JP2008115894A

JP2008115894A - 流体制御弁

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Publication number: JP2008115894A
Application number: JP2006297352A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Takeshita; 昌宏竹下
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-11-01
Filing date: 2006-11-01
Publication date: 2008-05-22
Anticipated expiration: 2026-11-01
Also published as: US8052117B2; DE112007002618T5; US20100108933A1; CN101535697A; CN101535697B; JP4784483B2; WO2008053943A1; DE112007002618B4

Abstract

【課題】流体制御弁において、筐体の流体出力口に対し弁体の先端を移動させる際、弁体と筐体との間の摩耗を抑制することである。
【解決手段】流体制御弁１０は、弁体２０と、筐体１２と、筐体１２に設けられる流体流路４２と、筐体１２に対し弁体２０を軸方向に移動駆動するアクチュエータ３０とを含んで構成される。流体流路４２は、流体の入力口４０から流体を導き、案内部１４の内壁面と弁体２０の外周面との隙間に流体を供給して、弁体２０を案内部１４の内壁面に対し、非接触で浮上させる。そして、アクチュエータ３０は、弁体２０を非接触状態で、軸方向に移動駆動し、筐体１２の出力口５２と弁体２０の先端部２２との間の隙間を変化させて流体の出力流量または出力圧力を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、流体制御弁に係り、特に、筐体に対して弁体を軸方向に移動駆動させ、筐体の出力口と弁体の先端部との間の隙間を変化させて流体の出力流量または出力圧力を制御する流体制御弁に関する。

流体の流れを制御するために、筐体に対して弁体を軸方向に移動駆動させ、筐体の出力口と弁体の先端部との間の隙間を変化させて流体の出力流量または出力圧力を制御する制御弁が用いられる。たとえば、筐体の出力口と弁体の先端部を接触させることで流体の流れを遮断し、筐体の出力口と弁体の先端部とを離すことで、流体を流すことができる。この接触と離間とを繰り返すことで、流体の流量または圧力を精密に調整することができる。

例えば、特許文献１には、燃料電池の水を含む排ガスを外部にパージ（排気）するために使用される弁機構について、コア部材に挿入されて支持されソレノイドで軸方向に進退自在に駆動される軸の先に弁体が設けられ、弁座に弁体が着座することで流路を閉塞し、弁座から弁体が離間することで、流路に流体が流れる弁装置が述べられている。

特開２００５−２７３７０４号公報

筐体の流体出力口に対し弁体の先端を接触あるいは離間させることで流路を閉塞あるいは流路に流体を流す流体制御弁においては、特許文献１に述べられているように、弁体の軸部が筐体に進退自在に支持される。したがって、進退自在の移動を繰り返すうちに、支持部が摺動によって摩耗する。摩耗が進むと、弁体の軸方向の進退のブレが生じ、流路の閉塞が不完全となることがある。また、摩耗によって生じる摩耗粉が、流体と共に流れ、下流側を汚染することがある。

本発明の目的は、筐体の流体出力口に対し弁体の先端を移動させる際に、弁体と筐体との間の摩耗を抑制できる流体制御弁を提供することである。

本発明に係る流体制御弁は、流体の流れを制御するための先端部を有する弁体と、流体の入力口と、弁体を軸方向に移動可能に案内する案内部と、弁体の先端部と向かいあって配置される流体の出力口とを有する筐体と、筐体に設けられる流体流路であって、流体の入力口から流体を導き、案内部の内壁面と弁体の外周面との隙間に流体を供給して、弁体を案内部の内壁面に対し浮上させる流体流路と、筐体に対し、弁体を軸方向に移動駆動し、筐体の出力口と弁体の先端部との間の隙間を変化させて流体の出力流量または出力圧力を制御するアクチュエータと、を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る流体制御弁において、流体流路は、流体の入力口から筐体の内部を通り、筐体の周方向に沿って等間隔に配置された噴出開口から、弁体の外周面に向かって流体を噴出させることが好ましい。

また、本発明に係る流体制御弁において、流体流路は、少なくとも１つのバッファ流体室と、バッファ流体室から複数の噴出開口に接続される複数の分岐流路と、を有することが好ましい。

また、本発明に係る流体制御弁において、アクチュエータは、筐体内部に設けられる駆動コイルと、弁体に接続される可動子部と、を有し、流体流路は、さらに、可動子部の外周と駆動コイルの内周面との間の隙間に流体を供給して、可動子部を駆動コイルの内周面に対し浮上させるアクチュエータ部流体流路を有することが好ましい。

また、本発明に係る流体制御弁において、筐体の出力口に設けられ、弁体の先端部の形状に対応する形状の開口を有し、筐体とは別材料で構成されるシール部を備えることが好ましい。

また、本発明に係る流体制御弁において、シール部は、金属よりも弾性を有する材料で構成されていることが好ましい。

上記構成により、流体制御弁は、弁体を軸方向に案内する筐体において、流体の入力口から流体を導き、案内部の内壁面と弁体の外周面との隙間に流体を供給して、弁体を案内部の内壁面に対し浮上させる流体流路が設けられる。向かい合う面の隙間に流体が供給されると、いわゆる流体軸受機構によって、向かい合う面の間が流体支持されて浮上隙間を形成し、非接触となる。これにより、弁体は案内部に対し、非接触で軸方向に移動可能となり、弁体と筐体との間の摩耗が抑制される。また、流体軸受機構に用いられる流体は、流量制御または圧力制御の対象となる流体を用いているので、流体支持用の特別な流体を必要としない。

また、流体流路は、流体の入力口から筐体の内部を通り、筐体の周方向に沿って等間隔に配置された噴出開口から、弁体の外周面に向かって流体を噴出させるので、弁体の外周面に沿って均等に流体を供給でき、弁体を軸方向に沿って自動的に調心する。

また、流体流路は、少なくとも１つのバッファ流体室を有するので、流体圧等の変動を少なくし、流体支持を安定して行うことができる。

また、筐体内部にアクチュエータを設ける場合に、可動子部の外周と駆動コイルの内周面との間の隙間に流体を供給して、可動子部を駆動コイルの内周面に対し浮上させるので、アクチュエータ部分における軸方向の移動についても摩耗を抑制することができる。

また、筐体の出力口には、筐体とは別材料で構成されるシール部が設けられるので、例えば、摩耗の少ない材料を用いて、弁体の先端部と接触する筐体の出力口の摩耗を抑制することが可能となる。

また、金属よりも弾性を有する材料でシール部が構成されるので、弁体との接触性がよく、流体をしっかり遮断することができる。

以下に図面を用いて、本発明に係る実施の形態に付き、詳細に説明する。以下では、流体制御弁として、燃料電池システムの燃料ガスの圧力制御または流量制御に用いられるものを説明するが、それ以外の用途であっても、筐体の流体出力口に対し弁体の先端を移動させることで流体の流れを制御するために用いられるものであればよい。例えば、燃料電池システムにおける排ガスラインに用いられる流体制御弁、インタクーラにおける冷却水の流量制御弁等であってもよい。また、燃料電池システム以外に用いられる流体制御弁であってもよい。例えば、内燃機関用の燃料噴射弁、車両のガラスのウォッシャ用流体制御弁等であってもよい。このように、流体としては、気体、液体、あるいは気液混合体等であってもよい。

図１は、流体制御弁１０の断面図、図２は、図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。この流体制御弁１０は、燃料電池システムにおいて、燃料ガスである水素ガスの圧力を調整するために用いられる電磁弁である。以下では圧力制御弁として説明するが、用途によっては流量制御弁としても用いることができる。流体制御弁１０は、筐体１２と、筐体１２の内部の案内部１４によって案内される弁体２０と、図１でＸ方向として示す軸方向に弁体２０を移動駆動するアクチュエータ３０と、筐体１２の内部に作りこまれる流体流路４２を含んで構成される。

筐体１２は、円柱状の外形を有し、図１において示されるように、上面側に流体の入力口４０が設けられ、下面側に流体の出力口５２が設けられる。筐体１２は、以下に述べるように、案内部１４と流体流路４２とを含み、やや複雑な内部形状を有する部材であるが、例えば金属を所定の形状に成形して得られるものを用いることができる。金属材料としては、例えば、アルミニウム等を用いることができる。

案内部１４は、筐体１２の中心部に軸方向に沿って設けられ、断面が円形の長筒形の空間部分と、この長筒形部分から流体の出力口５２の側にゆくにつれて次第に内径が小さくなって流体の出力口５２に接続される接続部とからなる空間で、弁体２０を軸方向に移動自在に案内して収容する機能を有する。ここでは、長筒形の内壁面１６（図２参照）が、弁体２０の外周面２６を案内する機能を有する。

流体流路４２は、筐体１２の内部に作りこまれる管路である。流体流路４２は、筐体１２の上面側の中心部に開口する流体の入力口４０から始まり、筐体１２の外周側に向かって径方向に延びた後、筐体１２の外周側で軸方向に延びるバッファ流体室４４に接続し、バッファ流体室４４から複数の分岐流路４６，４８が延びて、それぞれ、案内部１４の内壁面１６に開口する。

バッファ流体室４４は、分岐流路４６，４８等に比べ、適当に大きな空間体積を有する空間で、一旦、広い空間に流体を収容することで、流体圧等の時間的な脈動等を抑制する機能を有する。バッファ流体室４４は、１つの空間であってもよく、複数の空間であってもよい。１つの空間でバッファ流体室４４を構成する場合には、筐体１２の内部に、環状断面で、軸方向に延びる空間を形成することが好ましい。また、複数のバッファ流体室４４を設ける場合には、例えば、筐体１２に軸方向に延び、筐体１２の周方向には互いに離れて配置され、ここから軸方向に位置の異なる複数の分岐流路４６，４８が案内部１４に向かって延びる複数のバッファ流体室４４を設けるものとすることができる。

分岐流路４６，４８は、バッファ流体室４４から分岐して、案内部１４の内壁面１６に向かって延び、内壁面１６で開口する複数の流路である。分岐流路４６，４８は、図１に示されるように、バッファ流体室４４から軸方向に沿って複数分岐する。これによって、弁体２０の外周面に対し、軸方向に沿った複数の位置に設けられた開口から流体を噴出させることができ、弁体２０の外周面２６の軸方向に沿って均等に流体を供給することができる。なお、図１において、分岐流路４６は、弁体２０の外径の最も大きい部分の外周面に向かい合って開口を有し、分岐流路４８は、弁体２０の後端部の細い軸部の外周面に向かい合って開口を有するものとして示されている。これ以外にも、軸方向に沿った適当な位置に開口を設けることができる。また、図２に示すように、分岐流路４６は、筐体１２の周方向に沿って等間隔に配置される。これによって、弁体２０の外周面２６の周方向に沿って均等に流体を供給することができる。このように、分岐流路４６，４８を、軸方向に複数配置し、周方向にも複数配置することで、弁体２０の外周面の全体に渡って、ほぼ均等に流体を噴出することができる。

案内部１４は、上記のように、その内部に弁体２０が配置される空間であって、一端が流体の出力口に接続される。したがって、流体は以下のように流れることになる。すなわち、流体の入力口４０−（径方向に延びる流路）−バッファ流体室４４−分岐流路４６，４８−案内部１２の内壁面１６における開口−内壁面１６と弁体２０の外周面２６との間の隙間５０−流体の出力口５２の順に、流体が流れることになる。

流体の出力口５２には、弁体２０の先端部に対応する部分に、シール部１８が設けられる。シール部１８は、円環状の部材で、その内径は、筐体１２の流体の出力口５２の内径とほぼ同じである。シール部１８は、その内径と筐体１２の流体の出力口５２の内径とが合わされて、筐体１２に固定して設けられる。固定方法は、例えば、融着、接着等を用いることができる。シール部１８は筐体１２と異なる材質で構成され、好ましくは、金属よりも弾性に富む材料を用いることがよい。例えば、耐熱性、耐摩耗性に富むプラスチックを材料に用いることができる。かかるプラスチック材料としては、全芳香族ポリイミド樹脂等があり、例えば、流体が高圧ガス等の場合には、ベスペル（デュポン社の登録商標）を用いることができる。

もっとも、流体制御弁１０の用途によっては、シール部１８の材質を全芳香族ポリイミド樹脂以外のものとすることが好ましい場合がある。例えば、流体が液体であり、少しの漏れが許容できる場合には、より安価な金属を材料とすることができる。流体が低圧のガスで、僅かな漏れにも注意が必要な用途には、より弾性に富むプラスチックゴムを材料とすることが好ましい。

弁体２０は、断面が円形である筒状の中心部と、中心部から先端側に向かって次第に径が細くなるテーパ状の先端部２２と、中心部よりも直径の細い軸となる後端部２４とを有する部材である。弁体２０は、筐体１２の案内部１４に案内されながら、アクチュエータ３０によって移動されることで、筐体１２の流体の出力口５２に対し、先端部２２が接触あるいは離間して、流体の流れを遮断し、あるいは流体を流すようにして、流体の流れを制御する機能を有する。かかる弁体２０としては、金属材料を所定の形状に成形したものを用いることができる。金属材料としては、例えば、ステンレス鋼等を用いることができる。

弁体２０の先端部２２は、上記のように、筐体１２における流体の出力口５２に対応する部分であるので、その先端形状と、流体の出力口５２における接触部の形状とは、接触が良好になるように、同じような断面形状に形成される。具体的には、筐体１２の先端形状に適合するように、シール部１８の接触部の形状が設定される。

弁体２０の後端部２４に対応して、筐体１２には、アクチュエータ３０が配置される。アクチュエータ３０は、弁体２０を軸方向に移動駆動し、これによって、シール部１８と、筐体１２の出力口と弁体の先端部との間の隙間を変化させて流体の出力圧力を制御する機能を有する。アクチュエータ３０は、弁体２０の後端部２４を可動子部とし、その周囲を囲むように配置された駆動コイル３２を固定子部として構成することができる。したがって、弁体２０の後端部の可動子部は、鉄等の磁性体であることが必要である。弁体２０全体が磁性体でない場合には、少なくとも可動子部を磁性体として構成される必要がある。

また、移動駆動の初期位置を決める等のために、付勢バネ３４が弁体２０と筐体１２との間に設けられる。図１の例では、移動駆動力が加わらない初期状態では、弁体２０をシール部１８に押し付けるように、付勢バネ３４を圧縮コイルバネとすることが好ましい。

駆動コイル３２は、図示されていない駆動回路に接続される。駆動回路は制御部に接続され、制御部の指令のもとで、駆動電流の供給又は遮断が行われる。駆動電流が供給されると、後端部２４である可動子部が軸方向に移動駆動力を受け、これによって、弁体２０の先端部２２とシール部１８との間が離間する。駆動電流が遮断されると、付勢バネ３４の復元力により、弁体２０の先端部２２がシール部１８に接触する。

上記構成の流体制御弁１０の作用を以下に説明する。流体制御弁１０は、燃料電池システムの燃料ガス供給系の中において、燃料ガス供給側の配管に、筐体１２の流体の入力口４０が接続され、出力口５２が、燃料電池スタック側の配管に接続される。上記のように、筐体１２の内部の流体流路４２により、流体の入力口４０−（径方向に延びる流路）−バッファ流体室４４−分岐流路４６，４８−案内部１２の内壁面１６における開口−内壁面１６と弁体２０の外周面２６との間の隙間５０−流体の出力口５２の順に、流体が流れることができる流路は連通しているので、流体である燃料ガスは、この各流路に満たされる。

図示されていない制御部から指令がない状態では、アクチュエータ３０の駆動コイル３２に駆動電流が供給されず、したがって、付勢バネ３４の押付力によって、弁体２０は、シール部１８に接触して押し付けられ、流体の流れはここで遮断され、流体の出力口５２から燃料電池スタック側には燃料ガスが供給されない。

燃料ガスを燃料電池スタックに供給するときは、制御部は、必要な出力に対応するデューティで、駆動電流をアクチュエータ３０に供給する指令を駆動回路に出す。デューティは、オン時間／（オン時間＋オフ時間）で、ここでは、駆動制御の１サイクルにおける駆動電流を供給する時間の割合である。例えば、駆動制御の１サイクルを１０ｍｓｅｃとして、デューティ４０％の場合は、駆動電流を４ｍｓｅｃ流し、６ｍｓｅｃ遮断し、次に４ｍｓｅｃ流し、６ｍｓｅｃ遮断し、これを繰り返す。これによって、駆動電流が流れる４ｍｓｅｃの間は、弁体２０がシール部１８から離間するように、後方に移動し、流体の出力口５２から燃料ガスが流れ出す。ここで、後方とは、シール部１８に対して離間する方向である。

流体の出力口５２から燃料ガスが流れ出すと、上記の流体流路４２に流体が流れる。例えば、バッファ流体室４４から、軸方向に複数分岐した分岐流路４６，４８にそれぞれ流体が流れる。上記のように、分岐流路４６は、弁体２０の中央部の外周面に向かい合う開口から流体を噴出し、分岐流路４８は、弁体２０の細い軸部、すなわち後端部２４の可動子部に向かい合う開口から流体を噴出する。ここで、分岐流路４８は、実際には、駆動コイル３２の間を通って弁体２０の可動子部に対し、流体を噴出する。また、分岐流路４６，４８は、筐体１２の周方向に沿って均等に配置されるので、弁体の周方向に沿って、均等に流体が噴出される。

噴出された流体は、筐体１２の案内部１４の内壁面１６と、弁体２０の外周面２６との間の狭い隙間に流れ込む。向かい合う面の間に流れ込む流体は、隙間を広げようとする力を向かい合う面に対し与えるので、向かい合う面の間の押付力との釣り合いで、向かい合う面の間の隙間が定まる。つまり、流体によって、面と面との間の隙間が確保され、一方の面に対し、他方の面は非接触状態で浮上する。この現象は、流体支持機構、流体軸受機構、あるいは流体支持作用、流体軸受作用として知られているものである。

上記のように、流体軸受作用による隙間量は、供給される流体圧と、向かい合う面の間の押付力で定まる。図１の場合においては、筐体１２の案内部１４の内壁面１６も、弁体２０の外周面２６も、軸対称系であるので、例えば図１において左側の隙間に対する押付力は、右側の隙間に対する押付力と等しくなる。したがって、筐体１２の案内部１４の内壁面１６と弁体２０の外周面２６との間の隙間は、どこでも同じとなる。つまり、流体によって浮上支持されるときは、流体の流れが均一であれば、弁体２０の中心軸は、筐体１２の案内部１４の中心軸に一致するように、自動的に調心される。

このように、駆動コイル３２に駆動電流が供給される間、弁体２０は、案内部１４に対し、流体的に非接触で支持される。そして、駆動コイル３２に対する駆動電流の供給が止まると、付勢バネ３４の復元力により、弁体２０は、シール部１８に接触するように、前方に移動し、シール部１８にしっかり押し付けられ、これにより流体を遮断する。このとき、案内部１４と弁体２０との間には、高圧の流体がとどまっているので、案内部１４の内壁面１６と弁体の外周面２６とは非接触のままである。その後再び駆動コイル３２に駆動電流が供給されると、弁体２０は、シール部１８から離間するように、後方に移動する。このときは、上記のように、流れる流体によって、弁体２０が案内部１４から非接触で流体支持されるので、弁体２０は、案内部１４の内壁面１６から非接触のまま、移動する。

したがって、流体制御弁１０の開閉動作において、弁体２０の外周面２６は、筐体１２の内壁面１６から常に非接触である。接触と非接触を繰り返すのは、弁体２０の先端部２２と、シール部１８の接触部の部分のみである。したがって、流体制御弁１０の動作において、弁体２０と筐体１２との間の摺動はほとんどなく、摩耗を大幅に抑制することができる。これによって、流体の出力口５２から下流側の燃料ガス流路、及び燃料電池スタック等が、摩耗粉によって汚染されることを防止できる。

このように、流体制御弁１０は、駆動コイル３２の駆動電流のデューティによって、流体を遮断し、あるいは流すことを、摩耗を抑制しながら、断続的に繰り返すことができる。この断続開閉を適度に繰り返すことで、流体の入力口４０から供給される流体の圧力である１次圧に対し、流体の出力口５２に接続される側の圧力である２次圧を、所望の値に減圧することができる。例えば、流体制御弁１０の断続的開閉のデューティを適当に設定することで、１次圧の数分の１から１／１０程度に、２次圧を下げることができる。ここでは、圧力制御の流体制御弁１０の断続的開閉を用いたが、流量制御も、同様な流体制御弁１０の断続的開閉によって行うことが可能である。

本発明に係る実施の形態における流体制御弁の断面図である。図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。

符号の説明

１０流体制御弁、１２案内部、１２筐体、１４案内部、１６内壁面、１８シール部、２０弁体、２２先端部、２４後端部、２６外周面、３０アクチュエータ、３２駆動コイル、３４付勢バネ、４０入力口、４２流体流路、４４バッファ流体室、４６，４８分岐流路、５０隙間、５２出力口。

Claims

流体の流れを制御するための先端部を有する弁体と、
流体の入力口と、弁体を軸方向に移動可能に案内する案内部と、弁体の先端部と向かいあって配置される流体の出力口とを有する筐体と、
筐体に設けられる流体流路であって、流体の入力口から流体を導き、案内部の内壁面と弁体の外周面との隙間に流体を供給して、弁体を案内部の内壁面に対し浮上させる流体流路と、
筐体に対し、弁体を軸方向に移動駆動し、筐体の出力口と弁体の先端部との間の隙間を変化させて流体の出力流量または出力圧力を制御するアクチュエータと、
を備えることを特徴とする流体制御弁。
請求項１に記載の流体制御弁において、
流体流路は、
流体の入力口から筐体の内部を通り、筐体の周方向に沿って等間隔に配置された噴出開口から、弁体の外周面に向かって流体を噴出させることを特徴とする流体制御弁。
請求項２に記載の流体制御弁において、
流体流路は、
少なくとも１つのバッファ流体室と、
バッファ流体室から複数の噴出開口に接続される複数の分岐流路と、
を有することを特徴とする流体制御弁。
請求項１に記載の流体制御弁において、
アクチュエータは、
筐体内部に設けられる駆動コイルと、
弁体に接続される可動子部と、
を有し、
流体流路は、さらに、
可動子部の外周と駆動コイルの内周面との間の隙間に流体を供給して、可動子部を駆動コイルの内周面に対し浮上させるアクチュエータ部流体流路を有することを特徴とする流体制御弁。
請求項１に記載の流体制御弁において、
筐体の出力口に設けられ、弁体の先端部の形状に対応する形状の開口を有し、筐体とは別材料で構成されるシール部を備えることを特徴とする流体制御弁。
請求項５に記載の流体制御弁において、
シール部は、金属よりも弾性を有する材料で構成されていることを特徴とする流体制御弁。