JP2005339321A

JP2005339321A - 圧力調整器

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Publication number: JP2005339321A
Application number: JP2004159040A
Authority: JP
Inventors: Yasuaki Nakamura; 保昭中村
Original assignee: Tokai Corp
Current assignee: Tokai Corp
Priority date: 2004-05-28
Filing date: 2004-05-28
Publication date: 2005-12-08
Anticipated expiration: 2024-05-28
Also published as: US20050263189A1; JP4404692B2

Abstract

【課題】流体の１次圧力の変動にかかわらず一定の２次圧力を得るよう圧力を調整するについて、特に低圧域でも精度良く一定の２次圧力に調整し得る機構を、小型で簡便な構造で構成する。
【解決手段】１次圧力流体を導入する導入口13と、２次圧力に減圧する１次調整弁３と、１次調整弁３を経た流体が流入する調圧室11と、２次圧力を受けて偏位するダイヤフラム２と、ダイヤフラム２と１次調整弁３を連動させるシャフト６と、ダイヤフラム２の偏位量を調整する圧力設定部５と、２次圧力流体を排出する排出口14とを備え、更にシャフト６には、１次調整弁３と連動して作動し、１次調整弁３を経て調圧室11に流入する流体を、１次調整弁３とは逆の開閉動作により調圧し、１次調整弁３とは１次圧力変化に対する調圧特性が逆特性となる２次調整弁４を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、１次圧力を減圧して一定の２次圧力を得るための圧力調整器に関し、例えば燃料電池に低圧液体燃料またはガス燃料を長時間安定して供給する際に使用するのに適した性能を有する圧力調整器に関するものである。

通常、液化ガス利用機器、ガス供給設備等では、高圧ガス減圧用として圧力レギュレーターまたはガバナーとも呼ばれる圧力調整器が広く利用されてきた。これら圧力調整器は２次圧力をダイヤフラムで検知し、ダイヤフラムの偏位に連動して動く調整弁を持ち、１次圧力が変動しても２次圧力が一定となるよう調整弁を作動させ、所定の２次圧力を得るようにした構造となっている（例えば、特許文献１参照）。

これら圧力調整器は、作動する１次圧力の範囲、応答性、安定性から種々の構造が実用化されており、要求される２次圧力の品質から１種類もしくは数種類の圧力調整器を組み合わせて所定の２次圧力を得ている。

以下に一般的な圧力調整器の基本構造を図１０に基づき説明する。図１０(ａ)は、単弁式圧力調整器を示す概略図である。この圧力調整器２００は、ケース２０１内に調圧室２０２を画成するダイヤフラム２０４と、１次圧力の高圧ガスが導入される導入口２０５と、ダイヤフラム２０４に連係されて導入口２０５から調圧室２０２に連通する開口２０６ｃを１次圧力側より開閉して１次圧力を２次圧力へ減圧調整する調整弁２０６と、調圧室２０２を経た２次圧力のガスを排出するガス排出口２０８と、ダイヤフラム２０４を調整弁２０６の開方向へ付勢して２次圧力を設定する調圧スプリング２０９とにより構成されてなる。

この単弁式圧力調整器２００の原理は大気圧と２次圧力との差圧の検出によるもので、ダイヤフラム２０４の面積および大気圧と２次圧力との差圧から生まれる力が調整弁２０６の閉方向に作用し、調圧スプリング２０９の付勢力が調整弁２０６の開方向に作用し、両者が釣り合った状態で２次圧力を設定圧力に維持する。排出側すなわち調圧室２０２の２次圧力がこの設定圧力より高ければダイヤフラム２０４は大気側へ偏位し、調整弁２０６は開口２０６ｃを閉じる方向に作動し、逆に２次圧力が設定圧力より低ければダイヤフラム２０４は調圧室２０２側へ偏位し、調整弁２０６は開口２０６ｃを開く方向に作動する。つまり、前記差圧の検出による動きをガス導入側の調整弁２０６に伝え、その開閉作動による圧力調整で２次圧力を一定に保つものである。

しかし、上記単弁式圧力調整器２００の場合、調整弁２０６に流れるガス流により圧力損失が生じ、この圧力損失値と調整弁２０６の面積からダイヤフラム２０４を大気側へ偏位させる力、すなわち調整弁２０６を閉じる方向の力が余計に生じ、この力は調整弁２０６が１次圧力側から開口２０６ｃを開閉するために、１次圧力が上昇すると大きくなる特性となり、１次圧力の上昇に伴い２次圧力が徐々に低下しやがてガス流が止まってしまうことになる。

図１０(ｂ)は、複弁式圧力調整器を示す概略図である。この複弁式圧力調整器３００は、ケース３０１内を調圧室３０２を画成するダイヤフラム３０４と、１次圧力の高圧ガスが導入される導入口３０５と、ダイヤフラム３０４に連係されて導入口３０５から調圧室３０２に連通する第１の開口３０６ｃを開閉して１次圧力を２次圧力へ減圧調整する調整弁３０６と、同様にダイヤフラム３０４に連係されて導入口３０５から迂回路３０３を経て調圧室３０２に連通する第２の開口３０７ｃを開閉して１次圧力を２次圧力へ減圧調整する複調整弁３０７と、調圧室３０２を経た２次圧力のガスを排出する排出口３０８と、ダイヤフラム３０４を調整弁３０６および複調整弁３０７の開方向へ付勢して２次圧力を設定する調圧スプリング３０９とにより構成されてなる。

そして、上記２つの調整弁３０６と複調整弁３０７は、一方の調整弁３０６が調圧室３０２への第１の開口３０６ｃを１次圧力側から開閉し、他方の複調整弁３０７が第２の開口３０７ｃを２次圧力側から開閉するように設置されている。これにより、複弁式圧力調整器３００では、調整弁３０６と複調整弁３０７に発生する圧力損失による力は、調整弁３０６と複調整弁３０７で互いに逆方向となるように作用して打ち消しあい、１次圧力の上昇に伴う２次圧力の低下を補正し一定に保つことが可能となる。

しかし複弁式圧力調整器３００では、性能は良いものの、２つの調整弁３０６と複調整弁３０７の配置が難しく、たとえ両方の調整弁３０６および複調整弁３０７を同時に弁座に接するよう配置できたとしても、それぞれの調整弁３０２および複調整弁３０７を通過するガス流の圧力損失が同じとは限らず、１次圧力による調整弁３０６および複調整弁３０７に作用する力を完全に打ち消しあうように構成するのは非常に困難である。
特開平８−３０３７７３号公報

上記のような圧力調整器における理想特性は、入力側の１次圧力が変動しても、一定の安定した２次圧力を出力することであるが、実際には単純なダイヤフラムと調整弁とを備えた単弁式圧力調整器では、構造が簡単ではあるが、前述のように調整弁の圧力損失により１次圧力上昇に伴って２次圧力が低下する調圧特性となるとともに、広い１次圧力範囲で精度良く２次圧力を得るのは困難である。また、調整弁に作用する圧力損失を打ち消すように複調整弁を備えた複弁式圧力調整器では、本体構造が複雑かつ大きくなり、互いの弁位置関係が厳密で２つの調整弁の配置が難しく、原理的には優れているが実現させるのは難しい。

ところで、本発明の圧力調整器は、例えば燃料電池本体にその燃料を供給するための圧力レギュレーション用にも適用できるように開発したものであるが、燃料電池への燃料供給は極低圧で行う場合があることと、全体を小型にする要求がある。

つまり、２次圧力が低いということは、この２次圧力の変動幅を小さくし、調圧精度を高めないと、２次圧力が低圧側に振れた際にその圧力が０となる可能性があり、１次圧力が各種要因で広い範囲で変化してもそれに応じて２次圧力が変動せず、設定圧力に精度よく調圧することが要求される。

また、例えば燃料電池用の燃料を収容する圧力容器は、その収容燃料を消費した際には交換が必要となるが、その交換時に、燃料が漏れるのを防止する必要があり、これらの調圧機能および漏れ防止機能をコンパクトに構成することが要求される。

本発明はこのような点に鑑みなされたもので、流体の１次圧力の変動にかかわらず一定の２次圧力を得るよう圧力を調整するについて、特に低圧域でも精度良く一定の２次圧力に調整し得る機構を、小型で簡便な構造で構成した圧力調整器を提供することを目的とするものである。

本発明の圧力調整器は、１次圧力を有する流体を導入する導入口と、１次圧力を２次圧力に減圧する１次調整弁と、該１次調整弁を通過した流体が流入する調圧室と、該調圧室と大気室とを画成し、調圧室の２次圧力を受けて偏位するダイヤフラムと、該ダイヤフラムと前記１次調整弁を連動させるシャフトと、前記ダイヤフラムの偏位量を調整する圧力設定部と、２次圧力を有する流体を排出する排出口とを備えた圧力調整器において、
前記シャフトには、前記１次調整弁と連動して作動し、前記１次調整弁を経て前記調圧室に流入する流体を、前記１次調整弁とは逆の開閉動作により調圧し、前記１次調整弁とは１次圧力変化に対する調圧特性が逆特性となる２次調整弁を備えたことを特徴とするものである。

その際、前記シャフトには前記１次調整弁の投影面積に作用する圧力損失と、前記２次調整弁の投影面積に作用する圧力損失とが同方向に加わるように構成するのが好適である。

前記シャフトが、前記１次調整弁を支持する軸部と、前記２次調整弁を支持する軸部とに分割され、両軸部間でケースが着脱可能に分割されるように構成できる。その際、前記１次調整弁を備えた着脱部位が、供給流体を収容した圧力容器に装着され、前記２次調整弁を備えた本体部位が、前記圧力容器よりの流体を受ける器具に設置するのが好適である。また、前記シャフトにおける前記１次調整弁を保持する分割された軸部は、該軸部を１次調整弁の閉弁方向に付勢する弁バネを備え、前記２次調整弁を保持する軸部との分離時に１次調整弁を閉止状態に保持するのが好ましい。

一方、前記シャフトに、前記１次調整弁および前記２次調整弁が、所定間隔で設置され、１つの開口を両側から逆動作で開閉するように構成してもよい。

前記流体がメタノール水溶液、エタノール水溶液等の燃料電池用液体燃料である場合と、前記流体がジメチルエーテルを含む場合とに適用可能である。

上記のような本発明によれば、２次圧力を受けて偏位するダイヤフラムにより作動するシャフトに、１次圧力を２次圧力に減圧する１次調整弁に加え、この１次調整弁と連動して作動し、１次調整弁を経た流体を１次調整弁とは逆の開閉動作により調圧し、１次調整弁とは１次圧力変化に対する調圧特性が逆特性となる２次調整弁を備え、調圧特性が逆特性の２つの調整弁を組み合わせたことにより、１次圧力変動に対する一定の２次圧力への減圧調整が精度良く行え、低圧の２次圧力への調圧においても２次圧力が０となることがなく、一定の２次圧力が簡単な構造により維持できる。

１次調整弁の投影面積に作用する圧力損失と、２次調整弁の投影面積に作用する圧力損失とが同方向に加わるように設けると、逆特性の調圧特性の確保および機構の簡素化が容易に図れる。

また、１次調整弁と２次調整弁とを互いに異なる方向に作用するように配置することにより、両調整弁の設置位置関係の寸法精度がラフでも、良好な調圧特性を得ることができ、製造が容易となる。

さらに、２次調整弁は不使用時には逆止弁として機能し、流体の逆流防止が図れ、この圧力調整器を設置する機器本体への流体漏れの影響がなく実用的である。

特に、シャフトが１次調整弁を支持する軸部と２次調整弁を支持する軸部とに分割され、両軸部間でケースが着脱可能に分割されるように構成したものでは、流体を収容した圧力容器の機器本体への着脱交換が簡易に行え、燃料電池用の燃料供給機構に好適に適用できる。

一方、シャフトに、１次調整弁および前記２次調整弁を所定間隔で設置し、１つの開口を両側から逆動作で開閉するように構成すると、コンパクトに圧力調整器が構成できる。

前記流体がメタノール水溶液、エタノール水溶液等の燃料電池用液体燃料である場合と、前記流体がジメチルエーテルを含む場合とに、対象流体が気体・液体の両方に適用可能である。

以下、本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は一つの実施の形態にかかる圧力調整器の断面図、図２は図１の圧力調整器の分離状態を示す断面図、図３は他の実施形態にかかる圧力調整器の流体供給状態を示す断面図、図４は図３の圧力調整器の不使用状態の断面図である。図５は本発明圧力調整器の圧力調整機能を説明するための機構図、図６は１次圧力に対する２次圧力の調圧特性を示す特性図である。図７は図１の実施形態の圧力調整器に燃料電池用圧力容器を接続した状態の断面図である。図８は２次圧力を高圧に設定した実施例における調圧特性を示すグラフ、図９は２次圧力を低圧に設定した実施例における調圧特性を示すグラフである。

図１に示す第１の実施形態の圧力調整器１０は、ケース１内を調圧室１１と大気室１２とに画成するダイヤフラム２と、１次圧力の流体（液体またはガス）が導入される導入口１３と、ダイヤフラム２に連動して導入口１３から中間室２２を経て調圧室１１に連通する開口３３を調圧室１１と反対側より開閉して導入１次圧力を２次圧力へ減圧調整する１次調整弁３と、ダイヤフラム２に連動して導入口１３から中間室２２を経て調圧室１１に連通する開口４３を調圧室１１側より開閉して２次圧力をさらに調整する２次調整弁４と、調圧室１１より圧力調整された２次圧力の流体を排出する排出口１４と、調圧室１１の２次圧力を受けて偏位するダイヤフラム２の偏位量を調整する圧力設定部５とを備える。

さらに、ダイヤフラム２と１次調整弁３および２次調整弁４は分割構造のシャフト６で連動され、ケース１は前記ダイヤフラム２および２次調整弁４を収容する本体部１５およびカバー部１６を含む本体部位と、前記１次調整弁３を収容する本体部１５に着脱可能に構成された着脱部１７を含む着部位とに分割構造とされている。

そして、前記１次調整弁３と２次調整弁４とは、ダイヤフラム２の偏位に伴うシャフト６の移動に対応して連動し、互いに逆の開閉動作により１次圧力を２次圧力に調圧するものであって、その１次圧力変化に対する調圧特性が、１次調整弁３と２次調整弁４とでは逆特性となっている。

これにより、前記シャフト６には、前記１次調整弁３の投影面積Ｓ１に１次圧力が作用した圧力損失と、前記２次調整弁４の投影面積Ｓ２に２次圧力が作用した圧力損失とが同方向に加わり、両調整弁３，４の調圧特性の組み合わせにより、１次圧力変動に応じた圧力損失変動による２次圧力の調圧誤差を補償して、２次圧力の一定化を得るものである。

さらに、前記１次調整弁３および２次調整弁４は、シャフト６の移動に対して反対方向よりそれぞれの弁座３２，４２に着座し、開閉動作が逆となって、両者の取付位置誤差による調圧変動を解消し、作製精度の緩和による製造の容易化を図っている。

次に、構造を具体的に説明する。前記ケース１は、前述のように、本体部１５とカバー部１６と着脱部１７とからなり、本体部１５とカバー部１６とを前記ダイヤフラム２を介して接合することにより、ケース内空間がダイヤフラム２によって本体部１５側の調圧室１１とカバー部１６側の大気室１２とに画成される。調圧室１１は、ある程度の容積を有し、１次調整弁３を通過した流体の圧力振動を緩和する。

ダイヤフラム２は、調圧室１１の２次圧力を受けて大気室１２との圧力差に応じて弾性偏位可能であり、その中心部には、本体部１５側にシャフト６が、カバー部１６側にサポータ８がそれぞれ固着され、ダイヤフラム２の偏位に応じて一体に軸方向に移動可能である。

シャフト６は、ダイヤフラム２に固着され調圧室１１に位置するボス部６３と、このボス部６３の先端から軸方向に延長された第１軸部６１と、第１軸部６１の延長線上に位置し、第１軸部６１と一体に移動する第２軸部６２とを分割して備え、この第２軸部６２の先端に周溝部６５を有し、この周溝部６５に１次調整弁３のＯ−リング（弾性体）による弁体３１が装着され、さらに、前記第１軸部６１の根本部分でボス部６３の先端面に２次調整弁４のＯ−リング（弾性体）による弁体４１が装着される。

サポータ８はダイヤフラム２に密着するフランジ部８１の中心にボルト部８２を備え、このボルト部８２がダイヤフラム２の中心を貫通し、反対側のシャフト６におけるボス部６３のネジ部に螺合されて締結される。

また、サポータ８のフランジ部８１には、カバー部１６の筒状部１６ａの内部に設置された圧力設定部５の調圧スプリング５１の一端部が当接し、調圧スプリング５１の他端部は筒状部１６ａに位置調整可能に螺合された調圧ネジ５２（アジャスタ）に当接し、この調圧ネジ５２の軸方向位置の調整に応じて、調圧スプリング５１によるダイヤフラム２の付勢力が調整される。上記調圧ネジ５２は中心に軸方向に貫通開口した連通孔５３を有し、この連通孔５３により前記大気室１２を大気開放している。

ケース１の着脱部１７は筒状に形成され一端部が前記本体部１５の先端筒部１５ｂ内にＯリング７２を介して着脱可能に結合され、他端部側は流体を１次圧力で収容した圧力容器７にＯリング７５を介して固着され、導入口１３を形成する。

この着脱部１７は導入口１３と中間室２２とを区画する仕切壁１７ａを備え、この仕切壁１７ａの中心部に１次調整弁３によって開閉される開口３３が形成され、この開口３３には前記シャフト６の第２軸部６２が摺動可能に挿通され、仕切壁１７ａの導入口１３側の開口周縁が１次調整弁３の弁座３２に構成される。

第２軸部６２は頭部６４の凹部に第１軸部６１の先端が当接し、この頭部６４の背面部と仕切壁１７ａとの間に弁バネ６６（リターンスプリング）が縮装され、第２軸部６２を１次調整弁３の閉弁方向に付勢している。

そして、１次調整弁３は、シャフト６の後退移動に伴い弁体３１が上記弁座３２に密着して開口３３を閉じ、前進移動により弁体３１が弁座３２より離れて開口３３を開いた際には、その開口量に応じた流体が、開口３３と第２軸部６２の隙間を通って導入口１３から中間室２２を経て調圧室１１へ流入する。

一方、ケース１の本体部１５は、中間室２２と調圧室１１とを区画する仕切壁１５ａを備え、この仕切壁１５ａの中心部に２次調整弁４によって開閉される開口４３が形成され、この開口４３には前記シャフト６の第１軸部６１が摺動可能に挿通され、仕切壁１５ａの調圧室１１側の開口周縁が２次調整弁４の弁座４２に構成される。

そして、２次調整弁４は、シャフト６の前進移動に伴い弁体４１が上記弁座４２に密着して開口４３を閉じ、後退移動により弁体４１が弁座４２より離れて開口４３を開いた際には、その開口量に応じた流体が、開口４３と第１軸部６１の隙間を通って中間室２２から調圧室１１へ流入する。

前記調圧室１１の側部には外部に開口して調圧した２次圧力のガスを排出する排出口１４が連通開口され、この排出口１４には調圧された流体を導出する燃料電池等の機器に対するコネクタ２０（図７参照）が接続され、開閉バルブ９を経て流体を供給するようになっている。

前記調圧スプリング５１と弁バネ６６の設定荷重は、調圧スプリング５１が強く設定され、最初に圧力容器７を接続した状態では、第２軸部６２が前進移動して、少なくとも１次調整弁３は開状態（全開である必要はない）となって、１次圧力の流体が導入されるように設定されている。この１次圧力の導入に伴って２次調整弁４が開作動するように設定されている。なお、図１は圧力容器７より流体が調圧室１１へ導入され、２次圧力に調圧した流体を排出口１４より供給している圧力調整状態を示し、その調圧動作は後述する。また、圧力容器７の詳細については、図７により後述する。

図２は、圧力調整器１０の本体部位と着脱部位の分離状態を示し、ケース１の本体部１５、カバー部１６、２次調整弁４を含む本体部位は、燃料電池等の機器に取り付けられているものであり、これより圧力容器７を交換等のために着脱部１７、１次調整弁３を含む着脱部位を引き抜くと、着脱部１７が本体部１５より抜け、この着脱部１７とともに第２軸部６２が第１軸部６１より分離する。この分離状態では、１次調整弁３は弁バネ６６により閉弁状態に保持され、２次調整弁４も調圧スプリング５１により閉弁状態に保持され、それぞれ逆止弁として作用する。なお、分離される場合には、排出口１４につながる開閉バルブ９（図７）が閉塞状態に作動される。

図３および図４は、他の実施形態の圧力調整器を示す断面図である。この実施形態の圧力調整器１００は、前記実施形態の圧力調整器１０が分離構造であったものを一体構造としたものであり、その他は同一構造であり、同一部材には同一符号を付してその説明を省略する。

本実施形態の圧力調整器１００においては、ダイヤフラム２に接続されたシャフト６は前述の第１軸部６１と第２軸部６２とが一体化された軸部６０を備え、この軸部６０の先端に周溝部６５を有し、この周溝部６５に１次調整弁３の弁体３１が装着され、さらに、軸部６０の根本部分でボス部６３の先端面に２次調整弁４の弁体４１が装着されてなる。つまり、軸部６０に１次調整弁３と２次調整弁４の弁体３１，４１が所定間隔を持って設置され、連動して１つの開口４３(３３)を両側から互いに逆動作で開閉作動する。

そして、本体部１５の下端筒部１５ｂの内部が導入口１３に構成され、この本体部１５は導入口１３と調圧室１１とを区画する仕切壁１５ａを備え、この仕切壁１５ａの中心部に開口４３(３３)が形成され、この開口４３(３３)にはシャフト６の１次調整弁３と２次調整弁４との間の軸部６０が摺動可能に挿通され、仕切壁１５ａの導入口１３側の開口周縁が１次調整弁３の弁座３２に構成され、反対側の調圧室１１側の開口周縁が２次調整弁４の弁座４２に構成される。なお、前記実施形態の弁バネ６６は設置されていない。

図３の流体供給状態では、互いに逆特性の調整圧力特性を有する１次調整弁３と２次調整弁４の作用によって１次圧力を一定の２次圧力に調圧する。また、図４の不使用状態では、調圧スプリング５１の付勢力により２次調整弁４が閉弁して逆止弁として機能する。

次に、上記圧力調整器１０，１００では、１次調整弁３および２次調整弁４の調圧により、ダイヤフラム２の動きに応じて、１次圧力をその圧力に関係なく所定の２次圧力に減圧調整するものであり、その作用を説明する。この説明は図１の実施形態の圧力調整器１０について説明するが、図３の実施形態による圧力調整器１００でも、弁バネ６６の付勢力が作用しない点を除いて同様である。

図１は調圧状態を示すものであって、導入口１３から１次調整弁３によって調圧された流体は、開口３３を経て中間室２２へ至り、開口４３を通り２次調整弁４でさらに調圧されて調圧室１１へ流入し、精度よく２次圧力に減圧されて排出口１４より排出される。

ダイヤフラム２はシャフト６とサポータ８で支持されており、２次圧力と大気圧との差圧による力および弁バネ６６の付勢力と、調圧スプリング５１による付勢力とが平衡した位置に保たれる。そして、排出口１４からの流体排出量の変動、１次圧力の変動等に応じて２次圧力が変化した場合、これに応動してダイヤフラム２の偏位量が変化し、シャフト６の位置が変化するのに連動して１次調整弁３および２次調整弁４が動き、互いに異なる方向より開閉作動して２次圧力を一定に保つ。圧力設定部５の調圧ネジ５２を動かすことで調圧スプリング５１の付勢力を変化させ、任意の２次圧力が設定可能である。

さらに、１次圧力変化に対する１次調整弁３による調圧特性と、２次調整弁４による調圧特性とは互いに逆特性であって、１次圧力の低下に対する２次圧力は、１次調整弁３の調圧では上昇し、２次調整弁４の調圧では低下する。そして、シャフト６には第２軸部６２の先端部に１次圧力の作用により１次調整弁３の投影面積Ｓ１が受ける圧力損失と、ボス部６３に２次圧力の作用により２次調整弁４の投影面積Ｓ２が受ける圧力損失とが、共にシャフト６を後退させる同方向作用するもので、両者の調圧特性の組み合わせにより１次圧力の変動に対する２次圧力の変動を一定化する構造となっている。

基本的な調圧動作は、２次圧力流体が調圧室１１より排出されて２次圧力が低下変動すると、ダイヤフラム２はシャフト６が前進移動（図で下方への移動）し、１次調整弁３が開方向に２次調整弁４が閉方向に作動し、１次圧力流体が１次調整弁３により減圧されて中間室２２を経て調圧室１１に流入して２次圧力が上昇し、この２次圧力が１次圧力の低下変動に伴って設定値より上昇するのが２次調整弁４の開度（圧力損失）により調整され、２次圧力が設定値となると、ダイヤフラム２の偏位によりシャフト６が後退移動（図で上方への移動）し、１次調整弁３が閉作動して流体の導入量を低減することで一定の２次圧力を得るように調圧するものである。

そして、１次圧力の変動に伴う調圧特性を、図５、図６により説明する。これは圧力容器７より流体を供給した際に、この圧力容器７内の１次圧力が徐々に低下することに対する１次調整弁３の受圧誤差を考慮したものである。図５は図１の圧力調整器１０の機構図である。なお、弁バネ６６は調圧スプリング５１のセット荷重に加味している。

この図５において、受圧誤差を考慮しない場合の１次調整弁３による調圧特性は、１次圧力をＰ１、２次圧力をＰ２（大気圧との差圧）、ダイヤフラム２の有効面積をＳｄ、その偏位量をΔＺ、調圧スプリング５１のセット荷重をＦ、バネ定数をＫとした際に、ダイヤフラム２の釣り合いは、
Ｆ＋ΔＺ・Ｋ＝Ｐ２・Ｓｄ
となり、これから２次圧力Ｐ２は、
Ｐ２＝（Ｆ／Ｓｄ）＋（ΔＺ・Ｋ／Ｓｄ）
となり、ダイヤフラム２は、
ΔＺ＝（Ｐ２・Ｓｄ／Ｋ）−（Ｆ／Ｋ）
まで移動し、上記Ｐ２＝（Ｆ／Ｓｄ）＋（ΔＺ・Ｋ／Ｓｄ）の２次圧力で安定する。

つまり、１次圧力Ｐ１がＰ１≧（Ｆ／Ｓｄ）＋（ΔＺ・Ｋ／Ｓｄ）において、この１次圧力変化に関係なく２次圧力Ｐ２は一定となる。この特性は、図６の実線Ｔに相当し、理想となる調圧特性であり、ａ点でＰ１＝（Ｆ／Ｓｄ）＋（ΔＺ・Ｋ／Ｓｄ）となり、それより高い１次圧力Ｐ１の領域で２次圧力Ｐ２が一定となる。

次に、２次調整弁４を備えていない状態で、１次調整弁３の受圧誤差すなわち１次圧力がシャフト６を後退させる方向に作用する圧力損失を考慮すると、１次調整弁３の投影面積をＳ１とすると、ダイヤフラム２の釣り合いは、
Ｆ＋ΔＺ・Ｋ＝Ｐ２・Ｓｄ＋Ｐ１・Ｓ１
となり、これから２次圧力Ｐ２は、
Ｐ２＝（Ｆ／Ｓｄ）＋（ΔＺ・Ｋ／Ｓｄ）−（Ｐ１・Ｓ１／Ｓｄ）
となり、これによる調圧特性は、図６の鎖線Ｃ１と同様の特性であり、理想特性Ｔより−（Ｐ１・Ｓ１／Ｓｄ）だけずれる特性となり、１次圧力Ｐ１の上昇に伴い２次圧力Ｐ２が低下する特性となる。実際には、圧力容器７よりの流体の供給に伴い、その内圧が低下するもので、この１次圧力Ｐ１の低下に伴って２次圧力Ｐ２が上昇するようになり、一定の２次圧力Ｐ２を得ることができない。

なお、前述の１次調整弁３に作用する圧力損失ΔＰ１＝Ｓ１・Ｐ１をキャンセルするものとして、複弁方式の圧力調整器が提案されている。この複弁方式は、１次調整弁３と連動して同方向に開閉作動する複調整弁をシャフトに設置し、両調整弁により同時に調圧された２次圧力を調圧室に導入する機構であるが、構造が複雑で小型化が困難であるとともに、１次調整弁と複調整弁とが同時に開閉作動するように設置する精度確保が困難である。

これに対して、本発明では２次調整弁４を１次調整弁３とは異なる逆方向の開閉作動を行い、２次調整弁４の圧力損失が、１次調整弁３の圧力損失と同方向でかつほぼ逆特性である。２次調整弁４の投影面積をＳ２とすると、１次調整弁３による圧力損失はΔＰ１＝Ｐ１・Ｓ１、２次調整弁４による圧力損失はΔＰ２＝Ｐ２・Ｓ２であり、釣り合いは、
Ｆ＋ΔＺ・Ｋ＝Ｐ２・Ｓｄ＋ΔＰ１＋ΔＰ２
となり、１次調整弁３による調圧は、
Ｐ２＝−［Ｐ１・（Ｓ１＋Ｓ２）／Ｋ］＋［（Ｓｄ・Ｐ２）／Ｋ］−（Ｆ／Ｋ）
となる。

そして、この１次調整弁３による調力特性は、図６の鎖線Ｃ１で示すように、１次圧力Ｐ１の上昇に対して２次圧力Ｐ２が低下する特性である。これに対して、２次調整弁４による調力特性は、１次圧力Ｐ１が低いとき２次圧力Ｐ２を抑制し、特に、１次圧力Ｐ１が０のときに閉弁して逆止弁となって流体の逆流を阻止し、１次圧力Ｐ１の上昇で開放となり、図６の破線Ｃ２で示すように、１次圧力Ｐ１の上昇に対して２次圧力Ｐ２が上昇する特性で、上記１次調整弁３による調圧特性Ｃ１とは逆特性である。

両調圧特性Ｃ１，Ｃ２はシャフト６に対して同方向に作用することで、調圧特性が逆特性の２つの調整弁３，４の組み合わせによる調圧特性は、図６の実線Ｔで示すように、ａ点を超えた１次圧力Ｐ１の範囲で、この１次圧力Ｐ１の変動に対して、一定の２次圧力Ｐ２が得られる。つまり、圧力容器７からの流体の供給に伴って１次圧力Ｐ１が低下変動する際に、１次調整弁３に作用する圧力損失によって、２次圧力Ｐ２が上昇する調圧特性となるのを、２次調整弁４に作用する圧力損失が２次圧力を低下させる特性となることで、両者の合成特性は平坦化し、一定の２次圧力Ｐ２を維持することが、簡単な構造により確保できる。

また、分離状態および不使用状態では、１次調整弁３および／または２次調整弁４が逆止弁として作用することで、流体漏れの防止が図れる。そして、２次圧力流体の排出先の開閉バルブ９が閉じている状態で、流量が０の場合、１次調整弁３が閉じられ、２次圧力が上昇するのを防ぐ。

図７は図１に示す実施形態の圧力調整器１０の使用態様を示す断面図である。この圧力調整器１０の排出口１４、つまりケース１の本体部１５を含む本体部位が不図示の燃料電池等の機器に設置され、排出口１４につながるコネクタ２０を経た通路には開閉バルブ９が設置されている。一方、圧力調整器１０の導入口１３、つまり着脱部１７を含む着脱部位には、燃料電池用液体燃料を収容した圧力容器７が接続され、上記機器に収容流体を一定の圧力で供給する。

圧力容器７は、所定濃度のメタノールと純水またはエタノールと純水の混合液による燃料電池用の燃料となる燃料流体Ｆを収容し、直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）などに燃料を供給するためのものである。

この圧力容器７は、前記着脱部１７が固着される接続部１２４を有する容器本体１０２と、この容器本体１０２の内部に形成され、燃料流体Ｆを収容する燃料貯蔵室１０３と、容器本体１０２の内部に形成され、端部において燃料貯蔵室１０３と相互に連通し、燃料流体Ｆを押し出すための応力を生じさせる圧縮ガスＧを封入する気室１０４と、前記燃料貯蔵室１０３に移動自在に配設され、燃料流体Ｆと圧縮ガスＧとを区画するピストン状の隔壁部材１０５と、隔壁部材１０５が下降移動した際に容器本体１０２の底部との間で圧縮される弾性体１０８とからなる。

上記容器本体１０２は樹脂成形されてなり、外形を構成する外容器１２１と、この外容器１２１の底部を密閉する蓋体１２２と、外容器１２１の内部に二重構造に配設された内容器１２３とで構成され、前記外容器１２１の上部中央に接続部１２４が形成されてなる。

前記内容器１２３は円筒状で、下端部は外容器１２１の底面の蓋体１２２に接合することなく、この内容器１２３の内部と外容器１２１の内部とが、すなわち、上記燃料貯蔵室１０３の底部と気室１０４の底部とが端部で連通可能になっている。内容器１２３の下端部には切欠き１１１が、縦方向に延びて形成されている。この内容器１２３の上端部は圧力調整器１０の着脱部１７の下端部と嵌合装着され、この内容器１２３が保持されてなる。内容器１２３の上端部には中心部に透孔１２３ａが開口され、前記１次調整弁３の開閉動作に応じて、燃料貯蔵室１０３内の燃料流体Ｆの排出供給が行えるようになっている。

また、内容器１２３に摺動可能に嵌挿されたピストン状の隔壁部材１０５は、弾性シール部材１５１と支持部材１５２とで構成され、シール部材１５１の外周の上下周面の２箇所のシール部１５１ａ，１５１ｂが、シリンダ状の内容器１２３の内壁に気密に接触し、その上部空間の燃料貯蔵室１０３に燃料流体Ｆが封入される。この隔壁部材１０５は、燃料貯蔵室１０３に収容した燃料流体Ｆと気室１０４に収容した圧縮ガスとを区画する移動隔壁として機能し、背面に作用する圧縮ガスの圧力によって前面の燃料流体Ｆを加圧し、前記１次調整弁３が開作動した際に、この燃料流体Ｆを押し出すように作用する。

なお、残留する燃料流体Ｆの貯蔵容積に応じて隔壁部材１０５の位置が変化し、それに応じて圧縮ガスＧの体積が変化するとともに圧力が低減変化するが、燃料流体Ｆの貯蔵量が無くなるまで押し出すことができるように隔壁部材１０５を移動させる圧力を確保する。

上記気室１０４への圧縮ガスＧの封入は、圧力調整器１０の分離状態で、燃料貯蔵室１０３に燃料流体Ｆを注入する以前に行う。まず第２軸部６２の押し込み作動により開作動した１次調整弁３を通して、圧縮ガスＧを燃料貯蔵室１０３に注入するのに応じて隔壁部材１０５が下降し、図７に示す位置よりさらに燃料貯蔵室１０３に圧縮ガスが注入されることによって、隔壁部材１０５は、弾性体１０８を押圧変形させて燃料貯蔵室１０３の底部にさらに移動する。最下降状態において、切欠き１１１の上端部が隔壁部材１０５の上シール部１５１ａより上方となり、該切欠き１１１を通して燃料貯蔵室１０３より気室１０４へ圧縮ガスが注入される。そして、気室１０４内が所定圧力となった際に圧縮ガスの注入を停止した後、１次調整弁３を再び開作動して燃料貯蔵室１０３の圧縮ガスを排出する。これに応じ、隔壁部材１０５は燃料貯蔵室１０３のシール状態に戻り、さらなるガスの排出で内容器１２３の上端にまで上昇移動し、燃料貯蔵室１０３のガスを全て排出することで、気室１０４に圧縮ガスＧが封入される。その後、燃料注入手段を着脱部１７に接続して１次調整弁３を通して燃料貯蔵室１０３へ燃料流体Ｆを、隔壁部材１０５を下降させつつ注入することによって、燃料流体Ｆを噴出可能に収容して圧力容器７を得るものである。

なお、圧力容器７には、ジメチルエーテルなどの燃料ガスを収容するようにしてもよい。その場合には、内容器は用いず、外容器に直接燃料ガスを収容する。また、供給流体を噴出させるための内圧（１次圧力）を得るために、この流体にジメチルエーテルなどの噴射剤を混入するようにしてもよい。

そして、圧力容器７より圧力調整器１０を介して２次圧力に調圧された流体Ｆを供給するのに伴う１次圧力の変動および開閉バルブ９の作動などに応じてシャフト６が進退移動し、２次圧力を一定に保つ。

次に、本発明の圧力調整器１０による調圧作用を評価した実験結果を、比較例の圧力調整器によるものと比較して、図８，図９に示す。本発明実施例は、図１に示す実施形態のものであり、図７のように圧力容器７を装着して流体を供給するもので、比較例はその２次調整弁４を除去したものであり、その他は同様に構成されている。

＜測定例１＞
この測定例は、２次圧力Ｐ２を比較的高圧に設定し、圧力調整器１０に供給する流体の１次圧力Ｐ１が変化した場合の２次圧力Ｐ２の変化を測定したもので、図８に実線で本発明による測定結果を、破線で比較例による測定結果を示す。

その測定における設定パラメータは、次の通りである。設定２次圧力：２５ｋＰａ、ダイヤフラム有効面積：１２３ｍｍ²（直径：φ１２．５ｍｍ）、１次調整弁の投影面積：５ｍｍ²（直径：φ２．５ｍｍ）、２次調整弁の投影面積：７ｍｍ²（直径：φ３．０ｍｍ）であり、調圧スプリングは、ばね定数：０．５Ｎ／ｍｍ、線径：φ０．３５ｍｍ、外径：φ３．０ｍｍ、全長：１５．０ｍｍ、セット長：７．３ｍｍ、セット荷重：３．６５Ｎである。

流体は、純水９０重量％＋メタノール１０重量％のメタノール水溶液を用い、圧力容器７の貯蔵室に５ｍＬ収容した。この圧力容器７から供給する流体の１次圧力Ｐ１は、その残量により３００ｋＰａ（供給初期時）から１１１ｋＰａ（供給終了時）まで変化した。そして、６０分でメタノール水溶液５ｍＬを全て供給するように流量を調整し、経過時間と２次圧力Ｐ２の変化を測定した。

図８に示すように、破線の比較例では、２次調整弁４を備えていないことにより、流体の供給に伴う調圧作用の結果、１次調整弁３の圧力損失の影響を受けて、経過時間（流体供給）に伴い、隔壁部材１０５が上昇して１次圧力Ｐ１が低下するのに応じて２次圧力Ｐ２が上昇変動している。これに対し、実線の本発明実施例では、１次圧力変化に対して逆特性の１次調整弁３および２次調整弁４の調圧作用によって２次圧力Ｐ２は設定圧力に一定に維持され、変化は生じなかった。

また、圧力容器７の脱着時において、比較例ではメタノール水溶液が逆流し、流れ出し続けたのに対し、本発明実施例では２次調整弁４の閉作動により、逆止弁として作用し、漏れ出さなかった。

＜測定例２＞
この測定例は、２次圧力Ｐ２を比較的低圧に設定し、圧力調整器１０に供給する流体の１次圧力Ｐ１を変化させた場合の２次圧力Ｐ２の変化を測定したもので、図９に実線で本発明による測定結果を示し、比較例による調圧は不安定で測定不能であった。

その測定における設定パラメータは、次の通りである。設定２次圧力：７．５ｋＰａ、ダイヤフラム有効面積：１２３ｍｍ²（直径：φ１２．５ｍｍ）、１次調整弁の投影面積：５ｍｍ²（直径：φ２．５ｍｍ）、２次調整弁の投影面積：７ｍｍ²（直径：φ３．０ｍｍ）であり、調圧スプリングは、ばね定数：０．２７Ｎ／ｍｍ、線径：φ０．３ｍｍ、外径：φ３．０ｍｍ、全長：１５．０ｍｍ、セット長：６．０ｍｍ、セット荷重：１．６２Ｎである。その他は測定例１と同様であり、６０分でメタノール水溶液５ｍＬを全て供給するように流量を調整し、経過時間と２次圧力の変化を測定した。

図９に示すように、実線の本発明実施例では、測定例１と同様に、１次圧力変化に対して逆特性の１次調整弁３および２次調整弁４の調圧作用によって２次圧力Ｐ２は設定圧力に一定に維持され、変化は生じなかった。これに対し、比較例では、０〜２０ｋＰａの間で２次圧力が安定せず、再現性なく測定不能であった。

本発明の一つの実施の形態における圧力調整器の断面図図１の圧力調整器の分離状態を示す断面図他の実施形態にかかる圧力調整器の流体供給状態を示す断面図図３の圧力調整器の不使用状態を示す断面図本発明圧力調整器の圧力調整機能を説明するための機構図１次圧力に対する２次圧力の調圧特性を示す特性図図１の実施形態の圧力調整器に圧力容器を接続した状態の断面図２次圧力を高圧に設定した実施例における調圧特性を比較例とともに示すグラフ２次圧力を低圧に設定した実施例における調圧特性を示すグラフ一般的な圧力調整器の基本構造をそれぞれ示す概略図

符号の説明

10,100 圧力調整器
１ケース
２ダイヤフラム
３１次調整弁
４２次調整弁
５圧力設定部
６シャフト
７圧力容器
11 調圧室
12 大気室
13 導入口
14 排出口
15 本体部
16 カバー部
17 着脱部
31，41 弁体
32，42 弁座
33，43 開口
51 調圧スプリング
60 軸部
61 第１軸部
62 第２軸部
102 容器本体
103 貯蔵室
104 気室
105 隔壁部材
121 外容器
123 内容器
Ｆ燃料流体

Claims

１次圧力を有する流体を導入する導入口と、１次圧力を２次圧力に減圧する１次調整弁と、該１次調整弁を通過した流体が流入する調圧室と、該調圧室と大気室とを画成し、調圧室の２次圧力を受けて偏位するダイヤフラムと、該ダイヤフラムと前記１次調整弁を連動させるシャフトと、前記ダイヤフラムの偏位量を調整する圧力設定部と、２次圧力を有する流体を排出する排出口とを備えた圧力調整器において、
前記シャフトには、前記１次調整弁と連動して作動し、前記１次調整弁を経て前記調圧室に流入する流体を、前記１次調整弁とは逆の開閉動作により調圧し、前記１次調整弁とは１次圧力変化に対する調圧特性が逆特性となる２次調整弁を備えたことを特徴とする圧力調整器。
前記シャフトには前記１次調整弁の投影面積に作用する圧力損失と、前記２次調整弁の投影面積に作用する圧力損失とが同方向に加わることを特徴とする請求項１記載の圧力調整器。
前記シャフトが、前記１次調整弁を支持する軸部と、前記２次調整弁を支持する軸部とに分割され、両軸部間でケースが着脱可能に分割されることを特徴とする請求項１または２記載の圧力調整器。
前記１次調整弁を備えた着脱部位が、供給流体を収容した圧力容器に装着され、前記２次調整弁を備えた本体部位が、前記圧力容器よりの流体を受ける器具に設置されることを特徴とする請求項３記載の圧力調整器。
前記シャフトにおける前記１次調整弁を保持する分割された軸部は、該軸部を１次調整弁の閉弁方向に付勢する弁バネを備え、前記２次調整弁を保持する軸部との分離時に１次調整弁を閉止状態に保持することを特徴とする請求項３または４記載の圧力調整器。
前記シャフトに、前記１次調整弁および前記２次調整弁が、所定間隔で設置され、１つの開口を両側から逆動作で開閉することを特徴とする請求項１または２記載の圧力調整器。
前記流体がメタノール水溶液、エタノール水溶液等の燃料電池用液体燃料であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の圧力調整器。
前記流体がジメチルエーテルを含むことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の圧力調整器。