JP7841363B2 - 逆止弁 - Google Patents

Description

本発明は、逆止弁に関する。

従来、燃料電池自動車などに搭載されるガスタンクには、ガスタンクの内部に貯蔵される高圧の水素ガスの給排を制御するための弁装置が取り付けられている。たとえば、特許文献１の弁装置は、ガスタンクの内外を連通するガス流路が形成されたボディを備えている。ガス流路は、外部の供給元、たとえば水素ステーションの水素タンクから供給される水素ガスをガスタンクに充填するための充填路を含む。充填路には、水素ガスが逆流することを防止する逆止弁が設けられている。

水素ガスの充填時、外部から供給される水素ガスの圧力によって、コイルばねなどの付勢部材の付勢力に抗して弁体が弁座から離れる。これにより、逆止弁が開状態となる。開状態の逆止弁を通過する水素ガスが、充填路を介して、ガスタンクに充填される。水素ガスの充填完了時、ガスタンクの内部の水素ガスの圧力、および付勢部材の付勢力によって、弁体が付勢されることにより、弁体の頭部が弁座の弁孔を閉塞する。これにより、逆止弁が閉状態となる。

特開２０１８－０７１６８５号公報

たとえば、燃料電池自動車には、水素ガスの充填時間の短縮が求められる。充填時間は、逆止弁の開弁動作の応答性の影響を受ける。充填時間を短縮するため、逆止弁の開弁動作の応答性を向上させることが要求される。

上記課題を解決し得る逆止弁は、ガスの流路に設けられる。逆止弁は、周壁を貫通する横孔を有する筒状のハウジングと、前記ハウジングの軸方向の端部に設けられる弁座と、前記ハウジングの内部に軸方向へ移動可能に収容されるとともに、前記弁座に着座するように常時付勢される弁体と、を有している。前記弁体が前記弁座から離れる方向へ移動することによって、前記ガスの入口となる第１の開口部と、前記ガスの出口となる第２の開口部とが形成されるように構成される。前記第１の開口部は、前記弁座と前記弁体の先端部との間の隙間であって、前記弁体の先端部によって開閉されるように構成される。前記第２の開口部は、前記ハウジングの内部に露出する前記横孔の一部であって、前記弁体の外周面によって開閉されるように構成される。前記弁体の位置に関わらず、前記第２の開口部の開口面積が前記第１の開口部の開口面積よりも狭くなるように構成される。

この構成によれば、ガスが第２の開口部を通過する際、第２の開口部が絞りとして機能することにより、ガスに圧力損失が発生する。このため、第２の開口部に対する上流のガスの圧力が、第２の開口部に対する下流のガスの圧力よりも高くなる。したがって、第１の開口部から供給されるガスが、第２の開口部を介して横孔に円滑に流れ込むことにより、減圧弁の開弁動作の応答性が向上する。

上記の逆止弁において、前記弁体の先端部は、先端に向かって細くなるテーパ面を有していてもよい。この場合、前記弁体の移動に伴い、前記テーパ面が前記横孔に対して径方向にオーバーラップすることにより、前記第２の開口部が形成されるように構成されてもよい。また、前記弁体が前記弁座から離れる方向へ移動するとき、前記第１の開口部が前記第２の開口部よりも先に開くように構成されてもよい。

この構成によれば、第１の開口部が開き始めたとき、第２の開口部が閉じた状態でガスが第１の開口部からハウジングの内部に流入することにより、ガスの圧力を受ける弁体の領域の面積である受圧面積が増加する。このため、弁体に作用する弁座から離れる方向の荷重が増加する。したがって、弁体を、ガスの圧力によって、弁座から離れる方向へ円滑に移動させることができる。テーパ面が横孔に対して径方向にオーバーラップする位置まで、弁体が円滑に移動することにより、第２の開口部を適切に開口させることができる。

上記の逆止弁において、前記第２の開口部が形成され始めてから前記第２の開口部の開口面積が最大となるまでの期間、前記テーパ面を仮想的に延長した延長面が前記横孔の内周面と交わらないように、前記横孔のサイズが設定されてもよい。

この構成によれば、第１の開口部から供給されるガスは、弁体のテーパ面に案内されながら第２の開口部を介して横孔に流入する。このとき、ガスは、横孔に延長面に沿った方向に流入する。第２の開口部が形成され始めてから第２の開口部の開口面積が最大となるまでの期間、延長面が横孔の内周面と交わらないように、横孔のサイズが設定される。このため、延長面に沿って横孔に流入するガスが、横孔の内周面に突き当たることが抑制される。したがって、横孔に流入するガスを、横孔から円滑に流出させることができる。

上記の逆止弁において、前記第２の開口部を通過した後の前記ガスが、ガスタンクへ供給されるように構成されてもよい。この場合、前記弁体の先端部と反対側の端部である基端部に、前記第２の開口部を通過した後の前記ガスの圧力が作用するように構成されてもよい。

この構成によれば、たとえばガスタンクへのガスの充填が完了して、ガスの供給源からガスタンクへのガスの供給が停止されると、逆止弁の一次側の圧力と、逆止弁の二次側の圧力とが均衡した状態となる。一次側の圧力は、第２の開口部に対する上流側のガスの圧力である。二次側の圧力は、第２の開口部に対する下流側のガスの圧力である。このため、弁体が付勢部材の付勢力により弁座に着座する方向へ移動し、やがて弁体の先端部が弁座に着座する。弁体の先端部は、付勢部材の付勢力により、弁座に押し付けられた状態に維持される。したがって、ガスタンクの気密性が確保される。

上記の逆止弁において、前記ガスは、高圧の水素ガスであって、前記第２の開口部を通過した後の前記水素ガスが、燃料電池自動車のガスタンクへ供給されるように構成されてもよい。

この構成によれば、減圧弁の開弁動作の応答性が向上することにより、ガスタンクへの水素ガスの充填時間を短縮することができる。

本発明の逆止弁によれば、開弁動作の応答性を向上させることができる。

逆止弁の一実施の形態が使用される弁アセンブリの断面図である。 図１の弁アセンブリにおける閉状態の逆止弁近傍の断面図である。 図１の弁アセンブリにおける微小開状態の逆止弁近傍の拡大断面図である。 図１の弁アセンブリにおける開状態の逆止弁近傍の拡大断面図である。

以下、逆止弁の一実施の形態を説明する。逆止弁は、たとえば弁アセンブリに組み込まれる。
＜弁アセンブリ＞
図１に示すように、弁アセンブリ１は、たとえば燃料電池自動車のガスタンク２に装着される。また、弁アセンブリ１は、図示しない配管を介して外部機器３に接続される。外部機器３は、自動車に搭載される燃料電池、および水素ステーションなどの水素ガスの供給源を含む。ガスタンク２は、たとえば７２．５ＭＰａ程度の高圧の水素ガスを貯蔵する。弁アセンブリ１は、ガスタンク２に充填される水素ガスおよびガスタンク２から送出される水素ガスの流通を制御する。

弁アセンブリ１は、ボディ１１と、ボディ１１に組み付けられる複数の弁サブアセンブリとを有している。複数の弁サブアセンブリは、たとえば手動弁１２、複合弁１３、安全弁１４および逆止弁１５を含む。弁アセンブリ１は、先の配管を接続するための継手１６を有していてもよい。

ボディ１１は、金属製である。ボディ１１は、たとえば、本体１１Ａと、本体１１Ａから側方へ突出する突出部１１Ｂとを有している。また、ボディ１１は、複数の取付穴を有している。複数の取付穴は、継手１６を取り付けるための継手用取付穴２１と、手動弁１２を取り付けるための手動弁用取付穴２２と、安全弁１４および逆止弁１５を取り付けるための統合取付穴２３と、複合弁１３を取り付けるための複合弁用取付穴２４とを含む。

継手用取付穴２１は、突出部１１Ｂと反対側の本体１１Ａの側面に開口している。手動弁用取付穴２２は、本体１１Ａの第１の端面に開口している。統合取付穴２３は、突出部１１Ｂの先端面に開口している。複合弁用取付穴２４は、本体１１Ａの第２の端面に開口している。第２の端面は、本体１１Ａの軸方向において、第１の端面と反対側の本体１１Ａの面である。継手用取付穴２１、手動弁用取付穴２２、統合取付穴２３は、および複合弁用取付穴２４は、たとえば丸穴である。丸穴とは、穴の軸方向に直交する方向に円形の断面形状を有する穴のことである。

統合取付穴２３は、安全弁１４が取り付けられる安全弁用取付穴２３Ａと、逆止弁１５が取り付けられる逆止弁用取付穴２３Ｂとを有している。安全弁用取付穴２３Ａおよび逆止弁用取付穴２３Ｂは、突出部１１Ｂの突出方向に並んでいる。安全弁用取付穴２３Ａと逆止弁用取付穴２３Ｂとは、互いに連通している。安全弁用取付穴２３Ａは突出部１１Ｂの先端側に位置し、逆止弁用取付穴２３Ｂは突出部１１Ｂの基端側に位置している。安全弁用取付穴２３Ａは、突出部１１Ｂの先端面に開口している。

ボディ１１は、水素ガスが流通するガス流路３０を有している。ガス流路３０は、ガスタンク２に接続される第１の流路３１と、継手１６を介して外部機器３に接続される第２の流路３２とを含む。

第１の流路３１は、充填路３１Ａと、送出路３１Ｂとを有している。充填路３１Ａは、統合取付穴２３をガスタンク２と連通する。充填路３１Ａは、統合取付穴２３の逆止弁用取付穴２３Ｂの内周面に開口している。送出路３１Ｂは、複合弁用取付穴２４をガスタンク２と連通する。送出路３１Ｂは、複合弁用取付穴２４の内周面に開口している。

第２の流路３２は、第１の部分３２Ａと、第２の部分３２Ｂと、第３の部分３２Ｃとを有している。第１の部分３２Ａは、手動弁用取付穴２２と複合弁用取付穴２４とを連通する部分である。第１の部分３２Ａは、本体１１Ａの軸方向に延びている。第２の部分３２Ｂは、継手用取付穴２１と第１の部分３２Ａとを連通する部分である。第２の部分３２Ｂは、本体１１Ａの軸方向に対して直交する方向に延びている。第３の部分３２Ｃは、統合取付穴２３と第１の部分３２Ａとを連通する部分である。第３の部分３２Ｃは、本体１１Ａの軸方向に対して直交する方向に延びている。

継手１６は、円柱状である。継手１６は、たとえば、継手用取付穴２１にねじ込まれることにより、継手用取付穴２１に取り付けられている。継手１６は、継手通路１６Ａを有している。継手通路１６Ａは、第２の流路３２の第２の部分３２Ｂと連通している。継手１６は、外部機器３から延びる図示しない配管が連結される部分である。第２の流路３２は、配管を介して、外部機器３に接続される。

手動弁１２は、手動弁用取付穴２２に取り付けられている。手動弁１２は、第２の流路３２の第２の部分３２Ｂと、第２の流路３２の第１の部分３２Ａとの間の水素ガスの流通を制御する。手動弁１２は、手動操作により、閉状態と開状態とを切り替えることが可能である。閉状態は、第２の部分３２Ｂと第１の部分３２Ａとの間の水素ガスの流通が遮断される状態である。開状態は、第２の部分３２Ｂと第１の部分３２Ａとの間の水素ガスの流通が許容される状態である。

安全弁１４は、安全弁用取付穴２３Ａに取り付けられている。安全弁１４は、ガスタンク２内の水素ガスの圧力が過大な圧力に達することを抑制するためのものである。安全弁１４は、安全弁１４の温度に応じて、閉状態と開状態とが切り替わる。安全弁１４の温度がしきい値温度以下である場合、安全弁１４は閉状態に維持される。閉状態は、安全弁１４の流入口に流入する水素ガスを外部に放出しない状態である。安全弁１４の温度がしきい値温度を超えると、安全弁１４の内部に設けられた可溶性金属製の栓体が溶出することにより、安全弁１４は不可逆的に閉状態から開状態へ遷移することが可能となる。開状態は、安全弁１４の流入口に流入する水素ガスを外部に放出する状態である。しきい値温度は、たとえば、ガスタンク２内の水素ガスの圧力が過大であるとされる圧力に達するときの安全弁１４の温度を基準として設定される。

逆止弁１５は、逆止弁用取付穴２３Ｂに取り付けられている。逆止弁１５は、ガスタンク２内に充填された水素ガスの逆流を防止するためのものである。逆止弁１５は、第１の流路３１の充填路３１Ａから第２の流路３２の第３の部分３２Ｃへの水素ガスの流通を規制するとともに、第３の部分３２Ｃから充填路３１Ａへの水素ガスの流通を許容する。逆止弁１５は、安全弁１４とは異なる態様で水素ガスの流通を制御する。

複合弁１３は、複合弁用取付穴２４に取り付けられている。複合弁１３は、電磁弁の機能、および逆止弁の機能を有している。
複合弁１３は、電磁弁の機能により、第１の流路３１の送出路３１Ｂと、第２の流路３２の第１の部分３２Ａとの間の水素ガスの流通を制御する。複合弁１３の電磁弁機能部は、通電されることにより開弁する。すなわち、第１の流路３１の送出路３１Ｂと、第２の流路３２の第１の部分３２Ａとの間の水素ガスの流通が許容される。複合弁１３の電磁弁機能部は、通電が遮断されることにより閉弁する。すなわち、第１の流路３１の送出路３１Ｂと、第２の流路３２の第１の部分３２Ａとの間の水素ガスの流通が遮断される。電磁弁機能部は、電磁弁として機能する複合弁１３の部分である。

複合弁１３は、逆止弁の機能により、第１の流路３１の送出路３１Ｂから第２の流路３２の第１の部分３２Ａへの水素ガスの流通を許容するとともに、第２の流路３２の第１の部分３２Ａから第１の流路３１の送出路３１Ｂへの水素ガスの流通を規制する。

＜逆止弁１５＞
つぎに、逆止弁１５の構成について詳細に説明する。
図２に示すように、逆止弁１５は、ハウジング４１を有している。ハウジング４１は、第１の端部が閉塞した筒状である。ハウジング４１は、筒状部４１Ａと、筒状部４１Ａの第１の端部に設けられた端壁部４１Ｂとを有している。筒状部４１Ａの内部は、筒状部４１Ａの第２の端部に開口した収容穴４１Ｃとして構成されている。第２の端部は、筒状部４１Ａの軸方向において、第１の端部と反対側の筒状部４１Ａの端部である。第２の端部は、第１の端部よりも上流に位置している。

収容穴４１Ｃの第２の端部には、拡径穴部４１Ｄが設けられている。拡径穴部４１Ｄの内径は、収容穴４１Ｃの第１の端部側の部分の内径よりも大きくなるように設定されている。筒状部４１Ａの外径は、第２の端部を除いて、逆止弁用取付穴２３Ｂの内径よりも小さくなるように設定されている。筒状部４１Ａの第２の端部の外径は、逆止弁用取付穴２３Ｂの内径とほぼ同じ、またはそれより若干小さくなるように設定されている。

筒状部４１Ａは、１つ以上の横孔４１Ｅを有している。筒状部４１Ａは、たとえば、周方向に等間隔に位置する６つの横孔４１Ｅを有している。横孔４１Ｅは、筒状部４１Ａの軸方向において、第１の端部よりも第２の端部に近い位置に設けられている。横孔４１Ｅは、筒状部４１Ａの軸方向に延びる長孔である。横孔４１Ｅは、筒状部４１Ａの周壁を厚み方向に貫通している。

端壁部４１Ｂは、ねじ部４１Ｆを有している。ねじ部４１Ｆの外周面には、雄ねじが設けられている。ねじ部４１Ｆは、端壁部４１Ｂの第１の端部に設けられている。第１の端部は、ハウジング４１の軸方向において、筒状部４１Ａと反対側の端壁部４１Ｂの端部である。端壁部４１Ｂの外径は、ねじ部４１Ｆを除いて逆止弁用取付穴２３Ｂの内径よりも小さくなるように設定されている。端壁部４１Ｂにおけるねじ部４１Ｆ以外の部分の外径は、筒状部４１Ａの外径と同じであってもよい。

ハウジング４１は、筒状部４１Ａを逆止弁用取付穴２３Ｂに挿入しつつ、ねじ部４１Ｆを逆止弁用取付穴２３Ｂにねじ込むことにより、逆止弁用取付穴２３Ｂの内部に取り付けられる。ハウジング４１は、軸方向の移動が規制された状態に維持される。ハウジング４１を逆止弁用取付穴２３Ｂに装着することにより、逆止弁用取付穴２３Ｂの内周面とハウジング４１の外周面との間に、筒状の空間Ｓ１が形成される。空間Ｓ１は、第１の流路３１の充填路３１Ａと連通している。

端壁部４１Ｂは、連通路４１Ｇを有している。連通路４１Ｇは、第１の流路３１の充填路３１Ａを、空間Ｓ１を介して、安全弁用取付穴２３Ａ内の安全弁１４と連通させるための通路である。

連通路４１Ｇは、軸方向に延びる縦通路４１Ｈと、軸方向に対して直交する方向に延びる１つ以上の横通路４１Ｉとを有している。連通路４１Ｇは、たとえば、周方向に等間隔に位置する４つの横通路４１Ｉを有している。横通路４１Ｉの第１の端部は、端壁部４１Ｂの外周面に開口している。横通路４１Ｉの第２の端部は、縦通路４１Ｈの第１の端部に寄った位置に開口している。縦通路４１Ｈの第２の端部は、安全弁用取付穴２３Ａに開口している。第２の端部は、第１の端部と反対側の縦通路４１Ｈの端部である。

端壁部４１Ｂは、背圧孔４１Ｊを有している。背圧孔４１Ｊは、収容穴４１Ｃを連通路４１Ｇと連通させるため貫通孔である。背圧孔４１Ｊは、ハウジング４１の軸方向に延びている。また、端壁部４１Ｂは、図示しない工具と嵌合する１つ以上の工具穴４１Ｋを有している。工具穴４１Ｋは、たとえば、軸方向において、筒状部４１Ａと反対側に開口している。端壁部４１Ｂが複数の工具穴４１Ｋを有する場合、工具穴４１Ｋは、たとえば、等角度間隔で縦通路４１Ｈの周囲に設けられる。

逆止弁１５は、弁座４２を有している。弁座４２は、たとえば合成樹脂製の円筒である。弁座４２は、ハウジング４１の拡径穴部４１Ｄの内部に装着されている。ハウジング４１が逆止弁用取付穴２３Ｂの内部に固定された状態において、弁座４２は、逆止弁用取付穴２３Ｂの内端面とハウジング４１とによって、軸方向に挟み込まれている。これにより、逆止弁用取付穴２３Ｂの内端面とハウジング４１との間が、弁座４２によって密封される。弁座４２は、軸方向に貫通した弁口４２Ａを有している。弁口４２Ａの内周面は、テーパ面４２Ｂを有している。テーパ面４２Ｂの内径は、拡径穴部４１Ｄの内端面に向かって徐々に増加する。

逆止弁１５は、弁体４３を有している。弁体４３は、たとえば金属製である。弁体４３は、たとえば円柱状であって、ハウジング４１の収容穴４１Ｃの内部に収容されている。弁体４３は、軸方向に移動可能である。弁体４３は、弁座４２の弁口４２Ａを開閉可能に構成されている。弁体４３は、先端部と基端部とを有している。先端部は、軸方向において、弁座４２側に位置する弁体４３の端部である。基端部は、軸方向において、弁座４２の反対側に位置する弁体４３の端部である。弁体４３の先端部は、テーパ面４３Ａを有している。弁体４３の先端部の外径は、先端に向かって徐々に減少する。弁体４３のテーパ面４３Ａを除いた円柱部分の外径は、収容穴４１Ｃの内径と同程度である。弁体４３のテーパ面４３Ａを除いた円柱部分の外周面は、収容穴４１Ｃの内周面に対して軸方向に摺動する。

逆止弁１５は、付勢部材４４を有している。付勢部材４４は、たとえば圧縮コイルばねである。付勢部材４４は、ハウジング４１の収容穴４１Ｃの内部に収容されている。付勢部材４４は、弁体４３とハウジング４１の端壁部４１Ｂとの間に介在されている。付勢部材４４は、弁体４３を閉弁方向へ付勢する付勢力を発生する。閉弁方向は、水素ガスの流れの上流方向であって、端壁部４１Ｂから離れる方向である。

逆止弁１５は、閉状態と開状態との間で切り替わる。閉状態は、弁体４３の先端部が弁座４２に着座している状態であって、弁口４２Ａが閉じている状態である。逆止弁１５が閉状態であるとき、第１の流路３１の充填路３１Ａと、第２の流路３２の第３の部分３２Ｃとの間の水素ガスの流通が遮断される。開状態は、弁体４３の先端部が弁座４２から離れている状態、すなわち弁口４２Ａが開いている状態である。逆止弁１５が開状態であるとき、第１の流路３１の充填路３１Ａと、第２の流路３２の第３の部分３２Ｃとの間の水素ガスの流通が許容される。

＜水素ガス充填時の弁アセンブリ１の動作＞
つぎに、ガスタンク２に水素ガスを充填する際の弁アセンブリ１の動作について説明する。この場合、外部機器３である水素ガスの供給源から延びる配管が、継手１６に接続される。水素ガスが継手１６を介して供給される前の初期状態において、弁体４３は、付勢部材４４の付勢力により弁体４３の先端部が弁座４２に押し付けられた閉状態に維持される。

さて、水素ガスの供給源から継手１６を介して水素ガスが供給されると、水素ガスは第２の流路３２の第２の部分３２Ｂ、第１の部分３２Ａ、および第３の部分３２Ｃを介して、逆止弁１５に流入する。弁体４３の先端面が水素ガスの圧力を受けることにより、弁体４３が、付勢部材４４の付勢力に抗して、開弁方向へ移動する。開弁方向は、水素ガスの流れの下流方向であって、弁座４２から離れる方向である。弁体４３の先端部が弁座４２から離隔することにより、逆止弁１５が開状態となる。その結果、第２の流路３２の第３の部分３２Ｃが、ハウジング４１の横孔４１Ｅおよび空間Ｓ１を介して、第１の流路３１の充填路３１Ａと連通する。これにより、水素ガスが、充填路３１Ａを介して、ガスタンク２に流入する。

このとき、供給源からの水素ガスは、空間Ｓ１および連通路４１Ｇを介して、安全弁１４の流入口に流入する。しかし、安全弁１４の温度が、しきい値温度を超える高温に達していなければ、安全弁１４は閉状態に維持される。このため、安全弁１４の温度が、しきい値温度を超える高温に達していない場合、水素ガスが、安全弁１４を介して外部に放出されることはない。

また、供給源からの水素ガスは、第２の流路３２の第２の部分３２Ｂおよび第１の部分３２Ａを介して、複合弁１３にも流入する。しかし、複合弁１３は、逆止弁の機能により、第２の流路３２の第１の部分３２Ａから第１の流路３１の送出路３１Ｂへの水素ガスの流通を規制する。すなわち、複合弁１３は閉状態に維持される。このため、水素ガスが、第１の流路３１の送出路３１Ｂを介して、ガスタンク２に流入することはない。

ガスタンク２への水素ガスの充填が完了すると、水素ガスの供給源側の弁が閉じられることにより、水素ガスの供給源からガスタンク２への水素ガスの供給が停止される。このとき、逆止弁１５の一次側の圧力と、逆止弁１５の二次側の圧力とが均衡した状態となる。一次側の圧力は、弁体４３の先端部が受ける水素ガスの圧力、すなわち第２の開口部δ２に対する上流側のガスの圧力である。二次側の圧力は、第２の開口部δ２に対する下流側の水素ガスの圧力である。このため、弁体４３が付勢部材４４の付勢力により閉弁方向へ移動し、やがて弁体４３の先端部が弁座４２に着座する。これにより、弁座４２の弁口４２Ａが、弁体４３の先端部によって再び密封される。弁体４３の先端部は、付勢部材４４の付勢力により、弁座４２に押し付けられた状態に維持される。したがって、ガスタンク２の気密性が確保される。

＜水素ガス送出時の弁アセンブリ１の動作＞
つぎに、ガスタンク２から水素ガスを送り出す際の弁アセンブリ１の動作について説明する。この場合、外部機器３である燃料電池から延びる配管が継手１６に接続される。

ガスタンク２内の水素ガスは、第１の流路３１の送出路３１Ｂを介して、複合弁１３に流入する。水素ガスの送出時、複合弁１３の電磁弁機能部は、通電されることにより開弁する。これにより、第１の流路３１の送出路３１Ｂと、第２の流路３２の第１の部分３２Ａとの間の水素ガスの流通が許容される。水素ガスは、第２の流路３２の第１の部分３２Ａ、および第２の部分３２Ｂ、および継手通路１６Ａを介して、外部機器３である燃料電池に供給される。

このとき、ガスタンク２内の水素ガスは、第１の流路３１の充填路３１Ａを介して、逆止弁１５にも流入する。水素ガスは、空間Ｓ１、連通路４１Ｇ、および背圧孔４１Ｊを介して、収容穴４１Ｃの内部に流入する。付勢部材４４の付勢力に加え、弁体４３の基端部が水素ガスの圧力を受けることにより、弁体４３の先端部が弁座４２に押し付けられる。すなわち、逆止弁１５が閉状態に維持される。このため、水素ガスが、第２の流路３２の第１の部分３２Ａ、第３の部分３２Ｃ、および逆止弁１５を介して、ガスタンク２に逆流することが防止される。

また、ガスタンク２内の水素ガスは、第１の流路３１の充填路３１Ａ、空間Ｓ１、および連通路４１Ｇを介して、安全弁１４の流入口に流入する。しかし、安全弁１４の温度が、しきい値温度を超える高温に達していなければ、安全弁１４は閉状態に維持される。このため、安全弁１４の温度が、しきい値温度を超える高温に達していない場合、水素ガスが、外部に放出されることはない。

＜安全弁１４の高温時＞
つぎに、安全弁１４の温度がしきい値温度を超える高温に達した場合の弁アセンブリ１の動作について説明する。

ガスタンク２の温度が何らかの原因で上昇し、安全弁１４の温度がしきい値温度を超える高温に達した場合、安全弁１４が閉状態から開状態へ遷移することが可能となる。ガスタンク２内の水素ガスは、第１の流路３１の充填路３１Ａ、空間Ｓ１、および連通路４１Ｇを介して、安全弁１４の流入口に流入する。この流入する水素ガスの圧力によって、安全弁１４が開弁する。安全弁１４に流入する水素ガスが、開状態の安全弁１４を介して外部に放出されることにより、ガスタンク２の温度上昇に伴いガスタンク２の圧力が過大な圧力に達することが抑制される。

＜逆止弁１５の補足説明＞
つぎに、逆止弁１５の構成について補足説明する。
ガスタンク２への水素ガスの充填時間は、逆止弁１５の開弁動作の応答性の影響を受ける。充填時間を短縮するため、逆止弁１５の開弁動作の応答性を向上させることが要求される。このため、本実施の形態では、つぎの構成を採用している。

図２に示すように、逆止弁１５が閉状態であるとき、ハウジング４１の横孔４１Ｅの開口面積が「０」となるように、弁体４３の形状、弁体４３に対する横孔４１Ｅの位置、および横孔４１Ｅのサイズが設定されている。開口面積は、ハウジング４１の収容穴４１Ｃに露出する横孔４１Ｅの部分の面積である。逆止弁１５が閉状態であるとき、ハウジング４１の横孔４１Ｅが、弁体４３の外周面により塞がれる。

図３に示すように、逆止弁１５が微小開状態であるときにおいても、ハウジング４１の横孔４１Ｅの開口面積が「０」となるように、弁体４３に対する横孔４１Ｅの位置、および横孔４１Ｅのサイズが設定されている。微小開状態は、弁体４３の先端部が弁座４２から微小距離だけ離れた状態である。弁座４２と弁体４３の先端部との間には、微小な隙間である第１の開口部δ１が形成されている。第１の開口部δ１は、たとえば、弁座４２のテーパ面４２Ｂと弁体４３のテーパ面４３Ａとの間の環状の隙間である。第１の開口部δ１は、水素ガスの入口として機能する。

なお、逆止弁１５が微小開状態であるとき、ハウジング４１の横孔４１Ｅは、弁体４３の円柱部分の外周面によって、内側から塞がれた状態に維持される。
図４に示すように、逆止弁１５が開状態であるとき、弁体４３の先端部が弁座４２から離隔している。離隔距離は、逆止弁が微小開状態であるときの離隔距離よりも長い。開状態は、弁体４３の基端部がハウジング４１の端壁部４１Ｂに対して軸方向に当接した状態である。逆止弁１５が開状態であるときの第１の開口部δ１の開口面積は、逆止弁１５が微小開状態であるときの第１の開口部δ１の開口面積よりも広い。また、逆止弁１５が開状態であるとき、ハウジング４１の横孔４１Ｅの一部が収容穴４１Ｃに開口することにより、第２の開口部δ２が形成されている。逆止弁１５が開状態であるとき、第２の開口部δ２の開口面積が最大となる。第２の開口部δ２は、横孔４１Ｅと同じ数だけ存在する。第２の開口部δ２は、水素ガスの出口として機能する。

弁体４３の位置に関わらず、第１の開口部δ１の開口面積である第１の開口面積Ａ１と、第２の開口部δ２の開口面積である第２の開口面積Ａ２とが、次式（１）を満足するように設定される。

Ａ１＞Ｎ・Ａ２ …（１）
ただし、「Ｎ」は、横孔４１Ｅの数である。「・」は、乗算を示す。「Ｎ・Ａ２」は、第２の開口面積Ａ２の総和である。

次式（２）に示されるように、弁座４２の弁口４２Ａの開口面積である弁口開口面積Ａ０も、弁体４３の位置に関わらず、第２の開口面積Ａ２の総和「Ｎ・Ａ２」よりも広くなるように設定される。

Ａ０＞Ｎ・Ａ２ …（２）
次式（３）に示されるように、弁口開口面積Ａ０は、一例として、逆止弁１５が開状態であるときの第２の開口面積Ａ２の総和「Ｎ・Ａ２」よりも広くなるように設定される。

Ａ０＞Ａ１ …（３）
逆止弁１５が、図２に示される閉状態に維持されているときも、先の式（１）～（３）が成立する。また、逆止弁１５が、図３に示される微小開状態から図４に示される開状態へ遷移するまでの期間においても、先の式（１）～（３）が成立する。

なお、弁体４３に対する横孔４１Ｅの位置、および横孔４１Ｅのサイズは、第２の開口部δ２が形成され始めてから第２の開口面積Ａ２が最大となるまでの期間、弁体４３のテーパ面４３Ａを延長した延長面Ｌ１が、横孔４１Ｅの内周面と交わらないように設定されている。横孔４１Ｅの内周面は、端壁部４１Ｂに近い側の横孔４１Ｅの端部の内周面の一部である。逆止弁１５が開状態であるとき、第２の開口面積Ａ２が最大となる。このとき、延長面Ｌ１は、端壁部４１Ｂに近い側の横孔４１Ｅの端部において、横孔４１Ｅの内周面とハウジング４１の外周面とから形成される角部と接触する。

＜逆止弁１５の作用＞
このように構成した逆止弁１５は、つぎの作用を奏する。
図３に示すように、ガスタンク２への水素ガスの充填時、逆止弁１５に流入する水素ガスの圧力により、弁体４３が、付勢部材４４の付勢力に抗して、開弁方向へ移動し始める。これに伴い、弁体４３の先端部が弁座４２から離れることにより、第１の開口部δ１が形成され始め、弁口４２Ａの密封が解除される。しかし、弁体４３が移動し始めた段階である微小開状態において、横孔４１Ｅが依然として弁体４３の外周面によって閉塞された状態に維持される。このため、水素ガスは、第１の開口部δ１を介して、導入空間Ｓ２に流入するものの、横孔４１Ｅには流入しない。導入空間Ｓ２は、ハウジング４１の内周面と、弁座４２と、弁体４３のテーパ面４３Ａとによって囲まれる空間である。

横孔４１Ｅが弁体４３の外周面によって閉塞された状態で水素ガスが導入空間Ｓ２に流入することにより、弁体４３の受圧径が第１の受圧径φ１から第２の受圧径φ２へ増加する。受圧径は、水素ガスの圧力を受ける弁体４３の領域の直径である。第１の受圧径φ１は、逆止弁１５が閉状態であるときの弁体４３の受圧径であって、弁体４３の先端面の直径と同じである。第２の受圧径φ２は、逆止弁１５が微小開状態であるときの弁体４３の受圧径であって、弁体４３の最大外径と同じである。最大外径は、弁体４３のテーパ面４３Ａを除いた円柱部分の外径である。

受圧径が増加することは、受圧面積が増加することでもある。受圧面積は、水素ガスの圧力を受ける弁体４３の領域の面積である。すなわち、受圧径により、弁体４３に作用する開弁方向の荷重が決まる。逆止弁１５が閉状態から微小開状態に遷移したとき、弁体４３の受圧径が第１の受圧径φ１から第２の受圧径φ２へ増加することにより、弁体４３に作用する開弁方向の荷重が増加する。したがって、弁体４３が、水素ガスの圧力によって、開弁方向へ円滑に移動する。

第１の開口部δ１が形成され始めた段階において、第１の開口部δ１の開口面積である第１の開口面積Ａ１は、弁口４２Ａの開口面積である弁口開口面積Ａ０よりも狭い。このため、弁口４２Ａを通過した水素ガスが第１の開口部δ１に流入する際、第１の開口部δ１が絞りとして機能することにより、水素ガスには圧力損失が発生する。このため、水素ガスの圧力が低下する。次式（４）に示されるように、第１の開口部δ１を通過した後の水素ガスの圧力Ｐ１は、第１の開口部δ１を通過する前の水素ガスの圧力Ｐ０よりも低くなる。

Ｐ０＞Ｐ１ …（４）
水素ガスが第１の開口部δ１を通過する際に発生する圧力損失により、第１の開口部δ１を通過する前の水素ガスの圧力Ｐ０と、第１の開口部δ１を通過した後の水素ガスの圧力Ｐ１との差が大きくなりやすい。このため、弁口４２Ａを通過した水素ガスが、第１の開口部δ１を介して、導入空間Ｓ２に円滑に流入する。

図４に示すように、水素ガスの圧力により、弁体４３がさらに開弁方向へ移動する。弁体４３のテーパ面４３Ａが横孔４１Ｅに達した以降、テーパ面４３Ａが横孔４１Ｅに対して径方向にオーバーラップすることにより、第２の開口部δ２が形成される。これにより、横孔４１Ｅの閉塞が開放されるとともに、導入空間Ｓ２と横孔４１Ｅの内部とが、第２の開口部δ２を介して連通する。このため、水素ガスは、横孔４１Ｅ、空間Ｓ１、および充填路３１Ａを介して、ガスタンク２に供給される。

第２の開口部δ２が形成され始めた段階において、第２の開口部δ２の開口面積である第２の開口面積Ａ２の総和は、第１の開口部δ１の開口面積である第１の開口面積Ａ１よりも狭い。このため、水素ガスが第１の開口部δ１を経由して第２の開口部δ２に流入する際、第２の開口部δ２が絞りとして機能することにより、水素ガスには圧力損失が発生する。このため、水素ガスの圧力が低下する。次式（５）に示されるように、第２の開口部δ２を通過した後の水素ガスの圧力Ｐ２は、第２の開口部δ２を通過する前の水素ガスの圧力Ｐ１よりも低くなる。

Ｐ１＞Ｐ２ …（５）
水素ガスが第２の開口部δ２を通過する際に発生する圧力損失により、第２の開口部δ２を通過する前の水素ガスの圧力Ｐ１と、第２の開口部δ２を通過した後の水素ガスの圧力Ｐ２との差が大きくなりやすい。このため、導入空間Ｓ２に流入する水素ガスが、第２の開口部δ２を介して、横孔４１Ｅに円滑に流入する。

弁体４３が開弁方向へ移動するにつれて、第２の開口部δ２の開口面積である第２の開口面積Ａ２が徐々に増加する。第２の開口面積Ａ２の増加に伴い、導入空間Ｓ２から横孔４１Ｅに流入する水素ガスの流量が増大する。

弁体４３の開弁方向への移動は、弁体４３の基端部がハウジング４１の端壁部４１Ｂに対して軸方向に当接することにより規制される。このとき、第２の開口面積Ａ２が最大となる。第２の開口面積Ａ２が最大となる逆止弁１５の状態が、逆止弁１５の全開状態である。逆止弁１５が全開状態となった場合であれ、第２の開口面積Ａ２の総和は、第１の開口部δ１の開口面積である第１の開口面積Ａ１よりも狭い。

したがって、水素ガスが第２の開口部δ２を通過する際に圧力損失が発生する。この圧力損失により、第２の開口部δ２を通過する前の水素ガスの圧力Ｐ１と、第２の開口部δ２を通過した後の水素ガスの圧力Ｐ２との差が大きくなりやすい。このため、導入空間Ｓ２に流入する水素ガスが、第２の開口部δ２を介して、横孔４１Ｅに円滑に流入する。

また、弁体４３の基端部は、水素ガスの圧力によって、ハウジング４１の端壁部４１Ｂと軸方向に当接した状態に維持される。すなわち、逆止弁１５は、第２の開口面積Ａ２が最大となる全開状態に維持される。このため、第２の開口部δ２を介して横孔４１Ｅに流入する水素ガスの流量が確保される。

また、第１の開口部δ１から供給される水素ガスは、弁体４３のテーパ面４３Ａに案内されながら第２の開口部δ２を介して横孔４１Ｅに流入する。このとき、水素ガスは、横孔４１Ｅに延長面Ｌ１に沿った方向に流入する。ここで、第２の開口部δ２が形成され始めてから第２の開口面積Ａ２が最大となるまでの期間、横孔４１Ｅのサイズは、弁体４３のテーパ面４３Ａを仮想的に延長した延長面Ｌ１が、横孔４１Ｅの内周面と交わらないように設定されている。横孔４１Ｅの内周面は、端壁部４１Ｂに近い側の横孔４１Ｅの端部の内周面の一部である。このため、延長面Ｌ１に沿って横孔４１Ｅに流入する水素ガスが、横孔４１Ｅの内周面に突き当たることが抑制される。すなわち、横孔４１Ｅに流入する水素ガスの流れを妨げるものが存在しないため、横孔４１Ｅに流入する水素ガスが空間Ｓ１に円滑に流出する。

以上のように、逆止弁１５は、第２の開口部δ２に対する上流の水素ガスの圧力Ｐ０，Ｐ１が、第２の開口部δ２に対する下流の水素ガスの圧力Ｐ２よりも高くなる。この圧力差を意図的に発生させることによって、逆止弁１５の開弁動作の応答性が向上する。たとえば、ガスタンク２に水素ガスを充填する際、水素ガスが逆止弁１５に流入してから、逆止弁１５から流出するまでに要する時間、すなわちタイムラグを短縮することができる。したがって、ガスタンク２への水素ガスの充填時間を短縮することができる。

＜比較例＞
ちなみに、第２の開口部δ２の開口面積である第２の開口面積Ａ２が、第１の開口部δ１の開口面積である第１の開口面積Ａ１よりも広くなるように、第１の開口面積Ａ１および第２の開口面積Ａ２を設定した場合、つぎのことが懸念される。

すなわち、水素ガスが第１の開口部δ１を経由して第２の開口部δ２に流入する際、第２の開口部δ２が絞りとして機能しないため、水素ガスに圧力損失が発生しない。このため、第２の開口部δ２を通過した後の水素ガスの圧力Ｐ２は、第２の開口部δ２を通過する前の水素ガスの圧力Ｐ１と同程度となる。すなわち、第２の開口部δ２を通過する前の水素ガスの圧力Ｐ１と、第２の開口部δ２を通過した後の水素ガスの圧力Ｐ２との差が発生しにくい。したがって、逆止弁１５の開弁動作に必要とされる応答性が確保できないおそれがある。

＜実施の形態の効果＞
本実施の形態は、以下の効果を奏する。
（１）弁体４３の位置に関わらず、第２の開口部δ２の開口面積である第２の開口面積Ａ２が、第１の開口部δ１の開口面積である第１の開口面積Ａ１よりも狭くなるように、逆止弁１５の各部が構成されている。水素ガスの出口である第２の開口部δ２の開口面積が、水素ガスの入口である第１の開口部δ１の開口面積よりも狭いため、水素ガスが第２の開口部δ２を通過する際、第２の開口部δ２が絞りとして機能する。これにより、水素ガスが第２の開口部δ２を通過する際、水素ガスに圧力損失が発生する。このため、第２の開口部δ２に対する上流の水素ガスの圧力Ｐ１が、第２の開口部δ２に対する下流の水素ガスの圧力Ｐ２よりも高くなる。したがって、第１の開口部δ１から供給される水素ガスが、第２の開口部δ２を介して、横孔４１Ｅに円滑に流れ込むことにより、逆止弁１５の開弁動作の応答性が向上する。また、逆止弁１５の開弁動作の応答性が向上することにより、ガスタンク２への水素ガスの充填時間を短縮することができる。

（２）弁体４３が弁座４２から離れる方向へ移動するとき、第１の開口部δ１が第２の開口部δ２よりも先に開く。このため、第１の開口部δ１が開き始めたとき、第２の開口部δ２が閉じた状態で水素ガスが第１の開口部δ１からハウジング４１の内部、すなわち導入空間Ｓ２に流入することにより、弁体４３の受圧面積が増加する。このため、弁体４３に作用する弁座４２から離れる方向の荷重が増加する。したがって、弁体４３を、水素ガスの圧力によって、弁座４２から離れる方向へ円滑に移動させることができる。テーパ面４３Ａが横孔４１Ｅに対して径方向にオーバーラップする位置まで、弁体４３が円滑に移動することにより、第２の開口部δ２を適切に開口させることができる。

（３）第２の開口部δ２が形成され始めてから第２の開口面積Ａ２が最大となるまでの期間、横孔４１Ｅのサイズは、弁体４３のテーパ面４３Ａを仮想的に延長した延長面Ｌ１が、横孔４１Ｅの内周面と交わらないように設定されている。横孔４１Ｅの内周面は、端壁部４１Ｂに近い側の横孔４１Ｅの端部の内周面の一部である。このため、延長面Ｌ１に沿って横孔４１Ｅに流入する水素ガスが、横孔４１Ｅの内周面に突き当たることが抑制される。すなわち、横孔４１Ｅに流入する水素ガスの流れを妨げるものが存在しないため、横孔４１Ｅに流入する水素ガスを空間Ｓ１から円滑に流出させることができる。したがって、水素ガスをガスタンク２に速やかに充填することができる。

（４）第２の開口部δ２を通過した後の水素ガスは、ガスタンク２へ供給される。また、弁体４３の先端部と反対側の端部である基端部には、第２の開口部δ２を通過した後の水素ガスの圧力が作用する。このため、ガスタンク２へのガスの充填が完了して、ガスの供給源からガスタンク２へのガスの供給が停止されると、逆止弁１５の一次側の圧力と、逆止弁１５の二次側の圧力とが均衡した状態となる。このため、弁体４３が付勢部材４４の付勢力により弁座４２に着座する方向へ移動し、やがて弁体４３の先端部が弁座４２に着座する。弁体４３の先端部は、付勢部材４４の付勢力により、弁座４２に押し付けられた状態に維持される。したがって、ガスタンク２の気密性が確保される。

（５）ボディ１１の統合取付穴２３は、単一の穴であって、安全弁用取付穴２３Ａと、逆止弁用取付穴２３Ｂとを有している。安全弁用取付穴２３Ａおよび逆止弁用取付穴２３Ｂは、同軸上に位置している。このため、安全弁用取付穴２３Ａと逆止弁用取付穴２３Ｂとが、互いに独立した穴である場合に比べて、ボディ１１の構造を簡素化することができる。また、ボディ１１の加工時間を短縮することができる。

（６）逆止弁１５は、部分組立品である。部分組立品は、特定の機能部分を構成する部品を一体に扱えるように組み立てたものである。すなわち、逆止弁１５を個別に取り扱うことができる。このため、逆止弁１５をボディ１１に取り付ける際、安全弁用取付穴２３Ａを介して、逆止弁１５を逆止弁用取付穴２３Ｂに簡単に取り付けることができる。また、逆止弁１５を交換する際、安全弁用取付穴２３Ａを介して、逆止弁１５を逆止弁用取付穴２３Ｂから簡単に取り外すことができる。ちなみに、安全弁１４も部分組立品であって、個別に取り扱うことができる。

（７）逆止弁１５のハウジング４１の外周面と、逆止弁用取付穴２３Ｂの内周面との間には、水素ガスの流路として機能する空間Ｓが形成されている。逆止弁１５に流入する水素ガスは、ハウジング４１の横孔４１Ｅを介して、空間Ｓに流出する。空間Ｓに流入する水素ガスは、充填路３１Ａを介してガスタンク２へ供給されるとともに、連通路４１Ｇを介して安全弁１４の流入口に流入する。すなわち、空間Ｓに流入する水素ガスは、ハウジング４１の外周面に沿って軸方向に流れる。このため、水素ガスの流通に伴う騒音および振動の発生が抑制される。

＜他の実施の形態＞
なお、本実施の形態は、つぎのように変更して実施してもよい。
・ハウジング４１の横孔４１Ｅに、たとえばメッシュ状部材を設けることにより、第２の開口部δ２の開口面積を調節するようにしてもよい。メッシュ状部材がハウジング４１の収容穴４１Ｃに露出する分だけ、第２の開口部δ２の開口面積が減少する。また、メッシュ状部材がハウジング４１の収容穴４１Ｃに露出する分だけ、水素ガスの圧力損失が増加する。

・製品仕様などによっては、弁体４３が弁座４２から離れる方向である開弁方向へ移動するとき、第１の開口部δ１と第２の開口部δ２とが同じタイミングで開くように、逆止弁１５の各部を構成してもよい。

・弁アセンブリ１は、高圧の水素ガスに限らず、水素ガス以外のガスの流通を制御するようにしてもよい。
・逆止弁１５を、弁アセンブリ１を構成する複数の弁サブアセンブリの一つではなく、独立した弁装置として構築してもよい。この場合、逆止弁１５は、空間Ｓを閉じた空間として構成してもよい。また、逆止弁１５は、ボディ１１を有して構成するようにしてもよい。ただし、ボディ１１の形状およびサイズは、適宜調節される。また、ハウジング４１は、縦通路４１Ｈの開口を塞ぐように構成される。

２…ガスタンク
１５…逆止弁
３１…第１の流路（ガスの流路）
３２…第２の流路（ガスの流路）
４１…ハウジング
４１Ｅ…横孔
４２…弁座
４３…弁体
４３Ａ…テーパ面
４４…付勢部材
Ｌ１…延長面
δ１…第１の開口部
δ２…第２の開口部

Claims (4)

1. ガスの流路に設けられる逆止弁であって、
   周壁を貫通する横孔を有する筒状のハウジングと、
   前記ハウジングの軸方向の端部に設けられる弁座と、
   前記ハウジングの内部に軸方向へ移動可能に収容されるとともに、前記弁座に着座するように常時付勢される弁体と、を有し、
   前記弁体が前記弁座から離れる方向へ移動することによって、前記ガスの入口となる第１の開口部と、前記ガスの出口となる第２の開口部とが形成されるように構成され、
   前記第１の開口部は、前記弁座と前記弁体の先端部との間の隙間であって、前記弁体の先端部によって開閉されるように構成され、
   前記第２の開口部は、前記ハウジングの内部に露出する前記横孔の一部であって、前記弁体の外周面によって開閉されるように構成され、
   前記弁体の位置に関わらず、前記第２の開口部の開口面積が前記第１の開口部の開口面積よりも狭くなるように構成され、
   前記弁体の先端部は、先端に向かって細くなるテーパ面を有し、前記弁座は、前記弁体のテーパ面が着座するテーパ面を有し、
   前記弁体の移動に伴い、前記弁体のテーパ面が前記横孔に対して径方向にオーバーラップすることにより、前記第２の開口部が形成されるように構成され、
   さらに、前記ハウジングの内周面と、前記弁座と、前記弁体のテーパ面とによって囲まれる空間である導入空間を備え、
   前記弁体が前記弁座から離れる方向へ移動するとき、前記第１の開口部が前記第２の開口部よりも先に開くように構成されるとともに、
   前記第１の開口部が形成され始めた段階において、前記第１の開口部の開口面積は、前記ガスが前記第１の開口部を通過して前記導入空間に流入する際に前記第１の開口部が絞りとして機能する大きさに設定される逆止弁。
2. 前記第２の開口部が形成され始めてから前記第２の開口部の開口面積が最大となるまでの期間、前記弁体のテーパ面を仮想的に延長した延長面が前記横孔の内周面と交わらないように、前記横孔のサイズが設定される請求項１に記載の逆止弁。
3. 前記弁体が前記弁座に着座するように前記弁体を常時付勢する付勢部材を有し、
   前記第２の開口部を通過した後の前記ガスが、ガスタンクへ供給されるように構成されるとともに、前記弁体の先端部と反対側の端部である基端部に、前記第２の開口部を通過した後の前記ガスの圧力が作用するように構成される請求項１または請求項２に記載の逆止弁。
4. 前記ガスは、高圧の水素ガスであって、前記第２の開口部を通過した後の前記水素ガスが、燃料電池自動車のガスタンクへ供給されるように構成される請求項１または請求項２に記載の逆止弁。