JP5779432B2 - 燃料ガス供給システム、及びその圧力制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、タンクに貯蔵された燃料ガスを燃料ガス消費器に供給する燃料ガス供給システム、及びその圧力制御方法に関する。

自動車として、ガソリンを使用するガソリン自動車や軽油を使用するディーゼル車等があるが、それらの他にも圧縮天然ガス（ＣＮＧ）や圧縮水素等の燃料ガスを使用するガスエンジン自動車や燃料電池自動車が知られている。これらのガスエンジン自動車や燃料電池自動車では、燃料ガスが高圧タンク等に貯蔵されており、貯蔵された高圧の燃料ガスが燃料ガス供給システムを介してガスエンジンや燃料電池スタックに夫々供給されて消費される。燃料電池自動車の燃料ガス供給システムを含むシステムとして、例えば特許文献１のような燃料電池システムが知られている。

特許文献１に記載の燃料電池システムは、水素ボンベと燃料スタックとの間に２つの水素調圧弁が並列的に設けられている。燃料電池システムでは、２つの水素調圧弁の開度を調整することで燃料スタックへの水素ガスの供給圧を調整するようになっている。これら２つの水素調圧弁は、燃料スタックへの供給流量が異なるように構成されており、大流量を供給可能な大型調圧弁と小流量を供給可能な小型調圧弁とを組み合わせて使用することで燃料スタックに必要流量を供給するようになっている。

特開２００２−２３１２７７号公報

特許文献１に記載の燃料電池システムで使用される調圧弁は、減圧弁や開閉弁に比べて構造が複雑であり且つ構成する部品点数が多いため、製造コストが高い。それ故、調圧弁を複数使用するとシステム構成が複雑になり、製造コストが高くなる。また、所望の供給圧を得るために、２つの調圧弁の開度を組み合わせる必要があり、システム全体における圧力制御が複雑になる。

そこで本発明は、複雑な圧力制御を行うことなく且つ簡易なシステム構成で、小流量から大流量までの広範囲において燃料ガス消費器への供給圧力を高精度で制御できる燃料ガス供給システムを提供することを目的としている。

本発明の燃料ガス供給システムは、第１及び第２流路に分岐した後に１つに合流する供給通路を介してタンクに貯蔵された燃料ガスを燃料ガス消費器に供給する燃料ガス供給システムであって、前記第１流路に設けられ、前記タンクと前記燃料ガス消費器との間を開閉する電磁式開閉弁と、前記第２流路に設けられ、前記タンクから前記燃料ガス消費器に導かれる燃料ガスを調圧する電磁式調圧弁とを備え、前記電磁式調圧弁は、前記電磁式開閉弁に比べて容量係数が小さくなっているものである。

本発明に従えば、燃料ガス消費器にて大流量の燃料ガスが必要な場合、電磁式調圧弁に比べて容量係数が大きい電磁式開閉弁により大流量の燃料ガスを燃料ガス消費器に供給し、電磁式開閉弁に対して並列的に第２流路に設けられている電磁式調圧弁により燃料ガス消費器への供給圧力を調圧することができる。他方、燃料ガス消費器にて必要な燃料ガスが小流量である場合、電磁式開閉弁により第１流路を閉じ、電磁式調圧弁により燃料ガス消費器への供給圧力を調圧することができる。このように電磁式開閉弁と電磁式調圧弁とを用いる簡易なシステム構成で且つ複雑な圧力制御を行うことなく、小流量から大流量の広範囲において供給圧力を高精度で制御することができる。

また、本発明では、電磁式調圧弁の容量係数を電磁式開閉弁のそれより小さくすることで、電磁式開閉弁より構成が複雑で且つ部品点数の多い電磁式調圧弁の小形化を図ることができる。これにより、電磁式調圧弁の製造コストを低減させることができると共に、燃料ガス供給システムの製造コストを低減することができる。

上記発明において、前記容量係数は、Ｃｖ値であり前記電磁式調圧弁は、前記電磁式開閉弁のＣｖ値の５０％以下のＣｖ値を有していることが好ましい。

上記構成に従えば、電磁式調圧弁のＣｖ値を電磁式開閉弁のＣｖ値の５０％以下にすることで電磁式調圧弁の小形化を図ることができ、電磁式調圧弁の製造コストを抑えることができる。これにより、燃料ガス供給システムの製造コストをより低減することができる。他方、電磁式開閉弁のＣｖ値を確保することができるので、より大きな流量を燃料ガス消費器に流すことができる。

上記発明において、前記電磁式開閉弁の開閉動作及び前記電磁式調圧弁の調圧動作を制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、前記燃料ガス消費器の燃料ガスの供給圧力と目標圧力との差圧が規定値以上である場合、前記電磁式開閉弁により前記第１流路を開くことで前記燃料ガス消費器の供給圧力を昇圧し、前記差圧が規定値未満である場合、前記電磁式開閉弁により前記第１流路を閉じて前記電磁式調圧弁により前記燃料ガス消費器の供給圧力を調圧するようになっていることが好ましい。

上記構成に従えば、制御装置は、供給圧力と目標圧力との差圧が規定値以上の場合、供給圧力を目標圧力に近づけるべく、第１流路を開いて大流量の燃料ガスを燃料ガス消費器に供給し、供給圧力を大きく上昇させる。また、制御装置は、差圧が規定値未満の場合、供給すべき流量が多くないため電磁式開閉弁により第１流路を開じ、小流量を供給可能な電磁式調圧弁により供給圧力を調整する。このように電磁式開閉弁の開閉動作と電磁式調圧弁の調圧動作とだけで小流量から大流量の広範囲において供給圧力を高精度で調整することができる。それ故、制御装置における圧力制御が容易である。

上記発明において、前前記制御装置は、前記差圧が規定値以上であって前記供給圧力を昇圧した場合、前期供給圧が目標圧力に達するまで前記差圧が規定値未満になっても前記前記電磁式開閉弁の開状態を保持するようになっていることが好ましい。

上記構成に従えば、差圧が規定値以上となり多量の燃料ガスの供給が必要なとき、例えば運転始動時において、供給圧力が昇圧されて差圧が規定値未満になっても供給圧力が目標圧力に達するまでは電磁式開閉弁を開状態で保持される。また、高負荷運転時において多量の燃料ガスを消費して供給圧力と目標圧力との差圧が一度規定値以上になり、その後電磁式開閉弁により第一流路が開かれて差圧が規定値未満に回復した場合でも、供給圧力が目標圧力に達するまでは電磁式開閉弁が開状態に保持される。これにより、速やかな昇圧支援が可能となり、供給圧力を迅速に目標圧力まで昇圧させることができる。それ故、燃料ガス供給システムの応答性が向上する。

上記発明において、前記燃料ガス消費器への供給圧力を検出する供給圧力検出器を更に有し、前記制御装置は、前記燃料ガス消費器への供給圧力を前記供給圧力検出器の検出結果から得るようになっていることが好ましい。

上記構成に従えば、供給圧力をフィードバック制御することができ、供給圧力を指令値に応じた圧力により正確に制御することができる。

上記発明において、前記第１流路において電磁式開閉弁の上流側に設けられ、前記タンクから供給される燃料ガスを所定圧力に減圧する減圧弁を備えることが好ましい。

上記構成に従えば、タンク圧が高圧の場合であっても減圧弁により低圧に減圧した後に電磁式開閉弁から所定圧力の燃料ガスを供給することができるので、低圧仕様の燃料ガス消費器に対しても高圧タンクを適用することができる。また、減圧弁を用いることで電磁式開閉弁から燃料ガス消費器に供給される燃料ガスの圧力が安定する。

本発明の燃料ガス供給システムの圧力制御方法は、第１及び第２流路に分岐した後に１つに合流する供給通路を介してタンクに貯蔵された燃料ガスを燃料ガス消費器に供給する燃料ガス供給システムの圧力制御方法であって、前記燃料ガス消費器の燃料ガスの供給圧力と目標圧力との差圧を算出する差圧算出工程と、前記差圧が規定値以上である場合、第１の流路に設けられている電磁式開閉弁により前記第１流路を開いて前記タンクから前記燃料ガス消費器に導き、前記供給圧力を昇圧する昇圧工程と、前記差圧が規定値未満である場合、前記電磁式開閉弁により前記第１流路を閉じ、前記第２流路に設けられ且つ前記電磁式開閉弁に比べて容量係数が小さい電磁式調圧弁により前記供給圧力を調圧する調圧工程とを有する方法である。

本発明の燃料ガス供給システムの圧力制御方法に従えば、燃料ガス消費器の燃料ガスの供給圧力と目標圧力との差圧が規定値以上の場合、供給圧力を目標圧力に近づけるべく、電磁式開閉弁により第１流路を開くことで大流量の燃料ガスを燃料ガス消費器に供給して供給圧力を大きく上昇させる。また、制御装置は、差圧が規定値未満の場合、供給すべき流量が多量に必要でないため電磁式開閉弁により第１流路を開じ、小流量を供給可能な電磁式調圧弁により供給圧力を調整する。このように電磁式開閉弁の開閉動作と電磁式調圧弁の調圧動作とだけで小流量から大流量の広範囲において供給圧力を目標圧力に高精度で調整することができる。それ故、制御装置における圧力制御が容易である。

上記本発明において、前記昇圧工程により昇圧される前記供給圧力が前記目標圧力に達するまで前記差圧が規定値未満になっても前記電磁式開閉弁の開状態を保持する開弁保持工程を有し、前記調圧工程は、前記開弁保持工程後に実行されることが好ましい。

上記構成に従えば、差圧が規定値以上となり多量の燃料ガスの供給が必要なとき、例えば運転始動時において、電磁式開閉弁により第１流路が開かれて供給圧力と目標圧力との差圧が規定値未満となった場合でも、供給圧力が目標圧力に達するまでは電磁式開閉弁を開状態に保持される。また、例えば高負荷運転時において、多量の燃料ガスを消費して供給圧力と目標圧力との差圧が一度規定値以上になり、その後電磁式開閉弁により第一流路が開かれて差圧が規定値未満に回復した場合でも、供給圧力が目標圧力に達するまでは電磁式開閉弁を開状態に保持される。これにより、速やかな昇圧支援が可能となり、供給圧力を迅速に目標圧力まで昇圧させることができる。それ故、燃料ガス供給システムの応答性が向上する。

本発明によれば、複雑な圧力制御を行うことなく且つ簡易なシステム構成で、小流量から大流量までの広範囲において燃料ガス消費器への供給圧力を高精度で制御できる。

本発明の実施形態にかかる燃料ガス供給システムの構成を示す油圧回路図である。 図１の燃料ガス供給システムに備わる電磁式調圧弁を示す断面図である。 図１の燃料ガス供給システムにより燃料ガスを供給する際の手順を示すフローチャートである。 図１の燃料ガス供給システムにより入力される目標圧力に応じて燃料ガスを供給するときの（ａ）目標圧力、（ｂ）電磁式調圧弁に供給される電流、（ｃ）電磁式開閉弁に供給される電圧、（ｄ）各流路の流量、及び（ｅ）供給圧力の経時変化について示すグラフである。 図１の燃料ガス供給システムにより別の供給方法で燃料ガスを供給する際の手順を示すフローチャートである。

以下では、前述する図面を参照しながら、本発明の実施形態に係る燃料ガス供給システム（以下、単に「燃料ガス供給システム」ともいう）１について説明する。なお、以下に説明する燃料ガス供給システム１は、本発明の一実施形態に過ぎず、本発明は実施の形態に限定されず、発明の趣旨を逸脱しない範囲で追加、削除、変更が可能である。

圧縮天然ガス自動車や水素ガス自動車等の車両は、ガスエンジンを有しており、このガスエンジンにて燃料ガス（圧縮天然ガス（ＣＮＧ）や水素ガス等）を燃焼することによって駆動力を得て駆動輪を動かすようになっている。また、燃料電池自動車は、燃料電池スタックを有しており、この燃料電池スタックでは、燃料ガスを消費して発電し、発電した電力をモータに与えて駆動力を発生させるようになっている。ガスエンジンや燃料電池スタック等のように燃料ガスを消費して駆動力を発生させる燃料ガス消費器２は、燃料ガス供給システム１を介して高圧タンク３に接続されている。高圧タンク３は、例えば３５〜７０ＭＰａ、又はそれ以上の高圧の燃料ガスを貯蔵することができるようになっている。燃料ガス供給システム１は、高圧タンク３に貯蔵されている燃料ガスを燃料ガス消費器２に供給するようになっている。以下では、燃料ガス供給システム１の構成について説明する。

＜燃料ガス供給システム＞
燃料ガス供給システム１は、アクセルペダルやスロットルグリップ等の図示しない入力手段からの指令値に応じて燃料ガス消費器２への燃料ガスの供給量を調整するようになっている。燃料ガス供給システム１は、供給通路４と、減圧弁５と、電磁式開閉弁６と、電磁式調圧弁７と、圧力センサ８と、制御装置９とを備えている。供給通路４は、燃料ガスが流れる通路であり、その一端に高圧タンク３、他端に燃料ガス消費器２が繋がっている。また、供給通路４は、途中で第１流路１１と第２流路１２とに分岐している。第１流路１１には、減圧弁５と、電磁式開閉弁６とが設けられ、第２流路１２には、電磁式調圧弁７が設けられている。また、第１流路１１及び第２流路１２は、夫々電磁式開閉弁６及び電磁式調圧弁７を経由して合流地点１３にて合流し、１つの合流流路１４を形成して燃料ガス消費器２に繋がっている。

減圧弁５は、機械式の減圧弁であり、一次側が高圧タンク３に繋がっている。減圧弁５は、高圧タンク３から流出する高圧の燃料ガスを設定圧力、具体的には燃料ガス消費器２の許容最大圧力以下の一定圧力に減圧して二次側（下流側）へ排出するようになっている。減圧弁５の二次側には、電磁式開閉弁６が設けられている。電磁式開閉弁６は、いわゆる電磁式の開閉弁であり、後述する制御装置９から入力される開閉指令に応じて第１流路１１を開閉するようになっている。

他方、電磁式調圧弁７は、電磁式開閉弁６に対して並列的に第２流路１２に設けられており、一次側が高圧タンク３に繋がっている。電磁式調圧弁７は、高圧タンク３から流出する高圧の燃料ガスをそこに流される電流に応じた低圧の圧力に調圧して二次側（下流側）へ出力するようになっている。電磁式調圧弁７は、電磁式開閉弁６に対して容量係数、具体的にはＣｖ値が小さく、電磁式開閉弁６よりも排出できる流量が小さく構成されている。電磁式調圧弁７のＣｖ値は、電磁式開閉弁６のＣｖ値の５０％以下に設定されている。

このように構成されている３つの弁５〜７が夫々介在する２つの流路１１，１２は、それら３つの弁５〜７より下流側の合流地点１３にて繋がっており、それより下流側の合流流路１４に圧力センサ８が設けられている。圧力センサ８は、合流流路１４における燃料ガスのガス圧、つまり燃料ガス消費器２に供給される供給圧力を検出するようになっている。この圧力センサ８は、制御装置９に電気的に繋がっており、圧力センサ８の検出結果は、制御装置９に送信されるようになっている。

制御装置９は、図示しない電子演算回路（以下、ＥＣＵとする）と圧力センサ８とに接続されている。制御装置９は、燃料ガス消費器２に供給される供給圧力に対する目標圧力が入力される。制御装置９は、圧力センサ８の検出圧と目標圧力との差圧に基づいて、電磁式開閉弁６に開閉の指令を与え、また電磁式調圧弁７に電流を流してその二次圧ｐ_２を調圧するようになっている。

さらに具体的に説明すると、制御装置９は、圧力センサ８の検出圧と目標圧力との差圧が規定値以上であるとき、電磁式開閉弁６に対して第１流路１１を開く開指令を送信し、目標圧力と検出圧との差圧が規定値未満であるとき、電磁式開閉弁６に対して第１流路１１を閉じる閉指令を送信するようになっている。また、制御装置９は、供給圧力が目標圧力になるように目標圧力と検出圧との差圧に基づいて電磁式調圧弁７に流す電流を調整する、つまり電磁式調圧弁７に流す電流をフィードバック制御するようになっている。

＜電磁式調圧弁＞
電磁式調圧弁７は、高圧タンク３に貯蔵される高圧の燃料ガスを低圧まで減圧することができる弁であり、以下にその構成について詳述する。なお、以下の説明における上下、左右、及び前後等の方向の概念は、説明の便宜上使用するものであって、電磁式調圧弁７に関して、それらの構成の配置及び向き等をその方向に限定することを示唆するものではない。また、以下で説明する電磁式調圧弁７は、電磁式調圧弁の一実施形態に過ぎず、後述する形態に限定されず、発明の趣旨を逸脱しない範囲で追加、削除、変更が可能である。

電磁式調圧弁７は、図２に示すようにハウジング２１を備えている。ハウジング２１には、一次ポート２１ａ、弁体孔２１ｂ、及び二次ポート２１ｃが形成されている。一次ポート２１ａは、高圧タンク３（図１参照）に繋がっており、ハウジング２１に形成されている一次側通路２１ｄを介して弁体孔２１ｂに繋がっている。

弁体孔２１ｂは、上下に延在する軸線Ｌ１に沿って延在しており、その断面が円形状になっている。弁体孔２１ｂは、その中間部分に残余部より大径に形成された弁空間２１ｅを有しており、この弁空間２１ｅに一次側通路２１ｄが繋がっている。また、弁体孔２１ｂは、前記弁空間２１ｅより上側の二次側領域２１ｇで二次側通路２１ｆと繋がっている。二次側通路２１ｆは、ハウジング２１に形成されており、弁体孔２１ｂは、この二次側通路２１ｆを介して二次ポート２１ｃに繋がっている。二次ポート２１ｃは、第２流路１２及び合流流路１４を介して燃料ガス消費器２と繋がっている。このように一次ポート２１ａと二次ポート２１ｃとは、一次側通路２１ｄ、弁空間２１ｅ、二次側領域２１ｇ及び二次側通路２１ｆを介して繋がっており、一次側通路２１ｄ、弁空間２１ｅ、二次側領域２１ｇ及び二次側通路２１ｆによって、一次ポート２１ａと二次ポート２１ｃとを繋ぐ弁通路２２が構成されている。

また、ハウジング２１は、座部２３を有している。座部２３は、二次側領域２１ｇと弁空間２１ｅとを繋ぐ開口を外囲するように形成されている。そして、この座部２３に着座するようにハウジング２１の弁体孔２１ｂに弁体２４が挿入されている。弁体２４は、弁体孔２１ｂの軸線Ｌ１に沿って配置されており、その先端部（つまり、上端部）２４ａが二次側領域２１ｇに位置している。弁体２４は、大略的に円柱状になっており、先端部２４ａ側にテーパ部２４ｂを有している。テーパ部２４ｂは、上側に向かって先細りのテーパ形状になっており、弁体２４が図２に示すような閉位置に位置しているときに座部２３に着座して弁通路２２を閉じている。

更に、ハウジング２１は、弁空間２１ｅより下側にシール取付部２５を有している。シール取付部２５は、ハウジング２１の内周面において周方向全周にわたって形成され、且つ前記内周面に弁体孔２１ｂに突き出るように形成されている。シール取付部２５の内径は、二次側領域２１ｇの孔径及び弁体２４の外径（テーパ部２４ｂより下端２４ｄ側の部分の外径）と略一致している。また、ハウジング２１のシール取付部２５より下側の内径は、シール取付部２５の内径より僅かに大径になっている。これにより、弁体２４の下端側の周りには、ハウジング２１との間に大略円環状の軸受部材収容空間２６が形成されている。この軸受部材収容空間２６には、軸受部材２７が収容されている。

軸受部材２７は、大略的に円筒状に形成されており、例えばボールガイド、ボール軸受、又はすべり軸受によって構成されている。軸受部材２７は、弁体２４に外装されて弁体２４とハウジング２１との間に介在し、弁体２４を支持している。これにより、弁体２４は、ハウジング２１内を軸線Ｌ１に沿って上下方向に円滑に移動できるようになっている。

このように軸受部材２７が配置された軸受部材収容空間２６の上側には、そこを塞ぐべく、高圧シール部材２８が設けられている。高圧シール部材２８は、シール取付部２５の内周部に嵌め込むように取付けられ、弁体２４の外周に当接するように配置されている。このように配置された高圧シール部材２８は、弁体２４とシール取付部２５との間隙を封止している。

また、軸受部材収容空間２６の下側には、そこを塞ぐべく、ダイヤフラムシール２９が設けられている。ダイヤフラムシール２９は、大略的に円環状に形成されたダイヤフラムであり、弁体２４の外周に配置されている。ダイヤフラムシール２９の内縁部は弁体２４に取付けられ、外縁部はハウジング２１に取付けられている。詳述すると、ダイヤフラムシール２９の内縁部は、弁体２４の下端２４ｄとそこに取り付けられた取付部材２４ｃとで挟むことで、弁体２４に取付けられている。他方、ダイヤフラムシール２９の外縁部は、ハウジング２１を上下に２つに分割可能に構成し、それら２つの部分の間に挟まれることでハウジング２１に取付けられている。

このように軸受部材２７の上下両側は、２つのシール部材２８，２９によって封止されている。つまり、軸受部材収容空間２６は、ハウジング２１内に形成されている他の空間（例えば、弁空間２１ｅや二次側領域２１ｇ等）から遮断されて隔離されている。これにより、軸受部材２７が燃料ガスに曝されることがないので、燃料ガスに対する腐食耐性がない材料も軸受部材に使用することが可能になり、軸受部材の材料の選択肢が増加する。また、弁体２４の動きを更に滑らかにし、且つ耐久性を向上させるべく軸受部材２７をグリス潤滑することができる。
この軸受部材収容空間２６は、ハウジング２１に形成された大気連通路３０を介して大気に開放されている。

弁体孔２１ｂのダイヤフラムシール２９より下側には、圧力帰還室３１が形成されている。圧力帰還室３１は、ハウジング２１の底部、及びダイヤフラムシール２９によって囲まれた大略円板状の空間である。この圧力帰還室３１には、弁体２４の下端２４ｄ側（具体的には、取付部材２４ｃ）が対向している。この圧力帰還室３１は、ダイヤフラムシール２９によって軸受部材収容空間２６から隔離されており、弁体２４に形成されている均圧通路３２によって二次側通路２１ｆに繋がっている。圧力帰還室３１は、均圧通路３２によって二次ポート２１ｃと常時繋がっており、二次ポート２１ｃに導かれる二次圧ｐ_２が均圧通路３２により圧力帰還室３１に導かれるようになっている。

また、弁体２４は、フランジ２４ｅを有している。フランジ２４ｅは、テーパ部２４ｂの下側に位置しており、弁体２４の外周部において周方向全周にわたって形成されている。フランジ２４ｅは、テーパ部２４ｂから更に半径方向外方に向かって突出しており、シール取付部２５の上端に対向するように位置している。フランジ２４ｅとシール取付部２５の上端との間には、復帰用ばね３３が配置されている。復帰用ばね３３は、いわゆる圧縮コイルばねであり、圧縮された状態で弁体２４に外装され、弁体２４を閉位置方向（弁体２４が閉位置に向かう方向）に付勢している。付勢された弁体２４は、座部２３に着座し、弁通路２２を閉じている。ハウジング２１の開口端部（即ち、上端部）には、復帰用ばね３３の付勢に抗する力を弁体２４に与えるべく、電磁比例ソレノイド３４が設けられている。

電磁比例ソレノイド３４は、ハウジング２１の開口端部の外周に螺合して固定されている。電磁比例ソレノイド３４は、ソレノイドコイル３５を有している。ソレノイドコイル３５は、大略的に円筒状に形成され、その下端側にハウジング２１が螺合されている。ソレノイドコイル３５は、大略円筒状のケース３５ａを有し、その中にボビン３５ｂとコイル線３５ｃとが設けられている。ボビン３５ｂもまた大略円筒状に形成され、このボビン３５ｂにコイル線３５ｃを巻きつけることによってソレノイドコイル３５が構成されている。コイル線３５ｃは、制御装置９に電気的に接続されている。また、ソレノイドコイル３５内の下端側には、ヨーク３６が設けられており、上端部はカバー３７によって塞がれている。そして、ヨーク３６とカバー３７との間には、可動部材３８が設けられている。

可動部材３８は、磁性材料から成り、大略円柱状に形成されており、軸線Ｌ１に沿って配置されている。可動部材３８の外径は、ソレノイドコイル３５の内径より小さくなっている。可動部材３８とソレノイドコイル３５との間には、円環状のガイド部材３９が介在している。ガイド部材３９は、非磁性体から成り、可動部材３８を軸線Ｌ１に沿って上下方向に摺動可能に支持している。ヨーク３６は、可動部材３８の下端部に上下方向に対向し、互いに間隔をあけた状態で位置している。ヨーク３６は、磁性材料から成り、大略円環状に形成されている。ヨーク３６及び可動部材３８は、ソレノイドコイル３５に電流を流すことで磁化し、ヨーク３６は、可動部材３８を吸引するようになっている。

また、可動部材３８の上端部とカバー３７との間には、圧縮コイルばね４０が設けられており、圧縮コイルばね４０により可動部材３８が弁体２４側へと付勢されている。可動部材３８の下端部には、押圧部材４１が設けられている。押圧部材４１は、軸線Ｌ１に沿って延在し、ヨーク３６内に挿通されている。押圧部材４１の基端部は、可動部材３８に固定されている。押圧部材４１の先端は、部分球面状に形成されており、弁体２４の先端部２４ａに当接している。また、押圧部材４１は、可動部材３８を介して圧縮コイルばね４０により付勢されており、その先端が弁体２４の先端部２４ａに押し付けられている。それ故、押圧部材４１は、ソレノイドコイル３５に電流を流して可動部材３８をヨーク３６の方に吸引させることで電流に応じた力で弁体２４を開位置方向に押して弁通路２２を開くようになっている。

このように構成されている電磁式調圧弁７は、弁体２４のテーパ部２４ｂ及びフランジ２４ｅの上面（第１受圧面に相当する受圧面Ｐ１）で高圧タンク３から弁空間２１ｅに導かれた一次圧ｐ１を開位置方向に受圧し、フランジ２４ｅの下面（第２受圧面に相当する受圧面Ｐ２）において、前記一次圧ｐ１を閉位置方向に受圧している。なお、受圧面Ｐ１は、テーパ面の一部分の領域であって、平面視で二次側領域２１ｇより半径方向外側の領域である。各受圧面Ｐ１，Ｐ２において、一次圧ｐ１は、互いに抗する方向に作用しており、互いに打ち消し合っている。受圧面Ｐ１，Ｐ２の受圧面積は、弁体２４のフランジ２４ｅより下端２４ｄ側の外径ｒ_２と二次側領域２１ｇの内径（つまり、シート径ｒ_１）とが略同じ径を有しているので、略同一になっている。それ故、受圧面Ｐ１で受ける一次圧ｐ１による作用力と、受圧面Ｐ２で受ける一次圧ｐ１による作用力とが互いに相殺され、弁体２４における一次圧ｐ１の変動による影響を略ゼロにすることができる。なお、受圧面Ｐ２の受圧面積は、受圧面Ｐ１の受圧面積より大きくてもよい。

また、電磁式調圧弁７は、弁体２４の先端及びテーパ部２４ｂのテーパ面（受圧面Ｐ３）において二次側領域２１ｇを流れる二次圧ｐ_２を開位置方向に受圧し、ダイヤフラムシール２９及び弁体２４の下端２４ｄ（受圧面Ｐ４）において圧力帰還室３１に導かれた二次圧ｐ_２を閉位置方向に受圧する。なお、受圧面Ｐ３は、平面視で二次側領域２１ｇに重なる領域である。受圧面Ｐ３，Ｐ４で受圧する二次圧ｐ_２は、互いに抗する方向に作用している。

受圧面Ｐ３の受圧面積は、シート径ｒ_１に応じて決まり、受圧面Ｐ４の受圧面積は、ダイヤフラムシール２９の有効径ｒ_３に応じて決まる。シート径ｒ_１が弁体２４の外径ｒ_２と略同じであるのに対して、ダイヤフラムシール２９の有効径ｒ_３は、前記シート径ｒ_１及び弁体２４の外径ｒ_２より大きくなっている。それ故、受圧面Ｐ３に比べて受圧面Ｐ４の方が受圧面積が大きくなっている。これにより、弁体２４には、各受圧面Ｐ３，Ｐ４で受ける二次圧ｐ_２による作用力が完全に相殺されず、各受圧面Ｐ３，Ｐ４における受圧面積の差に応じた作用力が閉位置方向に作用している。

また、弁体２４は、このような作用力を受けているだけでなく復帰用ばね３３によっても閉位置方向に付勢されている。そのため、電磁式調圧弁７は、ソレノイドコイル３５への電流が遮断された状態で弁体２４が座部２３に着座するようになっており、ノーマルクローズ形の弁として構成されている。このように構成される電磁式調圧弁７は、遮断弁として利用されており、制御装置９は、圧力センサ８の検出圧が許容圧力以上になると、ソレノイドコイル３５に流す電流を遮断して電磁式調圧弁７によって弁通路２２を緊急遮断する。このように緊急遮断することにより、例えば、燃料ガス消費器２に意図しない高圧の燃料ガスが供給されても第２流路１２を直ぐに遮断することができ、燃料ガス消費器２が損傷することを防ぐことができる。

＜電磁式調圧弁の動作＞
以下では、図２を参照しながら電磁式調圧弁７の動作について説明する。まず、制御装置９がＥＣＵ（図示せず）から受信する目標圧力と供給圧力との差圧に応じて電流をソレノイドコイル３５に流す。そうすると、可動部材３８に励磁力が作用し、可動部材３８がヨーク３６の方へ吸引される。これにより、押圧部材４１によって弁体２４が開位置方向に押されて座部２３から離れる。そうすると、弁通路２２が開き、高圧タンク３から導かれた弁空間２１ｅの燃料ガスが二次側領域２１ｇへと流れる。この際、弁体２４と座部２３との間に形成されるオリフィス（図示せず）により弁空間２１ｅから二次側領域２１ｇに流れる燃料ガスが二次圧ｐ_２に減圧される。

このようにして減圧された二次圧ｐ_２の燃料ガスは、二次側通路２１ｆを通って二次ポート２１ｃから出力されると共に、一部が均圧通路３２を通って圧力帰還室３１に導かれる。ダイヤフラムシール２９は、圧力帰還室３１に導かれた燃料ガスの二次圧ｐ_２を受圧する。弁体２４は、可動部材３８が受ける励磁力、受圧面Ｐ３，Ｐ４で夫々受ける二次圧ｐ_２による作用力、及び復帰用ばね３３のばね力が釣り合う位置まで移動し、前記力が釣り合うように弁通路２２の開度（つまり、オリフィスの開度）を調整する。そのため、二次圧ｐ_２が変動しても弁通路２２の開度が調整されて二次圧ｐ_２が電流に応じた一定圧力に維持される。つまり、二次圧ｐ_２が電流に応じた一定圧力にて保持される。

更に具体的に説明すると、例えば、二次圧ｐ_２が前記一定圧力より低い場合、励磁力による開位置方向の力が二次圧ｐ_２による作用力及びばね力による閉位置方向の力より大きくなり、弁体２４が座部２３から離れるように開位置方向に移動する。それ故、弁通路２２の開度が広がって二次圧ｐ_２が上昇し、二次圧ｐ_２による作用力、励磁力、及び復帰用ばね３３のばね力が釣り合う位置、つまり二次圧ｐ_２が前記一定圧力になる位置まで弁体２４が移動し、二次圧ｐ_２が前記一定圧力に戻される。このように、電磁式調圧弁７は、二次圧ｐ_２が変動してもそれに合わせて弁通路２２の開度を制御し、二次圧ｐ_２を目標圧力に調圧することができる。従って、電磁式調圧弁７は、圧力制御性が高く、高圧の燃料ガスをより正確に低い圧力に可変調圧することができる。なお、二次圧ｐ_２が前記一定圧力より高い場合、前述する動きとは逆に、二次圧ｐ_２が前記一定圧力に戻すように弁体２４が閉方向に移動する。

このように動作する電磁式調圧弁７では、弁体２４が軸受部材２７により支持されて円滑に移動できるようになっている。それ故、二次圧ｐ_２が変動しても二次圧ｐ_２を前記一定圧力に戻すべく弁体２４が素早く動くので、電磁式調圧弁７の前記一定圧力に対する追従性を向上させることができる。これにより、二次圧ｐ_２の変動幅を小さくすることができる。

＜燃料ガスの供給方法＞
以下では、燃料ガス供給システム１における燃料ガスの供給方法について図３のフローチャート及び図４のグラフを参照しながら説明する。燃料ガス供給システム１では、図４（ａ）の時刻ｔ１に示されるように、制御装置９に目標圧力が入力されると燃料ガス供給処理を開始し、ステップＳ１に移行する。差圧算出工程であるステップＳ１では、圧力センサ８で検出される供給圧力と目標圧力との差圧を算出する。差圧が算出されると、ステップＳ２に移行する。

目標圧力判定工程であるステップＳ２では、ステップＳ１で算出された差圧が予め定められた規定値以上であるか否かを制御装置９が判定する。規定値以上であると判定されると、ステップＳ３に移行する。昇圧工程であるステップＳ３では、制御装置９が電磁式開閉弁６に電流を流して第１流路１１を開く（図４（ｃ）の時刻ｔ１参照）。これにより、減圧弁５によって減圧された燃料ガスが電磁式開閉弁６を通って燃料ガス消費器２へと導かれる。電磁式開閉弁６のＣｖ値が電磁式調圧弁７のそれに比べて大きいため、大流量の燃料ガスが燃料ガス消費器２に導かれて供給圧力が素早く上昇する。ステップＳ３にて電磁式開閉弁６に電圧を印加して第１流路１１を開くと、ステップＳ４に移行する。

調圧工程であるステップＳ４では、制御装置９が電磁式開閉弁６に電圧を印加するのと同時に電磁式調圧弁７に電流を流して電磁式調圧弁７を動作させる（図４（ｂ）の時刻ｔ１参照）。これにより、第２流路１２から燃料ガス消費器２に小流量の燃料ガスが導かれる。この際、制御装置９は、圧力センサ８で検出される供給圧力と目標圧力との差圧に応じて電磁式調圧弁７に流す電流を制御して弁通路２２の開度を調整し、供給圧力が目標圧力になるように二次圧ｐ_２を調圧する（図４（ｂ）の時刻ｔ２〜ｔ３参照）。つまり、供給圧力が目標圧力になるように制御装置９が電磁式調圧弁７をフィードバック制御する。

このように圧力センサ８の検出結果に基づいて供給圧力をフィードバック制御することで、供給圧力をより正確に目標圧力に制御することができる。制御装置９がフィードバック制御を始めるとステップＳ１に戻り、制御装置９が再び差圧を算出する。そして、ステップＳ２にて算出された差圧が規定値以上であると判定されれば上述の制御を繰り返し（図４（ｂ）〜（ｅ）の時刻ｔ２〜ｔ３参照）、差圧が規定値未満になったと判定されるとステップＳ５に移行する。

閉弁工程であるステップＳ５では、制御装置９が電磁式開閉弁６への電圧の印加を止めて電磁式開閉弁６を閉弁し、第１流路１１を閉じる（図４（ｃ）の時刻ｔ３参照）。第１流路１１が閉じられると、ステップＳ４に移行する。ステップＳ４に移行すると、制御装置９は、圧力センサ８で検出される供給圧力と目標圧力との差圧に応じて電磁式調圧弁７に流す電流をフィードバック制御する（図４（ａ）、（ｂ）及び（ｅ）の時刻ｔ３〜ｔ４参照）。そして、ステップＳ１に戻る。

次に、目標圧力が変更された場合について説明する。目標圧力が変更されて低くなると（図４（ａ）の時刻ｔ４参照）、目標圧力が供給圧力より小さくなるためステップＳ２で前記差圧が規定値未満であると制御装置９が判定し、ステップＳ５に移行する。ステップＳ５では、制御装置９が電磁式開閉弁６の閉弁状態を維持し、ステップ４に移行する。ステップＳ４では、制御装置９が圧力センサ８で検出される供給圧力と目標圧力との差圧に基づいて電磁式調圧弁７に流す電流をフィードバック制御し、供給圧力を低下させる（図４（ｂ）及び（ｃ）の時刻ｔ４参照）。

また、目標圧力が変更されて高くなると（時刻ｔ５参照）、ステップＳ２で前記差圧が規定値以上か否かを制御装置９が判定する。ここでは、制御装置９が前記差圧が規定値未満であると判定し、ステップＳ５に移行する。ステップＳ５では、目標圧力が低くなった場合と同様に制御装置９が電磁式開閉弁６の閉弁状態を維持し、供給圧力が目標圧力になるようにステップ４にて制御装置９が電磁式調圧弁７に流す電流をフィードバック制御する（図４（ｂ）及び（ｃ）の時刻ｔ５参照）。

他方、目標圧力が大幅に変更されてステップＳ２で前記差圧が規定値以上であると制御装置９が判定すると、ステップＳ３に移行する（図４（ａ）〜（ｅ）の時刻ｔ６参照）。ステップＳ３では、制御装置９が電磁式開閉弁６に電圧を印加して第１流路１１を開く。これにより、第一流露１１から燃料ガス消費器２に大流量の燃料ガスが供給され、供給圧力が上昇する。他方、制御装置９は、ステップＳ４において供給圧力が目標圧力になるように電磁式調圧弁７のフィードバック制御を再び行う。そして、ステップＳ１に戻って前記差圧を算出し、ステップＳ２において前記差圧が規定値未満であると判定されると、制御装置９は、ステップＳ５において電磁式開閉弁６を閉弁して第１流路１１を閉じ、電磁式調圧弁７によって供給圧力を目標圧力に調整する（図４（ａ）及び（ｃ）の時刻ｔ７参照）。

このように燃料ガス供給システム１では、電磁式調圧弁７と電磁式開閉弁６とを動作させるだけで小流量から大流量の広範囲において、供給圧力を変動する目標圧力に合わせて高精度で制御することができる。それ故、目標圧力が大小変動するような場合でも制御装置９における圧力制御が容易である。また、電磁式開閉弁６に対して電磁式調圧弁７の方がＣｖ値を小さくすることで、電磁式開閉弁６より構成が複雑で且つ部品点数の多い電磁式調圧弁７の小形化を図ることができる。これにより、電磁式調圧弁７の製造コストを低減させることができ、その結果、燃料ガス供給システム１の製造コストを低減することができる。

更に、燃料ガス供給システム１では、電磁式開閉弁６の上流側に減圧弁５が設けられているので、高圧タンク３内の燃料ガスの残量に関わらず電磁式開閉弁６から所定圧力の燃料ガスを供給することができる。これにより、低圧仕様の燃料ガス消費器２に対しても高圧タンク３を適用することができる。また、減圧弁５を用いることで電磁式開閉弁６から燃料ガス消費器２に供給される燃料ガスの圧力が安定するので、電磁式調圧弁７による供給圧力の調圧動作が安定する。また、電磁式調圧弁７が高圧の燃料ガスを低圧まで減圧することができるため、第２流路１２には減圧弁を設ける必要がない。そのため、第２流路１２に介在する弁を少なくすることができ、第２流路１２の圧力損失を低減することができる。これにより、燃料ガス供給システム１の圧力損失を低減することができ、高圧タンク３における使用限界圧力を低くすることができる。

＜燃料ガスの別の供給方法＞
以下では、燃料ガス供給システム１における燃料ガスの別の供給方法について図５のフローチャートを参照しながら説明する。以下で説明する、燃料ガスの別の供給方法は、前述した供給方法とその手順が類似している。従って、手順が異なる点についてだけ説明し、同一の点については、同一の符号を付してその説明を省略する。別の供給方法では、ステップＳ２で前記差圧が規定値未満であると判定されると、ステップＳ１１に移行する。

開閉状態判定工程であるステップＳ１１では、電磁式開閉弁６に印加する電圧に基づいてその開閉状態を制御装置９が判定する。電磁式開閉弁６が開状態のとき、つまり前記差圧が規定値以上から規定値未満へと移行した場合、ステップＳ１２へと移行する。目標圧力達成判定工程であるステップＳ１２では、制御装置９が圧力センサ８で検出される供給圧力が目標圧力に達しているか否か、つまり供給圧力が目標圧力以上であるか否かを判定する。供給圧力が目標圧力未満である場合、ステップＳ４に移行し、制御装置９は電磁式開閉弁６の開状態を保持する。制御装置９が電磁式開閉弁６の開状態を保持して、ステップＳ１２にて供給圧力が目標圧力以上であると判定されるとステップＳ５に移行し、ステップＳ５にて制御装置９が電磁式開閉弁６により第１流路１１を閉じる。なお、開閉状態判定工程、目標圧力達成判定工程及び閉弁工程の３つの工程により開弁保持工程が構成されている。

このようにして電磁式開閉弁６が閉状態になった後は、ステップＳ１１で電磁式開閉弁６が閉状態であると制御装置９が判定するとステップＳ４に移行する。そして、ステップＳ４からステップＳ１に戻り、ステップＳ２で前記差圧が規定値以上であると判定されるまで電磁式調圧弁７だけで供給圧力が目標圧力になるように調圧する。ステップＳ２において前記差圧が規定値以上であると判定されると、電磁式開閉弁６を再び開状態にし、大流量の燃料ガスが供給される。

このような燃料ガスの別の供給方法によれば、前記差圧が規定値以上となり多量の燃料ガスの供給が必要なとき、例えば運転始動時において、供給圧力が昇圧されて差圧が規定値未満になっても供給圧力が目標圧力に達するまでは電磁式開閉弁６が開状態で保持される。また、高負荷運転時において多量の燃料ガスを消費して供給圧力と目標圧力との差圧が一度規定値以上になり、その後電磁式開閉弁により第一流路が開かれて差圧が規定値未満に回復した場合でも、供給圧力が目標圧力に達するまでは電磁式開閉弁が開状態に保持される。これにより、速やかな昇圧支援が可能となり、供給圧力を迅速に目標圧力まで昇圧させることができる。それ故、燃料ガス供給システムの応答性が向上する。

燃料ガスの別の供給方法は、その他、前述する燃料ガスの供給方法と同じ作用効果を奏する。

［その他の実施形態について］
本実施形態の燃料ガス供給システム１では、電磁式開閉弁６を１つしか備えていないが、２つ以上の電磁式開閉弁６を備えていてもよい。例えば、供給通路４を３つ以上の流路に分岐させ、１つの流路に電磁式調圧弁を介在させ、それ以外の各流路に電磁式開閉弁を１つずつ介在させてもよい。この場合、全ての電磁式開閉弁のＣｖ値を異なるように構成し、燃料ガス消費器２において必要な流量に応じて動作させる電磁式開閉弁を変えるようにすることが好ましい。また、減圧弁５は、電磁式調圧弁７に並列的に設けられているが、電磁式調圧弁７に直列的に設けてもよい。つまり、供給通路４が２つの流路１１，１２に分岐する分岐点より高圧タンク３側に減圧弁５を設けてもよい。

また、制御装置９は、差圧が規定値以上になった場合、電磁式開閉弁６により第１流路１１を開きつつ電磁式調圧弁７により供給圧力を調整しているが、一時的に電磁式調圧弁７を停止して電磁式開閉弁６から所定圧力だけを供給するようにしてもよい。また、制御装置９は、圧力センサ８の検出結果に基づいて電磁式調圧弁７の開度をフィードバック制御しているが、制御直前の目標圧力を供給圧力と仮定し、その供給圧力と受信した目標圧力との差圧に基づいて電磁式調圧弁７の動作を制御するようになっていてもよい。本実施形態では、容量係数としてＣｖ値を適用しているが、容量係数は、バルブを全開にした時に単位時間あたりに弁を通過する流体の体積、又は重量を示す係数であり、Ｋｖ値やＡｖ値であってもよい。

また、本実施形態では、プッシュ形の電磁式調圧弁７が用いられているが、プル形の電磁式調圧弁７であってもよい。また、駆動機器として電磁比例ソレノイド３４が用いられているが、フォースモータや圧電素子であってもよい。

１ 燃料ガス供給システム
２ 燃料ガス消費器
３ 高圧タンク
４ 供給通路
５ 減圧弁
６ 電磁式開閉弁
７ 電磁式調圧弁
８ 圧力センサ
９ 制御装置
１１ 第１流路
１２ 第２流路
１４ 合流流路

Claims (7)

1. 第１及び第２流路に分岐した後に１つに合流する供給通路を介してタンクに貯蔵された燃料ガスを燃料ガス消費器に供給する燃料ガス供給システムであって、
   前記第１流路に設けられ、前記タンクと前記燃料ガス消費器との間を開閉する電磁式開閉弁と、
   前記第２流路に設けられ、前記タンクから前記燃料ガス消費器に導かれる燃料ガスを調圧する電磁式調圧弁と、
   前記電磁式開閉弁の開閉動作及び前記電磁式調圧弁の調圧動作を制御する制御装置とを備え、
   前記電磁式調圧弁は、前記電磁式開閉弁に比べて容量係数が小さくなっており、
   前記制御装置は、前記燃料ガス消費器の燃料ガスの供給圧力と目標圧力との差圧が規定値以上である場合、前記電磁式開閉弁により前記第１流路を開くことで前記燃料ガス消費器の供給圧力を昇圧し、前記差圧が規定値未満である場合、前記電磁式開閉弁により前記第１流路を閉じて前記電磁式調圧弁により前記燃料ガス消費器の供給圧力を調圧するようになっている、燃料ガス供給システム。
2. 前記容量係数は、Ｃｖ値であり
   前記電磁式調圧弁は、前記電磁式開閉弁のＣｖ値の５０％以下のＣｖ値を有している、請求項１に記載の燃料ガス供給システム。
3. 前記制御装置は、前記差圧が規定値以上であって前記供給圧力を昇圧した場合、前記供給圧が目標圧力に達するまで前記差圧が規定値未満になっても前記前記電磁式開閉弁の開状態を保持するようになっている、請求項２に記載の燃料ガス供給システム。
4. 前記燃料ガス消費器の供給圧力を検出する供給圧力検出器を更に有し、
   前記制御装置は、前記燃料ガス消費器の供給圧力を前記供給圧力検出器の検出結果から得るようになっている、請求項１乃至３の何れか１つに記載の燃料ガス供給システム。
5. 前記第１流路において電磁式開閉弁の上流側に設けられ、前記タンクから供給される燃料ガスを所定圧力に減圧する減圧弁を備える、請求項１乃至４の何れか１つに記載の燃料ガス供給システム。
6. 第１及び第２流路に分岐した後に１つに合流する供給通路を介してタンクに貯蔵された燃料ガスを燃料ガス消費器に供給する燃料ガス供給システムの圧力制御方法であって、
   前記燃料ガス消費器の燃料ガスの供給圧力と目標圧力との差圧を算出する差圧算出工程と、
   前記差圧が規定値以上である場合、第１の流路に設けられている電磁式開閉弁により前記第１流路を開いて前記タンクから前記燃料ガス消費器に導き、前記供給圧力を昇圧する昇圧工程と、
   前記差圧が規定値未満である場合、前記電磁式開閉弁により前記第１流路を閉じ、前記第２流路に設けられ且つ前記電磁式開閉弁に比べて容量係数が小さい電磁式調圧弁により前記供給圧力を調圧する調圧工程とを有する、燃料ガス供給システムの圧力制御方法。
7. 前記昇圧工程により昇圧される前記供給圧力が前記目標圧力に達するまで前記差圧が規定値未満になっても前記電磁式開閉弁の開状態を保持する開弁保持工程を有し、
   前記調圧工程は、前記開弁保持工程後に実行される、請求項６に記載の燃料ガス供給システムの圧力制御方法。

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