JP2019190523A - タンクバルブ - Google Patents

Abstract

【課題】タンクの外部から、パイプを通してタンク内に流体を噴出させても、温度検出部及びパイプが接触することのないタンクバルブを提供する。【解決手段】タンクバルブ３０は、第一端Ｐ１がタンクバルブ３０のバルブ本体３１に固定され、第一端からタンク本体１０の内方に延出し、第二端からタンク本体１０内に流体を噴出するパイプ３３と、タンク本体１０内に配置され、タンク本体１０内における流体の流体温度を検出する温度センサ３４と、パイプ３３と温度センサ３４とを係止し、パイプ３３に対する温度センサ３４の相対変位を不能とする固定部材３５と、を備える。【選択図】図３

Description

本発明は、タンクのタンクバルブに関する。

従来、ガスを収納する容器として、例えば、燃料電池の発電に用いる高圧の水素ガス（流体）を収納する高圧タンクが知られている。そして、このようなタンク内にガスを充填するタンクバルブとして、例えば、特許文献１に開示されるバルブがある。特許文献１のバルブは、タンク内に流体（水素ガス）を充填するための金属製で中空のパイプと、タンク内に充填された流体のガス温度を計測するための温度センサとを備える。

このとき、パイプの一端は、タンクバルブが備えるバルブ本体のバルブ管に固定されている。また、温度センサは、温度検出部が金属製の配管に固定され、配管の温度検出部側とは反対側の端部が、パイプと同様、バルブ管に固定されている。そして、温度センサの温度検出部は、パイプと隣接して配置されている。

特開２０１６−９５００１号公報

しかしながら、上記の構成により、タンクの外部からパイプを通してタンク内に流体を噴出させると、タンク内に噴出された流体の流れの影響により、パイプ（先端側）及び温度センサの温度検出部が、それぞれバルブ管（バルブ本体）に固定された端部を中心として振動する虞がある。この場合、温度検出部とパイプとは、それぞれ個々で振動する。このため、各振動の位相がずれ、温度検出部とパイプとが接触する虞がある。これにより、温度検出部が影響を受け、精度のよい温度データが得られなくなる虞がある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、タンクの外部から、パイプを通してタンク内に流体を噴出させても、温度検出部及びパイプが接触することのないタンクバルブを提供することを目的とする。

本発明のタンクバルブは、口金を有するタンク本体と、前記口金に装着されるタンクバルブと、を備えたタンクのタンクバルブである。そして、タンクバルブは、第一端が前記タンクバルブのバルブ本体に固定され、前記第一端から前記タンク本体の内方に延出し、第二端から前記タンク本体内に流体を噴出するパイプと、前記タンク本体内に配置され、前記タンク本体内における前記流体の流体温度を検出する温度センサと、前記パイプと前記温度センサとを係止し、前記パイプに対する前記温度センサの相対変位を不能とする固定部材と、を備える。

上記構成によれば、パイプに対する前記温度センサの相対変位が不能となるよう、固定部材が、パイプ及び温度センサを係止する。これにより、たとえ、流体がパイプを通ってタンク内に充填され、充填された流体の流れによってパイプ及び温度センサが振動する力を受けても、パイプ及び温度センサは固定部材によって一体化されているので、常に同じ位相で振動する。従って、パイプ及び温度センサが接触する虞はないので、温度センサからは常に精度のよい温度の検出信号が得られる。

本実施形態に係るタンクを搭載した燃料電池自動車を示す図である。 本発明に係るタンクバルブのタンクへの取り付け状態を説明する図である。 図２におけるパイプ及び温度センサ部分の拡大図である。 図３におけるIV−IV矢視断面図である。 第二実施形態を説明する図３に対応する図である。 第二実施形態の変形例１を説明する図３に対応する図である。

＜１．第一実施形態＞
（１−１．タンク概要）
以下、車両に搭載されたタンクに装着される本発明に係るタンクバルブについて、第一実施形態に基づき説明する。図１は、タンクが搭載された車両（燃料電池自動車）を示す図である。一例として、本実施形態では、燃料電池自動車に、例えば三本のタンクが搭載され、その三本のタンクには、それぞれ水素ガス（流体に相当する）が高圧で充填される態様を例に挙げ説明を行なう。ただし、以降の説明においては、一本のタンクに装着された一個のタンクバルブを代表として取り上げ説明を行なう。なお、このとき、高圧ガスの圧力としては、例えば、３５ＭＰａ〜７０ＭＰａ程度である。

燃料電池自動車１００では、例えば３本のタンク１が車体の後部に搭載される。各タンク１は、燃料電池システムの一部を構成する。各タンク１は、ガス供給ライン２を通じて燃料電池３に水素ガスを供給可能に構成される。

なお、上述したようにタンク１に貯留される流体は、一例として高圧の水素ガスとしたが、これに限らず、例えば、低圧の水素ガスでもよい。また、流体は、高圧又は低圧の圧縮天然ガス（ＣＮＧ）や、高圧又は低圧のＣＮＧ（圧縮天然ガス）等の各種圧縮ガスでもよい。また、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）や定置型の機器にも適用できる。

図２に示すように、タンク１は、タンク本体１０、口金２０、タンクバルブ３０等を備える。タンク本体１０は、その内部に、水素ガスを常圧よりも高い圧力で貯留する貯留空間を有する。上述したように、水素ガスは、例えば３５ＭＰａ〜７０ＭＰａといった圧力で貯留空間内に貯留される。

タンク本体１０は、例えば二層構造の壁層を有し、内壁層であるライナとその外側の外壁層である樹脂繊維層（補強層）とを有している。ライナの材質としては、例えば、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂及びその他の硬質樹脂によって形成される。補強層は、例えば、炭素繊維で強化されたマトリックス樹脂（プラスチック）からなるＦＲＰ層（ＣＦＲＰ）である。マトリックス樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、変性エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリプロピレン樹脂等が挙げられる。

図２に示すように、口金２０は、略円筒形状の開口部を有し、タンク本体１０（ライナーと補強層との間）に嵌入されて、固定される。口金２０の開口部における内周面には、例えば、雌ねじ（図略）が形成され、タンクバルブ３０が着脱自在に装着される。本実施形態では、口金２０は、ステンレスによって形成されているが、例えば、アルミニウムといった他の金属や樹脂材によって形成されても良い。

（１−２.タンクバルブ３０）
タンクバルブ３０は、バルブ本体３１、バルブ管３２、パイプ３３、温度センサ３４及び固定部材３５を有する。バルブ本体３１は、水素ガス使用時には、外部のガス供給ライン２（図１参照）と接続され、タンク本体１０の内部に貯留された水素ガスが燃料電池３に送出されるようになっている。また水素ガス充填時には、例えば、外部の水素ステーション等（図示略）と接続され、水素ガスが充填されるようになっている。

バルブ本体３１と一体に形成されているバルブ管３２の外周面には、例えば，雄ねじ（図略）が形成される。そして、雄ねじが、口金２０に形成された雌ねじと螺合することにより、タンク本体１０に対してタンクバルブ３０の位置が固定される。

バルブ管３２には、タンク本体１０の軸方向内方（図２中のＺ軸方向に一致し、以降における説明においても同様とする）、即ち貯留空間の中心に向かって延出するパイプ３３が接続される。また、バルブ管３２には、温度センサ３４が配線３４ｂにて接続される。このパイプ３３と温度センサ３４とについて、以下、図３及び図４を用いて詳細に説明する。

パイプ３３は、バルブ管３２側の端部である第一端Ｐ１が、バルブ管３２に、例えば、ねじ止めされ固定される。つまり、パイプ３３は、バルブ管３２を介してタンクバルブ３０のバルブ本体３１に固定される。パイプ３３は、タンク本体１０の軸方向内方に延出し、先端である第二端Ｐ２が、タンク本体１０内の所定位置において所定方向に向って開口するように配置される。

このように配置されることでパイプ３３は、外部の例えば、水素ガスステーション等（図示略）と接続され、水素ガスが充填される流体充填時において、タンク本体１０内の貯留空間内に、水素ガスを噴出可能である。なお、本実施形態において、パイプの材質は、例えばＳＵＳ３１６Ｌである。ただしこれは、あくまで一例である。パイプの材質は、水素ガスの充填時において、破損せず、少なくとも一定の範囲内において姿勢が維持できる材料であればどのようなものでもよい。例えば、様々な金属、樹脂等でも良い。

パイプ３３は、バルブ管３２に固定される第一端Ｐ１から第二端Ｐ２（先端）に向かって延伸する途中に、若干、屈折する屈折部３３ａを備える。これにより、水素ガス充填時において、パイプ３３の第二端Ｐ２（先端）からタンク本体１０内の貯留空間内に流体（本実施形態においては水素ガス）が噴出される際、噴出された水素ガスは、軸方向に対して傾斜した方向に向かって流れ、タンク本体１０の内壁で反射される。これにより貯留空間内に存在する水素ガスと、新たに充填された水素ガスとの間で渦が生じ、水素ガスの充填に伴う断熱圧縮によるタンク本体１０内の局所的な温度上昇が抑制される。延いては、タンク本体１０内の水素ガス温度分布が均一化される。

温度センサ３４は、タンク本体１０内に配置され、タンク本体１０内における水素ガスの流体温度を検出する。温度センサ３４が、タンク本体１０内における水素ガスの流体温度を検出することにより、図略の制御部が、流体温度と相関性があるタンク本体１０内の圧力（充填圧）を導出する。さらに、制御部は、タンク本体１０内の充填圧から、水素ガスの充填量を導出する。これにより、水素ガスの充填時において、タンク本体１０内への水素ガスの充填量を検知できるため、タンク本体１０内への水素ガスの充填量がコントロールできる。なお、図略の制御部は、タンクバルブ３０内に有していてもよいし、外部に有していてもよい。

図３及び図４に示すように、温度センサ３４は、センサ本体３４ａと、配線３４ｂと、配管３６と、を備える。センサ本体３４ａは、タンク本体１０内の貯留空間における流体温度の検出部である。センサ本体３４ａは、後に詳細に説明する固定部材３５によって、パイプ３３の先端（第二端Ｐ２）よりもバルブ管３２側に後退し、且つパイプ３３の先端近傍に固定される。

配線３４ｂは、バルブ本体３１が備えるバルブ管３２に固定される。つまり、配線３４ｂは、バルブ管３２側の端部がバルブ管３２を介してバルブ本体３１に固定される。配線３４ｂのバルブ管３２側の端部には、オスのコネクタ端子３４ｃが設けられている。そして、バルブ管３２に設けられたメスのコネクタ端子（図略）にコネクタ端子３４ｃが差し込まれて固定されるとともに、センサ本体３４ａと、図略の制御部とが電気的に接続される。

配管３６は、アルミや鉄または樹脂等で形成された円筒状部材である。配管３６は、センサ本体３４ａ側の端部、つまり、第一端Ｑ１側の端部がセンサ本体３４ａにねじ止め等の所定の手段によって固定される。これにより、センサ本体３４ａと配管３６とは一体的に構成される。また、配管３６は、図４に示すように、内周側の円筒空間内に配線３４ｂを挿通し収納（収容）する。本実施形態においては、配管３６は、図３に示すように、配線３４ｂのセンサ本体３４ａ側の一部のみを収納する。つまり、配管３６の第二端Ｑ２は、バルブ本体３１（バルブ管３２）に非固定状態である。

固定部材３５は、パイプ３３と温度センサ３４とを係止（連結）する。詳細には、固定部材３５は、パイプ３３と、センサ本体３４ａが一体的に固定される配管３６と、を直接係止する。固定部材３５は、薄板状のばね材で形成される。固定部材３５は、図３に示すパイプ３３及び配管３６の取り付け状態において、矢視断面IV−IVで切断した場合の断面形状が図４に示すような形状で形成される。図４の断面図に示すように、固定部材３５は、断面形状が略逆Ｕ字形状を呈する。

図４に示す略逆Ｕ字形状の中で、固定部材３５は、パイプ３３を保持する半周以上のＲ部を有して形成されたパイプ保持部３５ａと、対向するＲ部で両側から挟みこみ配管３６を保持する配管保持部３５ｂ，３５ｂと、を備える。なお、上述したように、固定部材３５は、ばね材で形成されている。このため、固定部材３５は、図４に示す形状においては、パイプ保持部３５ａ及び配管保持部３５ｂが、それぞれパイプ３３及び配管３６を径方向内方（矢印Ａ１，Ａ２方向、及び矢印Ｂ１，Ｂ２方向参照）に付勢している。これにより、固定部材３５は、パイプ３３及び配管３６を、所定の距離Ｌ１を維持した状態で保持する。

上述したように、図４に示す状態は、固定部材３５が、ばね力によってパイプ３３及び配管３６を所定に位置で保持している状態である。固定部材３５によってパイプ３３及び配管３６を係止させる際には、図４における固定部材３５の下方の端部３５ｃ，３５ｄを矢印Ｃ１，Ｃ２方向に押し広げればよい。そして、端部３５ｃ，３５ｄを押し広げた状態で、配管３６及びパイプ３３を、端部３５ｃ，３５ｄの間から固定部材３５の内部に進入させる。

その後、パイプ３３がパイプ保持部３５ａと係合可能な位置に到達するとともに、配管３６が配管保持部３５ｂ，３５ｂと係合可能な位置に到達したら、固定部材３５の端部３５ｃ，３５ｄに付与していた開き方向の力を解除し、ばね力によって端部３５ｃ，３５ｄを内方に向って閉じさせる。これにより、固定部材３５パイプ保持部３５ａ及び配管保持部３５ｂ，３５ｂが、それぞれパイプ３３及び配管３６を保持する状態とすることができる。このような状態によって、固定部材３５は、パイプ３３に対する配管３６の相対変位、即ちパイプ３３に対する温度センサ３４（センサ本体３４ａ）の相対変位を不能とする。

（１−３.作用）
次に、作用について説明する。タンク本体１０内への水素ガス充填時には、タンクバルブ３０が、例えば、外部の水素ガスステーション等（図示略）と接続される。そして、パイプ３３を通して水素ガスがタンク本体１０内の貯留空間に噴出される。このとき、本実施形態において、ステーション等に貯留されている流体は高圧の水素ガスである。

このため、例えば、タンク本体１０内における貯留空間の圧力が、大気圧に近い状態であると、充填作業の初期においては、高圧の水素ガスは、膨張するとともに減圧されながら、勢いよくタンクバルブ３０のパイプ３３の端部からタンク内に噴出される。これにより、タンク内に水素ガスの流れが生じ、生じた流れによってパイプ３３が、バルブ管３２に固定される第一端Ｐ１を中心として振動（揺動）する場合がある。換言すると、パイプ３３の先端が、タンク本体１０に対して相対変位する場合がある。

また、このとき、上述したように、パイプ３３の先端には、タンク本体１０内の水素ガスの温度を均一なものとするため、タンク本体１０の軸方向に対し所定の角度で形成された屈折部３３ａが形成されている。このため、パイプ３３の先端から水素ガスが噴出される際、屈折部３３ａの傾斜角度に応じた分だけ、パイプ３３は、第一端Ｐ１を中心として回転する方向に力（モーメント）を受けるため、これによってもパイプ３３は振動（揺動）しやすい。

しかしながら、このとき、本実施形態では、上述したように固定部材３５が、パイプ３３と、パイプ３３の先端の近傍に配置されたセンサ本体３４ａ（詳細には配管３６）と、を相対移動不能に係止している。このため、パイプ３３が振動しても、パイプ３３と、センサ本体３４ａ（配管３６）との間の間隔は、固定部材３５を介して常に一定に維持され、同じ位相で振動するのでパイプ３３とセンサ本体３４ａとが接触することはない。これにより、センサ本体３４ａ（温度センサ３４）が、パイプ３３との接触によって性能に関わる影響を受け、検出値が変動する虞はない。

（１−４．第一実施形態による効果）
上記第一実施形態によれば、タンクバルブ３０は、第一端Ｐ１がタンクバルブ３０のバルブ本体３１に固定され、第一端Ｐ１からタンク本体１０の内方に延出し、第二端Ｐ２からタンク本体１０内に流体（水素ガス）を噴出するパイプ３３と、タンク本体１０内に配置され、タンク本体１０内における水素ガスの流体温度を検出する温度センサ３４（センサ本体３４ａ）と、パイプ３３と温度センサ３４（センサ本体３４ａ）とを係止し、パイプ３３に対する温度センサ３４（センサ本体３４ａ）の相対変位を不能とする固定部材３５と、を備える。

このように、パイプ３３に対する温度センサ３４（センサ本体３４ａ）の相対変位が不能となるよう、固定部材３５が、パイプ３３及び温度センサ３４を係止する。これにより、たとえ、水素ガスがパイプ３３を通ってタンク本体１０内に充填され、充填された水素ガスの流れによってパイプ３３及び温度センサ３４が振動する力を受けても、パイプ３３及び温度センサ３４は固定部材３５によって一体化されているので、常に同じ位相で振動する。従って、パイプ３３及び温度センサ３４（センサ本体３４ａ）が接触する虞は小さいので、温度センサ３４（センサ本体３４ａ）からは常に精度のよい温度の検出信号が得られる。

また、第一実施形態によれば、温度センサ３４は、流体温度の検出部であるセンサ本体３４ａと、センサ本体３４ａとバルブ本体３１とに接続された配線３４ｂと、第一端Ｑ１をセンサ本体３４ａに固定され、配線３４ｂを収納する配管３６と、を備える。そして、固定部材３５は、パイプ３３と配管３６とを直接係止する。これにより、パイプ３３と配管３６とは、固定部材３５を介して一体的に固定されるので、パイプ３３と、配管３６に固定されるセンサ本体３４ａ（温度センサ３４）とが接触する虞は小さい。これにより、センサ本体３４ａ（温度センサ３４）の性能は良好に維持される。

また、第一実施形態によれば、配管３６は、配線３４ｂのセンサ本体３４ａ側の一部のみを収容し、配管３６の第二端Ｑ２は、バルブ本体３１に非固定状態である。これにより、センサ本体３４ａは、第二端Ｑ２側からの拘束を一切受けずに、固定部材３５を介して、パイプ３３に確実に保持される。このため、たとえ、水素ガスの充填時において、パイプ３３に振動が発生しても、パイプ３３とセンサ本体３４ａとは、確実に一体で振動する。これにより、パイプ３３と、配管３６に固定されるセンサ本体３４ａ（温度センサ３４）とが接触する虞は小さい。よって、センサ本体３４ａ（温度センサ３４）の性能は良好に維持される。

また、上記第一実施形態によれば、固定部材３５は、配管３６の第一端Ｑ１側であるセンサ本体３４ａ側の部分を係止する。これにより、固定部材３５より先端側にある配管３６の先端までの距離及びセンサ本体３４ａまでの距離を共に短くすることができるので、配管３６及びセンサ本体３４ａとの間における相対変位の大きさも効果的に抑制できる。これにより、パイプ３３と、配管３６に固定されるセンサ本体３４ａ（温度センサ３４）とが接触する虞は小さい。よって、センサ本体３４ａ（温度センサ３４）の性能は良好に維持される。

また、上記第一実施形態によれば、固定部材３５は、ばね材で形成される。これにより、パイプ３３と、配管３６に固定されるセンサ本体３４ａ（温度センサ３４）とを係止させる際には、ばね力を利用して容易かつ短時間で組み付けできる。これにより、低コスト化が図れる。

＜２．第二実施形態＞
次に、第二実施形態について図５に基づき説明する。第一実施形態では、温度センサ３４の配線３４ｂを収納するとともに、温度センサ３４と一体的となるよう形成された配管３６が、配線３４ｂの温度センサ３４側の一部のみを収納した。そして、配管３６の第二端Ｑ２は、バルブ本体３１（バルブ管３２）に非固定状態とされた。

しかしながら、上記態様には限らない。図５に示すように、第二実施形態として、センサ本体１３４ａが固定される配管１３６が、配線１３４ｂの全部を収納し、配管１３６の第二端Ｑ２が、バルブ本体３１（バルブ管３２）に固定状態とされてもよい。そして、このとき、固定部材１３５は、第一実施形態と同様、配管１３６の第一端Ｑ１近傍を係止する。上記以外は、第一実施形態と同様である。これによっても、第一実施形態と同様の効果が期待できる。

（２−１．第二実施形態の変形例１）
上記第二実施形態の変形例１として、図６に示すように固定部材２３５は、パイプ２３３の第一端Ｐ１側（バルブ本体３１側）の部分と、パイプ２３３の第一端Ｐ１側に対応する配管２３６の第二端Ｑ２近傍を係止してもよい。ただし、このような構成により、上記第一、及び第二実施形態における、水素ガス充填時でのパイプ３３、１３３の先端の振動の大きさ、及び温度センサ３４，１３４の振動の大きさに対し、パイプ２３３及び温度センサ２３４の各振動はそれぞれ少し大きくなる。しかし、実験を行ない、振動が発生してもパイプ２３３の先端とセンサ本体２３４ａとが接触しないことを可能とする第二端Ｑ２近傍の位置を見出し、見出した位置に固定部材２３５を配置することにより、相応の効果は得られる。

（２−２．第二実施形態の変形例２）
また、第二実施形態の変形例２（図略）として、第二実施形態及び第二実施形態の変形例１のように、中空の配管１３６，２３６によって、センサ本体１３４ａ，２３４ａを固定し支持するのではなく、中実の柱（棒）によってセンサ本体１３４ａ，２３４ａを固定し支持しても良い。このとき、センサ本体１３４ａ，２３４ａからの配線は、別に設ければよい。これにより、センサ本体１３４ａ，２３４ａの支持剛性が向上し、振動発生時におけるセンサ本体１３４ａ，２３４ａの変位は良好に抑制されるので、パイプ１３３，２３３の先端とセンサ本体１３４ａ，２３４ａとの接触がさらに効果的に抑制される。

３０；タンクバルブ、 ３３，１３３，２３３；パイプ、 ３４，１３４，２３４；温度センサ、 ３４ａ，１３４ａ，２３４ａ；センサ本体、 ３４ｂ，１３４ｂ；配線、 ３４ｃ；コネクタ端子、 ３５，１３５，２３５；固定部材、 ３６，１３６，２３６；配管、 Ｐ１；第一端（パイプ）、 Ｐ２；第二端（パイプ）、 Ｑ１；第一端（配管）、 Ｑ２；第二端（配管）。

Claims (7)

1. 口金を有するタンク本体と、
   前記口金に装着されるタンクバルブと、を備えたタンクの前記タンクバルブであって、
   第一端が前記タンクバルブのバルブ本体に固定され、前記第一端から前記タンク本体の内方に延出し、第二端から前記タンク本体内に流体を噴出するパイプと、
   前記タンク本体内に配置され、前記タンク本体内における前記流体の流体温度を検出する温度センサと、
   前記パイプと前記温度センサとを係止し、前記パイプに対する前記温度センサの相対変位を不能とする固定部材と、
   を備えるタンクバルブ。
2. 前記温度センサは、
   前記流体温度の検出部であるセンサ本体と、
   前記センサ本体と前記バルブ本体とに接続された配線と、
   第一端を前記センサ本体に固定され、前記配線を収納する配管と、を備え、
   前記固定部材は、前記パイプと前記配管とを直接係止する、請求項１に記載のタンクバルブ。
3. 前記配管は、前記配線の前記センサ本体側の一部のみを収容し、
   前記配管の第二端は、前記バルブ本体に非固定状態である、請求項２に記載のタンクバルブ。
4. 前記配管の第二端は、前記バルブ本体に固定されている、請求項２に記載のタンクバルブ。
5. 前記固定部材は、
   前記配管の前記第一端側である前記センサ本体側の部分を係止する、請求項２−４の何れか１項に記載のタンクバルブ。
6. 前記固定部材は、
   前記パイプの前記第二端側の部分を係止する、請求項４に記載のタンクバルブ。
7. 前記固定部材は、ばね材で形成される、請求項１−６の何れか１項に記載のタンクバルブ。

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