JP4838182B2 - 凍結対応バルブ - Google Patents

Description

本発明は、凍結時に体積が膨張する水を開閉可能な凍結対応バルブに関する。

燃料電池システムを搭載した燃料電池自動車は、冬季に氷結の可能性がある。特に、固体高分子型燃料電池では、燃料ガスや酸化剤ガスに加湿するための加湿用水や燃料電池の冷却水に純水を使用している。このような水の流路には、流量調整用または開閉用のバルブが用いられている。従来のバルブは、内部の水が凍結しても破損しないようにリリーフ弁を設け、凍結による内部圧力上昇時にリリーフ弁が開いて内部圧力を逃がすように構成されていた（例えば、特許文献１）。
実公昭５８−４５３４４号公報

しかしながら、上記従来のバルブ構造では、主流路を開閉する弁体本体以外にリリーフ弁が必要となり、バルブの構造が複雑となると共にバルブの体積が増加するという問題点があった。

また、弁体本体とリリーフ弁との間に凍結が先に起きてしまうと、そこから下流側の水が凍結した場合の体積膨張による圧力上昇は逃がすことができるが、その上流側の水が凍結した場合の体積膨張による圧力上昇は逃がすことができない。このため圧力上昇による応力にバルブ本体が耐えられず、破損する虞があるという問題点があった。

上記問題点を解決するために本発明は、内部に弁室及び弁座部を備えるハウジングと、前記弁座部に当接・離間する弾性体を先端部に有する弁体本体と、前記弁体本体を駆動するアクチュエータと、を備えた凍結対応バルブであって、閉弁状態で弁室内の水が凍結すると、前記弾性体の一部が前記弁座部から下流側へ移動することを要旨とする。

本発明によれば、内部に弁室及び弁座部を備えるハウジングと、前記弁座部に当接・離間する弾性体を先端部に有する弁体本体と、前記弁体本体を駆動するアクチュエータと、を備えた凍結対応バルブにおいて、閉弁状態で弁室内の水が凍結すると、前記弾性体の一部が前記弁座部から下流側へ移動するようにしたので、水凍結時の体積膨張による圧力上昇を逃がすことができ、構造を複雑にすることなく、凍結に対応したバルブを提供することができるという効果がある。

次に、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。

図１は、本発明に係る凍結対応バルブの実施例１を説明する概略断面図である。図１において、凍結対応バルブ１は、内部に弁室２及び弁座部３を備えるハウジング４と、弁座部３に当接・離間する弾性体５を先端部に有する弁体本体６と、弁体本体６を駆動するアクチュエータ７と、を備えた凍結対応バルブである。そして、閉弁状態で弁室２内の水が凍結すると、弾性体５の一部が弁座部３から下流側へ移動することを特徴とする。

弁体本体６を駆動するアクチュエータ７は、例えば、軟磁性体のプランジャ８、図示しない電磁石コイル、プランジャ８を電磁石コイルの吸引方向と逆方向に付勢するコイルばねからなる。このプランジャ８に弁体本体６が接続されて、図中上下方向に弁体本体６が駆動されるようになっている。

ハウジング４及び弁体本体６は、例えばステンレススチール等の耐食性金属で形成される。弁体本体６の先端部に設けられた弾性体５は、例えば、ゴム、弾性プラスチック等からなる。

この凍結対応バルブ１は、水通路に配置され、内部に水が残留した状態で氷点下になって凍結したとしても、水から氷へ相変化する際の体積膨張による圧力上昇を弾性体５の移動により緩和できるようになっている。また、凍結対応バルブ１が不凍液中で使用され、弁室２側の圧力が上昇した場合でも同様に圧力を緩和することができる。

図２は、本実施例の凍結対応バルブ１の弁座部３付近の様子を説明する要部断面図であり、（ａ）通常時（非凍結時）と、（ｂ）凍結時とのそれぞれの状態を示す。図２（ａ）に示すように、通常閉弁時には、アクチュエータ７の図示しないコイルばねがプランジャ８を押下することにより、弾性体５の下面が弁座部３に当接している。

ところで、０℃の水が凍結して氷になると、約８．７％体積が膨張する。ハウジング４の流体入口である流入路１０の上流が凍結した状態で、凍結対応バルブ１内の弁室２内の水が凍結した場合、密閉された空間内で体積膨張しようとするために圧力が上昇する。その際、弁体本体６の先端部に設けられた弾性体５が弁座部３に押しつけられ、弾性体５が圧縮変形する。弾性体５は、弁座部３に対して上流側である弁室２から下流側の流出路９にまたがって配置されているため、弾性体５が上流側で圧縮変形すると、変形の歪みが弾性体５を順次伝わって、最終的には、弁座部３の下流である大気開放されている流出路９へ突出することになる。上流側の圧縮変形可能な体積を移動可能体積１１とする。体積移動後の弁座部３のシート面より下流に突出した体積を移動後体積１２とする。

この移動可能体積１１は、弁室２の内部における水の凍結による体積膨張を許容することになる。ここで、移動可能体積１１は、弁室２内の水凍結時の膨張体積以上であれば、その体積膨張を許容して凍結対応バルブが破損することがない。

図３（ａ）は、弁座部３を弁体本体６へ向かって徐々に細くなるテーパ形状３１とした例を示す要部断面図である。弁室２の水凍結により弾性体５が圧縮変形する際に、弁座部３と弾性体５との接触面の面圧は、図３（ａ）のテーパ形状３１の方が図３（ｂ）のストレート形状３２より低下し、弾性体５の一部が弁座部３から下流側へ移動する際の応力を低下させることができる。弁座部３がストレート形状３２の場合には、弾性体５と弁座部３との接触面積が小さいために、水凍結時の体積膨張時に、弾性体５が弁座部３に押しつけられる際の面圧が上がり、弾性体５が弁座部３の上流側から下流側へ体積移動する前に破断してしまう虞がある。しかし、弁座部３がテーパ形状３１の場合には、弾性体５と弁座部３との接触面積が比較的大きくなるために、水凍結時の体積膨張時に、弾性体５が弁座部３に押しつけられる際の面圧が低下し、弾性体５が弁座部３の上流側から下流側へ体積移動する際に破断することが無くなる。

次に、弾性体５の硬さ（硬度）について説明する。弾性体５の硬度は低いほど、容易に弁座部３の上流側が圧縮されて下流側が膨張し体積移動することができる。しかしながら、弾性体５の硬度が低いとバルブとしての作動耐久性が低下するので、一定以上の硬度が必要となる。図４は、バルブの作動耐久回数と、弾性体の硬度との関係を示す図である。この関係は、種々の硬度の弾性体を制作して、凍結対応バルブに組み込み、凍結解凍のサイクル試験を行って、硬度毎に作動耐久回数を実験的に求めたものである。その結果は図４に示すように、硬度が比較的低い場合には、硬度と作動耐久回数が比例するが、有る硬度を超えると、硬度の増加に対する作動耐久回数の増加比率が増加する。

図４から、凍結対応バルブの寿命までの目標作動回数に対して、弾性体としての下限硬度が求まる。弾性体の硬度がこの下限硬度以上である弾性体の材料を選択すれば、凍結対応バルブは、目標作動回数に達しても正常な作動が期待できる。

図５は、弾性体の伸びと、そのときに弾性体に加えられている応力との関係を示す図である。図５において、同じ応力が弾性体に加えられた場合、材料Ａの方が材料Ｂよりも伸びが大きい。そして、材料Ａを弾性体５として用いた凍結対応バルブに耐圧限度の圧力がかかったときの応力に対応する伸びが、凍結時に弁座部上流から下流へ弾性体が移動する際の伸び域（伸び率の範囲）に入っていれば、弾性体の移動可能体積が弁座部上流から弁座部下流へ移動して、バルブは破損することがない。しかし材料Ｂを弾性体として使用した場合には、耐圧限度の圧力がかかったときの応力に対応する伸びによる弾性体の体積移動が水凍結時の体積膨張より少なく、バルブが破損する虞がある。

次に、実施例１の変形例を説明する。図６は、弾性体５の形状を弁座部３に向かって徐々に細くなるテーパ形状５１とした変形例を示す要部断面図である。その他の構成は、実施例１と同様であるので、同じ構成要素には同じ符号を付与して重複する説明を省略する。本変形例によれば、弾性体５を弁座部３に向かって徐々に細くなるテーパ形状５１とすることで、弁座部３より上流側の移動可能体積１１が圧縮変形される際に、弾性体５の一部が容易に弁座部３から下流側へ移動することができるという効果がある。

図７は、本発明に係る凍結対応バルブの実施例２を説明する概略断面図である。本実施例と実施例１との相違は、本実施例において、弾性体５の付近の弁体本体の熱伝導率、または弾性体付近のハウジングの熱伝導率をそれぞれ他の部位の熱伝導率よりも低下させた点にある。

本実施例では、弁体本体６の下部の表面に樹脂コート層１３、ハウジング４の下部の内面に樹脂コート層１４をそれぞれ設けることにより、弾性体５付近の弁体本体６または弾性体５付近のハウジング４の熱伝導率を他の部位よりも低下させている。その他の構成は、実施例１と同様であるので、同じ構成要素には同じ符号を付与して重複する説明を省略する。樹脂コート層１３、１４に用いる樹脂は、例えば、フッ素樹脂やエポキシ樹脂である。

これらの樹脂は、ハウジング４や弁体本体６を構成するステンレススチール等の耐食性金属よりも熱伝導率が低いことが知られている。このような樹脂コート層を設けることにより、本実施例の凍結対応バルブが氷点下に放置された場合、弁室２内の水は、樹脂コート層がない上方から凍り始め、熱伝導率の低い樹脂コート層１３、１４が設けられた弾性体５付近の水の凍結が最も遅くなる。従って、本実施例２によれば、弁室２内の水凍結時の体積膨張を弾性体の変形移動により確実に許容して、凍結対応バルブの信頼性を更に高めることができる。尚、本実施例の変形例として、樹脂コート層を設ける代わりに、図７において弁体本体６の下部及びハウジング４の下部をそれぞれ他の部位の耐食性金属よりも熱伝導率の低いエンジニアリングプラスチック等の樹脂製とし、図７において樹脂コートを施していない部位を耐食性金属製とした接続構造により、同様な熱伝導率の変化をつけることもできる。

図８（ａ）は、本発明に係る凍結対応バルブの実施例３を説明する概略断面図、（ｂ）は、（ａ）におけるＡ−Ａ矢視図である。本実施例と実施例１との相違は、本実施例において、弁座部３の周囲に弁体本体６のハウジング４に対する移動量を規制するストッパー１５を備えた点にある。その他の構成は、実施例１と同様であるので、同じ構成要素には同じ符号を付与して重複する説明を省略する。ストッパー１５は、弁体本体６の移動量を規制するとともに、弁座部３への流体の流入を妨げないように、弁座部３の周囲を一周するように連続的に設けるのではなく、離散的に配置されている。

本実施例では、図９（ａ）に示す通常の閉弁状態から、凍結対応バルブが氷点下に放置された場合、弁室２内の水が凍結して膨張し、弁室２の内部圧力が上昇して弾性体５が圧縮変形して弁体本体６が下方に押し下げられるとともに、弾性体５が圧縮変形する。このときに、図９（ｂ）に示すように弁体本体６がストッパー１５に当接して、移動量が規制される。弁体本体６がストッパー１５に当接した後には、弁室２の内部圧力が更に上昇しようとしても、弁体本体６がストッパー１５により受け止められ、弾性体５と弁座部３との接触面の面圧は、更に上昇することはない。さらに凍結が進んで弁室２の内部の氷の量が増加したとしても、弁室２の内部圧力は更に上昇することなく、面圧が規制された弾性体５と弁座部３との間に隙間ができて、弁室２の内部の水が流出路９へ流出し、そこで凍結する。

以上説明した本実施例によれば、弁体本体６のハウジング４に対する移動量を規制するストッパー１５を備えたので、弁室２内の水凍結時に、弾性体５と弁座部３との面圧が規制され、弁室内の水凍結による体積膨張による圧力を弾性体と弁座部との間から排出させることができ、凍結時の圧力上昇を低減させることができるという効果がある。

本発明に係る凍結対応バルブの実施例１を説明する概略断面図である。 実施例１における弾性体の体積移動を説明する要部断面図である。 実施例１における弁座部の詳細形状を説明する要部断面図である。 凍結対応バルブの作動耐久回数と弾性体の硬度との関係を説明する図である。 弾性体の伸び率と応力との関係を説明する図である。 弾性体の詳細形状を説明する要部断面図である。 本発明に係る凍結対応バルブの実施例２を説明する概略断面図である。 （ａ）本発明に係る凍結対応バルブの実施例３を説明する概略断面図、（ｂ）弁座部及びストッパーを説明するＡ矢視図である。 （ａ）実施例３における通常時（非凍結時）、（ｂ）凍結途中時、（ｃ）凍結終了時の様子を説明する要部断面図である。

符号の説明

１ 凍結対応バルブ
２ 弁室
３ 弁座部
４ ハウジング
５ 弾性体
６ 弁体本体
７ アクチュエータ
８ プランジャ
９ 流出路
１０ 流入路

Claims (9)

1. 内部に弁室及び弁座部を備えるハウジングと、
   前記弁座部に当接・離間する弾性体を先端部に有する弁体本体と、
   前記弁体本体を駆動するアクチュエータと、を備えた凍結対応バルブであって、
   閉弁状態で弁室内の水が凍結すると、前記弾性体の一部が前記弁座部から下流側へ移動することを特徴とする凍結対応バルブ。
2. 前記弁座部は、前記弁体本体方向へ向かって徐々に外周部が細くなるテーパ状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の凍結対応バルブ。
3. 前記弾性体の一部が前記弁座部から下流側へ移動する場合の移動可能体積は、前記弁室内の水が凍結膨張して増加する体積以上であることを特徴とする請求項１に記載の凍結対応バルブ。
4. 前記弾性体は、前記弁体本体よりも前記弁座部側へ突出していることを特徴とする請求項１に記載の凍結対応バルブ。
5. 前記弾性体は、先端部が前記弁座部へ向かって徐々に細くなるテーパ状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の凍結対応バルブ。
6. 前記弾性体の硬度は、非凍結時にバルブとして最低限の密閉性を確保できる硬度であることを特徴とする請求項１に記載の凍結対応バルブ。
7. 前記弾性体は、閉弁状態でバルブ耐圧より低い圧力が前記弁室に加えられたときに、前記弾性体の一部が前記弁座部から下流側へ移動する歪みを生じるような応力歪特性を有することを特徴とする請求項１に記載の凍結対応バルブ。
8. 前記弾性体付近の前記弁体本体、または前記弾性体付近の前記ハウジングの熱伝導率は、それぞれ他の部位の熱伝導率よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の凍結対応バルブ。
9. 前記弁座部の周囲に、前記弁体本体の前記ハウジングに対する移動量を規制するストッパーを備えたことを特徴とする請求項１に記載の凍結対応バルブ。

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