の肉厚を厚くしなければならず、この場合、バルブ全体が大きく、重いものとなる。

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、特に高圧流体に適しており、高圧下においても弁座シール性を確保しながら、特にステムへのスラスト荷重を抑えて低トルク性を実現し、かつ、略一定の安定した操作トルクにより開閉操作でき小型化可能な高圧用トラニオン型ボール弁およびこれ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、蓋部材を有するボデー内に回転自在に設けたボールと、このボールとシール接続するシートリテーナと、このシートリテーナをシール側に弾発力を付与するバネ部材と、シートリテーナの外周面に装着したシール部材からなるトラニオン型ボール弁であって、ボールの上下に同一径の上ステムと下ステムをそれぞれ延設してボール部材を構成し、この上下ステムには、ボールを中心に対称位置に同一構造の軸装シール機構を装着し、この上下の軸装シール機構のボール側には、同一シール径のUリングシールを設けてバランス構造とすることによりスラスト荷重を回避すると共に、上下ステムのボール近傍位置に鍔部が設けられ、この鍔部で上下ステムの外周に設けた軸受のボール側を保持した高圧用トラニオン型ボール弁である。

請求項２に係る発明は、軸装シール機構は、Ｕリングシールにバックアップリングを積層し、外周位置に内周径をやや突設させた金属リングを設けた高圧用トラニオン型ボール弁である。

請求項３に係る発明は、ボデーのボトム側よりボール部材を装入してボデー内に配設し、ボデーのボトム側より蓋部材で被蓋し、この蓋部材に下ステムを軸装した高圧用トラニオン型ボール弁である。

請求項４に係る発明は、蓋部材には、下ステムの下部と連通するリリーフ孔を穿設した高圧用トラニオン型ボール弁である。

請求項５に係る発明は、ボデーと蓋部材との当接面には、回動防止板材を装着した高圧用トラニオン型ボール弁である。

請求項６に係る発明は、ボデーの流路方向の両側位置に流入部と流出部を固着すると共に、ボデーの流路方向と交差する外周面をフラット面に形成し、このフラット面に内部と連通するリークポートを穿設した高圧用トラニオン型ボール弁である。

請求項７に係る発明は、高圧水素の供給ラインに高圧用トラニオン型ボール弁を用いて構成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、シール部材を装着したシートリテーナをバネ部材でシール側に弾発させてボールをシールするトラニオン型としていることで、特に高圧流体に適しており、上下ステムを同一径とし、この上下ステムにボールを中心として対称位置に同一構造の軸装シール機構を装着し、上下の軸装シール機構のボール側に同一シール径のＵリングシールを設けてバランス構造として、特にスラスト荷重の発生を回避するようにしているのでスラスト荷重による摩擦力が発生せず、また、高圧下においてもボールがシール部材に対してずれることを防止し、弁座シール性を維持できることで確実に漏れを防ぐことができ、上下ステムでバランスよく均等にボールを支えることで低トルク性を実現する。このように、スラスト荷重の発生を回避することにより、スラストベアリングを用いる必要もなくなり、また、軸装シール機構をスラスト荷重から保護する構造も不要になるため、部品点数の削減も可能となる。

しかも、鍔部により軸受のボール側への飛び出しを防ぎ、この軸受のバランスを維持しながらボールを保持し、ボールを中心に対称位置に装着された軸受によりボールが流体圧によって受ける力を均等に受けて、バルブを弁閉や弁開操作する際に、特に弁閉位置近傍のバルブ操作をスムーズにおこなうことができる。

請求項２に係る発明によると、Ｕリングシールで摺動抵抗を少なくしつつシール性を発揮できる。Ｕリングシールにバックアップリングを積層することにより、高シール性を維持しながらＵリングのはみだしを防いで耐久性を向上できる。内周径をやや突設させた金属リングを外周位置に設けていることで、この金属リングを利用してＵリングシールなどのシール部品を破壊することなく簡単にボデーから取り出すことができる。さらに、これらＵリングシール、バックアップリング、金属リング、軸受などの部品の内径を一致させることで、上下ステムをそれぞれシンプルな一本軸にでき、加工の容易化、高精度化が可能になる。

請求項３に係る発明によると、ボデーのボトム側よりボール部材を装入して組み込むボトムエントリ構造であることで、ボデーのトップ側より組み込むことが困難な場合でも容易に組み込み作業できる。これにより、例えば、上ステムの上部に操作用アクチュエータやハンドルが設けられる場合もこれら操作部材と蓋部材とが干渉することなく、簡単に組立てできる。また、ボデーのトップ側よりボール部材を装入するトップエントリ構造に比べて、バルブの大きさを小さくすることができる。

請求項４に係る発明によると、蓋部材に空気が内封されることを防ぎつつ、この蓋部材に内挿された軸装シール機構に下ステムを挿入できる。

請求項５に係る発明によると、ボデーと蓋部材との当接面に回動防止板材を装着していることで、蓋部材の緩みを防いでボールの位置決め状態を保持でき、高圧流体の漏れを防ぎつつ確実にシール性と操作性とを発揮できる。

請求項６に係る発明によると、ボデーの流路方向に流入部と流出部とを固着して流路を確保すると共に、ボデーにフラット面を形成することで余分な肉厚を減らして全体をコンパクト化し、しかも、フラット面にリークポートを形成していることでこのリークポートを容易に設けることができる。

請求項７に係る発明によると、特に高圧流体に適し、高圧下においても
軸装部分の密封性を維持しながら、ステムへのスラスト荷重を抑えて低トル
ク性を実現し、略一定の安定した操作トルクにより開閉操作可能な高圧用ト
ラニオン型ボール弁を備えており、このボール弁により高圧流体の漏れを確
実に防止しつつ、優れたトルク性により自動や手動で弁体を操作して所定量
の水素を供給又は停止できる。

本発明の高圧用トラニオン型ボール弁の実施形態を示した斜視図である。 図１の高圧用トラニオン型ボール弁の拡大断面図である。 （ａ）は、図２の弁開状態における要部拡大断面図である。（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 図２の高圧用トラニオン型ボール弁の一部切欠き側面図である。 図２の高圧用トラニオン型ボール弁の一部切欠き平面図である。 図２の高圧用トラニオン型ボール弁の一部省略底面図である。 シートリテーナを示す縦断面図である。 手動ハンドルを外した高圧用トラニオン型ボール弁を示す斜視図である。 本発明の高圧用トラニオン型ボール弁の他の実施形態を示した縦断面図である。 図９におけるボール部材を示した斜視図である。 本発明の高圧用トラニオン型ボール弁の更に他の実施形態を示した断面図である。 図１１におけるボール弁の分離斜視図である。

水素ステーションを示したブロック図である。

１、９０、１２０ ボール弁本体（バルブ本体）
２ 蓋部材
３ ボデー
１０ ボール
１１ シートリテーナ
１２ バネ部材
１３ Ｏリング（シール部材）
２０ 軸装シール機構
２８ リリーフ孔
３２ 流入部
３３ 流出部
３６ フラット面
３７ リークポート
５０ 上ステム
５１ 下ステム
５２ ボール部材
５３ 鍔部
５５ Ｕリングシール
５６ バックアップリング
５７ 金属リング
５８ 軸受
６１ 回動防止板材
６３ 固着ボルト（止部材）
７８ 供給ライン
１００ 拡径摺動部
１０１ コーティング層
１１０ 連通孔（連通部）
１３０ 摺動筒体
１４０ 連通溝（連通部）

以下に、本発明における高圧用トラニオン型ボール弁およびこれを用いた水素ステーションの実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１においては、本発明における高圧用トラニオン型ボール弁の一実施形態を示しており、図２においては、図１の拡大断面図を示している。

図において、本発明におけるボール弁本体（以下、バルブ本体という）１は、特に、高圧流体を流す場合に好適なトラニオン構造からなり、蓋部材２を有するボデー３と、これらの内部にボール１０、シートリテーナ１１、バネ部材１２、シール部材１３、バネ押え１４、補助リング１５、軸装シール機構２０を有している。本実施形態における高圧とは、例えば、３５ＭＰａ以上であり、水素ステーション用の配管設備用バルブとして７０〜１０５ＭＰａ、具体的には１０３ＭＰａ程度の高圧を想定している。そして、本発明におけるバルブ本体１は、例えば、−５０〜８５℃までの流体の温度変化に対応可能になっている。

バルブ本体１のボデー３は、例えばステンレス鋼（ＳＵＳ）からなり、このボデー３において、内部の流路方向（図２における水平方向）には穴状の装着部２１が設けられ、ボデー３上部側のボール１０の軸装方向（図２における鉛直方向）に軸装穴２２が設けられ、ボデー３の下部側（ボトム側）に装入穴２３が設けられ、この装入穴２３の内周の一部にはメネジ部２４が設けられている。バルブ本体１は、例えば、２．５ｋｇ程度の重さに設けられる。

図２に示した蓋部材２は、例えばＳＵＳにより蓋状に形成され、メネジ部２４に螺合するオネジ部２５を有し、このオネジ部２５を介してボデー３のボトム側より着脱可能に設けられる。蓋部材２の内部にはボデー３の軸装穴２２と同径の軸装穴２６が設けられ、さらに、この軸装穴２６に続けて底面側には後述する下ステム５１の下部と連通するリリーフ孔２８が穿設されている。このリリーフ孔２８は、バルブ本体１の組立て時の部品挿入時の空気抜きの機能を発揮し、組立て後には、リークポート部位の機能を発揮する。メネジ部２４の奥側（ボール側）には、例えば銅製からなる環状ガスケット３１を装着し、ボデー３と蓋部材２との間をシールしている。

図２、図５において、ボデー３の装着部２１にはボール１０やシートリテーナ１１等が装着可能に設けられ、これらを介してボデー３内には流路３０が形成される。さらに、ボデー３の両側にはめねじ３ａが設けられ、このめねじ３ａに、例えばＳＵＳからなるキャップ状の流入部３２と流出部３３とにそれぞれ設けられたおねじ３２ａ、３３ａが螺着され、この流入部３２、流出部３３がそれぞれボデー３に固着される。めねじ３ａの奥側（ボール側）には、例えば銅製からなる環状ガスケット３１が装着され、ボデー３と流入部３２、流出部３３との間がシールされる。本実施形態においては、前述のボデー３と蓋部材２との間をシールするガスケットと同一寸法、同一材質のガスケット３１が用いられる。

流入部３２、流出部３３のボデー接続側には段状の装着穴３４、３４がそれぞれ形成され、これら装着穴３４、３４にそれぞれシートリテーナ１１、バネ部材１２、シール部材１３、バネ押え１４、補助リング１５が装着される。流出部３２、流入部３３における装着穴３４の他方側にはそれぞれ雌ねじ３５、３５が形成され、これら雌ねじ３５、３５を介して図示しない外部の配管が接続可能に設けられている。
ボデー３内における流入側、流出側とも同じ弁座シール構造、すなわち、図２において左右対称構造に設けられている。

図１に示すように、ボデー３における流路方向と交差する外周面は、フラット面３６に形成され、このフラット面３６には内部と連通するリークポート部３７ａがリークポート３７の一つとして穿設されている。

図２におけるボデー３内のシートリテーナ１１は、例えばＢｅＣｕ合金（ベリリウム銅合金）などの銅基合金を母材として形成され、この母材に適宜の熱処理を行うことで、例えばビッカース硬さＨｖ３６０〜４５０程度に設けられる。シートリテーナ１１を銅基合金で形成した場合には、水素による脆化が防がれる。

シートリテーナ１１は、ボール１０とシール接続可能に設けられ、ボール１０側に対向配置される拡径部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。拡径部４０のボール１０側との対向面にはシール面４２が設けられ、図７においてこのシール面４２には、例えばＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）によるコーティング層４２ａが施される。ＤＬＣは、主に炭化水素、或は炭素の同素体からなるアモルファスの硬質膜であり、高硬度であって、潤滑性、耐摩耗性、表面平滑性、化学的安定性などの特性に優れている。ＤＬＣを施す際の製法としては、例えば、プラズマＣＶＤ法やＰＶＤ法などの成膜法がある。

ここで、図７において、シートリテーナ１１のシール面４２を設ける場合を述べる。図において、ボール１０のボール面１０ａの球径中心点Ｐからボール１０の流路方向にＸ軸、このＸ軸と交差するＹ軸を設ける。球径中心点ＰからＹ軸方向に所定距離Ｈの間をあけて２箇所の偏位点（オフセット点）Ｑ、Ｑを設ける。各オフセット点Ｑ、Ｑから偏位（オフセット）側と反対方向に１８０°の角度でボール面１０ａの半径Ｒ_Ｂよりもやや長い半径Ｒで半球面Ｓ、Ｓをそれぞれ描くことにより、この半球面Ｓの一部を軌跡面としたシール面４２が構成される。すなわち、図７において、シール面４２は、所定距離Ｈのオフセット点Ｑ、Ｑから描かれたボール面１０ａのやや長い半径Ｒの軌跡の一部であり、このシール面４２は半径Ｒで描かれることになる。

このとき、シール面４２のボール面１０ａとのシール位置Ｔが当該シール面４２の略中央位置になるようにオフセット点Ｑの所定距離Ｈを設定する。一例として、図３におけるボール１０の内部流路径ｄＮが１０ｍｍであって、ボール面１０ａの球径φＤがφ２０ｍｍ（半径Ｒ_Ｂが１０ｍｍ）のときには、やや長い半径Ｒ（半径Ｒ_Ｂ＋Δｒ）として、距離ＨをΔｈとしたオフセット点Ｑを設定し、このオフセット点Ｑより軌跡面を描くようにすればよい。オフセット点Ｑの球径中心点Ｐからの所定距離Ｈは、ボール面１０ａの球径に応じて適宜変更することができる。本実施形態においては、Δｒ＞Δｈの関係になるよう設定している。

仮に、オフセット点Ｑを設けることなく、シートリテーナ１１のシール面４２をボール面１０ａよりやや長い半径で設定してしまうと、ボール１０がシートリテーナ１１のシール面４２の内周縁部位に当接してしまう。すると、内周縁部位がボール面１０ａに極所的に当接することとなり、ＤＬＣが破損するおそれが高くなる。これを回避するために内周縁部位に丸みをつけ、極所的な当接を避ける技術も考えられるが、ボール１０の位置がＸ軸方向にずれることになり、このボール１０上部の軸部などを細くせざるを得ないなどの新たな問題を生じてしまう。
本実施形態では、オフセット点Ｑを設けることにより、シートリテーナ１１のシール面４２と前記ボール面１０ａとのシール位置を当該シール面の略中央位置になるようにした。その上で、ＤＬＣを施す前の仕上加工をボール１０に施すことにより、シートリテーナ１１とボール１０とを面接触シールにてシールさせるようにしている。

この場合、線接触又は面接触で当接させたシール面を有し、線接触といえども、実際には所定の巾を有した接触シール面を形成している。例えば、面接触シールの幅は、Ｙ軸と略平行に形成される環状の密着部位であり、例えば、０．５ｍｍ程度の幅になるようにする。本実施形態のトラニオン型ボール弁は高圧用であるため、ボール１０は流体圧により微少量変位するが、面接触シール幅を前記のように設定することで、環状の密着部位が維持される。しかも、シール位置Ｔは、シール面４２の略中央位置に設定されていることから、ボール弁の使用中にこのシール位置Ｔの位置が若干ずれた場合にも環状の密着状態が維持される。なお、シートリテーナ１１は、ＤＬＣ以外の表面処理を施したり、オフセット点Ｑ以外の形状であってもよく、また、シートリテーナ１１に別途、樹脂などのボールシートを組み込む構造を採用してもよい。

図２、図５に示すように、筒部４１の外周にはバネ部材１２、バネ押え１４、シール部材１３、補助リング１５が装着され、この状態で装着穴３４に装入されることでシートリテーナ１１が流路方向に移動可能になっている。

バネ部材１２は、例えばＳＵＳによりコイルスプリング状に設けられ、シートリテーナ１１の拡径部４０とバネ押え１４との間に弾発状態で装着される。これにより、バネ部材１２によりシートリテーナ１１に対してボール１０をシールする側に弾発力が付与される。バネ部材１２は、コイルスプリングに限られることはなく、例えば、図示しない皿バネであってもよい。皿バネをバネ部材として設ける場合、適宜のばね係数の皿バネを複数枚設けることにより、コイルスプリングと略同等のスペースで高荷重を得ることができ、特にボール弁の流入側と流出側とが低差圧の状態下におけるシール性を向上することが可能になる。

バネ押え１４は、例えばＳＵＳにより略筒状に形成され、拡径環状部４５と、この拡径環状部４５よりも縮径した挿入筒部４６とを有している。バネ押え１４の拡径環状部４５の内周側には上記バネ部材１２が装着され、挿入筒部４６は装着穴３４の縮径側の縮径穴部４７に装着される。

シール部材１３は、例えばエチレンプロピレンゴム等のゴム製のＯリングよりなり、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）やＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）により形成され、バックアップ用の補助リング１５の間に挟まれた状態で筒部４１と縮径穴部４７との間に装着される。この装着構造により、シール部材１３は、補助リング１５で両側が保護された状態でシートリテーナ１１の外周面に装着される。

図２〜図４において、ボール１０は例えばＳＵＳからなり、このボール１２の上下には少なくとも後述する軸装シール機構２０でシールされる部位が同一径の上ステム５０と下ステム５１とがそれぞれ延設され、これらによりボール部材５２が構成されている。
図３の上ステム５０と下ステム５１の外径φｄは、ボール１０の球径φＤよりも小径に設定されている。これにより、ボデー３の軸装穴２２や装入穴２３の径もそれぞれ小さく設定することができ、流体の耐圧に必要なボデー３や蓋部材２の肉厚を薄くすることができ、バルブ本体１の大きさを小さくすることができる。上ステム５０、下ステム５１の外径が小さくなることで、これら上ステム５０、下ステム５１の軸心から軸受５８との接触面までの距離（モーメントアーム）が小さくなるため、上下ステム５０、５１回転時の摺動抵抗が抑えられて操作トルクの上昇を防ぐことができる。ボール球径φＤとしては、例えば、φＤ＝２０ｍｍとすればよい。仮に、上下側のステム外径がボール球径よりも大きい場合には、そのステム外径に伴ってボデーが大きくなると共に、上記のモーメントアームが大きくなり、摺動抵抗が増加して操作トルクも大きくなるが、前記によりこれを防ぐことが可能になっている。

ボール１０は、ボデー３のボトム側より装入可能に設けられ、これによりボデー３内の軸装穴２２に上ステム５０が軸装され、この状態でボデー３のボトム側が蓋部材２で被蓋されてこの蓋部材２の軸装穴２６に下ステム５１が軸装されることで、ボール１０がボデー３内の所定位置に配設可能になっている。

上下ステム５０、５１の外周の軸装穴２２、２６には、それぞれ軸装シール機構２０、２０が装着され、この軸装シール機構２０を介してボール部材５２がボデー３内に回転自在に配設される。ボール１０は、上ステム５０により回動操作され、このボール１０内部に形成された連通孔１０ａとシートリテーナ１１の内部流路１１ａとが連通したときに、バルブ本体１内に流体が流れるようになっている。上下ステム５０、５１のボール１０近傍位置にはそれぞれ鍔部５３が設けられている。

軸装シール機構２０は、Ｕリングシール５５、バックアップリング５６、金属リング５７を有しており、これらの各部品の内径、外径寸法は、略同一に設定されている。
軸装シール機構２０において、ボール１０側にＵリングシール５５が設けられ、このＵリングシール５５にバックアップリング５６が積層され、このバックアップリング５６の外周位置（ボール１０から見た外周側の位置）に金属リング５７が積層されている。

Ｕリングシール５５は、例えば、ポリエチレン製の外周部５５ａと芯金（スプリング）５５ｂとからなり、シール機能を発揮させるために、その内径が上ステム５０の外径よりもやや小さく、外径が軸装穴２２の内径よりもやや大きく設定されている。
本実施形態におけるＵリングシール５５は、市販のＵパッキンと同等に設けられる。このＵリングシール５５は、Ｕ字形断面の外周部５５ａがリップ部となり、このリップ部が流体圧により拡径し、上下ステム５０、５１とボデー３、蓋部材２とをシールする構造となっている。従って、Ｏリングのように押圧力を加える構造のシール部品に比べてシール領域を小さくでき、摺動抵抗を小さくすることができる。このようなＵリングシール５５は、リップパッキンとも称される。

バックアップリング５６は、例えば、ポリエチレンからなり、Ｕリングシール５５と金属リング５７との間に介在され、Ｕリングシール５５の軸装穴２２中心側へのはみ出しを防ぎ、かつ、Ｕリングシール５５と金属リング５７との間でクッションの役割を果たしており、キャビティ側からの高圧にも耐えうるようになっている。このバックアップリング５６の材質や構造を変えることにより、軸受としての機能を発揮させることも可能となる。

金属リング５７はアルミニウム銅合金からなっている。金属リング５７が配置されるボデー３には、軸装穴２２の上部には小径部２２ａが設けられ、この小径部２２ａにより段部２２ｂが形成されている。金属リング５７は、この段部２２ｂにより上面が係止される。金属リング５７の内径は、上下ステム５０、５１の外径よりもやや大きく、小径部２２ａの内径よりも小さく設定される。これにより、金属リング５７の内径側を小径部２２ａの上方から視認可能となっている。金属リング５７には、スラストベアリングとしての機能は不要になっている。

図２に示すように、小径部２２ａにはＯリング５４が装着される。Ｏリング５４は、流体圧をシールするために設けられたものではなく、小径部２２ａへの水やほこりの浸入を防いだり、後述するリークポート３７の機能を補助するために装着される。

ボデー３側、蓋部材２側の各軸装穴２２、２６において、軸装シール機構２０よりもボール１０側の上下ステム５０、５１の外周には軸受５８が設けられ、この軸受５８は、例えばＰＴＦＣと芯金とからなる内周側のラジアルベアリング５９と、アルミニウム銅合金からなる外周側のスペーサ６０とにより構成される。

軸受５８にはシール機能がなく、内径側、外径側共に流体が通過可能になっている。これにより、軸受５８の上面、底面には流体圧が加わるが、各面の面積は略同一であるため、流体圧により各面に加わる荷重は、略同一となり、しかも、荷重を受ける方向が対向するため、これらが相殺される。
従って、その上面、底面間に差圧が加わらないので、軸受５８は、流体圧によって移動することがなく、フローティング状態で軸装穴２２と、上ステム５０又は下ステム５１との間に内装され、上下の軸受５８、５８でラジアル方向の荷重をバランスよく均等に受けるようになっている。

このようにして、軸受５８は軸装穴２２に係止される必要がないため、Ｕリングシール５５などのシール部品に連続して軸受５８を装着することができ、バルブの構造がシンプルで、組立てやメンテナンスが容易となり、スラストベアリングも不要となる。
さらに、軸受５８の上面に流体圧を十分に伝えるために、図３に示すように、軸装穴２２の軸受５８との対向位置に、Ｕリングシール５５の手前まで軸方向の流体導入溝６９を設けてもよい。この場合、流体導入溝６９により流体圧をＵリングシール５５に十分伝えることもでき、確実に軸シールをおこなうこともできる。

軸受５８は、上下ステム５０、５１の鍔部５３でボール１０側が保持されている。これにより、軸受５８が自重によりボール１０側に移動することが規制される。本実施形態における鍔部５３は、軸受５８の外周を構成するスペーサ６０を保持できる外径に形成されている。下ステム５１側の軸受５８は、自重によりＵリングシール５５の上面に当接しても良い。

図３に示すように、軸受５８を構成する前記スペーサ６０のＵリングシール５５側端面は、断面略Ｌ字形状に形成されている。これにより、スペーサ６０の内径側に装着されるラジアルベアリング５９が断面略Ｌ字形状部位に係止され、スペーサ６０とラジアルベアリング５９とが仮組みしやすくなっている。略Ｌ字形状部位の内径先端側は、ラジアルベアリング５９の内径よりもやや拡径するように形成され、これにより、この内径先端側が上下ステム５０、５１に接触することがなく、スペーサ６０の破損等が防止される。

軸装シール機構２０は、上記の構成によりボール１０を中心に対称位置に同一構造になるように上下ステム５０、５１に装着される。ここで、同一構造とは、少なくともシール部材（本実施形態においてはＵリングシール５５）のシール径が同一であることをいう。ボール１０において前述したように上ステム５０と下ステム５１とは同一径であり、この上ステム５０と下ステム５１に軸装シール機構２０が装着されることでバランス構造に設けられる。このバランス構造により、スラスト荷重が回避されるようになっている。

バランス構造とは、流体圧が加わった場合でも、ボール１０がスラスト方向（ステム軸方向）に移動しようとする荷重を上下対称にすることで相殺する構造をいう。バランス構造は、ボール１０と上ステム５０、下ステム５１とを一体化し、且つ、各ステム５０、５１にシール部材を装着することで得られる。本実施形態において、シール部材は、Ｕリングシール５５となる。

バランス構造を得るためには、上下ステム５０、５１のＵリングシール５５、５５のシール径が一致している必要があり、これによりボール１０のスラスト方向への移動が阻止される。この場合、ボール１０からＵリングシール５５のシール位置までの距離が上下で一致している必要はない。すなわち、上下のＵリングシール５５、５５のシール径が同一であれば、ボール１０からシール位置までが同距離又は異なる距離であっても、バランス構造によりスラスト荷重を相殺可能となる。例えば、上ステム５０、下ステム５１に段部が形成されていたとしても、上下Ｕリングシール５５、５５のシール径が同じであればバランス構造による機能が発揮される。一方、ボール１０からＵリングシール５５の上下のシール位置までが同距離であっても、上下Ｕリングシール５５、５５のシール径が異なっていると、バランス構造による機能が発揮されることが難しくなる。

軸装シール機構２０、２０のうち、下ステム５１に装着される軸装シール機構２０は、蓋部材２に内挿される。この蓋部材２は、バルブ本体１の内方側（ボール側）が最小径部となるように形成され、この最小径部に軸受５８が内挿されている。本実施形態においては、最小径部をボール１０の球径よりもやや大きく形成することにより、最小径部に対応する蓋部材２の装入穴２３の奥部２３ａを介してボール１０をバルブ本体１内に内挿するようにしている。

リークポート３７は、リークポート部３７ａ、リークポート孔３７ｂとリリーフ孔２８、リークポート穴３７ｃの３つに大別される。前記したリークポート部３７ａは、環状のガスケット部材３１のシール性の確認用として設けられ、蓋部材２や流入部３２、流出部３３とバルブ本体１とのシール部分に装着される。このリークポート部３７ａを介して、ガスケット部材３１からの漏れの有無を確認可能になっている。

図１、図４において、ボデー３の金属リング５７装着部位付近にリークポート孔３７ｂが形成され、このリークポート孔３７ｂと、前記したリリーフ孔２８とにより、上下ステム５０、５１に装着されたＵリングシール５５からの漏れの有無を確認可能となる。特に、上ステム５０側のリークポート孔３７ｂは、金属リング５７に対向する位置に設けられ、これにより、軸装シール機構２０の構成部品が高圧の流体によってこのリークポート孔３７ｂにはみ出したり、破損しないようになっている。この場合、金属リング５７であることではみ出しや破損が確実に防がれており、例えば、金属リング５７の代わりにポリエチレン樹脂等の樹脂製リングを設けた場合、高圧に耐えきれずに破裂等が生じるおそれがある。

リークポート穴３７ｃは、配管と接続部位とのシール性を確認するために、外部配管との接続部位付近に設けられる。このリークポート穴３７ｃにより、流入部３２、流出部３３における、配管との図示しないシール部分からの漏れの有無を確認可能となる。

図４、図６に示すように、ボデー３と蓋部材２との当接面には、回動防止板材６１が装着される。回動防止板材６１は、例えばボデー３や蓋部材２と同材料であるＳＵＳにより略環状に形成され、図２において、中央に蓋部材２のオネジ部２５が装入可能な貫通穴６２が設けられ、外形は、蓋部材２の六角面２ａよりも部分的に突出するように形成され、この突出部が折り曲げられて六角面に沿うように設けられる。これにより、取付後の蓋部材２はボデー３に対して緩みにくくなっており蓋部材２に強固に一体化される。

さらに、回動防止板材６１には、止部材となる固着ボルト６３取付用の取付穴６４が設けられ、図６に示すように、回動防止部材６１は、固着ボルト６３によりボデー３に固定される。これによって回動防止部材６１は、ボデー３に対して回転しにくくなり、蓋部材２が一層緩みにくくなっている。なお、ボルト６３の代わりに、あらかじめ図３のように曲げ加工を施して突起部位を設けた回動防止部材６１を用いてもよい。この場合、取付穴６４はネジではなく、突起部位を係止可能な孔であればよい。

この実施形態においては、ボデー３と蓋部材２とを設け、これらの内部にそれぞれ形成した軸装穴２２、２６に装着した軸装シール機構２０によって上ステム５０と下ステム５１とを支承する構成であるが、図示しない一体構造のボデー内の上下部に軸装シール機構を配置するようにしてもよい。この場合、上下ステムを一体構造のボデーで支承してボールをボデー内部に高精度に装着できるため、回転防止板材や止部材を不要にしつつ、ボールに対するリートリテーナのずれやボール部材の軸ブレを防ぎながら全体を一体化できる。

図１においては、バルブ本体１に手動ハンドル６５を装着した状態を示している。手動ハンドル６５は、上ステム５０の上端部に着脱可能に装着可能に設けられ、ボール１０回転操作用の把持部６６が設けられている。図示しないが、この把持部６６の先端側には突設部が設けられている。

図１、図２に示すように、ボデー３上面には複数のストッパ部６７が一体に突設形成され、このストッパ部６７に回転操作時のハンドル６５の突設部が当接可能になっている。このようにストッパ部６７に突設部が当接することにより、ハンドル６５の回転を所定の操作角度に規制できる。これによって、ストッパ部６７を９０°間隔で形成しておけば、ハンドル６５を９０°回転操作して所定の弁閉又は弁開状態にできる。また、弁開・弁閉用のストッパ部６７を複数組設けていることにより、操作方向やバルブ本体１に対する向きを変更しながらハンドル６５を取付け可能になっている。

バルブ本体１には、図示しないアクチュエータを搭載して自動でバルブ開閉操作をおこなうこともできる。この場合、図８の二点鎖線に示すように、アクチュエータが搭載されるボデー３の上面側に、適宜の高さ寸法の円筒部材６８を載置し、この円筒部材６８を介してアクチュエータの図示しない出力軸と上ステム５０とを接続すればよい。このように、円筒部材６８を介在させることで、ストッパ部６７がアクチュエータ搭載の邪魔になることがなく、かつ、アクチュエータとバルブ本体１に対して所定間隔で搭載することが可能になる。さらに、円筒部材６８の高さを適宜設定することで、各種の規格に対応したアクチュエータの搭載も可能となる。

次に、本発明における高圧用トラニオン型ボール弁の上記実施形態における作用を説明する。
本発明の高圧用トラニオン型ボール弁は、バネ部材１２により一、二次側のシートリテーナ１１、１１をそれぞれシール側に弾発したトラニオン型バルブであることから、ボール１０に対してシートリテーナ１１を密着させた状態で開閉操作でき、例えば１０３ＭＰａ程度の水素等の高圧流体を流す場合でも、この高圧流体を利用してボール１０に対してシートリテーナ１１を押圧する自緊力を利用して封止性を確保することで漏れを確実に防止する。

その際、ボール１０の上下に同一径の上ステム５０と下ステム５１とをそれぞれ延設してボール部材５２を構成し、上下ステム５０、５１には、ボール１０を中心に対称位置に同一構造の軸装シール機構２０を装着しているため、ボール１０に流体圧が負荷されたときの上ステム５０、下ステム５１に加わるスラスト方向（各ステム５０、５１の軸心方向）の荷重を同一にさせて相殺できる。このようにバランス構造に設けていることで、スラスト荷重の発生を回避できる。

具体的には、上ステム５０と下ステム５１とにそれぞれ装着された軸装シール機構２０、とりわけＵリングシール５５の内径が同一寸法に設定されている。これにより、上ステム５０と下ステム５１とにおける軸シール径が同一となるので、流体圧によって各ステム５０、５１がバルブ外方側に受ける力Ｆが同一になり、これらが相殺される。
従って、流体圧を受けてもスラスト荷重の発生が回避され、ボール１０は上下動せず、シートリテーナ１１のシール面４２との弁座シール性が維持される。軸装シール機構２０は、ボール１０を中心に対称位置に配置しているので、各軸装シール機構２０のボール１０側に装着する軸受５８も、ボール１０を中心に対称位置に配置することができる。上下ステム５０、５１は、ボール１０側が流体圧によるラジアル方向への変位が大きくなることから、この部位を軸受５８で支持することにより、上記の変位が抑制された上下ステム５０、５１を軸装シール機構２０により、確実にシールすることができる。

しかも、軸受５８もボール１０を中心に対称位置に同一構造になるように上ステム５０、下ステム５１にそれぞれ装着されている。これにより、ボール１０が流体圧によって受ける力を上下ステム５０、５１に装着された軸受５８で均等に受けることができる。
特に、弁閉状態では、ボール１０は上記流体圧によるラジアル方向（ステムの径方向）の荷重により二次側に移動しようとする。これをボール１０に一体に形成した上下ステム５０、５１を介して各軸受５８、５８で上下均等に支持するため、バルブを弁閉や弁開操作する際に、特に弁閉位置近傍のバルブ操作をスムーズにおこなうことができる。

これによって、ボール１０の上下移動を防止でき、このボール１０がシートリテーナ１１に対してずれるおそれがない。そのため、ボール１０にシートリテーナ１１が適切なシール位置により均圧状態で接し、安定した弁座シール性を確保して漏れを防止する。ボール１０の回転操作時には、このボール１０に対してスラスト荷重による摩擦抵抗力の発生を防いで、シートリテーナ１１を介して上下ステム５０、５１でボール部材５２を均等に支えて低トルク性を発揮し、軽い力で開閉操作できるため手動操作も容易となる。このとき、トルクむらも抑えて、略一定の安定した操作トルクで操作可能となる。

上下ステム５０、５１のボール１０近傍位置に設けた鍔部５３で軸受５８のボール１０側を保持していることで、この軸受５８がボール１０側に飛び出すことを防ぎ、この軸受５８で上下ステム５０、５１の所定位置を支えることができる。このため、軸受５８のシートリテーナ１１やボール１０への干渉を防ぎ、高シール性を維持できる。

軸装シール機構２０をＵリングシール５５、バックアップリング５６、金属リング５７の各部材により構成していることで、ボール１０回転時の摺動性とシール性とを両立しながら、メンテナンス時にも容易にこれら各部材の交換等をおこなえる。具体的には、金属リング５７の内周径は、軸装穴２２の中央側にやや突設しているため、この軸装穴２２の外側から適宜の治具を用いて金属リング５７を押し出すようにすれば、この金属リング５７、Ｕリングシール５５、バックアップリング５６をボール１０装着位置付近まで移動させて容易にボデー３の側方より取外しでき、各部材の破損もない。
このとき、ボデー３側、蓋部材２側の軸装穴２２、２６は突き当たり構造ではなく連通した構造であるため、軸装シール機構２０の各部材を取り出しやすくなっている。軸装シール機構２０の各部材は、軸装穴２２の外方から適宜の治具により引っ掛けて抜き出しにより取り外すこともできる。

軸装シール機構２０は、軸受５８に近接配置されているので、鍔部５３で位置保持された軸受５８により軸装シール機構２０の軸方向の移動が阻止され、上ステム５０、下ステム５１のシール位置がずれることが防がれる。これらの近接によりバルブ本体１の高さも低くなっている。

ボデー３のボトム側よりボール部材５２を装入して蓋部材２で被蓋したボトムエントリ構造としていることで、バルブ本体１の上方側にボール部材５２の抜き出し用の構造を設ける必要がなく、バルブ本体１の上方側を手動ハンドル６５やアクチュエータの取り付け用として高い自由度により任意の構造に設けることも可能となる。蓋部材２をボデー３から取外したときには、このボデー３のボトム側が大きく開口することで、バルブ本体１の分解・組立てがしやすい。このようにボトム側に開口部位を設けていることで、例えば、本実施形態において、ボール１０の球径２０ｍｍ、軸シール部位の外径１８ｍｍであるとき、開口側を軸シール部位の外径に合わせて小さくすることなく大きく開口したことで容易に組立て可能としながら、ボデー３を厚く形成して高圧用バルブとして必要な肉厚を確保して強度を向上できる。

バルブ本体１の組立て時には、ボデー３の軸装穴２２に上ステム５０に装着する上方側の軸装シール機構２０の構成部品を順次内挿する。この段階において、図２に示したＯリング５４を小径部２２ａの溝状部位に装着しておく。
このような軸装シール機構２０が内挿された軸装穴２２に、ボール１０や下ステム５１が一体成形された上ステム５０を挿入し、ボデー３内の所定位置に収納する。このとき、上ステム５０の上部には、ハンドル６５が嵌合される嵌合部位との段部５０ａがあるが、この段部５０ａはテーパ状に形成されているため、上ステム５０を軸装シール機構２０に円滑に挿入できる。

一方、蓋部材２には、予め下ステム５１に装着される下方側の軸装シール機構２０をボデー３の場合と同様に内挿しておく。そして、この蓋部材２を、ボデー３に収納されたボール１０に一体成形した下ステム５１に差し込みながら、オネジ部２５とメネジ部２４とを螺着してボデー３の装入穴２３に装着する。このとき、蓋部材２にリリーフ孔２８が開いているので、蓋部材２に空気が内封されることを防ぎつつ、この蓋部材２に内挿された軸装シール機構２０に下ステム５１を挿入することができる。その後、下ステム５１を挿入した蓋部材２をボデー３に螺着固定する。この状態で、ボール１０は上下ステム５０、５１の軸芯方向に拘束されておらず、上下動可能となっている。

次いで、これらの軸装シール機構２０を内部に装着しながら一体化したボデー３と蓋部材２とに対して、シートリテーナ１１、バネ部材１２、バネ押え１４、シール部材１３、補助リング１５からなる弁座シール部品を内挿した流入部３２、流出部３３を、おねじ３２ａ、３３ａ、めねじ３ａ、３ａの螺着によりそれぞれ装着して一体化する。このような手順により、組立後にはボール１０の流入側、流出側がそれぞれバネ部材１２により弾発されたシートリテーナ１１により保持され、ボール１０と各シートリテーナ１１とが正確に調心された状態でバルブ本体１が設けられる。
このバルブ本体１の上ステム５０の上端部に対して、ハンドル６５を装着するようにすれば、ボール１０を手動操作により開閉することが可能になり、アクチュエータを搭載して自動でバルブ開閉操作をおこなうこともできる。

バルブ本体１の修理やメンテナンス時には、基本的には組立方法の逆の手順により実施する。このとき、特に上ステム５０に装着された軸装シール機構２０の各部品を、図２において、軸装穴２２の外側から円筒状の治具によりボデー３の下方（ボール１０側）に押し出すことができるため、取外しが容易となる。

バルブ本体１は高圧用バルブであるため、蓋部材２のオネジ部２５とボデー３のメネジ部２４とを長くして螺着強度を高めることが必要になっているが、このメネジ部２４が軸装シール機構２０と並列するように設けられていることで、蓋部材２が軸方向に必要以上に大きくなることを防いで最小限の長さにでき、上述した軸装シール機構２０と軸受５８との近接構造とあいまってバルブ本体１の高さが低くなっている。しかも、ボデー３の流路方向と交差する外周面をフラット面３６に形成していることでボデー３の流路方向の幅を短くでき、これらによってボデー３全体をコンパクト化して狭い場所への設置にも対応する。

蓋部材２に下ステム５１の下部と連通するリリーフ孔２８を穿設していることにより、上ステム５０側の軸装部分と下ステム５１側の軸装部分との間に圧力差が生じた場合に、このリリーフ孔２８を介してリークを検知できる。さらに、ボデー３のフラット面３６に穿設されたリークポート部３７ａからもリークされ、バルブ本体１内の内部圧力が高くなることを解消して弁座シール性や操作性が損なわれることを回避する。リークポート部３７ａをフラット面３６に穿設していることで、このリークポート部３７ａをボデー３の所定位置に正確に位置決めしながら形成可能となる。

ボデー３と蓋部材２との当接面には、止部材６３を介して回動防止板材６１を装着しているため、ボデー３と蓋部材２とを強固に一体化でき、これらボデー３と蓋部材２とで上ステム５０と下ステム５１とを所定位置で支承し、ボール１０とシートリテーナ１１とを位置決めしてシール状態を維持してスラスト荷重を回避できる。

図９においては、本発明の高圧用トラニオン型ボール弁の他の実施形態を示している。なお、この実施形態以降において、前記実施形態と同一部分は同一符号によって表し、その説明を省略する。
図２の実施形態では、軸受５８の内周側に、芯金にＰＴＦＣ等の樹脂がコーティングされたラジアルベアリング５９が用いられている。樹脂は、摺動性の維持に好適な材料ではあるが、バルブの開閉頻度が多い場合など、使用条件によっては摩耗する場合がある。樹脂コーティングが摩耗すると、軸受５８と上下ステム５０、５１との隙間（クリアランス）が拡がるので、超高圧流体を受けるボール１０が下流側に押されてわずかに移動する量が増加し、これに伴って上下ステム５０、５１がボール１０を中心としたくの字形に傾倒し、軸装シール機構２０によるシール性が低下するおそれがある。また、軸受５８と上下ステム５０、５１とのクリアランスが拡がることにより、上下ステム５０、５１とラジアルベアリング５９との面接触が損なわれ、上下ステム５０、５１のスラスト荷重が増すおそれもある。

これを回避するために、この実施形態におけるバルブ本体９０では、ボール部材９１の上下ステム５０、５１に、これらよりも拡径した拡径摺動部１００が一体に設けられている。拡径摺動部１００は、ボデー３に同径に設けられた軸装穴２２、２６に密着可能な外径に形成され、ボール部材９１をボデー３に装着したときに、軸装穴２２、２６に密着状態で摺動自在に設けられる。

これにより、上下ステム５０、５１と軸装穴２２、２６とのクリアランスは、拡径摺動部１００と軸装穴２２、２６との間のみに低減され、また、拡径摺動部１００がボール１０付近に設けられていることでボール部材９１中央付近の強度が向上する。そのため、ボール１０に対して１０３ＭＰａ以上のいわゆる超高圧流体が流れる場合にも、上下ステム５０、５１がボール１０を中心としたくの字形に曲がりにくくなる。よって、ボール部材９１から軸装穴２２、２６へのラジアル荷重の上昇が阻止されて操作時のトルクの上昇が回避されるとともに、上下ステム５０、５１と軸装シール機構２０とのシール性も確保される。ボール１０を中心とした上下側において、同一構造の軸装シール機構２０、２０の対向位置に、同一径の上下ステム５０、５１が設けられていることで、そのバランス構造が維持されてスラスト荷重の上昇も回避される。

拡径摺動部１００を設けたボール部材９１の表面には、シートリテーナ１１の場合と同様に、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）によるコーディング層１０１が設けられる。ボール部材９１は、例えばＢｅＣｕ合金を材料として形成され、このボール部材９１の拡径摺動部１００を含む上下ステム５０、５１、及びボール１０を含む部位の表面にＤＬＣによる被覆処理が施される。

このようにＤＬＣのコーティング層１０１がボール部材９１に設けられている場合には、ボール部材９１の表面平滑性や潤滑性、耐摩耗性などが向上される。そのため、拡径摺動部１００が設けられた上下ステム５０、５１側には優れたベアリング機能が発揮されつつ軸装穴２２、２６への密着性が高められ、クリアランスがより抑えられた状態で摺動性が確保され、ボール部材９１の円滑な操作が可能となる。ボール１０側においては、シートリテーナ１１とのシール性が高められて漏れが確実に防止される。

ここで、例えば、拡径摺動部１００と軸装穴２２とが、上ステム５０において流体をシールする程に全周に渡って密着した場合には、軸装シール機構２０でシールしている下ステム５１に対しシール径が大きくなり、その結果、スラスト方向の荷重の大きさが上ステム５０側に偏るのでバランス構造が失われてしまう。これにより、ボール１０が上ステム５０側に移動してしまい、弁座シール性が失われるおそれがある。

そこで、図１０に示すように、上下ステム５０、５１の各拡径摺動部１００には、ボール１０側と軸装シール機構２０とを連通する連通部１１０が設けられる。連通部１１０は、拡径摺動部１００の中心軸と交差する方向に貫通する連通孔からなり、図９において、ボール部材９１がボデー３に装着されたときに、拡径摺動部１００の外周の対向位置に傾斜状態で形成される。連通部１１０は、ボール１０側と軸装シール機構２０側とを連通可能であれば、その傾斜方向や孔径を適宜変更可能であり、さらには曲線状や切欠き状、或は軸方向に設けることも可能である。本実施形態のように連通部を連通孔１１０として傾斜状に設けた場合には、拡径摺動部１００の上下面に孔径を大きく確保しながら上下ステム５０、５１の強度を低下させることなく連通可能となり、この連通孔１１０を形成するためのスペースの点でも制約が少なくなる。

このように拡径摺動部１００に圧抜き用の連通部１１０が設けられていることで、ボール１０側から軸装シール機構２０側に流体圧が抜けてキャビティ内が均圧状態になると共に、軸装シール機構２０による軸シール性が維持される。このため、流体圧による上下ステム５０、５１へのスラスト荷重が変化することがなく、これら上下ステム５０、５１側が均等な圧力に保持されて、ボール部材９１の上下のバランス状態が確保される。このことから、前述した拡径摺動部１００と軸装穴２２、２６とのクリアランスを極限まで小さくした場合にも、拡径摺動部１００にボール１０側から流体圧が加わろうとしたときにも軸方向へのずれが防止され、軸装シール機構２０を装着したバランス構造が維持されてスラスト荷重の偏りが確実に回避される。

なお、この実施形態では、シートリテーナ１１に複数の皿バネ１１１がバネ部材として装着されている。このように皿バネ１１１を用いた場合、ボール１０方向への弾発力が高められてシール性が向上する。また、拡径摺動部１００の径は、上下ステム５０、５１でそれぞれ異なっていてもよい。

図１１においては、本発明の高圧用トラニオン型ボール弁の更に他の実施形態を示しており、図１１（ａ）は、高圧用トラニオン型ボール弁の縦断面図、図１１（ｂ）は、図１１（ａ）のＢ−Ｂ断面図を示している。
いる。
この実施形態のバルブ本体１２０では、図１１（ａ）に示すように、ボール部材１２１の上下ステム５０、５１よりも拡径され、軸装穴２２、２６に密着可能な外径に設けられた摺動筒体１３０が別体に形成され、この摺動筒体１３０が上下ステム５０、５１にそれぞれ装着されている。上下ステム５０、５１の径は、摺動筒体１３０に対向する位置及び軸装シール機構２０に対向する位置でも同一径を採用している。

摺動筒体１３０は、上下ステム５０、５１の鍔部５３でボール１０側が保持されている。これにより、摺動筒体１３０がボール１０側に移動することが規制される。本実施形態における鍔部５３は、摺動筒体１３０を保持できる外径に形成されている。下ステム５１側の摺動筒体１３０は、自重によりＵリングシール５５の上面に当接しても良い。

摺動筒体１３０は、例えばアルミブロンズを材料として一層の態様で形成され、ボール部材１２１のボデー３への装着時に、軸装穴２２、２６に摺動自在に設けられる。これによって、前述したバルブ本体１に比して上下ステム５０、５１と軸装穴２２、２６との間の各クリアランスが低減され、１０３ＭＰａ以上の超高圧流体が流れる場合にも、ボール１０の移動や上下ステム５０、５１の傾倒を防止して操作時における低トルク性と軸シール性とが確保される。

この場合、ボール部材１２１は、例えばステンレス材料により形成され、このボール部材１２１の上下ステム５０、５１に対して摺動筒体１３０が装着される。
また、図示しないが、別体に設けた摺動筒体１３０の少なくとも内周には、一体に設けた場合と同様に、ＤＬＣによるコーティング層が設けられていてもよい。

図１２に示すように、各摺動筒体１３０には、ボール１０側と軸装シール機構２０とを連通する連通溝からなる連通部１４０が設けられる。連通溝１４０は、摺動筒体１３０の外周に軸方向に沿って２条形成される。この連通溝１４０により、図１１（ｂ）において、摺動筒体１３０と軸装穴２２、２６との間に流体流路が設けられ、摺動筒体１３０の上下で差圧が発生するのを防ぐことにより、連通溝１４０を介して摺動筒体１３０が流体圧を受けてバルブ外方側に移動しようとする、いわゆるピストン現象の発生が防がれる。そのため、各摺動筒体１３０の上下側に配置されている軸装シール機構２０のＵリングシール５５の損傷が回避され、軸装シール機構２０による軸装シール力が維持される。この場合、ピストン現象の発生しやすいイオニックリキッドなどの非圧縮性流体が流れる場合であっても、連通溝１４０によってピストン現象が確実に回避される。なお、上記の連通溝１４０に加え、各摺動筒体１３０の外周に対向する軸装穴２２、２６に、前述のボール弁本体１と同様に流体導入溝を設けてもよい。

しかも、連通溝１４０が摺動筒体１３０外周の対向位置に２つ設けられていることにより、何れか一方の連通溝１４０による流体流路がごみ等より狭くなったり塞がった場合にも、他方の連通溝１４０を介して流体が流れるためキャビティ内の均圧状態が確実に維持される。以上の構成により、上下ステム５０、５１において軸装シール機構２０によるシール性が維持され、前述のバランス構造が保たれる。

図１３においては、本発明の高圧用トラニオン型ボール弁を設けた水素ステーションを示している。水素ステーションには前述したバルブ本体１が接続され、このバルブ本体１は、例えば、水素ステーションの高圧水素の供給ラインに用いられる。
水素ステーションは、蓄圧器７０、圧縮機７１、ディスペンサ７２、プレクール熱交換器７３、迅速継手７４、充填ホース７５、充填ノズル７６、車載タンク７７を有し、これらは高圧水素の供給ライン７８としてシステムを構成している。

本発明の高圧用トラニオンボール弁は、圧力損失が小さいため、蓄圧器７０の二次側に設けたり、その他の供給ラインに設けることによって、システム全体の圧力損失が小さくなり、図１３に示すシステムに好適である。図に示すように、水素ステーションの各ユニットの接続部位に手動弁８１を設け、各ユニットの一次側又は二次側に適宜に自動弁８０を設けて開閉制御している。

蓄圧器７０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７１とを接続するバルブ８０、及びそれぞれのタンクとディスペンサ７２とを接続するバルブ８０を適宜切り替えることにより、所定圧に至ったタンクから水素をディスペンサに供給する一方、所定の下限値圧を下回ったタンクには、圧縮機７１から水素を前記所定圧に至るまで充填する。

図１３の水素ステーションのブロック図の供給ライン７８に示したように、所定のプログラムによってシステムにおける水素供給を制御したり、車両供給量に応じて適宜に水素を供給制御可能になる。
なお、上記の水素ステーションではバルブ本体１を設けているが、バルブ本体９０、１２０についても、同様に水素ステーションに用いることができる。

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水素ステーションなどの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：圧縮天然ガス）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として適している。

Claims (7)

1. 蓋部材を有するボデー内に回転自在に設けたボールと、このボールとシール接続するシートリテーナと、このシートリテーナをシール側に弾発力を付与するバネ部材と、前記シートリテーナの外周面に装着したシール部材からなるトラニオン型ボール弁であって、前記ボールの上下に同一径の上ステムと下ステムをそれぞれ延設してボール部材を構成し、この上下ステムには、前記ボールを中心に対称位置に同一構造の軸装シール機構を装着し、この上下の軸装シール機構のボール側には、同一シール径のＵリングシールを設けてバランス構造とすることによりスラスト荷重を回避すると共に、前記上下ステムのボール近傍位置に鍔部が設けられ、この鍔部で前記上下ステムの外周に設けた軸受のボール側を保持したことを特徴とする高圧用トラニオン型ボール弁。
2. 前記軸装シール機構は、前記Ｕリングシールにバックアップリングを積層し、外周位置に内周径をやや突設させた金属リングを設けた請求項１に記載の高圧用トラニオン型ボール弁。
3. 前記ボデーのボトム側より前記ボール部材を装入してボデー内に配設し、前記ボデーのボトム側より前記蓋部材で被蓋し、この蓋部材に前記下ステムを軸装した請求項１又は２に記載の高圧用トラニオン型ボール弁。
4. 前記蓋部材には、前記下ステムの下部と連通するリリーフ孔を穿設した請求項１乃至３の何れか１項に記載の高圧用トラニオン型ボール弁。
5. 前記ボデーと前記蓋部材との当接面には、回動防止板材を装着した請求項１乃至４の何れか１項に記載の高圧用トラニオン型ボール弁。
6. 前記ボデーの流路方向の両側位置に流入部と流出部を固着すると共に、前記ボデーの流路方向と交差する外周面をフラット面に形成し、このフラット面に内部と連通するリークポートを穿設した請求項１乃至５の何れか１項に記載の高圧用トラニオン型ボール弁。
7. 高圧水素の供給ラインに請求項１乃至６の何れか１項に記載した高圧用トラニオン型ボール弁を用いて構成したことを特徴とする水素ステーション。

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