流体制御弁
【課題】閉弁時にバルブ部材と弁座との間において確実にシール力を発生することができる小型で低コストの流体制御弁の提供。
【解決手段】エア調圧弁４は、ステッピングモータの回転を直進運動に変換して、バルブシャフト４４をバルブハウジング４１内において軸方向に移動させている。バルブシャフト４４に取り付けられたバルブ部材４５は、バルブシャフト４４とともに移動して、調圧弁座４１１ｆに対し着座あるいは離間することによりエア調圧弁４を開閉している。バルブ部材４５は、シール部材４５２が取り付けられたバルブフレーム４５１を有し、バルブフレーム４５１の取付部４５１ｄは、バルブシャフト４４の先端部の支持体４４５に対し傾き可能に取り付けられている。バルブフレーム４５１の円筒部４５１ｃの内周面とバルブシャフト４４の外周面との間には半径方向の隙間が形成されており、当該半径方向隙間によって、バルブ部材４５の傾き角度が規制されている。
【解決手段】エア調圧弁４は、ステッピングモータの回転を直進運動に変換して、バルブシャフト４４をバルブハウジング４１内において軸方向に移動させている。バルブシャフト４４に取り付けられたバルブ部材４５は、バルブシャフト４４とともに移動して、調圧弁座４１１ｆに対し着座あるいは離間することによりエア調圧弁４を開閉している。バルブ部材４５は、シール部材４５２が取り付けられたバルブフレーム４５１を有し、バルブフレーム４５１の取付部４５１ｄは、バルブシャフト４４の先端部の支持体４４５に対し傾き可能に取り付けられている。バルブフレーム４５１の円筒部４５１ｃの内周面とバルブシャフト４４の外周面との間には半径方向の隙間が形成されており、当該半径方向隙間によって、バルブ部材４５の傾き角度が規制されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体の流れを制御する流体制御弁に関する。
【背景技術】
【０００２】
弁軸に円形のバルブ体が垂直に取り付けられ、バルブ体が弁軸とともに軸方向に作動することにより、真円状の弁座に着座するポペットバルブ式の開閉弁は、従来より内燃機関の吸排気弁等において広く使用されている。
特許文献１に開示された開閉弁は、燃料電池システムの酸化ガス供給路上に設けられ、ダイヤフラムで互いに区分けされた一対の圧力室に選択的にエアを導入することにより、ダイヤフラムに接続されたバルブ体を、供給路上に形成された弁座に対して当接あるいは離間させることにより供給路を断続している。
この従来技術に開示されたポペットバルブ式の開閉弁は、閉弁時に一方向からの高圧に対する耐力が高く、エアコンプレッサから吐出された高圧の酸化ガスを十分にシールすることができる。
【０００３】
しかしながら、その一方、上述したポペットバルブ式の開閉弁においては、その設計上あるいは製造上の誤差に起因して、バルブ体の平面方向と弁座のシール面との間の平行度に精度のばらつきが発生することがある。互いに当接するバルブ体と弁座のシール面との間の平行度に、精度上のばらつきがあった場合、開閉弁のシール不良につながることがあり、これを回避するための対策が必要であった。
このためには、これまで、バルブ体が弁座に着座する際に、バルブ体と弁座との間の平行度のばらつきを、弾性材料にて形成されたシール部材を部分的に潰すことによって吸収してきた。これによって、バルブ体と弁座のシール面とが平行でなくても、弁座の全面にシール部材が当接するようになり、開閉弁のシール不良を防止することができる。
【０００４】
ところが、特許文献１に開示されたような開閉弁は、所定量の流体の通過を許容しなければならず、そのシール部材が一定のシール径を備えていなければならない。したがって、シール径が大きくなった場合、シール部材の潰し代を大きくする必要があり、バルブ体を押圧する荷重も増大させる必要がある。このため、開閉弁自体が大型化し、高コスト化するという問題が発生する。
【０００５】
これに対して、特許文献２に開示された開閉弁においては、弁座に着座するバルブ体が取り付けられた弁体取付軸の上部と主軸の下部とを、双方の軸に垂直な方向に挿入した連結ピンを介して接続したものである。これによれば、主軸に対して弁体取付軸が首振り可能に連結されているため、弁座のシール面に対して主軸が垂直でなくても、バルブ体を弁座のシール面に倣った方向に向かせ、双方の間においてシール力を確保することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−１４６９２４号公報
【特許文献２】実開昭６２−８７２７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献２に開示された開閉弁においては、弁体取付軸と主軸とが連結ピンを介して接続されたものであり、弁体取付軸と主軸との間のガタは、弁体取付軸、主軸および連結ピンの３部品の寸法によって決定されるため、双方の間のガタが増大する恐れがある。弁体取付軸と主軸との間のガタが大きいと、バルブ体の振動および振動に伴う騒音が増大し、開閉弁を通過する流体においても流量変動が発生する。このため、開閉弁を流体の流量を制御する流体制御弁に使用した場合、流体の流量を精度よく制御することに困難を伴う。
これに対して、弁体取付軸と主軸との間のガタを低減しようとすれば、各部品の寸法精度を向上させなければならず、コストの増大を余儀なくされていた。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、閉弁時にバルブ部材と弁座との間において確実にシール力を発生することができる小型で低コストの流体制御弁を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決するために、請求項１に係る流体制御弁の発明の構成は、内部に流体の流入口と流出口とが形成されたバルブハウジングと、バルブハウジングに取り付けられた駆動源と、駆動源によって、バルブハウジング中において軸方向に移動する弁軸と、弁軸の軸心に対し半径方向に延びるように取り付けられ、弁軸とともに移動することにより、一側の面において、バルブハウジング内に形成された弁座に対して着座あるいは離間し、流入口と流出口との間を断続するバルブ部材と、を備え、バルブ部材は、弁軸の軸方向に延び弁軸が挿入される筒状部と、筒状部から弁軸に対し半径方向に拡がった延在部と、筒状部または延在部に連続するとともに、一端が袋状に閉じており、弁軸の先端部に形成された曲面を受ける取付部と、を有するバルブフレームと、延在部に取り付けられ、弁座に対して当接可能なシール部材と、により形成され、弁軸は、筒状部との間に半径方向隙間を有し、取付部に対しては脱落不能に接続されているとともに、軸方向の隙間を有することである。
【０００９】
請求項２に係る発明の構成は、請求項１の流体制御弁において、バルブフレームは金属板をプレス成型して形成され、弁軸の先端部を挿入した後、取付部をかしめることにより、バルブ部材と弁軸とを接続するとともに、軸方向の隙間を形成することである。
【００１０】
請求項３に係る発明の構成は、請求項１または２の流体制御弁において、弁軸と筒状部との間の半径方向隙間の大きさは、バルブ部材が弁座に着座する際に、弁座に倣って、弁軸の先端部を中心にバルブ部材が弁軸に対して所定量だけ傾くように、シール部材の弁座に対するシール径に基づいて設定されていることである。
【００１１】
請求項４に係る発明の構成は、請求項１乃至３のうちのいずれかの流体制御弁において、バルブ部材とバルブハウジングとの間には、弁軸を円周方向に取り囲むように設けられ、バルブ部材を弁軸の先端方向に向けて付勢するコイルバネが介装されていることである。
【００１２】
請求項５に係る発明の構成は、請求項１乃至４のうちのいずれかの流体制御弁において、弁軸の外周面と筒状部の内周面との間には、リング状のシール部材が弾発的に介装されていることである。
【００１３】
請求項６に係る発明の構成は、請求項１乃至５のうちのいずれかの流体制御弁において、バルブハウジングの内周面には、表裏を貫通する装着孔を有したダイヤフラムの外周縁が液密的に固定されるとともに、装着孔の内周縁がバルブ部材の外周部に液密的に固定されることにより、ダイヤフラムおよびバルブ部材によってバルブハウジングの内部が区分けされ、流入口、流出口および弁座を含み流体が通過する流体室と、流体の進入が防止される空気室とが形成されていることである。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１に係る流体制御弁によれば、バルブ部材はバルブフレームを有し、バルブフレームは、弁軸の軸方向に延び弁軸が挿入される筒状部と、筒状部から弁軸に対し半径方向に拡がりシール部材が取り付けられた延在部と、筒状部または延在部に連続するとともに、一端が袋状に閉じており、弁軸の先端部に形成された曲面を受ける取付部と、を有しており、弁軸は、バルブフレームの筒状部との間に半径方向隙間を有し、取付部に対しては脱落不能に接続されているとともに、軸方向の隙間を有することにより、バルブ部材の平面方向と弁座のシール面との間の平行度に精度のばらつきがあった場合、弁軸の先端部を中心に、バルブ部材が弁軸に対して半径方向隙間が埋まるまで傾くことができ、構成部品の寸法精度を向上させたり流体制御弁を大型化せずに、バルブ部材と弁座との間のシール性を確保することができる。
また、バルブ部材は、弁軸の先端部を中心に規則的に傾き、半径方向隙間で規制される所定角度以上には傾かないため、バルブ部材の振動およびそれに伴う騒音の発生が防止され、流体制御弁の内部を通過する流体の流量変動を低減することができ、流体制御弁の流量制御性能を向上させことができる。
【００１５】
請求項２に係る流体制御弁によれば、弁軸の先端部を挿入した後、取付部をかしめてバルブ部材と弁軸とを接続することにより、簡単な構成で低コストに、所定量だけバルブ部材が弁軸に対して傾くことができる流体制御弁を形成することができる。
また、取付部をかしめてバルブ部材と弁軸との間の軸方向の隙間を形成することにより、当該軸方向の隙間を、極力、小さくすることができる。
【００１６】
請求項３に係る流体制御弁によれば、弁軸と筒状部との間の半径方向隙間の大きさは、シール部材の弁座に対するシール径に基づいて設定されていることにより、バルブ部材が弁座に着座する際に、バルブ部材の平面方向と弁座のシール面との間の平行度およびシール径に起因して発生する弁座の高低差を確実に吸収することができる。
【００１７】
請求項４に係る流体制御弁によれば、バルブ部材とバルブハウジングとの間には、弁軸を円周方向に取り囲むように設けられ、バルブ部材を弁軸の先端方向に向けて付勢するコイルバネが介装されていることにより、バルブ部材を弁軸の先端方向に向けて円周上において均等に付勢することができ、弁軸に対するバルブ部材の振動および振動に伴う騒音をいっそう低減し、流体の流量変動をさらに抑制することができる。
【００１８】
請求項５に係る流体制御弁によれば、弁軸の外周面と筒状部の内周面との間には、リング状のシール部材が弾発的に介装されていることにより、リング状のシール部材によって弁軸とバルブ部材との間において摺動抵抗が発生し、弁軸に対するバルブ部材の振動および振動に伴う騒音が低減され、流体の流量変動を抑制することができる。
【００１９】
請求項６に係る流体制御弁によれば、ダイヤフラムおよびバルブ部材によってバルブハウジングの内部が区分けされ、流入口、流出口および弁座を含み流体が通過する流体室と、流体の進入が防止される空気室とが形成されていることにより、流体室内に圧力を伴った流体が進入すると、ダイヤフラムに緊迫力が発生して、装着孔の内周縁に固定されたバルブ部材が半径方向中心において強固に保持されるため、弁軸に対するバルブ部材の振動および振動に伴う騒音がいっそう低減され、流体の流量変動をさらに抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施形態１による燃料電池システムを示したブロック図
【図２】図１に示したエア調圧弁の部分断面図
【図３】図２に示したエア調圧弁の閉弁時の部分断面図
【図４】図２に示したエア調圧弁に含まれたステッピングモータの出力シャフトとバルブシャフトとの係合状態を示した簡略的な断面図
【図５】図４のＡ−Ａ断面図
【図６】バルブシャフトにバルブフレームをかしめる方法を示した簡略図
【図７】エア調圧弁のバルブシャフトとバルブフレームとの接続部を示した拡大断面図
【図８】バルブ部材のシール径と吸収可能高さとの関係を説明するための模式図
【図９】バルブ部材の傾き角度を設定する方法を説明するためのグラフを示した図
【図１０】実施形態１によるエア調圧弁の変形実施形態を説明するための工程図
【図１１】本発明の実施形態２による三方弁を示した部分断面図
【図１２】図１１に示した三方弁のバイパス弁座が閉じた時の部分断面図
【図１３】図１１に示した三方弁の制御弁座が閉じた時の部分断面図
【発明を実施するための形態】
【００２１】
＜実施形態１＞
図１乃至図１０に基づき、本発明の実施形態１によるエア調圧弁４について説明する。
図１に示すように、本実施形態によるエア調圧弁４（流体制御弁に該当する）は、車両に搭載された燃料電池システム１の酸素系２に適用されている。しかしながら、本発明はこれに限定されるべきものではなく、燃料供給系システムあるいは油圧ブレーキシステムといった、車両用流体制御弁として広範囲に使用することが可能であり、また、家庭用機器もしくは一般産業機械用の流体制御弁としても適用することが可能である。
また、以下、図２における上方および下方を、それぞれエア調圧弁４の上方および下方とし、図２における右方および左方を、それぞれエア調圧弁４の右方および左方として説明しているが、車両におけるエア調圧弁４の実際の取付方向とは無関係である。
【００２２】
図１に示すように、燃料電池システム１は、酸素系２、燃料系５、電池スタック６、動力系７、冷却系８および制御装置９とから形成されている。
電池スタック６は、これに限定されるべきものではないが、複数の固体高分子型の単セルが積層されることで形成されている。複数の単セルは電気的に直列に接続されており、各々の単セルは電解質膜と、これを挟むアノード極およびカソード極（いずれも図示せず）を含んでいる。また、単セルのアノードセパレータ（図示せず）には、アノード極に対して水素ガスを供給するためのアノード流路６１が形成されており、カソードセパレータ（図示せず）には、カソード極に対して空気を供給するためのカソード流路６２が形成されている。
【００２３】
酸素系２は酸素系供給配管２１ａを備えており、酸素系供給配管２１ａは電池スタック６内のカソード流路６２の一端と接続されている。酸素系供給配管２１ａ上には、電池スタック６に向けて順に、エアフィルタ２２、エアコンプレッサ２３、インタークーラ２４および三方弁３が形成されている。
カソード流路６２の他端には酸素系排出配管２１ｂの一端が接続されており、酸素系排出配管２１ｂ上には、２ポートの流体制御弁であるエア調圧弁４が設けられている。また、前述した三方弁３は３ポートの流体制御弁であって、バイパス管路２１ｃの一端が接続されており、バイパス管路２１ｃの他端は、酸素系排出配管２１ｂのエア調圧弁４よりも下流側部位（電池スタック６が接続されていない側）に接続されている。
【００２４】
一方、燃料系５は、燃料系供給配管５１ａの一端に水素タンク５２が接続されており、燃料系供給配管５１ａ上には遮断弁５３が形成されている。燃料系供給配管５１ａの他端は、電池スタック６内のアノード流路６１の一端と接続されている。アノード流路６１の他端には、燃料系排出配管５１ｂが接続されており、燃料系排出配管５１ｂ上には、電池スタック６に近い側から順に、気液分離器５４、排気排水弁５５および排出ガス希釈器５６が形成されている。排出ガス希釈器５６には、上述した酸素系排出配管２１ｂの他端が接続されている。
【００２５】
また、気液分離器５４は燃料系循環路５１ｃを介して、燃料系供給配管５１ａ上の遮断弁５３とアノード流路６１との接続部との間の部位に接続されている。燃料系循環路５１ｃ上には循環ポンプ５７が設けられており、気液分離器５４からアノード流路６１に向けて水素ガスを循環させている。
動力系７は、車両を走行させるための電動モータ７１を備えている。電動モータ７１は電池スタック６の正極および負極と接続されており、電池スタック６の発電によって駆動される。
【００２６】
また、冷却系８は水冷ポンプ８１を備え、電池スタック６内に冷却水を循環させて電池スタック６を冷却している。
制御装置９は、エアコンプレッサ２３、三方弁３、エア調圧弁４、遮断弁５３、循環ポンプ５７および冷却ポンプ８１と電気的に接続されている。制御装置９は車両の走行状態に応じて算出された電池スタック６の必要な発電量に基づき、これらの各構成要素の作動を制御している。
【００２７】
上述した構成により、車両が走行開始すると、制御装置９はエアコンプレッサ２３を作動させてカソード流路６２へ空気を供給するとともに、遮断弁５３および循環ポンプ５７を作動させてアノード流路６１へ水素ガスを供給し、電池スタック６において発電を行う。
酸素系２において、エアフィルタ２２を介して吸引された酸素を含んだ空気は、エアコンプレッサ２３において圧縮された後、インタークーラ２４によって冷却される。三方弁３は、電池スタック６の発電量に応じてバルブ部材の位置を変位させ、インタークーラ２４から供給された空気を分流してバイパス配管２１ｃへ逃すことにより、電池スタック６への空気の流量を制御している。
また、エア調圧弁４は、その開度を調整し電池スタック６内に残存した空気の排出量を調整することにより、電池スタック６内の圧力を制御している。
【００２８】
アノード流路６１から排出される水素オフガス（燃料ガスオフガス）には発電に使用されなかった水素ガスと発電によって生成された水（水蒸気）が含まれている。気液分離器５４は水素ガスと水を分離する機能を有している。気液分離器５４で分離された水素ガスは循環ポンプ５７により燃料系循環路５１ｃを介して燃料系供給配管５１ａに供給され循環される。気液分離器５４で分離された水（液状）は排気排水弁５５が開状態になったとき、水素ガスとともに排出ガス希釈器５６に送られる。気液分離器５４から排出ガス希釈器５６に排出された水素ガスは、排出ガス希釈器５６において、酸素系排出配管２１ｂから供給された空気により希釈化された後、水とともに外部へと放出される。
【００２９】
次に、エア調圧弁４の構造について詳細に説明する。図２に示したように、エア調圧弁４は、バルブハウジング４１の外周面にモータアッセンブリ４２（駆動源に該当する）が取り付けられて形成されている。バルブハウジング４１は、合成樹脂材料にて形成されたバルブボデー４１１と、金属板により一体に形成されたバルブカバー４１２とを互いに結合させて形成されている。尚、本実施形態においては、駆動源として電動モータを使用したモータアッセンブリ４２を使用しているが、ソレノイドアクチュエータやガス圧によって駆動されるアクチュエータなどを使用してもよい。
【００３０】
バルブボデー４１１には、バルブカバー４１２の取り付け用の金属製のカバー取付スリーブ４１１ａがインサートされている。また、バルブボデー４１１のフランジ部４１１ｂには、エア調圧弁４を車両に取り付けるための金属スリーブ４１１ｃがインサートされている。カバー取付スリーブ４１１ａおよび金属スリーブ４１１ｃの内周面には、雌螺子が形成されている。
【００３１】
バルブボデー４１１には、図２において右方に開口する調圧弁インレット４１１ｄ（流入口に該当する）が形成されている。調圧弁インレット４１１ｄは、上述した酸素系排出配管２１ｂを介して、電池スタック６のカソード流路６２の他端に接続されている（図１示）。また、バルブボデー４１１には、調圧弁インレット４１１ｄに対し垂直方向に開口（図２において下方に開口）する調圧弁アウトレット４１１ｅ（流出口に該当する）が形成されている。調圧弁アウトレット４１１ｅは、上述した酸素系排出配管２１ｂを介して、排出ガス希釈器５６に接続されている。
さらに、バルブボデー４１１の内周面において、調圧弁インレット４１１ｄと調圧弁アウトレット４１１ｅとの間には調圧弁座４１１ｆ（弁座に該当する）が形成されている。調圧弁座４１１ｆは平坦な円環状に形成されている。
【００３２】
バルブカバー４１２は、貫通させた取付ボルト４１３をカバー取付スリーブ４１１ａに締め付けることによって、バルブボデー４１１の上端面に取り付けられている。バルブカバー４１２は、バルブボデー４１１への取付面４１２ａと、取付面４１２ａから上方へと突出したモータ取付部４１２ｂと、モータ取付部４１２ｂの中央部において段付状に下降し、下端部が開口したシャフト収容部４１２ｃとにより形成されている。また、モータ取付部４１２ｂの上面には、複数の雌螺子穴４１２ｄが設けられている。バルブカバー４１２は、金属板をプレス成型することにより、上述した取付面４１２ａ、モータ取付部４１２ｂおよびシャフト収容部４１２ｃが一体に形成されている。
【００３３】
モータ取付部４１２ｂの上面には、上述したモータアッセンブリ４２が取り付けられている。モータアッセンブリ４２は、モータケース４２１の機構収容部４２１ａの外周面を、シャフト収容部４１２ｃの内周面に嵌合させた状態で、取付フランジ４２１ｂに貫通させた複数の取付スクリュー４３を、モータ取付部４１２ｂの雌螺子穴４１２ｄに締め付けることによってバルブカバー４１２に固定される。取付スクリュー４３は取付フランジ４２１ｂに形成された貫通孔（図示せず）に対して遊嵌しており、バルブカバー４１２は、シャフト収容部４１２ｃの内周面が機構収容部４２１ａの外周面に当接することにより、その位置決めが行われる。
【００３４】
図４に示したように、モータケース４２１の内壁には、ステッピングモータ４２２が固定されている。ステッピングモータ４２２の出力シャフト４２２ａの先端は円筒形状を呈しており、その軸心部には駆動孔４２２ｂが形成されている。駆動孔４２２ｂの内周面には所定の長さの雌螺子が形成されており、バルブシャフト４４（弁軸に該当する）の端部外周面に形成された雄螺子部４４１と螺合している。
【００３５】
バルブシャフト４４はステンレス等の金属材料にて形成され、その雄螺子部４４１の下方には二面幅部４４２が形成されている。二面幅部４４２は、モータケース４２１の下端部に形成された一対の対向面４２１ｃと係合しており、これによって、バルブシャフト４４はモータケース４２１に対して回転不能となっている（図５示）。したがって、ステッピングモータ４２２の出力シャフト４２２ａが一方向に回転すると、バルブシャフト４４がバルブハウジング４１内において軸方向に下降し、出力シャフト４２２ａが反対方向に回転すると、バルブシャフト４４は上昇する。
【００３６】
上述したバルブシャフト４４の雄螺子部４４１と、出力シャフト４２２ａの雌螺子とは、ともに台形ネジにより形成されており、バルブシャフト４４と出力シャフト４２２ａとの間の逆効率がほぼ０に設定されていることが望ましい。これにより、バルブシャフト４４と出力シャフト４２２ａとの間の動作の伝達が不可逆的に形成され、エア調圧弁４が閉じられている状態で、バルブシャフト４４から出力シャフト４２２ａに向けて戻し荷重が働いた場合に、出力シャフト４２２ａは開弁する方向に回転せず、不用意にエア調圧弁４が開弁することがない。
【００３７】
図２に示したように、バルブシャフト４４の二面幅部４４２の下方には、モータケース４２１から突出し一定の径により軸方向に延びた円柱部４４３が形成されている。円柱部４４３の外周面は、バルブカバー４１２のシャフト収容部４１２ｃの下端に形成されたシャフトリテーナ部４１２ｅにより、軸方向に移動可能に支持されている。互いに当接する円柱部４４３の外周面またはシャフトリテーナ部４１２ｅには無電解ニッケルメッキ等が施され、その摺動面の耐摩耗性を向上させている。
【００３８】
さらに、円柱部４４３の先端部には、小径の橋部４４４を介して略球状の支持体４４５が一体に形成されている。バルブシャフト４４の先端部に形成された支持体４４５には、バルブシャフト４４の軸心に対し半径方向に延びるように、バルブ部材４５が取り付けられている。
バルブ部材４５のバルブフレーム４５１は、ステンレス等の金属板がプレス成形されて形成されている。バルブフレーム４５１は、バルブシャフト４４の軸心に対し、半径方向に円板状に延びた平板部４５１ａを有しており、平板部４５１ａには外周縁を覆うようにシール部材４５２が固着されている。
【００３９】
シール部材４５２は、ＳＢＲ（スチレン−ブタジエンゴム）またはＥＰＤＭ（エチレン−プロピレン−ジエン共重合体）といった耐熱性を有する合成ゴム材料にて形成されている。シール部材４５２の下面には、バルブ部材４５の下降により、バルブボデー４１１に形成された調圧弁座４１１ｆと当接可能なシールリップ４５２ａが突出している。図２に示したように、シールリップ４５２ａは、発電停止時に、電池スタック６内に残留した水素ガスと酸素の反応や電池スタック６の温度低下による残留水蒸気の凝縮などによって発生する負圧によりセルフシールするように、半径方向内向き（調圧弁アウトレット４１１ｅに向いて）に形成されている。
【００４０】
バルブフレーム４５１には、平板部４５１ａの半径方向中心部に連続した段部４５１ｂ（平板部４５１ａおよび段部４５１ｂを包括した構成が延在部に該当する）が形成されている。段部４５１ｂはバルブシャフト４４の軸方向に延びており、径方向の段差が軸方向に並ぶように２箇所に形成されている。
また、バルブフレーム４５１は、一端が段部４５１ｂに連続した円筒部４５１ｃ（筒状部に該当する）を有している。円筒部４５１ｃは、平板部４５１ａに対して垂直方向に延び、バルブシャフト４４の円柱部４４３が挿入されている。さらに、バルブフレーム４５１は、円筒部４５１ｃの他端に連続して形成され、先端が半球状の曲面によって袋状に閉じていることにより、バルブシャフト４４の支持体４４５の曲面を受けることが可能な取付部４５１ｄを有している。
【００４１】
取付部４５１ｄは、かしめられることにより支持体４４５に取り付けられている。図６に示したように、最初に、取付部４５１ｄ内にバルブシャフト４４の支持体４４５を挿入した後、円周上に互いの間が等角になるように配置された３つのパンチＰを半径方向内方に同時に作動させ、取付部４５１ｄの外周面の３箇所を支持体４４５に向けて均等にかしめる。これによって、取付部４５１ｄの外周面の３箇所にはかしめ部４５１ｅが形成される。
次に、パンチＰを戻した状態で、バルブフレーム４５１を６０°回転させた後、上述したパンチＰによって同様にかしめられる。これによって、取付部４５１ｄはバルブシャフト４４の支持体４４５に対して、円周上の６箇所のかしめ部４５１ｅにおいて均等にかしめられ、支持体４４５に対して脱落不能に接続される。
【００４２】
図７に示したように、バルブフレーム４５１はバルブシャフト４４に取り付けられた状態において、支持体４４５の外周面と取付部４５１ｄの各々のかしめ部４５１ｅとの間に、バルブシャフト４４の軸方向の隙間δが形成されている。軸方向の隙間δは僅かな大きさであって、後述するようにバルブシャフト４４に対してバルブ部材４５を傾き可能にするために形成されている。軸方向の隙間δは、バルブ部材４５が傾き可能であれば、極力、小さく形成されることが望ましく、実質的に０であっても構わない。
【００４３】
また、バルブフレーム４５１がバルブシャフト４４に取り付けられた状態において、円筒部４５１ｃの内周面と、挿入されたバルブシャフト４４の円柱部４４３の外周面との間には、バルブシャフト４４の軸心に対する半径方向の隙間ε（以下、半径方向隙間εという）が形成されている。図７に示したように、半径方向隙間εは、円筒部４５１ｃの内周面と円柱部４４３の外周面との間において、全周に渡って形成されている。バルブシャフト４４に取り付けられたバルブ部材４５は、球状の支持体４４５の略中心点をその傾き中心として傾き、半径方向隙間εはその傾き角度を規制している（図７において破線および二点鎖線にて示す）。
【００４４】
半径方向隙間εの大きさは、バルブ部材４５がバルブボデー４１１の調圧弁座４１１ｆに着座する際にシール可能なように、調圧弁座４１１ｆに倣って、バルブシャフト４４の先端部の支持体４４５を中心にバルブ部材４５がバルブシャフト４４に対して所定量だけ傾くように、シール部材４５２の調圧弁座４１１ｆに対するシール部の直径に基づいて設定されている。
【００４５】
すなわち、図８に示すように、バルブ部材４５と調圧弁座４１１ｆとの間の平行度の精度がばらついて形成されていた場合、バルブ部材４５によって吸収しなければならない高さ（高低差）ｈは、シール部材４５２のシールリップ４５２ａの直径φに応じたものとなる。
通常、シールリップ４５２ａの直径φは、エア調圧弁４を通過させる流体の量に基づいて機能的に設定される。また、バルブ部材４５と調圧弁座４１１ｆとの間の平行度の精度のばらつきは、バルブハウジング４１およびモータアッセンブリ４２の製造上の精度によって決定される。
【００４６】
ここで、エア調圧弁４がその機能上必要とするシールリップ４５２ａの直径φがφｎであり、φｎおよびその製造上の精度に起因して考慮すべき調圧弁座４１１ｆの最大高低差ｈをｈｒとし、シールリップ４５２ａの直径φがφｎである場合のバルブ部材４５の吸収可能高さをｈｓとする。この場合、図９に示したグラフにおいて、シールリップ４５２ａの直径φｎと調圧弁座４１１ｆの最大高低差ｈｒとを特定する点を原点と結んだ直線の傾きθ２以上が、シール機能を確保するために、バルブ部材４５がバルブシャフト４４の軸方向に対して傾かなければならない角度θ１となる。その結果、バルブフレーム４５１の円筒部４５１ｃと、バルブシャフト４４の円柱部４４３との間の半径方向隙間εは、バルブ部材４５がバルブシャフト４４の軸方向に対して、θ１（θ２以上）傾くことができる値に設定される。
【００４７】
図２に戻って、バルブフレーム４５１の段部４５１ｂの内周面には、上方からスプリングリテーナ４５３が圧入固定されている。スプリングリテーナ４５３は、金属板がプレス工程にて絞られて形成されている。スプリングリテーナ４５３は、段部４５１ｂの下方に形成された段差と円柱部４４３との間に位置する円筒状の固定部４５３ａと、固定部４５３ａから半径方向外方へと拡がった肩部４５３ｂとを有している。
【００４８】
スプリングリテーナ４５３の固定部４５３ａは、肩部４５３ｂがバルブフレーム４５１の平板部４５１ａの上面に当接するまで、バルブフレーム４５１の段部４５１ｂの内周面に圧入されている。段部４５１ｂに圧入された固定部４５３ａは、バルブシャフト４４の円柱部４４３の外周面との間には隙間を有しているため、バルブ部材４５のバルブシャフト４４に対する傾きを妨げることはない。
【００４９】
また、段部４５１ｂの上方に形成された段差と固定部４５３ａとの間には、シール部材であるＯリング４５４が介装されている。Ｏリング４５４は、バルブフレーム４５１と固定部４５３ａとの間においてシール機能を発揮し、エア調圧弁４内に浸入した水分または異物等が、バルブフレーム４５１の取付部４５１ｄあるいは後述するダイヤフラム４６で区分けされた空気室４１５まで浸入することを防止している。
【００５０】
さらに、スプリングリテーナ４５３は、肩部４５３ｂから上方へと延びた連結部４５３ｃと、連結部４５３ｃから半径方向外方へと拡がる締付部４５３ｄとを備えている。
また、ダイヤフラム保持体４５５は、半径方向内端にバルブシャフト４４の軸方向に延びる係合部４５５ａを有し、係合部４５５ａの上端からは、押圧部４５５ｂが半径方向に延びている。押圧部４５５ｂの下面がスプリングリテーナ４５３の連結部４５３ｃの上端に当接するまで、係合部４５５ａが連結部４５３ｃの内周面に圧入されることにより、スプリングリテーナ４５３とダイヤフラム保持体４５５は一体化されている。
【００５１】
スプリングリテーナ４５３の締付部４５３ｄとダイヤフラム保持体４５５の押圧部４５５ｂとの間には、ダイヤフラム４６の内周縁が固定されている。ダイヤフラム４６は合成ゴム材料にて一体的に形成されており、略中央部には表裏を貫通する装着孔４６１が形成されている。装着孔４６１の周縁は、締付部４５３ｄと押圧部４５５ｂとにより上下方向に挟圧され、双方の間において液密的に固定されている。
【００５２】
ダイヤフラム４６の外周縁は、前述したバルブボデー４１１の上端面とバルブカバー４１２のモータ取付部４１２ｂの下端との間において挟圧され、液密的に固定されている。このように、ダイヤフラム４６がバルブハウジング４１の内周面とバルブ部材４５とに取り付けられることにより、ダイヤフラム４６およびバルブ部材４５によって、バルブハウジング４１の内部が２つに区分けされている。すなわち、バルブハウジング４１の内部は、調圧弁インレット４１１ｄ、調圧弁アウトレット４１１ｅおよび調圧弁座４１１ｆを含み供給された流体が通過する流体室４１４と、流体等の進入が防止され空気が充填されている空気室４１５とが形成されている。空気室４１５は、バルブカバー４１２に設けられた図示しない通気孔により外気に連通している。
【００５３】
スプリングリテーナ４５３の肩部４５３ｂと、バルブカバー４１２のシャフト収容部４１２ｃの段部との間には、バルブシャフト４４を円周方向に取り囲むようにコイルスプリング４７（コイルバネに該当する）が介装されている。コイルスプリング４７は、スプリングリテーナ４５３とバルブカバー４１２との間に弾発的に装着され、バルブ部材４５をバルブシャフト４４の先端方向に向けて付勢している。コイルスプリング４７の付勢力により、エア調圧弁４の開弁時には、バルブフレーム４５１のかしめ部４５１ｅはバルブシャフト４４の支持体４４５に当接している。
【００５４】
調圧弁インレット４１１ｄからバルブハウジング４１の内部に、空気等の所定の圧力を有した流体が供給されると、上述したダイヤフラム４６が流体から圧力を受けて、バルブ部材４５の上部は、ダイヤフラム４６により円周上を均等に引っ張られて、バルブシャフト４４の軸心からずれずに（センタリング）、バルブシャフト４４の軸心に対して傾かずに保持される。
【００５５】
また、上述したコイルスプリング４７のバルブシャフト４４の先端方向に向けた付勢力により、バルブ部材４５の下方部も、バルブシャフト４４の軸心からずれずに（センタリング）、バルブシャフト４４の軸心に対して傾かずに保持される。また、コイルスプリング４７の付勢力により、エア調圧弁４の開弁状態におけるバルブフレーム４５１とバルブシャフト４４との間の軸方向の隙間δが埋まり、バルブ部材４５の振動およびそれに伴う騒音の発生を防止することができる。
【００５６】
このようなダイヤフラム４６およびコイルスプリング４７の保持力によって、エア調圧弁４の作動時における、バルブ部材４５の振動およびそれに伴う騒音の発生が防止され、エア調圧弁４の内部を通過する流体の流量変動を低減することができる。尚、コイルスプリング４７は、スプリングリテーナ４５３とバルブカバー４１２との間に設ける代わりに、ダイヤフラム保持体４５５の押圧部４５５ｂとバルブカバー４１２との間に介装されていてもよい。
【００５７】
次に、エア調圧弁４の作動方法について簡単に説明する。バルブシャフト４４が上方にあり、バルブ部材４５のシール部材４５２が調圧弁座４１１ｆから離間している時、エア調圧弁４は開状態にある（図２示）。この状態において、調圧弁インレット４１１ｄと調圧弁アウトレット４１１ｅとが連通しており、双方の間の空気等の流体の流通は許容されている。この時、バルブフレーム４５１のかしめ部４５１ｅは、コイルスプリング４７の付勢力を受けてバルブシャフト４４の支持体４４５に当接した状態で保持されている。
【００５８】
制御装置９からの駆動信号により、ステッピングモータ４２２が一方向に回転すると、バルブ部材４５がバルブシャフト４４とともに軸方向に下降し、シール部材４５２が調圧弁座４１１ｆに着座する（図３示）。これにより、エア調圧弁４は閉状態となり、調圧弁インレット４１１ｄと調圧弁アウトレット４１１ｅとの間の連通が遮断され、双方の間の流体の流通は断たれる。この状態において、コイルスプリング４７は圧縮され、所定の付勢力によりバルブ部材４５を調圧弁座４１１ｆに対して押圧している。
【００５９】
シール部材４５２が調圧弁座４１１ｆに対して着座する時に、シール部材４５２と調圧弁座４１１ｆの双方のシール面の間において平行度の精度にばらつきがあった場合、調圧弁座４１１ｆのシール面に倣って、バルブ部材４５が、コイルスプリング４７を撓ませながらバルブシャフト４４の支持体４４５を中心にバルブシャフト４４に対して傾き、バルブ部材４５と調圧弁座４１１ｆとの間のシール性を確保することができる。
【００６０】
本実施形態によれば、バルブ部材４５はバルブフレーム４５１を有し、バルブフレーム４５１は、バルブシャフト４４の軸方向に延びバルブシャフト４４が挿入される円筒部４５１ｃと、円筒部４５１ｃからバルブシャフト４４に対し半径方向に拡がりシール部材４５２が取り付けられた平板部４５１ａと、円筒部４５１ｃに連続するとともに、一端が袋状に閉じており、バルブシャフト４４の先端部に形成された曲面を受ける取付部４５１ｄと、を有しており、バルブシャフト４４は、バルブフレーム４５１の円筒部４５１ｃとの間に半径方向隙間εを有し、取付部４５１ｄに対しては脱落不能に接続されているとともに、軸方向の隙間δを有することにより、バルブ部材４５の平面方向と調圧弁座４１１ｆのシール面との間の平行度に精度のばらつきがあった場合、バルブシャフト４４の支持体４４５を中心に、バルブ部材４５がバルブシャフト４４に対して半径方向隙間εが埋まるまで傾くことができ、構成部品の寸法精度を向上させたりエア調圧弁４を大型化せずに、バルブ部材４５と調圧弁座４１１ｆとの間のシール性を確保することができる。
【００６１】
また、バルブ部材４５は、バルブシャフト４４の支持体４４５を中心に規則的に傾き、半径方向隙間εで規制される所定角度以上には傾かないため、バルブ部材４５の振動およびそれに伴う騒音の発生が防止され、エア調圧弁４の内部を通過する空気の流量変動を低減することができ、エア調圧弁４の流量制御性能を向上させことができる。
また、バルブシャフト４４の支持体４４５を挿入した後、取付部４５１ｄをかしめてバルブ部材４５とバルブシャフト４４とを接続することにより、簡単な構成で低コストに、所定量だけバルブ部材４５がバルブシャフト４４に対して傾くことができるエア調圧弁４を形成することができる。
【００６２】
また、取付部４５１ｄをかしめてバルブ部材４５とバルブシャフト４４との間の軸方向の隙間δを形成することにより、当該軸方向の隙間δを、極力、小さくすることができる。
また、バルブシャフト４４と円筒部４５１ｃとの間の半径方向隙間εの大きさは、シール部材４５２のシールリップ４５２ａの直径φに基づいて設定されていることにより、バルブ部材４５が調圧弁座４１１ｆに着座する際に、バルブ部材４５の平面方向と調圧弁座４１１ｆのシール面との間の平行度、およびシールリップ４５２ａの直径φに起因して発生する調圧弁座４１１ｆの高低差ｈを確実に吸収することができる。
【００６３】
また、バルブ部材４５とバルブハウジング４１との間には、バルブシャフト４４を円周方向に取り囲むように設けられ、バルブ部材４５をバルブシャフト４４の先端方向に向けて付勢するコイルスプリング４７が介装されていることにより、バルブ部材４５をバルブシャフト４４の先端方向に向けて円周上において均等に付勢することができ、バルブシャフト４４に対するバルブ部材４５の振動および振動に伴う騒音をいっそう低減し、流体の流量変動をさらに抑制することができる。
【００６４】
また、ダイヤフラム４６およびバルブ部材４５によってバルブハウジング４１の内部が区分けされ、調圧弁インレット４１１ｄ、調圧弁アウトレット４１１ｅおよび調圧弁座４１１ｆを含み空気等の流体が通過する流体室４１５と、流体の進入が防止される空気室４１５とが形成されていることにより、流体室４１４内に圧力を伴った流体が進入すると、ダイヤフラム４６に緊迫力が発生して、装着孔４６１の内周縁に固定されたバルブ部材４５が半径方向中心において強固に保持されるため、バルブシャフト４４に対するバルブ部材４５の振動および振動に伴う騒音がいっそう低減され、流体の流量変動をさらに抑制することができる。
また、支持体４４５の外周面と取付部４５１ｄのかしめ部４５１ｅとの間の軸方向の隙間δは僅かな大きさであるため、バルブシャフト４４に対するバルブ部材４５の振動および振動に伴う騒音は低減され、流体の流量変動をさらに抑制することができる。
【００６５】
尚、上述した実施形態においては、取付部４５１ｄをかしめてバルブフレーム４５１をバルブシャフト４４に取り付けているが、本発明は、必ずしもかしめによってバルブフレーム４５１とバルブシャフト４４とを接続しなければならないわけではない。例えば、かしめの方法に代えて、図１０に示したように、バルブフレーム４５１をバネ鋼によって形成し、取付部４５１ｄを拡径させながら、バルブシャフト４４の支持体４４５を取付部４５１ｄ内に挿入して、バルブフレーム４５１とバルブシャフト４４とを接続するようにしてもよい。この場合においても、支持体４４５と取付部４５１ｄとの間に軸方向の隙間δを有するとともに、円柱部４４３と円筒部４５１ｃとの間には半径方向隙間εを有していることは言うまでもない。
【００６６】
＜実施形態２＞
次に、本発明を適用した実施形態２による三方弁３（流体制御弁に該当する）の構造について、図１１乃至図１３に基づき詳細に説明する。尚、以下、図１１における上方および下方を、それぞれ三方弁３の上方および下方とし、図１１における右方および左方を、それぞれ三方弁３の右方および左方として説明しているが、車両における三方弁３の実際の取付方向とは無関係である。
図１１に示したように、三方弁３も実施形態１によるエア調圧弁４と同様に、バルブハウジング３１の外周面にモータアッセンブリ３２（駆動源に該当する）が取り付けられて形成されている。バルブハウジング３１は、ともに合成樹脂材料にて形成された第１ボデー３１１と第２ボデー３１２とを、互いに液密的に嵌合させて形成している。
【００６７】
第１ボデー３１１には、図１１において右方に開口する三方弁インレット３１１ａ（流入口に該当する）が形成されている。三方弁インレット３１１ａは、上述した酸素系供給配管２１ａを介して、インタークーラ２４に接続されている（図１示）。また、第２ボデー３１２には、三方弁インレット３１１ａに対し垂直方向に開口（図１１において下方に開口）する三方弁アウトレット３１２ａ（流出口に該当する）が形成されている。三方弁アウトレット３１２ａは、上述した酸素系供給配管２１ａを介して、電池スタック６のカソード流路６２の一端に接続されている（図１示）。また、第１ボデー３１１には、図１１において左方に開口するバイパス口３１１ｂが形成されている。バイパス口３１１ｂは、上述したバイパス配管２１ｃを介して、排出ガス希釈器５６に接続されている（図１示）。
また、第２ボデー３１２の内周面において、三方弁インレット３１１ａと三方弁アウトレット３１２ａとの間には制御弁座３１２ｂ（弁座に該当する）が形成されている。制御弁座３１２ｂは平坦な円環状に形成されている。
【００６８】
また、第１ボデー３１１の内部上面からは、円筒状の着座体３１１ｃが下方に延びている。着座体３１１ｃの下端は平坦に形成され、三方弁インレット３１１ａおよび三方弁アウトレット３１２ａと、バイパス口３１１ｂとの間に位置するバイパス弁座３１１ｄが形成されている。また、第１ボデー３１１の内周上面からは、着座体３１１ｃの半径方向内方に位置するように、円筒形のシャフト支持部３１１ｅが突出している。
【００６９】
実施形態１によるエア調圧弁４と同様に、バルブハウジング３１の上面には、上述したモータアッセンブリ３２が取り付けられている。モータアッセンブリ３２は、モータケース３２１の機構収容部３２１ａの外周面を、第１ボデー３１１の上端部に形成されたモータ取付ボス３１１ｆの内周面に嵌合させた状態で、モータケース３２１に貫通させた図示しない複数の取付スクリューを、第１ボデー３１１に締め付けることによって第１ボデー３１１に固定される。取付スクリューはモータケース３２１に形成された貫通孔（図示せず）に対して遊嵌しており、モータアッセンブリ３２は、機構収容部３２１ａの外周面がモータ取付ボス３１１ｆの内周面に当接することにより、その位置決めが行われる。
【００７０】
エア調圧弁４と同様に、モータケース３２１内には、ステッピングモータ４２２が固定されており、ステッピングモータ４２２の出力シャフト４２２ａの回転運動は直進運動に変換され、バルブシャフト３３（弁軸に該当する）に伝達される。バルブシャフト３３は、上述したシャフト支持部３１１ｅの内周面において、その軸方向に移動可能に支持されている。
【００７１】
バルブシャフト３３の長さ方向の略中央部には、一定の径により軸方向に延びた円柱部３３１が形成されている。また、円柱部３３１の上方には、円柱部３３１と同径の第１ランド部３３２が設けられており、円柱部３３１と第１ランド部３３２との間には、第１シール溝３３３が円周上に形成されている。第１シール溝３３３内には、合成ゴム材料にて形成されたシールパッキン３４が装着されている。シールパッキン３４は、バルブシャフト３３の外周面とシャフト支持部３１１ｅの内周面との間でシール性能を発揮し、モータアッセンブリ３２内への水、異物等の浸入を防止している。
【００７２】
円柱部３３１の先端部には、小径の橋部３３４を介して略球状の支持体３３５が一体に形成されている。エア調圧弁４と同様に、支持体３３５にはバルブ部材３５が取り付けられている。バルブ部材３５のバルブフレーム３５１は、バルブシャフト３３の軸心に対し、半径方向に円板状に延びた平板部３５１ａを有しており、平板部３５１ａにはその外周面（上面および外周縁）を覆うように、合成ゴム材料にて形成されたシール部材３５２が被覆されている。
【００７３】
シール部材３５２の下面には、バルブ部材３５の下降により、第２ボデー３１２に形成された制御弁座３１２ｂと当接可能なシールリップ３５２ａが突出している。図１１に示したように、シールリップ３５２ａは、電池スタック６内に残留した水素ガスと酸素の反応によって発生する負圧によりセルフシールするように、半径方向外向きに形成されている。また、シール部材３５２の上面は平坦に形成され、バルブ部材３５の上昇により、第１ボデー３１１に形成されたバイパス弁座３１１ｄと当接可能となっている。
【００７４】
バルブフレーム３５１には、平板部３５１ａの半径方向中心部において、バルブシャフト３３の先端方向に窪んだ凹部３５１ｂ（平板部３５１ａおよび凹部３５１ｂを包括した構成が延在部に該当する）が形成されている。また、バルブフレーム３５１は、一端が凹部３５１ｂの内周端に連続した円筒部３５１ｃ（筒状部に該当する）を有している。円筒部３５１ｃは、平板部３５１ａに対して垂直方向に延び、バルブシャフト３３の円柱部３３１が挿入されている。
さらに、バルブフレーム３５１は、エア調圧弁４と同様に、円筒部３５１ｃの他端に連続して形成され、バルブシャフト３３の支持体３３５を受け入れる取付部３５１ｄを有している。取付部３５１ｄは、かしめによりバルブシャフト３３の支持体３３５に対し脱落不能に取り付けられている。
【００７５】
エア調圧弁４と同様に、バルブフレーム３５１はバルブシャフト３３に取り付けられた状態において、支持体３３５の外周面と取付部３５１ｄのかしめ部３５１ｅとの間に、バルブシャフト３３の軸方向の隙間δが形成されている。
また、バルブフレーム３５１はバルブシャフト３３に取り付けられた状態において、円筒部３５１ｃの内周面と、バルブシャフト３３の円柱部３３１の外周面との間には、バルブシャフト３３の軸心に対する半径方向隙間εが全周上に形成されている。
【００７６】
バルブシャフト３３において、上述した橋部３３４の上方には円柱部３３１と同径の第２ランド部３３６が設けられており、円柱部３３１の下端と第２ランド部３３６との間には、第２シール溝３３７が円周上に形成されている。第２シール溝３３７内には、合成ゴム材料にて形成されたリング状のシャフトシール３６（リング状のシール部材に該当する）が装着されている。シャフトシール３６は、バルブシャフト３３の外周面とバルブフレーム３５１の円筒部３５１ｃの内周面との間でシール性能を発揮し、バルブフレーム３５１の円筒部３５１ｃおよび取付部３５１ｄ内への水、異物等の浸入を防止している。
【００７７】
シャフトシール３６は、バルブシャフト３３の外周面とバルブフレーム３５１の円筒部３５１ｃの内周面との間に弾発的に設けられ、双方の間において所定の摺動抵抗を発生させている。このため、シャフトシール３６によって、バルブ部材３５は、バルブシャフト３３の軸心を中心として保持され（センタリング）、バルブ部材３５のバルブシャフト３３に対する振動および振動に伴う騒音を低減することができ、三方弁３の内部を通過する流体の流量変動を低減することができる。
【００７８】
また、バルブフレーム３５１の凹部３５１ｂと、第１ボデー３１１の内部上面との間には、バルブスプリング３７（コイルバネに該当する）が介装されている。バルブスプリング３７の内周面は、上述したシャフト支持部３１１ｅの外周面に嵌着している。バルブスプリング３７は、バルブフレーム３５１と第１ボデー３１１との間に弾発的に装着され、バルブ部材３５をバルブシャフト３３の先端方向に向けて付勢している。バルブスプリング３７の付勢力により、三方弁３の開弁時には、バルブフレーム３５１のかしめ部３５１ｅはバルブシャフト３３４の支持体３３５に当接している。
【００７９】
バルブスプリング３７の付勢力により、バルブ部材３５はバルブシャフト３３の軸心からずれずに（センタリング）、バルブシャフト３３の軸心を中心として傾かずに保持される。また、バルブ部材３５が制御弁座３１２ｂから離間している状態において、バルブスプリング３７の付勢力により、シャフトシール３６による摺動抵抗に抗して、バルブフレーム３５１とバルブシャフト３３との間の軸方向の隙間δを埋めることができるため、バルブ部材３５の振動およびそれに伴う騒音の発生を防止することができ、三方弁３の内部を通過する流体の流量変動を低減することができる。
【００８０】
次に、三方弁３の作動方法について簡単に説明する。バルブシャフト３３が上方にある時、バルブ部材３５のシール部材３５２の上面がバイパス弁座３１１ｄに着座するとともに、制御弁座３１２ｂから離間している（図１２示）。この時、三方弁インレット３１１ａと三方弁アウトレット３１２ａとは連通し、双方の間の空気等の流体の流通が許容されるとともに、三方弁インレット３１１ａおよび三方弁アウトレット３１２ａと、バイパス口３１１ｂとの間の連通は遮断され、これらの間の流体の流通は断たれる。この時、バルブ部材３５の上面がバイパス弁座３１１ｄから押圧されることにより、バルブフレーム３５１のかしめ部３５１ｅは、バルブシャフト３３の支持体３３５に当接した状態で保持されている。
【００８１】
シール部材３５２がバイパス弁座３１１ｄに対して着座する時に、シール部材３５２とバイパス弁座３１１ｄのシール面との間において平行度の精度にばらつきがあった場合、バイパス弁座３１１ｄのシール面に倣って、バルブ部材３５が、バルブスプリング３７を撓ませながらバルブシャフト３３の支持体３３５を中心にバルブシャフト３３に対して傾き、バルブ部材３５とバイパス弁座３１１ｄとの間のシール性を確保することができる。
【００８２】
制御装置９からの駆動信号により、ステッピングモータが一方向に回転すると、バルブ部材３５がバルブシャフト３３とともに軸方向に下降し、シール部材３５２の上面がバイパス弁座３１１ｄから離間するとともに、シールリップ３５２ａが制御弁座３１２ｂに着座する（図１３示）。この時、三方弁インレット３１１ａとバイパス口３１１ｂとが連通し、双方の間の空気等の流体の流通が許容されるとともに、三方弁インレット３１１ａおよびバイパス口３１１ｂと、三方弁アウトレット３１２ａとの間の連通は遮断され、これらの間の流体の流通は断たれる。この状態において、バルブスプリング３７は圧縮されており、所定の付勢力によりバルブ部材３５を制御弁座３１２ｂに対して押圧している。
【００８３】
シール部材３５２が制御弁座３１２ｂに対して着座する時に、シール部材３５２と制御弁座３１２ｂの双方のシール面の間において平行度の精度にばらつきがあった場合、制御弁座３１２ｂのシール面に倣って、バルブ部材３５が、バルブスプリング３７を撓ませながらバルブシャフト３３の支持体３３５を中心にバルブシャフト３３に対して傾き、バルブ部材３５と制御弁座３１２ｂとの間のシール性を確保することができる。
三方弁３において、バルブ部材３５は、制御弁座３１２ｂとバイパス弁座３１１ｄとの間において任意の位置をとることにより、三方弁インレット３１１ａから供給された流体の、三方弁アウトレット３１２ａおよびバイパス口３１１ｂへそれぞれ分流される流量を、流体が通過する通路の断面積に基づき制御することができる（図１１示）。
【００８４】
本実施形態によれば、バルブシャフト３３の外周面と円筒部３５１ｃの内周面との間には、リング状のシャフトシール３６が弾発的に介装されていることにより、シャフトシール３６によりバルブシャフト３３とバルブ部材３５との間において摺動抵抗が発生し、バルブシャフト３３に対するバルブ部材３５の振動および振動に伴う騒音が低減され、流体の流量変動を抑制することができる。
【００８５】
＜他の実施形態＞
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、次のように変形または拡張することができる。
調圧弁４のバルブフレーム４５１の内周面とバルブシャフト４４の外周面との間にシール部材を弾発的に介装させることにより、バルブシャフト４４に対するバルブ部材４５の振動および振動に伴う騒音を低減し、流体の流量変動を抑制するようにしてもよい。
【００８６】
また、バルブシャフト４４の先端部に形成された支持体４４５は必ずしも球状でなくてもよく、バルブシャフト４４に対してバルブ部材４５が円滑に傾くことが可能であれば、半球状あるいは滑らかな逆円錐状といった形状に形成してもよい。
また、図２および図１１に示したバルブ部材３５、４５において、円筒部３５１ｃ、４５１ｃの下方に平板部３５１ａ、４５１ａを形成し、さらに、平板部３５１ａ、４５１ａの下方に、平板部３５１ａ、４５１ａに連続するように取付部３５１ｄ、４５１ｄを形成してもよい。
【符号の説明】
【００８７】
図面中、３は三方弁（流体制御弁）、４はエア調圧弁（流体制御弁）、３１，４１はバルブハウジング、３２，４２はモータアッセンブリ（駆動源）、３３，４４はバルブシャフト（弁軸）、３５，４５はバルブ部材、３６はシャフトシール（リング状のシール部材）、３７はバルブスプリング（コイルバネ）、４６はダイヤフラム、４７はコイルスプリング（コイルバネ）、３１１ａは三方弁インレット（流入口）、３１２ａは三方弁アウトレット（流出口）、３１２ｂは制御弁座（弁座）、３３５，４４５は支持体、３５１，４５１はバルブフレーム、３５１ａ，４５１ａは平板部（延在部）、３５１ｂは凹部（延在部）、３５１ｃ，４５１ｃは円筒部（筒状部）、３５１ｄ，４５１ｄは取付部、３５２，４５２はシール部材、４１１ｄは調圧弁インレット（流入口）、４１１ｅは調圧弁アウトレット（流出口）、４１１ｆは調圧弁座（弁座）、４１４は流体室、４１５は空気室、４５１ｂは段部（延在部）を示している。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体の流れを制御する流体制御弁に関する。
【背景技術】
【０００２】
弁軸に円形のバルブ体が垂直に取り付けられ、バルブ体が弁軸とともに軸方向に作動することにより、真円状の弁座に着座するポペットバルブ式の開閉弁は、従来より内燃機関の吸排気弁等において広く使用されている。
特許文献１に開示された開閉弁は、燃料電池システムの酸化ガス供給路上に設けられ、ダイヤフラムで互いに区分けされた一対の圧力室に選択的にエアを導入することにより、ダイヤフラムに接続されたバルブ体を、供給路上に形成された弁座に対して当接あるいは離間させることにより供給路を断続している。
この従来技術に開示されたポペットバルブ式の開閉弁は、閉弁時に一方向からの高圧に対する耐力が高く、エアコンプレッサから吐出された高圧の酸化ガスを十分にシールすることができる。
【０００３】
しかしながら、その一方、上述したポペットバルブ式の開閉弁においては、その設計上あるいは製造上の誤差に起因して、バルブ体の平面方向と弁座のシール面との間の平行度に精度のばらつきが発生することがある。互いに当接するバルブ体と弁座のシール面との間の平行度に、精度上のばらつきがあった場合、開閉弁のシール不良につながることがあり、これを回避するための対策が必要であった。
このためには、これまで、バルブ体が弁座に着座する際に、バルブ体と弁座との間の平行度のばらつきを、弾性材料にて形成されたシール部材を部分的に潰すことによって吸収してきた。これによって、バルブ体と弁座のシール面とが平行でなくても、弁座の全面にシール部材が当接するようになり、開閉弁のシール不良を防止することができる。
【０００４】
ところが、特許文献１に開示されたような開閉弁は、所定量の流体の通過を許容しなければならず、そのシール部材が一定のシール径を備えていなければならない。したがって、シール径が大きくなった場合、シール部材の潰し代を大きくする必要があり、バルブ体を押圧する荷重も増大させる必要がある。このため、開閉弁自体が大型化し、高コスト化するという問題が発生する。
【０００５】
これに対して、特許文献２に開示された開閉弁においては、弁座に着座するバルブ体が取り付けられた弁体取付軸の上部と主軸の下部とを、双方の軸に垂直な方向に挿入した連結ピンを介して接続したものである。これによれば、主軸に対して弁体取付軸が首振り可能に連結されているため、弁座のシール面に対して主軸が垂直でなくても、バルブ体を弁座のシール面に倣った方向に向かせ、双方の間においてシール力を確保することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−１４６９２４号公報
【特許文献２】実開昭６２−８７２７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献２に開示された開閉弁においては、弁体取付軸と主軸とが連結ピンを介して接続されたものであり、弁体取付軸と主軸との間のガタは、弁体取付軸、主軸および連結ピンの３部品の寸法によって決定されるため、双方の間のガタが増大する恐れがある。弁体取付軸と主軸との間のガタが大きいと、バルブ体の振動および振動に伴う騒音が増大し、開閉弁を通過する流体においても流量変動が発生する。このため、開閉弁を流体の流量を制御する流体制御弁に使用した場合、流体の流量を精度よく制御することに困難を伴う。
これに対して、弁体取付軸と主軸との間のガタを低減しようとすれば、各部品の寸法精度を向上させなければならず、コストの増大を余儀なくされていた。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、閉弁時にバルブ部材と弁座との間において確実にシール力を発生することができる小型で低コストの流体制御弁を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決するために、請求項１に係る流体制御弁の発明の構成は、内部に流体の流入口と流出口とが形成されたバルブハウジングと、バルブハウジングに取り付けられた駆動源と、駆動源によって、バルブハウジング中において軸方向に移動する弁軸と、弁軸の軸心に対し半径方向に延びるように取り付けられ、弁軸とともに移動することにより、一側の面において、バルブハウジング内に形成された弁座に対して着座あるいは離間し、流入口と流出口との間を断続するバルブ部材と、を備え、バルブ部材は、弁軸の軸方向に延び弁軸が挿入される筒状部と、筒状部から弁軸に対し半径方向に拡がった延在部と、筒状部または延在部に連続するとともに、一端が袋状に閉じており、弁軸の先端部に形成された曲面を受ける取付部と、を有するバルブフレームと、延在部に取り付けられ、弁座に対して当接可能なシール部材と、により形成され、弁軸は、筒状部との間に半径方向隙間を有し、取付部に対しては脱落不能に接続されているとともに、軸方向の隙間を有することである。
【０００９】
請求項２に係る発明の構成は、請求項１の流体制御弁において、バルブフレームは金属板をプレス成型して形成され、弁軸の先端部を挿入した後、取付部をかしめることにより、バルブ部材と弁軸とを接続するとともに、軸方向の隙間を形成することである。
【００１０】
請求項３に係る発明の構成は、請求項１または２の流体制御弁において、弁軸と筒状部との間の半径方向隙間の大きさは、バルブ部材が弁座に着座する際に、弁座に倣って、弁軸の先端部を中心にバルブ部材が弁軸に対して所定量だけ傾くように、シール部材の弁座に対するシール径に基づいて設定されていることである。
【００１１】
請求項４に係る発明の構成は、請求項１乃至３のうちのいずれかの流体制御弁において、バルブ部材とバルブハウジングとの間には、弁軸を円周方向に取り囲むように設けられ、バルブ部材を弁軸の先端方向に向けて付勢するコイルバネが介装されていることである。
【００１２】
請求項５に係る発明の構成は、請求項１乃至４のうちのいずれかの流体制御弁において、弁軸の外周面と筒状部の内周面との間には、リング状のシール部材が弾発的に介装されていることである。
【００１３】
請求項６に係る発明の構成は、請求項１乃至５のうちのいずれかの流体制御弁において、バルブハウジングの内周面には、表裏を貫通する装着孔を有したダイヤフラムの外周縁が液密的に固定されるとともに、装着孔の内周縁がバルブ部材の外周部に液密的に固定されることにより、ダイヤフラムおよびバルブ部材によってバルブハウジングの内部が区分けされ、流入口、流出口および弁座を含み流体が通過する流体室と、流体の進入が防止される空気室とが形成されていることである。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１に係る流体制御弁によれば、バルブ部材はバルブフレームを有し、バルブフレームは、弁軸の軸方向に延び弁軸が挿入される筒状部と、筒状部から弁軸に対し半径方向に拡がりシール部材が取り付けられた延在部と、筒状部または延在部に連続するとともに、一端が袋状に閉じており、弁軸の先端部に形成された曲面を受ける取付部と、を有しており、弁軸は、バルブフレームの筒状部との間に半径方向隙間を有し、取付部に対しては脱落不能に接続されているとともに、軸方向の隙間を有することにより、バルブ部材の平面方向と弁座のシール面との間の平行度に精度のばらつきがあった場合、弁軸の先端部を中心に、バルブ部材が弁軸に対して半径方向隙間が埋まるまで傾くことができ、構成部品の寸法精度を向上させたり流体制御弁を大型化せずに、バルブ部材と弁座との間のシール性を確保することができる。
また、バルブ部材は、弁軸の先端部を中心に規則的に傾き、半径方向隙間で規制される所定角度以上には傾かないため、バルブ部材の振動およびそれに伴う騒音の発生が防止され、流体制御弁の内部を通過する流体の流量変動を低減することができ、流体制御弁の流量制御性能を向上させことができる。
【００１５】
請求項２に係る流体制御弁によれば、弁軸の先端部を挿入した後、取付部をかしめてバルブ部材と弁軸とを接続することにより、簡単な構成で低コストに、所定量だけバルブ部材が弁軸に対して傾くことができる流体制御弁を形成することができる。
また、取付部をかしめてバルブ部材と弁軸との間の軸方向の隙間を形成することにより、当該軸方向の隙間を、極力、小さくすることができる。
【００１６】
請求項３に係る流体制御弁によれば、弁軸と筒状部との間の半径方向隙間の大きさは、シール部材の弁座に対するシール径に基づいて設定されていることにより、バルブ部材が弁座に着座する際に、バルブ部材の平面方向と弁座のシール面との間の平行度およびシール径に起因して発生する弁座の高低差を確実に吸収することができる。
【００１７】
請求項４に係る流体制御弁によれば、バルブ部材とバルブハウジングとの間には、弁軸を円周方向に取り囲むように設けられ、バルブ部材を弁軸の先端方向に向けて付勢するコイルバネが介装されていることにより、バルブ部材を弁軸の先端方向に向けて円周上において均等に付勢することができ、弁軸に対するバルブ部材の振動および振動に伴う騒音をいっそう低減し、流体の流量変動をさらに抑制することができる。
【００１８】
請求項５に係る流体制御弁によれば、弁軸の外周面と筒状部の内周面との間には、リング状のシール部材が弾発的に介装されていることにより、リング状のシール部材によって弁軸とバルブ部材との間において摺動抵抗が発生し、弁軸に対するバルブ部材の振動および振動に伴う騒音が低減され、流体の流量変動を抑制することができる。
【００１９】
請求項６に係る流体制御弁によれば、ダイヤフラムおよびバルブ部材によってバルブハウジングの内部が区分けされ、流入口、流出口および弁座を含み流体が通過する流体室と、流体の進入が防止される空気室とが形成されていることにより、流体室内に圧力を伴った流体が進入すると、ダイヤフラムに緊迫力が発生して、装着孔の内周縁に固定されたバルブ部材が半径方向中心において強固に保持されるため、弁軸に対するバルブ部材の振動および振動に伴う騒音がいっそう低減され、流体の流量変動をさらに抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施形態１による燃料電池システムを示したブロック図
【図２】図１に示したエア調圧弁の部分断面図
【図３】図２に示したエア調圧弁の閉弁時の部分断面図
【図４】図２に示したエア調圧弁に含まれたステッピングモータの出力シャフトとバルブシャフトとの係合状態を示した簡略的な断面図
【図５】図４のＡ−Ａ断面図
【図６】バルブシャフトにバルブフレームをかしめる方法を示した簡略図
【図７】エア調圧弁のバルブシャフトとバルブフレームとの接続部を示した拡大断面図
【図８】バルブ部材のシール径と吸収可能高さとの関係を説明するための模式図
【図９】バルブ部材の傾き角度を設定する方法を説明するためのグラフを示した図
【図１０】実施形態１によるエア調圧弁の変形実施形態を説明するための工程図
【図１１】本発明の実施形態２による三方弁を示した部分断面図
【図１２】図１１に示した三方弁のバイパス弁座が閉じた時の部分断面図
【図１３】図１１に示した三方弁の制御弁座が閉じた時の部分断面図
【発明を実施するための形態】
【００２１】
＜実施形態１＞
図１乃至図１０に基づき、本発明の実施形態１によるエア調圧弁４について説明する。
図１に示すように、本実施形態によるエア調圧弁４（流体制御弁に該当する）は、車両に搭載された燃料電池システム１の酸素系２に適用されている。しかしながら、本発明はこれに限定されるべきものではなく、燃料供給系システムあるいは油圧ブレーキシステムといった、車両用流体制御弁として広範囲に使用することが可能であり、また、家庭用機器もしくは一般産業機械用の流体制御弁としても適用することが可能である。
また、以下、図２における上方および下方を、それぞれエア調圧弁４の上方および下方とし、図２における右方および左方を、それぞれエア調圧弁４の右方および左方として説明しているが、車両におけるエア調圧弁４の実際の取付方向とは無関係である。
【００２２】
図１に示すように、燃料電池システム１は、酸素系２、燃料系５、電池スタック６、動力系７、冷却系８および制御装置９とから形成されている。
電池スタック６は、これに限定されるべきものではないが、複数の固体高分子型の単セルが積層されることで形成されている。複数の単セルは電気的に直列に接続されており、各々の単セルは電解質膜と、これを挟むアノード極およびカソード極（いずれも図示せず）を含んでいる。また、単セルのアノードセパレータ（図示せず）には、アノード極に対して水素ガスを供給するためのアノード流路６１が形成されており、カソードセパレータ（図示せず）には、カソード極に対して空気を供給するためのカソード流路６２が形成されている。
【００２３】
酸素系２は酸素系供給配管２１ａを備えており、酸素系供給配管２１ａは電池スタック６内のカソード流路６２の一端と接続されている。酸素系供給配管２１ａ上には、電池スタック６に向けて順に、エアフィルタ２２、エアコンプレッサ２３、インタークーラ２４および三方弁３が形成されている。
カソード流路６２の他端には酸素系排出配管２１ｂの一端が接続されており、酸素系排出配管２１ｂ上には、２ポートの流体制御弁であるエア調圧弁４が設けられている。また、前述した三方弁３は３ポートの流体制御弁であって、バイパス管路２１ｃの一端が接続されており、バイパス管路２１ｃの他端は、酸素系排出配管２１ｂのエア調圧弁４よりも下流側部位（電池スタック６が接続されていない側）に接続されている。
【００２４】
一方、燃料系５は、燃料系供給配管５１ａの一端に水素タンク５２が接続されており、燃料系供給配管５１ａ上には遮断弁５３が形成されている。燃料系供給配管５１ａの他端は、電池スタック６内のアノード流路６１の一端と接続されている。アノード流路６１の他端には、燃料系排出配管５１ｂが接続されており、燃料系排出配管５１ｂ上には、電池スタック６に近い側から順に、気液分離器５４、排気排水弁５５および排出ガス希釈器５６が形成されている。排出ガス希釈器５６には、上述した酸素系排出配管２１ｂの他端が接続されている。
【００２５】
また、気液分離器５４は燃料系循環路５１ｃを介して、燃料系供給配管５１ａ上の遮断弁５３とアノード流路６１との接続部との間の部位に接続されている。燃料系循環路５１ｃ上には循環ポンプ５７が設けられており、気液分離器５４からアノード流路６１に向けて水素ガスを循環させている。
動力系７は、車両を走行させるための電動モータ７１を備えている。電動モータ７１は電池スタック６の正極および負極と接続されており、電池スタック６の発電によって駆動される。
【００２６】
また、冷却系８は水冷ポンプ８１を備え、電池スタック６内に冷却水を循環させて電池スタック６を冷却している。
制御装置９は、エアコンプレッサ２３、三方弁３、エア調圧弁４、遮断弁５３、循環ポンプ５７および冷却ポンプ８１と電気的に接続されている。制御装置９は車両の走行状態に応じて算出された電池スタック６の必要な発電量に基づき、これらの各構成要素の作動を制御している。
【００２７】
上述した構成により、車両が走行開始すると、制御装置９はエアコンプレッサ２３を作動させてカソード流路６２へ空気を供給するとともに、遮断弁５３および循環ポンプ５７を作動させてアノード流路６１へ水素ガスを供給し、電池スタック６において発電を行う。
酸素系２において、エアフィルタ２２を介して吸引された酸素を含んだ空気は、エアコンプレッサ２３において圧縮された後、インタークーラ２４によって冷却される。三方弁３は、電池スタック６の発電量に応じてバルブ部材の位置を変位させ、インタークーラ２４から供給された空気を分流してバイパス配管２１ｃへ逃すことにより、電池スタック６への空気の流量を制御している。
また、エア調圧弁４は、その開度を調整し電池スタック６内に残存した空気の排出量を調整することにより、電池スタック６内の圧力を制御している。
【００２８】
アノード流路６１から排出される水素オフガス（燃料ガスオフガス）には発電に使用されなかった水素ガスと発電によって生成された水（水蒸気）が含まれている。気液分離器５４は水素ガスと水を分離する機能を有している。気液分離器５４で分離された水素ガスは循環ポンプ５７により燃料系循環路５１ｃを介して燃料系供給配管５１ａに供給され循環される。気液分離器５４で分離された水（液状）は排気排水弁５５が開状態になったとき、水素ガスとともに排出ガス希釈器５６に送られる。気液分離器５４から排出ガス希釈器５６に排出された水素ガスは、排出ガス希釈器５６において、酸素系排出配管２１ｂから供給された空気により希釈化された後、水とともに外部へと放出される。
【００２９】
次に、エア調圧弁４の構造について詳細に説明する。図２に示したように、エア調圧弁４は、バルブハウジング４１の外周面にモータアッセンブリ４２（駆動源に該当する）が取り付けられて形成されている。バルブハウジング４１は、合成樹脂材料にて形成されたバルブボデー４１１と、金属板により一体に形成されたバルブカバー４１２とを互いに結合させて形成されている。尚、本実施形態においては、駆動源として電動モータを使用したモータアッセンブリ４２を使用しているが、ソレノイドアクチュエータやガス圧によって駆動されるアクチュエータなどを使用してもよい。
【００３０】
バルブボデー４１１には、バルブカバー４１２の取り付け用の金属製のカバー取付スリーブ４１１ａがインサートされている。また、バルブボデー４１１のフランジ部４１１ｂには、エア調圧弁４を車両に取り付けるための金属スリーブ４１１ｃがインサートされている。カバー取付スリーブ４１１ａおよび金属スリーブ４１１ｃの内周面には、雌螺子が形成されている。
【００３１】
バルブボデー４１１には、図２において右方に開口する調圧弁インレット４１１ｄ（流入口に該当する）が形成されている。調圧弁インレット４１１ｄは、上述した酸素系排出配管２１ｂを介して、電池スタック６のカソード流路６２の他端に接続されている（図１示）。また、バルブボデー４１１には、調圧弁インレット４１１ｄに対し垂直方向に開口（図２において下方に開口）する調圧弁アウトレット４１１ｅ（流出口に該当する）が形成されている。調圧弁アウトレット４１１ｅは、上述した酸素系排出配管２１ｂを介して、排出ガス希釈器５６に接続されている。
さらに、バルブボデー４１１の内周面において、調圧弁インレット４１１ｄと調圧弁アウトレット４１１ｅとの間には調圧弁座４１１ｆ（弁座に該当する）が形成されている。調圧弁座４１１ｆは平坦な円環状に形成されている。
【００３２】
バルブカバー４１２は、貫通させた取付ボルト４１３をカバー取付スリーブ４１１ａに締め付けることによって、バルブボデー４１１の上端面に取り付けられている。バルブカバー４１２は、バルブボデー４１１への取付面４１２ａと、取付面４１２ａから上方へと突出したモータ取付部４１２ｂと、モータ取付部４１２ｂの中央部において段付状に下降し、下端部が開口したシャフト収容部４１２ｃとにより形成されている。また、モータ取付部４１２ｂの上面には、複数の雌螺子穴４１２ｄが設けられている。バルブカバー４１２は、金属板をプレス成型することにより、上述した取付面４１２ａ、モータ取付部４１２ｂおよびシャフト収容部４１２ｃが一体に形成されている。
【００３３】
モータ取付部４１２ｂの上面には、上述したモータアッセンブリ４２が取り付けられている。モータアッセンブリ４２は、モータケース４２１の機構収容部４２１ａの外周面を、シャフト収容部４１２ｃの内周面に嵌合させた状態で、取付フランジ４２１ｂに貫通させた複数の取付スクリュー４３を、モータ取付部４１２ｂの雌螺子穴４１２ｄに締め付けることによってバルブカバー４１２に固定される。取付スクリュー４３は取付フランジ４２１ｂに形成された貫通孔（図示せず）に対して遊嵌しており、バルブカバー４１２は、シャフト収容部４１２ｃの内周面が機構収容部４２１ａの外周面に当接することにより、その位置決めが行われる。
【００３４】
図４に示したように、モータケース４２１の内壁には、ステッピングモータ４２２が固定されている。ステッピングモータ４２２の出力シャフト４２２ａの先端は円筒形状を呈しており、その軸心部には駆動孔４２２ｂが形成されている。駆動孔４２２ｂの内周面には所定の長さの雌螺子が形成されており、バルブシャフト４４（弁軸に該当する）の端部外周面に形成された雄螺子部４４１と螺合している。
【００３５】
バルブシャフト４４はステンレス等の金属材料にて形成され、その雄螺子部４４１の下方には二面幅部４４２が形成されている。二面幅部４４２は、モータケース４２１の下端部に形成された一対の対向面４２１ｃと係合しており、これによって、バルブシャフト４４はモータケース４２１に対して回転不能となっている（図５示）。したがって、ステッピングモータ４２２の出力シャフト４２２ａが一方向に回転すると、バルブシャフト４４がバルブハウジング４１内において軸方向に下降し、出力シャフト４２２ａが反対方向に回転すると、バルブシャフト４４は上昇する。
【００３６】
上述したバルブシャフト４４の雄螺子部４４１と、出力シャフト４２２ａの雌螺子とは、ともに台形ネジにより形成されており、バルブシャフト４４と出力シャフト４２２ａとの間の逆効率がほぼ０に設定されていることが望ましい。これにより、バルブシャフト４４と出力シャフト４２２ａとの間の動作の伝達が不可逆的に形成され、エア調圧弁４が閉じられている状態で、バルブシャフト４４から出力シャフト４２２ａに向けて戻し荷重が働いた場合に、出力シャフト４２２ａは開弁する方向に回転せず、不用意にエア調圧弁４が開弁することがない。
【００３７】
図２に示したように、バルブシャフト４４の二面幅部４４２の下方には、モータケース４２１から突出し一定の径により軸方向に延びた円柱部４４３が形成されている。円柱部４４３の外周面は、バルブカバー４１２のシャフト収容部４１２ｃの下端に形成されたシャフトリテーナ部４１２ｅにより、軸方向に移動可能に支持されている。互いに当接する円柱部４４３の外周面またはシャフトリテーナ部４１２ｅには無電解ニッケルメッキ等が施され、その摺動面の耐摩耗性を向上させている。
【００３８】
さらに、円柱部４４３の先端部には、小径の橋部４４４を介して略球状の支持体４４５が一体に形成されている。バルブシャフト４４の先端部に形成された支持体４４５には、バルブシャフト４４の軸心に対し半径方向に延びるように、バルブ部材４５が取り付けられている。
バルブ部材４５のバルブフレーム４５１は、ステンレス等の金属板がプレス成形されて形成されている。バルブフレーム４５１は、バルブシャフト４４の軸心に対し、半径方向に円板状に延びた平板部４５１ａを有しており、平板部４５１ａには外周縁を覆うようにシール部材４５２が固着されている。
【００３９】
シール部材４５２は、ＳＢＲ（スチレン−ブタジエンゴム）またはＥＰＤＭ（エチレン−プロピレン−ジエン共重合体）といった耐熱性を有する合成ゴム材料にて形成されている。シール部材４５２の下面には、バルブ部材４５の下降により、バルブボデー４１１に形成された調圧弁座４１１ｆと当接可能なシールリップ４５２ａが突出している。図２に示したように、シールリップ４５２ａは、発電停止時に、電池スタック６内に残留した水素ガスと酸素の反応や電池スタック６の温度低下による残留水蒸気の凝縮などによって発生する負圧によりセルフシールするように、半径方向内向き（調圧弁アウトレット４１１ｅに向いて）に形成されている。
【００４０】
バルブフレーム４５１には、平板部４５１ａの半径方向中心部に連続した段部４５１ｂ（平板部４５１ａおよび段部４５１ｂを包括した構成が延在部に該当する）が形成されている。段部４５１ｂはバルブシャフト４４の軸方向に延びており、径方向の段差が軸方向に並ぶように２箇所に形成されている。
また、バルブフレーム４５１は、一端が段部４５１ｂに連続した円筒部４５１ｃ（筒状部に該当する）を有している。円筒部４５１ｃは、平板部４５１ａに対して垂直方向に延び、バルブシャフト４４の円柱部４４３が挿入されている。さらに、バルブフレーム４５１は、円筒部４５１ｃの他端に連続して形成され、先端が半球状の曲面によって袋状に閉じていることにより、バルブシャフト４４の支持体４４５の曲面を受けることが可能な取付部４５１ｄを有している。
【００４１】
取付部４５１ｄは、かしめられることにより支持体４４５に取り付けられている。図６に示したように、最初に、取付部４５１ｄ内にバルブシャフト４４の支持体４４５を挿入した後、円周上に互いの間が等角になるように配置された３つのパンチＰを半径方向内方に同時に作動させ、取付部４５１ｄの外周面の３箇所を支持体４４５に向けて均等にかしめる。これによって、取付部４５１ｄの外周面の３箇所にはかしめ部４５１ｅが形成される。
次に、パンチＰを戻した状態で、バルブフレーム４５１を６０°回転させた後、上述したパンチＰによって同様にかしめられる。これによって、取付部４５１ｄはバルブシャフト４４の支持体４４５に対して、円周上の６箇所のかしめ部４５１ｅにおいて均等にかしめられ、支持体４４５に対して脱落不能に接続される。
【００４２】
図７に示したように、バルブフレーム４５１はバルブシャフト４４に取り付けられた状態において、支持体４４５の外周面と取付部４５１ｄの各々のかしめ部４５１ｅとの間に、バルブシャフト４４の軸方向の隙間δが形成されている。軸方向の隙間δは僅かな大きさであって、後述するようにバルブシャフト４４に対してバルブ部材４５を傾き可能にするために形成されている。軸方向の隙間δは、バルブ部材４５が傾き可能であれば、極力、小さく形成されることが望ましく、実質的に０であっても構わない。
【００４３】
また、バルブフレーム４５１がバルブシャフト４４に取り付けられた状態において、円筒部４５１ｃの内周面と、挿入されたバルブシャフト４４の円柱部４４３の外周面との間には、バルブシャフト４４の軸心に対する半径方向の隙間ε（以下、半径方向隙間εという）が形成されている。図７に示したように、半径方向隙間εは、円筒部４５１ｃの内周面と円柱部４４３の外周面との間において、全周に渡って形成されている。バルブシャフト４４に取り付けられたバルブ部材４５は、球状の支持体４４５の略中心点をその傾き中心として傾き、半径方向隙間εはその傾き角度を規制している（図７において破線および二点鎖線にて示す）。
【００４４】
半径方向隙間εの大きさは、バルブ部材４５がバルブボデー４１１の調圧弁座４１１ｆに着座する際にシール可能なように、調圧弁座４１１ｆに倣って、バルブシャフト４４の先端部の支持体４４５を中心にバルブ部材４５がバルブシャフト４４に対して所定量だけ傾くように、シール部材４５２の調圧弁座４１１ｆに対するシール部の直径に基づいて設定されている。
【００４５】
すなわち、図８に示すように、バルブ部材４５と調圧弁座４１１ｆとの間の平行度の精度がばらついて形成されていた場合、バルブ部材４５によって吸収しなければならない高さ（高低差）ｈは、シール部材４５２のシールリップ４５２ａの直径φに応じたものとなる。
通常、シールリップ４５２ａの直径φは、エア調圧弁４を通過させる流体の量に基づいて機能的に設定される。また、バルブ部材４５と調圧弁座４１１ｆとの間の平行度の精度のばらつきは、バルブハウジング４１およびモータアッセンブリ４２の製造上の精度によって決定される。
【００４６】
ここで、エア調圧弁４がその機能上必要とするシールリップ４５２ａの直径φがφｎであり、φｎおよびその製造上の精度に起因して考慮すべき調圧弁座４１１ｆの最大高低差ｈをｈｒとし、シールリップ４５２ａの直径φがφｎである場合のバルブ部材４５の吸収可能高さをｈｓとする。この場合、図９に示したグラフにおいて、シールリップ４５２ａの直径φｎと調圧弁座４１１ｆの最大高低差ｈｒとを特定する点を原点と結んだ直線の傾きθ２以上が、シール機能を確保するために、バルブ部材４５がバルブシャフト４４の軸方向に対して傾かなければならない角度θ１となる。その結果、バルブフレーム４５１の円筒部４５１ｃと、バルブシャフト４４の円柱部４４３との間の半径方向隙間εは、バルブ部材４５がバルブシャフト４４の軸方向に対して、θ１（θ２以上）傾くことができる値に設定される。
【００４７】
図２に戻って、バルブフレーム４５１の段部４５１ｂの内周面には、上方からスプリングリテーナ４５３が圧入固定されている。スプリングリテーナ４５３は、金属板がプレス工程にて絞られて形成されている。スプリングリテーナ４５３は、段部４５１ｂの下方に形成された段差と円柱部４４３との間に位置する円筒状の固定部４５３ａと、固定部４５３ａから半径方向外方へと拡がった肩部４５３ｂとを有している。
【００４８】
スプリングリテーナ４５３の固定部４５３ａは、肩部４５３ｂがバルブフレーム４５１の平板部４５１ａの上面に当接するまで、バルブフレーム４５１の段部４５１ｂの内周面に圧入されている。段部４５１ｂに圧入された固定部４５３ａは、バルブシャフト４４の円柱部４４３の外周面との間には隙間を有しているため、バルブ部材４５のバルブシャフト４４に対する傾きを妨げることはない。
【００４９】
また、段部４５１ｂの上方に形成された段差と固定部４５３ａとの間には、シール部材であるＯリング４５４が介装されている。Ｏリング４５４は、バルブフレーム４５１と固定部４５３ａとの間においてシール機能を発揮し、エア調圧弁４内に浸入した水分または異物等が、バルブフレーム４５１の取付部４５１ｄあるいは後述するダイヤフラム４６で区分けされた空気室４１５まで浸入することを防止している。
【００５０】
さらに、スプリングリテーナ４５３は、肩部４５３ｂから上方へと延びた連結部４５３ｃと、連結部４５３ｃから半径方向外方へと拡がる締付部４５３ｄとを備えている。
また、ダイヤフラム保持体４５５は、半径方向内端にバルブシャフト４４の軸方向に延びる係合部４５５ａを有し、係合部４５５ａの上端からは、押圧部４５５ｂが半径方向に延びている。押圧部４５５ｂの下面がスプリングリテーナ４５３の連結部４５３ｃの上端に当接するまで、係合部４５５ａが連結部４５３ｃの内周面に圧入されることにより、スプリングリテーナ４５３とダイヤフラム保持体４５５は一体化されている。
【００５１】
スプリングリテーナ４５３の締付部４５３ｄとダイヤフラム保持体４５５の押圧部４５５ｂとの間には、ダイヤフラム４６の内周縁が固定されている。ダイヤフラム４６は合成ゴム材料にて一体的に形成されており、略中央部には表裏を貫通する装着孔４６１が形成されている。装着孔４６１の周縁は、締付部４５３ｄと押圧部４５５ｂとにより上下方向に挟圧され、双方の間において液密的に固定されている。
【００５２】
ダイヤフラム４６の外周縁は、前述したバルブボデー４１１の上端面とバルブカバー４１２のモータ取付部４１２ｂの下端との間において挟圧され、液密的に固定されている。このように、ダイヤフラム４６がバルブハウジング４１の内周面とバルブ部材４５とに取り付けられることにより、ダイヤフラム４６およびバルブ部材４５によって、バルブハウジング４１の内部が２つに区分けされている。すなわち、バルブハウジング４１の内部は、調圧弁インレット４１１ｄ、調圧弁アウトレット４１１ｅおよび調圧弁座４１１ｆを含み供給された流体が通過する流体室４１４と、流体等の進入が防止され空気が充填されている空気室４１５とが形成されている。空気室４１５は、バルブカバー４１２に設けられた図示しない通気孔により外気に連通している。
【００５３】
スプリングリテーナ４５３の肩部４５３ｂと、バルブカバー４１２のシャフト収容部４１２ｃの段部との間には、バルブシャフト４４を円周方向に取り囲むようにコイルスプリング４７（コイルバネに該当する）が介装されている。コイルスプリング４７は、スプリングリテーナ４５３とバルブカバー４１２との間に弾発的に装着され、バルブ部材４５をバルブシャフト４４の先端方向に向けて付勢している。コイルスプリング４７の付勢力により、エア調圧弁４の開弁時には、バルブフレーム４５１のかしめ部４５１ｅはバルブシャフト４４の支持体４４５に当接している。
【００５４】
調圧弁インレット４１１ｄからバルブハウジング４１の内部に、空気等の所定の圧力を有した流体が供給されると、上述したダイヤフラム４６が流体から圧力を受けて、バルブ部材４５の上部は、ダイヤフラム４６により円周上を均等に引っ張られて、バルブシャフト４４の軸心からずれずに（センタリング）、バルブシャフト４４の軸心に対して傾かずに保持される。
【００５５】
また、上述したコイルスプリング４７のバルブシャフト４４の先端方向に向けた付勢力により、バルブ部材４５の下方部も、バルブシャフト４４の軸心からずれずに（センタリング）、バルブシャフト４４の軸心に対して傾かずに保持される。また、コイルスプリング４７の付勢力により、エア調圧弁４の開弁状態におけるバルブフレーム４５１とバルブシャフト４４との間の軸方向の隙間δが埋まり、バルブ部材４５の振動およびそれに伴う騒音の発生を防止することができる。
【００５６】
このようなダイヤフラム４６およびコイルスプリング４７の保持力によって、エア調圧弁４の作動時における、バルブ部材４５の振動およびそれに伴う騒音の発生が防止され、エア調圧弁４の内部を通過する流体の流量変動を低減することができる。尚、コイルスプリング４７は、スプリングリテーナ４５３とバルブカバー４１２との間に設ける代わりに、ダイヤフラム保持体４５５の押圧部４５５ｂとバルブカバー４１２との間に介装されていてもよい。
【００５７】
次に、エア調圧弁４の作動方法について簡単に説明する。バルブシャフト４４が上方にあり、バルブ部材４５のシール部材４５２が調圧弁座４１１ｆから離間している時、エア調圧弁４は開状態にある（図２示）。この状態において、調圧弁インレット４１１ｄと調圧弁アウトレット４１１ｅとが連通しており、双方の間の空気等の流体の流通は許容されている。この時、バルブフレーム４５１のかしめ部４５１ｅは、コイルスプリング４７の付勢力を受けてバルブシャフト４４の支持体４４５に当接した状態で保持されている。
【００５８】
制御装置９からの駆動信号により、ステッピングモータ４２２が一方向に回転すると、バルブ部材４５がバルブシャフト４４とともに軸方向に下降し、シール部材４５２が調圧弁座４１１ｆに着座する（図３示）。これにより、エア調圧弁４は閉状態となり、調圧弁インレット４１１ｄと調圧弁アウトレット４１１ｅとの間の連通が遮断され、双方の間の流体の流通は断たれる。この状態において、コイルスプリング４７は圧縮され、所定の付勢力によりバルブ部材４５を調圧弁座４１１ｆに対して押圧している。
【００５９】
シール部材４５２が調圧弁座４１１ｆに対して着座する時に、シール部材４５２と調圧弁座４１１ｆの双方のシール面の間において平行度の精度にばらつきがあった場合、調圧弁座４１１ｆのシール面に倣って、バルブ部材４５が、コイルスプリング４７を撓ませながらバルブシャフト４４の支持体４４５を中心にバルブシャフト４４に対して傾き、バルブ部材４５と調圧弁座４１１ｆとの間のシール性を確保することができる。
【００６０】
本実施形態によれば、バルブ部材４５はバルブフレーム４５１を有し、バルブフレーム４５１は、バルブシャフト４４の軸方向に延びバルブシャフト４４が挿入される円筒部４５１ｃと、円筒部４５１ｃからバルブシャフト４４に対し半径方向に拡がりシール部材４５２が取り付けられた平板部４５１ａと、円筒部４５１ｃに連続するとともに、一端が袋状に閉じており、バルブシャフト４４の先端部に形成された曲面を受ける取付部４５１ｄと、を有しており、バルブシャフト４４は、バルブフレーム４５１の円筒部４５１ｃとの間に半径方向隙間εを有し、取付部４５１ｄに対しては脱落不能に接続されているとともに、軸方向の隙間δを有することにより、バルブ部材４５の平面方向と調圧弁座４１１ｆのシール面との間の平行度に精度のばらつきがあった場合、バルブシャフト４４の支持体４４５を中心に、バルブ部材４５がバルブシャフト４４に対して半径方向隙間εが埋まるまで傾くことができ、構成部品の寸法精度を向上させたりエア調圧弁４を大型化せずに、バルブ部材４５と調圧弁座４１１ｆとの間のシール性を確保することができる。
【００６１】
また、バルブ部材４５は、バルブシャフト４４の支持体４４５を中心に規則的に傾き、半径方向隙間εで規制される所定角度以上には傾かないため、バルブ部材４５の振動およびそれに伴う騒音の発生が防止され、エア調圧弁４の内部を通過する空気の流量変動を低減することができ、エア調圧弁４の流量制御性能を向上させことができる。
また、バルブシャフト４４の支持体４４５を挿入した後、取付部４５１ｄをかしめてバルブ部材４５とバルブシャフト４４とを接続することにより、簡単な構成で低コストに、所定量だけバルブ部材４５がバルブシャフト４４に対して傾くことができるエア調圧弁４を形成することができる。
【００６２】
また、取付部４５１ｄをかしめてバルブ部材４５とバルブシャフト４４との間の軸方向の隙間δを形成することにより、当該軸方向の隙間δを、極力、小さくすることができる。
また、バルブシャフト４４と円筒部４５１ｃとの間の半径方向隙間εの大きさは、シール部材４５２のシールリップ４５２ａの直径φに基づいて設定されていることにより、バルブ部材４５が調圧弁座４１１ｆに着座する際に、バルブ部材４５の平面方向と調圧弁座４１１ｆのシール面との間の平行度、およびシールリップ４５２ａの直径φに起因して発生する調圧弁座４１１ｆの高低差ｈを確実に吸収することができる。
【００６３】
また、バルブ部材４５とバルブハウジング４１との間には、バルブシャフト４４を円周方向に取り囲むように設けられ、バルブ部材４５をバルブシャフト４４の先端方向に向けて付勢するコイルスプリング４７が介装されていることにより、バルブ部材４５をバルブシャフト４４の先端方向に向けて円周上において均等に付勢することができ、バルブシャフト４４に対するバルブ部材４５の振動および振動に伴う騒音をいっそう低減し、流体の流量変動をさらに抑制することができる。
【００６４】
また、ダイヤフラム４６およびバルブ部材４５によってバルブハウジング４１の内部が区分けされ、調圧弁インレット４１１ｄ、調圧弁アウトレット４１１ｅおよび調圧弁座４１１ｆを含み空気等の流体が通過する流体室４１５と、流体の進入が防止される空気室４１５とが形成されていることにより、流体室４１４内に圧力を伴った流体が進入すると、ダイヤフラム４６に緊迫力が発生して、装着孔４６１の内周縁に固定されたバルブ部材４５が半径方向中心において強固に保持されるため、バルブシャフト４４に対するバルブ部材４５の振動および振動に伴う騒音がいっそう低減され、流体の流量変動をさらに抑制することができる。
また、支持体４４５の外周面と取付部４５１ｄのかしめ部４５１ｅとの間の軸方向の隙間δは僅かな大きさであるため、バルブシャフト４４に対するバルブ部材４５の振動および振動に伴う騒音は低減され、流体の流量変動をさらに抑制することができる。
【００６５】
尚、上述した実施形態においては、取付部４５１ｄをかしめてバルブフレーム４５１をバルブシャフト４４に取り付けているが、本発明は、必ずしもかしめによってバルブフレーム４５１とバルブシャフト４４とを接続しなければならないわけではない。例えば、かしめの方法に代えて、図１０に示したように、バルブフレーム４５１をバネ鋼によって形成し、取付部４５１ｄを拡径させながら、バルブシャフト４４の支持体４４５を取付部４５１ｄ内に挿入して、バルブフレーム４５１とバルブシャフト４４とを接続するようにしてもよい。この場合においても、支持体４４５と取付部４５１ｄとの間に軸方向の隙間δを有するとともに、円柱部４４３と円筒部４５１ｃとの間には半径方向隙間εを有していることは言うまでもない。
【００６６】
＜実施形態２＞
次に、本発明を適用した実施形態２による三方弁３（流体制御弁に該当する）の構造について、図１１乃至図１３に基づき詳細に説明する。尚、以下、図１１における上方および下方を、それぞれ三方弁３の上方および下方とし、図１１における右方および左方を、それぞれ三方弁３の右方および左方として説明しているが、車両における三方弁３の実際の取付方向とは無関係である。
図１１に示したように、三方弁３も実施形態１によるエア調圧弁４と同様に、バルブハウジング３１の外周面にモータアッセンブリ３２（駆動源に該当する）が取り付けられて形成されている。バルブハウジング３１は、ともに合成樹脂材料にて形成された第１ボデー３１１と第２ボデー３１２とを、互いに液密的に嵌合させて形成している。
【００６７】
第１ボデー３１１には、図１１において右方に開口する三方弁インレット３１１ａ（流入口に該当する）が形成されている。三方弁インレット３１１ａは、上述した酸素系供給配管２１ａを介して、インタークーラ２４に接続されている（図１示）。また、第２ボデー３１２には、三方弁インレット３１１ａに対し垂直方向に開口（図１１において下方に開口）する三方弁アウトレット３１２ａ（流出口に該当する）が形成されている。三方弁アウトレット３１２ａは、上述した酸素系供給配管２１ａを介して、電池スタック６のカソード流路６２の一端に接続されている（図１示）。また、第１ボデー３１１には、図１１において左方に開口するバイパス口３１１ｂが形成されている。バイパス口３１１ｂは、上述したバイパス配管２１ｃを介して、排出ガス希釈器５６に接続されている（図１示）。
また、第２ボデー３１２の内周面において、三方弁インレット３１１ａと三方弁アウトレット３１２ａとの間には制御弁座３１２ｂ（弁座に該当する）が形成されている。制御弁座３１２ｂは平坦な円環状に形成されている。
【００６８】
また、第１ボデー３１１の内部上面からは、円筒状の着座体３１１ｃが下方に延びている。着座体３１１ｃの下端は平坦に形成され、三方弁インレット３１１ａおよび三方弁アウトレット３１２ａと、バイパス口３１１ｂとの間に位置するバイパス弁座３１１ｄが形成されている。また、第１ボデー３１１の内周上面からは、着座体３１１ｃの半径方向内方に位置するように、円筒形のシャフト支持部３１１ｅが突出している。
【００６９】
実施形態１によるエア調圧弁４と同様に、バルブハウジング３１の上面には、上述したモータアッセンブリ３２が取り付けられている。モータアッセンブリ３２は、モータケース３２１の機構収容部３２１ａの外周面を、第１ボデー３１１の上端部に形成されたモータ取付ボス３１１ｆの内周面に嵌合させた状態で、モータケース３２１に貫通させた図示しない複数の取付スクリューを、第１ボデー３１１に締め付けることによって第１ボデー３１１に固定される。取付スクリューはモータケース３２１に形成された貫通孔（図示せず）に対して遊嵌しており、モータアッセンブリ３２は、機構収容部３２１ａの外周面がモータ取付ボス３１１ｆの内周面に当接することにより、その位置決めが行われる。
【００７０】
エア調圧弁４と同様に、モータケース３２１内には、ステッピングモータ４２２が固定されており、ステッピングモータ４２２の出力シャフト４２２ａの回転運動は直進運動に変換され、バルブシャフト３３（弁軸に該当する）に伝達される。バルブシャフト３３は、上述したシャフト支持部３１１ｅの内周面において、その軸方向に移動可能に支持されている。
【００７１】
バルブシャフト３３の長さ方向の略中央部には、一定の径により軸方向に延びた円柱部３３１が形成されている。また、円柱部３３１の上方には、円柱部３３１と同径の第１ランド部３３２が設けられており、円柱部３３１と第１ランド部３３２との間には、第１シール溝３３３が円周上に形成されている。第１シール溝３３３内には、合成ゴム材料にて形成されたシールパッキン３４が装着されている。シールパッキン３４は、バルブシャフト３３の外周面とシャフト支持部３１１ｅの内周面との間でシール性能を発揮し、モータアッセンブリ３２内への水、異物等の浸入を防止している。
【００７２】
円柱部３３１の先端部には、小径の橋部３３４を介して略球状の支持体３３５が一体に形成されている。エア調圧弁４と同様に、支持体３３５にはバルブ部材３５が取り付けられている。バルブ部材３５のバルブフレーム３５１は、バルブシャフト３３の軸心に対し、半径方向に円板状に延びた平板部３５１ａを有しており、平板部３５１ａにはその外周面（上面および外周縁）を覆うように、合成ゴム材料にて形成されたシール部材３５２が被覆されている。
【００７３】
シール部材３５２の下面には、バルブ部材３５の下降により、第２ボデー３１２に形成された制御弁座３１２ｂと当接可能なシールリップ３５２ａが突出している。図１１に示したように、シールリップ３５２ａは、電池スタック６内に残留した水素ガスと酸素の反応によって発生する負圧によりセルフシールするように、半径方向外向きに形成されている。また、シール部材３５２の上面は平坦に形成され、バルブ部材３５の上昇により、第１ボデー３１１に形成されたバイパス弁座３１１ｄと当接可能となっている。
【００７４】
バルブフレーム３５１には、平板部３５１ａの半径方向中心部において、バルブシャフト３３の先端方向に窪んだ凹部３５１ｂ（平板部３５１ａおよび凹部３５１ｂを包括した構成が延在部に該当する）が形成されている。また、バルブフレーム３５１は、一端が凹部３５１ｂの内周端に連続した円筒部３５１ｃ（筒状部に該当する）を有している。円筒部３５１ｃは、平板部３５１ａに対して垂直方向に延び、バルブシャフト３３の円柱部３３１が挿入されている。
さらに、バルブフレーム３５１は、エア調圧弁４と同様に、円筒部３５１ｃの他端に連続して形成され、バルブシャフト３３の支持体３３５を受け入れる取付部３５１ｄを有している。取付部３５１ｄは、かしめによりバルブシャフト３３の支持体３３５に対し脱落不能に取り付けられている。
【００７５】
エア調圧弁４と同様に、バルブフレーム３５１はバルブシャフト３３に取り付けられた状態において、支持体３３５の外周面と取付部３５１ｄのかしめ部３５１ｅとの間に、バルブシャフト３３の軸方向の隙間δが形成されている。
また、バルブフレーム３５１はバルブシャフト３３に取り付けられた状態において、円筒部３５１ｃの内周面と、バルブシャフト３３の円柱部３３１の外周面との間には、バルブシャフト３３の軸心に対する半径方向隙間εが全周上に形成されている。
【００７６】
バルブシャフト３３において、上述した橋部３３４の上方には円柱部３３１と同径の第２ランド部３３６が設けられており、円柱部３３１の下端と第２ランド部３３６との間には、第２シール溝３３７が円周上に形成されている。第２シール溝３３７内には、合成ゴム材料にて形成されたリング状のシャフトシール３６（リング状のシール部材に該当する）が装着されている。シャフトシール３６は、バルブシャフト３３の外周面とバルブフレーム３５１の円筒部３５１ｃの内周面との間でシール性能を発揮し、バルブフレーム３５１の円筒部３５１ｃおよび取付部３５１ｄ内への水、異物等の浸入を防止している。
【００７７】
シャフトシール３６は、バルブシャフト３３の外周面とバルブフレーム３５１の円筒部３５１ｃの内周面との間に弾発的に設けられ、双方の間において所定の摺動抵抗を発生させている。このため、シャフトシール３６によって、バルブ部材３５は、バルブシャフト３３の軸心を中心として保持され（センタリング）、バルブ部材３５のバルブシャフト３３に対する振動および振動に伴う騒音を低減することができ、三方弁３の内部を通過する流体の流量変動を低減することができる。
【００７８】
また、バルブフレーム３５１の凹部３５１ｂと、第１ボデー３１１の内部上面との間には、バルブスプリング３７（コイルバネに該当する）が介装されている。バルブスプリング３７の内周面は、上述したシャフト支持部３１１ｅの外周面に嵌着している。バルブスプリング３７は、バルブフレーム３５１と第１ボデー３１１との間に弾発的に装着され、バルブ部材３５をバルブシャフト３３の先端方向に向けて付勢している。バルブスプリング３７の付勢力により、三方弁３の開弁時には、バルブフレーム３５１のかしめ部３５１ｅはバルブシャフト３３４の支持体３３５に当接している。
【００７９】
バルブスプリング３７の付勢力により、バルブ部材３５はバルブシャフト３３の軸心からずれずに（センタリング）、バルブシャフト３３の軸心を中心として傾かずに保持される。また、バルブ部材３５が制御弁座３１２ｂから離間している状態において、バルブスプリング３７の付勢力により、シャフトシール３６による摺動抵抗に抗して、バルブフレーム３５１とバルブシャフト３３との間の軸方向の隙間δを埋めることができるため、バルブ部材３５の振動およびそれに伴う騒音の発生を防止することができ、三方弁３の内部を通過する流体の流量変動を低減することができる。
【００８０】
次に、三方弁３の作動方法について簡単に説明する。バルブシャフト３３が上方にある時、バルブ部材３５のシール部材３５２の上面がバイパス弁座３１１ｄに着座するとともに、制御弁座３１２ｂから離間している（図１２示）。この時、三方弁インレット３１１ａと三方弁アウトレット３１２ａとは連通し、双方の間の空気等の流体の流通が許容されるとともに、三方弁インレット３１１ａおよび三方弁アウトレット３１２ａと、バイパス口３１１ｂとの間の連通は遮断され、これらの間の流体の流通は断たれる。この時、バルブ部材３５の上面がバイパス弁座３１１ｄから押圧されることにより、バルブフレーム３５１のかしめ部３５１ｅは、バルブシャフト３３の支持体３３５に当接した状態で保持されている。
【００８１】
シール部材３５２がバイパス弁座３１１ｄに対して着座する時に、シール部材３５２とバイパス弁座３１１ｄのシール面との間において平行度の精度にばらつきがあった場合、バイパス弁座３１１ｄのシール面に倣って、バルブ部材３５が、バルブスプリング３７を撓ませながらバルブシャフト３３の支持体３３５を中心にバルブシャフト３３に対して傾き、バルブ部材３５とバイパス弁座３１１ｄとの間のシール性を確保することができる。
【００８２】
制御装置９からの駆動信号により、ステッピングモータが一方向に回転すると、バルブ部材３５がバルブシャフト３３とともに軸方向に下降し、シール部材３５２の上面がバイパス弁座３１１ｄから離間するとともに、シールリップ３５２ａが制御弁座３１２ｂに着座する（図１３示）。この時、三方弁インレット３１１ａとバイパス口３１１ｂとが連通し、双方の間の空気等の流体の流通が許容されるとともに、三方弁インレット３１１ａおよびバイパス口３１１ｂと、三方弁アウトレット３１２ａとの間の連通は遮断され、これらの間の流体の流通は断たれる。この状態において、バルブスプリング３７は圧縮されており、所定の付勢力によりバルブ部材３５を制御弁座３１２ｂに対して押圧している。
【００８３】
シール部材３５２が制御弁座３１２ｂに対して着座する時に、シール部材３５２と制御弁座３１２ｂの双方のシール面の間において平行度の精度にばらつきがあった場合、制御弁座３１２ｂのシール面に倣って、バルブ部材３５が、バルブスプリング３７を撓ませながらバルブシャフト３３の支持体３３５を中心にバルブシャフト３３に対して傾き、バルブ部材３５と制御弁座３１２ｂとの間のシール性を確保することができる。
三方弁３において、バルブ部材３５は、制御弁座３１２ｂとバイパス弁座３１１ｄとの間において任意の位置をとることにより、三方弁インレット３１１ａから供給された流体の、三方弁アウトレット３１２ａおよびバイパス口３１１ｂへそれぞれ分流される流量を、流体が通過する通路の断面積に基づき制御することができる（図１１示）。
【００８４】
本実施形態によれば、バルブシャフト３３の外周面と円筒部３５１ｃの内周面との間には、リング状のシャフトシール３６が弾発的に介装されていることにより、シャフトシール３６によりバルブシャフト３３とバルブ部材３５との間において摺動抵抗が発生し、バルブシャフト３３に対するバルブ部材３５の振動および振動に伴う騒音が低減され、流体の流量変動を抑制することができる。
【００８５】
＜他の実施形態＞
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、次のように変形または拡張することができる。
調圧弁４のバルブフレーム４５１の内周面とバルブシャフト４４の外周面との間にシール部材を弾発的に介装させることにより、バルブシャフト４４に対するバルブ部材４５の振動および振動に伴う騒音を低減し、流体の流量変動を抑制するようにしてもよい。
【００８６】
また、バルブシャフト４４の先端部に形成された支持体４４５は必ずしも球状でなくてもよく、バルブシャフト４４に対してバルブ部材４５が円滑に傾くことが可能であれば、半球状あるいは滑らかな逆円錐状といった形状に形成してもよい。
また、図２および図１１に示したバルブ部材３５、４５において、円筒部３５１ｃ、４５１ｃの下方に平板部３５１ａ、４５１ａを形成し、さらに、平板部３５１ａ、４５１ａの下方に、平板部３５１ａ、４５１ａに連続するように取付部３５１ｄ、４５１ｄを形成してもよい。
【符号の説明】
【００８７】
図面中、３は三方弁（流体制御弁）、４はエア調圧弁（流体制御弁）、３１，４１はバルブハウジング、３２，４２はモータアッセンブリ（駆動源）、３３，４４はバルブシャフト（弁軸）、３５，４５はバルブ部材、３６はシャフトシール（リング状のシール部材）、３７はバルブスプリング（コイルバネ）、４６はダイヤフラム、４７はコイルスプリング（コイルバネ）、３１１ａは三方弁インレット（流入口）、３１２ａは三方弁アウトレット（流出口）、３１２ｂは制御弁座（弁座）、３３５，４４５は支持体、３５１，４５１はバルブフレーム、３５１ａ，４５１ａは平板部（延在部）、３５１ｂは凹部（延在部）、３５１ｃ，４５１ｃは円筒部（筒状部）、３５１ｄ，４５１ｄは取付部、３５２，４５２はシール部材、４１１ｄは調圧弁インレット（流入口）、４１１ｅは調圧弁アウトレット（流出口）、４１１ｆは調圧弁座（弁座）、４１４は流体室、４１５は空気室、４５１ｂは段部（延在部）を示している。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に流体の流入口と流出口とが形成されたバルブハウジングと、
前記バルブハウジングに取り付けられた駆動源と、
前記駆動源によって、前記バルブハウジング中において軸方向に移動する弁軸と、
前記弁軸の軸心に対し半径方向に延びるように取り付けられ、前記弁軸とともに移動することにより、一側の面において、前記バルブハウジング内に形成された弁座に対して着座あるいは離間し、前記流入口と前記流出口との間を断続するバルブ部材と、
を備え、
前記バルブ部材は、
前記弁軸の軸方向に延び前記弁軸が挿入される筒状部と、前記筒状部から前記弁軸に対し半径方向に拡がった延在部と、前記筒状部または前記延在部に連続するとともに、一端が袋状に閉じており、前記弁軸の先端部に形成された曲面を受ける取付部と、を有するバルブフレームと、
前記延在部に取り付けられ、前記弁座に対して当接可能なシール部材と、
により形成され、
前記弁軸は、前記筒状部との間に半径方向隙間を有し、前記取付部に対しては脱落不能に接続されているとともに、軸方向の隙間を有する流体制御弁。
【請求項２】
前記バルブフレームは金属板をプレス成型して形成され、前記弁軸の先端部を挿入した後、前記取付部をかしめることにより、前記バルブ部材と前記弁軸とを接続するとともに、前記軸方向の隙間を形成する請求項１記載の流体制御弁。
【請求項３】
前記弁軸と前記筒状部との間の前記半径方向隙間の大きさは、前記バルブ部材が前記弁座に着座する際に、前記弁座に倣って、前記弁軸の先端部を中心に前記バルブ部材が前記弁軸に対して所定量だけ傾くように、前記シール部材の前記弁座に対するシール径に基づいて設定されている請求項１または２に記載の流体制御弁。
【請求項４】
前記バルブ部材と前記バルブハウジングとの間には、前記弁軸を円周方向に取り囲むように設けられ、前記バルブ部材を前記弁軸の先端方向に向けて付勢するコイルバネが介装されている請求項１乃至３のうちのいずれか一項に記載の流体制御弁。
【請求項５】
前記弁軸の外周面と前記筒状部の内周面との間には、リング状のシール部材が弾発的に介装されている請求項１乃至４のうちのいずれか一項に記載の流体制御弁。
【請求項６】
前記バルブハウジングの内周面には、表裏を貫通する装着孔を有したダイヤフラムの外周縁が液密的に固定されるとともに、前記装着孔の内周縁が前記バルブ部材の外周部に液密的に固定されることにより、前記ダイヤフラムおよび前記バルブ部材によって前記バルブハウジングの内部が区分けされ、前記流入口、前記流出口および前記弁座を含み前記流体が通過する流体室と、前記流体の進入が防止される空気室とが形成されている請求項１乃至５のうちのいずれか一項に記載の流体制御弁。
【請求項１】
内部に流体の流入口と流出口とが形成されたバルブハウジングと、
前記バルブハウジングに取り付けられた駆動源と、
前記駆動源によって、前記バルブハウジング中において軸方向に移動する弁軸と、
前記弁軸の軸心に対し半径方向に延びるように取り付けられ、前記弁軸とともに移動することにより、一側の面において、前記バルブハウジング内に形成された弁座に対して着座あるいは離間し、前記流入口と前記流出口との間を断続するバルブ部材と、
を備え、
前記バルブ部材は、
前記弁軸の軸方向に延び前記弁軸が挿入される筒状部と、前記筒状部から前記弁軸に対し半径方向に拡がった延在部と、前記筒状部または前記延在部に連続するとともに、一端が袋状に閉じており、前記弁軸の先端部に形成された曲面を受ける取付部と、を有するバルブフレームと、
前記延在部に取り付けられ、前記弁座に対して当接可能なシール部材と、
により形成され、
前記弁軸は、前記筒状部との間に半径方向隙間を有し、前記取付部に対しては脱落不能に接続されているとともに、軸方向の隙間を有する流体制御弁。
【請求項２】
前記バルブフレームは金属板をプレス成型して形成され、前記弁軸の先端部を挿入した後、前記取付部をかしめることにより、前記バルブ部材と前記弁軸とを接続するとともに、前記軸方向の隙間を形成する請求項１記載の流体制御弁。
【請求項３】
前記弁軸と前記筒状部との間の前記半径方向隙間の大きさは、前記バルブ部材が前記弁座に着座する際に、前記弁座に倣って、前記弁軸の先端部を中心に前記バルブ部材が前記弁軸に対して所定量だけ傾くように、前記シール部材の前記弁座に対するシール径に基づいて設定されている請求項１または２に記載の流体制御弁。
【請求項４】
前記バルブ部材と前記バルブハウジングとの間には、前記弁軸を円周方向に取り囲むように設けられ、前記バルブ部材を前記弁軸の先端方向に向けて付勢するコイルバネが介装されている請求項１乃至３のうちのいずれか一項に記載の流体制御弁。
【請求項５】
前記弁軸の外周面と前記筒状部の内周面との間には、リング状のシール部材が弾発的に介装されている請求項１乃至４のうちのいずれか一項に記載の流体制御弁。
【請求項６】
前記バルブハウジングの内周面には、表裏を貫通する装着孔を有したダイヤフラムの外周縁が液密的に固定されるとともに、前記装着孔の内周縁が前記バルブ部材の外周部に液密的に固定されることにより、前記ダイヤフラムおよび前記バルブ部材によって前記バルブハウジングの内部が区分けされ、前記流入口、前記流出口および前記弁座を含み前記流体が通過する流体室と、前記流体の進入が防止される空気室とが形成されている請求項１乃至５のうちのいずれか一項に記載の流体制御弁。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１３−８７８０２（Ｐ２０１３−８７８０２Ａ）
【公開日】平成２５年５月１３日（２０１３．５．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２２６３３５（Ｐ２０１１−２２６３３５）
【出願日】平成２３年１０月１４日（２０１１．１０．１４）
【出願人】（０００００００１１）アイシン精機株式会社 (5,421)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月１３日（２０１３．５．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月１４日（２０１１．１０．１４）
【出願人】（０００００００１１）アイシン精機株式会社 (5,421)
【Ｆターム（参考）】
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