JP2006266336A

JP2006266336A - バルブ構造

Info

Publication number: JP2006266336A
Application number: JP2005082612A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Aoyanagi; 健青柳
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2005-03-22
Filing date: 2005-03-22
Publication date: 2006-10-05

Abstract

【課題】発熱用のコイルを設けることなくプランジャの凍結による作動不良を防止する。
【解決手段】モールドコイル１５への通電により、プランジャ１９が、その外側のプランジャチューブ１７に対してリターンスプリング２５に抗して下方に移動し、同時に移動する連結棒２１の先端のＯリング２７がシール面２３ｆに密着して連通路２３ｃを遮断する。プランジャ１９のプランジャ本体１９ａ外周面と、それに対応するプランジャチューブ１７の内周面には、下部側が広がるテーパ面１９ｃ，１７ｂをそれぞれ設け、これらテーパ面１９ｃ，１７ｂ相互間には、モールドコイル１５への非通電に、プランジャ１９がリターンスプリング２５に押されて上昇し、その基部１９ｂの上端がプランジャチューブ１７の天井面１７ｅに当接した状態で、隙間を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、弁本体に設けた電磁コイルへの通電・非通電により、プランジャを弁本体に対して移動させることで、プランジャに設けた弁体により流体流路を開閉するバルブ構造に関する。

従来電磁コイルへの通電によりプランジャを移動させるものとしては、例えば下記特許文献１に記載のものがある。これは、可動側のプランジャに相当する可動鉄心と、固定側の電磁コイルを有する固定鉄心とをそれぞれ備え、電磁コイルへの通電により可動鉄心を固定鉄心側に移動させてロックを解除するというものである。

そして、ここでは、特に寒冷地にて可動鉄心が凍結するような場合に備えて、プランジャを移動させる電磁コイルとは別の発熱用のコイルを設けている。
特開平１０−３２１４３２号公報

ところが、上記した従来のものは、可動鉄心の凍結を防止するための発熱用のコイルを別途設けているため、部品点数が増加してコストアップを招き、また解凍のための電力が必要であり、このような構造体を特に自動車などの移動体に搭載する際には、限られた電力源を使用することから改善が望まれている。

そこで、本発明は、発熱用のコイルを設けることなくプランジャの凍結による作動不良を防止することを目的としている。

本発明は、弁本体に設けた電磁コイルへの通電により、プランジャを前記弁本体に対して離反移動させることで、前記プランジャの移動に伴い移動する弁体により流体流路を閉塞するバルブ構造において、前記弁本体に、前記電磁コイルへの非通電時に前記プランジャが入り込む凹部を設け、前記弁本体の凹部の内周面と前記プランジャの外周面との互いの対向面を、前記電磁コイルへの通電時での前記プランジャの移動方向前方側ほど広がるテーパ面としたことを最も主要な特徴とする。

本発明によれば、弁本体の凹部の内周面とプランジャの外周面との互いの対向面を、電磁コイルへの通電時でのプランジャの移動方向前方側ほど内径が大きくなるテーパ面としたので、電磁コイルに通電してプランジャを移動させる際には、前記テーパ面における互いの対向面が凍結していても、凍結部におけるプランジャの弁本体からの離脱が容易となり、発熱用のコイルを設けることなく、プランジャの凍結による作動不良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基づき説明する。

図１は、本発明の一実施形態を示すバルブ構造を備えた燃料電池システムの全体構成図である。

燃料ガス（水素）と酸化剤ガス（酸素）とを反応させて起電力を発生する燃料電池１は、供給された全ての水素を使用して発電する訳ではなく、反応せずに残った未反応の水素を、水素循環ライン３を通してアノードオフガスとして外部へ放出する。放出した水素は、燃費向上のため、水素循環器５によって再度燃料電池１へと供給する。

このとき、燃料電池システムでは、燃料電池１から排出されたアノードオフガスに含まれる水素を積極的に燃料電池１に供給するために、水素を水素ポンプ７で昇圧させて水素循環器５を介して燃料電池１へ供給する。

そして、水素を循環させる際に水素循環器５内にある水分離室５ａが、アノードオフガスを水素と水に分離する。これは、燃料電池１から放出されるアノードオフガスに水分が含まれていることから、この水分が多すぎると燃料電池１へ悪影響を及ぼすからである。水分離室５ａに溜められた水は、水素循環器５内に設けてある、後述する凍結防止策を施したバルブ９の開放によって排出する。

水分離室５ａとバルブ９とは、水分離室５ａで分離した水を流通させる水排出流路１１で接続し、バルブ９の下流側には水を燃料電池システム外へと放出するための排水管１３を接続している。上記した水排出流路１１および排水管１３により流体流路を構成している。

次に、上記した燃料電池システムにおけるバルブ９について、図２を用いて説明する。バルブ９は、電磁コイルとしての円筒形状のモールドコイル１５の内側に弁本体としてのプランジャチューブ１７を収容している。モールドコイル１５は、上部に取付板１５ａを備え、取付板１５ａの中央に形成したボルト挿入孔１５ｂに、プランジャチューブ１７の上端から上方に延びるボルト１８を挿入し、ナット２０を締結することで、プランジャチューブ１７に固定する。

上記したモールドコイル１５に通電することで、プランジャチューブ１７内に収容してあるプランジャ１９が図２中で下方に移動する。

プランジャチューブ１７は、鉛直方向下部が開放している凹部１７ａを備え、凹部１７ａは、下部の開口側の内周面を開口側ほど内径が大きくなるテーパ面１７ｂを形成している。このテーパ面１７ｂには、ショットブラスト処理などにより微細な凹凸部を形成している。

テーパ面１７ｂの図２中で上部側の凹部１７ａは、円筒形状の内面１７ｃとしている。また、円筒形状の内面１７ｃの上端部には、後述するプランジャ１９の上端部が挿入される位置決め孔１７ｄを設けている。

以上により、プランジャチューブ１７のテーパ面１７ｂ，内面１７ｃおよび位置決め孔１７ｄを備える凹部１７ａは、プランジャ１９のモールドコイル１５への通電時での移動方向後方側が狭くなっていることになる。

プランジャ１９は、上記した凹部１７のテーパ面１７ｂに対向する位置にあって、モールドコイル１５への通電による電磁力を図２中で下方に受けるプランジャ本体１９ａと、プランジャ本体１９ａの上端部に一体化する軸状の基部１９ｂとをそれぞれ有する。この基部１９ｂの上端部を、前記した凹部１７ａの位置決め孔１７ｄに移動可能に挿入する。

プランジャ本体１９ａは、その外周面を、前記した凹部１７ａのテーパ面１７ｂに対応するテーパ面１９ｃとしてある。このテーパ面１９ｃと前記した凹部１７ａのテーパ面１７ｂとは、プランジャ１９の基部１９ｂの上端が位置決め孔１７ｄの天井面１７ｅに当接した状態で接触せず、相互間に僅かな隙間が形成されるように設定する。

このようなテーパ面１９ｃと、これに対向するプランジャチューブ１７のテーパ面１７ｂは、モールドコイル１５への通電時でのプランジャ１９の移動方向前方側ほど広がるテーパ面となっている。

また、プランジャ本体１９ａは、図３に斜視図で示すように、外周面（テーパ面１９ｃ）に、プランジャ１９の移動方向に沿って延びる複数（ここでは４つ）の溝１９ｄを円周方向等間隔に形成してある。この溝１９ｄにより、プランジャ本体１９ａの外周面（テーパ面１９ｃ）は、凹凸部を有することになる。

プランジャ本体１９ａの下面には、連結孔１９ｅを設け、連結孔１９ｅに軸部としての連結棒２１の上端を挿入して連結固定する。連結棒２１の下部は、ガイド部材２３内に挿入している。

ガイド部材２３は、前記したプランジャチューブ１７の下部に、その開口部を塞ぐように取り付けてあり、前記した連結棒２１を挿入する貫通孔２３ａを備えている。貫通孔２３ａは、前記図１に示した水排出流路１１に接続される水流入空間２３ｂに下端が連通し、水流入空間２３ｂは、連通路２３ｃを通して前記図１に示した排水管１３に連通している。

ガイド部材２３内の上記した貫通孔２３ａは、図２中で上部のスプリング収容部２３ｄと、その下部に形成した、下部側ほど内径が大きくなるテーパ面２３ｅとをそれぞれ備えている。このテーパ面２３ｅは、ショットブラスト処理などにより凹凸部を形成してある。

スプリング収容部２３ｄには、リターンスプリング２５を収容し、スプリング収容部２３ｄの底部とプランジャ本体１９ａの下面との間に介装したリターンスプリング２５により、プランジャ１９を図２中で上方に押し付け、基部１９ｂの上端を位置決め孔１７ｄの天井面１７ｅに当接させる。

上記した連結棒２１の下端には弁体としてのＯリング２７を装着し、このＯリング２７は、基部１９ｂの上端が位置決め孔１７ｄの天井面１７ｅに当接した状態、つまりモールドコイル１５に通電しないときに、水流入空間２３ｂの上下方向ほぼ中央に位置する。

そして、モールドコイル１５に通電したときには、プランジャ１９がリターンスプリング２５に抗して下降して、Ｏリング２７が連通路２３ｃの上部に形成してあるシール面２３ｆに密着して連通路２３ｃを閉じる。

また、連結棒２１の前記テーパ面２３ｅに対応する位置の外周には、円筒形状の内側磁石２９を設ける一方、テーパ面２３ｅより外側のガイド部材２３内にも、円筒形状の外側磁石３１を設けている。

内側磁石２９と外側磁石３１とは、互いの対向面の磁極を同等として、軸部２１の径方向に互いに反発し合うよう設定するとともに、プランジャ１９の移動範囲内で互いに対向した位置を確保できるように、外側磁石３１の軸方向長さ（プランジャ１９の移動方向に沿う長さ）を内側磁石２９に比べて長くしている。

次に作用を説明する。モールドコイル１５に直流電流を供給して磁界が発生すると、この磁界を受けてプランジャ１９が、図２中で下方に向かう力を受け、その方向にリターンスプリング２５に抗して移動し、プランジャ１９とともに移動する連結棒２１の先端のＯリング２７が、シール面２３ｆに密着して排水管１３に連通する連通路２３ｃを遮断する。

一方、モールドコイル１５への通電解除によりプランジャ１９への磁界の働きがなくなると、プランジャ１９はリターンスプリング２５の戻り力により図２中で上方に移動し、連結棒２１の先端のＯリング２７がシール面２３ｆから離れて連通路２３ｃを開放する。これにより、前記図１に示した水分離室５ａに溜められて水排出流路１１に流れている水が、水流入空間２３ｂを経て連通路２３ｃから外部に排出される。

上記したプランジャ１９が上下動する際には、連結棒２１に設けた円筒形状の内側磁石２９と、ガイド部材２３に設けた円筒形状の外側磁石３１とが互いに反発し合い、連結棒２１がガイド部材２３の中心位置に常に保持される。

そして、プランジャ１９がリターンスプリング２５に押されて上方に移動する際には、プランジャ１９の基部１９ｂの上端が位置決め孔１７ｄの天井面１７ｅに当接して停止する。このプランジャ１９の停止時に、そのテーパ面１９ｃは、プランジャチューブ１７のテーパ面１７ｂに対し、プランジャチューブ１７の中心とプランジャ１９の中心とが一致した状態で全周にわたり僅かな隙間を形成している。

上記したバルブ構造によれば、プランジャチューブ１７の凹部１７ａの内周面とプランジャ本体１９ａの外周面との互いの対向面を、モールドコイル１５への通電時でのプランジャ１９の移動方向前方側ほど広がるテーパ面１７ｂ，１９ｃとしたので、モールドコイル１５に通電してプランジャ１９を下方に移動させる際には、前記テーパ面１７ｂ，１９ｃの互いの対向面が凍結していても、凍結部におけるプランジャ１９のプランジャチューブ１７からの離脱が容易となり、このため発熱用のコイルを設けることなくプランジャ１９の凍結による作動不良を防止することができる。

また、プランジャ１９が図２中で上方に移動し、基部１９ｂの上端がプランジャチューブ１７の位置決め孔１７ｄの天井面１７ｅに当接した状態で、互いに対向しているテーパ面１７ｂ，１９ｃ相互間に隙間が形成されているので、これら相互間の凍結予防に有効となっている。

上記したプランジャチューブ１７のテーパ面１７ｂにはショットブラスト処理を施し、プランジャ１９のテーパ面１９ｃには溝１９ｄを設けて、それぞれの表面に凹凸部を形成しているので、互いが接触した場合の接触面積が減少し、凍結した場合の凍結面積も減少して、凍結部におけるプランジャ１９のプランジャチューブ１７からの離脱がより容易となる。この接触面積を減少させるためには、テーパ面１７ｂとテーパ面１９ｃとの少なくともいずれか一方に、ショットブラスト処理や溝を形成することで、凹凸部を形成すればよい。

また、ガイド部材２３における貫通孔２３ａのテーパ面２３ｅについても、下部側ほど内径を大きくしているので、例えテーパ面２３ｅと連結棒２１とが凍結していても、モールドコイル１５に通電してプランジャ１９を下方に向けて移動させる際の、凍結部における連結棒２１のガイド部材２３からの離脱が容易となる。

上記したガイド部材２３のテーパ面２３ｅについても、ショットブラスト処理を施して凹凸部を形成しているので、テーパ面２３ｅの連結棒２１に対する接触面積が減して凍結部の上記した離脱動作がより容易なものとなる。

また、プランジャ１９のテーパ面１９ｃに設けた溝１９ｄは、図３に示すように、プランジャ１９の移動方向に沿って延びているので、テーパ面１７ｂとテーパ面１９ｃとの間に介在する水の排水効率が向上し、凍結した場合の氷の量が減少し、凍結部におけるプランジャ１９のプランジャチューブ１７からの離脱を確実に行うことができる。

プランジャチューブ１７の凹部１７ａは、プランジャ１９のモールドコイル１５への通電時での移動方向後方側、すなわち図２中で上方側が狭くなっており、しかも基部１９ｂ周囲の円筒形状の内面１７ｃとの間には空間が形成されているので、プランジャ１９とプランジャチューブ１７との接触可能な領域が減少し、プランジャ本体１９ａの上部側には、表面張力による水の侵入を防止でき、これにより摺動部に付着する氷の量を減少でき、凍結部の離脱が容易となる。

また、プランジャチューブ１７の凹部１７ａが、プランジャ１９のモールドコイル１５への通電時での移動方向後方側、すなわち図２中で上方側が狭くなっていることで、凹部１７ａ内への水の滞留を防止することができる。

さらに、プランジャチューブ１７の凹部１７ａにおける、プランジャ１９のモールドコイルへ１５の通電時での移動方向後方側の端部に位置決め孔１７ｄを設け、この位置決め孔１７ｄにプランジャ１９の基部１９ｂの上端を挿入しているので、プランジャ１９のプランジャチューブ１７に対する位置決めがなされ、プランジャ１９は、がたつきがなく安定した動作が可能となり、Ｏリング２７によるシール面２３ｆに対する開閉動作が安定化する。

プランジャ１９先端の連結棒２１に設けた内側磁石２９と、その外側のガイド部材２３に設けた外側磁石３１とを、互いに反発し合うよう設定しているので、プランジャ１９および連結棒２１を、プランジャチューブ１７およびガイド部材２３に対してその中心位置に保持でき、Ｏリング２７によるシール面２３ｆに対する開閉動作が安定化する。

また、上記した内側磁石２９および外側磁石３１は、いずれも円筒形状としているので、プランジャ１９と一体の連結棒２１の軸円周上には均一の磁界が働き、プランジャ１９および連結棒２１を、プランジャチューブ１７およびガイド部材２３に対してその中心位置に確実に保持でき、Ｏリング２７によるシール面２３ｆに対する開閉動作がより安定化する。

さらに、上記した内側磁石２９および外側磁石３１は、外側磁石３１の図２中で上下方向長さ（プランジャ１９の移動方向に沿う長さ）を内側磁石２９の同方向長さに比べて長くして、プランジャ１９の移動範囲内で互いに対向した位置となるように設定しているので、プランジャ１９の移動に追随して内側磁石２９が移動しても、プランジャ１９と一体の連結棒２１の軸円周上には常に均一の磁界が働き、プランジャ１９および連結棒２１を、プランジャチューブ１７およびガイド部材２３に対してその中心位置に確実に保持することができる。

本発明の一実施形態を示すバルブ構造を備えた燃料電池システムの全体構成図である。図１の燃料電池システムにおけるバルブ構造を示す断面図である。図１のバルブ構造におけるプランジャ本体の斜視図である。

符号の説明

１１水排出流路（流体流路）
１３排水管（流体流路）
１５モールドコイル（電磁コイル）
１７プランジャチューブ（弁本体）
１７ａプランジャチューブの凹部
１７ｂプランジャチューブのテーパ面
１７ｄプランジャチューブの位置決め孔
１９プランジャ
１９ｃプランジャのテーパ面
１９ｄプランジャの溝（凹凸部）
２１プランジャに連結される連結棒（軸部）
２３連結棒が挿入されるガイド部材
２７Ｏリング（弁体）
２９内側磁石
３１外側磁石

Claims

弁本体に設けた電磁コイルへの通電により、プランジャを前記弁本体に対して離反移動させることで、前記プランジャの移動に伴い移動する弁体により流体流路を閉塞するバルブ構造において、前記弁本体に、前記電磁コイルへの非通電時に前記プランジャが入り込む凹部を設け、前記弁本体の凹部の内周面と前記プランジャの外周面との互いの対向面を、前記電磁コイルへの通電時での前記プランジャの移動方向前方側ほど広がるテーパ面としたことを特徴とするバルブ構造。
前記弁本体の凹部の内周面と前記プランジャの外周面との少なくともいずれか一方に、凹凸部を設けたことを特徴とする請求項１に記載のバルブ構造。
前記凹凸部は、前記プランジャの移動方向に沿って延びる溝を備えていることを特徴とする請求項２に記載のバルブ構造。
前記プランジャが前記凹部に入り込む方向に移動した状態で、前記プランジャと前記凹部との間に空間を設けたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のバルブ構造。
前記弁本体の凹部は、前記プランジャの前記電磁コイルへの通電時での移動方向後方側が狭くなっていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載のバルブ構造。
前記弁本体の凹部における、前記プランジャの前記電磁コイルへの通電時での移動方向後方側の端部に、前記プランジャの端部が挿入される位置決め孔を設けたことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載のバルブ構造。
前記プランジャの前記電磁コイルへの通電時での移動方向前方側に軸部を設け、この軸部の先端に前記弁体を設け、この弁体と前記テーパ面を備えた部分のプランジャとの間に、前記軸部が移動可能に挿入されるガイド部材を設け、このガイド部材の内周面を、前記電磁コイルへの通電時での前記プランジャの移動方向前方側ほど広がるテーパ面としたことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載のバルブ構造。
前記ガイド部材のテーパ面に凹凸部を設けたことを特徴とする請求項７に記載のバルブ構造。
前記プランジャの前記電磁コイルへの通電時での移動方向前方側に軸部を設け、この軸部の先端に前記弁体を設け、この弁体と前記テーパ面を備えた部分のプランジャとの間に、前記軸部が移動可能に挿入されるガイド部材を設け、このガイド部材および前記軸部に、これら両者が前記軸部の径方向に互いに反発し合う磁石をそれぞれ設けたことを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載のバルブ構造。
前記各磁石は、円筒形状であることを特徴とする請求項９に記載のバルブ構造。
前記各磁石は、前記プランジャの移動範囲内において、互いに対向した位置にあることを特徴とする請求項９または１０に記載のバルブ構造。