CN101010648A - 具有减压与截流功能的阀 - Google Patents
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Abstract
公开了一种减压阀，其能够在阀体关闭通道孔时防止从通道孔的流体泄漏。减压阀构造成使得当解除在螺线管主体周围和内部产生的磁场时，柱塞由于止动弹簧的偏置力向上移动。因此，通过基于止动弹簧偏置力的挤压力，柱塞的加压部分将阀体从下方向上推动。由于阀体被向上推动，所以阀体的上端与通道孔的内圆周部紧密接触，使得通道孔关闭。这样，能够确定地防止从主压力室到副压力室的氢气泄漏(气压泄漏)，并因而能够确定地防止在副压力室一侧压力的无意的增加。
Description
技术领域
本发明总地涉及降压阀，更具体地，涉及其中副压力相对于主压力降低的减压阀。
背景技术
近年来，在适于实用的所谓燃料电池的发展中，促进了作为机动车辆原动能源的应用。这种燃料电池为通过使用氢气和氧气的电化学反应产生电能的系统，该系统的实例为质子交换薄膜燃料电池，其包括将许多电池分层而形成的电池堆。各电池形成的电池堆包括阳极(燃料极)和阴极(空气极)，在阳极和阴极之间布置有固态聚合物薄膜，其包括作为离子交换组的磺酸组。
供应到阳极的气体燃料包括氢气，而供应到阴极的气体包括作为氧化剂的氧气，例如空气。由于气体燃料供应到阳极，所以气体燃料中包含的氢气与组成阳极的催化剂层的催化剂反应，因此产生氢离子。这样产生的氢离子穿透固态聚合物电解质薄膜，在阴极与氧气发生电化学反应。
其间，对于使用上述包括氢气的气体燃料的燃料电池，还研究了置放燃料的各种燃料形式，例如液体、固体和气体。以高压存储氢气的方法，或者以高压存储压缩天然气(CNG)，然后转换成供给到燃料电池的混合有二氧化碳的富氢气体的方法，被认为是这种燃料形式的最简单和传统的形式。
上述氢气或压缩天然气在低压时体积庞大。因此，当这种气体置放于机动车辆的有限空间内时，其以超高压如37Mpa或70Mpa存储在由碳纤维复合材料制成的容器内。
在使用高压氢气作为燃料的燃料电池系统中，通过几个10微米厚的电解质薄膜分开供应氢气和空气。因此，需要使氢与空气之间的压力差最小化。从而，如果提高空气的压力，那么就提高压缩功率，因而导致了总效率的降低。为此，常规做法是，基于燃料电池的固体聚合物以氢压力降低至0.3Mpa的状态工作。
因此，如上所述，以超高压如37Mpa或70Mpa存储在容器中的氢气通过(如JP-A No.11-16652中公开的)减压阀减压，然后供给给燃料电池。
另外，并且在使用上述压缩天然气(CNG)的情形下，与氢气的情形相同，由于当转换的混合气体压力低时，有促进反应的趋势，所以考虑通过减压阀给以超高压存储在容器中的压缩天然气(CNG)减压。
这种与气体容器一起使用的减压阀构造成使得阀体通过活塞挤压，以与通道孔相远离，因而当位于阀体从通道孔(排气孔)一侧上的主压力室与阀支撑弹簧的偏置力的组合所产生的合力小于压力调节弹簧的偏置力时，通道孔打开，其中压力弹簧用于使设置在与穿过通道孔的阀体相对的一侧上的活塞偏置。
另外，当通道孔打开，因而使气体从通道孔流进活塞上的副压力室时，副压力室中的气压作用在活塞上与压力调节弹簧偏置力相对的一侧。因此，降低了使活塞朝着通道孔偏斜的力。这样，降低了活塞施加在阀体上的压紧力，使得由于上述合力而使阀体靠近通道孔，并关闭通道孔。
如此，基于在主压力室侧施加在活塞上的力与在副压力室侧施加在活塞上的力的平衡，降低了气体的压力，以使气体从副压力室供应到外面的部分，例如燃料电池系统。
其间，例如，当燃料电池系统停止，并通过关闭设置在减压阀下游一侧的电池阀而中断燃料气体流时，减压阀在结构上操作，使得阀体关闭处于阀体接触压力为“0”的状态的通道孔。
实际上，在这种阀体接触压力为“0”的状态中，允许燃料气体从主压力室一侧泄漏到副压力室一侧，因而提高了副压力室中的气体压力。由于提高了副压力室中的气体压力，所以阀体关闭通道孔的压力也提高，使得通道孔紧紧地关闭。但是，由于燃料电池系统的运行于副压力室中的气体压力已经提高的状态重启，所以当打开电磁阀时，会瞬间引起高压波通过管道，并在燃料电池系统的下游中流动。由于该在燃料电池系统中流动的高压波，所以可能损坏燃料电池系统的部件，和/或在燃料电池系统周围听到异常声音。
另外，即使在减压阀的上游侧设置电磁阀，因为由于从减压阀与电磁阀之间的高压气体减压阀的泄漏而提高了副压力，所以可能发生类似于上面的问题。
发明内容
考虑到前述问题，本发明提供一种能够防止流体从通道孔泄漏的减压阀，其中通道孔处于由阀体关闭该通道孔的状态。
本发明的第一方面提供了一种减压阀，包括：阀体，当沿着流体流的方向观看时，所述阀体以可移动地与通道孔相接触和脱离接触的方式，设置于所述通道孔的更上游位置，其中流体通过所述通道孔流通，所述阀体构造成由于指向所述通道孔的第一偏置力而向所述通道孔偏置，并由于主压力侧合力沿着靠近所述通道孔的方向移动，从而关闭所述通道孔，其中所述主压力侧合力由主压力引起的力与所述第一偏置力的组合而产生，所述主压力是在比所述通道孔更上游位置的流体的压力；压力调节元件，当沿着所述流体流的方向观看时，所述压力调节元件以可朝着所述通道孔移动或远离所述通道孔的方式，设置在所述通道孔的下游位置，并隔着所述通道孔在所述阀体的相对侧，所述压力调节元件构造成由于指向所述通道孔方向的第二偏置力而偏置，并当副压力侧合力超过所述主压力侧合力时，使所述阀体与所述通道孔间隔开，其中所述副压力侧合力由所述第二偏置力同由于副压力与大气压力之间的压力差产生的力所组合而产生，其中所述副压力为在比所述通道孔更下游位置的所述流体流的流体压力；以及干扰装置，所述干扰装置能够干扰所述阀体和解除与所述阀体的干涉，并在干预所述阀体的状态下限制所述阀体沿着远离所述通道孔的方向移动。
本发明的第二方面提供了一种减压阀，包括：阀体，当沿着流体流的方向观看时，所述阀体以可移动地与通道孔相接触和脱离接触的方式设置于所述通道孔的更上游位置，其中流体通过所述通道孔流通，所述阀体构造成由于指向所述通道孔的第一偏置力而向所述通道孔偏置，并由于主压力侧合力沿着靠近所述通道孔的方向移动，从而关闭所述通道孔，其中所述主压力侧合力由主压力引起的力与所述第一偏置力的组合而产生，所述主压力是在比所述通道孔更上游位置的流体的压力；压力调节元件，当沿着所述流体流的方向观看时，所述压力调节元件以可朝着所述通道孔移动或远离所述通道孔的方式，设置在所述通道孔的下游位置，并隔着所述通道孔在所述阀体的相对侧，所述压力调节元件构造成由于指向所述通道孔方向的第二偏置力而偏置，并当副压力侧合力超过所述主压力侧合力时，使所述阀体与所述通道孔间隔开，其中所述副压力侧合力由所述第二偏置力同由于在比所述通道孔更下游位置的所述流体流的流体压力与大气压力之间的压力差产生的力所组合而产生；以及干扰装置，所述干扰装置能够干扰所述阀体和解除与所述阀体的干涉，并在干扰所述阀体的状态下限制所述阀体沿着远离所述通道孔的方向移动，所述干扰装置包括：干扰元件，以可移动地与所述阀体相接触和分离的方式，沿着所述阀体移动到与所述通道孔相接触和分离的方向设置在所述阀体的与所述通道孔相对的一侧，所述干扰元件构造成通过沿着靠近所述阀体方向的移动而接触并干扰所述阀体；以及驱动装置，用来使所述干扰元件沿着下述方向中至少一个移动：靠近所述阀体的方向；或远离所述阀体的方向。
本发明的第三方面提供一种减压阀，包括：阀体，当沿着流体流的方向观看时，所述阀体以可移动地与通道孔相接触和脱离接触的方式设置于所述通道孔的更上游位置，其中流体通过所述通道孔流通，所述阀体构造成由于指向所述通道孔的第一偏置力而向所述通道孔偏置，并由于主压力侧合力沿着靠近所述通道孔的方向移动，从而关闭所述通道孔，其中所述主压力侧合力由主压力引起的力与所述第一偏置力的组合而产生，所述主压力是在比所述通道孔更上游位置的流体的压力；压力调节元件，当沿着所述流体流的方向观看时，所述压力调节元件以可朝着所述通道孔移动或远离所述通道孔的方式，设置在所述通道孔的下游位置，并隔着所述通道孔在所述阀体的相对侧，所述压力调节元件构造成由于指向所述通道孔方向的第二偏置力而偏置，并当副压力侧合力超过所述主压力侧合力时，使所述阀体与所述通道孔间隔开，其中所述副压力侧合力由所述第二偏置力同由于在比所述通道孔更下游位置的所述流体流的流体压力与大气压力之间的压力差产生的力所组合而产生；以及干扰装置，所述干扰装置能够干扰所述阀体和解除与所述阀体的干涉，并在干扰所述阀体的状态下限制所述阀体沿着远离所述通道孔的方向移动，所述干扰装置包括：干扰元件，以可移动地与所述阀体相接触和分离的方式，沿着所述阀体移动到与所述通道孔相接触和分离的方向设置在所述阀体的与所述通道孔相对的一侧，所述干扰元件构造成通过沿着靠近所述阀体方向的移动而接触并干扰所述阀体；以及驱动装置，用来使所述干扰元件沿着下述方向中至少一个移动：靠近所述阀体的方向；或远离所述阀体的方向；其中偏置装置使所述干扰元件沿着靠近所述阀体的方向或沿着远离所述阀体的方向偏置，其中所述驱动装置使所述干扰元件只沿着与所述偏置元件使所述干扰元件偏置的方向基本上相反的方向移动；并且其中在下列状态的至少一个状态中，所述干扰装置与所述阀体干涉：通过所述通道孔的流体的流动速率等于或低于预设预定值的状态、所述通道孔下游侧的压力高于预定值的状态、和所述通道孔下游侧的压力低于预定值的状态。
结合附图，从下面的描述中能够更加清楚地了解本发明的其它方面、特征和优点。
附图说明
图1为示出了根据本发明第一实施例的减压阀的结构的截面图；
图2为对应于图1的截面图，示出了干扰装置与阀体不干涉的状态；
图3为示出了力作用在阀体和活塞上的状态的图；
图4为示意性地示出了燃料电池系统结构的方块图；
图5为示意性地示出了用于根据本发明第一实施例的减压阀的控制系统结构的方块图；
图6为示出了根据本发明第二实施例的减压阀的结构的截面图。
具体实施方式
参考图1，示出了根据本发明第一实施例的减压阀10的截面图。
如图1中所示，减压阀10包括主体12，该主体12构造成在图1所示的上端封闭的有底的圆柱形状。从主体12在垂直方向上的中间部分的外圆周延伸有凸缘部分14。在主体12于凸缘部分14下方的外圆周上形成有外螺纹16。
构造外螺纹16，使得其可在与容器18封口圈部分20中形成的内螺纹20相啮合。封口圈部分20的开口端可通过与内螺纹22啮合的外螺纹16封闭。另外，在凸缘部分14的下表面中形成有与外螺纹16同心的环状槽24。
在环状槽24中安装有环状密封元件26，如O形圈、垫圈或类似密封件。通过与内螺纹啮合的外螺纹16，使得主体12的下端安装进封口圈部分20至预定深度，通过封口圈部分20的上端表面与环状槽24的底部，密封元件26紧密地接触。因此，封口圈部分20和主体12密封在一起。
另外，在凸缘部分14的一部分中形成有供给部分28。供给部分28由沿着凸缘部分14的径向方向延伸穿过主体12的孔形成，主体12的内部和外部通过该孔连通，使得允许通过主体12内侧的气体(氢气)流过供给部分28以输送到减压阀10的外侧。
另外，主体12设置有包括阀架32的阀机构30。阀架32形成为圆柱状，其外径大致等于主体12的内径(为准确起见，阀架32的外径稍小于主体12的内径，使得机架32可安装进主体12中)。在阀架32邻近其下端部分的外圆周中形成有环状槽34。
在环状槽34中安装有密封元件36，如O形圈、垫圈或类似密封件。在阀架32通过其下部开口端插入主体12的状态中，将密封元件36与主体12的内圆周部分及环状槽34的底部紧密接触，使得主体12的内圆周部分与阀架32的外圆周密封在一起。
另外，凸缘部分38沿着阀架32径向向外的方向从机架32的下端延伸。当阀架32插入主体中时，凸缘部分38位于与主体12下端向对的关系。另外，凸缘部分38形成有通孔40，并且主体12形成有与通孔40排成一直线的螺纹孔42。
用作夹紧装置的螺栓44插入穿过通孔40，并旋入螺纹孔42，使得凸缘部分38以凸缘部分38与主体12的下表面紧密接触的方式牢固地夹紧在主体12上。另外，在阀架32中形成有通气部分46。
阀架32的内部与外部通过通气部分46连通，并且当主体安装进封口圈部分20时，阀架32的内部与容器18的内部通过通气部分46连通。另外，在阀架32的上端部分中形成有通道孔48。阀架32的内部空间——主压力室50与主体12在阀架32上方的内部空间——副压力室52通过通道孔48连通。
另外，在阀架32的主压力室50的下端牢固地安装有螺线管54，该螺线管54组成了后述作为驱动装置的干扰装置。另外，在主压力室50中容纳有阀体58。
阀体58包括主体60，该主体60构造成大致圆柱的形状，其纵向轴线沿着垂直方向延伸。在主体60的轴向方向的中间部分的外圆周上设置有限位凸缘61。
在限位凸缘61的下表面与螺线管54的壳体56之间设置有适于用作第一偏置装置的阀支撑弹簧62。由于阀支撑弹簧62的偏置力F1(下文中，阀支撑弹簧62的偏置力F1称为“第一偏置力F1”)，主体60沿向上的方向偏置，即，沿着靠近阀架32中形成有通道孔48的上面底部的方向偏置。
另外，主体60的上端部分构造成锥形形状，使得其外径朝着顶部逐渐地减小，并构造成使得其从下方与通道孔48相对并安装进通道孔48，从而使其能够关闭通道孔48。此外，在主体60的上端部分上一体地设置有加压块64。
加压块64的外径充分小于通道孔48的内径，使得其前端部分(与主体60相对的部分)穿过通道孔48伸入副压力室52。适合用作压力调节件的活塞66设置在与加压块64相关联的副压力室52中。
活塞66构造成有底的向上开口的圆柱形状，并且在由副压力室52限定的圆筒中可垂直地滑动。在活塞66的外圆周中形成有与活塞66同心的环状槽68。
在环状槽68中安装有环状密封元件70，如O形圈或垫圈。密封元件70与主体12的内圆周及环状槽68的底部都紧密接触，构造成在活塞66的外圆周与主体12的内圆周之间密封。
在主体12的上底部分72中，以与主体12基本上同轴的方式设置有延伸穿过上底部分72的轴74。尽管轴74由上底部分72可旋转地支撑，但是防止轴74沿着垂直方向滑动。
另外，在轴74的上端部分上设置有夹紧部分76。当夹紧部分76夹紧时，其构造成使得通过绕着其方向与垂直方向一致的轴线向夹紧部分76施加旋转力，轴76就可绕着其轴线旋转。
另外，在主体12中设置有其结构为非圆形(在该实施例中为方形)的弹簧限位板78。弹簧限位板78以其厚度方向与垂直方向一致的方式安装进在主体12内侧上底部分72附近的导向部分80。导向部分80构造成具有对应于弹簧限位板78的形状(即，在该实施例在为方形)的孔部分的形式。安装进导向部分80后，防止了弹簧限位板78旋转，同时其可沿垂直方向滑动。另外，在弹簧限位板78中形成有内螺纹82。
形成在轴74上其下端部分附近的外螺纹84旋入内螺纹82。因此，其构造成使得弹簧限位板78通过轴74以如下的方式支撑：由于轴74绕其自身轴线的旋转，弹簧限位板78向上或向下滑动。
另外，在活塞66上方的内底部分与弹簧限位板78之间设置有适于用作第二偏置装置的压力调节弹簧86。压力调节弹簧86具有与活塞66的内底部分紧密接触的下端，以及与弹簧限位板78紧密接触的上端，由于压力调节弹簧86的偏置力F2(下文中，压力调节弹簧86的偏置力F2称为“第一偏置力”)，使活塞沿着向下的方向偏置，即，沿着靠近阀架32中形成有通道孔48的上底部分的方向偏置。
其间，在上面的壳体56中设置有螺线管主体88。螺线管主体88为通电时在周围区域产生磁场的线圈，并且在将螺线管主体88的结构看作是圆柱体的情形中，该线圈定向成使得其轴线指向垂直方向。磁芯90设在螺线管主体88的内部。
磁芯90由铁磁材料制成，当通过由螺线管主体88产生的磁场存磁化时，该磁芯90变成其磁极沿着螺线管主体88的轴线方向定向的磁铁。另外，在螺线管主体88的内侧、磁芯90的上方设置有适于形成作为加压元件的干扰装置的柱塞92。
柱塞92包括在螺线管主体88内侧的可沿着螺线管主体88的轴线方向移动与磁芯90接触或分离的基底部分94。以从基底部分94的端面朝着与磁芯90相对的方向突起的方式设置有杆状轴部分96。轴部分96延伸穿过壳体56，进入阀架32的内部。另外，在轴部分96的前端(与基底部分94相对的端部)上设置有加压部分98。
加压部分98与轴部分96整体地并同轴地形成为圆盘形状，其直径比轴部分96的大，并布置成与阀体58的主体60的下表面成相对的关系。另外，在加压部分98的后表面(轴部分96侧表面)与关闭阀架32的壳体56之间设置有适于用作第三偏置装置(权利要求中所指的“偏置装置”)的止动弹簧100。
止动弹簧100以其下端与壳体56相接触并且其上端与加压部分98的后表面相接触的方式布置在壳体56上。因此，由于止动弹簧100的偏置力F3(下文中，止动弹簧100的偏置力F3称为“第三偏置力F3”)，加压部分98以及随后的柱塞92沿着向上的方向偏置，即，沿着靠近主体60(阀体58)的下表面的方向偏置。
如图1所示，当除了第三偏置力，没有其它的力作用在柱塞92上时，加压部分98与主体60(阀体58)的下表面相接触，并通过基于第三偏置力F3的压紧力将阀体58从下方向上推。
下面，对本发明的减压阀的应用实例进行描述。
参考图4，在方块图中示出了应用了减压阀10的燃料电池系统110的结构。
如该图中所示，燃料电池系统110具有电池堆112。电池堆112包括具有多个电池，每个电池都包括：电解质薄膜，由包含作为质子交换组的磺酸组的固态聚合物形成；阳极侧板状分离器，设置在电解质薄膜沿厚度方向的一侧；阴极侧板状分离器，设置在电解质薄膜沿厚度方向的另一侧；气体扩散层，由具有极好的传导性和空气渗透性的复写纸或含碳织物)形成；以及催化剂层，由携带作为催化剂的铂金和铂合金与电解质的适当混合物的碳形成为矩阵状形式，催化剂层设置于电解质薄膜与各气体扩散层之间。
电池堆112形成有阴极侧气体供给口114。阴极侧气体供给口114通过泵116、流量计118和过滤器120连接到进气口112，以能够基于泵110的运行吸入大气(空气)，并将作为阴极气体的空气供给到设置在电池堆112内部的阴极侧分离器。
另外，电池堆112形成有阴极侧气体排出口124，以能够将电池堆112中使用的外界空气作为废气排到外面。
另外，电池堆112形成有阳极侧气体供给口126。阳极侧供给口126通过阀128、流量计130和压力计132连接到减压阀10，还通过减压阀10连接到存储高压氢气的容器18(实际上，如上所述，减压阀10连接到容器18的封口圈部分20)。
另外，电池堆112形成有阳极侧气体排出口134。当阀128在阳极侧气体供给口126打开时，容器18的氢气通过减压阀10减压，然后作为阳极气体从阳极侧气体供给口126通过压力计132、流量计130和阀128供给到设置在电池堆112中的阳极侧分离器。在电池堆中供给和使用的阳极气体从阳极侧气体排出口134作为阳极废气排出。
参考图5，在方块图中示意性地示出了螺线管控制装置140的结构，该螺线管控制装置140可理解为控制装置或阀控制装置和阳极气体控制装置。螺线管控制装置140包括多个比较器142、144和146。
流量计130连接到比较器142，使得从流量计130输出的对应于阳极气体(氢气)流动速率的流动速率信号Hs输入到比较器142的一个输入端。另外，预设下限流动速率值Hu输入到比较器142的另一个输入端。
在比较器142中比较流动速率信号Hs与下限流动速率值Hu，使得当基于流动速率信号Hs的阳极气体流动速率高于基于下限流动速率值Hu的阳极气体流动速率时，从比较器142的输出端输出低水平信号；而当基于流动速率信号Hs的阳极气体流动速率高于基于下限流动速率值Hu的阳极气体流动速率时，从比较器142的输出端输出高水平信号。
另外，压力计132连接到比较器144的一个输入端，并连接到压力计132的一个输入端，使得对应于通过压力计132的阳极气体的压力输入到比较器144和146。
预设上限压力值Po输入到比较器144的另一个输入端。在比较器144中比较压力信号Ps与上限压力值Po，使得当基于压力信号Ps的阳极气体压力低于基于上限压力值Po的阳极气体压力时，从比较器144的输出端输出低水平信号；而当基于压力信号Ps的阳极气体压力高于基于上限压力值Po的阳极气体压力时，从比较器144的输出端输出高水平信号。
与其相反，预设下限压力值Pu输入到比较器146的另一个输入端。在比较器146中比较压力信号Ps与下限压力值Pu，使得当基于压力信号Ps的阳极气体压力低于基于下限压力值Pu的阳极气体压力时，从比较器146的输出端输出低水平信号；而当基于压力信号Ps的阳极气体压力高于基于下限压力值Pu的阳极气体压力时，从比较器146的输出端输出高水平信号。
各比较器142、144和146各自的输出端连接到3-输入“或”门(OR门)，使得当从比较器142、144和146中至少一个输出高水平信号并输入到或门148时，从或门输出高水平信号。
另外，或门148连接到驱动器150。驱动器150连接到螺线管54的螺线管主体88，还连接到电池152，使得当从或门148输出的高水平信号输入到螺线管主体88时，中断到螺线管主体88的电力供应。
另外，尽管在图5中未示出，但是驱动器150构造成使得当阀128打开时，驱动器150启动向螺线管主体88的电力供应，而当或门148的高水平信号输入到驱动器150时，不管阀128的状态，驱动器150都解除向螺线管主体88的电力供应。
下面，通过对燃料电池系统110的运行的描述，对减压阀10的运行和效果进行说明。
燃料电池系统110构造成使得当泵116运行时，泵16通过过滤器120和流量计118吸入空气，并且泵116吸入的空气从阴极侧气体供给口114作为阴极气体供给入电池堆112。
在另一方面，当在大概阀116运行的同时打开阀128时，通过驱动器150启动到螺线管主体88的电力供应。当螺线管主体88激励时，在螺线管主体88的周围和内部产生磁场，通过磁场使磁芯90磁化。由于磁芯90被磁化，所以由铁磁材料制成的柱塞92的基底部分94被吸向磁芯90。
因此，如图2所示，使柱塞92下降，与止动弹簧100的第三偏置力相抵。从而，在这种情形下，防止了止动弹簧100的第三偏置力通过柱塞92作用在阀体58上。
另外，当阀128打开时，容器18中的氢气通过减压阀10的通道孔。通过通道孔48的高压氢气作为主压力室50中的主压力P1作用在阀体58上。
如图3中所示，等于主压力P1与对应于通道孔48打开面积的阀面积S1的乘积(即，Pa＝P1×S1)的压力Pa作用在阀体58上。另外，由于主压力侧合力Fx，阀体58被压向通道孔48，其中合力Fx等于压力P1与阀支撑弹簧62的第一偏置力F1的和。
由于主压力侧合力Fx而被挤压的阀体58通过加压块64将活塞66的下表面向上推。另外，压力调节弹簧86的第二偏置力F2沿着与主压力侧合力Fx相反的方向作用在活塞66上。
当压力调节弹簧86的第二偏置力大于主压力侧合力Fx时，由于压力调节弹簧86的第二偏置力F2抵抗主压力侧合力Fx，通过加压块64将阀58向下推(由图3中双点划线表示的状态)。因此，通道孔48打开，使得允许氢气从主压力室50通过通道孔48流向副压力室52。
流向副压力室52的氢气通过供给部分28通到减压阀10的外部(即，容器18的外部)。通到减压阀10外部的氢气通过压力计132和流量计130，从阳极侧气体供应部分126作为阳极气体供应进电池堆112。
如上，当氢气作为阳极气体供应进电池堆112，并且空气作为阴极气体供应进电池堆112时，从位于电解质薄膜阳极侧的催化剂层中的氢分子(H2)产生氢离子(H+)和电子(e-)。允许氢离子渗透通过电解质薄膜，并到达位于电解质薄膜阴极侧的催化剂层。
在另一方面，电子形成通过外部电流流向图4中所示的负载136的电流，该电流用作负载136的动力。在阴极侧催化剂层中，通过渗透穿过电解质薄膜的氢离子、空气中的氧分子(O2)以及从负载136通过外部电路到达阴极侧催化剂层的电子引起电化学反应，从而产生水。
这样产生的水与阴极废气一起从阴极侧气体排出部分124排出，其中阴极废气为电化学反应结束之后的空气。
在另一方面，如上，当氢气从主压力室50流向副压力室52时，在副压力室52中流动的氢气的压力作为副压力作用在活塞66上，如图3中所示。因此，等于活塞66的下表面面积S2与通道孔48的打开面积S1之差同副压力P2的乘积的力(即，Pb＝(S2-S1)×P2)作用在活塞66上，作为将活塞66向上推的力。
另外，压力调节弹簧86的第二偏置力F2和活塞66与主体12上底部分72之间的大气压力Pc以抵消压力Pb的方式作用在活塞66上。从而，在这种情形下，等于副压力P2、第二偏置力F2和大气压力Pc之和的副压力侧合力Fy作用在活塞66上。
当由于氢气从主压力室50流进副压力室52而提高了副压力P2时，副压力侧合力Fy减小。由于副压力侧合力Fy减小，所以副压力侧合力Fy变得不能抵抗主压力侧合力Fx，使得活塞66被阀体58的加压块64挤压以向上推。因此，随着活塞和阀体58向上移动，通道孔48由阀体58部分地或全部地关闭。
如上，当通道孔48由阀体58部分地或全部地关闭时，停止或减少氢气从主压力室50流进副压力室52，使得副压力P2降低。当由于副压力P2降低而增加了副压力侧合力Fy时，副压力侧合力Fy抵抗主压力侧合力Fx，通过压力块64将阀体58向下推。
从而，通道孔48部分地或全部地打开。如此，氢气在副压力P2下通到减压阀10的外部(容器10的外部)，其中与主压力P1相比，副压力P2充分地降低，以使氢气供应进电池堆112。
其间，当关闭阀128以停止燃料电池系统110时，关闭氢气在容器18与阀128之间的流动通道，使得副压力P2升高。
当由于副压力P2增加而副压力侧合力Fy降低时，阀体58的加压块64挤压活塞66以将其向上推。因此，随着活塞66和阀体58向上移动，通道孔48被阀体58关闭。
在这种情形下，如果在阀体58与通道孔48之间形成间隙，那么引起氢气从主压力室50通过间隙泄漏到副压力室52。这样，提高了副压力P2，使得阀体58进一向上移动。基本上，当通道孔48被阀体58关闭时，在流量计118处检测的氢气流动速率值Hs变得低于下限设定值Hu。
因此，从比较器142输出高水平信号。当从比较器142输出的高水平信号输入到或门148时，从或门148输出高水平信号。从或门148输出的高水平信号输入到驱动器150，其随后中断到螺线管主体88的电力供应。
由于中断了到螺线管主体88的电力供应，所以消除了在螺线管主体88周围和内部形成的磁场，同时解除了磁芯90的磁化。由于解除了磁芯90的磁化，所以解除了磁芯90对柱塞92的基底部分94的吸引，使得由于止动弹簧100的第三偏置力F3，柱塞92向上移动，如图1中所示。
这样向上移动的柱塞92将其加压部分98与阀体58(主体60)相接触，使得由于基于止动弹簧100的第三偏置力F3将阀体58从下方向上推动。如上，由于将阀体58向上推动，所以阀体58的上端与通道孔48的内圆周紧密接触，从而关闭了通道孔。
如上，由于关闭了通道孔，所以能够确实地防止从主压力室50到副压力室52的氢气泄漏(气压泄漏)，使得还能肯定地防止在副压力室52上疏忽的压力增加。如上，由于能够防止阀128关闭时在副压力室52中无心的压力增加，所以能够防止当再次打开阀128时，高压氢气非故意地作为阳极气体供给到电池堆112，因此能够肯定地防止电池堆112等由于非故意地供给到电池堆112的高压氢气而损坏。
在另一方面，如上，即使在流量计118处检测的氢气流动速率值Hs不变成低于下限设定值Hu，在主压力室50侧的氢气也能通过通道孔48与阀体58之间的间隙泄漏到副压力室52，使得副压力P2升高。副压力P2由压力计132检测，从压力计132输出基于检测(基于副压力P2的大小)的压力信号Ps。
从压力计132输出的压力信号Ps输入到比较器144。当增加的副压力P2超过基于预定上限压力值Po的压力时，由于从主压力室50侧到副压力室52侧的氢气泄漏，从比较器144输出高水平信号。
当从比较器144输出的高水平信号输入到或门148时，从或门148输出高水平信号。从或门148输出的高水平信号输入到驱动器150，其响应于该信号中断到螺线管主体88的电力供应。
因此，当流量计118检测的氢气流动速率值Hs低于下限设定值Hu时，中断到螺线管主体88的电力供应，通过由于止动弹簧100的第三偏置力F3而向上移动的柱塞92的加压部分98将阀体58从下方向上推动。因此，如上所述，通道孔48由阀体58关闭，使得能够确定地防止从主压力室50到副压力室52的氢气泄漏(气压泄漏)，因而还能够确定地防止在副压力室52侧无心的压力升高。
其间，从压力计131输出的压力信号Ps不只输入到比较器144，还输入到比较器146。输入到比较器146的压力信号Ps与预设下限压力值Pu比较，当副压力P2变得低于下限压力值Pu时，从比较器146输出高水平信号。
当从比较器146输出的高水平信号输入到或门148时，从或门148输出高水平信号。从或门148输出的高水平信号输入到驱动器150，其响应于该信号中断到螺线管主体88的电力供应。因此，通过由于止动弹簧100的第三偏置力F3而向上移动的柱塞92的加压部分98将阀体58从下方向上推动。
这里，例如，当按理不应当流动的大量氢气却由于某些异常流动时，副压力P2会极大地降低。在减压阀10中，当副压力P2变得低于基于上述下限压力值Pu的压力时，不管主压力侧合力Fx和副压力侧合力Fy的大小以及它们之间的差，通过由于止动弹簧100的第三偏置力F3而向上移动的柱塞92的加压部分98将阀体58强制地向上推。因此，防止了由于减压阀10或其它部分的故障或损坏而比预定量大的氢气量流出。
另外，减压阀10构造成使得柱塞92基于第三偏置力F3的挤压力施加到应用了阀支撑弹簧62的第一偏置力F1的一个阀体58上。为此，可使本减压阀10比传统结构更加紧凑，并可应用为安装到容器18的封口圈部分20的所谓“容器内型”减压阀，其中在传统结构中，减压阀与调节器彼此简单地排列和组合。
尽管在本实施例中，通过应用于燃料电池系统110示出和描述了减压阀10，但是减压阀10决不是限于应用到燃料电池系统，而是提供其高压流体要以减压状态传送的广大应用范围。
当燃料电池系统110安装在机动车辆上用作机动车辆的驱动能源时，容器18中存储的氢气容量越大，该系统就越优选，但是容器18的尺寸小是更优选的。当考虑到这点时，容器18内包含的氢气的压力往往变得非常高，因此容器18内的压力与传送到电池堆112的压力之间的差变大。
在这样的结构中，应用本减压阀10是非常有效的，如上，其能够确定地防止由于由通道孔48被阀体58关闭时，通过由加压部分98从下方向上推的阀体58紧密地关闭通道孔48，而从主压力室50侧到副压力室52侧的氢气泄漏。
另外，如上，由于本减压阀10比传统结构更加紧凑，并可应用为安装到容器18的封口圈部分20的所谓“容器内型”减压阀，从这一点来看，本减压阀10同样能有助于减小燃料电池系统10的体积，其中在传统结构中，减压阀与调节器彼此简单地排列和组合。
另外，在本实施例中，螺线管控制装置140中断到螺线管主体88的电力供应的条件是下列三个条件中的至少一个：当在电池堆112中流动的氢气流动速率变得低于或等于预设下限流动速率值Hu时；当在电池堆112中流动的氢气压力变得高于或等于上限压力值Po时；以及当在电池堆112中流动的氢气压力变得低于或等于下限压力值Pu时。但是，中断到螺线管主体88的电力供应的条件可以只是上述三个条件中的任何一个或两个，并可选择地为除了上述三个条件以外的其它条件。
另外，尽管在本实施例中，构造了螺线管控制装置140以包括上述比较器142、144和146与或门148，但是还可采用其它结构，例如，通过使用确定例如上述的条件是否满足的程序的软件来执行软件控制，而不使用比较器142、144和146与或门148。
下面，对本发明的第二实施例进行描述。其间，与第一实施例基本相同的那些部分由相同的附图标记表示，并省略其更多的描述。
参考图6，示出了根据该实施例的减压阀170的结构的截面图。
如图6中所示，减压阀170包括替代阀架32的阀架172。与阀架32的情形相同，阀架172中容纳有阀体58和阀支撑弹簧62。但是，与阀架32不同的是，阀架172具有设置其在垂直方向上中间部分的中底部分174，阀支撑弹簧62位于中底部分174上。
另外，减压阀170包括作为驱动装置的电机致动器176，其组成了干扰装置。电机致动器176包括电机178。在形成电机178的电机壳体或轭铁的外围部分上设置有凸缘部分180，其封闭了阀架172的下开口端。
阀架172内部在中底部分174下方容纳有电机178的输出轴182。另外，在阀架172的内侧设置有线性导杆184。线性导杆184包括其内径大于输出轴182外径的圆柱形管体186，并且当其容纳输出轴182时与输出轴182同轴地布置。
管体186的内圆周和输出轴182的外圆周上分别形成有螺旋槽，在螺旋槽之间布置有多个滚珠188。具体地，其构造成由输出轴182、管体186和多个滚珠188形成滚珠螺杆，使得管体186响应于输出轴182绕其自身轴线沿一个方向的旋转而向下滑动。
另外，在管体186的下端与电机178的电机壳体或轭铁上端之间布置有止动弹簧100。即，在该实施例中，是管体186而不是柱塞92由于止动弹簧100的第三偏置力F3向上偏置。另外，管体186的上端部分穿过中底部分174，在阀体58的主体60下方且与主体60的下表面成相对关系的位置，管体186的上端部分整体地固定有圆柱形加压部分190。
因此，在根据该实施例的减压阀170中，当操作电机178使得输出轴182绕其自身轴线沿一个方向旋转时，线性导杆184的管体186抵靠着止动弹簧100的第三偏置力F3向下移动。
当电机178停止时，止动弹簧100使输出轴182沿另一个方向旋转，同时通过其第三偏置力F3将管体186向上推动。因此，加压部分190向上移动以与阀体58的下表面(主体60的下表面)相接触，并且由于基于止动弹簧100的第三偏置力F3的挤压力，将阀体58向上推动。
从上面的讨论中应当理解，根据该实施例的减压阀170与根据前面第一实施例的减压阀10在驱动装置的结构方面不同。但是，就通过设置的加压部分190替代加压部分98来将阀体58从下方向上推动而言，根据该实施例的减压阀170执行的操作与根据第一实施例的减压阀10基本上相同，与阀支撑弹簧62无关。因此，根据该实施例的减压阀170也能产生与第一实施例基本上相同的效果。
尽管在上述各实施例中，采用了通过使用止动弹簧100的第三偏置力F3的加压部分98或190将阀体58向上推动的结构，但是还可选择地采用其它结构，例如，响应于由于螺线管主体88产生的磁场或由于电机178的旋转力而向上移动的加压部分98或190，将阀体58向上推动，以替代由于偏置装置如止动弹簧100的偏置力而向上推动阀体58。在这种可选结构中，出于使加压部分98或190远离阀体58的目的，可设置另外的弹簧。
另外，尽管在上述各实施例中，使用螺线管54和电机178构造驱动装置，但是驱动装置的结构决不是限于使用螺线管54和电机178，而是驱动装置可通过任意的方法构造，使得加压部分98或190可向上或向下移动。
Claims (16)
1.一种减压阀，包括：
阀体，所述阀体以可移动地与通道孔相接触和脱离接触的方式，当沿着流体流的方向观看时设置于所述通道孔的更上游位置，其中流体通过所述通道孔流通，所述阀体构造成由于指向所述通道孔的第一偏置力而向所述通道孔偏置，并由于主压力侧合力沿着靠近所述通道孔的方向移动，从而关闭所述通道孔，其中所述主压力侧合力由主压力引起的力与所述第一偏置力的组合而产生，所述主压力是在比所述通道孔更上游位置的流体的压力；
压力调节元件，所述压力调节元件以可朝着所述通道孔移动或远离所述通道孔的方式，当沿着所述流体流的方向观看时设置在所述通道孔的下游位置，并隔着所述通道孔在所述阀体的相对侧，所述压力调节元件构造成由于指向所述通道孔方向的第二偏置力而偏置，并且当副压力侧合力超过所述主压力侧合力时，使所述阀体从所述通道孔间隔开，其中所述副压力侧合力由所述第二偏置力同由于副压力与大气压力之间的压力差产生的力所组合而产生，其中所述副压力为在比所述通道孔更下游位置的所述流体流的流体压力；以及
干扰装置，所述干扰装置能够干扰所述阀体和解除与所述阀体的干涉，并在干扰所述阀体的状态中限制所述阀体沿着离开所述通道孔的方向移动。
2.如权利要求1所述的减压阀，其中，所述干扰装置在干扰所述阀体的状态中将所述阀体压向所述通道孔。
3.如权利要求1所述的减压阀，其中所述干扰装置包括：
干扰元件，以可移动地与所述阀体相接触和脱离接触的方式，沿着所述阀体移动到与所述通道孔相接触和脱离接触的方向设置在所述阀体的与所述通道孔相对的一侧，所述干扰元件构造成通过沿着靠近所述阀体方向的移动接触并干扰所述阀体；以及
驱动装置，用来使所述干扰元件沿着下述方向中至少一个移动：靠近所述阀体的方向；或远离所述阀体的方向。
4.如权利要求2所述的减压阀，其中所述干扰装置包括：
干扰元件，以可移动地与所述阀体相接触和脱离接触的方式，沿着所述阀体移动到与所述通道孔相接触和脱离接触的方向设置在所述阀体的与所述通道孔相对的一侧，所述干扰元件构造成通过沿着靠近所述阀体方向的移动而接触并干扰所述阀体；以及
驱动装置，用来使所述干扰元件沿着下述方向中至少一个移动：靠近所述阀体的方向；或远离所述阀体的方向。
5.如权利要求3所述的减压阀，还包括：
偏置装置，使所述干扰元件沿着靠近所述阀体的方向或沿着远离所述阀体的方向偏置，其中所述驱动装置使所述干扰元件只沿着与所述偏置元件使所述干扰元件偏置的方向基本上相反的方向移动。
6.如权利要求4所述的减压阀，还包括：
偏置装置，使所述干扰元件沿着靠近所述阀体的方向或沿着远离所述阀体的方向偏置，其中所述驱动装置使所述干扰元件只沿着与所述偏置元件使所述干扰元件偏置的方向基本上相反的方向移动。
7.如权利要求1所述的减压阀，其中在下列状态的至少一个状态中，所述干扰装置与所述阀体干涉：通过所述通道孔的流体的流动速率等于或低于预设预定值的状态、所述通道孔下游侧的压力高于预定值的状态、和所述通道孔下游侧的压力低于预定值的状态。
8.如权利要求2所述的减压阀，其中在下列状态的至少一个状态中，所述干扰装置与所述阀体干涉：通过所述通道孔的流体的流动速率等于或低于预设预定值的状态、所述通道孔下游侧的压力高于预定值的状态、和所述通道孔下游侧的压力低于预定值的状态。
9.如权利要求3所述的减压阀，其中在下列状态的至少一个状态中，所述干扰装置与所述阀体干涉：通过所述通道孔的流体的流动速率等于或低于预设预定值的状态、所述通道孔下游侧的压力高于预定值的状态、和所述通道孔下游侧的压力低于预定值的状态。
10.如权利要求4所述的减压阀，其中在下列状态的至少一个状态中，所述干扰装置与所述阀体干涉：通过所述通道孔的流体的流动速率等于或低于预设预定值的状态、所述通道孔下游侧的压力高于预定值的状态、和所述通道孔下游侧的压力低于预定值的状态。
11.如权利要求5所述的减压阀，其中在下列状态的至少一个状态中，所述干扰装置与所述阀体干涉：通过所述通道孔的流体的流动速率等于或低于预设预定值的状态、所述通道孔下游侧的压力高于预定值的状态、和所述通道孔下游侧的压力低于预定值的状态。
12.如权利要求6所述的减压阀，其中在下列状态的至少一个状态中，所述干扰装置与所述阀体干涉：通过所述通道孔的流体的流动速率等于或低于预设预定值的状态、所述通道孔下游侧的压力高于预定值的状态、和所述通道孔下游侧的压力低于预定值的状态。
13.一种减压阀，包括：
阀体，所述阀体以可移动地与通道孔相接触和脱离接触的方式，当沿着流体流的方向观看时设置于所述通道孔的更上游位置，其中流体通过所述通道孔流通，所述阀体构造成由于指向所述通道孔的第一偏置力而向所述通道孔偏置，并由于主压力侧合力沿着靠近所述通道孔的方向移动，从而关闭所述通道孔，其中所述主压力侧合力由主压力引起的力与所述第一偏置力的组合而产生，所述主压力是在比所述通道孔更上游位置的流体的压力；
压力调节元件，所述压力调节元件以可朝着所述通道孔移动或远离所述通道孔的方式，当沿着所述流体流的方向观看时设置在所述通道孔的下游位置，并隔着所述通道孔在所述阀体的相对侧，所述压力调节元件构造成由于指向所述通道孔方向的第二偏置力而偏置，当副压力侧合力超过所述主压力侧合力时，使所述阀体从所述通道孔间隔开，其中所述副压力侧合力由所述第二偏置力同由于在比所述通道孔更下游位置的所述流体流的流体压力与大气压力之间的压力差产生的力所组合而产生；以及
干扰装置，所述干扰装置能够干扰所述阀体和解除与所述阀体的干涉，并在干扰所述阀体的状态中限制所述阀体沿着远离所述通道孔的方向移动，所述干扰装置包括：
干扰元件，以可移动地与所述阀体相接触和脱离接触的方式，沿着所述阀体移动到与所述通道孔相接触和脱离接触的方向设置在所述阀体的与所述通道孔相对的一侧，所述干扰元件构造成通过沿着靠近所述阀体方向的移动而接触并干扰所述阀体；以及
驱动装置，用来使所述干扰元件沿着下述方向中至少一个移动：靠近所述阀体的方向；或远离所述阀体的方向。
14.一种减压阀，包括：
阀体，所述阀体以可移动地与通道孔相接触和脱离接触的方式，当沿着流体流的方向观看时设置于所述通道孔的更上游位置，其中流体通过所述通道孔流通，所述阀体构造成由于指向所述通道孔的第一偏置力而向所述通道孔偏置，并由于主压力侧合力沿着靠近所述通道孔的方向移动，从而关闭所述通道孔，其中所述主压力侧合力由主压力引起的力与所述第一偏置力的组合而产生，所述主压力是在比所述通道孔更上游位置的流体的压力；
压力调节元件，所述压力调节元件以可朝着所述通道孔移动或远离所述通道孔的方式，当沿着所述流体流的方向观看时设置在所述通道孔的下游位置，并隔着所述通道孔在所述阀体的相对侧，所述压力调节元件构造成由于指向所述通道孔方向的第二偏置力而偏置，并且当副压力侧合力超过所述主压力侧合力时，使所述阀体从所述通道孔间隔开，其中所述副压力侧合力由所述第二偏置力同由于在比所述通道孔更下游位置的所述流体流的流体压力与大气压力之间的压力差产生的力所组合而产生；以及
干扰装置，所述干扰装置能够干扰所述阀体和解除与所述阀体的干涉，并在干扰所述阀体的状态中限制所述阀体沿着远离所述通道孔的方向移动，所述干扰装置包括：
干扰元件，以可移动地与所述阀体相接触和脱离接触的方式，沿着所述阀体移动到与所述通道孔相接触和分离的方向设置在所述阀体的与所述通道孔相对的一侧，所述干扰元件构造成通过沿着靠近所述阀体方向的移动而接触并干扰所述阀体；以及
驱动装置，用来使所述干扰元件沿着下述方向中至少一个移动：靠近所述阀体的方向；或远离所述阀体的方向；
其中偏置装置使所述干扰元件沿着靠近所述阀体的方向或沿着远离所述阀体的方向偏置，其中所述驱动装置使所述干扰元件只沿着与所述偏置元件使所述干扰元件偏置的方向基本上相反的方向移动；并且
其中在下列状态的至少一个状态中，所述干扰装置与所述阀体干涉：通过所述通道孔的流体的流动速率等于或低于预设预定值的状态、所述通道孔下游侧的压力高于预定值的状态、和所述通道孔下游侧的压力低于预定值的状态。
15.如权利要求14所述的减压阀，其中在下列状态的所有状态中，所述干扰装置与所述阀体干涉：通过所述通道孔的流体的流动速率等于或低于预设预定值的状态、所述通道孔下游侧的压力高于预定值的状态、和所述通道孔下游侧的压力低于预定值的状态。
16.如权利要求14所述的减压阀，其中在下列状态的所有状态中，所述干扰装置与所述阀体干涉：通过所述通道孔的流体的流动速率等于或低于预设预定值的状态、所述通道孔下游侧的压力高于预定值的状态、和所述通道孔下游侧的压力低于预定值的状态以及至少一个其它的状态。
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