JP2007321873A

JP2007321873A - バルブ制御方法

Info

Publication number: JP2007321873A
Application number: JP2006152744A
Authority: JP
Inventors: Yuji Takaiwa; 雄二高岩
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2006-05-31
Filing date: 2006-05-31
Publication date: 2007-12-13
Also published as: US20070278437A1

Abstract

【課題】位置センサを用いることなくバルブの開閉を正確に制御できるとともに、弁体の機械的ロックの発生を防止可能なバルブの制御方法を提供する。
【解決手段】バルブの制御方法において、バルブの動作開始時、ステッピングモータ６４により、弁体６２をシール材７２の最大つぶれ量よりも大きな第１距離だけ開位置側に移動させた後、ステッピングモータにより、シール材が弁体に押圧されて最大つぶし量だけつぶれる全閉位置まで弁体を閉位置方向へ移動させ、この全閉位置を初期化位置と設定する。初期化位置を基準として、ステッピングモータにより、最大つぶれ量に相当する距離よりも小さい第２距離だけ初期化位置から開位置側に離間した通常閉位置、あるいは、第１距離よりも大きな第３距離だけ初期化位置から開位置側に離間し連通口を開放する通常開位置、へ弁体を移動させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、空気流路等を開閉するバルブを制御するバルブ制御方法に関する。

例えば、流量制御装置のような流体の流れを制御する装置は、流路を開閉するバルブを備え、装置の動作状態に応じてバルブを開閉することにより流路を通る流体を制御している。このようなバルブは、流通路が形成されたケースと、流通路を閉塞する閉位置と流通路を開放する開位置との間を移動可能にケース内に設けられた弁体と、弁体を移動させるモータ等の駆動部とを備えている。弁体は軸受により支持されている。位置センサを備えたバルブにおいては、位置センサによって弁体の位置を検出し、弁体を閉位置および開位置に移動させることができる。

一方、バルブの小型化およびコスト低減を図るため、位置センサを持たないバルブが提供されている。このようなバルブでは、動作開始時、弁体の位置を初期化（イニシャライズ）し、以後、初期化された位置を基準位置として、弁体の閉位置および開位置を定めている。例えば、初期化時に弁体を全閉位置へ移動させた後、弁体が僅かに開放側へ移動された位置を制御上の閉位置として弁体の位置を制御している（例えば、特許文献１）。
特開２００５−２６５１０４号公報

しかしながら、弁体を閉位置方向に押し付けた状態で放置した後にバルブを動作させる場合、バルブの初期化時、最初に弁体の閉動作を行うと、軸受のこじり等によって弁体が機械的にロックされる場合がある。弁体が機械的にロックされると、バルブが動作不能となり流体の制御が困難となる。

この発明は以上の点に鑑みなされたもので、その目的は、位置センサを用いることなくバルブの開閉を正確に制御できるとともに、弁体の機械的ロックの発生を防止可能なバルブの制御方法を提供することにある。

上記課題を達成するため、この発明の態様に係るバルブ制御方法は、流通口の周囲に設けられ、所定の最大つぶし量を有した弾性変形可能なシール材と、前記シール材に当接して前記シール材を押しつぶし、このシール材と共同して前記流路を閉じる閉位置と、前記シール材から離間して前記流通口を開放する開位置と、の間を移動可能に設けられた弁体と、前記弁体を移動させるステッピングモータを有する駆動部と、を備えたバルブの制御方法であって、
前記バルブの動作開始時、前記ステッピングモータにより、前記弁体を前記シール材の最大つぶれ量よりも大きな第１距離だけ前記開位置側に移動させた後、前記ステッピングモータにより、前記シール材が前記弁体に押圧されて最大つぶし量だけつぶれる全閉位置まで前記弁体を閉位置方向へ移動させ、この前記全閉位置を初期化位置と設定し、前記初期化位置を基準として、前記ステッピングモータにより、前記最大つぶれ量に相当する距離よりも小さい第２距離だけ前記初期化位置から前記開位置側に離間した通常閉位置、あるいは、前記第１距離よりも大きな第３距離だけ前記初期化位置から前記開位置側に離間し前記連通口を開放する通常開位置、へ前記弁体を移動させることを特徴としている。

上記構成によれば、位置センサを用いることなくバルブの開閉を正確に制御できるとともに、弁体の機械的ロックの発生を防止可能なバルブの制御方法を提供することができる。

以下、図面を参照しながら、この発明の実施形態に係るバルブ制御方法によって制御されるバルブを備えた燃料電池装置について詳細に説明する。
図１は燃料電池装置の循環系の構成を示している。図１に示すように、燃料電池装置１０は、メタノールを液体燃料としたＤＭＦＣとして構成されている。燃料電池装置１０は、起電部を構成したＤＭＦＣスタック１２、燃料タンク１４、および起電部に燃料および空気を供給する循環系２０を備えている。

ＤＭＦＣスタック１２は、積層された複数の単セルを有し、各単セルは、触媒層とカーボンペーパとで構成されたほぼ矩形板状のカソード（空気極）２１およびアノード２３（燃料極）、これらカソード、アノード間に挟持されたほぼ矩形状の高分子電解質膜を一体化した膜・電極接合体（ＭＥＡ）を備えている。

燃料タンク１４は密閉構造を有し、その内部には液体燃料として高濃度メタノールが収容されている。燃料タンク１４は、燃料電池装置１０に対して脱着自在な燃料カートリッジとして形成してもよい。

循環系２０は、燃料タンク１４から供給された燃料を含む液体をＤＭＦＣスタック１２を通して循環させる液体流路２２、およびＤＭＦＣスタック１２を通して空気を含む気体を循環させる気体流路２４、燃料流路内および空気流路内に設けられた複数の補機を有している。液体流路２２および空気流路２４は、それぞれ配管等によって形成されている。

液体流路２２に設けられる補機は、燃料タンク１４の出力部に配管接続された燃料制御バルブ２６、燃料供給ポンプ２８、燃料供給ポンプ２８の出力部に配管を介して接続された混合タンク３０、混合タンク４５の出力部に接続された送液ポンプ３２、および混合タンクと送液ポンプとの間に設けられたイオンフィルタ３４を備えている。送液ポンプ３２の出力部は配管を介してＤＭＦＣスタック１２のアノード２３に接続される。

アノード４７の出力部は、液体流路２２の一部である回収流路を規定した配管３６を介して混合タンク３０の入力部に接続されている。配管３６は、ＤＭＦＣスタック１２のアノード２３から排出される排出流体、つまり化学反応に用いられなかった未反応メタノール水溶液および生成された二酸化炭素、を混合タンク３０に戻す流路を規定している。配管３６の周囲には多数の放熱フィンが取り付けられている。放熱フィンは、アノード２３から排出されるメタノール水溶液を冷却するアノード冷却部３８を構成している。放熱フィンの近傍には図示しない冷却ファンが取り付けられている。

一方、空気流路２４は、吸気口を有した吸気端２４ａおよび排気口を有した排気端２４ｂを備えている。吸気端２４ａとＤＭＦＣスタック１２との間で空気流路２４には、吸気フィルタ４０、送気ポンプ４２、吸気制御バルブ４４が順に設けられている。送気ポンプ４２は吸気端２４ａを通して空気流路２４内に空気を吸い込み、空気流路を通してＤＭＦＣスタック１２のカソード２１に供給する。吸気フィルタ４０は、吸気端４ａから吸気された空気中に含まれるゴミ、および不純物、有害物質を捕獲し除去する。吸気制御バルブ４４は、上述するように、気体流路２４を開閉し、空気の供給を制御する。

ＤＭＦＣスタック１２の流出端と排気端２４ｂとの間で空気流路２４には、水回収タンク４６、排気フィルタ４８および排気制御バルブ５０が順に設けられている。水回収タンク４６は、配管によって規定された回収流路５２を介して混合タンク３０の入力部に接続されている。回収流路５２には水回収ポンプ５４が設けられている。

ＤＭＦＣスタック１２のカソード２１の出力部から排出される排出流体（水蒸気、水）は、水回収タンク４６に送られ、ここで、流体中の水が回収される。回収された水は、水回収ポンプ５４により、配管３６を通して混合タンク３０へ送られ、メタノールと混合される。また、水回収タンク４６内の気体は、排気フィルタ４８を通りここで不純物、ゴミ等が除去された後、排気制御バルブ５０を介して外部に排気される。

ＤＭＦＣスタック１２、種々のポンプ２８、３２、４２、５４、燃料制御バルブ２６、吸気制御バルブ４４、および排気制御バルブ５０は電池制御部５６に接続され、この電池制御部によって動作が制御される。ＤＭＦＣスタック１２で発生した電力は、電池制御部５６から外部機器に供給される。

次に、気体流路２４に設けられた吸気制御バルブ４４および排気制御バルブ５０の構成およびその制御方法について説明する。吸気制御バルブ４４および排気制御バルブ５０は同一の構成を有していることから、吸気制御バルブ４４を代表して説明する。

図２は吸気制御バルブ４４が閉じた状態を示し、図３は、吸気制御バルブ４４が開いた状態を示している。図２に示すように、吸気制御バルブ４４は、中空のケース６０、このケース内に配設された弁体６２、ケース内に配設され弁体を移動させる直動ステッピングモータ６４を備えている。

ケース６０には、それぞれ気体流路２４に接続された流入口６６ａおよび流出口６６ｂが形成されている。ケース６０内には、流入口６６ａと流出口６６ｂとを連通した流通路６８が形成されている。ケース６０の内面において、流入口６６ａの周囲には環状の収納溝７０が形成され、この収納溝には、シール部材として機能するＯリング７２が固定されている。Ｏリング７２は弾性変形可能な材料で形成され、その一部はケース内面から流通路６８内に突出している。

弁体６２は流通路６８内に配設され、軸受７４によって移動自在に支持されている。すなわち、弁体６２は、図２に示すように、Ｏリング７２に当接して流入口６６ａを閉塞する閉位置と、図３に示すように、Ｏリングから離間して流入口６６ａを開放し流入口と流出口６６ｂとを連通する開位置との間を移動可能に支持されている。弁体６２とケース内面との間には弾性シール７６が架設されている。弾性シール７６は、弁体６２を開位置方向へ弾性的に付勢しているとともに、弁部材と軸受け７４との間を気密にシールしている。

駆動部を構成する直動ステッピングモータ６４は、回転軸６４ａを有している。この回転軸６４ａは、弁体６２の移動方向とほぼ平行に延びているとともに、その一端は弁体６２に当接している。直動ステッピングモータ６４は、電池制御部５６からの駆動信号、例えば、駆動パルス信号に応じて回転軸６４ａを回転させる。回転軸６４ａは回転に同期して軸方向に直動する。例えば、直動ステッピングモータ６４を正転駆動することにより、回転軸６４ａは弁体６２側へ移動し、逆転駆動することにより、回転軸６４ａは弁体から離間する方向へ移動する。直動ステッピングモータ６４によって回転軸６４ａを弁体６２方向へ移動させることにより、弁体６２は閉位置方向に向かって移動される。また、直動ステッピングモータ６４により回転軸６４ａを逆方向へ移動させることにより、弁体６２は弾性シール７６により付勢され、回転軸６４ａとともに開位置方向へ移動される。

図４は、吸気制御バルブ４４の開状態、全閉状態、通常閉状態をそれぞれ示している。図４（ａ）に示すように、弁体６２が開位置に移動しＯリング７２から離間した状態において、Ｏリングはつぶれることなくほぼ円形の断面を有している。弁体６２がＯリング７２に当接する閉位置は、図４（ｂ）に示す全閉位置および図４（ｃ）に示す通常閉位置を含んでいる。

全閉位置において、弁体６２はケース６０の内面に当接する直前の位置まで移動している。Ｏリング７２は弁体６２に押圧され、その最大つぶれ量だけ押しつぶされた状態で弁体に密着している。Ｏリング７２がつぶれていない状態のＯリング端からＯリングが最大つぶれ量だけ押しつぶされ時のＯリング端までの距離、すなわち、Ｏリングの最大つぶれ量に相当する距離をＬ０としている。

図４（ｃ）に示すように、通常閉位置において、弁体６２は、全閉位置から開位置側に第２距離Ｌ２だけ移動している。第２距離Ｌ２は、最大つぶれ量に相当する距離Ｌ０よりも小さい距離に設定されている。第２距離Ｌ２は、弁体６２とＯリング７２に接触し、かつ、弁体とＯリングとの間の流体の漏れ量が所定の値以下となる距離に設定されている。
後述するように、弁体６２の開位置は、通常開位置と、この通常開位置よりも更に開方向へ移動した全開位置とを含んでいる。

上記のように構成された吸気制御バルブ４４は、動作開始時、電池制御部５６の制御の下、初期化（イニシャライズ）が行われ、この初期化によって得られた初期化位置に基づいて、弁体を通常閉位置あるいは通常開位置へ移動される。

図５において、上段部分は、吸気制御バルブ４４を開ける際のシーケンスを示し、下段部分は、吸気制御バルブ４４を閉じる際のシーケンスを示している。始めに、吸気制御バルブ４４を開ける場合について説明する。動作開始時、電池制御部５６は、開始前の弁体６２の位置に関係なく、すなわち、図５の上段に示すように、弁体６２が通常閉位置Ｃ２にある場合、通常開位置Ｏ２にある場合、および通常閉位置と通常開位置との間にある場合、のいずれにおいても、直動ステッピングモータ６４により、弁体６２をＯリング７２の最大つぶれ量に相当する距離Ｌ０よりも大きな第１距離Ｌ１（＞Ｌ０）だけ開位置側に移動させる。ここでは、直動ステッピングモータ６４を第１距離Ｌ１に相当する動作時間ａだけ駆動する。続いて、直動ステッピングモータ６４を動作時間ｂだけ作動することにより、弁体６２は全閉位置Ｃ１まで閉位置方向へ移動される。全閉位置Ｃ１において、Ｏリング７２は弁体６２に押圧されて最大つぶし量だけつぶれる。電池制御部５６は、この全閉位置Ｃ１を初期化位置として設定し、以後、初期化位置を基準として弁体６２の位置を制御する。

なお、弁体６２が全閉位置に移動した後に、更に、直動ステッピングモータ６４に駆動信号を通電しつづけた場合でも、回転軸６４ａはモータ内で脱調状態となる。そのため、弁体６２が閉位置方向に過度に押込まれることがなく、弁体は確実に全閉位置Ｃ１に保持される。

続いて、電池制御部５６は、直動ステッピングモータ６４により回転軸６４ａを予め決められた動作時間ｃだけ駆動し、第１距離Ｌ１よりも大きな所定の第３距離Ｌ３だけ、弁体６２を初期化位置（全閉位置Ｃ１）から開位置側に移動させる。これにより、弁体６２は正確に通常開位置Ｏ２に設定される。

動作開始時、弁体６２が通常開位置Ｏ２にある場合、上記と同様に、直動ステッピングモータ６４により、弁体６２を通常開位置から更に開方向へ第１距離Ｌ１だけ移動させる。これにより、弁体６２は、通常開位置から更に開方向へずれた全開位置Ｏ１に移動される。全開位置Ｏ１において、弁体６２はケース６０内面に当接し、開放側へのそれ以上の移動が規制される。続いて、直動ステッピングモータ６４を動作時間ｂだけ作動することにより、弁体６２を全閉位置Ｃ１まで移動させ、この全閉位置Ｃ１を初期化位置に設定する。その後、直動ステッピングモータ６４により回転軸６４ａを予め決められた動作時間ｃだけ駆動し、第３距離Ｌ３だけ、弁体６２を全閉位置Ｃ１から開位置側に移動させる。これにより、弁体６２は正確に通常開位置Ｏ２に設定される。

次に、吸気制御バルブ４４を閉める場合について説明する。図５の下段に示すように、、動作開始時、電池制御部５６は、開始前の弁体６２の位置に関係なく、直動ステッピングモータ６４により、弁体６２をＯリング７２の最大つぶれ量に相当する距離Ｌ０よりも大きな第１距離Ｌ１だけ開位置側に移動させる。ここでは、直動ステッピングモータ６４を第１距離Ｌ１に相当する動作時間ａだけ駆動する。続いて、直動ステッピングモータ６４を動作時間ｂだけ作動することにより、Ｏリング７２が弁体６２に押圧されて最大つぶし量だけつぶれる全閉位置Ｃ１まで弁体を閉位置方向へ移動させ、この全閉位置Ｃ１を初期化位置と設定する。

続いて、直動ステッピングモータ６４を動作時間ｄだけ駆動し、最大つぶれ量よりも小さい第２距離Ｌ２だけ初期化位置から開位置側に離間した通常閉位置Ｃ２へ弁体を移動させる。これにより、弁体６２は全閉位置Ｃ１を基準として正確に通常開位置Ｏ２に設定される。

電池制御部５６は、弁体６２の移動距離である第１距離、第２距離、第３距離にそれぞれ相当する直動ステッピングモータの駆動パルス数あるいは動作時間を予め格納し、この駆動パルス数あるいは動作時間に応じて、直動ステッピングモータに駆動信号を入力し、弁体を移動させる。
なお、排気制御バルブ５０も上記と同様のバルブ制御方法によって、初期化および閉位置あるいは開位置への切換えが行われる。

以上のように構成されたバルブ制御方法によれば、バルブの動作開始時、弁体の位置によらず、動作シーケンスを開方向からはじめている。そのため、弁体の状態を検知する位置センサを用いることなく、軸受７４のこじりによる動作不良を回避し、安定な初期設定動作が得られる。また、上記バルブ制御方法によれば、位置センサが不要となり、バルブの小型化、製造コストの低減を図ることが可能となる。更に、弁体を全閉位置へ移動させた後、僅かに開方向に移動した通常閉位置を設定することで、駆動力伝達系の機械的ロックを防止することができる。
以上のことから、位置センサを用いることなくバルブの開閉を正確に制御できるとともに、弁体の機械的ロックの発生を防止可能なバルブ制御方法が得られる。

この発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化可能である。また、上記実施の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
例えば、発明に係るバルブの制御方法は、燃料電池装置に設けられたバルブに限らず、他の流体制御機器等に設けられたバルブにも適用することができる。

図１は、この発明の実施形態に係る燃料電池装置の循環系を示す図。図２は、前記燃料電池装置に設けられた吸気制御バルブを示す断面図。図３は、開状態における前記吸気制御バルブを示す断面図。図４は、前記吸気制御バルブにおけるＯリングと弁体の位置関係を示す断面図。図５は、前記吸気制御バルブの制御シーケンスを示す図。

符号の説明

１０…燃料電池装置、１２…ＤＭＦＣスタック、４４…吸気制御バルブ、
５０…排気制御バルブ、６０…ケース、６２…弁体、６４…直動ステッピングモータ、
６４ａ…回転軸、７２…Ｏリング、７４…軸受

Claims

流通口の周囲に設けられ、所定の最大つぶし量を有した弾性変形可能なシール材と、前記シール材に当接して前記シール材を押しつぶし、このシール材と共同して前記流路を閉じる閉位置と、前記シール材から離間して前記流通口を開放する開位置と、の間を移動可能に設けられた弁体と、前記弁体を移動させるステッピングモータを有する駆動部と、を備えたバルブの制御方法であって、
前記バルブの動作開始時、前記ステッピングモータにより、前記弁体を前記シール材の最大つぶれ量よりも大きな第１距離だけ前記開位置側に移動させた後、
前記ステッピングモータにより、前記シール材が前記弁体に押圧されて最大つぶし量だけつぶれる全閉位置まで前記弁体を閉位置方向へ移動させ、この全閉位置を初期化位置と設定し、
前記初期化位置を基準として、前記ステッピングモータにより、前記最大つぶれ量に相当する距離よりも小さい第２距離だけ前記初期化位置から前記開位置側に離間した通常閉位置、あるいは、前記第１距離よりも大きな第３距離だけ前記初期化位置から前記開位置側に離間し前記連通口を開放する通常開位置、へ前記弁体を移動させるバルブの制御方法。
前記第１距離、第２距離、第３距離にそれぞれ相当するパルス数だけ前記ステッピングモータに駆動信号を入力し、前記弁体を移動させる請求項１に記載のバルブ制御方法。
前記第２距離は、前記弁体とシール材との間の流体の漏れ量が所定の値以下となる距離に設定する請求項１又は２に記載のバルブ制御方法。