JPWO2013137467A1 - ポペット弁 - Google Patents

Abstract

ポペット弁は、中心軸（Ｏ）を有する円錐形状の内周面を有するシート部（２２）と、シート部（２２）の内側を中心軸方向に変位し、シート部（２２）との間に環状断面の流路を形成するシート部（２２）と同心位置に支持された円錐部（６１）とを備える。これにより、流路を流れる流体の整流効果を高めて、騒音の発生を防止する。

Description

この発明は、流体の圧力を制御するポペット弁の構造に関する。

燃料電池システムには、燃料タンクから導かれる一次圧の燃料ガスを所定の二次圧へと低下させて燃料電池に供給する減圧弁が用いられる。

日本国特許庁が１９９８年に発行したＪＰ１０−１６９７９２Ａは、大流量かつ高圧の燃料ガスを対象とする減圧弁として、複数のプレートと弾性体スペーサとを交互に積層してプレート間にスリットを形成したバルブを提案している。

日本国特許庁が発行したＪＰ２０１０−０２６８２５Ａは、ポペット型の減圧弁を提案している。この減圧弁は、ガスを通過させるバルブシートと、このバルブシートに対峙するポペット状のバルブホディとを備え、両者の間に絞り流路を画成している。

高圧かつ大流量のガスの流路に設けられる減圧弁にあっては、上記従来技術による減圧弁を含めて、高圧のガスの流れを絞る部位の下流側に渦流が生じ、ガス流から高周波の騒音が発生する。

この発明の目的は、したがって、高圧のガスの流れに起因する減圧弁の騒音発生を防止することである。

以上の目的を達成するために、この発明によるポペット弁は、中心軸を有する円錐形状、の内周面を有するシート部と、シート部の内側を中心軸方向に変位し、シート部との間に環状断面の流路を形成する、シート部と同心位置に支持された円錐部と、を備えている。

この発明の詳細並びに他の特徴や利点は、明細書の以下の記載の中で説明されるとともに、添付された図面に示される。

ＦＩＧ．１は、この発明の実施形態によるポペット弁の縦断面図である。 ＦＩＧ．２は、ポペット弁の要部を拡大した縦断面図である。 ＦＩＧ．３は、ポペット弁から発生する騒音レベルの測定結果の特性を示すダイアグラムである。

図面のＦＩＧ．１を参照すると、ポペット弁１は、燃料電池システムにおいて、燃料タンクの例えば３０−７０メガパスカル（ＭＰａ）の燃料ガスを数ＭＰａの圧力に減圧して燃料電池に供給するために用いられる。燃料ガスには水素ガスが用いられる。ポペット弁１は、水素ガスに限らず、他のガスまたは液体を用いる他の装置や設備においても、流体の圧力を調整するために用いることができる。

ポペット弁１は、中央部にガスを通過させる貫通孔を形成した環状横断面のバルブシート２０と、バルブシート２０の貫通孔内を軸方向に変位することでガスの流れを整流するバルブボディ６０と、バルブシート２０より下流側のガス圧力によってバルブボディ６０を駆動するピストン４０と、バルブボディ６０を開弁方向に付勢するスプリング１１と、スプリング１１の付勢力に対抗してバルブボディ６０を閉弁方向に付勢するスプリング１２と、を備える。ピストン４０とバルブボディ６０とは結合しており、一体に変位する。

ポペット弁１の作動時には、流体供給源から導かれるガス圧力に応じてピストン４０とバルブボディ６０が図の水平方向に変位し、バルブボディ６０がバルブシート２０との間でガスの流路断面積を変えることにより、燃料電池へ供給される燃料ガスの圧力を設定圧へと減圧する。

ポペット弁１は、バルブハウジング７０とピストンハウジング８０を備える。バルブハウジング７０内にはバルブシート２０とバルブボディ６０とスプリング１２とが配置される。

ポペット弁１は、バルブハウジング７０に開口する一次圧ポート７１と、バルブボディ６０が収装されるポペット通路３０と、ピストン４０によって画成される制御圧室４５と、バルブハウジング７０に開口する二次ポート７７と、を備える。

流体供給源から供給される燃料ガスは、図中矢印で示すように、一次ポート７１に流入する。燃料ガスはポペット弁１内において一次ポート７１から通孔７２を通って、ポペット通路３０に流入する。ポペット通路３０を通過する燃料ガスは、バルブシート２０とバルブボディ６０の間で流路が絞られることによってガス圧を低下させる。ポペット通路３０を通過した燃料ガスは制御圧室４５に流入する。制御圧室４５のガス圧が設定圧になるようにピストン４０がバルブボディ６０を変位させる。制御圧室４５を通過した燃料ガスは、通孔７６を通り、二次ポート７７から燃料電池へと供給される。

ポペット通路３０は、一次ポート７１に連通するポペット上流流路３１と、バルブシート２０とバルブボディ６０の間に画成される絞り流路３２と、絞り流路３２と制御圧室４５とを連通するポペット下流流路３３と、を備える。

ＦＩＧ．２を参照すると、バルブボディ６０は円錐部６１を有する。一方、バルブシート２０は、ポペット通路３０を画成する部位として、円錐部６１に対峙する円錐形状の内周面を有するシート部２２と、円筒状の通路部２３と、路部２３からポペット下流流路３３に向けて径を漸増させる円錐形状の内周面を有する出口部２４と、を備える。

バルブボディ６０は、円錐部６１の先端から延びてピストン４０に連結されるロッド６２を有する。ロッド６２とバルブシート２０の通路部２３及び出口部２４との間のスペースがポペット下流流路３３の上流部分を構成する。

シート部２２と円錐部６１との間には絞り流路３２が形成される。絞り流路３２は、円錐部６１がシート部２２に着座することで閉鎖され、バルブボディ６０が図の左方向に変位して円錐部６１がシート部２２から離れることで開く。

シート部２２の内周面と円錐部６１の外周面とは、共通の中心軸Ｏを有する。

ＦＩＧＳ．１と２は、ポペット弁１を中心軸Ｏを含む平面で切断したポペット弁１の縦断面を表す。これらの縦断面上で、シート部２２の内周面を示す２本の直線Ａ２２がなす角度θ２２は、シート部２２の円錐形状の内周面の頂角に相当する。同様に、円錐部６１の外周面を示す２本の直線Ａ６１がなす角度θ６１は、円錐部６１の外周面の頂角に相当する。ここでは、角度θ６１を角度θ２２より所定角度以上大きく形成する。所定角度は、絞り流路３２の断面積を下流に向かって漸増させるために必要な値とする。

以上の設定により、シート部２２の内周面と円錐部６１の外周面との間に形成される絞り流路３２は、上流から下流に向けて流路幅を徐々に拡大する。絞り流路３２の流路断面積も上流側から下流側にかけて徐々に増大する。

シート部２２は、上流端に相当するエッジ部２７から下流端に相当する端部２８までの区間を指す。円錐部６１がエッジ部２７に着座することで、ポペット上流流路３１と絞り流路３２の連通は遮断される。端部２８は通路部２３とシート部２２との境界である。

シート部２２は、ポペット弁１の最小開度、すなわち閉弁時において、端部２８が円錐部６１の先端６５と中心軸Ｏ方向に関してほぼ同じ位置で先端６５に対峙するように形成される。円錐部６１の先端６５は、円錐部６１とロッド６２との境界である。この設定により、絞り流路３２は燃焼ガスが流通可能な状態、すなわち円錐部６１が図の左側へ少なくとも若干変位した状態では、常にロッド６２の付近に位置することになる。この設定により、ポペット弁１が減圧弁として稼働している状態での絞り流路３２の流路長さが確保される。

シート部２２は、長さＳ２２が最大半径Ｒ２２に対して所定の比率以上となるように形成される。シート部２２の長さＳ２２は、バルブボディ６０のシート部２２のエッジ部２７から端部２８までの中心軸Ｏ方向の長さである。シート部２２の最大半径Ｒ２２は、中心軸Ｏからエッジ部２７までの距離である。

発明者らはシート部２２の最大半径Ｒ２２に対するシート部２２の長さＳ２２の比率Ｓ２２／Ｒ２２を変えてポペット弁１が発する騒音の変化を測定した。測定の結果得られたのがＦＩＧ．３に示すダイアグラムである。ダイアグラムからは、比率Ｓ２２／Ｒ２２を１以上に設定すると、ポペット弁１が発する騒音のレベルを有効に下げられることが分かる。さらに、この実験結果とポペット弁１の寸法を考慮すると、比率Ｓ２２／Ｒ２２を１から４の範囲に設定することが好ましい。

再びＦＩＧ．１を参照すると、バルブハウジング７０には、ポペット上流流路３１を画成する通路孔７３と、通路孔７３に連続してバルブハウジング７０の端面７５に開口する大径のネジ孔７４とが、中心軸Ｏについて同心上に形成される。

再びＦＩＧ．２を参照すると、バルブシート２０は、通路孔７３に嵌合する円筒状のガイドスリーブ２５と、ネジ孔７４の底部に着座する円盤状の仕切部２１と、を備える。バルブシート２０は、ネジ孔７４に螺合するプラグ５０によってバルブハウジング７０に固定される。

バルブボディ６０の円錐部６１の上流側には大径の円盤状のガイド部６３が形成される。ガイド部６３は、円錐部６１の基端に隣接してラジアル方向に突出し、外周面をバルブシート２０のガイドスリーブ２５に摺動可能な状態で嵌合する。ガイド部６３とガイドスリーブ２５の嵌合によりバルブボディ６０とバルブシート２０の中心軸Ｏに関する同心性が確保される。

ガイドスリーブ２５には切欠２６が形成される。切欠２６によってガイド部６３の上流側と下流側が連通する。切欠２６の代わりに、ガイド部６３を貫通する通孔を形成して、ガイド部６３の上流側と下流側とを連通させることも可能である。

再びＦＩＧ．１を参照すると、バルブボディ６０には、さらに、ガイド部６３から上流に向かって突出するガイドピン６４を備える。バルブハウジング７０には、通路孔７３の底面に相当する部位にガイド孔７８が形成される。ガイドピン６４はガイド部６３から通路孔７３を貫通して先端をガイド孔７８に摺動可能に嵌合する。ガイドピン６４はバルブボディ６０とバルブシート２０の中心軸Ｏに関する同心性をより確実にする役割を果たす。

円筒状のプラグ５０の外周はバルブハウジング７０のネジ孔７４に螺合する。

制御圧室４５は、プラグ５０の周囲の環状のスペースによって構成される。ピストン４０には、制御圧室４５を画成する円錐形状の凹部４２が形成される。プラグ５０は凹部４２の内側に侵入する。凹部４２の形成により、制御圧室４５の容積を十分に確保するとともに、ポペット弁１の小型化を図ることができる。

ピストンハウジング８０は円筒状に形成され、バルブハウジング７０の外周に螺合する。ピストン４０は、Ｏリング４１を介してピストンハウジング８０の内周面に摺動可能に嵌合する。ピストンハウジング８０の一端にはキャップ８５が締結される。ピストン４０とキャップ８５の間にはコイル状のスプリング１１が圧縮状態で介装される。

スプリング１１を収容するストン４０とキャップ８５のスペースは背圧室４６として機能する。背圧室４６には、パイロット圧として大気圧が外部から図示されない通孔を介して導かれる。

次にポペット弁１の動作を説明する。ＦＩＧ．１の矢印に示すように流体供給源から一次ポート７１へ供給された燃料ガスは、ＦＩＧ．２の矢印に示すようにポペット通路３０を構成するポペット上流流路３１、絞り流路３２、ポペット下流流路３３を通って、制御圧室４５へと流れる。燃料ガスはさらに、制御圧室４５から、通孔７６、二次ポート７７を通って燃料電池に供給される。この過程で燃料ガスは、バルブボディ６０の周囲をＦＩＧＳ．１と２の右方向へと流れ、制御圧室４５で流れの方向を転じ、通孔７６を通ってＦＩＧＳ．１と２の左方向に流れる。このような流路の設定により、一次ポート７１と二次ポート７７をともにバルブハウジング７０の一端に配置することが可能となり、ポペット弁１の大型化が避けられる。

バルブボディ６０には、スプリング１１と１２のバネ力差に相当する付勢力が開弁方向にする。また、制御圧室４５と背圧室４６の圧力差による付勢力が閉弁方向に働く。バルブボディ６０は、これらの付勢力が釣り合う位置へと変位することで、絞り流路３２の流路断面積を増減する。その結果、絞り流路３２を通過する燃料ガス流に及ぼす抵抗が変化し、制御圧室４５及び二次ポート７７の圧力が設定値へと調整される。

例えば、制御圧室４５の圧力が設定値より低下すると、バルブボディ６０がＦＩＧ．１の左方向に移動する。これにより、絞り流路３２の流路断面積が拡大し、制御圧室４５の圧力が上昇して設定値に近づく。ピストン４０の凹部４２の底面４３がプラグ５０の端面に当接すると、バルブボディ６０のそれ以上の変位が規制され、ポペット弁１の開度は最大となる。なお、ピストン４０の凹部４２の底面４３がプラグ５０の端面に当接した状態でも、プラグ５０の内側と外側との連通が確保されるよう、両者の間には図示されない燃料ガスの流路があらかじめ形成される。

一方、制御圧室４５の圧力が設定値より上昇すると、バルブボディ６０がＦＩＧ．１の右方向に移動する。これにより、絞り流路３２の流路断面積が減少し、制御圧室４５の圧力が低下して設定値に近づく。円錐部６１がシート部２２に当接すると、バルブボディ６０のそれ以上の変位移動が規制され、ポペット弁１の開度は最小値のゼロになり、燃料ガスの流れが遮断される。

バルブボディ６０がＦＩＧ．１の最も左方向へ変位したポペット弁１の最大開度において、シート部２２の端部２８は、円錐部６１の先端６５に対して図の僅かに右側に位置する。一方、バルブボディ６０がＦＩＧ．１の最も右方向に移動したポペット弁１の最小開度時、すなわち閉弁時に、シート部２２の端部２８は、円錐部６１の先端６５の僅かに左側に位置する。

従来のポペット弁では、燃料ガスが絞り流路を通過することによって流速が高められ、絞り流路の前後差圧が高い条件では、絞り流路からその下流側にかけて渦流が生じる可能性があった。

これに対して、シート部２２と円錐部６１との間に円錐筒状の絞り流路３２を形成することにより、ポペット弁１を通過する燃料ガスはシート部２２の内周面と円錐部６１の外周面に沿って流れる間に整流される。この整流により渦流の発生が抑えられる。

前述のように、ＦＩＧ．３に示す実験結果に基づき、シート部２２の長さＳ２２のシート部２２の半径Ｒ２２に対する比率Ｓ２２／Ｒ２２を１以上に設定することにより、ポペット弁１から発生する騒音レベルを有効に下げることができる。

絞り流路３２は、流路幅が上流から下流に向けて徐々に拡大し、絞り流路３２を流れる燃料ガスの圧力を徐々に低下させる。これは燃料ガスの流れの整流効果を高めるうえで好ましく、絞り流路３２が燃料ガスの流れに及ぼす抵抗も抑えられる。

このポペット弁１は、以下に示す作用効果を奏する。

（１）流体を通過させるシート部２２と、シート部２２との間に絞り流路３２を形成する円錐部６１と、を備え、絞り流路３２を画成するシート部２２の内周面と円錐部６１の外周面とを中心軸Ｏに関して同心の円錐形状に形成したため、絞り流路３２を長く設定できる。したがって、絞り流路３２は燃料ガスの流れに十分な整流作用を及ぼすことができ、渦流の発生が抑えられる。これにより、流体の渦流に起因してポペット弁１から騒音が発生するのを防止できる。

（２）シート部２２の最大半径Ｒ２２に対するシート部２２の長さＳ２２の比率Ｓ２２／Ｒ２２を１以上に設定したため、ポペット弁１を通過する燃料ガスがシート部２２の内周面と円錐部６１の外周面に沿って流れる絞り流路３２は整流作用を十分に発揮できる長さとなる。整流作用が有効に機能するため渦流の発生が抑えられる。したがって、流体の渦流に起因してポペット弁１が騒音を発する現象を防止できる。

（３）シート部２２及び円錐部６１の中心軸Ｏを含む縦断面において、円錐部６１の外周面に相当する２つの直線Ａ６１間の角度θ６１は、シート部２２の内周面に相当する２つの直線Ａ２２の角度θ２２より、所定角度以上大きく設定される。これにより、絞り流路３２の流路断面積が下流側に向けて徐々に大きくなるため、絞り流路３２を流れる燃料ガスの圧力が次第に低下し、燃料ガスの流れを整流する効果を高めることができる。また、絞り流路３２かき流体の流れに及ぼす抵抗も抑えられる。

（４）シート部２２の端部２８は、少なくとも最小開度時に円錐部６１の先端６５に略対峙する位置に形成されるため、絞り流路３２は、円錐部６１の先端６５までを有効に使って構成される。このような設定は、絞り流路３２の流路長さの確保に役立つとともに、ポペット弁１の小型化にも好ましい効果をもたらす。

（５）絞り流路３２が前記ロッド６２の近傍まで延びるため、絞り流路３２の流路長さを確保できる。その結果、絞り流路３２を通って制御圧室４５に向かう流体は、シート部２２の内周面と円錐部６１の外周面に沿って流れることにより十分に整流され、渦流の発生が抑えられる。

（６）ポペット弁１は、円錐部６１の基端側に連接して径方向に突出するガイド部６３と、シート部２２に連接して円錐部６１の軸方向に延びるガイドスリーブ２５と、を備え、ガイド部６３がガイドスリーブ２５に摺動可能に挿入されるため、円錐部６１はガイド部６３を介してシート部２２と同心位置に保持され、円錐筒状の絞り流路３２のラジアル方向の幅は全周に渡って均等に維持される。その結果、絞り流路３２を流れる燃料ガスの流れに乱れが生じにくい環境が得られるので、ポペット弁１の騒音発生をより確実に防止することができる。

以上の説明に関して２０１２年３月１５日を出願日とする日本国における特願２０１２−５９４４６号、の内容をここに引用により合体する。

以上、この発明を特定の実施形態を通じて説明してきたが、この発明は上記の実施形態に限定されるものではない。当業者にとっては、クレームの技術範囲で実施形態にさまざまな修正あるいは変更を加えることが可能である。

例えば、円錐部６１を開閉駆動する手段は、燃料ガスの圧力によって作動するピストン４０に限らず、他のアクチュエータを用いてもよい。

また、ポペット弁による減圧の対象となる流体は燃焼ガスによらず、いかなる流体であっても良い。

この発明によるポペット弁は、燃料電池システムの燃料ガスの減圧弁の騒音防止に特に好ましい効果をもたらす。

この発明の実施例が包含する排他的性質あるいは特長は以下のようにクレームされる。

Claims (7)

1. 中心軸を有する円錐形状、の内周面を有するシート部と、シート部の内側を中心軸方向に変位し、シート部との間に環状断面の流路を形成する、シート部と同心位置に支持された円錐部と、を備えるポペット弁。
2. シート部の最大半径に対する、シート部の中心軸方向の長さを１以上に設定した請求項１のポペット弁。
3. 円錐部の頂角をシート部の内周面の頂角より大きく設定した請求項１のポペット弁。
4. ポペット弁を流れる流体は、流路を円錐部の径が小さくなる方向へ流れ、流路の断面積は下流に向かって徐々に増大するように設定される請求項３のポペット弁。
5. シート部の下流側の先端は、円錐部がシート部に着座した状態で、円錐部の先端の近傍に位置するように構成される請求項１のポペット弁。
6. ポペット弁を流れる流体は、流路を円錐部の径が小さくなる方向へ流れ、絞り流路の下流側に形成される制御圧室と、制御圧室内の流体圧力に中心軸方向に変位するピストンと、円錐部とピストンとを連結するロッドと、をさらに備える請求項１のポペット弁。
7. 円錐部の大径側の端部からラジアル方向に突出するガイド部と、シート部から中心軸と平行に突出して、ガイド部の外周を摺動自由に保持するガイドスリーブと、をさらに備える請求項１のポペット弁。

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