ピストン式減圧弁
【課題】 背圧室の容積を必要最小限として、一次圧及び流量などの過渡的な変動に対する応答性、二次圧安定性に優れたピストン式減圧弁を提供すること。
【解決手段】 ハウジング２内で軸線方向に摺動し、一次ポート３の弁座口１０を閉鎖するシート部２１を有するピストン２０と、ピストン２０によって仕切られた一次圧室６及び二次圧室８と、一次圧室６及び二次圧室８と連通するよう形成された弁室７と、二次圧室側からピストン２０に嵌入されるロッド１２とを備え、ピストン２０は、ロッド１２が嵌入される嵌入孔３０と、嵌入孔３０と一次圧室６とを連通させるように形成される連通孔３２とを有し、嵌入孔３０は、嵌入されるロッド１２に面する部分に形成される凹状のシール溝３６を有し、シール溝３６に設けられるシール部材３７によりロッド１２とピストン２０との間をシールすることによってピストン２０内に形成される背圧室３１を備える。
【解決手段】 ハウジング２内で軸線方向に摺動し、一次ポート３の弁座口１０を閉鎖するシート部２１を有するピストン２０と、ピストン２０によって仕切られた一次圧室６及び二次圧室８と、一次圧室６及び二次圧室８と連通するよう形成された弁室７と、二次圧室側からピストン２０に嵌入されるロッド１２とを備え、ピストン２０は、ロッド１２が嵌入される嵌入孔３０と、嵌入孔３０と一次圧室６とを連通させるように形成される連通孔３２とを有し、嵌入孔３０は、嵌入されるロッド１２に面する部分に形成される凹状のシール溝３６を有し、シール溝３６に設けられるシール部材３７によりロッド１２とピストン２０との間をシールすることによってピストン２０内に形成される背圧室３１を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高圧ガス等の気体を減圧する減圧弁に関し、詳しくは一次圧力補償型のピストン式減圧弁に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、高圧ガス等の高圧気体（酸素、水素ガス等、以下、単に「ガス」という）を所望の圧力に減圧する減圧弁として、ピストン式の減圧弁がある。このピストン式減圧弁は、例えば、高圧容器に一次圧（例えば、３５メガパスカル）で貯蔵された高圧ガスを低圧の二次圧（例えば、１．５メガパスカル以下）に減圧するような、圧力差が大きい場合に採用され、ピストンに加わる一次圧と、この一次圧で軸方向に移動するピストンによってガスを所望圧力の二次圧に減圧している。この減圧弁は、例えば、高圧容器のガス取出口や、配管途中に取り付けて使用される。
【０００３】
この種の先行技術として、図３，４に示すような圧力調整器（減圧弁）がある（例えば、特許文献１参照）。この圧力調整器１００では、本体１０１の内部に軸線方向に変位する減圧部材（ピストン）１０２を設け、この減圧部材１０２を介して一次圧室１０３内における一次圧Ｐ１の高圧ガスを二次圧室１０４に導き、この二次側に導いたガスの圧力でスプリング１０５に抗して減圧部材１０２を一次側に移動させて本体１０１の弁座口１０６をシート部１０７で閉鎖するようにしている。これにより、減圧部材１０２の一次側に作用する一次圧Ｐ１と、これに抗するように二次側に作用する二次圧Ｐ２との圧力バランスで減圧部材１０２を軸方向に移動させ、これによって弁座口１０６とシート部１０７との間の減圧絞りから流入する一次圧Ｐ１のガスを所望の二次圧Ｐ２のガスとして排出している。
【０００４】
そして、この圧力調整器１００では、減圧部材１０２の第１ピストン１０８の軸線方向に設けられた嵌入孔１０９に嵌入する嵌入部１１０を本体１０１の第３ピストン１１１に設け、この嵌入部１１０を嵌入孔１０９に嵌入した状態で減圧部材１０２内に一次圧Ｐ１を導く背圧室１１２を形成している。この背圧室１１２導いた一次圧Ｐ１により、減圧部材１０２に一次圧室１０３側から作用する力を減殺し、一次圧変動によって二次圧設定値に与える減圧部材の影響を抑制している。
【０００５】
なお、この種の減圧弁として、一次ポートと二次ポートがハウジングの軸線方向両端部に形成されたハウジング内で軸線方向にピストンが摺動するようにした減圧弁において、ハウジングの軸線方向にロッドを設け、ピストンの軸線上に嵌入孔を設け、ロッドの一端部の外周部に嵌入孔の内周部との間をシールするシール部材を設け、このロッドを嵌入孔内に挿入する、という簡単な構成によって、ピストンとロッドとの間に背圧室を形成するようにしたものもある（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−１４６８７５号公報
【特許文献２】特許第３５９４９２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記図３，４に示す圧力調整器１００では、図３に示す待機状態から図４に示す動作状態に変化すると、減圧部材１０２の変位によって背圧室１１２と、この背圧室１１２を形成するためのシール部材収容部１１３の容積が、減圧部材１０２が待機状態（絞り全開状態）から変位した分だけ大きくなる。図示する二点鎖線の斜線部分が容積変化部分Ｖであり、嵌入孔１０９の容積と、第３ピストン１１１と第１ピストン１０８との間のシール部材収容部１１３の容積が変化する。しかも、圧力調整器１００は、大半の稼動状態では減圧絞りの小さい図４に示す動作状態であるため、上記嵌入孔１０９とシール部材収容部１１３の容積が大きい状態で使用される。したがって、一次圧が変化した際に、背圧室１１２に給排するガス量が多く必要となり、急激な一次圧変動に対する応答性、二次圧安定性が悪化するおそれがある。
【０００８】
また、上記圧力調整器１００では、動作状態においては上記減圧部材１０２の変位による背圧室１１２の容積変化が大きく、第１ピストン１０８を変位させる際（例えば、流量を増加させるために絞り開度を大きくする場合など）に背圧室１１２に給排するガス量が多く必要となり、急激なピストン変位に対する応答性、二次圧安定性が悪化するおそれがある。つまり、上記圧力調整器１００では、一次圧及び流量などの過渡的な変動に対して応答性や二次圧安定性を保つことに課題がある。
【０００９】
そこで、本発明は、背圧室の容積を必要最小限として、一次圧及び流量などの過渡的な変動に対する応答性、二次圧安定性に優れたピストン式減圧弁を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明のピストン式減圧弁は、一次ポートと二次ポートを有するハウジングと、前記ハウジング内で軸線方向に摺動し、前記一次ポートの弁座口を閉鎖するシート部を有するピストンと、前記ピストンによって仕切られ、前記一次ポートと連通する一次圧室と、前記ピストンによって仕切られ、前記二次ポートと連通する二次圧室と、前記一次圧室及び前記二次圧室と連通するよう形成された弁室と、前記ピストンを前記弁座口から離間させる方向に付勢する付勢部材と、前記二次圧室側から前記ピストンに嵌入されるロッドと、を備え、前記ピストンは、前記弁室内に収納する第１ピストン部と、前記第１ピストン部よりも大径であって、前記二次圧室内に収納する第２ピストン部と、前記弁室と二次圧室とを連通させる流路と、前記ロッドが嵌入される嵌入部と、前記嵌入部と前記一次圧室とを連通させるように形成される連通部と、を有し、前記嵌入部は、嵌入される前記ロッドに面する部分に形成される凹状のシール溝を有し、前記シール溝に設けられるシール部材により前記ロッドと前記ピストンとの間をシールすることによって前記ピストン内に形成される背圧室を備えることを特徴とする。この明細書及び特許請求の範囲の書類中における「軸線」は、ピストンの「中心軸線」をいう。
【００１１】
この構成により、ピストンの嵌入部の凹状のシール溝に設けられたシール部材によってロッドとの間のシール性を保ち、このシール部材は凹状のシール溝に設けられているためピストンと一体的に軸線方向に摺動することができる。これにより、シール部材の移動に伴う背圧室の容積（ボリューム）増加を低減することができる。また、シール溝をピストン側に設けたことにより、ロッドの更なる小径化によって背圧室の容積を低減することができる。従って、一次圧によってピストンに加わる力を減殺するための背圧室の容積を非常に小さくし、且つピストンの変位による背圧室の容積変化を小さくできるので、ピストン変位時のガス給排量が小さくなって背圧室内圧力の昇降時間を短くでき、一次圧及び流量の過渡的な変化に対する応答性、二次圧安定性に優れた減圧弁を構成することができる。
【００１２】
また、前記連通部は前記嵌入部よりも小径であって、前記ロッドが嵌入されないように構成され、前記背圧室は前記ピストンに一次圧室方向に向けて背圧を作用させる背受圧面を有するように構成されていてもよい。このように構成すれば、ロッドの径に関係なく連通部を小径にすることができるため、背圧室の容積の更なる低減が可能となる。また、ピストンに作用する一次圧と背圧室に作用する反対方向の背圧とによってピストンに作用する一次圧を相殺させることができるので、一次圧が変化しても二次圧値を安定して維持することができる。
【００１３】
また、前記ピストンは、前記流路を複数本有していてもよい。このように構成すれば、流路を通って一次圧室から二次圧室にガスが効率良く流れ、安定してピストンを動作させる減圧弁を構成することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、背圧室の容積を非常に小さくできるので、一次圧及び流量などの過渡的な変動に対する応答性、二次圧安定性に優れたピストン式減圧弁を構成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態に係るピストン式減圧弁の縦断面図である。
【図２】図１に示すピストン式減圧弁の動作状態を示す縦断面図である。
【図３】従来の圧力調整器（減圧弁）の縦断面図である。
【図４】図３に示す圧力調整器（減圧弁）の動作状態を示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。以下の実施形態では、高圧容器内の高圧ガスを減圧するピストン式減圧弁１を例に説明する。また、ピストン式減圧弁１のハウジングを矩形ブロックで示して説明する。
【００１７】
図１に示すように、この実施形態のピストン式減圧弁１は、軸線方向一端部に一次圧Ｐ１の高圧ガスを供給する一次ポート３を有し、他端部に減圧した二次圧Ｐ２のガスを排出する二次ポート４を有するハウジング２を備えている。このハウジング２の内部には、一次ポート３と連通する一次圧室６と、この一次圧室６と連通する弁室７が形成された筒状空間５が設けられている。この筒状空間５にはピストン２０が収納されており、このピストン２０により、ハウジング２の内部に上記二次ポート４と連通する二次圧室８が形成されている。このピストン２０は、筒状空間５内に収納されて軸線方向に摺動するようになっている。また、ピストン２０には、上記一次ポート３の弁座口１０を閉鎖するシート部２１が設けられている。
【００１８】
さらに、上記弁室７の外周部分には、付勢部材たるコイル状のスプリング１１を収納するスプリング収納部９が設けられている。上記スプリング１１は、軸線上に中心を有する円環状に形成された圧縮コイルスプリングとなっている。このコイルスプリング１１は、ピストン２０に設けられた後述する第２ピストン部２３に形成されたスプリング受け部２４に支持されている。
【００１９】
また、上記ピストン２０は、スプリング収納部９に収納されたスプリング１１により、ハウジング２の内部で上記弁座口１０から離間する方向に付勢されている。つまり、ピストン２０は、スプリング１１の付勢力によって二次圧室８の方向（反弁座口方向）に付勢されている。
【００２０】
さらに、上記ピストン２０は、上記弁室７内に収納される円筒状の第１ピストン部２２と、この第１ピストン部２２と一体的に形成されて、上記二次圧室８内に収納される筒状の第２ピストン部２３とを有している。上記第１ピストン部２２は、弁室７内を軸線方向に移動する小径に形成され、上記第２ピストン部２３は、第１ピストン部２２よりも大径で二次圧室８内を軸線方向に移動する径に形成されている。第１ピストン部２２の外径と第２ピストン部２３の二次圧室８を形成する外径、及び上記スプリング１１の付勢力は、一次圧Ｐ１と減圧する二次圧Ｐ２に応じて決定される。
【００２１】
第１ピストン部２２と弁室７の内面との間と、第２ピストン部２３とハウジング２の内面との間には、それぞれ環状シール部材２５，２６が設けられている。第１ピストン部２２と弁室７の内面との間に設けられた環状シール部材２５により、弁室７とスプリング収納部９との間がシールされ、第２ピストン部２３とハウジング２の内面との間に設けられた環状シール部材２６により、二次圧室８とスプリング収納部９との間がシールされている。これら環状シール部材２５，２６によって弁室７と二次圧室８とを気密シールしたピストン２０が、前述したようにスプリング１１によって弁座口１０から離間する方向に付勢されている。
【００２２】
また、上記ピストン２０には、上記一次圧室６と連通するように上記二次圧室８側から軸線上に形成された嵌入孔３０（嵌入部）と、嵌入孔３０と一次圧室６とを連通させるように形成される連通孔３２（連通部）が設けられている。なお、連通孔３２は嵌入孔３０よりも小径である。また、嵌入孔３０に後述するロッド１２が嵌入されることで、所定の容積（ボリューム）の背圧室３１が形成される。この嵌入孔３０の一次圧室６側に形成される背圧室３１は、ピストン２０に作用する一次圧Ｐ１を減殺するよう構成される。この背圧室３１は、ピストン２０のシート部２１から軸線上に設けられた連通孔３２によって一次圧室６と連通するようになっている。この連通孔３２により、一次圧室６の圧力が背圧室３１に導かれている。また、このピストン２０には、上記嵌入孔３０の周囲に、上記一次圧室６と二次圧室８とを連通させる流路３３が複数本設けられている。
【００２３】
さらに、上記ハウジング２の二次圧室８側には、上記ピストン２０の嵌入孔３０に向けて延びるロッド１２が設けられている。このロッド１２は、軸線上に設けられており、先端部分が上記嵌入孔３０に嵌入されるようになっている。なお、ロッド１２の上記先端部分は連通孔３２には嵌入しないようになっている。
【００２４】
そして、上記ピストン２０の上記嵌入孔３０には、嵌入したロッド１２に面する部分に、ロッド１２の先端部分とピストン２０との間をシールするシール部３５が設けられている。シール部３５は、嵌入孔３０のロッド１２に面する部分に設けられた凹状のシール溝３６と、このシール溝３６に設けられたシール部材（Ｏリング）３７とで構成されている。そのため、このシール部材３７はピストン２０と一体的に軸線方向に摺動することができ、シール部材３７の移動に伴う背圧室３１の容積増加を低減することができる。つまり、ロッド１２と嵌入孔３０とが軸線方向に相対移動したとしても、シール部３５における容積の変化はない。このシール部３５でロッド１２の周囲をシールすることにより、嵌入孔３０のシール部３５から一次圧室６側の空間が上記背圧室３１として形成されている。このように、シール部３５は、ピストン２０が軸線方向に摺動しても上記背圧室３１を形成した状態を保つことができるように、ピストン２０の所定位置に設けられている。また、シール溝３６をピストン側に設けたことにより、ロッド１２の更なる小径化によって背圧室３１の容積を低減することができる。
【００２５】
一方、上記背圧室３１には、この背圧室３１内に導かれた一次圧室６内の一次圧Ｐ１の高圧ガスによって、ピストン２０に一次圧室６方向に向けて背圧を作用させる背受圧面３４が形成されている。この背受圧面３４は、嵌入孔３０の直径に対して連通孔３２の直径を小さくした部分によって形成されている。この実施形態では、弁座口１０の径と背受圧面３４の径が略同一に設定されている。
【００２６】
このような背受圧面３４を有する背圧室３１により、ピストン２０に作用する一次圧Ｐ１を、一次圧室６内の高圧ガスから軸線方向一方Ｘ１に向けて作用する一次圧Ｐ１に対して、背圧室３１内の高圧ガスから背受圧面３４に軸線方向他方Ｘ２に向けて作用する背圧を逆方向に作用させ、これによってピストン２０に作用する一次圧Ｐ１による外力を相殺するようにしている。つまり、一次圧Ｐ１によってピストン２０に作用する外力は、背受圧面３４と、弁座口１０の径によって決まるようになっている。そのため、弁座口１０の径と、背受圧面３４の径が略同一であれば、一次圧Ｐ１によってピストン２０に作用する外力は相殺され略ゼロとなる。
【００２７】
そして、このように構成することで、一次側の高圧ガスが消費され、高圧容器内のガス圧が低下し、一次圧Ｐ１が低下したとしても、ピストン２０で減圧された二次圧値は、一定に維持させることができる。つまり、上記構成により、ピストン２０に作用する力を、二次圧によって発生する力と、スプリング１１の付勢力のみとして、一次圧Ｐ１の値に関わりなく、スプリング１１の弾性係数と、第１ピストン部２２及び第２ピストン部２３の設定によって二次圧値を設定することを可能としている。
【００２８】
また、上記ピストン２０の第１ピストン部２２の先端面から突出するように設けられた上記シート部２１は、ハウジング２に形成された隆起する円環状の弁座口１０を閉鎖できる大きさで形成されている。これらシート部２１と弁座口１０との間が減圧絞り（オリフィス）となっており、この減圧絞りの開度に応じて一次圧Ｐ１の高圧ガスが二次圧Ｐ２に減圧される。
【００２９】
なお、上記弁座口１０、一次圧室６、二次圧室８、嵌入孔３０、ロッド１２、背圧室３１は、ハウジング２の軸線上に配置されている。
【００３０】
以上のように構成されたピストン式減圧弁１によれば、以下のようにして一次圧Ｐ１の高圧ガスを二次圧Ｐ２に減圧することができる。上記図１は高圧ガスが供給されていない待機状態であり、この状態のピストン２０は、スプリング１１の付勢力によって弁座口１０から離間させる方向に付勢されてシート部２１が弁座口１０から離れた状態となっている。
【００３１】
一方、図２に示すように、一次ポート３に一次圧Ｐ１の高圧ガスが供給されると、一次ポート３から一次圧室６に流入した高圧ガスがピストン２０の流路３３を介して二次圧室８に流入する。
【００３２】
そして、この高圧ガスによって二次圧室８の圧力が二次圧Ｐ２に上昇すると、二次圧室８のガス圧によってピストン２０がスプリング１１の付勢力に抗して弁座口１０の方向へ移動させられる。これにより、ピストン２０のシート部２１が弁座口１０に接して押圧されると、一次ポート３から弁室７への高圧ガスの流入が遮断されるので、二次圧室８へのガスの供給が止まり、二次圧室８のガス圧が低下する。
【００３３】
その後、二次圧室８のガス圧が低下すると、スプリング１１の付勢力によってピストン２０が弁座口１０から離間させられて弁座口１０が開放される。そして、この動作が繰り返されることにより、一次圧Ｐ１は、二次圧Ｐ２に減圧されて排出される。
【００３４】
このような動作が基本的な動作であるが、通常の使用時には、上記ピストン２０のシート部２１が弁座口１０に近接した位置で減圧絞り（オリフィス）が流量及び一次圧に応じた小さい隙間で開いた状態で使用される。すなわち、弁座口１０とシート部２１との間の減圧絞りの開口面積を小さくして大幅な減圧を行う状態で使用される。
【００３５】
しかも、上記ピストン式減圧弁１によれば、ピストン２０が軸線方向に移動した時に変化する背圧室３１の容積（ボリューム）はロッド１２の断面積にのみ依存する値となり、その容積変化量を非常に小さくできる。図示する二点鎖線の斜線部分が容積変化部分Ｖである。これにより、ピストン２０の変位による背圧室３１の容積変化を非常に小さくして、ピストン変位時のガス給排量減少による背圧室内圧力の昇降時間を短くでき、一次圧及び流量などの過渡的な変動に対する応答性、二次圧安定性に優れたピストン式減圧弁１を構成することが可能となる。
【００３６】
つまり、上記したようにシール部３５を嵌入孔３０側に設けているため、嵌入孔３０、ロッド１２及びシール部３５で形成される背圧室３１を必要最小容積にすることができ、さらにピストン２０変位時の背圧室３１の容積変化量も最小限に抑えることができる。これによって、一次圧及び流量などの過渡的な変動に対する応答性、二次圧安定性に優れたピストン式減圧弁１を可能としている。
【００３７】
なお、上記実施形態では、ピストン２０の嵌入孔３０の径及びロッド１２の径を弁座口１０の径と略同一としているが、これらの径は減圧条件等に応じて適した径を採用すればよく、上記実施形態に限定されるものではなく、必ずしも同一とする必要はない。
【００３８】
また、上記実施形態では、一次ポート３と二次ポート４を軸線方向に配置しているが、二次ポート４を弁室７から軸線方向垂直に配置しても同じ作用効果を有する。
【００３９】
また、上記実施形態におけるシール部３５の構成も一例であり、シール部材の移動に伴って背圧室の容積（ボリューム）が変化しない構成であれば他の構成であってもよく、上記実施形態に限定されるものではない。
【００４０】
さらに、上述した実施形態は一例を示しており、本発明の要旨を損なわない範囲での種々の変更は可能であり、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明に係るピストン式減圧弁は、高圧水素などの高圧ガスを一次圧から大幅に減圧した二次圧としたい減圧弁に利用できる。
【符号の説明】
【００４２】
１ ピストン式減圧弁
２ ハウジング
３ 一次ポート
４ 二次ポート
５ 筒状空間
６ 一次圧室
７ 弁室
８ 二次圧室
９ スプリング収納部
１０ 弁座口
１１ スプリング（付勢部材）
１２ ロッド
２０ ピストン
２１ シート部
２２ 第１ピストン部
２３ 第２ピストン部
２４ スプリング受け部
２５ 環状シール部材
２６ 環状シール部材
３０ 嵌入孔（嵌入部）
３１ 背圧室
３２ 連通孔（連通部）
３３ 流路
３４ 背受圧面
３５ シール部
３６ シール溝
３７ シール部材
Ｐ１ 一次圧
Ｐ２ 二次圧
Ｖ 容積変化部分
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高圧ガス等の気体を減圧する減圧弁に関し、詳しくは一次圧力補償型のピストン式減圧弁に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、高圧ガス等の高圧気体（酸素、水素ガス等、以下、単に「ガス」という）を所望の圧力に減圧する減圧弁として、ピストン式の減圧弁がある。このピストン式減圧弁は、例えば、高圧容器に一次圧（例えば、３５メガパスカル）で貯蔵された高圧ガスを低圧の二次圧（例えば、１．５メガパスカル以下）に減圧するような、圧力差が大きい場合に採用され、ピストンに加わる一次圧と、この一次圧で軸方向に移動するピストンによってガスを所望圧力の二次圧に減圧している。この減圧弁は、例えば、高圧容器のガス取出口や、配管途中に取り付けて使用される。
【０００３】
この種の先行技術として、図３，４に示すような圧力調整器（減圧弁）がある（例えば、特許文献１参照）。この圧力調整器１００では、本体１０１の内部に軸線方向に変位する減圧部材（ピストン）１０２を設け、この減圧部材１０２を介して一次圧室１０３内における一次圧Ｐ１の高圧ガスを二次圧室１０４に導き、この二次側に導いたガスの圧力でスプリング１０５に抗して減圧部材１０２を一次側に移動させて本体１０１の弁座口１０６をシート部１０７で閉鎖するようにしている。これにより、減圧部材１０２の一次側に作用する一次圧Ｐ１と、これに抗するように二次側に作用する二次圧Ｐ２との圧力バランスで減圧部材１０２を軸方向に移動させ、これによって弁座口１０６とシート部１０７との間の減圧絞りから流入する一次圧Ｐ１のガスを所望の二次圧Ｐ２のガスとして排出している。
【０００４】
そして、この圧力調整器１００では、減圧部材１０２の第１ピストン１０８の軸線方向に設けられた嵌入孔１０９に嵌入する嵌入部１１０を本体１０１の第３ピストン１１１に設け、この嵌入部１１０を嵌入孔１０９に嵌入した状態で減圧部材１０２内に一次圧Ｐ１を導く背圧室１１２を形成している。この背圧室１１２導いた一次圧Ｐ１により、減圧部材１０２に一次圧室１０３側から作用する力を減殺し、一次圧変動によって二次圧設定値に与える減圧部材の影響を抑制している。
【０００５】
なお、この種の減圧弁として、一次ポートと二次ポートがハウジングの軸線方向両端部に形成されたハウジング内で軸線方向にピストンが摺動するようにした減圧弁において、ハウジングの軸線方向にロッドを設け、ピストンの軸線上に嵌入孔を設け、ロッドの一端部の外周部に嵌入孔の内周部との間をシールするシール部材を設け、このロッドを嵌入孔内に挿入する、という簡単な構成によって、ピストンとロッドとの間に背圧室を形成するようにしたものもある（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−１４６８７５号公報
【特許文献２】特許第３５９４９２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記図３，４に示す圧力調整器１００では、図３に示す待機状態から図４に示す動作状態に変化すると、減圧部材１０２の変位によって背圧室１１２と、この背圧室１１２を形成するためのシール部材収容部１１３の容積が、減圧部材１０２が待機状態（絞り全開状態）から変位した分だけ大きくなる。図示する二点鎖線の斜線部分が容積変化部分Ｖであり、嵌入孔１０９の容積と、第３ピストン１１１と第１ピストン１０８との間のシール部材収容部１１３の容積が変化する。しかも、圧力調整器１００は、大半の稼動状態では減圧絞りの小さい図４に示す動作状態であるため、上記嵌入孔１０９とシール部材収容部１１３の容積が大きい状態で使用される。したがって、一次圧が変化した際に、背圧室１１２に給排するガス量が多く必要となり、急激な一次圧変動に対する応答性、二次圧安定性が悪化するおそれがある。
【０００８】
また、上記圧力調整器１００では、動作状態においては上記減圧部材１０２の変位による背圧室１１２の容積変化が大きく、第１ピストン１０８を変位させる際（例えば、流量を増加させるために絞り開度を大きくする場合など）に背圧室１１２に給排するガス量が多く必要となり、急激なピストン変位に対する応答性、二次圧安定性が悪化するおそれがある。つまり、上記圧力調整器１００では、一次圧及び流量などの過渡的な変動に対して応答性や二次圧安定性を保つことに課題がある。
【０００９】
そこで、本発明は、背圧室の容積を必要最小限として、一次圧及び流量などの過渡的な変動に対する応答性、二次圧安定性に優れたピストン式減圧弁を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明のピストン式減圧弁は、一次ポートと二次ポートを有するハウジングと、前記ハウジング内で軸線方向に摺動し、前記一次ポートの弁座口を閉鎖するシート部を有するピストンと、前記ピストンによって仕切られ、前記一次ポートと連通する一次圧室と、前記ピストンによって仕切られ、前記二次ポートと連通する二次圧室と、前記一次圧室及び前記二次圧室と連通するよう形成された弁室と、前記ピストンを前記弁座口から離間させる方向に付勢する付勢部材と、前記二次圧室側から前記ピストンに嵌入されるロッドと、を備え、前記ピストンは、前記弁室内に収納する第１ピストン部と、前記第１ピストン部よりも大径であって、前記二次圧室内に収納する第２ピストン部と、前記弁室と二次圧室とを連通させる流路と、前記ロッドが嵌入される嵌入部と、前記嵌入部と前記一次圧室とを連通させるように形成される連通部と、を有し、前記嵌入部は、嵌入される前記ロッドに面する部分に形成される凹状のシール溝を有し、前記シール溝に設けられるシール部材により前記ロッドと前記ピストンとの間をシールすることによって前記ピストン内に形成される背圧室を備えることを特徴とする。この明細書及び特許請求の範囲の書類中における「軸線」は、ピストンの「中心軸線」をいう。
【００１１】
この構成により、ピストンの嵌入部の凹状のシール溝に設けられたシール部材によってロッドとの間のシール性を保ち、このシール部材は凹状のシール溝に設けられているためピストンと一体的に軸線方向に摺動することができる。これにより、シール部材の移動に伴う背圧室の容積（ボリューム）増加を低減することができる。また、シール溝をピストン側に設けたことにより、ロッドの更なる小径化によって背圧室の容積を低減することができる。従って、一次圧によってピストンに加わる力を減殺するための背圧室の容積を非常に小さくし、且つピストンの変位による背圧室の容積変化を小さくできるので、ピストン変位時のガス給排量が小さくなって背圧室内圧力の昇降時間を短くでき、一次圧及び流量の過渡的な変化に対する応答性、二次圧安定性に優れた減圧弁を構成することができる。
【００１２】
また、前記連通部は前記嵌入部よりも小径であって、前記ロッドが嵌入されないように構成され、前記背圧室は前記ピストンに一次圧室方向に向けて背圧を作用させる背受圧面を有するように構成されていてもよい。このように構成すれば、ロッドの径に関係なく連通部を小径にすることができるため、背圧室の容積の更なる低減が可能となる。また、ピストンに作用する一次圧と背圧室に作用する反対方向の背圧とによってピストンに作用する一次圧を相殺させることができるので、一次圧が変化しても二次圧値を安定して維持することができる。
【００１３】
また、前記ピストンは、前記流路を複数本有していてもよい。このように構成すれば、流路を通って一次圧室から二次圧室にガスが効率良く流れ、安定してピストンを動作させる減圧弁を構成することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、背圧室の容積を非常に小さくできるので、一次圧及び流量などの過渡的な変動に対する応答性、二次圧安定性に優れたピストン式減圧弁を構成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態に係るピストン式減圧弁の縦断面図である。
【図２】図１に示すピストン式減圧弁の動作状態を示す縦断面図である。
【図３】従来の圧力調整器（減圧弁）の縦断面図である。
【図４】図３に示す圧力調整器（減圧弁）の動作状態を示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。以下の実施形態では、高圧容器内の高圧ガスを減圧するピストン式減圧弁１を例に説明する。また、ピストン式減圧弁１のハウジングを矩形ブロックで示して説明する。
【００１７】
図１に示すように、この実施形態のピストン式減圧弁１は、軸線方向一端部に一次圧Ｐ１の高圧ガスを供給する一次ポート３を有し、他端部に減圧した二次圧Ｐ２のガスを排出する二次ポート４を有するハウジング２を備えている。このハウジング２の内部には、一次ポート３と連通する一次圧室６と、この一次圧室６と連通する弁室７が形成された筒状空間５が設けられている。この筒状空間５にはピストン２０が収納されており、このピストン２０により、ハウジング２の内部に上記二次ポート４と連通する二次圧室８が形成されている。このピストン２０は、筒状空間５内に収納されて軸線方向に摺動するようになっている。また、ピストン２０には、上記一次ポート３の弁座口１０を閉鎖するシート部２１が設けられている。
【００１８】
さらに、上記弁室７の外周部分には、付勢部材たるコイル状のスプリング１１を収納するスプリング収納部９が設けられている。上記スプリング１１は、軸線上に中心を有する円環状に形成された圧縮コイルスプリングとなっている。このコイルスプリング１１は、ピストン２０に設けられた後述する第２ピストン部２３に形成されたスプリング受け部２４に支持されている。
【００１９】
また、上記ピストン２０は、スプリング収納部９に収納されたスプリング１１により、ハウジング２の内部で上記弁座口１０から離間する方向に付勢されている。つまり、ピストン２０は、スプリング１１の付勢力によって二次圧室８の方向（反弁座口方向）に付勢されている。
【００２０】
さらに、上記ピストン２０は、上記弁室７内に収納される円筒状の第１ピストン部２２と、この第１ピストン部２２と一体的に形成されて、上記二次圧室８内に収納される筒状の第２ピストン部２３とを有している。上記第１ピストン部２２は、弁室７内を軸線方向に移動する小径に形成され、上記第２ピストン部２３は、第１ピストン部２２よりも大径で二次圧室８内を軸線方向に移動する径に形成されている。第１ピストン部２２の外径と第２ピストン部２３の二次圧室８を形成する外径、及び上記スプリング１１の付勢力は、一次圧Ｐ１と減圧する二次圧Ｐ２に応じて決定される。
【００２１】
第１ピストン部２２と弁室７の内面との間と、第２ピストン部２３とハウジング２の内面との間には、それぞれ環状シール部材２５，２６が設けられている。第１ピストン部２２と弁室７の内面との間に設けられた環状シール部材２５により、弁室７とスプリング収納部９との間がシールされ、第２ピストン部２３とハウジング２の内面との間に設けられた環状シール部材２６により、二次圧室８とスプリング収納部９との間がシールされている。これら環状シール部材２５，２６によって弁室７と二次圧室８とを気密シールしたピストン２０が、前述したようにスプリング１１によって弁座口１０から離間する方向に付勢されている。
【００２２】
また、上記ピストン２０には、上記一次圧室６と連通するように上記二次圧室８側から軸線上に形成された嵌入孔３０（嵌入部）と、嵌入孔３０と一次圧室６とを連通させるように形成される連通孔３２（連通部）が設けられている。なお、連通孔３２は嵌入孔３０よりも小径である。また、嵌入孔３０に後述するロッド１２が嵌入されることで、所定の容積（ボリューム）の背圧室３１が形成される。この嵌入孔３０の一次圧室６側に形成される背圧室３１は、ピストン２０に作用する一次圧Ｐ１を減殺するよう構成される。この背圧室３１は、ピストン２０のシート部２１から軸線上に設けられた連通孔３２によって一次圧室６と連通するようになっている。この連通孔３２により、一次圧室６の圧力が背圧室３１に導かれている。また、このピストン２０には、上記嵌入孔３０の周囲に、上記一次圧室６と二次圧室８とを連通させる流路３３が複数本設けられている。
【００２３】
さらに、上記ハウジング２の二次圧室８側には、上記ピストン２０の嵌入孔３０に向けて延びるロッド１２が設けられている。このロッド１２は、軸線上に設けられており、先端部分が上記嵌入孔３０に嵌入されるようになっている。なお、ロッド１２の上記先端部分は連通孔３２には嵌入しないようになっている。
【００２４】
そして、上記ピストン２０の上記嵌入孔３０には、嵌入したロッド１２に面する部分に、ロッド１２の先端部分とピストン２０との間をシールするシール部３５が設けられている。シール部３５は、嵌入孔３０のロッド１２に面する部分に設けられた凹状のシール溝３６と、このシール溝３６に設けられたシール部材（Ｏリング）３７とで構成されている。そのため、このシール部材３７はピストン２０と一体的に軸線方向に摺動することができ、シール部材３７の移動に伴う背圧室３１の容積増加を低減することができる。つまり、ロッド１２と嵌入孔３０とが軸線方向に相対移動したとしても、シール部３５における容積の変化はない。このシール部３５でロッド１２の周囲をシールすることにより、嵌入孔３０のシール部３５から一次圧室６側の空間が上記背圧室３１として形成されている。このように、シール部３５は、ピストン２０が軸線方向に摺動しても上記背圧室３１を形成した状態を保つことができるように、ピストン２０の所定位置に設けられている。また、シール溝３６をピストン側に設けたことにより、ロッド１２の更なる小径化によって背圧室３１の容積を低減することができる。
【００２５】
一方、上記背圧室３１には、この背圧室３１内に導かれた一次圧室６内の一次圧Ｐ１の高圧ガスによって、ピストン２０に一次圧室６方向に向けて背圧を作用させる背受圧面３４が形成されている。この背受圧面３４は、嵌入孔３０の直径に対して連通孔３２の直径を小さくした部分によって形成されている。この実施形態では、弁座口１０の径と背受圧面３４の径が略同一に設定されている。
【００２６】
このような背受圧面３４を有する背圧室３１により、ピストン２０に作用する一次圧Ｐ１を、一次圧室６内の高圧ガスから軸線方向一方Ｘ１に向けて作用する一次圧Ｐ１に対して、背圧室３１内の高圧ガスから背受圧面３４に軸線方向他方Ｘ２に向けて作用する背圧を逆方向に作用させ、これによってピストン２０に作用する一次圧Ｐ１による外力を相殺するようにしている。つまり、一次圧Ｐ１によってピストン２０に作用する外力は、背受圧面３４と、弁座口１０の径によって決まるようになっている。そのため、弁座口１０の径と、背受圧面３４の径が略同一であれば、一次圧Ｐ１によってピストン２０に作用する外力は相殺され略ゼロとなる。
【００２７】
そして、このように構成することで、一次側の高圧ガスが消費され、高圧容器内のガス圧が低下し、一次圧Ｐ１が低下したとしても、ピストン２０で減圧された二次圧値は、一定に維持させることができる。つまり、上記構成により、ピストン２０に作用する力を、二次圧によって発生する力と、スプリング１１の付勢力のみとして、一次圧Ｐ１の値に関わりなく、スプリング１１の弾性係数と、第１ピストン部２２及び第２ピストン部２３の設定によって二次圧値を設定することを可能としている。
【００２８】
また、上記ピストン２０の第１ピストン部２２の先端面から突出するように設けられた上記シート部２１は、ハウジング２に形成された隆起する円環状の弁座口１０を閉鎖できる大きさで形成されている。これらシート部２１と弁座口１０との間が減圧絞り（オリフィス）となっており、この減圧絞りの開度に応じて一次圧Ｐ１の高圧ガスが二次圧Ｐ２に減圧される。
【００２９】
なお、上記弁座口１０、一次圧室６、二次圧室８、嵌入孔３０、ロッド１２、背圧室３１は、ハウジング２の軸線上に配置されている。
【００３０】
以上のように構成されたピストン式減圧弁１によれば、以下のようにして一次圧Ｐ１の高圧ガスを二次圧Ｐ２に減圧することができる。上記図１は高圧ガスが供給されていない待機状態であり、この状態のピストン２０は、スプリング１１の付勢力によって弁座口１０から離間させる方向に付勢されてシート部２１が弁座口１０から離れた状態となっている。
【００３１】
一方、図２に示すように、一次ポート３に一次圧Ｐ１の高圧ガスが供給されると、一次ポート３から一次圧室６に流入した高圧ガスがピストン２０の流路３３を介して二次圧室８に流入する。
【００３２】
そして、この高圧ガスによって二次圧室８の圧力が二次圧Ｐ２に上昇すると、二次圧室８のガス圧によってピストン２０がスプリング１１の付勢力に抗して弁座口１０の方向へ移動させられる。これにより、ピストン２０のシート部２１が弁座口１０に接して押圧されると、一次ポート３から弁室７への高圧ガスの流入が遮断されるので、二次圧室８へのガスの供給が止まり、二次圧室８のガス圧が低下する。
【００３３】
その後、二次圧室８のガス圧が低下すると、スプリング１１の付勢力によってピストン２０が弁座口１０から離間させられて弁座口１０が開放される。そして、この動作が繰り返されることにより、一次圧Ｐ１は、二次圧Ｐ２に減圧されて排出される。
【００３４】
このような動作が基本的な動作であるが、通常の使用時には、上記ピストン２０のシート部２１が弁座口１０に近接した位置で減圧絞り（オリフィス）が流量及び一次圧に応じた小さい隙間で開いた状態で使用される。すなわち、弁座口１０とシート部２１との間の減圧絞りの開口面積を小さくして大幅な減圧を行う状態で使用される。
【００３５】
しかも、上記ピストン式減圧弁１によれば、ピストン２０が軸線方向に移動した時に変化する背圧室３１の容積（ボリューム）はロッド１２の断面積にのみ依存する値となり、その容積変化量を非常に小さくできる。図示する二点鎖線の斜線部分が容積変化部分Ｖである。これにより、ピストン２０の変位による背圧室３１の容積変化を非常に小さくして、ピストン変位時のガス給排量減少による背圧室内圧力の昇降時間を短くでき、一次圧及び流量などの過渡的な変動に対する応答性、二次圧安定性に優れたピストン式減圧弁１を構成することが可能となる。
【００３６】
つまり、上記したようにシール部３５を嵌入孔３０側に設けているため、嵌入孔３０、ロッド１２及びシール部３５で形成される背圧室３１を必要最小容積にすることができ、さらにピストン２０変位時の背圧室３１の容積変化量も最小限に抑えることができる。これによって、一次圧及び流量などの過渡的な変動に対する応答性、二次圧安定性に優れたピストン式減圧弁１を可能としている。
【００３７】
なお、上記実施形態では、ピストン２０の嵌入孔３０の径及びロッド１２の径を弁座口１０の径と略同一としているが、これらの径は減圧条件等に応じて適した径を採用すればよく、上記実施形態に限定されるものではなく、必ずしも同一とする必要はない。
【００３８】
また、上記実施形態では、一次ポート３と二次ポート４を軸線方向に配置しているが、二次ポート４を弁室７から軸線方向垂直に配置しても同じ作用効果を有する。
【００３９】
また、上記実施形態におけるシール部３５の構成も一例であり、シール部材の移動に伴って背圧室の容積（ボリューム）が変化しない構成であれば他の構成であってもよく、上記実施形態に限定されるものではない。
【００４０】
さらに、上述した実施形態は一例を示しており、本発明の要旨を損なわない範囲での種々の変更は可能であり、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明に係るピストン式減圧弁は、高圧水素などの高圧ガスを一次圧から大幅に減圧した二次圧としたい減圧弁に利用できる。
【符号の説明】
【００４２】
１ ピストン式減圧弁
２ ハウジング
３ 一次ポート
４ 二次ポート
５ 筒状空間
６ 一次圧室
７ 弁室
８ 二次圧室
９ スプリング収納部
１０ 弁座口
１１ スプリング（付勢部材）
１２ ロッド
２０ ピストン
２１ シート部
２２ 第１ピストン部
２３ 第２ピストン部
２４ スプリング受け部
２５ 環状シール部材
２６ 環状シール部材
３０ 嵌入孔（嵌入部）
３１ 背圧室
３２ 連通孔（連通部）
３３ 流路
３４ 背受圧面
３５ シール部
３６ シール溝
３７ シール部材
Ｐ１ 一次圧
Ｐ２ 二次圧
Ｖ 容積変化部分
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一次ポートと二次ポートを有するハウジングと、
前記ハウジング内で軸線方向に摺動し、前記一次ポートの弁座口を閉鎖するシート部を有するピストンと、
前記ピストンによって仕切られ、前記一次ポートと連通する一次圧室と、
前記ピストンによって仕切られ、前記二次ポートと連通する二次圧室と、
前記一次圧室及び前記二次圧室と連通するよう形成された弁室と、
前記ピストンを前記弁座口から離間させる方向に付勢する付勢部材と、
前記二次圧室側から前記ピストンに嵌入されるロッドと、を備え、
前記ピストンは、前記弁室内に収納する第１ピストン部と、前記第１ピストン部よりも大径であって、前記二次圧室内に収納する第２ピストン部と、前記弁室と二次圧室とを連通させる流路と、前記ロッドが嵌入される嵌入部と、前記嵌入部と前記一次圧室とを連通させるように形成される連通部と、を有し、
前記嵌入部は、嵌入される前記ロッドに面する部分に形成される凹状のシール溝を有し、 前記シール溝に設けられるシール部材により前記ロッドと前記ピストンとの間をシールすることによって前記ピストン内に形成される背圧室を備えることを特徴とするピストン式減圧弁。
【請求項２】
前記連通部は前記嵌入部よりも小径であって、前記ロッドが嵌入されないように構成され、
前記背圧室は前記ピストンに一次圧室方向に向けて背圧を作用させる背受圧面を有するように構成されている請求項１に記載のピストン式減圧弁。
【請求項３】
前記ピストンは、前記流路を複数本有している請求項１又は２に記載のピストン式減圧弁。
【請求項１】
一次ポートと二次ポートを有するハウジングと、
前記ハウジング内で軸線方向に摺動し、前記一次ポートの弁座口を閉鎖するシート部を有するピストンと、
前記ピストンによって仕切られ、前記一次ポートと連通する一次圧室と、
前記ピストンによって仕切られ、前記二次ポートと連通する二次圧室と、
前記一次圧室及び前記二次圧室と連通するよう形成された弁室と、
前記ピストンを前記弁座口から離間させる方向に付勢する付勢部材と、
前記二次圧室側から前記ピストンに嵌入されるロッドと、を備え、
前記ピストンは、前記弁室内に収納する第１ピストン部と、前記第１ピストン部よりも大径であって、前記二次圧室内に収納する第２ピストン部と、前記弁室と二次圧室とを連通させる流路と、前記ロッドが嵌入される嵌入部と、前記嵌入部と前記一次圧室とを連通させるように形成される連通部と、を有し、
前記嵌入部は、嵌入される前記ロッドに面する部分に形成される凹状のシール溝を有し、 前記シール溝に設けられるシール部材により前記ロッドと前記ピストンとの間をシールすることによって前記ピストン内に形成される背圧室を備えることを特徴とするピストン式減圧弁。
【請求項２】
前記連通部は前記嵌入部よりも小径であって、前記ロッドが嵌入されないように構成され、
前記背圧室は前記ピストンに一次圧室方向に向けて背圧を作用させる背受圧面を有するように構成されている請求項１に記載のピストン式減圧弁。
【請求項３】
前記ピストンは、前記流路を複数本有している請求項１又は２に記載のピストン式減圧弁。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１３−４１３７５（Ｐ２０１３−４１３７５Ａ）
【公開日】平成２５年２月２８日（２０１３．２．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１７７０２９（Ｐ２０１１−１７７０２９）
【出願日】平成２３年８月１２日（２０１１．８．１２）
【出願人】（００００００９７４）川崎重工業株式会社 (1,710)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月２８日（２０１３．２．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月１２日（２０１１．８．１２）
【出願人】（００００００９７４）川崎重工業株式会社 (1,710)
【Ｆターム（参考）】
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