JP2010534797A - 高圧流体安全弁 - Google Patents

Abstract

本発明は、特に、圧力（Ｐ）下にある流体回路用の安全弁に関し、安全弁は、本体（２）と、閉鎖位置と開放位置との間で本体に対して動くことができるピストン（３）と、流体回路を吐出しライン（１６）に連結するようパージ圧力を超えると、ピストンが閉鎖位置から開放位置に動くように作用する熱変形可能な要素（５）とを有し、安全弁は、流体の圧力に敏感であり、流体回路内の圧力（Ｐ）がトリガ圧力に達すると流体回路を吐出しラインに連結するよう構成されている過剰圧力逃がし装置を更に有する。

Description

本発明は、高圧下での流体の貯蔵に関する。本発明は、特に、道路車両、例えば燃料電池を搭載した車両内への気体水素の貯蔵及び（又は）液体酸素の貯蔵に関するが、本発明の産業上の利用分野は、これだけではない。

この技術分野においては、気体が貯蔵される圧力は、通常３００バールである。欧州特許第１５９１７０４号明細書は、かかる車両及びその安全パージシステムを記載している。このシステムにより、火災の場合又はガスタンクの内圧の急上昇が生じた場合、数個の安全弁を用いて加圧ガスタンクをパージすることができ、かかる安全弁の中には、車両内の温度上昇に敏感なものがあれば、内部ガス過剰圧力に敏感なものもある。弁は全て、車両に特有の二重フロア内に組織化されたパージ回路内に開口しており、放出された水素は、次に、車両のリヤ頂部のところに位置する吐出しオリフィスに向かって案内される。したがって、上述の欧州特許第１５９１７０４号明細書では、車両タンクが爆発する危険性に対する安全策は、いくつかの互いに異なる弁の動作の組み合わせによって提供される。

欧州特許第１５９１７０４号明細書

本発明の一目的は、従来の安全レベルと少なくとも同等であるが、コストがかなり低い安全レベルを提供することにある。

本発明のもう一つの目的は、車両を設計し、組み立て、そして維持しやすくすることにある。

本発明は、高圧下にある流体回路用の安全弁であって、安全弁が、本体と、閉鎖位置と開放位置との間で本体に対して動くことができるピストンと、ピストンをパージ温度よりも高い温度状態で閉鎖位置からパージ位置に動かして流体回路を吐出しダクトに連結させるよう働く熱変形可能な要素とを有し、ピストンは、流体の圧力によって本体の受座に圧接され、熱変形可能要素は、ピストンを受座から持ち上げて閉鎖位置からパージ位置に動くよう流体の圧力に抗して働き、安全弁は、流体の圧力に敏感であると共に流体回路の圧力がトリップ圧力に達すると、流体回路を吐出しダクトに連結するよう構成されている過剰圧力逃がし装置を更に有することを特徴とする安全弁を提案する。

熱変形可能要素は、好ましくは、形状記憶ペレットである。

好ましくは、過剰圧力逃がし装置は、過剰圧力通路を吐出しダクトに向かって開くためにトリップ圧力で撓むよう構成されたダイヤフラムから成る。

好ましくは、ピストンは、熱変形可能要素の作用を受けるステムに固定される。

これ又、好ましくは、ダイヤフラムは、ピストンに取り付けられ、過剰圧力通路は、ピストンのステムに形成されたボアを含む。

第１の変形形態によれば、過剰圧力通路は、ステムに形成された止まりボアを含み、ダイヤフラムは、スキンで形成され、スキンの一方の面は、ボアの端壁に対応し、ダイヤフラムの他方の面は、流体の圧力を受けるピストンの表面に対応している。

第２の変形形態によれば、ダイヤフラムは、ピストンに取り付けられた一部品から成る。

好ましくは、吐出しダクトは、本体の第１の肩と本体にねじ止めされた締め付けリンクとの間でしっかり保持されたバンジョー型連結具を有する。変形例として、本体が一体物であり且つ流体回路にねじ止め可能な構成の状態で、バンジョー型連結具は、流体回路と本体の第２の肩との間でしっかりと保持されている。

好ましくは、ピストンも又、ばねの作用により受座にしっかりと圧接されル。これ又、好ましくは、ばねは、本体とピストンのステムとの間で働く。

好ましくは、本体、ピストン、受座、ピストンのステム及びダイヤフラムは、全て、共通軸線回りに回転対称を呈する全体的形状のものである。

本発明の他の特徴及び他の利点は、幾つかの好ましい実施形態の説明から明らかになろう。

本発明の第１の実施形態としての弁の軸方向断面図である。 ピストンが開放位置にある図１の弁の軸方向断面図である。 図１の弁のピストンの上方部分の拡大軸方向断面図（詳細図Ｂ）である。 図３に類似した図であり、内部過剰圧力を受けた図１の弁のダイヤフラムを示す図である。 図１の弁の軸方向部分断面斜視図である。 本発明の第２の実施形態としての弁の軸方向断面図である。 図６の詳細図Ｂの拡大図であり、取付け状態のダイヤフラムの示す図である。 本発明の第３の実施形態としての弁の軸方向断面図である。 本発明の安全弁を備えた車両の後側３／４の略図である。

種々の図において、同一又は類似した要素には、同一の参照符号が与えられており、これらについて、体系的には再び説明しない。

ガスを加圧下で貯蔵する回路Ｃに連結された安全弁の軸方向断面図である図１を参照する。この回路は、弁を一つ又は好ましくは多数のタンクＲに連結している。弁１は、当然のことながら、直接タンクに連結されても良い。弁の本体２は、軸線Ａ回りの回転対称を呈する部品であり、この本体は、穴及びねじ山を更に有している。弁の本体は、回路Ｃに連結されたその端部のところに、ねじ山９を有し、このねじ山は、回路のねじ山付きハウジング１０と協働することができる。本体は、その軸線Ａに沿って、受座７を有し、この受座は、ピストン３を受け入れるよう設計された円錐形支承面を備え、ピストンは、同様に円錐形である。ピストンは、閉鎖位置とパージ位置との間で弁の本体に対して軸方向に動くことができる（図１と図２の比較することによりはっきりと見える）。Ｏリングシール８が、閉鎖位置において円錐形の受座に対するピストンの完全な密封を保証する。ピストンは、ガスの圧力によって受座にしっかりと圧接される。ハウジング１０の肩に当接した予備荷重ばね６が、ガスの圧力と同一の方向においてピストンに作用し、即ち、このばねは又、弁を閉鎖位置に保持しようとする。弁は、温度の変化を受けるようになった端部であるその他端部のところに、熱により変形可能な要素、この場合、形状記憶ペレットを有し、この熱変形可能に要素により、弁は、ピストンのステム１８に作用するプッシュロッドの働きにより開く。ペレット５は、欧州特許第１５９１７０４号明細書において説明されているように周囲温度に敏感であり、即ち、その温度が所与のパージ値（例えば８０℃）を横切ると、ペレットは、よりドーム形の形状となり、それによりピストン３は、図２で理解できるように、持ち上がってその受座７から離れる。上述したように、この開放運動は、タンクの内圧、例えば３００バールによって生じる力に抗して行われる。ペレットのこの変形は、安定しており、即ち、非可逆性である（少なくとも、熱的な意味において）。ピストンは、そのパージ位置では、パージダクト１７（ステム１８の場合に設けられている）を介してガス圧力を吐出しダクト１６に逃がす。本体２の半径方向穴１１は、パージダクトを吐出しダクト１６に結合している。

この動作により、弁は、例えば車両の下又はその近くでの火災の結果としてのパージ温度を超える温度上昇に対して爆発保護を行うことができる。

本発明の弁は又、回路の内部の過剰圧力に対する過剰圧力保護を可能にし、更に言えば、これは、この過剰圧力の源又は出所とは無関係である。これを行うため、ピストン３のステム１８は、中空であり、ダイヤフラム２２は、ピストンの表面のところに形成される。ピストンのこの部分を詳細に示す図３を参照すると最も良く理解できるように、ダイヤフラムは、この場合、スキン又は膜であり、その一方の面（図の底面）は、ステムに形成されたボア１８１の端壁に該当し、他方の面（図の頂面）は、ピストンの水平面に該当し、この水平面は、ガスの圧力を永続的に受ける。回路の内圧（Ｐ）は、臨界値（以下「トリップ圧力」又は「引外し圧力」という）に達すると、ダイヤフラム２２は、確実に撓んで離脱状態になり（図４に示されている）、或いは、裂けてガスをステム１８中に放出し、そして、ステムの内部をパージダクト１７に連結している半径方向穴１３中に放出する。この過剰圧力逃がし装置は、幾つかの他の言語において、「バーストディスク」（なお、英語表記は、“burst disc”）又は「破裂板」（なお、英語表記は、“rupture disc”）として一般に知られている。例えば、破断強度が５５０Ｍｐａのステンレス鋼で作られたピストンの場合、厚さ０．０５ｍｍ、直径２ｍｍのダイヤフラムは、３５０バールのトリップ圧力を定める。図４は、ダイヤフラムが完全に離脱状態になっているが、ダイヤフラムがピストンに部分的に取り付けられたままであることが好ましい場合がある構成を示している。

図５は、図１〜図４の弁（図１の閉鎖位置にある）の断面斜視図である。この図は、吐出しダクト１６が「バンジョー型コネクタ」と通称されているコネクタ２０により弁に連結されている状態を明示している。バンジョー型コネクタ２０を用いた場合の利点は、吐出しダクト１６を弁の本体２に対して意のままに差し向けることができるということにある。かくして、弁の本体を回路中にいったんねじ込んで平らなガスケット１４をクランプし、このガスケットが密封を行うと、バンジョー型コネクタは、吐出しダクト１６にとって所望の向きで位置決めされる。次に、バンジョーは、本体に、特に本体の第１の肩２７に締付けリング１９により締め付けられる。リング１９を弁の本体の下方部分を包囲しているねじ山に螺着させる。次に、吐出しダクト１６をガスが抜かれることになる選択された場所まで、例えば、欧州特許第１５９１７０４号明細書に提案されているような（この特許文献の図１を参照されたい）車両の後側頂部まで導く。数個の弁を同一の吐出しダクト１６に沿って互いに連結することができるよう出口を２つ備えたバンジョーを使用するのが良い。

リング１９の下にねじ止めされたベース１２が、形状記憶ペレット５を定位置に保持し、このベースは、好ましくは、車両のフロア２１（図１及び図２に点線で示されている）の下の周囲温度が迅速にペレットに伝えられるよう穴あけされた下側壁１５を有している。

これらの図で明確に理解できるように、プッシュロッド４がステム１８に対して取り付けられた一部品であるということにより、ボア１８１及びかくしてダイヤフラム２２を例えば材料の除去により又は鍛造により作ることができる。理解されるように、ボア１８１及び穴１３を得るための他の技術（例えば、ロストパターン注型（lost‐pattern casting）の利用）により、同等な機能を得るのに異なる構造が得られることは理解されよう。

図６は、本発明の安全弁の第２の実施形態を示している。この実施形態は、ダイヤフラム２２がピストン３に取り付けられていて、その上面に直接形成されていないという点において、第１の実施形態（図１〜図５）とは異なっている。過剰圧力逃がし装置の作動態様は、第１の実施形態の場合と同一であるが、ダイヤフラムが広い表面積を有しているので、その厚さもまた大きくなり、従ってこれを得るのが容易になる。加うるに、ダイヤフラムが取り付けられているので、ステム１８内部のボア１８１は、底部ではなくステム頂部に開口することができ、クロージャ要素、例えば第１の実施形態のプッシュロッド４をなしで済ますことができる。または、この第２の実施形態は、予備荷重ばね６１が弁の底部に配置されている点において、第１の実施形態とは異なっている。このばねは本体２とピストンのステムに固定された停止要素（サークリップ６２）との間で働く。これにより、とりわけ、弁をばねが弁を突き出す傾向がない状態で、回路Ｃから取り外すことができる。これとは対照的に、本体、ばね及びピストンは、この分解中、任意の一つの部品又は他の部品が失われ又は損傷状態になる恐れがなく、互いに接合されたままである。加うるに、弁を多種多様な回路又はタンク（互いに異なる形状又は材料）に連結することができる。というのは、連結手段は、ばねが先の実施形態の場合のように当接可能な肩を提供する必要が全くないからである。

図７は、図６の詳細Ｂを拡大して示している。図７は、ピストン３に取り付けられたダイヤフラム２２を示している。図７は又、ダイヤフラムから離脱状態になる場合があり（トリップ圧力を超えた場合）、ピストンのステムの内部１８１へのガスの流れを妨げる場合のある部品を引き止めるような仕方で位置決めされたグレーティング２３を示している。取付け状態のダイヤフラム２２は、好ましくは、流体密の状態でピストンに固定されている（例えば、電子ビーム溶接により）。

図８は、本発明の第３の実施形態を示している。この実施形態は、これ又、第２の実施形態（図６）の特定の特徴、即ち、取付け状態のダイヤフラムの原理及び弁の下側部分のところに位置するばねの原理を利用する。図８の実施形態は、更に、本体２がシール１４に直接当接しておらず、段付きカラー２５を介してのみ当接している点において、最初の２つの実施形態とは異なっている。この環状カラーは、本体２に沿って摺動することができ、それにより、バンジョー２０を動かす必要なく弁の本体を軸方向に取り出すことができる。今や、弁を同一方向に（図で見て下方に）ハウジング１０から取り出したりシール１４から取り出したりバンジョー２０から取り出したりすることができるので、弁の下側部分も又、互いにねじ止めされる２つの部品（図６の本体２とリング１９を参照されたい）としてではなく、一体品として作ることができる。この場合、バンジョー２０は、弁の本体の第２の肩（２８）によりしっかりと保持される。ピン形レンチ（本体に設けられた凹部３０を参照されたい）を用いて弁を回路に圧着することができる。Ｏリングシール２６がカラー２５と本体２との間の密封を可能にする。

図８は、バンジョー２０とは独立して、段付きカラー２５を示している。しかしながら、理解されるように、カラー２５の心出し及び密封の機能は、特別に改造されたバンジョーにより採用することができ、かくして、カラーは不要になる。

図の全てにおいて、ベース１２と本体２又はリング１９との間の連結手段は、ねじ連結部として示されている。幾つかの他の形式の連結部（例えば、差し込み型継手）は、形状記憶ペレットへの迅速な接近を可能にする。

図９は、本発明の安全弁を備えた車両を示している（部分的に示している）。この例は、互いに連結されると共に回路Ｃによって２つの安全弁１に連結された多数のタンクＲを明示している。吐出しダクトは、車体構造を通って車両の後側頂部のところに位置した吐出しオリフィス４０に向かって延びる管３５によって外部に連結されている。理解されるように、本発明の弁が１つだけ及び単一のパイプで間に合う場合がある。しかしながら、２つの弁及び２つの独立した吐出しオリフィスを同一回路に提供することにより、外部温度に対する敏感性が増すと共に万全を期すことができ、それにより安全性が一段と高められる。確かに、管のうちの一方が遮られた場合でも、他方の管を用いて回路の吐出しを依然として行うことができる。加うるに、２つの弁からの吐出しダクトが管（ここには図示されていない）により互いに連結されている場合（上述したような場合）、左側の弁は、右側の管を通って吐出しを行うことができ、またこれとは逆に、右側の弁が、左側の管を通って吐出しを行うことができる。

多くの場合において本発明の安全弁を構成する部品は、回転対称を呈する全体的形状を有する。それゆえ、各部品を製作し、これら部品を組み立てることは、比較的簡単であり、従って費用のかからない作業である。

本発明の安全弁を車両中への使用と関連してちょうど説明したばかりであるが、当然のことながら、この安全弁を他のガス貯蔵及び更に液体貯蔵回路、例えば、定置貯蔵プラント又は変換若しくは製造ユニットに用いることができる。特に、安全弁の形状が回転対称を呈していること及びその吐出しダクトを意のままに差し向けることができるということにより、弁をどこであろうと任意の位置に且つ任意の向きに取り付けることができる。

熱変形可能な要素（５）はまた、ピンを直接持ち上げてこれをその受座から離すのではなく、例えばラッチを解除してばねの作用を解除することによりピストンを閉鎖位置からパージ位置に間接的に動かす。

本明細書において説明した形態では、熱の源のパージに続き、必要なことは、弁がもう一度動作状態になるようにするためにペレットを交換し、又はペレットをその元の形態に機械的に戻すだけである。しかしながら、或る特定の用途では、安全上の理由で、熱の源のパージに続き、回路を確実に動作不能にすることが望ましい場合がある。これを行うため、ダイヤフラムを確実に裂くスパイクに向かってダイヤフラムを動かすようにするピストンの開放運動を生じさせる手だてが講じられるのが良く、この場合、通常の熱的条件への戻り及びペレットの交換は、回路を再び加圧することができるようにするには十分とは言えないであろう。

Claims (13)

1. 高圧（Ｐ）下にある流体回路（Ｃ）用の安全弁（１）であって、前記安全弁が、本体（２）と、閉鎖位置と開放位置との間で前記本体に対して動くことができるピストン（３）と、前記ピストンをパージ温度よりも高い温度状態で前記閉鎖位置から前記パージ位置に動かして前記流体回路を吐出しダクト（１６）に連結させるよう働く熱変形可能な要素（５）とを有し、前記ピストンは、前記流体の圧力によって前記本体の受座（７）に圧接され、前記熱変形可能要素（５）は、前記ピストンを前記受座から持ち上げて前記閉鎖位置から前記パージ位置に動くよう前記流体の圧力に抗して働き、前記安全弁は、前記流体の圧力に敏感であると共に前記流体回路の圧力（Ｐ）がトリップ圧力に達すると、前記流体回路を前記吐出しダクトに連結するよう構成されている過剰圧力逃がし装置を更に有する、安全弁。
2. 前記熱変形可能要素（５）は、形状記憶ペレットである、請求項１記載の安全弁。
3. 前記過剰圧力逃がし装置は、過剰圧力通路（１８１，１３）を前記吐出しダクト（１６）に向かって開くために前記トリップ圧力で撓むよう構成されたダイヤフラム（２２）から成る、請求項１又は２記載の安全弁。
4. 前記ピストンは、前記熱変形可能要素（５）の作用を受けるステム（１８）に固定されている、請求項１乃至３の何れか１項に記載の安全弁。
5. 前記ダイヤフラム（２２）は、前記ピストンに取り付けられ、前記過剰圧力通路（１８１，１３）は、前記ピストンの前記ステムに形成されたボア（１８１）を含む、請求項３又は４記載の安全弁。
6. 前記過剰圧力通路は、前記ステムに形成された止まりボア（１８１）を含み、前記ダイヤフラム（２２）は、スキンで形成され、前記スキンの一方の面は、前記ボア（１８１）の端壁に対応し、前記ダイヤフラムの他方の面は、前記流体の前記圧力（Ｐ）を受ける前記ピストン（３）の表面に対応している、請求項３記載の安全弁。
7. 前記ダイヤフラムは、前記ピストンに取り付けられた一部品から成る、請求項３乃至５の何れか１項に記載の安全弁。
8. 前記吐出しダクト（１６）は、前記本体（２）の第１の肩（２７）と前記本体にねじ止めされた締め付けリンク（１９）との間でしっかり保持されたバンジョー型連結具（２０）を有する、請求項１乃至７の何れか１項に記載の安全弁。
9. 前記吐出しダクト（１６）は、バンジョー型連結具を有し、前記本体（２）は、一体物であり且つ前記流体回路にねじ止め可能であり、前記バンジョー型連結具は、前記流体回路（Ｃ）と前記本体の第２の肩（２８）との間でしっかりと保持されている、請求項１乃至７の何れか１項に記載の安全弁。
10. 前記ピストン（３）も又、ばね（６；６１）の作用により前記受座（７）にしっかりと圧接されている、請求項１乃至９の何れか１項に記載の安全弁。
11. 前記ばね（６１）は、前記本体（２）と前記ピストンの前記ステム（１８）との間で働く、請求項１０記載の安全弁。
12. 前記本体（２）、前記ピストン（３）、前記受座（７）、前記ピストンの前記ステム（１８）、及び前記ダイヤフラム（２２）は、全て、共通軸線回りに回転対称を呈する全体的形状のものである、請求項４及び請求項５と組み合わされた請求項１乃至１１の何れか１項に記載の安全弁。
13. 前記ピストン（３）の支承面及び前記受座（７）の支承面は、円錐形支承面であることとする請求項１乃至１２の何れか１項に記載の安全弁。

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