JP2020012522A - 電磁弁 - Google Patents

Abstract

【課題】電磁弁の吸引力を効果的に増加させることのできる電磁弁を提供する。【解決手段】コイル装置９におけるボビン９０と電磁弁本体５におけるＳＵＳパイプ２０との間に形成された隙間における基端側（吸引子２１側）及び先端側（プランジャ２３側）に、間に空隙を挟んで磁性材である上端側磁極８０及び下端側磁極８５が配在される。また、プランジャ２３の上端部に対する上端側磁極８０の下端部の軸方向の距離（ａ）やコイル装置９（のボビン９０）の下端部に対する下端側磁極８５の上端部の軸方向の距離（ｂ）を適正に規定する。【選択図】図１

Description

本発明は、電磁弁に係り、特に、吸引力増大と放熱性確保を実現し得る電磁弁に関する。

一般に、電磁弁は、下記特許文献１にも見られるように、円筒状のガイドパイプ内をプランジャが軸方向に移動可能となっており、プランジャの一端に、流路を開閉する弁体が設けられた電磁弁本体と、円筒状のボビンの外周にコイルが巻かれたコイル装置とを備える。また、電磁弁本体には、プランジャを弁体側に向けて付勢する付勢ばね（プランジャばね）や、コイルへの通電時に弁体とは反対側からプランジャを引き付ける吸引子などが備えられ、電磁弁本体のガイドパイプの外側にコイル装置のボビンが装着（外挿）されて構成されている。

通常、電磁弁の吸引力を増加させるためには、内部の磁性材であるプランジャ（可動鉄芯ともいう）及び吸引子（固定鉄芯ともいう）の外径を大きくする方法が一般的である（例えば、特許文献１等参照）。しかし、それらの外径を大きくすると、電磁弁本体や該電磁弁本体に取り付けられるコイル装置が全体的に大きくなり、材料費が高騰したり、場合によっては電磁弁の継手等も大型化し、ユニット配管の変更も余儀なくされることになる。

また、通常、電磁弁本体に合わせたコイル装置が予め用意され、電磁弁本体の外径を大きくすれば、コイル装置の本体挿入径（つまり、ガイドパイプを挿入するための本体挿入穴の内径）もそれに合わせて大きくしている。そのため、電磁弁本体の外径を大きくせずに、コイル装置だけを大きくすると、既存のコイル装置は使用できず、樹脂部品であるボビンやモールド樹脂（コイルモールドともいう）のための金型が新たに必要になる。

吸引力を増加させる別法として、体格を維持したまま、コイルの巻線仕様を変更する方法があるが、この方法では、コイル通電時に電磁弁の発熱量が増大して温度が高くなってしまい、各部品の耐熱温度を超える場合も出てくるため、一般的ではない。

これらの点を勘案すると、電磁弁本体を変更せずに、既存のものより大きいコイル装置を組み合わせて吸引力を増加させる方法が有効である。

特開２０１７−５７９３５号公報

ところで、前述したように、電磁弁本体を変更せずに、既存のものより大きいタイプのコイル装置を組み合わせて使用すると、電磁弁本体とコイル装置との間に、径方向及び縦方向の空隙が生じることになるが、このような空隙があると、磁路を通る磁束が減少するため、吸引力が低下してしまう。また、例えば、前記空隙を全て磁性材で埋めても、吸引子とプランジャ以外の場所に磁束が逃げてしまい、逆に吸引力が低下する。そのため、電磁弁の吸引力を効率的に増加させるためには、前記空隙を如何に磁性材で埋めるかが重要である。

本発明は、前記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、電磁弁の吸引力を効果的に増加させることのできる電磁弁を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る電磁弁は、基本的に、筒状部材、前記筒状部材の基端側に固定された吸引子、前記筒状部材の先端側に軸方向に移動可能に内挿されるとともに弁体が設けられたプランジャ、及び前記プランジャを前記吸引子から引き離す方向に付勢するプランジャばねを有する電磁弁本体と、筒状のボビンの外周にコイルが配在されたコイル装置とを備え、前記電磁弁本体における前記筒状部材の外側に、前記コイル装置における前記ボビンが隙間をあけて配在され、前記ボビンと前記筒状部材との間に形成された隙間における基端側及び先端側に、間に空隙もしくは非磁性材を挟んで基端側磁極及び先端側磁極が配在されていることを特徴としている。

好ましい態様では、前記基端側磁極は、前記コイル装置における前記ボビン及び前記コイルの外周並びに上側を覆うハウジングに当接した状態で前記隙間の基端側に配在され、前記先端側磁極は、前記コイル装置における前記ボビン及び前記コイルの下側を覆う下部プレートに当接した状態で前記隙間の先端側に配在される。

更に好ましい態様では、前記ハウジングと前記下部プレートとで、前記ボビンが挟持される。

更に好ましい態様では、前記先端側磁極は、その外周に設けられた外鍔状部が前記ボビンと前記下部プレートとで挟持される。

他の好ましい態様では、前記基端側磁極は、前記ボビンの内側における前記吸引子の基端側に内挿される上部厚肉部と、該上部厚肉部の外周部から突設して前記隙間の基端側に内挿される下部薄肉部とで構成される。

別の好ましい態様では、前記コイル装置の非通電時に、前記プランジャばねによって前記プランジャが前記吸引子から引き離されている位置において、前記プランジャの基端部に対する前記基端側磁極の先端部の軸方向の距離をａ、前記プランジャの外径をφｄとしたとき、−０．０４≦ａ／ｄ≦０．０４である。

別の好ましい態様では、前記コイル装置の先端部に対する前記先端側磁極の基端部の軸方向の距離をｂ、前記プランジャの外径をφｄとしたとき、０．６≦ｂ／ｄ≦１．１である。

更に好ましい態様では、０．９≦ｂ／ｄ≦１．１である。

本発明によれば、コイル装置におけるボビンと電磁弁本体における筒状部材との間に形成された隙間における基端側（吸引子側）及び先端側（プランジャ側）に、間に空隙もしくは非磁性材を挟んで磁性材である基端側磁極及び先端側磁極が配在されるので、放熱性を確保してコイル通電時の電磁弁の温度上昇を抑えつつ、適正な磁路を構成し、電磁弁の吸引力を効果的に増大させることができる。

また、プランジャの基端部に対する基端側磁極の先端部の軸方向の距離（ａ）やコイル装置の先端部に対する先端側磁極の基端部の軸方向の距離（ｂ）を適正に規定することで、電磁弁の吸引力をより効果的に増大させることができる。

本発明に係る電磁弁の一実施形態（非通電時、閉弁状態）を示す縦断面図。 ａ／ｄと吸引力との関係を示す図。 ｂ／ｄと吸引力との関係を示す図。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。

なお、本明細書において、上下、左右等の位置、方向を表わす記述は、説明が煩瑣になるのを避けるために図面に従って便宜上付けたものであり、実際の使用状態での位置、方向を指すとは限らない。

また、各図において、部材間に形成される隙間や部材間の離隔距離等は、発明の理解を容易にするため、また、作図上の便宜を図るため、各構成部材の寸法に比べて大きくあるいは小さく描かれている場合がある。

図１は、本発明に係る電磁弁の一実施形態を示す縦断面図である。

図示実施形態の電磁弁１は、例えばエアコンの冷凍サイクル等に使用されるもので、基本的に、電磁弁本体５と、コイル装置９とから構成されている。

前記電磁弁本体５は、内部に弁室１３が画成された底部付き短円筒状の弁本体１０を有し、該弁本体１０の底部に、前記弁室１３に開口する弁座１４ａ付きの弁口１４が開設されている。弁本体１０（弁室１３）の一側部には横向きの導管（継手）１１が、また、弁本体１０（弁室１３）の底部（における弁口１４の下側）には縦向きの導管（継手）１２が、それぞれろう付け等により連結固定されている。

また、前記電磁弁本体５は、円筒状のストレートパイプからなる筒状部材（ＳＵＳ製のガイドパイプ、以下ではＳＵＳパイプという）２０を有し、このＳＵＳパイプ２０に、上端側（基端側）から順次、吸引子２１、プランジャばね２２、プランジャ２３が直列的に配在されている。

詳しくは、ＳＵＳパイプ２０の上端部（基端部）は、固定鉄芯である略円柱状の吸引子２１の上部外周に形成された鍔状部（外周段差部）に溶接等により密封接合されており、ＳＵＳパイプ２０の下端部（先端部）は、前記弁本体１０（詳細には、その上部内周に形成された段差部）に圧入やロウ付け等により内挿固定されている。吸引子２１の下側に対向配置された可動鉄芯であるプランジャ２３は、基本的には軸方向（上下方向）に長い円柱状とされており、ＳＵＳパイプ２０内（吸引子２１より先端側）を軸方向に摺動可能に配在（内挿）されている。プランジャ２３の下端部（吸引子２１側とは反対側の端部）には、弁座１４ａに接離して弁口１４を開閉するボールからなる弁体１５が固着（図示例では、プランジャ２３の下端部に形成された凹穴に嵌め込まれてかしめ固定）されている。

吸引子２１とプランジャ２３との間には、円筒状の圧縮コイルばねからなるプランジャばね２２が介装（縮装）されており、このプランジャばね２２は、プランジャ２３を常時下方（閉弁方向、かつ、吸引子２１から引き離す方向）に付勢している。

一方、コイル装置９は、前記電磁弁本体５における弁本体１０の上方かつＳＵＳパイプ２０の外周（外側）に配置され、主に、略円筒状ないし断面コの字状のボビン９０、ボビン９０の外周に配在される通電励磁用のコイル９１、ボビン９０及びコイル９１の外周及び上部を覆うように配在されたハウジング９２、ボビン９０及びコイル９１の下部を覆うように配在された下部プレート９３を備えている。コイル９１の外周は、モールド樹脂９４で封止されている。

ハウジング９２及び下部プレート９３は、磁性材から作製され、ハウジング９２の外周部９２ａの下端部に、下部プレート９３の外端が固着（例えば、かしめ固定）されて一体とされており、ハウジング９２の天井部９２ｂと下部プレート９３とで、ボビン９０を上下方向の両側から挟持している。

ここで、通常は、コイル装置９におけるボビン９０の内径と電磁弁本体５におけるＳＵＳパイプ２０の外径とが略同じに設定されているが、本実施形態では、電磁弁本体５とコイル装置９とが異なるタイプのもの（詳細には、コイル装置９が通常より大きいタイプのもの）が使用されており、コイル装置９におけるボビン９０の内径が電磁弁本体５におけるＳＵＳパイプ２０の外径より大きく形成されるとともに、ボビン９０の上下長（軸方向の長さ）がＳＵＳパイプ２０の上下長（より詳しくは、ＳＵＳパイプ２０において弁本体１０から上側に突出した部分の上下長）より長く形成されている。

そのため、コイル装置９を電磁弁本体５に装着し、電磁弁本体５におけるＳＵＳパイプ２０にコイル装置９におけるボビン９０を外挿すると、ボビン９０の内側における吸引子２１の上側に円柱状の隙間Ｇ１が形成されるとともに、ＳＵＳパイプ２０の外周とボビン９０の内周との間に円筒状の隙間Ｇ２が形成されることになる。

前記隙間Ｇ１、Ｇ２があると、磁路を通過する磁束が減少して、電磁弁１の吸引力が低下するとともに、電磁弁１の放熱性も低下する。

そこで、本実施形態では、前記した隙間Ｇ１、Ｇ２を磁性材で適正に埋めて吸引力及び放熱性（放熱量）を増大させるべく、次のような対策が講じられている。

すなわち、前記隙間Ｇ１を埋める（換言すれば、前記隙間Ｇ１と略同形状に形成される）とともに、後述するボルト８９を通す挿通穴８１ａが中央部に（上下方向に向けて）形成された上部厚肉部８１と、上部厚肉部８１の下面外周部から（下向きに）突設して前記隙間Ｇ２の上部（詳細には、前記隙間Ｇ２の上側から約１／３の部分）を埋める下部薄肉部８２とで構成される段付き円筒状の上端側（基端側）磁極８０が配備されるとともに、前記隙間Ｇ２の下部（詳細には、前記隙間Ｇ２の下側から約１／３の部分）を埋める略円筒状の下端側（先端側）磁極８５が配備されている。

前記段付き円筒状の上端側磁極８０は、ＳＵＭ材（快削鋼）等の磁性材から作製されており、ボビン９０に（下側から）内挿されるとともに、上面における挿通穴８１ａ周りがハウジング９２の天井部９２ｂの中央に形成された通し穴９２ｃに固着（図示例では、上面がハウジング９２の天井部９２ｂに当接した状態で外向きにかしめ固定）されて、ボビン９０の内側上部に配置固定されている。

一方、前記略円筒状の下端側磁極８５は、ＳＵＭ材（快削鋼）等の磁性材から作製されており、ボビン９０に（下側から）内挿されるとともに、その下部外周に（外向きに）突設された外鍔状部８６がボビン９０（の下面内端部分）と下部プレート９３（の上面内端部分）とで挟持され、その下端部８７が下部プレート９３の内端に固着（図示例では、下端部８７が下部プレート９３に当接した状態で外向きにかしめ固定）されて、ボビン９０の内側下部に配置固定されている。

上端側磁極８０（の下部薄肉部８２）の下端部と下端側磁極８５の上端部との間には、上下方向で所定長さの隙間（本例では、前記隙間Ｇ２の上下長の約１／３の長さの隙間）が設けられている。換言すれば、上端側磁極８０（の下部薄肉部８２）の下端部と下端側磁極８５の上端部とは、上下方向で所定寸法の空隙（空気層）を介して配在されている。

上端側磁極８０及び下端側磁極８５がハウジング９２及び下部プレート９３等に組み付けられたコイル装置９を電磁弁本体５に装着（外挿）するとともに、押さえ板８８及びカラー８８Ａを介して、ボルト８９をハウジング９２の天井部９２ｂの通し穴９２ｃ及び上端側磁極８０の上部厚肉部８１の挿通穴８１ａに挿通して螺着することにより、ボビン９０の内側における吸引子２１の上側の隙間Ｇ１とＳＵＳパイプ２０の外周とボビン９０の内周との間の隙間Ｇ２の上部に上端側磁極８０（の上部厚肉部８１と下部薄肉部８２）が挿入・設置され、ＳＵＳパイプ２０の外周とボビン９０の内周との間の隙間Ｇ２の下部に下端側磁極８５が挿入・設置されるとともに、電磁弁本体５における吸引子２１は、（上端側磁極８０の上部厚肉部８１を介して）コイル装置９におけるボビン９０及びコイル９１の外周を覆うハウジング９２に締結固定される。

これにより、前記したボビン９０の内側における吸引子２１の上側の隙間Ｇ１と、ＳＵＳパイプ２０の外周とボビン９０の内周との間の隙間Ｇ２、特に、前記隙間Ｇ２の上下部分が、間に空隙（空気層）を挟んで磁性材である上端側磁極８０と下端側磁極８５で埋められるので、放熱性を確保してコイル９１通電時の電磁弁１の温度上昇を抑えつつ、適正な磁路（図１の点線Ｐ参照）を構成し、電磁弁１の吸引力を効果的に増大させることができる。

かかる構成を有する電磁弁１において、コイル９１に通電がなされない状態にあっては（非通電時）、図１に示される如くに、プランジャばね２２の付勢力によって、プランジャ２３が下方に付勢され（吸引子２１から引き離され）、プランジャ２３の下端部に設けられた弁体１５が弁座１４ａに押し付けられて（圧接されて）弁口１４が閉じられている。

図１に示される状態から、コイル９１に通電されると（通電時）、コイル９１から発せられる磁界により吸引子２１及びプランジャ２３が磁化され、プランジャ２３はプランジャばね２２の付勢力に抗して吸引子２１側（上方）に引き寄せられ、これによって、プランジャ２３の下端部に設けられた弁体１５が弁座１４ａから離れて弁口１４が開かれ、流体（冷媒）が弁口１４を通して流れるようになる。

［上端側磁極８０及び下端側磁極８５の適正設計範囲の解析］
上記した構造・構成に加えて、本発明者等は、電磁弁１の吸引力をより効果的に高めるべく、前記上端側磁極８０及び下端側磁極８５の適正設計範囲を、数値解析等を用いて解析した。

本発明者等による数値解析等の結果、コイル装置９（のコイル９１）の非通電時に、プランジャばね２２によってプランジャ２３が吸引子２１から引き離されている位置において、上端側磁極８０の下端部がプランジャ２３の上端部と一致するとき、電磁弁１の吸引力が最も高くなることが分かった。

詳細には、プランジャ２３の外径をφｄ、上端側磁極８０の下端部とプランジャ２３の上端部との上下方向（軸方向）の距離をａ（ただし、上端側磁極８０の下端部がプランジャ２３の上端部より上側の場合を正とする）としたとき、前述したように、ａ／ｄ＝０において（上端側磁極８０の下端部がプランジャ２３の上端部と一致するとき）、電磁弁１の吸引力が最も高くなるとともに、ａ／ｄ＜−０．０４や０．０４＜ａ／ｄでは、そのとき（ａ／ｄ＝０のとき）の吸引力の約９０％未満となってしまうため、−０．０４≦ａ／ｄ≦０．０４の範囲内に設定することで、比較的高い吸引力（詳しくは、ａ／ｄ＝０のときの吸引力の約９０％以上）を確保できることが分かった（図２参照）。

また、より良い放熱効果（冷却効果）を得るためには、前記隙間Ｇ２の全体を上端側磁極８０（の下部薄肉部８２）や下端側磁極８５で埋めた方がよく、また、上端側磁極８０の下端部と下端側磁極８５の上端部との隙間が少ない方がよい。つまり、前述したように設計した上端側磁極８０の下端部に下端側磁極８５の上端部を近づけて、上端側磁極８０の下端部と下端側磁極８５の上端部との隙間が狭くなる（小さくなる）に従って、放熱性が高くなる（図３の一点鎖線参照）。しかしながら、本発明者等による数値解析等の結果、下端側磁極８５の上端部を上端側磁極８０の下端部に近づけすぎると、電磁弁１の吸引力が低下することが分かった。

詳細には、プランジャ２３の外径をφｄ、下端側磁極８５の上端部とコイル装置９におけるボビン９０の下端部との上下方向（軸方向）の距離をｂとしたとき、ｂ／ｄ＜０．６や１．１＜ｂ／ｄでは、電磁弁１の吸引力が急激に低下してしまうため、０．６≦ｂ／ｄ≦１．１の範囲内に設定することで、電磁弁１の放熱性を確保しつつ、電磁弁１の吸引力を高い状態で維持できることが分かった（図３参照）。

また、電磁弁１の放熱性をより良くするためには、ｂ／ｄを１．０付近、例えば０．９≦ｂ／ｄ≦１．１の範囲内に設定するのが良いことが分かった（図３参照）。

したがって、本発明者等による数値解析等の結果、−０．０４≦ａ／ｄ≦０．０４、かつ、０．６≦ｂ／ｄ≦１．１（より好ましくは、０．９≦ｂ／ｄ≦１．１）に設定することで、放熱性を確保してコイル９１通電時の電磁弁１の温度上昇を抑えつつ、電磁弁１の吸引力を効果的に増大できることが分かった。

以上で説明したように、本実施形態の電磁弁１では、コイル装置９におけるボビン９０と電磁弁本体５におけるＳＵＳパイプ２０との間に形成された隙間における基端側（吸引子２１側）及び先端側（プランジャ２３側）に、間に空隙を挟んで磁性材である上端側磁極８０及び下端側磁極８５が配在されるので、放熱性を確保してコイル９１通電時の電磁弁１の温度上昇を抑えつつ、適正な磁路を構成し、電磁弁１の吸引力を効果的に増大させることができる。

また、プランジャ２３の上端部に対する上端側磁極８０の下端部の軸方向の距離（ａ）やコイル装置９（のボビン９０）の下端部に対する下端側磁極８５の上端部の軸方向の距離（ｂ）を適正に規定することで、電磁弁１の吸引力をより効果的に増大させることができる。

なお、上記実施形態では、部品点数を抑えるために、上端側磁極８０（の下端部）及び下端側磁極８５（の上端部）が、間に空隙（空気層）を挟んで配在される形態を例示して説明したが、上端側磁極８０（の下端部）及び下端側磁極８５（の上端部）の間に非磁性材を介在させてもよい。例えば、上端側磁極８０（の下端部）及び下端側磁極８５（の上端部）の間に金属製の非磁性材を介在させれば、吸引力を高めつつ、放熱性（放熱量）を更に良くすることができる。

また、上記実施形態では、ボビン９０の上下長（軸方向の長さ）がＳＵＳパイプ２０の上下長（より詳しくは、ＳＵＳパイプ２０において弁本体１０から上側に突出した部分の上下長）より長く形成されているが、ボビン９０の上下長が短いコイルを用いてもよい。例えば、軸方向において、ボビン９０の上端と吸引子２１の上端とが面一になる寸法のコイルを用いると、コイルの下端側構造が上記実施形態と同様であれば、隙間Ｇ１はなくなり、隙間Ｇ２のみとなる。この場合、上端側磁極８０は下部薄肉部８２のみの構成となり、吸引子２１に圧入される。

また、上記実施形態では、通電開形（ノーマルクローズタイプ）の電磁弁を例示して説明したが、本発明は、通電閉形（ノーマルオープンタイプ）のものにも適用できることは勿論である。

１ 電磁弁
５ 電磁弁本体
９ コイル装置
１０ 弁本体
１１、１２ 導管（継手）
１３ 弁室
１４ 弁口
１４ａ 弁座
１５ 弁体
２０ 筒状部材（ＳＵＳパイプ）
２１ 吸引子
２２ プランジャばね
２３ プランジャ
８０ 上端側（基端側）磁極
８１ 上部厚肉部
８１ａ 挿通穴
８２ 下部薄肉部
８５ 下端側（先端側）磁極
８６ 外鍔状部
８７ 下端部
８８ 押さえ板
８８Ａ カラー
８９ ボルト
９０ ボビン
９１ コイル
９２ ハウジング
９２ａ 外周部
９２ｂ 天井部
９２ｃ 通し穴
９３ 下部プレート
９４ モールド樹脂
Ｇ１、Ｇ２ 隙間

Claims (8)

1. 筒状部材、前記筒状部材の基端側に固定された吸引子、前記筒状部材の先端側に軸方向に移動可能に内挿されるとともに弁体が設けられたプランジャ、及び前記プランジャを前記吸引子から引き離す方向に付勢するプランジャばねを有する電磁弁本体と、
   筒状のボビンの外周にコイルが配在されたコイル装置とを備え、
   前記電磁弁本体における前記筒状部材の外側に、前記コイル装置における前記ボビンが隙間をあけて配在され、
   前記ボビンと前記筒状部材との間に形成された隙間における基端側及び先端側に、間に空隙もしくは非磁性材を挟んで基端側磁極及び先端側磁極が配在されていることを特徴とする電磁弁。
2. 前記基端側磁極は、前記コイル装置における前記ボビン及び前記コイルの外周並びに上側を覆うハウジングに当接した状態で前記隙間の基端側に配在され、
   前記先端側磁極は、前記コイル装置における前記ボビン及び前記コイルの下側を覆う下部プレートに当接した状態で前記隙間の先端側に配在されていることを特徴とする請求項１に記載の電磁弁。
3. 前記ハウジングと前記下部プレートとで、前記ボビンが挟持されていることを特徴とする請求項２に記載の電磁弁。
4. 前記先端側磁極は、その外周に設けられた外鍔状部が前記ボビンと前記下部プレートとで挟持されていることを特徴とする請求項２又は３に記載の電磁弁。
5. 前記基端側磁極は、前記ボビンの内側における前記吸引子の基端側に内挿される上部厚肉部と、該上部厚肉部の外周部から突設して前記隙間の基端側に内挿される下部薄肉部とで構成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の電磁弁。
6. 前記コイル装置の非通電時に、前記プランジャばねによって前記プランジャが前記吸引子から引き離されている位置において、
   前記プランジャの基端部に対する前記基端側磁極の先端部の軸方向の距離をａ、前記プランジャの外径をφｄとしたとき、−０．０４≦ａ／ｄ≦０．０４であることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の電磁弁。
7. 前記コイル装置の先端部に対する前記先端側磁極の基端部の軸方向の距離をｂ、前記プランジャの外径をφｄとしたとき、０．６≦ｂ／ｄ≦１．１であることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の電磁弁。
8. ０．９≦ｂ／ｄ≦１．１であることを特徴とする請求項７に記載の電磁弁。

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