JP6650500B2 - 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
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Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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)
Claims (2)
- 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かつ同一円柱形状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を設け、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非シール状態で保持し、前記ボールと前記上下ステムは一体のものであり、ストレート形状の前記上下ステムは、前記ボデーにストレート形状にあけた軸装穴に軸装され、前記上下ステムの外周の前記軸装穴に前記軸装シール機構が装着され、この軸装シール機構よりも前記ボール側に前記軸受が設けられていることを特徴とする高圧用トラニオン型ボール弁。
- 高圧水素の供給ラインに請求項1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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