JP6664957B2 - 流量制御弁 - Google Patents

Description

本発明は、弁体の回転中心（回転軸）が弁座の弁孔の中心から偏心して配置され、弁体のシール面が回転軸から偏心して配置される二重偏心弁が構成された流量制御弁に関するものである。

流量制御弁に関して、特許文献１には、弁体が回動して可動シートに接触することで弁閉状態になり、弁体が回動して可動シートから離れることで弁開状態になる流量開閉弁が開示されている。

特開２０１２−７２７９３号公報

しかしながら、特許文献１の流量開閉弁は、駆動源が駆動していない弁閉状態において、弁体が可動シートに接触しているに過ぎない。そのため、弁閉状態において、弁体と可動シートとの間のシール性を確保できない（封止機能が発揮されない）おそれがある。

そこで、本発明は上記した問題点を解決するためになされたものであり、閉弁状態においてシール性を確保できる流量制御弁を提供することを目的とする。

上記課題を解決するためになされた本発明の一形態は、弁孔と前記弁孔の縁部に形成されたシート面を含む弁座と、前記シート面に対応するシール面が外周に形成された弁体と、前記弁体が一体的に設けられ前記弁体を回動させる回転軸と、を有し、前記回転軸の中心軸が前記弁体の径方向と平行に伸びており、前記回転軸の中心軸が前記弁孔の中心から前記弁孔の径方向でかつ前記回転軸の中心軸と垂直な方向に偏心して配置されると共に、前記シール面が前記回転軸の中心軸から前記弁体の中心軸が伸びる方向へ偏心して配置される流量制御弁において、前記回転軸を開弁方向に回転させる駆動力を発生させる駆動機構と、前記回転軸と一体的に設けられ前記駆動力を受給する駆動力受給部と、前記回転軸の中心軸方向について前記弁体と前記駆動力受給部との間の位置に配置され前記回転軸を支持する軸受と、前記回転軸を閉弁方向に回転させるリターンスプリング力を発生させるリターンスプリングと、を有し、前記駆動機構の非駆動時に、前記リターンスプリング力に起因して発生する力であり、かつ、前記軸受の中心軸に対して垂直な方向に作用する力であって、前記軸受を支点として前記回転軸を傾けて前記弁体を前記弁座に向かう方向に付勢し、前記弁体を前記弁座に接触させる弁座方向付勢力を発生させること、を特徴とする。

この態様によれば、駆動機構の非駆動時において流量制御弁が閉弁状態であるときに、リターンスプリング力に起因して発生する弁座方向付勢力により、弁体が弁座に押し当てられるようにして接触する。そのため、流路は、弁座と弁体により封止される。したがって、流量制御弁は、閉弁状態においてシール性を確保できる。

上記の態様においては、前記駆動機構の駆動時に、前記駆動力に起因して発生する力であり、かつ、前記軸受の中心軸に対して垂直な方向に作用する力であって、前記軸受を支点として前記回転軸を傾けて前記弁体を前記弁座から離れる方向に付勢する反弁座方向付勢力を発生させること、が好ましい。

この態様によれば、駆動機構の駆動時に、確実に弁体が弁座から離れた位置で弁開度の制御を行うことができる。そのため、弁座と弁体の接触を低減させながら弁開度の制御を行うことができるので、弁座と弁体におけるシール部分の摩耗を低減できる。

本発明の流量制御弁によれば、閉弁状態においてシール性を確保できる。

本実施形態の流量制御弁の正面図である。 本実施形態の流量制御弁の上面図である。 弁体が弁座に接触した閉弁状態（全閉状態）における弁部を一部破断して示した斜視図である。 弁体が弁座から最も離れた全開状態における弁部を一部破断して示した斜視図である。 流量制御弁が閉弁状態であるときの弁座、弁体及び回転軸を示す側面図である。 図５のＡ−Ａ断面図である。 図１のＢ−Ｂ断面図である。 図１のＣ−Ｃ断面図である。 弁ハウジングからエンドフレームを取り外した状態を示す正面図である。 モータの非駆動時において、メインギヤとリターンスプリングと中間ギヤの周辺の拡大図（一部断面図）である。 モータの非駆動時において、メインギヤに作用する力を示した模式図であり、回転軸の中心軸方向のメインギヤ側から見た図である。 図１１のＤ−Ｄ断面図に相当する図であって、弁座と弁体と回転軸と軸受とメインギヤを表した模式図である。 モータの駆動時において、メインギヤに作用する力を示した模式図であり、回転軸の中心軸方向のメインギヤ側から見た図である。 図１３のＥ−Ｅ断面図に相当する図であって、弁座と弁体と回転軸と軸受とメインギヤを表した模式図である。 図１４に対応する図であって、図１４のときよりもモータ駆動力を大きくしたときを表した図である。 モータの駆動時において、弁開度がαのときのメインギヤとリターンスプリングと中間ギヤの周辺の拡大図（一部断面図）である。 図１５に対応する図であって、図１５のときよりもモータ駆動力を大きくしたときを表した図である。 モータの駆動時において、弁開度がβのときのメインギヤとリターンスプリングと中間ギヤの周辺の拡大図（一部断面図）である。 弁開度と開口面積の関係図である。 燃料電池システムの概略構成図である。

本実施形態の流量制御弁１について説明する。なお、後述するように、流量制御弁１は、例えば、燃料電池システム１０１において、エア系１１３における統合弁１８１（図２０参照）に適用される。

図１と図２に示すように、流量制御弁１は、弁部２と駆動機構部３を備える。弁部２は、内部に流体が流れる流路１１を有する管部１２（図７参照）を備え、流路１１の中には弁座１３、弁体１４及び回転軸１５が配置されている。回転軸１５に対しては、駆動機構部３から駆動力（回転力）が伝えられる。駆動機構部３は、モータ３２と減速機構３３（図７や図８参照）を備えている。

なお、後述するように流量制御弁１が燃料電池システム１０１におけるエア系１１３の統合弁１８１に適用される場合においては、流量制御弁１による制御対象の流体はエア（空気）となる。

図３と図４に示すように、流路１１には段部１０が形成され、その段部１０に弁座１３が組み込まれている。弁座１３は、円環状をなし、中央に弁孔１６を有する。弁孔１６の縁部には、環状のシート面１７が形成されている。弁体１４は、円板状の部分を備え、その外周には、シート面１７に対応する環状のシール面１８が形成されている。弁体１４は、回転軸１５に一体的に設けられ、回転軸１５と一体的に回動する。

本実施形態では、図３と図４において、弁座１３に対して弁体１４や回転軸１５とは反対側に形成される流路１１が流体の流れの上流側に配置され、弁座１３に対して弁体１４や回転軸１５側に形成される流路１１が流体の流れの下流側に配置されている。すなわち、本実施形態では、流体は、流路１１内において、弁座１３側から弁体１４（回転軸１５）側に向かって流れる。

なお、流体の流れ方向は特に限定されず、流量制御弁１の使用用途に応じて、流体は、流路１１内において、弁体１４（回転軸１５）側から弁座１３側に向かって流れるとしてもよい。

図５と図６に示すように、回転軸１５の中心軸Ｌｓは、弁体１４の径方向（詳しくは、弁体１４の円板状の部分の径方向）と平行に伸び、弁孔１６の中心軸Ｐ１から弁孔１６の径方向へ偏心して配置されると共に、弁体１４のシール面１８が回転軸１５の中心軸Ｌｓから弁体１４の中心軸Ｌｖが伸びる方向へ偏心して配置されている。このようにして、弁部２は、二重偏心弁により構成されている。

また、弁体１４を回転軸１５の中心軸Ｌｓを中心に回動させることにより、弁体１４のシール面１８が、弁座１３のシート面１７に面接触する閉弁位置（図３参照）とシート面１７から最も離れる全開位置（図４参照）との間で移動可能となっている。

図７と図８に示すように、金属製又は合成樹脂製の弁ハウジング３５は、流路１１及び管部１２を備えている。また、金属製又は合成樹脂製のエンドフレーム３６は、弁ハウジング３５の開口端を閉鎖している。弁体１４及び回転軸１５は、弁ハウジング３５内に設けられている。回転軸１５は、その先端部にピン１５ａを備えている。このように、ピン１５ａは、回転軸１５の中心軸Ｌｓ方向の一方（弁体１４側）の端部に設けられている。ピン１５ａの径は、回転軸１５におけるピン１５ａ以外の部分の径よりも小さい。なお、回転軸１５の中心軸Ｌｓ方向の他方（メインギヤ４１側）の端部には、基端部１５ｂが設けられている。

回転軸１５は、ピン１５ａがある先端側を自由端とし、その先端部が管部１２の流路１１に挿入されて配置されている。また、回転軸１５は、互いに離れて配置された２つの軸受である第１軸受３７と第２軸受３８を介して弁ハウジング３５に対し回転可能に片持ち支持されている。第１軸受３７と第２軸受３８は、ともにボールベアリングにより構成されている。第１軸受３７と第２軸受３８は、回転軸１５の中心軸Ｌｓ方向について弁体１４とメインギヤ４１との間の位置に配置され、回転軸１５を回転可能に支持している。本実施形態では、第１軸受３７が、第２軸受３８に対してメインギヤ４１側の位置に配置されている。弁体１４は、回転軸１５の先端部に形成されたピン１５ａに対して溶接触により固定され、流路１１内に配置されている。

エンドフレーム３６は、弁ハウジング３５に対し複数のクリップ３９（図１と図２を参照）により固定されている。図７と図８に示すように、回転軸１５の基端部１５ｂには、扇形ギヤを備えるメインギヤ４１が固定されている。弁ハウジング３５とメインギヤ４１との間には、リターンスプリング力Ｆｓ１（図１１参照）を発生させるリターンスプリング４０が設けられている。リターンスプリング力Ｆｓ１は、回転軸１５を閉弁方向に回転させる力であって、弁体１４を閉方向（後述する弁開度θが「０」になる方向）へ付勢する力である。

リターンスプリング４０は、線材がコイル状に巻かれて形成された弾性体である。リターンスプリング４０は、その線材の両端部において、図１０に示すように、奥側フック４０ａと、手前側フック４０ｂを備えている。奥側フック４０ａと手前側フック４０ｂは、リターンスプリング４０の周方向について約１８０°離れた位置に配置されている。奥側フック４０ａは、弁ハウジング３５側（図１０の紙面奥側）に配置され、弁ハウジング３５のスプリングフック部３５ｃ（図１８参照）に接触している。一方、手前側フック４０ｂは、メインギヤ４１側（図１０の紙面手前側）に配置され、メインギヤ４１のスプリングフック部４１ｃに接触している。

また、図７〜図１０に示すように、メインギヤ４１は、全閉ストッパ部４１ａと、歯車部４１ｂと、スプリングフック部４１ｃと、スプリングガイド部４１ｄなどを備えている。そして、メインギヤ４１の周方向（図１０の反時計方向）について、順に、全閉ストッパ部４１ａ、歯車部４１ｂ、スプリングフック部４１ｃが形成されている。メインギヤ４１は、回転軸１５と一体的に設けられ、モータ３２で発生する駆動力を受給する。全閉ストッパ部４１ａは、弁開度θが「０」であるときに、弁ハウジング３５の全閉ストッパ部３５ｂに接触する部分である。なお、メインギヤ４１は、本発明における「駆動力受給部」の一例である。

なお、弁開度θは、回転軸１５が中心軸Ｌｓを中心に回転したときの回転軸１５の回転角度であり、メインギヤ４１の回転角度や弁体１４の開度に相当するものである。そして、弁開度θが「０」であるときとは、言い換えると、回転軸１５の回転角度が回転軸１５の回転範囲内における最小角度であるときである。図７〜図１０は、弁開度θが「０」であるときを示している。

図１０に示すように、歯車部４１ｂは、中間ギヤ４２の小径ギヤ４２ｂと噛み合っている。スプリングフック部４１ｃは、リターンスプリング４０の手前側フック４０ｂに接触しており、手前側フック４０ｂからリターンスプリング力Ｆｓ１が加えられている（図１１参照）。

図８に示すように、スプリングガイド部４１ｄは、コイル状のリターンスプリング４０の内部に配置され、リターンスプリング４０を支持している。また、スプリングガイド部４１ｄは、回転軸１５における基端部１５ｂ側の部分にて、回転軸１５と一体的に設けられている。

図８に示すように、メインギヤ４１は、凹部４１ｅを備え、その凹部４１ｅに略円板形状をなす磁石４６が収容されている。そのため、メインギヤ４１が弁体１４及び回転軸１５と一体に回転することにより、磁石４６は回転し、磁石４６の磁界が変化する。そして、その磁石４６の磁界の変化を回転角度センサ（不図示）により検知することにより、メインギヤ４１の回転角度を弁体１４の開度として検出するようになっている。

図７に示すように、モータ３２は、弁ハウジング３５に形成された収容凹部３５ａに収容されて固定されている。モータ３２は、回転軸１５を開弁、および、閉弁方向に回転させる駆動力を発生させる。モータ３２は、弁体１４を開閉駆動するために減速機構３３を介して回転軸１５に駆動力が伝達されるようにして連結されている。すなわち、モータ３２の出力軸３２ａ（図９参照）には、モータギヤ４３が固定されている。このモータギヤ４３は、中間ギヤ４２を介してメインギヤ４１に駆動力が伝達されるようにして連結されている。

中間ギヤ４２は、大径ギヤ４２ａと小径ギヤ４２ｂを有する二段ギヤであり、ピンシャフト４４を介して弁ハウジング３５に回転可能に支持されている。大径ギヤ４２ａの直径は、小径ギヤ４２ｂの直径よりも大きい。大径ギヤ４２ａには、モータギヤ４３が駆動連結され、小径ギヤ４２ｂには、メインギヤ４１が駆動連結されている。本実施形態では、減速機構３３を構成するメインギヤ４１と中間ギヤ４２とモータギヤ４３は、樹脂により形成されている。このようにして、本実施形態では、軽量化を図っている。

なお、モータ３２は、本発明における「駆動機構」の一例である。また、中間ギヤ４２（駆動伝達部）は、モータ３２の駆動力を回転軸１５に伝達する。

詳しくは後述するが、このような構成の流量制御弁１は、図３に示すような閉弁状態（弁体１４のシール面１８の全周と弁座１３のシート面１７の全周とが接触している状態）から、モータ３２に通電させると、メインギヤ４１にギヤ歯を押す力（モータ駆動力Ｆｍ１（図１３参照））が加わり、てこの原理により弁体１４を弁座１３から離れる方向へ移動させる（図１４参照）。その後、モータ３２に印加させる駆動電圧（電流）が徐々に大きくなると、出力軸３２ａとモータギヤ４３が正方向（弁体１４を開弁させる方向）へ回転して、その回転が中間ギヤ４２により減速されてメインギヤ４１に伝達される。そして、リターンスプリング４０により発生する力であって閉弁方向へ付勢するリターンスプリング力Ｆｓ１に抗して、弁体１４が開弁して流路１１が開かれる（図１５と図１７参照）。その後、弁体１４が開弁する途中でモータ３２に印加させる駆動電圧が一定に維持されると、そのときの弁体１４の開度にてモータ駆動力Ｆｍ１とリターンスプリング力Ｆｓ１とが均衡して、弁体１４は所定開度に保持される。

そこで、本実施形態における流量制御弁１の作用について詳細に説明する。まず、モータ３２へ通電がなされていないモータ３２の非駆動時（モータ３２が停止しているとき）には、弁開度θが「０」の状態、すなわち、流量制御弁１が閉弁状態である。そして、このとき、図１０に示すように、メインギヤ４１の全閉ストッパ部４１ａは、弁ハウジング３５の全閉ストッパ部３５ｂに接触している。

このとき、回転軸１５の周方向についての力関係を考えると、図１１に示すように、メインギヤ４１のスプリングフック部４１ｃには、リターンスプリング４０の手前側フック４０ｂからリターンスプリング力Ｆｓ１が加わっている。なお、図１１に示すように、回転軸１５の中心軸Ｌｓを原点とし、ｘ軸を水平方向とし、ｙ軸を鉛直方向とする直交座標系において、＋ｘ方向かつ＋ｙ方向を第１象限、−ｘ方向かつ＋ｙ方向を第２象限、−ｘ方向かつ−ｙ方向を第３象限、＋ｘ方向かつ−ｙ方向を第４象限とする。このとき、奥側フック４０ａおよび全閉ストッパ部４１ａは第１象限に位置するように配置され、手前側フック４０ｂおよびスプリングフック部４１ｃは第３象限に位置するように配置されている。

このとき、回転軸１５の中心軸Ｌｓ方向に沿った断面における力関係を考えると、図１２に示すように、メインギヤ４１にリターンスプリング力Ｆｓ１の＋ｙ方向（図１２の矢印方向）成分の力が作用する。なお、＋ｙ方向とは、第１軸受３７や第２軸受３８の中心軸Ｌｊ方向（ｘ方向）に対して垂直な方向であって、弁体１４に対して弁座１３とは反対方向（図１１や図１２の図面上方向）である。

このようにメインギヤ４１にリターンスプリング力Ｆｓ１の＋ｙ方向成分の力が作用することにより、メインギヤ４１と一体の回転軸１５は、第１軸受３７を支点に、図１２における時計回りに回転して傾く。これにより、てこの原理により、回転軸１５の基端部１５ｂに設けられるメインギヤ４１は＋ｙ方向に移動する一方で、回転軸１５のピン１５ａに設けられる弁体１４は−ｙ方向に移動する。そのため、弁体１４は、弁座１３に向かう方向（弁座方向）に移動する。このようにして、モータ３２の非駆動時であって、流量制御弁１が閉弁状態にあるときに、弁体１４は、リターンスプリング力Ｆｓ１の＋ｙ方向成分の力により、弁座１３に押し当てられるようにして接触（着座）する。なお、このとき、回転軸１５は、第２軸受３８により制止される。

また、このとき、弁開度θと開口面積Ｓの関係を示す図１９において、点Ｐ１ａの位置に存在する。ここで、「流量制御弁１が閉弁状態であるとき」とは、弁開度θ（弁体１４の開度）が「０」のときであり、言い換えると、回転軸１５の回転角度が閉弁時の角度（回転軸１５の回転範囲内における最小角度）であるときである。

その後、モータ３２へ通電がなされるモータ３２の駆動時には、中間ギヤ４２の小径ギヤ４２ｂ（図１０参照）からメインギヤ４１の歯車部４１ｂ（図１０参照）に対して当該メインギヤ４１を回転させようとするモータ駆動力Ｆｍ１が作用する。このとき、回転軸１５の周方向についての力関係を考えると、図１３に示すように、モータ駆動力Ｆｍ１は、−ｙ方向に作用する。なお、−ｙ方向とは、第１軸受３７や第２軸受３８の中心軸Ｌｊ方向（ｘ方向）に対して垂直な方向であって、弁体１４に対して弁座１３が配置される方向（図１１や図１２の図面下方向）である。

そして、メインギヤ４１に対して−ｙ方向に作用するモータ駆動力Ｆｍ１がリターンスプリング力Ｆｓ１の＋ｙ方向成分の力よりも大きくなると、図１４に示すように、メインギヤ４１と一体の回転軸１５は、第１軸受３７を支点に図１４における反時計回りに回転して傾く。これにより、てこの原理により、メインギヤ４１は−ｙ方向に移動する一方で、弁体１４は＋ｙ方向に移動する。このようにして、弁体１４は、モータ駆動力Ｆｍ１により、弁座１３から離れる方向（反弁座方向）に移動する。なお、このとき、弁開度θと開口面積Ｓの関係を示す図１９において、点Ｐ１ｂの位置に存在する。

その後、モータ３２に印加させる駆動電圧が大きくなってモータ駆動力Ｆｍ１が大きくなると、回転軸１５は、第１軸受３７を支点に図１５における反時計回りにさらに回転して傾く。これにより、メインギヤ４１は−ｙ方向にさらに移動する一方で、弁体１４は＋ｙ方向にさらに移動する。このとき、回転軸１５は中心軸Ｌｓを中心に回転し、弁開度θ（回転軸１５の回転角度）が「α」になり（図１６参照）、開口面積Ｓが増加する。そして、このとき、図１６に示すように、メインギヤ４１の全閉ストッパ部４１ａは、弁ハウジング３５の全閉ストッパ部３５ｂから離れる。なお、図１５に示すように、回転軸１５は、第２軸受３８により制止される。そのため、弁体１４は、弁座１３から微少量だけ離れた位置に配置される。また、このとき、弁開度θと開口面積Ｓの関係を示す図１９において、点Ｐ１ｃの位置に存在する。

その後、モータ駆動力Ｆｍ１がさらに大きくなると、回転軸１５は中心軸Ｌｓを中心にさらに回転し、図１７に示すように、弁体１４が弁座１３からさらに離れて、開口面積Ｓがさらに増加する。このとき、弁開度θが「β」になる（図１８参照）。また、このとき、弁開度θと開口面積Ｓの関係を示す図１９において、点Ｐ１ｄの位置に存在する。以上のようにして、モータ駆動力Ｆｍ１による流量制御弁１の開弁動作が行われる。

なお、本実施形態では、流量制御弁１は、第１軸受３７と第２軸受３８の２つの軸受を有しているが、第１軸受３７と第２軸受３８の代わりに１つの軸受を有していてもよく、また、３つ以上の軸受を有していてもよい。

以上のような本実施形態の流量制御弁１は、モータ３２の非駆動時に、リターンスプリング力Ｆｓ１の＋ｙ方向成分の力を発生させる。このリターンスプリング力Ｆｓ１の＋ｙ方向成分の力は、リターンスプリング力Ｆｓ１に起因して発生する力であり、かつ、第１軸受３７の中心軸Ｌｊに対して垂直な方向に作用する力である。そして、リターンスプリング力Ｆｓ１の＋ｙ方向成分の力は、第１軸受３７を支点として回転軸１５を回転させて傾けて、弁体１４を弁座１３に向かう方向に付勢し、弁体１４を弁座１３に接触させる。

これにより、モータ３２の非駆動時において流量制御弁１が閉弁状態であるときに、リターンスプリング力Ｆｓ１の＋ｙ方向成分の力により、弁体１４が弁座１３に押し当てられるようにして接触する。そのため、流路１１は、弁座１３と弁体１４により封止される。したがって、流量制御弁１は、閉弁状態においてシール性を確保できる（封止機能を発揮できる）。

また、本実施形態では、モータ３２の非駆動時に、リターンスプリング力Ｆｓ１のみが作用するので、第１軸受３７を支点として回転軸１５を回転させて傾けたとしても、第１軸受３７に作用する力は小さい。そのため、第１軸受３７が受けるダメージは少ない。

また、本実施形態では、モータ３２の駆動時に、モータ駆動力Ｆｍ１を発生させる。このモータ駆動力Ｆｍ１は、第１軸受３７の中心軸Ｌｊに対して垂直な方向に作用する力である。そして、モータ駆動力Ｆｍ１は、第１軸受３７を支点として回転軸１５を回転させて傾けて、弁体１４を弁座１３から離れる方向に付勢する。

これにより、モータ３２の駆動時に、確実に弁体１４が弁座１３から離れた位置で弁開度θの制御を行うことができる。そのため、弁座１３と弁体１４の接触を低減しながら弁開度θの制御を行うことができるので、弁座１３と弁体１４における互いに接触する部分（シール部分）の摩耗を低減できる。

また、流量制御弁１は、モータ３２とメインギヤ４１との間に配置される中間ギヤ４２を有する。そして、中間ギヤ４２は、モータ３２の駆動力をモータ３２からメインギヤ４１へ伝達する。

これにより、中間ギヤ４２にてモータ３２から受けた駆動力を増大させて伝達させることが可能になるので、モータ３２にて発生させる駆動力を小さくできる。そのため、モータ３２の小型化が可能になる。

次に、本実施形態の流量制御弁１の適用例について説明する。本実施形態の流量制御弁１は、例えば、以下に説明する燃料電池システム１０１において、エア系１１３における統合弁１８１に適用される。そこで、燃料電池システム１０１について説明する。

燃料電池システム１０１は、電動自動車に搭載され、その駆動用モータ（図示略）に電力を供給するために使用される。燃料電池システム１０１は、燃料電池（ＦＣスタック）１１１と、水素系１１２と、エア系１１３を有する。

燃料電池１１１は、燃料ガスの供給と酸化剤ガスの供給を受けて発電を行う。本実施形態では、燃料ガスは水素ガスであり、酸化剤ガスはエアである。すなわち、燃料電池１１１は、水素系１１２からの水素ガスの供給と、エア系１１３からのエアの供給を受けて発電を行う。そして、燃料電池１１１で発電された電力は、インバータ（図示略）を介して駆動用モータ（図示略）に供給される。

水素系１１２は、燃料電池１１１のアノード側に設けられている。この水素系１１２は、水素供給通路１２１、水素排出通路１２２、充填通路１２３を備えている。水素供給通路１２１は、水素タンク１３１から燃料電池１１１へ水素ガスを供給するための通路である。水素排出通路１２２は、燃料電池１１１から排出される水素ガス（以下、適宜、「水素オフガス」という。）を排出するための通路である。充填通路１２３は、充填口１５１から水素タンク１３１に水素ガスを充填するための通路である。

水素系１１２は、水素供給通路１２１において、水素タンク１３１側から順に、主止弁１３２、高圧レギュレータ１３３、中圧リリーフ弁１３４、圧力センサ１３５、インジェクタ部１３６、低圧リリーフ弁１３７、圧力センサ１３８を備えている。主止弁１３２は、水素タンク１３１から水素供給通路１２１への水素ガスの供給と遮断を切り換える弁である。高圧レギュレータ１３３は、水素ガスを減圧するための圧力調整弁である。中圧リリーフ弁１３４は、水素供給通路１２１における高圧レギュレータ１３３とインジェクタ部１３６の間の圧力が所定圧力以上になると開弁して圧力を所定圧力未満に調整する弁である。圧力センサ１３５は、水素供給通路１２１における高圧レギュレータ１３３とインジェクタ部１３６の間の圧力を検出するセンサである。インジェクタ部１３６は、水素ガスの流量を調節する機構である。低圧リリーフ弁１３７は、水素供給通路１２１におけるインジェクタ部１３６と燃料電池１１１の間の圧力が所定圧力以上になると開弁して圧力を所定圧力未満に調整する弁である。圧力センサ１３８は、水素供給通路１２１におけるインジェクタ部１３６と燃料電池１１１の間の圧力を検出するセンサである。

また、水素系１１２は、水素排出通路１２２において、燃料電池１１１側から順に、気液分離器１４１、排気排水弁１４２が配置されている。気液分離器１４１は、水素オフガス内の水分を分離する機器である。排気排水弁１４２は、気液分離器１４１からエア系１１３の希釈器１８２への水素オフガスや水分の排出と遮断を切り換える弁である。

エア系１１３は、燃料電池１１１のカソード側に設けられている。このエア系１１３は、エア供給通路１６１、エア排出通路１６２、バイパス通路１６３を備えている。エア供給通路１６１は、燃料電池システム１０１の外部から燃料電池１１１へ、エアを供給するための通路である。エア排出通路１６２は、燃料電池１１１から排出されるエア（以下、適宜、「エアオフガス」という。）を排出するための通路である。バイパス通路１６３は、エア供給通路１６１から燃料電池１１１を介さずにエア排出通路１６２へ、エアを流すための通路である。

エア系１１３は、エア供給通路１６１において、エアクリーナ１７１側から順に、エアポンプ１７２、インタークーラ１７３、封止弁１７４を備えている。エアクリーナ１７１は、燃料電池システム１０１の外部から取り込んだエアを清浄化する機器である。エアポンプ１７２は、エアの流量を調整する機器である。インタークーラ１７３は、エアを冷却する機器である。封止弁１７４は、燃料電池１１１へのエアの供給と遮断を切り換える弁である。

また、エア系１１３は、エア排出通路１６２において、燃料電池１１１側から順に、統合弁１８１、希釈器１８２が配置されている。

統合弁１８１は、燃料電池１１１からのエアオフガスの排出と遮断を切り換える弁（エアの封止機能を備えた弁）であるとともに、燃料電池１１１からのエアオフガスの排出量を制御する弁（流量の制御機能を備えた弁）である。そして、本実施形態では、統合弁１８１として、前記の流量制御弁１を適用する。このとき、前記の図３と図４において、弁座１３に対して弁体１４や回転軸１５とは反対側に形成される流路１１が燃料電池１１１側に配置され、弁座１３に対して弁体１４や回転軸１５側に形成される流路１１が希釈器１８２側に配置されている。すなわち、本実施形態では、エアは、統合弁１８１の流路１１内において、弁座１３側から弁体１４（回転軸１５）側に向かって流れる。

希釈器１８２は、エアオフガス及びバイパス通路１６３を流れるエアにより、水素排出通路１２２から排出される水素オフガスを希釈する機器である。

また、エア系１１３は、バイパス通路１６３において、バイパス弁１９１を備えている。バイパス弁１９１は、バイパス通路１６３におけるエアの流量を制御する弁である。

また、燃料電池システム１０１は、システムの制御を司るコントローラ２０１を備えている。コントローラ２０１は、燃料電池システム１０１に備わる各機器を制御する。なお、燃料電池システム１０１は、その他、燃料電池１１１の冷却を行う冷却系（不図示）も有する。

以上のような構成の燃料電池システム１０１において、水素供給通路１２１から燃料電池１１１に供給された水素ガスは、燃料電池１１１にて発電に使用された後、燃料電池１１１から水素オフガスとして水素排出通路１２２と希釈器１８２を介して、燃料電池システム１０１の外部に排出される。また、エア供給通路１６１から燃料電池１１１に供給されたエアは、燃料電池１１１にて発電に使用された後、燃料電池１１１からエアオフガスとしてエア排出通路１６２と希釈器１８２を介して、燃料電池システム１０１の外部に排出される。

そして、このような燃料電池システム１０１において、エア系１１３における統合弁１８１に本実施形態の流量制御弁１を適用すれば、例えば燃料電池１１１の発電が停止しているときにおいて、統合弁１８１（流量制御弁１）のモータ３２を駆動させないで統合弁１８１を閉弁させるときに、前記のリターンスプリング力Ｆｓ１の＋ｙ方向（図１２の矢印方向）成分の力（図１２参照）が発生する。これにより、統合弁１８１は、閉弁状態においてシール性を確保できる。そのため、燃料電池１１１の発電が停止しているときにおいて、燃料電池１１１の密閉度が高くなるので、燃料電池１１１内で反応が起こり難くなり、燃料電池１１１内での酸化による劣化を抑制できる。

また、モータ３２を駆動させていないときに、弁体１４が弁座１３に接触しているので、例えば燃料電池１１１の発電が停止した後、弁体１４に対して燃料電池１１１側の圧力が負圧に降下しても、その発生した負圧により、弁体１４が弁座１３に押し当てられる。そのため、統合弁１８１は、閉弁状態においてシール性を継続できる。

また、モータ３２を駆動させていないときに、リターンスプリング力Ｆｓ１のみが作用するので、仮に統合弁１８１が閉故障（閉弁状態のままで開弁できない故障）となったときでも、エアポンプ１７２を駆動させて燃料電池１１１内の圧力（スタック圧）を高めれば、弁体１４は弁座１３から離れるので、統合弁１８１においてエアを流すことができる。そして、このようにして、統合弁１８１が閉故障となったときでも、燃料電池システム１０１が搭載された車両を退避走行させることができる。

また、例えば燃料電池１１１にて発電を行うために、封止弁１７４と統合弁１８１を開弁させて燃料電池１１１にエアを供給するときに、統合弁１８１（流量制御弁１）のモータ３２を駆動させるが、このとき、前記のモータ駆動力Ｆｍ１（図１３等参照）が発生する。これにより、統合弁１８１において、弁体１４が弁座１３から離れた位置で弁開度θの制御を行うことができる。そのため、弁座１３と弁体１４の接触を低減しながら弁開度θの制御を行うことができるので、弁座１３と弁体１４における互いに接触する部分（シール部分）の摩耗を低減できる。

なお、本実施形態の流量制御弁１は、燃料電池システム１０１において、エア系１１３における封止弁１７４やバイパス弁１９１にも適用できる。

なお、上記した実施の形態は単なる例示にすぎず、本発明を何ら限定するものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能であることはもちろんである。例えば、回転軸１５は、第１軸受３７と弁体１４の反対側に別途設けられる軸受（不図示）とにより両持ち支持されていてもよい。

１ 流量制御弁
２ 弁部
３ 駆動機構部
１１ 流路
１３ 弁座
１４ 弁体
１５ 回転軸
１５ａ ピン
１５ｂ 基端部
１６ 弁孔
１７ シート面
１８ シール面
３２ モータ
３５ｂ 全閉ストッパ部
３５ｃ スプリングフック部
３７ 第１軸受
３８ 第２軸受
４０ リターンスプリング
４０ａ 奥側フック
４０ｂ 手前側フック
４１ メインギヤ
４１ａ 全閉ストッパ部
４１ｂ 歯車部
４１ｃ スプリングフック部
４１ｄ スプリングガイド部
１０１ 燃料電池システム
１１１ 燃料電池
１１２ 水素系
１１３ エア系
１６２ エア排出通路
１７４ 封止弁
１８１ 統合弁
１９１ バイパス弁
Ｌｓ （回転軸の）中心軸
Ｌｖ （弁体の）中心軸
Ｌｊ （軸受の）中心軸
Ｆｓ１ リターンスプリング力
Ｆｍ１ モータ駆動力
θ 弁開度

Claims (2)

1. 弁孔と前記弁孔の縁部に形成されたシート面を含む弁座と、
   前記シート面に対応するシール面が外周に形成された弁体と、
   前記弁体が一体的に設けられ前記弁体を回動させる回転軸と、を有し、
   前記回転軸の中心軸が前記弁体の径方向と平行に伸びており、前記回転軸の中心軸が前記弁孔の中心から前記弁孔の径方向でかつ前記回転軸の中心軸と垂直な方向に偏心して配置されると共に、前記シール面が前記回転軸の中心軸から前記弁体の中心軸が伸びる方向へ偏心して配置される流量制御弁において、
   前記回転軸を開弁方向に回転させる駆動力を発生させる駆動機構と、
   前記回転軸と一体的に設けられ前記駆動力を受給する駆動力受給部と、
   前記回転軸の中心軸方向について前記弁体と前記駆動力受給部との間の位置に配置され
   前記回転軸を支持する軸受と、
   前記回転軸を閉弁方向に回転させるリターンスプリング力を発生させるリターンスプリ
   ングと、を有し、
   前記駆動機構の非駆動時に、前記リターンスプリング力に起因して発生する力であり、
   かつ、前記軸受の中心軸に対して垂直な方向に作用する力であって、前記軸受を支点とし
   て前記回転軸を傾けて前記弁体を前記弁座に向かう方向に付勢し、前記弁体を前記弁座に
   接触させる弁座方向付勢力を発生させること、
   を特徴とする流量制御弁。
2. 請求項１の流量制御弁において、
   前記駆動機構の駆動時に、前記駆動力に起因して発生する力であり、かつ、前記軸受の中心軸に対して垂直な方向に作用する力であって、前記軸受を支点として前記回転軸を傾けて前記弁体を前記弁座から離れる方向に付勢する反弁座方向付勢力を発生させること、
   を特徴とする流量制御弁。

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