JP6013164B2 - 減圧弁 - Google Patents

Description

本発明は、水素ガス等の高圧ガスの圧力調整に用いる減圧弁に関する。

一般に、減圧弁（レギュレータ）は、高圧ガスが流入する一次ポートと外部供給側の二次ポートとの間に開閉弁を備えている。この開閉弁が開閉することにより、一次ポートから二次ポートに流入する高圧ガスの圧力を減圧して外部へと供給する。この種の減圧弁としては、例えば特許文献１に開示されるものが知られている。

特許文献１の減圧弁は、一次ポートに連続する一次室と、二次ポートに連続する二次室と、一次室と二次室との間の開閉を切り替える開閉弁と、を備えている。開閉弁は、バルブステム、弁座固定部材、弁座部材、ハウジング、弁体、弁ばね、及び蓋部材を備えている。ハウジングには、弁座配置部が設けられている。弁座固定部材は、弁座部材が弁座配置部に配置された状態でハウジングと螺合されることにより弁座部材を弁座配置部に固定する。なお、弁座固定部材の上部は、二次室内に突出している。二次室にはピストンが収容されている。ピストンは、二次室内に収容されているピストンばねによって常時一次室側に向かって付勢されている。弁座固定部材の内部に収容されるバルブステムは、その上端がピストンの下端と常時当接している。蓋部材は、ハウジングの一次室側の端部に固定されている。弁体は、弁座固定部に固定された弁座部材の一次室側と蓋部材との間に弁ばねが介在された状態でハウジングに収容されている。弁体は、弁ばねの付勢力により下流側に常時付勢されている。なお、弁体の上端とバルブステムの下端とは、常時当接している。弁体は、二次室側から一次室側に作用する力と一次室側から二次室側に作用する力との差に応じて、弁座に対して接離して一次ポートと二次ポートとの間の開閉を切り替える。

特開２０１１−１０８０５７号公報

特許文献１の減圧弁では、二次室に設けられて弁座を固定する弁座固定部材のピストン側の端面に、同ハウジングの径方向に延びる流路溝が設けられている。これにより、弁体が全開の状態、すなわち、ピストンが弁座固定部材の端面に当接した状態にあっても、一次ポートから二次ポートへの高圧ガスの流路が確保される。

しかしながら、流路溝が形成されたことにより、当該流路溝と弁座固定部材の端面の境界部分の強度が、流路溝が形成されていない場合よりも低い。このため、弁体が全開の状態に移行する際のピストンと弁座固定部材との接触に伴い、流路溝と弁座固定部材の端面の境界部分が摩耗しやすい。ひいては、摩耗に伴う摩耗粉が、開閉弁、正確には弁座と弁体との間に侵入するおそれがある。開閉弁は、摩耗粉が侵入すると、一次ポートと二次ポートとの間の気密を確保できないおそれがある。すなわち、一次ポートから二次ポートへのガス漏れに繋がるおそれがある。

この発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、一次ポートから二次ポートへのガス漏れを抑制することが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、本体部材に設けられた一次ポートと二次ポートとの間を開閉する開閉弁と、前記開閉弁の下流に設けられ前記二次ポートに連続するシリンダと、前記シリンダを減圧室と圧力調整室に区画するとともに、前記圧力調整室側から作用する力と前記減圧室側から作用する力との差に応じて前記シリンダ内を摺動することにより前記開閉弁を開閉するピストンと、を備え、前記開閉弁は、前記ピストンとの間に介在されるバルブステムと、当該バルブステムを収容する機能を有するとともに、前記ピストンの端面に直接、当接することにより前記開閉弁の上流側への前記ピストンの変位を規制するプラグと、を備え、前記プラグは、前記ピストンの端面に当接可能な上部と、外面にねじ山が切られた下部とを備え、前記下部が前記本体部材に螺着され、前記上部が前記シリンダ内に位置するものであって、前記上部は、前記下部の径方向外方に張り出さない大きさとし、前記上部に前記バルブステムの収容部と前記減圧室とを連結する流路孔を備えることを要旨とする。

この構成によれば、流路孔は、プラグのピストン側の端面には形成されない。従って、ピストン側の端面は、一様な面とされるので、従来のように溝が形成される場合と比較して強度が増す。このため、プラグは、ピストンとの当接に伴う衝撃により摩耗しにくい。これにより、摩耗粉が開閉弁に侵入しにくくなる。ひいては、開閉弁が閉じた状態での一次ポートと二次ポートとの間におけるガス漏れの発生が抑制される。

上記構成において、前記プラグの下流側の端部には、前記プラグの軸線回りにおいて工具を係合可能とした角部を有する工具係合部を備え、前記工具により螺入されることにより、前記本体部材に対してねじ対偶で取り付けられるものであって、前記流路孔は、前記工具係合部の前記角部からずれた位置に形成されることが好ましい。

工具と工具係合部に設けられた角部とが係合することにより、プラグが回転し、同プラグを本体部材に取り付けることができる。すなわち、プラグを本体部材に取り付けるとき、角部には大きな負荷がかかる。角部に流路孔が設けられている場合、角部の強度が低下しているおそれがある。このため、取り付け時の負荷によって流路孔が閉塞するおそれがある。また、角がとれて工具と工具係合部とが係合しにくくなるおそれがある。その点、この構成によれば、流路孔は、角部からずれた位置に形成されているので、取り付け時の負荷によって、流路孔が閉塞しない。また、角がとれて、プラグの本体部材への取り付けが困難となることもない。

上記構成において、前記流路孔は、複数形成されていることが好ましい。
この構成によれば、流路孔が一カ所の場合よりもガスの圧力損失が抑制される。
上記構成において、前記バルブステムは、前記プラグの軸方向と同方向に延びる複数の流路溝を有し、前記流路孔は、前記流路溝の数と同数設けられることが好ましい。

この構成によれば、流路溝と流路孔との数が異なる場合よりもガスの圧力損失が抑制される。
上記構成において、前記プラグは、円筒状をなし、前記流路溝及び前記流路孔は、前記プラグの円周方向において等角度間隔で設けられることが好ましい。

この構成によれば、等角度間隔で設けられていない場合よりもガスの圧力損失が抑制される。

本発明の減圧弁によれば、一次ポートから二次ポートへのガス漏れを抑制することができる。

減圧弁の断面図。 図１の２−２線における上面図。 図１の３−３線における断面図。

以下、減圧弁の一実施形態を説明する。
＜減圧弁の構成＞
まず、減圧弁の構成について説明する。

図１に示すように、減圧弁１０は、一次ポートと二次ポートとの間を接続する本体部材１１と、本体部材１１内に収容される弁体１２、弁座１３、弁座固定部材１４、バルブステム１５、及びピストン１６を備えている。

本体部材１１の内部には、第１〜第３の円筒部１１１〜１１３及びシリンダ１１４が下側から順に同軸形成されている。これら第１〜第３の円筒部１１１〜１１３及びシリンダ１１４の内径は、この順に大きくなるように設定されている。なお、図示は省略するが、第１の円筒部１１１は、図示しない弁を介して高圧ガスの供給源（例えば水素タンク）である一次ポートと接続されている。また、第３の円筒部１１３の内壁には、ねじ溝１１３ａが切られている。

第１の円筒部１１１には、同第１の円筒部１１１の内径よりも若干小さい外径を有する金属製の弁体１２が収容されている。弁体１２は、第１の円筒部１１１内を上下移動可能とされている。弁体１２は、弁ばね７１により上方に向かって常時付勢されている。弁体１２は、円柱状の弁体本体部２１と、弁体本体部２１の上部に連続して同弁体本体部２１よりも小さい外径を有する弁体先端部２２とからなる。弁体本体部２１と弁体先端部２２との間は、弁体先端部２２側に向かうに従って徐々に外径が小さくなる弁体テーパ部２３とされている。なお、弁体先端部２２は、第２の円筒部１１２を通過して第３の円筒部１１３内に侵入している。

第２の円筒部１１２には、合成樹脂からなる輪状の弁座１３が収容されている。弁座１３の孔部３１は、弁体先端部２２の外径よりも若干大きい内径とされている。弁座１３の孔部３１の下部は、下方に向かって内径が徐々に大きくなる弁座テーパ部３３とされている。なお、弁座１３の厚み（上下方向長さ）は、第２の円筒部１１２の深さ（上下方向長さ）よりも若干厚く（長く）形成されている。

図１に示すように、第３の円筒部１１３には、外面にねじ山１４ａが切られた円筒の弁座固定部材１４が螺着されている。なお、図中において、４０は弁座固定部材１４の外面にねじ山１４ａが切られた下部である。弁座固定部材１４は、金属材料により形成されている。弁座固定部材１４の底面は、弁座１３の上面と当接する。弁座固定部材１４の螺入に伴い、弁座１３は下方に向かって押圧される。従って、弁座１３は、弁座固定部材１４と第２の円筒部１１２の底部との間で挟持される。これにより、第２の円筒部１１２の底部と弁座１３との間の気密が確保される。また、図１において二点鎖線で示すように、弁座１３は、弁ばね７１により付勢されている弁体１２と弁座固定部材１４との間で挟持される場合がある。この場合、弁座テーパ部３３と弁体テーパ部２３とが当接し、これら両者間の気密が確保される。また、弁座固定部材１４の内部、すなわち上下方向に貫通する貫通孔４１は、弁座１３の孔部３１と連続する。これにより、弁体先端部２２は、弁座固定部材１４内に侵入している。なお、弁座固定部材１４がプラグに相当する。

図２に示すように、弁座固定部材１４の上部４２の外形は、六角形とされている。これにより、上部４２は、取り付け工具に相当する図示しない六角ソケットと係合可能とされている。すなわち、上部４２が工具係合部に相当する。弁座固定部材１４は、上部４２と係合する図示しない六角ソケットを介して回転させられることにより、第３の円筒部１１３に螺着する。

図３に示すように、弁座固定部材１４の上部４２には、径方向に延びる４つの流路孔４３が形成されている。４つの流路孔４３は、等角度間隔（ここでは９０°間隔）に設けられている。また、４つの流路孔４３は、上部４２の角部４２ａを避けるように設けられている。これにより、上部４２の角部４２ａにおける図示しない六角ソケットとの係合強度が確保されている。図１に示すように、貫通孔４１とシリンダ１１４との間は、４つの流路孔４３によって接続されている。なお、図２に示すように、弁座固定部材１４の上端面４５は、凹凸のない均一面とされている。

図１に示すように、弁座固定部材１４の厚み（上下方向長さ）は、第３の円筒部１１３の深さ（上下方向長さ）よりも厚く形成されている。このため、弁座固定部材１４の上部４２は、シリンダ１１４内に侵入している。

図１に示すように、貫通孔４１には、金属製のバルブステム１５が収容されている。すなわち、貫通孔４１がバルブステム収容部に相当する。バルブステム１５は、円錐台状のバルブステム下端部５１と、その上側に連続するバルブステム本体部５２と、さらにその上側に連続する円柱状のバルブステム上端部５３と、を備えている。バルブステム１５は、バルブステム下端部５１が貫通孔４１に侵入している弁体先端部２２と当接している。図２に示すように、バルブステム本体部５２は、径方向に延びる４つの羽根５２ａを備えている。４つの羽根５２ａは、等角度間隔（ここでは９０°間隔）に設けられている。なお、隣り合う羽根５２ａ及び弁座固定部材１４の内壁によって囲まれた４つの空間は、流路１８として機能する。

図１において二点鎖線で示すように、弁体テーパ部２３が弁座テーパ部３３と当接した状態にあるとき、バルブステム上端部５３は、弁座固定部材１４の上部から突出し、シリンダ１１４内に侵入する。なお、本体部材１１、弁体１２、弁座１３、弁座固定部材１４、バルブステム１５、及び弁ばね７１が開閉弁１９に相当する。

図１に示すように、シリンダ１１４には、上下移動するピストン１６が収容されている。ピストン１６は、金属材料により円筒状に形成されている。シリンダ１１４の内壁とピストン１６との間には各種のシール部材８０が介在されている。各種のシール部材８０によって、シリンダ１１４の内壁とピストン１６との間の気密が確保されている。すなわち、シリンダ１１４内は、ピストン１６によって２つの空間に区画されている。ピストン１６の上方に設けられる空間は圧力調整室９１、ピストン１６の下方に設けられる空間は減圧室９２とされている。ピストン１６は、その内部に収容されたピストンばね７２により下方に向かって常時付勢されている。ピストンばね７２の付勢力は、弁ばね７１の付勢力よりも強く設定されている。これにより、ピストン１６の下端面６１は、バルブステム上端部５３と常時当接する。なお、ピストン１６の下端面６１は、凹凸のない均一面とされている。また、ピストン１６の下端面６１の直径は、弁座固定部材１４の上端面４５の外径よりも大きく設定されている。従って、ピストン１６の下端面６１は、弁座固定部材１４の上端面４５と当接可能とされている。このため、ピストン１６の下方への変位は、下端面６１が弁座固定部材１４の上端面４５と当接することにより規制される。

なお、ピストン１６は、シリンダ１１４内の気圧の影響を受けて上下移動する。すなわち、シリンダ１１４内の気圧が高まるとピストンばね７２の付勢力に抗して上方に移動し、シリンダ１１４内の気圧が低くなるとピストンばね７２の付勢力により下方に移動する。

図１において実線で示すように、ピストン１６の下端面６１と弁座固定部材１４の上端面４５とが当接する状態にあるとき、弁体テーパ部２３と弁座テーパ部３３とが離間している。すなわち、開閉弁１９は開いている、正確には全開となる。

前述の開閉弁１９が全開の状態から、ピストン１６が上方に変位するにつれて、弁体テーパ部２３と弁座テーパ部３３とが近接する。そして、図１において二点鎖線で示すように、ピストン１６の下端面６１と弁座固定部材１４の上端面４５とが離間した状態にあるとき、弁体テーパ部２３と弁座テーパ部３３とが当接する。これにより、開閉弁１９が閉じる。

なお、シリンダ１１４は、図示しないインジェクターを介して二次ポートと接続されている。
＜減圧弁の作用＞
次に、減圧弁の作用について説明する。なお、ピストン１６には、圧力調整室９１から減圧室９２に向かう方向にピストンばね７２の付勢力が作用している。また、ピストン１６には、減圧室９２から圧力調整室９１に向かう方向にピストンばね７２の付勢力よりも小さい付勢力を有する弁ばね７１の付勢力が作用している。ここでは、ピストン１６は、開閉弁１９が全開となる位置、すなわち、ピストン１６の下端面６１が弁座固定部材１４の上端面４５と当接する位置とされている状態から説明を開始する。

高圧ガスが減圧弁１０に供給されると、当該高圧ガスは、全開の開閉弁１９、弁座固定部材１４の内部（正確には貫通孔４１）、及び４つの流路孔４３を通って減圧室９２に導入される過程で減圧され、二次ポートに供給される。これにより、ピストン１６は、減圧室９２に導入されたガスの圧力によって減圧室９２から圧力調整室９１に向かう方向に押圧される。すなわち、ピストン１６は、ガスの圧力による押圧力及び弁ばね７１の付勢力の総和とピストンばね７２の付勢力との大小関係により変位する。詳しくは、ガスの圧力による押圧力及び弁ばね７１の付勢力の総和よりもピストンばね７２の付勢力が小さい場合には、ピストン１６は上方（圧力調整室９１側）に変位する。これにより、バルブステム１５及び弁体１２が上方に変位して開閉弁１９が閉じる。一方、ガスの圧力による押圧力及び弁ばね７１の付勢力の総和よりもピストンばね７２の付勢力が大きい場合には、ピストン１６は下方（減圧室９２側）に変位する。これにより、バルブステム１５及び弁体１２が下方に変位して開閉弁１９が開く。

さて、ガスの減圧弁１０への供給を停止すると、ガスの圧力による押圧力及び弁ばね７１の付勢力の総和よりもピストンばね７２の付勢力が大きくなるので、ピストン１６は下方（減圧室９２側）に変位する。そして、最終的には、当該ピストン１６の下端面６１と弁座固定部材１４の上端面４５とが当接する。これらピストン１６の下端面６１及び弁座固定部材１４の上端面４５は、ともに均一面とされているので、この当接は、面同士が衝突するいわゆる面接触となる。面接触となることにより当接の衝撃は、面全体に分散される。すなわち、当接の衝撃が弁座固定部材１４の一部分に集中しないので、摩耗粉が発生しにくい。従って、摩耗粉が第１の円筒部１１１内に侵入しにくい。このため、弁体１２と弁座１３との間、正確には弁体テーパ部２３と弁座テーパ部３３との間に摩耗粉が侵入して、これら両者の気密が確保できなくなる状況が抑制される。ひいては、外部（ここでは図示しないスタック）へのガス漏れを抑制することができる。

また、羽根５２ａの数を流路孔４３の数と同数としたことにより、流路１８の数と流路孔４３の数とが同数となる。また、４つの羽根５２ａ及び４つの流路孔４３を９０°の等角度間隔に設けた。これにより、図３に示すように、貫通孔４１にガスが供給されるとき、流路１８と流路孔４３との位置が一致するように、換言すれば、羽根５２ａが流路孔４３を塞がないようにバルブステム１５が回転する。このため、流路１８から流路孔４３へガスが流れるときの圧力損失が抑制される。

以上詳述したように、本実施形態によれば、以下に示す効果が得られる。
（１）弁座固定部材１４に貫通孔４１と減圧室９２との間を繋ぐ流路孔４３を設けた。これにより、ピストン１６と当接する弁座固定部材１４の上端面４５にはガスの流路となる溝が形成されない。このため、弁座固定部材１４の上端面４５は、ピストン１６が当接しても、当接が面接触となるため、当該当接の衝撃が面全体に分散されて摩耗しにくい。従って、摩耗粉が第１の円筒部１１１内に侵入しにくい。このため、弁体１２と弁座１３との間、正確には弁体テーパ部２３と弁座テーパ部３３との間に摩耗粉が侵入して、これら両者の気密が確保できなくなる状況が抑制される。ひいては、外部に供給されるガスの圧力が想定以上に高まることを抑制することができる。

（２）弁座固定部材１４に６角形の上部４２を設けた。これにより、上部４２の角部４２ａにおける図示しない六角ソケットとの係合強度が確保されている。また、４つの流路孔４３を上部４２の角部を避けるように設けた。このため、弁座固定部材１４を第３の円筒部１１３へ取り付けるとき、流路孔４３が閉塞しない。また、角部４２ａがとれることもないので、弁座固定部材１４の第３の円筒部１１３への取り付けを円滑に行うことができる。

（３）羽根５２ａの数を流路孔４３の数と同数とした。これにより、流路１８の数と流路孔４３の数とが同数となる。また、４つの羽根５２ａ及び４つの流路孔４３を９０°の等角度間隔に設けた。これにより、図３に示すように、貫通孔４１にガスが供給されるとき、流路１８と流路孔４３との位置が一致するように、換言すれば、羽根５２ａが流路孔４３を塞がないように、バルブステム１５が回転する。このため、流路１８から流路孔４３へガスが流れるときの圧力損失が抑制される。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
・上記実施形態において、流路孔４３は、４つ設けられていたが１つ以上設けられていればよい。

・上記実施形態において、４つの流路孔４３は、等角度間隔に設けられていたが、かならずしも等角度間隔に設けられている必要はない。
・上記実施形態において、羽根５２ａは、４つ設けられていたが１つ以上設けられていればよい。また、バルブステム１５と弁座固定部材１４との間に流路が確保されていれば、羽根５２ａを省略してもよい。

・上記実施形態において、４つの羽根５２ａは、等角度間隔に設けられていたが、かならずしも等角度間隔に設けられている必要はない。
・上記実施形態において、羽根５２ａ及び流路孔４３の数は同数とされたが、必ずしも同数とされなくてもよい。

・上記実施形態において、流路孔４３は、上部４２の角部４２ａを避けるように設けられていたが、角部４２ａに設けられてもよい。
・上記実施形態において、上部４２は、外形が六角形とされたが、外形の形状はこれに限らない。図示しない取り付け工具と係合する形状であればよい。また、上記実施形態では、取り付け工具はソケットとされたが、レンチである場合には、弁座固定部材１４の上部にレンチが嵌まる凹部を設けてもよい。この場合、外形が円形とされていてもよい。このように構成した場合であれ、弁座固定部材１４は、取り付け工具によって本体部材１１に螺着される。

・上記実施形態において、ピストン１６とバルブステム１５とが一体であってもよい。
・上記実施形態において、弁体１２とバルブステム１５とが一体であってもよい。
・上記実施形態の減圧弁が減圧するガスは、水素であったが、例えば酸素や窒素などの水素以外の気体であってもよい。またガスを構成する元素は、単一な気体に限らない。すなわち、減圧されるガスは、複数の元素で構成されていてもよい。

１０…減圧弁、１１…本体部材、１２…弁体、１３…弁座、１４…弁座固定部材、１５…バルブステム、１６…ピストン、１８…流路、１９…開閉弁、４２…上部（工具係合部）、４３…流路孔、５２ａ…羽根、９１…圧力調整室、９２…減圧室。

Claims (5)

1. 本体部材に設けられた一次ポートと二次ポートとの間を開閉する開閉弁と、
   前記開閉弁の下流に設けられ前記二次ポートに連続するシリンダと、
   前記シリンダを減圧室と圧力調整室に区画するとともに、前記圧力調整室側から作用する力と前記減圧室側から作用する力との差に応じて前記シリンダ内を摺動することにより前記開閉弁を開閉するピストンと、を備え、
   前記開閉弁は、前記ピストンとの間に介在されるバルブステムと、当該バルブステムを収容する機能を有するとともに、前記ピストンの端面に直接、当接することにより前記開閉弁の上流側への前記ピストンの変位を規制するプラグと、を備え、
   前記プラグは、
   前記ピストンの端面に当接可能な上部と、外面にねじ山が切られた下部とを備え、前記下部が前記本体部材に螺着され、前記上部が前記シリンダ内に位置するものであって、
   前記上部は、前記下部の径方向外方に張り出さない大きさとし、
   前記上部に前記バルブステムの収容部と前記減圧室とを連結する流路孔を備えることを特徴とする減圧弁。
2. 請求項１に記載の減圧弁において、
   前記プラグの下流側の端部には、前記プラグの軸線回りにおいて工具を係合可能とした角部を有する工具係合部を備え、前記工具により螺入されることにより、前記本体部材に対してねじ対偶で取り付けられるものであって、
   前記流路孔は、前記工具係合部の前記角部からずれた位置に形成されることを特徴とする減圧弁。
3. 請求項１又は２に記載の減圧弁において、
   前記流路孔は、複数形成されていることを特徴とする減圧弁。
4. 請求項１〜３のうちいずれか一項に記載の減圧弁において、
   前記バルブステムは、前記プラグの軸方向と同方向に延びる複数の流路溝を有し、
   前記流路孔は、前記流路溝の数と同数設けられることを特徴とする減圧弁。
5. 請求項４に記載の減圧弁において、
   前記プラグは、円筒状をなし、
   前記流路溝及び前記流路孔は、前記プラグの円周方向において等角度間隔で設けられることを特徴とする減圧弁。