JP6517040B2 - 高圧用フィルタ装置とこれを用いた水素ステーション - Google Patents

Description

本発明は、高圧用フィルタ装置に関し、特に、水素等の高圧流体が流れる水素ステーションなどの流路内の水素に含有されている不純物を除去する高圧用フィルタ装置とこれを用いた水素ステーションに関する。

近年、自動車用燃料電池の水素ステーションの供給インフラが普及しつつある。水素ステーションで燃料電池用の水素を供給する場合には、水素に不純物が混入していると燃料電池の発電性能に悪影響を及ぼすおそれがあるため、水素内の不純物はできるだけ少ないほうが望ましい。そのため、水素ステーションの配管流路には、不純物を除去するためのフィルタ装置の設置が要求されてきており、この場合、水素ステーションでは、例えば、約９９ＭＰａの高圧の水素が流れることもあるため、フィルタ装置はこの高圧流体に耐えうる必要がある。

水素ガスから不純物を除去するフィルタ装置としては、例えば、特許文献１や特許文献２のフィルタ装置が開示されている。これらのフィルタ装置は、水素を貯蔵タンクに供給する流路に設けられ、内部には水素に含有される不純物を除去するためのフィルタ部材が設けられている。これらフィルタ装置にフィルタ部材を内装する場合、例えば、特許文献１の図３に示すように、一方側が開放したケーシング内にフィルタ部材が充填され、このケーシングにガスケットを介してキャップ部材が螺合されて一体化される。

さらに、例えば、高圧水素を燃料自動車のタンクに供給する流路に設けられるフィルタ装置として、図５に示した高圧水素用フィルタ装置１が知られている。このフィルタ装置１では、ろ過用の有底円筒状フィルタ２がコイルスプリング３を介してボデー部材４とキャップ部材５内に弾発装着されている。ボデー部材４とキャップ部材５とは、シール用Ｏリング部材６を介して螺着により組み込まれ、このＯリング部材６は、キャップ部材５の外周におけるボデー部材４の流路内周面７に接する位置に装着されている。

また、これら以外の高圧水素用フィルタ装置として、キャップ部材の先端部に内径側を頂部とした緩やかなテーパ面、ボデー部材側内周に平面部がそれぞれ形成され、キャップ部材と、フィルタを収納したボデー部材との螺着結合時に、テーパ面と平面部とが強い締付けトルクで圧接されて、外部への漏れを防止しようとするものが知られている。

特開２００２−５４７９８号公報 特許第５０２６９３１号公報

特許文献１や特許文献２のフィルタ装置は、水素を貯蔵タンクに供給する流路に設けられ、この流路は、例えば約１ＭＰａ程度の比較的低い圧力用として設定されている。そのため、これらのフィルタ装置は、約９９ＭＰａの高圧の水素の流路には適していない。

一方、図５のフィルタ装置１においては、キャップ部材５の先方外周側に装着したＯリング部材６を介してキャップ部材５の流路縁部側でボデー部材４と胴着シールしているため、キャップ部材５が緩み始めると、Ｏリング部材６によるシール性が直ちに失われて流体漏れを生じやすくなる。しかも、ボデー部材４とキャップ部材５との螺着でＯリング部材６の締付けトルクを発生させていることから、締付けトルクが小さくなって高圧流体の圧力やコイルスプリング３の弾発力、外力などでキャップ部材５が緩みやすい。

キャップ部材５が緩むと、コイルスプリング３の弾発力が弱くなり、円筒状フィルタ２とボデー部材４側との間に隙間が生じてフィルタ装置１のろ過機能が不足するという問題も生じる。さらに、このフィルタ装置１では、コイルスプリング３で円筒状フィルタ２の有底面３ａの中央付近を弾発することにより、ボデー部材４との間に設けた保持部材８をパッキン部材８ａを介して円筒状フィルタ２全体で押圧し、保持部材８の背面側に設けたシール用Ｏリング９で保持部材８背面側からの漏れを防ぎ、パッキン部材８ａで円筒状フィルタ２と保持部材８との間をシールしようとするものである。そのため、コイルスプリング３による弾発力の伝達効率が悪くなり、キャップ部材５の緩みによりパッキン部材８ａによるシール性を維持できなくなり、円筒状フィルタ２と保持部材８との間から漏れを生じやすくなる。

キャップ部材５の先方側をボデー部材４の流路４ａに挿入して両者を接続していることで、キャップ部材５におけるコイルスプリング３装着部分の内径φｄＡがボデー部材４の内径（流路径）φｄＢに比して極端に小さくなる。そのため、キャップ部材５側の流量が少なくなり、圧力損失が大きくなるという問題もあった。これを回避するために、仮に、キャップ部材５の内径φｄＡを拡径しようとすると、その挿入側の肉厚が不足して高圧流体に対する強度を十分に確保することが難しくなる。
さらに、Ｏリング部材６が流路口径内の流路内周面７に位置しているため、高圧流体が流れるときにパーティクルが発生して悪影響を及ぼす可能性もある。

また、キャップ部材のテーパ面とボデー部材の平面部とを締付けて外部漏れを防ぐ構造の場合、金属製のボデー部材及びキャップ部材を直接圧接シールするための甚大な締付けトルクが必要になる。しかも、これらの圧接後には平面部が変形するため、メンテナンス等による分解後に再度締付けたときには、圧接シール部分に隙間が生じて高圧流体のシール性能を維持できなくなる可能性もある。

本発明は、上記の課題点を解決するために開発したものであり、その目的とするところは、高圧流体が流れる場合にも組み込みの緩みを防止して高いシール性を確保し、流体に含まれる不純物の除去機能を維持できる大流量の高圧用フィルタ装置とこれを用いた水素ステーションを提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、管接合部を有するボデーと管接合部を有するキャップとを対向シール部位を介して螺着結合し、対向シール部位は、ボデーとキャップとのシール面の内周方向に鈍角のエッジシール部をそれぞれ形成し、この両者のエッジシール部でガスケットを挟圧して構成すると共に、ボデーの流路に設けた円筒空間部内に、一次側に有底部を有し、かつ二次側に開口部を有するフィルタエレメントを収納し、このフィルタエレメントは、有底部をスプリングで押圧し、かつ開口部をシール機構で密封シールした高圧用フィルタ装置である。

請求項２に係る発明は、スプリングの一端をキャップの流路径より拡径した段部に係合し、他端をフィルタエレメントの有底部の外周側位置に弾発接触させた高圧用フィルタ装置である。

請求項３に係る発明は、シール機構は、フィルタエレメントの開口部に設けたパッキンとこれを挟圧する流路孔を有するホルダで保持し、スプリングの弾発力で密封シールした機構である高圧用フィルタ装置である。

請求項４に係る発明は、フィルタエレメントは、ステンレス又はステンレス合金製の焼結体である高圧用フィルタ装置である。

請求項５に係る発明は、鈍角のエッジシール部は、断面が１６０〜１７８度の山状であり、この山状の間にガスケットを挟圧させた高圧用フィルタ装置である。

請求項６に係る発明は、高圧水素の供給ラインに高圧用フィルタ装置を用いた水素ステーションである。

請求項１に係る発明によると、ボデーとキャップとを、鈍角のエッジシール部でガスケットを挟圧しながら対向シール部位を介して螺着結合していることで締付けトルクを増大し、高圧流体が流れる場合にもボデーとキャップとの組み込みの緩みを防止でき、ガスケットの挟圧状態を維持して高いシール性と耐久性とを確保できる。特に、対向シール部位のシール面に鈍角エッジシール部を設けていることで、シール面がフラットである場合に比べて、小さいトルクでもシール面の内周側で高い面圧が得られるようになり、高いシール性を確保することが可能となる。仮にボデーとキャップとの間に緩みが生じた場合にも直ちにシール性が損なわれることがなく、これらを増し締めすることでシール性も回復できる。このようなキャップの緩み防止機能により、スプリングの弾発力の低下を阻止し、フィルタエレメントとシール機構との密封シール状態を保持して、不純物の除去機能を確実に維持できる。対向シール部位を流路の外側に設けていることにより、流体のガスケットへの接触によるパーティクルの発生を抑えて流体の純度を維持しつつ、流路を大口径化して圧力損失を抑えながら大流量の流体の不純物を除去処理できる。

請求項２に係る発明によると、スプリングの一端をキャップの流路径よりも拡径した段部に係合することで、高圧流体によるスプリングへの影響を抑えつつ、流路を大きく確保して大流量の高圧流体の不純物を除去できる。スプリングの他端をフィルタエレメントの有底部の外周側位置に弾発接触させていることにより、スプリングの弾発力の伝達効率を高めながらシール機構に伝達させ、シール機構による密封シール性が高まる。

請求項３に係る発明によると、フィルタエレメントをホルダにより安定状態で保持しつつ、パッキンによりフィルタエレメント開口側のシール性を確保して密封シール状態を維持できる。

請求項４に係る発明によると、ろ過精度を高めて水素に含有される不純物を確実に除去でき、高精度のフィルタエレメントを容易に形成できるため、流路径に合わせて既存のフィルタエレメントを用いることができ、その交換も容易になる。

請求項５に係る発明によると、鈍角のエッジシール部でガスケットを挟着することにより、ボデーとキャップとを緩み難くしながらこれらの間からの外部漏れを防止し、シール機能を有効に発揮して高圧流体の漏れを防止する。

請求項６に係る発明によると、外部漏れを防ぐことにより高圧流体の圧力を確保しつつ、この高圧流体内の不純物を除去して二次側に供給する水素ステーションを提供できる。

本発明における高圧用フィルタ装置の実施形態を示す縦断面図である。 図１の高圧用フィルタ装置の分離斜視図である。 図１の一部省略拡大縦断面図である。 水素ステーションを示したブロック図である。 従来の高圧用フィルタ装置の一例を示す縦断面図である。

以下に、本発明における高圧用フィルタの実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１、図２においては、本発明の高圧用フィルタ装置の実施形態を示しており、図３においては図１の一部拡大断面図を示している。
図１、図２に示すように、本発明における高圧用フィルタ装置は、ボデー１０、キャップ１１、ガスケット１２、フィルタエレメント１３、コイルスプリングからなるスプリング１４、シール機構１５を有し、ボデー１０とキャップ１１とは、対向シール部位１６を介して螺着結合される。

ボデー１０は金属材料により設けられ、例えば、ステンレス合金（ＳＵＳ３１６）によって略筒状に形成される。ボデー１０の一端側、図において右側には雌螺子からなる管接合部２０が形成され、この管接合部２０には図示しない外部継手の雄螺子が螺合可能に設けられる。この管接合部２０に続けて縮径穴２１が形成され、この縮径穴２１と連通して、拡径した円筒空間部２２がボデー内流路２３に設けられる。更に、円筒空間部２２に続いて雌ねじ部２４が形成される。

図３に示すように、ボデー１０の円筒空間部２２よりも開口側にはシール面２５が形成され、このシール面２５の内周方向に鈍角のエッジシール部２６が形成される。エッジシール部２６の断面の角度α１は、１６０〜１７８度の山状であり、本実施形態では１７０度の鈍角に設けられる。なお、管接合部２０と縮径穴２１との間には、気密検査用の検査孔２７が設けられる。

図１において、キャップ１１はボデー１０と同様に金属材料により設けられ、例えば、ボデー１０と同材料のステンレス合金（ＳＵＳ３１６）により形成される。キャップ１１の内部には、ボデー１０の流路２３と連通する流路２８が設けられ、この流路２８に続けて雌螺子部からなる管接合部３０が形成される。管接合部３０には、ボデー１０の雌螺子２０と同様に、図示しない外部継手の雄螺子部が螺合可能に設けられる。

図３に示すように、キャップ１１におけるボデー１０のシール面２５との対向側にはシール面３５が設けられ、このシール面３５の内周方向にボデー１０側と同様に鈍角のエッジシール部３６が形成される。エッジシール部３６の断面の角度α２は、例えば、ボデー１０側と同様に１６０〜１７８度の山状であり、本実施形態では、角度α１と同じ１７０度の鈍角に設けられる。キャップ１１のボデー１０取付け側には、雌ねじ部２４に螺合可能な雄ねじ部３４が形成され、この雄ねじ部３４を介してキャップ１１がボデー１０に螺合される。なお、管接合部３０と流路２８との間には、気密検査用の検査孔３７が設けられる。
キャップ１１の流路口側には、その流路径よりも拡径され、スプリング１４を係合可能な段部３８が内径φＤ１により形成される。

上記ボデー１０とキャップ１１とのシール面２５、３５と、これらシール面２５、３５に形成されたエッジシール部２６、３６とは、対向シール部位１６にそれぞれ形成され、この対向シール部位１６の両者のエッジシール部２６、３６でガスケット１２が挟圧されるように構成されている。

図１において、ガスケット１２は、平型の穴あき円板状に形成され、雌ねじ部２４と雄ねじ部３４との螺着時に、エッジシール部２６、３６の断面山状の間に挟圧可能な状態に装着され、このガスケット１２によりボデー１０とキャップ１１との間がシールされる。ガスケット１２は、ボデー１０、キャップ１１よりも硬度の小さい材質で形成され、具体的には、ボデー１０、キャップ１１がＳＵＳ３１６であれば、ガスケット１２が銅又は銅合金で形成されていることが望ましい。

フィルタエレメント１３は、ステンレス又はステンレス合金製の焼結体により設けられ、高圧水素の不純物を除去する場合、公称ろ過精度５〜２０μｍの焼結体とすることが望ましい。フィルタエレメント１３は、一次側に有底部４０を有し、かつ二次側に開口部４１を有する有底円筒形状に形成され、ボデー１０の流路２３に設けた円筒空間部２２内に収納される。

この場合、スプリング１４の一端がキャップ１１の段部３８に係合され、他端がフィルタエレメント１３の有底部４０の外周側位置に弾発接触される。これにより、有底部４０がスプリング１４で押圧され、かつ開口部４１がシール機構１５で密封シールされる。

シール機構１５は、パッキン４２、ホルダ４３を有し、ボデー側流路２３の二次側に設けられる。パッキン４２は、例えば、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）等の樹脂により穴あき円板状に形成され、フィルタエレメント１３の開口部４１側に設けられる。

ホルダ４３は、パッキン４２を保持して挟圧可能にこのパッキン４２の背面側に装着され、例えば、ステンレス等の金属により略筒状に設けられる。ホルダ４３の中央位置には流路孔４４が形成され、この流路孔４４を介してフィルタエレメント１３を通過してろ過された流体が二次側に送られる。ホルダ４３の背面側には、Ｏリングからなるシール部材４５が装着され、このシール部材４５によりホルダ４３の裏漏れが防がれる。

ホルダ４３の背面側中央には突起部４６が形成され、この突起部４６を縮径穴２１に嵌合しながらホルダ４３をボデー１０に装着することで、ホルダ４３が流路２３の中央に位置決め状態で固定される。ホルダ４３のフィルタエレメント１３側には、パッキン４２装着用の凸状部４７が形成されている。
このような構成により、シール機構１５は、スプリング１４の弾発力でフィルタエレメント１３の開口部４１がパッキン４２を押圧して密封シールする機構となっている。

上述した高圧用フィルタ装置を組み込む場合、ボデー１０内にパッキン４２とシール部材４５とを装着したホルダ４３を突起部４６を縮径穴２１に嵌合させるように装着し、次いで、パッキン４２側に開口部４１を向けてフィルタエレメント１３を円筒空間部２２に収納する。この状態で、シール面２５とシール面３５との間にガスケット１２、フィルタエレメント１３の有底部４０の外周側位置と段部３８との間にスプリング１４をそれぞれ介在させつつ、雄ねじ部２４と雌ねじ部３４とを螺着して締め込むことにより、ボデー１０とキャップ１１とを一体化する。これにより、ガスケット１２をエッジシール部２６、３６の間に挟着し、スプリング１４の押圧により開口部４１をシール機構１５で密封シールした状態で、フィルタエレメント１３を円筒空間部２２内に位置決め保持状態で一体化できる。

次いで、本発明の高圧用フィルタ装置の上記実施形態における作用を説明する。
図１に示した本発明の高圧用フィルタ装置において、ボデー１０とキャップ１１とを螺着結合する際には、対向シール部位１６の鈍角のエッジシール部２６、３６でガスケット１２を挟圧していることにより、このガスケット１２がエッジシール部２６、３６に沿うように変形しながら高いシール面圧によりシール面２５、３５と密着シールする。

このように、雌ねじ部２４側のボデー１０と雄ねじ部３４側のキャップ１１とをメタルガスケット構造によりシールし、これらの螺着時に適切な締付けにより締付けトルクを大きく確保しながらガスケット１２を圧着することにより、緩みの発生を防止して高シール性を維持し、外部漏れを確実に防止できる。仮に、緩みが生じた場合でも、直ちにシール性が失われることがなく、しかも、増し締めによりガスケット１２を挟圧することでシール性を回復して確実に漏れを防止できる。配管施工時にも、逆トルクによるボデー１０とキャップ１１との緩みを防止可能になる。

上記構成により、図３におけるキャップ１１の内径（流路径）φＤ３を大径化した場合にも、このキャップ１１の肉厚を十分に確保して強度を向上できるため、ボデー１０の内径（流路径）φＤ２を大径にしたときの大流量化の要求に応じて、この内径φＤ２に比して径の減少を抑えて内径φＤ３を大きく形成できる。この場合、流路２３の外側の対向シール部位１６でガスケット１２を挟圧していることで、このガスケット１２が内径φＤ２よりも外側に外れるため、パーティクルの発生を抑えながら大流量の流体の不純物を除去処理できる。

ボデー１０に対するキャップ１１の緩みを防止したことにより、装着後のスプリング１４の余分な伸長を抑えてこのスプリング１４の弾発力の低下を阻止できる。これにより、フィルタエレメント１３とシール機構１５とのシール力を維持し、開口部４１とパッキン４２との間の隙間の発生を防止して密封シール状態を確保し、例えば、約９９ＭＰａの超高圧水素等の流体が流れる場合であっても、安定確実なフィルタ性能を保持することができる。

ガスケット１２をボデー１０、キャップ１１よりも硬度の小さい材質にした場合には、メンテナンス等でこれらボデー１０とキャップ１１との螺着を外す際に、シール面２５、３５がガスケット１２との面接触により損傷するおそれがないため、ガスケット１２を交換することでシール性能を回復できる。

スプリング１４を介したフィルタエレメント１３の装着構造により、このフィルタエレメント１３の着脱が容易になり、交換や清掃等の保守も簡単になる。
スプリング１４の一端をキャップ１１の流路径φＤ３よりも拡径した段部３８に係合させていることで、高圧流体の圧力が直接スプリング１４の弾発方向に伝わることを防ぎつつ、流路径φＤ３を大きく確保して大流量化できる。スプリング１４の他端をフィルタエレメント１３の有底部４０の外周側位置に弾発接触させていることで、スプリング１４の弾発力をフィルタエレメント１３の円筒部位に直接伝達させて、開口部４１とシール機構１５との圧接力を高めてパッキン４２による密封シール性を向上できる。流路径φＤ２、φＤ３の設計自由度も高くなるため、全体のコンパクト性を維持しながら流路を大きく確保できる。

図４においては、本発明の高圧用フィルタ装置を用いた水素ステーションを示している。水素ステーションは、例えば、蓄圧器７０、圧縮機７１、ディスペンサ７２、プレクール熱交換器７３、迅速継手７４、充填ホース７５、充填ノズル７６、車載タンク７７、高圧用逆止め弁７９を有し、これらは高圧水素の供給ライン７８としてシステムを構成している。

本発明の高圧用フィルタ装置である装置本体９０は、インライン型として、例えば、充填ノズル７６の一次側に設けられるか、或は、供給ライン７８のその他の箇所に設けられる。装置本体９０を設けることで、超高圧流体が流れる場合にも外部漏れを防ぎ、優れたろ過性能を維持できる。

なお、水素ステーションの各ユニットの接続部位には手動弁８１が設けられ、各ユニットの一次側又は二次側に適宜に自動弁８０が設けられている。
蓄圧器７０の内部は、複数のタンクに分かれており、それぞれのタンクと圧縮機７１とを接続する自動弁８０、及びそれぞれのタンクとディスペンサ７２とを接続する自動弁８０を適宜切り替えることにより、所定圧に至ったタンクから水素をディスペンサに供給する一方、所定の下限値圧を下回ったタンクには、圧縮機７１から水素を前記所定圧に至るまで充填する。この水素ステーションに設けられた供給ライン７８において、所定のプログラムによって水素供給が制御され、車両供給量に応じて適宜に水素を供給制御可能になる。

１０ ボデー
１１ キャップ
１２ ガスケット
１３ フィルタエレメント
１４ スプリング
１５ シール機構
１６ 対向シール部位
２０、３０ 管接合部
２２ 円筒空間部
２３ 流路
２５、３５ シール面
２６、３６ エッジシール部
３８ 段部
４０ 有底部
４１ 開口部
４２ パッキン
４３ ホルダ
４４ 流路孔
９０ 装置本体
φＤ３ キャップの流路径

Claims (6)

1. 管接合部を有するボデーと管接合部を有するキャップとを対向シール部位を介して螺着結合し、前記対向シール部位は、前記ボデーと前記キャップとのシール面の内周方向に鈍角のエッジシール部をそれぞれ形成し、この両者のエッジシール部でガスケットを挟圧して構成すると共に、前記ボデーの流路に設けた円筒空間部内に、一次側に有底部を有し、かつ二次側に開口部を有するフィルタエレメントを収納し、このフィルタエレメントは、前記有底部をスプリングで押圧し、かつ前記開口部をシール機構で密封シールしたことを特徴とする高圧用フィルタ装置。
2. 前記スプリングの一端を前記キャップの流路径より拡径した段部に係合し、他端を前記フィルタエレメントの有底部の外周側位置に弾発接触させた請求項１に記載の高圧用フィルタ装置。
3. 前記シール機構は、前記フィルタエレメントの開口部に設けたパッキンとこれを挟圧する流路孔を有するホルダで保持し、前記スプリングの弾発力で密封シールした機構である請求項１又は２に記載の高圧用フィルタ装置。
4. 前記フィルタエレメントは、ステンレス又はステンレス合金製の焼結体である請求項１乃至３の何れか１項に記載の高圧用フィルタ装置。
5. 前記鈍角のエッジシール部は、断面が１６０〜１７８度の山状であり、この山状の間に前記ガスケットを挟圧させた請求項１乃至４の何れか１項に記載の高圧用フィルタ装置。
6. 高圧水素の供給ラインに請求項１乃至５の何れか１項に記載の高圧用フィルタ装置を用いたことを特徴とする水素ステーション。

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