JP7085877B2 - インジェクタ装置 - Google Patents

Description

本発明は、流体を噴出するインジェクタ装置に関する。

例えば、燃料電池システムは、燃料タンクから燃料電池スタックに水素ガス（燃料ガス）を供給するために、供給配管の途上にインジェクタ装置を備える（特許文献１参照）。

特許文献１に開示のインジェクタ装置は、流体（水素ガス）が流入するハウジングと、ハウジング内に進退自在に収容されるプランジャ（弁体）と、プランジャを第１方向に後退させるコイルと、を備える。このインジェクタ装置は、プランジャの後退に伴いハウジングの上流側の供給配管から高圧の流体を流動させてハウジングから噴出し、プランジャの進出に伴い流体の噴出を遮断する。

特開２０１０－２６７５５３号公報

ところで、上記のインジェクタ装置は、流体の噴出をオン（開）とし、流体の噴出停止をオフ（閉）とする、言わば単純な開閉制御で流体を噴出する構成と言うことができる。この種のインジェクタ装置は、瞬間的に大流量の流体を噴出することがメリットではあるものの、下流側の供給配管に存在する流体との間で流体の圧力を調整する（低流量で流体を流動させる）ことが難しい、というデメリットがある。

流体の圧力を調整するため、インジェクタ装置に加えて流体の作動圧力を減圧するレギュレータを設置することも考えられるが、このように他の構成を適用した場合には、装置の大型化やコストの増加を招くことになる。

本発明は、上記の実情に鑑みてなされたものであり、装置の小型化や低コスト化を図ると共に、大流量の流体を噴出可能としつつ、少ない流量で流体を流出可能とすることで、より使い勝手に優れたインジェクタ装置を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明に係るインジェクタ装置は、流体を流入及び流出可能な筐体と、前記筐体内に収容される第１プランジャ及び第２プランジャと、前記第１プランジャと前記第２プランジャを一体的に変位させる第１動作、及び前記第２プランジャに対し前記第１プランジャを相対的に変位させる第２動作を実施可能な駆動部と、を備え、前記第２プランジャは、前記流体が流動する流通路を有し、前記第１プランジャは、前記流通路に挿通配置され、前記第２プランジャに対し相対的に変位することに基づき前記流通路を開閉し、前記第１プランジャは、内部に前記筐体に流入した前記流体を前記流通路に導く流路を有することを特徴とする。

この場合、前記第１プランジャ及び前記第２プランジャは、前記流体の調整機構を有し、前記調整機構は、前記第２動作における前記第２プランジャに対する前記第１プランジャの相対的な変位量に基づき前記流体の作動流量を線形的に調整する構成であるとよい。

また、前記調整機構は、前記第１プランジャの先端部に設けられた弁部と、前記第２プランジャにおいて前記流通路を構成すると共に、前記弁部の接触及び非接触を切り替え可能に、該弁部を収容する収容部と、を含んで構成されることが好ましい。

さらに、前記筐体は、前記流体が流入する流体室を備え、前記第２プランジャは、前記流体室のみに配置されているとよい。

上記構成に加えて、前記第２プランジャは、前記第１動作時に、前記筐体との間で、前記第１及び第２プランジャが移動する前の空間に前記流体を流動させる流動経路を形成するとよい。

或いは、前記駆動部は、１つのコイル部を有し、前記コイル部は、前記第１プランジャを所定方向に第１移動量変位させることにより前記第２動作を行い、前記流体を微小に流動させる一方で、前記第１プランジャを前記所定方向に、前記第１移動量よりも多い第２移動量変位させることにより前記第１動作を行い、前記流体を多く流動させる構成であってもよい。

さらに、前記駆動部は、前記第１プランジャを前記所定方向と反対方向に付勢する第１スプリングと、前記第２プランジャを前記反対方向に付勢する第２スプリングと、を有する構成でもよい。

本発明によれば、インジェクタ装置は、第１プランジャ及び第２プランジャを一体的に変位させる第１動作と、第２プランジャに対し第１プランジャを相対的に変位させる第２動作とが実施可能であることで、異なる量の流体を流動させることができる。従って例えば、インジェクタ装置は、第１動作を行うことにより大流量で流体を噴出させ、また第２動作を行うことにより第１動作よりも少ない流量で流体を流動させることができる。これにより、インジェクタ装置は、流体の作動圧力や作動流量をより自由に設定可能とし、低コストで一層使い勝手に優れたものとなる。しかもインジェクタ装置は、第１プランジャを第２プランジャの流通路に挿通配置して流通路を開閉する構成であることで、２つのプランジャを備えつつ装置の小型化を図ることができる。

本発明の第１実施形態に係るインジェクタ装置を適用した燃料電池システムの全体構成を示す説明図である。 第１実施形態に係るインジェクタ装置を示す側面断面図である。 図２のインジェクタ装置の第１動作を示す側面断面図である。 図２のインジェクタ装置の第２動作を示す側面断面図である。 図５Ａは、図２のインジェクタ装置の作動流量特性を示すグラフである。図５Ｂは、図２のインジェクタ装置の作動圧力特性を示すグラフである。 第２実施形態に係るインジェクタ装置を示す側面断面図である。 図６のインジェクタ装置の後退第１段階を示す側面断面図である。 図６のインジェクタ装置の後退第２段階を示す側面断面図である。 図９Ａは、図６のインジェクタ装置の作動流量特性を示すグラフである。図９Ｂは、図６のインジェクタ装置の作動圧力特性を示すグラフである。

以下、本発明について好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。

〔第１実施形態〕
本発明の第１実施形態に係るインジェクタ装置１０は、図１に示すように燃料電池システム１２に適用される。燃料電池システム１２は、発電を行う燃料電池スタック１４（以下、ＦＣスタック１４という）を有し、インジェクタ装置１０は、このＦＣスタック１４に水素ガス（燃料ガス）を供給するために設けられる。このインジェクタ装置１０は、適宜の作動流量及び作動圧力で水素ガスを流動させる。

以下では、説明の便宜のため、まずインジェクタ装置１０が適用される燃料電池システム１２について説明する。燃料電池システム１２は、ＦＣスタック１４に水素ガスを供給する燃料ガス供給装置１６、ＦＣスタック１４にエア（酸化剤ガス）を供給する酸化剤ガス供給装置１８、ＦＣスタック１４との間で冷媒を循環する冷却装置２０、及び各装置の動作を制御する制御部２２を備える。この燃料電池システム１２は、例えば、燃料電池車両に搭載され、車内の電気系統に電力を供給する。なお、燃料電池システム１２が適用される対象は、特に限定されず、定置用に構成されてもよい。

ＦＣスタック１４は、複数積層した燃料電池２４を筐体の内部に備える。燃料電池２４は、カソード電極２６、固体高分子電解質膜２８、アノード電極３０を積層した電解質膜構造体３２を有すると共に、この電解質膜構造体３２をセパレータ３４で挟み込むことにより水素ガス及びエアの流路を有している。そして、アノード流路３６には、燃料ガス供給装置１６から水素ガスが供給される一方で、カソード流路３８には酸化剤ガス供給装置１８からエアが供給される。アノード流路３６を流動する水素ガスとカソード流路３８を流動するエア中の酸素が、電解質膜構造体３２で反応することで電力が発生する。

燃料ガス供給装置１６は、アノード流路３６に連通して水素ガスを供給する燃料ガス供給配管４０と、アノード流路３６に連通してアノードオフガスを排出する燃料ガス排出配管４２と、を有する。燃料ガス供給配管４０の上流には、高圧の水素を貯留する水素タンク４４が配置される。そして、ＦＣスタック１４と水素タンク４４の間の燃料ガス供給配管４０に、上記のインジェクタ装置１０が設けられると共に、エゼクタ４６が設けられる。

燃料ガス排出配管４２には、気液分離器４８が設けられ、気液分離器４８は、アノードオフガスに含まれる気体（水素ガス）と、液体（水）とを分離する。燃料ガス排出配管４２には、水素循環用の循環ポンプ５０を有する水素循環配管５２、及び排気管５４が接続される。水素循環配管５２は、エゼクタ４６に接続され、これによりエゼクタ４６は、インジェクタ装置１０による水素ガスの流量に基づき、水素循環配管５２の水素を吸引する。排気管５４には、管内の流路を開閉するパージ弁５４ａが設けられ、開弁時にアノードオフガスを排気する。

一方、酸化剤ガス供給装置１８は、カソード流路３８に連通してエアを供給する酸化剤ガス供給配管５６と、カソード流路３８に連通してカソードオフガスを排出する酸化剤ガス排出配管５８と、を有する。酸化剤ガス供給配管５６には、エアポンプ６０が設けられ、エアポンプ６０は、制御部２２の制御下にＦＣスタック１４に供給するエアの流量を制御する。また酸化剤ガス排出配管５８には、気液分離器４８において分離された水を排水する排水管６２が接続されると共に、排気管５４が接続される。排水管６２には、管内の流路を開閉するドレイン弁６２ａが設けられている。酸化剤ガス排出配管５８は、カソードオフガスと合わせてアノードオフガス及び水をシステム外に排出する。

冷却装置２０は、ＦＣスタック１４の隣接するセパレータ３４間に設けられた冷媒流路６４に連通する冷媒循環配管６６を備える。冷媒循環配管６６には、ラジエータ６８及び冷媒ポンプ６９が配置される。制御部２２は、冷媒ポンプ６９の駆動速度を制御することにより、冷媒循環配管６６とＦＣスタック１４を循環する冷媒の流量を制御する。

次に、以上の燃料電池システム１２の燃料ガス供給装置１６に適用されるインジェクタ装置１０について、図２を参照して説明していく。

インジェクタ装置１０は、筒状に形成され、水素ガス（流体）を流入及び流出可能な筐体７０を有する。筐体７０の内部には、プランジャ７２が変位可能に収容されると共に、プランジャ７２を駆動させる駆動部７４が設けられている。駆動部７４は、コイル部７６及びスプリング７８を含んで構成される。

筐体７０は、所定の容積を有する流体室８０と、流体室８０に連通するガス流入口８１及びガス流出口８２と、を備える。流体室８０は、筐体７０の先端側に設けられ、プランジャ７２の一部分を移動可能に収容する。また、流体室８０は、プランジャ７２の他部が配置される駆動室８４に連通している。

ガス流入口８１は、筐体７０の側面（プランジャ７２の軸線方向と直交する位置）に設けられる。ガス流入口８１は、燃料ガス供給配管４０のうち水素タンク４４につながる上流側供給配管４０ａが接続され、水素ガスを流体室８０に流入させる（図１も参照）。ガス流出口８２は、プランジャ７２の軸線方向に対向する位置に設けられる。ガス流出口８２は、燃料ガス供給配管４０のうちエゼクタ４６につながる下流側供給配管４０ｂが接続され、流体室８０の水素ガスを流出する。ガス流出口８２を囲う筐体７０の先端壁部７０ａは、プランジャ７２の先端部が接触する座部を構成している。

プランジャ７２は、コイル部７６から駆動力が伝達される第１プランジャ８６と、第１プランジャ８６とは別部材に構成される第２プランジャ８８と、を有する。

第１プランジャ８６は、第２プランジャ８８の流通路９０に挿通配置され且つ第２プランジャ８８の先端側において係合するように構成されている。第１プランジャ８６は、第２プランジャ８８を一体的に基端方向（第１方向）に移動させる第１動作と、第２プランジャ８８に対し相対的に先端方向（第２方向）に進出させる第２動作と、を実施することが可能である。この第１プランジャ８６は、先端側に配置される弁部９２と、弁部９２に連結されるシャフト部９４と、シャフト部９４の基端側に固定される磁性体９６と、を有する。

弁部９２は、円盤状に形成され、その先端面９２ａがガス流出口８２に対向するように配置される。また、弁部９２は、第２プランジャ８８の収容凹部１００に配置され、駆動部７４から駆動力が付与されていない通常状態で、その基端面９２ｂが第２プランジャ８８との間で気密に接触している。そして、弁部９２の基端面９２ｂの中心部にシャフト部９４が連結されている。

シャフト部９４は、筐体７０の軸方向に沿って所定長さ延在し、流体室８０と駆動室８４の両方に配置される。流体室８０に配置されるシャフト部９４は、第２プランジャ８８を挿通している。

磁性体９６は、シャフト部９４の外周面に強固に固定され、コイル部７６から磁気力が伝達されることで、筐体７０の軸方向に沿って第１プランジャ８６を進退移動させる。

一方、第２プランジャ８８は、流体室８０に配置される可動体であり、第１プランジャ８６の弁部９２よりも径方向外側に大きく形成されている。第２プランジャ８８の外周面は、筐体７０の側壁部７０ｂとの間で適宜な流路断面積の（第１プランジャ８６のシャフト部９４の外周面と第２プランジャ８８の内周面との間の流路断面積よりも大きな）隙間８０ａを形成している。

第２プランジャ８８は、軸心部（中心部）に流通路９０を有する。流通路９０は、第１プランジャ８６のシャフト部９４が挿通する貫通孔９８と、貫通孔９８に連通すると共に第２プランジャ８８の先端部に設けられた収容凹部１００（収容部）と、を有する。収容凹部１００は、第２プランジャ８８の先端面８８ａで開口しておりガス流出口８２に対向している。この収容凹部１００は、第１プランジャ８６の弁部９２を収容している。収容凹部１００の底面１００ａは、貫通孔９８に連通している。また収容凹部１００は、弁部９２と協働して、弁部９２の変位に伴い線形的に流路断面積が変化する隙間１０１を形成する。

つまり、インジェクタ装置１０は、弁部９２と収容凹部１００により水素ガスの作動流量を調整可能な調整機構１０２を構成している。調整機構１０２は、弁部９２及び底面１００ａの接触及び非接触と、隙間１０１とによって、第２プランジャ８８に対する第１プランジャ８６の相対的な変位量の増加に比例して水素ガスの作動流量を線形的に増加させる。

第２プランジャ８８の収容凹部１００の底面１００ａには、第１プランジャ８６の弁部９２に接触する第１シール１０４が設けられる一方で、第２プランジャ８８の先端面８８ａには、筐体７０の先端壁部７０ａに接触する第２シール１０６が設けられている。第１シール１０４は、第１プランジャ８６の弁部９２との接触状態で流通路９０を気密に遮断する。同様に、第２シール１０６は、筐体７０との接触状態で流体室８０の水素ガスが流動する部分（流動経路）を気密に閉塞する。なお、第１及び第２シール１０４、１０６は、第１プランジャ８６側や筐体７０側に設けられてもよい。

また、第２プランジャ８８の基端面８８ｂには、スプリング７８が配置される第２プランジャ側バネ座１０８が設けられている。後述するように、スプリング７８は、２つ（第１スプリング１１４、第２スプリング１１６）設けられ、これに対応して第２プランジャ側バネ座１０８も２つ設けられている。

インジェクタ装置１０のコイル部７６は、筐体７０の基端側に設けられ、駆動室８４の側方を周方向に囲っている。コイル部７６は、筐体７０の軸方向に沿って２つ（第１コイル部１１０と第２コイル部１１２）に分かれて設けられている。すなわち、第１コイル部１１０は、筐体７０の基端側に設けられ、第２コイル部１１２は、第１コイル部１１０よりも先端側で第１コイル部１１０から所定間隔開いた位置に設けられている。

第１及び第２コイル部１１０、１１２は、導電性金属線を巻回したものであり、制御部２２の制御下に、第１プランジャ８６の磁性体９６を吸引する磁界を発生させる。特に、第１コイル部１１０は、第２コイル部１１２よりも巻回数が多いことで、強い磁界を発生することが可能であり、この第１コイル部１１０の磁気力によって、第１プランジャ８６が第２プランジャ８８と共に基端方向に移動する。一方、第２コイル部１１２は、磁気力によって、第１プランジャ８６を、第２プランジャ８８に対し相対的に先端方向に移動させる。

また、スプリング７８は、上述したように２つ設けられる。すなわち、第１スプリング１１４は、流体室８０を構成する筐体７０の底壁部７０ｃと、第２プランジャ８８の基端面８８ｂとの間に配置される。第２スプリング１１６は、第１プランジャ８６の磁性体９６の先端面と、第２プランジャ８８の基端面８８ｂとの間に配置される。このため、筐体７０の底壁部７０ｃには、筐体側バネ座１１８が設けられると共に、磁性体９６の先端面には、第１プランジャ側バネ座１２０が設けられている。

第１スプリング１１４は、筐体７０の底壁部７０ｃに対し第２プランジャ８８が離間するように（つまり先端方向に）付勢する。第２スプリング１１６は、第２プランジャ８８の基端面８８ｂに対し第１プランジャ８６の磁性体９６が離間するように（つまり基端方向に）付勢する。第１スプリング１１４の付勢力は、第２スプリング１１６の付勢力よりも大きく設定されている。

さらに、インジェクタ装置１０は、第１プランジャ８６の後退量を調整するストローク調整機構１２２と、第１プランジャ８６の進出限界を規定する凸部１２４と、を筐体７０に備える。ストローク調整機構１２２は、第１プランジャ８６の後退量を調整することで、第１動作時に噴出する水素ガスの流量を調整することができる。

第１実施形態に係るインジェクタ装置１０は、基本的には以上のように構成されるものであり、以下その作用について説明する。

インジェクタ装置１０は、燃料電池システム１２の燃料ガス供給装置１６に適用され、制御部２２により駆動が制御されることで、水素タンク４４の水素ガスを適宜の作動流量及び作動圧力でエゼクタ４６に供給する。このインジェクタ装置１０は、制御部２２により第１及び第２コイル部１１０、１１２への電力供給が選択的に切り替えられることで、２つの動作（第１動作及び第２動作）を行う。

すなわち、第１動作では、図３に示すように、制御部２２が第１コイル部１１０に電力供給を行うことで、第１コイル部１１０に磁気力を生じさせる。これにより第１プランジャ８６の磁性体９６が第１コイル部１１０側に吸引され、第１プランジャ８６全体が基端方向に後退する。第１プランジャ８６は、後退時に、先端側の弁部９２が第２プランジャ８８に引っ掛かることで、第１プランジャ８６の後退力を第２プランジャ８８に伝える。これにより、第１コイル部１１０は、第１スプリング１１４の付勢力に抗して、第１及び第２プランジャ８６、８８を一体的に基端方向に移動させる。

第１及び第２プランジャ８６、８８の基端方向の移動に伴い、第２プランジャ８８の先端面８８ａと筐体７０の先端壁部７０ａとで遮断していた箇所（第２シール１０６）が開放される。これにより、流体室８０は、ガス流入口８１とガス流出口８２を連通させる。すなわち、上流側供給配管４０ａから供給された水素ガスは、ガス流入口８１を介して流体室８０に流入する。この水素ガスは、流体室８０において筐体７０の側壁部７０ｂと第２プランジャ８８の外周面との間の隙間８０ａを通る流動経路で筐体７０の先端側に進む。さらに水素ガスは、筐体７０の先端壁部７０ａと第２プランジャ８８の先端面８８ａとの間を通ることで、中央部（第１プランジャ８６の対向箇所）に進み、筐体７０から下流側供給配管４０ｂに水素ガスを噴出させる。

第１及び第２プランジャ８６、８８の基端方向の移動は、第１プランジャ８６が筐体７０のストローク調整機構１２２（移動限界）に当たるまで行われる。その後、制御部２２が第１コイル部１１０の電力供給を停止すると、磁性体９６の吸引力がなくなり、プランジャ７２は、第１スプリング１１４の弾性復元力により先端方向に移動する。つまり、第２プランジャ８８が第１スプリング１１４の付勢力を受けて先端方向に移動し、第２プランジャ８８に係合する弁部９２（第１プランジャ８６）が合わせて先端方向に移動する。

そして、プランジャ７２は、先端方向の移動に伴い第２プランジャ８８が筐体７０の先端壁部７０ａに接触することで、水素ガスの噴出を遮断する。以上のように、インジェクタ装置１０は、第１プランジャ８６と第２プランジャ８８が一体的に進退する第１動作によって、下流側供給配管４０ｂに水素ガスを大流量で供給することができる。

一方、第２動作では、図４に示すように、制御部２２が第２コイル部１１２に電力供給を行うことで、第２コイル部１１２に磁気力を生じさせる。これにより磁性体９６が第２コイル部１１２側に吸引され、第１プランジャ８６は、第２スプリング１１６の付勢力に抗して先端方向に進出することになる。

そのため、調整機構１０２である弁部９２と収容凹部１００は、底面１００ａと基端面９２ｂを離間させ、第１シール１０４が遮断していた箇所を開放する。この開放量は、第１動作において筐体７０に対し第２プランジャ８８が開放する量よりも小さい。また調整機構１０２は、弁部９２の進出量（底面１００ａに対する離間量）に線形的に比例して開放量が増加するよう構成されている。そのため、水素ガスは、シャフト部９４の外周面と第２プランジャ８８の貫通孔９８の内周面との間、及び弁部９２と収容凹部１００の隙間１０１を通る流動経路で、第１動作よりも少なく且つ調整された流量で、筐体７０の先端側に流動する。

つまり第２動作では、第１プランジャ８６と第２プランジャ８８の間から水素ガスを徐々に流動させることができる。また制御部２２が第２コイル部１１２の電力供給を停止すると、磁性体９６の吸引力がなくなり、第１プランジャ８６は、第２スプリング１１６の弾性復元力により基端方向に移動する。これにより第１プランジャ８６と第２プランジャ８８の開放部分が閉じられることになる。

以上のインジェクタ装置１０の第１及び第２動作をまとめると、図５Ａに示すような水素ガスの作動流量特性が得られる。すなわち、第１動作では、制御部２２の制御下に第１コイル部１１０に電流を供給していくと、供給電流値が第１境界値Ｂ１に至るまでは、供給電流値に比例しつつ作動流量が急激に上昇していく。すなわち、第１動作では、作動流量が短時間に大きく立ち上がることになる。そして供給電流値が第１境界値Ｂ１以上になると、作動流量が高い値で一定となる。従って、制御部２２は、第１動作の実施によって、大流量の水素ガスを噴出することができる。

また第２動作でも、第２コイル部１１２の供給電流値が、第２境界値Ｂ２よりも小さい段階では供給電流値に比例して作動流量が線形的に上昇する。この第２境界値Ｂ２は、例えば、第１境界値Ｂ１よりも大きな値に設定されており、また上述したように第２動作における開放量は小さいことから、作動流量は緩やかに上昇する。なお、第２境界値Ｂ２以上になるとプランジャ７２が進出限界まで進出することになり、作動流量は第１動作よりも低い値で一定となる。

特に、第２動作は、燃料ガス供給装置１６において水素ガスを循環させる動作に伴い実施されることで、第２境界値Ｂ２まで緩やか且つ線形的に上昇する作動流量によって、水素ガスの流動量をより詳細に調整することができる。例えば、下流側の水素ガスの循環圧に応じて、供給電流値をコントロールすることで、弁部９２の変位量が調整されて、水素ガスの作動流量及び作動圧力を調整することができる。つまり、インジェクタ装置１０は、水素ガスの作動圧力を一定に調圧するレギュレータとして動作させることができる。

また、図５Ｂに示すように、インジェクタ装置１０の下流側における作動圧力は、第１動作で上下に大きく振幅し、第２動作で上下に小さく振幅する波形となる。従って、制御部２２は、第１動作と第２動作を組み合わせて、インジェクタ装置１０の下流側の水素ガスの圧力を適切に調整することができる。例えば、制御部２２は、燃料電池車両（又は燃料電池システム１２）の音が大きい場合に第１動作を行う一方で、車両の音が小さい場合に第２動作を行うことで配管の脈動を抑制する。これにより車両の音が小さい場合に、インジェクタ装置１０のノイズがユーザに聞こえることを低減することができる。

以上のように、第１実施形態に係るインジェクタ装置１０は、以下の効果を奏する。

インジェクタ装置１０は、第１プランジャ８６及び第２プランジャ８８を一体的に変位させる第１動作と、第２プランジャ８８に対し第１プランジャ８６を相対的に変位させる第２動作とが実施可能であることで、異なる量の水素ガスを流動させることができる。すなわち、インジェクタ装置１０は、第１動作を行うことにより大流量で流体を噴出させ、また第２動作を行うことにより第１動作よりも少ない流量で流体を流動させる。これにより、インジェクタ装置１０は、流体の作動圧力や作動流量をより自由に設定可能とし、より使い勝手に優れたものとなる。しかもインジェクタ装置１０は、第１プランジャ８６を第２プランジャ８８の流通路９０に挿通配置して流通路９０を開閉する構成であることで、２つのプランジャ７２を備えつつ装置の小型化を図ることができる。

また、インジェクタ装置１０は、調整機構１０２により、第２プランジャ８８に対する第１プランジャ８６の相対的な変位量に基づき水素ガスの作動流量を線形的に調整することで、下流側に流動させる水素ガスの圧力を良好に調圧することができる。例えば、下流側に存在する水素ガスの圧力が一時的に高い場合には、第１プランジャ８６の変位量を小さくすることで、流通路９０を流動する水素ガスの量を少なくして下流側の圧力を下げることが可能となる。

上記構成に加えて、インジェクタ装置１０は、第１プランジャ８６の弁部９２と第２プランジャ８８の収容部とにより簡単に調整機構１０２を構成することができる。特に、調整機構１０２は、弁部９２や収容部の大きさに基づき、第２動作時における水素ガスの流動量を容易に設計可能とする。

さらに、インジェクタ装置１０は、駆動部７４による第１プランジャ８６の変位によって、流体室８０に配置された第２プランジャ８８をも変位させることで、簡単な駆動制御で水素ガスの流動を制御することが可能となる。しかも、コイル部７６が第２プランジャ８８に駆動力を直接付与しないため、装置の構造が簡素化し、より小型化を促進することができる。

またさらに、インジェクタ装置１０は、第２プランジャ８８と筐体７０との間の流動経路により、第１動作を実施した際に第１及び第２プランジャ８６、８８が一体に後退することに伴い水素ガスを多量に噴出することができる。

そして、インジェクタ装置１０は、第１及び第２コイル部１１０、１１２を有することで、第１及び第２コイル部１１０、１１２に電力を選択的に供給して、第１プランジャ８６が変位する方向を基端方向及び先端方向に簡単に切り替えることができる。これにより水素ガスの流量制御をより容易化することが可能となる。

この場合、インジェクタ装置１０は、第１コイル部１１０と第２コイル部１１２を筐体７０の軸方向に並設していることで、筐体７０の径方向のサイズを大幅に小さくすることができ、種々の装置に適用することが可能となる。

また、インジェクタ装置１０は、スプリング７８を有することで、第１及び第２プランジャ８６、８８の各々の弾性復元をスムーズに実現することができ、例えば、流体の噴出時の作動圧力を高めることが可能となる。

なお、本発明は、上述の実施形態に限定されず、発明の要旨に沿って種々の改変が可能である。例えば、インジェクタ装置１０は、燃料電池システム１２への適用に限定されるものではなく、流体の噴射と流量制御とを実施する種々のシステムに適用してよい。

〔第２実施形態〕
第２実施形態に係るインジェクタ装置１０Ａは、図６に示すように、プランジャ７２を２つ有する一方で、コイル部７６を１つ有する構成とした点で、第１実施形態に係るインジェクタ装置１０と異なる。なお、以降の説明において、上述の実施形態と同じ構成又は同じ機能を有する要素には、同じ符号を付してその詳細な説明を省略する。

具体的には、第２プランジャ２０２の流通路２０４は、貫通孔９８と、第１プランジャ２００の弁部２１０を内部に収容する収容室２０６（収容部）と、を有する。この収容室２０６は、第２プランジャ２０２の貫通孔９８に連通すると共に、第２プランジャ２０２の先端壁部２０２ａに形成された開口部２０８に連通している。開口部２０８は、ガス流出口８２に対向し、このガス流出口８２よりも小径に形成されている。さらに、第２プランジャ２０２の先端壁部２０２ａには、筐体７０の先端壁部７０ａに接触して気密に閉塞可能な第２シール１０６が固定されている。

第２プランジャ２０２に収容される第１プランジャ２００は、基本的には第１実施形態と同様に、弁部２１０、シャフト部２１２及び磁性体２１４で構成される。弁部２１０とシャフト部２１２の内部には、水素ガスを流動可能な流路２１６が設けられている。流路２１６は、シャフト部２１２の外周面からシャフト部２１２内を通って先端方向に延在し、弁部２１０内で屈曲して径方向外側に延在し、外側縁において開口している。

弁部２１０は、開口部２０８を形成している第２プランジャ２０２の先端壁部２０２ａと、底壁部２０２ｂとの間で一定の移動余裕距離をもって収容される。弁部２１０は、貫通孔９８及び開口部２０８よりも径方向外側に突出しており、先端壁部２０２ａ及び底壁部２０２ｂに引っ掛かり止まることが可能に構成されている。弁部２１０の先端面２１０ａには、第２プランジャ２０２の先端壁部２０２ａに接触して気密に閉塞可能な第１シール１０４が固定されている。

第１及び第２プランジャ２００、２０２の調整機構２１８は、収容室２０６及び弁部２１０によって構成される。すなわち、弁部２１０が収容室２０６の先端壁部２０２ａに接触している状態では、流通路２０４を介した水素ガスの流動を遮断する一方で、弁部２１０が基端方向（所定方向）に移動すると、流通路２０４を介した水素ガスの流動を許容する。また、調整機構２１８は、弁部２１０が移動余裕距離の間を移動する際に、弁部２１０と収容室２０６の隙間２０６ａを徐々に大きくする。そのため、弁部２１０の変位量の増加に伴い開放量が線形的に上昇し、水素ガスの流動量を線形的に変化させることができる（図９Ａも参照）。

インジェクタ装置１０Ａは、以上のプランジャ７２の構成に対応して２つのスプリング７８を有している。第１スプリング２２０は、第１プランジャ２００の磁性体２１４の基端面と筐体７０の間に配置され、第１プランジャ２００を先端方向（反対方向）に付勢する。第２スプリング２２２は、第２プランジャ２０２の基端面と筐体７０の底壁部７０ｃの間に配置され、第２プランジャ２０２を先端方向に付勢する。そして、第２スプリング２２２の付勢力は、第１スプリング２２０の付勢力よりも大きく設定されている。

一方、インジェクタ装置１０Ａに設けられた単一コイル部２２４（コイル部７６）は、制御部２２（図１参照）の制御下に、適宜の電力が供給されて、第１プランジャ２００の磁性体２１４を吸引する。これにより第１プランジャ２００には、基端方向に後退する後退力が付与される。

第２実施形態に係るインジェクタ装置１０Ａは、基本的には以上のように構成されるものであり、以下その作用について説明する。

インジェクタ装置１０Ａは、制御部２２により単一コイル部２２４に電力供給がなされることで、単一コイル部２２４に磁気力を生じさせる。これにより図７に示すように、第１プランジャ２００の磁性体２１４が吸引され、第１スプリング２２０の付勢力に抗して第１プランジャ２００全体を基端方向に第１移動量変位させる後退第１段階（第２動作に相当）を行う。後退第１段階において、第１プランジャ２００は、弁部２１０が第２プランジャ２０２の底壁部２０２ｂに接触するまで、単独で（第２プランジャ２０２と相対的に）後退する。

そして第１プランジャ２００の後退移動によって、弁部２１０は、第１シール１０４が収容室２０６で閉塞していた箇所を開放する。その結果、上流側供給配管４０ａからガス流入口８１を介して流体室８０に流入した水素ガスは、第１プランジャ２００の流路２１６に流動する流動経路を辿る。水素ガスは、流路２１６を通って収容室２０６に流入し、収容室２０６と弁部２１０の隙間２０６ａを通って開口部２０８に向かう。これにより水素ガスは、開口部２０８から流出し、さらに筐体７０のガス流出口８２から下流側供給配管４０ｂに流出する。従って、インジェクタ装置１０Ａは、第１プランジャ２００の後退第１段階において、水素ガスを少量且つ調整した作動流量で流出させることができる。

後退第１段階後、コイル部７６は、第１プランジャ２００をさらに基端方向に第２移動量変位させる後退第２段階（第１動作に相当）を行うことができる。後退第２段階では、後退する第１プランジャ２００の弁部２１０が第２プランジャ２０２に引っ掛かることで、第２プランジャ２０２にも後退力が付与される。これにより、第２プランジャ２０２は、第２スプリング２２２の付勢力に抗して後退移動することになり、第２シール１０６が流体室８０で閉塞していた箇所を開放する。

その結果、上流側供給配管４０ａからガス流入口８１を介して流体室８０に流入した水素ガスは、流体室８０において、筐体７０の側壁部７０ｂと第２プランジャ２０２の外周面との間の隙間８０ａを通る流動経路で筐体７０の先端側に進む。さらに水素ガスは、筐体７０の先端壁部７０ａと第２プランジャ２０２の先端壁部２０２ａとの間を通ることで、中央部（第１プランジャ２００の対向箇所）に進む。これにより水素ガスを、ガス流出口８２から下流側供給配管４０ｂに噴出させることができる。

第１及び第２プランジャ２００、２０２の基端方向の移動は、第１プランジャ２００が筐体７０のストローク調整機構１２２（移動限界）に接するまで行われる。その後、制御部２２が単一コイル部２２４の電力供給を停止すると、第１及び第２プランジャ２００、２０２はスプリング７８の弾性復元力により先端方向に移動する。そして、先端方向の移動に伴い第２プランジャ２０２が筐体７０の先端壁部７０ａに接触することで、水素ガスの噴出を遮断する。

以上のインジェクタ装置１０Ａの動作をまとめると、図９Ａに示すような水素ガスの作動流量特性が得られる。すなわち、後退第１段階では、制御部２２の制御下に単一コイル部２２４に電流を供給していくと、供給電流値が境界値Ｂよりも小さい段階では、第１プランジャ２００と第２プランジャ２０２の調整機構２１８が開放し、供給電流値に比例して作動流量が緩やか且つ線形的に上昇していく。そして供給電流値が境界値Ｂ以上になると、第１及び第２プランジャ２００、２０２が一体的に後退することになり、作動流量が急に上昇していく。そして、供給限界値Ｌでは大流量の水素ガスを噴出することができる。

また、図９Ｂに示すように、インジェクタ装置１０Ａの下流側における作動圧力は、後退第１段階で上下に小さく振幅し、後退第２段階で上下に大きく振幅すると言える。従って、制御部２２は、後退第１段階と後退第２段階を組み合わせることで、インジェクタ装置１０Ａの下流側の水素ガスの圧力を適切に調整することができる。

以上のように、第２実施形態に係るインジェクタ装置１０Ａでも、第１実施形態に係るインジェクタ装置１０と同様の効果を得ることができる。特に、インジェクタ装置１０Ａは、単一コイル部２２４により、第１及び第２動作を行うことでも、流体の流量制御をより容易化することが可能となる。しかも単一コイル部２２４であれば、装置の小型化をより促進することができる。

また、インジェクタ装置１０Ａは、第１及び第２スプリング２２０、２２２を有することで、第１及び第２動作で第１プランジャ２００が同方向に変位しても、第１及び第２プランジャ２００、２０２の弾性復元をスムーズに実現することができる。

なお、第２実施形態に係るインジェクタ装置１０Ａも、上記構成に限定されず、種々の応用例や変形例をとり得る。例えば、上記のインジェクタ装置１０Ａでは、第１プランジャ２００に流路２１６を設けた構成とした。流路２１６の形成箇所は、これに限定されるものではなく、例えば、第２プランジャ２０２に流路２１６ａ（図６中の点線参照）を設けてもよい。すなわち、流路２１６ａは、貫通孔９８を囲う内周面と収容室２０６とを連通し、収容室２０６側の流路の開口は、弁部２１０の外側縁と第２プランジャ２０２の側壁との間の隙間２０６ａに対向している。この場合でも、水素ガスを収容室２０６に良好に導くことができる。

１０、１０Ａ…インジェクタ装置 １２…燃料電池システム
７０…筐体 ７２…プランジャ
７４…駆動部 ７６…コイル部
７８…スプリング ８０…流体室
８６、２００…第１プランジャ ８８、２０２…第２プランジャ
９０、２０４…流通路 ９２、２１０…弁部
１００…収容凹部 １０２、２１８…調整機構
１１０…第１コイル部 １１２…第２コイル部
１１４、２２０…第１スプリング １１６、２２２…第２スプリング
２０６…収容室 ２２４…単一コイル部

Claims (7)

1. 流体を流入及び流出可能な筐体と、
   前記筐体内に収容される第１プランジャ及び第２プランジャと、
   前記第１プランジャと前記第２プランジャを一体的に変位させる第１動作、及び前記第２プランジャに対し前記第１プランジャを相対的に変位させる第２動作を実施可能な駆動部と、を備え、
   前記第２プランジャは、前記流体が流動する流通路を有し、
   前記第１プランジャは、前記流通路に挿通配置され、前記第２プランジャに対し相対的に変位することに基づき前記流通路を開閉し、
   前記第１プランジャは、内部に前記筐体に流入した前記流体を前記流通路に導く流路を有する
   ことを特徴とするインジェクタ装置。
2. 請求項１記載のインジェクタ装置において、
   前記第１プランジャ及び前記第２プランジャは、前記流体の調整機構を有し、
   前記調整機構は、前記第２動作における前記第２プランジャに対する前記第１プランジャの相対的な変位量に基づき前記流体の作動流量を線形的に調整する
   ことを特徴とするインジェクタ装置。
3. 請求項２に記載のインジェクタ装置において、
   前記調整機構は、
   前記第１プランジャの先端部に設けられた弁部と、
   前記第２プランジャにおいて前記流通路を構成すると共に、前記弁部の接触及び非接触を切り替え可能に、該弁部を収容する収容部と、を含んで構成される
   ことを特徴とするインジェクタ装置。
4. 請求項１～３のいずれか１項に記載のインジェクタ装置において、
   前記筐体は、前記流体が流入する流体室を備え、
   前記第２プランジャは、前記流体室のみに配置されている
   ことを特徴とするインジェクタ装置。
5. 請求項４記載のインジェクタ装置において、
   前記第２プランジャは、前記第１動作時に、前記筐体との間で、前記第１及び第２プランジャが移動する前の空間に前記流体を流動させる流動経路を形成する
   ことを特徴とするインジェクタ装置。
6. 請求項１～５のいずれか１項に記載のインジェクタ装置において、
   前記駆動部は、１つのコイル部を有し、
   前記コイル部は、
   前記第１プランジャを所定方向に第１移動量変位させることにより前記第２動作を行い、前記流体を微小に流動させる一方で、
   前記第１プランジャを前記所定方向に、前記第１移動量よりも多い第２移動量変位させることにより前記第１動作を行い、前記流体を多く流動させる
   ことを特徴とするインジェクタ装置。
7. 請求項６記載のインジェクタ装置において、
   前記駆動部は、前記第１プランジャを前記所定方向と反対方向に付勢する第１スプリングと、前記第２プランジャを前記反対方向に付勢する第２スプリングと、を有する
   ことを特徴とするインジェクタ装置。

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