JP6467649B2

JP6467649B2 - 制御弁

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Publication number: JP6467649B2
Application number: JP2015105700A
Authority: JP
Inventors: 仙道　功; 功仙道; 松本　道雄; 道雄松本
Original assignee: TGK Co Ltd
Current assignee: TGK Co Ltd
Priority date: 2015-05-25
Filing date: 2015-05-25
Publication date: 2019-02-13
Anticipated expiration: 2035-05-25
Also published as: JP2016217513A

Description

本発明は制御弁に関し、特に可動部にダイヤフラムを介在させる制御弁に関する。

制御弁には、その可動部に可撓性のダイヤフラムを介在させるものがある。このダイヤフラムは、ボディ内を第１圧力室と第２圧力室とに仕切り、感圧部材として機能したり、あるいはシール部材として機能する。前者の場合、ダイヤフラムは、第１圧力室と第２圧力室との差圧に感応して変位し、弁体に開弁又は閉弁方向の駆動力を付与する。

このような制御弁では、例えば弁体と可動体とがダイヤフラムを間に挟むように組み付けられる（例えば特許文献１参照）。この構成では、弁体から延びる軸部がダイヤフラムの中央を貫通し、可動鉄心と連結される。あるいは、弁体とダイヤフラムとが一体成形され、ピストンから延びる弁軸に弁体が嵌合されるものもある（例えば特許文献２参照）。このようなダイヤフラムは、一般にゴム等の弾性体からなる。

あるいは、金属フィルム等からなるダイヤフラムの片面側にディスクを溶接し、そのディスクに対して弁体を連結するものもある（例えば特許文献３参照）。ダイヤフラムの両面側にそれぞれディスクを配置し、その一方のディスクに対して弁体を連結するものもある（例えば特許文献４参照）。

特開２０１４−６６３４０号公報特開２０１２−１７８３０号公報特開２００８−３９２６２号公報特開２０１２−１０７６４１号公報

ところで、制御弁の用途、構造、設置対象によっては、ダイヤフラムの受圧径を小さくしつつ、弁体のストロークを大きく確保したい場合がある。しかしながら、特許文献１の構成では、ダイヤフラムの中央で弁体と可動鉄心とを締結しなければならないため、そのダイヤフラムの受圧径を小さくするのは困難である。また、その締結部の外側に位置するコルゲート部だけで大きな変位を得るのは難しい。また、ダイヤフラムの中央に貫通孔を成形し、さらに弁体と可動鉄心のそれぞれに締結構造を成形する必要があるなど、加工コストや組付コストが嵩むといった問題もある。

一方、特許文献２の構成では、ダイヤフラムの中央に弁体を設ける構成であるため、そのダイヤフラムの受圧径を小さくするのは困難である。また、ダイヤフラムをゴムにて形成するため、その受圧径を小さくするほど剛性が高まり、十分な変位を得るのが困難となる。特許文献３，４の構成においても、ダイヤフラムの中央にディスクが剛に接合され、その接合部分の変形が拘束されるため、ダイヤフラムの受圧径を小さくするのは困難である。また、ディスクの外側に位置するコルゲート部だけで大きな変位を得るのは難しい。

本発明の目的は、ダイヤフラムの受圧径に対して弁体のストロークを大きく確保できる制御弁を提供することにある。

本発明のある態様は制御弁である。この制御弁は、流体通路が形成され、その流体通路の途中に弁孔を有するボディと、ボディ内にて弁孔に接離して弁部を開閉する弁体と、ボディ内を第１圧力室と、その第１圧力室よりも低圧となり得る第２圧力室とに仕切り、弁体の軸線方向に変位可能な樹脂フィルムからなるダイヤフラムと、第１圧力室に配置され、弁体と一体変位可能な第１可動体と、第２圧力室に配置され、ダイヤフラムの中央部を間に挟むようにして第１可動体と一体に接続された第２可動体と、第１可動体をダイヤフラムに向けて付勢するための第１付勢部材と、第２可動体をダイヤフラムに向けて付勢するための第２付勢部材と、を備える。

第２可動体は、ダイヤフラムとの対向面中央部に形成され、軸線に対して垂直であり、ダイヤフラムに当接する平坦面と、平坦面の半径方向外側に連続して形成され、ダイヤフラムから離れる側に向けて傾斜し、弁体の開閉動作に応じてダイヤフラムに着脱する傾斜面と、を有する。傾斜面の面積は、平坦面の面積よりも大きい。

この態様によると、ダイヤフラムが樹脂フィルムからなるため、その受圧径を小さくしても十分な可撓性を確保することができる。一方、各可動体を付勢部材によりダイヤフラムに押し付けるのみの構成をとるため、各可動体によるダイヤフラムの変位の拘束を抑制することができる。特に第２可動体については、ダイヤフラムとの対向面に傾斜部を設け、ダイヤフラムに対して着脱する構成としたため、その着脱部においてダイヤフラムの拘束を回避することができる。その結果、ダイヤフラムの受圧径を小さくしても、そのダイヤフラムにおいて変形可能な部分を大きくとることができる。このことが、ダイヤフラムの変位ひいては弁体のストロークの確保につながる。すなわち、この態様によれば、各可動体とダイヤフラムとの接続構造と、第２可動体の形状との相乗効果により、ダイヤフラムの受圧径に対して弁体のストロークを大きく確保することができる。

本発明によれば、ダイヤフラムの受圧径に対して弁体のストロークを大きく確保可能な制御弁を提供することができる。

第１実施形態に係る制御弁の構成を表す断面図である。制御弁の動作を表す図である。第１実施形態に係るダイヤフラムおよびその周辺構造を模式的に表す図である。比較例に係るダイヤフラムおよびその周辺構造を模式的に表す図である。第２実施形態に係る制御弁のダイヤフラム周辺の構成を表す部分拡大断面図である。弁体のダイヤフラムとの当接部の構造を模式的に表す図である。第３実施形態に係る制御弁の構成を表す断面図である。第３実施形態に係る制御弁の構成を表す断面図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明においては便宜上、図示の状態を基準に各構造の位置関係を表現することがある。
［第１実施形態］

図１は、第１実施形態に係る制御弁の構成を表す断面図である。制御弁１は、流体の順方向の流れに対しては小さな差圧で開弁可能な構成を有し、燃料電池システムに適用される。この燃料電池システムは、燃料極および空気極を含むセルスタックを備える。空気極の上流側通路には電磁弁が配置される。その電磁弁は、ブロワを介して導入される空気の空気極への導入を許容又は遮断する。

制御弁１は、空気極の下流側通路に設けられ、セルスタックから排出された空気の導出を許容又は遮断する開閉弁として機能するとともに、下流側からセルスタックへの空気の逆流を防止する逆止弁としても機能する。制御弁１は、その設置対象がこのような燃料電池システムである関係上、可能な限りコンパクトであることが望まれる。一方、空気の十分な流量を得るために、弁ストロークを十分に確保する必要がある。

制御弁１は、内部通路が形成されたボディ５を有し、そのボディ５の上端開口部を閉止するように有底円筒状の蓋体６が組み付けられている。ボディ５は、第１ボディ７と第２ボディ９とを上下に組み付けて構成される。第１ボディ７の一側面には、セルスタックから排出された空気の入口となる第１ポート１０（入口ポート）が設けられ、その反対側面にはその空気の出口となる第２ポート１２（出口ポート）が設けられている。第１ポート１０と第２ポート１２とをつなぐ流体通路の中途には弁孔１４が設けられている。

弁孔１４の上流側の空間（つまりボディ５と蓋体６とにより囲まれる空間）は、ダイヤフラム１８により上下に仕切られている。ダイヤフラム１８は、その外周縁部が第１ボディ７と第２ボディ９とに挟まれるようにして支持されている。ダイヤフラム１８の下側の空間が弁室２０を形成し、第１ポート１０に連通している。ダイヤフラム１８の上側の空間は背圧室２２を形成し、大気に連通している。ダイヤフラム１８は、弁室２０と背圧室２２との差圧に応じて軸線方向に変位する。弁室２０には弁体２４が配設されている。弁体２４が弁孔１４に接離して弁部を開閉する。

弁室２０の底部中央には円ボス部２６が隆起し、その円ボス部２６を貫通するように弁孔１４が形成されている。弁孔１４は、蓋体６の軸線に沿って設けられ、連通路２８を介して第２ポート１２と連通している。円ボス部２６の上端面には弁座３０が形成されている。弁室２０の上流側には、第１ポート１０と弁室２０とを連通させる連通孔３２および連通路３４が形成されている。

弁体２４は、本体３６と弁部材３８とを連結部材４０により軸線方向に連結して構成されている。本体３６および連結部材４０はステンレス等の金属材からなり、弁部材３８は弾性体（例えばゴム）からなる。本体３６は円板状をなし、その上面中央から上方に突出する円柱状の作動連結部３７を有する。作動連結部３７の上端面がダイヤフラム１８の下面（片側面）に当接する。弁体２４（より詳細には作動連結部３７）は、「第１可動体」として機能する。

弁部材３８は円板状をなし、本体３６よりもやや小さな外径をする。連結部材４０は有底円筒状をなし、弁部材３８および本体３６を順次挿通させるようにして両者を連結する。連結部材４０の内径は、本体３６の外径とほぼ等しい。連結部材４０の底部に弁部材３８を載置した状態で連結部材４０に対して本体３６を組み付けることにより、それらが一体に固定される。連結部材４０の底部には、弁部材３８を弁座３０に向けて露出させるための円孔が設けられている。弁部材３８が弁座３０に着脱して弁部を開閉する。

ダイヤフラム１８は、高分子樹脂材料からなる円形のフィルムに熱成形を施して得られ、その中央部が上方に膨出した凸形状を有する。その凸状の膨出部４３が、差圧に感応して軸線方向に変位可能（変形可能）な感圧部となっている。なお、高分子樹脂材料としては、例えば、ポリイミド（ＰＩ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリエステル、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）等を採用することができる。ここで、薄膜樹脂フィルムを用いるのは、ダイヤフラム１８を小さく構成しても可撓性を失わないため、必要な弁ストロークを確保し易く、制御弁１の小型化に都合が良いためである。なお、ゴムは生産上肉薄化に限界があり、有効受圧径の小さなものを実現しようとすると剛性が大きくなり、弁ストロークを確保できなくなる可能性があるため、本実施形態では採用しない。

第１ボディ７の上半部は、段付円筒状をなし、上方に向かって一段拡径された拡径部４２を有する。第２ボディ９は、下部に小径部４４を有する段付円板状をなし、拡径部４２に挿通されるようにして第１ボディ７に組み付けられている。第２ボディ９の中央には比較的大きな挿通孔５０が形成され、その内方が背圧室２２を形成している。挿通孔５０には、ダイヤフラム１８の膨出部４３およびディスク４８が挿通されている。

ダイヤフラム１８は、その膨出部４３よりも外側部分が第２ボディ９の下面に沿うように組み付けられている。ダイヤフラム１８の外周縁部が軸線に対して平行に屈曲されて環状に成形され、第２ボディ９の小径部４４と嵌合する嵌合部４５を形成している。その嵌合部４５と拡径部４２との間には、シール用のＯリング４６が介装されている。このような構成により、膨出部４３は、第２ボディ９の内壁（内周部の下端）を支点として背圧室２２の側に膨出する。ダイヤフラム１８は、少なくともその支点と膨出部５３の角部とに変曲点を有し、それら複数の変曲点を中心とした変形により軸線方向に大きな変位を確保することができる。

蓋体６は、ステンレス材をプレス成形して得られ、有底段付円筒状をなす。蓋体６の中央部が上方に突出し、背圧室２２としての空間を確保している。蓋体６は、第２ボディ９を上方から押さえつつ、拡径部４２の外側に嵌合するようにして第１ボディ７に組み付けられ、その先端開口部が内方に加締められることにより第１ボディ７に固定されている。

ディスク４８は、段付円板状をなし、その下面中央部がダイヤフラム１８の上面（反対側面）に当接するように設けられている。ディスク４８は、ダイヤフラム１８の変形に伴って挿通孔５０内を軸線方向に変位する「第２可動体」として機能する。すなわち、ディスク４８は、弁体２４との間にダイヤフラム１８の中央部を挟むようにして、弁体２４と一体変位可能に構成されている。ディスク４８は、蓋体６の上底面に係止されることによりその上方への変位が規制される。すなわち、蓋体６の上底面が、ダイヤフラム１８の開弁方向への変位を規制するための「ストッパ」として機能する。

ディスク４８の上面には、半径方向に延びる連通溝５４が形成されている。一方、拡径部４２の側面には上下方向の連通溝５６が形成され、第２ボディ９の上面には半径方向の連通溝５８が形成されている。弁部の全開状態においては、これらの連通溝５４，５６，５８が互いに連通することにより、蓋体６との間に連通路６０を形成する（図２参照）。連通溝５６が設けられたことにより、蓋体６の先端部と拡径部４２との間に開口部６２が形成されるため、連通路６０の一端は大気に開放される。また、連通路６０の他端は背圧室２２に連通する。このような構成により、背圧室２２を大気に連通させることができ、背圧室２２内の圧力（「基準圧力Ｐ０」に該当する）を大気圧に保つことができる。基準圧力Ｐ０は、下流側圧力Ｐ２以下（本実施形態では下流側圧力Ｐ２よりも低圧）となる。

第１ボディ７と連結部材４０との間には、スプリング６４が介装されている。スプリング６４は、弁体２４をダイヤフラム１８に向けて開弁方向に付勢する「第１付勢部材」として機能する。一方、蓋体６の上底中央部とディスク４８の上面との間には、スプリング６６が介装されている。スプリング６６は、ディスク４８をダイヤフラム１８に向けて閉弁方向に付勢する「第２付勢部材」として機能する。

以上の構成において、ダイヤフラム１８の有効受圧径Ｂが、弁体２４の弁部におけるシール部径Ａよりも十分に大きくなるように構成されている。これにより、弁部の前後差圧（Ｐ１−Ｐ２）が小さく変化するだけで、弁部を閉弁状態から全開状態へ、また全開状態から閉弁状態へ切り替えることができる。

次に、制御弁１の基本動作について説明する。図２は、制御弁の動作を表す図であり、弁部の全開状態を示す。既に説明した図１は、閉弁状態を示す。なお、弁部の前後差圧、つまり上流側圧力Ｐ１と下流側圧力Ｐ２との差圧（Ｐ１−Ｐ２）は、弁体２４に対して閉弁方向に作用する。一方、上流側圧力Ｐ１と基準圧力Ｐ０との差圧（Ｐ１−Ｐ０）は、ダイヤフラム１８に対して開弁方向に作用する。このため、以下では説明の便宜上、差圧（Ｐ１−Ｐ２）を閉方向差圧（Ｐ１−Ｐ２）と呼び、差圧（Ｐ１−Ｐ０）を開方向差圧（Ｐ１−Ｐ０）と呼ぶことがある。

図示しないブロワが停止され、燃料電池のセルスタックに空気が供給されていない状態では、基本的に閉方向差圧（Ｐ１−Ｐ２）は小さく、開方向差圧（Ｐ１−Ｐ０）も小さい。このため、図１に示すように、スプリング６６の付勢力により弁体２４が弁座３０に着座し、閉弁状態となる。なお、スプリング６６の荷重は、仮に下流側圧力Ｐ２が上流側圧力Ｐ１よりも高くなったとしても、それが設計上想定される範囲にあれば、弁体２４を閉弁状態に維持できる程度に設定されている。

ブロワが駆動されてセルスタックに空気が供給されると、閉方向差圧（Ｐ１−Ｐ２）が大きくなるが、開方向差圧（Ｐ１−Ｐ０）も大きくなる。ただし、上述したように開弁方向の有効受圧径Ｂのほうが閉弁方向の有効受圧径Ａよりも大きいため（Ｂ＞Ａ）、弁体２４が開弁動作を開始する。そして、図２に示すように、弁部が全開状態となる。この開弁動作開始から全開状態に到るまでの過程で閉弁方向の有効受圧径が減少し、あるポイントでゼロとなる。このため、弁体２４は、このポイントから一気に全開状態へ変位する。このようにして制御弁１が全開状態となることで、セルスタックに空気が安定に供給され、電力エネルギーが取り出される。

そして、ブロワが停止されると、それとともにセルスタックの上流側に配置された電磁弁が閉弁される。それによって開方向差圧（Ｐ１−Ｐ０）が小さくなるため、スプリング６６の付勢力により弁体２４が閉弁動作を開始する。それにより、図１に示したように閉弁状態となる。この閉弁動作開始から閉弁状態に到るまでの過程のあるポイントから閉方向差圧（Ｐ１−Ｐ２）が突如作用する。このため、弁体２４は、このポイントから一気に閉弁状態へ変位する。この閉弁状態となる瞬間において閉方向差圧（Ｐ１−Ｐ２）が残存する形となるため、閉弁状態においても上流側圧力Ｐ１を下流側圧力Ｐ２よりも高く保つことができる。すなわち、システムの停止時にセルスタック周辺の圧力を大気よりも高い状態に保持することができ、セルスタックへの異物の流入を防止することができる。

次に、本実施形態の特徴的構成の詳細について説明する。図３は、第１実施形態に係るダイヤフラムおよびその周辺構造を模式的に表す図である。（Ａ）は弁体２４およびディスク４８の対向面の形状を示す。同図上段がディスク４８を示し、下段が弁体２４（作動連結部３７）を示す。説明の便宜上、ダイヤフラム１８を省略している。（Ｂ）は閉弁状態を示し、（Ｃ）は開弁状態を示す。図４は、比較例に係るダイヤフラムおよびその周辺構造を模式的に表す図である。（Ａ）は閉弁状態を示し、（Ｂ）は開弁状態を示す。（Ｃ）は比較例における問題を表すダイヤフラム周辺の平面図である。

図３（Ａ）に示すように、本実施形態では、ディスク４８の下端面（ダイヤフラム１８との対向面）が、ダイヤフラム１８（膨出部４３）の上面中央部と当接し得る当接面となっている。その下端面中央部は、ディスク４８の軸線Ｌ１に対して垂直な平坦面７０となっている。その平坦面７０の半径方向外側に連続するようにテーパ面７２（傾斜面）が形成されている。テーパ面７２は、ダイヤフラム１８から離れる側に向けて傾斜する。一方、弁体２４の上端面（作動連結部３７の先端面であり、ダイヤフラム１８との対向面）は、ダイヤフラム１８の下面中央部と当接し得る当接面となっている。その上端面中央部は、弁体２４の軸線Ｌ２に対して垂直で平坦な接続面７４となっている。

図３（Ｂ）および（Ｃ）にも示すように、ディスク４８の平坦面７０と、作動連結部３７の接続面７４との間にダイヤフラム１８の中央部がしっかりと挟まれる。それにより、弁体２４，ダイヤフラム１８，ディスク４８が一体化されている。ディスク４８の軸線Ｌ１と弁体２４の軸線Ｌ２は、通常、ダイヤフラム１８の軸線Ｌに一致する。ダイヤフラム１８が差圧ΔＰ（＝Ｐ１−Ｐ０）を受けることにより、弁体２４，ダイヤフラム１８およびディスク４８が、軸線方向に一体変位する。

ディスク４８の平坦面７０は、弁部の開閉状態にかかわらず、常にダイヤフラム１８に当接する。一方、テーパ面７２は、閉弁時においてはダイヤフラム１８に当接するようになり、差圧ΔＰが大きいほどその当接面積は増える（図３（Ｂ）参照）。また、テーパ面７２は、開弁時においては、その大部分がダイヤフラム１８から離脱する（図３（Ｃ）参照）。すなわち、テーパ面７２は、弁体２４の開閉動作に応じてダイヤフラム１８に着脱する。

本実施形態において、テーパ面７２の面積（領域ｂを含む環状の面積）は、平坦面７０の面積（領域ａを含む円形状の面積）よりも大きい。ただし、テーパ面７２の外径ｒは、ダイヤフラム１８の有効受圧径Ｂよりも小さい（ｒ＜Ｂ）。このようにして、ディスク４８においてダイヤフラム１８に着脱する部分（傾斜面）を大きくしている。図３（Ｂ）に示すように、閉弁によりディスク４８が下死点に到達したときにテーパ面７２がダイヤフラムの上面の曲率にほぼ沿うように、圧力値等の条件を考慮してテーパ面７２の角度θが設定されている。

このような構成により、図３（Ｂ）に示すように、閉弁作動時にはテーパ面７２がダイヤフラム１８を受け止め、そのダイヤフラム１８の押圧力をディスク４８における大きな面積に分散する。それにより、ダイヤフラム１８の上面に局所荷重が作用し難くしている。つまり、ディスク４８の下面外周端によりダイヤフラム１８に対して応力集中が生じることを防止又は抑制している。一方、図３（Ｃ）に示すように、開弁作動時にはテーパ面７２の大部分がダイヤフラム１８から離脱することにより、その非拘束領域ｆ（変形可能領域）を大きくし、ダイヤフラム１８の変位ひいては弁体２４のストロークを大きく確保できるようにしている。

一方、接続面７４の面積（領域ｃを含む円形状の面積）は、平坦面７０の面積よりも大きい。このようにすることで、ディスク４８の平坦面７０が、ダイヤフラム１８に対して常に密着できるようにし、その平坦面７０を基点（ダイヤフラム１８への密着が維持される固定点）とするテーパ面７２の着脱動作を安定に維持できるようにしている。また、接続面７４を比較的大きくすることで、弁体２４とダイヤフラム１８との同軸度を安定に維持し易くし、弁体２４の軸線方向への安定な作動を維持できるようにしている。

これに対し、図４（Ａ）および（Ｂ）に示す比較例では、ディスク１４８において平坦面７０に連続するテーパ面が形成されていない。平坦面７０の周縁部がＲ面取りされているものの、その径方向の長さを実質的に有しないため、本実施形態のような傾斜面の効果を得ることができない。すなわち、図４（Ａ）に示すように、例えば閉弁状態において差圧ΔＰが大きくなると、平坦面７０の周縁部（Ｒ面取り部）がダイヤフラム１８の上面に局所荷重を作用させる。このため、弁部が開閉を繰り返すにつれ、ダイヤフラム１８に応力集中による変形が生じる可能性がある。例えば図４（Ｃ）に示すように、状況によってダイヤフラム１８の上面が多角形状に変形し（二点鎖線参照）、その一部の頂点から割れｃｒを生じさせることが確認されている。言い換えれば、本実施形態によれば、上述した傾斜面（テーパ面７２）の形成およびその大きさの設定により、比較例のような問題を回避することができる。

以上に説明したように、本実施形態によれば、ダイヤフラム１８が樹脂フィルムからなるため、その有効受圧径Ｂを小さくしてもその剛性が高まることがなく、可撓性を確保することができる。一方、スプリング６４，スプリング６６によって弁体２４，ディスク４８がそれぞれダイヤフラム１８に押し付けられるため、それらを剛に連結する必要がない。特にディスク４８のダイヤフラム１８との対向面にテーパ面７２を設け、ダイヤフラム１８に対して着脱する構成としたため、その着脱部においてダイヤフラム１８の拘束を回避することができる。その結果、ダイヤフラム１８の受圧径を小さくしても、そのダイヤフラム１８において変形可能な部分を相対的に大きくとることができる。このことが、ダイヤフラム１８の変位ひいては弁体２４のストロークを大きく確保できることにつながる。すなわち、ダイヤフラム１８の有効受圧径Ｂに対して弁体２４のストロークを大きく確保することができる。

［第２実施形態］
本実施形態の制御弁は、弁体におけるダイヤフラムとの当接面にも傾斜面を設けた点で第１実施形態と相異する。以下では第１実施形態との相異点を中心に説明し、第１実施形態とほぼ同様の構成については同一の符号を付す等してその説明を省略する。図５は、第２実施形態に係る制御弁のダイヤフラム周辺の構成を表す部分拡大断面図である。（Ａ）は閉弁状態を示し、（Ｂ）は開弁状態を示す。図６は、弁体のダイヤフラムとの当接部の構造を模式的に表す図である。（Ａ）は弁体のダイヤフラムとの対向面の形状を示す。（Ｂ）はダイヤフラムの組み付け工程の一部を示す。（Ｃ）は第１実施形態におけるダイヤフラムの組み付け工程の一部を示す。

図５（Ａ）に示すように、制御弁２０１は、弁体２２４を構成する本体２３６の構成が第１実施形態と異なる。すなわち、作動連結部２３７におけるダイヤフラム１８との当接面が、ディスク４８におけるダイヤフラム１８との当接面と同程度に大きくされている。具体的には図６（Ａ）に示すように、作動連結部２３７の上端面中央部が、弁体２２４の軸線Ｌ２に対して垂直で平坦な接続面７４となっている。その接続面７４の半径方向外側に連続するようにテーパ面２７２（傾斜面）が形成されている。テーパ面２７２は、ダイヤフラム１８から離れる側に向けて傾斜する。なお、弁体２２４（より詳細には作動連結部２３７）は、「第１可動体」として機能する。

図５（Ａ）および（Ｂ）に示すように、ディスク４８の平坦面７０と、作動連結部２３７の接続面７４との間にダイヤフラム１８の中央部がしっかりと挟まれる。それにより、弁体２２４，ダイヤフラム１８，ディスク４８が一体化されている。接続面７４は、弁部の開閉状態にかかわらず、常にダイヤフラム１８に当接する。一方、テーパ面２７２は、弁部の全開時においてはその全域にわたってほぼ沿うようにダイヤフラム１８に当接し（図５（Ｂ）参照）、閉弁時においては、その大部分がダイヤフラム１８から離脱する（図５（Ａ）参照）。すなわち、テーパ面２７２は、弁体２２４の開閉動作に応じてダイヤフラム１８に着脱する。

図６（Ａ）および（Ｂ）に示すように、テーパ面２７２の面積（領域ｃ２を含む環状の面積）は、接続面７４の面積（領域ｃ１を含む円形状の面積）よりも大きい。ただし、テーパ面２７２の外径ｒｃは、ダイヤフラム１８の有効受圧径Ｂよりも小さい（ｒｃ＜Ｂ）。このようにして、作動連結部２３７においてダイヤフラム１８に着脱する部分（傾斜面）を大きくしている。図５（Ｂ）に示すように、弁部の全開により作動連結部２３７が上死点に到達したときにテーパ面２７２がダイヤフラムの下面の曲率にほぼ沿うように、テーパ面２７２の角度θ２が設定されている。

このような構成により、図５（Ｂ）に示すように、弁部の全開時にテーパ面２７２がダイヤフラム１８を受け止め、そのダイヤフラム１８の押圧力を作動連結部２３７における大きな面積に分散する。それにより、ダイヤフラム１８の下面に局所荷重が作用し難くしている。つまり、弁部の全開時に作動連結部２３７の上面外周端によりダイヤフラム１８に対して応力集中が生じることを防止又は抑制している。一方、閉弁状態と全開状態との間の作動状態においては、ディスク４８のテーパ面７２および作動連結部２３７のテーパ面２７２の大部分がダイヤフラム１８から離脱することにより、その非拘束領域（変形可能領域）を大きくし、ダイヤフラム１８の変位ひいては弁体２２４のストロークを大きく確保できるようにしている。

また、作動連結部２３７にテーパ面２７２を形成したことが、制御弁の組み立て時におけるダイヤフラム１８の意図しない局所変形を防止する。すなわち、制御弁２０１の組み立てにおいては、第１ボディ７に対してスプリング６４および弁体２２４を組み付けた後、ダイヤフラム１８を第２ボディ９に組み付けた組立体を、第１ボディ７の上端開口部に組み付ける。このとき、弁体２２４は、スプリング６４の付勢力に付勢されるため、図２に示した弁部の全開状態よりもさらに上方（開弁側）に変位しており（図６（Ｂ）参照）、その状態からダイヤフラム１８により下方に押し下げられることになる。このため、ダイヤフラム１８は、作動連結部２３７からの反力に耐えなければならないところ、テーパ面２７２がダイヤフラム１８をその湾曲形状に概ね沿うように受け止めるため、ダイヤフラム１８の下面に局所荷重が作用し難くなる。

これに対し、図６（Ｃ）に示す構成では、作動連結部３７に接続面７４と連続するテーパ面（傾斜面）が形成されていないため、その３７の上面外周端によりダイヤフラム１８の下面に局所荷重が作用し易くなる。言い換えれば、本実施形態ではテーパ面２７２（傾斜面）を設けたことにより、制御弁２０１の組み立て時にそのテーパ面２７２が全域にわたってダイヤフラム１８に沿うように当接し、そのような局所荷重が発生し難くなるようにしている。すなわち、制御弁２０１の組み立て時においても、作動連結部２３７の上面外周端によりダイヤフラム１８に対して応力集中が生じることを防止又は抑制している。

［第３実施形態］
本実施形態の制御弁は、ソレノイド駆動の電磁弁である点で第１，第２実施形態と相異する。以下では第１，第２実施形態との相異点を中心に説明する。図７および図８は、第３実施形態に係る制御弁の構成を表す断面図である。図７は閉弁状態を示し、図８は開弁状態を示す。

図７に示すように、制御弁３０１は、ボディ３０５（第１ボディ３０７，第２ボディ３０９）の上端開口部を閉止するようにソレノイド３０３が組み付けられた常閉型の電磁弁（非通電時に閉弁状態となる弁）である。ソレノイド３０３は、円筒状のボビン３１０と、ボビン３１０に巻回された電磁コイル３１２と、電磁コイル３１２を取り囲むヨーク３１４と、ボビン３１０の上半部に同軸状に固定された固定鉄心３１６と、ボビン３１０の内方にて固定鉄心３１６と軸線方向に対向配置される可動鉄心３１８とを含む。可動鉄心３１８は、ボビン３１０の下半部に挿通されている。

ヨーク３１４は、ボビン３１０を下方から支持する第１ヨーク３２０と、ソレノイド３０３の構成部品を上方から囲う第２ヨーク３２２とを組み付けて構成される。第１ヨーク３２０は円板状をなし、第２ボディ３０９の上端部に組み付けられている。第１ヨーク３２０、ボビン３１０、固定鉄心３１６、第２ボディ３０９およびダイヤフラム１８に囲まれる空間により背圧室２２が形成されている。

第２ヨーク３２２は、板状の磁性体を凸状に曲げ成形して得られたものであり、その両端部がそれぞれボディ３０５の上面にボルト３５０を介して固定されている。これにより、第２ヨーク３２２の下面が第１ヨーク３２０の上面を押さえる形となり、第１ヨーク３２０および第２ボディ３０９の脱落が防止されている。また、第２ヨーク３２２が上方から固定鉄心３１６の上面を押さえる形となり、ソレノイド３０３の構成部品の脱落が防止されている。

固定鉄心３１６は段付円柱状をなし、ボビン３１０の上半部に圧入されている。固定鉄心３１６の上端中央には凸状の接続部３２４が突設されており、第２ヨーク３２２の上端中央に形成された接続孔３２６と嵌合している。固定鉄心３１６の下端部は、外径が下方に向かって段階的に小さくなる段付形状とされている。

一方、可動鉄心３１８は、有底円筒状をなし、ボビン３１０の下半部に挿通される第１鉄心部３６０と、ボビン３１０の下方に配置される第２鉄心部３６２とを有する。第１鉄心部３６０は円筒状をなし、その上端開口部が固定鉄心３１６の下端外周縁部と対向する。第２鉄心部３６２は、可動鉄心３１８の底部近傍において半径方向外向きに延出するフランジ部からなる。可動鉄心３１８の底部は、第１実施形態におけるディスク４８を形成し、固定鉄心３１６との間にスプリング６６を介装する。

以上の構成において、図７に示すように、ソレノイド３０３がオフの状態（非通電状態）では、固定鉄心３１６と可動鉄心３１８との間に吸引力が作用しない。このため、弁部は第１実施形態と同様に開閉動作する。一方、図８に示すように、ソレノイド３０３がオン（通電状態）にされると、固定鉄心３１６と可動鉄心３１８（第１鉄心部３６０）との間に吸引力が作用する。また、可動鉄心３１８（第２鉄心部３６２）と第１ヨーク３２０との間にも吸引力が作用する。このため、スプリング６６の付勢力に抗して可動鉄心３１８が上方（開弁方向）に動作する。その結果、閉弁状態であっても弁部を強制的に開弁させることができる。

本実施形態によれば、制御弁が電磁弁であるものの、弁体２２４および可動鉄心３１８におけるダイヤフラム１８との当接面が、第２実施形態における弁体２２４、ディスク４８のぞれぞれの当接面と同様の形状を有する。このため、第２実施形態と同様の作用効果を得ることができる。すなわち、弁部の駆動機構の態様にかかわらず、ダイヤフラム１８の受圧径に対して弁体２２４のストロークを大きく確保することができる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はその特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術思想の範囲内で種々の変形が可能であることはいうまでもない。

上記実施形態では、ダイヤフラムを軸線方向一方の側に凸状に膨出させる構成を例示した。変形例においては、ダイヤフラムを概ねフラットな形状としてもよい。また、そのフラットな形状の所定位置にコルゲーション部（波形状）を有するものとしてもよい。

上記実施形態では、ディスクおよび作動連結部においてダイヤフラムと着脱する傾斜面をテーパ面とする例を示した。変形例においては、例えばＲ形状（曲面形状）その他の傾斜面としてもよい。

上記実施形態では、第１ポート１０を流体の入口ポートとし、第２ポート１２を流体の出口ポートとする例を示した。変形例においては、第２ポート１２を流体の入口ポートとし、第１ポート１０を流体の出口ポートとし、弁体を弁孔の下流側に配置してもよい。

上記実施形態では、蓋体とボディとの間に連通路６０を設け、背圧室２２を大気に連通させる例を示した。変形例においては、連通路６０を設けることなく、背圧室２２に基準ガスを封入するなどして基準圧力に保持してもよい。その場合、基準圧力は、弁孔の下流側圧力以下（好ましくは下流側圧力より低圧）とする。

上記実施形態では、燃料電池システムにおけるセルスタックの下流側に上記制御弁を設置する例を示したが、セルスタックの上流側に設置してもよい。また、上記実施形態では、空気極を経由する流体通路に上記制御弁を設置する例を示したが、燃料極を経由する流体通路に設置してもよい。

上記実施形態では、上記制御弁を燃料電池システムに適用する例を示したが、その他のシステムに適用してもよい。特に流体通路を流れる流体の圧力が比較的小さいシステムに好適である。

上記実施形態では述べなかったが、ダイヤフラムの受圧径に対して弁体のストロークを大きく確保する観点からは、上述したダイヤフラムの凸形状に注目することができる。この制御弁は、感圧部として凸状の膨出部を有し、例えば以下のように特定される。

この制御弁は、流体通路が形成され、その流体通路の途中に弁孔を有するボディと、ボディ内にて弁孔に接離して弁部を開閉する弁体と、ボディ内を第１圧力室と第２圧力室とに仕切り、弁体の軸線方向に変位可能なダイヤフラムと、第１圧力室に配置され、弁体と一体変位可能な第１可動体と、第２圧力室に配置され、ダイヤフラムの中央部を間に挟むようにして第１可動体と一体に接続された第２可動体と、第１可動体をダイヤフラムに向けて付勢するための第１付勢部材と、第２可動体をダイヤフラムに向けて付勢するための第２付勢部材と、を備える。ダイヤフラムは、樹脂フィルムからなり、ボディの内壁を支点として第２圧力室（又は第１圧力室）の側に膨出する膨出部を有する。第１可動体と第２可動体とが、膨出部の中央を挟むようにして接続されている。

この態様によると、ダイヤフラムが樹脂フィルムからなるため、その受圧径を小さくしてもその剛性が高まることがなく、可撓性を確保することができる。さらに、そのダイヤフラムがボディの内壁を支点として第２圧力室（又は第１圧力室）の側に膨出する凸状に形成されているため、少なくともその支点と膨出部の角部とに変曲点を有し、それら複数の変曲点を中心とした変形により軸線方向に大きな変位を確保することができる。

一方、各可動体が付勢部材によってそれぞれダイヤフラムに押し付けられるため、それらを剛に連結する必要がない。そのため、各可動体の少なくとも一部をダイヤフラムに対して着脱する構成としてよく、その着脱部においてダイヤフラムの拘束を回避することができる。その結果、ダイヤフラムの受圧径を小さくしても、そのダイヤフラムにおいて変形可能な部分を相対的に大きくとることができる。このことが、ダイヤフラムの変位ひいては弁体のストロークを大きく確保できることにつながる。すなわち、この態様によれば、ダイヤフラムの凸形状と各可動体との接続構造との相乗効果により、ダイヤフラムの受圧径に対して弁体のストロークを大きく確保することができる。

第１可動体は、膨出部との対向面の中央部に形成され、軸線に対して垂直で平坦な接続面と、接続面の半径方向外側に連続して形成され、膨出部から離れる側に向けて傾斜し、弁体の開閉動作に応じてダイヤフラムに着脱する着脱面と、を有するものでもよい。

この制御弁は、第２可動体を第１可動体とは反対側にて係止することにより、弁体の軸線方向一方への変位を規制する第１ストッパをさらに備えてもよい。着脱面は、第２可動体が第１ストッパにより係止されたときに、膨出部の湾曲形状に沿う角度に設定されているのが好ましい。ただし、着脱面の外径は、ダイヤフラムの有効受圧径よりも小さくなるように構成される。

第２可動体は、膨出部との対向面の中央部に形成され、軸線に対して垂直な平坦面と、平坦面の半径方向外側に連続して形成され、膨出部から離れる側に向けて傾斜し、弁体の開閉動作に応じてダイヤフラムに着脱する傾斜面と、を有するものでもよい。

この制御弁は、第１可動体を第２可動体とは反対側にて係止することにより、弁体の軸線方向他方への変位を規制する第２ストッパをさらに備えてもよい。傾斜面は、第１可動体が第２ストッパにより係止されたときに、膨出部の湾曲形状に沿う角度に設定されるのが好ましい。なお、弁体のストロークをより大きく確保するために、膨出部の底部周縁部に沿ってコルゲーション部が設けられてもよい。

なお、本発明は上記実施形態や変形例に限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化することができる。上記実施形態や変形例に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることにより種々の発明を形成してもよい。また、上記実施形態や変形例に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除してもよい。

１制御弁、５ボディ、１０第１ポート、１２第２ポート、１４弁孔、１８ダイヤフラム、２０弁室、２２背圧室、２４弁体、３０弁座、３７作動連結部、４３膨出部、４８ディスク、６４スプリング、６６スプリング、７０平坦面、７２テーパ面、７４接続面、２０１制御弁、２２４弁体、２３７作動連結部、２７２テーパ面、３０１制御弁、３０３ソレノイド、３０５ボディ、３１６固定鉄心、３１８可動鉄心。

Claims

流体通路が形成され、その流体通路の途中に弁孔を有するボディと、
前記ボディ内にて前記弁孔に接離して弁部を開閉する弁体と、
前記ボディ内を第１圧力室と、その第１圧力室よりも低圧となり得る第２圧力室とに仕切り、前記弁体の軸線方向に変位可能な樹脂フィルムからなるダイヤフラムと、
前記第１圧力室に配置され、前記弁体と一体変位可能な第１可動体と、
前記第２圧力室に配置され、前記ダイヤフラムの中央部を間に挟むようにして前記第１可動体と一体に接続された第２可動体と、
前記第１可動体を前記ダイヤフラムに向けて付勢するための第１付勢部材と、
前記第２可動体を前記ダイヤフラムに向けて付勢するための第２付勢部材と、
を備え、
前記第１可動体および前記第２可動体は、前記第１付勢部材および前記第２付勢部材によって押し付けられるのみの態様で前記ダイヤフラムと当接し、
前記第２可動体は、
前記ダイヤフラムとの対向面中央部に形成され、軸線に対して垂直であり、前記ダイヤフラムに当接する平坦面と、
前記平坦面の半径方向外側に連続して形成され、前記ダイヤフラムから離れる側に向けて傾斜し、前記弁体の開閉動作に応じて前記ダイヤフラムに着脱する傾斜面と、
を有し、
前記傾斜面の面積が、前記平坦面の面積よりも大きくなるように構成されていることを特徴とする制御弁。
前記傾斜面の外径が、前記ダイヤフラムの有効受圧径よりも小さくなるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の制御弁。
前記弁体は、前記弁孔の開口端に形成された弁座に着脱して前記弁部を開閉し、
前記弁体が前記弁座に着座することにより前記第２可動体の閉弁方向への変位が規制されたときに、前記傾斜面が前記ダイヤフラムの対向面の曲率にほぼ沿うように、前記傾斜面の角度が設定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の制御弁。
前記第１可動体は、前記ダイヤフラムとの対向面中央部に軸線に対して垂直で平坦な接続面を有し、その接続面が前記ダイヤフラムを間に挟んで前記平坦面と接続されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の制御弁。
前記第１可動体は、前記接続面の半径方向外側に連続して形成され、前記ダイヤフラムから離れる側に向けて傾斜し、前記第１可動体の開閉動作に応じて前記ダイヤフラムに着脱する着脱面を有することを特徴とする請求項４に記載の制御弁。
前記ダイヤフラムは、前記ボディ内において前記弁孔を境とする一方の側の空間を、前記第１圧力室として前記流体通路を形成する弁室と、前記第２圧力室として前記流体通路を形成しない背圧室とに仕切り、
前記第１可動体および前記弁体が、前記弁室に配置され、
開弁状態においては、前記背圧室の圧力が、前記弁室の圧力よりも低い基準圧力に保持されることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の制御弁。