JP4852457B2 - 電磁弁 - Google Patents

Description

本発明は、電磁弁に係り、特に、液水または水蒸気を含むガスの流量調整または開閉に好適な電磁弁に関する。

燃料電池システムを搭載した燃料電池自動車や戸外に設置される燃料電池コジェネレーションシステム等では、冬季に氷結の可能性がある。特に、液水または水蒸気を含むガスの流量調整または開閉に用いる電磁弁は、弁体部と弁座部の間、及びプランジャ周囲が氷結すると作動しなくなり、燃料電池の起動や運転が不能となる。

このような電磁弁の氷結対策として、電磁弁内に水分が残らない構造、またはプランジャ部と弁室とをダイヤフラムにより遮断する構造などが提案されている（例えば、特許文献１、２）。
特開２００４−１６２８７８号公報（第５頁、図１） 特開２００４−１７９１１８号公報（第１０頁、図３）

しかしながら、上記従来の構造では、水平に停車した場合には、電磁弁内に水分が溜まらない構造なので、電磁弁の氷結が防止されるが、傾斜地（例えば３０％勾配）に長時間停車した場合には、電磁弁内に水分が溜まる構造なので、氷結により電磁弁が作動しなくなるという問題点があった。

また、電磁弁内のプランジャ部と弁室とを遮断するダイヤフラム（弾性部材）が弁体部と別々な構造になっているので、電磁弁自体が大きくなり、その組み立て作業も複雑になるという問題点があった。

上記問題点を解決するために本発明は、使用環境下で凍結の可能性がある物質を含む流体の流量調整または開閉に用いられる電磁弁において、前記流体を導入または排出する第１ポート及び第１ポートの逆方向に前記流体を排出または導入する第２ポートを有する本体と、第１ポートと外部を接続する第１流路及び第２ポートと外部を接続する第２流路を有するハウジングと、電流により励磁作用を伴うソレノイド部と、前記ソレノイド部の励磁作用によって軸線方向に沿って変位するプランジャと、前記プランジャの一端部に固定される弁体と、前記プランジャの変位作用によって前記弁体が着座・離間する弁座を備える弁座部と、前記弁体と一体化され前記プランジャ及び前記ソレノイド部への前記流体の進入を隔離する弾性部材と、を備え、前記弾性部材が前記弁体より上方に位置し、前記弁座部が前記弁体より下方に位置し、前記第１流路及び第２流路は前記弁座部より下方に位置し、前記第１流路及び第２流路は、前記弁座部から下方に傾斜するように形成されたことを要旨とする。

本発明によれば、弾性部材によりプランジャ及びソレノイド部への流体の進入が隔離されるので、弁体に駆動力を与える部分が凍結せず、さらに、弁体及び弁座部に水分が溜まらず流体流路から排出されるために、車両が傾斜した姿勢で氷点下に長時間放置されても氷結を防止し、電磁弁を作動させることができるという効果がある。

また、電磁弁内のプランジャ部と弁室とを遮断する弾性部材が弁体と一体構造になっているので、電磁弁自体を小型化し、その組み立て作業性も向上させることができるという効果がある。

次に、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。以下の各実施例に説明する電磁弁は、特に限定されないが、氷点下となる環境に設置される燃料電池、または燃料電池車両に好適な電磁弁である。

図１は、本発明に係る電磁弁の実施例１を説明する縦断面図である。同図において、電磁弁１は、使用環境下で凍結の可能性がある物質を含む流体の流量調整または開閉に用いられる電磁弁である。燃料電池の場合、電磁弁の制御対象の流体は、水蒸気を含む燃料ガスや、生成水を水蒸気または水滴として含むカソード（空気極）排気や、同様の生成水を含む再循環燃料ガス（アノードオフガス）が相当する。

図１において、電磁弁１は、流体を導入する第１ポート２及び流体を排出する第２ポート３を有する本体４と、流体を第１ポート２へ導入する第１流路５及び流体を第２ポート３から排出する第２流路６を有するハウジング７と、電流により励磁作用を伴うソレノイド部３０と、ソレノイド部３０の励磁作用によって軸線方向に沿って変位するプランジャ３４と、プランジャ３４の一端部に固定される弁体１０と、プランジャ３４の変位作用によって弁体１０が着座・離間する弁座１２ａを備える弁座部１２と、弁体１０と一体化されプランジャ３４及びソレノイド部３０への流体の進入を隔離するダイヤフラム（弾性部材）１１とを備えている。

そして、ダイヤフラム１１が弁体１０より上方に位置し、弁座部１２が弁体１０より下方に位置し、第１流路５及び第２流路６は弁座部１２より下方に位置し、第２流路６は、弁座部１２からハウジング７の外周に向けて下方に傾斜するように形成され、第１流路５は、弁座部１２から垂直下方に配置されている。

ハウジング７は、概略、円柱に、上方へ行くに従って径が大きくなる２または３段の同軸状の孔を設けた形状をしている。同軸状の孔の最上段には、第２流路６が連通している。同軸状の孔の最下段は、第１流路５そのものである。また第１段と第２段の間には、ハウジング７の外周へ向かって底面が傾斜する溝１７がハウジング７の内周に設けられ、溝１７は第２流路６に接続している。従って、ハウジング７の内部に凝結水が溜まることなく、溝１７を経て第２流路６から流出することができる。

本体４は、略下半分で接続した略同軸２重円筒状であり、両円筒間の空間を弁室１８と呼ぶ。外側の円筒部に複数（実施例１では２つ）の横孔を設けて第２ポート３としている。本体４の内側円筒の先端部が弁座部１２である。弁体１０は、底付き円筒形状であり、円筒上端部の周囲に幅広円環状のダイヤフラム１１が接続している。

弁体１０とダイヤフラム１１とは、シリコンゴムや非加硫ゴム等の弾性材による一体成型品である。シリコンゴムや非加硫ゴム等を用いるのは、燃料電池触媒を被毒することがないためである。

接続棒８は弁体１０とダイヤフラム１１と一体成型品であり、接続棒８の外周に形成された環状の溝８ｂは、接続棒８から弁体１０が外れることを防止している。プランジャ３４と接続棒８はカシメまたはねじ止めにて一体とされている。

ダイヤフラム１１の外周部には、厚さを増加させた環状のリム部１１ａが形成され、本体４の上部に形成された環状溝４ａに嵌め込まれている。またダイヤフラム１１の上には環状のガイド部材９が設けられ、ダイヤフラム１１のリム部１１ａを環状溝４ａとガイド部材９の底面とで挟持している。また、ガイド部材９の底面は、弁体１０が上昇したときに、ダイヤフラム１１が必要以上変形しないように、円錐台状の窪み９ｂが形成されている。

ソレノイド部３０は、下端側をフランジ３２を介してハウジング７に取り付けられたプランジャチューブ３１と、プランジャチューブ３１の上端部に固定された吸引子３３と、プランジャチューブ３１内に上下可動に設けられた略中空円筒状のプランジャ３４と、吸引子３３とプランジャ３４との間に設けられて、プランジャ３４を下方（プランジャ３４を吸引子３３より引き離す方向、即ち閉弁方向）に付勢する圧縮コイルばねによるプランジャばね３５と、吸引子３３とプランジャ３４の上端部との間に配置され両者の衝突を和らげる緩衝部材３６と、プランジャチューブ３１の外周に嵌合装着された電磁コイル３７とを有している。プランジャチューブ３１の内部空間は、プランジャ３４が上下に滑動するソレノイド室１９である。

ダイヤフラム１１により、弁室１８とソレノイド室１９と隔離することができ、弁室１８からソレノイド室１９への水分の進入を防止することができる。このためソレノイド室１９内のプランジャ３４が凍結して動作不能となることを回避できる。

次に、実施例１の電磁弁の組み立て手順を説明する。まずプランジャ３４とプランジャばね３５を除いたソレノイド部３０を組み立てる。次いで接続棒８の上からガイド部材９を通し、プランジャ３４と接続棒８とをカシメにより接続する。次いで、ダイヤフラム１１のリム部１１ａと本体４の溝４ａとを合わせて、プランジャ３４の内部にプランジャばね３５を保持したものをプランジャチューブ３１内へ納める。次いで、袋ナット４１をフランジ３２のスカート部３２ａのねじに螺合させて本体４とフランジ３２とを一体化させる。最後に本体４にＯリング４０を填めたものをハウジング７に納めて、ハウジング７とフランジ３２との間にＯリング３９を介在させて、ボルト３８によりフランジ３２をハウジング７に固定する。

本実施例によれば、オリフィス孔１６を有する弁座部１２と一体となった本体４が、ハウジング７及びソレノイド部３０に対して交換可能となっているので、異なる開閉流量の電磁弁を容易に製造することができる。

従来の燃料電池システムを搭載した燃料電池自動車では、氷点下の環境で車両を傾斜地に長時間放置しておくと、電磁弁内に溜まった水分が氷結して電磁弁が作動しなくなるという問題点があった。しかしながら本実施例の電磁弁１は、弁室１８とソレノイド室１９との間にダイヤフラム１１を設けて両者を隔離することにより、弁室１８からソレノイド室１９への水分の進入を防止した。従って氷点下でもソレノイド室１９内のプランジャ３４が氷結することなく作動可能である。

また、ダイヤフラム１１、弁体１０及び弁座１２ａからは、水分が重力により下方に流れ落ちて、第１流路５及び第２流路６に排出されるために、氷点下の環境でも、ダイヤフラム１１、弁体１０及び弁座１２ａが氷結することなく、電磁弁１が作動することができる。

そして、弁体１０とダイヤフラム１１とを一体化させたことにより、電磁弁１自体を小さくすることが可能になり、特に限られた自動車空間に設置するには都合がよい。さらに弁体１０とダイヤフラム１１とが別体である場合には、弁座１２ａを挟んで弁体１０とダイヤフラム１１とをそれぞれ組み付けねばならず、非常に熟練した組み立て技術が必要であった。しかし本発明によれば、弁体１０とダイヤフラム１１とを一体化させたことにより、弁体１０とダイヤフラム１１との本体４への組付けが１回となり、組み立てに熟練を要することなく組立作業性が大幅に向上する。

図２は、弁座部１２の周囲の詳細を説明する拡大断面図である。弁座部１２にオリフィス孔１６を設け、弁座部とオリフィスとを一体化している。そして弁座部１２には、弁体１０が上方から当接・離脱するようになっている。

ここで、本体内径Ｄ１と弁座外径Ｄ２の関係を考慮する。本体内径Ｄ１と弁座外径Ｄ２との間の環状の空間があまり狭いと、水分が表面張力により留まり、氷点下で凍結する虞がある。上記環状空間の弁体移動方向への平面投影面積Ｓ１と、弁座外径Ｄ２との関係が次の式（１）を満たせば、水分が表面張力により留まらず排出される。

Ｓ１／Ｄ２≧２２ …（１）
例えば、弁座外径Ｄ２＝３．５ｍｍ、本体内径Ｄ１＝１１．０ｍｍとすれば、Ｓ１＝π×（Ｄ１／２）² −π×（Ｄ２／２）² ＝８５．３６ｍｍ² であり、Ｓ１／Ｄ２＝２４．３８となり、式（１）の条件を満たし、水分が表面張力により本体内径Ｄ１と弁座外径Ｄ２との間の環状の空間に留まることはなく、容易に排出される。

また、第２ポート３である横孔の開口面積Ｓ２と上記環状空間の平面投影面積Ｓ１との関係が次の式（２）を満足すれば、水分が横孔に留まらず容易に排出される。

Ｓ２≧Ｓ１＝π×（Ｄ１／２）² −π×（Ｄ２／２）² …（２）
例えば、弁座外径Ｄ２＝３．５ｍｍ、本体内径Ｄ１＝１１．０ｍｍ、横孔３（２個）の直径Ｄ４を８．０ｍｍとすれば、次の式（３）となり、Ｓ２≧Ｓ１を満足し、水分が横孔に留まらず容易に排出される。

Ｓ２＝π×（８／２）² ×２≒１００．４８＞Ｓ１≒８５．３６ …（３）
また、第２ポート３である横孔の中心の高さを基準として弁座１２ａの高さＨ１は、横孔半径Ｒ１（＝Ｄ４／２）より高ければ、すなわち次の式（４）を満足すれば、弁座の高さが横孔の上端の高さより高くなり、弁体１０と横孔３上部との間に水が溜まらなくなる。

Ｈ１＞Ｒ１＝（Ｄ４／２） …（４）
例えば、横孔３の直径Ｄ４＝８．０ｍｍ、弁座高さＨ１＝５ｍｍとすれば、式（４）の条件を満たし、弁体１０と横孔３上部との間に水が溜まらなくなる。

弁座外径Ｄ２が弁体外径Ｄ３より大きい場合、水分が弁座上部に溜まりやすいが、本実施例のように弁座外径Ｄ２が弁体外径Ｄ３より小さい場合、弁体１０が弁座１２ａに当接すると、水分が弁座１２ａから排除される。さらに、弁座１２ａと弁体１０との接触面積が小さい場合、少量の水分が残留して氷結してもソレノイド部３０の吸引力により、弁体１０を弁座１２ａから引き剥がすことができる。

また、図２において、弁座部１２にオリフィス孔１６を設け、弁座部とオリフィスとを一体化している。そしてオリフィス孔１６の上には、弁体１０があるために、オリフィス孔１６に水分が溜まらなくすることができる。図３に示す比較例では、弁座部に対して独立したオリフィス部を設けているために、オリフィス孔１６に水分が溜まりやすく、この水分が凍結して電磁弁が作動しなくなる虞がある。

図３は、比較例を示す本体要部断面図である。比較例は、弁座部に対して独立したオリフィス部を取り付けた例である。即ち、図３において、本体４の弁座部１２の下方の第１ポート２０に、雌ねじ部４２を形成している。そしてプラグ状のオリフィス部４５の外周部にＯリング４７を装着し、キー溝４８によりオリフィス部４５の雄ねじ部４６を回転させて雌ねじ部４２へねじ込む。そして、オリフィス部４５の中央に設けられたオリフィス孔１６が第１ポート２０の流量を規制する。この比較例では、弁座部１２とオリフィス部４５との間に水分が溜まりやすいという欠点がある。

尚、上記の実施例１では、第１ポート２を流体を導入するポート、第２ポート３を流体を排出するポートとして説明したが、同じ電磁弁構造で流体の流れ方向を逆向きとして、第１ポート２を流体を排出するポート、第２ポート３を流体を導入するポートとしても利用できることは明らかである。この場合、流体を第２ポート３に供給する第２流路６は、弁座部１２からハウジング７の外周に向けて下方に傾斜するように形成され、流体を第１ポート２から排出する第１流路５は、弁座部１２から垂直下方に配置されていることになる。但し、弁体１０に作用する流体圧力がダイヤフラム１１に作用する流体圧力に変わるので、開閉対象の流体圧力に応じて閉弁のためのプランジャばね３５の荷重を変える必要が生じる場合がある。

本発明に係る電磁弁の実施例１を説明する縦断面図である。 実施例１の弁座部付近を説明する縦断面図である。 比較例の弁座部付近を説明する縦断面図である。

符号の説明

１ 電磁弁
２ 第１ポート
３ 第２ポート
４ 本体
５ 第１流路
６ 第２流路
７ ハウジング
１０ 弁体
１１ ダイヤフラム（弾性部材）
１２ 弁座部
１６ オリフィス
１７ 溝
３０ ソレノイド部
３４ プランジャ

Claims (9)

1. 使用環境下で凍結の可能性がある物質を含む流体の流量調整または開閉に用いられる電磁弁において、
   前記流体を導入または排出する第１ポート及び第１ポートの逆方向に前記流体を排出または導入する第２ポートを有する本体と、
   第１ポートと外部を接続する第１流路及び第２ポートと外部を接続する第２流路を有するハウジングと、
   電流により励磁作用を伴うソレノイド部と、
   前記ソレノイド部の励磁作用によって軸線方向に沿って変位するプランジャと、
   前記プランジャの一端部に固定される弁体と、
   前記プランジャの変位作用によって前記弁体が着座・離間する弁座を備える弁座部と、 前記弁体と一体化され前記プランジャ及び前記ソレノイド部への前記流体の進入を隔離する弾性部材と、を備え、
   前記弾性部材が前記弁体より上方に位置し、
   前記弁座部が前記弁体より下方に位置し、
   前記第１流路及び第２流路は前記弁座部より下方に位置し、
   前記第１流路及び第２流路は、前記弁座部から下方に傾斜するように形成されたことを特徴とする電磁弁。
2. 前記弁座部の外周と前記本体内周との隙間に水が表面張力により止まることができないように、前記弁座部の外径値に対して前記本体の内径値が設定されていることを特徴とする請求項１に記載の電磁弁。
3. 前記第１ポート及び第２ポートのうち一方のポートは、前記本体に設けられた横孔であり、その開口面積は、弁座部外周と本体内周との間の環状部の面積以上であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電磁弁。
4. 前記弁座の位置の高さは、一方のポートの横孔の上端位置より高い位置に配置されたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の電磁弁。
5. 前記弾性部材は、付着した水分が滞留しない平坦な形状であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の電磁弁。
6. 前記弁座部の外径は、前記弁体の外径より小さく、前記弁体の底面の一部が前記弁座と接触することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の電磁弁。
7. 前記第１流路及び第２流路のうち他方の流路は、前記弁座部から垂直下方に向けて配置され、該流路に接続するポートは、前記本体内部を貫通していることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の電磁弁。
8. 前記弁座部と前記流体の流量を絞るオリフィスとを一体とし、前記弁座部は、前記ハウジングに対して着脱して交換可能な構造であることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の電磁弁。
9. 前記一方のポートからハウジング外周に向けて下方に傾斜する溝を設け、該溝の一部は前記一方のポートに接続していることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の電磁弁。

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