JP2022142303A - 電磁弁 - Google Patents

Abstract

【課題】弁体が受ける摺動抵抗を低減できる電磁弁を提供する。【解決手段】本開示の一態様は、コイル２１に通電が行なわれていないときにバルブ１２がシート１３に接する閉弁状態になり、コイル２１に通電が行なわれているときにバルブ１２がその軸方向に移動してバルブ１２がシート１３から離れる開弁状態になる燃料噴射装置１において、バルブ１２の本体部４１の外周面４１ａが、ロワボデー１４の内周面１４ａと非磁性リング５１の内周面５１ａとコア２２の内周面２２ａのうち、非磁性リング５１の内周面５１ａのみに接触している。【選択図】図１

Description

本開示は、流体の制御に使用される電磁弁に関する。

電磁弁に関する文献として、特許文献１には、弁体と、弁シートと、弁体が収容される弁シートホルダおよびスリーブと、を有し、ソレノイドへの通電の有無により、弁体が弁シートの燃料噴射孔を開放または閉塞する燃料噴射弁が開示されている。

特開２００９－６２８６７号公報

特許文献１に開示される燃料噴射弁において、弁体が弁シートの燃料噴射孔を開放または閉塞する際に、弁体がスリーブとともに弁シートホルダにも摺動して、弁体が受ける摺動抵抗が大きくなるおそれがある。

そこで、本開示は上記した課題を解決するためになされたものであり、弁体が受ける摺動抵抗を低減できる電磁弁を提供することを目的とする。

上記課題を解決するためになされた本開示の一形態は、弁座と、磁性体である弁体と、前記弁体を収容する筒状の磁性部材と、前記弁体の軸方向に前記磁性部材と並んで配置され、前記磁性部材とともに前記弁体を収容する筒状の非磁性部材と、前記弁体を駆動させる駆動部と、を有し、前記駆動部に通電が行なわれていないときに前記弁体が前記弁座に接する閉弁状態になり、前記駆動部に通電が行なわれているときに前記弁体がその軸方向に移動して前記弁体が前記弁座から離れる開弁状態になる電磁弁において、前記弁体の外周面が、前記磁性部材の内周面と前記非磁性部材の内周面のうち、前記非磁性部材の内周面のみに接触していること、を特徴とする。

この態様によれば、電磁弁が開閉弁動作を行うときに、弁体は、非磁性部材と摺動するが、磁性部材とは摺動しない。そのため、弁体における摺動面積が小さくなるので、弁体が受ける摺動抵抗を低減できる。したがって、電磁弁が開閉弁動作を行うときに電磁弁の軸方向の移動が安定するので、電磁弁の開弁度を精度よく調整できる。

また、弁体は、非磁性部材に接触して当該非磁性部材により支持されている一方で、磁性部材と接触しておらず、弁体と磁性部材との間にはエアギャップ（空隙）が存在する。これによっても、電磁弁が開閉弁動作を行うときに、弁体はその軸方向に安定して移動できるので、弁体が非磁性部材から受ける摺動抵抗を低減できる。そして、弁体の耐久性が向上する。

上記の態様においては、前記磁性部材として、前記非磁性部材に対して閉弁側に配置される閉弁側の磁性部材を有し、前記閉弁状態時に前記閉弁側の磁性部材における前記弁体の外周面に対向する部分である閉弁側対向部分にて、内周面の軸方向の幅よりも、径方向の幅を小さくすること、が好ましい。

この態様によれば、駆動部に通電が行なわれて電磁弁が開閉弁動作を行うときに、弁体に対してその径方向に作用する閉弁側の磁性部材の吸引力が低減する。そのため、より効果的に、弁体はその軸方向に安定して移動できるので、弁体が非磁性部材から受ける摺動抵抗を低減できる。

上記の態様においては、前記磁性部材として、前記非磁性部材に対して開弁側に配置される開弁側の磁性部材を有し、前記弁体が前記弁座から最も離れる全開状態時に前記開弁側の磁性部材における前記弁体の外周面に対向する部分である開弁側対向部分にて、内周面の軸方向の幅よりも、径方向の幅を小さくすること、が好ましい。

この態様によれば、駆動部に通電が行なわれて電磁弁が開閉弁動作を行うときに、弁体に対してその径方向に作用する開弁側の磁性部材の吸引力が低減する。そのため、より効果的に、弁体はその軸方向に安定して移動できるので、弁体が非磁性部材から受ける摺動抵抗を低減できる。

上記の態様においては、前記非磁性部材は、環状に形成されていること、が好ましい。

この態様によれば、非磁性部材を、容易に加工できる。

本開示の電磁弁によれば、弁体が受ける摺動抵抗を低減できる。

本実施形態の電磁弁の断面図であり、閉弁状態を示している。 本実施形態の電磁弁の断面図であり、開弁状態（詳しくは、全開状態）を示している。 電磁弁が閉弁状態であるときのロワボデーとバルブとの間の磁路に関するイメージ図である。 電磁弁が開弁状態であるときのロワボデーとバルブとの間の磁路に関するイメージ図である。 ロワボデーとバルブの対向部分の拡大図である。 コアとバルブの対向部分の拡大図である。

本実施形態では、本開示の電磁弁を、燃料噴射装置（リニアソレノイド）に適用した場合について説明する。この燃料噴射装置は、例えば、燃料電池車においてガス燃料（例えば、水素）を燃料電池（不図示）に供給するための装置である。

＜燃料噴射装置の構成＞
本実施形態の燃料噴射装置１は、図１に示すように、リニアソレノイド部１１と、バルブ１２と、シート１３と、ロワボデー１４などを有する。

リニアソレノイド部１１は、コイル２１と、コア２２と、バルブ１２と、圧縮ばね２３と、ヨーク２４などを備える。

コイル２１は、中空円筒状のコイルボビン２５に導線が巻かれて形成されている。このコイル２１は、バルブ１２を駆動させる駆動部である。また、コイルボビン２５の中空部に、コア２２とバルブ１２が配置されている。

コア２２は、いわゆる固定コアであり、コイルボビン２５の一端に配置されている。コア２２は、略円筒状（真円筒状や楕円筒状などを含む）に形成され、大径凹部３１と、小径凹部３２と、貫通孔３３を備えている。小径凹部３２は、圧縮ばね２３が配置される部分であり、大径凹部３１は、開弁動作時にバルブ１２が移動する部分である。貫通孔３３は、小径凹部３２と外部との間を貫通する部分である。なお、大径凹部３１における小径凹部３２側の端部に、環状の非磁性部材であるリング状部材２６が配置されている。

本実施形態では、コア２２は、非磁性リング５１に対して開弁側（すなわち、開弁動作時にバルブ１２が移動する側）に配置されている。なお、コア２２は、本開示の「磁性部材」や「開弁側の磁性部材」の一例である。

バルブ１２は、いわゆる可動コアであり、略円筒状（真円筒状や楕円筒状などを含む）に形成され、本体部４１と、弁体部４２とを備えている。図１に示す例では、本体部４１はその外周面４１ａが円筒状に形成されており、弁体部４２はその外径が本体部４１の外径よりも小さく形成されている。バルブ１２は、軟磁性材料（例えば、電磁ステンレス鋼）により形成される磁性体である。なお、バルブ１２は、本開示の「弁体」の一例である。

バルブ１２は、本体部４１の一部と弁体部４２とがロワボデー１４内に配置されている。また、本体部４１は、コイルボビン２５の中空部内に位置している。本実施形態では、バルブ１２は、本体部４１が非磁性リング５１に摺動可能に支持されている。

圧縮ばね２３は、小径凹部３２内であってコア２２とバルブ１２との間に配置されている。圧縮ばね２３は、圧縮された状態となっており、バルブ１２をシート１３に向けて付勢している。

ヨーク２４は、コイル２１を取り囲むように配置されている。ヨーク２４の開口部分には、蓋部材２７が配置されている。これらヨーク２４と蓋部材２７は、軟磁性材料（例えば、電磁ステンレス鋼）により形成されており、リニアソレノイド部１１のカバーを構成している。

バルブ１２は、シート１３に対してガス燃料の流れ方向の下流側に配置されている。バルブ１２は、その端面にシール部材１５を備えている。このシール部材１５が、シート１３に対し当接／離間する部分である。シール部材１５は、ゴムや樹脂等の弾性体により形成されている。また、バルブ１２には、コア２２の貫通孔３３に連通する貫通孔４３と、この貫通孔４３と後述するロワボデー１４の燃料流路７１とに連通する連通孔４４が設けられている。そして、コア２２の貫通孔３３と小径凹部３２と大径凹部３１と、バルブ１２の貫通孔４３と連通孔４４と、ロワボデー１４の燃料流路７１とにより、燃料流路が形成されている。そして、コア２２の貫通孔３３が燃料配管を介して燃料電池に接続されていることにより、燃料流路が燃料電池に接続されている。

シート１３は、ロワボデー１４に固定されている。このシート１３に対して、バルブ１２のシール部材１５が弾性変形しつつ接することにより、ガス燃料の供給停止時（閉弁時）におけるシール性が確保されている。そして、シート１３は、バルブ１２に対してガス燃料の流れ方向の上流側に配置されている。シート１３の中央部分には、貫通孔６１が形成されている。この貫通孔６１は、シート１３を軸方向に貫通する孔であり、ガス燃料の流路である。貫通孔６１は、燃料配管を介して燃料容器（例えば、水素ボンベ）に接続されている。なお、シート１３は、本開示の「弁座」の一例である。

ロワボデー１４は、いわゆるハウジングであり、略円筒状に形成され、バルブ１２の一部と、シート１３などを収容している。このロワボデー１４は、軟磁性材料（例えば、電磁ステンレス鋼）により形成される磁性体である。そして、ロワボデー１４の内部には、ガス燃料が流れる燃料流路７１が形成されている。本実施形態では、ロワボデー１４は、非磁性リング５１に対して閉弁側（すなわち、閉弁動作時にバルブ１２が移動する側）に配置されている。なお、ロワボデー１４は、本開示の「磁性部材」や「閉弁側の磁性部材」の一例である。

ロワボデー１４の一部（バルブ１２の本体部４１を収容する部分）は、コイルボビン２５の中空部の他端（コア２２と反対側）に配置されている。

本実施形態では、ロワボデー１４の端部とコア２２の端部と間にて、バルブ１２の軸方向にロワボデー１４やコア２２と並んで、非磁性体の環状（例えば、円環状）部材である非磁性リング５１が配置されている。この非磁性リング５１は、磁性部材とともに前記弁体を収容する円筒状の非磁性部材である。

＜燃料噴射装置の動作＞
次に、燃料噴射装置１の作用（動作）について説明する。まず、コイル２１に通電が行われていないときに、すなわち、閉弁状態時に、図１に示すように、圧縮ばね２３の付勢力により、バルブ１２のシール部材１５は、シート１３に接している。そのため、シート１３の貫通孔６１は、燃料流路７１と遮断されている。従って、貫通孔６１からガス燃料が燃料流路７１へ流れない。

一方、コイル２１に通電が行われているときに、すなわち、開弁状態時に、コイル２１の周辺には、磁束がヨーク２４、ロワボデー１４、バルブ１２、コア２２、及び蓋部材２７を流れてヨーク２４に戻る磁気回路が形成される。そのため、コア２２がバルブ１２を吸引する磁気吸引力が発生する。これにより、バルブ１２がその軸方向のコア２２側へ移動する。そのため、バルブ１２のシール部材１５は、シート１３から離れる。これにより、シート１３の貫通孔６１は、燃料流路７１と連通する。

具体的には、貫通孔６１は、バルブ１２のシール部材１５とシート１３との間の隙間を介して、燃料流路７１と連通する。そのため、貫通孔６１内を流れるガス燃料は、シール部材１５とシート１３との間の隙間を通って、燃料流路７１に流れ込む。これにより、燃料流路７１から、バルブ１２の連通孔４４と貫通孔４３と、コア２２の大径凹部３１と小径凹部３２と貫通孔３３とを介して、ガス燃料が燃料噴射装置１の外部へ放出される。このとき、コイル２１に流す電流量に応じて（比例して）、バルブ１２の移動量が変化する。そのため、コイル２１に流す電流量を制御することにより、燃料噴射装置１の開度を調整してガス燃料の供給量を制御することができる。

＜バルブとその周辺について＞
次に、バルブ１２とその周辺について説明する。

本実施形態では、バルブ１２の本体部４１の外周面４１ａが、ロワボデー１４の内周面１４ａと非磁性リング５１の内周面５１ａとコア２２の内周面２２ａのうち、非磁性リング５１の内周面５１ａのみに接触している。具体的には、非磁性リング５１の内径（すなわち、内周面５１ａの直径）を、ロワボデー１４の内径（すなわち、内周面１４ａの直径）や、コア２２の大径凹部３１の内径（すなわち、内周面２２ａの直径）よりも小さくしている。

これにより、燃料噴射装置１が開閉弁動作を行うときに、バルブ１２は、非磁性リング５１の内周面５１ａと摺動するが、ロワボデー１４の内周面１４ａやコア２２の内周面２２ａとは摺動しない。そのため、バルブ１２における摺動面積が小さくなるので、バルブ１２が受ける摺動抵抗を低減できる。したがって、燃料噴射装置１が開閉弁動作を行うときにバルブ１２の軸方向の移動が安定するので、燃料噴射装置１の開弁度を精度よく調整できる。ゆえに、燃料噴射装置１による燃料電池への燃料供給量の精度が向上する。

また、バルブ１２は、非磁性リング５１に接触して当該非磁性リング５１により支持されている一方で、ロワボデー１４やコア２２と接触しておらず、バルブ１２とロワボデー１４との間や、バルブ１２とコア２２との間には、エアギャップ（空隙）が存在する。そのため、非磁性リング５１に支持されるバルブ１２の中心軸の位置がロワボデー１４やコア２２の中心軸の位置またはその付近に維持される。したがって、ロワボデー１４やコア２２によりバルブ１２の径方向に作用する吸引力が、バルブ１２の周方向について、部分的に偏り難くなり、均一に作用する。ゆえに、燃料噴射装置１が開閉弁動作を行うときに、バルブ１２はその軸方向に安定して移動できるので、バルブ１２が非磁性リング５１から受ける摺動抵抗を低減できる。そして、バルブ１２の耐久性が向上する。

さらに、燃料噴射装置１におけるヒステリシス（すなわち、開弁動作時と閉弁動作時における電流特性の違い）の低減を図ることができる。

また、非磁性リング５１は、環状に形成されているので、容易に、内周面５１ａの面粗度を向上させながら、加工できる。そのため、燃料噴射装置１が開閉弁動作を行うときに、より確実に、バルブ１２が受ける摺動抵抗を低減できる。

また、図３に示すように閉弁状態時におけるロワボデー１４とバルブ１２の対向距離Ｌ１よりも、図４に示すように開弁状態時におけるロワボデー１４とバルブ１２の対向距離Ｌ２のほうが小さくなる。このようにして、開弁動作により開弁度が大きくなるに従い、ロワボデー１４とバルブ１２の対向距離が小さくなり、ロワボデー１４とバルブ１２との間で磁束が流れ難くなる。そのため、開弁度が大きくなるに従い、コア２２によりバルブ１２の軸方向に作用する吸引力が低下するので、開弁動作を行うには、コイル２１に対してより大きな電流を流す必要がある。したがって、電流による開弁度の調整範囲を広げることができ、開弁度の調整分解能を向上させることができる。ゆえに、電流値に対する燃料噴射装置１の流量特性を向上させることができる。

また、図５（すなわち、図１に示す領域αの拡大図）に示すように、閉弁状態時にロワボデー１４におけるバルブ１２の本体部４１の外周面４１ａに対向する部分である対向部分Ａにて、内周面１４ａの軸方向の幅δＡ１よりも、径方向の幅δＡ２（すなわち、厚み）を小さくする。なお、対向部分Ａは、本開示の「閉弁側対向部分」の一例である。

これにより、コイル２１に通電が行なわれて燃料噴射装置１が開閉弁動作を行うときに、ロワボデー１４によりバルブ１２の径方向に作用する吸引力が低減する。そのため、より効果的に、バルブ１２はその軸方向に安定して移動できるので、バルブ１２が非磁性リング５１から受ける摺動抵抗を低減できる。

また、図６（すなわち、図２に示す領域βの拡大図）に示すように、開弁状態時に、詳しくは、バルブ１２がシート１３から最も離れて開弁度が最も大きい全開状態時にコア２２におけるバルブ１２の本体部４１の外周面４１ａに対向する部分である対向部分Ｂにて、内周面２２ａの軸方向の幅δＢ１よりも、径方向の幅δＢ２（すなわち、厚み）を小さくする。なお、対向部分Ｂは、本開示の「閉弁側対向部分」の一例である。

これにより、コイル２１に通電が行なわれて燃料噴射装置１が開閉弁動作を行うときに、コア２２によりバルブ１２の径方向に作用する吸引力が低減する。そのため、より効果的に、バルブ１２はその軸方向に安定して移動できるので、バルブ１２が非磁性リング５１から受ける摺動抵抗を低減できる。

なお、上記した実施の形態は単なる例示にすぎず、本開示を何ら限定するものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能であることはもちろんである。

１ 燃料噴射装置
１１ リニアソレノイド部
１２ バルブ
１３ シート
１４ ロワボデー
１４ａ 内周面
２１ コイル
２２ コア
２２ａ 内周面
３１ 大径凹部
３２ 小径凹部
４１ 本体部
４１ａ 外周面
４２ 弁体部
５１ 非磁性リング
５１ａ 内周面
６１ 貫通孔
Ｌ１ 対向距離
Ｌ２ 対向距離
Ａ 対向部分
δＡ１ 軸方向の幅
δＡ２ 径方向の幅
Ｂ 対向部分
δＢ１ 軸方向の幅
δＢ２ 径方向の幅

Claims (4)

1. 弁座と、
   磁性体である弁体と、
   前記弁体を収容する筒状の磁性部材と、
   前記弁体の軸方向に前記磁性部材と並んで配置され、前記磁性部材とともに前記弁体を収容する筒状の非磁性部材と、
   前記弁体を駆動させる駆動部と、を有し、
   前記駆動部に通電が行なわれていないときに前記弁体が前記弁座に接する閉弁状態になり、前記駆動部に通電が行なわれているときに前記弁体がその軸方向に移動して前記弁体が前記弁座から離れる開弁状態になる電磁弁において、
   前記弁体の外周面が、前記磁性部材の内周面と前記非磁性部材の内周面のうち、前記非磁性部材の内周面のみに接触していること、
   を特徴とする電磁弁。
2. 請求項１の電磁弁において、
   前記磁性部材として、前記非磁性部材に対して閉弁側に配置される閉弁側の磁性部材を有し、
   前記閉弁状態時に前記閉弁側の磁性部材における前記弁体の外周面に対向する部分である閉弁側対向部分にて、内周面の軸方向の幅よりも、径方向の幅を小さくすること、
   を特徴とする電磁弁。
3. 請求項１または２の電磁弁において、
   前記磁性部材として、前記非磁性部材に対して開弁側に配置される開弁側の磁性部材を有し、
   前記弁体が前記弁座から最も離れる全開状態時に前記開弁側の磁性部材における前記弁体の外周面に対向する部分である開弁側対向部分にて、内周面の軸方向の幅よりも、径方向の幅を小さくすること、
   を特徴とする電磁弁。
4. 請求項１乃至３のいずれか１つの電磁弁において、
   前記非磁性部材は、環状に形成されていること、
   を特徴とする電磁弁。

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