JP2002130122A - 電磁コンプレッサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 磁気回路の磁気効率を高め、ポンプの小形経
済化、耐久性の増大、吐出圧力流量を燃料電池の発電量
に対応して制御可能とする、空気供給用電磁コンプレッ
サを提供する。 【解決手段】 弁ばね(18)により弁体(19)を弁座(20)に
押着閉塞する逆止弁機構を内蔵しかつ上下２つのばねの
間に圧支された電磁プランジャ(12)が、電磁コイルの管
柱シリンダ(25)内を断続する磁気吸引力により摺動往復
自在に作動する容積型貫流ポンプである電磁コンプレッ
サは、電磁コイル(10)の軸心上の端部位に配置されかつ
管柱シリンダにそれぞれ外嵌された環状磁極(26)と環状
磁路(27)を備え、環状磁極(26)の端面に対向する電磁プ
ランジャ(12)の端部との間に、静止時に磁気空隙(g) を
有するとともに、電磁プランジャの両端にそれぞれ環状
帯状の外周縁を残して穿設した環状溝に、弗素樹脂から
なるピストンリング状のプランジャリング(13)をそれぞ
れ嵌設してある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば近年盛んに
実用化の研究が進められている燃料電池のうち、特に高
分子固体電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）において、天然
ガス、メタノール、ガソリン、プロパン、ブタンなどの
成分中に水素を含んだ燃料を改質して水素に転換すると
きに、ＣＯ₂,ＮＯ_X , ＣＯ，ＨＣが少量発生する。この
一酸化炭素ＣＯは触媒と相性がよく、吸着して水素を阻
害する。すなわち、燃料電池にこのガスが供給される
と、このＣＯが電極に付着して電気を取り出すことを阻
害するＣＯ被毒を阻止するために水素発生器（改質器）
の触媒部に空気を少量混入してＣＯを酸化し、ＣＯ
₂ （二酸化炭素）として除去する。この空気を供給する
ための電磁コンプレッサに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】上記した燃料電池の研究は各方面で鋭意
実施されているが、未だ段階途上のものが多く、これに
用いられる空気供給用の送風機にも例えばダイヤフラム
ポンプがある。これは、ダイヤフラムを永久磁石および
もしくは強磁性体の可動体と連結して、この可動体を電
磁回路に通電して作動させ、ダイヤフラムの伸縮による
容積変化で空気流体の吸入吐出をして、ポンプ作用を行
なうように構成されたものである。この種のダイヤフラ
ムポンプは通常商用交流電源で作動するものが多い。

【０００３】また、ダイヤフラムに代えて、ベローズを
用いたものがある。

【０００４】そして、実公平４−４２５３６号公報に、
前記ダイヤフラムポンプの従来技術として特開昭６３−
６５１８２号公報、同６３−１７６６８０号公報、同６
３−２２７９７８号公報が例示され、これらの問題点に
ついて説明があり、ついでマグネットを備えた電磁ピス
トンポンプの技術が提案されている。

【０００５】さらに、特開昭４８−３３４１１号公報に
開示された電磁プランジャポンプの１つである往復動コ
ンプレッサが提案されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】前記ダイヤフラムによ
るエアポンプでは、前述した従来技術の実公平４−４２
５３６号公報にも記載されているように、可動体が往復
動動作のたびに、ダイヤフラムが撓むが、このダイヤフ
ラムは可撓性を有する合成ゴム等の材料により形成され
ていて、破損しやすく耐久性がないのでメンテナンスが
面倒である。この破損を防止するために、ダイヤフラム
を耐久性の高いものにすると、所望の圧力、流量が期待
できない上、高価となり、さらにダイヤフラムの支持部
の構造が複雑となり、生産性が低下する。また、可動体
をダイヤフラム自身で支持しているので、ダイヤフラム
の撓みにより可動体が作動中にコア等に接触するおそれ
があり、そのときは騒音を発したり、ポンプが破損する
などの多くの問題点が述べられている。

【０００７】何れにしても、このダイヤフラムポンプの
駆動電源はほとんどすべてが商用交流電源をそのまま利
用するもので、空気吐出流量の可変が困難でかつ吐出圧
力にも限界があり、これらの制御にも問題がある。

【０００８】実公平４−４２５３６号公報で提案された
従来技術の電磁式フリーピストンポンプは、流体が気体
の圧縮または真空ポンプとして適用されるものとして記
述されている。

【０００９】その構成は、電磁円筒コイルの軸心縦貫孔
に低炭素鋼等の磁性体で形成されたステートコアを配置
し、その内側に内設した極めて薄肉の軸受の内部に摺動
往復自在にピストンを左右からのスプリングによって圧
支させている。このピストンは左右対称的にピストンヘ
ッドと永久磁石を備え、そして左右の永久磁石相互間が
中空状態に連結され、このピストンは樹脂、カーボン、
アルミニュウム等の非磁性材料で形成された筒状のピス
トン本体を中央部に有し、該ピストンの両端部に固定さ
れた前後一対のフロントマグネットヨーク、永久磁石、
すなわちマグネットおよびリアマグネットヨークとによ
り構成され、フロントマグネットヨークがピストンヘッ
ドを構成していると説明されている。

【００１０】このピストン組立体に、さらに前記コイル
の内周部に、前記ピストンを中立位置に復帰させる前記
スプリングを左右対称的に備え、また該コイル内周部の
中央部と前記軸受との間に前記ステートコアが配設され
ている。

【００１１】そして前記コイルに交流電流を付勢する
と、ステートコアに磁束が通過する磁気回路が形成さ
れ、円筒コイルの両端部に位置する端部（符号Ｌおよび
Ｒで示される部分）と、ステートコアの両端部との間に
は磁性材料が配置されていないので、洩れ磁束が生じ、
前記端部ＬおよびＲならびにステートコアの両端には、
交互にＳおよびＮの磁極が発生して、交流の一方の半波
でマグネットの磁気作用でピストンは左側に摺動し、次
に他方の半波で、前記各部分の磁極が反転するので、ピ
ストンは右に摺動し、ここに一往復し、これを繰り返し
てポンプ作用を行なうもので、その往復作動に関して
は、周知の電磁プランジャポンプと何ら相違はないもの
である。

【００１２】次に、特開昭４８−３３４１１号公報に開
示の従来技術は、コイルにダイオードのような整流器を
介して交流電源から付勢された電流により固定磁気回路
に発生した断続磁力と弾性戻し装置、すなわちばねの反
発力でシリンダ内を往復運動するピストンを有する往復
動コンプレッサで、要するに電磁プランジャポンプであ
る。

【００１３】そして、その要旨とする処は、ピストンが
その圧縮ストロークの間に排出口通路の開口を閉鎖した
ときに、圧縮チャンバーにガスで満たされたエネルギー
吸収を得るようにして、ストローク終端の衝撃を緩和す
るクッション作用を行なわせ、衝突の危険を阻止すると
共に、作動条件として電流を減少させる効果、すなわち
運動系の運動の位相は磁気巻線に加わる電圧に応じて前
進し、これにより通電流を除き、モータの出力係数を改
善するものであるとし、発明の主眼としたものである。

【００１４】このような電磁プランジャポンプでは、軸
受と称しているシリンダ内を摺動往復するピストンはそ
の外周に減摩剤をもって表面処理することが一般的であ
る。圧送する流体が燃料油、水等の液体の場合は、これ
らの液体による潤滑作用があるが、それでもピストンの
外周表面を窒化硬化処理および例えば二硫化モリブデン
などの減摩剤の塗布焼付処理もしくは弗素樹脂のコーテ
イングをして表面を保護している。一般に、液体用の電
磁プランジャポンプは実際にピストンの行程長が短く、
ほとんどが２〜３ｍｍ程度である。しかし、気体用例え
ば空気用のコンプレッサの場合は、圧縮比が大きく、非
圧縮性の液体の場合に比較してピストンの行程長は後述
するように数倍に伸長するので、磨耗の度合いも大きく
なる。

【００１５】ピストンとシリンダ間の嵌合は、如何なる
ハメアイにあっても、互いの円筒嵌合面が真円度、真直
度何れも完全である部品は実際には存在せず、オス、メ
スのプラグゲージおよびリングゲージのような精度の高
いものは甚だ高価になるので、経済的に求めがたい。さ
らに、ピストンを圧支する圧縮コイルスプリングでもそ
の座は軸心に対して完全に直角ではなく、極めて厳しい
公差があるにしても実際的には座屈がある。したがっ
て、これらの理由でピストンはその摺動面に全面を減摩
コーテイングしてあっても、摺動往復時に片アタリして
偏磨耗を生じ、コーテング剤も剥離し、摺動減摩抵抗を
増大し、ポンプの吐出能力を減殺し、かつ破損するおそ
れは前述した理由により気体用ポンプの場合は、さらに
大きい。

【００１６】この問題解決については、前述した従来技
術では一切触れていない。

【００１７】本発明においては、敍上の従来技術におけ
る問題点および後記実施の形態の欄で詳述する諸問題、
すなわち磁気回路の磁気効率を高め、ポンプの小形経済
化、耐久性の増大、吐出圧力流量を燃料電池の発電量に
対応して制御可能とし、さらに騒音防止の効果を高める
課題を次に述べる手段をもって解決したものである。

【００１８】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、例えば高分子固体電解質型燃料電池の改質器への
空気供給用電磁コンプレッサは、弁ばねをもって弁体を
弁座に押着閉塞する逆止弁機構を内蔵しかつ上下２つの
ばねの間に圧支された電磁プランジャが、電磁コイルの
軸線縦貫孔に挿嵌された管柱シリンダ内を、前記電磁コ
イルへ断続パルス電流を付勢して発生し断続する磁気吸
引力によって摺動往復自在に作動する容積形貫流ポンプ
であって、前記電磁コイルの軸心上の要部および端部位
に位置しかつ前記管柱シリンダにそれぞれ外嵌された環
状磁極ならびに環状磁路を備え、該環状磁極の端面に対
向する前記電磁プランジャの端部との間に、静止時に磁
気空隙を有すると共に、該電磁プランジャの両端にそれ
ぞれ環状帯状の外周縁を残して穿設した環状溝に、弗素
樹脂をもってなるピストンリング状のプランジャリング
をそれぞれ嵌設したことを特徴とする。

【００１９】しかして、前記電磁プランジャの環状溝を
穿設する際に、その両端に残した環状帯の外周縁の幅の
うち、前記環状磁極に対向する端部の側の前記幅の値
は、該電磁プランジャの往衝程において、その先端部が
該環状磁極の内側に突入する最大値を標準に定めたこと
を特徴とする。

【００２０】さらに、前記電磁プランジャに内蔵する逆
止弁機構を吸入弁とし、これと同一方向性をもって作動
し、かつポンプの吐出継手に内設の弁ばねで吐出弁体を
吐出弁座に押圧閉止するものを吐出弁機構とする場合
に、前記吸入弁の弁ばねが吸入弁体を吸入弁座に押着し
て閉止しようとするばね荷重は、辛うじて閉止可能とす
る程度として、この荷重に比較して前記吐出弁体を吐出
弁座に押圧閉塞する弁ばねのばね荷重はそれの１０〜２
０倍であり、その閉止圧力はポンプの所定吐出圧力の４
０％以内とするように該それぞれの弁ばねのばね荷重を
設定したことを特徴とする。

【００２１】そして、さらに、前記電磁コイルへ直流の
断続パルス電流を付勢し、周波数およびデューティ比を
加減調整可能として、気体吐出量を燃料電池の出力に応
じて可変制御することを特徴とする。

【００２２】また、さらに、前記電磁コイルの軸心縦貫
孔に挿嵌され、その両端部位に、一方には吸入継手を、
他方には吐出継手を接続した管柱シリンダ内に、摺動往
復自在に嵌装され、かつそれぞれ同一方向性をもって機
能する逆止弁機構を内蔵する第一電磁プランジャと第二
電磁プランジャとがその間に戻し部材を介してタンデム
に配設され、前記吸入継手と吐出継手のそれぞれ要部と
の間に、下ばねと上ばねの２つのばねとによって釣合い
圧支されていることを特徴とする。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
により詳細に説明する。

【００２４】図１は、本発明の電磁コンプレッサの１つ
の実施の形態を一部断面して示した縦断面図である。

【００２５】図２は、図１の要部の拡大縦断面説明図で
ある。以上の図において、ボビン１１に捲装した電磁コ
イル１０の軸心縦貫孔に挿嵌された管柱シリンダ２５内
を弁ばね２２により吸入弁体２３を吸入弁座２４に押着
閉塞する逆止弁機構、すなわちこの実施の形態では、吸
入弁２１を内蔵し、上ばね１４と下ばね１５との間に圧
支された電磁プランジャ１２が前記電磁コイル１０へ図
示しない駆動電源回路から断続パルス電流を付勢し発生
する断続磁気吸引力によって摺動往復自在に作動する容
積形貫流ポンプであって、前記電磁コイル１０の軸心上
の要部、すなわちこの実施の形態では、その一端部位お
よび他端部位にあって、前記管柱シリンダ２５にそれぞ
れ外嵌させた環状磁極２６ならびに環状磁路２７とを備
え、この環状磁極２６の下端面に対向する前記電磁プラ
ンジャ１２の端部との間に、その静止時にｇなる磁気空
隙を有すると共に、この電磁プランジャ１２の両端に、
それぞれ環状帯の幅の寸法ｋなる外周縁を残して穿設し
た環状溝に、例えば商品名テフロンをもって代表される
ような弗素樹脂をもってなる、いわゆるピストンリング
状のプランジャリング１３をそれぞれ、例えば樹脂成型
するなどの方法により嵌設する。

【００２６】前記電磁プランジャ１２の環状溝を穿設す
る際に、その両端に残した環状帯の幅のうち前記環状磁
極２６に対向する側の端部の幅の値ｋは、該電磁プラン
ジャ１２の往衝程、すなわち電磁コイル１０に断続パル
ス電流を付勢したときに、電磁プランジャ１２が環状磁
極２６の側へ移動する衝程において、その先端部が該環
状磁極内に突入する最大値を標準に定めるものであっ
て、後記する値である。

【００２７】本発明の電磁コンプレッサも電磁プランジ
ャポンプであり、所要の気体吐出量と吐出圧力を得るた
めに、シリンダの内径すなわちプランジャの直径ならび
にその衝程長、衝程数および推力とによって定まる圧力
排出量を求めなければならない。そのために、ポンプの
出力を得るアンペアターンを電磁コイルの捲線数と付勢
すべき電流値を定める。

【００２８】電磁コイルへの付勢電流は、商用交流電源
を変圧させ、またはこれを整流して抵抗器により降圧
し、もしくは自動車両などのバッテリからの例えば直流
２４Ｖを発振器を介して得る断続パルス電流である。

【００２９】この断続パルス電流の周期中の非導通時の
磁力の消滅により電磁プランジャを静止時の旧位置に戻
すための戻しばね、すなわちこの実施の形態における上
ばね１４は、周期中の非導通時に速やかに電磁プランジ
ャを戻すためには、比較的反発力の強いことが必要であ
るが、強きに過ぎると、磁力に抗する力が大きく、電磁
プランジャの作動に対する抵抗力が増し、ポンプの効率
を下げる。それ故、可能な限り弱い反発力のばねが望ま
しい。

【００３０】さらに、電磁コンプレッサは気体を吸入吐
出するものである故、水や油などの液体ポンプとして用
いる場合に比較して、電磁コイルの発熱量を吸収排出す
る能力が低い故、そこに流れる電流値も少ない方が電磁
コイルの温度上昇を防ぐのに都合がよく、そのためにも
前記した戻しばねの反発力が小で電磁プランジャの作動
抵抗を減らすことが必要である。

【００３１】そして電磁プランジャと管柱シリンダの間
の摺動摩擦抵抗によっても、および吐出圧力の上昇と共
に流体の流動抵抗が増し、この電磁コンプレッサもいわ
ゆるフリーピストン電磁ポンプであるから、電磁プラン
ジャは磁気空隙を埋める方向に近づいて、しかもその衝
程長を減縮して作動するものであることは周知である。
以上の電磁プランジャ１２の作動について、さらに詳述
する前に、まずこの実施の形態全体の構成について、周
知されているものではあるが、一応その概要を述べる。

【００３２】前記管柱シリンダ２５の図において、上端
部に上ばね座２８を嵌設して、さらに吐出弁座２０と弁
ばね１８に付勢された吐出弁体１９とが係合して吐出弁
座２０を押圧閉塞した吐出弁機構１７と共に、管柱シリ
ンダ２５の端部に外嵌する吐出口３８を有する吐出継手
３９に内装されている。

【００３３】この管柱シリンダ２５の図において、下端
部には吸入フィルタ３７を吸入口３６側に備えた吸入継
手３５が外嵌接続されて、その内部に備えた下ばね座２
９と電磁プランジャ１２との間に下ばね１５が設けら
れ、前記上ばね座２８と電磁プランジャ１２との間に設
けた上ばね１４とによって電磁プランジャ１２は圧支さ
れる。

【００３４】前記した管柱シリンダ２５とこれに外嵌す
る環状磁極２６ならびに環状磁路２７、さらにこれに外
嵌する上下の磁気鉄板３２とそれぞれの緩衝パッキング
３１とは電磁コイル１０のボビン１１を中にして、前記
吐出継手３９と吸入継手３５とにそれぞれ外嵌し磁気回
路をなす外枠継鉄３０と下板３３とが複数の小ねじ３４
をもってきつく螺締結されることにより挟設固着してい
る。

【００３５】該外枠継鉄３０、下板３３、磁気鉄板３２
および環状磁極２６、環状磁路２７、さらに電磁プラン
ジャ１２はいずれも強磁性体をもってなり、磁気回路を
構成している。

【００３６】管柱シリンダ２５は非磁性体の不銹鋼また
は銅合金などをもってなり、その内面は鏡面同等または
これに近い表面アラサに仕上げられて、これと滑嵌合す
るハメアイの電磁プランジャ１２とのそれぞれの寸法精
度、表面アラサは相応に規制されている。

【００３７】図１、図２の実施の形態の電磁コンプレッ
サは小形の燃料電池の空気供給用向けのものであり、管
柱シリンダ２５と電磁プランジャの嵌合は例えば直径ｄ
＝１６ｍｍを基準としたものの場合、環状磁極２６の内
径と電磁プランジャ１２の先端部の外径との隙間ｊは管
柱シリンダ２５の肉厚寸法 0.5ｍｍを差し引いてそれぞ
れ次に示す場合に、電磁コンプレッサの吐出最大圧力
（吐出量０）以下と電磁コイル１０に流れる電流値ｍＡ
は表１に示す通りであった。

【００３８】

【表１】 但し、電磁コイル１０への付勢電流は直流２４Ｖ、周波
数２０Ｈz 、周期中の導通期間１２m Sec である。

【００３９】表１に示すように、前記間隙ｊが大なるほ
ど吐出最大圧力は低下し、電磁コイルへの付勢電流値は
反対に増加する。これは、磁気回路のレラクタンスが増
大するからである。

【００４０】さらに、このレラクタンスの問題について
前記した電磁プランジャ１２のプランジャリング１３を
嵌設する環状溝を穿設する際に、ｋの幅の環状帯を残す
理由を表２をもって説明する。

【００４１】表２の場合に、電磁コイル１０に表１の場
合と同様に、直流電流２４Ｖ、周波数２０、周期５０m
Sec 中の導通期間１２m Sec の断続パルス電流を付勢し
た。この電流を用いたのは、小形燃料電池（例えば１〜
２ｋｗ級）用として圧力９．８１KPa,吐出流量約1200 m
l/min 程度の電磁コンプレッサに適応したものを設計お
よび実験の結果選んだからである。前記導通期間は、小
形燃料電池であるから消費電力をきわめて少なくするた
めに、その値を大きくしたくないもので、これを一応一
定にして実験を進めたものである。そして、吐出圧力Ｐ
KPa 、吐出流量Ｑml/minおよび磁気空隙 g＝３mm（静止
時）、電磁プランジャ１２の頂部の往衝程時の上死点ま
での移動距離ｅ mm 、同じく復衝程時に静止時の位置を
超えて下死点まで復帰し、さらに慣性で偏位する距離ｅ
＋f ＝ S mm の復衝程が電磁コンプレッサの往復衝程長
である。また、ｅ−g mm は電磁プランジャ１２の先端
部が環状磁極２６内に突入する距離である。

【００４２】

【表２】 前記磁気空隙ｇを埋めて電磁プランジャ１２が環状磁極
２６に近接する磁力の強さは、すなわち空隙引力は磁気
空隙ｇの距離の自乗に反比例する。

【００４３】この磁気空隙ｇが０となったとき、そこに
は強磁性体同志の接合が必要であるから、仮に非磁性体
の弗素樹脂のプランジャリング１３が存在すると共に、
これを嵌設する環状溝により磁気回路が狭小になり、レ
ラクタンスが増大すれば当然電磁プランジャ１２への磁
気吸引力が減少する。これを防ぐために、少なくとも電
磁プランジャ１２の先端部が環状磁極２６の内側に突入
する最大値、すなわちこの実施の形態の場合には、前記
ｅ− g、すなわち例えば２mmの前記環状帯の外周縁の幅
ｋを残して、そこから電磁プランジャ１２のプランジャ
リング１３を嵌設するための環状溝を穿設しなければな
らないのである。

【００４４】なお、電磁コイル１０への付勢電流の電圧
と周期中の導通期間（デューテイ比）は表１、表２共に
同様で、吐出圧力を導通周波数２０Hzのとき９．８１KP
a および１４．７１KPa に設定した場合に、周波数を変
換したときの吐出圧力および流量を表３に示す。このと
き、消費電力は６．３〜３W で周波数が高いほど、該電
力量も大になっている( 電磁コイルの温度上昇は最大４
０K)。

【００４５】また吐出流量は、前記電磁プランジャ１２
の往復衝程長Ｓとその直径ｄおよび周波数、すなわちそ
の衝程数とからの計算上ほぼ合致する。これによると、
その容積的な効率はきわめて高い。しかして、この電磁
コンプレッサ１のポンプ作用によって矢印ａに示すよう
に、吸入口３６から入った流体はその内部を経て矢印ｂ
のように吐出口３８から吐出する。

【００４６】

【表３】 図１、図２に示した本発明の実施の形態における構成部
品の寸法、上下ばねなどのばね荷重、電磁コイルの捲線
の線径および捲数と電磁コイルへ付勢する電流の周波
数、周期中の導通期間、すなわちデューテイ比、電圧な
どはこの数値に限るものではなく、燃料電池の必要とす
る空気圧と空気量によって適宜設定し、さらに調整する
ものであることは論を俟たないことである。

【００４７】なお、電磁コイルに発生する電磁プランジ
ャを吸引する磁力として、前記した空隙引力とソレノイ
ド磁気吸引力および電磁プランジャを圧支する上下のば
ねによる合成ばねとしての撓みと荷重との関係、電磁プ
ランジャの行程長等に関しては、本発明出願人がさきに
提案した特公昭５７−１２８６３号公報においてその明
細書および図面に詳細に説明されている通りであるか
ら、その説明は省略する。

【００４８】なお、この実施の形態において、電磁コイ
ル１０への付勢断続パルス電流の周波数２５Hzに上げ、
その他は前記通りの場合には、吐出圧力９．８１KPa で
吐出流量は２０００ml/min、電流値４１０mAに増大し
た。温度上昇は４０K であった。

【００４９】つぎに、図３によって、前記実施の形態に
おける吸入弁２１と吐出弁１７の両弁機構について説明
する。

【００５０】まず、吐出弁１７において、吐出弁座２０
に係着した吐出弁筒１７′の内側頂部と吐出弁体１９と
の間に介設された弁ばね１８がこの吐出弁体１９を前記
吐出弁座２０の開口端に押圧閉塞している。

【００５１】前記開口の直径をｄ₁ とし、開口端部は中
心径φから曲率半径ｒをもって描いた半円リング状の突
堤をなして、これにその上部中心部に弁ばね１８を嵌め
る円擣状小突起を備えた円盤状の吐出弁体１９が係設さ
れる。

【００５２】吐出弁体１９は弗素樹脂製、吐出弁座２０
も強化繊維と減磨剤を混合した特殊合成樹脂製で互いに
耐磨耗性を備えているが、なお前記曲率半径ｒをなるべ
く大きな値として磨滅を予防している。

【００５３】吸入弁２１も弁ばね２２、吸入弁体２３、
吸入弁座２４はいずれも吐出弁１７におけるものと、等
形、等寸法、同材質をもって構成されている。

【００５４】但し、弁ばね１８と弁ばね２２とは、それ
ぞれ弁座に弁体を押圧閉塞するばね荷重を相違させなけ
ればならない。

【００５５】吸入弁２１の場合は、吸入弁体２３を吸入
弁座２４に載置すれば、その重量で閉塞して、電磁プラ
ンジャ１２の往衝程、すなわち吐出衝程時はさらに吐出
圧力できつく前記閉塞するわけで、復衝程すなわち吸入
衝程では気体の流入抵抗による流入量を減らすおそれの
ないように、弁体２３には弁座２４を押圧する負荷が無
い方が望ましいわけであるが、実際には前記ばね荷重に
よる負荷が無いと気体漏れを生じるので、きわめて小荷
重の、すなわちＰ₂ ＝０．００９８１Ｎ〜０．００５Ｎ
（ニュートン）（１gf〜0.5 gf) のばね荷重がこの実施
の形態の実験上必要であった。

【００５６】また、吐出弁１７の場合には、電磁プラン
ジャ１２の往衝程、すなわち吐出衝程時は弁ばね１８が
吐出弁体１９を吐出弁座２０に押圧閉塞する荷重Ｐ₁ は
吐出圧力によるよりもはるかに小であってもよいわけで
ある。しかし、実験によると、復衝程すなわち吸入衝程
時に、吸入弁２１を経て管柱シリンダ２５内に突入する
流体の吸入圧力によって吐出弁体１９が吐出弁座２０を
開放して、そのために吐出口側に気体が漏洩して、それ
が往衝程時の吐出圧力流量が減殺される要因となること
が判った。それ故、この要因を除くために、弁ばねの荷
重Ｐ₁ を０．０９８１Ｎ（１０gf）にして、この弁ばね
１８の荷重で吐出弁体１９を吐出弁座２０に押圧閉塞す
ることによって、この実施の形態の所期の吐出圧力、流
量を確保することを可能としたものである。

【００５７】すなわち、前記吐出弁体１９を吐出弁座２
０に押圧閉塞する弁ばね１８のばね荷重Ｐ₁ ＝０．０９
８１Ｎ（１０gf）の荷重は、吸入弁体２３を吸入弁座２
４に押着閉塞する弁ばね２２のばね荷重Ｐ₂ ＝０．００
９８１Ｎ〜０．００５Ｎ（１gf〜0.5 gf) の１０〜２０
倍となるのである。

【００５８】因みに、吸入弁２１と吐出弁１７の両逆止
弁機構の各構成部材の材質形状、寸法は弁ばねを除き、
前述の通りすべて同一であるから、すなわち図３の吐出
弁座２０の本実施の形態における弁座の直径ｄ₁ ＝４m
m、ｒ＝１mm、φ＝６mmに選んであるから、吐出弁座２
０の断面積６² ・π／４＝０．２８２７cm² で、この面
積に０．０９８１Ｎ（１０gf) の負荷がかかっていると
いることは、１cm² の面積では０．３４７KPa （３５．
３７gf/cm²) で、０．３４７Ｎ（３５．３７ｇｆ）の空
気圧と荷重に匹敵する。

【００５９】この値は、吐出圧力９．８１KPa （０．１
Kgf/cm²)の３５．３％である。仮に、吐出圧力の許容差
を±１０％とした場合に、吐出圧力 −１０％の９．８
１×（１−０．１）＝８．８３KPa の場合、０．８８３
Ｎの吐出圧力荷重に対する前記換算したばね荷重０．３
４７Ｎの比は０．３９３で４０％以内であり、もちろん
基準値の吐出圧力９．８１KPa ±１０％の前記荷重０．
０９８１Ｎ±１０％に対し前記吐出弁ばねの換算荷重
０．３４７Ｎの比はその４０％以内に納まるものであ
る。

【００６０】なお、前記した吸入弁２１の弁ばね２２の
前記閉止荷重Ｐ₂ を辛うじて吸入弁体２３が吸入弁座２
４を閉塞し得る０．００５Ｎ（０．５ｇ）としたときお
よび前記した吐出弁１７の弁ばね１８の閉止荷重Ｐ₁ を
０．０９８１Ｎ（１０ｇｆ）としたとき最も吐出圧力と
流量の吐出特性が良好で、弁ばね１８の荷重をこれより
も増加しても減少させても吐出能力は低下し、荷重０の
場合前記したように、漏洩によりその能力が甚だしく低
下し、荷重を倍増した結果は、流動抵抗によって同様に
能力が低下して、実用に供し得なかったものである。

【００６１】図１の本発明の１つの実施の形態の電磁コ
ンプレッサの作動音すなわち発生する騒音と、従来技術
の前記この種の用途に用いられている電磁ダイヤフラム
ポンプによるものについて次に比較説明する。この電磁
ダイヤフラムポンプの吐出圧力と流量は本発明の前記実
施の形態とほぼ同様の９．８１KPa （０．１Kgf/cm²)で
１１００ml/min、吐出圧力１４．７KPa （０．１５Kgf/
cm²)では、吐出流量は０となり、いずれも比較的性能は
低下しているが、騒音は水平距離１ｍの位置にマイクロ
フォンを置き測定して４５dB(A) であり、これを合成樹
脂製の遮音箱内に収納して測定した場合には、３５．５
dB(A) で９．５dB(A) 低下している。この両者を比較し
て、騒音については同等の結果で大差はなかった。

【００６２】この騒音は吸入および吐出弁の弁体が弁座
を開閉する際に発することが主な要因である。

【００６３】いずれも、吐出継手には、軟質合成ゴムま
たは合成樹脂製の配管が接続されている。吸入側にも同
様の配管で、しかも上流側にさらに大径の管を接続した
マフラーを備えることで消音効果はさらに増すものであ
る。

【００６４】この騒音測定は、無響室内ではなく、使用
される実態に即して、敢えて住居地域のＲＣ構造建物に
おいて夜間に測定したが、暗騒音３４dB(A) であった。

【００６５】つぎに、図４により本発明の他の実施の形
態の電磁コンプレッサについて説明する。図１の実施の
形態の場合にも、その吐出能力を増大したり、または調
整することについて説明したが、さらに吐出能力と効率
を高め、かつその作動音を低減する目的をもって図４に
示されるようなその一部断面して示す縦断面説明図で表
した構成の本発明の他の一実施の形態の電磁コンプレッ
サ１０１を提供するものである。

【００６６】すなわち、電磁コイル１０の軸心縦貫孔に
挿嵌され、その両端部位に、一方には吸入継手３５を他
方には吐出継手３９を、それぞれ環状磁路１２７と同じ
く１２７′を外嵌させた上、これを介して接続した管柱
シリンダ１２５内に摺動往復自在に嵌装され、かつそれ
ぞれ同一方向性をもって機能する逆止弁機構１２１と同
じく１１７を内蔵する第一電磁プランジャ１１２と第二
電磁プランジャ１１２′とがその間に戻し部材で緩衝部
材も兼ねた戻しばね１６を介してタンデムに配設され、
前記吸入継手３５と吐出継手３９のそれぞれ要部との間
に下ばね１１５と上ばね１１４とによって釣り合い圧支
され、前記電磁コイル１０の縦軸中心部の磁気中性点付
近で管柱シリンダ１２５に外嵌固定され、かつ前記縦貫
孔に内嵌した共通の環状磁極１２６の一方の端面と、こ
れに対向する第一電磁プランジャ１１２の端部との間に
磁気空隙１４０′を環状磁極１２６の他方の端面とこれ
に対向する第二電磁プランジャ１１２′の端部との間
に、それぞれｇなる値の磁気空隙１４０′および１４０
を有して、前記両ばね１１５ならびに１１４が前記両電
磁プランジャ１１２ならびに１１２′の間に介設された
前記緩衝部材を兼ねた戻しばね１６と共に前記両電磁プ
ランジャ１１２ならびに１１２′を挟支しているのであ
る。

【００６７】前記吸入継手３５の吸入口３６と管柱シリ
ンダ１２５を経て吐出継手３９の吐出口３８との間の内
部は気密が保たれて連通している。

【００６８】その他の構成は、図１に示す実施の形態の
場合と同様で、同一数字の符号で示す構成部材の名称も
また同じである。

【００６９】電磁コイル１０へ断続パルス電流を付勢し
て作動するこの電磁コンプレッサ１０１の作用は、図１
に示す実施の形態の１のものの場合に準じ、かつ本出願
人がさきに提案した特開平９−１５８８２８号公報（特
願平７−３２０７１０）に開示され、説明されている通
りであるから、その説明を繰り返すことは省略するが、
このコンプレッサはタンデムに連設された電磁プランジ
ャ１１２と１１２′の往復作動時に各衝程ごとに吸入、
吐出作用をするので、要するに電磁コイル１０へ断続パ
ルス電流を付勢したときに１パルス毎に２回の吐出作用
を行い、したがって図１の電磁コンプレッサ１の場合よ
りもほぼ倍量の吐出能力があり、しかも吐出脈動が平滑
化されるので、騒音も減らすことができると共に、水平
対向型として横置きに設置可能で振動も減殺される。

【００７０】なお、吐出継手側にさらに図１に示すよう
な吐出逆止弁機構を設けると、さらに逆方向からの流体
の逆流を阻止し、圧縮効率を高めることができる。

【００７１】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明の例えば燃
料電池用の電磁コンプレッサは、特に従来技術の問題点
を解決するための課題として、また実施の形態の欄で述
べた理由により以下のような効果が得られる。

【００７２】(a) ダイヤフラムやベローズを用いた容積
形の電磁コンプレッサの場合のダイヤフラム、ベローズ
等の疲労、劣化等による耐久性が無く、それ自体の大型
化する構成を避け、また電磁プランジャを有するプラン
ジャポンプの従来技術における減摩剤をプランジャの外
周に塗布、コーテングすることによる偏磨耗とそれによ
る剥離、破損、ロックなど作動停止する従来技術の欠陥
を回避して、減摩剤の弗素樹脂製のプランジャリングを
電磁プランジャの外径側に嵌設し、摺動摩擦抵抗を減殺
してかつ耐久性を増しかつ小形計量化を計ることが可能
である。

【００７３】(b) 前記電磁プランジャに嵌設したピスト
ンリング状のプランジャリングを嵌合するための環状溝
は、その環状磁極に対向する端部側のものにおいては、
電磁プランジャの往衝程時にその先端部が該環状磁極の
内側に突入する最大値を標準として定めた幅を環状帯の
外周縁に残して穿設したので、該往衝程時の磁気回路の
断面積を充分に互いに接合するように備えてレラクタン
スを増大させることがなく、磁気効率を高め、吐出能力
を高めた。

【００７４】(c) 電磁コンプレッサの吸入弁機構および
吐出弁機構の弁座を押圧閉塞する弁体を付勢する弁ばね
の荷重をそれぞれ前記請求項３に記載しかつ実施の形態
の欄で説明したように定めたので、吸入および吐出時の
流体の漏洩を防ぎ、吐出能力を高めかつこれを保持可能
とした。

【００７５】(d) 電磁コイルへ付勢する断続パルス電流
の周波数、デューテイ比を加減調整可能として、気体の
吐出能力を燃料電池の出力に対応して可変制御可能の電
磁コンプレッサを提供可能とした。

【００７６】(e) 電磁プランジャ複数（二個）をタンデ
ムに連接して気体の吐出量をほぼ倍加させると共に、騒
音と振動を減少させた上記電磁コンプレッサを得ること
を可能とした。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による電磁コンプレッサの１つの実施の
形態を一部断面して示す縦断説明図である。

【図２】図１の要部の説明図である。

【図３】本発明の電磁コンプレッサの吐出弁機構の拡大
縦断説明図である。

【図４】本発明の電磁コンプレッサの他の実施の形態の
一部断面を示す縦断説明図である。

【符号の説明】 １，１０１ 電磁コンプレッサ １０ 電磁コイル １２，１１２，１１２′ 電磁プランジャ １６ 緩衝部材、戻しばね １７ 吐出弁機構 ２１ 吸入弁機構 ２５，１２５ 管柱シリンダ ２６，１２６ 環状磁極 ２７，１２７ 環状磁路 １１７，１２１ 逆止弁機構 ｇ 磁気空隙 ｓ 衝程長 ｋ 電磁プランジャの環状帯の幅

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１２年１１月１４日（２０００．１１．
１４）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００５８

【補正方法】変更

【補正内容】

【００５８】因みに、吸入弁２１と吐出弁１７の両逆止
弁機構の各構成部材の材質形状、寸法は弁ばねを除き、
前述の通りすべて同一であるから、図３の吐出弁座２０
の本実施の形態における弁座の直径d₁＝４mm、r＝１m
m、φ＝６mmに選んであるから、吐出弁座２０の断面積6
²・π/4＝０.２８２７cm²で、この面積に０.０９８１Ｎ
（１０gf）の負荷がかかっているということは、1cm²の
面積では３．４７KPa(３５．３７gf/cm²)で、0.３４７
Ｎ（３５．３７gf）の空気圧と荷重に匹敵する。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小林 陵 東京都大田区池上５−23−13 太産工業株 式会社内 (72)発明者 田辺 和市 東京都大田区池上５−23−13 太産工業株 式会社内 Ｆターム(参考） 3H069 AA05 BB02 CC04 DD03 DD41 EE01 EE05 3H076 AA02 BB01 BB26 BB33 BB38 CC03 CC31 CC43 CC84

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 弁ばねをもって弁体を弁座に押着閉塞す
   る逆止弁機構を内蔵しかつ上下２つのばねの間に圧支さ
   れた電磁プランジャが、電磁コイルの軸心縦貫孔に挿嵌
   された管柱シリンダ内を、前記電磁コイルへ断続パルス
   電流を付勢して発生し断続する磁気吸引力によって摺動
   往復自在に作動する容積形貫流ポンプであって、 前記電磁コイルの軸心上の要部および端部位に位置しか
   つ前記管柱シリンダにそれぞれ外嵌された環状磁極なら
   びに環状磁路を備え、 該環状磁極の端面に対向する前記電磁プランジャの端部
   との間に、静止時に磁気空隙を有すると共に、 該電磁プランジャの両端にそれぞれ環状帯状の外周縁を
   残して穿設した環状溝に、弗素樹脂をもってなるピスト
   ンリング状のプランジャリングをそれぞれ嵌設したこと
   を特徴とする電磁コンプレッサ。
2. 【請求項２】 前記電磁プランジャの環状溝を穿設する
   際に、その両端に残した環状帯の外周縁の幅のうち、前
   記環状磁極に対向する端部の側の前記幅の値は、該電磁
   プランジャの往衝程において、その先端部が該環状磁極
   の内側に突入する最大値を標準に定めたことを特徴とす
   る請求項１に記載の電磁コンプレッサ。
3. 【請求項３】 前記電磁プランジャに内蔵する逆止弁機
   構を吸入弁とし、これと同一方向性をもって作動し、か
   つポンプの吐出継手に内設の弁ばねで吐出弁体を吐出弁
   座に押圧閉止するものを吐出弁機構とする場合に、前記
   吸入弁の弁ばねが吸入弁体を吸入弁座に押着して閉止し
   ようとするばね荷重は、辛うじて閉止可能とする程度と
   して、この荷重に比較して前記吐出弁体を吐出弁座に押
   圧閉塞する弁ばねのばね荷重はそれの１０〜２０倍であ
   り、その閉止圧力はポンプの所定吐出圧力の４０％以内
   とするように該それぞれの弁ばねのばね荷重を設定した
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の電磁コンプ
   レッサ。
4. 【請求項４】 前記電磁コイルへ直流の断続パルス電流
   を付勢し、周波数およびデューティ比を加減調整可能と
   して、気体吐出量を燃料電池の出力に応じて可変制御す
   ることを特徴とする請求項１から請求項３までのうちの
   いずれか一つに記載の電磁コンプレッサ。
5. 【請求項５】 前記電磁コイルの軸心縦貫孔に挿嵌さ
   れ、その両端部位に、一方には吸入継手を、他方には吐
   出継手を接続した管柱シリンダ内に、摺動往復自在に嵌
   装され、かつそれぞれ同一方向性をもって機能する逆止
   弁機構を内蔵する第一電磁プランジャと第二電磁プラン
   ジャとがその間に戻し部材を介してタンデムに配設さ
   れ、前記吸入継手と吐出継手のそれぞれ要部との間に、
   下ばねと上ばねの２つのばねとによって釣合い圧支され
   ていることを特徴とする請求項１または２に記載の電磁
   コンプレッサ。