JP5381104B2 - ガス容器用バルブアッセンブリ - Google Patents

Description

本発明は、ガス容器の口金等に設けられるバルブアッセンブリに関し、特にガス充填・放出のための通路を有するガス容器用バルブアッセンブリに関するものである。

従来、この種のバルブアッセンブリとして、例えば特許文献１に記載のものが知られている。このバルブアッセンブリは、ガス充填通路とガス放出通路との間を接続するバイパス流路にバイパス弁を設けることで、放出弁が故障により開弁しない場合にガス容器内のガスをガス充填通路から外部に放出できるようにしている。この場合、ガス放出通路のうち、放出弁の下流側の部分に圧力センサ及び温度センサが設けられている。

特開２００６−２４２２５（図２及び段落００７８〜００８２）

特許文献１のように、ガス放出通路に圧力センサ等を別途設けることで、ガス容器内の情報を取得できる点では有用である。しかし、圧力センサ等を設ける分、バルブアッセンブリとしての部品要素が増える。このため、バルブアッセンブリが大型化してしまい、小型化、部品点数及びコストの削減などの観点からさらなる改善が求められていた。

本発明は、低コスト化及び小型化を可能にするガス容器用バルブアッセンブリを提供することをその目的としている。

上記目的を達成するため、本発明のガス容器用バルブアッセンブリは、ガス容器の内部と外部とを連通する通路としてガス充填通路及びガス放出通路を有し、ガス充填通路とガス放出通路との間を接続するバイパス流路を有するものにおいて、バイパス流路を開閉するバイパス弁に、ガス容器内の情報を取得するセンサを一体に設けて、前記バイパス弁の一部を当該センサで兼用しているものである。

本発明によれば、バイパス弁の一部をセンサに兼用できるので、バイパス弁とセンサとを別体で設ける場合に比べて、コストを低減できると共に、バルブアッセンブリの体格を小さくすることができる。

好ましくは、センサは、圧力センサであるとよい。これにより、ガス容器内の圧力を検出することができる。

より好ましくは、圧力センサは、ガス容器内のガスがガス充填通路から導かれることで、ガス容器内の圧力を検出するとよい。これにより、ガス容器内の圧力を直接監視することができる。

より好ましくは、ガス充填通路は、ガス容器と圧力センサとをつなぐ部分が常に連通状態であるとよい。これにより、例えば遮断弁など他の弁を開弁することなく、ガス容器内の圧力を検出することができる。

好ましくは、圧力センサは、センサ本体、及び、ガス充填通路とセンサ本体とを連通する導圧路を有し、バイパス弁は、弁座、及び、弁座に離接することでバイパス流路を開閉する弁体を有し、この弁体に導圧路が形成されるとよい。こうすることで、弁体を有効に利用して、バイパス弁と圧力センサとの一体化を図ることができる。

より好ましくは、バイパス弁は、弁体を弁座に対して移動させる手動操作部を有する手動弁であり、手動操作部には、センサ本体が設けられているとよい。こうすることで、手動操作部を有効に利用してセンサ本体を設けることができ、コンパクト化を図ることができる。

実施形態に係るガス容器用バルブアッセンブリの構成を示す図であり、ガス容器を一部裁断して示すと共にバルブアッセンブリの回路系統を示す図である。 実施形態に係るガス容器用バルブアッセンブリにおけるバイパス弁及び圧力センサの一体化構成を示す断面図である。 実施形態に係るガス容器用バルブアッセンブリの構成を示す図であり、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ´で切断した断面図である。 実施形態の変形例に係るガス容器用バルブアッセンブリにおけるバイパス弁及び圧力センサの一体化構成を示す断面図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態に係るガス容器用バルブアッセンブリについて説明する。

図１に示すように、ガス容器１は、全体として密閉円筒状の容器本体２と、容器本体２の長手方向の一端部または両端部に取り付けられた口金３と、を具備している。容器本体２の内部は、各種のガスを貯留する貯留空間５となっている。ガス容器１は、常圧のガスを充填することもできるし、常圧に比して圧力が高められたガスを充填することもできる。すなわち、本発明のガス容器１は、高圧ガス容器として機能することができる。

例えば、燃料電池システムでは、高圧の状態で用意された燃料ガスを減圧して、燃料電池の発電に供している。本発明のガス容器１は、高圧の燃料ガスを貯留するのに適用することができ、燃料ガスとしての水素ガスや、圧縮天然ガス（ＣＮＧガス）などを貯留することができる。ガス容器１に充填される水素の圧力としては、例えば３５ＭＰａあるいは７０ＭＰａであり、ＣＮＧガスの圧力としては、例えば２０ＭＰａである。

容器本体２は、ガスバリア性を有する内側のライナー６（内殻）と、ライナー６の外側を覆うＦＲＰからなるシェル７（外殻）と、の二層構造で構成されている。ライナー６は、例えば高密度ポリエチレンなどの樹脂や、アルミニウム合金などの金属により構成される。口金３は、例えばステンレスなどの金属で形成され、容器本体２の半球面状をした端壁部の中心に設けられている。口金３の開口部の内周面には、めねじ９が形成されており、ここにバルブアッセンブリ１０がねじ込み接続されている。

バルブアッセンブリ１０とは、ガス通路のほか、バルブや継手等の配管要素や、各種ガスセンサなどをハウジング３１に一体的に組み込んだモジュールをいう。バルブアッセンブリ１０は、外部のガス充填ライン２１と貯留空間５とを接続すると共に、外部のガス放出ライン２２と貯留空間５とを接続する。

例えば、燃料電池システム上のガス容器１は、ガス充填ライン２１およびバルブアッセンブリ１０を介して、貯留空間５に例えば高圧の水素ガスが充填される。また、燃料電池システム上のガス容器１は、バルブアッセンブリ１０を介して、貯留空間５内の例えば水素ガスをガス放出ライン２２に放出する。そして、ガス放出ライン２２に設けた燃料電池に水素ガスが供給される。以下は、燃料電池用の高圧水素タンクに適用することを一例に説明する。

バルブアッセンブリ１０は、ガス容器１の内外に亘るように設けられている。バルブアッセンブリ１０は、各種のバルブ（４６，５１，５２，６２，６３，６４，７４）や各種のガス通路（４１〜４４）を構成したハウジング３１（バルブボデー）を有している。ハウジング３１のネック部の外周面には、口金３のめねじ９に螺合するおねじ３２が形成されており、このねじ部分を介してバルブアッセンブリ１０を口金３にねじ込み接続することができる。ねじ込み接続された状態では、ハウジング３１と口金３との間は、図示省略した複数のシール部材により気密にシールされる。

ハウジング３１内には、ガス容器１の内部と外部とを連通する通路として、貯留空間５とガス充填ライン２１とを連通する充填通路４１と、貯留空間５とガス放出ライン２２とを連通する放出通路４２と、が設けられている。また、ハウジング内３１には、充填通路４１の途中から分岐したリリーフ通路４３が設けられていると共に、充填通路４１と放出通路４２との間を接続するバイパス流路４４が設けられている。リリーフ通路４３には、安全弁としてのリリーフ弁４６が設けられている。リリーフ弁４６は、貯留空間５内が異常に高圧になったときに開弁し、貯留空間５内のガスをリリーフ通路４３から外部に放出する。

充填通路４１は、その一端がガス充填ライン２１に接続され、その他端が貯留空間５内で開口している。充填通路４１には、ガスの逆流を阻止する逆止弁５１と、逆止弁５１に直列に配置された手動弁５２と、が設けられている。なお、手動弁５２に代えて、この弁を電磁弁などの電気的駆動弁で構成してもよい。また、手動弁５２を省略してもよい。

放出通路４２は、その一端がガス放出ライン２２に接続され、その他端が貯留空間５内で開口している。放出通路４２には、貯留空間５側から順に、ガス中の異物を捕捉するフィルタ６１と、放出通路４２を電気的に開閉可能な遮断弁６２と、放出通路４２をマニュアル操作により開閉可能な手動弁６３と、ガスの圧力を減圧することにより調整する調圧弁６４と、が設けられている。なお、他の実施態様では、フィルタ６１、手動弁６３及び調圧弁６４は省略することが可能である。

ここで、本明細書において、充填通路４１における下流側とは、ガス充填ライン２１から貯留空間５にガスを充填する際に、充填通路４１でのガス流れ方向から見て下流側であることを意味する。したがって、逆止弁５１は、手動弁５２の上流側に位置している。また、同様に、放出通路４２における下流側とは、貯留空間５からガス放出ライン２２にガスを放出する際に、放出通路４２でのガス流れ方向から見て下流側であることを意味する。したがって、放出通路４２には、その上流側から順に、フィルタ６１、遮断弁６２、手動弁６３および調圧弁６４が配置されている。

バイパス流路４４と充填通路４１との接続合流点７１は、手動弁５２の下流側に位置し、バイパス流路４４と放出通路４２との接続合流点７２は、遮断弁６２と調圧弁６４との間に位置している。バイパス流路４４には、これを開閉するバイパス弁７４が設けられている。バイパス弁７４は、常時（ガス充填時及びガス供給時を含む。）は閉弁しており、主として遮断弁６２の故障時等に開弁される。すなわち、ガス充填時及びガス供給時では実線で示す矢印のようにガスが流れる一方、遮断弁６２の故障時等では破線で示す矢印のように貯留空間５内のガスが充填通路４１、バイパス流路４４及び放出通路４２の順に流れてガス供給ライン２２に放出される。

バイパス弁７４は、手動弁や足踏弁等の人力操作弁で構成することができるほか、遮断弁６２と同様に、電気的駆動弁（電磁弁、電動弁など）で構成することもでき、直動式及びパイロット式のいずれも用いることができる。また、バイパス弁７４のタイプとして、仕切り弁、玉形弁、バタフライ弁、ボール弁などのタイプのものも用いることができる。本実施形態のバイパス弁７４は、手動弁で構成され、しかも、圧力センサ８０を一体に設けられている。

図２に示すように、圧力センサ８０は、センサ本体８２と、センサ本体８２にガスを導く導圧路８４と、を有している。センサ本体８２は、周知の構造とすることができ、その内部構造については図示省略している。例えば、センサ本体８２は、受圧要素としてのダイアフラムと、電気変換素子としてのひずみゲージと、を備えることができる。ダイアフラムが導圧路８４から導かれたガスの圧力を受けることで、ひずみゲージがダイアフラムの歪みを介してガスの圧力を検出する。なお、ひずみゲージに代えて、ダイアフラムの変位を静電容量の変化としてとらえる電気変換素子を用いることもできる。

バイパス弁７４は、手動操作部９０、弁座９２及び弁体９４を有している。バイパス弁７４は、ハウジング３１のバルブ取付け開口部９６にねじ込まれることで、バイパス流路４４を開閉可能に取り付けられる。このため、開口部９６の開放側の内周面にはめねじ９８が形成されている一方、バイパス弁７４には、めねじ９８に螺合するおねじ１００が形成されている。なお、開口部９６の一部がバイパス流路４４の一部として機能しており、遮断弁６２の故障時におねじ１００をゆるめることで、充填通路４１と放出通路４２との間を連通状態にすることができる。

手動操作部９０は、弁体９４に連結されており、ユーザのマニュアル操作により弁体９４を弁座９２に対して軸方向に移動させる。手動操作部９０は、ハウジング３１の外壁面よりも外側に位置している。このため、ユーザがバルブアッセンブリ１０を口金３から取り外さなくとも、手動操作部９０にアクセス可能となっている。手動操作部９０は、例えば、円形又は多角形状のハンドルのほか、レバー、ボタンにより構成することができる。ここでは、手動操作部９０は、ハンドル式からなり、その内部に上記したセンサ本体８２が組み込まれている。こうすることで、手動操作部９０を有効に利用して、センサ本体８２をバイパス弁７４に一体に設けることができる。

弁座９２は、充填通路４１に向かってテーパ状に形成されている。弁座９２は、開口部９６の奥壁をテーパ状とすることで形成することができる。あるいは、弁座９２をメタルシールなどのシール部材により形成し、このシール部材を開口部１０６の奥壁に取り付けることもできる。

弁体９４は、弁座９２に離接することでバイパス流路４４を開閉する。弁体９４は、手動操作部９０側の外周面に上記おねじ１００が形成されていると共に、先端側の外周面にシール面１０４が形成されている。シール面１０４は、弁座９２に密接するように、弁座９２に対応してテーパ状に形成されている。

おねじ１０２とシール面１０４との間には、Ｏリング１１２及びバックアップリング１１４が弁体９４の外周面に取り付けられている。Ｏリング１１２は、バルブ取付け開口部９６の内周壁に密接する。これにより、バイパス弁７４を閉じた状態で、放出通路４２内のガスがバルブ取付け開口部９６から外部へと流出しないようになる。なお、バイパス弁７４を開いた状態（シール面１０４が弁座９２から離間した状態）でも、Ｏリング１１２は、充填通路４１内及び放出通路４２内のガスが開口部９６から手動操作部９０側へと流出しないようにシール可能に構成される。

このように構成された弁体９４には、さらに上記の導圧路８４が形成されている。具体的には、弁体９４の軸心を貫通するように導圧路８４が形成されており、弁体９４の平坦な先端面に導圧路８４の開放端１１６が形成されている。開放端１１６は、バイパス弁７４の開弁状態では開口部９６で開口する一方、図２に示すバイパス弁７４の閉弁状態では充填通路４１側に対してのみ開口する。このため、閉弁状態における導圧路８４は、放出通路４２から独立しながら、充填通路４１とセンサ本体８２とを連通する。なお、導圧路８４の内径は、充填通路４１の内径よりも小さく形成される。

図１に示したように、本実施形態では、センサ本体８２と貯留空間５内とをつなぐ充填通路４１の部分４１ａには、これを閉塞する機器が設けられていない。つまり、充填通路４１の部分４１ａは、常に連通状態となっている。このため、貯留空間５内のガスは、圧損の影響を受けることなく、部分４１ａ及び導圧路８４を介してセンサ本体８２に導かれる。これにより、閉弁中は、圧力センサ８０により貯留空間５内のガスの圧力が正確に且つ直接的に検出される。

図３は、バルブアッセンブリ１０における各種のバルブの配置の一例を概略的に示す図である。図３（ａ）の平面視に示す符号５２ａは手動弁５２の一部分を示しており、その手動操作部がハウジング３１の手前外側に位置している。同様に、符号６３ａは手動弁６３の一部分を示しており、その手動操作部がハウジング３１の手前外側に位置している。なお、図３では、図１に示したフィルタ６１及び調圧弁６４が省略されている。また、図３では、接合流点７１と手動弁５２との位置関係及び接合流点７２と手動弁６２との位置関係が図１とは反対になっている。

以上説明した本実施形態のバルブアッセンブリ１０によれば、バイパス弁７４の一部を圧力センサ８０で兼用することで、バイパス弁７４に圧力センサ８０を一体に設けている。これにより、両者を別体としてバルブアッセンブリ１０に組み込む場合に比べて、バルブアッセンブリ１０を小型化できると共に、部品点数及びコストを削減することができる。特に、手動操作部９０及び弁体９４を有効に利用して、圧力センサ８０の構成を作り込んでいるので、バルブアッセンブリ１０のコンパクト化を好適に図ることができる。

なお、他の実施態様では、圧力センサ８０に代えて、圧力以外の別のガス状態を取得するセンサをバイパス弁７４と一体に設けてもよい。例えば、温度センサ及び濃度センサなどのセンサをバイパス弁７４と一体に設け、貯留空間５内の温度情報や濃度情報（例えば水素濃度）を取得するようにしてもよい。ただし、温度は設置位置に依存するため、本実施形態のように圧力センサ８０を一体に設ける方が好適である。

＜変形例＞
次に、図４を参照して、本実施形態の変形例に係るバルブアッセンブリ１３０について相違点を中心に説明する。上記実施形態との相違点は、圧力センサ８０とは別の圧力センサ１４０もバイパス弁７４に一体に設けたことである。なお、上記実施形態と共通する部分については同一の符号を付してその説明を省略する。

図４に示すように、圧力センサ１４０は、センサ本体１４２及び導圧路１４４を有し、圧力センサ８０と同様に構成することができる。導圧路１４４は、導圧路８４とは独立した形態で、弁体９４の内部に形成される。そして、弁体９４のテーパ面に導圧路１４４の開放端１４６を形成し、閉弁中にも開放端１４６が、放出通路４２に連通する開口部９６に対して開口するようにする。これにより、閉弁中に、圧力センサ１４０により放出通路４２内の圧力を検出することができる。

この変形例に係るバルブアッセンブリ１３０によれば、一つのバイパス弁７４で充填通路４１内の圧力（上記実施形態では、ガス容器１内の圧力と同じとなる。）を圧力センサ８０で検出できるのみならず、放出通路４２内の圧力を圧力センサ１４０で検出することができる。これにより、放出通路４２に圧力センサを設ける場合に、バイパス弁７４と独立した態様とならないため、バルブアッセンブリ１０の小型化及び低コスト化などを図ることができる。なお、上記同様に、圧力センサ１４０に代えて、圧力以外の別のガス状態（温度など）を取得するセンサをバイパス弁７４に一体に設けることも可能である。

上記した本発明のバルブアッセンブリを備えたガス容器１は、燃料電池システムを搭載した車両などに用いるのに好適である。また、車両以外の航空機や船舶など、ガス容器を動力源として用いる輸送機関にも、本発明のガス容器１を好適に適用することができる。

１：ガス容器、１０：バルブアッセンブリ、４１：充填通路、４２：放出通路、４３：リリーフ通路、４４：バイパス流路、７４：バイパス弁、８０：圧力センサ、８２：センサ本体、８４：導圧路、９０：手動操作部、９２：弁座、９４：弁体

Claims (6)

1. ガス容器の内部と外部とを連通する通路としてガス充填通路及びガス放出通路を有し、当該ガス充填通路と当該ガス放出通路との間を接続するバイパス流路を有する、ガス容器用バルブアッセンブリにおいて、
   前記バイパス流路を開閉するバイパス弁に、前記ガス容器内の情報を取得するセンサを一体に設けて、前記バイパス弁の一部を当該センサで兼用している、バルブアッセンブリ。
2. 前記センサは、圧力センサである、請求項１に記載のバルブアッセンブリ。
3. 前記圧力センサは、前記ガス容器内のガスが前記ガス充填通路から導かれることで、前記ガス容器内の圧力を検出する、請求項２に記載のバルブアッセンブリ。
4. 前記ガス充填通路は、前記ガス容器と前記圧力センサとをつなぐ部分が常に連通状態である、請求項３に記載のバルブアッセンブリ。
5. 前記圧力センサは、センサ本体と、当該センサ本体と前記ガス充填通路とを連通する導圧路と、を有し、
   前記バイパス弁は、弁座と、当該弁座に離接することで前記バイパス流路を開閉する弁体と、を有し、
   前記弁体には、前記導圧路が形成されている、請求項３又は４に記載のバルブアッセンブリ。
6. 前記バイパス弁は、前記弁体を前記弁座に対して移動させる手動操作部を有する手動弁であり、
   前記手動操作部には、前記センサ本体が設けられている、請求項５に記載のバルブアッセンブリ。

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