JP2011075070A - 開閉バルブ - Google Patents

Abstract

【課題】弁体を駆動する回転駆動源の消費電力を抑制することにある。
【解決手段】開閉バルブ３６ａ（ｂ）は、弁ロッド４６ｂを有しインレットポート４０ａとアウトレットポート４０ｂとの連通状態と非連通状態とを切り換える弁体４６と、回転駆動源５６と、最終のギヤ５９ｎと噛合するラック部６０を有するラック部材６３と、弁体４６を弁開状態に保持するロック機構５４とを備え、ロック機構５４は、ラック部材６３に設けられた係合部６３ｃと、前記係合部６３ｃと係合することにより弁体４６を保持する係合部６４ａが設けられたロックレバー６４と、ソレノイド８６のオン・オフ作用によってロックレバー６４を揺動させるソレノイド手段８０とを有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、流体通路を開閉することが可能な開閉バルブに関する。

例えば、特許文献１には、エンジンの始動時に、２次空気流路管内に発生する２次空気を三元触媒コンバータに導入して三元触媒の暖機を促進させる２次空気供給システムに組み込まれた流体制御弁装置が開示されている。

この流体制御弁装置は、電動モータと、電動モータの回転速度を減速する減速機構と、減速機構中の最終ギヤと噛合する複数のラック歯が外周面に設けられ前記最終ギヤの回転運動を直線運動に変換して弁体と一体的に変位するバルブシャフト（弁ロッド）とを備えている。この場合、電動モータを正転又は逆転させて最終ギヤとラック歯とを噛合させることにより、ラック歯を有するバルブシャフトと一体的に弁体を変位させて流体通路を開閉するようにしている。

特開２００７−２４２４２号公報

ところで、前記特許文献１に開示された流体制御弁装置では、常時、電動モータの回転駆動力によって弁体が上下方向に沿って変位させるように構成されているため、前記電動モータによって消費される消費電力が大きくなるおそれがある。

すなわち、前記特許文献１に開示された流体制御弁装置を、例えば、燃料電池を含む燃料電池システムに適用して燃料電池に対してエアが供給される流体通路を開閉するようにした場合、燃料電池システムを停止したときに燃料電池内へエアを流入させるエア通路を完全に遮断して、燃料電池が劣化することを防止する必要がある。

この場合、前記特許文献１に開示された流体制御弁装置では、バルブシャフトの外周面に形成されたラック歯と電動モータのギヤとが減速機構を介して常時噛合するように設けられ、弁体を上方に向って変位させて前記弁体が着座部に着座した弁閉状態を保持するために電動モータに対する通電状態を継続する必要があり、前記電動モータで消費される消費電力が増大するおそれがある。

本発明は、前記の点に鑑みてなされたものであり、弁体を駆動する回転駆動源の消費電力を抑制することが可能な開閉バルブを提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明は、圧力流体が導入されるインレットポート及び圧力流体が導出されるアウトレットポートがそれぞれ形成されたバルブ本体と、前記バルブ本体内に変位可能に設けられた弁ロッドを有し、着座部に着座することにより前記インレットポートと前記アウトレットポートとの連通を遮断し、前記着座部から離間することにより前記インレットポートと前記アウトレットポートとを連通させる弁体と、回転駆動源と、前記弁ロッドに連結されて前記弁体と一体的に変位するラック部材とを含み、前記弁体が着座部から離間する方向及び前記着座部に着座する方向に沿って前記弁体を変位させる弁駆動機構と、前記弁体を所定位置に保持するロック機構とを備え、前記ロック機構は、前記ラック部材に設けられたストッパ部と、前記ストッパ部と係合することにより前記弁体を保持する係合部が設けられたレバー部材と、ソレノイドのオン・オフ作用によって前記レバー部材を揺動させるソレノイド手段とを有することを特徴とする。

本発明によれば、弁駆動機構によって弁体が駆動されて所定状態（弁開状態又は弁閉状態）となったときに前記弁体を所定位置に保持するロック機構を設けることにより、前記弁体を駆動する回転駆動源への通電を停止させることができ、前記回転駆動源で消費される消費電力を抑制しながら弁体を所定位置に確実に且つ安定して保持することができる。

また、本発明によれば、弁体を所定位置に保持するロック機構を、ソレノイド手段のソレノイドのオン・オフ作用によってレバー部材を揺動させて前記レバー部材の係合部とラック部材のストッパ部とを係合させることにより、弁体をロック状態とすることができる。この結果、本発明では、ロック機構を簡素な構造として簡便に製造することができる。

また、本発明は、前記ラック部材が前記弁体と別個に設けられ、前記バルブ本体に固定された傾動防止部材によって前記ラック部材の傾動が防止されており、前記ラック部材の外周面には、前記回転駆動源の回転駆動力が伝達されるラック歯が形成されることを特徴とする。

本発明によれば、ロック機構によって弁体が所定位置でロックされてラック部材のストッパ部とレバー部材の係合部とが係合（当接）したときに発生する振動を、傾動防止部材によって傾動が防止された前記ラック部材で吸収することができ、弁体の弁ロッド側へ振動が伝達されることを好適に回避することができる。

さらに、本発明は、前記バルブ本体と前記弁体との間には、ばね力によって前記弁体を前記着座部の方向に向って押圧するばね部材が設けられることを特徴とする。

本発明によれば、バルブ本体と弁体との間にばね力によって弁体を着座部の方向に向って押圧するばね部材が設けられることにより、弁体のロック状態が解除されたときに前記ばね部材のばね力によって速やかに弁体を着座部に着座させることができる。この結果、本発明によれば、回転駆動源の回転駆動力によらず弁体を弁閉状態とすることができ、省電力化を達成することができる。

本発明によれば、弁体を駆動する回転駆動源の消費電力を抑制することが可能な開閉バルブを得ることができる。

本発明の実施形態に係る開閉バルブが組み込まれた燃料電池システムの全体構成図である。 前記燃料電池システムに組み込まれ、本発明の実施形態に係る第１の開閉バルブ（第２の開閉バルブ）の縦断面図である。 （ａ）は、第１の開閉バルブ及び第２の開閉バルブの弁閉状態を示す概略構成図、（ｂ）は、第１の開閉バルブ及び第２の開閉バルブの弁開状態を示す概略構成図である。 （ａ）〜（ｅ）は、第１の開閉バルブ及び第２の開閉バルブが、弁閉状態から切り換えられて弁開状態に保持されるまでの動作説明に供される図である。 （ａ）〜（ｅ）は、各開閉バルブが弁開のロック状態から弁閉状態に切り換えられるまでの動作説明に供される図である。 本実施形態の変形例に係るノーマルオープンタイプの開閉バルブを示す要部拡大断面図である。 変形例に係るロック機構が設けられた開閉バルブの縦断面図である。

次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る開閉バルブが組み込まれた燃料電池システムの全体構成図である。なお、本実施形態では、車両に搭載された燃料電池に組み込まれる開閉バルブを以下に例示して説明しているが、これに限定されるものでなく、例えば、船舶や航空機等、又は業務用や家庭用の定置式の燃料電池等に組み込まれる各種開閉バルブに適用することができる。

図１に示されるように、本実施形態に係る開閉バルブが組み込まれた燃料電池システム１０は、燃料電池１２、アノード系１４、カソード系１６、図示しない制御系を備えて構成されている。

燃料電池１２は、固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）からなり、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly、膜電極接合体）を図示しないセパレータで挟持してなる単セルが複数積層されて構成されている。ＭＥＡは、電解質膜（固定高分子膜）、これを挟持するカソード及びアノード等を備える。前記カソード及びアノードは、例えば、白金等の触媒がカーボンブラック等の触媒担体に担持された電極触媒層からなる。また、各セパレータには、溝や貫通孔からなるアノード流路２２及びカソード流路２４が形成されている。

このような燃料電池１２では、アノードに水素（反応ガス、燃料ガス）が供給され、一方、カソードに酸素を含むエア（反応ガス、酸化剤ガス）が供給されると、アノード及びカソードに含まれる触媒上で電極反応が起こり、燃料電池１２が発電可能な状態となる。

前記燃料電池１２は、図示しない外部負荷と電気的に接続され、前記外部負荷によって電流が取り出されると、燃料電池１２が発電するようになっている。なお、前記外部負荷とは、走行用のモータ、バッテリやキャパシタ等の蓄電装置、後記するエアポンプ２６等である。

アノード系１４は、水素タンク２８、遮断弁３０、パージ弁３２、配管ａ１〜ａ４等によって構成される。

水素タンク２８は、高純度の水素を高圧で貯蔵するものであり、配管ａ１を介して下流側の遮断弁３０と接続されている。前記遮断弁３０は、例えば、電磁弁からなり、配管ａ２を介して下流側の燃料電池１２のアノード流路２２の入口と接続されている。

パージ弁３２は、例えば、電磁弁からなり、配管ａ３を介して上流側の燃料電池１２のアノード流路２２の出口と接続されている。

カソード系１６は、エアポンプ２６、第１の開閉バルブ３６ａ、第２の開閉バルブ３６ｂ、背圧弁３８、配管（酸化剤ガス流路）ｃ１〜ｃ５等で構成されている。

エアポンプ２６は、例えば、図示しないモータで駆動される機械式の過給器であり、取り込んだ外気（エア）を圧縮して燃料電池１２に供給する。

本発明の実施形態に係る第１の開閉バルブ３６ａは、酸化剤ガスの供給側に設けられ、配管ｃ１を介して上流側のエアポンプ２６と接続されると共に、配管ｃ２を介して下流側の燃料電池１２のカソード流路２４の入口と接続されている。また、本発明の実施形態に係る第２の開閉バルブ３６ｂは、酸化剤ガスの排出側に設けられ、配管ｃ３を介して上流側の燃料電池１２のカソード流路２４の出口と接続されると共に、配管ｃ４を介して下流側の背圧弁３８と接続されている。

本発明の実施形態に係る第１の開閉バルブ３６ａ及び第２の開閉バルブ３６ｂは、それぞれ、ノーマルクローズタイプで同一構成からなるため、以下、第１の開閉バルブ３６ａの構成を詳細に説明して、第２の開閉バルブ３６ｂの説明を省略する。

図２は、燃料電池システムに組み込まれ、本発明の実施形態に係る第１の開閉バルブ（第２の開閉バルブ）の概略縦断面図である。
この第１の開閉バルブ３６ａは、図２に示されるように、流体（圧力流体）が導入されるインレットポート４０ａが側壁に形成されると共に、流体（圧力流体）が導出されるアウトレットポート４０ｂが底壁に形成されたバルブハウジング４２と、前記バルブハウジング４２の上部側に搭載されて一体的に結合されるギヤケース４３ａと、前記バルブハウジング４２と前記ギヤケース４３ａとの間に介装される中間プレート４３ｂとを含む。なお、前記バルブハウジング４２、ギヤケース４３ａ及び中間プレート４３ｂは、バルブ本体として機能するものである。

さらに、第１の開閉バルブ３６ａは、前記バルブハウジング４２と中間プレート４３ｂとによって閉塞される室４４内に設けられインレットポート４０ａとアウトレットポート４０ｂとの連通状態と非連通状態とを切り換える弁体４６と、下端部（一端部）が前記弁体４６に係着され上端部（他端部）が中間プレート４３ｂに係着されて前記弁体４６を着座部（弁座）４８に向かって押圧するコイルスプリングからなる第１ばね部材５０と、前記ギヤケース４３ａと中間プレート４３ｂとによって閉塞される空間部４５内に設けられ前記弁体４６が着座部４８から離間する方向及び着座部４８に着座する方向に沿って前記弁体４６を変位させる弁駆動機構５２と、前記弁体４６を弁開状態に保持するロック機構５４とを備える。

図２に戻って、弁体４６は、円板状に形成された弁部４６ａと、前記弁部４６ａの中心に連結される弁ロッド４６ｂとを有し、前記弁部４６ａの下面には、バルブハウジング４２の着座部４８に当接してシール機能を発揮する弁パッキン４６ｃが装着される。なお、弁体４６を構成する弁部４６ａと弁ロッド４６ｂとは、図２に示されるように、それぞれ別個に製造してねじ締結により一体的に組み付けられるように構成されているが、これに限定されるものではなく、弁部４６ａと弁ロッド４６ｂとを一体成形するようにしてもよい。

弁駆動機構５２は、例えば、ステッピングモータやＤＣサーボモータ等からなる回転駆動源５６と、前記回転駆動源５６の回転駆動軸（モータ軸）５６ａに連結されたピニオン５８と、前記回転駆動源５６の回転駆動力が伝達され、前記ピニオン５８に噛合する最初のギヤ５９_１を含む複数のギヤ５９_１〜５９ｎによって構成される減速機構６１とを有する。なお、図２中では、減速機構６１において、ギヤ５９_１とギヤ５９ｍとの中間に設けられるギヤを省略している。

また、弁駆動機構５２は、略Ｌ字状に屈曲する屈曲部６３ａが弁ロッド４６ｂにねじ締結されて弁体４６と一体的に変位可能に設けられ、複数のギヤ５９_１〜５９ｎ中の最終のギヤ５９ｎと噛合するラック部（ラック歯）６０を有するラック部材６３と、下端部が前記中間プレート４３ｂにねじ部６５ａを介して固定されラック部材６３の孔部６３ｂに沿って延在して前記ラック部材６３を変位可能に支持するラックシャフト（傾動防止部材）６５と、前記ラック部材６３の孔部６３ｂ内に装着され前記ラックシャフト６５の外周面に摺接して前記ラック部材を支持（軸支）するカラー部材６７とを備える。

ラック部材６３は、弁体４６と別個の部材からなり、最終のギヤ５９ｎとラック部（ラック歯）６０とが噛合することにより、ギヤ５９ｎの回転運動が直線運動に変換される。また、ラック部材６３の屈曲部６３ａは、弁体４６の弁ロッド４６ｂを支持して前記ラック部材６３の直線運動を弁体４６に伝達する支持部として機能するものである。さらに、ラックシャフト６５と弁体４６の弁ロッド４６ｂは、平面視して所定距離だけオフセットしていると共に、側面視して鉛直上下方向に沿って略並行に配設される。

前記ラック部材６３の上端部には、略水平方向に所定長だけ突出し後記するロックレバー６４の係合部６４ａと噛み合い可能な係合部６３ｃが設けられる。このラック部材６３の係合部６３ｃは、開閉バルブのストッパ部として機能するものである。

前記回転駆動源５６は、ギヤケース４３ａに設けられた図示しない固定部材によって固定される。また、回転駆動源５６に供給される電流の極性を切り換えることにより、回転駆動軸５６ａに連結されたピニオン５８の回転方向を正逆いずれかの方向に切り換えることができる。

この場合、回転駆動源５６が回転駆動されて回転駆動軸５６ａの回転運動がピニオン５８に伝達され、前記ピニオン５８の回転運動は、互いに噛合する複数のギヤ５９_１〜５９ｎによって構成される減速機構６１によって減速された後、最終のギヤ５９ｎとラック部６０との噛合作用によってラック部材６３の直線運動（昇降運動）に変換される。さらに、前記ラック部材６３の直線運動は、略Ｌ字状に屈曲する屈曲部６３ａを介して前記ラック部材６３と並行に設けられた弁ロッド４６ｂに伝達されて、弁体４６を上下方向に沿って変位させる。この結果、前記弁体４６（弁部４６ａ）が着座部４８に着座してアウトレットポート４０ｂを閉塞することにより、インレットポート４０ａとアウトレットポート４０ｂとの連通が遮断された弁閉状態となり、一方、前記弁体４６が着座部４８から離間することにより、バルブハウジング４２内の室４４を介してインレットポート４０ａとアウトレットポート４０ｂとが連通する弁開状態となる。

本実施形態では、弁体４６を構成する弁ロッド４６ｂの外周面にラック部６０（ラック歯）を設けることがなく、弁体４６と別個に構成されて弁体４６と一体的に変位するラック部材６３の外周面にラック部６０（ラック歯）を設けている。従って、本実施形態では、減速機構６１を構成する複数のギヤ５９_１〜５９ｎ中の最終のギヤ５９ｎとラック部材６３のラック部６０とが噛合した場合、最終のギヤ５９ｎの回転力が、ラックシャフト６５によって傾動が防止されているラック部材６３を経由して弁体４６に伝達されるため、弁ロッド４６ｂの傾動や磨耗を防止することができる。この結果、本実施形態では、弁体４６の弁ロッド４６ｂの傾動や磨耗を防止して、着座部４８に対して弁体４６を安定して着座させることができる。

また、本実施形態では、ラック部材６３の孔部６３ｂに装着されたカラー部材６７が、例えば、焼結金属等で形成された円筒状の部材からなり、固定側のラックシャフト６５に対して可動側のラック部材６３を摺動可能に支持する軸受けとして機能することにより、弁体４６及び弁ロッド４６ｂの傾動（傾斜）を阻止してより一層安定した着座作用を発揮させることができる。

さらに、本実施形態では、中間プレート４３ｂに固定されてラック部材６３を上下方向に沿って案内するラックシャフト６５と、前記ラック部材６３と固定支持される弁体４６の弁ロッド４６ｂからなる２本のシャフトを並列に且つ鉛直上下方向に沿って設けることにより、ラックシャフト６５及び弁ロッド４６ｂの回転運動を相互に抑制して、弁体４６の回転を防止することができる。

また、ラック部材６３と連結される弁体４６の弁ロッド４６ｂは、中間プレート４３ｂに形成された挿通孔６９に沿って非接触状態で挿通可能に設けられ、前記挿通孔６９には、弁ロッド４６ｂの外周面を囲繞することにより、バルブハウジング４２の室４４内を液密乃至気密に保持するシール部材７１（例えば、Ｏリング）が設けられる。

ロック機構５４は、ギヤケース４３ａに固定された支持ピン６２が軸着され前記支持ピン６２を支点として所定角度の範囲内で揺動可能に設けられたロックレバー（レバー部材）６４と、例えば、トーションばねからなり前記支持ピン６２に係着さればね力によって前記ロックレバー６４を時計回り方向に付勢する図示しない第２ばね部材と、電磁力で変位する可動要素（例えば、可動コア）のシャフト部６８が前記ロックレバー６４の側壁部６４ｃを押圧することにより、前記第２ばね部材のばね力に抗して前記ロックレバー６４を反時計回り方向に所定角度だけ揺動させるソレノイド手段８０とを有する。

ロックレバー６４は、上端側に設けられてラック部材６３の係合部６３ｃと係合する係合部６４ａと、前記係合部６４ａから下方側に向かって延在しラック部材６３の係合部６３ｃと摺接する傾斜面からなる傾斜面部６４ｂと、下端側に設けられソレノイド手段８０を構成する可動要素のシャフト部６８が当接する側壁部６４ｃとを有する。

この場合、前記ロックレバー６４は、前記第２ばね部材のばね力によって、常時、支持ピン６２を支点として時計回り方向に付勢（押圧）されている。なお、前記第２ばね部材は、トーションばねに限定されるものではなく、例えば、図示しないコイルスプリングや板ばね等を用いてもよい。

ソレノイド手段８０は、ブラケットを介してギヤケース４３ａの外部側壁に固定され、ボビンにコイルが巻回されたソレノイド８６と、前記ソレノイド８６に通電して励磁することにより固定コア側に向かって吸引される可動要素とを含む電磁弁によって構成される。前記可動要素には、ロックレバー６４の側壁部６４ｃに当接して前記側壁部６４ｃを押圧するシャフト部６８が一体的に形成される。

なお、ソレノイド手段８０を構成する可動要素（シャフト部６８）の変位において、可動要素が固定コア側に吸引されてロックレバー６４へ接近する方向への変位を「可動要素の一方側への変位」とし、ソレノイド手段８０に設けられた図示しない復帰ばねによって可動要素がロックレバー６４から離間する方向への変位を「可動要素の他方側への変位」とする。

この場合、ロックレバー６４は、ソレノイド手段８０の可動要素の一方側への変位により、図示しない第２ばね部材による付勢力（ばね力）に抗して各開閉バルブ３６ａ、３６ｂのロック状態解除側へ揺動可能に設けられると共に、前記ソレノイド手段８０の可動要素の他方側への変位及び前記第２ばね部材の付勢力により各開閉バルブ３６ａ、３６ｂのロック状態側へ揺動可能に設けられる。

また、ソレノイド８６に対して電流の供給が停止された非通電状態（オフ状態）では、可動要素のシャフト部６８の先端部がロックレバー６４の側壁部６４ｃに当接し、弁体４６が着座部４８に着座した弁閉状態にある。一方、ソレノイド８６に対して電流が供給された通電状態（オン状態）では、ソレノイド８６の励磁作用によって可動要素が固定コア側に吸引されてシャフト部６８がロックレバー６４側に向かって変位することにより、前記シャフト部６８が前記ロックレバー６４の側壁部６４ｃを押圧して前記ロックレバー６４が支持ピン６２を支点として反時計回り方向に所定角度だけ揺動し、弁体４６が着座部４８から離間可能な状態（ロック解除可能状態）となる。

さらに、弁駆動機構５２の回転駆動源５６及びロック機構５４のソレノイド８６は、例えば、高圧バッテリとは別個に設けられた図示しない低圧バッテリの電力によってそれぞれ駆動される。

図１に戻って、背圧弁３８は、燃料電池１２のカソードの圧力を調整する機能を有し、弁開度の調節が可能なバタフライ弁（常開型）等で構成されている。

制御系は、図示しないＥＣＵ（Electronic Control Unit）、燃料電池１２の温度を検出する温度センサ等で構成されている。ＥＣＵは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、制御プログラムを記憶したＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等で構成される。また、ＥＣＵは、遮断弁３０、パージ弁３２、第１の開閉バルブ３６ａ、第２の開閉バルブ３６ｂ、第１及び第２の開閉バルブ３６ａ、３６ｂにそれぞれ設けられた弁駆動機構５２、ロック機構５４を制御する。さらに、ＥＣＵは、エアポンプ２６のモータの回転速度を制御し、背圧弁３８の弁開度を調整する。

本実施形態に係る開閉バルブが組み込まれた燃料電池システム１０は、基本的に以上のように構成されるものであり、次にその作用効果について説明する。

先ず、燃料電池自動車のイグニッションスイッチがオフ（ＩＧ−ＯＦＦ）されて、燃料電池１２の発電が停止されている場合について説明する。

運転者によってイグニッションスイッチがオフ（ＩＧ−ＯＦＦ）されている場合、ＥＣＵからの制御信号によって、遮断弁３０が閉じられて燃料電池１２側への水素の供給が停止されていると共に、エアポンプ２６の図示しないモータの駆動が停止されて燃料電池１２側へのエアの供給が停止されている。また、燃料電池１２の発電停止中は、第１の開閉バルブ３６ａ及び第２の開閉バルブ３６ｂがそれぞれ弁閉状態となり、燃料電池１２のカソードが封鎖されている。

換言すると、燃料電池１２の発電停止中において、第１の開閉バルブ３６ａ及び第２の開閉バルブ３６ｂは、ノーマルクローズタイプのバルブからなり、図２に示されるように、第１ばね部材５０のばね力によって弁体４６が着座部４８に対して着座するように押圧されている。従って、第１の開閉バルブ３６ａ及び第２の開閉バルブ３６ｂは、インレットポート４０ａとアウトレットポート４０ｂとの連通が遮断された弁閉状態となる。その際、弁駆動機構５２の回転駆動源５６は、非通電状態にあると共に、ロック機構５４のソレノイド８６は、非通電状態（非励磁状態）にある。

燃料電池１２のカソードがノーマルクローズタイプの第１の開閉バルブ３６ａ及び第２の開閉バルブ３６ｂによって封鎖されることにより、燃料電池１２の発電停止中において、カソード流路２４内に新たなエアが流れ込むことを好適に阻止することができる。

次に、運転者によって燃料電池自動車のイグニッションスイッチがオン（ＩＧ−ＯＮ）されて燃料電池システム１０が運転中である場合には、ＥＣＵによって第１の開閉バルブ３６ａ及び第２の開閉バルブ３６ｂがそれぞれ弁閉状態から弁開状態に切り換えられてカソードの封鎖状態が解除される。同時に、ＥＣＵによって遮断弁３０が弁開状態とされて水素タンク２８からアノードに水素が供給されると共に、エアポンプ２６が駆動されてカソードにエア（空気）が供給されて、燃料電池１２の発電が行われる。

図３（ａ）は、第１の開閉バルブ及び第２の開閉バルブの弁閉状態を示す概略構成図、図３（ｂ）は、第１の開閉バルブ及び第２の開閉バルブの弁開状態を示す概略構成図、図４（ａ）〜（ｅ）は、第１の開閉バルブ及び第２の開閉バルブが、弁閉状態から切り換えられて弁開状態に保持されるまでの動作説明に供される図である。

ここで、カソードの封鎖状態を解除したときにおける、第１の開閉バルブ３６ａ及び第２の開閉バルブ３６ｂの弁閉状態から弁開状態及びロック状態への切換動作について、図４に基づいて以下詳細に説明する。なお、図４（ａ）は、図２に示されるように各開閉バルブ３６ａ、３６ｂの弁体４６が着座部４８に着座した弁閉状態にあり、この弁閉状態を初期位置として説明する。また、図４中では、減速機構６１を構成する複数のギヤを省略して最終のギヤ５９ｎのみを図示している。加えて、以下の説明において、図４（ａ）〜（ｅ）に図示されない部分については、図３（ａ）、（ｂ）及び図２を適宜参照するものとする。

先ず、ＥＣＵは、運転者によって燃料電池自動車のイグニッションスイッチがオン（ＩＧ−ＯＮ）されたことを検知したとき、図４（ｂ）に示されるように、第１の開閉バルブ３６ａ及び第２の開閉バルブ３６ｂにおいて、ロック機構５４のソレノイド８６に通電し前記ソレノイド８６の励磁作用によって可動要素（シャフト部６８）を矢印方向に変位させてロックレバー６４の側壁部６４ｃを押圧する。

従って、ロックレバー６４は、図示しない第２ばね部材のばね力に抗して支持ピン６２を支点として反時計回り方向（矢印Ｘ２方向）に所定角度だけ揺動する。この結果、図４（ａ）の弁閉状態においてラック部材６３の鉛直上方に位置していたロックレバー６４の係合部６４ａは、図４（ｂ）に示されるように前記ラック部材６３の上方位置から所定距離だけ横方向に離間した非交差位置に保持される。

さらに、ＥＣＵは、弁駆動機構５２の回転駆動源５６に通電してピニオン５８を時計回り方向（矢印方向）に回転させ、最終のギヤ５９ｎとラック部６０との噛合作用によって弁体４６（弁ロッド４６ｂ）を第１ばね部材５０のばね力に打ち勝って上方に変位させる。

この場合、回転駆動源５６の回転力が最終のギヤ５９ｎ及びラック部６０の噛合作用によってラック部材６３の直線運動に変換された後、前記ラック部材６３は、中間プレート４３ｂに固定されたラックシャフト６５の案内作用によって上昇すると共に（図４（ｃ）参照）、前記ラック部材６３の略Ｌ字状の屈曲部６３ａに対して並列に連結された弁体４６の弁ロッド４６ｂも同時に上昇する。この結果、第１の開閉バルブ３６ａ及び第２の開閉バルブ３６ｂの弁体４６は、それぞれ、着座部４８から所定間隔離間し、インレットポート４０ａとアウトレットポート４０ｂとが室４４を介して連通した弁開状態となる。

このような弁開状態において、ＥＣＵは、図４（ｄ）に示されるように、ソレノイド８６に対する通電を停止して前記ソレノイド８６を非励磁状態とし、図示しない復帰ばねによって可動要素（シャフト部）を前記とは反対方向（矢印方向）に変位させることにより、ロックレバー６４は、第２ばね部材のばね力によって時計回り方向（矢印Ｘ１方向）に所定角度だけ揺動し、図４（ａ）の初期位置に復帰する。

さらに、ＥＣＵは、図４（ｅ）に示されるように、弁駆動機構５２の回転駆動源５６に通電してピニオン５８を前記と反対方向に回転させ、減速機構６１を構成する複数のギヤ５９_１〜５９ｎ中の最終のギヤ５９ｎとラック部材６３に設けられたラック部６０との噛合作用によって、前記ラック部材６３を下降させる。前記ラック部材６３は、中間プレート４３ｂに固定されたラックシャフト６５の案内作用によって僅かに下降すると共に、前記ラック部材６３の略Ｌ字状の屈曲部６３ａに対して並列に連結された弁体４６の弁ロッド４６ｂも同時に僅かに下降する。

この結果、ラック部材６３の上端に突出して設けられた係合部６３ｃによってロックレバー６４の上端部が係止され、各開閉バルブ３６ａ、３６ｂの弁体４６が弁開状態に保持されたロック状態となる（図３（ｂ）参照）。

第１の開閉バルブ３６ａ及び第２の開閉バルブ３６ｂが、ロック機構５４によって弁開状態に保持された後、ＥＣＵは、弁駆動機構５２の回転駆動源５６に制御信号を出力して、前記回転駆動源５６に対する通電を停止する。この結果、弁開状態に保持されたロック状態では、回転駆動源５６に対する電力の供給を削減して、省電力化を達成することができる。

図５（ａ）〜（ｅ）は、各開閉バルブが弁開のロック状態から弁閉状態に切り換えられるまでの動作説明に供される図である。なお、図５（ａ）は、図４（ｅ）と同様に、第１の開閉バルブ３６ａ及び第２の開閉バルブ３６ｂが弁開状態に保持されたロック状態を示している。

次に、第１の開閉バルブ３６ａ及び第２の開閉バルブ３６ｂが弁開状態に保持されたロック状態から弁閉状態への切換動作について、図５に基づいて説明する。なお、以下の説明において、図５（ａ）〜（ｅ）に図示されない部分については、図３（ａ）、（ｂ）及び図２を適宜参照するものとする。

ＥＣＵは、運転者によって燃料電池自動車のイグニッションスイッチがオフ（ＩＧ−ＯＦＦ）されたことを検知したとき、図５（ｂ）に示されるように、弁駆動機構５２の回転駆動源５６に通電してピニオン５８を時計回り方向（矢印方向）に回転させ、最終のギヤ５９ｎとラック部材６３のラック部６０との噛合作用によって弁体４６（弁ロッド４６ｂ）を第１ばね部材５０のばね力に打ち勝って上方に変位させる。この結果、ラック部材６３に設けられた係合部６３ｃがロックレバー６４の上端部から離間して、ロックレバー６４の係止状態が解除される。

続いて、ＥＣＵは、図５（ｃ）に示されるように、ロック機構５４のソレノイド８６に通電し前記ソレノイド８６の励磁作用によって可動要素（シャフト部６８）を矢印方向に変位させてロックレバー６４の側壁部６４ｃを押圧する。従って、ロックレバー６４は、図示しない第２ばね部材のばね力に抗して支持ピン６２を支点として反時計回り方向（矢印Ｘ２方向）に所定角度だけ揺動する。

前記ロックレバー６４の揺動が保持された状態において、さらに、ＥＣＵは、図５（ｄ）に示されるように、弁駆動機構５２の回転駆動源５６に通電してピニオン５８を前記と反対の反時計回り方向（矢印方向）に回転させ、最終のギヤ５９ｎとラック部材６３のラック部６０との噛合作用によって弁体４６（弁ロッド４６ｂ）を下方に変位させる。この結果、ロック機構５４によるロック状態が解除され、弁体４６が第１ばね部材５０のばね力によって押圧されて着座部４８に着座した弁閉状態に復帰する。

弁体４６が弁開状態から弁閉状態へ切り換えられた後、ＥＣＵは、図５（ｅ）に示されるように、ソレノイド８６に対する通電を停止して前記ソレノイド８６を非励磁状態とし、図示しない復帰ばねによって可動要素（シャフト部６８）を前記とは反対方向（矢印方向）に変位させることにより、ロックレバー６４は、第２ばね部材のばね力によって時計回り方向（矢印Ｘ１方向）に所定角度だけ揺動し、図４（ａ）の初期位置に復帰する。

本実施形態では、弁駆動機構５２によって弁体４６が駆動されて弁開状態となったときに前記弁体４６を弁開状態（所定位置）に保持するロック機構５４を設けることにより、前記弁体４６を駆動する回転駆動源５６への通電を停止させることができ、前記回転駆動源５６で消費される消費電力を抑制しながら第１の開閉バルブ３６ａ及び／又は第２の開閉バルブ３６ｂの弁開状態を確実に且つ安定して保持することができる。

また、本実施形態では、弁体４６を弁開状態に保持するロック機構５４を、ソレノイド手段８０のソレノイド８６のオン・オフ作用によってシャフト部６８を変位させ、支持ピン６２を支点としてロックレバー６４を揺動させて前記ロックレバー６４の係合部６４ａとラック部材６３の係合部６３ｃとを係合させることにより、弁体４６をロック状態とすることができる。この結果、本実施形態では、ロック機構５４を簡素な構造として簡便に製造することができる。

さらに、本実施形態では、弁体４６とラック部材６３とがそれぞれ別個の部材で設けられ、前記ラック部材６３の外周面に回転駆動源５６の回転駆動力が伝達されるラック部６３（ラック歯）が形成されることにより、ロック機構５４によって弁体４６が所定位置でロックされてラック部材６３の係合部６３ｃとロックレバー６４の係合部６４ａとが当接したときに発生する振動を、ラックシャフト６５によって傾動が防止された前記ラック部材６３で吸収することができ、弁ロッド４６ｂ側へ振動が伝達されることを好適に回避することができる。

さらにまた、本実施形態では、バルブ本体を構成する中間プレート４３ｂと弁体４６の弁部４６ａとの間に、ばね力によって弁体４６を着座部４８の方向に向って押圧する第１ばね部材５０が設けられることにより、弁体４６のロック状態が解除されたときに前記第１ばね部材５０のばね力によって速やかに弁体４６を着座部４８に着座させて弁閉状態とすることができる。この結果、本実施形態では、回転駆動源５６の回転駆動力によらず弁体４６を弁閉状態とすることができ、省電力化を達成することができる。

なお、本実施形態では、ソレノイド８６によってシャフト部６８を変位させなくても、弁駆動機構５２の回転駆動源５６に通電してピニオン５８を回転させて最終のギヤ５９ｎとラック部材６３のラック部６０との噛合作用によってラック部材６３を上昇させ、ラック部材６３の係合部６３ｃとロックレバー６４の傾斜面部６４ｂとを強制的に当接（摺接）させて各開閉バルブ３６ａ、３６ｂの弁体４６が弁開状態に保持されたロック状態とすることができる。

このように、本実施形態では、弁駆動機構５２の回転駆動源５６を駆動させてラック部材６３及び弁ロッド４６ｂを一体的に変位させるのみで、弁体４６を弁閉状態から弁開状態に保持することができる。

図６は、本実施形態の変形例に係るノーマルオープンタイプの開閉バルブを示す要部拡大断面図である。
本実施形態では、図２に示されるように、ノーマルクローズタイプの第１の開閉バルブ３６ａ及び第２の開閉バルブ３６ｂを例示して説明しているが、これに限定されるものではなく、例えば、図６の変形例に示されるように、バルブハウジング４２の天井部に着座部４８が設けられたノーマルオープンタイプの第１の開閉バルブ３６ａ及び第２の開閉バルブ３６ｂを用いてもよい。

このノーマルオープンタイプの第１の開閉バルブ３６ａ及び第２の開閉バルブ３６ｂでは、弁体４６が天井部の着座部４８に着座した弁閉状態のときにロック機構５４によってロックされるため、弁体４６を着座部４８に向って強固に押圧してシート力を増大させることができる。この結果、燃料電池１２へのエアの流入及び流出を完全に遮断して燃料電池１２の劣化を防止することができる利点がある。

図７は、変形例に係るロック機構が設けられた開閉バルブの縦断面図である。
この変形例に係るロック機構５４ａでは、略Ｌ字状に屈曲するラック部材６３の屈曲部６３ａの上面から弁ロッド４６ｂの上端部を所定長だけ突出させ、前記突出した前記弁ロッド４６ｂの上端部にストッパ部として機能する係合部４６ｄを設けると共に、ロックレバー６４を弁体４６の弁ロッド４６ｂの近傍部位に配置し、ロックレバー６４の係合部６４ａが前記弁ロッド４６ｂの係合部４６ｄと係合することにより、弁体４６を弁開状態で保持（ロック）するようにしている点で図２に示されるロック機構５４と異なっている。

なお、前記ロックレバー６４は、ソレノイド８６のオン・オフ作用によって支持ピン６２を支点として揺動自在に設けられている点は、図２に示されるロック機構５４と共通である。その他の変形例として、前記ロック機構５４ａによって、最終のギヤ５９ｎ等を直接的に保持（ロック）するようにしてもよい。

３６ａ、３６ｂ 開閉バルブ ４０ａ インレットポート
４０ｂ アウトレットポート ４２ バルブハウジング（バルブ本体）
４６ 弁体 ４６ｂ 弁ロッド
４８ 着座部 ５０ ばね部材
５４ ロック機構 ５６ 回転駆動源
６０ ラック部（ラック歯） ６３ ラック部材
６３ａ、４６ｄ 係合部（ストッパ部）
６４ ロックレバー（レバー部材） ６４ａ 係合部
６５ ラックシャフト（傾動防止部材） ８０ ソレノイド手段
８６ ソレノイド

Claims (3)

1. 圧力流体が導入されるインレットポート及び圧力流体が導出されるアウトレットポートがそれぞれ形成されたバルブ本体と、
   前記バルブ本体内に変位可能に設けられた弁ロッドを有し、着座部に着座することにより前記インレットポートと前記アウトレットポートとの連通を遮断し、前記着座部から離間することにより前記インレットポートと前記アウトレットポートとを連通させる弁体と、
   回転駆動源と、前記弁ロッドに連結されて前記弁体と一体的に変位するラック部材とを含み、前記弁体が着座部から離間する方向及び前記着座部に着座する方向に沿って前記弁体を変位させる弁駆動機構と、
   前記弁体を所定位置に保持するロック機構と、
   を備え、
   前記ロック機構は、前記ラック部材に設けられたストッパ部と、前記ストッパ部と係合することにより前記弁体を保持する係合部が設けられたレバー部材と、ソレノイドのオン・オフ作用によって前記レバー部材を揺動させるソレノイド手段とを有することを特徴とする開閉バルブ。
2. 請求項１記載の開閉バルブにおいて、
   前記ラック部材は前記弁体と別個に設けられ、前記バルブ本体に固定された傾動防止部材によって前記ラック部材の傾動が防止されており、前記ラック部材の外周面には、前記回転駆動源の回転駆動力が伝達されるラック歯が形成されることを特徴とする開閉バルブ。
3. 請求項１又は２記載の開閉バルブにおいて、
   前記バルブ本体と前記弁体との間には、ばね力によって前記弁体を前記着座部の方向に向って押圧するばね部材が設けられることを特徴とする開閉バルブ。

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