JP7113652B2

JP7113652B2 - 減圧弁

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Publication number: JP7113652B2
Application number: JP2018078262A
Authority: JP
Inventors: 利賀剛久保; 哲中野; 侑也木原; 裕堀田; 顕山下
Original assignee: JTEKT Corp; Toyota Motor Corp
Current assignee: JTEKT Corp; Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-04-16
Filing date: 2018-04-16
Publication date: 2022-08-05
Anticipated expiration: 2038-04-16
Also published as: EP3557364B1; CN110388490B; US11098812B2; JP2019185584A; CN110388490A; US20190316698A1; EP3557364A1

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）として、入力ポート（一次ポート）と出力ポート（二次ポート）との間に弁機構を備えたものがある（例えば、特許文献１）。この減圧弁では、入力ポートから弁機構を介して減圧室（二次室）に流入したガスの圧力に基づいて減圧室内のピストンが摺動し、ピストンの摺動が、弁機構の弁の開き量を変更する。

これにより、入力ポート側の高圧ガスが減圧されて、弁機構を介し二次室に送出される。そして、減圧されたガスは、二次室から送出流路及び二次流路(出力流路)を介して出力ポートに送出され、その後、燃料電池本体に送出される。

また、特許文献１の減圧弁では、送出流路と二次流路(出力流路)との接続部（分岐部）から、補助流路が補助ポートに向かって分岐されている。特許文献１において、補助ポートは、弁機構における水素ガスのリークの有無をチェックするためのリークチェック用ポートであり、補助流路はリークチェック用流路である。さらに、リークチェック用流路（補助流路）の途中からは、リリーフ弁用の補助流路（リリーフ弁用流路）が分岐されている。

特開２０１７－２０４２４５号公報

しかしながら、接続部（分岐）で接続される送出流路、出力流路及びリークチェック用流路は、それぞれＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向に延在し、それぞれ相互に直交して配置されている。また、リリーフ弁用流路も、中心線がリークチェック用流路の中心線と直交して配置されている。これにより、各流路が形成される減圧弁のハウジングは、大型化し、延いては減圧弁が大型化している。また、各流路を加工によって形成する際、各流路の配置が複雑であるため、加工工数が増大し、加工コストが上昇する。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、送出流路、出力流路及び補助流路の配置を簡素なものとして、小型化を図るとともに、各流路の加工工数を低減して低コスト化を図った減圧弁を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、入力ポートにおける流体の圧力を減圧して出力ポートに送出する減圧弁であって、
前記入力ポート、前記入力ポートに接続される入力流路、前記入力流路に接続される減圧室、前記減圧室に接続される送出流路、前記送出流路から分岐される出力流路及び第一補助流路、前記第一補助流路から分岐される第二補助流路、前記出力流路に接続される前記出力ポート、前記第一補助流路に接続される第一補助ポート、並びに、前記第二補助流路に接続される第二補助ポートが形成されるハウジングと、
前記減圧室に設けられ、開き量を変更することにより前記送出流路に接続される前記減圧室の圧力を調整する弁機構と、
を備え、
前記送出流路、前記出力流路及び前記第一補助流路は、各中心線が第一平面上に配置され、
前記出力流路、前記第一補助流路及び前記第二補助流路は、各中心線が前記第一平面に直交する第二平面上に配置される、減圧弁にある。

本発明の一態様によれば、ハウジングの肉を削減することができるので、ハウジングの体格、延いては、減圧弁の体格を小さくできる。また、送出流路、出力流路、第一補助流路及び第二補助流路を容易に加工できる。これにより、加工工数及びコストが低減できる。

第一実施形態に係る減圧弁の全体概要図である。図１におけるII-II矢視断面図である。図１におけるIII-III矢視断面図である。図１におけるIV-IV矢視断面図である。第一実施形態における各流路の配置を説明する模式図である。変形例２の減圧弁における各流路の配置を説明する模式図である。変形例３の減圧弁における各流路の配置を説明する模式図である。第二実施形態の減圧弁における各流路の配置を説明する模式図である。

＜１．第一実施形態＞
（１－１.減圧弁１０の構成）
以下、減圧弁の第一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）１０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、高圧の水素ガスを減圧して燃料電池側に送出する。

また、図１，図２に示すように、減圧弁１０は、入力ポート２１及び出力ポート２２が形成されたハウジング２０と、ハウジング２０内において入力ポート２１と出力ポート２２との間に設けられた弁機構３０と、弁機構３０の開き量（開度）を調整する押圧機構４０と、リリーフバルブ６０とを備える。

なお、各図面においては、図面に対する理解を助けるため、方向を示すＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の矢印を記載している。そして、本実施形態においては、例えば、Ｚ軸方向が重力方向における上下方向を示し、Ｘ軸及びＹ軸方向が水平面における各方向を示すものとする。ただし、これはあくまで一例であってＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の方向は任意に設定すればよい。

（１－１－１.ハウジング２０）
図２に示すように、ハウジング２０には、入力ポート２１及び出力ポート２２に連通するとともに、外部に開口した丸穴状の収容穴２３が形成される。入力ポート２１から延びる入力流路２４は、収容穴２３の底面２３ａにおける中央に開口する。また、図３、図４に示すように、送出流路２５は、収容穴２３の底面２３ａにおける偏心した位置に開口する。送出流路２５と出力ポート２２との間には、出力流路２８が設けられる。図３，図４に示すように、出力流路２８は、収容穴２３の底面２３ａとは反対側の送出流路２５の端部に設けられた分岐部２９で分岐される。

また、ハウジング２０は、図３，図４に示すように、分岐部２９から分岐されたリークチェック用流路２０１（補助流路に相当する）及びリークチェック用ポート２０１ａ（補助ポートに相当する）を備える。リークチェック用ポート２０１ａは、外部と連通するリークチェック用流路２０１の開口部分である。リークチェック用ポート２０１ａは、ガスリーク量測定装置の接続ユニットを接続し、後に詳述する弁機構３０の閉弁時における水素ガスのリークの有無をリーク量測定装置によってチェックするためのポートである。本実施形態において、リークチェック用流路２０１の中心線Ｃ３は、出力流路２８の中心線Ｃ２と同軸となるよう配置される。詳細については、後に説明する。

さらに、ハウジング２０は、図３に示すように、リークチェック用流路２０１の途中から分岐したリリーフバルブ用流路２０２及びリリーフバルブ用のポート２０２ａを備える。本実施形態においては、リリーフバルブ用流路２０２は中心線Ｃ４がリークチェック用流路２０１の中心線Ｃ３及び送出流路２５の中心線Ｃ１とそれぞれ直交して配置される。

図２に示すように、入力流路２４における収容穴２３側の開口部分は、弁機構３０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る。具体的には、入力流路２４の開口部分は、入力流路２４の上流側（図２中、右側）から順に円筒状の第一収容部２６、及び第一収容部２６に連続するとともに底面２３ａに開口する円筒状の第二収容部２７を有する。第一及び第二収容部２６，２７は、内径がこの順で大きくなるとともに、それぞれ収容穴２３と同軸上に配置されるように形成される。

弁機構３０は、減圧室５１に設けられ、開き量を変更することにより送出流路２５に接続される減圧室５１の圧力を調整する。弁機構３０は、入力流路２４に収容される弁体３１と、第一収容部２６に収容される弁座３２と、第二収容部２７に収容されるプラグ３３と、プラグ３３内に配置されるバルブステム３４とを備える。

弁体３１は、有底略円筒状の本体部３５と、本体部３５の底部から下流側（図２中、左側）に向かって徐々に外形が小さくなるテーパ部分とされるとともにその先端が外径略一定に形成された当接部３６とを有する。弁体３１（本体部３５）の外径は、入力流路２４の内径よりもやや小さく設定されており、入力流路２４内で軸方向に摺動可能である。本体部３５内には、コイルバネ等の付勢部材３７が収容される。弁体３１は、付勢部材３７が入力流路２４の上流側に配置された棒状の支持部材３８と弁体３１との間で圧縮されることにより下流側に付勢される。

弁座３２は、弁孔３９を有して円環状に形成され、第一収容部２６内に圧入される。弁孔３９の内径は、当接部３６におけるテーパ部分の途中位置での外径と略等しく形成される。なお、弁座３２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。

プラグ３３は、円柱状に形成されており、弁座３２を圧縮しつつ第二収容部２７の内周に螺着されており、その一部が収容穴２３内に突出している。プラグ３３の中央には、軸方向に貫通する貫通孔３３ａが弁孔３９と同軸上に形成される。貫通孔３３ａの上流側部分は他の部分よりも小径とされ、その内径は弁孔３９の内径と略等しく設定される。また、プラグ３３における収容穴２３内に突出した突出部３３ｂには、径方向に延びて貫通孔３３ａと収容穴２３とを連通する流路孔３３ｃが形成される。

バルブステム３４は、細長の円柱状に形成された円柱部３４ａと、円柱部３４ａから下流側に突出する下流端部３４ｂと、円柱部３４ａから上流側に突出する上流端部３４ｃとを有する。円柱部３４ａの外径は、貫通孔３３ａの内径よりもやや小さく設定されており、貫通孔３３ａ内で軸方向に摺動可能である。

円柱部３４ａには、軸方向に延びる複数の流路孔３４ｄ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３４ｂの外径は、円柱部３４ａよりも小径の円柱状に形成される。上流端部３４ｃの外径は弁体３１の当接部３６における先端部分の外径と略等しく設定されており、上流端部３４ｃ及び当接部３６は、弁孔３９及び貫通孔３３ａ内に挿通されて互いに当接している。

押圧機構４０は、収容穴２３に固定されるシリンダ４１と、シリンダ４１内に摺動可能に収容されるピストン４２と、シリンダ４１とピストン４２との間に圧縮状態で配置されるコイルバネ４３とを備えている。

シリンダ４１は、有底円筒状に形成されている。シリンダ４１は、円筒部４１ａの外周部分が収容穴２３の内周に螺着されるとともに、底部４１ｂの外周部分にロックナット４４が螺着されることによりハウジング２０に固定される。なお、円筒部４１ａの開口部外周には、Ｏリング等のシール部材４５が装着されており、収容穴２３と外部との間の気密を確保している。シリンダ４１の内周面には、バネ設置穴４１ｃが形成される。

ピストン４２は有底円筒状に形成されるとともに、ピストン４２の外径はシリンダ４１の円筒部４１ａの内径と略等しく設定されている。ピストン４２は、円筒部４１ａ内に軸方向に摺動可能に収容されて円筒部４１ａ内を減圧室５１（二次室）と圧力調整室５２とに区画する。なお、ピストン４２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５３が装着されており、減圧室５１と圧力調整室５２との間の気密を確保する。また、圧力調整室５２は大気開放とされる。

ピストン４２における内周面には、バネ設置穴５４が形成される。そして、ピストン４２は、バルブステム３４の下流端部３４ｂに当接している。これにより、バルブステム３４及び弁体３１は、ピストン４２の摺動に応じて一体で移動する。

コイルバネ４３は、シリンダ４１及びピストン４２内のバネ設置穴４１ｃ，５４内に圧縮された状態で収容されている。具体的には、コイルバネ４３の一方の端面４３ａがバネ設置穴４１ｃの底面である座面４１ｄに当接するとともに、他方の端面４３ｂがバネ設置穴５４の底面である座面５４ａに当接した状態で圧縮配置される。そして、コイルバネ４３は、弁体３１が弁座３２から離座する、すなわち弁機構３０の開き量（開度）が大きくなるようにピストン４２を付勢している。

このように構成された減圧弁１０では、減圧室５１と圧力調整室５２の差圧、付勢部材３７及びコイルバネ４３の付勢力に応じてピストン４２が円筒部４１ａ内を摺動する。そして、ピストン４２の軸方向位置に応じて弁機構３０の開き量を調整することで、出力ポート２２の圧力（減圧室５１内の圧力）が所定圧を超えないようにしている。

しかし、上記において、出力ポート２２の圧力、即ち、出力ポート２２と接続されるリリーフバルブ用のポート２０２ａの圧力が所定圧を超えた場合には、リリーフバルブ６０が弁を開弁し出力ポート２２（リリーフバルブ用のポート２０２ａ）の圧力を開放する。

図３に示すように、リリーフバルブ６０は、ハウジング６１と、ピストン６２と、放出ポート６４と、バネ６５と、ガス透過膜６６と、を備える。ガス透過膜６６は、放出ポート６４側から異物がハウジング６１の中空部６１２内に侵入するのを抑制する。リリーフバルブ用のポート２０２ａにおける圧力が所定圧を超えると、超えた圧力によってピストン６２の弁体６２１が、開弁方向に付勢される。そして、ピストン６２が開弁方向に移動し弁体６２１が弁座６１１から離座する。

これにより、水素ガスが、弁座６１１と弁体６２１との間、及びハウジング６１内を通過し放出ポート６４から外部に放出される。従って、リリーフバルブ用のポート２０２ａ側の圧力が低下し、減圧弁１０の各部及び燃料電池本体が良好に保護される。このように、リリーフバルブ６０は、公知のリリーフ機能を有する通常のリリーフ弁である。よって、リリーフバルブ６０についての、これ以上の詳細な説明は省略する。

（１－１－２．各流路の詳細説明）
次に、本発明に係る各流路について、図２－図５に基づき詳細に説明する。上述したとおり、ハウジング２０は、図２－図４に示すように、水素ガスの流路として、入力ポート２１及び入力ポート２１に接続される入力流路２４を備える。また、ハウジング２０は、水素ガスの流路として、入力流路２４に接続される減圧室５１、減圧室５１に接続される送出流路２５、送出流路２５から分岐部２９で分岐される出力流路２８及びリークチェック用流路２０１（補助流路に相当する）を備える。また、ハウジング２０は、出力流路２８の開口部である出力ポート２２と、リークチェック用流路２０１の開口部であるリークチェック用ポート２０１ａ（補助ポートに相当する）を備える。

さらに、図３に示すように、ハウジング２０は、上述したとおり、リークチェック用流路２０１の途中から分岐したリリーフバルブ用流路２０２及びリリーフバルブ用のポート２０２ａを備える。本実施形態においては、リリーフバルブ用流路２０２は、中心線Ｃ４がリークチェック用流路２０１の中心線Ｃ３及び送出流路２５の中心線Ｃ１とそれぞれ直交して配置される。そして、上記の各流路を模式図に記載すると図５に示すようになる。

図５に示すように、第一実施形態においては、送出流路２５、出力流路２８及びリークチェック用流路２０１（補助流路）の各中心線Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３が、同一のＸ－Ｙ平面上に配置されるとともに、出力流路２８及びリークチェック用流路２０１の中心線Ｃ２，Ｃ３は同軸で形成されている。なお、上述したように、Ｘ－Ｙ平面は、例えば水平面であるものとする。また、リリーフバルブ用流路２０２の中心線Ｃ４が、Ｘ－Ｙ平面と直交するＹ－Ｚ平面上に配置されている。このとき、例えば、Ｙ－Ｚ平面は、重力方向において垂直な面（鉛直面）であるものとする。

各流路２５，２８，２０１，２０２を上記のように配置することにより、ハウジング２０では、Ｚ軸方向において、リリーフバルブ用流路２０２を形成するための肉を一部分、必要とするが、リリーフバルブ用流路２０２以外の部分では大きな肉厚を必要としない。つまり、Ｚ軸方向においては、薄肉があれば、送出流路２５，出力流路２８（出力ポート２２）及びリークチェック用流路２０１（リークチェック用ポート２０１ａ）が形成できる。

このため、ハウジング２０の小型化、及び軽量化が図られる。また、出力流路２８及びリークチェック用流路２０１が同軸で配置される。これにより、出力流路２８及びリークチェック用流路２０１の加工が同時にできる。また、出力流路２８及びリークチェック用流路２０１は、貫通孔で形成されるので、切粉の排出も容易である。また、送出流路２５との分岐部２９が出力ポート２２及びリークチェック用ポート２０１ａから目視で確認できるとともに、バリの発生があった場合に除去もしやすい。

（１－２.第一実施形態による効果）
上記、第一実施形態によれば、入力ポート２１、入力ポート２１に接続される入力流路２４、入力流路２４に接続される減圧室５１、減圧室５１に接続される送出流路２５、送出流路２５から分岐される出力流路２８及び補助流路（リークチェック用流路２０１）、出力流路２８に接続される出力ポート２２、並びに、補助流路（リークチェック用流路２０１）に接続される補助ポート（２０１ａ）が形成されるハウジング２０と、減圧室５１に設けられ、開き量を変更することにより送出流路２５に接続される減圧室５１の圧力を調整する弁機構３０と、を備える。そして、送出流路２５、出力流路２８及び補助流路（リークチェック用流路２０１）は、各中心線（Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３）が同一平面上に配置される。

このため、従来技術のように、三つの流路が、それぞれ直交して配置される際に必要となるハウジングの肉の量が大幅に削減できる。従って、ハウジング２０においては、直交する三方向のうちの一方向の厚みを薄くすることができるので、ハウジング２０の体格、延いては、減圧弁１０の体格を小型化できる。また、送出流路２５、出力流路２８及び補助流路（リークチェック用流路２０１）が、同一平面上に配置されるので、各流路（２５，２８，２０１）を加工する際、加工機のテーブルを回転させるだけで、これらの流路の加工ができる。これにより、加工工数及びコストが低減できる。

また、上記第一実施形態によれば、出力流路２８及び補助流路（リークチェック用流路２０１）は中心線Ｃ２，Ｃ３が同軸で形成される。このため、出力流路２８から補助流路（リークチェック用流路２０１）まで貫通孔となるため、加工時において、加工がし易い。また、切粉の排出も容易である。さらに、送出流路２５との分岐部２９が出力ポート２２及びリークチェック用ポート２０１ａから目視で確認しやすい。

また、上記第一実施形態によれば、補助流路は、弁機構３０の閉弁時におけるリークチェック用の補助ポート２０１ａに接続されるリークチェック用流路２０１である。これにより、上記実施形態と同様の効果が得られる。

（１－３．変形例１）
次に、第一実施形態の変形例１について説明する。第一実施形態の減圧弁１０では、送出流路２５，出力流路２８及びリークチェック用流路２０１（補助流路）の三つの流路が、同一平面（Ｘ－Ｙ平面）上に配置されるとともに、出力流路２８及びリークチェック用流路２０１が同軸となるよう配置された。しかし、この態様には限らず、変形例１（図略）として、送出流路２５、出力流路２８及びリークチェック用流路２０１（補助流路）の三つの流路が同一平面（Ｘ－Ｙ平面）上に配置されるのみであって、出力流路２８及びリークチェック用流路２０１は同軸に配置されなくてもよい。これによっても、上述した同軸による効果以外の効果は十分得られる。

（１－４．変形例２）
また、第一実施形態の変形例２（図６参照）として、「補助流路」が、リークチェック用流路２０１ではなく、リリーフバルブ用流路２０２でもよい。ただし、この場合、リリーフバルブ６０の放出ポート６４が重力方向下方に向けて水素ガスを放出するよう配置されることが好ましい。これにより、第一実施形態に対し、Ｚ軸方向とＹ軸方向とを入れ替える。

このため、変形例２のハウジング２０では、Ｙ軸方向において、リークチェック用流路２０１を形成するための肉を一部分、必要とするが、リークチェック用流路２０１以外の部分では大きな肉厚を必要としない。つまり、Ｙ軸方向においては、薄肉があれば、送出流路２５，出力流路２８（出力ポート２２）及びリリーフバルブ用流路２０２（リリーフバルブ用ポート２０２ａ）が形成できる。これによっても、第一実施形態と同様の効果が期待できる。

（１－５．変形例３）
また、第一実施形態の変形例３として、リークチェック用流路２０１を「第一の補助流路」とし、リリーフバルブ用流路２０２を「第二の補助流路」としてもよい。つまり、図７の模式図に示すように、送出流路２５、出力流路２８、リークチェック用流路２０１（第一の補助流路）及びリリーフバルブ用流路２０２（第二の補助流路）の四つの流路を同一平面（図７においてＹ－Ｚ平面）上に配置するようにしてもよい。これによって、小型化及び軽量化に対する効果は最も大きくなる。

＜２．第二実施形態＞
次に、第二実施形態について説明する。第二実施形態の減圧弁では、図８の模式図に示すように、補助流路が、弁機構３０の閉弁時におけるリークチェック用の補助ポート３０１ａに接続されるリークチェック用流路３０１、及びリリーフバルブ用の補助ポート３０２ａに接続されるリリーフバルブ用流路３０２であっても良い。

このとき、出力ポート１２２へ延びる出力流路１２８は、例えば、分岐部１２９に接続する送出流路１２５と直交するとともに分岐部１２９で分岐されるリークチェック用流路３０１、及びリリーフバルブ用流路３０２とも直交するよう配置される。つまり、送出流路１２５、リークチェック用流路３０１及びリリーフバルブ用流路３０２は、各中心線Ｃ１，Ｃ３，Ｃ４が同一平面（Ｘ－Ｚ平面）上に配置される。このような配置によっても、第一実施形態と同様、減圧弁の小型化が図られる。

また、上記第二実施形態において、リークチェック用流路３０１及びリリーフバルブ用流路３０２は、各中心線Ｃ３，Ｃ４は同軸となるよう配置される。これにより、第一実施形態における同軸による効果と同様の効果が得られる。

１０；減圧弁、２０；ハウジング、２１；入力ポート、２２，１２２；出力ポート、２４；入力流路、２５，１２５；送出流路、２８，１２８；出力流路、２９，１２９；分岐部、３０；弁機構、３１；弁体、３２；弁座、４２；ピストン、５１；減圧室、６０；リリーフバルブ、２０１，３０１；補助流路（リークチェック用流路）、２０１ａ，３０１ａ；補助ポート（リークチェック用ポート）、２０２，３０２；補助流路（リリーフバルブ用流路）、２０２ａ，３０２ａ；補助ポート（リリーフバルブ用ポート）、Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３；中心線。

Claims

入力ポートにおける流体の圧力を減圧して出力ポートに送出する減圧弁であって、
前記入力ポート、前記入力ポートに接続される入力流路、前記入力流路に接続される減圧室、前記減圧室に接続される送出流路、前記送出流路から分岐される出力流路及び第一補助流路、前記第一補助流路から分岐される第二補助流路、前記出力流路に接続される前記出力ポート、前記第一補助流路に接続される第一補助ポート、並びに、前記第二補助流路に接続される第二補助ポートが形成されるハウジングと、
前記減圧室に設けられ、開き量を変更することにより前記送出流路に接続される前記減圧室の圧力を調整する弁機構と、
を備え、
前記送出流路、前記出力流路及び前記第一補助流路は、各中心線が第一平面上に配置され、
前記出力流路、前記第一補助流路及び前記第二補助流路は、各中心線が前記第一平面に直交する第二平面上に配置される、減圧弁。
前記出力流路及び前記第一補助流路は、中心線が同軸で形成される、請求項１に記載の減圧弁。
前記第二補助流路は、前記第一補助流路の途中から分岐される、請求項１又は２に記載の減圧弁。
前記第一補助流路及び前記第二補助流路の一方は、前記弁機構の閉弁時におけるリークチェック用の補助ポートに接続されるリークチェック用流路であり、
前記第一補助流路及び前記第二補助流路の他方は、リリーフバルブ用の補助ポートに接続されるリリーフバルブ用流路である、請求項１～３の何れか１項に記載の減圧弁。