バルブ装置
【課題】簡素な構造によって流路遮断機能と流量制御機能とを両立させること。
【解決手段】流路７０内に弁体７４が配置されるボール弁５０と、ボール弁５０に形成された貫通孔７２内に弁体８０が配置されるバタフライ弁５２とを有する弁機構５３と、回転駆動源の回転駆動力を弁機構５３に対して伝達し、軸方向に沿った下端側が、バタフライ弁５２の弁体８０に連結されると共に、ボール弁５０の弁体７４に形成された軸孔７８と係合するシャフト軸７６と、シャフト軸７６の一端部に設けられ、シャフト軸７６の軸方向に沿った下端部とボール弁５０の弁体７４に形成された軸孔７８とを係合させる係合機構７５とを備える。
【解決手段】流路７０内に弁体７４が配置されるボール弁５０と、ボール弁５０に形成された貫通孔７２内に弁体８０が配置されるバタフライ弁５２とを有する弁機構５３と、回転駆動源の回転駆動力を弁機構５３に対して伝達し、軸方向に沿った下端側が、バタフライ弁５２の弁体８０に連結されると共に、ボール弁５０の弁体７４に形成された軸孔７８と係合するシャフト軸７６と、シャフト軸７６の一端部に設けられ、シャフト軸７６の軸方向に沿った下端部とボール弁５０の弁体７４に形成された軸孔７８とを係合させる係合機構７５とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流路を遮断する流路遮断機能と、流路を流通する圧力流体の流量を制御する流量制御機能とを併有し、前記流路遮断機能と流量制御機能とを適宜切り換えることが可能なバルブ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、特許文献１には、起動停止時におけるアノード及びカソードの酸化による劣化を抑制し、耐久性を向上させることができる、とする燃料電池発電装置が開示されている。
【０００３】
この燃料電池発電装置は、停止時にカソードに残留した酸化剤ガスの全部又は一部を燃料ガスで置換する燃料ガス置換部と、起動時にカソードに残留した燃料ガスの全部又は一部を不活性ガスで置換する不活性ガス置換部と、燃料電池の燃料ガス供給通路及び酸化剤ガス供給通路の入口・出口にそれぞれ配置されて燃料電池の停止時にアノード及びカソードに燃料ガスを封入する４つの遮断弁と、所定の流量で燃料電池のアノードに対して燃料ガスを供給する燃料ガス流量制御部と、大気中から取り込まれたエアを所定の流量で燃料電池のカソードに対して酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流量制御部とを有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−９３１１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、前記特許文献１に開示された燃料電池発電装置では、遮断弁及び流量制御部の具体的な構成について何ら開示乃至示唆されていないが、例えば、遮断弁としてボール弁やポペットタイプのオンオフ弁を用い、流量制御部としてバタフライ弁を用いることが考えられる。
【０００６】
そこで、遮断弁による流路封止（遮断）機能と流量制御部による流量制御機能とを一体化させた場合、ボール弁やポペットタイプのオンオフ弁では、一般的に流体遮断性に優れているもののボール弁では作動耐久性に課題があり、ポペットタイプのオンオフ弁では流量制御性に課題がある。また、バタフライ弁では、一般的に弁開度による流量制御性や作動耐久性に優れているものの、ボアと弁体との干渉を回避するために隙間が発生するため流路遮断性に課題がある。
【０００７】
本発明は、前記の点に鑑みてなされたものであり、簡素な機構によって流路遮断機能と流量制御機能とを両立させることが可能なバルブ装置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】
【０００８】
前記の目的を達成するために、本発明は、圧力流体が導入されるインレットポート及び圧力流体が導出されるアウトレットポートと、前記インレットポートと前記アウトレットポートとを連通させる流路とがそれぞれ形成された装置本体と、単一の回転駆動源と、前記回転駆動源によって駆動され、前記流路内に弁体が配置されるボール弁と、前記ボール弁に形成された内部流路内に弁体が配置されるバタフライ弁とを有する弁機構と、前記回転駆動源の回転駆動力を前記弁機構に対して伝達し、軸方向に沿った一端部が、前記バタフライ弁の弁体に連結されると共に、前記ボール弁の弁体に形成された軸孔と係合するシャフト軸と、前記シャフト軸の一端部に設けられ、前記シャフト軸の軸方向に沿った一端部と前記ボール弁の弁体に形成された軸孔とを係合させる係合機構と、を備え、前記係合機構には、前記シャフト軸の一端部が前記軸孔に係合して回動する範囲において、前記シャフト軸のみが単独で回動動作可能な単独回動範囲と、前記シャフト軸及び前記ボール弁の弁体が共回り可能な共回り回動範囲とが設けられることを特徴とする。
【０００９】
本発明によれば、装置本体の流路を流通する圧力流体は、ボール弁による流路遮断制御と、バタフライ弁による流量制御（圧力制御）との両方の制御を受けることができ、流路遮断機能と流量制御機能とを両立させることができる。すなわち、ボール弁によって締切性（封止性）の良好な制御が可能になると共に、バタフライ弁によって流量制御性（圧力制御性）の良好な制御が可能となる。これにより、バタフライ弁によって流量制御が可能となるので、この結果、ボール弁の作動耐久性を向上させることができる。
【００１０】
また、シャフト軸の軸方向に沿った一端部とボール弁の弁体に形成された軸孔とを係合させる係合機構が、シャフト軸の一端部に設けられるため、単一のシャフト軸のみによって、バタフライ弁の弁体とボール弁の弁体の両方を作動させることができる。換言すると、単一のシャフト軸は、バタフライ弁軸とボール弁軸の両方の機能を併有し、回転駆動源の回転駆動力をシャフト軸を介してバタフライ弁の弁体とボール弁の弁体の両方に伝達することができる。
【００１１】
さらに、シャフト軸の一端部が軸孔に係合して回動する範囲において、単独回動範囲では、シャフト軸のみが単独で回動されるため、バタフライ弁の弁体のみが作動されてバタフライ弁による流量制御性（圧力制御性）の良好な制御が可能となる。一方、共回り回動範囲では、シャフト軸及びボール弁の弁体が一体的に作動するため、ボール弁を用いた締切性（封止性）の良好な制御が可能となる。
【００１２】
また、本発明は、前記係合機構が、略円柱体からなる前記シャフト軸の一端部を切り欠いて形成され平面視して略半円状からなる係合部と、前記係合部が係合し、前記軸孔から中心に向かって突出し平面視して山形状に形成された係合突部とを有し、前記係合部と前記係合突部との間には、前記シャフト軸のみが単独で回動する隙間が設けられることを特徴とする。
【００１３】
本発明によれば、シャフト軸が、例えば、一側に回動してシャフト軸の係合部がボール弁の軸孔に形成された係合突部に係合すると、シャフト軸とボール弁の弁体とが一体的に一側に回動する（共回りする）ことが可能となる。
【００１４】
また、シャフト軸が、例えば、前記一側とは反対の他側に回動してシャフト軸の係合部がボール弁の係合突部に係合すると、シャフト軸とボール弁の弁体とが一体的に他側に回動する（共回りする）ことが可能となる。
【００１５】
さらに、シャフト軸の係合部がボール弁の係合突部に係合しない場合には、隙間に沿ってシャフト軸のみが単独で回動することが可能となり、バタフライ弁の弁体のみが単独で回動可能となる。
【００１６】
さらに、本発明は、前記ボール弁及び前記バタフライ弁の各弁体の閉じ側への回動方向が、相互に反対方向に設定され、前記装置本体には、前記流路の開口状態で前記ボール弁の弁体の回動動作を規制する開側ストッパ部が設けられることを特徴とする。
【００１７】
本発明によれば、開側ストッパ部によってボール弁の弁体の回動動作が規制されることにより、流路が開口状態となってバタフライ弁が作動可能な状態となる。これにより、バタフライ弁が作動する際、ボール弁が共回りすることが阻止される。
【００１８】
さらにまた、本発明は、前記シャフト軸を中心とする前記バタフライ弁の弁体の回動角度は、前記内部流路に対する弁開状態と弁閉状態との間で約９０度に設定されることを特徴とする。
【００１９】
本発明によれば、バタフライ弁の弁体に一端部が連結されるシャフト軸を用いて、ボール弁の弁体を約９０度だけ回動動作させることが可能となる。
【００２０】
またさらに、本発明は、前記バタフライ弁の弁体が、ノーマルオープンタイプからなり、前記回転駆動源のフェール時には、前記バタフライ弁の弁体が弁開状態になると共に、前記ボール弁の弁体が弁開状態となることを特徴とする。
【００２１】
仮に、回転駆動源がフェールした場合、バタフライ弁の弁体が弁開状態になると共に、ボール弁の弁体が弁開状態となることにより、流路に沿って圧力流体を流通させることができる。この結果、本発明に係るバルブ装置を、例えば、燃料電池に付設した場合、回転駆動源のフェール時においても燃料電池を好適に発電させることができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、簡素な構造によって流路遮断機能と流量制御機能とを両立させることが可能なバルブ装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施形態に係るバルブ装置が組み込まれた燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】（ａ）は、燃料電池システムに組み込まれ、本発明の実施形態に係る第２バルブ装置の縦断面図、（ｂ）は、ストッパ部を示す（ａ）の平面図、（ｃ）は、係合機構の概略構成を示す（ａ）の底面図、（ｄ）は、係合機構を示す一部破断斜視図である。
【図３】（ａ）〜（ｅ）は、ボール弁の弁体及びバタフライ弁の弁体の回動動作をそれぞれ示したものであって、上段は、ストッパ部の位置を示す平面図、中段は、シャフト軸の係合部と軸孔の係合突部との係合関係を示す底面図、下段は、ボア及び流路の開閉状態を示す概略縦断面図である。
【図４】（ａ）は、デフォルトレバーの係止部が開側ストッパ部に当接して係止されている状態を示す概略平面図、（ｂ）は、前記係止状態を示す一部省略斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態に係るバルブ装置が組み込まれた燃料電池システムの概略構成図である。なお、本実施形態では、車両に搭載された燃料電池に組み込まれるバルブ装置を以下に例示して説明しているが、これに限定されるものでなく、例えば、船舶や航空機等、又は業務用や家庭用の定置式の燃料電池等に組み込まれる各種バルブに適用することができる。
【００２５】
図１に示されるように、本実施形態に係るバルブ装置が組み込まれた燃料電池システム１０は、燃料電池１２、アノード系１４、カソード系１６、図示しない制御系を備えて構成されている。
【００２６】
燃料電池１２は、固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）からなり、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly、膜電極接合体）を図示しないセパレータで挟持してなる単セルが複数積層されて構成されている。ＭＥＡは、電解質膜（固体高分子膜）、これを挟持するカソード及びアノード等を備える。前記カソード及びアノードは、例えば、白金等の触媒がカーボンブラック等の触媒担体に担持された電極触媒層からなる。また、各セパレータには、溝や貫通孔からなるアノード流路２２及びカソード流路２４が形成されている。
【００２７】
このような燃料電池１２では、アノードに水素（反応ガス、燃料ガス）が供給され、一方、カソードに酸素を含むエア（反応ガス、酸化剤ガス）が供給されると、アノード及びカソードに含まれる触媒上で電極反応が起こり、燃料電池１２が発電可能な状態となる。
【００２８】
前記燃料電池１２は、図示しない外部負荷と電気的に接続され、前記外部負荷によって電流が取り出されると、燃料電池１２が発電するようになっている。なお、前記外部負荷とは、走行用のモータ、バッテリやキャパシタ等の蓄電装置、後記するエアポンプ２６等である。
【００２９】
アノード系１４は、水素タンク２８、遮断弁３０、パージ弁３２、配管ａ１〜ａ４等によって構成される。
【００３０】
水素タンク２８は、高純度の水素を高圧で貯蔵するものであり、配管ａ１を介して下流側の遮断弁３０と接続されている。前記遮断弁３０は、例えば、電磁弁からなり、配管ａ２を介して下流側の燃料電池１２のアノード流路２２の入口と接続されている。
【００３１】
パージ弁３２は、例えば、電磁弁からなり、配管ａ３を介して上流側の燃料電池１２のアノード流路２２の出口と接続されている。
【００３２】
カソード系１６は、エアポンプ２６、第１バルブ装置４０ａ及び第２バルブ装置４０ｂ、配管（酸化剤ガス流路）ｃ１〜ｃ３等で構成されている。
【００３３】
エアポンプ２６は、例えば、図示しないモータで駆動される機械式の過給器であり、取り込んだ外気（エア）を圧縮して燃料電池１２に供給する。
【００３４】
本発明の実施形態に係る第１バルブ装置４０ａは、酸化剤ガスの供給側に設けられ、配管ｃ１を介して上流側のエアポンプ２６と接続されると共に、配管ｃ２を介して下流側の燃料電池１２のカソード流路２４の入口と接続されている。また、本発明の実施形態に係る第２バルブ装置４０ｂは、酸化剤ガスの排出側に設けられ、配管ｃ３を介して上流側の燃料電池１２のカソード流路２４の出口と接続される。
【００３５】
本発明の実施形態に係る第１バルブ装置４０ａ及び第２バルブ装置４０ｂは、それぞれ同一構成からなるため、以下、カソード流路２４の出口側に設けられた第２バルブ装置４０ｂの構成を詳細に説明して、第１バルブ装置４０ａの説明を省略する。
【００３６】
図２（ａ）は、燃料電池システムに組み込まれ、本発明の実施形態に係る第２バルブ装置の縦断面図、図２（ｂ）は、ストッパ部を示す図２（ａ）の平面図、図２（ｃ）は、係合機構の概略構成を示す図２（ａ）の底面図、図２（ｄ）は、係合機構を示す一部破断斜視図である。
【００３７】
この第２バルブ装置４０ｂは、図２（ａ）に示されるように、流体（圧力流体）が導入されるインレットポート４２ａが一方の側壁に形成されると共に、流体（圧力流体）が導出されるアウトレットポート４２ｂが他方の側壁に形成されたボディ４４と、前記ボディ４４の上部を被覆する図示しないカバーとを有する。なお、前記ボディ４４及びカバーは、装置本体として機能するものである。
【００３８】
ボディ４４及びカバーの内部には、弁駆動機構４８（図１参照）と、前記弁駆動機構４８によって駆動（付勢）されるボール弁５０及びバタフライ弁５２からなる弁機構５３と、前記弁駆動機構４８からの回転駆動力を前記弁機構５３に対して伝達する駆動力伝達機構５４とが配設される。
【００３９】
弁駆動機構４８は、ボディ４４の凹部内によって固定され、例えば、ステッピングモータやＤＣサーボモータ等からなる単一の回転駆動源５６と、前記回転駆動源５６の回転駆動軸（モータ軸）５６ａに連結されたピニオン５８とを有する。
【００４０】
なお、図示しない電源によって回転駆動源５６に供給される電流の極性を切り換えることにより、回転駆動軸５６ａに連結されたピニオン５８の回転方向を正逆いずれかの方向に切り換えることができる。また、回転駆動源５６をボディ４４の外部に、例えば、ブラケットを介して付設してもよい。
【００４１】
駆動力伝達機構５４は、ボディ４４とカバーとの間で回転駆動軸５６ａと略平行に固定されるピン（中間軸）６０と、前記ピン６０に対して回転自在に軸着される中間ギヤ６２とを有する。
【００４２】
中間ギヤ６２の軸方向に沿った上部側の外周面には、前記回転駆動軸５６ａのピニオン５８と噛合する大径な第１ギヤ部６８ａが設けられ、前記第１ギヤ部６８の下部側には、前記第１ギヤ部６８ａよりも小径な第２ギヤ部６８ｂが同軸状に設けられる。
【００４３】
弁機構５３は、インレットポート４２ａとアウトレットポート４２ｂとを連通させる流路７０の中間部位に配置されるボール弁５０と、前記ボール弁５０の内部流路に配置されるバタフライ弁５２とを有する（図１参照）。
【００４４】
ボール弁５０は、中心軸（中心を通る軸）に沿って一方の曲面と他方の曲面が取り除かれ、中心軸に沿って一方から他方に貫通する貫通孔７２を有する略球形状からなる弁体７４と、後記するシャフト軸７６の下端部が挿入され、前記シャフト軸７６の下端部と係合する軸孔７８を有する係合機構７５とを備える。なお、係合機構７５は、後記で詳細に説明する。
【００４５】
バタフライ弁５２は、ボール弁５０の内部流路として機能する貫通孔（ボア）７２内に所定角度だけ回動自在に配置される円板状の弁体８０と、ねじ部材８２を介して円板状の弁体８０に連結され、バタフライ弁軸及びボール弁軸としての機能を併有する略円柱状のシャフト軸７６と、前記シャフト軸７６の外径部を回動自在に軸支する軸受部材８６と、前記シャフト軸７６の外径面を囲繞してシールするシール部材８８とを備える。
【００４６】
なお、バタフライ弁５２の弁体８０の外径寸法は、後記するようにその回動角度が約１８０度に設定されているため、ボール弁５０の弁体７４に形成された貫通孔７２の内径寸法よりも若干小さく設定されている（図２（ａ）参照）。
【００４７】
係合機構７５は、図２（ｃ）、（ｄ）に示されるように、略円柱体からなるシャフト軸７６の下端部を切り欠いて形成され平面視して略半円状からなる係合部７６ａと、前記係合部７６ａが係合し、軸孔７８の内周面から中心に向かって突出し平面視して山形状に形成された係合突部７９とを有する。
【００４８】
また、係合機構７５には、シャフト軸７６の係合部７６ａと軸孔７８の係合突部７９との間で形成された間隙８１（平面視して四分の一の円弧部分）が設けられる。軸孔７８内に挿入されたシャフト軸７６が前記軸孔７８の周方向に沿って回動する範囲において、シャフト軸７６が前記間隙８１に沿って単独で回動動作可能な単独回動範囲と、シャフト軸７６の係合部７６ａと軸孔７８の係合突部７９とが当接して、シャフト軸７６及びボール弁５０の弁体７４が共回り可能な共回り回動範囲とが設けられる。
【００４９】
シャフト軸７６の上部側には、中間ギヤ６２の第２ギヤ部６８ｂと噛合可能なギヤ部からなり、弁機構５３を作動させる弁機構作動用ギヤ部９０が固定されている。
【００５０】
弁機構作動用ギヤ部９０の下方側には、シャフト軸７６の上部側に回動自在に軸支された略円盤状のデフォルトレバー９２と、前記弁機構作動用ギヤ部９０と前記デフォルトレバー９２との間に介装され復帰スプリングとして機能するコイルスプリング９４とが設けられる。この場合、後記する図４（ａ）に示されるように、コイルスプリング９４の上端部（一端部）９４ａは、弁機構作動用ギヤ部９０に対して係着され、コイルスプリング９４の下端部（他端部）９４ｂは、デフォルトレバー９２に対して係着されて、デフォルトレバー９２に対し周方向に沿ってばね力を付与するように設けられる。
【００５１】
図４（ａ）は、デフォルトレバーの係止部が開側ストッパ部に当接して係止されている状態を示す概略平面図、図４（ｂ）は、前記係止状態を示す一部省略斜視図である。
【００５２】
バタフライ弁５２の作動時におけるボール弁５０との共回りを防止するために、回転駆動源５６の正逆切換作用でボール弁５０の弁体７４とバタフライ弁５２の弁体８０との回動方向が相互に反対方向となっていると共に、図４に示されるように、ボディ４４の開口部に設けられ、上面側に向かって突出する円弧状凸部からなる一対の開側ストッパ部９６ａ及び閉側ストッパ部９６ｂを有する。
【００５３】
バタフライ弁５２が作動するとき、開側ストッパ部９６ａ又は閉側ストッパ部９６ｂのいずれか一方に対して、デフォルトレバー９２の周方向に形成された係止部９８が係止されることにより、ボール弁５０の弁体７４の回動動作が阻止されて共回りが防止される。換言すると、デフォルトレバー９２の係止部９８が当接する一方の開側ストッパ部９６ａと他方の閉側ストッパ部９６ｂとの間でボール弁５０の弁体７４の回動動作が規制され、ボール弁５０の弁体７４の回動範囲は、約９０度の角度に設定される。
【００５４】
すなわち、コイルスプリング９４のばね力によって弁機構作動用ギヤ部９０が周方向に付勢され、デフォルトレバー９２の周方向に形成された係止部９８を開側ストッパ部９６ａに当接させることにより、ボール弁５０の弁体７４が弁開状態に保持される。係止部９８及び開側ストッパ部９６ａの係止作用によりボール弁５０の弁体７４が弁開状態に保持されることによって、バタフライ弁５２が作動可能な状態となる。この結果、ボール弁５０の弁体７４が弁開状態に保持された状態において、バタフライ弁５２が作動するときに、前記バタフライ弁５２と一緒にボール弁５０が共回りすることが阻止される。
【００５５】
なお、本実施形態では、デフォルトレバー９２の係止部９８が当接してストッパ機能を発揮する開側ストッパ部９６ａ及び閉側ストッパ部９６ｂをボディ４４に対して一体的に形成しているが、これに限定されるものではなく、例えば、図示しない他のストッパ部材を用いてデフォルトレバー９２の係止部９８を係止するようにしてもよい。
【００５６】
さらに、図２（ａ）に示されるように、ボディ４４の流路７０内には、ボール弁５０の弁体７４の外径面を保持（シート）して、弁体７４の回り止め機能を発揮するシート機構１０２が設けられる。ボール弁５０の弁体７４の回り止めは、例えば、ピニオン５８と中間ギヤ６２との噛み合い抵抗や、中間ギヤ６２と弁機構作動用ギヤ部９０との噛み合い抵抗等によって保持することが可能であるが、前記シート機構１０２を設けることによりボール弁５０の弁体７４の回り止めを確実に行うことができる。
【００５７】
このシート機構１０２は、インレットポート４２ａ側に配置され、弁体７４の形状に対応する部分球面からなるシート面１０４ａを有する第１シート部材１０６と、前記第１シート部材１０６のシート面１０４ａを弁体７４に向かって押圧する第１ばね部材１０８と、アウトレットポート４２ｂ側に配置され、弁体７４の形状に対応する部分球面からなるシート面１０４ｂを有する第２シート部材１１０と、前記第２シート部材１１０のシート面１０４ｂを弁体７４に向かって押圧する第２ばね部材１１２と、第２ばね部材１１２を係止すると共に、第２シート部材１１０を保持する保持部材１１４とを有する。
【００５８】
制御系は、図示しないＥＣＵ（Electronic Control Unit）、燃料電池１２の温度を検出する温度センサ等で構成されている。ＥＣＵは、遮断弁３０、パージ弁３２、第１及び第２バルブ装置４０ａ、４０ｂにそれぞれ設けられた回転駆動源５６等を制御する。
【００５９】
本実施形態に係る第１及び第２バルブ装置４０ａ、４０ｂが組み込まれた燃料電池システム１０は、基本的に以上のように構成されるものであり、次にその作用効果について説明する。
【００６０】
図３（ａ）〜（ｅ）は、ボール弁の弁体及びバタフライ弁の各弁体の回動動作を示したものであって、上段は、ストッパ部の位置を示す平面図、中段は、シャフト軸の係合部と軸孔の係合突部との係合関係を示す底面図、下段は、ボア及び流路の開閉状態を示す縦断面図である。
【００６１】
先ず、回転駆動源５６に対して電流が供給されていない非通電時で流路７０を遮断している状態から、バタフライ弁５２及びボール弁５０を弁開状態とするまでの動作順序を、図３に基づいて説明する。
【００６２】
なお、以下の説明において、バタフライ弁５２の弁体８０の弁開状態又は弁閉状態とは、バタフライ弁５２の弁体８０に形成された「貫通孔７２（内部通路、以下、ボア７２ともいう）に対する開閉状態」をいい、前記弁体８０によってこのボア７２を開口させた状態をバタフライ弁５２の弁開状態とし、ボア７２を略遮断した状態をバタフライ弁５２の弁閉状態とする。
【００６３】
また、ボール弁５０の弁体７４の弁開状態又は弁閉状態とは、ボディ４４に形成されたインレットポート４２ａとアウトレットポート４２ｂとを連通させる「流路７０に対する開閉状態」をいい、前記弁体７４によってこの流路７０を開口させた状態をボール弁５０の弁開状態といい、流路７０を閉塞して遮断した状態をボール弁５０の弁閉状態とする。
【００６４】
図３（ａ）は、回転駆動源５６へ通電されていない無通電状態にあって、後記するように、燃料電池１２の発電停止状態を示したものである。この場合、デフォルトレバー９２の係止部９８が閉側ストッパ部９６ｂに当接した状態にあり、バタフライ弁５２の弁体８０が貫通孔７２（ボア）を開口させた弁開状態にあると共に、ボール弁５０の弁体７４は、流路７０を遮断した弁閉状態にある。
【００６５】
図３（ａ）の無通電状態において、図示しない電源から電流を供給して回転駆動源５６を付勢し、中間ギヤ６２及び弁機構作動用ギヤ部９０を介して、シャフト軸７６を時計回り方向に約９０度だけ回動させる（図３（ｂ）の中段の細線矢印参照）。この結果、図３（ｂ）に示されるように、バタフライ弁５２の弁体８０は、弁開状態から貫通孔７２（ボア）を略閉鎖した弁閉状態に切り換わると共に、ボール弁５０の弁体７４は、流路７０を遮断した弁閉状態にある。
【００６６】
なお、弁体８０と一体的に回動するシャフト軸７６に設けられた図示しない被検出体を、図示しないセンサで検出することによって、バタフライ弁５２の弁体８０の回動角度が検知される。また、ボール弁５０の弁体７４の弁閉状態は、シート機構１０２の第１ばね部材１０８及び第２ばね部材１１２のばね力を介して、第１シート部材１０６及び第２シート部材１１０が弁体７４を互いに反対方向に向かって押圧することによって発生する摺動抵抗で保持される（図２（ａ）参照）。
【００６７】
図３（ａ）の状態から図３（ｂ）の状態に移行する際、シャフト軸７６は、平面視して半円状に形成された係合部７６ａと山形状の係合突部７９との間に形成された間隙８１に沿って約９０度だけ回動する。換言すると、シャフト軸７６は、シャフト軸７６のみが単独で回動可能な単独回動範囲に沿って約９０度だけ回動する。
【００６８】
続いて、図３（ｂ）の状態において、回転駆動源５６の回転駆動力によってシャフト軸７６をさらに時計回り方向に約９０度だけ回動させる。この場合、シャフト軸７６の係合部７６ａが係合突部７９に当接し前記係合突部７９を押圧して、シャフト軸７６とボール弁５０の弁体７４が時計回り方向に沿って約９０度だけ共回りする（図３（ｃ）の中段の太線及び細線矢印参照）。換言すると、図３（ｂ）の状態から図３（ｃ）の状態に移行する際、シャフト軸７６及びボール弁５０の弁体７４は、共回り可能な共回り回動範囲に沿って９０度だけ回動する。
【００６９】
この結果、図３（ｃ）に示されるように、バタフライ弁５２の弁体８０は、貫通孔７２（ボア）を略閉鎖した弁閉状態に保持される共に、ボール弁５０の弁体７４は、貫通孔７２が開口して流路７０と連通する弁開状態に切り換わる。なお、図３（ｃ）の状態では、その上段に示されるように、デフォルトレバー９２の係止部９８が回動して開側ストッパ部９６ａに当接して係止される。
【００７０】
続いて、図３（ｃ）の状態において、コイルスプリング９４のばね力によって反時計回り方向にシャフト軸７６が約９０度だけ戻されることにより、バタフライ弁５２の弁体８０が間隙８１に沿って回動し、図３（ｄ）の状態となる。図３（ｄ）の状態では、バタフライ弁５２の弁体８０が、貫通孔７２（ボア）を略閉鎖した弁閉状態から貫通孔７２（ボア）を開口した弁開状態に切り換わると共に、ボール弁５０の弁体７４は、流路７０が連通した弁開状態にある。
【００７１】
図３（ｄ）の状態では、バタフライ弁５２の弁体８０が弁開状態になると共に、ボール弁５０の弁体７４が弁開状態となることにより、流路７０が開口してインレットポート４２ａとアウトレットポート４２ｂとが連通した状態となる。このとき、図示しない電源を滅勢して回転駆動源５６（無通電状態）をオフ状態としても、ボール弁５０の弁体７４は、前記したシート機構１０２の摺動抵抗によって弁開状態に保持される。また、図３（ｄ）の状態は、後記するように、燃料電池１２が発電状態にある場合を示している。
【００７２】
さらに、図３（ｅ）に示されるように、回転駆動源５６の回転方向を前記とは正逆反転させてシャフト軸７６を反時計回り方向に約９０度だけ回動させる。この場合、係合機構７５の係合部７６ａが係合突部７９に当接し前記係合突部７９を押圧して、シャフト軸７６とボール弁５０の弁体７４が反時計回り方向に沿って約９０度だけ共回りする（図３（ｅ）の中段の太線及び細線矢印参照）。
【００７３】
なお、図３（ｅ）に示す状態と図３（ａ）に示す状態とは、同一状態からなり、経時列の関係上、便宜的に示したものである。
【００７４】
次に、燃料電池自動車に搭載された燃料電池１２との関係において、第２バルブ装置４０ｂの動作を説明する。
【００７５】
燃料電池システム１０が運転中である場合には、ＥＣＵによって第１バルブ装置４０ａ及び第２バルブ装置４０ｂのバタフライ弁５２及びボール弁５０がそれぞれ弁開状態となり（図３（ｄ）の状態）、カソードの封鎖状態が解除されている。同時に、ＥＣＵによって遮断弁３０が弁開状態とされて水素タンク２８からアノードに水素が供給されると共に、エアポンプ２６が駆動されてカソードにエア（空気）が供給されて、燃料電池１２の発電が行われる。
【００７６】
燃料電池システム１０が運転中である場合、コイルスプリング９４のばね力によってデフォルトレバー９２が周方向に付勢され、デフォルトレバー９２に形成された係止部９８がボディ４４の開側ストッパ部９６ａに当接した状態にある（図４参照）。デフォルトレバー９２の係止部９８が開側ストッパ部９６に当接して係止されることにより、ボール弁５０の弁体７４が弁開状態（インレットポート４２ａとアウトレットポート４２ｂとの連通状態）に保持され、バタフライ弁５２の弁体８０が作動可能な状態にある。
【００７７】
この場合、回転駆動源５６の回転駆動力がピニオン５８、中間ギヤ６２、弁機構作動用ギヤ部９２、及び、シャフト軸７６を介してバタフライ弁５２に伝達され、シャフト軸７６を中心としてバタフライ弁５２の弁体８０を所定角度だけ回動させることができる。この結果、バタフライ弁５２の弁体８０の回動動作によって、流路７０を流通するカソードオフガスの流量が制御されて、カソードの背圧が制御される。
【００７８】
次に、燃料電池１２の発電が停止される場合について説明する。
【００７９】
燃料電池１２の発電が停止された場合、図示しないＥＣＵからの制御信号によって、遮断弁３０が閉じられて燃料電池１２側への水素の供給が停止されると共に、エアポンプ２６の図示しないモータの駆動が停止されて燃料電池１２側へのエアの供給が停止される。また、燃料電池１２の発電停止時は、燃料電池１２（スタック）の自己発電による劣化防止のため、第１バルブ装置４０ａ及び第２バルブ４０ｂによって燃料電池１２のカソード（カソード流路２４）の入口側及び出口側をそれぞれ封鎖する必要がある。
【００８０】
回転駆動源５６へ供給される電流の極性を変えて回転駆動軸５６ａの回転方向を前記とは正逆反対方向に回転させる。この回転駆動源５６の回転駆動力は、ピニオン５８、中間ギヤ６２、弁機構作動用ギヤ部９０、シャフト軸７６、及び係合機構７５を介してボール弁５０の弁体７４に伝達される。ボール弁５０の弁体７４を所定方向に約９０度だけ回動させることにより、ボール弁５０を弁開状態から弁閉状態に切り換えることができる（図３（ｄ）の状態から図３（ｅ）への移行を参照）。なお、前記したように、ボール弁５０の弁体７４が回動する際、バタフライ弁５２の弁体８０も一緒に共回りする。
【００８１】
この結果、ボディ４４内の流路７０がボール弁５０の弁体７４によって完全に封止（封鎖）されるため、ボディ４４のインレットポート４２ａとアウトレットポート４２ｂとの連通が遮断され、燃料電池１２（スタック）の自己発電による劣化を回避することができる。
【００８２】
本実施形態では、ボディ４４の流路７０を流通する圧力流体（酸化剤ガス）が、ボール弁５０による流路遮断制御と、バタフライ弁５２による流量制御（圧力制御）との両方の制御を受けることができ、流路遮断機能と流量制御機能とを両立させることができる。すなわち、ボール弁５０によって締切性（封止性）の良好な制御が可能になると共に、バタフライ弁５２によって流量制御性（圧力制御性）の良好な制御が可能となる。これにより、バタフライ弁５２によって流量制御が可能となるので、この結果、ボール弁５０の作動耐久性を向上させることができる。
【００８３】
また、本実施形態では、シャフト軸７６の軸方向に沿った下端部（一端部）とボール弁５０の弁体７４に形成された軸孔７８とを係合させる係合機構７５が、シャフト軸７６の下端部（一端部）に設けられるため、単一のシャフト軸７６のみによって、バタフライ弁５２の弁体８０とボール弁５０の弁体７４の両方を作動させることができる。換言すると、単一のシャフト軸７６は、バタフライ弁軸とボール弁軸の両方の機能を併有し、回転駆動源５６の回転駆動力を、単一のシャフト軸７６を介してバタフライ弁５２の弁体８０とボール弁５０の弁体７４の両方に伝達することができる。
【００８４】
さらに、本実施形態では、シャフト軸７６の下端部（一端部）が軸孔７８に係合して回動する範囲において、単独回動範囲では、シャフト軸７６のみが単独で回動されるため、バタフライ弁５２の弁体８０のみが作動されてバタフライ弁５２による流量制御性（圧力制御性）の良好な制御が可能となる。一方、共回り回動範囲では、シャフト軸７６及びボール弁５０の弁体７４が一体的に作動するため、ボール弁５０を用いた締切性（封止性）の良好な制御が可能となる。
【００８５】
さらにまた、本実施形態では、シャフト軸７６が、例えば、時計回り方向（一側）に回動してシャフト軸７６の係合部７６ａがボール弁５０の軸孔７８に形成された係合突部７９に係合すると、シャフト軸７６とボール弁５０の弁体７４とが一体的に一側に回動する（共回りする）ことが可能となる（図３（ｃ）参照）。また、シャフト軸７６が、例えば、反時計回り方向（他側）に回動してシャフト軸７６の係合部７６ａがボール弁５０の係合突部７９に係合すると、シャフト軸７６とボール弁５０の弁体７４とが一体的に反時計回り方向（他側）に回動する（共回りする）ことが可能となる（図３（ｅ）参照）。さらに、シャフト軸７６の係合部７６ａがボール弁５０の係合突部７９に係合しない場合には、隙間８１に沿ってシャフト軸７６のみが単独で回動することが可能となり、バタフライ弁５２の弁体８０のみが単独で回動可能となる（図３（ｂ）及び図３（ｄ）参照）。
【００８６】
またさらに、本実施形態では、開側ストッパ部９６ａによってボール弁５０の弁体７４の回動動作が規制されることにより、流路７０が開口状態となってバタフライ弁５２が作動可能な状態となる。これにより、バタフライ弁５２が作動する際、ボール弁５０が共回りすることが阻止される。
【００８７】
またさらに、本実施形態では、バタフライ弁５２の弁体８０に下端側（一端部）が連結されるシャフト軸７６を用いて、ボール弁５０の弁体７４を約９０度だけ回動動作させることが可能となる。
【００８８】
またさらに、本実施形態では、バタフライ弁５２の弁体８０がノーマルオープンタイプに設定されており（図３（ａ）参照）、仮に、回転駆動源５６がフェールした場合、バタフライ弁５２の弁体８０が弁開状態になると共に、ボール弁５０の弁体７４が弁開状態となることにより、流路７０に沿って圧力流体を流通させることができる。この結果、本実施形態に係るバルブ装置４０ａ、４０ｂを燃料電池システム１０に適用した場合、回転駆動源５６のフェール時においても燃料電池１２を好適に発電させることができる。
【００８９】
またさらに、本実施形態では、ボール弁５０とバタフライ弁５２との両方を、単一の回転駆動源５６から回転駆動力が伝達される単一のシャフト軸７６を介して駆動することが可能となり、ボール弁５０及びバタフライ弁５２へ回転駆動力を伝達する駆動力伝達機構の構造を簡素化することができる。
【００９０】
またさらに、本実施形態では、単一の回転駆動源５６によってボール弁５０及びバタフライ弁５２からなる２個の弁をそれぞれ駆動させることができる。この場合、ボール弁５０による締切性（封止性）の良好な制御と、バタフライ弁５２による流量制御性（圧力制御性）の良好な制御と、ボール弁５０の作動耐久性の向上とを、単一の回転駆動源５６によって実現することができる。例えば、複数の回転駆動源を用いてボール弁５０及びバタフライ弁５２をそれぞれ駆動する場合と比較して、回転駆動源５６が１個で済むため、製造コストを低減化することができる。
【００９１】
またさらに、本実施形態では、デフォルトレバー９２の係止部９８がボディ４４の開側ストッパ部９６ａで係止されてボール弁５０が弁開状態に保持されているときに、バタフライ弁５２が作動可能な状態となっている。これにより、バタフライ弁５２が作動する際、バタフライ弁５２と一緒にボール弁５０が共回りすることを阻止することができる。
【００９２】
またさらに、本実施形態において、燃料電池システム１０が運転中のとき、ボール弁５０は、シート機構１０２による摺動抵抗によって弁開状態に保持されているため、流路７０の開度をバタフライ弁５２によって制御することができる。一方、燃料電池１２の発電が停止されるとき、ボール弁５０を弁閉状態として流路７０を締め切る（遮断する）ことができる。
【００９３】
またさらに、本実施形態では、燃料電池１２のカソード流路２４の出口側に第２バルブ装置４０ｂが配置されるため、カソード流路２４の出口から排出されるカソードオフガスの背圧制御を好適に行うことができる。
【００９４】
またさらに、本実施形態では、カソード流路２４の入口側に第１バルブ装置４０ａが配置されると共に、カソード流路２４の出口側に第２バルブ装置４０ｂが配置されているため、カソードの入口側及び出口側をそれぞれ封止することが可能となる。この結果、カソードに対して酸化剤ガスの流入が確実に阻止されるため、スタックの自己発電を回避して燃料電池１２の耐久性を向上させることができる。
【００９５】
またさらに、本実施形態では、従来からカソード流路２４の出口側に配置されている、例えば、遮断弁や背圧制御弁を本実施形態に係る第２バルブ装置４０ｂと代替することができ、部品点数が削減されて製造コストを低減することができる。
【００９６】
なお、本実施形態では、燃料電池１２のカソード流路２４の出口側に配置された第２バルブ装置４０ｂを用いて詳細に説明しているが、カソード流路２４の入口側に配置された第１バルブ装置４０ａも、同様の作用効果を有する。
【符号の説明】
【００９７】
４０ａ、４０ｂ バルブ装置 ４２ａ インレットポート
４２ｂ アウトレットポート ４４ ボディ（装置本体）
５０ ボール弁 ５２ バタフライ弁
５３ 弁機構 ５６ 回転駆動源
７０ 流路 ７２ 貫通孔（内部流路）
７４ 弁体（ボール弁） ７５ 係合機構
７６ シャフト軸 ７６ａ 係合部
７８ 軸孔 ７９ 係合突部
８０ 弁体（バタフライ弁） ８１ 間隙
９６ａ 開側ストッパ部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流路を遮断する流路遮断機能と、流路を流通する圧力流体の流量を制御する流量制御機能とを併有し、前記流路遮断機能と流量制御機能とを適宜切り換えることが可能なバルブ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、特許文献１には、起動停止時におけるアノード及びカソードの酸化による劣化を抑制し、耐久性を向上させることができる、とする燃料電池発電装置が開示されている。
【０００３】
この燃料電池発電装置は、停止時にカソードに残留した酸化剤ガスの全部又は一部を燃料ガスで置換する燃料ガス置換部と、起動時にカソードに残留した燃料ガスの全部又は一部を不活性ガスで置換する不活性ガス置換部と、燃料電池の燃料ガス供給通路及び酸化剤ガス供給通路の入口・出口にそれぞれ配置されて燃料電池の停止時にアノード及びカソードに燃料ガスを封入する４つの遮断弁と、所定の流量で燃料電池のアノードに対して燃料ガスを供給する燃料ガス流量制御部と、大気中から取り込まれたエアを所定の流量で燃料電池のカソードに対して酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流量制御部とを有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−９３１１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、前記特許文献１に開示された燃料電池発電装置では、遮断弁及び流量制御部の具体的な構成について何ら開示乃至示唆されていないが、例えば、遮断弁としてボール弁やポペットタイプのオンオフ弁を用い、流量制御部としてバタフライ弁を用いることが考えられる。
【０００６】
そこで、遮断弁による流路封止（遮断）機能と流量制御部による流量制御機能とを一体化させた場合、ボール弁やポペットタイプのオンオフ弁では、一般的に流体遮断性に優れているもののボール弁では作動耐久性に課題があり、ポペットタイプのオンオフ弁では流量制御性に課題がある。また、バタフライ弁では、一般的に弁開度による流量制御性や作動耐久性に優れているものの、ボアと弁体との干渉を回避するために隙間が発生するため流路遮断性に課題がある。
【０００７】
本発明は、前記の点に鑑みてなされたものであり、簡素な機構によって流路遮断機能と流量制御機能とを両立させることが可能なバルブ装置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】
【０００８】
前記の目的を達成するために、本発明は、圧力流体が導入されるインレットポート及び圧力流体が導出されるアウトレットポートと、前記インレットポートと前記アウトレットポートとを連通させる流路とがそれぞれ形成された装置本体と、単一の回転駆動源と、前記回転駆動源によって駆動され、前記流路内に弁体が配置されるボール弁と、前記ボール弁に形成された内部流路内に弁体が配置されるバタフライ弁とを有する弁機構と、前記回転駆動源の回転駆動力を前記弁機構に対して伝達し、軸方向に沿った一端部が、前記バタフライ弁の弁体に連結されると共に、前記ボール弁の弁体に形成された軸孔と係合するシャフト軸と、前記シャフト軸の一端部に設けられ、前記シャフト軸の軸方向に沿った一端部と前記ボール弁の弁体に形成された軸孔とを係合させる係合機構と、を備え、前記係合機構には、前記シャフト軸の一端部が前記軸孔に係合して回動する範囲において、前記シャフト軸のみが単独で回動動作可能な単独回動範囲と、前記シャフト軸及び前記ボール弁の弁体が共回り可能な共回り回動範囲とが設けられることを特徴とする。
【０００９】
本発明によれば、装置本体の流路を流通する圧力流体は、ボール弁による流路遮断制御と、バタフライ弁による流量制御（圧力制御）との両方の制御を受けることができ、流路遮断機能と流量制御機能とを両立させることができる。すなわち、ボール弁によって締切性（封止性）の良好な制御が可能になると共に、バタフライ弁によって流量制御性（圧力制御性）の良好な制御が可能となる。これにより、バタフライ弁によって流量制御が可能となるので、この結果、ボール弁の作動耐久性を向上させることができる。
【００１０】
また、シャフト軸の軸方向に沿った一端部とボール弁の弁体に形成された軸孔とを係合させる係合機構が、シャフト軸の一端部に設けられるため、単一のシャフト軸のみによって、バタフライ弁の弁体とボール弁の弁体の両方を作動させることができる。換言すると、単一のシャフト軸は、バタフライ弁軸とボール弁軸の両方の機能を併有し、回転駆動源の回転駆動力をシャフト軸を介してバタフライ弁の弁体とボール弁の弁体の両方に伝達することができる。
【００１１】
さらに、シャフト軸の一端部が軸孔に係合して回動する範囲において、単独回動範囲では、シャフト軸のみが単独で回動されるため、バタフライ弁の弁体のみが作動されてバタフライ弁による流量制御性（圧力制御性）の良好な制御が可能となる。一方、共回り回動範囲では、シャフト軸及びボール弁の弁体が一体的に作動するため、ボール弁を用いた締切性（封止性）の良好な制御が可能となる。
【００１２】
また、本発明は、前記係合機構が、略円柱体からなる前記シャフト軸の一端部を切り欠いて形成され平面視して略半円状からなる係合部と、前記係合部が係合し、前記軸孔から中心に向かって突出し平面視して山形状に形成された係合突部とを有し、前記係合部と前記係合突部との間には、前記シャフト軸のみが単独で回動する隙間が設けられることを特徴とする。
【００１３】
本発明によれば、シャフト軸が、例えば、一側に回動してシャフト軸の係合部がボール弁の軸孔に形成された係合突部に係合すると、シャフト軸とボール弁の弁体とが一体的に一側に回動する（共回りする）ことが可能となる。
【００１４】
また、シャフト軸が、例えば、前記一側とは反対の他側に回動してシャフト軸の係合部がボール弁の係合突部に係合すると、シャフト軸とボール弁の弁体とが一体的に他側に回動する（共回りする）ことが可能となる。
【００１５】
さらに、シャフト軸の係合部がボール弁の係合突部に係合しない場合には、隙間に沿ってシャフト軸のみが単独で回動することが可能となり、バタフライ弁の弁体のみが単独で回動可能となる。
【００１６】
さらに、本発明は、前記ボール弁及び前記バタフライ弁の各弁体の閉じ側への回動方向が、相互に反対方向に設定され、前記装置本体には、前記流路の開口状態で前記ボール弁の弁体の回動動作を規制する開側ストッパ部が設けられることを特徴とする。
【００１７】
本発明によれば、開側ストッパ部によってボール弁の弁体の回動動作が規制されることにより、流路が開口状態となってバタフライ弁が作動可能な状態となる。これにより、バタフライ弁が作動する際、ボール弁が共回りすることが阻止される。
【００１８】
さらにまた、本発明は、前記シャフト軸を中心とする前記バタフライ弁の弁体の回動角度は、前記内部流路に対する弁開状態と弁閉状態との間で約９０度に設定されることを特徴とする。
【００１９】
本発明によれば、バタフライ弁の弁体に一端部が連結されるシャフト軸を用いて、ボール弁の弁体を約９０度だけ回動動作させることが可能となる。
【００２０】
またさらに、本発明は、前記バタフライ弁の弁体が、ノーマルオープンタイプからなり、前記回転駆動源のフェール時には、前記バタフライ弁の弁体が弁開状態になると共に、前記ボール弁の弁体が弁開状態となることを特徴とする。
【００２１】
仮に、回転駆動源がフェールした場合、バタフライ弁の弁体が弁開状態になると共に、ボール弁の弁体が弁開状態となることにより、流路に沿って圧力流体を流通させることができる。この結果、本発明に係るバルブ装置を、例えば、燃料電池に付設した場合、回転駆動源のフェール時においても燃料電池を好適に発電させることができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、簡素な構造によって流路遮断機能と流量制御機能とを両立させることが可能なバルブ装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施形態に係るバルブ装置が組み込まれた燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】（ａ）は、燃料電池システムに組み込まれ、本発明の実施形態に係る第２バルブ装置の縦断面図、（ｂ）は、ストッパ部を示す（ａ）の平面図、（ｃ）は、係合機構の概略構成を示す（ａ）の底面図、（ｄ）は、係合機構を示す一部破断斜視図である。
【図３】（ａ）〜（ｅ）は、ボール弁の弁体及びバタフライ弁の弁体の回動動作をそれぞれ示したものであって、上段は、ストッパ部の位置を示す平面図、中段は、シャフト軸の係合部と軸孔の係合突部との係合関係を示す底面図、下段は、ボア及び流路の開閉状態を示す概略縦断面図である。
【図４】（ａ）は、デフォルトレバーの係止部が開側ストッパ部に当接して係止されている状態を示す概略平面図、（ｂ）は、前記係止状態を示す一部省略斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態に係るバルブ装置が組み込まれた燃料電池システムの概略構成図である。なお、本実施形態では、車両に搭載された燃料電池に組み込まれるバルブ装置を以下に例示して説明しているが、これに限定されるものでなく、例えば、船舶や航空機等、又は業務用や家庭用の定置式の燃料電池等に組み込まれる各種バルブに適用することができる。
【００２５】
図１に示されるように、本実施形態に係るバルブ装置が組み込まれた燃料電池システム１０は、燃料電池１２、アノード系１４、カソード系１６、図示しない制御系を備えて構成されている。
【００２６】
燃料電池１２は、固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）からなり、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly、膜電極接合体）を図示しないセパレータで挟持してなる単セルが複数積層されて構成されている。ＭＥＡは、電解質膜（固体高分子膜）、これを挟持するカソード及びアノード等を備える。前記カソード及びアノードは、例えば、白金等の触媒がカーボンブラック等の触媒担体に担持された電極触媒層からなる。また、各セパレータには、溝や貫通孔からなるアノード流路２２及びカソード流路２４が形成されている。
【００２７】
このような燃料電池１２では、アノードに水素（反応ガス、燃料ガス）が供給され、一方、カソードに酸素を含むエア（反応ガス、酸化剤ガス）が供給されると、アノード及びカソードに含まれる触媒上で電極反応が起こり、燃料電池１２が発電可能な状態となる。
【００２８】
前記燃料電池１２は、図示しない外部負荷と電気的に接続され、前記外部負荷によって電流が取り出されると、燃料電池１２が発電するようになっている。なお、前記外部負荷とは、走行用のモータ、バッテリやキャパシタ等の蓄電装置、後記するエアポンプ２６等である。
【００２９】
アノード系１４は、水素タンク２８、遮断弁３０、パージ弁３２、配管ａ１〜ａ４等によって構成される。
【００３０】
水素タンク２８は、高純度の水素を高圧で貯蔵するものであり、配管ａ１を介して下流側の遮断弁３０と接続されている。前記遮断弁３０は、例えば、電磁弁からなり、配管ａ２を介して下流側の燃料電池１２のアノード流路２２の入口と接続されている。
【００３１】
パージ弁３２は、例えば、電磁弁からなり、配管ａ３を介して上流側の燃料電池１２のアノード流路２２の出口と接続されている。
【００３２】
カソード系１６は、エアポンプ２６、第１バルブ装置４０ａ及び第２バルブ装置４０ｂ、配管（酸化剤ガス流路）ｃ１〜ｃ３等で構成されている。
【００３３】
エアポンプ２６は、例えば、図示しないモータで駆動される機械式の過給器であり、取り込んだ外気（エア）を圧縮して燃料電池１２に供給する。
【００３４】
本発明の実施形態に係る第１バルブ装置４０ａは、酸化剤ガスの供給側に設けられ、配管ｃ１を介して上流側のエアポンプ２６と接続されると共に、配管ｃ２を介して下流側の燃料電池１２のカソード流路２４の入口と接続されている。また、本発明の実施形態に係る第２バルブ装置４０ｂは、酸化剤ガスの排出側に設けられ、配管ｃ３を介して上流側の燃料電池１２のカソード流路２４の出口と接続される。
【００３５】
本発明の実施形態に係る第１バルブ装置４０ａ及び第２バルブ装置４０ｂは、それぞれ同一構成からなるため、以下、カソード流路２４の出口側に設けられた第２バルブ装置４０ｂの構成を詳細に説明して、第１バルブ装置４０ａの説明を省略する。
【００３６】
図２（ａ）は、燃料電池システムに組み込まれ、本発明の実施形態に係る第２バルブ装置の縦断面図、図２（ｂ）は、ストッパ部を示す図２（ａ）の平面図、図２（ｃ）は、係合機構の概略構成を示す図２（ａ）の底面図、図２（ｄ）は、係合機構を示す一部破断斜視図である。
【００３７】
この第２バルブ装置４０ｂは、図２（ａ）に示されるように、流体（圧力流体）が導入されるインレットポート４２ａが一方の側壁に形成されると共に、流体（圧力流体）が導出されるアウトレットポート４２ｂが他方の側壁に形成されたボディ４４と、前記ボディ４４の上部を被覆する図示しないカバーとを有する。なお、前記ボディ４４及びカバーは、装置本体として機能するものである。
【００３８】
ボディ４４及びカバーの内部には、弁駆動機構４８（図１参照）と、前記弁駆動機構４８によって駆動（付勢）されるボール弁５０及びバタフライ弁５２からなる弁機構５３と、前記弁駆動機構４８からの回転駆動力を前記弁機構５３に対して伝達する駆動力伝達機構５４とが配設される。
【００３９】
弁駆動機構４８は、ボディ４４の凹部内によって固定され、例えば、ステッピングモータやＤＣサーボモータ等からなる単一の回転駆動源５６と、前記回転駆動源５６の回転駆動軸（モータ軸）５６ａに連結されたピニオン５８とを有する。
【００４０】
なお、図示しない電源によって回転駆動源５６に供給される電流の極性を切り換えることにより、回転駆動軸５６ａに連結されたピニオン５８の回転方向を正逆いずれかの方向に切り換えることができる。また、回転駆動源５６をボディ４４の外部に、例えば、ブラケットを介して付設してもよい。
【００４１】
駆動力伝達機構５４は、ボディ４４とカバーとの間で回転駆動軸５６ａと略平行に固定されるピン（中間軸）６０と、前記ピン６０に対して回転自在に軸着される中間ギヤ６２とを有する。
【００４２】
中間ギヤ６２の軸方向に沿った上部側の外周面には、前記回転駆動軸５６ａのピニオン５８と噛合する大径な第１ギヤ部６８ａが設けられ、前記第１ギヤ部６８の下部側には、前記第１ギヤ部６８ａよりも小径な第２ギヤ部６８ｂが同軸状に設けられる。
【００４３】
弁機構５３は、インレットポート４２ａとアウトレットポート４２ｂとを連通させる流路７０の中間部位に配置されるボール弁５０と、前記ボール弁５０の内部流路に配置されるバタフライ弁５２とを有する（図１参照）。
【００４４】
ボール弁５０は、中心軸（中心を通る軸）に沿って一方の曲面と他方の曲面が取り除かれ、中心軸に沿って一方から他方に貫通する貫通孔７２を有する略球形状からなる弁体７４と、後記するシャフト軸７６の下端部が挿入され、前記シャフト軸７６の下端部と係合する軸孔７８を有する係合機構７５とを備える。なお、係合機構７５は、後記で詳細に説明する。
【００４５】
バタフライ弁５２は、ボール弁５０の内部流路として機能する貫通孔（ボア）７２内に所定角度だけ回動自在に配置される円板状の弁体８０と、ねじ部材８２を介して円板状の弁体８０に連結され、バタフライ弁軸及びボール弁軸としての機能を併有する略円柱状のシャフト軸７６と、前記シャフト軸７６の外径部を回動自在に軸支する軸受部材８６と、前記シャフト軸７６の外径面を囲繞してシールするシール部材８８とを備える。
【００４６】
なお、バタフライ弁５２の弁体８０の外径寸法は、後記するようにその回動角度が約１８０度に設定されているため、ボール弁５０の弁体７４に形成された貫通孔７２の内径寸法よりも若干小さく設定されている（図２（ａ）参照）。
【００４７】
係合機構７５は、図２（ｃ）、（ｄ）に示されるように、略円柱体からなるシャフト軸７６の下端部を切り欠いて形成され平面視して略半円状からなる係合部７６ａと、前記係合部７６ａが係合し、軸孔７８の内周面から中心に向かって突出し平面視して山形状に形成された係合突部７９とを有する。
【００４８】
また、係合機構７５には、シャフト軸７６の係合部７６ａと軸孔７８の係合突部７９との間で形成された間隙８１（平面視して四分の一の円弧部分）が設けられる。軸孔７８内に挿入されたシャフト軸７６が前記軸孔７８の周方向に沿って回動する範囲において、シャフト軸７６が前記間隙８１に沿って単独で回動動作可能な単独回動範囲と、シャフト軸７６の係合部７６ａと軸孔７８の係合突部７９とが当接して、シャフト軸７６及びボール弁５０の弁体７４が共回り可能な共回り回動範囲とが設けられる。
【００４９】
シャフト軸７６の上部側には、中間ギヤ６２の第２ギヤ部６８ｂと噛合可能なギヤ部からなり、弁機構５３を作動させる弁機構作動用ギヤ部９０が固定されている。
【００５０】
弁機構作動用ギヤ部９０の下方側には、シャフト軸７６の上部側に回動自在に軸支された略円盤状のデフォルトレバー９２と、前記弁機構作動用ギヤ部９０と前記デフォルトレバー９２との間に介装され復帰スプリングとして機能するコイルスプリング９４とが設けられる。この場合、後記する図４（ａ）に示されるように、コイルスプリング９４の上端部（一端部）９４ａは、弁機構作動用ギヤ部９０に対して係着され、コイルスプリング９４の下端部（他端部）９４ｂは、デフォルトレバー９２に対して係着されて、デフォルトレバー９２に対し周方向に沿ってばね力を付与するように設けられる。
【００５１】
図４（ａ）は、デフォルトレバーの係止部が開側ストッパ部に当接して係止されている状態を示す概略平面図、図４（ｂ）は、前記係止状態を示す一部省略斜視図である。
【００５２】
バタフライ弁５２の作動時におけるボール弁５０との共回りを防止するために、回転駆動源５６の正逆切換作用でボール弁５０の弁体７４とバタフライ弁５２の弁体８０との回動方向が相互に反対方向となっていると共に、図４に示されるように、ボディ４４の開口部に設けられ、上面側に向かって突出する円弧状凸部からなる一対の開側ストッパ部９６ａ及び閉側ストッパ部９６ｂを有する。
【００５３】
バタフライ弁５２が作動するとき、開側ストッパ部９６ａ又は閉側ストッパ部９６ｂのいずれか一方に対して、デフォルトレバー９２の周方向に形成された係止部９８が係止されることにより、ボール弁５０の弁体７４の回動動作が阻止されて共回りが防止される。換言すると、デフォルトレバー９２の係止部９８が当接する一方の開側ストッパ部９６ａと他方の閉側ストッパ部９６ｂとの間でボール弁５０の弁体７４の回動動作が規制され、ボール弁５０の弁体７４の回動範囲は、約９０度の角度に設定される。
【００５４】
すなわち、コイルスプリング９４のばね力によって弁機構作動用ギヤ部９０が周方向に付勢され、デフォルトレバー９２の周方向に形成された係止部９８を開側ストッパ部９６ａに当接させることにより、ボール弁５０の弁体７４が弁開状態に保持される。係止部９８及び開側ストッパ部９６ａの係止作用によりボール弁５０の弁体７４が弁開状態に保持されることによって、バタフライ弁５２が作動可能な状態となる。この結果、ボール弁５０の弁体７４が弁開状態に保持された状態において、バタフライ弁５２が作動するときに、前記バタフライ弁５２と一緒にボール弁５０が共回りすることが阻止される。
【００５５】
なお、本実施形態では、デフォルトレバー９２の係止部９８が当接してストッパ機能を発揮する開側ストッパ部９６ａ及び閉側ストッパ部９６ｂをボディ４４に対して一体的に形成しているが、これに限定されるものではなく、例えば、図示しない他のストッパ部材を用いてデフォルトレバー９２の係止部９８を係止するようにしてもよい。
【００５６】
さらに、図２（ａ）に示されるように、ボディ４４の流路７０内には、ボール弁５０の弁体７４の外径面を保持（シート）して、弁体７４の回り止め機能を発揮するシート機構１０２が設けられる。ボール弁５０の弁体７４の回り止めは、例えば、ピニオン５８と中間ギヤ６２との噛み合い抵抗や、中間ギヤ６２と弁機構作動用ギヤ部９０との噛み合い抵抗等によって保持することが可能であるが、前記シート機構１０２を設けることによりボール弁５０の弁体７４の回り止めを確実に行うことができる。
【００５７】
このシート機構１０２は、インレットポート４２ａ側に配置され、弁体７４の形状に対応する部分球面からなるシート面１０４ａを有する第１シート部材１０６と、前記第１シート部材１０６のシート面１０４ａを弁体７４に向かって押圧する第１ばね部材１０８と、アウトレットポート４２ｂ側に配置され、弁体７４の形状に対応する部分球面からなるシート面１０４ｂを有する第２シート部材１１０と、前記第２シート部材１１０のシート面１０４ｂを弁体７４に向かって押圧する第２ばね部材１１２と、第２ばね部材１１２を係止すると共に、第２シート部材１１０を保持する保持部材１１４とを有する。
【００５８】
制御系は、図示しないＥＣＵ（Electronic Control Unit）、燃料電池１２の温度を検出する温度センサ等で構成されている。ＥＣＵは、遮断弁３０、パージ弁３２、第１及び第２バルブ装置４０ａ、４０ｂにそれぞれ設けられた回転駆動源５６等を制御する。
【００５９】
本実施形態に係る第１及び第２バルブ装置４０ａ、４０ｂが組み込まれた燃料電池システム１０は、基本的に以上のように構成されるものであり、次にその作用効果について説明する。
【００６０】
図３（ａ）〜（ｅ）は、ボール弁の弁体及びバタフライ弁の各弁体の回動動作を示したものであって、上段は、ストッパ部の位置を示す平面図、中段は、シャフト軸の係合部と軸孔の係合突部との係合関係を示す底面図、下段は、ボア及び流路の開閉状態を示す縦断面図である。
【００６１】
先ず、回転駆動源５６に対して電流が供給されていない非通電時で流路７０を遮断している状態から、バタフライ弁５２及びボール弁５０を弁開状態とするまでの動作順序を、図３に基づいて説明する。
【００６２】
なお、以下の説明において、バタフライ弁５２の弁体８０の弁開状態又は弁閉状態とは、バタフライ弁５２の弁体８０に形成された「貫通孔７２（内部通路、以下、ボア７２ともいう）に対する開閉状態」をいい、前記弁体８０によってこのボア７２を開口させた状態をバタフライ弁５２の弁開状態とし、ボア７２を略遮断した状態をバタフライ弁５２の弁閉状態とする。
【００６３】
また、ボール弁５０の弁体７４の弁開状態又は弁閉状態とは、ボディ４４に形成されたインレットポート４２ａとアウトレットポート４２ｂとを連通させる「流路７０に対する開閉状態」をいい、前記弁体７４によってこの流路７０を開口させた状態をボール弁５０の弁開状態といい、流路７０を閉塞して遮断した状態をボール弁５０の弁閉状態とする。
【００６４】
図３（ａ）は、回転駆動源５６へ通電されていない無通電状態にあって、後記するように、燃料電池１２の発電停止状態を示したものである。この場合、デフォルトレバー９２の係止部９８が閉側ストッパ部９６ｂに当接した状態にあり、バタフライ弁５２の弁体８０が貫通孔７２（ボア）を開口させた弁開状態にあると共に、ボール弁５０の弁体７４は、流路７０を遮断した弁閉状態にある。
【００６５】
図３（ａ）の無通電状態において、図示しない電源から電流を供給して回転駆動源５６を付勢し、中間ギヤ６２及び弁機構作動用ギヤ部９０を介して、シャフト軸７６を時計回り方向に約９０度だけ回動させる（図３（ｂ）の中段の細線矢印参照）。この結果、図３（ｂ）に示されるように、バタフライ弁５２の弁体８０は、弁開状態から貫通孔７２（ボア）を略閉鎖した弁閉状態に切り換わると共に、ボール弁５０の弁体７４は、流路７０を遮断した弁閉状態にある。
【００６６】
なお、弁体８０と一体的に回動するシャフト軸７６に設けられた図示しない被検出体を、図示しないセンサで検出することによって、バタフライ弁５２の弁体８０の回動角度が検知される。また、ボール弁５０の弁体７４の弁閉状態は、シート機構１０２の第１ばね部材１０８及び第２ばね部材１１２のばね力を介して、第１シート部材１０６及び第２シート部材１１０が弁体７４を互いに反対方向に向かって押圧することによって発生する摺動抵抗で保持される（図２（ａ）参照）。
【００６７】
図３（ａ）の状態から図３（ｂ）の状態に移行する際、シャフト軸７６は、平面視して半円状に形成された係合部７６ａと山形状の係合突部７９との間に形成された間隙８１に沿って約９０度だけ回動する。換言すると、シャフト軸７６は、シャフト軸７６のみが単独で回動可能な単独回動範囲に沿って約９０度だけ回動する。
【００６８】
続いて、図３（ｂ）の状態において、回転駆動源５６の回転駆動力によってシャフト軸７６をさらに時計回り方向に約９０度だけ回動させる。この場合、シャフト軸７６の係合部７６ａが係合突部７９に当接し前記係合突部７９を押圧して、シャフト軸７６とボール弁５０の弁体７４が時計回り方向に沿って約９０度だけ共回りする（図３（ｃ）の中段の太線及び細線矢印参照）。換言すると、図３（ｂ）の状態から図３（ｃ）の状態に移行する際、シャフト軸７６及びボール弁５０の弁体７４は、共回り可能な共回り回動範囲に沿って９０度だけ回動する。
【００６９】
この結果、図３（ｃ）に示されるように、バタフライ弁５２の弁体８０は、貫通孔７２（ボア）を略閉鎖した弁閉状態に保持される共に、ボール弁５０の弁体７４は、貫通孔７２が開口して流路７０と連通する弁開状態に切り換わる。なお、図３（ｃ）の状態では、その上段に示されるように、デフォルトレバー９２の係止部９８が回動して開側ストッパ部９６ａに当接して係止される。
【００７０】
続いて、図３（ｃ）の状態において、コイルスプリング９４のばね力によって反時計回り方向にシャフト軸７６が約９０度だけ戻されることにより、バタフライ弁５２の弁体８０が間隙８１に沿って回動し、図３（ｄ）の状態となる。図３（ｄ）の状態では、バタフライ弁５２の弁体８０が、貫通孔７２（ボア）を略閉鎖した弁閉状態から貫通孔７２（ボア）を開口した弁開状態に切り換わると共に、ボール弁５０の弁体７４は、流路７０が連通した弁開状態にある。
【００７１】
図３（ｄ）の状態では、バタフライ弁５２の弁体８０が弁開状態になると共に、ボール弁５０の弁体７４が弁開状態となることにより、流路７０が開口してインレットポート４２ａとアウトレットポート４２ｂとが連通した状態となる。このとき、図示しない電源を滅勢して回転駆動源５６（無通電状態）をオフ状態としても、ボール弁５０の弁体７４は、前記したシート機構１０２の摺動抵抗によって弁開状態に保持される。また、図３（ｄ）の状態は、後記するように、燃料電池１２が発電状態にある場合を示している。
【００７２】
さらに、図３（ｅ）に示されるように、回転駆動源５６の回転方向を前記とは正逆反転させてシャフト軸７６を反時計回り方向に約９０度だけ回動させる。この場合、係合機構７５の係合部７６ａが係合突部７９に当接し前記係合突部７９を押圧して、シャフト軸７６とボール弁５０の弁体７４が反時計回り方向に沿って約９０度だけ共回りする（図３（ｅ）の中段の太線及び細線矢印参照）。
【００７３】
なお、図３（ｅ）に示す状態と図３（ａ）に示す状態とは、同一状態からなり、経時列の関係上、便宜的に示したものである。
【００７４】
次に、燃料電池自動車に搭載された燃料電池１２との関係において、第２バルブ装置４０ｂの動作を説明する。
【００７５】
燃料電池システム１０が運転中である場合には、ＥＣＵによって第１バルブ装置４０ａ及び第２バルブ装置４０ｂのバタフライ弁５２及びボール弁５０がそれぞれ弁開状態となり（図３（ｄ）の状態）、カソードの封鎖状態が解除されている。同時に、ＥＣＵによって遮断弁３０が弁開状態とされて水素タンク２８からアノードに水素が供給されると共に、エアポンプ２６が駆動されてカソードにエア（空気）が供給されて、燃料電池１２の発電が行われる。
【００７６】
燃料電池システム１０が運転中である場合、コイルスプリング９４のばね力によってデフォルトレバー９２が周方向に付勢され、デフォルトレバー９２に形成された係止部９８がボディ４４の開側ストッパ部９６ａに当接した状態にある（図４参照）。デフォルトレバー９２の係止部９８が開側ストッパ部９６に当接して係止されることにより、ボール弁５０の弁体７４が弁開状態（インレットポート４２ａとアウトレットポート４２ｂとの連通状態）に保持され、バタフライ弁５２の弁体８０が作動可能な状態にある。
【００７７】
この場合、回転駆動源５６の回転駆動力がピニオン５８、中間ギヤ６２、弁機構作動用ギヤ部９２、及び、シャフト軸７６を介してバタフライ弁５２に伝達され、シャフト軸７６を中心としてバタフライ弁５２の弁体８０を所定角度だけ回動させることができる。この結果、バタフライ弁５２の弁体８０の回動動作によって、流路７０を流通するカソードオフガスの流量が制御されて、カソードの背圧が制御される。
【００７８】
次に、燃料電池１２の発電が停止される場合について説明する。
【００７９】
燃料電池１２の発電が停止された場合、図示しないＥＣＵからの制御信号によって、遮断弁３０が閉じられて燃料電池１２側への水素の供給が停止されると共に、エアポンプ２６の図示しないモータの駆動が停止されて燃料電池１２側へのエアの供給が停止される。また、燃料電池１２の発電停止時は、燃料電池１２（スタック）の自己発電による劣化防止のため、第１バルブ装置４０ａ及び第２バルブ４０ｂによって燃料電池１２のカソード（カソード流路２４）の入口側及び出口側をそれぞれ封鎖する必要がある。
【００８０】
回転駆動源５６へ供給される電流の極性を変えて回転駆動軸５６ａの回転方向を前記とは正逆反対方向に回転させる。この回転駆動源５６の回転駆動力は、ピニオン５８、中間ギヤ６２、弁機構作動用ギヤ部９０、シャフト軸７６、及び係合機構７５を介してボール弁５０の弁体７４に伝達される。ボール弁５０の弁体７４を所定方向に約９０度だけ回動させることにより、ボール弁５０を弁開状態から弁閉状態に切り換えることができる（図３（ｄ）の状態から図３（ｅ）への移行を参照）。なお、前記したように、ボール弁５０の弁体７４が回動する際、バタフライ弁５２の弁体８０も一緒に共回りする。
【００８１】
この結果、ボディ４４内の流路７０がボール弁５０の弁体７４によって完全に封止（封鎖）されるため、ボディ４４のインレットポート４２ａとアウトレットポート４２ｂとの連通が遮断され、燃料電池１２（スタック）の自己発電による劣化を回避することができる。
【００８２】
本実施形態では、ボディ４４の流路７０を流通する圧力流体（酸化剤ガス）が、ボール弁５０による流路遮断制御と、バタフライ弁５２による流量制御（圧力制御）との両方の制御を受けることができ、流路遮断機能と流量制御機能とを両立させることができる。すなわち、ボール弁５０によって締切性（封止性）の良好な制御が可能になると共に、バタフライ弁５２によって流量制御性（圧力制御性）の良好な制御が可能となる。これにより、バタフライ弁５２によって流量制御が可能となるので、この結果、ボール弁５０の作動耐久性を向上させることができる。
【００８３】
また、本実施形態では、シャフト軸７６の軸方向に沿った下端部（一端部）とボール弁５０の弁体７４に形成された軸孔７８とを係合させる係合機構７５が、シャフト軸７６の下端部（一端部）に設けられるため、単一のシャフト軸７６のみによって、バタフライ弁５２の弁体８０とボール弁５０の弁体７４の両方を作動させることができる。換言すると、単一のシャフト軸７６は、バタフライ弁軸とボール弁軸の両方の機能を併有し、回転駆動源５６の回転駆動力を、単一のシャフト軸７６を介してバタフライ弁５２の弁体８０とボール弁５０の弁体７４の両方に伝達することができる。
【００８４】
さらに、本実施形態では、シャフト軸７６の下端部（一端部）が軸孔７８に係合して回動する範囲において、単独回動範囲では、シャフト軸７６のみが単独で回動されるため、バタフライ弁５２の弁体８０のみが作動されてバタフライ弁５２による流量制御性（圧力制御性）の良好な制御が可能となる。一方、共回り回動範囲では、シャフト軸７６及びボール弁５０の弁体７４が一体的に作動するため、ボール弁５０を用いた締切性（封止性）の良好な制御が可能となる。
【００８５】
さらにまた、本実施形態では、シャフト軸７６が、例えば、時計回り方向（一側）に回動してシャフト軸７６の係合部７６ａがボール弁５０の軸孔７８に形成された係合突部７９に係合すると、シャフト軸７６とボール弁５０の弁体７４とが一体的に一側に回動する（共回りする）ことが可能となる（図３（ｃ）参照）。また、シャフト軸７６が、例えば、反時計回り方向（他側）に回動してシャフト軸７６の係合部７６ａがボール弁５０の係合突部７９に係合すると、シャフト軸７６とボール弁５０の弁体７４とが一体的に反時計回り方向（他側）に回動する（共回りする）ことが可能となる（図３（ｅ）参照）。さらに、シャフト軸７６の係合部７６ａがボール弁５０の係合突部７９に係合しない場合には、隙間８１に沿ってシャフト軸７６のみが単独で回動することが可能となり、バタフライ弁５２の弁体８０のみが単独で回動可能となる（図３（ｂ）及び図３（ｄ）参照）。
【００８６】
またさらに、本実施形態では、開側ストッパ部９６ａによってボール弁５０の弁体７４の回動動作が規制されることにより、流路７０が開口状態となってバタフライ弁５２が作動可能な状態となる。これにより、バタフライ弁５２が作動する際、ボール弁５０が共回りすることが阻止される。
【００８７】
またさらに、本実施形態では、バタフライ弁５２の弁体８０に下端側（一端部）が連結されるシャフト軸７６を用いて、ボール弁５０の弁体７４を約９０度だけ回動動作させることが可能となる。
【００８８】
またさらに、本実施形態では、バタフライ弁５２の弁体８０がノーマルオープンタイプに設定されており（図３（ａ）参照）、仮に、回転駆動源５６がフェールした場合、バタフライ弁５２の弁体８０が弁開状態になると共に、ボール弁５０の弁体７４が弁開状態となることにより、流路７０に沿って圧力流体を流通させることができる。この結果、本実施形態に係るバルブ装置４０ａ、４０ｂを燃料電池システム１０に適用した場合、回転駆動源５６のフェール時においても燃料電池１２を好適に発電させることができる。
【００８９】
またさらに、本実施形態では、ボール弁５０とバタフライ弁５２との両方を、単一の回転駆動源５６から回転駆動力が伝達される単一のシャフト軸７６を介して駆動することが可能となり、ボール弁５０及びバタフライ弁５２へ回転駆動力を伝達する駆動力伝達機構の構造を簡素化することができる。
【００９０】
またさらに、本実施形態では、単一の回転駆動源５６によってボール弁５０及びバタフライ弁５２からなる２個の弁をそれぞれ駆動させることができる。この場合、ボール弁５０による締切性（封止性）の良好な制御と、バタフライ弁５２による流量制御性（圧力制御性）の良好な制御と、ボール弁５０の作動耐久性の向上とを、単一の回転駆動源５６によって実現することができる。例えば、複数の回転駆動源を用いてボール弁５０及びバタフライ弁５２をそれぞれ駆動する場合と比較して、回転駆動源５６が１個で済むため、製造コストを低減化することができる。
【００９１】
またさらに、本実施形態では、デフォルトレバー９２の係止部９８がボディ４４の開側ストッパ部９６ａで係止されてボール弁５０が弁開状態に保持されているときに、バタフライ弁５２が作動可能な状態となっている。これにより、バタフライ弁５２が作動する際、バタフライ弁５２と一緒にボール弁５０が共回りすることを阻止することができる。
【００９２】
またさらに、本実施形態において、燃料電池システム１０が運転中のとき、ボール弁５０は、シート機構１０２による摺動抵抗によって弁開状態に保持されているため、流路７０の開度をバタフライ弁５２によって制御することができる。一方、燃料電池１２の発電が停止されるとき、ボール弁５０を弁閉状態として流路７０を締め切る（遮断する）ことができる。
【００９３】
またさらに、本実施形態では、燃料電池１２のカソード流路２４の出口側に第２バルブ装置４０ｂが配置されるため、カソード流路２４の出口から排出されるカソードオフガスの背圧制御を好適に行うことができる。
【００９４】
またさらに、本実施形態では、カソード流路２４の入口側に第１バルブ装置４０ａが配置されると共に、カソード流路２４の出口側に第２バルブ装置４０ｂが配置されているため、カソードの入口側及び出口側をそれぞれ封止することが可能となる。この結果、カソードに対して酸化剤ガスの流入が確実に阻止されるため、スタックの自己発電を回避して燃料電池１２の耐久性を向上させることができる。
【００９５】
またさらに、本実施形態では、従来からカソード流路２４の出口側に配置されている、例えば、遮断弁や背圧制御弁を本実施形態に係る第２バルブ装置４０ｂと代替することができ、部品点数が削減されて製造コストを低減することができる。
【００９６】
なお、本実施形態では、燃料電池１２のカソード流路２４の出口側に配置された第２バルブ装置４０ｂを用いて詳細に説明しているが、カソード流路２４の入口側に配置された第１バルブ装置４０ａも、同様の作用効果を有する。
【符号の説明】
【００９７】
４０ａ、４０ｂ バルブ装置 ４２ａ インレットポート
４２ｂ アウトレットポート ４４ ボディ（装置本体）
５０ ボール弁 ５２ バタフライ弁
５３ 弁機構 ５６ 回転駆動源
７０ 流路 ７２ 貫通孔（内部流路）
７４ 弁体（ボール弁） ７５ 係合機構
７６ シャフト軸 ７６ａ 係合部
７８ 軸孔 ７９ 係合突部
８０ 弁体（バタフライ弁） ８１ 間隙
９６ａ 開側ストッパ部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧力流体が導入されるインレットポート及び圧力流体が導出されるアウトレットポートと、前記インレットポートと前記アウトレットポートとを連通させる流路とがそれぞれ形成された装置本体と、
単一の回転駆動源と、
前記回転駆動源によって駆動され、前記流路内に弁体が配置されるボール弁と、前記ボール弁に形成された内部流路内に弁体が配置されるバタフライ弁とを有する弁機構と、
前記回転駆動源の回転駆動力を前記弁機構に対して伝達し、軸方向に沿った一端部が、前記バタフライ弁の弁体に連結されると共に、前記ボール弁の弁体に形成された軸孔と係合するシャフト軸と、
前記シャフト軸の一端部に設けられ、前記シャフト軸の軸方向に沿った一端部と前記ボール弁の弁体に形成された軸孔とを係合させる係合機構と、
を備え、
前記係合機構には、前記シャフト軸の一端部が前記軸孔に係合して回動する範囲において、前記シャフト軸のみが単独で回動動作可能な単独回動範囲と、前記シャフト軸及び前記ボール弁の弁体が共回り可能な共回り回動範囲とが設けられることを特徴とするバルブ装置。
【請求項２】
請求項１記載のバルブ装置において、
前記係合機構は、略円柱体からなる前記シャフト軸の一端部を切り欠いて形成され平面視して略半円状からなる係合部と、前記係合部が係合し、前記軸孔から中心に向かって突出し平面視して山形状に形成された係合突部とを有し、
前記係合部と前記係合突部との間には、前記シャフト軸のみが単独で回動する隙間が設けられることを特徴とするバルブ装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載のバルブ装置において、
前記ボール弁及び前記バタフライ弁の各弁体の閉じ側への回動方向は、相互に反対方向に設定され、
前記装置本体には、前記流路の開口状態で前記ボール弁の弁体の回動動作を規制する開側ストッパ部が設けられることを特徴とするバルブ装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項記載のバルブ装置において、
前記シャフト軸を中心とする前記バタフライ弁の弁体の回動角度は、前記内部流路に対する弁開状態と弁閉状態との間で約９０度に設定されることを特徴とするバルブ装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項記載のバルブ装置において、
前記バタフライ弁の弁体は、ノーマルオープンタイプからなり、前記回転駆動源のフェール時には、前記バタフライ弁の弁体が弁開状態になると共に、前記ボール弁の弁体が弁開状態となることを特徴とするバルブ装置。
【請求項１】
圧力流体が導入されるインレットポート及び圧力流体が導出されるアウトレットポートと、前記インレットポートと前記アウトレットポートとを連通させる流路とがそれぞれ形成された装置本体と、
単一の回転駆動源と、
前記回転駆動源によって駆動され、前記流路内に弁体が配置されるボール弁と、前記ボール弁に形成された内部流路内に弁体が配置されるバタフライ弁とを有する弁機構と、
前記回転駆動源の回転駆動力を前記弁機構に対して伝達し、軸方向に沿った一端部が、前記バタフライ弁の弁体に連結されると共に、前記ボール弁の弁体に形成された軸孔と係合するシャフト軸と、
前記シャフト軸の一端部に設けられ、前記シャフト軸の軸方向に沿った一端部と前記ボール弁の弁体に形成された軸孔とを係合させる係合機構と、
を備え、
前記係合機構には、前記シャフト軸の一端部が前記軸孔に係合して回動する範囲において、前記シャフト軸のみが単独で回動動作可能な単独回動範囲と、前記シャフト軸及び前記ボール弁の弁体が共回り可能な共回り回動範囲とが設けられることを特徴とするバルブ装置。
【請求項２】
請求項１記載のバルブ装置において、
前記係合機構は、略円柱体からなる前記シャフト軸の一端部を切り欠いて形成され平面視して略半円状からなる係合部と、前記係合部が係合し、前記軸孔から中心に向かって突出し平面視して山形状に形成された係合突部とを有し、
前記係合部と前記係合突部との間には、前記シャフト軸のみが単独で回動する隙間が設けられることを特徴とするバルブ装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載のバルブ装置において、
前記ボール弁及び前記バタフライ弁の各弁体の閉じ側への回動方向は、相互に反対方向に設定され、
前記装置本体には、前記流路の開口状態で前記ボール弁の弁体の回動動作を規制する開側ストッパ部が設けられることを特徴とするバルブ装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項記載のバルブ装置において、
前記シャフト軸を中心とする前記バタフライ弁の弁体の回動角度は、前記内部流路に対する弁開状態と弁閉状態との間で約９０度に設定されることを特徴とするバルブ装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項記載のバルブ装置において、
前記バタフライ弁の弁体は、ノーマルオープンタイプからなり、前記回転駆動源のフェール時には、前記バタフライ弁の弁体が弁開状態になると共に、前記ボール弁の弁体が弁開状態となることを特徴とするバルブ装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１２−２４７０１１（Ｐ２０１２−２４７０１１Ａ）
【公開日】平成２４年１２月１３日（２０１２．１２．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１１９５９７（Ｐ２０１１−１１９５９７）
【出願日】平成２３年５月２７日（２０１１．５．２７）
【出願人】（０００１４１９０１）株式会社ケーヒン (1,140)
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月１３日（２０１２．１２．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月２７日（２０１１．５．２７）
【出願人】（０００１４１９０１）株式会社ケーヒン (1,140)
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
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