JP2010025229A

JP2010025229A - ガス制御装置

Info

Publication number: JP2010025229A
Application number: JP2008187260A
Authority: JP
Inventors: Kazushi Numazaki; 一志沼崎; Motoyasu Yamamori; 元康山盛; Toshihiko Shima; 稔彦嶋; Hiroaki Suzuki; 浩明鈴木; Toshikatsu Kubo; 利賀剛久保
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2008-07-18
Filing date: 2008-07-18
Publication date: 2010-02-04

Abstract

【課題】高い性能を長期間にわたり発揮できる弁装置の提供を解決すべき課題とする。
【解決手段】受圧空間Ｃ内に高圧ガスを導入する導入流路２６１と受圧空間Ｃ内から高圧ガスを導出する導出流路１１２とを区画するカバー２５と、カバー２５内に配設され、受圧面２２ａをもつピストン２２と、ピストン２２及びカバー２５の間に介設されるシール部材２２２と、を有し、受圧面２２ａはその周辺部に外側に向かうにつれてピストン２２から突出する方向に傾斜する傾斜部２２ａ１をもつ。傾斜部を受圧面に形成することで、高圧ガスの流れを適正化できる。その結果、万が一、高圧ガスの流れに異物が混入したとしても、導入された高圧ガスは傾斜部に沿って流れていき、受圧面から離れる方向に曲がるため、ピストンとシリンダ空間との間に高圧ガスがそのままの勢いで流れ込んでシール部材に異物が巻き込まれる虞を小さくすることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、弁装置などのガス制御装置に関し、詳しくは、水素ガスなどの高圧ガスを目的の圧力にまで減圧する減圧弁に好適なガス制御装置に関する。

高圧流体を貯蔵するガスタンクの開口部を閉塞する栓体には、ガスタンクの内部と外部とを連通する１以上の流路をもち、その流路内におけるガスの流通を制御する弁装置が設けられている。弁装置の一例として、外部に導出するガスの圧力を制御する減圧弁がある（特許文献１、２など）。

減圧弁は高圧ガスを所定の圧力にまで減圧して供給する弁であり、例えば、図３に示すような構成をもつものがある。この減圧弁は、弁機構９１０と調圧機構９２０とを有する。弁機構９１０はボディ９１１とポペット９１２とシート９１３とその他の部材とをもつ。調圧機構９２０はピン９２１と調圧ピストン９２２とスプリング９２３と調圧ねじ９２４とカバー９２５とその他の部材とをもつ。

弁機構９１０は調圧機構９２０によって開閉されることで圧力を調節する。具体的には調圧機構９２０のカバー９２５及びピストン９２２にて区画される二次室（受圧空間）Ｃ内の圧力に応じて動くピストン９２２に連動させてポペット９１２を移動させて弁機構９１０の開閉を行うことにより、受圧空間Ｃ内の圧力が所定圧力になるように弁機構９１０が開閉される。調圧機構のピストン及びカバーの間にはシール性を確保するために、シール部材が介設されている（特許文献２）。
特開２００７−２７１０７５号公報特開２００６−１８５１０３号公報

ところで、高圧ガスの流れの中には埃のように非常に小さな異物であっても混入することは好ましくない。例えば、混入した異物がシール部材に巻き込まれるとシール部材は十分なシール性能を発揮することができない虞がある。そこで、異物の混入を防止すると共に、異物がシール部材に巻き込まれないような対策が求められる。

また、ガスタンク内のガスを導出するために、減圧弁を最初に動作させる場合など、受圧空間Ｃ内の圧力が低い場合がある。その場合に、減圧弁を作動させると、受圧空間Ｃ内に高圧ガスが急激に流れ込むことにより、ピストン９２２とカバー９２５との間に介装されたシール部材９２２２にも急激な力が加わることが想定され、その場合にシール部材９２２２の位置がずれて本来の性能が発揮できないおそれがある。

本発明は上記実情に鑑み完成されたものであり、高い性能を長期間にわたり発揮することができる弁装置を提供することを解決すべき課題とする。

上記課題を解決する請求項１に係るガス制御装置の特徴は、筒状のシリンダ空間と前記シリンダ空間内に高圧ガスを導入する導入流路と前記シリンダ空間内から前記高圧ガスを導出する導出流路とを区画するシリンダ部材と、
前記シリンダ空間の軸方向に移動可能に前記シリンダ空間内に内設され、前記シリンダ空間の内面と共に前記シリンダ空間の一部を受圧空間として区画する受圧面をもつピストンと、
前記ピストンの外周部及び前記シリンダ空間の内面の間に介設されるシール部材と、を有し、
前記ピストンの前記受圧面は、前記シリンダ空間の内面に近接する周辺部の少なくとも一部が外側に向かうにつれて前記ピストンから突出する方向に傾斜する傾斜部をもつことにある。

上記課題を解決する請求項２に係るガス制御装置の特徴は、請求項１において、前記導入流路が前記受圧面に対向して開口することにある。

上記課題を解決する請求項３に係るガス制御装置の特徴は、請求項１又は２において、前記傾斜部は前記周辺部の全周にわたり形成されることにある。

上記課題を解決する請求項４に係るガス制御装置の特徴は、請求項１〜３の何れか１項において、前記ピストンを前記受圧空間を縮小する方向に付勢する弾性部材と、前記受圧空間内の圧力が第１所定圧力未満になったときに開状態となり第２所定圧力以上になったときに閉状態となるように前記ピストンの軸方向の位置に応じて開閉され且つ前記導入流路の上流側に接続される弁装置と、を有することにある。

請求項１に係る発明においては、外側に向かうに従い突出させた傾斜部を受圧面に形成することにより、高圧ガスの流れを適正化することができ、シール部材に高圧ガスの流れがそのままの勢いで当たることが防止できる。そのため、高圧ガスの流れに異物が万が一混入したとしても、シール部材に到達することなく、巻き込まれる虞も少なくなる。すなわち、高圧ガスを受圧空間内に導入するときに、導入流路から導入された高圧ガスが受圧面に至った後、受圧面に沿って流れるときに、受圧面の一部を外側に向かうに連れて突出させた傾斜部としているため、高圧ガスは傾斜部に沿って流れていき、高圧ガスの流れは受圧面から離れる方向に曲がることになる。そのため、ピストンとシリンダ空間との間に異物を伴った高圧ガスがそのままの勢いで流れ込んでシール部材に異物が巻き込まれる虞を小さくすることができる。また、高圧ガスの流れの勢いによりシール部材がずれる虞も小さくできる。

請求項２に係る発明においては、導入流路が受圧面に対向して開口することにより、導入流路から導入される高圧ガスの流れが、一旦、受圧面の表面に当たることになるため、そのまま受圧面の表面に沿って流れやすくなり、受圧面（特に傾斜部）の形状に沿って高圧ガスの流れを制御することができる。

請求項３に係る発明においては、受圧面の全周にわたって傾斜部を設けることにより、ピストンとシリンダ空間との間に高圧ガスが勢いよく侵入することを効果的に防止できる。

請求項４に係る発明においては、前記構成を採用することにより高い精度で受圧空間内の高圧ガスの圧力を制御することが可能になる。

以下、本発明の弁装置を３５ＭＰａ以上の圧力である高圧ガスとしての水素ガスを貯蔵する水素用ガスタンクにおいて水素ガスを所定の圧力に減圧する減圧弁に具現化した一実施形態を図面に従って説明する。本発明のガス制御装置は減圧弁の調圧機構を実現するものとして主に採用されている。

（構成）
本実施形態の減圧弁は、図１に示すように、流路１１１に対してＡ方向に導入される高圧の水素ガスを所望の圧力に減圧し、導出流路１１２からＢ方向に導出する弁である。流路１１１には高圧の水素ガスを貯蔵する高圧水素タンク（図略）のガス導出口（図略）に接続され、導出流路１１２は水素の供給が必要な装置（図略）の水素供給口（図略）に接続される。

本実施形態の減圧弁は、弁機構１０と調圧機構２０とを有する。

弁機構１０はボディ１１とポペット１２とシート１３とその他の部材とをもつ。調圧機構２０はピン２１と調圧ピストン２２（ピストンに相当）とスプリング２３と調圧ねじ２４とカバー２５（シリンダ部材に相当）とその他の部材とをもつ。

（弁機構１０）
ポペット１２は先端の一部が先細の略円錐形状となった柱状物である。先端の略円錐形状部分の外周面がシート１３に形成された孔内に着離することにより、本弁機構１０の開閉が行われる。ポペット１２の先端の略円錐形状部分の更に先端には先端部が平らになった柱状の部材が設けられている。この先端の柱状部材がある程度の隙間を介して挿入可能な孔がシート１３に設けられている。この先端の柱状部材が軸方向に押されることによりポペット１２が軸方向に移動する。この先端の柱状部材の押圧は調圧機構２０のピン２１により行われる。つまり、ポペット１２は、ピン２１により適宜、押圧されることにより弁機構１０の開閉を行い、結果、流出する水素ガスの圧力を制御する。

ポペット１２の内部には、略円錐形状部分と反対方向に開口する柱状の空洞であるスプリング収納部が形成されている。そのスプリング収納部内にはポペット１２を略円錐形状部分方向に向けて一端側で付勢するスプリング１４が配設されている。スプリング１４の付勢力は後述するスプリング２３の付勢力よりも十分に小さい値とする。スプリング１４の他端側は押さえ部材１６にて押さえられている。押さえ部材１６は一端部がポペット１２に形成されたスプリング収納部に一端側から緩嵌される緩嵌部をもつ。緩嵌部の他端側にはポペット１２の開口部がそれ以上進むことができず、それ以上、緩嵌部がポペット１２のスプリング収納部内に挿入できないように規制する段差部をもつ。段差部によりポペット１２の軸方向の移動距離が制限される。ポペット１２はその軸方向に移動可能なガイド空間が形成されたガイド部材１５と共にボディ１１内に設けられた円筒状空間１１ａ内に配設される。ガイド空間はガイド部材１５を貫通する孔である。ガイド空間の開口径は一端部を除き、ポペット１２がほぼ隙間なく通過可能な大きさで概ね同じ長さである。ガイド空間の一端部はポペット１２の略円錐形状部分に対応する側の端部であり、ポペット１２が通過できない程度に縮径されている。この縮径部分にシール部材１３が嵌め込まれている。ポペット１２の外周部にはガイド空間の内周部との間に水素ガスが流通可能にする隙間を形成するため、軸方向に延びる溝１２１が形成される。

ボディ１１内には一端が開口する円筒形状の円筒状空間１１ａが形成されている。その円筒状空間１１ａの開口部には更に拡径された開口凹部が形成される。開口凹部の底面には導出流路１１２が斜め方向に形成される。導出流路１１２の内径は後述する流路１１１の内径よりも大きくなっている。押さえ部材１６及びガイド部材１５はこの順で円筒状空間１１ａ内の奥から配設されている。ボディ１１の円筒状空間１１ａの内面における押さえ部材１６及びガイド部材１５が配設される部分にはねじ溝が形成されており、対応するねじ溝が外周に形成された押さえ部材１６及びガイド部材１５をねじ込むことにより挿設される。押さえ部材１６及びガイド部材１５の間には、ボディ１１の円筒状空間１１ａの軸方向に隙間が形成されており、この隙間を通じて水素ガスを流通させる。ボディ１１の円筒状空間１１ａには、先述の押さえ部材１６及びガイド部材１５の間に形成された隙間に対応する位置に一端が開口する流路１１１が形成されている。流路１１１の内径はボディ１１の円筒状空間１１ａの内径よりも小さくなっている。ガイド部材１５及びボディ１１の円筒状空間１１ａの間にはＯリングであるシール部材１５１が介設されている。シール部材１５１は水素ガスの圧力により図１における図面上方向に付勢されるのでシール部材１５１にはバックアップリング１５２及び１５３を隣（図面上方側）に配設している。

（調圧機構２０）
ピン２１は先端部が略円錐形状になった柱状部材である。ピン２１の略円錐形状部分の更に先端には先端が平らになった柱状部材が形成されている。この柱状部材の径は、先述したポペット１２の先端に形成されている柱状部材の大きさと同程度の大きさであり、このピン２１の先端部分によりポペット１２の先端部分を押圧するものである。ピン２１は同程度の径の孔をもつピンガイド部材２６内に挿設されている。ピンガイド部材２６に設けられた孔２６１（導入流路に相当）は一端部が縮径された円柱形状をもつ。一端部の縮径の程度はピン２１の先端部が挿入可能な程度となっている。孔２６１は図面上方に向けて開口している。

ピンガイド部材２６は一端部をガイド部材１５に向けて、ガイド部材１５に装着されている。ガイド部材１５にはピンガイド部材２６が装着できる孔が形成されており、ピンガイド部材２６の外周及びガイド部材１５の孔の間には螺合可能なねじ溝が形成されている。なお、ガイド部材１５及びピンガイド部材２６にてシール部材１３を挟持・固定している。ピン２１は、ピンガイド部材２６内において、軸方向に移動可能である。ピン２１がポペット１２側に移動することで、ポペット１２を軸方向に押圧し、弁機構１０は開弁状態になる。反対にピン２１がポペット１２とは反対方向に移動することによりポペット１２への押圧は解消される。ピン２１の外周部は角柱状になっており、ピンガイド部材２６に設けられた孔２６１の内周との間に隙間を形成する。この隙間を通じて水素ガスが流通する。

ピン２１は先端部の反対側である他端部にてピストン２２にて押圧される。ピン２１はピストン２２及びポペット１２の間に挟持されて軸方向に移動することになる。ピン２１はピストン２２の先端突部２２１ａにて押圧される。先端突部２２１ａはピストン２２の受圧面２２ａのほぼ中央部分に形成される。受圧面２２ａはピストン２２の図面下方側の面であり、ピンガイド部材２６に形成された孔２６１の開口部と対向する面である。受圧面２２ａについては後に詳述する。

ピストン２２がピンガイド部材２６に当接するときにピン２１の先端部がポペット１２を押圧して弁機構１０が開弁状態になる程度の大きさに先端突部２２１ａの大きさが決定される。ピストン２２はピストン本体部２２１とシール部材２２２とホルダー２２３と摺動部材２２４とをもつ。シール部材２２２はカバー２５との間の気密を保つＯリングであり、ピストン２２及びカバー２５の間に介装されている。シール部材２２２はピストン本体部２２１及びホルダー２２３にてピストン２２の外周に形成される溝部内に保持されている。ピストン２２は、摺動部材２４により、カバー２５の内面を滑らかに摺動することができる。カバー２５は一端部が大きく開口し、その開口方向にピストン２２を付勢するスプリング２３が配設される。カバー２５は、ボディ１１の開口凹部に、双方の開口部が対向するように嵌め込まれる。両者の間の気密は、間に介装されたシール部材２５１にて保持される。スプリング２３の一端はピストン２２をピン２１方向に付勢し、他端はカバー２５内に配設されたスプリング押さえ２７に当接している。スプリング押さえ２７に対してスプリング２３に当接する側と反対方向から押圧する調節ねじ２４が配設される。調節ねじ２４はカバー２５の開口方向反対側に設けられたねじ孔にねじ込まれており、ねじ込みの程度を調節することにより、スプリング押さえ２７の位置を調節する。スプリング押さえ２７の位置を変位されることにより、スプリング２３の圧縮の程度を調節することができ、スプリング２３によりピストン２２を付勢する付勢力の大きさを調節することができる。カバー２５内外を適宜、連通できる開放弁２８が配設される。

（受圧面２２ａ）
ピストン２２の受圧面２２ａはカバー２５の内周面と共に受圧空間を区画する。受圧面２２ａは傾斜部２２ａ１をもつ。傾斜部２２ａ１は受圧面２２ａの周辺部の全周に設けられている（図２（ａ））。傾斜部２２ａ１が傾斜する程度は特に限定されず、受圧面２２ａの外側に向かうにつれて突出するような形態であれば僅かな突出であっても十分である。例えば、図２（ｂ）における傾斜部２２ａ１のうち左側に示すものは、受圧面２２ａの外側（図面左側）に向かうにつれて突出（図面下方）している。また、傾斜の程度は一様である必要はなく、傾斜部２２ａ１の表面は曲面であっても良い。本実施形態において、傾斜部２２ａ１はホルダー２２３の一部としてピストン本体部２２１とは別体として形成されているが、この形態に限定されるものではなく、ピストン本体部２２１に設けても良いし、ピストン本体部２２１とホルダー２２３とに跨って形成されても良い。更にはピストン本体部２２１とホルダー２２３とに分けてピストン２２を形成しないことも可能であり、その場合には一体として形成されたピストンの受圧面に傾斜部が形成される。更に、傾斜部２２ａ１は受圧面２２ａの周辺部の全周にわたって設けることは必須ではなく、周方向の一部に設けられていることも可能である。また、周方向に対して断続的に設けられることもできる。そして、傾斜部は受圧面のふちに接するように設けなくても効果を発揮できるため、「傾斜部を周辺部に設ける」とは周縁からいくらかの間隔を開けて傾斜部を設ける場合も含む。

（作用効果）
本実施形態の弁装置は以上の構成をもつことから以下の作用効果を発揮する。

まず、弁装置の作動について説明する。水素ガスが流路１１１からＡ方向に導入される場合を考えると、導入された水素ガスはポペット１２の外周に形成された溝１２１に沿ってシート１３が配設される部位に到達する。ここで、ポペット１２の先端部がシート１３に当接している場合には水素ガスはそれ以上、進むことができず、ポペット１２の先端部がシート１３から離間している場合には、水素ガスがシート１３を通ってピストン２２、カバー２５、及びボディ１１の開口凹部にて区画される受圧空間Ｃを通って、導出流路１１２からＢ方向に流れ出ることになる。このように高圧ガスが流れると、受圧面２２ａの周辺部に傾斜部２２ａ１を設けたことにより、高圧ガスの流れを傾斜部２２ａ１に沿って流すことが可能になり、高圧ガスの流れをピストン２２から離れる方向に付勢することができる。その結果、ピストン２２とカバー２５の内面との間に介設されたシール部材２２２に向けて高圧ガスがそのままの勢いで侵入することを効果的に防ぐことができる。つまり、図２（ｂ）に示すように、受圧面２２ａに向けて噴出する高圧ガスの流れは受圧面２２ａに沿って外側に向けて流れていく、図２（ｂ）にその流れの一部を示すように、高圧ガスは受圧面２２ａに向けて噴出し、受圧面２２ａの中央部近傍に当たった後、受圧面２２ａの周辺部に向けて流れていく。高圧ガスの流れが受圧面２２ａの傾斜部２２ａ１に至ると傾斜部２２ａ１の表面に沿って流れることで受圧面２２ａから離れる方向に高圧ガスが付勢された後にカバー２５の内面にぶつかり、そのまま、カバー２５の内面に沿ってピストン２２から離れる方向に流れることになる。そのため、高圧ガスの流れに異物が混入したとしてもその異物がピストン２２とカバー２５との間に侵入することを効果的に防止できる。

ここで、高圧ガスの流れの勢いは、受圧空間Ｃの圧力が低い場合（例えば、減圧弁を最初に作動させる場合や、受圧空間Ｃ内の水素を使い切ってから再度減圧弁を作動させる場合）に特に大きくなる。高圧ガスの流れが受圧面２２ａの周縁に達したときに受圧面２２ａから突出する方向（離れる方向）に付勢されることにより高圧ガスが勢いよくピストン２２とカバー２５との間に入ることを防ぐことが可能になり、その間に介装されるシール部材２２２に勢いよく高圧ガスがぶつかることが防止できる。

次に、ポペット１２がシート１３に着離する機構を説明する。受圧空間Ｃ内の圧力が低下して第１所定圧力未満になると、受圧空間Ｃ内の圧力によりピストン２２に加わる力がスプリング２３によるピストン２２への付勢力よりも小さくなると、ピストン２２はスプリング２３の付勢力により、ポペット１２側に変位する。すると、ポペット１２の先端はピン２１を介してピストン２２により押圧されて、ポペット１２はシート１３から離間する。受圧空間Ｃ内の圧力は導出流路１１２からの水素ガスの流出により低下する。

反対に、受圧空間Ｃ内の圧力が高くなり第２所定圧力以上になると、受圧空間Ｃ内の圧力によりピストン２２に加わる力がスプリング２３によるピストン２２への付勢力よりも大きくなると、ピストン２２はスプリング２３の付勢力に抗して、ポペット１２側から離間する方向に変位する。すると、ポペット１２にはシート１３から離間する方向に加わっていた力がなくなり、スプリング１４による付勢力によりシート１３に当接する。受圧空間Ｃ内の圧力は流路１１１から受圧空間Ｃ内に水素ガスが流入することにより向上する。第１所定圧力及び第２所定圧力はスプリング２３の付勢力により調節可能である。

このように、弁機構１０は、受圧空間Ｃ内の圧力がスプリング２３の付勢力により決定される所定の圧力範囲範囲になるように機械的に調節されることになる。スプリング２３の付勢力はスプリング押さえ２７の変位により調節できるから、調節ねじ２４による調節により、受圧空間Ｃ内の圧力は所定の圧力範囲に設定可能である。すなわち、受圧空間Ｃに接続された導出流路１１２から導出される水素ガスの圧力もある範囲内に調節することが可能になる。

以上説明したように、ピストン２２の受圧面２２ａの周辺部に傾斜部２２ａ１を形成することにより、高圧ガスの流れをピストン２２及びカバー２５の間にそのままの勢いで侵入することを効果的に防止できるので、万が一、高圧ガスに異物が含まれるような場合があったとしてもその異物がシール部材２２２に到達して巻き込まれることを防止できる。また、高圧ガスが勢いよくぶつかることによるシール部材２２２の位置のずれが発生することも防止できる。

（変形態様）
本発明の弁装置はピストンの受圧面の周辺部に傾斜部を形成し、高圧ガスの流れを受圧面から離れる方向に付勢することを本質としており、上述した実施形態におけるような弁機構、調圧機構などに適用範囲が限定されるものではない。また、本実施形態では弁装置として減圧弁を例として説明したが、その他の弁（電磁弁など）に適用することも可能である。

実施形態における弁装置の部分断面模式図である。実施形態における弁装置のピストンの受圧面の正面図（ａ）と、ピストンの受圧面近傍の部分断面模式図（ｂ）とである。従来技術における弁装置の部分断面模式図である。従来技術における弁装置のピストンの受圧面近傍の部分断面模式図である。

符号の説明

１０…弁装置
１１…ボディ１２…ポペット１３…シート１４…スプリング１５…ガイド部材１１１…流路１１２…導出流路
２０…調圧機構
２１…ピン２２…ピストン２２ａ…受圧面２２ａ１…傾斜部２２２…シール部材２３…スプリング２４…調節ねじ２５…カバー（シリンダ部材）２６…ピンガイド部材２７…スプリング押さえＣ…受圧空間

Claims

筒状のシリンダ空間と前記シリンダ空間内に高圧ガスを導入する導入流路と前記シリンダ空間内から前記高圧ガスを導出する導出流路とを区画するシリンダ部材と、
前記シリンダ空間の軸方向に移動可能に前記シリンダ空間内に内設され、前記シリンダ空間の内面と共に前記シリンダ空間の一部を受圧空間として区画する受圧面をもつピストンと、
前記ピストンの外周部及び前記シリンダ空間の内面の間に介設されるシール部材と、を有し、
前記ピストンの前記受圧面は、前記シリンダ空間の内面に近接する周辺部の少なくとも一部が外側に向かうにつれて前記ピストンから突出する方向に傾斜する傾斜部をもつことを特徴とするガス制御装置。
前記導入流路が前記受圧面に対向して開口する請求項１に記載のガス制御装置。
前記傾斜部は前記周辺部の全周にわたり形成される請求項１又は２に記載のガス制御装置。
前記ピストンを前記受圧空間を縮小する方向に付勢する弾性部材と、前記受圧空間内の圧力が第１所定圧力未満になったときに開状態となり第２所定圧力以上になったときに閉状態となるように前記ピストンの軸方向の位置に応じて開閉され且つ前記導入流路の上流側に接続される弁装置と、を有する請求項１〜３の何れか１項に記載のガス制御装置。