(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高圧の流体を減圧する減圧弁であって、
内部に設けられた前記高圧の流体の流路上に、上流から下流に向けて開閉弁室、弁座、バルブステム室、ハウジング室を順に有するハウジングと、
前記開閉弁室に配置されて、前記弁座との開度を調節する開閉弁と、
前記ハウジング室を、減圧室と圧力調整室に区画するとともに、前記減圧室の容積を増加減少可能に変位する、円筒状に形成された受圧部材と、
前記バルブステム室に対して開閉方向に摺動自在に設けられて前記受圧部材と前記開閉弁間に位置するように設けられたバルブステムであって、前記受圧部材による前記減圧室の容積の増加時及び減少時に、前記開閉弁と前記受圧部材の動きを同方向となるように連動させて、前記開閉弁の前記開度の調節を許容するバルブステムとを、備え、
前記バルブステムの外周面は、該バルブステムの軸方向においてクラウニングが施されて樽形状となっているとともに、
前記開閉弁は、前記開閉弁室の内周面に対し摺接する外周面を有し、該外周面は、円筒状となっている減圧弁。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、減圧弁に関する。
【背景技術】
【０００２】
図３に示すように、特許文献１、特許文献２に記載される減圧弁のハウジング２００には、図示しない入力ポートから出力ポートまで延びる流体すなわちガスの流路２０２を備えている。ハウジング２００に形成されたシリンダ２０４内にはピストン２０６が往復移動可能に配置されている。また、流路２０２は、弁座２１１を境に開閉弁側の流路と、シリンダ側の流路を備えており、開閉弁側の流路内には、開閉弁２０９が前記弁座２１１を開閉するように移動可能に配置されている。ピストン２０６内にはピストンばね２０８が、開閉弁２０９には開閉弁ばね２１３がそれぞれ配置されている。
【０００３】
シリンダ２０４側のガスが出力ポート側へ流れて、シリンダ２０４の内底側の室（以下、減圧室という）のガスの圧力が下がると、反内底側の室（圧力調整室）の気圧による圧力とピストンばね２０８に押されたピストン２０６が、図３において下動する。すると、バルブステム２１２を介して、開閉弁２０９が開弁することにより、開閉弁２０９に設けられた可変絞り部２１０と弁座２１１間から、ガスがシリンダ２０４内に供給されて、必要以上のガスの圧力の低下を防止する。
【０００４】
また、減圧室のガスの圧力が上昇して、該ガスの圧力と開閉弁ばね２１３の総和が、ピストンばね２０８の押し付け力と圧力調整室の気圧による圧力の総和を上回ると、ピストン２０６が図３において、上動する。これと連動して、バルブステム２１２及び開閉弁２０９が開閉弁ばね２１３により押し上げられて、可変絞り部２１０と前記弁座２１１の流路が閉まり（閉弁）し、必要以上にシリンダ２０４内のガスの圧力が上昇することを防止する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−２０６３６０号公報
【特許文献２】特開２０１４−１１５８２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、バルブステム２１２はバルブステム室２１４内を往復移動するように配置されており、前記往復移動時にバルブステム室２１４の内周面と摺動する。バルブステムは円柱状に形成されていて、該バルブステムが往復移動する際に傾くことがある。この傾きが保持された状態で摺動すると、傾いたバルブステムの端部がバルブステム室２１４の摺接面に対して摩耗キズを発生させる。この摩耗キズが生じた状態で摺動が繰返されると、バルブステム２１２の摺動抵抗が大きくなって、バルブステム２１２の往復移動が阻害されることにより、過渡的な調圧外れを起こす虞がある。
【０００７】
本発明の目的は、バルブステムとバルブステムに摺接するバルブステム室の内周面の発生応力を下げることができ、両者の摩耗キズの発生を抑制できる減圧弁を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記問題点を解決するために、本発明の減圧弁は、内部に設けられた流体の流路上に、上流から下流に向けて開閉弁室、弁座、バルブステム室、ハウジング室を順に有するハウジングと、前記開閉弁室に配置されて、前記弁座との開度を調節する開閉弁と、前記ハウジング室を、減圧室と圧力調整室に区画するとともに、前記減圧室の容積を増加減少可能に変位または変形する受圧部材と、前記バルブステム室に対して開閉方向に摺動自在に設けられて前記受圧部材と前記開閉弁間に位置するように設けられたバルブステムであって、前記受圧部材による前記減圧室の容積の増加時及び減少時に、前記開閉弁と前記受圧部材の動きを同方向となるように連動させて、前記開閉弁の前記開度の調節を許容するバルブステムとを、備え、前記バルブステムの外周面は、樽形状となっているものである。
【０００９】
上記構成により、往復移動するバルブステムは、樽形状の外周面がバルブステム室の内周面と摺接することにより、相互に接触する部位の発生応力を抑制するとともに該部位の摩耗キズの発生を抑制する。
【００１０】
また、前記バルブステムの外周面は、該バルブステムの軸方向においてクラウニングが施されていてもよい。
上記構成により、バルブステムの外周面がクラウニングによって、樽形状となり、バルブステムが往復移動するときには、バルブステムの外周面及び該バルブステムと摺接するバルブステム室の内周面の発生応力が抑制され、該部位の摩耗キズの発生が抑制される。
【００１１】
また、前記開閉弁は、前記開閉弁室の内周面に対し摺接する外周面を有していて、その外周面は、樽形状となっていてもよい。
上記構成により、往復移動する開閉弁は、樽形状の外周面が開閉弁室の内周面と摺接することにより、相互に接触する部位の発生応力を抑制するとともに該部位の摩耗キズの発生を抑制する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、バルブステムとバルブステムに摺接するバルブステム室の内周面の発生応力を下げることができ、両者の摩耗キズの発生を抑制できる効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】一実施形態の減圧弁の断面図。
【図２】バルブステム及びその周辺の部材の断面図。
【図３】従来の減圧弁の断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を、高圧の水素ガスを減圧する減圧弁に具体化した一実施形態を、図１及び図２を参照して説明する。
この減圧弁１０は、例えば燃料電池車両などの燃料電池システムに搭載される。減圧弁１０は、燃料タンク（図示せず）から供給される高圧（例えば３．約７０ＭＰａ）の流体すなわち水素ガスを低圧（例えば１ＭＰａ）に減圧するものである。
【００１５】
（減圧弁の構成）
減圧弁１０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ハウジング１１と、ハウジング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。弁体１２は、開閉弁に相当し、ピストン１６は、受圧部材に相当する。
【００１６】
ハウジング１１の内部には、流路１８が形成されており、流路１８上には第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。シリンダ１１４はハウジング室に相当する。
【００１７】
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。第１の円筒部１１１は、開閉弁室に相当する。
【００１８】
弁体１２は、第１の円筒部１１１内を開方向（図１において、下方向。以下、同じ）及び閉方向（図１において、上方向。以下、同じ）に移動可能とされている。開方向及び閉方向の両者をいうときは以下、開閉方向という。弁体１２は、弁ばね７１により閉方向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。
【００１９】
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（図１において、上下方向長さ）は、第２の円筒部１１２の深さ（図１において、上下方向長さ）よりも若干厚く（長く）形成されている。
【００２０】
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。弁座固定部材１４は、金属材料により形成されている。第３の円筒部１１３に螺着された弁座固定部材１４の底面は、弁座１３の上面と当接されている。第３の円筒部１１３への弁座固定部材１４の螺入に伴い、弁座１３は下方に向かって押圧されており、このため、弁座１３は、弁座固定部材１４と第２の円筒部１１２の底部（すなわち、段部）との間で挟持されている。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ている。
【００２１】
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、すなわち軸方向（図１において、上下方向）に貫通する貫通孔４１は、弁座１３の孔部３１と連通されている。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。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は、第３の円筒部１１３に螺着されている。
【００２２】
図１に示すように、貫通孔４１とシリンダ１１４との間は、流路孔４３によって接続されている。図１に示すように、弁座固定部材１４の厚み（図１において、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おり、弁座固定部材１４の上部４２は、シリンダ１１４内に位置するように配置されている。
【００２３】
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が収容されていて、バルブステム室に相当する。
図１、図２に示すように、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。バルブステム下端部５１とバルブステム上端部５３は、バルブステム本体部５２よりも縮径して形成されており、バルブステム本体部５２には軸方向において両端面を有している。
【００２４】
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、外周面が軸方向において中央が膨出するように樽形状をなしている。本実施形態では、樽形状とするために、クラウニングが施されている。
【００２５】
なお、樽形状は、クラウニング、或いはエンドレリーフが施されて形成されたものである。クラウニングは、Ｒを備えた曲面を有しており、フルクラウニング、パーシャルクラウニング、対数円弧クラウニング、複合円弧クラウニングのいずれであってもよい。フルクラウニングは、軸方向（すなわち、長手方向）が一定曲率になっているものである。パーシャルクラウニングは、軸方向の両端がクラウニングされており、両端間は、直線部を有するものである。対数円弧クラウニングは、軸方向の中央部側は円弧で形成されており、端へ行くほど対数的に外径が減少するように形成されている。複合円弧クラウニングは、曲率が異なる円弧を繋ぎ合わせて、端へ行くほどに曲率半径が減少するように形成されている。
【００２６】
エンドレリーフは、軸方向において両端側の外周面が端へ行くほど径が小さくなるようにしたものであり、軸方向の中央部は直線的に形成される。
バルブステム本体部５２には、バルブステム本体部５２の両端面間を貫通する複数の流路孔５４が所定の等ピッチで軸方向に形成されている。流路孔５４は、流路として機能する。
【００２７】
図１において二点鎖線で示すように、弁体１２の弁体テーパ部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。
【００２８】
図１に示すように、シリンダ１１４には、弁体１２の開閉方向と同方向（図１において、上下方向）に移動するピストン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との間にはシール部材８０が介在されていて、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。
【００２９】
シリンダ１１４内は、ピストン１６の上方に設けられる空間である圧力調整室９１と、ピストン１６の下端面とシリンダ１１４間の空間を減圧室９２として、ピストン１６によって区画されている。減圧室９２は、二次ポートと接続されている。
【００３０】
ピストン１６は、圧力調整室９１側の内部に収容されたピストンばね７２により開方向（図１において、下方向）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（すなわち、弁ばね７１の付勢力はピストンばね７２の付勢力よりも小とされている）。ピストンばね７２は第１弾性部材に相当し、弁ばね７１は第２弾性部材に相当する。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、凹凸のない平坦面とされている。
【００３１】
また、ピストン１６の下端面６１の外径は、弁座固定部材１４の上端面４５の外径（すなわち、角部４２ａの外接円の直径）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の開方向（下方向）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。
【００３２】
ピストン１６は、減圧室９２の流体圧（本実施形態では、ガス圧）の影響を受けて上下移動する。すなわち、減圧室９２の流体圧が上昇し、該流体圧による押圧力と弁ばね７１の付勢力の総和が、ピストンばね７２の付勢力及び圧力調整室９１の気圧による圧力の総和を超えると、ピストン１６は閉方向（上方向）に移動する。
【００３３】
前記ピストン１６が閉方向（上方向）に移動してピストン１６の下端面６１が弁座固定部材１４の上端面４５から離間すると、弁ばね７１の付勢力により、弁体１２及びバルブステム１５はピストン１６に追従して閉方向へ移動し、弁体テーパ部２３が弁座テーパ部３３に近接する。そして、図１において二点鎖線で示すように、弁体テーパ部２３と弁座テーパ部３３とが当接し、閉弁する。
【００３４】
この場合、ピストン１６が閉方向(上方向）へ移動することにより、減圧室９２の容積は増加する。
この状態において、逆に減圧室９２の流体圧が減少し、該流体圧による押圧力と弁ばね７１の付勢力の総和が、ピストンばね７２の付勢力及び圧力調整室９１の気圧による圧力の総和を下回ると、ピストン１６は、開方向（下方向）に移動する。この移動により、弁ばね７１の付勢力に抗してピストン１６に押圧されたバルブステム１５が弁体１２を開方向へ押圧して移動させる。この場合、減圧室９２の容積は、ピストン１６が開方向(下方向）へ移動することにより、減少する。
【００３５】
そして、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とが当接すると、弁体１２の弁体テーパ部２３と弁座テーパ部３３とが離間して全開する。このように、弁体１２が弁座１３に対して離間または接近することにより、弁体１２は弁座１３との開度が調節される。
【００３６】
（実施形態の作用）
上記のように構成された減圧弁１０の作用を、弁体１２が全開している状態から説明する。
【００３７】
一次ポートを介して減圧弁１０に供給された高圧ガスは、全開の弁体１２、弁座固定部材１４の貫通孔４１、バルブステム１５の流路孔５４、及び複数の流路孔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。
【００３８】
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が上昇して減圧室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、減圧室９２のガスの圧力（流体圧）による押圧力と弁ばね７１の付勢力の総和と、ピストンばね７２の付勢力及び圧力調整室９１の気圧による圧力の総和の大小関係により変位する。
【００３９】
詳しくは、ガスの圧力増加により減圧室９２のガスの圧力による押圧力と弁ばね７１の付勢力の総和が、ピストンばね７２の付勢力と圧力調整室９１の気圧による圧力の総和を超えると、ピストン１６は閉方向（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が上方に変位して弁体１２が閉じる。
【００４０】
一方、ガスの圧力減少によって減圧室９２のガスの圧力による押圧力と弁ばね７１の付勢力の総和が、ピストンばね７２の付勢力とと圧力調整室９１の気圧による圧力の総和よりも下回ると、ピストン１６は開方向（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が開方向に変位して弁体１２が開く。
【００４１】
また、バルブステム１５は、外周面が軸方向において中央が膨出するように樽形状をなしており、開閉方向に往復移動する際に、Ｒをもつ樽形状の外周面が貫通孔４１（バルブステム室）の内周面と摺接することにより、相互に接触する部位の発生応力を抑制する。この結果、接触する部位の摩耗キズの発生が抑制される。
【００４２】
すなわち、ガスの圧力が高圧であればあるほど、前記接触する部位では、大きな応力が発生するが、バルブステム１５の樽形状の曲面が、貫通孔４１の内周面と接触する部位はミクロ的には面接触となり、面接触したところで前記応力が分散することになる。このことによって、応力集中が回避され接触する部位の摩耗キズの発生が抑制される。
【００４３】
また、ガスの減圧弁１０への供給を停止すると、減圧室９２からは二次ポートへガスが抜けて減圧室９２の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の付勢力と圧力調整室９１の気圧による圧力の総和の方が大きくなるので、ピストン１６は開方向（減圧室９２側）に変位する。
【００４４】
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、ともに平坦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。
【００４５】
本実施形態によれば、以下に示す効果が得られる。
（１）本実施形態の減圧弁１０は、内部に設けられた流体の流路上に、上流から下流に向けて第１の円筒部１１１（開閉弁室）、弁座１３、貫通孔４１（バルブステム室）、シリンダ１１４（ハウジング室）を順に有するハウジング１１を備えている。また、減圧弁１０は、第１の円筒部１１１（開閉弁室）に配置されて、弁座１３との開度を調節する弁体１２（開閉弁）と、シリンダ１１４(ハウジング室)を、減圧室９２と圧力調整室９１に区画するとともに、減圧室９２の容積を増加減少可能に変位するピストン１６(受圧部材)を備えている。また、減圧弁１０は、貫通孔４１(バルブステム室)に対して開閉方向に摺動自在に設けられてピストン１６(受圧部材)と弁体１２(開閉弁)間に位置するように設けられたバルブステム１５を有する。バルブステム１５は、ピストン１６(受圧部材)による減圧室９２の容積の増加時及び減少時に、弁体１２(開閉弁)とピストン１６(受圧部材)の動きを同方向となるように連動させて、弁体１２(開閉弁)の開度の調節を許容するものとなっている。そして、このバルブステム１５の外周面が、樽形状となっている。この結果、本実施形態によれば、バルブステムとバルブステムに摺接するバルブステム室の内周面の発生応力を下げることができ、両者の摩耗キズの発生を抑制できる効果を奏する。
【００４６】
（２）本実施形態の減圧弁１０では、バルブステム１５の外周面は、該バルブステムの軸方向においてクラウニングが施されている。この結果、本実施形態によれば、バルブステムの外周面がクラウニングによって、樽形状となり、バルブステムが往復移動するときには、バルブステムの外周面及び該バルブステムと摺接するバルブステム室の内周面の発生応力が抑制でき、該部位の摩耗キズの発生が抑制できる。
【００４７】
なお、前記実施形態は以下のように変更してもよい。
・前記実施形態では、弁体１２の弁体本体部２１を円柱状に形成したが、弁体１２の軸方向において、その外周面が軸方向において中央が膨出するように樽形状をなしていてもよい。この樽形状は、例えば、クラウニング、或いはエンドレリーフを施すことにより形成される。
【００４８】
このことにより、弁体１２が、開閉方向に往復移動する際に、Ｒをもつ樽形状の外周面が円筒部１１１の内周面と摺接することにより、相互に接触する部位の発生応力を抑制でき、接触する部位の摩耗キズの発生が抑制できる。
【００４９】
・前記実施形態では、ピストン１６を受圧部材としたが、ピストン１６の代りに、圧力調整室９１と減圧室９２とを区画するダイアフラムを設けて、このダイアフラムを受圧部材としてもよい。ダイアフラムは、変形することにより、減圧室９２の容積を増加、減少する。
【００５０】
・前記実施形態では、弁座固定部材１４に、バルブステム室としての貫通孔４１を設けたが、弁座固定部材１４をハウジング１１と一体に形成して、ハウジング自体に貫通孔４１を設けてもよい。この場合、図１におけるハウジング１１を、弁座固定部材１４の下面に相当する面に沿って２分割したものを、相互に気密状、水密状、または油密状に一体に連結することにより、ハウジングを構成すればよい。
【００５１】
・前記実施形態では、バルブステム１５のバルブステム本体部５２内に流路孔５４を形成した。この流路孔５４の代りに、バルブステム本体部５２の中央が膨出するように形成した樽形状の外周面に対して、バルブステム１５の開閉方向に延びる複数の流路溝を凹設してもよい。流路溝は、単数、または、適宜間隔を置くように、複数設ければよい。
【００５２】
・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、流路孔５４を省略してもよい。
・複数の流路孔５４を非等角度間隔で配置してもよい。
【００５３】
・流路孔４３は、上端面４５に凹設した流路溝に変更してもよい。
・前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。
・前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。
【００５４】
・前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ガスでもよく、また、単一組成に限らず、複数のガスを混合した混合ガスでもよい。
【００５５】
・また、気体以外の流体、例えば、蒸気、或いは水、油等の液体としてもよい。
【符号の説明】
【００５６】
１０…減圧弁、１１…ハウジング、１２…弁体（開閉弁）、１３…弁座、
１４…弁座固定部材、１５…バルブステム、１６…ピストン(受圧部材)、
１９…開閉弁、２１…弁体本体部、２２…弁体先端部、
２３…弁体テーパ部、３１…孔部、３３…弁座テーパ部、
４１…貫通孔（バルブステム室）、４２…上部、４２ａ…角部、
４３…流路孔、４５…上端面、５１…バルブステム下端部、
５２…バルブステム本体部、５３…バルブステム上端部、５４…流路孔、
６１…下端面、７１…弁ばね（第２弾性部材）、
７２…ピストンばね（第１弾性部材）８０…シール部材、
９１…圧力調整室、９２…減圧室、１１１…第１の円筒部（開閉弁室）、
１１２…第２の円筒部、１１３…第３の円筒部、
１１４…シリンダ（ハウジング室）。
【図１】
0006580458.tif 000002
【図２】
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【図３】
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