JP2003269642A - 電磁弁 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 大きい弁閉力を必要とすることなく高い気密
シール性が得られ、電磁弁の１次側と２次側の圧力差が
小さくても弁漏れを生じることがなく、Ｏリングの過剰
変形防止も適切に行われること。 【解決手段】 弁体１８の先端部外周に装着されたゴム
状弾性体製のＯリング１９が弁ポート１６の周りに画定
された環状の弁座部１７の角縁１７Ａに当接することに
より弁締めシールが行われ、Ｏリング１９の外周面が弁
座部１７の角縁１７Ａに当接した弁位置より更に弁閉方
向への弁体１８の移動を弁体１８の先端面１８Ｂと弁座
部１７側のストッパ面１７Ｂとの当接により制限する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、電磁弁に関し、
特に、Ｏリングシール方式の電磁弁であって、燃料電池
システムで使用されて好適な電磁弁に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】電磁弁において、弁閉時の弁締めシール
を、弁体に取り付けられたゴム状弾性体製のＯリングを
弁座側に押し付けることにより行うＯリングシール方式
の電磁弁は、実開昭５６−５０８６５号公報や特公平６
−８９８５２号公報等に示されており、従来よりよく知
られている。

【０００３】Ｏリングシール方式の電磁弁は、Ｏリング
を使用せず、金属−金属接触によって弁締めシールを行
うものに比して気密シール性がよいから、大きい弁締め
力（弁閉力）を必要とすることなく気密シール性が高い
弁締めシールを行うことができ、また、電磁弁の１次側
の圧力が弁閉方向に作用するものでは、１次側と２次側
の圧力差が小さく、大きい弁締め力が得られない状態で
も、弁漏れがない所要の気密シール性を確保できる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】弁体に取り付けられて
いるＯリングを弁座面に圧接させる構成のものでは、弁
体の外周面が弁座面に当接することにより、特別なスト
ッパ機構を必要とすることなく、Ｏリングの最大圧潰量
を制限してＯリングの耐久性を確保することはできる
が、しかし、Ｏリングは弁閉力によって弁座面に押し付
けられて弾性変形して弁座面に面接触し、接触面積を増
加するから、Ｏリングシール方式の電磁弁といえども、
気密シール性が高い弁締めシールを得るためには、相応
の弁締め力が必要で、電磁弁の１次側の圧力が弁閉方向
に作用するもので、１次側と２次側の圧力差が小さい状
態では、弁漏れがない充分な気密シール性を確保するこ
とが難しくなる。

【０００５】所要の気密シール性を確保するために必要
な弁締め力が大きいと云うことは、電磁弁では、大きい
起磁力が必要になると云うことであり、消費電力が大き
くなる。

【０００６】これに対し、弁体に取り付けられているＯ
リングを弁座部の角縁に圧接させる構成のものでは、Ｏ
リングは弁閉力によって弁座部の角縁に押し付けられて
弾性変形しても線接触に近い状態が保たれ、接触面積を
増加しないから、大きい弁閉力を必要とすることなく高
い気密シール性が得られ、電磁弁の１次側の圧力が弁閉
方向に作用するもので、１次側と２次側の圧力差が小さ
い状態でも、弁漏れがない充分な気密シール性を確保で
きる。

【０００７】このようなものでは、Ｏリングが角縁に押
し付けられることから、Ｏリングの過剰変形を禁止して
Ｏリングの早期破損の発生を回避することが重要にな
り、Ｏリングの最大圧潰量を的確に制限することが必要
になる。

【０００８】特に、燃料電池システムの原燃料ガスや改
質ガス等の流路の開閉を行う電磁弁では、電磁弁の１次
側と２次側の圧力差が小さいと云う状況下で、弁漏れに
よるシステム効率の低下が生じることがなく、電磁弁駆
動のための消費電力による発電効率の低下が少ないこと
を要求され、しかも、硫黄被毒による機能低下を避ける
ために、硫黄成分の混入源にならないことを要求され
る。

【０００９】この発明は、上述の如き問題点を解消する
ためになされたもので、Ｏリングシール方式の電磁弁に
おいて、大きい弁閉力を必要とすることなく高い気密シ
ール性が得られ、電磁弁の１次側と２次側の圧力差が小
さくても弁漏れを生じることがなく、Ｏリングの過剰変
形防止も適切に行われ、Ｏリングの耐久性を充分確保で
き、しかも、硫黄成分の混入源になることがない電磁
弁、特に、燃料電池システムで使用されて好適な電磁弁
を提供することを目的としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めに、この発明による電磁弁は、電磁手段によって弁体
を開閉駆動し、弁ハウジングに形成されている弁ポート
を開閉する電磁弁において、前記弁体の先端部外周にゴ
ム状弾性体製のＯリングが装着され、前記弁ポートの周
りに画定された環状の弁座部の角縁に前記Ｏリングの外
周面が当接することにより弁締めシールが行われ、前記
Ｏリングの外周面が前記弁座部の角縁に当接した弁位置
より更に弁閉方向への前記弁体の移動量を制限するスト
ッパが設けられている。

【００１１】この発明による電磁弁によれば、環状の弁
座部の角縁にＯリングの外周面が当接することにより弁
締めシールが行われるから、弁閉力によってＯリングが
弁座部の角縁に押し付けられて弾性変形しても線接触に
近い状態が保たれ、接触面積を増加しないから、大きい
弁閉力を必要とすることなく高い気密シール性が得ら
れ、電磁弁の１次側の圧力が弁閉方向に作用するもの
で、１次側と２次側の圧力差が小さい状態でも、弁漏れ
がない充分な気密シール性を確保できる。また、Ｏリン
グの外周面が弁座部の角縁に当接した弁位置より弁体が
更に弁閉方向へ移動する移動量がストッパによって制限
されるから、Ｏリングの過剰変形が防止される。

【００１２】この発明による電磁弁では、前記Ｏリング
は前記弁座部の内周側の角縁に当接し、前記ストッパ
を、当該角縁より前記弁ポート側に形成されたストッパ
面と、当該ストッパ面に対向する前記弁体の先端面とで
構成することができ、前記弁体の先端面が前記ストッパ
面に当接することにより前記弁体の弁閉方向移動を制限
することができる。

【００１３】この発明による電磁弁では、Ｏリングを非
硫黄加硫ゴム製のＯリングとすることができ、燃料電池
システム等での使用で、電磁弁が硫黄成分の混入源にな
ることがない。

【００１４】また、この発明による電磁弁は、前記電磁
手段が、前記弁体と所定量のみ弁開閉方向に相対変位可
能に接続されたプランジャと、励磁により前記プランジ
ャを弁開方向に付勢する電磁コイルと、前記プランジャ
を弁閉方向に付勢するプランジャばねとを有する構造
で、更に、前記弁体を弁開方向に付勢する弁ばねとを有
し、キック方式で弁開する。

【００１５】キック方式で弁開することにより、消費電
力が少なく、燃料電池システムでは、圧損を少なくする
ために、電磁弁も大きい口径が必要になるが、キック方
式では、通常の直動方式のものに比して消費電力を抑え
ることができる。また、パイロット方式では、差圧０で
は動作不可能であり、シール箇所が２箇所になり、弁漏
れし易いが、キック方式では、差圧０でも動作可能で、
シール箇所が１箇所で、弁漏れし難くなるから、このキ
ック方式の電磁弁は燃料電池システムでの使用に適して
いる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下に添付の図を参照してこの発
明の実施の形態を詳細に説明する。図１〜図３はこの発
明による電磁弁の一つの実施の形態を示している。

【００１７】図１に示されているように、この電磁弁は
ハウジング本体１１と上蓋１２とによる弁ハウジング１
０を有している。弁ハウジング１０は、１次側ポート１
３と、２次側ポート１４と、弁室１５と、弁ポート１６
と、弁ポート１６の周りに画定された円環状の弁座部１
７とを形成されている。弁室１５は１次側ポート１３と
常時連通しており、弁室１５の下底部に弁体１８によっ
て開閉される弁ポート１６と２次側ポート１４がある。

【００１８】弁座部１７は、図３によく示されているよ
うに、弁室１５の下底部に円環状突条として形成され、
内周側に、極く小さい面取りによる直角の角縁１７Ａを
有している。角縁１７Ａより弁ポート１６側には弁体１
８の弁閉方向の移動を規制するストッパ面１７Ｂが弁座
部１７の上面１７Ｃより一段低い位置に段差を設けて形
成されている。

【００１９】弁体１８は弁室１５内に上下動可能に設け
られている。弁体１８の先端部外周にはＯリング装着用
の周溝１８Ａが形成されており、周溝１８Ａにゴム状弾
性体製のＯリング１９がはめ込み装着されている。

【００２０】Ｏリング１９は、水酸化ニトリルゴム（Ｈ
ＮＢＲ)、フッ素ゴム（ＦＫＭ）等、硫黄加硫していな
い非硫黄加硫ゴムにより構成されている。Ｏリング１９
は、取り扱う流体の温度もしくは周囲温度が高い場合に
は、耐熱性を確保するために、フッ素ゴム製のものがよ
く、また、低差圧、弁開閉頻度が少なく、さほど高い耐
久性を必要としない場合には、低硬度の軟らかいゴムが
用いられることが好ましい。

【００２１】弁体１８の降下移動によってＯリング１９
の外周面が弁ポート１６の周りに画定されている円環状
の弁座部１７の角縁１７Ａに当接することにより弁締め
シールが行われる。この場合、角縁１７Ａは弁ポート１
６側の内周縁であることにより、受圧有効径と実口径と
がほぼ等しくなる。

【００２２】弁体１８の先端面１８Ｂはストッパ面１７
Ｂに対向しており、弁体１８の先端面１８Ｂがストッパ
面１７Ｂに当接することにより、弁体１８の弁閉方向移
動が制限される。これにより、Ｏリング１９の外周面が
弁座部１７の角縁１７Ａに当接した弁位置（図３に示さ
れている位置）より更に弁閉方向への弁体１８の移動量
を制限するストッパが構成される。

【００２３】図１に示されているように、弁ハウジング
１０には弁体を開閉駆動する電磁アクチュエータ２０が
取り付けられている。電磁アクチュエータ２０は、下端
側を上蓋１２に固定されたプランジャチューブ２１と、
プランジャチューブ２１の上端に固定されたプラグ状の
吸引子２２と、プランジャチューブ２１内に上下動可能
に設けられた円柱状のプランジャ２３と、プランジャ２
３と吸引子２２との間に設けられてプランジャ２３を下
方（弁閉方向）に付勢するプランジャばね２４と、プラ
ンジャチューブ２１の外周に嵌合装着された電磁コイル
２５とを有している。

【００２４】電磁アクチュエータ２０は、電磁コイル２
５に通電が行われて電磁コイル２５が励磁することによ
り、プランジャ２３をプランジャばね２４のばね力に抗
して吸引子２２の下端面２２Ａに磁気的に吸着する。換
言すれば、電磁コイル２５は励磁することにより、プラ
ンジャ２３をプランジャばね２４のばね力に抗して弁開
方向に付勢する。

【００２５】プランジャ２３の下端部には穴２３Ａが形
成されており、穴２３Ａに連結棒２６のヘッド部２６Ａ
を受け入れている。プランジャ２３の下端部にはストッ
パリング２７が固定されている。この構造により、連結
棒２６はヘッド部２６Ａの上面が穴２３Ａの天井面に当
接する位置とヘッド部２６Ａの下面がストッパリング２
７の上面に当接する位置との間のみ、すなわち間隔α
（図２参照）のみプランジャ２３に対して相対移動可能
に連結されている。間隔αはプランジャ２３と吸引子２
２との最大間隙（プランジャストローク）Ｘ（図２参
照）より少し小さい値に設定されている。

【００２６】連結棒２６の下端部には弁体１８が固定連
結されている。これにより、弁体１８とプランジャ２３
とは所定量（間隔α）のみ弁開閉方向に相対変位可能に
接続される。図３によく示されているように、弁体１８
の外周段差面１８Ｃと弁室１５の下底面１５Ａとの間に
は弁体１８を弁開方向に付勢する弁ばね２８が設けられ
ている。弁ばね２８のばね力はプランジャばね２４のば
ね力より弱い。

【００２７】つぎに、図１、図２（ａ）〜（ｃ）を参照
して上述の構成による電磁弁の開閉動作について説明す
る。なお、図２（ａ）〜（ｃ）においては、図示簡素化
のために電磁アクチュエータ２０の図示を省略してい
る。

【００２８】電磁アクチュエータ２０の電磁コイル２５
に通電が行われていない時には、図１、図２（ａ）に示
されているように、弁ばね２８のばね力の抗してプラン
ジャばね２４のばね力と、弁体１８に作用する１次側圧
力と２次側圧力との流体圧力差により、弁体１８が降下
し、Ｏリング１９の外周面が弁座部１７の角縁１７Ａに
押し付けられて弁閉している。この弁閉状態では、穴２
３Ａの天井面に連結棒２６のヘッド部２６Ａが当接し、
ヘッド部２６Ａとストッパリング２７との間に間隔αが
存在している。

【００２９】このように、弁座部１７の角縁１７ＡにＯ
リング１９の外周面が当接することにより弁締めシール
が行われるから、弁閉力によってＯリング１９が弁座部
１７の角縁１７Ａに押し付けられて弾性変形しても線接
触に近い状態が保たれ、接触面積を増加しない。このこ
とにより、大きい弁閉力を必要とすることなく高い気密
シール性が得られ、１次側と２次側の圧力差が小さい状
態でも、弁漏れがない充分な気密シール性を確保でき
る。

【００３０】上述の弁閉状態において、図３に示されて
いるように、Ｏリング１９の外周面が弁座部１７の角縁
１７Ａに当接した弁位置より弁体１８が更に弁閉方向へ
移動する移動量は、弁体１８の先端面１８Ｂがストッパ
面１７Ｂと当接することにより制限されるから、Ｏリン
グ１９が過剰に圧縮されて過剰変形することが防止され
る。これにより、Ｏリング１９の耐久性が確保される。

【００３１】弁開は電磁アクチュエータ２０の電磁コイ
ル２５に通電することにより行われる。電磁コイル２５
に通電されると、電磁コイル２５が励磁し、プランジャ
２３が、まず、ストッパリング２７が連結棒２６のヘッ
ド部２６Ａに当接するまで、間隔αだけプランジャばね
２４のばね力に抗して吸引子２２に接近する側に引き上
げられる。この移動は、プランジャばね２４のばね力に
打ち勝つだけの推進力でよく、流体の圧力差の影響を受
けないので、大きい磁気吸着力を必要としない。

【００３２】プランジャ２３が間隔αだけ吸引子２２に
接近する側に引き上げられると、図２（ｂ）に示されて
いるように、プランジャ２３と吸引子２２とのギャップ
は（Ｘ−α）で表される小さいものになり、この状態か
ら更に引き続き、電磁コイル２５に通電されていること
により、プランジャ２３が吸引子２２の下端面２２Ａに
磁気的に吸着する。（Ｘ−α）のプランジャ移動によ
り、ストッパリング２７が連結棒２６のヘッド部２６Ａ
を蹴り上げ、弁体１８が弁開移動する。

【００３３】この弁開移動は、ストッパリング２７が連
結棒２６のヘッド部２６Ａに当接する際に生じる衝撃力
も利用して行われるから、長時間弁閉によってＯリング
１９が弁座部１７の角縁１７Ａにくっついていても、Ｏ
リング１９は弁座部１７の角縁１７Ａより離れ、弁開が
確実に開始される。これがキック動作である。

【００３４】Ｏリング１９が弁座部１７の角縁１７Ａよ
り離れると、図２（ｃ）に示されているように、弁ばね
２８のばね力によって穴２３Ａの天井面に連結棒２６の
ヘッド部２６Ａが当接するまで、弁体１８および連結棒
２６が持ち上げられ、全開状態になる。

【００３５】この全開状態よりの弁閉は、電磁コイル２
５に対する通電を停止することにより行われる。電磁コ
イル２５に対する通電が停止されると、電磁コイル２５
が消磁し、穴２３Ａの天井面に連結棒２６のヘッド部２
６Ａが当接した状態で、プランジャばね２４のばね力に
よって、プランジャ２３、連結棒２６、弁体１８が降下
し、Ｏリング１９の外周面が弁座部１７の角縁１７Ａに
当接する。

【００３６】上述したように、この実施の形態による電
磁弁は、大きい弁閉力を必要とすることなく高い気密シ
ール性が得られ、電磁弁の１次側と２次側の圧力差が小
さくても弁漏れを生じることがなく、Ｏリング１９の過
剰変形防止も適切に行われ、Ｏリング１９の耐久性を充
分確保でき、キック方式で弁開するので、大きい起磁力
が必要でなく、消費電力が少なくて済み、しかも、Ｏリ
ング１９が非硫黄加硫ゴム製であるから、硫黄成分の混
入源になることがなく、燃料電池システムで使用されて
好適である。

【００３７】図４はこの発明による電磁弁の他の実施の
形態を示している。なお、図４において、図１に対応す
る部分は、図１に付した符号と同一の符号を付けて、そ
の説明を省略する。

【００３８】この実施の形態では、弁ばね２８が弁室１
５内の流体流れに曝されないよう、また、弁ばね２８が
弁室１５内の流体流れの妨げにならないよう、プランジ
ャ２３の穴２３Ａ内のストッパリング２７と連結棒２６
のヘッド部２６Ａとの間に弁ばね２８が設けられてい
る。

【００３９】この弁ばね２８の配置以外は、上述した実
施の形態のものと同一の構成であるので、この実施の形
態においても、上述した実施の形態と同様の作用、効果
が得られる。

【００４０】つぎに、上述の実施の形態（図１、図４）
による電磁弁の燃料電池システム（サブシステム）に対
する適用例を図５を参照して説明する。燃料電池サブシ
ステムは、天然ガス、メタノール等の原燃料を予熱する
燃料予熱用熱交換器３１と、原燃料中の硫黄成分を除去
する脱硫器３２と、原燃料より水素を生成する改質器３
３と、ＣＯ変成器プリクーラ用熱交換器３４と、改質器
３３からのガス中に含まれている一酸化炭素を二酸化炭
素に変換するＣＯ変成器３５とを有し、燃料電池（セル
スタック）のアノードに水素ガスを供給する。

【００４１】この燃料電池サブシステムの原燃料供給路
３６と、改質用蒸気供給路３７と、燃料用空気供給路３
８と、排熱供給路３９と、水素ガス供給路４０の各々に
電磁弁４１、４２、４３、４４、４５が設けられてお
り、これら電磁弁４１〜４５が上述の実施の形態（図
１、図４）による電磁弁で構成されている。

【００４２】上述のような燃料電池サブシステムにおい
ては、各電磁弁４１〜４５の１次側と２次側の圧力差圧
力差が小さくても、各電磁弁４１〜４５が弁漏れを生じ
ることがなく、弁漏れによるシステム効率の低下が生じ
ることがない。

【００４３】また、各電磁弁４１〜４５の駆動のための
消費電力が少ないので、各電磁弁４１〜４５の電源が燃
料電池発電システムであっても、燃料電池発電システム
の発電効率の低下が少ない。しかも、各電磁弁４１〜４
５に組み込まれているＯリング１９は非硫黄加硫ゴム製
であるから、電磁弁４１〜４５が硫黄成分の混入源にな
ることがなく、システムの硫黄被毒による機能低下を避
けることができる。

【００４４】

【発明の効果】以上の説明から理解される如く、この発
明による電磁弁によれば、環状の弁座部の角縁にＯリン
グの外周面が当接することにより弁締めシールが行われ
るから、大きい弁閉力を必要とすることなく高い気密シ
ール性が得られ、電磁弁の１次側の圧力が弁閉方向に作
用するもので、１次側と２次側の圧力差が小さい状態で
も、弁漏れがない充分な気密シール性を確保でき、しか
も、、Ｏリングの外周面が弁座部の角縁に当接した弁位
置より弁体が更に弁閉方向へ移動する移動量がストッパ
によって制限されるから、Ｏリングの過剰変形が防止さ
れ、Ｏリングの耐久性を充分確保できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明による電磁弁の一つの実施の形態を示
す断面図である。

【図２】（ａ）〜（ｃ）はこの発明による電磁弁の一つ
の実施の形態の動作状態を示す断面図である。

【図３】この発明による電磁弁の一つの実施の形態の要
部を拡大して示す部分的断面図である。

【図４】この発明による電磁弁の一つの実施の形態を示
す断面図である。

【図５】この発明による電磁弁が適用される燃料電池サ
ブシステムの１実施の形態を示すブロック図である。

【符号の説明】

１０ 弁ハウジング １３ １次側ポート １４ ２次側ポート １５ 弁室 １７ 弁座部 １８ 弁体 １９ Ｏリング ２０ 電磁アクチュエータ ２２ 吸引子 ２３ プランジャ ２４ プランジャばね ２６ 連結棒 ２８ 弁ばね

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 久保田 茂 埼玉県狭山市笹井535 株式会社鷺宮製作 所狭山事業所内 Ｆターム(参考） 3H052 AA01 BA02 BA26 CA24 CA34 CD02 EA16 3H106 DA07 DA23 DB02 DB12 DB23 DB32 DC02 DC17 DD08 EE30 EE40 GB12 KK01 5H027 BA01

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電磁手段によって弁体を開閉駆動し、弁
   ハウジングに形成されている弁ポートを開閉する電磁弁
   において、 前記弁体の先端部外周にゴム状弾性体製のＯリングが装
   着され、前記弁ポートの周りに画定された環状の弁座部
   の角縁に前記Ｏリングの外周面が当接することにより弁
   締めシールが行われ、前記Ｏリングの外周面が前記弁座
   部の角縁に当接した弁位置より更に弁閉方向への前記弁
   体の移動量を制限するストッパが設けられていることを
   特徴とする電磁弁。
2. 【請求項２】 前記Ｏリングは前記弁座部の内周側の角
   縁に当接し、前記ストッパは、当該角縁より前記弁ポー
   ト側に形成されたストッパ面と、当該ストッパ面に対向
   する前記弁体の先端面とで構成され、前記弁体の先端面
   が前記ストッパ面に当接することにより前記弁体の弁閉
   方向移動が制限される請求項１記載の電磁弁。
3. 【請求項３】 前記Ｏリングは非硫黄加硫ゴム製である
   ことを特徴とする請求項１または２記載の電磁弁。
4. 【請求項４】 燃料電池システムで使用される燃料電池
   システム用電磁弁であることを特徴とする請求項３記載
   の電磁弁。
5. 【請求項５】 前記電磁手段は、前記弁体と所定量のみ
   弁開閉方向に相対変位可能に接続されたプランジャと、
   励磁により前記プランジャを弁開方向に付勢する電磁コ
   イルと、前記プランジャを弁閉方向に付勢するプランジ
   ャばねとを有し、更に、前記弁体を弁開方向に付勢する
   弁ばねとを有し、キック方式で弁開することを特徴とす
   る請求項１〜４の何れか１項記載の電磁弁。