JP2009180250A - リリーフ弁 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、水素吸蔵合金などを内蔵する容器の穴に弾性体を押圧配置することにより、安全な弁機能を得ることを目的とする。
【解決手段】本発明によるリリーフ弁は、容器(1)の穴(3)に接合する弾性体(4)とこれを押圧する押え板(6)を有し、容器(1)内の水素などの圧力が上昇した際に、穴(3)の外面(3a)と弾性体(4)との間からガスなどが押え板(6)のガスなどの逃がし穴(5)を経て外部に放出される構成である。
【選択図】図１

Description

本発明は、リリーフ弁に関し、水素吸蔵合金又はガス又は液体が内蔵された容器の穴に弾性体を押圧配置することにより、リリーフ弁機能を得るための新規な改良に関する。

従来、燃料電池を代表とする水素利用機器の水素源として、低圧でコンパクトに水素を貯蔵できる水素吸蔵合金を利用する技術が開発されてきた。また、水素貯蔵容器の圧力が高くなった際に、一般的な圧力容器と同様に、他の分野で用いられている圧力を逃がす装置を採用してきた。
例えば、ばねに加える押さえつけ力を変化させることで、圧力を逃がす量を調整するばね式のリリーフ弁が考案されており、水素貯蔵容器でも採用されてきた。
また、密閉型蓄電池に使用目的を限定している特許文献１及び２では、上部を少し大きくして拘束することで位置決めを容易にし、弾性体を２重にした構造で内部圧力のシールと圧力上昇に伴うリリーフ弁としての機能を兼ね備えた構造も存在した。

また、同じく密閉型の特許文献３の構成では、円筒形の弾性体を用いることで形状を簡単にし、周囲にゆとりを持った構造とすることで、圧力の逃げ道を確実に確保した構造となっていた。
また、非水電解質二次電池に関する特許文献４の構成では、圧力が低い際は押え板の周囲から圧力を逃がし、急激な圧力上昇の際は弾性体を放出することで、ガス排出能力に優れた構造となっている。
また、これらの弾性体を用いた従来特許では、設置する弾性体のサイズや圧力逃がし穴の大きさを変えることで、リリーフ圧を調整する手段としていた。
また、他の非水電解質二次電池では膜式を提案しているが、これは、所定の圧力を超えた場合に、肉薄部分から開裂することで内部の圧力を逃がすことを手段としていた。

特開２００５−３４７１３０号公報 特開２００３−０４５３９３号公報 特開２００１−１２６６９６号公報 特開平０７−３７５６８号公報

従来のリリーフ弁は、以上のように構成されていたため、次のような課題が存在していた。
従来、水素貯蔵容器で採用されてきたリリーフ弁では、ばねに加える押さえつけ力を変化させることで、圧力を逃がす量を調整するばね式であるが、この装置では、構造が複雑のため、人が手で持ち運びできる大きさ若しくは携帯できる大きさ、特に携帯電話器の燃料電池用タンク若しくはポータブルな電源機用途の燃料電池用タンク等次第に小型化が要求されてきた水素貯蔵容器に対応させる程の小型化が非常に難しく、構造コストも低くならない、といった欠点がある。
また、特許文献１及び２の構成では、上部を少し大きくして位置決めしたり、弾性体を二重構造にしてシール性も兼ね備えた構造となっているが、弾性体自体や位置決めするための構造が複雑となり、小型化していく水素貯蔵容器に対応するための構造を維持することが困難である、といった課題がある。
また、特許文献３の構成では、円筒形の弾性体を用いることで形状を簡単にしているものの、圧力の逃げ道を確保するために周囲にゆとりを持った構造になっており、圧力の逃がし穴の大きさによって、穴を塞ぐための位置決めが困難である。更に、圧力の逃げ道を大きくとりすぎる構造であるために、リリーフ弁を外部にさらすことになり、ごみなどがリリーフ弁の周囲にたまることによりリリーフ弁のリリーフ圧力に影響を及ぼす可能性があった。もちろん、周囲にカバーをすれば、ごみ対策にはなるが、それでは、構造が複雑になってしまい、小型容器には不向きとなっていた。

また、特許文献４の構成では、ごみこそ入りにくく、圧力の放出に優れた構造であるが、急激な圧力上昇にも対応させるため弾性体が露出しており、弾性体を放出してしまうことで再利用が難しい、といった欠点がある。
尚、従来特許に開示のリリーフ弁では、圧力の調整範囲に精度は必要なく、成形の誤差が影響しえない程度に大型の弾性体で十分であったが、成形の誤差の影響が大きく出る小型の弾性体を使用した場合、高い精度で圧力調整が可能なリリーフ弁を得ることは難しかった。
また、薄膜式の場合、作動圧力の管理は容易なものの、一度作動したら、再利用ができない、といった課題があった。
従って、本発明においては、前述の小型化や弾性体の位置決めが難しい、リリーフ弁に外部からごみが入りやすい、再利用性が悪い、などの課題を解決するためになされたものであり、これらを兼ね備え、利便性が高い構造で再利用可能な容器に対応できるリリーフ弁を得ることである。

本発明によるリリーフ弁は、水素吸蔵合金又はガス又は液体が内蔵された容器と、前記容器に形成された凹部と、前記凹部の底面に形成され前記容器の内部と連通する穴と、前記穴の外面に設けられ前記穴を塞ぐための弾性体と、前記弾性体を前記穴側へ付勢する押え板と、を備え、
前記弾性体は、球体、柱体、台形体及び階段状体の何れかよりなり、前記弾性体 が柱体、台形体又は階段状体にあっては天面及び底面が平面を有し、前記弾性体が収まる前記凹部は、前記弾性体の外接円と同じか又は大きい内接円をもつ多角柱又は円柱であり、前記多角柱又は円柱の断面形状は前記弾性体と合同又は相似でない断面形状を有し、前記弾性体は露出することのないよう各々前記凹部の底面及び前記弾性体を付勢する前記押さえ板の面に圧縮状態で固定され、
前記容器内のガス又は液体の圧力が上昇した際に、前記外面と前記弾性体との間から前記ガス又は液体が前記押え板に設けられた前記ガス又は液体の逃がし穴若しくは溝又は押え板と容器との隙間を経て外部に放出される構成であり、また、
前記容器には、ガス又は液体の出入り用弁と、前記穴、弾性体及び押え板からなる組合せ体と、が設けられ、前記出入り用弁と前記組合せ体とは、前記容器の同一端に共に設けられるか又は別端に別々に設けられている構成であり、また、 前記容器は、前記容器とは別体の水素吸蔵合金又はガス又は液体が内蔵された別容器に取付ける継手又はバルブに固定され、前記継手又はバルブに設けられ外部と連通する導通口を通じて前記水素吸蔵合金又はガス又は液体が内蔵された前記別容器内の圧力を逃がす構成であり、また、前記弾性体は、円柱、楕円柱、球体、多角形、台形体、階段状体、外周に突条を有する円柱、楕円柱、多角形、台形体、階段状体、外周に溝を有する円柱、楕円柱、多角形、台形体、階段状体の何れかよりなる構成であり、前記押え板は、前記ガス又は液体の逃がし穴、溝又は突部を有する構成である。

本発明によるリリーフ弁は、以上のように構成されているため、次のような効果を得ることができる。
すなわち、本発明では、従来から使用してきたばね式とは異なる弾性体を採用して構造を簡単にしたことで、容器の小型化と低コスト化に対応した安全機能を有する効果がある。
また、円筒形の凹部に対して円筒形などの断面が円状の弾性体ではなく、多角形の断面を有する弾性体を採用することで、または、多角形の凹部に対してこの凹部と合同又は相似形ではない断面を有する弾性体を採用することで、弾性体を設置する際に弾性体又は凹部の対角で安易に位置決めできるようになり、圧力の逃がし穴を作業者が意識することなく確実に塞ぐことが可能となり、生産性が向上した。更に、凹部と弾性体との間に隙間ができることで、圧力の逃げ道も確保する効果も得られる。
また、極力、隙間を減らした押え板などで弾性体を押さえつけ、弾性体を露出させないことで、弾性体自体へのごみなどによる外部環境の関与が少なくなり、弁の作動への影響が減少しただけでなく、弁が作動した際にごみなどが弾性体と容器或いは押え板の隙間のシール面に入り込む可能性が少なくなり、作動の繰返時のリリーフ圧の再現性も増すこととなった。尚、容器がある程度大きな場合は、設置した後に、弾性体の圧縮率を可変できるねじ体又は中空ねじ体又は溝付きねじ体の機構も組み込むことで、弾性体の熱履歴、設置箇所の寸法誤差、弾性体自体の寸法誤差などの因子に左右されることがなく、リリーフ弁の作動圧を調整できるようになった。
また、水素吸蔵合金が内蔵された容器におけるリリーフ弁の作動圧を、例えば３.５〜４.０ＭＰaのように、０.５ＭＰａ以下といった狭い範囲で適切に調整できるようになった。具体的には、弾性体の配合や形状、寸法、硬さ等を調整し弾性体のバネ定数を変えることで、リリーフ弁の適切な作動圧を調整できるようになった。
また、従来の薄膜式ではなく、弾性体を弁体として採用したことで、再現性を有した安全機能を設けることができた。

本発明は、水素吸蔵合金などが内蔵された容器の穴に弾性体を押圧配置することにより、安全な弁機能を得るようにしたリリーフ弁を提供することを目的とする。

以下、図面と共に本発明によるリリーフ弁の好適な実施の形態について説明する。
図１において、符号１で示されるものは水素吸蔵合金（図示せず）が内蔵された容器であり、この容器１は、アルミニウム、各種スチールなどの適当な強度と靭性を有する金属であればよい。また、ガスの種類に応じて強度と靭性を満足するナイロン等のエンプラやプラスチックと金属を複合した容器であっても良い。

前記容器１の上部には、凹部２が形成されていると共に、この凹部２の底部中心位置には貫通状の穴３が形成されており、この穴３上にはゴム等の弾性材料からなる弾性体４がこの穴３を塞ぐ状態で設けられている。

前記凹部２上には、平板状をなしガス逃がし穴５又は溝６ｃを有する押え板６が、この凹部２を覆う状態で設けられており、前記弾性体４の上面４ａがこの押え板６によって押圧されることにより、前記弾性体４は穴３を塞ぐように付勢されている。尚、この逃がし穴５の代わりに容器１との間に圧力が逃げるわずかな隙間７を設ける構造にしても良い。尚、弾性体４の天面４Ａと底面４Ｂは平面で形成されている。

前記弾性体４は、ゴム等の成形加工品で形成されているが、実際には、図１３から図１４および図１７から図２２で示されるように、図１７の円柱、図１８の楕円柱、図１９の球体、図２０の多角柱、図２１の台形体、図２２の階段状体、図１３の外周に突条４ｄを有する円柱、あるいは図１４の外周に溝４ｂを有する円柱等のように多様な形状としてもよい。なお、図２０の多角柱は図９の四角柱、図１０の五角柱、図１１の六角柱、図１２の三角柱、のような形状が例として挙げられ、図１３と１４は円柱だけでなく、楕円柱、多角柱、台形体、階段状体（図は省略）等に適用可能である。
また、前記凹部２と弾性体４とを異なる断面形状とすることで、凹部２の側壁と弾性体４とが互いに密着することなく、ガス圧力の逃げ道を確保することができるように構成され、押え板６に開けられたガス逃がし穴５は、弾性体４の断面の長径部分では塞がってしまうが、短径より外側（短径の半径より大きな半径の位置）にあるので、複数有するガス逃がし穴の何れかは弾性体４の長径部分で塞がれても短径部に近いガス逃がし穴は凹部２の空間と連通している。
また、弾性体４の断面の長径が収容穴の凹部２の内径とほぼ等しいかやや小さくすることにより、弾性体４の組み入れ作業の際、位置決めが容易になり、能率よく組立てることができる。弾性体４の大きさは所望の容器１の大きさに対応して決定できるが、小型容器に対応できる大きさとして、縦、横、高さは、それぞれ縦０．５ｍｍ、横０．５ｍｍ、高さ０．５ｍｍから縦２．０ｍｍ、横２．０ｍｍ、高さ２．０ｍｍの範囲でも、高い精度で圧力調整が可能なリリーフ弁を得ることが出来る。
前記弾性体４は、ガス又は液体に対し化学的に安定で、押え板６と容器１との間においてこれらを遮断でき、押え板６の押圧により圧縮弾性を生じる材料であれば特に限定しないが、ゴムとしては、天然ゴム又はエチレン−プロピレン−ジエン三元共重合体、ブタジエンゴム、イソプレンゴム、スチレンブタジエンゴム、アクリロニトリルブタジエンゴム、クロロプレンゴム、シリコーンゴム、フッ素ゴム、ウレタンゴム、クロロプレンゴム等の合成ゴムが挙げられる。また、熱可塑性エラストマーとしては、スチレン系エラストマー、オレフィン系エラストマー、ウレタン系エラストマー、ポリエステル系エラストマー、ポリアミド系エラストマー等が挙げられ、好ましくは、夏冬の温度差や熱帯又は寒冷地域でも使用できる広い使用温度範囲で安定した弾性率と圧縮永久ひずみ特性を持ち、かつ成形加工精度の高いシリコーンゴムを主成分としている。

前記押え板６は、図２から図８及び図２３で示されるように構成され、図２では、円板形で２個のガス逃がし穴５を有し、図３では、外周に一対の突部６ｂを有し、図４では、外周に４個の突部６ｂを有し、図６では４個のガス逃がし穴５を有し、図５では十字状の溝６ｃを有し、必要に応じて溝６ｃと交わる押え板６の側面にも同様の溝を有し、図７では直線状の２本の溝６ｃと外周に３個の突部６ｂを有し、図８では格子状の溝６ｃと外周に４個の突部６ｂを有し、図２３では外周に２個の突部６ｂを有し、ガスは前記ガス逃がし穴５又は溝６ｃ又は押え板６と容器１との隙間７を経て外部に導出される。
また、図３、図４、図７、図８及び図２３において突部６ｂを設けることにより、押え板６の上面と容器の表面との高さを一致させるように容器１に押え板６を嵌着する場合、押え板６の側面と容器１との隙間７を形成すると同時に押え板６を所定位置に設置し易くなる。
尚、図２３のように押え板６にガス逃がし穴５又は溝６ｃを設けずに押え板６と容器１との結合部に、わずかにガスが導出される隙間を設けることにより同一の作用を得てもよいし、図２〜８を含めこれらを組み合わせてもよい。

従って、図１の構成において、容器１内のタンク内水素圧力が上昇すると、高圧化したガスは穴３から弾性体４を外側へ押圧するため、このガスは穴３の外面３ａと弾性体４との間に隙間を形成し、その隙間から凹部２内に案内され、逃がし穴５から外部へ放出されることにより、容器１内のタンク内水素圧力は低下し、容器１の破損等が防止されると共に、再び、弾性体４が穴３を塞いで密着し、ガスの放出が停止し、次の圧力上昇に備えることとなる。

前記容器１は、他の形態として、例えば、図１５に示されるように、全体形状が円筒又は角筒で構成され、この容器１の一端４１に水素の吸放出用の出入り用弁２１が設けられ、この一端４１に対して長手方向に沿って対向する他端４２には、図１に示した穴３、弾性体４及び押え板６からなる組合せ体３０が設けられ、一端４１側で水素の吸放出、他端４２側でガス逃がしができるように別端４１、４２に別々に設けられている。また、図示していないが、出入り用弁２１と組合せ体３０とは、同一端４１又は４２に共に設けることができる。

また、図１６に示される構成は、本発明の他の形態を示すもので、前記容器１とは別体で、かつ、大型の水素貯蔵容器等からなる別容器５０に取付けられた継手５１又はバルブ５２に図１５の容器１が接続して固定され、前記継手５１又はバルブ５２に設けられ外部と連通する導通口５３を通じて前記水素貯蔵容器５０内のガス圧力を容器１の前記穴３、弾性体４及び押え板６の逃がし穴５などを介して外部に放出することができるように構成されている。

尚、本発明のリリーフ弁は水素吸蔵合金を収容する容器だけではなく、他のガス又は液化プロパンガス、液体窒素、液体二酸化炭素等の気化性のある液化ガス類の液体やメタノール、エタノール、ブチルアルコール、ガソリン等の燃料として用いられる体積膨張の大きい揮発性液体が内蔵された容器にも同様に利用することができる。

本発明によるリリーフ弁を示す断面図である。 図１の押え板の拡大平面図である。 図２の他の形態の平面図である。 図３の他の形態の平面図である。 図２の他の形態の弾性体と接する面側にある平面図である。 図２の他の形態の平面図である。 図２の他の形態の弾性体と接する面側にある平面図である。 図７の他の形態の弾性体と接する面側にある平面図である。 図１の弾性体の拡大平面図である。 図９の他の形態を示す平面図である。 図１０の他の形態を示す平面図である。 図１１の他の形態を示す平面図である。 図９の他の形態を示す平面図である。 図１３の他の形態を示す平面図である。 図１の他の形態を示す構成図である。 図１５の他の形態を示す構成図である。 図９から図１２の代表を示す図である。 図１７の他の形態を示す図である。 図１８の他の形態を示す図である。 図９〜１２を代表する図である。 図２０の他の形態を示す図である。 図２１の他の形態を示す図である。 図２の他の形態の図である。

１ 容器
２ 凹部
３ 穴
３ａ 外面
４ 弾性体
４Ａ 天面
４Ｂ 底面
４ａ 上面
４ｂ 溝
４ｄ 突条
５ 逃がし穴
６ 押え板
６ｂ 突部
６ｃ 溝
７ 隙間
２２ 受け穴
２２ａ 受け穴
３０ 組合せ体
４１ 一端
４２ 他端
５０ 別容器
５１ 継手
５２ バルブ
５３ 導通口

Claims (8)

1. 水素吸蔵合金又はガス又は液体が内蔵された容器(1)と、前記容器(1)に形成された凹部(2)と、前記凹部(2)の底面に形成され前記容器(1)の内部と連通する穴(3)と、前記穴(3)の外面(3a)に設けられ前記穴(3)を塞ぐための弾性体(4)と、前記弾性体(4)を前記穴(3)側へ付勢する押え板(6)と、を備え、
   前記容器(1)内のガス又は液体の圧力が上昇した際に、前記外面(3a)と前記弾性体(4)との間から前記ガス又は液体が前記押え板(6)に設けられた前記ガス又は液体の逃がし穴(5)若しくは溝(6c)又は押え板(6)と容器(1)との隙間(7)を経て外部に放出される構成としたことを特徴とするリリーフ弁。
2. 前記容器(1)には、ガス又は液体の出入り用弁(21)と、前記穴(3)、弾性体(4)及び押え板(6)からなる組合せ体(30)と、が設けられ、前記出入り用弁(21)と前記組合せ体(30)とは、前記容器(1)の同一端(41又は42)に共に設けられるか又は別端(41,42)に別々に設けられていることを特徴とする請求項１記載のリリーフ弁。
3. 前記容器(1)は、前記水素吸蔵合金又はガス又は液体が内蔵されたボンベ(23)よりなり、前記ボンベ(23)の先端に接続された筒体(20)にガス又は液体の出入り用弁(21)を設け、前記筒体(20)の壁(20a)に前記穴(3)、弾性体(4)及び押え板(6)が設けられていることを特徴とする請求項１記載のリリーフ弁。
4. 前記押え板(6)を前記弾性体(4)側へ付勢するため前記穴(3)に連通するねじ穴(24)又は溝付きねじ穴(26)に螺合されたねじ体(28)又は中空ねじ体(25)又は溝付きねじ体(27)が設けられ、前記ねじ体(28)又は中空ねじ体(25) 又は溝付きねじ体(27)により前記弾性体(4)の圧縮状態を可変とすることを特徴とする請求項３記載のリリーフ弁。
5. 前記容器(1)は、前記容器(1)とは別体の水素吸蔵合金又はガス又は液体が内蔵された別容器(50)に取付ける継手(51)又はバルブ(52)に固定され、前記継手(51)又はバルブ(52)に設けられ外部と連通する導通口(53)を通じて前記水素吸蔵合金又はガス又は液体が内蔵された前記別容器(50)内の圧力を逃がす構成としたことを特徴とする請求項１ないし４の何れかに記載のリリーフ弁。
6. 前記押え板(6)は、前記ガス又は液体の逃がし穴(5)又は溝(6c)を有することを特徴とする請求項１ないし５の何れかに記載のリリーフ弁。
7. 前記弾性体(4)は、円柱、楕円柱、球体、多角柱、台形体、階段状体、外周に突条(4d)を有する円柱、楕円柱、球体、多角柱、台形体、階段状体、外周に溝(4b)を有する円柱、楕円柱、球体、多角柱、台形体、階段状体の何れかよりなることを特徴とする請求項１ないし６の何れかに記載のリリーフ弁。
8. 前記凹部(2)は、前記弾性体(4)の外接円と同じか又はやや大きい内接円をもつ多角柱又は円柱とし、その多角柱又は円柱の断面形状は前記弾性体(4)と合同又は相似形でない断面形状を有することを特徴とする請求項１ないし７の何れかに記載のリリーフ弁。

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