特開 2024-55475 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】P2024055475

(43)【公開日】2024-04-18

(54)【発明の名称】弁システム

(51)【国際特許分類】

   F02M 25/08 20060101AFI20240411BHJP

   F02M 37/00 20060101ALI20240411BHJP

【ＦＩ】

F02M25/08 D

F02M37/00 311K

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022162427

(22)【出願日】2022-10-07

(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

【Ｆターム（参考）】

3G144BA16

3G144DA03

3G144EA08

3G144EA17

3G144EA32

3G144EA40

3G144FA04

3G144GA03

3G144GA23

(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ステッピングモータ１２と、制御装置５を備える。制御装置５は、サイクル開始後にバルブ４を開弁方向に移動させ、バルブ４の弁体１１の移動方向を反転して閉弁状態の待機位置まで移動させ、サイクルが開始してからの内圧の変化率である第１の圧力変化率を算出し、第１の圧力変化率が目標変化率よりも大きい場合にはサイクルの開始から終了までの内圧の変化率である内圧の第２の圧力変化率が目標変化率と等しくなるように待機時間を決定し、決定した待機時間が経過するまでステッピングモータ１２を待機位置で停止させ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、
サイクル開始後に前記バルブの弁体を開弁方向に移動させ、
前記バルブの弁体の移動方向を反転して閉弁状態の待機位置まで移動させ、
前記サイクルが開始してからの内圧の変化率である第１の圧力変化率を算出し、
前記第１の圧力変化率が目標変化率よりも大きい場合には前記サイクルの開始から終了までの内圧の変化率である第２の圧力変化率が前記目標変化率に等しくなるように待機時間を決定し、
決定した前記待機時間が経過するまで前記駆動装置を前記待機位置で待機させるように構成されている弁システム。

【請求項2】

請求項１に記載の弁システムであって、
前記制御装置が、
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、前記バルブの弁体の移動方向を反転させる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、
前記第１の圧力変化率が前記目標変化率以下である場合には、前記待機時間を０に設定す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、
前記制御装置が、
前記バルブの弁体を開弁方向に移動させたあと移動方向を反転させる前に前記サイクルが開始してからの内圧の変化率である第３の圧力変化率を算出し、
前記第３の圧力変化率が前記目標変化率以下である場合、前記バルブの移動方向を反転させずに開弁状態を継続させるように構成されている弁システム。

【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、
前記サイクルの開始時に前記駆動装置への通電を開始し、前記待機時間の開始時に通電を終了し、前記変化率が前記駆動装置の通電時間に基づいて算出される弁システム。

【請求項6】

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。

【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時にだけ封鎖弁が開かれる。特開２０１９－１８３６７７号公報に開示されているシステムでは、燃料タンクの内圧の変化量から推定した流量に基づいてステッピングモータを動作させ弁体の開弁量を調整する。これにより内圧の変化量を制御することで、燃料タンクからキャニスタに送られる燃料蒸気の流量を制御する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１９－１８３６７７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

弁体を移動させるための駆動装置（アクチュエータ）が動作信号を受けてからの応答性が十分でない場合には精度よく制御することが困難になる。また、上述の公報に開示されているシステムのように駆動装置としてステッピングモータを用いた場合、弁体の移動方向を反転させる際に脱調防止のための待機時間を設ける必要があるため、弁体の開弁量を細かく調整するのに限界がある。そこで、駆動装置の応答性や必要な待機時間に関係なく流量制御のための圧力制御をより精度よく実施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、タンクの内圧を検出する圧力センサと、弁体を有し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、サイクル開始後にバルブの弁体を開弁方向に移動させ、バルブの弁体の移動方向を反転して閉弁状態の待機位置まで移動させ、サイクルが開始してからの内圧の変化率である第１の圧力変化率を算出し、第１の圧力変化率が目標変化率よりも大きい場合にはサイクルの開始から終了までの内圧の変化率である第２の圧力変化率が目標変化率に等しくなるように待機時間を決定し、決定した待機時間が経過するまで駆動装置を待機位置で待機させるように構成されている。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】弁システムの構成図である。

【図2】タンク内圧の変化率の制御を行うための処理のルーチンを示すフローチャートである。

【図3】閉弁後の時点までの圧力の変化率Ｒ₂が目標変化率Ｒ₀よりも大きい場合のタイムチャートである。

【図4】変化率Ｒ₂が目標変化率Ｒ₀以下である場合のタイムチャートである。

【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１～４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。弁システム１は、例えば水素タンクを備え燃料電池に水素燃料を供給する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、この弁体１１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と一体に組み付けられた出力軸１３を有する。出力軸１３の表面には雄ねじが形成され、雌ねじが形成された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】

＜タンク内圧の変化率の制御方法＞
タンク２から供給先７に流れる流体の流量は、バルブ４の開弁により減少するタンク２の内圧Ｐの時間あたりの変化量（変化率Ｒ）に依存する。したがって流量の制御は、以下に説明するようにタンク２の内圧Ｐの変化率Ｒが目標変化率Ｒ₀となるように制御することを通して実現できる。しかし、当然ながら、タンク２の内圧Ｐの変化率Ｒの制御自体が目的である場合にも以下の方法を用いることができる。

【0013】

図２は、一つの具体的な実施形態としての内圧Ｐの変化率Ｒの制御を行うために制御装置５が実行する処理のルーチンを示すフローチャートである。図３～４にはそれぞれ制御例を表すタイムチャートが記載されている。各タイムチャートは上からタンク２の内圧Ｐ、ステッピングモータ１２のステップ数（すなわち弁体１１の位置）、ステッピングモータ１２の通電状態、ステッピングモータ１２の通電中のタイムカウント及び非通電中のタイムカウントをそれぞれ表している。タンク２の内圧Ｐは、圧力センサ６により一定周期毎に測定されて制御装置５に記録される。

【0014】

＜制御方法の具体例＞
初め、バルブ４の弁体１１は開弁位置よりも所定のストローク量だけ閉弁方向に移動した待機位置に位置している。まず、バルブ４の開弁要求が出されているか否かを判定する（ステップＳ１００）。開弁要求が出されていない場合は本サイクルを終了する。開弁要求が出されている場合、ステッピングモータ１２に通電する（時刻ｔ_s）。通電後、ステッピングモータ１２を脱調させないため弁体１１を所定の時間Ｔ_aだけ待機させる（ステップＳ１０２）。これにより、弁体１１が移動する際のステッピングモータ１２の脱調を防止できる。また、ステッピングモータ１２の通電と同時に、通電中のタイムカウントを開始する。

【0015】

次に、弁体１１を一定の開弁速度（例えば２０ｍｓ／ステップ）で連続的に開弁方向に移動させる（ステップＳ１０４）。そして、移動した弁体１１の位置（ステップ数）が、諸部品の寸法公差を考慮しても開弁位置を十分に超えている（弁体１１が座部３ａから十分に離間している）はずだと推測される所定の位置（ステップ数）を超えていないかを判定する（ステップＳ１０６）。弁体１１が上記所定の位置を超えていない場合、通電開始（時刻ｔ_s）から現時点までのタンク２の内圧Ｐが判定基準圧ΔＰ（例えば０．２ｋＰａ）以上減少しかつ時刻ｔ_sから現時点までの内圧Ｐの（平均）変化率Ｒ₁が目標変化率Ｒ₀を超えているか否かを判定する（ステップＳ１０８）。

【0016】

内圧Ｐが判定基準圧ΔＰ以上減少しておらず、或いは判定基準圧ΔＰ以上減少しても内圧Ｐの変化率Ｒ₁が目標変化率Ｒ₀を超えていない場合（すなわちステップＳ１０８におけるＮの場合）、ステップＳ１０４に処理を戻して継続して弁体１１を開弁方向に移動させる。内圧Ｐが判定基準圧ΔＰ以上減少していないにもかかわらず、弁体１１の位置が正常であれば既に十分に開弁しているはずだと推測される上述の所定の位置を超えている場合（すなわちステップＳ１０６におけるＮの場合）、バルブ４の異常をカウントする異常カウンターＡの値を１増加させる（ステップＳ１２８）。そして、上記異常カウンターＡの値が２以上であるか否かを判定する（ステップＳ１３０）。異常カウンターＡが２以上の場合は、バルブ４に異常が生じていると判定（ステップＳ１３４）して本サイクルを終了する。異常カウンターＡが１の場合は、弁体１１の位置をステッピングモータ１２のステップ数が０となる位置まで移動させる（ステップＳ１３２）。その後、ステップＳ１００に処理を戻す。

【0017】

内圧Ｐが判定基準圧ΔＰ以上減少したことを検知し、時刻ｔ_sから検知の時点（時刻ｔ₁）までの内圧Ｐの変化率Ｒ₁が目標変化率Ｒ₀を超えていた場合、その時点で弁体１１の移動を停止させる。なお、判定基準圧ΔＰは内圧Ｐの目標変化率Ｒ₀に比例した可変値（例えば目標変化率Ｒ₀が０．２ｋＰａ／ｓのときこれと数値的に等しい０．２ｋＰａ）に設定することができるが、これに限定されない。例えば圧力センサ６の分解能（例えば０．１ｋＰａ）を基準にその倍数（例えば２倍）として設定しても良いし、その他任意の数値を設定しても良い。また、弁体１１の開弁速度は任意の速度を設定しても良い。

【0018】

そして、異常カウンターＡの値を０にリセットし（ステップＳ１１０）し、弁体１１を所定の時間Ｔ_b（例えば１００ｍｓ）だけ待機させる（ステップＳ１１２）。弁体１１を所定の時間Ｔ_bだけ待機させたら、弁体１１を一定の閉弁速度（例えば２０ｍｓ／ステップ）で連続的に閉弁方向に移動させる（ステップＳ１１４）。このように、弁体１１を開弁方向から閉弁方向に反転させる前に所定時間待機させることで、弁体１１の移動速度の急激な変化を抑制する。これによりステッピングモータ１２の脱調を防止できる。

【0019】

次に、弁体１１が待機位置に到達したら移動を停止させ、ステッピングモータ１２を脱調させないため弁体１１の停止後に所定の時間Ｔ_cだけ待機させる（ステップＳ１１６）。弁体１１を待機させたのち、ステッピングモータ１２への通電を停止させる（ステップＳ１１８）。

【0020】

次に、通電開始（時刻ｔ_s）から通電停止（時刻ｔ₂）までの経過時間（通電継続時間）を測定し、時刻ｔ_sから時刻ｔ₂までの内圧Ｐの（平均）変化率Ｒ₂を算出する。そして、算出された変化率Ｒ₂と目標変化率Ｒ₀とを比較する（ステップＳ１２０）。Ｒ₂＞Ｒ₀となる場合には、図３に示すように、ステッピングモータ１２への通電を停止させる。そして、図３に示すように、ステッピングモータ１２を再度通電させる時刻ｔ₃までの間、非通電状態のまま待機させる（待機時間Ｔ_d）。この待機時間Ｔ_dの長さを調整することで内圧Ｐの変化率Ｒを調整することができる。すなわち、内圧Ｐが変化しない待機時間Ｔ_dを設けることで、通電を開始してからの内圧Ｐの平均的な変化率Ｒが減少する。制御装置５は、算出した時刻ｔ₂までの内圧Ｐの変化率Ｒ₂から、変化率Ｒ₃が目標変化率Ｒ₀と等しくなるように待機時間Ｔ_dを決定する（ステップＳ１２２）。

【0021】

例えば通電継続時間が１０００ｍｓであり、内圧Ｐの変化量が０．４ｋＰａであり、目標変化率Ｒ₀が０．２ｋＰａ／ｓであったとすると、待機時間Ｔ_dは１０００ｍｓに決定される。これにより、時刻ｔ_sから時刻ｔ₃までの内圧Ｐの（平均）変化率Ｒ₃は、
Ｒ₃＝０．４ｋＰａ／（１０００＋１０００）ｍｓ＝０．２ｋＰａ／ｓ
となり目標変化率Ｒ₀と等しくなる。このように、制御装置５は、待機時間Ｔ_dを用いて経過時間を調整することで内圧Ｐの変化率Ｒを調整することができる（ステップＳ１２６）。変化率Ｒを調整した後は、ステップＳ１００に処理を戻す。

【0022】

ステップＳ１２０においてＲ₂≦Ｒ₀となる場合には、図４に示すように、待機時間Ｔ_dを０に設定し、ステップＳ１２６に処理を進める（ステップＳ１２４）。この場合、待機時間Ｔ_dが０のため、待機することなくステップＳ１００に処理を戻す。

【0023】

別の実施形態として、ステップＳ１０８において、内圧Ｐの変化量が判定基準圧ΔＰに達した際に、内圧Ｐの変化率Ｒ₁が目標変化率Ｒ₀以下である場合に、弁体１１の移動を停止させて開弁状態を継続させてもよい。また、その際に通電中のタイムカウントをリセットして、その時点からの内圧Ｐの変化量を測定して内圧Ｐの変化率Ｒを算出してもよい。また、ステップＳ１０８において、内圧Ｐの変化率Ｒ₁に関わらず、内圧Ｐの変化量が判定基準圧ΔＰ以上減少した時点でステップＳ１１０に処理を進めてもよい。

【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、タンク２の内圧Ｐ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（ステッピングモータ１２）と、制御装置５を備える。制御装置５は、サイクル開始後にバルブ４の弁体１１を開弁方向に移動させ、バルブ４の弁体１１の移動方向を反転して閉弁状態の待機位置まで移動させ、サイクルが開始してからの内圧Ｐの変化率Ｒである第１の圧力変化率Ｒ₂を算出し、第１の圧力変化率Ｒ₂が目標変化率Ｒ₀よりも大きい場合にはサイクルの開始から終了までの内圧Ｐの変化率Ｒである第２の圧力変化率Ｒ₃が目標変化率Ｒ₀に等しくなるように待機時間を決定し、決定した待機時間が経過するまで駆動装置（ステッピングモータ１２）を待機位置で待機させるように構成されている。

【0025】

このような構成となっていることにより、バルブ４の開弁量の調整によりタンク２の内圧Ｐを目標変化率Ｒ₀に一致させることができなくても、サイクルごとに閉弁状態での待機時間を調整することで結果的に内圧Ｐの平均的な変化率Ｒを目標変化率Ｒ₀に合わせることができ、精度の良い制御が可能となる。

【0026】

また、制御装置５が、圧力センサ６によりタンク２の内圧Ｐが一定値減少したことを検知した際に、バルブ４の弁体１１の移動方向を反転させ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、内圧Ｐの十分な変化量を確保してより精度よく内圧Ｐの変化率Ｒを制御することができる。

【0027】

また、制御装置５は、第１の圧力変化率Ｒ₂が目標変化率Ｒ₀以下である場合には、待機時間を０に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、応答性よく処理を進行させることができる。

【0028】

また、制御装置５が、バルブ４の弁体１１を開弁方向に移動させたあと移動方向を反転させる前にサイクルが開始してからの内圧Ｐの変化率Ｒである第３の圧力変化率Ｒ₁を算出し、第３の圧力変化率Ｒ₁が目標変化率Ｒ₀以下である場合、バルブ４の移動方向を反転させずに開弁状態を継続させ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、内圧Ｐの変化率Ｒが小さい場合に無駄にバルブ４の移動方向を反転させないようにすることができる。

【0029】

また、サイクルの開始時に駆動装置（ステッピングモータ１２）への通電を開始し、待機時間の開始時に通電を終了し、変化率Ｒが駆動装置（ステッピングモータ１２）の通電時間に基づいて算出される。このような構成となっていることにより、高応答な駆動装置（ステッピングモータ１２）への通電又は非通電を基準とすることで変化率Ｒを算出する際の時間の管理を容易に行うことができる。

【0030】

また、駆動装置（ステッピングモータ１２）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、一般に脱調防止のための待機時間が必要とされるステッピングモータ１２を駆動装置（ステッピングモータ１２）に用いても制御の精度を向上させることができる。また、電磁弁を用いて同様の制御を行う場合と比べると、製造コストや電力消費を抑えることができる。

【0031】

＜その他の実施形態＞
以上に説明した弁システム１は、水素燃料供給システムの他、例えば燃料を貯留する燃料タンクと燃料タンクから蒸発する燃料蒸気を吸着させるキャニスタとを備えた蒸発燃料処理システムに適用しても良い。弁システムは、その他流体を貯留するタンクとそのタンクを開閉するバルブとを備えたシステムであれば広く適用することができる。

【0032】

別の実施形態として、サイクルの開始や待機時間の開始は必ずしも通電の開始や終了に合わせる必要はなく任意に設定しても良い。また圧力変化率を算出するための時間を通電時間とは関係なく設定しても良い。

【0033】

上述の実施形態ではバルブ４を閉弁方向に反転すべきかを判断するために判定基準圧ΔＰの減少を検知するまでの内圧Ｐの変化率Ｒ₁を用いたが、別の実施形態として例えば通電の開始や弁体１１の移動の開始から一定の時間が経過した時点等、他の任意の適切な時点までの内圧Ｐの変化率Ｒを用いても良い。

【0034】

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。

【0035】

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】

【0036】

１ 弁システム
２ タンク
３ 供給路
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

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】