JP2008169929A - 溶栓 - Google Patents

Abstract

【課題】作動時に破損しにくい溶栓。
【解決手段】溶栓（５）は、ハウジング（５Ａ）、可動体（５Ｂ）及び可溶体（５Ｃ）を備える。可溶体（５Ｃ）は、ハウジング（５Ａ）に接した状態で設けられ、所定温度で溶融する。可動体（５Ｂ）は、ハウジング（５Ａ）の作動空間（５Ｄ）に収容される。可動体（５Ｂ）は、可溶体（５Ｃ）の溶融前には可溶体（５Ｃ）により可動を規制され、作動空間（５Ｄ）とガス設備内とを連通する連通路（５５）を閉塞する。一方、可溶体（５Ｃ）の溶融後には、可動体（５Ｂ）は、可溶体（５Ｃ）による規制が解除されて可動し、連通路（５５）を開放し、それによりガス設備内のガスが外部に放出される。可動体（５Ｂ）及びこれが衝突されるハウジング（５Ａ）の部位の少なくとも一方に、可動体（５Ｂ）の衝突時の衝撃を緩和する衝撃緩和部（５４ａ）を設けた。
【選択図】図３

Description

本発明は、例えば圧力容器に使用される溶栓であり、可溶体の溶融により例えば圧力容器内部のガスを外部に放出することが可能な溶栓に関するものである。

この種の溶栓として、例えば特許文献１に記載のものが知られている。この溶栓は、圧力容器の隔壁に設けられた開口を気密に塞ぐように装着される栓本体と、この栓本体中央のピストン収納孔に組み込まれた可溶性リング、ピストン、スプリング、及び蓋体、等を有する。ピストン収納孔には、蓋体に形成された開口から圧力容器内のガスが流入される。ガスが高温になると可溶性リングが溶融し、スプリングの付勢力によってピストンが作動する。

特許文献１に記載の圧力容器では、栓本体に、ピストン収納孔に連通する外気連通孔が形成されている。通常時には、この外気連通孔はピストンによってピストン収納孔内の蓋体側の空間と隔てられている。一方、ガスの昇温により可溶性リングが溶融すると、ピストンが作動して外気連通孔が蓋体側の空間と連通され、更に、蓋体に形成された開口を通って圧力容器内と連通される。よって、圧力容器内のガスを外気連通孔から圧力容器外に放出可能となる。

特許文献１に記載の構成では、可溶性リングの溶融が周囲の金属等からの熱伝達でなく高温のガスに直接晒されることにより引き起こされる。このため、圧力容器内の温度上昇に対する溶栓の応答性、即ち、溶栓の動作感度が向上している。
特開２００５−１４７３８５号公報

しかしながら、特許文献１に記載の構成では、圧力容器内のガスの温度上昇に対する応答性は向上しているものの、圧力容器外部の温度上昇に対する応答性は向上されていなかった。また、ピストンが作動したときの衝撃によって栓本体が破損するおそれがあった。

本発明は、作動時に破損しにくい溶栓を提供することを目的としている。

上記目的を達成するべく、本発明の溶栓は、内圧が外圧よりも高いガス設備の内外を連通する連通部に取り付けられたハウジングを備える。ハウジングは、作動空間と、作動空間とガス設備内とを連通する連通路と、作動空間とガス設備外とを連通するガス放出口と、を有する。溶栓は、さらに、ハウジングに接した状態で設けられて所定温度で溶融する可溶体と、作動空間に収容された可動体と、を備える。可動体は、可溶体の溶融前には可溶体により可動を規制されて連通路を閉塞すると共に、可溶体の溶融後には規制の解除により可動して連通路を開放する。ハウジングは、可溶体の溶融後に可動体に衝突される衝突部を有し、衝突部及び可動体の少なくとも一方には、可動体の衝突時の衝撃を緩和する衝撃緩和部が設けられる。

かかる構成によれば、可溶体の溶融により可動体が可動して、ガス設備内に連通される連通路が開放されるので、温度上昇に応じてガス設備内からガス設備外にガスを放出することができる。可溶体がハウジングに接した状態で設けられているので、ガス設備外の雰囲気温度が上昇した場合にその熱をハウジングから可溶体に好適に伝達できる。また、溶栓の作動時には可動体がハウジングの衝突部に衝突するが、このとき、衝撃緩和部によってハウジングに加わる衝突時の衝撃が緩和される。従って、作動時にハウジングが破損しにくくなる。

好ましくは、衝撃緩和部は、衝突部に設けられており、可動体の衝突時に変形することにより衝撃を緩和する。

かかる構成によれば、衝撃を変形により緩和できるので、ハウジングが破損しにくくなる。

より好ましくは、衝撃緩和部は、薄肉状突起で構成される。

かかる構成によれば、衝撃により容易に変形して衝撃を緩和することができる。

より好ましくは、ハウジングは、可動体の可動経路上にある開口であって、作動空間内とガス設備外とを連通する開口を有する。可溶体は、その溶融前には、一端が開口を閉塞し且つ他端が可動体に当接してその可動を規制する。そして、薄肉状突起は、開口の縁部の先端側を基部側に比べて薄肉にすることで形成されたものである。

かかる構成によれば、溶栓の作動時には、開口側に作動した可動体が、開口の縁部に形成された薄肉状突起に衝突するので、衝撃が緩和される。上記のような態様の薄肉状突起を形成しているので、薄肉状突起を開口の縁部に簡易に形成できる。また、薄肉状突起が開口の縁部に形成されているので、薄肉状突起の変形をハウジングの外部から一目で確認できるので、溶栓が作動したことを容易に確認することができる。

より好ましくは、可動体は、可溶体の溶融後に薄肉状突起に衝突して開口を閉塞するテーパ部を有する。

また、好ましくは、ハウジングは、銅合金によって形成される。

かかる構成によれば、ハウジングの熱伝導率が高いため、ハウジングに接した可溶体の温度上昇が早い。従って、昇温時に速やかに可溶体を溶融させることができ、速やかにガスを放出することができる。すなわち、溶栓の動作感度が向上する。

本発明の溶栓によれば、作動時の衝撃が緩和されて破損が低減される。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態に係る溶栓について説明する。本発明に係る溶栓は、高圧ガス容器やガス流路を備えたガス設備に適用可能で、例えば、燃料ガス貯蔵装置、冷凍装置、給湯設備、空調設備等に用いられる。ここでは、ガス設備に設けられた溶栓として、燃料電池の燃料を蓄えるための高圧タンクの溶栓を例にとって説明する。

＜第１実施形態＞
図１は、本実施形態に係る溶栓を備えた高圧タンクを、燃料ガス供給用のガス設備の一部として搭載した燃料電池自動車を示す図である。
燃料電池自動車１００は、燃料電池システム２００を搭載している。燃料電池システム２００は、例えば３つの高圧タンク１を車体のリア部に搭載している。各高圧タンク１内の流体は、水素ガスや圧縮天然ガスなどの可燃性の燃料ガスであり、ガス供給ライン１０２を通じて燃料電池１０４に供給される。

高圧タンク１の内部には、燃料ガスが常圧よりも高い圧力（すなわち高圧）で貯留される。例えば３５ＭＰａあるいは７０ＭＰａの水素ガス、または２０ＭＰａの圧縮天然ガスが貯留される。以下では、高圧タンク１が貯留する燃料ガスとして、水素ガスを例に説明する。なお、高圧タンク１は、燃料電池自動車のみならず、電気自動車、ハイブリッド自動車などの車両のほか、各種移動体（例えば、船舶や飛行機、ロボットなど）や定置型にも適用できる。

図２は、高圧タンク１の要部を示す断面図である。
高圧タンク１は、全体として密閉円筒状のタンク本体２を備えている。タンク本体２の長手方向の端部はドーム状に形成されており、その頂部に口金３が取り付けられている。口金３には、バルブアッセンブリ４がねじ込み接続されている。また、このバルブアッセンブリ４には、溶栓５が取り付けられている。

タンク本体２は、例えば樹脂ライナー１０及びＣＦＲＰ層１２の二層構造を備える。樹脂ライナー１０は、タンク本体２の長手方向の一端部又は両端部に形成された返し部１１を有する。ＣＦＲＰ層１２は、マトリックス樹脂（プラスチック）を炭素繊維で強化してなるＦＲＰ層である。

口金３は、タンク本体２の軸線Ｙ−Ｙ上に軸心を有する開口部３０を備える。開口部３０の内周面は、バルブアッセンブリ４や栓などをねじ込み接続するためのめねじ３１と、バルブアッセンブリ４との間をシール部材３２、３３により軸シールされるシール面３４と、を有する。

バルブアッセンブリ４は、外部のガス供給ライン１０２と接続可能なガス給排通路４１を備える。ガス給排通路４１は、高圧タンク１の内部の貯留空間６に連通されており、高圧タンク１に給排される水素ガスの流路を構成する。バルブアッセンブリ４のボディ４０は、ステンレスなどの金属、好ましくは口金３と同じアルミニウム又はアルミニウム合金から形成される。また、バルブアッセンブリ４は、ガス給排通路４１に接続される分岐通路４２を有する。分岐通路４２は、バルブアッセンブリ４の外周面に開口している。その開口位置は、高圧タンク１の内外を連通する連通部４３を構成しており、この連通部４３に溶栓５が取り付けられている。

溶栓５は、通常の温度環境下では分岐通路４２の端部を閉鎖している。しかし、高圧タンク１が高温環境下に曝露される等により雰囲気温度が上昇すると、溶栓５は自動的に分岐通路４２と外部とを連通して内部の水素ガスを外部に放出する。

図３は、溶栓５の断面図である。この図は、高圧タンク１が通常の温度環境下にあって分岐通路４２の端部を閉鎖しているときの溶栓５の状態を示す。
溶栓５は、外部を囲むハウジングである溶栓ボディ５Ａと、溶栓ボディ５Ａの内部に配設されたピストン状のディスク５Ｂ（可動体）と、ディスク５Ｂの先端面に当接してその移動を規制する可溶合金板５Ｃ（可溶体）と、を備える。溶栓ボディ５Ａの内部は中空とされ、作動空間５Ｄが形成されている。

溶栓ボディ５Ａは、略平板状のフランジ部５１と、フランジ部５１の略中央から分岐通路４２側に突出形成された挿入部５２と、挿入部５２とは逆側の板面に固定されたカップ状の蓋部５３と、を有する。作動空間５Ｄは、フランジ部５１と蓋部５３とに囲まれた空間であり、その内部にはディスク５Ｂと可溶合金板５Ｃとが収容されている。

フランジ部５１は、ボディ４０の外周面に当接している。挿入部５２は、分岐通路４２の端部に挿入されている。挿入部５２は、分岐通路４２の軸線Ｚ−Ｚ上に軸芯を有する連通路５５を有する。連通路５５は挿入部５２を貫通する直線状の貫通孔であり、その一端はフランジ部５１の略中央の開口に連通されている。よって、連通路５５により、作動空間５Ｄと高圧タンク１内とが連通されている。

挿入部５２は、フランジ部５１側の外周面にねじ部５２ａが形成されている。ねじ部５２ａを分岐通路４２の内周面のめねじにねじ込み接続することにより、溶栓ボディ５Ａが分岐通路４２の端部に取り付けられる。また、挿入部５２の先端側は縮径されており、先端側の外周面と分岐通路４２の内周面との間はシール部材により軸シールされている。溶栓ボディ５Ａは、このようにして連通部４３に取り付けられている。

蓋部５３は、その天面中央に開口５４が形成されている。そして、開口５４の縁には、環状の薄肉状突起５４ａが形成されている。薄肉状突起５４ａは、開口５４の縁部の先端側を基端側よりも薄肉にすることにより形成されている。薄肉状突起５４ａは、可溶合金板５Ｃの溶融後にディスク５Ｂに衝突される衝突部に形成されたものであり、その衝突による衝撃を緩和する衝撃緩和部として機能する。蓋部５３の内側には、開口５４よりも板面積の大きい可溶合金板５Ｃが内接され、可溶合金板５Ｃが開口５４を完全に塞いでいる。また、蓋部５３の側面には、作動空間５Ｄと外部とを連通するガス放出口５８が形成されている。

ディスク５Ｂは、その一端に階段状に縮径された縮径部５６を有する。縮径部５６は、フランジ部５１の開口に嵌合される。縮径部５６は、連通路５５内に挿入されて軸シールされているので、ディスク５Ｂにより連通路５５が気密に閉塞されている。一方、ディスク５Ｂの他端側は、斜面状のテーパ部５７を有する形状に縮径されている。

ディスク５Ｂは、通常温度状態では、可溶合金板５Ｃとフランジ部５１との間に挟み込まれて動かないようになっている。すなわち、連通路５５の閉塞を解除する方向へのディスク５Ｂの移動が、可溶合金板５Ｃによって規制されている。可溶合金板５Ｃ及びディスク５Ｂは、この位置に完全に固定されてはいないが、高圧タンク１の内圧により互いに不動に接触し合っているため、この位置から外れることはない。

溶栓ボディ５Ａは、銅合金であるＣ３６０４Ｂを用いて形成されている。Ｃ３６０４Ｂ等の銅合金は、ＳＵＳ３１６等のステンレス鋼よりも著しく熱伝導率が高い。従って、Ｃ３６０４Ｂを用いることにより、昇温時の可溶合金板５Ｃへの熱伝達速度が早くなり、溶栓５の動作感度が向上する。表１に、Ｃ３６０４ＢとＳＵＳ３１６との物性値を示す。

但し、Ｃ３６０４Ｂは熱伝導率が高い反面、衝撃時の耐力はＳＵＳ３１６よりも低い。特に、高温状態での耐力低下が著しい。従って、Ｃ３６０４Ｂを用いる場合には、この高温環境下での耐力低下を考慮する必要がある。本実施形態では、以下説明するように、上述した薄肉状突起５４ａを衝撃緩和部として機能させ、衝撃緩和によって耐力低下に対応するようにしている。

可溶合金板５Ｃは、はんだ等の低融点合金を用いて形成されている。なお、可溶合金板５Ｃの代わりに金属以外の可溶性素材を用いてもよい。例えば、ワックス等の可溶体でもよい。なお、可溶合金板５Ｃは、連通路５５側からのガス圧を受けたディスク５Ｂにより常時押圧され、蓋部５３の内壁面に密接する。よって、常時受圧状態にあっても変形しにくい素材を用いることが望ましい。

高圧タンク１が高温環境下に曝露されるか、あるいは、内部発熱等により昇温された場合には、溶栓ボディ５Ａが、高温の外気やバルブアッセンブリ４側からの熱伝導により昇温される。また、ディスク５Ｂが、溶栓ボディ５Ａや分岐通路４２に侵入した高温ガス側からの熱伝導により昇温される。よって、可溶合金板５Ｃはこれらの隣接する部材からの熱伝導によって昇温され、所定温度になった時点で溶融される。

図４（ａ）は本実施形態に係る溶栓５の動作を説明する断面図である。また、図４（ｂ）は比較例に係る溶栓の動作を説明する断面図である。
可溶合金板５Ｃが溶融により開口５４とディスク５Ｂとの間から除去されると、ディスク５Ｂの開口５４側への移動が可能となる。よって、ディスク５Ｂは、受圧面である連通路５５側の端面に受けたガス圧に応じた速度で開口５４側へ飛び出す。これにより、連通路５５が開放され、高圧タンク１内のガスが連通路５５からガス放出口５８を経由して外部に放出される。なお、開口５４は、飛び出したディスク５Ｂのテーパ部５７によって閉塞される。

本実施形態の溶栓５では、溶栓ボディ５Ａの材質として、熱伝達速度が早い銅合金であるＣ３６０４Ｂを用いたことにより、熱伝導により可溶合金板５Ｃが溶融されるまでの時間が、ＳＵＳ３１６等のステンレス合金を用いた場合に比べて大きく短縮される。よって、温度上昇発生からディスク５Ｂが作動するまでの所要時間が短縮され、溶栓５の動作感度が向上される。

ディスク５Ｂは、その中心が軸線Ｚ−Ｚ上に位置している。また、開口５４も同様に、その中心が軸線Ｚ−Ｚ上に位置している。すなわち、開口５４は、ディスク５Ｂの可動経路上にある開口である。ディスク５Ｂが開口５４側へ飛び出すと、先端の縮径部は開口５４を通過するが、溶栓ボディ５Ａ側の衝突部である薄肉状突起５４ａにテーパ部５７が衝突する。よって、ディスク５Ｂは、作動時に溶栓ボディ５Ａの外部に完全に飛び出さずに作動空間５Ｄに留まる。

また、作動したディスク５Ｂは、ガス圧に応じた所定の衝撃力でテーパ部５７が薄肉状突起５４ａに衝突する。そして、薄肉状突起５４ａは、この衝撃力によって、図４（ａ）に示すように、外部側に屈曲変形される。なお、ディスク５Ｂ側の衝突箇所がテーパ状に形成されていることにより、薄肉状突起５４ａがスムーズに外部側に屈曲変形される。

このように、作動時のディスク５Ｂの運動エネルギーが、薄肉状突起５４ａを変形させる仕事に変換されるので、溶栓ボディ５Ａの他の部位が分担する衝撃力は、薄肉状突起５４ａによる衝撃緩和分だけ低下する。よって、Ｃ３６０４Ｂ等の高温時に耐力が低下する金属により形成された溶栓ボディ５Ａであっても、薄肉状突起５４ａ以外の部位において変形や破損が生じることを抑制できる。また可溶合金板５Ｃの溶融や薄肉状突起５４ａの変形は、開口５４を通じて外部から容易に確認できる。よって、溶栓５が作動したことを容易に確認できる。

一方、図４（ｂ）に示すように、薄肉状突起５４ａのような衝撃緩和部が衝突部５１０に設けられていない溶栓５００の場合には、全衝撃力が緩衝されずに溶栓ボディ５００Ａに作用する。このため、溶栓ボディ５Ａに大きな破損が生じる可能性が大きい。

なお、衝撃緩和部の形状は、薄肉状突起５４ａのような形状に限定されない。要は、衝撃緩和部は、開口５４側へ飛び出すディスク５Ｂの作動経路上であってディスク５Ｂと衝突可能な位置に設けられていればよく、且つ、衝突により変形可能な形状の突起であればよい。また、衝撃緩和部として摩擦面を設け、衝突時の衝撃力を摩擦熱に変換して衝撃を緩和してもよい。

＜第２実施形態＞
動作感度を向上させた他の実施形態を図５に示す。本実施形態の溶栓６００と第１実施形態の溶栓５との相違点は、溶栓６００では、溶栓ボディ５Ａに代えて、より材厚の薄い溶栓ボディ６００Ａを用いた点、及び、溶栓ボディ６００Ａの材質をＳＵＳ３１６とした点である。材厚を薄くすることにより、熱伝導率がＣ３６０４Ｂ等よりも低いＳＵＳ３１６を用いた溶栓ボディ６００Ａの熱伝達速度が向上される。従って、溶栓６００では、上記実施形態の溶栓５と同様に、熱伝導により可溶合金板５Ｃが溶融されるまでの時間が短縮され、動作感度が向上される。。

溶栓６００は、材厚を薄くしたことにより強度が低下している。そこで、この強度低下を補って破壊を抑制するために、溶栓ボディ６００Ａに、衝撃緩和部として、上記開口５４及び薄肉状突起５４ａと同様の構成を設けている。このようにすると、作動時には薄肉状突起の変形によって衝撃が緩和される。

＜第３実施形態＞
次に、図６を参照して、第３実施形態に係る溶栓７００について相違点を中心に説明する。上記各実施形態との相違点は、本実施形態では、溶栓ボディ５Ａ側や溶栓ボディ６００Ａ側ではなく、可動体であるディスク７００Ｂ側に衝撃緩和部を設けた点である。

図６（ａ）に示すように、溶栓ボディ７００Ａは、その天面に開口７０１を有する。開口７０１の内周面の内側部には、衝突部として機能するテーパ部７０１ａが形成されている。一方、ディスク７００Ｂは、開口７０１側の端部が開口７０１を通過可能な寸法に縮径されていると共に、長さ方向の中央部が開口７０１を通過不能な寸法に拡径されている。また、ディスク７００Ｂには、開口７０１側の端部寄りの所定位置に、薄肉状突起７０２が形成されている。この薄肉状突起７０２は、径方向外側に向かって所定の厚みで延出されている。

図６（ｂ）に作動時の溶栓７００の状態を示す。上記各実施形態と同様に、可溶合金板７００Ｃの溶融によってディスク７００Ｂの可動規制が解除されると、ディスク７００Ｂが溶栓ボディ７００Ａの天面側に向かって飛び出す。このとき、ディスク７００Ｂの先端部は開口７０１を通過するが、薄肉状突起７０２とテーパ部７０１ａとがガス圧に応じた所定の衝撃力で衝突する。薄肉状突起７０２は、この衝撃力によって溶栓ボディ７００Ａの内部側に向かって屈曲変形される。なお、開口７０１の縁がテーパ状とされているので、薄肉状突起７０２がスムーズに屈曲変形される。そして、屈曲された薄肉状突起７０２とその下の拡径部によって、開口７０１が閉塞される。

このように、衝撃緩和部（薄肉状突起７０２）は、溶栓のハウジング側でなく可動体側に設けてもよい。このような構成であっても、薄肉状突起７０２の変形によりディスク７００Ｂの衝突による溶栓ボディ７００Ａへの衝撃を緩和することができ、溶栓ボディ７００Ａの破損を低減することができる。

圧力容器を搭載した燃料電池自動車を示す図である。 実施形態に係る溶栓を取り付けた圧力容器の要部を示す断面図である。 実施形態に係る溶栓を示す断面図である。 溶栓の動作を説明する図であり、（ａ）は本実施形態に係る溶栓の断面図、（ｂ）は比較例に係る溶栓の断面図である。 第２実施形態に係る溶栓を示す断面図である。 第３実施形態に係る溶栓を示す図であり、（ａ）は溶融前の状態を示す断面図であり、（ｂ）は溶融後の状態を示す断面図である。

符号の説明

１：高圧タンク（圧力設備）、５：溶栓、５Ａ：溶栓ボディ（ハウジング）、５Ｂ：ディスク（可動体）、５Ｃ：可溶合金板（可溶体）、５Ｄ：作動空間、４２：分岐通路、４３：連通部、５４：開口、５４ａ：薄肉状突起（衝撃緩和部）、５５：連通路、５７：テーパ部、５８：ガス放出口

Claims (6)

1. 内圧が外圧よりも高いガス設備の内外を連通する連通部に取り付けられたハウジングであって、作動空間と、前記作動空間と前記ガス設備内とを連通する連通路と、前記作動空間と前記ガス設備外とを連通するガス放出口と、を有するハウジングと、
   前記ハウジングに接した状態で設けられ、所定温度で溶融する可溶体と、
   前記作動空間に収容された可動体であって、前記可溶体の溶融前には前記可溶体により可動を規制されて前記連通路を閉塞すると共に、前記可溶体の溶融後には前記規制の解除により可動して前記連通路を開放する可動体と、
   を備えた溶栓であって、
   前記ハウジングは、前記可溶体の溶融後に前記可動体に衝突される衝突部を有し、
   前記衝突部及び前記可動体の少なくとも一方には、前記可動体の衝突時の衝撃を緩和する衝撃緩和部が設けられている、溶栓。
2. 前記衝撃緩和部は、前記衝突部に設けられており、前記可動体の衝突時に変形することにより衝撃を緩和する、請求項１に記載の溶栓。
3. 前記衝撃緩和部は、薄肉状突起で構成されている、請求項２に記載の溶栓。
4. 前記ハウジングは、
   前記可動体の可動経路上にある開口であって、前記作動空間内と前記ガス設備外とを連通する開口を有し、
   前記可溶体は、その溶融前には、一端が前記開口を閉塞し且つ他端が前記可動体に当接してその可動を規制しており、
   前記薄肉状突起は、前記開口の縁部の先端側を基部側に比べて薄肉にすることで形成されたものである、請求項３に記載の溶栓。
5. 前記可動体は、前記可溶体の溶融後に前記薄肉状突起に衝突して前記開口を閉塞するテーパ部を有する、請求項４に記載の溶栓。
6. 前記ハウジングは、銅合金により形成されている、請求項１ないし４のいずれか一項に記載の溶栓。

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