JP2012189107A - インタンクバルブ - Google Patents

Abstract

【課題】インタンクバルブおよびタンクの小型・軽量化を図る。
【解決手段】主止弁１０は、一部を水素タンク２の内部に挿入され水素タンク２に固定されるボディ１１と、ボディ１１内に形成され水素タンク２の内部に通じる第１通路１５と、ボディ１１内に形成され水素タンク２の外部に通じる第２通路１７と、水素タンク２の内部から第２通路１７に通じるパイロット通路２９と、パイロット通路２９を開閉する電磁式のパイロットバルブ３０と、パイロットバルブ３０の開弁による第２通路１７内の圧力上昇で得られる推力と第１通路１５とパイロット通路２９との圧力差で得られる推力とを用いて開弁することで第１通路１５と第２通路１７とを連通させ、パイロットバルブ３０よりも大流量で水素タンク２内の水素ガスを流通させることが可能なメインバルブ１８と、を備え、パイロットバルブ３０を水素タンク２内の圧力を受圧するようにボディ１１に設置する。
【選択図】図２

Description

この発明は、タンクに直接設置されるインタンクバルブに関するものである。

一般的に、高圧ガスタンクに直接取り付けられ、高圧環境下で作動する電磁弁は、開口径の小さいパイロットバルブと開口径の大きいメインバルブの２つのバルブを備えて構成されており、初めにパイロットバルブを開弁させ、このパイロットバルブの開弁がメインバルブの開弁をアシストすることで、作動性を確保している。
このようにパイロットバルブとメインバルブとを備える電磁弁として、次の２つのタイプの電磁弁が知られている。

第１のタイプは、パイロットバルブとメインバルブとを同軸上に直列に配置し、パイロットバルブとメインバルブとを１つのソレノイドで電磁駆動するように構成した電磁弁（以下、インタンク型キックパイロット式電磁弁という）である（例えば、特許文献１参照）。このインタンク型キックパイロット式電磁弁の開弁動作は、初めにソレノイドの電磁的吸引力によりパイロットバルブを開弁することでメインバルブの下流の圧力を上昇させてメインバルブの上流側圧力と下流側圧力の圧力差を小さくし、メインバルブの開弁に必要な推力が小さくなったところでソレノイドの電磁的吸引力によりメインバルブを開弁させる。

第２のタイプは、電磁駆動式のパイロットバルブのソレノイドをタンクの外側に設置し、パイロットバルブから離れた位置に差圧駆動式のメインバルブを設置して構成した電磁弁（以下、背圧式電磁弁という）である（例えば、特許文献２参照）。この背圧式電磁弁の開弁動作は、初めにソレノイドの電磁的吸引力によりパイロットバルブを開弁することで、メインバルブの上流側の背圧室のガスをメインバルブの下流側に流してメインバルブの下流の圧力を上昇させるとともに背圧室の圧力を低下させ、メインバルブの上流側圧力と背圧室の圧力との圧力差に基づく推力によりメインバルブを開弁させる。

特開２００５−１６３８９６号公報 米国特許第７３０９１１３号明細書

しかしながら、前記インタンク型キックパイロット式電磁弁においては、同軸上に直列に配置されたパイロットバルブとメインバルブとを同一のソレノイドで駆動し開弁させるので、バルブストロークが長くなり、したがって、ロングストロークに対応したソレノイドが必要となり、必要推力を満たすためにはソレノイドが大型化するという課題がある。

また、高圧ガスタンクでは、耐圧性を考慮した場合に、インタンク型キックパイロット式電磁弁の取付部となるタンクの開口部での受圧面積を小さくしたいため、この開口部の内径を小さくしたいという要求があるが、ソレノイドが大型化すると、インタンク型キックパイロット式電磁弁においてタンク内に挿入する部分が大きくなり、したがって、タンクの前記開口部の内径を大きくせざるを得なくなる。その結果、前記開口部での受圧面積が大きくなるため、耐圧性を考慮すると、大きくなった推力を受けても固定状態が維持されるよう高圧ガスタンクの雌ねじと噛み合う雄ねじのねじ長さが長くなり、インタンク型キックパイロット式電磁弁が大型化し、さらに、タンク側の耐圧強度を確保するためにタンク自体の重量増を招くという課題もある。

一方、前記背圧式電磁弁においては、ソレノイドをタンクの外側に配置するため、インタンク型キックパイロット式電磁弁のようにタンク内に挿入する部分が大きくなることがないので、タンクの開口部の内径を小さくすることができる。しかしながら、背圧式電磁弁においては、パイロットバルブにおける弁部等はタンク内の圧力（高圧）を受け、ソレノイドを収容する部分は大気圧（低圧）を受けることとなり、ソレノイドの内外で大きな差圧が発生する。したがって、この大きな差圧に耐え得るようにソレノイドの耐圧性能を確保しなければならなくなる。一般的に、耐圧性能を上げるには部材の肉厚を増す必要があるが、ソレノイドを収容する部分の肉厚を増すとコイルとプランジャの離間寸法が大きくなり、プランジャに対する電磁的吸引力（推力）が著しく低下する。そのため、必要な推力を得るためにソレノイドの大型化を招くという課題がある。

そこで、この発明は、インタンクバルブ自体の小型・軽量化が可能で、タンクの小型・軽量化をも図ることができるインタンクバルブを提供するものである。

この発明に係るインタンクバルブでは、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
請求項１に係る発明は、一部をタンク（例えば、後述する実施例における水素タンク２）の内部に挿入され該タンクに固定されるボディ（例えば、後述する実施例におけるボディ１１）と、前記ボディ内に形成され前記タンクの内部に通じる第１通路（例えば、後述する実施例における第１通路１５）と、前記ボディ内に形成され前記タンクの外部に通じる第２通路（例えば、後述する実施例における第２通路１７）と、前記タンクの内部から前記第２通路に通じるパイロット通路（例えば、後述する実施例におけるパイロット通路２９）と、前記パイロット通路上に配置されて該パイロット通路を開閉する電磁式パイロットバルブ（例えば、後述する実施例におけるパイロットバルブ３０）と、前記パイロットバルブの開弁による前記第２通路内の圧力上昇で得られる推力と前記第１通路と前記パイロット通路との圧力差で得られる推力とを用いて開弁することで前記第１通路と前記第２通路とを連通させ、前記電磁式パイロットバルブよりも大流量で前記タンク内の流体を流通させることが可能なメインバルブ（例えば、後述する実施例におけるメインバルブ１８）と、を備え、前記電磁式パイロットバルブは、前記タンク内の圧力を受圧するように前記ボディに設置されていることを特徴とするインタンクバルブ（例えば、後述する実施例における主止弁１０）である。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記電磁式パイロットバルブは、前記ボディにおいて前記タンクの内部を臨む端部に配置され、前記電磁式パイロットバルブの弁部（例えば、後述する実施例における弁体収納部３６）を前記ボディの内方に向け、ソレノイドを前記タンクの内方に向けていることを特徴とする。

請求項１に係る発明によれば、ソレノイドはパイロットバルブを作動させるだけであるので、ソレノイドによるバルブストロークを短くすることができ、ソレノイドを小型にすることができる。
また、パイロットバルブがタンク内の圧力を受圧するので、特にソレノイドの内外の差圧を小さくすることができ、ソレノイドの耐圧構造付与に伴う大型化を防ぐことができる。その結果、ソレノイドのプランジャを収容する部分の肉厚を薄くしてコイルとプランジャの離間寸法を小さくすることができ、プランジャに対する電磁的吸引力（推力）を大きくすることができるので、ソレノイドを小型とすることができる。
また、ソレノイドの小型化により、インタンクバルブにおいてタンク内に挿入する部分を小さくすることができるので、インタンクバルブの取付部となるタンクの開口部の内径を小さくすることができる。その結果、前記開口部での受圧面積を小さくすることができ、必要なねじ長さが大きくならずにインタンクバルブの小型・軽量化を図ることができる。また、タンクの開口部の小径化は耐圧強度上も有利であり、タンク自体の軽量化を図ることができる。

請求項２に係る発明によれば、パイロットバルブのボディへの取り付けが容易となる。

この発明に係るインタンクバルブを装着した水素タンクを備える燃料電池システムの概略構成図である。 インタンクバルブの断面図である。 メインバルブの拡大図である。

以下、この発明に係るインタンクバルブの実施例を図１から図３の図面を参照して説明する。
図１は、燃料電池システムの概略構成図であり、この実施例１における燃料電池システムは、燃料電池車両に搭載されて駆動源としてのモータ等に電力を供給する態様である。
図１において符号１は、燃料としての水素と酸化剤としての酸素が供給されて発電をする燃料電池スタック（燃料電池）を示している。燃料電池スタック１は、例えば固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）であり、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly、膜電極接合体）をセパレータ（図示しない）で挟持してなる単セルが複数積層されて構成されている。

燃料電池スタック１には、高圧の水素を貯蔵する水素タンク２から水素供給流路３を介して所定圧力および所定流量の水素が供給されるとともに、図示しない空気供給装置を介して酸素を含む空気が所定圧力および所定流量で供給される。
水素タンク２は、長手方向の両端が略半球状の筒状をなし、その長手方向の一端が開口し、この開口部２ａは主止弁（インタンクバルブ）１０が取り付けられることで塞がれている。主止弁１０は水素タンク２の内部と水素供給流路３とを連通・遮断する弁であり、主止弁１０については後で詳述する。

水素供給流路３には、その上流側から、減圧弁５、リリーフ弁６、中圧デバイス７が設けられている。水素タンク２から放出される高圧（例えば、３５ＭＰａあるいは７０ＭＰａ等）の水素は、減圧弁５によって所定の圧力（例えば、１ＭＰ以下）に減圧されて中圧デバイス７に供給される。ここで、中圧デバイス７とは、減圧弁５と燃料電池スタック１との間に配置されるデバイスの総称であり、エゼクタ、インジェクタ、加湿器などが含まれる。エゼクタは、燃料電池スタック１から排出される水素オフガスを循環利用するために水素オフガスを再び水素供給流路３に戻すデバイスであり、インジェクタは燃料電池スタック１に供給する水素流量を調整するデバイスであり、加湿器は燃料電池スタック１に供給される水素を加湿するデバイスである。中圧デバイス７としていずれのデバイスが組み込まれるかは燃料電池システムの全体構成により決定される。
水素供給流路３には、減圧弁５よりも上流側と、減圧弁５とリリーフ弁６との間に、それぞれ圧力センサ８，９が設けられている。

次に、図２を参照して、主止弁１０について詳述する。なお、以下の説明において上下方向は、図２における図中上下方向とする。
主止弁１０は、水素タンク２の開口部２ａに固定されるボディ１１を備え、ボディ１１は、水素タンク２の内部に挿入される部分（以下、内装部と称す）１２と、水素タンク２の外部に露出する部分（以下、外装部と称す）１３とを有している。内装部１２は円柱状をなし、水素タンク２の円形の開口部２ａに挿入され固定されている。外装部１３は内装部１２の外径よりも大きい。

ボディ１１の内部には、水素タンク２の内部に通じる第１通路１５と、水素タンク２の外部に通じる第２通路１７とが形成されている。詳述すると、第１通路１５は、内装部１２において水素タンク２の内部中央に向けて配置される端面１４に開口している。第２通路１７は外装部１３の一端面１６に開口し、ここに水素供給流路３が接続される。第１通路１５と第２通路１７との間にこれら通路１５，１７を連通・遮断するメインバルブ１８が設けられている。

メインバルブ１８は、ボディ１１内に形成された円筒状のバルブ室１９と、バルブ室１９内を上下方向に移動可能に収容された弁体２０と、を備えて構成されている。
弁体２０は略円柱状をなし、上面２２が球殻の一部をなす凸曲面に形成されている。弁体２０の外周部には、バルブ室１９の内周面との間をシールするシールリング２３が取り付けられており、シールリング２３は弁体２０と一体となってバルブ室１９内を上下方向に移動する。バルブ室１９はシールリング２３によって上下に区画されており、シールリング２３よりも上側は高圧室２４、下側は背圧室２５となっている。
高圧室２４に面するバルブ室１９の天井壁部には第２通路１７の一端が開口し、この開口の周縁は弁体２０の上面が着座離反する弁座２６となっている。

また、弁体２０の上下移動に関わらず常に高圧室２４の内周面となるバルブ室１９の内周面の上端に、第１通路１５の一端が開口している。つまり、第１通路１５は水素タンク２の内部とメインバルブ１８の高圧室２４とを連通しており、弁体２０が弁座２６から離反したときに第１通路１５と第２通路１７が連通する。
弁体２０は背圧室２５内に配置されたスプリング２７によって弁座２６に接近する方向（換言すると閉弁方向）に付勢されている。
第１通路１５と背圧室２５は、ボディ１１内に設けられた小径のオリフィス通路２８によって接続されている。

また、ボディ１１内には、背圧室２５と第２通路１７とを接続するパイロット通路２９が形成されている。パイロット通路２９は小流量の水素ガスが流れれば十分であるので、パイロット通路２９の内径は第１通路１５および第２通路１７の内径よりも小径となっている。さらに、ボディ１１には、内装部１２の端面１４に開口するパイロットバルブ挿入孔５０がボディ１１の内側に向かって凹設され、パイロット通路２９に連なっている。
このパイロットバルブ挿入孔５０に、パイロット通路２９を開閉する電磁式のパイロットバルブ３０が固定されている。つまり、パイロットバルブ３０はパイロット通路２９上に配置されている。パイロットバルブ３０は、ボディ３１と、弁体３２と、プランジャ３３と、コイル３４と、スプリング３５を主要構成としている。

ボディ３１は段付き円筒状をなし、上部側は小径の弁体収納部（弁部）３６，下部側が大径のソレノイド３７となっていて、弁体収納部３６がパイロットバルブ挿入孔５０に隙間なく挿入され、ソレノイド３７が内装部１２の端面１４から水素タンク２の内部に突出している。つまり、パイロットバルブ３０は、主止弁１０のボディ１１において水素タンク２の内部を臨む内装部１２の端部に配置されており、弁体収納部３６（弁部）をボディ１１の内方（ボディ１１の内部構造方向）に向け、ソレノイド３７を水素タンク２の内方（水素タンク２の内部空間方向）に向けて配置されている。ソレノイド３７は、内装部１２の径方向内側に収まるように設定されている。

パイロットバルブ３０のボディ３１には、円筒状の弁室３９と、弁室３９と同心上にその外側に配置されたリング状のコイル収納部４０が形成されている。弁室３９とコイル収納部４０はいずれも、水素タンク２の内部中央に向けて配置される端面３８に開口しているが、弁室３９は蓋体４５で封止されている。弁室３９は弁体収納部３６の上端近くまで直線的に延びており、コイル収納部４０はソレノイド３７の上端近くまで直線的に延びている。弁室３９とコイル収納部４０は隔壁４４によって離隔されている。

弁体収納部３６には、その外周部に入口孔４１が、上部に出口孔４２が形成されており、いずれも弁室３９に連通している。入口孔４１は、パイロットバルブ３０よりも上流側のパイロット通路（以下、上流側パイロット通路という）２９ａを介して背圧室２５に接続されており、出口孔４２は、パイロットバルブ３０よりも下流側のパイロット通路（以下、下流側パイロット通路という）２９ｂを介して第２通路１７に接続されている。また、出口孔４２の内側周縁は弁座４３となっている。

弁室３９には、直列に連結され一体とされた弁体３２とプランジャ３３が上下方向に移動可能に収容されており、弁体３２の先部が弁座４３に対して着座離反可能となっている。弁体３２とプランジャ３３は、弁室３９に収容されたスプリング３５によって弁座４３に接近する方向（換言すると閉弁方向）に付勢されている。なお、スプリング３５は弁室３９の蓋体４５によって支持されている。

ソレノイド３７のコイル収納部４０にはコイル３４が配置されており、コイル３４に電流を流すとプランジャ３３が電磁的吸引力により下方に引き付けられ、弁体３２が弁座４３から離反し、パイロットバルブ３０は開弁する。
そして、パイロットバルブ３０が開弁したときに、水素タンク２の内部と第２通路１７とが、オリフィス通路２８、メインバルブ１８の背圧室２５、パイロットバルブ３０の弁室３９、パイロット通路２９を介して連通する。したがって、パイロット通路２９は、水素タンク２の内部から第２通路１７に通じる流路と言うことができる。また、オリフィス通路２８とパイロット通路２９ａは、ソレノイド３７の内部を水素タンク２の内部と常に連通させる通路である。

このように構成された主止弁１０の開弁動作を説明する。
閉弁時の主止弁１０は、パイロットバルブ３０のコイル３４に電流が流れていないので、スプリング３５によって付勢されたパイロットバルブ３０の弁体３２が弁座４３に着座し、パイロットバルブ３０は閉弁している。また、メインバルブ１８もスプリング２７によって付勢された弁体２０が弁座２６に着座して閉じている。このとき、水素タンク２内の圧力が、第１通路１５を介して高圧室２４に導通するとともに、オリフィス通路２８を介してメインバルブ１８の背圧室２５に導通し、さらに上流側パイロット通路２９ａを介してパイロットバルブ３０の弁室３９に導通し、これらの領域は水素タンク２内の圧力と同圧となり、高圧となっている。一方、メインバルブ１８とパイロットバルブ３０が閉弁しているので、下流側パイロット通路２９ｂと第２通路１７には水素タンク２内の圧力が印加せず、低圧となっている。

この閉弁状態の主止弁１０を開弁するときには、パイロットバルブ３０のコイル３４に電流を流す。すると、コイル３４への通電により発生する電磁的吸引力により、プランジャ３３とともに弁体３２が下方に引き付けられる結果、弁体３２が弁座４３から離反し、パイロットバルブ３０が開弁する。パイロットバルブ３０の開弁により、上流側パイロット通路２９ａと下流側パイロット通路２９ｂが連通し、メインバルブ１８の背圧室２５の水素ガスがパイロット通路２９を通って第２通路１７に排出され、第２通路１７内の圧力が上昇する。一方、背圧室２５内の圧力は第２通路１７への水素ガス流出により低下するが、背圧室２５はオリフィス通路２８を介して第１通路１５に連通しているので、水素タンク２に貯留された水素ガスが第１通路１５およびオリフィス通路２８を通って背圧室２５に流れ込み、背圧室２５内の圧力を上昇させる。しかしながら、オリフィス通路２８は小径であるので、背圧室２５の圧力低下分の全てを補充することはできない。その結果、背圧室２５内の圧力Ｐ２は、圧力室２４内の圧力（すなわち、水素タンク２内の圧力）Ｐ１よりも小さく、且つ、第２通路１７内の圧力Ｐ３よりも大きい値となる（Ｐ１＞Ｐ２＞Ｐ３）。

そして、この圧力差と前述の第２通路１７内の圧力上昇とに基づきメインバルブ１８の弁体２０には、弁体２０を下方へ押す力が作用し、この力がスプリング２７による閉弁方向への付勢力に勝ると、弁体２０が弁座２６から離反し、メインバルブ１８が開弁する。
詳述すると、図３に示すように、メインバルブ１８の弁体２０の背圧室２５側の受圧面積をＳ１、弁体２０の第２通路１７内における受圧面積をＳ２とすると、次の式（１）の不等式が成立したときに、メインバルブ１８が開弁する。なお、Ｆ_Ｓはスプリング２７の弾性力である。
（Ｓ１−Ｓ２）・Ｐ１＋Ｓ２・Ｐ３＞Ｓ１・Ｐ２＋Ｆ_Ｓ ・・・ 式（１）

メインバルブ１８が開弁すると、水素タンク２内の水素ガスは第１通路１５から高圧室２４を介して第２通路１７へと流れていく。なお、メインバルブ１８が開弁したときメインバルブ１８を流れる水素ガスの流量は、パイロットバルブ３０だけが開弁しているときにパイロットバルブ３０を流れる水素ガスの流量よりも極めて大きい。

この主止弁１０においては、メインバルブ１８は差圧駆動式であって電磁駆動式ではないので、ソレノイドが不要である。そして、パイロットバルブ３０のソレノイド３７に配置されているコイル３４はパイロットバルブ３０に専用であり、パイロットバルブ３０のプランジャ３３を作動させるだけであるので、バルブストロークを短くすることができ、ソレノイド３７を小型にすることができる。

また、ソレノイド３７におけるコイル収納部４０は水素タンク２の内部に臨んで開口し、コイル収納部４０内に水素タンク２内の圧力が印加されるようになっているので、ソレノイド３７の内外、換言すればソレノイド３７の全体が水素タンク２内の圧力を受圧する。また、前述したように、パイロットバルブ３０の弁室３９内には、水素タンク２内の圧力に対し、パイロットバルブ３０が閉鎖しているときは等しい圧力が、パイロットバルブ３０が開いたときには少し低い圧力が加わっている。その結果、ソレノイド３７の内外の差圧を小さくすることができ、ソレノイド３７の耐圧構造付与に伴う大型化を防ぐことができる。つまり、ソレノイド３７においてコイル収納部４０と弁室３９とを離隔している隔壁４４の肉厚を薄くしてコイル３４とプランジャ３３との離間寸法を小さくすることができ、プランジャ３３に対する電磁的吸引力（推力）を大きくすることができる。したがって、ソレノイド３７を小型化することができる。

そして、この小型化されたソレノイド３７をボディ１１における内装部１２の端面１４に取り付け、内装部１２の径方向内側に収まるように設置しているので、主止弁１０において水素タンク２内に挿入する部分（すなわち、内装部１２とソレノイド３７）の径方向寸法を小さくすることができる。その結果、主止弁１０の取付部となる水素タンク２の開口部２ａの内径を小さくすることができる。これにより、開口部２ａでの水素ガスの受圧面積を小さくすることができ、水素タンク２に螺合させるねじ長さが大きくならずに済むこととあわせ、主止弁１０の小型・軽量化を図ることができる。また、水素タンク２の開口部２ａの小径化は耐圧強度上も有利であり、タンク自体の軽量化を図ることができる。
また、パイロットバルブ３０は、主止弁１０のボディ１１における内装部１２の端部に配置されており、弁体収納部３６をボディ１１の内方に向け、ソレノイド３７を水素タンク２の内方に向けて配置し、さらにソレノイド３７を内装部１２の端面１４から水素タンク２の内部に露出させて配置しているので、パイロットバルブ３０のボディ１１への取り付けが容易である。

〔他の実施例〕
なお、この発明は前述した実施例に限られるものではない。
例えば、燃料電池システムは車両用に限るものではなく、定置用であってもよい。

２ 水素タンク（タンク）
１０ 主止弁（インタンクバルブ）
１１ ボディ
１５ 第１通路
１７ 第２通路
１８ メインバルブ
２９，２９ａ，２９ｂ パイロット通路
３０ パイロットバルブ（電磁式パイロットバルブ）
３６ 弁体収納部（弁部）
３７ ソレノイド

Claims (2)

1. 一部をタンクの内部に挿入され該タンクに固定されるボディと、
   前記ボディ内に形成され前記タンクの内部に通じる第１通路と、
   前記ボディ内に形成され前記タンクの外部に通じる第２通路と、
   前記タンクの内部から前記第２通路に通じるパイロット通路と、
   前記パイロット通路上に配置されて該パイロット通路を開閉する電磁式パイロットバルブと、
   前記パイロットバルブの開弁による前記第２通路内の圧力上昇で得られる推力と前記第１通路と前記パイロット通路との圧力差で得られる推力とを用いて開弁することで前記第１通路と前記第２通路とを連通させ、前記電磁式パイロットバルブよりも大流量で前記タンク内の流体を流通させることが可能なメインバルブと、
   を備え、前記電磁式パイロットバルブは、前記タンク内の圧力を受圧するように前記ボディに設置されていることを特徴とするインタンクバルブ。
2. 前記電磁式パイロットバルブは、前記ボディにおいて前記タンクの内部を臨む端部に配置され、前記電磁式パイロットバルブの弁部を前記ボディの内方に向け、ソレノイドを前記タンクの内方に向けていることを特徴とする請求項１に記載のインタンクバルブ。

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