JP3243164U - 流体用ソレノイドバルブのウォーターハンマー現象緩和制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ウォーターハンマー現象を効果的に緩和することのできる流体用ソレノイドバルブの制御装置を提供する。【解決手段】流体用ソレノイドバルブのウォーターハンマー現象緩和制御装置は、コントローラー１０とソレノイドバルブ２０を含む。コントローラーは、閉指令を受け取ると、制御信号Ｓを生成してソレノイドバルブに送信する。制御信号は、交互に配列した複数の閉信号区間と開信号区間を含む。閉信号区間の継続時間はソレノイドバルブの閉反応時間よりも短く、各閉信号区間における弁体の閉距離は各開信号区間における開距離よりも長く、弁体は制御信号の間に閉状態に切り替わる。開－閉の切替時間は、複数の閉信号区間と開信号区間によって延長され、追加のハードウェアなしで弁体の急閉によって起こるウォーターハンマー現象が低減され、低コストの利点が得られる。【選択図】図１

Description

本考案は、流体用ソレノイドバルブの制御装置に関し、特に流体用ソレノイドバルブのウォーターハンマー現象緩和制御装置に関する。

流体用ソレノイドバルブ（以下、ソレノイドバルブと称する）は、パイプラインの流体の流れを制御するのに用いられる。一般的なソレノイドバルブは、通常、入口ポート、出口ポート、流体流路、弁体、スプリング、コイルを含む。流体流路は、入口ポートと出口ポートを接続し、弁体は、流体流路内に配置されると共に遮断位置と非遮断位置に切り替わる。コイルは、弁体の周りに配置され、電流を流したり止めたりすることで弁体が遮断位置或いは非遮断位置に位置するように制御する。例えばコイルに電流が流れていないときには、スプリングが弁体を遮断位置へ押し、コイルに電流が流れたときには、発生した磁場によって弁体を非遮断位置へ動かし、スプリングは押し縮められる。

流れている流体を制御するソレノイドバルブが開から閉に切り替えられたとき、パイプライン内を流れる流体は非常に短い時間で強制的に流れが遮断される。慣性によって流体は前方に押されて、その結果、弁体の前で流体圧が急上昇する。急激に上昇した流体圧は、弁体に当たって跳ね返り、パイプライン内で圧力波を形成すると共に音を立てながら、パイプラインに沿って後方に伝搬する。これをウォーターハンマー現象と言う。ウォーターハンマー現象は、洗濯機や食器洗い機のような給水口を制御する必要のある家電製品、建物の給水管で度々発生し、その結果、住宅や建物内で説明のつかない衝突音を発生させる。また急激な圧力変化が繰り返されることによって、パイプラインに長期的な損傷も発生する傾向にある。

ウォーターハンマー現象に対処するための一般的な解決策は、ソレノイドバルブの近くにウォーターハンマー吸収装置を取り付けることである。例えば空気圧ウォーターハンマー吸収装置は、ピストンと、ピストンによって形成される空気室を含む。ソレノイドバルブの急閉によって発生する圧力波が空気圧ウォーターハンマー吸収装置の位置まで伝搬すると、ピストンが圧力波に押され空気室を圧縮して、圧力波を吸収すると共にパイプライン内の圧力波の伝搬を低減するバッファリング効果を提供する。

しかしながら、ウォーターハンマー吸収装置の設置は、パイプラインの追加の改変を必要とし、全体的な設置コストが増加する。その上、ウォーターハンマー吸収装置の仕様および設置場所が適切でなかったり、パイプラインの太さや流体流量などの環境因子と合っていなかったりすると、吸収装置の効果を充分に得られないことがある。加えて、吸収装置のスプリングは、時間とともに錆びて動かなくなり、吸収効果が低下することがある。

要するに、従来のウォーターハンマー現象を緩和する技術は改善する必要がある。

本考案の目的は、ウォーターハンマー現象を効果的に緩和することのできる流体用ソレノイドバルブの制御装置を提供することにある。

前述の目的を達成の為、流体用ソレノイドバルブのウォーターハンマー現象緩和制御装置は、
閉反応時間を有する弁体を含むソレノイドバルブと、
前記ソレノイドバルブに電気的に接続され、制御信号を生成して前記ソレノイドバルブに送信するコントローラーと、を備え、
前記コントローラーが閉指令を受け取ると、前記制御信号は交互に配列した複数の閉信号区間と複数の開信号区間を含み、各閉信号区間の継続時間は前記閉反応時間よりも短く、各閉信号区間における前記弁体の閉距離は各開信号区間における開距離よりも長く、前記制御信号に従って前記弁体が開状態から閉状態に切り替えられることを含む。

本考案は、コントローラーの制御信号を利用して弁体を制御する。ソレノイドバルブの弁体は、閉信号区間の間は開状態から閉状態に向かって移動し、開信号区間の間は閉状態から開状態に向かって反対方向に移動する。“閉反応時間”は、継続的な閉信号間隔を伴う制御信号をソレノイドバルブが受信したときに、弁体が全開状態から全閉状態に移行するのに要する時間をいう。制御信号における閉信号区間は閉反応時間よりも短いので、一つの閉信号区間では弁体が全開状態から全閉状態には切り替わらない。ソレノイドバルブが制御信号を受信すると、弁体は、先ず閉信号区間の間に閉距離を実行し、続く開信号区間の間に開距離を実行する。この操作は繰り返される。各閉信号区間における閉距離は各開信号区間における開距離よりも長いので、複数の閉信号区間と開信号区間を経て、弁体は全開状態から全閉状態へと徐々に切り替わる。制御信号は複数の閉信号区間と開信号区間で構成されているので、制御信号全体の継続時間は必然的に弁体の閉反応時間よりも長くなる。

本考案の流体用ソレノイドバルブのウォーターハンマー現象緩和制御装置は、以下の効果を有する。先ず、コントローラーは、制御信号の期間内に徐々に閉状態に切り替わるよう弁体を制御し、開状態から閉状態へ切り替わる弁体の反応時間が延長され、元々流れている流体が短時間で突然遮断されるのではなく徐々に遮断される。その結果、ソレノイドバルブ付近の圧力サージとウォーターハンマー現象が回避される。

さらに、本考案の実施は、パイプラインシステムに、ウォーターハンマー吸収装置のような追加のハードウェア装置を設置する必要がない。ソレノイドバルブを交換したり、コントローラーのハードウェアの仕様変更につながるような閉信号区間と開信号区間の電圧レベル又は電流レベルを修正したりする必要もない。本考案は、閉信号区間および開信号区間の所定時間区間を含む制御信号を生成するコントローラーのファームウェア又はソフトウェアを制御することによって、ウォーターハンマー現象を緩和する目的を達成する。このアプローチは、低コストであって使用時間に制限がないので、既存のウォーターハンマー吸収技術の課題を効果的に克服することができる。

図１は、本考案の流体用ソレノイドバルブのウォーターハンマー現象緩和制御装置のブロック図である。 図２Ａは、本考案の流体用ソレノイドバルブのウォーターハンマー現象緩和制御装置のソレノイドバルブが閉状態のときの断面図である。 図２Ｂは、本考案の流体用ソレノイドバルブのウォーターハンマー現象緩和制御装置のソレノイドバルブが開状態のときの断面図である。 図３Ａは、ソレノイドバルブの制御信号の波形図である。。 図３Ｂは、開状態から閉状態に切り替わるソレノイドバルブの弁体の変位グラフである。 図４Ａは、本考案の流体用ソレノイドバルブのウォーターハンマー現象緩和制御装置の制御信号の波形図である。 図４Ｂは、開状態から閉状態に切り替わる本考案の流体用ソレノイドバルブのウォーターハンマー現象緩和制御装置の弁体の変位グラフである。

図１を参照すると、本考案の流体用ソレノイドバルブ２０のウォーターハンマー現象緩和制御装置は、コントローラー１０とソレノイドバルブ２０を含む。コントローラー１０は、ソレノイドバルブ２０と電気的に接続されており、制御信号Ｓを生成してソレノイドバルブ２０へ送信する。

図２Ａを参照すると、ソレノイドバルブ２０は、弁体２１、入口ポート２２、出口ポート２３、および流体流路２４を主に含む。流体流路２４は、入口ポート２２と出口ポート２３を接続すると共に、弁体室２５を含んでいる。弁体２１は、弁体室２５内に移動可能に配置され、機械的に閉じた状態（以下、“閉状態”と称する）と機械的に開いた状態（以下、“開状態”と称する）とに切り換え可能である。

弁体２１は、ピストンであってもよい。弁体２１が閉状態のとき、入口ポート２２と出口ポート２３の間の流体流路２４を弁体２１が遮断し、流体は入口ポート２２から出口ポート２３に流れることができない。弁体２１が開状態のとき、弁体２１は入口ポート２２と出口ポート２３の間を遮断せず、流体は入口ポート２２から出口ポート２３に流れることができる。

ソレノイドバルブ２０には、スプリング２６とコイル２７によって、弁体２１の開状態と閉状態を制御するものがある。スプリング２６は、弁体２１に接続されており、スプリング２６の張力で弁体２１を閉状態あるいは開状態に向けて押圧する。コイル２７は、弁体室２５の周りに取り付けられ、制御信号Ｓを受信するためにコントローラー１０と電気的に接続されている。コイル２７は、弁体２１を開状態あるいは閉状態に向けて押圧するスプリング２６の張力とは反対方向に磁力を提供する。

通常閉じているソレノイドバルブ２０を一例に挙げる。図２Ａを参照すると、通常閉じているソレノイドバルブ２０は、スプリング２６と弁体２１の相対的な位置によって、スプリング２６が弁体２１を閉状態に向けて押圧している。従って、制御信号Ｓが低電圧信号又はゼロ電流信号のとき、コイル２７には電流が流れず、磁場が生成されることも磁力が提供されることもなく、弁体２１はスプリング２６によって閉状態に保持される。図２Ｂに示すように、制御信号Ｓが高電圧信号又は高電流信号のとき、コイル２７に電流が流れ、弁体２１が開状態に切り替わるように、開方向に向けて弁体２１を引き付ける磁場を生成すると共に磁力を提供する。

これに対し、通常開いているソレノイドバルブ２０（図示せず）は、スプリング２６と弁体２１の相対的な位置によって、スプリング２６が弁体２１を開状態に向けて押圧している。従って、制御信号Ｓが低電圧信号又はゼロ電流信号のとき、コイル２７には電流が流れず、磁場が生成されることも磁力が提供されることもない。弁体２１は、スプリング２６によって開状態に保持される。制御信号Ｓが高電圧信号又は高電流信号のとき、コイル２７に電流が流れ、弁体２１が閉状態に切り替わるように、閉方向に向けて弁体２１を引き付ける磁場を生成すると共に磁力を提供する。

図３Ａおよび図３Ｂを参照すると、本考案では、ソレノイドバルブ２０の弁体２１を閉状態に維持する、あるいは弁体２１を開状態から閉状態に駆動する制御信号Ｓの部分を、“電気的閉信号区間（以下、閉信号区間）Ｓ１”と定義する。逆に、ソレノイドバルブ２０の弁体２１を開状態に維持する、あるいは弁体２１を閉状態から開状態に駆動する制御信号Ｓの部分を、“電気的開信号区間（以下、開信号区間）Ｓ２”と定義する。さらに、ソレノイドバルブ２０の弁体２１は、“閉反応時間ΔＴ”を有する。ソレノイドバルブ２０のコイル２７が継続的閉信号区間Ｓ１を受信すると、弁体２１は全開状態から全閉状態へ切り替わる。つまり、閉反応時間ΔＴは、弁体２１が全開状態から全閉状態に切り替わるのに要する時間である。一般的なソレノイドバルブ２０の閉反応時間ΔＴは、３０ｍｓ（ミリ秒）～２ｓ（秒）である。

上述の閉信号区間Ｓ１と開信号区間Ｓ２の定義は、通常開いているソレノイドバルブと通常閉じているソレノイドバルブの両方に適用される。通常開いているソレノイドバルブと通常閉じているソレノイドバルブの違いは、コントローラーからの制御信号が低電圧信号又はゼロ電流信号で、ソレノイドバルブのコイルに電流が流れない場合に、通常開いているソレノイドバルブの弁体は開状態で、通常閉じているソレノイドバルブの弁体は閉状態であるということである。

ソレノイドバルブ２０の弁体２１が開状態にあり、コントローラー１０が閉指令を受け取ると、コントローラー１０は制御信号Ｓを生成してソレノイドバルブ２０に送信する。本考案は、洗濯機や食器洗い機などの給水タイミングを制御する必要のある装置に適用することができる。コントローラー１０は、洗濯機や食器洗い機のメイン制御基板のソレノイドバルブ制御コンポーネントであり得、閉指令は、洗濯プログラムや食器洗いプログラムに従ってメイン制御基板のメイン制御プロセッサーによって生成され得る。さらに、本考案は、建物内の水道管やその他の流体のパイプラインのソレノイドバルブ２０ｓにも適用することができ、閉指令を受け取るために中央制御盤にコントローラー１０を接続することができる。

図４Ａおよび図４Ｂを参照すると、図４Ａは、閉指令に従って制御された出力である制御信号Ｓであり、図４Ｂは、弁体２１が開状態から閉状態に移行するときの変位－時間のグラフである。閉指令に従って、コントローラー１０は、交互に配置された複数の閉信号区間Ｓ１と複数の開信号区間Ｓ２を含む制御信号Ｓを生成するが、各閉信号区間Ｓ１の継続時間は、弁体２１の閉反応時間ΔＴよりも短い。さらに、各閉信号区間Ｓ１における弁体２１の閉距離は、各開信号区間Ｓ２における開距離よりも大きい。具体的に言うと、上述の閉距離は弁体２１が閉状態に向けて移動する距離であり、開距離は弁体２１が開状態に向けて移動する距離である。従って、隣接する閉信号区間Ｓ１と開信号区間Ｓ２の後では、弁体２１の全変位は閉状態に向かい、制御信号Ｓ全体の後では弁体２１は開状態から閉状態に切り替わる。以下に具体例を示す。

説明を簡略化するために、閉信号区間Ｓ１内における弁体２１の移動速度は、開信号区間Ｓ２内における移動速度と同じであり、閉信号区間Ｓ１と開信号区間Ｓ２において弁体２１は一定速度で移動するものとする。すなわち、閉信号区間Ｓ１の継続時間が開信号区間Ｓ２の継続時間と同じであれば、弁体２１の閉距離と開距離の距離は同じであり、弁体２１は元の位置に戻るであろう。閉信号区間の継続時間が閉反応時間ΔＴよりも長ければ、弁体２１は、全開状態から全閉状態へ移動し、全閉距離（１００％閉）を移動することも明らかである。

図４Ａおよび図４Ｂを参照すると、時点Ｔ１以前では、コントローラー１０は開信号区間Ｓ２を出力し、弁体２１は完全な開状態（１００％開）に維持されている。時点Ｔ１において、コントローラー１０は、閉指令を受け取ると、制御信号Ｓの出力を開始する。時点Ｔ１から時点Ｔ２の間、閉信号区間Ｓ１の継続時間が閉反応時間ΔＴのＡ％であり、弁体２１の閉距離が全閉距離のＡ％である（Ａ％閉）。時点Ｔ２から時点Ｔ３の間、開信号区間Ｓ２の継続時間は閉反応時間ΔＴのＢ％であり、弁体２１の開距離は全開距離のＢ％である（Ｂ％開）。Ａ％＞Ｂ％であれば、弁体２１の総変位は、（Ａ－Ｂ）％閉状態へ向かっている。つまり（Ａ－Ｂ）％閉である。Ｔ１～Ｔ３は、制御信号Ｓの１サイクルとみなすことができる。

一実施形態では、各サイクルにおいて、閉信号区間Ｓ１の継続時間は閉反応時間ΔＴのＡ％、開信号区間Ｓ２の継続時間は閉反応時間ΔＴのＢ％である。すなわち、閉信号区間Ｓ１の継続時間と開信号区間Ｓ２の継続時間の時間比は同じである。

このように、弁体２１は、（１００／（Ａ－Ｂ））サイクル後に開状態から閉状態に切り替わる。要する時間は、閉反応時間ΔＴの（Ａ＋Ｂ）／（Ａ－Ｂ）倍である。（１００／（Ａ－Ｂ））と（Ａ＋Ｂ）／（Ａ－Ｂ）は両方とも整数である。例えば、Ａ％＝２０％、Ｂ％＝１０％、時刻Ｔ１からＴ２１までの間に全部で１０サイクルが行われたとすると、弁体２１は閉距離の１００％を完了し、全開状態から全閉状態に切り替わる。要する時間は、閉反応時間ΔＴの３倍である。実際には、弁体２１は、９サイクル目で初めて全閉状態に達し、１０サイクル目はバッファタイム期間とみなすことができる。弁体２１は、９サイクル目で１０％開き、その後、１０サイクル目で再び１００％閉じる。水圧は長期間全閉状態に入る直前に解き放たれ、ウォーターハンマー緩和の効果を高める。

好ましくは、複数の閉信号区間Ｓ１と開信号区間Ｓ２を有する制御信号Ｓは、パルス幅変調（ＰＷＭ）制御方法によって生成される。例えば、時点Ｔ１以前は、コントローラー１０は開信号区間Ｓ２の１００％を出力する。コントローラー１０が閉指令を受け取ると、コントローラー１０は、（Ａ＋Ｂ）ΔＴのサイクルでパルス幅変調制御信号Ｓを出力する。閉信号区間Ｓ１は、Ａ／（Ａ＋Ｂ）％のデューティーサイクルを有し、開信号区間Ｓ２は、Ｂ／（Ａ＋Ｂ）％のデューティーサイクルを有する。

他の実施形態では、サイクル内の閉信号区間Ｓ１のデューティーサイクルは異なっていてもよく、相対的に、サイクル内の開信号区間Ｓ２のデューティーサイクルは異なる。基本条件は、各閉信号区間Ｓ１の閉距離が各開信号区間Ｓ２の開距離よりも大きいということである。一方で、弁体２１の閉速度と開速度が等しいと仮定すると、基本条件は、各閉信号区間Ｓ１の継続が各開信号区間Ｓ２よりも長いということである。その結果、制御装置は、制御信号Ｓの複数のサイクルにおいてソレノイドバルブ２０の弁体２１を徐々に閉じるという目的を達成する。

１０ コントローラー
２０ ソレノイドバルブ
２１ 弁体
２２ 入口ポート
２３ 出口ポート
２４ 流体流路
２５ 弁体室
２６ スプリング
２７ コイル
Ｓ 制御信号
Ｓ１ 閉信号区間
Ｓ２ 開信号区間

Claims (6)

1. 流体用ソレノイドバルブのウォーターハンマー現象緩和制御装置において、
   閉反応時間を有する弁体を含むソレノイドバルブと、
   前記ソレノイドバルブに電気的に接続され、制御信号を生成して前記ソレノイドバルブに送信するコントローラーと、を備え、
   前記コントローラーが閉指令を受け取ると、前記制御信号は交互に配列した複数の閉信号区間と複数の開信号区間を含み、各閉信号区間の継続時間は前記閉反応時間よりも短く、各閉信号区間における前記弁体の閉距離は各開信号区間における開距離よりも長く、前記制御信号に従って前記弁体が開状態から閉状態に切り替えられることを特徴とする流体用ソレノイドバルブのウォーターハンマー現象緩和制御装置。
2. 前記各閉信号区間の継続時間は、前記開信号区間の継続時間よりも長いことを特徴とする請求項１に記載の流体用ソレノイドバルブのウォーターハンマー現象緩和制御装置。
3. 前記制御信号は、パルス幅変調制御方法によって生成されることを特徴とする請求項１に記載の流体用ソレノイドバルブのウォーターハンマー現象緩和制御装置。
4. 前記ソレノイドバルブは、入口ポート、出口ポート、前記入口ポートと前記出口ポートを接続し弁体室を含む流体流路を備え、前記弁体は、前記弁体室内に移動可能に配置され、閉状態と開状態を切り替え可能であることを特徴とする請求項１に記載の流体用ソレノイドバルブのウォーターハンマー現象緩和制御装置。
5. 前記閉信号区間は高電圧信号又は高電流信号であり、前記開信号区間は低電圧信号又はゼロ電流信号であることを特徴とする請求項１に記載の流体用ソレノイドバルブのウォーターハンマー現象緩和制御装置。
6. 前記閉信号区間は低電圧信号又はゼロ電流信号であり、前記開信号区間は高電圧信号又は高電流信号であることを特徴とする請求項１に記載の流体用ソレノイドバルブのウォーターハンマー現象緩和制御装置。