JP2023069629A - ガバナ付き比例弁 - Google Patents

Abstract

【課題】ガス供給路等に介設されるガバナ付き比例弁において、一次圧が変動しても二次圧が一定に維持されるガバナ本来の機能を確実に実現する。【解決手段】一次圧室１１と、二次圧室１２と、弁孔１３が開設された弁座１４とを有する弁筺１と、一次圧室１１の端面を閉塞するダイヤフラム２と、ダイヤフラム２に連結され、弁孔１３を開閉する弁体３とを有するガバナＧ、及び弁体３が、弁座１４から離れる開き方向への押圧力を可変にして弁体３に付与する電磁ソレノイドＳを備え、電磁ソレノイドＳに通電するパルス波形の直流電流の実効電流値に関して定常時の基準範囲と、当該実効電流値の周波数に関して定常時の基準周波数とが設定されるガバナ付き比例弁Ａにおいて、電磁ソレノイドＳに通電するパルス波形の直流電流の実効電流値を基準範囲から小さくする場合、当該直流電流の周波数を基準周波数よりも高くする。【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、ガス供給路等に介設されるガバナ付き比例弁に関する。

従来、この種のガバナ付き比例弁として、一次圧室と、二次圧室と、一次圧室と二次圧室の間に存し、弁孔が開設された弁座とを有する弁筺と、弁座とは反対側に位置する一次圧室の端面を閉塞するダイヤフラムと、ダイヤフラムに連結され、弁座の二次圧室側の面に対向し、弁孔を開閉する弁体とを有するガバナ、及び弁座から離れる開き方向への押圧力を弁体に付与すると共に、その押圧力を可変する電磁ソレノイドを備え、電磁ソレノイドに通電するパルス波形の直流電流の実効電流値を変化させることによって、弁体による弁孔の開度を調節し、一次圧室から二次圧室に流入する流体の流量を可変するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

このようなガバナ付き比例弁では、流体の供給先で要求される流体の流量に応じて二次圧室内の流体の圧力（以降、二次圧と記す）を所定の値で一定に保持させる調圧の一方策として、電磁ソレノイドに通電するパルス波形の直流電流の実効電流値に関して定常時の基準範囲と、当該直流電流の周波数に関して定常時の基準周波数とが設定されるのが一般的であった。

特開２０１９－２０３６６５号公報

しかしながら、そのように調圧しても、ガバナ付き比例弁では、一次圧室内に流入する流体の流量を変動させたときに、一次圧室内の圧力（以降、一次圧と記す）が変動すると、流体の圧力から生じるダイヤフラムの反力と電磁ソレノイドの押圧力とのバランスの変動等に起因して二次圧が変動するという現象が見出された。したがって、従来のガバナ付き電磁比例弁では、一次圧の変動に対して二次圧を一定に維持するというガバナ本来の機能を実現することができないという問題がある。

本発明は、以上の点に鑑み、一次圧が変動しても二次圧を一定に維持するガバナ本来の機能を確実に実現することができるガバナ付き比例弁を提供することをその課題としている。

上記課題を解決するために、本発明は、一次圧室と、二次圧室と、一次圧室と二次圧室の間に存し、弁孔が開設された弁座とを有する弁筺と、弁座とは反対側に位置する一次圧室の端面を閉塞するダイヤフラムと、ダイヤフラムに連結され、弁座の二次圧室側の面に対向し、弁孔を開閉する弁体とを有するガバナ、及び弁座から離れる開き方向への押圧力を弁体に付与すると共に、その押圧力を可変する電磁ソレノイドを備え、電磁ソレノイドに通電するパルス波形の直流電流の実効電流値を変化させることによって、弁体による弁孔の開度を調節し、一次圧室から二次圧室に流入する流体の流量を可変するガバナ付き比例弁であって、電磁ソレノイドに通電するパルス波形の直流電流の実効電流値に関して定常時の基準範囲と、当該直流電流の周波数に関して定常時の基準周波数とが設定されるものにおいて、電磁ソレノイドに通電するパルス波形の直流電流の実効電流値を基準範囲よりも小さくする場合、当該直流電流の周波数を基準値よりも高くすることを特徴とする。

弁体の開き方向への移動に伴ってダイヤフラムには、弁体を閉じ方向に戻す反力が発生する。したがって、電磁ソレノイドの押圧力は、弁孔の開度に応じたダイヤフラムの反力につり合う大きさが必要とされる。ところで、電磁ソレノイドに通電するパルス波形の直流電流の実効電流値を基準範囲よりも小さくする場合、一次圧の上昇に伴い二次圧が徐々に上昇する傾向が現れる（以降、上がりガバナ傾向と記す）。そこで、本発明では、当該直流電流の実効電流値を基準範囲よりも小さくする場合、当該直流電流の周波数を基準周波数よりも高くし、当該直流電流の振幅を小さくして電磁ソレノイドの押圧力を低下させる。ガバナでは、一次圧が上昇すると、弁孔の開度が小さくなり、これに伴いダイヤフラムの反力が低下するが、ダイヤフラムの反力の低下度合いよりも電磁ソレノイドの押圧力の低下度合いの方が大きいため、ダイヤフラムの反力の方が電磁ソレノイドの押圧力よりも大きくなる。その結果、弁孔の開度はより小さくなり、一次圧の上昇に伴い二次圧が徐々に低下する、上記上がりガバナ傾向とは逆の下がりガバナ傾向が生じる。本発明では、この下がりガバナ傾向を利用して上がりガバナ傾向を相殺し、二次圧の変動を十分に抑制する。こうして、一次圧の変動に関わりなく、二次圧を一定に維持させて、ガバナ本来の機能を確実に実現する。

また、上記課題を解決するために、本発明は、一次圧室と、二次圧室と、一次圧室と二次圧室の間に存し、弁孔が開設された弁座とを有する弁筺と、弁座とは反対側に位置する一次圧室の端面を閉塞するダイヤフラムと、ダイヤフラムに連結され、弁座の二次圧室側の面に対向し、弁孔を開閉する弁体とを有するガバナ、及び弁座から離れる開き方向への押圧力を弁体に付与すると共に、その押圧力を可変する電磁ソレノイドを備え、電磁ソレノイドに通電するパルス波形の直流電流の実効電流値を変化させることによって、弁体による弁孔の開度を調節し、一次圧室から二次圧室に流入する流体の流量を可変するガバナ付き比例弁であって、電磁ソレノイドに通電するパルス波形の直流電流の実効電流値に関して定常時の基準範囲と、当該直流電流の周波数に関して定常時の基準周波数とが設定されるものにおいて、電磁ソレノイドに通電するパルス波形の直流電流の実効電流値を基準範囲よりも大きくする場合、当該直流電流の周波数を基準周波数よりも低くすることを特徴とする。

電磁ソレノイドに通電するパルス波形の直流電流の実効電流値を基準範囲よりも大きくする場合、一次圧の上昇に伴って二次圧が徐々に低下する、下がりガバナ傾向が実際に現れる。

したがって、下がりガバナ傾向に対しては、上がりガバナ傾向で相殺し、二次圧の変動を十分に抑制する。そこで、本発明では、電磁ソレノイドに通電するパルス波形の直流電流の実効電流値を基準範囲よりも大きくする場合、当該直流電流の周波数を基準周波数よりも低くして当該直流電流の振幅を大きくし、電磁ソレノイドの押圧力を増大させる。このときの電磁ソレノイドの押圧力は、ダイヤフラムの反力よりも大きいため、弁孔が開き、上がりガバナ傾向が生じるため、下がりガバナ傾向が相殺され、二次圧の変動を十分に抑制することができる。こうして、一次圧の変動に関わりなく、二次圧を一定に維持することができ、ガバナ本来の機能を確実に実現する。

本発明のガバナ付き比例弁の一実施形態を示す断面図。 パルス波形の直流電流の周波数を基準周波数で一定にし、実効電流値を基準範囲内にしたときと、基準範囲よりも小さくしたとき及び大きくしたときとの一次圧の二次圧への影響を比較して例示したグラフ。 本発明のガバナ付き比例弁における一次圧と二次圧の関係を例示したグラフ。

図１を参照して本発明の一実施形態であるガバナ付き比例弁Ａについて説明する。ガバナ付き比例弁Ａは、ガスバーナに対する燃料ガスのガス供給路に介設される。ガバナ付き比例弁Ａは、ガバナＧと電磁ソレノイドＳを備えている。ガバナＧは弁筺１を有し、弁筺１の内部は、燃料ガス入口１１ａを介してガス供給路の上流側の部分に連通する流入側の一次圧室１１と、一次圧室１１の上方に位置し、図外の燃料ガス出口を介してガス供給路の下流側の部分に連通する流出側の二次圧室１２とに画成されている。また、ガバナＧは、一次圧室１１と二次圧室１２の間に存し、弁孔１３が開設された弁座１４を有している。

弁筺１の上端には上蓋部１５が取り付けられ、上蓋部１５は二次圧室１２の上面を覆い、弁筺１の下端にはダイヤフラム２が取り付けられ、ダイヤフラム２は一次圧室１１の下面を覆っている。さらに、ガバナＧは、弁座１４の二次圧室１２側の面に対向する、弁孔１３を開閉する弁体３を有している。

ダイヤフラム２の外周部分は、弁筺１の下面に締結された押え板２１によって、一次圧室１１の下面外周部に挟圧固定されている。ダイヤフラム２と押え板２１の間には、大気に開放される背圧室２２が画成されている。また、ダイヤフラム２の下側には、ダイヤフラム２の下面に座金２３を介して接する、上端にフランジ部２４ａを有する筒状のバルブホルダ２４が設けられている。

弁体３は、下方にのびる弁軸３１を有している。弁軸３１の下端部には、ダイヤフラム２の上面に接する肩面から下方に突出する小径軸部３１ａが突設され、小径軸部３１ａは、ダイヤフラム２の中心に形成された孔を通じてバルブホルダ２４に嵌合固定されている。このようにして、弁軸３１は、ダイヤフラム２に連結されている。

電磁ソレノイドＳは、弁体３に上方の押圧力を付与すると共に、この押圧力を可変する。そのために、電磁ソレノイドＳは、押え板２１の下面に取り付けられるヨーク４と、ヨーク４に接するボビン５に巻回したコイル６と、ヨーク４の内周の筒状ガイド７の内部を上下方向に移動自在に挿通されたプランジャ８と、プランジャ８を上方に付勢してプランジャ８の自重をキャンセルするスプリング９とを有している。プランジャ８は、弁軸３１の小径軸部３１ａの下端に当接し、コイル６に通電するパルス波形の直流電流の実効電流値に比例した押圧力で弁体３を上方に押圧する。

このようなガバナ付き比例弁Ａでは、ガバナＧは、一次圧に関わりなく、二次圧は、電磁ソレノイドＳの押圧力によって一定にすることができる。このことは、力学的に説明することができる。すなわち、一次圧をＰ１、二次圧をＰ２、電磁ソレノイドＳの押圧力をＦとし、ダイヤフラム２の有効面積をＳｄ、弁孔１３の開口面積をＳｇとすると、ガバナＧに発生する弁体３の開き方向である上向きの力と、閉じ方向である下向きの力とがつり合うため、次式（１）が成り立つ。

Ｐ１・Ｓｇ＋Ｆ＝Ｐ１・Ｓｄ＋Ｐ２・Ｓｇ （１）

ここで、Ｓｄ＝Ｓｇとなるように設計されるため、
Ｐ２＝Ｆ／Ｓｄ （２）
となる。上記式（２）は、二次圧Ｐ２は、一次圧Ｐ１に関わらず、電磁ソレノイドＳの押圧力Ｆによって一定になることを示す。

現象的に説明すると、ガバナＧでは、一次圧Ｐ１の時に、電磁ソレノイドＳの押圧力Ｆがプランジャ８を介して弁軸３１に伝達され、弁体３に作用すると、弁体３は弁座１４から上方に離れる開き方向に移動し、弁孔１３が開き、二次圧Ｐ２に調節される。

ここで、例えば、一次圧Ｐ１が上昇すると、その瞬間、二次圧Ｐ２は、一次圧Ｐ１の上昇に伴って上昇するが、弁体３は閉じ方向に移動する。この弁体３の閉じ方向の移動によって弁孔１３の開度が小さくなり、ダイヤフラム２の反力Ｆｄが小さくなるため、二次圧Ｐ２は、次第に元の大きさに戻る。

ところで、電磁ソレノイドＳにＰＷＭ駆動方式等によるパルス波形の直流電流を通電する場合、上記の通り、パルス波形の直流電流は、周波数が低いと振幅が大きくなり、その結果、電磁ソレノイドＳの押圧力Ｆは大きくなる。つまり、パルス波形の直流電流の実効電流値を同じにしても周波数が低いと振幅が大きくなるため、電磁ソレノイドＳの押圧力Ｆは大きくなる。逆に、電磁ソレノイドＳに通電するパルス波形の直流電流は、周波数が高いと振幅が小さくなり、その結果、電磁ソレノイドＳの押圧力Ｆは小さくなる。これらのことを踏まえ、ガバナ付き比例弁Ａにおける一次圧Ｐ１の二次圧Ｐ２への影響を改めて実験的に検証した。

実験的検証では、定常時の一次圧Ｐ１に対応する、実効電流値の基準範囲を１５０ｍＡ～５００ｍＡ、周波数を１５０Ｈｚに設定し、図１に示す一次圧室１１に流入する燃料ガスの流量を、電磁ソレノイドＳに通電するパルス波形の直流電流の実効電流値を変化させて変化させ、一次圧Ｐ１が変動したときの二次圧Ｐ２を調べた。実効電流値には、定常時の基準範囲の上限値である５００ｍＡ及び下限値である１５０ｍＡと、基準範囲よりも小さい１００ｍＡと、基準範囲よりも大きい６００ｍＡとを選択した。なお、上記の各数値は、あくまで例示あり、全てのガバナ付き比例弁に普遍的なものではない。

図２に示すように、弁孔１３が開となる、一次圧Ｐ１が定常時よりも低い低圧側と、弁孔１３が閉となる、一次圧Ｐ１が定常時よりも高い高圧側とでは、実効電流値が基準範囲内にある５００ｍＡ及び１５０ｍＡの場合、一次圧Ｐ１の二次圧Ｐ２への影響はほとんどないことが確認された。これに対し、実効電流値が基準範囲よりも小さい１００ｍＡの場合、二次圧Ｐ２が低圧側で小さく、高圧側で大きくなる、上がりガバナ傾向が確認された。

この結果に基づくと、ガバナＧの本来の機能を確実に実現するために、電磁ソレノイドＳ、具体的にはコイル６に通電するパルス波形の直流電流の実効電流値を基準範囲よりも低くする場合、当該直流電流の周波数を基準周波数よりも高くし（例えば、５００Ｈｚ）、振幅を小さくして電磁ソレノイドＳの押圧力Ｆを小さくすることが考えられる。ガバナＧでは、一次圧Ｐ１が上昇すると、弁孔１３の開度が小さくなり、これに伴いダイヤフラム２の反力Ｆｄが低下するが、ダイヤフラム２の反力Ｆｄの低下度合いよりも電磁ソレノイドＳの押圧力Ｆの低下度合いの方が大きいため、ダイヤフラム２の反力Ｆｄの方が電磁ソレノイドＳの押圧力Ｆよりも大きくなる。その結果、弁孔１３の開度はより小さくなり、一次圧Ｐ１の上昇に伴い二次圧Ｐ２が徐々に低下する、下がりガバナ傾向が生じる。したがって、この下がりガバナ傾向を利用すれば、上がりガバナ傾向を相殺することができ、二次圧Ｐ２の変動を十分に抑制するのに有効であると結論付けられる。

また、図２に示すように、電磁ソレノイドＳ（コイル６）に通電するパルス波形の直流電流の実効電流値が基準範囲よりも大きい６００ｍＡにする場合、二次圧Ｐ２は、１００ｍＡの場合とは逆に、低圧側で大きく、高圧側では小さくなる、下がりガバナ傾向が確認された。

この結果に基づくと、下がりガバナ傾向を解消するためには、電磁ソレノイドＳに通電するパルス波形の直流電流の実効電流値を基準範囲よりも大きくする場合、当該直流電流の周波数を基準周波数よりも低くし（例えば、１００Ｈｚ）、振幅を大きくして電磁ソレノイドＳの押圧力Ｆを大きくすることが考えられる。この場合、電磁ソレノイドＳの押圧力Ｆは、ダイヤフラム２の反力Ｆｄよりも大きいため、弁孔１３が開き、上がりガバナ傾向が生じ、この上がりガバナ傾向を利用すれば、下がりガバナ傾向を相殺することができ、二次圧Ｐ２の変動を十分に抑制するのに有効であると結論付けられる。

以上の結論を検証するために、パルス波形の直流電流の実効電流値、周波数を夫々１００ｍＡ、５００Ｈｚにしたときと、１５０ｍＡ、１５０Ｈｚにしたときと、５００ｍＡ、１５０Ｈｚにしたときと、６００ｍＡ、１００Ｈｚにしたときの４つの場合を比較した。その結果、図３に示すように、いずれの場合も、一次圧Ｐ１が低圧側と高圧側に変動しても二次圧Ｐ２の変動が十分に抑制されることが確認され、結論が正しいことが実証された。

すなわち、ガバナ付き比例弁Ａでは、電磁ソレノイドＳに通電するパルス波形の直流電流の実効電流値を基準範囲よりも小さくする場合、当該直流電流の周波数を基準周波数より高くして当該直流電流の振幅を小さくする。そして、電磁ソレノイドＳの押圧力Ｆを低下させ、二次圧Ｐ２の変動を十分に抑制することができる。したがって、一次圧Ｐ１の変動に関わりなく、二次圧Ｐ２を一定に維持することができ、ガバナＧの本来の機能が確実に実現される。

また、ガバナ付き比例弁Ａでは、電磁ソレノイドＳに通電するパルス波形の直流電流の実効電流値を基準範囲よりも大きくする場合、直流電流の周波数を基準周波数よりも低くして当該直流電流の振幅を大きくする。そして、電磁ソレノイドＳの押圧力Ｆを増大させ、二次圧Ｐ２の変動を十分に抑制することができる。したがって、一次圧Ｐ１の変動に関わりなく、二次圧Ｐ２を一定に維持することができ、ガバナＧの本来の機能がより確実に実現される。

近年、給湯器には、出湯量に応じて最小能力の低減と最大能力の増大とが求められる。したがって、給湯器のガス供給路に介設されるガバナ付き比例弁では、電磁ソレノイドに通電するパルス波形の直流電流の実効電流値を基準値よりも小さくするか又は大きくする必要がある。この場合、従来のガバナ付き比例弁を適用すると、前述の通り、一次圧の二次圧への影響が大きいため、二次圧が変動してしまう。したがって、そのような給湯器の最小能力の低減と最大能力の増大という要求に対して、本実施形態のガバナ付き比例弁Ａは有効になる。

以上、本発明を一実施形態に関して説明したが、本発明は上記実施形態に限定されない。例えば、ガバナＧ及び電磁ソレノイドＳの構成及び構造、電磁ソレノイドＳの直流電源の仕様等については、特に限定的ではない。また、パルス波形の直流電流の実効電流値に対する周波数の設定は、上記実施形態では、１００Ｈｚ、１５０Ｈｚ、及び５００Ｈｚのように段階的に行っているが、実効電流値に応じて無段階に設定することもできる。さらに、ガス種や適用される機器等に応じて適宜変更が可能でもある。そして、ガバナ付き比例弁は、ガバナＧと電磁ソレノイドＳが上下反転したものであってもよい、この場合、プランジャ８の自重をキャンセルするスプリング９は設ける必要はなく、スプリング９は、弁体３及び弁軸３１の自重をキャンセルするために、弁軸３１の下端と上蓋部１５（実際には下蓋部）の上面との間に介設することができる。

Ａ…ガバナ付き比例弁、Ｇ…ガバナ、Ｓ…電磁ソレノイド、１…弁筺、１１…一次圧室、１２…二次圧室、１３…弁孔、１４…弁座、２…ダイヤフラム、３…弁体。

Claims (2)

1. 一次圧室と、二次圧室と、一次圧室と二次圧室の間に存し、弁孔が開設された弁座とを有する弁筺と、弁座とは反対側に位置する一次圧室の端面を閉塞するダイヤフラムと、ダイヤフラムに連結され、弁座の二次圧室側の面に対向し、弁孔を開閉する弁体とを有するガバナ、及び弁座から離れる開き方向への押圧力を弁体に付与すると共に、その押圧力を可変する電磁ソレノイドを備え、電磁ソレノイドに通電するパルス波形の直流電流の実効電流値を変化させることによって、弁体による弁孔の開度を調節し、一次圧室から二次圧室に流入する流体の流量を可変するガバナ付き比例弁であって、
   電磁ソレノイドに通電するパルス波形の直流電流の実効電流値に関して定常時の基準範囲と、当該直流電流の周波数に関して定常時の基準周波数とが設定されるものにおいて、
   電磁ソレノイドに通電するパルス波形の直流電流の実効電流値を基準範囲よりも小さくする場合、当該直流電流の周波数を基準周波数よりも高くすることを特徴とするガバナ付き比例弁。
2. 一次圧室と、二次圧室と、一次圧室と二次圧室の間に存し、弁孔が開設された弁座とを有する弁筺と、弁座とは反対側に位置する一次圧室の端面を閉塞するダイヤフラムと、ダイヤフラムに連結され、弁座の二次圧室側の面に対向し、弁孔を開閉する弁体とを有するガバナ、及び弁座から離れる開き方向への押圧力を弁体に付与すると共に、その押圧力を可変する電磁ソレノイドを備え、電磁ソレノイドに通電するパルス波形の直流電流の実効電流値を変化させることによって、弁体による弁孔の開度を調節し、一次圧室から二次圧室に流入する流体の流量を可変するガバナ付き比例弁であって、
   電磁ソレノイドに通電するパルス波形の直流電流の実効電流値に関して定常時の基準範囲と、当該直流電流の周波数に関して定常時の基準周波数とが設定されるものにおいて、
   電磁ソレノイドに通電するパルス波形の直流電流の実効電流値を基準範囲よりも大きくする場合、当該直流電流の周波数を基準周波数よりも低くすることを特徴とするガバナ付き比例弁。

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