JP2015219895A - 減圧弁 - Google Patents

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Abstract

【課題】ガスの流れ状態の乱れに起因するピストンの傾きを抑制することのできる減圧弁を提供する。【解決手段】減圧弁1は、一次ポートに通じる弁収容穴14を有するボディ10と、弁収容穴14に収容される弁機構20と、弁機構20の下流に配置されるシリンダSと、シリンダS内に収容され二次ポートに通じる減圧室Gを区画形成するピストン40と、ピストン40を弁機構20側に付勢するピストン付勢手段とを備える。弁機構20は、貫通孔24aを有する弁座24と、弁座24の上流に配置される弁体22と、弁体22を弁座24側に付勢する弁ばね23と、弁座24の下流に配置され弁体22とピストン40との間に配置されるピン26と、ピン26を収容する円筒状のプラグ25とを有する。ピン26は、プラグ25の内周面に摺動可能に接する柱状部26bを有する。柱状部26bの外周面には螺旋溝26aが形成されている。【選択図】図2

Description

本発明は、ガスの圧力調整に用いられる減圧弁に関する。
近年、燃料電池車等に用いられる燃料タンクは、貯蔵容量の増大化を図るべく、貯蔵されるガスの一層の高圧化が進められている。そのため、燃料タンクに貯蔵された高圧のガスは減圧弁を通じて一旦減圧された後、燃料電池に供給されるようになっている。このような減圧弁としては、特許文献1に記載の減圧弁がある。
図7に示すように、特許文献1に記載の減圧弁6は、ボディ60と、ボディ60の内部に収容される弁機構70と、ボディ60のカバー設置面61に取り付けられるカバー80とを備えている。ボディ60には、燃料タンクから高圧の水素ガスが供給される一次ポート62と、燃料電池にガスを送出する二次ポート63とが取り付けられている。また、ボディ60及びカバー80の内部には、ピストン90を収容するシリンダ91が形成されている。弁機構70は、円筒状のハウジング71、並びにハウジング71の内部に収容される弁体72、弁座73、プラグ74、及びピン75を備えている。この減圧弁6では、一次ポート62から供給された高圧の水素ガスがボディ60の供給路64からハウジング71の内部へと流れ込み、弁体72の外周面とハウジング71の内周面との間の隙間、及び弁座73の貫通孔73aを介してプラグ74内へと導かれる。プラグ74内に流れ込んだ水素ガスは、プラグ74とピン75との間の隙間を流れた後、プラグ74の流路溝74aを介してシリンダ91内へと流れ、ボディ60の送出路65及び二次ポート63から燃料電池へと送出される。このとき、シリンダ91内のガス圧に応じてピストン90、ピン75、及び弁体72が軸方向に往復動することにより弁体72が弁座73に接触及び離間する。すなわち、弁機構70の開閉動作が行われる。この弁機構70の開閉動作を通じて、一次ポート62から供給される高圧の水素ガスが減圧されて二次ポート63から送出される。
特開2011−108057号公報
ところで、上記のような減圧弁6では、ハウジング71内で弁体72が軸方向に往復動することができるように、またハウジング71内への弁体72の組み付けを妨げないように、ハウジング71の内周面と弁体72の外周面との間に極僅かな隙間が形成されている。この隙間の存在により弁体72がハウジング71内で傾くと、弁座73の貫通孔73aの内周面と、それに対向する弁体72の外周面との間に形成される隙間が弁体72の周方向において不均一になる。また、弁座73の貫通孔73aの内径や弁体72の外径のそれぞれの加工誤差によっても、それらの間の隙間が弁体72の周方向において不均一になることがある。弁座73の貫通孔73aと弁体72との間に形成される隙間が不均一になると、弁座73の貫通孔73aを通過する水素ガスの流れ状態に乱れが生じる。すなわち、プラグ74内に流れ込む水素ガスの流れ状態に乱れが生じる。この場合、プラグ74とピン75との間の隙間を通過してピストン90の底面92に当たる水素ガスの流れ状態にも乱れが生じるため、ピストン90の底面92が水素ガスから受ける圧力に位置的な、あるいは時間的なばらつきが生じる。このような圧力のばらつきによりピストン90に傾きが生じると、ピストン90の軸方向への往復動の際に異音や振動が生じる懸念がある。
本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、ガスの流れ状態の乱れに起因するピストンの傾きを抑制することのできる減圧弁を提供することにある。
上記課題を解決する減圧弁は、一次ポートに通じる弁収容穴を有するボディと、前記弁収容穴に収容される弁機構と、前記弁機構の下流に配置されるシリンダと、前記シリンダ内に収容され、二次ポートに通じる減圧室を区画形成するピストンと、前記ピストンを前記弁機構側に付勢するピストン付勢手段と、を備え、前記弁機構は、ガスの流路となる貫通孔を有する弁座と、前記弁座の上流に配置される弁体と、前記弁体を前記弁座側に付勢する弁体付勢手段と、前記弁座の下流に配置され、前記弁体及び前記ピストンの間に配置されるピンと、前記ピンを収容する筒状のプラグと、を有し、前記ピンは、前記プラグの内周面に摺動可能に接する柱状部を有し、前記柱状部の外周面には、螺旋溝が形成されている。
この構成によれば、弁座の貫通孔を通過したガスはピンの螺旋溝に沿って流れるため、プラグの軸方向と平行な方向にガスが流れる場合と比較すると、ガスの移動距離、より詳しくは弁座の貫通孔を通過したガスがピストンに達するまでの移動距離を長くすることができる。そして、ガスの移動距離が長くなるほど、ガスの流れ状態の乱れが平均化され、ガスの流れ状態を均一化することができる。したがって、仮に弁収容穴内での弁体の傾き等に起因して、弁座の貫通孔を通過したガスの流れに乱れが生じた場合でも、そのガスが螺旋溝を移動している間に流れ状態の均一化が進むため、ピストンがガスから受ける圧力の偏りを抑制することができる。よって、ガスの流れ状態の乱れに起因するピストンの傾きを抑制することができる。
上記減圧弁について、前記柱状部の外周面には、前記螺旋溝が複数条形成されていることが好ましい。
この構成によれば、螺旋溝が一条だけの場合と比較すると、弁座の貫通孔を通過したガスの流通経路が増える。そのため、弁座の貫通孔を通過したガスが螺旋溝へとスムーズに流れ易くなるため、ガスの流れに乱れが生じ難くなる。よって、ガスの流れ状態の乱れに起因するピストンの傾きを更に抑制することができる。
上記減圧弁について、前記柱状部の外周面における軸方向の途中部分には、前記柱状部と同軸上に環状をなす環状溝が形成されていることが好ましい。
この構成によれば、弁座の貫通孔を通過したガスは螺旋溝に沿って流れた後、環状溝へと流れ込み、環状溝に沿って柱状部の周方向に流れる。この過程でガスの流れ状態の均一化が促進される。特に、柱状部の外周面に複数条の螺旋溝が形成されている場合、各螺旋溝を流れるガス同士が環状溝内で混合、拡散されるため、ガスの流れ状態の均一化がより促進される。したがって、ガスの流れ状態の乱れに起因するピストンの傾きを更に抑制することが可能である。
上記減圧弁について、前記柱状部における前記環状溝の両隣に位置する部位をそれぞれ第1柱状片及び第2柱状片とするとき、前記第1柱状片に形成される螺旋溝の捩れ方向と、前記第2柱状片に形成される螺旋溝の捩れ方向とが逆方向に設定されていることが好ましい。
この構成によれば、環状溝の前後でガスの流れ方向が反転するため、環状溝内でガスが混合され易くなる。したがって、ガスの流れ状態の均一化が更に促進されるため、ガスの流れ状態の乱れに起因するピストンの傾きを更に抑制することができる。
本発明によれば、ガスの流れ状態の乱れに起因するピストンの傾きを抑制することができる。
減圧弁の一実施形態についてその部分断面構造を示す断面図。 実施形態の減圧弁についてその弁機構周辺の拡大断面構造を示す断面図。 実施形態の減圧弁についてそのピンの正面構造を示す正面図。 ピンの変形例についてその正面構造を示す正面図。 ピンの他の変形例についてその正面構造を示す正面図。 ピンの他の変形例についてその正面構造を示す正面図。 従来の減圧弁についてその部分断面構造を示す断面図。
以下、減圧弁の一実施形態について説明する。
図1に示すように、本実施形態の減圧弁1は燃料電池車に搭載され、燃料タンク2から供給される高圧(例えば90MPa)の水素ガスを低圧(例えば1.6MPa)に減圧して燃料電池3に供給するピストン型の減圧弁である。減圧弁1は、ボディ10と、ボディ10の内部に収容される弁機構20と、ボディ10のカバー設置面11に取り付けられるカバー30とを備えている。
ボディ10には、図示しない配管を介して燃料タンク2に接続される一次ポート12と、図示しない配管を介して燃料電池3に接続される二次ポート18とが取り付けられている。また、ボディ10には、カバー設置面11に開口する凹状の第1シリンダ形成穴13と、第1シリンダ形成穴13の底壁に開口する凹状の弁収容穴14とが同一軸線m上に形成されている。弁収容穴14は第1シリンダ形成穴13よりも小さい内径を有している。弁機構20は弁収容穴14に収容されている。さらに、ボディ10には、一次ポート12及び弁収容穴14を連通する供給路15と、第1シリンダ形成穴13及び二次ポート18を連通する送出路16とが形成されている。ボディ10のカバー設置面11には、カバー30との間の隙間をシールするシール部材17が配置されている。
カバー30におけるボディ10のカバー設置面11に接触する側の端部にはフランジ部31が形成されている。フランジ部31がボルト32によってボディ10に締結されることにより、カバー30がボディ10に固定されている。カバー30には、第1シリンダ形成穴13に連通される凹状の第2シリンダ形成穴33と、第2シリンダ形成穴33の底壁に開口する凹状のばね受け収容穴34とが同軸上に形成されている。
第2シリンダ形成穴33は、ボディ10の第1シリンダ形成穴13と同一軸線m上に配置されるとともに、第1シリンダ形成穴13と同一の内径を有している。第1シリンダ形成穴13及び第2シリンダ形成穴33により、弁機構20の下流側にシリンダSが区画形成されている。シリンダSの内部には、有底筒状のピストン40が底面41を弁機構20側に向けた状態で収容されている。ピストン40の外周面には、第2シリンダ形成穴33との間の隙間をシールするシール部材42が設けられている。
ばね受け収容穴34には、円板状のばね受け部材51が収容されている。ばね受け部材51とピストン40との間にはピストンばね52が圧縮された状態で収容されている。このピストンばね52によりピストン40が弁機構20側に付勢されている。また、カバー30には、ばね受け収容穴34の底壁からカバー30の外面に貫通するねじ孔35が形成されている。このねじ孔35には、調節ねじ53が螺着されている。この調節ねじ53を回すことにより、シリンダSの軸方向におけるばね受け部材51の位置が変更され、ピストンばね52からピストン40に付与される付勢力を調整することが可能となっている。本実施形態では、ばね受け部材51、ピストンばね52、及び調節ねじ53によりピストン付勢手段50が構成されている。
弁機構20は、軸線mに沿って貫通孔21aが形成された円筒状のハウジング21、並びにハウジング21の貫通孔21aの内部に収容される弁体22、弁ばね23、弁座24、プラグ25、ピン26からなる。
図2に示すように、ハウジング21におけるピストン40側の外周面には雄ねじ部21bが形成されている。この雄ねじ部21bが、ボディ10の弁収容穴14の内周面に形成された雌ねじ部14aにねじ込まれることにより、ハウジング21がボディ10に固定されている。ハウジング21の貫通孔21aの途中部分には、縮径部21cが形成されている。縮径部21cの内周面には弁座24が嵌め込まれている。弁座24は、中央に丸穴からなる貫通孔24aを有する円環状の樹脂部材からなる。貫通孔21aにおける弁座24を境界としてピストン40側に位置する部分は第1収容孔21dとなっており、ピストン40側と反対側に位置する部分は第2収容孔21eとなっている。第1収容孔21dには、プラグ25及びピン26が収容されている。第2収容孔21eには弁体22及び弁ばね23が収容されている。すなわち、弁座24の上流側には弁体22及び弁ばね23が配置され、弁座24の下流側にはプラグ25及びピン26が配置されている。図1に示すように、ハウジング21におけるピストン40側の端部と反対側の端部に開口する第2収容孔21eの内周面には雌ねじ部21fが形成されている。この雌ねじ部21fに閉塞部材27がねじ込まれることにより、第2収容孔21eの開口部が閉塞されている。また、ハウジング21には、第2収容孔21eとボディ10の供給路15とを連通する連通路21gが形成されている。ハウジング21における連通路21g側の外周面には、ボディ10の弁収容穴14との間の隙間をシールするシール部材28が配置されている。
弁体22は、弁座24側の端部がテーパ状をなす棒状の部材からなり、ハウジング21の第2収容孔21eとの間に極僅かな隙間を有して配置されている。図2に示すように、弁体22におけるテーパ状に形成された部分の先端には、円柱状に突出する円柱突出部22aが形成されている。円柱突出部22aは、弁座24の貫通孔24aの内径よりも小さい外径を有しており、弁座24の貫通孔24a内に挿入可能となっている。また、図1に示すように、弁体22の内部には、円柱突出部22aとは反対側の端部に開口する凹状のばね穴22bが形成されている。このばね穴22bには、閉塞部材27により圧縮された状態で弁ばね23が収容されている。この弁ばね23により、弁体22が弁座24側に付勢されている。
図2に示すように、プラグ25は、軸線mに沿って丸穴からなる貫通孔25aが形成された筒状の部材からなる。貫通孔25aの内部にはピン26が収容されている。プラグ25の外周面には雄ねじ部25bが形成されている。この雄ねじ部25bが、ハウジング21の第1収容孔21dの内周面に形成された雌ねじ部21hにねじ込まれることにより、プラグ25がハウジング21に固定されている。プラグ25は、その弁体22側の一端面25cと縮径部21cの内壁面との間で弁座24を挟み込むことにより、弁座24を固定している。プラグ25の一端面25cとは反対側の他端面25dはシリンダS内に突出しており、この他端面25dにピストン40の底面41が当接している。プラグ25の他端面25dには、貫通孔25aの内周面からプラグ25の外周面に貫通する流路溝25eが形成されている。プラグ25におけるシリンダS内に突出した部分、ピストン40、シリンダS、及びハウジング21により囲まれる空間により減圧室Gが区画形成されている。
ピン26は外周面に螺旋状の溝26aを有する棒状の部材からなる。詳しくは、図3に示すように、ピン26は、軸線mを中心に円柱状に形成された柱状部26bと、柱状部26bの一端部からテーパ状に突出する先端部26eと、柱状部26bの他端部から円柱状に突出する基端部26fとを有している。ピンの先端部26eにおけるテーパ状に形成された部分の先端には、円柱状に突出する円柱突出部26gが形成されている。この円柱突出部26gは、柱状部26bの外径よりも小さい外径を有しており、弁座24の貫通孔24a内に挿入可能となっている。ピン26の基端部26fは、柱状部26bの外径よりも小さい外径を有している。柱状部26bの外周面には、軸線mを中心として螺旋状に延びる溝26aが平行を保ちつつ二条形成されている。また、柱状部26bの外周面における軸方向の中央部には、柱状部26bと同一軸線m上に環状をなす環状溝26hが形成されている。なお、以下では便宜上、柱状部26bにおける環状溝26hの両隣に位置する部位のうち、ピン26の先端部26e側に配置される部位を第1柱状片26cと称し、環状溝26hよりもピン26の基端部26f側に配置される部位を第2柱状片26dと称する。図2に示すように、ピン26は、円柱突出部26gの先端面が弁体22の円柱突出部22aの先端面に当接し、且つ基端部26fの先端面がピストン40の底面41に当接する態様にて弁体22とピストン40との間に配置されている。また、ピン26の柱状部26bの外周面は、プラグ25の貫通孔25aの内周面に摺動可能に接している。
なお、弁機構20は、ピストン40がプラグ25に当接した状態では、弁体22が弁座24から離間するように構成されている。
次に、減圧弁1の動作について説明する。
減圧弁1では、燃料タンク2から一次ポート12に供給される高圧の水素ガスが供給路15及び連通路21gを介してハウジング21の第2収容孔21eの内部へと導かれる。第2収容孔21eの内部に導かれた水素ガスは、第2収容孔21eの内壁面と弁体22の外周面との間の隙間、及び弁座24の貫通孔24aを通過してプラグ25の貫通孔25a内に流入する。プラグ25の貫通孔25a内に流入した水素ガスは、ピン26における第1柱状片26cの螺旋溝26a、環状溝26h、及び第2柱状片26dの螺旋溝26aを流れた後、プラグ25の流路溝25eを介して減圧室Gへと導かれる。そして、減圧室Gに導かれた水素ガスは送出路16及び二次ポート18を介して燃料電池3へと供給される。
ここで、燃料タンク2から減圧弁1に水素ガスが供給されることにより減圧室Gの内圧が上昇すると、ピストン40がピストンばね52の付勢力に抗してプラグ25から離間する。このピストン40の動きに連動してピン26及び弁体22がピストン40側に移動することにより、弁体22が弁座24に当接して弁座24の貫通孔24aを閉塞する。すなわち、弁機構20が閉状態となる。これにより、減圧室Gへの水素ガスの供給が停止されるため、減圧室Gの内圧は、送出路16から水素ガスが送出されるのに伴い低下する。減圧室Gの内圧が低下すると、ピストン40がピストンばね52の付勢力によりプラグ25に接近する方向に移動する。このピストン40の動きに連動してピン26及び弁体22が閉塞部材27側に移動することにより、弁体22が弁座24から離間する。すなわち、弁機構20が開状態となる。これにより、減圧室Gに再び水素ガスが供給されるため、減圧室Gの内圧は上昇する。減圧弁1では、このような弁機構20の開閉動作が繰り返されることで、燃料タンク2から一次ポート12を介して供給される高圧の水素ガスを所定の圧力に減圧し、減圧された水素ガスを二次ポート18を介して燃料電池3に供給する。
以上説明した本実施形態の減圧弁1によれば以下の作用及び効果を得ることができる。
(1)弁座24の貫通孔24aを通過した水素ガスはピン26の螺旋溝26aに沿って流れるため、水素ガスの流れ方向がプラグ25の軸方向に平行な場合と比較すると、水素ガスの移動距離、より詳しくは弁座24の貫通孔24aを通過した水素ガスがピストン40の底面41に達するまでの移動距離を長くすることができる。そして、水素ガスの移動距離が長くなるほど、水素ガスの流れ状態の乱れが平均化され、水素ガスの流れ状態をピン26の周方向において均一化することができる。したがって、仮に第2収容孔21e内での弁体22の傾き等に起因して弁座24の貫通孔24aを通過する水素ガスの流れに乱れが生じた場合でも、その水素ガスがピン26の螺旋溝26aを移動している間に流れ状態の均一化が進むため、ピストン40が水素ガスから受ける圧力の偏りを抑制することができる。よって、水素ガスの流れ状態の乱れに起因するピストン40の傾きを抑制することができる。
(2)ピン26の柱状部26bには螺旋溝26aが二条形成されているため、螺旋溝26aが一条だけの場合と比較すると、弁座24の貫通孔24aを通過した水素ガスの流通経路が増える。そのため、弁座24の貫通孔24aを通過した水素ガスがピン26の螺旋溝26aへとスムーズに流れ易くなるため、水素ガスの流れ状態に乱れが生じ難くなる。よって、水素ガスの流れ状態の乱れに起因するピストン40の傾きを更に抑制することができる。
(3)ピン26の柱状部26bの外周面における軸方向の中央部には環状溝26hが形成されているため、第1柱状片26cの螺旋溝26aに沿って流れた水素ガスは環状溝26hへと流れ込む。このとき、水素ガスは環状溝26hに沿って柱状部26bの周方向に流れるため、その過程で水素ガスの流れ状態の均一化が促進される。特に、第1柱状片26cの二条の螺旋溝26aに沿ってそれぞれ流れる水素ガス同士が環状溝26h内で混合、拡散されるため、水素ガスの流れ状態の均一化がより促進される。したがって、水素ガスの流れ状態の乱れに起因するピストン40の傾きを更に抑制することが可能である。
(4)本実施形態の減圧弁1を燃料電池車に搭載することにより、ピストン40の傾きに起因する減圧弁1の異音や振動を抑制することができるため、静音性の高い燃料電池車を実現することができる。
なお、上記実施形態は、以下の形態にて実施することもできる。
・ピン26の環状溝26hの位置は、柱状部26bの軸方向の中央部に限らず、適宜変更可能である。要は、柱状部26bの外周面における軸方向の途中部分に環状溝26hが形成されていればよい。
・図4に示すように、第1柱状片26cに形成される螺旋溝26aの捩れ方向と、第2柱状片26dに形成される螺旋溝26aの捩れ方向とを逆方向に設定してもよい。これにより、環状溝26hの前後で水素ガスの流れ方向が反転するため、環状溝26h内で水素ガスが混合され易くなる。したがって、水素ガスの流れ状態の均一化が更に促進されるため、水素ガスの流れ状態の乱れに起因するピストン40の傾きを更に抑制することができる。
・図5に示すようにピン26の柱状部26bに複数の環状溝26hを形成してもよい。
・図6に示すようにピン26の柱状部26bから環状溝26hを排除してもよい。
・上記実施形態では、ピン26の柱状部26bに二条の螺旋溝26aを形成したが、三条以上の螺旋溝26aを柱状部26bに形成してもよい。また、柱状部26bに形成される螺旋溝26aは一条であってもよい。
・ピストン付勢手段50の構成は適宜変更可能である。また、弁体22を付勢する弁体付勢手段として弁ばね23以外の付勢手段を用いてもよい。
・ピン26及び弁体22を一体化、詳しくはそれらの組み付け後に一体化してもよい。また、ピン26及びピストン40を一体化してもよい。
・ピン26の柱状部26bの形状は円柱状に限らず、例えば四角柱状等、適宜の形状を採用することができる。その場合、プラグ25の貫通孔25aの形状は、ピン26の柱状部26bの形状に合わせて、例えば四角柱状等に変更する。
・上記実施形態の減圧弁1は燃料電池車に搭載されるものであったが、減圧弁1を燃料電池車以外に搭載してもよい。この場合、減圧弁1の扱うガスとして水素ガス以外のガスを扱ってもよい。
(付記)
次に、上記実施形態及びその変形例から把握できる技術的思想について追記する。
(イ)高圧の水素ガスが貯蔵される燃料タンクと、前記燃料タンクから供給される水素ガスを減圧する減圧弁と、前記減圧弁を通じて減圧された水素ガスが供給される燃料電池と、を備え、前記減圧弁として、上記の減圧弁が用いられる燃料電池車。この構成によれば、減圧弁の異音や振動を抑制することができるため、清音性の高い燃料電池車を実現することができる。
G…減圧室、m…軸線、S…シリンダ、1…減圧弁、10…ボディ、12…一次ポート、14…弁収容穴、18…二次ポート、20…弁機構、22…弁体、23…弁ばね(弁体付勢手段)、24…弁座、24a…貫通孔、25…プラグ、26…ピン、26a…螺旋溝、26b…柱状部、26c…第1柱状片、26d…第2柱状片、26h…環状溝、40…ピストン、50…ピストン付勢手段。

Claims (4)

  1. 一次ポートに通じる弁収容穴を有するボディと、
    前記弁収容穴に収容される弁機構と、
    前記弁機構の下流に配置されるシリンダと、
    前記シリンダ内に収容され、二次ポートに通じる減圧室を区画形成するピストンと、
    前記ピストンを前記弁機構側に付勢するピストン付勢手段と、を備え、
    前記弁機構は、
    ガスの流路となる貫通孔を有する弁座と、
    前記弁座の上流に配置される弁体と、
    前記弁体を前記弁座側に付勢する弁体付勢手段と、
    前記弁座の下流に配置され、前記弁体及び前記ピストンの間に配置されるピンと、
    前記ピンを収容する筒状のプラグと、を有し、
    前記ピンは、前記プラグの内周面に摺動可能に接する柱状部を有し、
    前記柱状部の外周面には、螺旋溝が形成されている減圧弁。
  2. 前記柱状部の外周面には、前記螺旋溝が複数条形成されている
    請求項1に記載の減圧弁。
  3. 前記柱状部の外周面における軸方向の途中部分には、前記柱状部と同軸上に環状をなす環状溝が形成されている
    請求項1又は2に記載の減圧弁。
  4. 前記柱状部における前記環状溝の両隣に位置する部位をそれぞれ第1柱状片及び第2柱状片とするとき、
    前記第1柱状片に形成される螺旋溝の捩れ方向と、前記第2柱状片に形成される螺旋溝の捩れ方向とが逆方向に設定されている
    請求項3に記載の減圧弁。
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