JP3921828B2 - 電磁弁 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は電磁弁に係り、特に、エア等の流体の流量制御に用いられる電磁弁に関する。
【0002】
【従来の技術】
この種の電磁弁としては従来図9に示すようなものがある。これはバルブボディ51内のスリーブ52にスプール53を摺動自在且つ往復動自在に設け、電磁コイル54への印加電圧(又は電流)を制御することにより、電磁コイル54による反発力とスプリング55による押圧力とのバランスを変化させ、スプール53を所定位置に移動し、第1ポート56又は第2ポート57の断面積を変えて流体流量を制御する、というものである。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この構造だと以下の欠点がある。
【0004】
▲1▼ スプール53が、穴の開いたスリーブ52の内面を摺動するため、パッキン等が使用できず、完全なシールが行えない。
【0005】
▲2▼ 摺動を可能とするにはある程度のクリアランスが必要で、このことからも完全なシールが行えない。
【0006】
▲3▼ 各パーツの形状が複雑である。
【0007】
▲4▼ 摺動部の隙間に埃等が噛み込むと(いわゆるコンタミ)作動不良を起こす。
【0008】
そこで、本発明は上記課題を解決すべく創案されたもので、その目的は、シール性が良好で、構造が簡易で、安定した作動を確実に行える電磁弁を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明は、複数のポートを連通する連通ポートをプランジャの進退により開閉する電磁弁であって、前記プランジャの一端側にテーパ部を設け且つ他端側に軸状部を設けると共に、前記連通ポートの内壁にテーパ状のシート部を設け、前記プランジャのテーパ部を前記シート部に着座させることにより前記連通ポートを閉じるようにし、且つ、前記プランジャの軸状部を圧力作用室に収容し、この圧力作用室と前記連通ポートとを前記プランジャの軸状部の外周に配されたシール部材により仕切り、前記プランジャに前記連通ポートと前記圧力作用室とを連通する連通通路を設け、前記シート部の最小内径と前記プランジャの軸状部の外径とを等しくして、前記シート部に着座した前記プランジャのテーパ部における前記シート部よりも縮径側の部分の軸方向投影面積である前記連通ポート内の前記圧力作用室側への推力発生面積と、前記圧力作用室内の前記連通ポート側への推力発生面積とを等しくし、前記連通ポートにおいて、前記シート部より流体流れ方向下流側の流体通路を絞り、この流体通路の出口部に前記連通通路の一端を臨ませ、前記圧力作用室に前記連通通路を介して開弁時の流体流れに応じた負圧が作用されるようにしたものである。
【0011】
また、本発明は、複数のポートを連通する連通ポートをプランジャの進退により開閉する電磁弁であって、前記プランジャの一端側にテーパ部を設け且つ他端側に軸状部を設けると共に、前記連通ポートの内壁にテーパ状のシート部を設け、前記プランジャのテーパ部を前記シート部に着座させることにより前記連通ポートを閉じるようにし、且つ、前記プランジャの軸状部を圧力作用室に収容し、この圧力作用室と前記連通ポートとを前記プランジャの軸状部の外周に配されたシール部材により仕切り、前記プランジャに前記連通ポートと前記圧力作用室とを連通する連通通路を設け、前記シート部の最小内径と前記プランジャの軸状部の外径とを等しくして、前記シート部に着座した前記プランジャのテーパ部における前記シート部よりも縮径側の部分の軸方向投影面積である前記連通ポート内の前記圧力作用室側への推力発生面積と、前記圧力作用室内の前記連通ポート側への推力発生面積とを等しくし、前記連通ポートにおいて、前記シート部の流体出口部の位置に前記連通通路の一端を臨ませ、前記圧力作用室に前記連通通路を介して開弁時の流体流れに応じた負圧が作用されるようにしたものである。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
【0013】
図1に、本発明の実施形態の前提となる参考形態を示す。図1に示すように、本参考形態にかかる電磁弁1は、バルブボディ2に二つのポート(第1ポート3及び第2ポート4)を設け、これらポート3,4を連通ポート5で連通し、連通ポート5をプランジャ6の進退により開閉するようになっている。第1ポート3と第2ポート4のいずれか一方が入口(加圧)ポート、他方が出口(排出)ポートとされ、入口ポートから導入された流体は連通ポート5を通じて出口ポートから排出される。
【0014】
バルブボディ2は配管取付ピース7と中間ピース8とから二分割に構成され、配管取付ピース7に第1ポート3及び第2ポート4が設けられる。第1ポート3はプランジャ軸方向と直角に設けられ、第2ポート4はプランジャ軸方向に沿って設けられる。つまり第1ポート3と第2ポート4は互いに直角に向けられ、これを直角状の連通ポート5で連通するようになっている。各ポート3,4には配管やニップル等の接続のためのメネジ9が設けられる。また各ポート3,4は連通ポート5に接続するための小径孔10を有している。
【0015】
中間ピース8の右側にコイルユニット11が設けられ、これらの軸心部にプランジャ挿通穴12が設けられる。このプランジャ挿通穴12にプランジャ6が軸方向進退自在且つ摺動自在に挿入される。プランジャ挿通穴12の右端はヨーク13によって閉塞される。これによって圧力作用室14が区画形成され、圧力作用室14にプランジャ6の右端側が収容される。
【0016】
プランジャ6の左端側は連通ポート5内に収容される。ここでプランジャ6は、その左端部に設けられたテーパ部15と、テーパ部15の右側に設けられた軸状部16とから一体になる。軸状部16は、テーパ部15以降外径D1 を有して右側に延出されると共に、右端部に縮径部21を有し、縮径部21がヨーク13の嵌合穴17に嵌合されるようになっている。嵌合穴17の底部にはゴム等の弾性体18が嵌合固定される。
【0017】
中間ピース8のプランジャ挿通穴12の内面にリング溝19が設けられ、リング溝19にシール部材としてのシールリング20が収容されている。シールリング20はプランジャ6の軸状部16に摺接し、シール径D1 を有している。このシールリング20により連通ポート5と圧力作用室14とが仕切られ、シールリング20の左側が連通ポート5、右側が圧力作用室14となる。
【0018】
プランジャ6のテーパ部15は、連通ポート5の内壁に設けられたテーパ状のシート部22(図5参照)に着座可能で、着座時に連通ポート5を閉じ、離反時に連通ポート5を開くようになっている。テーパ部15は軸方向中間位置でシート部22に着座されると共に、第2ポート4側に向けて順次縮径され、シート部22の縮径方向も同方向とされる。特にここでは、シート部22のテーパ径D2 とシールリング20のシール径D1 とが等しくされる。
【0019】
テーパ部15の右端は軸状部16より大径とされ、軸状部16から径方向外側に突出した格好となっている。このテーパ部15の右端と中間ピース8の左端との間に、バネ部材としてのリターンスプリング23が圧縮状態で配され、プランジャ6を閉弁方向に付勢し、通常時にプランジャ6のテーパ部15をシート部22に押し付けている。なおリターンスプリング23は連通ポート5内に配置される。
【0020】
プランジャ6には連通ポート5と圧力作用室14とを連通する連通通路24が設けられる。連通通路24はプランジャ6の軸心部を貫通する中心穴25からなる。これにより連通通路24の一端は第2ポート4に臨まされ、連通通路24の他端は弾性体18に臨まされるようになる。
【0021】
コイルユニット11には電磁コイル26が内蔵され、電磁コイル26には図示しない電子制御装置から無段階の印加電圧(又は電流)が供給されるようになっている。従って電磁コイル26に所定の印加電圧が加えられると、これに応じた磁力が発生し、この磁力はヨーク13に集められ、プランジャ6をリターンスプリング23の付勢力に抗じて所定量吸引する。こうしてプランジャ6は、印加電圧に比例した量だけ連通ポート5を開放する。
【0022】
ここで、ヨーク13の嵌合穴17の外周壁は比較的薄肉とされ、さらにその左端部は、外周部が左が小径となるようテーパ状に切り欠かれ、エッジ部27とされている。これによって磁力がエッジ部27に集中し、プランジャ6に対する吸引力が増すようになる。
【0023】
この電磁弁1の特徴は以下の通りである。まず、プランジャ6のテーパ部15を連通ポート5内壁のシート部22に着座させて、連通ポート5を閉じるので、パッキン等のシールが不要となり、またこれがなくてもシールを完全に行える。これによって閉弁時の流体漏れや、開弁時のシールリークによる流量不均一の問題がなくなり、正確且つ安定した流量制御が行えるようになる。なお着座部のシール強さはリターンスプリング23の付勢力に比例する。
【0024】
また各パーツの形状がシンプルなので加工や組立てが容易である。そしてテーパ部15とシート部22との間に埃等が噛み込んでも、作動中流体によって吹き飛ばすことができるので、作動不良を起こすことがない。こうしてシール性が良好で、構造が簡易で、安定した作動を確実に行える電磁弁を提供することができる。
【0025】
一方、この電磁弁1は、後述の理由により、第1ポート3と第2ポート4のいずれを入口(加圧)ポートとしても、またいずれを出口(排出)ポートとしてもよい。使用流体もエア、オイル、水等任意である。
【0026】
ここで仮に第2ポート4を入口とし、流体にエアを使用したとする。第2ポート4にエア圧がかかった状態で、電磁コイル26を励磁させ連通ポート5を開放すると、エアはテーパ部15とシート部22との間の絞り通路28(図5参照、ただし図のエア流れ方向は逆向き)を通過し、所定流量に制限されて第1ポート3から排出される。このとき、絞り通路28に対し上流側(第2ポート4側)が、下流側(第1ポート3側)より高圧となるので、プランジャ6に右向きの推力が発生し、電磁コイル26の吸引力とリターンスプリング23の付勢力とのバランスが崩れ、好ましくない。しかし、この推力は圧力作用室14による反対側からの加圧により、打ち消される。
【0027】
即ち、絞り通路上流側の圧力は、連通通路24を通じて圧力作用室14に導入される。すると圧力作用室14が加圧状態となり、プランジャ6には左向きの推力が発生する。即ち、プランジャ6の縮径部21とヨーク13の嵌合穴17との間に、隙間或いは切欠等による図示しない通路が設けられており、連通通路24から出たエアは嵌合穴17からその通路を通じて縮径部21外周側に至り、プランジャ挿通穴12と軸状部16の隙間を通じてシールリング20手前までまわり込む。
【0028】
シート部22のテーパ径D2 とシールリング20のシール径D1 とが等しいので、連通ポート5内の第2ポート4側の右向き推力発生面積と、圧力作用室14内の左向き推力発生面積とが等しくなり、第2ポート4への供給エア圧の大小に拘らず、これら推力をバランスさせることができる。一方、連通ポート5内の第1ポート3側でも低圧が発生するが、ここにあるテーパ部15のテーパ面と右端面とで圧力バランスさせることができるから、ここでも推力の発生をなくすことができる。
【0029】
結局、連通ポート5内の第1ポート3側と第2ポート4側との差圧によっては、プランジャ6への推力が働かなくなり、電磁コイル26の吸引力とリターンスプリング23の付勢力とのバランスを、流体圧力、流量等によらず常に一定に保つことができる。これによって電磁弁1の作動が安定し、狙い通りの流量を得やすくなると共に、出口側ポートに残圧や2次圧が働いても問題なく使用できる。
【0030】
また閉弁時に第2ポート4を加圧状態にしても、逆向きの同じ力が圧力作用室14から付与されるので、プランジャ6が開動してしまうようなことがない。
【0031】
以上の説明から、第1ポート3と第2ポートの入口、出口関係を逆にしても、同様の作用効果を生じることが明らかである。これによって配管のレイアウト性が向上する。なおこのときのエアの流れが図5に示したような方向となる。
【0032】
この電磁弁1では絞り通路28の通路面積をプランジャ6のストロークに比例して変化させることができる。よって図8(b) に示すように、従来((a) )より流量特性がリニアになり、好ましい特性とすることができる。
【0033】
なお、プランジャ6が最大ストロークしたときは弾性体18に当たるようになるため、衝撃が吸収され、ヨーク13に直接当てるよりも耐久性、騒音等の点で有利となる。
【0034】
ここで、図5に示すように、シート部22は僅かではあるが軸方向にある一定の長さを有し、軸方向に沿って内径が変化する。よってシート部22のテーパ径D2 とは最小内径D2minから最大内径D2maxまでの範囲をいい、シート部22のテーパ径D2 がシールリング20のシール径D1 (軸状部16の外径D1 )に等しいとは、D2min≦D1 ≦D2maxの関係を満たすことをいう。この関係を満たす限り、リターンスプリング23のバネ力を若干調整してやるだけで、推力バランスが容易に取れるようになる。
【0035】
なお、テーパ部15又はシート部22の着座面にゴムやメタル等のシールを設けてもよい。シール性を重視するなら設けた方が有利だし、耐久性を重視するなら無い方がよい。
【0036】
ところで、この電磁弁1においても以下のような問題がある。
【0037】
図5に示すように、仮に第1ポート3から第2ポート4に向かう流体流れがあるとすると、絞り通路28で流体が絞られ、高速となり、負圧Pが発生する。よって負圧Pの軸方向成分Pxがプランジャ6に閉弁方向の推力を与え、推力バランスが崩されるという問題がある。言い換えれば、前記参考形態では静的バランスは取られているものの、動的バランスは十分でない。
【0038】
よって、図2に示す実施形態でこの問題を解決するようにしている。これにおいては第1ポート3が入口側、第2ポート4が出口側とされると共に、プランジャ6のテーパ部15がより先細りとされ、シート部22の流体流れ方向下流側の内壁30が、テーパ部15と平行に第2ポート4側に延出され、シート部22より下流側の流体通路31を絞るようになっている。流体通路31の出口部に連通通路24の左端が臨ませられる。他の構成は前記参考形態と同様なので、図中同一符号を付し説明を省略する。
【0039】
これによれば、図6に示すように、絞り通路28を通過した後も流体通路31内を流体が比較的高速で流れるため、流体通路31の出口部で、高速流体に引っ張られて連通通路24内の流体が吸引され、これによって圧力作用室14内に負圧Pqが作用され、圧力作用室14内でプランジャ6に右向き(開弁方向)の推力を与えることができる。従って負圧Pの軸方向成分Pxによる閉弁方向の推力が相殺され、動的バランスを取ることが可能となる。
【0040】
この説明から分かるように、本実施形態では第1ポート3を入口、第2ポート4を出口とする使い方しかできない。しかしこの使い方をする限り、プランジャ推力の静的、動的バランスを完全に取ることが可能となり、常に印加電圧に比例した開口面積を得ることができる。
【0041】
図3、図4は同様の考え方に沿った他の実施形態を示す。これにおいては、第1ポート3を入口、第2ポート4を出口にすると共に、連通ポート5の内壁形状及びテーパ部15の外形状は図1の参考形態同様で、代わりに連通通路24の形状を変えている。
【0042】
即ち、図7にも示すように、連通通路24は、左端が閉じられた中心穴32と、中心穴32の左端から延出してシート部22(絞り通路28)の流体出口部の位置に開口する小孔33とからなっている。小孔33はここでは複数が放射状に設けられるが、例えば1本としても構わない。
【0043】
これによれば、絞り通路28を通過した直後の高速流体で、小孔33から連通通路24内の流体を吸引し、圧力作用室14に負圧Pqを作用させることができる。よって小孔33は、プランジャ6が右移動して連通ポート5を開放したとき、シート部22(絞り通路28)の流体出口部の位置に丁度くるよう、開口位置が定められている。
【0044】
この構成によれば、図1の参考形態に対し、連通ポート5(バルブボディ2)の内壁形状等を変えず、穴の変更のみで済むので、図2の実施形態に比べ変更が容易となるメリットがある。
【0045】
以上、本発明は上記実施形態以外にも種々の変形が可能である。
【0046】
【発明の効果】
本発明は次の如き優れた効果を発揮する。
【0047】
(1) シール性が向上し、正確且つ安定した流量制御が行えるようになる。
【0048】
(2) 構造を簡易化できる。
【0049】
(3) プランジャ推力の発生を防止できる。
【0050】
(4) プランジャ推力の静的、動的バランスを完全に取ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係る電磁弁の実施の形態の前提となる参考の形態を示す縦断面図である。
【図2】 本発明に係る電磁弁の実施の形態を示す縦断面図である。
【図3】 本発明に係る電磁弁の他の実施の形態を示す縦断面図で、閉弁時の状態を示す。
【図4】 本発明に係る電磁弁の他の実施の形態を示す縦断面図で、開弁時の状態を示す。
【図5】 絞り通路における流体流れと負圧とを示す拡大図である。
【図6】 図2の実施の形態の作用を示すための概略図である。
【図7】 図3の実施の形態の作用を示すための概略図である。
【図8】 流量特性を示し、(a) は従来、(b) は本案である。
【図9】 従来の電磁弁を示す縦断面図である。
【符号の説明】
1 電磁弁
3 第1ポート
4 第2ポート
5 連通ポート
6 プランジャ
14 圧力作用室
15 テーパ部
20 シール部材
22 シート部
24 連通通路
31 流体通路
D1 シール径
D2 テーパ径
Pq 負圧
Claims (2)
- 複数のポートを連通する連通ポートをプランジャの進退により開閉する電磁弁であって、前記プランジャの一端側にテーパ部を設け且つ他端側に軸状部を設けると共に、前記連通ポートの内壁にテーパ状のシート部を設け、前記プランジャのテーパ部を前記シート部に着座させることにより前記連通ポートを閉じるようにし、且つ、前記プランジャの軸状部を圧力作用室に収容し、該圧力作用室と前記連通ポートとを前記プランジャの軸状部の外周に配されたシール部材により仕切り、前記プランジャに前記連通ポートと前記圧力作用室とを連通する連通通路を設け、前記シート部の最小内径と前記プランジャの軸状部の外径とを等しくして、前記シート部に着座した前記プランジャのテーパ部における前記シート部よりも縮径側の部分の軸方向投影面積である前記連通ポート内の前記圧力作用室側への推力発生面積と、前記圧力作用室内の前記連通ポート側への推力発生面積とを等しくし、
前記連通ポートにおいて、前記シート部より流体流れ方向下流側の流体通路を絞り、該流体通路の出口部に前記連通通路の一端を臨ませ、前記圧力作用室に前記連通通路を介して開弁時の流体流れに応じた負圧が作用されるようにしたことを特徴とする電磁弁。 - 複数のポートを連通する連通ポートをプランジャの進退により開閉する電磁弁であって、前記プランジャの一端側にテーパ部を設け且つ他端側に軸状部を設けると共に、前記連通ポートの内壁にテーパ状のシート部を設け、前記プランジャのテーパ部を前記シート部に着座させることにより前記連通ポートを閉じるようにし、且つ、前記プランジャの軸状部を圧力作用室に収容し、該圧力作用室と前記連通ポートとを前記プランジャの軸状部の外周に配されたシール部材により仕切り、前記プランジャに前記連通ポートと前記圧力作用室とを連通する連通通路を設け、前記シート部の最小内径と前記プランジャの軸状部の外径とを等しくして、前記シート部に着座した前記プランジャのテーパ部における前記シート部よりも縮径側の部分の軸方向投影面積である前記連通ポート内の前記圧力作用室側への推力発生面積と、前記圧力作用室内の前記連通ポート側への推力発生面積とを等しくし、
前記連通ポートにおいて、前記シート部の流体出口部の位置に前記連通通路の一端を臨ませ、前記圧力作用室に前記連通通路を介して開弁時の流体流れに応じた負圧が作用されるようにしたことを特徴とする電磁弁。
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