(57)【要約】【課題】  形状記憶合金の材料選択の自由度が高い配管継手部のシール構造を提供すること。【解決手段】  配管１１（第１の流体配管）とその端部に挿入された配管１２（第２の流体配管）との間をシールする配管継手部１のシール構造において、配管１１の外側に外嵌されて該配管１１を配管１２側に締め付ける形状記憶合金環４を備え、該形状記憶合金環４は、所定の変態温度以上における内径が該変態温度未満における内径よりも小さくなるよう構成されている。配管１１と配管１２との間にはシール材５が設けられている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の流体配管とその端部に挿入された第２の流体配管との間を気密又は／及び液密にシールする配管継手部のシール構造であって、
前記第１の流体配管の外側に外挿されて該第１の流体配管を前記第２の流体配管側に締め付ける形状記憶合金環を備え、該形状記憶合金環は、所定の変態温度以上における内径が該変態温度未満における内径よりも小さい、配管継手部のシール構造。
【請求項２】
前記第１の流体配管と第２の流体配管との間にシール材が設けられている、請求項１に記載の配管継手部のシール構造。
【請求項３】
前記第１の流体配管及び第２の流体配管は高圧水素用である、請求項１または２に記載の配管継手部のシール構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、第１の流体配管とその端部に挿入された第２の流体配管との間を気密又は／及びシールする配管継手部のシール構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
広く一般産業で使用される配管継手部のシール構造として、そのシール材に形状記憶合金を使用した技術が知られている。例えば、特許文献１に開示のシール構造では、互いに連結される流体配管のフランジ接合面間に、形状記憶合金からなるシール材が介装されている。形状記憶合金は、シール材として繰り返し使用でき且つ高温高圧な流体にも適用可能なため、経費及び資源を節約しつつ、高いシール性を実現することができる。
【特許文献１】特開平０７−２３９０３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、特許文献１のシール構造では、配管内を流れる水素にシール材である形状記憶合金が直接接触してしまうため、強度や耐食性の観点から形状記憶合金の材料選択に制約を受けるという問題があった。また、このような問題は、配管内を流れる流体の種類や状態（圧力、温度等）と、形状記憶合金との組合せ如何によって、水素以外の流体が配管内を流れる場合にも起こり得る。
【０００４】
本発明は、上記事情に鑑みて成されたものであり、流体配管同士の継手部を嵌め合わせ構造とし、この嵌め合わせ部の外周に形状記憶合金環を設けてなる配管継手部のシール構造において、形状記憶合金の材料選択の自由度を高めることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明においては上記の課題を解決するために以下の手段を採用した。すなわち、請求項１に記載の発明は、第１の流体配管とその端部に挿入された第２の流体配管との間を気密又は／及びシールする配管継手部のシール構造であって、前記第１の流体配管の外側に外挿されて該第１の流体配管を前記第２の流体配管側に締め付ける形状記憶合金環を備え、該形状記憶合金環は、所定の変態温度以上における内径が該変態温度未満における内径よりも小さいことを特徴とする。
【０００６】
本発明の構成によれば、例えば配管圧、流体温度の上昇に起因して、形状記憶合金環が所定の変態温度以上になると、該形状記憶合金環はそれまでの状態と比較して縮径するので、第１の流体配管が第２の流体配管を締め付け、これら流体配管間のシール圧が高まる。形状記憶合金環自体は第１の流体配管の外側に設けられているから、流体配管内を流れる流体とは直接触れない。このため、強度・耐食性等の制約があった形状記憶合金の材料選択の幅を広げることができる。
【０００７】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の配管継手部のシール構造において、前記第１の流体配管と第２の流体配管との間にシール材が設けられていることを特徴とする。
【０００８】
本発明の構成によれば、第１の流体配管と第２の流体配管との間のシールが確実に行われる。
【０００９】
この構成においては、第２の流体配管の線膨張係数が第１の流体配管の線膨張係数よりも大きいことが好ましい。流体圧が上昇するとそれに伴い温度も上昇するため、「第２の流体配管の線膨張係数≦第１の流体配管の線膨張係数」であると、第１の流体配管の管径の方が第２の流体配管の管径よりも大きくなり、シール材への緊迫力が弱くなるからである。
【００１０】
これに対し、上記構成によれば、流体圧が高いときには、シール材への緊迫力を高めることができる。このことは、高いシール性が求められる条件に合わせてシール材の締め代を過量に設定する必要がないことを意味するので、流体圧が低いときのシール材の締め代を小さくし得て、クリープの発生を抑制できる。
【００１１】
なお、例えば流体配管同士が直接金属接触される「オートクレーブ型継手」等に適用する場合は、本発明の構成に係るシール材は不要である。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の配管継手部のシール構造において、前記第１の流体配管及び第２の流体配管は高圧水素用であることを特徴とする。
【００１３】
本発明に係る配管継手部のシール構造は、形状記憶合金の選択に制約がある高圧水素用配管に用いることが好適である。かかる場合には、形状記憶合金環が水素と直接触れないため、水素脆化の虞がなく、材料選択の自由度が高まる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明においては、形状記憶合金環を用いて継手部を外側から締め付けることにより、この継手部における第１及び第２の流体配管間のシール性が確保されるので、形状記憶合金の材料選択の自由度が高い配管継手部のシール構造を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明に係る配管継手部のシール構造の一実施形態を以下に説明する。図３は、本発明の一適用例に係る燃料電池システムを示しており、酸化ガスとしての空気（外気）は空気供給路７１を介して燃料電池２０の空気供給口に供給される。空気供給路７１には空気から微粒子を除去するエアフィルタＡ１、空気を加圧するコンプレッサＡ３、供給空気圧を検出する圧力センサＰ４及び空気に所要の水分を加える加湿器Ａ２１が設けられている。
【００１６】
燃料電池２０から排出される空気オフガスは排気路７２を経て外部に放出される。排気路７２には、排気圧を検出する圧力センサＰ１、圧力調整弁Ａ４及び加湿器Ａ２１の熱交換器が設けられている。
【００１７】
燃料ガスとしての水素ガスは水素供給源（例えば高圧水素タンク）３０から燃料供給路７４を介して燃料電池２０の水素供給口に供給される。燃料供給路７４には、水素供給源３０から水素を供給しあるいは供給を停止する遮断弁Ｈ１００、水素供給源３０からの水素ガスの供給圧力を検出する圧力センサＰ６、燃料電池２０への水素ガスの供給圧力を減圧して調整する水素調圧弁Ｈ９、水素調圧弁Ｈ９の下流の水素ガス圧力を検出する圧力センサＰ９、燃料電池２０の水素供給口と燃料供給路７４間を開閉する遮断弁Ｈ２１及び水素ガスの燃料電池２０の入口圧力を検出する圧力センサＰ５が設けられている。
【００１８】
燃料電池２０で消費されなかった水素ガスは水素オフガスとして水素循環路７５に排出され、燃料供給路７４の調圧弁Ｈ９の下流側に戻される。水素循環路７５には、水素オフガスの温度を検出する温度センサＴ３１、燃料電池２０と循環路７５を連通／遮断する遮断弁Ｈ２２、水素オフガスから水分を回収する気液分離器Ｈ４２、回収した生成水を循環路７５外の図示しないタンク等に回収する排水弁Ｈ４１、水素オフガスを加圧する水素ポンプＨ５０及び逆流阻止弁（逆止弁）Ｈ５２が設けられている。水素循環路７５は排出制御弁（パージ弁）Ｈ５１を介してパージ流路７６によって排気路７２に接続される。
【００１９】
更に、燃料電池２０の冷却水出入口には冷却水を循環させる冷却路７３が設けられる。冷却路７３には、燃料電池２０から排水される冷却水の温度を検出する温度センサＴ１、冷却水の熱を外部に放熱するラジエータ（熱交換器）Ｃ２、冷却水を加圧して循環させるポンプＣ１及び燃料電池２０に供給される冷却水の温度を検出する温度センサＴ２が設けられている。ラジエータＣ２にはモータによって回転駆動される冷却ファンＣ１３が設けられている。
【００２０】
燃料電池２０は燃料電池セル（単位セル）を所要数積層した燃料電池スタックとして構成され、水素供給源３０から供給される水素を燃料として発電を行う。
【００２１】
制御部５０は、図示しない車両のアクセル信号などの要求負荷や燃料電池システムの各部のセンサ（圧力センサ、温度センサ、流量センサ、出力電流計、出力電圧計等）から制御情報を受け取り、システム各部の弁類やモータ類の運転を制御する
図１は、上記の燃料電池システムの水素供給源３０に対して高圧水素を充填、および、水素供給源３０から水素を放出する際に用いられる２本の配管が軸方向に接続されてなる配管継手部１を示している。この配管継手部１においては、水素供給源３０に接続されている配管（第１の流体配管）１１の一端部に、燃料電池２０側に延びる別の配管（第２の流体配管）１２が挿入接続されている。これら配管１１，１２は、燃料供給路７４の一部を構成している。
【００２２】
配管継手部１は、配管１１の外側に外嵌されて配管１１を配管１２側に締め付ける形状記憶合金環４と、配管１１と配管１２との間に介在された環状のシール材５とを備えている。形状記憶合金環４は短い円筒形状であり、所定の変態温度以上における内径が該変態温度未満における内径よりも小さくなるよう構成されている。室温状態における内径は、配管１１の外径よりも小さく構成されている。
【００２３】
形状記憶合金環４としては、例えばＴｉＮｉ系、Ｃｕ系、Ｆｅ系等の形状記憶合金が使用される。この形状記憶合金環４は、配管１１，１２内を流れる水素に直接触れることがないので、これら例示した形状記憶合金の他に、水素脆化の虞のない種々の形状記憶合金を使用することが可能である。
【００２４】
配管１２の外径は配管１１の内径よりも小さく、配管１１に対して内挿される。また、配管１２の線膨張係数は配管１１の線膨張係数よりも大きい。
【００２５】
配管接続時においては、間にシール材５を挟んで配管１２を配管１１に挿入し、配管１１の外側から形状記憶合金環４を配管１１に圧入する。このとき、配管１１と配管１２との間にはシール５が介在しているため、配管内を流れる流体（水素）は確実にシールされる。
【００２６】
水素供給源３０への水素充填時には、図２の（ａ）に示したように時間とともにガス圧が高まり圧縮され、それにより温度が上昇する。形状記憶合金環４は所定の変態温度以上になると縮径し、配管１１が配管１２を締め付ける。配管１２は配管１１よりも線膨張係数が大きいから、温度上昇に伴う配管１２の径方向の膨張量は配管１１の膨張量よりも大きい。したがって、ガス圧が上昇するに伴って、配管１１と配管１２との締め代は更に大きくなり、シール性が向上する。
【００２７】
水素放出時には、図２（ｂ）に示したように温度とともに圧力が徐々に低下し、それにしたがって内側の配管１２が収縮する。
【００２８】
以上説明したように、本実施形態に係る配管継手部１のシール構造は、水素配管の継手部を嵌め合わせ構造にすると共に、この嵌め合わせ部の外周に形状記憶合金環４を設けているので、以下の効果を得ることができる。すなわち、形状記憶合金環４は、配管１１の外側に設けられており、配管１１，１２内の水素と直接触れることがないので、水素に対する耐食性、強度の制約を受けず、形状記憶合金の材料選定の自由度を上げることができる。
【００２９】
水素供給源３０への水素充填時には、形状記憶合金環５が所定の変態温度以上で縮径するため、配管１１，１２間のシール性が高まる。しかも、配管圧、流体温度の上昇に従って配管１１と配管１２との締め代が徐々に大きくなる。また、水素放出時には、配管圧、流体温度の低下に従って配管１１と配管１２との締め代は徐々に低下する。つまり、温度が低くガス圧が低いときには締め代を小さくでき、温度が高くガス圧が高いときだけ選択的に締め代を大きくすることができる。
【００３０】
したがって、必要時には確実なシール性を得ることができると同時に、低圧時には締め代が小さくなるので、配管１１，配管１２，及びシール材５にクリープが発生することを抑制することができる。
【００３１】
なお、本発明に係る配管継手部のシール構造を、例えば配管同士が直接金属接触される「オートクレーブ型継手」等に適用する場合は、上記実施形態に示したシール材５は不要である。
【００３２】
また、上記実施形態においては燃料電池システムの高圧水素配管に適用した場合について示したが、本発明に係る配管継手部のシール構造の用途はこれに限定されないことは言うまでもない。燃料電池システム以外に用いてもよいし、水素配管以外の配管に用いることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の一実施形態として示した配管継手の一部を破断して示した斜視図である。
【図２】（ａ）は充填時、（ｂ）は放出時のガス温度・圧力の経時変化を示した図である。
【図３】本発明の一適用例に係る燃料電池システムを概略的に説明する説明図である。
【符号の説明】
【００３４】
１…配管継手、４…形状記憶合金環、５…シール材、１１…配管（第１の流体配管）、１２…配管（第２の流体配管）、２０…燃料電池、３０…水素ガス供給源、７４…燃料供給路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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