JP4575141B2 - 高圧ガス用減圧弁 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池車用水素ガス等の高圧ガスの圧力調整に用いられる高圧ガス用減圧弁に関するものである。

一般に、上記のような減圧弁（レギュレータ）は、高圧ガスが流入する一次ポートと外部供給側の二次ポートとの間に設けられた開閉弁を備え、この開閉弁が開閉することにより、一次ポートから流入する高圧ガスの圧力（一次圧）を減圧（二次圧）して外部へと供給する。

そして、従来、このような減圧弁には、開閉弁の下流に設けられたシリンダと、同シリンダ内に摺動可能に設けられ減圧室と圧力調整室とを区画するピストンとを備え、圧力調整室側と減圧室側との圧力差に応じたピストンの移動により開閉弁を開閉する所謂ピストン型の減圧弁がある（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−１９２４６２号公報

ところで、このようなピストン型の減圧弁では、通常、ピストンの外周面に配設されたシール部材により減圧室と圧力調整室との間のシール性（気密性）が確保されており、多くの場合、そのシール部材にはＯリングが用いられている。

しかしながら、近年、燃料電池車両等に用いられる水素タンクにおいては、その貯蔵容量の増加を図るべく一層の高圧化が進められており（例えば７０ＭＰａ）、その減圧弁についても、ピストンの減圧室側の面（受圧面）、並びにシール部材に加わるガス圧は極めて高圧なものとなっている。そのため、通常の減圧弁のようにＯリングをシール部材に用いて十分なシール性を確保しようとすれば、その圧縮率を極めて高いものとせざるを得ず、その結果、シリンダ内周面との間の摩擦の増大によってピストンの移動が妨げられるという問題がある。

そこで、従来、こうした高圧ガス用の減圧弁では、弾性部材の押圧力によりシリンダの内周面に摺接する摺接片（シールリップ）を備えた環状のシール部材、即ち所謂リップシールをピストンの外周面に配設することによりそのシール性が確保されている。

例えば、図３に示す減圧弁４１では、リップシール４２は、断面Ｕ字状をなす樹脂製のリング部材４３と、該リング部材４３の凹部４４内に配設された弾性部材としての板バネ４５とからなり、同リップシール４２は、ピストン４６の外周面に形成された収容溝４８に嵌挿され固定用ナット４９によりピストン４６に固定されている。そして、板バネ４５の弾性力により、リング部材４３のシールリップ４７がシリンダ内周面５０に向かって押圧され、同シリンダ内周面５０に摺接することにより、減圧室と圧力調整室との間をシールするようになっている。

このように、リップシールをシール部材として用いることにより、高圧ガス用途においても、十分なシール性を確保しつつピストンを移動可能とすることができる。しかしながら、ガス圧に対応する高い押圧力でシールリップをシリンダ内周面に押し付ける構成であるため、ピストンが移動する際の動きの滑らかさにはなお改善の余地がある。そして、特に燃料電池車両等のように、その使用状態、即ち供給側のガス圧が急峻に変動する環境においては、ピストンの急激な移動により、その移動量が過剰となるという問題がある。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、ピストンの過移動を抑制して、供給側のガス圧が急峻に変動する環境においても高精度の調圧を行うことができる減圧弁を提供することにある。

上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、一次ポートと二次ポートとの間に設けられた開閉弁と、該開閉弁の下流に設けられたシリンダと、該シリンダ内に設けられ減圧室と圧力調整室とを区画するとともに前記圧力調整室側の圧力調整面と前記減圧室側の受圧面との圧力差に応じて前記シリンダ内を摺動することにより前記開閉弁を開閉するピストンとを備え、該ピストンの外周面には、弾性部材の押圧力により前記シリンダの内周面に摺接する摺接片を備えた環状のシール部材としてのリップシールが配設される高圧ガス用減圧弁であって、前記ピストンの外周面の前記リップシールよりも前記圧力調整室側に配置され、前記摺接片を前記シリンダの内周面に摺接させる押圧力よりも小さな弾圧力で前記シリンダの内周面に摺接することにより該ピストンの過移動を抑制する環状部材としてのＯリングを備えること、を要旨とする。

上記構成によれば、ピストンの過移動を引き起こす過剰なエネルギーを、その移動の際にシリンダの内周面と該内周面に摺接された環状部材との摩擦によって消費することができる。その結果、ピストン過移動を抑制して、供給側のガス圧が急峻に変動する環境においても高精度の調圧を行うことができるようになる。

また、多くの減圧弁は圧力調整室と圧力調整室と外部とを連通する貫通孔を有する大気開放型のものが多く、貫通孔から圧力調整室内、ひいてはピストンとシリンダの間に異物が侵入する場合がある。その点、上記構成によれば、環状部材によって、このような異物がシール部材まで達するのを防止して、異物の挟み込みによりシール部材のシール性の低下を予防することができる。
さらに、上記構成によれば、構成簡素且つ安価に緩衝部材を形成することができ、加えてその組付けも容易なものとなる。

請求項２に記載の発明は、前記リップシールは、前記ピストンの外周面に形成された収容溝に嵌挿され固定用ナットによりピストンに固定されること、を要旨とする。

請求項３に記載の発明は、前記Ｏリングの圧縮率は８〜１５％であること、を要旨とする。
上記構成によれば、環状部材（Ｏリング）がピストンの滑らかな移動を妨げず、且つピストンの過移動を抑制するのに必要な摩擦力を確保することができる。

本発明によれば、ピストンの過移動を抑制して、供給側のガス圧が急峻に変動する環境においても高精度の調圧が可能な高圧ガス用減圧弁を提供することができる。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１に示すように、本実施形態の減圧弁１は、水素タンクの開口部を閉塞する栓体ハウジング２に配設された高圧水素タンク用の減圧弁（レギュレータ）であり、同減圧弁１は、栓体ハウジング２に形成された弁機構３と、栓体ハウジング２の開口部を閉塞するアウタハウジング５とを備えて構成されている。

栓体ハウジング２には、第１凹部６と、第１凹部６の中心部において第１凹部６よりも深い第２凹部７とが形成されている。第２凹部７の底面７ａ近傍の側壁には水素タンク内部に連通する流入流路８が、第１凹部６の底面には外部供給ポートに連通する流出流路９が形成されている。そして、本実施形態では、流入流路８により一次ポートが、流出流路９により二次ポートが構成されている。

また、第２凹部７の開口側端部には、円筒状に形成された蓋体１３が固定されており、同第２凹部７の底部近傍には、底体１４が設けられている。そして、この底体１４と第２凹部７の底面７ａと間の空間により一次圧力室１５が構成され、第２凹部７内の蓋体１３と底体１４との間の空間により弁室１６が構成されている。

底体１４には、一次圧力室１５と弁室１６とを連通する貫通孔１７が形成されており、流入流路８から一次圧力室１５に流入した水素ガスは、この貫通孔１７を介して弁室１６に流入する。また、蓋体１３の内周面は一部が縮径されており、その縮径部の中心には、小径の貫通孔１８が形成されている。そして、同貫通孔１８の弁室１６側には、弁座１９が設けられ、弁室１６内には、この弁座１９に対して着離可能に収容された弁体２０が設けられている。尚、本実施形態では、弁体２０は、弁バネ２１の弾性力により弁座１９に着座する方向に向かって付勢されている。そして、この弁体２０が弁座１９に対して着離することにより、弁室１６内の水素ガスが貫通孔１８を介して第１凹部６側に流出し、及びその流出が遮断されるようになっている。即ち、本実施形態では、弁体２０及び弁座１９により開閉弁が構成されている。

一方、アウタハウジング５は、有底筒状に形成されており、その開口部には、径方向外側に向かって延設されたフランジ２３が設けられている。そして、アウタハウジング５は、フランジ２３が栓体ハウジング２の外側面２ａに締結されることにより第１凹部６の開口端に固定され、これにより同開口部を閉塞するようになっている。

また、アウタハウジング５内の開口部には、シリンダ２４が形成されており、このシリンダ２４内には、同シリンダ２４内を摺動可能に設けられたピストン２５が配設されている。尚、シリンダ２４は、蓋体１３と同軸となるように形成されている。そして、このピストン２５により、アウタハウジング５の内部空間と、同アウタハウジング５により閉塞された第１凹部６とが区画されている。

即ち、本実施形態では、アウタハウジング５により閉塞されピストン２５によりアウタハウジング５の内部空間と区画された第１凹部６が減圧室２６を構成する。そして、弁室１６内の水素ガスは、蓋体１３に形成された貫通孔１８を介してこの減圧室２６内に流入し、同減圧室２６を構成する第１凹部６に形成された流出流路９を介して外部へと供給されるようになっている。

一方、ピストン２５により区画されたアウタハウジング５の内部空間には、コイルバネ２８が配設されており、コイルバネ２８の一端は、ピストン２５に当接されている。また、コイルバネ２８の他端には、バネ受け２９が固着されており、同バネ受け２９には、アウタハウジング５の底部３０に貫設された調節螺子３１の先端が当接されている。そして、ピストン２５は、コイルバネ２８の弾性力により減圧室２６側に向かって付勢されている。

即ち、本実施形態では、ピストン２５により区画されたアウタハウジング５の内部空間が圧力調整室３２を構成し、ピストン２５の圧力調整室３２側の面が圧力調整面３３を構成する。そして、ピストン２５は、この圧力調整面３３と同ピストン２５の減圧室２６側の面（受圧面３４）との圧力差に応じてシリンダ２４内を摺動する。

また、ピストン２５の受圧面３４には、貫通孔１８に挿通されたバルブステム３５が固定されており、ピストン２５は、このバルブステム３５により弁体２０と連結されている。尚、本実施形態では、弁体２０及びバルブステム３５は一体に形成されている。そして、このバルブステム３５を介してピストン２５の移動が弁体２０に伝達されることにより、弁体２０が貫通孔１８に設けられた弁座１９に着離、即ち開閉弁が開閉されるようになっている。

即ち、ピストン２５は、減圧室２６内のガス圧（受圧面３４の圧力）が、調節螺子３１を操作することにより設定された圧力調整室３２側の圧力（コイルバネ２８が圧力調整面３３を押圧する圧力）よりも高い場合には、圧力調整室３２側に移動する。これにより、弁体２０が弁座１９に着座（閉弁）し、弁室１６から減圧室２６への水素ガスの流入が遮断される。また、減圧室２６内のガス圧が、圧力調整室３２側の圧力よりも低い場合、ピストン２５は減圧室２６側に移動する。これにより、弁体２０が弁座１９から離間（開弁）し、弁室１６から減圧室２６に水素ガスが流入する。

このようにピストン２５が圧力調整面３３と受圧面３４との圧力差に応じて摺動し、開閉弁を構成する弁体２０及び弁座１９が着離（開閉）することにより、減圧室２６内のガス圧は、圧力調整室３２側の圧力と均衡する。これにより、流出流路９を介して外部へと供給される水素ガスの圧力（二次圧）が、水素タンク内の圧力である一次圧から圧力調整室３２側の圧力として設定された所定の圧力まで減圧されるようになっている。

（ピストンの過移動抑制構造）
次に、本実施形態の減圧弁におけるピストンの過移動抑制構造について説明する。
図２に示すように、本実施形態の減圧弁１では、ピストン２５の外周面２５ａに配設されたリップシール３７により減圧室２６と圧力調整室３２との間のそのシール性が確保されている。尚、本実施形態のリップシール３７の構造及びそのピストン２５への配設構造は、上記従来例（図３参照）と同様であるため、その説明を省略する。

しかしながら、上述のように、本実施形態の減圧弁１のような高圧ガス用減圧弁においてリップシール３７をピストン２５のシール部材として用いた場合、必然的にそのシールリップ４７をシリンダ２４の内周面２４ａに押し付ける押圧力が高くなるために、一次圧と二次圧との差圧の変化に対してピストン２５が遅れて動き出し、その移動開始の動きが急激なものとなってしまう。これはピストン２５の移動開始前におけるシールリップ４７とシリンダ２４の内周面２４ａとの静摩擦力と、移動開始後におけるこれら部材間の動摩擦力との差に起因する減少である。即ち、二次圧が減少して一次圧との差圧が大きくなっても、シールリップ４７とシリンダ２４の内周面２４ａとの静摩擦係数が大きいためにピストン２５がすぐに動き出さない。そして、差圧がさらに大きくなってピストン２５が動き出すと、シールリップ４７とシリンダ２４の内周面２４ａとの摩擦力が動摩擦力に切り替わるために瞬間的に減少し、蓄積された差圧によってピストン２５が急激に動くのである。特に燃料電池車両等のように、その使用状態、即ち供給側のガス圧が水素ガスの需要量（要求される駆動力）の変化によって急峻に変動する環境において、この傾向は顕著なものとなり、ガス圧の調整精度が悪化するという問題がある。

この点を踏まえ、本実施形態の減圧弁１では、ピストン２５の外周面２５ａには、ピストン２５の過剰移動を抑制する環状部材としてのＯリング３８が配設されている。これにより、ピストン２５が動き出した際に、シールリップ４７とシリンダ２４の内周面２４ａとの動摩擦力に加え、Ｏリング３８とシリンダ２４の内周面２４ａとの摩擦力がピストン２５の急激な動きを抑制するように作用するため、ピストン２５の過移動が抑制される。

詳述すると、Ｏリング３８は、ピストン２５の外周面２５ａに形成された収容溝３９内に収容されることにより、同外周面２５ａにおいてリップシール３７よりも圧力調整室３２側に配設されている。

また、本実施形態のＯリング３８は、シール部材として用いられるものと同様にゴムやエラストマ等の弾性材料により形成されるが、その圧縮率（シリンダ２４の内周面２４ａにより収容溝３９内に圧縮される比率）は、シール部材として用いられるものの圧縮率よりも低く設定されている。具体的には、通常、シール部材として用いられるものの圧縮率は２５〜３０％程度であるのに対し、本実施形態のＯリング３８の圧縮率は、最大で１５％程度（好ましくは１２％程度）に設定されている。圧縮率が１５％を超えると、Ｏリング３８が内周面２４ａに押し付けられる押圧力が高くなり、また、内周面２４ａとの接触面積も広くなる。このため、Ｏリング３８に作用する静摩擦力が大きくなり、ピストン２５が動き出した際のＯリング３８の摩擦力の変動が大きくなってしまう。従って、ピストン２５の過移動を適切に抑制することができない。また、Ｏリング３８をシリンダ２４の内周面２４ａに対して確実に摺接させるために確保すべき圧縮率は８％程度である。圧縮率が８％未満であるとピストンの過移動を抑制するために必要な摩擦力を発揮できないためのである。尚、ここでいう圧縮率とは、Ｏリングの厚さの減少分をＯリングの圧縮前の厚さで除した商であり、圧縮ひずみ率又はつぶし率に相当するものである。そして、Ｏリング３８の弾圧力、言い換えるとＯリング３８がシリンダ２４の内周面２４ａを押圧する力は、リップシール３７における弾性部材としての板バネ４５の弾性力よりも低く設定されている。

さて、問題となるピストン２５の過移動は、板バネ４５の弾性力により摺接片としてのシールリップ４７を高い圧力でシリンダ２４の内周面２４ａに押し付けているために、ピストン２５が一瞬遅れて移動し、その遅れによってピストン２５を移動させるエネルギー（圧力調整面３３と受圧面３４との圧力差）が蓄えられることにより生ずる現象である。従って、その遅れによって与えられた過剰なエネルギーをピストン２５が移動する際に消費することで上記過移動を抑制することが可能である。

そこで、本実施形態の減圧弁１では、ピストン２５の外周面２５ａにＯリング３８を配設し、このＯリング３８をシリンダ２４の内周面２４ａに摺接させることにより、ピストン２５が移動する際に、その摩擦によってピストン２５の過移動を引き起こす過剰なエネルギーを消費させる。そして、これにより、ピストン２５の過移動を抑制して、供給側のガス圧が急峻に変動する環境においても高精度の調圧を行うことができるようになっている。

以上、本実施形態によれば、以下のような特徴を得ることができる。
（１）減圧弁１は、ピストン２５の外周面２５ａに配設されたリップシール３７により減圧室２６と圧力調整室３２との間のそのシール性を確保する。そして、ピストン２５の外周面２５ａに環状部材としてのＯリング３８を配設し、このＯリング３８をシリンダ２４の内周面２４ａに摺接させる。

このような構成とすれば、ピストン２５の過移動を引き起こす過剰なエネルギーを、同ピストン２５が移動する際にシリンダ２４の内周面２４ａに摺接されたＯリング３８の摩擦力によって消費することができる。その結果、ピストン２５の過移動を抑制して、供給側のガス圧が急峻に変動する環境においても高精度の調圧を行うことができるようになる。

（２）Ｏリング３８がシリンダ２４の内周面２４ａを押圧する弾圧力は、リップシール３７における板バネ４５の弾性力よりも低く設定される。このような構成とすれば、ピストン２５の動き出しを妨げることがない。

（３）Ｏリング３８は、リップシール３７よりも圧力調整室３２側に配設される。
本実施形態の減圧弁１に限らず、多くの減圧弁は圧力調整室３２と圧力調整室３２と外部とを連通する貫通孔４０（図１参照）を有する大気開放型のものが多く、同貫通孔４０から圧力調整室３２内、ひいてはピストン２５とシリンダ２４の間に異物が侵入する場合がある。その点、上記構成とすれば、Ｏリング３８によって、このような異物がリップシール３７まで達するのを防止して、異物の挟み込みによりリップシール３７のシール性の低下を予防することができる。

なお、上記各実施形態は以下のように変更してもよい。
・本実施形態では、環状部材として、ピストン２５の外周面２５ａにＯリング３８を配設することとしたが、ピストン２５の移動時にその過移動を生じさせる過剰なエネルギーを効果的に消費するものであれば、Ｏリング３８以外のものを用いる構成としてもよい。例えば、Ｏリング３８に代えて、弾性材料以外の材料によってシリンダ２４の内周面２４ａに摺接する部材を形成し、これを環状部材としてもよい。

・本実施形態では、本発明を水素タンクの栓体ハウジング２に配設される高圧水素タンク用の減圧弁（レギュレータ）に具体化したが、栓体ハウジング２と別体に設置される減圧弁に具体化してもよい。また、タンクに収容される気体は水素に限らず、酸素やＣＮＧ（圧縮天然ガス）、或いはＬＰガス等であってもよい。

本実施形態の減圧弁の断面図。 本実施形態の減圧弁におけるピストン近傍の部分断面図。 従来例の減圧弁におけるピストン近傍の部分断面図。

符号の説明

１…減圧弁、８…流入流路、９…流出流路、１６…弁室、１９…弁座、２０…弁体、２４…シリンダ、２４ａ…内周面、２５…ピストン、２５ａ…外周面、２６…減圧室、３２…圧力調整室、３３…圧力調整面、３４…受圧面、３５…バルブステム、３７…リップシール、３８…Ｏリング、４５…板バネ、４７…シールリップ。

Claims (3)

1. 一次ポートと二次ポートとの間に設けられた開閉弁と、該開閉弁の下流に設けられたシリンダと、該シリンダ内に設けられ減圧室と圧力調整室とを区画するとともに前記圧力調整室側の圧力調整面と前記減圧室側の受圧面との圧力差に応じて前記シリンダ内を摺動することにより前記開閉弁を開閉するピストンとを備え、該ピストンの外周面には、弾性部材の押圧力により前記シリンダの内周面に摺接する摺接片を備えた環状のシール部材としてのリップシールが配設される高圧ガス用減圧弁であって、
   前記ピストンの外周面の前記リップシールよりも前記圧力調整室側に配置され、前記摺接片を前記シリンダの内周面に摺接させる押圧力よりも小さな弾圧力で前記シリンダの内周面に摺接することにより該ピストンの過移動を抑制する環状部材としてのＯリングを備えること、
   を特徴とする高圧ガス用減圧弁。
2. 請求項１に記載の高圧ガス用減圧弁において、
   前記リップシールは、前記ピストンの外周面に形成された収容溝に嵌挿され固定用ナットによりピストンに固定されること、を特徴とする高圧ガス用減圧弁。
3. 請求項１又は請求項２に記載の高圧ガス用減圧弁において、
   前記Ｏリングの圧縮率は８〜１５％であること、を特徴とする高圧ガス用減圧弁。

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