(57)【要約】【課題】コンパクトな上、比較的大流量を扱える電動弁および減圧システムを提供することを目的とする。【解決手段】ハウジング内部に弁体と弁軸とからなる弁を有し、該弁が軸方向へ進退することで、該ハウジング内部の流路から流出する流体を調整する電動弁であって、前記ハウジングの端面に回転アクチュエータを備え、同軸上にボールを介して螺合した第１の部材と第２の部材とを有し、該第１の部材と第２の部材とのどちらか一方を前記回転アクチュエータへ結合し、他方を前記弁軸へ結合して構成するボールネジ機構を備え、前記弁軸を軸方向へ直線的に進退可能に保持する案内を有し、前記ボールネジ機構と前記案内との協働により、前記回転アクチュエータの回転運動を前記弁の直線運動に変換して、前記流出する流体を調整する電動弁とする。【選択図】        図２
2005030439.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジング内部に弁体と弁軸とからなる弁を有し、該弁が軸方向へ進退することで、該ハウジング内部の流路から流出する流体を調整する電動弁であって、
前記ハウジングの端面に回転アクチュエータを備え、
同軸上にボールを介して螺合した第１の部材と第２の部材とを有し、該第１の部材と第２の部材とのどちらか一方を前記回転アクチュエータへ結合し、他方を前記弁軸へ結合して構成するボールネジ機構を備え、
前記弁軸を軸方向へ直線的に進退可能に保持する案内を有し、
前記ボールネジ機構と前記案内との協働により、前記回転アクチュエータの回転運動を前記弁の直線運動に変換して、前記流出する流体を調整する
電動弁。
【請求項２】
請求項１に記載の電動弁であって、
前記弁体は、
開弁方向に前記流体の圧力を受ける第１の受圧面と、
閉弁方向に前記流体の圧力を受け、かつ、前記第１の受圧面の面積と略同面積である第２の受圧面とを有し、
前記第１の受圧面と第２の受圧面とに、同じ圧力の前記流体を導く連通路を備えた
電動弁。
【請求項３】
請求項１または２に記載の電動弁であって、
前記回転アクチュエータは、非通電時に出力軸が自由に回転する電動モータであり、
前記電動モータへの通電停止時に、前記弁を軸方向に付勢して初期状態の位置に戻すリターンスプリングを設けた電動弁。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の電動弁であって、
前記電動弁は、前記弁体としてニードルを備えたニードル弁であり、該ニードルが弁座に対して進退することで前記流路の開口面積を変更する
電動弁。
【請求項５】
請求項４に記載の電動弁であって、
前記ニードルは、該ニードル軸方向の両端に、前記第１の受圧面と前記第２の受圧面とを有し、
前記連通路として、前記ニードル内部に前記２つの受圧面を貫通する流路を設けた
電動弁。
【請求項６】
請求項１ないし３のいずれかに記載の電動弁であって、
前記電動弁は、前記弁体としてポペットを備えたポペット弁であり、該ポペットが弁座のシート面に対向する方向に進退することで前記流路を開閉する電動弁。
【請求項７】
請求項１ないし３のいずれかに記載の電動弁であって、
前記電動弁は、前記弁体としてスプールを備えたスプール弁であり、該スプールが軸方向に進退することで前記流路を切替える電動弁。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれかに記載の電動弁であって、
高圧の流体を貯留するタンクの内部に収納されたことを特徴とする電動弁。
【請求項９】
請求項８に記載の電動弁であって、
前記高圧のタンクは、車両に搭載された燃料電池システムの水素タンクである電動弁。
【請求項１０】
請求項８に記載の電動弁であって、
前記高圧のタンクは、車両に搭載された内燃機関システムの圧縮天然ガスタンクである電動弁。
【請求項１１】
請求項１ないし７のいずれかに記載の電動弁であって、
車両の燃料電池システムに供給される水素ガスの流路上に配置されたことを特徴とする電動弁。
【請求項１２】
請求項１ないし７のいずれかに記載の電動弁であって、
車両の内燃機関システムに供給される圧縮天然ガスの流路上に配置されたことを特徴とする電動弁。
【請求項１３】
高圧の流体の圧力を低圧に減圧して下流の圧力を調整する減圧システムであって、
請求項１に記載の電動弁と、
前記電動弁の下流の回路圧力を検出する圧力センサと、
前記圧力センサの検出結果に基づいて、前記電動弁の回転アクチュエータを制御して前記回路圧力を所定の圧力に調整する圧力制御手段とを備えた
減圧システム。
【請求項１４】
請求項１３に記載の減圧システムであって、
前記電動弁は、
前記回転アクチュエータとして、非通電時に出力軸が自由に回転する電動モータを有し、
前記電動モータへの通電停止時に、前記電動弁の弁を軸方向に付勢して流路を遮断するスプリングを備えた電動弁である
減圧システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、弁の軸方向への直進運動によって、流出する流体を調整する電動弁および減圧システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、水素ガスと酸素ガスとの反応で電力を出力して車両を運転する燃料電池システムでは、回路上を流れる水素ガスの圧力や流量を適正値に制御するため、種々のバルブを使用している。特に、高圧の水素タンクを有する燃料電池システムでは、水素タンクからの高圧の水素ガスを低圧に減圧して下流の機器に供給する減圧弁や水素タンクからの水素ガスの供給量を指令に応じて調整する電磁駆動のシャット弁などを用いている（例えば、特許文献１参照）。こうした燃料電池システムでは、水素タンク内の圧力は３５ＭＰａ程度の高圧であるため、バルブ類の高圧に対応する部分を水素タンクの口金内に収納して、高圧部分を露出せずに、安全性を向上する試みがなされていた。
【特許文献１】
特開２００２−３７０５５０号公報
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、車両性能の要求により、５０ＭＰａ、７０ＭＰａ、１００ＭＰａといった更なる高圧領域まで対応しようとすると、タンクの口金内にバルブ類を収納できないという問題があった。高圧化に伴って、減圧弁は大きな減圧性能を得るために大型化し、また、他のバルブも耐圧を確保するために大型化してしまうからである。大型化した減圧弁などのバルブ類をタンク内に収納するためには、タンクの口金の口径を大きくすることも考えられるが、タンク内圧と口径断面積の増加に伴い口金のネジ部分には過大な力がかかることとなり、現実的ではない。つまり、口金のネジ部分の強度は、タンク内圧と口金のネジ部分断面積との積で算出され、過大な力に耐えうるネジ部長さが必要となる。このように各部分が大型化することで、車両に搭載するには許容できない重量や体積を有することとなってしまう。したがって、現状のバルブ類を高圧タンク内部に収納するのは困難であった。こうしたスペースの制約上の問題は、燃料電池システムに限らず、流体回路上で使用するバルブや減圧装置などに対して共通の問題であり、コンパクトなバルブ、減圧装置が要求されている。
【０００４】
本発明は、こうした問題の少なくとも一部を解決し、特に径方向にコンパクトな上、比較的大流量を扱える電動弁および減圧システムを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明の電動弁は、ハウジング内部に弁体と弁軸とからなる弁を有し、該弁が軸方向へ進退することで、該ハウジング内部の流路から流出する流体を調整する電動弁であって、前記ハウジングの端面に回転アクチュエータを備え、同軸上にボールを介して螺合した第１の部材と第２の部材とを有し、該第１の部材と第２の部材とのどちらか一方を前記回転アクチュエータへ結合し、他方を前記弁軸へ結合して構成するボールネジ機構を備え、前記弁軸を軸方向へ直線的に進退可能に保持する案内を有し、前記ボールネジ機構と前記案内との協働により、前記回転アクチュエータの回転運動を前記弁の直線運動に変換して、前記流出する流体の流量を調整することを要旨としている。
【０００６】
本発明の第１の電動弁によれば、回転アクチュエータの出力軸が回転すると、回転アクチュエータと弁との間に介装されたボールネジ機構が作用し、弁は案内により弁軸方向に直線運動する。この弁の直進運動により、ハウジング内部から流出する流体の流れに変化を加えて、流量を調整する。弁の駆動に、回転アクチュエータ，ボールネジ機構，転がり案内を用いることで、電動弁全体をコンパクトな形状としつつ、弁の駆動に係る抵抗を低く抑え、弁の摩擦・摩耗に関する耐久性を向上することができる。また、回転運動を直線運動に変換して弁を駆動するため、弁のストロークを大きくすることができる。例えば、電磁力により弁を駆動する直動電磁弁に比べ、同じ大きさでもより大流量の流体を扱うことができる。
【０００７】
上記の構成を有する電動弁の弁体は、開弁方向に前記流体の圧力を受ける第１の受圧面と、閉弁方向に前記流体の圧力を受け、かつ、前記第１の受圧面の面積と略同面積である第２の受圧面とを有し、前記２つの受圧面に、同圧である前記流体を導く連通路を備えるものとしても良い。
【０００８】
かかる電動弁によれば、弁体は、相対する方向に圧力を受ける第１の受圧面と第２の受圧面とを有し、各面に連通路から同じ圧力の流体が供給される。つまり、開弁方向と閉弁方向とに同じ圧力を受けることとなる。したがって、流体の入力圧力または出力圧力が変化しても、弁の駆動力にはほとんど影響を及ぼすことはなく、弁の駆動力を小さくすることができる。
【０００９】
上記の構成を有する電動弁の回転アクチュエータには、油圧モータや超音波モータなど様々なものが考えられるが、回転アクチュエータは、非通電時に出力軸が自由に回転する電動モータであり、前記電動モータへの通電停止時に、前記弁を軸方向に付勢して初期状態の位置に戻すリターンスプリングを設けることができる。
【００１０】
かかる電動弁によれば、停電、断線等が発生しても、電動モータへの通電停止時には、弁はリターンスプリングによる付勢力を受ける。摺動抵抗の少ないボールネジ機構および転がり案内を使用するため、弁が受ける軸方向の力は容易に回転力へ変換され、弁は初期状態に戻る。例えば、初期状態が閉弁である場合には、駆動停止とともに確実に流路を遮断して安全性を確保することができる。
【００１１】
上記の構成を有する電動弁としては、弁体としてニードルを備えたニードル弁を考えることができ、該ニードルが弁座に対して進退することで前記流路の開口面積を変更するものとしても良い。
【００１２】
かかる電動弁によれば、ニードルの進退により流路の開口面積を調整して電動弁から出力する流量を調整する。転がり案内を使用するため、ニードルの直進精度が向上し、ニードルと弁座とのシール性能を向上することができる。また、バックラッシュの少ないボールネジ機構を使用するため、ニードルの位置制御の精度を向上することができる。
【００１３】
上記の構成を有する電動弁のニードルは、該ニードルの軸方向の両端に、前記第１の受圧面と前記第２の受圧面とを有し、前記連通路として、前記ニードル内部に前記２つの受圧面を貫通する流路を設けるものとしても良い。
【００１４】
かかる電動弁によれば、ニードルの両端には第１の受圧面側の空間と第２の受圧面側の空間とが形成され、両空間には、ニードル軸内部の連通路により、同じ圧力の流体が流入する。したがって、略同面積である第１の受圧面と第２の受圧面とに働く力は相殺され、ニードルの駆動力に及ぼす影響は少ない。また、連通路をニードル内部に設けたことで、ハウジングの構造を簡素化することができる。
【００１５】
上記の構成を有する電動弁としては、弁体としてポペットを備えたポペット弁を考えることができ、該ポペットが弁座のシート面に対向する方向に進退することで前記流路を開閉するものとしても良い。
【００１６】
かかる電動弁によれば、弁が弁座のシート面に対向する方向に進退することで、流路の開閉を行なう。弁の開閉にボールネジ機構および転がり案内を使用するため、弁の開閉を頻繁に行なう場合でも、弁の摩耗を抑えることができる。また、回転運動を直線運動に変換して弁を駆動するため、弁体のストロークを大きくでき、一度の開閉で大流量を取り扱うことができる。
【００１７】
上記の構成を有する電動弁としては、弁体としてスプールを備えたスプール弁を考えることができ、該スプールが軸方向に進退することで前記流路を切替えるものとしても良い。かかる電動弁によれば、回転運動を直線運動に変換して弁を駆動することで、弁体のストロークを大きなものとする。したがって、一つの弁体の進退で複数の流路の切替えを行なうことができる。
【００１８】
上記の構成を有する電動弁は、高圧の流体を貯留するタンクの内部に収納するものとしても良い。かかる構成によれば、電動弁は高圧タンクの内部に収納されるため、タンクや電動弁を含むシステム全体をコンパクトなものとすることができる。
【００１９】
上記の構成を有する電動弁を収納する高圧のタンクとしては、液体用やガス用など様々なタンクが想定できるが、特に、車両に搭載された燃料電池システムの水素タンク、または、車両に搭載された内燃機関システムの圧縮天然ガスタンクとすることができる。かかる構成によれば、電動弁はタンクの内部に収納されるため、システム全体をコンパクトにできることに加え、タンクと電動弁とを接続する配管が不要となる。高圧配管が露出することが無いため、コンパクトな上、安全性を向上することができる。
【００２０】
上記の構成を有する電動弁は、車両の燃料電池システムに供給される水素ガスの流路上、または、車両の内燃機関システムに供給される圧縮天然ガスの流路上に配置するものとしても良い。かかる構成によれば、電動弁は、比較的大流量を扱え、コンパクトであるため、スペースの制約が大きい車両にも容易に配置することができる。また、電動弁の回転アクチュエータへの指令により弁を開閉して、ガスの流量を制御するため、燃料電池システムあるいは内燃機関システムに供給されるガスの流量および圧力を容易に調整できる。
【００２１】
本発明の減圧システムは、高圧の流体の圧力を低圧に減圧して下流の圧力を調整する減圧システムであって、請求項１に記載の電動弁と、前記電動弁の下流の回路圧力を検出する圧力センサと、前記圧力センサの検出結果に基づいて、前記電動弁の回転アクチュエータを制御して前記回路圧力を所定の圧力に調整する圧力制御手段とを備えたことを要旨としている。
【００２２】
本発明の減圧システムによれば、電動弁の下流の回路圧力を圧力センサにより検出し、その検出結果に基づいて、回転アクチュエータへの通電による弁の進退を制御する。弁の進退によって、電動弁の流路を開閉することで下流の回路圧力を所定圧力に調整することができる。つまり、電動弁は減圧弁の機能を果たすことができる。
【００２３】
上記の構成を有する減圧システムの電動弁は、回転アクチュエータとして、非通電時に出力軸が自由に回転する電動モータを有し、前記電動モータへの通電停止時に、前記電動弁の弁を軸方向に付勢して流路を遮断するスプリングを備えたものとすることができる。
【００２４】
かかる減圧システムによれば、回転アクチュエータへの通電停止時には、スプリングの付勢力により流路は閉弁され、電動弁はシャット弁の機能を果たすことができる。したがって、一つの減圧システムによって、所定圧力に制御する減圧機能と流量の遮断機能とを有し、全体をコンパクトなものとすることができる。加えて、断線等の場合にも、常に流路は閉弁されて安全性を向上することができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の電動弁を燃料電池システムの水素タンクに装着した一実施例について説明する。図１は、本発明の電動弁である電動ニードル弁１１０を水素タンク１００の口金部に装着した状態の断面模式図である。なお、この燃料電池システムは４本の水素タンク１００を有し、各タンクから放出される水素ガスは合流して下流の機器へ供給される。
【００２６】
図１に示すように、水素タンク１００は略円筒外形をしており、円筒長さ方向の両端に雌ネジ部分１０５を有する口金部を設け、両口金部に雄ネジ部分を有する部材を螺設することで水素タンク１００内部を気密状態とし、水素タンク１００内部に高圧の水素ガスを貯留する構造である。この水素タンク１００の外周は、ＣＦＲＰ部材で覆われ、水素タンク１００を補強する役割を果たしている。
【００２７】
この水素タンク１００の一端の口金部にはネジ部材１２０を、他端には電動ニードル弁１１０を取り付けている。水素タンク１００内部の水素ガスは、電動ニードル弁１１０を介して充填され、制御ユニット２００からの電気信号により電動ニードル弁１１０の開弁量を調整することで放出される。なお、４本の水素タンク１００各々に設けた電動ニードル弁１１０の入力・出力口は、それぞれ図示しない配管にて接続され、各水素タンク１００から放出される水素ガスは合流して下流の機器へ流れる。
【００２８】
こうした水素タンク１００に装着される電動ニードル弁１１０の構造について、図２を用いて説明する。図２は、本発明の一実施例としての電動ニードル弁１１０の断面模式図である。図示するように、この電動ニードル弁１１０は、主に、ハウジング３００、弁３１０、電動モータ３２０、ボールネジ機構３３０、リニアガイド３４０等から構成されている。
【００２９】
ハウジング３００は、大きく、弁３１０の駆動部品を内蔵する円筒部分４０１と入力・出力流路を設けた六角柱外形部分５０１との２つの部分からなり、大外径を有する六角柱外形部分５０１端面に、それより小径である円筒部分４０１端面を取り付けた構造である。
【００３０】
円筒部分４０１の外円筒は、水素タンク１００の口金部の雌ネジ部分１０５に螺設するネジ部４０２を有し、円筒部分４０１の内円筒は、リニアガイド３４０を挿入可能な内径を有し、挿入したリニアガイド３４０の位置決め用に段付の小径部４０３を備えている。六角柱外形部分５０１の反対側に位置する円筒部分４０１端面には、弁３１０駆動用の電動モータ３２０を固定するタップ穴４０４を４箇所備えている。タップ穴４０４付近の円筒部分４０１側面には、円筒部分４０１の内部と外部とを連通する開口部４０５を設けている。したがって、水素タンク１００内部と電動ニードル弁１１０のハウジング３００内部とには、同じ圧力の水素ガスが充満する構造となっている。なお、円筒部分４０１の内円筒には、リニアガイド３４０の抜け止めである止め輪３７０を装着する溝が設けてある。
【００３１】
六角柱外形部分５０１の中心軸方向には、弁３１０が進退する絞り流路５０２を備えている。この絞り流路５０２は、円柱形状の穴部５０３と、その端面から円筒部分４０１の小径部４０３の端面方向に径を広げた円錐状のテーパ穴部５０４とからなり、小径部４０３に連通している。六角柱外形部分５０１の側面には、絞り流路５０２の穴部５０３に連通する出力流路５０５と、その反対側に円筒部分４０１の小径部４０３に連通する入力流路５０６とを備えている。なお、入力流路５０６、出力流路５０５は、共に、配管接続用のテーパネジを備え、上述のように各水素タンク１００と配管にて接続されている。
【００３２】
弁３１０は、ニードル形状の弁体３１１と円筒形状の弁軸３１２とから構成されている。弁体３１１は、ニードル形状の先端部分に係合部３１３を備え、弁３１０軸方向に貫通孔３１４を有している。この係合部３１３には、後述する仕切り部材３８０が塑性加工によって取り付けられている。弁軸３１２は、その外円筒にリニアガイド３４０の鋼球が係合するレール溝３１５を弁３１０軸方向に備え、その内円筒に雌ネジ（ナット）部分３１６を備えている。なお、この弁体３１１と弁軸３１２は溶着され、一体で軸方向に進退する。
【００３３】
電動モータ３２０は、ＡＣサーボモータであり、モータへの通電により所望する回転角度に出力軸を制御可能である。なお、回転角度の制御は、電動モータ３２０内部に設けたロータリエンコーダにより、出力軸３２１の回転角度を検出することで行なわれている。この電動モータ３２０の出力軸３２１には雄ネジ部分を設けている。この出力軸３２１と、上述の弁軸３１２内部のナット部分３１６と、両者の間に介装するボールとからボールネジ機構３３０を構成している。
【００３４】
リニアガイド３４０は、その内部の軌道上を循環する複数の鋼球が脱落しないように保持されており、鋼球の転がり運動によりレール溝３１５を設けた弁３１０を直動可能に保持している。こうして電動モータ３２０の出力軸３２１を回転することで、ボールネジ機構３３０を介して弁３１０が出力軸３２１と共回りすることなく進退する。なお、必要量の水素ガスを放出するための出力軸３２１回転角度は、制御ユニット２００にて算出される。
【００３５】
こうした部品からなる電動ニードル弁１１０は、ハウジング３００にリニアガイド３４０を挿入して止め輪３７０を装着し、弁軸３１２内部にボールネジ機構３３０を組み込んだ弁３１０および電動モータ３２０を一体で挿入して組み立てられる。リニアガイド３４０の鋼球と弁軸３１２のレール溝３１５とが係合するように挿入された弁３１０は、ハウジング３００の端面と電動モータ３２０のフランジ面とが当接する位置まで入り込む。この状態で、電動モータ３２０はハウジング３００にボルト３２５で締結される。なお、弁軸３１２と電動モータ３２０との間には、弁３１０を閉弁方向に付勢するリターンスプリング３６０を挟んでいる。
【００３６】
ハウジング３００に挿入された弁体３１１は、ハウジング３００のテーパ穴部５０４に係合し、穴部５０３から突出した状態となる。突出した弁体３１１先端の係合部３１３には、仕切り部材３８０を取り付ける。この仕切り部材３８０は、穴部５０３に挿入可能な外径を有し、係合部３１３に嵌合した後、塑性加工によって固定される。なお、仕切り部材３８０の外周にはＯリング３８５が装着されている。この仕切り部材３８０により、穴部５０３が２つの空間に分割される。以下、ハウジング３００の出力流路５０５と連通する空間を出力室５１０、他方の空間をバランス室５２０と呼ぶ。なお、バランス室５２０は、穴部５０３を閉口するカバー３９０をハウジング３００にボルト３９５で締結することで形成される。
【００３７】
ハウジング３００の入力流路５０６には、圧縮バネ５３０、チェックボール５４０をこの順に挿入し、内部にテーパネジを備えたチェックボール５４０のシート部材５５０を螺設して、チェック機構を組み込む。このチェック機構は、電動ニードル弁１１０の外部からハウジング３００の小径部４０３方向の流れを順方向とする逆方向の流れを遮断する。
【００３８】
こうして組み立てられた電動ニードル弁１１０は、ハウジング３００のネジ部４０２端にＯリング３５０を取り付け、図１に示したように水素タンク１００に螺設される。電動ニードル弁１１０の入力側のチェック機構とリターンスプリング３６０付勢力による閉弁とにより水素タンク１００内部の水素ガスは外部から遮断され、気密に保持される。
【００３９】
水素タンク１００に水素ガスを充填する場合には、電動ニードル弁１１０の入力流路５０６端から水素ガスを圧送する。水素ガスは、チェック機構のクラッキング圧に打ち勝って、入力流路５０６、ハウジング３００内の小径部４０３へと流入し、開口部４０５から水素タンク１００の内部に充填される。充填完了後は、入力流路５０６のチェック機構が働き、水素タンク１００内部の水素ガスは逆流しない。
【００４０】
こうして充填された水素ガスは、弁軸３１０内部から弁体３１１の貫通孔３１４を通過してバランス室５２０に流入し、バランス室５２０の圧力と弁軸３１２内部の圧力とを同圧にする。弁軸３１２内部の受圧面積と仕切り部材３８０の受圧面積とは、ほぼ同等の面積を有するため、バランス室５２０の内圧により弁３１０が受ける開弁方向の力と弁軸３１２内部の圧力により弁３１０が受ける閉弁方向の力とは、ほぼ均衡した状態となる。
【００４１】
水素タンク１００内の水素ガスを放出する場合には、電動モータ３２０へ電気信号を入力することにより弁３１０の開弁を行なう。例えば、電動モータ３２０側から電動ニードル弁１１０を見て、出力軸３２１の時計回りの回転を右回転とし、反時計回りの回転を左回転とした場合、電気信号の入力により電動モータ３２０の出力軸３２１が所定の角度右に回転すると、外周をリニアガイド３４０で保持されている弁軸３１２は、ボールネジの作用により、回転することなくリターンスプリング３６０を圧縮する方向に直線運動する。
【００４２】
弁３１０の直線運動により、ハウジング３００のテーパ穴部５０４と弁体３１１との間に隙間が形成される。水素ガスは、この隙間（絞り流路５０２）を通過して出力室５１０、出力流路５０５を経て水素タンク１００下流の機器へと放出される。水素ガスの放出量は弁３１０の移動量により調整され、放出量を増加する場合には、電動モータ３２０の出力軸３２１を更に右に回転し、放出量を減少する場合には、左に回転する。こうした弁３１０の進退動作による放出流量の調整で下流の回路圧力を調整することができる。例えば、回路圧力を増圧する場合には各水素タンク１００からの放出流量を増加し、減圧する場合には放出流量を減少する制御を行なう。
【００４３】
水素ガスの放出を停止する場合には、電動モータ３２０の出力軸３２１を左に回転し、弁３１０を初期状態の位置まで移動させた後、電動モータ３２０への電気信号を停止する。この場合、リターンスプリング３６０の復元力は、弁３１０の初期状態位置への移動を補助し、絞り流路５０２を閉口する。こうして水素タンク１００内部の水素ガスは、再び気密に保持される。なお、停電、断線等により、電動モータ３２０へ弁３１０を閉弁する電気信号が入力されなくても、リターンスプリング３６０により、常に流路５０２は閉口する。また、弁３１０を初期状態の位置に戻す制御は、電動モータ３２０内部のロータリエンコーダによる出力軸３２１の回転角度検出で閉弁直前の位置まで制御を行ない、その後、通電を停止することで実現するものとしても良い。
【００４４】
以上の構成を有する電動ニードル弁１１０では、電動モータ３２０の回転運動を、ボールネジ機構３３０、リニアガイド３４０を用いて直線運動に変換することで、弁３１０を進退させる。したがって、弁３１０のストロークを大きくすることができる。つまり、弁３１０の開度を大きくし、コンパクトな形状の上、大流量を扱うことができる。なお、ボールネジ機構３３０のネジのリードの調整により、電動モータ３２０出力軸３２１の回転角度に対するストロークを大きくし、応答性を向上することもできる。
【００４５】
さらに、後述する減圧システムのように、電動ニードル弁１１０を下流の回路圧力に基づいてフィードバック制御する構成とすれば、従来からの減圧弁を廃止でき、直動駆動部分を水素タンク１００内部に収納して、水素タンク１００の口金部からは、配管と接続するハウジング３００の六角柱外形部分５０１のみが突出した構造となるため、システム全体をコンパクトにすることができる。また、ハウジング３００の出力流路５０５からは、弁３１０による絞りを受けた低圧の水素ガスが放出されるため、高圧配管が外部に露出することはない。加えて、停止時にはリターンスプリング３６０により閉弁され、水素ガスの放出を阻止することができる。また、弁３１０の直線運動は転がり方式により支持されるため、弁３１０の動作に伴う摩擦力を低減することができ、結果的に、弁の摩耗を低減し、耐久性を向上することができる。さらに、開閉弁双方向にかかる流体の圧力がほぼ等しいため、水素タンク１００内の圧力変動が弁に及ぼす影響はほとんどない。すなわち、水素タンク１００内の水素ガスが充満状態から空になる状態まで、内部の圧力が変化することで弁３１０にかかる圧力が変化しても、弁３１０の駆動力への影響は少ないこととなる。したがって、弁３１０の駆動力を低減することができる。
【００４６】
こうした直動タイプの弁駆動機構は、ニードル弁に限らず、例えば、ポペット弁やスプール弁など種々の流量調整弁等に応用できる。この直動駆動機構を取り込んだ弁の構成について図３を用いて説明する。図３は電動ポペット弁の断面模式図である。
【００４７】
図３に示すように、電動ポペット弁６００は、主に、ハウジング６１０、弁６２０、電動モータ３２０、ボールネジ機構３３０、リニアガイド３４０から構成される。ハウジング６１０の一部および弁６２０の一部の構造以外は、先に説明した電動ニードル弁１１０の直動駆動機構と同一である。したがって、ハウジング６１０の一部および弁６２０の一部の構造のみ説明し、他の部分については、符号を同じとし説明を省略する。
【００４８】
ハウジング６１０は、略円筒外形を有し、その一端面には電動モータ３２０を締結するタップ穴６１２を備えている。ハウジング６１０内部は、リニアガイド３４０を装着可能な内径を備え、挿入したリニアガイド３４０を固定する段付の小径部６１１を有している。電動モータ３２０と反対側に位置する小径部６１１端面には、その端面から所定の深さの穴部６１３を設け、端面からハウジング６１０小径部６１１方向に突出した凸部分６１４を設けている。この凸部分６１４は、円柱外形を有し、その中心に穴部６１３と同じ径の穴を備えている。穴部６１３とハウジング６１０側面に設けた入力流路６１６とは連通し、ハウジング６１０の小径部６１１と入力流路６１６の反対側に設けた出力流路６１５とは連通している。
【００４９】
弁６２０は、弁体６２１と前述の弁軸３１２とからなり、弁体６２１は、略円柱外形を有し、ハウジング６１０の凸部分６１４の外径より大径で、かつ、穴部６１３より小径である環状溝６２２を備えている。この環状溝６２２にＯリング６３０を装着し、Ｏリング６３０と凸部分６１４の端面とが密着することで流れを遮断する。こうした形状の弁体６２１に弁軸３１２を溶着して弁６２０を構成し、ハウジング６１０内部にリニアガイド３４０、ボールネジ機構３３０と共に弁６２０を組み込み、電動モータ３２０を締結することで、電動ポペット弁６００は組み立てられる。
【００５０】
この電動ポペット弁６００の弁６２０には、リターンスプリング３６０により初期状態を閉弁状態とする付勢力が働いている。電動モータ３２０の駆動前（初期状態）は、ハウジング６１０の入力流路６１６に流入した流体は、弁体６２１によりその流路を閉口され、下流には流れない状態となっている。流体を下流に流す場合には、電動モータ３２０を駆動して弁６２０を開弁し、流体の流れを遮断する場合には、電動モータ３２０を駆動して弁６２０を閉弁し、電動モータ３２０への通電を停止する。
【００５１】
こうした直動駆動機構を備えた電動弁では、弁６２０の進退運動に伴う摩擦、摩耗を低減でき、高頻度の開閉弁に対する耐久性を向上することができる。加えて、電動モータ３２０の回転運動を直線運動に変換するため、弁６２０の開度を大きくすることができ、弁駆動にソレノイドを利用したポペット弁と比べて、大流量を扱うことが可能となる。
【００５２】
本実施例の電動ニードル弁１１０は、リターンスプリング３６０により初期状態が閉弁状態となるノーマルクローズタイプとしたが、用途に応じて初期状態が開弁状態となるノーマルオープンタイプとしても良い。図４には、直動駆動機構を備えたノーマルオープンタイプの弁の一例を示した。図４は、ノーマルオープンの電動スプール弁の断面模式図である。この電動スプール弁７００は、電動ニードル弁１１０および電動ポペット弁６００とは、ハウジング７１０の構造、弁体７２１の構造およびリターンスプリング７６０の構成が異なる。その他の部分は、図３に示した電動ポペット弁６００と同様な構造であるため、説明は省略する。
【００５３】
図４に示すように、ハウジング７１０は図３に示した電動ポペット弁６００の構造とほぼ同様である。電動ポペット弁６００のハウジング６１０との構造上の違いは、穴部７１３が電動ポペット弁の穴部６１３に比べて深く形成されていることと、その穴部７１３の一端と出力流路６１５とを連通する連通孔７１９を新たに設けていることである。
【００５４】
弁体７２１は、前述した電動ポペット弁６００の弁体６２１端面から軸方向へ突出した段付円柱形状のスプール部分７２５を備えた構造である。スプール部分７２５の軸方向両端近傍は、穴部７１３に挿入可能な外径の大径部分７２６を有し、スプール部分７２５の軸方向中央付近は、穴部より小径である小径部分７２７を有している。
【００５５】
電動スプール弁７００は、ハウジング７１０の穴部７１３の端面とスプール部分７２５端面とで挟まれる空間にリターンスプリング７６０を挿入後、弁体７２１を穴部７１３に挿入して組み立てられる。この電動スプール弁７００は、スプール部分７２５の移動により入力流路６１６に流入した流体を下流へ流し、または遮断する２方弁である。なお、電動スプール弁７００は、リターンスプリング７６０の付勢力により初期状態は開口状態となっている。
【００５６】
この電動スプール弁７００では、連通孔７１９を設けることで、出力側の流体圧力と同等の圧力がスプール部分７２５端面にかかり、スプール部分７２５の移動に伴う流体圧力の影響を小さくすることができる。また、上述までの電動弁と同様、スプールのストロークを大きく採ることができるため、２方弁に限らず、３方弁などの複数の方向切換を行なうことができる。また、図４に示したハウジング７１０の構成とし、リターンスプリング７６０の装着位置を変更することで、簡単に、他の弁もノーマルオープンタイプとすることができる。
【００５７】
次に、本発明の減圧システムを搭載した燃料電池システムについて一例を説明する。図５は、電動ニードル弁１１０を装着した水素タンク１００を搭載した車両の燃料電池システムの概略構成図である。この燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応により発電するシステムであり、燃料電池による発電した電力を車両の動力源としている。図５に示すように、この燃料電池システムは、主に、燃料電池スタック１０、エアライン２０、燃料ライン３０から構成されている。
【００５８】
燃料電池スタック１０は、水素極（以下、アノードと呼ぶ）と酸素極（以下、カソードと呼ぶ）とを備えた単一セルを複数重ね合わせた積層体として形成されている。この単一セルは、セパレータ、アノード、電解質膜、カソード、セパレータをこの順に重ね合わせた構造であり、セパレータに設けた溝を介して供給される水素ガスおよび空気に含まれる酸素の電気化学反応により発電する。なお、本実施例では、電解質膜に固体高分子膜を用いた固体高分子型燃料電池を使用しているが、例えば、リン酸型、アルカリ型など種々の燃料電池を用いても良い。
【００５９】
この電気化学反応に使用される酸素の流路であるエアライン２０は、フィルタ４０、コンプレッサ５０、加湿器６０等とこうした機器を接続する配管とから構成されている。外部からフィルタ４０を通して取り込まれた空気は、コンプレッサ５０にて圧縮され、加湿器６０により水分を含んだ状態で燃料電池スタック１０のカソードに供給される。燃料電池スタック１０での反応に使用された後の排気は、スタック下流の排気管から外部へ排出される。この排気管路上に設けた調圧バルブ９０は、バルブの絞りを調整することで、バルブ上流側に背圧を立て燃料電池スタック１０に供給する空気の圧力を調整している。エアライン２０上に配置した温度センサ３５はフィルタ４０を通して取り込まれた空気の温度Ｔを、圧力センサ８５は燃料電池スタック１０にかかる圧力ＰＡを、それぞれ検出し、その検出値を後述する制御ユニット２００に出力する。
【００６０】
他方、燃料である水素ガスの流路である燃料ライン３０は、４本を並列に接続した水素タンク１００、各水素タンク１００の口金部に設けた電動ニードル弁１１０等とこうした機器を接続する配管とから構成されている。高圧の水素タンク１００に貯留された水素ガスは、電動ニードル弁１１０の弁開閉動作による放出流量の調整で低圧に減圧され、燃料電池スタック１０のアノードに供給される。燃料電池スタック１０での反応に使用された後の排気には、反応で消費しなかった水素ガスが含まれる。この水素ガスは、水素循環ポンプ１４０により再び燃料ライン３０へ戻される。なお、燃料ライン３０上に設けた圧力センサ８６は、水素タンク１００から放出された水素ガスの回路圧力Ｐを検出し、検出値を制御ユニット２００に出力する。
【００６１】
こうして供給された水素と酸素とを用いて燃料電池スタック１０から発電した電力は、インバータ１５０等に出力され、車両の走行モータ１６０の駆動に使用される。また、車両の走行に必要な電力が発電量に対して少ない場合には、余剰分をＤＣ／ＤＣコンバータ１７０等を介して蓄電池１８０に蓄電し、急加速時など、必要な電力が大きい場合に、その不足分を蓄電池１８０から補う。
【００６２】
こうした機器から構成される燃料電池システムは、各種バルブやモータ、ポンプなどのアクチュエータを制御する制御ユニット２００を備えている。図６は、この制御ユニット２００を中心とした入出力信号を示す模式図である。制御ユニット２００は、図示するように、各種センサからの信号を受け、燃料電池システムの運転状態を判断し、上記アクチュエータを制御する信号を出力する。具体的には、圧力センサ８６、８５，温度センサ３５，車両の運転を管理する運転制御ユニット２１０を介したアクセルポジションセンサ２１５，車速センサ（図示せず）等の各種センサからの圧力Ｐ，ＰＡ、温度Ｔ、アクセル開度θ、車速Ｖ等を入力し、要求される出力を算出し、調圧バルブ９０、電動ニードル弁１１０、コンプレッサ５０、水素循環ポンプ１４０等を制御して燃料電池システムを運転する。
【００６３】
制御ユニット２００は、燃料電池システムの始動指令を受けると、水素タンク１００の口金部に設けた電動ニードル弁１１０を開弁し、エアライン２０のコンプレッサ５０を駆動することで、燃料電池スタック１０に水素ガスおよび空気を供給する。例えば、出力の増加に伴って燃料電池スタック１０の水素ガス消費が増加し、水素ガスの圧力が低下する。この圧力を燃料ライン３０の圧力センサ８６で検出し、検出結果を受けた制御ユニット２００は、電動ニードル弁１１０を制御して、水素ガスの供給流量を増加する。また、制御ユニット２００は、燃料電池システムの停止指令を受けると、電動ニードル弁１１０、コンプレッサ５０への電気信号を停止して、燃料の供給を断つ。こうした供給流量の調整を行なうことで、制御ユニット２００は運転に必要な電力の管理を行なっている。また、アクセル開度θと車速Ｖから出力電力の増加を予測し、空気供給流量や電動ニードル弁１１０を制御するものとしてもよい。
【００６４】
こうした構成の燃料電池システムでは、回路上で要求される水素ガスの流量や圧力を制御ユニット２００が算出し、それに対応する電気信号を電動ニードル弁１１０の電動モータ３２０に出力する。こうすることで流量や圧力を調整することができるため、システムの制御が容易となる。また、弁３１０の進退動作によって減圧弁としての機能を有すると共に、流路を遮断するシャット弁としての機能も有する減圧システムを構成することができる。従来の減圧弁を廃止し、電動ニードル弁１１０を水素タンク１００の内部に収納することで、システム全体の構成をコンパクトなものとすることができる。
【００６５】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において様々な形態で実施し得ることは勿論である。本実施例の電動ニードル弁１１０では、弁体であるニードルのテーパ部分で流体の流れを遮断しているが、例えば図７に示すように、ニードルのテーパ部分とは別個に流れを遮断するポペット弁の構造を加えた構造としても良い。また、本実施例では、電動モータの出力軸をボールネジ機構３３０のネジ軸として構成したが、電動モータの出力軸にボールネジ機構のナットを形成し、弁軸にネジ軸を設ける構成としても良い。また、本実施例の電動ポペット弁６００や電動スプール弁７００のハウジング形状を変更することで、電動ニードル弁１１０のようにタンク内部に収納することも可能である。さらに、こうした電動弁は、燃料電池システム回路上の他の部分にも使用可能であるし、油圧回路等に使用するものとして良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】タンクおよび電動ニードル弁の断面模式図である。
【図２】電動ニードル弁の断面模式図である。
【図３】電動ポペット弁の断面模式図である。
【図４】ノーマルオープンの電動スプール弁の断面模式図である。
【図５】本発明の減圧システムを搭載した車両の燃料電池システムの概略構成図である。
【図６】制御ユニットを中心とした入出力信号を示す模式図である。
【図７】ポペット弁の構造を備えたニードル弁の断面模式図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池スタック
２０…エアライン
３０…燃料ライン
３５…温度センサ
４０…フィルタ
５０…コンプレッサ
６０…加湿器
８５，８６…圧力センサ
９０…調圧バルブ
１００…水素タンク
１０５…雌ネジ部分
１１０…電動ニードル弁
１２０…ネジ部材
１４０…水素循環ポンプ
１５０…インバータ
１６０…走行モータ
１７０…ＤＣ／ＤＣコンバータ
１８０…蓄電池
２００…制御ユニット
２１０…運転制御ユニット
３００，６１０，７１０…ハウジング
３１０，６２０…弁
３１１，６２１，７２１…弁体
３１２…弁軸
３１３…係合部
３１４…貫通孔
３１５…レール溝
３１６…ナット部分
３２０…電動モータ
３２１…出力軸
３２５，３９５…ボルト
３３０…ボールネジ機構
３４０…リニアガイド
３５０，３８５，６３０…Ｏリング
３６０，７６０…リターンスプリング
３７０…止め輪
３８０…仕切り部材
３９０…カバー
４０１…円筒部分
４０２…ネジ部
４０３，６１１…小径部
４０４，６１２…タップ穴
４０５…開口部
５０１…六角柱外形部分
５０２…絞り流路
５０３，６１３，７１３…穴部
５０４…テーパ穴部
５０５，６１５…出力流路
５０６，６１６…入力流路
５１０…出力室
５２０…バランス室
５３０…圧縮バネ
５４０…チェックボール
５５０…シート部材
６００…電動ポペット弁
６１４…凸部分
６２２…環状溝
７００…電動スプール弁
７１９…連通孔
７２５…スプール部分
７２６…大径部分
７２７…小径部分
【図１】
2005030439.tif 000003
【図２】
2005030439.tif 000004
【図３】
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【図４】
2005030439.tif 000006
【図５】
2005030439.tif 000007
【図６】
2005030439.tif 000008
【図７】
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