JP6859027B2

JP6859027B2 - 圧力調整弁

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Publication number: JP6859027B2
Application number: JP2016075392A
Authority: JP
Inventors: 小林　昌弘; 昌弘小林
Original assignee: Aisan Industry Co Ltd
Current assignee: Aisan Industry Co Ltd
Priority date: 2016-04-04
Filing date: 2016-04-04
Publication date: 2021-04-14
Anticipated expiration: 2036-04-04
Also published as: US10216202B2; JP2017187899A; US20170285667A1; DE102017205617A1

Description

本発明は、流体の圧力を調整する圧力調整弁であって、例えば、高圧の気体燃料の圧力を減圧して所望の圧力に調整する圧力調整弁に関するものである。

流体の圧力を調整する圧力調整弁として、特許文献１には、ピストンとともに移動するピストンシートをシートリングに対して当接および離間させることにより、流体の圧力を調整する高圧レギュレータが開示されている。

特表２０１０−５３３２６８号公報

特許文献１に記載の高圧レギュレータでは、ピストンが本体の内腔を摺動するときに、ピストンと内腔の同軸ズレ（中心軸のズレ）などにより、ピストンが傾きながら摺動するおそれがある。また、シートリングの内側に形成される入口圧力室とピストンの同軸ズレがあると、シートリングとピストンシートとの同軸ズレが発生するおそれがある。そのため、シートリングとピストンシートとの間のシール性が低下するおそれがある。そして、シートリングとピストンシートとが当接する閉弁時において、シートリングとピストンシートとの芯出し（調芯）を行うためにピストンの傾きを強制的に小さくしようとすると、出口圧力室の圧力を高くする必要がある。そのため、閉弁時における出口圧力室の圧力値（調圧値）が上昇するおそれがある。

そこで、本発明は上記した問題点を解決するためになされたものであり、調圧値の上昇を抑制できる圧力調整弁を提供することを目的とする。

上記課題を解決するためになされた本発明の一形態は、調圧室と、前記調圧室内の圧力に応じて軸方向に移動可能なピストンと、前記ピストンとともに移動するバルブと、前記バルブが当接可能なシートとを有する圧力調整弁において、前記ピストンは、前記シート側の端部にて前記シート側に開口するピストン穴部を備え、前記バルブは、前記シートに当接可能な先端部と、前記ピストン穴部に収容される柱状の柱状部と、前記柱状部の外周面にて前記柱状部の外側に向かって突出するように形成され、前記ピストン穴部の側面に嵌合する嵌合部を備え、前記嵌合部は、球形状に形成され、前記バルブと前記ピストンを前記ピストンの軸方向に沿って切り取った断面にて、前記嵌合部は前記ピストン穴部の側面に点で接触し、前記柱状部のうち前記嵌合部以外の部分は対向する前記ピストン穴部の側面と離間していること、を特徴とする。

この態様によれば、バルブの柱状部に形成される嵌合部がピストン穴部に嵌合された状態を保ちながら、バルブは、ピストンに対して傾くことができる。そのため、ピストンの傾きやシートとバルブとの間の同軸ズレが発生していても、バルブをシートに当接させることにより、シートとバルブの芯出しと、バルブのピストンへの固定とを完了させることができる。したがって、その後、閉弁時においてシートとバルブの芯出しをするためにピストンの傾きを強制させる力が不要になるので、調圧値の上昇を抑制できる。
上記の態様においては、前記断面にて、前記ピストン穴部の側面は、前記ピストンの軸方向に沿って直線状に形成されていること、が好ましい。

上記の態様においては、前記ピストン穴部は、前記シート側に開口する凹形状に形成され、前記バルブの前記柱状部は、前記ピストン穴部における前記凹形状の底面と当接する当接端部を備え、前記当接端部は、球形状に形成されていること、が好ましい。

この態様によれば、バルブをピストン穴部に嵌合させるときに、当接端部がピストン穴部の底面に当接しても、バルブは、ピストンに対して傾くことができる。そのため、より確実に、シートとバルブの芯出しと、バルブのピストンへの固定とを行うことができる。

上記の態様においては、前記ピストン穴部における開口部側の端部には、前記開口部から前記ピストン穴部の内部に向かって内径が小さくなるテーパ形状部が形成されていること、が好ましい。

この態様によれば、バルブは、テーパ形状部の形状に沿って移動して、ピストン穴部に
嵌合され易くなる。

本発明の圧力調整弁によれば、調圧値の上昇を抑制できる。

本実施形態の圧力調整弁の断面図である。バルブの側面図である。バルブとピストンの凹部の断面図であり、バルブをピストンの凹部に圧入させる前の状態を示す図である。シートとバルブとピストンの凹部の断面図であり、バルブをピストンの凹部に圧入させるときの状態を示す図である。シートとバルブとピストンの凹部の断面図であり、バルブをピストンの凹部に圧入させた後の状態を示す図である。

本発明に係る実施形態である圧力調整弁について、図１〜図５を参照しながら詳細に説明する。ここでは、高圧の燃料ガスを減圧して供給対象へ供給する減圧弁に本発明を適用した場合について説明する。なお、以下の説明において、「上流側」とは燃料ガスＧの流れ方向の上流側であり、「下流側」とは燃料ガスＧの流れ方向の下流側である。

圧力調整弁１は、燃料ガスＧを減圧しながら所望の圧力に調整する減圧弁である。なお、燃料ガスＧは、例えば、車両用の燃料電池（不図示）に供給される水素ガスである。そして、圧力調整弁１の上流側には、燃料タンク（不図示）に貯留された燃料ガスＧを供給又は停止する主止弁（不図示）が接続されている。また、圧力調整弁１の下流側には、燃料ガスＧを燃料電池に供給するインジェクタ（不図示）が接続されている。

図１に示すように、圧力調整弁１は、ハウジング１０と、シート（弁座）１２と、バルブ（弁体）１４と、ピストン１５と、スプリング１６などを有する。ハウジング１０は、入口ブロック部材１１と、ボデー部材１３と、出口ブロック部材１７とで構成されている。そして、ボデー部材１３の内部に、第１調圧室２１が形成されている。また、ボデー部材１３とピストン１５と出口ブロック部材１７とに区画されるようにして、第２調圧室２２が形成されている。なお、図１は、バルブ１４がシート１２に当接している閉弁時の状態を示している。

入口ブロック部材１１は、入口３１と入口通路３２などを備えている。入口３１は、圧力調整弁１への燃料ガスＧの流入口である。入口通路３２は、入口３１とシート１２のシート孔３３に連通する通路である。また、入口通路３２には、燃料ガスＧ中の異物を除去しながら燃料ガスＧを通すことができるフィルタ３４が配置されている。さらに、フィルタ３４とシート１２との間には、ブッシュ３５が配置されている。

シート１２は、樹脂製であり、所定量だけ潰された状態で、入口ブロック部材１１とボデー部材１３に挟まれて保持されている。シート１２は、略円環状に形成されている。シート１２は、入口通路３２と第１調圧室２１に連通するシート孔３３を備えている。

ボデー部材１３は、圧力調整弁１の筐体であり、その内側に、バルブ１４とピストン１５とスプリング１６と出口ブロック部材１７の一部を収容している。

バルブ１４は、シート１２よりも下流側の第１調圧室２１内に配置されている。バルブ１４は、ピストン１５とともに第１調圧室２１内を移動して、シート１２に対して当接および離間することにより、燃料ガスＧの流れを遮断および許容する。すなわち、バルブ１４は、シート１２のシート孔３３と第１調圧室２１とに連通する流路を開閉する。なお、バルブ１４の材質は金属である。

図２に示すように、バルブ１４は、シート１２側（図２の上側）から順に、シート１２に当接可能なシール部５１と、ピストン１５の凹部４３に収容されてピストン１５に保持される保持部５２（柱状部）を備えている。保持部５２は、シール部５１よりもピストン１５側の位置に形成されている。

シール部５１は、シート１２側から順に、先端部６１と円柱部６２と大径部６３などを
備えている。

先端部６１は、シート１２に当接可能（着座可能）な部分であり、球形状に形成されている。これにより、バルブ１４の先端部６１を、シート１２のシート孔３３の全周に対して確実に線接触で密着させることができる。この先端部６１は、閉弁時に、シート孔３３を塞ぐようにしてシート１２に接触する。円柱部６２は、円柱状に形成され、先端部６１と大径部６３に接続している。大径部６３の外径は、先端部６１や円柱部６２の外径よりも大きく形成されている。大径部６３は、ピストン１５側（保持部５２側）に形成される端面６４を備えている。

保持部５２は、略円柱状に形成されている。保持部５２の外径は、シール部５１の大径部６３における端面６４の外径よりも小さく形成されている。保持部５２は、圧入部６５（嵌合部）を備えている。この圧入部６５は、保持部５２の外周面５２ａにて保持部５２の外側に向かって突出するように形成されている。すなわち、圧入部６５の外径ｄ２は、保持部５２の外周面５２ａにおける圧入部６５以外の部分の外径よりも大きく形成されている。また、圧入部６５の外径ｄ２は、後述するピストン１５の凹部４３の内径ｄ１（図３参照）よりも大きく設定されている。このようにして、圧入部６５は、ピストン１５の凹部４３の側面４３ｂに圧入されている（嵌合している）（図５参照）。なお、圧入部６５は、保持部５２の周方向について、全周に亘って形成されている。

また、本実施形態において、バルブ１４の圧入部６５は、直径が外径ｄ２と等しい球形状に形成されている。すなわち、圧入部６５における外周面は、球面状に形成されている。なお、図２に示すように、圧入部６５は、バルブ１４の中心軸方向（図２の上下方向）について、保持部５２の中央よりも上側の位置（バルブ１４全体における略中央の位置）に形成されている。

また、保持部５２におけるピストン１５側の端部である当接端部６６は、ピストン１５の凹部４３の底面４３ａに当接している（図５参照）。そして、本実施形態において、当接端部６６は、直径Ｄの球形状に形成されている。すなわち、当接端部６６における外周面は、球面状に形成されている。なお、バルブ１４の当接端部６６を球形状にする代わりに、ピストン１５の凹部４３の底面４３ａを球形状にしてもよい。なお、直径Ｄは、外径ｄ２よりも大きい。

ピストン１５は、ハウジング１０内において、第２調圧室２２の圧力に応じて軸方向（図１の上下方向）に移動可能である。図１に示すように、ピストン１５は、本体部３６と、軸状部３７と、通路３８と、凹部４３などを備えている。本体部３６は、円筒状に形成されている。本体部３６は、軸状部３７に対して下流側の位置に配置されている。本体部３６は、そのスプリング１６側の面において、スプリング１６が当接するばね受座３９（スプリング１６との当接部）を備えている。なお、本体部３６の外周面には、シール部材であるパッキン４１が配置されている。

軸状部３７は、円筒状に形成されている。軸状部３７は、本体部３６に対して上流側の位置に配置されている。軸状部３７は、流入孔４２を備えている。通路３８は、ピストン１５の中心軸方向に形成されている。

また、軸状部３７の上流側（シート１２側）の端部において、穴加工によりシート１２側に開口する凹形状に形成された凹部４３（ピストン穴部）が設けられている。そして、この凹部４３にバルブ１４の一部が配置されている。本実施形態においては、図３〜図５に示すように、凹部４３における開口部４３ｅ側の端部４３ｃにおいて、開口部４３ｅから凹部４３の内部に向かって（底面４３ａ側に向かって）内径が小さくなるようなテーパ形状部４３ｄが形成されている。そして、凹部４３におけるテーパ形状部４３ｄよりも底面４３ａ側の位置において、内径ｄ１からなる側面４３ｂが形成されている。

また、図１に示すように、軸状部３７の外周面には、パッキン４４（シール部材）とウエアリング４５（軸受材）が配置されている。なお、ピストン１５の材質は金属である。

スプリング１６は、ボデー部材１３とピストン１５との間に配置されている。スプリング１６は、ピストン１５を、出口ブロック部材１７側、すなわち、バルブ１４の開弁方向へ付勢している。

出口ブロック部材１７は、圧力調整弁１からの燃料ガスＧの流出口（不図示）に接続する通路７１を備えている。

第１調圧室２１は、ハウジング１０内において、シート１２に対して下流側の位置に形成されている。第１調圧室２１は、バルブ１４がシート１２から離間したときに、入口ブロック部材１１の入口３１と連通する。第２調圧室２２は、ピストン１５の下流側の位置に形成されている。第２調圧室２２は、ハウジング１０内において、ボデー部材１３とピストン１５と出口ブロック部材１７とに区画されるようにして形成されている。これら第１調圧室２１と第２調圧室２２において、燃料ガスＧの圧力が調整されるようになっている。

次に、本実施形態の圧力調整弁１の作用（動作方法）について説明する。例えば、車両用の燃料電池への燃料ガスＧの供給が開始され、通路７１から燃料ガスＧが矢印の方向へ流出すると、第２調圧室２２内に貯留される燃料ガスＧの圧力が低下する。そのため、スプリング１６の付勢力によりピストン１５は出口ブロック部材１７側へ向かって移動する。

そして、バルブ１４がシート１２から離間すると、燃料タンクから供給される高圧の燃料ガスＧが、入口３１と入口通路３２とシート１２のシート孔３３を流れて、第１調圧室２１に流入する。さらに、第１調圧室２１に流入した燃料ガスＧは、ピストン１５の流入孔４２と通路３８を流れて、第２調圧室２２内に流入する。

そうすると、第２調圧室２２の燃料ガスＧの圧力が上昇して、燃料ガスＧの圧力によりピストン１５に作用する力がスプリング１６の付勢力よりも大きくなると、ピストン１５は、スプリング１６の付勢力に対抗して、シート１２側へ向かって移動する。このピストン１５の移動に伴って、バルブ１４がシート１２に当接し、第１調圧室２１と第２調圧室２２への燃料ガスＧの流入が停止する。このようにして、第１調圧室２１と第２調圧室２２の燃料ガスＧの圧力は、所定の値に維持される。具体的には、第１調圧室２１と第２調圧室２２の圧力は、パッキン４１によってシールされた径の面積に第２調圧室２２の圧力を乗算した力がスプリング１６の付勢力と等しくなるように調圧される。

ここで、ピストン１５は、ウエアリング４５を介して、ボデー部材１３の壁面１３ａに接触して保持されながら摺動する。このとき、ピストン１５が摺動する第１調圧室２１を形成する円筒状の壁面１３ａとピストン１５との同軸ズレ（中心軸のズレ）や、ウエアリング４５の厚さのバラつき等が存在すると、ピストン１５は傾いた状態で摺動するおそれがある。また、入口ブロック部材１１と入口ブロック部材１１に保持されたシート１２のシート孔３３等の同軸ズレがあると、ピストン１５に保持されたバルブ１４とシート１２との間の同軸ズレが発生するおそれがある。このようなピストン１５の傾きやシート１２とバルブ１４との間の同軸ズレが発生すると、バルブ１４がシート１２に当接する閉弁時において、バルブ１４の一部がシート１２に密着しなくなって、シート１２とバルブ１４のシール性が低下するおそれがある。そして、このような閉弁時において、シート１２とバルブ１４の芯出し（調芯）を行うためにピストン１５の傾きを強制的に小さくする力をピストン１５に作用させようとすると、第２調圧室２２における燃料ガスＧの圧力を高くする必要がある。そのため、閉弁時における第２調圧室２２の燃料ガスＧの圧力値（以下、「調圧値」という。）が上昇してしまうおそれがある。

そこで、本実施形態では、ピストン１５の凹部４３へのバルブ１４の組み付けを、圧力調整弁１の製造時における性能測定（例えば、圧力調整弁１の気密検査）時に行うこととし、圧力調整弁１の製造時に、予め、シート１２とバルブ１４の芯出しと、バルブ１４のピストン１５への固定とを完了させておく。

具体的には、圧力調整弁１の製造時の性能測定時において、まず、図３に示すようにバルブ１４をピストン１５の凹部４３に配置し、燃料ガスＧを入口３１から第２調圧室２２に流入させて、第２調圧室２２内の圧力を上昇させることにより、ピストン１５をシート１２方向に移動させる。そして、バルブ１４の先端部６１をシート１２に当接させる。すると、バルブ１４は、シート１２に押されてピストン１５の凹部４３へ押し込まれて、圧入部６５が凹部４３の側面４３ｂに圧入された状態で、ピストン１５に固定される。

ここで、本実施形態では、図２に示すように、バルブ１４の圧入部６５は、球形状に形成されている。これにより、圧入部６５がピストン１５の凹部４３の側面４３ｂに圧入された状態を保ちながら、バルブ１４は、圧入部６５と凹部４３の側面４３ｂとの当接部を支点にピストン１５に対して傾くことができる。そのため、ピストン１５をシート１２方向に移動させてバルブ１４の先端部６１をシート１２に当接させたときに、前記のようにピストン１５の傾きやシート１２とバルブ１４との間の同軸ズレが発生していても、バルブ１４は、ピストン１５に対して傾くことにより、シート１２との同軸ズレを自ら吸収してシート１２との芯出しを行いながら、無理なくピストン１５の凹部４３へ圧入される。

さらに、本実施形態では、図２に示すように、バルブ１４の当接端部６６は、球形状に形成されている。これにより、バルブ１４をピストン１５の凹部４３に圧入するときに、当接端部６６が凹部４３の底面４３ａに当接しても、バルブ１４は、当接端部６６と凹部４３の底面４３ａとの当接部を支点にピストン１５に対して傾くことができる。また、当接端部６６が凹部４３の底面４３ａに当接することにより、バルブ１４は、それ以上ピストン１５側に押し込まれなくなる。そのため、バルブ１４の先端部６１をシート１２に当接させたときに、バルブ１４は、ピストン１５に対して傾くことにより、シート１２との芯出しを行いながら、無理なくピストン１５の凹部４３へ圧入されて、ピストン１５に固定される。

このようにして、本実施形態では、圧力調整弁１の製造時に、予め、シート１２とバルブ１４の芯出しを行い、かつ、バルブ１４をピストン１５の凹部４３へ圧入して固定させておくことができる。すなわち、圧力調整弁１の製造時に、第２調圧室２２の圧力を上昇させることにより、容易に、シート１２とバルブ１４の芯出しと、バルブ１４のピストン１５への固定とを完了させることができる。そのため、その後（圧力調整弁１を製造した後）、圧力調整弁１を使用するときに、閉弁時においてシート１２とバルブ１４の芯出しのためにピストン１５の傾きを強制的に小さくする力をピストン１５に作用させる必要がないので、第２調圧室２２における燃料ガスＧの圧力を高くする必要がない。そのため、本実施形態の圧力調整弁１によれば、調圧値の上昇を抑制できる。

なお、バルブ１４がピストン１５の凹部４３に圧入されて固定されたときには、バルブ１４の保持部５２の外周面５２ａにおける圧入部６５以外の部分とピストン１５の凹部４３の側面４３ｂとの間、および、バルブ１４のシール部５１における端面６４とピストン１５の凹部４３の端部４３ｃとの間に隙間が形成されていることが望ましい。これにより、バルブ１４をピストン１５の凹部４３へ圧入するときに、バルブ１４は凹部４３の側面４３ｂや端部４３ｃに制限されることなくピストン１５に対して傾くことができるので、シート１２とバルブ１４の芯出しがされ易くなる。また、バルブ１４の圧入部６５は、ピストン１５の凹部４３への圧入後において、ピストン１５の凹部４３のテーパ形状部４３ｄの位置に配置されないようにしておく。

また、ピストン１５の凹部４３における開口部４３ｅ側の端部４３ｃにおいては、開口部４３ｅから凹部４３の内部に向かって内径が小さくなるテーパ形状部４３ｄが形成されている。これにより、バルブ１４は、ピストン１５へ圧入されて固定されるときに、凹部４３のテーパ形状部４３ｄの形状に沿って移動して、凹部４３の側面４３ｂに圧入され易くなる。

なお、上記した実施の形態は単なる例示にすぎず、本発明を何ら限定するものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能であることはもちろんである。例えば、バルブ１４の圧入部６５は、保持部５２の周方向について一部が欠けていてもよい（全周に亘って形成されていなくてもよい）。

１圧力調整弁
１２シート
１３ａ壁面
１４バルブ
１５ピストン
２１第１調圧室
２２第２調圧室
３１入口
３３シート孔
４３凹部
４３ａ底面
４３ｂ側面
４３ｃ端部
４３ｄテーパ形状部
４３ｅ開口部
４５ウエアリング
５２保持部
５２ａ外周面
６１先端部
６５圧入部
６６当接端部
Ｇ燃料ガス
ｄ１（凹部の）内径
ｄ２（圧入部の）外径

Claims

調圧室と、前記調圧室内の圧力に応じて軸方向に移動可能なピストンと、前記ピストンとともに移動するバルブと、前記バルブが当接可能なシートとを有する圧力調整弁において、
前記ピストンは、前記シート側の端部にて前記シート側に開口するピストン穴部を備え、
前記バルブは、前記シートに当接可能な先端部と、前記ピストン穴部に収容される柱状の柱状部と、前記柱状部の外周面にて前記柱状部の外側に向かって突出するように形成され、前記ピストン穴部の側面に嵌合する嵌合部を備え、
前記嵌合部は、球形状に形成され、
前記バルブと前記ピストンを前記ピストンの軸方向に沿って切り取った断面にて、前記嵌合部は前記ピストン穴部の側面に点で接触し、
前記柱状部のうち前記嵌合部以外の部分は対向する前記ピストン穴部の側面と離間していること、
を特徴とする圧力調整弁。
請求項１の圧力調整弁において、
前記断面にて、前記ピストン穴部の側面は、前記ピストンの軸方向に沿って直線状に形成されていること、
を特徴とする圧力調整弁。
請求項１または２の圧力調整弁において、
前記ピストン穴部は、前記シート側に開口する凹形状に形成され、
前記バルブの前記柱状部は、前記ピストン穴部における前記凹形状の底面と当接する当接端部を備え、
前記当接端部は、球形状に形成されていること、
を特徴とする圧力調整弁。
請求項１乃至３のいずれか１つの圧力調整弁において、
前記ピストン穴部における開口部側の端部には、前記開口部から前記ピストン穴部の内部に向かって内径が小さくなるテーパ形状部が形成されていること、
を特徴とする圧力調整弁。