(57)【要約】      （修正有）【課題】簡単な構成で弁体が弁閉とした時に均圧室と二次室間の漏れ流量を無くすことができる電磁制御弁を提供する。【解決手段】入口ポート１ａに連通する一次室１１と均圧室１５とを均圧導入路１６で連通する。出口ポート１ｂに連通する二次室１２と均圧室１５との間に挿通孔１８を設ける。挿通孔１８に弁棒２のピストン部２３を挿通する。ピストン部２３の径を弁体２１と同じにする。ピストン部２３と挿通孔１８の開口縁１８ａの周囲にテーパ面１８ｂを形成する。弁体２１の閉状態で、弾性部材４１をガイドばね４４で挿通孔１８の開口縁１８ａとピストン部２３に押圧する。弾性部材４１に均圧室１５からの背圧をかける。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入口ポートに連通する一次室と、出口ポートに連通する二次室と、前記一次室と前記二次室とを連通するとともに一次室側開口の周りに弁座シール部を画定する弁ポートとを有する弁ハウジングと、
前記一次室及び前記二次室内に延在され前記弁座シール部に対して離接が可能な弁体を有する弁棒と、
前記弁棒を該弁棒の中心軸に沿った方向に移動する電磁ソレノイド装置と、
電磁ソレノイド装置が生じる電磁力に対抗するばね力を生じるばね手段とを有し、
前記電磁ソレノイド装置が生じる電磁力と前記ばね手段のばね力との平衡関係によって前記弁棒が中心軸に沿った方向に移動し、当該移動により前記弁体で前記弁ポートの開度を変化させる電磁制御弁において、
前記二次室を挟む前記一次室と反対側に該一次室に連通された均圧室が設けられるとともに、前記弁ハウジングには、該二次室から該均圧室まで連通する挿通孔が形成され、
前記弁棒には前記挿通孔に整合して挿通されるピストン部が形成され、
前記均圧室内に、前記弁体が前記弁座シール部に接触した弁閉時に、前記挿通孔の均圧室側の開口の周囲と前記ピストン部の端面の縁とに当接するように、該ピストン部側に付勢されたリング状の弾性部材が配設されていることを特徴とする電磁制御弁。
【請求項２】
前記挿通孔の均圧室側の開口の周囲に、該均圧室側の開口縁から傾斜したテーパ面が形成され、前記リング状の弾性部材が該テーパ面に対してに押圧するように構成したことを特徴とする請求項１に記載の電磁制御弁。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁制御弁に関し、特に、燃料電池システム用の電磁式比例流量弁等として使用される電磁制御弁に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池システム用に使用される電磁制御弁として、例えば特開２００３−３４３７５８号公報（特許文献１）、特開２００４−２４５２４３号公報（特許文献２）に開示されたものがある。
【０００３】
これらの電磁制御弁は、弁ハウジング内に弁ポートの開度調節を行う弁体を有し、電磁ソレノイドが発生する電磁力と当該電磁力に対抗するばね力との平衡関係によって弁体を中心軸に沿った方向に移動させ、弁ポートの開度を比例的に変化させるものである。また、電磁ソレノイド装置が生じる電磁力に応じて、つまり、電磁ソレノイド装置の電磁コイルに通電する電流の大小に応じて弁ポートの開度（弁開度）を比例的に変化し、コイル電流に応じて流量を定量的に制御する。
【０００４】
さらに、弁ポートの一方の側に入口ポートと連通して弁体を収容する一次室が設けられ、弁ポートの他方の側に出口ポートと連通した二次室が設けられたものにおいて、一次室側に均圧通路（均圧導入路）によって二次室と連通した均圧室を設け、当該均圧室の圧力が二次室に対抗して弁体に作用するように構成している。そして、弁ポートの口径と均圧室の有効径とを等しく設定することにより、一次室と二次室との差圧が弁ポートの部分で弁体に作用する力を、一次室と均圧室との差圧が弁体に作用する力でキャンセルするようにしている。
【０００５】
これにより、この圧力バランス方式の電磁制御弁では、一次側圧力と二次側圧力との差圧の影響を受けず、定電流時においては、一定の弁開度を維持した安定した流量制御を行うことが可能になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−３４３７５８号公報
【特許文献２】特開２００４−２４５２４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述した電磁制御弁では、一次室と均圧室とを気密分離しての漏れ流量を無くすために、ダイヤフラムを用いている。このため構造が複雑になるという問題がある。これに対して、例えば図６に示すような電磁制御弁がある。この電磁制御弁は、弁体ａの端部を均圧室ｂに望ませて、一次室ｃと均圧室ｂとの差圧の力を弁体ａに与えることにより、一次室ｃと二次室ｅとの差圧により弁体ａに加わる力をキャンセルするようにしたものである。この場合、一次室ｃから均圧室ｂまで挿通孔ｆが設けられているが、この挿通孔ｆと弁体ａとのクリアランスからの漏れを防止するために弁体ａの回りにＯリングｇを配設するようにしているので、このＯリングｇと弁体ａとの摺動抵抗が大きく流量制御が難しくなるという問題がある。また、この摺動抵抗を小さくすると、漏れが生じる。
【０００８】
本発明は、上述の如き問題点を解消するためになされたものであり、簡単な構成で弁体が弁閉とした時に均圧室と二次室間の漏れ流量を無くすことができる電磁制御弁を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１の電磁制御弁は、入口ポートに連通する一次室と、出口ポートに連通する二次室と、前記一次室と前記二次室とを連通するとともに一次室側開口の周りに弁座シール部を画定する弁ポートとを有する弁ハウジングと、前記一次室及び前記二次室内に延在され前記弁座シール部に対して離接が可能な弁体を有する弁棒と、前記弁棒を該弁棒の中心軸に沿った方向に移動する電磁ソレノイド装置と、電磁ソレノイド装置が生じる電磁力に対抗するばね力を生じるばね手段とを有し、前記電磁ソレノイド装置が生じる電磁力と前記ばね手段のばね力との平衡関係によって前記弁棒が中心軸に沿った方向に移動し、当該移動により前記弁体で前記弁ポートの開度を変化させる電磁制御弁において、前記二次室を挟む前記一次室と反対側に該一次室に連通された均圧室が設けられるとともに、前記弁ハウジングには、該二次室から該均圧室まで連通する挿通孔が形成され、前記弁棒には前記挿通孔に整合して挿通されるピストン部が形成され、前記均圧室内に、前記弁体が前記弁座シール部に接触した弁閉時に、前記挿通孔の均圧室側の開口の周囲と前記ピストン部の端面の縁とに当接するように、該ピストン部側に付勢されたリング状の弾性部材が配設されていることを特徴とする。
【００１０】
請求項２の電磁制御弁は、請求項１に記載の電磁制御弁であって、前記挿通孔の均圧室側の開口の周囲に、該均圧室側の開口縁から傾斜したテーパ面が形成され、前記リング状の弾性部材が該テーパ面に対してに押圧するように構成したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１の電磁制御弁によれば、出口ポートに連通する二次室と、一次室に連通する均圧室との間で、弁棒のピストン部と挿通孔とのクリアランス部が弾性部材で封止されるので、弁閉時に漏れ流量を無くすことができる。
【００１２】
請求項２の電磁制御弁によれば、請求項１の効果に加えて、弁棒のピストン部が弾性部材を移動しても、弾性部材がピストン部の端面の縁に当接した状態で該弾性部材がテーパ面に押圧当接するので、弁体が弁座シール部に接触して弁閉となるとき、この弁閉の直前から弁閉時まで、弁棒のピストン部と挿通孔とのクリアランス部の封止を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態の電磁制御弁の弁閉状態の縦断面図である。
【図２】本発明の実施形態の電磁制御弁の流量制御状態の縦断面図である。
【図３】本発明の実施形態の電磁制御弁における均圧室部分の弁閉状態及び流量制御状態の拡大断面図である。
【図４】本発明の実施形態におけるピストン部、弾性部材及びテーパ面の作用を説明する図である。
【図５】弾性部材を固定とした場合の問題点を説明する図である。
【図６】従来の電磁制御弁の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
次に、本発明の実施形態について説明する。図１は実施形態の電磁制御弁の弁閉状態の縦断面図、図２は実施形態の電磁制御弁の流量制御状態の縦断面図、図３(A) は実施形態の電磁制御弁における均圧室部分の弁閉状態の拡大断面図、図３(B) は実施形態の電磁制御弁における均圧室部分の流量制御状態の拡大断面図である。この実施形態の電磁制御は、電磁弁ユニット１０と、燃料電池システムのハウジング２０とで構成されている。ハウジング２０には、弁ユニット装着孔２０Ａ、この弁ユニット装着孔２０Ａに連通する流入通路２１０及び流出通路２２０が形成されている。そして、弁ユニット装着孔２０Ａ内に弁ユニット１０が嵌合され、弁ユニット１０のフランジ１０Ａが図示しないボルト等により固着されている。
【００１５】
弁ユニット１０は弁ハウジング１を有している。弁ハウジング１には、ハウジング２０の流入通路２１０に連通する入口ポート１ａ、ハウジング２０の流出通路２２０に連通する出口ポート１ｂ、入口ポート１ａに連通する一次室１１、出口ポート１ｂに連通する二次室１２、一次室１１と二次室１２を連通する弁ポート１３を有している。弁ポート１３は水平断面形状が円形であり、その一次室１１側開口には円筒状の弁座部材１４が配設されている。弁座部材１４は一次室１１側の端部に「弁座シール部」としてのリング状の弁シール１４ａを有している。これにより、弁ポート１３は一次室１１側開口の周りに弁座シール部を画定している。
【００１６】
一次室１１、二次室１２及び弁ポート１３内には中心軸Ｌに沿った方向に移動可能な弁棒２が延在されている。弁棒２は、一次室１１内に位置して弁シール（弁座シール部）１４ａに対して離接が可能な円柱状の弁体２１を有している。なお、弁座部材１４及び弁シール１４ａを無くして弁ポート１３の一次室側開口のみとし、弁体２１の下端周囲に弁シール１４ａ同等のシール部材を設けてもよい。この場合は、弁ポートの開口周囲が弁座シール部となる。
【００１７】
弁体２１は、弁棒２の中心軸Ｌに沿った方向への移動により決まる弁シール１４ａとの位置関係により、弁ポート１３の開度を設定する。そして、図２で見て下方への移動により、弁ポート１３の開度を減少し、これとは逆の上方への移動により、弁ポート１３の開度を増大する。また、一次室１１の内圧は二次室１２の内圧より高圧であり、弁体２１には、この一次室１１の内圧と二次室１２の内圧との差圧が作用し、弁体２１は下方に力を受ける。この差圧が弁体２１に作用する面積は、弁ポート１３の内径（弁体２１の有効受圧径）により決まる。
【００１８】
弁ハウジング１の一次室１１側（上側）には、電磁ソレノイド装置３のプランジャケース３１が気密に固定され、さらにプランジャケース３１の上部には、吸引子３２が気密に固定されている。また、プランジャケース３１の内部にはプランジャ３３が配設されている。そして、プランジャ３３の中心にプランジャロッド３４を貫通させ、このプランジャロッド３４の下部を弁棒２の連結ロッド２２にネジ込み、または圧入することにより、プランジャ３３と弁棒２及びプランジャロッド３４が一体に固着されている。
【００１９】
また、プランジャロッド３４は吸引子３２の中心を貫通し、このプランジャロッド３４の上端部３４ａは吸引子３２の中央のばね室３２ａ内に突出している。ばね室３２ａ内には、「ばね手段」を構成するばね受け３５と調整ばね３６が配設されている。また、吸引子３２の上端には調整ネジ３７がネジ込まれている。そして、ばね受け３５はプランジャロッド３４の上端部３４ａに当接され、このばね受け３５と調整ねじ３７の間に調整ばね３６が設けられている。吸引子３２およびプランジャケース３１の外周部には、ボビン３８ａに巻回された電磁コイル３８と磁気ガイド部材３９が設けられており、電磁コイル３８の励磁により、吸引子３２の下端面がプランジャ３３に対する磁気吸引面となる。
【００２０】
ハウジング２０の弁ユニット装着孔２０Ａの最奥部分は均圧室１５を構成している。また、弁ハウジング１には、入口ポート１ａを介して一次室１１と均圧室１５とを連通する均圧導入路１６が形成されている。
【００２１】
弁ハウジング１の下端部には、開口１７ａを有する円筒形状のケース１７が形成されている。ケース１７内には、Ｏリング状の弾性部材４１と、弾性部材４１を保持する弾性部材ガイド４２と、開口１７ａの内側に固定された下ばね受け４３と、弾性部材ガイド４２と下ばね受け４３の間に配設されたガイドばね４４とを備えている。弾性部材ガイド４２と下ばね受け４３はそれぞれ開口４２ａ，４３ａを有しており、Ｏリング状の弾性部材４１の内周部分は、この開口４２ａ，４３ａを介して均圧室１５に導通されている。
【００２２】
弁ハウジング１には、二次室１２からシールケース１７内（すなわち均圧室１５）まで連通する挿通孔１８が形成され、弁棒２には挿通孔１８に整合して挿通されるピストン部２３が形成されている。この挿通孔１８は水平断面形状が円形であり、弁ポート１３と同径寸法となっている。また、図１及び図３(A) に示すように、ピストン部２３の均圧室１５側の端面２３ａの縁２３ａ１は、弁体２１が弁シール１４ａに着座したときに挿通孔１８の均圧室１５側の開口縁１８ａに略一致するように設定されている。
【００２３】
そして、弾性部材４１は、ガイドばね４４により挿通孔１８及びピストン部２３側に付勢されており、この弾性部材４１は、弁体２１が弁シール１４ａに着座する直前に、ピストン部２３の端面２３ａの縁２３ａ１とに当接する。
【００２４】
前記挿通孔１８の均圧室１５側の開口縁１８ａの周囲にはテーパ面１８ｂが形成されており、このテーパ面１８ｂは均圧室１５側から見てすり鉢状に傾斜している。そして、弁体２１が弁シール１４ａに着座した弁閉時に、弾性部材４１はガイドばね４４の付勢力によりテーパ面１８ｂとピストン部２３の端面２３ａの縁２３ａ１とに押圧される。さらに、後述のように、この弾性部材４１は均圧室１５の内圧により、テーパ面１８ｂに対して中心軸Ｌから外側半径方向に押圧される。
【００２５】
以上の構成により、実施形態の電磁制御弁は次のように作用する。電磁ソレノイド装置３において調整ばね３６はプランジャロッド３４を介して弁棒２を弁座部材１４側に付勢している。電磁コイル３８を励磁することにより、プランジャ３３が吸引子３２に吸引され、弁棒２は調整ばね３６の付勢力に抗して弁座部材１４から離れる方向に移動し、弁閉から弁開となるとともに前述のように弁体２１と弁シール１４ａとの中心軸Ｌに沿った方向の位置関係により、弁ポート１３の開度（流量）が制御される。また、電磁コイル３８の励磁を無くすことにより弁体２１が弁シール１４ａに着座（接触）し、弁閉となる。なお、調整ネジ３７の締め具合により、調整ばね３６が弁棒２に加える付勢力が調整され、開度の制御特性が調整される。このように、電磁ソレノイド装置３が生じる電磁力と、調整ばね３６のばね力との平衡関係によって弁棒２が中心軸Ｌに沿った方向に移動し、弁体２１で弁ポート１３の開度を変化させる。
【００２６】
また、弁体２１には前述のように一次室１１の内圧と二次室１２の内圧の差圧が作用して下方に力が加わる。一方、均圧室１５は均圧導入路１６によって一次室１１と連通されているので、均圧室１５の内圧と二次室１２の内圧との差圧がピストン部２３に作用し、ピストン部２３には上方に力が加わる。そして、弁ポート１３の内径（弁体２１の有効受圧径）と、挿通孔１８の内径（ピストン部２３の有効受圧径）とが等しいので、弁棒２に対しては、差圧による力は互いにキャンセルされ、弁体２１の開閉に差圧の影響を受けない流量制御が可能になる。
【００２７】
弾性部材４１は挿通孔１８とピストン部２３とのクリアランスからの漏れをシールするための部材である。図４はピストン部２３、弾性部材４１及びテーパ面１８ｂの作用を説明する図であり、図４(A) は弁体２１が弁シール１４ａに着座する直前の状態、図４(B) は弁体２１が弁シール１４ａに着座したときの状態を示している。
【００２８】
図４(A) に示すように、ピストン部２３の縁２３ａ１と、挿通孔１８の開口縁１８ａとが一致する状態は、弁体２１が弁シール１４ａに着座する直前の状態である。このとき、弾性部材４１はピストン部２３の縁２３ａ１と挿通孔１８の開口縁１８ａとに当接した状態で押圧されている。そして、この状態から弁体２１が弁シール１４ａに着座する方向に移動すると、図４(B) に示すように、ピストン部２３の縁２３ａ１が弾性部材４１を押圧し、この弾性部材４１と弾性部材ガイド４２はガイドばね４４の付勢力に抗して僅かに下方に移動する。
【００２９】
しかしながら、このとき弾性部材４１はテーパ面１８ｂに接触したまま押圧される。すなわち、Ｏリング状の弾性部材４１には均圧室１５からの背圧を受けて、テーパ面１８ｂ（及びピストン部２３の端面２３ａ）に押圧される。これにより、弁体２１が弁シール１４ａに着座した着座状態でも、挿通孔１８とピストン部２３との間のクリアランスからの漏れを防止できる。なお、図４(B) は高さ方向の移動量を誇張して図示してあるが、弁体２１が弁シール１４ａに着座したときのピストン部２３の端面２３ａの開口縁１８ａからの移動量ρ（高さ）は最大でも０．１ミリ程度である。
【００３０】
なお、図３(B) 及び図２に示す流量制御時（弁開時）では、挿通孔１８とピストン部２３から多少の漏れを生じるが、このときは弁シール１４ａ及び弁体２１との間を流れる流量が多いので、この漏れは流量の制御に影響を及ぼさない。
【００３１】
また、ガイドばね４４の付勢力は弾性部材４１が挿通孔１８の開口縁１８ａに当接する程度の弱い力となっており、ピストン部２３が弾性部材４１に当接してこの弾性部材４１を押圧するとき、弾性部材４１は容易に下方に変位するので、弾性部材４１の弾性変形は殆どなく、着座時あるいは離座時の制御が容易になる。例えば、弾性部材が変位しないような固定とした場合、ピストン部が弾性部材に当接すると、それ以降、当接するまでの電磁力と調整ばねの力とのつり合いに対してさらに弾性部材の弾性係数（弾性力）が加わる。このような場合、図５に示すように、電流量−流量の流量特性に変曲点が生じ、変曲点を有するので制御しにくくなる。また、弁閉から弁開とする（離座する）方向でも同様である。しかしながら、前記のように弾性部材４１が容易に変位するので、このような変曲点は殆ど生じることなく、制御が容易になる。なお、図５に示すヒステリシスは、例えば前掲の図６の従来例のようにピストン部の摺動抵抗が大きいほど大きくなるが、前記のように弾性部材４１により漏れを防止できるので、ピストン部２３と挿通孔１８とのクリアランスを十分とって摺動抵抗をゼロにすることができ、このようなヒステリシスも低減できる。
【００３２】
なお、以上の実施形態では、弁体２１が弁シール１４ａに当接する前にピストン部２３が弾性部材４１に当接する場合について説明したが、弁体２１が弁シール１４ａに当接すると同時にピストン部２３が弾性部材４１に当接するようにしてもよい。
【００３３】
また、実施形態では、ピストン部２３が弾性部材４１に当接してから弁体２１が弁閉となるまでに、この移動量ρは０〜１．０ｍｍ程度である。すなわち、ガイドばね４４が縮むことで弾性部材４１はテーパ面１８ｂに接触したまま移動させて、ピストン部２３が弾性部材４１に当接している状態でも、弁の開度を制御することができる。
【００３４】
また、実施形態では、一次室１１と均圧室１５とを連通する均圧導入路１６を弁ユニット１０の弁ハウジング１に設けるようにしているが、ハウジング２０に設けるようにしてもよい。このようにすると弁ユニット１０自体をコンパクトにできる。
【符号の説明】
【００３５】
１        弁ハウジング
１ａ      入口ポート
１ｂ      出口ポート
１１      一次室
１２      二次室
１３      弁ポート
１４      弁座部材
１４ａ    弁シール
１５      均圧室
１６      均圧導入路
１８      挿通孔
１８ａ    開口縁
１８ｂ    テーパ面
２        弁棒
２１      弁体
２３      ピストン部
２３ａ    端面
２３ａ１  縁
３        電磁ソレノイド装置
３５      ばね受け
３６      調整ばね（ばね手段）
４１      弾性部材
４２      弾性部材ガイド
４３      下ばね受け
４４      ガイドばね
Ｌ        中心軸
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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