JP6916033B2

JP6916033B2 - 電磁弁

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Publication number: JP6916033B2
Application number: JP2017085248A
Authority: JP
Inventors: 良輔堀; 洋樹矢橋; 浩司木田; 昭夫中村; 鈴木　琢也; 琢也鈴木
Original assignee: JTEKT Corp; Toyota Motor Corp
Current assignee: JTEKT Corp; Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-04-24
Filing date: 2017-04-24
Publication date: 2021-08-11
Anticipated expiration: 2037-04-24
Also published as: DE102018108984A1; US20180306343A1; JP2018184971A; US10655746B2

Description

本発明は、電磁弁に関する。

従来、流体の流路を切り替えるために、電磁弁が用いられている。電磁弁としては、一般に、コイルと、コイルへの通電に伴い軸線方向に移動する弁体と、弁体の移動により開閉する弁部と、を有する構成が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−３７２１６４号公報

電磁弁を設けた流路を流れる流体がガスである場合に、ガス中に液水が混入される場合がある。このような場合には、ガス中の液水が電磁弁に侵入し得る。そして、電磁弁の内部に液水が浸入した状態で温度が低下すると、電磁弁内で液水が凍結し、電磁弁の開閉動作が妨げられて、電磁弁が正常に動作し難い事態が生じる可能性がある。

特に、電磁弁においては、コイルへの通電時に磁路を適切に形成するために、弁体と、弁体の外側に配置される部材（スリーブ）との間の距離は、一般に小さく抑えられている。弁体とスリーブとの間のような狭い隙間においては、液水は特に凍結しやすいと考えられる。そのため、弁体の周りの隙間に液水が侵入する場合に、凍結に起因する電磁弁の動作不良を抑える技術が望まれていた。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
本発明の第１の形態は、ガス流路に用いる電磁弁であって、コイルと、前記コイルの内部に配置される弁体収納部と、前記弁体収納部の内部に配置され、前記コイルへの通電に伴い軸線方向に移動する弁体と、前記弁体の移動により前記ガス流路を開閉する弁部と、を備え、前記弁体における前記弁体収納部に対向する表面、および、前記弁体収納部における前記弁体に対向する表面のうちのいずれか一方は、軸線方向に延びる第１の溝と、前記第１の溝と交差して周方向に延びる第２の溝と、を有し、前記第１の溝は、少なくとも前記第２の溝から弁部側に延びるように形成され、前記第１の溝および前記第２の溝は、前記弁体に形成されており、前記第１の溝は、前記弁体における弁部側の端部から軸線方向に延びるように形成され、前記弁体において、前記第２の溝と、前記弁体における弁部側の端部との間の軸線方向の長さは、前記第２の溝と、前記弁体における弁部側とは反対側の端部との間の軸線方向の長さよりも短い、電磁弁である。
本発明の第２の形態は、ガス流路に用いる電磁弁であって、コイルと、前記コイルの内部に配置される弁体収納部と、前記弁体収納部の内部に配置され、前記コイルへの通電に伴い軸線方向に移動する弁体と、前記弁体の移動により前記ガス流路を開閉する弁部と、を備え、前記弁体における前記弁体収納部に対向する表面、および、前記弁体収納部における前記弁体に対向する表面のうちのいずれか一方は、軸線方向に延びる第１の溝と、前記第１の溝と交差して周方向に延びる第２の溝と、を有し、前記第１の溝は、少なくとも前記第２の溝から弁部側に延びるように形成され、前記第１の溝および前記第２の溝は、前記弁体収納部に形成されており、前記第１の溝の弁部側の端部は、前記弁部の開弁時において、前記弁体における弁部側の端部よりも弁部側に位置する電磁弁である。本発明は以下の形態としても実現できる。

（１）本発明の一形態によれば、ガス流路に用いる電磁弁が提供される。この電磁弁は、コイルと；前記コイルの内部に配置される弁体収納部と；前記弁体収納部の内部に配置され、前記コイルへの通電に伴い軸線方向に移動する弁体と；前記弁体の移動により前記ガス流路を開閉する弁部と；を備える。前記弁体における前記弁体収納部に対向する表面、および、前記弁体収納部における前記弁体に対向する表面のうちのいずれか一方は、軸線方向に延びる第１の溝と、前記第１の溝と交差して周方向に延びる第２の溝と、を有する。前記第１の溝は、少なくとも前記第２の溝から弁部側に延びるように形成される。
この形態の電磁弁によれば、電磁弁に供給されるガス中に液水が含まれて、弁体と弁体収納部との間の隙間に液水が侵入し、侵入した液水が凍結する場合であっても、凍結に起因する電磁弁の動作不良を抑えることができる。

（２）上記形態の電磁弁において、前記第１の溝および前記第２の溝は、前記弁体に形成されており、前記第１の溝は、前記弁体における弁部側の端部から軸線方向に延びるように形成されることとしてもよい。この形態の電磁弁によれば、第１および第２の溝からの排水を、より容易にして、液水の凍結に起因する不都合を抑えることができる。

（３）上記形態の電磁弁は、前記弁体において、前記第２の溝と、前記弁体における弁部側の端部との間の軸線方向の長さは、前記第２の溝と、前記弁体における弁部側とは反対側の端部との間の軸線方向の長さよりも短いこととしてもよい。この形態の電磁弁によれば、弁体と弁体収納部との間の隙間に侵入した液水を、速やかに第２の溝において周方向に広げることができるため、侵入した液水が凍結したときに、凍結に起因する弁体の固着状態を解除することが、より容易になる。また、侵入した液水を、弁体と弁体収納部との間の距離がより広い第２の溝において速やかに保持することができるため、液水の凍結を抑制することができる。

（４）上記形態の電磁弁において、さらに、前記コイルに対して軸線方向の弁部側に配置される底面部を有し、前記コイルに通電される際には、前記底面部において磁路の一部が形成される磁路形成部材を備え；前記底面部における前記弁体収納部に近接する側の端部は、前記弁部の閉弁時において、前記第２の溝の弁部側の端部よりも弁部側に配置されることとしてもよい。この形態の電磁弁によれば、閉弁時において、底面部の上記端部と弁体との間の距離を、より短くすることができる。そのため、閉弁時にコイルに通電する際に、より容易に磁路を形成することができ、消費電力を削減することができる。

（５）上記形態の電磁弁において、前記第１の溝および前記第２の溝は、前記弁体収納部に形成されており、前記第１の溝の弁部側の端部は、前記弁部の開弁時において、前記弁体における弁部側の端部よりも弁部側に位置することとしてもよい。この形態の電磁弁によれば、第１および第２の溝からの排水を、より容易にして、液水の凍結に起因する不都合を抑えることができる。

（６）上記形態の電磁弁において、前記第２の溝の弁部側の端部は、前記弁部の開弁時における前記弁体の軸線方向の中心よりも弁部側に位置することとしてもよい。この形態の電磁弁によれば、弁体と弁体収納部との間の隙間へと弁部側から液水が侵入するときに、侵入した液水を、より速やかに第２の溝に導くことができる。そのため、液水が凍結して弁体が固着される不都合を抑制する効果を高めることができる。

（７）上記形態の電磁弁において、前記第１の溝における弁部側とは反対側の端部は、前記第２の溝と重なることとしてもよい。この形態の電磁弁によれば、弁体と弁体収納部との間の隙間に侵入した液水を、より確実に周方向に導くことができ、侵入した液水が凍結したときに、凍結に起因する弁体の固着状態を解除することが、より容易になる。

本発明は、上記以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、電磁弁用の弁体、電磁弁用の弁体収納部、および、電磁弁における凍結防止方法等の形態で実現することができる。

第１実施形態の電磁弁の閉弁時の様子を表わす断面図である。第１実施形態の電磁弁の開弁時の様子を表わす断面図である。プランジャの外観を拡大して示す説明図である。比較例の電磁弁の構成を表わす断面図である。コイルとプランジャを含む部分を拡大して示す説明図である。プランジャの断面図である。プランジャの断面図である。プランジャの断面図である。第２実施形態の電磁弁の開弁時の様子を表わす断面図である。スリーブとプランジャとを含む部分を拡大して示す説明図である。変形例のプランジャの外観を示す説明図である。

Ａ．第１実施形態：
図１および図２は、本発明の第１実施形態としての電磁弁１０の断面図である。図１は閉弁時の様子を表わし、図２は開弁時の様子を表わす。

本実施形態では、電磁弁１０は、水素タンクおよび燃料電池を備える燃料電池システムを搭載する燃料電池自動車に設けられている。そして、電磁弁１０は、燃料電池自動車の外部から水素タンクへと水素が供給される流路、および、水素タンクから燃料電池へと水素が供給される流路の切り替えを行なう。本実施形態の電磁弁１０は、コイル３０、本体部３７、プランジャ２０、弁部４５、ヨーク３４、スプリング３１、ストッパ３８、および、ハウジング３６を備える。コイル３０、本体部３７、プランジャ２０、弁部４５、ヨーク３４、スプリング３１、およびストッパ３８は、ハウジング３６内に収納されている。なお、図１および図２に示す断面図において、プランジャ２０については、断面ではなく外観形状を表わしている。

コイル３０は、コイル３０に対する通電の制御により、励磁、消磁を制御される。コイル３０は、略円筒形状のヨーク３４内に収納されている。ヨーク３４は、コイル３０に通電される際には磁路の一部を形成する。ヨーク３４は、磁路形成部材とも呼ぶ。

プランジャ２０は、磁性体であり、コイル３０の励磁および消磁に応じて移動する。以下では、プランジャ２０およびコイル３０の中心軸の方向を軸線方向と呼ぶ。そして、軸線方向に垂直な方向を水平方向と呼び、水平方向のうち、特に上記中心軸を通過する方向を径方向と呼ぶ。また、軸線方向のうち、コイル３０の励磁に応じてプランジャ２０が移動する方向を、開弁方向とも呼び、図１および図２ではＸ方向として示す。本実施形態の電磁弁１０は、プランジャ２０の表面形状に特徴があるが、プランジャ２０の表面形状については後に詳述する。なお、プランジャ２０は、弁体とも呼ぶ。

スプリング３１は、一端がプランジャ２０に取り付けられており、プランジャ２０を、開弁方向とは反対方向に押圧する。以下では、軸線方向のうち、開弁方向とは反対方向を閉弁方向とも呼び、図１および図２ではＹ方向として示す。

本体部３７は、スリーブ３２と基部３３とを備える。本体部３７において、コイル３０の内部に配置された略円筒形の部分がスリーブ３２であり、コイル３０よりもＹ方向に配置され、後述する流路が内部に形成される部分が基部３３である。本体部３７の内部には連通空間４４が形成されており、この連通空間４４内に、プランジャ２０が配置されている。スリーブ３２は、プランジャ２０の側面と対向する部材である。スリーブ３２は、弁体収納部とも呼ぶ。

基部３３の内部には、複数の流路が形成されており、これらの流路は、ハウジング３６内に形成されている流路と連続して設けられている。基部３３の内部には、ハウジング３６内に形成される流路と連続して設けられる流路として、流路４０〜４２が形成されている。流路４０は、図示しない水素タンクと連通空間４４とに連通しており、水素タンクから排出される高圧の水素ガスを連通空間４４に導く。流路４１は、図示しない燃料電池のアノード側流路と連通空間４４とに連通可能となっており、電磁弁１０が開弁したときには、流路４０を介して水素タンクから連通空間４４に供給された水素を、燃料電池に供給する。流路４２は、図示しない開閉弁と連通空間４４とに連通している。上記開閉弁は通常は閉塞されているが、上記開閉弁が開弁されたときには、連通空間４４内の水素ガスを外部に排出可能になる。

ストッパ３８は、コイル３０の内部に固定されており、スリーブ３２と共に、既述した連通空間４４の壁面の一部を構成する。ストッパ３８には、スプリング３１の他端が固定されている。

弁部４５は、弁体先端部２３および弁座３５を備える。弁体先端部２３は、プランジャ２０のＹ方向の端部に設けられている。弁座３５は、本体部３７（基部３３）の内壁面であって、弁体先端部２３と対向すると共に、流路４１が開口する面において、弁体先端部２３と当接可能な位置に設けられている。具体的には、弁座３５は、流路４１の開口部の外周全体を囲むように設けられている。弁座３５は、例えばゴム、または樹脂により形成することができる。電磁弁１０は、弁体先端部２３が弁座３５に着座することにより閉弁し、弁体先端部２３が弁座３５から離間することにより開弁する。これにより、流路４０と流路４１とを連通させるガス流路が開閉する。

図１は、電磁弁１０の消磁時における状態、すなわち、コイル３０に電流を流しておらず、プランジャ２０を引き上げる吸引力が生じていない様子を示す。このとき、弁部４５は、スプリング３１によって閉弁されているため、連通空間４４内の水素ガスが、流路４１側の燃料電池に供給されることはない。

図２は、電磁弁１０の励磁時における状態、すなわち、コイル３０に電流を流しているときの様子を示す。このとき、弁部４５は開弁しているため、流路４０を介して水素タンクから連通空間４４に供給された水素ガスは、流路４１を介して燃料電池に供給される。

図３は、プランジャ２０の外観を拡大して示す説明図である。プランジャ２０には、その側面、すなわち、スリーブ３２に対向する表面に、第１の溝２１および第２の溝２２が設けられている。第１の溝２１は、プランジャ２０のＹ方向の端部（弁部４５側の端部）からＸ方向に向かって、軸線方向に延びる溝である。第２の溝２２は、第１の溝２１におけるＸ方向の端部と交差して、プランジャ２０の周方向に延びる環状の溝である。

本実施形態のプランジャ２０は、全体として略円柱形状となっている。そして、第１の溝２１および第２の溝２２が形成される部位以外の部位は、ほぼ同じ外径を有している。そのため、第１の溝２１および第２の溝２２が設けられている部位では、他の部位に比べて、弁体収納部であるスリーブ３２との間の距離が、より長くなっている。

以上のように構成された本実施形態の電磁弁１０によれば、電磁弁１０に供給されるガス中に液水が含まれて、プランジャ２０とスリーブ３２との間の隙間に液水が侵入し、侵入した液水が凍結する場合であっても、凍結に起因する電磁弁１０の動作不良を抑えることができる。以下、凍結に起因する電磁弁１０の動作不良の抑制について説明する。

図４は、比較例としての電磁弁であって、プランジャ２０に代えてプランジャ１２０を備える電磁弁１１０の構成を表わす断面図である。電磁弁１１０は、プランジャ１２０以外の部分は電磁弁１０と共通しており、共通する部分には同じ参照番号を付して詳しい説明を省略する。なお、図４の断面図において、プランジャ１２０については、断面ではなく外観形状を表わしている。

図４に示すように、第１の溝２１および第２の溝２２が形成されない平坦な側面を有するプランジャ１２０を用いる場合には、プランジャ１２０の側面とスリーブ３２との間が一様に近接するため、侵入した液水は、プランジャ１２０とスリーブ３２との間の空隙における軸線方向と周方向の双方に、広い範囲にわたって広がる。そのため、このような液水が凍結すると、プランジャ１２０の軸線方向の動きが妨げられて、電磁弁１１０は動作不良を起こしやすくなる。

これに対して、本実施形態の電磁弁１０は、プランジャ２０において、第１の溝２１および第２の溝２２が設けられている。このような構成では、プランジャ２０とスリーブ３２との間に侵入する液水の量が、より少ない場合には、図１および図２に示すように、侵入した液水Ｗが第１の溝２１および第２の溝２２内に保持されて、プランジャ２０とスリーブ３２との間の隙間に広がることが抑制される。そのため、侵入した液水が凍結する場合であっても、凍結に起因してプランジャ２０の軸線方向の動きが妨げられることが抑えられる。

また、プランジャ２０とスリーブ３２との間に侵入する液水の量がより多くなり、第１の溝２１および第２の溝２２の全体を塞ぐ量に達する場合であっても、スリーブ３２との間の間隔がより広い第１の溝２１および第２の溝２２において液水を保持することができる。そのため、プランジャ２０とスリーブ３２との間の距離がより短い他の領域において液水が広がることを抑えることができる。液水は、狭い隙間で薄く広がって存在する場合よりも、より広い空間内で、より大きな塊として存在する場合の方が、凍結し難い。したがって、第１の溝２１および第２の溝２２で液水を保持することにより、液水の凍結に起因する電磁弁１０の動作不良を抑えることができる。

また、電磁弁１０では、周方向に延びる第２の溝２２が設けられているため、プランジャ２０とスリーブ３２との間に侵入した液水を周方向に導いて、軸線方向に広がることを抑制可能となる。プランジャ２０とスリーブ３２との間で液水が凍結する場合には、凍結した水が軸線方向に延びる領域が小さいほど、プランジャ２０が軸線方向に移動する際に、凍結に起因するプランジャ２０の固着状態を解除することがより容易になる。第１の溝２１によって液水を周方向に導くことで、液水が凍結した場合であっても、プランジャ２０の固着状態を解除し易くして、凍結に起因する不都合を抑制することができる。

また、プランジャ２０が、第１の溝２１と共に第２の溝２２を有すると、プランジャ２０とスリーブ３２との間の隙間に侵入した液水の排水が、より容易になり、液水の凍結に起因する電磁弁１０の動作不良を抑える効果を高めることができる。電磁弁１０に高圧の水素ガスが供給される際には、水素ガスは、プランジャ２０とスリーブ３２との間の隙間に流入して、上記隙間の内部をＸ方向に流れると共に、スプリング３１近傍のＸ方向端部に達した後はＹ方向に流れて、上記隙間から排出されるという流れを形成する。このとき、プランジャ２０に第１の溝２１が形成されていると、水素ガスがＹ方向に流れる際に、第１の溝２１および第２の溝２２内に滞留する液水を、第１の溝２１を介して排出することができる。

図４に示す比較例の電磁弁１１０において、プランジャ１２０とスリーブ３２との間の距離をより大きくして、侵入した液水を凍結し難くする方策も考えられる。しかしながら、プランジャ１２０とスリーブ３２との距離をより大きくすると、電磁弁１１０の開弁時にプランジャ１２０を引き上げるために、コイル３０においてより大きな電流を流す必要が生じ、消費電力が増大するため、採用し難い。本実施形態では、第１の溝２１および第２の溝２２が形成される部位以外は、プランジャ２０とスリーブ３２との間の距離を十分に縮めることが可能であるため、コイル３０に流すべき電流が大きくなる不都合を抑えることができる。

なお、電磁弁１０に供給される水素ガスに液水が含まれる原因としては、例えば、電磁弁１０を備える燃料電池自動車の水素タンクに水素ガスを充填する際に、燃料電池自動車における水素ガスの供給口から、雨水が浸入する場合が考えられる。また、供給される水素ガスの純度が比較的低い場合には、水素ガスに水蒸気が含まれており、この水蒸気が凝縮する場合が考えられる。このように、水素ガスに液水が含まれる場合には、電磁弁１０内に高圧の水素ガスが供給されると、水素ガスの圧力によって、プランジャ２０とスリーブ３２との隙間に液水が侵入する場合がある。

電磁弁１０内で液水が凍結する原因としては、例えば、燃料電池自動車の環境温度の低下が挙げられる。燃料電池システムの停止中に環境温度が低下して、プランジャ２０とスリーブ３２との間に侵入した液水が凍結すると、次回に燃料電池システムを起動する際に、電磁弁１０の開弁が妨げられて、燃料電池に対する水素ガスの供給に不都合が生じる可能性がある。

また、電磁弁１０内で液水が凍結する原因としては、電磁弁１０に供給される水素ガスの温度が低いことにより、電磁弁１０の開弁中に電磁弁１０内で液水が凍結する場合も挙げられる。例えば、高圧の水素ガスを貯蔵する水素タンクから水素ガスを取り出す際には、例えば水素タンク内で水素ガスが断熱膨張することにより、水素タンクから放出される水素ガスの温度が低下する。このような低温の水素ガスが供給され続けることにより電磁弁１０の温度が低下して、プランジャ２０とスリーブ３２との間に侵入した液水が凍結する場合がある。電磁弁１０の開弁中に液水が凍結すると、燃料電池の発電を停止する際に電磁弁１０を閉弁する動作が妨げられる。その結果、燃料電池の発電停止時に、不要な水素ガスが燃料電池に供給されることに起因する不都合が生じ得る。

図３では、プランジャ２０において、弁部４５側の端部（Ｙ方向の端部）と第２の溝２２との間の距離を、距離Ａとして示し、弁部４５とは反対側の端部（Ｘ方向の端部）と第２の溝２２との間の距離を、距離Ｂとして示している。なお、プランジャ２０における弁部４５側の端部とは、プランジャ２０において、第１の溝２１および第２の溝２２が設けられる部分以外ではスリーブ３２との間の距離が略一定である部位のＹ方向の端部である。本実施形態の弁体先端部２３は、縮径して形成されている。そのため、本実施形態では、上記したプランジャ２０のＹ方向の端部は、プランジャ２０における弁体先端部２３との境界を指す。

この距離Ａと距離Ｂとの間の大小関係は、任意に設定可能であるが、距離Ａ＜距離Ｂとすることが望ましい。プランジャ２０とスリーブ３２との間の隙間への液水の侵入は、プランジャ２０におけるＹ方向の端部側から行なわれるため、距離Ａ＜距離Ｂとすることで、侵入した液水を、より速やかに第２の溝２２に導くことができる。これにより、より速やかに、侵入した液水を周方向に広げて、液水が軸線方向にわたって長く広がることを抑制可能となる。そのため、侵入した液水が凍結したときに、凍結に起因するプランジャの固着状態を解除することが、より容易になる。また、距離Ａ＜距離Ｂとすることで、より速やかに、プランジャ２０とスリーブ３２との間の距離がより広い部位である第２の溝２２において液水を保持できる。そのため、液水の凍結を抑え、凍結に起因する不都合を抑制する効果を高めることができる。

図５は、図１において、コイル３０とプランジャ２０を含む部分を拡大して示す説明図である。電磁弁１０において、コイル３０に通電する際には、コイル３０の周囲において、プランジャ２０、ストッパ３８、スリーブ３２、およびヨーク３４にわたって磁路が形成される。これらの部材の位置関係は、コイル３０に通電したときに吸引力を生じてプランジャ２０を移動可能ならば任意に設定可能であるが、磁路の形成がより容易であることが望ましい。以下に、コイル３０を内部に収納して磁路の一部が形成されるヨーク３４と、プランジャ２０との位置関係について説明する。

図５では、図１と同様の閉弁状態において、開弁するためにコイル３０に通電したときに形成される磁路ＭＰを、一点鎖線により概念的に示している。ヨーク３４は、軸線方向に延びる円筒状の部位と共に、コイル３０に対して軸線方向の弁部４５側に配置される底面部３９を有する。すなわち、底面部３９は、コイル３０の弁部４５側の端部（Ｙ方向の端部）を覆い、径方向内側に延びるように形成されている。底面部３９のスリーブ３２に近接する端部におけるＹ方向端と水平方向に重なる位置を、図５では破線Ｌ２によって示している。また、図５では、閉弁時における第２の溝２２のＹ方向の端部と水平方向に重なる位置を、破線Ｌ１によって示している。

図５に示すように、底面部３９のスリーブ３２に近接する端部におけるＹ方向端は、閉弁時において、第２の溝２２のＹ方向の端部よりも弁部４５側（Ｙ方向側）となるように配置される（破線Ｌ１よりも破線Ｌ２の方がＹ方向に位置する）ことが望ましい。これにより、底面部３９の端部は、閉弁時において、第２の溝２２よりもＹ方向の位置においてプランジャ２０に最も近接することができる。そのため、底面部３９の端部のＹ方向端が第２の溝２２においてプランジャ２０に最も近接する場合に比べて、底面部３９の端部とプランジャ２０との間の距離を、より短くすることができる。そのため、プランジャ２０に第２の溝２２を設けていても、閉弁状態においてコイル３０に通電する際に、より容易に磁路を形成することができ、電磁弁１０における消費電力を抑制することができる。ただし、破線Ｌ２が破線Ｌ１よりもＹ方向に位置することは必須ではなく、この関係を満たさなくても、第１の溝２１および第２の溝２２を設けることによって凍結に起因する不都合を抑える既述した効果は得られる。

なお、閉弁時において破線Ｌ２が破線Ｌ１よりもＹ方向に位置するならば、開弁時にプランジャ２０がＸ方向に吸引されたときにも、破線Ｌ２の位置は破線Ｌ１の位置（第２の溝２２のＹ方向の端部の位置）よりもＹ方向側とすることができる。電磁弁１０では、閉弁時と開弁時のいずれであっても、プランジャ２０における第２の溝２２よりもＹ方向の部位と、底面部３９の端部とが、水平方向に重なることが望ましい。

本実施形態の電磁弁１０では、底面部３９は、ヨーク３４の一部として形成したが、異なる構成としてもよい。電磁弁が、磁路の一部が形成される磁路形成部材として、コイル３０に対してＹ方向側に配置される底面部３９を有する磁路形成部材を備えており、底面部３９におけるスリーブ３２に近接する側の端部が、閉弁時において、プランジャ２０の第２の溝２２のＹ方向の端部よりもＹ方向側に配置されていればよい。

図６〜図８は、本実施形態、および本実施形態の変形例のプランジャの断面図である。図６は、第１実施形態の電磁弁１０が備えるプランジャ２０の、図３におけるＶＩ−ＶＩ断面の様子を表わす断面図である。すなわち、図６は、第１の溝２１および第２の溝２２を含み、プランジャ２０の中心軸を含む断面の様子を表わす。図７は、第１実施形態の第１の変形例としてのプランジャ２０ａにおける図６と同様の断面を表わす。図８は、第１実施形態の第２の変形例としてのプランジャ２０ｂにおける図６同様の断面を表わす。図６〜図８において、第１の溝２１の深さは深さＤ１と表わしており、第２の溝２２の深さは深さＤ２と示している。図６〜図８に示すように、第１の溝２１および第２の溝２２の深さは、任意に設定可能である。

図６に示すように、本実施形態のプランジャ２０では、第１の溝２１の深さＤ１と、第２の溝２２の深さＤ２とは等しい。このような構成とすれば、プランジャ２０において、第１の溝２１および第２の溝２２の加工が容易になる。加工が容易になることで、製造コストを削減可能になる。図７に示すように、プランジャ２０ａでは、第１の溝２１の深さＤ１の方が、第２の溝２２の深さＤ２よりも浅い。このような構成とすれば、プランジャ全体で、プランジャとヨーク３４の底面部３９との間の距離をより短くすることができ、磁路の確保がより容易になる。磁路の確保が容易になることで、コイル３０に通電する際の消費電力の削減が可能になる。図８に示すように、プランジャ２０ｂでは、第１の溝２１の深さＤ１の方が、第２の溝２２の深さＤ２よりも深い。このような構成とすれば、第２の溝２２に滞留する液水を第１の溝２１を介して排水し易くなる。そのため、プランジャとスリーブ３２との間に滞留する液水の凍結を抑制する効果を高めることができる。

Ｂ．第２実施形態：
図９は、本発明の第２実施形態としての電磁弁２１０を、図１および図２と同様にして示す断面図である。電磁弁２１０は、第１実施形態の電磁弁１０におけるプランジャ２０に代えて図４と同様のプランジャ１２０を備えると共に、本体部３７に代えて本体部２３７を備える以外は第１実施形態と同様の構成であるため、第１実施形態と共通する部分には同じ参照番号を付して、詳しい説明を省略する。第２実施形態の本体部２３７は、スリーブ３２に代えてスリーブ２３２を有している。プランジャ１２０は、弁体とも呼び、スリーブ２３２は、弁体収納部とも呼ぶ。なお、図９は、図２と同様に開弁状態を表わす。

電磁弁２１０においては、プランジャ１２０は第１の溝２１および第２の溝２２を有しないが、スリーブ２３２の内壁面、すなわちプランジャ１２０に対向する表面には、第１の溝２２１および第２の溝２２２が形成されている。第１の溝２２１は、プランジャ１２０の側面に対向するスリーブ２３２の内壁面のＹ方向の端部からＸ方向に向かって、軸線方向に延びる溝である。第２の溝２２２は、第１の溝２２１におけるＸ方向の端部と交差して、スリーブ２３２の周方向に延びる環状の溝である。第１の溝２２１および第２の溝２２２が設けられている部位では、他の部位に比べて、弁体収納部であるスリーブ２３２とプランジャ１２０との間の距離が、より長くなっている。

以上のように構成された本実施形態の電磁弁２１０によれば、スリーブ２３２が第１の溝２２１および第２の溝２２２を有するため、第１実施形態と同様の効果が得られる。すなわち、電磁弁２１０に供給されるガス中に液水が含まれて、プランジャ１２０とスリーブ２３２との間の隙間に液水が侵入し、侵入した液水が凍結する場合であっても、凍結に起因する電磁弁２１０の動作不良を抑えることができる。より具体的には、第１の溝２２１および第２の溝２２２において液水を保持することにより、液水の凍結を抑制することができる。また、周方向に延びる第２の溝２２２が設けられているため、プランジャ１２０とスリーブ２３２との間に侵入した液水を周方向に導いて、軸線方向に広がることを抑制可能となる。その結果、侵入した液水が凍結したときに、凍結に起因するプランジャ１２０の固着状態の解除がより容易になる。また、第１の溝２２１と共に第２の溝２２２を有するため、第１の溝２２１内の液水の排水が、より容易になり、液水の凍結に起因する電磁弁２１０の動作不良を抑える効果を高めることができる。

図１０は、図９におけるスリーブ２３２とプランジャ１２０とを含む部分を拡大して示す説明図である。図１０では、開弁時においてプランジャ１２０の弁部４５側の端部（Ｙ方向の端部）と水平方向に重なる位置を、破線Ｌ３によって示している。また、第１の溝２２１のＹ方向の端部の位置を、破線Ｌ４によって示している。第２実施形態では、第１の溝２２１は、プランジャ１２０の側面に対向するスリーブ２３２の内壁面におけるＹ方向の端部からＸ方向に向かって延びるように形成されているが、異なる構成としてもよい。第１の溝２２１は、開弁時においてプランジャ１２０の弁部４５側の端部と水平方向に重なる位置（破線Ｌ３の位置）よりＹ方向側からＸ方向に向かって軸線方向に延びるように形成されていればよい。このようにすれば、水素ガスの流れを利用して、第２の溝２２２に滞留する液水を、第１の溝２２１を介して排出することができる。ただし、電磁弁２１０の開弁時に直ちに上記した効果を得るためには、第１の溝２２１は、閉弁時においても、プランジャ１２０における弁部４５側の端部と水平方向に重なる位置よりＹ方向側からＸ方向に向かって軸線方向に延びるように形成されることが望ましい。

さらに、図１０では、スリーブ２３２に設けた第２の溝２２２における弁部４５側の端部と水平方向に重なる位置を、破線Ｌ５によって示している。また、開弁時におけるプランジャ１２０の軸線方向の中心と水平方向に重なる位置を、破線Ｌ６によって示している。破線Ｌ５と破線Ｌ６の位置関係は、任意に設定可能であるが、破線Ｌ５が破線Ｌ６よりも弁部４５側となることが好ましい。すなわち、第２の溝２２２のＹ方向の端部は、開弁時におけるプランジャ１２０の軸線方向の中心よりも弁部４５側に位置することが好ましい。このようにすれば、プランジャ１２０とスリーブ２３２との隙間に、プランジャ１２０における弁部４５側の端部から液水が侵入するときに、侵入した液水を、より速やかに第２の溝２２２に導くことができる。そのため、液水が凍結してプランジャ１２０が固着される不都合を抑制する効果を高めることができる。

第２実施形態では、第１実施形態における図７と同様に、第１の溝２２１は第２の溝２２２よりも浅く形成しているが（図９および図１０参照）、異なる構成としてもよい。図６と同様に、第１の溝２２１と第２の溝２２２の深さを同じにしてもよく、図８と同様に、第１の溝２２１を第２の溝２２２よりも深く形成してもよい。

Ｃ．変形例：
・変形例１：
上記した第１および第２実施形態の電磁弁１０，２１０では、周方向に延びる第２の溝２２，２２２は、軸線方向に延びる第１の溝２１，２２１のＸ方向の端部と重なることとしたが、異なる構成としてもよい。具体的には、第２の溝は、第１の溝のＸ方向の端部よりもＹ方向の位置で、第１の溝と交差していてもよい。このような構成としても、第１の溝が液水を周方向に導くことによる同様の効果が得られる。ただし、プランジャとスリーブとの間に侵入した液水を、より確実に周方向に導くためには、第１の溝のＸ方向の端部が、第２の溝と重なることが望ましい。

また、第１実施形態の電磁弁１０では、第１の溝２１は、プランジャ２０における弁部側（Ｙ方向側）の端部からＸ方向へと軸線方向に延びるように形成されているが、異なる構成としてもよい。具体的には、第１の溝２１のＹ方向の端部は、プランジャ２０におけるＹ方向の端部から離間していてもよい。また、第２実施形態の電磁弁２１０では、第１の溝２２１の弁部側（Ｙ方向側）の端部は、開弁時において、プランジャ１２０におけるＹ方向の端部よりもＹ方向側に位置しているが、異なる構成としてもよい。すなわち、第１の溝２２１のＹ方向の端部は、開弁時において、プランジャ１２０におけるＹ方向の端部よりもＸ方向に位置していてもよい。

以上のように、第１および第２の溝の形状は、第２の溝が、第１の溝におけるＹ方向の端部から離間する位置で第１の溝と交差して、周方向に延びる形状であればよい。

・変形例２：
上記した第１および第２実施形態の電磁弁１０，２１０では、第２の溝２２，２２２は、環状の溝、すなわち、プランジャ２０あるいはスリーブ２３２の全周にわたって連続して形成しているが、異なる構成としてもよい。第２の溝２２，２２２は、第１の溝２１，２２１と交差して、第１の溝２１，２２１の周方向の幅を超えて、周方向に延びていればよい。ただし、第２の溝２２，２２２において液水を保持する性能を確保するためには、第２の溝２２，２２２が周方向に延びる長さは長い方が望ましい。具体的には、第２の溝２２，２２２が周方向に延びる長さは、プランジャ２０あるいはスリーブ２３２の全周の長さの３分の１以上が望ましく、２分の１以上がより望ましく、３分の２以上がさらに望ましい。

・変形例３：
上記した第１および第２実施形態の電磁弁１０，２１０では、単一の第１の溝２１，２２１を設けたが、複数の第１の溝２１，２２１を設けてもよい。第１の溝２１，２２１の数が少ないほど、スリーブ３２，２３２とプランジャ２０，１２０との間の距離が確保し易いため、磁路の形成が容易になる。一方、第１の溝２１，２２１の数が多いほど、第１の溝２１，２２１を介した第２の溝２２、２２２からの排水効率が向上する。また、１以上の第１の溝２１，２２１を設ける際に、第１の溝２１，２２１をより太くする、すなわち水平方向の横断面の面積をより大きくするほど、第１の溝２１，２２１内の液水を凍結し難くすることができる。また、第１の溝２１，２２１をより細くするほど、毛細管現象により、周囲の液水を第１の溝２１，２２１内に容易に引き寄せることができる。第１の溝の形状は、電磁弁の使用環境や使用条件に応じて、凍結に起因する不都合を抑える所望の効果が得られるように、適宜設定すればよい。

・変形例４：
第１実施形態の電磁弁１０では、単一の第２の溝２２を設けたが、複数の第２の溝を設けてもよい。

図１１は、一例として、プランジャ３２０の外観を示す説明図である。プランジャ３２０は、電磁弁１０において、プランジャ２０に代えて用いることができる。プランジャ３２０は、第１の溝２１を有すると共に、第２の溝２２に代えて、第２の溝３２２を有している。第２の溝３２２は、第２の溝２２と同様に、第１の溝２１と交差して周方向に延びるが、互いに平行な複数（図１１では４つ）の溝に分割されている点で第２の溝２２とは異なっている。このように第２の溝３２２を分割して設けることにより、毛細管現象を利用して周囲の液水を第２の溝３２２内に容易に引き寄せることができる。第２の溝３２２が分割される数、および個々の溝の太さは特に限定されないが、凍結に起因する不都合を抑制する効果を得られる程度や加工の煩雑さを考慮して、適宜設定すればよい。なお、第２実施形態の電磁弁２１０において、スリーブ２３２に設ける第２の溝２２２を、複数に分割することとしてもよい。

・変形例５：
上記した第１および第２実施形態の電磁弁１０，２１０では、弁体収納部であるスリーブ３２，２３２と基部３３とは、本体部３７，２３７として一体で形成されているが、別体で形成することとしてもよい。

・変形例６：
上記した第１および第２実施形態の電磁弁１０，２１０では、コイル３０、本体部３７、プランジャ２０，１２０、弁部４５、ヨーク３４、スプリング３１、およびストッパ３８を備える構造の全体が、ハウジング３６内に収納されることとしたが、異なる構成としてもよい。例えば、上記構造の一部がハウジング３６内に収納されていればよく、基部３３に形成される流路が、水素タンクおよび燃料電池と連通可能であればよい。

・変形例７：
上記した第１および第２実施形態の電磁弁１０，２１０は、直動式の電磁弁としたが、異なる構成としてもよい。例えば、パイロット式電磁弁に本願発明を適用することもできる。この場合には、パイロット弁を弁体とし、パイロット弁を内部に収納する部材を弁体収納部とすることができる。あるいは、パイロット弁の開弁によって開弁される主弁を弁体とし、主弁を内部に収納する部材を弁体収納部とすることができる。弁体は、コイルの励磁により直接的に開弁されるプランジャに限らず、パイロット式弁の主弁のように、コイルへの通電に伴い軸線方向に移動して開弁すればよい。このような場合であっても、弁体と弁体収納部のいずれかに、既述した第１の溝および第２の溝と同様の溝を設けるならば、実施形態と同様の効果が得られる。

・変形例８：
上記した第１および第２実施形態の電磁弁１０，２１０は、水素ガスの流路に設けたが、異なる構成としてもよい。本願発明の電磁弁を、液水が混入する可能性のあるガス流路に用いるならば、電磁弁の内部で液水が凍結することに起因する不都合を抑える同様の効果が得られる。

本発明は、上述の実施形態や変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１０，１１０，２１０…電磁弁
２０，２０ａ，２０ｂ，１２０，３２０…プランジャ
２１，２２１…第１の溝
２２，２２２，３２２…第２の溝
２３…弁体先端部
３０…コイル
３１…スプリング
３２，２３２…スリーブ
３３…基部
３４…ヨーク
３５…弁座
３６…ハウジング
３７，２３７…本体部
３８…ストッパ
３９…底面部
４０〜４２…流路
４４…連通空間
４５…弁部

Claims

ガス流路に用いる電磁弁であって、
コイルと、
前記コイルの内部に配置される弁体収納部と、
前記弁体収納部の内部に配置され、前記コイルへの通電に伴い軸線方向に移動する弁体と、
前記弁体の移動により前記ガス流路を開閉する弁部と、
を備え、
前記弁体における前記弁体収納部に対向する表面、および、前記弁体収納部における前記弁体に対向する表面のうちのいずれか一方は、軸線方向に延びる第１の溝と、前記第１の溝と交差して周方向に延びる第２の溝と、を有し、
前記第１の溝は、少なくとも前記第２の溝から弁部側に延びるように形成され、
前記第１の溝および前記第２の溝は、前記弁体に形成されており、
前記第１の溝は、前記弁体における弁部側の端部から軸線方向に延びるように形成され、
前記弁体において、前記第２の溝と、前記弁体における弁部側の端部との間の軸線方向の長さは、前記第２の溝と、前記弁体における弁部側とは反対側の端部との間の軸線方向の長さよりも短い
電磁弁。
請求項１に記載の電磁弁であって、さらに、
前記コイルに対して軸線方向の弁部側に配置される底面部を有し、前記コイルに通電される際には、前記底面部において磁路の一部が形成される磁路形成部材を備え、
前記底面部における前記弁体収納部に近接する側の端部は、前記弁部の閉弁時において、前記第２の溝の弁部側の端部よりも弁部側に配置される
電磁弁。
請求項１または請求項２に記載の電磁弁であって、
前記第１の溝における弁部側とは反対側の端部は、前記第２の溝と重なる
電磁弁。
ガス流路に用いる電磁弁であって、
コイルと、
前記コイルの内部に配置される弁体収納部と、
前記弁体収納部の内部に配置され、前記コイルへの通電に伴い軸線方向に移動する弁体と、
前記弁体の移動により前記ガス流路を開閉する弁部と、
を備え、
前記弁体における前記弁体収納部に対向する表面、および、前記弁体収納部における前記弁体に対向する表面のうちのいずれか一方は、軸線方向に延びる第１の溝と、前記第１の溝と交差して周方向に延びる第２の溝と、を有し、
前記第１の溝は、少なくとも前記第２の溝から弁部側に延びるように形成され、
前記第１の溝および前記第２の溝は、前記弁体収納部に形成されており、
前記第１の溝の弁部側の端部は、前記弁部の開弁時において、前記弁体における弁部側の端部よりも弁部側に位置する
電磁弁。
請求項４に記載の電磁弁であって、
前記第２の溝の弁部側の端部は、前記弁部の開弁時における前記弁体の軸線方向の中心よりも弁部側に位置する
電磁弁。
請求項４または請求項５に記載の電磁弁であって、
前記第１の溝における弁部側とは反対側の端部は、前記第２の溝と重なる
電磁弁。