JP2018009676A - ソレノイド式遮断弁 - Google Patents

Abstract

【課題】装置の大型化を抑制しながら、高圧に対して閉弁力を確保できるソレノイド式遮断弁を提供する。
【解決手段】ソレノイド式遮断弁２３は、軸方向に変位自在に支持されて、軸方向に第１端４８ａおよび反対側の第２端４８ｂを有し、軸方向変位に応じて第１端４８ａに支持する弁体２８で入口流路２９を開閉するプランジャー４８を備える。ハウジング５７とプランジャー４８の第２端４８ｂとの間に圧力室５８が形成される。連通路６１は圧力室５８に入口流路２９の圧力を導入する。
【選択図】図１

Description

本発明はソレノイド式遮断弁に関する。

特許文献１は自動車用ガス燃料供給システムを開示する。このガス燃料供給システムでは、ガス燃料は、高圧（１０ＭＰａ〜３０ＭＰａ）のタンク圧で一次減圧弁に供給され、一次減圧弁で中間圧（１ＭＰａ〜３ＭＰａ）に減圧され、さらに比例電磁弁でインジェクターの供給圧（３００ｋＰａ〜１．２ＭＰａ）に制御される。比例電磁弁は、電磁力を制御することで弁体のストローク量を制御し、圧力を変更する。比例電磁弁は、運転停止時には遮断弁としても機能する。

独国特許出願公開第１０２００８０３４５８１号明細書

一次減圧弁の不具合でタンク圧が一次減圧弁の下流に印加された場合でも、比例電磁弁はその圧力に打ち勝って閉弁することが求められる。従来技術の構成では、比例電磁弁に対して電力の供給が絶たれても、ばねの反発力で閉弁は確保される。しかしながら、一次減圧弁から漏れる高圧に打ち勝つにはばねに大きな反発力が要求され、ばねの大型化は避けられない。また、こうしてばねの反発力が増大すると、通常の動作では開弁にあたって反発力に抗して大きな電磁力が要求され、比例電磁弁の大型化も避けられない。

本発明は、上記実状に鑑みてなされたもので、装置の大型化を抑制しながら、高圧に対して閉弁力を確保できるソレノイド式遮断弁を提供することを目的とする。

本発明の第１側面によれば、軸方向に変位自在に支持されて、前記軸方向に第１端および反対側の第２端を有し、軸方向変位に応じて前記第１端に支持する弁体で入口流路を囲む弁座を開閉するプランジャーと、前記プランジャーに連結される可動コアと、前記可動コアに電磁力を作用し、前記軸方向に沿って前記プランジャーを駆動するコイルおよび固定コアと、前記入口流路の圧力に抗して前記弁体の閉弁方向に前記プランジャーに力を付与する弾性部材と、前記プランジャーの前記第２端との間に圧力室を形成するハウジングと、前記圧力室に前記入口流路の圧力を導入する連通路とを備えるソレノイド式遮断弁が提供される。

第２側面によれば、第１側面の構成に加えて、前記連通路は前記プランジャーの軸心に沿ってプランジャーの内部に形成される。

第３側面によれば、第１または第２側面の構成に加えて、前記プランジャーでは、前記入口流路に面する前記第１端の受圧面積と前記圧力室に面する前記第２端の受圧面積とは等しい。

第４側面によれば、第３側面の構成に加えて、ソレノイド式遮断弁は、前記コイルへ供給される電力に応じて前記可動コアの推進力を制御し、前記弁体の開弁量および開弁時間の少なくともいずれか一方を変更する。

第５側面によれば、第１〜第４側面のいずれかの構成に加えて、ソレノイド式遮断弁は、前記プランジャーに同軸に前記入口流路に形成される減圧用弁座と、前記プランジャーに同軸に軸方向に変位自在に支持されて、前記減圧用弁座と協働で前記入口流路を開閉する減圧用弁体と、前記減圧用弁体に連結される受圧面に面して形成され、導入される圧力に応じて閉弁方向に前記減圧用弁体に推進力を加える圧力作用室と、前記圧力作用室に前記入口流路を接続し、前記入口流路から前記圧力作用室に圧力を導入する接続流路とをさらに備える。

第１側面によれば、入口流路に高圧の流体が作用すると、連通路から圧力室に高圧の流体は導入される。プランジャーの第１端には弁体を通じて入口流路から高圧が作用し、プランジャーの第２端には圧力室から入口流路の高圧が作用する。閉弁動作時、すなわち、可動コアに作用する電磁力が消失した際に、圧力室の圧力は閉弁方向にプランジャーに作用するので、弾性部材の弾性力は小さくて済む。したがって、弾性部材は小型化されることができ、ソレノイド式遮断弁は小型化されることができる。装置の大型化を抑制しながら、高圧に対して閉弁力を確保できるソレノイド式遮断弁は実現される。弾性部材の弾性力は小さいので、固定コアおよび可動コアの相互作用で生成される推進力は小さくて済み、ソレノイド式遮断弁の大型化は回避されることができる。

第２側面によれば、コンパクトに連通路を形成することができる。

第３側面によれば、プランジャーでは第１端の受圧面積と第２端の受圧面積は等しいことから、高圧の流体に基づき生成される力は相互にバランスする。入口流路に導入される圧力の大きさに関係なく、弾性部材の弾性力や電磁ソレノイドの推進力のみで閉弁力は構成されることができる。よって、容易に閉弁力を設定できる。

第４側面によれば、容易に弁体の開弁量や開弁時間は制御されることができる。

第５側面によれば、遮蔽弁の上流側に減圧弁を配置する場合に、遮断弁のプランジャーと減圧弁とを同軸に配置することで、小径化が図れる。さらに、遮蔽弁と減圧弁とを連通する入口流路は直線形であって、最短距離で遮蔽弁と減圧弁とを結ぶことができ、遮蔽弁と減圧弁とをできる限り接近させ軸方向の小型化にも寄与することができる。

本発明の一実施形態に係る減圧弁ユニットの構成を概略的に示す拡大垂直断面図である。

以下、添付図面を参照しつつ本発明の一実施形態を説明する。

図１は本発明の一実施形態に係るガス燃料供給システムの構成を概略的に示す。ガス燃料供給システム１１は、自動車の車体に搭載されて、車載のエンジン１２に接続される。エンジン１２は、供給されるガス燃料の流量（圧力）に応じた回転数で駆動力を生成する。エンジン１２の駆動力は、車体に回転自在に支持されて地面を転がる車輪に伝達される。エンジン１２の回転数は例えば運転席に設置されるアクセルペダルの操作に応じて制御される。

ガス燃料供給システム１１はインジェクター１３および減圧弁ユニット１４を備える。インジェクター１３は個々にエンジン１２の各気筒に結合される。インジェクター１３には共通に分配管１５を介して減圧弁ユニット１４が接続される。ガス燃料は分配管１５から個々のインジェクター１３に分配される。

ガス燃料供給システム１１はガス燃料タンク１６を備える。ガス燃料タンク１６は減圧弁ユニット１４に接続される。ガス燃料タンク１６にはタンク圧（１０ＭＰａ〜３０ＭＰａ）のガス燃料が貯蔵される。タンク圧のガス燃料は減圧弁ユニット１４でインジェクター１３の供給圧まで減圧される。

ガス燃料タンク１６には逆止弁１７を介して充填口１８が接続される。充填口１８は車体の外側からアクセス可能に配置される。充填口１８からガス燃料タンク１６にガス燃料は充填されることができる。充填口１８は車体の表面を構成するリッドで覆われればよい。

減圧弁ユニット１４はボディ２１を備える。ボディ２１には一次減圧弁２２および二次減圧弁２３が組み込まれる。一次減圧弁２２は、減圧用弁座（以下「第１弁座」）２４と、当該第１弁座２４に向き合わせられる減圧用弁体（以下「第１弁体」）２５とを備える。二次減圧弁２３は、弁座（以下「第２弁座」）２７と、当該第２弁座２７に向き合わせられる弁体（以下「第２弁体」）２８とを備える。ボディ２１には、第１弁座２４で開口する一端と、第２弁座２７で開口する他端とを有する通路２９が区画される。通路２９は一端から他端まで線形に延びる。二次減圧弁２３は、比例電磁弁を利用するソレノイド式遮断弁として機能する。

ボディ２１は、接合面３１ａ、３１ｂで相互に結合される一次減圧弁ボディ（第１ボディ）２１ａおよび二次減圧弁ボディ（第２ボディ）２１ｂを備える。接合面３１ａ、３１ｂは通路２９の軸心Ｘｉｓに直交する仮想平面ＶＬ内に広がる。接合面３１ａ、３１ｂで通路２９は第１ボディ２１ａ側と第２ボディ２１ｂ側とに分割される。接合面３１ａ、３１ｂで第１ボディ２１ａおよび第２ボディ２１ｂには凹凸形状が形成されてもよい。凹凸形状の嵌め合いに応じて第１ボディ２１ａおよび第２ボディ２１ｂの間で接合面３１ａ、３１ｂに沿って相対的な変位（滑り）は防止されればよい。

第１ボディ２１ａには第１弁座２４を収容する高圧室３２が区画される。高圧室３２は軸心Ｘｉｓに同軸の円柱空間を形成する。高圧室３２には燃料入口３３が接続される。燃料入口３３は、軸心Ｘｉｓに直交する仮想平面内に中心軸線を有する円柱空間で形成される。燃料入口３３にガス燃料タンク１６から延びる配管は接続される。こうして高圧室３２には高圧ガスが導入される。

第１弁体２５には、第１弁座２４に対して離隔接近する方向に第１弁体２５を駆動する第１駆動力発生部３４が連結される。第１駆動力発生部３４は、第１弁体２５に結合されるピストン３５を有する。ピストン３５は軸心Ｘｉｓに同軸の円柱体で形成される。ピストン３５は、第１ボディ２１ａ内に区画されるピストン室３６に収容される。ピストン３５は高圧室３２側のばね室３７と反対側の圧力作用室３８とにピストン室３６を隔てる。

第１弁体２５には、着座時に通路２９内の空間と圧力作用室３８とを相互に接続する接続流路３９が形成される。こうして圧力作用室３８には通路２９内の圧力が導入される。通路２９内の圧力はピストン３５の受圧面３５ａに作用する。したがって、ピストン３５は、受圧面３５ａに圧力を受けて閉じ方向に第１弁体２５を駆動する。

ばね室３７には弾性体としての弦巻ばね４１が収容される。弦巻ばね４１はばね室３７の壁面とピストン３５との間に配置される。こうして弦巻ばね４１は、ピストン３５に連結されて開き方向に第１弁体２５に力を付与する。受圧面３５ａに作用する圧力に基づく閉じ方向の力と、弦巻ばね４１の弾性力との大小関係に応じてピストン３５は軸心Ｘｉｓの方向に変位する。

第１ボディ２１ａにはピストン室３６に高圧室３２を接続するガイド孔４２が区画される。ガイド孔４２は軸心Ｘｉｓに同軸の細長い円柱空間を形成する。ガイド孔４２には第１弁体２５が案内される。ガイド孔４２は軸心Ｘｉｓの方向に第１弁体２５の移動を案内する。

ガイド孔４２内には、高圧室３２およびばね室３７の間をシールするシール部材４３が配置される。ここでは、シール部材４３はガイド孔４２の内壁面に装着されて軸心回りに第１弁体２５の外周に密着する。高圧室３２は第１弁座２４からシール部材４３を遠ざける。ばね室３７は、第１ボディ２１ａに形成される貫通孔４４で外部空間に接続され、その結果、ばね室３７内は大気圧に維持される。

第２ボディ２１ｂには第２弁座２７を収容する低圧室４５が区画される。低圧室４５は軸心Ｘｉｓに同軸の円柱空間を形成する。低圧室４５には燃料出口４６が接続される。燃料出口４６は、軸心Ｘｉｓに直交する仮想平面内に中心軸線を有する円柱空間で形成される。燃料出口４６に、分配管１５に向かって延びる配管は接続される。こうして低圧室４５から低圧のガス燃料は排出される。

第２弁体２８には、第２弁座２７に対して離隔接近する方向に第２弁体２８を駆動する第２駆動力発生部４７が連結される。第２駆動力発生部４７は、軸方向に変位自在に第２ボディ２１ｂに支持されるプランジャー４８を備える。プランジャー４８は、軸方向に第１端４８ａおよび反対側の第２端４８ｂを有し、第１端４８ａで第２弁体２８を支持する。プランジャー４８の軸方向変位に応じて第２弁体２８は通路（入口流路）２９を開閉する。第２ボディ２１ｂには、燃料出口４６に接続されて、プランジャー４８を収容するプランジャー室４９が形成される。

第２駆動力発生部４７は、電磁力に基づき軸方向にプランジャー４８を駆動する電磁ソレノイド５１を備える。電磁ソレノイド５１は、プランジャー４８に連結される可動コア５２と、プランジャー４８の軸心回りで可動コア５２を囲む固定コア５３とを備える。プランジャー４８の軸心は通路２９の軸心Ｘｉｓに重なる。可動コア５２は磁性材で形成される。固定コア５３は、磁性材で成形されて、第２ボディ２１ｂに固定される。固定コア５３にはコイル５５が接続される。コイル５５は、供給される電流に応じて磁力を生成する。固定コア５３は、可動コア５２に電磁力を作用し、軸方向に沿ってプランジャー４８を駆動する。コイル５５は、供給される電力に応じて可動コア５２の推進力を制御し、第２弁体２８の開弁量または開弁時間を変更する。

プランジャー４８には、通路２９の圧力に抗して第２弁体２８の閉弁方向にプランジャー４８に力を付与する弾性部材５６が連結される。弾性部材５６は、プランジャー４８に同軸に螺旋を描く弦巻ばねで構成される。弦巻ばねは、軸心回りにプランジャー４８を囲みながら、開弁時に後退するプランジャー４８の後向き面と、当該後向き面に向き合う第２ボディ２１ｂとの間に挟まれ、伸長方向に弾性力を発揮する。弦巻ばねのばね荷重は、タンク圧のガス燃料が通路２９に導入された際に第２弁体２８にタンク圧に基づき作用する開弁力に打ち勝つ大きさに設定される。

プランジャー４８の第２端４８ｂはハウジング５７に収容される。ハウジング５７は例えば固定コア５３から連続してプランジャー室４９の一部を区画する。プランジャー４８の第２端４８ｂとハウジング５７との間には圧力室５８が形成される。圧力室５８は、導入される圧力に応じて第２弁体２８の閉弁方向にプランジャー４８に力を与える。プランジャー４８の軸心回りでプランジャー４８の外周には気密シール５９が装着される。気密シール５９はプランジャー４８の軸方向変位に拘わらずプランジャー室４９と圧力室５８とを隔てる。

プランジャー４８は、圧力室５８に通路２９を接続する連通路６１を有する。連通路６１は、プランジャー４８の軸心に沿ってプランジャー４８の内部に形成されて、プランジャー４８の第１端４８ａで通路２９に向かって開口し、プランジャー４８の第２端４８ｂで圧力室５８に向かって開口する。連通路６１は圧力室５８に通路２９の圧力を導入する。ここでは、通路２９に面する第１端４８ａの受圧面積と、圧力室５８に面する第２端４８ｂの受圧面積とは等しく設定される。すなわち、第２弁座２７の径と圧力室５８の内径とは等しい。通路２９からプランジャー４８に作用する開弁方向の力と、圧力室５８からプランジャー４８に作用する閉弁方向の力とは釣り合う。

次に減圧弁ユニット１４の動作を説明する。一次減圧弁２２では、圧力作用室３８内の圧力が高まってピストン３５の駆動力が弦巻ばね４１の弾性力を上回ると、第１弁体２５は第１弁座２４に着座する。中間圧の通路２９は高圧室３２から分離される。したがって、インジェクター１３からエンジン１２へ燃料が噴射されると、通路２９内の圧力は低下していく。その結果、弦巻ばね４１の付勢力がピストン３５の駆動力を上回ると、第１弁体２５は第１弁座２４から離れる。通路２９には高圧室３２から圧力が導入される。通路２９内の圧力は高まっていく。これに伴って圧力作用室３８内の圧力は高まっていく。再びピストン３５の駆動力が弦巻ばね４１の付勢力を上回る。こうした動作が繰り返される結果、通路２９内の圧力は目標値に維持されることができる。

二次減圧弁２３では電磁ソレノイド５１の働きで開弁量または開弁時間が決定される。電磁ソレノイド５１の電流値は制御回路（図示されず）から供給される制御信号で特定される。電磁ソレノイド５１の作用に応じて第２弁体２８は第２弁座２７に近づいたり第２弁座２７から遠ざかったりする。第２弁体２８と第２弁座２７との距離に応じて低圧室４５内の圧力は決定される。こうして電磁ソレノイド５１の制御に基づきインジェクター１３の供給圧は調整される。このガス燃料供給システム１１では、ガス燃料は、高圧（１０ＭＰａ〜３０ＭＰａ）のタンク圧で一次減圧弁２２に供給され、一次減圧弁２２で中間圧（１ＭＰａ〜３ＭＰａ）に減圧され、さらに二次減圧弁２３でインジェクター１３の供給圧（３００ｋＰａ〜１．２ＭＰａ）に制御される。一次減圧弁２２では、受圧面で圧力を受けて第１弁体２５を駆動する機械式の第１駆動力発生部３４が用いられ、二次減圧弁２３では、電磁力に基づき第２弁体２８を駆動する電磁ソレノイド５１が用いられる。二次減圧弁２３で利用される電磁ソレノイド５１には高圧のタンク圧ではなく減圧された中間圧が作用することから、電磁ソレノイド５１の駆動力は小さくて済む。したがって、電磁ソレノイド５１の小型化は実現される。

仮に、一次減圧弁２２の不具合でタンク圧が一次減圧弁２２の下流で通路２９に作用すると、連通路６１から圧力室５８に高圧の流体は導入される。プランジャー４８の第１端４８ａには第２弁体２８を通じて通路２９から高圧が作用し、プランジャー４８の第２端４８ｂには圧力室５８から通路２９の高圧が作用する。閉弁動作時、すなわち、可動コア５２に作用する電磁力が消失した際に、圧力室５８の圧力は閉弁方向にプランジャー４８に作用するので、弾性部材５６の弾性力は小さくて済む。したがって、弾性部材５８は小型化されることができ、二次減圧弁２３は小型化されることができる。減圧弁ユニット１４の大型化を抑制しながら、高圧に対して閉弁力を確保できるソレノイド式遮断弁は実現される。弾性部材５６の弾性力は小さいので、固定コア５３および可動コア５２の相互作用で生成される推進力は小さくて済み、ソレノイド式遮断弁の大型化は回避されることができる。

プランジャー４８では、通路２９に面する第１端４８ａの受圧面積と、圧力室５８に面する第２端４８ｂの受圧面積とは等しい。高圧の流体に基づき生成される推進力は相互にバランスする。通路２９に導入される圧力の大きさに関係なく、弾性部材５６の弾性力や電磁ソレノイド５１の推進力のみで閉弁力は構成されることができる。よって、容易に閉弁力を設定できる。

減圧弁ユニット１４ではコイル５５は固定コア５３に接続される。コイル５５は、供給される電力に応じて可動コア５２の推進力を制御し、第２弁体２８の開弁量または開弁時間を変更する。こうして容易に第２弁体２８の開弁量または開弁時間は制御されることができる。

減圧弁ユニット１４では、第２弁座２７は、プランジャー４８に同軸に通路２９に形成される減圧用弁座を形成する。第２弁体２８は、プランジャー４８に同軸に軸方向に変位自在に支持されて、減圧用弁座と協働で通路２９を開閉する減圧用弁体を形成する。圧力作用室３８は、減圧用弁体に連結されるピストン３５の受圧面３５ａに面して形成され、導入される圧力に応じて閉弁方向に減圧用弁体に推進力を加える。接続流路３９は、圧力作用室３８に通路２９を接続し、通路２９から圧力作用室３８に圧力を導入する。こうして遮断弁のプランジャー４８と減圧弁とを同軸に配置することで、小径化が図れる。さらに、一次減圧弁２２と二次減圧弁２３とを連通する通路２９は直線形であって、最短距離で一次減圧弁２２と二次減圧弁２３とを結ぶことができ、一次減圧弁２２と二次減圧弁２３とをできる限り接近させ軸方向の小型化にも寄与することができる。

２３…ソレノイド式遮断弁としての二次減圧弁、２４…減圧用弁座（第１弁座）、２５…減圧用弁体（第１弁体）、２８…弁体（第２弁体）、２９…入口流路（通路）、３８…圧力作用室、３９…接続流路、４８…プランジャー、４８ａ…第１端、４８ｂ…第２端、５２…可動コア、５３…固定コア、５５…コイル、５６…弾性部材、５７…ハウジング、５８…圧力室、６１…連通路。

Claims (5)

1. 軸方向に変位自在に支持されて、前記軸方向に第１端（４８ａ）および反対側の第２端（４８ｂ）を有し、軸方向変位に応じて前記第１端（４８ａ）に支持する弁体（２８）で入口流路（２９）を囲む弁座（２７）を開閉するプランジャー（４８）と、
   前記プランジャー（４８）に連結される可動コア（５２）と、
   前記可動コア（５２）に電磁力を作用し、前記軸方向に沿って前記プランジャー（４８）を駆動するコイル（５５）および固定コア（５３）と、
   前記入口流路（２９）の圧力に抗して前記弁体（２８）の閉弁方向に前記プランジャー（４８）に力を付与する弾性部材（５６）と、
   前記プランジャー（４８）の前記第２端（４８ｂ）との間に圧力室（５８）を形成するハウジング（５７）と、
   前記圧力室（５８）に前記入口流路（２９）の圧力を導入する連通路（６１）と
   を備えることを特徴とするソレノイド式遮断弁。
2. 請求項１に記載のソレノイド式遮断弁において、前記連通路（６１）は前記プランジャー（４８）の軸心に沿ってプランジャー（４８）の内部に形成されることを特徴とするソレノイド式遮断弁。
3. 請求項１または２に記載のソレノイド式遮断弁において、前記プランジャー（４８）では、前記入口流路（２９）に面する前記第１端（４８ａ）の受圧面積と前記圧力室（５８）に面する前記第２端（４８ｂ）の受圧面積とは等しいことを特徴とするソレノイド式遮断弁。
4. 請求項３に記載のソレノイド式遮断弁において、前記コイル（５５）へ供給される電力に応じて前記可動コア（５２）の推進力を制御し、前記弁体（２８）の開弁量および開弁時間の少なくともいずれか一方を変更することを特徴とするソレノイド式遮断弁。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のソレノイド式遮断弁において、
   前記プランジャー（４８）に同軸に前記入口流路（２９）に形成される減圧用弁座（２４）と、
   前記プランジャー（４８）に同軸に軸方向に変位自在に支持されて、前記減圧用弁座（２４）と協働で前記入口流路（２９）を開閉する減圧用弁体（２５）と、
   前記減圧用弁体（２５）に連結される受圧面（３５ａ）に面して形成され、導入される圧力に応じて閉弁方向に前記減圧用弁体（２５）に推進力を加える圧力作用室（３８）と、
   前記圧力作用室（３８）に前記入口流路（２９）を接続し、前記入口流路（２９）から前記圧力作用室（３８）に圧力を導入する接続流路（３９）と
   を備えることを特徴とするソレノイド式遮断弁。
   

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