JP6127922B2 - 燃料電池部品の挿入組み付け機構 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池部品を他の部品に挿入して組み付けるときの組み付け機構に関する。

特許文献１には、排水弁が記載されている。この排水弁の他の部品への挿入部には、２つの流路が形成されており、排水弁の挿入部と他の部品との間は、２つのシール部材（Ｏリング）によってシールされている。

特開２０１３−９３２５５号公報

この排水弁の挿入部を他の部品に挿入する場合、２つのシール部材を同時に挿入する構造になっているため、挿入時に大きな力が必要であった。この課題は、排水弁の挿入部を他の部品に挿入する場合に限られず、挿入部品と、被挿入部品と、挿入部品と被挿入部品との間に設けられる複数のシール部品とから構成される燃料電池部品の挿入組み付け機構において、共通する課題である。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、挿入部品と、被挿入部品と、前記挿入部品と前記被挿入部品との間に設けられる複数のシール部品とから構成される燃料電池部品の挿入組み付け機構が提供される。この挿入組み付け機構において、前記挿入部品及び前記被挿入部品の一方は、第１のシール部品を載置する第１の載置部と、第２のシール部品を載置する第２の載置部とを有し、前記挿入部品及び前記被挿入部品の他方は、前記第１のシール部品との間でシールを行う第１のシール部と、前記第２のシール部品との間でシールを行う第２のシール部とを有し、前記第１のシール部は、前記挿入部品の前記被挿入部品への挿入時において前記第１のシール部品と最初に接触する第１の接触点を有し、前記第２のシール部は、前記挿入部品の前記被挿入部品への挿入時において前記第２のシール部品と最初に接触する第２の接触点を有し、前記第１の接触点と前記第２の接触点との間隔をＬａとし、前記第１の載置部と前記第２の載置部の間隔をＬｂ、前記挿入部品の挿入前における前記第１のシール部品の直径をＬｃ、前記挿入部品の挿入前における前記第２のシール部品の直径をＬｄとするとき、Ｌａ−Ｌｂ−Ｌｃ＞０または、Ｌｂ−Ｌａ−Ｌｄ＞０の少なくとも一方を満たす。一般にシール部品を挟んで被挿入部品に挿入部品を挿入する場合、シール部品がシール部と接触して変形するときに、大きな力が必要とされる。この形態の挿入組み付け機構によれば、Ｌａ−Ｌｂ−Ｌｃ＞０または、Ｌｂ−Ｌａ−Ｌｄ＞０の少なくとも一方を満たすことにより、第１のシール部品と第２のシール部品とは、同時に変形しない。その結果、同時に変形する場合に比べて小さな力で挿入部品を被挿入部品に挿入することが可能となる。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、燃料電池部品の挿入組み付け機構の他、燃料電池用の挿入部品および被挿入部品、流体流路の継ぎ手構造等の形態で実現することができる。

本実施形態の排水弁の挿入部と被挿入部品の被挿入部の結合部を拡大して示す説明図である。 本実施形態における挿入工程を示す説明図である。 本実施形態における挿入量と挿入荷重の関係を示す説明図である。 比較例の排水弁の挿入部と被挿入部品の被挿入部の結合部を拡大して示す説明図である。 比較例における挿入工程を示す説明図である。 比較例における挿入量と挿入荷重の関係を示す説明図である。 変形例１における挿入工程を示す説明図である。 変形例２における挿入工程を示す説明図である。

図１は、本実施形態の排水弁の挿入部と被挿入部品の被挿入部の結合部を拡大して示す説明図である。排水弁１０と被挿入部品３０は、それぞれ燃料電池車に用いられる燃料電池部品である。排水弁１０は、弁部１００と、挿入部２００とを備える。本実施形態では、挿入部２００を備えるものを挿入部品と呼ぶ。弁部１００は、弁体１１０と、弁座１２０と、プランジャー１３０と、コア１４０と、コイル１５０と、ソレノイド１６０と、を備える。プランジャー１３０は、略円筒形をした部材であり、弁体と接続されている。プランジャー１３０の内部には、コア１４０に巻かれたコイル１５０が配置されている。プランジャー１３０の外には、ソレノイド１６０が配置されている。ソレノイド１６０への電流を印加するか、否かにより、コイル１５０、プランジャー１３０を移動させ、弁体１１０と弁座１２０の間を開けるか、あるいは閉めるか、が制御される。

挿入部２００は、凸形状を有し、略円筒形形状をした内筒部２１０と、略円筒形形状をした外筒部２２０と、を備える。内筒部２１０の内側には、第１の流路２３０が形成され、内筒部２１０と外筒部２２０との間には、第２の流路２４０が形成されている。第１の流路２３０と、第２の流路２４０とは、弁体１１０と弁座１２０との間の接触、非接触により、非連通、連通が制御される。

内筒部２１０は、外側に階段形状を有する第１の載置部２１５を有し、第１の載置部２１５には、シール部品である第１のＯリング２５０が配置される。外筒部２２０は、外側に階段形状を有する第２の載置部２２５を有し、第２の載置部２２５には、シール部品である第２のＯリング２６０が配置される。

被挿入部品３０は、挿入部２００が挿入される部品であり、例えば、配管の端部に用いられる。被挿入部品３０の被挿入部３００は、凹形状を有している。被挿入部３００は、挿入部２００が挿入されたときに、第１のＯリング２５０との間でシールを行う第１のシール部３１０と、第２のＯリング２６０との間でシールを行う第２のシール部３２０とを備える。第１のシール部３１０は、第１のＯリング２５０と最初に接触する第１の接触点３１１を有し、第２のシール部３２０は、第２のＯリング２６０と最初に接触する第２の接触点３２１を有する。挿入部２００と、被挿入部３００とで、挿入組み付け機構を構成する。

図２は、本実施形態における挿入工程を示す説明図である。なお、図２では、図１の一点鎖線で囲まれた範囲の断面を拡大して示している。なお、第１の接触点３１１と第２の接触点３２１をわかりやすくするために、角の頂点として図示している。また、図２では、第１の流路２３０、第２の流路２４０の図示を省略している。

挿入部２００が被挿入部３００に挿入されると、図２（Ａ）に示すように、第１のＯリング２５０と第１の接触点３１１とが接触し、第１のＯリング２５０が変形し始める。さらに挿入部２００が被挿入部３００に挿入されると、図２（Ｂ）に示すように、第１の載置部２１５の挿入方向の位置が第１の接触点３１１の位置と同じ位置まで達する。この位置まで挿入部２００が被挿入部３００に挿入されると、第１のＯリング２５０は、これ以上変形しなくなる。この状態で、第１のＯリング２５０は、挿入部２００と、被挿入部３００との間のシールを行う。なお、本実施形態及び後述する比較例、変形例では、Ｏリングの断面形状が変わることを変形と呼び、一旦変形したＯリングの断面形状が変形状態のまま維持される場合には、変形と呼ばないものとする。

さらに挿入部２００が被挿入部３００に挿入されると、図２（Ｃ）に示すように、第２のＯリング２６０の接触点２６１（「第２のＯリング接触点２６１」と呼ぶ。）と第２の接触点３２１とが接触し、第２のＯリング２６０が変形し始める。

さらに挿入部２００が被挿入部３００に挿入されると、図２（Ｄ）に示すように、第２の載置部２２５の挿入方向の位置が第２の接触点３２１の位置と同じ位置まで達する。この位置まで挿入部２００が被挿入部３００に挿入されると、第２のＯリング２６０は、これ以上変形しなくなる。この状態で、第２のＯリング２６０は、挿入部２００と、被挿入部３００との間のシールを行う。

図３は、挿入量と挿入荷重の関係を示す説明図である。図３の（Ａ）〜（Ｄ）は、図２の（Ａ）〜（Ｄ）の状態に対応する。挿入部２００が被挿入部３００にされ、図２（Ａ）の状態になると、第１の接触点３１１が第１のＯリング２５０の接触点（「第１のＯリング接触点２５１」と呼ぶ。）に接触し、第１のＯリング２５０が変形し始め、挿入荷重が大きくなる。図２（Ｂ）に示す状態までは、挿入荷重はほとんど変わらない。図２（Ｂ）に示す状態まで挿入部２００が被挿入部３００に挿入されると、第１のＯリング２５０は、これ以上変形しなくなるため、挿入荷重が小さくなる。

さらに挿入部２００が被挿入部３００に挿入され、図２（Ｃ）の状態になると、第２の接触点３２１が第２のＯリング２６０に接触し、第２のＯリング２６０が変形し始める。そのため、挿入荷重は大きくなる。さらに挿入部２００が被挿入部３００に挿入され、第２の載置部２２５の挿入方向の位置が第２の接触点３２１の位置と同じ位置まで達して図２（Ｄ）の状態になると、第２のＯリング２６０がこれ以上変形しなくなるので、挿入荷重は、小さくなる。

図４は、比較例の排水弁の挿入部と被挿入部品の被挿入部の結合部を拡大して示す説明図である。図４では、本実施形態と同じ機能の部材には、同じ符号を付している。比較例と本実施形態では、挿入部２００における第１の載置部２１５と第２の載置部２２５の間隔及び被挿入部３００における第１の接触点３１１と第２の接触点３２１の間隔が異なるが、その他については、同じである。

図５は、比較例における挿入工程を示す説明図である。比較例では、本実施形態と同一の部材には、同一の符号を付している。なお、図５では、図４の一点鎖線で囲まれた範囲の断面を拡大して示している。また、図５でも、第１の流路２３０、第２の流路２４０の図示を省略している。本実施形態と比較例との違いは、第１の接触点３１１と第２の接触点３２１の間の間隔Ｌａと、第１の載置部２１５と第２の載置部２２５との間の間隔Ｌｂにある。

挿入部２００を被挿入部３００に挿入されると、図５（Ｅ）に示すように、第１のＯリング２５０と第１の接触点３１１とが接触する。ここで、第１のＯリング２５０が変形し始める。さらに挿入部２００が被挿入部３００に挿入されると、変形例では、図５（Ｆ）に示すように、第１の載置部２１５の挿入方向の位置が第１の接触点３１１の位置と同じ位置まで達する前に、第２のＯリング２６０と第２の接触点３２１とが接触し、第２のＯリング２６０が変形し始める。なお、本実施形態では、図２（Ｂ）（Ｃ）に示すように、先に第１の載置部２１５の挿入方向の位置が第１の接触点の位置と同じ位置まで達し、その後、第２のＯリング２６０と第２の接触点３２１とが接触し、第２のＯリング２６０が変形し始める。

さらに挿入部２００が被挿入部３００に挿入されると、第１の載置部２１５の挿入方向の位置が第１の接触点３１１の位置と同じ位置まで達する。この位置まで挿入部２００が被挿入部３００に挿入されると、第１のＯリング２５０はこれ以上変形しなくなり、第２のＯリング２６０のみが変形する。さらに挿入部２００が被挿入部３００に挿入されると、図５（Ｇ）に示すように、第２の載置部２２５の挿入方向の位置が第２の接触点３２１の位置と同じ位置まで達する。この位置まで挿入部２００が被挿入部３００に挿入されると、第２のＯリング２６０は、これ以上変形しなくなる。

図６は、比較例における挿入量と挿入荷重の関係を示す説明図である。図６（Ｅ）〜図６（Ｆ）までの間は、第１のＯリング２５０のみが変形する。この間の挿入荷重は、本実施形態の図３（Ａ）〜（Ｂ）における挿入荷重とほぼ同じ大きさである。図６（Ｆ）〜図６（Ｇ）までの間は、第１のＯリング２５０、第２のＯリング２６０がいずれも変形するため、この間の挿入荷重は、図６（Ｅ）〜図６（Ｆ）までの間の挿入荷重の約２倍の挿入荷重となる。また、この間の荷重の大きさは、本実施形態の図３（Ｃ）〜（Ｄ）における挿入荷重よりも大きい。図６（Ｇ）〜（Ｈ）までの間は、第１のＯリング２５０は、これ以上変形せず、第２のＯリング２６０のみが変形する。この間の挿入荷重は、図６（Ｅ）〜図６（Ｆ）までの間の挿入荷重よりも小さい。なお、この間の挿入荷重の大きさは、本実施形態の図３（Ｃ）〜（Ｄ）における挿入荷重とほぼ同じ大きさである。

本実施形態、比較例を比べると、図６（Ｆ）〜（Ｇ）の間のように、第１のＯリング２５０と第２のＯリング２６０の両方が同時に変形する場合に、挿入荷重が大きくなる。したがって、第１のＯリング２５０と第２のＯリング２６０の両方が同時に変形しないように、第１の載置部２１５と第２の載置部２２５の位置、及び第１の接触点３１１と第２の接触点３２１の位置を決めれば、挿入荷重の最大値を下げることが可能である。なお、挿入荷重の最大値を測定すると、比較例の場合、４０Ｎ〜９０Ｎで有ったのに対し、本実施形態では、２０Ｎ〜４０Ｎであり、半減以下となった。

図２、図５において、第１の接触点３１１と第２の接触点３２１との間の挿入部２００の挿入方向の間隔をＬａ、第１の載置部２１５と第２の載置部２２５と間の挿入部２００の挿入方向の間隔をＬｂ、第１のＯリング２５０の直径をＬｃ、第２のＯリング２６０の直径をＬｄとする。また、第２の接触点３２１と第２のＯリング２６０とが接触したときの第２の接触点３２１と第２の載置部２２５との間の距離をＬｘとする（図２（Ｃ））。一般に、Ｌｘ＜Ｌｄである。図２（Ｂ）において、第２の接触点３２１と、第２のＯリング接触点２６１との間の距離は、Ｌｂ−Ｌａ−Ｌｘである。この値が正の値であれば、第１のＯリング２５０が変形しなくなったときに、第２のＯリング２６０は、第２の接触点３２１に接触しない。この場合、第１のＯリング２５０の変形が終わった後、第２のＯリング２６０は第２の接触点３２１に接触し、第２のＯリング２６０が変形し始める。すなわち、第１のＯリング２５０と第２のＯリング２６０の両方が同時に変形しない。なお、Ｌｘの値は、挿入部２００と被挿入部３００の挿入方向を軸とした放射方向の間隔にも依存する。上述したＬｘ＜Ｌｄを考慮すれば、Ｌｂ−Ｌａ−Ｌｄ＞０を満たすように、第１の載置部２１５と第２の載置部２２５の位置、及び第１の接触点３１１と第２の接触点３２１の位置を決めれば、確実に第１のＯリング２５０の変形が終わった後、第２のＯリング２６０が第２の接触点３２１に接触し、第２のＯリング２６０が変形し始めるように構成できる。その結果、挿入荷重の最大値を下げることが可能となる。

なお、挿入部２００または被挿入部３００の一方を比較例と同じ形状とし、他方の形状を変えることで、Ｌｂ−Ｌａ−Ｌｄ＞０またはＬａ−Ｌｂ−Ｌｃ＞０のいずれかを満たすようにしてもよい。

変形例１：
図７は、変形例１における挿入工程を示す説明図である。なお、図７では、図２と同様に、第１の流路２３０、第２の流路２４０の図示を省略している。本実施形態では、挿入部２００における第１の載置部２１５と第２の載置部２２５の間隔Ｌｂの方が、被挿入部３００における第１の接触点３１１と第２の接触点３２１の間隔Ｌａよりも大きかったが、比較例では、被挿入部３００における第１の接触点３１１と第２の接触点３２１の間隔Ｌａの方が、挿入部２００における第１の載置部２１５と第２の載置部２２５の間隔Ｌｂよりも大きい。

挿入部２００が被挿入部３００に挿入されると、図７（Ａ）に示すように、第２のＯリング２６０と第２の接触点３２１とが接触し、第２のＯリング２６０が変形し始める。さらに挿入部２００が被挿入部３００に挿入されると、図７（Ｂ）に示すように、第２の載置部２２５の挿入方向の位置が第２の接触点３２１の位置と同じ位置まで達する。この位置まで挿入部２００が被挿入部３００に挿入されると、第２のＯリング２６０は、これ以上変形しなくなる。さらに挿入部２００が被挿入部３００に挿入されると、図７（Ｃ）に示すように、第１のＯリング２５０と第１の接触点３１１とが接触し、第１のＯリング２５０が変形し始める。さらに挿入部２００が被挿入部３００に挿入されると、図７（Ｄ）に示すように、第１の載置部２１５の挿入方向の位置が第１の接触点３１１の位置と同じ位置まで達する。この位置まで挿入部２００が被挿入部３００に挿入されると、第１のＯリング２５０は、これ以上変形しなくなる。

変形例１において、第１の接触点３１１と第１のＯリング２５０とが接触したときの第１の接触点３１１と第１の載置部２１５との間の距離をＬｙとする（図７（Ｃ））。本実施形態と同様に、Ｌｙ＜Ｌｃである。図７（Ｂ）の状態では、第１のＯリング２５０と第１の接触点３１１との間の挿入部２００の挿入方向の間隔は、Ｌａ−Ｌｂ−Ｌｙである。この値が正の値であれば、第２のＯリング２６０が変形しなくなったときに、第１のＯリング２５０は、第１の接触点３１１に接触していない。その結果、第２のＯリング２６０の変形が終わった後、第１のＯリング２５０は第１の接触点３１１に接触し、第１のＯリング２５０が変形し始める。すなわち、第１のＯリング２５０と第２のＯリング２６０の両方が同時に変形しない。なお、Ｌｙの値は、挿入部２００と被挿入部３００の挿入方向を軸とした放射方向の間隔にも依存する。上述したＬｙ＜Ｌｃを考慮すれば、Ｌａ−Ｌｂ−Ｌｃ＞０を満たすように、第１の載置部２１５と第２の載置部２２５の位置、及び第１の接触点３１１と第２の接触点３２１の位置を決めれば、確実に第２のＯリング２６０の変形が終わった後、第１のＯリング２５０が第１の接触点３１１に接触し、第１のＯリング２５０が変形し始めるように構成できる。その結果、挿入荷重の最大値を下げることが可能となる。

変形例２：
図８は、変形例２における挿入工程を示す説明図である。本実施形態では、挿入部２００に第１のＯリング２５０、第２のＯリング２６０が配置されていたが、変形例２では、被挿入部３００に第１のＯリング２５０、第２のＯリング２６０が配置されている点が異なる。具体的には、変形例２では、被挿入部３００に第１の載置部３１５と第２の載置部３２５が形成されて、それぞれ第１のＯリング２５０、第２のＯリング２６０が載置されている。また、変形例２では、挿入部２００に第１のシール部２７０と、第２のシール部２８０が形成されている。第１のシール部２７０は第１のＯリング２５０と最初に接触する第１の接触点２７１を有し、第２のシール部２８０は第２のＯリング２６０と最初に接触する第２の接触点２８１を有する。

挿入部２００が被挿入部３００に挿入されると、図８（Ａ）に示すように、第１のＯリング２５０と第１の接触点２７１とが接触し、第１のＯリング２５０が変形し始める。さらに挿入部２００が被挿入部３００に挿入されると、図８（Ｂ）に示すように、第１の載置部３１５の挿入方向の位置が第１の接触点２７１の位置と同じ位置まで達する。この位置まで挿入部２００が被挿入部３００に挿入されると、第１のＯリング２５０は、これ以上変形しなくなる。さらに挿入部２００が被挿入部３００に挿入されると、図８（Ｃ）に示すように、第２のＯリング２６０と第２の接触点２８１とが接触し、第２のＯリング２６０が変形し始める。さらに挿入部２００が被挿入部３００に挿入されると、図８（Ｄ）に示すように、第２の載置部３２５の挿入方向の位置が第２の接触点２８１の位置と同じ位置まで達する。この位置まで挿入部２００が被挿入部３００に挿入されると、第２のＯリング２６０は、これ以上変形しなくなる。

図８において、第１の接触点２７１と第２の接触点２８１との間の挿入部２００の挿入方向の間隔をＬａ、第１の載置部３１５と第２の載置部３２５との間の挿入部２００の挿入方向の間隔の間隔をＬｂ、第１のＯリング２５０の直径をＬｃ、第２のＯリング２６０の直径をＬｄとする。同様に、Ｌｂ−Ｌａ−Ｌｄ＞０またはＬａ−Ｌｂ−Ｌｃ＞０のいずれかを満たせば、第１のＯリング２５０と第２のＯリング２６０の両方が同時に変形しないようにできる。

本実施形態では、排水弁１０と、排水弁１０の挿入部２００が挿入される被挿入部品の被挿入部３００を例にとり説明したが、この構成は、流体を流す２つの部材の一方を他方に挿入して組み付ける挿入組み付け機構に採用可能である。

以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。

１０…排水弁
３０…被挿入部品
１００…弁部
１１０…弁体
１２０…弁座
１３０…プランジャー
１４０…コア
１５０…コイル
１６０…ソレノイド
２００…挿入部
２１０…内筒部
２１５…第１の載置部
２２０…外筒部
２２５…第２の載置部
２３０…第１の流路
２４０…第２の流路
２５０…第１のＯリング
２５１…第１のＯリング接触点
２６０…第２のＯリング
２６１…第２のＯリング接触点
２７０…第１のシール部
２７１…第１の接触点
２８０…第２のシール部
２８１…第２の接触点
３００…被挿入部
３１０…第１のシール部
３１１…第１の接触点
３１５…第１の載置部
３２０…第２のシール部
３２１…第２の接触点
３２５…第２の載置部

Claims (1)

1. 挿入部品と、被挿入部品と、前記挿入部品と前記被挿入部品との間に設けられる複数のシール部品とから構成される燃料電池部品の挿入組み付け機構であって、
   前記挿入部品及び前記被挿入部品の一方は、第１のシール部品を載置する第１の載置部と、第２のシール部品を載置する第２の載置部とを有し、
   前記挿入部品及び前記被挿入部品の他方は、前記第１のシール部品との間でシールを行う第１のシール部と、前記第２のシール部品との間でシールを行う第２のシール部とを有し、
   前記第１のシール部は、前記挿入部品の前記被挿入部品への挿入時において前記第１のシール部品と最初に接触する第１の接触点を有し、
   前記第２のシール部は、前記挿入部品の前記被挿入部品への挿入時において前記第２のシール部品と最初に接触する第２の接触点を有し、
   前記第１の接触点と前記第２の接触点との間隔をＬａとし、前記第１の載置部と前記第２の載置部の間隔をＬｂ、前記挿入部品の挿入前における前記第１のシール部品の直径をＬｃ、前記挿入部品の挿入前における前記第２のシール部品の直径をＬｄとするとき、
   Ｌａ−Ｌｂ−Ｌｃ＞０ または、Ｌｂ−Ｌａ−Ｌｄ＞０
   の少なくとも一方を満たす、挿入組み付け機構。

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