特許 7507562 水素ガス用のバルブブロック、及びその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-06-20

(45)【発行日】2024-06-28

(54)【発明の名称】水素ガス用のバルブブロック、及びその製造方法

(51)【国際特許分類】

   F16K 27/00 20060101AFI20240621BHJP

   C25D 11/00 20060101ALI20240621BHJP

   C25D 11/04 20060101ALN20240621BHJP

   C25D 11/16 20060101ALN20240621BHJP

【ＦＩ】

F16K27/00 Z

C25D11/00 302

C25D11/00 308

C25D11/04 302

C25D11/16

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2020001246

(22)【出願日】2020-01-08

(65)【公開番号】P2021110351

(43)【公開日】2021-08-02

【審査請求日】2022-07-19

(73)【特許権者】

【識別番号】000000974

【氏名又は名称】川崎重工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100135220

【弁理士】

【氏名又は名称】石田 祥二

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 豊

(72)【発明者】

【氏名】二宮 誠

(72)【発明者】

【氏名】岡本 将佳

(72)【発明者】

【氏名】山下 洋司

(72)【発明者】

【氏名】井上 昌明

【審査官】大内 俊彦

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１５－１０２１１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－２３９０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２００５／０２４２８１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００７－２７８４６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１０－５０４４８３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ１６Ｋ ２７／００－２７／１２

Ｃ２５Ｄ １１／００－１１／０４，１１／１６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

外表面にアルミニウム陽極酸化処理が施されているアルミニウム製のバルブブロック本体と、
前記バルブブロック本体に形成される水素ガス用の流路と、を備え、
前記流路は、その内面にシール面を有し、
前記シール面は、機械加工面である、水素ガス用のバルブブロック。

【請求項2】

外表面にアルミニウム陽極酸化処理が施されているアルミニウム製のバルブブロック本体と、
前記バルブブロック本体に形成される水素ガス用の流路と、を備え、
前記流路は、少なくとも２つの流路部を有し、
前記２つの流路部は、交差部分において互いに交差するように配置され、
前記交差部分の内面は、機械加工面を有している、水素ガス用のバルブブロック。

【請求項3】

前記バルブブロック本体は、その外表面にアルミニウム陽極酸化処理によって形成される酸化層を有し、
前記酸化層は、５μｍ以上３０μｍ以下である、請求項１又は２の何れか１つに記載の水素ガス用のバルブブロック。

【請求項4】

アルミニウム製のバルブブロックを成形する成形工程と、
前記成形工程後において前記バルブブロックの外表面にアルミニウム陽極酸化処理を施す外表面処理工程と、
前記バルブブロックに水素ガス用の流路の内面を機械加工として形成する流路形成工程とを有し、
前記外表面処理工程は、前記流路形成工程で形成される流路をマスキングした後、又は前記流路形成工程の前に実施される、水素ガス用のバルブブロックの製造方法。

【請求項5】

前記流路は、内面にシール面を有し、
前記流路形成工程では、前記シール面を機械加工面として形成する、請求項４に記載の水素ガス用のバルブブロックの製造方法。

【請求項6】

前記バルブブロックに前記流路とは異なる孔を形成する孔形成工程を更に有し、
前記孔形成工程は、前記外表面処理工程の前に実施され、
前記孔の内面は、前記外表面処理工程においてアルミニウム陽極酸化処理が施される、請求項４又は５に記載の水素ガス用のバルブブロックの製造方法。

【請求項7】

前記流路は、少なくとも２つの流路部を有し、
前記２つの流路部は、交差部分において互いに交差するように配置され、
前記流路形成工程では、前記交差部分を機械加工面として形成する、請求項４乃至６の何れか１つに記載の水素ガス用のバルブブロックの製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、水素ガス用の流路を有する水素ガス用のバルブブロック、及びその製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

高圧の水素ガスが流れるバルブブロックは、アルミニウム系合金から成り、バルブブロックにアルミニウム陽極酸化処理を施すことによって耐食性の向上を図っている。このようなバルブブロックの例としては、例えば特許文献１の弁本体（即ち、バルブブロック）が知られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特許第６２５８０１６号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

バルブブロックにおいて、流路の内面にアルミニウム陽極酸化処理を施すことによって流路の内面が粗面化する。流路は、その内面にシール面を有している。シール面が粗面化されることによってシール面のシール性が低下する。また、特許文献１のバルブブロックでは、流路内を高圧の水素ガスが流れており、その流路の内面に繰り返し荷重が作用する。特に、流路の交差部分においては、その内面に応力が集中する。他方、流路の内面にアルミニウム陽極酸化処理を施すことによって流路の内面の強度が低下する。それ故、流路の内面（特に交差部分の内面）の耐久性が低下する。このように流路の内面にアルミニウム陽極酸化処理を施すことによって様々な影響が生じる。

【0005】

そこで本発明は、外表面の耐食性を保ちつつ、アルミニウム陽極酸化処理によって流路の内面に生じる影響を抑えることができる水素ガス用のバルブブロック及びその製造方法を提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0006】

第１の発明である水素ガス用のバルブブロックは、外表面にアルミニウム陽極酸化処理が施されているアルミニウム製のバルブブロック本体と、前記バルブブロック本体に形成される水素ガス用の流路と、を備え、前記流路は、その内面にシール面を有し、前記シール面は、機械加工面であるものである。

【0007】

第１の発明に従えば、アルミニウム陽極酸化処理によってバルブブロックの外表面に酸化層が形成されるので、外表面の耐食性を保つことができる。他方、流路の内面にあるシール面は、機械加工面であるので、アルミニウム陽極酸化処理によってシール面が粗面化することを抑制することができる。これにより、シール面からの水素ガスの漏れを抑制することができる。即ち、バルブブロックにおいて、外表面の耐食性を保ちつつ、流路の内面のシール性を確保することができる。

【0008】

第２の発明である水素ガス用のバルブブロックは、外表面にアルミニウム陽極酸化処理が施されているアルミニウム製のバルブブロック本体と、前記バルブブロック本体に形成される水素ガス用の流路と、を備え、前記流路は、少なくとも２つの流路部を有し、前記２つの流路部は、交差部分において互いに交差するように配置され、前記交差部分の内面は、機械加工面を有している、ものである。

【0009】

第２の発明に従えば、アルミニウム陽極酸化処理によってバルブブロックの外表面に酸化層が形成されるので、外表面の耐食性を保つことができる。他方、流路における交差部分の内面が機械加工面であるので、水素ガスから受ける応力が集中しやすい交差部分において強度を確保することができる。即ち、バルブブロックにおいて、外表面の耐食性を保ちつつ、流路の内面の耐久性を確保することができる。

【0010】

第３の発明の水素ガス用のバルブブロックの製造方法は、アルミニウム製のバルブブロックを成形する成形工程と、前記成形工程後において前記バルブブロックの外表面にアルミニウム陽極酸化処理を施す外表面処理工程と、前記バルブブロックに水素ガス用の流路の内面を機械加工として形成する流路形成工程とを有し、前記外表面処理工程は、前記流路形成工程で形成される流路をマスキングした後、又は前記流路形成工程の前に実施される、方法である。

【0011】

第３の発明に従えば、アルミニウム陽極酸化処理によってバルブブロックの外表面に酸化層が形成されるので、外表面の耐食性が保つことができる。また、流路形成工程で形成される流路をマスキングした後、又は流路形成工程の前に外表面処理工程を実施することによって流路の内面を機械加工面として残すことができるので、外表面の耐食性を保ちつつ流路の内面の強度を確保することができる。即ち、バルブブロックにおいて、外表面の耐食性を保ちつつ、流路の内面の耐久性を確保することができる。

【発明の効果】

【0012】

第１乃至第３の発明によれば、外表面の耐食性を保ちつつ、アルミニウム陽極酸化処理によって流路の内面に生じる影響を抑えることができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明の実施形態のバルブブロックを示す断面図である。

【図2】図１に示すバルブブロックの製造手順を示すフローチャートである。

【図3】図１に示すバルブブロックのその他の製造手順を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、本発明に係る実施形態のバルブブロック１及びその製造方法について前述する図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明で用いる方向の概念は、説明する上で便宜上使用するものであって、発明の構成の向き等をその方向に限定するものではない。また、以下に説明するバルブブロック１及びその製造方法は、本発明の一実施形態に過ぎない。従って、本発明は以下の実施形態に限定されず、発明の趣旨を逸脱しない範囲で追加、削除、変更が可能である。

【0015】

＜バルブブロック＞
水素ガスを貯留するガスタンク（図示せず）には、その口部を封止すると共にそこから送出される水素ガスの量を調整すべくタンクバルブ装置が口部に取り付けられている。より詳細に説明すると、タンクバルブ装置は、図１に示すようなバルブブロック１を備えている。バルブブロック１は、図１の紙面奥側に挿入部（図示せず）を有しており、挿入部がガスタンクの口部に挿入されている。そして、バルブブロック１は、ガスタンクの口部から突出部１ａを突き出させている。またタンクバルブ装置は、水素ガスの送出量を調整すべく、種々の弁、例えば電磁弁、リリーフ弁、手動弁、及び安全弁等を含んで構成されている。そして、バルブブロック１は、それらの弁を構成するべく以下のように構成されている。

【0016】

即ち、バルブブロック１は、バルブブロック本体２と、流路３とを有している。バルブブロック１は、アルミニウム製、より詳しくはアルミニウム又はアルミニウム系合金から成る。そして、バルブブロック１の外表面には、後述の通り、アルミニウム陽極酸化処理が施されている。これにより、外表面全体に酸化層４が形成されている。また、バルブブロック１には、タンクから送出される水素ガスが流れる水素ガス用の流路３が形成されている。

【0017】

流路３は、タンク内の水素ガスを水素消費機器、例えば燃料電池等に送出すべく形成されている。流路３は、２つの収容部１１，１２と、４つの流路部２１～２３とを有している。なお、流路３が有する収容部の数及び流路部の数はあくまで一例であり、その数は前述する数に限定されない。収容部１１，１２は、互いに同一平面上に形成され且つ大略断面円形状に形成されている。そして、収容部１１，１２には、弁体（図示せず）が収容されている。これにより、バルブブロック１には、前述する種々の弁が構成されている。更に詳細に説明すると、バルブブロック１は、後面（図１の紙面上側の面）１ｂ及び左右の両側面１ｃ，１ｄを有し。そして、３つの面１ｂ、１ｃ，１ｄのうちの２つ（本実施形態において、後面１ｂと右側面１ｄ）に収容部１１，１２が夫々形成されている。第１収容部１１は、後面１ｂに直交する方向に延在するように形成されている。第２収容部１２は、右側面１ｄに直交する方向に延在するように形成されている。

【0018】

また、バルブブロック１の外表面には、収容部１１，１２のうち少なくとも１つを塞ぐべく蓋５が締結されている。そして、バルブブロック１には、蓋５を締結すべくボルト孔１ｅが形成されている。本実施形態では、第２収容部１２が蓋５によって塞がれ、複数のボルト孔１ｅは、右側面１ｄに形成されている。即ち、蓋５に挿通されるボルトをボルト孔１ｅに螺合することによって蓋５がバルブブロック１に締結される。また、収容部１１，１２は、３つの流路部２１～２３を介してタンク内と繋がっている。３つの流路部２１～２３は、例えば以下のように形成されている。

【0019】

第１流路部２１は、タンク内に繋がっており、図１の紙面において奥から手前（即ち、上方向）に真っ直ぐ延在している。また、第１流路部２１には、第２流路部２２が繋がっている。第２流路部２２は、第１流路部２１からその軸線に直交する第１方向（即ち、前後方向）に延在している。また、第２流路部２２の一端には、第１収容部１１が繋がっている。また、第２流路部２２の他端側には、第３流路部２３が繋がっている。第３流路部２３は、第２流路部２２からその軸線に直交する方向（即ち、右方向）に延在している。更に、第３流路部２３は、第２収容部１２に繋がっている。なお、流路３は、更に以下のような第４流路部（図示せず）を備えている。即ち、第４流路部は、第１収容部１１の内面１１ａに繋がっている。第４流路部は、水素ガスをバルブブロック１外へと送出すべく形成されている。

【0020】

このように形成されている流路３は、以下の部位に交差部分３１，３２を有している。即ち、第１交差部分３１は、互いに直交する第１流路部２１と第２流路部２２とが交差する部位に形成されている。第２交差部分３２は、第２流路部２２と第３流路部２３とが交差する部位に形成されている。なお、第４流路部と第１収容部１１とが交差する部位にも図示しない交差部分が形成されている。これらの交差部分３１，３２では、断面円形状の孔が互いに交差する部位であるので、水素ガスが流路３を流れる際に繰り返し荷重による応力集中が生じやすくなっている。

【0021】

また、流路３の第１及び第２収容部１１，１２には、弁体が摺動可能に収容されている。そして、収容部１１，１２の内面１１ａ，１２ａがシール面を成している。即ち、弁体と内面１１ａ，１２ａとの間が封止されて流路３を流れる水素ガスが各収容部１１，１２から漏れ出ないようにしている。また、第１収容部１１は、第２流路部２２の開口端周りに第１弁座部１１ｂを有している。第２収容部１２は、第３流路部２３の開口端周りに第２弁座部１２ｂを有している。各々の弁体は、対応する弁座部１１ｂ，１２ｂに着座することができる。そして、着座することによって第２流路部２２と第１収容部１１との間、及び第３流路部２３と第２収容部１２との間が閉じられる。

【0022】

このように構成されているバルブブロック１は、アルミニウム製、より詳しくはアルミニウム又はアルミニウム系合金から成る半製品にアルミニウム陽極酸化処理を施して形成される。即ち、バルブブロック１では、その外表面にアルミニウム陽極酸化処理を施されている。これにより外表面全体に酸化層４が形成されている。酸化層４は、例えば５μｍ以上３０μｍ以下の厚さで形成されている。このようにアルミニウム陽極酸化処理によってバルブブロック１の外表面に酸化層４が形成されるので、外表面の耐食性を保つことができる。また、酸化層４を比較的短い時間で形成することができるので、製造コストを低下することができる。なお、酸化層４の厚みは、前述する範囲に限定されない。

【0023】

他方、流路３は、ドリル等の治具を用いて機械加工、より詳しくは孔あけ加工によって形成されている。即ち、流路３の内面が機械加工面として形成されている。それ故、流路３の内面は、製品の状態において機械加工された状態のままとなっており、酸化層４が内面を形成していない。それ故、流路３の内面の強度が確保される。これにより、流路３の内面における耐久性を確保することができる。即ち、バルブブロック１は、酸化層４を有することによって外表面の耐食性を保ちつつ、機械加工面を有することによって流路３の内面の耐久性を確保することができる。特に、応力集中が生じやすい交差部分３１，３２において、それらの内面を機械加工面とすることはより好適である。また、バルブブロック１では、収容部１１，１２の内面が機械加工面として形成されるので、その内面１１ａ，１２ａ及び弁座部１１ｂ，１２ｂの面粗度を低く抑えることができる。これにより、弁体と内面１１ａ，１２ａとの間及び弁体と弁座部１１ｂ，１２ｂとの間のシール性、即ち弁体とシール面との間のシール性を確保することができる。即ち、収容部１１，１２からの水素ガスの漏れを抑えることができる。この点でも、バルブブロック１で、その外表面の耐食性を保ちつつ流路３の内面の耐久性を確保することができる。

【0024】

＜バルブブロックの製造方法＞
このように構成されているバルブブロック１は、本実施形態において図２に示す手順によって製造されている。即ち、バルブブロック１の製造処理が始まると、ステップＳ１に移行する。ステップＳ１であるバルブブロック外形成形工程では、バルブブロック１の外形を成形して半製品が製造される。バルブブロック１の外形成形は、本実施形態において切削加工又は鍛造によって行われる。なお、バルブブロック１の外形成形では、前述する方法以外に引抜加工や押出加工によって行われてもよい。バルブブロック１の半製品が製造されると、ステップＳ２に移行する。ステップＳ２である孔形成工程では、流路３とは異なる孔であって後述するアルミニウム陽極酸化処理を内面に施すべき孔を形成する。本実施形態においては、ボルト孔１ｅであり、その他配線通路（図示しない）等がある。ボルト孔１ｅは、右側面１ｄにねじ穴加工、例えばタップ加工を施して形成される。そして、ボルト孔１ｅが形成されると、ステップＳ３に移行する。

【0025】

ステップＳ３である外表面処理工程では、半製品の外表面にアルミニウム陽極酸化処理を施し、外表面全体に５μｍ以上３０μｍ以下の厚さの酸化層４を形成する。更に詳細に説明すると、外表面処理工程では、アルミニウム陽極酸化処理を行う前の処理として半製品の外表面に対して脱脂処理が行われ、次にエッチング処理が行われる。その後、アルミニウム陽極酸化処理を行うべく、半製品を電解浴に浸漬する。ここで、電解浴としては、例えば硫酸浴、リン酸浴、クロム浴、及びシュウ酸浴があり、本実施形態においては硫酸浴が用いられる。そして、半製品を電解浴に浸漬している状態で電気浴の電解液を電気分解することによって、半製品の外表面に酸化層４を形成する。この際、外表面に５μｍ以上３０μｍ以下の厚さの酸化層４が形成されるようにアルミニウム陽極酸化処理の条件を設定する。なお、前述する条件には、例えば電解浴の温度及び処理時間がある。酸化層４が形成された後は、封孔処理が行われて酸化層４が完成する。このようにアルミニウム陽極酸化処理によってバルブブロック１の外表面に酸化層４が形成されるので、外表面の耐食性が保つことができる。また、アルミニウム陽極酸化処理の前に孔形成工程を施すことによって、ボルト孔１ｅの内面が酸化層４によって形成される。これにより、ボルト孔１ｅの耐食性を向上させることができる。それ故、孔に湿気や雨水が入ってきた際にも孔の内面が腐食することを抑制することができる。そして、酸化層４が形成されると、ステップＳ４に移行する。

【0026】

ステップＳ４である収容部加工工程では、バルブブロック１に第１乃至第３収容部１１，１２を機械加工によって形成する。より詳細に説明すると、バルブブロック１では、後面（図１の紙面上側の面）１ｂ及び左右の両側面１ｃ，１ｄにドリル等の治具によって孔あけ加工を施す。例えば、第１収容部１１は、後面１ｂに直交する方向に延在するように形成される。また、第２収容部１２は、右側面１ｄに直交する方向に延在するように形成される。このように形成される２つの収容部１１，１２は、各々の軸が略同一平面上に位置するように形成される。このようにして収容部１１，１２が形成されると、ステップＳ５に移行する。

【0027】

ステップＳ５である流路部加工工程では、内面に機械加工面を形成すべく、機械加工によってバルブブロック１に第１乃至第３流路部２１～２３及び第４流路部を形成する。より詳細に説明すると、第１及び第２収容部１１，１２の各々にドリル等の治具を差し込んで治具によって孔あけ加工が施される。これにより、第２及び第３流路部２２，２３の各々は、第１及び第２収容部１１，１２の各々から各々の軸線に沿って延在するように形成される。これにより、第２流路部２２及び第３流路部２３が互いに交差して連通する。また、第４流路部は、第１収容部１１の内面１１ａに達するまで孔あけが行われる。更に、第１流路部２１は、バルブブロック１の下面側から孔あけ加工によって形成される。そして、第１流路部２１と第２流路部２２とが互いに交差して連通するまで、第１流路部２１の孔あけが行われる。第１乃至第３流路部２１～２３及び第４流路部の孔あけ加工が終了すると、バルブブロック１が完成し、バルブブロック１の製造処理が終了する。

【0028】

このようなバルブブロック１の製造方法において、流路３はアルミニウム陽極酸化処理の後にて実施される収容部加工工程及び流路部加工工程を含む流路形成工程において機械加工を施すことによって形成されている。それ故、流路３の内面を機械加工面として残すことができるので、外表面の耐食性を保ちつつ流路３の内面の強度を確保することができる。即ち、バルブブロックにおいて、外表面の耐食性を保ちつつ、流路の内面の耐久性を確保することができる。また、収容部１１，１２がアルミニウム陽極酸化処理の後に機械加工によって形成されるので、シール面である内面１１ａ，１２ａ及び弁座部１１ｂ，１２ｂの面粗度を低く抑えることができる。即ち、シール面を機械加工面として残すことによって、アルミニウム陽極酸化処理によってシール面が粗面化することを抑制することができる。これにより、シール面からの水素ガスの漏れが抑制されたバルブブロック１を製造することができる。

【0029】

＜その他の実施形態について＞
本実施形態のバルブブロック１の製造方法では、アルミニウム陽極酸化処理の後に流路３が形成されているが、必ずしもこのように形成する必要はない。即ち、図３のフローチャートに示すように、ステップＳ２の後に収容部加工工程であるステップＳ４に移行して収容部１１，１２を形成し、その次に流路部加工工程であるステップＳ５に移行して第１乃至第３流路部２１～２３及び第４流路部を形成する、即ちアルミニウム陽極酸化処理の前に流路３を形成する。その後、マスキング工程であるステップＳ６に移行し、流路３をマスキングする。本実施形態においては、流路３の各開口部に栓で塞いで、その中に電解液が入らないようにする。栓をした後、外表面処理工程であるステップＳ３に移行する。そして、ステップＳ３にてバルブブロック１の外表面全体に酸化層４を形成させる。最後にマスキング除去工程であるステップＳ７にて栓を取り外す。このようにして製造されるバルブブロック１もまた、流路３の内面を機械加工面として残すことができるので、前述するバルブブロック１の製造方法と同様の作用効果を奏する。

【0030】

また、本実施形態においてステップＳ２の孔形成工程は、必ずしもステップＳ３の外表面処理工程の前に実施される必要はなく、ステップＳ３の外表面処理工程の後に実施されてもよい。また、ステップＳ４の収容部形成工程もまた、ステップＳ５の流路部形成の前に実施されているが、必ずしもそれに限定されない。即ち、ステップＳ４の収容部形成工程がステップＳ５の流路部形成の後に実行されてもよい。

【0031】

また、バルブブロック１は、必ずしも前述するようなタンクバルブ装置のバルブブロックである必要はない。即ち、バルブブロック１に水素ガスが流れる流路３が形成されているものであればよい。また、本実施形態において、流路３は、第１流路部２１を除く各部に関して各々の軸線が略同一平面上に位置するように形成されているが、必ずしも略同一平面上に形成されている必要はない。即ち、流路部２２，２３が上下等にずれて配置されていてもよい。また、各流路部２２，２３は、必ずしも対応する収容部１１，１２の軸線に沿って形成されている必要もなく、軸線に対して傾けて形成されていてもよい。また、流路部２１～２３は、Ｔ字形状になるように交差しているが、必ずしもそのような形状に限定されず十字交差であってもよい。また、流路部２１～２３は、Ｌ字状に交差してもよい。また、交差する流路部２１～２３が直角に交差するものであってもよい。

【0032】

更に、バルブブロック１におけるシール面は、前述する内面１１ａ，１２ａ及び弁座部１１ｂ，１２ｂだけに限定されない。即ち、シール面は、樹脂ガスケット等が当接する部分であってもよく、シールされる面であればよい。

【符号の説明】

【0033】

１ バルブブロック
１ｅ ボルト孔
２ バルブブロック本体
３ 流路
４ 酸化層
１１ 第１収容部
１１ａ 内面（シール面）
１１ｂ 第１弁座部（シール面）
１２ 第２収容部
１２ａ 内面（シール面）
１２ｂ 第２弁座部（シール面）
３１ 第１交差部分
３２ 第２交差部分

【図1】

【図2】

【図3】