JP6523739B2 - 弁装置 - Google Patents

Description

本発明は、弁軸と、前記弁軸の先端に設けられて前記弁軸と一体的に変位する弁体とを有し、前記弁体が弁座に対して着座又は離間する弁装置に関する。

燃料電池システムには、燃料電池に供給される反応ガスが流通する供給路と、燃料電池から排出された反応ガスが流通する排出路とが設けられる。このような構成において、供給路及び排出路には遮断弁が設けられることが一般的である。この種の遮断弁として、例えば、特許文献１に記載された逆止弁が知られている。

逆止弁の弁体は、コイルスプリングによって弁座側に弾発付勢されており、このために通常時は閉弁状態である。そして、逆止弁の弁体に加わる流体圧力の差圧による推力がコイルスプリングの弾発付勢力を上回って押したとき、コイルスプリングが圧縮されるとともに弁体が弁座から離間し、開弁状態となる。従って、ボディ内に形成された流路を流体が流通するに至る。

その一方で、上記流体圧力の差圧による推力がコイルスプリングの弾発付勢力を下回るようになると、コイルスプリングが伸張するとともに、弁体が該コイルスプリングから弾発付勢されて弁座に着座する。その結果、閉弁状態が形成されて流体の流通が遮断される。

特許第５１６１１８６号公報

本発明は、特許文献１記載の技術に関連してなされたもので、弁体が設けられた弁軸の微細な振動（いわゆるチャタリング）を抑制し得る弁装置を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明に係る弁装置は、弁体が弁座に対して着座又は離間することによって入口ポートに対して連通又は連通遮断される流路が形成されたボディと、
前記弁体を前記弁座に指向して弾発付勢するコイルスプリングと、
その先端に前記弁体が設けられて前記弁体と一体的に変位する弁軸と、
前記弁軸が変位するとき、該弁軸に対して摺動抵抗を付与する摺動抵抗付与部材と、
前記ボディとともに前記摺動抵抗付与部材を挟持するための筒状部材と、
を備え、
前記摺動抵抗付与部材に形成されて前記弁軸が挿通される貫通孔の内径は、前記弁軸の直径に比して小さく設定され、
前記筒状部材は、その底面内壁に形成されて前記弁軸が通される挿通孔に比して大径な大径中空部を有し、
前記ボディの、摺動抵抗付与部材配置部の先端面と、前記筒状部材の前記大径中空部の前記底面内壁とで前記摺動抵抗付与部材を挟持するとともに、前記大径中空部の側壁で前記摺動抵抗付与部材配置部を覆い、
且つ前記コイルスプリングの一端が、前記筒状部材の前記大径中空部の底面外壁に当接するとともに、他端が前記弁体に当接していることを特徴とする。

すなわち、本発明においては、筒状部材の大径中空部で摺動抵抗付与部材配置部を覆い、且つ、この状態で該摺動抵抗付与部材をボディと筒状部材で堅牢に挟持するようにしている。このため、摺動抵抗付与部材に、弁軸が摺接するときの摩擦力以外の外力が作用することが困難となるので、弁軸が変位したときに摺動抵抗付与部材が撓んだり、振動したりすることが回避される。

しかも、本発明では、コイルスプリングと摺動抵抗付与部材の間に筒状部材が介在するので、コイルスプリングが摺動抵抗付与部材に当接することがない。また、コイルスプリングの一端が筒状部材に当接し、且つ該筒状部材の大径中空部が前記摺動抵抗付与部材配置部に外嵌されている。従って、コイルスプリングの弾発付勢力が筒状部材、さらには摺動抵抗付与部材を介してボディに伝達される。このため、摺動抵抗付与部材が歪むようなことがない。

以上のような理由から、摺動抵抗付与部材に摺接する弁軸が振動することが回避される。すなわち、チャタリングが発生することを有効に抑制することができる。

筒状部材は、大径中空部の底面外壁から突出して弁体側に延在し、且つ該大径中空部よりも小径な小径中空部を有するものであることが好ましい。この場合、弁装置を組み立てる際に、小径中空部をコイルスプリング内に挿入して仮組み付けを行い、これによりコイルスプリングを筒状部材から脱落し難くすることができる。このため、弁装置を組み立てることが容易となる。

また、コイルスプリングの一端及び他端が座巻を形成することが好ましい。すなわち、コイルスプリングの始点及び終点を、螺旋の途中ではなく、円環形状とする。この構成では、コイルスプリングが筒状部材及び弁体に対して面接触する。従って、コイルスプリングの弾発付勢力が筒状部材に一層伝達され易くなる。その結果、チャタリングが一層有効に抑制される。

摺動抵抗付与部材としては、直径方向に沿って延在する切欠が形成されたリング形状体からなるものが好適である。この場合、摺動抵抗付与部材の貫通孔に弁軸を通す際、摺動抵抗付与部材が直径方向外方に向かって容易に撓む。しかも、弁軸が通った後は弾性作用によって弁軸に密着する。このため、摺動抵抗付与部材の貫通孔に弁軸を通す作業が円滑に進行するとともに、摺動抵抗付与部材が弁軸から脱落することを回避することができる。

また、大径中空部の高さが、摺動抵抗付与部材配置部と摺動抵抗付与部材の合計高さに比して小さいことが好ましい。この場合、大径中空部の底面内壁が摺動抵抗付与部材の一端面に当接するよりも前に、大径中空部がボディに当接して堰止されることがない。このため、摺動抵抗付与部材と、摺動抵抗付与部材配置部ないし大径中空部の底面内壁との間に遊びが形成されることが回避される。このため、摺動抵抗付与部材が堅牢に挟持されてガタツキが生じることが回避されるので、チャタリングが一層抑制される。

弁装置には、さらに、摺動抵抗付与部材を弁軸側に指向して締め付ける締付部材を設けるようにしてもよい。締付部材として様々な締付力を示すものを用いることにより、弁軸に対する摺動抵抗付与部材の締め付け力を種々変更することができる。このため、弁軸に付与する摺動抵抗の大小を調節することが可能となる。

本発明によれば、筒状部材の大径中空部で摺動抵抗付与部材配置部を覆い、且つ、この状態で該摺動抵抗付与部材をボディと筒状部材で挟持するようにしているので、摺動抵抗付与部材に、弁軸が摺接するときの摩擦力以外の外力が作用することが困難となる。従って、弁軸が変位したときに摺動抵抗付与部材が歪みないし撓んだり、振動したりすることが回避される。

しかも、コイルスプリングと摺動抵抗付与部材の間に筒状部材が介在するため、コイルスプリングが摺動抵抗付与部材に当接しない。また、コイルスプリングの一端を筒状部材に当接させ、且つ該筒状部材の大径中空部を前記摺動抵抗付与部材配置部に外嵌している。従って、コイルスプリングの弾発付勢力が、筒状部材、そして、摺動抵抗付与部材を介してボディに伝達されるようになる。

以上のような理由から、摺動抵抗付与部材が歪んだり、摺動抵抗付与部材に摺接する弁軸が振動したりすることを回避することができる。結局、上記の構成を採用したことにより、チャタリングが発生することを有効に抑制することができる。

本発明の実施の形態に係る弁装置が閉弁状態であるときの要部概略縦断面図である。 前記弁装置を構成する摺動抵抗付与部材としてのＣ字型リングの概略全体斜視図である。 図１に示す弁装置が開弁状態であるときの要部概略縦断面図である。 別の摺動抵抗付与部材としての連結リングの概略全体正面図である。

以下、本発明に係る弁装置につき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明において「下」、「上」というときには、図１及び図３における下方、上方を指すものとする。ただし、これは、図面を参照した説明の理解を容易にするための便宜的な呼称であり、弁装置を実使用する際の方向を特定したものではない。

図１は、本実施の形態に係る弁装置１０が閉弁状態であるときの要部概略縦断面図である。この弁装置１０は、ハウジング１２内にリテーナ１４とボディ１６を収容した常時閉弁である。

ハウジング１２の上底面には、入口ポート１８が形成される。入口ポート１８のハウジング１２内の開口近傍には、弁座部２０が設けられる。前記リテーナ１４は、この弁座部２０を囲繞し、該弁座部２０とともに弁座として機能する第１Ｏリング２２を保持する。すなわち、リテーナ１４には円環状凹部２４が形成され、この円環状凹部２４の底壁とハウジング１２の天井壁とで第１Ｏリング２２を挟持している。なお、円環状凹部２４の底壁には、進入孔２６が貫通形成されている。

リテーナ１４と、後述する弁軸２８及び弁体３０との間には所定間隔のクリアランスが形成される。このクリアランスは、ボディ１６に形成された流路３６に連なる案内路３２となる。

ボディ１６は、ハウジング１２とともにリテーナ１４を挟持する。また、ハウジング１２の内壁と、リテーナ１４の側壁には図示しない歯部がそれぞれ形成され、これらの歯部が互いに噛合される。以上により、リテーナ１４がハウジング１２内で位置決め固定されている。なお、ハウジング１２は、図示しない箇所が加締められることによってボディ１６に組み付けられている。ボディ１６とハウジング１２の間は、第２Ｏリング３４によってシールされる。

ボディ１６には、複数本の流路３６が形成されている。弁体３０が弁座部２０から離間したとき、該流路３６は、前記案内路３２を介して入口ポート１８に連通する。一方、弁体３０が弁座部２０に着座すると、案内路３２を介しての流路３６と入口ポート１８との連通が遮断される。

ボディ１６には、有底の受容穴３８が形成されている。この受容穴３８には、弁軸２８の下端部が挿入される。受容穴３８の内壁と弁軸２８の側壁との間には、遊びが形成される。

ボディ１６の上方先端部には、環状段部４０と、該環状段部４０の上端面から弁体３０側に向かって突出形成された円環部４２が設けられる。該円環部４２の上端面（先端面）には、図２に示すＣ字型リング４４が配置される。このＣ字型リング４４は、貫通孔４６が形成された円環形状体に対し、直径方向に沿って延在する切欠４８を形成した形状をなす。また、Ｃ字型リング４４は、等径部５０と、下底面及び上底面の各々に形成された大径な第１フランジ部５２及び第２フランジ部５４とを有する。このため、等径部５０の側壁は、第１フランジ部５２及び第２フランジ部５４の側壁に対して直径方向内方に陥没した形状となっている。

Ｃ字型リング４４の貫通孔４６の内径は、前記受容穴３８の内径、及び弁軸２８の直径に比して小さく設定されている。このため、弁軸２８が変位するとき、弁軸２８の側壁は、貫通孔４６の内壁にのみ摺接する。後述するように、この摺接の際、Ｃ字型リング４４によって弁軸２８に摺動抵抗が付与される。すなわち、Ｃ字型リング４４は摺動抵抗付与部材であり、Ｃ字型リング４４が配置される円環部４２は、摺動抵抗付与部材配置部である。

Ｃ字型リング４４の等径部５０には、螺旋形状に巻回された輪バネ５６（締付部材）が外嵌される。この輪バネ５６により、等径部５０が直径方向内方に向かって、換言すれば、弁軸２８側に指向して締め付けられる。

Ｃ字型リング４４は、ボディ１６と、筒状部材５８とで挟持される。この場合、筒状部材５８は、大径中空部６０と、該大径中空部６０の上底面外壁から突出して弁体３０側に延在するとともに、大径中空部６０に比して小径な小径中空部６２とを有する。小径中空部６２は、大径中空部６０に比して短尺である。

大径中空部６０には、ボディ１６の円環部４２に外嵌される。この外嵌に伴い、Ｃ字型リング４４の第１フランジ部５２の下端面が円環部４２の上端面に当接し、且つ第２フランジ部５４の上端面が大径中空部６０の上底面内壁に当接した状態で、Ｃ字型リング４４が円環部４２と筒状部材５８に堅牢に挟持される。

大径中空部６０の高さは、円環部４２の高さとＣ字型リング４４の高さとの和（円環部４２とＣ字型リング４４の合計高さ）よりも小さく設定されている。このため、大径中空部６０の下端面は、環状段部４０から若干離間している。

大径中空部６０の上底面及び小径中空部６２には、挿通孔６４が形成される。弁軸２８は、この挿通孔６４に対し、若干の遊びが形成されるように通されている。大径中空部６０が挿通孔６４に比して大径であることは勿論である。

弁軸２８は長尺物であり、その下端部は、上記したようにボディ１６の受容穴３８に挿入される。一方、弁軸２８の小径な上端部には歯部６６が形成される。この歯部６６は、弁体３０の噛合穴６８の内壁に形成された内歯７０に噛合される。この噛合により、弁体３０が弁軸２８に連結される。

弁体３０は、前記噛合穴６８が形成された大径部７２と、該大径部７２及び前記進入孔２６に比して小径な小径部７４とを有する。この小径部７４が弁座部２０及び第１Ｏリング２２に対して着座又は離間することにより、入口ポート１８と案内路３２が連通遮断又は連通される。

筒状部材５８と弁体３０との間には、コイルスプリング７６が介装される。すなわち、該コイルスプリング７６の下端は筒状部材５８の大径中空部６０の上底面外壁に当接し、一方、上端は、弁体３０の大径部７２の下端面に当接している。このため、弁体３０は、コイルスプリング７６によって弁座部２０側に弾発付勢される。また、コイルスプリング７６内には、筒状部材５８の小径中空部６２が挿入されるとともに、弁軸２８が通される。

ここで、コイルスプリング７６の下端及び上端は、座巻が形成された、いわゆるクローズドエンド形式である。このため、コイルスプリング７６の下端及び上端は、筒状部材５８及び弁体３０に対して面接触する。また、研削加工を施して座巻を形成するようにしてもよい。

さらに、本実施の形態では、コイルスプリング７６として、その内径がＣ字型リング４４の外径よりも大きいものが選定される。このため、コイルスプリング７６がＣ字型リング４４の上方に位置することはない。

以上のように構成される弁装置１０は、例えば、燃料電池車に搭載された燃料電池システムの水素充填口に配設されて逆止弁として機能する。

本実施の形態に係る弁装置１０は、基本的には以上のように構成されるものであり、次にその作用効果について説明する。

弁装置１０を組み立てるに際しては、ハウジング１２内の弁座部２０を囲繞するように第１Ｏリング２２を挿入する。さらに、ハウジング１２内にリテーナ１４を挿入する。

次に、弁軸２８の上端部を弁体３０の噛合穴６８に挿入するとともに、弁軸２８に形成された歯部６６と、噛合穴６８の内壁に形成された内歯７０とを噛合させ、弁体３０を弁軸２８に連結する。その後、互いに連結された弁体３０及び弁軸２８をリテーナ１４内に挿入する。

次に、コイルスプリング７６内に弁軸２８を通す。さらに、筒状部材５８の挿通孔６４に弁軸２８を通し、コイルスプリング７６の下端に筒状部材５８の小径中空部６２を挿入する。これにより、コイルスプリング７６を筒状部材５８に仮止めして該コイルスプリング７６の筒状部材５８からの脱落を防止することができる。このように、小径中空部６２を設けたことにより、コイルスプリング７６を組み付けて弁装置１０を組み立てることが容易となる。

次に、Ｃ字型リング４４の貫通孔４６に弁軸２８を通す。Ｃ字型リング４４の内径は、弁軸２８の直径に比して小さいものの、該Ｃ字型リング４４は、切欠４８（図２参照）が形成されているために可撓性に富む。従って、Ｃ字型リング４４は、直径方向外方に向かって弾性変形域内で容易に拡径する。このため、貫通孔４６に弁軸２８を通すことが容易である。

このように、摺動抵抗付与部材としてＣ字型リング４４を用いることにより、部品点数を増加することなく、簡素な構成で該Ｃ字型リング４４の貫通孔４６に弁軸２８を通すことが容易となるという利点が得られる。

その前、又はその後に、Ｃ字型リング４４の等径部５０の側壁に輪バネ５６を装着するようにしてもよい。この装着により、Ｃ字型リング４４の弁軸２８に対する締付力が調整される。

次に、ボディ１６をハウジング１２に挿入する。この際、ボディ１６の円環部４２の上端面が、筒状部材５８の大径中空部６０内に挿入される。従って、Ｃ字型リング４４が円環部４２の上端面で押圧され、大径中空部６０の上底面内壁に向かって移動する。

ここで、大径中空部６０の高さは、上記したように円環部４２の高さとＣ字型リング４４の高さとの和（円環部４２とＣ字型リング４４の合計高さ）よりも小さく設定されている。このため、大径中空部６０の下端面が環状段部４０に当接するよりも前に、該大径中空部６０の上底面内壁がＣ字型リング４４の第２フランジ部５４の上端面に当接する。

換言すれば、この場合、大径中空部６０の上底面内壁がＣ字型リング４４の第２フランジ部５４の上端面に当接するよりも前に、該大径中空部６０の下端面が環状段部４０に当接して堰止されることがない。このため、円環部４２の上端面とＣ字型リング４４の第１フランジ部５２の下端面との間、及び、大径中空部６０の上底面内壁とＣ字型リング４４の第２フランジ部５４の上端面との間に遊びが形成されることが回避される。結局、Ｃ字型リング４４がボディ１６と筒状部材５８によって堅牢に挟持されるので、Ｃ字型リング４４にガタツキが生じることが回避される。

このようにして筒状部材５８の大径中空部６０がＣ字型リング４４に被せられるとともに、該Ｃ字型リング４４が、円環部４２の上端面と、大径中空部６０の上底面内壁とで堅牢に挟持される。

また、コイルスプリング７６の下端が、大径中空部６０の上底面外壁に当接するとともに、コイルスプリング７６の上端が弁体３０の下端面に当接する。コイルスプリング７６の下端及び上端が座巻を形成しているため、該下端及び該上端は、それぞれ、大径中空部６０の上底面外壁、弁体３０の下端面に対して面接触する。以上により、弁装置１０が構成される。

弁装置１０は、以下のように動作する。

入口ポート１８に進入した流体（例えば、水素）の圧力の差圧による推力がコイルスプリング７６の弾発付勢力を下回るとき、弁体３０は、コイルスプリング７６から弾発付勢されることで弁座部２０側に押圧される。このため、弁体３０の小径部７４は、弁座部２０及び第１Ｏリング２２に対して着座した状態を維持する。従って、入口ポート１８と案内路３２の連通が遮断された状態が維持されるので、案内路３２を介しての入口ポート１８と流路３６の連通も遮断される。結局、弁装置１０が閉弁状態を保つ。

一方、入口ポート１８に進入した流体圧力の差圧による推力がコイルスプリング７６の弾発付勢力を上回って押したとき、弁体３０がコイルスプリング７６の弾発付勢力に抗して下方に変位する。すなわち、弁座部２０及び第１Ｏリング２２から小径部７４が離間し、入口ポート１８と流路３６が案内路３２を介して連通する。その結果、図３に示すように弁装置１０が開弁状態となり、ボディ１６内の流路３６に流体が流通する。

この際、弁軸２８が弁体３０と一体的に変位する。この変位の際、該弁軸２８の側壁がＣ字型リング４４の貫通孔４６の内壁に摺接することにより、弁軸２８に対して所定の摺動抵抗が付与される。締付力が相違する輪バネ５６に変更することにより、摺動抵抗の大小を調節することも可能である。

ここで、Ｃ字型リング４４は、上記したように、ボディ１６の円環部４２と筒状部材５８の大径中空部６０とで挟持されている。すなわち、コイルスプリング７６とＣ字型リング４４の間に筒状部材５８が介在している。このため、コイルスプリング７６がＣ字型リング４４に当接することがない。従って、Ｃ字型リング４４に、弁軸２８に対する摩擦力以外の何らかの外力が作用することが回避される。

また、コイルスプリング７６は、その下端が、円環部４２に外嵌された大径中空部６０に当接している。しかも、コイルスプリング７６の下端が大径中空部６０の上底面外壁に面接触し、且つ上端が弁体３０の大径部７２の下端面に面接触している。以上のことが相俟って、コイルスプリング７６の弾発付勢力は、筒状部材５８に伝達された後、Ｃ字型リング４４を介して直線的にボディ１６に伝達される。

以上のことが相俟って、Ｃ字型リング４４が歪みないし撓んだり、振動したりすることを防止することができる。その結果、弁軸２８が振動すること、換言すれば、チャタリングが発生することを有効に抑制することができる。

しかも、Ｃ字型リング４４は、該Ｃ字型リング４４に密接する円環部４２の上端面と大径中空部６０の上底面内壁で押圧されており、このため、弁軸２８の摺接に追従して上下動すること、換言すれば、ガタツキが発生することが困難である。Ｃ字型リング４４は、さらに、輪バネ５６によって弁軸２８側に押圧されている。以上のことも、弁軸２８が振動してチャタリングが発生することを抑制することに寄与する。

入口ポート１８に進入した流体圧力の差圧による推力がコイルスプリング７６の弾発付勢力を下回るようになると、コイルスプリング７６によって弁体３０が弁座部２０側に弾発付勢され、弁座部２０及び第１Ｏリング２２に着座して図１に示す状態に戻る。すなわち、案内路３２を介しての入口ポート１８と流路３６の連通が遮断され、弁装置１０が閉弁状態となる。

この際にも、弁軸２８が弁体３０と一体的に変位する。勿論、この変位の際にも、上記と同様にＣ字型リング４４によって弁軸２８に所定の摺動抵抗が付与されるとともに、弁軸２８にチャタリングが発生することが抑制される。

本発明は、上記した実施の形態に特に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

例えば、摺動抵抗付与部材として、図４に示す連結リング８０を採用することもできる。この場合、連結リング８０を構成する半円形状ピース８２、８４の各々に係合部８６ａ、８６ｂ、８８ａ、８８ｂを設けるようにすれば、半円形状ピース８２を弁軸２８に添わせた後、残余の半円形状ピース８４を半円形状ピース８２に対向配置し、さらに、係合部８６ａ、８８ａ同士、係合部８６ｂ、８８ｂ同士を係合することによって、連結リング８０を容易に構成することができる。

１０…弁装置 １２…ハウジング
１４…リテーナ １６…ボディ
１８…入口ポート ２０…弁座部
２８…弁軸 ３０…弁体
３２…案内路 ３６…流路
４０…環状段部 ４２…円環部
４４…Ｃ字型リング ４６…貫通孔
４８…切欠 ５６…輪バネ
５８…筒状部材 ６０…大径中空部
６２…小径中空部 ６４…挿通孔
７６…コイルスプリング ８０…連結リング
８２、８４…半円形状ピース ８６ａ、８６ｂ、８８ａ、８８ｂ…係合部

Claims (4)

1. 弁体が弁座に対して着座又は離間することによって入口ポートに対して連通又は連通遮断される流路が形成されたボディと、
   前記弁体を前記弁座に指向して弾発付勢するコイルスプリングと、
   その先端に前記弁体が設けられて前記弁体と一体的に変位する弁軸と、
   前記弁軸が変位するとき、該弁軸に対して摺動抵抗を付与する摺動抵抗付与部材と、
   前記ボディとともに前記摺動抵抗付与部材を挟持するための筒状部材と、
   を備え、
   前記摺動抵抗付与部材に形成されて前記弁軸が挿通される貫通孔の内径は、前記弁軸の直径に比して小さく設定され、
   前記筒状部材は、その底面内壁に形成されて前記弁軸が通される挿通孔に比して大径な大径中空部を有し、
   前記ボディの、摺動抵抗付与部材配置部の先端面と、前記筒状部材の前記大径中空部の前記底面内壁とで前記摺動抵抗付与部材を挟持するとともに、前記大径中空部の側壁で前記摺動抵抗付与部材配置部を覆い、
   且つ前記コイルスプリングの一端が、前記筒状部材の前記大径中空部の底面外壁に当接するとともに、他端が前記弁体に当接していることを特徴とする弁装置。
2. 請求項１記載の弁装置において、前記筒状部材は、前記大径中空部の前記底面外壁から突出して前記弁体側に延在し、且つ前記大径中空部よりも小径な小径中空部を有し、
   前記小径中空部が、前記コイルスプリング内に挿入されていることを特徴とする弁装置。
3. 請求項１又は２記載の弁装置において、前記コイルスプリングの前記一端及び前記他端が座巻を形成していることを特徴とする弁装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の弁装置において、前記摺動抵抗付与部材は、直径方向に沿って延在する切欠が形成されたリング形状体からなることを特徴とする弁装置。

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