JP5644757B2 - 圧力制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、吸引力を調整して流体の圧力を制御する圧力制御装置に関するものである。

従来の圧力制御装置は、弁体が弁座に対して相対移動して弁体と弁座との間の流路面積を変化させるようになっている。そして、吸引手段の吸引力によりアーマチャおよびロッドが駆動され、アーマチャおよびロッドを介して弁体が閉弁方向に付勢される。また、流体力およびスプリングにより弁体が開弁方向に付勢される（例えば、特許文献１参照）。

米国特許出願公開第２０１１／０１２７３５７号明細書

しかしながら、流体力が大きくなり弁体のリフトが大きくなると、吸引手段とアーマチャとのエアギャップが大きくなって吸引力が減少するため、流体圧力が制御されて低下しても弁体が閉弁方向に速やかに移動しにくくなる。これにより、流体圧力が大幅に低下して流体圧力の変動幅が大きくなり、圧力制御性が低下するという問題があった。

また、スプリングにより弁体が開弁方向に付勢されるため、力を釣り合わせるためには、流体力のほかスプリング力分の吸引力が必要になる。これにより、吸引手段のコイルの体格が大きくなり、ひいては圧力制御装置の体格が大きくなるという問題があった。

本発明は上記点に鑑みて、圧力制御性を向上させるとともに、圧力制御装置の小型化を図ることを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、流体が流通する流体通路（１００、１０１、１０３）および流体通路（１００、１０１、１０３）中に位置する弁座（１０２）が形成されたボデー（１０）と、弁座（１０２）に対して相対移動して弁座（１０２）との間の流路面積を変化させるとともに、流体により開弁方向に付勢される弁体（１８、１６１）と、吸引力により弁体（１８、１６１）を閉弁方向に付勢する吸引手段（１０、２２、３２、３４、３６）とを備え、吸引手段（１０、２２、３２、３４、３６）の吸引力を調整して流体の圧力を制御する圧力制御装置において、弾性力により弁体（１８、１６１）を閉弁方向に付勢する第１弾性体（２８）と、第１弾性体（２８）の弾性力に対抗する弾性力を発生する第２弾性体（３０）とを備え、弁体（１８、１６１）が全閉位置と全開位置との間の中間リフト位置にあるときに、第１弾性体（２８）の弾性力と第２弾性体（３０）の弾性力が釣り合うように構成され、吸引手段（１０、２２、３２、３４、３６）の吸引力と、第１弾性体（２８）の弾性力および第２弾性体（３０）の弾性力の合力である合成弾性力との合力が、弁体（１８、１６１）のリフト全域で略一定になっていることを特徴とする。

これによると、弁体（１８、１６１）が全開位置近傍まで変位すると、第１弾性体（２８）の弾性力と第２弾性体（３０）の弾性力の合力により弁体（１８、１６１）は中間リフト位置側に付勢されるため、弁体（１８、１６１）は全開位置近傍から中間リフト位置側に速やかに移動することができる。これにより、流体圧力の変動幅を小さくし、圧力制御性を向上させることができる。

また、吸引手段（１０、２２、３２、３４、３６）の吸引力と第１弾性体（２８）の弾性力とによって弁体（１８、１６１）が閉弁方向に付勢されるため、第１弾性体（２８）の弾性力の分だけ、吸引手段（１０、２２、３２、３４、３６）の吸引力を小さくすることができる。これにより、吸引手段（１０、２２、３２、３４、３６）の小型化、ひいては圧力制御装置の小型化を図ることができる。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の圧力制御装置において、吸引手段（１０、２２、３２、３４、３６）の吸引力は、弁体（１８、１６１）のリフトの増加に伴って減少し、第１弾性体（２８）の弾性力と第２弾性体（３０）の弾性力の合力は、弁体（１８、１６１）のリフトの増加に伴って閉弁方向の力が増加することを特徴とする。

これによると、弁体（１８、１６１）のリフトに対する吸引力の変化と、弁体（１８、１６１）のリフトに対する第１弾性体（２８）および第２弾性体（３０）の合力の変化とが相殺される傾向になる。したがって、吸引力と第１弾性体（２８）の弾性力と第２弾性体（３０）の弾性力との合力の、弁体（１８、１６１）のリフトに対する変化量を小さくすることができる。

請求項３に記載の発明では、請求項１または２に記載の圧力制御装置において、吸引手段（１０、２２、３２、３４、３６）の吸引力により駆動されるアーマチャ（２４）と、アーマチャ（２４）と一体的に変位するロッド（１６）と、ボデー（１０）に固定されてロッド（１６）を摺動自在に保持するスリーブ（１４）とを備えることを特徴とする。

これによると、弁座（１０２）が形成されたボデー（１０）にスリーブ（１４）が固定されるため、弁座（１０２）が形成される部位とスリーブ（１４）が固定される部位とが別体になったボデーを用いる場合と比較して、弁座（１０２）とロッド（１６）の同軸度を良好にすることができる。

請求項４に記載の発明では、請求項１ないし３のいずれか１つに記載の圧力制御装置において、ロッド（１６）の径方向中心部に形成された凹部（１６０）により弁体（１８）が位置決めされることを特徴とする。

これによると、弁体（１８）はロッド（１６）の径方向中心部に位置決めされるため、弁体（１８）を弁座（１０２）に対して常に略同軸上に位置させることができ、圧力制御性をさらに向上させることができる。

請求項５に記載の発明では、請求項１ないし４のいずれか１つに記載の圧力制御装置において、弁体（１８）は、球の一部に形成された平面部がロッド（１６）と当接していることを特徴とする。

これによると、弁体（１８）とロッド（１６）は面接触になるため、当接面に生じる接触圧力を低くすることができ、当接面の塑性変形を抑制することができる。したがって、経時変化なく、安定した作動が可能となる。

請求項６に記載の発明のように、請求項１ないし４のいずれか１つに記載の圧力制御装置において、球形状の弁体（１８）を用いることができる。

請求項７に記載の発明では、請求項１ないし３のいずれか１つに記載の圧力制御装置において、吸引手段（１０、２２、３２、３４、３６）の吸引力により駆動されるアーマチャ（２４）と、端部に弁体（１６１）が形成されてアーマチャ（２４）と一体的に変位するロッド（１６）とを備えることを特徴とする。

これによると、弁体（１６１）とロッド（１６）が１つの部品となるため、構成の簡素化、および、製造コストの低減を図ることができる。

請求項８に記載の発明のように、請求項１ないし７のいずれか１つに記載の圧力制御装置において、第１弾性体（２８）および第２弾性体（３０）は、コイルスプリングを用いることができる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

図１は本発明の第１実施形態に係る圧力制御装置の断面図である。 図２は図１の圧力制御装置の作動説明に供する模式的な断面図である。 （ａ）は吸引力および合成弾性力と弁体リフトとの関係を示す特性図、（ｂ）は吸引力および合成弾性力の合力と弁体リフトとの関係を示す特性図である。 エアギャップと吸引力との関係を示す特性図である。 （ａ）は評価品Ａの実験結果を示す特性図、（ｂ）は評価品Ｂの実験結果を示す特性図である。 本発明の第２実施形態に係る圧力制御装置における要部の断面図である。 本発明の第３実施形態に係る圧力制御装置における要部の断面図である。 本発明の第４実施形態に係る圧力制御装置における要部の断面図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について説明する。図１は本発明の第１実施形態に係る圧力制御装置の断面図、図２はその圧力制御装置の作動説明に供する模式的な断面図である。

本実施形態の圧力制御装置は、内燃機関の燃料噴射装置におけるコモンレール内の燃料圧力を制御するための圧力制御装置として用いる。

図１に示すように、磁性金属よりなる略円筒状のボデー１０には、流体（本実施形態では燃料）が流入する入口流体通路１００が径方向中心部に軸線と平行に形成され、この入口流体通路１００には、流体中の異物を捕集する多孔質のフィルタ１２が配置されている。ボデー１０における入口流体通路１００の下流側には、入口流体通路１００よりも通路面積が小さい絞り流体通路１０１が形成され、この絞り流体通路１０１の下流側端部には、絞り流体通路１０１の開口部を囲むようにして円錐状の弁座１０２が形成されている。ボデー１０における絞り流体通路１０１の下流側には、流体が流出する出口流体通路１０３が径方向中心部からずれた位置に形成されている。

ボデー１０における径方向中心部の貫通孔には、金属よりなる円筒状のスリーブ１４が挿入されている。より詳細には、スリーブ１４はボデー１０に圧入して固定されている。そして、金属よりなる略円柱状のロッド１６が、スリーブ１４に摺動自在に保持されている。ロッド１６の一端面は、ロッド１６の軸線に対して垂直な平面になっており、弁座１０２に対向している。

ロッド１６の一端面と弁座１０２との間に、金属よりなる球状の弁体１８が配置されている。弁体１８は弁座１０２に対して相対移動して弁座１０２との間の流路面積を変化させるものであり、絞り流体通路１０１側から流れ込む流体の流体力により開弁方向に付勢されるようになっている。

ボデー１０における軸方向端部には、非磁性金属よりなる円筒状のカラー２０を介して、磁性金属よりなる有底円筒状のステータコア２２が接合されている。

ボデー１０とカラー２０とステータコア２２とによって形成された空間には、磁性金属よりなる略円筒状のアーマチャ２４が配置されている。そして、アーマチャ２４の径方向中心部の貫通孔に、ロッド１６の他端側が圧入されている。したがって、アーマチャ２４とロッド１６は一体的に変位する。

ステータコア２２の底部に形成された孔には、金属よりなる略円柱状のストッパ２６が挿入されている。このストッパ２６により、弁座１０２から遠ざかる向き（すなわち開弁方向）へのロッド１６の移動範囲が規制されるようになっている。

ストッパ２６とロッド１６の間には、弾性力によりロッド１６を介して弁体１８を閉弁方向に付勢する第１弾性体２８が挟持されている。第１弾性体２８は、本実施形態では、圧縮コイルスプリングを用いている。

スリーブ１４とロッド１６の間には、弾性力によりロッド１６を弁座１０２から遠ざかる向きに付勢する第２弾性体３０が挟持されている。換言すると、第２弾性体３０は、第１弾性体２８の弾性力に対抗する弾性力を発生する。第２弾性体３０は、本実施形態では、圧縮コイルスプリングを用いている。

ステータコア２２の外周側には、通電時に磁界を形成する略円筒状のコイル３２が配置されている。また、コイル３２の外周側は、磁性金属よりなるヨーク３４によって覆われている。

ステータコア２２における底部側の外周部に、磁性金属よりなる円筒状のリテーナ３６が螺合されている。そして、このリテーナ３６とボデー１０との間にヨーク３４が挟持され、リテーナ３６とヨーク３４との間にコイル３２が挟持されている。

ボデー１０、ステータコア２２、アーマチャ２４、ヨーク３４、およびリテーナ３６は、コイル３２に通電された際に磁気回路を形成する。そして、コイル３２への通電により吸引力が発生し、吸引力によりアーマチャ２４およびロッド１６が弁座１０２側に向かって（すなわち閉弁方向に）付勢されるようになっている。なお、ボデー１０、ステータコア２２、コイル３２、ヨーク３４、およびリテーナ３６は、本発明の吸引手段を構成する。

図３（ａ）は、吸引力と弁体１８のリフトとの関係を示すとともに、第１弾性体２８の弾性力および第２弾性体３０の弾性力の合力（以下、合成弾性力という）と弁体リフトとの関係を示す特性図である。図３（ｂ）は、吸引力および合成弾性力の合力と弁体リフトとの関係を示す特性図である。なお、図３では、閉弁方向の力を＋とし、開弁方向の力を−としている。

図３（ａ）に示すように、弁体１８のリフトの増加に伴って、磁極面（すなわち、ボデー１０とアーマチャ２４の対向面）間の隙間間隔であるエアギャップが大きくなるため、コイル３２への通電電流が一定の条件下における吸引力（すなわち閉弁方向の力）は、弁体１８のリフトの増加に伴って減少する。

また、弁体１８が全閉位置と全開位置との間の中間リフト位置にあるときに、第１弾性体２８の弾性力と第２弾性体３０の弾性力が釣り合うように設定されている。したがって、本実施形態の圧力制御装置は、ノーマリーオープン型である。なお、第１弾性体２８の弾性力と第２弾性体３０の弾性力が釣り合う弁体リフト位置（本例では、弁体リフトが１００μｍの位置）を、以下、弾性力釣り合い位置という。

そして、弁体リフトが弾性力釣り合い位置よりも大きい領域での合成弾性力は、閉弁方向に作用し、弁体リフトが弾性力釣り合い位置よりも小さい領域での合成弾性力は、開弁方向に作用する。なお、合成弾性力は、弁体リフトの増加に伴って閉弁方向の力が増加する。

また、所定量の弁体リフト変化に対する吸引力の変化量と、所定量の弁体リフト変化に対する合成弾性力の変化量が、略同一になるように設定している。これにより、図３（ｂ）に示すように、吸引力と合成弾性力との合力（すなわち、吸引力＋合成弾性力）が、弁体リフト全域で略一定になるようにしている。

上記構成になる圧力制御装置の作動を説明する。まず、コイル３２に対して非通電のときは、弁体１８は入口流体通路１００から流入する流体の流体力を受けて、弾性力釣り合い位置よりも開弁側位置に変位する（図２（ａ）参照）。かかる状態においては、弁体１８は弾性力釣り合い位置よりも開弁側位置に変位しているため、合成弾性力は閉弁方向に作用する。

コイル３２に通電して吸引力を発生させると、弁体１８は合成弾性力と吸引力とによって閉弁方向に付勢される。そして、合成弾性力と吸引力の合力が流体力よりも大きくなると弁体１８が閉弁方向に変位し（図２（ｂ）参照）、弁体１８と弁座１０２との間の流路面積が減少して流体圧力が上昇する。そして、流体圧力の上昇により流体力が合成弾性力と吸引力の合力よりも大きくなると、弁体１８が開弁方向に変位して流体圧力が下降する。このようにして、流体圧力は、コイル３２への通電電流に対応した圧力（換言すると吸引力に対応した圧力）に制御される。

コイル３２への通電量を増やして吸引力を増加させると、弁体１８はさらに閉弁方向に変位し、流体圧力はさらに高い圧力に制御される。そして、弁体１８が弾性力釣り合い位置よりも閉弁側位置まで変位すると（図２（ｃ）参照）、合成弾性力は開弁方向に作用する。

かかる状態にてコイル３２への通電と流体流入を停止すると、弁体１８に対して吸引力が作用しなくなるとともに、コモンレール内に残留する燃料による流体力（圧力）が作用するため、アーマチャ２４とロッド１６が合成弾性力と残留する燃料による流体力にて開弁方向に駆動され、弁体１８は閉弁位置と弾性力釣り合い位置との間でフリーになり、圧力制御装置は開弁状態になる。

本実施形態では、弁体１８が全開位置近傍まで変位すると、合成弾性力により弁体１８は弾性力釣り合い位置側に付勢されるため、弁体１８は全開位置近傍から弾性力釣り合い位置側に速やかに移動することができる。これにより、流体圧力の変動幅が小さくなり、圧力制御性が向上する。

また、吸引手段の吸引力と第１弾性体２８の弾性力とによって弁体１８が閉弁方向に付勢されるため、第１弾性体２８の弾性力の分だけ、吸引手段の吸引力を小さくすることができる。これにより、吸引手段の小型化、ひいては圧力制御装置の小型化(従来比外径２０％縮小)が可能である。

さらに、弁座１０２が形成されたボデー１０にスリーブ１４が固定されるため、弁座１０２が形成される部位とスリーブ１４が固定される部位とが別体になったボデーを用いる場合と比較して、弁座１０２とロッド１６の同軸度を良好にすることができる。

図４は、磁極面間の隙間間隔であるエアギャップと吸引力との関係を示す特性図である。この図４に示すように、エアギャップの変化量（すなわち、アーマチャ２４の変位量）に対する吸引力の変化量は、エアギャップが小さい第１領域Ａよりも、エアギャップが大きい（例えば、ファイナルエアギャップが１５０μｍ以上）第２領域Ｂの方が小さい。

ここで、本発明者は、第１領域Ａを使用する圧力制御装置（以下、評価品Ａという）と、第２領域Ｂを使用する圧力制御装置（以下、評価品Ｂという）とを用意し、コイル３２への通電電流とコモンレール圧との関係を調査した。

図５（ａ）は評価品Ａの実験結果であり、図５（ｂ）は評価品Ｂの実験結果である。この図５にて明らかなように、評価品Ｂは、電流値が所定値以上の領域において電流値とコモンレール圧が略比例関係になり、圧力制御性が良くなることが分かった。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。図６は本発明の第２実施形態に係る圧力制御装置における要部の断面図である。以下、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

第１実施形態のように、ロッド１６における弁体１８側の端面が平面である場合、弁体１８の位置が不定となる。そして、本発明者らの実験によると、弁体１８の位置が不定の為、弁体１８がロッド１６の径方向中心部に位置したり、或いはロッド１６の径方向中心部からずれた位置にあったりして、圧力調整精度が悪化することが確認された。

また、第１実施形態のように、ロッド１６における弁体１８側の端面が平面である場合、弁体１８とロッド１６は点接触になるため、当接面に生じる接触圧力が高くなって当接面が塑性変形し易い。

本実施形態に係る圧力制御装置は、図６に示すように、ロッド１６の一端面で且つ径方向中心部に、円錐状の凹部１６０が形成されている。そして、弁体１８は、流体力によりロッド１６側に付勢され、一部が凹部１６０に侵入することにより、ロッド１６の径方向中心部に位置決めされる。したがって、弁体１８を弁座１０２に対して常に略同軸上に位置させることができ、圧力制御性をさらに向上させることができる。

また、弁体１８とロッド１６は線接触になるため、当接面に生じる接触圧力が低くなり、当接面の塑性変形が抑制される。したがって、経時変化なく、安定した作動が可能となる。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態について説明する。図７は本発明の第３実施形態に係る圧力制御装置における要部の断面図である。以下、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図７に示すように、ロッド１６の一端面で且つ径方向中心部に、円柱状の凹部１６０が形成されている。この凹部１６０の底面は、ロッド１６の軸線に対して垂直な平面になっており、弁座１０２に対向している。

弁体１８は、球の一部に平面部が形成された形状になっている。そして、弁体１８は凹部１６０に挿入され、弁体１８の平面部が凹部１６０の底面に当接している。

本実施形態では、弁体１８は凹部１６０に挿入されてロッド１６の径方向中心部に位置決めされる。したがって、弁体１８を弁座１０２に対して常に略同軸上に位置させることができ、圧力制御性をさらに向上させることができる。

また、弁体１８とロッド１６は面接触になるため、当接面に生じる接触圧力が低くなり、当接面の塑性変形が抑制される。したがって、経時変化なく、安定した作動が可能となる。

（第４実施形態）
本発明の第４実施形態について説明する。図８は本発明の第４実施形態に係る圧力制御装置における要部の断面図である。以下、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図８に示すように、第１実施形態の弁体１８（図１参照）が廃止され、ロッド１６における弁座１０２側の端部に、円錐台状のシート部１６１が形成されている。そして、ロッド１６の移動により、シート部１６１と弁座１０２との間の流路面積が変化するようになっている。なお、シート部１６１は、本発明の弁体に相当する。

これによると、弁体とロッドが１つの部品となるため、構成の簡素化、および、製造コストの低減を図ることができる。

（他の実施形態）
上記各実施形態では、本発明をコモンレール内の燃料圧力を制御する圧力制御装置に適用したが、本発明は液体や気体の圧力を制御する圧力制御装置に適用することができる。

また、上記各実施形態では、ボデー１０に、入口流体通路１００、絞り流体通路１０１、出口流体通路１０３、および弁座１０２を形成するとともに、ボデー１０に挿入したスリーブ１４によりロッド１６を摺動自在に保持するようにしたが、ボデー１０は分割してもよい。具体的には、入口流体通路１００、絞り流体通路１０１、出口流体通路１０３、および弁座１０２が形成されたボデーと、スリーブ１４が挿入されてロッド１６を摺動自在に保持するボデーとに分割してもよい。

さらに、上記各実施形態は、実施可能な範囲で任意に組み合わせが可能である。

１０ ボデー（吸引手段）
１８ 弁体
２２ ステータコア（吸引手段）
２８ 第１弾性体
３０ 第２弾性体
３２ コイル（吸引手段）
３４ ヨーク（吸引手段）
３６ リテーナ（吸引手段）
１００ 入口流体通路
１０１ 絞り流体通路
１０２ 弁座
１０３ 出口流体通路
１６１ 弁体

Claims (8)

1. 流体が流通する流体通路（１００、１０１、１０３）および前記流体通路（１００、１０１、１０３）中に位置する弁座（１０２）が形成されたボデー（１０）と、
   前記弁座（１０２）に対して相対移動して前記弁座（１０２）との間の流路面積を変化させるとともに、前記流体により開弁方向に付勢される弁体（１８、１６１）と、
   吸引力により前記弁体（１８、１６１）を閉弁方向に付勢する吸引手段（１０、２２、３２、３４、３６）とを備え、
   前記吸引手段（１０、２２、３２、３４、３６）の吸引力を調整して前記流体の圧力を制御する圧力制御装置において、
   弾性力により前記弁体（１８、１６１）を閉弁方向に付勢する第１弾性体（２８）と、
   前記第１弾性体（２８）の弾性力に対抗する弾性力を発生する第２弾性体（３０）とを備え、
   前記弁体（１８、１６１）が全閉位置と全開位置との間の中間リフト位置にあるときに、前記第１弾性体（２８）の弾性力と前記第２弾性体（３０）の弾性力が釣り合うように構成され、
   前記吸引手段（１０、２２、３２、３４、３６）の吸引力と、前記第１弾性体（２８）の弾性力および前記第２弾性体（３０）の弾性力の合力である合成弾性力との合力が、前記弁体（１８、１６１）のリフト全域で略一定になっていることを特徴とする圧力制御装置。
2. 前記吸引手段（１０、２２、３２、３４、３６）の吸引力は、前記弁体（１８、１６１）のリフトの増加に伴って減少し、
   前記第１弾性体（２８）の弾性力と前記第２弾性体（３０）の弾性力の合力は、前記弁体（１８、１６１）のリフトの増加に伴って閉弁方向の力が増加することを特徴とする請求項１に記載の圧力制御装置。
3. 前記吸引手段（１０、２２、３２、３４、３６）の吸引力により駆動されるアーマチャ（２４）と、
   前記アーマチャ（２４）と一体的に変位するロッド（１６）と、
   前記ボデー（１０）に固定されて前記ロッド（１６）を摺動自在に保持するスリーブ（１４）とを備えることを特徴とする請求項１または２に記載の圧力制御装置。
4. 前記ロッド（１６）の径方向中心部に形成された凹部（１６０）により前記弁体（１８）が位置決めされることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の圧力制御装置。
5. 前記弁体（１８）は、球の一部に形成された平面部が前記ロッド（１６）と当接していることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の圧力制御装置。
6. 前記弁体（１８）の形状は球であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の圧力制御装置。
7. 前記吸引手段（１０、２２、３２、３４、３６）の吸引力により駆動されるアーマチャ（２４）と、
   端部に前記弁体（１６１）が形成されて前記アーマチャ（２４）と一体的に変位するロッド（１６）とを備えることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の圧力制御装置。
8. 前記第１弾性体（２８）および前記第２弾性体（３０）は、コイルスプリングであることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の圧力制御装置。

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