(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高圧流体の供給源側の通路に流入ポートを介して接続される一次側圧力室と、
受圧デバイス側の低圧通路に流出ポートを介して接続される二次側圧力室と、
前記一次側圧力室と二次側圧力室とを連通する連通孔と、
前記二次側圧力室の圧力を受ける受圧面を有し、この受圧面に作用する前記二次側圧力室の圧力に応じて変位するダイヤフラムと、
このダイヤフラムと一体変位可能に連結され、前記連通孔を前記一次側圧力室側から開閉する弁体と、
前記ダイヤフラムを、前記弁体が前記連通孔を開く方向に付勢するスプリングと、を備え、
前記二次側圧力室の圧力が所定圧力以下に低下したときに、前記弁体が連通孔を開口することによって、前記一次側圧力室から二次側圧力室に高圧流体を減圧して流入させる締切り機構付き減圧弁であって、
前記流入ポートと前記流出ポートとが前記連通孔の軸線を挟んで相反方向に設けられ、
前記一次側圧力室と前記二次側圧力室の間を隔成する隔壁の前記一次側圧力室に臨む側の面が、前記流入ポートからの流体の流入方向に沿う平坦面によって形成され、
前記隔壁に形成される前記連通孔の前記一次側圧力室側の端縁に、前記隔壁の前記一次側圧力室に臨む側の面に対して非突出の弁座が設けられ、
前記弁体と前記弁座とが同軸に配置され、
前記弁体は、前記流入ポートからの流体の流入方向と交差するように前記連通孔側に向かって円錐状に突出する樹脂製の第１の当接面を有し、
前記弁座は、前記第１の当接面との初期当接部が円弧断面である金属製の環状の第２の当接面を有し、
前記ダイヤフラムの受圧面の面積と前記スプリングのばね定数が、以下の式（１），（２）を満たすように設定されていることを特徴とする締切り機構付き減圧弁。
Ｐ１×Ｓ−ｋ×ΔＬ＞Ｃ      （１）
Ｐ１＜Ｐ２                  （２）
なお、式中、Ｐ１は、弁体が連通孔を閉じたときの二次側圧力室の圧力、Ｓは、ダイヤフラムの受圧面の面積、ｋは、スプリングのばね定数、ΔＬは、スプリングの自由長からの変位、Ｃは、弁体の締切り必要荷重、Ｐ２は、受圧デバイスの許容最大圧力を表す。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、供給源側の高圧流体を所定圧力に減圧して受圧デバイスの存在する低圧通路に供給する減圧弁に関し、とりわけ、受圧デバイスの停止時等に供給源側から低圧通路側への高圧流体の漏れを防止する機能を備えた締切り機構付き減圧弁に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池においては、高圧水素を充填した水素タンクをアノード側の流体供給源として用いることがある。このような高圧流体を扱うシステムにおいては、高圧流体の供給源と受圧デバイスの間に減圧弁を介装し、流体供給源の高圧流体を減圧弁によって所定圧力に減圧して受圧デバイスに供給する。
【０００３】
このような用途で用いられる減圧弁として、受圧デバイス側の圧力に応動するダイヤフラムを設け、このダイヤフラムと一体に変位する弁体によって連通孔（ガス流路）を開閉するものが知られている。この減圧弁は、受圧デバイス側での流体使用によって下流側の圧力が低下すると、ダイヤフラムがその圧力低下に応動して弁体を開弁作動させ、上流側の高圧流体を、連通孔を通して下流側に所定圧力に減圧して流入させるようになっている。
【０００４】
ところが、この種の減圧弁は、高圧流体の圧力調整（減圧）を目的としたものであるため、弁体と弁座（連通孔の周縁部）の間の密閉は完全なものではなく、受圧デバイス側での流体の流れが長時間停止する場合等には、上流側の高圧流体が弁体と弁座の隙間を通って受圧デバイスの存在する下流側に漏れてしまう。そして、この高圧流体の漏れによって下流側の圧力が増大し過ぎると、下流側の圧力が受圧デバイスの最大許容圧力を超えてしまう可能性が考えられる。
このため、この種の減圧弁を用いる場合には、減圧弁の上流側または下流側に遮断弁を設け、その遮断弁によって高圧流体の漏れを防止するようにしている。
【０００５】
ところで、このように減圧弁と遮断弁を配管中に直列に設ける場合、配管上の設置スペースが大きくなってシステムの大型化を余儀なくされ、また、設置部品の増加によって組み付け工数も増加してしまう。
このため、これに対処する減圧弁として、減圧弁ブロックの内部に遮断弁機能（締切り機構）を組み込んだものが案出されている（例えば、特許文献１，２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平２−２７８３１５号公報
【特許文献２】特許第２８５８１９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、上記従来の減圧弁においては、減圧弁ブロックの内部に複数種の弁機構が組み込まれることになるため、内部構造が複雑になり、製品の大型化やコストの高騰を招いてしまう。
【０００８】
そこでこの発明は、内部構造の複雑化を招くことなく、受圧デバイス側への高圧流体の過大な漏れを防止することのできる締切り機構付き減圧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】
【０００９】
この発明に係る締切り機構付き減圧弁では、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
請求項１に係る発明は、高圧流体の供給源（例えば、実施形態の水素タンク２）側の通路に流入ポート（例えば、実施形態の流入ポート１５）を介して接続される一次側圧力室（例えば、実施形態の一次側圧力室１３）と、受圧デバイス（例えば、実施形態の受圧デバイス７）側の低圧通路に流出ポート（例えば、実施形態の流出ポート１６）を介して接続される二次側圧力室（例えば、実施形態の二次側圧力室１４）と、前記一次側圧力室と二次側圧力室とを連通する連通孔（例えば、実施形態の連通孔１７）と、前記二次側圧力室の圧力を受ける受圧面（例えば、実施形態の受圧面１９ａ）を有し、この受圧面に作用する前記二次側圧力室の圧力に応じて変位するダイヤフラム（例えば、実施形態のダイヤフラム１９）と、このダイヤフラムと一体変位可能に連結され、前記連通孔を前記一次側圧力室側から開閉する弁体（例えば、実施形態の弁体１８）と、前記ダイヤフラムを、前記弁体が前記連通孔を開く方向に付勢するスプリング（例えば、実施形態のスプリング２０）と、を備え、前記二次側圧力室の圧力が所定圧力以下に低下したときに、前記弁体が連通孔を開口することによって、前記一次側圧力室から二次側圧力室に高圧流体を減圧して流入させる締切り機構付き減圧弁であって、前記流入ポートと前記流出ポートとが前記連通孔の軸線を挟んで相反方向に設けられ、前記一次側圧力室と前記二次側圧力室の間を隔成する隔壁（例えば、実施形態の隔壁１２）の前記一次側圧力室に臨む側の面が、前記流入ポートからの流体の流入方向に沿う平坦面によって形成され、前記隔壁に形成される前記連通孔の前記一次側圧力室側の端縁に、前記隔壁の前記一次側圧力室に臨む側の面に対して非突出の弁座（例えば、実施形態の弁座２３）が設けられ、前記弁体と前記弁座とが同軸に配置され、前記弁体は、前記流入ポートからの流体の流入方向と交差するように前記連通孔側に向かって円錐状に突出する樹脂製の第１の当接面（例えば、実施形態の第１の当接面２１）を有し、前記弁座は、前記第１の当接面との初期当接部が円弧断面（例えば、実施形態の円弧断面２４ａ）である金属製の環状の第２の当接面（例えば、実施形態の第２の当接面２４）を有し、前記ダイヤフラムの受圧面の面積と前記スプリングのばね定数が、以下の式（１），（２）を満たすように設定されていることを特徴とするものである。
Ｐ１×Ｓ−ｋ×ΔＬ＞Ｃ      （１）
Ｐ１＜Ｐ２                  （２）
なお、式中、Ｐ１は、弁体が連通孔を閉じたときの二次側圧力室の圧力、Ｓは、ダイヤフラムの受圧面の面積、ｋは、スプリングのばね定数、ΔＬは、スプリングの自由長からの変位、Ｃは、弁体の締切り必要荷重、Ｐ２は、受圧デバイスの許容最大圧力を表す。
これにより、弁体が連通孔を閉じた後に受圧デバイス側の流体の流れが停止すると、一次側圧力室内の高圧流体が弁体と連通孔の隙間を通して二次側圧力室に僅かずつ漏れ出る。こうして二次側圧力室の圧力が次第に増大し、ダイヤフラムに作用する閉弁方向の推力（式（１）の左辺の値）が弁体の締切り必要荷重（式（１）の右辺の値）を超えると、その推力によって弁体が締切られ、弁体と連通孔の隙間を通した高圧流体の漏れが規制される。そして、このときの二次側圧力室の圧力（Ｐ１）は、式（２）のように、受圧デバイスの許容最大圧力（Ｐ２）よりも小さい値となる。
また、受圧デバイス側での流体の流れがない状態において、一次側圧力室内の高圧流体が弁体と弁座の隙間を通して二次側圧力室に僅かずつ漏れ、二次側圧力室の圧力の増大によってダイヤフラムに作用する閉弁方向の推力が増大すると、弁体と弁座が円錐状の第１の当接面と第２の当接面の円弧断面部分で当接する。ダイヤフラムに作用する閉弁方向の推力が比較的小さい間は、第１の当接面と第２の当接面とは線接触し、閉弁方向の推力が増大すると、樹脂材料の変形に伴って第１の当接面と第２の当接面が面で接触するようになる。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１に係る発明によれば、ダイヤフラムの受圧面の面積とスプリングのばね定数が式（１），（２）を満たすように設定され、ダイヤフラムに閉弁方向の推力として作用する二次側圧力室の圧力が受圧デバイスの許容最大圧力を超えない範囲で弁体を締切るようになっているため、遮断弁用の専用の弁機構を追加することなく、受圧デバイス側への高圧流体の過大な漏れを防止することができる。したがって、この発明によれば、製品の大型化やコストの高騰を抑えることができる。
【００１２】
また、この発明によれば、弁体と弁座が円錐状の第１の当接面と円弧断面部分を有する環状の第２の当接面で当接し、第２の当接面が金属で形成されるとともに第１の当接面が樹脂によって形成されているため、閉弁方向の推力が小さい間は第１の当接面と第２の当接面を線接触させて閉弁し、閉弁方向の推力が増大すると、第１の当接面と第２の当接面を樹脂材料の変形によって面接触させることができる。このため、比較的小さい推力によって弁体と弁座の間を密閉することができるともに、大きな推力が作用した場合にあっても、弁体と弁座の間を確実に密閉しつつ当接面の劣化を防止することができる。
そして、この発明によれば、弁体の締切り必要荷重を小さくできることから、ダイヤフラムの受圧面積を小さくして、装置の小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】この発明の一実施形態の締切り機構付き減圧弁を採用した燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】この発明の一実施形態の締切り機構付き減圧弁の断面図である。
【図３】この発明の一実施形態の締切り機構付き減圧弁の図２のＡ部の拡大図である。
【図４】この発明の一実施形態の締切り機構付き減圧弁の断面図である。
【図５】この発明の一実施形態の締切り機構付き減圧弁の断面図である。
【図６】この発明の一実施形態の締切り機構付き減圧弁の図５のＢ部の拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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、燃料電池システムの概略構成図であり、符号１は、燃料としての水素と酸化剤としての酸素が供給されて発電をする燃料電池スタック（燃料電池）を示している。燃料電池スタック１は、例えば固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）であり、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly、膜電極接合体）をセパレータ（図示しない）で挟持してなる単セルが複数積層されて構成されている。
【００１５】
燃料電池スタック１には、高圧の水素を貯蔵する水素タンク２（高圧流体の供給源）から水素供給流路３を介して所定圧力および所定流量の水素が供給されるとともに、図示しない空気供給装置を介して酸素を含む空気が所定圧力および所定流量で供給される。
水素タンク２は、長手方向の両端が略半球状の筒状をなし、その長手方向の一端が開口している。この開口部２ａには、パイロット式電磁弁からなる主止弁１０が取り付けられている。水素タンク２から水素供給流路３には、主止弁１０を介して水素が供給される。
【００１６】
水素供給流路３には、締切り機構付き減圧弁５（以下、「減圧弁５」と呼ぶ。）と受圧デバイス７とが介装されている。水素タンク３から放出される高圧（例えば、３５ＭＰａあるいは７０ＭＰａ等）の水素は、減圧弁５によって所定の圧力（例えば、１ＭＰ以下）に減圧されて受圧デバイス７に供給される。ここで、受圧デバイス７とは、減圧弁５と燃料電池スタック１との間に配置されるデバイスの総称であり、エゼクタ、インジェクタ、加湿器などが含まれる。エゼクタは、燃料電池スタック１から排出される水素オフガスを循環利用するために水素オフガスを再び水素供給流路３に戻すデバイスであり、インジェクタは燃料電池スタック１に供給する水素流量を調整するデバイスであり、加湿器は燃料電池スタック１に供給される水素を加湿するデバイスである。受圧デバイス７としていずれのデバイスが組み込まれるかは燃料電池システムの全体構成により決定される。
【００１７】
図２は、減圧弁５の詳細な構造を示す図である。
同図に示すように、減圧弁５は、弁ハウジング１１の内部に隔壁１２を挟んで一次側圧力室１３と二次側圧力室１４とが設けられている。一次側圧力室１３は、弁ハウジング１１の流入ポート１５を介して水素供給流路３の上流側３ａ（水素タンク１側）に接続され、二次側圧力室１４は、弁ハウジング１１の流出ポート１６を介して水素供給流路３の下流側３ｂ（受圧デバイス７側）に接続されている。隔壁１２には、一次側圧力室１３と二次側圧力室１４を連通する連通孔１７が設けられ、この連通孔１７が、後述する弁体１８によって一次側圧力室１３側から開閉されるようになっている。
【００１８】
また、弁ハウジング１１内には、二次側圧力室１４に臨むようにダイヤフラム１９が設置されている。ダイヤフラム１９は、二次側圧力室１４に臨む側の面が受圧面１９ａとされ、受圧面１９ａの背面側の空間部が大気に導通している。ダイヤフラム１９の中央部には、隔壁１２の連通孔１７を貫通する上記の弁体１８の弁軸１８ｂが連結されている。弁体１８は、連通孔１７内を貫通する弁軸１８ｂと、弁軸１８ｂの端部に連設されて連通孔１７の一次側圧力室１３側の端部を開閉する弁頭部１８ａと、を備えている。また、ダイヤフラム１９の背面側には、ダイヤフラム１９を、弁体１８が連通孔１７を開口する方向に付勢するスプリング２０が設けられている。
【００１９】
ここで、ダイヤフラム１９には、スプリング２０の付勢力と二次側圧力室１４の圧力とが作用しており、弁体１８は、受圧デバイス７側での水素ガスの消費（流れ）によって二次側圧力室１４の圧力が所定圧力以下に低下したときに、ダイヤフラム１９の応動によって弁頭部１８ａが連通孔１７を開口して、一次側圧力室１３から二次側圧力室１４に高圧の水素ガスを減圧して流入させる。
【００２０】
図３は、弁体１８と連通孔１７の一次側圧力室１３に臨む側の端部を拡大して示した図である。
同図に示すように、弁体１８は、弁頭部１８ａが弁軸１８ｂ側に向かって円錐状に突出して形成されている。この弁頭部１８ａの円錐面は第１の当接面２１を成し、金属製のベース面に弾性を有する樹脂から成る表皮材２２が取り付けられて構成されている。表皮材２２を構成する樹脂は、弾性を有し、かつ充分な耐久性を有することが望ましく、例えば、ポリアミドイミド等が用いられる。
【００２１】
一方、連通孔１７の一次側圧力室１３側の端縁は、弁体１８の弁頭部１８ａが離接する弁座２３とされている。この弁座２３は全体が金属によって形成されている。また、弁体１８はこの弁座２３に対して同軸に配置されている。
弁座２３は、連通孔１７の端部のコーナが円周方向に亙って円弧状に面取りされ、その部分が円弧断面２４ａとされている。この実施形態の場合、円弧断面２４ａ部分とその内外の縁部が第２の当接面２４とされている。この弁座２３側の第２の当接面２４は、弁体１８側の第１の当接面２１との当接初期に円弧断面２４ａ部分で第１の当接面２１に対して線接触する。
なお、第２の当接面２４の円弧断面２４ａは、小さな圧接荷重でも弁体１８と弁座２３の間の密閉性を維持できるようにするためには、曲率半径がより小さいことが有利であるが、樹脂材料から成る第１の当接面２１の耐久性との兼ね合いから、弁体１８側と弁座５１側の各部は以下の範囲に設定することが望ましい。例えば、
連通孔１７の直径                        →３mm〜８mm
弁体１８の弁頭部１８ａの円錐角度        →６０°〜１２０°
弁座２３の円弧断面２４ａの曲率半径      →０.１mm〜０.５mm
【００２２】
ところで、この減圧弁５の場合、ダイヤフラム１９の受圧面１９ａの面積Ｓと、スプリング２０のばね定数ｋが、以下の式（１），（２）を満たすように設定されている。この減圧弁５においては、後に詳述するようにこの設定によって受圧デバイス７の作動停止時に弁体１８が連通孔１７を締切るようになる。
Ｐ１×Ｓ−ｋ×ΔＬ＞Ｃ      （１）
Ｐ１＜Ｐ２                  （２）
ただし、式中、Ｐ１は、弁体１８が連通孔１７を閉じたときの二次側圧力室１４の圧力、ΔＬは、スプリング２０の自由長からの変位、Ｃは、弁体１８の締切り必要荷重、Ｐ２は、受圧デバイス７の許容最大圧力を表す。
【００２３】
以上の構成において、燃料電池が運転されると、水素タンク２内の水素ガスが減圧弁５で所定圧力に減圧されて受圧デバイス７に供給される。このとき、減圧弁５においては、受圧デバイス７側の水素ガスの流れに伴って二次側圧力室１４の圧力が所定値以下に低下すると、ダイヤフラム１９が開弁方向に変位し、このとき弁体１８が連通孔１７を開いて一次側圧力室１３から二次側圧力室１４に高圧の水素ガスが減圧されて供給される。
【００２４】
一方、受圧デバイス７の作動停止等によって受圧デバイス７側での水素ガスの流れが停止すると、当初は、ダイヤフラム１９に作用する二次側圧力室１４の圧力Ｐ１による閉弁方向の推力（Ｐ１×Ｓ）と、スプリング２０による開弁方向の推力（ｋ×ΔＬ）が釣り合い、図２，図３に示すように弁体１８が弁座２３に対して微小接触した状態となる。
【００２５】
この状態では、弁体１８と弁座２３の間の圧接力が小さいため、図４に示すように、時間の経過とともに弁体１８と弁座２３の隙間から一次側圧力室１３の高圧の水素ガスが二次側圧力室１４側に僅かずつ漏れ、二次側圧力室１４と受圧デバイス７側の流路の圧力Ｐ１が次第に高まる。こうして、二次側圧力室１４の圧力Ｐ１が所定圧力まで高まると、ダイヤフラム１９に作用する二次側圧力室１４の圧力Ｐ１による閉弁方向の推力（Ｐ１×Ｓ）と、スプリング２０による開弁方向の推力（ｋ×ΔＬ）との差が弁体１８の締切り必要荷重Ｃに達し、図５，図６に示すように、弁体１８と弁座２３の間が密閉されて、一次側圧力室１３と二次側圧力室１４の間が完全に遮断されるようになる。
そして、このときの二次側圧力室１４の圧力Ｐ１は、上記の式（２）のように受圧デバイス７の許容最大圧力に達しない範囲に設定されているため、この閉弁状態が継続した場合であっても、受圧デバイス７は水素ガスの圧力Ｐ１によって悪影響を受けることがない。
【００２６】
以上のように、この減圧弁５においては、ダイヤフラム１９の受圧面１９ａの面積Ｓとスプリング２０のばね定数ｋを式（１），（２）を満たすように設定するだけで、遮断弁用の専用の弁機構を追加することなく、受圧デバイス７側の流れが停止しているときに、その受圧デバイス７に一次側圧力室１３の高圧ガスの圧力が作用するのを未然に防止することができる。したがって、この減圧弁５を採用することにより、減圧弁５全体の大型化やコストの高騰を抑えることができる。
【００２７】
また、この実施形態の減圧弁５においては、弁体１８と弁座２３が、円錐状の第１の当接面２１と円弧断面２４ａを有する第２の当接面２４で当接し、第１の当接面２１が弾性を有する樹脂によって形成され、第２の当接面２４が金属によって形成されているため、閉弁方向の推力が小さい間は、図２〜図４に示すように第１の当接面２１と第２の当接面２４を線接触させて閉弁し、閉弁方向の推力が増大すると、図５，図６に示すように第１の当接面２１と第２の当接面２４を樹脂材料の変形によって面接触させることができる。
したがって、この減圧弁５においては、ダイヤフラム１９に作用する閉弁方向の推力が比較的小さい段階から弁体１８と弁座２３の間を密閉することができるため、ダイヤフラム１９の受圧面積の過大な増大を回避して、装置の小型化を図ることができる。また、ダイヤフラム１９に作用する閉弁方向の推力が増大すると、弁体１８と弁座２３が面で接触するようになるため、弁体１８や弁座２３の当接面の劣化を未然に防止することができる。
【００２８】
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。
【符号の説明】
【００２９】
２…水素タンク（高圧ガスの供給源）
５…減圧弁（締切り機構付き減圧弁）
７…受圧デバイス
１２…隔壁
１３…一次側圧力室
１４…二次側圧力室
１５…流入ポート
１６…流出ポート
１７…連通孔
１８…弁体
１９…ダイヤフラム
１９ａ…受圧面
２０…スプリング
２１…第１の当接面
２３…弁座
２４…第２の当接面
２４ａ…円弧断面
【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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