JP2003274626A - 液状流体用の電磁プランジャポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 磁気効率を高め、ポンプの小形経済化、燃料
電池の発電能力に対応して吐出制御可能、騒音防止の効
果を高めた液状流体用の電磁プランジャポンプを提供す
ることである。 【解決手段】 液状流体用の電磁プランジャポンプは、
電磁コイル(4) により囲繞された管柱シリンダ(3) の両
端部位にそれぞれ外嵌する環状磁極(5) と環状磁路(6)
を備え、環状磁極の端面に対向する電磁プランジャ(2)
の端部との間にポンプ静止時に磁気空隙(g) を有し、電
磁プランジャ(2) の端部は、断続パルス電流の周期中の
導通時の往衝程に、空隙磁気吸引力と共に発生するソレ
ノイド磁気吸引力により環状磁極(5) の内部に進入して
管柱シリンダ(3) の壁を隔てて接合して重なり、磁気回
路を構成している。さらに、電磁プランジャ(2) の両端
部位にそれぞれ環帯状の外周縁を残して穿設した環状溝
(23)に、弗素系合成樹脂をもってなる環状のプランジャ
リング(22)をそれぞれ緊密に嵌設してある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池におい
て、天然ガス、都市ガス、メタノール、ガソリン、ブタ
ンなどの水素成分を含んだ燃料を用いて、これらの燃料
に高温下で水や酸素を加えて水素に転換する改質のう
ち、例えば前記燃料中のメタンに水蒸気と熱を加えて、
水素と一酸化炭素にする水蒸気改質用の水を供給し、か
つ該燃料電池の出力に対応してその流量を可変制御する
液状流体用電磁プランジャポンプに係るものである。

【０００２】

【従来の技術】上記した液状流体のポンプに要求される
吐出性能および耐久性は、例えば昼夜を問わず連続点灯
するなどのその他電源を必要とし消費する向きへの燃料
電池用の場合には、その一例として、出力１０ＫＷを目
標として水の吐出圧力は、約０．０５ＭＰａ（０．５kg
f/cm² ),吐出流量４０ml/min, 各以上, 消費電力１０Ｗ
以内, 耐久時間４０，０００時間の要望がある。しかし
このような耐久性はダイヤフラムやベローズポンプでは
勿論耐えがたく、回転電動機駆動の回転または往復ポン
プでも流量制御を含むポンプ自体の大形化によるコスト
の上昇等問題がある。

【０００３】しかも、回転ポンプの場合、流量調整が困
難であり、往復ポンプの場合にも同様で、さらに耐久性
に難点がある。

【０００４】流量制御可能で耐久性があり、しかも軽量
小形の電磁プランジャポンプも、液状流体が水の場合に
は、摺動部が水潤滑であるため、送油に用いる場合に比
較して前記摺動部が磨耗損傷しやすい。従来、水用電磁
プランジャポンプとして多用され、耐久性に一応実績が
あるものは、電磁プランジャに硬質クロムメッキやテフ
ロン(登録商標）のような弗素系樹脂の吹き付けコーテ
イングを行って損耗の防止策としているが、いずれも処
理した表面の被膜が１０μというように限度があり、耐
久時間が１０，０００時間位で該被膜が磨耗および剥離
して、摺動面にカジリなどの損傷を与え、その作動を阻
害し、耐久性、耐電蝕性が比較的低く、その点でも問題
を生じる。また、従来技術の液体燃料供給用電磁ポンプ
における電磁プランジャの表面を窒化して硬化させ、さ
らに減摩剤、例えば二硫化モリブデン粉末の塗布焼付け
方法も、水用ポンプの場合には、錆が発生する難点があ
り、採用され難い。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明においては、敍
上の従来技術における問題点、および磁気回路の磁気効
率を高め、ポンプの小形経済化、特に耐久性の増大、燃
料電池の発電能力に対応して吐出制御可能、騒音防止の
効果を高める課題を以下述べる手段をもって解決するも
のである。

【０００６】

【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、本発明の液状流体用の電磁プランジャポンプは、
電磁コイルにより囲繞された管柱シリンダ内を、逆止弁
機構を内蔵しかつ上下のばねの間に圧支された電磁プラ
ンジャが、前記電磁コイルへ付勢する断続パルス電流に
より発生する断続磁気吸引力で、摺動往復自在に作動す
る容積形貫流ポンプであって、前記管柱シリンダの両端
部位にそれぞれ外嵌する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
端部との間にポンプ静止時に磁気空隙を有し、かつ該電
磁プランジャの端部は、前記パルス電流の周期中の導通
時の往衝程に、空隙磁気吸引力と共に発生するソレノイ
ド磁気吸引力により環状磁極の内部に進入して、管柱シ
リンダ壁を隔てて接合して重なり、漏洩磁気回路を構成
しており、さらに電磁プランジャの両端部位にそれぞれ
環帯状の外周縁を残して穿設した環状溝に、弗素系合成
樹脂をもってなる環状のプランジャリングをそれぞれ緊
密に嵌設したことを特徴とする。

【０００７】さらに、前記電磁プランジャの環状溝を穿
設する際に、その両端に残す環帯状の外縁部の幅のう
ち、前記環状磁極に臨み、これに対向する端部側の前記
幅の値は、該電磁プランジャの往衝程において、ソレノ
イド磁気吸引力によって環状磁極内に進入して管柱シリ
ンダ壁を隔てて接合し前記磁気回路を構成する際に、磁
気抵抗を減じて磁束の通過に必要な断面積を有して磁気
吸引力を得るための前記軸方向に重なる長さの幅とほぼ
同等の寸法を標準として定めたことを特徴とする。

【０００８】また、さらに、前記電磁コイルへ直流断続
パルス電流を付勢し、その電圧、電流の周期、デューテ
イ比のいずれかもしくはその複数を加減調整すること
で、液状流体、すなわち水の吐出性能を水蒸気改質によ
る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。

【０００９】

【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。

【００１０】図１は、本発明の液状流体用の電磁プラン
ジャポンプ（以下、単に電磁プランジャポンプと称す
る）の１つの実施の形態を一部断面して示した縦断面図
であり、図２は図１の要部断面拡大詳細図であり、図３
は図２に示す電磁プランジャの一部断面を示す拡大正面
図である。

【００１１】その構成は、捲装された電磁コイル４によ
り囲繞され、その軸心縦貫孔に装嵌された管柱シリンダ
３内を、吸入逆止弁機構１２を内蔵し、上、下のばね１
４、１３に圧支された電磁プランジャ２が電磁コイル４
に付勢する断続パルス電流によって発生する断続磁気吸
引力で、摺動往復自在に作動する容積形貫流ポンプにお
いて、電磁コイル４の両端で管柱シリンダ３の両端部位
にそれぞれ外嵌する環状磁極５と環状磁路６を備え、環
状磁路６の上流側に吸入口７を有する吸入継手８を、環
状磁極５の下流側に、吐出逆止弁機構１１と上ばね座１
９を収めかつ吐出口９を有する吐出継手１０をそれぞれ
接続し、前記吸入継手８の底部に下ばね１３をかつ上ば
ね座１９との間に上ばね１４をもって、電磁プランジャ
２を圧支し、前記管柱シリンダ３と吸入および吐出継手
８、１０の間には、それぞれＯ−リング２１、２０を備
えて気密水密を保持している。

【００１２】電磁コイル４の両端面は、コの字形の継鉄
１７に挟まれ、かつ吸入継手８側の磁気鉄板１６と、吐
出継手１０側から門形の外枠継鉄１５とを止めねじ１８
を螺締着することで磁路を構成しかつ電磁コイル４等を
挟設固定している。

【００１３】環状磁極５の端面とこれに対向する電磁プ
ランジャ２の端部との間に、ポンプの静止時には、ｇな
る磁気空隙を有し、かつこの電磁プランジャ２の端部
は、前記付勢電流の周期中の導通時の往衝程、すなわち
吐出衝程時には、前記磁気空隙を埋めようとする空隙磁
気吸引力と共に発生する、電磁プランジャ２の磁気中心
ｃが電磁コイル４の軸心中心の磁気中性点ｆに引き寄せ
られるソレノイド磁気吸引力によって、環状磁極５の内
部に進入して管柱シリンダ３の壁を隔てて接合してＫ′
の重なり（図２参照）をもって磁気回路を構成し、さら
に電磁プランジャ２の両端部位にそれぞれ環帯状の外周
縁の幅Ｋを残して穿設した環状溝２３に、例えば四弗化
エチレン樹脂（ポリテトラフルオロエチレン略称 P.T.
F.E) にその耐圧縮クリープ特性や耐摩耗性を補強した
摺動材料の炭素繊維、グラファイト等を添加した弗素系
合成樹脂をもってなる環状のプランジャリング２２をそ
れぞれ緊密に嵌設する。さらに、耐液、非膨潤性も要件
である。電磁プランジャ２はフェライト系ステンレス鋼
材をもって、また管柱シリンダ３はオーステナイト系ス
テンレス鋼管をもってそれぞれ素材とした。

【００１４】前記電磁プランジャ２の環状溝２３のう
ち、環状磁極５に対向する側のもので、前記端部に残す
環帯状の幅の値Ｋは、前記電磁プランジャ２が往衝程に
おいて、ソレノイド磁気吸引力によって、環状磁極５の
内部に進入して管柱シリンダ３の壁を隔てて接合し、前
記磁気回路を構成する際に、磁気抵抗（リラクタンス）
を減じて磁束の通過に必要な断面積を有して磁気吸引力
を得るためのパーミアンスを大きくする、軸方向で重な
る長さの幅Ｋ′とほぼ同等の寸法を標準として定めた。
因みに、管柱シリンダ３の内面は鏡面仕上げしてある。

【００１５】図２において、電磁プランジャ２の磁気中
心ｃと電磁コイル４の磁気中性点ｆ間の距離ｅは前記往
衝程である断続パルス電流の周期中の導通時に磁気吸引
力による衝程部分ｅ′に等しく、これは磁気空隙ｇと前
記Ｋ′の和である。

【００１６】しかして、前記磁気中心ｃが磁気中性点ｆ
を越えると、ソレノイド磁気吸引力は反対方向に逆転す
るから電磁プランジャ２の往衝程に抑制制動がかかる
が、その時点でパルス電流の周期中の導通が絶たれ非導
通であるので、電磁プランジャ２の慣性および往衝程時
に圧縮された下ばね１３の反発力によるスプリングハン
マ作用があり、特にポンプの始動時、流体中に被圧縮性
の空気やガスが存在するとき、および吐出圧力の低い場
合には、往衝程の死点が伸び、また復衝程においても同
様に上ばね１４の反発作用と前記慣性によるスプリング
ハンマ作用でその衝程の死点が伸び、オーバーシュート
してこの両衝程長は伸長する。

【００１７】但し、ポンプの吐出圧力が高まると、フリ
ーピストンであるから、その衝程長は短縮され、上下死
点も偏位し、所定圧力流量におけるその位置、衝程長も
定まる。

【００１８】本発明の電磁プランジャポンプも、所要の
液状流体、例えば水の吐出圧力と流量を得るために、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、衝程数および磁気吸引力によって定まる推力を
求めるために、電磁コイルのアンペアターンをその捲線
数と付勢すべき電流諸元を定める。

【００１９】電磁コイルへの付勢電流は、商用交流電源
を変圧またはこれを整流して降圧し、もしくは燃料電池
或いは蓄電池から得る、例えば２４Ｖの電流を発振器に
よって断続パルス電流として、可能な限り消費電流を少
なく経済なものとして、その周期と、該周期中の導通期
間、すなわちデューテイ比を変換して所要の磁力を得る
ようにこれらの数値を制御する。

【００２０】ポンプの吐出液状流体、特に水の場合に
は、電磁コイルへの通電によって生じる温度上昇を冷却
する作用があり、したがって該温度上昇によって生じる
電気抵抗も低いので、これに対応して電磁コイルの捲数
を減じ比較的小形にできる利点がある。

【００２１】以上詳述した本発明の電磁プランジャポン
プ１の作動時には、電磁プランジャ２の往復運動と、前
記吸入、吐出両逆止弁機構１２、１１の共同作用と相ま
って、吸入口７から矢印ａのように吸入された液状流体
は管柱シリンダ３内を縦貫して吐出口９から矢印ｂのよ
うに吐出される。

【００２２】つぎに、本発明の電磁プランジャポンプの
耐久性について以下述べる実験結果によって説明する。

【００２３】表１にその実験成績表を示す。

【００２４】

【表１】 電磁コイルへの付勢断続パルス電流は、直流２４Ｖの電
圧で、周波数; ２０Hzすなわち周期; ５０mSec, 周期中
の導通期間; ８mSec，吸入揚程; −５００mm,図３のプ
ランジャリングの直径ＤＡ，ＤＢの実験前の初期値およ
び１０，０００時間経過後の寸法値 mm, 流量；ml/mi
n, 消費電力；Ｗ，吸入時間；秒（Sec),を吐出圧力ＭＰ
ａ（Kgf/cm² ) ０〜０．１ＭＰａまで表１に示すように
それぞれの成績を求めた。

【００２５】２０，０００時間経過時の推定成績は、付
勢電流の周期を倍増の４０Hzとして前記衝程数を倍増し
てＤＡ，ＤＢの磨耗の度合を調べ、それぞれこの寸法に
仕上げた上、その電磁プランジャによって測定した実験
結果であり、３０，０００時間および４０，０００時間
経過時の推定成績は、前記プランジャリングの直径寸法
ＤＡ，ＤＢの磨耗代を上記実験から予測し、かつ吸入流
体の水に間欠的に気泡を注入して電磁プランジャの衝程
長を伸長してプランジャリングの摩耗状態と比較したと
ころ、ほぼ同様な結果を得たので、この数値をもって前
記ＤＡ，ＤＢの寸法を推定してこの寸法に仕上げたプラ
ンジャリングをそれぞれ嵌着した電磁プランジャを装着
して実験したもので、所謂過酷な加速試験と考えてよ
い。

【００２６】なお、電磁プランジャは表面には前述の硬
質クロム鍍金と研磨仕上げをした。

【００２７】電磁プランジャポンプの場合には、電磁プ
ランジャの直径が磨耗しても、前記したスプリングハン
マ作用およびフリーピストンポンプであるために、プラ
ンジャとシリンダ間の漏洩量を補償するように、しかも
摺動摩擦抵抗も減じて衝程長が伸長するので、吐出流量
の減少は比較的僅かであるが、それでも表１に示すよう
に吐出圧力流量は低下している。

【００２８】因みに初期において、例えば吐出圧力０．
０５ＭＰａ，吐出流量７５ml/minのときの電磁プランジ
ャの吐出衝程長は１．２５ｍｍ位でほとんど損失はない
ものである（ストロボスコープでの測定結果，特公昭５
７−１２８６３公報の記載参照）。

【００２９】図４は、この電磁プランジャポンプにおけ
る横軸に吐出圧力ＭＰａをとり、縦軸に吐出流量 ml/mi
n をとった経過時間ごとの推定流量特性線図である。

【００３０】なお、前記電磁コイルに付勢する断続パル
ス電流の電圧、周期、デューテイ比は、これに限るもの
ではなく、必要とするポンプの吐出圧力流量に対応して
それぞれその数値を可変調整して制御することができ、
さらにまた、流量制御弁や圧力調整弁などの調整装置に
より、またはこれらを併用することも差し支えないが、
それらの装置の取付スペースを要し、かつ費用もかさみ
不経済となることがある。

【００３１】

【発明の効果】以上詳述した通り、本発明の液状流体す
なわち例えば、燃料電池の水蒸気改質用の水供給用の電
磁プランジャポンプは、特に従来技術の問題点を解決す
るための課題として、さらにまた実施の形態の欄で述べ
た理由により以下述べるような効果が得られる。

【００３２】(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軽量化を計ることが可能
である。

【００３３】(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設するための環状溝
は、その環状磁極に対向する端部側のものにおいては、
電磁プランジャの磁気吸引力による往衝程時にその先端
環帯部が該環状磁極の内側に進入し管柱シリンダ壁を隔
てて接合し重なって磁気回路を構成する際に、磁気抵抗
（リラクタンス）を少なくパーミアンスを増して必要と
する磁束の通過を可能とする断面積を確保するような前
記重なりの長さの幅とほぼ同等の寸法を標準として定め
たことで磁気効率を高め、したがって吐出能力を高め、
しかも小形経済化をはかることができる。

【００３４】(c) 前記電磁プランジャリングは、耐磨耗
性の摺動部材で、しかもカーボンファイバー、グラファ
イトを添加した弗素系合成樹脂製で、耐蝕耐液、非膨潤
性で耐久性が、実験結果からも甚だ高い。

【００３５】(d) 電磁コイルへ付勢する断続パルス電流
の電圧、すなわち電流値、周波数、デューテイ比を加減
調整可能として、流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液状流体、例えば水蒸気改質の水
用電磁プランジャポンプを提供することができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による一実施の形態の液状流体用電磁プ
ランジャポンプの一部断面をして示した縦断面図であ
る。

【図２】図１の要部断面拡大詳細図である。

【図３】図２に示す電磁プランジャの一部断面を示す正
面拡大図である。

【図４】図１の電磁プランジャポンプの運転経過時間ご
との吐出圧力−流量特性およびプランジャリングの磨耗
状態を示す、一部推定を含む線図である。

【符号の説明】

１ 電磁プランジャポンプ ２ 電磁プランジャ ３ 管柱シリンダ ４ 電磁コイル ５ 環状磁極 ６ 環状磁路 ８ 吸入継手 １０ 吐出継手 １３ 下ばね １４ 上ばね ｇ 磁気空隙 ｃ 磁気中心 ｆ 磁気中性点 Ｋ 電磁プランジャ環帯幅寸法 ２２ プランジャリング ２３ 環状溝

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 千葉 泰常 東京都大田区池上５−23−13 太産工業株 式会社内 (72)発明者 兼岩 日出夫 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） 3H045 AA03 AA08 AA12 AA23 BA12 BA38 CA21 EA20 EA34 EA42 3H069 AA02 BB02 CC04 DD02 DD14 DD31 EE05 EE11 EE33 EE42 3H071 AA01 BB01 CC11 CC21 CC26 DD01 DD14 DD52 EE08 5H607 AA04 AA14 BB01 BB08 CC05 DD16 FF08 KK03 KK07 5H633 BB07 BB10 GG02 GG04 GG05 GG12 GG18 GG21 HH17 HH22 HH24 HH27 JA02

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電磁コイルにより囲繞された管柱シリン
   ダ内を、逆止弁機構を内蔵しかつ上下のばねの間に圧支
   された電磁プランジャが、前記電磁コイルへ付勢する断
   続パルス電流により発生する断続磁気吸引力で、摺動往
   復自在に作動する容積形貫流ポンプであって、前記管柱
   シリンダの両端部位にそれぞれ外嵌する環状磁極ならび
   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ポンプ静止時に磁気空隙を
   有し、かつ該電磁プランジャの端部は、前記パルス電流
   の周期中の導通時の往衝程に、空隙磁気吸引力と共に発
   生するソレノイド磁気吸引力により環状磁極の内部に進
   入して管柱シリンダ壁を隔てて接合して重なり、漏洩磁
   気回路を構成しており、さらに電磁プランジャの両端部
   位にそれぞれ環帯状の外周縁を残して穿設した環状溝
   に、弗素系樹脂をもってなる環状のプランジャリングを
   それぞれ緊密に嵌設したことを特徴とする液状流体用の
   電磁プランジャポンプ。
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、その両端に残す環帯状の外縁部の幅のうち、前記
   環状磁極に臨み、これに対向する端部側の前記幅の値
   は、該電磁プランジャの往衝程において、ソレノイド磁
   気吸引力によって環状磁極内に進入して管柱シリンダ壁
   を隔てて接合し前記磁気回路を構成する際に、磁気抵抗
   を減じて磁束の通過に必要な断面積を有して磁気吸引力
   を得るための前記軸方向に重なる長さの幅とほぼ同等の
   寸法を標準として定めたことを特徴とする請求項１に記
   載の液状流体用の電磁プランジャポンプ。
3. 【請求項３】 前記電磁コイルへ直流断続パルス電流を
   付勢し、その電圧、電流の周期、デューテイ比のいずれ
   かもしくはその複数を加減調整することで、液状流体、
   すなわち水の吐出性能を水蒸気改質による燃料電池の出
   力に応じて可変制御することを特徴とする請求項１また
   は２に記載の液状流体用の電磁プランジャポンプ。