JP7353197B2

JP7353197B2 - 減圧弁及びバルブユニット

Info

Publication number: JP7353197B2
Application number: JP2020015831A
Authority: JP
Inventors: 佳照藤本; 将佳岡本; 将隆東浦; 利隆白澤; 力富田; 重好森
Original assignee: Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 2020-01-31
Filing date: 2020-01-31
Publication date: 2023-09-29
Anticipated expiration: 2040-01-31
Also published as: EP4098917A1; US11898650B2; US20230055857A1; KR20220130674A; CN114867958A; WO2021153272A1; JP2021124130A; EP4098917A4

Description

本発明は、ガスを減圧して出力する減圧弁、バルブユニット、弁装置、及び弁体を付勢する板ばねに関する。

圧縮天然ガス及び水素ガス等のガスに関する減圧弁として、例えば特許文献１のような減圧弁が知られている。特許文献１の減圧弁では、弁体に閉方向に二次圧が作用し、また弁体が二次圧に抗するように圧縮コイルばねによって付勢されている。

特開２０１２－０９３８０９号公報

特許文献１の減圧弁では、圧縮コイルばねによって弁体を開方向に付勢しているので、減圧弁のサイズ、特に軸線方向の長さが大きくなる。

そこで本発明は、小型化を図ることができる減圧弁、バルブユニット、弁装置、及びばね部材を提供することを目的としている。

第１の発明である減圧弁は、弁通路が形成されるケーシングと、前記ケーシングに移動可能に収容され、二次圧に応じて位置を変えて前記弁通路の開度を調整する弁体と、前記弁体を二次圧に抗して前記弁通路を開く開方向に付勢する付勢部材と、を備え、前記付勢部材は、板状のばねであって前記弁体から側方に延在しているものである。

第１の発明に従えば、付勢部材として前記弁体の側方に延在する板状のばねを用いるので、減圧弁の軸線方向の長さを短くすることができる、即ち減圧弁の小型化を図ることができる。

第２の発明であるバルブユニットは、前述する減圧弁と、前記減圧弁の二次圧をリリーフするリリーフ弁とを備え、前記減圧弁は、前記ケーシングにおいて、前記付勢部材に対して前記二次室の反対側に、前記二次室及び弁通路から隔離されている大気室が形成され、前記大気室は、前記リリーフ弁の二次側通路を介して大気に開放されているものである。

第２の発明に従えば、付勢部材が変形して大気室の容積が変動した際やガスが大気室に漏れ出た場合であっても、大気室を大気圧にて維持することができる。また、二次圧が設定圧を超えてリリーフ弁が作動するような場合、二次側の圧であるリリーフ圧を大気室に導くことができる。これにより、二次圧に抗してリリーフ圧を付勢部材に作用させることができる。それ故、リリーフ弁が作動した際の付勢部材に作用する荷重を抑制することができる。

第３の発明である弁装置は、弁通路が形成されるケーシングと、前記ケーシングに移動可能に収容され、作用する力に応じて前記弁通路の開度を変える弁体と、前記弁体を作用する力に抗して付勢する付勢部材と、を備え、前記付勢部材は、板状のばねであって前記弁体から側方に延在しているものである。

第３の発明に従えば、付勢部材として前記弁体の側方に延在する板状のばねを用いるので、弁装置の軸線方向の長さを短くすることができる、即ち弁装置の小型化を図ることができる。

第４の発明である板ばねは、弁体を一方向に付勢するための板ばねであって、前記弁体が取り付けられる内側部分と、支持される外縁部分と、前記内側部分と前記外縁部分とを繋ぐテーパ状のテーパ部とを有するものである。

第４の発明に従えば、板ばねの高さを抑えつつ、弁体を円滑に付勢することができる。板ばねが撓む際、テーパ部が外縁部分側及び中心側部分の相対角を変えながら弾性変形し、中心部分が軸方向に平行に移動する。これにより、中心部分に取り付けられる弁体の傾きを抑制することができる。

本発明によれば、小型化を図ることができる。

本発明の実施形態に係る減圧弁を示す断面図である。図１の減圧弁における板ばねの一部分を拡大して示す拡大断面図である。図１の減圧弁において弁体が弁座に着座している状態を示す断面図である。その他の実施形態に係る減圧弁において、図１の領域Ｘに対応する部分を拡大して示す拡大断面図である。

以下、本発明に係る実施形態の減圧弁１、バルブユニット２、及び板ばね１２について前述する図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明で用いる方向の概念は、説明する上で便宜上使用するものであって、発明の構成の向き等をその方向に限定するものではない。また、以下に説明する減圧弁１及び板ばね１２は、本発明の一実施形態に過ぎない。従って、本発明は以下の実施形態に限定されず、発明の趣旨を逸脱しない範囲で追加、削除、変更が可能である。

図１に示すバルブユニット２は、圧縮天然ガス及び水素ガス等のガスの圧力を使用圧力や大気圧まで減圧する場合に用いられている。バルブユニット２は、例えば減圧弁１とリリーフ弁３とを備えている。減圧弁１は、圧縮天然ガス及び水素ガス等のガスの圧力を使用圧力や大気圧まで減圧する機能を有している。減圧弁１は、ケーシング１０と、弁体１１と、板ばね１２とを備えている。

ケーシング１０は、内部に弁通路１３と二次室２６を有している。更に詳細に説明すると、ケーシング１０は、カバー部１０ａとハウジングブロック部１０ｂとを有している。本実施形態では、ハウジングブロック部１０ｂに、弁通路１３が形成されている。弁通路１３は、一次側通路２１と、弁室２２と、二次側通路２３とを有している。弁室２２には、一次側通路２１の開度（即ち、弁通路１３の開度）を調整すべく弁体１１が挿入されている。弁通路１３では、一次側通路２１に入力されるガスは弁室２２を介して二次側通路２３へと出力される。

より詳細に説明すると、一次側通路２１及び弁室２２は、共に所定の軸線Ｌ１に沿って形成され且つ互いに繋がっている。即ち、弁室２２の底には、一次側通路２１が繋がっている。また、弁室２２の内周面には、二次側通路２３が繋がっている。二次側通路２３は、軸線Ｌ１に交差する方向に延在している。本実施形態では、軸線Ｌ１に直交する方向に延在している。

弁体１１は、樹脂によって成形された円柱部材である。弁体１１の外周面と弁室２２の内周面（即ち、ハウジングブロック部１０ｂ）との間には、シール部材２７が配置されている。弁体１１は、シール部材２７によってシールされている状態で弁室２２に移動可能に収容されている。即ち、弁体１１は、軸線Ｌ１に沿って一次側通路２１に対して近接及び離反するように移動することができる。また、ハウジングブロック部１０ｂには、着座部２４が形成されている。着座部２４は、一次側通路２１の弁室２２側の開口２２ａ周りに形成されている。そして、弁体１１の先端部１１ａを着座部２４に着座させることによって一次側通路２１が閉じられる。他方、弁体１１を着座部２４から離すことで一次側通路２１を開くことができる。これにより、弁体１１の先端側部分の周りにある環状通路２２ｃを介して一次側通路２１と二次側通路２３とが繋がる。このように、減圧弁１では、弁体１１を軸線Ｌ１に沿う軸線方向一方（即ち、閉方向）に移動させることで弁通路１３が閉じられる。また、弁体１１を軸線Ｌ１に沿う軸線方向他方（即ち、開方向）に移動させることで弁通路１３が開かれる。

弁体１１には、板ばね１２が取り付けられている。板ばね１２は、変位に応じた復元力を発生することができる。そして、板ばね１２は、発生する復元力によって弁体１１を移動させる。本実施形態では、圧縮コイルばねの代わりに板ばね１２が用いられている。付勢部材である板ばね１２は、弁体１１を開方向に付勢する。更に詳細に説明すると、板ばね１２は、板状の金属製の部材（本実施形態においてＳＵＳ３０４ＣＳＰ等のＳＵＳ製及び合金製の部材）である。板ばね１２は、平面視で円板状に形成されている。板ばね１２の中心部分１２ａは、軸線方向一方に盛り上がった断面凸状に形成されている。板ばね１２の中心部分１２ａは、弁体１１の外形より大径で且つ平坦に形成されている。

板ばね１２には、弁体１１の基端面が取り付けられている。本実施形態では、中心部分１２ａの軸線方向他方側の表面に、弁体１１の基端面が接合されている。弁体１１の基端面を板ばね１２に取り付けることにより、弁体１１と板ばね１２の接合面を大きく確保することができる。

なお、取付方法としては、例えば軸線方向他方側の表面処理を施してしてその表面にＰＥＥＫ、ＰＰＳ、ＰＩ、及びＰＡＩ等の合成樹脂製の弁体１１を樹脂成形して接合する方法がある。また、表面処理の例としては、化学的処理や、レーザ照射による物理的処理などがある。その他の取付方法としては、スナップフィット、接着材、接着テープ、及びブッシュを用いて取り付けたり、化学的な接合やアウトサート成形等によって取り付けたりする方法が考えられる。また、これらの取付方法では、シール部材等を用いて弁体１１と板ばね１２との間のシール性を確保しておくことが好ましい。

板ばね１２は、ケーシング１０に固定されている。本実施形態では、板ばね１２は、カバー部１０ａとハウジングブロック部１０ｂとに挟持されることで、ケーシング１０に固定されている。更に詳細に説明すると、板ばね１２の外縁部分１２ｂは、平坦に形成されている。この外縁部分１２ｂが、ケーシング１０に固定されている。即ち、外縁部分１２ｂが、カバー部１０ａとハウジングブロック部１０ｂとに挟持されている。

ハウジングブロック部１０ｂには、板ばね１２の外縁が載せられている。ハウジングブロック部１０ｂには、外縁部分１２ｂの外縁（即ち、板ばね１２の外縁）に対応させるように段部１０ｃが形成されている。より詳細に説明すると、ハウジングブロック部１０ｂでは、その一端面に軸線Ｌ１に沿って弁室２２が形成されている。ハウジングブロック部１０ｂの一端面に板ばね１２より大径の段部１０ｃが形成されている。板ばね１２は、その外縁を段部１０ｃに載せるように配置されている。そして、ハウジングブロック部１０ｂの一端面にカバー部１０ａが被せられている。カバー部１０ａには、段部１０ｃに対応する円環状の環状突起部１０ｄが形成されている。そして、環状突起部１０ｄを段部１０ｃに嵌め込むことによって外縁が段部１０ｃと環状突起部１０ｄとによって挟持される。なお、段部１０ｃと環状突起部１０ｄとは、必ずしも設ける必要はなく、省略することも可能である。また、段部１０ｃは、必ずしもハウジングブロック部１０ｂに形成されている必要はなく、カバー部１０ａに形成されてもよい。この場合、ハウジングブロック部１０ｂに環状突起部１０ｄが形成されている。カバー部１０ａ及びハウジングブロック部１０ｂは、複数の締結具、本実施形態においてボルトによって締結されており、その締結力によって板ばね１２の外縁が挟持されている。なお、カバー部１０ａ及びハウジングブロック部１０ｂは、必ずしも締結具によって固定されている必要ななく、互いを螺合してもよい。

また、ケーシング１０には、板ばね１２に対して軸線方向一方側に二次室２６が形成されている。また、板ばね１２に対して二次室２６の反対側、即ち軸線方向他方側に大気室２８が形成されている。本実施形態では、二次室２６は、カバー部１０ａと板ばね１２とで囲われている。より詳細に説明すると、カバー部１０ａには、環状突起部１０ｄの内側に凹所１０ｅが形成されている。凹所１０ｅと板ばね１２とに囲われた空間が、二次室２６を成している。また、大気室２８は、ハウジングブロック部１０ｂと板ばね１２とで囲われている。より詳細に説明すると、ハウジングブロック部１０ｂには、段部１０ｃの内側に凹所１０ｆが形成されている。凹所１０ｆと板ばね１２とに囲われた空間が、大気室２８を成している。

二次室２６は、弁体１１に二次圧を作用させるべく二次圧が導かれる部屋である。二次室２６は、板ばね１２によって覆われている。そのため、板ばね１２によって、二次室２６が大気室２８から隔離されている。即ち、板ばね１２の外縁が段部１０ｃと環状突起部１０ｄとに挟持されることによって、段部１０ｃと環状突起部１０ｄとの間にメタルシールが形成される。これにより、二次室２６が大気室２８から隔離されている。また、弁体１１には、連通路１１ｂが形成されている。連通路１１ｂは、環状通路２２ｃと二次室２６とを繋いでいる。それ故、二次室２６には、連通路１１ｂを介して二次圧が導かれる。そして、板ばね１２は、二次室２６に導かれた二次圧を受圧することができる。即ち、板ばね１２を介して二次圧を弁体１１に対して閉方向に作用させることができる。

また、板ばね１２は、前述の通り、軸線方向一方（一方向）、即ち開方向に凸状に形成されている。そのため、弁体１１が軸線方向他方側、即ち閉方向側に移動すると、弾性復帰しようと弁体１１を開方向に付勢する。それ故、弁体１１は、前述する二次圧に抗する付勢力を板ばね１２から受けている。また、弁体１１に対しては、一次側通路２１の一次圧及び環状通路２２ｃの二次圧が開方向に作用している。それ故、弁体１１は、受圧する一次圧及び二次圧、並びに付勢力が釣り合う位置へと移動する。これにより、弁体１１が二次圧に応じた位置へと移動して弁通路１３の開度を調整し、二次圧を所定圧に保つ。このような機能を有する板ばね１２は、開方向に凸状の円板部材であるので、圧縮コイルばねを用いる場合に比べてばねの高さを抑えることができる。これにより、減圧弁１の高さを抑えつつ円滑に弁体１１を開方向に付勢することができる。また、板ばね１２は、外縁部分１２ｂと中心部分１２ａとを繋ぐテーパ部１２ｃが以下のように形成されている。

即ち、テーパ部１２ｃは、図２に示すようにテーパ状に形成されている。本実施形態では、テーパ部１２ｃは複数の角度のテーパ状に形成されている。詳細に説明すると、テーパ部１２ｃは外縁側部分１２ｄと中心側部分１２ｅとが互いに異なるテーパ角α，βを有している。即ち、中心側部分１２ｅのテーパ角βは、外縁側部分１２ｄのテーパ角αより鋭角になっている。それ故、板ばね１２は、その外縁が挟持された状態で弁体１１が閉方向に移動する。なお、テーパ角α、βは、直接測定することも可能であるが、外縁部分１２ｂ（平坦部分）と外縁側部分１２ｄ及び中心側部分１２ｅの各々とが成す角度から計算してもよい。

更に詳細に説明すると、板ばね１２は、中心部分１２ａが軸線方向他方に動くと以下のように撓む。即ち、テーパ部１２ｃが外縁側部分１２ｄ及び中心側部分１２ｅの相対角を変えながら弾性変形し、中心部分１２ａを平行に移動させる。それ故、板ばね１２は弁体１１を閉方向へと略真っ直ぐ降ろして軸ずれ（弁体１１の傾き）を防止することで弁体１１が閉方向に移動する際に弁体１１が弁室２２にて片当たりすることを抑制することができる。また、テーパ部１２ｃを形成することで、板ばね１２の反り返りを抑制できる。これにより、板ばね１２から弁体１１が外れることを抑制することができる。なお、テーパ部１２ｃは、必ずしも外縁側部分１２ｄと中心側部分１２ｅとが互いに異なるテーパ角を有している必要はなく、１つのテーパ角にて形成されていてもよい。

また、板ばね１２の外縁部分１２ｂの内側部分は、段部１０ｃから凹所１０ｆへと突き出ている。これにより、中心部分１２ａが閉方向に移動した際に、板ばね１２が撓むためのスペースを確保することができる。即ち、外縁部分１２ｂの内側部分を凹所１０ｆ側(図１の紙面下側)に撓ませることができ、テーパ部１２ｃの外縁側部分１２ｄが外縁部分１２ｂに対し略平坦になるまで板ばね１２を変形させることができる。それ故、図３に示すように弁体１１が着座部２４に着座している際に外縁側部分１２ｄが外縁部分１２ｂに対し略平坦になるように板ばね１２を設計することによって、減圧弁１における板ばね１２の高さを更に抑えることができる。

また、減圧弁１では、弁室２２の内周面にリリーフポート２２ｄが形成されている。本実施形態において、リリーフポート２２ｄは、軸線Ｌ１に対して二次側通路２３の開口と対称な位置に形成されている。リリーフポート２２ｄには、リリーフ通路２５が繋がっている。リリーフ通路２５は、軸線Ｌ１に直交する方向に延在している。また、ケーシング１０には、リリーフ弁３が一体的に設けられており、リリーフ通路２５は、リリーフ弁３を介して大気に繋がっている。リリーフ弁３は、減圧弁１の二次圧が所定の設定圧を超えると二次圧を大気等に排出する。このように弁室２２の内周面にリリーフポート２２ｄを形成することによって、弁体１１の側方にリリーフ弁３を配置することができる。これにより、バルブユニット２の軸線方向の長さを抑えることができる。

更に、バルブユニット２では、ケーシング１０に開放通路２９が形成されている。開放通路２９は、リリーフ弁３の二次側の空間と大気室２８とを連通している。更に詳細に説明すると、大気室２８は、板ばね１２によって二次室２６から隔離され、且つシール部材２７によって環状通路２２ｃからも隔離されている。開放通路２９は、大気室２８をリリーフ弁３の二次側の空間と連通している。それ故、板ばね１２が変形して大気室２８の容積が変動した際やガスが大気室２８に漏れ出た場合であっても、大気室２８を大気圧にて維持することができる。また、二次圧が設定圧を超えてリリーフ弁３がリリーフ通路２５を開くと、開放通路２９によってリリーフ弁３の二次側の圧力であるリリーフ圧が大気室２８に導入される。これにより、リリーフ圧を二次圧に抗して板ばね１２に作用させることができる。それ故、リリーフ弁３が作動した際の板ばね１２に作用する荷重を抑制することができる。

このように構成されている減圧弁１では、板ばね１２が弁体１１から径方向外方、即ち側方に延在している。それ故、減圧弁１の軸線方向の長さを従来の減圧弁より短くすることができる、即ち減圧弁１の小型化を図ることができる。また、減圧弁１では、前述の通り板ばね１２が受圧機能も有しているので、弁体１１の小型化又は部品点数の低減を図ることができる。更に、板ばね１２がシール機能も有しているので、更に部品点数の低減を図ることができる。これにより、減圧弁１の小型化を図ることができる。また、板ばね１２をシールとして用いることで、弁体１１に設けられる摺動シール部材の数を減らすことができる。これによって、弁体に作用する摺動抵抗を小さくすることができる。また、板ばね１２をシールとして用いることで、摺動抵抗を小さくすることができる。更に、減圧弁１では、弁体１１が樹脂製の部材で構成されているので、着座部２４に着座する部分と残余部とが別体で形成されているものに比べて、部品点数を低減することができ、また弁体１１の製造が容易である。それ故、減圧弁１の製造コストの低減を図ることができる。

［その他の実施形態］
本実施形態では、板ばね１２を減圧弁１に適用した場合を説明したが、適用される弁装置は減圧弁１に限定されない。例えば、開閉弁やリリーフ弁であってもよく、一次圧や二次圧等のガス圧に抗して弁体を開方向又は閉方向に付勢する弁装置であればよい。また、板ばね１２は、必ずしも弁体１１の端面に取り付けられる必要はなく、弁体１１の側面に取り付けられてもよい、更に板ばね１２は、前述するような形状に限定されず、弁体１１から側方に延在する板形状（例えば、矩形状）のものであればよい。また、板ばね１２は、必ずしも受圧機能やシール機能を有している必要もなく、弁体１１や別部材によって達成するようにしてもよい。即ち、弁体１１に受圧部を形成したり、Ｏリングやダイアフラムを用いてシールを達成したりするようにしてもよい。

また、図４に示す減圧弁１ＡのようにＯリング１５を用いてシールを達成するようにしてもよい。即ち、環状突起部１０ｄに環状の凹部１０ｇが形成され、そこにＯリング１５が嵌め込まれ、Ｏリング１５と共に板ばね１２の外縁が段部１０ｃと環状突起部１０ｄとに挟持される。これにより、よりシール性を高めることができる。

また、弁通路１３の形状も前述の形状に限定されない。例えば、二次室２６に二次側通路２３が繋がっていてもよい。また、リリーフ弁３の位置も前述の位置に限定されず、二次側通路２３に接続されるようにしてもよい。また、二次室２６へ二次圧を導くべく、弁体１１に必ずしも図１のような連通路１１ｂが形成されている必要はない。例えば、ケーシング１０に、二次側通路２３（又は環状通路２２ｃ）と二次室２６とを繋ぐ通路を形成してもよい。他にも、二次側通路２３を通路及び外部配管を介して二次室２６に繋いでもよい。また、開放通路２９は、必ずしもリリーフ弁３に繋がっている必要はない。即ち、開放通路２９は、直接大気に開放されていてもよい。

１減圧弁（弁装置）
２バルブユニット
３リリーフ弁
１０ケーシング
１１弁体
１２板ばね（付勢部材）
１２ａ中心部分
１２ｂ外縁部分
１２ｃテーパ部
１２ｄ外縁側部分
１２ｅ中心側部分
１３弁通路
２２弁室
２２ｄリリーフポート
２６二次室
２８大気室

Claims

弁通路が形成されるケーシングと、
前記ケーシングに移動可能に収容され、二次圧に応じて位置を変えて前記弁通路の開度を調整する弁体と、
前記弁体を二次圧に抗して前記弁通路を開く開方向に付勢する付勢部材と、を備え、
前記付勢部材は、板状のばねであって前記弁体から側方に延在している、減圧弁。
前記ケーシングは、二次圧が導かれる二次室を有し、
前記付勢部材は二次室を覆い、二次室に導かれる二次圧を受圧し、受圧する二次圧に応じた位置へと前記弁体を移動させる、請求項１に記載の減圧弁。
前記ケーシングは、弁体を収容する弁室を有し、
前記付勢部材は、前記弁室と前記二次室との間をシールするように前記ケーシングに設けられている、請求項２に記載の減圧弁。
前記付勢部材は、金属製の部材であり、
前記弁体は、樹脂製の部材である、請求項１又は２に記載の減圧弁。
前記付勢部材は、前記開方向に凸状の円板状に形成されている、請求項１乃至４の何れか１つに記載の減圧弁。
前記付勢部材は、外縁部分と中心部分とを繋ぐテーパ状のテーパ部を有し、前記ケーシングによって前記外縁部分が支持され且つ前記弁体が中心部分に取り付けられている、請求項５に記載の減圧弁。
前記テーパ部は、その外縁部分側の部分に比べて中心部分側の部分の方が鋭角になるように形成されている、請求項６に記載の減圧弁。
前記ケーシングには、二次圧をリリーフするリリーフポートが形成され、
前記リリーフポートは、前記ケーシングにおいて前記弁体の側方に形成されている、請求項１乃至７の何れか１つに記載の減圧弁。
請求項１乃至８の何れか１つに記載の減圧弁と、
前記減圧弁の二次圧をリリーフするリリーフ弁とを備え、
前記ケーシングは、二次圧が導かれる二次室を有し、
前記減圧弁は、前記ケーシングにおいて、前記付勢部材に対して前記二次室の反対側に、前記二次室及び弁通路から隔離されている大気室が形成され、
前記大気室は、前記リリーフ弁の二次側通路を介して大気に開放されている、バルブユニット。