KR101792371B1 - 제어 밸브 - Google Patents

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KR101792371B1
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요시나리 나카무라
도오루 다케구치
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케이와이비 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 시트 구멍(21)에 대해 축방향으로 이동하여 시트 구멍(21)의 유로 단면적을 바꾸는 포핏 밸브(61)를 구비하는 제어 밸브이며, 리턴 스프링(12)에 저항하여 포핏 밸브(61)를 개방 방향으로 가압하는 스프링반(40)을 구비하고, 스프링반(40)은, 포핏 밸브(61)의 움직임과 연동하는 부위이며 2차 포트(77)로 유도되는 2차압을 받는 2차압수면(48)과, 기준이 되는 파일럿압을 받는 파일럿압수면(49)을 갖고, 스프링반(40)이 2차압과 파일럿압의 압력차에 따라 탄성 변형되어 포핏 밸브(61)를 축방향으로 이동시킨다.

Description

제어 밸브 {CONTROL VALVE}
본 발명은 유체 공급원으로부터 유체 공급처로 유도되는 유체의 압력을 제어하는 제어 밸브에 관한 것이다.
이러한 종류의 제어 밸브로서, JP 2010-026825A에는, 포핏형 감압 밸브가 개시되어 있다.
JP 2010-026825A에 개시된 포핏형 감압 밸브는, 1차 포트로부터 2차 포트로 흐르는 유체가 통과하는 시트 부재와, 시트 부재에 대해 축방향으로 이동 가능하게 설치되는 포핏 밸브와, 포핏 밸브를 개방 방향으로 가압하는 스프링과, 포핏 밸브를 폐쇄 방향으로 가압하는 스프링과, 포핏 밸브에 연결되는 피스톤을 구비한다.
JP 2010-026825A에 개시된 피스톤은, 2차 포트의 2차압을 수압하는 2차압수면(壓受面)과, 기준이 되는 파일럿압을 수압하는 파일럿압수면을 갖는다. 피스톤이 2차압과 파일럿압이 균형이 잡힌 위치로 이동함으로써, 포핏 밸브와 시트 부재 사이에서 유체의 흐름에 부여하는 저항이 바뀌어, 2차압이 일정압으로 조절된다.
그러나, JP 2010-026825A에 개시된 포핏형 감압 밸브는, 포핏 밸브를 폐쇄 방향으로 가압하는 코일 형상의 스프링과, 포핏 밸브에 연결되어 축방향으로 이동하는 피스톤을 구비하므로, 스프링 및 피스톤이 개재 장착되는 스페이스에 의해 장치의 대형화를 초래한다는 문제점이 있었다.
본 발명은 제어 밸브의 소형화를 도모하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 형태에 따르면, 밸브 보디에 설치되는 1차 포트로부터 2차 포트로 향하는 유체의 흐름을 제어하는 제어 밸브이며, 1차 포트로부터 2차 포트로 향하는 유체가 통과하는 시트 구멍에 대해 축방향으로 이동하여 시트 구멍의 유로 단면적을 바꾸는 포핏 밸브와, 포핏 밸브를 폐쇄 방향으로 가압하는 리턴 스프링과, 리턴 스프링에 저항하여 포핏 밸브를 개방 방향으로 가압하는 스프링반을 구비하고, 스프링반은, 포핏 밸브와 연동하는 부위이며 2차 포트로 유도되는 2차압을 받는 2차압수면과, 2차압수면의 반대측에 형성되어 기준이 되는 파일럿압을 받는 파일럿압수면을 구비하고, 스프링반이 2차압과 파일럿압의 압력차에 따라 탄성 변형되어 포핏 밸브를 축방향으로 이동시킨다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 제어 밸브의 단면도이다.
도 2는 도 1의 일부를 확대한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 제어 밸브의 단면도이다.
도 4는 도 3의 일부를 확대한 단면도이다.
이하, 도면을 참조하여, 본 발명의 실시 형태에 관한 제어 밸브에 대해 설명한다.
(제1 실시 형태)
도 1 및 도 2를 참조하여, 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 제어 밸브(1)에 대해 설명한다.
도 1에 도시하는 제어 밸브(1)는 연료 전지 시스템에 사용되어, 연료 가스인 수소 가스의 압력을 조절하는 것이다. 제어 밸브(1)는 기체 또는 액체를 유도하는 다른 장치, 설비 등에 있어서 유체의 압력을 제어하는 회로에 설치되는 것에도 이용할 수 있다.
제어 밸브(1)는 연료 탱크(이하, 「유체 공급원」이라고 칭함)로부터 유도되는, 예를 들어 30 내지 70㎫의 연료 가스(이하, 단순히 「가스」라고 칭함)를 수㎫의 설정압으로 제어하여 연료 전지(이하, 「유체 공급처」라고 칭함)에 공급하는 것이다.
제어 밸브(1)는, 그 밸브 보디(하우징)가 단일의 보디(70)에 의해 구성된다. 제어 밸브(1)의 밸브 보디는 복수의 보디 부재(하우징 부재)로 분할하여 형성되는 구성으로 해도 된다.
보디(70)의 내부에는, 유체 공급원으로부터 유도되는 가스를 통과시키는 시트 구멍(21)이 개방된 밸브 시트(20)와, 시트 구멍(21)과의 사이에서 가스의 흐름을 교축하는 포핏 밸브(밸브체)(61)를 갖는 포핏(60)과, 시트 구멍(21)보다 하류측의 2차압에 따라 포핏(60)을 구동하는 스프링반(40)과, 포핏(60)을 밸브 폐쇄 방향으로 가압하는 리턴 스프링(12)이 수용된다.
보디(70)에는, 유체 공급원에 배관(도시 생략)을 통해 연통되는 1차 포트(71)와, 포핏(60)이 개재 장착되는 포핏 통로(30)와, 스프링반(40)에 의해 구획 형성되는 2차압실(45) 및 배압실(46)과, 유체 공급처에 배관(도시 생략)을 통해 연통되는 2차 포트(77)가 설치된다. 1차 포트(71)로 유도되는 가스의 압력을 「1차압」이라고 칭한다. 2차 포트(77)로 유도되는 가스의 압력을 「2차압」이라고 칭한다.
유체 공급원으로부터 공급되는 가스는, 도 1 중 화살표로 나타낸 바와 같이, 1차 포트(71)에 유입되어, 통과 구멍(72)을 통해, 포핏 통로(30)에 유입된다. 포핏 통로(30)를 통과하는 가스는, 포핏 밸브(61)와 시트 구멍(21) 사이에서 교축됨으로써 그 유량이 조절된다. 포핏 통로(30)를 통과하여 강하하는 가스의 압력이 2차압실(45)로 유도된다. 2차압실(45)로 유도되는 가스의 압력이 소정값으로 되도록 스프링반(40)이 탄성 변형되어 포핏(60)을 이동시킨다. 2차압실(45)을 통과한 가스는 통과 구멍(76), 2차 포트(77)를 통해, 유체 공급처로 유도된다.
제어 밸브(1)의 작동 시에는, 유체 공급원으로부터 유도되는 1차압에 따라 스프링반(40)과 포핏(60)이 도 1의 좌우 방향으로 이동한다. 스프링반(40)과 포핏(60)의 이동에 의해, 포핏 밸브(61)와 시트 구멍(21) 사이에서 가스의 흐름을 교축하는 유로 단면적이 변화되고, 유체 공급처로 유도되는 2차압이 설정압이 되도록 조절된다.
포핏 통로(30)는 1차 포트(71)에 연통되는 포핏 상류로(31)와, 밸브 시트(20)와 포핏(60) 사이에 구획 형성되는 포핏 교축 유로(32)와, 포핏 교축 유로(32)의 하류측에 구획 형성되어 2차압실(45)에 연통되는 포핏 하류로(33)를 구비한다.
환상의 밸브 시트(20)는, 포핏 통로(30)를 구획 형성하는 부위로서, 그 개구 직경이 하류측을 향해 직경 축소된 테이퍼 형상의 시트 구멍(21)을 갖는다. 시트 구멍(21)의 내주면은, 중심선 O에 대해 동심 상으로 연장되는 원뿔대 형상으로 형성된다. 중심선 O는 포핏(60) 및 밸브 시트(20)의 중심선이다.
포핏(60)은 포핏 통로(30)를 구획 형성하는 부위로서, 그 외경이 하류측을 향해 직경 축소된 테이퍼 형상의 포핏 밸브(61)를 갖는다. 포핏 밸브(61)의 외주면은 중심선 O에 대해 동심 상으로 연장되는 원뿔대 형상으로 형성된다.
시트 구멍(21)과 포핏 밸브(61) 사이에 원추통 형상의 포핏 교축 유로(32)가 구획 형성된다. 포핏(60)이 도 1에서 우측 방향으로 이동하여 시트 구멍(21)으로부터 이격됨으로써, 포핏 교축 유로(32)가 포핏 상류로(31)와 연통된다.
포핏(60)은 포핏 밸브(61)의 기단부로부터 축방향으로 연장되는 가이드 핀부(64)를 갖는다. 한편, 보디(70)에는, 가이드 핀부(64)가 미끄럼 이동 가능하게 삽입하는 가이드 구멍(78)이 형성된다. 포핏(60)은 가이드 핀부(64)를 통해 밸브 시트(20)의 중심선 O에 대해 동심 상에 지지된다. 「축방향」은 포핏(60)의 중심선 O가 연장되는 방향을 의미한다.
포핏(60)은 가이드 핀부(64)의 기단부로부터 직경 방향으로 돌출되는 환상의 리테이너부(63)를 갖는다. 리테이너부(63)와 보디(70) 사이에 코일 형상의 리턴 스프링(12)이 압축하여 개재 장착된다. 리턴 스프링(12)은 그 스프링력에 의해 포핏 밸브(61)를 밸브 폐쇄 방향(도 1에 있어서 좌측 방향)으로 가압한다. 「직경 방향」은 포핏(60)의 중심선 O를 중심으로 하는 방사 방향을 의미한다. 「밸브 폐쇄 방향」은 포핏 밸브(61)가 시트 구멍(21)에 근접하는 방향을 의미한다.
포핏(60)은 포핏 밸브(61)의 선단으로부터 축방향으로 연장되어 스프링반(40)에 추종하는 로드부(62)를 갖는다. 로드부(62)의 둘레에 포핏 하류로(33)의 상류 부분이 구획 형성된다.
보디(70)의 내부에는, 포핏 하류로(33)를 구획 형성하는 제1 플러그(15)와 제2 플러그(25)가 설치된다.
원통 형상의 제1 플러그(15)는 외주의 수나사부가 보디(70)의 나사 구멍(89)에 나사 결합함으로써 보디(70)에 고정된다. 제1 플러그(15)와 보디(70) 사이에는, 밸브 시트(20)가 끼움지지되어 고정된다.
제2 플러그(25)는 소경 통부(26)와 대경 통부(27)를 갖는 단차식 원통 형상으로 형성된다. 제2 플러그(25)는 소경 통부(26)의 외주 수나사부가 제1 플러그(15)의 나사 구멍(16)에 나사 결합함으로써 제1 플러그(15)에 고정된다.
포핏(60)의 로드부(62)는 제2 플러그(25)의 축 구멍(22)에 간극을 두고 삽입된다. 로드부(62)의 둘레에는, 포핏 하류로(33)의 상류 부분이 구획 형성된다.
제2 플러그(25)의 소경 통부(26)에는, 복수의 통과 구멍(28)이 직경 방향으로 형성된다. 제1 플러그(15)와 제2 플러그(25) 사이에는 간극(29, 24)이 설치된다. 포핏 하류로(33)를 흐르는 가스는, 도 1에 화살표로 나타낸 바와 같이, 축 구멍(22), 통과 구멍(28)과 간극(29, 24)을 통해 2차압실(45)로 유입된다.
보디(70)에는, 2차압실(45)과 2차 포트(77)를 연통하는 통과 구멍(76)이 축방향으로 연장되도록 형성된다. 2차압실(45)을 통과한 가스는 통과 구멍(76)을 통해 2차 포트(77)로 흐른다.
보디(70)의 내부는 스프링반(40)에 의해 2차압실(45)과 배압실(46)로 구획된다. 스프링반(40)은 2차압실(45)로 유도되는 2차압과 배압실(46)로 유도되는 파일럿압의 압력차에 따라 탄성 변형된다.
포핏(60)은, 로드부(62)가 핀(65)을 통해 스프링반(40)에 접촉하고, 스프링반(40)이 탄성 변형되는 움직임에 연동하여 축방향으로 이동한다.
핀(65) 및 포핏(60)의 로드부(62)는 제2 플러그(25)의 축 구멍(22)으로 미끄럼 이동 가능하게 삽입되고, 스프링반(40)의 움직임을 포핏(60)에 전달한다. 이 구성으로 한정되지 않고, 핀(65)을 설치하지 않고, 포핏(60)의 로드부(62)를 스프링반(40)에 접촉시켜도 된다.
이하, 스프링반(40)의 구성에 대해 설명한다.
컵 형상의 스프링반(40)은, 그 단면이 원호 형상으로 만곡된 원반부(41)와, 원반부(41)의 외주연부(42)로부터 축방향으로 원통 형상으로 연장되는 외주 통부(43)와, 외주 통부(43)의 기단부로부터 직경 방향으로 확대되는 플랜지부(44)를 갖는다.
스프링반(40)은 강재 등의 금속에 의해 형성됨으로써, 포핏(60)을 리턴 스프링(12)의 스프링력에 저항하여 지지하기 위해 필요한 강성이 확보된다. 스프링반(40)은 금속제 스프링판을 프레스 가공하여 형성되고, 각 부의 판 두께가 대략 동등해지고 있다. 스프링반(40)은 원반부(41)의 판 두께가 외주 통부(43)보다 작아지도록 형성해도 된다.
원반부(41)는 볼록 형상의 표면인 2차압수면(48)과, 오목 형상의 이면인 파일럿압수면(49)을 갖는다. 즉, 파일럿압수면(49)은 2차압수면(48)의 반대측(이면측)에 형성된다. 2차압수면(48)과 보디(70) 사이에 2차압실(45)이 구획 형성된다. 파일럿압수면(49)과 후술하는 어저스터(55) 사이에 배압실(46)이 구획 형성된다.
스프링반(40)은, 만곡된 원반부(41)가 포핏 밸브(61)를 향해 돌출되어, 대치하도록 보디(70)에 설치된다. 원반부(41)의 중앙부는, 축방향에 대해 포핏(60)의 선단에 대치하고, 핀(65)을 통해 포핏(60)의 움직임과 연동한다.
한편, 제2 플러그(25)의 단부면(23)은 원반부(41)의 중앙부에 대치하도록 형성된다. 제2 플러그(25)의 단부면(23)은 스프링반(40)의 원반부(41)에 간극을 두고 형성되고, 후술하는 바와 같이 스프링반(40)의 탄성 변형을 규제하는 규제부를 구성한다. 핀(65)은 단부면(23)으로 개방되는 축 구멍(22)으로부터 돌출되어 원반부(41)의 2차압수면(48)에 접촉한다.
스프링반(40)은 2차압실(45)로 유도되는 2차압과 배압실(46)로 유도되는 파일럿압을 받아 원반부(41)가 탄성 변형된다. 포핏 밸브(61)는 리턴 스프링(12)의 스프링력과, 2차압 및 파일럿압을 받아 탄성 변형되는 스프링반(40)의 스프링력이 균형이 잡히는 위치로 이동한다.
2차압이 설정압보다 상승하면, 원반부(41)가 편평하게 되도록 탄성 변형된다. 원반부(41)가 탄성 변형되는 움직임에 연동하여 포핏(60)이 밸브 폐쇄 방향(도 1에 있어서 좌측 방향)으로 이동하고, 포핏 밸브(61)와 시트 구멍(21) 사이에 구획 형성되는 유로의 단면적이 작아진다.
반대로, 2차압이 설정압보다 저하되면, 원반부(41)가 포핏(60)을 향해 팽출하도록 탄성 변형을 한다. 원반부(41)가 탄성 변형되는 움직임에 연동하여 포핏(60)이 밸브 개방 방향(도 1에 있어서 우측 방향)으로 이동하고, 포핏 밸브(61)와 시트 구멍(21) 사이에 구획 형성되는 유로의 단면적이 커진다. 「밸브 개방 방향」은 포핏 밸브(61)가 시트 구멍(21)으로부터 이격되는 방향을 의미한다.
스프링반(40)은 원반부(41)로부터 외주연부(42) 및 외주 통부(43)의 단면이 절곡하여 연장되는 형상을 갖고 있다. 이로 인해, 스프링반(40)의 직경 방향으로 확대되는 탄성 변형이 외주연부(42) 및 외주 통부(43)에 의해 억제된다. 이에 의해, 원반부(41)의 중앙부에 받는 하중에 의해 원반부(41)의 중앙부가 축방향으로 변위되는 변위량(휨)은, 하중의 크기에 1차적으로 비례하지 않고, 하중이 커지는데 수반하여 변위량의 변화율이 커진다. 즉, 스프링반(40)은 비선형의 스프링 특성을 갖는다.
원반부(41)가 축방향으로 탄성 변형되는 움직임은 핀(65)을 통해 포핏(60)에 전달된다. 원반부(41)가 팽출되는 탄성 변형량이 커지고, 핀(65)이 축 구멍(22)에 인입하면, 포핏(60)은 그 이상 밸브 개방 방향(도 1에 있어서 우측 방향)으로는 이동하지 않게 된다. 이때, 원반부(41)는 제2 플러그(25)의 단부면(23)에 접촉하고, 팽출되는 방향으로의 그 이상의 탄성 변형이 규제된다.
도 2는 스프링반(40)이 보디(70)에 설치되는 상태를 도시하는 단면도이다. 보디(70)의 개구단부에는, 스프링반(40)의 플랜지부(44)가 심(58)을 통해 접촉하는 환상의 단차부(84)와, 스프링반(40)의 외주 통부(43)의 외주에 끼워 맞추어지는 원통면 형상의 끼워 맞춤면(83)과, 시일 링(14)이 개재 장착되는 환상의 시일 홈(82)이 각각 중심선 O에 대해 동심 상에 형성된다.
스프링반(40)은, 플랜지부(44)가 심(58)을 통해 환상의 단차부(84)에 접촉함으로써, 보디(70)에 대해 축방향에 대해 위치 결정된다.
스프링반(40)은, 외주 통부(43)의 외주가 원통면 형상의 끼워 맞춤면(83)에 끼워 맞추어짐으로써, 보디(70)에 대한 직경 방향에 대해 위치 결정된다.
스프링반(40)의 외주 통부(43)와 환상의 시일 홈(82) 사이에 시일 링(14)이 개재 장착됨으로써, 2차압실(45)이 밀봉된다.
보디(70)에는, 2차압실(45)을 구획 형성하는 원통면 형상의 내벽면(81)이 중심선 O에 대해 동심 상에 형성된다. 내벽면(81)의 내경 D1은 끼워 맞춤면(83)의 내경[스프링반(40)의 외주 통부(43)의 외경] D2보다 크게 형성된다. 내벽면(81)은 스프링반(40)의 외주 통부(43)에 간극을 두고 형성되어, 스프링반(40)의 탄성 변형을 규제하는 규제부를 구성한다.
2차압과 파일럿압 압력차가 높아짐에 따라, 스프링반(40)의 원반부(41)는 편평하게 되도록 탄성 변형을 한다. 이때, 스프링반(40)의 외주연부(42)가 내벽면(81)에 근접하여 접촉하면, 외주연부(42)가 그 이상 직경 방향으로 확대될 수 없어, 스프링반(40)의 탄성 변형이 규제된다.
외주연부(42)가 직경 방향으로 확대되는 스프링반(40)의 탄성 변형은 내벽면(81)에 의해 규제되므로, 내벽면(81)의 내경 D1을 변경함으로써 스프링반(40)의 스프링 특성을 임의로 설정할 수 있다.
제어 밸브(1)는 스프링반(40)의 축방향의 위치를 조정하는 위치 조정 기구(50)를 구비한다.
위치 조정 기구(50)는 보디(70)에 형성되는 암나사부(85)와, 암나사부(85)에 나사 결합하는 원반 형상의 어저스터(55)와, 보디(70)와 스프링반(40) 사이에 개재 장착되는 심(58)을 구비한다. 어저스터(55)는, 그 중앙부에 육각 구멍(56)(도 1 참조)이 형성되고, 육각 구멍(56)에 삽입되는 공구를 통해 회전함으로써 나사 결합 위치가 바뀐다.
보디(70)에는, 어저스터(55)의 단부면(57)에 대치하는 환상의 단차부(84)가 형성된다. 스프링반(40)의 플랜지부(44)는, 단차부(84)와 어저스터(55)의 단부면(57) 사이에 끼움 지지됨으로써 보디(70)에 고정된다. 플랜지부(44)와 단차부(84) 사이에는, 환상의 심(58)이 개재 장착된다. 어저스터(55)의 나사 결합 위치에 따라 플랜지부(44)와 단차부(84) 사이에 설치되는 간극의 폭이 변화한다. 이 간극에, 간극의 폭과 동등한 판 두께를 갖는 심(58)이 설치된다.
이와 같이 하여 위치 조정 기구(50)에 의해 시트 구멍(21)에 대한 스프링반(40)의 축방향의 위치가 조정됨으로써, 제어 밸브(1)에 의해 제어되는 2차압(설정압)이 바뀐다.
원반 형상의 어저스터(55)와 스프링반(40) 사이에는, 배압실(46)이 구획 형성된다. 어저스터(55)는 보디(70)에 대한 커버 부재로서도 기능한다.
배압실(46)은 어저스터(55)의 육각 구멍(56)을 통해 외부와 연통되어 있다. 이에 의해, 배압실(46)에는 파일럿압으로서 대기압이 유도된다. 상술한 구성으로 한정되지 않고, 배압실(46)에는 다른 유체압원으로부터 파일럿압이 유도되는 구성으로 해도 된다.
이하, 제어 밸브(1)의 작동에 대해 설명한다.
유체 공급원으로부터 1차 포트(71)에 공급되는 가스는, 도 1에 화살표로 나타낸 바와 같이, 포핏 통로(30)에 있어서, 포핏 상류로(31), 포핏 교축 유로(32), 포핏 하류로(33)의 순서대로 통과하여, 2차압실(45)로 유도된다. 2차압실(45)로 유도된 가스는 통과 구멍(76), 2차 포트(77)를 통해 유체 공급처로 유도된다. 이와 같이, 가스는, 포핏(60)을 따라 도 1에 있어서 좌측 방향으로 흐르고, 계속해서 2차압실(45)에서 반환하여, 통과 구멍(76)을 통해 우측 방향으로 흐른다. 이에 의해, 1차 포트(71)와 2차 포트(77)의 양쪽을 보디(70)의 일단부측에 배치하는 것이 가능해진다.
포핏 밸브(61)는 포핏(60)이 받는 1차압 및 리턴 스프링(12)의 스프링력과, 2차압 및 파일럿압의 압력차를 받아 탄성 변형되는 스프링반(40)의 스프링력이 균형이 잡히는 위치로 이동한다.
2차압실(45)의 2차압이 설정압보다 저하되면, 스프링반(40)의 원반부(41)가 포핏(60)을 향해 팽출하도록 탄성 변형을 하고, 포핏(60)이 도 1에 있어서 우측 방향으로 이동한다. 이에 의해, 포핏 교축 유로(32)의 유로 단면적이 확대되어, 2차압실(45)의 압력이 상승하여 설정압에 가까워진다. 이때 스프링반(40)의 원반부(41)가 크게 팽창되는 탄성 변형을 하고 제2 플러그(25)의 단부면(23)에 접촉하면, 스프링반(40)의 탄성 변형이 규제됨과 함께, 제어 밸브(1)의 개방도가 최대로 된다.
한편, 2차압실(45)의 압력이 설정압보다 상승하면, 원반부(41)가 편평하게 되도록 탄성 변형을 하고, 포핏(60)이 도 1에 있어서 좌측 방향으로 이동한다. 이에 의해, 포핏 교축 유로(32)의 유로 단면적이 감소하고, 2차압실(45)의 압력이 저하되어 설정압에 가까워진다. 2차압실(45)의 압력이 크게 저하되어 포핏 밸브(61)가 시트 구멍(21)에 접촉함으로써, 포핏(60)의 이동이 규제되고, 제어 밸브(1)의 개방도가 최소(제로)로 되어, 가스의 흐름을 멈출 수 있다.
제어 밸브(1)는, 2차압과 파일럿압의 압력차에 따라 원반부(41)가 탄성 변형을 하고, 포핏 교축 유로(32)의 유로 단면적이 증감함으로써, 포핏 교축 유로(32)를 통과하는 가스 흐름에 부여되는 저항이 변화된다. 이와 같이, 제어 밸브(1)는, 파일럿압과의 압력차가 일정하게 유지되도록 2차압을 감압하는 감압 밸브로서 기능한다.
이상의 제1 실시 형태에 따르면, 이하에 나타내는 작용 효과를 발휘한다.
[1] 제어 밸브(1)는, 시트 구멍(21)에 대해 축방향으로 이동하여 시트 구멍(21)의 유로 단면적을 바꾸는 포핏 밸브(61)와, 리턴 스프링(12)에 저항하여 포핏 밸브(61)를 개방 방향으로 가압하는 스프링반(40)을 구비하고, 스프링반(40)은, 포핏 밸브(61)의 움직임과 연동하는 부위이며 2차 포트(77)로 유도되는 2차압을 받는 2차압수면(48)과, 2차압수면(48)의 반대측에 형성되어 기준이 되는 파일럿압을 받는 파일럿압수면(49)을 갖고, 스프링반(40)이 2차압과 파일럿압의 압력차에 따라 탄성 변형되어 포핏 밸브(61)를 축방향으로 이동시킨다.
이와 같은 제어 밸브(1)에 따르면, 스프링반(40)은 2차압과 파일럿압의 압력차에 따라 포핏 밸브(61)를 축방향으로 이동시키는 피스톤의 작용을 함과 함께, 포핏 밸브(61)를 축방향으로 가압하는 스프링의 작용을 한다.
제어 밸브에 있어서, 포핏 밸브를 폐쇄 방향으로 가압하는 코일 형상의 스프링과, 실린더부를 미끄럼 이동하는 피스톤이 축방향으로 나란히 설치되는 경우에는, 스프링 및 피스톤이 개재 장착되는 스페이스가, 포핏이 개재 장착되는 스페이스보다 커진다. 이와 같은 경우에는, 축방향에 대해 장치의 대형화를 초래한다.
이에 대해, 본 실시 형태에 관한 제어 밸브(1)에서는, 스프링반(40)이 설치됨으로써, 피스톤 및 스프링이 폐지된다. 제어 밸브(1)에서는, 얇은 컵 형상(트레이 형상)의 스프링반(40)이 보디(70)에 고정되어 설치된다. 이로 인해, 스프링반(40)이 개재 장착되는 스페이스가 포핏(60)이 개재 장착되는 스페이스보다 작아져, 축방향에 대해 장치의 대폭적인 소형화가 도모된다. 이에 의해, 제어 밸브(1)가 차량에 탑재되는 연료 전지 시스템에 사용되는 경우에는, 차량이 한정된 스페이스에 개재 장착하는 것이 가능해진다. 또한, 제어 밸브(1)에서는, 피스톤 및 스프링이 폐지됨으로써, 이들의 미끄럼 이동 마찰이 없어지고, 유량 특성의 2차압 히스테리시스가 작아진다.
[2] 제어 밸브(1)의 스프링반(40)은, 중앙부가 포핏 밸브(61)를 향해 돌출되어, 대치하도록 단면이 만곡된 원반부(41)와, 원반부(41)의 외주연부(42)로부터 축방향에 대해 원통 형상으로 연장되는 외주 통부(43)와, 외주 통부(43)의 기단부로부터 직경 방향으로 확대되는 플랜지부(44)를 갖는다.
이에 의해, 제어 밸브(1)에서는, 만곡된 원반부(41)가 2차압과 파일럿압의 압력차에 따라 탄성 변형되어 포핏 밸브(61)를 축방향으로 이동시킨다.
원반부(41)의 외주연부(42)가 외주 통부(43)에 연접하여 형성되므로, 외주 통부(43)에 의해 원반부(41)의 외주연부(42)가 직경 방향으로 확대되는 것이 규제되고, 외주 통부(43)의 강성에 의해 원반부(41)의 스프링 특성을 임의로 설정할 수 있다. 또한, 플랜지부(44)의 위치를 축방향에 대해 바꿈으로써, 제어 밸브(1)에 의해 제어되는 2차압(설정압)이 바뀐다.
[3] 제어 밸브(1)는 시트 구멍(21)에 대한 스프링반(40)의 축방향의 위치를 조정하는 위치 조정 기구(50)를 구비한다.
이에 의해, 제어 밸브(1)에서는, 위치 조정 기구(50)에 의해 시트 구멍(21)에 대한 스프링반(40)의 축방향의 위치가 조정되어, 제어 밸브(1)에 의해 제어되는 2차압(설정압)이 바뀐다.
(제2 실시 형태)
이어서, 도 3 및 도 4를 참조하여, 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 제어 밸브(101)에 대해 설명한다. 이하에서는, 상기 제1 실시 형태와 상이한 점을 중심으로 설명하고, 상기 제1 실시 형태의 제어 밸브(1)와 동일한 구성에는 동일한 부호를 부여하여 설명을 생략한다.
상기 제1 실시 형태에 관한 제어 밸브(1)의 위치 조정 기구(50)에서는, 어저스터(55)의 나사 결합 위치를 바꿈과 함께, 플랜지부(44)와 단차부(84) 사이에 그 간극에 맞는 판 두께를 갖는 심(58)을 개재 장착할 필요가 있었다. 제2 실시 형태에 관한 제어 밸브(101)의 위치 조정 기구(150)에서는, 보디(170)의 실린더 벽(181)에 미끄럼 이동 가능하게 개재 장착되는 홀더(151)가 설치되고, 홀더(151)에 의해 스프링반(40)이 지지되고, 심이 폐지되는 점에 있어서 상기 제1 실시 형태에 관한 제어 밸브(1)의 위치 조정 기구(50)와는 상이하다.
도 3에 도시한 바와 같이, 위치 조정 기구(150)는, 보디(170)의 스프링반(40)을 수용하는 부위에 형성되어 축방향으로 연장되는 실린더 벽(181)과, 실린더 벽(181)에 미끄럼 이동 가능하게 개재 장착되어 스프링반(40)을 지지하는 링 형상의 홀더(151)와, 보디(170)에 형성되는 암나사부(85)와, 암나사부(85)에 나사 결합하는 원반 형상의 어저스터(55)를 구비한다.
도 4에 도시한 바와 같이, 홀더(151)는 스프링반(40)의 외주 통부(43)의 외주에 끼워 맞추는 링 형상으로 형성된다. 홀더(151)는 실린더 벽(181)에 미끄럼 접촉하는 원통면 형상의 외주면(152)과, 외주면(152)으로 개방되어 제2 시일 링(183)이 개재 장착되는 환상의 시일 홈(153)과, 어저스터(55)의 단부면(57)에 대치하는 환상의 선단부(154)와, 스프링반(40)의 외주 통부(43)의 외주에 끼워 맞추는 원통면 형상의 끼워 맞춤면(155)과, 스프링반(40)의 외주 통부(43)의 외주에 간극을 두고 대치하는 원통면 형상의 제1 규제면(156)과, 스프링반(40)의 외주연부(42)의 외주에 간극을 두고 대치하는 원뿔대면 형상의 제2 규제면(157)과, 끼워 맞춤면(155)과 제1 규제면(156) 사이에 개방되어 제1 시일 링(182)이 개재 장착되는 환상의 시일 홈(158)과, 보디(170)의 저면(171)에 대치하는 환상의 수압부(159)가 각각 중심선 O에 대해 동심 상에 형성된다.
스프링반(40)은, 플랜지부(44)가 어저스터(55)의 단부면(57)과 홀더(151)의 선단부(154) 사이에 끼움 지지됨으로써, 보디(170)에 대해 축방향에 대해 위치 결정된다.
스프링반(40)은, 외주 통부(43)의 외주가 홀더(151)의 끼워 맞춤면(155)에 끼워 맞추어짐으로써, 보디(170)에 대해 직경 방향에 대해 위치 결정된다. 끼워 맞춤면(155)은 스프링반(40)의 외주 통부(43)를 끼워 맞추는 끼워 맞춤부를 구성한다.
스프링반(40)의 외주 통부(43)와 시일 홈(158) 사이에는, 제1 시일 링(182)이 개재 장착된다. 홀더(151)의 외주면(152)과 실린더 벽(181) 사이에는, 제2 시일 링(183)이 개재 장착된다. 이로 인해, 2차압실(45)이 밀봉된다.
제1 규제면(156)의 내경 D3은 끼워 맞춤면(155)의 내경[스프링반(40)의 외주 통부(43)의 외경] D4보다 크게 형성된다. 이렇게 제1 규제면(156)은 스프링반(40)의 외주연부(42)에 간극을 두고 형성되어, 스프링반(40)의 탄성 변형을 규제하는 규제부로서 제1 규제부를 구성한다.
제2 규제면(157)은 스프링반(40)의 외주연부(42)에 간극을 두고 형성되어, 스프링반(40)의 탄성 변형을 규제하는 규제부로서 제2 규제부를 구성한다.
2차압과 파일럿압의 압력차가 높아짐에 따라, 스프링반(40)의 원반부(41)는 편평하게 되도록 탄성 변형을 한다. 이때, 스프링반(40)의 외주연부(42)가 제1 규제면(156) 및 제 2 규제면(157)에 근접하여 접촉하면, 외주연부(42)가 그 이상 직경 방향으로 확대될 수 없어, 스프링반(40)의 탄성 변형이 규제된다.
외주연부(42)가 직경 방향으로 확대되는 스프링반(40)의 탄성 변형은 제1 규제면(156) 및 제 2 규제면(157)에 의해 규제된다. 이로 인해, 제1 규제면(156)의 내경 D3 및 제 2 규제면(157)의 경사 각도에 따라 스프링반(40)의 스프링 특성을 임의로 설정할 수 있다.
상술한 구성으로 한정되지 않고, 홀더(151)의 스프링반(40)의 외주연부(42)에 대치하는 부위[제1 규제면(156), 제2 규제면(157)]를 스프링반(40)의 외주 통부(43) 및 외주연부(42)로부터 크게 이격하여 형성하여, 스프링반(40)의 원반부(41)가 편평하게 되는 탄성 변형을 규제하지 않도록 구성해도 된다.
홀더(151)의 수압부(159)는 2차압실(45)에 면하여 환상으로 형성된다. 이에 의해, 수압부(159)가 받는 2차압에 의해 홀더(151)가 어저스터(55)측으로 밀려, 선단부(154)가 스프링반(40)의 플랜지부(44)를 어저스터(55)에 가압하여 유지한다.
위치 조정 기구(150)는, 육각 구멍(56)에 삽입되는 공구를 통해 어저스터(55)가 회전함으로써, 암나사부(85)에 대한 어저스터(55)의 나사 결합 위치가 바뀐다. 어저스터(55)가 축방향으로 이동하는 것에 수반하여, 홀더(151)는 2차압에 의해 스프링반(40)의 플랜지부(44)를 어저스터(55)에 가압하면서 축방향으로 이동한다. 이와 같이 하여, 홀더(151) 및 스프링반(40)의 위치가 축방향에 대해 조정됨으로써, 제어 밸브(101)에 의해 제어되는 2차압(설정압)이 바뀐다.
이상의 제2 실시 형태에 따르면, 제1 실시 형태와 마찬가지로 상기 [1] 내지 [3]의 작용 효과를 발휘함과 함께, 이하에 나타내는 작용 효과를 발휘한다.
[4] 위치 조정 기구(150)는, 보디(170)의 스프링반(40)을 수용하는 부위에 설치되어 축방향으로 연장되는 실린더 벽(181)과, 실린더 벽(181)에 미끄럼 이동 가능하게 개재 장착되어 스프링반(40)을 지지하는 홀더(151)와, 보디(170)의 축방향으로 이동 가능하게 설치되어 홀더(151) 및 스프링반(40)의 위치를 조정하는 어저스터(55)를 구비한다.
이에 의해, 제어 밸브(101)에서는, 암나사부(85)에 대한 어저스터(55)의 위치를 바꿈으로써 홀더(151)를 통해 스프링반(40)의 축방향 위치가 조정되어, 제어 밸브(101)에 의해 제어되는 2차압이 용이하게 바뀐다.
[5] 홀더(151)는 스프링반(40)의 외주에 끼워 맞추어지는 링 형상으로 형성된다. 홀더(151)는 2차압을 받는 수압부(159)와, 스프링반(40)의 플랜지부(44)를 어저스터(55)에 가압하는 선단부(154)를 갖는다.
이에 의해, 어저스터(55)의 나사 결합 위치가 바뀔 때에, 홀더(151)는 수압부(159)에 받는 2차압에 의해 어저스터(55)에 추종하고, 선단부(154)가 스프링반(40)의 플랜지부(44)를 어저스터(55)에 가압하면서 이동한다. 이와 같이 하여, 위치 조정 기구(150)에서는, 홀더(151)를 통해 스프링반(40)의 축방향 위치가 조정되므로, 제1 실시 형태에 있어서의 심의 교환 작업이 불필요해진다.
상술한 구성으로 한정되지 않고, 홀더에 스프링반의 외주를 결합하는 구성으로 해도 된다.
위치 조정 기구(150)는 홀더(151)의 내주와 스프링반(40)의 외주 사이에 개재 장착되는 제1 시일 링(182)과, 홀더(151)의 외주와 실린더 벽(181) 사이에 개재 장착되는 제2 시일 링(183)을 구비한다.
이에 의해, 홀더(151)가 실린더 벽(181)을 미끄럼 이동해도, 스프링반(40)의 외주 통부(43)와 실린더 벽(181) 사이가 홀더(151), 제1 시일 링(182) 및 제2 시일 링(183)에 의해 막혀, 2차압실(45)의 밀봉 상태가 유지된다.
[6] 스프링반(40)은, 중앙부가 포핏 밸브(61)에 대해 돌출되어, 대치하도록 단면이 만곡된 원반부(41)와, 원반부(41)의 외주연부(42)로부터 축방향에 대해 원통 형상으로 연장되는 외주 통부(43)를 갖고, 홀더(151)는 스프링반(40)의 외주 통부(43)의 외주에 끼워 맞추어지는 끼워 맞춤면(155)과, 끼워 맞춤면(155)의 내경 D4보다 큰 내경 D3을 갖고 스프링반(40)의 외주 통부(43)의 외주에 간극을 두고 대치하는 제1 규제면(156)과, 스프링반(40)의 외주연부(42)의 외주에 간극을 두고 대치하는 제2 규제면(157)을 구비한다.
이에 의해, 2차압과 파일럿압의 압력차가 높아짐에 따라, 스프링반(40)의 원반부(41)가 편평하게 되도록 탄성 변형을 할 때에, 스프링반(40)의 외주연부(42)가 제1 규제면(156) 및 제 2 규제면(157)에 근접하여 접촉하면, 외주연부(42)가 그 이상으로 직경 방향으로 확대될 수 없어, 스프링반(40)의 탄성 변형이 규제된다. 이에 의해, 스프링반(40)이 소성 변형되는 것이 방지된다. 또한, 제1 규제면(156)의 내경 D3 및 제 2 규제면(157)의 경사 각도에 따라 스프링반(40)의 스프링 특성을 임의로 설정할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시 형태에 대해 설명했지만, 상기 실시 형태는 본 발명의 적용예의 일부를 나타낸 것에 지나지 않고, 본 발명의 기술적 범위를 상기 실시 형태의 구체적 구성으로 한정하는 취지는 아니다.
본원은 2012년 12월 4일에 일본 특허청에 출원된 일본 특허 출원 제2012-265180호에 기초하는 우선권을 주장하고, 이 출원의 모든 내용은 참조에 의해 본 명세서에 포함된다.

Claims (6)

  1. 밸브 보디에 설치되는 1차 포트로부터 2차 포트로 향하는 유체의 흐름을 제어하는 제어 밸브이며,
    상기 1차 포트로부터 상기 2차 포트로 향하는 유체가 통과하는 시트 구멍에 대해 축방향으로 이동하여 상기 시트 구멍의 유로 단면적을 바꾸는 포핏 밸브와,
    상기 포핏 밸브를 폐쇄 방향으로 가압하는 리턴 스프링과,
    상기 리턴 스프링에 저항하여 상기 포핏 밸브를 개방 방향으로 가압하는 스프링반을 구비하고,
    상기 스프링반은, 중앙부가 상기 포핏 밸브에 대치하여 돌출하도록 단면이 만곡된 원반부를 갖고,
    상기 원반부는,
    상기 포핏 밸브와 연동하는 부위이며 상기 2차 포트로 유도되는 2차압을 받는 2차압수면과,
    상기 2차압수면의 반대측에 형성되어 기준이 되는 파일럿압을 받는 파일럿압수면을 갖고,
    상기 스프링반이 2차압과 파일럿압의 압력차에 따라 탄성 변형되어 상기 포핏 밸브를 축방향으로 이동시키는, 제어 밸브.
  2. 제1항에 있어서, 상기 스프링반은,
    상기 원반부의 외주연부로부터 축방향에 대해 원통 형상으로 연장되는 외주 통부와,
    상기 외주 통부의 기단부로부터 직경 방향으로 확대되는 플랜지부를 갖는, 제어 밸브.
  3. 제1항에 있어서, 상기 시트 구멍에 대한 상기 스프링반의 축방향의 위치를 조정하는 위치 조정 기구를 더 구비하는, 제어 밸브.
  4. 제3항에 있어서, 상기 위치 조정 기구는,
    상기 밸브 보디의 상기 스프링반을 수용하는 부위에 설치되어 축방향으로 연장되는 실린더 벽과,
    상기 실린더 벽에 미끄럼 이동 가능하게 개재 장착되어 상기 스프링반을 지지하는 홀더와,
    상기 밸브 보디의 축방향으로 이동 가능하게 설치되어 상기 홀더 및 상기 스프링반의 위치를 조정하는 어저스터를 구비하는, 제어 밸브.
  5. 제4항에 있어서, 상기 스프링반은,
    상기 원반부의 외주연부로부터 축방향에 대해 원통 형상으로 연장되는 외주 통부와,
    상기 외주 통부의 기단부로부터 직경 방향으로 확대되는 플랜지부를 갖고,
    상기 홀더는,
    상기 2차 포트로 유도되는 2차압을 받는 수압부와,
    상기 수압부가 받는 2차압에 의해 상기 스프링반의 상기 플랜지부를 상기 어저스터에 가압하는 선단부를 갖고,
    상기 스프링반의 상기 외주 통부에 끼워 맞추는 링 형상으로 형성되는, 제어 밸브.
  6. 제4항에 있어서, 상기 스프링반은,
    상기 원반부의 외주연부로부터 축방향에 대해 원통 형상으로 연장되는 외주 통부를 갖고,
    상기 홀더는,
    상기 외주 통부의 외주에 끼워 맞추는 끼워 맞춤부와,
    상기 끼워 맞춤부의 내경보다 큰 내경을 갖고 상기 스프링반의 상기 외주 통부의 외주에 간극을 두고 대치하는 제1 규제부와,
    상기 원반부의 외주연부의 외주에 간극을 두고 대치하는 제2 규제부를 구비하는, 제어 밸브.
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