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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