JP4203991B2

JP4203991B2 - 圧力調整器

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Publication number: JP4203991B2
Application number: JP2003132876A
Authority: JP
Inventors: 保昭中村
Original assignee: Tokai Corp
Current assignee: Tokai Corp
Priority date: 2003-05-12
Filing date: 2003-05-12
Publication date: 2009-01-07
Anticipated expiration: 2023-05-12
Also published as: JP2004334755A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液化ガス利用機器、ガス供給設備など、特に固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）および固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）の燃料供給安定用として、高圧ガスの１次圧力を減圧して一定の２次圧力を得るための圧力調整器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
通常、例えばガスボンベに収容された液化ガス、一般高圧ガスの１次圧力は、そのままでは利用するのに圧力が高すぎる。また、これら１次圧力は周囲温度、ガス残量等の要因により大きく変動する。そのため、液化ガス利用機器、ガス供給設備等では、高圧ガス減圧用として圧力調整器（調圧ガバナ）が広く利用されてきた。これら圧力調整器は２次圧力をダイヤフラムで検知し、ダイヤフラムの偏位に連動して動く調整弁を持ち、１次圧力が変動しても２次圧力が一定となるよう調整弁を作動させ、所定の２次圧力を得るようにした構造となっている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
これら圧力調整器は、作動する１次圧力の範囲、応答性、安定性から種々の構造が実用化されており、要求される２次圧力の品質から１種類もしくは数種類の圧力調整器を組み合わせて所定の２次圧力を得ている。
【０００４】
以下に一般的な圧力調整器の基本構造を図７に基づき説明する。図７(ａ)は、単弁式圧力調整器を示す概略図である。この圧力調整器１００は、ケース１０１内を調圧室１０２と大気室１０３とに画成するダイヤフラム１０４と、１次圧力の高圧ガスが導入されるガス導入口１０５と、ダイヤフラム１０４に連係されてガス導入口１０５から調圧室１０２に連通する開口１０６ｃを１次圧力側より開閉して１次圧力を２次圧力へ減圧調整する調整弁１０６と、調圧室１０２を経た２次圧力のガスを排出するガス排出口１０８と、ダイヤフラム１０４を調整弁１０６の開方向へ付勢して２次圧力を設定する重錘１０９とにより構成されてなる。
【０００５】
この圧力調整器１００の原理は大気圧と２次圧力との差圧の検出によるもので、ダイヤフラム１０４の面積および大気圧と２次圧力との差圧から生まれる力が調整弁１０６の閉方向に作用し、重錘１０９の重量が調整弁１０６の開方向に作用し、両者が釣り合った状態で２次圧力を設定圧力に維持する。排出側すなわち調圧室１０２の２次圧力がこの設定圧力より高ければダイヤフラム１０４は大気室１０３側へ偏位し、調整弁１０６は開口１０６ｃを閉じる方向に作動し、逆に２次圧力が設定圧力より低ければダイヤフラム１０４は調圧室１０２側へ偏位し、調整弁１０６は開口１０６ｃを開く方向に作動する。つまり、前記差圧の検出による動きをガス導入側の調整弁１０６に伝え、その開閉作動による圧力調整で２次圧力を一定に保つものである。
【０００６】
しかし、上記単弁式圧力調整器１００の場合、調整弁１０６に流れるガス流により圧力損失が生じ、この圧力損失値と調整弁１０６の面積からダイヤフラム１０４を大気室１０３側へ偏位させる力、すなわち調整弁１０６を閉じる方向の力が余計に生じ、この力は調整弁１０６が１次圧力側から開口１０６ｃを開閉するために、１次圧力が上昇すると大きくなる特性となり、１次圧力の上昇に伴い２次圧力が徐々に低下しやがてガス流が止まってしまうことになる。
【０００７】
図７(ｂ)は、複弁式圧力調整器を示す概略図である。この圧力調整器２００は、ケース２０１内を調圧室２０２と大気室２０３とに画成するダイヤフラム２０４と、１次圧力の高圧ガスが導入されるガス導入口２０５と、ダイヤフラム２０４に連係されてガス導入口２０５から調圧室２０２に連通する２つの開口２０６ｃ，２０７ｃをそれぞれ開閉して１次圧力を２次圧力へ減圧調整する２つの調整弁２０６，２０７と、調圧室２０２を経た２次圧力のガスを排出するガス排出口２０８と、ダイヤフラム２０４を調整弁２０６の開方向へ付勢して２次圧力を設定する重錘２０９とにより構成されてなる。
【０００８】
そして、上記２つの調整弁２０６，２０７は、一方の調整弁２０６が調圧室２０２への開口２０６ｃを１次圧力側から開閉し、他方の調整弁２０７が開口２０７ｃを２次圧力側から開閉するように設置されている。これにより、複弁式圧力調整器２００では、調整弁２０６，２０７に発生する圧力損失による力は、２つの調整弁２０６，２０７で互いに逆方向となるように作用して打ち消しあい、１次圧力の上昇に伴う２次圧力の低下を補正し一定に保つことが可能となる。
【０００９】
しかし複弁式圧力調整器２００では、性能は良いものの、２つの調整弁２０６，２０７の配置が難しく、たとえ両方の調整弁２０６，２０７を同時に弁座に接するよう配置できたとしても、それぞれの調整弁２０６，２０７を通過するガス流の圧力損失が同じとは限らず、１次圧力による２つの調整弁２０６，２０７に作用する力を完全に打ち消しあうように構成するのは非常に困難である。
【００１０】
図７(ｃ)は、変形複弁式圧力調整器を示す概略図である。この圧力調整器３００は、ケース３０１内を調圧室３０２と大気室３０３とに画成するダイヤフラム３０４と、１次圧力の高圧ガスが導入されるガス導入口３０５と、ダイヤフラム３０４に連係されてガス導入口３０５から調圧室３０２に連通する開口３０６ｃを開閉して１次圧力を２次圧力へ減圧調整する調整弁３０６と、この調整弁３０６と一体に移動し摺動するＯ−リングで構成された調整部材３０７と、調圧室３０２を経た２次圧力のガスを排出するガス排出口３０８と、ダイヤフラム３０４を調整弁３０６を開方向へ付勢して２次圧力を設定する重錘３０９とにより構成されてなる。
【００１１】
そして、上記調整弁３０６は調圧室３０２への開口３０６ｃを１次圧力側から開閉し、Ｏ−リングによる調整部材３０７の片面には、ガス導入口３０５からの１次圧力が作用し、他面にはプランジャー内ガス通路３１０を通って調圧室３０２からの２次圧力が作用し、両者の差圧による力が調整部材３０７に加わり、これが調整弁３０６で生じる圧力損失値と調整弁面積からくる力を打ち消して、１次圧力が上昇しても２次圧力を一定に保つことが可能となる。この変形複弁式圧力調整器３００では、調整部材３０７（複弁式圧力調整器２００の他方の調整弁２０７に相当）をＯ−リングで摺動可能に構成することにより、２つの調整弁２０６，２０７の配置問題を解決している。
【００１２】
【特許文献１】
特開平８−３０３７７３号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、単弁式圧力調整器は構造が簡単ではあるが広い１次圧力範囲で精度良く２次圧力を得るのは困難であり、広い１次圧力範囲で作動させるためには圧力調整器を複数用意し、高圧から中圧、中圧から低圧、と言ったように徐々に圧力を低下させる必要があり、単弁式の簡易構造の利点が損なわれる。また、単弁式圧力調整器を複数段接続した場合、上流側、つまり高圧用圧力調整器の圧力調整用荷重は大きく設定する必要があり、急激な圧力変動に対し追従性が悪くなってしまう。複弁式圧力調整器では２つの調整弁の配置が難しく、原理的には優れているが実現させるのは難しい。
【００１４】
さらに、変形複弁式圧力調整器は、実用性はあるが、調整弁から生じる圧力損失値はガス流量で変化するため、調整弁にかかる力をＯ−リングによる調整部材にかかる力で打ち消すのは事実上不可能で、やはり１次圧力の変化に伴い２次圧力に誤差が発生する。また、１次圧力変化に対し調整部材（Ｏ−リング）が摺動するため、この部分の摩擦抵抗が大きく、１次圧力変化に対する２次圧力制御の応答性が低下し、急激な１次圧力変化に対する調整が遅れて２次圧力の変動が大きくなる。また、これに対処するために、多くの場合、Ｏ−リング摺動部に潤滑剤を付与するが、溶解性の強いガスが導入されると、この潤滑剤が侵されて短時間の使用で応答性が低下するため、不活性ガスのみにしか対応できない。
【００１５】
また実際には、前述の調整弁は非常に狭い弁隙間で減圧を行うため、その弁体、若しくは弁座の少なくとも一方はゴム材等の弾性体で形成するのが一般的であるが、不活性ガスを除き多くのガスが多かれ少なかれこの弾性体を膨潤させ体積変化を生じさせる問題がある。この体積変化は主に調整弁の開閉作動方向に生じるため、使用時間の経過に伴って弁体と弁座との弁隙間が減少し、２次圧力が低下する原因となる。特にジメチルエーテルのような溶解性の高いガスに使用した場合、数１０分でガス流が停止する場合がある。
【００１６】
また、圧力調整器を構成する部材として汎用性合成樹脂を用いると、その素材によっては、前述のジメチルエーテルなどの溶解性の高いガスに長時間接触した際に、その部材にガス透過性や腐食またはクラックを生じて使用不能となる問題を有する。
【００１７】
上記ジメチルエーテルは、液化石油ガスの代替燃料、または固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）や固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）の燃料として使用が期待されるが、温度に対する蒸気圧変化が大きく、例えば使用環境を８０℃まで考慮した場合ジメチルエーテルの蒸気圧は２０００ｋＰａに達し、この圧力範囲で十分に低圧に減圧調整でき、かつ溶解性に対する耐性構造とする必要がある。
【００１８】
本発明はこのような点に鑑みなされたもので、高圧ガスの１次圧力の変動にかかわらず一定の２次圧力を得るよう圧力を調整するについて、特に低圧から高圧の広い１次圧力範囲を精度良く一定の２次圧力に調整し、急激な圧力変動に対しても十分な追従速度を示す機構を、小型で簡便な構造で構成した圧力調整器を提供することを目的とするものである。
【００１９】
また、ジメチルエーテルのような溶解性の高いガスに対しても長時間使用可能な圧力調整器を提供することを目的とするものである。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明の圧力調整器は、１次圧力を有する高圧ガスを導入するガス導入口と、高圧ガスの１次圧力を２次圧力に圧力損失を有して減圧する調整弁と、前記調整弁を通過したガスの圧力振動を緩和する調圧室と、前記調圧室と大気室とを画成し、調圧室の２次圧力を受けて偏位するダイヤフラムと、前記ダイヤフラムと前記調整弁を連動させるプランジャーと、前記ダイヤフラムの偏位量を調整する圧力設定部と、２次圧力を有するガスを排出するガス排出口とを備えた圧力調整器において、前記プランジャーにより前記調整弁と連動して作動し、前記調整弁の前段階において圧力損失を有し、ガス導入口からの高圧ガスの１次圧力を減圧した後に前記調整弁へガスを送る予備調整弁を有することを特徴とするものである。
【００２１】
前記調整弁の弁体および予備調整弁の弁体を前記プランジャーに設置し、予備調整弁の弁体をガス導入口側に配置するのが好適である。
【００２２】
前記予備調整弁による圧力損失値が調整可能な調整機構をさらに備えるのが好ましい。この調整機構は、前記プランジャーの移動に対する前記予備調整弁の弁座位置を調整可能としてなるものが好ましい。
【００２３】
前記調整機構は、前記調整弁の弁体と前記予備調整弁の弁体との間の前記プランジャーに摺動可能に嵌挿された開口と、前記予備調整弁の弁座とを有するアジャスタで構成するのが好ましい。その際、前記アジャスタに前記ガス導入口が形成されてなるのが好適である。
【００２４】
一方、前記調整弁および前記予備調整弁は弁体または弁座の一方が弾性体を含み、該弾性体の膨潤変形方向を弁開閉作動方向と異なる方向となるように規制して配置するのが好ましい。その際、前記調整弁および前記予備調整弁の前記弾性体をＯ−リングで構成するのが好適である。
【００２５】
また、前記調整弁および予備調整弁と前記ダイヤフラムとを連結するプランジャー、前記ダイヤフラムにかかる圧力設定用荷重を受け止めるサポータを、アルミニウム、ジュラルミン等の軽金属、もしくは結晶性樹脂であるポリアミド、ポリアセタール、ポリブチレンテレフタレート、ポリプロピレンのいずれか１つで構成するか、もしくは非結晶性樹脂であるアセタール、ポリカーボネイト、アクリロニトリルブタジエンスチレンで形成しその表面にエポキシ樹脂またはポリアミド樹脂をコーティングして構成するのが好適である。さらに、前記ダイヤフラムを設置するケースを、結晶性樹脂であるポリアミド、ポリアセタール、ポリブチレンテレフタレート、ポリプロピレンのいずれか１つで構成するか、もしくは非結晶性樹脂であるアセタール、ポリカーボネイト、アクリロニトリルブタジエンスチレンで形成しその表面にエポキシ樹脂またはポリアミド樹脂をコーティングして構成するのが好適である。前記エポキシ樹脂は、ポリフェノールとエポユリアを主成分としたものが好ましい。
【００２６】
また、前記ケースを結晶性樹脂であるポリアミド、ポリアセタール、ポリブチレンテレフタレート、ポリプロピレンで構成すると共に、超音波溶着にて接合したなるものが好適である。
【００２７】
本発明の圧力調整器は、前記高圧ガスが液化石油ガスの代替燃料または固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）や固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）の燃料として用いられるジメチルエーテルである場合にも適用でき、その燃料供給安定用として好適である。
【００２８】
【発明の効果】
上記のような本発明によれば、１次圧力を２次圧力に圧力損失を有して減圧する調整弁とダイヤフラムとを連動させるプランジャーにより調整弁と連動して圧力損失を有して１次圧力を減圧作動する予備調整弁を前記調整弁上流側に備え、ガス導入口より高圧のガスが流入した際でも予備調整弁により１次圧力が減圧され、調整弁にて精度良く２次圧力への減圧調整が行え、１次圧力変動に対する追従性が良好となる。また、１次圧力が高くなるほど予備調整弁による圧力損失が大きくなるため、調整弁に対する負荷は軽減される。逆に１次圧力が低い場合は予備調整弁による圧力損失が少ないため、通常の単弁式圧力調整器と同様に作動する。
【００２９】
また、予備調整弁による圧力損失の度合いを調整可能とすると、調整弁の負荷が変更でき、調圧精度が高められる。
【００３０】
前記プランジャーに調整弁および予備調整弁の弁体を設置すると両調整弁にかかる圧力調整用荷重は同一のスプリングにより得られるため、例えば、高圧用単弁式圧力調整器と低圧用単弁式圧力調整器を直列に接続し作動させた場合に比べ、急激な１次圧力の変動に対し充分に高速に応答することが可能となり、またスプリング、ダイヤフラムを１組しか用いないため、１つの単弁式圧力調整器と同等の簡易構造とすることができる。
【００３１】
一方、調整弁および予備調整弁の弁体または弁座の一方が弾性体を含み、この弾性体を弁開閉移動方向と異なる方向に膨潤変形するよう規制して配置すると、弾性体が膨潤して体積変化が生じても、使用時間の経過に伴って弁体と弁座との隙間変化が少なく、ジメチルエーテルのような溶解性の高いガスを調圧しても、流量変化を招かず性能を確保することができる。
【００３２】
また、プランジャー、圧力設定用荷重を受け止めるサポータを、アルミニウム、ジュラルミン等の軽金属、もしくは結晶性樹脂であるポリアミド、ポリアセタール、ポリブチレンテレフタレート、ポリプロピレンのいずれか１つで構成するか、もしくは非結晶性樹脂であるアセタール、ポリカーボネイト、アクリロニトリルブタジエンスチレンで形成しその表面にエポキシ樹脂またはポリアミド樹脂をコーティングして構成すると、これらの部材が固着されたダイヤフラムと一体に作動する部材の軽量化が図れ、ダイヤフラム偏位に対する調整弁のレスポンスが向上するとともに、慣性力の低減によりチャタリング現象の発生が防止でき、さらに、ジメチルエーテル等の溶解性の影響を受けず、腐食またはクラックを生じることもない。
【００３３】
さらに、ケースを、結晶性樹脂であるポリアミド、ポリアセタール、ポリブチレンテレフタレート、ポリプロピレンのいずれか１つで構成するか、もしくは非結晶性樹脂であるアセタール、ポリカーボネイト、アクリロニトリルブタジエンスチレンで形成しその表面にエポキシ樹脂またはポリアミド樹脂をコーティングして構成すると、その樹脂化により軽量化、コストの低減化、また、超音波接合が可能となることから組み立てが簡便に行えるとともに、ジメチルエーテルの溶解性の影響を受けず、腐食またはクラックを生じることもない。
【００３４】
特に固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）や固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）の燃料供給安定用の圧力調整器の場合は、供給するジメチルエーテルに金属イオンが存在することが極端に嫌われるが、上記部材の樹脂化によって金属イオンの溶出が防止できる。
【００３５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は一つの実施の形態における圧力調整器の断面図である。
【００３６】
本実施形態の圧力調整器１０は、使用用途が固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）および固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）の燃料供給安定用であり、高圧ガスとしてジメチルエーテルが用いられ、ケース１内を調圧室１１と大気室１２とに画成するダイヤフラム２と、１次圧力の高圧ガスが導入されるガス導入口１３と、ダイヤフラム２に連動して予備室２２から調圧室１１に連通する開口３３を調圧室１１と反対側より開閉して予備室２２のガス圧力を２次圧力へ減圧調整する調整弁３と、ダイヤフラム２に連動してガス導入口１３から予備室２２に連通する開口４３を１次圧力側より開閉して１次圧力を予備減圧する予備調整弁４と、調圧室１１より圧力調整された２次圧力のガスを排出するガス排出口１４と、調圧室１１の２次圧力を受けて偏位するダイヤフラム２の偏位量を調整する圧力設定部５とを備える。さらに、ダイヤフラム２と調整弁３および予備調整弁４はプランジャー６で繋がれて連動され、予備調整弁４の弁座位置の調整によりその圧力損失値を調整する調整機構としてのアジャスタ７を備える。
【００３７】
そして、上記調整弁３および予備調整弁４は、圧力損失を有して高圧ガスの１次圧力を２次圧力に減圧するもので、前記アジャスタ７（調整機構）により、予備調整弁４での圧力損失値と調整弁３での圧力損失値との比率が調整可能となっている。
【００３８】
さらに、前記調整弁３および予備調整弁４は、弁体３１，４１をＯ−リングによる弾性体で構成し、この弾性体を弁開閉移動方向に対し変形しないよう、周溝部６３によって規制して配置してなり、高圧ガスが弾性体に対し膨潤等の影響を及ぼすジメチルエーテル等の使用を可能としている。
【００３９】
構造を具体的に説明する。前記ケース１はケース本体部１５とカバー部１６とからなり、このケース本体部１５とカバー部１６とを前記ダイヤフラム２を介して接合することにより、ケース内空間がダイヤフラム２によってケース本体部１５側の調圧室１１とカバー部１６側の大気室１２とに画成される。調圧室１１は、ある程度の容積を有し、調整弁３を通過したガスの圧力振動を緩和する。
【００４０】
ダイヤフラム２は、調圧室１１の２次圧力を受けて大気室１２との圧力差に応じて弾性偏位可能であり、その中心部には、ケース本体部１５側にプランジャー６が、カバー部１６側にサポータ８がそれぞれ固着され、ダイヤフラム２の偏位に応じて一体に軸方向に移動可能である。
【００４１】
プランジャー６は、ダイヤフラム２に固着され調圧室１１に位置する筒部６１と、この筒部６１の先端から軸方向に延長された軸部６２とを備え、この軸部６２に所定の間隔を持って２つの周溝部６３，６３を有し、この周溝部６３，６３に調整弁３および予備調整弁４のＯ−リング（弾性体）による弁体３１，４１が装着される。
【００４２】
サポータ８はダイヤフラム２に密着するフランジ部８１の中心にボルト部８２を備え、このボルト部８２がダイヤフラム２の中心を貫通して反対側のプランジャー６の一端ネジ部に螺合されて締結される。
【００４３】
また、サポータ８のフランジ部８１には、カバー部１６の筒状部１６ａの内部に設置された圧力設定部５の調圧スプリング５１の一端部が当接し、調圧スプリング５１の他端部は筒状部１６ａに位置調整可能に螺合された調圧ネジ５２（アジャスタ）に当接し、この調圧ネジ５２の軸方向位置の調整に応じて、調圧スプリング５１によるダイヤフラム２の付勢力が調整される。上記調圧ネジ５２は中心に軸方向に貫通開口した連通孔５３を有し、この連通孔５３により前記大気室１２を大気開放している。
【００４４】
ケース本体部１５は予備室２２と調圧室１１とを区画する仕切壁１５ａを備え、この仕切壁１５ａの中心部に調整弁３によって開閉される開口３３が形成され、この開口３３には前記プランジャー６の軸部６２が摺動可能に挿通され、仕切壁１５ａの予備室２２側の開口周縁が調整弁３の弁座３２に構成される。
【００４５】
そして、調整弁３は、プランジャー６の移動に伴い弁体３１が上記弁座３２に密着して開口３３を閉じ、弁体３１が弁座３２より離れて開口３３を開いた際には、その開口量に応じたガス量が、開口３３とプランジャー６の隙間を通って予備室２２から調圧室１１へ流入する。
【００４６】
上記予備室２２には、ケース本体部１５の他端より筒状のアジャスタ７が装着されてなる。アジャスタ７は外周のネジがケース本体部１５の端部ネジに螺合されて位置調整され、止めナット１７により固定される。このアジャスタ７は、端部側内孔が高圧ガスのガス導入口１３に形成され、このガス導入口１３には、ガスボンベ等より供給される１次圧力を有するジメチルエーテルなどの高圧ガスを導入する第１コネクタ１８が接続される。
【００４７】
前記調圧室１１の側部には外部に開口して調圧した２次圧力のガスを排出するガス排出口１４が連通開口され、このガス排出口１４には調圧されたガスを導出する不図示の第２コネクタが接続される。
【００４８】
また、上記アジャスタ７は、先端筒部７１が予備室２２に摺動可能に挿入され、この先端筒部７１の外周に装着されたシール材７２が予備室２２の周面に密着して摺動シールを行う。また、この先端筒部７１の中心開口４３には、プランジャー６の調整弁３の弁体３１と予備調整弁４の弁体４１との間の軸部６２が摺動可能に挿通されている。そして、先端筒部７１のガス排出口１４側の開口周縁が予備調整弁４の弁座４２に構成される。
【００４９】
この予備調整弁４は、プランジャー６の移動に伴い弁体４１が上記弁座４２に密着して先端筒部７１の開口４３を閉じ、弁体４１が弁座４２より離れて開口４３を開いた際には、その開口量に応じたガス量が、開口４３とプランジャー６の隙間を通ってガス導入口１３から予備室２２へ流入する。
【００５０】
調整機構としての前記アジャスタ７のケース本体部１５への挿入位置は、調整弁３の弁体３１がその弁座３２に着座して開口３３を閉塞したときに、予備調整弁４の弁体４１がその弁座４２に着座して開口４３を閉塞するように圧力損失値が調整される。
【００５１】
前記プランジャー６、サポータ８は、アルミニウム、ジュラルミン等の軽金属、もしくは結晶性樹脂であるポリアミド（ＰＡ）、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリプロピレン（ＰＰ）のいずれか１つで構成される。もしくは非結晶性樹脂であるアセタール、ポリカーボネイト、アクリロニトリルブタジエンスチレンで形成され、その表面にエポキシ樹脂またはポリアミド樹脂をコーティングして構成されてなる。これにより軽量化とジメチルエーテルに対する耐性を得る。
【００５２】
また、前記ケース１は、結晶性樹脂であるポリアミド（ＰＡ）、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリプロピレン（ＰＰ）のいずれか１つで構成される。もしくは非結晶性樹脂であるアセタール、ポリカーボネイト、アクリロニトリルブタジエンスチレンで形成され、その表面にエポキシ樹脂またはポリアミド樹脂をコーティングして構成されてなる。これにより軽量化とジメチルエーテルに対する耐性を得る。
【００５３】
上記コーティングのエポキシ樹脂は、ポリフェノールとエポユリアを主成分としている。
【００５４】
さらに、ケース１（ケース本体部１５、カバー部１６）を、結晶性樹脂であるポリアミド（ＰＡ）、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリプロピレン（ＰＰ）で構成し、それらを互いに超音波溶着にて接合してもよい。
【００５５】
前記プランジャー６、サポータ８の軽量化を図ると、ダイヤフラム２の偏位に対するレスポンスが向上するとともに、チャタリング現象の発生が防止できる。つまり、ダイヤフラム２には調整弁３および予備調整弁４と一体となったプランジャー６並びにサポータ８が取り付けられ、その重量が大きい場合、ダイヤフラム偏位の際にレスポンスが低下し、また、余計な慣性力により圧力差によるものより偏位し過ぎ、そこからまた逆方向に偏位し過ぎの繰り返しで振動（チャタリング現象）を生起する。そこでこれらの構成部品はなるべく軽量化する必要があり、実際にはアルミニウムやジュラルミン、樹脂で構成するとチャタリング現象は発生しない。
【００５６】
また、ケース１の樹脂化を図ると、軽量化、コストの低減化が実現でき、特に超音波接合が可能な樹脂化を図ると組立性が改善できる。つまり、ケース１全体を金属やダイキャストで構成するとどうしても全体の重量が増加し、コストが高く、またビス止めする必要があることから組み立てが面倒となる。このケース１を樹脂化することにより軽量化、コストの低減化、また、超音波接合が可能となることから組み立てが簡便に行える。
【００５７】
なお、ケース１、プランジャー６、サポータ８といったガスが直接触れる部材に金属を用いると、主に高圧ガスに溶解性の強いジメチルエーテルなどを流した場合、ガス中に微量の金属イオンが溶出し、調圧したガスを送給する機器に対し悪影響を与える場合があり、この点からも樹脂化が望ましい。
【００５８】
具体的には、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）や固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）の燃料としてジメチルエーテルが期待されるが、どちらの燃料電池でも金属イオンは悪影響があるため極端に嫌われるもので、上記のような樹脂化構造を採用する。
【００５９】
次に、上記調整弁３および予備調整弁４により、ダイヤフラム２の動きに応じて、１次圧力をその圧力に関係なく所定の２次圧力に減圧調整するものであり、その作用を説明する。
【００６０】
まず、ガス導入口１３に流入したガスは、調整弁３の前段に位置する予備調整弁４を通過して予備減圧され、開口４３すなわちアジャスタ７とプランジャー６の隙間から予備室２２へ至る。この予備室２２のガスは、調整弁３を通過して精度よく２次圧力に減圧され、開口３３を通って調圧室１１を経てガス排出口１４より排出される。
【００６１】
ダイヤフラム２はプランジャー６とサポータ８で支持されており、２次圧力と大気圧との差圧による力と、調圧スプリング５１による付勢力とが平衡した位置に保たれる。そして、ガス排出口１４からのガス排出量の変動、１次圧力の変動等に応じて２次圧力が変化した場合、これに応動してダイヤフラム２の偏位量が変化し、プランジャー６の位置が変化するのに連動して調整弁３および予備調整弁４が動き、２次圧力を一定に保つ。圧力設定部５の調圧ネジ５２を動かすことで調圧スプリング５１の付勢力を変化させ、任意の２次圧力が設定可能である。
【００６２】
そして、１次圧力から２次圧力への減圧を調整弁３と予備調整弁４の２つで行うことにより、１つの調整弁で減圧する場合と比較して各調整弁３，４で生じる圧力損失値を低減でき、各調整弁３，４の弁体３１，４１と弁座３２，４２との隙間を広く取れるため、１次圧力が非常に高い、つまり減圧分が大きく弁体と弁座との弁隙間が極端に狭く、少しの変動が２次圧力に影響する場合でも安定した性能が得られる。
【００６３】
さらに、プランジャー６に調整弁３および予備調整弁４の弁体３１，４１を設置し、１つのダイヤフラム２および調圧スプリング５１の変形に応じて両調整弁３，４が開閉作動するため、圧力変化に対する応答性が高く、１次圧力の急激な変動に対しても追従速度が速く応答性に優れ、安定した２次圧力への調圧が行える。
【００６４】
また、調整弁３および予備調整弁４の弁体３１，４１をＯ−リングによる弾性体で構成し、ジメチルエーテルのような溶解性の強いガスを流通した際に、それに接してＯ−リングが膨潤、体積膨張したとしても、その体積変化は弁開閉移動方向に垂直な方向に抑制されているため、Ｏ−リングの体積膨張による圧力損失およびガス流量の変化は抑えられる。
【００６５】
なお、前記実施形態では、調整弁３および予備調整弁４の弁体３１，４１をＯ−リングによる弾性体で構成しているが、弁座３２，４２をＯ−リングによる弾性体で構成してもよく、その場合においても、弾性体が弁開閉移動方向に対し変形しないよう周溝構造などにより規制して配置する。また、Ｏ−リング以外の弾性材で構成してもよい。
【００６６】
次に、本発明の圧力調整器（図１に示す実施形態のもの）による調圧作用を評価した実験結果を、比較例の圧力調整器（測定例１，２では図６に示す単弁式の圧力調整器、測定例３では２つの単弁式圧力調整器を直接接続したもの）によるものと比較して、図２〜図５に示す。
【００６７】
図６に示す単弁式の圧力調整器１００は、原理的には図７(ａ)に示すものであり、同じ符号で示せば、ガス導入口１０５から導入された１次圧力の高圧ガスは、ダイヤフラム１０４の偏位に応じて開閉する調整弁１０６（弁体１０６ａが剛体、弁座１０６ｂが弾性体で構成されている）を経て、ダイヤフラム１０４で大気室１０３と画成されてなる調圧室１０２に流入し、調圧室１０２を経た２次圧力のガスがガス排出口１０８より排出される。なお、ダイヤフラム１０４に対する付勢力が、調圧スプリング１０９ａと調圧ネジ１０９ｂを備えた圧力設定部１０９により調整され、２次圧力が設定される。
【００６８】
＜測定例１＞
この測定例は、圧力調整器に供給する高圧ガス（不活性ガス）の１次圧力を変化させた場合の２次圧力の変化を測定したもので、図２に実線で本発明による測定結果を、破線で比較例による測定結果を示す。
【００６９】
２次圧力の設定は、本発明および比較例ともに、１次圧力が４００ｋＰａ（ジメチルエーテルの約２３℃の蒸気圧に相当する）のときに、２次圧力が５０ｋＰａとなるように、圧力設定部の調圧ネジの調整により設定した。その際、ガス流量は、８０ｍＬ／ｍｉｎである。
【００７０】
図２のグラフより、実線で示す本発明の圧力調整器では、１次圧力を５０〜２０００ｋＰａ（ジメチルエーテルの約０〜８０℃の蒸気圧変動に相当する）の範囲で変化させた場合、１次圧力が低いときには比較例の単弁式圧力調整器と同じ特性だが、１次圧力の上昇に伴い２次圧力はほぼ設定値（５０ｋＰａ）を維持して変化せず、一定の圧力を維持した。
【００７１】
これに対し、破線の比較例による単弁式の圧力調整器では、１次圧力が４００ｋＰａより低い領域では、２次圧力は設定値（５０ｋＰａ）より高く、１次圧力が４００ｋＰａより高い領域では、２次圧力は設定値（５０ｋＰａ）より低くなるように、全体として１次圧力の上昇に対し２次圧力が低下するように変化し、一定の２次圧力を維持することができなかった。
【００７２】
＜測定例２＞
この測定例は、圧力調整器に導入する高圧ガスに、弾性材（ゴム材）を膨潤させるガスの代表としてジメチルエーテルを使用し、時間の経過に対するガス流量の変化を測定したもので、図３に実線で本発明による測定結果を、破線で比較例による測定結果を示す。ジメチルエーテルの初期ガス流量は８０ｍＬ／ｍｉｎであり、蒸気圧が４００ｋＰａとなる温度で試験した。
【００７３】
図３のグラフより、実線で示す本発明の圧力調整器では、時間が１２０分経過しても、排出ガス流量は初期流量を維持して変化せず、ガスとの接触によりＯ−リングに膨潤があってもガス流量への影響がないことが確認できた。
【００７４】
これに対し、破線の比較例による単弁式の圧力調整器では、弾性体による弁座の膨潤により弁隙間が変化し、測定を開始して１５分程度経過した時期からガス流量が低下し始め、その後時間の経過と共に急激に流量が低下し、約６０分経過した時点で流量が０となって、ガスが排出されなくなった。
【００７５】
＜測定例３＞
この測定例は、ガス導入口前段にコックを設け、コックを閉の状態から急激に開の状態にしてガスの導入を開始したとき、２次圧力が安定するまでの時間を１次圧力を変化させながら測定したもので、その結果を本発明によるものを図４に、比較例によるものを図５に示す。比較例としては高圧用単弁式圧力調整器と低圧用単弁式圧力調整器を直列に接続したものを用い、この圧力調整器は広範囲の１次圧力を精度良く２次圧力に維持できるとされている。
【００７６】
図４のグラフより、本発明では、１次圧力が４００ｋＰａ以上の高圧領域で０．４秒以下の立ち上がり時間で２次圧力が早期に安定し、高い応答性が得られている。その際、１次圧力が上昇するとさらに短い立ち上がり時間となって安定し、急激な１次圧力変化に対し迅速に追従することが認められた。
【００７７】
これに対し図５の比較例では、２つの圧力調整器でのそれぞれの作動によって２次圧力が安定するまでに数秒の時間を要し、本発明のものより応答性が低く、さらに、１次圧力が上昇すると立ち上がり時間が長くなる傾向にあった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一つの実施の形態における圧力調整器の断面図
【図２】圧力調整器に供給する高圧ガスの１次圧力を変化させた場合の２次圧力の変化を測定した結果を比較例と共に示すグラフ
【図３】圧力調整器に供給する高圧ガスにジメチルエーテルを使用し時間の経過に対するガス流量の変化を測定した結果を比較例と共に示すグラフ
【図４】本発明の圧力調整器による１次圧力の導入開始時から２次圧力が安定するまでの立ち上がり時間を１次圧力を変化させて測定した結果を示すグラフ
【図５】比較例の圧力調整器による１次圧力の導入開始時から２次圧力が安定するまでの立ち上がり時間を１次圧力を変化させて測定した結果を示すグラフ
【図６】図２、図３の測定に使用した比較例の圧力調整器の断面図
【図７】一般的な圧力調整器の基本構造をそれぞれ示す概略図
【符号の説明】
10 圧力調整器
１ケース
２ダイヤフラム
３調整弁
４予備調整弁
５圧力設定部
６プランジャー
７アジャスタ（調整機構）
11 調圧室
12 大気室
13 ガス導入口
14 ガス排出口
22 予備室
31，41 弁体
32，42 弁座
33，43 開口
51 調圧スプリング
52 調圧ネジ
62 軸部
63 周溝部

Claims

１次圧力を有する高圧ガスを導入するガス導入口と、
ガスの圧力を２次圧力に圧力損失を有して減圧する調整弁と、
前記調整弁を通過したガスの圧力振動を緩和する調圧室と、
前記調圧室と大気室とを画成し、調圧室の２次圧力を受けて偏位するダイヤフラムと、
前記ダイヤフラムと前記調整弁を連動させるプランジャーと、
前記ダイヤフラムの偏位量を調整する圧力設定部と、
２次圧力を有するガスを排出するガス排出口と、を備えた圧力調整器において、
前記調整弁の前段階において、前記ガス導入口からの高圧ガスの１次圧力を圧力損失を有して減圧した後に前記調整弁へガスを送る予備調整弁を有し、
前記調整弁の弁体および予備調整弁の弁体が前記プランジャーに設置され、前記予備調整弁は、その弁体がガス導入口側に配置され、前記プランジャーにより前記調整弁と連動して作動し、
前記調整弁の弁体と前記予備調整弁の弁体との間の前記プランジャーが摺動可能に嵌挿された開口と前記予備調整弁の弁座とを有するアジャスタで構成された調整機構をさらに備えたことを特徴とする圧力調整器。
前記調整機構において、前記プランジャーの移動に対する前記予備調整弁の弁座位置が、該弁座を有するアジャスタの位置調整により調整されることを特徴とする請求項１記載の圧力調整器。
前記プランジャーは、前記開口に摺動可能に挿通する軸部を備え、該軸部は、所定の間隔を持って２つの周溝部を有し、この周溝部に前記調整弁および前記予備調整弁のそれぞれの弁体が装着されることを特徴とする請求項１または２記載の圧力調整器。
前記軸部が摺動可能に挿通され、前記調整弁により開閉される開口を備え、その開口周縁が前記調整弁の弁座に構成されることを特徴とする請求項２または３記載の圧力調整器。
前記調整弁の弁体がその弁座に着座したときに、前記予備調整弁の弁体がその弁座に着座して、それぞれの開口を閉塞するように圧力損失値が調整されることを特徴とする請求項４記載の圧力調整器。
前記アジャスタに前記ガス導入口が形成されてなることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記載の圧力調整器。
前記調整弁および前記予備調整弁は弁体または弁座の一方が弾性体を含み、該弾性体の膨潤変形方向を弁開閉作動方向と異なる方向となるように規制して配置したことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項記載の圧力調整器。
前記調整弁および前記予備調整弁の前記弾性体をＯ−リングで構成したことを特徴とする請求項７記載の圧力調整器。
前記調整弁および予備調整弁と前記ダイヤフラムとを連結するプランジャー、前記ダイヤフラムにかかる圧力設定用荷重を受け止めるサポータを、アルミニウム、ジュラルミン等の軽金属、もしくは結晶性樹脂であるポリアミド、ポリアセタール、ポリブチレンテレフタレート、ポリプロピレンのいずれか１つで構成するか、もしくは非結晶性樹脂であるアセタール、ポリカーボネイト、アクリロニトリルブタジエンスチレンで形成しその表面にエポキシ樹脂またはポリアミド樹脂をコーティングして構成したことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項記載の圧力調整器。
前記ダイヤフラムを設置するケースを、結晶性樹脂であるポリアミド、ポリアセタール、ポリブチレンテレフタレート、ポリプロピレンのいずれか１つで構成するか、もしくは非結晶性樹脂であるアセタール、ポリカーボネイト、アクリロニトリルブタジエンスチレンで形成しその表面にエポキシ樹脂またはポリアミド樹脂をコーティングして構成したことを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項記載の圧力調整器。
前記ケースを結晶性樹脂であるポリアミド、ポリアセタール、ポリブチレンテレフタレート、ポリプロピレンで構成すると共に、超音波溶着にて接合したことを特徴とする請求項１０記載の圧力調整器。
前記高圧ガスがジメチルエーテルであることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項記載の圧力調整器。
使用用途が固体酸化物型燃料電池および固体高分子型燃料電池の燃料供給安定用であることを特徴とする請求項１２記載の圧力調整器。