JP6717136B2 - 流体制御弁 - Google Patents

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Description

本発明は、流体の流量および圧力を制御する流体制御弁に関する。
従来、車両に搭載された各種機器(例えば、燃料電池や三元触媒コンバータ)に供給する空気の流量を制御するポペットバルブ式の流体制御弁が知られている(例えば、特許文献1〜2参照)。この流体制御弁は、駆動源の駆動力により軸芯に沿って移動する軸部材と、軸部材の先端部に接続された弁体と、弁体が当接する環状の弁座を有し、軸部材および弁体を収容するハウジングと、を備えている。
特許文献1の流体制御弁は、弁体を軸部材に対して揺動可能に構成し、軸部材に前進方向の駆動力を付与することで、弁体のシール部材が全周に亘って弁座に押付けられるようにしている。
特許文献2の流体制御弁は、弁座に設けられたシール部材に、弁体に向かって突出する第1凸部と第1凸部よりも突出量の大きい第2凸部とを形成している。弁体を閉弁するとき、第2凸部が弁体に当接して弾性変形することで弁体に付着した水滴等の異物を掻き出し、次いで第1凸部が弁体に接触する二重シール構造となっている。
特開2013−87803号公報 特開2016−8683号公報
ところで、ポペットバルブ式の流体制御弁は、弁体を閉弁するとき、弁体が流体から受ける流体圧や構成部材の寸法誤差に起因して、弁体と弁座との平行度が一致しないことがある。その結果、弁体と弁座とに隙間が形成されてシール機能が低下するといった問題がある。
特許文献1の流体制御弁は、弁体が軸部材に対して揺動して弁体のシール部材が全周に亘って弁座に押付けられるのでシール性が高いものであるが、シール部材に過剰な押込み応力が作用して耐久性が損なわれるおそれがある。
また、特許文献2の流体制御弁は、二重シール構造にしてシール性を高めているものの、軸部材を移動させることで弁体を弁座に押付けた場合、シール部材に過剰な押込み応力が作用して耐久性が損なわれるおそれがある。
そこで、シール機能を確保しながらシール部材の耐久性を高めることのできる流体制御弁が望まれている。
流体制御弁の特徴構成は、一端部に接続された駆動源からの駆動力により軸芯に沿って移動する軸部材と、前記軸部材の他端部に接続され、外周にシール部材が固定された平板状の本体部を含む弁体と、流体の流入口および流出口と、前記流入口と前記流出口との連通を遮断するように前記弁体が当接する環状の弁座とを有し、前記軸部材および前記弁体を収容するハウジングと、を備え、前記弁体は、前記軸部材に対して揺動可能に構成されており、前記弁座は、前記シール部材が当接する当接部と、前記当接部から径方向内側に延出した状態で前記当接部よりも前記本体部に向かって突出している突出部と、を有しており、前記シール部材が前記当接部に当接した状態で、前記突出部の先端部が前記本体部に当接して前記弁体の移動を規制する点にある。
本構成では、弁体を軸部材に対して揺動可能に構成しているので、弁体が他端部に接続された軸部材を軸芯に沿って移動させれば、本体部の外周に設けられたシール部材が弁座の当接部に全周に亘って押付けられてシール機能が確保される。このとき、本構成の弁座は、シール部材が当接する当接部とは別に弁体の本体部に当接して弁体の移動を規制する突出部を設けているので、シール部材の過剰な変形を抑制することができる。その結果、シール部材に過剰な押付け応力が作用して、シール部材の耐久性が損なわれることがない。
しかも、弁体の移動を規制するストッパ機能を有する突出部をハウジングに設けているので、部品点数を節約できると共に、突出部の剛性を高めることが可能となる。このように、シール機能を確保しながらシール部材の耐久性を高めることのできる流体制御弁を提供できた。
他の特徴構成は、前記突出部は、前記弁座の周方向に所定の間隔をおいて複数設けられ、複数の前記突出部は、前記本体部に当接する前記先端部が同一平面上に配置されている点にある。
本構成のように突出部を周方向に分離して設ければ、例えば弁座の当接部に付着した水滴等の異物を隣接する突出部の間から流路方向に落下させることができる。その結果、弁体のシール部材と当接部との間に異物が堆積してシール機能が損なわれるといった不都合が解消される。しかも、当接部に当接する突出部の先端部を同一平面上に配置しているので、軸部材を軸芯に沿って移動させて弁体を弁座に押付けたとき、一方の突出部を支点として弁体が揺動しながら他方の突出部に当接して弁体と弁座との平行度を確保することができる。その結果、シール部材の変形量が均等になるので、シール機能を確保しながらシール部材の耐久性を高めることができる。
他の特徴構成は、複数の前記突出部は、前記流入口と前記流出口とを結ぶ最短経路上を除いた箇所に配置されている点にある。
本構成のように、流体が多く流れる最短経路上に流路抵抗となる突出部を設けないことで、開弁時における流量制御の精度を高めることができる。
他の特徴構成は、前記当接部と前記突出部との間には、前記当接部よりも前記弁体とは反対側に窪んだ窪み部が形成されている点にある。
本構成のように当接部と突出部との間に窪み部を設ければ、弁座の当接部付近への水の残留や異物の堆積を抑制することができる。その結果、当接部における水残留による凍結固着や異物噛み込みによりシール機能が損なわれるといった不都合が解消される。
他の特徴構成は、前記窪み部の底部の表面は、中央から端部に向かうに連れて前記流体の流通方向に傾斜する曲面で構成されている点にある。
本構成のように窪み部の表面を流路方向に向かって傾斜する曲面で構成すれば、窪み部に落下した水滴や異物が速やかに排出される。その結果、窪み部に異物等が堆積して当接部まで及ぶことがなく、弁体のシール性を阻害することがない。
燃料電池システムを示す概略図である。 流体制御弁の開弁時を示す断面図である。 流体制御弁の閉弁時を示す断面図である。 下部ハウジングの平面図である。 閉弁し始めた状態を示す弁体と弁座の図4のV−V拡大断面図である。 完全に閉弁した状態を示す弁体と弁座の拡大断面図である。 突出部の拡大斜視図である。 別実施形態1に係る流体制御弁の拡大断面図である。 別実施形態2に係るハウジングの平面図である。
以下に、本発明に係る流体制御弁の実施形態について、図面に基づいて説明する。本実施形態では、流体制御弁の一例として、燃料電池システム1の酸素供給モジュール2に配置される空気調圧弁3(流体制御弁の一例)として説明する。ただし、以下の実施形態に限定されることなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能である。
[燃料電池システム]
図1に示すように、本実施形態では、自動車や一般産業用機械等の車両の駆動源として電動モータ51を用いるものである。この電動モータ51には、燃料電池システム1で発電した電力が供給される。燃料電池システム1は、燃料電池5と、燃料電池5に空気を供給する酸素供給モジュール2と、燃料電池5に水素ガスを供給する燃料供給モジュール4とを備えている。なお、燃料電池5で発電した電力を電動モータ51に供給しながら余剰電力をバッテリに蓄電しても良く、特に限定されない。
燃料電池5は、燃料極と空気極との間に電解質を挟んだセルがセパレータによって区画されたセルユニットを、直列に積層して構成されている。空気極に対向するセパレータには、酸素を含んだ空気が流通する空気流路5aが形成され、燃料極に対向するセパレータには、水素ガスが流通する水素流路5bが形成されている。燃料電池5は、水素ガスが水素イオンとなって電解質を通過して酸素と化学反応することで、水(水蒸気)が発生すると共に、燃料極の側が陰極、空気極の側が陽極となって電動モータ51に電力が供給される。また、燃料電池5を冷却するために、水冷ポンプP1によって冷却水が循環されている。
酸素供給モジュール2は、コンプレッサ21によって酸素を含む空気を燃料電池5に供給する空気供給路2aを備えている。この空気供給路2aは、燃料電池5の空気流路5aに接続されており、コンプレッサ21と空気流路5aとの間には、三方弁22が配置されている。この三方弁22にはバイパス流路2bの一端が接続されており、このバイパス流路2bの他端が酸素側排出路2cに接続されている。三方弁22の弁位置を変位させることで、バイパス流路2bを介して酸素側排出路2cに空気の一部を排出し、燃料電池5の空気流路5aに供給する空気量が調節される。なお、空気供給路2aには、空気に含まれる異物を除去するエアフィルタやコンプレッサ21によって圧縮された空気を冷却するインタークーラが適宜設けられているが、図示を省略している。
酸素側排出路2cは、一端が燃料電池5の空気流路5aの出口に接続され、他端が後述する燃料側排出路4bに合流されている。この酸素側排出路2cでは、発電に使用されなかった空気や発電によって生成された水(水蒸気)が排出される。本実施形態における空気調圧弁3は、酸素側排出路2cの経路上に配置されており、燃料電池5の空気流路5aの出口とバイパス流路2bの他端との間に設けられている。詳細な構成は後述するが、空気調圧弁3は、燃料電池5の内部に残存した空気の排出量を調節することで、燃料電池5の内部圧力を制御するものである。
燃料供給モジュール4は、水素タンク41から燃料電池5の水素流路5bに水素ガスを供給する水素供給流路4aを備えている。この水素供給流路4aには、車両の運転停止時には水素ガスの供給を遮断する遮断弁42が設けられている。また、少量の水素ガスが含まれる主に空気極から透過してきた窒素や電解質を透過した水(水蒸気)を排出する燃料側排出路4bが水素流路5bの出口に接続されている。
この燃料側排出路4bの経路上には、気液分離器43が設けられており、水素ガスと水とが気液分離器43で分離される。気液分離器43で分離された水素ガスは、循環ポンプP2によって水素供給流路4aの遮断弁42より下流側に循環し、再度、燃料電池5の燃料として使用される。一方、気液分離器43で分離された水や循環に用いられなかった水素ガスは、燃料側排出路4bに排出され、酸素側排出路2cから流入した空気や水(水蒸気)と混合して外部に排出される。なお、燃料側排出路4bには、気液分離器43の排水量を調節する排水弁や酸素側排出路2cとの合流部に水素ガスを空気により希釈する希釈器が適宜設けられているが、図示を省略している。
燃料電池システム1は、車両が運転を開始すると、コンプレッサ21によって酸素を含む空気を空気流路5aに供給し、遮断弁42を開弁すると共に循環ポンプP2を作動させて水素ガスを水素流路5bに供給し、燃料電池5が発電を行うように構成されている。このとき、空気調圧弁3は、燃料電池5の内部に残存した空気を排出して燃料電池5の内部圧力を制御するために開弁状態となっている(図2参照)。一方、燃料電池システム1は、車両が運転を停止すると、コンプレッサ21が停止して空気流路5aへの空気の供給が無くなり、遮断弁42を閉弁すると共に循環ポンプP2を停止して水素流路5bへの水素ガスの供給が無くなる。このとき、空気調圧弁3は、閉弁状態となっている(図3参照)。
[流体制御弁]
次に、図2〜図7を用いて、本実施形態に係る流体制御弁としての空気調圧弁3の構成を説明する。以下の説明において、図2の紙面を基準とした上下方向、左右方向(側方)を用いて説明するが、空気調圧弁3の実際の取付方向とは必ずしも一致していない。
図2〜図3に示すように、空気調圧弁3は、ステッピングモータ31(駆動源の一例)と、一端部に接続されたステッピングモータ31からの駆動力によって軸芯Xに沿って移動する金属製の軸部材33と、軸部材33の他端部に接続された環状の弁体34と、上部ハウジング32aと下部ハウジング32bとを締結して形成され、軸部材33および弁体34を収容する樹脂製のハウジング32とを備えている。
ステッピングモータ31は、上部ハウジング32aに密封状態で固定されており、出力軸に設けた螺子機構によって出力軸を回転させることで、回り止め状態でステッピングモータ31に支持された軸部材33が軸芯Xに沿って上下移動するように構成されている。このステッピングモータ31は、印加されるパルス数に応じてステップ角を調整して、軸部材33の移動距離を細かく設定することができるモータであり、公知であるので詳細な説明を省略する。なお、駆動源はステッピングモータ31に限定されず、回転角度を制御可能なブラシレスモータ等で構成しても良い。
軸部材33は、一端部にステッピングモータ31が接続され、他端部に円環状の弁体34が接続された棒状に構成されている。軸部材33の中間部には、内周側が固定部材37により保持されたダイヤフラム35が設けられている。このダイヤフラム35は、基布にゴム材料を固定して構成されている。固定部材37の上側にはリテーナ38が配置されており、このリテーナ38と上部ハウジング32aの間には、圧縮スプリング39が設けられている。圧縮スプリング39は弁体34の閉弁方向に付勢しており、車両の運転停止時には、圧縮スプリング39の付勢力により弁体34が閉弁状態に維持される(図3参照)。
軸部材33の他端部には、軸部材33の他端部を径方向に所定の隙間を有した状態で挿入された有底筒状の筒状部40aと、筒状部40aの開口側から径方向外側に延出した平板状の本体部40bと、本体部40bの外周に固定されたシール部材Sとを備えた保持部材40が装着されている。これら筒状部40aと本体部40bとは金属材料で構成され、シール部材Sはゴム材料で構成されている。軸部材33の他端部に接続された弁体34は、保持部材40の一部である本体部40bと、本体部40bの外周に固定されたシール部材Sとで構成されている。
軸部材33の他端部の先端は、筒状部40aの底部40a1に向かって拡径する半球状の半球状部33bと、半球状部33bとの境界面から筒状部40aの底部40a1に向かって縮径する円錐状の円錐状部33aとで構成されている。本実施形態では、筒状部40aの外面をかしめ加工して形成された凹部40a2を半球状部33bに当接させることで、保持部材40が軸部材33に対して軸芯Xの方向に抜け止め状態で保持されている。一方、軸部材33の他端部が径方向に所定の隙間を有した状態で筒状部40aに挿入されているので、半球状部33bおよび円錐状部33aが筒状部40aの内面に摺接しつつ、保持部材40(弁体34)が軸部材33に対して所定の範囲で揺動可能に構成されている。なお、保持部材40が軸部材33に対して揺動する構成に限定されず、保持部材40が固定された軸部材33自体が揺動する構成にしても良い。
また、軸部材33と筒状部40aとの間には、半球状部33bよりも筒状部40aの底部40a1とは反対側にOリング47が設けられている。これにより、異物が筒状部40aの内面に侵入することがないので、弁体34の軸部材33に対する揺動が異物によって阻害されることがない。
ハウジング32は、上部ハウジング32aと下部ハウジング32bとの接合面にダイヤフラム35の外周側を挟持した状態で、上部ハウジング32aと下部ハウジング32bとをボルトによって締結固定して構成されている。ハウジング32の収容空間32Aには、上述した軸部材33、弁体34、ダイヤフラム35や圧縮スプリング39等が収容されている。
上部ハウジング32aの側面には、ダイヤフラム35と上部ハウジング32aとの間で区画形成される上部室32A1と外部空間32Bとを連通する貫通孔32a1が形成されている。これによって、上部室32A1は、大気圧に維持されている。また、弁体34が閉弁状態にあるとき、弁体34と下部ハウジング32bとダイヤフラム35とで囲まれる空間には、流入口32Cに連通した下部室32A2が形成されている(図3参照)。
また、上部ハウジング32aの上部には、ステッピングモータ31を固定するモータ固定部32a3から下方(弁体34の側)に筒状に延出する筒状壁32a4が形成されており、この筒状壁32a4に軸部材33の一端側が支持されている。
下部ハウジング32bは、燃料電池5の空気流路5aの出口から空気や水(水蒸気)が流入する流入口32Cと、弁体34が開弁したときに酸素側排出路2cの下流側に空気や水(水蒸気)を流出させる流出口32Dとを有している。本実施形態では、流入口32Cが下部ハウジング32bの側方に開口形成されており、流出口32Dが下部ハウジング32bの下方に開口形成されている。
下部ハウジング32bには、流入口32Cと流出口32Dとの連通を遮断するように弁体34が当接する環状の弁座46が形成されている。弁座46は、弁体34のシール部材Sが当接する当接部46aと、当接部46aから径方向内側に延出した状態で当接部46aよりも上側に(本体部40bに向かって)突出している突出部46bとを有している。当接部46aは、下部ハウジング32bのうち流出口32Dを構成する周壁部32b1の天面となる平坦面で構成されている。突出部46bは、下部ハウジング32bのうち流出口32Dを構成する周壁部32b1から径方向内側にテーパ状に延出した基端部46b2より上側(弁体34の側)に突出形成されている。これにより、シール部材Sが当接部46aに当接した状態で、突出部46bの先端部46b1が弁体34の本体部40bに当接して弁体34の移動を規制する(図6参照)。なお、当接部46aと突出部46bとの高さ関係は、上述した実施形態に限定されず、弁体34の移動を規制できるものであれば、突出部46bが当接部46aより下側にあっても良いし、同一の高さであっても良い。
図4に示すように、突出部46bは、弁座46の周方向に沿って等間隔に複数(本実施形態では3つ)設けられており、これら突出部46bは周方向に沿って互いに分離している。また、複数の突出部46bの先端部46b1は、夫々が同一平面上(水平)に配置された半球状に構成されており、この先端部46b1が弁体34の本体部40bに当接して弁体34の移動を規制する(図5〜図6参照)。これら突出部46bは、流入口32Cの開口を延長して弁体34と交差する仮想領域Kを除く領域に配置されている。つまり、これら突出部46bは、流入口32Cと流出口32Dとを結ぶ最短経路上を除く箇所に配置されている。このように、流体が多く流れる最短経路上に流路抵抗となる突出部46bを設けないことで、開弁時における流体の圧力損失を抑えることができる。しかも、突出部46bの基端部46b2もテーパ状に形成して流路抵抗を低減している(図5〜図7参照)。
図5〜図7に示すように、当接部46aと突出部46bとの間には、当接部46aよりも下側(弁体34とは反対側)に窪んだ窪み部46cが形成されている。この窪み部46cは、突出部46bの基端部46b2の上面を構成しており、中央から端部に向かうに連れて流出口32D(流体の流通方向)に傾斜する曲面で形成されている。なお、窪み部46cを省略しても良い。
弁体34を閉弁したとき、弁体34が流体から受ける流体圧や構成部材の寸法誤差に起因して、弁体34と弁座46との平行度が一致しないことがある。この場合、例えば、図5に示すように、他端部に弁体34が接続された軸部材33を軸芯Xに沿って移動させれば、一方の側(左側)にあるシール部材Sが当接部46aに押付けられる。このとき、本実施形態における弁座46は、シール部材Sが当接する当接部46aとは別に弁体34の本体部40bに当接して弁体34の移動を規制する突出部46bを設けているので、軸部材33を移動させてシール部材Sを当接部46aに押付けたとしても、シール部材Sの変形量を所定値以下に設定することができる。その結果、シール部材Sに過剰な押付け応力が作用して、シール部材Sの耐久性が損なわれることがない。しかも、弁体34の移動を規制するストッパ機能を有する突出部46bを下部ハウジング32bに設けているので、部品点数を節約できると共に、突出部46bの剛性を高まることが可能となる。
また、弁体34が軸部材33に対して揺動可能に構成されているので、図6に示すように、軸部材33を更に下方に移動させる駆動力をステッピングモータ31が軸部材33に作用させたとき、左側の突出部46bを支点として弁体34が弁座46に対して平行姿勢に修正される。つまり、本実施形態の突出部46bは、弁体34の姿勢修正機能も兼ね備えている。特に、本実施形態では、周方向に均等に複数の突出部46bを設けているので、弁体34をバランスよく支持することができる。また、突出部46bの先端を半球状に構成しているので、弁体34の姿勢変更が円滑に実行される。
本実施形態のように、突出部46bを周方向に分離して設ければ、弁座46の当接部46aに付着した水滴等の異物を隣接する突出部46bの間から流出口32Dの方に落下させることができる。また、当接部46aと突出部46bとの間に窪み部46cを設けているので、弁座46の当接部46aを通過してきた水滴等の異物を窪み部46cに落下させることができる。しかも、窪み部46cの表面を流出口32Dに向かって傾斜する曲面で構成しているので、窪み部46cに落下した異物が速やかに流出口32Dに向かって排出される。その結果、弁体34のシール部材Sと当接部46aとの間に異物が堆積してシール機能が損なわれるといった不都合が解消される。
[その他の実施形態]
(a)(別実施形態1)
上述した実施形態における弁座46に設けた窪み部46cに代えて、図8に示すように、当接部46aから突出部46bまで流出口32Dに向かって傾斜したテーパ部46dを設けても良い。この場合でも、テーパ部46dに沿って異物が排出されるので、弁体34のシール部材Sと当接部46aとの間に異物が堆積してシール機能が損なわれるといった不都合が解消される。
(b)(別実施形態2)
上述した実施形態では、図4に示すように窪み部46cを周方向に分離して構成したが、図9に示すように、窪み部46cを周方向全体に亘って設け、突出部46bのみ周方向に分離して構成しても良い。また、突出部46bの基端部46b2を下部ハウジング32bのうち流出口32Dを構成する部位の内周壁から径方向内側に延出させずに、突出部46bの基端部46b2を周方向全体に亘って設けても良い。これによって、突出部46bが剛性を更に高めることができる。
(c)流入口32Cを下部ハウジング32bの側方に設け、流出口32Dを下部ハウジング32bの下方に設けたが、流入口32Cと流出口32Dとを入れ替えても良い。この場合、上述した実施形態における流入口32Cが流出口32Dに置き換えられ、流出口32Dが流入口32Cに置き換えられることとなる。
(d)弁体34を軸部材33に対して揺動させる構成は、上述した実施形態に限定されず、例えば軸部材33の他端部を球状に構成しても良い。
(e)上述した実施形態では燃料電池システム1に用いられる流体制御弁について説明したが、その他の車両用流体制御弁として用いても良いし、家庭用機器の流体制御弁として用いても良く特に限定されない。
本発明は、流体の流量および圧力を制御する流体制御弁に利用可能である。
3 空気調圧弁(流体制御弁)
31 ステッピングモータ(駆動源)
32C 流入口
32D 流出口
33 軸部材
40b 本体部
46 弁座
46a 当接部
46b 突出部
46b1 先端部
46c 窪み部
S シール部材
X 軸芯

Claims (5)

  1. 一端部に接続された駆動源からの駆動力により軸芯に沿って移動する軸部材と、
    前記軸部材の他端部に接続され、外周にシール部材が固定された平板状の本体部を含む弁体と、
    流体の流入口および流出口と、前記流入口と前記流出口との連通を遮断するように前記弁体が当接する環状の弁座とを有し、前記軸部材および前記弁体を収容するハウジングと、を備え、
    前記弁体は、前記軸部材に対して揺動可能に構成されており、
    前記弁座は、前記シール部材が当接する当接部と、前記当接部から径方向内側に延出した状態で前記当接部よりも前記本体部に向かって突出している突出部と、を有しており、
    前記シール部材が前記当接部に当接した状態で、前記突出部の先端部が前記本体部に当接して前記弁体の移動を規制する流体制御弁。
  2. 前記突出部は、前記弁座の周方向に所定の間隔をおいて複数設けられ、
    複数の前記突出部は、前記本体部に当接する前記先端部が同一平面上に配置されている請求項1に記載の流体制御弁。
  3. 複数の前記突出部は、前記流入口と前記流出口とを結ぶ最短経路上を除いた箇所に配置されている請求項2に記載の流体制御弁。
  4. 前記当接部と前記突出部との間には、前記当接部よりも前記弁体とは反対側に窪んだ窪み部が形成されている請求項1から3のいずれか一項に記載の流体制御弁。
  5. 前記窪み部の底部の表面は、中央から端部に向かうに連れて前記流体の流通方向に傾斜する曲面で構成されている請求項4に記載の流体制御弁。
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