(57)【要約】【課題】磁気効率を高め、ポンプの一層の小形軽量化、耐久性の増大、吐出能力を燃料電池の発電量と対応して制御可能とし、さらに騒音防止の効果を高めた気体用電磁ポンプを提供する。【解決手段】このポンプは、戻しばね（１４）と補助ばね（１５）との間に圧支された電磁プランジャ（１２）が管柱シリンダ内を断続磁気吸引力で摺動往復し、戻しばねの側に備えた環状磁極（２６）の端面に対向した電磁プランジャの端部との間を磁気空隙（ｇ）  を有する上流吸入側とし、反対側の電磁プランジャの端面を下流吐出側の加圧面とする。本発明により、パルス電流の周期中の導通期間に空隙吸引力と共に発生するソレノイド磁気吸引力とにより電磁プランジャ（１２）は環状磁極（２６）の内部に進入して管柱シリンダ壁を介して重なり、漏洩磁気回路を構成するようにし、さらに電磁プランジャの両端部位にはそれぞれ環帯状の外周縁を残して穿設した環状溝に電磁プランジャの外径を越える外径を有する弗素系合成樹脂からなる環状のプランジャリング（１３）を嵌着してある。【選択図】  図１
2004232573.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁コイルに囲繞された管柱シリンダ内を、逆止弁機構を内蔵し、かつ戻しばねと補助ばねとの間に圧支された電磁プランジャが前記電磁コイルへ付勢する断続パルス電流により発生する断続磁気吸引力で摺動往復する容積形貫流ポンプであって、前記管柱シリンダの両端部位の前記戻しばねの側に環状磁極を、そして補助ばねの側に環状磁路をそれぞれ外嵌して備え、前記環状磁極の端面に対向した電磁プランジャの端部との間を磁気空隙を有する上流吸入側とし、反対側の電磁プランジャの端面を下流吐出側の加圧面とするポンプにおいて、前記パルス電流の周期中の導通期間に空隙磁気吸引力と共に発生するソレノイド磁気吸引力とにより電磁プランジャは環状磁極の内部に進入して管柱シリンダ壁を介して重なり、磁気回路を構成してあり、さらに電磁プランジャの両端部位にはそれぞれ環帯状の外周縁を残して穿設した環状溝に該電磁プランジャの外径を越える外径を有する弗素系合成樹脂をもってなる環状のプランジャリングをそれぞれ嵌着したことを特徴とする気体用の電磁ポンプ。
【請求項２】
前記電磁プランジャを圧支する２つのばねの少なくとも一方のばね座は調心構造としたことを特徴とする請求項１に記載の気体用の電磁ポンプ。
【請求項３】
前記電磁ポンプの吸入側に吸入口に連通する小径の通孔とこれを覆う消音器を兼ねたフィルタを備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の気体用の電磁ポンプ。
【請求項４】
前記電磁コイルへの付勢は直流断続パルス電流であり、その電圧、電流の周期、デューティ比のいずれかもしくはその複数を加減調整して空気または気体燃料の吐出量を燃料電池の出力に応じて可変制御することを特徴とする請求項１から３までのうちのいずれか１つに記載の気体用の電磁ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば近年盛んに実用化の研究が進められている燃料電池のうち、特に高分子固体電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）において、天然ガス、メタノール、ガソリン、プロパン、ブタンなどの成分中に水素を含んだ燃料を改質して水素に転換するときに、ＣＯ２  ，ＮＯＸ  ，ＣＯ，ＨＣが少量発生する。この一酸化炭素ＣＯは触媒と相性がよく、吸着して水素を阻害する。すなわち、燃料電池にこのガスが供給されると、このＣＯが電極に付着して電気を取り出すことを阻害するＣＯ被毒を阻止するために水素発生器（改質器）の触媒部に空気を少量混入してＣＯを酸化し、ＣＯ２  （二酸化炭素）として除去する。この空気を供給するためおよび気体燃料、例えば都市ガスを燃料電池に給送するための電磁ポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
上記した燃料電池向けの気体用電磁ポンプとしては、本件特許出願人がさきに特願２０００−３２５８７２号（特開２００２−１３０１２２号公報および公開以前の手続補正書を含む）をもって提案した電磁コンプレッサの先行技術がある。
【０００３】
しかして、その明細書にも記載されている通り、それ以前の在来公知の技術には種々問題点があった。そしてこの先行技術においてさえ、未だ以下詳述するような改善すべき課題が残されているのである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前記先行技術、すなわち特開２００２−１３０１２２号に記載の電磁コンプレッサの明細書図１に開示（本件出願の図５に代えて提示）のものは、吐出圧力によって吐出負荷が加わると、電磁プランジャ１１２が上流の吸入側に偏位し、その下流側端部の加圧面と環状磁極１２６との間との磁気空隙ｇの増大による空隙磁気吸引力の低下と加圧作用時の抵抗となり、また電磁コイル１１０の軸心上の中央にある磁気中性点ｑと、電磁プランジャの磁気中心点ｕとの距離の減少、すなわちその行程長の減殺となる。さらに、この行程長の減少は後述するような要因もある。特に、空隙磁気吸引力は磁気空隙の距離の自乗に反比例するので、この場合には、損失が大きく、吐出圧力は低下する一方で磁気回路のリラクタンスが増し、消費電力とともに電磁コイル１１０の温度上昇値（ｄｅｇ）Ｋが増加する。
【０００５】
さらに、前記電磁プランジャ１１２の行程長の減少の理由としては、その質量と加速度との積による慣性エネルギにも原因があり、質量が比較的大きく周波数が比較的大であると、電磁コイル１１０への断続パルス電流の導通時の加速度が大きく、非導通時に戻しばね１１４による復帰時充分に旧位置に戻る暇がなく、したがってその往復運動は単なる短振動となるか行程長の短縮となって吐出能力が低下する場合があり、或いはまた振動騒音の発生が大となることもある。
【０００６】
そして、この種のポンプも、流量制御可能で一層の小形軽量、高性能、低騒音、低コストを要求されるものである。
【０００７】
また、この電磁コンプレッサは特に気体用であるために、管柱シリンダ１２５とこの中を摺動往復する電磁プランジャ１１２に減磨用のプランジャリング１１３をその両端部位に嵌設してあるが、電磁プランジャ１１２を挟設圧支する戻しばね１１６と補助ばね１１５の両端のいずれにでも、ポンプの作動長期にわたる疲労により座屈すると、電磁プランジャ１１２が傾斜して摺動往復し、側圧により管柱シリンダ１２５も共に偏磨耗損傷して作動不具合を生じるので、前記ばね座の少なくともその一つを後述するような調心構造として前記ばねの座屈による弊害を阻止することが望ましい。
【０００８】
また、このような損耗は、特にプランジャリングの磨耗が甚だしいので、なるべくその外径を電磁プランジャ１１２の強磁性体の外径部分よりも大にしたいが、磁器回路のリラクタンスの増大となるので限度がある。この点については、先行技術特開２００２−１３０１２２号公報表１に記載され説明があるので、ここでは説明を省略する。
【０００９】
なお、前述の各磁気吸引力による電磁プランジャを挟設圧支する前記両ばねの撓みとその反発力などの関係は本件出願人がかって特公昭５７−１２８６３号公報において述べているので、その説明も省略する。
【００１０】
本発明においては、以上の先行従来技術における問題点および後記実施の形態の欄で詳述する諸問題、すなわち磁気効率を高め、ポンプの一層の小形経済化、耐久性の増大、吐出能力を燃料電池の発電量と対応して制御可能とし、さらに騒音防止の効果を高める課題を以下詳述する手段をもって解決するものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明に係る気体用電磁ポンプは、電磁コイルに囲繞された管柱シリンダ内を、逆止弁機構を内蔵し、かつ戻しばねと補助ばねとの間に圧支された電磁プランジャが前記電磁コイルへ付勢する断続パルス電流により発生する断続磁気吸引力で摺動往復する容積形貫流ポンプであって、前記管柱シリンダの両端部位の前記戻しばねの側に環状磁極を、そして補助ばねの側に環状磁路をそれぞれ外嵌して備え、前記環状磁極の端面に対向した電磁プランジャの端部との間を磁気空隙を有する上流吸入側とし、反対側の電磁プランジャの端面を下流吐出側の加圧面とするポンプにおいて、前記パルス電流の周期中の導通期間に空隙磁気吸引力と共に発生するソレノイド磁気吸引力とにより電磁プランジャは環状磁極の内部に進入して管柱シリンダ壁を介して重なり、磁気回路を構成してあり、さらに電磁プランジャの両端部位にはそれぞれ環帯状の外周縁を残して穿設した環状溝に該電磁プランジャの外径を越える外径を有する弗素系合成樹脂をもってなる環状のプランジャリングをそれぞれ嵌着したことを特徴とする。
【００１２】
しかして、前記電磁プランジャを圧支する２つのばねの少なくとも１方のばね座は調心構造としたことを特徴とする。
【００１３】
また、前記電磁ポンプの吸入側に吸入口から管柱シリンダ内に連通する小径の通孔と、吸入口を覆う消音器を兼ねたフィルタを備えたことを特徴とする。
【００１４】
さらに、前記電磁コイルへの付勢電流は直流断続パルス電流であり、その電圧、電流の周期、デューティ比のいずれかもしくはその複数を加減調整して、空気または気体燃料を燃料電池の出力に応じて可変制御することを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面により詳細に説明する。
【００１６】
図１は、本発明の気体用電磁ポンプの１つの実施の形態を一部断面した縦断面図である。
【００１７】
図１において、前記特許請求の範囲の請求項１〜２に記載したような構成を繰り返して説明することにはなるが、電磁ポンプ１の電磁コイル１０に囲繞された、すなわち電磁コイル１０の軸心縦貫孔に嵌設された管柱シリンダ２５内を、吸入側逆止弁機構１８を内蔵し、かつ戻しばね１４と、補助ばね１５との間に圧支された電磁プランジャ１２が、前記電磁コイル１０へ付勢する断続パルス電流により発生する断続磁気吸引力で摺動往復する容積形貫流ポンプの、前記管柱シリンダ２５の両端部位の前記戻しばね１４の側に環状磁極２６を、そして補助ばね１５の側に環状磁路２７をそれぞれ外嵌させ、ポンプ静止時に、前記環状磁極２６の端面と対向する電磁プランジャ１２の端部との間に磁気空隙ｇを有する上流の吸入側とし、反対側の電磁プランジャ１２の端面を下流吐出側で加圧面とするポンプにおいて、前記パルス電流の周期中の導通期間に空隙磁気吸引力と共に発生する、電磁コイル１０の縦軸上の中心点にある磁気中性点ｑに電磁プランジャ１２の磁気中心ｕが引かれるソレノイド磁気吸引力とによって、電磁プランジャ１２が環状磁極２６内部に進入して管柱シリンダ２５の壁を介して重なり、漏洩磁気回路を構成するようにしてあり、この実施の形態にあっては、ポンプの静止時には、電磁プランジャ１２の吸入側の端面と、環状磁路２７の同じく吸入側端面および前記電磁コイル１０の磁気中性点がその軸心直截同一平面上にある。
【００１８】
電磁プランジャ１２の両端部位には、それぞれ環帯状の外周縁を残して穿設した環状溝に該電磁プランジャ１２の外径を越える外径寸法を有する弗素系合成樹脂製の環状のプランジャリング１３を埋め込み嵌着してある。このプランジャリング１３の外径寸法に関しては後述する。
【００１９】
電磁プランジャを有する電磁ポンプは、周知のように電磁コイル１０へ付勢する断続パルス電流と戻しばね１４の反発力とにより管柱シリンダ２５内を往復作動する電磁プランジャ１２および吸入、吐出し両逆止弁１８，１９の作用と相俟ってポンプ作用を営み、矢印ａに示すように吸入継手２０の吸入口２１から吸入し、ポンプ内部を貫流して吐出継手２３の吐出口２４から矢印ｂに示すように流体を吐出するのである。
【００２０】
本発明の特徴についてさらに詳細な説明をする前に、この発明の実施の形態における構成について補足する。
【００２１】
管柱シリンダ２５の吸入側端部の吸入継手２０の電磁プランジャ１２に面した軸心中央部位に突出した尖端部にこれに係止する凹部を有する戻しばね１６と前記電磁プランジャ１２の端部との間に戻しばね１４を係設し、電磁プランジャ１２の吐出側端部と、吐出継手２３を収めた管柱シリンダ２５の端部に備えた補助ばね座１７との間に補助ばね１５を係設して、双方向から等しい反発力で電磁プランジャ１２を釣合い挟持圧設している。
【００２２】
吐出継手２３には、吐出逆止弁１９を内臓している。
【００２３】
電磁コイル１０を捲装したボビン１１の両端面には、それぞれ磁気鉄板３１が環状磁極２６、環状磁路７に外嵌した上、蓋設されていて、前記吸入継手２０と吐出継手２３の鍔部を介して外枠継鉄３０により挟設、複数の螺子２９により緊と固定される。環状磁極２６と環状磁路２７との間にスペースリング２８が管柱シリンダ２５に外嵌されている。
【００２４】
ポンプ内側はＯリングなどのパッキングで気密を保持している。
【００２５】
前記環状磁極２６、環状磁路２７、磁気鉄板３１、外枠継鉄３０は磁気回路を構成する。
【００２６】
外枠継鉄３０は、例えば４個など複数の合成ゴム等からなる防振部材３３を介して取付ステー３２に固定される。
【００２７】
図１に示す本発明の実施の形態の電磁ポンプは吸入側にフィルタを備えていないから、このままでは都市ガスなどの気体用であるが、空気用とする場合は、例えば図２に示すような吸入側に網やスポンジ状もしくはフェルトなどのフィルタエレメント３９を内装した吸入側部材３６を吸入口３７に設ける。このような気体用電磁ポンプは作動中に逆止弁の開閉時の弁座に当接音が発生するので吸入口３７からポンプの作動室、すなわち管柱シリンダ２５内に連通する通孔３８の内径を小にして絞込み、電磁プランジャ１２の行程時の慣性によるオーバーシュートを緩衝すると共に、前記弁と開閉当接音を抑制する所謂サイレンサを兼ねた防塵フィルタを備える。吐出側は、配管が接続されるので、騒音は抑制される。
【００２８】
図１の場合の吸入継手２０における吸入口２１から管柱シリンダ２５内に連通する小径の通孔２２も上記の理由による。
【００２９】
なお、図３は、外気に通じる複数のマド４２を通り、フィルタの材質は消音効果を兼ねた高密度のスポンジの一種のモルトプレン、網、フェルトなどからなるフィルタエレメント４１を内臓し接続用接手４３を備えた、フィルタ兼用のサイレンサ４０で、図１の吸入継手２０に接続させて利用するものである。図２の数字の符号は図１に説明したものと名称は同様である。
【００３０】
さきにも述べたように、この種類の電磁ポンプ、特に燃料電池用の気体ポンプは、前記先行技術の特開２００２−１３０１２２号公報に開示されたものよりさらに小形、軽量で効率良く高性能、低騒音、低コストで耐久性を要求されている。これは、燃料電池の用途が種々小形の機器に至るまでその利用を多岐にわたって検討されているからであろう。
【００３１】
前述したが、この先行技術のものを図５によってさらに説明する。図における数字の符号から１００を差し引いたものが図１、図２の部品の名称と同様である。
【００３２】
そこで、先ずこの先行技術のものを図５により、その作動などにおける相違点について本発明の図１、図２のものと対比説明する。
【００３３】
以下、本発明の気体用の電磁ポンプの図１に示すものを（Ａ）とし、先行技術の同じく図５に示すものを（Ｂ）と称す。
【００３４】
図５に示す（Ｂ）にも、図１、図２にそれぞれ示す（Ａ）と同様に合成ゴム、弾性発条などからなる防振部材を介して取付ステーを設けているからその取付容積はさらに大きくなる。
【００３５】
図５において、電磁コイル１１０に断続パルス電流を付勢すると、周期中の導通期間には、それによって発生する空隙磁気吸引力により環状磁極１２６間の磁気空隙ｇを埋め、そして電磁コイル１１０の磁気中性点ｑに電磁プランジャ１１２の磁気中心ｕが吸引されるように電磁プランジャ１１２は環状磁極１２６の内部に進入する吐出行程となり、周期中の非導通期間には、磁気吸引力は断たれて戻しばね１１４の反発力で静止時の位置へ戻るべく復行程となり、吸入作用が行われて、この繰り返しにより矢印ａのように吸入継手１２０の吸入口１２１から流体はポンプ内部を縦貫して吐出継手１２３の吐出口１２４から矢印ｂのように吐出される。この吐出行程において、流体圧力が電磁プランジャが１１２の加圧面への負荷抵抗となり、環状磁極１２６との磁気空隙ｇを狭めるのに妨げとなり、空隙磁気吸引力と同時に前記ソレノイド磁気吸引力を有効に利用することができない。すなわち、前記磁気空隙ｇを狭めるのにこれを吐出圧力が妨げる結果となり、その圧力が高いほど電磁プランジャの行程長は短縮される。すなわち、吐出流量の減少となる。これは、特に磁気吸引力が空隙の距離の自乗に反比例するからであり、しかも電磁コイル１１０に流れる電流値も大きく、したがってその磁気飽和時の温度上昇値Ｋも増加する。
【００３６】
これに対して、本発明の図１、図２に示す構成では、電磁プランジャ１２と環状磁極２６との磁気空隙ｇが吐出行程時の負荷圧力に対応する作動が全く反対で、吐出圧力によって磁気空隙ｇを狭めてその吸引力を充分に利用できるから効果的である。
【００３７】
因みに、電磁プランジャ１１２の往復作動時には、ポンプ始動初期および流体の圧力が高まらないうちには、電磁プランジャ１１２の質量が大きいほどこれと加速度の積による慣性により往復行程が伸長して静止時の前記両ばね１１４，１１５による釣合い位置を越えて所謂オーバーシュートするスプリングハンマー作用が大きく、振動騒音発生が甚だしくなることが多い。また、電磁コイル１１０ヘ付勢する断続パルス電流の所定帯域を越える周波数になると、周期中の非導通期間に戻しばね１１４の反発力で電磁プランジャ１１２は流動抵抗なども加わって復行程を行ういとまがなく、その往復行程長が短縮制限され、極端な場合単なる微振動かまたは静止状態に至ることは、周知である。
【００３８】
そしてポンプ作動中経時的に疲労などによってばね座部分の座屈を生じたときに、電磁プランジャ１１２が管柱シリンダ１２５内を作動中に、側圧で互いに偏磨耗して損傷することがあり、摺動往復作用時に潤滑減摩作用をなすプランジャリング１１３も摩滅するおそれがある。
【００３９】
本発明の前記（Ａ）の気体電磁ポンプは、前述の従来技術前記（Ｂ）の電磁コンプレッサ、すなわち気体用電磁ポンプの改良に係り、その問題点を解決したものである。
【００４０】
なお上記小形の燃料電池に利用される気体用電磁ポンプの吐出能力は  ９．８  ＫＰａ（０．１  ｋｇｆ／ｃｍ２  ）  の吐出圧力で、吐出流量約１５００ｍｌ／ｍｉｎ程度を要望されるようになり、燃料電池からの電力で稼動させ、時としては小乾電池での利用も考えられるので、消費電力、一層の小形軽量化が要求されている。
【００４１】
以上の問題点を解決しかつ市場の要望に対応して、本発明の気体用電磁ポンプ（以下単に電磁ポンプと称す）は、さきにも述べたが、次のようにそれぞれ課題を解決したものである。以下、図１、図２によってこれを説明する。
（イ）電磁コイル１０に断続パルス電流を付勢し、その周期中の導通期間には、前記磁気吸引力によって電磁プランジャ１２は磁気空隙ｇを埋めるべく、環状磁極２６内部に進入し、流体は吸入口２１から電磁プランジャ１２に内蔵した吸入弁１８を経て管柱シリンダ２５内の補助ばね１５側に流入して吸入行程となる。この際、戻しばね１４は圧縮され、その撓みに比例して反発力を増し、前記パルス電流の非導通期間に電磁プランジャ１２をその静止位置方向へ戻す吐出行程時の原動力となる。この吸入行程時には、補助ばね１５は伸長し、吐出行程にはもとに戻ろうとして、但し前記したように電磁プランジャ１２の質量と加速度による慣性エネルギによってその撓み量を増し、これが再導通時に反発力として加わり、流体の流動および圧力抵抗が小さいほどその影響力が大きく、電磁プランジャ１２の吸入および吐出行程共にスプリングハンマ作用が加味される。
【００４２】
そしてこのパルス電流の非導通期間に戻しばね１４による吐出行程は吐出側の流体の圧力が増大するほど負荷抵抗となって、電磁プランジャ１２は前記磁気空隙ｇを縮めるので磁気吸引力が強くなり、すなわちリラクタンスが小となり、換言すればパーミアンスが大となって磁力発生の効率が大きいので、必要とする磁気吸引力に対する消費電力も少なく、電磁コイル１０の温度上昇も低くなり、電磁コイル１０、電磁コイル１２など電磁ポンプ自体を小形軽量化可能となる。
【００４３】
また、従来技術を含む前記先行技術（Ｂ）のものは、本発明の（Ａ）とは反対に電磁コイル１１０へ断続パルス電流を付勢してその周期中の導通期間に磁気吸引力で電磁プランジャ１１２を吐出行程させ、非導通期間に復帰吸入行程を行うので、磁気吸引力を発生する吐出行程時に、流体の流動圧力による負荷抵抗の大なるときに磁気空隙ｇを埋めるのに抵抗があって、それにより磁力を減少させる方向に働かせる損失を招いている。
【００４４】
つぎに、本発明の実施の形態において、磁気吸引力により電磁プランジャ１２が環状磁極２６内部に進入して管柱シリンダ２５の壁を介して重なり、漏洩磁気回路を構成することに関しては、前記先行技術（Ｂ）の特許出願明細書にも記載してあるので、その説明は省略する。
（ロ）また、電磁プランジャ１２の両端部位に環帯状の外周縁を残して穿設した環状溝に該電磁プランジャ１２の外径を越える外径寸法を有する弗素系合成樹脂製の環状のプランジャリング１３を埋め込み嵌着した点について、前記先行技術（Ｂ）の公開特許公報の明細書
【００３７〜３９】項に図２と表１をもって電磁プランジャ１２の外径ｄとプランジャリング１３の外径との差が、すなわちこの両者の外径の差の  １／２  を表すプランジャリング１３の側面の出張り代、すなわち潤滑減摩部材の磨耗代が多いほど、ポンプの吐出圧力が低く、しかも電磁コイル１０に流れる電流値が増加し、このことがその温度上昇を招き、しかも磁気発生に損失があることを説明している。
【００４５】
しかるに、本発明の実施の形態（Ａ）の場合には、空隙磁気吸引力を前記したように有効に利用しているために、後述する図６（ａ）にＥをもって表すようにはるかに大きい寸法とすることができて、しかも吐出性能は所望値を満足する一方、電磁プランジャ１２の前記側圧による偏磨耗に対して耐久力を増すものとしている。
（ハ）しかも、前記したように、吸入継手２０の電磁プランジャ１２に面した軸心中央部位に突出した尖端部にこれに係止する凹部を有する戻しばね座１６と電磁プランジャ１２の端部との間に戻しばね１４を係設するなど少なくとも一方のばね座を調心構造としてばねの疲労など座屈による電磁プランジャ１２、管柱シリンダ２５等の摺動部の側圧に起因する損耗の防止に役立てている。
（ニ）電磁ポンプの吸入口側に消音器を兼ねたフィルタ３９、４０を付したことは前述の通りである。
（ホ）電磁コイル１０への付勢パルス電流の周期、デューティ比などを変換して吐出能力を制御することは、以下各表を掲示して説明する通りであり、
また本発明の小型軽量化、吐出性能の向上等も以下同様に掲示した各表により説明する通りである。
【００４６】
上述のように、本発明の電磁ポンプ（Ａ）が従来技術による（Ｂ）よりも小形軽量化と吐出性能の向上したことを、以下図６および各表によって説明する。
【００４７】
図６（ａ）は電磁プランジャ１２、１１２におけるその外径Ｄと長さＦのそれぞれ寸法で、プランジャリング１３、１１３の外径側面の出張り代、すなわち前記両者の半径の差Ｅであり、
図６（ｂ）は管柱シリンダ２５、１２５のそれぞれの長さＬ、
図６（ｃ）環状磁極２６、１２６のそれぞれの長さＪ、
図６（ｄ）はスペースリング２８、１２８のそれぞれの長さＳ、
図６（ｅ）は環状磁極２７、１２７のそれぞれの長さＫ、
図６（ｆ）は電磁コイル１０、１１０のそれぞれの長さＭ、
図６（ｇ）は電磁ポンプ（Ｂ）の長さ寸法Ｈ２  、
図６（ｈ）は電磁ポンプ（Ａ）の長さ寸法Ｈ１    である。
【００４８】
この（Ａ）、（Ｂ）両者の上記各部材の寸法表において、その寸法差の示すように、（Ａ）は（Ｂ）よりも小型軽量化され、この両者のプランジャリング１３、１１３の外径と管柱シリンダ２５、１２５の内径は同寸法であるが、電磁ポンプ（Ａ）と（Ｂ）の重量はそれぞれ４５０ｇｒ、６００ｇｒで重量比は３：４に軽量化され、長さも約１７％縮小した。
【００４９】
このように小形軽量化したにもかかわらず、ポンプの吐出性能はつぎの表１に示すように向上し、磁気吸引力がより有効に利用されていることが判る。
【００５０】
【表１】
2004232573.tif 000003
但し、電磁コイル１０への付勢電流はＤＣ２４Ｖ、周波数２５Ｈｚ、周期中の導通期間  ｏｎ  ｔｉｍｅ８ｍＳｅｃ、吐出圧力  ９．８  ＫＰａ  で電流値２６０ｍＡ，  消費電力６．２４ｗ，温度上昇値  ｄｅｇ  ３３  Ｋ  、騒音は水平１ｍの距離で測定して、吸入側にサイレンサ、フィルタを付設しない場合は４９  ｄＢ／Ａ  Ｓｃａｌｅ  で、これらを付設したときは４７ｄＢ／Ａ  で、吸入継手に配管を接続すると  ４４  ｄＢ／Ａ    に低下した。
【００５１】
これに対して、従来技術の（Ｂ）のものは、ＤＣ２４Ｖ，２０Ｈｚ，ｏｎ  ｔｉｍｅ  １２ｍＳｅｃで、吐出圧力０ＫＰａ，  ９．８  ＫＰａのときそれぞれ吐出流量１５００ｍｌおよび１２００ｍｌで、吐出圧力  ９．８    ＫＰａ  のときに、電流値２６３ｍＡ、６．３  Ｗ  で効率が低下している。そしてＤＣ２４Ｖ，２５Ｈｚ、ｏｎ  ｔｉｍｅ  １２ｍＳｅｃで吐出圧力９．８１ＫＰａのとき吐出流量は２０００ｍｌに増大したが、電流値４１０ｍＡで消費電力  ９．８４  Ｗ  、温度上昇はｄｅｇ  ４０Ｋ  であったことは前記特開２００２−１３０１２２号公報に記載されている通りで、しかも前述の（Ａ）同様の条件でいずれも５５ｄＢ／Ａを超え、この騒音大では問題となり利用し難い。
【００５２】
これは電磁プランジャ１１２の質量の比較的大きいことによる慣性エネルギの増大等前述した理由によることや往復作動の振動の乱調によるものと思料する。そして付勢電流の周波数をさらに高めると、これも前述した理由により電磁プランジャ１１２の往復行程長が反対に縮小して吐出能力を損ねる欠点が生じる。
【００５３】
本発明の（Ａ）の電磁ポンプは電磁プランジャ１２の長さが短く、したがって質量も比較的小であるので、慣性エネルギも小であり、周波数を限定帯域内で高めても振動騒音が低く、吐出流量はこのように増大させることができて効率が高い。
【００５４】
このように本発明の（Ａ）の電磁ポンプは従来技術、すなわち前記先行技術の（Ｂ）の電磁ポンプよりも優れている。
【００５５】
上記騒音測定は無響室ではなく、実態に即して敢えて住居地域のＲＣ構造の建物屋内で夜間に測定した暗騒音は３３ｄＢ／Ａ  Ｓｃａｌｅであった。
【００５６】
また、電磁コイルの温度上昇値  ｄｅｇ  Ｋは電気抵抗法により、上記パルス電流を通電してポンプを連続運転し、電磁コイルは磁気飽和してから測定した。
【００５７】
（Ａ）の電磁コイルへの付勢断続パルス電流をＤＣ２４Ｖ，周波数２５Ｈｚ，周期中の通電期間、すなわち  ｏｎ  ｔｉｍｅ  を８ｍＳｅｃで空気の吐出圧力を  ９．８  ＫＰａ，  吐出流量１５００ｍｌ／ｍｉｎのものを周期のみ変換したときの吐出圧力、流量および消費電力を表２に示す。
【００５８】
ｏｎ  ｔｉｍｅ  は８ｍＳｅｃであるから、周期中の導通期間の比、すなわちデューティ比はもちろん変わる。また、同一周波数でｏｎ  ｔｉｍｅ  を変換しても同様である。
【００５９】
【表２】
2004232573.tif 000004
また、この電磁ポンプ（Ａ）の吐出圧力−吐出流量特性が表１に掲示してあるが、吐出圧力が大になると吐出流量は小になることは、さきにも述べた通り吐出圧力がポンプの作動の負荷抵抗になり、２つのばねの間に圧支された電磁プランジャは所謂フリーピストンであるから、負荷抵抗の大小によってその行程長が伸縮変化して、そのために吐出流量も変動するのである。このとき、本発明（Ａ）の電磁ポンプは該負荷抵抗によって、吐出圧力の大きいほど電磁プランジャが吸入側にある環状磁極側に近接して磁気空隙を埋め狭めて往復動していることを表３によって説明する。電磁プランジャがその往復作動中に環状磁極の方へ磁気吸引力によってその静止の位置から吸入行程時に移動する距離と、磁気吸引力の消滅時に戻しばねの反発力で静止の位置方向へ戻る吐出行程時長を慣性エネルギによりオーバーシュートする価を含めてその長さを測定したものである。前記両者の距離の和が電磁プランジャの往復時の行程長になる。吐出圧力が大きいときほど、電磁プランジャは環状磁極方向への移動量が伸長し、戻しばねの撓み量も大きく、したがってその反発力が大きくなるが、前記負荷抵抗により減殺されて復行程、すなわち吐出行程時における移動量は減縮してその往復行程の上死点と下死点との距離、すなわち往復行程長は、吐出圧力が０のときのみ、復行程時に前記オーバーシュート現象があり、圧力が上がるほど負荷抵抗のために復行程の吐出行程時はオーバーシュートが皆無でしかも短縮して静止の位置まで戻らず、したがって全体的に往復行程長は縮小している。
【００６０】
表３における、本発明の電磁ポンプ（Ａ）の電磁コイルへの付勢電流はＤＣ２４Ｖ，２５Ｈｚ，ｏｎ  ｔｉｍｅ  ８ｍ／Ｓｅｃ  に設定してあるものを圧力計と調整器により吐出圧力を変換してそれぞれの行程長を測定したものである。
【００６１】
なお、この電磁プランジャの往復作動位置はその静止位置からそれぞれその行程長の上、下死点間の距離をストロボスコープで測定したもので、
電磁プランジャ１２に嵌めこんだ三叉の取付脚を有する針状の指示桿を戻しばね座１６と吸入継手２０の軸心に穿孔した孔を設けて、これに挿入遊嵌させて吸入口２１から露呈させ、その尖端に指示標識を設けて、実施の形態とは若干相違があるが、大同小異でこの相違点により往復作動に対する影響は極めて微小で問題とすることは無い。
【００６２】
【表３】
2004232573.tif 000005
この場合、吐出圧力がその設定標準値を超えると、吸入および吐出逆止弁の作動と吐出圧力や弁ばねの荷重により作動時差などで阻害されるか、または漏洩によることが考えられ、プランジャの行程長に比して吐出量が著しく低下している。
【００６３】
電磁プランジャの吸入側への行程の移動距離が吐出圧力の上昇につれて定まっているのは上死点で、戻しばねは全圧縮されていないが、吐出圧力すなわち負荷抵抗に対応する戻しばねの反発力を得るためにこれを撓ませる電磁プランジャの吸入行程時の磁気吸引力を発生させる磁束の通過に充分な磁気回路を前記磁気空隙を埋めて構成し遂げたことにより磁気的に飽和の状態にあるか、または電磁プランジャの磁気中心が電磁コイルの磁気中性点を過ぎてソレノイド磁気吸引力が方向を反転するに至るものかと考えられる。
【００６４】
つぎに、電磁コイルの温度上昇に関して、その放熱方法としては、図４に示すような吸入および吐出接手５１，５３を熱伝導性のよい軽合金製としてこれに複数の輪状の放熱フィン５８もしくは縦状に複数の放熱フィンを設けて放熱面を拡大する方法がある。もしくは、電磁ポンプ３全体を函で覆いこれに前記同様複数の放熱用フィンを設けると、放熱冷却と防音を兼ねたものとなることも当然である。
【００６５】
なお、この電磁ポンプ３は電磁コイル１０を帽状の外函継鉄５４で覆い防滴を兼ねている。電磁コイル１０のボビン１１の両端面に備えた磁気鉄板３１と前記外函継鉄５４とを介して外函継鉄３０に挟設され、複数の螺子２９，５９によって螺締結されている。その他は図１、図２の電磁ポンプ１と同様である。
【００６６】
【発明の効果】
本発明は、上記のような構成により、その特許出願明細書に記載したように、従来技術、先行技術の問題点を、前記（イ）、（ロ）、（ハ）、（ニ）、（ホ）各項に記述した通りの解決する手段を講じている。その成果は同様明細書に記載の通り特に燃料電池における前記した用途の空気および気体燃料用の電磁ポンプとして次のようにまとめられる。本発明では、請求項１の特徴事項に記載のように、パルス電流の周期中の導通期間に空隙磁気吸引力と共に発生するソレノイド磁気吸引力とにより電磁プランジャは環状磁極の内部に進入して管柱シリンダ壁を介して重なり、漏洩磁気回路を構成してある。このことから明らかなように、パルス電流の非導通期間には、戻しばねにより吐出行程が行われ、そのとき吐出側の流体の圧力が増大するほど負荷抵抗となって、電磁プランジャが磁気空隙ｇを縮めるので磁気吸引力が強くなり、磁力発生の効率が大きいので、必要とする磁気吸引力に対する消費電力も少なく、電磁コイル、電磁プランジャなど電磁ポンプ自体を小形軽量化することができ、経済性を高めると共に、それにもかかわらず電力に比してポンプの吐出性能も高められる。さらに、請求項１に記載の特徴事項のプランジャリングに関しては、本発明では、前述したように空隙磁気吸引力を有効に利用しているので、電磁プランジャの外径より出っ張るプランジャリングの側面の出張り代が前述した（Ｂ）の先行技術に比較してはるかに大きい寸法とすることが可能になり、電磁プランジャの側圧による偏磨耗に対して耐久性を増大させることができる。また、請求項２に記載のように、電磁プランジャを圧支する２つのばねの少なくとも一方のばね座を調心構造としたので、ばねの疲労などの座屈による電磁プランジャ、管柱シリンダなどの摺動部の側圧に起因する損耗を防止することができる。さらに、本発明では、請求項３に記載の、電磁ポンプの吸入側に備えた消音器を兼ねたフィルタが、ポンプ作動時の振動騒音を抑制すると共に防塵手段ともなる。さらに、本発明では、請求項４に記載のように、電磁コイルへの付勢パルス電流の周期、デューティ比などを変換してポンプの吐出能力を燃料電池の出力に対して可変制御することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による気体用電磁ポンプの１つの実施の形態の一部断面して示す縦断説明図である。
【図２】本発明の気体用電磁ポンプの他の実施の形態の一部断面を示す縦断説明図である。
【図３】本発明の気体用電磁ポンプに付設するサイレンサフィルタの概観説明図である。
【図４】本発明の気体用電磁ポンプのさらに他の実施の形態の一部断面を示す縦断説明図である。
【図５】従来公知の先行技術による電磁コンプレッサの一部断面を示す縦断説明図である。
【図６】本発明の実施の形態の気体用電磁ポンプと従来公知の先行技術による電磁コンプレッサの部品および全長の比較寸法を示す寸法表を添付した説明図である。
【符号の説明】
１，２，３      気体用電磁ポンプ
１０、１１０    電磁コイル
１２，１１２    電磁プランジャ
１３、１１３    プランジャリング
１４，１１４    戻しばね
１５，１１５    補助ばね
１６，１１６    戻しばね座
１８，１１８    吸入弁
１９，１１９    吐出弁
２０，１２０    吸入継手
２３，１２３    吐出継手
２５，１２５    管柱シリンダ
２６，１２６    環状磁極
２７，１２７    環状磁路
３９，４１      フィルタ
４０            サイレンサフィルタ
１０１          電磁コンプレッサ
ｇ              磁気空隙
【図１】
2004232573.tif 000006
【図２】
2004232573.tif 000007
【図３】
2004232573.tif 000008
【図４】
2004232573.tif 000009
【図５】
2004232573.tif 000010
【図６】
2004232573.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】平成15年3月20日(2003.3.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３５】
図５において、電磁コイル１１０に断続パルス電流を付勢すると、周期中の導通期間には、それによって発生する空隙磁気吸引力により環状磁極１２６間の磁気空隙ｇを埋め、そして電磁コイル１１０の磁気中性点ｑに電磁プランジャ１１２の磁気中心ｕが吸引されるように電磁プランジャ１１２は環状磁極１２６の内部に進入する吐出行程となり、周期中の非導通期間には、磁気吸引力は絶たれて戻しばね１１４の反発力で静止時の位置へ戻るべく復行程となり、吸入作用が行われて、この繰り返しにより矢印ａのように吸入継手１２０の吸入口１２１から流体はポンプ内部を縦貫して吐出継手１２３の吐出口１２４から矢印ｂのように吐き出される。この吐出行程において、流体圧力が電磁プランジャ１１２の加圧面への負荷抵抗となり、環状磁極１２６との磁気空隙ｇを狭めるのに妨げとなり、空隙磁気吸引力と同時に前記ソレノイド磁気吸引力を有効に利用することができない。すなわち、前記磁気空隙ｇを狭めるのにこれを吐出圧力が妨げる結果となり、その圧力が高いほど電磁プランジャの行程長は短縮される。すなわち、吐出流量の減少となる。これは、特に磁気吸引力が空隙の距離の自乗に反比例するからであり、しかも電磁コイル１１０に流れる電流値も大きく、したがってその磁気飽和時の温度上昇値Ｋも増加する。


【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４７】
図６（ａ）は電磁プランジャ１２、１１２におけるその外径Ｄと長さＦのそれぞれ寸法で、プランジャリング１３、１１３におけるその外径側面の出張り代、すなわち前記両者の半径の差Ｅであり、
図６（ｂ）は管柱シリンダ２５、１２５のそれぞれの長さＬ、
図６（ｃ）は環状磁極２６、１２６のそれぞれの長さＪ、
図６（ｄ）はスペースリング２８、１２８のそれぞれの長さＳ、
図６（ｅ）は環状磁路２７、１２７のそれぞれの長さＫ、
図６（ｆ）は電磁コイル１０、１１０のそれぞれの長さＭ、
図６（ｇ）は電磁ポンプ（Ｂ）の長さ寸法Ｈ２  、
図６（ｈ）は電磁ポンプ（Ａ）の長さ寸法Ｈ１  である。


【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５９】
【表２】
2004232573.tif 000012