JP5466033B2 - 高圧タンクの圧抜き用バルブ - Google Patents

Description

本発明は、高圧タンク内に充填された流体を外部に放出し、高圧タンク内を減圧する高圧タンクの圧抜き用バルブに関する。

従来から、水素ガス等の燃料を燃料電池に供給し、その電池で発電した電力により走行する車両が知られている。このような車両には、通常、燃料電池に用いられる燃料を高圧状態で収容する高圧タンクが搭載される。この高圧タンクの口金には、通常、ガスが流れる通路と、この通路に配置される各種バルブとを一体化したバルブ装置が取り付けられる。

下記特許文献１には、車両に搭載されるガス容器用のバルブ装置が記載されている。このバルブ装置は、ガス容器と外部とを連通する通路として、ガス容器にガスを流入させる第１の通路と、ガス容器からガスを流出させる第２の通路とを有する。このバルブ装置は、さらに、第１の通路と第２の通路を接続する連通路と、連通路に配置された手動弁とを有する。この手動弁は、平常時、閉状態である。しかし、第２の通路であって、この通路と連通路とが接続する接続部よりガス容器側の第２の通路に配置されたバルブが故障等で開かなくなった場合には、緊急事態として手動弁が開弁される。これにより、第１の通路、連通路そして第２の通路の順にガス容器内のガスを流して、ガス容器内のガス圧を抜いて、その容器内を減圧することができる。

また、下記特許文献１のバルブ装置は、ガス容器から外部にガスをリリーフするためのリリーフ通路と、リリーフ通路に配置された溶栓弁とを有する。この構成により、高温時に、溶栓弁が開弁してリリーフ通路と外部とを連通させるので、ガス容器内のガス圧を抜いて、その容器内を減圧することができる。

下記特許文献２には、流体が流入する第１キャビティとこのキャビティに環状孔を介して連通する第２キャビティとが軸方向に向かって順に形成されたハウジングと、ハウジング内に配置され、環状孔を開閉するポペットと、ポペットを軸方向に移動させる作動手段とを有するバルブが記載されている。ポペットは、閉位置時に環状孔に隙間なく密着する外側シール面とこの面より第１キャビティ側に形成されたオリフィスとを含む側壁と、流体を第１キャビティからオリフィスを通って径方向に導く流体誘導手段とを有する。作動手段によりポペットを閉位置から開位置に移動させたとき、オリフィスが第２キャビティに連通するので、流体誘導手段を介して第１キャビティから第２キャビティへ流体を流すことができる。

特開２００６−２４２２２５号公報 特表平１１−５０１７１６号公報

従来の高圧タンクのバルブ装置は、上記特許文献１のバルブ装置のように、高圧タンクからガスを外部に放出させる放出通路（リリーフ通路）に配置され、高温時に高圧タンク内のガスを外部に放出する溶栓弁を有する。さらに、従来の高圧タンクのバルブ装置は、上記特許文献１のバルブ装置のように、高圧タンクにガスを流入させる流入通路（第１の通路）と高圧タンクからガスを流出させる流出通路（第２の通路）とを連通する連通路に配置された手動弁を有する。この手動弁は、例えば、流出通路に配置された主止弁の故障時、具体的には閉弁固着時に、手動による開動作で高圧タンク内のガスを流出させて高圧タンク内のガス圧を抜く手動圧抜き弁として機能する。

このように、従来の高圧タンクのバルブ装置には、緊急時に動作するバルブとして、溶栓弁のほかに手動圧抜き弁が設けられている。そして、このバルブ装置には、手動圧抜き弁を設けるために、流入通路と流出通路とを連通する連通路が設けられている。よって、バルブ装置が大型化してしまう傾向にあった。大型化するバルブ装置が取り付けられる高圧タンクが車両に搭載される場合、車両では、もともと高圧タンクの設置スペースが限られているので、バルブ装置の設置スペースについても当然余裕はない。

また、従来の高圧タンクのバルブ装置においては、車両搭載時におけるメンテナンススペースも制限される。これを考慮して、溶栓弁は、メンテナンスが容易な位置、すなわち車両搭載時におけるバルブ装置の下側に優先的に配置される。一方、手動圧抜き弁は、機能の優先順位が低いため、操作が困難な位置、例えば車両搭載時におけるバルブ装置の上側に配置されてしまう。このため、手動圧抜き弁の操作には、例えばタンクを車両から取り外さなければならず、その作業に手間がかかってしまうという問題がある。

本発明の目的は、簡易な構造により、小型化と保守性の向上に対応することができる高圧タンクの圧抜き用バルブを提供することにある。

本発明は、高圧タンク内に充填された流体を外部に放出し、高圧タンク内を減圧する高圧タンクの圧抜き用バルブにおいて、高圧タンク内に接続するチャンバと、チャンバを外部に連通する連通孔とが軸方向に向かって順に形成されたボディと、軸方向に対して移動可能にボディに挿入され、連通孔を開閉する弁本体と、を備え、弁本体は、閉位置時に連通孔に隙間なく密着するシール部と、シール部よりチャンバ側に形成されたオリフィスとを含む側壁と、流体をチャンバからオリフィスを通って径方向に導く導通路と、導通路に収容され、導通路を流れる流体で作動して、軸方向における弁本体の移動を規制する規制部と、を有し、弁本体が閉位置から開方向に移動することにより、オリフィスが外部に連通して、流体が導通路を介してチャンバから外部へ流れるとともに、この流体の流れにより規制部が作動して弁本体の移動を規制することを特徴とする。

また、規制部は、作動時に導通路から径方向外側に向かって拡張する拡張部を有し、拡張部の一部が連通孔の縁部に引っ掛かることにより、弁本体の移動を規制することができる。

また、弁本体には、径方向に導通路から側壁まで貫通する貫通路が形成され、拡張部は、貫通路を通って側壁の外側に突出する突出部と、突出部を径方向外側に向かって押圧する弾性部と、を有し、拡張部が導通路を流れる流体に押されて軸方向に移動して貫通路が形成される部分まで移動することにより、突出部が貫通路を介して径方向外側に突出して、弁本体の移動を規制することができる。

また、規制部は、拡張部に接続され、導通路を流れる流体に押されて軸方向に移動する移動部を有し、拡張部は、拡張部の外周と、軸方向に延びる導通路の内周との間に隙間ができるように形成され、移動部は、軸方向に延びる導通路の内周に隙間無く嵌るように形成されることができる。

また、移動部が、開方向側の導通路の端部まで移動したとき、規制部が弁本体の移動を規制することができる。

本発明の高圧タンクの圧抜き用バルブによれば、簡易な構造により、小型化と保守性の向上に対応することができる。

本実施形態に係る高圧タンクの圧抜き用バルブの構成を示す図である。 図１のＡ部を示す詳細図である。 移動部を軸方向から見た図である。 拡張部を軸方向から見た図である。 圧抜き用バルブの開状態を示す図である。 開弁時の拡張部を軸方向から見た図である。

以下、本発明に係る高圧タンクの圧抜き用バルブの実施形態について、図を用いて説明する。一例として、燃料電池が発電した電力で走行する自動車、すなわち燃料電池自動車を挙げ、この自動車に搭載される高圧タンクの圧抜き用バルブについて説明する。なお、本発明は、燃料電池自動車に搭載されるタンクに限らず、気体燃料や空気などの流体を高圧の状態で充填するタンクにも適用可能である。

図１は、本実施形態に係る高圧タンクの圧抜き用バルブの構成を示す図である。圧抜き用バルブ（以降、単に「バルブ」と記す）１０は、高圧タンク１２の端部に取り付けられている。高圧タンク１２は、これの内部に収容された流体の圧力が分散されるように円筒状、いわゆるシリンダ状に形成される。高圧タンク１２に貯蔵される流体は、例えば水素ガスであり、その圧力は、例えば７０ＭＰａである。なお、高圧タンク１２に貯蔵される流体とその圧力は一例であり、本発明はこの数値に限定されない。

バルブ１０は、流体の入口１４及び出口１６と、入口１４から高圧タンク１２に流体を流入させる流入通路１８と、高圧タンク１２から出口１６に流体を流出させる流出通路２０と、これら１４，１６，１８，２０が形成されるボディ２２とを有する。

流体の入口１４は、外部のガス源から高圧タンク１２に流体を充填するための入口である。流体の入口１４は、これの端部がボディ２２の表面から露出して設けられ、その端部に、外部の流体接続口（図示せず）が接続されて、流体が外部の流体源から高圧タンク１２に供給される。

一方、流体の出口１６は、高圧タンク１２に貯蔵された流体を燃料電池（図示せず）に供給するための出口である。流体の出口１６は、これの端部がボディ２２の表面から露出して設けられ、その端部に、流体を燃料電池に導く流体供給路（図示せず）が接続されて、流体が高圧タンク１２から燃料電池に供給される。

流入通路１８には、流体の入口１４から高圧タンク１２に向けて順に、入口手動弁２４と逆止弁２６とが配置される。これらの弁２４，２６は、ボディ２２に収容される。

入口手動弁２４は、手動により操作可能な操作部２４ａを有し、操作部２４ａの操作により、入口手動弁２４の弁体（図示せず）が開閉（オン・オフ）される。また、入口手動弁２４は、操作部２４ａの操作により、弁体の弁開度を調整することで、流体の流量を調整することができる。入口手動弁２４は、通常時、開状態である。

逆止弁２６は、流体が一方から他方へ流れることを許容するが、流体が他方から一方へ流れることを防止するバルブである。本実施形態の逆止弁２６は、流体の入口１４から高圧タンク１２へ流体が流れることを許容するが、流体が高圧タンク１２から流体の入口１４へ流れることを防止するように配置される。

また、流入通路１８であって、逆止弁２６と高圧タンク１２の間にある流入通路１８には、高圧タンク１２から流体を外部に放出させる放出通路２８が接続されている。放出通路２８には、溶栓弁３０が配置される。溶栓弁３０は、その一部がボディ２２の表面から突出するように設けられる。

溶栓弁３０は、周囲の温度により作動する安全弁である。溶栓弁３０は、周囲の温度が所定の温度（例えば１１０℃）を超えると、弁内部の溶栓部（図示せず）が溶解して開弁する。この動作により、高圧タンク１２の流体が外部へと放出され、周囲の火災等によって高圧タンク１２が爆発してしまうことを防止する。

一方、流出通路２０には、高圧タンク１２から流体の出口１６に向けて順に、主止弁３２と出口手動弁３４とが配置される。これらの弁３２，３４は、バルブ装置本体２２に収容される。

出口手動弁３４は、手動により操作可能な操作部３４ａを有し、操作部３４ａの操作により、出口手動弁３４の弁体（図示せず）が開閉（オン・オフ）される。また、出口手動弁３４は、操作部３４ａの操作により、弁体の弁開度を調整することで、流体の流量を調整することができる。出口手動弁３４は、通常時、開状態である。

主止弁３２は、この主止弁３２に接続される配線（図示せず）を介して入力される電気信号により電磁石を駆動して弁を開閉する電磁弁である。主止弁３２は、車両の停止時、具体的にはイグニッションスイッチがオフである場合、閉状態となり、車両の運転時、具体的にはイグニッションスイッチがオンである場合、開状態となるように制御される。また、主止弁３２は、流体の出口１６に接続される流体供給路に配置される圧力センサ（図示せず）が設定値以上の圧力値を検出した場合、そのセンサからの電気信号により弁体を閉じる。

ボディ２２には、高圧タンク１２内の圧力を検出するための圧力検出路３６が形成される。圧力検出路３６は、この圧力検出路３６の一端が高圧タンク１２に接続され、他端が外部に接続されるように形成される。圧力検出路３６の他端は、溶栓弁３０が設けられるボディ２２の側面、すなわち、車両搭載時にメンテナンスが容易な位置に形成される。

圧力検出路３６の他端には、圧力センサ３８が圧力検出路３６と外部を封止するように取り付けられ、この圧力センサ３８により高圧タンク１２内の圧力が検出される。そして、本実施形態のバルブ１０は、圧力センサ３８を移動させることにより、圧力検出路３６を介して高圧タンク１２と外部が連通するように構成される。

このような簡易な構成により、バルブ１０は、従来の手動圧抜き弁と同様の機能を有することができる。すなわち、主止弁３２の故障、例えば閉弁固着時に、圧力センサ３８を移動させることで、圧力検出路３６を介して高圧タンク１２内の流体を外部に排出して、高圧タンク１２内の流体の圧力を抜き減圧する機能を有することができる。そして、本実施形態のバルブ１０においては、従来の手動圧抜き弁と、この弁が配置される連通路とを設ける必要がないので、バルブ１０の小型化に対応することができる。さらに、本実施形態のバルブ１０においては、圧力センサ３８が、溶栓弁３０と同様に、メンテナンスが容易な位置に配置されるので、従来の手動圧抜き弁に比べて保守性の向上を図ることができる。

以下、圧力センサ３８の構成について、図を用いて詳述する。図２は、図１のＡ部を示す詳細図である。なお、圧力センサ３８の本体部分は、従来の手動圧抜き弁と同様の機能、すなわち高圧タンク１２内を減圧する圧抜き用バルブ本体であり、ここを以降、弁本体４０と記す。また、圧力検出路３６の他端は、高圧タンク１２内を減圧するときに高圧タンク１２の流体が流れ込む弁本体４０の一次側の室に相当する部分であり、ここを以降、チャンバ４２と記す。

図２に示されるように、ボディ２２には、高圧タンク１２内に接続するチャンバ４２と、チャンバ４２を外部に連通する連通孔４４とが軸方向４６に向かって順に形成される。そして、弁本体４０は、軸方向４６に対して移動可能にボディ２２に挿入される。

弁本体４０は、軸方向４６に延びて形成される円筒状である。この弁本体４０が、軸方向に移動することにより、連通孔４４を開閉することができる。ここで、弁本体４０を軸方向に移動させる機構は、手動により移動可能な簡易な機構であり、例えばボディ２２と弁本体４０が螺合するネジ機構（図示せず）である。次に、弁本体４０の具体的な構成ついて説明する。

弁本体４０は、閉位置時に連通孔４６に隙間なく密着するシール部４８を有する。シール部４８は、例えばＯリングであり、弁本体４０の側壁５０の外周面に、これの外側から環状に取り付けられる。シール部４８は、弁本体４０が連通孔４４に嵌り合うとき、弁本体４０の外周面と連通孔４６の内周面の隙間を封止する。

また、弁本体４０は、側壁５０に形成されたオリフィス５２と、流体をチャンバ４２からオリフィス５２を通って径方向に導く導通路５４と有する。オリフィス５２は、シール部４８よりチャンバ４２側（図２の右側）の側壁５０に２個形成される。導通路５４は、弁本体４０と同軸に、弁本体４０のチャンバ４２側端部からオリフィス５２に接続するように形成される。なお、オリフィス５２の数は一例であって、本発明はオリフィス５２の数２個に限定されない。

また、弁本体４０は、導通路５４に収容され、導通路５４を流れる流体で作動して、軸方向４６における弁本体４０の移動を規制する規制部５６を有する。この構成により、開弁時に高圧タンク１２内の流体を外部に排出するとき、排出される流体の圧力により弁本体４０が吹き飛ばされてしまうことを防止することができる。また、高圧タンク１２から排出される流体の圧力により、弁本体４０をボディ２２に取り付けるネジ機構が損傷してしまうことを防ぐことができる。以下、規制部５６の具体的な構成について説明する。

規制部５６は、導通路５４を流れる流体に押されて軸方向４６に移動する移動部５８と、移動部５８に接続され、規制部５６の作動時に導通路５４から径方向外側に向かって拡張する拡張部６０とを有する。移動部５８と拡張部６０は、軸方向４６において間隔をあけて設けられ、棒部６２を介して互いに接続される。

移動部５８の具体的な構成について、図２及び３を用いて説明する。図３は、移動部５８を軸方向４６から見た図である。移動部５８は、略円板状であり、図３に示されるように、軸方向４６に延びる導通路５４の内周に隙間無く嵌るように形成される。この形状により、開弁時に、流体が、高圧領域であるチャンバ４２から導通路５４とオリフィス５２を通って低圧領域である外部に流れようとする押圧力により、移動部５８が押されて軸方向４６外部側、すなわち開方向に移動する。そして、移動する移動部５８は、後述する図５に示されるように、開方向側の導通路５４の端部に当接して停止する。

なお、本実施形態においては、移動部５８が導通路５４の内周に隙間無く嵌るように形成される場合について説明したが、この構成に限定されない。開弁時の流体の流れにより移動可能であれば、移動部５８が、導通路５４の内周との間に隙間ができるように形成されてもよい。この構成により、移動部５８の移動中の摩擦抵抗を低減することができる。

次に、拡張部６０の具体的な構成について、図２及び４を用いて説明する。図４は、拡張部６０を軸方向４６から見た図である。拡張部６０は、開弁時に流体が流れるようにするため、図４に示されるように、拡張部６０の外周と、軸方向４６に延びる導通路５４の内周との間に隙間ができるように形成される。拡張部６０は、側壁５０の外側に突出可能な突出部６４と、突出部６４を側壁５０の外側に向かって押圧する弾性部６６とを有する。

突出部６４は、拡張部本体６０ａの径方向両端にそれぞれ設けられる。弾性部６６は、例えばバネ性部材であり、圧縮されて、この弾性部６６の両端がそれらの突出部６４にそれぞれ接続するように拡張部本体６０ａに収容される。弁本体４０には、導通路５４から側壁５０まで径方向に貫通する貫通路６８が２個形成され、開弁時に、この貫通路６８と突出部６２の位置が一致すると、突出部６２が弾性部６６により押され貫通路６８を通って側壁５０の外側に突出する。径方向外側に突出した突出部６４は、チャンバ４２より小さく形成された連通孔４４の縁部７０に引っ掛かるので、開方向に移動しようとする弁本体４０の動きを規制することができる。なお、突出部６２の数は一例であって、本発明は突出部６２の数２個に限定されない。

次に、本実施形態のバルブ１０の動作について、図２，５及び６を用いて説明する。図５は、バルブ１０の開状態を示す図であり、図６は、開弁時の拡張部６０を軸方向４６から見た図である。

図２に示されるように、弁本体４０が閉位置にあるとき、シール部４８により連通孔４４が封止され、バルブ１０は閉状態である。このとき、軸方向４６において、移動部５８は導通路５４の端部５４ａよりチャンバ４２側に位置し、拡張部６０は貫通路６８よりチャンバ４２側に位置する。

弁本体４０を開方向に移動させる、例えばネジ機構を緩める操作を行なうと、図５に示されるように、シール部４８とオリフィス５２が連通孔４４より外部側に移動する。そうすると、流体が導通路５４を流れ、規制部５６が作動する。

具体的には、移動部５８がチャンバ４２の流体により導通路５４の端部５４ａまで押される。そうすると、流体は、そのまま図５の矢印方向に流れ、オリフィス５２を通って外部に流出する。すなわち、バルブ１０は開状態になる。これにより、高圧タンク１２内に充填された流体を外部に放出し、高圧タンク１２内を減圧することができる。

そして、移動部５８の移動にともない、拡張部５６も開方向に移動して、突出部６４と貫通路６８の位置が一致する。そうすると、図６に示されるように、弾性部６６により突出部６４が径方向外側に押し出され、側壁５０より突出した突出部６４が連通孔４４の縁部７０に引っ掛かる。これにより、弁本体４０の外部側への移動が規制される。

なお、高圧タンク１２内が減圧された場合、ネジ機構を締めこむことにより、弁本体４０を閉位置に戻すことができる。

本実施形態においては、弁本体４０が圧力センサ３８である場合について説明したが、この構成に限定されない。ボディ２２に形成され、高圧タンク１２内と外部とを連通する通路を封止するとともに、移動によりその通路を外部に開放できる締結部材であれば、弁本体４０が、例えば主止弁３２の配線のコネクタであっても、逆止弁２６本体であってもよい。

本実施形態においては、規制部５６が移動部５８と拡張部６０とを有する場合について説明したが、この構成に限定されない。開弁時に、拡張部６０が流体に押されて開方向に移動することができるのであれば、移動部５８を設けなくてもよい。この場合、突出部６４と貫通路６８の位置が一致した場所で拡張部６０の移動が止まるように、当接部５４ａと同様の機能を新たに設けることが好適である。例えば、貫通路６８より開方向の導通路５４の内周を小さくして、そこに拡張部６０が当接して停止させるようにしてもよい。

１０ 圧抜き用バルブ、１２ 高圧タンク、２２ ボディ、３０ 溶栓弁、３６ 圧力検出路、３８ 圧力センサ、４０ 弁本体、４２ チャンバ、４６ 軸方向、４８ シール部、５０ 側壁、５２ オリフィス、５４ 導通路、５６ 規制部、５８ 移動部、６０ 拡張部、６２ 棒部、６４ 突出部、６６ 弾性部、６８ 貫通路、７０ 縁部。

Claims (5)

1. 高圧タンク内に充填された流体を外部に放出し、高圧タンク内を減圧する高圧タンクの圧抜き用バルブにおいて、
   高圧タンク内に接続するチャンバと、チャンバを外部に連通する連通孔とが軸方向に向かって順に形成されたボディと、
   軸方向に対して移動可能にボディに挿入され、連通孔を開閉する弁本体と、
   を備え、
   弁本体は、
   閉位置時に連通孔に隙間なく密着するシール部と、シール部よりチャンバ側に形成されたオリフィスとを含む側壁と、
   流体を、チャンバからオリフィスを通って径方向に導く導通路と、
   導通路に収容され、導通路を流れる流体で作動して、軸方向における弁本体の移動を規制する規制部と、
   を有し、
   弁本体が閉位置から開方向に移動することにより、オリフィスが外部に連通して、流体が導通路を介してチャンバから外部へ流れるとともに、この流体の流れにより規制部が作動して弁本体の移動を規制する、
   ことを特徴とする高圧タンクの圧抜き用バルブ。
2. 請求項１に記載の高圧タンクの圧抜き用バルブにおいて、
   規制部は、作動時に導通路から径方向外側に向かって拡張する拡張部を有し、
   拡張部の一部が連通孔の縁部に引っ掛かることにより、弁本体の移動を規制する、
   ことを特徴とする高圧タンクの圧抜き用バルブ。
3. 請求項２に記載の高圧タンクの圧抜き用バルブにおいて、
   弁本体には、径方向に導通路から側壁まで貫通する貫通路が形成され、
   拡張部は、
   貫通路を通って側壁の外側に突出する突出部と、
   突出部を径方向外側に向かって押圧する弾性部と、
   を有し、
   拡張部が導通路を流れる流体に押されて軸方向に移動して貫通路が形成される部分まで移動することにより、突出部が貫通路を介して径方向外側に突出して、弁本体の移動を規制する、
   ことを特徴とする高圧タンクの圧抜き用バルブ。
4. 請求項２または３に記載の高圧タンクの圧抜き用バルブにおいて、
   規制部は、拡張部に接続され、導通路を流れる流体に押されて軸方向に移動する移動部を有し、
   拡張部は、拡張部の外周と、軸方向に延びる導通路の内周との間に隙間ができるように形成され、
   移動部は、軸方向に延びる導通路の内周に隙間無く嵌るように形成される、
   ことを特徴とする高圧タンクの圧抜き用バルブ。
5. 請求項４に記載の高圧タンクの圧抜き用バルブにおいて、
   移動部が、開方向側の導通路の端部まで移動したとき、規制部が弁本体の移動を規制する、
   ことを特徴とする高圧タンクの圧抜き用バルブ。

Images