高圧ガス充填用の逆止弁機構
【課題】逆止弁の機能維持と高圧ガス充填時の弁体のチャタリング抑制を図る。
【解決手段】高圧ガスの充填元から延びた第１の管路の先端に設置されるノズルに嵌合装着されるとともに充填対象から延びた第２の管路の先端に設置されるレセプタクルに内蔵され、弁体をケーシングに収容して、弁体をバネの付勢力により弁座に着座させて閉弁する逆止弁機構である。レセプタクルには、ノズルが嵌合装着された際に、第１の管路と、逆止弁機構の弁座に設けられた導入孔とを連通する第１の流路と、逆止弁機構の弁座とは反対側のケーシングの端部に設けられた導出孔と第２の管路とを連通する第２の流路と、を備える。逆止弁機構は、弁体が開弁時のカーテン面積と、弁体とケーシングとの間の弁体外周流路の断面積との少なくとも一方が、第１の管路、第１の流路、導入孔、導出孔、第２の流路、および第２の管路のいずれの断面積よりも、小さくなるように構成される。
【解決手段】高圧ガスの充填元から延びた第１の管路の先端に設置されるノズルに嵌合装着されるとともに充填対象から延びた第２の管路の先端に設置されるレセプタクルに内蔵され、弁体をケーシングに収容して、弁体をバネの付勢力により弁座に着座させて閉弁する逆止弁機構である。レセプタクルには、ノズルが嵌合装着された際に、第１の管路と、逆止弁機構の弁座に設けられた導入孔とを連通する第１の流路と、逆止弁機構の弁座とは反対側のケーシングの端部に設けられた導出孔と第２の管路とを連通する第２の流路と、を備える。逆止弁機構は、弁体が開弁時のカーテン面積と、弁体とケーシングとの間の弁体外周流路の断面積との少なくとも一方が、第１の管路、第１の流路、導入孔、導出孔、第２の流路、および第２の管路のいずれの断面積よりも、小さくなるように構成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高圧ガス充填用の逆止弁機構に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池用の高圧水素ガスのタンク等の高圧ガスタンクへの充填に際しては、その供給元からその充填対象であるタンクまでの間のガス流路中に、ガスの逆流を防止する逆止弁機構が設置されるのが普通である。逆止弁機構としては、弁体を弁座方向に付勢し、弁座方向から流入する流体の圧力に応じて弁座と弁体との距離を変化させるタイプのものが知られている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平２−１７３４７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、従来の逆止弁機構では、上流側および下流側の圧力差と弁体の付勢力とがほぼ均衡した状態になると、弁体が付勢方向及びその反対方向に頻繁に移動して、弁座から離れた状態（開状態）と、弁座に着座した状態（閉状態）とを頻繁に繰り返す、いわゆるチャタリングが発生する、という問題が生じる場合が多い。
【０００５】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、逆止弁の機能維持と高圧ガス充填時の弁体のチャタリング抑制を図ることができる逆止弁機構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】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］
高圧ガスの充填元から延びた第１の管路の先端に設置されるノズルに嵌合装着されるととともに充填対象から延びた第２の管路の先端に設置されるレセプタクルに内蔵され、弁体をケーシングに収容して、前記弁体をバネの付勢力により弁座に着座させて閉弁する逆止弁機構であって、
前記レセプタクルには、前記ノズルが嵌合装着された際に、前記第１の管路と、前記逆止弁機構の前記弁座に設けられた導入孔とを連通する第１の流路と、前記逆止弁機構の前記弁座とは反対側の前記ケーシングの端部に設けられた導出孔と前記第２の管路とを連通する第２の流路と、を備えており、
前記逆止弁機構は、前記弁体が開弁時のカーテン面積と、前記弁体と前記ケーシングとの間の弁体外周流路の断面積と、の少なくとも一方が、前記第１の管路、前記第１の流路、前記導入孔、前記導出孔、前記第２の流路、および、前記第２の管路のいずれの断面積よりも、小さくなるように構成されている
ことを特徴とする逆止弁機構。
このようにすれば、高圧ガスが充填元から供給されない場合には、弁体に及ぼされるバネの付勢力により逆止弁を安定に閉弁することができ、また、高圧ガスが充填元から供給される場合には、弁体に及ぼされるバネの付勢力よりも、高圧ガスが弁体に及ぼす圧力の方をより大きくすることが可能であり、弁体を安定して開弁してチャタリングを抑制することができる。
［適用例２］
適用例１記載の逆止弁機構であって、
前記弁体は弁頭部と弁棒部を備えており、
前記弁棒部内部には、前記バネを設置するとともに、前記高圧ガスの流路となる弁体内流路を備えており、
前記弁頭部には、前記弁体内流路に通じる弁体内流路導入孔を備えており、
前記逆止弁機構は、前記カーテン面積と、前記弁体外周流路の断面積と、前記弁体内流路導入孔の断面積と、の少なくとも一つは、前記第１の管路、前記第１の流路、前記導入孔、前記導出孔、前記第２の流路、および、前記第２の管路のいずれの断面積よりも、小さくなるように構成されている
ことを特徴と逆止弁機構。
この構成においても、高圧ガスが充填元から供給されない場合には、弁体に及ぼされるバネの付勢力により逆止弁を安定に閉弁することができ、また、高圧ガスが充填元から供給される場合には、弁体に及ぼされるバネの付勢力よりも、高圧ガスが弁体に及ぼす圧力の方をより大きくすることが可能であり、弁体を安定して開弁してチャタリングを抑制することができる。
【０００８】
なお、本発明は、上記した逆止弁機構だけでなく、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、逆止弁機構の内蔵したレセプタクル、これを備える燃料電池システム、高圧ガス充填システム等の種々の形態で実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１実施例としての水素充填システム１０を概略的に示す説明図である。
【図２】逆止弁８０の構造上の条件を示す説明図である。
【図３】第２実施例における逆止弁８０Ａの構造上の条件を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
Ａ．第１実施例：
図１は本発明の第１実施例としての水素充填システム１０を概略的に示す説明図である。この水素充填システム１０は、駆動用のエネルギー源として水素を用いる車両２０と、車両２０に高圧水素ガスを充填供給する水素ガス充填装置３０と、を備えている。
【００１１】
車両２０は、駆動用電源として燃料電池を備える電気自動車であり、燃料電池のアノードに供給するための水素ガスを貯蔵する水素ガスタンク４０を搭載している。本実施例の車両２０が備える燃料電池は、複数の単セルを積層したスタック構造を有しており、例えば、固体高分子型燃料電池や、固体酸化物型燃料電池とすることができる。車両２０は、さらに、水素ガスタンク４０から水素の供給を受ける燃料電池の他、燃料電池のカソード側に酸化ガスとしての空気を供給するためのブロワや、燃料電池から電力を供給されて車両の駆動動力を発生するモータ、さらに２次電池等を備えている。車両２０の構成要素のうち、水素ガスタンク４０に対する水素充填に係る構成以外の構成については、図示および詳しい説明を省略する。
【００１２】
車両２０の水素ガスタンク４０には、この水素ガスタンク４０に水素ガスを供給するための水素ガス充填路４２が接続されている。水素ガス充填路４２は、その一端は水素ガスタンク４０に接続されるとともに、その他端はレセプタクル５０の下流側に接続されている。後述するノズル３２に嵌合装着される側のレセプタクル５０の上流側は、車両２０表面に設けられた開口部２２に設置されている。なお、ノズル３２とレセプタクル５０の嵌合部分５２（破線で示す部分）の詳細な構造は、実施例の説明上特に必要ではないため省略する。なお、水素ガスタンク４０は、燃料供給路４４を介して燃料電池に接続されている。
【００１３】
水素ガス充填装置３０は、定置型の装置であり、水素ガスを貯蔵する水素ガス貯蔵部６０を備えている。水素ガス貯蔵部６０は、上流側管路３６および下流側管路３８をかいしてノズル３２に接続されている。上流側管路３６と下流側管路３８との間には開閉バルブ３４が設けられている。この開閉バルブ３４は、水素ガス充填制御部７０によって制御される。ノズル３２は、車両２０の側のレセプタクル５０に対する嵌合装着と取り外しとにより、レセプタクル５０内の管路（詳しくは後述の逆止弁の管路等）との連通と遮断とを行う。下流側管路３８と上流側管路３６は、ノズル３２を用いたガス充填の便宜のため、耐高圧性のフレキシブルホースとされ、レセプタクル５０へのノズル３２の嵌合装着および取り外しに追従する。水素ガス充填制御装置７０は、論理演算を実行するＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えたいわゆるマイクロコンピュータで構成され、ガス充填・停止のためのノズル３２の操作に伴うセンサー入力を受けて、バルブ制御を含むガス充填に関しての制御を司る。
【００１４】
水素ガス貯蔵部６０は、車両２０に搭載される水素ガスタンク４０が満充填となったときよりも高い圧力（例えば、９０ＭＰａ程度）で、水素ガスを蓄えている。本実施例の水素ガス充填装置３０は、水素ガス貯蔵部６０よりも水素圧が低く（例えば、２０ＭＰａ程度）、より多くの水素を貯蔵することができる図示しない大容量水素ガス貯蔵装置を備えるようにしても良い。この場合には、水素ガス貯蔵部６０は、コンプレッサによって昇圧された水素ガスが上記大容量水素ガス貯蔵装置から供給されることによって、常に、内部の水素ガス圧力が充分に高く保たれている。
【００１５】
この水素ガス充填装置３０は、車両２０の水素ガスタンク４０への高圧水素ガス充填に供する施設であり、既存のガソリン車両に対するガソリン給油ステーションに相当する。なお、仮に、水素ガスタンク４０と燃料電池とが住居や店舗、工場などに設置される据え置き形態のものであれば、水素ガス充填装置３０は、トラックなどの車両に設置されてガス配送の形態のものとなる。
【００１６】
レセプタクル５０は、逆止弁８０を内蔵する。なお、図に示したレセプタクル５０は、説明を容易にするため概略断面を示している。逆止弁８０は、弁座８２と弁体８４とケーシング８６と、を備える。弁座８２は、本実施例では、円筒形の弾性部材（ここではプラスチックゴム）であり、略円形の断面の中央部に、この断面を貫通する導入孔８２ｉｈを備える。弁座８２は、弁体８４の上流側に設けられる。ケーシング８６は、弁座８２と接合され、その内部に弁体８４を収納する筐体であり、円筒形の中空形状を有する。弁体８４およびケーシング８６の材質としては、逆止弁８０の仕様条件に応じた種々の金属を用いることができ、本実施例では、反応ガスに対する耐腐食性を考慮して、ステンレス鋼を用いることとする。
【００１７】
ケーシング８６の内部には、弁体８４とケーシング８６の内壁との間に流体が通過可能なクリアランス領域（「クリアランス流路」とも呼ぶ）８８ｃを有するように、弁座８２と弁体８４とケーシング８６とによって囲まれた空間である弁室８８が形成される。弁体８４は、弁座８２に向かって先細りする略円錐形状を有する弁頭部８４ａと、円筒形状を有する弁棒部８４ｂと、を備える。弁棒部８４ｂの内部には、バネを固定収納する凹部８４ｃが形成されており、この凹部８４ｃは弁棒部８４ｂを下流側に向けて貫通している。この凹部８４ｃ内の弁頭部８４ａ側端部と、ケーシング８６の端部との間にバネ９０が固着され、弁体８４を下流側から上流側（弁座８２側）に向けて付勢する。この付勢力によって、弁頭部８４ａは弁座８２と気密に当接する。なお、ケーシング８６の下流側の端面には、弁室８８に流入したクリアランス領域８８ｃを介して下流側に移動したガスを、逆止弁８０から流出させる導出孔８６ｏｈが形成されている。
【００１８】
また、レセプタクル５０の内部には、逆止弁８０の導入孔８２ｉｈに接続され、嵌合部分５２まで延びる導入流路５４と、逆止弁８０の導出孔８６ｏｈに接続され、レセプタクル５０の下流側の流出口５８まで延び、水素ガス充填路４２に接続される導出流路５６と、が形成されている。なお、本実施例の導入流路５４が本発明における第１の流路に対応し、導出流路５６が本発明における第２の流路に対応する。
【００１９】
なお、以下の説明では、下記の各種流路の断面積を使用する。
・Ｓｓｉ１：上流側管路３６の断面積
・Ｓｓｉ２：下流側管路３８の断面積
・Ｓｎｉ１：嵌合部分５２の流路の断面積
・Ｓｒｉ１：導入流路５４の断面積
・Ｓｖｉ１：導入孔８２ｉｈの断面積
・Ｓｓｏ１：水素ガス充填路４２の断面積
・Ｓｒｏ１：導出流路５６の断面積
【００２０】
図２は、逆止弁８０の構造上の条件を示す説明図である。説明を容易にするため、下記の各種流路の断面積を使用する。
・Ｓｓｉ：上流側管路３６および下流側管路３８の断面積Ｓｓｉ１，Ｓｓｉ２、嵌合部分５２の流路の断面積Ｓｎｉ１、および、導入流路５４の断面積Ｓｒｉ１の総称
・Ｓｓｏ：水素ガス充填路４２の断面積Ｓｓｏ１および導出流路５６の断面積Ｓｒｏ１の総称
図２（Ａ）に示すように、水素ガスの流入が無い場合には、バネ９０による付勢力により、弁体８４を弁座８２に着座させることにより、弁体８４の弁頭部８４ａの先端部が、導入孔８２ｉｈの内壁に気密に当接し、閉弁状態となる。一方、図２（Ｂ）に示すように、水素ガスの供給が開始されて、逆止弁８０に流入するガスの上流側と下流側の圧力差による弁体８４に及ぼされるガス圧力が、バネ９０による付勢力よりも大きくなると、弁体８４は弁座８２から離れることになり、開弁状態となる。
【００２１】
ここで、従来例で説明したように、弁体８４に及ぼされるガス圧力とバネ９０の付勢力とがほぼ均衡した状態になると、いわゆるチャタリングが発生する。このチャタリングを抑制し防止するためには、弁体８４に及ぼされるガス圧力がバネ９０の付勢力よりも大きくなるようにすればよい。このためには、下記２つの関係式の少なくとも一方が成り立つことが条件となる。
Ｓｓｉ，Ｓｖｉ，Ｓｓｏ＞Ｓｖｉｏ …（１）
Ｓｓｉ，Ｓｖｉ，Ｓｓｏ＞Ｓｃｆ …（２）
Ｓｖｉｏ：開弁時カーテン面積(図２（Ｂ）に示した弁座の開口面積)
Ｓｃｆ ：開弁時クリアランス流路の断面積（図２（Ｃ）に示したクリアランス領域８４ｂの断面積）
【００２２】
例えば、Ｓｓｉ＞Ｓｖｉｏの場合には、逆止弁８０よりも上流側の流路の断面積Ｓｓｉに比べてカーテン面積Ｓｖｉｏが小さいので、逆止弁８０の上流側から下流側に流れるガスの圧力損失が大きくなる。同様に、Ｓｖｉ＞Ｓｖｉｏ又はＳｓｏ＞ｓｖｉｏの場合にも、逆止弁８０の上流側から下流側に流れるガスの圧力損失が大きくなる。また、Ｓｓｉ＞Ｓｃｆの倍には、逆止弁８０よりも恕湯悠側の流路の断面積Ｓｓｉに比べてクリアランス流路の断面積Ｓｃｆが小さいので、逆止弁８０の上流側から下流側に流れるガスの圧力損失が大きくなる。同様に、Ｓｖｉ＞Ｓｃｆ又はＳｓｏ＞ｓｃｆの場合にも、逆止弁８０の上流側から下流側に流れるガスの圧力損失が大きくなる。このように、（１）式と（２）式の少なくとも一方が成り立つ場合には、逆止弁８０は、逆止弁８０の上流側と下流側の水素ガスの圧力差がバネ９０の付勢力よりも大きくなるように動作するため、弁体８４に及ぼされるバネ９０の付勢力よりも、高圧の水素ガスが弁体８４に及ぼす圧力の方をより大きくすることが可能であり、弁体８４を安定して開弁してチャタリングを抑制することができる。
【００２３】
Ｂ．第２実施例：
図３は、第２実施例における逆止弁８０Ａの構造上の条件を示す説明図である。なお、第２実施例における水素充填システムの構成は、逆止弁８０Ａの構造及びその条件を除いて同様であるので、以下では、逆止弁８０Ａの構造及びその条件についてのみ説明を加えることとする。
【００２４】
図３（Ａ）に示すように、本実施例の逆止弁８０Ａは、弁頭部８４Ａａに、弁頭部８４Ａａから弁棒部８４Ａｂの内部に形成されている凹部８４Ａｃまでを貫通させる導入孔８４Ａｄが形成されている点が異なっている。この導入孔８４Ａｄを設けたことにより、第１実施例では、バネ９０を固着収納する役目しかなかった凹部８４Ａｃが弁体内流路としての機能を有することになる。これにより、第１実施例におけるクリアランス領域８８ｃによるクリアランス流路だけでなく、弁体内流路を有することになるので、開弁時において、より多くの水素ガスを上流側から下流側に流すことができる。
【００２５】
ここで、本実施例においてチャタリングを抑制し防止するためには、第１実施例における条件に加えて、導入孔８４Ａｄおよび弁体内部流路（凹部８４Ａｃ）を通過する水素ガスが弁体に及ぼす圧力の方がバネ９０の付勢力よりも大きくなるという条件も考慮しなければならない。このためには、下記３つの関係式の少なくとも一つが成り立つことが条件となる。
Ｓｓｉ，Ｓｖｉ，Ｓｓｏ＞Ｓｖｉｏ …（１）
Ｓｓｉ，Ｓｖｉ，Ｓｓｏ＞Ｓｃｆ …（２）
Ｓｓｉ，Ｓｖｉ，Ｓｓｏ＞Ｓｉｆ …（３）
Ｓｖｉｏ：開弁時カーテン面積(図２（Ｂ）に示した弁座の開口面積)
Ｓｃｆ ：開弁時クリアランス流路の断面積（図２（Ｃ）に示したクリアランス領域８４ｂの断面積）
Ｓｉｆ :開弁時導入孔の断面積（図３（Ｄ）に示した弁頭部８４Ａａに形成された導入孔８４Ａｄの断面積の総和）
【００２６】
（１）式〜（３）式の少なくとも一つが成り立つ場合には、逆止弁８０Ａは、逆止弁８０Ａの上流と下流の水素ガスの圧力差がバネ９０の付勢力よりも大きくなるように動作するため、弁体８４Ａに及ぼされるバネ９０の付勢力よりも、高圧の水素ガスが弁体８４に及ぼす圧力の方をより大きくすることが可能であり、弁体８４Ａを安定して開弁してチャタリングを抑制することができる。
【００２７】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。
【００２８】
例えば、上記実施例の逆止弁８０，８０Ａに備えられる弁体８４，８４Ａは、弁頭部８４ａ，８４Ａａと弁棒部８４ｂ、８４Ａｂとを備える構成を例に説明したが、これに限定されるものではなく、弁体とケーシングとの間のクリアランス領域に突起領域を備える構成の弁体を用いてもより。また、上記実施例では、弁体８４，８４Ａの内部に設けられた凹部８４ｃの端部とケーシング８６の端部との間にバネ９０を固着する構成を例に説明したが、これに限定されるものではなく、弁棒部の下端部とケーシング５６の端部との間にバネを１つ以上固着する構成としてもよい。すなわち、弁体をケーシングに収容して、弁体をバネの付勢力により弁座に着座させて閉弁する機構の逆止弁であれば、種々のものに本発明を適用可能である。
【００２９】
また、上記実施例は、水素ガスを例に説明しているが、これに限定されるものではなく、他の種々の高圧ガスの充填用の逆止弁機構に適用可能である。
【符号の説明】
【００３０】
１０…水素充填システム
２０…車両
２２…開口部
３０…水素ガス充填装置
３２…ノズル
３４…開閉バルブ
３６…上流側管路
３８…下流側管路
４０…水素タンク
４２…水素ガス充填路
４４…燃料供給路
５０…レセプタクル
５２…嵌合部分
５４…導入流路
５６…導出流路
５８…流出口
６０…水素ガス貯蔵部
７０…ガス充填制御部
８０…逆止弁
８０Ａ…逆止弁
８２…弁座
８２ｉｈ…導入孔
８４ａ側端部…弁頭部
８４…弁体
８４Ａ…弁体
８４ａ…弁頭部
８４ｂ…弁棒部
８４ｃ…凹部
８４Ａａ…弁頭部
８４Ａｂ…弁棒部
８４Ａｃ…凹部
８４Ａｄ…導入孔
８６…ケーシング
８６ｏｈ…導出孔
８８…弁室
８８ｃ…クリアランス領域
９０…バネ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高圧ガス充填用の逆止弁機構に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池用の高圧水素ガスのタンク等の高圧ガスタンクへの充填に際しては、その供給元からその充填対象であるタンクまでの間のガス流路中に、ガスの逆流を防止する逆止弁機構が設置されるのが普通である。逆止弁機構としては、弁体を弁座方向に付勢し、弁座方向から流入する流体の圧力に応じて弁座と弁体との距離を変化させるタイプのものが知られている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平２−１７３４７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、従来の逆止弁機構では、上流側および下流側の圧力差と弁体の付勢力とがほぼ均衡した状態になると、弁体が付勢方向及びその反対方向に頻繁に移動して、弁座から離れた状態（開状態）と、弁座に着座した状態（閉状態）とを頻繁に繰り返す、いわゆるチャタリングが発生する、という問題が生じる場合が多い。
【０００５】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、逆止弁の機能維持と高圧ガス充填時の弁体のチャタリング抑制を図ることができる逆止弁機構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】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］
高圧ガスの充填元から延びた第１の管路の先端に設置されるノズルに嵌合装着されるととともに充填対象から延びた第２の管路の先端に設置されるレセプタクルに内蔵され、弁体をケーシングに収容して、前記弁体をバネの付勢力により弁座に着座させて閉弁する逆止弁機構であって、
前記レセプタクルには、前記ノズルが嵌合装着された際に、前記第１の管路と、前記逆止弁機構の前記弁座に設けられた導入孔とを連通する第１の流路と、前記逆止弁機構の前記弁座とは反対側の前記ケーシングの端部に設けられた導出孔と前記第２の管路とを連通する第２の流路と、を備えており、
前記逆止弁機構は、前記弁体が開弁時のカーテン面積と、前記弁体と前記ケーシングとの間の弁体外周流路の断面積と、の少なくとも一方が、前記第１の管路、前記第１の流路、前記導入孔、前記導出孔、前記第２の流路、および、前記第２の管路のいずれの断面積よりも、小さくなるように構成されている
ことを特徴とする逆止弁機構。
このようにすれば、高圧ガスが充填元から供給されない場合には、弁体に及ぼされるバネの付勢力により逆止弁を安定に閉弁することができ、また、高圧ガスが充填元から供給される場合には、弁体に及ぼされるバネの付勢力よりも、高圧ガスが弁体に及ぼす圧力の方をより大きくすることが可能であり、弁体を安定して開弁してチャタリングを抑制することができる。
［適用例２］
適用例１記載の逆止弁機構であって、
前記弁体は弁頭部と弁棒部を備えており、
前記弁棒部内部には、前記バネを設置するとともに、前記高圧ガスの流路となる弁体内流路を備えており、
前記弁頭部には、前記弁体内流路に通じる弁体内流路導入孔を備えており、
前記逆止弁機構は、前記カーテン面積と、前記弁体外周流路の断面積と、前記弁体内流路導入孔の断面積と、の少なくとも一つは、前記第１の管路、前記第１の流路、前記導入孔、前記導出孔、前記第２の流路、および、前記第２の管路のいずれの断面積よりも、小さくなるように構成されている
ことを特徴と逆止弁機構。
この構成においても、高圧ガスが充填元から供給されない場合には、弁体に及ぼされるバネの付勢力により逆止弁を安定に閉弁することができ、また、高圧ガスが充填元から供給される場合には、弁体に及ぼされるバネの付勢力よりも、高圧ガスが弁体に及ぼす圧力の方をより大きくすることが可能であり、弁体を安定して開弁してチャタリングを抑制することができる。
【０００８】
なお、本発明は、上記した逆止弁機構だけでなく、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、逆止弁機構の内蔵したレセプタクル、これを備える燃料電池システム、高圧ガス充填システム等の種々の形態で実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１実施例としての水素充填システム１０を概略的に示す説明図である。
【図２】逆止弁８０の構造上の条件を示す説明図である。
【図３】第２実施例における逆止弁８０Ａの構造上の条件を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
Ａ．第１実施例：
図１は本発明の第１実施例としての水素充填システム１０を概略的に示す説明図である。この水素充填システム１０は、駆動用のエネルギー源として水素を用いる車両２０と、車両２０に高圧水素ガスを充填供給する水素ガス充填装置３０と、を備えている。
【００１１】
車両２０は、駆動用電源として燃料電池を備える電気自動車であり、燃料電池のアノードに供給するための水素ガスを貯蔵する水素ガスタンク４０を搭載している。本実施例の車両２０が備える燃料電池は、複数の単セルを積層したスタック構造を有しており、例えば、固体高分子型燃料電池や、固体酸化物型燃料電池とすることができる。車両２０は、さらに、水素ガスタンク４０から水素の供給を受ける燃料電池の他、燃料電池のカソード側に酸化ガスとしての空気を供給するためのブロワや、燃料電池から電力を供給されて車両の駆動動力を発生するモータ、さらに２次電池等を備えている。車両２０の構成要素のうち、水素ガスタンク４０に対する水素充填に係る構成以外の構成については、図示および詳しい説明を省略する。
【００１２】
車両２０の水素ガスタンク４０には、この水素ガスタンク４０に水素ガスを供給するための水素ガス充填路４２が接続されている。水素ガス充填路４２は、その一端は水素ガスタンク４０に接続されるとともに、その他端はレセプタクル５０の下流側に接続されている。後述するノズル３２に嵌合装着される側のレセプタクル５０の上流側は、車両２０表面に設けられた開口部２２に設置されている。なお、ノズル３２とレセプタクル５０の嵌合部分５２（破線で示す部分）の詳細な構造は、実施例の説明上特に必要ではないため省略する。なお、水素ガスタンク４０は、燃料供給路４４を介して燃料電池に接続されている。
【００１３】
水素ガス充填装置３０は、定置型の装置であり、水素ガスを貯蔵する水素ガス貯蔵部６０を備えている。水素ガス貯蔵部６０は、上流側管路３６および下流側管路３８をかいしてノズル３２に接続されている。上流側管路３６と下流側管路３８との間には開閉バルブ３４が設けられている。この開閉バルブ３４は、水素ガス充填制御部７０によって制御される。ノズル３２は、車両２０の側のレセプタクル５０に対する嵌合装着と取り外しとにより、レセプタクル５０内の管路（詳しくは後述の逆止弁の管路等）との連通と遮断とを行う。下流側管路３８と上流側管路３６は、ノズル３２を用いたガス充填の便宜のため、耐高圧性のフレキシブルホースとされ、レセプタクル５０へのノズル３２の嵌合装着および取り外しに追従する。水素ガス充填制御装置７０は、論理演算を実行するＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えたいわゆるマイクロコンピュータで構成され、ガス充填・停止のためのノズル３２の操作に伴うセンサー入力を受けて、バルブ制御を含むガス充填に関しての制御を司る。
【００１４】
水素ガス貯蔵部６０は、車両２０に搭載される水素ガスタンク４０が満充填となったときよりも高い圧力（例えば、９０ＭＰａ程度）で、水素ガスを蓄えている。本実施例の水素ガス充填装置３０は、水素ガス貯蔵部６０よりも水素圧が低く（例えば、２０ＭＰａ程度）、より多くの水素を貯蔵することができる図示しない大容量水素ガス貯蔵装置を備えるようにしても良い。この場合には、水素ガス貯蔵部６０は、コンプレッサによって昇圧された水素ガスが上記大容量水素ガス貯蔵装置から供給されることによって、常に、内部の水素ガス圧力が充分に高く保たれている。
【００１５】
この水素ガス充填装置３０は、車両２０の水素ガスタンク４０への高圧水素ガス充填に供する施設であり、既存のガソリン車両に対するガソリン給油ステーションに相当する。なお、仮に、水素ガスタンク４０と燃料電池とが住居や店舗、工場などに設置される据え置き形態のものであれば、水素ガス充填装置３０は、トラックなどの車両に設置されてガス配送の形態のものとなる。
【００１６】
レセプタクル５０は、逆止弁８０を内蔵する。なお、図に示したレセプタクル５０は、説明を容易にするため概略断面を示している。逆止弁８０は、弁座８２と弁体８４とケーシング８６と、を備える。弁座８２は、本実施例では、円筒形の弾性部材（ここではプラスチックゴム）であり、略円形の断面の中央部に、この断面を貫通する導入孔８２ｉｈを備える。弁座８２は、弁体８４の上流側に設けられる。ケーシング８６は、弁座８２と接合され、その内部に弁体８４を収納する筐体であり、円筒形の中空形状を有する。弁体８４およびケーシング８６の材質としては、逆止弁８０の仕様条件に応じた種々の金属を用いることができ、本実施例では、反応ガスに対する耐腐食性を考慮して、ステンレス鋼を用いることとする。
【００１７】
ケーシング８６の内部には、弁体８４とケーシング８６の内壁との間に流体が通過可能なクリアランス領域（「クリアランス流路」とも呼ぶ）８８ｃを有するように、弁座８２と弁体８４とケーシング８６とによって囲まれた空間である弁室８８が形成される。弁体８４は、弁座８２に向かって先細りする略円錐形状を有する弁頭部８４ａと、円筒形状を有する弁棒部８４ｂと、を備える。弁棒部８４ｂの内部には、バネを固定収納する凹部８４ｃが形成されており、この凹部８４ｃは弁棒部８４ｂを下流側に向けて貫通している。この凹部８４ｃ内の弁頭部８４ａ側端部と、ケーシング８６の端部との間にバネ９０が固着され、弁体８４を下流側から上流側（弁座８２側）に向けて付勢する。この付勢力によって、弁頭部８４ａは弁座８２と気密に当接する。なお、ケーシング８６の下流側の端面には、弁室８８に流入したクリアランス領域８８ｃを介して下流側に移動したガスを、逆止弁８０から流出させる導出孔８６ｏｈが形成されている。
【００１８】
また、レセプタクル５０の内部には、逆止弁８０の導入孔８２ｉｈに接続され、嵌合部分５２まで延びる導入流路５４と、逆止弁８０の導出孔８６ｏｈに接続され、レセプタクル５０の下流側の流出口５８まで延び、水素ガス充填路４２に接続される導出流路５６と、が形成されている。なお、本実施例の導入流路５４が本発明における第１の流路に対応し、導出流路５６が本発明における第２の流路に対応する。
【００１９】
なお、以下の説明では、下記の各種流路の断面積を使用する。
・Ｓｓｉ１：上流側管路３６の断面積
・Ｓｓｉ２：下流側管路３８の断面積
・Ｓｎｉ１：嵌合部分５２の流路の断面積
・Ｓｒｉ１：導入流路５４の断面積
・Ｓｖｉ１：導入孔８２ｉｈの断面積
・Ｓｓｏ１：水素ガス充填路４２の断面積
・Ｓｒｏ１：導出流路５６の断面積
【００２０】
図２は、逆止弁８０の構造上の条件を示す説明図である。説明を容易にするため、下記の各種流路の断面積を使用する。
・Ｓｓｉ：上流側管路３６および下流側管路３８の断面積Ｓｓｉ１，Ｓｓｉ２、嵌合部分５２の流路の断面積Ｓｎｉ１、および、導入流路５４の断面積Ｓｒｉ１の総称
・Ｓｓｏ：水素ガス充填路４２の断面積Ｓｓｏ１および導出流路５６の断面積Ｓｒｏ１の総称
図２（Ａ）に示すように、水素ガスの流入が無い場合には、バネ９０による付勢力により、弁体８４を弁座８２に着座させることにより、弁体８４の弁頭部８４ａの先端部が、導入孔８２ｉｈの内壁に気密に当接し、閉弁状態となる。一方、図２（Ｂ）に示すように、水素ガスの供給が開始されて、逆止弁８０に流入するガスの上流側と下流側の圧力差による弁体８４に及ぼされるガス圧力が、バネ９０による付勢力よりも大きくなると、弁体８４は弁座８２から離れることになり、開弁状態となる。
【００２１】
ここで、従来例で説明したように、弁体８４に及ぼされるガス圧力とバネ９０の付勢力とがほぼ均衡した状態になると、いわゆるチャタリングが発生する。このチャタリングを抑制し防止するためには、弁体８４に及ぼされるガス圧力がバネ９０の付勢力よりも大きくなるようにすればよい。このためには、下記２つの関係式の少なくとも一方が成り立つことが条件となる。
Ｓｓｉ，Ｓｖｉ，Ｓｓｏ＞Ｓｖｉｏ …（１）
Ｓｓｉ，Ｓｖｉ，Ｓｓｏ＞Ｓｃｆ …（２）
Ｓｖｉｏ：開弁時カーテン面積(図２（Ｂ）に示した弁座の開口面積)
Ｓｃｆ ：開弁時クリアランス流路の断面積（図２（Ｃ）に示したクリアランス領域８４ｂの断面積）
【００２２】
例えば、Ｓｓｉ＞Ｓｖｉｏの場合には、逆止弁８０よりも上流側の流路の断面積Ｓｓｉに比べてカーテン面積Ｓｖｉｏが小さいので、逆止弁８０の上流側から下流側に流れるガスの圧力損失が大きくなる。同様に、Ｓｖｉ＞Ｓｖｉｏ又はＳｓｏ＞ｓｖｉｏの場合にも、逆止弁８０の上流側から下流側に流れるガスの圧力損失が大きくなる。また、Ｓｓｉ＞Ｓｃｆの倍には、逆止弁８０よりも恕湯悠側の流路の断面積Ｓｓｉに比べてクリアランス流路の断面積Ｓｃｆが小さいので、逆止弁８０の上流側から下流側に流れるガスの圧力損失が大きくなる。同様に、Ｓｖｉ＞Ｓｃｆ又はＳｓｏ＞ｓｃｆの場合にも、逆止弁８０の上流側から下流側に流れるガスの圧力損失が大きくなる。このように、（１）式と（２）式の少なくとも一方が成り立つ場合には、逆止弁８０は、逆止弁８０の上流側と下流側の水素ガスの圧力差がバネ９０の付勢力よりも大きくなるように動作するため、弁体８４に及ぼされるバネ９０の付勢力よりも、高圧の水素ガスが弁体８４に及ぼす圧力の方をより大きくすることが可能であり、弁体８４を安定して開弁してチャタリングを抑制することができる。
【００２３】
Ｂ．第２実施例：
図３は、第２実施例における逆止弁８０Ａの構造上の条件を示す説明図である。なお、第２実施例における水素充填システムの構成は、逆止弁８０Ａの構造及びその条件を除いて同様であるので、以下では、逆止弁８０Ａの構造及びその条件についてのみ説明を加えることとする。
【００２４】
図３（Ａ）に示すように、本実施例の逆止弁８０Ａは、弁頭部８４Ａａに、弁頭部８４Ａａから弁棒部８４Ａｂの内部に形成されている凹部８４Ａｃまでを貫通させる導入孔８４Ａｄが形成されている点が異なっている。この導入孔８４Ａｄを設けたことにより、第１実施例では、バネ９０を固着収納する役目しかなかった凹部８４Ａｃが弁体内流路としての機能を有することになる。これにより、第１実施例におけるクリアランス領域８８ｃによるクリアランス流路だけでなく、弁体内流路を有することになるので、開弁時において、より多くの水素ガスを上流側から下流側に流すことができる。
【００２５】
ここで、本実施例においてチャタリングを抑制し防止するためには、第１実施例における条件に加えて、導入孔８４Ａｄおよび弁体内部流路（凹部８４Ａｃ）を通過する水素ガスが弁体に及ぼす圧力の方がバネ９０の付勢力よりも大きくなるという条件も考慮しなければならない。このためには、下記３つの関係式の少なくとも一つが成り立つことが条件となる。
Ｓｓｉ，Ｓｖｉ，Ｓｓｏ＞Ｓｖｉｏ …（１）
Ｓｓｉ，Ｓｖｉ，Ｓｓｏ＞Ｓｃｆ …（２）
Ｓｓｉ，Ｓｖｉ，Ｓｓｏ＞Ｓｉｆ …（３）
Ｓｖｉｏ：開弁時カーテン面積(図２（Ｂ）に示した弁座の開口面積)
Ｓｃｆ ：開弁時クリアランス流路の断面積（図２（Ｃ）に示したクリアランス領域８４ｂの断面積）
Ｓｉｆ :開弁時導入孔の断面積（図３（Ｄ）に示した弁頭部８４Ａａに形成された導入孔８４Ａｄの断面積の総和）
【００２６】
（１）式〜（３）式の少なくとも一つが成り立つ場合には、逆止弁８０Ａは、逆止弁８０Ａの上流と下流の水素ガスの圧力差がバネ９０の付勢力よりも大きくなるように動作するため、弁体８４Ａに及ぼされるバネ９０の付勢力よりも、高圧の水素ガスが弁体８４に及ぼす圧力の方をより大きくすることが可能であり、弁体８４Ａを安定して開弁してチャタリングを抑制することができる。
【００２７】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。
【００２８】
例えば、上記実施例の逆止弁８０，８０Ａに備えられる弁体８４，８４Ａは、弁頭部８４ａ，８４Ａａと弁棒部８４ｂ、８４Ａｂとを備える構成を例に説明したが、これに限定されるものではなく、弁体とケーシングとの間のクリアランス領域に突起領域を備える構成の弁体を用いてもより。また、上記実施例では、弁体８４，８４Ａの内部に設けられた凹部８４ｃの端部とケーシング８６の端部との間にバネ９０を固着する構成を例に説明したが、これに限定されるものではなく、弁棒部の下端部とケーシング５６の端部との間にバネを１つ以上固着する構成としてもよい。すなわち、弁体をケーシングに収容して、弁体をバネの付勢力により弁座に着座させて閉弁する機構の逆止弁であれば、種々のものに本発明を適用可能である。
【００２９】
また、上記実施例は、水素ガスを例に説明しているが、これに限定されるものではなく、他の種々の高圧ガスの充填用の逆止弁機構に適用可能である。
【符号の説明】
【００３０】
１０…水素充填システム
２０…車両
２２…開口部
３０…水素ガス充填装置
３２…ノズル
３４…開閉バルブ
３６…上流側管路
３８…下流側管路
４０…水素タンク
４２…水素ガス充填路
４４…燃料供給路
５０…レセプタクル
５２…嵌合部分
５４…導入流路
５６…導出流路
５８…流出口
６０…水素ガス貯蔵部
７０…ガス充填制御部
８０…逆止弁
８０Ａ…逆止弁
８２…弁座
８２ｉｈ…導入孔
８４ａ側端部…弁頭部
８４…弁体
８４Ａ…弁体
８４ａ…弁頭部
８４ｂ…弁棒部
８４ｃ…凹部
８４Ａａ…弁頭部
８４Ａｂ…弁棒部
８４Ａｃ…凹部
８４Ａｄ…導入孔
８６…ケーシング
８６ｏｈ…導出孔
８８…弁室
８８ｃ…クリアランス領域
９０…バネ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高圧ガスの充填元から延びた第１の管路の先端に設置されるノズルに嵌合装着されるとともに充填対象から延びた第２の管路の先端に設置されるレセプタクルに内蔵され、弁体をケーシングに収容して、前記弁体をバネの付勢力により弁座に着座させて閉弁する逆止弁機構であって、
前記レセプタクルには、前記ノズルが嵌合装着された際に、前記第１の管路と、前記逆止弁機構の前記弁座に設けられた導入孔とを連通する第１の流路と、前記逆止弁機構の前記弁座とは反対側の前記ケーシングの端部に設けられた導出孔と前記第２の管路とを連通する第２の流路と、を備えており、
前記逆止弁機構は、前記弁体が開弁時のカーテン面積と、前記弁体と前記ケーシングとの間の弁体外周流路の断面積と、の少なくとも一方が、前記第１の管路、前記第１の流路、前記導入孔、前記導出孔、前記第２の流路、および、前記第２の管路のいずれの断面積よりも、小さくなるように構成されている
ことを特徴とする逆止弁機構。
【請求項２】
請求項１記載の逆止弁機構であって、
前記弁体は弁頭部と弁棒部を備えており、
前記弁棒部内部には、前記バネを設置するとともに、前記高圧ガスの流路となる弁体内流路を備えており、
前記弁頭部には、前記弁体内流路に通じる弁体内流路導入孔を備えており、
前記逆止弁機構は、前記カーテン面積と、前記弁体外周流路の断面積と、前記弁体内流路導入孔の断面積と、の少なくとも一つは、前記第１の管路、前記第１の流路、前記導入孔、前記導出孔、前記第２の流路、および、前記第２の管路のいずれの断面積よりも、小さくなるように構成されている
ことを特徴と逆止弁機構。
【請求項１】
高圧ガスの充填元から延びた第１の管路の先端に設置されるノズルに嵌合装着されるとともに充填対象から延びた第２の管路の先端に設置されるレセプタクルに内蔵され、弁体をケーシングに収容して、前記弁体をバネの付勢力により弁座に着座させて閉弁する逆止弁機構であって、
前記レセプタクルには、前記ノズルが嵌合装着された際に、前記第１の管路と、前記逆止弁機構の前記弁座に設けられた導入孔とを連通する第１の流路と、前記逆止弁機構の前記弁座とは反対側の前記ケーシングの端部に設けられた導出孔と前記第２の管路とを連通する第２の流路と、を備えており、
前記逆止弁機構は、前記弁体が開弁時のカーテン面積と、前記弁体と前記ケーシングとの間の弁体外周流路の断面積と、の少なくとも一方が、前記第１の管路、前記第１の流路、前記導入孔、前記導出孔、前記第２の流路、および、前記第２の管路のいずれの断面積よりも、小さくなるように構成されている
ことを特徴とする逆止弁機構。
【請求項２】
請求項１記載の逆止弁機構であって、
前記弁体は弁頭部と弁棒部を備えており、
前記弁棒部内部には、前記バネを設置するとともに、前記高圧ガスの流路となる弁体内流路を備えており、
前記弁頭部には、前記弁体内流路に通じる弁体内流路導入孔を備えており、
前記逆止弁機構は、前記カーテン面積と、前記弁体外周流路の断面積と、前記弁体内流路導入孔の断面積と、の少なくとも一つは、前記第１の管路、前記第１の流路、前記導入孔、前記導出孔、前記第２の流路、および、前記第２の管路のいずれの断面積よりも、小さくなるように構成されている
ことを特徴と逆止弁機構。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１１−９４６４１（Ｐ２０１１−９４６４１Ａ）
【公開日】平成２３年５月１２日（２０１１．５．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２４６３８８（Ｐ２００９−２４６３８８）
【出願日】平成２１年１０月２７日（２００９．１０．２７）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年５月１２日（２０１１．５．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１０月２７日（２００９．１０．２７）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]