(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一次ポートと二次ポートとに繋がる弁通路を有するハウジングと、
前記ハウジング内に設けられ、前記弁通路を閉じる閉位置と前記弁通路を開く開位置との間で移動して前記弁通路の開度を調整する弁体と、
前記弁体を閉位置方向に付勢する復帰用ばねと、
印加される印加電圧又は印加電流に応じた駆動力を前記復帰用ばねの付勢に抗するように前記弁体に与えて前記弁体を前記開位置方向に移動させる弁体駆動手段とを備え、
前記一次ポートを介して前記弁通路に供給される高圧の燃料ガスの圧力を前記弁体駆動手段の駆動力に応じた圧力に調圧して前記二次ポートから出力するガス用調圧弁において、
前記ハウジング内に形成され、前記二次ポートに繋がる圧力帰還室と、
前記弁体と前記ハウジングとの間隙に介在し、前記弁体を摺動支持する軸受部材と、
前記軸受部材の両側に夫々設けられ、前記間隙の両側を夫々封止する第１及び第２シール部材と、
前記弁体内に相対移動可能に挿入されて、前記弁体との間に前記一次ポートに繋がる背圧力室を形成するシールロッドと、を備え、
前記第１シール部材は、前記圧力帰還室の圧力を前記駆動力に抗する方向に受圧し、受圧する前記圧力に応じて前記弁体を前記閉位置へと移動させるようになっており、
前記ハウジングは、前記二次ポートに繋がっているバッファ室を有し、
前記背圧力室と前記バッファ室との間を封止するように前記第３シール部材が設けられている、ガス用調圧弁。
【請求項２】
前記弁体は、前記一次ポートにおける一次圧を前記開位置の方に受圧する第１受圧面と前記背圧力室の圧力を前記閉位置の方に受圧する第２受圧面とを有し、
前記第１受圧面の受圧面積は、前記第２受圧面の受圧面積と同一である、請求項１に記載のガス用調圧弁。
【請求項３】
前記弁体は、前記一次ポートにおける一次圧を前記開位置の方に受圧する第１受圧面と前記背圧力室の圧力を前記閉位置の方に受圧する第２受圧面とを有し、
前記第１受圧面の受圧面積は、前記第２受圧面の受圧面積より小さい、請求項１に記載のガス用調圧弁。
【請求項４】
前記弁体駆動手段は、
印加される印加電圧又は印加電流に応じて駆動する駆動部と、
前記駆動部を収容するケースと、
前記弁体に連結され、前記駆動部が駆動すると前記駆動力を前記弁体に与えて該弁体を開位置の方に移動させる可動部材と、
前記ケースに固定され、且つ前記可動部材に相対移動可能に挿入され、前記背圧力室の圧力に抗して前記シールロッドを支持する支持面を有するベースロッドとを備え、
前記ベースロッドの支持面は、部分球面状に形成されている、請求項１乃至３の何れか１つに記載のガス用調圧弁。
【請求項５】
前記弁体駆動手段に印加される印加電圧又は印加電流がゼロのときは、前記復帰用ばねにより前記弁体を前記閉位置にするノーマルクローズ形になっている、請求項１乃至４の何れか１つに記載のガス用調圧弁。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高圧燃料ガスの圧力を印加される印加電圧又は印加電流に応じた圧力に調圧するガス用調圧弁に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池自動車、水素エンジン自動車、及び天然ガス自動車等、水素ガスや天然ガス等の燃料ガスを使用するクリーンエネルギー自動車が知られている。これらクリーンエネルギー自動車は、高圧タンク及びインジェクタ又は電磁式調圧弁を備えており、高圧タンクに貯蔵される燃料ガスをインジェクタ又は電磁式調圧弁により燃料電池やガスエンジンに供給することで動くようになっている。インジェクタ及び電磁式調圧弁は、燃料電池やガスエンジンに供給される燃料ガスの流量（又は圧力）を調整できるようになっており、インジェクタ又は電磁式調圧弁により燃料ガスの流量（又は圧力）を調整することで燃料電池やガスエンジンの出力が制御される。【０００３】
インジェクタは、その噴射孔を閉じたり開いたりすることで燃料ガスの流量を調整できるようになっており、噴射孔を開閉する時間の比、つまりデューティ比によって燃料ガスの流量を変えている。インジェクタの上流側圧力と出力側圧力の差圧が大きいと、インジェクタの噴射孔を開いた時に流れる燃料ガスの流量が極めて大きくなり、インジェクタのデューティ比の変化に対する燃料ガスの流量変化が大きくなる。特に、小流量領域（燃料電池又はガスエンジンが低負荷状態）では、流量ゲイン（燃料ガス流量をデューティ比で割った値）が大きくなり、制御が困難になる。また、インジェクタの上流側圧力が高くなると、小流量から大流量のデューティ制御スパンが極めて狭くなるという問題がある。【０００４】
また、電磁式調圧弁は、弁通路の開度（開口面積）を調整することで燃料ガスの流量を調整できるようになっている。それ故、電磁式調圧弁の上流側圧力が高くなると、当該電磁式調圧弁の前後の差圧が大きくなり、開度を僅かに広げるだけで流れる燃料ガスの流量が大きく変化し、弁通路の開度変化に対する燃料ガスの流量変化が大きくなる。従って、電磁式調圧弁もインジェクタと同様、小流量領域（低負荷状態）における燃料ガスの圧力制御が極めて困難になる。【０００５】
このような困難な課題を解決すべく特許文献１に開示される燃料電池システムでは、インジェクタの上流側に２つのレギュレータが設けられている。２つのレギュレータは、直列的に配置されており、高圧タンクから供給される水素ガスを２段階で減圧するようになっている。燃料電池システムでは、２つのレギュレータによりインジェクタの上流圧を低圧の一定圧力以下に維持してインジェクタ前後の差圧を小さくし、圧力制御性を確保している。なお、燃料電池システムでは、２つのレギュレータの上流側に遮断弁を備えており、遮断弁により水素タンクと燃料電池との間を遮断し、水素ガスの供給を止められるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−１８８８５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に記載の燃料電池システムでは、燃料ガスの圧力を多段階で減圧すべく複数のレギュレータが必要である。しかし、複数のレギュレータを設けると、構成要素が多くなり、またレギュレータを設けるためのスペースが必要である。そうすると、システム全体が大型化してコストが高くなったり、システム全体の重量が大きくなったりする。特に、構成要素のスペースが限られ、軽量化が望まれている自動車では、前述するシステムを搭載することは好ましくない。【０００８】
また、複数のレギュレータを設けることで、システム系の圧力損失が大きくなるので、燃料電池又はガスエンジンの最低作動圧力に対して高圧タンクの使用限界圧力を高めに設定しなければならない。そうすると、高圧タンク内において使用できる燃料ガスの量がレギュレータを設けない場合に比べて少なくなり、自動車の走行航続距離が縮まる。【０００９】
このように、複数のレギュレータを追加すると、様々な不都合が生じる。また、前述のように、従来のインジェクタ及び電磁式調圧弁では、それらの上流側圧力が高い時において、低負荷状態で燃料ガスの圧力制御することは困難である。【００１０】
更に、電磁式調圧弁等のシール方式としてダイアフラム方式を用いることがあるが、ダイアフラムシールは一般的に耐圧強度が低いため、高圧の燃料ガスを取り扱う際、ダイアフラムの破損により燃料ガスが大気中に漏れるおそれがある。これに対して、Ｏリング方式の場合、高圧時における予期しない外的要因により燃料ガスが大気中に漏れるおそれがある。【００１１】
そこで本発明は、高圧の燃料ガス環境下であっても、その二次圧をより正確に目標圧力に調圧可能で、且つ大気中への燃料ガス漏れを防止できるガス用調圧弁を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明のガス用調圧弁は、一次ポートと二次ポートとに繋がる弁通路を有するハウジングと、前記ハウジング内に設けられ、前記弁通路を閉じる閉位置と前記弁通路を開く開位置との間で移動して前記弁通路の開度を調整する弁体と、当該弁体を閉位置方向に付勢する復帰用ばねと、印加される印加電圧又は印加電流に応じた駆動力を前記復帰用ばねの付勢に抗するように前記弁体に与えて該弁体を前記開位置方向に移動させる弁体駆動手段とを備え、前記一次ポートを介して前記弁通路に供給される高圧の燃料ガスの圧力を前記弁体駆動手段の駆動力に応じた圧力に調圧して前記二次ポートから出力する調圧弁において、前記ハウジング内に形成され、前記二次ポートに繋がる圧力帰還室と、前記弁体と前記ハウジングとの間隙に介在し、前記弁体を摺動支持する軸受部材と、前記軸受部材の両側に夫々設けられ、前記間隙の両側を夫々封止する第１及び第２シール部材と、前記弁体内に相対移動可能に挿入されて、前記弁体との間に前記一次ポートに繋がる背圧力室を形成するシールロッドと、を備え、前記第１シール部材は、前記圧力帰還室の圧力を前記駆動力に抗する方向に受圧し、受圧する前記圧力に応じて前記弁体を前記閉位置へと移動させるようになっており、前記ハウジングは、前記二次ポートに繋がっているバッファ室を有し、前記背圧力室と前記バッファ室との間を封止するように前記第３シール部材が設けられているものである。【００１３】
本発明に従えば、弁体駆動手段の駆動力を変えることで弁通路の開度を変えて二次圧を調圧することができる。この二次圧は、圧力帰還室に導かれており、第１シール部材は、圧力帰還室の二次圧を受圧して弁体を閉位置へと移動させるようになっている。二次圧、駆動力、及び復帰用ばねによる付勢力等、弁体に作用する力が釣り合った状態から二次圧が低下すると、第１シール部材は、弁体を開位置の方に移動させて弁通路の開度を広げて二次圧を昇圧させる。これにより、弁体に作用する力が釣り合う状態に戻る。このように釣り合った状態に戻すことで二次圧が元の圧力に戻される。つまり、二次圧は、弁体駆動手段の駆動力に応じた一定圧力に戻され、一次圧の変動に関わらず前記一定圧力で保持される。従って、ガス用調圧弁は、圧力制御性が高く、高圧の燃料ガスをより正確に目標圧力に可変調圧することができる。【００１４】
また、本発明では、一次ポートに繋がる背圧力室が形成されているので、弁体に作用する一次圧を背圧力室の圧力によって打ち消すことができ、一次圧の変動に起因する二次圧の変動を抑えることができる。これにより、燃料ガスの圧力制御性を向上させることができ、二次圧を従来のガス用調圧弁より正確に制御することができる。【００１５】
また、本発明では、第３シール部材よりシールロッドの他端側にバッファ室が形成され、このバッファ室が圧力帰還室に繋がっている。それ故、燃料ガスがシールロッドと弁体との間を通って背圧力室からバッファ室に漏れても、漏れた燃料ガスを圧力帰還室等の二次側に導くことができる。このように、ガス用調圧弁は、背圧力室から漏れた燃料ガスを二次側に導く安全構造となっており、燃料ガスが外部に放出されることを防ぐことができる。【００１６】
更に、本発明では、軸受部材を設けることで、弁体を円滑に移動させることが可能になり、目標圧力に対する追従性を向上させることができる。そして、第１シール部材は、第２シール部材と共に軸受部材が介在する間隙の両側を封止している。これにより、間隙内に燃料ガスが流入することがなく、軸受部材が燃料ガスに曝されることがない。これにより、燃料ガスに対する腐食耐性がない材料を軸受部材に使用することが可能になり、選択できる材料が増える。また、間隙を封止することで、例えば軸受部材をグリス潤滑してもグリスが間隙から流出することがない。これにより、弁体の円滑な移動を実現するとともに、燃料ガスへのグリスの混入を防ぐことができる。【００１７】
上記発明において、前記弁体は、前記一次ポートにおける一次圧を前記開位置の方に受圧する第１受圧面と前記背圧力室の圧力を前記閉位置の方に受圧する第２受圧面とを有し、前記第１受圧面の受圧面積は、前記第２受圧面の受圧面積と同一であることが好ましい。【００１８】
上記構成に従えば、弁体が受ける一次圧を背圧力室の圧力により相殺することができる。これにより、一次圧の変動に起因する二次圧の変動を無くすことができ、二次圧の圧力制御性を更に向上させることができる。更に、弁体駆動手段の駆動力を小さくすることができる。それ故、ガス用調圧弁を小形化することができる。【００１９】
上記発明において、前記弁体は、前記一次ポートにおける一次圧を前記開位置の方に受圧する第１受圧面と前記背圧力室の圧力を前記閉位置の方に受圧する第２受圧面とを有し、前記第１受圧面の受圧面積は、前記第２受圧面の受圧面積より小さいことが好ましい。【００２０】
上記構成に従えば、一次圧から弁体が受ける作用力よりも背圧力室の圧力から弁体が受ける作用力の方が大きくなる。それ故、一次圧に応じた力が閉方向へと弁体に作用するので、一次圧が急激に変動して高くなっても、弁体が開位置の方へと移動して弁通路が開くようなことがない。また、弁体駆動手段が作動しないときにおいて、一次側から二次側に燃料ガスが漏れでないようにしっかりと弁通路を閉じることができる。【００２５】
上記発明において、前記弁体駆動手段は、印加される印加電圧又は印加電流に応じて駆動する駆動部と、前記駆動部を収容するケースと、前記弁体に連結され、前記駆動部が駆動すると、前記駆動力を前記弁体に与えて該弁体を開位置の方に移動させる可動部材と、前記ケースに固定され、且つ前記可動部材に相対移動可能に挿入され、前記背圧力室の圧力に抗して前記シールロッドを支持する支持面を有するベースロッドとを備え、前記ベースロッドの支持面は、部分球面状に形成されていることが好ましい。【００２６】
上記構成に従えば、弁体に挿入されるシールロッドとケースに固定されるベースロッドとが別体で形成されているので、それらを一体物として形成する場合に比べてシールロッド及びベースロッドの加工精度を低くすることができる。これにより、ガス用調圧弁の製造が容易である。また、ベースロッドの支持面が部分球面状に形成されているので、シールロッドがベースロッドに片当りすることを防ぐことができ、シールロッドをしっかりと支持することができる。【００２７】
上記発明において、前記弁体駆動手段に印加される印加電圧又は印加電流がゼロのときは、前記復帰用ばねにより前記弁体を前記閉位置にするノーマルクローズ形になっていることが好ましい。【００２８】
上記構成に従えば、弁体駆動手段に印加される印加電圧又は印加電流を遮断することで、弁通路を緊急遮断することができる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、高圧の燃料ガス環境下であっても、その二次圧をより正確に目標圧力に調圧可能で、且つ大気中への燃料ガス漏れを防止できるガス用調圧弁を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】第１実施形態の電磁式調圧弁を備えた燃料ガス供給システムの構成を示す回路図である。
【図２】第１実施形態の電磁式調圧弁の構成を示す断面図である。
【図３】第２実施形態の電磁式調圧弁の構成を示す断面図である。
【図４】第３実施形態の電磁式調圧弁の構成を示す断面図である。
【図５】第４実施形態の電磁式調圧弁の構成を示す断面図である。
【図６】第５実施形態の電磁式調圧弁の構成を示す断面図である。
【図７】第６実施形態の電磁式調圧弁の構成を示す断面図である。
【図８】第７実施形態の電磁式調圧弁の構成を示す断面図である。
【図９】第８実施形態の電磁式調圧弁の構成を示す断面図である。
【図１０】第９実施形態の調圧弁の構成を部分的に示す断面図である。
【図１１】第１０実施形態の電磁式調圧弁の構成を部分的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下では、前述する図面を参照しながら、本発明の第１〜第１０実施形態に係る調圧弁１〜１Ｉ、及びそれを備える燃料ガス供給システム２を説明する。なお、実施形態における上下、左右、及び前後等の方向の概念は、説明の便宜上使用するものであって、調圧弁１，１Ａ〜１Ｉ及び燃料ガス供給システム２に関して、それらの構成の配置及び向き等をその方向に限定することを示唆するものではない。また、以下に説明する調圧弁１，１Ａ〜１Ｉ及び燃料ガス供給システム２は、本発明の一実施形態に過ぎず、本発明は実施の形態に限定されず、発明の趣旨を逸脱しない範囲で追加、削除、変更が可能である。
【００３２】
［燃料ガス供給システム］
燃料ガス供給システム２は、水素ガスや圧縮天然ガス等の燃料ガスが高圧で貯蔵される高圧タンク３に設けられている。燃料ガス供給システム２は、燃料電池やガスエンジン等の燃料ガス消費器に繋がっており、高圧の燃料ガスを所望の低圧に調圧して燃料ガス消費器に供給するようになっている。このように構成される燃料ガス供給システム２は、容器元弁４、圧力センサ５、及び演算制御器６を備えている。容器元弁４は、オンタンク型で構成され、高圧タンク３の開口部に設けられている。なお、容器元弁４は、オンタンク型に限られず、インタンク形であってもよい。容器元弁４は、電磁式調圧弁１と電磁式遮断弁７とを有している。
【００３３】
電磁式遮断弁７は、高圧タンク３から燃料ガス消費器に繋がる供給路２ａに設けられている。電磁式遮断弁７は、いわゆる電磁開閉弁であり、そこに送信される信号に応じて供給路２ａを開閉する機能を有している。また、供給路２ａには、電磁式遮断弁７の下流側に電磁式調圧弁１が設けられている。電磁式調圧弁１は、高圧の燃料ガスを調圧する機能を有している。更に、供給路２ａには、電磁式調圧弁１より下流側に圧力センサ５が設けられている。圧力センサ５は、供給路２ａに流れる燃料ガスの圧力を検出するようになっている。圧力センサ５は、信号線８を介して演算制御器６に繋がっており、検出された圧力に応じた検出圧力信号が演算制御器６に入力されるようになっている。また、演算制御器６には、目標圧力に応じた目標圧力指令信号が図示しない入力手段や制御装置等から入力されるようになっている。
【００３４】
演算制御器６は、目標圧力指令信号と検出圧力信号との差分を演算し、この差分に応じた大きさの電流を電磁式調圧弁１に流すようになっている。電磁式調圧弁１は、流された電流に応じた一定圧力に高圧の燃料ガスを調圧するようになっている。以下では、燃料ガス供給システム２に設けられる電磁式調圧弁１について詳述する。なお、第１実施形態の電磁式調圧弁１は、燃料ガス供給システム２に設けられる電磁式調圧弁の一例に過ぎず、他に様々な実施形態がある。以下では、第1実施形態の電磁式調圧弁１に続けて、幾つかの代表的な実施形態について詳述する。
【００３５】
［第１実施形態］
＜電磁式調圧弁の構成＞
図２に示す第１実施形態の電磁式調圧弁１は、ハウジング１２を備えている。ハウジング１２は、高圧タンク３（図１参照）の開口部にシールを達成した状態で取付けられている。ハウジング１２には、一次ポート１２ａ、弁体孔１２ｂ、及び二次ポート１２ｃが形成されている。一次ポート１２ａは、電磁式遮断弁７（図１参照）に繋がっており、上下方向に延びる軸線Ｌ１に沿って延在する一次側通路１２ｄを介して弁体孔１２ｂに繋がっている。
【００３６】
弁体孔１２ｂは、軸線Ｌ１に沿って延在しており、その下端に一次側通路１２ｄが配され、上側が開口している。弁体孔１２ｂは、その断面が円形状になっており、一次側通路１２ｄより大径に形成されている。また、弁体孔１２ｂの下端側には、二次側通路１２ｅが繋がっている。二次側通路１２ｅは、軸線Ｌ１に直交する方向に延びており、二次ポート１２ｃに繋がり、供給路２ａ（図１参照）を介して燃料ガス消費器と繋がっている。
【００３７】
このように配置される二次ポート１２ｃは、一次ポート１２ａに対して直角配置されており、電磁式調圧弁１は、アングル型の調圧弁となっている。一次ポート１２ａと二次ポート１２ｃとは、一次側通路１２ｄ、後述する弁体孔１２ｂの二次側領域１２ｆ及び二次側通路１２ｅによって繋がっており、これら一次側通路１２ｄ、二次側領域１２ｆ及び二次側通路１２ｅによって弁通路１３が構成されている。
【００３８】
また、ハウジング１２では、一次側通路１２ｄと弁体孔１２ｂとが繋がる開口部分が座部１５を成しており、弁体孔１２ｂには、この座部１５に先端部１４ａが着座するように弁体１４が軸線Ｌ１に沿って挿通されている。弁体１４は、大略的に有底円筒状に形成され、先端部１４ａがテーパ状になっている。弁体１４は、図２に示すような閉位置に位置しているとき、先端部１４ａの一部を一次側通路１２ｄに突っ込んで座部１５に着座し、弁通路１３を塞いでいる。
【００３９】
また、弁体１４は、その基端側の外周部にフランジ１４ｂを有している。フランジ１４ｂは、弁体１４の外周部に周方向全周にわたって形成されている。他方、ハウジング１２は、フランジ１４ｂに対向する位置に内周部にシール取付部１６を有している。シール取付部１６は、半径方向内方に突出しており、二次側通路１２ｅより上側において周方向全周にわたって形成されている。シール取付部１６とフランジ１４ｂとは、互いに上下方向に離れており、それらの間には、大略円環状の軸受部材収容空間１７が形成されている。この軸受部材収容空間１７には、軸受部材１８が収容されている。
【００４０】
軸受部材１８は、大略的に円筒状に形成されており、弁体１４とハウジング１２との間に介在するように弁体１４に外装されている。軸受部材１８は、例えばボールガイド、ボール軸受、又はすべり軸受によって構成されており、弁体１４がハウジング１２に対して軸線Ｌ１に沿って上下方向に移動できるように弁体１４を支持している。なお、軸受部材１８は、弁体１４の動きを滑らかにし、且つ耐久性を向上させるべくグリス潤滑されている。また、軸受部材１８の上下両側には、ダイアフラムシール１９と低圧シール部材２０とが設けられている。
【００４１】
第１シール部材であるダイアフラムシール１９は、いわゆるダイアフラムであり、大略的に円環状になっている。ダイアフラムシール１９の外縁部は、ハウジング１２に取付けられ、内縁部が弁体１４のフランジ１４ｂに取付けられている。詳述すると、ハウジング１２は、上下に２つに分割可能に構成されており、上下に分割された２つの部分にダイアフラムシール１９の外縁部を挟むことで、ダイアフラムシール１９はハウジング１２に取付けられている。また、ダイアフラムシール１９は、その内縁部をフランジ１４ｂと後述する可動鉄心２１のフランジ２１ａとにより挟むことで、弁体１４に取付けられている。このように取付けられたダイアフラムシール１９は、ハウジング１２と弁体１４とに渡され、後述する圧力帰還室２３と軸受部材収容空間１７との間を塞いでいる。
【００４２】
第２シール部材である低圧シール部材２０は、大略円環状のＯリングであり、摩擦抵抗を小さくすべく樹脂等により表面処理がされている。低圧シール部材２０は、ハウジング１２と弁体１４との間を封止するようにシール取付部１６に取付けられ、弁体孔１２ｂにおいてシール取付部１６より下側にある二次側領域１２ｆと軸受部材収容空間１７との間を封止している。
【００４３】
このようにダイアフラムシール１９及び低圧シール部材２０は、軸受部材収容空間１７の上側及び下側を塞ぎ、軸受部材収容空間１７をハウジング１２内に形成されている他の空間と隔てられている。ハウジング１２には、この軸受部材収容空間１７に繋がる大気連通路２２が形成されており、軸受部材収容空間１７は、大気連通路２２を介して大気に開放されている。
【００４４】
このように軸受部材収容空間１７がハウジング１２内の他の空間から隔てられ、大気に開放されているので、軸受部材１８のグリスが燃料ガスに曝されることがなく、グリスがハウジング１２内の他の空間、例えば一次側通路１２ｄや二次側通路１２ｅに漏れることがない。それ故、軸受部材収容空間１７内のグリスが枯渇するようなことを防ぐことができ、軸受部材１８が潤滑されている状態を維持することができる。これにより、軸受部材１８の耐久性を向上させ得ると共に、弁体１４を円滑に移動させることができる。また、グリスが漏れ出て燃料ガスに混入することも防ぐことができる。
【００４５】
また、弁体１４の基端部（つまり、上端部）には、可動鉄心２１が挿入されて螺合されている。可動鉄心２１は、磁性材料から成り、大略的に円筒状に形成されている。可動鉄心２１は、軸線Ｌ１に沿って上下方向に延在しており、ハウジング１２の上部開口側の内周部にて上下方向に移動可能に支持されている。可動鉄心２１は、弁体１４側の端部にフランジ２１ａを有している。フランジ２１ａは、半径方向外方に向かって突出しており、可動鉄心２１の外周部に周方向全周にわたって形成されている。フランジ２１ａは、弁体１４のフランジ１４ｂと共にダイアフラムシール１９の内縁部を挟持している。また、フランジ２１ａは、ハウジング１２の内周部付近まで延びてダイアフラムシール１９に対向しており、ダイアフラムシール１９との間に圧力帰還室２３を形成している。
【００４６】
他方、ハウジング１２は、フランジ２１ａの上方にばね受け部１２ｇを有しており、ばね受け部１２ｇとフランジ２１ａとの間には、ばね収容空間２４が形成されている。ばね収容空間２４は、可動鉄心２１の外周部を囲むように円環状になっており、そこには、復帰用ばね２５が圧縮された状態で収容されている。復帰用ばね２５は、圧縮コイルばねにより構成され、可動鉄心２１に外装されている。復帰用ばね２５の下端は、フランジ２１ａに受けられ、上端は、ばね受け部１２ｇに受けられている。このように配置される復帰用ばね２５は、可動鉄心２１を介して弁体１４を閉位置の方へと付勢している。
【００４７】
また、ハウジング１２の上部開口側には、電磁比例ソレノイド２６が設けられている。弁体駆動手段である電磁比例ソレノイド２６は、ハウジング１２の外周部に固定されており、ソレノイドコイル２７と固定磁極２８とを有している。ソレノイドコイル２７は、大略的に円筒状に形成され、その下端側からハウジング１２が嵌挿されている。ソレノイドコイル２７は、大略円筒状のケース２７ａを有し、その中にボビン２７ｂとコイル線２７ｃとが設けられている。ボビン２７ｂもまた大略円筒状に形成され、このボビン２７ｂにコイル線２７ｃに巻きつけることによってソレノイドコイル２７が構成されている。ソレノイドコイル２７は、コイル線２７ｃに電流を流すことで可動鉄心２１を磁化させるようになっている。そして、ソレノイドコイル２７の上端側には、固定磁極２８が嵌挿されている。
【００４８】
固定磁極２８は、磁性体から成り、大略円筒状に形成されている。固定磁極２８は、その下端側が可動鉄心２１に対向するように配置されている。固定磁極２８は、可動鉄心２１から離れて位置しており、ソレノイドコイル２７により磁化された可動鉄心２１をソレノイドコイル２７に流した電流に応じた励磁力（駆動力）により吸引するようになっている。吸引されることで、可動鉄心２１及び弁体１４が開位置の方に移動し、弁通路１３が開けられる。なお、開位置とは、可動鉄心２１が固定磁極２８の方へ引き付けられた状態のときの弁体１４の位置である。
【００４９】
また、弁体１４には、シールロッド２９が嵌挿されている。シールロッド２９は、大略的に円柱状に形成されており、弁体１４の基端側の開口を塞いで弁体１４内に背圧力室３０を形成している。弁体１４の先端部１４ａには、軸線Ｌ１に沿って連通路３１が形成されており、背圧力室３０は、連通路３１を介して一次側通路１２ｄに繋がっている。また、シールロッド２９の先端側の外周部には、その周方向全周にわたって延びるシール用溝２９ａが形成されている。シール用溝２９ａには、円環状の高圧シール部材３２が嵌め込まれている。第３シール部材である高圧シール部材３２は、摩擦抵抗が少なく、始動抵抗と摺動抵抗との差が小さい高圧シールであり、例えば、フッ素樹脂等により表面処理されたＯリングである。高圧シール部材３２は、弁体１４とシールロッド２９との間を封止し、背圧力室３０内の燃料ガスが弁体１４内から漏れて出ることを防いでいる。
【００５０】
また、シールロッド２９は、その基端側の外周部にばね受け部２９ｂを有している。ばね受け部２９ｂは、半径方向外方に向かって突出し、シールロッド２９の外周部にその周方向全周にわたって形成されている。ばね受け部２９ｂは、弁体１４の基端部に対向しており、それらの間にシールロッド用ばね３３がシールロッド２９に外装された状態で配置されている。シールロッド用ばね３３は、圧縮されており、シールロッド２９を上方に付勢している。また、シールロッド２９には、前記付勢に抗してシールロッド２９を支持するようにベースロッド３４が設けられている。
【００５１】
ベースロッド３４は、大略的に円柱状に形成されており、その先端が部分球面状になっている。ベースロッド３４は、外側から固定磁極２８に挿通され、シールを達成した状態で固定磁極２８に螺合されている。つまり、ベースロッド３４は、固定磁極２８を介してケース２７ａに固定されている。また、ベースロッド３４は、可動鉄心２１内まで延びており、その先端をシールロッド２９の上端に当接させてシールロッド２９を上方から支持している。シールロッド２９の上端は、下方に向かって先細り状のテーパ状に形成されており、シールロッド２９は、ベースロッド３４により自動調芯されるようになっている。
【００５２】
ベースロッド３４は、可動鉄心２１内の下端側まで延びている。可動鉄心２１内の下端側は、上端側に比べて大径になっており、バッファ室３５を成している。シールロッド２９は、このバッファ室３５から弁体１４に嵌挿されており、その上端側がバッファ室３５に位置し、下端側が背圧力室３０に位置している。これら２つの部屋３５，３０の間は、シールロッド２９に設けられる高圧シール部材３２により塞がれており、背圧力室３０からバッファ室３５に燃料ガスが漏れないようにしている。
【００５３】
また、可動鉄心２１には、バッファ室３５とばね収容空間２４とを繋ぐ複数の連通路３６が形成されており、ハウジング１２には、ばね収容空間２４と弁体孔１２ｂの二次側領域１２ｆとを繋ぐ圧力帰還通路３７が形成されている。つまり、バッファ室３５は、連通路３６、ばね収容空間２４及び圧力帰還通路３７を介して二次側領域１２ｆ及びその先にある二次ポート１２ｃに繋がっており、仮に背圧力室３０からバッファ室３５に燃料ガスが漏れ出ても二次側領域１２ｆに戻るようになっている。つまり、電磁式調圧弁１は、一次側から漏れた燃料ガスを外側へ漏れさせることなく二次側へと戻すことができる安全構造の弁となっている。
【００５４】
また、バッファ室３５は、可動鉄心２１とベースロッド３４との間の隙間を介して、可動鉄心２１と固定磁極２８との間の空間にも繋がっている。これにより、可動鉄心２１と固定磁極２８の間に二次圧が導かれ、弁体１４に作用する二次圧を相殺させている。また、ばね収容空間２４は、可動鉄心２１のフランジ２１ａとハウジング１２と間の隙間を介して圧力帰還室２３に繋がっており、圧力帰還室２３に二次圧ｐ２が導かれるようになっている。ダイアフラムシール１９は、圧力帰還室２３に導かれた二次圧ｐ２を受圧し、受圧した二次圧ｐ２に応じた力で弁体１４を閉方向に移動させるようになっている。
【００５５】
このように二次圧ｐ２に応じて閉方向に移動する弁体１４は、その先端部１４ａの受圧面Ｐ１で一次側通路１２ｄの一次圧ｐ１を上方（閉位置から開位置に向かう方向）に受圧し、弁体１４内部の受圧面Ｐ２で背圧力室３０に導かれた一次圧ｐ１を下方（開位置から閉位置に向かう方向）に受圧するようになっている。それ故、受圧面Ｐ１で受ける作用力及び受圧面Ｐ２で受ける作用力は、互いに打ち消し合うようになっている。また、受圧面Ｐ１の受圧面積Ａ１は、座部１５の内径、つまりシート径に応じて決まり、また受圧面Ｐ２の受圧面積Ａ２は、背圧力室３０の孔径に応じて決まる。本実施形態では、シート径と孔径とが等しくなるようにハウジング１２及び弁体１４が形成されている。それ故、本実施形態の電磁式調圧弁１では、受圧面Ｐ１で受ける作用力及び受圧面Ｐ２で受ける作用力が相殺されるようになっている。
【００５６】
また、ダイアフラムシール１９の受圧面積Ａ３は、受圧面積Ａ１，Ａ２より大きくなっており、二次圧ｐ２を十分に受圧するようになっている。従って、弁体１４の基端側にあって二次圧ｐ２を閉位置方向に受圧する受圧面Ｐ３の受圧面積の方が、弁体１４の先端側にあって二次圧ｐ２を開位置方向に受圧する受圧面Ｐ４の受圧面積よりも大きくなっている。それ故、二次圧ｐ２及び復帰用ばね２５によって弁体１４が閉位置の方へと押付けられ、ソレノイドコイル２７に電流が流れていない状態では、弁体１４が閉位置に位置するようになっている。つまり、電磁式調圧弁１は、ノーマルクローズ形の弁として構成されている。それ故、ソレノイドコイル２７流す電流を遮断することで弁通路１３を緊急遮断することができる。
【００５７】
＜電磁式調圧弁の動作＞
以下では、図２を参照しながら電磁式調圧弁１の動作について説明する。電磁比例ソレノイド２６のソレノイドコイル２７に電流を流すと、可動鉄心２１に励磁力が作用し、可動鉄心２１が固定磁極２８の方へ引き付けられる。これにより、弁体１４が座部１５から離れて開位置の方へと移動し、弁通路１３が開く。弁通路１３が開くことで、弁体１４と座部１５との間にオリフィス（図示せず）が形成され、燃料ガスがこのオリフィスにより二次圧ｐ２に減圧されて二次側領域１２ｆに流れる。
【００５８】
二次側領域１２ｆの燃料ガスは、二次側通路１２ｅを通って二次ポート１２ｃから排出されると共に、圧力帰還通路３７及びばね収容空間２４を通って圧力帰還室２３に導かれる。ダイアフラムシール１９は、圧力帰還室２３に導かれた燃料ガスの二次圧ｐ２を受圧する。弁体１４は、可動鉄心２１が受ける励磁力と受圧面Ｐ３で受ける二次圧ｐ２による作用力、及び復帰用ばね２５のばね力とが釣り合う位置まで閉位置又は開位置の方へと移動する。つまり、前記力が釣り合うように弁通路１３の開度（つまり、オリフィスの開度）を調整して、二次側領域１２ｆに流れる燃料ガスの二次圧ｐ２を調整する。これにより、二次圧ｐ２がソレノイドコイル２７に流す電流に応じた圧力（つまり、目標圧力）になる。
【００５９】
例えば、二次圧ｐ２が目標圧力より低い場合、励磁力が二次圧ｐ２による作用力より大きくなり、弁体１４が座部１５から離れる方向、（つまり、開位置方向）に移動する。そうすると、弁通路１３の開度が広がって二次圧ｐ２が上昇する。弁体１４は、励磁力と二次圧ｐ２による作用力、及び復帰用ばね２５のばね力が釣り合う位置（開度）で二次圧ｐ２を目標圧力に調圧する。それ故、電磁式調圧弁１は、一次圧ｐ１が変動してもそれに合わせて弁通路１３の開度を制御し、二次圧ｐ２を目標圧力に調圧することができる。そのため、一次圧ｐ１を予め一定圧に減圧しなくても電磁式調圧弁１単体で、高圧の燃料ガスを所定の低圧、つまり目標圧力まで減圧して調圧することができる。従って、電磁式調圧弁１は、圧力制御性が高い。
【００６０】
また、電磁式調圧弁１では、背圧力室３０に一次圧ｐ１を導くことで受圧面Ｐ１及び受圧面Ｐ２で一次圧ｐ１から受ける作用力を相殺させている。これにより、一次圧ｐ１の変動に起因する二次圧ｐ２の変動を抑えることができる。それ故、高圧の燃料ガスに対する圧力制御性を向上させることができ、二次圧ｐ２を従来の電磁式調圧弁より正確に制御することができる。また、一次圧ｐ１から受ける作用力を相殺することで、電磁比例ソレノイド２６の励磁力を小さくすることができ、電磁式調圧弁１を小形化することができる。
【００６１】
また、電磁式調圧弁１では、一次圧ｐ１と二次圧ｐ２との差圧が大きいので、弁体１４が移動したときに、背圧力室３０からバッファ室３５に燃料ガスに僅かに漏れ出ることがある。しかし、電磁式調圧弁１は、バッファ室３５に漏れ出た燃料ガスをばね収容空間２４、圧力帰還室２３や二次側領域１２ｆ等、二次側へと戻す安全構造となっているので、燃料ガスが電磁式調圧弁１の外部に放出されることがない。つまり、大気中に燃料ガスが漏れ出ることがない。
【００６２】
また、ダイアフラムシール１９を採用することで、弁体１４移動時の摺動摩擦を無くすことができる。また、摩擦抵抗の少ない低圧シール部材２０を採用することで、極力、摺動摩擦を抑えることができる。このように弁体１４に作用する摺動摩擦を抑えることで弁体１４を滑らかに動かすことができる。これにより、目標圧力に二次圧ｐ２を素早く調圧することができるようになり、二次圧ｐ２の応答性が向上する。更に、高圧シール部材３２を採用することで、電磁式調圧弁１の一次圧ｐ１に対する耐圧性能が向上し、一次ポート１２ａから供給される一次圧の限界圧力を向上させることができる。
【００６３】
また、弁体１４に挿入されるシールロッド２９とベースロッド３４とが別体で形成されているので、それらを一体物として形成する場合に比べてシールロッド２９及びベースロッド３４の加工精度を低くすることができる。これにより、電磁式調圧弁１の製造が容易となる。また、ベースロッド３４の先端が部分球面状に形成されているので、シールロッド２９がベースロッド３４に片当りすることを防ぐことができ、シールロッド２９をしっかりと支持することができる。
【００６４】
また、燃料ガス供給システム２では、電磁式調圧弁１の上流側に電磁式遮断弁７を設けることで、遮断機能を有する２つの弁１，７によって高圧タンク３と燃料ガス消費器との間を遮断することができる。これにより、燃料ガス供給システム２の安全性が向上する。また、高圧タンク２の開口部に電磁式調圧弁１を配置することで、高圧タンク３からの出力圧力レベルが低圧になり、燃料ガス供給システム２の安全性が大幅に向上する。
【００６５】
［第２実施形態］
本発明の第２実施形態に係る電磁式調圧弁１Ａは、第１実施形態に係る電磁式調圧弁１と構成が類似している。そこで、第２実施形態に係る電磁式調圧弁１Ａの構成に関して第１実施形態の電磁式調圧弁１と異なる構成についてだけ説明し、同一の構成については、同一の符合を付して説明を省略する。第３実施形態以降についても同様である。
【００６６】
本発明の第２実施形態に係る電磁式調圧弁１Ａは、図３に示すようにシールロッド２９Ａが固定磁極２８まで延在し、固定磁極２８に固定されている。つまり。第１実施形態のシールロッド２９とベースロッド３４とを一体化させたような構造になっている。このような構造にすることで、部品点数を少なくし、製造コストを低減することができる。
【００６７】
その他、第２実施形態の電磁式調圧弁１Ａは、第１実施形態に係る電磁式調圧弁１と同様の作用効果を奏する。
【００６８】
［第３実施形態］
第３実施形態に係る電磁式調圧弁１Ｂは、図４に示すように圧力帰還通路３７Ｂが弁体１４内に形成されている。具体的に説明すると、電磁式調圧弁１Ｂでは、シールロッド２９Ｂの下端部が弁体１４内の底面近くまで延びており、シール用溝２９ａより上端側が残余の部分より小径に形成されている。これにより、弁体１４の内周部とシールロッド２９Ｂの内周部との間に通路４１が形成される。また、弁体１４の先端部１４ａ側には、この通路４１と二次側領域１２ｆとを繋ぐ連絡通路４２が形成されており、連絡通路４２と通路４１とが圧力帰還通路３７Ｂを構成している。圧力帰還通路３７Ｂは、二次側領域１２ｆとバッファ室３５とを繋ぎ、バッファ室３５に漏れ出た燃料ガスを二次側領域１２ｆへと戻すようになっている。このように弁体１４内に圧力帰還通路３７Ｂを形成することで、ハウジング１２に圧力帰還通路３７を形成する必要がなくなり、ハウジング１２の加工が容易になる。
【００６９】
また、ベースロッド３４と可動鉄心２１との間には、軸受部材４５が介在している。可動鉄心２１は、この軸受部材１８を介してベースロッド３４により案内され、軸線Ｌ１に沿って滑らかに移動するようになっている。
【００７０】
その他、第３実施形態の電磁式調圧弁１Ｂは、第１実施形態に係る電磁式調圧弁１と同様の作用効果を奏する。
【００７１】
［第４実施形態］
本発明の第４実施形態に係る電磁式調圧弁１Ｃでは、第３実施形態の電磁式調圧弁１Ｂと同様に、図５に示すように弁体１４内に圧力帰還通路３７Ｂが形成されている。また、電磁式調圧弁１Ｃでは、ベースロッド３４Ｃに二次ポート３４ａが形成されており、この二次ポート３４ａと圧力帰還通路３７Ｂとを繋ぐべくベースロッド３４Ｃ及びシールロッド２９Ｃに二次側通路４４が形成されている。二次側通路４４は、軸線Ｌ１に沿ってベースロッド３４Ｃを貫いてシールロッド２９Ｃの中間部分まで伸びている。二次側通路４４は、下端に半径方向に延びる連絡通路部４４ａを有しており、この連絡通路部４４ａにより圧力帰還通路３７Ｂに繋がっている。
【００７２】
電磁式調圧弁１Ｃは、一次ポート１２ａと二次ポート３４ａとが直線配置されており、直線型（インライン型）の調圧弁となっている。直線型の調圧弁であるので、軸線Ｌ１に沿って入力及び出力の配管等を配置することができる。
【００７３】
その他、第４実施形態の電磁式調圧弁１Ｃは、第１実施形態に係る電磁式調圧弁１と同様の作用効果を奏する。
【００７４】
［第５〜第８実施形態］
本発明の第５〜第８実施形態に係る電磁式調圧弁１Ｄ〜１Ｇは、図６〜図９に示すように、受圧面積Ａ１及び受圧面積Ａ２が異なる点を除いて、第１〜第４実施形態に係る電磁式調圧弁１〜１Ｃと同様である。以下では、その点についてだけ説明する。
【００７５】
電磁式調圧弁１Ｄ〜１Ｇでは、シート径が背圧力室３０の孔径より小径になるよう弁体１４及びハウジング１２が形成されており、受圧面積Ａ１は、受圧面積Ａ２より小さくなっている。それ故、弁体１４には、受圧面積Ａ１と受圧面積Ａ２との面積差に応じた一次圧ｐ１による作用力が閉位置に向かって作用する。それ故、ソレノイドコイル２７に流す電流を遮断した時の弁体１４の閉位置に向かう速度が速くなり、遮断性能が向上する。
【００７６】
また、一次圧ｐ１による作用力が閉位置に向かって作用しているので、弁体１４と座部１５の着座部分のシール面圧が高くなる。それ故、電磁式調圧弁１Ｄ〜１Ｇは、一次側から二次側へと燃料ガスが漏れ出ないようにしっかりと弁通路１３を閉じることができる。
【００７７】
その他、第５〜第８実施形態の電磁式調圧弁１Ｄ〜１Ｇは、第１実施形態に係る電磁式調圧弁１と同様の作用効果を奏する。
【００７８】
［第９実施形態］
第９実施形態に係る調圧弁１Ｈは、図１０に示すように、電磁比例ソレノイド２６に代えて圧電アクチュエータ２６Ｈを備えている。弁体駆動手段である圧電アクチュエータ２６Ｈは、圧電素子２６ａ（例えば、ピエゾ素子）を有しており、圧電素子２６ａは、印加される印加電圧に応じて収縮して駆動力を発生するようになっている。このように圧電素子２６ａが収縮することにより、可動部材２１Ｈを介して弁体１４が開位置方向（上方向）に移動し、弁通路１３が開く。この際、弁通路１３は、発生する駆動力に応じた開度で開き、調圧弁１Ｈもまた、圧電アクチュエータ２６Ｈに印加される印加電圧に応じた圧力に二次圧ｐ２を調圧できるようになっている。
【００７９】
更に、調圧弁１Ｈでは、ベースロッド３４Ｈが圧電アクチュエータ２６Ｈのケース２６ｂに螺合されて固定されている。このベースロッド３４Ｈは、ケース２６ｂ及び圧電素子２６ａを貫通し、更に可動部材２１Ｈも貫通している。そして、ベースロッド３４Ｈの先端は、シールロッド２９の上端に当接しており、シールロッド２９を上方から支持している。
【００８０】
その他、第９実施形態に係る調圧弁１Ｈは、第１実施形態に係る電磁式調圧弁１と同様の構成を有しており、同様の作用効果を奏する。
【００８１】
［第１０実施形態］
第１０実施形態に係る調圧弁１Ｉは、図１１に示すように、電磁比例ソレノイド２６に代えてフォースモータ２６Ｉを備えている。弁体駆動手段であるフォースモータ２６Ｉは、円筒状の永久磁石６１の中に可動コイル６２が挿入されており、可動コイル６２に電流を流すと電流に応じた励磁力が発生し、この励磁力により可動コイル６２がヨーク６３内を上方に動くようになっている。可動コイル６２には、可動部材２１Ｉが一体的に設けられており、可動コイル６２が移動することによって弁体１４が開位置方向に移動して弁通路１３が開く。この際、弁通路１３は、発生する励磁力に応じた開度で開き、調圧弁１Ｉもまたフォースモータ２６Ｉに流される電流に応じた圧力に二次圧ｐ２を調圧できるようになっている。
【００８２】
更に、調圧弁１Ｉでは、ベースロッド３４Ｉがフォースモータ２６Ｉのケース６４に螺合されて固定されている。このベースロッド３４Ｉは、ケース６４及び可動コイル６２を貫通し、更に可動部材２１Ｉも貫通している。そして、ベースロッド３４Ｉの先端は、シールロッド２９の上端に当接しており、シールロッド２９を上方から支持している。
【００８３】
その他、第１０実施形態に係る調圧弁１Ｉは、第１実施形態に係る電磁式調圧弁１と同様の構成を有しており、同様の作用効果を奏する。
【００８４】
［その他の実施形態］
本実施形態では、圧力帰還室２３の二次圧ｐ２をダイアフラムシール１９で受圧しているが、必ずしもダイアフラムシールでなくてもよく、Ｏリングなどの低圧シール部材であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００８５】
本発明は、高圧の燃料ガスの圧力を印加される印加電圧又は印加電流に応じた圧力に調圧するガス用調圧弁に適用することができる。
【符号の説明】
【００８６】
１〜１Ｇ  電磁式調圧弁
１Ｈ，１Ｉ  調圧弁
２  燃料ガス供給システム
７  電磁式遮断弁
１２  ハウジング
１２ａ  一次ポート
１２ｃ  二次ポート
１３  弁通路
１４  弁体
１８  軸受部材
１９  ダイアフラムシール
２０  低圧シール部材
２３  圧力帰還室
２５  復帰用ばね
２６  電磁比例ソレノイド
２６Ｈ  圧電アクチュエータ
２６Ｉ  フォースモータ
２９〜２９Ｃ  シールロッド
３０  背圧力室
３２  高圧シール部材
３４〜３４Ｃ，３４Ｈ，３４Ｉ  ベースロッド
３５  バッファ室
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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