(57)【要約】【課題】新たな形態のシール方式で漏水防止及び耐久性を向上させた燃料電池車両のスタック冷却水調節用バルブを提供する。【解決手段】燃料電池スタック、ポンプ及びラジエータにそれぞれ連結されるポートを有するボディハウジングの各ポートを選択的に開閉するプランジャ及びプランジャシャフトを含み、プランジャシャフトが貫通するアクチュエータハウジングの孔には、シーリングのために、プランジャシャフトの周囲にシールが取り付けられ、シールには、一方が開放された空間部が形成されると共に、空間部内に流入する冷却水の圧力により、プランジャシャフトに密着しているシャフトシーリング部がプランジャシャフト側に加圧されるようにしたことを特徴とする。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタック、ポンプ及びラジエータにそれぞれ連結されるポートを有するボディハウジングの各ポートを選択的に開閉するプランジャ及びプランジャシャフトを含み、
前記プランジャシャフトが貫通するアクチュエータハウジングの孔には、シーリングのために、前記プランジャシャフトの周囲にシールが取り付けられ、
該シールには、一方が開放された空間部が形成されると共に、空間部内に流入する冷却水の圧力により、前記プランジャシャフトに密着しているシャフトシーリング部がプランジャシャフト側に加圧されるようにしたことを特徴とする燃料電池車両のスタック冷却水調節用バルブ。
【請求項２】
前記シールに形成された前記空間部の内壁の外側には、金属インサートが環装されて取り付けられたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池車両のスタック冷却水調節用バルブ。
【請求項３】
前記シールに形成された前記空間部の内側壁面には、前記シャフトシーリング部の裏面に密着位置し、前記シャフトシーリング部を弾力的に支持するテンションスプリングが取り付けられたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池車両のスタック冷却水調節用バルブ。
【請求項４】
前記シールの内周面にある前記シャフトシーリング部の一側には、前記プランジャシャフトの周囲面に密着して、外部からの異物の流入を防ぐダストリップが形成されたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池車両のスタック冷却水調節用バルブ。
【請求項５】
前記シールは、摩耗がほとんどなく、耐熱性と耐寒性に優れた材質からなることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載の燃料電池車両のスタック冷却水調節用バルブ。  
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池車両のスタック冷却水調節用バルブに係り、より詳しくは、燃料電池スタックの安定した運転のために、燃料電池スタックに流入する冷却水の温度を最適に調節するバルブに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池スタックは、燃料電池車両の主な動力供給源であって、空気中の酸素と燃料である水素とが供給されて電気を生産する装置である。
上記の燃料電池スタックは、最適の温度に調節された冷却水がスタック内に流入する時、安定した最適の出力を示すので、スタックに流入する冷却水の温度を最適の温度に維持することが非常に重要である（例えば、特許文献１〜３参照）。
通常、燃料電池システムの初期始動時は、スタックの発熱量が少なく、冷却水の温度が低いため、冷却水は、スタック、ポンプ、冷却水調節用バルブ、スタックの順に流れるループに流される。
【０００３】
一方、燃料電池システムの始動後、一定以上の時間が経過すると、スタックの発熱量が多くなり、冷却水の温度が高くなる。この場合、冷却水調節用バルブがバイパスループを適切に遮断して、冷却水を、スタック、ポンプ、ラジエータ、冷却水調節用バルブ、スタックの順に流れるループに流す。即ち、ラジエータにおける冷却工程を加えることにより冷却水の温度を調節する。
燃料電池車両に適用されるスタック入口において要求される冷却水の温度が６５℃前後であることを考慮し、冷却水調節用バルブは、入力されたスタック入口の温度信号より、上記二つのループの開度を適切に制御し、外部環境に関係なく、常に一定温度の冷却水がスタックに流入するように調節する役割を担う。
上記の冷却水調節用バルブを有する燃料電池システムについては、例えば特許文献４〜６などに多様な形態のものが開示されている。
【０００４】
図４は、従来の燃料電池車両のスタック冷却水調節用バルブを示す概略図である。
図４に示したとおり、冷却水調節用バルブは、燃料電池スタック、ポンプ及びラジエータにそれぞれ連結されるポート１０ａ、１０ｂ、１０ｃを有するボディハウジング１１と、ボディハウジング１１の内部に設けられ、各ポート１０ａ、１０ｂ、１０ｃを選択的に開閉するプランジャ１２及びプランジャシャフト１３と、プランジャ１２の一側でアクチュエータハウジング１４内に設けられ、プランジャ１２を動作させるアクチュエータ（図示せず）と、アクチュエータの作動を制御する制御器１５とを含む。
ここで、アクチュエータの作動力がプランジャシャフト１３を介してプランジャ１２に伝達され、プランジャ１２が回転動作する方式は、従来のものと同様であるので、具体的な説明は省略する。
【０００５】
図５は、従来の燃料電池車両のスタック冷却水調節用バルブにおいて、プランジャシャフトのシール構造のための構成部品を示す斜視図であり、図６は、従来の燃料電池車両のスタック冷却水調節用バルブにおいて、シールを示す斜視図及び断面図である。
図５及び図６に示したとおり、アクチュエータハウジング１４には、プランジャシャフト１３が貫通する孔１６が形成され、孔１６には、プランジャシャフト１３の周囲にシール１７、シールワッシャ１８及び止め輪１９が順次に取り付けられることで、プランジャシャフトの組み立て部位に対するシーリングが行われる。
そして、図５及び図６に示したシール１７の場合に、シール１７の内部に環装されたテンションスプリング２０により内側方向に押し出されたシャフトシーリング部２１がプランジャシャフト１３の周囲に密着してシール機能を発揮する。
【０００６】
燃料電池車両のスタック冷却水調節用バルブは、冷却水によるアクチュエータ制御器の内部への水分の浸透を防止するために、プランジャシャフトのシーリング技術が非常に重要である。
これは、車両の走行環境条件（極寒、極暑、高振動など）による部品の耐久寿命と直接関係しているためである。
しかし、従来のプランジャシャフトのシーリング技術は、車両の運転中に発生する厳しい条件によって、約３〜６ヶ月間にシャフト漏水が発生するという問題点があった。
例えば、プランジャシャフトとシールの接触部位に、水蒸気が浸透することにより、シャフト漏水が発生し、それによって、アクチュエータ制御器内に凝結現象が起き、これに対する対策が要求されていた。
【０００７】
従来のプランジャシャフトのシーリング技術の短所を列記すると、下記の通りである。
第一に、シールのシーリング面の材質がフッ素樹脂（ＰＴＦＥなど）の材質からなるので、摩耗が激しく発生し、また耐熱性と耐寒性に劣る。
第二に、プラスチック材質の特性上、回復能力が劣るので、振動漏水が起きやすい。
第三に、プランジャシャフト及びその周囲に圧力がかかる場合、シールの摩耗が増加するため、シーリング力が低下して漏水が発生しやすい。
第四に、プランジャシャフトのシーリングのための構成部品（例えば、シール、シールワッシャ、止め輪など）が多いので、コストの面において不利である（例えば、特許文献５参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００９−１５１９９４号公報
【特許文献２】特開２００９−１４０９０２号公報
【特許文献３】特開２００８−２２６８１０号公報
【特許文献４】韓国公開特許第１０−２０１３−００６１４４５号公報
【特許文献５】韓国公開特許第１０−２０１２−００３２３４５号公報
【特許文献６】韓国公開特許第１０−２００９−００５８０９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
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、プランジャシャフトのシーリングのためのシールの構造、形状及び材質の変更によって、プランジャシャフトの摩擦力を最小化し、かつ完璧なシーリング機能を発揮することができる新たな形態のシール方式を具現することで、漏水防止はいうまでもなく、耐久信頼性を向上させることができる燃料電池車両のスタック冷却水調節用バルブを提供することにある。
また、本発明の他の目的とするところは、シール性能の確保によって、周辺部品を取り除き、部品数の低減及び構造の単純化に伴うコスト低減効果を図ることができる燃料電池車両のスタック冷却水調節用バルブを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の目的を達成するためになされた本発明の燃料電池車両のスタック冷却水調節用バルブは、次の特徴がある。
冷却水調節用バルブは、燃料電池スタック、ポンプ及びラジエータにそれぞれ連結されるポートを有するボディハウジングの各ポートを選択的に開閉するプランジャ及びプランジャシャフトを含み、プランジャシャフトが貫通するアクチュエータハウジングの孔には、シーリングのために、プランジャシャフトの周囲にシールが取り付けられ、シールには、一方が開放された空間部が形成されると共に、空間部内に流入する冷却水の圧力により、プランジャシャフトに密着しているシャフトシーリング部がプランジャシャフト側に加圧されるようにしたことを特徴とする。
【００１１】
ここで、シールに形成された空間部の内壁の外側には、金属インサートが環装されて取り付けられ、また、シールに形成された空間部の内側壁面には、シャフトシーリング部の裏面に密着位置し、シャフトシーリング部を弾力的に支持するテンションスプリングが取り付けられたことがよい。
そして、シールの内周面にあるシャフトシーリング部の一側には、プランジャシャフトの周囲面に密着して、外部からの異物の流入を防ぐダストリップが形成されたことがよい。
望ましい実施形態として、シールは、摩耗がほとんどなく、耐熱性と耐寒性に優れた材質からなることがよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、本発明において提供する燃料電池車両のスタック冷却水調節用バルブは、次の長所がある。
第一に、シール取付構造を改善することにより冷却水調節用バルブの耐久信頼性を向上させることができる。
例えば、本発明のシールは、車両の振動時もシール表面の復元力に優れているので、シャフト振動による漏水防止だけでなく、衝撃や外部衝撃に強い。
また、シールの材質をフッ素ゴム（例えば、ＦＫＭなど）に変更することで、摩耗による漏水改善だけでなく、極環境条件（極寒や極暑など）において耐寒性、耐熱性を発揮する。
また、既存のシーリング仕様の場合、製品加工による品質のバラツキがあり、全数検査が必要であるので、生産性が低下していたが、本発明のシーリング仕様を適用した場合には、品質のバラツキが少なく、リークの恐れが極めて低いので、全数検査が必要がなくなり生産性が向上する。
【００１３】
第二に、シーリング構造の単純化及び組み立て工程の簡素化に伴うコスト低減効果がある。
例えば、シール取付のためのシールワッシャ及び止め輪などの周辺部品の取り除きができるので、コストを低減することができる。
すなわち、従来のシーリング仕様の場合、フッ素樹脂（ＰＴＦＥ）の低弾性により、押込後に離脱の恐れがあったため、シールワッシャや止め輪などの取り付け構成部品が必要であったが、本発明のシーリング仕様を適用した場合には、フッ素ゴム（ＦＫＭ）の高弾性により、押込後の固定力が優れるため、シールワッシャや止め輪などの取り付け構成部品を取り除くことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態による燃料電池車両のスタック冷却水調節用バルブにおける、プランジャシャフトのシール構造のためのアクチュエータハウジングとシールとを示す斜視図である。
【図２】本発明の一実施形態による燃料電池車両のスタック冷却水調節用バルブにおける、シールを示す斜視図である。
【図３】本発明の一実施形態による燃料電池車両のスタック冷却水調節用バルブにおける、シールのシーリング作用を示す断面図である。
【図４】従来の燃料電池車両のスタック冷却水調節用バルブを示す概略図である。
【図５】従来の燃料電池車両のスタック冷却水調節用バルブにおける、プランジャシャフトのシール構造のための構成部品を示す斜視図である。
【図６】従来の燃料電池車両のスタック冷却水調節用バルブにおける、シールを示す斜視図及び断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、添付した図面を参照して、本発明の詳細について説明する。なお、本明細書における上下の表現は、該当部品または装置が車両に装着された状態と一致する。
まず、図４を基に、本発明による冷却水調節用バルブについての基本構造を説明する。
【００１６】
本発明の冷却水調節用バルブは、スタック、ポンプ及びラジエータにそれぞれ連結されるポート１０ａ、１０ｂ、１０ｃ（図示せず）を有するボディハウジング１１（図示せず）と、ボディハウジングの内部に設けられ、各ポートを選択的に開閉するプランジャ１２及びプランジャシャフト１３と、プランジャ１２の一側でアクチュエータハウジング１４内に設けられ、プランジャ１２を動作させるアクチュエータ（図示せず）と、それを制御する制御器１５（図示せず）とを含む構造からなる。
そして、アクチュエータの動力がプランジャシャフト１３に伝達され、プランジャシャフト１３の回転によりプランジャ１２が動作する方式などは、従来のものと同様であるので、具体的な説明は省略する。
特に、本発明による冷却水調節用バルブは、アクチュエータハウジング１４のシャフト貫通部位に、改良された形状と弾性機能を有するフッ素ゴムなどの材質からなるシール１７を取り付け、シャフト振動による漏水防止はいうまでもなく、衝撃に対する耐久性を確保し、優秀なシール表面の復元力を確保することができる構造であることを特徴とする。
【００１７】
図１は、本発明の一実施形態による燃料電池車両のスタック冷却水調節用バルブにおける、プランジャシャフトのシール構造のためのアクチュエータハウジングとシールとを示す斜視図であり、図２は本発明の一実施形態による燃料電池車両のスタック冷却水調節用バルブにおける、シールを示す斜視図である。
図１及び図２に示したとおり、本発明の燃料電池車両のスタック冷却水調節用バルブには、燃料電池スタック、ポンプ及びラジエータにそれぞれ連結されるポート１０ａ、１０ｂ、１０ｃ（図示せず）を有するボディハウジング１１（図示せず）が設けられ、ボディハウジング１１の内部には、それぞれのポートを選択的に開閉するプランジャ１２が位置する。この時、プランジャシャフト１３は、ボディハウジング１１の上方に延びている。プランジャ１２及びプランジャシャフト１３は、一方にアクチュエータ（図示せず）の設置のための円筒状のハウジング部分を有するアクチュエータハウジング１４を貫通して回転可能に支持された構造でなる。
そして、アクチュエータハウジング１４には、シャフト貫通のための孔１６が形成され、この時、孔１６の周辺には、溝構造のシール取付部２５が形成される。シール取付部２５には、後述するシール１７が挿入して取り付けられる。
【００１８】
シール１７は、中心部にプランジャシャフト１３が貫通する貫通孔を有するリング形状であり、アクチュエータハウジング１４のシール取付部２５内に挿入されて取り付けられる。シールの内周面にはシャフトシーリング部２１が形成され、シャフトシーリング部２１においてシール１７はプランジャシャフト１３の周囲面に密着してシーリング構造となる。
シール１７は、下方から上がる水蒸気や湿気、例えば、プランジャ１２が属しているボディハウジング１１の内部から上がる水蒸気や湿気がプランジャシャフト１３の周囲から制御器側（図４でアクチュエータハウジング１４の上部）に流入することを効果的に防ぐことができる。
シール１７の垂直断面は下方が開放された「コ」の字形状であり、一方が開放され、天井部位と内側の壁面と外側の壁面との三方がシールで囲まれる。開放された下側は、ボディハウジング１１が封鎖することにより、燃料電池車両のスタック冷却水が流入する空間部２２が形成される。空間部２２では、空間部内に流入する冷却水の圧力により、シャフトシーリング部がプランジャシャフト側に加圧される。
【００１９】
すなわち、シール１７の空間部２２内に満たされる冷却水の圧力により、プランジャシャフト１３に密着しているシャフトシーリング部２１がプランジャシャフト１３の方向に加圧されることで、シャフトシーリング部２１の密着関係がさらに堅固になる。
そして、シール１７に形成されている空間部２２の内部には、垂直断面が“Ｌ”字状に形成され、空間部２２の天井部位と外側の壁面部位とをカバーする金属インサート２３が環装され、取り付けられる。
この時、金属インサート２３は、シール１７の基本形態を維持する役割の外に、空間部２２内に作用する冷却水の圧力が、外側の壁面よりもシャフトシーリング部２１のある内側の壁面に加えられるようにする役割を負う。
金属インサート２３は、シールの成形時に金型にインサートされてシール１７と一体に形成することができる。
【００２０】
また、シャフトシーリング部２１が形成されたシール１７の内側壁面のシャフトシーリング部２１の裏面に相当する位置には、リング状のテンションスプリング２０が壁面に密着して取り付けられる。この時、テンションスプリング２０は、シャフトシーリング部２１を中心方向に付勢力する。その結果、テンションスプリング２０の弾力的な支持により、シャフトシーリング部２１がプランジャシャフト１３の外周面に堅固に密着し、また、振動などが加えられた時、シャフトシーリング部２１に復元力を提供する。
さらに、シール１７の内周面にあるシャフトシーリング部２１の一側、例えば、制御器１５がある上側空間に隣接した位置であるシャフトシーリング部２１の上側には、プランジャシャフト１３の周囲面に密着するダストリップ２４が一体形成される。このダストリップ２４により、プランジャシャフト１３とシャフトシーリング部２１との間に埃などの異物が流入することを防ぐことができる。
シール１７は、フッ素ゴム（ＦＫＭ）やエチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）のような弾性力に優れた材質からなり、これによって、摩耗による漏水改善はいうまでもなく、極寒、極暑などの極環境条件においても優秀なシーリング機能を発揮できる。
【００２１】
上記のように構成された冷却水調節用バルブのシーリング作用を説明すると、下記の通りである。
図３は、本発明の一実施形態による燃料電池車両のスタック冷却水調節用バルブにおける、シールのシーリング作用を示す断面図である。
図３に示したとおり、燃料電池スタックの運転時、スタック、ポンプ及びラジエータにそれぞれ連結されるポートを選択的に開閉する役割を行うプランジャ１２を動作させるためのプランジャシャフト１３の周囲には、シール１７が取り付けられる。プランジャシャフト１３の周囲に取り付けられたシール１７の内周面にあるシャフトシーリング部２１は、プランジャシャフト１３の周囲面に密着して、シーリング機能を発揮する。
【００２２】
この時、シール１７のシャフトシーリング部２１は、内側壁を挟んでその裏面側にあるテンションスプリング２０の力により、プランジャシャフト側に付勢され、プランジャシャフト１３の周囲面に密着して堅固なシーリング機能を発揮する。
特に、シール１７とボディハウジング１１の間に形成された空間部２２には、ボディハウジング１１の内部を流動する冷却水が満たされ、この満たされた冷却水の圧力が図示した矢印の方向にあるシャフトシーリング部側の内壁に作用することで、シャフトシーリング部２１は、冷却水の圧力を受けて、プランジャシャフト１３の周囲面に圧着されて密着し、結果として完璧な機密構造を確保できる。
【００２３】
上記のとおり、本発明では、シールの構造、形状及び材質の改善による新たなシーリング構造を具現することで、次の三つの側面において優秀な特性を発揮できる。
第一に、本発明のシールのシーリング面には、摩耗がほとんどないＦＫＭなどの材質が使用されるので、材質特性により耐熱性と耐寒性に優れている。
第二に、本発明のシールは、材料のゴムの弾性により、モータの動作によりシャフト中心軸が振れる場合、シーリング面を補正する能力（偏心に対する追随性）が高く、シャフト振動補正ができるので、振動による漏水に抵抗を示す。
第三に、本発明のシールは、圧力の発生時にシーリング抵抗力が増加し、冷却水の圧力が高くなるほど、シーリングが向上するため、圧力抵抗性が高い。
【符号の説明】
【００２４】
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ    ポート
１１    ボディハウジング
１２    プランジャ
１３    プランジャシャフト
１４    アクチュエータハウジング
１５    制御器
１６    孔
１７    シール
１８    シールワッシャ
１９    止め輪
２０    テンションスプリング
２１    シャフトシーリング部
２２    空間部
２３    金属インサート
２４    ダストリップ
２５    シール取付部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2015127588.tif 000006
【図５】
2015127588.tif 000007
【図６】
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