JP2017116105A - 高圧用トラニオン型ボール弁並びに水素ステーション - Google Patents

Abstract

【課題】操作時における低トルク性と高いシール性能を長期にわたって維持し得る高圧用トラニオン型ボール弁と水素ステーションを提供する。【解決手段】ステム１１の回転力で回転自在に設けたボール１２とボールの両側位置にシール接触するシール機構を配置する。シール機構は、ボール面とシール接触するシール面を有するシートリテーナ１８と、シール面側に弾発力を付与するバネ部材２２と、シートリテーナの外周面に装着したシール部材２０とを備え、バネ部材の弾発力と流体圧による自緊力とによりシール機構のシール面と前記ボール面とを封止する。さらに、ステムの凹状の平行二面溝１０２とボールの凸状の平行二面部１０１とを接合し、又はステムの凸状の平行二面部とボールの凹状の平行二面溝とを接合し、弁閉時には、ステムに対してボールをやや平行移動状態にしてシール面とボール面とを封止するようにする。【選択図】図７

Description

本発明は、ボール弁に関し、特に、水素等の高圧流体が流れる水素ステーションなどの設備に好適な高圧用トラニオン型ボール弁並びに水素ステーションに関する。

近年、エネルギー政策の見直しに伴って、燃料電池自動車用水素ステーションの供給インフラの普及が強く推進されている。水素ステーションなどの高圧流体が流れる配管設備では、例えば、水素の圧力の場合、８０ＭＰａ以上の高圧になるため、高圧流体用のバルブが用いられる。このような高圧流体を流すためのバルブとして、例えば、特許文献１のニードルバルブが知られている。ニードルバルブは、ニードルの往復動により流路を開閉する構造になっている。

一方、流量を確保しながら流路をオンオフする場合に適したバルブとして、トラニオン型ボール弁を使用することがある。この種のボール弁として、例えば、特許文献２のトラニオン型ボール弁が知られている。このトラニオン型ボール弁は、ボデー内にステムとトラニオン（ロワステム）とを介して金属製のボール弁体が回転自在に装着され、このボール弁体の両側にシール用のボールシートが取付けられたシートリテーナが装着された構造になっている。このような高圧用のバルブでは、漏れを確実に防ぐために高い密封性を維持することが要求されている。さらに、高圧下においてバルブの操作性を確保するために、ステムとシート側との摺動性も満足させる必要もある。

ボールとシートとの密封性を向上させるようにした高圧ガス用のトラニオン型ボール弁としては、例えば、特許文献３のボール弁が開示されている。このボール弁では、高圧下においてボールとシートとの密封性を向上するために、ボールにおけるシートとの接触表面に、ダイヤモンドライクカーボンが蒸着されている。
また、ダイヤモンドライクカーボンで皮膜を形成したバルブとして、特許文献４の電磁弁が開示されている。この電磁弁では、弁箱の内周面と弁体の外周面の少なくとも一方の摺動面にコーティング膜が形成され、このコーティング膜としてダイヤモンドライクカーボンが用いられ、これにより摺動性を高めようとしている。

特表２００７−５３５６４８号公報 特開２０１２−１３１４１号公報 特開２００４−７６８８４号公報 特開２０１１−１７４５６９号公報

しかしながら、水素ステーションで特許文献１のようなニードルバルブを用いて水素を流そうとした場合、この水素が高圧であることで圧力損失が大きくなるため、水素の充填に時間がかかるという問題が生じる。

一方、高圧流体用のトラニオン型ボール弁では、特にボールとシート側との摺動性及び密封性の双方を向上させることが重要になる。この場合、特許文献２のボール弁において、摺動性を確保するために一般的に使用されているＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）やＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）などの樹脂材料をシート側の材料に使用すると、この軟質の樹脂材料が高圧下では傷付きやすくなることから、密封性を確保できなくなるおそれがある。このように、高圧下では密封性を確保するためには耐久性の点からもシール部もしくはシール面の硬度を高める必要がある。

特許文献３では、ボールのシートとの接触表面のみにダイヤモンドライクカーボンを蒸着することで耐久性を向上させ、高圧ガスを流す際のシール性（密封性）を維持しようとしているが、このボール弁ではシール性を向上させる代わりに、ボールとシートとの密着性の上昇によってこれらの間の摺動性が悪化するおそれがある。

特許文献４の電磁弁では、弁箱の内周面、弁体の外周面の摺動面にダイヤモンドライクカーボンによるコーティング膜を形成して摺動性を高めているが、この電磁弁では弁座の密封性の向上については開示ないし示唆されていない。

更に、高圧流体用のバルブでは、高圧流体によってボールが二次側に強く押される状態となる。例えば、９０ＭＰａの流体圧を加えた場合、呼び径９／１６（ポート径６．４ｍｍ）のボールバルブでは約１ｔの荷重がボールに加わる。この場合、ボールにはステムが接続されており、このステムはパッキンでシールされている。従って、ボールが二次側に強く押された際、ボールとステムとが略一体に接続されている構造ではステムまで二次側に傾くおそれがあり、パッキンによるシール性が損なわれるおそれがある。

また、特許文献２のようにボールの上下に円柱状の軸を設けた構造においては、軸の外周を積層した軸受（ボールベアリング）で回転自在に支持している。ところが、９０ＭＰａのように高圧の流体を加えた場合、ボールの球状部付近が最も強く二次側に押され、その結果、球状部近傍に配置されたボールベアリングが破損するおそれがあった。

本発明は、上記の課題点を解決するために開発したものであり、その目的とするところは、特に、高圧流体用に適しており、弁体側と弁座側との摺動性を高めて操作時における低トルク性を実現しつつ、密封性を向上させることで極めて高いシール性能を発揮してそのシール性を長期にわたって維持し得る耐久性を向上した高圧用トラニオン型ボール弁並びに水素ステーションを提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、ボデー本体内にステムの回転力で回転自在に設けたボールと前記ボールの両側位置に配置してボール面とシール接触するシール機構を有し、このシール機構は、前記ボール面とシール接触するシール面を有するシートリテーナと、前記シール面側に弾発力を付与するバネ部材と、前記シートリテーナの外周面に装着したシール部材とを備え、前記バネ部材の弾発力と流体圧による自緊力とにより前記シール機構のシール面と前記ボール面とを封止すると共に、前記ステムの凹状の平行二面溝と前記ボールの凸状の平行二面部とを接合し、又は前記ステムの凸状の平行二面部と前記ボールの凹状の平行二面溝とを接合し、弁閉時には、前記ステムに対して前記ボールをやや平行移動状態にして前記シール面と前記ボール面とを封止するようにした高圧用トラニオン型ボール弁である。

請求項２に係る発明は、前記ボールに一体に設けた上下軸部の外周にラジアルベアリングを軸装し、このラジアルベアリングの内周面にはポリテトラフルオロエチレンをコーティングした高圧用トラニオン型ボール弁である。

請求項３に係る発明は、高圧水素の供給ラインに請求項１又は２に記載した高圧用トラニオン型ボール弁を設けた高圧用トラニオン型ボール弁である。

本発明によると、特に、高圧流体用に適したトラニオン型構造のボール弁を提供でき、バネ部材の弾発力と高圧流体用のトラニオン構造のボール弁により自緊力を発揮して確実に高圧流体の漏れを防止しつつ、優れた操作性によって手動又は自動で確実に弁体操作することができる。

しかも、上下軸部を有するボールを二次側方向に垂直状態で支受けするようにしたので、ボールの平行二面部又は平行二面溝がステムの平行二面溝又はステムの平行二面部に沿って流路方向に沿ってやや平行移動可能になり、弁閉時に高圧力が加わってボールが流路方向に荷重を受けたときにやや平行移動、もしくは高荷重を受けボールが歪んだ場合も傾き現象が確実に防止される。そのため、ボールの回転操作を繰り返しおこなった場合にも耐久性やトルク性を維持でき、内径シール部材によるステムの高いシール性を維持できる。

また、高圧流体によってラジアル方向の過大な力がボールに加わった場合にも、ラジアルベアリングによりトルク性を確保し、繰り返し回転動作した場合にも軟性のポリテトラフルオロエチレンにより摺動抵抗が小さく、より摺動性が高まることで、ボールの耐久性を向上して劣化を抑えることができる。

さらには、操作時の低トルク性を実現しつつ、密封性を向上させることで極めて高いシール性能を発揮してそのシール性を長期にわたって維持し得る耐久性を向上できる高圧用トラニオン型ボール弁を備え、高圧下において、これらの両方の特性を兼ね備えながら操作できる。これにより、ボール弁により自緊力を発揮して確実に高圧流体の漏れを防止しつつ、優れた操作性によって自動や手動で簡単に弁体操作して流路を切り換えて所定量の水素を供給又は停止することができる。特に、水素ステーションのメンテナンス頻度を著しく低減することができる。

本発明における高圧用トラニオン型ボール弁の一実施形態を示した縦断面図である。 図１の高圧用トラニオン型ボール弁の分離断面図である。 シートリテーナを示す縦断面図である。 ボールとシートリテーナとのシール状態を示した要部拡大図である。 図１の一部拡大断面図である。 本発明における高圧用トラニオン型ボール弁の他の実施形態を示した縦断面図である。 図６の高圧用トラニオン型ボール弁の弁閉状態を示す要部拡大断面図である。 図７のＡ−Ａ拡大断面図である。 図６のボール弁とアクチュエータとを示す分離斜視図である。 本発明における高圧用トラニオン型ボール弁の他の実施形態を示した縦断面図である。 水素ステーションを示したブロック図である。

以下に、本発明における高圧用トラニオン型ボール弁の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１においては、本発明における高圧用トラニオン型ボール弁の一実施形態を示しており、図２においては、図１の分離断面図を示している。

図１、図２に示すように、本発明におけるボール弁本体（以下、弁本体という）１０は、内部にステム１１を介して弁体であるボール１２が回転自在に設けられ、このボール１２をシール接触するためのシール機構１３がボール１２の両側位置に配置されており、特に高圧流体を流す場合に好適なトラニオン型ボール弁の構造である。

弁本体１０はボデー本体１４により構成され、このボデー本体１４は、ボデー１５と、このボデー１５の一次側と二次側とにそれぞれ設けられたキャップ部材１６、１６とからなっている。ボデー本体１４内には、ボール１２、シール機構１３が内装されている。ここで、本実施形態における高圧とは、例えば、３５ＭＰａ以上であり、水素ステーション用の配管設備では７０〜１０５ＭＰａ、具体的には９０ＭＰａを想定している。

ボデー１５は、略四角形状に形成され、このボデー１５の両側にガスケット１７を挟着した状態でキャップ部材１６、１６が螺着部１６ａを介して螺着されてボデー本体１４が構成される。キャップ部材１６の内周面にはシートリテーナ１８装着用の装着穴１９が設けられ、この装着穴１９にシートリテーナ１８が嵌挿可能に設けられている。さらに、装着穴１９にはシール部材２０を装着可能になっている。

また、装着穴１９には、この装着穴１９よりも拡径した拡径溝部２３が形成され、この拡径溝部２３と後述のバネ部材２２との間に略筒状に形成したスペーサ２５が装着されている。スペーサ２５とシートリテーナ１８との間には、バネ部材２２が弾発状態で装着される。装着穴１９の他方側には、めねじ部２４が連通して形成され、このめねじ部２４には図示しない外部継手を螺着可能になっている。なお、キャップ部材１６は、接着や溶着等の接合手段によりボデー１５と一体化することも可能である。

ボール１２は、例えば、ＳＵＳ３１６などのステンレス鋼を母材として形成され、ボール面１２ａを有し、このボール面１２ａにシートリテーナ１８がシール可能になっている。このボール１２は、上部側の軸部（上軸部）１２ｂと、下部側のトラニオン（下軸部）１２ｃとを有し、この上軸部１２ｂと下軸部１２ｃとがボデー１５の取付穴１５ａに取付けられることで回動自在になっている。ボール１２をステム１１により回動操作した場合、ボール１２内部に形成された連通孔１２ｄとシートリテーナ１８内に形成された内部流路２８とが連通したときに流体を流すことが可能になっている。ボール１２の母材をＳＵＳ３１６としたときには、ビッカース硬さがＨｖ２００以下となる。ボール１２をステンレス鋼で形成する場合、このボール１２が接液部位であることから、水素脆化のない素材を材料とすることが望ましい。
ボール１２の上軸部１２ｂの内部には、連通孔１２ｄからボールの上面側に連通する均圧孔１２ｅが設けられ、この均圧孔１２ｅにより弁開時のキャビティ内の圧力を抜くことができるようになっている。

シール機構１３は、シートリテーナ１８、バネ部材２２、シール部材２０からなっている。
シートリテーナ１８は、例えば、ＢｅＣｕ合金（ベリリウム銅合金）などの銅基合金を母材として形成される。シートリテーナ１８の母材として、特に、ＢｅＡ―２５（ベリリウム銅）に溶体化処理＋冷間加工＋硬化処理（熱処理）をおこなったものを用いた場合、ステンレス鋼ＳＵＳ６３０以上の強度を持ちながら、比較的軟質である銅成分の含有によるシール性を発揮できる。シートリテーナ１８の母材をベリリウム銅とした場合、熱処理後のビッカース硬さはＨｖ３６０〜４５０となり、その機械的性質としては、例えば、引張強さが１２００〜１５００ＭＰａ、０．２％耐力が１０００〜１４００ＭＰａとなる。シートリテーナを銅基合金で形成した場合、水素による脆化も防がれる。
シートリテーナ１８の形成時には、ボール面１２ａの当接側であるシール面１８ａにおいて、研磨加工を施すことが望ましい。

本実施形態において、シートリテーナ１８の母材硬度は、ボール１２の母材硬度よりも高く設定され、「ダイヤモンドライクカーボンの硬度」＞「シートリテーナの母材硬度」＞「ボールの母材硬度」の関係を有している。これによって、万が一、後述するダイヤモンドライクカーボン（Ｄｉａｍｏｎｄ−ｌｉｋｅ ｃａｒｂｏｎ：ＤＬＣ）が消耗した場合でも、ボール面１２ａのＤＬＣとシートリテーナ１８の母材との硬度差、あるいは、ボール面１２ａのＤＬＣが消耗した場合でも、ボールとシートリテーナの各母材の硬度差によって、いわゆる”かじり”を生ずることなく、最低限の摺動性が確保され、シール性を長期にわたり維持できる耐久性のあるボール弁となる。本実施形態では、上述したようにシートリテーナ１８にＢｅＣｕを用いていることで、よりシール性を維持できる。すなわち、ＤＬＣを設けていること、シートリテーナ１８の母材とボール１２の母材との間に硬度差を設けていること、シートリテーナ１８の母材をＢｅＣｕ合金としていること、という二重、三重の設定により、高圧の水素が漏れることのないようにフェールセーフをおこなっている。
なお、目的に応じて、ボールの母材硬度をシートリテーナの母材硬度と同等、もしくは、高く設定してもよい。

シートリテーナ１８の具体的形状としては、ボール１２側に対向配置される拡径部２６と、この拡径部２６よりも縮径した筒部２７とが設けられる。前記のように拡径部２６におけるボール１２との対向面側にシール面１８ａが設けられ、このシール面１８ａとボール面１２ａとがシール接触可能になっている。シートリテーナ１８の母材は、摺動部品としての機能を発揮可能であればアルミブロンズなどの銅合金や、銅基合金以外の材料であってもよい。本実施形態では、耐圧摺動部品であるシートリテーナ１８の筒部が小径かつ薄肉であることから、変形を防止すべく機械的性質の高いＢｅＣｕ合金を用いている。

図３において、シートリテーナ１８のシール面１８ａを設ける場合を述べる。図において、ボール面１２ａの球径中心点Ｐからボール１２の流路方向にＸ軸、このＸ軸と交差するＹ軸を設ける。球径中心点ＰからＹ軸方向に所定距離Ｈの間をあけて２箇所の偏位点（オフセット点）Ｑ、Ｑを設ける。各オフセット点Ｑ、Ｑから偏位（オフセット）側と反対方向に１８０°の角度でボール面１２ａの半径Ｒ_Ｂよりもやや長い半径Ｒで半球面Ｓ、Ｓをそれぞれ描くことにより、この半球面Ｓの一部を軌跡面としたシール面１８ａが構成される。すなわち、図４において、シール面１８ａは、所定距離Ｈのオフセット点Ｑ、Ｑから描かれたボール面１２ａのやや長い半径Ｒの軌跡の一部であり、このシール面１８ａは半径Ｒで描かれることになる。

このとき、シール面１８ａのボール面１２ａとのシール位置Ｔが当該シール面１８ａの略中央位置になるようにオフセット点Ｑの所定距離Ｈを設定する。一例として、図１におけるボール１２の内部流路径ｄ_Ｎが１０ｍｍであって、ボール面１２ａの球径Ｄ_Ｂがφ２０ｍｍ（半径Ｒ_Ｂが１０ｍｍ）のときには、やや長い半径Ｒ（半径Ｒ_Ｂ＋Δｒ）として、距離ＨをΔｈとしたオフセット点Ｑを設定し、このオフセット点Ｑより軌跡面を描くようにすればよい。オフセット点Ｑの球径中心点Ｐからの所定距離Ｈは、ボール面１２ａの球径に応じて適宜変更することができる。本実施形態においては、Δｒ＞Δｈの関係になるよう設定している。

仮に、オフセット点Ｑを設けることなく、シートリテーナ１８のシール面１８ａをボール面１２ａよりやや長い半径で設定してしまうと、ボール１２がシートリテーナ１８のシール面１８ａの内周縁部位に当接してしまう。すると、内周縁部位がボール面１２ａに極所的に当接することとなり、ＤＬＣが破損するおそれが高くなる。これを回避するために内周縁部位に丸みをつけ、極所的な当接を避ける技術も考えられるが、ボール１２の位置がＸ軸方向にずれることになり、ボール１２上部の軸部などを細くせざるを得ないなどの新たな問題を生じてしまう。
本実施形態では、オフセット点Ｑを設けることにより、シートリテーナ１８のシール面１８ａと前記ボール面１２ａとのシール位置を当該シール面の略中央位置になるようにした。その上で、ＤＬＣを施す前の仕上加工をボール１２に施すことにより、シートリテーナ１８とボール１２とを面接触シールにてシールさせるようにしている。

本発明は、線接触又は面接触で当接させたシール面を有し、線接触といえども、実際には所定の巾を有した接触シール面を形成している。例えば、面接触シールの幅は、Ｙ軸と略平行に形成される環状の密着部位であり、例えば、０．５ｍｍ程度の幅になるようにする。本実施形態のトラニオン型ボール弁は高圧用であるため、ボール１２は流体圧により微少量変位するが、面接触シール幅を前記のように設定することで、環状の密着部位が維持される。しかも、図４に示すように、シール位置Ｔは、当該シール面１８ａの略中央位置に設定されていることから、ボール弁の使用中にこのシール位置Ｔの位置が若干ずれた場合にも環状の密着状態が維持される。

シートリテーナ１８の筒部２７には、シール部材２０と後述するバックアップリング２９、３０とが配設されている。この筒部２７がキャップ部材１６の装着穴１９に嵌挿されることで、シートリテーナ１８が流路方向に移動可能になっている。筒部２７の外周面にはシール部材２０が密着状態で装着され、シートリテーナ１８の流路方向への移動時には、このシール部材２０によって筒部２７と装着穴１９とがシールされる。また、シートリテーナ１８の内側には高圧流体が流れる内部流路２８が形成されている。

シートリテーナ１８とボール１２とによるシール部位を構成する際には、少なくともシートリテーナ１８のシール面１８ａと、このシール面１８ａと接触するボール面１２ａの双方に、ダイヤモンドライクカーボンによるコーティング層３１を施して、シートリテーナ１８とボール１２とにおける、摺動性と密封性とを発揮できるようにした。
この場合、シール面１８ａとボール面１２ａの何れか一方又は双方のコーティング層３１表面には、なじみ層３２が施されている。

ＤＬＣは、主に炭化水素、或は炭素の同素体からなるアモルファスの硬質膜であり、高硬度であって、潤滑性、耐摩耗性、表面平滑性、化学的安定性などの特性に優れている。ＤＬＣを施す場合の製法としては、プラズマＣＶＤ法やＰＶＤ法により成膜することができる。

プラズマＣＶＤ法でＤＬＣを設ける場合、アセチレン等の炭化水素ガスを用いてチャンバー内で原料ガスをプラズマ化し、気相合成した炭化水素を部品表面に蒸着する。この場合、原料に水素が含まれるため、ＤＬＣにも水素が含有されることになる。
一方、ＰＶＤ法によりＤＬＣを設ける場合、例えば、スパッタリング法やイオンプレーティング法がある。この場合、原料となる黒鉛を真空中でイオンビーム、アーク放電、グロー放電等にさらし、飛び散った炭素原子を部品表面に付着させる。この方法の場合には、炭素のみでＤＬＣを設けることができ、水素フリーのＤＬＣを施すことも可能になる。
ボール弁の流路に高圧流体である水素が流れたときには、コーティング層３１のＤＬＣ内部に水素流体が浸入することがあるが、本実施形態のＤＬＣには水素が含有されており、このＤＬＣが母材からより剥離するおそれはない。

ＤＬＣを施す場合、ボール１２にボール面１２ａ全面、シートリテーナ１８には図３に示した太線部分にＤＬＣ処理する。この場合、ビッカース硬さをシートリテーナやボールの母材に比して十分に高い硬度、例えば、ＨＶ１５００〜３０００までの範囲とすることが望ましく、膜厚２〜３μｍ程度で処理面に均等な厚さに設けるようにする。なじみ層３２は、必要に応じ、適宜の厚みによって設けられる。
ＤＬＣのコーティング層３１を施した部品は、高面圧摺動部品として使用可能となり、さらになじみ層３２を設けていることで初期なじみ性能が向上する。

シール機構におけるバネ部材２２は、例えば、コイルスプリングからなり、装着穴１９に嵌挿されたシートリテーナ１８の拡径部２６とスペーサ２５との間に装着され、バネ部材２２によりシートリテーナ１８のシール面１８ａ方向に弾発力が付与される。バネ部材２２は、皿バネであってもよい。

シール部材２０は、例えば、ゴム製のＯリングからなり、バックアップリング２９、３０とともに装着穴１９に装着され、これにより、ボデー本体１４側の装着穴１９とシートリテーナ１８のシール面１８ａとの間に配設される。シール部材２０側に配設されるバックアップリング２９は、例えば、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）により形成され、このバックアップリング２９の外側に配設されるバックアップリング３０は、例えば、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）により形成される。

シール部材２０とバックアップリング２９、３０は、それぞれ上記以外の別の材質の材料によって形成されていてもよいが、この場合にも、ゴムやＰＴＦＥと同程度の軟質材料をそれぞれ用いることが好ましく、軟質材料を用いることにより装着穴１９に変形させて装着しやすくなる。シール部材２０は、両側にバックアップリング２９、３０が配置された状態で装着穴１９に装着され、このバックアップリング２９、３０により両側が保護されている。

上記のボール１２とシール機構１３とによるシール機能により、弁本体１０はバネ部材２２がシートリテーナ１８に付与する弾発力と、シール部材２０の内径側で設定された流体圧とによりシール機構１３による押圧力を発揮させることにより自緊力とによる、いわゆる２重シール方式により高圧流体を封止できる構成になっている。

ステム１１の外周側には、下側パッキン座金３３、内径シール部材３４、外径シール部材３５、スラストベアリング３６、下側パッキン座金３３の上方側から嵌め込み可能な上側パッキン座金３７、グランド３８、ブッシュ３９が設けられており、ステム１１は、これらを介してボデー１５内に回動自在に装着される。

下側パッキン座金３３は、ステム１１との間をシールする内径シール部材３４が収納される円筒部４０と、内径シール部材３４を載置するための底部４１とを有している。円筒部４０の外周側には環状溝４２が形成され、この環状溝４２に外径シール部材３５が装着される。このように、内径シール部材３４、外径シール部材３５が、ステム１１と下側パッキン座金３３、下側パッキン座金３３とボデー１５との間にそれぞれ装着されていることで、ステム１１の軸装部分からの高圧流体の漏れが防がれている。

下側パッキン座金３３は、スラストベアリング３６を介してステム１１の上部側に配設され、これにより、ステム１１がスラストベアリング３６を介して内径シール部材３４、上側パッキン座金３７に対して回動自在となる。

グランド３８は、略筒状に形成され、内側に上側パッキン座金３７、下側パッキン座金３３を嵌入可能な環状鍔部４３と、上側パッキン座金３７を上方から被蓋する蓋部４５とを有している。グランド３８は、上側パッキン座金３７の上方側より、ボデー１５に形成した装着凹部４６に螺着により取付けられ、内径シール部材３４を収納し、外径シール部材３５が取付けられた上下側パッキン座金３７、３３をスラストベアリング３６方向に押圧している。グランド３８の内周側にはブッシュ３９が装着され、このブッシュ３９により上側パッキン座金３７が下側パッキン座金３３側に押さえつけられる。ブッシュ３９は、例えば、ＰＥＥＫを材料として設けられる。

このような構成により、弁本体１０内に高圧流体が流れて、図１において外気との差圧によりステム１１が上昇する方向の力が加わった場合にも、上下側パッキン座金３７、３３により内径シール部材３４が保護されているため、この内径シール部材３４が軸方向に潰れることが防止され、シール性の低下を防いで確実に高圧流体の漏れが防止される。このため、内径シール部材３４の消耗を防いでステム１１の操作性の低下を抑えることも可能になっている。

また、弁本体１０のボデー１５にはカバー５０が取付けられ、このカバー５０を介してハンドルキャップ５１、手動用ハンドル５２が取付けられている。
カバー５０は、略円板状に形成され、その底面側にはボデー１５上面側に形成された環状突部５３に嵌合可能な鍔状の側面部５４が設けられ、この側面部５４には、座ぐり部５５と、切欠部５６とが９０°の間隔で互い違いに２つずつ形成されている。カバー５０の中央部には、ハンドルキャップ５１を挿入するための穴部５７が形成され、この穴部５７には、図示しない規制片が突設形成され、この規制片によってステム１１の回転が９０°の範囲に規制される。

ハンドルキャップ５１は、グランド３８と略同径の略円柱状に形成され、その外周側にはカバー５０の規制片に係止可能な係止片５９が突設形成されている。ハンドルキャップ５１の底面側には、ステム１１の上端部に形成された平行部１１ａが嵌合可能な嵌合穴部５１ａが形成され、ハンドルキャップ５１は、この嵌合穴部５１ａと平行部１１ａとの嵌合によりステム１１に一体化される。また、ハンドルキャップ５１には取付穴部６０が形成され、一方、ハンドル５２の取付部位は、この取付穴部６０に嵌入可能な外径に設けられている。
なお、ボデー１５の環状突部５３における側面の座ぐり部５５と切欠部５６とが対応する位置には雌ネジ６１が設けられ、この雌ネジ６１に固着ボルト６２、図示しない止めネジが螺着可能になっている。

ハンドルキャップ５１は、嵌合穴部５１ａと平行部１１ａとの嵌合によりステム１１に対して所定の向きに取付けられ、この状態でカバー５０がハンドルキャップ５１の上から環状突部５３に嵌合装着される。更に、固着ボルト６２、止めネジが、それぞれカバー５０の座ぐり部５５、切欠部５６を介して雌ネジ６１に螺着されることによりハンドルキャップ５１が固定され、このハンドルキャップ５１の取付穴部６０にハンドル５２を嵌入して固定用ボルト６４で固定することで、ステム上端側にハンドル５２が操作可能に取付けられる。ハンドル５２の回転操作時には、係止片５９が規制片に当接して規制され、ステム１１を９０°の回転角度に回転規制しながら開閉操作可能になる。
このように、ステム上端側に手動用ハンドル５２を取付けることで、弁本体１０は手動式のバルブとして設けられている。
なお、本発明の高圧用トラニオン型ボール弁は、前記のように手動用のハンドルを取付ける以外にも、後述するように空気圧式アクチュエータ等の自動操作用アクチュエータにより自動化することも可能である。

続いて、本発明の高圧用トラニオン型ボール弁の上記実施形態における作用を説明する。
本発明の高圧用トラニオン型ボール弁は、少なくともシートリテーナ１８のシール面１８ａとこのシール面１８ａと接触するボール面１２ａの双方にダイヤモンドライクカーボンによるコーティング層３１を施して摺動性と密封性とを発揮するようにしているので、高圧水素ガスなどの高圧流体が流れるときに高面圧による摺動性を確保して、シートリテーナ１８とボール１２との何れの側にも傷が発生することを防ぎつつ、低トルク性とシール性とを確保して漏れを確実に防止しながら操作性を向上できる。ＤＬＣを２〜３μｍの膜厚のコーティング層３１で設けていることで、真球度や仕上げ粗さなどの母材の超精密加工をコーティング後も保つことができる。

ボール面１２ａの球径中心点Ｐからボール１２の流路方向であるＸ軸と交差するＹ軸方向に所定距離Ｈでオフセットしたオフセット点Ｑから、オフセット側と反対方向に１８０°の角度でボール面１２ａの半径Ｒ_Ｂよりもやや長い半径Ｒでそれぞれ描いた半球面Ｓの一部を軌跡面としたシール面１８ａを構成しているので、シール面１８ａのボール面１２ａとのシール位置Ｔを当該シール面１８ａの略中央位置とし、ボール面１２ａとシール面１８ａとが傾いた状態で当接することを防いで、シール面１８ａにボール面１２ａを均圧状態で圧接してシール性を向上し、確実に漏れを防止している。

仮にＤＬＣが減耗した場合であっても、シートリテーナ１８の母材硬度をボール１２の母材硬度よりも高く設定していることで、シートリテーナ１８の耐久性を向上してボール１２の回転によるかじりなどによる傷付きを防ぐことができる。これにより高いシール性を発揮する。
しかも、シートリテーナ１８の母材をＢｅＣｕ合金とし、ボール１２の母材をステンレス鋼としていることで、このメタルシートの採用により水素温度変化の影響を受けにくくなって耐久性が向上する。ＤＬＣのコーティング層３１が減耗した場合にも、シートリテーナ１８の母材のＢｅＣｕ合金によるベリリウム層によって漏れを回避できる。

シール面１８ａとボール面１２ａの何れか一方又は双方のコーティング層３１表面になじみ層３２を施しているので、シール面１８ａとボール面１２ａとのなじみ性を高めて摩擦による消耗を防止しつつ摺動性を向上できる。しかも、なじみ層３２により密着度も高めるため、シール性も向上する。

本発明の弁本体１０は、シール機構１３のシートリテーナ１８の内径側で流体圧を設定しているので、以下のような自緊力を得ることができる。
図１、図５において、仮にシートリテーナ１８の左側を一次側、右側を二次側とした場合、図１の矢印に示すように一次側から二次側に流体が流れるときに、シール面１８ａの内径φＡ、シール部材２０の内径φＤ、シール面１８ａの外径φＣ、シール部材２０の外径φＢとすると、内径φＤ＜内径φＡ＜外径φＣ＜外径φＢの関係に設定している。従って、一次側の自緊力に関しては、弁閉時に内径φＤ−内径φＡの面積に加わる流路中の流体圧により、シートリテーナ１８がボール１２に押圧される。
一方、二次側の自緊力に関しては、外径φＣ−内径φＤの面積に加わるキャビティ内の流体圧により、シートリテーナ１８がボール１２に押圧される。
このことから、本発明の高圧用トラニオン型ボール弁は、前述したバネ部材２２の弾発力と自緊力との２重シール方式の相乗効果により、優れた自封力を発揮して確実に高圧流体を封止できる。

図６においては、本発明におけるトラニオン型ボール弁の第２実施形態を示しており、図７においては図６の要部、図８においては、図７におけるＡ−Ａ断面であり、ステムとボールとの嵌合状態を示している。なお、この実施形態において、前記実施形態と同一部分は同一符号によって表し、その説明を省略する。

この実施形態の高圧用トラニオン型ボール弁においては、図７に示すように、ボール１２に前記実施形態と同様に上軸部１２ｂと下軸部１２ｃとが一体に設けられ、この上下軸部１２ｂ、１２ｃの外周にラジアルベアリング１１０、１１０を介してボール１２が回転自在に設けられている。

図７に示すように、ラジアルベアリング１１０は、例えばステンレス鋼などの剛性筒体１１０ａの内周面にポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などの軟性部材１１０ｂがコーティングされている。このようにラジアルベアリング１１０でボール１２を支えることにより、高圧流体によってボール１２にラジアル方向の大きな力が加わった場合にも、トルク性を維持して耐久性も高めることが可能になっている。この場合、ボール１２の上軸部１２ｂ、下軸部１２ｃを、一対の前記円柱状ラジアルベアリング１１０、１１０で支持する。このラジアルベアリング１１０は、ボール１２の球状部近傍からステム接続部近傍までを支持する、長尺形状に設定している。これにより、ボール１２の球状部付近に加わる荷重を、長尺状のラジアルベアリング１１０によりステム接続部近傍まで分散することにより、ベアリングの破損を防いでいる。そのため、耐久性のある高圧用ボールバルブが得られる。本実施形態は、ボール１２をボデー１５の上部から挿入するトップエントリー型の構造であるが、ボール１２をボデー１５の下部から挿入するボトムエントリータイプであっても、本発明は適用可能である。

ボール１２の上軸部１２ｂにはステム１１が接合され、このステムの回転力を介してボール１２が回転自在に設けられている。ステム１１は、スラスト方向の摺動面１０３を有し、この摺動面１０３と下側パッキン座金３３との間にスラストベアリング１０５が装着されている。スラストベアリング１０５は、図示しない薄板状のステンレス板などの剛性板にＰＴＦＥが被覆され、ステム１１の摺動面１０３や下側パッキン座金３３にはこのＰＴＦＥが当接する。ステム１１は、このスラストベアリング１０５を介してスラスト方向にも軸受けされている。

図７、図８に示すように、ステム１１の下端部には平行二面溝１０２が形成され、この平行二面溝１０２は、ボール１２の弁閉時の荷重を受ける方向、すなわち、図７において左右の方向に切欠くように設けられている。一方、ボール１２の上軸部１２ｂの上端には平行二面溝１０２に接合可能な平行二面部１０１が形成されている。ステム１１とボール１２とは、接合状態の平行二面溝１０２と平行二面部１０１とによって連動可能に設けられ、弁閉時における高圧流体でボール１２を押圧したとき、上下軸部１２ｂ、１２ｃを有するボール１２をラジアルベアリング１１０を介して二次側方向に垂直状態で支受けするようになっている。

弁閉時において、ボール１２に高圧流体の圧力が加わったときには、前記のようにボール１２が上軸部１２ｂ、下軸部１２ｃがラジアルベアリング１１０で支えられているが、平行二面部１０１と平行二面溝１０２とを介してステム１１に対してやや平行移動する。このことによって、ステム１１をシールするパッキンである内径シール部材３４の位置ずれを防いで定位置を保持し、ステム１１の傾きを防ぐことができる。このため、内径シール部材３４によるステム１１外周側のシール機能が有効に発揮される。よって、高圧流体によるステム１１側からの漏れを確実に防ぎ、ボール１２の回転動作を繰り返しおこなったとしても、バルブとしての耐久性やトルク性、内径シール部材３４、外径シール部材３５によるシール性を維持できる。

スラストベアリング１０５、ラジアルベアリング１１０は、ボデー１５に螺着されるグランド３８により、上方側から押圧されて位置決め固定される。このとき、ステム１１の上部側がグランド３８の内周側に装着された押圧用のブッシュ３９によって支えられ、内径シール部材３４、外径シール部材３５が定位置に装着される。

なお、この実施形態では、ステム１１に凹状の平行二面溝１０２、ボール１２に凸状の平行二面部１０１を形成した場合を説明したが、この凹凸関係は逆であってもよく、すなわち、ステム１１に凸状の平行二面部、ボール１２に凹状の平行二面溝を設けるようにしてもよい。

更に、この高圧用トラニオン型ボール弁では、図６、図９に示すように、ステム上端部１１ｂに自動操作用の空圧アクチュエータ８２が取付けられている。
本発明の高圧用トラニオン型ボール弁は、前述したようにステム１１の上端部１１ｂに手動操作用ハンドル５２を取付けて手動操作用ボール弁とするか、又は、ステム１１の上端部１１ｂを、ボデー１５に搭載した自動操作用アクチュエータ８２に連結して自動操作用のボール弁とすることが可能になっている。
アクチュエータ８２は、カバー５０を介してボデー１５に取付けられる。このアクチュエータ８２により、二次側方向に垂直状態で支受けされたボール１２を所定のトルクで正確に回転制御できる。

カバー５０は、取付開口部８３を有する基板８４と垂下側板８５より成り、基板８４にはボルト通し穴８６が形成され、垂下側板８５には位置決め用溝８７、座ぐり穴８８がそれぞれ９０度の間隔で互い違いに形成されている。これにより、位置決め用溝８７、座ぐり穴８８が垂下側板８５に対してそれぞれ２ヶ所ずつ設けられている。

ボール弁本体１０のボデー１５の軸装部８０上部の外周側は環状に切欠き形成され、これにより環状突部９０が形成されている。環状突部９０の外周面には、バルブ固定ボルト９１、取付ピン９２が螺合可能なめねじ部９３が略９０度の間隔で４ヶ所に均等配置されている。環状突部９０の上面には収納溝９４が形成され、この収納溝９４には、アクチュエータ８２にカバー５０を固定するためのアクチュエータ固定ボルト９５の頭部９６を収納可能になっている。

アクチュエータ８２の下部側には、カバー５０に形成された取付開口部８３に嵌入可能な環状凸部９７が形成され、アクチュエータ８２の底面側には、アクチュエータ固定ボルト９５を螺着可能な図示しない雌ネジが設けられている。

アクチュエータ８２をボール弁本体１０に取付ける場合には、先ず、軸装部８０のめねじ部９３に取付ピン９２を螺着する。この場合、９０度間隔で形成された４ヶ所のめねじ部９３のうち、対向する２ヶ所のめねじ部９３に対して取付ピン９２、９２をそれぞれ図に示すように固定する。
一方、取付開口部８３にアクチュエータ８２の環状凸部９７を嵌入して位置決めさせ、かつ、ボルト通し穴８６よりアクチュエータ固定ボルト９５を通してこのアクチュエータ固定ボルト９５を雌ネジに螺合させることにより、アクチュエータ８２の所定の取付位置にカバー５０を螺着する。

次に、アクチュエータ８２と一体化させたカバー５０をボール弁本体１０に取付ける。この場合、位置決め用溝８７に軸装部８０上部の外側面に設けた取付ピン９２を係止させて位置決め固定させながら、垂下側板８５の内周側に環状突部９０を嵌合させ、カバー５０を軸装部８０の上面に載置させることで、アクチュエータ８２が軸装部８０の所定位置に搭載される。このとき、アクチュエータ８２に設けられた出力軸１２０の下端側に形成された凹状部１２１に、ステム１１の上端側に形成された凸状部１２２を嵌合して出力軸１２０とステム１１とを接続する。また、アクチュエータ固定ボルト９５の頭部９６は、軸装部上面の収納溝９４に収納される。

この状態で、垂下側板８５よりめねじ部９３にバルブ固定用ボルト９１を螺着することで、カバー５０をボール弁本体１０に位置決め固定することができ、このカバー５０を介してアクチュエータ８２をボール弁本体１０の所定位置に正確に位置決め固定できる。アクチュエータ８２の作動時には正確にボール１２を開閉操作できる。なお、位置決めピンに代えてバルブ固定用ボルト９１を４ヶ所とすることも可能である。

アクチュエータ８２は、いわゆるスプリングリターン型であり、内部にはスプリング部材１１５が装着され、このスプリング部材１１５の飛び出し防止用のリテーナ部材１１６が設けられている。リテーナ部材１１６には、突状の突当て部１１７が形成され、内部に設けられたピストン１１８がシリンダ１１９内を往復動するときにこの突当て部１１７がシリンダ１１９の内部両側に当接する。このことにより、ピストン１１８の図示しないストロークを規制し、出力軸１２０の回転角度を所定角度、すなわち９０°に規制している。

図１１においては、本発明の高圧用トラニオン型ボール弁を設けた水素ステーションを示している。水素ステーションは、蓄圧器７０、圧縮機７１、ディスペンサ７２、プレクール熱交換器７３、迅速継手７４、充填ホース７５、充填ノズル７６、車載タンク７７を有し、これらは高圧水素の供給ライン７８としてシステムを構成している。

本発明のボール弁は、圧力損失が小さいので、蓄圧器７０の二次側に設けたり、その他の供給ラインに設けることによって、システム全体の圧力損失が小さくなり、図１０に示すシステムに好適である。図１０に示すように、水素ステーションの各ユニットの接続部位に手動弁８１を設け、各ユニットの一次側又は二次側に適宜に自動弁８０を設けて開閉制御している。

蓄圧器７０の内部は、複数のタンクに分かれており、それぞれのタンクと圧縮機７１とを接続するバルブ８０、及びそれぞれのタンクとディスペンサ７２とを接続するバルブ８０を適宜切り替えることにより、所定圧に至ったタンクから水素をディスペンサに供給する一方、所定の下限値圧を下回ったタンクには、圧縮機７１から水素を前記所定圧に至るまで充填する。

図６の水素ステーションのブロック図の供給ライン７８に示したように、所定のプログラムによってシステムにおける水素供給を制御したり、車両供給量に応じて適宜に水素を供給制御するようにしている。

図１０は、高圧用トラニオン型ボール弁の他の実施形態を示した縦断面図である。
図１はトップエントリータイプのボール弁を示したものであり、図１０はボトムエントリータイプのボール弁を示したものである。図１０に示すボール弁構造は、図１〜図９に示したボール弁の構造と同一構造を含んでいるので、その同一部分は同一符号で示して、その説明を省略する。

同図において、ボデー１５０の一次側と二次側にそれぞれキャップ部材１６，１６を螺着部１６ａを介して螺着固定されている。また、ボデー１５０の取付穴１５０ａにステム１１と上軸部１２ｂと下軸部１２ｃを有するボールをボデー１５０のボトム側から挿入し、ボデー１５０の突出部２０３に螺着部２００を介して締付部２０１を有する固定ねじ２０２で固定してボトムエントリータイプのボール弁を構成する。この場合、ステム１１とボール１２を挿入した取付穴１５０ａとの間隙には、例えば、断面略Ｕ字状等のパッキン２０６、金属製ブッシュ２０５、ベアリング２０４、ラジアルベアリング１１０（１１０ａ、１１０ｂ）を取付けており、図中２０７は空間を示している。

本例におけるボトムエントリータイプの高圧用トラニオン型ボール弁は、トップエントリータイプに比してステム１１のシール構造を簡素化することが可能となり、よりコンパクトで堅固なボール弁を提供することができる。

本発明の高圧用トラニオン型ボール弁のボール１２、シートリテーナ１８に対して水素耐久試験を実施し、その耐久性を比較した。このとき、常温、低温（−４０℃）、高温（８５℃）の温度下において、熱サイクルが−４０℃〜８５℃までの温度の高圧流体を流しながらボール１２を開閉操作するものとした。高圧流体としては、水素ガスを使用した。

この条件下において、ボール１２を４万回開閉操作したところ、摺動性、密封性の双方ともに異常はみられなかった。高圧流体を流したときに圧力差９０ＭＰａが生じたが、このときの操作トルクをアクチュエータの定格圧力である、例えば、９．４Ｎ・ｍに抑えることができ、高い操作性を維持できたといえる。

本発明は、特に、燃料電池で使用される高圧流体の水素等が流れる水素ステーションなどの配管設備に好適であるが、高圧流体が流れる管路であれば優れたシール性とトルク性とを発揮でき、例えば、ＣＮＧ（Compressed Natural Gas：圧縮天然ガス）ステーションにおけるバルブや、或は、パイプライン用バルブなどの各種の高圧流体の流れる場所で使用される高圧用ボール弁として適している。

１０ ボール弁本体
１１ ステム
１２ ボール
１２ａ ボール面
１２ｂ 軸部（上軸部）
１２ｃ トラニオン（下軸部）
１３ シール機構
１４ ボデー本体
１８ シートリテーナ
１８ａ シール面
１８ｂ 外周面
２０ シール部材
２２ バネ部材
３１ コーティング層（ダイヤモンドライクカーボン）
３２ なじみ層
５２ ハンドル
８２ アクチュエータ
１０１ 平行二面部
１０２ 平行二面溝
１０３ 摺動面
１１０ ラジアルベアリング
１１０ａ 剛性筒体
Ｈ 距離
Ｐ 球径中心点
Ｑ オフセット点
Ｒ シート
Ｒ_Ｂ ボール面の半径
Ｓ 半球面
Ｔ シール位置

Claims (3)

1. ボデー本体内にステムの回転力で回転自在に設けたボールと前記ボールの両側位置に配置してボール面とシール接触するシール機構を有し、このシール機構は、前記ボール面とシール接触するシール面を有するシートリテーナと、前記シール面側に弾発力を付与するバネ部材と、前記シートリテーナの外周面に装着したシール部材とを備え、前記バネ部材の弾発力と流体圧による自緊力とにより前記シール機構のシール面と前記ボール面とを封止すると共に、前記ステムの凹状の平行二面溝と前記ボールの凸状の平行二面部とを接合し、又は前記ステムの凸状の平行二面部と前記ボールの凹状の平行二面溝とを接合し、弁閉時には、前記ステムに対して前記ボールをやや平行移動状態にして前記シール面と前記ボール面とを封止するようにしたことを特徴とする高圧用トラニオン型ボール弁。
2. 前記ボールに一体に設けた上下軸部の外周にラジアルベアリングを軸装し、このラジアルベアリングの内周面にはポリテトラフルオロエチレンをコーティングした請求項１に記載の高圧用トラニオン型ボール弁。
3. 高圧水素の供給ラインに請求項１又は２に記載した高圧用トラニオン型ボール弁を設けたことを特徴とする水素ステーション。

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