JPWO2013129560A1 - 高圧用トラニオン型ボール弁並びに水素ステーション - Google Patents
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Abstract
Description
また、ダイヤモンドライクカーボンで皮膜を形成したバルブとして、特許文献4の電磁弁が開示されている。この電磁弁では、弁箱の内周面と弁体の外周面の少なくとも一方の摺動面にコーティング膜が形成され、このコーティング膜としてダイヤモンドライクカーボンが用いられ、これにより摺動性を高めようとしている。
ボール12の上軸部12bの内部には、連通孔12dからボールの上面側に連通する均圧孔12eが設けられ、この均圧孔12eにより弁開時のキャビティ内の圧力を抜くことができるようになっている。
シートリテーナ18は、例えば、BeCu合金(ベリリウム銅合金)などの銅基合金を母材として形成される。シートリテーナ18の母材として、特に、BeA―25(ベリリウム銅)に溶体化処理+冷間加工+硬化処理(熱処理)をおこなったものを用いた場合、ステンレス鋼SUS630以上の強度を持ちながら、比較的軟質である銅成分の含有によるシール性を発揮できる。シートリテーナ18の母材をベリリウム銅とした場合、熱処理後のビッカース硬さはHv360〜450となり、その機械的性質としては、例えば、引張強さが1200〜1500MPa、0.2%耐力が1000〜1400MPaとなる。シートリテーナを銅基合金で形成した場合、水素による脆化も防がれる。
シートリテーナ18の形成時には、ボール面12aの当接側であるシール面18aにおいて、研磨加工を施すことが望ましい。
なお、目的に応じて、ボールの母材硬度をシートリテーナの母材硬度と同等、もしくは、高く設定してもよい。
本実施形態では、オフセット点Qを設けることにより、シートリテーナ18のシール面18aと前記ボール面12aとのシール位置を当該シール面の略中央位置になるようにした。その上で、DLCを施す前の仕上加工をボール12に施すことにより、シートリテーナ18とボール12とを面接触シールにてシールさせるようにしている。
この場合、シール面18aとボール面12aの何れか一方又は双方のコーティング層31表面には、なじみ層32が施されている。
一方、PVD法によりDLCを設ける場合、例えば、スパッタリング法やイオンプレーティング法がある。この場合、原料となる黒鉛を真空中でイオンビーム、アーク放電、グロー放電等にさらし、飛び散った炭素原子を部品表面に付着させる。この方法の場合には、炭素のみでDLCを設けることができ、水素フリーのDLCを施すことも可能になる。
ボール弁の流路に高圧流体である水素が流れたときには、コーティング層31のDLC内部に水素流体が浸入することがあるが、本実施形態のDLCには水素が含有されており、このDLCが母材からより剥離するおそれはない。
DLCのコーティング層31を施した部品は、高面圧摺動部品として使用可能となり、さらになじみ層32を設けていることで初期なじみ性能が向上する。
カバー50は、略円板状に形成され、その底面側にはボデー15上面側に形成された環状突部53に嵌合可能な鍔状の側面部54が設けられ、この側面部54には、座ぐり部55と、切欠部56とが90°の間隔で互い違いに2つずつ形成されている。カバー50の中央部には、ハンドルキャップ51を挿入するための穴部57が形成され、この穴部57には、図示しない規制片が突設形成され、この規制片によってステム11の回転が90°の範囲に規制される。
なお、ボデー15の環状突部53における側面の座ぐり部55と切欠部56とが対応する位置には雌ネジ61が設けられ、この雌ネジ61に固着ボルト62、図示しない止めネジが螺着可能になっている。
このように、ステム上端側に手動用ハンドル52を取付けることで、弁本体10は手動式のバルブとして設けられている。
なお、本発明の高圧用トラニオン型ボール弁は、前記のように手動用のハンドルを取付ける以外にも、後述するように空気圧式アクチュエータ等の自動操作用アクチュエータにより自動化することも可能である。
本発明の高圧用トラニオン型ボール弁は、少なくともシートリテーナ18のシール面18aとこのシール面18aと接触するボール面12aの双方にダイヤモンドライクカーボンによるコーティング層31を施して摺動性と密封性とを発揮するようにしているので、高圧水素ガスなどの高圧流体が流れるときに高面圧による摺動性を確保して、シートリテーナ18とボール12との何れの側にも傷が発生することを防ぎつつ、低トルク性とシール性とを確保して漏れを確実に防止しながら操作性を向上できる。DLCを2〜3μmの膜厚のコーティング層31で設けていることで、真球度や仕上げ粗さなどの母材の超精密加工をコーティング後も保つことができる。
しかも、シートリテーナ18の母材をBeCu合金とし、ボール12の母材をステンレス鋼としていることで、このメタルシートの採用により水素温度変化の影響を受けにくくなって耐久性が向上する。DLCのコーティング層31が減耗した場合にも、シートリテーナ18の母材のBeCu合金によるベリリウム層によって漏れを回避できる。
図1、図5において、仮にシートリテーナ18の左側を一次側、右側を二次側とした場合、図1の矢印に示すように一次側から二次側に流体が流れるときに、シール面18aの内径φA、シール部材20の内径φD、シール面18aの外径φC、シール部材20の外径φBとすると、内径φD<内径φA<外径φC<外径φBの関係に設定している。従って、一次側の自緊力に関しては、弁閉時に内径φD−内径φAの面積に加わる流路中の流体圧により、シートリテーナ18がボール12に押圧される。
一方、二次側の自緊力に関しては、外径φC−内径φDの面積に加わるキャビティ内の流体圧により、シートリテーナ18がボール12に押圧される。
このことから、本発明の高圧用トラニオン型ボール弁は、前述したバネ部材22の弾発力と自緊力との2重シール方式の相乗効果により、優れた自封力を発揮して確実に高圧流体を封止できる。
本発明の高圧用トラニオン型ボール弁は、前述したようにステム11の上端部11bに手動操作用ハンドル52を取付けて手動操作用ボール弁とするか、又は、ステム11の上端部11bを、ボデー本体15に搭載した自動操作用アクチュエータ82に連結して自動操作用のボール弁とすることが可能になっている。
アクチュエータ82は、カバー50を介してボデー本体15に取付けられる。このアクチュエータ82により、二次側方向に垂直状態で支受けされたボール12を所定のトルクで正確に回転制御できる。
一方、取付開口部83にアクチュエータ82の環状凸部97を嵌入して位置決めさせ、かつ、ボルト通し穴86よりアクチュエータ固定ボルト95を通してこのアクチュエータ固定ボルト95を雌ネジに螺合させることにより、アクチュエータ82の所定の取付位置にカバー50を螺着する。
図1はトップエントリータイプのボール弁を示したものであり、図10はボトムエントリータイプのボール弁を示したものである。図10に示すボール弁構造は、図1〜図9に示したボール弁の構造と同一構造を含んでいるので、その同一部分は同一符号で示して、その説明を省略する。
11 ステム
12 ボール
12a ボール面
12b 軸部(上軸部)
12c トラニオン(下軸部)
13 シール機構
14 ボデー本体
18 シートリテーナ
18a シール面
18b 外周面
20 シール部材
22 バネ部材
31 コーティング層(ダイヤモンドライクカーボン)
32 なじみ層
52 ハンドル
82 アクチュエータ
101 平行二面部
102 平行二面溝
103 摺動面
110 ラジアルベアリング
110a 剛性筒体
H 距離
P 球径中心点
Q オフセット点
R シート
RB ボール面の半径
S 半球面
T シール位置
Claims (10)
- ボデー本体内に回転自在に設けたボールとシール接触するためのシール機構を前記ボールの両側位置に配置し、前記シール機構は、前記ボールのボール面とシール接触するシール面を有する筒形状のシートリテーナと、前記シール面側に弾発力を付与するために装着したバネ部材と、前記シートリテーナの外周面に装着したシール部材からなるトラニオン型ボール弁であって、少なくとも前記シートリテーナのシール面とこのシール面と接触する前記ボール面の双方にダイヤモンドライクカーボンによるコーティング層を施して摺動性と密封性とを発揮するようにしたことを特徴とする高圧用トラニオン型ボール弁。
- 前記シートリテーナのシール面を、ボール面の球径中心から偏位させた位置で、かつボール面の半径よりもやや長い半径に設定し、前記シール面の前記ボール面とのシール位置を当該シール面の略中央位置とした請求項1に記載の高圧用トラニオン型ボール弁。
- 前記シートリテーナのシール面は、前記ボール面の球径中心点から前記ボールの流路方向であるX軸と交差するY軸方向に所定距離偏位した点から、偏位した側と反対方向に180°の角度で前記ボール面よりやや長い半径でそれぞれ描いた半球面の一部を軌跡面とした請求項1又は2に記載の高圧用トラニオン型ボール弁。
- 前記シートリテーナの母材硬度を前記ボールの母材硬度よりも高く設定した請求項1乃至3の何れか1項に記載の高圧用トラニオン型ボール弁。
- 前記シートリテーナの母材をBeCu合金とし、前記ボールの母材をステンレス鋼とした請求項4に記載の高圧用トラニオン型ボール弁。
- 前記シール面と前記ボール面の何れか一方又は双方の前記コーティング層表面になじみ層を施した請求項1乃至5の何れか1項に記載の高圧用トラニオン型ボール弁。
- 前記ボールには、上軸部と下軸部を一体に設け、この上下軸部の外周にラジアルベアリングを介して回転自在に設け、かつ前記ボールを前記軸部に接合したステムの回転力を介して回転自在に設けると共に、前記ステムの下端部に形成した平行二面溝に前記軸部の上端に設けた平行二面部を連動可能に接合し、弁閉時における高圧流体で前記ボールを押圧したとき、前記上下軸部を有するボールを二次側方向に垂直状態で支受けするようにした請求項1乃至6の何れか1項に記載の高圧用トラニオン型ボール弁。
- 前記ラジアルベアリングは、剛性筒体の内周面にポリテトラフルオロエチレンをコーティングした請求項7に記載の高圧用トラニオン型ボール弁。
- 前記ステムの上端部に手動操作用ハンドルを取付けて手動操作用ボール弁とし、又は、前記ステムの上端部を、前記ボデー本体に搭載した自動操作用アクチュエータに連結して自動操作用のボール弁とした請求項7又は8に記載の高圧用トラニオン型ボール弁。
- 高圧水素の供給ラインに請求項1乃至9の何れか1項に記載した高圧用トラニオン型ボール弁を設けたことを特徴とする水素ステーション。
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