WO2013129560A1 - 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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統 渡辺
哲弥 渡邉
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    • F16K5/22—Features relating to lubrication
    • F16K5/227—Features relating to lubrication for plugs with spherical surfaces

Definitions

  • the present invention relates to a ball valve, and more particularly to a high-pressure trunnion-type ball valve and a hydrogen station suitable for equipment such as a hydrogen station through which a high-pressure fluid such as hydrogen flows.
  • a high-pressure fluid valve is used because the pressure becomes 80 MPa or higher.
  • a needle valve of Patent Document 1 is known.
  • the needle valve is structured to open and close the flow path by reciprocating movement of the needle.
  • a trunnion type ball valve may be used as a valve suitable for turning on and off the flow path while securing the flow rate.
  • a trunnion-type ball valve of Patent Document 2 is known.
  • This trunnion type ball valve is a seat in which a metal ball valve body is rotatably mounted in a body via a stem and a trunnion (lower stem), and ball balls for sealing are attached to both sides of the ball valve body.
  • the retainer is attached.
  • Such a high-pressure valve is required to maintain high sealing performance in order to reliably prevent leakage.
  • it is also necessary to satisfy the slidability between the stem and the seat side.
  • a ball valve disclosed in Patent Document 3 As a trunnion-type ball valve for high-pressure gas that improves the sealing performance between the ball and the seat, for example, a ball valve disclosed in Patent Document 3 is disclosed.
  • diamond-like carbon is deposited on the contact surface of the ball with the seat in order to improve the sealing performance between the ball and the seat under high pressure.
  • the electromagnetic valve of patent document 4 is disclosed as a valve
  • a coating film is formed on at least one sliding surface of the inner peripheral surface of the valve box and the outer peripheral surface of the valve body, and diamond-like carbon is used as the coating film, thereby improving the slidability. It is said.
  • the ball valve of Patent Document 2 a resin material such as PEEK (polyetheretherketone) or PTFE (polytetrafluoroethylene) that is generally used to ensure slidability is used as a material on the seat side. If used, the soft resin material is likely to be damaged under high pressure, and thus there is a possibility that the sealing performance cannot be secured. Thus, in order to ensure the sealing performance under high pressure, it is necessary to increase the hardness of the seal portion or the seal surface from the viewpoint of durability.
  • PEEK polyetheretherketone
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • Patent Document 3 diamond-like carbon is vapor-deposited only on the contact surface with the ball seat to improve durability and maintain the sealing performance (sealing performance) when flowing high-pressure gas. Then, instead of improving the sealing property, the slidability between them may be deteriorated due to the increased adhesion between the ball and the seat.
  • the ball is strongly pressed to the secondary side by the high pressure fluid.
  • a fluid pressure of 90 MPa is applied, a load of about 1 t is applied to the ball in a ball valve having a nominal diameter of 9/16 (port diameter 6.4 mm).
  • a stem is connected to the ball, and this stem is sealed with packing. Therefore, when the ball is strongly pressed to the secondary side, the structure in which the ball and the stem are connected substantially integrally may be inclined to the secondary side to the stem, and the sealing performance by the packing may be impaired.
  • the present invention has been developed to solve the above-mentioned problems, and the object of the present invention is particularly suitable for high-pressure fluid, and improves the slidability between the valve body side and the valve seat side.
  • a trunnion type ball valve for high pressure and a hydrogen station with improved durability that can maintain the sealing performance over a long period of time by realizing a very high sealing performance by improving the sealing performance while realizing low torque during operation It is to provide.
  • a seal mechanism for sealing contact with a ball rotatably provided in a body body is disposed at both side positions of the ball.
  • a trunnion-type ball valve comprising a seat retainer having a seal surface that is in sealing contact with the spring member, a spring member that is mounted to give a resilient force to the seal surface side, and a seal member that is mounted on the outer peripheral surface of the seat retainer,
  • This is a high-pressure trunnion type ball valve in which at least both the seal surface of the seat retainer and the ball surface in contact with the seal surface are provided with a coating layer of diamond-like carbon to exhibit slidability and sealing performance.
  • the seal surface of the seat retainer is set at a position deviated from the center of the ball diameter of the ball surface and slightly longer than the radius of the ball surface.
  • a high-pressure trunnion-type ball valve having a seal position at a substantially central position of the seal surface.
  • the seal surface of the seat retainer is deviated from a point deviated by a predetermined distance in the Y-axis direction intersecting with the X-axis which is the flow direction of the ball from the ball diameter center point of the ball surface.
  • This is a high-pressure trunnion-type ball valve that uses a part of a hemisphere drawn with a radius slightly longer than the ball surface at an angle of 180 ° in the direction opposite to the side as a locus surface.
  • the invention according to claim 4 is a trunnion type ball valve for high pressure in which the base material hardness of the seat retainer is set higher than the base material hardness of the ball.
  • the invention according to claim 5 is a trunnion type ball valve for high pressure in which a base material of the seat retainer is a BeCu alloy and a base material of the ball is stainless steel.
  • the invention according to claim 6 is a high-pressure trunnion type ball valve in which a conforming layer is provided on the surface of one or both of the sealing surface and the ball surface.
  • a stem is provided with an upper shaft portion and a lower shaft portion that are integrally provided on a ball, rotatably provided on the outer periphery of the upper and lower shaft portions via a radial bearing, and the ball is joined to the shaft portion. It is provided so as to be rotatable through the rotational force of the shaft, and the parallel two-surface portion provided at the upper end of the shaft portion is joined to the parallel two-surface groove formed at the lower end portion of the stem so as to be interlocked.
  • This is a high-pressure trunnion-type ball valve that, when pressed, supports a ball having a vertical shaft portion in a state perpendicular to the secondary side direction.
  • the invention according to claim 8 is the high-pressure trunnion-type ball valve in which the radial bearing is formed by coating polytetrafluoroethylene on the inner peripheral surface of the rigid cylindrical body.
  • a manual operation handle is attached to the upper end portion of the stem to form a ball valve for manual operation, or the upper end portion of the stem is connected to an automatic operation actuator mounted on the body body for automatic operation.
  • High pressure trunnion type ball valve is attached to the upper end portion of the stem to form a ball valve for manual operation, or the upper end portion of the stem is connected to an automatic operation actuator mounted on the body body for automatic operation.
  • the invention according to claim 10 is a hydrogen station in which a high-pressure trunnion-type ball valve is provided in a high-pressure hydrogen supply line.
  • a ball valve having a trunnion type structure particularly suitable for high-pressure fluid can be provided, and at least by applying a coating layer of diamond-like carbon on both the seal surface and the ball surface of the seat retainer, Endurance that can maintain the sealing performance for a long time by improving the sealing performance by improving the sealing performance while improving the slidability between the valve body side and the valve seat side and realizing low torque during operation.
  • the valve element can be operated while having both of these characteristics under high pressure. As a result, even when the spring constant of the spring member is reduced, the trunnion structure ball valve for high pressure fluid exerts self-tightening force to prevent leakage of the high pressure fluid, and it can be easily manually operated with excellent operability.
  • the valve can also be operated.
  • the ball surface and the seal surface by abutting with a line contact or a surface contact allowing a swing width, and the ball surface with a minimum contact area.
  • the low torque property can be enhanced while the sealing performance between the sealing surface and the sealing surface is reliably maintained.
  • the sealing position of the sealing surface with the ball surface is the central position of the sealing surface, the ball surface is pressed against the sealing surface in a pressure-equalized state, the sealing performance is improved, and leakage can be reliably prevented.
  • the diamond-like carbon layer is maintained, and the durability of the sheet retainer is particularly improved by increasing the hardness of the sheet retainer. Even when the sheet retainer has a thin cylindrical shape, it is damaged. High sealing performance can be maintained. Moreover, even if diamond-like carbon is worn out, the minimum slidability is ensured due to the difference in hardness of the base material, the sealing performance can be maintained for a long time, and the durability can be improved. Thus, by providing a sheet retainer with high hardness under the diamond-like carbon coating layer, the fail-safe function is exhibited and high-pressure hydrogen leakage is reliably prevented.
  • the soundness of diamond-like carbon is improved by improving the intensity
  • the conformability between the sealing surface and the ball surface is improved and wear due to friction is prevented. Slidability can be improved.
  • the familiarity layer also increases the degree of adhesion, thus improving the sealing performance.
  • the fixed position of the inner diameter seal member which is a seal for the stem seal, is securely held, and the seal function is effectively exhibited.
  • the ball having the vertical shaft portion is supported in a state perpendicular to the secondary side direction, the ball can move slightly along the flow path direction along the parallel dihedral groove, and when the valve is closed
  • the tilt phenomenon is reliably prevented even when the ball is subjected to a load in the direction of the flow path due to the application of high pressure, or when the ball is slightly translated or distorted due to the high load. For this reason, durability and torque can be maintained even when the ball is rotated repeatedly, and the high sealing performance of the stem by the inner diameter sealing member can be maintained.
  • the eighth aspect of the invention even when an excessive force in the radial direction is applied to the ball by the high pressure fluid, the torque is secured by the radial bearing, and the soft polytetrafluoroethylene is used even when repeatedly rotating. Since the sliding resistance is small and the slidability is further increased, the durability of the ball can be improved and deterioration can be suppressed.
  • the ball can be rotated by manual operation or automatic operation, and can be installed while selecting an appropriate operation according to the use conditions such as the pressure and type of the high-pressure fluid and the installation location.
  • a high pressure capable of improving durability capable of maintaining extremely high sealing performance by maintaining the sealing performance over a long period of time by improving sealing performance while realizing low torque during operation A trunnion-type ball valve for operation can be operated under high pressure while combining both of these characteristics.
  • the ball valve exerts self-strengthening to reliably prevent leakage of high-pressure fluid, and with excellent operability, the valve body is easily operated automatically or manually to switch the flow path to generate a predetermined amount of hydrogen. Can be supplied or stopped.
  • the maintenance frequency of the hydrogen station can be significantly reduced.
  • FIG. 2 is a separated sectional view of the high pressure trunnion type ball valve of FIG. 1. It is a longitudinal cross-sectional view which shows a sheet retainer. It is the principal part enlarged view which showed the sealing state of a ball
  • FIG. 8 is an AA enlarged sectional view of FIG. 7. It is a separate perspective view which shows the ball valve and actuator of FIG. It is the longitudinal cross-sectional view which showed other embodiment of the trunnion type ball valve for high pressures in this invention. It is the block diagram which showed the hydrogen station.
  • FIG. 1 shows an embodiment of a high-pressure trunnion-type ball valve according to the present invention
  • FIG. 2 shows a separated sectional view of FIG.
  • a ball valve main body (hereinafter referred to as a valve main body) 10 is provided with a ball 12 which is a valve body rotatably via a stem 11 inside. Sealing mechanisms 13 for sealing contact are arranged on both sides of the ball 12, and this is a trunnion-type ball valve structure that is particularly suitable for flowing a high-pressure fluid.
  • the valve body 10 is composed of a body body 14, which is composed of a body 15 and cap members 16, 16 provided on the primary side and the secondary side of the body 15, respectively.
  • a ball 12 and a seal mechanism 13 are housed inside the body main body 14.
  • the high pressure in the present embodiment is, for example, 35 MPa or more, and 70 to 105 MPa, specifically 90 MPa is assumed for the piping equipment for the hydrogen station.
  • the body 15 is formed in a substantially rectangular shape, and the body body 14 is configured by screwing the cap members 16 and 16 through the screwing portions 16a with the gaskets 17 sandwiched between both sides of the body 15.
  • a mounting hole 19 for mounting the seat retainer 18 is provided on the inner peripheral surface of the cap member 16, and the seat retainer 18 is provided in the mounting hole 19 so as to be fitted therein. Further, a seal member 20 can be mounted in the mounting hole 19.
  • the mounting hole 19 is formed with an enlarged groove portion 23 having a diameter larger than that of the mounting hole 19, and a spacer 25 formed in a substantially cylindrical shape is attached between the enlarged groove portion 23 and a spring member 22 described later.
  • a spring member 22 is mounted in a resilient state between the spacer 25 and the seat retainer 18.
  • a female thread portion 24 is formed in communication with the other side of the mounting hole 19, and an external joint (not shown) can be screwed into the female thread portion 24.
  • the cap member 16 can be integrated with the body 15 by a joining means such as adhesion or welding.
  • the ball 12 is formed using, for example, stainless steel such as SUS316 as a base material, and has a ball surface 12a.
  • a seat retainer 18 can be sealed to the ball surface 12a.
  • the ball 12 has an upper shaft portion (upper shaft portion) 12b and a lower trunnion (lower shaft portion) 12c.
  • the upper shaft portion 12b and the lower shaft portion 12c are attached to the mounting holes of the body 15. It can turn freely by being attached to 15a.
  • the fluid can flow when the communication hole 12 d formed in the ball 12 communicates with the internal flow path 28 formed in the seat retainer 18. Yes.
  • the base material of the ball 12 is SUS316, the Vickers hardness is Hv200 or less.
  • the ball 12 is formed of stainless steel, since the ball 12 is a liquid contact part, it is desirable to use a material free from hydrogen embrittlement.
  • a pressure equalizing hole 12e communicating from the communicating hole 12d to the upper surface side of the ball is provided, and the pressure in the cavity when the valve is opened can be released by the pressure equalizing hole 12e. It is like that.
  • the seal mechanism 13 includes a seat retainer 18, a spring member 22, and a seal member 20.
  • the sheet retainer 18 is formed using, for example, a copper base alloy such as a BeCu alloy (beryllium copper alloy) as a base material.
  • a copper base alloy such as a BeCu alloy (beryllium copper alloy) as a base material.
  • BeCu alloy beryllium copper alloy
  • the base material of the sheet retainer 18 is beryllium copper
  • the Vickers hardness after the heat treatment is Hv 360 to 450
  • the mechanical properties thereof are, for example, a tensile strength of 1200 to 1500 MPa, a 0.2% proof stress of 1000 to 1400 MPa.
  • the sheet retainer is formed of a copper-based alloy, embrittlement due to hydrogen can be prevented.
  • the seat retainer 18 it is desirable to perform polishing on the seal surface 18a which is the contact side of the ball surface 12a.
  • the base material hardness of the seat retainer 18 is set higher than the base material hardness of the ball 12, and “hardness of diamond-like carbon”> “base material hardness of the seat retainer”> “base material hardness of the ball” Have the relationship. Accordingly, even if diamond-like carbon (DLC), which will be described later, is consumed, the difference in hardness between the DLC on the ball surface 12a and the base material of the seat retainer 18 or the DLC on the ball surface 12a is consumed.
  • DLC diamond-like carbon
  • BeCu is used for the seat retainer 18 so that the sealing performance can be further maintained. That is, the double that the DLC is provided, the hardness difference is provided between the base material of the seat retainer 18 and the base material of the ball 12, the base material of the seat retainer 18 is a BeCu alloy, The triple setting makes fail-safe so that high-pressure hydrogen does not leak.
  • the base material hardness of the ball may be set equal to or higher than the base material hardness of the seat retainer.
  • the seat retainer 18 As a specific shape of the seat retainer 18, there are provided an enlarged diameter portion 26 disposed to face the ball 12 and a cylindrical portion 27 having a diameter smaller than that of the enlarged diameter portion 26. As described above, the sealing surface 18a is provided on the surface of the enlarged diameter portion 26 facing the ball 12, and the sealing surface 18a and the ball surface 12a are capable of sealing contact.
  • the base material of the seat retainer 18 may be a copper alloy such as aluminum bronze or a material other than a copper base alloy as long as the function as a sliding component can be exhibited. In the present embodiment, since the cylindrical portion of the sheet retainer 18 that is a pressure-resistant sliding component has a small diameter and is thin, a BeCu alloy having high mechanical properties is used to prevent deformation.
  • an X axis is provided in the direction of the flow path of the ball 12 from the spherical diameter center point P of the ball surface 12a, and a Y axis intersecting with the X axis is provided.
  • Two deviation points (offset points) Q and Q are provided at a predetermined distance H from the spherical diameter center point P in the Y-axis direction.
  • each offset point Q by drawing deviation from Q hemisphere with a radius R slightly longer radius R than B of the ball surface 12a at an angle of 180 ° in the opposite direction to the (offset) side S, S respectively, the hemisphere A seal surface 18a having a part of S as a locus surface is formed. That is, in FIG. 4, the seal surface 18 a is a part of a slightly longer radius R locus of the ball surface 12 a drawn from the offset points Q and Q of the predetermined distance H, and this seal surface 18 a is drawn with the radius R. It will be.
  • the predetermined distance H of the offset point Q is set so that the seal position T between the seal surface 18a and the ball surface 12a is substantially the center position of the seal surface 18a.
  • an internal flow path diameter d N is 10mm ball 12 in FIG. 1, when the spherical diameter D B of the ball surface 12a is ⁇ 20mm of (radius R B is 10mm) is slightly longer radius R (radius R B + [Delta] r)
  • an offset point Q having the distance H as ⁇ h is set, and a locus plane is drawn from the offset point Q.
  • the predetermined distance H from the spherical diameter center point P of the offset point Q can be appropriately changed according to the spherical diameter of the ball surface 12a. In the present embodiment, the relationship ⁇ r> ⁇ h is set.
  • the seal surface 18a of the seat retainer 18 is set with a slightly longer radius than the ball surface 12a without providing the offset point Q, the ball 12 contacts the inner peripheral edge portion of the seal surface 18a of the seat retainer 18. End up. Then, the inner peripheral edge portion comes into contact with the ball surface 12a in a local manner, and there is a high possibility that the DLC is damaged. In order to avoid this, a technique of rounding the inner peripheral edge portion to avoid a local contact is conceivable. However, the position of the ball 12 is shifted in the X-axis direction, and the shaft portion on the top of the ball 12 is New problems arise, such as having to make it thinner.
  • the seal position between the seal surface 18a of the seat retainer 18 and the ball surface 12a is set to a substantially central position of the seal surface. Then, the finishing process before the DLC is applied to the ball 12 so that the seat retainer 18 and the ball 12 are sealed with a surface contact seal.
  • the present invention has a seal surface abutted by line contact or surface contact, and even in line contact, a contact seal surface having a predetermined width is actually formed.
  • the width of the surface contact seal is an annular close contact portion formed substantially parallel to the Y axis, and is set to a width of about 0.5 mm, for example. Since the trunnion type ball valve of the present embodiment is for high pressure, the ball 12 is slightly displaced by the fluid pressure. However, by setting the surface contact seal width as described above, the annular contact portion is maintained.
  • the seal position T is set at a substantially central position of the seal surface 12a. Therefore, even when the position of the seal position T is slightly deviated during use of the ball valve, The close contact state is maintained.
  • a seal member 20 and backup rings 29 and 30 to be described later are disposed on the cylindrical portion 27 of the seat retainer 18.
  • the seat retainer 18 By inserting the cylindrical portion 27 into the mounting hole 19 of the cap member 16, the seat retainer 18 is movable in the flow path direction.
  • the sealing member 20 is mounted in close contact with the outer peripheral surface of the cylindrical portion 27, and the cylindrical portion 27 and the mounting hole 19 are sealed by the sealing member 20 when the seat retainer 18 moves in the flow path direction.
  • An internal flow path 28 through which high-pressure fluid flows is formed inside the seat retainer 18.
  • a coating layer 31 of diamond-like carbon is applied to at least the seal surface 18a of the seat retainer 18 and the ball surface 12a in contact with the seal surface 18a.
  • a conforming layer 32 is applied to the surface of one or both of the sealing surface 18a and the ball surface 12a.
  • DLC is an amorphous hard film mainly composed of allotropes of hydrocarbons or carbon, and has high hardness and excellent properties such as lubricity, wear resistance, surface smoothness, and chemical stability. .
  • a film can be formed by a plasma CVD method or a PVD method.
  • the DLC When the DLC is provided by plasma CVD, a raw material gas is converted into plasma in a chamber using a hydrocarbon gas such as acetylene, and vapor phase synthesized hydrocarbon is deposited on the surface of the component. In this case, since hydrogen is contained in the raw material, hydrogen is also contained in DLC.
  • the DLC when the DLC is provided by the PVD method, for example, there are a sputtering method and an ion plating method. In this case, the graphite as a raw material is exposed to an ion beam, arc discharge, glow discharge or the like in a vacuum, and scattered carbon atoms are attached to the surface of the component.
  • DLC can be provided only with carbon, and hydrogen-free DLC can be applied.
  • hydrogen which is a high-pressure fluid
  • hydrogen fluid may enter the DLC of the coating layer 31, but the DLC of this embodiment contains hydrogen, and this DLC is There is no risk of further peeling from the base material.
  • the Vickers hardness is sufficiently higher than that of the sheet retainer or the base material of the ball, for example, in the range of HV1500 to 3000, and a film thickness of about 2 to 3 ⁇ m and a uniform thickness on the processing surface.
  • the conforming layer 32 is provided with an appropriate thickness as necessary.
  • the component to which the coating layer 31 of DLC is applied can be used as a high surface pressure sliding component, and the initial conforming performance is improved by providing the conforming layer 32.
  • the spring member 22 in the sealing mechanism is made of, for example, a coil spring, and is mounted between the enlarged diameter portion 26 of the seat retainer 18 inserted into the mounting hole 19 and the spacer 25, and the spring member 22 seals the seat retainer 18. A resilient force is applied in the direction of the surface 18a.
  • the spring member 22 may be a disc spring.
  • the seal member 20 is made of, for example, a rubber O-ring, and is mounted in the mounting hole 19 together with the backup rings 29 and 30, whereby the space between the mounting hole 19 on the body main body 14 side and the outer peripheral surface 18 a of the seat retainer 18. It is arranged.
  • the backup ring 29 disposed on the seal member 20 side is formed of, for example, PTFE (polytetrafluoroethylene), and the backup ring 30 disposed outside the backup ring 29 is formed of, for example, PEEK (polyether ether). Ketone).
  • the seal member 20 and the backup rings 29 and 30 may be formed of a material other than the above materials, but also in this case, it is preferable to use a soft material similar to rubber or PTFE, By using a soft material, the mounting hole 19 can be easily deformed and mounted.
  • the seal member 20 is mounted in the mounting hole 19 with the backup rings 29 and 30 arranged on both sides, and both sides are protected by the backup rings 29 and 30.
  • valve main body 10 Due to the sealing function of the ball 12 and the sealing mechanism 13, the valve main body 10 is sealed by the elastic force that the spring member 22 applies to the seat retainer 18 and the fluid pressure set on the inner diameter side of the sealing member 20.
  • the high pressure fluid can be sealed by a so-called double seal method using self-tightening force by exerting the pressing force of.
  • a lower packing washer 33 On the outer peripheral side of the stem 11, a lower packing washer 33, an inner diameter sealing member 34, an outer diameter sealing member 35, a thrust bearing 36, an upper packing washer 37 that can be fitted from above the lower packing washer 33, a gland 38, and a bush 39 is provided, and the stem 11 is rotatably mounted in the body 15 through these.
  • the lower packing washer 33 has a cylindrical portion 40 in which an inner diameter seal member 34 that seals between the stem 11 and the bottom portion 41 on which the inner diameter seal member 34 is placed.
  • An annular groove 42 is formed on the outer peripheral side of the cylindrical portion 40, and an outer diameter seal member 35 is attached to the annular groove 42.
  • the inner diameter sealing member 34 and the outer diameter sealing member 35 are mounted between the stem 11 and the lower packing washer 33, and the lower packing washer 33 and the body 15, respectively. Leakage of high-pressure fluid from the part is prevented.
  • the lower packing washer 33 is disposed on the upper side of the stem 11 via the thrust bearing 36, whereby the stem 11 is rotatable with respect to the inner diameter seal member 34 and the upper packing washer 37 via the thrust bearing 36. It becomes.
  • the gland 38 is formed in a substantially cylindrical shape, and has an annular flange portion 43 into which the upper packing washer 37 and the lower packing washer 33 can be fitted, and a lid portion 45 that covers the upper packing washer 37 from above. ing.
  • the gland 38 is attached to the mounting recess 46 formed in the body 15 by screwing from the upper side of the upper packing washer 37, houses the inner diameter seal member 34, and the upper and lower packing washers 37 to which the outer diameter seal member 35 is attached. , 33 are pressed in the direction of the thrust bearing 36.
  • a bush 39 is mounted on the inner peripheral side of the gland 38, and the upper packing member 37 is pressed against the lower packing washer 33 by the bush 39.
  • the bush 39 is provided with PEEK as a material, for example.
  • a cover 50 is attached to the body 15 of the valve body 10, and a handle cap 51 and a manual handle 52 are attached via the cover 50.
  • the cover 50 is formed in a substantially disc shape, and a bottom surface side is provided with a hook-shaped side surface portion 54 that can be fitted to an annular protrusion 53 formed on the upper surface side of the body 15.
  • the counterbore part 55 and the notch part 56 are alternately formed at intervals of 90 °.
  • a hole 57 for inserting the handle cap 51 is formed at the center of the cover 50, and a regulating piece (not shown) is formed projectingly into the hole 57, and the stem 11 rotates by this regulating piece. Regulated in the range of °.
  • the handle cap 51 is formed in a substantially cylindrical shape having substantially the same diameter as the ground 38, and a locking piece 59 that can be locked to the regulating piece of the cover 50 is formed on the outer peripheral side thereof.
  • a fitting hole portion 51a into which the parallel portion 11a formed on the upper end portion of the stem 11 can be fitted is formed.
  • the handle cap 51 is connected to the fitting hole portion 51a and the parallel portion 11a. And the stem 11 are integrated.
  • the handle cap 51 is provided with an attachment hole 60, while the attachment portion of the handle 52 is provided with an outer diameter that can be fitted into the attachment hole 60.
  • a female screw 61 is provided at a position corresponding to the counterbore 55 on the side of the annular projection 53 of the body 15 and the notch 56, and a fixing bolt 62 and a set screw (not shown) are screwed to the female screw 61. It is possible.
  • the handle cap 51 is attached to the stem 11 in a predetermined direction by fitting the fitting hole 51a and the parallel portion 11a.
  • the cover 50 is fitted to the annular protrusion 53 from above the handle cap 51.
  • the handle cap 51 is fixed by screwing the fixing bolt 62 and the set screw to the female screw 61 through the counterbore portion 55 and the notch portion 56 of the cover 50, respectively.
  • the handle 52 is operably attached to the upper end side of the stem by inserting the handle 52 into the 60 and fixing it with the fixing bolt 64.
  • the locking piece 59 is regulated by coming into contact with the regulating piece, so that the stem 11 can be opened and closed while the rotation of the stem 11 is regulated to 90 °.
  • the valve body 10 is provided as a manual valve.
  • the high-pressure trunnion type ball valve of the present invention can be automated by an automatic operation actuator such as a pneumatic actuator, as will be described later, in addition to attaching a manual handle as described above.
  • the trunnion type ball valve for high pressure of the present invention is provided with a coating layer 31 made of diamond-like carbon on at least the seal surface 18a of the seat retainer 18 and the ball surface 12a in contact with the seal surface 18a. Therefore, when high-pressure fluid such as high-pressure hydrogen gas flows, slidability due to high surface pressure is secured, and scratches occur on either side of the seat retainer 18 and the ball 12. It is possible to improve the operability while ensuring low torque and sealing properties and preventing leakage. By providing the DLC with the coating layer 31 having a film thickness of 2 to 3 ⁇ m, it is possible to maintain the ultraprecision processing of the base material such as sphericity and finish roughness even after coating.
  • the ball at an angle of 180 ° in the opposite direction to the offset side from the offset point Q offset by a predetermined distance H in the Y-axis direction intersecting the X-axis that is the flow path direction of the ball 12 from the spherical diameter center point P of the ball surface 12a since constitutes a sealing surface 18a which part of the hemisphere S drawn respectively slightly longer radius R and the trajectory plane than the radius R B of the surface 12a, the sealing position T of the ball surface 12a of the seal face 18a
  • the seal surface 12a is set at a substantially central position, and the ball surface 12a and the seal surface 18a are prevented from coming into contact with each other in an inclined state. nowadays prevents leaks.
  • the durability of the seat retainer 18 is improved by the rotation of the ball 12 by setting the base material hardness of the seat retainer 18 higher than the base material hardness of the ball 12. It can prevent scratches due to galling. This demonstrates high sealing performance.
  • the base material of the seat retainer 18 is a BeCu alloy and the base material of the ball 12 is stainless steel, the adoption of this metal sheet makes it difficult to be affected by changes in the hydrogen temperature and improves durability. Even when the DLC coating layer 31 is depleted, leakage can be avoided by the beryllium layer of the BeCu alloy as the base material of the seat retainer 18.
  • the conforming layer 32 is provided on the surface of one or both of the sealing surface 18a and the ball surface 12a, the conforming property between the sealing surface 18a and the ball surface 12a is enhanced to prevent frictional wear.
  • the mobility can be improved.
  • the familiarity layer 32 increases the degree of adhesion, the sealing performance is also improved.
  • valve body 10 of the present invention sets the fluid pressure on the inner diameter side of the seat retainer 18 of the seal mechanism 13, the following self-tightening force can be obtained.
  • FIG. 1 and FIG. 5 if the left side of the seat retainer 18 is the primary side and the right side is the secondary side, the seal surface 18a is shown when fluid flows from the primary side to the secondary side as shown by the arrows in FIG.
  • the inner diameter ⁇ A, the inner diameter ⁇ D of the seal member 20, the outer diameter ⁇ C of the seal surface 18a, and the outer diameter ⁇ B of the seal member 20 are set such that the inner diameter ⁇ D ⁇ the inner diameter ⁇ A ⁇ the outer diameter ⁇ C ⁇ the outer diameter ⁇ B.
  • the seat retainer 18 is pressed against the ball 12 by the fluid pressure in the flow path applied to the area of the inner diameter ⁇ D ⁇ the inner diameter ⁇ A when the valve is closed.
  • the seat retainer 18 is pressed against the ball 12 by the fluid pressure in the cavity applied to the area of the outer diameter ⁇ C ⁇ the inner diameter ⁇ D.
  • FIG. 6 shows a second embodiment of the trunnion-type ball valve according to the present invention.
  • FIG. 7 shows the main part of FIG. 6, and
  • FIG. 8 shows the AA cross section of FIG. The fitting state is shown.
  • the same parts as those in the above embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
  • an upper shaft portion 12b and a lower shaft portion 12c are integrally provided on the ball 12 as in the above-described embodiment, and the upper and lower shaft portions 12b , 12c, the ball 12 is rotatably provided via radial bearings 110, 110.
  • a flexible member 110b such as polytetrafluoroethylene (PTFE) is coated on the inner peripheral surface of a rigid cylindrical body 110a such as stainless steel.
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • the radial bearing 110 is set in a long shape that supports from the vicinity of the spherical portion of the ball 12 to the vicinity of the stem connection portion.
  • the present embodiment has a top entry type structure in which the ball 12 is inserted from the upper part of the body 15, the present invention can be applied to a bottom entry type structure in which the ball 12 is inserted from the lower part of the body 15.
  • the stem 11 is joined to the upper shaft portion 12b of the ball 12, and the ball 12 is rotatably provided through the rotational force of the stem.
  • the stem 11 has a sliding surface 103 in the thrust direction, and a thrust bearing 105 is mounted between the sliding surface 103 and the lower packing washer 33.
  • a thrust bearing 105 PTFE is covered with a rigid plate such as a thin stainless steel plate (not shown), and the PTFE comes into contact with the sliding surface 103 of the stem 11 and the lower packing washer 33.
  • the stem 11 is also supported in the thrust direction via the thrust bearing 105.
  • a parallel two-sided groove 102 is formed at the lower end of the stem 11, and this parallel two-sided groove 102 receives the load when the ball 12 is closed, that is, FIG. Are provided so as to be cut out in the left-right direction.
  • a parallel two-surface portion 101 that can be joined to the parallel two-surface groove 102 is formed at the upper end of the upper shaft portion 12 b of the ball 12.
  • the stem 11 and the ball 12 are provided so as to be interlocked by the parallel two-plane groove 102 and the parallel two-surface portion 101 in a joined state, and when the ball 12 is pressed by a high-pressure fluid when the valve is closed, the vertical shaft portions 12b and 12c are The ball 12 is supported through a radial bearing 110 in a vertical state in the secondary direction.
  • the ball 12 When the pressure of the high-pressure fluid is applied to the ball 12 when the valve is closed, the ball 12 is supported by the upper shaft portion 12b and the lower shaft portion 12c by the radial bearing 110 as described above, but is parallel to the parallel two-surface portion 101. It moves slightly parallel to the stem 11 via the two-sided groove 102. As a result, it is possible to prevent the displacement of the inner diameter sealing member 34 that is a seal for sealing the stem 11, hold the fixed position, and prevent the inclination of the stem 11. For this reason, the sealing function on the outer peripheral side of the stem 11 by the inner diameter sealing member 34 is effectively exhibited.
  • the thrust bearing 105 and the radial bearing 110 are pressed and fixed from above by a gland 38 screwed to the body 15. At this time, the upper side of the stem 11 is supported by a pressing bush 39 mounted on the inner peripheral side of the gland 38, and the inner diameter seal member 34 and the outer diameter seal member 35 are mounted at fixed positions.
  • the concave parallel two-surface groove 102 is formed on the stem 11 and the convex parallel two-surface portion 101 is formed on the ball 12 has been described.
  • the uneven relationship may be reversed, that is, The stem 11 may be provided with a convex parallel two-sided portion, and the ball 12 may be provided with a concave parallel two-sided groove.
  • a pneumatic actuator 82 for automatic operation is attached to the stem upper end portion 11b.
  • the high pressure trunnion type ball valve of the present invention has a manual operation handle 52 attached to the upper end portion 11b of the stem 11 to form a manual operation ball valve, or the upper end portion 11b of the stem 11 is formed on the body. It can be connected to an automatic operation actuator 82 mounted on the main body 15 to provide a ball valve for automatic operation.
  • the actuator 82 is attached to the body main body 15 via the cover 50. The actuator 82 can accurately control the rotation of the ball 12 supported in a state perpendicular to the secondary direction with a predetermined torque.
  • the cover 50 includes a substrate 84 having a mounting opening 83 and a drooping side plate 85.
  • the substrate 84 has a bolt through hole 86 formed therein, and the drooping side plate 85 has a positioning groove 87 and a counterbore hole 88 at 90 degrees. It is formed alternately at intervals. As a result, two positioning grooves 87 and counterbore holes 88 are provided with respect to the hanging plate 85.
  • the outer peripheral side of the upper part of the shaft mounting portion 80 of the body 15 of the ball valve body 10 is formed in an annular notch, thereby forming an annular protrusion 90.
  • female screw portions 93 to which the valve fixing bolt 91 and the mounting pin 92 can be screwed are equally arranged at four positions at intervals of approximately 90 degrees.
  • a storage groove 94 is formed on the upper surface of the annular protrusion 90, and a head 96 of an actuator fixing bolt 95 for fixing the cover 50 to the actuator 82 can be stored in the storage groove 94.
  • an annular convex portion 97 that can be fitted into a mounting opening 83 formed in the cover 50 is formed.
  • a female not shown (not shown) to which an actuator fixing bolt 95 can be screwed. Screws are provided.
  • the attachment pin 92 is screwed onto the female thread portion 93 of the shaft mounting portion 80.
  • the mounting pins 92 and 92 are fixed to the two opposing female screw portions 93 among the four female screw portions 93 formed at intervals of 90 degrees as shown in the drawing.
  • the annular projecting portion 97 of the actuator 82 is fitted and positioned in the mounting opening 83, and the actuator fixing bolt 95 is screwed into the female screw through the actuator fixing bolt 95 from the bolt through hole 86.
  • the cover 50 is screwed into the predetermined mounting position.
  • the cover 50 integrated with the actuator 82 is attached to the ball valve body 10.
  • the annular projection 90 is fitted to the inner peripheral side of the drooping side plate 85 while the mounting pin 92 provided on the outer surface of the upper portion of the shaft mounting portion 80 is locked to the positioning groove 87 to fix the positioning.
  • the actuator 82 is mounted at a predetermined position of the shaft mounting portion 80 by placing 50 on the upper surface of the shaft mounting portion 80.
  • the convex portion 122 formed on the upper end side of the stem 11 is fitted to the concave portion 121 formed on the lower end side of the output shaft 120 provided in the actuator 82, thereby connecting the output shaft 120 and the stem 11.
  • the head 96 of the actuator fixing bolt 95 is stored in the storage groove 94 on the upper surface of the shaft mounting portion.
  • the cover 50 can be positioned and fixed to the ball valve main body 10 by screwing the valve fixing bolt 91 to the female threaded portion 93 from the drooping side plate 85, and the actuator 82 is connected to the ball via the cover 50.
  • the valve body 10 can be accurately positioned and fixed at a predetermined position.
  • the actuator 82 is operated, the ball 12 can be opened and closed accurately. It is also possible to provide four valve fixing bolts 91 in place of the positioning pins.
  • the actuator 82 is a so-called spring return type, and a spring member 115 is mounted inside, and a retainer member 116 for preventing the spring member 115 from popping out is provided.
  • the retainer member 116 is formed with a projecting abutting portion 117, and the abutting portion 117 contacts both sides of the cylinder 119 when the piston 118 provided therein reciprocates in the cylinder 119.
  • the stroke (not shown) of the piston 118 is restricted, and the rotation angle of the output shaft 120 is restricted to a predetermined angle, that is, 90 °.
  • FIG. 11 shows a hydrogen station provided with the high-pressure trunnion-type ball valve of the present invention.
  • the hydrogen station has a pressure accumulator 70, a compressor 71, a dispenser 72, a precool heat exchanger 73, a quick coupling 74, a filling hose 75, a filling nozzle 76, and an on-vehicle tank 77, which are used as a high-pressure hydrogen supply line 78. Is configured.
  • the ball valve of the present invention Since the ball valve of the present invention has a small pressure loss, the pressure loss of the entire system is reduced by providing it on the secondary side of the accumulator 70 or other supply line, which is suitable for the system shown in FIG. is there.
  • a manual valve 81 is provided at a connection portion of each unit of the hydrogen station, and an automatic valve 80 is appropriately provided on the primary side or secondary side of each unit to control opening and closing.
  • the inside of the pressure accumulator 70 is divided into a plurality of tanks. By switching the valves 80 that connect the tanks and the compressor 71 and the valves 80 that connect the tanks and the dispenser 72 as needed, a predetermined pressure is obtained. While supplying hydrogen to the dispenser from the tank that has reached the tank, the tank that has fallen below the predetermined lower limit pressure is filled with hydrogen from the compressor 71 until the predetermined pressure is reached.
  • the hydrogen supply in the system is controlled by a predetermined program, or the hydrogen supply is appropriately controlled according to the vehicle supply amount.
  • FIG. 10 is a longitudinal sectional view showing another embodiment of the high-pressure trunnion type ball valve.
  • FIG. 1 shows a top entry type ball valve
  • FIG. 10 shows a bottom entry type ball valve.
  • the ball valve structure shown in FIG. 10 includes the same structure as that of the ball valve shown in FIGS. 1 to 9, and therefore, the same parts are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
  • cap members 16 and 16 are screwed and fixed to the primary side and the secondary side of the body 150 through screwing portions 16a, respectively. Further, a ball having the stem 11, the upper shaft portion 12 b and the lower shaft portion 12 c is inserted into the mounting hole 150 a of the body 150 from the bottom side of the body 150, and tightened to the protruding portion 203 of the body 150 via the screwing portion 200.
  • a bottom entry type ball valve is configured by fixing with a fixing screw 202 having a portion 201.
  • a packing 206 having a substantially U-shaped cross section, a metal bush 205, a bearing 204, and a radial bearing 110 (110a, 110b) are mounted in the gap between the stem 11 and the mounting hole 150a into which the ball 12 is inserted.
  • reference numeral 207 denotes a space.
  • the bottom entry type high-pressure trunnion type ball valve in this example can simplify the seal structure of the stem 11 as compared with the top entry type, and can provide a more compact and robust ball valve.
  • the hydrogen durability test was conducted on the ball 12 and the seat retainer 18 of the high pressure trunnion type ball valve of the present invention, and the durability was compared. At this time, the ball 12 was opened and closed while flowing a high-pressure fluid having a temperature of ⁇ 40 ° C. to 85 ° C. under normal temperature, low temperature ( ⁇ 40 ° C.), and high temperature (85 ° C.). Hydrogen gas was used as the high pressure fluid.
  • the present invention is particularly suitable for piping equipment such as a hydrogen station through which hydrogen or the like of a high-pressure fluid used in a fuel cell flows, but exhibits excellent sealing performance and torque performance as long as it is a pipeline through which high-pressure fluid flows.
  • piping equipment such as a hydrogen station through which hydrogen or the like of a high-pressure fluid used in a fuel cell flows, but exhibits excellent sealing performance and torque performance as long as it is a pipeline through which high-pressure fluid flows.
  • it is suitable as a valve in a CNG (Compressed Natural Gas) station or as a high pressure ball valve used in a place where various high pressure fluids flow, such as a pipe valve.
  • CNG Compressed Natural Gas
  • Ball valve body 11 Stem 12 Ball 12a Ball surface 12b Shaft (upper shaft) 12c trunnion (lower shaft) DESCRIPTION OF SYMBOLS 13 Seal mechanism 14 Body main body 18 Sheet retainer 18a Seal surface 18b Outer peripheral surface 20 Seal member 22 Spring member 31 Coating layer (diamond-like carbon) 32 Alignment layer 52 Handle 82 Actuator 101 Parallel two-sided portion 102 Parallel two-sided groove 103 Sliding surface 110 Radial bearing 110a Rigid cylindrical body H Distance P Spherical diameter center point Q Offset point R Seat R B Ball surface radius S Hemispherical T Seal position

Landscapes

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Abstract

　操作時における低トルク性を実現しつつ、シール性を長期にわたって維持し得る耐久性を向上した高圧用トラニオン型ボール弁並びに水素ステーションを提供する。　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シール機構をボールの両側位置に配置し、シール機構は、ボール面とシール接触するシール面を有するシートリテーナと、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、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において、少なくともシール面と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。

Description

高圧用トラニオン型ボール弁並びに水素ステーション
　本発明は、ボール弁に関し、特に、水素等の高圧流体が流れる水素ステーションなどの設備に好適な高圧用トラニオン型ボール弁並びに水素ステーションに関する。
　近年、エネルギー政策の見直しに伴って、燃料電池自動車用水素ステーションの供給インフラの普及が強く推進されている。水素ステーションなどの高圧流体が流れる配管設備では、例えば、水素の圧力の場合、８０ＭＰａ以上の高圧になるため、高圧流体用のバルブが用いられる。このような高圧流体を流すためのバルブとして、例えば、特許文献１のニードルバルブが知られている。ニードルバルブは、ニードルの往復動により流路を開閉する構造になっている。
　一方、流量を確保しながら流路をオンオフする場合に適したバルブとして、トラニオン型ボール弁を使用することがある。この種のボール弁として、例えば、特許文献２のトラニオン型ボール弁が知られている。このトラニオン型ボール弁は、ボデー内にステムとトラニオン（ロワステム）とを介して金属製のボール弁体が回転自在に装着され、このボール弁体の両側にシール用のボールシートが取付けられたシートリテーナが装着された構造になっている。このような高圧用のバルブでは、漏れを確実に防ぐために高い密封性を維持することが要求されている。さらに、高圧下においてバルブの操作性を確保するために、ステムとシート側との摺動性も満足させる必要もある。
　ボールとシートとの密封性を向上させるようにした高圧ガス用のトラニオン型ボール弁としては、例えば、特許文献３のボール弁が開示されている。このボール弁では、高圧下においてボールとシートとの密封性を向上するために、ボールにおけるシートとの接触表面に、ダイヤモンドライクカーボンが蒸着されている。
　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。
特表２００７－５３５６４８号公報 特開２０１２－１３１４１号公報 特開２００４－７６８８４号公報 特開２０１１－１７４５６９号公報
　しかしながら、水素ステーションで特許文献１のようなニードルバルブを用いて水素を流そうとした場合、この水素が高圧であることで圧力損失が大きくなるため、水素の充填に時間がかかるという問題が生じる。
　一方、高圧流体用のトラニオン型ボール弁では、特にボールとシート側との摺動性及び密封性の双方を向上させることが重要になる。この場合、特許文献２のボール弁において、摺動性を確保するために一般的に使用されているＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）やＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）などの樹脂材料をシート側の材料に使用すると、この軟質の樹脂材料が高圧下では傷付きやすくなることから、密封性を確保できなくなるおそれがある。このように、高圧下では密封性を確保するためには耐久性の点からもシール部もしくはシール面の硬度を高める必要がある。
　特許文献３では、ボールのシートとの接触表面のみにダイヤモンドライクカーボンを蒸着することで耐久性を向上させ、高圧ガスを流す際のシール性（密封性）を維持しようとしているが、このボール弁ではシール性を向上させる代わりに、ボールとシートとの密着性の上昇によってこれらの間の摺動性が悪化するおそれがある。
　特許文献４の電磁弁では、弁箱の内周面、弁体の外周面の摺動面にダイヤモンドライクカーボンによるコーティング膜を形成して摺動性を高めているが、この電磁弁では弁座の密封性の向上については開示ないし示唆されていない。
　更に、高圧流体用のバルブでは、高圧流体によってボールが二次側に強く押される状態となる。例えば、９０ＭＰａの流体圧を加えた場合、呼び径９／１６（ポート径６．４ｍｍ）のボールバルブでは約１ｔの荷重がボールに加わる。この場合、ボールにはステムが接続されており、このステムはパッキンでシールされている。従って、ボールが二次側に強く押された際、ボールとステムとが略一体に接続されている構造ではステムまで二次側に傾くおそれがあり、パッキンによるシール性が損なわれるおそれがある。
　また、特許文献２のようにボールの上下に円柱状の軸を設けた構造においては、軸の外周を積層した軸受（ボールベアリング）で回転自在に支持している。ところが、９０ＭＰａのように高圧の流体を加えた場合、ボールの球状部付近が最も強く二次側に押され、その結果、球状部近傍に配置されたボールベアリングが破損するおそれがあった。
　本発明は、上記の課題点を解決するために開発したものであり、その目的とするところは、特に、高圧流体用に適しており、弁体側と弁座側との摺動性を高めて操作時における低トルク性を実現しつつ、密封性を向上させることで極めて高いシール性能を発揮してそのシール性を長期にわたって維持し得る耐久性を向上した高圧用トラニオン型ボール弁並びに水素ステーションを提供することにある。
　上記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、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ボールの両側位置に配置し、シール機構は、ボールのボール面とシール接触するシール面を有するシートリテーナと、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、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、少なくともシートリテーナのシール面とこのシール面と接触する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高圧用トラニオン型ボール弁である。
　請求項２に係る発明は、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、シール面の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高圧用トラニオン型ボール弁である。
　請求項３に係る発明は、シートリテーナのシール面は、ボール面の球径中心点から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高圧用トラニオン型ボール弁である。
　請求項４に係る発明は、シートリテーナの母材硬度をボールの母材硬度よりも高く設定した高圧用トラニオン型ボール弁である。
　請求項５に係る発明は、シートリテーナの母材をＢｅＣｕ合金とし、ボールの母材をステンレス鋼とした高圧用トラニオン型ボール弁である。
　請求項６に係る発明は、シール面とボール面の何れか一方又は双方のコーティング層表面になじみ層を施した高圧用トラニオン型ボール弁である。
　請求項７に係る発明は、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、かつボールを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、ステムの下端部に形成した平行二面溝に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ボールを押圧したとき、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高圧用トラニオン型ボール弁である。
　請求項８に係る発明は、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高圧用トラニオン型ボール弁である。
　請求項９に係る発明は、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、ステムの上端部を、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高圧用トラニオン型ボール弁である。
　請求項１０に係る発明は、高圧水素の供給ラインに高圧用トラニオン型ボール弁を設けた水素ステーションである。
　請求項１に係る発明によると、特に、高圧流体用に適したトラニオン型構造のボール弁を提供でき、少なくともシートリテーナのシール面と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すことで、弁体側と弁座側との摺動性を高めて操作時の低トルク性を実現しつつ、密封性を向上させることで極めて高いシール性能を発揮してそのシール性を長期にわたって維持し得る耐久性を向上でき、高圧下において、これらの両方の特性を兼ね備えながら弁体を操作できる。これにより、バネ部材のバネ定数を小さくした場合でも、高圧流体用のトラニオン構造のボール弁により自緊力を発揮して確実に高圧流体の漏れを防止しつつ、優れた操作性によって手動で簡単に弁体操作することもできる。
　請求項２又は３に係る発明によると、ボール面とシール面とを振れ幅を許容した線接触又は面接触で当接させてシールすることが可能になり、必要最小限の接触面積によってボール面とシール面との密封性を確実に保持しつつ、低トルク性を高めることができる。しかも、シール面のボール面とのシール位置を当該シール面の中央位置としていることで、シール面に均圧状態でボール面を圧接してシール性を向上し、漏れを確実に防止できる。
　請求項４に係る発明によると、ダイヤモンドライクカーボンの層を維持し、特にシートリテーナの硬度が高くなることで耐久性が向上し、このシートリテーナが薄肉の筒状である場合にも傷付きを防止して高いシール性を維持できる。しかも、万が一ダイヤモンドライクカーボンが減耗した場合でも、母材の硬度差により最低限の摺動性が確保され、シール性を長期にわたって維持でき、耐久性を向上できる。このように、ダイヤモンドライクカーボンのコーティング層の下に硬度の高いシートリテーナを設けていることで、フェールセーフ機能が発揮されて高圧の水素の漏れが確実に防がれる。
　請求項５に係る発明によると、シートリテーナの母材を銅基合金からなるＢｅＣｕ合金とすることで水素に対する耐久性を向上しつつ、このシートリテーナの強度が高まることでダイヤモンドライクカーボンの健全性に寄与し、摺動性と密封性との双方を高めることができる。更に、シートリテーナと母材との硬度差を最適な状態に設定することで、仮に、ダイヤモンドライクカーボンのコーティング層が減耗した場合にも、シートリテーナのベリリウム層により漏れを防ぐことができると共に、このシートリテーナが銅合金であることから、ボールによるシートリテーナのかじりを防いで作動不良を回避できる。
　請求項６に係る発明によると、シール面とボール面の何れか一方又は双方のコーティング層表面になじみ層を設けることで、シール面とボール面とのなじみ性を高めて摩擦による消耗を防止しつつ摺動性を向上できる。なじみ層により密着度も高めるためシール性も向上する。
　請求項７に係る発明によると、ステムシール用のパッキンである内径シール部材の定位置を確実に保持し、有効にシール機能が発揮される。すなわち、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ので、ボールが平行二面溝に沿って流路方向に沿ってやや平行移動可能になり、弁閉時に高圧力が加わってボールが流路方向に荷重を受けたときにやや平行移動、もしくは高荷重を受けボールが歪んだ場合も傾き現象が確実に防止される。そのため、ボールの回転操作を繰り返しおこなった場合にも耐久性やトルク性を維持でき、内径シール部材によるステムの高いシール性を維持できる。
　請求項８に係る発明によると、高圧流体によってラジアル方向の過大な力がボールに加わった場合にも、ラジアルベアリングによりトルク性を確保し、繰り返し回転動作した場合にも軟性のポリテトラフルオロエチレンにより摺動抵抗が小さく、より摺動性が高まることで、ボールの耐久性を向上して劣化を抑えることができる。
　請求項９に係る発明によると、手動操作又は自動操作によってボールを回転操作でき、高圧流体の圧力や種類、設置場所などの使用条件に応じて適宜の操作を選択しながら設置できる。
　請求項１０に係る発明によると、操作時の低トルク性を実現しつつ、密封性を向上させることで極めて高いシール性能を発揮してそのシール性を長期にわたって維持し得る耐久性を向上できる高圧用トラニオン型ボール弁を備え、高圧下において、これらの両方の特性を兼ね備えながら操作できる。これにより、ボール弁により自緊力を発揮して確実に高圧流体の漏れを防止しつつ、優れた操作性によって自動や手動で簡単に弁体操作して流路を切り換えて所定量の水素を供給又は停止することができる。特に、水素ステーションのメンテナンス頻度を著しく低減することができる。
本発明における高圧用トラニオン型ボール弁の一実施形態を示した縦断面図である。 図１の高圧用トラニオン型ボール弁の分離断面図である。 シートリテーナを示す縦断面図である。 ボールとシートリテーナとのシール状態を示した要部拡大図である。 図１の一部拡大断面図である。 本発明における高圧用トラニオン型ボール弁の他の実施形態を示した縦断面図である。 図６の高圧用トラニオン型ボール弁の弁閉状態を示す要部拡大断面図である。 図７のＡ－Ａ拡大断面図である。 図６のボール弁とアクチュエータとを示す分離斜視図である。 本発明における高圧用トラニオン型ボール弁の他の実施形態を示した縦断面図である。 水素ステーションを示したブロック図である。
　以下に、本発明における高圧用トラニオン型ボール弁の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１においては、本発明における高圧用トラニオン型ボール弁の一実施形態を示しており、図２においては、図１の分離断面図を示している。
　図１、図２に示すように、本発明におけるボール弁本体（以下、弁本体という）１０は、内部にステム１１を介して弁体であるボール１２が回転自在に設けられ、このボール１２をシール接触するためのシール機構１３がボール１２の両側位置に配置されており、特に高圧流体を流す場合に好適なトラニオン型ボール弁の構造である。
　弁本体１０はボデー本体１４により構成され、このボデー本体１４は、ボデー１５と、このボデー１５の一次側と二次側とにそれぞれ設けられたキャップ部材１６、１６とからなっている。ボデー本体１４内には、ボール１２、シール機構１３が内装されている。ここで、本実施形態における高圧とは、例えば、３５ＭＰａ以上であり、水素ステーション用の配管設備では７０～１０５ＭＰａ、具体的には９０ＭＰａを想定している。
　ボデー１５は、略四角形状に形成され、このボデー１５の両側にガスケット１７を挟着した状態でキャップ部材１６、１６が螺着部１６ａを介して螺着されてボデー本体１４が構成される。キャップ部材１６の内周面にはシートリテーナ１８装着用の装着穴１９が設けられ、この装着穴１９にシートリテーナ１８が嵌挿可能に設けられている。さらに、装着穴１９にはシール部材２０を装着可能になっている。
　また、装着穴１９には、この装着穴１９よりも拡径した拡径溝部２３が形成され、この拡径溝部２３と後述のバネ部材２２との間に略筒状に形成したスペーサ２５が装着されている。スペーサ２５とシートリテーナ１８との間には、バネ部材２２が弾発状態で装着される。装着穴１９の他方側には、めねじ部２４が連通して形成され、このめねじ部２４には図示しない外部継手を螺着可能になっている。なお、キャップ部材１６は、接着や溶着等の接合手段によりボデー１５と一体化することも可能である。
　ボール１２は、例えば、ＳＵＳ３１６などのステンレス鋼を母材として形成され、ボール面１２ａを有し、このボール面１２ａにシートリテーナ１８がシール可能になっている。このボール１２は、上部側の軸部（上軸部）１２ｂと、下部側のトラニオン（下軸部）１２ｃとを有し、この上軸部１２ｂと下軸部１２ｃとがボデー１５の取付穴１５ａに取付けられることで回動自在になっている。ボール１２をステム１１により回動操作した場合、ボール１２内部に形成された連通孔１２ｄとシートリテーナ１８内に形成された内部流路２８とが連通したときに流体を流すことが可能になっている。ボール１２の母材をＳＵＳ３１６としたときには、ビッカース硬さがＨｖ２００以下となる。ボール１２をステンレス鋼で形成する場合、このボール１２が接液部位であることから、水素脆化のない素材を材料とすることが望ましい。
　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。
　シール機構１３は、シートリテーナ１８、バネ部材２２、シール部材２０からなっている。
　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。
　本実施形態において、シートリテーナ１８の母材硬度は、ボール１２の母材硬度よりも高く設定され、「ダイヤモンドライクカーボンの硬度」＞「シートリテーナの母材硬度」＞「ボールの母材硬度」の関係を有している。これによって、万が一、後述するダイヤモンドライクカーボン（Ｄｉａｍｏｎｄ－ｌｉｋｅ　ｃａｒｂｏｎ：ＤＬＣ）が消耗した場合でも、ボール面１２ａのＤＬＣとシートリテーナ１８の母材との硬度差、あるいは、ボール面１２ａのＤＬＣが消耗した場合でも、ボールとシートリテーナの各母材の硬度差によって、いわゆる”かじり”を生ずることなく、最低限の摺動性が確保され、シール性を長期にわたり維持できる耐久性のあるボール弁となる。本実施形態では、上述したようにシートリテーナ１８にＢｅＣｕを用いていることで、よりシール性を維持できる。すなわち、ＤＬＣを設けていること、シートリテーナ１８の母材とボール１２の母材との間に硬度差を設けていること、シートリテーナ１８の母材をＢｅＣｕ合金としていること、という二重、三重の設定により、高圧の水素が漏れることのないようにフェールセーフをおこなっている。
　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。
　シートリテーナ１８の具体的形状としては、ボール１２側に対向配置される拡径部２６と、この拡径部２６よりも縮径した筒部２７とが設けられる。前記のように拡径部２６におけるボール１２との対向面側にシール面１８ａが設けられ、このシール面１８ａとボール面１２ａとがシール接触可能になっている。シートリテーナ１８の母材は、摺動部品としての機能を発揮可能であればアルミブロンズなどの銅合金や、銅基合金以外の材料であってもよい。本実施形態では、耐圧摺動部品であるシートリテーナ１８の筒部が小径かつ薄肉であることから、変形を防止すべく機械的性質の高いＢｅＣｕ合金を用いている。
　図３において、シートリテーナ１８のシール面１８ａを設ける場合を述べる。図において、ボール面１２ａの球径中心点Ｐからボール１２の流路方向にＸ軸、このＸ軸と交差するＹ軸を設ける。球径中心点ＰからＹ軸方向に所定距離Ｈの間をあけて２箇所の偏位点（オフセット点）Ｑ、Ｑを設ける。各オフセット点Ｑ、Ｑから偏位（オフセット）側と反対方向に１８０°の角度でボール面１２ａの半径ＲＢよりもやや長い半径Ｒで半球面Ｓ、Ｓをそれぞれ描くことにより、この半球面Ｓの一部を軌跡面としたシール面１８ａが構成される。すなわち、図４において、シール面１８ａは、所定距離Ｈのオフセット点Ｑ、Ｑから描かれたボール面１２ａのやや長い半径Ｒの軌跡の一部であり、このシール面１８ａは半径Ｒで描かれることになる。
　このとき、シール面１８ａのボール面１２ａとのシール位置Ｔが当該シール面１８ａの略中央位置になるようにオフセット点Ｑの所定距離Ｈを設定する。一例として、図１におけるボール１２の内部流路径ｄＮが１０ｍｍであって、ボール面１２ａの球径ＤＢがφ２０ｍｍ（半径ＲＢが１０ｍｍ）のときには、やや長い半径Ｒ（半径ＲＢ＋Δｒ）として、距離ＨをΔｈとしたオフセット点Ｑを設定し、このオフセット点Ｑより軌跡面を描くようにすればよい。オフセット点Ｑの球径中心点Ｐからの所定距離Ｈは、ボール面１２ａの球径に応じて適宜変更することができる。本実施形態においては、Δｒ＞Δｈの関係になるよう設定している。
　仮に、オフセット点Ｑを設けることなく、シートリテーナ１８のシール面１８ａをボール面１２ａよりやや長い半径で設定してしまうと、ボール１２がシートリテーナ１８のシール面１８ａの内周縁部位に当接してしまう。すると、内周縁部位がボール面１２ａに極所的に当接することとなり、ＤＬＣが破損するおそれが高くなる。これを回避するために内周縁部位に丸みをつけ、極所的な当接を避ける技術も考えられるが、ボール１２の位置がＸ軸方向にずれることになり、ボール１２上部の軸部などを細くせざるを得ないなどの新たな問題を生じてしまう。
　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。
　本発明は、線接触又は面接触で当接させたシール面を有し、線接触といえども、実際には所定の巾を有した接触シール面を形成している。例えば、面接触シールの幅は、Ｙ軸と略平行に形成される環状の密着部位であり、例えば、０．５ｍｍ程度の幅になるようにする。本実施形態のトラニオン型ボール弁は高圧用であるため、ボール１２は流体圧により微少量変位するが、面接触シール幅を前記のように設定することで、環状の密着部位が維持される。しかも、図４に示すように、シール位置Ｔは、当該シール面１２ａの略中央位置に設定されていることから、ボール弁の使用中にこのシール位置Ｔの位置が若干ずれた場合にも環状の密着状態が維持される。
　シートリテーナ１８の筒部２７には、シール部材２０と後述するバックアップリング２９、３０とが配設されている。この筒部２７がキャップ部材１６の装着穴１９に嵌挿されることで、シートリテーナ１８が流路方向に移動可能になっている。筒部２７の外周面にはシール部材２０が密着状態で装着され、シートリテーナ１８の流路方向への移動時には、このシール部材２０によって筒部２７と装着穴１９とがシールされる。また、シートリテーナ１８の内側には高圧流体が流れる内部流路２８が形成されている。
　シートリテーナ１８とボール１２とによるシール部位を構成する際には、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、シートリテーナ１８とボール１２とにおける、摺動性と密封性とを発揮できるようにした。
　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。
　ＤＬＣは、主に炭化水素、或は炭素の同素体からなるアモルファスの硬質膜であり、高硬度であって、潤滑性、耐摩耗性、表面平滑性、化学的安定性などの特性に優れている。ＤＬＣを施す場合の製法としては、プラズマＣＶＤ法やＰＶＤ法により成膜することができる。
　プラズマＣＶＤ法でＤＬＣを設ける場合、アセチレン等の炭化水素ガスを用いてチャンバー内で原料ガスをプラズマ化し、気相合成した炭化水素を部品表面に蒸着する。この場合、原料に水素が含まれるため、ＤＬＣにも水素が含有されることになる。
　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を施す場合、ボール１２にボール面１２ａ全面、シートリテーナ１８には図３に示した太線部分にＤＬＣ処理する。この場合、ビッカース硬さをシートリテーナやボールの母材に比して十分に高い硬度、例えば、ＨＶ１５００～３０００までの範囲とすることが望ましく、膜厚２～３μｍ程度で処理面に均等な厚さに設けるようにする。なじみ層３２は、必要に応じ、適宜の厚みによって設けられる。
　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。
　シール機構におけるバネ部材２２は、例えば、コイルスプリングからなり、装着穴１９に嵌挿されたシートリテーナ１８の拡径部２６とスペーサ２５との間に装着され、バネ部材２２によりシートリテーナ１８のシール面１８ａ方向に弾発力が付与される。バネ部材２２は、皿バネであってもよい。
　シール部材２０は、例えば、ゴム製のＯリングからなり、バックアップリング２９、３０とともに装着穴１９に装着され、これにより、ボデー本体１４側の装着穴１９とシートリテーナ１８の外周面１８ａとの間に配設される。シール部材２０側に配設されるバックアップリング２９は、例えば、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）により形成され、このバックアップリング２９の外側に配設されるバックアップリング３０は、例えば、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）により形成される。
　シール部材２０とバックアップリング２９、３０は、それぞれ上記以外の別の材質の材料によって形成されていてもよいが、この場合にも、ゴムやＰＴＦＥと同程度の軟質材料をそれぞれ用いることが好ましく、軟質材料を用いることにより装着穴１９に変形させて装着しやすくなる。シール部材２０は、両側にバックアップリング２９、３０が配置された状態で装着穴１９に装着され、このバックアップリング２９、３０により両側が保護されている。
　上記のボール１２とシール機構１３とによるシール機能により、弁本体１０はバネ部材２２がシートリテーナ１８に付与する弾発力と、シール部材２０の内径側で設定された流体圧とによりシール機構１３による押圧力を発揮させることにより自緊力とによる、いわゆる２重シール方式により高圧流体を封止できる構成になっている。
　ステム１１の外周側には、下側パッキン座金３３、内径シール部材３４、外径シール部材３５、スラストベアリング３６、下側パッキン座金３３の上方側から嵌め込み可能な上側パッキン座金３７、グランド３８、ブッシュ３９が設けられており、ステム１１は、これらを介してボデー１５内に回動自在に装着される。
　下側パッキン座金３３は、ステム１１との間をシールする内径シール部材３４が収納される円筒部４０と、内径シール部材３４を載置するための底部４１とを有している。円筒部４０の外周側には環状溝４２が形成され、この環状溝４２に外径シール部材３５が装着される。このように、内径シール部材３４、外径シール部材３５が、ステム１１と下側パッキン座金３３、下側パッキン座金３３とボデー１５との間にそれぞれ装着されていることで、ステム１１の軸装部分からの高圧流体の漏れが防がれている。
　下側パッキン座金３３は、スラストベアリング３６を介してステム１１の上部側に配設され、これにより、ステム１１がスラストベアリング３６を介して内径シール部材３４、上側パッキン座金３７に対して回動自在となる。
　グランド３８は、略筒状に形成され、内側に上側パッキン座金３７、下側パッキン座金３３を嵌入可能な環状鍔部４３と、上側パッキン座金３７を上方から被蓋する蓋部４５とを有している。グランド３８は、上側パッキン座金３７の上方側より、ボデー１５に形成した装着凹部４６に螺着により取付けられ、内径シール部材３４を収納し、外径シール部材３５が取付けられた上下側パッキン座金３７、３３をスラストベアリング３６方向に押圧している。グランド３８の内周側にはブッシュ３９が装着され、このブッシュ３９により上側パッキン部材３７が下側パッキン座金３３側に押さえつけられる。ブッシュ３９は、例えば、ＰＥＥＫを材料として設けられる。
　このような構成により、弁本体１０内に高圧流体が流れて、図１において外気との差圧によりステム１１が上昇する方向の力が加わった場合にも、上下側パッキン座金３７、３３により内径シール部材３４が保護されているため、この内径シール部材３４が軸方向に潰れることが防止され、シール性の低下を防いで確実に高圧流体の漏れが防止される。このため、内径シール部材３４の消耗を防いでステム１１の操作性の低下を抑えることも可能になっている。
　また、弁本体１０のボデー１５にはカバー５０が取付けられ、このカバー５０を介してハンドルキャップ５１、手動用ハンドル５２が取付けられている。
　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。
　ハンドルキャップ５１は、グランド３８と略同径の略円柱状に形成され、その外周側にはカバー５０の規制片に係止可能な係止片５９が突設形成されている。ハンドルキャップ５１の底面側には、ステム１１の上端部に形成された平行部１１ａが嵌合可能な嵌合穴部５１ａが形成され、ハンドルキャップ５１は、この嵌合穴部５１ａと平行部１１ａとの嵌合によりステム１１に一体化される。また、ハンドルキャップ５１には取付穴部６０が形成され、一方、ハンドル５２の取付部位は、この取付穴部６０に嵌入可能な外径に設けられている。
　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。
　ハンドルキャップ５１は、嵌合穴部５１ａと平行部１１ａとの嵌合によりステム１１に対して所定の向きに取付けられ、この状態でカバー５０がハンドルキャップ５１の上から環状突部５３に嵌合装着される。更に、固着ボルト６２、止めネジが、それぞれカバー５０の座ぐり部５５、切欠部５６を介して雌ネジ６１に螺着されることによりハンドルキャップ５１が固定され、このハンドルキャップ５１の取付穴部６０にハンドル５２を嵌入して固定用ボルト６４で固定することで、ステム上端側にハンドル５２が操作可能に取付けられる。ハンドル５２の回転操作時には、係止片５９が規制片に当接して規制され、ステム１１を９０°の回転角度に回転規制しながら開閉操作可能になる。
　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。
　続いて、本発明の高圧用トラニオン型ボール弁の上記実施形態における作用を説明する。
　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。
　ボール面１２ａの球径中心点Ｐからボール１２の流路方向であるＸ軸と交差するＹ軸方向に所定距離Ｈでオフセットしたオフセット点Ｑから、オフセット側と反対方向に１８０°の角度でボール面１２ａの半径ＲＢよりもやや長い半径Ｒでそれぞれ描いた半球面Ｓの一部を軌跡面としたシール面１８ａを構成しているので、シール面１８ａのボール面１２ａとのシール位置Ｔを当該シール面１２ａの略中央位置とし、ボール面１２ａとシール面１８ａとが傾いた状態で当接することを防いで、シール面１８ａにボール面１２ａを均圧状態で圧接してシール性を向上し、確実に漏れを防止している。
　仮にＤＬＣが減耗した場合であっても、シートリテーナ１８の母材硬度をボール１２の母材硬度よりも高く設定していることで、シートリテーナ１８の耐久性を向上してボール１２の回転によるかじりなどによる傷付きを防ぐことができる。これにより高いシール性を発揮する。
　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。
　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表面になじみ層３２を施しているので、シール面１８ａとボール面１２ａとのなじみ性を高めて摩擦による消耗を防止しつつ摺動性を向上できる。しかも、なじみ層３２により密着度も高めるため、シール性も向上する。
　本発明の弁本体１０は、シール機構１３のシートリテーナ１８の内径側で流体圧を設定しているので、以下のような自緊力を得ることができる。
　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。
　図６においては、本発明におけるトラニオン型ボール弁の第２実施形態を示しており、図７においては図６の要部、図８においては、図７におけるＡ－Ａ断面であり、ステムとボールとの嵌合状態を示している。なお、この実施形態において、前記実施形態と同一部分は同一符号によって表し、その説明を省略する。
　この実施形態の高圧用トラニオン型ボール弁においては、図７に示すように、ボール１２に前記実施形態と同様に上軸部１２ｂと下軸部１２ｃとが一体に設けられ、この上下軸部１２ｂ、１２ｃの外周にラジアルベアリング１１０、１１０を介してボール１２が回転自在に設けられている。
　図７に示すように、ラジアルベアリング１１０は、例えばステンレス鋼などの剛性筒体１１０ａの内周面にポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などの軟性部材１１０ｂがコーティングされている。このようにラジアルベアリング１１０でボール１２を支えることにより、高圧流体によってボール１２にラジアル方向の大きな力が加わった場合にも、トルク性を維持して耐久性も高めることが可能になっている。この場合、ボール１２の上軸部１２ｂ、下軸部１２ｃを、一対の前記円柱状ラジアルベアリング１１０、１１０で支持する。このラジアルベアリング１１０は、ボール１２の球状部近傍からステム接続部近傍までを支持する、長尺形状に設定している。これにより、ボール１２の球状部付近に加わる荷重を、長尺状のラジアルベアリング１１０によりステム接続部近傍まで分散することにより、ベアリングの破損を防いでいる。そのため、耐久性のある高圧用ボールバルブが得られる。本実施形態は、ボール１２をボデー１５の上部から挿入するトップエントリー型の構造であるが、ボール１２をボデー１５の下部から挿入するボトムエントリータイプであっても、本発明は適用可能である。
　ボール１２の上軸部１２ｂにはステム１１が接合され、このステムの回転力を介してボール１２が回転自在に設けられている。ステム１１は、スラスト方向の摺動面１０３を有し、この摺動面１０３と下側パッキン座金３３との間にスラストベアリング１０５が装着されている。スラストベアリング１０５は、図示しない薄板状のステンレス板などの剛性板にＰＴＦＥが被覆され、ステム１１の摺動面１０３や下側パッキン座金３３にはこのＰＴＦＥが当接する。ステム１１は、このスラストベアリング１０５を介してスラスト方向にも軸受けされている。
　図７、図８に示すように、ステム１１の下端部には平行二面溝１０２が形成され、この平行二面溝１０２は、ボール１２の弁閉時の荷重を受ける方向、すなわち、図７において左右の方向に切欠くように設けられている。一方、ボール１２の上軸部１２ｂの上端には平行二面溝１０２に接合可能な平行二面部１０１が形成されている。ステム１１とボール１２とは、接合状態の平行二面溝１０２と平行二面部１０１とによって連動可能に設けられ、弁閉時における高圧流体でボール１２を押圧したとき、上下軸部１２ｂ、１２ｃを有するボール１２をラジアルベアリング１１０を介して二次側方向に垂直状態で支受けするようになっている。
　弁閉時において、ボール１２に高圧流体の圧力が加わったときには、前記のようにボール１２が上軸部１２ｂ、下軸部１２ｃがラジアルベアリング１１０で支えられているが、平行二面部１０１と平行二面溝１０２とを介してステム１１に対してやや平行移動する。このことによって、ステム１１をシールするパッキンである内径シール部材３４の位置ずれを防いで定位置を保持し、ステム１１の傾きを防ぐことができる。このため、内径シール部材３４によるステム１１外周側のシール機能が有効に発揮される。よって、高圧流体によるステム１１側からの漏れを確実に防ぎ、ボール１２の回転動作を繰り返しおこなったとしても、バルブとしての耐久性やトルク性、内径シール部材３４、外径シール部材３５によるシール性を維持できる。
　スラストベアリング１０５、ラジアルベアリング１１０は、ボデー１５に螺着されるグランド３８により、上方側から押圧されて位置決め固定される。このとき、ステム１１の上部側がグランド３８の内周側に装着された押圧用のブッシュ３９によって支えられ、内径シール部材３４、外径シール部材３５が定位置に装着される。
　なお、この実施形態では、ステム１１に凹状の平行二面溝１０２、ボール１２に凸状の平行二面部１０１を形成した場合を説明したが、この凹凸関係は逆であってもよく、すなわち、ステム１１に凸状の平行二面部、ボール１２に凹状の平行二面溝を設けるようにしてもよい。
　更に、この高圧用トラニオン型ボール弁では、図６、図９に示すように、ステム上端部１１ｂに自動操作用の空圧アクチュエータ８２が取付けられている。
　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。
　カバー５０は、取付開口部８３を有する基板８４と垂下側板８５より成り、基板８４にはボルト通し穴８６が形成され、垂下側板８５には位置決め用溝８７、座ぐり穴８８がそれぞれ９０度の間隔で互い違いに形成されている。これにより、位置決め用溝８７、座ぐり穴８８が垂下側板８５に対してそれぞれ２ヶ所ずつ設けられている。
　ボール弁本体１０のボデー１５の軸装部８０上部の外周側は環状に切欠き形成され、これにより環状突部９０が形成されている。環状突部９０の外周面には、バルブ固定ボルト９１、取付ピン９２が螺合可能なめねじ部９３が略９０度の間隔で４ヶ所に均等配置されている。環状突部９０の上面には収納溝９４が形成され、この収納溝９４には、アクチュエータ８２にカバー５０を固定するためのアクチュエータ固定ボルト９５の頭部９６を収納可能になっている。
　アクチュエータ８２の下部側には、カバー５０に形成された取付開口部８３に嵌入可能な環状凸部９７が形成され、アクチュエータ８２の底面側には、アクチュエータ固定ボルト９５を螺着可能な図示しない雌ネジが設けられている。
　アクチュエータ８２をボール弁本体１０に取付ける場合には、先ず、軸装部８０のめねじ部９３に取付ピン９２を螺着する。この場合、９０度間隔で形成された４ヶ所のめねじ部９３のうち、対向する２ヶ所のめねじ部９３に対して取付ピン９２、９２をそれぞれ図に示すように固定する。
　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。
　次に、アクチュエータ８２と一体化させたカバー５０をボール弁本体１０に取付ける。この場合、位置決め用溝８７に軸装部８０上部の外側面に設けた取付ピン９２を係止させて位置決め固定させながら、垂下側板８５の内周側に環状突部９０を嵌合させ、カバー５０を軸装部８０の上面に載置させることで、アクチュエータ８２が軸装部８０の所定位置に搭載される。このとき、アクチュエータ８２に設けられた出力軸１２０の下端側に形成された凹状部１２１に、ステム１１の上端側に形成された凸状部１２２を嵌合して出力軸１２０とステム１１とを接続する。また、アクチュエータ固定ボルト９５の頭部９６は、軸装部上面の収納溝９４に収納される。
　この状態で、垂下側板８５よりめねじ部９３にバルブ固定用ボルト９１を螺着することで、カバー５０をボール弁本体１０に位置決め固定することができ、このカバー５０を介してアクチュエータ８２をボール弁本体１０の所定位置に正確に位置決め固定できる。アクチュエータ８２の作動時には正確にボール１２を開閉操作できる。なお、位置決めピンに代えてバルブ固定用ボルト９１を４ヶ所とすることも可能である。
　アクチュエータ８２は、いわゆるスプリングリターン型であり、内部にはスプリング部材１１５が装着され、このスプリング部材１１５の飛び出し防止用のリテーナ部材１１６が設けられている。リテーナ部材１１６には、突状の突当て部１１７が形成され、内部に設けられたピストン１１８がシリンダ１１９内を往復動するときにこの突当て部１１７がシリンダ１１９の内部両側に当接する。このことにより、ピストン１１８の図示しないストロークを規制し、出力軸１２０の回転角度を所定角度、すなわち９０°に規制している。
　図１１においては、本発明の高圧用トラニオン型ボール弁を設けた水素ステーションを示している。水素ステーションは、蓄圧器７０、圧縮機７１、ディスペンサ７２、プレクール熱交換器７３、迅速継手７４、充填ホース７５、充填ノズル７６、車載タンク７７を有し、これらは高圧水素の供給ライン７８としてシステムを構成している。
　本発明のボール弁は、圧力損失が小さいので、蓄圧器７０の二次側に設けたり、その他の供給ラインに設けることによって、システム全体の圧力損失が小さくなり、図１０に示すシステムに好適である。図１０に示すように、水素ステーションの各ユニットの接続部位に手動弁８１を設け、各ユニットの一次側又は二次側に適宜に自動弁８０を設けて開閉制御している。
　蓄圧器７０の内部は、複数のタンクに分かれており、それぞれのタンクと圧縮機７１とを接続するバルブ８０、及びそれぞれのタンクとディスペンサ７２とを接続するバルブ８０を適宜切り替えることにより、所定圧に至ったタンクから水素をディスペンサに供給する一方、所定の下限値圧を下回ったタンクには、圧縮機７１から水素を前記所定圧に至るまで充填する。
　図６の水素ステーションのブロック図の供給ライン７８に示したように、所定のプログラムによってシステムにおける水素供給を制御したり、車両供給量に応じて適宜に水素を供給制御するようにしている。
　図１０は、高圧用トラニオン型ボール弁の他の実施形態を示した縦断面図である。
　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。
　同図において、ボデー１５０の一次側と二次側にそれぞれキャップ部材１６，１６を螺着部１６ａを介して螺着固定されている。また、ボデー１５０の取付穴１５０ａにステム１１と上軸部１２ｂと下軸部１２ｃを有するボールをボデー１５０のボトム側から挿入し、ボデー１５０の突出部２０３に螺着部２００を介して締付部２０１を有する固定ねじ２０２で固定してボトムエントリータイプのボール弁を構成する。この場合、ステム１１とボール１２を挿入した取付穴１５０ａとの間隙には、例えば、断面略Ｕ字状等のパッキン２０６、金属製ブッシュ２０５、ベアリング２０４、ラジアルベアリング１１０（１１０ａ、１１０ｂ）を取付けており、図中２０７は空間を示している。
　本例におけるボトムエントリータイプの高圧用トラニオン型ボール弁は、トップエントリータイプに比してステム１１のシール構造を簡素化することが可能となり、よりコンパクトで堅固なボール弁を提供することができる。
　本発明の高圧用トラニオン型ボール弁のボール１２、シートリテーナ１８に対して水素耐久試験を実施し、その耐久性を比較した。このとき、常温、低温（－４０℃）、高温（８５℃）の温度下において、熱サイクルが－４０℃～８５℃までの温度の高圧流体を流しながらボール１２を開閉操作するものとした。高圧流体としては、水素ガスを使用した。
　この条件下において、ボール１２を４万回開閉操作したところ、摺動性、密封性の双方ともに異常はみられなかった。高圧流体を流したときに圧力差９０ＭＰａが生じたが、このときの操作トルクをアクチュエータの定格圧力である、例えば、９．４Ｎ・ｍに抑えることができ、高い操作性を維持できたといえる。
　本発明は、特に、燃料電池で使用される高圧流体の水素等が流れる水素ステーションなどの配管設備に好適であるが、高圧流体が流れる管路であれば優れたシール性とトルク性とを発揮でき、例えば、ＣＮＧ（Compressed Natural Gas：圧縮天然ガス）ステーションにおけるバルブや、或は、パイプライン用バルブなどの各種の高圧流体の流れる場所で使用される高圧用ボール弁として適している。
　１０　ボール弁本体
　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)

  1. 　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。
  2. 　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。
  3. 　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。
  4. 　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。
  5. 　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。
  6. 　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。
  7. 　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。
  8. 　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。
  9. 　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。
  10. 　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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