JP6865623B2 - 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、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で使用され、特に、液体に加えて粘性流体が流れる場合にも適した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、例えば、流体が水素であるときには、８０ＭＰａ以上の高圧になったり、場合によっては、約１０３ＭＰａ（１５０００ｐｓｉ）程度の高圧になることもある。これに対して、流量を確保しつつ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。このトラニオン型ボール弁は、ボデーとこのボデーの両側に螺着されるキャップ部材とによりボデー本体が構成され、ボデー内にボールが回転自在に収納され、このボールを両側から保持するようにシートリテーナが取付けられる。シートリテーナは、拡径部とこの拡径部よりも縮径状の筒部とを有する形状から成り、拡径部がボデーに形成された取付穴に嵌め込まれるように装入され、筒部がキャップ部材に形成された装着穴に装着されてボデー本体に取付けられる。ボールの上軸部には、ボール内部に形成された連通孔からボール上面側に連通する均圧孔が形成されている。

一方、特許文献２のボールバルブは、燃料用ガスを輸送するパイプライン用のボールバルブであり、このバルブのボデー内には、第１シートリテーナ、第２シートリテーナの２つのシートリテーナが備えられ、これらシートリテーナにより、第１シート、第２シートがそれぞれボールに圧着可能に設けられている。この場合、第１シートリテーナの外周に第２シートリングが装着された状態で、これら２つのシートリテーナがボデー内の拡径部に嵌め込まれるように装着されている。

ＷＯ２０１３／１２９５６０号公報 特開平８−１２８５４４号公報

前述したような一般の高圧用トラニオン型ボール弁では、特に、バルブの開閉を高速でおこなった場合、流体がキャビティやシートリテーナの背面側に移動しにくくなり、これらの部位に十分に圧力が加わらなくなる。この場合、背面側の流体圧を利用してシートをボールに押し付ける力、いわゆる自緊力が小さくなる。流体のシートリテーナの背面側への移動が十分でないと、場合によってはこの自緊力が発生しなくなり、シートリテーナに対してボールをシールする方向とは逆のボールから離れる方向の力が働き、シートリテーナとボールとの間に漏れが生じるおそれがある。
さらに、流体が液体や粘性を有する粘性流体であるときには、ガスに比べて流路からキャビティ、キャビティからシートリテーナ背面側への流体の移動が一層生じにくくなることで、自緊力がより失われて一層漏れを生じやすくなる。

これに対して、前者の特許文献１では、ボールの上軸部に均圧孔が設けられ、この均圧孔より弁開時のキャビティ内の圧力を抜くことが可能になっている。しかし、この均圧孔は、キャビティ圧＞流路の流体圧の関係でキャビティ内の圧力を流路にリリーフすることを目的としたものであり、シートリテーナの背面側に流体圧を移動させて自緊力を高めようとするものではない。

一方、後者の特許文献２では、２つのシートリテーナのうち、第１シートリテーナに通孔が設けられ、この通孔を介してキャビディ部の圧力が第１シートリテーナをボール側に押すように作用され、これによって流路の流体圧を利用してシートリテーナをボール側に押圧しようとしている。しかし、このバルブでは通孔が小径の孔であり、第１シートと第２シートとの間に設けられている。このことから、流体に異物が含まれていたり、流体が液体や粘性液体等の流動性が低いものである場合には、バルブ開閉を高速で実施したときに、流路からキャビティやシートリテーナ背面側までの隙間の一部或は全部が防がれ、これらがシールされた状態になる可能性がある。そのため、流体圧がシートリテーナ背面側まで加わりにくくなり、自緊力が十分に得られなくなることがある。

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、高速でバルブを開閉する場合でも、内部を流れる流体圧を利用して安定した自緊力を発生させ、この自緊力によりシートリテーナとボールとのシール性を十分に確保して漏れを防止でき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、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を有するトラニオン型ボール弁であって、シートリテーナとボデーとの間に、キャビティ内の流体圧がシートリテーナの背面側に加わることが可能な状態でクリアランスが設けられ、且つ、ボールに、このボール内の流路とキャビティとの間を流体が流通可能な状態で連通孔が設けられている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、シートリテーナは、ボール側が拡径部、ボールから離れた側が拡径部よりも縮径された縮径部とされ、クリアランスは、少なくともキャビティ内の流体圧が縮径部に加わる状態で拡径部とボデーとの間に設けられている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、縮径部の外周面にシール用Ｏリングが装着され、このＯリングを介してシートリテーナの端部側がボデーとの間に保持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、連通孔は、ボール内の流路の略中央付近からボール外周の一、二次側に向けてボール内流路と傾斜する方向に形成されると共に、連通孔がボールの中心位置から点対称の状態で互いに略平行に設けられている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、バルブ本体が、液体用又は粘性流体用である高圧用トラニオン型ボール弁である。

請求項６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たバルブであり、ボールに設けた連通孔を介してボール内流路の圧力がキャビティに移動し、このキャビティ内の圧力が、シートリテーナとボデーとの間に設けたクリアランスを介してシートリテーナ背面側に加わる。これにより、流体が気体である場合に加えて、液体や粘性流体、異物を含む場合であるときに、高速でバルブを開閉する場合であっても、これらの流体圧を利用してシートリテーナ背面から加えて自緊力を機能させ、この自緊力の作用によりシートリテーナをボール側に押圧してこれらのシール性を十分に確保し、流体漏れを確実に防止することが可能になる。

請求項２に係る発明によると、ボール側を拡径部、ボールから離れた側を縮径部とし、拡径部とボデーとの間にクリアランスを設けていることで、このクリアランスを介してキャビティ内の流体を拡径部から縮径部まで確実に導き、縮径部に加わる流体圧を利用して自緊力を発揮して高シール性を確保する。

請求項３に係る発明によると、シール用Ｏリングによりシートリテーナ末端側とボデー側との間をシールしてキャビティから流路側への高圧流体の漏れを防止する。Ｏリングでシートリテーナ末端側を保持していることで、他のシートリテーナの保持機構とともに、シートリテーナの軸芯方向のずれを防ぎつつ、シートリテーナの拡径部とボデーとのクリアランスを大きく確保する。これにより、ボールに対するシートリテーナの同心性を確保し、弁開閉の動作時にも高シール性を維持できる。

請求項４に係る発明によると、ボール内の流路の略中央付近からボール外周の一、二次側に向けてボール内流路と傾斜する方向に連通孔を設けていることで、弁開時におけるボール内流路から流路方向に傾斜した連通孔に流体が流れ込みやすくなる。さらに、連通孔の傾斜を流路と平行に近づけるようにすれば、キャビティ内に流体を一層導きやすくなる。これらの場合、特に、流体が液体や粘性流体、異物を含んでいる場合であっても、ボール内流路からキャビティまでスムーズに移動させ、キャビティからシートリテーナ背面側への流体圧の作用により自緊力を発揮させてシール性を向上できる。しかも、一、二次側の連通孔を、ボールの中心位置から点対称の状態で互いに略平行に設けていることで、ボールの一、二次側に流体圧を略均等に導いて、一、二次側に自緊力を均等に働かせて双方からの漏れを確実に防止する。

請求項５に係る発明によると、バルブ本体が、液体用又は粘性流体用であることにより、高圧流体として液体や粘性流体が流れる場合でもこれら流体が滞ることなく流れ、この高圧流体を利用した自緊力を確実に発揮する。

請求項６に係る発明によると、特に高圧流体に適しており、流体が気体である場合に加えて、液体や粘性流体、異物を含んだものであるときに、高速でバルブを開閉した場合にも、シートリテーナの背面側まで圧力を送って自緊力を機能させ、高シール性を発揮する高圧用トラニオン型ボール弁を備え、このボール弁により流体漏れを確実に防ぎつつ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縦断面図である。 図１のシートリテーナ付近を示す拡大断面図である。 図１のボールの一部切欠き正面図である。 ボールの他例を示す一部切欠き正面図である。 シートリテーナの他例を示す縦断面図である。 高圧用トラニオン型ボール弁の他の実施形態を示した縦断面図である。 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と水素ステーション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縦断面図、図２においては、図１のボール弁のシートリテーナ付近の一部拡大断面図を示している。

図において、本発明における高圧用トラニオン型ボール弁（以下、バルブ本体１という）は、特に、高圧流体を流す場合に好適なトラニオン構造のボールバルブからなり、蓋部材２を有するボデー３と、その内部にボール１０、シートリテーナ１２、バネ部材１３、シール用Ｏリング（シール部材）１４、バネ押え１５、補助リング１６、軸受１７、軸装シール機構１８とを有している。

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、バルブ本体を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も対応可能であり、特に、液体用又は粘性流体用の材料により形成され、これらが流れる場合に適している。

バルブ本体１は、例えば２．５ｋｇ程度の重さに設けられ、このバルブ本体１のボデー３は、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１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１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ている。

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のボトム側から螺着される。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る。これら装着穴４４、４４には、それぞれシートリテーナ１２、バネ部材１３、Ｏリング１４、バネ押え１５、補助リング１６が装着され、これらによりボール１０が流路方向の一、二次側で保持される。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。

上記ボデー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１に示すような左右対称構造に設けられている。一方、ボール１０の軸装方向には、軸受１７、軸装シール機構１８が配設され、これらによりボール１０が軸装側で保持される。このように、ボール１０は、流路方向と軸装方向とで保持されてボデー３内に回転自在に設けられる。

図１〜図３において、ボール１０は、例えばＳＵＳを材料としてφ２０ｍｍ程度の外径に形成され、このボール１０の上下部には互いに同一径の上ステム５０と下ステム５１とがそれぞれ延設されてボール部材５２が構成される。上ステム５０、下ステム５１のボール１０近傍位置には、それぞれ鍔部５３が形成される。ボール部材５２は、軸装方向において上下ステム５０、５１が軸受１７、軸装シール機構１８で支承されつつ、流路方向においてシートリテーナ１２でシール接続される。

ボール１０には図３のボール孔１０ａによりボール内流路が設けられ、このボール内流路１０ａには、ボール外面と連通する２つの連通孔５５が設けられ、これら連通孔５５を介してボール内流路１０ａとバルブ本体１内に形成されるキャビティＣとの間を流体が流通可能になっている。

図３に示すように、各連通孔５５は、ボール内流路１０ａの略中央付近からボール外周の一、二次側に向けてボデーの流路４０と傾斜する方向に形成される。これに加えて、連通孔５５は、ボールの中心位置から点対称の状態で互いに略平行に設けられる。

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が軸装される。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。

ボール１０の流路方向において、図２に示すシートリテーナ１２は、ボデー３内の装着部２１に装着され、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程度の硬度に設けられる。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側に対向配置される拡径部６０と、ボール１０から離れた側であって拡径部６０よりも縮径した縮径部６１とを有し、拡径部６０側でボール１０とシール接続可能に設けられている。拡径部６０のボール１０側との対向面にはシール面６２が設けられ、このシール面６２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とボデー３との間には所定の空間であるクリアランスＣＬが設けられ、このクリアランスＣＬにより、キャビティＣ内の流体圧が、シートリテーナ１２の背面側に加わることが可能な状態になっている。クリアランスＣＬは、少なくともキャビティＣ内の流体圧が縮径部６１に加わる状態で、拡径部６０とボデー３との間に設けられている。

シートリテーナ１２の縮径部６１の外周には、Ｏリング１４、バネ部材１３、バネ押え１５、補助リング１６が装着され、この状態で前記の装着穴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。

Ｏリング１４は、例えばエチレンプロピレンゴム等のゴム、或は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）により設けられ、バックアップ用の補助リング１６の間に両側から挟まれた状態で、バネ押え１５により装着穴４４の奥側に装着される。この状態でシートリテーナ１２がＯリング１４の内周側に装着されることで、縮径部６１の外周面にＯリング１４が装着され、このＯリング１４を介してシートリテーナ１２の端部１２ａ側がボデー３との間に保持された状態で、シートリテーナ１２外周がシールされる。

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６０とバネ押え１５との間に弾発状態で装着される。このバネ部材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。

一方、ボール１０の軸装方向において、上下ステム５０、５１外周の軸装穴２２、３２に、軸受１７、１７、軸装シール機構１８、１８がそれぞれ装着され、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、このボール内流路１０ａとシートリテーナ１２の内部流路１２ｂとが連通したときに、バルブ本体１内に流体が流れることとなる。

軸受１７は、例えば、アルミニウム青銅等の合金材料により、ボール１０の上下側と、各軸装シール機構１８、１８との間に装着可能な長さに形成され、略円筒状の筒部７０と、この筒部７０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１７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７１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１７の端部側に形成される。係止部７１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１７のボール１０の反対側への移動が防がれている。

上記軸受１７は、この軸受１７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１７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ればよい。

また、軸装シール機構１８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１８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、一般的なＯリング部材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Ｃ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１８、１８のうち、下ステム５１に装着される軸装シール機構１８は、蓋部材２に内挿される。蓋部材２は、バルブ本体１の内方側（ボール１０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１７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。

図示しないが、図１において、バルブ本体１には手動ハンドルが装着される。手動ハンドルは、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が設けられている。一方、上ステム５０への取付け側には、把持部の先端側には突出部位が形成されている。

ボデー３上面には、複数のストッパ部８５が一体に突設形成され、このストッパ部８５に回転操作時のハンドルの突出部位が当接可能に設けられている。これにより、ハンドルの回転がストッパ部８５により所定の操作角度内に規制される。すなわち、複数のストッパ部８５を、ハンドルを略９０°の範囲で操作可能に形成しておけば、ハンドルを介してボールを９０°の回転に規制し、容易に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８５を複数組設けることで、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を取付けることも可能となる。

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８５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。
一般的の構造のトラニオン型ボールバルブにおいては、弁閉状態のバルブ本体内に高圧流体が流れる状態で、高速でバルブの開閉動作を繰り返すと、流路内の流体圧がキャビティ内に十分に伝わりにくくなり、シートリテーナによる自緊力を発揮するためのキャビティ圧が不足する。このとき、キャビティ圧＜流路の流体圧の関係になっている。

これに対して、本発明の高圧用トラニオン型ボール弁は、ボール内流路１０ａとキャビティＣとの間を流体が流通可能となる連通孔５５をボール１０に設けている。このように設けたことで、上記のキャビティ圧＜流路の流体の関係を利用して、連通孔５５を介してボール内流路１０ａから流体圧をキャビティＣ内に伝えることが可能となる。しかも、この連通孔５５により、ボール１０の中間開度に限ることなく全閉時から全開時までの間で高圧流体をキャビティＣ内に送ることが可能になっている。

この場合、２つの連通孔５５、５５をボール内流路１０ａの略中央付近からこのボール内流路１０ａと傾斜する方向に形成していることで、連通孔５５をボール内流路１０ａに対して垂直方向に設ける場合に比較して流路の向きに近づき、特に、弁開時には、ボール内流路１０ａからキャビティＣ内に流体が流れ込みやすくなる。このため、液体や粘性流体などの流動性が低い場合や、流体に異物が含まれている場合にも、これら高圧流体を連通孔からキャビティＣまで確実に送り、キャビティＣ内をボデー内流路４０と略均圧状態まで昇圧できる。

しかも、２つの連通孔５５、５５をボール１０の中心から点対称の状態で互いに略平行に設けていることで、これら連通孔５５を介してキャビティＣの一、二次側に略均等に流体圧を加え、キャビティＣ内を略均圧状態に昇圧する。

そして、シートリテーナ１２とボデー３との間にクリアランスＣＬを設けていることから、連通孔５５からキャビティＣ内に加わった流体圧が、クリアランスＣＬを介して一、二次側のシートリテーナ１２、１２の背面側に迅速に回り込むように移動する。このため、バルブ本体１内を流れる高圧流体が、液体や粘性流体であったり、或は高圧流体に異物が混入している際に、高速でバルブの開閉を繰り返した場合でも、流体圧をシートリテーナ１２背面から加え、ボール１０の一、二次側から高い自緊力を略均等に働かせて高い自封性を発揮できる。

この場合、シートリテーナ１２のボール１０側が拡径部６０、ボール１０から離れた側が縮径部６１であり、この縮径部６１に流体圧が加わることが可能な状態で、拡径部６０とボデー３との間にクリアランスＣＬが設けられている。このことにより、シートリテーナ１２に貫通孔などの加工を施すことなく、クリアランスＣＬを介してシートリテーナ１２背面まで流体圧を導くことが可能となる。

さらに、縮径部６１の外周面に装着したシール用Ｏリング１４を介してシートリテーナ１２の端部１２ａ側をボデー３との間に保持しているため、高圧流体が縮径部６１側から流路４０側に漏れることを防止し、流体圧をシートリテーナ１２の背面側に高い効率で送ることで自封性が向上する。このように、Ｏリング１４で端部１２ａ側を保持しつつ、シートリテーナ１２の先端側であるシール面６２をボール１０に当接させていることで、シートリテーナ１２を先後端の両側で位置決めして流路４０に対して同心状態に装着でき、シートリテーナ１２をボデー３に組付けるだけで、略均等幅のクリアランスＣＬをシートリテーナ１２とボデー３との間に形成できる。このように、シートリテーナ１２の装着位置を調整することなく正確な幅のクリアランスＣＬを設けることができ、このクリアランスＣＬからシートリテーナ１２背面側に均等に圧力が加わるようにできる。

図４においては、ボールの他例を示している。なお、以降の例において、前記実施形態と同一部分は同一符号によって表し、その説明を省略する。このボール９０の上下部には、互いに同一径の上ステム５０と下ステム５１とがそれぞれ延設されてボール部材９１が構成され、ボール９０の近傍位置には、それぞれ鍔部５３が形成される。

ボール９０の内部には４つの連通孔９２が形成され、これら連通孔９２は、ボール内流路９０ａの略中央付近から、このボール内流路９０ａの中心並びに上下ステム５０、５１の中心に対して対称になるように、ボール外周の一、二次側に向けてボール内流路９０ａと傾斜する方向に形成される。このような連通孔９２を形成した場合、これら連通孔９２を介してバルブのキャビティＣの一、二次側の上下側に均等に流体圧を伝えることが可能になり、一、二次側のシートリテーナ１２による自緊力を均圧状態に発揮させることが可能となる。さらに、図示しないが、連通孔の数や向き（角度）に加えて、穴径も適宜変更することができる。

一方、図５においては、シートリテーナの他例を示している。このシートリテーナ１００では、拡径部６０の背面側に縮径部６１に向けてテーパ状に縮径するテーパ面部１０１が形成され、このテーパ面部１０１と縮径部６１との境目には、段差部１０２が形成されている。テーパ面部１０１を設けたシートリング１００を図１のバルブ本体１に装着した場合、拡径部６０外周面がストレート状である場合と比較して、テーパ面部１０１によりボデー３との間のクリアランスＣが広がり、このクリアランスＣを介して流体の回り込みを一層生じやすくできる。これによって、流体を利用した自緊力を安定して生じさせることが可能となる。

その際、段差部１０２に一点鎖線で示したバネ部材１３の中央付近が当接し、このバネ部材１３からの荷重を段差部１０２で受けるようになっている。このため、段差部１０２を、バネ部材１３からの荷重を十分に受けることができる高さに設ける必要がある。その場合、バネ部材１３の弾発力で、特に低差圧において確実にシートリテーナ１００を図１のボール１０方向に押圧してシールできる。

図６においては、高圧用トラニオン型ボール弁の他の実施形態を示している。このバルブ本体１０５では、シートリテーナ６０の拡径部６０背面側とバネ部材１３との間にスペーサ１０６が配置され、このスペーサ１０６は、シートリテーナ拡径部６０やバネ部材１３よりも外径の小さい略リング状に設けられている。
スペーサ１０６を設けた場合、シートリテーナ拡径部６０の背面側とバネ部材１３との間にあらたな空間が形成され、この空間によってクリアランスＣが広がる。このため、この拡大したクリアランスＣを介してシートリテーナ拡径部６０背面側に流体が一層回り込みやすくなり、十分な自緊力が得られることとなる。

この場合、スペーサ１０６は、環形状の一部が切欠かれた略Ｃ字形状に形成されている。このようにスペーサ１０６をＣ字状に設けていることで、流体が切欠き部分の切れ目１０７を通ってスペーサ１０６内径側に入り込み、可能な限りシートリテーナ拡径部６０背

面の内周側に近い位置まで回り込んで、シートリテーナ６０に対して背面圧が十分に加わるようになる。切れ目１０７は、３６０°の環形状に対して、例えば４５°の角度で形成されているとよいが、その角度は任意に設定可能である。また、切れ目１０７を設けることなく、スペーサ１０６を環形状に設けるようにしてもよい。

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により設けられる。図の水素ステーション以外にも、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、これらにより高圧水素の供給ライン１２２としてシステムが構成される。

バルブ本体１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り、図７のシステムに好適となる。そして、高速でバルブの開閉を繰り返す場合であっても高い自緊力を発揮し、液体や粘性流体等である場合にも確実に漏れを防止し、高圧水素ガスの供給ラインの場合にも極めて高いシール性を発揮する。

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は手動弁１２０が設けられ、各ユニットの一次側又は二次側に適宜に自動弁１２１が設けられて開閉制御される。

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。

以上、本発明の実施の形態について詳述したが、本発明は、前記実施の形態記載に限定されるものではなく、本発明の特許請求の範囲に記載されている発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の変更ができるものである。

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
３ ボデー
１０ ボール
１０ａ ボール内流路
１２ シートリテーナ
１２ａ シートリテーナ端部
１３ バネ部材
１４ Ｏリング
５５ 連通孔
６０ 拡径部
６１ 縮径部
１２２ 供給ライン
Ｃ キャビティ
ＣＬ クリアランス

Claims (6)

1. 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を有するトラニオン型ボール弁であって、前記シートリテーナとボデーとの間に、キャビティ内の流体圧が前記シートリテーナの背面側に加わることが可能な状態でクリアランスが設けられ、且つ、前記ボールに、このボール内の流路と前記キャビティとの間を流体が流通可能な状態で連通孔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。
2. 前記シートリテーナは、前記ボール側が拡径部、前記ボールから離れた側が前記拡径部よりも縮径された縮径部とされ、前記クリアランスは、少なくとも前記キャビティ内の流体圧が前記縮径部に加わる状態で前記拡径部とボデーとの間に設けられている請求項１に記載の高圧用トラニオン型ボール弁。
3. 前記縮径部の外周面にシール用Ｏリングが装着され、このＯリングを介して前記シートリテーナの端部側が前記ボデーとの間に保持されている請求項２に記載の高圧用トラニオン型ボール弁。
4. 前記連通孔は、前記ボール内の流路の略中央付近からボール外周の一、二次側に向けてボール内流路と傾斜する方向に形成されると共に、前記連通孔が前記ボールの中心位置から点対称の状態で互いに略平行に設けられている請求項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. バルブ本体が、液体用又は粘性流体用である請求項１乃至４の何れか１項に記載の高圧用トラニオン型ボール弁。
6. 高圧水素の供給ラインに請求項１乃至５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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