JP7053280B2 - 弁装置 - Google Patents

Description

本発明は、弁装置に関するものである。

従来、燃料電池車に用いられる水素ガス等、高圧ガスの圧力調整に用いられる弁装置として、ガスの入り口である一次ポートとガスの出口である二次ポートとの間に設けられた弁機構と、弁機構の弁体を押圧してその開き量を調整する押圧機構とを備えたものがある。

特許文献１に記載される弁装置の押圧機構は、シリンダ内を往復動可能に収容されたピストンと、シリンダと同軸上に配置され、ピストンを弁機構側へ付勢するコイルばねとを備えている。

上記の弁装置では、一次ポートに流入した高圧ガスの圧力に基づいてピストンがシリンダ内を往復動し、ピストンの位置に基づいて弁機構の開き量を調整することにより高圧ガスが減圧されて二次ポートから送出される。

特開２００９－１５７６９２号公報

ところでコイルばねは、その中心軸に沿って圧縮した場合であっても、有効巻き数や形状等に応じて、コイルばねの中心軸に沿った力以外に、コイルばねの中心軸と交わる方向の力、すなわち横力が発生する。そのため、コイルばねを圧縮した際にピストンに作用するコイルばねの付勢力の方向は、コイルばねの中心軸に対して僅かに傾く。その結果、ピストンがシリンダの軸線と交差する方向に付勢され、ひいてはピストンがシリンダの軸線に対して傾斜してしまうおそれがある。

その点、特許文献１の弁装置では、ピストンに作用するコイルばねの付勢力の方向をコイルばねの軸線に沿う方向となるようにコイルばねの有効巻き数を調整することで、ピストンの傾斜を抑制している。

しかし、ピストンの傾斜を抑制するため、弁装置の製品仕様毎に有効巻き数等、コイルばねの構成を変更するのは手間がかかる。
本発明の目的は、簡易な構成によりピストンの傾斜が抑制できる弁装置を提供することである。

［１］上記目的を達成し得る弁装置は、シリンダと、前記シリンダの内部を往復動可能に収容されるピストンと、前記ピストンを付勢するとともに前記シリンダ及び前記ピストンの軸線と同軸上に設けられるコイルばねとを備え、前記軸線が鉛直方向に沿って延びる仮想線に交わる弁装置を前提としている。前記コイルばねは、前記コイルばねの端部が当接しているピストンの座面に対して作用する前記コイルばねの横力が鉛直方向の上側に向けて作用する状態で、前記ピストンの座面に当接している。

この構成によれば、コイルばねの横力は、ピストンの重力により弱められる。そのため、ピストンに作用するコイルばねの付勢力の方向を、第１のコイルばねの軸線に沿った方向により近づけることができる。このため、簡易な構成によりピストンの傾斜が抑制できる。

［２］上記［１］の構成を有する弁装置において、前記シリンダが設けられているとともにガス流路が設けられているボディを更に備え、前記シリンダの内部に前記ピストンが収容されている状態で、前記ピストンと前記ボディとの間には前記ガス流路の一部分が設けられ、前記ガス流路における前記シリンダよりも上流側には、前記ガス流路を開閉するとともに前記軸線と同軸上に設けられる弁機構が設けられ、前記弁機構は、前記コイルばねを第１のコイルばねとしたとき、前記ガス流路の途中に設けられている弁座と、前記ピストンの往復動に応じて前記弁座に離着座するとともに前記弁座よりも上流側に設けられる弁体と、前記弁体を前記弁座側へ付勢する第２のコイルばねとを備え、前記第２のコイルばねは、前記第２のコイルばねの端部が当接している前記弁体の座面に対して作用する前記第２のコイルばねの横力が鉛直方向の上側に向けて作用する状態で、前記弁体の座面に当接していることが好ましい。

この構成によれば、第２のコイルばねの横力は、弁体の重力により弱められる。そのため、弁体に作用する第２のコイルばねの付勢力の方向を、第２のコイルばねの軸線に沿った方向により近づけることができる。すなわち、ピストンの傾斜を抑制しつつ弁体の傾斜も抑制できる。

本発明の弁装置によれば、簡易な構成によりピストンの傾斜が抑制できる。

弁装置の断面図。 弁機構の構成を示した断面図。 第１のコイルばねにおける横力の方向を示した図。

以下、弁装置の一実施形態を説明する。
図１に示すように、弁装置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の間に設けられる装置である。弁装置１は、水素タンクに貯留される高圧（例えば８０Ｍｐａ程度）の水素ガスを減圧（例えば１Ｍｐａ程度）して燃料電池に送出する機能を有している。弁装置１は、鉛直方向（図１の上下方向）に沿って延びる仮想線Ｌ１に対して、弁装置１の軸線Ｌ２が直交するように車両に搭載されている。すなわち、弁装置１は、地面に対して水平をなしている。なお、鉛直下方向は、重力方向であり、鉛直上方向とは、反重力方向である。また、鉛直上方向は、鉛直方向の上側の一例である。

弁装置１は、ボディ１０と、弁機構２０と、押圧機構３０とを備えている。
ボディ１０には、ガスの入り口である一次ポート１１、供給流路１２、有底円筒状の収容穴１３、送出流路１４、及びガスの出口である二次ポート１５が弁装置１の上流側から下流側に向けてこの順番で設けられている。

供給流路１２は、一次ポート１１から収容穴１３の底面１３ａに向けて延びている。供給流路１２は、収容穴１３と同軸上に、換言すれば弁装置１の軸線Ｌ２上に設けられている。供給流路１２は、収容穴１３の底面１３ａにおける中央に開口している。供給流路１２は、収容穴１３側へ向かうにつれて段階的に内径が大きくなる。具体的には、供給流路１２には、円筒状の第１の収容部１２ａ、有底円筒状の第２の収容部１２ｂ、及び有底円筒状の第３の収容部１２ｃが一次ポート１１から収容穴１３に向けてこの順番で形成されている。

第１の収容部１２ａは、第２の収容部１２ｂの底面１２ｄに開口している。第２の収容部１２ｂの内径は、第１の収容部１２ａの内径よりも大きい。第２の収容部１２ｂの第１の収容部１２ａと反対側の開口部は、第３の収容部１２ｃの底面１２ｅに開口している。第３の収容部１２ｃの内径は、第２の収容部１２ｂの内径よりも大きい。第３の収容部１２ｃの内周面には、雌ねじ１２ｆが設けられている。

収容穴１３は、軸線Ｌ２に沿って延びており、供給流路１２と反対側に向けて開口している。収容穴１３の開口端部の内周面の一部分には、雌ねじ１３ｂが設けられている。
送出流路１４は、収容穴１３の底面１３ａから二次ポート１５に向けて延びており、二次ポート１５に接続されている。送出流路１４は、収容穴１３の底面１３ａにおける軸線Ｌ２から偏心した位置に開口している。なお、供給流路１２及び送出流路１４は、ガス流路の一例である。

弁機構２０は、弁装置１の軸線Ｌ２と同軸上に設けられている。弁機構２０は、供給流路１２に収容される。弁機構２０は、供給流路１２を開閉する機能を有している。弁機構２０は、弁座２１と、弁体２２と、プラグ２３と、バルブステム２４と、第２のコイルばね２５とを有している。

図２に示すように、弁座２１は、ガス流路の途中に設けられている。弁座２１は、第２の収容部１２ｂに収容されている。弁座２１には、その中央部分に供給流路１２を連通する弁孔２１ａが設けられている。

弁体２２は、供給流路１２の第１の収容部１２ａに収容されている。弁体２２は、有底円筒状をなしている。弁体２２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いる。そのため、弁体２２は、供給流路１２内で軸方向移動可能である。弁体２２は、当接部２２ａと、有底筒状の本体部２２ｂとを有している。

当接部２２ａは、本体部２２ｂよりも弁座２１側に設けられている。当接部２２ａは、テーパ部２２ｃと、円柱部２２ｄとを有している。テーパ部２２ｃは、本体部２２ｂから弁座２１側に向かうにつれて徐々に外径が縮径されている。テーパ部２２ｃは、弁座２１に離着座することにより弁座２１の弁孔２１ａを開閉する部分である。円柱部２２ｄは、テーパ部２２ｃから弁座２１側に向かって延びている。円柱部２２ｄは、外径が一定に保たれている。円柱部２２ｄの外径は、弁座２１の弁孔２１ａの内径よりも小さい。

本体部２２ｂは、有底穴２２ｅを有している。有底穴２２ｅは、供給流路１２の一次ポート１１側に開口している。有底穴２２ｅには、第２のコイルばね２５が収容されている。第２のコイルばね２５は、供給流路１２の上流側に配置された棒状の支持部材８０の先端面８０ａと弁体２２の有底穴２２ｅの底面２２ｆとの間に圧縮された状態で収容されている。弁体２２は、第２のコイルばね２５により弁座２１側へ付勢されている。なお、第２のコイルばね２５の端部が当接している有底穴２２ｅの底面２２ｆは、弁体２２の座面の一例である。

プラグ２３は、円筒状をなしている。プラグ２３の外周面には、雄ねじ２３ａが設けられている。プラグ２３は、第３の収容部１２ｃに収容されている。具体的には、プラグ２３の雄ねじ２３ａは、第３の収容部１２ｃの雌ねじ１２ｆに螺合されている。プラグ２３は、第３の収容部１２ｃに収容された状態で、収容穴１３の内部に一部分が突出している。また、プラグ２３は、弁座２１を第２の収容部１２ｂの底面１２ｄに向けて付勢している。このため、弁座２１はプラグ２３と底面１２ｄとの間に圧縮された状態で収容されている。プラグ２３の中央には、軸線Ｌ２に沿った方向に貫通する貫通孔２３ｂが設けられている。貫通孔２３ｂの上流側部分は、貫通孔２３ｂの下流側部分よりも小径となっている。貫通孔２３ｂの上流側部分の内径は、弁座２１の弁孔２１ａの内径と等しい。また、プラグ２３の収容穴１３の内部に突出している突出部２３ｃには、貫通孔２３ｂと収容穴１３とを連通する流路孔２３ｄが設けられている。流路孔２３ｄは、軸線Ｌ２に直交する方向に沿って延びている。

バルブステム２４は、プラグ２３の貫通孔２３ｂの内部に収容されている。バルブステム２４は、円柱部２４ａと、下流端部２４ｂと、上流端部２４ｃとを有している。
円柱部２４ａの外径は、貫通孔２３ｂの内径よりも小さい。そのため、バルブステム２４は、貫通孔２３ｂ内を軸線Ｌ２に沿って移動可能である。円柱部２４ａには、軸線Ｌ２に沿って延びる複数の流路孔２４ｄが設けられている。複数の流路孔２４ｄは、軸線Ｌ２回りに等角度間隔で設けられている。

下流端部２４ｂは、円柱状をなしている。下流端部２４ｂは、円柱部２４ａから下流側に突出している。下流端部２４ｂの外径は、円柱部２４ａよりも小さい。
上流端部２４ｃは、円柱状をなしている。上流端部２４ｃは、円柱部２４ａから上流側に突出している。上流端部２４ｃの外径は、円柱部２４ａよりも小さい。また、上流端部２４ｃの外径は、弁体２２の円柱部２２ｄの外径と等しい。上流端部２４ｃ及び弁体２２の円柱部２２ｄは、弁座２１の弁孔２１ａ及びプラグ２３の貫通孔２３ｂの上流側部分の内部に挿通されている。上流端部２４ｃ及び円柱部２２ｄは、互いに軸線Ｌ２に沿った方向で当接している。

図１に示すように、押圧機構３０は、弁装置１の軸線Ｌ２と同軸上に設けられている。押圧機構３０は、収容穴１３に収容される。押圧機構３０は、弁機構２０の開度を調整する機能を有している。押圧機構３０は、シリンダ３１と、ピストン３２と、第１のコイルばね３３とを備えている。

シリンダ３１は、有底円筒状をなしている。シリンダ３１の外周面の一部分には、雄ねじ３１ａが設けられている。シリンダ３１は、その開口端部を収容穴１３の開口端部に突き合わせるかたちで収容穴１３の内部に設けられている。具体的には、シリンダ３１は、シリンダ３１の雄ねじ３１ａを収容穴１３の雌ねじ１３ｂに螺合することにより、収容穴１３の内部に収容されている。なお、シリンダ３１の開口端部の外周には、Ｏリング等のシール部材６１が装着されている。シール部材６１により収容穴１３と外部との間の気密が確保されている。シリンダ３１の内部には、ばね設置穴３１ｂが設けられている。

ピストン３２は、有底円筒状をなしている。ピストン３２は、その開口端部をシリンダ３１の開口端部に突き合わせるかたちでシリンダ３１の内部に設けられている。ピストン３２の外径は、シリンダ３１の内径よりも小さく設定されている。ピストン３２は、軸線Ｌ２に沿った方向において往復動可能にシリンダ３１の内部に収容されている。ピストン３２は、シリンダ３１の内部に収容されることにより、シリンダ３１の内部を減圧室Ｇ１と、圧力調整室Ｇ２とに区画している。減圧室Ｇ１は、ピストン３２の外底面３２ａと、収容穴１３の底面１３ａと、収容穴１３の内周面とで囲まれることで設けられている。減圧室Ｇ１は、ガス流路の一部分の一例である。なお、ピストン３２の外周には、ウェアリングやリップシール等のシール部材６２が装着されている。シール部材６２により減圧室Ｇ１と圧力調整室Ｇ２との間の気密が確保されている。ピストン３２の内部には、ばね設置穴３２ｂが設けられている。また、ピストン３２の外底面３２ａは、バルブステム２４の下流端部２４ｂに当接している。これにより、バルブステム２４及び弁体２２は、ピストン３２の軸線Ｌ２に沿った往復動に応じて一体的に移動可能となる。

第１のコイルばね３３は、シリンダ３１のばね設置穴３１ｂの底面３１ｃと、ピストン３２のばね設置穴３２ｂの底面３２ｃとの間に圧縮された状態で収容されている。このとき、第１のコイルばね３３の一方の端部３３ａがばね設置穴３１ｂの底面３１ｃと当接している。また、第１のコイルばね３３の他方の端部３３ｂがばね設置穴３２ｂの底面３２ｃと当接している。第１のコイルばね３３は、ピストン３２を上流側へ向けて付勢している。なお、第１のコイルばね３３が当接しているピストン３２のばね設置穴３２ｂの底面３２ｃは、ピストン３２の座面の一例である。

このように構成された弁装置１では、減圧室Ｇ１と圧力調整室Ｇ２の差圧、第２のコイルばね２５及び第１のコイルばね３３の付勢力に応じてピストン３２がシリンダ３１の内部を往復動する。そして、ピストン３２の軸線Ｌ２に沿った方向における位置に応じて弁機構２０の開度を調整することで、減圧室Ｇ１側の圧力が所定圧を超えないようにしている。

ここで、図３に示すように、第１のコイルばね３３は、その軸線Ｌ３に沿って均一に圧縮した場合であっても、軸線Ｌ３に沿った軸方向力Ｆｌ以外に、軸線Ｌ３に直交する方向の横力Ｆｓが発生する。横力Ｆｓの軸線Ｌ３と直交する平面内での方向は、第１のコイルばね３３の諸元に応じて一義的に決まる。第１のコイルばね３３を圧縮した際に発生する全体の付勢力Ｆｃの方向は、軸線Ｌ３に対して僅かに傾く。付勢力Ｆｃは、軸方向力Ｆｌ及び横力Ｆｓの合成力である。また、軸方向力Ｆｌ、横力Ｆｓ、及び付勢力Ｆｃの関係性は、第２のコイルばね２５においても同様である。すなわち、付勢力Ｆｃが軸線Ｌ３に対して傾斜することにより、ピストン３２及び弁体２２が軸線Ｌ２に対して傾斜するおそれがある。

その点、図１に示すように、第１のコイルばね３３は、その軸線Ｌ３が弁装置１の軸線Ｌ２に一致している。ピストン３２のばね設置穴３２ｂの底面３２ｃには、第１のコイルばね３３の横力Ｆｓが作用している。第１のコイルばね３３の横力Ｆｓは、鉛直上方向に沿って作用している。すなわち、第１のコイルばね３３の横力Ｆｓは、反重力方向に作用している。具体的には、第１のコイルばね３３は、第１のコイルばね３３の横力Ｆｓが鉛直上方向となるように軸線Ｌ２回りの回転位相を調整した上でシリンダ３１とピストン３２との間に圧縮された状態で設けられている。

第２のコイルばね２５も、その軸線Ｌ３が弁装置１の軸線Ｌ２に一致している。弁体２２の有底穴２２ｅの底面２２ｆには、第２のコイルばね２５の横力Ｆｓが作用している。第２のコイルばね２５の横力Ｆｓは、鉛直上方向に沿って作用している。すなわち、第２のコイルばね２５の横力Ｆｓは、反重力方向に作用している。具体的には、第２のコイルばね２５は、第２のコイルばね２５の横力Ｆｓが鉛直上方向となるように軸線Ｌ２回りの回転位相を調整した上で弁体２２と支持部材８０との間に圧縮された状態で設けられている。

本実施形態の作用及び効果について説明する。
（１）第１のコイルばね３３の横力Ｆｓは、ピストン３２の重力により弱められる。そのため、ピストン３２に作用する第１のコイルばね３３の付勢力Ｆｃの方向を、第１のコイルばね３３の軸線Ｌ３に沿った方向により近づけることができる。そのため、簡易な構成によりピストン３２の傾斜が抑制できる。

（２）第２のコイルばね２５の横力Ｆｓは、弁体２２の重力により弱められる。そのため、弁体２２に作用する第２のコイルばね２５の付勢力Ｆｃの方向を、第２のコイルばね２５の軸線Ｌ３に沿った方向により近づけることができる。すなわち、ピストン３２の傾斜を抑制しつつ弁体２２の傾斜も抑制できる。

（３）ピストン３２の軸線Ｌ２に対する傾斜を抑制できるため、ピストン３２の外周に設けられているシール部材６２が、シリンダ３１の内周面との間で偏摩耗することを抑制できる。

（４）また、車両走行中には、弁装置１に振動が伝わる。そのため、ピストン３２がシリンダ３１の内部で鉛直方向に沿って振動し、ひいてはピストン３２の外周面とシリンダ３１の内周面とが接触することで異音が生じるおそれがある。弁装置１では、ピストン３２の重力と横力Ｆｓとが互いにつり合う方向に作用しているため、ピストン３２の鉛直方向に沿った振動が抑制される。ひいては、弁装置１に生じる異音を抑制できる。

なお、本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変形例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
・本実施形態において、第１のコイルばね３３は、横力Ｆｓが水平よりも鉛直方向の上側に向くように軸線Ｌ２回りの回転位相を調整してもよい。

・また、弁装置１の軸線Ｌ２は、仮想線Ｌ１に対していくらか角度をなすように交わっていてもよい。すなわち、仮想線Ｌ１に対して軸線Ｌ２が交わるように設けられていればどのように設けてもよい。このとき、横力Ｆｓの鉛直上方向成分が発生するように第１のコイルばね３３及び第２のコイルばね２５の軸線Ｌ２回りの回転位相を調整した上で、第１のコイルばね３３を底面３２ｃに、第２のコイルばね２５を底面２２ｆに当接させる。

すなわち、横力Ｆｓが作用する方向が反重力方向でなくてもよい。横力Ｆｓの鉛直上方向成分が発生する、換言すると横力Ｆｓが鉛直方向の上側に作用するように第１のコイルばね３３をピストン３２の底面３２ｃに当接させ、第２のコイルばね２５を弁体２２の底面２２ｆに当接させていれば、どのように構成してもよい。

・また、第２のコイルばね２５の横力Ｆｓを鉛直方向の上側に作用させなくてもよい。第１のコイルばね３３の横力Ｆｓが鉛直方向の上側に作用していればよい。
・本実施形態において、弁装置１は、燃料電池自動車に搭載されるものとしていたが、これに限らない。例えば、高圧ガスの圧力調整が必要となる装置に適用してもよい。

・本実施形態において、シリンダ３１は、収容穴１３の内部に収容されていたが、例えば、収容穴１３の開口部に有底円筒状のカバーを設け、収容穴１３とカバーの有底穴とでシリンダを形成してもよい。このとき、ボディ１０の収容穴１３の開口部と、カバーの開口部との間の気密が保たれるようにする。

１…弁装置、１０…ボディ、１１…一次ポート、１２…供給流路、１３…収容穴、１４…送出流路、１５…二次ポート、２０…弁機構、２１…弁座、２２…弁体、２２ｆ…底面、２５…第２のコイルばね、３０…押圧機構、３１…シリンダ、３２…ピストン、３２ｃ…底面、３３…第１のコイルばね、Ｌ１…仮想線、Ｌ２，Ｌ３…軸線、Ｆｓ…横力。

Claims (1)

1. シリンダと、前記シリンダの内部を往復動可能に収容されるピストンと、前記ピストンを付勢するとともに前記シリンダ及び前記ピストンの軸線と同軸上に設けられるコイルばねとを備え、前記軸線が鉛直方向に沿って延びる仮想線に交わる弁装置において、
   前記コイルばねは、前記コイルばねの端部が当接しているピストンの座面に対して作用する前記コイルばねの横力が鉛直方向の上側に向けて作用する状態で、前記ピストンの座面に当接しており、
   前記シリンダが設けられているとともにガス流路が設けられているボディを更に備え、
   前記シリンダの内部に前記ピストンが収容されている状態で、前記ピストンと前記ボディとの間には前記ガス流路の一部分が設けられ、
   前記ガス流路における前記シリンダよりも上流側には、前記ガス流路を開閉するとともに前記軸線と同軸上に設けられる弁機構が設けられ、
   前記弁機構は、前記コイルばねを第１のコイルばねとしたとき、前記ガス流路の途中に設けられている弁座と、前記ピストンの往復動に応じて前記弁座に離着座するとともに前記弁座よりも上流側に設けられる弁体と、前記弁体を前記弁座側へ付勢する第２のコイルばねとを備え、
   前記第２のコイルばねは、前記第２のコイルばねの端部が当接している前記弁体の座面に対して作用する前記第２のコイルばねの横力が鉛直方向の上側に向けて作用する状態で、前記弁体の座面に当接している
   弁装置。

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