(57)【要約】【課題】  内部を流れる流体が水分を含み、寒冷地等の使用でその水分が凍結を起こしやすい場合であっても、不具合を防止したダイヤフラム式電磁弁を提供する。【解決手段】  流体が流れる第１ポート１１と第２ポート１２の間に設けられる弁座２と、主弁１ａを有し、主弁１ａが弁座２に対し離接することにより両ポート間の遮断が行えるダイヤフラム弁１と、軸方向に移動自在な可動鉄心３と、可動鉄心３の周囲に配設され、励磁により可動鉄心３を動作させるソレノイドコイル４とを備えたダイヤフラム式電磁弁に１００おいて、主弁１ａが可動鉄心３に直接設けられ、可動鉄心３を動作させる場合にコレノイドコイル４で発生した熱が主弁１ａに伝達されることにより、弁座周辺が凍った場合でも効率良く解凍することができる構成とした。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体が流れる第１ポートと第２ポートの間に設けられる弁座と、
主弁を有し、該主弁が前記弁座に対し離接することにより前記両ポート間の遮断が行えるダイヤフラム弁と、
軸方向に移動自在な可動鉄心と、
該可動鉄心の周囲に配設され、励磁により前記可動鉄心を動作させるソレノイドコイルとを備えたダイヤフラム式電磁弁において、
前記主弁が可動鉄心に直接設けられ、前記可動鉄心を動作させる場合に前記ソレノイドコイルで発生した熱が前記主弁に伝達されることを特徴とするダイヤフラム式電磁弁。
【請求項２】
前記可動鉄心の前記弁座側に凹部が形成され、該凹部に主弁が取り付けられている請求項１に記載のダイヤフラム式電磁弁。
【請求項３】
前記主弁は、前記弁座の外形より大である請求項１に記載のダイヤフラム式電磁弁。
【請求項４】
前記弁座の外形は、前記ダイヤフラム弁に向かって小さくなっている請求項１または請求項３に記載のダイヤフラム式電磁弁。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はダイヤフラム式電磁弁に関し、特に、ダイヤフラム式電磁弁の弁座等に水滴等が付着して凍結した場合であっても、効率よく解凍して使用することのできるダイヤフラム式電磁弁に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
通常、電磁弁は、気体等を流通させる流路の２つのポート間に設置され、気体等の流量を制御する場合に使用される。特に、ダイヤフラム式電磁弁は可動鉄心が摺動する駆動部分に気体が入り込まないようにする場合には有効な電磁弁である。このようなダイヤフラム式電磁弁が燃料電池システムに使用する場合においては、反応ガスまたはオフガスの流量を制御するために使用される。燃料電池システムを流通する反応ガスまたはオフガスには水分が含まれている。この場合、燃料電池システムの発電を停止すると、反応ガスまたはオフガスの温度は低下し、この温度低下に伴って電磁弁の気体が流れる流路内に結露が生じ、水または水滴が溜まることがある。それ故に、燃料電池システムが寒冷地の低温状況下で使用される場合には、内部に溜まった水または水滴が凍結することが起こり得る。
【０００３】
例えば、特許文献１には、ケーシングの内部に配設されるソレノイド部と、反応ガス（水素）が内部に導入される第２バルブボディとの間にダイヤフラムを挟持するように配設するとともに、前記ソレノイド部の励磁作用下に軸線方向に沿って変位するシャフトの上端部に弁体を設け、前記弁体の上面と下面にそれぞれ弾性材料からなる第１および第２弾性部材を装着した燃料電池用電磁弁が開示されている。このような電磁弁であれば、電磁弁内に生じた水はダイヤフラムによって可動コアが移動を行うソレノイド部に進入することはなくなり、ソレノイド部の励磁作用下に軸線方向に沿って変位するシャフトに水分が付着することがない。
【特許文献１】特開２００４−１７９１１８号公報（第１頁〜第５頁）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に示された電磁弁であれば、可動コアが移動を行うソレノイド部への水の進入およびシャフトへの水分の付着に対しては抑えることは可能である。しかしながら、シャフト上端部には弁体と弁座が設けられており、そこに水が付着すると、気温が零度以下の低温の状況下において使用すると、弁座に付着した水が凍結してしまう。その結果、弁座に付着した水が凍結してしまうと、ソレノイドコイルに通電を行い、電磁弁を動作させようとしても、弁座から弁体を離間させることが難しくなってしまい、不具合を生じてしまうおそれがある。
【０００５】
そこで、本発明は上記した問題点に鑑みてなされたものであり、内部を流れる流体が水分を含み、寒冷地等の使用でその水分が凍結を起こしやすい場合であっても、不具合を防止したダイヤフラム式電磁弁を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記した課題を解決するために講じた技術的手段は、流体が流れる第１ポートと第２ポートの間に設けられる弁座と、主弁を有し、該主弁が前記弁座に対し離接することにより前記両ポート間の遮断が行えるダイヤフラム弁と、軸方向に移動自在な可動鉄心と、該可動鉄心の周囲に配設され、励磁により前記可動鉄心を動作させるソレノイドコイルとを備えたダイヤフラム式電磁弁において、前記主弁が可動鉄心に直接設けられ、前記可動鉄心を動作させる場合に前記コレノイドコイルで発生した熱が前記主弁に伝達される構成とした。
【０００７】
この場合、可動鉄心には凹部が形成され、凹部に主弁が取り付けられていると良い。
【０００８】
また、主弁は、弁座の外形より大であると良い。
【０００９】
更に、弁座の外形は、ダイヤフラム弁に向かって小さくなっていると良い。
【発明の効果】
【００１０】
技術的手段によれば、ダイヤフラム式電磁弁を動作させる場合、ソレノイドコイルに対して外部から通電を行うと、その通電によってソレノイドコイルが発熱し、この発生した熱が可動鉄心を介して、可動鉄心に直接設けられた主弁へと伝達される。それ故に、可動鉄心を介して伝達されるソレノイドコイルで発生した熱が効率良く主弁と弁座との当接部位に伝達され、主弁と弁座と当接部位の温度を効率よく昇温させることができる。その結果、この様な電磁弁を周囲の気温が零度以下になる寒冷地等で使用した場合、電磁弁の内部に流れる流体もしくは流体から発生する水または水滴等が、主弁と弁座との間で凍結したとしても、ソレノイドコイルで発生した熱を利用して、主弁と弁座と当接部位の温度を効率よく昇温させて解凍することができ、寒冷地等で使用する場合に所望の性能が出せなくなる等の不具合を防止することができる。
【００１１】
この場合、可動鉄心には凹部が形成され、凹部に主弁が取り付けられる構成とすることにより、ごく簡単な構成によって、寒冷地等で使用する場合に所望の性能が出せなくなる等の不具合を防止することができる。
【００１２】
また、主弁は、弁座の外形より大であれば、熱伝達効率が良く従来の不具合を防止することができる。
【００１３】
更に、弁座の外形がダイヤフラム弁に向かって小さくすることで、ポート間を遮断する主弁が弁座と当接する面積をより小さくすることができる。このため、主弁と弁座との当接部位の温度は効率よく昇温されるものとなり、主弁と弁座が凍結したとしても、弁座から主弁を引き離す力を小さくすることができるので、ダイヤフラム式電磁弁の小型化も可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の一実施形態について、図１を参照して説明する。
【００１５】
本発明におけるダイヤフラム式電磁弁（以下、単に電磁弁と称す）１００は、主として、第１ボディ１０と、第２ボディ１４と、ダイヤフラム弁１と、可動鉄心３と、固定鉄心８と、付勢部材５およびソレノイドコイル４と、円筒形状をなすガイド６と、プレート１３とを備えている。付勢部材５およびソレノイドコイル４は、可動鉄心３を軸方向に動作させる駆動部を構成する。
【００１６】
第１ボディ１０は金属または樹脂材料を基材として形成されており、流体（気体または液体）が流れる中空状の中空室１０１に筒状を呈する弁座２と弁口２１とを有する。弁座２は上端に着座部２ｃを有し、ダイヤフラム弁１に向けて（図１では上向き）突出している。弁座２の先端はダイヤフラム弁１に向かって外形が次第に細く小さくなっている。このように先端の外形を小さくすることにより、後述するダイヤフラム弁１の主弁１ａと接触する着座部２ｃの面積を小さくしている。これにより、電磁弁１００を周囲の気温が零度以下となるような寒冷地等で使用した場合、座部２ｃと主弁１ａが当接した状態で凍結したとき解凍がしやすくなり、主弁１ａを離間し易くすることができる。また、第１ボディ１０において、弁口２１の上流には円形の第１ポート（気体流路入口となる）１１が設けられていると共に、弁口２１の下流には円形の第２ポート（気体流路出口となる）１２が設けられている。弁口２１の径は第２ポート１２の径よりも細く小さく設定されている。このように弁口２１の径が気体流路出口１２の径より細く小さく設定することにより、ポート間を流れる流体の遮断を確実に行うことができ、流体の流量制御を容易とすることができる。
【００１７】
第１ボディ１０は、内部にボビン７に巻回されたソレノイドコイル４を有する第２ボディ１４が取り付けられるが、この場合、フランジ状の固定部６ａを有するガイド部６を第１ボディ１０と第２ボディ１４により挟持して固定する環状のプレート１３が間に配設されている。プレート１３は熱伝導が良好な金属材料が用いられており、本実施形態では例えば、鋳鋼を使用している。プレート１３には筒状のガイド６を支持する孔１３ａが形成され、孔１３ａにガイド６が挿通している。
【００１８】
第１ボディ１０に形成された中空室１０１には、第１ポート１１および第２ポート１２のそれぞれの中心線が９０度直交して形成されており、第２ポート側から見ると弁座２が中空室内で可動鉄心３側へと突出しており、図１に示すように内部に傾斜面１０２を有する。このように第１ボディ１０の内部に傾斜面１０２を設けることによって、第１ポート１１から導入された流体は傾斜面１０２に沿って弁口２１へと向かうので、中空室１０１から弁口２１までの間での圧力損失を抑えることができ効率的に流体を流すことができる。
【００１９】
ガイド６は、ステンレス鋼（非磁性および電気絶縁が良い材料）を基材として形成されており、プレート１３と第１ボディ１０との間に挟持されて固定される径方向にフランジ状を呈する固定部６ａと、プレート１３の孔１３ａに嵌り固定部６ａの内周部から連続する筒状を呈し、可動鉄心３が摺動する際のガイドとなる摺動部６ｃとを備える。ガイド６の摺動部６ｃの内周壁面により、円筒状の空間６２が形成されている。空間６２に可動鉄心３が摺動自在に収容されている。また、プレート１３と第１ボディ１０は図示しないボルト等の締結部材またはカシメ等により第２ボディ１４と一体で締結されている。
【００２０】
可動鉄心３は有底円筒状をなしており、固定鉄心８が設けられる側の円筒内部に付勢部材５が配設されている。付勢部材５は、可動鉄心３と同軸的に配置された例えばコイルバネを使用することができ、可動鉄心３を閉弁方向（図１に示す下方）に付勢する付勢力を付与する。可動鉄心３は、磁束が透過できる材料で形成されており、本実施形態では耐久性を考慮して電磁ステンレス鋼を使用しているが、その他の材料として炭素鋼、鋳鋼等を使用することもできる。可動鉄心３には対向して可動鉄心３と同軸で円筒状の固定鉄心８が配設されている。付勢部材５の一端５ａは可動鉄心３の中央に形成された凹部の有底面に係止され、他端５ｃは固定鉄心８に形成された凹部の有底面８ａに係止されている。固定鉄心８は磁束が通過する材料で形成されており、本実施形態では炭素鋼を使用している。
【００２１】
ガイド部６および固定鉄心８の外周には、中空円筒状のボビン７に巻回されたソレノイドコイル４が配設されている。このソレノイドコイル４に外部給電により通電を行うと、ソレノイドコイル４は発熱し励磁する。この励磁にともない固定鉄心８は励磁され、付勢部材５の付勢力に抗して可動鉄心３を固定鉄心８側に引き付ける。その結果、可動鉄心３は開弁方向に移動する。通電を止めると、ソレノイドコイル４の励磁は無くなり、これに伴って固定鉄心８の励磁も無くなり可動鉄心３を引き付ける力が無くなる。このため、付勢部材５の付勢力によって、可動鉄心３は弁座２に当接する閉弁方向に動くことになる。
【００２２】
ソレノイドコイル４は、図１の如く閉弁状態にある可動鉄心３の軸方向の長さ（全長）の７０％以上を囲繞するように設定されている。可動鉄心３の全長の７０％以上、好ましくは８０％以上をソレノイドコイル４で囲繞することにより、ソレノイドコイル４に対して通電を行ったときにソレノイドコイル４で発生する熱が有効に可動鉄心３へと伝達させることができる。
【００２３】
ダイヤフラム弁１は、ゴムや軟質樹脂等の可撓材料を基材とする部材から成り、可動鉄心３の凹部（取付け面）３aに一方の側が取り付けられると共に他方の側が弁座２に当接することにより第１ポート１１と第２ポート１２を遮断しその中を流れる流体の経路を遮断することが可能な主弁１ａと、第１ボディ側に凸部１ｂを有し、組付け後には中空室１０１を２つの領域に区画してポート間に流れる流体が可動鉄心３側に漏れないようシールするシール部１ｃとを備えている。本実施形態では低温時の可撓性を考慮してＥＰＤＭゴム（エチレン・プロピレンゴム）を使用している。可動鉄心３の凹部３には弁座２に当接する主弁１ａの反対側に設けられる凸部が、直接、嵌まっており、ダイヤフラム弁１と一体で可動鉄心３が移動し、シール部１ｃはガイド部６のフランジ状となった固定部６ａと第１ボディ１０との間に挟持されて固定されている。この際シール部１ｃの凸部は挟持により押しつぶされた形でガイド部６の固定部６ａと第１ボディ１０とによって固定されるので、シール部１ｃを通して流体が第１ボディ１０の隙間から外へ漏れるのを防止することができる。このようにガイド部６と第１ボディ１０とに固定されたダイヤフラム弁１は、弁口２１に連通する中空室１０１と可動鉄心３を収容する円筒形状の空間６２を仕切り、可動鉄心３が軸方向に移動する空間６２内に流体が侵入することを確実に防ぐことができる。ここで凸部１ｂの径方向の大きさは、可動鉄心３の本体の径より小さく、ダイヤフラム弁１の主弁１ａが着座部２ｃに当接する当接部位と少なくとも同じ大きさ若しくは若干大きく設定してある。また可動鉄心３の凹部３aに主弁１ａの凸部１ｂが直接取り付けられるので、可動鉄心３から効率よく熱が伝達されて主弁１を昇温させることができる。可動鉄心３の凹部３ａへの主弁１ａの取り付け方法は、凹部３ａを形成して嵌合により固着する方法以外に、接着剤等により可動鉄心３に対して直接固着する方法であっても良い。また、可動鉄心３側に凹部３ａを形成せずに、接着剤当により可動鉄心３の軸方向の端面に直接固着する方法であっても良い。
【００２４】
このようにダイヤフラム弁１の主弁１ａを可動鉄心３に対して直接取り付けることで、ソレノイドコイル４への非通電時には着座部２ｃに当接して弁口２１を塞ぎ、第１ボディ内部を流れる流体の移動を遮断すると共に、ソレノイドコイル４の発熱した熱により可動鉄心３から直接その熱をうけて主弁１ａを確実に昇温させることができる。
【００２５】
次に本実施形態の作動について説明する。
【００２６】
ソレノイドコイル４に外部から通電されていない時は励磁されず、可動鉄心３は固定鉄心８に係止された付勢部材５の付勢力によって閉弁方向に付勢され、ダイヤフラム弁１の主弁１ａは着座部２ｃに当接して弁口２１を遮断する。このため、第１ポート１１から流入した気体または液体の流体は中空室１０１に留まり、第２ポート１２から流出することがない。一方、ソレノイドコイル４に通電した時は、通電により励磁され可動鉄心３を固定鉄心側に引き付ける。この可動鉄心３の移動にともない主弁１ａは着座部２ｃから離間し、弁口２１を開放する。これにより第１ポート１１から流入した気体または液体の流体は中空室１０１から弁口２１を通り、その後、第２ポート１２から流出する。
【００２７】
例えば、一例として燃料電池システムに上記した電磁弁１００を適用したとすると、第１ボディ１０の内部を流れる流体が燃料電池の反応ガスまたはオフガス等の気体の場合には、水分が多く含まれている。このため気体の流路内には気体に含まれた水分が付着する。この場合、水分が着座部２ｃに付着した状態で、ソレノイドコイル４に通電されない状態（閉弁状態）で寒冷地等で周囲の気温が零度以下の低温状態に保持され弁座２と主弁１ａとの間で水分が周囲の温度により凍結してしまうと、以下の問題が生じる。即ち、主弁１ａと弁座２の着座部２ｃは凍結した水分により離間しにくい状態となり、場合によっては離間できなくなる。この場合、気体を第１ポート１１から第２ポート１２に流すためには弁座付近の凍結した水分を解凍する必要がある。そこで、本実施形態ではソレノイドコイル４に通電を行うことにより、電流によりソレノイドコイル４の巻線が発熱する。そして、この巻線からの熱は以下に示す経路を通じて可動鉄心３へと伝達され、効率的に可動鉄心３を昇温させる。
【００２８】
第１の経路は、ボビン７およびガイド６を通して可動鉄心３に伝わる。
【００２９】
第２の経路は、ボビン７から固定鉄心８へと伝わり、さらに固定鉄心８の熱は付勢部材５を通して可動鉄心３に伝わるとともに、固定鉄心８と可動鉄心３の間にある空気層を伝わって可動鉄心３に伝わる。
【００３０】
第３の経路はボビン７、第２ボディ１４、プレート１３、ガイド６の順に伝熱して可動鉄心３に伝わる。
【００３１】
ソレノイドコイル４の巻線から発熱した熱は上記した３つの経路を通じて可動鉄心３に伝わるので、可動鉄心３は効率的に昇温する。このため、可動鉄心３の凹部３ａに直接嵌められたダイヤフラム弁１の主弁１ａは可動鉄心３からの熱を受けて昇温し、着座部２ｃとの間の凍結を効率よく解凍し、主弁１ａを着座部２ｃから離間させることができる。
【００３２】
次に、上記した構成の実施例での電磁弁と従来のダイヤフラム式電磁弁を用いて、電磁弁の温度が零下３０度のときに１４、５Ｖの電圧をかけてソレノイドコイルに通電し、その後通電状態を継続したときの主弁１ａの温度変化を図２に示した。図２からわかるように、本実施形態の電磁弁１００は通電後１４０秒で主弁１ａの温度が解凍できる温度の０℃を超えるが、従来の電磁弁は零下２０度越えずに解凍ができないことが分かる。
【００３３】
以上説明したように、ソレノイドコイル４に通電することでソレノイドコイル４から発生する熱は、可動鉄心３を介してダイヤフラム弁１の主弁１ａに直接、効率良く伝達され、主弁１ａを効率よく昇温することができる。これにより、電磁弁１００を寒冷地等で使用した場合であっても、弁座２の周辺が凍結していても解凍が成され、所望の性能を得ることができる。
【００３４】
また、閉弁状態のときソレノイドコイル４が作る中空の空間内に可動鉄心３の全長の７０％以上とすれば、可動鉄心３はソレノイドコイル４により発生する熱を有効的に集めてダイヤフラム弁１の主弁１ａに伝熱するため、より効率よく主弁１ａを昇温することができる。
【００３５】
更に、弁座２の先端がダイヤフラム弁１に向かって小さくしているので、主弁１ａとの接触する着座部２ｃの面積が小さくなることで昇温しやすく、また着座部２ｃと主弁１ａが当接した状態で凍結したとき主弁１ａが離間しやすくなる。
【００３６】
以上、本発明を上記実施の態様に則して説明したが、本発明は上記態様にのみ限定されるものではなく、本発明の原理に準ずる各種態様を含むものである。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の実施形態におけるダイヤフラム式電磁弁の断面図である。
【図２】本発明のダイヤフラム式電磁弁に通電した時の経過時間に対する主弁の温度を測定したグラフである。
【符号の説明】
【００３８】
１：ダイヤフラム弁
１ａ：主弁
１ｂ：凸部
２：弁座
２ｃ：着座部
３：可動鉄心
３ａ:凹部（取り付け面）
４：ソレノイドコイル
８：固定鉄心
１０：第１ボディ
１４：第２ボディ
１１：第１ポート（流体の入口）
１２：第２ポート（流体の出口）
１００：ダイヤフラム式電磁弁（電磁弁）
【図１】
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【図２】
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