JP4004301B2

JP4004301B2 - 電磁弁

Info

Publication number: JP4004301B2
Application number: JP2002029358A
Authority: JP
Inventors: 浩奈良
Original assignee: 三輪精機株式会社
Priority date: 2002-02-06
Filing date: 2002-02-06
Publication date: 2007-11-07
Anticipated expiration: 2022-02-06
Also published as: JP2003232463A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電磁弁（solenoid controlled valve ）に関し、特に、電磁操作弁（solenoid operated valve ）に係り、例えば、自動車用ディーゼルエンジンの排気ガス再循環弁（exhaust gas recirculation valve ）を制御するのに利用して有効なものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車用ディーゼルエンジンの排気ガス再循環弁を制御するのに、電磁石の吸引力によって弁体を動かし切り換え操作を行わせる電磁操作弁が使用されている。従来のこの種の電磁操作弁は、弁体が弁座にバルブスプリングによって着座されることにより弁口が閉じられており、プランジャが電磁石の吸引力によって吸引されることによりプランジャに連結された弁体が弁座から離座して弁口を開くように構成されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
排気ガス再循環弁を制御する電磁操作弁は自動車に搭載され、しかも、ディーゼルエンジンの近傍に設置されるため、小形軽量化や低コストおよび長寿命が要求されるばかりでなく、優れた耐振性および耐熱性が要求されている。
【０００４】
そこで、バルブスプリングの弾発力を大きく設定することによって耐振性を高めると、電磁石の吸引力はバルブスプリングの弾発力に抗して弁体を移動させる必要があるため、電磁石の定格が大きくなってしまう。従来、バルブスプリングの弾発力は入口ポートの空気圧による開弁方向の力と、弁体が外部からの振動を受けて開弁方向に作用する力とを押えるように設計されている。
【０００５】
本発明の目的は、電磁弁の入口ポートに作用する空気圧を弁体を開弁方向に作用する空気圧と弁体を閉弁方向に作用する空気圧とに分岐して、これらをバランスさせ、バルブスプリングの弾発力を弁体が外部から加振力を受けて開弁方向に作用する力を主として押圧するようにすることにより、バルブスプリングの弾発力を従来のものよりも小さな弾発力で済むようにしてバルブスプリングおよび電磁石の小型軽量化を図り、かつ、耐久性を向上させた電磁弁を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る第一の電磁弁は、ハウジングの入口ポートと出口ポートとに連通する弁口を有し、この弁口を取り囲む弁座が一端面に形成された弁座部材と、この弁座部材に摺動自在に嵌合されて前記弁座に離着座して前記弁口を開閉する有底円筒状の弁体と、この弁体を前記弁座に着座させる方向に付勢するバルブスプリングと、前記弁体を前記弁座から離座させる方向に付勢する電磁石とを備えており、前記有底円筒状の弁体の内側は大径部と段差部と小径部とによって形成されており、前記段差部の前記大径部側が前記弁座部材の中心部に形成され前記弁口および前記ハウジングの入口ポートに連通する弁路に連通していることを特徴とする。
【０００７】
本発明に係る第二の電磁弁は、ハウジングの入口ポートと出口ポートとに連通する弁口を有し、この弁口を取り囲む弁座が一端面に形成された弁座部材と、この弁座部材に摺動自在に嵌合されて、前記弁座に離着座して前記弁口を開閉する有底円筒状の弁体と、この弁体を前記弁座に着座させる方向に付勢するバルブスプリングと、前記弁体を前記弁座から離座させる方向に付勢する電磁石とを備えており、前記有底円筒状の弁体を収納する前記ハウジングの内面が大径部と段差部と小径部によって形成されており、前記段差部の前記大径部側が前記有底円筒状の弁体の連通路を介して前記弁座部材の中心部に形成され、前記弁口および前記ハウジングの入口ポートに連通する弁路に連通していることを特徴とする。
【０００８】
前記した手段によれば、弁体の弁座への着座時に、弁体には入口ポートの空気圧によって開弁方向に作用する力と、入口ポートの空気圧を分岐して弁体を閉じる方向に作用する力とをバランスさせることができるので、従来の空気圧による開弁方向に作用する力を押圧するバルブスプリングの弾発力は不用となり、バルブスプリングには外部からのエンジン振動や車体振動による加振力によって弁体を開く方向に作用する力のみを押圧すれば充分となる。したがって、電磁石は従来の略１／２の重量で済み、電磁弁を小型軽量化することが可能となり、電磁操作弁の耐振性を高めることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態を図面に即して説明する。
【００１０】
本実施の形態において、本発明に係る電磁弁は、自動車用ディーゼルエンジンの排気ガス再循環弁を制御するのに使用して有効な電磁操作弁として構成されている。図１に示されているように、電磁操作弁１は弁装置１０とソレノイド５０とを備えており、弁装置１０とソレノイド５０とは同軸に配置されて固定されている。弁装置１０は非磁性材料によって成形されたハウジング１１を備えており、ハウジング１１には弁室１２が形成されているとともに、入口ポート１３および出口ポート１４が弁室１２の一端面（以下、下端面とする。）および側面にそれぞれ接続するように開設されている。入口ポート１３はコンプレッサ等から構成された圧力供給源に接続されるようになっており、出口ポート１４は排気ガス再循環弁の操作部におけるシリンダ室に接続されるようになっている。
【００１１】
弁室１２と入口ポート１３との間には固定孔１５が開設されており、この固定孔１５には弁座部材２０の固定端部２１が弁室１２側から圧入されて固定されている。弁座部材２０は非磁性材料が使用されて、図２（ｂ）に示されているように、略三段円柱形状に一体成形されている。弁座部材２０の中心線上には下端において入口ポート１３に連通する弁路２２が開設されており、弁路２２の上端部には弁室１２において開口する弁口２３が形成されている。弁座部材２０の上端面には弁座２４が弁口２３を取り囲む略円錐台形状に形成されている。
【００１２】
弁座部材２０の外周面２５の中間部には上側シールリング保持溝（以下、上側保持溝という。）２６Ａと下側シールリング保持溝（以下、下側保持溝という。）２６Ｂとが、上下に離間されてそれぞれ環帯溝形状に没設されており、上側保持溝２６Ａには上側シールリング２７Ａが、下側保持溝２６Ｂには下側シールリング２７Ｂがそれぞれ嵌入されて保持されている。上側シールリング２７Ａおよび下側シールリング２７Ｂの外径Ｄ₂₇は弁座部材２０の外周面２５の外径Ｄ₂₅よりも大きく設定されている。外周面２５の上側保持溝２６Ａと下側保持溝２６Ｂとの間には環状溝２８が没設されており、環状溝２８の底面には他端が弁路２２に接続された連絡路２９の一端が接続されている。この連絡路２９は弁体３０に作用する入口ポートの空気圧を分岐して弁体３０に閉弁方向の力を与えるための通路である。
【００１３】
図１および図２（ａ）に示されているように、弁座部材２０の外側には図２（ｃ）に示された弁体３０が上側から摺動自在に嵌合されている。弁体３０は磁性ステンレス鋼等の磁性を有する材料が使用されて上端が閉塞した略円筒形状に成形されている。弁体３０の筒中空室３１を形成する筒壁３２の内周面の下端部には段差部３３が形成されており、この段差部３３の上側には大径部３４が形成され下側には小径部３５が形成されている。筒中空室３１の下側に位置した小径部３５の内径Ｄ₃₅は弁座部材２０の外周面２５の外径Ｄ₂₅と略等しく設定されており、筒中空室３１の中間部に位置した大径部３４の内径Ｄ₃₄は弁座部材２０の外周面の外径Ｄ₂₅よりも若干大きめに設定されている。弁体３０が弁座部材２０に摺動自在に嵌合された状態において、弁体３０の大径部３４の内周面には弁座部材２０の上側シールリング２７Ａが圧縮状態で接触しており、小径部３５の内周面には下側シールリング２７Ｂが圧縮状態で接触している。
【００１４】
弁体３０には筒中空部３１と弁室１２とを連通させる弁孔３７が筒壁３２と上端閉塞壁３６とに掛けて開設されている。弁体３０の上端閉塞壁３６の下面の中心線上にはゴムまたは樹脂から形成された下側シート部材３８が嵌着され、上端閉塞壁３６の上面の中心線上には上側シート部材３９が嵌着されており、下側シート部材３８と上側シート部材３９とは連結部４０によって一体的に連結されている。弁体３０の外周の中間部にはスプリングシート部４１が形成されており、図１に示されているように、スプリングシート部４１と後記するソレノイド５０のベース５１との間には渦巻き圧縮コイルスプリングからなるバルブスプリング４２が、弁体３０を常時下方に付勢するように介設されている。このバルブスプリング４２の下方への付勢により、弁体３０の下側シート部材３８が弁座部材２０の弁座２４に着座されるようになっている。但し、バルブスプリング４２は従来のスプリングとは異なり、弁体３０が外部から振動を受けることによって弁体３０が開弁方向に動くのを押圧するだけの弾発力があれば充分である。入口ポートの空気圧によって弁体を開く方向に作用する力は連絡路２９で分岐され弁体３０を閉弁方向に作用する力と略バランスしているからである。
【００１５】
ソレノイド５０は磁性材料が使用されて略正方形の平板形状に形成されたベース５１を備えており、このベース５１はハウジング１１の上端面にシールリング５２を挟んで当接されている。ベース５１の上には非磁性材料が使用されて略円筒形状に形成されたハウジング５３が固定されており、ハウジング５３の中空部にはコイルボビン５５にコイル線材５６が巻装された電磁石５４が内蔵されている。電磁石５４のコイルボビン５５の中空部の下端部内には弁体３０の上端部が挿入されており、弁体３０は電磁石５４の電磁力によって吸引されるようになっている。一端部が電磁石５４のコイル線材５６に電気的に接続されたリード線５７の他端部は、ハウジング５３に突設されたカプラ５８に引き出されてコネクタ５９に電気的に接続されている。カプラ５８のコネクタ５９には排気ガス再循環弁のコントローラからの指令信号を伝達する電気配線が接続されるようになっている。
【００１６】
電磁石５４のコイルボビン５５の中空部には磁性ステンレス鋼等の磁性材料によって形成されたコア６０の下端部が嵌入されており、コア６０は中間部の外周に突設された鍔部６１を磁性材料で形成されたカバー６２によって押さえられ、カバー６２の下端フランジ部でベース５１を挟んでハウジング１１の上端面に複数のボルト（図示せず）によって固定されている。コア６０の中心線上には大気に開口した排気ポート１６が開設されており、排気ポート１６の下端部には弁口１７が形成されている。コア６０の下端面には排気ポート弁座１８が弁口１７を取り囲む略円錐台形状に形成されており、排気ポート弁座１８は弁体３０の上端閉塞壁３６の上面に配置された上側シート部材３９に対向されている。
【００１７】
次に、作用を説明する。
【００１８】
ソレノイド５０の消磁状態においては、弁体３０の下側シート部材３８は弁座部材２０の弁座２４に着座しており、弁体３０の上側シート部材３９は排気ポート弁座１８から離座している。この状態においては、入口ポート１３の圧力Ｐ₁ は圧力供給源からの供給圧力になっており、出口ポート１４および排気ポート１６の圧力Ｐ₂ は大気圧になっている。ここで、弁体３０の大径部３４の内径Ｄ₃₄による受圧面積と小径部３５の内径Ｄ₃₅による受圧面積との差に基づく下向きの力をＦ、下側シート部材３８と弁座２４との有効径をＤ₂₄、バルブスプリング４２の弾発力をＳ、弁体３０の下側シート部材３８の弁座２４への押し付け力をＡとすると、次式（１）、（２）が成立している。
【００１９】
Ｆ＝（π×Ｄ₃₄ ² ／４−π×Ｄ₃₅ ² ／４）×Ｐ₁ ・・・（１）
Ａ＝（Ｆ＋Ｓ）−（π×Ｄ₂₄ ² ／４）×Ｐ₁ ・・・（２）
【００２０】
（２）式から明らかな通り、弁体３０はバルブスプリング４２の弾発力Ｓに加えて弁体３０の受圧面積差に基づく力Ｆによって弁座部材２０の弁座２４に押し付けられているため、バルブスプリング４２の弾発力Ｓを小さく設定することができる。本実施の形態においては、
Ｆ＝π×Ｄ₂₄ ² ／４×Ｐ₁ ・・・（３）
に設定してバルブスプリング４２は弁体３０が外部から振動を受けて開弁する方向に受ける力を押圧する程度に設定されている。ちなみに、従来のバルブスプリングの押圧力は１．１ｋｇであったが、本発明の実施の形態では０．２ｋｇの押圧力で充分である。これにより、電磁石の重量が従来の約１／２の重量となり、電磁操作弁の耐振性は大巾に向上した。
【００２１】
ソレノイド５０が励磁されると、電磁石５４のコイルボビン５５の中空部の下端部内に挿入された弁体３０は電磁石５４の電磁力によって吸引されるため、弁体３０の下側シート部材３８は弁座部材２０の弁座２４から離座し、弁体３０の上側シート部材３９が排気ポート弁座１８に着座する。この時の電磁石５４の電磁力Ｂは押し付け力Ａに打ち勝つもの、すなわち、Ｂ≧Ａ、を満足すればよい。
【００２２】
弁体３０の下側シート部材３８が弁座部材２０の弁座２４から離座するとともに、上側シート部材３９が排気ポート弁座１８に着座すると、入口ポート１３の供給圧力Ｐ₁ が弁口２３、弁孔３７、弁室１２を通じて出口ポート１４に供給されるため、排気ガス再循環弁に所定のパイロット圧力が供給される。
【００２３】
ソレノイド５０が消磁されると、弁体３０は次式（４）の押し下げ力Ｃによって押し下げられることにより、弁体３０の上側シート部材３９が排気ポート弁座１８から離座し、下側シート部材３８が弁座部材２０の弁座２４に着座するため、入口ポート１３の供給圧力Ｐ₁ の出口ポート１４への供給は遮断され、出口ポート１４の圧力は大気圧Ｐ₂ になる。
【００２４】
図１に示されているように、排気ポート弁座１８の直径をＤ₁₈とすれば、
Ｃ＝Ｆ＋Ｓ−（π×Ｄ₁₈ ² ／４）×Ｐ₁ ・・・（４）
【００２５】
以上説明したように、本実施の形態によれば、弁体はバルブスプリングの弾発力に加えて弁体の受圧面積差に基づく力によって弁座部材の弁座に押し付けられているため、バルブスプリングの弾発力を小さく設定することができるので、電磁操作弁は高い耐振性を維持することができ、また、電磁石の吸引力を従来の約１／５にすることができ、したがって、電磁石の定格を小さく設定することができる。
【００２６】
図３および図４は本発明の第二の実施の形態を示しており、図３は電磁操作弁を示す図１に相当する縦断面図であり、図４は電磁操作弁の主要部を示す図２に相当する各縦断面図である。
【００２７】
本実施の形態が前記実施の形態と異なる点は、弁体の受圧面積差に基づく力を発生するための大径部と小径部とが弁体の外周面に対向するハウジング１１Ａの内周面に配設されている点である。図４（ａ）および（ｂ）に示されているように、本実施の形態に係る弁体３０Ａに対向するハウジング１１Ａの内周面の下部には、内径Ｄ₃₄を有する大径部３４Ａが形成されており、ハウジング１１Ａの上部には内径Ｄ₃₄より小径の内径Ｄ₃₅を有する小径部３５Ａが形成されている。また、図４（ｂ）に示されているように、大径部３４Ａと小径部３５Ａとを繋ぐ段差部３３Ａが形成されている。ハウジング１１Ａの内径部に挿入される弁体３０Ａは、図４（ｃ）に示されているように、外径ｄ₃₅がハウジング１１Ａの小径部Ｄ₃₅より若干小さ目に形成されており、小径部Ｄ₃₅内を摺動するように形成されている。また、弁体３０Ａは弁体上端部３５’から下端部３４’までｄ₃₅の同一外径で形成されており、ハウジング１１Ａの段差部３３Ａに対向する位置には、連絡路２９’が形成されている。この連絡路２９’は弁座部材２０Ａの連絡路２９と略同じ高さの位置に形成されており、これらの連絡路２９、２９’により入口ポートの空気圧を分岐する通路が形成されている。そして、この連絡路２９’の上側にはシールリング保持溝２６Ｃが形成されており、下側にはシールリング保持溝２６Ｄが形成されている。また、弁体３０Ａには内径ｄ₃₄の筒中空室３１Ａが形成されており、図４（ｂ）に示されている弁座部材２０Ａが図４（ａ）に示されているように挿入される。なお、弁座部材２０Ａは実質的に図２（ｂ）に示されている弁座部材２０と同じであるので、説明は省略する。
【００２８】
本実施の形態においても、弁体３０Ａの下側シート部材３８の弁座部材２０Ａの弁座２４への着座時に、図３に示されているバルブスプリング４２Ａの弾発力Ｓに加えてハウジング１１Ａの大径部３４Ａの内径Ｄ₃₄による受圧面積と、ハウジング１１Ａの小径部３５Ａの内径Ｄ₃₅による受圧面積との差に基づく下向きの力Ｆが弁体３０Ａに作用するため、バルブスプリング４２Ａの弾発力Ｓを従来のバルブスプリングに対して大巾に低減させることができる。したがって、電磁石の吸引力も小さくて済むので、電磁操作弁を小型軽量化することができるので耐振性の向上を図ることができる。また、電磁操作弁は高い耐振性を維持することができる。また、電磁石の吸引力を増強せずに済むため、電磁石の定格を小さく設定することができる。
【００２９】
なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々に変更が可能であることはいうまでもない。
【００３０】
例えば、前記実施の形態では排気ガス再循環弁に使用した場合について説明したが、本発明はこれに限らず、リリーフ弁や減圧弁のような圧力制御弁等に適用することができる。
【００３１】
また、前記実施の形態では電磁操作弁について説明したが、本発明は電磁パイロット（操作）切換弁（solenoid controlled pilot operated valve）にも適用することができる。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、バルブスプリングの弾発力を大きく設定しなくとも、電磁弁の耐振性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態である電磁操作弁を示す縦断面図である。
【図２】（ａ）は弁体と弁座部材の組立体を示す縦断面図、（ｂ）は弁座部材を示す縦断面図、（ｃ）は弁体を示す縦断面図である。
【図３】本発明の第二の実施の形態である電磁操作弁を示す縦断面図である。
【図４】その主要部を示す図２に相当する縦断面図であり、（ａ）は弁体と弁座部材の組立体、（ｂ）は弁座部材、（ｃ）は弁体をそれぞれ示している。
【符号の説明】
１…電磁操作弁（電磁弁）、１０…弁装置、１１、１１Ａ…ハウジング、１２…弁室、１３…入口ポート、１４…出口ポート、１５…固定孔、１６…排気ポート、１７…弁口、１８…排気ポート弁座、２０、２０Ａ…弁座部材、２１…固定端部、２２…弁路、２３…弁口、２４…弁座、２５…外周面、２６Ａ…上側シールリング保持溝（上側保持溝）、２６Ｂ…下側シールリング保持溝（下側保持溝）、２６Ｃ…上側シールリング保持溝（上側保持溝）、２６Ｄ…下側シールリング保持溝（下側保持溝）、２７Ａ…上側シールリング、２７Ｂ…下側シールリング、２８…環状溝、２９、２９’…連絡路、３０、３０Ａ…弁体、３１、３１Ａ…筒中空室、３２…筒壁、３３…弁体の段差部、３３Ａ…ハウジングの段差部、３４…弁体の大径部、３４’…弁体下端部、３４Ａ…ハウジングの大径部、３５…弁体の小径部、３５’…弁体上端部、３５Ａ…ハウジングの小径部、３６…上端閉塞壁、３７…弁孔、３８…下側シート部材、３９…上側シート部材、４０…連結部、４１…スプリングシート部、４２…バルブスプリング、５０…ソレノイド、５１…ベース、５２…シールリング、５３…ハウジング、５４…電磁石、５５…コイルボビン、５６…コイル線材、５７…リード線、５８…カプラ、５９…コネクタ、６０…コア、６１…鍔部、６２…カバー。

Claims

ハウジングの入口ポートと出口ポートとに連通する弁口を有し、この弁口を取り囲む弁座が一端面に形成された弁座部材と、この弁座部材に摺動自在に嵌合されて前記弁座に離着座して前記弁口を開閉する有底円筒状の弁体と、この弁体を前記弁座に着座させる方向に付勢するバルブスプリングと、前記弁体を前記弁座から離座させる方向に付勢する電磁石とを備えており、前記有底円筒状の弁体の内側は大径部と段差部と小径部とによって形成されており、前記段差部の前記大径部側が前記弁座部材の中心部に形成され前記弁口および前記ハウジングの入口ポートに連通する弁路に連通していることを特徴とする電磁弁。
ハウジングの入口ポートと出口ポートとに連通する弁口を有し、この弁口を取り囲む弁座が一端面に形成された弁座部材と、この弁座部材に摺動自在に嵌合されて、前記弁座に離着座して前記弁口を開閉する有底円筒状の弁体と、この弁体を前記弁座に着座させる方向に付勢するバルブスプリングと、前記弁体を前記弁座から離座させる方向に付勢する電磁石とを備えており、前記有底円筒状の弁体を収納する前記ハウジングの内面が大径部と段差部と小径部によって形成されており、前記段差部の前記大径部側が前記有底円筒状の弁体の連通路を介して前記弁座部材の中心部に形成され、前記弁口および前記ハウジングの入口ポートに連通する弁路に連通していることを特徴とする電磁弁。