JP2009121510A - バルブアッセンブリ及び圧力容器 - Google Patents

Abstract

【課題】寿命に到達したときに強制的に実用に耐えなくするバルブアッセンブリ及び圧力容器。
【解決手段】バルブアッセンブリ４は、燃料を貯留する圧力容器１に着脱可能に取り付けられたものであり、圧力容器１の内部と外部とを連通する燃料用の流路４２と、バルブアッセンブリ４の寿命到達時に、流路４２の流路面積を制限する時限式制限装置２００と、を備える。流路４２は、燃料電池１０４への供給流路である。時限式制限装置２００は、ピストン２０３の位置により流路４２の流路面積を可変し、流路４２を完全に閉塞しないように流路面積を制限することで、燃料電池自動車１００の退避走行を可能にさせる。ピストン２０３の移動は、可溶合金２０１を溶融することで行うか、疲労材３０１を疲労破壊させることで行う。
【選択図】図３

Description

本発明は、バルブアッセンブリ、及びこれを着脱実在に取り付けた圧力容器に関するものである。

圧力容器として、燃料電池自動車に搭載される水素タンク（特許文献１参照）や、天然ガス自動車に搭載されるボンベ（特許文献２参照）が知られている。これら圧力容器への燃料の充填作業が繰り返し行われると、圧力容器が劣化する。そこで、特許文献１に記載のシステムでは、耐用年数（寿命）を過ぎた水素タンクが使用されるのを防止するべく、水素タンクへの水素ガスの充填回数を計数し、それが耐久性能を考慮した回数に達している場合に警報を発するようにしている。また、特許文献２に記載のシステムでは、バーコードからボンベの使用有効期限を読み取り、それが過ぎている場合に警報を発するようにしている。一方、特許文献３に記載のように、弁の寿命を知らせる装置も知られている。この装置は、所定の操作回数で疲労破壊に至るコイルバネを弁内に挿入しておき、コイルバネの疲労破壊を介して弁の寿命を検出するというものである。
特開２００３−２８３９３号公報 特開平５−２８８３００号公報 特開昭６４−４６０８３号公報

ところで、遮断弁や逆止弁などの各種のバルブを組み込んで一つのバルブアッセンブリを構成し、このバルブアッセンブリを水素タンク等の口金に着脱自在に取り付けることが提案されている。バルブアッセンブリのボディーやバルブにも耐用年数はあるが、その経過前に交換や修理等に供されれば、耐用年数経過後のバルブアッセンブリが使用されることはない。しかし、バルブアッセンブリが寿命に到達したことは、外観上判断し難い。このため、例えば、一の車両におけるバルブアッセンブリが別の車両に載せ替えられた場合、耐用年数を大幅に越えて使用される可能性がある。また、従来のように耐用年数が経過したことの警報を発するだけでは、耐用年数経過後も経過前と同じようにバルブアッセンブリが使用される可能性がある。

本発明は、寿命に到達したときに強制的に実用に耐えなくするバルブアッセンブリ及び圧力容器を提供することをその目的としている。

本発明のバルブアッセンブリは、燃料を貯留する圧力容器に着脱可能に取り付けられたものにおいて、圧力容器の内部と外部とを連通する燃料用の流路と、バルブアッセンブリの寿命到達時に流路の流路面積を制限する時限式制限装置と、を備えたものである。

本発明によれば、寿命到達時に、流路を流れる燃料の量を制限することができる。これにより、寿命到達時、バルブアッセンブリが通常通り（正常に）用いられることを強制的に抑制でき、実用に耐えなくすることが可能となる。

本発明の好ましい一態様によれば、流路は、圧力容器内から圧力容器外の機器へと燃料を供給するための供給流路であるとよい。

この構成によれば、寿命到達時に、燃料の供給先である機器に対して、燃料を通常通り供給することができなくなる。これにより、機器は燃料不足の状態となるので、機器の出力が低下するなど、実用に耐えられない仕様へと強制的に変更できる。

本発明の好ましい別の態様によれば、流路は、圧力容器外から圧力容器内へと燃料を充填するための充填流路であってもよい。これにより、寿命に到達したとき、圧力容器への燃料の充填量を抑制できる。

好ましくは、時限式制限装置は、流路を完全に閉塞しないように流路面積を制限するとよい。

この構成によれば、寿命に到達したとき、寿命到達前に対して、圧力容器からの燃料供給量又は圧力容器への充填量等が抑制されるとはいえ、圧力容器からの燃料の供給や圧力容器への充填を確保することができる。これにより、圧力容器が燃料源として例えば車両等に搭載されている場合、車両を修理工場等に自走させることも可能となる。

本発明の好ましい一態様による時限式制限装置は、所定温度で溶融する可溶体と、可溶体を加熱する熱源と、可溶体の溶融前には可溶体により可動を規制されて流路面積を制限しない位置にあると共に、可溶体の溶融後には規制の解除により可動して流路面積を制限する可動体と、寿命到達時に熱源の温度を所定温度以上に設定する制御部と、を有する。

この構成によれば、バルブアッセンブリが寿命に到達すると、熱源が加熱されて可溶体が溶融し、可動体が可動して流路面積を制限する。これにより、電気的に流路面積を制限することが可能となる。

より好ましくは、制御部は、圧力容器内への燃料の充填回数をカウントし、そのカウント数が所定数に達しときに、熱源の温度を所定温度以上に設定するとよい。

こうすることで、寿命との関連性が高いパラメータ（燃料の充填回数）をトリガとして、寿命到達時に流路面積を制限することができる。

好ましくは、圧力容器は、燃料として、外圧よりも高い圧力のガスを内部に貯留しており、可動体は、可溶体の溶融後に、少なくとも圧力容器内のガス圧によって可動するとよい。

この構成によれば、寿命到達時に、圧力容器内のガスを有効に利用して可動体を可動させることができる。

本発明の好ましい別の態様による時限式制限装置は、バルブアッセンブリの寿命に到達したときに破断する疲労材と、疲労材の破断前には疲労材により可動を規制されて流路面積を制限しない位置にあると共に、疲労材の破断後には規制の解除により可動して流路面積を制限する可動体と、を有する。

この構成によれば、寿命に到達すると、疲労材が疲労破壊に至り、可動体が可動して流路面積を制限する。これにより、機械的な構成だけで流路面積の制限が可能となるので、製造コストを低減できる。

好ましくは、疲労材は、圧力容器内に充填する燃料の目標充填回数の近傍で破断するように構成されているとよい。

この構成によれば、目標充填回数を大幅に超えた使用を制限できる。なお、このようなタイミングで疲労破壊させる疲労材の設計は、Ｓ−Ｎ曲線を取得することで可能である。

より好ましくは、圧力容器は、燃料として、外圧よりも高い圧力のガスを内部に貯留しており、可動体は、疲労材の破断後に、少なくとも圧力容器内のガス圧によって可動するとよい。

本発明のバルブアッセンブリによれば、耐用年数経過後に強制的に実用に耐えなくすることができる。

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バルブアッセンブリ及び圧力容器について説明する。ここでは、圧力容器として高圧タンクを例に説明する。

＜第１実施形態＞
図１は、本実施形態に係る高圧タンクを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、例えば３つの高圧タンク１を車体のリア部に搭載する。各高圧タンク１は、燃料電池システムの一部を構成し、ガス供給ライン１０２を通じて燃料電池１０４に燃料ガスを供給可能に構成される。高圧タンク１に貯留される燃料ガスは、自動車１００外部のガスステーション１０５等からガス充填ライン１０６を経て高圧タンク１に供給される。燃料ガスは、可燃性の高圧ガスであり、例えば圧縮天然ガス又は水素ガスである。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を一部裁断して示すと共にバルブアッセンブリの回路系統の一例を示す図である。
高圧タンク１は、タンク本体２及び口金３を有すると共に、口金３にバルブアッセンブリ４が着脱可能にねじ込み接続されている。

タンク本体２は、全体として密閉円筒状からなり、例えば樹脂ライナー６及びＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastics）層７の二層構造を備えている。タンク本体２の内部は、燃料ガスを常圧（外圧）よりも高い圧力（すなわち高圧）で貯留する貯留空間５を構成している。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空間６に貯留される。以下では、高圧タンク１が貯留する高圧ガスとして水素ガスを例に説明する。

口金３は、アルミニウム等の金属で形成され、タンク本体２のタンク本体２の長手方向の一端部又は両端部に位置する。口金３は、タンク本体２の軸線上に軸心を有する開口部を備えており、この開口部にバルブアッセンブリ４の一部が挿入される。挿入されたバルブアッセンブリ４は、開口部の内周面に形成されためねじ９に螺合する。

バルブアッセンブリ４は、外部のガス充填ライン１０６に接続される充填流路４１と、外部のガス供給ライン１０２に接続される供給流路４２と、を有している。充填流路４１及び供給流路４２は、貯留空間５に連通しており、それぞれ、高圧タンク１の内部と外部とを連通する水素ガス用の流路として機能している。高圧タンク１内への水素ガスの充填は、ガス充填ライン１０６から充填流路４１を経て行われる一方、高圧タンク１から燃料電池１０４への水素ガスの供給は、供給流路４２からガス供給ライン１０２を経て行われる。

充填流路４１には、水素ガスの逆流を阻止するための逆止弁５１と、逆止弁５１と直列に配置された手動弁５２と、が設けられている。一方、供給流路４２には、貯留空間５側から順に、水素ガス中の異物を捕捉するフィルタ６１と、電磁弁である遮断弁６２と、手動弁６３と、水素ガス圧を減圧する調圧弁６４と、が設けられている。

バルブアッセンブリ４のボディー７１（ハウジング）には、充填流路４１及び供給流路４２が形成されると共に、これら流路４１，４２に設けられる各種の弁（５１，５２，６１，６２，６３）が組み込まれている。ボディー７１には、弁以外にもセンサや継手などのほか、後述する時限式制限装置２００を組み込むことができる。ボディー７１は、アルミニウム等の金属から形成され、その外周面には、めねじ９に螺合するおねじ７２が形成されている。このねじ部分における螺合によって、バルブアッセンブリ４は口金３にねじ込み接続され、高圧タンク１の内外に亘るようにこれに取り付けられることになる。

次に、図３及び図４を参照して、時限式制限装置２００について説明する。
時限式制限装置２００は、その機械的構造部分が供給流路４２に設けられる。時限式制限装置２００は、バルブアッセンブリ４が寿命に到達したとき（以下、「寿命到達時」という。）に作動して、図３に示す状態から図４に示す状態となり、供給流路４２の流路面積を制限する。

時限式制限装置２００は、可溶合金２０１、ヒータ２０２、ピストン２０３及び制御部２０４を有している。
可溶合金２０１は、はんだ等の低融点合金を用いて円柱状に形成された可溶体であり、所定の温度で溶融する。ヒータ２０２は、可溶合金２０１の近傍においてその周囲を囲繞するように配設され、可溶合金２０１を加熱する熱源として機能する。ヒータ２０２は、ハーネス２０５を介して制御部２０４に接続されており、その加熱温度が制御部２０４によって制御される。取付け部材２０６は、ヒータ２０２を内部に組み込んでいる。また、取付け部材２０６内の収容空間２０７には、可溶合金２０１が収容されている。取付け部材２０６の外周面にはおねじ２０８が形成されており、おねじ２０８がボディー７１のめねじ２０９にねじ込み接続されることで、取付け部材２０６がボディー７１に着脱可能に取り付けられる。

ピストン２０３（可動体）は、摺動部２１１と、摺動部２１１よりも縮径された棒状の縮径部２１２と、で構成されている。縮径部２１２の一部は、収容空間２０７に収容されている。摺動部２１１は、ボディー７１内の筒状の空間２１４に収容され、空間２１４を画成する内壁２１６に対して摺動可能に構成されている。摺動部２１１の内部には、Ｌ字状の流路２１８が形成されており、流路２１８の両端は空間２１４内で開放している。内壁２１６には、二つのＯリング２２１，２２２が設けられ、Ｏリング２２１，２２２によって、内壁２１６と摺動部２１１の外周面との間がシールされる。

空間２１４には、ピストン２０３と同軸にコイルバネ２２４が収容されており、ピストン２０３は、コイルバネ２２４によって可溶合金２０１に向かって付勢されている。また、空間２１４には、ガス入口２２６及びガス出口２２８が連通しており、水素ガスが、ガス入口２２６から空間２１４に流入し且つ空間２１４からガス出口２２８へと流出するようになっている。すなわち、ガス入口２２６、空間２１４及びガス出口２２８は、供給流路４２の一部となっている。後述するように、ピストン２０３の位置によって、供給流路４２の流路面積が変化する。

制御部２０４は、内部にＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータとして構成される。制御部２０４は、寿命到達時に、ヒータ２０２を通電させ、ヒータ２０２への温度を可溶合金２０１の溶融温度（所定温度）よりも高い温度に設定する。また、制御部２０４は、バルブアッセンブリ４の寿命をカウントする。ここでは、制御部２０４は、高圧タンク１内への水素ガスの充填回数をカウントし、そのカウント数が所定数（目標充填回数）に達したときに、バルブアッセンブリ４が寿命に到達したと判断する。なお、制御部２０４は燃料電池自動車１００のＥＣＵで兼ねることができる。

図３に示す寿命到達前では、可溶合金２０１は固体として存在する。ピストン２０３は、コイルバネ２２４による付勢力とタンク内圧とによって可溶合金２０１に向かって押されており、縮径部２１２の先端面が可溶合金２０１に当接して、その移動を規制されている。このとき、ピストン２０３内の流路２１８の下流側はガス出口２２８に面しており、供給流路４２の流路面積は、ピストン２０３によって狭められることなく、最大となるようになっている。なお、水素ガスは、ガス入口２２６、空間２１４、流路２１８及びガス出口２２８を順に流れる。

寿命到達時には、可溶合金２０１は、ヒータ２０２からの熱伝導により昇温され、所定温度になった時点で溶融する。溶融した可溶合金２０１は、図４に示すように、その一部が取付け部材２０６の開口部２３０に浸入すると共に、残りが収容空間２０７の底部２３１に滞留する。可溶合金２０１の溶融により、ピストン２０３の外部への移動規制が解除されるので、ピストン２０３はコイルバネ２２４の付勢力とタンク内圧とによって外部に向かって移動する。これにより、流路２１８の下流側がガス出口２２８から外れた位置に移動し、供給流路４２の流路面積がピストン２０３によって狭められて制限されることになる。

より詳細には、寿命到達前では、供給流路４２の流路面積として、流路２１８の流路面積Ｓ１を確保できる。しかし、寿命到達後では、供給流路４２の流路面積として、流路面積Ｓ１を確保できず、これよりも減少し、ピストン２０３の外周面と内壁２１６との間の流路面積Ｓ２となる。したがって、寿命到達後では、水素ガスは、ガス入口２２６から空間２１４を経てガス出口２２８に流れる際に、流路２１８を通過せずに、ピストン２０３の外周面と内壁２１６との間を通過するので、その流量が制限される。なお、寿命到達後、ピストン２０３は摺動部２１１が取付け部材２０６に突き当たる。

以上説明した本実施形態の作用効果を述べる。
本実施形態のバルブアッセンブリ４によれば、寿命到達前では供給流路４２の流路面積を最大限確保することができるので、燃料電池２の要求出力に応じた水素ガスをガス供給ライン１０２に供給することができる。一方、寿命到達時には、供給流路４２の流路面積を制限するので、バルブアッセンブリ４が通常通り（正常に）用いられることを強制的に抑制できる。その結果、燃料電池１０４の要求出力に応じた水素ガスがガス供給ライン１０２に供給されなくなり、燃料電池１０４の出力及び燃料電池自動車１００の出力が低下するなど、通常時の実用に耐えられない仕様へと強制的に変更できる。また、運転者に出力不足を実感させることができ、バルブアッセンブリ４の点検・交換を促すことができる。

さらに、本実施形態によれば、寿命到達時に、供給流路４２を完全に閉塞するのではなく、所定の流路面積Ｓ２を確保している。これにより、高圧タンク１から燃料電池１０４に水素ガスを供給し続けることができるので、燃料電池自動車１００を走行させることが可能となる。この場合、寿命到達時に制限した供給流路４２の流路面積は、燃料電池自動車１００を修理工場等にまで退避走行可能な程度であるとよい。

また、本実施形態によれば、寿命到達時に可溶合金２０１を溶融させるのに、寿命との関連性が高い充填回数をトリガとして用いることができる。なお、可溶合金２０１が溶融した時点で、制御部２０４はヒータ２０２への通電を停止するとよい。

＜第２実施形態＞
次に、図５を参照して、第２実施形態に係る時限式制限装置３００について相違点を中心に説明する。第１実施形態との相違点は、バルブアッセンブリ４が寿命に到達したときに、ピストン２０３を機械的に移動させるようにしたことである。なお、第１実施形態と共通する構成については同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。

時限式制限装置３００は、可溶合金２０１、ヒータ２０２及び制御部２０４の代わりに、取付け部材２０６の収容空間２０７に疲労材３０１を備える。疲労材３０１は、収容空間２０７の内壁に肩持ち支持されている。寿命到達前では、疲労材３０１の先端側には、ピストン２０３の縮径部２１２の先端面が当接する。このため、ピストン２０３の外部への移動が規制されるようになっている。またこのとき、図３と同様に、供給流路４２の流路面積は、ピストン２０３によって狭められることなく、最大となるようになっている。

上述のとおり、ピストン２０３には、コイルバネ２２４の付勢力のほかに、タンク内圧が作用する。水素ガスが高圧タンク１に充填される際、タンク内圧が上昇する。このため、疲労材３０１には、充填回数に応じた圧力サイクル負荷がピストン２０３を介して伝えられることになる。

本実施形態では、このような事実に鑑み、疲労材３０１が、水素ガスの目標充填回数後に破断するように構成されている。この破断は疲労破壊によるものであるから、疲労材３０１を設計するに際しては、各種材料や大きさ等の疲労材３０１についてＳ−Ｎ曲線を予め取得すればよい。そして、そのＳ−Ｎ曲線から目標充填回数に相当する回数又はそれを僅かに超える回数で破断するように、疲労材３０１を設定すればよい。なお、目標充填回数は、バルブアッセンブリ４の寿命到達時に相当する回数である。

寿命到達後に、疲労材３０１が疲労破壊により破断すると、今まで疲労材３０１によって移動を規制されていたピストン２０３は、その移動規制が解除される。その結果、ピストン２０３は、コイルバネ２２４の付勢力とタンク内圧とによって外部に向かって移動する。これにより、図４と同様に、供給流路４２の流路面積が、ピストン２０３によって狭められて制限されることになる。

以上説明したように、本実施形態のバルブアッセンブリ４によっても、第１実施形態と同様の作用効果を奏することができる。特に、本実施形態によれば、時限式制限装置３００の機械的な構成によって、バルブアッセンブリ４が目標充填回数を大幅に超えて使用されることを抑制でき、製造コストを低減することができる。

なお、疲労材３０１を破壊させるタイミングについて目標充填回数を基準としたが、もちろん他の要素を基準としてもよい。要するに、疲労材３０１は寿命到達時に疲労破壊により破断するように構成されればよい。

本実施形態の変形例として、図６に示す疲労材４０１を用いてもよい。疲労材４０１は、疲労材３０１よりも薄肉に形成され、収容空間２０７の内壁に両持ち支持される。このような疲労材４０１は、疲労破壊により、破裂するように破断することになる。

上記した各実施形態では、寿命到達時に時限式制限装置２００、３００によって供給流路４２の流路面積を制限したが、供給流路４２に代えて、充填流路４１の流路面積を制限してもよい。こうすることで、寿命到達時に、高圧タンク１への水素ガスの充填量を抑制できる。また、燃料ガスの例として水素ガスを例に説明したが、燃料が液体である場合にも、上記各実施形態を適用することができる。

第１実施形態に係る圧力容器を搭載した燃料電池自動車を示す図である。 第１実施形態に係るバルブアッセンブリを取り付けた圧力容器を一部裁断して示すと共にバルブアッセンブリの回路系統の一例を示す図である。 第１実施形態に係る時限式制限装置について、バルブアッセンブリの寿命経過前の状態を示す概略断面図である。 第１実施形態に係る時限式制限装置について、バルブアッセンブリの寿命経過後の状態を示す概略断面図である。 第２実施形態に係る時限式制限装置を示す概略断面図である。 第２実施形態の変形例に係る時限式制限装置を示す概略断面図である。

符号の説明

１：高圧タンク、４：バルブアッセンブリ、４１：充填通路、４２：供給通路、２００：時限式制限装置、２０１：可溶合金（可溶体）、２０２：ヒータ（熱源）、２０３：ピストン（可動体）、２０４：制御部

Claims (10)

1. 燃料を貯留する圧力容器に着脱可能に取り付けられたバルブアッセンブリにおいて、
   前記圧力容器の内部と外部とを連通する燃料用の流路と、
   当該バルブアッセンブリが寿命に到達したときに、前記流路の流路面積を制限する時限式制限装置と、
   を備えた、バルブアッセンブリ。
2. 前記流路は、前記圧力容器内から当該圧力容器外の機器へと燃料を供給するための供給流路である、請求項１に記載のバルブアッセンブリ。
3. 前記時限式制限装置は、前記流路を完全に閉塞しないように前記流路面積を制限する、請求項１又は２に記載のバルブアッセンブリ。
4. 前記時限式制限装置は、
   所定温度で溶融する可溶体と、
   前記可溶体を加熱する熱源と、
   前記可溶体の溶融前には当該可溶体により可動を規制されて前記流路面積を制限しない位置にあると共に、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流路面積を制限する可動体と、
   当該バルブアッセンブリが寿命に到達したときに、前記熱源の温度を前記所定温度以上に設定する制御部と、
   を有する、請求項１ないし３のいずれか一項に記載のバルブアッセンブリ。
5. 前記制御部は、前記圧力容器内への燃料の充填回数をカウントし、そのカウント数が所定数に達しときに、前記熱源の温度を前記所定温度以上に設定する、請求項４に記載のバルブアッセンブリ。
6. 前記圧力容器は、前記燃料として、外圧よりも高い圧力のガスを内部に貯留しており、
   前記可動体は、前記可溶体の溶融後に、少なくとも前記圧力容器内のガス圧によって可動する、請求項４又は５に記載のバルブアッセンブリ。
7. 前記時限式制限装置は、
   当該バルブアッセンブリが寿命に到達したときに破断する疲労材と、
   前記疲労材の破断前には当該疲労材により可動を規制されて前記流路面積を制限しない位置にあると共に、前記疲労材の破断後には前記規制の解除により可動して前記流路面積を制限する可動体と、
   を有する、請求項１ないし３のいずれか一項に記載のバルブアッセンブリ。
8. 前記疲労材は、前記圧力容器内に充填する燃料の目標充填回数の近傍で破断するように構成されている、請求項７に記載のバルブアッセンブリ。
9. 前記圧力容器は、前記燃料として、外圧よりも高い圧力のガスを内部に貯留しており、
   前記可動体は、前記疲労材の破断後に、少なくとも前記圧力容器内のガス圧によって可動する、請求項８に記載のバルブアッセンブリ。
10. 請求項１ないし９のいずれか一項に記載のバルブアッセンブリを備えた圧力容器。

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