(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に高圧水素が封入される高圧水素容器内の温度を計測する温度センサを、上記高圧水素容器の端部を封止するボスに設けた開口を閉鎖するボスエンドに、上記温度センサを内側に保持し該温度センサを保護するセンサハウジングを介して取り付けた高圧水素容器用温度センサ取付構造であって、
上記温度センサが上記高圧水素の温度を計測するセンサ素子と、該センサ素子の計測結果を外部に引き出すリード線とからなり、
上記ボスエンドに設けた上記高圧水素容器の内側から外部に開放する挿入孔から上記リード線を引き出すと共に、上記センサ素子を上記高圧水素容器の内部に突出する位置に載置すべく、
上記センサハウジングを、上記ボスエンドとは別体に設けて、 
一端が上記挿入孔に連通する開口端と他端が閉塞する閉塞端とを具備し、
該閉塞端の内部に上記センサ素子を保持する保護管部と、
該保護管部の開口端側に、上記ボスエンドに設けたシール部と密着して上記挿入孔との気密を保持するシール部と、
上記ボスエンドに設けたネジ部と螺合して、上記シール部を密着せしめるネジ部と、
を耐水素脆性の高いステンレス材料の削り出し加工によって一体的に形成して、
上記ボスエンドの上記高圧水素容器の内側となる方向から上記センサハウジングを組み付け、上記ボスエンドの上記高圧水素容器の外側となる方向から上記センサ素子を上記保護管部内に挿入したことを特徴とする高圧水素容器用温度センサ取付構造。
【請求項２】
上記両シール部のシール位置を上記センサハウジングと上記ボスエンドとが螺合した状態で上記ネジ部よりも上記ボスエンドの外側位置に設定した請求項１に記載の高圧水素容器用温度センサ取付構造。
【請求項３】
上記両シール部のシール面をネジ締め方向と直交する平面に形成した請求項１又は２に記載の高圧水素容器用温度センサ取付構造。
【請求項４】
上記高圧水素容器が燃料電池車用高圧水素容器である請求項１ないし３のいずれかに記載の高圧水素容器用温度センサ取付構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内部に高圧流体が封入される高圧容器の内部の温度を測定する温度センサの取付構造に関するものであり、特に燃料電池自動車の水素貯蔵用高圧水素容器の温度センサの取付構造に好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
高圧容器として例えば燃料電池自動車の水素貯蔵用高圧水素容器は、非特許文献１の図２に示されたような、両端にステンレス製のボスを有し、射出成形によって形成された樹脂製ライナーに炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）を巻き付け形成され、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）で補強され、衝撃吸収パッドを付された高圧水素容器が知られている。上記ボスに設けられた開口はステンレス製のボスエンドによって閉鎖され、上記ボスエンドの一方には、水素を充填、排出するバルブ等が設けられる。
【０００３】
高圧水素容器は水素充填圧として３５ＭＰａから７０ＭＰａ程度の極めて高い圧力で使用されるので、安全性確保のため１．５倍耐圧として１０５ＭＰａを耐圧保証値として規定し、また、使用環境としては−４０〜８５℃の温度範囲に耐え得るものであることとされている。（例えば、下記非特許文献１、非特許文献２参照）。
【０００４】
また、高圧水素容器内の水素ガスの温度は、水素を充填するときには圧縮により上昇し、水素を消費するときには減圧により下降する。従って、水素ガスの圧力と温度とから気体の状態方程式を利用して、最適な充填量や正確な消費量を演算し、上記高圧水素容器への水素ガスの充填をより安全でより高速に行ったり、より正確な燃費制御を行ったりするためには、上記高圧水素容器内部の水素ガス圧力および水素ガス温度をより正確に計測することが必要である（例えば、下記非特許文献２、３参照）。
【０００５】
一方、一般的な高圧容器に対する温度センサの取付構造に関しては、特許文献１の図１に示すように、スパナ等で締め付けやすい６角形状をした肉厚部１４を有するハウジング１２を含む温度センサ１０を、高圧容器のシリンダー部８２に設けた雌ネジ８３と温度センサ１０のハウジング１２に設けた雄ネジ３６との螺合により締め付け固定するものがある。
【０００６】
しかしながら、燃料電池車用高圧水素容器のような高圧容器内の温度測定をする場合に、上記特許文献１の図１に記載のように、高圧容器のシリンダー部８２に設けられた雌ネジ８３に、上記雌ネジ８３に螺合する雄ネジ３６を設けたハウジング１２を含む温度センサ１０を上記高圧容器の外側から取り付けたとしても、水素分子は非常に小さいため、上記雌ネジ８３と上記雄ネジ３６との螺合のみによる特許文献１に記載の取付構造では、上記雌ネジ８３と上記雄ネジ３６とのクリアランスによる隙間から水素がリークする恐れがあり、また、温度センサ１０の保護管５８とハウジング１２とが別体で設けられており、保護管５８とガラスシリンダー４８との接合部５６やガラスシリンダー４８とハウジング１２との接合部５４などからも水素がリークする恐れがある。
【０００７】
そこで、従来は、本明細書に添付した図４および図５に示すように、気密性を確保するため、削り出しによって、保護管部３１と雄ネジ部３２とハウジングシール部３３とロック部３４とを一体的に形成したセンサハウジング３の内部に設けた挿入口３５に温度センサ素子４０とリード線４１、４２とを電気的に結合した温度センサ４を収納し、ボスエンド２に設けられ外部に開放する開口に雌ネジ部２２およびボスエンドシール部２３を設け、上記センサハウジング３を上記ボスエンド２に上記雌ネジ部２２と上記雄ネジ部３２との螺合による締め付けにより、上記ハウジングシール部３３とボスエンドシール部２３とが密着し、気密性を保持する気密構造により取り付けている。
【０００８】
温度測定の応答性を向上させようとした場合、上記保護管部３１はできる限り肉薄であることが望ましいが、上記保護管部３１を気密性確保のために削り出して形成する場合、ステンレスは加工が困難であることに加えて、高圧に耐えうるものでなければならないので、上記保護管部３１の長さは自ずと制限されてしまう。
【０００９】
そのため、外部からボスエンド２にセンサハウジング３を取り付けようとすると、上記高圧水素容器１の内側まで到達する長さの上記保護管部３１を形成することは困難なので、上記保護管部３１の先端を上記高圧水素容器１の内側に突出させることが出来ない。
【００１０】
そこで、上記ボスエンド２の上記開口部に上記高圧水素容器１の内側からポート２００を設け、このポート２００内に上記センサハウジング３の保護管部３１が突出するように配設し、上記高圧水素容器１の内部の水素ガス５をポート２００内に導入し、上記保護管部３１と接触させ、上記温度センサ４による温度測定を可能にしている。
【特許文献１】米国特許第５，７４３，６４６号明細書
【非特許文献１】水野基弘、他３名、「ＦＣＨＶ用高圧水素タンク」、社団法人自動車技術会春期学術講演会前刷集、社団法人自動車技術会、２００５年５月２０日、ＮＯ．８４−０５、ｐ．１３−１６
【非特許文献２】吉田泰樹、他５名、「燃料電池自動車における高圧水素急速充てんシステムの構築」、社団法人自動車技術会春期学術講演会前刷集、社団法人自動車技術会、２００３年５月２２日、ＮＯ．２９−０３、ｐ１３−１６
【非特許文献３】青柳暁、他３名、「燃料電池自動車における燃費計測法の開発」、社団法人自動車技術会秋期学術講演会前刷集、社団法人自動車技術会、２００３年９月１８日、ＮＯ．８０−０３、ｐ．５−８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、従来の高圧容器用温度センサの取付構造では、上記高圧水素ガス５が上記ポート２００に導入され上記温度センサ４によって温度を検出されるまでに、外気温度等の条件によっては、上記ボスエンド２に放熱あるいは上記ボスエンド２から吸熱するため、測定される温度は実際の上記高圧容器内の水素ガスの温度と異なる恐れがある。
【００１２】
また、上記ポート２００内に導入される水素ガスの入れ替わりが速やかに行われなかった場合、上記高圧容器内の水素ガスの温度と測定温度との誤差は更に大きくなり得る。
【００１３】
そこで、本発明は上記実情に鑑み、上記高圧水素容器内の温度を正確に測定できる応答性に優れた高圧水素容器用温度センサの取付構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
請求項１の発明では、内部に高圧水素が封入される高圧水素容器内の温度を計測する温度センサを、上記高圧水素容器の端部を封止するボスに設けた開口を閉鎖するボスエンドに、内側に上記温度センサを保持し該温度センサを保護するセンサハウジングを介して取り付けた高圧水素容器用温度センサ取付構造であって、
上記温度センサが上記高圧水素の温度を計測するセンサ素子と、該センサ素子の計測結果を外部に引き出すリード線とからなり、上記ボスエンドに設けた上記高圧水素容器の内側から外部に開放する挿入孔から上記リード線を引き出すと共に、上記センサ素子を上記高圧水素容器の内部に突出する位置に載置すべく、
上記センサハウジングを、上記ボスエンドとは別体に設けて、一端が上記挿入孔に連通する開口端と他端が閉塞する閉塞端とを具備し、該閉塞端の内部に上記センサ素子を保持する保護管部と、該保護管部の開口端側に、上記ボスエンドに設けたシール部と密着して上記挿入孔との気密を保持するシール部と、上記ボスエンドに設けたネジ部と螺合して、上記シール部を密着せしめるネジ部と、を耐水素脆性の高いステンレス材料の削り出し加工によって一体的に形成して、上記ボスエンドの上記高圧水素容器の内側となる方向から上記センサハウジングを組み付け、上記ボスエンドの上記高圧水素容器の外側となる方向から上記センサ素子を上記保護管部内に挿入したことを特徴とする。
【００１５】
上記センサ素子をその内部に保持する上記保護管部が上記高圧水素容器の内壁よりも内側の位置に配設され、上記保護管部の壁面のみを介して上記高圧水素容器内部に接するので、より正確で応答性の良い温度測定が可能となる。
上記センサハウジングが上記ボスエンドとは別体に設けられているので、加工の自由度が増し、上記センサハウジング全体の大きさを小さくすることが可能となる上、より精密な加工が可能となり、さらに上記センサハウジングの保護管部と上記センサ素子との空隙を狭くすることができ、上記センサ素子の応答性の向上が図られている。
また、上記ボスエンドを上記高圧容器から取り外した状態で上記保護管内に上記温度センサを組み付けることが可能となるので取付の作業性が向上する。
さらに、上記センサハウジングをネジ締めにより簡単に上記ボスエンドに組付けることができる上に、その締め付けによって発生する軸力によって、上記センサハウジングのシール面と上記ボスエンドのシール面とが弾性変形してシール面同士が食い込んで密に接触して強固に気密性を保持できる。
加えて、上記センサハウジングは上記高圧水素容器の内側に取り付けられているので、上記高圧水素容器内の水素ガス圧力が上記センサハウジングに加わり、シール面の密着力を増す方向に作用する。
【００２１】
請求項２記載の発明では、上記両シール部のシール位置を上記センサハウジングと上記ボスエンドとが螺合した状態で上記ネジ部よりも上記ボスエンドの外側位置に設定する。
【００２２】
上記シール部の位置が上記ネジ締め位置の後方にある場合に比べ、上記シール部の密着面の面積が小さくなるので、ネジの締付による軸力により上記シール部に加わる単位面積当たりの面圧が大きくなり、更に気密性の向上が図られる。
【００２３】
請求項３記載の発明では、上記両シール部のシール面をネジ締め方向と直交する平面に形成した。
【００２４】
一般的なテーパー面同士の密着によるメタルシール構造ではテーパー面の角度を厳密に加工したとしても、一度シールした後、シールを緩めると、シール時に変形したシール面が完全には元の形に復元せず、また、ネジ締めの強さによってもシール位置が完全には元の位置に一致しないので、再シールした場合にリークが発生してしまう可能性があるが、ネジ締め方向に直交する平面同士のメタルシール構造の場合、ネジ締めの角度の違いによる影響が少ないのでリークの防止には有利である。
【００２５】
請求項４記載の発明では、上記高圧水素容器が燃料電池車用高圧水素容器であることを特徴とする。
【００２６】
本発明によれば、燃料電池車用高圧水素容器の内部温度の測定精度および応答性が向上され、水素充填時の充填制御および走行時の燃費計測等の精度向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明に係る高圧水素容器の温度センサ取付構造の要部断面図であり、図２は図１中の円で囲ったＡ部の詳細を示す拡大断面図であり、図３は本発明が適用された高圧水素容器の一部断面図である。
【００２８】
高圧水素容器１は内部に高圧流体として水素ガス５が封入される高圧容器である。上記高圧水素容器１は両端に肉厚のステンレス製のボス１０を有し、射出成形によって上記ボス１０と一体的に形成された樹脂製ライナー１１によって容器本体が形成されている。上記樹脂製ライナー１１の外部表面に炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）１２を連続的に切れ目無く何層にも巻き付けられることにより、気密性を保持しつつ極めて高い強度に形成されている。
【００２９】
さらに上記ＣＦＲＰ１２の層の外部表面は更にガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）１３により補強され、両側が衝撃吸収パッド１４により外部からの衝撃から保護されている。
【００３０】
上記高圧水素容器１の両端の上記ボス１０の中心には、外部に開放する開口部が設けられ、上記開口部には六角形状の頭部を有す略円柱状のステンレス製のボスエンド２が詳述略の公知のシール方法により気密構造で装着されている。
【００３１】
上記ボス１０および上記ボスエンド２の材質は、耐水素脆性を考慮してステンレス（ＳＵＳ３１６Ｌ）が用いられている。
【００３２】
上記高圧水素容器１の樹脂部分（ライナー１１、ＣＦＲＰ１２、ＧＦＲＰ１３）に温度センサを取り付けようとすると曲面への取付となるので気密性の確保が困難であるばかりでなく、上記高圧水素容器１の耐圧性が失われかねない。
【００３３】
そこで、上記高圧水素容器１の上記ボスエンド２は、上記高圧水素容器１の両端のボス１０の開口部を塞ぐためだけでなく、肉厚で部品取付スペースの確保が容易であるから、上記樹脂部分の気密性および耐圧性を阻害することなく、上記高圧水素容器１に水素ガス充填あるいは水素ガス排出用の開閉バルブ６および配管、あるいは温度センサ４や圧力センサ等の他の部品等を組み付けるための取付基部としての役割を果たしている。
【００３４】
図３に示すように上記高圧水素容器１の両端のボス１０に装着された上記ボスエンド２のうち一方のボスエンド２には、上述した詳述略の気密構造により、上記高圧水素容器１に高圧水素ガス５を充填したり、上記高圧水素容器１から高圧水素ガス５を取り出したりする開閉バルブ６および配管部材、図略の安全弁等が取り付けられている。
【００３５】
他方の上記ボスエンド２には、  図１および図２に示すように、その軸線に沿って外部に開放する挿入孔２０が、後述する温度センサ４が挿入可能となる内径で設けられている。
【００３６】
上記挿入孔２０の上記高圧水素容器１側には後述するセンサハウジング３を組み付けるための雌ネジ部２２が上記挿入孔２０よりも太い径で形成されている。
【００３７】
また、上記ボスエンド２には上記雌ネジ部２２のネジ締め方向の先方には気密性を確保するためのボスエンドシール部２３が形成されている。上記ボスエンドシール部２３はネジ締め方向に対して垂直平面を形成しており、後述するメタルシール構造の密着性を良好にするため表面は精度良く仕上げられている。
【００３８】
センサハウジング３はボスエンド２と同材質のステンレス（ＳＵＳ３１６Ｌ）からなり、円筒状の保護管部３１と上記ボスエンド２に設けられた上記雌ネジ部２２に螺合する雄ネジ部３２とハウジングシール部３３とナット部３４が切削加工により一体的に形成されている。
【００３９】
また、上記センサハウジング３の内側には上記センサハウジング３を上記ボスエンドに組み付けたときに一端が上記ボスエンド２に設けた挿入孔２０に連通し、他端が上記保護管部３１の先端で閉塞する挿入孔２０ａが軸心に沿って設けられている。
【００４０】
上記センサハウジング３は上記ボスエンド２とは別体で上記ボスエンド２に付設されている。即ち両者は分解可能な構造であり、両者を加工する際には比較的精密な加工が可能である。特に上記ボスエンド２の挿入孔２０や保護管部３１の挿入孔２０ａなどの細い孔を形成するとき、上記ボスエンド２と上記センサハウジング３とが別体であると孔加工が極めて容易である。
【００４１】
上記センサハウジング３の保護管部３１は温度応答性と耐圧性とを考慮した厚さに形成され、上記ナット部３４はスパナ等の工具により締め付けが可能な強度を有するように外形が六角形状で厚肉に形成され、上記雄ネジ部３２は上記保護管部３１の外径よりも太いネジ径でかつ上記ナット部３４の締め付けに十分耐えうる強度に形成されている。
【００４２】
上記雄ネジ部３２および上記雌ネジ部２２のそれぞれのネジ山のサイズ、ピッチ、ネジ山数、谷径等はシール面の適正な面圧を考慮して決定されている。
【００４３】
また、上記ボス１０と上記ボスエンド２と上記センサハウジング３とが同材質により形成されているので熱膨張係数の違いによるネジの緩みの発生を押さえることができる。
【００４４】
なお、上記両シール部２３、３３のシール位置は、上記ボスエンド２の上記雌ネジ部２２と上記センサハウジング３の上記雄ネジ部３２とが螺合した状態で上記両ネジ部２２、３２よりも先方、即ち上記ボスエンド２の外側方向の位置にある。
【００４５】
上記両シール部２３、３３の位置が上記ネジ締め位置２２、３２よりも後方、即ち上記ボスエンド２の内側方向に設けた場合、両シール部２３、３３は上記ボスエンド２に設けられた上記雌ネジ部２２よりも必然的に大きくせざるを得なく両シール部のシール面積が大きくなり、面圧が小さくなる。
【００４６】
一方、上記両シール部２３、３３の位置が上記ネジ締め位置２２、３２よりも先方に設けることにより、上記両シール部２３、３３は必然的に上記両ネジ部２２、３２の内径より小さくなるので密着面積も小さくなり、上記両ネジ部２２、２３の締め付けによる軸力により加わる単位面積当たりの面圧は大きくなり、気密性の向上が図られる。
【００４７】
上記ハウジングシール部３３はネジ締め方向に対して垂直平面を形成しており、密着性を良好にするためシール面は精度良く仕上げられている。
【００４８】
また、上記ハウジングシール部３３は密着面の面積を更に小さくしてシール面にかかる単位面積当たりの面圧を大きくするとともに、上記ボスエンドハウジングシール部２３に当接する際にかじりを起こさないようにするため上記ハウジングシール部３３の外径側には円錐状にテーパー面３３１が施され、内径側には円錐状のテーパー面３３２が施してあり、シール面はリング状の平面となっている。
【００４９】
上記センサハウジング３の雄ネジ部３２を上記ボスエンド２に設けられた雌ネジ部２２にねじ込んで、ロック部３４をスパナ等の工具により締め付けると、上記ハウジングシール部３３と上記ボスエンドシール部２３とが平面同士で接触し、さらに雄ネジ部３２をネジ込むと、両シール面がネジ込みの軸力により弾性変形して接触面が完全に一致して密着した状態になる。
【００５０】
ここで雄ネジ部３２のネジ込みを止めても、雌ネジ部２２と雄ネジ部３２との摩擦力により上記両シール面が互いに密に接触するメタルシール構造を維持し、このメタルシール構造により上記高圧水素容器１の内部と外部とを完全に隔離するので、強固に気密性を保つことができる。
【００５１】
上記雌ネジ部２２と上記雄ネジ部３２とを螺合する際に、過剰な力を加えてネジ込むと上記両シール面が降伏値を越えて塑性変形してしまうので、上記両シール面同士の密着から降伏値を超えない範囲までの締め付け回転角度から適正な面圧を導き出す弾性域角度法、または上記両シール面が弾性変形する範囲内にネジ締めトルクを制限するトルク法により、適正な締め付け状態を管理する。
【００５２】
温度センサ素子４０とリード線４１、４２とが電気的に接続されて構成された温度センサ４は上記ボスエンド２の上記挿入孔２０から挿入され、上記温度センサ素子４０が上記センサハウジング３の保護管部３１の上記挿入孔２０ａ先端の閉塞端の内側で固定されており、上記温度センサ素子４０から引き出されたリード線４１、４２が上記挿入孔２０ａおよび上記挿入孔２０を通って、外部の制御装置４３に電気的に繋がっている。
【００５３】
上記温度センサ素子４０としてサーミスタが用いられているが、サーミスタに限定するものではなく、白金測温抵抗体等でも良い。
【００５４】
また、センサハウジング３の内壁と上記温度センサ４とは上記温度センサ４に施された図略の絶縁性被覆等の絶縁手段により電気的な絶縁性が確保されている。
【００５５】
上記センサハウジング３の保護管部３１の閉塞端が、上記高圧水素容器１の内側に位置するように上記ハウジング３が付設されているので、上記閉塞端内に保持される温度センサ素子４０も上記高圧水素容器の内側に支持されることになり、かつ、上記保護管３１の薄い壁面のみを介して直接上記高圧水素容器１内部の温度を測定できるので温度の測定誤差が少なくなるとともに上記高圧水素容器１の内部の温度変化に対して速やかに応答できる。
【００５６】
また、上記センサハウジング３は上記高圧水素容器１の内側に取り付けられているので、上記高圧水素容器１内の水素ガス圧力が上記センサハウジング３に加わり、シール面の密着力を増す方向に作用する。
【００５７】
しかしながら、同時に上記高圧水素容器１内の水素ガス圧力は上記両ネジ部２２、３２のネジ締めの軸力をうち消す方向にも加わる。しかし、上記水素ガス圧からはネジ締めのゆるみ方向の回転力は与えられないので、嫌気性ネジ固定剤３４１等のゆるみ回転防止手段により、振動等の外力による上記センサハウジング３の回転を防止すれば、上記雌ネジ部２２と上記雄ネジ部３２との螺合のゆるみは生じない。
【００５８】
また、上記ゆるみ回転防止手段は上記嫌気性ネジ固定剤３４１の他、機械的な係合部を設けた係止手段によるもの等でも良い。
【００５９】
また、温度応答性をさらに向上させるために、上記保護管３１と上記温度センサ素子４０との熱伝導性を良くする熱伝導率の高い素材をフィラーとして上記挿入孔２０ａと温度センサ素子４０との空隙に充填しても良い。
【００６０】
なお、本実施形態においては、上記温度センサ４を単独で上記ボスエンド２の一方に設けたが、本発明によれば、上記温度センサ４は比較的小さくできるので、上記バルブ６側のボスエンド２にバルブ６等の他の部材とともに取付けることも可能で、片側のボスエンド２に配管や配線を集中させることにより、取り扱い時の注意労力を軽減できる。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の実施形態における高圧容器用温度センサの取付構造を示す要部断面図。
【図２】図１中Ａ部の拡大断面図。
【図３】本発明の適用された高圧水素容器の一部断面図。
【図４】従来の高圧水素容器用温度センサの取付構造を示す要部断面図。
【図５】図４中Ａ部の拡大断面図。
【符号の説明】
【００６７】
１  高圧水素容器
２  ボスエンド
２０、２０ａ  挿入孔
２２  雌ネジ部
２３  ボスエンドシール部
３  センサハウジング
３１  保護管部
３２  雄ネジ部
３３  ハウジングシール部
３３１、３３２  テーパー面
３４  ナット部
３４１  嫌気性ネジ固定剤
４  温度センサ
４０  温度センサ素子
４１、４２  リード線
４３  制御装置
５  高圧水素ガス
【図１】
0004747866.tif 000002
【図２】
0004747866.tif 000003
【図３】
0004747866.tif 000004
【図４】
0004747866.tif 000005
【図５】
0004747866.tif 000006