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JP6011566B2 - 可溶式安全弁 - Google Patents

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Description

本発明は、可溶式安全弁の技術に関し、より詳しくは、所定の異常高温下で溶融する可溶体を備えた安全弁に関する。
従来、圧力容器内の温度が異常高温となった際に、容器内圧力が過度に上昇することを防止するための安全装置として、可溶式安全弁が知られている。
可溶式安全弁では、異常高温時に溶融する可溶体を備え、通常温度時においては可溶体により弁体の変位を規制し、異常高温時においては、可溶体を溶融させて弁体の規制を解除するとともに、弁体を変位させることによって、外部へと通じる流路を開放して、容器内圧力を低減させる構成としている。
このような構成の可溶式安全弁としては、例えば、以下に示す特許文献1に開示された安全弁用可溶栓を備えたものがある。
特許文献1に開示された従来の可溶式安全弁は、略円柱状である可溶体を備え、可溶体の軸心周りの部位(中心部)の強度を低くするとともに、中心部の周りの強度を高くする構成により、可溶体の溶解性を維持しつつ、可溶体の強度を高めるようにしている。
そして、特許文献1に係る可溶式安全弁では、可溶体の強度を高めることで、(異常高温時以外の)通常使用時における可溶体の破損を抑制し、可溶式安全弁の誤作動を防止するようにしている。
特開2012−132475号公報
特許文献1に開示された従来の可溶式安全弁では、圧力容器内の圧力が弁体を介して可溶体に作用しており、クリープ現象による可溶体の破損が依然として懸念される。このような構成で、更なる高温高圧化に対応し得る可溶式安全弁にするためには、可溶体の更なる強度の向上が必要になってくる。
しかしながら、一般的に可溶体自体の強度は低いため、従来の可溶式安全弁では、更なる高温高圧に対応することが困難であった。
本発明は、斯かる現状の課題を鑑みてなされたものであり、高温高圧下における誤作動防止を実現する可溶式安全弁を提供することを目的としている。
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。
即ち、本発明の第一の態様は、ガスを放出するガス放出孔を備える弁座と、前記ガス放出孔へのガスの流入を開閉する弁体と、異常高温時に溶融する素材からなる可溶体と、を備え、非異常高温時には、前記可溶体が前記弁体の変位を規制することにより、ガス放出孔へのガスの流入が閉止され、異常高温時には、前記可溶体が溶融することにより、前記弁体が変位し、前記ガス放出孔からガスが放出される可溶式安全弁であって、前記弁座は、前記弁体に向けて突出する突起部を備えるものである。
本発明の第二の態様は、前記可溶体を、前記弁座と前記弁体の間の前記突起部の周囲における前記ガス放出孔を塞ぐ位置に配置するものである。
本発明の第三の態様は、前記可溶体が溶融するときに、前記弁座と前記弁体の間に空隙部が形成され、前記弁体が、前記突起部を支点として、前記空隙部に向けて傾倒されて前記ガス放出孔からガスが放出されるものである。
本発明の第四の態様は、前記弁座は、前記可溶体に対面する側の端部において前記ガスが流通可能なガス流通孔が形成され、選択した前記ガス放出孔に前記ガス流通孔を連通させることによって、前記ガスの放出方向を変更する放出孔選択部材を備えるものである。
本発明の第一の態様によれば、可溶体に作用する圧力を抑制することによって、高温高圧下における誤作動が防止できる。
本発明の第二の態様によれば、簡易な構成としながら、可溶体に作用する圧力を抑制することができる。
本発明の第三の態様によれば、構成の簡易化を図りつつ、弁体を傾倒させることで、容易かつ確実に、ガス放出孔を開放することができる。
本発明の第四の態様によれば、簡易な構成としながら、ガスの放出方向を容易に調整することができる。
本発明の一実施形態に係る可溶式安全弁の全体構成を示す断面模式図。 可溶式安全弁の取付け対象たる圧力容器を示す模式図。 圧力容器の口金を示す部分模式図。 口金に対する可溶式安全弁の配置状況を示す断面模式図。 口金に配置される可溶式安全弁の構成を説明するための斜視模式図。 本発明の一実施形態に係る可溶式安全弁を構成する放出孔選択部材の他の実施形態を示す模式図、(a)突起部の先端を尖らせた形態、(b)複数の突起部を形成した形態、(c)突起部が板状である形態。 放出孔選択部材によるガス放出孔の選択方法を説明するための模式図、(a)放出孔選択部材におけるガス流通孔の形成状況を示す模式図、(b)弁座本体におけるガス放出孔をガス流通孔に対して位置決めした状況を示す模式図。 本発明の一実施形態に係る可溶式安全弁の作動状況を説明するための断面模式図。
次に、発明の実施の形態を説明する。
まず始めに、本発明の一実施形態に係る可溶式安全弁の全体構成について、図1〜図5を用いて説明をする。
図1に示す如く、本発明の一実施形態に係る可溶式安全弁1は、例えば、燃料電池の水素ガスタンクの安全弁として用いられるものであり、弁座10、弁体20、可溶体30等により構成される。
可溶式安全弁1は、図2に示すような圧力容器40に付設して用いるものであり、圧力容器40が意図せず加熱されたような場合に、内圧が過度に上昇することを防止するために、圧力容器40の温度が異常な高温になったときに、圧力容器40の内部と外部を連通させて、容器内部のガスを放出するために設けられる。
可溶式安全弁1は、図3に示すような圧力容器40に設けられた口金41に対して付設され、口金41における開口部42を封止するように配置される。例えば、図2に示す圧力容器40であれば、2箇所の口金41・41を備えているため、2個の可溶式安全弁1・1を使用する。また、一方の口金41をプラグ等で封止して、1箇所の口金41のみに可溶式安全弁1を設ける構成としてもよい。
図3には、口金41の一部分を拡大して示している。
口金41には、ガスの流路となる開口部42が形成されており、また、開口部42の内周面においては、可溶式安全弁1を螺合させるための雌ネジ43が形成されている。
口金41におけるガスの放出方向は、図3に示す矢印Xの方向となっており、圧力容器40の内部から外部に向けてガスが放出される。
図1に示す如く、弁座10は、弁座本体11、放出孔選択部材12、ボルト13、Oリング14等によって構成される。
弁座本体11には、ボルト孔11aが形成されており、また、放出孔選択部材12には、雌ネジ12aが形成されている。
弁座10は、弁座本体11のボルト孔11aにボルト13の雄ネジ部を挿通した状態で、ボルト13の雄ネジ部を、放出孔選択部材12の雌ネジ12aに螺合させることで、弁座本体11と放出孔選択部材12を締結し、一体化することによって構成される。
また、弁座10では、弁座本体11と放出孔選択部材12にOリング14が介設され、弁座本体11と放出孔選択部材12の間からのガスの漏出を防止している。
また、弁座本体11には、ガス放出孔15が形成されており、放出孔選択部材12には、ガス放出孔15に向けてガスを流通させるための孔であるガス流通孔16・16・・・が形成されている。
ガス放出孔15は、少なくとも一つのガス流通孔16と連通しており、弁座10の内部において、圧力容器40の内部から外部まで至るガスの放出経路が形成されている。
放出孔選択部材12は、弁座10における可溶体30に対面する側の端部を構成しており、弁座本体11と接する側と反対側の面(即ち、弁座10における可溶体30に対面する側の端部)において、突起部17が形成されている。
突起部17は、弁体20に向けて突出するように形成される。
非異常温度時において、突起部17の先端は、弁体20に当接させておくことが好ましい。これにより、非異常温度時において、突起部17によって弁体20を支持することができる。
さらに、放出孔選択部材12の周側面には、弁座10と口金41を螺合させるために用いる雄ネジ18を形成している。
弁体20に対する突起部17の形成位置は、弁体20が変位可能であれば、どの様な位置であっても良い。例えば、弁体20の重心位置に突起部17が設計上配置されていたとしても、製造誤差や使用環境等により重心位置からのズレが生じることが考えられ、そのような場合には弁体20を変位させることが可能である。より好ましくは、設計上、弁体20の重心からずれた位置に突起部17は配置される。
弁体20は、開口部42を閉止または開放するための弁としての役割を担う略円筒状の部材であり、円形である開口部42の内径に比して小さい外径を有している。
そして、弁体20の周側面には、Oリング21とバックアップリング22を嵌装するためのリング溝20aが形成されている。バックアップリング22は、リング溝20aにおけるOリング21の変位を規制するための部材である。
弾性体からなるOリング21の外径は、開口部42の内径に比して大きく構成され、弁体20およびOリング21を開口部42に圧入することによって、弁体20の周囲と開口部42の間のシール性を確保する構成としている。
弁体20には、圧力容器40内に充満するガスによって、弁体20を開口部42から外部に押し出す方向への応力が作用するが、このような応力には、可溶体30および突起部17(即ち、弁座10)のうち少なくとも1つの支持によって、抗することができる。
可溶式安全弁1における弁座10と弁体20の間には、弁座10と弁体20の間に存在する空隙を埋めるようにして可溶体30を配置している。
可溶体30は、圧力容器40における異常高温に該当する温度で溶融する性質を有する素材からなる部材である。可溶体30を構成する素材としては、ビスマス/インジウム系合金やガリウム/インジウム系合金等を採用することができる。
可溶体30は、貫通孔30aを備えており、該貫通孔30aに突起部17を挿通させることで、突起部17を取り囲むようにして配置され、弁座10と弁体20の間に存在する空隙を埋めるとともに、可溶体30によって、放出孔選択部材12に形成されたガス流通孔16・16・・・を塞いでいる。
このように、可溶体30は、圧力容器40の非異常高温時(例えば常温時)には、弁座10と弁体20の間に存在する空隙を埋めて、弁体20の変位を規制するとともに、放出孔選択部材12に形成されたガス流通孔16・16・・・を塞ぐように構成されている。
また、可溶体30は、圧力容器40の異常高温時には、溶融して、弁体20の規制を解除するとともに、放出孔選択部材12のガス流通孔16・16・・・を開放するように構成されている。
図4および図5に示す如く、可溶式安全弁1は、まず口金41の開口部42に対して、Oリング21を嵌装した状態の弁体20を挿入しておき、その後、弁座10の雄ネジ18を開口部42に形成された雌ネジ43に螺合させることで、弁座10を固定する。
尚、開口部42に弁座10を固定するに際し、弁座10の弁体20側の開口部42には可溶体30を挿入しておき、弁座10と弁体20で挟むようにして、可溶体30を固定する。
尚、可溶式安全弁1を開口部42に取付けた状態において、可溶体30は、弁座10および弁体20と接触するが、弁体20に作用する応力が、主として弁座10に作用するように、厚みを調整しておく。
可溶体30の厚みについては限定されず、どのような厚みであってもよいが、好ましくは、可溶体30の厚みと突起部17の突設高さを等しくする。可溶体30の厚みが突起部17の高さより大きい場合、突起部17の高さを超えた部分が破損されたとしても、突起部17の高さより下の部分は、突起部17が弁体20に当接することにより破損が防止される。可溶体30の厚みが突起部17の高さ以下の場合、突起部17が弁体20に当接することにより可溶体30の破損を防止できる。
このように可溶式安全弁1は、開口部42において、ガスの放出方向Xにおける上流側に弁体20を配置し、下流側に弁座10を配置するとともに、弁座10と弁体20の間に可溶体30を配置する構成としている。
そして、可溶式安全弁1は、圧力容器40における内圧の上昇によって弁体20に作用する圧力を、弁座10で負担する構成としており、圧力容器40の内圧が上昇した場合であっても、加圧によって可溶体30が破損されることがなく、高温高圧下でも、可溶体30の破損による誤作動が生じにくくなっている。
また、可溶式安全弁1では、可溶体30に過度な圧力が作用しないため、強度よりも、温度特性を重視して、可溶体30の素材を選択することができる。
即ち、本発明の一実施形態に係る可溶式安全弁1によれば、従来からある素材で可溶体30を構成しながら、従来に比してより高温高圧の条件に対応でき、かつ、誤作動も少なくすることができる。
尚、図1、図4、図5に示す可溶式安全弁1の実施形態においては、弁座10(放出孔選択部材12)において、先端部が半球状の態様である突起部17を一つだけ備える構成を例示しているが、本発明の一実施形態に係る可溶式安全弁1の態様をこれに限定するものではない。
ここで、可溶式安全弁1を構成する放出孔選択部材12の他の実施形態について、図6を用いて説明をする。
図6(a)に示す如く、放出孔選択部材12に形成する突起部17は、先端を円錐状に尖らせた形態としてもよい。
また、図6(b)に示す如く、放出孔選択部材12には、複数の突起部17・17・17を設けてもよい。
尚、ここでは、3個の突起部17・17・17を備える形態の放出孔選択部材12を例示したが、放出孔選択部材12に形成する突起部17の個数はこれに限定されない。
さらに、放出孔選択部材12に形成する突起部17は、図6(a)(b)に示すような略円柱状の形態だけではなく、図6(c)に示すように、略平板状の形態を有する突起部17を採用してもよい。
尚、ここでは、平板状の突起部17を備える形態の放出孔選択部材12を例示したが、放出孔選択部材12において形成する突起部17の形状はこれに限定されず、種々の形状を採用し得る。
放出孔選択部材12に形成する突起部17は、弁体20との当接位置が、弁体20の中心(軸心上)からオフセットした位置となるように配置することが好ましい。
このような構成により、弁体20の傾倒を容易にし、かつ、弁体20の傾倒方向を制御することが可能になる。
ここで、放出孔選択部材12によるガス放出孔15の選択状況について、図7を用いて説明をする。
図7(a)に示す如く、本実施形態で示す放出孔選択部材12には、4箇所のガス流通孔16・16・16・16が形成されている。
尚、ここでは、各ガス流通孔16・16・16・16をそれぞれ区別するために、ガス流通孔16a・16b・16c・16dと表示して説明を行う。
弁座本体11は、図7(b)に示すように、ボルト孔11a(ボルト13)の軸心を中心として回転可能に構成されており、弁座本体11を回転させることによって、ガス放出孔15に連通させるガス流通孔16を選択することができる。
図7(b)に示す状態では、ガス流通孔16aを選択し、ガス放出孔15をガス流通孔16aと連通させている。
また、その他のガス流通孔16b・16c・16dは、弁座本体11によって封止され、ガスが流通しない状況となっている。
可溶式安全弁1では、弁座本体11の回転角度を変えて、どのガス流通孔16a・16b・16c・16dとガス放出孔15を連通させるかを選択することができ、選択したガス流通孔16a・16b・16c・16dに応じて、ガスの放出方向を選択(変更)することができる。
尚、図1、図4、図5、図7においては、弁座本体11に形成されるガス放出孔15が1個であり、放出孔選択部材12に形成されるガス流通孔16が4個である場合を例示しているが、可溶式安全弁1を構成する弁座10の構成をこれに限定するものではない。
即ち、可溶式安全弁1を構成する弁座10では、弁座本体11に形成されるガス放出孔15の個数および放出孔選択部材12に形成されるガス流通孔16の個数は、適宜選択することができる。
また、ガス放出孔15は、例えば、2本のガス放出孔15・15を弁座本体11の内部で合流させて、ガスの放出方向を1箇所にまとめた態様であってもよい。
即ち、本発明の一実施形態に係る可溶式安全弁1を構成する弁座10は、可溶体30に対面する側の端部においてガスが流通可能なガス流通孔16が形成され、選択したガス放出孔15にガス流通孔16を連通させることによって、ガスの放出方向を変更する放出孔選択部材12を備えるものである。
このような構成により、簡易な構成としながら、ガスの放出方向を容易に調整することができる。
尚、本実施形態で示した可溶式安全弁1では、放出孔選択部材12を用いて弁座10を構成しているが、放出孔選択部材12を省略してもよい。
この場合は、弁座本体11に複数のガス放出孔15・15・・・を形成するとともに、ガスを放出させたくないガス放出孔15があれば、そのガス放出孔15をかしめ等することによって外部から塞ぎ、ガスの放出方向を選択する構成としてもよい。
次に、本発明の一実施形態に係る可溶式安全弁1の作動状況について、図8を用いて説明をする。
異常高温下に置かれた可溶式安全弁1は、図8に示す如く、可溶体30が溶融して、弁座10と弁体20の間の可溶体30が存在していた範囲で、空隙部Yが形成される。
弁体20は、空隙部Yが形成されると、突起部17の当接位置Mを支点として、傾倒するように変位することが可能になる。
弁体20には、圧力が作用しているため、この圧力によって、弁体20は傾倒され、Oリング21によるシール性が失われる(Oリング21が開口部42から離間する)。このとき、当接位置Mを弁体20の中心からオフセットさせておけば、弁体20は、ガスの圧力によって自然に傾倒する。
そして、Oリング21と開口部42の間に隙間が生じ、かつ、可溶体30で封止されていたガス流通孔16が露出するようになると、該ガス流通孔16とガス放出孔15によって形成されるガスの放出経路が開放され、圧力容器40の内部から、外部にガスが放出される。
圧力容器40が異常高温になった場合には、可溶式安全弁1は確実に作動し、可溶式安全弁1によって、圧力容器40内の圧力が過度に上昇することが防止される。
即ち、本発明の一実施形態に係る可溶式安全弁1は、ガスを放出するガス放出孔15を備える弁座10と、ガス放出孔15へのガスの流入を開閉する弁体20と、異常高温時に溶融する素材からなる可溶体30と、を備え、非異常高温時には、可溶体30が弁体20の変位を規制することにより、ガス放出孔15へのガスの流入が閉止され、異常高温時には、可溶体30が溶融することにより、弁体20が変位し、ガス放出孔15からガスが放出されるものであって、弁座10は、弁体20に向けて突出する突起部17を備えるものである。
このような構成により、可溶体30に作用する圧力を抑制することによって、高温高圧下における可溶式安全弁1の誤作動が防止できる。
また、本発明の一実施形態に係る可溶式安全弁1は、可溶体30を、弁座10と弁体20の間の突起部17の周囲におけるガス放出孔15を塞ぐ位置に配置するものである。
このような構成により、簡易な構成の可溶式安全弁1としながら、可溶体30に作用する圧力を抑制することができる。
さらに、本発明の一実施形態に係る可溶式安全弁1は、可溶体30が溶融するときに、弁座10と弁体20の間に空隙部Yが形成され、弁体20が、突起部17を支点として、空隙部Yに向けて傾倒されてガス放出孔15からガスが放出される。
このような構成により、構成の簡易化を図りつつ、弁体20を傾倒させることで、容易かつ確実に、ガス放出孔15を開放することができる。
1 可溶式安全弁
10 弁座
11 弁座本体
12 放出孔選択部材
15 ガス放出孔
16 ガス流通孔
17 突起部
20 弁体
21 Oリング
30 可溶体
40 圧力容器
42 開口部

Claims (4)

  1. ガスを放出するガス放出孔を備える弁座と、
    前記ガス放出孔へのガスの流入を開閉する弁体と、
    異常高温時に溶融する素材からなる可溶体と、
    を備え、
    非異常高温時には、前記可溶体が前記弁体の変位を規制することにより、前記ガス放出孔へのガスの流入が閉止され、
    異常高温時には、前記可溶体が溶融することにより、前記弁体が変位し、前記ガス放出孔からガスが放出される可溶式安全弁であって、
    前記弁座は、
    前記弁体に向けて突出かつ前記弁体と接触し、非異常高温時には、前記弁座と前記弁体との間に配置した前記可溶体と共に、前記弁体の変位を規制する突起部を備える、
    ことを特徴とする可溶式安全弁。
  2. 前記可溶体を、
    前記弁座と前記弁体の間の前記突起部の周囲における前記ガス放出孔を塞ぐ位置に配置する、
    ことを特徴とする請求項1に記載の可溶式安全弁。
  3. 前記可溶体が溶融するときに、前記弁座と前記弁体の間に空隙部が形成され、
    前記弁体が、
    前記突起部を支点として、前記空隙部に向けて傾倒されて前記ガス放出孔からガスが放出される、
    ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の可溶式安全弁。
  4. 前記弁座は、
    前記可溶体に対面する側の端部において前記ガスが流通可能なガス流通孔が形成され、
    選択した前記ガス放出孔に前記ガス流通孔を連通させることによって、
    前記ガスの放出方向を変更する放出孔選択部材を備える、
    ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の可溶式安全弁。
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