JP5270198B2 - 家庭用燃料電池における配管接続装置 - Google Patents

Description

本発明は、家庭用燃料電池の各ユニットを管路により接続する装置に係り、特にＯリングを使用するタイプの配管接続装置に関する。

省エネ性、環境性を兼ね備えた定置用燃料電池コジェネレーションシステムの本格的市場化に向けた見通しと課題およびその解決に向けた取組みについて経済産業省資源エネルギー庁主導の下で進められている「定置用燃料電池市場化戦略検討会報告書（２００５年４月１１日）」において詳しく述べられている。（非特許文献１）
同報告書では、前記燃料電池の普及にあたっては、システムコストの低減が大きな課題となり、その中でも周辺機器（補機類）のコストダウンが重要であって、国が取り組むべき事項として「燃料電池用の補機に必要とされるスペックの公表を行い、コストダウンにとって重要な課題である補機供給に新規企業の参入を促すべき。」と提言している。

経済産業省では、同報告書の提言に基づいて、ポンプ、センサーなど家庭用燃料電池システム（出力１ｋｗ〜７００ｗ）用の周辺機器（補機類）に求められる仕様（スペック）について、システムメーカーへのアンケート調査等の結果から取りまとめ、２００５年４月２１日に公表し、その後の状況変化を踏まえつつ、さらに共通化を推進するために、あらためて要求スペックを精査し、ほぼ一本化された「共通仕様」が公表されている。（非特許文献２）

図６は、非特許文献２に記載された定置用燃料電池コジェネレーションシステムの概要である。同図６に示されるように、このシステムには、Ｇ１（原燃料昇圧ポンプ）、Ｂ１（燃焼バーナー用空気ブロワ）、Ｂ２（ＣＯ除去器用空気ブロワポンプ）、Ｂ３（電池反応空気ブロワ）、Ｗ１（改質用水ポンプ）、Ｗ２（電池冷却水ポンプ）、Ｗ３（貯湯水量制御ポンプ）気化器、バーナー、排熱回収装置、脱硫器、改質器、ＣＯ変成器、ＣＯ除去器、燃料極、空気極、冷却器、冷却水タンク、熱交換器、水処理装置、貯湯槽各ユニット等の各ユニットの間を接続する配管部分が数多く必要であり、システムの普及すなわち、システム全体のコスト低減のためこれら接続配管部分の組み付け作業を含むコスト低減が大きな課題となっている。そのため、前記各ユニット側においては従来雌のテーパネジであったものを図７に示すような構造とする事実上の規格化が採用されている。

同図７に示されるように、配管部分とのインターフェイスである開口部では３種類のＯリングＰ７、Ｐ１０、Ｐ１４の使用が指定されており、それらＯリングの外周と接する開口部分の内径（丸印のＡで示す）は１０ｍｍ、１３ｍｍ、１８ｍｍである。
これら３種の内径部に配置されるＯリングのシール機能を実現させるためと、配管用の市販パイプ素材が利用できることを前提にした、略図８に示す断面形状のスリーブが考えられる。
「定置用燃料電池市場化戦略検討会報告書（２００５年４月１１日）」：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｍｅｔｉ．ｇｏ．ｊｐ／ｉｎｆｏ／ｃｏｍｍｉｔｔｅｅ／ｍｏｋｕｊｉ．ｈｔｍｌ 「定置用燃料電池システム関連周辺機器（補機類）の仕様リスト」資源エネルギー庁・新エネルギー部政策課 燃料電池推進室：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｍｅｔｉ．ｇｏ．ｊｐ／ｐｒｅｓｓ／２００５０４２１００２／２００５０４２１００２．ｈｔｍｌ

前述した図８の例では、鋼材やステンレス等の市販パイプ素材が前記指定されたＯリングの内径に直接マッチする外周寸法を有するものは生産されていないという事情を考慮してスリーブＳの寸法ｄを市販パイプの外周寸法に合わせて機械加工できるという点で利点があるものの、スリーブＳのＺ１部分において接続配管を溶接して固定するする方式であり、またスリーブＳの機械加工がＯリング溝Ｚ２も含め加工部位が多く比較的複雑であるため製造コストの点から採用には難点があった。

本願の発明者は上記の問題を解決すべく、鋭意研究、検討、試作をおこなった結果、市販の配管用パイプ素材の外周寸法が指定されたＯリングの内径とマッチしないという条件のもとで、スリーブ内周面と該パイプ外周面を圧着させると共に、該スリーブから延設したパイプ端部にＯリングの収納部分を塑性変形により形成することで前記の問題が基本的に解決できることを突き止めた。

したがって、本発明の目的は、普及の障害となる溶接構造を有せず、家庭用燃料電池の据付現場での組み付けが容易且つ可及的にコスト低減効果のある家庭用燃料電池における配管接続装置を提供することにある。

前記目的を達成するための、本発明による家庭用燃料電池における配管接続装置は、
家庭用燃料電池の各ユニットを管路により接続する装置であって、
前記各ユニットに一体的に形成され、前記管路と接続される開口部として、管路軸方向に第１の長さＬで且つ第１の内径Ｄを有すると共にその外周端部に第１の段差部を形成した本体と、
前記本体の開口部に挿入され前記第１の長さＬより短い円筒部を有し同円筒部に続いて前記開口部の端面と当接する垂直面を有すると共に外周には前記第１の段差部と対象位置となるよう配置される第２の段差部を有するスリーブと、
前記スリーブ内径部に圧着固定されると共に同圧着固定部分に続いてＯリング収納部を形成した接続用管路と、
前記Ｏリング収納部に配置されたＯリングと、
前記垂直面を介して前記本体に当接する前記スリーブが前記垂直面から離脱するのを防止するため前記第１および第２の段差部に係合する係合部材と、を備え、
前記係合部材は、
頂部からそれぞれ垂下し、互いに対向配置されるよう形成された側壁、同側壁から延設され、前記第１および第２の段差部に係合するための開口を有する一対の傾斜面からなる山部および同山部に続くフレア部とからなる弾力性を有する係合部材本体と、
中間部に開口を有し、両端部に前記フレア部を包む屈曲部が形成された留め金部材とからなり、前記留め金部材の開口は前記頂部と反対側に位置する前記第１、第２段差部に係合され、前記屈曲部の一方側には同屈曲部の一部を打ち抜かれた爪部が形成され、組み付け状態で同爪部先端が前記フレア部に当接し且つ押圧するものであり、
前記Ｏリング収納部は、外径がほぼ前記第１の内径Ｄに等しく形成され前記Ｏリング側部に接する径大部および同径大部に続き前記Ｏリング内径部と接する管路部が形成され、さらに前記管路部に続いて前記Ｏリング抜け落ち防止用のフレアが管路端部に形成されており、
前記Ｏリング収納部の径大部は前記接続用管路の一部を屈曲して形成されており、
前記Ｏリング収納部の管路部外径は前記接続管路の素材外径よりも大きくなるよう形成され、さらに前記Ｏリング収納部の内径は前記スリーブに圧着固定された管路の内径部分と同一となるよう形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、スリーブ内周面と該パイプ外周面を圧着させると共に、該スリーブから延設したパイプ端部にＯリングの収納部分を塑性変形により形成することにより、市販の配管用パイプ素材の外周寸法が指定されたＯリング内径とマッチしないという条件のもとでも、従来のスリーブ（本願図８参照）を必要としない家庭用燃料電池における配管接続装置を提供することが可能となる。

図１は本発明の実施の形態に基づく実施例の配管接続装置であって、同図（ａ）は接続部分の要部を示す軸方向上半分の縦断面図、同図（ｂ）は、（ａ）の平面図、同図（ｃ）は、（ｂ）の軸方向から見た左側面図である。
図１（ａ）において、参照符号１０は、燃料電池システムを構成する１つのユニットに一体的に形成された接続用の本体であって、同本体１０の左端部分は、内径Ｄで長さＬの円筒部１０ａを有する開口ＳＰが形成されている。
円筒部１０ａの左端部分は径太に形成された係合部１０ｂであって、同係合部１０ｂの右側には段差部１０ｃが形成されている。前記段差部１０ｃに続く円筒部１０ａの外周は後述する係合部材本体１８の取付け空間である。

参照符号１２は、前記開口ＳＰに挿入されたスリーブである。同スリーブ１２は、前記本体１０の円筒部１０ａの長さＬより短い長さを有する円筒部１２ａと同円筒部１２ａより径太の軸部１２ｄとからなり、その外周中間部には本体１０側の係合部１０ｂ端面に当接する垂直面１２ｅを有する段差が形成されている。前記垂直面１２ｅ左側の軸部１２ｄには径太の係合部１２ｂが形成されその左側には段差部１２ｃが形成され、図示のように、係合部材本体１８により挟まれた状態で係合部１０ｂ、１２ｂは垂直面１２ｅを介して対向配置されている。

参照符号１４は、外径Ａを有する市販のステンレス製パイプであってスリーブ１２の内周面に圧着固定されている。スリーブ１２の内周面に位置するパイプ部分１４ａの外径は圧着工程に伴い外径Ａより大きくなっている。圧着部分から右方に延設したパイプ部分は、図示のように、Ｏリング１６の収納部Ｘを構成している。この収納部Ｘは、Ｏリング１６の左側面に接する屈曲部１４ｂ、Ｏリング１６の内径部と接する管路部１４ｃおよび、Ｏリング１６の抜け落ち防止用のフレア１４ｄからなっている。なお、屈曲部１４ｂは、スリーブ１２の端面に当接しており、したがって、パイプ１４のスリーブ１２からの抜け止め機能を有する。また、この屈曲部１４ｂは、予めパイプ部分１４ａを所定形状の型を用いて軸方向両側から圧縮し半径方向にのみ塑性変形するようにして形成することができる。また、管路部１４ｃの外周部は、Ｏリング１６の内径部を押圧接触する状態となるような外周径に予め塑性変形される。なお、上記の圧着部分およびＯリング収納部Ｘの塑性変形加工は、予め専用のパイプ端末加工機、例えば（株）オスガーマシンの加工機械で遂行することができる。

図１（ｂ）は、（ａ）を上方から見た平面図であって、対向配置された一対の係合部１０ｂおよび１２ｂの一部分（４箇所）が係合部材本体１８の開口部１８ａ、１８ｂへ嵌まり込み、一対の係合部側面に開口部１８ａ、１８ｂの稜線が接触し軸方向への移動を規制するよう係合されていることを示す。

図１（ｃ）は、係合部材本体１８を係合部に取付けた状態を軸方向から見た図であり、係合部材本体１８は、矢視イで示すように、単体の自然状態よりも押し広げられており、それにより矢視ロの方への弾発力が作用しているので、係合部材本体１８が下方に抜け落ちることはない。上記の係合部材本体１８はステンレス製のクリップ部材として市販されており、例えば大陽ステンレススプリング（株）製のジョイントクリップ（商品名）を挙げることができる。

図２は、係合部材本体１８の開口部１８ａ、１８ｂを通る縦断面を示す。同図において、係合部材本体１８の頂部１８ｃからは、互いに対向配置されるよう形成されたそれぞれ側壁１８ｅ、１８ｅ、同側壁１８ｅ、１８ｅから延設され、前記段差部１０ｃ、１２ｃに係合するための開口部１８ｂ、１８ａを有する一対の傾斜面１８ｆ、１８ｇからなる山部および、同山部に続くフレア部１８ｄとからなり、弾力性を有するステンレス製部材で構成されている。

図３は、係合部材本体１８を取り付けた図１（ｃ）の状態で、さらにフレア部１８ｄへ開口を有する留め金具２０を組み付けるための操作手順を示す。同図３（ａ）は、係合部材本体１８のフレア部１８ｄに係合する留め金具２０の右端側の屈曲部２０ｃでフレア部１８ｄ端部を包み込んだ状態を示す。参照符号２０ｂは、留め金具２０の左端側の屈曲部であって、爪部２０ａが屈曲部２０ｂの一部を打ち抜いて形成されている。
図３（ｂ）は、留め金具２０を、（ａ）図の矢視のように、上方から押し下げ塑性変形させることにより左側のフレア部１８ｄが爪部２０ａの先端部からさらに押し込まれた組み付け状態であって、さらに、その開口から段差部が突き出した状態を示す。
図３（ｃ）は、ラジオペンチ等の工具を用いて爪部２０ａを打ち抜き部２０ｄへ押し戻しながら矢視のように、屈曲部２０ｂを上方へまくり上げることにより留め金具２０を係合部本体１８から離脱可能であることを示す。

図４は、図３（ｂ）に対応しており、留め金具２０を係合部本体１８に組み付けた状態を示す。
図５は、図４のＺ方向から見た留め金具２０の組付け状態を示す平面図である。

次に、本発明による配管接続装置の組み付けおよび取り外しについて説明する。組み付けの作業は、家庭用燃料電池の各ユニットがほぼ定位置に設置されており、それら各ユニットを配管接続するものである。現場での組み付け作業に先行して、予め、スリーブ１２に対しパイプ１４を圧着固定および端部にＯリング収納部Ｘがパイプ端末加工機等で形成される。現場での組み付けの際には所定のＯリング１６を収納部Ｘに搭載した状態でスリーブ１２を本体１０の開口ＳＰへ挿入し、垂直面１２ｅが係合部１０ｂの端面に当接した状態で係合部材本体１８の開口部１８ａ、１８ｂと係合部１０ｂ、１２ｂの軸方向位置を一致させて、係合部材本体１８の頂部１８ｃをスリーブ１２の中心Ｑに向け押すことによりフレア部１８ｄ、１８ｄが押し広げられつつ移動し、係合部１０ｂ、１２ｂが４箇所で開口部１８ａ、１８ｂへ嵌まり込ませることにより係合部材本体１８の取り付けが終了する。

次いで、図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の操作手順により留め金具２０を組み付けることで配管接続部の組付け作業が完了する。

取り外しの作業は、フレア部１８ｄに圧着固定されている留め金具２０を、図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の操作手順と逆の手順で工具２２等を用いて係合部材本体１８から離脱した後、係合部材本体１８の頂部１８ｃをスリーブ１２の中心Ｑから離れるよう引っ張ることにより締結を解除することができ、このように組み付け、取り外しの現場での作業は単純化される。

以上、本発明の好適な実施例について説明したが、本発明はこれら例示された内容に限定されるものではなく、当業者であればそれらに基づいて種々の変形例を実施することが可能である。例えば、留め金具２０の代わりに、両フレア部１８ｄ、１８ｄの間に板材等を取り付けてボルト、ナットで固定することによりフレア部が押し広がるのを防止することができる。

本発明の実施の形態に基づく実施例の配管接続装置を説明する図であって、（ａ）は接続部分の要部を示す軸方向上半分の縦断面図、（ｂ）は、（ａ）の上方から見た平面図、同図（ｃ）は、（ｂ）の軸方向から見た左側面図である。 係合部材本体の開口部を通る縦断面図である。 係合部材本体を取り付けた状態で、さらにフレア部へ開口部を有する留め金具を組み付けるための操作手順を示し、（ａ）は、係合部材本体のフレア部に係合する留め金具右端側の屈曲部でフレア部端部を包み込んだ状態を示し、（ｂ）は止め金具を上方から押し下げ上方から押し下げことにより左側のフレア部が爪部の先端部からさらに押し込まれた組み付け状態を示し、（ｃ）は、ラジオペンチ等の工具を用いて留め金具を係合部本体から離脱可能であることを示す図である。 留め金具を係合部材本体に組み付けた図３（ｂ）に対応する状態を示す図である。 係合部材本体に止め金具を組み付けた状態を示す図示す。 非特許文献２に記載された定置用燃料電池コジェネレーションシステムの概要を説明するブロック図である。 非特許文献２の「定置用燃料電池システム関連周辺機器（補機類）の仕様リスト」に添付の参考３の内容を示す図である。 図７に示される仕様を満たすが溶接の利用を前提とするスリーブ構造の軸方向縦断面図である。

符号の説明

１０ 本体
１０ａ 円筒部
１０ｂ 係合部
１０ｃ 段差部
１２ スリーブ
１２ａ 円筒部
１２ｂ 係合部
１２ｃ 段差部
１２ｄ 軸部
１２ｅ 垂直面
１４ パイプ
１４ａ 圧着部分
１４ｂ 屈曲部
１４ｃ 管路部
１４ｄ フレア
１６ Ｏリング
１８ 係合部材本体
１８ａ 開口部
１８ｂ 開口部
１８ｃ 頂部
１８ｄ フレア部
２０ 留め金具
２０ａ 爪部
２０ｂ 左端側の屈曲部
２０ｃ 右端側の屈曲部
２０ｄ 打ち抜き部
ＳＰ 開口
Ｘ Ｏリング収納部

Claims (1)

1. 家庭用燃料電池の各ユニットを管路により接続する装置であって、
   前記各ユニットに一体的に形成され、前記管路と接続される開口部として、管路軸方向に第１の長さＬで且つ第１の内径Ｄを有すると共にその外周端部に第１の段差部を形成した本体と、
   前記本体の開口部に挿入され前記第１の長さＬより短い円筒部を有し同円筒部に続いて前記開口部の端面と当接する垂直面を有すると共に外周には前記第１の段差部と対象位置となるよう配置される第２の段差部を有するスリーブと、
   前記スリーブ内径部に圧着固定されると共に同圧着固定部分に続いてＯリング収納部を形成した接続用管路と、
   前記Ｏリング収納部に配置されたＯリングと、
   前記垂直面を介して前記本体に当接する前記スリーブが前記垂直面から離脱するのを防止するため前記第１および第２の段差部に係合する係合部材と、を備え、
   前記係合部材は、
   頂部からそれぞれ垂下し、互いに対向配置されるよう形成された側壁、同側壁から延設され、前記第１および第２の段差部に係合するための開口を有する一対の傾斜面からなる山部および同山部に続くフレア部とからなる弾力性を有する係合部材本体と、
   中間部に開口を有し、両端部に前記フレア部を包む屈曲部が形成された留め金部材とからなり、前記留め金部材の開口は前記頂部と反対側に位置する前記第１、第２段差部に係合され、前記屈曲部の一方側には同屈曲部の一部を打ち抜かれた爪部が形成され、組み付け状態で同爪部先端が前記フレア部に当接し且つ押圧するものであり、
   前記Ｏリング収納部は、外径がほぼ前記第１の内径Ｄに等しく形成され前記Ｏリング側部に接する径大部および同径大部に続き前記Ｏリング内径部と接する管路部が形成され、さらに前記管路部に続いて前記Ｏリング抜け落ち防止用のフレアが管路端部に形成されており、
   前記Ｏリング収納部の径大部は前記接続用管路の一部を屈曲して形成されており、
   前記Ｏリング収納部の管路部外径は前記接続管路の素材外径よりも大きくなるよう形成され、さらに前記Ｏリング収納部の内径は前記スリーブに圧着固定された管路の内径部分と同一となるよう形成されていることを特徴とする家庭用燃料電池における配管接続装置。