JP2009002382A - 流体制御バルブ装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】バルブと接触する部分における水滴の付着量を低減して、水滴が凍結し得る低温環境下で作動させても作動不良や破損することのない流体制御バルブ装置を提供する。
【解決手段】バルブハウジング３内に配設されたバルブシート１０と軸方向に往復運動してバルブシート１０に離接するバルブ体１１とで構成されたバルブ部７と、バルブ体１１に連設されたバルブ軸１２を支持する軸受け１３とバルブ軸１２周りに装着されたシール１４とを収容する軸受け部８とを有する。そして、バルブ軸１２の表面のうち、少なくともシール１４と摺接する部位が疎水性を有する。また、バルブシート１０の流体流動方向上流側および／または下流側直近部位のバルブハウジング３の内周面に、流体流動方向においてバルブシート１０と反対側に開口を有する周回状の溝３５・３６が形成されている。
【選択図】図２
【解決手段】バルブハウジング３内に配設されたバルブシート１０と軸方向に往復運動してバルブシート１０に離接するバルブ体１１とで構成されたバルブ部７と、バルブ体１１に連設されたバルブ軸１２を支持する軸受け１３とバルブ軸１２周りに装着されたシール１４とを収容する軸受け部８とを有する。そして、バルブ軸１２の表面のうち、少なくともシール１４と摺接する部位が疎水性を有する。また、バルブシート１０の流体流動方向上流側および／または下流側直近部位のバルブハウジング３の内周面に、流体流動方向においてバルブシート１０と反対側に開口を有する周回状の溝３５・３６が形成されている。
【選択図】図２
Description
本発明は、水分を含む流体の流量を制御する流体制御バルブ装置に関する。
近年、大気汚染の要因の１つである自動車の排気ガス問題を解決し得るものとして、燃料電池自動車が注目されている。燃料電池は、水素と酸素とを使用して電気分解の逆反応の電気化学反応で発電し、水以外の排出物がないためクリーンな動力源となる。燃料電池の中でも電解質に高分子イオン交換膜を用いた固体高分子電解質膜型燃料電池が、一般的に自動車用として好ましく使用されている。その理由は、固体高分子電解質膜型燃料電池は出力密度が高く構造が簡単なのでコンパクト化に適している、約７０〜９０℃の比較的低温で作動可能であるなどの利点を有するからである。
燃料電池機構には、アノードとカソードで電解質を挟んだ構造のセルが多数積層されたスタックと、アノード側へ繋がる燃料ガス（水素）供給経路と、カソード側へ繋がる酸化剤ガス（空気）供給経路と、スタックを通過した未反応ガスや電気化学反応により生じた水を排出する排出経路などを有している。燃料ガス供給経路から供給される水素は、水素ボンベから供給されたり、改質器を介して改質ガスとしてスタックに供給される。酸化剤ガス供給経路から供給される空気は、外気をエアーコンプレッサによって供給する。このとき、燃料電池の反応を効率的に行なうため各ガス流量（ガス圧）を的確に制御する必要があると共に、水素ガスと空気との供給量に変動が生じて両者の差圧が発生すると、固体高分子電解質膜の早期劣化や破損を招いてしまう。そのため、従来から燃料ガス供給経路、酸化剤ガス供給経路、または排出経路の一部に流体制御バルブを設けて各ガスの流量を制御している。例えば、水素ガスの供給量が下がった場合は、空気供給量を制限する必要がある。このような場合、酸化剤ガス供給経路と排出経路とを繋ぐバイパス管を設け、ここに流体制御バルブを配すことがある。このバイパス管に設けられた流体制御バルブを開閉することで、スタックへの空気供給を制御できる。
流体制御バルブは、流体制御バルブ装置に組み込まれている。この流体制御バルブ装置の基本的な構成は、バルブハウジング内に配設されたバルブシートと軸方向に往復運動してバルブシートに接離するバルブ体とで構成されたバルブ部と、バルブ体に連設されたバルブ軸を支持する軸受けを収容する軸受け部とを備える。このような流体制御バルブ装置を空気の流量制御用として用いた場合、当該空気中には水蒸気などの水分が含まれている。したがって、冬季や寒冷地などでは空気中の水分が結露してバルブ体やバルブ軸に水滴が付着し、この水滴が凍結することでバルブ体とバルブシートとが固着したり、バルブ軸と軸受けとが固着することがある。この場合、凍結した水滴（氷）の固着力に抗してバルブを開閉する必要があるため、作動不良が生じるおそれがある。
ところで、ガソリン自動車における排気ガス用ではあるが、流体制御バルブ装置として特許文献１ないし特許文献３がある。特許文献１および特許文献２の流体制御バルブ装置では、水分などが軸受け部に浸入することを防止するための構成を採用しており、特許文献３の流体制御バルブ装置では、バルブ部の凍結防止を図っている。具体的には、特許文献１では軸受け部の前方に水分等の浸入防止用のホルダカバーを設けている。特許文献２では、軸受け部の前方側をバルブハウジング内の流路に対して突き出すように形成している。特許文献３では、バルブ体の表面のうちバルブシートと当接し得る部分を疎水性の材料で構成している。
しかし、特許文献１や特許文献２の流体制御バルブ装置では、軸受け部に水分等が浸入することを防止するためのホルダカバーを設けたり、軸受け部を流路に対して突き出させているが、これにより完全に水分が軸受け部へ浸入することを防止できるわけではないので、バルブの作動不良の懸念が残る。そこで、軸受け部に弾性体からなるシールを設ければ、効果的に水分の浸入を阻止できる。しかし、シールとバルブ軸との当接部に付着した水分（水滴）が凍結すれば、バルブを開閉する際にバルブ軸とシールとを氷の固着力に抗して引き剥がす必要がある。そうすると、凍結と引き剥がしとを繰り返すことでシールが破損するおそれがある。特許文献３ではバルブ体に水滴が付着し難くしているが、バルブハウジングの内面を伝って滴り落ちる水分も加わって水分過多となった場合などには、バルブ体とバルブシートとの当接部分の表面張力も相俟って、当該部分を確実に撥水できるとまでは至らない。
そこで本発明は、上記課題を解決するものであって、より確実にバルブと接触する部分における水滴の付着量を低減して、水滴が凍結し得る低温環境下で作動させても作動不良や破損することのない流体制御バルブ装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明に係る流体制御バルブ装置は、バルブハウジング内に配設されたバルブシートと軸方向に往復運動して前記バルブシートに接離するバルブ体とで構成されたバルブ部と、前記バルブ体に連設されたバルブ軸を支持する軸受けと前記バルブ軸周りに装着され前記軸受けに対して流体の浸入を防ぐシールとを収容する軸受け部とを有する。そして、前記バルブ軸の表面のうち、少なくとも前記シールと摺接する部位が疎水性であることを特徴とする。
疎水性とするための手段としては、前記バルブ軸の表面にフッ素樹脂をコーティングすることが好ましい。
また、別の形態としては、バルブハウジング内に配設されたバルブシートと軸方向に往復運動して前記バルブシートに接離するバルブ体とで構成されたバルブ部と、前記バルブ体に連設されたバルブ軸を支持する軸受けと前記バルブ軸周りに装着され前記軸受けに対して流体の浸入を防ぐシールとを収容する軸受け部とを有する流体制御バルブ装置において、前記バルブ部の流体流動方向上流側および／または下流側直近部位の前記バルブハウジングの内周面に、流体流動方向において前記バルブ部と反対側に開口を有する周回状の溝が形成されていることを特徴とする。
例えば、前記バルブシートの流体流動方向上流側面および／または下流側面からは、前記バルブハウジングの内径よりも所定寸法小径な周壁が周回状に延設されており、前記バルブシートの周壁と前記バルブハウジングの内周面との間の隙間によって、前記溝を形成することができる。
または、前記バルブ部の流体流動方向上流側および／または下流側直近部位の前記バルブハウジングを内外二層構造とすることで、前記バルブ部の流体流動方向上流側および／または下流側の溝を形成することができる。
または、前記バルブ部の流体流動方向上流側および下流側に前記溝が形成されており、該溝のうちの一方が、前記バルブシートの流体流動方向上流側面および／または下流側面から周回状に延設された、前記バルブハウジングの内径よりも所定寸法小径な周壁と前記バルブハウジングの内周面とで形成し、他方が前記バルブハウジングを内外二層構造にして形成することができる。
このような流体制御バルブ装置において、前記バルブ体の表面のうち、少なくとも前記バルブシートに当接する部位も疎水性となっていることが好ましい。
また、前記シールを複数のリップで形成することが好ましい。
また、前記軸受け部の一部を、前記バルブハウジング内の流路に対して突き出すように構成することが好ましい。
本発明によれば、バルブ軸周りにシールを配していることで、水蒸気が結露しバルブ軸表面に付着した水滴が軸受け部に浸入することを有効に防止して、バルブの作動不良を回避できる。そのうえで、バルブ軸の表面のうち少なくともシートと摺接し得る部位を疎水性としているので、当該疎水性部位に水滴が付着しても撥水されるので、バルブ軸とシールとの間に水滴が付着することを抑制できる。また、疎水性部位以外の部分から軸受け部方向へバルブ軸を伝ってくる水滴は疎水性部位の界面で撥水されるので、それ以上軸受け部方向へ伝わることを抑制できる。ここで、バルブ軸とシートとの間で水滴が凍結した際に、当該バルブ軸とシートとを引き剥がす力は、付着した水分量、延いては凍結した水滴の面積に比例する。したがって、バルブ軸とシールとの当接部へ付着する水滴の量が少なければ凍結面積も減少するので、それだけバルブ軸とシールとの引き剥がし力も少なくて済む。而して、バルブ軸とシールとの引き剥がしによるシールの破損を有効に回避することができる。また、バルブ軸とシールとの引き剥がし力を小さくできることで、バルブ駆動源の推力を軽減でき、バルブ装置の小型化とコスト削減を図ることができる。また、バルブ軸とシールとの当接部へ付着する水滴の量が少なければ、水滴が軸受け部へ浸入することもより確実に防止することができる。
疎水性とするための手段としてフッ素樹脂を用いれば、バルブ軸とシールとの摺動摩擦を低減できるので、シールの摩耗を抑えることができる。また、バルブ軸を円滑に摺動させることができるので、より駆動源の推力を軽減してバルブ装置の小型化とコスト削減を図ることができる。
また、バルブ部の流体流動方向上流側および／または下流側直近部位のバルブハウジングの内周面に、流体流動方向においてバルブ部と反対側に開口を有する周回状の溝が形成されていれば、バルブハウジングの内周面に沿って伝ってくる水滴を溝で受けることが出来る。これにより、結露した水滴がバルブハウジングの内周面を伝ってきても、当該水滴はバルブ部の手前で堰き止められるので、バルブ体とバルブシートとの当接部にバルブハウジング内周面からの水滴が付着することを確実に防止することができる。バルブ部の流体流動方向下流側にも溝を形成していれば、例えば排出径路からの水分がバルブ体とバルブシートとの当接部に付着することも確実に防止できる。
バルブハウジング内に付着した水滴を受け止める溝を、バルブシートに周壁を設けたりバルブハウジングを内外二層構造にして形成していれば、溝を設けるための新たな部材は不要であり、部品点数や組み立て工数の増加などによるコスト増を避けることができる。
バルブ体の表面のうち、少なくともバルブシートに当接する部位も疎水性としていれば、バルブハウジング内周面からの水分は溝で確実に堰き止め、かつバルブ体に直接結露した僅かな水分は疎水性部位で撥水されるので、よりバルブ体とバルブシートとの当接部への水滴の付着量を少なくできる。以って、バルブの作動不良も有効に回避できる。
シールを複数のリップで形成していれば、流体やバルブ軸を伝ってくる水滴をより確実に堰き止められる。軸受け部の一部をバルブハウジング内の流路に対して突き出すように構成していれば、バルブハウジングの内周面に付着した水滴が軸受け部の入口に伝達することを回避できる。これにより、軸受け部への水滴の浸入をより確実に防止できる。
（実施例１）
以下、本発明の実施の形態を適宜図面を参照しながら説明するが、これに限られることはなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。本発明の流体制御バルブ装置は、自動車等の車両に搭載され、ＬＰＧや排気ガスなどの水分（水蒸気）を含み得る種々の気体の流量制御用として適用可能であるが、中でも燃料電池自動車において空気の流量制御用として好適に使用できる。図１〜３に本発明の実施例１を示す。図１は、本発明の流体制御バルブ装置１を設置した燃料電池機構の要部を模式的に示した経路図である。図１において燃料電池機構は、アノードとカソードで電解質を挟んだ構造のセルが多数積層されたスタック１００と、アノード側へ繋がる燃料ガス供給管１０１と、カソード側へ繋がる酸化剤ガス供給管１０２と、スタック１００を通過した未反応ガスや電気化学反応により生じた水を排出する排出管１０３と、酸化剤ガス供給管１０２と排出管１０３とを繋ぐバイパス管１０４とを有している。スタック１００に多数積層される電解質としては、高分子イオン交換膜を用いた固体高分子電解質膜を用いることができる。燃料ガス供給管１０１からは、燃料ガスとして水素が供給される。当該水素は、図外の水素ボンベや水素吸蔵合金タンクから、または燃焼部、改質部、およびＣＯ低減部等を備える改質器によって、メターノールと水とから水素を主成分とする改質ガスとしてスタック１００に供給される。酸化剤ガス供給管１０２からは、酸化剤ガスとして空気が供給される。当該空気は外気を取り込んでおり、図外のエアーコンプレッサによって供給される。バイパス管１０４は、スタック１００における水素ガスと空気との差圧を排して燃料電池の反応を効率的に行なうため、水素ガスおよび空気の流量（ガス圧）制御用として構築されており、このバイパス管１０４の途中に流体制御バルブ装置１が配設されている。したがって、本実施例１のバルブ装置１で制御する流体は、空気である。
以下、本発明の実施の形態を適宜図面を参照しながら説明するが、これに限られることはなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。本発明の流体制御バルブ装置は、自動車等の車両に搭載され、ＬＰＧや排気ガスなどの水分（水蒸気）を含み得る種々の気体の流量制御用として適用可能であるが、中でも燃料電池自動車において空気の流量制御用として好適に使用できる。図１〜３に本発明の実施例１を示す。図１は、本発明の流体制御バルブ装置１を設置した燃料電池機構の要部を模式的に示した経路図である。図１において燃料電池機構は、アノードとカソードで電解質を挟んだ構造のセルが多数積層されたスタック１００と、アノード側へ繋がる燃料ガス供給管１０１と、カソード側へ繋がる酸化剤ガス供給管１０２と、スタック１００を通過した未反応ガスや電気化学反応により生じた水を排出する排出管１０３と、酸化剤ガス供給管１０２と排出管１０３とを繋ぐバイパス管１０４とを有している。スタック１００に多数積層される電解質としては、高分子イオン交換膜を用いた固体高分子電解質膜を用いることができる。燃料ガス供給管１０１からは、燃料ガスとして水素が供給される。当該水素は、図外の水素ボンベや水素吸蔵合金タンクから、または燃焼部、改質部、およびＣＯ低減部等を備える改質器によって、メターノールと水とから水素を主成分とする改質ガスとしてスタック１００に供給される。酸化剤ガス供給管１０２からは、酸化剤ガスとして空気が供給される。当該空気は外気を取り込んでおり、図外のエアーコンプレッサによって供給される。バイパス管１０４は、スタック１００における水素ガスと空気との差圧を排して燃料電池の反応を効率的に行なうため、水素ガスおよび空気の流量（ガス圧）制御用として構築されており、このバイパス管１０４の途中に流体制御バルブ装置１が配設されている。したがって、本実施例１のバルブ装置１で制御する流体は、空気である。
流体制御バルブ装置１のバルブを閉弁すれば、酸化剤ガス供給管１０２を流通する空気は、スタック１００へ全量供給される。一方、流体制御バルブ装置１のバルブを開弁すれば、酸化剤ガス供給管１０２を流通する空気の一部は、バイパス管１０４を介して直接排出管１０３へ排気されるので、スタック１００への空気供給量が低減される。例えば自動車を始動した直後、特に低温始動時には水素ガスの供給量が十分ではない。この場合、スタック１００への水素ガス供給量と空気供給量とのバランスが崩れ、水素と酸素との混合割合不良による発電効率の低下や、差圧による固体高分子電解質膜の破損の要因となり得る。そこで、自動車の始動時から所定時間（３０秒程度）流体制御バルブ装置１のバルブを開弁して、酸化剤ガス供給管１０２からの空気供給量を制限することで、上記問題を回避することができる。なお、バブルの開閉は、図示しない制御手段によって制御されている。燃料ガス供給管１０１から供給された水素と酸化剤ガス供給管１０２から供給された空気中の酸素とが、スタック１００内の固体高分子電解質膜を介して電気化学反応することで、発電すると共に水が生成される。生成された水は、排出管１０３を通して車両外へ排出される。また、燃料ガス供給管１０１から供給される水素は、スタック１００のアノードで完全に利用されることはなくその利用率はおよそ８０％であり、未利用（未反応）の水素ガスは排出管１０３を通して系外へ排出される。同じく酸化剤ガス供給管１０２からの空気も、スタック１００のカソードで必要な酸素量よりも十分に多く供給されているのでその全てが利用されることはなく、未利用の酸素や燃料電池の電気化学反応に直接関与しない窒素等を含む未反応の空気も排出管１０３を通して系外へ排出される。
次に、流体制御バルブ装置１の概要を説明する。図２に、本実施例１における流体制御バルブ装置１が、閉弁状態にある一部断面側面図を示す。図２において流体制御バルブ装置１は、内部に空気が流通する流路２が穿設されたアルミニウム合金製のバルブハウジング３と、駆動源たるアクチュエータ４とを備え、アクチュエータ４はバルブハウジング３にビス５によって固定されている。流路２の中途部には、バルブシート１０と軸方向に往復運動してバルブシート１０に接離可能なバルブ体１１とで構成されたバルブ部７が設けられている。流路２は、バルブハウジング３内に円柱状に穿設されており、バルブ部７を境に流体流動方向上流側の流路２ａと流体流動方向下流側の流路２ｂとに区分けされる。上流側流路２ａがバイパス管１０４を介して酸化剤ガス供給管１０２に、下流側流路２ｂがバイパス管１０４を介して排出管１０３に、それぞれ繋がっている。バルブ体１１は、アクチュエータ４に連結されたバルブ軸１２の先端にかしめ固定されており、バルブシート１０と当接することでバルブ部７が閉弁される。バルブシート１０は径方向に所定の厚みを有するステンレス製のリング状部材であって、バルブハウジング３の内周面に圧入嵌合されている。バルブ体１１はステンレス製の略円錐体部材であって、閉弁状態では流体流動方向下流側の絞り面１１ａがバルブシート１０に当接している。バルブ軸１２もステンレス製であって、円柱形を呈している。
また、バルブハウジング３には、バルブ軸１２を支持する軸受け部８が設けられている。この軸受け部８内には、銅焼結体からなる円筒形の軸受け１３と、該軸受け１３の前方（バルブ体１１側）においてバルブ軸１２回りに装着された弾性体からなるシール体１４とが収容されている。軸受け部８の前方には、カバー１６が配されている。バルブ軸１２の後端（アクチュエータ４側）にはスプリングホルダ１７が嵌合されており、該スプリングホルダ１７とバルブハウジング３との間に配されたリターンスプリング１８によって、バルブ体１１は常時閉弁方向へ付勢されている。そして、アクチュエータ４を駆動することで、バルブ体１１およびバルブ軸１２が軸方向へ摺動する。すなわち、アクチュエータ４を駆動すると、リターンスプリング１８の付勢力によって閉弁位置にあるバルブ体１１がバルブ軸１２を介して押圧力を受け、リターンスプリング１８の付勢力に抗してバルブシート１０から離接し、バルブ部７が開弁するよう構成されている。
次に、図３を参照しながら、軸受け部８周辺について詳しく説明する。図３は、バルブハウジング３の軸受け部８周辺を拡大した要部拡大断面図である。軸受け部８の前方側（バルブ体１１側）の一部は、バルブハウジング３内の流路２に対して所定寸法突き出ている。そして、カバー１６は一端面中央に挿通孔を有し他端面が開口する軸受け部８よりも大径の円筒形であり、一端面中央の挿通孔にバルブ軸１２を圧入していることでバルブ軸１２と一体的に動き、他端面開口側が流路２に対して突き出た軸受け部８の前端部の外側を覆っている。シール体１４は略リング状のゴム成形体であって、その内周面にバルブ軸１２の軸方向に前後３つのリップ２０が一体形成されており、各リップ２０がバルブ軸１２と密着することで三重シール構造となっている。なお、各リップ２０同士の間には、シール性を向上させるためにオイルが充填されている。また、シール体１４の内部にはＨＮＢＲ製の保形用リング２１がインサート形成により配されている。
本実施例１の流体制御バルブ装置１は空気の流れを制御するものなので、冬季や寒冷地などの低温環境下で使用すれば、バルブハウジング３内において空気中の水蒸気が結露し、バルブ軸１２の表面に水滴が付着し得る。この場合、バルブ体１１をバルブシート１０から離接してバルブ部７を開弁すると、上流側流路２ａから軸受け部８に向かって空気が流れ、その風圧によりバルブ軸１２の表面に付着した水滴が軸受け１３側へ浸入しようとする。そこで、軸受け部８の前方にカバー１６を固定していることで、空気の風圧が軸受け部８に直接作用することが防がれると共に、カバー１６の固定部１６ａにおいて水滴の浸入をある程度阻害することができる。しかし、カバー１６と軸受け部８との間に結露した水滴は、バルブ軸１２の往復摺動に伴って軸受け１３方向へ移動し得るが、これを防ぐためにシール体１４が配されている。その際、シール体１４は３つのリップ２０で構成されており、前方側の第１のリップ２０ａはまず浸入してくる水滴の大部分を堰き止めるサブシールとして機能し、中間と後方側２つの第１・第２のリップ２０ｂ・２０ｃは確実に水分の浸入を堰き止めるメインシールとして機能する。なおシール体１４は、カバー１６と軸受け部８との隙間から流入した空気が、軸受け１３に浸入する機能も果たしている。下流側流路２ｂ部分においてバルブハウジング３の内周面に水蒸気が結露した場合、当該バルブハウジング３の内周面を伝って水滴が軸受け部８に到達し得る。そこで、軸受け部８の前端部を流路２に対して突き出たように構成していることで、バルブハウジング３の内周面を伝ってきた水滴は軸受け部８の外側に溜まり、そのまま軸受け部８の入口に到達することなくその外周面を伝って排出管１０３へ排出することができる。つまり、軸受け部８とバルブハウジング３の内周面との間に、実質的な溝が形成されたようになっている。これらの構成により、バルブ軸１２と軸受け１３との間で水滴が凍結して作動不良が生じることが回避されている。
しかし、シール体１４で堰き止められた水滴は、当該シール体１４とバルブ軸１２との間で凍結し得る。この場合、そのまま氷の固着力に抗してバルブ軸１２とシール体１４とを引き剥がすと、弾性体からなるシール体１４が破損してしまうという新たな問題が生じる。そこで、本実施例１で注目されるは、バルブ軸１２の表面に疎水性処理を施している点にある。疎水性処理を施す範囲は、バルブ軸１２の表面のうちバルブ軸１２が軸方向に往復運動する際に少なくともシール体１４と摺接し得る部分であれば特に限定されることはないが、本実施例１では、バルブ部７の閉弁状態において後方側の第３のリップ２０ｃの後方近傍からカバー１６の固定部１６ａに掛かる範囲に施した（図２および図３における網かけ部分）。これにより、疎水性処理面２５では撥水されるので、バルブ軸１２とシール体１４との間に付着する水滴量、延いては氷の凍結面積を減少させることができ、以ってシール体１４の破損の危険性を有意に低減することができる。また、疎水性処理面２５をカバー１６の固定部１６ａにかけて形成しているので、カバー１６の挿通口から浸入しようとする水滴を撥水することもできる。
疎水性処理としては、ＰＴＦＥ，ＰＶＤＦ，ＰＦＡ等のフッ素樹脂、ポリプロピレン，ポリブタジエン，ポリイソプレン，エチレン−ブタジエン共重合体等のジエン（共）重合体類、スチレン−ブタジエン共重合体，メチルメタクリレート−ブタジエン共重合体，アクリロニトリル−ブタジエン共重合体等の合成ゴム類、ポリメチルメタクリレート，メチルメタクリレート−（２−エチルヘキシルアクリレート）共重合体，メチルメタクリレート−メタクリル酸共重合体，メチルアクリレート−（Ｎ−メチロールアクリルアミド）共重合体，ポリアクリロニトリル等のアクリル酸エステル、アクリル酸（共）重合体，ポリ酢酸ビニル，酢酸ビニル−プロピオン酸ビニル共重合体，酢酸ビニル−エチレン共重合体等のビニルエステル（共）重合体、酢酸ビニル−（２−エチルヘキシルアクリレート）共重合体、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリスチレン、フェノール樹脂、ウレア系樹脂、ケトン樹脂、ロジン樹脂、ブチラール樹脂、ポリアミド樹脂などの疎水性樹脂を周知の方法でコーティングすることができる。または、所定箇所にレーザー等によって熱処理することもできる。これらの中でも、フッ素樹脂が好ましい。フッ素樹脂は摩擦係数が低く、シール体１４との摺動摩擦を低減できるからである。本実施例１では、テフロン（登録商標）をコーティングした。
また、図２に示すように、バルブ体１１の絞り面１１ａのうち、閉弁時にバルブシート１０と当接する部位にも周回状に疎水性処理が施されている。ここでの疎水性処理も、テフロン（登録商標）をコーティングした。これにより、疎水性処理面２５において撥水されるので、バルブシート１０とバルブ体１１との間に付着する水滴量が低減し、作動不良が抑制される。
実施例１では、１つのシール体１４に３つのリップ２０ａ・２０ｂ・２０ｃを一体形成していたが、リップ２０の数が３つに限らず２つであってもよい。例えば図４に示すように、１つのシール体３０に１つのリップ２０を一体形成し、このシール体３０をバルブ軸１２の軸方向に対して前後に２つ並設することもできる。また、図５に示すように、１つのシール体３１に２つのリップ２０ａ・２０ｂを一体形成してもよい。これらの場合でも、前方側のリップ２０ａがサブシールとして、後方側のリップ２０ｂがメインシールとしてそれぞれ機能すること、および前後のリップ２０ａ・２０ｂの間にはオイルが充填されている点は、先の実施例１と同様である。なお、その他リップ２０の数は、１つのみであっても構わないし４つであっても構わない。
また、先の実施例１では、軸受け部８の前方に円筒形のカバー１６を配していたが、これに代えて図６に示すような平板円板状のプレート３２を配すこともできる。これによっても、空気の風圧が軸受け部８に直接作用すること、および先端側からバルブ軸１２に沿って水分が軸受け部８に到達することを防止できる。
（実施例２）
図７に、本発明の流体制御バルブ装置１の実施例２を示す。本実施例２は、バルブ部７へ水滴が付着することを、先の実施例１のように疎水性処理とは異なる構成により達成している。具体的には、図７に示すように、バルブ部７の流体流動方向上流側および下流側直近部位のバルブハウジング３の内周面に、周回状の溝３５・３６を形成している。すなわち、バルブハウジング３の内周面におけるバルブ部７位置からは、バルブハウジング３の内径よりも所定寸法小径な周壁４５が、流体流動方向上流側へ向けて一体的に延設されて内外二層構造となっている。この周壁４５とバルブハウジング３の内周面との隙間によって上流側の溝３５が形成され、当該上流側の溝３５は流体流動方向上流側（バルブ部７と反対側）に開口している。一方、バルブシート１０の流体流動方向下流側面からも、バルブハウジング３の内径よりも所定寸法小径な周壁４６が、流体流動方向下流側へ向けて一体的に延設されている。実際には、バルブシート１０の内周縁から周壁４６が延設されている。そして、このバルブシート１０の周壁４６とバルブハウジング３の内周面との隙間によって下流側の溝３６が形成され、当該上流側の溝３６は流体流動方向下流側（バルブ部７と反対側）に開口している。なお、バルブハウジング３の周壁４５の内径とバルブシート１０の外形とはほぼ同一となっている。
図７に、本発明の流体制御バルブ装置１の実施例２を示す。本実施例２は、バルブ部７へ水滴が付着することを、先の実施例１のように疎水性処理とは異なる構成により達成している。具体的には、図７に示すように、バルブ部７の流体流動方向上流側および下流側直近部位のバルブハウジング３の内周面に、周回状の溝３５・３６を形成している。すなわち、バルブハウジング３の内周面におけるバルブ部７位置からは、バルブハウジング３の内径よりも所定寸法小径な周壁４５が、流体流動方向上流側へ向けて一体的に延設されて内外二層構造となっている。この周壁４５とバルブハウジング３の内周面との隙間によって上流側の溝３５が形成され、当該上流側の溝３５は流体流動方向上流側（バルブ部７と反対側）に開口している。一方、バルブシート１０の流体流動方向下流側面からも、バルブハウジング３の内径よりも所定寸法小径な周壁４６が、流体流動方向下流側へ向けて一体的に延設されている。実際には、バルブシート１０の内周縁から周壁４６が延設されている。そして、このバルブシート１０の周壁４６とバルブハウジング３の内周面との隙間によって下流側の溝３６が形成され、当該上流側の溝３６は流体流動方向下流側（バルブ部７と反対側）に開口している。なお、バルブハウジング３の周壁４５の内径とバルブシート１０の外形とはほぼ同一となっている。
このような構成となっていることで、酸化剤ガス供給管１０２から供給される空気中に含まれている水蒸気が上流側流路２ａ部分においてバルブハウジング３の内周面に結露し、その結露した水滴が空気の風圧などによってバルブ部７方向に流れたとしても、当該水滴は上流側溝３５に溜まることでバルブシート１０とバルブ体１１との当接部に水滴が付着することがない。また、バルブ部７が閉弁状態にあるとき、バルブハウジング３内の下流側流路２ｂ部分には、排出管１０３からの未反応空気等が逆流してくることがあり、その場合、下流側流路２ｂ部分においてバルブハウジング３の内周面にも水蒸気が結露し得る。そして、その結露した水滴が逆流空気の風圧などによってバルブ部７方向に流れたとしても、当該水滴は下流側溝３６に溜まることでバルブシート１０とバルブ体１１との当接部に水滴が付着することがない。このように、バルブ部７の上流側と下流側とにおいてバルブハウジング３の内周面に結露した水滴が、上流側溝３５と下流側溝３６とによって確実に堰き止められることで、バルブシート１０とバルブ体１１とが固着することがなく、作動不良等が発生することを回避できる。その他は先の実施例１と同様なので、同じ部材に同じ符号を付してその説明を省略する。
（実施例３）
図８に、本発明の流体制御バルブ装置１の実施例３を示す。本実施例３は先の実施例２における溝の変形例であり、図８に示すように、バルブ部７の下流側溝３７を、先の実施例２におけるバルブシート１０の周壁４６に代えて、上流側溝３５と同様にバルブハウジング３を内外二層構造とすることで形成している。具体的には、バルブハウジング３の内周面におけるバルブシート１０の下流側端面位置からは、バルブハウジング３の内径よりも所定寸法小径な周壁４７が、流体流動方向下流側へ向けて一体的に延設されて内外二層構造となっている。この周壁４７とバルブハウジング３の内周面との隙間によって下流側の溝３７が形成されており、当該下流側の溝３７は流体流動方向下流側（バルブ部７と反対側）に開口している。これにより先の実施例２と同様に、バルブ部７が閉弁状態にあるときに、排出管１０３から逆流してきた未反応空気中の水蒸気がバルブハウジング３内の下流側流路２ｂ部分で結露しても、当該結露した水滴は下流側溝３７に溜まることで、バルブシート１０とバルブ体１１との当接部に水滴が付着することがない。その他は先の実施例２と同様なので、同じ部材に同じ符号を付してその説明を省略する。
図８に、本発明の流体制御バルブ装置１の実施例３を示す。本実施例３は先の実施例２における溝の変形例であり、図８に示すように、バルブ部７の下流側溝３７を、先の実施例２におけるバルブシート１０の周壁４６に代えて、上流側溝３５と同様にバルブハウジング３を内外二層構造とすることで形成している。具体的には、バルブハウジング３の内周面におけるバルブシート１０の下流側端面位置からは、バルブハウジング３の内径よりも所定寸法小径な周壁４７が、流体流動方向下流側へ向けて一体的に延設されて内外二層構造となっている。この周壁４７とバルブハウジング３の内周面との隙間によって下流側の溝３７が形成されており、当該下流側の溝３７は流体流動方向下流側（バルブ部７と反対側）に開口している。これにより先の実施例２と同様に、バルブ部７が閉弁状態にあるときに、排出管１０３から逆流してきた未反応空気中の水蒸気がバルブハウジング３内の下流側流路２ｂ部分で結露しても、当該結露した水滴は下流側溝３７に溜まることで、バルブシート１０とバルブ体１１との当接部に水滴が付着することがない。その他は先の実施例２と同様なので、同じ部材に同じ符号を付してその説明を省略する。
（実施例４）
図９に、本発明の流体制御バルブ装置１の実施例４を示す。本実施例４も先の実施例２における溝の変形例であり、図９に示すように、先の実施例２におけるバルブハウジング３の周壁４５に代えて、バルブシート１０の流体流動方向上流側面にも周壁４８を設けることによって、バルブ部７よりも流体流動方向上流側の溝３８を形成している。具体的には、バルブシート１０の上流側面の外周縁からも、バルブハウジング３の内径よりも所定寸法小径な周壁４８が、流体流動方向上流側へ向けて一体的に延設されている。そして、このバルブシート１０の周壁４８とバルブハウジング３の内周面との隙間によって上流側の溝３８が形成され、当該上流側の溝３８は流体流動方向下流側（バルブ部７と反対側）に開口している。これにより、先の実施例２と同様に、酸化剤ガス供給管１０２から供給される空気中の水蒸気が上流側流路２ａ部分においてバルブハウジング３の内周面に結露しても、その結露した水滴は上流側溝３８に溜まることでバルブシート１０とバルブ体１１との当接部に水滴が付着することがない。その他は先の実施例２と同様なので、同じ部材に同じ符号を付してその説明を省略する。
図９に、本発明の流体制御バルブ装置１の実施例４を示す。本実施例４も先の実施例２における溝の変形例であり、図９に示すように、先の実施例２におけるバルブハウジング３の周壁４５に代えて、バルブシート１０の流体流動方向上流側面にも周壁４８を設けることによって、バルブ部７よりも流体流動方向上流側の溝３８を形成している。具体的には、バルブシート１０の上流側面の外周縁からも、バルブハウジング３の内径よりも所定寸法小径な周壁４８が、流体流動方向上流側へ向けて一体的に延設されている。そして、このバルブシート１０の周壁４８とバルブハウジング３の内周面との隙間によって上流側の溝３８が形成され、当該上流側の溝３８は流体流動方向下流側（バルブ部７と反対側）に開口している。これにより、先の実施例２と同様に、酸化剤ガス供給管１０２から供給される空気中の水蒸気が上流側流路２ａ部分においてバルブハウジング３の内周面に結露しても、その結露した水滴は上流側溝３８に溜まることでバルブシート１０とバルブ体１１との当接部に水滴が付着することがない。その他は先の実施例２と同様なので、同じ部材に同じ符号を付してその説明を省略する。
（実施例５）
上記各実施例では、バルブ軸１２が左右方向に摺動するように流体制御バルブ装置１が設置されている形態を説明したが、これに限らず、流体制御バルブ装置１はバルブ軸１２が上下方向に摺動するように設置することもできる。図１０に、本発明の流体制御バルブ装置１の実施例５を示す。図１０に示すように、実施例５での流体制御バルブ装置１は、バルブ部７が軸受け部８よりも下方に位置しバルブ軸１２が垂直となるように設置されている。この場合、上流側流路２ａ部分で結露した水滴は、その自重によってバルブ部７とは反対の下方へ滴下し得るので、下流側の溝を廃すことができる。もちろん、溝を形成しておくことが好ましいことはいうまでも。その他は、先の実施例２と同様である。
上記各実施例では、バルブ軸１２が左右方向に摺動するように流体制御バルブ装置１が設置されている形態を説明したが、これに限らず、流体制御バルブ装置１はバルブ軸１２が上下方向に摺動するように設置することもできる。図１０に、本発明の流体制御バルブ装置１の実施例５を示す。図１０に示すように、実施例５での流体制御バルブ装置１は、バルブ部７が軸受け部８よりも下方に位置しバルブ軸１２が垂直となるように設置されている。この場合、上流側流路２ａ部分で結露した水滴は、その自重によってバルブ部７とは反対の下方へ滴下し得るので、下流側の溝を廃すことができる。もちろん、溝を形成しておくことが好ましいことはいうまでも。その他は、先の実施例２と同様である。
（その他の変形例）
実施例５とは逆に、バルブ部７が軸受け部８よりも上方に位置するようにバルブ軸１２を垂直にすることもできる。または、上下方向を問わずバルブ軸１２が傾斜するように流体制御バルブ装置１を設置してもよい。この場合も、下方に位置する溝を廃すことができる。
実施例５とは逆に、バルブ部７が軸受け部８よりも上方に位置するようにバルブ軸１２を垂直にすることもできる。または、上下方向を問わずバルブ軸１２が傾斜するように流体制御バルブ装置１を設置してもよい。この場合も、下方に位置する溝を廃すことができる。
実施例２〜５では、流体流動方向上流側や下流側の溝をバルブシート１０の上流側面や下流側面位置から形成されている構成としているが、当該溝はバルブ部の流体流動方向上流側および／または下流側直近部位であって、バルブ部７へ水滴が伝わることを堰き止められる構造であれば、バルブシート１０の上流側面および／または下流側面位置から若干離れた位置から形成されていてもよい。
実施例１ではバルブハウジング３の内周面に溝を設けていないが、これに実施例２〜５のような溝を形成しておくことも好ましい。同様に、実施例２〜５ではバルブ体１１やバルブ軸１２に疎水性処理を施していないが、これに実施例１のような疎水性処理面を形成しておくことも好ましい。
疎水性処理面は、バルブ体１１やバルブ軸１２の表面全体に形成してもよい。
１ 流体制御バルブ装置
２ 流路
３ バルブハウジング
４ アクチュエータ
７ バルブ部
８ 軸受け部
１０ バルブシート
１１ バルブ体
１２ バルブ軸
１４・３０・３１ シール
１６ カバー
１８ リターンスプリング
２０ リップ
２５ 疎水性処理面
３２ プレート
３５・３８ 上流側溝
３６・３７ 下流側溝
４５ バルブハウジング上流側の周壁
４６ バルブシート下流側の周壁
４７ バルブハウジング下流側の周壁
４８ バルブシート上流側の周壁
１００ スタック
１０１ 燃料ガス供給管
１０２ 酸化剤ガス供給管
１０３ 排出管
１０４ バイパス管
２ 流路
３ バルブハウジング
４ アクチュエータ
７ バルブ部
８ 軸受け部
１０ バルブシート
１１ バルブ体
１２ バルブ軸
１４・３０・３１ シール
１６ カバー
１８ リターンスプリング
２０ リップ
２５ 疎水性処理面
３２ プレート
３５・３８ 上流側溝
３６・３７ 下流側溝
４５ バルブハウジング上流側の周壁
４６ バルブシート下流側の周壁
４７ バルブハウジング下流側の周壁
４８ バルブシート上流側の周壁
１００ スタック
１０１ 燃料ガス供給管
１０２ 酸化剤ガス供給管
１０３ 排出管
１０４ バイパス管
Claims (9)
- バルブハウジング内に配設されたバルブシートと軸方向に往復運動して前記バルブシートに接離するバルブ体とで構成されたバルブ部と、前記バルブ体に連設されたバルブ軸を支持する軸受けと前記バルブ軸周りに装着され前記軸受けに対して流体の浸入を防ぐシールとを収容する軸受け部とを有する流体制御バルブ装置であって、
前記バルブ軸の表面のうち、少なくとも前記シールと摺接する部位が疎水性であることを特徴とする流体制御バルブ装置。 - 前記疎水性部位には、フッ素樹脂がコーティングされていることを特徴とする請求項１に記載の流体制御バルブ装置。
- バルブハウジング内に配設されたバルブシートと軸方向に往復運動して前記バルブシートに接離するバルブ体とで構成されたバルブ部と、前記バルブ体に連設されたバルブ軸を支持する軸受けと前記バルブ軸周りに装着され前記軸受けに対して流体の浸入を防ぐシールとを収容する軸受け部とを有する流体制御バルブ装置であって、
前記バルブ部の流体流動方向上流側および／または下流側直近部位の前記バルブハウジングの内周面に、流体流動方向において前記バルブ部と反対側に開口を有する周回状の溝が形成されていることを特徴とする流体制御バルブ装置。 - 前記バルブシートの流体流動方向上流側面および／または下流側面からは、前記バルブハウジングの内径よりも所定寸法小径な周壁が周回状に延設されており、
前記バルブシートの周壁と前記バルブハウジングの内周面との間の隙間によって、前記溝が形成されていることを特徴とする請求項３に記載の流体制御バルブ装置。 - 前記バルブ部の流体流動方向上流側および／または下流側直近部位の前記バルブハウジングを内外二層構造とすることで、前記バルブ部の流体流動方向上流側および／または下流側の溝が形成されていることを特徴とする請求項３に記載の流体制御バルブ装置。
- 前記バルブ部の流体流動方向上流側および下流側直近部位に前記溝が形成されており、該溝のうちの一方が、前記バルブシートの流体流動方向上流側面および／または下流側面から周回状に延設された、前記バルブハウジングの内径よりも所定寸法小径な周壁と前記バルブハウジングの内周面とで形成されており、他方が前記バルブハウジングを内外二層構造にして形成されていることを特徴とする請求項３に記載の流体制御バルブ装置。
- 前記バルブ体の表面のうち、少なくとも前記バルブシートに当接する部位が疎水性であることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の流体制御バルブ装置。
- 前記シールが、複数のリップで形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の流体制御バルブ装置。
- 前記軸受け部の一部が、前記バルブハウジング内の流路に対して突き出ていることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の流体制御バルブ装置。
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2007
- 2007-06-19 JP JP2007161395A patent/JP2009002382A/ja active Pending
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2008
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