JP5073459B2 - 流体バルブ装置および燃料電池システム - Google Patents
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Description
図1〜図9は実施形態1を示す。図1は、弁部が開弁位置に設定されている流体バルブ装置を示す。図2は、弁部が閉弁位置に設定されている流体バルブ装置を示す。図9は流体バルブ装置を示す。流体バルブ装置1(以下、バルブ装置という)は、例えば燃料電池システム等の流体システムに使用されており、流体(例えば燃料電池システムでは反応ガス(例えば、酸素含有ガス等のカソードガス、水素ガス等のアノードガス)の供給および停止を実施するシャットバルブとして使用されるものである。図1に示すように、バルブ装置1は、硬質樹脂(例えばPPS樹脂等)または金属製(例えば鉄、アルミニウム合金等)のボディ2と、カムシャフト3と、駆動部として機能する駆動モータ4と、弁軸5と、閉弁および開弁用のプレート部材6(係合部材)とを備えている。
(1)閉弁用カム面34および開弁用カム面35のカムシャフト3の軸芯3cに対する傾斜角度ができるだけ小さく設定されている。
(2)閉弁用カム面34および開弁用カム面35は、固体潤滑剤を基材とする固体潤滑剤層で被覆されている。これにより摩擦抵抗が低減されている。固体潤滑剤は二硫化モリブデン、炭素が例示される。
(3)開弁用係合部80および閉弁用係合部70は半球形状とされており、摩擦抵抗が低減されている。
図10は、燃料電池システムを示す。燃料電池システムは、燃料極および酸化剤極をもつ燃料電池のスタック100と、燃料電池の燃料極に供給される燃料を通過させる燃料バルブ101をもつ燃料通路101wと、燃料電池のスタック100の酸化剤極に供給される酸化剤を通過させる酸化剤バルブ102をもつ酸化剤通路102wと、燃料電池のスタック100の燃料極から排出された発電反応後の燃料オフ流体を通過させる燃料オフバルブ103をもつ燃料オフ通路103wと、燃料電池のスタック100の酸化剤極から排出された発電反応後の酸化剤流体を通過させる酸化剤オフバルブ104をもつ酸化剤オフ通路104wとを有する。燃料バルブ101、酸化剤バルブ102、燃料オフバルブ103および酸化剤オフバルブ104のうちの少なくとも一方は、上記した流体バルブ装置で構成されている。酸化剤バルブ102および/または酸化剤オフバルブ104は、上記した流体バルブ装置で構成されていることが好ましい。
図11は、燃料電池システムの要部を示す。燃料電池システムは、燃料電池のスタック100と、スタック100のエンドプレート101側に組み付けられスタック100の酸化剤極に供給するカソードガスを加湿する加湿器200と、加湿器200にカソードガスを送給する供給管210と、加湿器200からカソードオフガスを排出す排出管220とをもつ。
本実施形態は実施形態1と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有するため、図1〜図9を準用する。以下、相違する部分を中心として説明する。閉弁用プレート部材7のバネ定数は、開弁用プレート部材8のバネ定数よりも大きく設定されている。バネ定数は、開弁用プレート部材8および閉弁用プレート部材7が厚み方向(弁軸5の軸長方向)に変形するときにおけるバネ定数を意味する。このように開弁用プレート部材8よりも閉弁用プレート部材7のバネ定数は大きく設定されている、弁部51が弁座25に着座して閉弁しているとき、カムシャフト3のカム部32の閉弁用カム面34により閉弁用プレート部材7を閉弁方向に強く押しつけることができる。故に、弁軸5の弁部51の閉弁封止性を高めることができる。
図12は実施形態5を示す。本実施形態は実施形態1と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有する。以下、相違する部分を中心として説明する。閉弁用プレート部材7はバネ性を有する。これに対して開弁用プレート部材8Wは、閉弁用プレート部材7よりも高剛性化されている。寒冷地等で使用されるときには、弁部51が弁座25に着座しているとき、弁部51が弁座25に凍結して固着しているおそれがある。弁部51を開弁させるときには、駆動モータ4およびカムシャフト3が開弁方向に回転する。このとき本実施形態によれば、開弁用プレート部材8Wがリブ82r(バネ定数調整部)により閉弁用プレート部材7よりも高剛性化されている。即ち、開弁用プレート部材8Wのバネ定数は、閉弁用プレート部材7のバネ定数よりも高く設定されている。このため、開弁用カム面35に回転に基づく開弁駆動力は、開弁用プレート部材8Wの撓みに吸収されることなく、開弁用プレート部材8Wに効率良く伝達される。このため弁座25に凍結固着している弁部51を弁座25から引き離す力を強くできる利点が得られる。
図13は実施形態6を示す。本実施形態は実施形態1と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有する。以下、相違する部分を中心として説明する。開弁用プレート部材8のアーム部82には補強用のリブ82rがバネ定数調整部として形成されている。リブ82rはアーム部82の延設方向に沿って形成されている。リブ82rにより開弁用プレート部材8のバネ定数を調整できる。同様に開弁用プレート部材7のアーム部72にリブを形成しても良い。
図14は実施形態7を示す。本実施形態は実施形態1と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有する。図14(A)によれば、閉弁用プレート部材7および開弁用プレート部材8は鍔形状をなしている。リブ72r.82rがバネ定数調整部として形成されている。図14(B)によれば、閉弁用プレート部材7および開弁用プレート部材8は実質的にA形状をなしている。図14(C)によれば、閉弁用プレート部材7および開弁用プレート部材8は、厚み方向に段を形成する曲げ部7y,8yを備えている。図14(D)によれば、閉弁用プレート部材7および開弁用プレート部材8は、I形状をなしている。スリット72e,82eがバネ定数調整部として形成されている。
本実施形態は実施形態1と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有するため、図1を準用する。以下、相違する部分を中心として説明する。本実施形態では、傾斜抑制部がボディに設けられていない。このためカムシャフト3が開弁方向に回転して弁軸5が開弁動作する初期において、弁軸5の軸芯5vの傾斜がある程度許容されている。寒冷地等で使用されるときには、弁部51が弁座25に凍結した状態で固着しているときがある。この場合、弁座25の軸芯に対して弁軸5の軸芯5vが微小傾斜した方が、弁部51の周方向において開弁駆動力が周方向に均一に作用するよりも局部的に集中て作用し易い。この場合、弁部51の凍結固着時における開弁に有利となる。
上記した実施形態では、閉弁用プレート部材7および開弁用プレート部材8は、平面視でV形状をなしているが、これに限定されるものではなく、平面視でC形状、J形状をなしていても良い。プレート部材6は閉弁用プレート部材7および開弁用プレート部材8で形成されているが、これに限らず、1個のプレート部材6が閉弁用および開弁用の双方を実行しても良い。この場合には、図示しないものの、閉弁用カム面34および開弁用カム面35を互いに対面するように形成したカム溝をカム部32に設ける。上記した実施形態では、閉弁用プレート部材7および開弁用プレート部材8の双方がバネ性を有するが、閉弁用プレート部材7がバネ性を有すれば良く、場合によっては、開弁用プレート部材8はバネ性を有しない高剛体構造でも良い。閉弁用プレート部材7および開弁用プレート部材8はV形状とされているが、Y形状、J形状、I形状、A形状でも良く、要するに係合部側を幅狭とすることが好ましい。
Claims (9)
- 流体が流れる弁口を形成する弁座と前記弁口に連通する流体通過孔とをもつボディと、
前記ボディに回転可能に設けられ閉弁用カム面および開弁用カム面をもつカムシャフトと、
前記ボディに設けられ前記カムシャフトをこれの軸線回りで回転させる駆動部と、
前記弁口を開閉させる弁部をもつ弁軸と、
前記弁軸と前記カムシャフトとの間に位置するように前記弁軸に設けられ、前記弁軸の軸長方向に離間され互いに対向するように並設される閉弁用プレート部材および開弁用プレート部材とを具備し、前記駆動部により駆動される前記カムシャフトの回転が前記閉弁用プレート部材および前記開弁用プレート部材を介して前記弁軸および前記弁部の直進運動に変換されて前記弁部の開閉動作を行う流体バルブ装置であって、
前記閉弁用プレート部材は、前記駆動部の駆動に伴い前記カムシャフトが回転するとき、回転する前記カムシャフトの前記閉弁用カム面に沿って係合することにより前記弁部を前記弁口に対して閉弁させる閉弁用係合部をもち、且つ、前記弁軸の軸長方向に沿った方向にバネ性を有し、
前記開弁用プレート部材は、前記駆動部の駆動に伴い前記カムシャフトが回転するとき、回転する前記カムシャフトの前記開弁用カム面に沿って係合することにより前記弁部を前記弁口に対して開弁させる開弁用係合部をもち、且つ、前記弁軸の軸長方向に沿った方向にバネ性を有し、
前記閉弁用係合部が前記閉弁用カム面に沿って摺動するとき、又は、前記開弁用係合部が前記開弁用カム面に沿って摺動するときにおいて前記弁軸の軸芯の傾斜を抑制する傾斜抑制部が前記ボディに設けられていることを特徴とする流体バルブ装置。 - 請求項1において、前記閉弁用プレート部材の前記閉弁用係合部が前記閉弁用カム面に係合しつ摺動するとき、前記開弁用プレート部材の前記開弁用係合部が前記開弁用カム面に非接触であり、且つ、
前記開弁用プレート部材の前記開弁用係合部が前記開弁用カム面に係合しつ摺動するとき、前記閉弁用プレート部材の前記閉弁用係合部が前記閉弁用カム面に非接触であることを特徴とする流体バルブ装置。 - 請求項1または2において、前記閉弁用プレート部材および前記開弁用プレート部材のうちの少なくとも一方は、前記弁軸の軸長方向において位置調整できる構造とされていることを特徴とする流体バルブ装置。
- 請求項1〜3のうちの一項において、前記閉弁用プレート部材の厚み方向のバネ定数をKcとし、前記開弁用プレート部材の厚み方向のバネ定数をKoとするとき、Kc/Koは0.8〜1.2に設定されていることを特徴とする流体バルブ装置。
- 請求項1〜3のうちの一項において、前記閉弁用プレート部材の厚み方向のバネ定数をKcとし、前記開弁用プレート部材の厚み方向のバネ定数をKoとするとき、Kc>KoまたはKc=Koの関係に設定されていることを特徴とする流体バルブ装置。
- 請求項1〜3のうちの一項において、前記閉弁用プレート部材の厚み方向のバネ定数をKcとし、前記開弁用プレート部材の厚み方向のバネ定数をKoとするとき、Kc≦Koの関係に設定されていることを特徴とする流体バルブ装置。
- 請求項1〜6のうちの一項において、前記カムシャフトの軸長方向の一端部は前記駆動部に接続され、軸長方向の他端部は、前記ボディに設けられた軸受に回転可能に支持されており、前記軸受は、前記プレート部材の前記係合部の移動空間を形成するように切欠をもつことを特徴とする流体バルブ装置。
- 請求項1〜7のうちの一項において、前記プレート部材はこれのバネ定数を調整するバ
ネ定数調整部をもつことを特徴とする流体バルブ装置。 - 燃料極および酸化剤極をもつ燃料電池と、前記燃料電池の前記燃料極に供給される燃料を通過させる燃料通路と、前記燃料電池の前記酸化剤極に供給される酸化剤を通過させる酸化剤通路、前記燃料電池の前記燃料極から排出された発電反応後の燃料オフ流体を通過させる燃料オフ通路と、前記燃料電池の酸化剤極から排出された発電反応後の酸化剤流体を通過させる酸化剤オフ通路とを具備する燃料電池システムにおいて、
前記燃料通路、前記酸化剤通路、前記燃料オフ通路および前記酸化剤オフ通路のうちの少なくとも一方は、請求項1〜8のうちの一項に記載の流体バルブ装置を備えていることを特徴とする燃料電池システム。
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