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流体控制 阀

阅读：1018发布：2020-05-25

专利汇可以提供流体控制阀专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且流体控制阀 (10)是包含阀芯(20)、壳体(12)、设于壳体(12)上的流体流路(42)、使阀芯(20)相对于壳体(12)沿轴方向移动驱动的驱动器 (30)而构成。流体流路(42)从流体的输入口(40)导入流体，向引导部(14)的内壁面和阀芯(20)的外周面之间的间隙供给流体，使阀芯(20)相对于引导部(14)的内壁面非接触且浮起。并且，驱动器(30)使阀芯(20)以非接触的状态沿轴方向移动驱动，并使壳体(12)的输出口(52)和阀芯(20)的前端部(22)之间的间隙变化来控制流体的输出流量或输出压力。，下面是流体控制阀专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种流体控制阀，其特征在于，具有：
阀芯，具有用于控制流体的流动的前端部；
壳体，具有流体的输入口、使阀芯可沿轴方向移动地对该阀芯进行引导的引导部、和面对阀芯的前端部配置的流体的输出口；
引导部供给用流体流路，设置于壳体中，从流体的输入口导入流体，在引导部的内壁面开口，并从引导部的径向外侧向引导部的内壁面和阀芯的外周面之间的间隙供给流体而使阀芯相对于引导部的内壁面浮起；
引导部阀芯间流体流路，连接于引导部供给用流体流路和流体的输出口之间，设置于引导部的内壁面和阀芯的外周面之间；和
 驱动器，相对于壳体驱动阀芯沿轴方向移动，使壳体的输出口和阀芯的前端部之间的间隙变化来控制流体的输出流量或输出压力。
2.如权利要求1所述的流体控制阀，其特征在于，
引导部供给用流体流路从流体的输入口通过壳体的内部，从在引导部的内壁面上沿壳体的周方向等间隔配置的喷出开口朝向阀芯的外周面喷出流体。
3.如权利要求2所述的流体控制阀，其特征在于，
引导部供给用流体流路具有：
至少一个缓冲流体室，在壳体的内部设置于引导部的径向外侧；和
多个分支流路，从缓冲流体室与多个喷出开口连接。
4.如权利要求1所述的流体控制阀，其特征在于，
驱动器具有：
驱动线圈，设置于壳体内部；和
可动子部，与阀芯连接或作为阀芯的后端部而构成，
引导部供给用流体流路还具有驱动器部流体流路，该驱动器部流体流路向可动子部的外周和驱动线圈的内周面之间的间隙供给流体而使可动子部相对于驱动线圈的内周面浮起。
5.如权利要求1所述的流体控制阀，其特征在于，
具有密封部，其设于壳体的输出口，具有与阀芯的前端部的形状对应的形状的开口，并由与壳体不同的材料构成。
6.如权利要求5所述的流体控制阀，其特征在于，
密封部由比金属更具有弹性的材料构成。

说明书全文

流体控制 阀

技术领域

[0001] 本发明涉及一种流体控制阀，特别是涉及一种使阀芯相对于壳体沿轴方向移动驱动，使壳体的输出口和阀芯的前端部之间的间隙变化来控制流体的输出流量或输出压力的流体控制阀。

背景技术

[0002] 为了控制流体的流动，使用使阀芯相对于壳体沿轴方向移动驱动，使壳体的输出口和阀芯的前端部之间的间隙变化来控制流体的输出流量或输出压力的控制阀。例如，能够通过使壳体的输出口和阀芯的前端部接触来切断流体的流动，通过使壳体的输出口和阀芯的前端部分离，使流体流动。通过反复进行该接触和离开，能够精密地调整流体的流量或压力。

[0003] 例如，在日本特开2005-273704号公报中，记载了如下的阀装置：对于为了将燃料电池的包含水的排气排出(排气)到外部所使用的阀机构，在轴的前端设有阀芯，所述轴被插入芯部件而被支撑并由螺线管沿轴方向自由进退地驱动，通过使阀芯在阀座上着座来闭塞流路，阀芯从阀座离开，从而流体流过流路。

[0004] 在通过使阀芯的前端相对于壳体的流体输出口接触或离开而使流路闭塞或使流体流过流路的流体控制阀中，如日本特开2005-273704号公报中所述，阀芯的轴部被自由进退地支撑在壳体内。因此，在反复自由进退的移动中，支撑部由滑动造成磨损。磨损严重时，阀芯的轴方向的进退产生偏离，流路的闭塞变为不完全。另外，由磨损产生的磨损粉与流体共同流动，可能污染下游侧。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提供一种流体控制阀，其在使阀芯的前端相对于壳体的流体输出口移动时，能够抑制阀芯和壳体之间的磨损。

[0006] 本发明的流体控制阀，其特征在于，阀芯，具有用于控制流体的流动的前端部；壳体，具有流体的输入口、使阀芯可沿轴方向移动地对该阀芯进行引导的引导部、和面对阀芯的前端部配置的流体的输出口；流体流路，设置于壳体中，从流体的输入口导入流体并向引导部的内壁面和阀芯的外周面之间的间隙供给流体而使阀芯相对于引导部的内壁面浮起；和驱动器，相对于壳体驱动阀芯沿轴方向移动，并使壳体的输出口和阀芯的前端部之间的间隙变化来控制流体的输出流量或输出压力。

[0007] 另外，在本发明的流体控制阀中，优选流体流路从流体的输入口通过壳体的内部，从沿壳体的周方向等间隔配置的喷出开口朝向阀芯的外周面喷出流体。

[0008] 另外，在本发明的流体控制阀中，优选流体流路具有：至少一个缓冲流体室；和从缓冲流体室与多个喷出开口连接的多个分支流路。

[0009] 另外，在本发明的流体控制阀中，优选驱动器具有：设于壳体内部的驱动线圈；和与阀芯连接的可动子部，流体流路还具有驱动器部流体流路，该驱动器部流体流路向可动子部的外周和驱动线圈的内周面之间的间隙供给流体而使可动子部相对于驱动线圈的内周面浮起。

[0010] 另外，在本发明的流体控制阀中，优选具有密封部，其设于壳体的输出口，具有与阀芯的前端部的形状对应的形状的开口，并由与壳体不同的材料构成。

[0011] 另外，在本发明的流体控制阀中，优选密封部由比金属更具有弹性的材料构成。

[0012] 由上述构成，流体控制阀在沿轴方向引导阀芯的壳体中，设置有流体流路，其从流体的输入口导入流体，向引导部的内壁面和阀芯的外周面之间的间隙供给流体，使阀芯相对于引导部的内壁面浮起。向相对的面的间隙供给流体时，由所谓的流体轴承机构使相对的面之间被流体支撑而形成浮起间隙，变为非接触。由此，阀芯相对于引导部，能够以非接触的状态沿轴方向移动，抑制阀芯和壳体之间的磨损。另外，用于流体轴承机构的流体由于使用作为流量控制或压力控制的对象的流体，因此不需要用于流体支撑的特殊的流体。

[0013] 另外，流体流路从流体的输入口通过壳体的内部，从沿壳体的周方向等间隔地配置的喷出开口朝向阀芯的外周面喷出流体，因此能够沿阀芯的外周面均匀地供给流体，使阀芯沿轴方向自动地调整中心。

[0014] 另外，由于流体流路至少具有一个缓冲流体室，因此可使流体压力等的变动减小，并可稳定地进行流体支撑。

[0015] 另外，在壳体内部设有驱动器的情况下，向可动子部的外周和驱动线圈的内周面之间的间隙供给流体，使可动子部相对于驱动线圈的内周面浮起，因此也能够对驱动器部分的轴方向的移动抑制磨损。

[0016] 另外，在壳体的输出口上设有由与壳体不同的材料构成的密封部，因此，例如使用磨损较少的材料，可抑制与阀芯的前端部接触的壳体的输出口的磨损。

[0017] 另外，由于密封部是由比金属更具有弹性的材料构成，因此与阀芯的接触性较好，能够可靠地切断流体。附图说明

[0018] 图1是本发明的实施方式的流体控制阀的剖面图。

[0019] 图2是沿着图1的A-A线的剖面图。

具体实施方式

[0020] 以下，使用附图对本发明的实施方式进行详细的说明。以下，作为流体控制阀，对用于燃料电池系统的燃料气体的压力控制或流量控制的情况进行了说明，但是即使是这以外的用途，只要是用于通过使阀芯的前端相对于壳体的流体输出口移动来控制流体的流动即可。例如，可以是用于燃料电池系统的排气管路的流体控制阀、中间冷却器的冷却水的流量控制阀等。另外，也可以是用于燃料电池系统以外的流体控制阀。例如，也可以是内燃机用的燃料喷射阀、车辆的玻璃的清洁用流体控制阀等。这样，作为流体也可以是气体、液体或气液混合体等。

[0021] 图1是流体控制阀10的剖面图，图2是沿着图1的A-A线的剖面图。该流体控制阀10是在燃料电池系统中用于调整作为燃料气体的氢气的压力的电磁阀。以下，作为压力控制阀进行了说明，但是也能够根据用途用作流量控制阀。流体控制阀10包含如下构造而构成：壳体12；由壳体12的内部的引导部14引导的阀芯20；沿着在图1中作为X方向表示的轴方向驱动阀芯20移动的驱动器30；整体形成在壳体12的内部的流体流路42。

[0022] 壳体12具有圆柱状的外形，如图1所示，在上面侧设有流体的输入口40，在下面侧设有流体的输出口52。壳体12如下所述，包含引导部14和流体流路42，是具有稍微复杂的内部形状的部件，但是能够使用例如使金属成形为规定的形状而获得的部件。作为金属材料，例如能够使用铝等。

[0023] 引导部14沿轴方向设置在壳体12的中心部，是由如下部分构成的空间：剖面是圆形的长筒形的空间部分；和随着从该长筒形部分向流体的输出口52侧的走向内径逐渐变小而与流体的输出口52连接的连接部，具有将阀芯20沿轴方向自由移动地引导并收容的功能。在此，长筒形的内壁面16(参照图2)具有引导阀芯20的外周面26的功能。

[0024] 流体流路42是整体形成在壳体12的内部的管路。流体流路42从在壳体12的上面侧的中心部开口的流体的输入口40开始，朝向壳体12的外周侧沿径向延伸后，与在壳体12的外周侧沿轴方向延伸的缓冲流体室44连接，多个分支流路46、48从缓冲流体室44延伸，分别在引导部14的内壁面16开口。

[0025] 缓冲流体室44与分支流路46、48等相比，是具有适当大的空间体积的空间，通过暂时地在广阔的空间内收容流体，具有抑制流体压力等的时间性的脉动等的功能。缓冲流体室44可以是一个空间，也可以是多个空间。在由一个空间构成缓冲流体室44的情况下，优选在壳体12的内部形成剖面为环状且沿轴方向延伸的空间。另外，在设有多个缓冲流体室44的情况下，例如可以设置如下多个缓冲流体室44：在壳体12内沿轴方向延伸，在壳体12的周方向上相互分离地配置，在轴方向上位置不同的多个分支流路46、48从此处朝向引导部14延伸。

[0026] 分支流路46、48是从缓冲流体室44分支而朝向引导部14的内壁面16延伸，并在内壁面16开口的多个流路。分支流路46、48如图1所示，从缓冲流体室44沿轴方向分支为多个。由此，相对于阀芯20的外周面，能够从设于沿轴方向的多个位置的开口喷出流体，能够沿阀芯20的外周面26的轴方向均匀地供给流体。在图1中，分支流路46表示为面对阀芯20的外径最大的部分的外周面具有开口，分支流路48表示为面对阀芯20的后端部的细轴部的外周面具有开口。除此之外，能够在沿轴方向的适当的位置设置开口。另外，如图2所示，分支流路46沿壳体12的周方向等间隔地配置。由此，能够沿阀芯20的外周面26的周方向均匀地供给流体。这样，在轴方向配置多个分支流路46、48，在周方向上也配置多个分支流路46、48，从而能够在阀芯20的外周面的整体上大致均匀地喷出流体。

[0027] 引导部14，如上所述，是在其内部配置有阀芯20的空间，一端与流体的输出口连接。因此，流体如下所述地流动。即，流体按照如下顺序流过：流体的输入口40-(沿径向延伸的流路)-缓冲流体室44-分支流路46、48-引导部12的内壁面16的开口-内壁面16和阀芯20的外周面26之间的间隙50-流体的输出口52。

[0028] 在流体输出口52的与阀芯20的前端部相对应的部分上设有密封部18。密封部18是圆环状的部件，其内径与壳体12的流体的输出口52的除密封部18以外的部分内径大致相同。密封部18，其内径和壳体12的流体的输出口52的除密封部18以外的部分的内径合对而被固定设置在壳体12上。固定方法例如能够使用热熔接、粘接等。密封部18的内周面是输出口52的一部分。密封部18由与壳体12不同的材料构成，优选使用比金属更富弹性的材料。例如，能够使用富有耐热性、耐磨损性的塑料为材料。作为该塑料材料存在全芳香族的聚酰亚胺树脂等，例如，在流体是高压气体等的情况下，能够使用ベスペル(杜邦公司的注册商标)。

[0029] 但根据流体控制阀10的用途，也可能优选使密封部18的材质为全芳香族聚亚胺树脂以外的材料。例如，在流体是液体，允许少量的泄漏的情况下，能够将更便宜的金属作为材料。在流体是低压气体，一点点的泄漏也需要注意的用途中，优选使更富弹性的塑料橡胶作为材料。

[0030] 阀芯20是具有剖面为圆形的筒状的中心部、直径从中心部向前端侧逐渐变细的锥状的前端部22、形成直径比中心部更细的轴的后端部24的部件。阀芯20由壳体12的引导部14引导，并由驱动器30移动，从而前端部22相对于壳体12的流体的输出口52接触或离开，切断流体的流动或使流体流动，具有控制流体的流动的功能。作为该阀芯20，能够使用将金属材料成形为规定的形状的构造。作为金属材料，例如可以使用不锈钢等。

[0031] 阀芯20的前端部22如上所述，是与壳体12的流体的输出口52对应的部分，因此其前端形状和流体的输出口52的接触部的形状形成为相同的剖面形状以使接触良好。具体而言，以适合壳体12的前端的形状的方式设定密封部18的接触部的形状。

[0032] 与阀芯20的后端部24对应地，在壳体12上配置有驱动器30。驱动器30沿轴方向驱动阀芯20移动，由此具有使构成壳体12的输出口52的密封部18和阀芯20的前端部之间的间隙变化来控制流体的输出压力的功能。驱动器30能够将阀芯20的后端部24作为可动子部，将以包围其周围的方式配置的驱动线圈32作为固定子部而构成。因此，阀芯20的后端部的可动子部需要是铁等磁性体。在阀芯20整体不是磁性体的情况下，需要至少将可动子部作为磁性体而构成。

[0033] 另外，为了决定移动驱动的初始位置等，施力弹簧34被设置在阀芯20和壳体12之间。在图1的例子中，在不施加移动驱动力的初始状态下，优选使施力弹簧34为压缩线圈弹簧以将阀芯20推压到密封部18上。

[0034] 驱动线圈32与未图示的驱动电路连接。驱动电路与控制部连接，在控制部的指令下，进行驱动电流的供给或切断。供给驱动电流后，作为后端部24的可动子部沿轴方向受到移动驱动力，由此，阀芯20的前端部22和密封部18之间分离。切断驱动电流后，由施力弹簧34的恢复力，阀芯20的前端部22与密封部18接触。

[0035] 以下说明上述构成的流体控制阀10的作用。流体控制阀10在燃料电池系统的燃料气体供给系统中，在燃料气体供给侧的配管上连接有壳体12的流体的输入口40，输出口52与燃料电池组侧的配管连接。如上所述，通过壳体12的内部的流体流路42，能够按照如下顺序流过流体的流路连通：流体的输入口40-(沿径向延伸的流路)-缓冲流体室44-分支流路46、48-引导部12的内壁面16的开口-内壁面16和阀芯20的外周面26之间的间隙50-流体的输出口52，因此作为流体的燃料气体充满该各流路。

[0036] 在没有来自未图示的控制部的指令的情况下，不向驱动器30的驱动线圈32供给驱动电流，因此，由施力弹簧34的作用力，阀芯20与密封部18接触而被推压，流体的流动在此处被切断，从流体的输出口52向燃料电池组侧不供给燃料气体。

[0037] 在向燃料电池组供给燃料气体时，控制部以与需要的输出对应的占空比将向驱动器30供给驱动电流的指令输出到驱动电路。占空比是打开时间/(打开时间+关闭时间)，在此，是驱动控制的一个周期内的供给驱动电流的时间的比例。例如，设驱动控制的一个周期为10msec，占空比为40％的情况下，4msec流过驱动电流，6msec切断，接着4msec流过，6msec切断，如此反复进行。由此，在驱动电流流过的4msec期间，阀芯20向后方移动以从密封部18离开，燃料气体从流体的输出口52流出。在此，所谓后方是相对于密封部18离开的方向。

[0038] 燃料气体从流体输出口52流出后，流体向上述流体流路42流动。例如，流体分别从缓冲流体室44分别向沿轴方向分支为多个的分支流路46、48流动。如上所述，分支流路46从面对阀芯20的中央部的外周面的开口喷出流体，分支流路48从面对阀芯20的细轴部、即后端部24的可动子部喷出流体。在此，分支流路48实际上是通过驱动线圈32之间相对阀芯20的可动子部喷出流体。另外，分支流路46、48沿壳体12的周方向均匀地配置，因此沿阀芯20的周方向均匀地喷出流体。

[0039] 喷出的流体流入壳体12的引导部14的内壁面16和阀芯20的外周面26之间的狭窄的间隙。流入相对的面之间的流体对相对的面给予使要间隙扩大的力，因此以与相对的面之间的推压力的平衡来确定相对的面之间的间隙。即，根据流体确保面和面之间的间隙，相对于一侧的面，另一侧的面以非接触状态浮起。该现象作为流体支撑机构、流体轴承机构或流体支撑作用、流体轴承作用而被公知。

[0040] 如上所述，由流体轴承作用形成的间隙量根据被供给的流体压力和相对的面之间的推压力确定。在图1的情况下，由于壳体12的引导部14的内壁面16和阀芯20的外周面26均为轴对称系统，因此例如对于图1中左侧的间隙的推压力与对于右侧的间隙的推压力相等。因此，壳体12的引导部14的内壁面16和阀芯20的外周面26之间的间隙无论在何处均相同。即，由流体被浮起支撑时，如果流体的流动是均匀的，则阀芯20的中心轴自动地调整中心以使与壳体12的引导部14的中心轴一致。

[0041] 这样，向驱动线圈32供给驱动电流的期间，阀芯20相对于引导部14由流体非接触地支撑。并且，相对于驱动线圈32的驱动电流的供给停止时，由施力弹簧34的恢复力，阀芯20向前方移动以与密封部18接触，并被牢固地推压在密封部18上，由此切断流体。此时，由于高压的流体在引导部14和阀芯20之间停留，因此引导部14的内壁面16和阀芯的外周面26保持非接触状态。其后再次向驱动线圈32供给驱动电流时，阀芯20向后方移动以从密封部18离开。此时，如上所述，由流动的流体，阀芯20从引导部14非接触地被流体支撑，因此阀芯20保持从引导部14的内壁面16非接触的状态进行移动。

[0042] 因此，在流体控制阀10的开闭动作中，阀芯20的外周面26总是从壳体12的内壁面16非接触。仅是阀芯20的前端部22和密封部18之间的接触部的部分反复进行接触和非接触。因此，在流体控制阀10的动作中，几乎不存在阀芯20和壳体12之间的滑动，能够大幅抑制磨损。由此，能够防止磨损粉污染流体的输出口52下游侧的燃料气体流路及燃料电池组等。

[0043] 这样，流体控制阀10能够在抑制磨损的同时断续性地重复由驱动线圈32的驱动电流的占空比使流体切断或流过。通过适度地重复该断续开闭，能够相对于作为从流体的输入口40供给的流体的压力的一次压力，使作为与流体输出口52连接的一侧的压力的二次压力减压到期望值。例如，通过适当地设定流体控制阀10的断续性的开闭的占空比，能够使二次压力从一次压力的几分之一降低到十分之一左右。在此，使用了压力控制的流体控制阀10的断续性的开闭，但是流量控制也可由同样的流体控制阀10的断续性的开闭进行。

[0044] 本发明在例如用于燃料电池系统的燃料气体的压力控制或流量控制的流体控制阀中使用。

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