JP2002168365A

JP2002168365A - 逆流防止機能付きパイロット式流路開閉弁

Info

Publication number: JP2002168365A
Application number: JP2000366985A
Authority: JP
Inventors: Masaru Gamo; 勝蒲生; Shoichi Hagiwara; 正一萩原; Takeshi Yamamoto; 武司山本
Original assignee: Aisan Industry Co Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Aisan Industry Co Ltd; Toyota Motor Corp
Priority date: 2000-12-01
Filing date: 2000-12-01
Publication date: 2002-06-14
Also published as: US6712088B2; US20020088955A1

Abstract

(57)【要約】【課題】小動力で駆動できるパイロット式流路開閉弁
の利点を享受し、逆流を防止し、逆流防止弁の氷結に強
く、しかも開弁時の応答性が良い弁を実現する。【解決手段】パイロット式流路開閉弁のボディ内に逆
流防止弁を組込む。ソレノイドコイルに通電されてパイ
ロット式流路開閉弁が開いている間、即ち、気体が膨張
しながら逆流防止弁を流れる間、ソレノイドコイルへの
通電によって生じる熱がボディを伝って逆流防止弁に効
率的に伝達されるために、その気体に水蒸気が含まれお
り、しかも、その気体が大きく膨張して低温に冷やされ
る場合にも、その水蒸気が逆流防止弁に氷結することを
防止できる。また、パイロット式流路開閉弁と逆流防止
弁の間の配管容積が小さく、配管内圧力が迅速に高まっ
て逆流防止弁が速やかに開くために、開弁応答性が高
い。

Description

【発明の詳細な説明】

【0001】

【産業上の利用分野】本発明は、パイロット式流路開
閉弁に逆流防止機能を付加する技術に関する。特に、小
動力で駆動でき、氷結に強く、開弁応答性に優れた逆流
防止機能付きパイロット式流路開閉弁を実現するもので
ある。

【0002】

【従来の技術】パイロット式の流路開閉電磁弁が広く
知られており、その一例が実開昭５９−８３２６２号公
報に記載されている。これを図１を参照して説明する。
図１中参照番号１はボディを示している。このボディ１
に流入口２と流出口３が形成されている。流入口２と流
出口３の間は通路４によって接続されている。通路４の
上端面に弁座５が形成されている。ボディ１内には有底
筒状のメイン弁６が上下動自在に収納されている。メイ
ン弁６の外底面に環状の突起９が一体に設けられてい
る。管状の突起９は弁座５に接離自在となっている。メ
イン弁６の内側にパイロット室７が形成されている。メ
イン弁６の底部中央にパイロット孔８が設けられてい
る。ボディ１の上端部にはソレノイドコイル１０が設け
られている。ソレノイドコイル１０の内側には、プラン
ジャ１１とバネ１３が設けられている。プランジャ１１
の先端に球状のパイロット弁１２が取付けられている。
ソレノイドコイル１０に通電されないと、バネ１３の付
勢力によってパイロット弁１２はパイロット孔８を閉塞
する。ソレノイドコイル１０に通電されると、その吸引
力によってパイロット弁１２はパイロット孔８から離脱
する。メイン弁６の外周面とボディ１の内周面との間に
は、ごく僅かな隙間１４が設けられている。

【0003】このパイロット式の流路開閉電磁弁によると、
流入口２と流出口３の間に大きな圧力差がかかっていて
も、パイロット弁１２に小さな吸引力を加えることでメ
イン弁６を開けることができる。パイロット弁１２に小
さな吸引力を加えると、パイロット室７内の高い圧力が
パイロット孔８から逃げるために、流入口２にかかる高
い圧力がメイン弁６を開ける。流入口２にかかる圧力が
高くても開弁に要する電磁力は小さくてすむ。またソレ
ノイドコイル１０に通電されない状態では流入口２にか
かっている高い圧力がメイン弁６を閉じる方向に働く為
に、閉弁状態を維持するための電磁力は要らない。従っ
て、パイロット式の流路開閉電磁弁は、流入口２と流出
口３の間に大きな圧力差がかかる配管に用いられても、
流路の開閉を制御するために用いるソレノイドコイル１
０が小さくてすみ、小電力で駆動できるという利点を有
する。

【0004】通常の配管は、流入口２から流れ込んだ流体が
流出口３から流出する向きとなるように流体の流れ方向
が決まっており、パイロット式の流路開閉弁で格別な問
題は生じない。しかしながら、パイロット式流路開閉弁
は逆流禁止能力が低いという特性を有する。閉弁状態の
パイロット式の流路開閉弁に流出口３側から高い圧力が
加わると、容易に開弁状態に切り換わってしまう。実開
昭５９−８３２６２号公報に記載の技術では、パイロッ
ト式の流路開閉弁では逆流が禁止できないことを受け入
れ、逆流時に流路開閉弁が異音を発生しないような工夫
を凝らしている。

【0005】流路開閉弁で逆流を禁止する第１の方策は、可
動弁を閉弁位置に付勢しておくバネ力を大きくすること
であろう。このために、流路開閉弁で逆流を禁止する場
合には、パイロット式の流路開閉弁でなく、大きなバネ
力で閉弁しておいて大きな動力を用いて開弁する流路開
閉弁が用いられる。第２の方策は、パイロット式の流路
開閉弁の下流の配管に逆流防止弁を挿入することであろ
う。特開平１０−２４４５号公報には、流路開閉弁に接
続される配管内に逆流防止弁を組み込む技術が記載され
ており、この技術をパイロット式の流路開閉弁に応用す
ることができるはずである。

【0006】

【発明が解決しようとする課題】第１の方策、即ち、逆
流を防止しながら流路を開閉するために、大きなバネ力
で閉弁しておいて大きな動力を加えて開弁する流路開閉
弁では、流路の開閉に大きな動力が必要とされ、流路開
閉弁が大型化する。即ち、小動力で駆動できるというパ
イロット式流路開閉弁の利点が享受できない。第２の方
策、即ち、パイロット式流路開閉弁の下流の配管に逆流
防止弁を挿入する方式によれば、上記問題を有しないも
のの、逆流防止弁が氷結して作動不良となったときに氷
結から回復できないという問題が残る。あるいは氷結し
やすいという問題もある。流路を流れる流体が気体であ
る場合、その気体が圧縮されたり膨張したりしながら流
路を流れることになり、これに伴って気体温度が変動す
る。パイロット式の流路開閉弁が開いて気体がその下流
に断熱膨張しながら流れる場合、気体温度が低下するた
めに、低温の気体が逆流防止弁を通過する。気体に水蒸
気が含まれていると、その水蒸気が逆流防止弁に氷結す
ることがある。この場合、パイロット式の流路開閉弁が
閉じられたあとに逆流現象が発生すると、逆流を防止す
るはずの逆流防止弁が開弁位置で氷結していて逆流を禁
止できない。あるいは、断熱膨張して冷却された気体が
逆流防止弁を通過する際に、逆流防止弁が氷結しないよ
うに加熱することができず、氷結しやすい。さらに、パ
イロット式流路開閉弁の下流の配管に逆流防止弁を挿入
する方式では、開弁時の応答性が悪いという問題も残
る。この方式では、パイロット式流路開閉弁が開弁する
ことでパイロット式流路開閉弁と逆流防止弁の間の配管
内圧力が高まり、この圧力が所定値まで高まったときに
逆流防止弁が開く。下流の配管に逆流防止弁を挿入する
方式では、パイロット式流路開閉弁と逆流防止弁の間の
配管容積が大きく、昇圧に時間を要する。本発明は、逆
流を防止でき、小動力で駆動できるというパイロット式
流路開閉弁の利点を享受することができ、逆流防止弁の
氷結を防止でき、氷結してもそれから回復させることが
でき、しかもその上で、開弁応答性が高い弁を創作する
ものである。

【0007】

【課題を解決するための手段と作用】この発明のパイ
ロット式流路開閉弁では、パイロット式流路開閉弁のボ
ディ内に逆流防止弁を組込む。パイロット式流路開閉弁
のボディ内に逆流防止弁が組込まれていると、ソレノイ
ドコイルに通電されてパイロット式流路開閉弁が開いて
いる間、あるいは高圧の作動流体が導入されてパイロッ
ト式流路開閉弁が開いている間、即ち、気体が断熱膨張
しながら逆流防止弁を流れる間、ソレノイドコイルへの
通電によって生じる熱あるいは作動流体の導入によって
生じる熱がボディを伝って逆流防止弁に効率的に伝達さ
れるために、流路を流れる気体に水蒸気が含まれおり、
しかも、その気体が大きく膨張して低温に冷やされる場
合にも、その水蒸気が逆流防止弁に氷結することを防止
できる。あるいは、なんらかの理由で氷結しても、ソレ
ノイドコイルの熱、あるいは作動流体が断熱圧縮される
ことで発生する熱が、ボディを伝って逆流防止弁に効率
的に伝達されるために、早急に氷結が解消する。また、
パイロット式流路開閉弁のボディ内に逆流防止弁が組込
まれているので、パイロット式流路開閉弁と逆流防止弁
の間の配管容積が小さく、配管内圧力が迅速に高まり、
逆流防止弁が速やかに開く。このために、本発明の弁を
用いると、近年注目されている燃料電池に水素を供給す
る配管に、逆流を防止しながら流路を開閉する構造を実
現する場合に、小動力で駆動できるというパイロット式
流路開閉弁の利点を享受しながら、しかも、逆流防止弁
の氷結に強く、開弁応答性が良好であるという特質を実
現することができる。水素供給配管の場合、水蒸気が混
在しており、しかも水素が大きく体積を変えながら通過
していく為に、本発明の逆止機能付きパイロット式流路
開閉弁が極めて有用である。なお、この発明の場合、パ
イロット式流路開閉弁の上流側に逆流防止弁を挿入して
も、小動力で駆動でき、氷結に強く、開弁応答性が高い
という本発明の利点を享有することができる。

【0008】

【発明の実施の形態】以下、本発明の逆流防止機能付
きパイロット式流路開閉弁を具現化した実施の形態を説
明する。図２は逆流防止機能付パイロット式流路開閉弁
２０の断面図を示している。逆流防止機能付パイロット
式流路開閉弁２０は、パイロット式流路開閉弁と逆流防
止弁がボディ６２内に組み込まれている。パイロット式
流路開閉弁と逆流防止弁は、開閉方向を逆にして直列に
接続され、近接してボディ６２内に配設されている。そ
のボディ６２は、例えばアルミニウム等の熱伝導度の大
きい材料から形成されている。

【0009】次に詳細構造を説明する。パイロット式流路開
閉弁は可動部と電磁力発生部から構成されている。可動
部はメイン弁７６とパイロット弁８２を主構造としてい
る。メイン弁７６は底付きの略筒形状であり、ボディ６
２内に設けられた空間を上下にスライドできる外径を有
する。メイン弁７６の先端中央にパイロット孔７０が設
けられている。パイロット孔７０を中心にして環状にシ
ール部材７４が設けられている。また、メイン弁７６の
先端には、内側に貫通するオリフィス８４が設けられて
いる。メイン弁７６の内端面には、パイロット孔７０を
中心にして環状の弁座７２が設けられている。

【0010】パイロット弁８２は略円柱形状である。パイロ
ット弁８２の先端には、メイン弁７６の弁座７２に当接
するシール部材８０が設けられている。パイロット弁８
２の後端はプランジャ部となっている。

【0011】電磁力発生部の構造を説明する。図２に良く示
されるように、環状のベース２２の内面とボビン３０の
内面に、筒状のパイプ３６が挿入されている。パイプ３
６には、前述したパイロット弁８２（詳しくはプランジ
ャ部）が摺動可能に挿入されている。またパイプ３６に
は、ステータ３４も挿入されている。ステータ３４とパ
イロット弁８２（詳しくはプランジャ部に設けられた凹
部）の間には、バネ３２が設けられている。ボビン３０
の筒部外周にソレノイドコイル２６が巻かれている。ソ
レノイドコイル２６は、ボビン３０とコイルカバー２４
によって密閉されている。コイルカバー２４には、コネ
クタ部３８が設けられている。ソレノイドコイル２６等
の電磁力発生部の構成部品群はケース２８内に収容され
てベース２２に固定されている。

【0012】電磁力発生部のベース２２はボディ６２に固定
されている。固定された状態で、前述した可動部は、流
入口７８に連通するボディ６２内の空間内に位置してい
る。メイン弁７６のパイロット孔７０は、連通路６４に
面している。また、メイン弁７６のシール部材７４は、
ボディ６２内に設けられた弁座６６に当接可能である
（図２では弁座６６とシール部材７４は当接してい
る）。

【0013】ボディ６２には、前記流入口７８以外にも開放
部を有する。その開放部内に逆流防止弁４０がスライド
可能に挿入されている。逆流防止弁４０が挿入されてい
る位置は、ソレノイドコイル２６が巻かれている位置に
近い。通電時にソレノイドコイル２６から生成した熱
は、ボディ６２を伝って逆流防止弁４０に伝わる距離に
ある。逆流防止弁４０は蓋付きの略筒形状である。逆流
防止弁４０の両端にある大径部は、ボディ６２内に設け
られた空間を左右にスライドできる外径を有する。先端
側の大径部とボディ６２の内周との間には気体が通過で
きる程度の隙間が設けられている。逆流防止弁４０の先
端（蓋）中央に円状にシール部材５６が設けられてい
る。シール部材５６は、ボディ６２内に設けられた弁座
６０に当接可能である（図２では弁座６０とシール部材
５６は当接している）。逆流防止弁４０の小径部には、
内側に貫通する複数の流孔５４が設けられている。小径
部と大径部の境には、段部４２が設けられている。

【0014】ボディ６２の前記開放部先端には略筒形状のス
トッパ４６が螺着されている。ボディ６２とストッパ４
６は、シール部材５２によってシールされている。スト
ッパ４６のボディ６２と螺着していない側の端部は開放
されていて、流出口４８を形成している。ストッパ４６
はその内部に段部５０が設けられている。バネ４４はス
トッパ４６の段部５０と前述した逆流防止弁４０の段部
４２との間に挿入されている。このバネ４４は、逆流防
止弁４０を閉弁方向（図２中右方向）に付勢している。
バネ４４は、流体が流入側から流入してきている時以外
は逆流防止弁４０（詳しくはシール部材５６）をボディ
６２（詳しくは弁座６０）に当接させている。バネ４４
の力は、流体が流入側から流入してきたら即座に圧縮す
ることができる小さなものである。

【0015】本実施例の逆流防止機能付パイロット式流路開
閉弁２０の作用を説明する。図２は、パイロット弁８２
とメイン弁７６が共に閉弁している状態を示している。
以下単に閉弁状態という。閉弁状態では、バネ３２の力
によってパイロット弁８２が付勢されて、シール部材８
０と弁座７２は当接している。そして、そのパイロット
弁８２によりメイン弁７６が付勢されて、シール部材７
４と弁座６６も当接している。流入口７８からボディ６
２内に流体が流入すると、メイン弁７６の外端面近傍
は、パイロット孔７０が連通する連通路６４よりも高圧
になる。同時に、流体はオリフィス８４を通ってパイロ
ット弁８２とメイン弁７６の間に設けられた空間に進入
するので、その空間もメイン弁７６の外端面近傍と同じ
高圧になる。従って、メイン弁７６のシール部材７４は
弁座６６に付勢される。このようにして、流入口７８側
に高い圧力がかかっている限り、その圧力がメイン弁７
６を閉じる方向に働いている。本実施例のパイロット式
流路開閉弁は、流入口７８側に高い圧力がかかっている
ときは、バネ力だけでなくその圧力も加担して閉弁状態
を維持する。

【0016】図２の状態から開弁状態にするには、ソレノイ
ドコイル２６に通電して先ずパイロット弁８２を開弁さ
せる（開弁前駆状態）。ソレノイドコイル２６の吸引力
はバネ力よりも大きいので、パイロット弁８２が開弁方
向に付勢されてシール部材８０と弁座７２は離脱する。
流入口７８に高い圧力が加わっていても、その圧力はパ
イロット弁８２を閉じる側には働いていない為に、わず
かな吸引力でパイロット８２弁を開けることができる。
ソレノイドコイル２６の吸引力は、圧力に抗してメイン
弁７６を開けるのに必要な吸引力よりも格段に小さくて
すむ。バネ３２の力もこの吸引力以下の小さなものであ
る。パイロット弁８２が開弁されると、パイロット孔７
０の流路面積がオリフィス８４の流路面積よりも大きい
ので、パイロット弁８２とメイン弁７６の間に設けられ
た空間の圧力は低下する。すると、メイン弁７６を閉じ
る方向に働いている圧力が低下する。メイン弁７６の内
側からメイン弁７６を閉弁方向に付勢している圧力が低
下すると、メイン弁７６を図２中で上側に押し上げる力
が勝るようになり、メイン弁７６は上側に移動して開弁
する。

【0017】開弁状態の間、ソレノイドコイル２６の電磁力
によってパイロット弁８２は図２中上方に付勢されてい
る。その間、気体が流入口７８から連通路６４に流れる
ことができる。連絡路６４の容積は小さく、極めて短時
間のうちに昇圧する。このために、逆流防止弁４０はパ
イロット式電磁弁の開弁タイミングの直後に開弁し、開
弁応答性が高い。

【0018】上記したところから明らかに、本実施例の逆流
防止機能付パイロット式流路開閉弁２０は、前記したパ
イロット式流路開閉弁と逆流防止弁とがその開閉方向を
逆にして直列に接続されて、ボディ６２内に近接して収
容されている。

【0019】流入口７８から流れ込んだ流体が、パイロット
式流路開閉弁と逆流防止弁とを通過して、流出口４６か
ら流れ出る場合を説明する。ソレノイドコイル２６に通
電して、パイロット式流路開閉弁を開弁状態にする。す
ると、流体が流入口７８から連通路６４に流入する。連
通路６４の圧力が流出口４８よりも高くなるので、この
圧力が逆流防止弁４０を開弁方向（図２中左方向）に付
勢する。すると、バネ４４は即座に圧縮されて、シール
部材５６と弁座６０は離脱する。その結果、逆流防止弁
４０は開弁状態になる。前記したように、連絡路６４の
容積は小さいために、上記一連の作動は極めて短時間に
起こる。逆流防止弁４０が開弁状態になると、流体は、
逆流防止弁４０の先端（蓋）の外周とボディ６２との隙
間を通り、流孔５４を流れて逆流防止弁４０の内側を通
過し、流出口４８から流れ出ることができる。このと
き、ソレノイドコイル２６への通電によって生成される
熱がボディ６２を伝って逆流防止弁４０に効率的に伝達
されている。従って、たとえ気体に水蒸気が含まれお
り、しかも、その気体が大きく膨張して極低温に冷やさ
れる場合にも、その水蒸気が逆流防止弁４０に氷結する
ことを防止する。

【0020】閉弁時において流出口４８側に高い圧力が加わ
った場合は、その高い圧力が逆流防止弁４０を閉じる方
向に働く。このとき逆流防止弁４０は氷結していない。
その結果、逆流防止弁４０は、閉弁状態となる。即ち、
シール部材５６と弁座６０は当接する。本実施例の逆流
防止機能付パイロット式流路開閉弁２０は、流出口４６
側に高い圧力が加わった場合に、逆流を禁止することが
できる。

【0021】逆流防止機能付パイロット式流路開閉弁２０
は、逆流を防止しながらも流路を開閉するにあたっては
パイロット式流路開閉弁の利点を享受することができ、
しかも、逆流防止弁の氷結を防止することができる。あ
るいは何らかの理由で氷結してもソレノイドコイルの発
熱で氷結を解消することができる。さらにパイロット式
流路開閉弁と逆流防止弁間の連絡路６４の容積が小さ
く、開弁応答性が高い。

【0022】逆流防止機能付パイロット式流路開閉弁２０
は、パイロット式流路開閉弁と逆流防止弁がボディ６２
内に近接して組み込まれている。その結果、ソレノイド
コイルへ２６の通電によって生じた熱がボディ６２を伝
って逆流防止弁４０に効率的に伝達されるのみならず、
逆流防止機能付パイロット式流路開閉弁２０本体自体を
小型化することができる。

【0023】逆流防止弁４０の先端側の大径部は、ボディ６
２内に設けられた空間内を隙間を有した状態でスライド
できる外径を有する。逆流防止弁４０が開弁状態になる
と、連通路６４内の流体は、逆流防止弁４０の先端
（蓋）の外周とボディ６２との隙間を通って、流孔５４
に流れることができる。連通路６４内の流体を逆流防止
弁４０の内側に流すために、逆流防止弁４０の先端
（蓋）のシール部材５６を避けた位置に孔を設けても良
い。更には、逆流防止弁４０の先端（蓋）は、その外周
を断続的にカットした形状のものでも良い。これらの孔
や先端形状であっても、逆流防止弁４０が閉弁位置にあ
るときは、シール部材５６と弁座６０が当接しているの
で、逆流を禁止することができる。

【0024】図３は別の実施例を示す。この場合、パイロッ
ト式流路開閉弁１７０の可動弁１７６と逆流防止弁１８
０の可動弁１４０が隣接して同軸に配置されている。即
ち、可動弁１４０が可動弁１７６の直下に位置してい
る。この場合、パイロット式流路開閉弁１７０と逆流防
止弁１８０間の連通路１６６の容積は極限まで小さく、
開弁応答性はさらに改善されている。また、ソレノイド
コイル１２６の熱がボディ１６によって一層効率的に逆
流防止弁１４０に伝達され、さらに氷結に対して強く改
良されている。

【0025】上記の実施例ではソレノイドコイルでパイロッ
ト弁を開ける。これに代って作動流体を導入することで
パイロット弁を開けることもできる。この場合にも作動
流体の導入によって断熱圧縮現象が生じて発熱作用が得
られることから、逆流防止弁をパイロット式流路開閉弁
のボディに組込むことで、逆流防止弁の氷結防止作用と
解凍促進作用が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来のパイロット式の流路開閉弁である。

【図２】実施例の逆流防止機能付きパイロット式流路
開閉弁を示す断面図である。

【図３】他の実施例の逆流防止機能付きパイロット式
流路開閉弁を示す断面図である。

【符号の説明】

２０・・逆流防止機能付きパイロット式流路開閉弁２６、１２６・・ソレノイドコイル４０、１４０・・逆流防止弁６２、１６２・・ボディ７６、１７６・・メイン弁８２・・パイロット弁

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者萩原正一愛知県大府市共和町一丁目１番地の１愛三工業株式会社内 (72)発明者山本武司愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内Ｆターム(参考） 3H056 AA01 BB02 BB11 CA02 CB03 CC12 CD03 CD04 CE01 EE10 GG02 GG13 3H106 DA07 DA13 DA23 DA33 DA35 DA36 DB02 DB12 DB23 DB32 DB38 DC02 DD02 EE01 EE04 EE36 HH10 KK04 KK34

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】パイロット式流路開閉弁のボディ内に逆
流防止弁を組込んだパイロット式流路開閉弁。
【請求項２】パイロット式流路開閉弁の可動弁と逆流
防止弁の可動弁を隣接して配置した請求項１に記載のパ
イロット式流路開閉弁。