特開 2024-38710 弁システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024038710

(43)【公開日】2024-03-21

(54)【発明の名称】弁システム

(51)【国際特許分類】

   G05D 16/20 20060101AFI20240313BHJP

   F16K 31/04 20060101ALI20240313BHJP

   F02M 25/08 20060101ALI20240313BHJP

   F02M 37/00 20060101ALI20240313BHJP

   H01M 8/04746 20160101ALI20240313BHJP

   H01M 8/0438 20160101ALI20240313BHJP

   H01M 8/04 20160101ALI20240313BHJP

   F16K 37/00 20060101ALN20240313BHJP

【ＦＩ】

G05D16/20 Z

F16K31/04 K

F02M25/08 D

F02M37/00 301H

H01M8/04746

H01M8/0438

H01M8/04 J

F16K37/00 D

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022142941

(22)【出願日】2022-09-08

(71)【出願人】

【識別番号】000116574

【氏名又は名称】愛三工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000394

【氏名又は名称】弁理士法人岡田国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】山形 匡史

【テーマコード（参考）】

3G144

3H062

3H065

5H127

5H316

【Ｆターム（参考）】

3G144BA14

3G144DA03

3G144EA05

3G144EA08

3G144FA04

3H062AA02

3H062AA16

3H062BB10

3H062CC02

3H062DD01

3H062FF07

3H062FF10

3H062HH02

3H065AA01

3H065BA01

3H065BA07

3H065BB11

3H065BC02

5H127AB04

5H127BA02

5H127BA22

5H127BA59

5H127DB82

5H127DC02

5H127EE19

5H316AA09

5H316CC07

5H316DD15

5H316EE02

5H316FF01

(57)【要約】

【課題】封鎖弁の開弁位置をより早く推定できる弁システムを提供すること。
【解決手段】弁システム１は、流体を貯留可能なタンク２と、タンク２の内圧を検出する圧力センサ６と、弁体１１を有しタンク２を開閉するバルブ４と、バルブ４の弁体１１をストロークさせるための駆動装置と、制御装置５を備える。制御装置５は、駆動装置を操作して閉弁状態のバルブ４を一定の開弁速度で連続的に開弁させ、圧力センサ６によりタンク２の内圧が一定値減少したことを検知した際に弁体１１の位置を記憶又は弁体１１を停止させ、弁体１１の記憶した位置又は停止位置とタンク２の開放前の内圧に対して予め決定された内圧が一定値減少するまでの弁体１１の開弁量とに基づいてバルブ４の開弁位置を推定するように構成されている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

弁システムであって、
流体を貯留可能なタンクと、該タンクの内圧を検出する圧力センサと、弁体を有し前記タンクを開閉するバルブと、該バルブの前記弁体をストロークさせるための駆動装置と、制御装置を備え、
該制御装置は、
前記駆動装置を操作して閉弁状態の前記弁体を一定の開弁速度で連続的に開弁方向に移動させ、
前記圧力センサにより前記タンクの内圧が一定値減少したことを検知した際に、前記弁体の位置を記憶又は前記弁体を停止させ、
前記弁体の記憶した位置又は停止位置と前記タンクの開弁前の内圧に対して予め決定された内圧が一定値減少するまでの前記弁体の開弁量とに基づいて前記バルブの開弁位置を推定するように構成されている弁システム。

【請求項2】

弁システムであって、
流体を貯留可能なタンクと、該タンクの内圧を検出する圧力センサと、弁体を有し前記タンクを開閉するバルブと、該バルブの前記弁体をストロークさせるための駆動装置と、制御装置を備え、
該制御装置は、
前記駆動装置を操作して閉弁状態の前記弁体を一定の開弁速度で連続的に開弁方向に移動させ、
前記圧力センサにより前記タンクの内圧が一定値減少したことを検知した際に、前記弁体の位置を記憶又は前記弁体を停止させ、
前記タンクの開弁前の内圧に対して予め決定された内圧が一定値減少するまでの前記弁体の開弁量以上の一定のストローク量を前記弁体の記憶した位置又は停止位置から差し引いた位置を開弁位置とみなすように構成されている弁システム。

【請求項3】

請求項１又は請求項２に記載の弁システムであって、
前記制御装置は、前記予め決定された内圧が一定値減少するまでの前記弁体の開弁量が所定量以下となるように前記タンクの開放前の内圧に応じて、前記弁体の前記開弁速度を切り替えるように構成されている弁システム。

【請求項4】

請求項１又は請求項２に記載の弁システムであって、
前記駆動装置はステッピングモータとされる弁システム。

【請求項5】

請求項１又は請求項２に記載の弁システムであって、
前記制御装置は、推定された前記開弁位置から前記弁体を閉弁方向に所定量移動させた位置を前記弁体の待機位置として設定するように構成されている弁システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、弁システムに関する。詳しくは、流体を貯留可能なタンクと、タンクを開閉可能なバルブとを備える弁システムに関する。

【背景技術】

【0002】

エンジンを備えた自動車等の車両には、燃料タンクと、その燃料タンク内で発生した燃料蒸気（ベーパ）を吸着するキャニスタとを備える蒸発燃料処理システムが搭載されている。通常、燃料タンクとキャニスタとを繋ぐベーパ通路は封鎖弁で遮断されており、キャニスタに吸着させる必要があるときにだけ封鎖弁が開かれる。特開２０１８－１００６４３号公報に開示されているシステムにおける封鎖弁は、ステッピングモータで開度を調整している。封鎖弁の弁体の開弁位置は環境や封鎖弁の部品公差によってばらつきが生じるため、開弁位置を把握する必要がある。上記のシステムでは、閉弁状態の封鎖弁を２ステップずつ段階的に開弁させ、開弁動作に伴う燃料タンクの圧力変化に基づいて封鎖弁の開弁位置を推定している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１８－１００６４３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上記公報の弁システムでは、バルブの２ステップずつの開弁動作毎にタンクの圧力変化に基づいて開弁したかどうかを推定する。このため、バルブの開弁位置を推定するまでに時間がかかる。そこで、バルブの開弁位置をより早く推定できる弁システムを提供することが望まれる。

【課題を解決するための手段】

【0005】

一つの態様としての弁システムは、流体を貯留可能なタンクと、弁体を有しタンクの内圧を検出する圧力センサと、タンクを開閉するバルブと、バルブの弁体をストロークさせるための駆動装置と、制御装置を備える。制御装置は、駆動装置を操作して閉弁状態の弁体を一定の開弁速度で連続的に開弁方向に移動させ、圧力センサによりタンクの内圧が一定値減少したことを検知した際に弁体の位置を記憶又は弁体を停止させ、弁体の記憶した位置又は停止位置とタンクの開弁前の内圧に対して予め決定された内圧が一定値減少するまでの弁体の開弁量とに基づいてバルブの開弁位置を推定するように構成されている。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】第１実施形態に係る弁システムの構成図である。

【図2】開弁位置の推定方法を説明するタイムチャートである。

【図3】バルブの開弁速度とタンクの開放前の内圧に基づいた開弁量を示すグラフである。

【図4】バルブの推定された開弁位置と待機位置を示すグラフである。

【図5】制御装置にみなされたバルブの開弁位置と待機位置を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0007】

＜弁システム＞
以下、種々の実施形態を図１～５を用いて説明する。弁システム１は、図１に示すように、流体を貯留する閉空間を成すタンク２と、タンク２内の流体の供給先７と、タンク２と供給先７とを繋ぐ供給路３を有する。弁システム１は、供給路３を開閉可能なバルブ４を有する。バルブ４を開くとタンク２の流体が供給路３を通って供給先７に流入する。供給先７は例えば燃料電池とすることができ、この場合、弁システム１は、例えば燃料電池に水素燃料を供給する水素タンクを備えた水素燃料供給システムに適用される。

【0008】

弁システム１は、タンク２の内圧Ｐを測定する圧力センサ６と、制御装置５を有する。制御装置５は、少なくとも一つのプロセッサと少なくとも一つのメモリとを有するコンピュータシステムである。制御装置５には、圧力センサ６からの測定信号が入力される。また制御装置５は、バルブ４の動作状態を制御するように制御信号を出力する。制御装置５のメモリには、バルブ４の制御のための各種プログラムや各種データ（マップを含む）が記憶されている。メモリに記憶されているプログラムがプロセッサで実行されることで、以下に説明する制御が実現される。例えば、バルブ４を通した流体の流量制御は、プログラムが実行されることによって実現される機能の一つである。

【0009】

＜バルブ＞
バルブ４は、図１に示すように、弁体１１と、これをストロークさせる駆動装置（アクチュエータ）とを有する。駆動装置は例えばロータとステータを備えるステッピングモータ１２と、弁体１１から上方に延びる出力軸１３を有する。ステッピングモータ１２は、出力軸１３を介して弁体１１をストロークさせる。詳しくは、出力軸１３の表面には雄ねじが形成される。出力軸１３は、ステッピングモータ１２のロータと螺合した状態に組み付けられる。このため出力軸１３は、ロータの回転により、軸方向（上下方向）に動く。出力軸１３の上下移動に伴い、弁体１１も上下に移動する。

【0010】

また、弁体１１の下面にはゴム状のシール部材１４が設けられている。弁体１１がステッピングモータ１２により下降すると、シール部材１４が供給路３の座部３ａに上方から押し付けられる。これにより、弁体１１が供給路３を適切に遮断して、タンク２を封鎖することができる。そして、弁体１１が上昇してシール部材１４が座部３ａから離されることで、上流路３ｂと下流路３ｃとが連通状態となる。これにより、タンク２から供給先７に向かって流体が流れるようになる。

【0011】

制御装置５は、ステップ数の制御によりステッピングモータ１２を正転又は逆転方向に回転駆動させることができる。予め決められたステップ数だけステッピングモータ１２を正転又は逆転方向に回転させることで、弁体１１が上下方向（開閉方向）に予め決められたストローク量だけ移動する。すなわち、ステップ数の制御により弁体１１のストローク量を調整することができるようになっている。

【0012】

上記シール部材１４が供給路３の座部３ａから離れ始める開弁位置を基準として弁体１１のストローク量を調整することで、タンク２から供給先７に流れる流量をコントロールすることができる。しかし、バルブ４の開弁位置は、弁システム１の環境や部品の公差によりばらつきが生じる。そこで、流量のコントロールを行う前にバルブ４の開弁位置を推定する必要がある。

【0013】

＜開弁位置の推定方法＞
次に、図２を用いてバルブ４の開弁位置の推定方法について説明する。図２の上側のグラフは、時間（横軸）に対するタンク２の内圧Ｐの変化を表している。タンク２の内圧Ｐは、圧力センサ６により例えば一定周期毎に測定される。また図２の下側のグラフは、時間（横軸）に対するステッピングモータ１２のステップ数の変化、すなわち弁体１１のストローク量を表している。

【0014】

図２に示すように、初め、弁体１１はステッピングモータ１２のステップ数が０の位置まで下げられた状態とされる。これによりバルブ４は閉弁状態となっている。まず、制御装置５は、一定の速度（例えば３０ｍｓ／ステップ）で連続的に弁体１１を開弁方向に移動させる。そして、弁体１１の開弁動作によって供給路３が開き始めると、タンク２内の流体が流出してタンク２の内圧Ｐが減少し始める。

【0015】

次に、制御装置５でタンク２の内圧Ｐを監視し、タンク２の内圧Ｐが一定の判定圧ΔＰ（例えば０．２ｋＰａ）分減少したことを検知した時点で、弁体１１の開弁動作を停止させる。判定圧ΔＰは、用いた圧力センサ６の分解能（例えば０．１ｋＰａ）を基準にその倍数（例えば２倍）として設定することができるが、これに限定されない。

【0016】

圧力センサ６の分解能が有限である限り、弁体１１の停止位置Ｓ１は、供給路３がちょうど開き始める開弁位置からある程度の量だけ開弁した位置となる。この開弁量は判定圧ΔＰだけでなくバルブ４の開弁速度とタンク２の開放前の内圧Ｐとに依存すると考えられるため、様々な開弁速度と内圧Ｐに対して予め測定（あるいはこれらのパラメータに基づいて計算）し、マップ等の形で制御装置５に記憶させておく。図３は、タンク２の開放前の内圧Ｐに応じた弁体１１の開弁量、すなわち開弁位置を基準とした際の停止位置Ｓ１を表しており、〇印は弁体１１を３０ｍｓ／ステップで開弁させた場合を示す（停止位置Ｓ１ａ）。また、×印が弁体１１を６０ｍｓ／ステップで開弁させた場合を示す（停止位置Ｓ１ｂ）。例えば開弁速度が３０ｍｓ／ステップでタンク２の開放前の内圧Ｐが１１ｋＰａの場合、タンク２が０．２ｋＰａ減少するまでにバルブ４がおよそ１５ステップに相当する量だけ開弁することを示している。

【0017】

制御装置５は、この予め測定や計算により決定された停止までの開弁量に基づいてバルブ４の開弁位置を推定する。具体的には、バルブ４の停止位置Ｓ１から上記の予め決定された開弁量の分を差し引いた位置Ｓ２を開弁位置として推定する（推定開弁位置Ｓ２）。

【0018】

図示しない別の実施形態として、制御装置５は、タンク２の内圧Ｐが一定の判定圧ΔＰ分減少したことを検知した時点の弁体１１の位置（ステップ数）を記憶しても良い。そして、停止位置Ｓ１の代わりに、この記憶した位置から上記予め決定された開弁量を差し引いた位置を開弁位置として推定しても良い。これにより、判定圧ΔＰを検知した際すぐに弁体１１を停止させることが難しい場合でも開弁位置を推定することができる。

【0019】

＜タンク内圧が低い場合の推定方法＞
バルブ４の開弁速度を一定とした場合、タンク２の開放前の内圧Ｐが小さいほど内圧Ｐの変化に時間がかかるため、圧力変化が判定圧ΔＰに達するまでの弁体１１の開弁量が増加する。例えば、バルブ４の開弁速度を常に３０ｍｓ／ステップに設定した場合、タンク２の開放前の内圧Ｐが１１ｋＰａよりも小さいと、図３のグラフの傾向から判定圧ΔＰに達するまでの開弁量がより大きくなると推測される。このように弁体１１が開弁位置からより大きく開弁することは、例えばタンク２から供給先７に対する流量を抑えたい場合には好ましくない。また、開弁速度が速すぎることで通常の場合よりも弁体１１が過剰に開弁してしまう懸念がある。

【0020】

そこで、タンク２の開放前の内圧Ｐが小さい場合にはバルブ４の開弁速度を下げることが望ましい。例えばバルブ４の開弁速度を６０ｍｓ／ステップに設定することで、図３の×印に示すように、タンク２の内圧Ｐが０．２ｋＰａ下がるまでの弁体１１の開弁量を１５ステップ以下に抑えることができる。このような場合でも、バルブ４の停止位置Ｓ１から予め測定された停止までの開弁量を差し引くことによってバルブ４の開弁位置を推定することができる。このように、タンク２の開放前の内圧Ｐに応じてバルブ４の開弁速度を切り替えることで、流量を過剰に増やすことなく精度よく開弁位置を推定することができる。上記の具体的な開弁速度はあくまで例であり、タンクの内圧や判定圧に応じて任意の適切な開弁速度を設定することができる。また、タンクの開放前の内圧に応じて３つ以上の速度を設定することもできる。

【0021】

＜バルブの待機位置＞
推定開弁位置Ｓ２を推定した後には、図２に示すように、バルブ４の反転に必要な一定時間の待機後にバルブ４を待機位置Ｓ３まで閉弁させることができる。待機位置Ｓ３は、推定開弁位置Ｓ２よりも閉弁側に位置する。例えば待機位置Ｓ３は、推定開弁位置Ｓ２から１６ステップ分閉弁させた位置とすることができる。バルブ４が待機位置Ｓ３まで閉弁することで、周囲から振動等を受けてもバルブ４が適切にシールされた状態に保持することができる。図４にタンク２の開放前の内圧Ｐに応じたバルブ４の停止位置Ｓ１、推定開弁位置Ｓ２及び待機位置Ｓ３を示す。なお待機位置Ｓ３は、推定開弁位置Ｓ２から必ずしも１６ステップ分閉じた位置である必要はなく、推定開弁位置Ｓ２から閉弁側に位置すれば良い。

【0022】

＜開弁位置の大まかな推定＞
別の実施形態として、制御装置５は、図３に示す予め測定などにより決定された開弁量のデータを用いることなくバルブ４の開弁位置を大まかに推定しても良い。例えば、上記開弁量のデータが得られた場合、タンク２の開放前の内圧Ｐが１１ｋＰａ≦Ｐ≦３５ｋＰａの場合には開弁速度を３０ｍｓ／ステップ、タンク２の開放前の内圧Ｐが２ｋＰａ＜Ｐ＜１１ｋＰａの場合には開弁速度を６０ｍｓ／ステップとすることで、上記範囲のいずれの内圧においても停止位置Ｓ１での開弁量が１５ステップ以下となることが予め分かっている。このような場合、図５に示すように、タンク２の内圧によらずバルブ４の停止位置Ｓ１から１５ステップだけ差し引いた位置Ｓ２を開弁位置としてみなす（大まかな推定開弁位置Ｓ２）。この大まかな推定開弁位置Ｓ２ではバルブ４は少なくとも供給路３を閉弁する。このため、より早く推定開弁位置Ｓ２を決定することができる。そして、推定開弁位置Ｓ２から更に所定量（例えば１６ステップ）だけ差し引いた位置にてバルブ４を待機させても良い（待機位置Ｓ３）。

【0023】

別の実施形態として、タンク２の内圧Ｐが判定圧ΔＰ分減少したことを検知した時点での弁体１１の位置を記憶し、記憶した位置から一定のストローク量（例えば１５ステップ）だけ差し引いた位置を推定開弁位置としてみなしても良い。

【0024】

＜利点＞
以上をまとめると、弁システム１は、流体を貯留可能なタンク２と、弁体１１を有しタンク２の内圧を検出する圧力センサ６と、タンク２を開閉するバルブ４と、バルブ４の弁体１１をストロークさせるための駆動装置と、制御装置５を備える。制御装置５は、駆動装置を操作して閉弁状態の弁体１１を一定の開弁速度で連続的に開弁方向に移動させ、圧力センサ６によりタンク２の内圧が一定値減少したことを検知した際に、弁体１１の位置を記憶又は弁体１１を停止させ、弁体１１の記憶した位置又は停止位置Ｓ１とタンク２の開弁前の内圧に対して予め決定された内圧が一定値減少するまでの弁体１１の開弁量とに基づいてバルブ４の推定開弁位置Ｓ２を推定するように構成されている。このような構成となっていることにより、弁体１１を断続的に開弁方向に移動させて都度開弁したか否かを推定する方法と比べて、バルブ４の開弁位置をより早く推定することができる。

【0025】

実施形態によっては、制御装置５は、駆動装置を操作して閉弁状態の弁体１１を一定の開弁速度で連続的に開弁方向に移動させ、圧力センサ６によりタンク２の内圧が一定値減少したことを検知した際に、弁体１１の位置を記憶又は弁体１１を停止させ、タンク２の開弁前の内圧に対して予め決定された内圧が一定値減少するまでの弁体１１の開弁量以上の一定のストローク量を弁体１１の記憶した位置又は停止位置Ｓ１から差し引いた位置を推定開弁位置Ｓ２とみなすように構成されている。このような構成となっていることにより、大まかな推定開弁位置Ｓ２をより早く決定することができる。大まかな推定値であっても推定開弁位置Ｓ２が把握できていれば、開弁位置が全く不明である場合と比べれば流量の制御性を高めることができるうえ、バルブ４の適切な待機位置Ｓ３を設定することが可能となる。

【0026】

また、制御装置５は、予め決定された内圧が一定値減少するまでの弁体１１の開弁量が所定量以下となるようにタンク２の開放前の内圧に応じて、バルブ４の開弁速度を切り替えるように構成されている。このような構成となっていることにより、バルブ４を開き過ぎることなく精度よく推定開弁位置Ｓ２を推定又は決定することができる。

【0027】

また、駆動装置はステッピングモータ１２とされる。このような構成となっていることにより、環境条件や部品交差等によりばらつきへの影響の大きいステッピングモータ１２を用いてもバルブ４の推定開弁位置Ｓ２をより早く推定又は決定することができる。

【0028】

また、制御装置５は、推定された推定開弁位置Ｓ２からバルブ４を閉弁方向に所定量移動させた位置をバルブ４の待機位置Ｓ３として設定するように構成されている。このような構成となっていることにより、バルブ４が外部からの振動等の外力を受けてもシール性を保持したまま適切に閉弁することができる。

【0029】

＜その他の実施形態＞
以上に説明した弁システムは、水素燃料供給システムの他、例えば自動車の燃料を貯留する燃料タンクと、燃料タンクから蒸発した燃料蒸気を吸着するキャニスタと、燃料タンクとキャニスタとを繋ぐベーパ通路とを備えた蒸発燃料処理システムに適用することもできる。弁システムは、その他流体を貯留するタンクとタンクを開閉するバルブを備えたシステムであれば広く適用することができる。

【0030】

別の実施形態として、駆動装置はステッピングモータの他にリニアソレノイド、ＤＣモータ方式等を用いても良い。その他、バルブの弁体を電気的に駆動できるものであればどのような装置であっても良い。

【0031】

以上、様々な実施形態を説明したが、本開示はそれらの実施形態に限定されるものではなく、当業者であれば他にも各種の変形、置換、改良などが可能である。

【符号の説明】

【0032】

１ 弁システム
２ タンク
３ 供給路
３ａ 座部
３ｂ 上流路
３ｃ 下流路
４ バルブ
５ 制御装置
６ 圧力センサ
７ 供給先
１１ 弁体
１２ ステッピングモータ
１３ 出力軸
１４ シール部材
Ｐ 内圧
ΔＰ 判定圧
Ｓ１ 停止位置
Ｓ１ａ 停止位置
Ｓ１ｂ 停止位置
Ｓ２ 推定開弁位置
Ｓ３ 待機位置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】