(57)【要約】【課題】ソレノイドを横置き状態とした場合に可動コアの磨耗を抑制して耐久性を向上させること。【解決手段】エゼクタ本体内に配設されたノズル４６及びディフューザ４８と、コイル７６の励磁作用によって、ニードル５０と一体的に固定コア側に向かって変位可能に設けられた可動コア８０を含むソレノイド７４とを備え、固定コア７８と対向する可動コア８０の軸方向に沿った端部には、固定コア７８から離間する方向に窪んで形成される窪み部８９が設けられ、前記可動コア８０の窪み部８９と対向する固定コア７８の軸方向に沿った端部には、前記窪み部８９に対応する形状からなる凸部９１が設けられる。【選択図】図２
2009301951.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガス供給手段から燃料ガスが供給されるインレットポートと、燃料電池に連通する燃料ガス供給通路に接続されるアウトレットポートと、循環通路に接続され燃料電池から排出されて戻された燃料オフガスが吸入される吸引ポートとが設けられたエゼクタ本体と、
前記インレットポートを介して供給された燃料ガスを吐出するノズル孔を有するノズルと、
前記ノズル孔から吐出される燃料ガスと前記循環通路を介して燃料電池から排出されて戻された燃料オフガスとを混合するディフューザと、
前記ノズルの中空部内に軸方向に沿って延在するニードルを有し、前記ノズル孔における吐出断面積を調整するノズル孔断面積調整機構と、
コイルの励磁作用によって、前記ニードルと一体的に固定コア側に向かって水平方向に沿って変位可能に設けられた可動コアを含むソレノイドと、
を備え、
前記固定コアと対向する前記可動コアの軸方向に沿った端部には、前記固定コアから離間する方向に窪む凹部が設けられ、前記可動コアの凹部と対向する前記固定コアの軸方向に沿った端部には、前記凹部に対応する形状からなる凸部が設けられることを特徴とする燃料電池用エゼクタ。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池用エゼクタにおいて、
前記エゼクタ本体は、前記ソレノイドが内部に収容される有底円筒状のハウジングを含み、
前記ハウジングが前記エゼクタ本体の他の部材に締結されることにより、前記コイルが巻回されたコイル巻線体は、軸方向に沿った両端部で挟持されると共に、前記ハウジングの内径面と前記コイル巻線体の外径面との間で径方向の間隙が設けられることを特徴とする燃料電池用エゼクタ。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池用エゼクタにおいて、
前記ハウジングの内壁には、前記固定コアとの間で径方向に沿って磁束を受け渡す磁束受け渡し部が設けられることを特徴とする燃料電池用エゼクタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに組み込まれる燃料電池用エゼクタに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ：Polymer Electrolyte Fuel Cell）等の燃料電池を搭載した燃料電池自動車の開発が盛んである。この燃料電池自動車は、燃料電池の発電電力によってモータを回転させ走行する。
【０００３】
燃料電池は、一般に、複数の単セルが積層されたスタックによって構成される。単セルは、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）を備えている。そして、ＭＥＡのアノードに燃料ガス（水素）が、カソードに酸化剤ガス（酸素を含む空気）がそれぞれ供給されると、各単セルにおいて電位差が発生し、次いで、燃料電池に接続されるモータ等の外部負荷と電気的に接続されることにより、燃料電池が発電する。
【０００４】
燃料電池を含む燃料電池システムでは、燃料電池から排出された燃料オフガス（水素オフガス）を、燃料電池に対して新たに供給される燃料ガス（水素）と混合して再循環させることにより、燃料ガスを有効活用すると共に、固体高分子型燃料電池のエネルギ効率を向上させることが提案されている。この場合、従来技術では、エゼクタを用いて燃料オフガスを再循環させる燃料電池システムが知られている。
【０００５】
ところで、このエゼクタを用いた燃料電池システムでは、１つのエゼクタを構成するノズルのノズル径及びディフューザ径がそれぞれ固定されているため、例えば、前記燃料電池システムが搭載された燃料電池自動車の種々の運転状況（例えば、アイドル運転時から高速運転時までの種々の運転状況）に対応して燃料電池に対して燃料ガスを供給することが困難である、と指摘されている。
【０００６】
この点に関し、特許文献１には、ユニット本体内に、ノズル径がそれぞれ異なる３つのノズルを備えた第１〜第３エゼクタと、前記第１〜第３エゼクタに対して燃料ガスの供給通路を切り換える第１切換弁及び第２切換弁とを配設し、第１切換弁と第２切換弁とのオン・オフ動作の組み合わせによって、第１〜第３エゼクタ中から選択された所望のエゼクタに対して燃料ガスを切り換えて供給することが可能な燃料電池の流体供給装置が開示されている。
【特許文献１】特開２００４−１７８８４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前記燃料電池の流体供給装置では、第１切換弁及び第２切換弁がそれぞれ可動コア及び固定コアを含むソレノイドによって構成される電磁弁からなり、前記可動コアが鉛直上下方向に沿って摺動することにより弁体を変位させる縦置き型が用いられている。
【０００８】
そこで、装置全体における縦方向の寸法を抑制するために、前記ソレノイドを横置き型にした電磁弁を採用した場合、前記ソレノイドの励磁作用によって可動コアが固定コアに水平方向に沿って吸引されるときや前記励磁作用が解除されて前記可動コアが水平方向に沿って初期位置に復帰する際、前記可動コアの自重（重力）に起因する天地方向の軸ずれによって他の部材との間で摩擦力が大きくなり、前記可動コアの耐久性が劣化するという問題がある。
【０００９】
本発明は、前記の点に鑑みてなされたものであり、ソレノイドを横置き状態とした場合に可動コアの磨耗を抑制して耐久性を向上させることが可能な燃料電池用エゼクタ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】
【００１０】
前記の目的を達成するために、本発明は、燃料ガス供給手段から燃料ガスが供給されるインレットポートと、燃料電池に連通する燃料ガス供給通路に接続されるアウトレットポートと、循環通路に接続され燃料電池から排出されて戻された燃料オフガスが吸入される吸引ポートとが設けられたエゼクタ本体と、前記インレットポートを介して供給された燃料ガスを吐出するノズル孔を有するノズルと、前記ノズル孔から吐出される燃料ガスと前記循環通路を介して燃料電池から排出されて戻された燃料オフガスとを混合するディフューザと、前記ノズルの中空部内に軸方向に沿って延在するニードルを有し、前記ノズル孔における吐出断面積を調整するノズル孔断面積調整機構と、コイルの励磁作用によって、前記ニードルと一体的に固定コア側に向かって水平方向に沿って変位可能に設けられた可動コアを含むソレノイドとを備え、
前記固定コアと対向する前記可動コアの軸方向に沿った端部には、前記固定コアから離間する方向に窪む凹部が設けられ、前記可動コアの凹部と対向する前記固定コアの軸方向に沿った端部には、前記凹部に対応する形状からなる凸部が設けられることを特徴とする。
【００１１】
本発明によれば、相互に対向する、可動コアの端部に凹部を形成すると共に、固定コアの端部に前記凹部に対応する凸部を形成することにより、例えば、可動コア及び固定コアの端面をそれぞれ平坦面とした場合と比較して、可動コアの変位量を増大させて前記可動コアの磨耗を抑制して耐久性を向上させることができる。この場合、本発明では、可動コアに付与されるサイドフォース（横力）を小さくすることができるため、前記サイドフォースによってカジリによる磨耗の発生を低減することができると共に、可動コアの摺動性を向上させることができる。
【００１２】
また、本発明では、エゼクタ本体に、ソレノイドが内部に収容される有底円筒状のハウジングを含むように構成し、前記ハウジングが前記エゼクタ本体の他の部材に締結された際、前記コイルが巻回されたコイル巻線体は、軸方向に沿った両端部で挟持されると共に、前記ハウジングの内径面と前記コイル巻線体の外径面との間で径方向の間隙が設けられると好適である。
【００１３】
すなわち、本発明では、比較的重量物からなるコイル巻線体を、エゼクタ本体の他の部材とハウジングとの間で軸方向に沿った両端部で挟持し、且つハウジングの内径面とコイル巻線体の外径面との間で径方向の間隙を設けて非接触状態としている。この結果、本発明では、コイル巻線体の重量が、例えば、可動コアの外周面を囲繞して前記可動コアを案内するガイド部に伝達されることがなく、前記ガイド部の変形を好適に阻止することができる。
【００１４】
また、本発明では、ハウジングの内壁に、固定コアとの間で径方向に沿って磁束を受け渡す磁束受け渡し部を設けることにより、磁束受け渡し部によって径方向に沿って磁束を受け渡すことが可能となり、磁束密度を増大させて可動コアの吸引力を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１５】
ソレノイドを横置き状態とした場合に可動コアの磨耗を抑制して耐久性を向上させることが可能な燃料電池用エゼクタを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に係るエゼクタが組み込まれた燃料電池システムのブロック構成図、図２は、前記エゼクタの軸方向に沿った縦断面図、図３は、図２のエゼクタにおいてノズル孔の縦断面積が変化した状態を示す縦断面図である。
【００１７】
図１に示されるように、燃料電池システム１０は、燃料電池１２と、内部に高圧の水素ガスが充填され、前記燃料電池１２に対し燃料ガスとして前記水素ガスを供給する水素タンク（燃料ガス供給手段）１４と、前記燃料電池１２に対して酸化剤ガス（酸素）を含む圧縮エアを供給するエアコンプレッサ１６と、前記燃料電池１２から排出された未反応の水素を気体（水素）と液体（水）とに分離すると共に、前記分離された水素を、前記燃料電池１２から排出される未反応のエアによって希釈する気液分離及び希釈部１８とを備えて構成される。
【００１８】
燃料電池１２は、例えば、固体高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）からなり、図示しない燃料電池自動車等の車両に搭載される。この燃料電池１２は、複数の単セル（図示せず）が積層して構成された図示しないスタック本体を有し、燃料ガスとして水素が供給されるアノードと、酸化剤ガスとして、例えば、酸素を含むエアが供給されるカソードとを備える。
【００１９】
前記水素タンク１４と前記燃料電池１２との間には、水素供給通路（燃料ガス供給通路）２０が設けられ、前記水素供給通路２０中には、燃料電池用エゼクタとして機能するエゼクタ２２が配設される。このエゼクタ２２は、燃料電池１２から排出された燃料オフガスである未反応の水素（以下、水素オフガスという）をフィードバックさせる循環通路２４に接続され、水素タンク１４から供給される水素と燃料電池１２からフィードバックされる水素オフガスとを混合させて燃料電池１２に対して再供給（再循環）するものである。
【００２０】
なお、前記水素タンク１４と前記エゼクタ２２との間には、エアコンプレッサ１６からのエアをパイロット圧信号として導入し、燃料電池１２に対して供給される水素の圧力を所定圧力に調圧するレギュレータ等を含む水素圧力調圧部（図示せず）が設けられる。
【００２１】
前記エアコンプレッサ１６と前記燃料電池１２との間には、エア供給通路２６が設けられ、前記エア供給通路２６には、前記エアコンプレッサ１６から供給された乾燥エアを加湿する加湿器２８が配設される。前記加湿器２８によって加湿されたエアは、エア供給通路２６を介して燃料電池１２のカソード側に導入される。
【００２２】
前記気液分離及び希釈部１８には、例えば、燃料電池１２のアノードに溜まった水やカソードから電解質膜を透過してアノードに混入した窒素ガスを含む燃料ガスを図示しない希釈器側にパージする図示しない水素パージ弁や、燃料電池１２から排出される水分を含んだ水素ガスを、水素と水とに分離する図示しないキャッチタンクや、前記キャッチタンクに溜まったドレンを排出する管路を開閉する図示しないドレン弁等が設けられる。
【００２３】
次に、エゼクタ２２について説明する。
このエゼクタ２２は、エゼクタ本体を有し、図２及び図３に示されるように、前記エゼクタ本体には、フィルタ３０を介して水素供給通路２０に接続され水素タンク１４から比較的高圧な水素が供給されるインレットポート３２ａと、燃料電池１２に連通する水素供給通路２０に接続され前記水素タンク１４から供給された水素と水素オフガスとが混合された混合ガスが排出されるアウトレットポート３２ｂと、循環通路２４に接続され前記循環通路２４を介して水素オフガスが吸入される吸引ポート３２ｃとが設けられる。
【００２４】
前記エゼクタ本体は、インレットポート３２ａ及び吸引ポート３２ｃに連通し水平方向に沿って貫通する第１空間部３４ａが形成された第１ブロック体３６ａと、前記第１ブロック体３６ａの一方の側面に第１シール部材３８ａを介して連結され、前記第１空間部３４ａ及びアウトレットポート３２ｂに連通し水平方向に沿って延在する第２空間部３４ｂが形成された第２ブロック体３６ｂと、前記第２ブロック体３６ｂと反対側である前記第１ブロック体３６ａの他方の側面に第２シール部材３８ｂを介して連結されるカバープレート４０と、前記カバープレート４０に対して一体的に締結されるハウジング４２とを有する。この場合、前記第１ブロック体３６ａ及び第２ブロック体３６ｂは、ねじ部材４１ａを介して一体的に連結され（図２参照）、また、前記第１ブロック体３６ａ、カバープレート４０及びハウジング４２は、それぞれ、ねじ部材４１ｂ、４１ｃを介して一体的に連結される（図５参照）。
【００２５】
なお、前記第１シール部材３８ａ及び第２シール部材３８ｂは、エゼクタ本体内に形成された第１空間部３４ａ及び第２空間部３４ｂを、気密乃至液密に保持するものである。
【００２６】
さらに前記エゼクタ本体の内部には、水平方向に沿って延在し内部に中空部４４が形成された略円筒状のノズル４６を有するノズル部と、前記ノズル４６の軸方向に沿った一端部側に配設され、前記ノズル４６と同軸状に設けられたディフューザ４８を有するディフューザ部と、前記ノズル４６の軸方向に沿った他端部側に配設され、後記するニードル５０を所定角度だけ傾動可能に締結するニードル締結機構５２と、前記ニードル５０を前記ノズル４６の軸方向に沿って進退動作させる電磁アクチュエータ部とがそれぞれ設けられる。
【００２７】
ノズル部は、図４（ａ）に示されるように、軸方向に沿って貫通しディフューザ４８側に向かって徐々に縮径するノズル孔４６ａが一端部に形成されたノズル４６を有する。前記ノズル４６は、ディフューザ４８側に突出して形成された鍔状のノズル保持部５４によって第１ブロック体３６ａに保持されると共に（図２参照）、前記ノズル保持部５４の内壁に形成された雌ねじ部に対し外周面の雄ねじ部４６ｂが螺合して固定される。
【００２８】
さらに、ノズル部は、図２及び図３に示されるように、前記ノズル４６の中空部４４内に配設され前記ノズル孔４６ａに沿って変位可能に設けられたニードル５０と、前記ノズル４６の他端部側の中空部４４内に装着され貫通孔５６によって前記ニードル５０を摺動可能に軸支する略円筒状の軸受部材５８と、前記ノズル４６の半径外方向に向かって突出するフランジ部４６ｃと前記ノズル４６の外周面に形成された雄ねじ部４６ｂとの間に介装されたシールリング６０とを有する。
【００２９】
前記ノズル４６の略中央部には、図４（ｂ）に示されるように、複数の水素導入孔６２が周方向に沿って約９０度ずつ離間して形成され（本実施形態では４個の水素導入孔６２を例示）、前記水素導入孔６２を通じてインレットポート３２ａから供給された水素がノズル４６の中空部４４内に導入される。
【００３０】
前記ニードル５０は、図２及び図３に示されるように、鋭く尖った頂点からなる先端部５０ａを有しノズル孔４６ａに臨む小径部５０ｂと、前記小径部５０ｂに連続し徐々に拡径するテーパ部５０ｃと、前記テーパ部５０ｃに連続し前記小径部５０ｂよりも直径が大きく軸方向に沿って略一定の外径に形成された中径部５０ｄと、前記中径部５０ｄに連続し前記中径部５０ｄよりも直径が大きく形成され部分球面９２からなる端面を有する大径部５０ｅとから構成される。
【００３１】
なお、本実施形態では、ノズル４６の外周面に形成される複数の水素導入孔６２が、周方向に９０度ずつ離間して４つ形成されているが（図４（ｂ）参照）、これに限定されるものではなく、複数個形成されていればよい。また、前記水素導入孔６２を平面視した形状は、円形状に限定されるものではなく、例えば、矩形状や楕円形状等であってもよい。
【００３２】
前記大径部５０ｅの外周面には、図２及び図３に示されるように、半径外方向に僅かに突出する環状のフランジからなり、後記するばね部材１００が係着されるばね受け部６６が設けられる。
【００３３】
軸受部材５８は、所定の内径を有する貫通孔５６が軸方向に沿って形成された円筒体からなる。この場合、ニードル５０（小径部５０ｂ、先端部５０ａ）がノズル４６のノズル孔４６ａの内径部に対して非接触状態とするためには、下記の式を充足するように、軸受部材５８の貫通孔５６の内径が設定されるとよい。
（Ｄ１−Ｄ２）Ｌ２／Ｌ１＜（Ｄ４−Ｄ３）／２・・・・（式）
但し、
Ｄ１；軸受部材５８の貫通孔５６の内径
Ｄ２；ニードル５０の中径部５０ｄの外径
Ｄ３；ニードル５０の小径部５０ｂの外径
Ｄ４；ノズル４６のノズル孔４６ａの内径
Ｌ１；軸受部材５８の軸方向に沿った長さ
Ｌ２；軸受部材５８とノズル孔４６ａとの軸方向に沿った離間距離
とする（図６（ａ）〜（ｃ）参照）。
【００３４】
図６（ｄ）の破線で示される直角三角形の一辺を構成する（Ｄ１−Ｄ２）Ｌ２／Ｌ１の長さは、ノズル孔４６ａの内径Ｄ４とニードル５０の小径部５０ｂの外径Ｄ３との差の半分の長さからなる（Ｄ４−Ｄ３）／２よりも小さく設定されることにより、ニードル５０（小径部５０ｂ、先端部５０ａ）がノズル４６のノズル孔４６ａの内径部に対して接触することが好適に回避される。
【００３５】
また、軸受部材５８は、ニードル５０の中径部５０ｄの略中央部を支持するようにノズル４６の他端部側の中空部４４内に装着され、ノズル４６の端面から軸受部材５８の外周面の一部が露呈するように設けられる（図２及び図３参照）。換言すると、摺動変位するニードル５０の重心（図示せず）は、軸受部材５８の軸方向に沿った一端部から他端部までの範囲内に位置するように設定されなくても、前記ニードル５０は軸受部材５８によって安定して軸支される。
【００３６】
ディフューザ４８は、ノズル孔４６ａを有するノズル４６の一部を囲繞するラッパ状の拡径部４８ａと、前記拡径部４８ａに連続する円筒体からなり内部にアウトレットポート３２ｂに向かって徐々に拡径する直線状の通路を有するスロート部４８ｂとから構成される。
【００３７】
この場合、ノズル４６、ニードル５０及びディフューザ４８は、それぞれ同軸（３者の軸線が一致する）となるように配設される。前記ノズル４６と前記ディフューザ４８との間には、吸入室６８が形成され、前記吸入室６８は、第１ブロック体３６ａの内壁に形成された円形状の複数の吸入孔７０を通じて吸引ポート３２ｃと連通するように設けられる。
【００３８】
電磁アクチュエータ部は、樹脂封止体７２を介してハウジング４２内に収容されるソレノイド７４を含む。このソレノイド７４は、樹脂製材料のコイルボビン（図示せず）に巻回されるコイル７６を含むコイル組立体と、ハウジング４２の内壁に形成された凹部７７によって保持される固定コア７８と、前記固定コア７８と接近乃至離間可能に設けられた可動コア８０とを有する。コイル７６がモールドされた樹脂封止体７２とカバープレート４０との間には、所定の厚さを有する円板状のスペーサとして機能する中間プレート７９が介装される。前記樹脂封止体７２の径方向には、前記樹脂封止体７２の外径面とハウジング４２の内径面との間で所定の間隙８１が形成される。ハウジング４２の凹部７７の底壁と前記底壁と対向する固定コア７８の端面との間には、所定の間隙８３が形成される。なお、前記ソレノイド７４は、可動コア８０が水平方向に沿って変位可能に設けられた横置き型に設定されている。
【００３９】
前記ハウジング４２は、有底円筒体からなり、前記有底円筒体の底部内壁には、可動コア８０側に向かって所定長だけ膨出し内部に固定コア７８の端部が装着される環状凸部４２ａが設けられる（図５及び図９参照）。この環状凸部４２ａは、後記するように、前記環状凸部４２ａの内周面と固定コア７８との間で径方向に沿って磁束を受け渡すことが可能な磁束受け渡し部として機能するものである（図９（ｂ）参照）。なお、前記環状凸部４２ａに代えて、環状凹部を形成し、前記環状凹部の内周面に固定コア７８の端部が装着されるようにしてもよい。この場合、前記環状凹部の内周面と固定コア７８との間で径方向に沿って磁束を受け渡すことが可能な磁束受け渡し部が形成される。
【００４０】
可動コア８０の外周面には、軸方向に沿って延在する長溝８２が形成され（図４（ａ）参照）、可動コア８０と固定コア７８との間に形成される室８４と第１空間部３４ａとが前記長溝８２を通じて連通することにより、可動コア８０が変位する際、前記室８４内のガスが円滑に給排される。
【００４１】
また、可動コア８０の軸方向に沿った一端部には、図４（ａ）に示されるように、半径外方向に向かって所定長だけ突出する環状フランジ部８０ａが形成される。前記環状フランジ部８０ａには、図７（ａ）、（ｂ）に示されるように、環状溝（溝部）８５に沿って装着された帯状の環状体８７ａと、前記環状体８７ａの平坦面に周方向に沿って約９０度離間して複数個配置され、可動コア８０の軸線と平行（可動コア８０の作動方向）に所定長だけ突出して形成された半球状の突起部８７ｂとが一体的に構成されたストッパ８７が設けられる。なお、前記突起部８７ｂの形状は、半球状（縦断面が略半円形状）に限定されるものではなく、例えば、縦断面が多角形状や半楕円形状、その複合形状等も含まれる。
【００４２】
このストッパ８７は、例えば、ゴム製材料、樹脂製材料、スポンジ材料等によって形成された弾性体からなり、環状フランジ部８０ａの表裏両面に、焼付け処理等によって形成される。なお、前記ストッパ８７を、例えば、コイルスプリング、板ばね等のばね部材からなる弾性体によって形成してもよい。
【００４３】
ソレノイド７４の励磁作用によって可動コア８０が固定コア７８側に向かって変位した際、前記ストッパ８７の半球状の突起部８７ｂが、他の部材として機能するカバープレート４０の第２環状段部４０ｂに当接して緩衝されることにより、当接音及び振動の発生が抑制される（図３及び図９参照）。従って、可動コア８０が固定コア７８に当接することが回避され、作動音や振動が図示しない燃料電池自動車の車室内に伝達されることが好適に阻止される。
【００４４】
一方、ソレノイド７４の励磁作用が解除され、復帰スプリング８８のばね力によって可動コア８０が初期位置に復帰する際、ストッパ８７が他の部材として機能する金属製の第１ブロック体３６ａの端面に当接して緩衝されることにより、当接音及び振動の発生が抑制される（図２及び図５参照）。従って、前記可動コア８０が第１ブロック体３６ａの端面に当接することが回避され、作動音や振動が図示しない燃料電池自動車の車室内に伝達されることが好適に阻止される。
【００４５】
さらに、図５に示されるように、可動コア８０の軸方向に沿った他端部には、固定コア７８から離間する方向に窪む断面テーパ状の窪み部８９が形成される。前記窪み部８９と対向する固定コア７８の端部には、前記窪み部８９の形状に対応する断面テーパ状の凸部９１が可動コア８０側に向かって所定長だけ突出して形成される。ソレノイド７４が励磁されて可動コア８０が固定コア７８に吸引された場合、前記可動コア８０の窪み部８９と前記固定コア７８の凸部９１との間に離間ギャップ９３が形成される（図９参照）。
【００４６】
カバープレート４０には、固定コア７８側に向かって略水平方向に突出し可動コア８０の外周面を囲繞する薄肉の円筒部８６が、前記カバープレート４０と一体的に設けられる。前記可動コア８０が変位する際、前記円筒部８６に沿って摺動することにより直線方向に沿ってガイドされる。なお、前記円筒部８６は、その突出方向の一端部が固定コア７８の環状段部に固定（溶接）されることにより気密性が保持され、第１空間部３４ａ内に導入された水素がコイル７６側へ進入することを防止する機能を有する。
【００４７】
さらに、前記電磁アクチュエータ部は、一端部が前記可動コア８０の環状フランジ部８０ａに係着され他端部がカバープレート４０の第１環状段部４０ａに係着される復帰スプリング８８を有する。前記復帰スプリング８８は、そのばね力によって前記可動コア８０をノズル４６側に向かって押圧する作用を有し、可動コア８０が固定コア７８から離間して初期位置に復帰するように設けられる。なお、コイル７６は、樹脂封止体７２によって支持される端子部９０を介して、図示しない電源と電気的に接続される。
【００４８】
この場合、ニードル５０及び前記ニードル５０を変位させる電磁アクチュエータ部は、ノズル孔断面積調整機構として機能するものであり、図示しない電源をオンにしてコイル７６に電流を流すことにより励磁作用が発生し、前記励磁作用によって可動コア８０及びニードル５０が固定コア７８側に向かって一体的に変位することにより、ディフューザ４８に向かって水素が噴射されるノズル孔４６ａの縦断面積を変化させることができる。なお、前記ノズル孔４６ａの縦断面積については、後記で詳細に説明する。
【００４９】
軸受部材５８に近接する可動コア８０の一端部には、前記可動コア８０と部分球面９２との接触点を基点Ｓ（図１０及び図１１（ｂ）参照）として、ニードル５０を所定角度だけ傾動可能に保持するニードル締結機構５２が設けられる。
【００５０】
このニードル締結機構５２は、図１０に示されるように、可動コア８０の一端部側に軸方向に沿って所定長だけ窪んで形成され大径部５０ｅを含むニードル５０の一端部が挿入される凹部９４と、前記凹部９４の開口部に装着され中心部にニードル５０が挿通する挿通孔９６が形成されたカラー部材９８と、一端部がニードル５０のばね受け部６６に係着され他端部が前記カラー部材９８の内壁に係着され前記可動コア８０の凹部９４内に収納される小径なばね部材１００とを有する。
【００５１】
前記凹部９４には、可動コア８０の軸線と直交する平面からなる底壁９４ａが形成される。ニードル５０の一端面には、部分球面９２が形成され、前記部分球面９２は、前記底壁９４ａと点接触するように設けられる。従って、ニードル５０は、前記底壁９４ａと点接触する部分球面９２を基点Ｓとして所定角度だけ傾動可能で、且つラジアル方向に自由度を有するように締結される。
【００５２】
図１０に示されるように、可動コア８０の凹部９４を構成する内周壁９４ｂとニードル５０の端縁部であるばね受け部６６の外径面との間で、径方向に沿った所定のクリアランスＣ１が設定されると共に、ニードル５０の中径部５０ｄの外周面とカラー部材９８の挿通孔９６の内径面との間で、径方向に沿った所定のクリアランスＣ２が設定されることにより、ニードル５０のラジアル方向の自由度が確保される。
【００５３】
この場合、ニードル５０は、図１１（ａ）の二点鎖線で示されるように、底壁９４ａと部分球面９２とが点接触した状態で前記クリアランスＣ１、Ｃ２だけ径方向（矢印Ａ方向）に沿って変位可能（スライド可能）に設けられると共に、図１１（ｂ）の二点鎖線で示されるように、前記底壁９４ａと点接触する部分球面９２を基点Ｓとして、ディフューザ４８に近接するニードル５０の一端部が矢印Ｂ方向に所定角度だけ傾動可能に設けられる。なお、所定角度だけ傾動したニードル５０は、ばね部材１００のばね力によって初期位置に復帰するように設けられる。
【００５４】
可動コア８０の凹部９４の底壁９４ａと点接触するニードル５０の端面を、部分球面形状とすることにより、可動コア８０に対するニードル５０の当接角度の自由度を向上させることができる。
【００５５】
本実施形態に係るエゼクタ２２が組み込まれた燃料電池システム１０は、基本的に以上のように構成されるものであり、次にその動作並びに作用効果について説明する。
【００５６】
先ず、燃料電池１２の発電停止時には、図示しない遮断弁によって水素タンク１４から水素の供給が遮断され、エゼクタ２２のインレットポート３２ａに対する水素の供給が停止された状態にある。この場合、図示しない制御部の制御によってエゼクタ２２の電磁アクチュエータ部を構成するソレノイド７４（コイル７６）に対して電流が流されていない非励磁状態となり、図２に示されるように、復帰スプリング８８のばね力によって可動コア８０が固定コア７８から軸方向に沿って所定距離だけ離間した状態にある。
【００５７】
このソレノイド７４の非励磁状態では、図１２（ａ）に示されるように、ニードル５０の一端部がノズル４６のノズル孔４６ａ内に挿入され、前記ニードル５０の先端部５０ａがノズル孔４６ａから外部に突出している。従って、水素が吐出されるノズル孔４６ａの縦断面積は、ノズル孔４６ａの内径面積からニードル５０の小径部５０ｂの外径面積が減算されたものとなる。
【００５８】
一方、燃料電池１２の発電時では、図示しない遮断弁が開弁状態となって、水素タンク１４から水素供給通路２０を介して燃料電池１２のアノードに対して水素が供給されると共に、エアコンプレッサ１６が駆動され、加湿器２８で加湿されたエアがエア供給通路２６を介して燃料電池１２のカソードに供給される。
【００５９】
エゼクタ２２では、水素タンク１４からの比較的高圧な水素がインレットポート３２ａを通じて供給され、フィルタ３０で塵埃等が除去された後、エゼクタ本体内の第１空間部３４ａに導入される。さらに、前記水素は、ノズル４６の外周面に形成された複数の水素導入孔６２を介してノズル４６の中空部４４内に導入された後、ノズル孔４６ａとニードル５０の一端部とのギャップＧ（図１２（ａ）参照）を通じてディフューザ４８側に向かって吐出される。
【００６０】
このノズル孔４６ａによって流量が絞られて加速された水素は、ディフューザ４８のスロート部４８ｂに沿って流通し、アウトレットポート３２ｂから水素供給通路２０に沿って燃料電池１２に供給される。ソレノイド７４の非励磁状態では、図１２（ａ）に示されるように、ノズル孔４６ａの縦断面積が、ノズル孔４６ａの内径面積からニードル５０の一端部の小径部５０ｂの外径面積を減算したものとなり、比較的小流量の水素が燃料電池１２に対して供給される。
【００６１】
同時に、ノズル４６のノズル孔４６ａの先端からディフューザ４８に向かって水素が噴射（吐出）される際、ノズル４６とディフューザ４８の拡径部４８ａとの間の部位において、いわゆるジェットポンプ効果によって負圧作用が発生する。この負圧作用によって吸入室６８内の水素オフガスが吸い込まれ、ノズル４６から吐出された水素と吸引ポート３２ｃを通じて吸引された水素オフガスとがディフューザ４８で混合され、アウトレットポート３２ｂから水素供給通路２０に導出される。
【００６２】
ところで、燃料電池１２の運転状態において、小流量の水素の供給では不足して比較的大流量の水素が要求される場合、図示しない制御部の制御によってエゼクタ２２のソレノイド７４に電流を流して励磁状態とする。前記ソレノイド７４が励磁されることにより、可動コア８０が固定コア７８側に向かって吸引される（図３及び図９参照）。この場合、ニードル５０は、ニードル締結機構５２を介して可動コア８０に締結されているため、可動コア８０と一体的に固定コア７８側に向かって変位する。
【００６３】
従って、ニードル５０の一端部は、図１２（ｂ）に示されるように、ノズル４６のノズル孔４６ａの先端から軸方向に所定距離だけ離間して非挿通状態となる。この結果、ノズル４６の中空部４４内に導入された水素は、ノズル孔４６ａの先端の内径面積全体を通じてディフューザ４８に向かって吐出されるため、比較的大流量の水素を燃料電池１２に対して供給することができる。このように、ソレノイド７４を非励磁状態から励磁状態へと切り換えることにより、ノズル孔４６ａの縦断面積が変化して小流量の水素の供給から比較的大流量の水素の供給へと切り換えることができる。なお、前記とは反対に、ソレノイド７４を励磁状態から非励磁状態とすることにより、比較的大流量の水素の供給から比較的小流量の水素の供給へ切り換えることができる。
【００６４】
本実施形態では、横置き型のソレノイド７４において、固定コア７８の可動コア８０側端部に凸部９１を設けると共に、前記固定コア７８の凸部９１と対向する可動コア８０の固定コア７８側端面に前記固定コア７８から離間する方向に徐々に縮径する窪み部（凹部）８９を設けることにより、可動コア８０の変位量（ストローク量）が増大し、前記可動コア８０のカジリによる磨耗を抑制することができる。以下、この点について詳細に説明する。
【００６５】
先ず、装置全体のレイアウトとの関係から、縦方向の寸法を抑制して小型・軽量化するために、可動コア８０が水平方向に沿って変位する横置き状態（横置き型）のソレノイド７４を用いることを前提とする。
【００６６】
このような横置き型のソレノイド７４では、一般的に、重力（自重）作用によって可動コア８０の上部側クリアランス（円筒部８６の内壁天井面と可動コア８０の外径面とのクリアランス）１１０ａと下部側クリアランス（円筒部８６の内壁底面と可動コア８０の外径面とのクリアランスで殆んど零に近い）１１０ｂとがそれぞれ異なり（下部側クリアランス１１０ｂよりも上部側クリアランス１１０ａが当然に大きくなる）、可動コア８０の外周面を囲繞する円筒部８６（固定コア７８）の軸線Ｔ１と前記可動コア８０の軸線Ｔ２と間で微小な軸ずれが発生し、前記可動コア８０は前記軸ずれした状態で変位可能に設けられる（図１３（ｃ）参照）。
【００６７】
そこで、可動コア８０の磨耗を防止しつつ、前記可動コア８０の変位量（ストローク量）を増大させるためには、可動コア８０及び固定コア７８a間の離間距離とソレノイド７４で発生する吸引力との磁力特性に鑑み、相互に対向する可動コア８０と固定コア７８の端面同士が平坦面ではなく、テーパ面とすることが考えられる。
【００６８】
図１３（ａ）、（ｂ）は、比較例に係る横置き型のソレノイドを模式的に示したものであり、可動コアの端部に固定コア側に向かって突出する凸部を形成して前記凸部の外面をテーパ面とすると共に、可動コアと対向する固定コアの端面に前記凸部に対応する形状からなる凹部を形成して逆テーパ面としている。この場合、比較例に係るソレノイドでは、重力作用によって上部側クリアランスと下部側クリアランスとが異なっており、可動コアの軸線Ｔ２と摺動孔の軸線Ｔ１とが非同軸で軸ずれした状態にある。
【００６９】
比較例に係るソレノイドでは、図１３（ａ）に示されるように、固定コアの凸部のテーパ面と固定コアの凹部の逆テーパ面との間の離間ギャップが、上部側で大きく、下部側で小さくなる。従って、ソレノイドの励磁作用によって発生する下部側の吸引力が大きくなり、一方、上部側の吸引力が小さくなる。このような吸引力のアンバランスにより、図１３（ｂ）に示されるように、点Ｃを回転中心として可動コアを矢印方向に沿って回転させようとするサイドフォース（横力）が発生する。
【００７０】
このサイドフォースは、可動コアの軸方向と異なる方向に発生し、前記可動コアの直進性を阻害する推力からなる。前記比較例に係るソレノイドでは、可動コアのテーパ面と円周面との境界部位に断面鈍角状の角部が形成され、前記角部の頂点である点Ｃを回転中心とするシーソー運動が発生する。この結果、前記比較例に係るソレノイドでは、前記サイドフォースによってカジリによる磨耗が発生して可動コアの耐久性が劣化する不具合がある。
【００７１】
これに対して、本実施形態に係る横置き型のソレノイド７４では、図１３（ｃ）に示されるように、固定コア７８の端面と対向する可動コア８０の端部に前記固定コア８０から離間する方向に窪んだ窪み部（凹部）８９を形成すると共に、前記可動コア８０の端部と対向する固定コア７８の端面に前記窪み部８９に対応する形状からなる凸部９１を形成することにより、サイドフォース（横力）を小さくすることができ、前記サイドフォースによってカジリによる磨耗の発生を極力抑制して耐久性を向上させることができる。
【００７２】
換言すると、本実施形態に係る横置き型のソレノイド７４では、サイドフォースによる回転中心（点Ｃ）が吸引力（ソレノイド７４の作用による電磁力）の外側に設定されてシーソー運動が発生しづらくなるのに対し、比較例に係る横置き型のソレノイドでは、サイドフォースによる回転中心（点Ｃ）が吸引力（ソレノイドの作用による電磁力）の内側に設定されるため、前記回転中心を基点としてシーソー運動となり、カジリによる磨耗が発生する。
【００７３】
また、本実施形態では、樹脂封止体７２によって被覆されたコイル７６の重量が、薄肉で形成された円筒部８６に付与されることがないため、可動コア８０を直線状に案内するガイド部として機能する前記円筒部８６が変形することを好適に防止することができる。以下に、組付順序を示す図８に基づいて、樹脂封止体７２（コイル７６）の支持構造を詳細に説明する。
【００７４】
電磁アクチュエータ部を組み付ける際、カバープレート４０の円筒部８６の先端部に固定コア７８が、例えば、溶接等によって固着された状態において、前記固定コア７８及び円筒部８６の軸線に沿って中間プレート７９、コイル７６が内蔵された樹脂封止体７２を挿通させた後、有底円筒体に形成されたハウジング４２のフランジをねじ部材４１ｂ、４１ｃによって一体的に締結する（図５参照）。なお、前記樹脂封止体７２は、コイル７６が巻回されたコイル巻線体として機能するものである。
【００７５】
この場合、予め、樹脂封止体７２の外径面とハウジング４２の内径面との間で径方向に沿って所定の間隙８１が形成され、樹脂封止体７２は、ハウジング４２と非接触状態に保持されると共に、中間プレート７９（カバープレート４０）とハウジング４２の底部内壁面との間で軸方向に沿った両端部で挟持される。
【００７６】
すなわち、間隙８１によって樹脂封止体７２がハウジング４２から径方向に沿って自由状態にあると共に、ハウジング４２のねじ締結によって中間プレート７９とハウジング４２の底部内壁面との間で樹脂封止体７２が押圧されて軸方向に沿って挟持されているため、樹脂封止体７２に内嵌された円筒部８６に対して前記樹脂封止体７２に内蔵されたコイル７６の重量が付与されることが阻止され、前記円筒部８６の変形が防止される。
【００７７】
なお、図５に示されるように、軸方向に沿った固定コア７８の端面とハウジング４２の底部内壁面との間には、予め、所定の間隙８３が設定されている。前記間隙８３を設けることにより、電磁アクチュエータ部の組付作業の際、ハウジング４２の底部内壁面が固定コア７８の端面に当接して円筒部８６が変形することを好適に回避することができる。
【００７８】
さらに、本実施形態では、図９（ａ）、（ｂ）に示されるように、ハウジング４２の底部内壁に、固定コア７８の端部を保持する環状凸部４２ａを設け、前記環状凸部４２ａと固定コア７８との間で磁束を径方向で受け渡すことができる。この結果、本実施形態では、磁束受け渡し部として機能する環状凸部４２ａによって径方向に沿って磁束を受け渡すことが可能となり、磁束密度を増大させて可動コア８０の吸引力を向上させることができる。なお、前記環状凸部４２ａに代えて、環状凹部を形成するようにしても同様の効果が得られる。
【００７９】
この場合、前記径方向と直交するソレノイド７４の軸方向（スラスト方向）の寸法精度が要求されないため、ソレノイドの構造を簡素化することができる利点がある。
【００８０】
なお、本実施形態では、単一のディフューザ４８を用いてエゼクタ２２を構成しているが、これに限定されるものではなく、例えば、ノズル４６の軸方向に沿って所定間隔離間して複数個の分割ディフューザを配置した図示しない多段ディフューザによって構成してもよい。この多段ディフューザ構造とすることにより、ノズル４６と最も近接する第１段目の分割ディフューザとの間だけでなく、複数段の隣接する分割ディフューザ同士の離間部位からも吸い込み作用が発生するため、吸入室６８からの水素オフガスの吸い込み流量を増大させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】本発明の実施形態に係るエゼクタが組み込まれた燃料電池システムのブロック構成図である。
【図２】図１に示されるエゼクタの軸方向に沿った縦断面図である。
【図３】図２のエゼクタにおいてノズル孔の縦断面積が変化した状態を示す縦断面図である。
【図４】（ａ）は、エゼクタを構成するノズル部の一部切り欠き分解斜視図、（ｂ）は、（ａ）のＩＶＢ−ＩＶＢ線に沿った縦断面図である。
【図５】ソレノイドの非励磁状態において、ストッパが第１ブロック体の端面に当接した状態を示す部分縦断面図である。
【図６】（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ、軸受部材とニードルとノズル孔との関係式に係るパラメータを示す模式図である。
【図７】（ａ）は、環状フランジ部側からみたストッパを有する可動コアの正面図、（ｂ）は、（ａ）のＶＩＢ−ＶＩＢ線に沿った縦断面図である。
【図８】電磁アクチュエータ部を構成する各部材の組付順序を示す斜視図である。
【図９】（ａ）は、図５の状態から可動コアが変位して、ストッパがカバープレートの端面に当接した状態を示す部分拡大縦断面図、（ｂ）は、（ａ）のＡ部における磁束の流れを示す部分拡大縦断面図である。
【図１０】前記エゼクタを構成するニードル締結機構におけるクリアランスを示す部分拡大縦断面図である。
【図１１】（ａ）は、前記クリアランスによってラジアル方向の変位が可能な状態を示す部分拡大縦断面図、（ｂ）は、前記クリアランスによって所定角度だけ傾動が可能な状態を示す部分拡大縦断面図である。
【図１２】（ａ）は、ニードルがノズル孔に挿通して吐出断面積が小さい状態を示す部分拡大縦断面図、（ｂ）は、ニードルがノズル孔から離間して吐出断面積が大きい状態を示す部分拡大縦断面図である。
【図１３】（ａ）、（ｂ）は、比較例に係る横置きソレノイドの作用を示す模式図、（ｃ）は、本実施形態に係る横置きソレノイドの作用を示す模式図である。
【符号の説明】
【００８２】
１０    燃料電池システム
１２    燃料電池
１４    水素タンク（燃料ガス供給手段）
２０    水素供給通路（燃料ガス供給通路）
２２    エゼクタ（燃料電池用エゼクタ）
２４    循環通路
３２ａ  インレットポート
３２ｂ  アウトレットポート
３２ｃ  吸引ポート
４２    ハウジング
４２ａ  環状凸部（磁束受け渡し部）
４４    中空部
４６    ノズル
４６ａ  ノズル孔
４８    ディフューザ
５０    ニードル
７４    ソレノイド
７６    コイル
７８    固定コア
８０    可動コア
８６    円筒部
８９    窪み部（凹部）
９１    凸部
【図１】
2009301951.tif 000003
【図２】
2009301951.tif 000004
【図３】
2009301951.tif 000005
【図４】
2009301951.tif 000006
【図５】
2009301951.tif 000007
【図６】
2009301951.tif 000008
【図７】
2009301951.tif 000009
【図８】
2009301951.tif 000010
【図９】
2009301951.tif 000011
【図１０】
2009301951.tif 000012
【図１１】
2009301951.tif 000013
【図１２】
2009301951.tif 000014
【図１３】
2009301951.tif 000015