JP4516011B2

JP4516011B2 - ガス比例弁

Info

Publication number: JP4516011B2
Application number: JP2005363620A
Authority: JP
Inventors: 邦夫片岡; 正則清水
Original assignee: Rinnai Corp
Current assignee: Rinnai Corp
Priority date: 2005-12-16
Filing date: 2005-12-16
Publication date: 2010-08-04
Anticipated expiration: 2025-12-16
Also published as: JP2007162911A

Description

本発明は、ガス器具においてバーナに供給するガス流量を可変するために使用するガス比例弁に関する。

従来、この種のガス比例弁として、ガス入口室と、ガス出口室と、ガス入口室とガス出口室とを連通する弁孔を開設した弁座とを有する弁筐と、ガス入口室の弁座と反対側の面を閉塞するダイヤフラムと、弁筐内に弁座のガス出口室側の面に対向するように配置された、ダイヤフラムに連結される弁体と、ダイヤフラムを挟んでガス入口室と反対側に配置された、励磁コイルと可動鉄心とを有するソレノイドとを備え、励磁コイルへの通電で発生する磁力により可動鉄心を介して弁体を変位させるようにしたものは知られている(例えば、特許文献１参照)。このものでは、ガス流量が励磁コイルへの通電電流値に応じて変化すると共に、ガス入口室のガス圧(１次圧)が変動してもダイヤフラムに連動して弁体が変位して、１次圧の変動によるガス流量の変動が防止される。

更に、このものでは、弁体及び可動鉄心の自重の影響で制御精度が悪化することを防止するため、弁体及び可動鉄心の自重をキャンセルするための付勢手段を備えている。ここで、ガス比例弁をソレノイドが上方に位置する姿勢で配置する場合、付勢手段は、弁筐内に設けた、弁体を上方に付勢する第１スプリングと、可動鉄心とその上方に設けられるスプリング受けとの間に介設した、可動鉄心を下方に付勢する第２スプリングとで構成される。第１スプリングの付勢力は、弁体及び可動鉄心が自重に抗して押し上げられて弁体が弁座に着座するように、即ち、弁孔が弁体で閉塞されてガス比例弁が閉弁状態になるように設定される。そして、第２スプリング用のスプリング受けを上下に位置調節自在とし、第２スプリングの付勢力を、スプリング受けの位置調節により、弁体及び可動鉄心が第１スプリングの付勢力に抗して押し下げられて弁体が弁座から若干離れるように、即ち、ガス比例弁が小開度で開かれるように調節している。換言すれば、第２スプリング用のスプリング受けを付勢力調節手段として、励磁コイルへの非通電時にガス比例弁が小開度で開かれるように付勢手段の付勢力を調節している。

また、ガス比例弁をソレノイドが下方に位置する倒置姿勢で配置する場合は、可動鉄心とその下方に設けられるスプリング受けとの間に介設した、可動鉄心を上方に付勢するスプリングで付勢手段を構成している。そして、スプリング受けを上下に位置調節自在とし、スプリングの付勢力を、付勢力調節手段たるスプリング受けの位置調節で、弁体及び可動鉄心が自重に抗して押し上げられて弁体が弁座から若干離れるように調節している。

ところで、ガス比例弁によるガス流量の可変範囲の下限値はバーナが失火等を生ずることなく安定燃焼する範囲で可及的に小さく設定する必要があり、励磁コイルに通電する最小電流値をガス流量が所要の下限値になるように正確に設定することが必要になる。最小電流値は、ガス比例弁を制御するマイコンへの設定器からの信号により微小幅で変更できるようになっている。そして、ガス比例弁をガス器具に組み込んだ後、ガス出口室のガス圧(２次圧)がガス流量の所要の下限値に対応する値(一般的に１５ｍｍＨ_２Ｏ)になるように、２次圧を計測しながら最小電流値を調節している。

図８は、非通電時にガス比例弁が小開度で開かれるようにした場合の励磁コイルへの通電電流値と２次圧との相関関係を示している。従来例の如く非通電時にガス比例弁が小開度で開かれるように付勢手段の付勢力を調節すれば、２次圧がガス流量の所要の下限値に対応する１５ｍｍＨ_２Ｏになるときの電流値が小さくなり、消費電力の低減を図ることができる。然し、２次圧は電流値に対し２次曲線的に変化し、低電流域での電流値に対する２次圧の変化量は極小さくなる。ここで、最小電流値の可変設定範囲はマイコンの能力上の制約から然程広く確保できない。そのため、付勢手段の付勢力のバラツキで非通電時の２次圧が変化すると、２次圧が１５ｍｍＨ_２Ｏになるポイントが最小電流値の可変設定範囲から外れて、最小電流値を正しく設定できなくなる。従って、個々のガス比例弁について付勢手段の付勢力を正確に調節することが必要になり、その調節作業が非常に面倒になる。

また、ダイヤフラムは、ガス比例弁が閉弁状態であるときのダイヤフラムの形状に合わせて成形されるため、従来例の如く非通電時にガス比例弁が小開度で開かれるようにすると、非通電時にダイヤフラムが成形形状とは異なる形状に撓むことになる。そのため、ダイヤフラムに常時応力が作用し、ダイヤフラムの経時劣化を生じやすくなる。従って、付勢手段の付勢力を正確に調節しても、その後のダイヤフラムの劣化で非通電時の２次圧が変化して、２次圧が１５ｍｍＨ_２Ｏになるポイントが最小電流値の可変設定範囲から外れてしまうことが間々ある。この場合、付勢手段の付勢力を再調節することが必要になるが、ガス比例弁をガス器具に組み込んだ状態でスプリング受け等の付勢力調節手段を操作することはガス器具内の他の部品が邪魔になって難しい。そのため、ガス比例弁を一旦ガス器具から取外して付勢力調節手段を操作せざるを得なくなり、メンテナンス作業が非常に面倒になる。
特開平７−１５８７６２号公報

本発明は、以上の点に鑑み、付勢手段の付勢力の調節を不要として生産性の向上を図ることができるようにすると共に、ダイヤフラムの経時劣化も可及的に抑制できるようにしたガス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、ガス入口室と、ガス出口室と、ガス入口室とガス出口室とを連通する弁孔を開設した弁座とを有する弁筐と、ガス入口室の弁座と反対側の面を閉塞するダイヤフラムと、弁筐内に弁座のガス出口室側の面に対向するように配置された、ダイヤフラムに連結される弁体と、ダイヤフラムを挟んでガス入口室と反対側に配置された、励磁コイルと可動鉄心とを有するソレノイドとを備え、励磁コイルへの通電で発生する磁力により可動鉄心を介して弁体を変位させるようにしたガス比例弁であって、弁体及び可動鉄心の自重をキャンセルするための付勢手段を備え、ソレノイドが下方に位置する姿勢で配置されるものにおいて、可動鉄心とその下方に設けられるスプリング受けとの間に介設した、可動鉄心を上方に付勢するスプリングだけで前記付勢手段が構成され、スプリング受けの設置位置は、付勢手段の付勢力が励磁コイルへの非通電時に弁体が弁座に着座するように一義的に設定されて調節不能となるように、一義的に定まり、ガス比例弁によるガス流量の可変範囲の下限値の調節は励磁コイルに通電する最小電流値の調節のみで行われることを特徴とする。

本発明では、励磁コイルへの非通電時に弁体が弁座に着座してガス比例弁が閉弁状態になることから、ガス流量が所要の下限値になるときの励磁コイルへの通電電流値が比較的高くなり、最小電流値の可変設定範囲が然程広くなくても、この可変設定範囲でのガス流量の変化量を十分に確保できる。従って、付勢手段の付勢力の公差内でのバラツキが有っても、ガス流量が所要の下限値になるポイントが最小電流値の可変設定範囲から外れることはない。かくして、最小電流値のみの調節でガス流量の下限値を所要の値に正確に調節することができる。そして、付勢手段の付勢力が調節不能であるため、付勢力調節手段による面倒な調節作業が不要となり、生産性が向上する。

また、非通電時にガス比例弁が閉弁状態になるため、閉弁状態でのダイヤフラムの形状に合わせて成形されるダイヤフラムに常時は応力が作用せず、ダイヤフラムの経時劣化が抑制される。そして、最小電流値の可変設定範囲でのガス流量の変化量が上記の如く十分に確保されるため、ダイヤフラムは、長期間使用しても、ガス流量が所要の下限値になるポイントが最小電流値の可変設定範囲から外れる程には劣化せず、最小電流値の調節でガス流量の下限値を所要の値に修正でき、メンテナンスが容易になる。

ところで、ガス比例弁をソレノイドが下方に位置する姿勢で配置する場合は、可動鉄心とその下方に設けられるスプリング受けとの間に介設した、可動鉄心を上方に付勢するスプリングだけで付勢手段が構成される。これは従来も同様であるが、本発明では、スプリング受けの設置位置が一義的に定まるようにする。これにより、スプリングの付勢力がスプリング受けの位置調節不良で規定値からずれてしまうことを防止できる。

また、ガス比例弁をソレノイドが上方に位置する姿勢で配置する場合は、弁筐内に設けた、弁体を上方に付勢するスプリングだけで付勢手段が構成されていることが望ましい。上記従来例では、弁筐内のスプリングと、可動鉄心とその上方に設けられるスプリング受けとの間に介設される第２のスプリングとで付勢手段を構成し、スプリング受けの位置調節で付勢手段の付勢力を調節できるようにしているが、本発明では、付勢手段の付勢力の調節が不要であるため、第２のスプリングを省略でき、これにより部品点数を削減してコストダウンを図ることができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１乃至図４は夫々本発明の第１乃至第４実施形態のガス比例弁を示している。これら各ガス比例弁はガス給湯器等のガス器具においてバーナに供給するガス流量を可変するために使用するものである。各実施形態のガス比例弁の構造は大部分が共通しており、先ず、共通部分の構造について説明する。

図１乃至図４を参照して、１はガス比例弁の弁筐１である。この弁筐１は、弁筐１の周壁部に開設したガス入口２ａに連なるガス入口室２と、弁筐１の周壁部に開設したガス出口３ａに連なるガス出口室３と、ガス入口室２とガス出口室３とを連通する弁孔４ａを開設した弁座４とを備えている。弁座４は、ガス入口室２に内挿した弁筐１の内ケース５の先端に一体成形されている。弁筐１の内面には、弁座４を受ける段部１ａが形成されており、この段部１ａと弁座４との間にシールリング６を介設して、ガス入口２ａ側からガス出口３ａ側への弁孔４ａ以外の箇所でのガス漏れを防止できるようにしている。

シールリング６は、図５に示す如く、表裏両面にビード６ａを有している。ビード６ａの自由状態の形状は図５の仮想線で示す通りであり、ビード６ａのみの圧縮でシール性が確保される。これによれば、シールリング６から弁座４に作用する圧縮反力が小さくなって、弁座４の変形が防止される。そのため、弁座４の変形でガス流量の制御精度に悪影響が及ぶことはない。また、弁座４には、シールリング６の内周側に位置する突条４ｂが形成されている。この突条４ｂにより組付け時のシールリング６の位置ずれが防止され、シールリング６が弁筐１の内面と内ケース５の外面との間に噛み込むようなことはない。尚、内ケース５の基端のフランジ部５ａとこれに対向する弁筐１の端縁との間にも同様のシールリング６´が介設されている。

ガス比例弁は、ガス入口室２の弁座４と反対側の面を閉塞するダイヤフラム７と、弁筐１内に弁座４のガス出口室３側の面に対向するように配置された弁体８とを備えている。弁体８は、これに一体のロッド部８ａを介してダイヤフラム７に連結されている。ガス比例弁は、更に、ダイヤフラム７を挟んでガス入口室２と反対側に配置されたソレノイド９を備えている。ソレノイド９は、ダイヤフラム７を覆うカバーを兼ねるベースプレート１０の外面に配置した励磁コイル１１と、励磁コイル１１の内周のガイドスリーブ１２に摺動自在に内挿した可動鉄心１３とを有している。ガイドスリーブ１２の外端部には、ダイヤフラム７の背圧を大気圧にするための大気開放孔１４ａを形成した筒体１４が連設されている。以上が各実施形態に共通の構造である。

次に、図１乃至図３に示す第１乃至第３実施形態のガス比例弁の特徴的な構造について説明する。第１乃至第３実施形態のガス比例弁は、ソレノイド９が下方に位置する倒置姿勢で配置されるものである。第１乃至第３実施形態では、筒体１４内に、弁体８及び可動鉄心１３の自重をキャンセルするための付勢手段となるスプリング１５を収納している。スプリング１５は可動鉄心１３とこれより下方位置で筒体１４に装着するスプリング受け１６との間に介設されており、可動鉄心１３がスプリング１５により上方に付勢される。

スプリング受け１６の設置位置は一義的に定まるようになっている。これにより、スプリング１５の付勢力は一義的に設定されて調節不能になる。ここで、スプリング１５の付勢力は弁体８と可動鉄心１３の合計重量より若干小さくなるように設定されており、励磁コイル１１への非通電時に弁体８が弁座４に軽く着座して、ガス比例弁は閉弁状態になる。

スプリング受け１６の取付け構造は第１乃至第３実施形態で夫々異なっており、この点について説明する。第１実施形態のスプリング受け１６は、図１に示す如く、筒体１４の内面の下端近傍部分に形成した段部１４ｂに当接する下端のフランジ部１６ａを有している。また、筒体１４の内面の段部１４ｂより上方部分の周方向複数箇所に突条１４ｃを形成すると共に、スプリング受け１６の先端部外周の周方向複数箇所に、突条１４ｃの上縁に係合する爪部１６ｂを突設している。かくして、スプリング受け１６を、各爪部１６ｂが各突条１４ｃ間の隙間に合致する位相にした状態で、筒体１４にその下方から挿入した後、スプリング受け１６を回転させれば、フランジ部１６ａが段部１４ｂに当接した状態で各爪部１６ｂが各突条１４ｃに係合する。この状態では、スプリング受け１６が筒体１４に上下方向に変位不能に装着され、スプリング受け１６の設置位置が一義的に定まる。尚、フランジ部１６ａは、その外周に形成した溝１６ｃにより段部１４ｂに当接する部分が薄肉に形成されている。そして、この薄肉部分の弾性によりスプリング受け１６が筒体１４にガタ無く装着される。

第２実施形態のスプリング受け１６は、図２に示す如く、外周にねじ部が形成されて、筒体１４に下方から螺入されるようになっている。そして、スプリング受け１６の下端にフランジ部１６ｄを形成し、スプリング受け１６をフランジ部１６ｄが筒体１４の下端に当接するまで筒体１４に螺入することにより、スプリング受け１６の設置位置が一義的に定まるようにしている。

第３実施形態のスプリング受け１６は、図３に示す如く、筒体１４の下端に当接する下端のフランジ部１６ｅと、フランジ部１６ｅの周方向複数箇所から筒体１４の外面に沿って上方にのびる舌片部１６ｆとを有している。また、筒体１４の外面の周方向複数箇所に爪部１４ｄを突設すると共に、各舌片部１６ｆに各爪部１４ｄに対応するスリット状の係合孔１６ｇを形成している。そして、筒体１４の下端にフランジ部１６ｅが当接した状態で係合孔１６ｇの上端の孔縁部に爪部１４ｄが係合して、スプリング受け１６の設置位置が一義的に定まるようにしている。

次に、図４に示す第４実施形態のガス比例弁の特徴的な構造について説明する。第４実施形態のガス比例弁はソレノイド９が上方に位置する姿勢で配置されており、可動鉄心１３は自重で弁体８のロッド部８ａに当接する。そして、弁筐１内に、弁体８及び可動鉄心１３の自重をキャンセルするための付勢手段として、弁体８と弁筐１のガス出口室３側の端壁との間に介設される、弁体８を上方に付勢するスプリング１７を配置している。尚、筒体１４には、塵埃の侵入防止のため第１実施形態と同様のスプリング受け１６のみが装着され、スプリング１５は収納されていない。

上記スプリング１７の付勢力は、弁体８と可動鉄心１３の合計重量を若干上回るように設定されており、励磁コイル１１への非通電時に弁体８がスプリング１７の付勢力で弁座４に軽く着座して、ガス比例弁は閉弁状態になる。スプリング１７の付勢力を調節するための手段は設けられておらず、従って、スプリング１７の付勢力は一義的に設定されて調節不能である。

上記第１乃至第４の何れの実施形態のガス比例弁でも、励磁コイル１１への通電で発生する磁力により可動鉄心１３を介して弁体８が変位し、ガス流量が励磁コイル１１への通電電流値に応じて変化する。図６に示すように、励磁コイル１１への通電回路にはパワートランジスタ１８が励磁コイル１１と直列に介設されており、マイコン１９によりトランジスタ駆動回路２０を介してパワートランジスタ１８をＰＷＭ制御でオンオフし、ガス流量が目標値になるように励磁コイル１１への通電電流値を変化させる。

ここで、ガス比例弁によるガス流量の可変範囲の下限値はバーナが失火等を生ずることなく安定燃焼する範囲で可及的に小さく設定する必要があり、励磁コイル１１に通電する最小電流値をガス流量が所要の下限値になるように正確に設定することが必要になる。マイコン１９の最小電流設定端子に可変抵抗２１ａを具備する分圧回路から成る設定器２１を接続し、設定端子に入力する電圧信号を可変抵抗２１ａの調節で変化させると、ＰＷＭ制御の最小デューティー比、即ち、最小電流値が微小幅で変更され、最小電流値の精密な調節が可能になる。但し、最小電流値の可変設定範囲はマイコン１９の能力上の制約から然程広く確保できない。尚、励磁コイル１１に通電する最大電流値も同様の設定器を用いて調節できるようになっており、最大電流値の調節によりガス流量の可変範囲の上限値が所定の値に設定される。

図７は励磁コイル１１への非通電時にガス比例弁が閉弁状態になるようにした場合の励磁コイル１１への通電電流値とガス出口室３のガス圧(２次圧)との相関関係を示している。ガス比例弁によるガス流量の可変範囲の所要の下限値に対応する２次圧が１５ｍｍＨ_２Ｏである場合、最小電流値は２次圧が１５ｍｍＨ_２Ｏになるように調節することが必要になる。ここで、上記第１乃至第４実施形態の如く励磁コイル１１への非通電時にガス比例弁が閉弁状態になるようにすると、励磁コイル１１への非通電時にガス比例弁が小開度で開かれるようにした図８に示す場合に比し、電流値の変化に対する２次圧の変化量が大きくなる比較的高い電流域で２次圧が１５ｍｍＨ_２Ｏになる。そのため、最小電流値の可変設定範囲が然程広くなくても、この可変設定範囲での２次圧の変化量を十分に確保できる。従って、スプリング１５，１７の付勢力の公差内でのバラツキが有っても、２次圧が１５ｍｍＨ_２Ｏになるポイント、即ち、ガス流量が所要の下限値になるポイントが最小電流値の可変設定範囲から外れることはない。かくして、最小電流値のみの調節でガス流量の下限値を所要の値に正確に調節することができる。そして、スプリング１５，１７の付勢力の調節が不要になるため、ガス比例弁の生産性が大幅に向上する。

また、非通電時にガス比例弁が閉弁状態になるため、閉弁状態での形状に合わせて成形されるダイヤフラム７に常時は応力が作用せず、ダイヤフラム７の経時劣化が抑制される。そして、最小電流値の可変設定範囲でのガス流量の変化量が上記の如く十分に確保されるため、ダイヤフラム７は、長期間使用しても、２次圧が１５ｍｍＨ_２Ｏになるポイントが最小電流値の可変設定範囲から外れる程には劣化しない。従って、最小電流値の調節でガス流量の下限値を所要の値に修正でき、メンテナンスも容易になる。

以上、本発明の実施形態を図面を参照して説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、第４実施形態においては、弁体８を上方に付勢するスプリング１７を弁体８と弁筐１のガス出口室３側の端壁との間に介設したが、弁座４とダイヤフラム７に対する弁体８の連結部との間に弁体８を上方に付勢するスプリングを介設しても良い。また、ガス比例弁を倒置姿勢で配置する場合のスプリング受け１６の取付け構造は、スプリング受け１６の設置位置が一義的に定まる限り、第１乃至第３実施形態以外の構造であっても良い。

本発明の第１実施形態のガス比例弁の縦断面図。本発明の第２実施形態のガス比例弁の縦断面図。本発明の第３実施形態のガス比例弁の縦断面図。本発明の第４実施形態のガス比例弁の縦断面図。図１のＡ部の拡大図。ガス比例弁の制御回路を示す回路図。本発明のガス比例弁による電流値と２次圧との関係を示すグラフ。従来のガス比例弁による電流値と２次圧との関係を示すグラフ。

符号の説明

１…弁筐、２…ガス入口室、３…ガス出口室、４…弁座、４ａ…弁孔、７…ダイヤフラム、８…弁体、９…ソレノイド、１１…励磁コイル、１３…可動鉄心、１５…可動鉄心を上方に付勢するスプリング、１６…スプリング受け、１７…弁体を上方に付勢するスプリング。

Claims

ガス入口室と、ガス出口室と、ガス入口室とガス出口室とを連通する弁孔を開設した弁座とを有する弁筐と、ガス入口室の弁座と反対側の面を閉塞するダイヤフラムと、弁筐内に弁座のガス出口室側の面に対向するように配置された、ダイヤフラムに連結される弁体と、ダイヤフラムを挟んでガス入口室と反対側に配置された、励磁コイルと可動鉄心とを有するソレノイドとを備え、励磁コイルへの通電で発生する磁力により可動鉄心を介して弁体を変位させるようにしたガス比例弁であって、弁体及び可動鉄心の自重をキャンセルするための付勢手段を備え、ソレノイドが下方に位置する姿勢で配置されるものにおいて、
可動鉄心とその下方に設けられるスプリング受けとの間に介設した、可動鉄心を上方に付勢するスプリングだけで前記付勢手段が構成され、スプリング受けの設置位置は、付勢手段の付勢力が励磁コイルへの非通電時に弁体が弁座に着座するように一義的に設定されて調節不能となるように、一義的に定まり、ガス比例弁によるガス流量の可変範囲の下限値の調節は励磁コイルに通電する最小電流値の調節のみで行われることを特徴とするガス比例弁。