JP2005249139A - 電磁弁 - Google Patents

Abstract

【課題】ダイヤフラム式のパイロット型の電磁弁において、弁体が弁座に対して斜めに着座することを防止する。
【解決手段】ダイヤフラム弁３０の弁体３２に、一体的に被ガイド部３６を設ける。また、弁座２４に、一体的にガイド部２６を設ける。そして、このガイド部２６によって被ガイド部３６を案内することにより、弁体３２の弁座２４への当接を案内する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ダイヤフラム弁を備えたパイロット式の電磁弁に関し、特に、ダイヤフラム弁を案内する機構に関する。

電磁ソレノイドの可動鉄心を上下させてパイロット孔を開閉し、これにより主弁孔を開閉するパイロット型の電磁弁が広く知られている。

図７は、従来のダイヤフラム式のパイロット型電磁弁の断面図である。この電磁弁の上側には、電磁ソレノイド５０が設置されている。この電磁ソレノイド５０は、主として、中空円筒状のコイル５１と、このコイル５１内に上下方向に移動可能に保持された可動鉄心５２とから構成されている。一方、電磁弁の下側には、一次側６１と二次側６２とを連通させる弁孔６３を備えた弁座６４と、この弁座６４に当接または離間する弁体６５を備えたダイヤフラム弁６６とが設けられている。ダイヤフラム弁６６には、圧力作用室６７と一次側６１とを連通させるブリード孔６８、および、圧力作用室６７と二次側６２とを連通させるパイロット孔６９が形成されている。

上記構成を有するダイヤフラム式のパイロット型電磁弁の動作について簡単に説明する。図７には、弁体６５が弁座６４に当接し、一次側６１と二次側６２とが遮断されている状態が示されている。このとき、コイル５１には通電されておらず、可動鉄心５２は、復帰バネ５３により下向きに付勢され、パイロット孔６９を塞いでいる。この状態での力のバランスを説明する。一次側６１と圧力作用室６７とはブリード孔６８により連通しているので、圧力作用室６７の流体の圧力Ｐ_ｐは一次側の流体の圧力Ｐ_１と一致している。この状態において、弁体６５には、復帰バネ５３による押し付け力Ｆ_ｓ、および、圧力作用室６７の圧力Ｐ_ｐと二次側６２の圧力Ｐ_２との差圧に弁孔６３の開口断面積Ａを乗じた力Ｆ_ｒ（＝（Ｐ_ｐ−Ｐ_２）×Ａ）が下向きに作用する。これらの力により、ダイヤフラム弁６６の弁体６５は、弁座６４に着座する。

次に、コイル５１に電流が流されると、可動鉄心５２は、コイル５１で発生する磁界によって上向きに吸引される。そして、この吸引力が復帰バネ５３のバネ力に打ち勝って、可動鉄心５２が上向きに移動し、パイロット孔６９の上端部から離間する。これにより、圧力作用室６７内の流体がパイロット孔６９を通って二次側６２に流れ、圧力作用室６７の流体の圧力が低下する。これは、ブリード孔６８の断面積が、パイロット孔６９の断面積と比較して小さく、圧力作用室６７から二次側６２へ流出する流体の量の方が、一次側６１から圧力作用室６７に流入する流体の量より多いからである。圧力作用室６７の流体の圧力が低下すると、ダイヤフラム弁６６に対して上向きに作用する力の方が、下向きに作用する力より大きくなり、ダイヤフラム弁６６が上方向に移動し、弁体６５が弁座６４から離間する。これにより、一次側６１と二次側６２とが連通し、流体が一次側６１から二次側６２へ流れる。

このように、ダイヤフラム式のパイロット型電磁弁によれば、パイロット孔６９を開閉することによって弁孔６３を開閉するので、小さい駆動力で弁孔６３を開閉することができ、コイル５１のサイズを小さくすることができる。

しかし、ダイヤフラム式の電磁弁では、ダイヤフラムの厚さが薄いため、圧力変動や流量変動の影響を受けて揺動しやすく、さらにダイヤフラムそのものにしわや歪みが生じている場合は、それが顕著になるため、弁体６５が弁座６４に対して斜めに着座するという斜め着座による閉弁不良が生じ易い。

この斜め着座による閉弁不良を回避する方法としては、図８に示されるようなピストン式のパイロット型電磁弁の採用が考えられる。この電磁弁によれば、剛体からなるピストン弁６６´を用いるので、揺動による閉弁不良は生じない。しかし、ピストン式の電磁弁には、ピストン弁６６´と外壁面との摺動部Ｂのシール性を確保することが困難であるという問題や、異物を噛み込み易いという問題がある。

上記の事情により、斜め着座を回避することができるダイヤフラム式の電磁弁の提供が望まれている。

特許文献１には、閉弁時に弁体が傾くことを防止する構造を備えたダイヤフラム式の電磁弁が開示されている。図９に、特許文献１に記載された電磁弁の断面図を示す。図９に示されるとおり、特許文献１に記載の電磁弁は、図７のものと同様に、上半分のソレノイド部８０と下半分の弁部９０とにより構成されている。そして、ソレノイド部８０には、コイル８１と可動鉄心８２とが設けられている。一方、弁部９０には、流入ポート９１と流出ポート９２とを連通させる弁座９３と、ダイヤフラム弁体９４に支持された弁体９５とが設けられている。

さらに、弁体９５の上面の中心には、ガイド軸９６が、弁体９５と一体に形成されている。そして、蓋部９０Ｂには、ガイド軸９６が可動鉄心８２と同一直線上を真直に移動するようにガイド孔９７が設けられている。ここで、ガイド軸９６は、可動鉄心８２よりその直径が大きく所定長さの円柱形状をなす。一方、ガイド孔９７は、中空円筒形状をなしている。そして、ガイド孔９７の内周の直径は、ガイド軸９６が摺動可能なように、ガイド軸９６の直径と略同一寸法で形成されている。

上記構成では、弁体９５が上下動するときにはその弁体９５とともにガイド軸９６も上下動するが、その際、ガイド軸９６は常にガイド孔９７の内周面を摺動して真直に移動するので、弁体９５と弁座９３は、安定した閉弁動作を行う。

特開平８−１４５２２６号公報

しかし、特許文献１に記載の電磁弁では、弁体９５のストロークを規制するガイド孔９７が、弁体９５と弁座９３との当接部位から離れており、弁座９３と別体となっている。このため、ガイド孔９７の軸線が当接面９８の垂線に対して少しでも傾いていると、斜め着座が生じてしまう。したがって、斜め着座を確実に防止するためには、ガイド孔９７の軸線が当接面９８に対して厳密に垂直となるように、ガイド孔９７を設置しなければならない。ところが、部品の寸法ばらつき等により、ガイド孔９７の軸線を当接面９８に対して正確に垂直とするのは困難である。特に、図９では、弁座９３が設けられた弁本体９０Ａに、ガイド孔９７が設けられた蓋部９０Ｂを組み付ける構成となっているので、弁座９３に対してガイド孔９７を正確に設置することは非常に困難である。

そこで、本発明は、弁体が弁座に対して斜めに着座する斜め着座を防止することができる電磁弁を提供する。

本発明は、一次側と二次側とを連通させる弁孔を備える弁座と、当該弁座に当接または離間する弁体を備えたダイヤフラム弁とを有するパイロット型の電磁弁において、前記弁体に一体的に設けられた被ガイド部と、前記弁座に一体的に設けられたガイド部とから構成され、前記ガイド部によって前記被ガイド部を案内することにより、前記弁体の前記弁座への当接を案内するガイド機構が設けられたことを特徴とする。

本発明の好適な一態様では、前記被ガイド部は、前記弁体と前記弁座との当接面の内側近傍に突設された被ガイド突起であり、前記ガイド部は、前記弁孔を形成する前記弁座の内壁面である。

また、本発明の好適な他の一態様では、前記被ガイド部は、前記弁体と前記弁座との当接面に設けられた被ガイド突起または被ガイド孔であり、前記ガイド部は、前記弁体と前記弁座との当接面に設けられた、前記被ガイド突起が挿通されるガイド孔または前記被ガイド孔に挿通されるガイド突起である。

また、本発明の好適な他の一態様では、前記被ガイド部は、前記弁体の外壁面であり、前記ガイド部は、前記弁体と前記弁座との当接面の外側近傍に突設されたガイド突起である。

本発明に係る燃料電池は、上記のうちいずれかの電磁弁を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、弁体に一体的に設けられた被ガイド部を、弁座に一体的に設けられたガイド部で案内することにより、弁体の弁座への当接を案内するので、弁体が弁座に対して斜めに着座することを防止することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に従って説明する。

図１は、実施の形態に係る電磁弁の閉弁状態における断面図である。また、図２は、実施の形態に係る電磁弁の開弁状態における断面図である。以下の説明では、便宜上、図１および図２に示される矢印Ａの方向を上方向と称する。

この電磁弁は、ソレノイド部１０と弁部２０とにより構成されている。ソレノイド部１０の中心には、中空円筒状のコイルボビン１１が配置されている。このコイルボビン１１には、コイル１２が巻回されている。このコイル１２の外周は、ヨーク１３によって囲まれている。コイルボビン１１の円筒内上部には、固定鉄心１４が固着されている。この固定鉄心１４の下方には、可動鉄心１５が、コイルボビン１１の円筒内に上下方向に移動可能に保持されている。ここで、可動鉄心１５は、コイルボビン１１の円筒内に配された復帰バネ１６により、下向きに付勢されている。そして、ソレノイド部１０は、モールド部１７により全体が一体化するようにモールド固定されている。

一方、弁部２０には、一次側２１と二次側２２とを連通させる略円形の弁孔２３を備えた弁座２４が設けられている。この弁座２４の上方には、略円形のダイヤフラム弁３０が配置されている。ダイヤフラム弁３０は、弾性体からなるダイヤフラム３１の中心部に、剛体からなる弁体３２が一体的に設けられてなる。ダイヤフラム弁３０の外周は、弁部２０の内壁面に支持されている。ダイヤフラム弁３０の背面すなわち弁座２４の反対側には、圧力作用室２５が形成されている。ダイヤフラム弁３０の弁体３２の中心部には、圧力作用室２５と二次側２２とを連通させるパイロット孔３３が形成されている。そして、パイロット孔３３の上端には、パイロット弁座３４が形成されている。また、ダイヤフラム３１には、圧力作用室２５と一次側２１とを連通させるブリード孔３５が形成されている。

ここで、本実施の形態に係る電磁弁では、斜め着座を防止するため、弁体３２の弁座２４への当接を案内するガイド機構が、弁体３２および弁座２４に設けられている。具体的には、ガイド機構は、弁体３２に一体的に設けられた被ガイド部３６と、弁座２４に一体的に設けられたガイド部２６とから構成され、ガイド部２６によって被ガイド部３６を案内することにより、弁体３２の弁座２４への当接を案内するものである。ここで、弁体３２のストロークを安定させるため、被ガイド部３６は、開弁状態および閉弁状態のいずれにおいても、ガイド部２６によって規制されることが好ましい。また、ガイド部２６と被ガイド部３６とのクリアランスは、弁体３２をガイドできる程度でよい。

以下、図面に従って、ガイド機構の好適な構成について具体的に説明する。ただし、ガイド機構の具体的構成が以下に示されるものに限定されないことは言うまでもない。

図３は、ガイド機構の第１の例を示す断面図である。このガイド機構では、弁体３２には、被ガイド部３６として、弁座２４との当接面３２ａの内側近傍に被ガイド突起３６Ａが突設されている。この被ガイド突起３６Ａは、弁孔２３を形成する弁座２４の内壁面２６Ａに沿って当接方向（下方向）に延びており、当該内壁面２６Ａに案内される構成となっている。したがって、第１の例に係るガイド機構では、弁孔２３を形成する弁座２４の内壁面２６Ａが、被ガイド部３６を案内するガイド部２６としての役割を果たす。

図４に、第１の例に係る弁体３２の底面図を示す。図４（ａ）では、被ガイド突起３６Ａは、円形ドーナツ状の当接面３２ａの内側に、１８０度間隔で２箇所に設けられている。図４（ｂ）では、３０度幅の６個の被ガイド突起３６Ａが、当接面３２ａの内側に３０度間隔で設けられている。図４（ｃ）では、開弁時に一次側２１と二次側２２とを連通させるための複数の窓部が形成された被ガイド突起３６Ａが、当接面３２ａの内側全周にわたって設けられている。このように、被ガイド突起３６Ａの個数や形状等には、様々なパターンが考えられるが、被ガイド突起３６Ａは、弁体３２のストロークの安定性と、一次側２１から二次側２２への流体の流通性とを勘案して設置される。

図５は、ガイド機構の第２の例を示す断面図である。このガイド機構では、弁体３２には、被ガイド部３６として、弁座２４との当接面３２ａに被ガイド孔３６Ｂが形成されている。ここで、被ガイド孔３６Ｂは、貫通していてもいなくてもよい。弁座２４には、ガイド部２６として、弁体３２との当接面２４ａに、被ガイド孔３６Ｂに挿通されるガイド突起２６Ｂが設けられている。このガイド突起２６Ｂは、図４に示される被ガイド突起３６Ａと同様に、弁体３２のストロークの安定性と流体の流通性とを勘案して設置される。なお、上記とは逆に、弁体３２に被ガイド突起を設け、この被ガイド突起が挿通されるガイド孔を弁座２４に設けることとしてもよい。

図６は、ガイド機構の第３の例を示す断面図である。このガイド機構では、弁座２４には、ガイド部２６として、弁体３２との当接面２４ａの外側近傍にガイド突起２６Ｃが設けられている。このガイド突起２６Ｃは、図４に示される被ガイド突起３６Ａと同様に、弁体３２のストロークの安定性と流体の流通性とを勘案して設置される。また、ガイド突起２６Ｃは、弁体３２の外壁面３６Ｃに沿って離間方向（上方向）に延びており、当該外壁面３６Ｃを案内する構成となっている。したがって、第３の例に係るガイド機構では、弁体３２の外壁面３６Ｃが、ガイド部２６に案内される被ガイド部３６としての役割を果たす。

以下、上記構成を有する本実施の形態に係る電磁弁の動作について説明する。まず、開弁状態を示す図２のように、コイル１２に電流が流されると、可動鉄心１５は、コイル１２で発生する磁界によって上向きに吸引される。この吸引力は復帰バネ１６のバネ力よりも強いので、可動鉄心１５は、上方に移動し、パイロット弁座３４から離間する。これにより、圧力作用室２５内の流体がパイロット孔３３を通って二次側２２に流れ、圧力作用室２５の流体の圧力が低下する。これは、パイロット孔３３の断面積が、ブリード孔３５の断面積と比較して大きく、圧力作用室２５から二次側２２へ流出する流体の量の方が、一次側２１から圧力作用室２５に流入する流体の量より多いからである。圧力作用室２５の流体の圧力が低下すると、ダイヤフラム弁３０に対して上向きに作用する力の方が、下向きに作用する力より大きくなり、ダイヤフラム弁３０が上方向に移動し、弁体３２が弁座２４から離間する。これにより、一次側２１と二次側２２とが連通し、流体が一次側２１から二次側２２へ流れる。

つぎに、図２に示される開弁状態から図１に示される閉弁状態に移行する場合について説明する。コイル１２への通電が止められると、可動鉄心１５は、復帰バネ１６により下向きに付勢されて下降し、パイロット弁座３４に着座し、パイロット孔３３を塞ぐ。これにより、一次側２１から圧力作用室２５にブリード孔３５を通って流体が流入し、圧力作用室２５の圧力が高まる。そして、最終的に、圧力作用室２５の圧力は一次側２１の圧力と一致する。弁体３２には、復帰バネ１６による押し付け力、および、圧力作用室２５の圧力と二次側２２の圧力との差圧に弁孔２３の開口断面積を乗じた力が下向きに作用する。これらの力により、弁体３２は、下降し、弁座２４に着座する。このとき、弁体３２は、一体的に形成された被ガイド部３６が弁座２４に一体的に形成されたガイド部２６に案内されながら下降するので、斜め着座することなく、弁座２４に当接する。

以上のとおり説明した本実施の形態によれば、以下の効果が得られる。

（１）弁体３２の弁座２４への当接を案内するガイド機構を、弁体３２および弁座２４に設けることとしたので、弁体３２のストロークを安定させることができ、斜め着座を回避することができる。この結果、ダイヤフラムの揺動による閉弁不良を防止することができ、ダイヤフラム弁のシール性を向上させることができる。

特許文献１に記載の電磁弁では、弁体に一体成形されたガイド軸は、弁座の反対側（弁体のストロークの根元側）に設置されたガイド孔によって案内される。このため、弁体のストロークは、ガイド孔の軸線方向に規制される。しかし、部品の寸法誤差や組み付け誤差等により、弁体のストロークは、必ずしも弁座面の垂線方向に規制されるとは限らない。そして、ガイド孔の軸線が弁座面の垂線に対して少しでも傾いている場合、弁体が弁座に対して斜めに入射してしまい、斜め着座による閉弁不良が生じてしまう。

これに対し、本実施の形態に係る電磁弁では、弁体３２は、一体的に形成された被ガイド部３６が弁座２４に一体的に形成されたガイド部２６に案内されながら弁座２４に当接するので、斜め着座をより確実に防止することができ、閉弁不良を防止することができる。

別の言い方をすれば、特許文献１では、当接すべき弁体が、当接されるべき弁座とは別のガイド部品に案内されながら当接するので、弁座とガイド部品との位置関係が理想からずれた場合に、斜め着座が発生してしまう。これに対し、本実施の形態では、当接すべき弁体３２が、当接されるべき弁座２４に案内されながら当接するので、斜め着座は発生しない。

（２）特許文献１に記載の電磁弁では、ガイド孔を、その軸線が弁座面に対して厳密に垂直となるように取り付けなければならないので、部品の寸法精度および部品の組み付け精度が非常にシビアである。これに対し、本実施の形態に係る電磁弁では、弁体３２を弁座２４によってガイドするので、部品の寸法精度等は、上記の電磁弁ほどシビアではない。このため、本実施の形態によれば、コストの削減を図ることができる。

（３）特許文献１に記載の電磁弁では、ガイド孔の軸線に対してガイド軸が傾斜しないようにするため、ガイド軸の直径とガイド孔の内周の直径とを略同一寸法としなければならず、ガイド軸とガイド孔とのクリアランスがシビアである。これに対し、本実施の形態に係る電磁弁では、弁体３２に形成される被ガイド部３６と弁座２４に形成されるガイド部２６とのクリアランスは、弁体３２をガイドできる程度でよい。このため、本実施の形態によれば、コストの削減を図ることができる。

（４）ガイド機構を弁体３２および弁座２４に設けるので、特許文献１のようなガイド孔を設置する必要がなく、構成の簡易化や小型化を図ることができる。

以上説明したとおり、本実施の形態に係る電磁弁は、シール性が高いので、燃料電池において好適に利用される。特に、水素極側の弁として好適に利用される。これは、水素は最も分子量の小さい気体であり、水素を流体とする弁には高いシール性が要求されるからである。

（５）被ガイド部３６として、弁体３２に、弁座２４との当接面３２ａの内側近傍に被ガイド突起３６Ａを設け、弁孔２３を形成する弁座２４の内壁面２６Ａをガイド部２６とする場合、ガイド部２６を特別に設ける必要がなく、低コストでガイド機構を実現することができる。また、被ガイド突起３６Ａは弁孔２３に収容されるので、大型化を招くことなくガイド機構を実現することができる。

（６）弁体３２の弁座２４との当接面３２ａに被ガイド突起または被ガイド孔を設け、弁座２４の弁体３２との当接面２４ａにガイド孔またはガイド突起を設けることとした場合、各突起は各孔に収容されるので、大型化を招くことなくガイド機構を実現することができる。

（７）ガイド部２６として、弁座２４に、弁体３２との当接面２４ａの外側近傍にガイド突起３６Ｃを設け、弁体３２の外壁面３６Ｃを被ガイド部３６とする場合、被ガイド部３６を特別に設ける必要がなく、低コストでガイド機構を実現することができる。また、ガイド突起３６Ｃは一次側の空間に設けられるので、大型化を招くことなくガイド機構を実現することができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明が上記の実施の形態に限定されないことは言うまでもない。例えば、電磁弁は、ダイヤフラム式のパイロット型電磁弁であれば、どのような構成のものであってもかまわない。したがって、適宜、部品の省略、追加、変更が可能である。例えば、パイロット孔３３は、必ずしも弁体３２に形成される必要はなく、圧力作用室２５と二次側２２とを連通させることができれば、どのような場所に形成されてもよい。また、ブリード孔３５も、必ずしもダイヤフラム３１に形成される必要はなく、圧力作用室２５と一次側２１とを連通させることができれば、どのような場所に形成されてもよい。

実施の形態に係る電磁弁の閉弁状態における断面図である。 実施の形態に係る電磁弁の開弁状態における断面図である。 ガイド機構の第１の例を示す断面図である。 ガイド機構の第１の例に係る弁体の底面図である。 ガイド機構の第２の例を示す断面図である。 ガイド機構の第３の例を示す断面図である。 従来のダイヤフラム式のパイロット型電磁弁の断面図である。 従来のピストン式のパイロット型電磁弁の断面図である。 特許文献１に記載された電磁弁の断面図である。

符号の説明

１０ ソレノイド部、１１ コイルボビン、１２ コイル、１３ ヨーク、１４ 固定鉄心、１５ 可動鉄心、１６ 復帰バネ、１７ モールド部、２０ 弁部、２１ 一次側、２２ 二次側、２３ 弁孔、２４ 弁座、２５ 圧力作用室、２６ ガイド部、２６Ａ 内壁面、２６Ｂ ガイド突起、２６Ｃ ガイド突起、３０ ダイヤフラム弁、３１ ダイヤフラム、３２ 弁体、３３ パイロット孔、３４ パイロット弁座、３５ ブリード孔、３６ 被ガイド部、３６Ａ 被ガイド突起、３６Ｂ 被ガイド孔、３６Ｃ 外壁面。

Claims (5)

1. 一次側と二次側とを連通させる弁孔を備える弁座と、当該弁座に当接または離間する弁体を備えたダイヤフラム弁とを有するパイロット型の電磁弁において、
   前記弁体に一体的に設けられた被ガイド部と、前記弁座に一体的に設けられたガイド部とから構成され、前記ガイド部によって前記被ガイド部を案内することにより、前記弁体の前記弁座への当接を案内するガイド機構が設けられたことを特徴とする電磁弁。
2. 請求項１に記載の電磁弁において、
   前記被ガイド部は、前記弁体と前記弁座との当接面の内側近傍に突設された被ガイド突起であり、
   前記ガイド部は、前記弁孔を形成する前記弁座の内壁面であることを特徴とする電磁弁。
3. 請求項１に記載の電磁弁において、
   前記被ガイド部は、前記弁体と前記弁座との当接面に設けられた被ガイド突起または被ガイド孔であり、
   前記ガイド部は、前記弁体と前記弁座との当接面に設けられた、前記被ガイド突起が挿通されるガイド孔または前記被ガイド孔に挿通されるガイド突起であることを特徴とする電磁弁。
4. 請求項１に記載の電磁弁において、
   前記被ガイド部は、前記弁体の外壁面であり、
   前記ガイド部は、前記弁体と前記弁座との当接面の外側近傍に突設されたガイド突起であることを特徴とする電磁弁。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の電磁弁を備えたことを特徴とする燃料電池。

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