WO2016163271A1

WO2016163271A1 - 減圧弁

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Publication number: WO2016163271A1
Application number: PCT/JP2016/060058
Authority: WO
Inventors: 紀彦重岡; 瑛二佐野; 淳一熊木; 水田　為俊
Original assignee: 愛三工業株式会社
Priority date: 2015-04-09
Filing date: 2016-03-29
Publication date: 2016-10-13
Also published as: JP2016200946A; DE112016001621T5; CN107209522A; US20180074529A1

Abstract

減圧弁は、弁室、調圧室、連通孔を有する区画部材、及び弁体を有する。区画部材は、連通孔及び弁座をゆする。弁体は、本体部及びロッド部を有する。弁座は、弁体の中心軸に対する傾斜角度の異なる複数の傾斜面を有する。連通孔の周壁と弁座とは連結部で連結されている。連結部よりも弁体の中心軸から径方向外側に離間した位置で弁座が弁体と当接するように、弁座の傾斜角度が段階的に変化している。

Description

減圧弁

　この発明は気体を減圧する減圧弁に関するものである。

　従来、この種の減圧弁として、例えば特許文献１に記載の弁が提案されている。図７にこうした従来の減圧弁の一例を示す。図７に示すように、従来の減圧弁は、同減圧弁よりも上流側から高圧の気体が流入する弁室１０１と同気体を減圧させる調圧室１０２とを区画する区画部材１１０を備えている。この区画部材１１０には弁室１０１内と調圧室１０２内とを連通させる連通孔１１１が設けられており、区画部材１１０において弁室１０１に臨む部位が弁座１１２として機能するようになっている。

　また、弁室１０１内には、弁座１１２に近づく方向及び同弁座１１２から離れる方向に選択的に進退移動する弁体１２０の本体部１２１が位置している。同本体部１２１から連通孔１１１を通じて調圧室１０２内までロッド部１２２が延びている。そして、連通孔１１１の周壁と弁体１２０のロッド部１２２との間が、弁室１０１内から調圧室１０２内に気体を流動させる連通路１０５となっている。

　こうした減圧弁においては、調圧室１０２内の圧力が高すぎるときにロッド部１２２が調圧室１０２に向かって引き込まれ、弁体１２０の本体部１２１が区画部材１１０の弁座１１２に着座する。こうして本体部１２１が弁座１１２に着座しているときには、連通路１０５が弁体１２０によって閉塞され、弁室１０１内から調圧室１０２内への気体の流動が規制される。そして、こうして連通路１０５が閉塞されることにより、減圧された気体が減圧弁よりも下流側に流れるようになっている。

　なお、弁室１０１内から調圧室１０２内への気体の流動が規制されたことにより調圧室１０２内の圧力が低くなりすぎると、ロッド部１２２が調圧室１０２内から弁室１０１に向かって押し戻され、弁体１２０の本体部１２１が弁座１１２から離間する。こうして弁体１２０の本体部１２１が弁座１１２から離れているときには、連通路１０５が開放され、同連通路１０５を通じて弁室１０１内から調圧室１０２内に気体が流れ込むようになり、圧力が調整される。

特開２００７‐１７０４３２号公報

　ところで、図８に示すように、区画部材１１０の弁座１１２には、弁体１２０の本体部１２１が着座した際に荷重が作用する。そのため、図９に示すように、当該荷重によって区画部材１１０の弁座１１２が塑性変形し、同弁座１１２の塑性変形に伴って連通孔１１１の周壁の一部が径方向内側に突出して連通路１０５における弁座１１２の近傍の通路断面積が狭くなることがある。この場合、連通路１０５内で気体の流れに乱れが生じることで同連通路１０５を流れる気体の圧力損失が大きくなり、減圧弁から異音が発生しやすくなる。

　本発明の目的は、連通路を気体が流れる際の異音を発生しにくくすることができる減圧弁を提供することにある。

　上記目的を達成するための減圧弁は、気体が流入する弁室と、同気体の圧力を調整する調圧室と、前記弁室と前記調圧室とを区画する区画部材であって、前記弁室内と前記調圧室内とを連通させる連通孔を有する区画部材と、前記調圧室を挟んで前記区画部材と対向して配置されるピストンと、中心軸を有する弁体と、前記弁体に設けられた本体部であって、前記弁室内に位置し、前記区画部材に近づく方向及び同区画部材から離れる方向に選択的に移動するように構成された本体部と、前記弁体に設けられ、前記連通孔を通じて前記ピストンと前記本体部との間で延びるロッド部と、前記連通孔の周壁と前記ロッド部との間に形成され、前記弁室と前記調圧室とを連通させる連通路と、前記区画部材において前記本体部と対向する位置に設けられた弁座と、を備える。前記本体部が前記弁座に着座しているときに前記連通路が閉塞され、前記本体部が前記弁座から離れているときに前記連通路が開放される。前記弁座は、前記弁体の中心軸に対する傾斜角度の異なる複数の傾斜面を有する。前記連通孔の周壁と前記弁座とは連結部で連結されている。前記連結部よりも前記弁体の中心軸から径方向外側に離間した位置で前記弁座が前記弁体と当接するように、前記弁座の傾斜角度が段階的に変化している。

一実施形態の減圧弁を備える圧力調整器の断面図。同実施形態の減圧弁の一部を拡大して示す断面図。同実施形態の減圧弁の弁座が塑性変形した状態を示す断面図。（ａ）は比較例の減圧弁において、連通路内を気体燃料が流れる際に生じる圧力振動の振幅である圧力振幅と周波数との関係を示すグラフ、（ｂ）は一実施形態の減圧弁において、連通路内を気体燃料が流れる際に生じる圧力振動の振幅である圧力振幅と周波数との関係を示すグラフ。別の実施形態の減圧弁の構成を示す断面図。さらに別の実施形態の減圧弁の構成を示す断面図。従来の減圧弁の概略構成を示す断面図。従来の減圧弁の一部を拡大して示す断面図。従来の減圧弁において、弁座が塑性変形した状態を示す断面図。

　以下、気体を減圧する減圧弁を、気体燃料の一例であるＣＮＧ（圧縮天然ガス）を内燃機関に供給するための燃料供給装置に設けられている減圧弁に具体化した一実施形態を図面に従って説明する。

　図１には、本実施形態の減圧弁３０を備える圧力調整器１０が図示されている。
　図１に示すように、圧力調整器１０は、ボディ１１と、ボディ１１の図中上部に配置される筒体１２と、筒体１２の図中の上部開口を閉塞する蓋部材１３とを備えている。そして、ボディ１１の図中下部には、減圧弁３０によって規定圧に減圧されたＣＮＧからオイルなどの異物を分離させるオイルセパレータ２０が設けられている。そして、オイルセパレータ２０から流出したＣＮＧが、圧力調整器１０よりも下流側に位置する内燃機関に供給される。

　筒体１２内には、ピストン３１と、ピストン３１をボディ１１に向けて、すなわち図中下方に向けて付勢する調圧用スプリング３２とが設けられている。そして、ピストン３１とボディ１１との間の空間が、高圧のＣＮＧを規定圧に減圧させる調圧室３３となっている。

　ボディ１１内には、燃料タンクから供給される高圧のＣＮＧが流入する弁室３４が設けられている。また、ボディ１１において弁室３４よりも図中上側には、ボディ１１の図中上面に開口し、弁室３４よりも大径の中間部３５が設けられている。この中間部３５内には、弁室３４と調圧室３３とを区画する区画部材３８が配設されている。

　区画部材３８には、軸方向に貫通するとともに、弁室３４内と調圧室３３内とを連通させる連通孔３８１が設けられている。そして、この区画部材３８は、調圧室３３を挟んでピストン３１と対向して配置されている。

　減圧弁３０の弁体４０は、弁室３４内に位置する本体部４１と、本体部４１から連通孔３８１を通じて調圧室３３内まで延びているロッド部４２とを有している。即ち、本体部４１及びロッド部４２は、弁体４０に設けられている。ロッド部４２は、ピストン３１と本体部４１との間で延びている。そして、本体部４１が位置する弁室３４内には、本体部４１を区画部材３８に向けて付勢する弁室スプリング４５が設けられている。本体部４１は、区画部材３８に近づく方向及び同区画部材３８から離れる方向に選択的に移動するように構成されている。

　図２に示すように、区画部材３８は図中上下方向である軸方向から見た場合に平面視円形状をなすシート３６と、シート３６の中間部３５内からの離脱を規制するプラグ３７とによって構成されている。そして、連通孔３８１はシート３６とプラグ３７とに設けられた貫通孔によって構成されている。なお、区画部材３８において弁体４０の本体部４１と対向する部位が、弁体４０の本体部４１が着座する弁座３８２になっている。すなわち、シート３６において弁体４０の本体部４１と対向する部位が弁座３８２になっている。

　ロッド部４２と、区画部材３８における連通孔３８１の周壁との間には、弁室３４内から調圧室３３内にＣＮＧを流動させる連通路５０が設けられている。弁体４０の本体部４１が弁座３８２に着座しているときには、連通路５０が弁体４０の本体部４１によって閉塞され、弁室３４内から調圧室３３内にＣＮＧが流れない。一方、弁体４０の本体部４１が弁座３８２から離れているときには、連通路５０を通じて弁室３４内から調圧室３３内にＣＮＧが流れるようになっている。

　なお、調圧用スプリング３２がピストン３１を付勢する付勢力は、弁室スプリング４５が弁体４０を付勢する付勢力よりも大きい。調圧室３３内の圧力が規定圧以下のときには、ピストン３１に連結されているロッド部４２が調圧用スプリング３２の付勢力によって弁室３４に向かって押し戻され、弁体４０の本体部４１が弁座３８２から離れた状態になる。

　一方で、調圧室３３内の圧力が規定圧よりも高くなると、ピストン３１に作用する圧力と弁室スプリング４５の付勢力の合力が調圧用スプリング３２の付勢力よりも大きくなり、ロッド部４２が調圧室３３に向かって移動して、弁体４０の本体部４１が弁座３８２に着座した状態になる。

　図２に示すように、弁座３８２は、第１傾斜面３８３と第２傾斜面３８４とによって構成されている。なお、ＣＮＧが流れる方向における上流側に位置する第１傾斜面３８３と、下流側に位置する第２傾斜面３８４とは、弁体４０の中心軸Ｃ１に対する傾斜角度が異なっている。

　具体的には、中心軸Ｃ１に対する第１傾斜面３８３の傾斜角度θ２は、弁体４０の本体部４１の弁座３８２との当接面の傾斜角度θ１よりも小さい。その一方で、中心軸Ｃ１に対する第２傾斜面３８４の傾斜角度θ３は、傾斜角度θ１よりも大きい。なお、図２には、傾斜角度θ３を示すために、中心軸Ｃ１と平行な二点鎖線Ｃ２を示している。

　このように本実施形態の減圧弁３０の弁座３８２は、傾斜角度の異なる２つの傾斜面（３８３，３８４）で構成され、傾斜角度が途中で変化する２段テーパ形状となっている。
　次に、図３及び図４を参照して、本実施形態の減圧弁３０の作用について説明する。なお、図４（ａ），（ｂ）は、連通路５０内をＣＮＧが流れる際に生じる圧力振動の振幅（圧力振幅）と周波数との関係を示している。

　減圧弁３０においては、調圧室３３内の圧力が規定圧よりも高いときにロッド部４２が調圧室３３に向かって引き込まれ、弁体４０の本体部４１が区画部材３８の弁座３８２に着座する。こうして本体部４１が弁座３８２に着座しているときには、連通路５０が弁体４０によって閉塞され、弁室３４内から調圧室３３内への気体の流動が規制される。そして、こうして連通路５０が閉塞されることにより、減圧された気体が減圧弁３０よりも下流側に流れるようになっている。

　なお、弁室３４内から調圧室３３内への気体の流動が規制されたことにより調圧室３３内の圧力が規定圧以下まで低下すると、ロッド部４２が調圧室３３内から弁室３４に向かって押し戻され、弁体４０の本体部４１が弁座３８２から離間する。こうして弁体４０の本体部４１が弁座３８２から離れているときには、連通路５０が開放され、連通路５０を通じて弁室３４内から調圧室３３内に気体が流れ込むようになり、圧力が調整される。

　本実施形態の減圧弁３０にあっては、本体部４１の傾斜角度θ１よりも傾斜角度が小さい第１傾斜面３８３と、本体部４１の傾斜角度θ１よりも傾斜角度が大きい第２傾斜面３８４とによって弁座３８２を構成している。そのため、本体部４１が弁座３８２に着座する際に、第１傾斜面３８３と第２傾斜面３８４との接合部Ｘで弁座３８２と本体部４１とが当接する。すなわち、連通孔３８１の周壁と弁座３８２との連結部Ｙよりも中心軸Ｃ１から径方向外側に離間した位置で、弁座３８２と本体部４１とが当接するように、弁座３８２の傾斜角度が段階的に変化している。

　なお、接合部Ｘは弁座３８２の表面に中心軸Ｃ１を取り囲むように円形に存在するため、弁体４０の本体部４１が弁座３８２に着座したとき、本体部４１と弁座３８２は線接触するようになる。

　シート３６の弁座３８２には弁体４０の本体部４１が着座した際に荷重が作用し、弁座３８２は塑性変形することがある。
　図３には、本体部４１が着座した際の荷重によって弁座３８２が塑性変形した状態を示している。上記のように弁体４０の本体部４１と当接する部分が、連通孔３８１の周壁との連結部Ｙよりも径方向外側に位置していれば、弁体４０の本体部４１が着座したときの荷重によって弁座３８２が塑性変形したとしても、図３に示すように、その影響は連通路５０内にまでは及びにくく、連通路５０の通路断面積が狭くなりにくい。

　すなわち、本実施形態の減圧弁３０によれば、塑性変形によって弁座３８２が変形したときに連通路５０の通路断面積が狭くなることが抑制される。その結果、弁座３８２が塑性変形しても、連通路５０内で気体の流れに乱れが生じにくく、連通路５０を気体が流れる際の圧力損失が大きくなりにくい。

　ここで、例えば図８に示すように、弁座１１２が弁体１２０の本体部１２１の当接面の傾斜角度よりも傾斜角度の小さな傾斜面のみからなる比較例の減圧弁にあっては、図９に示すように、連通孔１１１の周壁の一部が径方向内側に突出し、連通路１０５の通路断面積が狭くなる。その結果、連通路１０５を流れるＣＮＧの流れに乱れが生じやすくなり、連通路１０５をＣＮＧが流れる際における圧力損失が大きくなりやすく、異音が生じやすい。

　例えば、図４（ａ）に示すように、比較例の減圧弁においては、周波数Ｐ１に、圧力振幅の大きなピークが表れる。そして、この周波数Ｐ１の異音が減圧弁から生じることとなる。

　これに対し、図３に示すように、本実施形態の減圧弁３０にあっては、弁座３８２が塑性変形したとしても、連通孔３８１の周壁が径方向内側に突出せず、連通路５０の通路断面積が狭くならない。そのため、弁座３８２の塑性変形に起因したＣＮＧの流れの乱れが、連通路５０内で生じにくい。その結果、図４（ｂ）に示すように、比較例の場合と比べて全体的に圧力振幅が小さくなる。特に、この場合には、周波数Ｐ１におけるピークが小さくなっており、周波数Ｐ１の異音が効果的に抑制されていることが分かる。

　ここで、接合部Ｘの配設位置の決定方法について説明する。
　接合部Ｘの位置を、連結部Ｙよりも径方向外側の位置にするほど、弁座３８２が塑性変形したときの影響が連通路５０に及びにくくなる。本実施形態の減圧弁３０では、本体部４１と当接する接合部Ｘが、本体部４１が着座したときの荷重によって弁座３８２が塑性変形したとしても、連通路５０の通路断面積が狭くならない位置に設けられている。換言すれば、接合部Ｘは、本体部４１が着座したときの荷重によって弁座３８２が塑性変形したとしても、連通路５０の通路断面積を維持する位置に設けられている。

　接合部Ｘの位置は、第１傾斜面３８３の傾斜角度θ２や長さ、第２傾斜面３８４の傾斜角度θ３や長さを調整することによって変更することができる。減圧弁３０の設計にあたっては、第１傾斜面３８３の傾斜角度θ２や長さ、第２傾斜面３８４の傾斜角度θ３や長さをそれぞれ変更し、実験を繰り返すことによって弁座３８２が塑性変形したとしても、連通路５０の通路断面積が狭くならない位置を割り出している。

　こうして接合部Ｘの配設位置を決定することにより、図３に示すように、弁座３８２の塑性変形による連通路５０の通路断面積の減少が生じないようにすることができる。
　上記実施形態の減圧弁３０によれば、以下に示す効果を得ることができる。

　（１）塑性変形によって弁座３８２が変形したときに連通路５０の通路断面積が狭くなることが抑制される。その結果、弁座３８２が塑性変形しても、連通路５０内で気体の流れに乱れが生じにくくなり、連通路５０を気体が流れる際の圧力損失が大きくなりにくくなる。したがって、連通路５０を気体が流れる際の異音を発生しにくくすることができるようになる。

　（２）弁体４０の本体部４１と弁座３８２が線接触するようになる。弁体の本体部と弁座とを面接触させてシールする場合には、本体部の接触面と弁座の接触面とが僅かにずれていてもシール面の面積が確保できなくなり、所期のシール性が確保できなくなってしまう。そのため、弁座と本体部とが当接する部分を極めて高い精度で加工する必要がある。

　これに対して、弁体の本体部と弁座とを線接触させてシールする場合には、面接触させる場合と比較して容易にシール性を確保することができる。したがって、上記の減圧弁３０によれば、容易にシール性を確保することができるようになる。

　（３）上記の減圧弁３０では、弁体４０の本体部４１が弁座３８２と繰り返し当接し、弁座３８２が図３に示すように塑性変形することによりシール面における接触面積が増大する。その結果、シール性がさらに良好になる。すなわち、減圧弁３０では、使用していく過程で弁座３８２が塑性変形することにより、弁体４０と弁座３８２とがなじんでシール性がより向上するようになる。

　すなわち、減圧弁３０では、上述したように、弁座３８２が塑性変形していないときには、弁体４０の本体部４１と弁座３８２とが線接触するようになっているので部品毎に製造公差があったとしても初めからシール性を確保しやすい。その上、塑性変形が生じて弁体４０と弁座３８２とがなじむと接触面積が増え、シール性がさらに良好な状態になる。

　（４）隣接する２つの傾斜面の接合部に弁体の本体部を当接させる場合には、弁座には２つの傾斜面があればよい。したがって、上記の減圧弁３０によれば、最も簡単な構成で、隣接する２つの傾斜面の接合部に弁体の本体部を当接させる構成を実現することができる。

　（５）接合部Ｘが、本体部４１が着座したときの荷重によって弁座３８２が塑性変形したとしても、連通路５０の通路断面積が狭くならない位置に設けられている。そのため、弁座３８２の塑性変形による連通路５０の通路断面積の減少が生じなくなり、連通路５０を気体が流れる際の異音の発生を効果的に抑制することができる。

　なお、上記実施形態は、これを適宜変更した以下の形態にて実施することもできる。
　・上記実施形態の減圧弁３０は、ロッド部４２が弁体４０の本体部４１から連通孔３８１を通じてピストン３１に向けて延びている構成であるが、連通孔３８１内を通過するロッド部を有するのであれば、他の構成であってもよい。例えば、図５に示すように、減圧弁は、ピストンに、連通孔３８１を通じて弁体４０の本体部４１に向けて延びるロッド部３１１を設けた構成であってもよい。この場合、ロッド部３１１の先端が弁体４０の本体部４１に当接している。こうした構成であっても、弁座３８２を複数の傾斜面によって形成し、接合部Ｘを連結部Ｙよりも径方向外側に設けることによって、上記（１）と同等の効果を得ることができる。

　また、減圧弁は、弁体４０の本体部４１にピストン３１に向けて延びるロッド部を設けるとともに、ピストン３１に本体部４１のロッド部に向けて延びるロッド部を設けた構成であってもよい。この場合、双方のロッド部の先端同士が、連通孔３８１内で当接することとなる。こうした構成であっても、弁座３８２を複数の傾斜面によって形成し、接合部Ｘを連結部Ｙよりも径方向外側に設けることによって、上記（１）と同等の効果を得ることができる。

　・２段テーパ形状の弁座３８２を有する減圧弁３０を例示したが、弁座３８２を構成する傾斜面の数は２つに限らない。３段以上の多段テーパ形状の弁座３８２を採用することもできる。３段以上の多段テーパ形状の弁座３８２を採用した場合であっても、弁座３８２を複数の傾斜面によって形成し、連結部Ｙよりも径方向外側の位置で本体部４１と当接させるようにすることによって、上記（１）と同等の効果を得ることができる。

　・３段以上の多段テーパ形状を採用する場合には、隣接する２つの傾斜面の接合部に弁体４０の本体部４１を当接させる構成でなくてもよい。例えば図６に示すように、第１傾斜面３８３と第２傾斜面３８４との間に、弁体４０の本体部４１における当接面と平行な第３傾斜面３８５を設け、本体部４１と弁座３８２とを面接触させるようにしてもよい。

　すなわち、この構成においては、中心軸Ｃ１に対する第３傾斜面３８５の傾斜角度θ４が傾斜角度θ１と等しくなっており、弁体４０の本体部４１は、弁座３８２におけるこの第３傾斜面３８５と当接するようになる。この場合にも連結部Ｙよりも径方向外側の位置で本体部４１と弁座３８２とが当接することになるため、上記（１）と同等の効果を得ることができる。

　・減圧弁を、ＣＮＧ以外の他の気体が流れる経路上に設けられるものに具体化してもよい。
　・上記実施形態では、接合部Ｘが、本体部４１が着座したときの荷重によって弁座３８２が塑性変形したとしても、連通路５０の通路断面積が狭くならない位置に設けられている例を示したが、弁座３８２における弁体４０の本体部４１と当接する部位の位置は、必ずしもこうした位置でなくてもよい。弁座３８２における弁体４０の本体部４１と当接する部位の位置が、連結部Ｙよりも径方向外側に位置していれば、弁座が連結部Ｙに当接するようになっている比較例の構成よりも連通孔の周壁が径方向内側に飛び出すように変形する量を少なくすることができ、連通路を気体が流れる際の異音の発生を抑制することができる。

Claims

　気体が流入する弁室と、
　同気体の圧力を調整する調圧室と、
　前記弁室と前記調圧室とを区画する区画部材であって、前記弁室内と前記調圧室内とを連通させる連通孔を有する区画部材と、
　前記調圧室を挟んで前記区画部材と対向して配置されるピストンと、
　中心軸を有する弁体と、
　前記弁体に設けられた本体部であって、前記弁室内に位置し、前記区画部材に近づく方向及び同区画部材から離れる方向に選択的に移動するように構成された本体部と、
　前記弁体に設けられ、前記連通孔を通じて前記ピストンと前記本体部との間で延びるロッド部と、
　前記連通孔の周壁と前記ロッド部との間に形成され、前記弁室と前記調圧室とを連通させる連通路と、
　前記区画部材において前記本体部と対向する位置に設けられた弁座と、を備える減圧弁であって、
　前記本体部が前記弁座に着座しているときに前記連通路が閉塞され、前記本体部が前記弁座から離れているときに前記連通路が開放され、
　前記弁座は、前記弁体の中心軸に対する傾斜角度の異なる複数の傾斜面を有し、
　前記連通孔の周壁と前記弁座とは連結部で連結され、
　前記連結部よりも前記弁体の中心軸から径方向外側に離間した位置で前記弁座が前記弁体と当接するように、前記弁座の傾斜角度が段階的に変化している、減圧弁。
　前記弁座が、前記弁体の中心軸に対する傾斜角度の異なる隣接した２つの傾斜面同士の接合部で前記弁体の本体部と当接するように構成されている
　請求項１に記載の減圧弁。
　前記隣接した２つの傾斜面のうち、上流側の傾斜面は前記本体部の当接面よりも前記弁体の中心軸に対する傾斜角度が小さく、下流側の傾斜面は前記本体部の当接面よりも前記弁体の中心軸に対する傾斜角度が大きい
　請求項２に記載の減圧弁。
　前記弁座は、傾斜角度の異なる２つの傾斜面からなる
　請求項３に記載の減圧弁。
　前記本体部と当接する前記接合部が、前記本体部が着座したときの荷重によって前記弁座が塑性変形したとしても、前記連通路の通路断面積が維持される位置に設けられている
　請求項２～４のいずれか一項に記載の減圧弁。