JP2009097568A

JP2009097568A - 比例電磁弁

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Publication number: JP2009097568A
Application number: JP2007267888A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Kawamoto; 貴弘川本
Original assignee: TOFLO CORP KK; Toflo Corp
Current assignee: TOFLO CORP KK; Toflo Corp
Priority date: 2007-10-15
Filing date: 2007-10-15
Publication date: 2009-05-07
Anticipated expiration: 2027-10-15
Also published as: JP4190020B1

Abstract

【課題】流量特性を改善しつつ、完全閉止を実現すること。
【解決手段】比例電磁弁１において、弁座８を固定オリフィス９と可動オリフィス１０の二重構造とするとともに、弁体３としてプランジャ１６の先端面中央にニードル１７を形成し、プランジャ１６の先端面周縁にプランジャシール１８を設けることによって、弁閉時にはニードル１７が可動オリフィス１０を弁孔１３内に押し込んだ後にプランジャシール１８が固定オリフィス９の座面に密着するようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えばチラーの温度制御や給湯器の火力調節、あるいは油圧機器の油圧調節などに使用される比例電磁弁に関する。

この種の比例電磁弁は、弁閉時にコイルばねの付勢力でプランジャが弁座に着座して弁を閉じ、弁開時にはソレノイドコイルに駆動電流が供給され、励磁したコアの吸引力でプランジャが弁座から離れて弁を開くようになっている。ところが、一般的な構造の比例電磁弁では、プランジャの先端が平面になっており、プランジャと弁座との間で平面間の距離によって流量を調整しているため、流量特性の直線性が悪く、曲がった特性になるという欠点がある。そのため、流体の流量や圧力、温度等を正確に制御しにくいという問題があった。

一方、上記のような欠点を改善するために、プランジャをニードル形状にした比例電磁弁が開発されている。この比例電磁弁は、弁座に設けたオリフィス内にニードルを移動させ、絞られた隙間を調整することによって流量を制御するようになっている。このようないわゆるニードルバルブはピンポイントで孔を絞るため、流量特性が良好であり、流体の粘度が温度等によって変化しても流量への影響が少ない。また、開閉時にニードルが開閉方向に対して直交する方向にずれた場合であっても、流量への影響が少ないので再現性が良い。しかし、ニードルとオリフィスとの部分的な接触によって弁を閉じる構造であるため、完全な閉止が難しく、しかもニードルが直接オリフィスに接触するとニードルが傷付いて変形し、流量特性が変化してしまう。

さらに、下記の特許文献１には、プランジャをニードル形状にするだけでなく、オリフィスをテーパ形状にした比例電磁弁が開示されている。この比例電磁弁によれば、ニードルの根元にＯリングを装着し、テーパ状のオリフィスにＯリングを密着させることによって、完全閉止することは可能である。ところが、ニードルとテーパ状のオリフィスの組み合わせにより、オリフィスの孔を絞り込む部分の面積が幅を持った帯状に広がるので、流体の粘度の影響を受けて流量の変化が生じやすい。また、テーパ状の孔をニードル全体で絞っているため、ニードルの位置が開閉方向に対して直交する方向にずれた場合、隙間の面積が同じでもニードル全体で流体の圧力を損失していることから、通過する流量が変化して再現性が悪くなる。

このように、通常のニードル形状の比例電磁弁は再現性が良い反面、完全閉止が困難であり、これに対して特許文献１の比例電磁弁のようにオリフィスをテーパ形状にした場合には、完全閉止が可能になる反面、再現性が悪くなるという問題があった。

特開２００４−１８５２６８号公報

本発明はこのような相反する問題を同時に解決するためになされたものであり、その目的とするところは、面形状のプランジャの欠点である曲がった流量特性を改善するとともに、ニードル形状であっても完全閉止が可能な比例電磁弁を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明は、流体通路内の弁座に着座した弁体を電磁力で駆動し、その電磁力に比例した弁開度で流体の流量又は圧力を制御する比例電磁弁であって、上記弁座は、固定オリフィスと、固定オリフィスの内周面に沿って往復可能に設けられた可動オリフィスとから構成されるとともに、上記弁体は、プランジャと、プランジャの先端面中央部から突出したニードルと、プランジャの先端面周縁部に設けられたプランジャシールとから構成され、弁閉時において、上記ニードルが上記可動オリフィスを弁孔内に押し込んだ後、上記プランジャシールが上記固定オリフィスの座面に密着することを特徴とする。このような構成によれば、ニードルと可動オリフィスの組み合わせによりピンポイントで弁孔を絞り込むことができるので、流量特性の直線性が向上する。また、プランジャシールが固定オリフィスの座面に密着することで完全閉止が可能になる。

また、上記の構成からなる比例電磁弁において、上記可動オリフィスの外周面に形成された鍔部が上記固定オリフィスの内周面に形成された段部に係合して抜け止めされているとよい。このような構成によると、動作時に可動オリフィスが固定オリフィスから外れてしまうことがなく、確実な動作が保証される。

さらに、上記の構成からなる比例電磁弁において、上記可動オリフィスが上記ニードルと同等の硬さかそれよりも柔らかい材料で構成されていることが好ましい。その理由は、可動オリフィスとの接触時にニードルの変形及び摩耗を防ぎ、ニードルの変形による流量特性の変化を無くすためである。

上記の構成から明らかなように、本発明の比例電磁弁にあっては、弁座を二重オリフィス構造とし、弁体にニードル形状を採用したことによって、弁閉時にはニードルと可動オリフィスが線接触することになり、流量特性の直線性が大幅に向上する。また、プランジャシールと固定オリフィスとが面接触するため、ニードル形状であっても完全閉止することが可能である。したがって、流体の流量や圧力あるいは温度等を正確に制御することができるという効果がある。

以下、本発明の一実施形態について、添付した図面を参照しながら説明する。図１は本発明の比例電磁弁の構造を示す全体断面図、図２は同比例電磁弁の全開時の状態を示す全体断面図、図３は同比例電磁弁の全閉時の状態を示す全体断面図、図４は同比例電磁弁の閉時の動作を示す部分断面図、図５は従来の比例電磁弁と本発明の比例電磁弁の特性を比較したグラフ図である。

（１）構成について
まず、図１に基づいて、本発明の比例電磁弁の構成を説明する。

図１に示すように、この比例電磁弁１は、流体通路内に設けられた弁体を電磁力で駆動し、その電磁力に比例した弁開度で流体の流量又は圧力を制御するものであり、ボディ２と、弁体３と、駆動機構４を備えて大略構成されている。

ボディ２はＳＵＳ３０４等のステンレス鋼からなり、その一側面に導入ポート５が開口され、他側面に排出ポート６が開口されており、内部には導入ポート５から排出ポート６へと連通する流体通路７が設けられている。また、流体通路７の途中には弁座８が設けられており、この弁座８に設けたオリフィスを弁体３で開閉することにより、流体通路７が所定の開度で連通し、又は完全に遮断される。

弁座８は、固定オリフィス９と、可動オリフィス１０とからなる二重オリフィス構造を採用している。固定オリフィス９はボディ２と一体成形された環状凸部を有しており、その内周面に段部９ａが形成されている。これに対し、可動オリフィス１０は弁体３と同等の硬さかそれよりも柔らかい材料、例えばＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）やＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）等の合成樹脂で構成され、ストレートの孔を有する円盤状に形成されており、円盤の外周面には鍔部１０ａが形成されている。固定オリフィス９と可動オリフィス１０の角部にはそれぞれＲ加工が施されているが、これは弁体３との接触時の摩耗による特性変化を防ぐためである。なお、可動オリフィス１０は非磁性体であればその素材は特に限定されない。

そして、可動オリフィス１０は短尺コイルばね１１で弁開方向（図において上方向）に常時付勢されており、このコイルばねは弁座８にねじ込み固定された円筒形のストッパ１２で支持されている。また、可動オリフィス１０の鍔部１０ａは固定オリフィス９の段部９ａに係合している。これにより、可動オリフィス１０は弁孔１３の内部で抜け止めされるとともに、固定オリフィス９の内周面に沿って往復可能に設置される。なお、可動オリフィス１０と短尺コイルばね１１とストッパ１２はユニット化した一部品としてボディ２の底面開口部から挿入され、挿入後の開口部はＯリング１４を嵌めたキャップ１５で塞がれる。

弁体３は、プランジャ１６と、ニードル１７と、プランジャシール１８とから構成されている。プランジャ１６は電磁ステンレス等の磁性体からなり、ガイドチューブ１９に沿って昇降自在に設置される。また、ニードル１７はプランジャ１６の先端面中央部から突出し、先端に向かって先細りのテーパ形状となるように一体成形されている。さらに、プランジャシール１８はフッ素ゴム等の弾性材を環状に形成したものであり、プランジャ１６の先端面周縁部に焼き付けて固定されている。

プランジャ１６の外周面にはウェアリング２０が嵌められているが、このリングはガイドチューブ１９内でのプランジャ１６のガタツキを吸収し、かつ、動きをスムーズにするためのものである。また、プランジャ１６の内部には軸心方向に連通路２１が形成されており、連通路２１の一端がプランジャ１６の上面に開口し、他端がプランジャ１６の側面に開口している。これにより、プランジャ１６の上昇時、プランジャ１６の上部の隙間に溜まった流体は、連通路２１を通って流体通路７へと逃げるようになっている。

駆動機構４は、ソレノイドコイル２２と、コア２３と、長尺コイルばね２４とから構成されている。ソレノイドコイル２２はリード線に接続されたコイル２５をボビン２６の外周に巻装してなる電磁石であり、鉄等の磁性体からなるコイルケース２７に収容されている。また、コア２３は電磁ステンレス等の磁性体からなる円筒形の部品であり、ソレノイドコイル２２の内部に挿入され、コイルケース２７とガイドチューブ１９に挟まれてワッシャ２８を嵌めたロックナット２９で締め付け固定されている。さらに、コア２３の中心には長尺コイルばね２４が挿入されており、このコイルばねはプランジャ１６の上面に装着され、プランジャ１６を弁閉方向（図において下方向）に常時付勢している。

コア２３の底面には黄銅やＳＵＳ３１６等の非磁性体で構成されたスペーサ３０が設けられているが、このスペーサ３０は全開時にプランジャ１６がコア２３に完全に張り付くのを防ぎ、弁閉時にプランジャ１６を離れやすくするためのものである。なお、上記の各部品のバラツキによる流量特性のバラツキを抑えるため、調整ねじ３１によって長尺コイルばね２４の高さ調整（荷重調整）を行うことができる。

（２）動作について
次に、図２〜４に基づいて、本発明の比例電磁弁の動作を説明する。

図２は比例電磁弁の全開時の状態を示すものであり、外部の制御装置からリード線を介してソレノイドコイル２２に駆動電流が供給されると、磁性体であるコイルケース２７、コア２３及びプランジャ１６を流れる磁路が形成され、コア２３とプランジャ１６との間に駆動電流に比例した電磁吸引力が発生する。この吸引力によりプランジャ１６がコア２３へと引き寄せられ、プランジャ１６は長尺コイルばね２４を圧縮しながらガイドチューブ１９に沿って上昇し、コア２３の吸引力と長尺コイルばね２４の付勢力とが釣り合った位置で停止する。

そして、図のようにプランジャ１６が上昇してスペーサ３０に接触する一方、プランジャ１６の先端にあるニードル１７が弁座８から離れ、弁孔１３が開いた状態になる。これにより流体通路７が弁孔１３を介して連通するので、導入ポート５から導入された流体は矢印で示すようにストッパ１２、短尺コイルばね１１、可動オリフィス１０の順にその中心部の孔を通過し、最終的に排出ポート６から排出される。また、弁開時にプランジャ１６が上昇すると、プランジャ１６とコア２３との間に追い詰められた流体は、矢印で示すようにプランジャ１６の内部の連通路２１を抜けて流体通路７へと逃げ、同じく排出ポート６から排出される。

なお、弁孔１３の開口量はプランジャ１６の停止位置によって変わるが、プランジャ１６はコア２３の吸引力となる磁束密度によって移動量が決まり、磁束密度はソレノイドコイル２２に流れる駆動電流の電流値に比例する。したがって、この比例電磁弁１はソレノイドコイル２２に供給される駆動電流値に比例して弁開度が調節され、これにより流体通路７を通過する流体の流量又は圧力を制御するようになっている。

一方、図３は比例電磁弁１の全閉時の状態を示すものであり、全閉時には、弁体３が弁座８に着座することにより弁孔１３が閉じた状態になる。ここで、本発明の比例電磁弁１の特徴は、全閉時において以下の通り完全閉止することが可能な点にある。

図４は弁閉時の状態を段階的に示したものであり、ソレノイドコイル２２への駆動電流の供給を停止すると、コア２３とプランジャ１６との間に生じていた電磁吸引力がなくなる。このため、図４（ａ）に示すように、プランジャ１６が長尺コイルばね２４の付勢力によって押し下げられ、ガイドチューブ１９に沿って下降する。ここで、全開時にプランジャ１６は非磁性体のスペーサ３０を介してコア２３に吸着されているので、閉弁開始時にプランジャ１６がスペーサ３０から離れやすく応答性が良くなる。

また、プランジャ１６がさらに下降すると、図４（ｂ）に示すように、プランジャ１６が外側の固定オリフィス９に接触する前に、先端のニードル１７が内側の可動オリフィス１０に接触する。ここで、可動オリフィス１０はニードル１７よりも柔らかい合成樹脂で構成されており、また角部にＲ加工が施されているので、接触してもニードル１７を傷付けることはない。よって、ニードル１７の変形による特性変化が起こらず、長期に亘り正確な流量制御を行える。

そして、プランジャ１６がさらに下降すると、図４（ｃ）に示すように、ニードル１７が可動オリフィス１０を弁孔１３内に押し込むことにより、短尺コイルばね１１が圧縮され、プランジャ１６が弁座８に着座して停止する。このとき、プランジャシール１８が固定オリフィス９の座面に密着し、弁孔１３が完全に閉じた状態になる。これにより、流体通路７が遮断され、導入ポート５から導入された流体は矢印で示すように排出ポート６への通過を阻止される。なお、弁を再度開いたときには、短尺コイルばね１１が弾性復帰して可動オリフィス１０を押し上げることにより、可動オリフィス１０の鍔部１０ａが固定オリフィス９の段部９ａに当接するまで上昇し、図２に示した元の位置で停止する。

また、図示していないが、可動オリフィス１０と固定オリフィス９との間の摺動隙間からの流体漏れを防ぐため、シール手段を設けてあっても良い。例えば、可動オリフィス１０の鍔部１０ａ外周にＯリングを嵌めてシールする構成や、可動オリフィス１０の底面と短尺コイルばね１１との間にダイヤフラムシールを介在させる構成などが考えられる。このような構成を採用することにより、ニードル１７が可動オリフィス１０に接触してからプランジャシール１８が固定オリフィス９に密着するまでの間の流体漏れを無くし、流量変化を防ぐことができる。

（３）作用効果について
最後に、図５に基づいて、本発明の比例電磁弁の作用効果を説明する。

図５（ａ）は従来の面形状の弁体を用いた比例電磁弁の流量特性を示し、図５（ｂ）は本発明のニードル形状の弁体を用いた比例電磁弁の流量特性を示したものである。

まず従来の面形状の弁体の場合には、図５（ａ）のように開弁開始直後と全閉直前の低開弁領域（Ａで示す領域）での立ち上がりが遅く、応答性が悪いことがわかる。これは弁体と弁座が平面接触し、両者の平面間の距離で流量を調整しているためである。また、駆動電流に対する流量特性は、弁開時と弁閉時のいずれにおいても緩やかな曲線になる。

それに対して、本発明のニードル形状の弁体の場合には、弁体と弁座が線接触し、絞られた隙間で流量を調整するため、図５（ｂ）のように開弁開始直後と全閉直前の低開弁領域（Ｂで示す領域）での立ち上がりが速く、応答性に優れている。また、流量特性は、弁開時と弁閉時のいずれにおいても、駆動電流に対して流量が正比例に近い直線性を示すようになる。したがって、本発明のようにニードル形状の弁体によれば、流量特性がほぼ直線性を有しているので、再現性が良く、流体の流量や圧力あるいは温度等の正確な制御を行うことができる。

以上詳細に説明したように、本発明の比例電磁弁によれば、弁座を二重オリフィス構造とし、弁体にニードル形状を採用したことによって、流量特性の直線性を向上させることができるとともに、ニードル形状であっても完全閉止することが可能になるという効果がある。

本発明の比例電磁弁の構造を示す全体断面図。同比例電磁弁の全開時の状態を示す全体断面図。同比例電磁弁の全閉時の状態を示す全体断面図。同比例電磁弁の閉時の動作を示す部分断面図。従来の比例電磁弁と本発明の比例電磁弁の流量特性を比較したグラフ図。

符号の説明

１…比例電磁弁
２…ボディ
３…弁体
４…駆動機構
５…導入ポート
６…排出ポート
７…流体通路
８…弁座
９…固定オリフィス
１０…可動オリフィス
１１…短尺コイルばね
１２…ストッパ
１３…弁孔
１４…Ｏリング
１５…キャップ
１６…プランジャ
１７…ニードル
１８…プランジャシール
１９…ガイドチューブ
２０…ウェアリング
２１…連通路
２２…ソレノイドコイル
２３…コア
２４…長尺コイルばね
２５…コイル
２６…ボビン
２７…コイルケース
２８…ワッシャ
２９…ロックナット
３０…スペーサ
３１…調整ねじ

上記の目的を達成するために、本発明は、流体通路内の弁座に着座した弁体を電磁力で駆動し、その電磁力に比例した弁開度で流体の流量又は圧力を制御する比例電磁弁であって、上記弁座は、環状凸部を有する固定オリフィスと、固定オリフィスの内周面に沿って往復可能に設けられた可動オリフィスとから構成されるとともに、上記弁体は、プランジャと、プランジャの先端面中央部から突出したニードルと、プランジャの先端面周縁部に設けられた弾性材からなる環状のプランジャシールとから構成され、弁閉時において、上記ニードルが上記可動オリフィスを弁孔内に押し込んだ後、上記環状のプランジャシールの端面が上記固定オリフィスの環状凸部の座面に面接触して密着することを特徴とする。このような構成によれば、ニードルと可動オリフィスの組み合わせによりピンポイントで弁孔を絞り込むことができるので、流量特性の直線性が向上する。また、プランジャシールが固定オリフィスの座面に密着することで完全閉止が可能になる。

さらに、上記の構成からなる比例電磁弁において、上記可動オリフィスが上記ニードルと同等の硬さかそれよりも柔らかい材料で構成されていることが好ましい。その理由は、可動オリフィスとの接触時にニードルの変形及び摩耗を防ぎ、ニードルの変形による流量特性の変化を無くすためである。
また、上記の構成からなる比例電磁弁において、上記弁座は、上記可動オリフィスを弁開方向に付勢するコイルばねと、上記可動オリフィスと上記コイルばねとの間に介在させたダイヤフラムシールとを備え、上記ダイヤフラムシールにより、上記ニードルが上記可動オリフィスに接触してから上記プランジャシールが上記固定オリフィスに密着するまでの間、上記固定オリフィスと上記可動オリフィスとの間の摺動隙間からの流体漏れを防ぐようにしてもよい。

上記の目的を達成するために、本発明は、流体通路内の弁座に着座した弁体を電磁力で駆動し、その駆動力に比例した弁開度で流体の流量又は圧力を制御する比例電磁弁であって、上記弁座は、環状凸部を有する固定オリフィスと、固定オリフィスの内周面に沿って往復可能に設けられた可動オリフィスとから構成されるとともに、上記弁体は、プランジャと、プランジャの先端面中央部から突出したニードルと、プランジャの先端面周縁部に設けられた弾性材からなる環状のプランジャシールとから構成され、弁閉時において、上記プランジャが上記固定オリフィスに接触する前に上記ニードルが上記可動オリフィスに線接触することによって流量を調節する流量調節機能と、上記ニードルが上記可動オリフィスを弁孔内に押し込んだ後、上記環状のプランジャシールの端面が上記固定オリフィスの環状凸部の座面に面接触して密着することによって上記弁孔を完全に閉止する完全閉止機能と、を備えたことを特徴とする。このような構成によれば、ニードルと可動オリフィスの組み合わせによりピンポイントで弁孔を絞り込むことができるので、流量特性の直線性が向上する。また、プランジャシールが固定オリフィスの座面に密着することで完全閉止が可能になる。

上記の目的を達成するために、本発明は、流体通路内の弁座に着座した弁体を電磁力で駆動し、その駆動力に比例した弁開度で流体の流量又は圧力を制御する比例電磁弁であって、上記弁座は、環状凸部を有する固定オリフィスと、固定オリフィスの内周面に沿って往復可能に設けられた可動オリフィスとから構成されるとともに、上記弁体は、プランジャと、プランジャの先端面中央部から突出したニードルと、プランジャの先端面周縁部に設けられた弾性材からなる環状のプランジャシールとから構成され、弁閉時において、上記プランジャが上記固定オリフィスに接触する前に上記ニードルと上記可動オリフィスによって流量を調節する流量調節機能と、その後上記ニードルが上記可動オリフィスに線接触し、上記ニードルが上記可動オリフィスを弁孔内に押し込んだ後、上記環状のプランジャシールの端面が上記固定オリフィスの環状凸部の座面に面接触して密着することによって上記弁孔を完全に閉止する完全閉止機能と、を備えたことを特徴とする。このような構成によれば、ニードルと可動オリフィスの組み合わせによりピンポイントで弁孔を絞り込むことができるので、流量特性の直線性が向上する。また、プランジャシールが固定オリフィスの座面に密着することで完全閉止が可能になる。

Claims

流体通路内の弁座に着座した弁体を電磁力で駆動し、その電磁力に比例した弁開度で流体の流量又は圧力を制御する比例電磁弁であって、
上記弁座は、固定オリフィスと、固定オリフィスの内周面に沿って往復可能に設けられた可動オリフィスとから構成されるとともに、
上記弁体は、プランジャと、プランジャの先端面中央部から突出したニードルと、プランジャの先端面周縁部に設けられたプランジャシールとから構成され、
弁閉時において、上記ニードルが上記可動オリフィスを弁孔内に押し込んだ後、上記プランジャシールが上記固定オリフィスの座面に密着する
ことを特徴とする比例電磁弁。
上記可動オリフィスの外周面に形成された鍔部が上記固定オリフィスの内周面に形成された段部に係合して抜け止めされていることを特徴とする請求項１に記載の比例電磁弁。
上記可動オリフィスが上記ニードルと同等の硬さかそれよりも柔らかい材料で構成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の比例電磁弁。