WO2015012046A1

WO2015012046A1 - 制御バルブ

Info

Publication number: WO2015012046A1
Application number: PCT/JP2014/066695
Authority: WO
Inventors: 善也中村
Original assignee: カヤバ工業株式会社
Priority date: 2013-07-23
Filing date: 2014-06-24
Publication date: 2015-01-29
Also published as: JP6204738B2; KR101888235B1; EP3026313A1; JP2015021608A; KR20160013185A; CN105393032B; EP3026313A4; US9903488B2; CN105393032A; US20160369905A1

Abstract

　制御バルブは、流体が通過するシート部と、シート部に対して移動するポペット弁部と、シート部を通過した流体をその内周面によって導くガイドシリンダ部と、ガイドシリンダ部の内周面に摺接してポペット弁部を支持するポペットガイド部と、ポペットガイド部の外周面に形成され、流体の流れを整流する整流スリットと、を備える。

Description

制御バルブ

　本発明は、流体の流れを制御する制御バルブに関する。

　高圧燃料ガスの供給源から燃料ガスを取り出して燃料タンクに充填する燃料充填システムにおいて、燃料ガスが通路を高速で流れる場合に、通路に介装された逆止弁等の制御バルブから騒音が発生することがある。

　この対処方法として、ＪＰ２００１－９９３４０Ａには、弁体の内部にエアダンパを備え、エアダンパが付与する抵抗によって弁体の振動を抑える逆止弁が開示されている。

　ＪＰ２０１１－８０５７１Ａには、弁体の軸部に摺接するガイドリングを備え、ガイドリングが付与する摺動抵抗によって弁体の振動を抑える逆止弁が開示されている。

　しかしながら、このような制御バルブでは、高圧、大流量のガスが高速で流れる場合に、弁体の下流側に渦流が生じ、ガス流自体から騒音が発生することがある。

　本発明は、制御バルブの騒音を低減することを目的とする。

　本発明のある態様によれば、流体の流れを制御する制御バルブであって、流体が通過するシート部と、シート部に対して移動するポペット弁部と、シート部を通過した流体をその内周面によって導くガイドシリンダ部と、ガイドシリンダ部の内周面に摺接してポペット弁部を支持するポペットガイド部と、ガイドシリンダ部の内周面とポペットガイド部の外周面の少なくとも一方に形成される整流スリットと、を備える。

図１は、本発明の第１実施形態に係る制御バルブの断面図である。図２Ａは、本発明の第１実施形態に係る制御バルブの平面図である。図２Ｂは、本発明の第１実施形態に係る制御バルブの側面図である。図２Ｃは、本発明の第１実施形態に係る制御バルブの底面図である。図３は、本発明の第１実施形態に係る整流スリットの開口幅と制御バルブの騒音レベルの関係を示す特性図である。図４Ａは、本発明の第２実施形態に係る制御バルブの平面図である。図４Ｂは、本発明の第２実施形態に係る制御バルブの側面図である。図４Ｃは、本発明の第２実施形態に係る制御バルブの底面図である。

　以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。

　（第１実施形態）
　図１に示す制御バルブ１００は、供給源から供給される高圧の燃料ガス（以下ガスという）を燃料タンクに充填する燃料充填システムにおいて、燃料ガスの通路に介装される逆止弁として用いられる。

　制御バルブ１００は、ガスが通過する環状のシート部１１を有するバルブハウジング１０と、シート部１１に対して移動するポペット弁部５１を有するポペット５０と、シート部１１に当接する閉弁方向にポペット弁部５１を付勢するスプリング７０と、を備える。

　制御バルブ１００の開弁作動時には、供給源から導かれるガス圧力が高まるのに応じてポペット５０がスプリング７０の付勢力に抗して図１中下方向に移動する。これにより、ポペット弁部５１がシート部１１から離れ、供給源からのガスが図１中矢印で示すように流れる。

　制御バルブ１００は、そのケーシングとして、円筒状のバルブハウジング１０と、バルブハウジング１０の開口端を塞ぐ円盤状のカバー２０と、を備える。バルブハウジング１０とカバー２０との間にポペット５０及びスプリング７０が収容される。

　円筒状のバルブハウジング１０の内側には、円筒面状の入口ポート１３、円錐面状のシート部１１、ガイドシリンダ部１５の円筒面状の内周面１６が、それぞれ中心軸Ｏを中心とする同軸状に形成される。入口ポート１３は、供給源からガスが導かれる入口流路２９を画成する。シート部１１は、下流側にガスを導くポペット流路３０をポペット弁部５１との間で画成する。ガイドシリンダ部１５の内周面１６は、ポペット流路３０の下流側において、ガスを導くポペット下流路３１をポペット弁部５１との間で画成する。このように、ガイドシリンダ部１５の内周面１６は、ポペット下流路３１を画成して、シート部１１を通過したガスを導く。

　円盤状のカバー２０は、バルブハウジング１０の内壁部１７の開口端に嵌合されて固定される。カバー２０は、その中央部に開口するガイド穴２５と、出口流路３３を画成する複数の出口ポート２３と、を有する。ガイド穴２５は中心軸Ｏを中心とする円筒面状に形成される。各出口ポート２３は、中心軸Ｏを中心とする円周上に均等な間隔で設けられる。

　ポペット５０は、円錐状のポペット弁部５１と、ポペット弁部５１の下流側に連接して形成される円盤状のポペットガイド部５５と、ポペットガイド部５５の下流側に連接して形成される円柱状のロッド部６９と、を有する。これらのポペット弁部５１、ポペットガイド部５５、ロッド部６９は、中心軸Ｏを中心として同軸状に形成される。

　ポペット５０のポペットガイド部５５は、バルブハウジング１０のガイドシリンダ部１５に摺動自在に挿入される。ポペット５０のロッド部６９は、カバー２０のガイド穴２５に摺動自在に挿入される。これにより、ポペット５０は、バルブハウジング１０に対して中心軸Ｏが延在するポペット５０の軸方向に沿って移動するように支持され、シート部１１に対するポペット弁部５１の同軸度が確保される。

　コイル状のスプリング７０は、ポペットガイド部５５とカバー２０との間に圧縮して介装され、ポペット５０をバルブハウジング１０のシート部１１に押し付ける。こうしてポペットガイド部５５は、スプリング７０の付勢力を受ける機能を有する。

　制御バルブ１００では、通過するガスの流量を制御するため、シート部１１とポペット弁部５１との間に環状のポペット流路３０が画成される。ポペット５０が中心軸Ｏ方向に沿って変位するのに伴って、ポペット流路３０の流路断面積が増減し、ポペット流路３０を通過するガスの流量が制御される。

　シート部１１とポペット弁部５１は、それぞれ縦断面が中心軸Ｏを中心とするテーパー状に形成され、上流側から下流側に向けて拡径するように形成される。

　図１に示す中心軸Ｏを含む縦断面図上において、シート部１１は、ポペット弁部５１より大きい角度で中心軸Ｏから傾斜して拡径するように形成される。入口ポート１３に連接するシート部１１の上流端には、環状のシート部上流端１２が形成される。

　制御バルブ１００の閉弁時には、ポペット弁部５１がシート部上流端１２に着座することにより、入口流路２９とポペット流路３０が閉塞される。

　制御バルブ１００の開弁時には、ポペット弁部５１がシート部１１から離れることにより、供給源からのガスがポペット流路３０に導かれる。

　ここで、一般に、制御バルブにおいて、高圧、大流量のガスが導かれる場合には、シート部とポペット弁部の間を通過する過程でガスの流速が上昇した後に下降する。このため、ガスの流れが乱れ、ポペット弁部の下流側に渦流を含む噴流が生じることがある。このような噴流から高周波の騒音が生じたり、渦流に起因してポペット弁部がシート部に繰り返し衝突して騒音が生じることがある。

　この対処方法として、制御バルブ１００には、ポペットガイド部５５の外周面５９とガイドシリンダ部１５の内周面１６との間において、渦流が生じることを抑える溝状の整流スリット３２が形成される。

　ポペットガイド部５５は、ポペット弁部５１の下流端からポペット５０の中心軸Ｏに直交して拡がる円盤状に形成される。ポペットガイド部５５は、ガイドシリンダ部１５に摺接する外周面５９（図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃ参照）と、外周面５９に開口する複数の流路溝６０と、を有する。流路溝６０とガイドシリンダ部１５の間には、扁平な流路断面形状を有する複数の整流スリット３２が画成される。

　図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃに示すように、複数の整流スリット３２は、周方向に均等な間隔を有してポペットガイド部５５に設けられる。これにより、整流スリット３２に生じるガスの流体圧力がポペットガイド部５５のまわりに均一に分布し、ガイドシリンダ部１５に対するポペットガイド部５５の摺動抵抗を低減することができる。

　流路溝６０の溝底面６１は、ポペットガイド部５５の中心軸Ｏを中心としてガイドシリンダ部１５と同軸円筒面状に形成される。これにより、ポペットガイド部５５の径方向に沿った整流スリット３２の幅である開口幅Wが、ポペットガイド部５５の周方向について一定になる。開口幅Ｗは、言い換えれば、ガイドシリンダ部１５の内周面１６と流路溝６０の溝底面６１との間における隙間の大きさである。

　流路溝６０の溝側面６２は、ポペット５０の中心軸Ｏ方向に沿って形成される。周方向における整流スリット３２の長さである開口長Ｓは、上流側から下流側にかけて一定であり、径方向の開口幅Wの大きさより大きくなるように任意に設定される。

　整流スリット３２は、周方向の開口長Ｓが任意に設定されることにより、要求される流路断面積が得られる。このため、整流スリット３２を通過する流体の流れに与える抵抗が十分に低く抑えられる。整流スリット３２の流路断面積は、ポペット流路３０の最大流路断面積より大きくなるように設定される。これにより、ポペット流路３０を通過するガスの流れに対して、整流スリット３２が付与する抵抗（圧力損失）は、ポペット流路３０が付与する抵抗より小さく抑えられる。

　整流スリット３２は、軸方向に沿った長さＬがシート部１１の最小開口径Ｄ（図１参照）より長くなるように形成される。これにより、整流スリット３２は十分な流路長さＬを持つこととなり、ガスがガイドシリンダ部１５の内周面１６と流路溝６０の溝底面６１に沿って流れる流路長さが確保される。したがって、ガスに渦流が生じることを抑制する整流作用が得られる。

　以下、制御バルブ１００の作動について説明する。

　供給源から入口流路２９に導かれるガスの圧力が、設定された開弁圧より低い状態では、ポペット弁部５１がスプリング７０の付勢力によってシート部１１に当接し、入口流路２９とポペット流路３０との間を閉塞する。

　供給源から入口流路２９に導かれるガスの圧力が、開弁圧を超えて上昇すると、ポペット弁部５１がスプリング７０の付勢力に抗してシート部１１から離れ、入口流路２９とポペット流路３０が開通する。これにより、供給源からのガスが、図１中矢印で示すように、入口流路２９、ポペット流路３０、ポペット下流路３１、整流スリット３２、出口流路３３を通じて流れる。

　ポペット５０の開度が小さく、ポペット流路３０を流れるガスの流速が速い条件では、ポペット下流路３１に渦流を含む噴流が生じる。

　ポペット下流路３１に流入した噴流は、ポペット下流路３１からガイドシリンダ部１５と流路溝６０との間に形成された整流スリット３２を流れることによって、その噴流に含まれる渦流が整流される。

　ポペット流路３０の下流側に生じる渦流が整流スリット３２にて整流されることにより、噴流から高周波の音が発生することを防止できる。また、渦流による圧力変動によってポペット５０が振動することを抑えられ、ポペット弁部５１がシート部１１に繰り返し衝突して騒音を発生することを防止できる。

　図３は、整流スリット３２の開口幅Wを変えて制御バルブ１００の騒音レベルを測定した実験結果を示す特性図である。この特性図より、整流スリット３２の開口幅Wを、０．５ｍｍより小さくしていくと、次第に騒音レベルが低下することがわかる。図３の特性図において、最も左側に示す比較的高い騒音レベルの測定値は、０．５ｍｍの開口径を有するオリフィスを整流スリット３２の代わりに介装した比較例である。

　上記実験結果に基づき、整流スリット３２の開口幅Wは、０．５ｍｍ以下の範囲に収まることを条件として、流路溝６０を形成する加工範囲内においてできるだけ小さい寸法に設定される。

　以上の第１実施形態によれば、以下に示す作用効果を奏する。

　〔１〕制御バルブ１００は、ガス（流体）が通過するシート部１１と、シート部１１に対して移動するポペット弁部５１と、シート部１１を通過したガスをその内周面１６によって導くガイドシリンダ部１５と、ガイドシリンダ部１５の内周面１６に摺接してポペット弁部５１を支持するポペットガイド部５５と、ポペットガイド部５５の外周面５９に形成される整流スリット３２と、を備える。このため、シート部１１とポペット弁部５１との間を通過するガスの流れに生じる渦流が整流スリット３２を通過することによって整流される。これにより、渦流に起因する制御バルブ１００の騒音を低減することができる。

　〔２〕整流スリット３２は、ポペットガイド部５５の径方向の開口幅Wがポペットガイド部５５の周方向の開口長Ｓより小さく形成される。このため、制御バルブ１００は、径方向の開口幅Wを小さく設定することによって渦流を整流する作用が得られることと、周方向の開口長Ｓを大きく設定することによってガスの流れに与える抵抗を低くすることと、を両立できる。

　〔３〕整流スリット３２では、ポペットガイド部５５の軸方向の長さＬがシート部１１の最小開口径Ｄより大きくなるように形成される。このため、制御バルブ１００では、整流スリット３２を流れる流体が整流されるために必要な流路長さが確保され、ポペット流路３０から下流側に流出する噴流に渦流が生じることを抑えられる。

　〔４〕整流スリット３２は、複数形成され、周方向に均等な間隔を有してポペットガイド部５５に設けられる。このため、制御バルブ１００では、各整流スリット３２に生じる圧力がポペットガイド部５５のまわりで均一に分布し、ガイドシリンダ部１５に対するポペットガイド部５５の摺動抵抗を低減することができる。

　（第２実施形態）
　次に、図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃを参照して、本発明の第２実施形態を説明する。以下では、上記第１実施形態と異なる点を中心に説明し、上記第１実施形態の制御バルブと同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。

　上記第１実施形態に係る制御バルブ１００では、整流スリット３２の周方向の開口長Ｓが上流側から下流側にかけて一定になるように形成されている。これに対して、第２実施形態に係る制御バルブでは、整流スリット３５の周方向の開口長Ｓが上流側から下流側にかけて次第に大きくなるように形成される。

　整流スリット３５を画成する流路溝８０は、円筒面状の溝底面８１と、溝底面８１の両端に連接してポペットガイド部５５の外周面５９へと延びる一対の溝側面８２と、を有する。

　流路溝８０の溝側面８２は、ポペットガイド部５５の中心軸Ｏに対して傾斜するように形成される。整流スリット３５は、ポペットガイド部５５の周方向の開口長Ｓが軸Ｏ方向について変化する。これにより、整流スリット３５のポペットガイド部５５の中心軸Ｏに直交する流路断面積は、上流側から下流側にかけて次第に大きくなる。

　以上の第２実施形態によれば、第１実施形態と同様に前記〔１〕～〔４〕の作用効果を奏するとともに、以下に示す作用効果を奏する。

　〔５〕整流スリット３５の流路断面積は、上流側から下流側にかけて次第に大きくなる。このため、制御バルブでは、整流スリット３５を流れる流体の圧力が次第に低下し、流体の流れを整流する効果が高められるとともに、ガスの流れに付与する抵抗を抑えられる。

　第２実施形態において、整流スリット３５における周方向の開口長Ｓが上流側から下流側にかけて次第に大きくなるように設定したが、開口長Ｓを一定にし、整流スリット３５における径方向の開口幅Wが上流側から下流側にかけて次第に大きくなるようにしてもよい。つまり、整流スリット３５はポペットガイド部５５の中心軸Ｏに直交する流路断面積が上流側から下流側にかけて次第に大きくなるように設定されればよい。

　以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

　例えば、上記各実施形態では、整流スリット３２、３５を画成する流路溝６０、８０がポペットガイド部５５に形成される。これに限らず、整流スリットを画成する流路溝は、ガイドシリンダ部１５に形成されてもよい。

　さらに、上記各実施形態の制御バルブ１００は、燃料充填システムにおいて、燃料ガスの通路に介装される逆止弁として用いられる。これに限らず、他の機械、設備において、高圧、大流量のガスが流れる回路に介装される逆止弁またはリリーフ弁として用いられてもよい。また、制御バルブ１００を流れる流体は、燃料ガスに限らず、他の気体や液体であってもよい。

　本願は２０１３年７月２３日に日本国特許庁に出願された特願２０１３－１５２５７７に基づく優先権を主張し、この出願の全ての内容は参照により本明細書に組み込まれる。

Claims

　流体の流れを制御する制御バルブであって、
　流体が通過するシート部と、
　前記シート部に対して移動するポペット弁部と、
　前記シート部を通過した流体をその内周面によって導くガイドシリンダ部と、
　前記ガイドシリンダ部の内周面に摺接して前記ポペット弁部を支持するポペットガイド部と、
　前記ガイドシリンダ部の内周面と前記ポペットガイド部の外周面の少なくとも一方に形成される整流スリットと、を備える制御バルブ。
　請求項１に記載の制御バルブであって、
　前記ポペットガイド部の径方向に沿った前記整流スリットの開口幅は、前記ポペットガイド部の周方向における前記整流スリットの開口長より小さい制御バルブ。
　請求項１に記載の制御バルブであって、
　前記ポペットガイド部の軸方向に沿った前記整流スリットの長さは、前記シート部の最小開口径より大きい制御バルブ。
　請求項１に記載の制御バルブであって、
　前記整流スリットは、複数形成され、前記ポペットガイド部の周方向について均等な間隔に設けられる制御バルブ。
　請求項１に記載の制御バルブであって、
　前記整流スリットの流路断面積は、上流側から下流側にかけて次第に拡大する制御バルブ。