(57)【要約】【課題】部品点数の増加を招くことなく、温度低下による弾性シール部材の性能低下を未然に防止することのできる燃料貯蔵タンクの電磁弁を提供する。【解決手段】バルブボディ１１を燃料貯蔵タンク１０の取り出し口１２に取り付け、バルブボディ１１内の弁駆動用の電磁コイル３１を燃料貯蔵タンク１０の内側に配置する。バルブボディ１１の周囲や内部のすべての弾性シール部材１６，２３，４８，４９を電磁コイル３１よりも燃料貯蔵タンク１０の外側に配置する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料貯蔵タンクの取り出し口に取り付けられるバルブボディと、
このバルブボディ内に配置され、供給通路を開閉する弁体と、
前記バルブボディ内に配置され、前記弁体を駆動する電磁コイルと、
前記取り出し口と前記バルブボディの間、及び、前記バルブボディの内部を気密に保つための複数の弾性シール部材と、を備えた燃料貯蔵タンクの電磁弁において、
前記電磁コイルを前記燃料貯蔵タンクの内側に配置し、
前記すべての弾性シール部材を前記電磁コイルよりも燃料貯蔵タンクの外側に配置したことを特徴とする燃料貯蔵タンクの電磁弁。
【請求項２】
燃料電池で消費する燃料ガスを貯蔵する燃料貯蔵タンクに用いることを特徴とする請求項１に記載の燃料貯蔵タンクの電磁弁。
【請求項３】
前記バルブボディ、または、前記燃料貯蔵タンクの温度を検出する温度センサと、
前記電磁コイルに対する供給電力を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記温度センサの検出温度が設定値以下になったときに前記電磁コイルに対する供給電力を増加させることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料貯蔵タンクの電磁弁。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料ガスを貯蔵する燃料貯蔵タンクに用いられる電磁弁に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料ガス（例えば、水素ガス）と酸化剤ガス（例えば、酸素を含む空気）を供給して発電を行う燃料電池においては、貯蔵タンクから供給される燃料ガスが圧力制御弁で減圧されてアノード極に供給される。
この種の燃料電池においては、燃料貯蔵タンクの取り出し口に電磁弁が取り付けられ、燃料電池の停止中に電磁弁によって供給通路を遮断する。電磁弁はスプリングの付勢力によって供給通路を閉じ、電磁コイルの電磁力によって供給通路を開く基本構造となっている。
【０００３】
高圧の燃料ガスを貯蔵する燃料貯蔵タンクにおいては、タンク内の高圧ガスが遮断弁を開いて供給通路に流れ込む際にサイモン膨張により外部に仕事をし、内部エネルギーが減少するため低温生成が為され（以下、サイモン膨張と言う）、結果、周囲から温度が奪われる。このため、燃料貯蔵タンクから燃料電池にガスが供給され続けると、電磁弁や燃料貯蔵タンクの温度が次第に低下し、タンクの取り出し口と電磁弁のバルブボディの間や、バルブボディの内部で気密を保っている弾性シール部材の性能が低下する可能性が考えられる。
【０００４】
このため、これに対処し得る燃料貯蔵タンクの電磁弁として、燃料貯蔵タンクの取り出し口に近接させて加熱用のヒータを設けたものが案出されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平１１−３６９８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、この従来の燃料貯蔵タンクの電磁弁は、加熱用の専用のヒータを設けることから、部品点数が増加してしまい、製品コストの高騰や重量増加の原因となることが懸念される。
【０００６】
そこで、この発明は、部品点数の増加を招くことなく、温度低下による弾性シール部材の性能低下を未然に防止することのできる燃料貯蔵タンクの電磁弁を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決する請求項１に記載の発明は、燃料貯蔵タンク（例えば、後述の実施形態における燃料貯蔵タンク１０）の取り出し口（例えば、後述の実施形態における取り出し口１２）に取り付けられるバルブボディ（例えば、後述の実施形態におけるバルブボディ１１）と、このバルブボディ内に配置され、供給通路（例えば、後述の実施形態における外側供給通路１４）を開閉する弁体（例えば、後述の実施形態におけるメインバルブ１９及びパイロットバルブ２６）と、前記バルブボディ内に配置され、前記弁体を駆動する電磁コイル（例えば、後述の実施形態における電磁コイル３１）と、前記取り出し口と前記バルブボディの間、及び、前記バルブボディの内部を気密に保つための複数の弾性シール部材（例えば、後述の実施形態における弾性シール部材１６，２３，４８，４９）と、を備えた燃料貯蔵タンクの電磁弁において、前記電磁コイルを前記燃料貯蔵タンクの内側に配置し、前記すべての弾性シール部材を前記電磁コイルよりも燃料貯蔵タンクの外側に配置したことを特徴とする。
これにより、電磁コイルの通電によって発生した熱は直接外部に放熱されずに燃料貯蔵タンクの内側に一度留められ、取り出し口に取り付けられたバルブボディに伝達されて外部に放熱される。バルブボディの周囲や内部のすべての弾性シール部材は電磁コイルよりも燃料貯蔵タンクの外側に配置されているため、バルブボディに伝達された電磁コイルの熱によって昇温される。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料貯蔵タンクの電磁弁において、燃料電池で消費する燃料ガスを貯蔵する燃料貯蔵タンクに用いることを特徴とする。
【０００９】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の燃料貯蔵タンクの電磁弁において、前記バルブボディ、または、前記燃料貯蔵タンクの温度を検出する温度センサ（例えば、後述の実施形態における温度センサ５０）と、前記電磁コイルに対する供給電力を制御する制御装置（例えば、後述の実施形態における制御装置５２）と、を備え、前記制御装置は、前記温度センサの検出温度が設定値以下になったときに前記電磁コイルに対する供給電力を増加させることを特徴とする。
これにより、バルブボディや燃料貯蔵タンクの温度が設定値以下に低下すると、電磁コイルに対する供給電力が高められ、その結果、電磁コイルの発熱量が増大する。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１に記載の発明によれば、電磁コイルでの発熱を有効に利用してシール部材の温度低下を抑制することができるため、部品点数の増加を招くことなく、温度低下による弾性シール部材の性能低下を未然に防止することができる。
【００１１】
請求項２に記載の発明によれば、燃料電池の燃料貯蔵タンクで用いることにより、燃料電池において常時安定した発電を継続することが可能になる。
【００１２】
請求項３に記載の発明によれば、バルブボディや燃料貯蔵タンクが設定値以下に低下したときに、電磁コイルに対する供給電力を高めて電磁コイルの発熱量を増大させることができるため、電磁コイルでの必要以上の発熱による電力損失を抑制しつつ、外部環境の変化等による温度低下に適切に対応することができる。したがって、電力消費の抑制と、弾性シール部材の性能低下の防止を両立させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、この発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、燃料貯蔵タンク１０に電磁弁１が取り付けられた状態を示す断面図である。
この燃料貯蔵タンク１０は高圧の水素ガスが燃料ガスとして充填され、燃料電池のアノード極に水素ガスを供給するのに用いられる。
電磁弁１は、バルブボディ１１が燃料貯蔵タンク１０の取り出し口１２に封止プラグを兼ねて取り付けられている。バルブボディ１１には、燃料貯蔵タンク１０の内部と導通する内側供給通路１３と、燃料貯蔵タンク１０の外部の燃料電池（図示せず）と導通する外側供給通路１４が形成されている。なお、図中１５は、バルブボディ１１と燃料貯蔵タンク１０のねじ固定部であり、１６は、バルブボディ１１と燃料貯蔵タンク１０の間を封止するゴム材料から成るリング状の弾性シール部材である。
【００１４】
図２は、閉弁状態にある電磁弁１を拡大して示した断面図である。
同図に示すように、バルブボディ１１には内側供給通路１３と外側供給通路１４を連通させるように略円柱状のバルブ収容部１７が設けられている。バルブ収容部１７の軸方向の一端（図中上端）の壁の中央には、外側供給通路１４と導通する円筒状のメイン弁座１８が突出して設けられている。また、内側供給通路１３の端部は、バルブ収容部１７の軸方向の一端寄りのメイン弁座１８の側面に臨む位置に開口している。
【００１５】
バルブ収容部１７には、メイン弁座１８と当接・離反することで外側供給通路１４を開閉するメインバルブ１９が進退自在に収容されている。メインバルブ１９は、厚肉円板状の弁頭部２０と、弁頭部２０に同軸に連設されたガイド筒部２１とを備え、弁頭部２０がバルブ収容部１７の周壁に摺動自在に嵌合されている。弁頭部２０の外周面には環状溝２２が形成され、その環状溝２２に、ゴム材料から成る環状の弾性シール部材２３が嵌合固定されている。弾性シール部材２３は、バルブ収容部１７の周壁との摺動と自身の弾性変形により、メインバルブ１９の進退作動を許容しつつ、弁頭部２０とバルブ収容部１７の間の燃料ガスの流通を遮断する。
【００１６】
また、弁頭部２０の軸心位置には弁頭部２０を軸方向に貫通するパイロット通路２４が設けられている。パイロット通路２４はバルブ収容部１７のメイン弁座１８と同軸になるように形成されている。ここで、弁頭部２０とガイド筒部２１の主要部分は金属材料によって一体に形成されているが、弁頭部２０のパイロット通路２４の周域部分は別体のゴム状弾性部材２５によって形成されている。このゴム状弾性部材２５のメイン弁座１８側の端面はメインバルブ１９の閉弁時にメイン弁座１８に密接する。
一方、ガイド筒部２１の内側には、略円柱状のパイロットバルブ２６が進退作動可能に収容されている。このパイロットバルブ２６の弁頭部２０側の端面には弁突起２７が設けられ、この弁突起２７がゴム状弾性部材２５の端面のパイロット通路２４の孔縁（パイロット弁座２８）に対して当接・離反可能とされている。
【００１７】
また、バルブボディ１１には、メインバルブ１９やパイロットバルブ２６を開閉操作するための電磁式の駆動ユニット３０が一体に組み込まれている。この駆動ユニット３０は、電磁コイル３１を収容するケーシング３２の軸心位置に凹部３３が設けられ、この凹部３３内に磁性材料から成るプランジャ３４が摺動自在に収容されている。凹部３３は、バルブ収容部１７側に開口し、かつバルブ収容部１７と同軸に形成されている。凹部３３とプランジャ３４の間には、付勢手段であるスプリング３５が介装され、プランジャ３４がこのスプリング３５によって常時バルブ収容部１７側に付勢されるようになっている。
【００１８】
プランジャ３４のバルブ収容部１７側の端面には凹部３６が形成され、その凹部３６にメインバルブ１９のガイド筒部２１が挿入されている。プランジャ３４には、軸直角方向に凹部３６を横切るように連結ピン３７が取り付けられ、この連結ピン３７によってメインバルブ１９のガイド筒部２１と、その内側のパイロットバルブ２６がプランジャ３４に対して連結されている。ただし、連結ピン３７は、パイロットバルブ２６に対してはほぼ隙間なく嵌合固定されているが、メインバルブ１９に対してはガイド筒部２１に設けられた長孔３８内に僅かな遊びを持たせて連結されている。したがって、プランジャ３４が電磁コイル３１の磁力を受けてスプリング３５の力に抗して操作されるときには、最初にパイロットバルブ２６がプランジャ３４と一体に変位し、パイロットバルブ２６が所定量変位したところでプランジャ３４からメインバルブ１９に操作力が伝達される。
【００１９】
メインバルブ１９は、バルブ収容部１７内を、常時内側供給通路１３と導通する内側導通室３９と、プランジャ３４側に臨む中間室４０とに隔成している。そして、メインバルブ１９のパイロット通路２４（軸心）から離間した外周縁部には、内側導通室３９と中間室４０を連通するオリフィス通路４１が形成されている。このオリフィス通路４１の開口面積はパイロット通路２４の開口面積よりも小さく設定されている。
内側導通室３９のガス圧力は、スプリング３５の付勢力に抗する押圧力（開弁方向の押圧力）としてメインバルブ１９に作用し、中間室４０のガス圧力は、スプリング３５の付勢力と同方向の押圧力（閉弁方向の押圧力）としてメインバルブ１９に作用する。また、メインバルブ１９の内側導通室３９側の受圧面積と、中間室４０側の受圧面積とはほぼ同面積になるように設定されている。したがって、内側導通室３９と中間室４０に圧力差があるときには、その圧力差に応じた押圧力がメインバルブ１９に作用する。
なお、図中４８，４９は、バルブボディ１１と駆動ユニット３０の間を密封するゴム材料から成る環状の弾性シール部材である。
【００２０】
ところで、パイロットバルブ３４やメインバルブ１９を開弁操作するための電磁コイル３１はバルブボディ１１上の底部寄り位置（燃料貯蔵タンク１０の内側寄り位置）に配置されている。そして、燃料貯蔵タンク１０の取り出し口１２とバルブボディ１１の間を密閉する弾性シール部材１６と、バルブボディ１１内の３つの弾性シール部材２３，４８，４９は、電磁コイル３１よりも燃料貯蔵タンク１０の外側寄り位置に配置されている。
【００２１】
また、図１に示すように、バルブボディ１１には、バルブボディ１１内の外側供給通路１４の近傍の温度を検出するための温度センサ５０が取り付けられている。この温度センサ５０は、電磁コイル３１を制御するための制御装置５２に接続されている。制御装置５２は、基本的に燃料電池での燃料ガスの供給要求に応じて電磁弁１を適宜開閉制御するものであるが、電磁弁１の開弁操作時には温度センサ５０から信号を受け、電磁コイル３１に対する供給電力をバルブボディ１１の温度に応じた電力に制御する。この電力の制御については後に詳述する。なお、図中５４は、制御装置５２や電磁コイル３１に電力を供給するためバッテリである。
【００２２】
図３，図４は、燃料貯蔵タンク１０内の燃料ガスを、外側供給通路１４を通して燃料電池に供給するときの電磁弁１の作動状態を示すものである。以下、燃料ガスを燃料電池に供給するときにおける電磁弁１の作動を図２〜図４を参照して説明する。
電磁コイル３１がＯＦＦの状態では、図２に示すようにメインバルブ１９とパイロットバルブ２６がスプリング３５の付勢力によってメイン弁座１８とパイロット弁座２８に押し当てられ、閉弁状態に維持されている。このとき、燃料貯蔵タンク１０内の燃料ガスの圧力は、内側供給通路１３を介して内側導通室３９に作用するとともに、さらにオリフィス通路４１を介して中間室４０に作用している。したがって、このとき内側導通室３９の圧力と中間室４０の圧力はほぼ同圧となっている。また、内側導通室３９と中間室４０の圧力は燃料電池側の外側供給通路１４の圧力に対して高圧となっている。
【００２３】
この状態から電磁コイル３１がＯＮにされると、電磁コイル３１の磁力によってプランジャ３４が吸引され、図３に示すように、着座面積の小さいパイロットバルブ２６がメインバルブ１９上のパイロット弁座２８から離反する（開弁する）。これにより、パイロット通路２４が開き、中間室４０内の燃料ガスがパイロット通路２４を通って外側供給通路１４に供給される。また、このとき内側導通室３９から中間室４０にはオリフィス通路４１を通して燃料ガスが流入するが、オリフィス通路４１の開口面積はパイロット通路２４の開口面積よりも小さく設定されているため、中間室４０の圧力は内側導通室３９の圧力よりも低くなる。したがって、パイロットバルブ２６が開弁した直後には、内側導通室３９と中間室４０の差圧に応じた押圧力がメインバルブ１９に開弁方向の助勢力として作用し、この助勢力が電磁コイル３１による吸引力と相俟って、図４に示すように、メインバルブ１９をメイン弁座１８から離反させることになる。こうして、メインバルブ１９が開弁すると、燃料貯蔵タンク１０内の燃料ガスが内側供給通路１３から外側供給通路１４を通って燃料電池に供給される。
【００２４】
次に、電磁弁１の開弁時における電磁コイル３１の電力制御について、図５のフローチャートに従って説明する。
この電力制御は、電磁弁１の開弁によって燃料貯蔵タンク１０内の高圧の燃料ガスが吐出されたときのサイモン膨張によって弾性シール部材１６，２３，４８，４９の近傍の温度が設定値よりも低下するのを防止するためのものであり、温度センサ５０による温度監視下のもとに電磁コイル３１での発熱量を制御するものである。
【００２５】
ただし、この実施形態の場合、標準的な環境下においては、標準電圧（例えば、１２Ｖ）で電磁コイル３１を駆動していれば弾性シール部材１６，２３，４８，４９の近傍に連続的な温度低下が生じないように設定されている。即ち、電磁弁１のサイモン膨張による吸熱量（弾性シール部材１６，２３，４８，４９の近傍のサイモン膨張による吸熱量）は標準電圧のときの電磁コイル３１の発熱量よりも小さくなるように設定されている。
電磁コイル３１の発熱量と電磁弁１のサイモン膨張による吸熱量はそれぞれ以下の式によって求めることができる。
発熱量＝（電圧）２／抵抗
サイモン膨張による吸熱量＝熱容量×温度低下レート（熱容量：重量×比熱）
したがって、例えば、電磁コイル３１のコイル抵抗が２４Ω、印加電圧が１２Ｖであるとすると、コイル発熱量は６Ｗとなり、バルブボディ１１の重量が３ｋｇ，比熱が０．５ｋＪ／ｋｇ℃、温度低下レートが０．００３℃であるとすると、サイモン膨張による吸熱量は４．５Ｗとなり、（発熱量）＞（サイモン膨張による吸熱量）となる。
【００２６】
電力制御においては、まず、ステップＳ１０１において、電磁コイル３１に標準電圧（例えば、１２Ｖ）を印加し、その後にステップＳ１０２において、温度センサ５０によって検出される温度の基準温度に対する低下量が所定値以上か否かを判定し、ＹＥＳの場合には、次のステップＳ１０３に進み、ＮＯの場合には、ステップＳ１０１に戻って標準電圧での印加を継続する。
ステップＳ１０３においては、電磁コイル３１の印加電圧を微小量（例えば、１Ｖ）増加し、次のステップＳ１０４において、温度センサ５０によって検出される温度の上昇量が所定値以上であるか否かを判定し、ＹＥＳの場合には、次のステップＳ１０５に進み、ＮＯの場合にはステップＳ１０３に戻って電磁コイル３１の印加電圧をさらに増加させる。
ステップＳ１０５においては、電磁弁に対する閉弁指令があったか否かを判定し、ＹＥＳの場合には、処理を終了し、ＮＯの場合には、ステップＳ１０１に戻る。
【００２７】
なお、この実施形態の制御の例では、ステップＳ１０３とＳ１０４において、バルブボディ１１の温度上昇量が所定値以上になるまで電磁コイル３１の印加電圧を微小量（例えば、１Ｖ）ずつ増加させているが、ステップＳ１０３において、電磁コイル３１に対する印加電圧を一段階大きく増加させ、つづくステップＳ１０４において、バルブボディ１１の温度上昇量が所定値以上になるまで待機するようにしても良い。図６のタイミングチャートは、ステップＳ１０３，Ｓ１０４をこのように変更したときのものである。
【００２８】
以上のようにこの電磁弁１においては、電磁コイル３１が燃料貯蔵タンク１０の内側に配置され、バルブボディ１１の周囲や内部に配置されるすべての弾性シール部材１６，２３，４８，４９が電磁コイル３１よりも燃料貯蔵タンク１０の外側に配置されているため、電磁コイル３１の通電によって発生した熱が直接外部に放熱されるのではなく燃料貯蔵タンク１０の内側に一度留められ、燃料貯蔵タンク１０の取り出し口１２に取り付けられたバルブボディ１１を通して燃料貯蔵タンク１０の外部に伝達される。このため、バルブボディ１１の熱伝達経路中に配置されているすべての弾性シール部材１６，２３，４８，４９が電磁コイル３１から発された熱によって確実に暖められる。したがって、燃料貯蔵タンク１０から高圧の燃料ガスが吐出される際のサイモン膨張によってバルブボディ１１が冷却される状況下においても、電磁コイル３１の発熱によって弾性シール部材１６，２３，４８，４９の過度の温度低下を防止し、温度低下による弾性シール部材１６，２３，４８，４９の性能低下を未然に防止することができる。
【００２９】
さらに、この電磁弁１においては、温度センサ５０によってバルブボディ１１の温度変化を監視し、バルブボディ１１の温度低下量が所定値以上になったときに、制御装置５２によって電磁コイル３１に対する供給電力を増加させるため、電磁コイル３１で必要以上の発熱を継続することによる電力損失を抑制しつつ、外部環境の変化等によってボルブボディ１１の温度が低下したときに、バルブボディ１１を確実に昇温させることができる。したがって、制御装置５２による適切な制御によって、電力消費の抑制と、弾性シール部材１６，２３，４８，４９の性能低下の防止を両立させることができる。
【００３０】
また、この実施形態においては、燃料電池の燃料貯蔵タンク１０に電磁弁１を用いているが、このように電磁弁１を採用した燃料電池においては、温度変化による弾性シール部材１６，２３，４８，４９の性能低下が生じないことから、常時安定した発電を継続することができる。
【００３１】
なお、この発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更が可能である。例えば、上記の実施形態においては、温度センサ５０によってバルブボディ１１の温度を検出するようにしたが、温度センサ５０によって燃料貯蔵タンク１０の内部の温度や、燃料貯蔵タンク１０の電磁弁１近くの外部温度、または外側供給通路１４の温度を検出し、その検出温度に応じて電磁コイル３１の供給電力を制御するようにしても良い。また、上記の実施形態においては、バルブボディ１１の温度上昇量が所定値以上になったときに電磁コイル３１に対する供給電力を低下させるようにしているが、バルブボディ１１の温度上昇レートが所定値以上になったときに供給電力を低下させるようにしても良い。また、電磁コイル３１の供給電力の制御おいては、電圧を制御するのに代えて電流を制御するようにしても良い。
さらに、上記の実施形態においては、バルブボディ１１の検出温度に応じて電磁コイル３１の通電電力を制御しているが、外側供給通路１４のガス圧力や燃料ガスの消費量に応じて電磁コイル３１の供給電力を制御するようにしても、上記電力消費の抑制と弾性シール部材１６，２３，４８，４９の性能低下の防止を両立できて好適である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】この発明の一実施形態の燃料貯蔵タンクの電磁弁の断面図。
【図２】この発明の一実施形態の電磁弁の閉弁状態における拡大断面図。
【図３】この発明の一実施形態の電磁弁のパイロットバルブが開弁したときにおける拡大断面図。
【図４】この発明の一実施形態の電磁弁のメインバルブが開弁したときにおける拡大断面図。
【図５】この発明の一実施形態の電磁弁の制御を説明するフローチャート。
【図６】この発明の他の実施形態の電磁弁の制御を説明するタイミングチャート。
【符号の説明】
【００３３】
１…電磁弁
１０…燃料貯蔵タンク
１１…バルブボディ
１２…取り出し口
１４…外側供給通路（供給通路）
１６，２３，４８，４９…弾性シール部材
１９…メインバルブ（弁体）
２６…パイロットバルブ（弁体）
３１…電磁コイル
５０…温度センサ
５２…制御装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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