JP5220764B2 - 気体燃料圧力調整器および気体燃料圧力調整器の利用 - Google Patents

Description

本発明は、流体の圧力を調整する圧力調整器に関する。

詳細には、本発明は、加圧された気体燃料源から内燃機関などの作動デバイスに流れる気体燃料の圧力を調整する目的で、例えば、天然ガス、液化石油ガス、水素ガスまたは同様のものなどの気体燃料供給システムで使用することができる圧力調整器を対象とする。

内部に調整チャンバが形成された本体を備える機械圧力調整器が、知られている。

調整チャンバの内部には、ダイヤフラムまたはピストンが配置され、これが、この調整チャンバを第１チャンバ、すなわち上方チャンバと、第２チャンバ、すなわち下方チャンバとに分ける。

第１チャンバは、基準圧力、例えば大気圧で外部環境に接続される。

第２チャンバは、気体燃料の供給源および気体燃料の作動デバイスにそれぞれ接続された、気体燃料の入り口および出口を備える。

既知の機械調整器はさらに、入り口と出口の間の気体燃料の流れを調整するための弁を備える。

この弁は、第２チャンバに面するダイヤフラム／ピストンの第１の側に固定され、入り口と出口の間の第２チャンバ内に配置された弁座を燃料流れ入り口に備える。

既知の機械調整器はさらに、第１チャンバ内に配置され、第１チャンバに面し第１の側と対向する、ダイヤフラム／ピストンの第２の側に固定されたばねを備える。

使用する際、ばねが、ダイヤフラム／ピストンに弾性力を及ぼし、この弾性力は、気体燃料の所望される流れが、中を通って流れることができるポートを画定するように、弁を弁座から一定の距離に配置し維持することによって、弁に対して作用する。

換言すると、ばねは、ダイヤフラム／ピストンを利用して、調整器からの所望の出口圧力に対応する所定の作動位置に弁を配置する。

既知の機械調整器の限界は、出口圧力が、調整器の作動範囲内の公称圧力値に対して変動する、すなわち、出口圧力が、入り口調整器圧力および要求される流量の変動と共に変化することである。

既知の機械調整器の別の限界は、それらが、作動中、上記に記載の出口圧力を調節することができない、すなわち、それらが、上記に記載の基準圧力に左右される一定の公称出口圧力で作動することである。

実際、この出口圧力は、ばねが、ダイヤフラム／ピストンを利用して弁に及ぼした弾性力に左右される弁の作動位置による弁の作動位置によって決定する。

この弾性力は、ばねの機能、予圧、および詳細には弾性定数に左右されるものであり、したがって、作動中変更することはできない。

さらに別の限界は、既知の機械調整器が、当初の性能を継続させる、したがって保持するために、定期的なキャリブレーションを必要とすることである。

これは、ダイヤフラムが、時間ドリフトおよび永続的変形を受けることに起因する。

別の欠点は、これらの調整器が、気体燃料と好適な熱源の間に熱交換器なしには、低い温度で使用することができないことである。

これは、ダイヤフラムが、その温度に対する感度により、低温では剛性になることに起因する。

本発明の目的は、圧力調整器を改良することである。

本発明の別の目的は、出口圧力を変更することができる圧力調整器を実現することである。

さらに別の目的は、作動中、調節することができる圧力調整器を提供することである。

さらに別の目的は、その耐用寿命の間、定期的キャリブレーションを行う必要なしに、既知の調整器より信頼性があり精密な圧力調整器を作成することである。

さらに別の目的は、既知の調整器と比べて、低温に対する感度が低い圧力調整器を提供することである。

本発明によって、ピストンが中に受けられる調整チャンバ手段を備える流体圧力調整器であって、該調整チャンバ手段内で、該ピストンの対向する部分によって第１チャンバおよび第２チャンバが画定され、該第１チャンバおよび該第２チャンバが、該流体の第１入り口および第２入り口をそれぞれ備え、該第１入り口および該第２入り口が、第１圧力で第１環境に接続され、該第１チャンバおよび該第２チャンバが、該流体の第１出口および第２出口をそれぞれ備え、該第１出口および該第２出口が、第２圧力で第２環境に接続され、該ピストンが、該第２圧力を調整する目的で該第２出口を開放／閉鎖するように、該第１チャンバ内の該流体の圧力の変動に応答して該調整チャンバ手段内で可動であり、該第１チャンバ内の該圧力変動を誘発させるために、該第１出口を開放／閉鎖するための弁手段を備える流体圧力調整器が提供される。

本発明の一実施形態において、該調整器は、該弁手段をパルス幅変調サイクルを利用して制御する制御管理ユニットを備える。

これにより、作動中、該第２圧力を電子的に調整および変更することができる圧力調整器を実現することが可能になる。

実際には、該制御管理ユニットに該第２圧力を示す圧力設定ポイント値が入力され、この設定ポイント値は、固定または可変であってよい。

該制御管理ユニットは次いで、該第２出口の下流に配置された圧力センサによって測定された該第２圧力を、圧力設定ポイントと比較する。

その後、該第２出口圧力と圧力設定ポイントの間で検知された可能な偏差に関連して、
該制御管理ユニットは、該弁手段に送信される電気信号を処理し、この弁手段が、圧力設定ポイントに等しい該第２圧力を発生させる目的で、該第１チャンバ内の圧力変動を生成し、この圧力変動により、ピストンを動かすことができる。

さらに、本発明による調整器は、既知の機械調整器と比べて信頼性があり精密であり、さらに、低温でも使用することができる。

実際には、該調整器は、温度および時間ドリフトに敏感であった既知の機械調整器で使用されるダイヤフラムを使用しない。

本発明は、非限定的な例によって本発明のいくつかの実施形態が示される添付の図面を参照して、より十分理解され実施することができる。

気体燃料供給システム内に挿入された、第１の作動構成の圧力調整器の概略図である。 図１の圧力調整器の第２の構成の概略図である。

図１および図２を参照すると、所望の入り口圧力ＰＩＮで気体燃料を含有するように構成されたタンク２またはシリンダを備える、例えば天然ガス、液化石油ガス、水素ガスまたは同様のものなどの気体燃料供給システム１が示される。

タンク２は、例えば内燃機関など気体燃料作動デバイス７の、例えば噴射装置などの燃料投与手段６に出口圧力ＰＯＵＴで気体燃料を供給するように構成された圧力調整器３に、入り口圧力ＰＩＮで気体燃料を供給する。

換言すると、調整器３は、タンク２と投与手段６の間に挿入され、入り口圧力ＰＩＮでタンク２からの気体燃料を受け、固定または可変の所望される出口圧力値ＰＯＵＴで気体燃料を投与手段６に供給する。

調整器３は、調整チャンバ９が内部に形成された本体８を備える。

調整チャンバ９は、第１チャンバ１０と第２チャンバ１１とを備え、第１チャンバ１０は、第２チャンバ１１の上に作動式に配置される。

第１チャンバ１０および第２チャンバ１１はそれぞれ、気体燃料の第１入り口１２および第２入り口１３を備え、第１入り口１２および第１入り口１３は、第１導管２０および第２導管２１によってそれぞれタンク２に接続される。

さらに第１チャンバ１０および第２チャンバ１１はそれぞれ、第３導管２２によって調整器３の制御チャンバ１６に、および第４導管２３によって投与手段６にそれぞれ接続された、第１出口１４および第２出口１５（図２）を備える。

調整器３はさらに、第５導管２４を、制御チャンバ１６および第４導管２３にそれぞれ接続するように構成された第１ドア３６および第２ドア３７を備える第５導管２４を備える。

調整器３はさらに、第１チャンバ１０と第２チャンバ１１とを画定するために、調整チャンバ９内に配置されたピストン１８を備える。

詳細には、ピストン１８と調整チャンバ９の間に、第１チャンバ１０と第２チャンバ１１の間を気体燃料が通過することができるように好適にサイズを決められ構成された通路手段１００が設けられる。

ピストン１８は、互いに対向し、第１チャンバ１０および第２チャンバ１１にそれぞれ面し、第１端部面３８が第２端部面３９より幅が広い、第１端部面３８と、第２端部面３９とを備える。

ピストン１８は、図１に示される第１閉鎖位置Ｃ１と、図２に示される第１開放位置Ａ１との間で可動であり、この位置でピストン１８はそれぞれ、気体燃料が、第２出口１５を利用して第２チャンバ１１から投与手段６に流れるのを阻止する／可能にする。

換言すると、ピストン１８の端部１９を利用して、第２出口１５を部分的にまたは完全に塞ぐように、ピストン１８は、第２出口１５に向かって、または第２出口１５から離れるように可動である。

この方法において、第２チャンバ１１から投与手段６へ気体燃料が制御されて通過することができるように、端部１９と第２出口１５の間に画定された図示されないポートの寸法を変更することが可能である。

調整器３はさらに、第１チャンバ１０内に配置され、ピストン１８を第２出口１５に向かって動かすように構成された第１ばね２５を備える。

調整器３はさらに、第１チャンバ１０内に存在する第１圧力Ｐ１を調節するように構成されたソレノイド弁２６を備える。

ソレノイド弁２６は、図１に示される第２閉鎖位置Ｃ２と、図２に示される第２開放位置Ａ２の間で可動である。

ソレノイド弁２６は、ソレノイド弁２６が、第２開放位置Ａ２および第２閉鎖位置Ｃ２にあるとき、それぞれ第１チャンバ１０の第１出口１４を開放／閉鎖するように構成されたシャッター２７を備え、シャッター２７は、支持要素３０の周りに巻き付けられたコイル２９を備えるソレノイド２８によって、第１出口１４から離れて動くように制御される。

コイル２９の内部に、シャッター２７に固定されたピン３４が中を摺動することができる通路３３が形成される。

調整器３はさらに、ピン３４の上に載置され、通路３３の中に配置された第２ばね３１を備える。

詳細には、第２ばね３１は、ソレノイド弁２６を第２の閉鎖位置Ｃ２に配置するようにすなわち、第１出口１４を閉鎖するためにシャッター２７を第１出口１４に対して押すように構成される。

ソレノイド弁２６は、パルス幅変調方形波信号、すなわちＰＷＭ（パルス幅変調）および／または周波数変調信号を使用して、制御管理ユニット４によって制御される。

調整器３からの所望される出口圧力ＰＯＵＴを示す圧力設定ポイント値ＰＳＥＴが、制御管理ユニット４に入力され、この設定ポイント値ＰＳＥＴは固定または可変であってよい。

制御管理ユニット４は、例えば、比例、積分および微分（ＰＩＤ）制御アルゴリズム、または比例および積分（ＰＩ）制御アルゴリズムを使用して、第２出口１５の下流に配置された圧力センサ５によって測定された出口圧力ＰＯＵＴを、設定ポイント圧力ＰＳＥＴと比較する。

その後、出口圧力ＰＯＵＴと圧力設定ポイントＰＳＥＴの間で検知された可能な偏差に関連して、制御管理ユニット４が、ソレノイド２８に送信される電気信号を処理し、このソレノイドが、圧力設定ポイントＰＳＥＴに等しい出口圧力ＰＯＵＴを発生させる目的でシャッター２７を適切に駆動させる。

調整器３の作動は、調整器３がそれぞれ、第１の構成Ａおよび第２の構成Ｂにある図１および２を参照して、以下に記載される。

第１の構成Ａにおいて、コイル２９は通電されず、ソレノイド弁２６は第２の閉鎖位置Ｃ２にあり、第２ばね３１によって及ぼされた押圧力によって、シャッタ−２７は、第１出口１４に当接したまま維持される、すなわち第１出口１４を閉鎖する。

第１の構成Ａにおいて、第１チャンバ１０内に存在する第１圧力Ｐ１による第１の力ＦＰ１、および第１ばね２５によって及ぼされる弾性力ＦＥＬが、ピストン１８を第２出口１５に向けて押すことによって、ピストン１８の第１端部面３８に対して作用する。

一方、第１の構成Ａにおいて、第２チャンバ１１内に存在する第２圧力Ｐ２による第２の力ＦＰ２、および第４導管２３内に存在する入力圧力ＰＩＮよりも小さい出口圧力ＰＯＵＴによる第３の力ＦＰ３が、ピストン１８を出口１５から離れるように押すことによって、ピストン１８の第２端部面３９に対して作用する。

第１の構成Ａにおいて、第１圧力Ｐ１は、第２圧力Ｐ２と等しく、両圧力は、入り口圧力ＰＩＮに等しいが、第１端部面３８が、第２端部面３９より大きいため、第１の力ＦＰ１のモジュールは、第２の力ＦＰ２のモジュールより大きく、第１の力ＦＰ１のモジュールと弾性力ＦＥＬのモジュールとを合わせたものは、第２の力ＦＰ２のモジュールと第３の力ＦＰ３のモジュールとを合わせたものより大きく、故にピストン１８は、第１閉鎖位置Ｃ１に維持される。

第２の構成Ｂにおいて、コイル２９は通電され、ソレノイド弁２６は、第２開放位置Ａ２にあり、シャッター２７が、第１出口１４に対して持ち上げられる。

この方法において、第１出口１４が、第１入り口１２の第２直径ｄ２より大きな第１直径を有するため、第１チャンバ１０から制御チャンバ１６に向かう、および制御チャンバ１６から第５の導管２４を利用して投与手段６に向かう気体燃料の流れが生じる。

この気体燃料の流れによって、第１チャンバ１０内の第１圧力Ｐ１が減少し、結果として第１の力ＦＰ１が減少する。

第１の力ＦＰ１が、第１の力ＦＰ１のモジュールと弾性力ＦＥＬのモジュールとを合わせたものが、第２の力ＦＰ２のモジュールと第３の力ＦＰ３のモジュールとを合わせたものより小さくなるような値に達したとき、ピストン１８は、第２出口１５から離れるように動かされる、すなわちピストン１８は、第１閉鎖位置Ｃ２から第１開放位置Ａ１に進み、この位置で、制御された気体燃料の流れが、入り口圧力ＰＩＮで気体燃料が絶え間なく供給される第２チャンバ１１から投与手段６に向かって流れる。

その後、圧力センサ５が、調整器出口３で出口圧力ＰＯＵＴを検知し、制御管理ユニット４に信号を送信し、制御管理ユニット４が、この出口圧力ＰＯＵＴを圧力設定ポイントＰＳＥＴと比較し、ソレノイド弁２６が、これらの２つ値に偏差を検知した場合、適切な制御信号をソレノイド弁２６に送信する。

調整器３はさらに、上記に記載の気体燃料に関する最大圧力条件においても、投与手段６に向かう気体燃料の最小限の流れも有効に調整することが可能である。

実際には、第１チャンバ１０内の第１圧力Ｐ１の変動が、ピストン１８を動かさず、ピストン１８が第１閉鎖位置Ｃ１のままであるように、ソレノイド弁２６を適切に作動させることによって、第１チャンバ１０からわずかな気体燃料の流れが流れ出るようにすることが可能である。

このわずかな流れは、制御管理ユニット４によって制御され、第５導管２４を利用して、第１チャンバ１０から投与手段６に向かって流れる。

換言すると、ピストン１８を作動させずに、すなわちピストン１８を回避することによって、流体のわずかな流れを実現することが可能である。

制御管理ユニット４によって適切に制御されたソレノイド弁２６が、いかにして、第１圧力Ｐ１を調整することができ、これにより投与手段６への気体燃料の送達の開始および継続期間を調整するかに留意されたい。

調整器３の最適な作動を保証する目的で、第１直径ｄ１は、シャッター２７に対して作用する圧力による力を抑制するように十分小さくなければならない。

換言すると、第１直径ｄ１は、コイル２９が通電されないとき、第２ばね３１が、ソレノイド弁２６を第２の閉鎖位置Ｃ２に維持することができるように十分小さくなければならない。

さらに、第１直径ｄ１は、第１チャンバ１０を出る気体燃料の流量が、第１チャンバ１０に進入する気体燃料の別の流量より大きくなるように、第２直径ｄ２より大きくなければならない。

さらに、第１チャンバ１０によって画定された第１容積は、ピストン１８が第１閉鎖位置Ｃ１にあるとき、第２チャンバ１１によって画定される第２容積よりはるかに小さくなければならない。

これは、ピストン１８の望ましくない、すなわちソレノイド弁２６によって制御されない開放を回避するために、第１チャンバ１０が、第２チャンバ１１と比べてより迅速に満たされるように、気体燃料入り口段階において、特に重要である。

加えて、調整器３がいかにして、供給デバイスと作動デバイスの間のガスパイプ（図示せず）内の任意の位置に挿入され使用することができるか、または燃料電池によって供給されるエンジンを備えた車両用の調整器として使用することができるか、または任意の流体の圧力を調整するために使用することができるかに留意されたい。

また、作動中、第１の場合、出口圧力ＰＯＵＴを電子的に調整し、第２の場合、出口圧力ＰＯＵＴを変更することができる制御管理ユニット４によって、調整器３がいかにして制御されるかに留意されたい。

第１の場合、電子制御は、定期的なキャリブレーションの必要なしに、調整器３の寿命の間生じ得るいかなるドリフトも補償することができる。

第２の場合、電子制御は、気体燃料の作動デバイス７のいかなるドリフトも補償するおよび／または作動デバイス７のいかなる進化した戦略も満たすことが求められる出口圧力ＰＯＵＴを提供することができる。

さらに、電子制御は、安全な戦略を作成する目的で、調整器３ならびに作動デバイス７のいかなる欠陥も診断することができる。

Claims (12)

1. ピストン（１８）が中に受けられる調整チャンバ手段（９）を備え、投与手段（６）に圧力調整された気体燃料を供給する気体燃料圧力調整器であって、前記調整チャンバ手段（９）内で、前記ピストン（１８）の対向する部分によって第１チャンバ（１０）および第２チャンバ（１１）が画定され、前記第１チャンバ（１０）および前記第２チャンバ（１１）が、前記気体燃料の第１入り口（１２）および第２入り口（１３）をそれぞれ備え、前記第１入り口（１２）および前記第２入り口（１３）が、第１圧力（ＰＩＮ）で第１環境（２）に接続され、前記第１チャンバ（１０）および前記第２チャンバ（１１）が、前記気体燃料の第１出口（１４）および第２出口（１５）をそれぞれ備え、前記第１出口（１４）および前記第２出口（１５）が、第２圧力（ＰＯＵＴ）で第２環境（２３）に接続され、前記ピストン（１８）が、前記第２圧力（ＰＯＵＴ）を調整する目的で前記第２出口（１５）を開放／閉鎖するように、前記第１チャンバ（１０）内の前記気体燃料の圧力の変動に応答して前記調整チャンバ手段（９）内で可動であり、前記第１チャンバ（１０）内の前記気体燃料の圧力変動を誘発させるために、前記第１出口（１４）を開放／閉鎖するための弁手段（２６）を備え、前記弁手段はソレノイド弁（２６）を備え、前記気体燃料圧力調整器はさらに、前記第２圧力（ＰＯＵＴ）を測定するため、前記第２出口（１５）の下流に位置する圧力センサー（５）を備え、制御管理ユニット（４）は、前記第２圧力（ＰＯＵＴ）と圧力設定ポイント（ＰＳＥＴ）を比較し、さらに前記第２圧力（ＰＯＵＴ）と前記圧力設定ポイント（ＰＳＥＴ）の間で検知された偏差と相関して、前記第２圧力（ＰＯＵＴ）と前記圧力設定ポイント（ＰＳＥＴ）を等しくするために、パルス幅変調方式によって前記ソレノイド弁（２６）を制御する電気信号を処理することを特徴とする気体燃料圧力調整器。
2. 前記ピストン（１８）と前記調整チャンバ（９）の間に配置され、前記第１チャンバ（１０）と前記第２チャンバ（１１）の間を前記流体が通過することができるように構成された通路手段（１００）を備える請求項１に記載の気体燃料圧力調整器。
3. 前記ピストン（１８）が、記第１チャンバ（１０）および前記第２チャンバ（１１）にそれぞれ面し、第１面（３８）が、第２面（３９）より幅が広い前記第１面（３８）と、前記第２面（３９）とを備える、請求項１または２に記載の気体燃料圧力調整器。
4. 前記第１チャンバ（１０）および前記第２チャンバ（１１）が、第１容積が、第２容積より小さい前記第１容積と、前記第２容積とをそれぞれ画定する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の気体燃料圧力調整器。
5. 前記第１出口（１４）が、前記第１入り口（１２）の第２直径（ｄ２）より大きな第１直径（ｄ１）を有する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の気体燃料圧力調整器。
6. 前記第１出口（１４）を前記第２出口（１５）に接続するように構成された導管手段（２４）を備える請求項１〜５のいずれか一項に記載の気体燃料圧力調整器。
7. 請求項６に記載され、前記第１出口（１４）と前記導管手段（２４）の間に配置され、前記弁手段（２６）を受けるように構成された制御チャンバ手段（１６）を備える気体燃料圧力調整器。
8. 前記ピストン（８）を前記第２出口（１５）に向けて押すために、前記第１チャンバ（１０）内に配置された第１押下手段（２５）を備える請求項１〜７のいずれか一項に記載の気体燃料圧力調整器。
9. 前記第１押下手段が、第１弾性要素（２５）を備える、請求項８に記載の気体燃料圧力調整器。
10. 前記弁手段（２６）を前記第１出口（１４）に向けて押すために第２押下手段（３１）を備える請求項１〜９のいずれか一項に記載の気体燃料圧力調整器。
11. 前記第２押下手段が、第２弾性要素（３１）を備える、請求項１０に記載の気体燃料圧力調整器。
12. 気体燃料供給システムにおける、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の気体燃料圧力調整器（３）の利用。

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