JP2004116673A

JP2004116673A - 制御弁

Info

Publication number: JP2004116673A
Application number: JP2002281699A
Authority: JP
Inventors: Tadaaki Hashide; 走出　忠昭; Toshitake Suzuki; 鈴木　利武
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Aisin Corp
Priority date: 2002-09-26
Filing date: 2002-09-26
Publication date: 2004-04-15

Abstract

【課題】１つの制御弁に流量調節機能と閉塞機能を併せ持つ構造とし、制御弁をコンパクト化することを目的とする。
【課題を解決するための手段】制御弁３０は、流体が通過する貫通穴Ｈａを設けた筒状のハウジングＨと、貫通穴Ｈａ内を軸方向に往復動する連結部材３６ａと、連結部材３６ａを駆動させる駆動装置３７を備えている。連結部材３６ａの一端および他端には第１および第２弁座３８ａ，３９ａが設けられ、貫通穴Ｈａの一端および他端には第１および第２弁座３８ａ，３９ａに対向させて第１および第２弁体３８ｂ，３９ｂが設けられている。駆動装置３７によって連結部材３６ａを長手方向に移動させることにより第１弁体３８ｂを第１弁座３８ａに密接させる位置まで移動させて貫通穴Ｈａを閉止し、または第２弁体３９ｂを移動させて同第２弁体３９ｂの相対位置を調節することにより流量を調節する。
【選択図】　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体が通過するパイプに設けられてパイプを開閉したり、流体の流量を調節したりする制御弁に関する。
【０００２】
【従来技術】
従来から、制御弁としては、連通弁口を開閉する弁部を設けた流量制御バルブが知られている（例えば特許文献１参照）。この流量制御バルブは、流体の流量を調節する機能を備えたものである。
【０００３】
流量制御バルブは燃料電池システムに使用されており、空気供給源からの空気を燃料生成系に供給する空気供給管に設けられて、空気の流量を調整している。また、空気供給管には、この流量制御バルブの下流に同流量制御バルブとは別体の電磁式の閉止弁が設けられており、この閉止弁により燃料生成系から燃焼ガスが逆流するのを防止している。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−１６３１３４号公報（第３−５ページ、図１）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述した燃料電池システムにおいては、各供給管に流量制御バルブと閉止弁の両方を設けるのにスペースが必要となるため燃料電池システム自体が大型化するという問題があった。
【０００６】
本発明は、上述した問題を解消するためになされたもので、１つの制御弁に流量調節機能と閉塞機能を併せ持つ構造とし、制御弁をコンパクト化することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、請求項１に係る発明の構成上の特徴は、流体が通過する貫通穴を設けた筒状のハウジングと、貫通穴の一端部内周壁に設けられた第１弁座と、この第１弁座に対向させて貫通穴内に移動可能に収容され同第１弁座とによって閉止弁を構成する先細に形成された第１弁体と、この第１弁体に一端が固定され軸方向に延在された連結部材の他端に固定されて先細に形成された第２弁体と、貫通穴の他端部内周壁に設けられて第２弁体の傾斜面に対向させた傾斜面が形成されて同第２弁体とによって流量調節弁を構成する第２弁座とを備えてなり、駆動装置によって連結部材を貫通穴の長手方向に沿って移動させることにより第１弁体を第１弁座に密接させる位置まで移動させて貫通穴を閉止し、または第２弁体を移動させて同第２弁体の相対位置を調節することによりこの第２弁体と第２弁座との間を通過する流体の流量を調節することである。
【０００８】
請求項２に係る発明の構成上の特徴は、第１弁座は柔らかい弾性材からなることである。
【０００９】
請求項３に係る発明の構成上の特徴は、第１弁座は耐熱性材料からなることである。
【００１０】
請求項４に係る発明の構成上の特徴は、連結部材を円柱状に形成し、この連結部材の外周面に螺旋状の溝を形成し、貫通穴の内周壁に周方向に沿って間隔をおいて凸設された複数の支承部材を連結部材の溝に摺動可能に係合させることにより連結部材を軸まわりに回転自在に支承し、駆動装置によって連結部材を回転させて貫通穴の長手方向に沿って移動させることである。
【００１１】
請求項５に係る発明の構成上の特徴は、連結部材を機械摩擦力によって停止位置を保持できる位置保持手段が設けられていることである。
【００１２】
請求項６に係る発明の構成上の特徴は、駆動装置はモータとこのモータの出力を減速する減速機からなり、減速機の出力軸に固定されたプーリと連結部材の間には張架部材が張架され、モータの駆動によりプーリが回転されると張架部材を介して連結部材が回転されて軸方向に沿って移動し、モータの停止によりプーリが停止すると張架部材を介して連結部材が停止されてこの連結部材はその停止位置に位置決め固定されたことである。
【００１３】
請求項７に係る発明の構成上の特徴は、第２弁体の相対位置と貫通穴を通過する流体の流量との相関関係を示すテーブルまたはマップに基づいて所望の流量となる相対位置を導出し、この導出した相対位置に第２弁体を移動させることである。
【００１４】
【発明の作用・効果】
上記のように構成した請求項１に係る発明においては、一端に第１弁体を他端に第２弁体を設けた連結部材を駆動装置によって軸方向に沿って一端側に移動させることにより第１弁体を第１弁座に密接させる位置まで移動させて貫通穴を閉止する。一方第２弁体を他端側に移動させて同第２弁体の相対位置を調節することにより貫通穴を通過する流体の流量を調節する。したがって、制御弁は閉塞機能と流量調節機能を併せ持つ構造となり、コンパクト化することができ、またこの制御弁を設けた装置もコンパクト化することができる。
【００１５】
上記のように構成した請求項２に係る発明においては、閉止時の第１弁体と第１弁座との隙間をなくすための押し込み圧力が少なくてすむのでエネルギー消費が少なくてよい。
【００１６】
上記のように構成した請求項３に係る発明においては、閉止時逆流した高温の熱流体に対して部材の弾力性を維持し閉止能力を維持することができる。
【００１７】
上記のように構成した請求項４に係る発明においては、連結部材を円柱状に形成し、この連結部材の外周面に螺旋状の溝を形成し、貫通穴の内周壁に周方向に沿って間隔をおいて凸設された複数の支承部材を連結部材の溝に摺動可能に係合させるので、ガタツキなく確実に連結部材を支承することができる。
【００１８】
上記のように構成した請求項５に係る発明においては、一定の流量に制御されているときには、位置保持手段によって連結部材が位置決め固定されており、通電が必要ないので省電力化できる。
【００１９】
上記のように構成した請求項６に係る発明においては、駆動装置はモータとこのモータの出力を減速する減速機からなり、減速機の出力軸に固定されたプーリと連結部材の間には張架部材が張架され、モータの駆動によりプーリが回転すると張架部材を介して連結部材が回転されて軸方向に沿って移動し、モータの停止によりプーリが停止すると張架部材を介して連結部材が停止されてこの連結部材はその停止位置に位置決め固定される。これにより、連結部材の移動中には電力が消費されるものの連結部材の停止中には電力が消費されないので、消費電力を小さく抑えた制御弁を提供することができる。また、連結部材の停止中には、連結部材は張架部材を介して接続された減速機により回転が規制されるので、その停止位置に確実に位置決め固定される。
【００２０】
上記のように構成した請求項７に係る発明においては、第２弁体の相対位置と貫通穴を通過する流体の流量との相関関係を示すテーブルまたはマップに基づいて所望の流量となる相対位置を導出し、この導出した相対位置に第２弁体を移動させるので、確実に所望の流量に制御することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による制御弁の一実施の形態を適用した燃料電池システムについて説明する。図１はこの燃料電池システムの概要を示す概要図であり、図２および図３は制御弁３０の軸方向および径方向の断面図である。
【００２２】
この燃料電池システムは燃料電池１０と燃料電池１０に必要な水素ガスを生成する燃料生成系２０を備えている。燃料生成系２０は、図１に示すように、都市ガス、ＬＰＧなどの燃料を水素ガスに改質する改質装置２１と、改質装置２１から導出された水素ガスに含まれる一酸化炭素を除去する一酸化炭素シフト反応装置２２と、一酸化炭素シフト反応装置２２から導出された水素ガスに含まれる一酸化炭素をさらに除去する一酸化炭素選択酸化反応装置２３から構成されている。この燃料生成系２０により生成された水素ガスいわゆる水素リッチガスを供給された燃料電池１０は、この水素ガスと酸素ガスとの反応により発電するようになっている。
【００２３】
改質装置２１は、触媒２１ａが充填された反応室２１ｂと、この反応室２１ｂに密接して設けられて反応室２１ｂを加熱する加熱室２１ｃと、加熱室２１ｃに高温の燃焼ガスを供給するバーナ２１ｄから構成されている。
【００２４】
反応室２１ｂには燃料供給源Ｓｆに接続された燃料供給管４１が接続されており、燃料供給源Ｓｆ（例えば都市ガス管）から燃料が供給されている。燃料供給管４１には、上流から順番にフィルタ４２、燃料ポンプ４３、脱硫器４４、逆止弁４５および熱交換器４６が設けられている。フィルタ４２は燃料ガスを濾過するものであり、燃料ポンプ４３は燃料供給源Ｓｆから供給される燃料ガスを吸い込み改質装置２１の反応室２１ｂに吐出するものであり、脱硫器４４は燃料中のイオウ分を除去するものであり、逆止弁４５は水蒸気を含んだ燃料ガスが逆流するのを防止するものであり、熱交換器４６は改質装置２１からの高温の水素ガスとの間で熱交換が行われて予熱された燃料を改質装置２１の反応室２１ｂに供給するものである。これにより、燃料はイオウ分が除去され予熱されて反応室２１ｂに供給される。
【００２５】
また、燃料供給管４１の逆止弁４５と熱交換器４６との間には蒸発器５５に接続された水蒸気供給管５２が接続され、蒸発器５５から供給された水蒸気が燃料ガスに混合されて改質装置２１の反応室２１ｂに供給されている。蒸発器５５には水供給源である水タンクＳｗに接続された給水管５１が接続されている。給水管５１には、上流から順番に水ポンプ５３および水バルブ５４が設けられている。水ポンプ５３は水タンクＳｗから供給される水を吸い込み蒸発器５５に吐出するものであり、水バルブ５４は制御装置８０により給水管５１を開閉するものである。給水管５１は加熱室２１ｃの外周に巻きつけられており、給水管５１内の流水が加熱室２１ｃにより予熱される。これにより、水は予熱されて蒸発器５５に供給され、水蒸気となって反応室２１ｂに供給される。
【００２６】
反応室２１ｂ内に供給された燃料（メタンガス）は、触媒２１ａにより反応室２１ｂ内に供給された水蒸気と反応し改質されて水素ガスと一酸化炭素ガスが生成されている（いわゆる水蒸気改質反応）。これと同時に反応室２１ｂ内では、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素が水蒸気と反応して水素ガスと二酸化炭素とに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じている。これら生成されたガスは熱交換器４６を介して一酸化炭素シフト反応装置に導出される。この導出されたガスは熱交換器４６によって約６５０℃から約２００℃まで冷却されている。
【００２７】
上述した水蒸気改質反応は吸熱反応であるため、改質装置２１の起動時など触媒２１ａの温度がこの触媒の活性温度域（６００〜７００℃）に達していない場合には、バーナ２１ｄにより触媒２１ａを加熱するようになっている。バーナ２１ｄには燃料電池１０に接続されたオフガス供給管７５が接続されており、燃料電池１０にて反応に使われなかった水素ガス（オフガス）が供給されている。また、バーナ２１ｄには燃料ポンプ４３の手前で燃料供給管４１から分岐した燃焼用燃料供給管４７が接続されており、燃焼用燃料が供給されるようになっている。燃焼用燃料供給管４７には燃焼用燃料ポンプ４８が設けられており、燃焼用燃料ポンプ４８は燃料供給源Ｓｆから供給される燃料を吸い込みバーナ２１ｄに吐出するものであり制御装置８０により制御されている。
【００２８】
さらにバーナ２１ｄには空気ポンプ６３の手前で第１空気供給管６１から分岐した燃焼用空気供給管６５が接続されており、オフガスまたは燃焼用燃料を燃焼させるための燃焼用空気が供給されている。燃焼用空気供給管６５には燃焼用空気ポンプ６６が設けられており、燃焼用空気ポンプ６６は空気供給源Ｓａから供給される空気を吸い込みバーナ２１ｄに吐出するものであり制御装置８０により制御されている。
【００２９】
バーナ２１ｄが制御装置８０により着火されると、バーナ２１ｄに供給されたオフガスまたは燃焼用燃料は燃焼されて高温の燃焼ガスが発生し、この燃焼ガスが加熱室２１ｃに供給されて反応室２１ｂが加熱されることにより触媒２１ａが加熱される。加熱室２１ｃを通過した燃焼ガスは排気管８１および蒸発器５５を通って排気ガスとして外部に排気される。なお、蒸発器５５には通過する燃焼ガスの温度を検出する第１温度センサ５５ａ（図４参照）が設けられている。
【００３０】
上述した改質装置２１から導出された一酸化炭素ガスを含む水素ガスは、一酸化炭素シフト反応装置２２に供給される。供給された水素ガスに含まれる一酸化炭素は、一酸化炭素シフト反応装置２２内に充填された触媒により水蒸気と反応して水素ガスと二酸化炭素ガスとに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じている。　これにより、水素ガスは前述した一酸化炭素シフト反応によって一酸化炭素濃度が低減されて導出される。
【００３１】
一酸化炭素シフト反応装置２２から導出された一酸化炭素濃度が低減された水素ガスは、一酸化炭素選択酸化反応装置２３に供給される。一方、一酸化炭素選択酸化反応装置２３には、空気供給源Ｓａに接続された第１空気供給管６１が接続されており、空気供給源Ｓａ（例えば大気）から空気が供給されている。第１空気供給管６１には、上流から順番にフィルタ６２、空気ポンプ６３および空気第１バルブ６４が設けられている。フィルタ６２は空気を濾過するものであり、空気ポンプ６３は空気供給源Ｓａから供給される空気を吸い込み一酸化炭素選択酸化反応装置２３に吐出するものであり、空気第１バルブ６４（後述する）は制御装置８０により第１空気供給管６１を閉止したり空気の流量を調節したりするものである。これにより、空気が一酸化炭素選択酸化反応装置２３に供給される。
【００３２】
前述のように一酸化炭素選択酸化反応装置２３に供給された水素ガスに残留している一酸化炭素は、一酸化炭素選択酸化反応装置２３に充填された触媒により別に供給された空気中の酸素と反応して二酸化炭素になる。これにより、水素ガスは前述した酸化反応によって一酸化炭素濃度がさらに低減されて（１０ｐｐｍ以下）導出される。また、一酸化炭素選択酸化反応装置２３には充填された触媒の温度を検出する第２温度センサ２３ａ（図４参照）が設けられている。
【００３３】
一酸化炭素選択酸化反応装置２３は水素ガス供給管７１を介して燃料電池１０の燃料極に接続されている。水素ガス供給管７１には、燃料ガス第１バルブ７３が設けられている。燃料ガス第１バルブ７３は制御装置８０により起動時に水素ガス供給管７１を閉じ定常時に開くものである。これにより、定常時には一酸化炭素選択酸化反応装置２３から導出された水素ガスが燃料電池１０の燃料極に供給される。また、燃料電池１０の空気極には第２空気供給管７６が接続され、この第２空気供給管７６には空気第２バルブ７７（後述する）が設けられている。この空気第２バルブ７７は制御装置８０により起動時には第１空気供給管６１を閉止し定常時には空気の流量を調節するものである。これにより、定常時には空気が燃料電池１０の空気極に供給される。燃料電池１０はその燃料極および空気極にそれぞれ水素ガスおよび空気が供給されると、所定の反応を起こして発電する。このとき、燃料電池１０の燃料極および空気極からはそれぞれオフガスおよび水（気体）が導出される。
【００３４】
なお、水素ガス供給管７１には、オフガス燃焼器（図示省略）に接続された排気ガス導出管７２が接続されている。排気ガス導出管７２には、燃料ガス第２バルブ７４が設けられている。燃料ガス第２バルブ７４は制御装置８０により起動時に排気ガス導出管７２を開き定常時に閉じるものである。これにより、起動時には一酸化炭素選択酸化反応装置２３から導出された水素ガスがオフガス燃焼器に供給される。
【００３５】
上述した空気第１バルブ６４および空気第２バルブ７７としては制御弁３０が採用されている。この制御弁３０は、主として図２に示すように、外周壁の一端に方形状のフランジ３１ａが形成された円筒状の外筒３１と、この外筒３１内に嵌入され取り付けられた第１〜第４内筒３２〜３５と、これら内筒３２〜３５内を軸方向に往復動する可動体３６と、この可動体３６を駆動させる駆動装置３７を備えている。
【００３６】
第１内筒３２は一端部を残して残りの部分が外筒３１内に嵌入され、第１内筒３２の外周壁の一端に外筒３１のフランジ３１ａと同形状に形成されたフランジ３２ａとフランジ３１ａとが当接している。また第４内筒３５も他端部を残して残りの部分が外筒３１内に嵌入され、第４内筒３５の外周壁の他端に外筒３１のフランジ３１ａと同形状に形成されたフランジ３５ａと外筒３１の他端とが当接している。フランジ３２ａ、フランジ３１ａおよびフランジ３５ａの各コーナに設けた孔（図３にてフランジ３１ａの孔３１ａ１のみ図示）を貫通した各ボルトを各ナットで螺着することにより、第１および第４内筒３２，３５は外筒３１に固定されている。この第１内筒および第４内筒は第１空気供給管６１または第２空気供給管７６に接続されている。
【００３７】
第１内筒３２の内周壁には第１弁座３８ａが固定されている。第１弁座３８ａは円筒状に形成されて第１内筒３２の内周壁に取付固定される固定部３８ａ１と、この固定部３８ａ１の他端から内側に折り曲げて設けた筒状の開口部３８ａ２から構成されている。この開口部３８ａ２の最小内径は後述する第１弁体３８ｂの外径より小径に設定されている。第１弁体３８ｂは断熱性のある材料から形成されている。第１弁座３８ａは耐熱性および化学物質に対する耐食性がありかつ柔らかい弾性材料（例えばニトリルゴム、フッ素系ゴムなど）から形成されている。なお、第１弁座３８ａは折り曲げ構造以外の構造、例えば単なる環状の凸部を設けるようにしてもよい。これにより、第１弁座３８ａが柔らかい弾性材料で形成されたので、閉止時の第１弁体３８ａと第１弁座３８ｂとの隙間をなくすための押し込み圧力が少なくてすむのでエネルギー消費が少なくてよい。また、第１弁座３８ａが耐熱性材料で形成されたので、閉止時逆流した高温の熱流体に対して部材の弾力性を維持し閉止能力を維持することができる。
【００３８】
また、第４内筒３５の内周壁には第２弁座３９ａが設けられている。第２弁座３９ａは他端側に先細の円錐台状に形成されている。第２弁座３９ａの最小内径は後述する第２弁体３９ｂの外径より小径に設定されている。
【００３９】
第１および第４内筒３２，３５の間には第２および第３内筒３３，３４が配置されている。第２内筒３３の内周壁には複数のローラ３３ａ（支承部材）が周方向に沿って間隔をおいて設けられている（本実施の形態においては４つのローラ３３ａが９０度間隔にて設けられている）。各ローラ３３ａは第２内筒３３の内周壁に設けた一対のピン受け部３３ｂ，３３ｂに装架されたピン３３ｃにより回転自在に軸支されている。ローラ３３ａは後述する可動体３６の外周壁に設けた溝３６ａ１に摺動可能に係合されている。第３内筒３４の内周壁にも、第２内筒３３と同様に複数のローラ３４ａ（支承部材）が周方向に沿って間隔をおいて設けられている（本実施の形態においては４つのローラ３４ａが９０度間隔にて設けられている）。各ローラ３４ａは第３内筒３４の内周壁に設けた一対のピン受け部３４ｂ，３４ｂに装架されたピン３４ｃにより回転自在に軸支されている。ローラ３４ａは後述する可動体３６の外周壁に設けた溝３６ａ１に摺動可能に係合されている。なおローラ３３ａ，ローラ３４ａとの間隔は、連結部材３６ａの必要移動量の倍の距離に設定されている。
【００４０】
なお、第２および第３内筒３３，３４は互いに係合され、また第１および／または第４内筒３２，３５に係合されてその回転が規制されるようになっている。また、外筒３１、第１〜第４内筒３２〜３５によりハウジングＨが形成され、第１〜第４内筒３２〜３５により貫通孔Ｈａが形成される。
【００４１】
可動体３６は、第１弁座３８ａと第２弁座３９ａの間に配置されるものであり、第２および第３内筒３３，３４にローラ３３ａ，３４ａを介して回転自在に支承される連結部材３６ａと、連結部材３６ａの一端および他端に固定された第１および第２弁体３８ｂ，３９ｂから構成されている。連結部材３６ａは第２および第３内筒３３，３４より小径である円柱状に形成されている。ハウジングＨと連結部材３６ａとの間は流体が十分流れる程度の隙間に設定されている。また、連結部材３６ａの外周面には螺旋状の溝３６ａ１が形成されている。この溝３６ａ１に各ローラ３３ａ，３４ａが摺動可能に係合され、連結部材３６ａを軸まわりに回転自在に支承し、連結部材３６ａが軸まわりに回転されると軸方向に往復動する。これにより、ガタツキなく確実に連結部材３６ａを支承することができる。
【００４２】
第１弁体３８ｂは第１弁座３８ａに対向させて配置され貫通穴Ｈａ内に移動可能に収容されている。第１弁体３８ｂは先細に形成されており（ほぼ半円球状に形成されており）、第１弁体３８ｂが一端側に移動して第１弁座３８ａに当接すると、制御弁３０は閉止される。これにより、第１弁体３８ｂおよび第１弁座３８ａによって閉止弁３８が構成される。なお、第１弁体３８ｂと第１弁座３８ａの隙間は調節流量に影響を与えないように設定されている。また、第１弁体３８ｂの形状は半円球状に限定されるものではなく先細の形状であれば他の形状に形成してもよい。
【００４３】
第２弁体３９ｂは第２弁座３９ａに対向させて配置され貫通穴Ｈａ内に移動可能に収容されている。第２弁体３９ｂは先細に形成されており（円錐状に形成されており）、第２弁体３９ｂの傾斜面と第２弁座３９ａの傾斜面はほぼ平行に対向するようになっている。第１弁体３８ｂが他端側に移動して第１弁座３８ａに接近すると、これらの間は狭くなり流量が減少する。逆に一端側に移動して第１弁座３８ａから離間すると、これらの間は広くなり流量が増加する。これにより、第２弁体３９ｂおよび第２弁座３９ａによって流量調節弁３９が構成される。
【００４４】
制御弁３０には可動体３６を駆動させる駆動装置３７が設けられている。駆動装置３７はハウジングＨに取り付けた取付板３７ａに取付ブラケット３７ｂを介して取り付けられている。取付板３７ａは第１内筒のフランジ３２ａと第４内筒のフランジ３５ａの間に装架されている。駆動装置３７はモータ３７ｃとモータ３７ｃの出力を減速する減速機３７ｄからなり、減速機３７ｄの出力軸３７ｄ１にはプーリ３７ｅ（歯車）が固定されている。プーリ３７ｅと連結部材３６ａの間には張架部材３７ｆ（例えば細長いワイヤ）が張架されている。ワイヤはプーリ３７ｅおよび連結部材３６ａに２重巻きされ、適当なテンションとなるように張設されているので、ワイヤのすべりはない。なお、モータ３７ｃはレゾルバ、エンコーダなどの回転検出器を備えており、モータの回転数を検出して回転数に応じた信号を制御装置８０に出力している。また、ハウジングＨには張架部材３７ｆが通過するための孔Ｈｂが設けられており、孔Ｈｂ内には空気抜け防止ガイド部材（図示省略）が設けられ、この空気抜け防止ガイド部材中を張架部材３７ｆが摺動可能に設けられている。
【００４５】
モータ３７ｃの駆動によりプーリ３７ｅが回転されると張架部材３７ｆを介して連結部材３６ａが回転されて軸方向に沿って移動し、モータ３７ｃの停止によりプーリ３７ｅが停止すると張架部材３７ｆを介して連結部材３６ａが停止されてこの連結部材３６ａはその停止位置に位置決め固定される。これにより、連結部材３６ａの移動中には電力が消費されるものの連結部材３６ａの停止中には電力が消費されないので、消費電力を小さく抑えた制御弁３０を提供することができる。また、連結部材３６ａの停止中には、連結部材３６ａは張架部材３７ｆを介して接続された減速機３７ｄにより回転が規制されるので、その停止位置に確実に位置決め固定される。すなわち、駆動装置３７の減速機３７と張架部材３７ｆからなる位置保持手段によって、連結部材３６ａを機械摩擦力により停止位置に保持する。
【００４６】
また、上述した各センサ２３ａ，５５ａ、バーナ２１ｄ、各ポンプ４３，４８，５３，６３，６６、および各バルブ６４，７３，７４，７７は制御装置８０に接続されている（図４参照）。制御装置８０はマイクロコンピュータ（図示省略）を有しており、マイクロコンピュータは、バスを介してそれぞれ接続された入出力インターフェース、ＣＰＵ、ＲＡＭおよびＲＯＭ（いずれも図示省略）を備えている。ＣＰＵは、第２弁体３９ｂの相対位置と貫通穴Ｈａを通過する流体の流量との相関関係を示すテーブルまたはマップに基づいて所望の流量となる第２弁体３９ｂの相対位置を導出し、この導出した相対位置に第２弁体３９ｂを移動させるなど、燃料電池システムを作動させる。ＲＡＭは同プログラムの実行に必要な変数を一時的に記憶するものであり、ＲＯＭは第２弁体３９ｂの相対位置と貫通穴Ｈａを通過する流体の流量との相関関係を示すテーブルまたはマップを記憶するものである。
【００４７】
記憶されたテーブルまたはマップは以下のように作成される。可動体３６すなわち第２弁体３９ｂの停止位置（ハウジングＨに対する第２弁体３９ｂの相対位置）を変えて各停止位置における基準点（本実施の形態においては第４内筒３５の左端）から所定距離の流路断面積をそれぞれ算出し、この算出結果から停止位置毎の最小流路断面積を算出する。この結果、図５に示すように、最小流路断面積が最大のとき（停止位置は図６（ｂ）参照）に最大流量となり、最小のとき（停止位置は図６（ｄ）参照）に最小流量となり、これらの中間のとき（停止位置は図６（ｃ）参照）に中流量となる。そして、停止位置毎の最小流路断面積と流体の圧力とに基づいて流量を算出し、算出結果からテーブルまたはマップを作成する。また、上述した制御弁３０を使用して実験によって停止位置毎の流量を測定しこの測定結果からテーブルまたはマップを作成してもよい。
【００４８】
制御弁３０を閉止する際には、制御装置８０は駆動装置３７により可動体３６を一端側に移動させ第１弁体３８ｂを第１弁座３８ａに押圧して制御弁３０を閉止する（図６（ａ）参照）。また、制御弁３０を所望の流量とする際には、制御装置８０は所望の流量となる停止位置を前述したテーブルまたはマップから算出し、算出した位置まで駆動装置３７により可動体３６すなわち第２弁体３９ｂを移動させてその位置に固定する。具体的には、制御装置８０は、原点位置（第２弁体３９ｂと第２弁座３９ａとが当接した状態となる可動体３６の位置）から停止位置までの距離を算出しこの距離に相当する回転数を算出して、この回転数だけモータ３７ｃを回転させることにより、所望の位置に移動させる。最大流量とする場合には図６（ｂ）に示す位置に停止され、最小流量とする場合には図６（ｄ）に示す位置に停止され、中流量とする場合には図６（ｃ）に示す位置に停止される。これにより、確実に所望の流量に制御することができる。
【００４９】
次に、上述した燃料電池システムの作動について説明する。制御装置８０は図示しない起動スイッチがオンされると、燃料ガス第１バルブ７３を閉じ燃料ガス第２バルブ７４を開いて一酸化炭素選択酸化反応装置２３をオフガス燃焼器に接続し、燃焼用燃料ポンプ４８および燃焼用空気ポンプ６６を駆動して燃焼用燃料および空気を改質装置２１のバーナ２１ｄに供給してバーナ２１ｄを着火する。これにより、燃焼用燃料が燃焼され、燃焼ガスにより改質装置２１内の触媒２１ａおよび蒸発器５５が加熱される。
【００５０】
制御装置８０は、第１温度センサに５４ａより蒸発器５５の温度を検出し、この検出した温度が所定温度Ｔｈ１以上となれば、水バルブ５４を開き、水ポンプ５３を駆動させ水タンクＳｗの水を蒸発器５５に供給する。
【００５１】
制御装置８０は、蒸発器５５の温度が所定温度Ｔｈ１以上となった時点から所定時間が経過すれば、燃料ポンプ４３を駆動させ燃料供給源Ｓｆの燃料を改質装置２１の反応室２１ｂに供給する。これにより、改質装置２１では上述した水蒸気改質反応および一酸化炭素シフト反応が生じる。そして、改質装置２１から導出された水素ガスは一酸化炭素シフト反応装置２２および一酸化炭素選択酸化反応装置２３により一酸化炭素ガスを低減されて一酸化炭素選択酸化反応装置２３から導出される。
【００５２】
このように水素ガスの生成中において、制御装置８０は、第２温度センサに２３ａより一酸化炭素選択酸化反応装置２３の触媒の温度を検出し、この検出した温度が所定温度Ｔｈ２以上となれば、空気第１バルブ６４を開いて所定の流量とし、空気ポンプ６３を駆動させ空気供給源Ｓａの空気を一酸化炭素選択酸化反応装置２３に供給する。
【００５３】
そして、制御装置８０は、燃料ガス第１バルブ７３を開き燃料ガス第２バルブ７４を閉じて一酸化炭素選択酸化反応装置２３を燃料電池１０に接続するとともに空気第２バルブ７７を開いて所定の流量とし、燃焼用燃料ポンプ４８および燃焼用空気ポンプ６６の駆動を停止して起動運転を終了し、燃料ポンプ４３、水ポンプ５３および空気ポンプ６３の駆動を継続させて燃料ガスを燃料電池１０に供給する定常運転を開始する。定常運転時の際にも、上述した空気第１バルブ６４、空気第２バルブ７７はシステムの負荷変動に応じて所望の流量となるように適宜制御されている。本燃料電池システムでは、空気第１バルブ６４および空気第２バルブ７７は、それぞれ数段階の流量値になるようにステップ的に制御している。このため流量一定の時間が長く続き、制御弁３０の可動体３６は一定の位置に停止している時間が長く続く。従来技術の流量制御バルブは流量一定時においても常時通電が必要であり電力を消費するが、制御弁３０は、可動体３６の停止中には電力が消費されない。制御弁３０の消費電力を小さくできるため、発電システムである燃料電池システムのエネルギー効率向上に大きく寄与できる。
【００５４】
また、上述した作動中に、システムが緊急停止状態となった場合には、空気第１バルブ６４、空気第２バルブ７７は閉止される。これにより、一酸化炭素選択酸化反応装置２３内の高温の改質ガス（水素ガス）が第１空気供給管６１を通って外部に流出することを防ぐことができる。また。燃料電池１０の燃料極内に供給された水素ガスが空気極および第２空気供給管７６を通って外部に流出することを防ぐことができる。第１弁座３８ａは耐熱性と化学物質に対する耐食性を有する材料でできているので、一酸化炭素選択酸化反応装置２３内の改質ガスや燃料電池内のガスの逆流によって劣化することを防止することができる。本発明の制御弁は、断熱性のある第１弁体３８ｂによって停止時にガスの逆流を防止し、かつ第２弁体３９ｂ側への熱の伝達を遮断しているので、第１弁体３８ｂ側だけに耐熱性と化学物質に対する耐食性を有する材料を使用すればよく、連結部材３６ａや第２弁体３９ｂ側には耐熱性と化学物質に対する耐食性が低い安価な材料を使用できる。
【００５５】
上述した説明から理解できるように、この実施の形態においては、一端に第１弁体３８ｂを他端に第２弁体３９ｂを設けた連結部材３６ａを駆動装置３７によって軸方向に沿って一端側に移動させることにより第１弁体３８ｂを第１弁座３８ａに密接させる位置まで移動させて貫通穴Ｈａを閉止する。一方第２弁体３９ｂを他端側に移動させて同第２弁体３９ｂの相対位置を調節することにより貫通穴Ｈａを通過する流体の流量を調節する。したがって、制御弁３０は閉塞機能と流量調節機能を併せ持つ構造となり、コンパクト化することができ、またこの制御弁を設けた燃料電池システムもコンパクト化することができる。従来の燃料電池システムにおいては、制御弁の占めるスペースが大きいので、補機スペースを効率的に利用できずレイアウト上の制約が大きいため小型化が困難であったが、本発明の制御弁３０を採用することにより、補機スペースを効率的に利用でき、レイアウトの自由度が増す結果、コンパクト化の効果が大きい。
【００５６】
また、上述した実施の形態においては、制御弁３０を開状態から閉じる際、および閉状態から開く際、いずれの場合にも第１弁体３８ａが回転しながら第１弁座３８ｂに接触および離間するので、例えば第１弁体３８ａと第１弁座３８ｂの間に小さなゴミがあっても両部材３８ａ，３８ｂの接触状態での押し込み力圧力と回転によりこのゴミを取り除くことができる。したがって、ゴミの付着による制御弁の不完全閉止を防止することができる。
【００５７】
なお、上述した実施の形態においては、可動体３６を第２および第３内筒３３，３４にそれぞれ設けた複数のローラ３３ａ，３４ａにより回転自在に支承するようにしたが、これに代えて、可動体３６の一端側または他端側に一端を同軸に固定されたロッドにより支持するようにしてもよい。ロッドの他端は第１空気供給管６１のＬ字部にて同供給管６１を貫通してＬ字部の外周壁に設けた駆動装置に接続され、駆動装置の駆動によりロッドを軸方向に進退させ可動体３６を移動させる。これによれば、より簡単な構造で可動体を支持して移動させることができる。
【００５８】
また、上述した実施の形態においては、駆動装置３７のプーリ３７ｅと連結部材３６ａの間に張架部材３７ｆとして細長いワイヤを採用したが、内周面に幅方向に延在する複数の凸部を並設したベルトを採用するようにしてもよい。このとき、連結部材３６ａの外周面にはベルトの凸部に係合する軸方向に延在する複数の凹部をさらに並設すればよい。
【００５９】
また、上述した実施の形態においては、第２弁体３９ｂの相対位置は第４内筒３５の左端を基準点としているが、駆動装置３７を駆動させて第２弁体３９ｂが第２弁座３９ａに当接した点をエンコーダ等によって検出し基準点としてもよい。
【００６０】
また、上述した実施の形態においては、第２弁体３９ｂの相対位置と流量の相関を示すテーブルまたはマップを使用しているが、第２弁体３９ｂの入口圧力と出口圧力との圧力差をさらに加えこの圧力差と第２弁体３９ｂの相対位置と流量の相関を示すテーブルまたはマップを使用することによって、より正確な流量制御ができ、圧力変動の大きなガスの制御にも使用できる。
【００６１】
また、上述した実施の形態においては、位置保持手段として減速機３７と張架部材３７ｆからなる駆動装置３７を採用しているが、これに限らず、連結部材３６ａを機械摩擦力により停止位置に保持する他の位置保持手段を採用するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による制御弁の一実施の形態を適用した燃料電池システムの概要を示す概要図である。
【図２】図１に示す制御弁の軸方向断面図である。
【図３】図１に示す制御弁の径方向断面図である。
【図４】図１に示す燃料電池システムを示すブロック図である。
【図５】図２に示す制御弁の流量調節弁付近の流路断面積と基準点からの距離との関係を示す図である。
【図６】（ａ）は図２に示す制御弁の閉止状態を示す軸方向断面図であり、（ｂ）は図２に示す制御弁の最大流量状態を示す軸方向断面図であり、（ｃ）は図２に示す制御弁の中流量状態を示す軸方向断面図であり、（ｄ）は図２に示す制御弁の最小流量状態を示す軸方向断面図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池、２０…燃料生成系、２１…改質装置、２２…一酸化炭素シフト反応装置、２３…一酸化炭素選択酸化反応装置、３０…制御弁、Ｈ…ハウジング、Ｈａ…貫通穴、３１…外筒、３２〜３５…第１〜第４内筒、３３ａ，３４ａ…ローラ、３６…可動体、３６ａ…連結部材、３６ａ１…溝、３７…駆動装置、３８…閉止弁、３８ａ…第１弁座、３８ｂ…第１弁体、３９…流量調節弁、３９ａ…第２弁座、３９ｂ…第２弁体。

Claims

流体が通過する貫通穴を設けた筒状のハウジングと、前記貫通穴の一端部内周壁に設けられた第１弁座と、該第１弁座に対向させて前記貫通穴内に移動可能に収容され同第１弁座とによって閉止弁を構成する先細に形成された第１弁体と、該第１弁体に一端が固定され軸方向に延在された連結部材の他端に固定されて先細に形成された第２弁体と、前記貫通穴の他端部内周壁に設けられて前記第２弁体の傾斜面に対向させた傾斜面が形成されて同第２弁体とによって流量調節弁を構成する第２弁座とを備えてなり、
駆動装置によって前記連結部材を前記貫通穴の長手方向に沿って移動させることにより前記第１弁体を第１弁座に密接させる位置まで移動させて前記貫通穴を閉止し、または前記第２弁体を移動させて同第２弁体の相対位置を調節することにより該第２弁体と前記第２弁座との間を通過する流体の流量を調節することを特徴とする制御弁。
前記第１弁座は柔らかい弾性材からなることを特徴とする請求項１に記載の制御弁。
前記第１弁座は耐熱性材料からなることを特徴とする請求項１に記載の制御弁。
前記連結部材を円柱状に形成し、該連結部材の外周面に螺旋状の溝を形成し、前記貫通穴の内周壁に周方向に沿って間隔をおいて凸設された複数の支承部材を前記連結部材の溝に摺動可能に係合させることにより前記連結部材を軸まわりに回転自在に支承し、前記駆動装置によって前記連結部材を回転させて前記貫通穴の長手方向に沿って移動させることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の制御弁。
前記連結部材を機械摩擦力によって停止位置を保持できる位置保持手段が設けられていることを特徴とする請求項４に記載の制御弁。
前記駆動装置はモータと該モータの出力を減速する減速機からなり、減速機の出力軸に固定されたプーリと連結部材の間には張架部材が張架され、前記モータの駆動によりプーリが回転されると前記張架部材を介して前記連結部材が回転されて前記軸方向に沿って移動し、前記モータの停止により前記プーリが停止すると前記張架部材を介して前記連結部材が停止されて該連結部材はその停止位置に位置決め固定されたことを特徴とする請求項５に記載の制御弁。
前記第２弁体の相対位置と前記貫通穴を通過する流体の流量との相関関係を示すテーブルまたはマップに基づいて所望の流量となる前記相対位置を導出し、この導出した相対位置に前記第２弁体を移動させることを特徴とする請求項１乃至請求項６のうちいずれか一項に記載の制御弁。