(57)【要約】【課題】  流体の圧力によるシール材の変形を抑止することで、流体制御弁の信頼性を向上させる。【解決手段】  ハウジング４０及びシャトル４２を備え、ハウジング４０に対して可動するシャトル４２がハウジング４０側に密着することでアノードガスの流れを遮断するように構成された水素バルブ３０であって、ハウジング４０に設けられ、シャトル４２との密着部位をシールするシール材４４と、アノードガスの圧力によるシャトル４２とシール材４４との密着部位でのシール材４４の変形を防止する変形防止手段（溝４４ａ、面取り４４ｂ）と、を備える。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
弁座と、弁体と、前記弁体又は前記弁座の一方に設けられ前記弁体又は前記弁座の他方との密着部位をシールするシール材とを備え、閉弁時に前記シール材に高圧側流体と接する部位を有する構造の弁であって、
前記高圧側流体の圧力による前記密着部位での前記シール材の変形を防止する変形防止手段を備えたことを特徴とする流体制御弁。
【請求項２】
前記変形防止手段は、前記密着部位の近傍における前記シール材に設けられた、前記シール材の他の領域よりも変形が容易な第１の領域を含むことを特徴とする請求項１記載の流体制御弁。
【請求項３】
前記第１の領域は、前記シール材に設けられた溝から構成されることを特徴とする請求項２記載の流体制御弁。
【請求項４】
前記変形防止手段は、前記シール材が設けられた前記弁体又は前記弁座の一方と前記シール材との対向面において前記シール材に設けられた前記シール材の他の領域よりも変形が容易な第２の領域を含み、前記第２の領域は、前記シール材の下面であって前記シール材の上面の前記密着部位を下面に投影して得られる領域よりも外側の領域、及び／又は前記シール材の側面に設けられたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の流体制御弁。
【請求項５】
前記第２の領域は、前記シール材に設けられた凹部から構成されることを特徴とする請求項４記載の流体制御弁。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体制御弁に関し、特に、燃料電池システム、内燃機関等に用いられる流体制御弁に適用して好適である。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば特開２０００−４６２３２号公報に記載されているように、コイルの発熱による弁室の内圧変化、弾性パッキンの変形による弁室の内圧変化を抑えたマスタバルブが知られている。
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−４６２３２号公報
【特許文献２】実開平６−８１００５号公報
【特許文献３】特開平６−７４３５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述した従来の技術では、マスタバルブの閉弁時に弁体（コア）と弁座（ベース）とのシール面に設けられているシール材に流入側と流出側の流体圧力が加わる構造のため、圧力によってシール材が変形し、シール面から漏れが生じる虞がある。このため、弁の信頼性を高く維持することは困難である。
【０００５】
この発明は、上述のような問題を解決するためになされたものであり、流体の圧力によるシール材の変形を抑止することで、流体制御弁の信頼性を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、弁座と、弁体と、前記弁体又は前記弁座の一方に設けられ前記弁体又は前記弁座の他方との密着部位をシールするシール材とを備え、閉弁時に前記シール材に高圧側流体と接する部位を有する構造の弁であって、前記高圧側流体の圧力による前記密着部位での前記シール材の変形を防止する変形防止手段を備えたことを特徴とする。
【０００７】
第２の発明は、第１の発明において、前記変形防止手段は、前記密着部位の近傍における前記シール材に設けられた、前記シール材の他の領域よりも変形が容易な第１の領域を含むことを特徴とする。
【０００８】
第３の発明は、第２の発明において、前記第１の領域は、前記シール材に設けられた溝から構成されることを特徴とする。
【０００９】
第４の発明は、第１〜第３の発明のいずれかにおいて、前記変形防止手段は、前記シール材が設けられた前記弁体又は前記弁座の一方と前記シール材との対向面において前記シール材に設けられた前記シール材の他の領域よりも変形が容易な第２の領域を含み、前記第２の領域は、前記シール材の下面であって前記シール材の上面の前記密着部位を下面に投影して得られる領域よりも外側の領域、及び／又は前記シール材の側面に設けられたことを特徴とする。
【００１０】
第５の発明は、第４の発明において、前記第２の領域は、前記シール材に設けられた凹部から構成されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
第１の発明によれば、弁体又は弁座との密着部位（シール面）におけるシール材の変形を防止することができるため、シール面に隙間が生じて漏れが発生することを抑止できる。従って、流体の流れを確実に遮断することができ、流体制御弁の信頼性を高めることが可能となる。
【００１２】
第２の発明によれば、シール材の密着部位の近傍に、ジール材の他の領域よりも変形が容易な第１の領域を設けたため、当該第１の領域でシール材を変形させることができ、シール面に変形が及ぶことを抑止することができる。
【００１３】
第３の発明によれば、シール材に溝を設けることで、シール材の密着部位の近傍に他の領域よりも変形が容易な第１の領域を設けることができる。
【００１４】
第４の発明によれば、シール材が設けられた弁体又は弁座の一方とシール材との対向面において、シール材に他の領域よりも変形が容易な第２の領域を設けたため、当該第２の領域でシール材を変形させることができ、シール面に変形が及ぶことを抑止することができる。また、第２の領域は、シール材の下面であってシール材の上面の密着部位を下面に投影して得られる領域よりも外側の領域、及び／又はシール材の側面に設けられるため、シール材の変形が密着部位に及ぶことを確実に抑止することが可能となる。
【００１５】
第５の発明によれば、シール材に凹部を設けることで、シール材の密着部位の近傍に他の領域よりも変形が容易な第２の領域を設けることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面に基づいてこの発明の一実施形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。なお、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１７】
図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システム１０を示す模式図である。本実施形態において、燃料電池１２は固体高分子電解質膜を備えた燃料電池（ＰＥＭＦＣ）であり、電解質膜、アノード、カソード、およびセパレータとから構成されるセルを複数積層して構成される。
【００１８】
図１に示すように、燃料電池１２には、アノードガス流路１４及びカソードガス流路１６が導入されている。アノードガス流路１４は水素タンク１８と接続されており、水素タンク１８から燃料電池１２のアノードへ水素リッチなアノードガスが送られる。また、カソードガス流路１６には空気ポンプ２０が設けられており、空気ポンプ２０の駆動によりカソードへ酸素を含む酸化ガスとしてのカソードガスが送られる。
【００１９】
燃料電池１２のアノードでは、アノードガスが送り込まれると、このアノードガス中の水素から水素イオンを生成し（Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−）、カソードでは、カソードガスが送り込まれると、水素イオンと酸素とから水が生成され（（１／２）Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ）、燃料電池１２は電力を発生する。この水のほとんどは、燃料電池１２内で発生する熱を吸収して水蒸気となり、カソードオフガス中に含まれて排出される。
【００２０】
アノードから排出されたアノードオフガスは、アノードオフガス流路２２から処理装置２４へ送られて排出される。アノードオフガス流路２２には水素排出弁２６が設けられている。水素排出弁２６によってアノードオフガスの排出量を調整することで、燃料電池１２内部における水素の内圧を調整することができる。なお、アノードオフガスをアノードガス流路１４に戻すことで、アノードオフガスを循環させても良い。
【００２１】
一方、燃料電池１２のカソードから排出されたカソードオフガスは、カソードオフガス流路２８から排出される。カソード側においても、カソードオフガスをカソードガス流路１６に戻すことで循環させても良い。
【００２２】
アノードガス流路１４には、燃料電池１２へ送る水素量を調整するため、水素バルブ３０および水素レギュレータ３２が設けられている。
【００２３】
図２は、水素バルブ３０の構成を示す断面図である。ここで、図２（Ａ）は水素バルブ３０の閉弁状態を、図２（Ｂ）は水素バルブ３０の開弁状態をそれぞれ示している。水素バルブ３０は、ハウジング（弁座）４０、シャトル（弁体）４２、シール材（バルブシード）４４、ソレノイド４６、バネ４８を有して構成されている。シャトル４２の上部には、アマーチャ４３が固定されている。また、シール材４４はハウジング４０内の下部に設けられ、表面（上面）に形成された溝４４ａと、下部のエッジに形成された面取り４４ｂを備えている。ハウジング４０には、水素タンク１８から送られたガスをその内部に導入するためのガス導入孔４０ａが設けられている。
【００２４】
なお、図２では、ハウジング４０側にシール材４４を設けているが、シャトル４２側にシール材４４を固定しても良い。
【００２５】
シャトル４２は、その中心に設けられた孔４２ａと、側面に設けられた孔４２ｂを備えている。シャトル４２の孔４２ａ，４２ｂにはガスが通過可能とされている。また、孔４２ｂには弾性変形可能なパイプ５０が接続されており、パイプ５０の他端はハウジング４０に設けられたガス排出孔４０ｂに接続されている。ガス排出孔４０ｂはアノードガス流路１４と接続されており、ガス排出孔４０ｂから排出されたガスはアノードガス流路１４へ送られる。また、シャトル４２とハウジング４０は、ダイヤフラム５２，５４によって接続されている。
【００２６】
図２（Ａ）に示す閉弁状態では、ソレノイド４６が非通電状態とされ、バネ４８の押し付け力によってシャトル４２の下面がシール材４４の上面に密着している。これにより、シャトル４２の外側からシャトル４２の内部へのガスの流入が遮断され、ガス導入孔４０ａ→孔４２ａ→孔４２ｂ→ガス排出孔４０ｂへ向かう流れが遮断される。従って、水素バルブ３０内のガスの流れが遮断され、水素タンク１４から燃料電池１２へのアノードガスの供給が停止される。
【００２７】
ソレノイド４６に通電がされると、シャトル４２と一体に設けられたアマーチャ４３を上方へ変位させる方向の電磁力が発生する。このため、アマーチャ４３がソレノイド４６に吸着され、シャトル４２がバネ４８の押し付け力に反して上方に移動する。これにより、水素バルブ３０は図２（Ｂ）に示す開弁状態となる。この状態では、シール材４４とシャトル４２が非接触状態となるため、シャトル４２に設けられた孔４２ａ、孔４２ｂを通って図２（Ｂ）に示す矢印方向にガスが流れ、ハウジング４０のガス導入孔４０ａからガス排出孔４０ｂに向かってガスが流れる。従って、水素バルブ３０にガスが通過可能となり、水素タンク１４から燃料電池１２へアノードガスが供給される。
【００２８】
図３は、水素バルブ３０の閉弁時に、ガス導入孔４０ａからハウジング４０の内部に送られたアノードガスの圧力によってシール材４４が変形する様子を示す模式図である。ここで、図３（Ａ）は、表面に溝４４ａを設けた本実施形態に係るシール材４４が変形する様子を示しており、図３（Ｂ）は、シール材４４に溝４４ａを設けていない場合にシール材４４が変形する様子を示している。
【００２９】
図３に示すように、シール材４４の上面には溝４４ａが設けられている。溝４４ａは、シャトル４２とシール材４４が密着する領域の外側にリング状に設けられている。
【００３０】
図２（Ａ）に示す閉弁状態では、ハウジング４０のガス導入孔４０ａからハウジング４０の内部に流入したアノードガスによる圧力（一次圧力）が、ハウジング４０の内部に加わる。このとき、アノードガスの圧力は、シャトル４２とシール材４４が密着している領域の外側でシール材５４の表面に下向きにかかることになる。
【００３１】
そして、図２（Ａ）に示す閉弁状態では、シャトル４２の下面がシール材４４の上面に密着しているため、アノードガスによる圧力はシャトル４２の孔４２ａ内、パイプ５０の内部、ガス排出孔４０ｂ内にはかからない。従って、孔４２ａ内、パイプ５０の内部、ガス排出孔４０ｂ内の圧力は、大気圧（２次圧力）となる。
【００３２】
このとき、アノードガスの圧力は通常７００気圧程度であり、一方、大気圧は１気圧であるため、この差圧によってシール材４４の上面が図３（Ａ）中の矢印方向に変形しようとする。
【００３３】
シール材４４の上部で発生した変形がシャトル４２とシール材４４との接触面に達すると、接触面の面方向にシール材４４が移動し、シャトル４２とシール材４４の接触部に位置ずれが生じる場合がある。また、変形によってシャトル４２とシール材４４との接触圧が変化する場合がある。これにより、シャトル４２の外側に導入されたアノードガスが孔４２ａ内に漏れる場合がある。
【００３４】
しかし、本実施形態では、シャトル４２とシール材４４が密着する領域の外側に溝４４ａを設けているため、シール材４４の表面で発生した変形は溝４４ａで遮断され、変形がシャトル４２とシール材４４との密着部位に達することはない。従って、閉弁時にアノードガスが孔４２ａ内に流入してしまうことを確実に抑止できる。これにより、水素バルブ３０において確実にガス流を遮断することができ、信頼性を高めることが可能となる。
【００３５】
なお、溝４４ａの代わりに、シャトル４２とシール材４４が密着する領域の外側に、シール材４４の他の領域よりも容易に変形する材料を配置しても良い。例えば、シャトル４２とシール材４４が密着する領域の外側に、シール材４４の他の領域よりも容易に変形する材料を埋め込んでも良い。また、溝４４ａの代わりに、シャトル４２とシール材４４が密着する領域の外側におけるシール材４４の表面近傍に空隙を設けても良い。また、図２及び図３（Ａ）では、シャトル４２の下面の外側に溝４４ａを設けているが、ガス流を遮断するために必要となるシャトル４２とシール材４４の接触面積が確保できれば、溝４４ａをよりシャトル４２側に近接させて、溝４４ａとシャトル４２の下面がオーバーラップする構成としても良い。
【００３６】
また、本実施形態では、シール材４４の下部のエッジに面取り４４ｂを設けているため、シール材４４とハウジング４０の間には空間５６が形成されている。これにより、アノードガスの圧力によってシール材４４の上面が下向きに押されると、空間５６が狭くなる方向にシール材４４が変形する。従って、空間５６が狭くなることでシール材４４の変形を吸収することができ、シール面に影響しない部分を変形させることで、シャトル４２とシール材４４の密着部位に変形が及ぶことを抑止できる。従って、シャトル４２とシール材４４との密着部位において、シール材４４が変形することでアノードガスが孔４２ａに流入してしまうことを抑止できる。
【００３７】
なお、空間５６を設ける代わりに、シール材４４の下部のエッジ部分にシール材４４の他の領域よりも容易に変形する材料を配置しても良い。例えば、シール材４４の下部のエッジ部分にシール材４４の他の領域よりも容易に変形する材料を埋め込んでも良い。
【００３８】
図３（Ｂ）に示すように、シール材４４に溝４４ａ、面取り４４ｂを設けていない場合は、シール材４４の変形を吸収することができない。このため、アノードガスの圧力によってシール材４４の上面が下向きに押されると、シール材４４が図３（Ｂ）中の矢印方向に変形し、シャトル４２とシール材４４とが密着している領域においてシール材４４が横方向に変形してしまう。これにより、シャトル４２とシール材４４との密着部位に隙間が生じて、アノードガスが孔４２ａに流入してしまう場合がある。
【００３９】
従って、本実施形態のように、シール材４４の表面に溝４４ａを設け、また面取り４４ｂを設けておくことで、シャトル４２とシール材４４とが密着している領域において、シール材４４が変形してしまうことを抑止することができる。これにより、水素バルブ３０の閉弁時において、ガス導入孔４０ａから高圧のアノードガスがハウジング４０の内部に送られた場合に、水素バルブ３０においてアノードガスの流れを確実に遮断することが可能となる。
【００４０】
なお、上述のようにシール材４４には溝４４ａと面取り４４ｂの双方を設けることが好適であるが、いずれか一方を設けることによってもシャトル４２とシール材４４の密着部位に変形が及ぶことを抑止できる。
【００４１】
図４は、本実施形態の変形例を示す模式図である。図４に示すように、シャトル４２とシール材４４とが密着している領域でのシール材４４の変形を抑えるためには、図３で説明した形状以外にも、様々な形状を採用することができる。
【００４２】
図４（Ａ）では、シール材４４の下部のエッジに面取り４４ｃを設け、シャトル４２とシール材４４が密着する領域の外側に段差４４ｃを設けている。図４（Ａ）の構成によれば、アノードガスの圧力によってシール材４４の上面が下向きに押されると、シール材４４の上面が図４（Ａ）中の矢印方向に変形する。このとき、段差４４ｃを設けたことによって、シャトル４２とシール材４４とが密着する領域とシール材４４が変形する領域を離間させることができるため、シャトル４２とシール材４４が密着する領域に変形が達してしまうことを抑止できる。
【００４３】
また、図４（Ｂ）では、シール材４４の上面に溝４４ａを設け、シール材４４の側面に凹部４４ｄを設けている。図４（Ｂ）の構成によれば、アノードガスの圧力によってシール材４４の上面が下向きに押されると、シール材４４が図４（Ｂ）中の矢印方向に変形する。これにより、シャトル４２とシール材４４とが密着する領域に変形が達してしまうことを抑止できる。
【００４４】
また、図４（Ｃ）では、シール材４４の表面に溝４４ａを設け、シール材４４の下面に凹部４４ｅを設けている。図４（Ｃ）の構成によれば、アノードガスの圧力によってシール材４４の上面が下向きに押されると、シール材４４が図４（Ｃ）中の矢印方向に変形する。これにより、シャトル４２とシール材４４とが密着する領域に変形が達してしまうことを抑止できる。
【００４５】
なお、図４の変形例においても、溝４４ａ、面取り４４ｂ、段差４４ｃ、凹部４４ｄ，４４ｅ等の代わりに、シール材４４の他の領域よりも容易に変形する材料を配置しても良い。
【００４６】
また、図３及び図４において、面取り４４ｂ、凹部４４ｄ，４４ｅは、シール材４４の下面であってシール材４４の上面のシャトル４２との密着領域を下面に投影して得られる領域よりも外側の領域、またはシール材４４の側面に設けることが好適である。これにより、面取り４４ｂ、凹部４４ｄ，４４ｅで発生した変形がシール材４４とシャトル４２との密着部位に達してしまうことを抑止でき、流体の流れを確実に遮断することができる。
【００４７】
以上説明したように本実施形態によれば、高圧のアノードガスの流れを遮断する水素バルブ３０において、シャトル４２とシール材４４とが密着する領域でのシール材４４の変形を抑止することができる。従って、シャトル４２とシール材４４を確実に密着させることが可能となり、密着部においてガスが漏れることを抑止することができる。これにより、水素バルブ３０において確実にガス流を遮断することが可能となり、システムの信頼性を高めることが可能となる。
【００４８】
なお、上述した実施形態では、燃料電池システム１０に設けられる水素バルブ３０に本発明を適用した例を示したが、本発明は流体の流れを制御する各種の弁機構に適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料電池システムを示す模式図である。
【図２】水素バルブの構成を示す断面図である。
【図３】アノードガスの圧力によってシール材が変形する様子を示す模式図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る変形例を示す模式図である。
【符号の説明】
【００５０】
３０  水素バルブ
４０  ハウジング
４２  シャトル
４４  シール材
４４ａ  溝
４４ｂ  面取り
５６  空間
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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