JP7539263B2 - ガス用ケーシング、及びタンクバルブ装置 - Google Patents

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Description

本発明は、ガスが流れるガス用ケーシング、及びタンクバルブ装置に関する。
ケーシングは、交差部分を有している。交差部分は、ガスが流れる2つの流路部が互いに交差する部分である。この交差部分では、一方の流路部において他方の流路部が開口する開口部分(即ち、エッジ部分)に応力が集中する。即ち、2つの流路部の内面がガスによって外側に広げられることにより、各流路部に作用する引張応力の相乗効果により開口部分に応力が集中する。応力集中の対策として、例えば特許文献1のボディが知られている。特許文献1のボディでは、円筒状空間の軸方向に見て、流路が円筒状空間法線に対して傾けて形成されている。これにより、開口部分における応力集中を抑制している。
特許第5040826号明細書
特許文献1のボディでは、流路が円筒状空間法線に対して傾けて形成されているので、流路の内面に沿ってガスが流れ込む。更に、流路が断面円形状である。それ故、流路内に旋回流が生じる。この旋回流によって流路の圧力損失が大きくなる。従って、特許文献1のボディとは異なる形態で、交差部分の応力集中を抑制することが好ましい。
そこで本発明は、2つの流路部の交差部分における応力集中を抑制することができるガス用ケーシング、及びタンクバルブ装置を提供することを目的としている。
本発明のガス用ケーシングは、ガスが流れる第1流路部と、前記第1流路部と交差する第2流路部とを備え、前記第1流路部は、前記第2流路部と交差する交差部分を有し、前記交差部分は、断面角丸四角状に形成されて平坦部分を含み、前記第2流路部は、前記平坦部分で開口するように前記第1流路部と交差しているものである。
本発明によれば、交差部分が膨張する際、断面角丸四角状の平坦部分が撓むように変形する。即ち、平坦部分の内周が圧縮するように変形するので、第2流路部が開口する部分に作用する応力集中を抑制することができる。
本発明のタンクバルブ装置は、ガスが貯留されるタンクの口部に設けられ、前記ガスを送出させる流路を有するバルブブロックと、前記バルブブロックに設けられ、前記流路とタンク内との間を連通及び遮断を切換え可能な遮断弁と、を備え、前記流路は、互いに交差する第1流路部と第2流路部とを有し、前記第1流路部は、前記第2流路部と交差する交差部分を有し、前記交差部分は、平坦部分を有し、前記第2流路部は、前記平坦部分にて開口するように前記第1流路部と交差している、ものである。
本発明によれば、交差部分が膨張する際、平坦部分が撓むように変形する。即ち、平坦部分の内面が圧縮するように変形するので、第2流路部が開口する部分に作用する応力集中を抑制することができる。
本発明によれば、2つの流路部の交差部分における応力集中を抑制することができる。
本発明のケーシングの一部分を示す断面図である。 図1のケーシングが備える流路を抜き出して示す斜視図である。 図2の流路を切断して示す断面図である。 本発明を適用したタンクバルブ装置を示す断面図である。
以下、本発明に係る実施形態のガス用ケーシング1、及びそれが適用されたタンクバルブ装置100を前述する図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明で用いる方向の概念は、説明する上で便宜上使用するものであって、発明の構成の向き等を記載される方向に限定するものではない。また、以下に説明するケーシング1、及びタンクバルブ装置100は、本発明の一実施形態に過ぎない。従って、本発明は以下の実施形態に限定されず、発明の趣旨を逸脱しない範囲で追加、削除、変更が可能である。
<ケーシング>
図1に示すガス用ケーシング1(以下、単に「ケーシング」という)は、例えば後述するタンクバルブ装置100のバルブブロック111及びガス用機器のケーシング等で適用される。ケーシング1は、ケーシング本体2と流路3とを備えている。ケーシング本体2は、金属製(例えば、アルミ製又はステンレス製等)である。なお、本実施形態において、ケーシング本体2は、アルミ製(即ち、アルミニウム又はアルミニウム合金から成るもの)である。
流路3は、ケーシング本体2に形成されている。流路3には、水素や天然ガスなどのガスが流れる。第1流路部11、第2流路部12、及び第3流路部13を有している。第1流路部11は、所定の第1軸線L11に沿う方向(軸線方向であり、所定方向の一例)に延在している。
図2に示すように、第1流路部11は交差部分14を有する。交差部分14は、図3にも示すように断面角丸四角形状に形成されている。即ち、第1流路部11の軸線方向に垂直な仮想平面で切断した交差部分14の断面が角丸四角形になっている。角丸四角形は、四角形の角をR面取りした形状である。本実施形態において、角丸四角形は、4辺が直線状に形成されている。なお、角丸四角形は、必ずしも4辺の全てが直線状である必要はない。例えば、オーバルトラックのように対向する2辺が平坦に形成され且つ残りの2辺が円弧状又は半円形状に形成されていてもよい。即ち、角丸四角形は、対向する2辺が直線状に形成され、且つ角がR面取りされていればよい。
交差部分14は、第1流路部11の軸方向中間部分に位置している。即ち、第1流路部11は、交差部分14から軸線方向一方側及び他方側に延在する一方側部分15及び他方側部分16を有している。一方側部分15及び他方側部分16は、断面円形状に形成され、各々の流路断面は、交差部分14の流路断面より小さい。即ち、交差部分14の断面の幅W1は、一方側部分15及び他方側部分16の直径より大きくなっている。それ故、第1流路部11において、交差部分14はそれより上流側及び下流側より幅広に形成されている。また、本実施形態において、交差部分14の断面の高さHもまた一方側部分15及び他方側部分16の直径より大きくなっている。なお、一方側部分15及び他方側部分16の流路断面は、必ずしも円形状である必要はない。
交差部分14は、断面において少なくとも対向する2辺が直線状に形成されている。そして、それらの2辺が軸線方向にも平面的な広がりを有している。それ故、交差部分14には、2つの平坦部分が形成され、2つの平坦部分のうちの1つの平坦部分14aに第2流路部12が交差するように接続されている。更に詳細に説明すると、第2流路部12は、平坦部分14aで開口するように第1流路部11と交差している。即ち、第2流路部12は、開口部分12aを有し、この開口部分12aが平坦部分14aに形成されている。
更に詳細に説明すると、第2流路部12は、断面円形状に形成されている。そして、第2流路部12は、第2軸線L12が第1流路部11の第1軸線L11とねじれの位置又は交差するように延在している。本実施形態では、第2流路部12は、第2軸線L12が第1流路部11の第1軸線L11と互いに交差し且つ直交するように延在している。第2流路部12が交差部分14から直交する方向に延在することによって第2流路部12と交差部分14とが直角に交差する、即ち第2流路部12と交差部分14とが交差するエッジ部分が鋭角になることを抑制することができる。それ故、開口部分12aに作用する応力集中を更に抑制することができる。なお、第2流路部12の第2軸線L12は、必ずしも第1流路部11の第1軸線L11に対して直交する必要はなく、傾斜していてもよい。また、開口部分12aは、平坦部分14aの略中央に形成されている。なお、開口部分12aの形成位置は、前述する位置に限定されない。即ち、開口部分12aの形成位置は、平坦部分14aにおいて中央から左右方向又は前後方向にずれていてもよい。
また、第2流路部12の孔径(より具体的には、開口部分12aの口径)Rは、平坦部分14aの軸線方向の長さLより小さくなるように形成されている。また、平坦部分14aの幅W2は、例えば開口部分12aの口径Rの0.5倍以上0.6倍以下となっている。このように流路3では、第2流路部12が第1流路部11に対して第1軸線L11に直交する方向(即ち、直交方向)に延在するように交差している。
また、第1流路部11には、弁体の一部が挿入されている。本実施形態では、手動弁21の弁体22の先端側部分が挿入されている。より詳細に説明すると、ケーシング1には、弁挿入孔1aが形成されている。弁挿入孔1aには、手動弁21の弁体22が挿入されている。手動弁21は、弁挿入孔1aの一端側部分に固定(螺合)されている。このように挿入される弁体22は、弁挿入孔1aの他端側部分にまで延在している。そして、弁挿入孔1aの他端側部分が第1流路部11を成している。それ故、手動弁21の弁体22の先端側部分が第1流路部11に位置している。そして、第1流路部11は、弁挿入孔1aの一端側部分と反対側において第3流路部13と接続されている。
即ち、第1流路部11は、軸線方向一方側(例えば、他方側部分16側)において弁挿入孔1aの一端側部分と接続され、軸線方向他方側(例えば、一方側部分15側)において第3流路部13と接続されている。第3流路部13は、第1流路部11から第1軸線L11に沿って延在している。なお、第3流路部13は、本実施形態において、延在した後、略直角に曲がって図1の紙面奥側へと延在している。
このように形成されている流路3では、第3流路部13が第1流路部11に開口する部分の周りに弁座部11aが形成されている。そして、弁座部11aには、手動弁21の弁体22が着座することができる。着座することによって第3流路部13と第1流路部11との間が閉じられる。
このように構成されている流路3では、そこにガスが流れるとガス圧によって流路3の各部が拡径又は拡幅する。従来の流路のように互いに交差する2つの流路部が共に断面円形状に形成されている場合、両方の流路部が拡径する。それ故、開口部分の周りには、2つの引張応力の合力が作用して応力が集中する。これに対して、交差部分14が拡幅する際、交差部分14の断面において4辺が外側に凸となるように撓む。即ち、平坦部分14aが外側に凸となるように撓む。これにより、平坦部分14aの内周が圧縮される。即ち、平坦部分14aの開口部分12a周りに圧縮応力を作用させることができる。それ故、交差部分14の平坦部分14aでは、開口部分12aが拡径することによって作用する引張応力と前述する圧縮応力との両方が開口部分12a周りに作用することになる。これにより、引張応力と圧縮応力とが互いに打消し合って開口部分12a周りにおいて応力が集中することを抑制することができる。更に、交差部分14の断面が角丸四角形状に形成されているので、交差部分14の平坦部分14aを撓みやすくすることができる。これにより、引張応力と圧縮応力とがより効果的に打消し合あせることができる。それ故、開口部分12a周りにおいて応力が集中することを更に抑制することができる。
また、幅W2が口径Rの0.6倍以下に抑えることによって、応力集中の抑制及びケーシング1における薄肉化の抑制の両方を達成することができる。それ故、幅W2及び長さLを口径Rの0.5倍以上0.6倍以下にすることによって、交差部分14の断面の幅W1を抑えつつ、開口部分12a周りにおける応力集中を効果的に抑制することができる。更に、長さLが口径Rの1.4倍以上1.5倍以下に抑えることによって、応力集中を抑制することができる。
また第1流路部11では、交差部分14が一方側部分15及び他方側部分16より幅広に形成されている。それ故、交差部分14の流路面積を大きくすることができる。これにより、交差部分14における圧力損失を低減することができる。特に、本実施形態では交差部分14に弁体22の先端側部分が挿入されているのが、前述の通り交差部分14を幅広にすることによって交差部分14における弁体22周りの流路面積を確保することができる。これにより、弁体22の外径を確保することができるので、弁体22が細くなることを抑制することができる。これにより、弁体22の強度を確保することができる。特に、手動弁21の弁体22は使用時に任意の開位置で固定されるので、弁体22と交差部分14との位置関係の保持することができる。これにより、弁体22周りにのいて所定の流路面積を確保することができる。
また、交差部分14では、開口部分12aが弁体22に向くように形成されている。これにより、第2流路部12から交差部分14へと送出されるガスを弁体22に当てることができる。即ち、ガスが弁体22に当たると、弁体22の周りにおいてガスが弁体22の周方向一方及び他方へ分かれて流れる。そうすることによって、弁体22の周りに旋回流が発生することを抑えることができ、旋回流による圧力損失の発生を抑えることができる。
また、ケーシング本体2は、流路3に水素ガスを流すべくアルミ製である。それ故、高圧、例えば1MPaより高い圧力の水素ガスが流れる場合、開口部分12aの周りにおいて応力が集中することが好ましくない場合がある。ケーシング1は、開口部分12a周りにおける応力の集中を抑制できるので、高圧の水素ガスが流れるアルミ製のケーシングに適用することは特に有用である。但し、この記載はアルミ製のケーシングに適用を限定するものではない。
<タンクバルブ装置>
以下では、図4に示すような、前述するケーシング1が適用した実施例であるタンクバルブ装置100について説明する。タンクバルブ装置100は、例えば水素や天然ガス等のガスを貯留するガスタンク101に設けられている。更に詳細に説明すると、タンクバルブ装置100は、バルブブロック111、電磁比例制御弁112、手動弁21を備えている。そして、バルブブロック111には前述するケーシング1の構造が適用されている。以下では、バルブブロック111の構成について説明するが、バルブブロック111の構成においてケーシング1の構成と同様の構成については、ケーシング1の構成と同一の符号を付してその説明を省略する。
バルブブロック111は、ガスタンク101の口部101a内に取り付けられている。これにより、ガスタンク101の口部101aが封止されている。また、バルブブロック111には、電磁比例制御弁112及び手動弁21の各々の弁体122,22が設けられている。そして、バルブブロック111は、それらの弁体122,22と共に電磁比例制御弁112及び手動弁21を構成している。タンクバルブ装置100は、電磁比例制御弁112及び手動弁21によってガスタンク101に貯留されるガスの送出量を調整している。なお、バルブブロック111には、電磁比例制御弁112及び手動弁21の他に種々の弁、例えば安全弁及びリリーフ弁の弁体が設けられてもよい。
更に詳細に説明すると、バルブブロック111は、第1乃至第3流路部11~13、及び弁室113が形成されている。更に詳細に説明すると、第2流路部12は、一端に図示しない入出口12bを有している。そして、第2流路部12は、入出口12bを介して燃料消費器及び充填口(共に図示せず)に接続されている。燃料消費器は、例えば燃料電池又はガスエンジンである。また、入出口12bはバルブブロック111の外表面に形成されている。本実施形態において、入出口12bはバルブブロック111の側面に形成されている。また、第2流路部12は、入出口12bから直線的に延在している。そして、第2流路部12は、図4に示すように手動弁21が第1流路部11の交差部分14に繋がっている。そして、第1流路部11には、交差部分14を貫通するように手動弁21の弁体22が挿入されている。更に、第1流路部11の一方側部分15には、第3流路部13が接続されている。第3流路部13は、一方側部分15からL字状に折れ曲がるように形成されている。そして、第3流路部13の折れ曲がった部分は、ガスタンク101の口部101aの軸線L1に沿って延在している。そして、第3流路部13は、弁口111dを介して弁室113に接続されている。
このように構成されているバルブブロック111では、ガスタンク101のガスがまず弁室113に入る。そして、ガスは第3流路部13から第1流路部11を通って第2流路部12に流れ、そして入出口12bを介してバルブブロック111外へと送出される。他方、ガスタンク101内にガスを充填する際は、入出口12bからガスが入れられて、前述する方向と逆方向にガスが流れる。そして、ガスタンク101に対するガスの出し入れをすべく、バルブブロック111には電磁比例制御弁112が設けられている。
バルブブロック111は、ガスタンク101の口部101aに設けられている(本実施形態では、螺合されている)挿入部111aを有している。そして、挿入部111aには、電磁比例制御弁112が取り付けられている。つまり、本実施形態において、タンクバルブ装置100はインタンク型のタンクバルブ装置である。なお、タンクバルブ装置100は、必ずしもインタンクバルブ装置である必要はない。即ち、タンクバルブ装置100は、バルブブロック111においてガスタンク101の口部101aから突き出た突出部111bに電磁比例制御弁112が取り付けられたオンタンク型のものであってもよい。以下では、挿入部111aに取り付けられている電磁比例制御弁112の構成についいて簡単に説明する。なお、下記に示す電磁比例制御弁112の構造は、あくまで一例に過ぎないので、これに限定されない。
即ち、遮断弁の一例である電磁比例制御弁112は、第3流路部13に繋がる弁口111dを開閉し且つ弁口111dの開度を調整可能に構成されている。電磁比例制御弁112は、弁体122、固定磁極123、付勢部材124、及びソレノイド125を備えている。電磁比例制御弁112は、これらが弁室113に収容されて構成されている。更に詳細に説明すると、弁室113は、第3流路部13と繋がっている。弁室113には、弁口111dの周りに弁座111cが形成されている。そして、弁室113には、弁体122が摺動可能に挿入されており、弁体122が弁座111cに着座することによって弁口111dが閉じられる。他方、弁体122が弁座111cから離れることで弁口111dが開く。即ち、ガスタンク101からガスタンク101外へとのガスの送出することができる。
また、電磁比例制御弁112では、弁体122が付勢部材124(例えば、圧縮コイルばね)によって弁座111cに押さえ付けられている。そして、ソレノイド125に電流を流すことによってと、弁体122が磁化させて固定磁極123に引き寄せられる。これにより、弁体122が弁座111cから離れて弁口11dが開かれる。これにより、ガスタンク101内のガスが第3流路部13から第1及び第2流路部11,12を通ってガスタンク101外へとガスが送出される。他方、電流を止めると、弁体122が弁座111cに着座して第3流路部13が閉じられる。これにより、ガスの送出が止まる。更に、第2流路部12から第1及び第3流路部11,13にガスを導くことによって、ガスによって弁体122が弁座111cから持ち上げられる。これにより、ガスがガスタンク101に充填される。
即ち、タンクバルブ装置100では、電磁比例制御弁112を開閉させることによってガスタンク101からのガスの放出及び充填を繰返し行うことができる。それ故、流路3を流れるガスの圧力変動が大きく、電磁比例制御弁112の下流側に位置する開口部分12aの周りに繰返し応力が作用する。開口部分12aの周りに応力が集中する場合、開口部分12aの強度を高めて設計する必要がある。これに関して、バルブブロック111では、前述するように開口部分12aの周りにおける応力の集中を抑制することができる。それ故、タンクバルブ装置100の設計の自由度を確保することができる。特に、水素ガスの場合、ガスタンク101から電磁比例制御弁112を介して送出されるガスの圧力が高く、開口部分12aの周りに作用する応力がより大きくなる傾向にある。それ故、タンクバルブ装置100に前述するようなバルブブロック111を適用すると開口部分12aの周りに作用する応力を低減し、より設計の自由度を向上させることができる。それ故、タンクバルブ装置100にバルブブロック111を適用することは特に好ましい。
<その他の実施形態>
本実施形態において、第1流路部11は、交差部分14の断面が角丸四角形状に形成されているが、必ずしもこのような形状に限定されない。即ち、第2流路部12と接続される部分が平坦である、即ち前述する平坦部分14aを有していればどのような形状であってもよい。但し、交差部分14の断面は、第2流路部12の流路断面より大きいことが好ましい。
また、第1流路部11では、交差部分14が一方側部分15及び他方側部分16より幅広に形成されているが、必ずしも幅広である必要はない。また、第1流路部11は、全体が交差部分14のように断面角丸四角状に形成されていてもよい。更に、平坦部分14aは、必ずしも完全な平坦である必要はない。即ち、平坦部分14aは、交差部分14が拡幅する際に平坦部分14aに圧縮応力が生じるようであれば、溝や突起等の凹凸が形成されていてもよい。
更に、本実施形態のケーシング1及びタンクバルブ装置100において、第1流路部11に挿入される弁体は、電磁比例制御弁、リリーフ弁、及び安全弁等の他の弁の弁体であってもよい。また、第1流路部11に弁体22が挿入されているが、必ずしも第1流路部11に弁体22が挿入されている必要はない。また、流路3の形状も前述するような形状に限定されない。例えば、本実施系他において、第2流路部12は、直線的に形成されているが、L字状やS字状であってもよい。即ち、第2流路部12は、少なくとも交差部分14に開口する開口部分12aを有していればよい。また、第2流路部12の断面は、円形状に限定されず、角丸四角状や楕円であってもよい。更に、第1流路部11に交差する流路部の数も1つに限定されず、2つ以上であってもよい。また、第2流路部12が第1流路部11に十字状及びL字状に交差してもよい。
1 ガス用ケーシング
2 ケーシング本体
11 第1流路部
12 第2流路部
12b 入出口
14 交差部分
14a 平坦部分
15 上流側部分
16 下流側部分
22 弁体
100 タンクバルブ装置
101 ガスタンク
111 バルブブロック
112 電磁比例制御弁

Claims (8)

  1. ガスが流れる第1流路部と、
    前記第1流路部と交差する第2流路部と
    前記第1流路部と前記第2流路部とが形成されているケーシング本体を備え、
    前記第1流路部は、前記第2流路部と交差する交差部分を有し、
    前記交差部分は、断面角丸四角状に形成されて平坦部分を含み、
    前記第2流路部は、前記平坦部分で開口するように前記第1流路部と交差している、ガス用ケーシング。
  2. 所定方向に延在し且つガスが流れる第1流路部と、
    前記第1流路部と交差する第2流路部とを備え、
    前記第1流路部は、断面角丸四角状に形成されて平坦部分を含む交差部分を有し
    前記第2流路部は、前記平坦部分で開口するように前記第1流路部と前記交差部分で交差し、
    前記交差部分は、該交差部分より前記第1流路部の所定方向一方側及び他方側に比べて幅広に形成されている、ガス用ケーシング。
  3. 前記平坦部分は、該平坦部分の幅が前記第2流路部の径の0.5倍以上0.6倍以下になるように形成されている、請求項1又は2に記載のガス用ケーシング。
  4. 前記交差部分には、少なくとも弁体の一部分が挿入されており、
    前記第2流路部は、前記弁体に向いて開口している、請求項1乃至3の何れか1つに記載のガス用ケーシング。
  5. 前記第1流路部と前記第2流路部とが形成されているケーシング本体を備え、
    前記第1流路部と前記第2流路部には、水素ガスが流れ、
    前記ケーシング本体は、アルミ製である、請求項1乃至4の何れか1つに記載のガス用ケーシング。
  6. 前記第2流路部は、前記交差部分の前記平坦部分から直交する方向に延在している、請求項1乃至5の何れか1つに記載のガス用ケーシング。
  7. ガスが貯留されるタンクの口部に設けられ、前記ガスを送出させる流路を有するバルブブロックと、
    前記バルブブロックに設けられ、前記流路とタンク内との間を連通及び遮断を切換え可能な遮断弁と、を備え、
    前記流路は、互いに交差する第1流路部と第2流路部とを有し、
    前記第1流路部は、前記第2流路部と交差する交差部分を有し、
    前記交差部分は、平坦部分を有し、
    前記第2流路部は、前記平坦部分にて開口するように前記第1流路部と交差している、タンクバルブ装置。
  8. 前記第2流路部は、前記ガスの入力及び出力可能な入出口を有し、
    前記交差部分は、前記遮断弁より前記入出口側に配置されている、請求項7に記載のタンクバルブ装置。
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