JP4213484B2 - 電磁制御弁 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、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ものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池システム用の電磁式比例弁等として使用される電磁制御弁として、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、電磁ソレノイド装置が発生する電磁力と当該電磁力に対抗するばね手段によるばね力との平衡関係によって弁体を弁軸方向に移動させ、当該移動により弁ポートの開度を比例的に変化させる電磁制御弁が知られている。
【０００３】
この電磁制御弁は、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。
【０００４】
上述の電磁制御弁では、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、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、一次側圧力と二次側圧力との差圧により弁体に作用する力をキャンセルすることができる（例えば、特許文献１）。
【０００５】
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。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−２９５７１２号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した圧力バランス方式の電磁制御弁でも、大流量時に、弁開側に制御流量が変化すると、弁動作が不安定になり、電流−弁開度特性が乱れ、意図する流量制御が行われなくなる現象が生じることがある。
【０００８】
この原因は、電磁ソレノイド装置が二次室側にある型式の電磁制御弁において、大流量時には、流体が弁ポートより噴流状態で二次室に流入し、この噴流が電磁ソレノイド装置の吸引子に貫通形成されている弁棒の貫通孔とこの貫通孔に通された弁棒との間隙（二次室に連通している）を通ってプランジャ室に進入し、これがプランジャ−吸引子間の電磁吸引力に影響を与えるからであると、考えられる。
【０００９】
プランジャ−吸引子間の電磁吸引力が噴流（動圧）の影響を受けると、プランジャの動きが不安定になり、この結果として、プランジャに連結されている弁体の動きが不安定になり、正しい流量制御が行われなくなる。
【００１０】
また、これ以外に、一次側圧力（ライン圧）が、圧力源のポンプや圧縮機の負荷変動に伴う脈動や乱流や、他の制御弁で生じた脈動や、一次室に大流量の流体が流入することにより一次室に生じた脈動や乱流によって動的に変動することがある。
【００１１】
このため、電磁ソレノイド装置が一次室側にある型式の電磁制御弁では、上述の脈動や乱流による一次室の動的な圧力変動成分が電磁ソレノイド装置の吸引子に貫通形成されている弁棒の貫通孔とこの貫通孔に通された弁棒との間隙（一次室に連通している）を通ってプランジャ室に進入し、これがプランジャ−吸引子間の電磁吸引力に影響を与えることがあり、やはり、正しい流量制御が行われなくなる。
【００１２】
この発明は、上述の如き問題点を解消するためになされたもので、弁開時に弁ポートより二次室に流入する噴流や脈動や乱流による一次室の動的な圧力変動成分に起因する動作不安定を低減し、これらの影響を低減して安定した流量制御を行うことができる電磁制御弁を提供することを目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、この発明による電磁制御弁は、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、電磁ソレノイド装置が生じる電磁力と当該電磁力に対抗するばね手段によるばね力との平衡関係によって前記弁体を前記弁ポートの軸線方向に移動させ、当該移動により前記弁ポートの開度を変化する電磁制御弁において、入口ポートと連通した一次室と、出口ポートと連通した二次室と、前記一次室と前記二次室とを連通し、周りに弁座面部を画定する弁ポートとを有する弁ハウジングと、前記弁座面部に離接する方向（弁軸方向）に移動可能に設けられ、弁軸方向の移動によって前記弁ポートの開度調節を行う弁体と、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体が弁軸方向に移動し、当該移動により前記弁ポートの開度を変化する電磁制御弁において、前記弁ハウジングの前記二次室側に前記電磁ソレノイド装置の吸引子が固定され、当該吸引子の先端にカップ状のプランジャケースが固定され、当該プランジャケースの内側にプランジャ室を画定しており、前記吸引子に前記二次室あるいは前記一次室と前記プランジャ室とを連通する貫通孔が貫通形成され、当該貫通孔に前記弁体の弁棒部が貫通挿入され、前記プランジャ室内に位置する前記弁棒部の先端にプランジャが取り付けられており、前記弁棒部のうち、前記貫通孔に嵌合する第１の部分の外径をＤｄ、前記二次室内あるいは前記一次室にあって前記第１の部分に接続する第２の部分の外径をＤｂとし、前記貫通孔の内径をＤｃとし、前記弁ポートを貫通して前記第２の部分に接続する第３の部分の外径をＤｅとし、前記弁ポートの内径をＤａとすると、これら外径、内径の大小関係が、Ｄｂ≧Ｄｃ＞Ｄｄ、Ｄａ＞Ｄｅ、Ｄｂ＞Ｄｅであり、前記弁棒部の前記第３の部分と前記第２の部分とがテーパ軸により接続されていることを特徴としている。
【００１４】
この発明による電磁制御弁によれば、Ｄｂ≧Ｄｃであることにより、その段差によって、弁開時に弁ポートより二次室に流入する噴流あるいは脈動等による一次室の動的な圧力変動成分が、貫通孔とこの貫通孔に通された弁棒（第１の部分）との間隙に入り難くなり、ついては、噴流、動的な圧力変動成分がプランジャ室に入り難くなる。なお、Ｄｃ＞Ｄｄは、弁棒の弁軸方向の動きを阻害しないためと、二次室圧力（静圧）を圧力バランスのためにプランジャ室に導入するための通路を確保するために設定される。更に、Ｄｅ＜Ｄｂで、弁棒部の第３の部分と第２の部分とがテーパ軸により接続されていることにより、テーパ角に応じて噴流圧が弁体に及ぼす弁閉方向の外乱力が低減する。
【００１９】
また、この発明による電磁制御弁は、好ましくは、前記二次室側あるいは前記一次室側に均圧室を設けられており、前記均圧室が二次室側の場合には、該均圧室は均圧通路によって一次室に連通して、当該均圧室の圧力（一次側圧力）が前記二次室の圧力に対抗して前記弁体に作用し、前記均圧室が一次室側の場合には、該均圧室は均圧通路によって前記二次室に連通して、当該均圧室の圧力（二次側圧力）が一次室の圧力に対抗して前記弁体に作用することを特徴としている。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下に添付の図を参照してこの発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１はこの発明による電磁制御弁の一つの実施形態（通電開タイプ）を示している。
【００２１】
電磁制御弁は、弁ハウジング１１を有している。弁ハウジング１１には、入口ポート１２、出口ポート１３、一次室（弁室）１４、弁ポート１５、二次室（上部均圧室）１６、下部均圧室１７が形成されている。入口ポート１２と出口ポート１３は互いに９０度ずれた方向に配置されている。
【００２２】
一次室１４は、弁ポート１５の一方の側（下側）にあって入口ポート１２に直接連通し、弁体２０を収容している。二次室１６は弁ポート１５の他方の側（上側）にあって出口ポート１３に直接連通している。
【００２３】
すなわち、入口ポート１２は一次室１４と連通し、二次室１６は出口ポート１３と連通し、弁ポート１５が一次室１４と二次室１６とを連通している。弁ポート１５の一次室１４側には弁ハウジング１１に固定されたリング状の弁座部材１８が設けられている。弁座部材１８は弁ポート１５の周りに弁座面部１９を画定している。
【００２４】
弁体２０は、一次室１４内に配置されて弁座面部１９に離接する方向、すなわち、弁軸方向（図１にて上下方向）に移動可能である。弁体２０は、弁軸方向の移動により決まる弁座部材１８との軸線方向の位置関係により、弁ポート１５の開度を設定し、図１で見て上方への移動により、弁ポート１５の開度を減少し、これとは逆の下方への移動により、弁ポート１５の開度を増大する。
【００２５】
弁体２０には、定常状態下で、一次室１４の内圧（一次側圧力）Ｐ１と二次室１６の内圧（二次側圧力）Ｐ２との差圧ΔＰ＝Ｐ１−Ｐ２が作用する。差圧ΔＰが弁体２０に作用する面積は、弁ポート１５の内径（弁体２０の有効受圧径）Ｄａにより決まる。
【００２６】
弁体２０の一方の側（上側）には弁棒（弁ステム）２１が一体に設けられている。弁棒２１は、二次室１６を弁ポート１５の軸線方向（上下方向）に横切って延在し、後述する電磁ソレノイド装置５０のプランジャロッドを兼ねている。
【００２７】
弁ハウジング１１の二次室１６側（上側）には、電磁ソレノイド装置５０の吸引子５１の一端部が気密に固定されている。吸引子５１の先端部（他端部）にはプランジャケース５２が気密に固定されている。プランジャケース５２は内側にプランジャ室５３を画定している。
【００２８】
吸引子５１の中心部には二次室１６とプランジャ室５３とを連通する貫通孔５４が貫通形成されている。貫通孔５４には弁棒２１が挿入されている。弁棒２１の先端部２１Ａは貫通孔５４を貫通してプランジャ室５３内に位置しており、この先端部２１Ａにプランジャ５５が固定されている。プランジャケース５２の上端部とプランジャ５５の間にはプランジャばね５６が設けられている。
【００２９】
吸引子５１およびプランジャケース５２の外周部には、ボビン６０、電磁コイル６１、磁気ガイド部材６２が設けられており、電磁コイル６１の励磁により、吸引子５１の上端面がプランジャ５５の磁気吸引面６３となる。
【００３０】
弁ハウジング１１の上側には、下板６４、外凾６５が取り付けられており、外凾６５内に、ボビン６０、電磁コイル６１を収容している。
【００３１】
ここで、弁棒２１のうち、貫通孔５４に挿入する部分を第１の部分２１Ｄ、二次室１６内にあって第１の部分２１Ｄに接続する部分を第２の部分２１Ｂ、弁ポート１５を貫通し第２の部分２１Ｂと弁体２０とを接続する部分を第３の部分２１Ｅと定義する。
【００３２】
この実施形態では、貫通孔５４の内径をＤｃ、弁棒２１の第１の部分２１Ｄの外径をＤｄ、第２の部分２１Ｂの外径をＤｂとし、第３の部分２１Ｅの外径をＤｅとし、弁ポート１５の内径をＤａとすると、これら外径、内径の大小関係が、Ｄｂ＞Ｄｃ＞Ｄｄで、しかも、Ｄａ＞Ｄｅ、Ｄｂ＞Ｄｅに設定されている。そして、弁棒２１の第３の部分２１Ｅと第２の部分２１Ｂとがテーパ軸部２１Ｇにより接続されている。
【００３３】
Ｄｃ＞Ｄｄ、すなわち、貫通孔５４の内径Ｄｃより弁棒２１の第１の部分２１Ｄの外径Ｄｄが小さいことにより、貫通孔５４の内周面と弁棒２１の第１の部分２１Ｄの外周面との間に、二次室１６に直接連通する間隙３１が確保される。
【００３４】
間隙３１は、弁棒２１の弁軸方向の動きを阻害しないためと、二次室１６の内圧（静圧）Ｐ２を圧力バランスのためにプランジャ室５３に導入するための必須の圧力通路となる。
【００３５】
また、Ｄａ＞Ｄｅは、弁ポート１５の有効開口を得るために必須であり、Ｄｂ＞Ｄｅは、弁ポート１５の口径をできるだけ小さくして大きい有効開口を得るために、その逆の大小関係を排除する。これは、いずれにしても、弁棒２１が弁ポート１５を貫通する部分の軸径が所要の機械的強度を確保して可及的に細いことがよいことを意味する。
【００３６】
下部均圧室１７は、弁ハウジング１１の端部（下端部）に形成され、両端を弁ハウジング１１にねじ止めされた固定側ばねリテーナ２２と弁ハウジング１１に取り付けられた可撓性のダイヤフラム２３によって閉じられている。下部均圧室１７は弁ハウジング１１に形成された均圧通路（内部通路）２４によって二次室１６に連通している。これにより、下部均圧室１７と二次室１６とが均圧化される。
【００３７】
ダイヤフラム２３は、外縁側を、弁体２０の全開位置を設定するストッパリング部材２５と共にリング形状の固定ねじ部材２６によって弁ハウジング１１に気密に固定されている。ダイヤフラム２３は、中央部を弁体２０の先端部の小径軸部２０Ａに固定されたボール受け部材２７によって弁体２０に気密に接続されている。この構造により、一次室１４と下部均圧室１７とが気密分離される。
【００３８】
ダイヤフラム２３には一次室１４の内圧Ｐ１と下部均圧室１７の内圧、すなわち二次室１６の内圧Ｐ２との差圧ΔＰが作用する。差圧ΔＰがダイヤフラム２３に作用する面積は、ダイヤフラム２３の有効受圧径Ｄｆにより決まり、有効受圧径Ｄｆは弁ポート１５の内径Ｄａと等しい寸法（Ｄａ＝Ｄｆ）に設定されている。
【００３９】
下部均圧室１７には可動ばねリテーナ２８が軸線方向に可動配置されている。可動ばねリテーナ２８と固定側ばねリテーナ２２との間には圧縮コイルばね２９が設けられている。
【００４０】
可動ばねリテーナ２８の上面部は球面受座部２８Ａになっており、この球面受座部２８Ａと弁体２０側のボール受け部材２７との間にボール部材（鋼球）３０が挟まれている。
【００４１】
ボール部材３０は固定ねじ部材２６より軸線方向に移動可能に支持されている。ボール部材３０は、一方において可動ばねリテーナ２８の球面受座部２８Ａに球面関節式に当接し、他方においてボール受け部材２７に球面関節式に当接している。これにより、弁体２０と可動ばねリテーナ２８との間で自動求心接続構造が成立し、圧縮コイルばね２９のばね力が傾きのない上向きの弁閉力として弁体２０に伝達される。
【００４２】
この電磁制御弁では、電磁ソレノイド装置５０のコイル部６１に通電が行われることにより、その電流量に応じた電磁力が生じ、その電磁力に応じた磁気吸引力によってプランジャ５５が磁気吸引面６３側に吸引される。この吸引力は弁棒２１によって下向きの弁開力として弁体２０に作用する。
【００４３】
これにより、弁体２０は、電磁ソレノイド装置５０が発生する電磁力による吸引力と圧縮コイルばね２９のばね力との平衡関係で、上下動位置（弁開位置）が決まり、これに応じて弁ポート１５の開度が決まる。この弁ポート１５の開度によって入口ポート１２より一次室１４、弁ポート１５、二次室１６を経て出口ポート１３へ流れる流体の流量が定量的に計量される。
【００４４】
下部均圧室１７は均圧通路２４によって二次室１６と連通し、圧力バランスのために、下部均圧室１７には二次室１６側の圧力Ｐ２が導入される。一次室１４と下部均圧室１７とはダイヤフラム２３によって気密分離されているから、一次室１４と下部均圧室１７との間に漏れ流量が生じることがない。
【００４５】
弁ポート１５の内径（弁体２０の有効受圧径）をＤａ、ダイヤフラムシール部材２８の有効受圧径をＤｆとすると、弁体２０には、一次室１４の内圧Ｐ１と二次室１６の内力Ｐ２との差圧ΔＰにより、弁ポート１５側において生じる上向きの力（πＤａ² ／４）ΔＰと、ダイヤフラム２３側において生じる下向きの力（πＤｆ² ／４）ΔＰが、φＤ＝φＤｆであることにより、互いにキャンセルされ、弁体２０の開閉に差圧ΔＰの影響を受けない流量制御が可能になる。
【００４６】
弁軸２１の第２の部分２１Ｂの外径Ｄｂと貫通孔５４の内径Ｄｃとが、Ｄｂ＞Ｄｃであることにより、その段差によってラビリンス効果が得られ、弁開時に弁ポート１５より二次室１６に流入する噴流Ｑが、貫通孔５４の内周面と弁棒２１の第１の部分２１Ｄの外周面との間の間隙３１に入り難くなる。
【００４７】
これにより、噴流Ｑがプランジャ室５３に入り難くなる。この結果、プランジャ室５３に流入する噴流Ｑに起因する動作不安定が低減し、大流量でも安定した流量制御が行われるようになる。
【００４８】
弁棒２１の第３の部分２１Ｅと第２の部分２１Ｂとの接続は、図３に示されているように、テーパ軸部２１Ｇによらずに、ストレート軸同士の接続で行った場合を参考例として考える。
【００４９】
この場合には、弁開時に、噴流Ｑによって弁体２０に弁閉方向の力Ｆが過渡的に作用する。噴流Ｑが弁体２０に及ぼす力Ｆは、流体の比重量をｒ、体積流量をＱｂ、流速をν、重力加速度をｇとすると、下式により表される。
Ｆ＝（ｒ・Ｑｂ・ν）／ｇ
【００５０】
このことに対し、図１に示されている実施形態では、弁棒２１の第３の部分２１Ｅと第２の部分２１Ｂとがテーパ軸部２１Ｇによって滑らかに接続されているから、図２（ａ）、（ｂ）に示されているように、テーパ軸部２１Ｇの傾斜角θに応じ、噴流Ｑが弁体２０に及ぼす力は、ＦからＦ１に低減する。噴流Ｑがテーパ軸部２１Ｇの傾斜面に垂直方向（法線方向）に作用する力をＦｘとすると、力Ｆ１は下式により表される。
Ｆ１＝Ｆｘ・ｓｉｎθ
ＦｘはＦ・ｓｉｎθであるから、
Ｆ１＝Ｆ・ｓｉｎ² θ
【００５１】
このように、弁体２０に弁リフト方向の力として作用する力Ｆ１は、テーパ軸部２１Ｇの傾斜角θに応じた分力相当分となり、二次室１６に流入した噴流Ｑによる流体力が弁体２０に弁リフト方向の外乱力として作用する度合いが低減する。
【００５６】
上述の実施形態では、入口ポート１２→一次室１４→弁ポート１５→二次室１６→出口ポート１３の順に流体が流れるが、同一構成で、これとは逆に、流体が流れる型式のものとすることもできる。この場合には、出口ポート１３が入口ポート、二次室１６が一次室、入口ポート１２が出口ポートとなる。
【００５７】
この場合には、吸引子５１の貫通孔５４の内周面と弁棒２１の第１の部分２１Ｄの外周面との間の間隙３１は一次室に連通する。この場合も、弁軸２１の第２の部分２１Ｂの外径Ｄｂと貫通孔５４の内径Ｄｃとが、Ｄｂ＞Ｄｃであることにより、その段差によってラビリンス効果が得られ、脈動等に起因する一次室の動的な圧力変動成分が、貫通孔５４の内周面と弁棒２１の第１の部分２１Ｄの外周面との間の間隙３１に入り難くなる。
【００５８】
これにより、一次室の動的な圧力変動成分がプランジャ室５３に入り難くなる。この結果、一次室の動的な圧力変動成分に起因する動作不安定が低減し、安定した流量制御が行われるようになる。
【００６９】
【発明の効果】
以上の説明から理解される如く、この発明による電磁制御弁によれば、各部の相対的な寸法設定により、ラビリンス効果が得られ、弁開時に弁ポートより二次室に流入する噴流、あるいは脈動等に起因する一次室の動的な圧力変動成分がプランジャ室に入り難くしなり、プランジャ室に流入する噴流、動的な圧力変動成分に起因する動作不安定が低減し、大流量でも安定した流量制御が行われ、しかも、テーパ軸により接続されていることにより、テーパ角に応じて噴流圧が弁体に及ぼす弁閉方向の外乱力が低減するようなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明による電磁制御弁の一つの実施形態を示す断面図である。
【図２】 （ａ）はこの発明による電磁制御弁の一つの実施形態の要部を拡大して示す拡大断面図であり、（ｂ）はテーパ軸部に衝突する噴流による流体力の解析を示す図である。
【図３】 この発明による電磁制御弁の参考例の要部を拡大して示す拡大断面図である。
【符号の説明】
１１ 弁ハウジング
１２ 入口ポート
１３ 出口ポート
１４ 一次室
１５ 弁ポート
１６ 二次室
１７ 下部均圧室
１８ 弁座部材
２０ 弁体
２１ 弁棒
２１Ｂ 第２の部分
２１Ｄ 第１の部分
２１Ｅ 第３の部分
２１Ｇ テーパ軸部
２３ ダイヤフラム
２４ 均圧通路
２６ ボール部材
２９ 圧縮コイルばね
３０ ボール部材
３１ 間隙
５０ 電磁ソレノイド装置
５１ 吸引子
５３ プランジャ室
５４ 貫通孔
５５ プランジャ
６１ コイル部
６３ 磁気吸引面

Claims (2)

1. 入口ポートと連通した一次室と、出口ポートと連通した二次室と、前記一次室と前記二次室とを連通し、周りに弁座面部を画定する弁ポートとを有する弁ハウジングと、
   前記弁座面部に離接する方向（弁軸方向）に移動可能に設けられ、弁軸方向の移動によって前記弁ポートの開度調節を行う弁体と、
   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体が弁軸方向に移動し、当該移動により前記弁ポートの開度を変化する電磁制御弁において、
   前記弁ハウジングの前記二次室側あるいは前記一次室側に前記電磁ソレノイド装置の吸引子が固定され、
   前記吸引子の先端にプランジャケースが固定され、
   前記プランジャケースの内側にプランジャ室を画定しており、
   前記吸引子に前記二次室あるいは前記一次室と前記プランジャ室とを連通する貫通孔が貫通形成され、
   前記貫通孔に前記弁体の弁棒部が貫通挿入され、
   前記プランジャ室内に位置する前記弁棒部の先端にプランジャが取り付けられており、
   前記弁棒部のうち、前記貫通孔に嵌合する第１の部分の外径をＤｄ、前記二次室あるいは前記一次室内にあって前記第１の部分に接続する第２の部分の外径をＤｂとし、前記貫通孔の内径をＤｃとし、前記弁ポートを貫通して前記第２の部分に接続する第３の部分の外径をＤｅとし、前記弁ポートの内径をＤａとすると、これら外径、内径の大小関係が、
   Ｄｂ≧Ｄｃ＞Ｄｄ、Ｄａ＞Ｄｅ、Ｄｂ＞Ｄｅ
   であり、
   前記弁棒部の前記第３の部分と前記第２の部分とがテーパ軸により接続されていることを特徴とする電磁制御弁。
2. 前記二次室側あるいは前記一次室側に均圧室を設けられており、
   前記均圧室が二次室側の場合には、該均圧室は均圧通路によって一次室に連通して、当該均圧室の圧力（一次側圧力）が前記二次室の圧力に対抗して前記弁体に作用し、
   前記均圧室が一次室側の場合には、該均圧室は均圧通路によって前記二次室に連通して、当該均圧室の圧力（二次側圧力）が一次室の圧力に対抗して前記弁体に作用することを特徴とする請求項１記載の電磁制御弁。

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