JP5421059B2

JP5421059B2 - 電磁弁

Info

Publication number: JP5421059B2
Application number: JP2009242543A
Authority: JP
Inventors: 宣尚渡邊
Original assignee: JTEKT Corp; Toyooki Kogyo Co Ltd
Current assignee: JTEKT Corp; Toyooki Kogyo Co Ltd
Priority date: 2009-10-21
Filing date: 2009-10-21
Publication date: 2014-02-19
Anticipated expiration: 2029-10-21
Also published as: WO2011049178A1; US9046189B2; EP2492559A4; EP2492559A1; US20120199775A1; JP2011089569A; EP2492559B1

Description

本発明は、コイルへの通電により可動鉄心を固定鉄心に吸引し、可動鉄心の移動により弁体を移動して流体の流れを制御する電磁弁、特に、燃料電池車に搭載され、高圧水素ガスを充填したガスタンクから供給される高圧水素ガスの流れを制御する電磁弁に関する。

従来より、例えば、燃料電池車に搭載され、高圧水素ガスを充填したガスタンクから供給される高圧水素ガスの流れを制御する電磁弁として、特許文献１にあるような電磁弁が知られている。この電磁弁では、筒状の案内部材に可動鉄心を軸方向へ摺動可能に嵌挿し、コイルへの通電により可動鉄心が固定鉄心に吸引されて、弁体が軸方向へ摺動して弁座より離間して開弁している。また、コイルへの非通電により可動鉄心がばねの付勢力により固定鉄心から離間され、弁体が可動鉄心に押圧されて弁座に着座して閉弁する。

特開２００３−２４０１４８号

しかしながら、こうした従来のものでは、案内部材に固定鉄心を溶接により固着すると共に、案内部材を弁本体にねじで螺着して固定しているため、固定鉄心に作用する高圧水素ガスの圧力に基づく作用力が、案内部材に軸方向の引張力として作用する。このため、従来の電磁弁を一層高圧の水素ガスに適用しようとする場合には、前記引張力に対する強度を向上するよう案内部材の径方向の厚みを増大させなければならなかった。その結果、従来の電磁弁では、案内部材の径方向の寸法が大きくなって弁が大型化してしまうという問題があった。

本発明の課題は、案内部材の軸方向に作用する引張力を軽減し、案内部材の径方向の厚みの増大を抑制し得る電磁弁を提供することにある。

かかる課題を達成すべく、本発明は次の手段を取った。即ち、流体の流入孔と流出孔とが設けられた弁本体と、前記流入孔と前記流出孔との間に設けられた弁座に着座する弁体と、前記弁体を前記弁座から離間させて前記流入孔と前記流出孔とを連通させる可動鉄心と、前記可動鉄心をコイルへの通電により吸引して軸方向に駆動する固定鉄心と、を備え、前記弁本体は、案内部材を挿入する挿入孔を有し、前記案内部材は、前記可動鉄心が軸方向に移動可能な摺動孔を有すると共に、前記弁本体に対して摺動可能に前記挿入孔に配置して前記流体の圧力で付勢され、前記弁本体は、前記流体の圧力で付勢された前記案内部材を受け止める止め部を有し、前記止め部は、前記挿入孔の開口を閉塞する蓋部材であることを特徴とする電磁弁がそれである。

また、前記固定鉄心は、前記可動鉄心と前記蓋部材との間に配置され、前記挿入孔は、前記流入孔に連通し、前記流入孔から導入された前記流体の圧力が、前記案内部材と前記固定鉄心とを同一方向に付勢する構成としてもよい。その際、前記流入孔から導入された前記流体の圧力が、前記案内部材と前記固定鉄心とを前記蓋部材側に付勢する構成としてもよい。更に、前記固定鉄心は、前記案内部材の前記蓋部材側の端部が当接する当接部を有し、前記案内部材が、前記当接部を介して、前記固定鉄心を前記蓋部材側に付勢する構成としてもよい。あるいは、前記挿入孔は、前記案内部材が接する内周面と、奥側に位置する底面と、から形成され、前記底面と前記案内部材との間に、前記流入孔に連通して前記流体が導入される作用室が形成される構成としてもよい。

前記弁体を軸方向に貫通するパイロット流路と、前記パイロット流路を開閉するパイロット弁体と、を備え、前記可動鉄心は、前記弁体を収納する収納孔を有し、前記弁体は、軸方向に移動可能に前記収納孔に収納され、前記可動鉄心は、前記パイロット弁体を移動させて前記パイロット流路を開状態とした後、前記収納孔に収納した前記弁体を移動させて前記流入孔と前記流出孔とを連通させる構成としてもよい。

請求項１の発明によれば、案内部材が弁本体に固定されないため、挿入孔内で案内部材に対して高圧流体が作用しても案内部材には引張力が作用しないので、高圧水素ガスの圧力をより高圧にしても、案内部材の径方向の厚みの増大を抑制でき、電磁弁の大型化を抑制できるという効果を奏する。

請求項２の発明によれば、案内部材と固定鉄心とが同一方向に付勢されるので、固定鉄心と案内部材とを固定しても案内部材に引張力が作用しない。請求項３の発明によれば、流体の圧力が案内部材と固定鉄心とを蓋部材側に付勢するので、簡単な構成で流体の圧力により付勢された案内部材を受け止めることができる。

請求項４の発明によれば、案内部材が当接する当接部を固定鉄心に設けることにより、案内部材と固定鉄心とを同一方向に容易に付勢できる。請求項５の発明によれば、作用室を形成することにより確実に案内部材を蓋部材側に付勢できる。請求項６の発明によれば、可動鉄心に形成した収納孔に弁体を移動可能に収納したので、軸方向の長さを低減でき、パイロット型電磁弁とした構成でも小型化を図ることができる。

本発明の一実施形態としての電磁弁の断面図である。本実施形態の電磁弁の側面図である。第２実施形態の電磁弁の断面図である。

以下本発明を実施するための形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１に示すように、１はアルミニウム製の弁本体で、弁本体１の一端には流出孔２が穿設されている。弁本体１には流出孔２に連接して流出孔２よりも大径で流出孔２と同軸上に挿入孔４が形成されると共に、挿入孔４には大径部６が形成されている。大径部６は弁本体１の他方の端側に開口されている。挿入孔４の流出孔２側の底面５には径方向から穿設された流入孔８が設けられている。

流出孔２と挿入孔４とには、案内部材１０が挿入される。案内部材１０は流出孔２に先端側が挿入される小径部１０ａと、挿入孔４の内周面に摺接して配置される大径部１０ｂとを備え、小径部１０ａと大径部１０ｂとの端部には受圧面１０ｃが形成されている。本実施形態では、案内部材１０は流出孔２と挿入孔４とに摺動可能に挿入されている。小径部１０ａは、バックアップリング１２によりバックアップされたＯリング１４により漏れ止めされて流出孔２に挿入されている。案内部材１０は、水素脆化に対して耐久性のある非磁性材、例えば、ＳＵＳ３１６Ｌ、ＳＵＨ６６０（ＪＩＳ）等により形成されている。

小径部１０ａは挿入孔４内に基端側の一部が所定長さ飛び出た状態で挿入されており、小径部１０ａ、受圧面１０ｃ、挿入孔４、底面５により区画されて作用室１６が形成され、作用室１６が底面５と案内部材１０との間に形成されている。大径部１０ｂは、バックアップリング１８によりバックアップされたＯリング２０により漏れ止めされて挿入孔４に挿入されている。

案内部材１０には、流出孔２に開口した小流出孔２２が小径部１０ａに形成されており、小流出孔２２に連接して装着孔２４が形成されている。更に、装着孔２４に連接した摺動孔２６が大径部１０ｂに形成され、摺動孔２６は大径部１０ｂの端に開口されている。また、摺動孔２６は装着孔２４側に底部を有し、摺動孔２６の底部から受圧面１０ｃに向けて小流入孔２８が形成され、小流入孔２８は作用室１６に開口されている。

装着孔２４には、中央に連通孔３０が貫通形成されて、連通孔３０の摺動孔２６側に弁座３２が形成された弁座部材３４が収納される。本実施形態では、弁座部材３４は弾性変形可能なポリイミド樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂等により形成されている。

摺動孔２６には磁性材料により形成された可動鉄心３６が軸方向に摺動可能に挿入されている。可動鉄心３６は円柱状に形成されており、可動鉄心３６には、弁座部材３４側の端から軸方向に収納孔３８が貫通形成される。収納孔３８は弁座部材３４側と反対側を小径部４０としている。

可動鉄心３６の外周には、軸方向に沿って溝６４が形成されており、溝６４と収納孔３８とを連通する接続孔６６が可動鉄心３６に形成されている。接続孔６６は収納孔３８の小径部４０側端に形成されて、弁体４２の摺動により閉塞されない位置に設けられている。更に、溝６４と小径部４０とを連通する連通孔６８が可動鉄心３６に形成されている。

収納孔３８には弁体４２が軸方向に摺動可能に挿入されており、弁体４２は弁座３２に着座可能に形成されている。可動鉄心３６には、収納孔３８と同軸上の弁座部材３４側に円環状の係合部材６２が圧入固定されている。弁体４２の先端は係合部材６２の内部を通って弁座部材３４側に突き出されている。可動鉄心３６が摺動孔２６内を弁座部材３４側と反対側に摺動すると、係合部材６２が弁体４２と係合して、弁体４２を弁座３２から離間するように構成されている。

また、弁体４２には軸方向にパイロット流路孔４４が弁座３２側に開口形成されており、弁体４２が弁座３２に着座した状態で、弁座部材３４の連通孔３０と弁体４２のパイロット流路孔４４とが連通し、弁座３２の上流側と下流側とを連通するように構成されている。

弁体４２にはパイロット流路孔４４に連接して装着孔４６が穿設されており、装着孔４６には、中央に連通孔４８が貫通形成されて小径部４０側にパイロット弁座５０が形成されたパイロット弁座部材５２が収納されている。本実施形態では、パイロット弁座部材５２は弾性変形可能なポリイミド樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂等により形成されている。

可動鉄心３６の小径部４０には、鋼球からなるパイロット弁体５４が圧入固定されている。パイロット弁体５４は、弁体４２と可動鉄心３６との間の相対的な移動によりパイロット弁座５０に着座可能に形成されている。

案内部材１０の摺動孔２６には、可動鉄心３６と軸方向に対向して、磁性材料により形成された固定鉄心５６が圧入固定されている。固定鉄心５６には径方向に突き出した鍔状の当接部５９が形成され、案内部材１０の後述する蓋部材７６側の端部が当接部５９に当接されている。尚、固定鉄心５６に嵌着したＯリング５７により洩れ止めが図られている。

コイルばねを用いた付勢部材５８がパイロット弁体５４と固定鉄心５６との間に介装されている。付勢部材５８は、先端が収納孔３８の小径部４０内に挿入されて、円板６０を介してパイロット弁体５４をパイロット弁座５０に着座する方向に付勢している。

付勢部材５８の付勢力により、パイロット弁体５４がパイロット弁座５０に着座すると、弁体４２がパイロット弁体５４に押されて弁座３２に着座する。このとき、可動鉄心３６の端と固定鉄心５６の端との間には隙間が形成される。

可動鉄心３６が固定鉄心５６側に移動すると、まず、パイロット弁体５４がパイロット弁座５０から離間し、その後、可動鉄心３６に圧入固定した円環状の係合部材６２が弁体４２に係合して、弁体４２を弁座３２から離間し、可動鉄心３６の端が固定鉄心５６の端に突き当たることで可動鉄心３６の移動が停止する。

案内部材１０の大径部１０ｂの外周には、コイル７０を巻き回したコイルボビン７１が外装されており、挿入孔４の大径部６に挿入されてコイルボビン７１の両側端には磁性材料により形成された環状のヨーク７２，７４がそれぞれ配置されている。

そして、コイルボビン７１を磁性材料により形成された円筒状のヨーク７５に収装し、ヨーク７５の両側端に環状のヨーク７２，７４の外周をそれぞれ圧入固定して一体的に設け、大径部６の開口側のヨーク７４の内周は固定鉄心５６の当接部５９に圧入固定されている。

更に、挿入孔４の大径部６は止め部としての蓋部材７６により閉塞されており、図２に示すように、蓋部材７６はボルト７８により弁本体１に固定されている。尚、一体的に設けたコイルボビン７１、ヨーク７２，７４，７５を大径部６に挿入した際には、大径部６の底部とヨーク７２やヨーク７５の端との間には隙間が形成されるように構成されている。

本実施形態では、コイル７０に通電することにより、ヨーク７２、可動鉄心３６、固定鉄心５６、ヨーク７４、ヨーク７５で磁気回路が形成される。可動鉄心３６の端が固定鉄心５６の端に突き当たった状態でも、可動鉄心３６の他方の端がヨーク７２よりも僅かに突き出るように構成されている。可動鉄心３６の先端が一方のヨーク７２よりも固定鉄心５６側に引っ込んだ状態になると、磁気力が低下してしまうが、開閉弁時に可動鉄心３６が収納孔３８内を移動しても、可動鉄心３６は一方のヨーク７２から突き出た状態にあるので、磁気力の低下を招くことがない。

次に、前述した本実施形態の電磁弁の作動について説明する。
流入孔８に流体としての高圧水素ガスが図示しないガスタンクから供給されると、流入孔８を介して、作用室１６に高圧水素ガスが導入されると共に、作用室１６から小流入孔２８を介して、摺動孔２６に高圧水素ガスが導入される。

作用室１６に導入された高圧水素ガスの圧力を受圧面１０ｃに受けて、案内部材１０を蓋部材７６側に付勢する。案内部材１０は固定鉄心５６を蓋部材７６に押し付けると共に、固定鉄心５６と一体のヨーク７４，７５，７２を介して、コイルボビン７１やコイル７０を蓋部材７６側に付勢する。この付勢力をボルト７８により弁本体１に固定された蓋部材７６が受ける。

これにより、案内部材１０を弁本体１に螺着等により固定することなく、案内部材１０を流出孔２と挿入孔４とに挿入することで、作用室１６への高圧水素ガスの導入により、案内部材１０と固定鉄心５６は蓋部材７６に押し付けられて位置決めされ、軸方向に動かない。

案内部材１０の摺動孔２６に導入した高圧水素ガスの圧力は、溝６４を介して可動鉄心３６と固定鉄心５６との間にも導入され、可動鉄心３６の軸方向に平衡作用する。そして、可動鉄心３６は付勢部材５８の付勢力の作用により付勢され、パイロット弁体５４を介して、弁体４２を弁座３２に着座し、閉弁状態を維持する。

また、案内部材１０には、摺動孔２６に導入した高圧水素ガスの圧力が摺動孔２６の底面に蓋部材７６と反対側に押す作用力として作用する。しかし、受圧面１０ｃの面積が摺動孔２６の底面の面積よりも大きくなるように構成しているため、この面積差に基づく作用力により案内部材１０を蓋部材７６側に付勢する。

また、固定鉄心５６には摺動孔２６に導入した高圧水素ガスの圧力が可動鉄心３６の対向する面に蓋部材７６側に押す作用力として作用し、固定鉄心５６を蓋部材７６側に付勢する。このため、案内部材１０、固定鉄心５６は共に蓋部材７６側に付勢されるから、従来弁の如き、案内部材と固定鉄心との溶接固着箇所に軸方向の引張力が作用するものに比し、固定鉄心５６を案内部材１０の摺動孔２６に圧入固定する箇所の固定強度は低くてよい。

コイル７０に通電されると、可動鉄心３６が固定鉄心５６に吸引され、まず、付勢部材５８の付勢力及びパイロット弁体５４にパイロット弁座５０の着座方向に作用する高圧水素ガスの圧力による作用力に抗して、パイロット弁体５４と共に可動鉄心３６が固定鉄心５６側に摺動する。これにより、パイロット弁体５４がパイロット弁座５０から離間して、高圧水素ガスが、流入孔８、挿入孔４、小流入孔２８、摺動孔２６、溝６４、接続孔６６、収納孔３８、連通孔４８、パイロット流路孔４４を順に通って、連通孔３０、小流出孔２２に流入し、連通孔３０、小流出孔２２の圧力が上昇する。これにより、弁体４２の上流側と下流側との差圧が小さくなり、高圧水素ガスの圧力による弁体４２への作用力が小さくなる。

パイロット弁体５４がパイロット弁座５０から離間した後、弁体４２の上流側と下流側との差圧が小さくなると、更に、可動鉄心３６が固定鉄心５６側に摺動する。そして、可動鉄心３６の係合部材６２に弁体４２が係合することで、弁体４２を可動鉄心３６と共に移動させて、弁体４２を弁座３２から離間させて開弁する。これにより、流入孔８が、案内部材１０の小流入孔２８、摺動孔２６、弁座部材３４の連通孔３０を介して、流出孔２に連通し、高圧水素ガスが流入孔８から流出孔２に供給される。その際、連通孔６８により収納孔３８の小径部４０が閉鎖空間になるのを防止している。

開弁時でも、作用室１６には高圧水素ガスが導入され、受圧面１０ｃに高圧水素ガスの圧力が作用するので、案内部材１０は蓋部材７６側に付勢され、案内部材１０が蓋部材７６と反対側に移動することはない。

コイル７０への通電を遮断すると、付勢部材５８の付勢力により、パイロット弁体５４が弁体４２を押す。これにより、弁体４２が弁座３２に着座して閉弁される。
このように、案内部材１０が弁本体１に固定されないため、挿入孔４内で案内部材１０に対して高圧流体が作用しても案内部材１０には引張力が作用しない。よって、高圧水素ガスの圧力をより高圧にしても、案内部材１０の径方向の厚みの増大を抑制でき、電磁弁の大型化を抑制できる。また、案内部材１０と固定鉄心５６とが同一方向に付勢されるので、固定鉄心５６と案内部材１０とを固定しても案内部材１０に引張力が作用しない。

流体の圧力が案内部材１０と固定鉄心５６とを蓋部材７６側に付勢するので、簡単な構成で流体の圧力により付勢された案内部材１０を受け止めることができる。また、案内部材１０が当接する当接部５９を固定鉄心５６に設けることにより、案内部材１０と固定鉄心５６とを同一方向に容易に付勢できる。更に、作用室１６を形成することにより確実に案内部材１０を蓋部材７６側に付勢できる。しかも、可動鉄心３６に形成した収納孔３８に弁体４２を移動可能に収納したので、軸方向の長さを低減でき、パイロット型電磁弁とした構成でも小型化を図ることができる。

また、弁本体１と案内部材１０とを熱膨張係数が異なる材質で形成し、温度変化に伴う弁本体１の膨張収縮が案内部材１０より大きくても、案内部材１０と弁本体１の流出孔２や挿入孔４とで相対的な滑りが生じ、弁本体１、案内部材１０、蓋部材７６に過大な熱応力が発生するのを防止することができる。

次に、前述した本実施形態と異なる第２実施形態の電磁弁について図３によって説明する。尚、前述した実施形態と同じ部材については同一番号を付して詳細な説明を省略する。

図３に示すように、第２実施形態では、摺動孔２６を案内部材１０に貫通形成しており、弁本体１に流出孔２と同軸上に収装孔２４を形成している。流出孔２と収装孔２４とを小流出孔２２により連通すると共に、収装孔２４に弁座部材３４を収納し、弁体４２を弁座３２に着座できるように構成している。

第２実施形態では、挿入孔４、案内部材１０の受圧面１０ｃにより、作用室１６が形成されている。第２実施形態の場合でも、同様に、作用室１６に高圧水素ガスが導入されると、高圧水素ガスの圧力の作用で、案内部材１０が蓋部材７６側に付勢され、固定鉄心５６を蓋部材７６に押し付ける。

また、作用室１６より摺動孔２６に高圧水素ガスが導入され、固定鉄心５６の受圧面５６ａへ高圧水素ガスの圧力が作用し、固定鉄心５６を蓋部材７６側に付勢し、固定鉄心５６を蓋部材７６に押し付ける。固定鉄心５６は案内部材１０に圧入固定されているので、案内部材１０も固定鉄心５６と共に蓋部材７６側に押される。

この第２実施形態の場合でも、前述した実施形態と同様に、案内部材１０が弁本体１に固定されないため、案内部材１０には引張力が作用しない。よって、高圧水素ガスの圧力をより高圧にしても、案内部材１０の径方向の厚みの増大を抑制でき、電磁弁の大型化を抑制できる。

また、第２実施形態によると、案内部材１０の形状を単純な円筒状に形成できるので、案内部材１０の製造が容易になる。
尚、パイロット弁体５４は、鋼球に限らず、ポペット弁体のような形状のものでもよい。また、本実施形態では、セミパイロット型の電磁弁を例としているが、これに限らず、パイロット弁体５４やパイロット弁座部材５２等を設けていない直動型でも、あるいは、パイロット型でも実施可能である。

また、本実施形態では、固定鉄心５６を案内部材１０の摺動孔２６に圧入固定しているが、圧入固定に限らず移動するように挿入してもよく、その際には、本実施形態のように、案内部材１０の端部を固定鉄心５６の当接部５９に突き当てて案内部材１０と蓋部材７６とにより当接部５９を挟み込むようにするとよい。あるいは、案内部材１０と固定鉄心５６とを溶接により固定して密封するようにしてもよい。

以上本発明はこの様な実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々なる態様で実施し得る。

１…弁本体２…流出孔４…挿入孔６…大径孔８…流入孔１０…案内部材１６…作用室２２…小流出孔２６…摺動孔２８…小流入孔３２…弁座３４…弁座部材３６…可動鉄心３８…収装孔４２…弁体５０…パイロット弁座５２…パイロット弁座部材５４…パイロット弁体５６…固定鉄心５８…付勢部材６２…係合部材７０…コイル７２，７４，７５…ヨーク７６…蓋部材

Claims

流体の流入孔と流出孔とが設けられた弁本体と、
前記流入孔と前記流出孔との間に設けられた弁座に着座する弁体と、
前記弁体を前記弁座から離間させて前記流入孔と前記流出孔とを連通させる可動鉄心と、
前記可動鉄心をコイルへの通電により吸引して軸方向に駆動する固定鉄心と、を備え、
前記弁本体は、案内部材を挿入する挿入孔を有し、
前記案内部材は、前記可動鉄心が軸方向に移動可能な摺動孔を有すると共に、前記弁本体に対して摺動可能に前記挿入孔に配置して前記流体の圧力で付勢され、
前記弁本体は、前記流体の圧力で付勢された前記案内部材を受け止める止め部を有し、
前記止め部は、前記挿入孔の開口を閉塞する蓋部材であることを特徴とする電磁弁。
前記固定鉄心は、前記可動鉄心と前記蓋部材との間に配置され、
前記挿入孔は、前記流入孔に連通し、
前記流入孔から導入された前記流体の圧力が、前記案内部材と前記固定鉄心とを同一方向に付勢することを特徴とする請求項１に記載の電磁弁。
前記流入孔から導入された前記流体の圧力が、前記案内部材と前記固定鉄心とを前記蓋部材側に付勢することを特徴とする請求項２に記載の電磁弁。
前記固定鉄心は、前記案内部材の前記蓋部材側の端部が当接する当接部を有し、
前記案内部材が、前記当接部を介して、前記固定鉄心を前記蓋部材側に付勢することを特徴とする請求項３に記載の電磁弁。
前記挿入孔は、前記案内部材が接する内周面と、奥側に位置する底面と、から形成され、前記底面と前記案内部材との間に、前記流入孔に連通して前記流体が導入される作用室が形成されることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の電磁弁。
前記弁体を軸方向に貫通するパイロット流路と、
前記パイロット流路を開閉するパイロット弁体と、を備え、
前記可動鉄心は、前記弁体を収納する収納孔を有し、
前記弁体は、軸方向に移動可能に前記収納孔に収納され、
前記可動鉄心は、前記パイロット弁体を移動させて前記パイロット流路を開状態とした後、前記収納孔に収納した前記弁体を移動させて前記流入孔と前記流出孔とを連通させることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の電磁弁。