JP6876741B2 - 高圧レギュレータ用内部リーク防止のための圧力制御方法及び高圧遮断弁 - Google Patents

Description

本発明は、高圧レギュレータ用内部リーク防止のための圧力制御方法及び高圧遮断弁に係り、より詳しくは、ガス貯蔵容器のバルブが遮断されて、高圧燃料ライン上に残留する高圧ガスにより、高圧ガスが流入又は排出される高圧レギュレータの前段部と後段部の圧力差によって生じる内部リークの発生を極少化し、且つ、高圧レギュレータの流入ポート及び高圧燃料ラインの直結が容易に行えるようにした高圧レギュレータ用内部リーク防止のための圧力制御方法及び高圧遮断弁に関する。

一般に、水素燃料電池車両（Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ、ＦＣＥＶ）は、スタックにて酸素と水素を用いて、電気化学的に電気を発生させ、燃料の化学エネルギーを直接電気エネルギーに変化させて動力源として用いる。
このような水素燃料電池車両は、燃料と空気を外部から供給することにより、電池の容量によらず、続けて発電することができ、効率が高く、汚染物質を殆ど排出しない理想的な技術であって、現在、多くの開発の記載試みがなされている。

水素燃料電池車両は、燃料タンクより高圧レギュレータと低圧レギュレータを経て、スタックに水素燃料を供給し、水素ブロワは、低圧レギュレータに連結されたポンプ及び各種のバルブを含む。
また、水素燃料電池車両は、急速解氷水槽、電動水ポンプ、サーモスタット、スタック冷却用ラジエータ、エアコンコンデンサ、電動式冷媒圧縮機、水槽、加湿器、駆動モータ、各種のコントローラ、空気ブロワ、及び空気フィルターなどを更に含む。

水素燃料電池車両の燃料供給系統は、一般のガソリン及びディーゼル車両のエンジンに該当するもので、車両の前側上部に位置する。
また、水素燃料電池車両に適用される通常の高圧レギュレータは、７００ｂａｒ程度の高圧水素を取り扱うので、安定した排出圧力、十分な耐圧性、及び内部気密性が非常に重要である。

このような高圧レギュレータには、誤作動による過圧の生成時、過圧を解消する過圧解消弁と、内部の燃料を放出する燃料放出弁とが装着される。
ここで、高圧レギュレータの前段部は、ガス貯蔵タンクと高圧燃料ラインで連結されているが、ガス貯蔵容器を遮断すると、高圧燃料ラインに高圧の燃料が過多に残存することになり、高圧レギュレータの内部高圧シーリング部に高圧の圧力が過多に集中される。

従来の高圧レギュレータの前段部と後段部における圧力差と体積は、図７の表のように測定される。
すなわち、表の第１列に示したとおり前段部の圧力は、７００ｂａｒ、体積は、２９ｃｃ（ｃｍ^３）であり、後段部の圧力は、１６ｂａｒ、体積は、２２０ｃｃ（ｃｍ^３）であり、クリープ圧力は、９５ｂａｒであると予想される。

それによって、高圧シーリング部の微細リークにより、後段部の排出ポート側に、圧力生成と共に圧力が上昇することになり、これは、リリーフ弁の作動で、高圧レギュレータの外部にガスが漏れることによって、車両の始動が不可能になる不都合と共に、危ない状況を誘発する原因となっている。
上記のとおり、高圧レギュレータに関する先行技術としては、特許文献１〜４などがある（以下、「先行技術文献１」という）。

しかし、先行技術文献１は、上記のとおり、ガス貯蔵容器を遮断すると、高圧燃料ラインに高圧の燃料が過多に残存することは勿論、高圧レギュレータ内の高圧シーリング部に高圧の圧力が過多に形成され、高圧シーリング部の微細リークによって、排出ポート側に、圧力生成と共に圧力が上昇することになり、結果として、リリーフ弁の作動で、高圧レギュレータの外部にガスが漏れることになり、危ない状況を誘発する問題点をそのまま継続する。
このような問題点を解決するために、従来にも、レギュレータの圧力を調節するための先行技術を特許文献５〜７などで提案されている（以下、「先行技術文献２」という）。
しかし、先行技術文献２は、レギュレータと連結される各ラインの圧力を除去するためのものであって、レギュレータの前段部と後段部の圧力差によって内部で発生するリークを防止することができない、すなわち、レギュレータの内部圧力を調節することができないという不都合を有している。

大韓民国登録特許公報第１０−０９３８１５１号 大韓民国登録特許公報第１０−１４５７１２５号 大韓民国登録特許公報第１０−１８７７２９３号 大韓民国公開特許公報第１０−２０１８−００４００１０号 大韓民国公開特許公報第１０−１９９８−０００２７１０号 大韓民国登録特許公報第１０−０８９８２０４号 大韓民国登録特許公報第１０−１５４９４８０号

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであって、その目的とするところは、ガス貯蔵タンクのバルブが遮断され、高圧燃料ライン上に残留する高圧ガスによって、高圧ガスが流入又は排出される高圧レギュレータの前段部と後段部の圧力差によって生じる内部リークの発生を極少化し、且つ、高圧レギュレータの流入ポート及び高圧燃料ラインとの直結が容易に行われるようにした高圧レギュレータ用内部リーク防止のための圧力制御方法及び高圧遮断弁を提供することにある。
本発明の他の目的とするところは、高圧レギュレータと連結される流入ポートにおいて、高い気密性を維持することにある。

上記の技術的課題を解決するための本発明の高圧レギュレータ用内部リーク防止のための圧力制御方法は、圧力を測定する圧力センサと、圧力センサによって測定される圧力を制御する制御部とを含む高圧レギュレータの前段部には、高圧が維持され、高圧レギュレータの後段部には、低圧が維持される状態で、圧力センサが、前段部の圧力と後段部の圧力を測定するステップと、制御部が、前段部の圧力と前段部の体積の積と、後段部の圧力と後段部の体積の積との和を、前段部の体積と後段部の体積の和で除して、クリープ圧力を計算するステップと、制御部が、クリープ圧力とリリーフ弁の設定圧力を比較して、前段部の体積を調節するステップとを含み、前段部の体積を調節するステップにおいて、クリープ圧力がリリーフ弁の設定圧力よりも大きいと、制御部は、前段部の体積を制限して、前段部の体積と後段部の体積の比が小さいように制御することを特徴とする。

前段部の体積を調節するステップは、ガス貯蔵タンクの高圧燃料ラインが連結される高圧レギュレータの前段部である流入ポートの間に設けられる遮断弁によって調節されることが好ましい。
前段部の体積と後段部の体積は、１：１６９であることがよい。

上記の技術的課題を解決するための本発明は、ガス貯蔵タンクに連結される高圧燃料ラインと高圧レギュレータの間に設けられる高圧遮断弁であって、高圧遮断弁は、外部の一側に接続端子が設けられ、内部にコイルが巻き取られたボビンを含む本体ハウジングと、本体ハウジングの先端に、一端は、高圧レギュレータの流入ポートの流入チャンバに結合固定され、他端は、本体ハウジングに挿入固定され、内部に往復可能に設けられて、流入ポート内の流入口を開閉するように流入通路が形成されるプランジャーを含む結合固定部材と、本体ハウジングの他端に、一端が、該当本体ハウジングの内部に挿入固定され、他端は、本体ハウジングの外部に突出して、高圧燃料ラインが締結固定され、内部に供給通路が形成される連結固定部とを含むことを特徴とする。

結合固定部材の流入ポートの入口と当接する位置の外側には、更に気密のための第１の気密リングが固定される。
プランジャーは、先端に流入口を開閉する開閉口と、内部に流入通路が形成されて、開閉口と結合固定されて往復されるプランジャーロッドとを含み、プランジャーロッドと連結固定部の間にバネが介在されることが好ましい。

開閉口は、流入口と対応する円錐形状からなり、外側面に、更に気密のための第２の気密リングが結合固定されることができる。
流入通路は、バネの一側が挿入されて、供給通路と対応する通路と、流入チャンバ側に、該当流入チャンバと連結されるように、通路と連結される複数の流入孔とを含むことが好ましい。

本発明は、ガス貯蔵タンクのバルブが遮断されて、高圧燃料ライン上に残留する高圧ガスによって、該当高圧ガスが流入又は排出される高圧レギュレータの前段部と後段部の圧力差によって生じる内部リークの発生を極少化することで、車両の再始動が円滑に行われるようにし、且つ、高圧ガスの漏洩による危ない状況を防止することによって、高圧レギュレータの使用による高い信頼性を確保することは勿論、安全且つ安定して使用可能であるという効果を有する。
また、高圧レギュレータの流入ポートと高圧燃料ラインの連結作業の便利性を提供し、高い安全性を確保すことができる。
更に、高圧レギュレータと連結される流入ポートで高い気密性を維持することによって、高圧燃料供給による高い安全性を確保することができる。

本発明の圧力制御方法を説明するためのブロック図である。 本発明が高圧レギュレータに適用された状態を説明するための概念図である。 本発明により、高圧レギュレータの前段部と後段部の体積と圧力割合を示す表である。 本発明の高圧遮断弁を説明するための分解斜視図である。 本発明の高圧遮断弁の断面図である。 本発明の高圧遮断弁の使用状態を説明するための断面図であり、（ａ）は流入ポート内の流入口が解放された状態、（ｂ）は、流入ポート内の流入口が閉鎖された状態を示す。 図７は、従来の高圧レギュレータの前段部と後段部の体積と圧力割合を示す表である。

以下、本発明の好適な実施例を、添付の図面を基にして詳しく説明する。しかし、本発明が実施例により制限又は限定されるものではない。
図１は、本発明の圧力制御方法を説明するためのブロック図であり、図２は、本発明が高圧レギュレータに適用された状態を説明するための概念図である。
図１に示した通り、水素燃料電池車両に適用される通常の高圧レギュレータ１００は、７００ｂａｒ程度の高圧水素を取り扱うことから、安定した排出圧力と十分な耐圧性、内部気密性が非常に重要である。

従来の高圧レギュレータ１００の前段部１００Ａと後段部１００Ｂにおける圧力差と体積は、図７に示した表のとおり測定される。
このような高圧レギュレータには、誤作動による過圧が生じると、過圧を解消する過圧解消弁と、内部の燃料を放出する燃料放出弁とが装着される。

ここで、高圧レギュレータの前段部は、ガス貯蔵容器と高圧燃料ラインで連結されるが、ガス貯蔵容器を遮断すると、高圧燃料ラインに高圧の燃料が過多に残存することになり、高圧レギュレータの内部の高圧シーリング部に高圧の圧力が直接過多に負荷される（図３参照）。
それによって、高圧シーリング部の微細リークによって、後段部の排出ポート側に、圧力生成と共に圧力が上昇することになり、これは、結果として、リリーフ弁の作動で、高圧レギュレータの外部にガスが漏れ、車両の始動が不可能になるという不都合に加えて、危ない状況を誘発する原因を伴っている。

本発明は、ガス貯蔵容器のバルブが遮断されて、高圧燃料ライン上に残留する高圧ガスによって、高圧ガスが流入又は排出される高圧レギュレータの前段部と後段部の圧力差によって生じる内部リークの発生を極少化することにある。
本発明による高圧レギュレータの前段部と後段部の圧力差によって生じる内部リークの発生を極少化する圧力制御方法は、以下の通りである。

まず、圧力を測定する圧力センサ（図示せず）と、圧力センサによって測定される圧力を制御する制御部（図示せず）とを含む高圧レギュレータ１００の前段部１００Ａには、ガス貯蔵タンク２００と連結される高圧燃料ライン２１０と連結された状態であるので、高圧が維持され、高圧レギュレータ１００の後段部１００Ｂには、低圧が維持される状態で、圧力センサが、前段部の圧力と後段部の圧力を測定するステップ（Ｓ１）を含む。
言い替えると、高圧レギュレータの前段部である流入ポートには、ガス貯蔵容器と連結される高圧燃料ラインと連結されているので、前段部は、７００ｂａｒ程度の高圧状態であり、体積は、２９ｃｃ（ｃｍ^３）である。それに対して、高圧レギュレータの後段部である排出ポートには、１６ｂａｒ程度の低圧状態であり、体積は、２２０ｃｃ（ｃｍ^３）が維持される。

次いで、制御部が、前段部の圧力と該当前段部の体積の積と、後段部の圧力と該当後段部の体積の積との和を、前段部の体積と後段部の体積との和で除して、クリープ（ｃｒｅｅｐ）の圧力を計算するステップ（Ｓ２）を行う（図３参照）。
すなわち、前段部の圧力（７００ｂａｒ）と前段部の体積（１．３ｃｃ）の積と、後段部の圧力（１６ｂａｒ）と後段部の体積（２２０ｃｃ）の積との和（０．００４４３）を、前段部の体積と後段部の体積との和（０．０００２２１３ｃｃ）で除して、クリープ圧力（２０．０２ｂａｒ）を計算する。

合わせて、制御部が、クリープ圧力とリリーフ弁の設定圧力とを比較して、前段部の体積を調節するステップ（Ｓ３）を含み、前段部の体積を調節するステップ（Ｓ３）において、クリープの圧力がリリーフ弁の設定圧力よりも大きいと、制御部は、前段部の体積を制限して、前段部の体積と後段部の体積の比が小さいように制御する。
ここで、前段部の体積を調節することは、ガス貯蔵タンク２００の高圧燃料ライン２１０が連結される高圧レギュレータ１００の前段部１００Ａである流入ポートの間に設けられる高圧遮断弁１によって調節される。

上記において、高圧遮断弁１は、高圧燃料ライン２１０に残留する高圧が、高圧レギュレータ１００内に流入しないようにする公知のいずれの構造を適用しても構わない。
それによって、図３の表のとおり、後段部１００Ｂで発生する、すなわち、クリープ圧力は、２０．０２ｂａｒであって、高圧シーリング部１０３に内部リークが発生しても、後段のクリープ圧力の上昇分が、リリーフ弁１０２の圧力より少なくなることによって、外部へのリーク発生を防止することになる。ここで、前段部の体積と後段部の体積の割合は、１：１６９である。

それによって、高圧レギュレータの前段部と後段部の圧力差によって生じる内部リークの発生を極少化することで、車両の再始動が円滑に行われるようにし、且つ、高圧ガスの漏れによる危ない状況を防止することができる。
本発明は、複雑な技術的構成を有するものではなく、簡単な技術的構成により、高圧レギュレータの前段部と後段部の圧力差によって生じる内部リークの発生を極少化することで、高圧レギュレータの使用による高い信頼性を確保し、安全且つ安定して使用することができる。

図４は、本発明の高圧遮断弁を説明するための分解斜視図であり、図５は、本発明の高圧遮断弁の断面図であり、図６は、本発明の高圧遮断弁の使用状態を説明するための断面図であり、（ａ）は流入ポート内の流入口が解放された状態、（ｂ）は、流入ポート内の流入口が閉鎖された状態を示す。
図４〜図６に示したとおり、水素燃料電池車両に適用される高圧レギュレータは、７００ｂａｒ程度の高圧水素を取り扱うことによって、安定した排出圧力と十分な耐圧性、内部気密性が非常に重要である。

それによって、高圧シーリング部１０３の微細リークによって、後段部である排出ポート１２０側に、圧力の生成と共に圧力が上昇することになり、これは、結果として、リリーフ弁１０２の作動で、高圧レギュレータ１００の外部にガスが漏れ、危ない状況を誘発する原因となっている。
ここで、高圧レギュレータ１００に関する技術的構成は、公知の技術的構成を有し、発明の背景となる技術で記載した本出願人によって登録又は公開された特許文献２に示されている技術的構成と同一又は類似しているので、高圧レギュレータの技術的構成に関する詳細な説明は、省略する。

そして、本実施例では、水素燃料電池車両に適用される高圧レギュレータ用の高圧遮断弁を説明するが、本発明は、これに限定されるものではなく、ＬＰＧ燃料や天然圧縮ガス燃料など、多様な種類の高圧ガス燃料を減圧して、エンジン側に供給する高圧レギュレータにも適用可能である。
本発明による図２に示したとおり、ガス貯蔵タンク２００に連結される高圧燃料ライン２１０と、高圧レギュレータ１００の間に設けられる高圧遮断弁１は、大きく、本体ハウジング１０と、結合固定部材２０と、連結固定部３０とを含む。

本体ハウジング１０は、外部の一側に電気を供給するための接続端子１１が設けられ、内部に公知の方式によって、誘導電流を発生するコイル１４が巻き取られたボビン１５を含む技術的構成を有する。コイルは、接続端子と公知の方式によって連結される。ボビンの中心には、結合固定部材及び連結固定部の各端部が挿入される構造を有する。
すなわち、本体ハウジングは、コイルが巻き取られたボビンが内装されるケースの形状であって、図示したとおり円筒状でもよく、多角状に形成してもよい。

結合固定部材２０は、高圧レギュレータ１００及び本体ハウジング１０と連結される技術的構成を有する。
すなわち、結合固定部材２０は、本体ハウジング１０の先端に、一端は、高圧レギュレータ１００の前段部である流入ポート１１０の流入チャンバ１１２に、強制嵌め又は螺合方式などによって結合固定され、他端は、本体ハウジング１０に、強制嵌め又は螺合方式などによって挿入固定され、内部に、コイル１４に電力供給することによって往復可能に設けられ、流入ポート１１０内の流入口１１４を開閉して、流入通路２２を形成するプランジャー２４を含んで構成される。プランジャーは、結合固定部材の内部に通常の方式によって往復するように設けられるもので、本体ハウジングのコイルに電気が印加されると、流入ポートの流入口より後退して流入口を開放する。一方、コイルに電力供給が停止されると、後述する連結固定部の間に介在したバネによって前進し、流入ポートの流入口を遮断する。
言い替えると、結合固定部材は、流入ポートの流入口を開閉して高圧ガスを供給、及び遮断する重要な構成要素である。

合わせて、結合固定部材２０の流入ポート１１０の入口に当接する位置の外側には、気密のための第１の気密リング２６が固定される。すなわち、結合固定部材の先端が固定した状態で、流入ポートの流入チャンバ内の高圧ガスが、外部に漏れることを防止する。
また、プランジャー２４は、先端に流入口１１４を開閉する開閉口２４Ａと、内部に流入通路２２が形成され、開閉口２４Ａと通常のピン結合方式などによって結合固定されて往復されるプランジャーロッド２４Ｂを含み、プランジャーロッド２４Ｂと連結固定部３０の間に、流入口１１４の閉鎖のためのバネ（Ｓ）が介在される。

プランジャーは、本体ハウジング内に設けられたコイルによって流入口を開放し、バネによって流入口を閉鎖する。特に、内部に形成された流入通路を介して、高圧ガスを供給する技術的構成を有する。
また、開閉口２４Ａは、流入口１１４と対応する円錐状からなり、外側面に、気密のための第２の気密リング２８が結合固定される。
言い替えると、第２の気密リングは、開閉口により流入口を閉鎖すると、既に高圧レギュレータに供給された高圧ガスは、再度、流入口を介して逆流しないようにし、または、流入チャンバ内に残留する高圧ガスも、高圧レギュレータ側に漏れないようにする。それによって、高い気密性を維持することができる。

また、流入通路２２は、バネ（Ｓ）の一側が挿入されて、後述する連結固定部の供給通路に対応する通路２２Ａと、流入チャンバ１１２側に、流入チャンバ１１２と連結されるように、通路２２Ａと連結される複数の流入孔２２Ｂとを含む。
すなわち、高圧ガスは、流入通路の通路を経た後、複数の流入孔を介して、流入チャンバ内で円滑に供給されると共に、圧力降下されて、安全性も確保することができる。

連結固定部３０は、本体ハウジング１０と高圧燃料ライン２１０で連結される技術的構成を有する。
すなわち、連結固定部３０は、本体ハウジング１０の他端に、一端がその本体ハウジング１０の内部に強制嵌め又は螺合方式などによって挿入固定され、他端は、本体ハウジング１０の外部に突出して、高圧燃料ライン２１０が通常の方式によって締結固定され、内部に供給通路３２が形成される構成を有する。
それによって、連結供給ラインを、別の部品や連結具などを使用しなくても、簡単且つ便利に連結して使用する便利性を提供する。

本発明は、高圧レギュレータの流入ポート及び高圧燃料ラインとの直結が容易であることで、使用の便利性を一層高めることができる。
また、ガス貯蔵タンク２００を遮断すると、高圧燃料ライン２１０において、最小限の高圧燃料が残存して、高圧レギュレータ１００内の高圧シーリング部１０３の微細リークが少量で、後段部である排出ポート１２０での圧力上昇を最小化すると共に、リリーフ弁１０２の作動によるリーク発生を防止することで、高圧レギュレータの使用による高い安全性を確保することができる。

１ ： 高圧遮断弁
１０ ： 本体ハウジング
１１ ： 接続端子
１４ ： コイル
１５ ： ボビン
２０ ： 結合固定部材
２２ ： 流入通路
２２Ａ ： 通路
２２Ｂ ： 流入孔
２４ ： プランジャー
２４Ａ ： 開閉口
２４Ｂ ： プランジャーロッド
２６ ： 第１の気密リング
２８ ： 第２の気密リング
３０ ： 連結固定部
３２ ： 供給通路
１００ ： 高圧レギュレータ
１００Ａ ： 前段部
１００Ｂ ： 後段部
１０２ ： リリーフ弁
１０３ ： 高圧シーリング部
１１０ ： 流入ポート
１１２ ： 流入チャンバ
１１４ ： 流入口
１２０ ： 排出ポート
２００ ： ガス貯蔵タンク
２１０ ： 高圧燃料ライン
Ｓ ： バネ

Claims (3)

1. 圧力を測定する圧力センサと、前記圧力センサによって測定される圧力を制御する制御部とを含む高圧レギュレータの前段部には、高圧が維持され、前記高圧レギュレータの後段部には、低圧が維持される状態で、
   前記圧力センサが、前記前段部の圧力と前記後段部の圧力を測定するステップと、
   前記制御部が、前記前段部の圧力と該前段部の体積の積と、前記後段部の圧力と該後段部の体積の積との和を、前記前段部の体積と前記後段部の体積の和で除して、クリープ圧力を計算するステップと、
   前記制御部が、前記クリープ圧力とリリーフ弁の設定圧力を比較して、前記前段部の体積を調節するステップとを含み、
   前記前段部の体積を調節するステップにおいて、前記クリープ圧力が前記リリーフ弁の設定圧力よりも大きいと、前記制御部は、前記前段部の体積を制限して、前記前段部の体積と後段部の体積の比が小さいように制御することを特徴とする高圧レギュレータ用内部リーク防止のための圧力制御方法。
2. 前記前段部の体積を調節するステップは、ガス貯蔵タンクの高圧燃料ラインが連結される前記高圧レギュレータの前段部である流入ポートの間に設けられる遮断弁によって調節されることを特徴とする請求項１に記載の高圧レギュレータ用内部リーク防止のための圧力制御方法。
3. 前記前段部の体積と前記後段部の体積は、１：１６９であることを特徴とする請求項１
   に記載の高圧レギュレータ用内部リーク防止のための圧力制御方法。

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