特開 2024-57436 バルブ装置

(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】P2024057436

(43)【公開日】2024-04-24

(54)【発明の名称】バルブ装置

(51)【国際特許分類】

   F16K 1/06 20060101AFI20240417BHJP

【ＦＩ】

F16K1/06

【審査請求】未請求

【請求項の数】2

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022164175

(22)【出願日】2022-10-12

(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】110000110

【氏名又は名称】弁理士法人 快友国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】浦塚 崇史

【テーマコード（参考）】

3H052

【Ｆターム（参考）】

3H052AA01

3H052BA34

3H052BA35

3H052CC01

3H052EA16

(57)【要約】

【課題】連通室内に流体が滞留することが抑制されたバルブ装置を提供する。
【解決手段】
バルブ装置は、ハウジングと、ハウジング内に設けられており、外部から流体が導入される一次側通路と、一次側通路の下流側端部に設けられている第一導出部と、ハウジング内に設けられており、第一導出部と連通しているとともに、外部に流体を導出する二次側通路と、第一導出部と連通しているとともに端部が二次側通路と連通している連通室と、第一導出部に形成されている弁座と、弁座に接触可能であり、第一導出部を開閉する弁体を備えている。また、このバルブ装置は、連通室内に、第一導出部の周囲を囲んでいるとともに、二次側通路側に開口が形成されている壁体が設けられている。
【選択図】 図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

流体流路の開閉を行うバルブ装置であって、
ハウジングと、
前記ハウジング内に設けられており、外部から流体が導入される一次側通路と、
前記一次側通路の下流側端部に設けられている第一導出部と、
前記ハウジング内に設けられており、前記第一導出部と連通しているとともに、外部に流体を導出する二次側通路と、
前記第一導出部と連通しているとともに端部が前記二次側通路と連通している連通室と、
前記第一導出部に形成されている弁座と、
前記弁座に接触可能であり、前記第一導出部を開閉する弁体と、
を備えており、
前記連通室内に、前記第一導出部の周囲を囲んでいるとともに、前記二次側通路側に開口が形成されている壁体が設けられている、バルブ装置。

【請求項2】

請求項１に記載のバルブ装置であって、
前記壁体の前記開口が設けられている側とは反対側に、外側に向けて突出している突出部が設けられている、バルブ装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書は、バルブ装置に関する技術を開示する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１に、流体流路の開閉を行うバルブ装置が開示されている。特許文献１のバルブ装置は、外部から流体が導入される一次側通路と、一次側通路の下流側端部に設けられている第一導出部と、第一導出部と連通しているとともに、外部に流体を導出する二次側通路と、第一導出部と連通しているとともに端部が二次側通路と連通している連通室と、第一導出部に形成されている弁座と、弁座に接触可能であり、第一導出部を開閉する弁体を備えている。外部から導入された流体は、一次側通路、第一導出部を経て連通室内に導入され、二次側通路を通過して外部に導出される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１３－９２２２４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１のバルブ装置の場合、連通室に導入された流体は、連通室全体に不規則（乱流を形成して）に移動する。連通室に導入された流体のうち、二次側通路側に移動した流体は、二次側通路を通過してスムーズに外部に導出される。しかしながら、二次側通路と反対側に移動した流体は、連通室からの導出口（すなわち、二次側通路）がなく、また、二次側通路に移動する力も作用しないため、連通室内に滞留してしまうことがある。連通室内に流体が滞留すると、低温環境下で流体が凍結し、弁体が弁座に固着することが起こり得る。弁体が弁座に固着すると、バルブ装置が機能できなくなる。本明細書は、連通室内に流体が滞留することが抑制された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】

【0005】

本明細書で開示する第１技術は、流体流路の開閉を行うバルブ装置である。このバルブ装置は、ハウジングと、ハウジング内に設けられており、外部から流体が導入される一次側通路と、一次側通路の下流側端部に設けられている第一導出部と、ハウジング内に設けられており、第一導出部と連通しているとともに、外部に流体を導出する二次側通路と、第一導出部と連通しているとともに端部が二次側通路と連通している連通室と、第一導出部に形成されている弁座と、弁座に接触可能であり、第一導出部を開閉する弁体を備えていてよい。また、このバルブ装置は、連通室内に、第一導出部の周囲を囲んでいるとともに、二次側通路側に開口が形成されている壁体が設けられていてよい。

【0006】

本明細書で開示する第２技術は、上記第１技術のバルブ装置であって、壁体の開口が設けられている側とは反対側に、外側に向けて突出している突出部が設けられていてよい。

【発明の効果】

【0007】

第１技術によると、連通室内に導入された流体を、二次側通路に誘導することができる。すなわち、連通室内に導入された流体を、一方向に（二次側通路に向かって）移動させることができる。連通室内に流体が滞留することが抑制され、低温環境下において流体の氷結による弁体と弁座の固着を抑制することができる。また、連通室内における流体の流れを整流することができるため、弁座表面（弁体が接触するシール面）に流体が接触することが抑制され、弁座表面に流体が残存することが抑制される。その結果、流体の氷結による弁体と弁座の固着をさらに抑制することができる。

【0008】

第２技術によると、壁体の外側に存在する流体を、二次側通路に誘導することができる。具体的には、突出部が設けられている位置（二次側通路から最も遠い位置）において、壁体と連通路の側壁との隙間が狭くなるので、流体は、突出部が設けられている位置から二次側通路に向けて移動する。その結果、壁体の外側に存在する流体は、連通室から二次側通路に導出され、連通路内への滞留が抑制される。第２技術によると、連通室内に流体が滞留することをより一層抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】バルブ装置を備えた燃料電池システムの概略図を示す。

【図2】第１実施例のバルブ装置の断面図を示す。

【図3】連通室内の斜視図を示す。

【図4】バルブ装置の利点を説明するための簡易図を示す。

【発明を実施するための形態】

【0010】

（バルブ装置を用いた燃料電池システム）
まず、図１を参照し、本明細書で開示するバルブ装置を用いた燃料電池システム１００について説明する。燃料電池システムは、車両（燃料電池車）に好適に搭載される。燃料電池システム１００は、燃料電池スタック９０と、燃料電池スタック９０に水素ガスを供給する水素系６０と、燃料電池スタック９０にエアガス（外気）を供給するエア系７０と、コントローラ７５を備えている。燃料電池システム１００では、水素系６０から供給された水素ガスと、エア系７０から供給された酸素ガス（エアガス）を用いて発電を行う。

【0011】

水素系６０は、水素ガスタンク６２と、水素供給通路６４と、水素排出通路６８を備えている。減圧バルブ６３が、水素供給通路６４上に設けられている。水素ガスタンク６２から水素供給通路６４に供給された水素ガスは、減圧バルブ６３によって調圧される。減圧バルブ６３の下流にインジェクタ（図示省略）が設けられており、水素ガスタンク６２から供給された水素ガスはインジェクタによって燃料電池スタック９０に供給される。水素排出通路６８上に、気液分離器６６、水素排出バルブ６９が設けられている。水素排出バルブ６９は、バルブ装置の一例である。水素排出バルブ６９は、気液分離器６６より下流に設けられている。燃料電池スタック９０への水素ガスの供給は、コントローラ７５によって制御される。すなわち、コントローラ７５は、水素供給通路６４のオン・オフ、水素供給通路６４を通過する水素ガスの流量を制御する。

【0012】

燃料電池スタック９０から排出される水素ガス（水素オフガス）は、気液分離器６６に供給される。気液分離器６６では、水素オフガスに含まれる水素ガスが抽出される。気液分離器６６で抽出された水素ガスは、水素循環ポンプ（図示省略）によって水素供給通路６４に戻され、燃料電池スタック９０に供給される。一方、気液分離器６６で水素ガスが抽出された残分は、水素排出通路６８に排出され、排出管８４を通じて燃料電池システム１００の外部に排出される。なお、排出管８４は、後述するエア排出通路８０にも接続されている。水素排出通路６８の流量は水素排出バルブ６９によって調整される。水素排出通路６８のオン・オフ、及び、水素排出通路６８を通過する水素オフガスの流量もコントローラ７５によって制御される。なお、気液分離器６６によって水素ガスが抽出された残分には、燃料電池システム１００で生じた生成水が含まれている。

【0013】

エア系７０は、コンプレッサ７２と、エア供給通路７４と、エア排出通路８０と、バイパス通路７８と、エア供給バルブ７６と、エア排出バルブ５０と、バイパスバルブ７９を備えている。コンプレッサ７２は、エアガスとして外気をエア供給通路７４に圧送する。なお、コンプレッサ７２の上流にはエアクリーナ（図示省略）が配置されている。そのため、エア供給通路７４には、清浄なエアガスが供給される。エア供給通路７４は、燃料電池スタック９０とコンプレッサ７２を接続している。エア供給通路７４上には、エア供給バルブ７６が配置されている。具体的には、エア供給通路７４は、コンプレッサ７２とエア供給バルブ７６を接続している上流側エア供給通路７４ａと、エア供給バルブ７６と燃料電池スタック９０を接続している下流側エア供給通路７４ｂを備えている。コンプレッサ７２を駆動し、エア供給バルブ７６が上流側エア供給通路７４ａと下流側エア供給通路７４ｂを導通させると、エアガスとして外気が燃料電池スタック９０に供給される。なお、コンプレッサ７２とエア供給バルブ７６の間に、インタークーラー（図示省略）が配置されている。燃料電池スタック９０には、インタークーラーで温度が調整された（冷却された）エアガスが供給される。

【0014】

エア排出通路８０は、燃料電池スタック９０に接続されており、燃料電池スタック９０からエアオフガスを排出する。排出されたエアオフガスは、排出管８４を通じて燃料電池システム１００の外部に排出される。エア排出通路８０上にはエア排出バルブ５０が設けられている。エア排出バルブ５０は、バタフライ弁であり、コントローラ７５によって制御される。エア排出バルブ５０の開度を調整することにより、エアオフガス量が調整される。エアオフガスには、燃料電池システム１００で生じた生成水が含まれている。

【0015】

バイパス通路７８は、エア供給通路７４とエア排出通路８０を接続している。具体的には、バイパス通路７８の一端は上流側エア供給通路７４ａに接続されており、他端はエア排出バルブ５０の下流でエア排出通路８０に接続されている。バイパス通路７８上にバイパスバルブ７９が配置されており、バイパスバルブ７９が開弁すると、エア供給通路７４内のエアガスがエア排出通路８０に供給される。

【0016】

（水素排出バルブ）
図２から図４を参照し、水素排出バルブ６９について説明する。水素排出バルブ６９は、気液分離器６６によって水素ガスが抽出された残分（生成水）の流量を調整する。図２に示すように、水素排出バルブ６９は、生成水が流通するハウジング３０と、ハウジング３０内の流路を開閉するバルブ部４０を備えている。ハウジング３０は、一次側通路３８が形成されている流体導入部３０ａと、二次側通路３２が形成されている流体導出部３０ｂを備えている。流体導入部３０ａは、気液分離器６６に固定されている。流体導出部３０ｂには、水素排出通路６８を構成する連結ホース（図示省略）が取り付けられる。また、一次側通路３８と二次側通路３２の間には、連通室２０が設けられている。水素排出バルブ６９の外部（気液分離器６６）から水素排出バルブ６９内（ハウジング３０内）に導入された生成水は、一次側通路３８、連通室２０、二次側通路３２を通過して水素排出バルブ６９の外部（水素排出通路６８）に導出される。

【0017】

一次側通路３８の下流側端部には、第一導出部３６が形成されている。第一導出部３６は、一次側通路３８の側壁に形成されており、連通室２０に開口している。第一導出部３６は、連通室２０内に突出した形状を有しており、端面は後述する弁体１８が着座する弁座３４を構成している。第一導出部３６は、流路面積が一次側通路３８より小さく、オリフィス状である。第一導出部３６が伸びる方向と一次側通路３８が伸びる方向は異なる。第一導出部３６は、一次側通路３８が伸びる方向に対し、略直交する方向に伸びている。具体的には、第一導出部３６は略鉛直方向に伸びており、一次側通路３８は略水平方向に伸びている。そのため、一次側通路３８に導入された生成水は、一次側通路３８を水平方向に移動し、第一導出部３６を上方に移動した後、連通室２０に導出される。連通室２０内には、第一導出部３６の周囲を囲んでいる壁体が設けられている。壁体４２は、連通室２０の側壁２０ａから離れた位置で、連通室２０の底面２０ｂに設けられている。連通室２０内の構造（壁体４２の詳細）については後述する。

【0018】

二次側通路３２の上流側端部２４は、連通室２０に連通している。そのため、二次側通路３２は、連通室２０、第一導出部３６を介して、一次側通路３８に連通している。連通室２０から二次側通路３２に導入された生成水は、二次側通路３２を下方に移動し、二次側通路３２の下流側端部に設けられた第二導出部３３から、水素排出バルブ６９の外部（水素排出通路６８）に導出される。

【0019】

バルブ部４０は、ハウジング３０の上方に固定されている。バルブ部４０は、筒状の固定ベース４と、固定ベース４の外周に設けられている電磁コイル１０と、固定ベース４の内側に設けられている吸引子８と、固定ベース４の内側で吸引子８と同軸に設けられているプランジャ１４と、固定ベース４に固定されている取付板１６と、プランジャ１４及び取付板１６に固定されている弁体１８と、カバー６を備えている。

【0020】

電磁コイル１０は、固定ベース４の外周面に設けられた凹部に配置されている。吸引子８の上側端部のサイズは、固定ベース４の筒内の断面サイズ（内径）より大きい。吸引子８の上側端部は、固定ベース４の上端面に接触し、固定ベース４の筒内と外部を隔離している。吸引子８の上側端部と固定ベース４の上端面の間には、Ｏリング２が設けられており、固定ベース４の筒内をシールしている。吸引子８は磁性体であり、その一部が、電磁コイル１０の一部に対向している。

【0021】

吸引子８とプランジャ１４の間に、コイルばね１２が設けられている。コイルばね１２は、吸引子８とプランジャ１４の双方に固定されており、両者が接触することを防止している。プランジャ１４は、取付板１６の中央に設けられている貫通孔を通過している。プランジャ１４の先端（吸引子８と反対側の端部）に、弁体１８が固定されている。具体的には、弁体１８の中央部１８ａが、プランジャ１４の先端に嵌め込まれ、両者が固定されている。また、弁体１８の端部１８ｃは取付板１６に固定されており、弁体１８の中間部１８ｂはプランジャ１４の動作に合わせて変形可能である。プランジャ１４の動作については後述する。なお、弁体１８は、ゴム製であり、ダイヤフラム状である。カバー６は、取付板１６の上面に固定されており、固定ベース４及び電磁コイル１０を覆い、固定ベース４及び電磁コイル１０を外部から隔離している。

【0022】

取付板１６は、ハウジング３０の上面に固定されている。取付板１６をハウジング３０に固定すると、弁体１８が弁座３４に対向する。より具体的には、コイルばね１２の付勢力（伸張力）によって弁体１８の中央部１８ａが弁座３４に押し付けられ（着座し）、第一導出部３６が塞がれる。弁体１８（中央部１８ａ）が弁座３４に着座している間、一次側通路３８と二次側通路３２は連通しておらず、生成水が水素排出バルブ６９から導出されることはない。

【0023】

電磁コイル１０に通電すると、吸引子８が励磁され、プランジャ１４が吸引子８に引き付けられる。すなわち、プランジャ１４が、吸引子８の励磁力によって吸引子８に引き付けられ、コイルばね１２を圧縮しながら上方に移動する。プランジャ１４が上方に移動すると、プランジャ１４とともに弁体１８の中央部１８ａが上方に移動し、弁体１８が弁座３４から離れる。弁体１８が弁座３４から離れると、一次側通路３８と二次側通路３２が連通し、生成水が水素排出バルブ６９から導出される。

【0024】

次に、図３を参照し、連通室２０内の構造を説明する。第一導出部３６が、連通室２０の中央部分に連通している。第一導出部３６は、連通室２０の底面２０ｂから、連通室２０の上方へ突出している。連通室２０の端部には、二次側通路３２の上流側端部２４が連通している。連通室２０は、第一導出部３６を中心とする円弧状である。すなわち、連通室２０の側壁２０ａは、二次側通路３２の上流側端部２４に接続する部分を除き、円形である。

【0025】

壁体４２は、第一導出部３６と側壁２０ａの間に設けられている。壁体４２は、第一導出部３６の周囲を囲っており、第一導出部３６を中心とする円弧状である。なお、壁体４２は、第一導出部３６の全周を囲っておらず、二次側通路３２側（上流側端部２４が連通している側）に開口４４が設けられている。壁体４２の形状は、Ｃ型形状と捉えることもできる。壁体４２と第一導出部３６の間、及び、壁体４２と側壁２０ａの間には隙間が設けられている。壁体４２と第一導出部３６の隙間は周方向において一定であり、壁体４２と側壁２０ａの隙間も周方向において一定である。壁体４２の高さ（連通室２０の底面２０ｂからの突出高さ）は、第一導出部３６の突出高さより低い（図２を参照）。そのため、壁体４２は、弁体１８に干渉（接触）することが抑制されている。また、壁体４２の外側（側壁２０ａ側）側面の一部には、突出部４６が設けられている。突出部４６は、略三角形であり、開口４４が設けられている側とは反対側に設けられている。すなわち、突出部４６は、壁体４２の外側側面のうち、上流側端部２４から最も遠い位置に設けられている。

【0026】

水素排出バルブ６９では、電磁コイル１０へ通電すると、弁体１８が弁座３４から離れ、第一導出部３６から連通室２０内へ生成水が導入される。連通室２０内に導入された生成水は、壁体４２によって二次側通路３２（上流側端部２４）に誘導される。換言すると、壁体４２が、連通室２０内の生成水の流れを上流側端部２４に向かわせ（生成水の流れを整流し）、連通室２０内から生成水をスムーズに導出する。すなわち、壁体４２によって、連通室２０内に導入された生成水が、連通室２０内に滞留することを抑制することができる。また、壁体４２によって、生成水が上下方向に渦巻くことも抑制される。生成水が上下方向に渦巻くことを抑制することにより、生成水が弁座３４に付着することを抑制することもできる。水素排出バルブ６９は、連通室２０内に生成水が滞留することを抑制し、また、生成水が弁座３４に付着することを抑制することにより、低温環境下において氷結による弁体１８と弁座３４の固着を抑制することができるという利点が得られる。

【0027】

次に、図４を参照し、水素排出バルブ６９の他の利点について説明する。上述したように、壁体４２の外側側面には、上流側端部２４から最も遠い位置に突出部４６が設けられている。突出部４６が設けられている位置では、壁体４２と側壁２０ａの隙間が、他の位置（突出部４６が設けられていない位置）より狭くなっている。そのため、突出部４６が設けられている位置に存在する生成水は、突出部４６が設けられていない位置に移動する。その結果、壁体４２の外側に残存した生成水は、矢印４８のように突出部４６から離れる方向、すなわち、二次側通路３２の上流側端部２４に向かって移動する。壁体４２の外側側面に突出部４６を設けることにより、壁体４２の外側に存在する生成水に、二次側通路３２の上流側端部２４に向かう流れを形成することができる。

【0028】

（他の実施形態）
上記実施例では、水素排出バルブ６９とエア排出バルブ５０を備えた燃料電池システム１００について説明した。水素排出バルブ６９の構造は、エア排出バルブ５０に適用することもできる。すなわち、水素排出バルブ６９と同様のバルブ装置を、エア排出バルブ５０として利用することもできる。

【0029】

上記実施例では、第一導出部は連通室の中央部分に連通しており、連通室の側壁及び壁体が第一導出部を中心とする円弧状である形態について説明した。しかしながら、第一導出部は、必ずしも連通室の中央部分に連通していなくてもよい。また、連通室の側壁及び／又は壁体は、円弧状以外の形状であってよく、例えば部分的に直線を有する形態であってもよい。また、壁体と第一導出部の隙間、及び／又は、壁体と連通室の側壁の隙間は、周方向において一定でなくてもよい。例えば、連通室の側壁が円弧状であり、側壁の形状がＵ字状であってもよい。

【0030】

また、壁体の高さ（連通室の底面からの突出高さ）は、第一導出部の突出高さと同一、あるいは、第一導出部の突出高さより高くてもよい。壁体が弁体に干渉しないように形成されていれば、壁体の高さは任意に選択することができる。なお、壁体の外側側面に設けられている突出部は、省略することもできる。本明細書で開示するバルブ装置において重要なことは、連通室内に、第一導出部の周囲を囲んでいるとともに、二次側通路の上流側端部側に開口が形成されている壁体を設けることである。

【0031】

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

【符号の説明】

【0032】

１８：弁体
２０：連通室
３０：ハウジング
３２：二次側通路
３３：第二導出部
３４：弁座
３６：第一導出部
３８：一次側通路
４２：壁体
６９：バルブ装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】