7666942 調圧弁

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2025-04-14

(45)【発行日】2025-04-22

(54)【発明の名称】調圧弁

(51)【国際特許分類】

   F16K 1/36 20060101AFI20250415BHJP

   F16K 17/30 20060101ALI20250415BHJP

【ＦＩ】

F16K1/36 Z

F16K17/30 A

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2021017962

(22)【出願日】2021-02-08

(65)【公開番号】P2022120912

(43)【公開日】2022-08-19

【審査請求日】2024-01-25

(73)【特許権者】

【識別番号】000004695

【氏名又は名称】株式会社ＳＯＫＥＮ

(73)【特許権者】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】000001247

【氏名又は名称】株式会社ジェイテクト

(74)【代理人】

【識別番号】110000028

【氏名又は名称】弁理士法人明成国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】三石 康志

(72)【発明者】

【氏名】堀田 裕

(72)【発明者】

【氏名】中野 哲

(72)【発明者】

【氏名】中村 昭夫

【審査官】北村 一

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１８－１０１３４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－２８７６０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－１５２５１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－０３９５１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－０２３５０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－０８３９８１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ１６Ｋ １／００－ １／５４

Ｆ１６Ｋ ３９／００－５１／０２

Ｆ１６Ｋ １７／１８－１７／３４

Ｆ１６Ｋ １７／００－１７／１６８

Ｆ１６Ｋ １５／００－１５／２０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

調圧弁であって、
弁体と、
前記弁体が接する弁座であって、前記弁体と接する側から流体が流入する弁座と、
前記弁体を前記弁座に押し当てる弾性部材と、を備え、
前記弁体は、
前記弾性部材の少なくとも一部を収容し、前記弁座と反対側に開口する中空部と、
前記弁体の外側のうち前記弁座に接触しない部分と、前記中空部とを連通する貫通孔と、
柱部と、
前記柱部よりも前記弁座側に設けられた略円錐形状の円錐部と、を有し、
前記中空部は、前記柱部内に形成されており、
前記貫通孔は、前記弁体の中心軸と交差する方向に前記円錐部を貫通する貫通部と、前記貫通部と前記中空部とを連通する連通部とを有する、調圧弁。

【請求項2】

請求項１に記載の調圧弁であって、
前記貫通孔は、略円形状、略矩形形状、多角形形状または、二つの等しい長さの平行線と二つの半円形からなる形状のいずれかの形状である、調圧弁。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、調圧弁に関する。

【背景技術】

【0002】

調圧弁として、弁体が弁座に接したり、弁体が弁座から離れたりすることで、弁の開閉を行い、減圧を行うものが知られている。ある調圧弁において、弁体は、弁座と反対側に開口している凹部を有しており、弁体を弁座に押しつける弾性部材を凹部に収容する。特許文献１には、弁体における、弁座と反対側である後退位置を規定する支持部材に、複数の貫通孔を設けた技術が記載されている。支持部材を弁座と反対側から凹部の中心軸方向に沿って見たとき、貫通孔の中心は、弁体の開口した部分に含まれない。そのため、弁体の凹部の内部に流入した流体によって弁体が弁座に必要以上に押しつけられ、弁座に過大な荷重がかかることを抑制することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１９－３９５１２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

支持部材を弁座と反対側から凹部の中心軸方向に沿って見たとき、貫通孔の中心が弁体の開口した部分に含まれない調圧弁であっても、支持部材の貫通孔から弁体に向かって流れる流体の圧力が高い場合、以下のような課題が生じ得る。すなわち、弁体の凹部内に流入した流体が凹部の底で跳ね返り、上流に向かう向きの圧力波が生じ、弁体の開口から外部に向けて流体が流出したり流入したりを繰り返すことで弁体において自励振動が発生するおそれがある。この場合、弁体が上下に激しく移動して、弁体の先端が変形するおそれがある。そのため、弁体における自励振動を抑制できる技術が求められていた。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本開示は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
本開示の一形態によれば、調圧弁が提供される。この調圧弁は、弁体と、前記弁体が接する弁座であって、前記弁体と接する側から流体が流入する弁座と、前記弁体を前記弁座に押し当てる弾性部材と、を備える。前記弁体は、前記弾性部材の少なくとも一部を収容し、前記弁座と反対側に開口する中空部と、前記弁体の外側のうち前記弁座に接触しない部分と、前記中空部とを貫通する貫通孔と、柱部と、前記柱部よりも前記弁座側に設けられた略円錐形状の円錐部と、を有し、前記中空部は、前記柱部内に形成されており、前記貫通孔は、前記弁体の中心軸と交差する方向に前記円錐部を貫通する貫通部と、前記貫通部と前記中空部とを連通する連通部とを有する。

【0006】

本開示の一形態によれば、調圧弁が提供される。この調圧弁は、弁体と、前記弁体が接する弁座と、前記弁体を前記弁座に押し当てる弾性部材と、を備える。前記弁体は、前記弾性部材の少なくとも一部を収容し、前記弁座側が閉じており、前記弁座と反対側に開口する中空部と、前記弁体の外側のうち前記弁座に接触しない部分と、前記中空部とにそれぞれ開口している貫通孔と、を有し、前記貫通孔の中心軸は、前記弁体の中心軸と交差している。
この調圧弁によれば、弁体の内部である中空部に流入した流体が、貫通孔を介して弁体の外部へ排出される。そのため、弁体の内部の流体が弁体の弁座側にぶつかり、弁体の開口している側に戻ることを抑制できるため、圧力波や渦が発生することを抑制できる。また、貫通孔の中心軸は、弁体の中心軸と交差している。そのため、貫通孔の中心軸が弁体の中心軸とねじれの位置にある場合と比べて、より速く流体を弁体の外部に排出させることができる。従って、弁体における自励振動を抑制できる。

【0007】

なお、本開示は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、調圧弁の弁体、本形態の調圧弁を含む燃料電池システム等の態様で実現することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】調圧弁の概略構成を示す説明図である。

【図2】図１における弁体周辺の拡大図である。

【図3】弁体の説明図である。

【図4】上流圧力と推力の関係の一例を示した図である。

【図5】第２実施形態における弁体の概略構成を示す説明図である。

【図6】第３実施形態における弁体の概略構成を示す説明図である。

【図7】第４実施形態における調圧弁の概略構成を示す説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

Ａ．第１実施形態：
図１は、本実施例の調圧弁の概略構成を示す説明図である。図２は、図１における弁体１１０周辺の拡大図である。調圧弁１０は、例えば、燃料電池車両に搭載される燃料ガスのガスタンクと燃料電池とを繋ぐ流体回路の途中に設けられ、高圧の燃料ガスを減圧して燃料電池に送出する。調圧弁１０は、入口ポート２０と出口ポート４０とが設けられた本体３０を備える。入口ポート２０は、本体３０の中心軸Ｏの上流側に設けられている。出口ポート４０は、中心軸Ｏ上からずれた位置であり、後述するプラグ部材３２０の近傍に設けられている。入口ポートから流入した流体は、本体３０において調圧され、出口ポート４０から排出される。

【0010】

本体３０は、流体の流通方向における上流から順に、入口ポート２０と連通する流路部１００と、第１収容部２００と、第２収容部３００と、出口ポート４０と連通する第３収容部４００とを備える。流路部１００と第１収容部２００と第２収容部３００と第３収容部４００とは、中心軸Ｏと垂直方向の断面が略円形に形成されている。流路部１００の直径は、第１収容部２００の弁座２１０の直径よりも小さい。第１収容部２００の直径は、第２収容部３００の直径よりも小さい。第２収容部３００の直径は、第３収容部４００の直径よりも小さい。流路部１００の中心軸と第１収容部２００の中心軸と第２収容部３００の中心軸と第３収容部４００中心軸とは、中心軸Ｏと同軸である。

【0011】

流路部１００は、弁体１１０と弾性部材１２０と支持部材１３０とを収容する。

【0012】

弁体１１０は、中空部１１１と第１貫通孔１１２１と、第２貫通孔１１２２とを有する。以下では、第１貫通孔１１２１と第２貫通孔１１２２とを合わせて、単に貫通孔１１２とも呼ぶ。流路部１００における、弁体１１０の外側の隙間を空間１４０ともいう。弁体１１０の形状については後述する。

【0013】

中空部１１１は、第１収容部２００の弁座２１０側が閉じており、弁座２１０と反対側に開口する。中空部１１１は、弾性部材１２０の一部を収容する。弁座２１０の詳細については後述する。

【0014】

貫通孔１１２は、弁体１１０の外側のうち弁座２１０に接触しない部分と、中空部１１１とにそれぞれ開口している。本実施形態において、貫通孔１１２の断面は略円形状であり、貫通孔１１２の中心軸は、弁体１１０の中心軸Ｏと交差している。本実施形態において、貫通孔１１２の中心軸は弁体１１０の中心軸Ｏと垂直に交差している。本実施形態において、第１貫通孔１１２１の中心軸と第２貫通孔１１２２の中心軸とは、同一である。

【0015】

図３は、弁体１１０の説明図である。本実施形態において、弁体１１０は、円錐部１１３と柱部１１４とから形成される。円錐部１１３は、弁座２１０側に形成されており、先端が略円錐形状である。円錐部１１３の一部は、弁座２１０の流通孔２１１に収容される。円錐部１１３の一部が流通孔２１１に収容される場合、円錐部１１３は、流通孔２１１をほぼ閉塞させる。柱部１１４は、円錐部１１３の下部、すなわち、円錐部１１３における弁座２１０と反対側に形成されている。柱部１１４は中空部１１１を形成している。図２に示すように、本実施形態において、円錐部１１３は、中空部１１１の底面を形成している。柱部１１４は略四角柱状であり、側面の各辺が面取りされている。弁体１１０を開口している側から見た場合、略八角形形状であり、各辺は中空部１１１の中心に向かって凹んでいる。

【0016】

弾性部材１２０（図１、２参照）は、弁体１１０を弁座２１０に押し当てる部材である。本実施形態において、弾性部材１２０は、コイルバネである。支持部材１３０は、弾性部材１２０の内部に位置しており、弾性部材１２０を支えている。なお、支持部材１３０は省略してもよい。

【0017】

第１収容部２００は、弁座２１０を備える。弁座２１０は、中央に中心軸Ｏと同軸の流通孔２１１を有している。流通孔２１１の外径は、円錐部１１３の先端の外径よりも大きく、柱部１１４の外径よりも小さい。

【0018】

第２収容部３００は、ピストンピン３１０とプラグ部材３２０とを収容している。ピストンピン３１０は、弁座２１０側の先端が細くなる円錐形状である。ピストンピン３１０の先端は、弁体１１０の円錐部１１３の先端とのみ接合されている。ピストンピン３１０と弁体１１０との接合部３１１は弁体１１０の流通孔２１１の内径よりも細い。ピストンピン３１０はプラグ部材３２０に収容されている。ピストンピン３１０の弁座２１０側の先端とプラグ部材３２０との間には隙間３３０が生じている。プラグ部材３２０は、円柱形状である。ピストンピン３１０の中心軸とプラグ部材３２０の中心軸とは中心軸Ｏと同軸である。プラグ部材３２０の外径は、第２収容部３００の内径とほぼ同じである。プラグ部材３２０の中心軸Ｏ方向における長さは、第２収容部３００の中心軸Ｏ方向における長さよりも大きく、第２収容部３００の第３収容部４００側の端面より第３収容部４００側に突き出ている。

【0019】

第３収容部４００はピストン４１０とピストンバネ４２０とを。ピストン４１０とピストンピン３１０とは接合されている。従って、ピストン４１０と弁体１１０とは、一体として動作する。

【0020】

調圧弁１０の動作について説明する。入口ポート２０に流体が供給されない場合、ピストンバネ４２０により、ピストン４１０は、流体が供給される場合よりも入口ポート２０側に付勢されている。プラグ部材３２０は、第２収容部３００の第３収容部４００側の端面より第３収容部４００側に突き出ている。その結果、ピストン４１０は、プラグ部材３２０に当たる位置で止まる。この状態において、弁座２１０の流通孔２１１の位置にピストンピン３１０と弁体１１０との接合部３１１が位置している。ピストンピン３１０と弁体１１０との接合部は、上述したように流通孔２１１の内径よりも細いので、流通孔２１１と接合部３１１との間には隙間２３０が生じている。従って、流路部１００と、第２収容部３００の隙間３３０とは、この隙間２３０を介して繋がっている。

【0021】

流体は、図２に示す矢印方向に流通する。より具体的には、入口ポート２０から流路を介して供給された流体は、空間１４０、中空部１１１、貫通孔１１２を通って、流通孔２１１に出力される。流体が中空部１１１に流入し、貫通孔１１２を通って空間１４０に流れるときに、圧力損失が生じる。その結果、流路部１００の圧力は、第２収容部３００の圧力よりも低くなる。この圧力差により、弁体１１０は、ピストン４１０とともに、上側に押し上げられる。そのため、流体は、第３収容部４００とピストン４１０との間に生じる隙間４３０を通り、出力ポートへ流れる（図１参照）。その結果、第２収容部３００の圧力が下がる。

【0022】

図４は、上流圧力と推力の関係の一例を示した図である。図４は、横軸が調圧弁１０に流入する流体の圧力であり、縦軸が弁体１１０を弁座２１０側へと押し上げる推力である。調圧弁１０に流入する流体の圧力は、図２に示す点Ｐ１において測定される。弁体１１０を押し上げる推力は、中心軸Ｏ方向における弁体１１０の位置を可視化し、弁体１１０の位置と推力との関係が定義されたマップや関数に基づき求められる。図４は、各圧力における推力の近似曲線を示す。図４において、比較例として、実施形態における弁体１１０を、貫通孔を有さない弁体に置き換えた場合の推力を示す。

【0023】

図４に示すように、上流圧力が圧力Ｐｒ１以上圧力Ｐｒ２以下の範囲である範囲ＰＰ１において、弁体１１０を弁座２１０側へと押し上げる推力は、入口ポート２０に接続された燃料タンクのバルブと出口ポート４０の下流の流体回路のバルブが開くことにより、調圧弁１０が閉じるため、上流圧力の増加に伴って増加する。より具体的には、燃料タンクの圧力が増加して調圧弁１０に流入する流体の流量が増加し、弁体１１０を弁座２１０側へと押し上げる推力が増加する。上流圧力が圧力Ｐｒ２以上圧力Ｐｒ３以下の範囲である範囲ＰＰ２において、弁体１１０を弁座２１０側へと押し上げる推力は、調圧弁１０が閉じるため、上流圧力の増加に伴って減少する。より具体的には、調圧弁１０が閉じることで、弁体１１０だけでなく弁座２１０も荷重を分担するため、弁体１１０を弁座２１０側へと押し上げる推力が減少する。本実施形態における推力は、比較例よりも低く、閾値Ｔｔｈ未満である。閾値Ｔｔｈは、推力によって弁体１１０が弁座２１０に押しつけられても塑性変形しない限界値である。すなわち、本実施形態では、弁体１１０の塑性変形が抑制されている。

【0024】

以上で説明した本実施形態の調圧弁によれば、弁体１１０の内部である中空部１１１に流入した流体が、貫通孔を介して弁体１１０の外部へ排出される。そのため、弁体１１０の内部の流体が弁体１１０の弁座２１０側にぶつかり、弁体１１０の開口している側に戻ることを抑制できるため、圧力波や渦が発生することを抑制できる。そのため、弁体１１０における自励振動を抑制できる。また、貫通孔の中心軸は、弁体１１０の中心軸と交差している。そのため、貫通孔の中心軸が弁体１１０の中心軸とねじれの位置にある場合と比べて、より速く流体を弁体１１０の外部に排出させることができる。

【0025】

また、本実施形態において、第１貫通孔１１２１中心軸と第２貫通孔１１２２の中心軸とは同一である。そのため、中空部１１１から弁体１１０の外部への流体の排出が平準化され、中空部１１１における流体の流れが平準化される。従って、弁体１１０における自励振動を抑制できる。

【0026】

Ｂ．第２実施形態：
図５は、第２実施形態における弁体１１０Ｂの概略構成を示す説明図である。本実施形態において、弁体１１０Ｂは、貫通孔１１２Ｂが中心軸Ｏ方向に長い形状である点が第１実施形態と異なり、他の構成は第１実施形態と同じである。貫通孔１１２Ｂは、二つの等しい長さの平行線と二つの半円形からなる形状である。この第２実施形態も、第１実施形態とほぼ同様の効果を有する。なお、貫通孔は、略矩形形状や、多角形形状でもよい。

【0027】

Ｃ．第３実施形態：
図６は、第３実施形態における弁体１１０Ｃの概略構成を示す説明図である。本実施形態において、弁体１１０Ｃは、貫通孔１１２Ｃが円錐部１１３に設けられている点が第１実施形態と異なり、他の構成は第１実施形態と同じである。図６に示すように、本実施形態において、貫通孔１１２Ｃは、弁体１１０の中心軸Ｏと交差するように円錐部１１３の側面を貫通しており、中空部１１１Ｃと連通している。より具体的には、貫通孔１１２Ｃは、弁体の中心軸Ｏと交差する方向に円錐部１１３を貫通する貫通部と、貫通部と中空部１１１Ｃとを連通する連通部１１１１とを有している。この第３実施形態も、第１実施形態や第２実施形態とほぼ同様の効果を有する。なお、貫通孔１１２Ｃは、弁体１１０Ｃが弁座２１０に接する場合においても、弁座２１０に接触しない位置に設けられている。

【0028】

Ｄ．第４実施形態：
図７は、第４実施形態における調圧弁の概略構成を示す説明図である。本実施形態において、支持部材１３０Ｄが弾性部材１２０の全長の３０％以上の長さである点が第１実施形態と異なり、他の構成は第１実施形態と同じである。

【0029】

この形態によれば、弁体１１０の中空部１１１において支持部材１３０が占める容積が増える。そのため、中空部１１１に流入する流体の量を減らすことが出来るため、弁体１１０を押し上げる推力を抑制できる。

【0030】

Ｅ．他の実施形態：
（Ｅ１）上述した実施形態において、弁体１１０は２つの貫通孔１１２１、１１２２を有する。これに限らず、弁体１１０は、貫通孔を１つのみ有しても良く、３つ以上有してもよい。また、第１貫通孔１１２１の中心軸と第２貫通孔１１２２の中心軸とは同一である。これに限らず、第１貫通孔１１２１の中心軸と第２貫通孔１１２２の中心軸とは異なっていてもよい。

【0031】

（Ｅ２）上述した実施形態において、貫通孔１１２の中心軸は、弁体１１０の中心軸Ｏと垂直に交差している。これに限らず、貫通孔１１２の中心軸は、弁体１１０の中心軸Ｏと任意の角度で交差してもよい。なお、貫通孔１１２の中心軸と弁体１１０の中心軸Ｏとがなす角度は、９０±１０度の範囲に入っていることが好ましい。また、貫通孔１１２の中心軸と弁体１１０の中心軸Ｏとがなす角度は、９０度以下であることがより好ましい。

【0032】

（Ｅ３）上述した実施形態において、中空部１１１は弾性部材１２０の一部を収容する。これに限らず、中空部１１１は弾性部材１２０の全部を収容してもよい。

【0033】

本開示は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述した課題を解決するために、あるいは上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜削除することが可能である。

【符号の説明】

【0034】

１０…調圧弁、２０…入口ポート、３０…本体、４０…出口ポート、１００…流路部、１１０、１１０Ｂ、１１０Ｃ…弁体、１１１、１１１Ｃ…中空部、１１２、１１２Ｂ、１１２Ｃ…貫通孔、１１１１…連通部、１１２１…第１貫通孔、１１２２…第２貫通孔、１１３…円錐部、１１４…柱部、１２０…弾性部材、１３０、１３０Ｄ…支持部材、１４０…空間、２００…第１収容部、２１０…弁座、２１１…流通孔、２３０、３３０、４３０…隙間、３００…第２収容部、３１０…ピストンピン、３１１…接合部、３２０…プラグ部材、４００…第３収容部、４１０…ピストン、４２０…ピストンバネ、Ｏ…中心軸

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】