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発明の名称 高圧容器
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2007−24193(P2007−24193A)
公開日 平成19年2月1日(2007.2.1)
出願番号 特願2005−207667(P2005−207667)
出願日 平成17年7月15日(2005.7.15)
代理人 【識別番号】100083806
【弁理士】
【氏名又は名称】三好 秀和
発明者 美保 佳孝 / 吉永 知文
要約 課題
高圧容器への水素充填作業性の悪化を招くことなく、充填時での高圧容器内の温度上昇を抑える。

解決手段
高圧容器の水素充填口1に口元バルブ3を設け、この口元バルブ3内の水素流通孔11aに対して接近離反移動する弁体13を、流量可変ブロック11内に設ける。弁体13の背面に形成したチャンバ11cには、容器内温度の上昇に応じて熱膨張するシリコーンオイル15を収容する。シリコーンオイル15が水素充填に伴う温度上昇に対応して膨張することで、弁体13を移動させて水素流通孔11aを絞り、充填水素量を制限する。
特許請求の範囲
【請求項1】
気体を高圧で貯蔵する高圧容器において、前記気体を容器内に充填するための充填口に口元バルブを設け、この口元バルブに、前記充填される気体の流量を容器内温度に応じて変化させる流量可変手段を設けたことを特徴とする高圧容器。
【請求項2】
容器内温度に応じて熱変形して前記流量可変手段を移動させる熱変形材を、容器内に設置したことを特徴とする請求項1に記載の高圧容器。
【請求項3】
前記流量可変手段は、前記熱変形材の熱変形に伴い移動して前記口元バルブ内流路の流路面積を変化させる弁体で構成したことを特徴とする請求項2に記載の高圧容器。
【請求項4】
前記弁体の前記口元バルブ内流路と反対側にチャンバを設け、このチャンバ内に前記熱変形材を収容したことを特徴とする請求項3に記載の高圧容器。
【請求項5】
前記熱変形材を、容器内壁面に取り付けたことを特徴とする請求項2または3に記載の高圧容器。
【請求項6】
容器壁部を、内壁を構成する金属ライナと、外壁を構成する樹脂補強部材との少なくとも二層構造とし、前記熱変形材を、前記金属ライナの薄肉部に取り付けたことを特徴とする請求項5に記載の高圧容器。
【請求項7】
容器壁部を、内壁を構成する金属ライナと、外壁を構成する樹脂補強部材との少なくとも二層構造とし、前記熱変形材を、前記樹脂補強部材の厚肉部に取り付けたことを特徴とする請求項5に記載の高圧容器。
【請求項8】
前記弁体を、前記口元バルブ内流路の両側部に一対設け、この一対の弁体に対応して前記チャンバをそれぞれ設けたことを特徴とする請求項4に記載の高圧容器。
【請求項9】
前記チャンバの容器内雰囲気と接する壁部に、容器内の温度を前記熱変形材に伝達する熱伝達手段を設けたことを特徴とする請求項4または8に記載の高圧容器。
【請求項10】
前記弁体を断熱材で構成したことを特徴とする請求項3ないし9のいずれか1項に記載の高圧容器。
【請求項11】
前記熱変形材の受熱部の面積を、前記弁体の前記熱変形材に対向する面の面積より大きくしたことを特徴とする請求項4,8,9,10のいずれか1項に記載の高圧容器。
【請求項12】
前記熱変形材をケース内に収容し、このケースをさらに外側ケースで覆い、この外側ケース内と外側ケース外の容器内とを連通する絞り部を設けたことを特徴とする請求項2,3,5,6,7,10のいずれか1項に記載の高圧容器。
発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
本発明は、気体を高圧で貯蔵する高圧容器に関する。
【背景技術】
【0002】
燃料電池における燃料として使用する水素は、高圧気体とした状態で燃料容器に貯蔵する必要があり、このため水素貯蔵用の燃料容器は耐圧性に優れた高圧容器であることが要求される。このような高圧容器に対する水素充填時には、容器内の断熱圧縮により、充填水素流量に応じて容器内温度が上昇する。
【0003】
ところが、現状では、外気温度や充填水素量を考慮すると、充填時の容器内温度は、高圧容器の熱信頼性保証温度範囲を越えてしまう可能性があるため、作業者が充填水素流量の制限や充填停止を行うか、あるいは充填速度を低下させる措置を講じる必要あり、水素充填作業性の悪化を招いている。
【0004】
このように、高圧容器内への水素充填時には、容器内温度が高まることから、充填水素量を減少させるなどの作業が必要となる。
【0005】
一方、温度に応じて流体の流量を変化させるバルブ構造を備えるものとしては、例えば下記特許文献1,2に記載されているように、ワックスの熱膨張によって流路を可変とするものがある。
【特許文献1】特開昭60−37479号公報
【特許文献2】特開平8−277964号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかしながら、上記した特許文献1,2に記載のものは、いずれも高圧容器に適用したものではなく、したがって現状では、気体充填時での高圧容器内の温度上昇を抑えることができず、水素充填作業性の悪化を改善することができない。
【0007】
そこで、本発明は、高圧容器への気体充填作業性の悪化を招くことなく、充填時での高圧容器内の温度上昇を抑えることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明は、気体を高圧で貯蔵する高圧容器において、前記気体を容器内に充填するための充填口に口元バルブを設け、この口元バルブに、前記充填される気体の流量を容器内温度に応じて変化させる流量可変手段を設けたことを最も主要な特徴とする。
【発明の効果】
【0009】
本発明によれば、充填口に設けた口元バルブに、充填する気体の流量を容器内温度に応じて変化させる流量可変手段を設けたため、作業者が充填流量制限や停止を行うなどの充填作業性の悪化を招くことなく、高圧容器の熱信頼性保証温度を超えない流量で気体を充填することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0010】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【0011】
図1は、本発明の第1の実施形態を示す高圧容器の気体充填口付近の断面図である。ここでの高圧容器は、燃料電池における燃料として使用する水素(気体)を貯蔵するものとしているが、水素に限るものではない。
【0012】
高圧容器の水素充填口1には、口元バルブ3を装着している。水素充填口1は、容器外方に突出する円筒部を備え、この円筒部内面に形成した雌ねじ部5に、口元バルブ3の締結部7を締結固定する。
【0013】
締結部7の容器外側の端部には、図示しない配管や水素充填作業時に使用するノズルを接続する接続部9を一体化して設けている。一方、締結部7の容器内側の端部には、締結部7より僅かに小径の流量可変ブロック11を一体化して設けている。
【0014】
上記した接続部9から締結部7および流量可変ブロック11にわたり、容器内に充填する水素が通過する口元バルブ内流路12となる水素流通孔9a,7a,11aをそれぞれ形成している。このうち締結部7および流量可変ブロック11に設けた水素流通孔7aおよび11aは、水素充填口1の中心に対し図1中で左側にずれた位置に形成している。
【0015】
そして、流量可変ブロック11の図1中で上下方向ほぼ中央位置には、水素流通孔11aの図1中で右側部分に連通する弁体収容穴11bを形成している。さらに、弁体収容穴11bに連続して水素流通孔11aと反対側にはチャンバ11cを設け、チャンバ11cの水素流通孔11aと反対側の端部は、薄肉の隔壁板11dで覆っている。
【0016】
図2は、上記した弁体収容穴11bおよびチャンバ11cに対応するA−A線に沿う断面図である。
【0017】
弁体収容穴11bには、流量可変手段としての弁体13を、水素流通孔11aに対して接近離反する方向に移動可能に設けるとともに、弁体13と隔壁板11dとの間のチャンバ11cには、熱変形材としてのシリコーンオイル15を封入している。シリコーンオイルの熱膨張率は、水や鉱物油に比べて大きく、その比重や容積は温度により大きく変化する。例えば、ジメチルシリコーンオイルの熱膨張率は、粘度により異なるが、約1×10-3である。
【0018】
弁体13は、図1に示すように先端が断面三角錐形状の頭部13aと、頭部13aの後面に一体化している摺動ピストン部13bとからなり、摺動ピストン部13bの外周にはシール材17を設けている。
【0019】
次に作用を説明する。容器内への水素充填開始前の常温下では、シリコーンオイル15の体積が小となっており、このため弁体13は図1中で右側の後退位置にあって水素流通孔11aを開放し、水素が流通する流路を確保している。
【0020】
この状態で水素充填作業を継続していくと、容器内の断熱圧縮により容器内温度が上昇する。この温度上昇を薄肉の隔壁板11dを介して感知するシリコーンオイル15が、温度上昇に伴って膨張し、弁体13を図1中で左方向に移動させ、図3のように水素流通孔11aを絞り、あるいは遮断して流量を制御する。
【0021】
これにより、高圧容器の熱信頼性保証温度を超えない流量で水素を充填することができ、この際作業者が水素充填作業を停止したり、あるいは充填速度を低下させるなどの措置を講じる必要がなく、水素充填作業性の悪化を防止することができる。
【0022】
また、弁体13がシリコーンオイル15の膨張により徐々に水素流通孔11aを絞る構造になっているため、水素が水素流通孔11aを流れる際の圧損が少なくて済む。
【0023】
さらに、水素流通孔11aを流れる水素流量を制御する弁体13やシリコーンオイル15は、水素充填口1の口元バルブ3に組み込んであるため、口元バルブ3と別体に設けた場合に比較して部品点数が少なくなりコスト低減、質量減少が可能になる。また、これら弁体13やシリコーンオイル15を、容器内に設置しているため、容器外部に設置する場合に比較して、例えば本高圧容器を車両などの限られたスペースに搭載する際のレイアウト性が向上する。
【0024】
また、シリコーンオイル15を収容するチャンバ11cの隔壁板11dを薄肉としているので、容器内の熱をシリコーンオイル15に効率よく伝達することができ、弁体13の移動応答性が向上して水素流通孔11aを絞ることによる流量制御精度を高めることができる。
【0025】
なお、弁体13をセラミックなどの断熱材により構成することで、水素流通孔11aを流れる、容器内水素より低温の水素の熱影響をシリコーンオイル15に与えないようにすることができ、これにより流量制御精度を高めることができる。
【0026】
図4は、本発明の第2の実施形態を示す高圧容器全体の断面図である。この実施形態は、ケース19内に収容したシリコーンオイル21を、容器内壁面23に取り付けている。
【0027】
ここでの高圧容器は、前記図1に示した第1の実施形態と同様に、燃料電池における燃料として使用する水素を貯蔵するものであり、上記した容器内壁面23を有して容器のシール機能を発揮する金属ライナ25と、外壁を構成する樹脂補強部材である繊維強化樹脂(FRP)27との少なくとも二層構造としている。
【0028】
そして、金属ライナ25は、容器長手方向(図4中で上下方向)両端部を厚肉部25aとし、厚肉部25a相互間の胴部を薄肉部25bとしている。一方、FRP27は、金属ライナ25とは逆に、容器長手方向両端を薄肉部27aとし、薄肉部27a相互間の胴部を厚肉部27bとしている。
【0029】
このような二層構造の容器における、金属ライナ25の薄肉部25bとFRP27の厚肉部27bとを重ね合わせた容器胴部の長手方向ほぼ中央の前記した容器内壁面23に、シリコーンオイル21を設置している。
【0030】
また、ケース19の外側は、さらに外側ケース29で覆っている。外側ケース29には、絞り部としての多数の孔29aを設けてあり、容器内に水素を充填する際に、外側ケース29の外側から同内側に向けて孔29aを水素が通過し、このときオリフィスのように絞り作用が発生するようにしている。
【0031】
一方、水素充填口1の口元バルブ3の流量可変ブロック11には、前記した第1の実施形態と同様に弁体13を設けている。そして、この弁体13の後面側の空間と、前記したシリコーンオイル21を収容するケース19内とを、シリコーンオイル収容配管31で接続し、これら接続空間にシリコーンオイル21と同様のシリコーンオイルを充填する。
【0032】
したがって、この実施形態においても、シリコーンオイル21が、容器内温度を感知することで水素充填に伴う容器内温度上昇とともに膨張し、これに伴いシリコーンオイル収容配管31内のシリコーンオイルも全体的に弁体13側に変位して弁体13を図4中で左方向に移動させ、水素流通孔11aを絞り、あるいは遮断して充填水素流量を制御する。
【0033】
これにより、第1の実施形態と同様に、高圧容器の熱信頼性保証温度を超えない流量で水素を充填することができ、この際作業者が水素充填作業を停止したり、あるいは充填速度を低下させるなどの措置を講じる必要がなく、水素充填作業性の悪化を防止することができる。
【0034】
また、この実施形態では、容器内への水素充填時に、外側ケース29の多数の孔29aから外側ケース29内に水素が流れ込むことで流速が高まって圧力降下し、いわゆるジュール・トムソン効果により外側ケース29内の温度が上昇する。このため、シリコーンオイル21の熱膨張が促進され、弁体13の移動による流量制御も確実に行うことができる。
【0035】
また、温度感知部となるシリコーンオイル21を容器内壁面23に取り付けているため、温度管理を行ないたい容器に接する水素温度を効率よく感知することができ、流量制御精度を高めることができる。
【0036】
さらに、温度感知部となるシリコーンオイル21を、容器内に充填した水素の蓄熱量が金属ライナ25の厚肉部25aに比較して小さい同薄肉部25bに取り付けているため、容器内温度を精度よく感知することができる。
【0037】
また、温度感知部となるシリコーンオイル21を、容器内に充填した水素の外部への放熱量がFRP27の薄肉部27aに比較して小さい同厚肉部27bに取り付けているため、容器内温度を精度よく感知することができる。
【0038】
図5は、本発明の第3の実施形態を示す、前記図1に相当する断面図である。この実施形態は、口元バルブ3の締結部7および流量可変ブロック11における水素流通孔7aおよび11aを、締結部7および流量可変ブロック11の中心部に形成した上で、流量可変ブロック11の水素流通孔11aの図5中で左右両側に、弁体13を一対設置している。
【0039】
また、弁体13の後面側のチャンバ11cには、第1の実施形態と同様にしてシリコーンオイル15を充填しているが、このチャンバ11cは、弁体収容穴11bに対し、弁体13の移動方向に直交する面の面積が大きくなるよう拡大している。
【0040】
そして、チャンバ11cの弁体収容穴11bと反対側の容器内水素の雰囲気に接する壁部となる隔壁板33には、熱伝達手段としての凹凸部33aを形成している。
【0041】
したがって、この実施形態においても、シリコーンオイル21が、容器内の温度を隔壁板33を介して感知することで水素充填に伴う容器内温度上昇とともに膨張し、一対の弁体13を互いに接近する方向に移動させて水素流通孔11aを絞り、あるいは遮断して流量を制御する。
【0042】
これにより、第1の実施形態と同様に、高圧容器の熱信頼性保証温度を超えない流量で水素を充填することができ、この際作業者が水素充填作業を停止したり、あるいは充填速度を低下させるなどの措置を講じる必要がなく、水素充填作業性の悪化を防止することができる。
【0043】
また、第3の実施形態では、水素流通孔11aを挟んでその両側に弁体13およびシリコーンオイル15を設けているので、同一流量を流す際に、これらを一方側にのみ設けた第1の実施形態と比較して、一方側のシリコーンオイル21の熱膨張による弁体13の移動量が少なくて済み、したがって熱変形材として第1の実施形態で使用するシリコーンオイル15よりも熱膨張率の小さいもの使用することが可能になるなど、熱膨張する熱変形材の選択肢が広がってコスト削減を達成することができる。
【0044】
さらに、第3の実施形態では、シリコーンオイル15と容器内雰囲気とを隔てる隔壁板33に凹凸部33aを形成して熱交換効率を高めているので、容器内の熱をシリコーンオイル15に効率よく伝達することができ、水素流通孔11aを絞ることによる流量制御精度を高めることができる。
【0045】
また、弁体13を収容する弁体収容穴11bに対し、シリコーンオイル15を充填するチャンバ11cを拡大し、シリコーンオイル15の受熱部の面積を、弁体13における摺動ピストン部13bのシリコーンオイル15に対向する面の面積に対して大きくしているので、シリコーンオイル15の少ない熱膨張で弁体13の移動量を多くとることができる。この結果、水素流通孔11aを流れる水素流量を、容器内温度に応じて制御する際の応答性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【0046】
【図1】本発明の第1の実施形態を示す高圧容器の充填口付近の断面図である。
【図2】図1の高圧容器における弁体収容穴に対応するA−A線に沿う断面図である。
【図3】図1の高圧容器において流量を制御した状態を示す断面図である。
【図4】本発明の第2の実施形態を示す高圧容器全体の断面図である。
【図5】本発明の第3の実施形態を示す、前記図1に相当する断面図である。
【符号の説明】
【0047】
1 水素充填口
3 口元バルブ
12 口元バルブ内流路
13 弁体(流量可変手段)
15,21 シリコーンオイル(熱変形材)
19 シリコーンオイルを収容するケース
23 容器内壁面
25 金属ライナ
25b 金属ライナの薄肉部
27 繊維強化樹脂(樹脂補強部材)
27b 繊維強化樹脂の厚肉部
29 ケースを覆う外側ケース
29a 外側ケースの孔(絞り部)
33a 隔壁板の凹凸部(熱伝達手段)




 

 


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