JP2008196599A - 電磁弁 - Google Patents

Abstract

【課題】経済的に過流防止を行なうことができるとともに、上流側流体圧の高低によって生じる質量流量に対する閉作動特性の変動を抑制可能な電磁弁を提供する。
【解決手段】弁体１７が電磁的に駆動されて流路が開閉される遮断弁（電磁弁）３において、流体圧に抗して弁体１７を開状態に保持するソレノイドのコイル１８の保持電流値を、遮断弁３の上流側流体圧（一次圧）に応じて選択する制御部を備えた。台座の弁座に対する相対位置を上流側の流体圧によって調整可能にしてもよい。
【選択図】図２

Description

本発明は、電磁弁に関する。さらに詳述すると、本発明は、ガス等の流体の供給流量を制御可能な電磁弁の構造に関する。

例えば、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池の発電電力で走行用モータを駆動する燃料電池自動車や、天然ガス（ＣＮＧ）を内燃機関で燃焼させて走行用の駆動力を直接得る天然ガス自動車等において、燃料ガスのタンク用の開閉弁として電磁弁が多く利用されている。

この場合における電磁弁は、一般に、閉弁方向に付勢するバネ力と流体から受ける力との合力に対し、閉弁しない程度の一定電流をコイルに通電することによって開弁状態を保持するように制御されている。また、仮に当該電磁弁の下流側の部品にてガス漏れが生じた場合に備え、ＥＦＶ（過流防止装置）が併設されていることもある。あるいは、燃料ガスの流路に流量測定器を設置し、別に設置した流量判定器によって過流判定を行ない、所定の時には電磁弁への通電を遮断して閉弁するようにした制御装置も提案されている（例えば特許文献１参照）。
特開平１０−１５３１３６号公報

しかしながら、電磁弁とは別に上述したような流量判定器をさらに設けると、コストや質量等が増加するという問題がある。

また、ＥＦＶ（過流防止装置）として機械式のものが設けられる場合もあるが、このような過流防止装置を用いた従来のシステムでは、タンク圧力によって作動質量流量が変化するから設計自由度が減るという問題がある。即ち、ＥＦＶにおいては、弁体を付勢するバネが、一次圧（当該弁の上流側の流体圧）の高低にかかわらず弁体と弁座との距離を一定に保持する構造となっているため、一次圧が高いと閉作動時の質量流量が大きくなる閉作動特性がある（図６中に符号Ｘで示すマップ参照）。つまり、弁体と弁座との隙間を通過する燃料ガスの体積流量は一次圧の高低によらずにほぼ一定であるものの、一次圧が高圧であるほど燃料ガスの密度が高くなることから、これに伴って閉作動時の質量流量が高くなってしまう。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、経済的に過流防止を行なうことができるとともに、上流側流体圧（一次圧）の高低によって生じる質量流量に対する閉作動特性の変動を抑制可能な電磁弁の提供を目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、流体の流路を開閉する弁体と、該弁体を電磁的に駆動してストロークさせるコイルとを備えた電磁弁において、前記流体の流体圧に抗して前記弁体を開状態に保持する前記コイルの保持電流値が、当該流体の流体圧に応じて制御装置により制御されるようになっている。

この構成によれば、一次圧（当該弁の上流側の流体圧）に基づく弁体の制御が可能であるため、一次圧の高低によって生じる質量流量に対する閉作動特性の変動を電気的に抑制することが可能となる。この場合、制御装置には、予め弁体を開弁状態に保持するための保持電流値と一次圧との関係を表した制御マップを記憶しておくことができる。

かかる電磁弁においては、前記コイルの保持電流値が、前記流体の流体圧にかかわらず略一定の質量流量となった場合に前記弁体が閉状態となるように当該弁体を開状態に保持する値に制御されることが好ましい。こうした場合、当該流体がある質量流量に達したところで弁体自体の過流防止機能を作動させて閉弁状態とすることができる。

また、前記流体の流体圧が増えるにつれ、前記コイルの保持電流値が少なくなるように制御されることも好ましい。これによれば、弁体を保持するのに要する電流の消費を抑えることも可能となる。

また、本発明は、流体の流路を開閉する弁体と、該弁体を電磁的に駆動してストロークさせるコイルとを備えた電磁弁において、弁体バネを介して台座に支持された前記弁体が前記弁体バネの付勢力に抗して移動して弁座に着座することで流路を閉止するものであり、前記台座の前記弁座に対する相対位置を上流側の流体圧によって調整可能としている。

この構成によれば、台座の弁座に対する相対位置を上流側の流体圧（一次圧）によって調整可能としているため、台座に弁体バネを介して支持された弁体と弁座との隙間を一次圧の高低に応じて可変にできる。したがって、一次圧の高低によって生じる質量流量に対する閉作動特性の変動を機械的に抑制可能となる。

また、前記台座が移動可能であって前記弁体バネの支持部を前記弁座から離間させる方向に前記流体圧を受ける流体圧受圧部を有しており、該台座を前記流体圧の受圧方向とは反対向きに付勢する台座バネを備えたものでもよい。

この構成によれば、上流側の流体圧（一次圧）が高いと台座バネの付勢力に抗して台座が弁体バネの支持部を弁座から離間させる方向に移動して、支持部に弁体バネを介して支持された弁体と弁座との隙間を小さくする。また、上流側の一次圧が低いと台座が弁体バネの支持部を弁座から離間させる方向に移動せず、弁体と弁座との隙間を大きくする。したがって、一次圧が高い場合に弁体と弁座との隙間を狭くして体積流量を減らすことで、質量流量の増大を抑制できるため、一次圧の高低によって生じる質量流量に対する閉作動特性の変動を抑制できる。

さらにまた、前記台座が、前記流体圧の受圧方向とは反対向きに大気圧を受圧する大気圧受圧部を備えていてもよい。

この構成によれば、台座が大気圧受圧部で上流側流体圧（一次圧）の受圧方向とは反対向きに大気圧を受圧するため、二次圧を受圧する場合のように二次圧による影響つまり下流側の運転状況による影響を抑制して台座の位置を調整できる。

本発明によれば、上流側流体圧（一次圧）によらずにある一定の質量流量にて弁体が閉弁する。即ち、電磁弁により経済的に過流防止を行なうことができるとともに、一次圧の高低によって生じる質量流量に対する閉作動特性の変動を抑制可能である。

＜第１実施形態＞
図１は、本実施形態に係る電磁弁が用いられる高圧タンク５の概略図である。尚、本実施形態における高圧タンク５は、燃料電池システムにおける高圧水素ガスを貯留するために使用可能なタンクである。

高圧タンク５の開口部には遮断弁（電磁弁）３が設けられている。また、高圧タンク５の圧力を検出する圧力センサ６と、この圧力センサ６の出力を監視するとともに遮断弁３を制御する制御装置１０とがさらに設けられている。

続いて、図２に遮断弁３の構造の一例を示す。図のように、遮断弁３は、流体（例えば水素ガス）の流路１５と、水素ガスを高圧側から低圧側に導くボディ１６と、このボディ１６に対して軸線方向（流体流れ方向）に移動可能に収容保持され流路１５を開閉する弁体１７と、を備えている。遮断弁３の弁体１７はソレノイドを構成するコイル１８により駆動されてストロークする。この際、コイル１８に給電される電流が制御装置１０により制御されて弁体１７が移動する（ストロークする）ようになっている。さらに、弁体１７はバネ２０により弁座１９に対して付勢されることにより流路１５が封止されるようになっている。

遮断弁３の開弁動作及び開弁状態保持はコイル１８の電磁力により行なう。図３に示したように、弁体１７には、上記バネ力と流体圧が閉弁方向に作用しており、制御装置１０により通常時は上記電磁力がこれら閉弁方向に作用する力を上回り、開弁を保持する。

遮断弁３の下流側の流路において破断等が発生した場合、遮断弁３の二次圧（当該弁の下流側の流体圧）が低下して流量が増加する。これにより、弁体１７に作用する流体力が増大し、これとバネ力との合力が上記電磁力を上回ると、閉弁することとなる（図４）。

ここで、図５に符号Ｘ１で示したように、コイル１８による電磁力が圧力によらず一定であるとすると、一次圧が高いほど閉作動時の質量流量は高くなってしまう（図６の符号Ｘ参照）。この点、本実施形態においては、図５の符号Ａ１で示したマップが制御装置１０の記憶部１０ａに記憶されており、制御装置１０は、現在の一次圧に適したコイル１８の電流を記憶部１０ａのマップから読み取って算出するようになっている。このマップは、図６に符号Ａで示したように、圧力に拘わらず弁体１７が閉となる質量流量（作動流量）が略一定となるような、保持電流と一次圧との関係を表したものである。即ち、図５の符号Ａ１のラインは、圧力が高いほど保持電流が低くなるようなマップである。

このように、本実施形態の遮断弁３によれば、タンク圧力によらずにある一定の質量流量にて閉弁する。即ち、遮断弁３により経済的に過流防止を行なうことができるとともに、一次圧の高低によって生じる質量流量に対する閉作動特性の変動を抑制可能である。さらに、コイル１８の保持電流を最適化させることができるので、消費電力を抑えることができる。

尚、電磁弁保持電流を、タンク圧力だけではなくガス温度も参照して決定してもよい。これにより、閉弁流量の精度を上げることができ、設計自由度の更なる向上、消費電流低減等が期待できる。この場合は、高圧タンク５に圧力センサ６だけではなく温度センサも設け、制御装置１０に該温度センサの出力が与えられるようにすればよい。さらに、記憶部１０ａに、作動流量が略一定となる、一次圧、およびガス温度の関係を記憶させておくことができる。

＜第２実施形態＞
次に本発明の第２実施形態について図７を用いて説明する。本実施形態の遮断弁（電磁弁）４は、過流防止装置２７ａが設けられたものである。過流防止装置２７ａを除く遮断弁４の主要な構成は遮断弁３と同様であるため、説明を省略する。

過流防止装置２７ａは、その外側部分を構成するケーシング３１を有しており、このケーシング３１には、高圧タンク５への連通側（図７左側）に第１孔部３２が形成され、この第１孔部３２の高圧タンク５とは反対側にこの第１孔部３２よりも小径の第２孔部３３が形成されている。

また、このケーシング３１には、第２孔部３３の第１孔部３２とは反対側にこの第２孔部３３よりも小径の第３孔部３４が形成されており、この第３孔部３４の第２孔部３３とは反対側にこの第３孔部３４よりも大径の第４孔部３５が形成されている。

さらに、ケーシング３１には、この第４孔部３５の第３孔部３４とは反対側にこの第４孔部３５よりも小径で、下流側に設けられた不図示の燃料電池へ連通する第５孔部３６が形成されている。ここで、これら第１孔部３２〜第５孔部３６は同一軸線上に形成されている。

加えて、ケーシング３１には、これら第１孔部３２〜第５孔部３６と同心の円筒状の収容空間部３８が第４孔部３５を囲むように外側に形成されており、第４孔部３５及び収容空間部３８の軸線方向中間部分は全周にわたって連通空間部３９で連通している。さらに、ケーシング３１には、収容空間部３８の軸線方向における第１孔部３２側の端面と第１孔部３２とを連通させる分岐流路４１が形成されており、また、収容空間部３８の軸線方向の連通空間部３９を挟んで両側の内径側それぞれに円環状のシール溝４２，４３が形成されている。加えて、ケーシング３１には収容空間部３８の第５孔部３６側に大気開放の大気圧ポート４４が形成されている。

また、過流防止装置２７ａは、第２孔部３３の内周面に嵌合される円環状のシート部材４６を有しており、このシート部材４６には、第１孔部３２側の内周側に面取りされた弁座４７が形成されている。

過流防止装置２７ａは、上記したケーシング３１内に摺動可能に設けられる台座４９を有している。この台座４９はケーシング３１の収容空間部３８に摺動可能に設けられる円筒状の摺動ベース部５０と、この摺動ベース部５０の軸線方向中間部から内側に円環状に延出し主として連通空間部３９内に配置される内フランジ部５１とを有しており、この内フランジ部５１の内周部は、第４孔部３５内まで延出している。また、この台座４９の摺動ベース部５０の外周面には円環状のシール溝５２が形成されている。

ここで、ケーシング３１の第１孔部３２側のシール溝４２には台座４９の摺動位置にかかわらず常に台座４９との隙間をシールするシールリング５３が配設され、第５孔部３６側のシール溝４３にも台座４９の摺動位置にかかわらず常に台座４９との隙間をシールするシールリング５４が配設され、台座４９のシール溝５２にも台座４９の位置にかかわらずケーシング３１との隙間をシールするシールリング５５が配設されている。

加えて、過流防止装置２７ａは、ケーシング３１の収容空間部３８内に、その軸線方向における第５孔部３６側の端面と台座４９の摺動ベース部５０との間に介装されるコイルスプリングからなる台座バネ５８が設けられている。この台座バネ５８は、台座４９を軸線方向における第１孔部３２側に付勢する。

さらに、過流防止装置２７ａは、台座４９の内フランジ部５１の内周側の支持部６０に一端側が固定され他端側がシート部材４６の内側を通過して第１孔部３２側まで延出するコイルスプリングからなる弁体バネ６１と、第１孔部３２内でこの弁体バネ６１の他端側に固定される弁体１７とを有している。

このような構造の過流防止装置２７ａは、ケーシング３１の第１孔部３２が高圧タンク５へ、第５孔部３６が燃料電池スタック側に向けた状態で吐出流路２２ａに配置されることになる。この状態で、過流防止装置２７ａは、弁体バネ６１を介して台座４９に支持された弁体１７が弁体バネ６１の付勢力に抗して移動して弁座４７に着座することで流路を閉止することになる。

また、このとき、一次圧が分岐流路４１を介して台座４９の摺動ベース部５０の第１孔部３２側の端面に、台座４９を台座バネ５８の方向に移動させるように作用することになり、その結果、この端面が、弁体バネ６１の支持部６０を弁座４７から離間させる方向に一次圧を受ける一次圧受圧部６３となっている。

さらに、台座４９の摺動ベース部５０の一次圧受圧部６３とは反対の端面が一次圧の受圧方向とは反対向きに大気圧を受圧する大気圧受圧部６４となっている。そして、台座バネ５８は、この台座４９を一次圧の受圧方向とは反対向きに付勢する。

以上の構造の過流防止装置２７ａによれば、台座４９の弁座４７に対する相対位置を上流側の一次圧によって調整可能としているため、台座４９に弁体バネ６１を介して支持された弁体１７と弁座４７との隙間を一次圧の高低に応じて可変にできる。

具体的には、上流側の一次圧が高いと、図７に示すように、分岐流路４１を介して一次圧受圧部６３に加わる圧力で台座４９が台座バネ５８の付勢力に抗して支持部６０を弁座４７から離間させる方向に移動することになり、支持部６０に弁体バネ６１を介して支持された弁体１７を軸線方向に沿って下流側に移動させて弁体１７と弁座４７との隙間を小さくする。

また、上流側の一次圧が低いと、分岐流路４１を介して一次圧受圧部６３に圧力が加わっても、台座４９が台座バネ５８の付勢力で移動せず、弁体１７と弁座４７との隙間を大きくすることになる。したがって、一次圧が高い場合に弁体１７と弁座４７との隙間を狭くして体積流量を減らすことで、質量流量の増大を抑制できるため、図６に符号Ａで示したように、一次圧の高低によって生じる質量流量に対する閉作動特性の変動を抑制でき、一定に制御できる。

しかも、台座４９が大気圧受圧部６４で一次圧の受圧方向とは反対向きに大気圧を受圧するため、二次圧を受圧する場合のように二次圧による影響つまり下流側の燃料電池の運転状況による影響を抑制して台座４９の位置を調整できる。

以上のように、本実施形態によれば、上記実施形態と同様の効果が得られると共に、圧力によらず作動流量を機械的に一定化させることができるため、上記第１実施形態におけるマップ（記憶部１０ａ）が不要となり、制御ロジックを簡素化させることができる。

尚、以上においては、弁座４７を位置固定で台座４９を一次圧に応じて移動可能にしたが、台座４９の弁座４７に対する相対位置を上流側の一次圧によって調整可能にできれば良く、台座４９を位置固定で弁座４７を一次圧に応じて移動可能にすることも可能である。

また、ケーシング３１が第１大気圧ポート４４を有しておらず、また、収容空間部３８の第５孔部３６側のシール溝４３及びシールリング５４を有していない構成であってもよい。この場合、台座４９の一次圧受圧部６３とは反対の端面が一次圧の受圧方向とは反対向きに下流側の二次圧を受圧する二次圧受圧部６５となる。

このような実施形態においても、上記と同様に、一次圧の高低によって生じる質量流量に対する閉作動特性の変動を抑制できることになり、これに加えて、大気圧ポート、シールリング及びシール溝を減らすことができるため、製造コスト及び部品点数を低減できる。

尚、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、本発明にかかる遮断弁（電磁弁）３を、タンク直下（システムにおける最上流）でガスを遮断するべく、パイロット式であって小型ソレノイドを利用した構造としてもよい。このような構造の遮断弁３を例示して説明すると以下のとおりである。

図８は高圧ガスタンク３０の主たる部分を構成しているタンク本体の一端部（口元部）に電磁弁からなる遮断弁３を装着した状態の要部を示す断面図であり、当該遮断弁３は高圧ガスタンク３０の外部からタンク室１０３内、すなわち高圧側に突入している。

遮断弁３は、筒状の筐体１０４を有し、該筐体１０４の上部が高圧ガスタンク３０の口元構成壁１０１ａにねじ１０５により螺着され、該筐体１０４の下部がタンク室１０３内に突入し、上端部が高圧ガスタンク３０の外部へ突出している。

筐体１０４内であって、タンク室１０３内に位置する部分には、励磁用のコイル（電磁コイル）１０６を巻設したボビン１０７が配設され、該ボビン１０７の内周には筒状のガイド１０８が設けられ、ボビン１０７の外周には保持筒１０９が嵌着されている。そして、該保持筒１０９が筐体１０４内に嵌挿されている。

ガイド１０８内にはプランジャ１１０が軸方向に摺動可能に配設され、該プランジャ１１０の一端にパイロットバルブ１１１が設けられ、他端はステータ１１２に接離可能に対向している。

そして、コイル１０６の通電によりプランジャ１１０がスプリング１１３に抗してステータ１１２側へ吸引され、パイロットバルブ１１１がパイロットシート１１４より離間して開弁し、コイル１０６の非通電によりスプリング１１３の付勢力によってパイロットバルブ１１１がパイロットシート１１４に圧接して閉弁する。

ガイド１０８の内周部であって、かつ、パイロットバルブ１１１の外周部にはパイロットシート１１４を有するメインバルブ１１５が軸方向に摺動可能に備えられているとともに該メインバルブ１１５に対向して筐体１０４側に環状のメインシート１１６が配設されており、メインバルブ１１５がメインシート１１６に接離可能に設けられている。

筐体１０４におけるメインシート１１６の中央部にはガス流出路１１７が形成され、メインバルブ１１５がメインシート１１６に圧接することによりガス流出路１１７が閉塞され、メインバルブ１１５がスプリング１１８によりメインシート１１６より離間することによりガス流出路１１７が開口される。

そして、コイル１０６に通電すると、プランジャ１１０が図２において下方へ移動し、タンク室１０３内の水素ガスが、筐体１０４に形成した流路１１９からメインバルブ１１５とガイド１０８との隙間１３０及びメインバルブ１１５とパイロットバルブ１１１との隙間１３１を通じてパイロットシート１１４部に流入して穴１３２からガス流出路１１７へ流出し、更に、流路１１９側とパイロットシート１１４部側との差圧が小さくなって、スプリング１１８の付勢力によりメインバルブ１１５がメインシート１１６より離間すると、タンク室１０３内の流体が、流路１１９からメインバルブ１１５とメインシート１１６との隙間を通じてガス流出路１１７より流出する。

筐体１０４は、例えばステンレス製またはアルミニウム製とされていて、その上部には、図３に示すように、上記ガス流出路（燃料流出路）１１７と、ガス流入路（燃料流入路）１２０とが所定の間隔をおいて貫通形成されている。これらガス流入路１２０及びガス流出路１１７は、例えばドリル等の穿孔工具によって加工される。

ガス流入路１２０には、通常時は当該ガス流入路１２０を閉状態に維持するが所定圧以上の圧力が外部から作用したとき、つまり、ガス充填時にはタンク室１０３内と外部との連通を許可する逆止弁（図示略）が配設されている。コイル１０６には、高圧ガスタンク３０の外部から電力を供給するハーネス（配線）１２１の一端が接続されている。

本実施形態においては、ハーネス通路１２０ａの上端開口部に密閉シール（シール部材）１２２が設けられている。つまり、ハーネス通路１２０ａは、ガス流入路１２０とその途中から兼用されており、高圧ガスタンク３０の外表面側に開口するハーネス通路１２０ａの開口部１２３ａに密閉シール１２２が設けられている。

ハーネス１２１は、高圧ガスタンク３０の外表面より内側に開口するガス流入路１２０の開口部１２３ｂからガス流入路１２０およびハーネス通路１２０ａを通り、大気側（高圧ガスタンク３０の外表面より外側）の密閉シール１２２を介してタンク外部へ引き出される。ハーネス１２１の他端は、コネクタ１２４に接続されている。このコネクタ１２４は、外部電線へ接続される。

本発明にかかる遮断弁（電磁弁）３は、このように、タンク直下（システムにおける最上流）でガスを遮断するべく、パイロット式であって小型ソレノイドを利用した構造であってもよい。こうした場合にも、流体流量が規定流量以上となる過流時にバルブを封止できるようにすることが可能である。

本実施形態に係る遮断弁が用いられる高圧タンクの概略図である。 同遮断弁の構造を示した断面図である。 同遮断弁が開状態で受ける力を示した模式図である。 過流時に同遮断弁が受ける力を示した模式図である。 本実施形態と従来技術における一次圧とソレノイドの保持電流との関係を示した図である。 本実施形態と従来技術における一次圧と作動質量との関係を示した図である。 第２実施形態に係る遮断弁の構造を示した断面図である。 本発明の他の実施形態を示す断面図である。

符号の説明

３…遮断弁（電磁弁）、４…遮断弁（電磁弁）、５…高圧タンク、１０…制御装置、１５…流路、１７…弁体、１８…ソレノイドのコイル、１９…弁座、６１…弁体バネ

Claims (6)

1. 流体の流路を開閉する弁体と、該弁体を電磁的に駆動してストロークさせるコイルとを備えた電磁弁において、
   前記流体の流体圧に抗して前記弁体を開状態に保持する前記コイルの保持電流値が、当該流体の流体圧に応じて制御装置により制御される電磁弁。
2. 前記コイルの保持電流値が、前記流体の流体圧にかかわらず略一定の質量流量となった場合に前記弁体が閉状態となるように当該弁体を開状態に保持する値に制御される請求項１に記載の電磁弁。
3. 前記流体の流体圧が増えるにつれ、前記コイルの保持電流値が少なくなるように制御されることを特徴とする請求項１または２に記載の電磁弁。
4. 流体の流路を開閉する弁体と、該弁体を電磁的に駆動してストロークさせるコイルとを備えた電磁弁において、
   弁体バネを介して台座に支持された前記弁体が前記弁体バネの付勢力に抗して移動して弁座に着座することで流路を閉止するものであり、前記台座の前記弁座に対する相対位置を上流側の流体圧によって調整可能とした電磁弁。
5. 前記台座が移動可能であって前記弁体バネの支持部を前記弁座から離間させる方向に前記流体圧を受ける流体圧受圧部を有しており、該台座を前記流体圧の受圧方向とは反対向きに付勢する台座バネを備えた請求項４に記載の電磁弁。
6. 前記台座が、前記流体圧の受圧方向とは反対向きに大気圧を受圧する大気圧受圧部を備えている請求項５に記載の電磁弁。

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