JP4427371B2

JP4427371B2 - 安全弁

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Publication number: JP4427371B2
Application number: JP2004094249A
Authority: JP
Inventors: 勝竹田; 彗良尾井; 光正籠本; 普治前川; 和幸宮田; 眞理塩月
Original assignee: Neriki Valve Co Ltd
Current assignee: Neriki Valve Co Ltd
Priority date: 2004-03-29
Filing date: 2004-03-29
Publication date: 2010-03-03
Anticipated expiration: 2024-03-29
Also published as: US7111818B2; US20050211940A1; JP2005282638A

Description

本発明は、自動車燃料用ガスボンベなどに付設される、低融点合金を用いた安全弁に関し、さらに詳しくは、正常状態ではガス放出孔からのリークガス量を十分に低減でき、雰囲気が所定温度以上に昇温すると速やかに作動してガス放出孔からガスを安全に放出できる、安全弁に関する。

天然ガス等の気体燃料を用いる自動車は、燃料ガスを高圧で圧縮充填したガスボンベを塔載している。このガスボンベは所定の耐圧性能を備えているが、事故時の火災等で異常昇温した際に破裂せぬよう安全弁を備えており、この安全弁は、所定温度以上に昇温すると圧力容器内のガスを外部へ逃がすように作動する。

上記の安全弁には、開放可能に封止されたガス逃し路と、固相状態では上記のガス逃し路を封止し溶融時に上記のガス逃し路を開放する低融点合金と、上記の低融点合金を収容する合金収容室と、上記の低融点合金を溶融時に合金収容室の外部へ排出する合金排出路とを備えたものがある。この低融点合金を用いた安全弁は、設定作動温度以上に昇温すると上記の低融点合金が溶融して合金排出路から排出され、これにより上記のガス逃し路が開放されて、上記のガスボンベの高圧ガスが外部へ排出され、ガスボンベの破裂が防止される。

一般に、上記の低融点合金は、所定の設定作動温度より低温で固相状態にあっても、高圧下での流動変形(いわゆるクリープ)を生じ易い。そこで従来、このクリープによる低融点合金の合金収容室からの流出量を抑制するため、大径部と小径部とを有するピストン状の作動器を備えたものがある(例えば、特許文献１参照。)。

即ちこの従来技術は、受圧孔と作動室と放出孔と合金収容室とを備えており、上記の作動室にピストン状の作動器ピストン状の作動器を収容してある。この作動器は大径部と小径部を備えており、この大径部を上記の合金収容室に収容した低融点合金で支持するとともに、小径部にＯリングを外嵌して封止部を形成し、この封止部を上記の受圧孔へ気密摺動可能に挿入してある。

正常状態では、上記の作動器は上記の低融点合金に支持されており、封止部が受圧孔を確りと封止している。このとき、低融点合金にはその支持圧が加わるが、その支持圧は受圧孔に加わるガス圧力に比べ、大径部と小径部との面積比に応じて低圧にされている。この結果、この低融点合金がクリープにより合金収容室から流出することが抑制される。

一方、安全弁の雰囲気が設定温度以上に昇温すると、上記の低融点合金が溶融するので上記の作動器はその支持が失われ、合金収容室側へ移動するとともに、上記の封止部が摺動移動して受圧孔から抜け出る。これにより受圧孔の封止が解除され、ガス容器内のガスが受圧孔から放出孔を経て外部へ安全に放出される。

特開２００３−２４７６５２号公報

近年では自動車に水素ガスを用いた燃料電池の利用が進められているが、この水素ガスボンベは、大容量にするため例えば３５〜７０ＭＰａ等の高圧化が望まれており、しかも水素ガスは分子量が小さいことから、ゴム製シール部材を透過し易い性質がある。
このため、上記の従来技術の安全弁にあっては、上記の封止部におけるＯリングを水素ガスが透過する虞があり、正常状態において、上記の放出孔からのリークガス量を十分に低減することが容易でない問題があった。

また、ガスボンベの高圧化に伴って受圧孔に加わるガス圧が高くなることから、前記の小径部に形成した保持溝から上記のＯリングがはみ出し易くなるので、これを防止するため、このＯリングの断面を特殊な形状にする必要がある。この結果、上記の受圧孔内面に対する封止部の摺動抵抗が大きくなり、異常昇温時に上記の作動器の移動が遅くなって、速やかに安全作動し難くなる問題がある。

本発明は上記の問題点を解消し、正常状態ではガス放出孔からのリークガス量を十分に低減でき、雰囲気が所定温度以上に昇温すると速やかに作動してガス放出孔からガスを安全に放出できる安全弁を提供することを技術的課題とする。

本発明は上記の課題を解決するために、例えば、本発明の実施の形態を示す図１から図４に基づいて説明すると、次のように構成したものである。
即ち本発明は安全弁に関し、受圧孔(20)と作動室(21)と放出孔(22)と合金収容室(25)とを備え、上記の受圧孔(20)を封止部材(34)で解除可能に封止し、上記の合金収容室(25)に収容した低融点合金(27)で上記の封止部材(34)を支持した安全弁であって、上記の封止部材(34)を封止板(33)で構成し、この封止板(33)の少なくとも受圧孔(20)に臨む部分に所定圧力で破断する破封部(35)を設け、上記の作動室(21)に作動器(28)を配置して、この作動器(28)の一端に形成した第１バックアップ部(30)で上記の破封部(35)を支持するとともに、この作動器(28)の他端に形成した第２バックアップ部(31)を、上記の低融点合金(27)で支持したことを特徴とする。

正常時にあっては、封止板の受圧孔に臨む破封部は作動器の第１バックアップ部に支持されており、作動器の第２バックアップ部は上記の低融点合金に支持されている。この結果、設定温度以下で低融点合金が固相状態にあると、上記の破封部が作動器を介して低融点合金に確りと支持され、破断しない。しかも封止部材が封止板で構成されているので、水素ガスのように分子量の小さいガスであってもこの封止板で十分に遮断されることから、上記の受圧孔はこの封止板の破封部で確りと封止される。

一方、雰囲気温度が異常昇温して設定温度以上になると、上記の低融点合金が溶融し流動化する。これにより、上記の第２バックアップ部が低融点合金で支持されなくなり、作動器が合金収容室側へ移動するので、第１バックアップ部が上記の破封部から離隔していく。この結果、上記の破封部は第１バックアップ部による支持を失い、受圧孔に加わるガス圧力を受けて大きく変形し、破断する。これにより受圧孔の封止が解除されるので、受圧孔に連通しているガス容器内等のガスが、受圧孔から放出孔を経て外部へ安全に放出される。

上記の低融点合金に支持された上記の第２バックアップ部の被支持面を、上記の受圧孔に臨む破封部よりも広い面積に形成した場合には、低融点合金に加わる支持圧が、その面積比に応じてこの破封部に加わるガス圧力よりも低くなり、低融点合金に生じるクリープが抑制されるので、好ましい。

上記の封止板は、例えば容器弁のハウジング等との間に直接挟着してもよいが、この封止板の周縁部にガスケットを気密状に配置してハウジング等との間に挟着すると、この封止板の周囲での気密性を十分に確保することができ、好ましい。

上記の封止板は、ガス透過性の低い材料で形成されるが、一般に金属材料が用いられ、なかでも銅などの、耐食性が高く延展性のある材料を用いると好ましい。
この封止板は上記の受圧孔を封止できればよく、受圧孔に臨む破封部は作動器を介して低融点合金に支持されているので、高圧に耐える必要がない。そこで、上記の封止板の作動室とは反対側の表面をガス容器の内部空間に連通させ、このガス容器の常用圧力以下のガス圧力で上記の破封部を破断可能に構成した場合には、異常昇温により上記の低融点合金が溶融して破封部が支持を失うと、ガス容器内のガス圧が常用圧力より高くならなくとも簡単に破断して受圧孔の封止が解除され、速やかに安全作動するので、好ましい。

上記の作動器は、付勢バネにより合金収容室側へ付勢しておくと、低融点合金が溶融した際にこの付勢バネの弾圧力で速やかに合金収容室側へ移動できる。このため、上記の破封部が急速に支持を失って破断し、速やかに安全作動できるので好ましい。

上記の破封部よりも下流側の受圧孔に上記の第１バックアップ部を挿入し、この第１バックアップ部の周囲に、上記の受圧孔の内面と気密摺動可能な環状の第２封止部材を装着した場合には、上記の破封部が破断して下流側の受圧孔にガスが流入すると、このガス圧力により上記の作動器が押圧され、速やかに合金収容室側へ移動する。この結果、受圧孔の封止が速やかに解除されて安全作動できるので、好ましい。

本発明は上記のように構成され作用することから、次の効果を奏する。

(１) 受圧孔を封止する封止部材が封止板で構成されているので、受圧孔を通過しようとするガスが水素ガスのように分子量が小さくても、この封止板で確りと遮断される。この結果、正常状態ではガス放出孔からのリークガス量を十分に低減することができる。

(２) 雰囲気が所定温度以上に昇温すると、作動器を介し低融点合金に支持されていた破封部がその支持力を失って破断し、受圧孔の封止が解除される。この結果、速やかに作動してガス放出孔からガスを安全に放出することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
図１から図３は本発明の安全弁の実施形態を示し、図１は安全弁を備えた容器弁の断面図であり、図２は正常時における安全弁を示し、図２(ａ)は安全弁の断面図、図２(ｂ)は図２(ａ)のＢ部の拡大断面図であり、図３は安全作動時における安全弁の断面図である。

図１に示すように、上記の容器弁(１)は水素ガスボンベなどのガス容器(２)の首部(３)に螺着固定してある。なお、この容器弁(１)の姿勢は特定の方向に限定されないことは言うまでもないが、この実施形態では、便宜上、図１における上下姿勢の容器弁について説明する。
上記の容器弁(１)のハウジング(４)には下面にガス入口(５)が形成され、ガス容器(２)の内部空間(６)に臨ませてある。また、このハウジング(４)の側面にはガス出口(７)が開口してあり、図示しない取出し用配管などがこのガス出口(７)に接続される。

上記のハウジング(４)の内部には、上記のガス入口(５)とガス出口(７)との間に、入口路(８)と閉止弁(９)の閉止弁室(10)と出口路(11)とが順に形成してある。上記の閉止弁室(10)には閉止部材(12)が挿入してあり、この閉止部材(12)に操作ハンドル(13)が連動連結してある。上記の閉止弁室(10)には弁座(14)が形成してあり、上記の操作ハンドル(13)を操作して上記の閉止部材(12)をこの弁座(14)に離接させることで、この閉止弁(９)が開閉される。なお上記の入口路(８)には過流防止弁(15)が配置してある。ただし、この過流防止弁(15)は、例えばガス取出し用配管に過流防止装置を設けた場合などには、省略することができる。

上記の入口路(８)には中間部からガス逃し路(16)が分岐してあり、このガス逃し路(16)に安全弁(17)を付設して、このガス逃し路(16)を封止してある。この安全弁(17)は雰囲気温度が所定の設定温度以上になると安全作動し、これにより上記のガス逃し路(16)の封止が解除されて、上記のガス容器内の貯蔵ガスが上記の入口路(８)とガス逃し路(16)とを順に経て、この安全弁(17)から外部へ放出される。

次に、上記の安全弁の構造について説明する。
図２(ａ)に示すように、上記の安全弁(17)は上記のハウジング(４)に螺着固定される筒状の弁ケース(18)を備えており、この弁ケース(18)内に筒状のスリーブ(19)を支持し、このスリーブ(19)内に受圧孔(20)を形成してある。

上記の弁ケース(18)内には上記の受圧孔(20)と連通する作動室(21)が形成してあり、この弁ケース(18)の周壁に透設した複数の放出孔(22…)を介して上記の作動室(21)が外部空間に連通してある。なお、符号(23)はガス漏洩検出孔を示し、例えば弁ケース(18)に環状の閉塞部材を外嵌するなどして上記の放出孔(22…)を全て閉塞し、この状態でこのガス漏洩検出孔(23)からのガス流出の有無が検査される。

上記の弁ケース(18)の外側端部には有底筒状のキャップ(24)が螺着固定してあり、このキャップ(24)の内側に合金収容室(25)が形成され、キャップ(24)の底壁に合金収容室(25)と外部空間とを連通する合金排出孔(26)が透設してある。そして、上記の合金収容室(25)に、例えば結晶温度が１００〜１１０℃程度の低融点合金(27)が収容してある。

上記の作動室(21)内には、ピストン状の作動器(28)が収容してあり、作動室(21)内に配置した付勢バネ(29)の弾圧力で上記の合金収容室(25)側へ付勢してある。この作動器(28)は小径の第１バックアップ部(30)と大径の第２バックアップ部(31)とを備えており、第１バックアップ部(30)は上記の受圧孔(20)に挿入され、第２バックアップ部(31)は上記の低融点合金(27)で支持してある。

図２(ｂ)に示すように、上記のスリーブ(19)とハウジング(４)との間には、金属製または合成樹脂製のガスケット(32)を介して封止板(33)が挟着固定してある。この封止板(33)は上記の受圧孔(20)を封止する封止部材(34)を構成している。この封止板(33)の上記の受圧孔(20)に臨む部分には破封部(35)が形成してあり、この破封部(35)は所定圧力で、例えば前記のガス容器(２)の常用圧力よりも低い圧力で、容易に変形して破断する肉厚に設定してある。そしてこの破封部(35)には、前記のガス逃し路(16)とは反対側から上記の第１バックアップ部(30)の先端を当接してある。これによりこの破封部(35)は、上記のガス逃し路(16)からのガス圧力を受けても大きく変形せず破断しないように、この第１バックアップ部(30)で支持される。上記の第２バックアップ部(31)の低融点合金(27)による被支持面は、この受圧孔(20)に臨み、第１バックアップ部(30)で支持される破封部(35)よりも、広い面積に形成してある。

次に上記の安全弁の作動について説明する。
上記の作動器(28)は、上記の封止板(33)の破封部(35)を介して受けるガス圧力や、上記の付勢バネ(29)の弾圧力を受けて合金収容室(25)側に付勢されており、上記の低融点合金(27)はこの作動器(28)の第２バックアップ部(31)による押圧力を受けている。しかしこの低融点合金(27)は、雰囲気温度が所定の設定温度よりも低い正常状態にあっては固相状態にあり、上記の押圧力に抗して作動器(28)を移動しないように支持している。このため、上記の破封部(35)は破断しないようにこの作動器(28)の第１バックアップ部(30)で確りと支持されており、この結果、上記の受圧孔(20)の封止が維持される。

このとき、上記の封止板(33)の周縁部は前記のスリーブ(19)とハウジング(４)との間にガスケット(32)を介して確りと挟着されているので、ガス容器(２)の貯蔵ガスが水素ガスのように分子量の小さいガスであっても、この安全弁(17)からのリークガス量が十分に低減されている。

一方、上記の第２バックアップ部(31)の被支持面の面積が受圧孔(20)に臨む破封部(35)よりも広いことから、上記のガス圧力によりこの破封部(35)を介して低融点合金(27)に加わる押圧力は、その面積比に応じて弱められている。このため、この低融点合金(27)が高い応力を受けて前記の合金排出孔(26)から徐々に押しだされるという、クリープ現象の発生が抑制されている。

火災の発生等により、上記の安全弁(17)の雰囲気温度が所定の設定温度、例えば１０５℃以上に達すると、上記の低融点合金(27)が溶融して液状となり、上記の作動器(28)による押圧力で合金排出孔(26)から押し出される。なお、上記の第２バックアップ部(31)の周面にはＯリング等のパッキン(36)が付設してあり、溶融した低融点合金(27)が作動室(21)内へ容易に流入しないようにしてある。しかしこの低融点合金(27)が作動室(21)へ流入しても、前記の受圧孔(20)や放出孔(22)などを閉塞する虞がなければ、このパッキン(36)を省略してもよい。

上記の低融点合金(27)が合金排出孔(26)から押し出されると、上記の第２バックアップ部(31)は低融点合金(27)で支持されなくなり、上記の作動器(28)は合金収容室(25)側へ移動する。この作動器(28)の移動に伴い、前記の第１バックアップ部(30)は受圧孔(20)から作動室(21)側へ抜け出て、その先端部が上記の破封部(35)から離隔する。このため、この破封部(35)は第１バックアップ部(30)による支持を失い、ガス逃し路(16)からのガス圧力を受けて大きく変形して破断し、図３に示す状態となる。これにより受圧孔(20)の封止が解除されるので、前記のガス容器(２)内の貯蔵ガスは、入口路(８)とガス逃し路(16)と受圧孔(20)と作動室(21)と放出孔(22)とを順に経て、外部へ安全に放出される。

上記の実施形態で説明した安全弁は、本発明の技術的思想を具体化するために例示したものであり、各部の材質や形状、数量、構造などをこの実施形態のものに限定するものではなく、本発明の特許請求の範囲内において種々の変更を加え得るものである。

例えば、図４に示す変形例では、第１バックアップ(30)の周囲に、受圧孔(20)の内面と気密摺動可能な環状の第２封止部材(37)を装着してある。このため、破封部(35)が破断して受圧孔(20)にガスが流入すると、このガス圧力により作動器(28)が押圧され、速やかに合金収容室側(25)へ移動することができる。

また、上記の実施形態では、封止板(33)を受圧孔(20)の上流端に配置した。しかし本発明ではこの封止板(33)を受圧孔(20)の中間部や下流端に配置してもよい。
また、上記の受圧孔(20)と放出孔(22)とは、作動室(21)を介さずに直接接続することも可能である。

上記の実施形態では、封止板(33)の破封部(35)を、ガス容器の常用圧力以下のガス圧力で破断するように設定した。このため、異常昇温により上記の低融点合金が溶融して破封部が支持を失うと、速やかに安全作動することができる。しかしこの破封部は、ガス容器内の常用圧力より高い設定圧力で破断するように構成してもよい。この場合は雰囲気温度が異常上昇し、且つ、ガス容器内の圧力が異常上昇した際に安全作動することができる。

上記の実施形態では安全作動時にガスを放出孔(22)から直接大気中へ放出した。しかし本発明ではこの放出孔(22)に図示しないガス放出路を接続して、任意の位置へガスを案内し放出するように構成してもよい。

なお、上記の容器弁やガス容器の形状・構造等は上記の実施形態のものに限定されず、また、ガス容器の貯蔵ガスも特定の種類に限定されないことはいうまでもない。

本発明の安全弁は、正常状態ではガス放出孔からのリークガス量を十分に低減でき、雰囲気が所定温度以上に昇温すると速やかに作動してガス放出孔からガスを安全に放出できるので、ガス容器や容器弁などに付設する安全弁に好適であり、特に、例えば燃料電池用の水素ガスボンベなど、高圧で分子量が小さいガスを貯蔵するガス容器等に付設する安全弁に好適である。

本発明の実施形態の安全弁を備えた、容器弁の断面図である。本発明の実施形態の正常時における安全弁を示し、図２(ａ)は安全弁の断面図、図２(ｂ)は図２(ａ)のＢ部の拡大断面図である。本発明の実施形態の、安全作動時における安全弁の断面図である。本発明の実施形態の変形例を示す、作動器近傍の断面図である。

符号の説明

２…ガス容器
６…ガス容器(２)の内部空間
17…安全弁
20…受圧孔
21…作動室
22…放出孔
25…合金収容室
27…低融点合金
28…作動器
30…第１バックアップ部
31…第２バックアップ部
32…ガスケット
33…封止板
34…封止部材
35…破封部
37…第２封止部材

Claims

受圧孔(20)と作動室(21)と放出孔(22)と合金収容室(25)とを備え、上記の受圧孔(20)を封止部材(34)で解除可能に封止し、上記の合金収容室(25)に収容した低融点合金(27)で上記の封止部材(34)を支持した安全弁であって、
上記の封止部材(34)を封止板(33)で構成し、この封止板(33)の少なくとも受圧孔(20)に臨む部分に所定圧力で破断する破封部(35)を設け、
上記の作動室(21)に作動器(28)を配置して、この作動器(28)の一端に形成した第１バックアップ部(30)で上記の破封部(35)を支持するとともに、この作動器(28)の他端に形成した第２バックアップ部(31)を、上記の低融点合金(27)で支持したことを特徴とする、安全弁。
上記の低融点合金(27)に支持された上記の第２バックアップ部(31)の被支持面を、上記の受圧孔(20)に臨む破封部(35)よりも広い面積に形成した、請求項１に記載の安全弁。
上記の封止板(33)の周縁部にガスケット(32)を気密状に配置した、請求項１または請求項２に記載の安全弁。
上記の封止板(33)の作動室(21)とは反対側の表面をガス容器(２)の内部空間(６)に連通させ、このガス容器(２)の常用圧力以下のガス圧力で上記の破封部(35)を破断可能に構成した、請求項１から３のいずれか１項に記載の安全弁。
上記の破封部(35)よりも下流側の受圧孔(20)に上記の第１バックアップ部(30)を挿入し、この第１バックアップ部(30)の周囲に、上記の受圧孔(20)の内面と気密摺動可能な環状の第２封止部材(37)を装着した、請求項１から４のいずれか１項に記載の安全弁。