JP2019027569A - 二重偏心弁及びそれを用いた燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】弁開度を所定開度に維持するために必要となる開弁保持電流を減少させることができる二重偏心弁及びそれを用いた燃料電池システムを提供すること。【解決手段】燃料電池システム１０１における出口統合弁１８１は、回転軸１５の軸線Ｌ１が弁体１４のシール面１８から離れて配置されるとともに、弁体１４の軸線Ｌ２から離れて配置され、弁体１４が、回転軸１５の軸線Ｌ１を含んで弁体１４の軸線方向と平行な仮想面Ｖ１を境にして分割される第１側部１４Ａと第２側部１４Ｂとを含み、開弁時に、第１側部１４Ａが弁座１３から離れる方向へ回動し、第２側部１４Ｂが弁孔１６に入り込む方向へ回動する二重偏心弁であり、流路１１のうち弁座１３を境にして弁体１４が配置される側の流路は、開弁時に弁体１４と流路１１の内壁面との間に形成される開口領域の面積である開口面積が、第１側部１４Ａ側よりも第２側部１４Ｂ側で大きくなるように形成されている。【選択図】図８

Description

本開示は、弁体の回転中心が弁座の弁孔の中心から偏心して配置され、弁体のシール面が弁体の回転中心から偏心して配置される二重偏心弁及びそれを用いた燃料電池システムに関するものである。

従来技術として、特許文献１に開示されている二重偏心弁が存在する。この二重偏心弁は、弁孔と弁孔の縁部に形成されたシート面を含む弁座と、シート面に対応するシール面が外周に形成された弁体と、弁体を回動させる回転軸と、回転軸を回転駆動させる駆動機構と、回転軸を回転可能に支持する軸受と、回転軸の回転方向を弁体の閉弁方向へ付勢するリターンスプリングとを備えている。

この二重偏心弁では、駆動機構へ電力を供給して回転軸を回転させて弁体を開弁方向へ駆動する駆動力を与えると、その駆動力がリターンスプリングのスプリング力に打ち勝って、弁体が回動し始めて開弁する。その後、駆動力とスプリング力とが均衡すると、弁体が所定開度に維持されるようになっている。

国際公開第２０１６／００２５９９号

しかしながら、上記した二重偏心弁では、図１４に示すように、回転軸１５の軸線Ｌ１が弁体１４のシール面１８及び弁体１４の軸線Ｌ２から離れて配置されているため、所定開度に開弁すると、回転軸１５を境にして弁体１４と流路内壁との間に生じる隙間の大きさ、つまり開口面積が対称（均等）にならない。すなわち、弁体１４において、回転軸１５の軸線Ｌ１を含んで弁体１４の軸線方向と平行な仮想面Ｖ１を境にして分割される第１側部１４Ａ（網掛けを付していない部分）と第２側部１４Ｂ（網掛けを付している部分）とで開口面積に差が生じる。具体的には、第１側部１４Ａ側における開口面積が、第２側部１４Ｂ側における開口面積よりも大きくなる。第１側部１４Ａの方が第２側部１４Ｂよりも弁体１４の回転中心（回転軸１５の軸線Ｌ１）から弁体１４の縁部までの距離（回転半径）が長いからである。

そのため、開弁時に、弁体１４において第１側部１４Ａと第２側部１４Ｂにそれぞれ作用する圧力に差が生じ、開口面積が小さい方の第２側部１４Ｂには第１側部１４Ａよりも大きな圧力が作用する。従って、その圧力差によって弁体１４（回転軸１５）を回動させる回転モーメントが発生する。そして、弁座１３側から弁体１４側（図１４では下方向）へ流体が流れる場合には、開弁時に生じる圧力差によって発生する回転モーメントが閉弁方向へ作用する。そのため、弁体１４（回転軸１５）を閉弁方向に付勢する力として、リターンスプリングのスプリング力の他に、弁体１４の第１側部１４Ａと第２側部１４Ｂとに作用する圧力差によって発生した回転モーメントが加わる。その結果、弁開度を所定開度に維持するために必要となる、駆動機構へ供給する開弁保持電流が増加して、消費電力が大きくなってしまうおそれがある。

そこで、本開示は上記した問題点を解決するためになされたものであり、弁開度を所定開度に維持するために必要となる開弁保持電流を減少させることができる二重偏心弁及びそれを用いた燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するためになされた本開示の一形態は、円環状をなし、弁孔と前記弁孔に形成されたシート面を含む弁座と、円板状をなし、前記シート面に対応する環状のシール面が外周に形成された弁体と、前記弁座及び前記弁体が配置されるとともに流体が流れる流路が形成されたハウジングと、前記弁体を回動させる回転軸と、前記回転軸を回転駆動させる駆動機構と、前記回転軸を回転可能に支持する軸受と、前記回転軸の回転方向を前記弁体の閉弁方向へ付勢するリターンスプリングとを備え、前記シート面は、前記弁体側に向かって広がるテーパ状に形成され、前記回転軸の軸線が前記弁体の前記シール面から離れて配置されるとともに、前記弁体の軸線から離れて配置され、前記弁体は、前記回転軸の軸線を含んで前記弁体の軸線方向と平行な仮想面を境にして分割される、前記弁体の軸線が位置する第１側部と、それ以外の第２側部とを含み、開弁時に、前記第１側部が前記弁座から離れる方向へ回動し、前記第２側部が前記弁孔に入り込む方向へ回動する二重偏心弁において、前記流路のうち前記弁座を境にして前記弁体が配置される側の流路は、開弁時に前記弁体と前記流路の内壁面との間に形成される開口領域の面積である開口面積について、前記第１側部側における開口面積よりも前記第２側部側における開口面積が大きくなるように形成されていることを特徴とする。

この二重偏心弁では、ハウジングに形成されている流路のうち弁座を境にして弁体が配置される側の流路が、開弁時に弁体と流路の内壁面との間に形成される、第１側部側における開口面積よりも第２側部側における開口面積が大きくなるように形成されている。つまり、ハウジングに形成されている流路のうち弁座を境にして弁体が配置される側の流路の径が、従来品に比べて小さく絞られている。これにより、第１側部側における開口面積が小さくなって、第２側部側における開口面積の方が大きくなる。そのため、開弁時に弁座側から弁体側へ流体が流れる場合には、第１側部には第２側部よりも大きな圧力が作用する。従って、開弁時に生じる圧力差によって発生する回転モーメントが開弁方向へ作用する。その結果、弁開度を所定開度に維持するために必要となる開弁保持電流が減少して、消費電力を削減することができる。

ここで、上記した二重偏心弁において、前記流路のうち前記弁座を境にして前記弁体が配置される側の流路の内径が、前記弁座とは反対側に向かって、前記弁座の内径から徐々に拡大するようにすればよい。

具体的には、上記した二重偏心弁において、前記流路のうち前記弁座を境にして前記弁体が配置される側の流路に、前記シート面のテーパ形状が連続するように形成されたテーパ状の内壁面を備える環状の流路ブロックを配置すればよい。

このように非常に簡単な構成により、流路のうち弁座を境にして弁体が配置される側の流路を、開弁時に弁体と流路の内壁面との間に形成される、第１側部側における開口面積よりも第２部側における開口面積が大きくなるように形成することができる。そして、このような流路形状にすることにより、上記した通り、弁体に対して、開弁時に生じる圧力差によって発生する回転モーメントが開弁方向へ作用する。そのため、非常に簡単な構成で、弁開度を所定開度に維持するために必要となる開弁保持電流が減少し、消費電力を削減することができる。

上記課題を解決するためになされた本開示の別形態は、円環状をなし、弁孔と前記弁孔に形成されたシート面を含む弁座と、円板状をなし、前記シート面に対応する環状のシール面が外周に形成された弁体と、前記弁座及び前記弁体が配置されるとともに流体が流れる流路が形成されたハウジングと、前記弁体を回動させる回転軸と、前記回転軸を回転駆動させる駆動機構と、前記回転軸を回転可能に支持する軸受と、前記回転軸の回転方向を前記弁体の閉弁方向へ付勢するリターンスプリングとを備え、前記シート面は、前記弁体側に向かって広がるテーパ状に形成され、前記回転軸の軸線が前記弁体の前記シール面から離れて配置されるとともに、前記弁体の軸線から離れて配置され、前記弁体は、前記回転軸の軸線を含んで前記弁体の軸線方向と平行な仮想面を境にして分割される、前記弁体の軸線が位置する第１側部と、それ以外の第２側部とを含み、開弁時に、前記第１側部が前記弁座から離れる方向へ回動し、前記第２側部が前記弁孔に入り込む方向へ回動する二重偏心弁において、前記流路の一部をなす前記弁座には、前記回転軸の軸線が前記弁体の前記シール面及び前記弁体の軸線から離れて配置されていることによって開弁時に発生する前記弁体と前記流路の内壁面との間に形成される、前記第１側部側における開口領域の面積である開口面積と前記第２側部側における開口領域の面積である開口面積との面積差が小さくなるように内径が拡大された拡径部が形成されていることを特徴とする。

この二重偏心弁では、流路の一部をなす弁座に、回転軸の軸線が弁体のシール面及び弁体の軸線から離れて配置されていることによって開弁時に発生する弁体と流路の内壁面との間に形成される、第１側部側における開口面積と第２側部側における開口面積との面積差が小さくなるように内径が拡大された拡径部が形成されている。そのため、開弁時に弁座側から弁体側へ流体が流れる場合には、弁体に対して開弁時に生じる、第１側部と第２側部とにおける圧力差によって発生する閉弁方向へ作用する回転モーメントが小さくなる。その結果、弁開度を所定開度に維持するために必要となる開弁保持電流が減少して、消費電力を削減することができる。

具体的には、上記した二重偏心弁において、前記弁座の前記シート面以外の部分における内径を、前記シート面の小径側端部から前記弁体とは反対側に向かって徐々に拡大するようにすればよい。

このように弁座の内径を加工（形成）することにより、開弁時に生じる第１側部と第２側部とにおける圧力差によって発生する閉方向へ作用する回転モーメントを小さくすることができる。このような非常に簡単な構成で、弁開度を所定開度に維持するために必要となる開弁保持電流が減少して、消費電力を削減することができる。

上記課題を解決するためになされた本開示の別形態は、円環状をなし、弁孔と前記弁孔に形成されたシート面を含む弁座と、円板状をなし、前記シート面に対応する環状のシール面が外周に形成された弁体と、前記弁座及び前記弁体が配置されるとともに流体が流れる流路が形成されたハウジングと、前記弁体を回動させる回転軸と、前記回転軸を回転駆動させる駆動機構と、前記回転軸を回転可能に支持する軸受と、前記回転軸の回転方向を前記弁体の閉弁方向へ付勢するリターンスプリングとを備え、前記シート面は、前記弁体側に向かって広がるテーパ状に形成され、前記回転軸の軸線が前記弁体の前記シール面から離れて配置されるとともに、前記弁体の軸線から離れて配置され、前記弁体は、前記回転軸の軸線を含んで前記弁体の軸線方向と平行な仮想面を境にして分割される、前記弁体の軸線が位置する第１側部と、それ以外の第２側部とを含み、開弁時に、前記第１側部が前記弁座から離れる方向へ回動し、前記第２側部が前記弁孔に入り込む方向へ回動する二重偏心弁において、前記弁体のうち前記弁座に対向する面と反対側の円周縁部に、前記シール面の大径側端部から円弧状に面取りされている面取り部が形成されていることを特徴とする。

この二重偏心弁では、弁体のうち弁座に対向する面と反対側の円周縁部に、シール面の大径側端部から円弧状に面取りされている面取り部が形成されているので、開弁時に、第２側部側の開口面積が、面取り部がない従来のものに比べて大きくなる。そのため、回転軸の軸線が弁体のシール面及び弁体の軸線から離れて配置されていることによって開弁時に発生する、第１側部側における開口面積と第２側部側における開口面積との面積差が小さくなる。従って、開弁時に弁座側から弁体側へ流体が流れる場合には、弁体に対して開弁時に生じる圧力差によって発生する閉弁方向へ作用する回転モーメントが小さくなる。その結果、弁開度を所定開度に維持するために必要となる開弁保持電流が減少して、消費電力を削減することができる。

上記課題を解決するためになされた本開示の別形態は、燃料電池と、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給通路と、前記酸化剤ガス供給通路に設けられて酸化剤ガスを前記燃料電池に供給するコンプレッサと、前記酸化剤ガス供給通路にて前記コンプレッサと前記燃料電池との間に設けられた上流側弁と、前記燃料電池に供給された酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出通路と、前記酸化剤ガス排出通路に設けられた下流側弁と、前記酸化剤ガス供給通路と前記酸化剤ガス排出通路とに接続されたバイパス通路と、前記バイパス通路に設けられ前記バイパス通路を流れる酸化剤ガスの流量を制御するバイパス弁と、を有する燃料電池システムにおいて、前記下流側弁は、上記のいずれか１つの二重偏心弁であり、前記弁座側から前記弁体側へ酸化剤ガスが流れるように、前記酸化剤ガス排出通路に配置されていることを特徴とする。

この燃料電池システムでは、下流側弁により燃料電池スタックへ供給する酸化剤ガスの流量が制御され、その下流側弁として上記の二重偏心弁が用いられている。そして、下流側弁としての二重偏心弁は、第１側部が下流側へ向けて回動し、第２側部が上流側へ向けて回動するように、酸化剤ガス排出通路に配置されている。そのため、酸化剤ガスの流量制御を行うために、二重偏心弁を所定開度に維持する際、開弁保持電流を減少させて消費電力を削減することができる。

上記の燃料電池システムにおいて、前記上流側弁及び前記バイパス弁も、請求項１から請求項６に記載するいずれか１つの二重偏心弁であり、前記弁座側から前記弁体側へ酸化剤ガスが流れるように、前記酸化剤ガス供給通路及び前記バイパス通路に配置されていることが好ましい。

このように、全開又は全閉にされ中間開度域で流量制御が行われることが少ない上流側弁及びバイパス弁にも、上記の二重偏心弁を用いることにより、燃料電池システムにおける弁の共通化を図ることができる。これにより、燃料電池システムを構成する際における組み付けミスを防止するとともに組み付け作業の効率化を図ることができる。なお、上流側弁及びバイパス弁では、弁体側から弁座側へ酸化剤ガスが流れるため、開弁保持電流が増加するおそれはあるが、中間開度域での流量制御が少ない（ほとんどない）ため、消費電力が増加することはない。

本開示によれば、弁開度を所定開度に維持するために必要となる開弁保持電流を減少させることができる二重偏心弁及びそれを用いた燃料電池システムを提供することができる。

実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。 出口統合弁の斜視図である。 全閉状態における弁部を一部破断して示した斜視図である。 全開状態における弁部を一部破断して示した斜視図である。 出口統合弁の断面図である。 全閉状態における弁座、弁体、回転軸及びメインギヤの関係を示す断面図である。 弁部における流路の形状を示す断面図である。 開度２０°の状態における弁部の状態を示す断面図である。 開度３０°の状態における弁部の状態を示す断面図である。図である。 実施例１〜３における開弁保持電流の変化を示す図である。 実施例２に係る出口統合弁の弁部を示す断面図である。 実施例３に係る出口統合弁の弁部を示す断面図である。 実施例１〜３を組み合わせた場合における開弁保持電流の変化を示す図である。 従来の二重偏心弁を所定開度に開弁した状態を示す図である。

本開示に係る実施形態である二重偏心弁を用いた燃料電池システムについて、図１を参照しながら詳細に説明する。本実施形態では、燃料電池車に搭載され、その駆動用モータ（図示略）に電力を供給する燃料電池システムを例示して説明する。

＜燃料電池システム＞
本実施形態の燃料電池システム１０１は、図１に示すように、燃料電池スタック（燃料電池）１１１と、水素系１１２と、エア系１１３を有する。

燃料電池スタック１１１は、燃料ガスの供給と酸化剤ガスの供給を受けて発電を行う。本実施形態では、燃料ガスは水素ガスであり、酸化剤ガスはエアである。すなわち、燃料電池スタック１１１は、水素系１１２からの水素ガスの供給と、エア系１１３からのエアの供給を受けて発電を行う。そして、燃料電池スタック１１１で発電された電力は、インバータ（図示略）を介して駆動用モータ（図示略）に供給される。この燃料電池スタック１１１には、スタック圧を検出する圧力センサ１１１Ｐが設けられている。

水素系１１２は、燃料電池スタック１１１のアノード側に設けられている。この水素系１１２は、水素供給通路１２１、水素排出通路１２２、充填通路１２３を備えている。水素供給通路１２１は、水素タンク１３１から燃料電池スタック１１１へ水素ガスを供給するための通路である。水素排出通路１２２は、燃料電池スタック１１１から排出される水素ガス（以下、適宜、「水素オフガス」という。）を排出するための通路である。充填通路１２３は、充填口１５１から水素タンク１３１に水素ガスを充填するための通路である。

水素系１１２は、水素供給通路１２１において、水素タンク１３１側から順に、主止弁１３２、高圧レギュレータ１３３、中圧リリーフ弁１３４、圧力センサ１３５、インジェクタ部１３６、低圧リリーフ弁１３７、圧力センサ１３８を備えている。主止弁１３２は、水素タンク１３１から水素供給通路１２１への水素ガスの供給と遮断を切り換える弁である。高圧レギュレータ１３３は、水素ガスを減圧するための圧力調整弁である。中圧リリーフ弁１３４は、水素供給通路１２１における高圧レギュレータ１３３とインジェクタ部１３６の間の圧力が所定圧力以上になると開弁して圧力を所定圧力未満に調整する弁である。圧力センサ１３５は、水素供給通路１２１における高圧レギュレータ１３３とインジェクタ部１３６の間の圧力を検出するセンサである。インジェクタ部１３６は、水素ガスの流量を調節する機構である。低圧リリーフ弁１３７は、水素供給通路１２１におけるインジェクタ部１３６と燃料電池スタック１１１の間の圧力が所定圧力以上になると開弁して圧力を所定圧力未満に調整する弁である。圧力センサ１３８は、水素供給通路１２１におけるインジェクタ部１３６と燃料電池スタック１１１の間の圧力を検出するセンサである。

また、水素系１１２は、水素排出通路１２２において、燃料電池スタック１１１側から順に、気液分離器１４１、排気排水弁１４２が配置されている。気液分離器１４１は、水素オフガス内の水分を分離する機器である。排気排水弁１４２は、気液分離器１４１からエア系１１３の希釈器１８２への水素オフガスや水分の排出と遮断を切り換える弁である。

エア系１１３は、燃料電池スタック１１１のカソード側に設けられている。このエア系１１３は、エア供給通路１６１、エア排出通路１６２、バイパス通路１６３を備えている。エア供給通路１６１は、燃料電池システム１０１の外部から燃料電池スタック１１１へ、エアを供給するための通路である。エア排出通路１６２は、燃料電池スタック１１１から排出されるエア（以下、適宜、「エアオフガス」という。）を排出するための通路である。バイパス通路１６３は、エア供給通路１６１から燃料電池スタック１１１を介さずにエア排出通路１６２へ、エアを流すための通路である。

エア系１１３は、エア供給通路１６１において、エアクリーナ１７１側から順に、コンプレッサ１７２、インタークーラ１７３、入口封止弁（上流側弁）１７４を備えている。エアクリーナ１７１は、燃料電池システム１０１の外部から取り込んだエアを清浄化する機器である。コンプレッサ１７２は、エアを燃料電池スタック１１１に供給する機器である。インタークーラ１７３は、エアを冷却する機器である。入口封止弁１７４は、燃料電池スタック１１１へのエアの供給と遮断を切り換える封止弁である。本実施形態では、入口封止弁１７４として、本開示の二重偏心弁が適用されている。入口封止弁１７４の詳細については、後述する。

また、エア系１１３は、エア排出通路１６２において、燃料電池スタック１１１側から順に、出口統合弁（下流側弁）１８１、希釈器１８２が配置されている。

出口統合弁１８１は、燃料電池スタック１１１の背圧を調整して燃料電池スタック１１１からのエアオフガスの排出量を制御する弁（調圧（流量制御）機能を有する弁）である。この出口統合弁１８１として、入口封止弁１７４と同一構成の二重偏心弁が適用されている。出口統合弁１８１の詳細については、後述する。

希釈器１８２は、エアオフガス及びバイパス通路１６３を流れるエアにより、水素排出通路１２２から排出される水素オフガスを希釈する機器である。

また、エア系１１３は、バイパス通路１６３において、バイパス弁１９１を備えている。バイパス弁１９１は、バイパス通路１６３におけるエアの流量を制御する弁である。バイパス弁１９１として、入口封止弁１７４や出口統合弁１８１と同一構成の二重偏心弁が適用されている。バイパス弁１９１の詳細については、後述する。

また、燃料電池システム１０１は、システムの制御を司るコントローラ（制御部）２０１を備えている。コントローラ２０１は、燃料電池システム１０１に備わる各機器を制御する。なお、燃料電池システム１０１は、その他、燃料電池スタック１１１の冷却を行う冷却系（不図示）も有する。

以上のような構成の燃料電池システム１０１において、水素供給通路１２１から燃料電池スタック１１１に供給された水素ガスは、燃料電池スタック１１１にて発電に使用された後、燃料電池スタック１１１から水素オフガスとして水素排出通路１２２と希釈器１８２を介して、燃料電池システム１０１の外部に排出される。また、エア供給通路１６１から燃料電池スタック１１１に供給されたエアは、燃料電池スタック１１１にて発電に使用された後、燃料電池スタック１１１からエアオフガスとしてエア排出通路１６２と希釈器１８２を介して、燃料電池システム１０１の外部に排出される。燃料電池スタック１１１に供給されるエアの流量は、出口統合弁１８１により制御される。

＜エア系における各弁＞
ここで、エア系に配置されている、出口統合弁１８１、入口封止弁１７４及びバイパス弁１９１について、図２〜図９を参照しながら説明する。なお、出口統合弁１８１は、中間開度域での流量制御が行われる一方、入口封止弁１７４及びバイパス弁１９１は、中間開度域での流量制御は行われない。これらの弁は、同一構成の二重偏心弁である。そのため以下では、出口統合弁１８１を中心に説明し、適宜、入口封止弁１７４及びバイパス弁１９１についても説明する。

［第１実施例］
そこでまず、第１実施例について説明する。第１実施例に係る出口統合弁１８１は、図２に示すように、二重偏心弁より構成される弁部２と、駆動機構の一例であるモータ３２を内蔵したモータ部４と、減速機構３３を内蔵した減速機構部５とを備えている。弁部２は、内部にエアが流れる流路１１を有する管部１２を備え、流路１１の中には弁座１３、弁体１４及び回転軸１５の先端部が配置されている。回転軸１５に対しては、モータ３２の回転力が減速機構３３を介して伝達されるようになっている。

図３及び図４に示すように、流路１１には段部１０が形成され、その段部１０に弁座１３が組み込まれている。弁座１３は、円環状をなし、中央に流路１１の一部となる弁孔１６を有する。弁孔１６の縁部には、環状のシート面１７が形成されている。このシート面１７は、弁体１４側に向かって広がるテーパ形状をなしている。弁体１４は、円板状の部分を備え、その外周には、シート面１７に対応する環状のシール面１８が形成されている。弁体１４は、回転軸１５に一体的に設けられ、回転軸１５と一体的に回転する。

出口統合弁１８１は、図３及び図４において、弁座１３に対して弁体１４や回転軸１５側（図中では上側）に形成される流路１１が燃料電池スタック１１１側に配置され、弁座１３に対して弁体１４や回転軸１５とは反対側（図中では下側）に形成される流路１１が希釈器１８２側に配置されている。すなわち、出口統合弁１８１は、エアが流路１１内を、弁座１３側から弁体１４（回転軸１５）側に向かって流れるように、エア排出通路１６２に配置されている。

なお、入口封止弁１７４は、弁座１３に対して弁体１４や回転軸１５側に形成される流路１１がコンプレッサ１７２側に配置され、弁座１３に対して弁体１４や回転軸１５とは反対側に形成される流路１１が燃料電池スタック１１１側に配置されている。すなわち、入口封止弁１７４は、エアが弁体１４（回転軸１５）側から弁座１３側に向かって流れるように、エア供給通路１６１に配置されている。

また、バイパス弁１９１は、弁座１３に対して弁体１４や回転軸１５側に形成される流路１１がエア供給通路１６１に配置され、弁座１３に対して弁体１４や回転軸１５とは反対側に形成される流路１１がエア排出通路１６２側に配置されている。すなわち、バイパス弁１９１は、エアが弁体１４（回転軸１５）側から弁座１３側に向かって流れるように、バイパス通路１６３に配置されている。

出口統合弁１８１は、図５に示すように、主要な構成要素として、弁座１３、弁体１４及び回転軸１５の他に、ボディ３０、モータ３２、減速機構３３及び戻し機構６４を備える。ボディ３０は、流路１１と管部１２を含むアルミ製の弁ハウジング３５と、弁ハウジング３５の開口端を閉鎖する合成樹脂製のエンドフレーム３６とを含む。回転軸１５及び弁体１４は、弁ハウジング３５に設けられる。すなわち、回転軸１５は、その先端に弁体１４を取り付けるためのピン１５ａを含む。回転軸１５は、ピン１５ａがある先端を自由端とし、先端部が弁体１４と共に流路１１内に配置される。

また、回転軸１５は、ピン１５ａの反対側を基端部１５ｂとし、その基端部１５ｂにて弁ハウジング３５に片持ち支持される。また、回転軸１５の基端部１５ｂは、互いに離れて配置された２つの軸受、すなわち第１軸受３７と第２軸受３８を介して弁ハウジング３５に回転可能に支持される。第２軸受３８に隣接して回転軸１５と弁ハウジング３５との間には、ゴムシール６１が設けられる。第１軸受３７及び第２軸受３８は、それぞれボールベアリングにより構成される。弁体１４は、その軸線Ｌ２（図６参照）上にて弁座１３とは反対側へ突出する突部１４ｃを含み、この突部１４ｃにピン孔１４ｄが形成される。弁体１４は、このピン孔１４ｄにピン１５ａを圧入し溶接することにより回転軸１５に固定される。

エンドフレーム３６は、弁ハウジング３５に対し複数のクリップ（図示略）により固定される。エンドフレーム３６の内側には、回転軸１５の基端に対応して配置され、弁体１４の開度（弁開度）を検出するための開度センサ４９が設けられる。また、回転軸１５の基端部１５ｂには、メインギヤ４１が固定される。メインギヤ４１と弁ハウジング３５との間には、弁体１４を閉弁方向へ付勢するためのリターンスプリング４０が設けられる。メインギヤ４１の裏側には、凹部４１ａが形成され、その凹部４１ａに磁石５６が収容される。この磁石５６は、その上から押さえ板５７により押さえ付けられて固定される。従って、メインギヤ４１が、弁体１４及び回転軸１５と一体的に回転することにより、磁石５６の磁界が変化し、その磁界の変化を開度センサ４９が弁開度として検出するようになっている。

モータ３２は、弁ハウジング３５に形成された収容凹部３５ａに収容される。モータ３２は、収容凹部３５ａにて、留め板５８と板ばね５９を介して弁ハウジング３５に固定される。モータ３２は、弁体１４を開閉するために減速機構３３を介して回転軸１５に駆動連結される。すなわち、モータ３２の出力軸（図示略）上に固定されたモータギヤ４３が、中間ギヤ４２を介し、メインギヤ４１に駆動連結される。中間ギヤ４２は、大径ギヤ４２ａと小径ギヤ４２ｂを含む二段ギヤにより構成される。中間ギヤ４２は、ピンシャフト４４を介して弁ハウジング３５に回転可能に支持される。大径ギヤ４２ａには、モータギヤ４３が連結され、小径ギヤ４２ｂには、メインギヤ４１が連結される。この実施形態では、各ギヤ４１〜４３により減速機構３３が構成される。メインギヤ４１と中間ギヤ４２は、軽量化のために樹脂材料により形成される。弁ハウジング３５とエンドフレーム３６との接合部分には、ゴム製のガスケット６０が設けられる。このガスケット６０により、モータ部４と減速機構部５の内部が大気に対して密閉される。

ここで、全閉状態における弁座１３、弁体１４、回転軸１５及びメインギヤ４１の関係について、図６を参照しながら説明する。回転軸１５の軸線（主軸線）Ｌ１は、弁体１４のシール面１８から離れて配置されると共に、弁体１４の軸線Ｌ２から離れて配置される。ここで、回転軸１５のピン１５ａの軸線（副軸線Ｌ３）は、主軸線Ｌ１に対し平行に伸びると共に、主軸線Ｌ１から回転軸１５の半径方向へ偏心して配置される。弁体１４は、主軸線Ｌ１から弁体１４の軸線Ｌ２が伸びる方向と平行に伸びる仮想面Ｖ１を境とする第１側部１４Ａ（図６において網掛け（紗）を付していない部分）と第２側部１４Ｂ（図６において網掛け（紗）を付している部分）を含む。第１側部１４Ａに、弁体１４の軸線Ｌ２が位置する。そして、弁体１４が全閉状態から、回転軸１５の主軸線Ｌ１を中心にして、開弁方向（図６の時計方向）Ｆ１へ回動するとき、第１側部１４Ａは弁座１３から離れる方向へ向けて回動し、第２側部１４Ｂは弁孔１６に入り込む方向へ回動するようになっている。開弁状態から弁体１４を全閉状態へ閉弁するときは、開弁方向Ｆ１とは逆向きの閉弁方向（図６の反時計方向）へ回動するようになっている。

なお、図６に示すように、メインギヤ４１の回転軌跡上には、メインギヤ４１の回転を規制するギヤストッパ６３が設けられる。このギヤストッパ６３は、弁ハウジング３５に設けられる。ここで、弁体１４が全閉状態のときは、メインギヤ４１とギヤストッパ６３との間に所定の隙間が設定される。従って、メインギヤ４１は、全閉状態から、ギヤストッパ６３に当接するまで更に回動が許容される。これによって全閉状態における弁体１４の閉弁方向への更なる回動が許容される。

続いて、出口統合弁１８１における流路１１の構成について、図７を参照しながら説明する。流路１１の段部１０に弁座１３が配置されており、弁座１３の内壁面が流路１１の一部をなしている。弁座１３には、全閉時に弁体１４が当接するシート面１７が設けられている。このシート面１７は、弁体１４側に向かって広がるテーパ状に形成されている。そして、流路１１のうち弁座１３を境にして弁体１４が配置される側の流路には、シート面１７のテーパ形状が連続するように形成されたテーパ状の内壁面２０ａを備える環状の流路ブロック２０が設けられている。この流路ブロック２０は、弁座１３に接触するように流路１１内に配置される。そのため、弁座１３のシート面１７から弁体１４側に向かって広がるテーパ状の流路が形成される。これにより、第１側部１４Ａ側の開口面積が小さくなる一方、第２側部１４Ｂ側の開口面積は変化しない。そのため、流路１１のうち弁座１３を境にして弁体１４が配置される側の流路は、開弁時において、弁体１４と流路１１の内壁面との間に形成される、開口領域における開口面積が、第１側部１４Ａ側の開口面積よりも第２側部１４Ｂ側の開口面積の方が大きくなるように形成される（図８及び図９参照）。

このような構成を備える出口統合弁１８１では、燃料電池スタック１１１に所定流量のエアを供給するために、弁体１４の開度が所定開度に制御される。具体的には、全閉状態から、モータ３２に電流を供給してモータ３２を作動させ、モータギヤ４３が回転することにより、その回転が中間ギヤ４２により減速されてメインギヤ４１に伝達される。これにより、回転軸１５及び弁体１４が、リターンスプリング４０の付勢力に抗して回動され、流路１１が開かれる。すなわち、弁体１４が開弁される。そして、出口統合弁１８１が開弁されていくに従って、弁体１４と流路１１の内壁面との間に形成される、開口領域における開口面積が大きくなっていき、燃料電池スタック１１１に供給されるエアの流量が増えていく。

このとき、燃料電池スタック１１１に供給するエアの流量に応じて、コントローラ２０１により出口統合弁１８１は所定開度に制御される。すなわち、弁体１４を所定開度に保持するために、モータ３２に電流を供給して回転力を発生させ、その回転力が保持力としてモータギヤ４３、中間ギヤ４２及びメインギヤ４１を介して回転軸１５に伝達される。この保持力がリターンスプリング４０の付勢力に均衡することにより、弁体１４が所定開度に保持される。このときに、モータ３２へ供給される電流が開弁保持電流となる。なお、弁体１４を閉弁させる場合は、モータ３２がモータギヤ４３を逆転させることになる。

そして、出口統合弁１８１では、流路１１のうち弁座１３を境にして弁体１４が配置される側の流路の径が、流路ブロック２０により、従来品に比べて小さく絞られている。そのため、出口統合弁１８１を所定開度に開弁したとき、第１側部１４Ａ側の開口面積が従来品よりも小さくなり、図８及び図９に示すように、第２側部１４Ｂ側の開口面積の方が第１側部１４Ａの開口面積より大きくなる。なお、図８は開度２０°の状態を示し、図９は開度３０°の状態を示している。

そのため、出口統合弁１８１では、開弁時に弁座１３側から弁体１４側へエアが流れるので、第１側部１４Ａには第２側部１４Ｂよりも大きな圧力が作用する。従って、開弁時に生じる圧力差、つまり第１側部１４Ａに作用する圧力と第２側部１４Ｂに作用する圧力との差によって発生する回転モーメントが開弁方向へ作用する。これにより、図１０に実線（太線）で示すように、弁体１４を所定開度に維持するために必要となる、モータ３２へ供給する開弁保持電流が、開度６０°以下の開度域において、従来品（破線参照）よりも減少する。従って、出口統合弁１８１にてエアの流量制御を行う際の消費電力を削減することができる。また、第１側部１４Ａの開口面積が従来品よりも小さくなっているため、低開度域における流量特性が良くなる（開度に対する流量の増加割合が緩やかになる）ため、エアの流量をより高精度に制御することができる。

そして、燃料電池システム１０１では、エア系１１３における制御弁である出口統合弁１８１、入口封止弁１７４及びバイパス弁１９１の共通化を図っている。これにより、燃料電池システム１０１を構成する際における組み付けミスを防止するとともに組み付け作業の効率化を図ることができる。また、これらの弁の開閉制御（動作）は同一であるため、これらの弁を協調制御することができる。これらのことにより、燃料電池システム１０１のコストを低減することができるとともに、コントローラ２０１における弁の開閉制御も簡素化することができる。なお、入口封止弁１７４及びバイパス弁１９１では、弁体１４側から弁座１３側へエアが流れるため、モータ３２へ供給する開弁保持電流が増加するおそれはあるが、中間開度域での流量制御がないため、消費電力が増加することはない。

［第２実施例］
次に、第２実施例について説明する。第２実施例に係る出口統合弁１８１Ａは、第１実施形態と基本的な構成が同じであるため、共通点については同一符号を付して説明を省略し、相違点について説明する。図１１に示すように、出口統合弁１８１Ａでは、弁座２１３に拡径部２１３Ａが形成されている。拡径部２１３Ａは、シート面１７以外の部分に設けられている。この拡径部２１３Ａは、シート面１７の小径側端部１７ａから弁体１４とは反対側に向かって内径が徐々に拡大する形状（テーパ形状）をなしている。そのため、弁座２１３には、シート面１７と拡径部２１３Ａのみが形成され、弁座２１３の内径は、シート面１７の小径側端部１７ａ（最小径となる箇所）を境にして両方向へ徐々に拡大する形状となっている。なお、図１１は、弁開度が２０°の状態を示している。

これにより、弁座２１３では、図１１に二点鎖線で示す従来品のように、内径が等しい部分がほとんど存在しない。そのため、出口統合弁１８１Ａでは、低開度域において第１側部１４Ａ側の開口面積が従来品に比べて大きくなる。その結果として、第１側部１４Ａ側の開口面積と第２側部１４Ｂ側の開口面積との面積差が小さくなる。

従って、出口統合弁１８１Ａでは、開弁時に生じる圧力差、つまり第１側部１４Ａに作用する圧力と第２側部１４Ｂに作用する圧力との差によって発生して閉弁方向へ作用する回転モーメントが小さくなる。これにより、図１０に一点鎖線で示すように、弁体１４を所定開度に維持するために必要となる、モータ３２へ供給する開弁保持電流が、開度２０°以下の低開度域において、従来品（破線参照）よりも減少する。従って、出口統合弁１８１Ａにてエアの流量制御を行う際の消費電力を削減することができる。

そして、出口統合弁１８１Ａを燃料電池システム１０１に用いる場合には、入口封止弁１７４及びバイパス弁１９１に、出口統合弁１８１Ａと同様の構成の二重偏心弁を用いればよい。これにより、エア系１１３における弁の共通化を図ることができる。

［第３実施例］
最後に、第３実施例について説明する。第３実施例に係る出口統合弁１８１Ｂは、第１実施形態と基本的な構成が同じであるため、共通点については同一符号を付して説明を省略し、相違点について説明する。図１２に示すように、出口統合弁１８１Ｂでは、弁体２１４に面取り部２１４Ａが形成されている。面取り部２１４Ａは、弁座１３に対向する面と反対側の円周縁部に設けられている。この面取り部２１４Ａは、シール面１８の大径側端部１８ａから円弧状に面取り（Ｒ面取り）されて形成されている。なお、図１２は、弁開度が２０°の状態を示している。

これにより、出口統合弁１８１Ｂでは、図１２に示すように、第２側部１４Ｂ側の開口面積が、二点鎖線で示す弁体を有する従来品に比べて大きくなる。その結果として、第１側部１４Ａ側の開口面積と第２側部１４Ｂ側の開口面積との面積差が小さくなる。

従って、出口統合弁１８１Ｂでは、開弁時に生じる圧力差、つまり第１側部１４Ａに作用する圧力と第２側部１４Ｂに作用する圧力との差によって発生して閉弁方向へ作用する回転モーメントが小さくなる。これにより、図１０に実線（細線）で示すように、弁体２１４を所定開度に維持するために必要となる、モータ３２へ供給する開弁保持電流が、開度１０°〜６０°の中間開度域において、従来品（破線参照）よりも減少する。従って、出口統合弁１８１Ｂにてエアの流量制御を行う際の消費電力を削減することができる。

そして、出口統合弁１８１Ｂを燃料電池システム１０１に用いる場合には、入口封止弁１７４及びバイパス弁１９１に、出口統合弁１８１Ｂと同様の構成の二重偏心弁を用いればよい。これにより、エア系１１３における弁の共通化を図ることができる。

なお、上記した実施の形態は単なる例示にすぎず、本開示を何ら限定するものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能であることはもちろんである。例えば、上記した第１〜第３実施例を任意に組み合わせることができる。これにより、各実施例の効果を相乗的に得ることができる。そして、第１〜第３実施例をすべて組み合わせると、図１３に示すように、開度６０°以下の中間開度域において開弁保持電流を効果的に減少させることができる。

また、上記した実施形態では、燃料電池システムのエア系における制御弁に本開示の二重偏心弁を適用しているが、本開示の二重偏心弁は、燃料電池システムに限られることなく、流体の流量制御を行うシステム（例えば、ＥＧＲシステム等）であれば適用することができる。

１１ 流路
１３ 弁座
１４ 弁体
１４Ａ 第１側部
１４Ｂ 第２側部
１５ 回転軸
１７ シート面
１８ シール面
２０ 流路ブロック
２０ａ 内壁面
３２ モータ（駆動機構）
３５ 弁ハウジング
３７ 第１軸受
３８ 第２軸受
４０ リターンスプリング
１０１ 燃料電池システム
１１１ 燃料電池スタック（燃料電池）
１１３ エア系
１６１ エア供給通路
１６２ エア排出通路
１６３ バイパス通路
１７４ 入口封止弁
１８１ 出口統合弁
１９１ バイパス弁
Ｌ１ 回転軸の軸線（主軸線）
Ｌ２ 弁体の軸線
Ｖ１ 仮想面

Claims (8)

1. 円環状をなし、弁孔と前記弁孔に形成されたシート面を含む弁座と、
   円板状をなし、前記シート面に対応する環状のシール面が外周に形成された弁体と、
   前記弁座及び前記弁体が配置されるとともに流体が流れる流路が形成されたハウジングと、
   前記弁体を回動させる回転軸と、
   前記回転軸を回転駆動させる駆動機構と、
   前記回転軸を回転可能に支持する軸受と、
   前記回転軸の回転方向を前記弁体の閉弁方向へ付勢するリターンスプリングとを備え、
   前記シート面は、前記弁体側に向かって広がるテーパ状に形成され、
   前記回転軸の軸線が前記弁体の前記シール面から離れて配置されるとともに、前記弁体の軸線から離れて配置され、
   前記弁体は、前記回転軸の軸線を含んで前記弁体の軸線方向と平行な仮想面を境にして分割される、前記弁体の軸線が位置する第１側部と、それ以外の第２側部とを含み、開弁時に、前記第１側部が前記弁座から離れる方向へ回動し、前記第２側部が前記弁孔に入り込む方向へ回動する二重偏心弁において、
   前記流路のうち前記弁座を境にして前記弁体が配置される側の流路は、開弁時に前記弁体と前記流路の内壁面との間に形成される開口領域の面積である開口面積について、前記第１側部側における開口面積よりも前記第２側部側における開口面積が大きくなるように形成されている
   ことを特徴とする二重偏心弁。
2. 請求項１に記載する二重偏心弁において、
   前記流路のうち前記弁座を境にして前記弁体が配置される側の流路の内径は、前記弁座とは反対側に向かって、前記弁座の内径から徐々に拡大している
   ことを特徴とする二重偏心弁。
3. 請求項２に記載する二重偏心弁において、
   前記流路のうち前記弁座を境にして前記弁体が配置される側の流路には、前記シート面のテーパ形状が連続するように形成されたテーパ状の内壁面を備える環状の流路ブロックが配置されている
   ことを特徴とする二重偏心弁。
4. 円環状をなし、弁孔と前記弁孔に形成されたシート面を含む弁座と、
   円板状をなし、前記シート面に対応する環状のシール面が外周に形成された弁体と、
   前記弁座及び前記弁体が配置されるとともに流体が流れる流路が形成されたハウジングと、
   前記弁体を回動させる回転軸と、
   前記回転軸を回転駆動させる駆動機構と、
   前記回転軸を回転可能に支持する軸受と、
   前記回転軸の回転方向を前記弁体の閉弁方向へ付勢するリターンスプリングとを備え、
   前記シート面は、前記弁体側に向かって広がるテーパ状に形成され、
   前記回転軸の軸線が前記弁体の前記シール面から離れて配置されるとともに、前記弁体の軸線から離れて配置され、
   前記弁体は、前記回転軸の軸線を含んで前記弁体の軸線方向と平行な仮想面を境にして分割される、前記弁体の軸線が位置する第１側部と、それ以外の第２側部とを含み、開弁時に、前記第１側部が前記弁座から離れる方向へ回動し、前記第２側部が前記弁孔に入り込む方向へ回動する二重偏心弁において、
   前記流路の一部をなす前記弁座には、前記回転軸の軸線が前記弁体の前記シール面及び前記弁体の軸線から離れて配置されていることによって開弁時に発生する前記弁体と前記流路の内壁面との間に形成される、前記第１側部側における開口領域の面積である開口面積と前記第２側部側における開口領域の面積である開口面積との面積差が小さくなるように内径が拡大された拡径部が形成されている
   ことを特徴とする二重偏心弁。
5. 請求項４に記載する二重偏心弁において、
   前記拡径部は、前記弁座の前記シート面以外の部分に設けられ、前記シート面の小径側端部から前記弁体とは反対側に向かって内径が徐々に拡大している
   ことを特徴とする二重偏心弁。
6. 円環状をなし、弁孔と前記弁孔に形成されたシート面を含む弁座と、
   円板状をなし、前記シート面に対応する環状のシール面が外周に形成された弁体と、
   前記弁座及び前記弁体が配置されるとともに流体が流れる流路が形成されたハウジングと、
   前記弁体を回動させる回転軸と、
   前記回転軸を回転駆動させる駆動機構と、
   前記回転軸を回転可能に支持する軸受と、
   前記回転軸の回転方向を前記弁体の閉弁方向へ付勢するリターンスプリングとを備え、
   前記シート面は、前記弁体側に向かって広がるテーパ状に形成され、
   前記回転軸の軸線が前記弁体の前記シール面から離れて配置されるとともに、前記弁体の軸線から離れて配置され、
   前記弁体は、前記回転軸の軸線を含んで前記弁体の軸線方向と平行な仮想面を境にして分割される、前記弁体の軸線が位置する第１側部と、それ以外の第２側部とを含み、開弁時に、前記第１側部が前記弁座から離れる方向へ回動し、前記第２側部が前記弁孔に入り込む方向へ回動する二重偏心弁において、
   前記弁体のうち前記弁座に対向する面と反対側の円周縁部に、前記シール面の大径側端部から円弧状に面取りされている面取り部が形成されている
   ことを特徴とする二重偏心弁。
7. 燃料電池と、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給通路と、前記酸化剤ガス供給通路に設けられて酸化剤ガスを前記燃料電池に供給するコンプレッサと、前記酸化剤ガス供給通路にて前記コンプレッサと前記燃料電池との間に設けられた上流側弁と、前記燃料電池に供給された酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出通路と、前記酸化剤ガス排出通路に設けられた下流側弁と、前記酸化剤ガス供給通路と前記酸化剤ガス排出通路とに接続されたバイパス通路と、前記バイパス通路に設けられ前記バイパス通路を流れる酸化剤ガスの流量を制御するバイパス弁と、を有する燃料電池システムにおいて、
   前記下流側弁は、請求項１から請求項６に記載するいずれか１つの二重偏心弁であり、前記弁座側から前記弁体側へ酸化剤ガスが流れるように、前記酸化剤ガス排出通路に配置されている
   ことを特徴とする燃料電池システム。
8. 請求項７に記載する燃料電池システムにおいて、
   前記上流側弁及び前記バイパス弁も、請求項１から請求項６に記載するいずれか１つの二重偏心弁であり、前記弁座側から前記弁体側へ酸化剤ガスが流れるように、前記酸化剤ガス供給通路及び前記バイパス通路に配置されている
   ことを特徴とする燃料電池システム。

Images