JP6280704B2 - 制御バルブ - Google Patents

Description

本発明は、流体の流れを制御する制御バルブに関する。

高圧燃料ガスの供給源から燃料ガスを取り出して燃料タンクに充填する燃料充填システムにおいて、燃料ガスが通路を高速で流れる場合に、通路に介装された逆止弁等の制御バルブから騒音が発生することがあった。

この対処方法として、特許文献１には、弁体の内部にエアダンパを備え、エアダンパが付与する抵抗によって弁体の振動を抑える逆止弁が開示されている。

特許文献２には、弁体の軸部に摺接するガイドリングを備え、ガイドリングが付与する摺動抵抗によって弁体の振動を抑える逆止弁が開示されている。

特開２００１−９９３４０号公報 特開２０１１−８０５７１号公報

しかしながら、このような従来の制御バルブにあっては、高圧、大流量のガスが高速で流れる場合に、弁体の下流側に渦流が生じ、ガス流自体から騒音が発生するという問題があった。

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、制御バルブの騒音を低減することを目的とする。

本発明は、流体の流れを制御する制御バルブであって、流体が通過するシート部と、シート部に対して移動するポペットの弁体部と、シート部と弁体部の間に画成されるポペット絞り流路と、を備え、ポペット絞り流路は、シート部及びポペットの弁体部の中心線に直交する横断面の流路面積が上流側から下流側にかけて次第に大きくなるように形成され、シート部及び前記弁体部の中心線を含む縦断面において、シート部の内周面に沿う２つの仮想線間の弁座角度は、弁体部の外周面に沿う２つの仮想線間の弁体角度より大きく、弁座角度と弁体角度の角度差は、１．５度以下の範囲にあることを特徴とする制御バルブ。

本発明では、流路面積が上流側から下流側にかけて次第に大きくなるポペット絞り流路において、流体がシート部の内周面とポペットの弁体部の外周面に沿って流れることによって整流され、流体の流れに渦流が生じることを抑えられる。これにより、制御バルブの騒音を低減することができる。

本発明の第１実施形態に係る制御バルブの断面図である。 本発明の第１実施形態に係る制御バルブの一部を示す断面図である。 本発明の第１実施形態に係るバルブストロークと流路断面積の関係を示す線図。 本発明の第２実施形態に係る制御バルブの一部を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。

（第１実施形態）
図１に示す制御バルブ１００は、供給源から供給される高圧の燃料ガス（以下ガスという）を燃料タンクに充填する燃料充填システムにおいて、燃料ガスの通路に介装される逆止弁として用いられる。

制御バルブ１００は、ガスを通過させるシート部１１を有するバルブハウジング１０と、シート部１１に対して移動する弁体部５１を有するポペット５０と、弁体部５１をシート部１１に当接する閉弁方向に付勢するスプリング７０と、を備える。

制御バルブ１００の開弁作動時には、供給源から導かれるガス圧力が高まるのに応じてポペット５０がスプリング７０に抗して図１の紙面上にて下方向に移動し、弁体部５１がシート部１１から離れ、供給源からのガスが図中矢印で示すように流れる。

制御バルブ１００は、そのケーシングとして、円筒状のバルブハウジング１０と、バルブハウジング１０の開口端を塞ぐ円盤状のカバー２０と、を備える。バルブハウジング１０とカバー２０の間にポペット５０及びスプリング７０が収容される。

バルブハウジング１０の内側には、円筒面状の入口ポート１３、円錐筒面状のシート部１１、円筒面状の内壁部１５が、それぞれ中心線Ｏを中心とする同心上に形成される。入口ポート１３は、供給源からガスが導かれる入口流路２９を画成する。シート部１１は、弁体部５１との間で下流側にガスを導くポペット絞り流路３０を画成する。内壁部１５は、ポペット絞り流路３０の下流側でガスを導くポペット下流路３１を画成する。

カバー２０は、中心線Ｏを中心とする円盤状に形成され、その外周がバルブハウジング１０の内壁部１５の開口端に嵌合して固定される。カバー２０は、その中央部に開口するガイド穴２５と、出口流路３２を画成する複数の出口ポート２３と、を有する。ガイド穴２５は中心線Ｏを中心とする円筒面状に形成される。各出口ポート２３は、中心線Ｏを中心とする円周上に均等な間隔に設けられる。

ポペット５０は、円錐状の弁体部５１と、弁体部５１の下流側に連接して形成される円盤状のスプリング受け部５５と、スプリング受け部５５の下流側に連接して形成される円柱状のロッド部６９と、を有する。これらの弁体部５１、スプリング受け部５５、ロッド部６９は、中心線Ｏを中心とする同心上に形成される。

ポペット５０は、ロッド部６９がカバー２０のガイド穴２５に摺動自在に挿入される。これにより、ポペット５０は、バルブハウジング１０に対して中心線Ｏが延在するポペット５０の軸方向に移動するように支持され、シート部１１に対する弁体部５１の同心度が確保される。

コイル状のスプリング７０は、スプリング受け部５５とカバー２０との間に圧縮して介装され、ポペット５０をバルブハウジング１０のシート部１１に押し付ける。

制御バルブ１００では、ポペット５０が中心線Ｏ方向に変位するのに伴って、シート部１１と弁体部５１との間に画成される流路断面積が増減し、これを通過するガスの流量が制御される。

シート部１１と弁体部５１は、それぞれの縦断面が中心線Ｏを中心とするテーパー状に形成され、下流側から上流側に向けて拡径するように形成される。

シート部１１は、ポペット５０の弁体部５１より大きい角度で拡径するように形成される。入口ポート１３に連接するシート部１１の上流端には、環状のシート部上流端１２が形成される。

制御バルブ１００の閉弁時には、弁体部５１がシート部上流端１２に着座することにより、入口流路２９とポペット絞り流路３０が閉塞される。制御バルブ１００の開弁時には、弁体部５１がシート部１１から離れることにより、供給源からのガスがポペット絞り流路３０に流れる。

ところで、従来の制御バルブにおいて、高圧、大流量のガスが導かれる場合には、ポペットの弁体部を通過するガスの流れが乱れ、弁体部の下流側に渦流を含む噴流が生じる。噴流から高周波の騒音が生じたり、渦流に起因して弁体部がシート部に繰り返し衝突して騒音が生じることがあった。

この対処方法として、ポペット絞り流路３０は、シート部１１及びポペット５０の弁体部５１の中心線Ｏに直交する横断面の流路面積が上流側から下流側にかけて次第に大きくなるように形成される。これにより、ポペット絞り流路３０を流れるガスがシート部１１の内周面と弁体部５１の外周面に沿って流れることによって整流される構成とする。

図２に示す中心線Ｏを含む縦断面図上において、シート部１１の内周面に沿う２つの仮想線Ａ１１間の弁座角度θ１は、弁体部５１の外周面に沿う２つの仮想線Ａ５１間の弁体角度θ２より大きく形成される。これにより、ポペット絞り流路３０の中心線Ｏに直交する流路幅及び流路断面積が上流側から下流側にかけて次第に大きくなるように形成される。

図３において破線は、比較例としてシート部の弁座角度θ１と弁体部の弁体角度θ２が等しく形成されたポペット絞り流路の下流端（出口）の流路面積Ｂ´を示すものである。この比較例では、ポペット絞り流路の下流端の流路面積Ｂ´に対する上流端の流路面積Ａの比率（Ａ／Ｂ´）は、バルブストロークＸが小さい開度域で小さくなっている。この比較例の場合には、バルブストロークＸが小さい開度域において、ポペット絞り流路からポペット下流路にかけて渦流が生じやすい。

図３は、ポペット絞り流路３０の中心線Ｏに直交する横断面の流路面積と、ポペット５０が軸方向（中心線Ｏ方向）に移動するバルブストロークＸとの関係を示す線図である。これに示すように、ポペット絞り流路３０の上流端（入口）の流路面積Ａは、ポペット絞り流路３０の下流端（出口）の流路面積Ｂに比べて全ストローク域にわたって小さい。そして、ポペット絞り流路３０の下流端の流路面積Ｂに対する上流端の流路面積Ａの比率（Ａ／Ｂ）は、比較例に比べてバルブストロークＸが小さい開度域で大きくなっている。

制御バルブ１００を通過するガスの流れは、バルブストロークＸが大きい開度域に比べてバルブストロークＸが小さい開度域にて大きく絞られるため、ポペット絞り流路３０からポペット下流路３１に流れるガスが渦流を含む噴流となりやすい。制御バルブ１００では、上記のようにポペット絞り流路３０の下流端の流路面積Ｂに対する上流端の流路面積Ａの比率（Ａ／Ｂ）は、比較例に比べてバルブストロークＸが小さい開度域で大きくなる。このため、バルブストロークＸが小さい開度域において、ポペット絞り流路３０を流れるガスの圧力が上流側から下流側にかけて適度に低下し、ポペット絞り流路３０からポペット下流路３１にかけて渦流が生じることが抑えられる。

ポペット絞り流路３０におけるシート部１１の中心線Ｏ方向の長さＬがシート部１１の最小開口径Ｄより大きくなるように形成される。これにより、ポペット絞り流路３０は十分な流路長さＬを持つことによって、ガスがシート部１１の内周面と弁体部５１の外周面に沿って流れる流路長さが確保され、ガスに渦流が生じることを抑制する整流作用が得られる。

以下、制御バルブ１００の作動について説明する。

供給源から入口流路２９に導かれる圧力が設定された開弁圧より低い状態では、弁体部５１がスプリング７０の付勢力によってシート部１１に当接し、入口流路２９とポペット絞り流路３０の間を閉塞する。

供給源から入口流路２９に導かれる圧力が開弁圧を超えて上昇すると、弁体部５１がスプリング７０の付勢力に抗してシート部１１から離れ、入口流路２９とポペット絞り流路３０が開通する。これにより、供給源からのガスが、図１中矢印で示すよう、入口流路２９、ポペット絞り流路３０、ポペット下流路３１、出口流路３２を通じて流れる。

ポペット絞り流路３０では、シート部１１と弁体部５１間の流路幅及び流路断面積が上流側から下流側にかけて次第に大きくなっているため、ポペット絞り流路３０を流れるガスの圧力が上流側から下流側にかけて次第に低下し、ポペット絞り流路３０からポペット下流路３１にかけて渦流が生じることが抑えられる。

ポペット５０のバルブストロークＸが小さい開度域では、ポペット絞り流路３０を流れるガスの流速が高まって渦流が生じやすいが、ポペット絞り流路３０の下流端の流路面積Ｂに対する上流端の流路面積Ａの比率が十分に大きく確保されるため、ポペット絞り流路３０からポペット下流路３１に流出する噴流に渦流が生じることを抑えられる。

また、角度差（θ１−θ２）を変えて制御バルブ１００から発生する騒音レベルを測定した実験を行った。この実験の結果として、角度差（θ１−θ２）が１．５度以下の範囲では、騒音レベルが小さく抑えられることがわかった。一方、角度差（θ１−θ２）が１．５度より大きくなると、騒音レベルが著しく上昇することがわかった。この実験の結果に基づいて、角度差（θ１−θ２）は、１．５度以下の範囲に設定される。

以上の第１実施形態によれば、以下に示す作用効果を奏する。

〔１〕制御バルブ１００は、流体（ガス）が通過する円錐筒面状のシート部１１と、シート部１１の中心線Ｏ方向に移動するポペット５０の弁体部５１と、シート部１１と弁体部５１の間に画成されるポペット絞り流路３０と、を備え、ポペット絞り流路３０は、シート部１１及び弁体部５１の中心線に直交する横断面の流路面積が上流側から下流側にかけて次第に大きくなるように形成される。

上記構成に基づき、制御バルブ１００では、流路面積が上流側から下流側にかけて次第に大きくなるポペット絞り流路３０において、流体がシート部１１の内周面とポペット５０の弁体部５１の外周面に沿って流れることによって整流され、ポペット絞り流路３０から下流側に流出する噴流に渦流が生じることを抑えられる。

これにより、ポペット絞り流路３０から下流側に流出する噴流から高周波の音が発生することを防止できる。また、渦流による圧力変動によってポペット５０が振動することを抑えられ、弁体部５１がシート部１１に繰り返し衝突して騒音を発生することを防止できる。

〔２〕ポペット絞り流路３０は、シート部１１及びポペット５０の弁体部５１の中心線Ｏを含む縦断面において、シート部１１の内周面に沿う２つの仮想線Ａ１１間の弁座角度θ１が、弁体部５１の外周面に沿う２つの仮想線Ａ５１間の弁体角度θ２より大きくなるように形成される。

上記構成に基づき、制御バルブ１００では、ポペット絞り流路３０を流れる流体の圧力が次第に低下し、流体の流れを整流する効果が高められるとともに、ガスの流れに付与する抵抗を抑えられる。

〔３〕ポペット絞り流路３０は、弁座角度θ１と弁体角度θ２の角度差（θ１−θ２）が１．５度以下の範囲にあるように形成される。

上記構成に基づき、制御バルブ１００では、ポペット絞り流路３０の流路幅及び流路断面積が適度に変化するため、ポペット絞り流路３０を流れる流体の圧力が緩やかに低下して流体の流れを整流する作用が得られ、ポペット絞り流路３０から下流側に流出する噴流に渦流が生じることを抑えられる。

〔４〕ポペット絞り流路３０におけるシート部１１の中心線Ｏ方向の長さＬがシート部１１の最小開口径Ｄより大きくなるように形成される。

上記構成に基づき、制御バルブ１００では、ポペット絞り流路３０を流れる流体がシート部１１の内周面と弁体部５１の外周面に沿って流れる過程で整流されるのに必要な流路長さが確保され、ポペット絞り流路３０から下流側に流出する噴流に渦流が生じることを抑えられる。

（第２実施形態）
次に、図４を参照して、本発明の第２実施形態を説明する。以下では、上記第１実施形態と異なる点を中心に説明し、上記第１実施形態の制御バルブと同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。

上記第１実施形態に係る制御バルブ１００では、シート部１１の上流端にポペット５０の弁体部５１が着座するシート部上流端１２が形成されている。これに対して、第２実施形態に係る制御バルブは、弁体部６１の外周にはシールリング７６が装着され、整流壁部７１はシート部７３と、シート部７３の上流側にシールリング７６に当接する弁座部７２を有する。

弁体部６１には、その外周に開口する環状の収容溝６２が形成される。収容溝６２にシールリング７６が収容される。

整流壁部７１は、シート部７３と、シート部７３の上流側にシールリング７６に当接する弁座部７２と、を有する。制御バルブの閉弁時には、シールリング７６が弁座部７２に当接することにより、制御バルブの密封性が高められる。

シート部７３の内周面に沿う２つの仮想線Ａ７３の弁座角度θ３は、弁体部６１の外周面に沿う２つの仮想線Ａ６１の弁体角度θ４より大きく形成される。整流壁部７１のシート部７３と弁体部６１の間にポペット絞り流路３５が画成される。

ポペット絞り流路３５は、中心線Ｏに直交する流路幅及び流路面積が上流側から下流側にかけて次第に大きくなるように形成される。これにより、ポペット絞り流路３５を流れるガスは、シート部７３の内周面と弁体部６１の外周面に沿って流れることによって整流され、渦流の発生を抑えられる。

以上の第２実施形態によれば、第１実施形態と同様に前記〔１〕〜〔４〕の作用効果を奏するとともに、以下に示す作用効果を奏する。

〔５〕制御バルブは、シート部７３の上流側に弁座部７２を有し、弁体部６１の外周にはシールリング７６が装着され、シールリング７６は弁座部７２に当接する。

上記構成に基づき、制御バルブは、シールリング７６を介して閉弁時の密封性が確保されるとともに、開弁時にポペット絞り流路３５から下流側に流出する噴流に渦流が生じることが抑えられ、渦流に起因する騒音が発生することを抑えられる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

例えば、上記実施形態では、ポペット絞り流路３０、３５をポペット５０、６０の全周にわたって設けたが、スリット状のポペット絞り流路をポペットに複数設けてもよい。

さらに、上記実施形態の制御バルブ１００は、燃料充填システムにおいて、燃料ガスの通路に介装される逆止弁として用いられるが、これに限らず、他の機械、設備において、高圧、大流量のガスが流れる回路に介装される逆止弁またはリリーフ弁として用いてもよい。また、制御バルブ１００を流れる流体は、燃料ガスであったが、これに限らず、他の気体であってもよい。

１１、７３ シート部
３０、３５ ポペット絞り流路
５０、６０ ポペット
５１ 弁体部
７１ 整流壁部
７２ 弁座部
７６ シールリング
１００ 制御バルブ

Claims (3)

1. 流体の流れを制御する制御バルブであって、
   流体が通過するシート部と、
   前記シート部に対して移動するポペットの弁体部と、
   前記シート部と前記弁体部の間に画成されるポペット絞り流路と、を備え、
   前記ポペット絞り流路は、前記シート部及び前記弁体部の中心線に直交する横断面の流路面積が上流側から下流側にかけて次第に大きくなるように形成され、
   前記シート部及び前記弁体部の中心線を含む縦断面において、前記シート部の内周面に沿う２つの仮想線間の弁座角度は、前記弁体部の外周面に沿う２つの仮想線間の弁体角度より大きく、
   前記弁座角度と前記弁体角度の角度差は、１．５度以下の範囲にあることを特徴とする制御バルブ。
2. 前記ポペット絞り流路における前記シート部の中心線方向の長さが前記シート部の最小開口径より大きいことを特徴とする請求項１に記載の制御バルブ。
3. 前記シート部の上流側に弁座部を有し、
   前記弁体部の外周にはシールリングが装着され、
   前記シールリングは弁座部に当接することを特徴とする請求項１または２に記載の制御バルブ。

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