電磁弁
【課題】サイズの小型化を図るのに有利な電磁弁を提供する。
【解決手段】電磁弁は、入口ポート３０と出口ポート３１と親弁口３２とをもつボディ２と、親プランジャ４と、親弁口３２を開閉する親弁体５と、親弁口３２を閉弁する方向に親プランジャ４を付勢する親付勢要素６とをもつ。親プランジャ４は、子作動室４５と、子弁口５３と、子弁口５３を開閉する子プランジャ８と、子弁口５３を閉弁する方向に子プランジャ８を付勢する子付勢要素４７とをもつ。励磁コイル部７は、親プランジャ４および子プランジャ８を開弁方向に移動させる磁気吸引力を発生させる。
【解決手段】電磁弁は、入口ポート３０と出口ポート３１と親弁口３２とをもつボディ２と、親プランジャ４と、親弁口３２を開閉する親弁体５と、親弁口３２を閉弁する方向に親プランジャ４を付勢する親付勢要素６とをもつ。親プランジャ４は、子作動室４５と、子弁口５３と、子弁口５３を開閉する子プランジャ８と、子弁口５３を閉弁する方向に子プランジャ８を付勢する子付勢要素４７とをもつ。励磁コイル部７は、親プランジャ４および子プランジャ８を開弁方向に移動させる磁気吸引力を発生させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は気体または液体等の流体を流す電磁弁に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電磁弁として、ボディに形成された単一の弁口と、この弁口を閉鎖する単一の弁体と、第１、第２、第３の可動プランジャと、第１、第２、第３の励磁コイル部とを備えるものが知られている（特許文献１）。このものによれば、励磁コイル部の数はプランジャの数と同数個設けられている。第１、第２、第３の励磁コイル部は互いに独立して通電可能とされている。そして、第１の励磁コイル部に通電されると、第１プランジャが開弁方向に移動し、弁体を開弁させる。更に、第１の励磁コイル部および第２の励磁コイル部の双方に通電されると、第１プランジャおよび第２プランジャが開弁方向に移動し、弁体を開弁させる。この場合、第１プランジャによる開弁量と第２プランジャによる開弁量とが合計され、弁体の開弁量は更に増加する。更に、第１の励磁コイル部、第２の励磁コイル部および第３の励磁コイル部の三者に通電されると、第１プランジャ、第２プランジャおよび第３プランジャが開弁方向に移動し、弁体を更に開弁させる。この場合、第１プランジャによる開弁量と第２プランジャによる開弁量と第３プランジャによる開弁量とが合計され、弁体の開弁量は更に増加する。
【０００３】
更に、別の電磁弁として、ボディにそれぞれ形成された第１、第２、第３の弁口と、第１の弁口を開閉する第１の弁体と、第２の弁口を開閉する第２の弁体と、第３の弁口を開閉する第３の弁体と、第１、第２、第３の弁体に共通する共通プランジャと、第１、第２、第３の励磁コイル部とを備えるものが知られている（特許文献２）。このものによれば、励磁コイル部の数は弁口の数と同数個である。つまり励磁コイル部の数は弁体の数と同数個である。そして、第１の励磁コイル部に通電されると、共通プランジャが開弁方向に移動し、第１の弁体を開弁させる。更に、第１の励磁コイル部および第２の励磁コイル部の双方に通電されると、共通プランジャが開弁方向に更に移動し、第１の弁体および第２の弁体の双方を開弁させ、第１の弁口および第２の弁口の双方を開放させる。この場合、第１の弁口による開弁量と第２の弁口による開弁量とが合計され、開弁量は増加する。更に、第１の励磁コイル部、第２の励磁コイル部および第３の励磁コイル部の三者に通電されると、共通プランジャが開弁方向に更に移動し、第１の弁体、第２の弁体および第３の弁体の三者を開弁させ、第１の弁口、第２の弁口および第３の弁口の三者を開放させる。この場合、第１の弁口による開弁量と第２の弁口による開弁量と第３の弁口による開弁量とが合計され、開弁量は最も増加する。
【特許文献１】実公昭５９−３９２４９号公報
【特許文献２】実公昭６０−５１６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記した特許文献１，２に係る技術によれば、サイズの小型化が要請されているが、必ずしも充分ではない。
【０００５】
本発明は上記した実情に鑑みなされたものであり、サイズの小型化を図るのに有利な電磁弁を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
（１）様相１に係る電磁弁は、（ａ）流体が流入する入口ポートと、流体が流出する出口ポートと、入口ポートと出口ポートとの間に設けられた親弁口と、親作動室とをもつボディと、（ｂ）ボディの親作動室内に移動可能に設けられた親プランジャと、（ｃ）親プランジャに取り付けられ親弁口を開閉する親弁体と、（ｄ）ボディの親作動室内に設けられ親弁体がボディの親弁口を閉弁する方向に親プランジャを付勢する親付勢要素と、（ｅ）ボディに設けられ親プランジャを開弁方向に移動させる磁気吸引力を通電により発生させる励磁コイル部とを具備しており、
（ｆ）親プランジャは、（i）空洞状をなす子作動室と、（ii）入口ポート、親弁口および出口ポートに連通可能に設けられ且つ親弁口の開口面積よりも小さな開口面積をもつ子弁口と、（iii）子作動室内に移動可能に配置され励磁コイル部の磁気吸引力により子弁口を開弁させる方向に移動する子プランジャと、（iv）子作動室内に設けられ、子プランジャが子弁口を閉弁する方向に子プランジャを付勢する子付勢要素とを具備していることを特徴とする。
【０００７】
励磁コイル部に通電されていないとき、親付勢要素の付勢力により親プランジャは付勢されて親弁口を閉鎖している。また、子付勢要素の付勢力により子プランジャは付勢されて子弁口を閉鎖している。このため流体は電磁弁を流れない。
【０００８】
励磁コイル部に通電されると磁気吸引力が発生する。通電量が増加するにつれて、磁気吸引力が次第に増加する。子プランジャは親プランジャよりも軽量である。通電量が少ないときには磁気吸引力が少ないため、親プランジャは開弁しない。しかしながら子プランジャは親プランジャの空洞状の子作動室に収容されているため、親プランジャよりも小サイズであり且つ軽量である。この結果、子付勢要素の付勢力に抗しつつ、子プランジャが親プランジャよりも優先的に開弁方向に移動し、子弁口が開弁する。この結果、入口ポートの流体は開弁状態の子弁口を通り、出口ポートに吐出される。このように子弁口が開放しているものの、親弁口が開放していないため、電磁弁を流れる流体の流量は少ない。
【０００９】
励磁コイル部に通電される通電量が更に増加すると、磁気吸引力が更に増加する。すると、親プランジャが開弁方向に移動し始め、親弁口が開弁し始める。この結果、高圧側の入口ポートの流体は開弁状態の親弁口を通り、低圧側の出口ポートに吐出される。このように子弁口よりも大きな開口面積を有する親弁口が開放しているため、電磁弁を流れる流体の流量は多い。なお、親弁口が開放されているときには、子弁口は開放されていても良いし、閉鎖されていても良い。上記したように本発明の電磁弁によれば、入口ポートから出口ポートに流れる流体の流量を調整することができる。
【００１０】
更に、親プランジャに形成されている空洞状をなす子作動室に子プランジャが配置されているため、親プランジャの軸芯が延設されている方向において、親プランジャのサイズと子プランジャのサイズとが重なり、サイズの小型化が図られている。
【００１１】
上記したボディは、流体が流入する入口ポートと、流体が流出する出口ポートと、入口ポートと出口ポートとの間に設けられた親弁口と、親作動室とをもつ。流体としては液体でも気体でも良く、水素ガス等の燃料、窒素やアルゴンなどの不活性ガス、空気、酸素ガス、水蒸気が例示される。入口ポートは流体供給源に接続されている。出口ポートは流体消費部（例えば燃料電池）、流体排出部等に接続されている。親弁口の開口面積は子弁口の開口面積よりも大きく設定されている。親プランジャは、ボディの親作動室内に移動可能に設けられている。親プランジャは、励磁コイル部に通電するときに形成される磁路の一部を形成する。
【００１２】
親弁体は、親プランジャに取り付けられており、親弁口を開閉する。親付勢要素はボディの親作動室内に設けられており、親弁体がボディの親弁口を閉弁する方向に親プランジャを付勢する。親付勢要素としてはバネが例示される。バネはコイル状のバネ、板状のバネ等が例示される。励磁コイル部は、ボディに設けられており、親プランジャおよび子プランジャを開弁方向に移動させる磁気吸引力を通電により発生させる。
【００１３】
上記した親プランジャは、空洞状をなす子作動室と、子弁口と、子プランジャと、子付勢要素とを備えている。子作動室は親プランジャの内部において空洞状をなす。子弁口は、入口ポート、親弁口および出口ポートに連通可能に設けられており、且つ、親弁口の開口面積よりも小さな開口面積をもつ。子プランジャは、子作動室内に移動可能に配置されており、移動に伴い子弁口を開閉する。子プランジャは、励磁コイル部に通電するときに形成される磁路の一部を形成する。子付勢要素は子作動室内に設けられており、子プランジャが子弁口を閉弁する方向に子プランジャを付勢する。子付勢要素としてはバネが例示される。バネはコイル状のバネ、板状のバネ等が例示される。子付勢要素の付勢力は親付勢要素の付勢力よりも小さく設定されていることが好ましいが、必ずしもこれに限らない。例えば、開弁力を発生させる磁束を親プランジャよりも子プランジャに優先的に透過させ得る場合、あるいは、子プランジャが親プランジャよりも著しく軽量である場合等には、子付勢要素の付勢力と親付勢要素の付勢力とが同じ場合でも良い。
【００１４】
（２）様相２に係る電磁弁によれば、上記様相において、子弁口は、親弁体にこれの厚み方向に貫通するように形成されていることを特徴とする。この場合、子弁口を形成するための部品を用いずとも良く、部品点数の削減を図り得、あるいは、子弁口をボディ自体に形成せずとも良く、ボディの内部構造の複雑化を回避でき、電磁弁の小型化を図るのに有利となる。
【００１５】
（３）様相３に係る電磁弁によれば、上記様相において、子プランジャは、親プランジャの子作動室の内部に収容されていることを特徴とする。子プランジャは、親プランジャに内包されるため、電磁弁の小型化を図るのに有利である。この場合、子プランジャの底部（子弁口側）に凸部を形成できる。凸部は、親プランジャの先端部の内周壁面に接近するように、子プランジャの径外方向に突出していることが好ましい。この結果、子プランジャの凸部と親プランジャの先端部との間の磁気抵抗が低減され、磁路の磁束が子プランジャの凸部と親プランジャの先端部を透過し易くなり、子プランジャへの磁気吸引力を確保できる。この場合、子プランジャの開弁を親プランジャの開弁よりも早期に行うことができる。
【００１６】
（４）様相４に係る電磁弁によれば、上記様相において、親プランジャは、励磁コイル部で発生する磁束を子プランジャに透過させると共に親プランジャの開弁よりも子プランジャの開弁を促進させる磁路案内部を備えていることを特徴とする。この場合、励磁コイル部で発生する開弁用の磁束を磁路案内部により案内し、子プランジャに透過させる。このため、子プランジャの開弁を親プランジャの開弁よりも促進させることができる。磁路案内部としては、透磁率が低い非磁性材料（例えばオーステナイト系のステンレス鋼またはアルミニウム等）、透磁率が低い空気等の流体（気体）が存在する空洞で形成できる。非磁性材料や流体（例えば気体）は、親プランジャや子プランジャを構成する材料よりも透磁率が低いため、子プランジャが優先的に移動して開弁されるように、開弁用の磁束を案内できる。
【００１７】
（５）様相５に係る電磁弁によれば、上記様相において、子付勢要素の付勢力は親付勢要素の付勢力よりも小さく設定されていることを特徴とする。このため子プランジャの開弁動作を、親プランジャの開弁動作よりも確実に早期に行なうことができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係る電磁弁によれば、親弁口が開弁せずに子弁口のみが開弁しているときには、子弁口の開弁による流量特性が得られる。更に、親弁口が開弁すると、親弁口の開弁による流量特性が得られる。親プランジャの子作動室に子プランジャは配置されている。このため親プランジャの軸長方向の寸法と、子プランジャの軸長方向の寸法とが重なるため、当該軸長方向におけるサイズの小型化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
（実施形態１）
本発明の実施形態について図１〜図５を参照しつつ説明する。図１に示すように、電磁弁１は、ボディ２と、親プランジャ４と、親弁体５と、親付勢要素としての親バネ６と、励磁コイル部７とを備えている。親プランジャ４は、鉛直線に沿っている軸芯Ｍ１をもつ。ここで、軸芯Ｍ１と平行な方向を軸長方向とする。軸芯Ｍ１と直交する方向を軸直角方向とする。
【００２０】
図１に示すように、ボディ２は、金属または硬質樹脂で形成された親ボディ２０と、親ボディ２０に取り付けられた磁路形成部材として機能すると共に透磁率が高い材料で形成されたヨーク２１と、磁路形成部材として機能すると共に透磁率が高い材料で形成されたリング状の固定鉄心２２と、バネ荷重調整具２４と、透磁率が低い材料である非磁性材料で形成された支持部材２６とをもつ。支持部材２６は、親プランジャ４を外周側から覆う筒部２６ａと、筒部２６ａの一端（下端）から径外方向に延設されたリング状のフランジ部２６ｃとで形成されている。このため、励磁コイル部７への通電により形成される磁路Ｗ１を、親プランジャ４のうち親弁体５側の先端部４ｐに案内する機能をもつ。
【００２１】
図１に示すように、ヨーク２１は、軸長方向に沿って延設されている筒部２１ａと、筒部２１ａの軸長方向の一端（下端）から軸直角方向に沿って外方に延設されている第１フランジ部２１ｃと、筒部２１ａの軸長方向の他端（上端）から軸直角方向に沿って外方に延設されている第２フランジ部２１ｄとをもつ。固定鉄心２２はリング形状をなしており、ヨーク２１の内側において親プランジャ４の上側に配置されている。固定鉄心２２は、軸直角方向に沿っている第１リング面２２ａと、第１リング面２２ａの内周端に繋がると共に軸長方向に沿った円筒形状をなす第１内周壁面２２ｂと、第１内周壁面２２ｂの上端に繋がると共に軸直角方向に沿った第２リング面２２ｃと、第２リング面２２ｃの内周端に繋がると共に軸長方向に沿った第２内周壁面２２ｄと、第２内周壁面２２ｄで区画されている取付孔２２ｅとを備えている。第１リング面２２ａ、第１内周壁面２２ｂ、第２内周壁面２２ｄ、第１リング面２２ａ、第２リング面２２ｃは軸芯Ｍ１の回りを１周している。
【００２２】
図１に示すように、ボディ２は、流体が流入するように横方向に開口する高圧側の入口ポート３０と、流体が流出するように下方向に開口する低圧側の出口ポート３１と、入口ポート３０と出口ポート３１との間に設けられた円形状の親弁口３２と、親弁口３２に対面する親作動室３４とをもつ。入口ポート３０は流体供給源３０Ａ（例えば水素ガス、水素含有ガスなどの燃料を供給する燃料供給源）に接続されている。親弁口３２は、ボディ２の筒体２７の弁座２８の先端部（上端部）に円形状に形成されている。親弁口３２の軸芯Ｍ２は上下方向（重力方向）に沿っており、軸芯Ｍ１と同軸的とされている。弁座２８の外壁面２８ｐは、下方に向かうにつれて径大となる円錐面状をなす傾斜面をもち、水分などを流下させ得るようにされている。
【００２３】
出口ポート３１の内壁面３１ｉは円筒形状をなしており、内径が上下方向に沿って実質的に同一とされている。出口ポート３１は流体消費部３１Ａ（例えば燃料電池の燃料極）側に繋がる。入口ポート３０と出口ポート３１との間にはリング通路３６が設けられている。リング通路３６は、入口ポート３０、出口ポート３１、親弁口３２に連通または連通可能とされている。
【００２４】
図１に示すように、親プランジャ４は透磁率が高い金属材料（例えば鉄系等の軟磁性材料）で形成されており、固定鉄心２２の下面側に対面するようにボディ２の親作動室３４内において固定鉄心２２の下方に配置されている。親プランジャ４は、親作動室３４内において矢印Ｈ１，Ｈ２方向（上下方向、重力方向）に沿って移動可能に設けられている。
【００２５】
図２に示すように、親プランジャ４は、軸長方向に沿った円筒形状の第１外周壁面４ａと、第１外周壁面４ａの上端に繋がる円錐面状の対向面４ｂと、円錐面状の対向面４ｂの上端に繋がると共に軸長方向に沿った円筒形状の第２外周壁面４ｃと、第２外周壁面４ｃの上端に繋がると共に軸直角方向に沿った第１リング面４ｄとをもつ。円錐面状の対向面４ｂは、固定鉄心２２に向かうにつれて外径が小さくなるように傾斜している。なお、第１外周壁面４ａ、対向面４ｂ、第２外周壁面４ｃ、リング面４ｄは、それぞれ、軸芯Ｍ１の回りで１周している。
【００２６】
更に図２に示すように、親プランジャ４は、上面に、つまり固定鉄心２２に対向する面に、空洞状の親バネ室４０を有する。親バネ室４０は固定鉄心２２の下側に位置しており、固定鉄心２２に向けて開口している。親バネ室４０は、軸長方向に沿った内周壁面４０ｉと、軸直角方向に沿った座面４０ｘとを備えている。
【００２７】
図２に示すように、親プランジャ４の円錐面状の対向面４ｂは、固定鉄心２２の第１リング面２２ａにリング状の隙間９ａを介して対面する。親プランジャ４の第２外周壁面４ｃは、固定鉄心２２の第１内周壁面２２ｂにリング状の隙間９ｂを介して対面する。親プランジャ４の第１外周壁面４ａは、支持部材２６の筒部２６ａにリング状の隙間９ｃを介して対面する。親プランジャ４の第１外周壁面４ａには、親プランジャ４の姿勢を安定化させるガイドリング８０が設けられている。要するに、ガイドリング８０は、親プランジャ４の第１外周壁面４ａと支持部材２６の筒部２６ａとの間に介在しておれば良い。親プランジャ４の第２外周壁面４ｃは、固定鉄心２２の第１内周壁面２２ｂにリング状の隙間９ｄを介して対面する。
【００２８】
図１に示すように、親弁体５は、親プランジャ４のうち軸直角方向に沿った底面（下面）に接着または溶着等の接合手段により取り付けられており、親弁口３２に対面している。親弁体５は円形の盤状をなしており、弁座２８に着座して親弁口３２を閉鎖する。親弁体５は、親プランジャ４の底面（下面）に固着された盤状の第１部材５１と、第１部材５１に固着され盤状の第２部材５２とで形成されている。第２部材５２は第１部材５１よりも弁座２８側に設けられており、弁座２８に着座する。親弁体５が弁座２８から離れると、親弁口３２が開放される。親弁体５を構成する第１部材５１の材質としては非磁性材料（例えばオーステナイト系のステンレス鋼、アルミニウム合金、セラミックス、樹脂等）が好ましい。その理由としては、親プランジャ４の先端部４ｐおよび子プランジャ８の凸部８ｙに磁束を良好に透過させ、磁路Ｗ１による磁気吸引力を親プランジャ４および子プランジャ８に作用させるためである。第２部材５２の材質としては、ゴムや樹脂等のシール性をもつ高分子材料で形成されていることが好ましい。
【００２９】
子弁口５３は円筒形状をなしており、親弁体５の中央域において、親弁体５の厚み方向に貫通してオリフィス状に形成されている。親弁体５と親プランジャ４の先端部４ｐとの間に通路５４が形成されている。通路５４は入口ポート３０に連通していると共に、子作動室４５に連通している。
【００３０】
図１に示すように、親バネ６はボディ２の親作動室３４内に軸芯Ｍ１を包囲するように設けられている。親バネ６は、親弁体５がボディ２の親弁口３２を閉弁する方向（矢印Ｈ２方向、下方向）に親プランジャ４を付勢する。親バネ６の一端部は親バネ室４０に収容され、親バネ室４０の座面４０ｘに着座している。親バネ６の他端部は、バネ荷重調整具２４の座面２４ｘに着座している。バネ荷重調整具２４は固定鉄心２２の取付孔２２ｅに着脱可能に取り付けられている。具体的には、バネ荷重調整具２４の雄螺子部２４ｐは固定鉄心２２の取付孔２２ｅの雌螺子部２２ｆに着脱可能に取り付けられている。雌螺子部２２ｆおよび雄螺子部２４ｐの螺合により、バネ荷重調整具２４を矢印Ｈ１，Ｈ２方向に前進後退させれば、親バネ６による付勢力は調整される。
【００３１】
励磁コイル部７はボディ２に設けられており、親プランジャ４および子プランジャ８を開弁方向（矢印Ｈ１方向、上方向）に移動させる磁気吸引力を生成する磁路Ｗ１を通電により発生させる。励磁コイル部７は、筒形状のボビン７０と、ボビン７０に巻き付けられた励磁巻線７１とを備えている。ボビン７０は樹脂製であり、筒部７０ａとフランジ部７０ｃ，７０ｄとをもつ。筒部７０ａおよびフランジ部７０ｃ，７０ｄにより、励磁巻線７１は包囲されている。
【００３２】
さて本実施形態によれば、図１に示すように、親プランジャ４は、空洞状をなす子作動室４５と、子弁口５３と、子作動室４５内に移動可能に配置された子プランジャ８と、子作動室４５内に設けられた子付勢要素としての子バネ４７とを備えている。子作動室４５は親プランジャ４の底面において開口している。図２に示すように、子作動室４５は、入口ポート３０、親弁口３２および出口ポート３１に連通可能に設けられている。子作動室４５は、軸長方向に沿っている円筒形状の第１内周壁面４５ａと、軸長方向に沿っている円筒形状の第２内周壁面４５ｂと、第１内周壁面４５ａと第２内周壁面４５ｂとを軸直角方向に沿って繋ぐ第１リング面４５ｃと、第２内周壁面４５ｂの上端に繋がると共に軸直角方向に沿った第２リング面４５ｄとをもつ。第１リング面４５ｃと第２内周壁面４５ｂとでリング状の段部４５ｋを形成している。子作動室４５は子バネ室４８に連通する。子バネ室４８には、コイル状の子バネ４７が同軸的に収容されている。子バネ室４８と親バネ室４０とは、連通路４９により連通している。
【００３３】
図２に示すように、子弁口５３の開口面積は、親弁口３２の開口面積よりも小さくされている。子プランジャ８は透磁率が高い金属（例えば鉄系）で形成されており、親プランジャ４よりも軽量化および小サイズ化されている。子プランジャ８は、子作動室４５内において上下方向（矢印Ｈ１，Ｈ２方向、重力方向）に沿って移動可能に配置されており、移動に伴い子弁口５３を開閉する。図２に示すように、子プランジャ８は、軸長方向に沿って延設された円筒形状の第１外周壁面８ａと、第１外周壁８ａから径大端側が延設された円錐面状をなす円錐面状の対向面８ｂと、円錐面状の対向面８ｂの径小端側から軸長方向に沿って延設された円筒形状の第２外周壁面８ｃとを備えている。
【００３４】
図２に示すように、子プランジャ８の第１外周壁面８ａは、親プランジャ４の内周壁面４５ａにリング状の隙間９ｓを介して対面する。子プランジャ８の第１外周壁面８ａには、子プランジャ８の姿勢を安定化させるガイドリング８５が設けられている。要するに、ガイドリング８５は、子プランジャ８の第１外周壁面８ａと親プランジャ４の内周壁面４５ａとの間に介在していれば良い。
【００３５】
図２に示すように、子プランジャ８の円錐面状の対向面８ｂは、親プランジャ４の第１リング面４５ｃおよび段部４５ｋにリング状の隙間９ｔを介して対面する。子プランジャ８の第２外周壁面８ｃは、親プランジャ４の第２内周壁面４５ｂにリング状の隙間９ｕを介して対面する。
【００３６】
図２に示すように、子バネ４７はコイル状をなしており、子作動室４５内に設けられている。子バネ４７は、子プランジャ８が子弁口５３を閉弁する方向（矢印Ｈ２方向，下方向）に向けて子プランジャ８を付勢する。子バネ４７の軸長方向の一端は、子プランジャ８の着座面８ｘに着座している。子バネ４７の軸長方向の他端は、子バネ室４８の座面４８ｘに着座している。子プランジャ８を閉弁方向に付勢する子バネ４７のバネ定数は、親バネ６のバネ定数よりも小さく設定されている。従って子バネ４７の付勢力は、親バネ６付勢力よりも小さく設定されている。よって子プランジャ８の閉弁力は、親プランジャ４の閉弁力よりも小さく設定されている。
【００３７】
図２に示すように、子プランジャ８の底面（下面）には、リング状のシール部材８５ｘが固着されている。子プランジャ８が閉弁されているとき、シール部材８５ｘは子弁口５３の周囲を覆って気密または液密的にシールしている。シール部材８５ｘは、ゴムや軟質樹脂等のシール材料で形成されている。
【００３８】
本実施形態によれば、励磁コイル部７に通電されていないとき、図１に示すように、親バネ６の付勢力により親プランジャ４は閉弁方向（矢印Ｈ２方向，下方向）付勢されて、親弁口３２を閉鎖している。また、子バネ４７の付勢力により子プランジャ８は閉弁方向（矢印Ｈ２方向，下方向）に付勢されて子弁口５３を閉鎖している。このため入口ポート３０の流体は電磁弁１を流れない。
【００３９】
これに対して励磁コイル部７に通電されると、励磁コイル部７で発生した磁力により磁気吸引力が発生する。基本的な磁路Ｗ１（図１参照）は、非磁性材料で形成されている支持部材２６の影響で、ヨーク２１の筒部２１ａ、ヨーク２１の第１フランジ部２１ｃ、親プランジャ４の先端部４ｐ、子プランジャ８の凸部８ｙ、子プランジャ８、親プランジャ４、固定鉄心２２、ヨーク２１の第２フランジ部２１ｄを透過する。
【００４０】
ここで、図２に示すように、子プランジャ８の底部に形成されている凸部８ｙは、親プランジャ４の先端部４ｐの内周壁面に接近するように、子プランジャ８の径外方向にリング鍔状に突出している。この結果、子プランジャ８の凸部８ｙと親プランジャ４の先端部４ｐとの間の磁気抵抗が低減され、磁路Ｗ１の磁束が子プランジャ８の凸部８ｙと親プランジャ４の先端部４ｐを透過し易くなる。更に図２に示すように、ヨーク２１のフランジ部２１ｃの内端２１ｉは支持部材２６よりもΔＴぶん、親プランジャ４の先端部４ｐの外周壁面に接近している。このためヨーク２１の内端２１ｉと親プランジャ４の先端部４ｐとの間の磁気抵抗が低減される。よって、磁路Ｗ１の磁束がヨーク２１の内端２１ｉと親プランジャ４の先端部４ｐと子プランジャ８の凸部８ｙとを透過し易くなる。これにより磁路Ｗ１による磁気吸引力を子プランジャ８に与え易くなり、子プランジャ８の開弁を親プランジャ７の開弁よりも早期な行うことができる利点が得られる。
【００４１】
図１に示すように、閉弁時には、ヨーク２１の第１フランジ部２１ｃは、親プランジャ４の先端部を介して子プランジャ８の凸部８ｙに対向している。このため、ヨーク２１の第１フランジ部２１ｃを透過する磁束が子プランジャ８の凸部８ｙに透過し易くなる。故に、子プランジャ８の開弁動作の促進に有利である。
【００４２】
励磁コイル部７に通電される通電量が増加するにつれて、磁気吸引力が次第に増加する。ここで、子バネ４７の付勢力は親バネ６の付勢力よりも小さい。通電量が少ないときには磁気吸引力が少ないため、図３に示すように、親プランジャ４は開弁しない。しかし、子バネ４７の付勢力に抗しつつ、図３に示すように、子プランジャ８が親プランジャ４よりも優先的に開弁方向（矢印Ｈ１方向、上方向）に移動し、子弁口５３が開弁する。この結果、入口ポート３０の流体は、矢印ＫＡ方向に沿ってリング通路３６、通路５４および開弁状態の子弁口５３を通り、出口ポート３１に吐出される。このように子弁口５３が開放しているものの、親弁口３２が開放されていないため、電磁弁１を流れる流体の流量は少ない。このように子弁口５３が開放しているものの、親弁口３２が開放されていない状態において、励磁コイル部７への通電量を調整すれば、子弁口５３の開弁量が適宜調整される。
【００４３】
ところで、励磁コイル部７に通電される通電量がさらに増加すると、矢印Ｈ１方向（開弁方向）への磁気吸引力が増加する。励磁コイル部７による磁気吸引力が親プランジャ４の閉弁力に打ち勝つと、親バネ６の付勢力に抗しつつ、図４に示すように、親プランジャ４が開弁方向（矢印Ｈ１方向，上方向）に移動し始め、親弁口３２を開弁させる。この結果、入口ポート３０の流体は矢印ＫＢ方向（図４参照）に沿って開弁状態の親弁口３２を通り、出口ポート３１に吐出される。このように子弁口５３よりも大きな開口面積を有する親弁口３２が開放しているため、電磁弁１を流れる流体の流量は増加する。なお、図４から理解できるように、親弁口３２が開放されているとき、子弁口５３は開放されている。このように親弁口３２が開放されている状態において、励磁コイル部７への通電量を調整すれば、親弁口３２の開弁量が適宜調整される。
【００４４】
図５は、電磁弁１の入口ポート３０から出口ポート３１に流れる流体の流量Ｑと励磁コイル部７へ通電する通電量（電流または電圧）との関係を表すグラフを示す。図５において、特性線Ｋ１は本実施形態に係る電磁弁の流量特性を示す。特性線Ｋ２は比較例に係り、単段の比例式の電磁弁１の流量特性を示す。特性線Ｋ１に示すように、給電量が値Ａ０から値Ａ１までは、子弁口５３のみが開弁するが、子弁口５３の開弁度は比例的に増加する。このため入口ポート３０から出口ポート３１に流れる流体の流量は比例的に増加し、流量比例領域α１が得られる。このように給電量を値Ａ０から値Ａ１までの流量比例領域α１において給電量を調整すれば、親弁口３２が閉鎖している状態において親子弁口５３のみが開弁するため、流量が少ない領域において流量を調整できる。給電量が値Ａ１を越えても値Ａ２までは、親弁口３２を閉鎖している親弁体５が開弁せず、親弁口３２は開放しないため、流量は増加しない。したがって流量停滞領域α２が得られる。
【００４５】
励磁コイル部７への給電量が値Ａ２を越えると、親弁口３２を閉鎖している親弁体５が開弁し、親弁体５の開弁度が比例的に増加するため、流量は比例的に増加する。従って、流量比例領域α３が得られる。流量比例領域α３において、給電量を調整すれば、子弁口５３が開弁している状態において親弁口３２が開弁するため、流量が大きな領域において流量を調整できる。なお、励磁コイル部７への給電量が値Ａ３を越えると、流量は増加しない。したがって流量停滞領域α４が得られる。
【００４６】
以上説明したように本実施形態によれば、親弁口３２が閉弁されている状態で子弁口５３が開弁するため、子弁口５３の開弁による流量特性が得られ、更に磁気吸引力が増加すると、親弁口３２が開弁するため、親弁口３２の開弁による流量特性が得られる。
【００４７】
更に本実施形態によれば、親プランジャ４の内部に形成されている空洞状をなす子作動室４５に子プランジャ８が配置されており、親プランジャ４の軸長方向において親プランジャ４の軸長サイズと子プランジャ８の軸長サイズとが重なっている。殊に、親プランジャ４は子プランジャ８を内包している。このため親プランジャ４を収容する収容スペースの他に、子プランジャ８を収容する収容スペースをボディ２の内部に別途形成せずとも良く、電磁弁１の小型化に有利となる。更に本実施形態によれば、親プランジャ４は子プランジャ８を内包しているため、図４から理解できるように、親プランジャ４の子作動室４５の軸長寸法ＬＡ内に子プランジャ８の軸長寸法ＬＢが納まっている。つまり子プランジャ８は親プランジャ４に内包されている。このため電磁弁１の高さ寸法を抑えるのに有利である。
【００４８】
更に本実施形態によれば、励磁コイル部７は単一であり、励磁コイル部７の数が減少されている。即ち、励磁コイル部７は、親プランジャ４および子プランジャ８を透過する磁路Ｗ１を形成し、親プランジャ４および子プランジャ８に共用されている。このように励磁コイル部７は親プランジャ４および子プランジャ８に共用されているため、前述とした特許文献１，２とは異なり、複数の励磁コイル部７を設けずとも良く、電磁弁１の小型化を図るのに有利となる。
【００４９】
上記したように本実施形態によれば、励磁コイル部７は親プランジャ４および子プランジャ８に共用されているため、スイッチ素子の数、結線工数が減少し、電磁弁のサイズの小型化、コストの低廉化を図り得る。具体的には、励磁コイル部７は親プランジャ４および子プランジャ８の双方に共用化されているため、励磁コイル部７による磁気吸引力のバラツキを抑えるのに有利である。
【００５０】
また本実施形態によれば、親弁口３２よりも径小な子弁口５３は、親弁体５にこれの厚み方向に貫通するように形成されている。このため、子弁口５３を形成するための別部品を用いずとも良く、電磁弁１の小型化を図るのに有利となる。また、ボディ２に形成されている弁口は親弁口３２だけであり、子弁口５３は、親弁口３２を開閉する親弁体５自体を厚み方向に貫通させて形成されている。このためボディ２に多数の弁口を形成する特許文献２に係る技術とは異なり、ボディ２の構造および加工が簡単となり、異物に対する詰まり性を低減させ得ると共に、コスト低減に有利となる。
【００５１】
（実施形態２）
実施形態２（図示せず）は実施形態１と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有する。但し、シール部材８５ｘは、子プランジャ８の底面に固着されておらず、親弁体５の第１部材５１の表面（上面）に固着されている。従って子プランジャ８が子弁口５３を閉弁しているとき、子プランジャ８の底面はシール部材８５ｘに気密または液密に圧接されている。
【００５２】
更に本実施形態においても、親プランジャ４の内部に形成されている空洞状をなす子作動室４５に子プランジャ８が配置されており、親プランジャ４の軸長サイズと子プランジャ８の軸長サイズとが重なっている。殊に、親プランジャ４は子プランジャ８を内包している。このため親プランジャ４を収容する収容スペースの他に、子プランジャ８を収容する収容スペースをボディ２の内部に別途形成せずとも良く、電磁弁１の小型化に有利となる。更に本実施形態によれば、親プランジャ４は子プランジャ８を内包しているため、図４から理解できるように、親プランジャ４の子作動室４５の軸長寸法ＬＡ内に子プランジャ８の軸長寸法ＬＢが納まっている。つまり子プランジャ８は親プランジャ４に内包されている。このため電磁弁１の高さ寸法を抑えるのに有利である。
【００５３】
（実施形態３）
図６は実施形態３を示す。本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有する。但し、親プランジャ４のうち固定鉄心２２に対向する対向面４ｂは、軸芯Ｍ１の軸直角方向に沿ってリング状に延設されており、固定鉄心２２の第１リング面２２ａに沿っている。この場合には、図５に示す特性線Ｋ３に示すように、流量が階段的に増加する段階増加領域α５を得るのに有利となる。更に本実施形態においても、親プランジャ４の内部に形成されている空洞状をなす子作動室４５に子プランジャ８が配置されており、親プランジャ４の軸長サイズと子プランジャ８の軸長サイズとが重なっている。殊に、親プランジャ４は子プランジャ８を内包している。このため親プランジャ４を収容する収容スペースの他に、子プランジャ８を収容する収容スペースをボディ２の内部に別途形成せずとも良く、電磁弁１の小型化に有利となる。
【００５４】
（実施形態４）
図７は実施形態４を示す。本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有する。但し、親プランジャ４のうち親弁口３２側には磁路案内部４ｒｏが設けられている。磁路案内部４ｒｏは、励磁コイル部７で発生する開弁用の磁束を親プランジャ４よりも優先的に子プランジャ８に透過させると共に、子プランジャ８の開弁動作を親プランジャ４の開弁動作よりも促進させるものである。開弁用の磁束が親プランジャ４に透過しにくくなるため、子プランジャ８よりも親プランジャ４の開弁動作は遅延される。磁路案内部４ｒｏは、親プランジャ４のうち子プランジャ８を包囲する周壁部分を軸芯Ｐ１の回りを１周するように、リング状をなす空洞で形成されている。空洞には、親プランジャ４および子プランジャ８を構成する材料よりも透磁率が低い流体が存在する。
【００５５】
この場合、励磁コイル部７で発生する開弁用の磁束が親プランジャ４に透過することが抑えられるため、親プランジャ４の開弁動作は子プランジャ８の開弁よりも遅延される。よって、子プランジャ８に透過するように磁路案内部４ｒｏにより開弁用の磁束を案内する。これにより磁束を親プランジャ４の底部よりも子プランジャ８の内部に優先的に透過させる。このため、子プランジャ８の磁路形成に起因する開弁動作を、親プランジャ４の開弁動作よりも促進させることができる。更に、図７に示すように、子プランジャ８の外周面にこれを１周するリング状の凸部８ｙが形成されている。このため、開弁用の磁束は、凸部８ｙから子プランジャ８に透過し易くなるため、子プランジャ８の開弁動作を親プランジャ４の開弁動作よりも優先させるのに有利となる。この場合、磁路案内部４ｒｏにより案内される磁路により、子プランジャ８の開弁動作を親プランジャ４の開弁動作よりも促進させることができる。即ち、親プランジャ４よりも子プランジャ８に優先的に磁束を透過させ子プランジャ８の開弁を促進させる構造が採用されている。このため、親バネ６の付勢力と子バネ４７の付勢力とを同程度としても良い。勿論、親バネ６の付勢力よりも子バネ４７の付勢力を小さく設定しても良い。
【００５６】
（実施形態５）
図８は実施形態５を示す。本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有する。但し、親プランジャ４のうち親弁口３２側の外周面には、磁路案内部４ｒｒが設けられている。磁路案内部４ｒｒは、励磁コイル部７で発生する磁束を親プランジャ４よりも優先的に子プランジャ８に透過させると共に、子プランジャ８の開弁動作を親プランジャ４の開弁動作よりも促進させるものである。磁路案内部４ｒｒは、親プランジャ４のうち子プランジャ８を包囲する周壁部分を軸芯Ｐ１の回りを１周するようにリング状をなす非磁性材料（例えばオーステナイト系のステンレス鋼、アルミニウム系合金等の非磁性金属、セラミックス、樹脂等）で形成されている。磁路案内部４ｒｒは溶接、嵌め込み、接着などで親プランジャ４に取り付けられる。この場合、励磁コイル部７で発生する磁束が親プランジャ４を透過することを抑え、できるだけ子プランジャ８を透過するように磁路案内部４ｒｏにより磁束を案内する。これにより磁束を親プランジャ４の底部よりも子プランジャ８に優先的に透過させる。このため、子プランジャ８の開弁動作を親プランジャ４の開弁動作よりも促進させることができる。更に図８に示すように、子プランジャ８の外周面にこれを１周するリング状の凸部８ｙが形成されている。このため磁束は、凸部８ｙから子プランジャ８に透過し易くなるため、子プランジャ８の開弁動作を親プランジャ４の開弁動作よりも優先させるのに有利となる。この場合、磁路案内部４ｒｏにより案内される磁路により、子プランジャ８の開弁動作を親プランジャ４の開弁動作よりも促進させることができるため、親バネ６の付勢力と子バネ４７の付勢力とを同程度としても良い。勿論、親バネ６の付勢力よりも子バネ４７の付勢力を小さく設定しても良い。親プランジャ４のうち親弁口３２側の内周面に磁路案内部４ｒｒを設けても良い。
【００５７】
（実施形態６）
図９は実施形態６は、定置型または車両搭載型の燃料電池システムに適用している。燃料電池システムは、図９に示すように、燃料極１０１と酸化剤極１０３とで電解質膜１０４（例えばイオン伝導性をもつ固体高分子膜など）を挟んだ燃料電池のスタック１００と、スタック１００の燃料極１０１の入口にガス状の燃料（例えば水素ガス、水素含有ガス）を供給する燃料供給路２００と、スタック１００の燃料極１０１の出口からガス状の燃料オフガスを排出する燃料オフガス路２１０と、スタック１００の酸化剤極１０３の入口に酸化剤ガス（例えば空気）を供給する酸化剤供給路３００と、スタックの酸化剤極１０３の出口からガス状の酸化剤オフガスを排出する酸化剤オフガス路３１０とをもつ。
【００５８】
図９に示すように、燃料供給路２００には燃料供給弁２０５が設けられている。燃料オフガス路２１０には燃料オフガス排出弁２１５が設けられている。酸化剤供給路３００には酸化剤供給弁３０５が設けられている。酸化剤オフガス路３１０には酸化剤オフガス排出弁３１５が設けられている。
【００５９】
発電運転時には、燃料供給路２００の燃料供給弁２０５が開放し、燃料がスタック１００の燃料極１０１に供給される。酸化剤供給路３００の酸化剤供給弁３０５が開弁し、酸化剤ガスがスタック１００の酸化剤極１０３に供給される。これによりスタック１００の内部で発電される。
【００６０】
燃料オフガスは燃料オフガス路２１０の燃料オフガス排出弁２１５から排出される。酸化剤オフガスは酸化剤オフガス路３１０の酸化剤オフガス排出弁３１５から排出される。
【００６１】
本実施形態によれば、燃料供給弁２０５は上記した電磁弁１で形成できる。この場合、電磁弁１の入口ポート３０は燃料タンク等の燃料供給源に繋がり、電磁弁１の出口ポート３１はスタック１００の燃料極１０１の入口１０１ｉに繋がる。
【００６２】
また燃料オフガス排出弁２１５は上記した電磁弁１で形成できる。この場合、電磁弁１の入口ポート３０はスタックの燃料極１０１の出口１０１ｐに繋がる。電磁弁１の出口ポート３１は燃料オフガス排出部に繋がる。
【００６３】
酸化剤供給弁３０５も上記した電磁弁１で形成できる。この場合、電磁弁１の入口ポート３０は酸化剤供給源に繋がり、電磁弁１の出口ポート３１はスタックの酸化剤極１０３の入口１０３ｉに繋がる。
【００６４】
更に、酸化剤オフガス排出弁３１５は上記した電磁弁１で形成できる。この場合、電磁弁１の入口ポート３０はスタックの酸化剤極１０３の出口１０３ｐに繋がる。酸化剤オフガス排出弁３１５は大気側に繋がる。
【００６５】
上記した燃料電池システムにおいて本格的な発電運転に至る前の待機運転（アイドリング運転）においては、図５に示すように、励磁コイル部７への通電量をＡ２未満の流量比例領域α１に設定しておけば、親弁口３２を閉鎖させたまま子弁口５３のみを開放させることができ、流量を絞ることができ、燃料電池システムの待機運転（アイドリング運転）に適応する。本格的な発電運転を行うときには、励磁コイル部７への通電量をＡ２以上の流量比例領域α３に設定すれば、親弁口３２および子弁口５３の双方を開放させることができ、流量を増加させることができ、燃料電池システムの発電運転に適する。更には燃料電池システムが改質装置を含むときには、改質装置の入口側および／または出口側の電磁弁に本発明を適用しても良い。
【００６６】
（その他）
上記した実施形態では、親プランジャ４の軸芯Ｍ１は鉛直方向に沿って延設されているが、これに限らず、斜め方向に沿って延設されていても良い。この場合、親プランジャ４は斜め方向に移動する。場合によって親プランジャ４の軸芯Ｍ１は横方に沿っており、親プランジャ４は横方向に移動するタイプでも良い。
【００６７】
上記した電磁弁１は燃料電池システムに限らず、他の流体機器に使用することができ、流体としては気体でも良いし、液体でも良い。本発明は上記し且つ図面に示した実施形態のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できる。
【００６８】
上記した記載から次の技術的思想も把握できる。
（付記項１）燃料電池と、燃料電池の燃料極の入口に燃料を供給する燃料供給路、燃料電池の燃料極の出口から燃料オフガスを排出する燃料オフガス路と、燃料電池の酸化剤極の入口に酸化剤ガスを供給する酸化剤供給路と、燃料電池の酸化剤極の出口から酸化剤オフガスを排出する酸化剤オフガス路とをもつ燃料電池システムにおいて、燃料供給路には燃料供給弁が設けられており、燃料オフガス路には燃料オフガス排出弁が設けられており、酸化剤供給路には酸化剤供給弁が設けられており、酸化剤オフガス路には酸化剤オフガス排出弁が設けられており、燃料供給弁、燃料オフガス排出弁、酸化剤供給弁、酸化剤オフガス排出弁のうちの少なくとも１種は、各請求項に係る電磁弁で形成されていることを特徴とする燃料電池システム。この場合、親弁口が閉弁されている状態で子弁口が開弁するため、子弁口の開弁による流量特性が得られる。更に磁気吸引力が増加すると、親弁口が開弁するため、親弁口の開弁による流量特性が得られる。更に、電磁弁における磁気吸引力のバラツキを抑えると共に、スイッチ素子の数、結線工数が増加し、サイズの大型化、コストの高騰を抑えるのに有利となる。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
本発明は、気体または液体状のガス流体を遮断および供給する電磁弁に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】電磁弁の親弁口および子弁口が閉鎖している状態を模式的に示す断面図である。
【図２】電磁弁の親弁口および子弁口が閉鎖している状態における親プランジャ付近を模式的に示す拡大断面図である。
【図３】電磁弁が親弁口が閉鎖しているものの、子弁口が開放している状態を模式的に示す断面図である。
【図４】電磁弁が親弁口が開放している状態を模式的に示す断面図である。
【図５】電磁弁の流量特性を示すグラフである。
【図６】実施形態３に係り、電磁弁の親弁口および子弁口が閉鎖している状態を模式的に示す断面図である。
【図７】実施形態４に係り、電磁弁の親弁口および子弁口が閉鎖している状態を模式的に示す断面図である。
【図８】実施形態５に係り、電磁弁の親弁口および子弁口が閉鎖している状態を模式的に示す断面図である。
【図９】燃料電池システムに適用した実施形態に係り、燃料電池のシステム図である。
【符号の説明】
【００７１】
１は電磁弁、２はボディ、２１はヨーク、２２は固定鉄芯、２６は支持部材、３０は入口ポート、３１は出口ポート、３２は親弁口、３６はリング通路、４は親プランジャ、４０は親バネ室、４５は子作動室、４７は子バネ、４８は子バネ室、５は親弁体、５３は子弁口、６は親バネ、７は励磁コイル部、８は子プランジャ、８５はシール部材を示す。
【技術分野】
【０００１】
本発明は気体または液体等の流体を流す電磁弁に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電磁弁として、ボディに形成された単一の弁口と、この弁口を閉鎖する単一の弁体と、第１、第２、第３の可動プランジャと、第１、第２、第３の励磁コイル部とを備えるものが知られている（特許文献１）。このものによれば、励磁コイル部の数はプランジャの数と同数個設けられている。第１、第２、第３の励磁コイル部は互いに独立して通電可能とされている。そして、第１の励磁コイル部に通電されると、第１プランジャが開弁方向に移動し、弁体を開弁させる。更に、第１の励磁コイル部および第２の励磁コイル部の双方に通電されると、第１プランジャおよび第２プランジャが開弁方向に移動し、弁体を開弁させる。この場合、第１プランジャによる開弁量と第２プランジャによる開弁量とが合計され、弁体の開弁量は更に増加する。更に、第１の励磁コイル部、第２の励磁コイル部および第３の励磁コイル部の三者に通電されると、第１プランジャ、第２プランジャおよび第３プランジャが開弁方向に移動し、弁体を更に開弁させる。この場合、第１プランジャによる開弁量と第２プランジャによる開弁量と第３プランジャによる開弁量とが合計され、弁体の開弁量は更に増加する。
【０００３】
更に、別の電磁弁として、ボディにそれぞれ形成された第１、第２、第３の弁口と、第１の弁口を開閉する第１の弁体と、第２の弁口を開閉する第２の弁体と、第３の弁口を開閉する第３の弁体と、第１、第２、第３の弁体に共通する共通プランジャと、第１、第２、第３の励磁コイル部とを備えるものが知られている（特許文献２）。このものによれば、励磁コイル部の数は弁口の数と同数個である。つまり励磁コイル部の数は弁体の数と同数個である。そして、第１の励磁コイル部に通電されると、共通プランジャが開弁方向に移動し、第１の弁体を開弁させる。更に、第１の励磁コイル部および第２の励磁コイル部の双方に通電されると、共通プランジャが開弁方向に更に移動し、第１の弁体および第２の弁体の双方を開弁させ、第１の弁口および第２の弁口の双方を開放させる。この場合、第１の弁口による開弁量と第２の弁口による開弁量とが合計され、開弁量は増加する。更に、第１の励磁コイル部、第２の励磁コイル部および第３の励磁コイル部の三者に通電されると、共通プランジャが開弁方向に更に移動し、第１の弁体、第２の弁体および第３の弁体の三者を開弁させ、第１の弁口、第２の弁口および第３の弁口の三者を開放させる。この場合、第１の弁口による開弁量と第２の弁口による開弁量と第３の弁口による開弁量とが合計され、開弁量は最も増加する。
【特許文献１】実公昭５９−３９２４９号公報
【特許文献２】実公昭６０−５１６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記した特許文献１，２に係る技術によれば、サイズの小型化が要請されているが、必ずしも充分ではない。
【０００５】
本発明は上記した実情に鑑みなされたものであり、サイズの小型化を図るのに有利な電磁弁を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
（１）様相１に係る電磁弁は、（ａ）流体が流入する入口ポートと、流体が流出する出口ポートと、入口ポートと出口ポートとの間に設けられた親弁口と、親作動室とをもつボディと、（ｂ）ボディの親作動室内に移動可能に設けられた親プランジャと、（ｃ）親プランジャに取り付けられ親弁口を開閉する親弁体と、（ｄ）ボディの親作動室内に設けられ親弁体がボディの親弁口を閉弁する方向に親プランジャを付勢する親付勢要素と、（ｅ）ボディに設けられ親プランジャを開弁方向に移動させる磁気吸引力を通電により発生させる励磁コイル部とを具備しており、
（ｆ）親プランジャは、（i）空洞状をなす子作動室と、（ii）入口ポート、親弁口および出口ポートに連通可能に設けられ且つ親弁口の開口面積よりも小さな開口面積をもつ子弁口と、（iii）子作動室内に移動可能に配置され励磁コイル部の磁気吸引力により子弁口を開弁させる方向に移動する子プランジャと、（iv）子作動室内に設けられ、子プランジャが子弁口を閉弁する方向に子プランジャを付勢する子付勢要素とを具備していることを特徴とする。
【０００７】
励磁コイル部に通電されていないとき、親付勢要素の付勢力により親プランジャは付勢されて親弁口を閉鎖している。また、子付勢要素の付勢力により子プランジャは付勢されて子弁口を閉鎖している。このため流体は電磁弁を流れない。
【０００８】
励磁コイル部に通電されると磁気吸引力が発生する。通電量が増加するにつれて、磁気吸引力が次第に増加する。子プランジャは親プランジャよりも軽量である。通電量が少ないときには磁気吸引力が少ないため、親プランジャは開弁しない。しかしながら子プランジャは親プランジャの空洞状の子作動室に収容されているため、親プランジャよりも小サイズであり且つ軽量である。この結果、子付勢要素の付勢力に抗しつつ、子プランジャが親プランジャよりも優先的に開弁方向に移動し、子弁口が開弁する。この結果、入口ポートの流体は開弁状態の子弁口を通り、出口ポートに吐出される。このように子弁口が開放しているものの、親弁口が開放していないため、電磁弁を流れる流体の流量は少ない。
【０００９】
励磁コイル部に通電される通電量が更に増加すると、磁気吸引力が更に増加する。すると、親プランジャが開弁方向に移動し始め、親弁口が開弁し始める。この結果、高圧側の入口ポートの流体は開弁状態の親弁口を通り、低圧側の出口ポートに吐出される。このように子弁口よりも大きな開口面積を有する親弁口が開放しているため、電磁弁を流れる流体の流量は多い。なお、親弁口が開放されているときには、子弁口は開放されていても良いし、閉鎖されていても良い。上記したように本発明の電磁弁によれば、入口ポートから出口ポートに流れる流体の流量を調整することができる。
【００１０】
更に、親プランジャに形成されている空洞状をなす子作動室に子プランジャが配置されているため、親プランジャの軸芯が延設されている方向において、親プランジャのサイズと子プランジャのサイズとが重なり、サイズの小型化が図られている。
【００１１】
上記したボディは、流体が流入する入口ポートと、流体が流出する出口ポートと、入口ポートと出口ポートとの間に設けられた親弁口と、親作動室とをもつ。流体としては液体でも気体でも良く、水素ガス等の燃料、窒素やアルゴンなどの不活性ガス、空気、酸素ガス、水蒸気が例示される。入口ポートは流体供給源に接続されている。出口ポートは流体消費部（例えば燃料電池）、流体排出部等に接続されている。親弁口の開口面積は子弁口の開口面積よりも大きく設定されている。親プランジャは、ボディの親作動室内に移動可能に設けられている。親プランジャは、励磁コイル部に通電するときに形成される磁路の一部を形成する。
【００１２】
親弁体は、親プランジャに取り付けられており、親弁口を開閉する。親付勢要素はボディの親作動室内に設けられており、親弁体がボディの親弁口を閉弁する方向に親プランジャを付勢する。親付勢要素としてはバネが例示される。バネはコイル状のバネ、板状のバネ等が例示される。励磁コイル部は、ボディに設けられており、親プランジャおよび子プランジャを開弁方向に移動させる磁気吸引力を通電により発生させる。
【００１３】
上記した親プランジャは、空洞状をなす子作動室と、子弁口と、子プランジャと、子付勢要素とを備えている。子作動室は親プランジャの内部において空洞状をなす。子弁口は、入口ポート、親弁口および出口ポートに連通可能に設けられており、且つ、親弁口の開口面積よりも小さな開口面積をもつ。子プランジャは、子作動室内に移動可能に配置されており、移動に伴い子弁口を開閉する。子プランジャは、励磁コイル部に通電するときに形成される磁路の一部を形成する。子付勢要素は子作動室内に設けられており、子プランジャが子弁口を閉弁する方向に子プランジャを付勢する。子付勢要素としてはバネが例示される。バネはコイル状のバネ、板状のバネ等が例示される。子付勢要素の付勢力は親付勢要素の付勢力よりも小さく設定されていることが好ましいが、必ずしもこれに限らない。例えば、開弁力を発生させる磁束を親プランジャよりも子プランジャに優先的に透過させ得る場合、あるいは、子プランジャが親プランジャよりも著しく軽量である場合等には、子付勢要素の付勢力と親付勢要素の付勢力とが同じ場合でも良い。
【００１４】
（２）様相２に係る電磁弁によれば、上記様相において、子弁口は、親弁体にこれの厚み方向に貫通するように形成されていることを特徴とする。この場合、子弁口を形成するための部品を用いずとも良く、部品点数の削減を図り得、あるいは、子弁口をボディ自体に形成せずとも良く、ボディの内部構造の複雑化を回避でき、電磁弁の小型化を図るのに有利となる。
【００１５】
（３）様相３に係る電磁弁によれば、上記様相において、子プランジャは、親プランジャの子作動室の内部に収容されていることを特徴とする。子プランジャは、親プランジャに内包されるため、電磁弁の小型化を図るのに有利である。この場合、子プランジャの底部（子弁口側）に凸部を形成できる。凸部は、親プランジャの先端部の内周壁面に接近するように、子プランジャの径外方向に突出していることが好ましい。この結果、子プランジャの凸部と親プランジャの先端部との間の磁気抵抗が低減され、磁路の磁束が子プランジャの凸部と親プランジャの先端部を透過し易くなり、子プランジャへの磁気吸引力を確保できる。この場合、子プランジャの開弁を親プランジャの開弁よりも早期に行うことができる。
【００１６】
（４）様相４に係る電磁弁によれば、上記様相において、親プランジャは、励磁コイル部で発生する磁束を子プランジャに透過させると共に親プランジャの開弁よりも子プランジャの開弁を促進させる磁路案内部を備えていることを特徴とする。この場合、励磁コイル部で発生する開弁用の磁束を磁路案内部により案内し、子プランジャに透過させる。このため、子プランジャの開弁を親プランジャの開弁よりも促進させることができる。磁路案内部としては、透磁率が低い非磁性材料（例えばオーステナイト系のステンレス鋼またはアルミニウム等）、透磁率が低い空気等の流体（気体）が存在する空洞で形成できる。非磁性材料や流体（例えば気体）は、親プランジャや子プランジャを構成する材料よりも透磁率が低いため、子プランジャが優先的に移動して開弁されるように、開弁用の磁束を案内できる。
【００１７】
（５）様相５に係る電磁弁によれば、上記様相において、子付勢要素の付勢力は親付勢要素の付勢力よりも小さく設定されていることを特徴とする。このため子プランジャの開弁動作を、親プランジャの開弁動作よりも確実に早期に行なうことができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係る電磁弁によれば、親弁口が開弁せずに子弁口のみが開弁しているときには、子弁口の開弁による流量特性が得られる。更に、親弁口が開弁すると、親弁口の開弁による流量特性が得られる。親プランジャの子作動室に子プランジャは配置されている。このため親プランジャの軸長方向の寸法と、子プランジャの軸長方向の寸法とが重なるため、当該軸長方向におけるサイズの小型化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
（実施形態１）
本発明の実施形態について図１〜図５を参照しつつ説明する。図１に示すように、電磁弁１は、ボディ２と、親プランジャ４と、親弁体５と、親付勢要素としての親バネ６と、励磁コイル部７とを備えている。親プランジャ４は、鉛直線に沿っている軸芯Ｍ１をもつ。ここで、軸芯Ｍ１と平行な方向を軸長方向とする。軸芯Ｍ１と直交する方向を軸直角方向とする。
【００２０】
図１に示すように、ボディ２は、金属または硬質樹脂で形成された親ボディ２０と、親ボディ２０に取り付けられた磁路形成部材として機能すると共に透磁率が高い材料で形成されたヨーク２１と、磁路形成部材として機能すると共に透磁率が高い材料で形成されたリング状の固定鉄心２２と、バネ荷重調整具２４と、透磁率が低い材料である非磁性材料で形成された支持部材２６とをもつ。支持部材２６は、親プランジャ４を外周側から覆う筒部２６ａと、筒部２６ａの一端（下端）から径外方向に延設されたリング状のフランジ部２６ｃとで形成されている。このため、励磁コイル部７への通電により形成される磁路Ｗ１を、親プランジャ４のうち親弁体５側の先端部４ｐに案内する機能をもつ。
【００２１】
図１に示すように、ヨーク２１は、軸長方向に沿って延設されている筒部２１ａと、筒部２１ａの軸長方向の一端（下端）から軸直角方向に沿って外方に延設されている第１フランジ部２１ｃと、筒部２１ａの軸長方向の他端（上端）から軸直角方向に沿って外方に延設されている第２フランジ部２１ｄとをもつ。固定鉄心２２はリング形状をなしており、ヨーク２１の内側において親プランジャ４の上側に配置されている。固定鉄心２２は、軸直角方向に沿っている第１リング面２２ａと、第１リング面２２ａの内周端に繋がると共に軸長方向に沿った円筒形状をなす第１内周壁面２２ｂと、第１内周壁面２２ｂの上端に繋がると共に軸直角方向に沿った第２リング面２２ｃと、第２リング面２２ｃの内周端に繋がると共に軸長方向に沿った第２内周壁面２２ｄと、第２内周壁面２２ｄで区画されている取付孔２２ｅとを備えている。第１リング面２２ａ、第１内周壁面２２ｂ、第２内周壁面２２ｄ、第１リング面２２ａ、第２リング面２２ｃは軸芯Ｍ１の回りを１周している。
【００２２】
図１に示すように、ボディ２は、流体が流入するように横方向に開口する高圧側の入口ポート３０と、流体が流出するように下方向に開口する低圧側の出口ポート３１と、入口ポート３０と出口ポート３１との間に設けられた円形状の親弁口３２と、親弁口３２に対面する親作動室３４とをもつ。入口ポート３０は流体供給源３０Ａ（例えば水素ガス、水素含有ガスなどの燃料を供給する燃料供給源）に接続されている。親弁口３２は、ボディ２の筒体２７の弁座２８の先端部（上端部）に円形状に形成されている。親弁口３２の軸芯Ｍ２は上下方向（重力方向）に沿っており、軸芯Ｍ１と同軸的とされている。弁座２８の外壁面２８ｐは、下方に向かうにつれて径大となる円錐面状をなす傾斜面をもち、水分などを流下させ得るようにされている。
【００２３】
出口ポート３１の内壁面３１ｉは円筒形状をなしており、内径が上下方向に沿って実質的に同一とされている。出口ポート３１は流体消費部３１Ａ（例えば燃料電池の燃料極）側に繋がる。入口ポート３０と出口ポート３１との間にはリング通路３６が設けられている。リング通路３６は、入口ポート３０、出口ポート３１、親弁口３２に連通または連通可能とされている。
【００２４】
図１に示すように、親プランジャ４は透磁率が高い金属材料（例えば鉄系等の軟磁性材料）で形成されており、固定鉄心２２の下面側に対面するようにボディ２の親作動室３４内において固定鉄心２２の下方に配置されている。親プランジャ４は、親作動室３４内において矢印Ｈ１，Ｈ２方向（上下方向、重力方向）に沿って移動可能に設けられている。
【００２５】
図２に示すように、親プランジャ４は、軸長方向に沿った円筒形状の第１外周壁面４ａと、第１外周壁面４ａの上端に繋がる円錐面状の対向面４ｂと、円錐面状の対向面４ｂの上端に繋がると共に軸長方向に沿った円筒形状の第２外周壁面４ｃと、第２外周壁面４ｃの上端に繋がると共に軸直角方向に沿った第１リング面４ｄとをもつ。円錐面状の対向面４ｂは、固定鉄心２２に向かうにつれて外径が小さくなるように傾斜している。なお、第１外周壁面４ａ、対向面４ｂ、第２外周壁面４ｃ、リング面４ｄは、それぞれ、軸芯Ｍ１の回りで１周している。
【００２６】
更に図２に示すように、親プランジャ４は、上面に、つまり固定鉄心２２に対向する面に、空洞状の親バネ室４０を有する。親バネ室４０は固定鉄心２２の下側に位置しており、固定鉄心２２に向けて開口している。親バネ室４０は、軸長方向に沿った内周壁面４０ｉと、軸直角方向に沿った座面４０ｘとを備えている。
【００２７】
図２に示すように、親プランジャ４の円錐面状の対向面４ｂは、固定鉄心２２の第１リング面２２ａにリング状の隙間９ａを介して対面する。親プランジャ４の第２外周壁面４ｃは、固定鉄心２２の第１内周壁面２２ｂにリング状の隙間９ｂを介して対面する。親プランジャ４の第１外周壁面４ａは、支持部材２６の筒部２６ａにリング状の隙間９ｃを介して対面する。親プランジャ４の第１外周壁面４ａには、親プランジャ４の姿勢を安定化させるガイドリング８０が設けられている。要するに、ガイドリング８０は、親プランジャ４の第１外周壁面４ａと支持部材２６の筒部２６ａとの間に介在しておれば良い。親プランジャ４の第２外周壁面４ｃは、固定鉄心２２の第１内周壁面２２ｂにリング状の隙間９ｄを介して対面する。
【００２８】
図１に示すように、親弁体５は、親プランジャ４のうち軸直角方向に沿った底面（下面）に接着または溶着等の接合手段により取り付けられており、親弁口３２に対面している。親弁体５は円形の盤状をなしており、弁座２８に着座して親弁口３２を閉鎖する。親弁体５は、親プランジャ４の底面（下面）に固着された盤状の第１部材５１と、第１部材５１に固着され盤状の第２部材５２とで形成されている。第２部材５２は第１部材５１よりも弁座２８側に設けられており、弁座２８に着座する。親弁体５が弁座２８から離れると、親弁口３２が開放される。親弁体５を構成する第１部材５１の材質としては非磁性材料（例えばオーステナイト系のステンレス鋼、アルミニウム合金、セラミックス、樹脂等）が好ましい。その理由としては、親プランジャ４の先端部４ｐおよび子プランジャ８の凸部８ｙに磁束を良好に透過させ、磁路Ｗ１による磁気吸引力を親プランジャ４および子プランジャ８に作用させるためである。第２部材５２の材質としては、ゴムや樹脂等のシール性をもつ高分子材料で形成されていることが好ましい。
【００２９】
子弁口５３は円筒形状をなしており、親弁体５の中央域において、親弁体５の厚み方向に貫通してオリフィス状に形成されている。親弁体５と親プランジャ４の先端部４ｐとの間に通路５４が形成されている。通路５４は入口ポート３０に連通していると共に、子作動室４５に連通している。
【００３０】
図１に示すように、親バネ６はボディ２の親作動室３４内に軸芯Ｍ１を包囲するように設けられている。親バネ６は、親弁体５がボディ２の親弁口３２を閉弁する方向（矢印Ｈ２方向、下方向）に親プランジャ４を付勢する。親バネ６の一端部は親バネ室４０に収容され、親バネ室４０の座面４０ｘに着座している。親バネ６の他端部は、バネ荷重調整具２４の座面２４ｘに着座している。バネ荷重調整具２４は固定鉄心２２の取付孔２２ｅに着脱可能に取り付けられている。具体的には、バネ荷重調整具２４の雄螺子部２４ｐは固定鉄心２２の取付孔２２ｅの雌螺子部２２ｆに着脱可能に取り付けられている。雌螺子部２２ｆおよび雄螺子部２４ｐの螺合により、バネ荷重調整具２４を矢印Ｈ１，Ｈ２方向に前進後退させれば、親バネ６による付勢力は調整される。
【００３１】
励磁コイル部７はボディ２に設けられており、親プランジャ４および子プランジャ８を開弁方向（矢印Ｈ１方向、上方向）に移動させる磁気吸引力を生成する磁路Ｗ１を通電により発生させる。励磁コイル部７は、筒形状のボビン７０と、ボビン７０に巻き付けられた励磁巻線７１とを備えている。ボビン７０は樹脂製であり、筒部７０ａとフランジ部７０ｃ，７０ｄとをもつ。筒部７０ａおよびフランジ部７０ｃ，７０ｄにより、励磁巻線７１は包囲されている。
【００３２】
さて本実施形態によれば、図１に示すように、親プランジャ４は、空洞状をなす子作動室４５と、子弁口５３と、子作動室４５内に移動可能に配置された子プランジャ８と、子作動室４５内に設けられた子付勢要素としての子バネ４７とを備えている。子作動室４５は親プランジャ４の底面において開口している。図２に示すように、子作動室４５は、入口ポート３０、親弁口３２および出口ポート３１に連通可能に設けられている。子作動室４５は、軸長方向に沿っている円筒形状の第１内周壁面４５ａと、軸長方向に沿っている円筒形状の第２内周壁面４５ｂと、第１内周壁面４５ａと第２内周壁面４５ｂとを軸直角方向に沿って繋ぐ第１リング面４５ｃと、第２内周壁面４５ｂの上端に繋がると共に軸直角方向に沿った第２リング面４５ｄとをもつ。第１リング面４５ｃと第２内周壁面４５ｂとでリング状の段部４５ｋを形成している。子作動室４５は子バネ室４８に連通する。子バネ室４８には、コイル状の子バネ４７が同軸的に収容されている。子バネ室４８と親バネ室４０とは、連通路４９により連通している。
【００３３】
図２に示すように、子弁口５３の開口面積は、親弁口３２の開口面積よりも小さくされている。子プランジャ８は透磁率が高い金属（例えば鉄系）で形成されており、親プランジャ４よりも軽量化および小サイズ化されている。子プランジャ８は、子作動室４５内において上下方向（矢印Ｈ１，Ｈ２方向、重力方向）に沿って移動可能に配置されており、移動に伴い子弁口５３を開閉する。図２に示すように、子プランジャ８は、軸長方向に沿って延設された円筒形状の第１外周壁面８ａと、第１外周壁８ａから径大端側が延設された円錐面状をなす円錐面状の対向面８ｂと、円錐面状の対向面８ｂの径小端側から軸長方向に沿って延設された円筒形状の第２外周壁面８ｃとを備えている。
【００３４】
図２に示すように、子プランジャ８の第１外周壁面８ａは、親プランジャ４の内周壁面４５ａにリング状の隙間９ｓを介して対面する。子プランジャ８の第１外周壁面８ａには、子プランジャ８の姿勢を安定化させるガイドリング８５が設けられている。要するに、ガイドリング８５は、子プランジャ８の第１外周壁面８ａと親プランジャ４の内周壁面４５ａとの間に介在していれば良い。
【００３５】
図２に示すように、子プランジャ８の円錐面状の対向面８ｂは、親プランジャ４の第１リング面４５ｃおよび段部４５ｋにリング状の隙間９ｔを介して対面する。子プランジャ８の第２外周壁面８ｃは、親プランジャ４の第２内周壁面４５ｂにリング状の隙間９ｕを介して対面する。
【００３６】
図２に示すように、子バネ４７はコイル状をなしており、子作動室４５内に設けられている。子バネ４７は、子プランジャ８が子弁口５３を閉弁する方向（矢印Ｈ２方向，下方向）に向けて子プランジャ８を付勢する。子バネ４７の軸長方向の一端は、子プランジャ８の着座面８ｘに着座している。子バネ４７の軸長方向の他端は、子バネ室４８の座面４８ｘに着座している。子プランジャ８を閉弁方向に付勢する子バネ４７のバネ定数は、親バネ６のバネ定数よりも小さく設定されている。従って子バネ４７の付勢力は、親バネ６付勢力よりも小さく設定されている。よって子プランジャ８の閉弁力は、親プランジャ４の閉弁力よりも小さく設定されている。
【００３７】
図２に示すように、子プランジャ８の底面（下面）には、リング状のシール部材８５ｘが固着されている。子プランジャ８が閉弁されているとき、シール部材８５ｘは子弁口５３の周囲を覆って気密または液密的にシールしている。シール部材８５ｘは、ゴムや軟質樹脂等のシール材料で形成されている。
【００３８】
本実施形態によれば、励磁コイル部７に通電されていないとき、図１に示すように、親バネ６の付勢力により親プランジャ４は閉弁方向（矢印Ｈ２方向，下方向）付勢されて、親弁口３２を閉鎖している。また、子バネ４７の付勢力により子プランジャ８は閉弁方向（矢印Ｈ２方向，下方向）に付勢されて子弁口５３を閉鎖している。このため入口ポート３０の流体は電磁弁１を流れない。
【００３９】
これに対して励磁コイル部７に通電されると、励磁コイル部７で発生した磁力により磁気吸引力が発生する。基本的な磁路Ｗ１（図１参照）は、非磁性材料で形成されている支持部材２６の影響で、ヨーク２１の筒部２１ａ、ヨーク２１の第１フランジ部２１ｃ、親プランジャ４の先端部４ｐ、子プランジャ８の凸部８ｙ、子プランジャ８、親プランジャ４、固定鉄心２２、ヨーク２１の第２フランジ部２１ｄを透過する。
【００４０】
ここで、図２に示すように、子プランジャ８の底部に形成されている凸部８ｙは、親プランジャ４の先端部４ｐの内周壁面に接近するように、子プランジャ８の径外方向にリング鍔状に突出している。この結果、子プランジャ８の凸部８ｙと親プランジャ４の先端部４ｐとの間の磁気抵抗が低減され、磁路Ｗ１の磁束が子プランジャ８の凸部８ｙと親プランジャ４の先端部４ｐを透過し易くなる。更に図２に示すように、ヨーク２１のフランジ部２１ｃの内端２１ｉは支持部材２６よりもΔＴぶん、親プランジャ４の先端部４ｐの外周壁面に接近している。このためヨーク２１の内端２１ｉと親プランジャ４の先端部４ｐとの間の磁気抵抗が低減される。よって、磁路Ｗ１の磁束がヨーク２１の内端２１ｉと親プランジャ４の先端部４ｐと子プランジャ８の凸部８ｙとを透過し易くなる。これにより磁路Ｗ１による磁気吸引力を子プランジャ８に与え易くなり、子プランジャ８の開弁を親プランジャ７の開弁よりも早期な行うことができる利点が得られる。
【００４１】
図１に示すように、閉弁時には、ヨーク２１の第１フランジ部２１ｃは、親プランジャ４の先端部を介して子プランジャ８の凸部８ｙに対向している。このため、ヨーク２１の第１フランジ部２１ｃを透過する磁束が子プランジャ８の凸部８ｙに透過し易くなる。故に、子プランジャ８の開弁動作の促進に有利である。
【００４２】
励磁コイル部７に通電される通電量が増加するにつれて、磁気吸引力が次第に増加する。ここで、子バネ４７の付勢力は親バネ６の付勢力よりも小さい。通電量が少ないときには磁気吸引力が少ないため、図３に示すように、親プランジャ４は開弁しない。しかし、子バネ４７の付勢力に抗しつつ、図３に示すように、子プランジャ８が親プランジャ４よりも優先的に開弁方向（矢印Ｈ１方向、上方向）に移動し、子弁口５３が開弁する。この結果、入口ポート３０の流体は、矢印ＫＡ方向に沿ってリング通路３６、通路５４および開弁状態の子弁口５３を通り、出口ポート３１に吐出される。このように子弁口５３が開放しているものの、親弁口３２が開放されていないため、電磁弁１を流れる流体の流量は少ない。このように子弁口５３が開放しているものの、親弁口３２が開放されていない状態において、励磁コイル部７への通電量を調整すれば、子弁口５３の開弁量が適宜調整される。
【００４３】
ところで、励磁コイル部７に通電される通電量がさらに増加すると、矢印Ｈ１方向（開弁方向）への磁気吸引力が増加する。励磁コイル部７による磁気吸引力が親プランジャ４の閉弁力に打ち勝つと、親バネ６の付勢力に抗しつつ、図４に示すように、親プランジャ４が開弁方向（矢印Ｈ１方向，上方向）に移動し始め、親弁口３２を開弁させる。この結果、入口ポート３０の流体は矢印ＫＢ方向（図４参照）に沿って開弁状態の親弁口３２を通り、出口ポート３１に吐出される。このように子弁口５３よりも大きな開口面積を有する親弁口３２が開放しているため、電磁弁１を流れる流体の流量は増加する。なお、図４から理解できるように、親弁口３２が開放されているとき、子弁口５３は開放されている。このように親弁口３２が開放されている状態において、励磁コイル部７への通電量を調整すれば、親弁口３２の開弁量が適宜調整される。
【００４４】
図５は、電磁弁１の入口ポート３０から出口ポート３１に流れる流体の流量Ｑと励磁コイル部７へ通電する通電量（電流または電圧）との関係を表すグラフを示す。図５において、特性線Ｋ１は本実施形態に係る電磁弁の流量特性を示す。特性線Ｋ２は比較例に係り、単段の比例式の電磁弁１の流量特性を示す。特性線Ｋ１に示すように、給電量が値Ａ０から値Ａ１までは、子弁口５３のみが開弁するが、子弁口５３の開弁度は比例的に増加する。このため入口ポート３０から出口ポート３１に流れる流体の流量は比例的に増加し、流量比例領域α１が得られる。このように給電量を値Ａ０から値Ａ１までの流量比例領域α１において給電量を調整すれば、親弁口３２が閉鎖している状態において親子弁口５３のみが開弁するため、流量が少ない領域において流量を調整できる。給電量が値Ａ１を越えても値Ａ２までは、親弁口３２を閉鎖している親弁体５が開弁せず、親弁口３２は開放しないため、流量は増加しない。したがって流量停滞領域α２が得られる。
【００４５】
励磁コイル部７への給電量が値Ａ２を越えると、親弁口３２を閉鎖している親弁体５が開弁し、親弁体５の開弁度が比例的に増加するため、流量は比例的に増加する。従って、流量比例領域α３が得られる。流量比例領域α３において、給電量を調整すれば、子弁口５３が開弁している状態において親弁口３２が開弁するため、流量が大きな領域において流量を調整できる。なお、励磁コイル部７への給電量が値Ａ３を越えると、流量は増加しない。したがって流量停滞領域α４が得られる。
【００４６】
以上説明したように本実施形態によれば、親弁口３２が閉弁されている状態で子弁口５３が開弁するため、子弁口５３の開弁による流量特性が得られ、更に磁気吸引力が増加すると、親弁口３２が開弁するため、親弁口３２の開弁による流量特性が得られる。
【００４７】
更に本実施形態によれば、親プランジャ４の内部に形成されている空洞状をなす子作動室４５に子プランジャ８が配置されており、親プランジャ４の軸長方向において親プランジャ４の軸長サイズと子プランジャ８の軸長サイズとが重なっている。殊に、親プランジャ４は子プランジャ８を内包している。このため親プランジャ４を収容する収容スペースの他に、子プランジャ８を収容する収容スペースをボディ２の内部に別途形成せずとも良く、電磁弁１の小型化に有利となる。更に本実施形態によれば、親プランジャ４は子プランジャ８を内包しているため、図４から理解できるように、親プランジャ４の子作動室４５の軸長寸法ＬＡ内に子プランジャ８の軸長寸法ＬＢが納まっている。つまり子プランジャ８は親プランジャ４に内包されている。このため電磁弁１の高さ寸法を抑えるのに有利である。
【００４８】
更に本実施形態によれば、励磁コイル部７は単一であり、励磁コイル部７の数が減少されている。即ち、励磁コイル部７は、親プランジャ４および子プランジャ８を透過する磁路Ｗ１を形成し、親プランジャ４および子プランジャ８に共用されている。このように励磁コイル部７は親プランジャ４および子プランジャ８に共用されているため、前述とした特許文献１，２とは異なり、複数の励磁コイル部７を設けずとも良く、電磁弁１の小型化を図るのに有利となる。
【００４９】
上記したように本実施形態によれば、励磁コイル部７は親プランジャ４および子プランジャ８に共用されているため、スイッチ素子の数、結線工数が減少し、電磁弁のサイズの小型化、コストの低廉化を図り得る。具体的には、励磁コイル部７は親プランジャ４および子プランジャ８の双方に共用化されているため、励磁コイル部７による磁気吸引力のバラツキを抑えるのに有利である。
【００５０】
また本実施形態によれば、親弁口３２よりも径小な子弁口５３は、親弁体５にこれの厚み方向に貫通するように形成されている。このため、子弁口５３を形成するための別部品を用いずとも良く、電磁弁１の小型化を図るのに有利となる。また、ボディ２に形成されている弁口は親弁口３２だけであり、子弁口５３は、親弁口３２を開閉する親弁体５自体を厚み方向に貫通させて形成されている。このためボディ２に多数の弁口を形成する特許文献２に係る技術とは異なり、ボディ２の構造および加工が簡単となり、異物に対する詰まり性を低減させ得ると共に、コスト低減に有利となる。
【００５１】
（実施形態２）
実施形態２（図示せず）は実施形態１と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有する。但し、シール部材８５ｘは、子プランジャ８の底面に固着されておらず、親弁体５の第１部材５１の表面（上面）に固着されている。従って子プランジャ８が子弁口５３を閉弁しているとき、子プランジャ８の底面はシール部材８５ｘに気密または液密に圧接されている。
【００５２】
更に本実施形態においても、親プランジャ４の内部に形成されている空洞状をなす子作動室４５に子プランジャ８が配置されており、親プランジャ４の軸長サイズと子プランジャ８の軸長サイズとが重なっている。殊に、親プランジャ４は子プランジャ８を内包している。このため親プランジャ４を収容する収容スペースの他に、子プランジャ８を収容する収容スペースをボディ２の内部に別途形成せずとも良く、電磁弁１の小型化に有利となる。更に本実施形態によれば、親プランジャ４は子プランジャ８を内包しているため、図４から理解できるように、親プランジャ４の子作動室４５の軸長寸法ＬＡ内に子プランジャ８の軸長寸法ＬＢが納まっている。つまり子プランジャ８は親プランジャ４に内包されている。このため電磁弁１の高さ寸法を抑えるのに有利である。
【００５３】
（実施形態３）
図６は実施形態３を示す。本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有する。但し、親プランジャ４のうち固定鉄心２２に対向する対向面４ｂは、軸芯Ｍ１の軸直角方向に沿ってリング状に延設されており、固定鉄心２２の第１リング面２２ａに沿っている。この場合には、図５に示す特性線Ｋ３に示すように、流量が階段的に増加する段階増加領域α５を得るのに有利となる。更に本実施形態においても、親プランジャ４の内部に形成されている空洞状をなす子作動室４５に子プランジャ８が配置されており、親プランジャ４の軸長サイズと子プランジャ８の軸長サイズとが重なっている。殊に、親プランジャ４は子プランジャ８を内包している。このため親プランジャ４を収容する収容スペースの他に、子プランジャ８を収容する収容スペースをボディ２の内部に別途形成せずとも良く、電磁弁１の小型化に有利となる。
【００５４】
（実施形態４）
図７は実施形態４を示す。本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有する。但し、親プランジャ４のうち親弁口３２側には磁路案内部４ｒｏが設けられている。磁路案内部４ｒｏは、励磁コイル部７で発生する開弁用の磁束を親プランジャ４よりも優先的に子プランジャ８に透過させると共に、子プランジャ８の開弁動作を親プランジャ４の開弁動作よりも促進させるものである。開弁用の磁束が親プランジャ４に透過しにくくなるため、子プランジャ８よりも親プランジャ４の開弁動作は遅延される。磁路案内部４ｒｏは、親プランジャ４のうち子プランジャ８を包囲する周壁部分を軸芯Ｐ１の回りを１周するように、リング状をなす空洞で形成されている。空洞には、親プランジャ４および子プランジャ８を構成する材料よりも透磁率が低い流体が存在する。
【００５５】
この場合、励磁コイル部７で発生する開弁用の磁束が親プランジャ４に透過することが抑えられるため、親プランジャ４の開弁動作は子プランジャ８の開弁よりも遅延される。よって、子プランジャ８に透過するように磁路案内部４ｒｏにより開弁用の磁束を案内する。これにより磁束を親プランジャ４の底部よりも子プランジャ８の内部に優先的に透過させる。このため、子プランジャ８の磁路形成に起因する開弁動作を、親プランジャ４の開弁動作よりも促進させることができる。更に、図７に示すように、子プランジャ８の外周面にこれを１周するリング状の凸部８ｙが形成されている。このため、開弁用の磁束は、凸部８ｙから子プランジャ８に透過し易くなるため、子プランジャ８の開弁動作を親プランジャ４の開弁動作よりも優先させるのに有利となる。この場合、磁路案内部４ｒｏにより案内される磁路により、子プランジャ８の開弁動作を親プランジャ４の開弁動作よりも促進させることができる。即ち、親プランジャ４よりも子プランジャ８に優先的に磁束を透過させ子プランジャ８の開弁を促進させる構造が採用されている。このため、親バネ６の付勢力と子バネ４７の付勢力とを同程度としても良い。勿論、親バネ６の付勢力よりも子バネ４７の付勢力を小さく設定しても良い。
【００５６】
（実施形態５）
図８は実施形態５を示す。本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有する。但し、親プランジャ４のうち親弁口３２側の外周面には、磁路案内部４ｒｒが設けられている。磁路案内部４ｒｒは、励磁コイル部７で発生する磁束を親プランジャ４よりも優先的に子プランジャ８に透過させると共に、子プランジャ８の開弁動作を親プランジャ４の開弁動作よりも促進させるものである。磁路案内部４ｒｒは、親プランジャ４のうち子プランジャ８を包囲する周壁部分を軸芯Ｐ１の回りを１周するようにリング状をなす非磁性材料（例えばオーステナイト系のステンレス鋼、アルミニウム系合金等の非磁性金属、セラミックス、樹脂等）で形成されている。磁路案内部４ｒｒは溶接、嵌め込み、接着などで親プランジャ４に取り付けられる。この場合、励磁コイル部７で発生する磁束が親プランジャ４を透過することを抑え、できるだけ子プランジャ８を透過するように磁路案内部４ｒｏにより磁束を案内する。これにより磁束を親プランジャ４の底部よりも子プランジャ８に優先的に透過させる。このため、子プランジャ８の開弁動作を親プランジャ４の開弁動作よりも促進させることができる。更に図８に示すように、子プランジャ８の外周面にこれを１周するリング状の凸部８ｙが形成されている。このため磁束は、凸部８ｙから子プランジャ８に透過し易くなるため、子プランジャ８の開弁動作を親プランジャ４の開弁動作よりも優先させるのに有利となる。この場合、磁路案内部４ｒｏにより案内される磁路により、子プランジャ８の開弁動作を親プランジャ４の開弁動作よりも促進させることができるため、親バネ６の付勢力と子バネ４７の付勢力とを同程度としても良い。勿論、親バネ６の付勢力よりも子バネ４７の付勢力を小さく設定しても良い。親プランジャ４のうち親弁口３２側の内周面に磁路案内部４ｒｒを設けても良い。
【００５７】
（実施形態６）
図９は実施形態６は、定置型または車両搭載型の燃料電池システムに適用している。燃料電池システムは、図９に示すように、燃料極１０１と酸化剤極１０３とで電解質膜１０４（例えばイオン伝導性をもつ固体高分子膜など）を挟んだ燃料電池のスタック１００と、スタック１００の燃料極１０１の入口にガス状の燃料（例えば水素ガス、水素含有ガス）を供給する燃料供給路２００と、スタック１００の燃料極１０１の出口からガス状の燃料オフガスを排出する燃料オフガス路２１０と、スタック１００の酸化剤極１０３の入口に酸化剤ガス（例えば空気）を供給する酸化剤供給路３００と、スタックの酸化剤極１０３の出口からガス状の酸化剤オフガスを排出する酸化剤オフガス路３１０とをもつ。
【００５８】
図９に示すように、燃料供給路２００には燃料供給弁２０５が設けられている。燃料オフガス路２１０には燃料オフガス排出弁２１５が設けられている。酸化剤供給路３００には酸化剤供給弁３０５が設けられている。酸化剤オフガス路３１０には酸化剤オフガス排出弁３１５が設けられている。
【００５９】
発電運転時には、燃料供給路２００の燃料供給弁２０５が開放し、燃料がスタック１００の燃料極１０１に供給される。酸化剤供給路３００の酸化剤供給弁３０５が開弁し、酸化剤ガスがスタック１００の酸化剤極１０３に供給される。これによりスタック１００の内部で発電される。
【００６０】
燃料オフガスは燃料オフガス路２１０の燃料オフガス排出弁２１５から排出される。酸化剤オフガスは酸化剤オフガス路３１０の酸化剤オフガス排出弁３１５から排出される。
【００６１】
本実施形態によれば、燃料供給弁２０５は上記した電磁弁１で形成できる。この場合、電磁弁１の入口ポート３０は燃料タンク等の燃料供給源に繋がり、電磁弁１の出口ポート３１はスタック１００の燃料極１０１の入口１０１ｉに繋がる。
【００６２】
また燃料オフガス排出弁２１５は上記した電磁弁１で形成できる。この場合、電磁弁１の入口ポート３０はスタックの燃料極１０１の出口１０１ｐに繋がる。電磁弁１の出口ポート３１は燃料オフガス排出部に繋がる。
【００６３】
酸化剤供給弁３０５も上記した電磁弁１で形成できる。この場合、電磁弁１の入口ポート３０は酸化剤供給源に繋がり、電磁弁１の出口ポート３１はスタックの酸化剤極１０３の入口１０３ｉに繋がる。
【００６４】
更に、酸化剤オフガス排出弁３１５は上記した電磁弁１で形成できる。この場合、電磁弁１の入口ポート３０はスタックの酸化剤極１０３の出口１０３ｐに繋がる。酸化剤オフガス排出弁３１５は大気側に繋がる。
【００６５】
上記した燃料電池システムにおいて本格的な発電運転に至る前の待機運転（アイドリング運転）においては、図５に示すように、励磁コイル部７への通電量をＡ２未満の流量比例領域α１に設定しておけば、親弁口３２を閉鎖させたまま子弁口５３のみを開放させることができ、流量を絞ることができ、燃料電池システムの待機運転（アイドリング運転）に適応する。本格的な発電運転を行うときには、励磁コイル部７への通電量をＡ２以上の流量比例領域α３に設定すれば、親弁口３２および子弁口５３の双方を開放させることができ、流量を増加させることができ、燃料電池システムの発電運転に適する。更には燃料電池システムが改質装置を含むときには、改質装置の入口側および／または出口側の電磁弁に本発明を適用しても良い。
【００６６】
（その他）
上記した実施形態では、親プランジャ４の軸芯Ｍ１は鉛直方向に沿って延設されているが、これに限らず、斜め方向に沿って延設されていても良い。この場合、親プランジャ４は斜め方向に移動する。場合によって親プランジャ４の軸芯Ｍ１は横方に沿っており、親プランジャ４は横方向に移動するタイプでも良い。
【００６７】
上記した電磁弁１は燃料電池システムに限らず、他の流体機器に使用することができ、流体としては気体でも良いし、液体でも良い。本発明は上記し且つ図面に示した実施形態のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できる。
【００６８】
上記した記載から次の技術的思想も把握できる。
（付記項１）燃料電池と、燃料電池の燃料極の入口に燃料を供給する燃料供給路、燃料電池の燃料極の出口から燃料オフガスを排出する燃料オフガス路と、燃料電池の酸化剤極の入口に酸化剤ガスを供給する酸化剤供給路と、燃料電池の酸化剤極の出口から酸化剤オフガスを排出する酸化剤オフガス路とをもつ燃料電池システムにおいて、燃料供給路には燃料供給弁が設けられており、燃料オフガス路には燃料オフガス排出弁が設けられており、酸化剤供給路には酸化剤供給弁が設けられており、酸化剤オフガス路には酸化剤オフガス排出弁が設けられており、燃料供給弁、燃料オフガス排出弁、酸化剤供給弁、酸化剤オフガス排出弁のうちの少なくとも１種は、各請求項に係る電磁弁で形成されていることを特徴とする燃料電池システム。この場合、親弁口が閉弁されている状態で子弁口が開弁するため、子弁口の開弁による流量特性が得られる。更に磁気吸引力が増加すると、親弁口が開弁するため、親弁口の開弁による流量特性が得られる。更に、電磁弁における磁気吸引力のバラツキを抑えると共に、スイッチ素子の数、結線工数が増加し、サイズの大型化、コストの高騰を抑えるのに有利となる。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
本発明は、気体または液体状のガス流体を遮断および供給する電磁弁に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】電磁弁の親弁口および子弁口が閉鎖している状態を模式的に示す断面図である。
【図２】電磁弁の親弁口および子弁口が閉鎖している状態における親プランジャ付近を模式的に示す拡大断面図である。
【図３】電磁弁が親弁口が閉鎖しているものの、子弁口が開放している状態を模式的に示す断面図である。
【図４】電磁弁が親弁口が開放している状態を模式的に示す断面図である。
【図５】電磁弁の流量特性を示すグラフである。
【図６】実施形態３に係り、電磁弁の親弁口および子弁口が閉鎖している状態を模式的に示す断面図である。
【図７】実施形態４に係り、電磁弁の親弁口および子弁口が閉鎖している状態を模式的に示す断面図である。
【図８】実施形態５に係り、電磁弁の親弁口および子弁口が閉鎖している状態を模式的に示す断面図である。
【図９】燃料電池システムに適用した実施形態に係り、燃料電池のシステム図である。
【符号の説明】
【００７１】
１は電磁弁、２はボディ、２１はヨーク、２２は固定鉄芯、２６は支持部材、３０は入口ポート、３１は出口ポート、３２は親弁口、３６はリング通路、４は親プランジャ、４０は親バネ室、４５は子作動室、４７は子バネ、４８は子バネ室、５は親弁体、５３は子弁口、６は親バネ、７は励磁コイル部、８は子プランジャ、８５はシール部材を示す。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体が流入する入口ポートと、流体が流出する出口ポートと、前記入口ポートと前記出口ポートとの間に設けられた親弁口と、親作動室とをもつボディと、
前記ボディの前記親作動室内に移動可能に設けられている親プランジャと、
前記親プランジャに取り付けられ前記親弁口を開閉する親弁体と、
前記ボディの前記親作動室内に設けられ前記親弁体が前記ボディの前記親弁口を閉弁する方向に前記親プランジャを付勢する親付勢要素と、
前記ボディに設けられ前記親プランジャを開弁方向に移動させる磁気吸引力を通電により発生させる励磁コイル部とを具備しており、
前記親プランジャは、
空洞状をなす子作動室と、
前記入口ポート、前記親弁口および前記出口ポートに連通可能に設けられ且つ前記親弁口の開口面積よりも小さな開口面積をもつ子弁口と、
前記子作動室内に移動可能に配置され前記励磁コイル部の前記磁気吸引力により前記子弁口を開弁させる方向に移動する子プランジャと、
前記子作動室内に設けられ、前記子プランジャが前記子弁口を閉弁する方向に前記子プランジャを付勢する子付勢要素とを具備していることを特徴とする電磁弁。
【請求項２】
請求項１において、前記子弁口は、前記親弁体にこれの厚み方向に貫通するように形成されていることを特徴とする電磁弁。
【請求項３】
請求項１または２のうちの一項において、前記子プランジャは、親プランジャの前記子作動室の内部に収容されていることを特徴とする電磁弁。
【請求項４】
請求項１〜３のうちの一項において、前記親プランジャは、前記励磁コイル部で発生する磁束を前記子プランジャに透過させると共に前記子プランジャの開弁を前記親プランジャの開弁よりも促進させる磁路案内部を備えていることを特徴とする電磁弁。
【請求項５】
請求項１〜４のうちの一項において、前記子付勢要素の付勢力は前記親付勢要素の付勢力よりも小さく設定されていることを特徴とする電磁弁。
【請求項１】
流体が流入する入口ポートと、流体が流出する出口ポートと、前記入口ポートと前記出口ポートとの間に設けられた親弁口と、親作動室とをもつボディと、
前記ボディの前記親作動室内に移動可能に設けられている親プランジャと、
前記親プランジャに取り付けられ前記親弁口を開閉する親弁体と、
前記ボディの前記親作動室内に設けられ前記親弁体が前記ボディの前記親弁口を閉弁する方向に前記親プランジャを付勢する親付勢要素と、
前記ボディに設けられ前記親プランジャを開弁方向に移動させる磁気吸引力を通電により発生させる励磁コイル部とを具備しており、
前記親プランジャは、
空洞状をなす子作動室と、
前記入口ポート、前記親弁口および前記出口ポートに連通可能に設けられ且つ前記親弁口の開口面積よりも小さな開口面積をもつ子弁口と、
前記子作動室内に移動可能に配置され前記励磁コイル部の前記磁気吸引力により前記子弁口を開弁させる方向に移動する子プランジャと、
前記子作動室内に設けられ、前記子プランジャが前記子弁口を閉弁する方向に前記子プランジャを付勢する子付勢要素とを具備していることを特徴とする電磁弁。
【請求項２】
請求項１において、前記子弁口は、前記親弁体にこれの厚み方向に貫通するように形成されていることを特徴とする電磁弁。
【請求項３】
請求項１または２のうちの一項において、前記子プランジャは、親プランジャの前記子作動室の内部に収容されていることを特徴とする電磁弁。
【請求項４】
請求項１〜３のうちの一項において、前記親プランジャは、前記励磁コイル部で発生する磁束を前記子プランジャに透過させると共に前記子プランジャの開弁を前記親プランジャの開弁よりも促進させる磁路案内部を備えていることを特徴とする電磁弁。
【請求項５】
請求項１〜４のうちの一項において、前記子付勢要素の付勢力は前記親付勢要素の付勢力よりも小さく設定されていることを特徴とする電磁弁。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００８−１２８４０２（Ｐ２００８−１２８４０２Ａ）
【公開日】平成２０年６月５日（２００８．６．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３１５６２８（Ｐ２００６−３１５６２８）
【出願日】平成１８年１１月２２日（２００６．１１．２２）
【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２０年６月５日（２００８．６．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１１月２２日（２００６．１１．２２）
【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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