JP6868265B2 - 制御弁 - Google Patents

Description

この発明は、流体の制御弁に関し、低温流体の開閉を行う遮断弁としても好適に使用することができる制御弁に関する。

特許文献1に開示の弁は、ニードルバルブタイプの高圧流体用制御弁であり、その構造は、流入口と流出口を有するボディ内の弁座にニードル部を非回転に昇降動させて高圧流体を開閉又は流量調節可能に設けた高圧用ニードルバルブである。弁座とニードル部が強く密接することにより流体を遮断する構造となっている。

また、流体の流量を調節し、開閉を行うことができる制御弁として、特許文献２に記載のような制御弁が知られている。この制御弁は、流体の流路を有するバルブボディと、流体の流量を制御する弁体と、弁体を上下動させるアクチュエータを備えている。弁体の当接部は、弁閉時はアクチュエータによる降下にしたがって、バルブボディに形成された弁座に当接して流体を遮断する。

これらの制御弁は、弁体が回転を伴わない上下動によって対向する弁座に強く押圧されることによって、高圧流体に耐えられる構造となっている。

特開２０１６−１５６４４２号公報 特開２０１６−０１４４０５号公報

近年、燃料電池自動車用の水素ステーションの供給インフラの普及が強く進められており、制御対象の流体として高圧低温の水素ガス用等の制御弁が求められている。

この高圧水素ガスの温度は、−４０℃と大変低く、また非常に高圧（７０ＭＰａ）であるため、この流体に直接接する弁体は、水素ガスからの低温環境下、弁体の当接部と弁座とが互いに押圧されることにより発生する摩擦熱による熱影響や、摩擦による摩耗を繰り返し受けることになる。

熱影響は、弁体の当接部表面と弁座の当接部表面を瞬間的に加熱する一方、それらの表面の裏面に接する部分は、低温の水素ガスにより常に冷却され、温度差が表面近傍の領域に繰り返し発生するので影響を受け、弁の寿命を短くする。

摩擦による摩耗は、弁体または弁座の変形を発生させることになるため、摩耗が進むと、弁体が弁座に当接しなくなり、リークが発生することになる。

弁体の当接部表面と弁座の当接部表面への熱影響や摩耗を緩和する方法として、当接面にグリス等の潤滑剤を塗布して発生する熱を低減させることが考えられるが、グリス等の潤滑剤成分が水素ガス等の流体に混入するおそれがあるので、このような異物混入の原因となる潤滑剤等を使用することは好ましくない。さらに、この潤滑剤等を塗布する際に、外部の塵等の異物巻き込みの原因ともなり好ましくない。

この発明の目的は、弁体の当接部表面と弁座の当接部表面への熱影響を緩和し、寿命の長い制御弁であるとともに、リークの発生を抑え、異物等の噛み込みを起こさない制御弁を提供することにある。

本発明（１）は、流路を有するバルブボディと、バルブボディに設けられた弁座と上下動により当接して前記流路を開閉する弁体と、弁体を上下動させるアクチュエータとを備えた制御弁であって、弁座と弁体の当接部のいずれかの表面にコーティングが施され、コーティングは、コーティングした部材の材質よりも熱伝導率が高い金属を用いていることを特徴とする制御弁である。

本件発明者らは、繰り返しの試作実験の結果、弁体の当接部表面を熱伝導率の高い金属でコーティングし、表面で発生した熱を素早くコーティング層内部へ逃がし、さらに、弁体およびバルブボディの内部側に導くことによって、弁体の当接部表面と弁座の当接部表面への熱影響および磨耗が緩和できることを発見して、本発明に到った。

弁体とバルブボディは、ステンレス合金材料を用いて制作されることが一般的である。金属の熱伝導率は温度によって変化を受けるが、例えばステンレス鋼の熱伝導率は１００℃で１４〜２６Ｗ・ｍ-^１・Ｋ^-１と他の金属に比べても低く、発生する摩擦熱の影響を受けやすい傾向にある。

ステンレス鋼の熱伝導率よりも高い熱伝導率の金属を用いて弁体の当接部表面をコーティングすることによって、効率よく短時間に摩擦熱をコーティング層内部、さらに、弁体及びバルブボディ内部へ逃がすことができる。

本発明（２）は、本発明（１）に記載の制御弁であって、前記コーティングがメッキによりなされていることを特徴とする。

弁体の当接部の表面を熱伝導率の高い金属でコーティングする方法としては、メッキ法、ＰＶＤ法（物理蒸着法）、ＣＶＤ法（化学気相蒸着法）等が可能であるが、コスト面からメッキ法が好ましい。

本発明（３）は、本発明（１）または（２）に記載の制御弁であって、弁座に当接する弁体の当接部の表面が、金、銀または銅のいずれか１つであることを特徴とする。

例えば、１００℃における金、銀、銅の熱伝導率は、金の場合は３１９Ｗ・ｍ^-１・Ｋ^-１であり、銀の場合は４２８Ｗ・ｍ^-１・Ｋ^-１であり、銅の場合は４０３Ｗ・ｍ^-１・Ｋ^-１である。各種ステンレス鋼の１００℃における熱伝導率は、１４〜２６Ｗ・ｍ^-１・Ｋ^-１であり、金、銀、銅は、ステンレス鋼に比べて１０倍以上高い。これらの高い熱伝導率の特性を利用して、これらの金属によるコーティング処理が施されていない場合に比べて、非常に速くコーティング層内部へ、そして、コーティング層から弁体やバルブボディへ熱を逃がすことができる。

また、弁体または弁座のいずれかにコーティングする金属の硬度が、他方の金属よりも硬度が低い事で、摩耗の発生を減少させ、リークの発生を抑える事が出来る。

さらに、弁体の当接部表面は金属の表面そのものであるため、グリス等を塗布する事で異物を付着していた従来とは異なり、弁体の当接部表面に異物が付着した状態で開閉を行うことが無くなる。

この制御弁によると、流体の流量や開閉を制御する弁であって、弁体の弁座と当接する当接部の表面に熱伝導率の高い金属をコーティングすることによって、寿命の長く、リークが発生せず、異物によるリークが発生しない制御弁を提供することにある。

この発明による制御弁の１実施形態を示す縦断面図である。 この発明による制御弁の弁体およびその近傍を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但し、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等および各種製造条件は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

図１に示すように、制御弁１は、流路を有するバルブボディ２と、バルブボディ２の流路を上下動により開閉する弁体３と、弁体３を上下動させるアクチュエータ４とを備えている。アクチュエータ４には、アクチュエータ４の動作により上下動するシャフト４１が設けられている。シャフト４１と弁体３とはステム５によって連結されている。シャフト４１とステム５との間の連結において、特許文献２に記載の連結構造１０を有している。

制御弁１は、バルブボディ２の上部に接続されるボンネット８と、ボンネット８とアクチュエータ４とを接続するヨーク９とを備えている。

バルブボディ２は、上方に弁体３を挿通させるボンネット８を収容する凹所が設けられ、ボンネット８のバルブボディ２への接続は、ボンネット８に取り付けられた、リング状のカラー８８とボンネットナット８１によって行われる。

バルブボディ２には、流体が流入する流入口２１、流入口２１から弁体３へ流体を導く流入通路２３、弁体３の当接部３１と当接する弁座２５、流体を流し出す通路である流出通路２４および流体をバルブボディ２外部へ流出させる出口となる流出口２２が備えられている。

カラー８８は内周面に雌ねじが形成されており、ボンネット８の下部外周面に形成された雄ねじと螺合する。ボンネットナット８１は、外周面に雄ねじが形成されており、この雄ねじがバルブボディ２の上部凹所内周面に形成された雌ねじと螺合し、ボンネット８と螺合したカラー８８を押えることによって、ボンネット８１とバルブボディ２は接続する。このボンネット８内に弁体３とステム５が挿通される。

ボンネット８の内部にはＯリングホルダー８２に保持された状態でＯリング８３およびバックアップリング８９が設けられており、このＯリング８３によってボンネット８の内面とステム５の外面との隙間からの流体の漏洩を防ぐようになっている。

Ｏリングホルダー８２の下部にはグランドパッキン８４が介装されている。グランドパッキン８４は、例えばＰＦＡ、ＰＴＦＥ等の硬質合成樹脂から形成されており、Ｏリング８３と共にボンネット８の内面とステム５の外面との隙間からの流体の漏洩を防ぐ。

グランドパッキン８４の上下部には、仕切りとなるハメワ８５が介装されている。ボンネット８の下部内面は、内径が小さくなっており、ハメワ８５はそこで固定される。

ボンネット８の上部内面には、Ｏリングホルダー８２の上面に当接するようにパッキン押さえねじ８７が回転操作可能に螺着されており、グランドパッキン８４はパッキン押さえねじ８７の締め付けにより所定量以上の圧縮力が加わったときに拡径するようになっている。

これにより、Ｏリング８３が経時的に劣化してステム５とボンネット８の隙間から流体が漏洩した場合、パッキン押さえねじ８７を締め付けてグランドパッキン８４を拡径させることで、ステム５とボンネット８との間の隙間を密封することができる。

ヨーク９は、上下２枚の円板９１、９２と、これら２枚の円板９１、９２を左右の縁部においてそれぞれ連結する右連結部９３および左連結部９４から構成されて、正面視においては図１に示す如く四角形の枠状を呈しており、これによって前方或いは後方からパッキン押さえねじ８７の締め付け操作を容易に行うことが可能となっている。

上部の円板９１はアクチュエータ４の下端面とねじ（図示せず）によって連結され、下部の円板９２はその中心に形成されたねじ穴にボンネット８の筒部の上部外面に形成された雄ねじ部が螺着されており、これによってボンネット８とアクチュエータ４がヨーク９によって連結されている。

ステム５に設けられたインジケータ５１と、ヨーク９に取り付けられたインジケータスケール９５とから制御弁の開度を確認することができる。

シャフト４１とステム５との連結には連結構造１０が用いられている。

連結箇所に連結構造１０を用いているので、ステム５等を長くしてもアクチュエータ４によるシャフト４１の上下動が弁体３に正確に伝達され、正確な流量制御を行うことができる。

なお、本実施形態では、シャフト４１とステム５との連結に上述した連結構造１０を用いたが、ステム５と弁体３との連結箇所にも連結構造１０用いてもよい。

図２は、弁体３が弁座２５から離れたこの制御弁の開状態を示している。弁体３の当接部３１の表面に熱伝導率の高い金属がコーティングされている。このコーティングされた面が、ボディ２内部に設けられた弁座２５の当接面に密着することによって弁が閉状態となる。

当接部３１が弁座２５から離接すると、流体は弁体３と弁室との間に形成された隙間から上方に流れ、流出通路２４に流れ込む。

弁体３と弁座２５が接触することで発生した摩擦熱は、弁体３の表面にコーティングされている表面の金属を通って、弁体３内部へと移動する。その後、ステム５に移動するまでの間に温度が低下する。

弁体３の表面は、熱伝導率の高い金属をコーティング等しているため、その表面は比較的平坦であり、ガス中に異物等があったとしても、弁体３表面に付着する事はない。それによって、弁体３と弁座２５との間に挟まることで、流体がリークする、という事も発生しない。

本実施例の当接部３の形状は円錐形状であるが、この形状に限定されることはなく他の形状を有していてもよい。

また、弁体３の先端部分の角度は、弁座２５のテ―パ角度よりも小さいほうがよい。弁体３の角度と弁座２５のテ―パ角度が同じの場合、弁体３の当接部と弁座２５のテ―パ部とは面で接触することになり、面のどこか1箇所に僅かにゴミが付着しただけでも、漏洩発生の原因となってしまうが、弁体３の角度が弁座２５よりも小さい場合、弁体３と弁座２５とは線で接触する事になり、線上以外の面にゴミが付着しても、シール性能を確保することができる。また、コーティングした金属の方が、接触する弁座２５よりも硬度が低い分、展性のある金属を使用しているため、当接する部分の摩耗が少なくなり、リークの発生も抑える事が出来る。

さらに、コーティングする部分は、弁体３の全体でなくても良く、弁座２５と接触する部分のみにコーティングを行うのでも良い。

また、本実施例では、流体の流量および開閉を調節する制御弁について記載しているが、単に流体の開閉のみを制御する遮断弁であっても適用することができる。

１：制御弁
２：バルブボディ
３：弁体
４：アクチュエータ
５：ステム
８：ボンネット
９：ヨーク
１０：連結構造
２１：流入口
２２：流出口
２３：流入通路
２４：流出通路
２５：弁座
３１：当接部
４１：シャフト
５１：インジケータ
８１：ボンネットナット
８２：Ｏリングホルダー
８３：Ｏリング
８４：グランドパッキン
８５：ハメワ
８７：パッキン押さえねじ
８８：カラー
８９：バックアップリング
９１、９２：円板
９３：右連結部
９４：左連結部
９５：インジケータスケール

Claims (2)

1. 流路を有するバルブボディと、
   前記バルブボディに設けられた弁座と上下動により当接して前記流路を開閉する弁体と、
   前記弁体を上下動させるアクチュエータと
   を備えた水素ステーションで用いる低温流体の開閉を行う制御弁であって、
   前記弁座と前記弁体の当接部のいずれかの表面にコーティングが施され、前記コーティングは、コーティングした部材の材質よりも熱伝導率が高い金属である金、銀または銅のいずれか１つであることを特徴とする制御弁。
2. 請求項１に記載の制御弁であって、前記コーティングがメッキによりなされていることを特徴とする制御弁。

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