WO2008053943A1 - Vanne de régulation de fluide - Google Patents

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WO2008053943A1
WO2008053943A1 PCT/JP2007/071264 JP2007071264W WO2008053943A1 WO 2008053943 A1 WO2008053943 A1 WO 2008053943A1 JP 2007071264 W JP2007071264 W JP 2007071264W WO 2008053943 A1 WO2008053943 A1 WO 2008053943A1
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fluid
valve body
housing
control valve
flow path
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PCT/JP2007/071264
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Inventor
Masahiro Takeshita
Original Assignee
Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F16K31/00—Actuating devices; Operating means; Releasing devices
    • F16K31/02—Actuating devices; Operating means; Releasing devices electric; magnetic
    • F16K31/06—Actuating devices; Operating means; Releasing devices electric; magnetic using a magnet, e.g. diaphragm valves, cutting off by means of a liquid
    • F16K31/0644—One-way valve
    • F16K31/0651—One-way valve the fluid passing through the solenoid coil
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
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    • H—ELECTRICITY
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    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
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    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a fluid control valve, and in particular, a valve body is moved and driven in an axial direction with respect to a casing, and a gap between an output port of the casing and a front end portion of the valve body is changed.
  • the present invention relates to a fluid control valve that controls output flow rate or output pressure.
  • valve element In order to control the flow of fluid, the valve element is moved in the axial direction relative to the casing, and the casing
  • a control valve that controls the output flow rate or output pressure of the fluid by changing the gap between the body output port and the tip of the valve body is used.
  • the flow of fluid can be shut off by bringing the output port of the housing into contact with the tip of the valve body, and the fluid can be flowed by separating the output port of the housing from the tip of the valve body. By repeating this contact and separation, the flow rate or pressure of the fluid can be precisely adjusted. .
  • Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2 0 5-2 7 3 7 0 4 discloses a valve mechanism used to purge (exhaust) exhaust gas containing water from a fuel cell to the core member.
  • the valve body is provided at the tip of the shaft that is supported and supported by the solenoid so as to be able to advance and retreat in the axial direction.
  • the valve body is seated on the valve seat, thereby closing the flow path and separating the valve body from the valve seat.
  • a valve device is described in which fluid flows through the flow path.
  • Japanese Patent Laid-Open No. 2 0 0 5-2 7 3 7 As described in Japanese Patent No. 4, the shaft portion of the valve body is supported by the casing so as to be able to advance and retract. Therefore, the support part is worn by sliding while repeating the reciprocating movement. As wear progresses, the valve body may move back and forth in the axial direction, resulting in incomplete blockage of the flow path. Also, wear powder generated by wear may flow with the fluid and contaminate the downstream side.
  • the object of the present invention is to provide a valve body when moving the tip of the valve body relative to the fluid output port of the housing. It is to provide a fluid control valve that can suppress wear between the housing and the housing. Disclosure of the invention
  • a fluid control valve includes a valve body having a tip portion for controlling the flow of fluid, a fluid input port, a guide portion that guides the valve body so as to be movable in the axial direction, and a tip end of the valve body
  • a housing having a fluid output port disposed opposite to the portion, and a fluid flow path provided in the housing, wherein the fluid is guided from the fluid input port, and the inner wall surface of the guide portion and the outer periphery of the valve body
  • a fluid flow path for supplying a fluid to a gap between the surface and the valve body to float with respect to the inner wall surface of the guide portion, and driving the valve body in the axial direction with respect to the housing.
  • the fluid flow path passes from the fluid input port through the inside of the casing, and from the ejection openings arranged at equal intervals along the circumferential direction of the casing. It is preferable that the fluid is ejected toward the outer peripheral surface.
  • the fluid flow path preferably includes at least one buffer fluid chamber and a plurality of branch flow paths connected to the plurality of ejection openings from the buffer fluid chamber.
  • the actuate has a drive coil provided in the housing and a movable part connected to the valve body, and the fluid flow path is further movable. It is preferable to have an actuating part fluid flow path that supplies fluid to a gap between the outer periphery of the child part and the inner peripheral surface of the drive coil, and floats the movable part relative to the inner peripheral surface of the drive coil.
  • the seal portion is provided at the output port of the housing, has an opening having a shape corresponding to the shape of the front end portion of the valve body, and is made of a material different from the housing. It is preferable to provide.
  • the seal portion is preferably made of a material that is more elastic than metal.
  • the fluid control valve guides the fluid from the fluid input port in the casing that guides the valve body in the axial direction, and supplies the fluid to the gap between the inner wall surface of the guide portion and the outer peripheral surface of the valve body.
  • the fluid flow path which makes a valve body float with respect to the inner wall face of a guide part is provided.
  • the so-called hydrodynamic bearing mechanism supports the fluid between the facing surfaces to form a floating gap, thereby making no contact.
  • the valve body can move in the axial direction without contact with the guide portion, and wear between the valve body and the housing is suppressed.
  • the fluid used in the hydrodynamic bearing mechanism uses a fluid that is subject to flow rate control or pressure control, so no special fluid for fluid support is required.
  • the fluid flow path causes the fluid to be ejected from the fluid inlet through the inside of the housing and from the ejection openings arranged at equal intervals along the circumferential direction of the housing toward the outer peripheral surface of the valve body. Therefore, the fluid can be evenly supplied along the outer peripheral surface of the valve body, and the valve body is automatically aligned along the axial direction.
  • the fluid flow path has at least one buffer fluid chamber, fluctuations in fluid pressure and the like can be reduced, and fluid support can be performed stably.
  • a seal portion made of a material different from that of the housing is provided at the output port of the housing, for example, an output port of the housing that is in contact with the tip of the valve body using a material with less wear. It becomes possible to suppress wear of the steel.
  • seal portion is made of a material having elasticity more than that of metal, the contact with the valve body is good and the fluid can be blocked and blocked.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a fluid control valve in an embodiment according to the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
  • a fluid control valve pressure control or flow control of the fuel gas of the fuel cell system
  • it can be used to control the flow of fluid by moving the tip of the valve body relative to the fluid output port of the housing.
  • it may be a fluid control valve used for an exhaust gas line in a fuel cell system, a flow rate control valve for cooling water in an indoor cooler, or the like.
  • it may be a fluid control valve used other than the fuel cell system.
  • it may be a fuel injection valve for an internal combustion engine, a fluid control valve for a glass washer of a vehicle, or the like.
  • the fluid may be a gas, a liquid, a gas-liquid mixture, or the like.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of the fluid control valve 10, and FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG.
  • the fluid control valve 10 is an electromagnetic valve used to adjust the pressure of hydrogen gas, which is a fuel gas, in a fuel cell system. In the following, it will be described as a pressure control valve, but it can also be used as a flow control valve depending on the application.
  • the flow control valve 10 includes a casing 12, a valve body 20 guided by a guide portion 14 inside the casing 12, and a valve body 20 in the axial direction indicated as the X direction in FIG. It includes an actuating actuator 30 that is driven to move, and a fluid flow path 42 that is built inside the casing 12.
  • the casing 12 has a cylindrical outer shape, and as shown in FIG. 1, a fluid input port 40 is provided on the upper surface side, and a fluid output port 52 is provided on the lower surface side.
  • the housing 12 includes a guide portion 14 and a fluid flow path 4 2, and is a member having a slightly complicated internal shape.
  • the housing 12 can be obtained by molding a metal into a predetermined shape. Can be used.
  • the metal material for example, aluminum can be used.
  • the guide portion 14 is provided along the axial direction in the central portion of the casing 12 and has a long cylindrical space portion with a circular cross section, and extends from the long cylindrical portion toward the fluid output port 52. Accordingly, the valve body 20 has a function of guiding and accommodating the valve body 20 movably in the axial direction in a space formed by the connection portion connected to the fluid output port 52 with the inner diameter gradually decreasing.
  • a long cylindrical inner wall surface 16 (see FIG. 2) has a function of guiding the outer peripheral surface 26 of the force valve body 20.
  • the fluid flow path 4 2 is a pipe line built inside the casing 12.
  • the fluid flow path 4 2 starts from the fluid input port 40 opening at the center of the upper surface side of the casing 1 2, and the casing 1 2 Is connected to a buffer fluid chamber 4 4 that extends in the axial direction on the outer periphery side of the casing 12, and is connected to the buffer fluid chamber 4 4. 8 extends and opens in the inner wall surface 16 of the guide portion 14, respectively.
  • the buffer fluid chamber 4 4 is a space having an appropriately large space volume compared to the branch flow paths 4 6, 4 8, etc., and once the fluid is accommodated in a wide space, temporal pulsation such as fluid pressure, etc. It has a function to suppress.
  • the buffer fluid chamber 44 may be a single space or a plurality of spaces. When the buffer fluid chamber 44 is configured by one space, it is preferable to form a space extending in the axial direction in the annular cross section inside the housing 12. When a plurality of buffer fluid chambers 44 are provided, for example, they extend in the axial direction in the casing 12 and are spaced apart from each other in the circumferential direction of the casing 12, and differ in position in the axial direction from here.
  • a plurality of buffer fluid chambers 44 may be provided in which a plurality of branch channels 4 6 and 48 extend toward the guide portion 14.
  • the branch channels 46 and 48 are a plurality of channels branched from the buffer fluid chamber 44 and extending toward the inner wall surface 16 of the guide portion 14 and opening at the inner wall surface 16.
  • a plurality of branch flow paths 4 6 and 4 8 branch from the buffer fluid chamber 44 along the axial direction.
  • fluid can be ejected from openings provided at a plurality of positions along the axial direction with respect to the outer peripheral surface of the valve body 20, and in the axial direction of the outer peripheral surface 26 of the valve body 20. It is possible to supply fluid evenly along.
  • the branch flow path 46 has an opening facing the outer peripheral surface of the portion with the largest outer diameter of the valve body 20, and the branch flow path 48 has a rear end portion of the valve body 20.
  • the branch flow paths 46 are arranged at equal intervals along the circumferential direction of the casing 12. As a result, fluid can be supplied evenly along the circumferential direction of the outer peripheral surface 26 of the valve body 20. In this way, by arranging a plurality of branch flow paths 4 6, 4 8 in the axial direction and also in the circumferential direction, the fluid is almost evenly distributed over the entire outer peripheral surface of the valve body 20. Can be erupted.
  • the guide portion 14 is a space in which the valve body 20 is disposed, and one end thereof is connected to the fluid output port. Therefore, the fluid flows as follows.
  • fluid input port 4 0— (radially extending flow path) buffer flow Body chamber 4 4
  • One-branch flow path 4 6, 4 8 Opening in inner wall surface 1 6 of one guide section 1 2 —Gap between inner wall surface 16 and valve body 20 outer peripheral surface 2 6 5 0 Fluid flows in the order of output port 52.
  • the fluid output port 52 is provided with a seal portion 18 at a portion corresponding to the tip of the valve body 20.
  • the seal portion 18 is an annular member, and the inner diameter thereof is substantially the same as the inner diameter of the portion other than the seal portion 18 of the fluid output port 52 of the casing 12.
  • the seal portion 18 is fixed to the housing 12 by combining its inner diameter with the inner diameter of the fluid output port 52 of the housing 12 other than the seal portion 18.
  • the inner peripheral surface of the seal portion 18 is a part of the output port 52.
  • the seal portion 18 is made of a material different from that of the housing 12 and preferably a material richer in elasticity than metal is used.
  • a plastic having high heat resistance and wear resistance can be used as the material.
  • plastic materials include wholly aromatic polyimide resins.
  • Vespel registered trademark of DuPont
  • the fluid control valve 10 it may be preferable to use a material other than wholly aromatic polyimide resin for the seal portion 18.
  • a material other than wholly aromatic polyimide resin for the seal portion 18.
  • a cheaper metal can be used.
  • plastic rubber which is more elastic.
  • the valve body 20 has a cylindrical central portion with a circular cross section, a tapered distal end portion 2 2 that gradually decreases in diameter from the central portion toward the distal end side, and an axis that is thinner in diameter than the central portion. This is a member having a rear end portion 24.
  • the valve body 20 is guided by the guide part 14 of the casing 12 2 and moved by the actuate I / O 30 so that the tip 2 2 has the function of controlling the flow of fluid by contacting or separating, blocking the flow of fluid, or flowing fluid.
  • a metal material formed into a predetermined shape can be used.
  • stainless steel can be used as the metal material.
  • the distal end portion 22 of the valve body 20 is a portion corresponding to the fluid output port 5 2 in the housing 12, and therefore the shape of the distal end and the contact portion in the fluid output port 52.
  • the shape of is formed in the same cross-sectional shape so that the contact is good.
  • the shape of the contact portion of the seal portion 18 is set so as to match the tip shape of the casing 12.
  • an actuate 30 is arranged in the housing 12.
  • the actuate I / O 30 moves and drives the valve body 20 in the axial direction, so that the seal part 18 constituting the output port 52 of the casing 12 and the tip part of the valve body 20 It has a function to control the output pressure of the fluid by changing the gap between the two.
  • the rear end portion 24 of the valve body 20 can be used as a movable portion, and the driving coil 32 arranged so as to surround the periphery thereof can be configured as a stator portion. Therefore, the movable part at the rear end of the valve body 20 needs to be a magnetic material such as iron.
  • valve body 20 is not a magnetic body, it is necessary to configure at least the mover portion as a magnetic body. It is provided between 20 and the case 12.
  • the urging spring 34 is a compression coil spring so that the valve body 20 is pressed against the seal portion 18 in an initial state where no movement driving force is applied.
  • the drive coil 32 is connected to a drive circuit (not shown).
  • the drive circuit is connected to the control unit, and the drive current is supplied or cut off under the command of the control unit.
  • the mover part which is the rear end part 24 receives a moving drive force in the axial direction, and thereby, the front end part 22 of the valve body 20 and the seal part 18 Are separated from each other.
  • the drive current is interrupted, the distal end portion 22 of the valve body 20 comes into contact with the seal portion 18 due to the restoring force of the biasing spring 34.
  • the fluid control valve 10 In the fuel gas supply system of the fuel cell system, the fluid control valve 10 is connected to the fuel gas supply side piping of the fluid input port 4 0 of the casing 12 and the output port 5 2 force Fuel cell stack Connected to the side pipe.
  • the drive current is not supplied to the drive coil 3 2 of the actuator 30 and therefore the valve body 2 0 is pressed by the pressing force of the biasing panel 3 4. Is pressed against the seal 1 8, the flow of fluid is interrupted here, and no fuel gas is supplied from the fluid output port 5 2 to the fuel cell stack side Fuel gas is supplied to the fuel cell stack.
  • the control unit issues a command to the drive circuit to supply the duty and drive current corresponding to the required output to the actuator.
  • the duty is the on-time Z (on-time + off-time), which is the ratio of the time during which the drive current is supplied in one cycle of drive control.
  • the branch flow path 46 ejects fluid from the opening facing the outer peripheral surface of the central portion of the valve body 20, and the branch flow path 48 is the narrow shaft portion of the valve body 20, that is, the rear Fluid is ejected from the opening facing the movable part of the end 24.
  • the branch flow path 48 actually ejects fluid to the movable part of the valve body 20 through the drive coil 32.
  • the branch flow paths 4 6, 4 8 are evenly arranged along the circumferential direction of the casing 12, fluid is evenly ejected along the circumferential direction of the valve body 20.
  • the ejected fluid flows into a narrow gap between the inner wall surface 16 of the guide portion 14 of the housing 12 and the outer peripheral surface 26 of the valve body 20.
  • the fluid flowing between the facing surfaces gives a force to widen the gap to the facing surfaces, so the clearance between the facing surfaces is determined by the balance with the pressing force between the facing surfaces. That is, the surface by the fluid A gap is secured between the surface and the other surface, and the other surface floats in a non-contact state.
  • This phenomenon is known as a fluid support mechanism, a fluid bearing mechanism, a fluid support action, or a fluid bearing action.
  • the gap amount due to the hydrodynamic bearing action is determined by the fluid pressure supplied and the pressing force between the faces facing each other.
  • both the inner wall surface 16 of the guide portion 14 of the casing 12 and the outer peripheral surface 26 of the valve body 20 are axisymmetric systems.
  • the pressing force against is equal to the pressing force against the right gap. Therefore, the gap between the inner wall surface 16 of the guide portion 14 of the casing 12 and the outer peripheral surface 26 of the valve body 20 is the same everywhere.
  • the center axis of the valve body 20 is automatically adjusted to coincide with the center axis of the guide portion 14 of the housing 12 To be aligned.
  • the valve body 20 is supported in a fluid non-contact manner with respect to the guide portion 14.
  • the valve body 20 moves forward so as to come into contact with the seal portion 1 8 by the restoring force of the biasing spring 3 4, and the seal portion 1 It is pressed against 8, which shuts off the fluid.
  • the high-pressure fluid remains between the guide portion 14 and the valve body 20, the inner wall surface 16 of the guide portion 14 and the outer peripheral surface 26 of the valve body are not in contact with each other. It is. Thereafter, when a drive current is supplied to the drive coil 32 again, the valve body 20 moves backward so as to be separated from the seal portion 18.
  • the valve body 20 is fluid-supported by the flowing fluid in a non-contact manner from the guide portion 14, so the valve body 20 is not in contact with the inner wall surface 16 of the guide portion 14. Therefore, in the opening / closing operation of the fluid control valve 10, the outer peripheral surface 26 of the valve body 20 is always in non-contact with the inner wall surface 16 of the housing 12. The contact and non-contact are repeated only at the contact portion between the tip portion 2 2 of the valve body 20 and the seal portion 18. Therefore, in the operation of the fluid control valve 10, there is almost no sliding between the valve body 20 and the housing 12, and the wear can be greatly suppressed.
  • the fluid control valve 10 can intermittently repeat shutting off or flowing the fluid according to the duty of the drive current of the drive coil 32 while suppressing wear.
  • the secondary pressure which is the pressure on the side connected to the fluid output port 52
  • the primary pressure which is the fluid pressure supplied from the fluid input port 40.
  • the secondary pressure can be reduced from a fraction of the primary pressure to about 1/10 by appropriately setting the duty of the intermittent opening and closing of the fluid control valve 10.
  • intermittent opening / closing of the pressure control fluid control valve 10 is used, but flow rate control can also be performed by intermittent opening / closing of the fluid control valve 10.
  • the present invention is used for, for example, a fluid control valve used for pressure control or flow rate control of fuel gas in a fuel cell system.

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Description

流体制御弁 技術分野
本発明は、 流体制御弁に係り、 特に、 筐体に対して弁体を軸方向に移動駆動さ せ、 筐体の出力口と弁体の先端部との間の隙間を変化させて流体の出力流量また は出力圧力を制御する流体制御弁に関する。 明
背景技術
流体の流れを制御するために、 筐体に対して弁体を軸方向に移動駆動させ、 筐 意
体の出力口と弁体の先端部との間の隙間を変化させて流体の出力流量または出力 圧力を制御する制御弁が用いられる。 たとえば、 筐体の出力口と弁体の先端部を 接触させることで流体の流れを遮断し、 筐体の出力口と弁体の先端部とを離すこ とで、 流体を流すことができる。 この接触と離間とを繰り返すことで、 流体の流 量または圧力を精密に調整することができる。 . '
例えば、 日本国特開 2 0 0 5— 2 7 3 7 0 4号公報には、 燃料電池の水を含む 排ガスを外部にパージ （排気） するために使用される弁機構について、 コア部材 に挿入されて支持されソレノィドで軸方向に進退自在に駆動される軸の先に弁体 が設けられ、 弁座に弁体が着座することで流路を閉塞し、 弁座から弁体が離間す ることで、 流路に流体が流れる弁装置が述べられている。
筐体の流体出力口に対し弁体の先端を接触あるいは離間させることで流路を閉 塞あるいは流路に流体を流す流体制御弁においては、 日本国特開 2 0 0 5 - 2 7 3 7 0 4号公報に述べられているように、 弁体の軸部が筐体に進退自在に支持さ れる。 したがって、 進退自在の移動を繰り返すうちに、 支持部が摺動によって摩 耗する。 摩耗が進むと、 弁体の軸方向の進退のブレが生じ、 流路の閉塞が不完全 となることがある。 また、 摩耗によって生じる摩耗粉が、 流体と共に流れ、 下流 側を汚染することがある。
本発明の目的は、 筐体の流体出力口に対し弁体の先端を移動させる際に、 弁体 と筐体との間の摩耗を抑制できる流体制御弁を提供することである。 発明の開示
本発明に係る流体制御弁は、 流体の流れを制御するための先端部を有する弁体 と、 流体の入力口と、 弁体を軸方向に移動可能に案内する案内部と、 弁体の先端 部と向かいあって配置される流体の出力口とを有する筐体と、 筐体に設けられる 流体流路であって、 流体の入力口から流体を導き、 案内部の内壁面と弁体の外周 面との隙間に流体を供給して、 弁体を案内部の内壁面に対し浮上させる流体流路 と、 筐体に対し、 弁体を軸方向に移動駆動し、 筐体の出力口と弁体の先端部との 間の隙間を変化させて流体の出力流量または出力圧力を制御するァクチユエ一夕 と、 を備えることを特徴とする。 - また、，本発明に係る流体制御弁において、 流体流路は、 流体の入力口から筐体 の内部を通り、 筐体の周方向に沿って等間隔に配置された噴出開口から、 弁体の 外周面に向かって流体を噴出させることが好ましい。
また、 本発明に係る流体制御弁において、 流体流路は、 少なくとも 1つのバッ ファ流体室と、 バッファ流体室から複数の噴出開口に接続される複数の分岐流路 と、 を有することが好ましい。
また、 本発明に係る流体制御弁において、 ァクチユエ一夕は、 筐体内部に設け られる駆動コイルと、 弁体に接続される可動子部と、 を有し、 流体流路は、 さら に、 可動子部の外周と駆動コイルの内周面との間の隙間に流体を供給して、 可動 子部を駆動コイルの内周面に対し浮上させるァクチユエ一夕部流体流路を有する ことが好ましい。
また、 本発明に係る流体制御弁において、 筐体の出力口に設けられ、 弁体の先 端部の形状に対応する形状の開口を有し、 筐体とは別材料で構成されるシール部 を備えることが好ましい。
また、 本発明に係る流体制御弁において、 シール部は、 金属よりも弾性を有す る材料で構成されていることが好ましい。
上記構成により、 流体制御弁は、 弁体を軸方向に案内する筐体において、 流体 の入力口から流体を導き、 案内部の内壁面と弁体の外周面との隙間に流体を供給 して、 弁体を案内部の内壁面に対し浮上させる流体流路が設けられる。 向かい合 う面の隙間に流体が供給されると、 いわゆる流体軸受機構によって、 向かい合う 面の間が流体支持されて浮上隙間を形成し、 非接触となる。 これにより、 弁体は 案内部に対し、 非接触で軸方向に移動可能となり、 弁体と筐体との間の摩耗が抑 制される。 また、 流体軸受機構に用いられる流体は、 流量制御または圧力制御の 対象となる流体を用いているので、 流体支持用の特別な流体を必要としない。 また、 流体流路は、 流体の入力口から筐体の内部を通り、 筐体の周方向に沿つ て等間隔に配置された噴出開口から、 弁体の外周面に向かって流体を噴出させる ので、 弁体の外周面に沿って均等に流体を供給でき、 弁体を軸方向に沿って自動 的に調心する。
また、 流体流路は、 少なくとも 1つのバッファ流体室を有するので、 流体圧等 の変動を少なくし、 流体支持を安定して行うことができる。
また、 筐体内部にァクチユエ一夕を設ける場合に、 可動子部の外周と駆動コィ ルの内周面との間の隙間に流体を供給して、 可動子部を駆動コイルの内周面に対 し浮上させるので、 ァクチユエ一夕部分における軸方向の移動についても摩耗を 抑制することができる。
また、 筐体の出力口には、 筐体とは別材料で構成されるシール部が設けられる ので、 例えば、 摩耗の少ない材料を用いて、 弁体の先端部と接触する筐体の出力 口の摩耗を抑制することが可能となる。
また、 金属よりも弾性を有する材料でシール部が構成されるので、 弁体との接 触性がよく、 流体をしつかり遮断することができる。 図面の簡単な説明
図 1は、 本発明に係る実施の形態における流体制御弁の断面図である。
図 2は、 図 1の A— A線に沿った断面図である。 発明を実施するための最良の形態
以下に図面を用いて、 本発明に係る実施の形態に付き、 詳細に説明する。 以下 では、'流体制御弁として、 燃料電池システムの燃料ガスの圧力制御または流量制 御に用いられるものを説明するが、 それ以外の用途であっても、 筐体の流体出力 口に対し弁体の先端を移動させることで流体の流れを制御するために用いられる ものであればよい。 例えば、 燃料電池システムにおける排ガスラインに用いられ る流体制御弁、 イン夕クーラにおける冷却水の流量制御弁等であってもよい。 ま た、 燃料電池システム以外に用いられる流体制御弁であってもよい。 例えば、 内 燃機関用の燃料噴射弁、 車両のガラスのゥォッシャ用流体制御弁等であってもよ い。 このように、 流体としては、 気体、 液体、 あるいは気液混合体等であっても よい。
図 1は、 流体制御弁 1 0の断面図、 図 2は、 図 1の A— A線に沿った断面図で ある。 この流体制御弁 1 0は、 燃料電池システムにおいて、 燃料ガスである水素 ガスの圧力を調整するために用いられる電磁弁である。 以下では圧力制御弁とし て説明するが、 用途によっては流量制御弁としても用いることができる。 流体制 御弁 1 0は、 筐体 1 2と、 筐体 1 2の内部の案内部 1 4によって案内される弁体 2 0と、 図 1で X方向として示す軸方向に弁体 2 0を移動駆動するァクチユエ一 夕 3 0と、 筐体 1 2の内部に作りこまれる流体流路 4 2を含んで構成される。 筐体 1 2は、 円柱状の外形を有し、 図 1において示されるように、 上面側に流 体の入力口 4 0が設けられ、 下面側に流体の出力口 5 2が設けられる。 筐体 1 2 は、 以下に述べるように、 案内部 1 4と流体流路 4 2とを含み、 やや複雑な内部 形状を有する部材であるが、 例えば金属を所定の形状に成形して得られるものを 用いることができる。 金属材料としては、 例えば、 アルミニウム等を用いること ができる。
案内部 1 4は、 筐体 1 2の中心部に軸方向に沿って設けられ、 断面が円形の長 筒形の空間部分と、 この長筒形部分から流体の出力口 5 2の側にゆくにつれて次 第に内径が小さくなつて流体の出力口 5 2に接続される接続部とからなる空間で 、 弁体 2 0を軸方向に移動自在に案内して収容する機能を有する。 ここでは、 長 筒形の内壁面 1 6 (図 2参照） 力 弁体 2 0の外周面 2 6を案内する機能を有す る。
流体流路 4 2は、 筐体 1 2の内部に作りこまれる管路である。 流体流路 4 2は 、 筐体 1 2の上面側の中心部に開口する流体の入力口 4 0から始まり、 筐体 1 2 の外周側に向かって径方向に延びた後、 筐体 1 2の外周側で軸方向に延びるバッ ファ流体室 4 4に接続し、 バッファ流体室 4 4から複数の分岐流路 4 6， 4 8が 延びて、 それぞれ、 案内部 1 4の内壁面 1 6に開口する。
バッファ流体室 4 4は、 分岐流路 4 6， 4 8等に比べ、 適当に大きな空間体積 を有する空間で、 一旦、 広い空間に流体を収容することで、 流体圧等の時間的な 脈動等を抑制する機能を有する。 バッファ流体室 4 4は、 1つの空間であっても よく、 複数の空間であってもよい。 1つの空間でバッファ流体室 4 4を構成する 場合には、 筐体 1 2の内部に、 環状断面で、 軸方向に延びる空間を形成すること が好ましい。 また、 複数のバッファ流体室 4 4を設ける場合には、 例えば、 筐体 1 2に軸方向に延び、 筐体 1 2の周方向には互いに離れて配置され、 ここから軸 方向に位置の異なる複数の分岐流路 4 6 , 4 8が案内部 1 4に向かって延びる複 数のバッファ流体室 4 4を設けるものとすることができる。
分岐流路 4 6 , 4 8は、 バッファ流体室 4 4から分岐して、 案内部 1 4の内壁 面 1 6に向かって延び、 内壁面 1 6で開口する複数の流路である。 分岐流路 4 6 , 4 8は、 図 1に示されるように、 バッファ流体室 4 4から軸方向に沿って複数 分岐する。 これによつて、 弁体 2 0の外周面に対し、 軸方向に沿った複数の位置 に設けられた開口から流体を噴出させることができ、 弁体 2 0の外周面 2 6の軸 方向に沿って均等に流体を供給することができる。 なお、 図 1において、 分岐流 路 4 6は、 弁体 2 0の外径の最も大きい部分の外周面に向かい合って開口を有し 、 分岐流路 4 8は、 弁体 2 0の後端部の細い軸部の外周面に向かい合って開口を 有するものとして示されている。 これ以外にも、 軸方向に沿った適当な位置に開 口を設けることができる。 また、 図 2に示すように、 分岐流路 4 6は、 筐体 1 2 の周方向に沿って等間隔に配置される。 これによつて、 弁体 2 0の外周面 2 6の 周方向に沿って均等に流体を供給することができる。 このように、 分岐流路 4 6 , 4 8を、'軸方向に複数配置し、 周方向にも複数配置することで、 弁体 2 0の外 周面の全体に渡って、 ほぼ均等に流体を噴出することができる。
案内部 1 4は、 上記のように、 その内部に弁体 2 0が配置される空間であって 、 一端が流体の出力口に接続される。 したがって、 流体は以下のように流れるこ とになる。 すなわち、 流体の入力口 4 0— (径方向に延びる流路） —バッファ流 体室 4 4一分岐流路 4 6 , 4 8一案内部 1 2の内壁面 1 6における開口—内壁面 1 6と弁体 2 0の外周面 2 6との間の隙間 5 0一流体の出力口 5 2の順に、 流体 が流れることになる。
流体の出力口 5 2には、 弁体 2 0の先端部に対応する部分に、 シール部 1 8が 設けられる。 シール部 1 8は、 円環状の部材で、 その内径は、 筐体 1 2の流体の 出力口 5 2の、 シール部 1 8以外の部分の内径とほぼ同じである。 シール部 1 8 は、 その内径と筐体 1 2の流体の出力口 5 2の、 シール部 1 8以外の部分の内径 とが合わされて、 筐体 1 2に固定して設けられる。 固定方法は、 例えば、 融着、 接着等を用いることができる。 シール部 1 8の内周面は、 出力口 5 2の一部であ る。 シール部 1 8は筐体 1 2と異なる材質で構成され、 好ましくは、 金属よりも 弾性に富む材料を用いることがよい。 例えば、 耐熱性、 耐摩耗性に富むプラスチ ックを材料に用いることができる。 かかるプラスチック材料としては、 全芳香族 ポリイミド樹脂等があり、 例えば、 流体が高圧ガス等の場合には、 ベスペル （デ ュポン社の登録商標） を用いることができる。
もっとも、 流体制御弁 1 0の用途によっては、 シール部 1 8の材質を全芳香族 ポリイミド樹脂以外のものとすることが好ましい場合がある。 例えば、 流体が液 体であり、 少しの漏れが許容できる場合には、 より安価な金属を材料とすること ができる。 流体が低圧のガスで、 僅かな漏れにも注意が必要な用途には、 より弾 性に富むプラスチックゴムを材料とすることが好ましい。
弁体 2 0は、 断面が円形である筒状の中心部と、 中心部から先端側に向かって 次第に径が細くなるテーパ状の先端部 2 2と、 中心部よりも直径の細い軸となる 後端部 2 4とを有する部材である。 弁体 2 0は、 筐体 1 2の案内部 1 4に案内さ れながら、 ァクチユエ一夕 3 0によって移動されることで、 筐体 1 2の流体の出 カロ 5 2に対し、 先端部 2 2が接触あるいは離間して、 流体の流れを遮断し、 あ るいは流体を流すようにして、 流体の流れを制御する機能を有する。 かかる弁体 2 0としては、 金属材料を所定の形状に成形したものを用いることができる。 金 属材料としては、 例えば、 ステンレス鋼等を用いることができる。
弁体 2 0の先端部 2 2は、 上記のように、 筐体 1 2における流体の出力口 5 2 に対応する部分であるので、 その先端形状と、 流体の出力口 5 2における接触部 の形状とは、 接触が良好になるように、 同じような断面形状に形成される。 具体 的には、 筐体 1 2の先端形状に適合するように、 シール部 1 8の接触部の形状が 設定される。
+弁体 2 0の後端部 2 4に対応して、 筐体 1 2には、 ァクチユエ一夕 3 0が配置 される。 ァクチユエ一夕 3 0は、 弁体 2 0を軸方向に移動駆動し、 これによつて 、 筐体 1 2の出力口 5 2を構成するシール部 1 8と、 弁体 2 0の先端部との間の 隙間を変化させて流体の出力圧力を制御する機能を有する。 ァクチユエ一夕 3 0 は、 弁体 2 0の後端部 2 4を可動子部とし、 その周囲を囲むように配置された駆 動コイル 3 2を固定子部として構成することができる。 したがって、 弁体 2 0の 後端部の可動子部は、 鉄等の磁性体であることが必要である。 弁体 2 0全体が磁 性体でない場合には、 少なくとも可動子部を磁性体として構成される必要がある また、 移動駆動の初期位置を決める等のために、 付勢バネ 3 4が弁体 2 0と筐 体 1 2との間に設けられる。 図 1の例では、 移動駆動力が加わらない初期状態で は、 弁体 2 0をシール部 1 8に押し付けるように、 付勢バネ 3 4を圧縮コイルバ ネとすることが好ましい。
駆動コイル 3 2は、 図示されていない駆動回路に接続される。 駆動回路は制御 部に接続され、 制御部の指令のもとで、 駆動電流の供給又は遮断が行われる。 駆 動電流が供給されると、 後端部 2 4である可動子部が軸方向に移動駆勳力を受け 、 これによつて、 弁体 2 0の先端部 2 2とシール部 1 8との間が離間する。 駆動 電流が遮断されると、 付勢バネ 3 4の復元力により、 弁体 2 0の先端部 2 2がシ ール部 1 8に接触する。
上記構成の流体制御弁 1 0の作用を以下に説明する。 流体制御弁 1 0は、 燃料 電池システムの燃料ガス供給系の中において、 燃料ガス供給側の配管に、 筐体 1 2の流体の入力口 4 0が接続され、 出力口 5 2力 燃料電池スタック側の配管に 接続される。 上記のように、 筐体 1 2の内部の流体流路 4 2により、 流体の入力 口 4 0— （径方向に延びる流路） —バッファ流体室 4 4一分岐流路 4 6 , 4 8 - 案内部 1 2の内壁面 1 6における開口一内壁面 1 6と弁体 2 0の外周面 2 6との 間の隙間 5 0一流体の出力口 5 2の順に、 流体が流れることができる流路は連通 しているので、 流体である燃料ガスは、 この各流路に満たされる。
図示されていない制御部から指令がない状態では、 ァクチユエ一夕 3 0の駆動 コイル 3 2に駆動電流が供給されず、 したがって、 付勢パネ 3 4の押付力によつ て、 弁体 2 0は、 シール部 1 8に接触して押し付けられ、 流体の流れはここで遮 断され、 流体の出力口 5 2から燃料電池スタック側には燃料ガスが供給されない 燃料ガスを燃料電池スタックに供給するときは、 制御部は、 必要な出力に対応 するデューティャ、 駆動電流をァクチユエ一夕 3 0に供給する指令を駆動回路に 出す。 デューティは、 オン時間 Z (オン時間 +オフ時間） で、 ここでは、 駆動制 御の 1サイクルにおける駆動電流を供給する時間の割合である。 例えば、 駆動制 御の 1サイクルを 1 0 m s e cとして、 デューティ 4 0 %の場合は、 駆動電流を 4 m s 'e c流し、 6 m s e c遮断し、 次に 4 m s e c流し、 6 m s e c遮断し、 これを繰り返す。 これによつて、 駆動電流が流れる 4 m s e cの間は、 弁体 2 0 がシール部 1 8から離間するように、 後方に移動し、 流体の出力口 5 2から燃料 ガスが流れ出す。 ここで、 後方とは、 シール部 1 8に対して離間する方向である 流体の出力口 5 2から燃料ガスが流れ出すと、 上記の流体流路 4 2に流体が流 れる。 例えば、 ノ ッファ流体室 4 4から、 軸方向に複数分岐した分岐流路 4 6 , 4 8にそれぞれ流体が流れる。 上記のように、 分岐流路 4 6は、 弁体 2 0の中央 部の外周面に向かい合う開口から流体を噴出し、 分岐流路 4 8は、 弁体 2 0の細 い軸部、 すなわち後端部 2 4の可動子部に向かい合う開口から流体を噴出する。 ここで、 分岐流路 4 8は、 実際には、 駆動コイル 3 2の間を通って弁体 2 0の可 動子部に対し、 流体を噴出する。 また、 分岐流路 4 6 , 4 8は、 筐体 1 2の周方 向に沿って均等に配置されるので、 弁体 2 0の周方向に沿って、 均等に流体が噴 出される。
噴出された流体は、 筐体 1 2の案内部 1 4の内壁面 1 6と、 弁体 2 0の外周面 2 6との間の狭い隙間に流れ込む。 向かい合う面の間に流れ込む流体は、 隙間を 広げようとする力を向かい合う面に対し与えるので、 向かい合う面の間の押付力 との釣り合いで、 向かい合う面の間の隙間が定まる。 つまり、 流体によって、 面 と面との間の隙間が確保され、 一方の面に対し、 他方の面は非接触状態で浮上す る。 この現象は、 流体支持機構、 流体軸受機構、 あるいは流体支持作用、 流体軸 受作用として知られているものである。
上記のように、 流体軸受作用による隙間量は、 供給される流体圧と、 向かい合 う面との間の押付力で定まる。 図 1の場合においては、 筐体 1 2の案内部 1 4の 内壁面 1 6も、 弁体 2 0の外周面 2 6も、 軸対称系であるので、 例えば図 1にお いて左側の隙間に対する押付力は、 右側の隙間に対する押付力と等しくなる。 し たがって、 筐体 1 2の案内部 1 4の内壁面 1 6と弁体 2 0の外周面 2 6との間の 隙間は、 どこでも同じとなる。 つまり、 流体によって浮上支持されるときは、 流 体の流れが均一であれば、 弁体 2 0の中心軸は、 筐体 1 2の案内部 1 4の中心軸 に一致するように、 自動的に調心される。
このように、 駆動コイル 3 2に駆動電流が供給される間、 弁体 2 0は、 案内部 1 4に対し、 流体的に非接触で支持される。 そして、 駆動コイル 3 2に対する駆 動電流の供給が止まると、 付勢バネ 3 4の復元力により、 弁体 2 0は、 シール部 1 8に接触するように、 前方に移動し、 シール部 1 8にしつかり押し付けられ、 これにより流体を遮断する。 このとき、 案内部 1 4と弁体 2 0との間には、 高圧 の流体がとどまっているので、 案内部 1 4の内壁面 1 6と弁体の外周面 2 6とは 非接触のままである。 その後再び駆動コイル 3 2に駆動電流が供給されると、 弁 体 2 0は、 シール部 1 8から離間するように、 後方に移動する。 このときは、 上 記のように、 流れる流体によって、 弁体 2 0が案内部 1 4から非接触で流体支持 されるので、 弁体 2 0は、 案内部 1 4の内壁面 1 6から非接触のまま、 移動する したがって、 流体制御弁 1 0の開閉動作において、 弁体 2 0の外周面 2 6は、 筐体 1 2の内壁面 1 6から常に非接触である。 接触と非接触とを繰り返すのは、 弁体 2 0の先端部 2 2と、 シール部 1 8との接触部の部分のみである。 したがつ て、 流体制御弁 1 0の動作において、 弁体 2 0と筐体 1 2との間の摺動はほとん どなく、 摩耗を大幅に抑制するごとができる。 これによつて、 流体の出力口 5 2 から下流側の燃料ガス流路、 及び燃料電池スタック等が、 摩耗粉によって汚染さ れることを防止できる。 このように、 流体制御弁 1 0は、 駆動コイル 3 2の駆動電流のデューティによ つて、 流体を遮断し、 あるいは流すことを、 摩耗を抑制しながら、 断続的に繰り 返すことができる。 この断続開閉を適度に繰り返すことで、 流体の入力口 4 0か ら供給される流体の圧力である 1次圧に対し、 流体の出力口 5 2に接続される側 の圧力である 2次圧を、 所望の値に減圧することができる。 例えば、 流体制御弁 1 0の断続的開閉のデューティを適当に設定することで、 1次圧の数分の 1から 1 / 1 0程度に、 2次圧を下げることができる。 ここでは、 圧力制御の流体制御 弁 1 0の断続的開閉を用いたが、 流量制御も、 同様な流体制御弁 1 0の断続的開 閉によって行うことが可能である。 産業上の利用可能性
本発明は、 例えば、 燃料電池システムの燃料ガスの圧力制御または流量制御に 用いられる流体制御弁に利用される。

Claims

1 . 流体の流れを制御するための先端部を有する弁体と、
流体の入力口と、 弁体を軸方向に移動可能に案内する案内部と、 弁体の先端部 と向かいあって配置される流体の出力口とを有する筐体と、
筐体に設けられる流体流路であって、 流体の入力口から流体を導き、 案内部の 内壁面と弁体の外周面との隙間に流体を供給して、 弁体を案内部の内壁面に対し 浮上させる流体流路と、 請
筐体に対し、 弁体を軸方向に移動駆動し、 筐体の出力口と弁体の先端部との間 の隙間を変化させて流体の出力流量または出力圧力を制御するァクチユエ一夕と を備えることを特徴とする流体制御弁。 囲
2 . 請求の範囲 1に記載の流体制御弁において、
流体流路は、
流体の入力口から筐体の内部を通り、 筐体の周方向に沿って等間隔に配置され た噴出開口から、 弁体の外周面に向かって流体を噴出させることを特徴とする流 体制御弁。
3 . 請求の範囲 2に記載の流体制御弁において、
流体流路は、
少なくとも 1つのバッファ流体室と、 ,
バッファ流体室から複数の噴出開口に接続される複数の分岐流路と、
.を有することを特徴とする流体制御弁。
4 . 請求の範囲 1に記載の流体制御弁において、
ァクチユエ一夕は、
筐体内部に設けられる駆動コイルと、
弁体に接続される可動子部と、
を有し、
流体流路は、 さらに、
可動子部の外周と駆動コイルの内周面との間の隙間に流体を供給して、 可動子 部を駆動コイルの内周面に対し浮上させるァクチユエ一夕部流体流路を有するこ とを特徴とする流体制御弁。
5 . 請求の範囲 1に記載の流体制御弁において、
筐体の出力口に設けられ、 弁体の先端部の形状に対応する形状の開口を有し、 筐体とは別材料で構成されるシール部を備えることを特徴とする流体制御弁。
6 . 請求の範囲 5に記載の流体制御弁において、
シール部は、 金属よりも弾性を有する材料で構成されていることを特徴とする 流体制御弁。
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