JP6745605B2 - 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、特に、流体が水素であるときには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が発生することもある。これに対して、流量を確保しつつ流路をオンオフするために、高圧用トラニオン型ボール弁が使用されることが多い。
この場合、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の高圧用トラニオン型ボール弁が本件出願人により先に出願されている。このボール弁は、ボール、シートリテーナ、シートリテーナの外周面に装着されたシール部材が設けられ、ボールの上下に同一径の上ステムと下ステムとがそれぞれ延設されてボール部材が構成され、ボールを中心に上下ステムの対称位置に、軸受を介して同一構造の軸装シール機構が装着されてバランス構造に設けられている。これにより、このボール弁に、高圧流体である水素等のガス流体が流れる場合、ステム（ボール）のスラスト荷重が抑えられ、弁座シール性が確保されつつ安定した低トルク性によって開閉操作可能に設けられている。

ＷＯ２０１５／３０１２２号公報

しかしながら、特許文献１の高圧用トラニオン型ボール弁に対して、液体を含む混合流体などの非圧縮性流体が流れる場合には、水素等の気体などの圧縮性流体が流れる場合に比較して軸受がスラスト方向の力を受けやすくなり、この力を緩和することが難しくなる。その結果、軸受がボールとは反対側に移動して軸装シール機構を押圧することで、この軸装シール機構に過度な負荷がかかり、破損や激しい消耗が生じて漏れを生じるおそれがある。

これを防ぐため、仮に、軸装シール機構側への流路を塞いだ場合には、流体が軸受周辺を自由に移動できなくなり、非圧縮性流体によって上下の軸受にバランスの崩れたスラスト荷重が加わることになる。その結果、ボール側から軸装シール機構までのキャビティ内の均一な圧力の確保が難しくなり、上下の軸装シール機構には片寄った圧力が加わって軸シール性能が損なわれる可能性がある。これを回避するために、流体が非圧縮性流体の場合にもボール側から軸装シール機構側までのキャビティ内圧力を均等に確保しつつ、上下の軸装シール機構のバランス構造を維持することが求められる。

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、非圧縮性流体が流れる場合にも、弁座シール性を確保しつつステムへのスラスト荷重を抑えて安定した低トルク性で開閉操作でき、軸受の移動を規制することにより軸シール部位への過度な負荷を回避してその破損や消耗を防ぎつつ、軸シール部位のバランス構造を維持して優れた軸シール性能を発揮す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を有す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がそれぞれ延設された状態でボール部材が構成され、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と軸受が装着されてバランス構造とすることによりスラスト荷重が回避され、バルブ内部側に設けられた係合部に軸受に設けられた係止部が係止された状態で当該軸受のボールの反対側への移動が防がれ、軸受又はボデー側にはボール側と軸装シール機構側とが連通される連通部が設けられていると共に、上下ステムのボール近傍位置に鍔部が設けられ、この鍔部で軸受のボール側が保持され、軸受の全長が鍔部上面から軸装シール機構までの距離よりも短く、かつ、係止部の長さが鍔部から係合部までの距離よりも短く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用トラニオン型ボール弁である。

請求項２に係る発明は、ボデーと蓋部材に略環状の係合部が設けられ、この係合部に軸受に鍔状に形成された係止部が係止され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、係止部の外周とボデーの内周との間に隙間が設けられ、この隙間によりボデーから係止部へのラジアル荷重の伝達が回避されている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、軸受の外周に形成された連通溝、又は軸受の外周面に貫通される連通孔と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、高圧水素の供給ラインに高圧用トラニオン型ボール弁が用いられた状態で構成されている水素ステーションである。

請求項１に係る発明によると、特に高圧流体に適しており、スラスト荷重による摩擦力の発生を回避しつつ、ボールのシール部材へのずれを防止して弁座シール性を確保して漏れを確実に防ぎ、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安定した低トルク性による開閉操作が可能となる。この場合、バルブ内部の係合部に軸受の係止部を係止させてこの軸受のボールの反対側への移動を防ぐことで、液体を含有する混合流体などの非圧縮性流体がバルブ内部に流れる場合にも、軸受による軸装シール機構への過度な負荷を回避してその破損や消耗を防止できる。しかも、軸受又はボデー側に連通部を設けていることにより、この連通部を介して流体が移動してボール側から軸装シール機構までの圧力を均一に確保し、軸装シール機構のバランス構造を維持して優れた軸シール性能を発揮できる。
しかも、抜け出し方向の移動を係止部で防止した状態の軸受に対してボール側から鍔部で保持することで、この軸受をボデー内の所定位置に配置でき、これら上下の軸受によって流路の中心にバランスを保持しながらボールを配置できる。これにより、弁開又は弁閉操作時に、ボールへの流体圧を軸受に均等に働かせてステムをスムーズに回転操作でき、弁閉時にはシートリテーナによるシール性を向上できると共に、軸受と軸装シール機構、軸受とボデーとの間にそれぞれ軸装方向のクリアランスを設けることができ、このクリアランスによって軸受によるボールの軸装方向への位置決めを防ぐことができとともに、これにより、ボールとシートリテーナとの芯ずれを防ぎつつ、ボールをシートリテーナで位置決めしながら所定位置に配置し、シート漏れを防止できる。

請求項２に係る発明によると、係止部と係合部とを係止させて軸受の抜け出し方向への移動を規制していることで、内部の簡略化を図りながら軸受の移動を確実に規制できる。

請求項３に係る発明によると、係止部とボデーとの間に設けた隙間でボデーから係止部へのラジアル荷重の伝達を回避することにより、ラジアル荷重が筒部のみに加わるようにして受圧面積を十分に確保し、ラジアル荷重に対する軸受の強度を確保してその破損を防止できる。

請求項４に係る発明によると、軸受の外周に設けた連通溝、又は軸受の外周面を貫通する連通孔である連通部を介して、ボール側から軸装シール機構側までを連通させてキャビティ内圧力を均一に確保し、このキャビティ内圧力で押圧される上下の軸装シール機構のバランス構造を維持して軸シール性を発揮させながらバルブを開閉操作できる。

請求項５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または停止できる。

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一部省略拡大縦断面図である。 図２の要部拡大断面図である。 軸受を示す斜視図である。 （ａ）は、軸受の縦断面図である。（ｂ）は、軸受の平面図である。 軸受の他例を示す縦断面図である。 水素ステーションの一例を示したブロック図である。

以下に、本発明における高圧用トラニオン型ボール弁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実施形態の斜視図、図２においては、図１のボール弁の一部省略拡大縦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、これらの内部にボール１０、軸受１１、シートリテーナ１２、バネ部材１３、シール部材１４、バネ押え１５、補助リング１６、軸装シール機構２０を有し、例えば、２．５ｋｇ程度の重さに設けられる。本実施形態における高圧とは、例えば、２１ＭＰａ程度の高圧や、或は３５ＭＰａ以上の高圧であり、水素ステーション用の配管設備用バルブとして用いる場合には、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。
バルブ内部の軸装穴２２のボール１０側には、略環状の係合部３０が軸装穴２２よりも拡径して段部状に設けられる。

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３１を有し、このオネジ部３１を介してボデー３のボトム側から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３２が設けられ、この軸装穴３２のボール１０側には、ボデー３と同様に略環状の係合部３３が軸装穴３２よりも拡径して段部状に設けられる。蓋部材２の底面側には、軸装穴３２に続けてリリーフ孔３４が穿設されている。リリーフ孔３４は、バルブ本体１の組立て時の部品挿入時における空気抜きの機能を発揮し、組立て後には、リークポートの機能を発揮する。メネジ部２４の奥側（ボール１０側）には、例えば銅製からなる環状ガスケット３５が装着され、このガスケット３５によりボデー３と蓋部材２とがシールされる。

ボデー３の装着部２１には、ボール１０やシートリテーナ１２等が装着可能に設けられ、ボデー３内には流路４０が形成されている。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４２と流出部４３とにそれぞれ設けられたおねじ４２ａ、４３ａが螺着され、この流入部４２、流出部４３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、環状ガスケット３５が装着され、このガスケット３５によりボデー３と流入部４２、流出部４３との間がシールされる。

流入部４２、流出部４３のボデー３接続側には、段状の装着穴４４、４４がそれぞれ形成され、これら装着穴４４、４４にそれぞれシートリテーナ１２、バネ部材１３、シール部材１４、バネ押え１５、補助リング１６が装着される。流入部４２、流出部４３における装着穴４４の他方側には、それぞれ雌ねじ４５、４５が形成され、これら雌ねじ４５、４５を介して図示しない外部の配管が接続可能に設けられる。
ボデー３内の流入側、流出側には、双方とも同じ弁座シール構造、すなわち、図２に示すような左右対称構造に設けられている。

図２、図３において、ボール１０は、例えばＳＵＳからなり、このボール１０の上下には同一径の上ステム５０と下ステム５１とがそれぞれ延設されてボール部材５２が構成され、上下ステム５０、５１が軸受１１、軸装シール機構２０で支承されながらボール部材５２がバルブ本体１内に装着される。

上ステム５０と下ステム５１の外径は、ボール１０の球径よりも小径に設定される。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され、流体の耐圧に必要なボデー３や蓋部材２の肉厚を薄く形成可能となり、バルブ本体１の大きさを小さくできる。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１１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が防止される。

ボール球径は、例えば、φ２０ｍｍ程度であるとよい。仮に、このボール球径よりも上下側のステム外径が大きい場合には、ボデー３外形が大きくなると共に、上記モーメントアームが大きくなり、摺動抵抗の増加により操作トルクも大きくなるが、前述したように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、この蓋部材２の軸装穴３２に下ステム５１が軸装されることにより、ボール１０がボデー３内の所定位置に配設される。

上下ステム５０、５１外周の軸装穴２２、３２には、それぞれ軸受１１、１１、軸装シール機構２０、２０が装着され、これらを介してボデー３内にボール部材５２が回転自在に取付けられる。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内部に形成された図示しないボール孔とシートリテーナ１２の内部流路１２ａとが連通したときに、バルブ本体１内に流体が流れる。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が形成されている。

図４、図５に示した軸受１１は、例えば、アルミニウム青銅等の合金材料により、図２のボール１０の上下側と、各軸装シール機構２０、２０との間に装着可能な長さに形成され、略円筒状の筒部６０と、この筒部６０よりも外径方向に突出した係止部６１とを有する形状に一体成形される。この一体成形により、複数部材を組み合わせた場合のように、部材間にガタや芯ズレが生じるおそれがなく、コストダウンも図られる。軸受１１は、シール機能を有することなく、ボデー３への装着後には内周側、外周側ともに流体が通過可能に設けられている。

係止部６１は、バルブ内部の係合部３０、３３に係止可能な外径の鍔状により、軸受１１の端部側に形成される。係止部６１は、バルブ内部の係合部３０、３３にそれぞれ係止され、この状態により軸受１１のボール１０の反対側への移動が防がれている。

係止部６１及び係合部３０、３３は、ボール１０の反対側への移動を防止可能であれば、その態様にこだわることはなく鍔状や環状以外の形状に設けられていてもよい。さらに、本実施形態では、段部状の係合部３０、３３に突状の係止部６１を係止しているが、逆の係止構造であってもよく、各種の態様に設けることができる。

上記軸受１１を設ける場合には、この軸受１１に働こうとするラジアル方向の荷重（ラジアル荷重）とスラスト方向の荷重（スラスト荷重）、及び軸受１１とボール１０との位置関係をそれぞれ考慮しながら、その外形や大きさなどを設定するとよい。

図３において、ラジアル荷重への対応としては、軸受１１が十分に耐えうる強度を有することが必須であり、そのため、受圧面積を十分に確保するように設計する。これを満足するためには、軸受１１をラジアル荷重に耐えうる長さに設定した上で、これに合わせてボール１０と軸装シール機構２０との間隔を設定して、内部に軸受１１を収納可能なボデーサイズとするとよい。

その際、軸受１１は、上記係止部６１を有し、この係止部６１が荷重を受けたときには、十分な受圧面積が得られずに軸受１１全体の破損につながる可能性がある。このため、ラジアル方向の荷重が筒部６０のみに加わるようにし、係止部６１には荷重が加わらないような形状の軸受１１とする。

これを満足するために、筒部６０の長さをＬ１としたときに、この長さＬ１の寸法をラジアル荷重に耐えうる寸法、すなわち、受圧面積を確保して面圧を十分に低下できる大きさに設定し、さらに、軸受１１を面圧に耐えうる材料で形成しつつ、係止部６１の外周とボデー３の内周との間に環状の隙間Ｗ２を設け、この隙間Ｗ２によってボデー３から係止部６１へのラジアル荷重の伝達を回避した。図中、隙間Ｗ１は、筒部６０とボデー３との間のクリアランスであり、この隙間Ｗ１は、ごくわずかな大きさとする。

一方、スラスト荷重への対応としては、流体が流れる順序を考慮する必要がある。
バルブ本体１に流体を流し始めたときには、この流体が軸受１１のボール１０側から軸装シール機構２０側に流れ込むまでにある程度の時間を要し、これによって上下の軸装シール機構２０のバランス構造が成立するまでには若干のタイムラグが生じる。このタイムラグの間に、上下ステム５０、５１のボール１０側と、端部側（上ステム５０のトップ側或は下ステム５１のボトム側）とでは大きな差圧が生じ、この差圧によりボール１０がスラスト方向に移動しようとする。

特に、流体を流し始める瞬間には、スラスト方向への荷重が非常に大きくなり、軸受１１が外側に強く押し出されてその負荷により軸装シール機構２０を破損させる可能性がある。これは、流体が非圧縮性流体である場合に特に顕著になるため、その対策が必要になる。

これに応じて、係止部６１が流体による負荷に耐えうるように、軸受１１の材料強度、並びに図３における係止部６１の長さＬ２及び幅Ｌ３とをそれぞれ設定する。この場合、考慮する負荷としては、ボール１０の当接により軸受が押し出されようとする最大の負荷であり、この負荷は、ステム５０、５１のボール１０側と端部側との最大差圧により、ステム５０、５１がスラスト方向に受ける荷重となる。

また、軸受１１とボール１０との位置関係としては、ボール１０が上下方向に位置決めされた状態（固定された状態）で、このボール１０に対してスラスト方向にわずかに移動可能となるように、軸受１１の寸法を設定するようにする。
すなわち、軸受１１の全長（筒部６０の長さＬ１＋係止部６１の長さＬ２）が、ボール１０の鍔部５３上面から軸装シール機構２０までの距離Ｌ４よりもわずかに短く、かつ、係止部６１の長さＬ２が、ボール１０の鍔部５３からボデー３の係合部３０までの距離Ｌ５よりもわずかに短くなるように設ける。これにより、ボール１０側に軸受１１が寄った状態では、図中のクリアランスＣ１及びＣ２が生じることになる。

このように、軸受１１と軸装シール機構２０との間にクリアランスＣ１、軸受１１とボデー３との間にクリアランスＣ２をそれぞれ軸装方向に設けていることにより、ボール１０が軸受１１によって軸装方向に位置決めされることはなく、シートリテーナ１２により位置決め可能に設けられている。これにより、ボール１０とシートリテーナ１２との芯ずれを防ぎながらボール１０をシートリテーナ１２で所定位置に配置してシート漏れを防止した状態にしている。

軸受１１の外周には、連通溝からなる連通部６２が軸方向に沿って２条形成され、この連通溝６２により、ボール１０側と軸装シール機構２０側とがバルブ本体１内部で連通される。本実施形態では、図５（ａ）、図５（ｂ）に示すように、連通溝６２は、係止部６１の外周から筒部６０の一部に差し掛かる深さで軸受１１の上下端面間を連通するように形成され、この形状により、軸受１１を介してボール１０側と軸装シール機構２０側との間を流体が確実に移動可能となる。

連通部６２を設ける場合、流体の移動空間を十分に確保するためにその深さを大きく形成することが望ましい。このとき、筒部６０の肉厚を厚く形成するとよく、この場合には連通溝６２の深さを大きくしながら軸受１１の強度も確保できる。

図６においては、軸受の他例を示しており、この軸受７０においては、外周面７１である上端面７２、下端面７３を貫通する連通孔７５を連通部として設けたものである。このように、連通部はボール１０側と軸装シール機構２０側とを連通可能であれば各種の態様に形成でき、図示しないが、例えば、連通孔を傾斜させたり、その孔径を適宜変更したり、連通溝と連通孔とを組合わせる等の構造に設けるようにしてもよい。

軸受７０は、上下ステム５０、５１の鍔部５３によりボール１０側が保持され、これにより軸受７０の自重によるボール１０側への移動が規制される。鍔部５３は、軸受７０のボール側端面を保持可能な外径に設けられる。

図４〜図６においては、連通部６２、７５が軸受１１、７０の対称位置に２箇所形成されているが、この連通部は必要に応じて増減してもよい。連通部を２箇所よりも多く設ける場合にも軸受に対して対称位置に形成するとよく、この場合、流体をバランスよく移動させて軸受から軸装シール機構２０に流体が移動するときに片寄った力が加わることを防止できる。
また、図示しないが、連通部をボデー３側や蓋部材２側に設けるようにしてもよく、この場合にも、軸受に設けた場合と同様の機能を発揮する。

軸装シール機構２０は、Ｕリングシール８０、バックアップリング８１、金属リング８２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８０が設けられ、このＵリングシール８０にバックアップリング８１が積層され、このバックアップリング８１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８２が積層されている。

Ｕリングシール８０は、例えば、ポリエチレン製の外周部位と芯金（スプリング）部位とからなり、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３２の内径よりもやや大きく設定されている。このＵリングシール８０は、市販のＵパッキンと同等に設けられ、Ｕ字形断面の外周部位がリップ部位となり、このリップ部位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、摺動抵抗を小さくできる。このようなＵリングシール８０は、リップパッキンとも称される。

バックアップリング８１は、例えば、ポリエチレンからなり、Ｕリングシール８０と金属リング８２との間に介在され、Ｕリングシール８０の軸装穴３２中心側へのはみ出しを防ぎ、かつ、Ｕリングシール８０と金属リング８２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。このバックアップリング８１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８２は、例えば、アルミニウム銅合金からなっている。金属リング８２が配置されるボデー３の軸装穴３２の上部は小径に設けられ、この小径部分によって段状に形成されている。金属リング８２は、段状部分によって上面が係止される。金属リング８２の内径は、上下ステム５０、５１の外径よりもやや大きく、小径部分の内径よりも小さく設定される。これにより、金属リング８２の内径側は、小径部分の上方から視認可能な状態になり、軸装穴３２の外側からこの金属リング８２を適宜の治具等で押すことも可能になる。そのため、軸装穴３２に挟まって取出しにくいＵリングシール８０やバックアップリング８１を、分解時等において金属リング８２を上方から押出すことで同時に取外しできる。金属リング８２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。

軸装シール機構２０は、上記構成によりボール１０を中心に対称位置に同一構造で上下ステム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８０）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、このバランス構造により、スラスト荷重が回避される。

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８０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８０、８０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８０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８０、８０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８０、８０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８０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８０、８０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）が最小径部になるように形成され、この最小径部に軸受１１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。

図２において、ボデー３内の装着部２１に装着されるシートリテーナ１２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１２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１２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９０と、この拡径部９０よりも縮径した筒状部９１とを有している。拡径部９０のボール１０側との対向面にはシール面９２が設けられ、このシール面９２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。

シートリテーナ１２の筒状部９１の外周には、バネ部材１３、バネ押え１５、シール部材１４、補助リング１６が装着され、この状態で装着穴４４に装入されることでシートリテーナ１２が流路方向に移動可能になっている。

バネ部材１３は、例えばＳＵＳにより皿バネ状に設けられ、シートリテーナ１２の拡径部９０とバネ押え１５との間に弾発状態で装着される。これにより、バネ部材１３によりシートリテーナ１２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１３を皿バネとした場合、適宜のばね係数で形成したものを複数枚使用することにより、小さい設置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。バネ部材１３は、皿バネに限られることはなく、例えば、図示しないコイルスプリングであってもよい。

バネ押え１５は、例えばＳＵＳにより略筒状に形成され、拡径環状部位と、この拡径環状部位よりも縮径した挿入筒部位とを有している。拡径環状部位の内周側には、上記バネ部材１３が装着され、挿入筒部位は、装着穴４４の縮径側に装着される。

シール部材１４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１６の間に挟まれた状態でバネ押え１５により装着穴４４の奥側に装着される。この装着構造により、シートリテーナ１２外周がシール部材１４によりシールされる。

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、３２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、ボールに対するシ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、バルブ本体１には、手動ハンドル１００が装着される。手動ハンドル１００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１０１が設けられている。図示しないが、この把持部１０１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１０２が一体に突設形成され、このストッパ部１０２に回転操作時のハンドル１００の突設部が当接可能に設けられる。このようにストッパ部１０２に突設部が当接することにより、ハンドル１００の回転を所定の操作角度に規制可能となる。これによって、ストッパ部１０２を９０°間隔で形成しておけば、ハンドル１００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１０２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１００を取付けできる。

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、図示しないが、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を載置し、この円筒部材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、円筒部材を介在させることで、ストッパ部１０２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、上下ステム５０、５１にボール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、バランス構造とすることでスラスト荷重を回避していることにより、例えば１０３ＭＰａの高圧の水素が流れる場合にも、シートリテーナ１２に対するボール１０のずれを防止してこのボール１０とシートリテーナ１２との密着による弁座シール性を維持し、シートリテーナ１２のボール１０に対する自緊力を利用して封止性を高めることができる。このように上下ステム５０、５１でバランスよく均等にボール１０を支えていることで、低トルク性を発揮して操作性が向上する。

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なるよう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確実に回避できる。

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８０の内径を同一寸法に設定している。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になり、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が同一になることでこれらを相殺する。

従って、流体圧を受けてもスラスト荷重の発生を回避してボール１０の上下動を防ぎ、シートリテーナ１２のシール面９２との弁座シール性を維持できる。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１１も、ボール１０を中心に対称位置に配置できる。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１１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で確実にシールできる。

軸受１１は、ボール１０を中心に対称位置に同一構造により上ステム５０、下ステム５１にそれぞれ装着していることにより、ボール１０が流体圧によって受ける力を均等に受けている。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１１、１１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のシートリテーナ１２に対するずれを防止する。そのため、ボール１０にシートリテーナ１２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１２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。

ところで、バルブ本体１には、液体を含む混合流体等の非圧縮流体が流体として流れることもある。この場合、軸受１１がスラスト方向の力を受けやすくなるが、本実施形態のバルブ本体１は、バルブ内部側のボデー３と蓋部材２とに設けた係合部３０、３３に、軸受１１に設けた係止部６１を係止させた状態でこの軸受１１のボール１０の反対側への移動を防いでいることで、軸受１１の軸装シール機構２０への押圧による負荷を回避する。これにより、軸装シール機構２０の破損や消耗を防止し、高シール性を維持して確実に漏れを防止できる。

しかも、軸受１１の外周にはボール１０側と軸装シール機構２０側とを連通する連通部６２を形成していることにより、軸受１１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を防止し、ボール１０側から軸装シール機構２０側までのキャビティ内圧力を均一にすることで、軸受１１の上下側の軸装シール機構２０のＵリングシール８０の損傷を回避し、軸装シール機構２０のシール性を維持できる。

連通溝６２が軸受１１の対称位置に２箇所設けられていることにより、何れか一方の連通溝６２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６２を介して流体が流れることで、キャビティ内の均圧状態を確実に維持できる。
この場合、軸受１１は、その内周面に上下ステム５０、５１外周面が摺動するため、外径側に設けた溝状の連通部６２が、軸受１１に対するボール１０の回転動作に悪影響を及ぼすことはない。

また、上下ステム５０、５１のボール１０近傍位置に鍔部５３を設け、この鍔部５３により軸受１１のボール１０側を保持しているため、軸受１１のボール１０側への飛び出し防ぎつつ、この軸受１１によりボール１０を挟むように支承できる。このため、軸受１１によるシートリテーナ１２やボール１０への干渉も防止して高シール性を維持できる。

図７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の一例を示している。この水素ステーションは、本体側を自動車側よりも高圧にし、自動車接続側との差圧のみで水素充填をおこなう、いわゆる差圧充填式であるが、これ以外にも、蓄圧することなく圧縮機から自動車に直接水素を充填する、いわゆる直充填式の水素ステーションに本発明の高圧用トラニオン型ボール弁を設けることもできる（図示せず）。

図の水素ステーションに対して、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や後述の圧縮機１１１内部の図示しない非圧縮流体の供給ラインなどに用いられる。
水素ステーションは、蓄圧器１１０、圧縮機１１１、ディスペンサ１１２、プレクール熱交換器１１３、迅速継手１１４、充填ホース１１５、充填ノズル１１６、車載タンク１１７を有し、これらは高圧水素の供給ライン１２２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型ボール弁は、圧力損失が小さいため、圧縮機１１１内部の非圧縮性流体の供給ラインのほか、蓄圧器１１０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ることで図７のシステムに好適となる。本発明の高圧用トラニオン型ボール弁は、特に、非圧縮性流体を流したときに生じ易かった軸受１１の移動を防止し、これにより軸装シール機構２０への押圧による負荷を回避できるので、非圧縮性流体が用いられる圧縮機１１１内部のバルブに極めて好適であるほか、高圧水素ガスの供給ラインにおいても高い効果を発揮する。

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１２０を設け、各ユニットの一次側又は二次側に適宜に自動弁１２１を設けて開閉制御している。

蓄圧器１１０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１１１とを接続するバルブ１２０、及びそれぞれのタンクとディスペンサ１１２とを接続するバルブ１２０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１１２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１１１から水素を前記所定圧に至るまで充填する。

図の水素ステーションのブロック図の供給ライン１２２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。

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。

１ バルブ本体
２ 蓋部材
３ ボデー
１０ ボール
１１ 軸受
１２ シートリテーナ
１３ バネ部材
１４ シール部材
２０ 軸装シール機構
３０、３３ 係合部
５０ 上ステム
５１ 下ステム
５２ ボール部材
５３ 鍔部
６１ 係止部
６２ 連通溝（連通部）
７５ 連通孔（連通部）
１２２ 供給ライン

Claims (5)

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を有す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がそれぞれ延設された状態でボール部材が構成され、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と軸受が装着されてバランス構造とすることによりスラスト荷重が回避され、バルブ内部側に設けられた係合部に前記軸受に設けられた係止部が係止された状態で当該軸受の前記ボールの反対側への移動が防がれ、前記軸受又はボデー側には前記ボール側と前記軸装シール機構側とが連通される連通部が設けられていると共に、前記上下ステムのボール近傍位置に鍔部が設けられ、この鍔部で前記軸受のボール側が保持され、前記軸受の全長が前記鍔部上面から前記軸装シール機構までの距離よりも短く、かつ、前記係止部の長さが前記鍔部から前記係合部までの距離よりも短く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。
2. 前記ボデーと前記蓋部材に略環状の係合部が設けられ、この係合部に前記軸受に鍔状に形成された前記係止部が係止された請求項１に記載の高圧用トラニオン型ボール弁。
3. 前記係止部の外周と前記ボデーの内周との間に隙間が設けられ、この隙間により前記ボデーから前記係止部へのラジアル荷重の伝達が回避されている請求項１又は２に記載の高圧用トラニオン型ボール弁。
4. 前記連通部は、前記軸受の外周に形成された連通溝、又は前記軸受の外周面に貫通される連通孔とした請求項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. 高圧水素の供給ラインに請求項１乃至４の何れか１項に記載された高圧用トラニオン型ボール弁が用いられた状態で構成されていることを特徴とする水素ステーション。

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