(57)【要約】【課題】外部からの操作により、系外にガスを可逆的に放出できる機構を有し、通常時に急激な支燃性ガスの印加があっても発火がおきにくい高圧ガス用圧力放出弁を提供する。【解決手段】本発明に係る高圧ガス用圧力放出弁１は、弁箱５内のガスが放出される流路の上流側に配設されてガス流れを抑制するガス流抑制弁部７と、前記流路のガス流抑制弁部７の下流側に配設されてガス流れをシールするガスシール弁部９と、外部からの操作によりガスシール弁部９及びガス流抑制弁部７を開放する弁棒１１とを備え、ガス流抑制弁部７は、不燃性の材料からなる第１弁体３３と、第１弁体３３が着座する不燃性の材料からなる第１弁座３５と、第１弁体３３を第１弁座３５に押圧する第１付勢手段３７とを有し、ガスシール弁部９は、シール部材を備えた第２弁体４３と、第２弁体４３が着座する第２弁座４５と、第２弁体４３を第２弁座４５に押圧する第２付勢手段４７とを有する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
支燃性の高圧ガスを供給、消費する際に使用される逆止弁であり、かつ外部からの操作により、内部の圧力を系外に放出するリリーフ機能を有する高圧ガス用圧力放出弁であって、
弁箱内のガスが放出される流路における上流側に配設されてガス流れを抑制するガス流抑制弁部と、前記流路における前記ガス流抑制弁部の下流側に配設されてガス流れをシールするガスシール弁部と、外部からの操作により前記ガスシール弁部及び前記ガス流抑制弁部を開放する弁棒とを備え、
前記ガス流抑制弁部は、不燃性の材料からなる第１弁体と、該第１弁体が着座する不燃性の材料からなる第１弁座と、前記第１弁体を前記第１弁座に押圧する第１付勢手段とを有し、
前記ガスシール弁部は、シール部材を備えた第２弁体と、該第２弁体が着座する第２弁座と、前記第２弁体を前記第２弁座に押圧する第２付勢手段とを有することを特徴とする高圧ガス用圧力放出弁。
【請求項２】
前記第１弁体は傾斜面部を有し、前記第１弁座は前記第１弁体の傾斜面部と同じ傾斜角度の傾斜面部を有し、これらの傾斜面部が当接又は微小隙間を介して対向することでガス流れが抑制されるように構成したことを特徴とする請求項１記載の高圧ガス用圧力放出弁。
【請求項３】
前記弁棒は前記第２弁体を離座させる押し圧力を付与可能に設けられ、第１付勢手段の付勢力は第２付勢手段の付勢力よりも大きく設定されると共に前記第１弁体は離座した第２弁体を介して離座方向の押し圧力が伝達されるように構成され、
前記弁棒が弁開放方向に操作されたときに、前記第２弁体が前記第２付勢手段の付勢力に抗して開放し、その後、前記第１弁体が開放するように構成したことを特徴とする請求項１又は２に記載の高圧ガス用圧力放出弁。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば高圧ガス容器の口金に取り付けられる高圧ガス用圧力放出弁に関する。
【背景技術】
【０００２】
高圧ガスが酸素などの支燃性ガスの場合、急激な弁開操作をしたときに、元弁より下流側において急激な圧力上昇が生じ(断熱圧縮)、圧縮熱によりエラストマー等の可燃性の材料からなるガスケットなどが自然発火をおこすことが知られている。
このため、下流側の弁、配管類は可能な限り不燃性の材料を使用することが望ましい。一方で、気密性を確保すると共に、経済性を考慮すると、エラストマー等の可燃性の部材をシール部材として使用せざるを得ない。
【０００３】
このような背景を前提として、まず断熱圧縮による自然発火について概説し、圧力放出弁、逆止弁の現状について説明する。
【０００４】
＜断熱圧縮による自然発火＞
酸素など支燃性の高圧ガスを供給、消費する際に、閉鎖空間となっている低圧部分の上流側において急激な弁操作を行うと、低圧部分の閉鎖部において断熱圧縮がおき、非常に高い温度になる。断熱圧縮温度は、一般に下式で表される。
T2/T1=(P2/P1)((γ-1)/γ)
ここで、T1:圧縮前のガス温度、T2:圧縮後のガス温度
P1:圧縮前のガス圧力、P2:圧縮後のガス圧力、
γ：比熱比(酸素の場合は1.4)
【０００５】
上式から、大気圧の酸素を15MPaGに急激に圧縮すると、室温のガスが約1200℃にもなることがわかる。
一方、支燃性ガスの供給や消費において、上述のように、弁類や継手類などは気密性と経済性、利便性を確保するために、シール材料としてエラストマーを使用せざるを得ず、多くはナイロンやフッ素系の樹脂、フッ素ゴムを使用している。
【０００６】
これら有機材料の高圧酸素雰囲気中の自然発火温度はナイロンで200℃〜220℃、フッ素樹脂でも480℃〜520℃程度である。このため、断熱圧縮によって加熱された支燃性ガス近傍にこれら有機材料が共存すると、ガスの熱が有機材料表面に伝達し、有機材料が自然発火、更に有機材料自体が雰囲気の支燃性ガスによって燃焼することで、大きな火災が配管内部から発生する。
【０００７】
このような状態を避けるためには、急激な加圧操作を避けること、弁、配管類に不燃性の材料を使用することなどが考えられる。
急激な加圧操作を根本的に避けるためには、固定オリフィスなどを系内に入れる方法が考えられ、この例が特許文献１に開示されている。
【０００８】
＜圧力放出弁＞
高圧ガスは、圧力の高い状態で保持されているため、高圧という物理的な潜在的な危険を有している。なんらかの要因で高温に暴露されたり、貯留容器に不具合が発生したりした場合、更に定常操作でも大気圧まで戻す必要がある場合には、可能な限り短時間で系外に排出することが求められる。
このような、圧力放出弁の例としては、例えば特許文献２に開示された「逆止弁付きボンベバルブ」がある。
【０００９】
＜逆止弁＞
逆止弁については、種々のものが存在するがシンプルな構造のものとしては、例えば特許文献３に開示された「逆止弁」が挙げられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２０１４−１７３６８８号公報
【特許文献２】特開２００２−１４７６９７号公報
【特許文献３】特開２００８−１３８７４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
特許文献１に開示されたように、固定オリフィスなどで流量を抑制しようとすると、常時流量を制限することになるため、系外にガスを急激に排出したい場合などに用いることができない。
【００１２】
圧力放出弁に限定されることではないが、繰り返しの開閉操作を行うような場合にも閉止時には確実に放出流れがおきないことが最重要であり、気密性を保つためにフッ素ゴムなどが多く用いられている。
このため特許文献２に開示された従来技術では、弁閉時には一次側から高圧のガスが急激に印加された場合に、使用している有機材料近傍での断熱圧縮は避けられず、急激な加圧操作を避ける以外に着火リスクを回避する方法がなかった。
また、アルミニウムなど不燃性の材料を使用すれば着火を避けることができるが、多くは硬く変形しにくいために、十分な気密性を得ることが難しいだけでなく、繰り返しの操作にも十分な耐久性を得ることは難しいという問題がある。
【００１３】
逆止弁の機構には多くの構造が提案、実用化されているが、前述のように断熱圧縮による影響を考慮した高圧支燃性ガスに適応したものは少ない。この点、特許文献３に開示された逆止弁についても、非常に簡素な構成ではあるものの支燃性ガスの突入による発火の危険性は考慮されていない。
【００１４】
また、高圧の支燃性ガスが突入して断熱圧縮による高温化が生じても発火がおこらないよう、全ての部材が不燃性の材料で構成されている逆止弁も存在する。このような逆止弁は、高温による発火の危険性がないものの、硬質の材料だけで構成されているため、特に一次側と二次側の差圧が小さいときや、度重なる開閉による磨耗などによる出流れ、逆流が生じることがあるという問題がある。
【００１５】
本発明はかかる課題を解決するためになされたものであり、経済性と気密性を確保したうえで、高圧の支燃性ガスの供給や消費に不可欠な逆止弁のうち、外部からの操作により、系外にガスを可逆的に放出できる機構を有し、通常の使用時に急激な支燃性ガスの印加があっても発火がおきにくい高圧ガス用圧力放出弁を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
（１）本発明に係る高圧ガス用圧力放出弁は、支燃性の高圧ガスを供給、消費する際に使用される逆止弁であり、かつ外部からの操作により、内部の圧力を系外に放出するリリーフ機能を有する高圧ガス用圧力放出弁であって、
弁箱内のガスが放出される流路における上流側に配設されてガス流れを抑制するガス流抑制弁部と、前記流路における前記ガス流抑制弁部の下流側に配設されてガス流れをシールするガスシール弁部と、外部からの操作により前記ガスシール弁部及び前記ガス流抑制弁部を開放する弁棒とを備え、
前記ガス流抑制弁部は、不燃性の材料からなる第１弁体と、該第１弁体が着座する不燃性の材料からなる第１弁座と、前記第１弁体を前記第１弁座に押圧する第１付勢手段とを有し、
前記ガスシール弁部は、シール部材を備えた第２弁体と、該第２弁体が着座する第２弁座と、前記第２弁体を前記第２弁座に押圧する第２付勢手段とを有することを特徴とするものである。
【００１７】
（２）また、上記（１）に記載のものにおいて、前記第１弁体は傾斜面部を有し、前記第１弁座は前記第１弁体の傾斜面部と同じ傾斜角度の傾斜面部を有し、これらの傾斜面部が当接又は微小隙間を介して対向することでガス流れが抑制されるように構成したことを特徴とするものである。
【００１８】
（３）また、上記（１）又は（２）に記載のものにおいて、前記弁棒は前記第２弁体を離座させる押し圧力を付与可能に設けられ、第１付勢手段の付勢力は第２付勢手段の付勢力よりも大きく設定されると共に前記第１弁体は離座した第２弁体を介して離座方向の押し圧力が伝達されるように構成され、
前記弁棒が弁開放方向に操作されたときに、前記第２弁体が前記第２付勢手段の付勢力に抗して開放し、その後、前記第１弁体が開放するように構成したことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係る高圧ガス用圧力放出弁は、弁箱内のガスが放出される流路における上流側に配設されてガス流れを抑制するガス流抑制弁部と、前記流路における前記ガス流抑制弁部の下流側に配設されてガス流れをシールするガスシール弁部と、外部からの操作により前記ガスシール弁部及び前記ガス流抑制弁部を開放する弁棒とを備え、前記ガス流抑制弁部は、不燃性の材料からなる第１弁体と、該第１弁体が着座する不燃性の材料からなる第１弁座と、前記第１弁体を前記第１弁座に押圧する第１付勢手段とを有し、前記ガスシール弁部は、シール部材を備えた第２弁体と、該第２弁体が着座する第２弁座と、前記第２弁体を前記第２弁座に押圧する第２付勢手段とを有することにより、弁箱内に高圧が印加された場合に、不燃性の材料からなるガス流抑制弁部によってガス流れが抑制され、シール部材を備えたガスシール弁部には高圧が印加されないので、シール部材が可燃性の材料であっても燃焼することがない。このため、シール部材として、経済性とシール性を有する可燃性の材料のものを使用することができ、本発明の高圧ガス用圧力放出弁は、経済性と気密性を確保したうえで、通常の使用時において急激な支燃性ガスの印加があっても発火がおきないという効果を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施の形態に係る高圧ガス用圧力放出弁の断面斜視図である。
【図２】図１の分解斜視図である。
【図３】本発明の一実施の形態に係る高圧ガス用圧力放出弁の動作説明図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
［構成の説明］
本実施の形態の高圧ガス用圧力放出弁１は、支燃性の高圧ガスを供給、消費する際に使用される逆止弁であり、かつ外部からの操作により、内部の圧力を系外に放出するリリーフ機能を有するものである。
その具体的な構成として、図１、図２に示すように、ガスの供給を受ける本体部３と、本体部３にネジ接合された弁箱５と、弁箱５内のガスが放出される流路における上流側に配設されてガス流れを抑制するガス流抑制弁部７と、流路におけるガス流抑制弁部７の下流側に配設されてガス流れをシールするガスシール弁部９と、外部からの操作によりガス流抑制弁部７及びガスシール弁部９を開放する弁棒１１とを備えている。
以下、各構成を詳細に説明する。
【００２２】
＜本体部＞
本体部３は側面にフランジ部１３を有する筒状の部材からなり、一端側の内面に雌ネジ１５が形成されて図示しないガス流路の配管と接合可能になっており、他端側の外周面に雄ネジ１７が形成されて弁箱５とネジ接合されている。フランジ部１３における弁箱５の端部と当接する面にはＯリング１８が配設されて弁箱５との間で気密を保持できるようになっている。
本体部３の他端側は閉塞された端面１９となっており、端面１９の近傍で他端側の周面には弁箱５と連通する連通路２１が形成されている。
本体部３は、銅、真鍮やステンレス鋼等の金属製の材料によって形成されている。
【００２３】
＜弁箱＞
弁箱５の内部には、本体部３における雄ネジ１７が形成された他端側が挿入される本体部収容部２３と、ガス流抑制弁部収容部２５、ガスシール弁部収容部２７、弁棒１１が挿入される挿入穴２９が設けられている。本体部収容部２３の内壁面には本体部３の雄ネジ１７と螺合する雌ネジ３１が形成されている。
また、ガス流抑制弁部収容部２５には後述する第１弁座３５が形成され、ガスシール弁部収容部２７には後述の第２弁座４５が形成されている。
弁箱５は、銅、真鍮やステンレス鋼等の金属製の部材からなる。
【００２４】
＜ガス流抑制弁部＞
ガス流抑制弁部７は、不燃性の材料からなる第１弁体３３と、第１弁体３３が着座する不燃性の材料からなる第１弁座３５と、第１弁体３３を第１弁座３５に押圧する第１付勢手段３７とを有している。
第１弁体３３は、中央に円柱状の凹陥部３９が設けられ、凹陥部３９と反対の端面側には全周に亘る傾斜面部４１が形成されている。
第１弁座３５は、第１弁体３３の傾斜面部４１と同じ傾斜角度の傾斜面となっており、第１弁体３３と第１弁座３５が当接又は微小隙間を介して対向することでガス流れが抑制されるように構成されている。
【００２５】
第１付勢手段３７は、コイルばねからなり、第１弁体３３の凹陥部３９に挿入されて、一端側が本体部３の端面１９に当接し、他端側が第１弁体３３の凹陥部３９の底面に当接している。第１付勢手段３７は、第１弁体３３を第１弁座３５に向けて付勢することで、第１弁体３３の傾斜面部４１を第１弁座３５に押圧して密着又は近接させている。通常時において、第１弁体３３と本体部３の端面１９との間には隙間Ｓ１が形成されている。
ガス流抑制弁部７は、不燃性の材料であることが必要であり、銅、銅合金またはステンレスなど熱伝導が比較的良い金属材料を用いることができる。
【００２６】
第１弁体３３の傾斜面部４１と第１弁座３５とは、通常時において気密を保つ必要はなく、一次側からガス流が突入したときに二次側に非常にゆっくりと流れる程度の隙間が形成されていてもよい。もっとも、隙間がなく気密状態で着座していてもよい。
すなわち、ガス流抑制弁部７の機能としては、弁箱５内に突入したガス流れを抑制してガスシール弁部９のシール部材５１がある空間に断熱圧縮による高温状態が生じないようにすればよい。
【００２７】
なお、本実施の形態のガス流抑制弁部７の第１弁体３３は、傾斜面部４１というテーパー状の面によって第１弁座３５に接触するようにしたが、例えば第１弁体３３を球面で構成して弁座と線接触するようにしてもよい。もっとも、線接触での接触の場合には、接触面積が非常に狭くガス流を抑制する効果が低いため、テーパー状の面接触のように接触面積が広い方がより好ましい。
【００２８】
＜ガスシール弁部＞
ガスシール弁部９は、シール部材５１が装着された第２弁体４３と、第２弁体４３が着座する第２弁座４５と、第２弁体４３を第２弁座４５に押圧する第２付勢手段４７とを有している。
第２弁体４３は、中央に円柱状の凹陥部４９が設けられ、凹陥部４９と反対の端面側は全周に亘る傾斜面になっている。傾斜面には、周方向でかつ全周に亘る溝部が形成され、溝部にはシール部材５１としてのＯリングが装着されている。第２弁体４３は、シール部材５１を除き銅、真鍮、ステンレスなどの材料を用いることができる。また、シール部材５１はフッ素系ゴムだけでなく、EPDMなども使用できる。
【００２９】
本実施の形態では、ガスシール弁部９が形成されている空間は、前述のように、断熱圧縮による高温状態が生じないので、ガスシール弁部９にシール部材５１としてフッ素系ゴムやEPDMなどで形成されたＯリングを用いることができ、気密性と経済性を実現できる。
【００３０】
第２弁座４５は、第２弁体４３の傾斜面部と同じ角度の傾斜面によって形成され、シール部材５１が当接するようになっている。
【００３１】
第２付勢手段４７は、コイルばねからなり、第２弁体４３の凹陥部４９に挿入されて、一端側が第１弁体３３に当接し、他端側が第２弁体４３の凹陥部４９の底面に当接している。なお、通常時においては、付勢手段の一端側が第１弁体３３に当接し、第２弁体４３と第１弁体３３との間には隙間Ｓ２が形成されている。
第２付勢手段４７は、第２弁体４３を第２弁座４５に向けて付勢することで、第２弁体４３のシール部材５１を第２弁座４５に押圧して密着させている。
なお、第２付勢手段４７の付勢力（バネ力）は、第１付勢手段３７の付勢力（バネ力）よりも小さく設定されている。
【００３２】
第２弁体４３は、通常時は第２付勢手段４７及び／又はガスの圧力によって第２弁座４５側に押圧されて、シール部材５１によってシールすることで、ガスの流出を止めている。
【００３３】
＜弁棒＞
弁棒１１は、一端側が第２弁体４３に当接し他端側には操作部５３が設けられている。操作部５３を第２付勢手段４７の付勢力より強い力で押下することで、第２弁体４３が押し下げられて第２弁座４５とシール部材５１との間に隙間が形成される。そして、弁棒１１をさらに押し下げると、第２弁体４３が第１弁体３３に当接して、第１弁体３３が第２弁体４３を介して押し下げられ、第１弁体３３と第１弁座３５との間に隙間が形成される。これによって、一次側のガスが二次側に流れ、さらには外部に放出される。
【００３４】
なお、弁棒１１の押下方法は、手動に限らず空圧、電動アクチュエータなどいずれの方法であってもかまわない。
【００３５】
［動作説明］
上記のように構成された本実施の形態の高圧ガス用圧力放出弁１の動作を図３に基づいて説明する。
通常時においては、基部側の内部のガスが連通路２１を介して弁箱５内に流入している。この状態では、図３（ａ）に示すように、第１弁体３３は第１付勢手段３７及びガス圧力によって第１弁座３５に押圧されて着座し、密着または小さな隙間が形成された状態になっている。
また、第２弁体４３は第２付勢手段４７（及びガス圧力）によって第２弁座４５に押圧されて着座し、シール部材５１によってシールされて気密状態になっている。
この状態では、ガスの放出流路は閉じた状態になっており、ガスが外部に放出されることはない。
【００３６】
この通常状態で、例えば元弁の急な弁開操作によって、本体部３に高圧ガスが突入して、弁箱５内のガスが圧縮されても、ガスはガス流抑制弁部７によって遮断もしくは緩やかな流れでガスシール弁部９に流れることになる。よって、可燃性のシール部材５１の存在するガスシール弁部９では断熱圧縮が生ずることがない。
もっとも、ガス流抑制弁部７では断熱圧縮が生ずるが、当該部位は金属製の不燃性の材料で形成されているので、燃焼することはない。
【００３７】
ガスを系外に放出させたいときには、図３（ｂ）の矢印で示す方向に操作部５３を押し下げ、弁棒１１を介して第２弁体４３、第１弁体３３を離座させることで、放出流路を開状態にして一次側のガスを系外に放出させることができる。
このとき、弁棒１１を押し下げると、まず第２弁体４３が隙間Ｓ２の分だけ移動し、これによって第２弁体４３が離座して第２弁座４５との間に隙間（流路）が形成される。さらに、弁棒１１が押し下げられると、第２弁体４３を介して第１弁体３３が押し下げられて隙間Ｓ１の分だけ移動し、第１弁体３３が離座して第１弁座３５との間に隙間（流路）が形成され、一次側のガスがガスシール弁部９に流入して系外に放出することになる。このように、系外へのガス放出の際でも、先にガスシール弁部９側で流路が形成され、その後で一次側からガスシール弁部９側にガスの流入がされるので、ガスシール弁部９で断熱圧縮が生ずることがない。
【００３８】
以上のように、本実施の形態の高圧ガス用圧力放出弁１によれば、支燃性高圧ガスの供給、消費設備に使用したとしても、断熱圧縮による発火の可能性を最小にできる機構であり、系外にガスを短時間で放出するリリーフ機能が簡易な構成で実現できている。また、繰り返しの開閉操作でも十分な耐久性を有しており、さらには低い圧力差であっても、閉止時には逆流などがなく十分な閉止ができる機構が実現されている。
【実施例】
【００３９】
本発明の効果を確認する実験を行ったので、以下これについて説明する。
図１に示した高圧ガス用圧力放出弁１におけるガス流抑制弁部７がないことを想定してガスシール弁部９の流路を閉とし、大気圧から一次側に15MPaの酸素を急激に加圧する条件で、ガスシール弁部９のＯリング表面温度の推算のシミュレーションを行った。
その結果、Ｏリング表面は、最高で640℃にまでなると計算された。フッ素系のゴムの高圧酸素中での自然発火温度は最も高いものでも500℃程度以下であるため、Ｏリングの発火は避けられないと判断された。
【００４０】
一方、図１に示す本発明の高圧ガス用圧力放出弁１を製作し、最大で20MPaまで高圧酸素ガスを急激に印加したが、発火等は観測されなかった。
また、数回の印加を繰り返した後にリリーフ操作を実施したが、支障なくガスの放出ができた他、更に流路閉で一次側に15MPaを印加した状態で二次側へのガス漏洩を測定したが、ガスの出流れは観測できなかった。
【００４１】
以上から、本発明の高圧ガス用圧力放出弁１の効果が実証され、本発明により非常に簡易かつ安価で支燃性高圧ガスの供給、消費に関わる発火を抑制できることがわかった。
【符号の説明】
【００４２】
１  高圧ガス用圧力放出弁
３  本体部
５  弁箱
７  ガス流抑制弁部
９  ガスシール弁部
１１  弁棒
１３  フランジ部
１５  雌ネジ（本体部）
１７  雄ネジ（本体部）
１８  Ｏリング
１９  端面
２１  連通路
２３  本体部収容部
２５  ガス流抑制弁部収容部
２７  ガスシール弁部収容部
２９  挿入穴
３１  雌ネジ（弁箱）
３３  第１弁体
３５  第１弁座
３７  第１付勢手段
３９  凹陥部（第１弁体）
４１  傾斜面部
４３  第２弁体
４５  第２弁座
４７  第２付勢手段
４９  凹陥部（第２弁体）
５１  シール部材
５３  操作部
Ｓ１  第１弁体と本体部の端面との間の隙間
Ｓ２  第２弁体と第１弁体との間の隙間
【図１】
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【図２】
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【図３】
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