JP2010185533A - Solenoid control valve - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電磁制御弁に関し、特に、燃料電池システム用の電磁式比例流量弁等として使用される電磁制御弁に関する。 The present invention relates to an electromagnetic control valve, and more particularly to an electromagnetic control valve used as an electromagnetic proportional flow valve for a fuel cell system.
従来、燃料電池システム用に使用される電磁制御弁として、例えば特開2003−343758号公報(特許文献1)、特開2004−245243号公報(特許文献2)に開示されたものがある。 Conventionally, electromagnetic control valves used for fuel cell systems include those disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-343758 (Patent Document 1) and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-245243 (Patent Document 2).
これらの電磁制御弁は、弁ハウジング内に弁ポートの開度調節を行う弁体を有し、電磁ソレノイドが発生する電磁力と当該電磁力に対抗するばね力との平衡関係によって弁体を中心軸に沿った方向に移動させ、弁ポートの開度を比例的に変化させるものである。また、電磁ソレノイド装置が生じる電磁力に応じて、つまり、電磁ソレノイド装置の電磁コイルに通電する電流の大小に応じて弁ポートの開度(弁開度)を比例的に変化し、コイル電流に応じて流量を定量的に制御する。 These electromagnetic control valves have a valve body that adjusts the opening degree of the valve port in the valve housing, and the valve body is centered by an equilibrium relationship between the electromagnetic force generated by the electromagnetic solenoid and the spring force against the electromagnetic force. It is moved in a direction along the axis, and the opening degree of the valve port is changed proportionally. Further, according to the electromagnetic force generated by the electromagnetic solenoid device, that is, according to the magnitude of the current supplied to the electromagnetic coil of the electromagnetic solenoid device, the opening degree of the valve port (valve opening degree) is proportionally changed to the coil current. Accordingly, the flow rate is controlled quantitatively.
さらに、弁ポートの一方の側に入口ポートと連通して弁体を収容する一次室が設けられ、弁ポートの他方の側に出口ポートと連通した二次室が設けられたものにおいて、一次室側に均圧通路(均圧導入路)によって二次室と連通した均圧室を設け、当該均圧室の圧力が二次室に対抗して弁体に作用するように構成している。そして、弁ポートの口径と均圧室の有効径とを等しく設定することにより、一次室と二次室との差圧が弁ポートの部分で弁体に作用する力を、一次室と均圧室との差圧が弁体に作用する力でキャンセルするようにしている。 Further, a primary chamber is provided on one side of the valve port to communicate with the inlet port and accommodates the valve body, and a secondary chamber is provided on the other side of the valve port to communicate with the outlet port. A pressure equalizing chamber communicated with the secondary chamber by a pressure equalizing passage (equal pressure introducing passage) is provided on the side, and the pressure in the pressure equalizing chamber opposes the secondary chamber and acts on the valve body. Then, by setting the valve port diameter equal to the effective diameter of the pressure equalizing chamber, the force that the differential pressure between the primary chamber and the secondary chamber acts on the valve body at the valve port portion is equalized with the primary chamber. The differential pressure with the chamber is canceled by the force acting on the valve body.
これにより、この圧力バランス方式の電磁制御弁では、一次側圧力と二次側圧力との差圧の影響を受けず、定電流時においては、一定の弁開度を維持した安定した流量制御を行うことが可能になる。 As a result, this pressure balance type electromagnetic control valve is not affected by the differential pressure between the primary side pressure and the secondary side pressure, and at constant current, stable flow rate control is maintained while maintaining a constant valve opening. It becomes possible to do.
しかしながら、上述した電磁制御弁では、一次室と均圧室とを気密分離しての漏れ流量を無くすために、ダイヤフラムを用いている。このため構造が複雑になるという問題がある。これに対して、例えば図6に示すような電磁制御弁がある。この電磁制御弁は、弁体aの端部を均圧室bに望ませて、一次室cと均圧室bとの差圧の力を弁体aに与えることにより、一次室cと二次室eとの差圧により弁体aに加わる力をキャンセルするようにしたものである。この場合、一次室cから均圧室bまで挿通孔fが設けられているが、この挿通孔fと弁体aとのクリアランスからの漏れを防止するために弁体aの回りにOリングgを配設するようにしているので、このOリングgと弁体aとの摺動抵抗が大きく流量制御が難しくなるという問題がある。また、この摺動抵抗を小さくすると、漏れが生じる。 However, in the electromagnetic control valve described above, a diaphragm is used in order to eliminate a leakage flow rate by hermetically separating the primary chamber and the pressure equalizing chamber. For this reason, there is a problem that the structure becomes complicated. On the other hand, for example, there is an electromagnetic control valve as shown in FIG. This electromagnetic control valve makes the end of the valve body a desired for the pressure equalizing chamber b, and applies a force of differential pressure between the primary chamber c and the pressure equalizing chamber b to the valve body a. The force applied to the valve body a due to the differential pressure with the next chamber e is canceled. In this case, an insertion hole f is provided from the primary chamber c to the pressure equalization chamber b. In order to prevent leakage from the clearance between the insertion hole f and the valve element a, an O-ring g is provided around the valve element a. Since the sliding resistance between the O-ring g and the valve body a is large, it is difficult to control the flow rate. Further, when this sliding resistance is reduced, leakage occurs.
本発明は、上述の如き問題点を解消するためになされたものであり、簡単な構成で弁体が弁閉とした時に均圧室と二次室間の漏れ流量を無くすことができる電磁制御弁を提供することを課題とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and electromagnetic control that can eliminate the leakage flow rate between the pressure equalizing chamber and the secondary chamber when the valve body is closed with a simple configuration. It is an object to provide a valve.
請求項1の電磁制御弁は、入口ポートに連通する一次室と、出口ポートに連通する二次室と、前記一次室と前記二次室とを連通するとともに一次室側開口の周りに弁座シール部を画定する弁ポートとを有する弁ハウジングと、前記一次室及び前記二次室内に延在され前記弁座シール部に対して離接が可能な弁体を有する弁棒と、前記弁棒を該弁棒の中心軸に沿った方向に移動する電磁ソレノイド装置と、電磁ソレノイド装置が生じる電磁力に対抗するばね力を生じるばね手段とを有し、前記電磁ソレノイド装置が生じる電磁力と前記ばね手段のばね力との平衡関係によって前記弁棒が中心軸に沿った方向に移動し、当該移動により前記弁体で前記弁ポートの開度を変化させる電磁制御弁において、前記二次室を挟む前記一次室と反対側に該一次室に連通された均圧室が設けられるとともに、前記弁ハウジングには、該二次室から該均圧室まで連通する挿通孔が形成され、前記弁棒には前記挿通孔に整合して挿通されるピストン部が形成され、前記均圧室内に、前記弁体が前記弁座シール部に接触した弁閉時に、前記挿通孔の均圧室側の開口の周囲と前記ピストン部の端面の縁とに当接するように、該ピストン部側に付勢されたリング状の弾性部材が配設されていることを特徴とする。
An electromagnetic control valve according to
請求項2の電磁制御弁は、請求項1に記載の電磁制御弁であって、前記挿通孔の均圧室側の開口の周囲に、該均圧室側の開口縁から傾斜したテーパ面が形成され、前記リング状の弾性部材が該テーパ面に対してに押圧するように構成したことを特徴とする。 An electromagnetic control valve according to a second aspect is the electromagnetic control valve according to the first aspect, wherein a tapered surface inclined from an opening edge on the pressure equalizing chamber side is provided around the opening on the pressure equalizing chamber side of the insertion hole. The ring-shaped elastic member is formed so as to press against the tapered surface.
請求項1の電磁制御弁によれば、出口ポートに連通する二次室と、一次室に連通する均圧室との間で、弁棒のピストン部と挿通孔とのクリアランス部が弾性部材で封止されるので、弁閉時に漏れ流量を無くすことができる。 According to the electromagnetic control valve of the first aspect, the clearance portion between the piston portion of the valve stem and the insertion hole is an elastic member between the secondary chamber communicating with the outlet port and the pressure equalizing chamber communicating with the primary chamber. Since it is sealed, the leakage flow rate can be eliminated when the valve is closed.
請求項2の電磁制御弁によれば、請求項1の効果に加えて、弁棒のピストン部が弾性部材を移動しても、弾性部材がピストン部の端面の縁に当接した状態で該弾性部材がテーパ面に押圧当接するので、弁体が弁座シール部に接触して弁閉となるとき、この弁閉の直前から弁閉時まで、弁棒のピストン部と挿通孔とのクリアランス部の封止を実現することができる。 According to the electromagnetic control valve of the second aspect, in addition to the effect of the first aspect, even when the piston portion of the valve rod moves the elastic member, the elastic member is in contact with the edge of the end surface of the piston portion. Since the elastic member presses and contacts the taper surface, when the valve contacts the valve seat seal part and closes the valve, the clearance between the piston part of the valve stem and the insertion hole is from immediately before the valve is closed to when the valve is closed. The sealing of the part can be realized.
次に、本発明の実施形態について説明する。図1は実施形態の電磁制御弁の弁閉状態の縦断面図、図2は実施形態の電磁制御弁の流量制御状態の縦断面図、図3(A) は実施形態の電磁制御弁における均圧室部分の弁閉状態の拡大断面図、図3(B) は実施形態の電磁制御弁における均圧室部分の流量制御状態の拡大断面図である。この実施形態の電磁制御は、電磁弁ユニット10と、燃料電池システムのハウジング20とで構成されている。ハウジング20には、弁ユニット装着孔20A、この弁ユニット装着孔20Aに連通する流入通路210及び流出通路220が形成されている。そして、弁ユニット装着孔20A内に弁ユニット10が嵌合され、弁ユニット10のフランジ10Aが図示しないボルト等により固着されている。
Next, an embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a longitudinal sectional view of the electromagnetic control valve of the embodiment in a closed state, FIG. 2 is a longitudinal sectional view of a flow control state of the electromagnetic control valve of the embodiment, and FIG. FIG. 3B is an enlarged sectional view of the flow rate control state of the pressure equalizing chamber portion in the electromagnetic control valve of the embodiment. The electromagnetic control of this embodiment is composed of an
弁ユニット10は弁ハウジング1を有している。弁ハウジング1には、ハウジング20の流入通路210に連通する入口ポート1a、ハウジング20の流出通路220に連通する出口ポート1b、入口ポート1aに連通する一次室11、出口ポート1bに連通する二次室12、一次室11と二次室12を連通する弁ポート13を有している。弁ポート13は水平断面形状が円形であり、その一次室11側開口には円筒状の弁座部材14が配設されている。弁座部材14は一次室11側の端部に「弁座シール部」としてのリング状の弁シール14aを有している。これにより、弁ポート13は一次室11側開口の周りに弁座シール部を画定している。
The
一次室11、二次室12及び弁ポート13内には中心軸Lに沿った方向に移動可能な弁棒2が延在されている。弁棒2は、一次室11内に位置して弁シール(弁座シール部)14aに対して離接が可能な円柱状の弁体21を有している。なお、弁座部材14及び弁シール14aを無くして弁ポート13の一次室側開口のみとし、弁体21の下端周囲に弁シール14a同等のシール部材を設けてもよい。この場合は、弁ポートの開口周囲が弁座シール部となる。
In the
弁体21は、弁棒2の中心軸Lに沿った方向への移動により決まる弁シール14aとの位置関係により、弁ポート13の開度を設定する。そして、図2で見て下方への移動により、弁ポート13の開度を減少し、これとは逆の上方への移動により、弁ポート13の開度を増大する。また、一次室11の内圧は二次室12の内圧より高圧であり、弁体21には、この一次室11の内圧と二次室12の内圧との差圧が作用し、弁体21は下方に力を受ける。この差圧が弁体21に作用する面積は、弁ポート13の内径(弁体21の有効受圧径)により決まる。
The
弁ハウジング1の一次室11側(上側)には、電磁ソレノイド装置3のプランジャケース31が気密に固定され、さらにプランジャケース31の上部には、吸引子32が気密に固定されている。また、プランジャケース31の内部にはプランジャ33が配設されている。そして、プランジャ33の中心にプランジャロッド34を貫通させ、このプランジャロッド34の下部を弁棒2の連結ロッド22にネジ込み、または圧入することにより、プランジャ33と弁棒2及びプランジャロッド34が一体に固着されている。
A
また、プランジャロッド34は吸引子32の中心を貫通し、このプランジャロッド34の上端部34aは吸引子32の中央のばね室32a内に突出している。ばね室32a内には、「ばね手段」を構成するばね受け35と調整ばね36が配設されている。また、吸引子32の上端には調整ネジ37がネジ込まれている。そして、ばね受け35はプランジャロッド34の上端部34aに当接され、このばね受け35と調整ねじ37の間に調整ばね36が設けられている。吸引子32およびプランジャケース31の外周部には、ボビン38aに巻回された電磁コイル38と磁気ガイド部材39が設けられており、電磁コイル38の励磁により、吸引子32の下端面がプランジャ33に対する磁気吸引面となる。
The
ハウジング20の弁ユニット装着孔20Aの最奥部分は均圧室15を構成している。また、弁ハウジング1には、入口ポート1aを介して一次室11と均圧室15とを連通する均圧導入路16が形成されている。
The innermost part of the valve
弁ハウジング1の下端部には、開口17aを有する円筒形状のケース17が形成されている。ケース17内には、Oリング状の弾性部材41と、弾性部材41を保持する弾性部材ガイド42と、開口17aの内側に固定された下ばね受け43と、弾性部材ガイド42と下ばね受け43の間に配設されたガイドばね44とを備えている。弾性部材ガイド42と下ばね受け43はそれぞれ開口42a,43aを有しており、Oリング状の弾性部材41の内周部分は、この開口42a,43aを介して均圧室15に導通されている。
A
弁ハウジング1には、二次室12からシールケース17内(すなわち均圧室15)まで連通する挿通孔18が形成され、弁棒2には挿通孔18に整合して挿通されるピストン部23が形成されている。この挿通孔18は水平断面形状が円形であり、弁ポート13と同径寸法となっている。また、図1及び図3(A) に示すように、ピストン部23の均圧室15側の端面23aの縁23a1は、弁体21が弁シール14aに着座したときに挿通孔18の均圧室15側の開口縁18aに略一致するように設定されている。
The
そして、弾性部材41は、ガイドばね44により挿通孔18及びピストン部23側に付勢されており、この弾性部材41は、弁体21が弁シール14aに着座する直前に、ピストン部23の端面23aの縁23a1とに当接する。
The
前記挿通孔18の均圧室15側の開口縁18aの周囲にはテーパ面18bが形成されており、このテーパ面18bは均圧室15側から見てすり鉢状に傾斜している。そして、弁体21が弁シール14aに着座した弁閉時に、弾性部材41はガイドばね44の付勢力によりテーパ面18bとピストン部23の端面23aの縁23a1とに押圧される。さらに、後述のように、この弾性部材41は均圧室15の内圧により、テーパ面18bに対して中心軸Lから外側半径方向に押圧される。
A
以上の構成により、実施形態の電磁制御弁は次のように作用する。電磁ソレノイド装置3において調整ばね36はプランジャロッド34を介して弁棒2を弁座部材14側に付勢している。電磁コイル38を励磁することにより、プランジャ33が吸引子32に吸引され、弁棒2は調整ばね36の付勢力に抗して弁座部材14から離れる方向に移動し、弁閉から弁開となるとともに前述のように弁体21と弁シール14aとの中心軸Lに沿った方向の位置関係により、弁ポート13の開度(流量)が制御される。また、電磁コイル38の励磁を無くすことにより弁体21が弁シール14aに着座(接触)し、弁閉となる。なお、調整ネジ37の締め具合により、調整ばね36が弁棒2に加える付勢力が調整され、開度の制御特性が調整される。このように、電磁ソレノイド装置3が生じる電磁力と、調整ばね36のばね力との平衡関係によって弁棒2が中心軸Lに沿った方向に移動し、弁体21で弁ポート13の開度を変化させる。
With the above configuration, the electromagnetic control valve according to the embodiment operates as follows. In the
また、弁体21には前述のように一次室11の内圧と二次室12の内圧の差圧が作用して下方に力が加わる。一方、均圧室15は均圧導入路16によって一次室11と連通されているので、均圧室15の内圧と二次室12の内圧との差圧がピストン部23に作用し、ピストン部23には上方に力が加わる。そして、弁ポート13の内径(弁体21の有効受圧径)と、挿通孔18の内径(ピストン部23の有効受圧径)とが等しいので、弁棒2に対しては、差圧による力は互いにキャンセルされ、弁体21の開閉に差圧の影響を受けない流量制御が可能になる。
Further, as described above, the differential pressure between the internal pressure of the
弾性部材41は挿通孔18とピストン部23とのクリアランスからの漏れをシールするための部材である。図4はピストン部23、弾性部材41及びテーパ面18bの作用を説明する図であり、図4(A) は弁体21が弁シール14aに着座する直前の状態、図4(B) は弁体21が弁シール14aに着座したときの状態を示している。
The
図4(A) に示すように、ピストン部23の縁23a1と、挿通孔18の開口縁18aとが一致する状態は、弁体21が弁シール14aに着座する直前の状態である。このとき、弾性部材41はピストン部23の縁23a1と挿通孔18の開口縁18aとに当接した状態で押圧されている。そして、この状態から弁体21が弁シール14aに着座する方向に移動すると、図4(B) に示すように、ピストン部23の縁23a1が弾性部材41を押圧し、この弾性部材41と弾性部材ガイド42はガイドばね44の付勢力に抗して僅かに下方に移動する。
As shown in FIG. 4A, the state in which the edge 23a1 of the
しかしながら、このとき弾性部材41はテーパ面18bに接触したまま押圧される。すなわち、Oリング状の弾性部材41には均圧室15からの背圧を受けて、テーパ面18b(及びピストン部23の端面23a)に押圧される。これにより、弁体21が弁シール14aに着座した着座状態でも、挿通孔18とピストン部23との間のクリアランスからの漏れを防止できる。なお、図4(B) は高さ方向の移動量を誇張して図示してあるが、弁体21が弁シール14aに着座したときのピストン部23の端面23aの開口縁18aからの移動量ρ(高さ)は最大でも0.1ミリ程度である。
However, at this time, the
なお、図3(B) 及び図2に示す流量制御時(弁開時)では、挿通孔18とピストン部23から多少の漏れを生じるが、このときは弁シール14a及び弁体21との間を流れる流量が多いので、この漏れは流量の制御に影響を及ぼさない。
Note that, during the flow rate control (when the valve is open) shown in FIGS. 3B and 2, some leakage occurs from the
また、ガイドばね44の付勢力は弾性部材41が挿通孔18の開口縁18aに当接する程度の弱い力となっており、ピストン部23が弾性部材41に当接してこの弾性部材41を押圧するとき、弾性部材41は容易に下方に変位するので、弾性部材41の弾性変形は殆どなく、着座時あるいは離座時の制御が容易になる。例えば、弾性部材が変位しないような固定とした場合、ピストン部が弾性部材に当接すると、それ以降、当接するまでの電磁力と調整ばねの力とのつり合いに対してさらに弾性部材の弾性係数(弾性力)が加わる。このような場合、図5に示すように、電流量−流量の流量特性に変曲点が生じ、変曲点を有するので制御しにくくなる。また、弁閉から弁開とする(離座する)方向でも同様である。しかしながら、前記のように弾性部材41が容易に変位するので、このような変曲点は殆ど生じることなく、制御が容易になる。なお、図5に示すヒステリシスは、例えば前掲の図6の従来例のようにピストン部の摺動抵抗が大きいほど大きくなるが、前記のように弾性部材41により漏れを防止できるので、ピストン部23と挿通孔18とのクリアランスを十分とって摺動抵抗をゼロにすることができ、このようなヒステリシスも低減できる。
Further, the biasing force of the
なお、以上の実施形態では、弁体21が弁シール14aに当接する前にピストン部23が弾性部材41に当接する場合について説明したが、弁体21が弁シール14aに当接すると同時にピストン部23が弾性部材41に当接するようにしてもよい。
In the above embodiment, the case where the
また、実施形態では、ピストン部23が弾性部材41に当接してから弁体21が弁閉となるまでに、この移動量ρは0〜1.0mm程度である。すなわち、ガイドばね44が縮むことで弾性部材41はテーパ面18bに接触したまま移動させて、ピストン部23が弾性部材41に当接している状態でも、弁の開度を制御することができる。
In the embodiment, the amount of movement ρ is about 0 to 1.0 mm after the
また、実施形態では、一次室11と均圧室15とを連通する均圧導入路16を弁ユニット10の弁ハウジング1に設けるようにしているが、ハウジング20に設けるようにしてもよい。このようにすると弁ユニット10自体をコンパクトにできる。
Further, in the embodiment, the pressure
1 弁ハウジング
1a 入口ポート
1b 出口ポート
11 一次室
12 二次室
13 弁ポート
14 弁座部材
14a 弁シール
15 均圧室
16 均圧導入路
18 挿通孔
18a 開口縁
18b テーパ面
2 弁棒
21 弁体
23 ピストン部
23a 端面
23a1 縁
3 電磁ソレノイド装置
35 ばね受け
36 調整ばね(ばね手段)
41 弾性部材
42 弾性部材ガイド
43 下ばね受け
44 ガイドばね
L 中心軸
DESCRIPTION OF
41
Claims (2)
前記一次室及び前記二次室内に延在され前記弁座シール部に対して離接が可能な弁体を有する弁棒と、
前記弁棒を該弁棒の中心軸に沿った方向に移動する電磁ソレノイド装置と、
電磁ソレノイド装置が生じる電磁力に対抗するばね力を生じるばね手段とを有し、
前記電磁ソレノイド装置が生じる電磁力と前記ばね手段のばね力との平衡関係によって前記弁棒が中心軸に沿った方向に移動し、当該移動により前記弁体で前記弁ポートの開度を変化させる電磁制御弁において、
前記二次室を挟む前記一次室と反対側に該一次室に連通された均圧室が設けられるとともに、前記弁ハウジングには、該二次室から該均圧室まで連通する挿通孔が形成され、
前記弁棒には前記挿通孔に整合して挿通されるピストン部が形成され、
前記均圧室内に、前記弁体が前記弁座シール部に接触した弁閉時に、前記挿通孔の均圧室側の開口の周囲と前記ピストン部の端面の縁とに当接するように、該ピストン部側に付勢されたリング状の弾性部材が配設されていることを特徴とする電磁制御弁。 A primary chamber that communicates with the inlet port, a secondary chamber that communicates with the outlet port, and a valve port that communicates the primary chamber and the secondary chamber and defines a valve seat seal around the primary chamber side opening. A valve housing having,
A valve stem having a valve body that extends into the primary chamber and the secondary chamber and can be separated from and connected to the valve seat seal portion;
An electromagnetic solenoid device that moves the valve stem in a direction along a central axis of the valve stem;
Spring means for generating a spring force that opposes the electromagnetic force generated by the electromagnetic solenoid device;
The valve rod moves in a direction along the central axis by an equilibrium relationship between the electromagnetic force generated by the electromagnetic solenoid device and the spring force of the spring means, and the opening of the valve port is changed by the valve body by the movement. In electromagnetic control valve,
A pressure equalizing chamber that communicates with the primary chamber is provided on the opposite side of the primary chamber across the secondary chamber, and an insertion hole that communicates from the secondary chamber to the pressure equalizing chamber is formed in the valve housing. And
The valve stem is formed with a piston portion that is inserted in alignment with the insertion hole,
The valve body is in contact with the periphery of the pressure equalization chamber side opening of the insertion hole and the edge of the end surface of the piston portion when the valve body is in contact with the valve seat seal portion in the pressure equalization chamber. An electromagnetic control valve, characterized in that a ring-shaped elastic member biased toward the piston portion side is disposed.
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