JP6790695B2 - 減圧弁 - Google Patents

Description

本発明は、減圧弁に関する。

従来、燃料電池車用高圧水素ガス等の圧力調整に用いられる減圧弁（レギュレータ）では、ハウジングにおける一次ポートと二次ポートとの間に弁機構（開閉弁）が設けられている。そして、弁機構の弁体が弁座に対して接離し、その開き量（開度）が変化することで、一次ポートから流入した高圧の水素ガスを減圧し、二次ポートから送出する水素ガスの圧力が所定圧を超えないようにしている。

例えば特許文献１に記載の減圧弁では、図５に示すように、弁体（ポペット）９１には、軸線Ｌ２に対する傾斜角θ６が略一定のテーパ状に形成された外周面を有する頭部９２が設けられている。弁座９３の弁孔９４には、軸線Ｌ２に対する傾斜角θ７が頭部９２の傾斜角θ６よりも大きいテーパ状の内周面を有する第１領域９６と、軸線Ｌ２に対する傾斜角θ８が傾斜角θ６と等しいテーパ状の内周面を有する第２領域９７と、軸線Ｌ２と略平行な円筒状の内周面を有する第３領域９８とが設けられている。これにより、弁孔９４を通過する水素ガスの流路断面積（軸線Ｌ２に対して直交する平面における流路の面積）は、第１領域９６の内周側では下流側（図５中、上側）に向かうにつれて漸減し、第２領域９７の内周側では略一定となり、第３領域９８の内周側は、頭部９２を包囲する範囲では下流側に向かうにつれて漸増する。このように流路断面積が略一定となる第２領域９７を設けることで、水素ガスの流れが整流され、乱流の発生を抑制できる。

特開２０１６−８５６２７号公報

発明者らは鋭意研究の結果、図６に示すように、第３領域９８の内周側において、弁体９１の外周面に近いほど水素ガスの流速が速くなり、弁孔９４（第３領域９８）の内周面に近いほど水素ガスの流速が遅くなり、速度差が発生することを見いだした。なお、図５では、説明の便宜上、水素ガスの流れを示す矢印が太いほど、水素ガスの流速が速いことを示す。その結果、水素ガスの流れに起因する気流音が発生するおそれがあり、特に一次ポート側の圧力（水素タンクの圧力）が高いときほど、減圧弁での圧力変化が大きく、水素ガスの流速が速くなることで、同課題が生じ易くなる。

本発明の目的は、異音の発生を抑制できる減圧弁を提供することにある。

上記課題を解決する減圧弁は、一次ポート及び二次ポートが設けられたハウジングと、前記一次ポートと前記二次ポートとを繋ぐガス流路の途中に設けられ、弁孔を有する環状の弁座と、前記弁座の前記一次ポート側に設けられ、前記弁座に対して接離する弁体とを備え、前記弁体には、前記弁座に対して接離することにより前記弁孔を開閉可能なテーパ状の外周面を有する頭部が形成され、前記弁孔には、前記頭部により該弁孔が閉塞される閉弁時に該頭部に当接する絞り部と、前記絞り部から下流側に連続するとともに軸線に対する傾斜角が前記頭部の該軸線に対する傾斜角よりも小さいテーパ状の内周面を有する小テーパ部とが形成される。

上記構成によれば、弁孔に小テーパ部が設けられるため、絞り部を通過したガスの流路断面積が下流側に向かって漸増する。そして、小テーパ部の内周面が弁体の頭部よりも傾斜角の小さいテーパ状とされるため、例えば絞り部よりも下流側の部位を軸線と平行な円筒状に形成する場合に比べ、小テーパ部の内周面が弁体の頭部の外周面に近接した形状になる。そのため、小テーパ部の内周側において、頭部の外周面から離間して小テーパ部の内周面に近接するほどガスの流速が遅くなる傾向が現れても、小テーパ部の内周側を流動するガスの速度差を従来よりも小さくでき、気流音の発生を抑制できる。

上記減圧弁において、前記頭部の下流側端部には、前記軸線に沿って突出する凸部が連設され、前記弁孔の前記絞り部よりも下流側は、前記凸部の外周側の流路断面積が下流側に向かって漸減する区間を含むように形成されることが好ましい。

上記構成によれば、ガスの流路断面積が絞り部を通過してから下流側に向かって漸増した後に、さらに下流側で漸減するため、流速の速いガスと遅いガスとが弁孔（弁座）を通過する前に集束して互いに近づく。これにより、ガスの速度差をより一層低減でき、好適に気流音の発生を抑制できる。

本発明によれば、異音の発生を抑制できる。

第１実施形態の減圧弁の一部断面図。 第１実施形態の減圧弁における弁座近傍の拡大断面図。 第１実施形態の減圧弁における弁孔内での水素ガスの流れを示す模式図。 第２実施形態の減圧弁における弁座近傍の拡大断面図。 従来の減圧弁における弁座近傍の拡大断面図。 従来の減圧弁における弁孔内での水素ガスの流れを示す模式図。

（第１実施形態）
以下、減圧弁の第１実施形態を図面に従って説明する。
図１に示す減圧弁（レギュレータ）１は、燃料電池自動車に搭載される水素タンクと燃料電池とをつなぐ流体回路の途中に設けられ、高圧（例えば最大７０ＭＰａ程度）の水素ガスを減圧（例えば１ＭＰａ程度）して燃料電池側に送出する。減圧弁１は、一次ポート２及び二次ポート３が形成されたハウジング４と、ハウジング４内における一次ポート２と二次ポート３との間に設けられた弁機構５と、弁機構５の開き量（開度）を調整する押圧機構６とを備えている。

ハウジング４には、一次ポート２及び二次ポート３に連通するとともに、外部に開口した丸穴状の収容穴１１が形成されている。一次ポート２から延びるガス流路を構成する供給流路１２は収容穴１１の底面１１ａにおける中央に開口し、二次ポート３へ延びるガス流路を構成する送出流路１３は収容穴１１の底面における偏心した位置に開口している。供給流路１２における収容穴１１側の開口部分は、弁機構５を収容するように他の部分よりも大きな内径に設定されている。具体的には、供給流路１２の開口部分は、供給流路１２の上流側（図１中、下側）から順に円筒状の第１収容部１４、及び第１収容部１４に連続するとともに底面１１ａに開口する円筒状の第２収容部１５を有している。第１及び第２収容部１４，１５は、内径がこの順で大きくなるとともに、それぞれ収容穴１１と同一の軸線Ｌ１上に配置されるように形成されている。なお、送出流路１３には、リリーフ弁や継手（ともに図示略）が設けられる。

弁機構５は、供給流路１２に収容される弁体（ポペット）２１と、第１収容部１４に収容される弁座２２と、第２収容部１５に取着されるプラグ２３と、プラグ２３内に配置されるバルブステム２４とを備えている。

図１及び図２に示すように、弁体２１は、有底筒状の本体部３１と、本体部３１の底部から下流側（図１中、上側）に向かって外径が小さくなるテーパ状の頭部３２と、頭部３２の下流側端部から突出した円柱状の凸部３３とを有している。本体部３１、頭部３２及び凸部３３は、同軸上に一体形成されている。本体部３１（弁体２１）の外径は供給流路１２の内径よりもやや小さく設定されており、弁体２１は供給流路１２内（弁座２２の下流側）において軸線Ｌ１と同軸上で軸方向移動可能に配置されている。本体部３１内には、コイルバネ等の付勢部材３４が収容されている。そして、弁体２１は、付勢部材３４が供給流路１２の上流側に配置された棒状の支持部材３５と弁体２１との間で圧縮されることにより弁座２２方向に付勢されている。頭部３２の外周面は、軸線Ｌ１に対して略一定の傾斜角θ１を有するテーパ状に形成されており、凸部３３の外周面は、軸線Ｌ１に対して略平行な円筒状に形成されている。

弁座２２は、弁孔４１を有する円環状に形成されており、第１収容部１４内に軸線Ｌ１と同軸上に配置されるように圧入されている。なお、弁座２２は、ポリイミド樹脂等の弾性変形可能な硬質樹脂により構成されている。弁孔４１は、軸線Ｌ１に対する傾斜角θ２が頭部３２の傾斜角θ１よりも大きいテーパ状の内周面を有する大テーパ部４２と、軸線Ｌ１に対する傾斜角θ３が傾斜角θ１と略等しいテーパ状の内周面を有する絞り部４３と、軸線Ｌ１に対する傾斜角θ４が傾斜角θ１よりも小さいテーパ状の内周面を有する小テーパ部４４とを有している。大テーパ部４２は弁孔４１における上流側端部に位置し、絞り部４３は大テーパ部４２から下流側に連続して形成され、小テーパ部４４は絞り部４３から下流側に連続して形成されている。つまり、本実施形態の小テーパ部４４は、弁孔４１における絞り部４３よりも下流側の略全域に亘って形成されている。なお、小テーパ部４４の下流端には、面取り加工が施されている。

そのため、頭部３２により弁孔４１が閉塞される閉弁時において、絞り部４３の内周面全体が頭部３２に当接し、大テーパ部４２及び小テーパ部４４の内周面は頭部３２に当接しない。また、弁孔４１が閉塞されない開弁時において、弁孔４１（弁座２２）を通過する水素ガスの流路断面積（軸線Ｌ１に対して直交する平面における流路の面積）は、大テーパ部４２の内周側では下流側に向かうにつれて漸減し、絞り部４３の内周側では下流側に向かっても変化せず略一定となる。そして、流路断面積は、小テーパ部４４の内周側では径方向において頭部３２と対向する区間で下流側に向かうにつれて漸増し、さらに下流側の径方向において凸部３３と対向する区間では下流側に向かって漸減する。つまり、凸部３３の外周側の流路断面積は下流側に向かって漸減する。

図１に示すように、プラグ２３は、円柱状に形成されており、弁座２２を圧縮しつつ第２収容部１５の内周に螺着されており、その一部が収容穴１１内に突出している。プラグ２３の中央には、軸方向に貫通する貫通孔５１が弁孔４１と同軸（軸線Ｌ１）上に形成されている。貫通孔５１は、その大部分が略一定の内径を有する円筒状に形成されるとともに、上流側に近い部分で上流側に向かって小径となるテーパ状に形成され、貫通孔５１における弁孔４１に連続する上流側部分５１ａは他の部分よりも小径とされている。なお、本実施形態では、上流側部分５１ａの内径は、弁孔４１の下流側開口端の内径よりも大きく設定されている。また、プラグ２３における収容穴１１内に突出した突出部５２には、径方向に延びて貫通孔５１と収容穴１１とを連通する流路孔５３が形成されている。

バルブステム２４は、細長の円柱状に形成された円柱部６１と、円柱部６１から下流側に突出する下流端部６２と、円柱部６１から上流側に突出する上流端部６３とを有している。円柱部６１の外径は、貫通孔５１の内径よりもやや小さく設定されており、貫通孔５１内で軸方向移動可能である。円柱部６１には、軸方向に延びる複数の流路孔６４がその中心軸周りに等角度間隔で形成されている。下流端部６２の外径は、円柱部６１よりも小径の円柱状に形成されている。上流端部６３の外径は弁体２１における凸部３３の外径と略等しく設定されており、上流端部６３及び凸部３３は弁孔４１及び貫通孔５１内に挿通されて互いに当接している。

押圧機構６は、収容穴１１に固定されるシリンダ７１と、シリンダ７１内に摺動可能に収容されるピストン７２と、シリンダ７１とピストン７２との間に圧縮状態で配置されるコイルバネ７３とを備えている。

シリンダ７１は有底円筒状に形成されている。シリンダ７１は、その円筒部８１の外周部分が収容穴１１の内周に螺着されるとともに、その底部８２の外周部分にロックナット８３が螺着されることによりハウジング４に固定されている。なお、円筒部８１の開口部外周には、Ｏリング等のシール部材８４が装着されており、収容穴１１と外部との間の気密を確保している。

ピストン７２は有底円筒状に形成されるとともに、その外径は円筒部８１の内径と略等しく設定されている。ピストン７２は、その底部が円筒部８１の開口端側に位置する姿勢で円筒部８１内に軸方向に摺動可能収容され、円筒部８１内を減圧室８５と圧力調整室８６とに区画している。なお、ピストン７２の外周にはウェアリングやリップシール等のリング部材８７が装着されており、減圧室８５と圧力調整室８６との間の気密を確保している。そして、ピストン７２は、バルブステム２４の下流端部６２に当接している。これにより、バルブステム２４及び弁体２１は、ピストン７２の摺動に応じて一体で移動する。

コイルバネ７３は、シリンダ７１とピストン７２との間で圧縮された状態で収容されている。そして、コイルバネ７３は、弁体２１が弁座２２から離座する、すなわち弁機構５の開き量（開度）が大きくなるようにピストン７２を付勢している。

このように構成された減圧弁１では、減圧室８５と圧力調整室８６の差圧、付勢部材３４及びコイルバネ７３の付勢力に応じてピストン７２が円筒部８１内を摺動する。そして、ピストン７２の軸方向位置に応じて弁機構５の開き量を調整することで、二次ポート３側の圧力（減圧室８５内の圧力）が所定圧を超えないようにしている。なお、弁機構５の開き量は、一次ポート２側の圧力（水素タンクの圧力）が高いほど小さく、水素タンク内の水素の充填量が減少して一次ポート２側の圧力が低下するにつれて大きくなる。

以上記述したように、本実施形態によれば、以下の作用効果を奏することができる。
（１）弁体２１の頭部３２の傾斜角θ１よりも傾斜角の小さいテーパ状の内周面を有する小テーパ部４４を弁孔４１に設けたため、例えば絞り部４３よりも下流側の部位を軸線Ｌ１と略平行な円筒状に形成する場合に比べ、小テーパ部４４の内周面が頭部３２の外周面に近接した形状になる。そのため、図３に示すように、小テーパ部４４の内周側において、頭部３２の外周面付近を流動する水素ガスの流速が非常に速くなり、頭部３２の外周面から離間して小テーパ部４４の内周面に近接するほど水素ガスの流速が遅くなる傾向が現れても、小テーパ部４４の内周側を流動する水素ガスの速度差を従来よりも小さくでき、気流音の発生を抑制できる。

（２）頭部３２の下流側端部に軸線Ｌ１に対して略平行な円筒状の外周面を有する凸部３３を形成し、小テーパ部４４を弁孔４１における絞り部４３よりも下流側の略全域に亘って形成したため、水素ガスの流路断面積が絞り部４３を通過してから下流側に向かって漸増した後に、さらに下流側で漸減する。そのため、図３に示すように、流速の速い水素ガスと遅い水素ガスとが弁孔４１（弁座２２）を通過する前に集束して互いに近づき、水素ガスの速度差をより一層低減できる。これにより、好適に気流音の発生を抑制できる。

（３）絞り部４３を、軸線Ｌ１に対する傾斜角θ３が頭部３２の傾斜角θ１と等しいテーパ状の内周面を有する構成としたため、絞り部４３の内周側で流路断面積が略一定となる。これにより、水素ガスの流れが整流され、乱流の発生を抑制できる。

（第２実施形態）
次に、減圧弁の第２実施形態を図面に従って説明する。なお、説明の便宜上、同一の構成については上記第１実施形態と同一の符号を付してその説明を省略する。

図４に示すように、本実施形態のプラグ２３では、貫通孔５１の上流側部分５１ａの内径が弁孔４１における下流側開口端の内径と略同一に設定されている。
以上記述したように、本実施形態によれば、上記第１実施形態の（１）〜（３）の作用効果に加え、以下の作用効果を奏することができる。

（４）プラグ２３の貫通孔５１における弁孔４１に連続する上流側部分５１ａの内径を、弁孔４１の下流側開口端の内径と略等しく設定したため、弁孔４１を通過した水素ガスの流路断面積が急激に変化することを抑制でき、気流音の発生を抑制できる。

なお、上記各実施形態は、これを適宜変更した以下の態様にて実施することもできる。
・上記各実施形態では、絞り部４３が頭部３２の傾斜角θ１と等しい傾斜角のテーパ状の内周面を有する構成としたが、これに限らず、例えば傾斜角θ１と異なる傾斜角を有するテーパ状の内周面を有する構成としてもよく、また例えばエッジ状に形成して頭部３２に線接触するようにしてもよい。

・上記各実施形態では、水素ガスの流路断面積が絞り部４３を通過してから下流側に向かって漸増した後に、さらに下流側で漸減するようにした。しかし、これに限らず、例えば軸線Ｌ１と略平行な内周面を有する部位を弁孔４１における小テーパ部４４の途中から下流側に設け、水素ガスの流路断面積が絞り部４３を通過してから下流側に向かって漸増した後に、漸減しないようにしてもよい。

・上記各実施形態において、弁孔４１に大テーパ部４２を設けず、弁孔４１の上流側端部に絞り部４３を設けてもよい。
・上記各実施形態において、小テーパ部４４の下流端に面取り加工を施さなくともよい。

・上記各実施形態において、減圧弁１を高圧の水素ガスを減圧する用途に用いたが、これに限らず、水素以外の気体を減圧する用途に用いてもよい。
次に、上記各実施形態及び別例から把握できる技術的思想について、それらの効果とともに以下に追記する。

（イ）前記絞り部は、前記軸線に対する傾斜角が前記頭部の傾斜角と等しいテーパ状の内周面を有する減圧弁。上記構成によれば、絞り部の内周側で流路断面積が略一定となるため、ガスの流れが整流され、乱流の発生を抑制できる。

（ロ）前記弁座の下流側に隣接して配置され、前記弁孔に連通する貫通孔が形成されたプラグを備え、前記貫通孔における前記弁孔に連続する上流側部分の内径を弁孔の下流側開口端の内径と等しく設定した弁装置。上記構成によれば、弁孔を通過した水素ガスの流路断面積が急激に変化することを抑制でき、気流音の発生を抑制できる。

１…減圧弁、２…一次ポート、３…二次ポート、４…ハウジング、５…弁機構、６…押圧機構、１２…供給流路（ガス流路）、１３…送出流路（ガス流路）、２１…弁体、２２…弁座、２３…プラグ、２４…バルブステム、３１…本体部、３２…頭部、３３…凸部、４１…弁孔、４２…大テーパ部、４３…絞り部、４４…小テーパ部、７１…シリンダ、７２…ピストン、７３…コイルバネ、Ｌ１…軸線、θ１〜θ４…傾斜角。

Claims (1)

1. 一次ポート及び二次ポートが設けられたハウジングと、
   前記一次ポートと前記二次ポートとを繋ぐガス流路の途中に設けられ、弁孔を有する環状の弁座と、
   前記弁座の前記一次ポート側に設けられ、前記弁座に対して接離する弁体とを備え、
   前記弁体には、前記弁座に対して接離することにより前記弁孔を開閉可能なテーパ状の外周面を有する頭部が形成され、
   前記弁孔には、前記頭部により該弁孔が閉塞される閉弁時に該頭部に当接する絞り部と、前記絞り部から下流側の略全域に亘って連続するとともに軸線に対する傾斜角が前記頭部の該軸線に対する傾斜角よりも小さいテーパ状の内周面を有する小テーパ部とが形成され、
   前記頭部の下流側端部には、前記軸線に沿って突出するとともに前記弁孔の開閉に関係なく前記小テーパ部と対向する部位である凸部が連設され、
   前記弁孔の前記絞り部よりも下流側は、前記凸部の外周側の流路断面積が下流側に向かって漸減する区間を含み、かつ、前記凸部の外周を包囲し前記軸線に沿って延びる円筒状の区間を含まないように形成された減圧弁。

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