JP2021063582A - 電磁弁 - Google Patents

Abstract

【課題】グリスに起因するプランジャの先端面とストッパ部との吸着を抑制する。【解決手段】電磁弁は、コイル部と、コイル部の径方向の内側に配置され径方向と直交する軸方向に沿った軸孔が形成されたスリーブと、軸孔に配置されコイル部の励磁に応じて軸方向に摺動するプランジャと、プランジャの基端部により開閉される弁開口部と、プランジャを弁開口部に向かって付勢する弾性部材と、プランジャの先端面に対向して配置されたストッパ部と、を備え、軸孔を形成するスリーブの内周面に対向するプランジャの摺動面には、グリスが塗布されており、プランジャは、摺動面の軸方向の端部であって先端面に近い側の摺動端部に、径方向の外側に向かって突出する突出部を有し、先端面は摺動面よりも粗い。【選択図】図４

Description

本開示は、電磁弁に関する。

従来から、高圧水素ガス等のガスの供給流路には、流路の開閉を切り替える電磁弁が設けられることがある。特許文献１に記載の電磁弁では、電磁コイルへの通電に伴って、バネの付勢力に抗ってプランジャが軸方向に摺動し、開弁する。

特開２００７−０４０４３５号公報

プランジャの摺動面には、摺動性の低下を抑制するために、グリスが塗布されることがある。本願発明者は、開弁状態において電磁弁の内部を流れるガスによって、摺動面に塗布されていたグリスが摺動面から移動して、プランジャの先端面と、かかる先端面と対向するストッパ部との間に位置するおそれがあることを見出した。プランジャの先端面とストッパ部との間にグリスが配置された状態で電磁弁が極低温環境に晒されると、グリスの粘度上昇によってプランジャの先端面とストッパ部とが吸着して、電磁弁の閉じ遅れが発生するおそれがある。このため、グリスに起因するプランジャの先端面とストッパ部との吸着を抑制できる技術が望まれる。

本開示は、以下の形態として実現することが可能である。

本開示の一形態によれば、電磁弁が提供される。この電磁弁は、コイル部と、前記コイル部の径方向の内側に配置され、前記径方向と直交する軸方向に沿った軸孔が形成されたスリーブと、前記軸孔に配置され、前記コイル部の励磁に応じて前記軸方向に摺動するプランジャと、前記プランジャの基端部により開閉される弁開口部と、前記プランジャを前記弁開口部に向かって付勢する弾性部材と、前記プランジャの先端面に対向して配置されたストッパ部と、を備え、前記軸孔を形成する前記スリーブの内周面に対向する前記プランジャの摺動面には、グリスが塗布されており、前記プランジャは、前記摺動面の前記軸方向の端部であって前記先端面に近い側の摺動端部に、前記径方向の外側に向かって突出する突出部を有し、前記先端面は、前記摺動面よりも粗い。この形態の電磁弁によれば、プランジャが摺動面の軸方向の端部であって先端面に近い側の摺動端部に径方向の外側に向かって突出する突出部を有するので、摺動面に塗布されたグリスが先端面とストッパ部との間に移動することを抑制できる。このため、電磁弁が極低温環境に晒されてグリスの粘度が上昇した場合に、グリスに起因する先端面とストッパ部との吸着を抑制できる。また、先端面が摺動面よりも粗いので、摺動面に塗布されたグリスが先端面とストッパ部との間に移動してしまった場合であっても、極低温環境に晒されて粘度が上昇したグリスに起因して先端面とストッパ部とが吸着することを抑制できる。

本開示は、種々の形態で実現することも可能である。例えば、電磁弁の製造方法、電磁弁を備えるガス供給システムや燃料電池システム等の形態で実現することができる。

電磁弁の概略構成を示す断面図である。 開弁状態における電磁弁を模式的に示す断面図である。 突出部の構成を説明するための模式図である。 グリスが移動する様子を示す説明図である。 比較例の電磁弁においてグリスが移動する様子を示す説明図である。 閉弁時間の確認試験の結果を示す表である。

Ａ．実施形態：
図１は、本開示の一実施形態としての電磁弁１００の概略構成を示す断面図である。なお、図１は、中心軸に沿って電磁弁１００を切断した断面において、閉弁状態における電磁弁１００を模式的に示している。

電磁弁１００は、図示しない高圧水素タンクおよび燃料電池を備える燃料電池システムにおいて、水素ガスの供給流路に設けられている。より具体的には、電磁弁１００は、高圧水素タンクの主止弁として構成されている。かかる燃料電池システムは、図示しない燃料電池車両に搭載されている。電磁弁１００は、ノーマリークローズタイプのバルブとして構成され、図示しない電子制御装置によって通電制御されて、高圧水素タンクから燃料電池へと水素ガスが流れる流路を開閉する。

電磁弁１００は、ヨーク１０と、コイル部２０と、スリーブ３０と、プランジャ４０と、バネ５０と、流路形成部６０と、ストッパ部７０と、ハウジング８０とを備えている。ヨーク１０とコイル部２０とスリーブ３０とプランジャ４０とバネ５０と流路形成部６０とストッパ部７０とは、ハウジング８０内に収納されている。

ヨーク１０は、略円筒状の外観形状を有し、磁性体の金属により形成されている。ヨーク１０は、コイル部２０への通電によって、磁気回路の一部を構成する。

コイル部２０は、絶縁被覆が施された導線がボビンに巻回されて形成されており、ヨーク１０の径方向内側に配置されている。コイル部２０は、通電されることによって磁力を発生する。

スリーブ３０は、略円筒状の外観形状を有し、コイル部２０の径方向の内側に配置されている。スリーブ３０には、径方向と直交する軸方向Ｄに沿った軸孔３２が形成されている。スリーブ３０の一端には、流路形成部６０が連なっている。

プランジャ４０は、磁性体により形成された略円筒状の部材であり、軸孔３２に配置されている。プランジャ４０は、コイル部２０の励磁に応じて軸方向Ｄに沿って摺動する。プランジャ４０は、かかる摺動によって弁体として機能し、電磁弁１００における流路を開閉する。プランジャ４０は、基端部４２と、先端面４４と、摺動面４６と、突出部４８とを有する。

基端部４２は、後述する流路形成部６０の弁座６２に着座可能に構成されており、後述する弁開口部６４を開閉する。先端面４４は、軸方向Ｄにおいて基端部４２とは反対側に形成されており、ストッパ部７０と対向している。摺動面４６は、軸孔３２を形成するスリーブ３０の内周面と対向しており、軸孔３２を摺動する面として構成されている。摺動面４６には、摺動性の低下を抑制するために、予めグリスが塗布されている。プランジャ４０の先端面４４は、プランジャ４０の摺動面４６よりも粗く構成されている。本実施形態において、プランジャ４０の先端面４４の面粗度は、摺動面４６の面粗度よりも１０倍以上大きく形成されている。なお、１０倍以上に代えて、２倍以上や２０倍以上等、任意の大きさの差を設けて形成されていてもよい。プランジャ４０の先端面４４と摺動面４６との粗さは、例えば、算術平均粗さにより示されてもよい。

突出部４８は、摺動面４６の軸方向Ｄの端部であって先端面４４に近い側の摺動端部４７において、径方向の外側に向かって突出して形成されている。突出部４８についての詳細な説明は、後述する。以下の説明では、プランジャ４０が配置されている空間を、プランジャ室９０とも呼ぶ。

バネ５０は、圧縮コイルスプリングにより構成された弾性部材であり、後述するストッパ部７０に形成された凹部７２に配置されている。バネ５０の一端は、プランジャ４０の先端面に当接して配置され、バネ５０の他端は、凹部７２の底部に当接して配置されている。このような構成により、バネ５０は、軸方向Ｄに沿ってプランジャ４０を弁開口部６４に向かって付勢している。バネ５０の付勢力によって、プランジャ４０の基端部４２は、コイル部２０への通電がない状態において、弁座６２に着座して弁開口部６４を塞いでいる。

図２は、開弁状態における電磁弁１００を模式的に示す断面図である。コイル部２０への通電によって、バネ５０の付勢力に抗ってプランジャ４０が軸方向に沿ってストッパ部７０側へと摺動すると、プランジャ４０の基端部４２が弁座６２から離れて弁開口部６４が開かれる。

流路形成部６０は、スリーブ３０の一端に連なって形成された略円筒状の外観形状を有する。流路形成部６０には、弁座６２と、弁開口部６４と、第１の連通路６６と、第２の連通路６７と、第３の連通路６８とが形成されている。

弁座６２は、弁開口部６４を取り囲んで形成されている。図１に示すように、弁座６２は、コイル部２０に通電されていない閉弁状態において、プランジャ４０の基端部４２に着座されている。図２に示すように、弁開口部６４は、コイル部２０への通電によってプランジャ４０が摺動して、プランジャ４０の基端部４２が弁座６２から離れると、開かれる。

第１の連通路６６は、弁開口部６４と連なり、流路形成部６０の内部において軸方向Ｄに沿って形成され、ハウジング８０に形成された第１の流路８１と連通している。第２の連通路６７は、弁座６２よりも径方向の外側に形成され、ハウジング８０に形成された第２の流路８２と連通している。第３の連通路６８は、弁座６２よりも径方向の外側であって第２の連通路６７の位置と周方向において異なる位置に形成され、ハウジング８０に形成された第３の連通路６８と連通している。

ストッパ部７０は、コイル部２０の内部に挿入されており、スリーブ３０とともにプランジャ室９０の内壁面の一部を構成している。ストッパ部７０は、プランジャ４０の先端面４４に対向して配置され、コイル部２０への通電によるプランジャ４０の摺動限界を規定している。ストッパ部７０のうちプランジャ４０の先端面４４と対向する面には、凹部７２が形成されている。凹部７２には、バネ５０が収容されている。

ハウジング８０は、電磁弁１００の外郭を構成している。ハウジング８０には、第１の流路８１と、第２の流路８２と、第３の流路８３とが形成されている。第１の流路８１は、燃料電池のアノード側流路とプランジャ室９０とを連通するための流路であり、第１の連通路６６と連なっている。第２の流路８２は、高圧水素タンクとプランジャ室９０とを連通するための流路であり、第２の連通路６７と連なっている。第３の流路８３は、図示しないリリーフ弁とプランジャ室９０とを連通させるための流路であり、第３の連通路６８と連なっている。かかるリリーフ弁は、通常の状態において閉塞されており、リリーフ弁が開かれた場合には、プランジャ室９０内の水素ガスが電磁弁１００の外部へと排出される。

図１に示す閉弁状態では、プランジャ４０の基端部４２によって弁開口部６４が塞がれている。他方、図２に示す開弁状態では、コイル部２０への通電によってプランジャ４０が摺動して弁開口部６４が開かれる。このため、開弁状態では、第２の流路８２および第２の連通路６７を介して高圧水素タンクからプランジャ室９０へと水素ガスが導かれ、プランジャ室９０内の水素ガスは、第１の連通路６６および第１の流路８１を介して燃料電池へと供給される。

図３は、突出部４８の構成を説明するための模式図である。図３では、プランジャ４０のうち軸方向Ｄにおいて先端面４４側の一部における断面を示している。上述のように、プランジャ４０に形成された突出部４８は、摺動面４６の軸方向Ｄの端部であって先端面４４に近い側の摺動端部４７において、径方向の外側に向かって突出して形成されている。本実施形態において、突出部４８は、摺動端部４７の全周に亘って形成されているが、全周に限らず、周方向の少なくとも一部に形成されていてもよい。また、本実施形態において、突出部４８は、軸方向Ｄにおいて先端面４４側から図３では図示しない基端部４２側に向かって、プランジャ４０の径方向の寸法を拡大させるようなテーパ状の外観形状を有している。なお、突出部４８は、軸方向Ｄにおいて基端部４２側から先端面４４側に向かってプランジャ４０の径方向の寸法を拡大させるようなテーパ状に形成されていてもよく、他の任意の突起形状であってもよい。突出部４８は、プランジャ４０の摺動面４６に塗布されたグリスの移動を抑制する。突出部４８は、プランジャ４０の摺動性を妨げない程度の大きさで、径方向の外側に向かって突出して形成されている。

図４は、グリスＧｒが移動する様子を示す説明図である。図４では、図１の領域Ａｒを拡大して示している。グリスＧｒは、軸孔３２を形成するスリーブ３０の内周面とプランジャ４０の摺動面４６との摺動性の低下を抑制するために、摺動面４６に予め塗布されている。摺動面４６に塗布されたグリスＧｒは、開弁状態においてプランジャ室９０を流れる水素ガスによって、図４において太線の矢印で示すように、軸方向Ｄにおいて先端面４４側に向かって移動する。しかしながら、かかるグリスＧｒの移動は、突出部４８によって妨げられる。このように、突出部４８は、摺動面４６に塗布されたグリスＧｒがプランジャ４０の先端面４４とストッパ部７０との間に移動することを抑制している。

上述のように、プランジャ４０の先端面４４は、プランジャ４０の摺動面４６よりも粗く構成されている。このため、プランジャ４０の先端面４４には、微細な凹凸が形成されている。したがって、開弁状態における先端面４４とストッパ部７０との接触面積は、かかる微細な凹凸が形成されていない構成と比較して小さい。このため、摺動面４６に塗布されたグリスＧｒが、突出部４８を超えてプランジャ４０の先端面４４とストッパ部７０との間に移動してしまった場合に、先端面４４とストッパ部７０との接触面積が小さいので、グリスＧｒに起因して先端面４４とストッパ部７０とが互いに吸着することを抑制できる。特に、電磁弁１００が極低温環境に晒されて、先端面４４とストッパ部７０との間に位置するグリスＧｒの粘度が上昇した場合において、先端面４４とストッパ部７０とが互いに吸着することを抑制できる。電磁弁１００が極低温環境に晒される状況としては、外気温が低い環境に燃料電池車両が長時間放置された場合や、外気温が低い環境において高圧水素タンクから水素ガスが連続放出されて水素ガスが断熱膨張する場合等が想定される。

以上説明した本実施形態における電磁弁１００によれば、プランジャ４０の摺動面４６の軸方向Ｄの端部であって先端面４４に近い側の摺動端部４７に、径方向の外側に向かって突出する突出部４８が形成されているので、摺動面４６に塗布されたグリスＧｒが先端面４４とストッパ部７０との間に移動することを抑制できる。このため、電磁弁１００が極低温環境に晒されてグリスＧｒの粘度が上昇した場合に、グリスＧｒに起因する先端面４４とストッパ部７０との吸着を抑制できる。また、摺動面４６に塗布されたグリスＧｒが突出部４８を超えてプランジャ４０の先端面４４とストッパ部７０との間に移動してしまった場合であっても、プランジャ４０の先端面４４がプランジャ４０の摺動面４６よりも粗く、開弁状態における先端面４４とストッパ部７０との接触面積が小さいので、グリスＧｒに起因して先端面４４とストッパ部７０とが吸着することを抑制できる。したがって、グリスＧｒに起因する先端面４４とストッパ部７０との吸着を抑制できるので、先端面４４とストッパ部７０とが吸着して電磁弁１００の閉じ遅れが発生することを抑制できる。このため、例えば、燃料電池システムの起動時や停止時において、電磁弁１００の内部における水素漏れの誤検知を抑制できる。なお、「電磁弁１００の閉じ遅れ」とは、電磁弁１００が全開である状態において閉弁指令を出したタイミングを基準として電磁弁１００が全閉である状態に至るまでの時間（以下、「閉弁時間」とも呼ぶ）が、先端面４４とストッパ部７０との間にグリスＧｒが存在しない場合と比較して長いことを意味する。

また、突出部４８が摺動端部４７の全周に亘って形成されているので、摺動面４６に塗布されたグリスＧｒが先端面４４とストッパ部７０との間に移動することをより抑制できる。また、プランジャ４０の先端面４４の面粗度が摺動面４６の面粗度よりも１０倍以上大きく形成されているので、開弁状態における先端面４４とストッパ部７０との接触面積をより小さくでき、先端面４４とストッパ部７０との吸着をより抑制できる。

Ｂ．比較例：
図５は、比較例の電磁弁においてグリスＧｒが移動する様子を示す説明図である。図５では、実施形態における図４の領域Ａｒと同様の領域を示している。比較例の電磁弁のプランジャ１４０は、突出部が省略されている。また、比較例の電磁弁のプランジャ１４０は、先端面１４４と摺動面１４６との面粗度が同じに形成されている。

電磁弁の使用に伴って、プランジャ１４０の摺動面１４６に塗布されたグリスＧｒは、開弁状態においてプランジャ室９０を流れる水素ガスによって、図５において太線の矢印で示すようにプランジャ１４０の先端面１４４とストッパ部７０との隙間に移動する。このような状態において、電磁弁が極低温環境に晒されると、先端面１４４とストッパ部７０との間に位置するグリスＧｒの粘度が上昇し、先端面１４４とストッパ部７０とが互いに吸着する。このため、比較例の電磁弁では、極低温環境において閉じ遅れが発生する。したがって、燃料電池システムの起動時や停止時において、電磁弁の内部において水素漏れが発生していると誤検知される。

図６は、閉弁時間の確認試験の結果を示す表である。図６では、比較例の電磁弁において、プランジャ１４０に予め塗布するグリスＧｒの量（ｍｇ）を互いに異ならせた３つのサンプルを用い、−５８℃の環境下において、それぞれ閉弁時間（ｍｓ）を測定した結果を示している。なお、各サンプルの閉弁時間は、各サンプルの組み付け直後にそれぞれ測定したものである。

サンプル１とサンプル２との比較から、グリスＧｒが先端面１４４に位置すると、極低温環境下において閉弁時間を長く要することがわかる。サンプル３は、サンプル２において摺動面１４６に塗布されていたグリスＧｒの全量が先端面１４４に移動した状態を示すサンプルである。換言すると、サンプル２の電磁弁の使用に伴って、摺動面１４６に塗布されていたグリスＧｒがプランジャ１４０の先端面１４４へと移動することにより、サンプル３の電磁弁の状態に至ると想定される。サンプル２とサンプル３との比較から、摺動面１４６に塗布されていたグリスＧｒが先端面１４４に移動することにより、極低温環境下において閉弁時間を長く要することがわかる。このように、比較例の電磁弁では、グリスＧｒに起因して、極低温環境において閉じ遅れが発生する。

これに対し、本実施形態の電磁弁１００によれば、プランジャ４０の摺動端部４７に径方向の外側に向かって突出する突出部４８が形成されているので、摺動面４６に塗布されたグリスＧｒが先端面４４とストッパ部７０との間に移動することを抑制でき、電磁弁１００が極低温環境に晒されてグリスＧｒの粘度が上昇した場合に、グリスＧｒに起因する先端面４４とストッパ部７０との吸着を抑制できる。また、プランジャ４０の先端面４４がプランジャ４０の摺動面４６よりも粗いので、摺動面４６に塗布されたグリスＧｒが突出部４８を超えてプランジャ４０の先端面４４とストッパ部７０との間に移動してしまった場合であっても、グリスＧｒに起因して先端面４４とストッパ部７０とが吸着することを抑制できる。したがって、電磁弁１００の閉じ遅れの発生を抑制でき、電磁弁１００の内部における水素漏れの誤検知を抑制できる。

Ｃ．他の実施形態：
上記実施形態における電磁弁１００の構成は、あくまで一例であり、種々変更可能である。例えば、直動式に代えてパイロット式の電磁弁１００として構成されていてもよい。また、例えば、開弁状態と閉弁状態との２つの状態を切り替え可能に構成されていてもよく、開度を段階的に調整可能に構成されていてもよい。

本開示は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行なうことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１０…ヨーク、２０…コイル部、３０…スリーブ、３２…軸孔、４０…プランジャ、４２…基端部、４４…先端面、４６…摺動面、４７…摺動端部、４８…突出部、５０…バネ、６０…流路形成部、６２…弁座、６４…弁開口部、６６…第１の連通路、６７…第２の連通路、６８…第３の連通路、７０…ストッパ部、７２…凹部、８０…ハウジング、８１…第１の流路、８２…第２の流路、８３…第３の流路、９０…プランジャ室、１００…電磁弁、１４０…プランジャ、１４４…先端面、１４６…摺動面、Ａｒ…領域、Ｄ…軸方向、Ｇｒ…グリス

Claims (1)

1. 電磁弁であって、
   コイル部と、
   前記コイル部の径方向の内側に配置され、前記径方向と直交する軸方向に沿った軸孔が形成されたスリーブと、
   前記軸孔に配置され、前記コイル部の励磁に応じて前記軸方向に摺動するプランジャと、
   前記プランジャの基端部により開閉される弁開口部と、
   前記プランジャを前記弁開口部に向かって付勢する弾性部材と、
   前記プランジャの先端面に対向して配置されたストッパ部と、
   を備え、
   前記軸孔を形成する前記スリーブの内周面に対向する前記プランジャの摺動面には、グリスが塗布されており、
   前記プランジャは、前記摺動面の前記軸方向の端部であって前記先端面に近い側の摺動端部に、前記径方向の外側に向かって突出する突出部を有し、
   前記先端面は、前記摺動面よりも粗い、
   電磁弁。

Images