JP5648036B2 - パイロット式電磁弁 - Google Patents

Description

本発明は、一次側継手と二次側継手との間の主弁ポートに対向してピストン室内にピストン弁を配設するとともに、ピストン弁のパイロットポートをパイロット弁で開閉し、ピストン室内のピストン背空間の圧力と一次側継手の圧力の差圧を利用して主弁ポートを弁開とするようにしたパイロット式電磁弁に関する。

従来、パイロット式電磁弁として、例えば特開平４−２３１７８３号公報（特許文献１）、特開２００５−３４４８７５号公報（特許文献２）に開示されたものがある。また、図１１は従来のパイロット式電磁弁の一例を示す図、図１２は同パイロット式電磁弁のピストン弁を示す図である。本体部２には、一次側継手２１と二次側継手２２との間に隔壁２３が形成され、隔壁２３の上端側には主弁座２４が形成されている。主弁座２４には円形開口をなす主弁ポート２４ａが形成されている。本体部２にはシリンダケース３が螺合することにより固着されている。

シリンダケース３の内側は円筒状のピストン室３１となっており、このピストン室３１内に略円柱形状のピストン弁４が内挿されている。ピストン弁４は、金属製のピストン部４１とその下端に配設された樹脂製のシール部４２とを有している。ピストン部４１の外周には周方向に溝４１ａが切削加工により形成され、この溝４１ａ内にインナーリング４３とピストンリング４４が嵌め込まれている。そして、ピストンリング４４はピストン室３１の内壁３１ａに摺接される。ピストン弁４の中心にはパイロットポート４ａと導通路４ｂが形成されており、パイロットポート４ａは導通路４ｂを介して二次側継手２２に導通される。

電磁駆動部５はプランジャチューブ５１の端部に吸引子５２を固着するとともに、プランジャチューブ５１内にプランジャ５３と、パイロット弁体６を内挿しており、プランジャ５３とパイロット弁体６は、プランジャ５３のボス部５３ａをパイロット弁体の嵌合溝６ａに遊嵌することにより軸線Ｌ方向に僅かに遊びをもって連結されている。そして、プランジャ５３とパイロット弁体６は、プランジャチューブ５１内で軸線Ｌ方向（上下方向）に摺動可能になっている。パイロット弁体６とピストン弁４との間にはパイロット弁ばね６１が圧縮して介在されている。また、プランジャ５３と吸引子５２との間にはプランジャばね５３ｂが圧縮して介在されている。

電磁駆動部５の電磁コイル５４へ通電がなされていないときは、パイロット弁体６のニードル部６ｂがパイロットポート４ａを弁閉状態とする。電磁コイル５４に通電がなされると、プランジャ５３が上昇し、プランジャ５３のボス部５３ａがパイロット弁体６の上端に当接して係合する。これにより、プランジャ５３とパイロット弁体６が共に上昇する。その後、プランジャ５３が吸引子５２に当接してプランジャ５３が停止し、パイロット弁体６はパイロット弁ばね６１のばね力によりさらに上昇する。

そして、プランジャ５３に当接し、パイロット弁体６が停止してパイロットポート４ａが全開となると、ピストン弁４上部のピストン背空間（ピストン室３１）の流体がパイロットポート４ａと導通路４ｂを介して二次継手２２側に流出し、ピストン弁４上部のピストン背空間の圧力が低下する。これにより、ピストン背空間の圧力とピストン弁４の下部の圧力（一次側継手２１の圧力）との圧力差により、ピストン弁４が上昇し、主弁ポート２４ａが全開となり、一次継手２１から二次継手２２に流体が流れる。

特開平４−２３１７８３号公報 特開２００５−３４４８７５号公報

前記従来のパイロット式電磁弁では、一次側からピストン弁４とピストン室３１との隙間を通してピストン弁４の上部のピストン背空間へ流れる流体の流量（通常「Ｃｖ値」で表す。）を制御する方法として、ピストンリング４４を使用している。しかし、ピストンリング４４を使用した場合、部品費の増加となるという問題がある。また、一次側とピストン背空間の差圧が、低差圧の時（例えば０．２ＭＰａ以下）の一次側からピストン背空間へ流れるＣｖ値の抑制効果が小さいという問題がある。これは、ピストンリング４４はピストン弁４の外周の溝４１ａ内に嵌め込まれており、高差圧のときは、ピストンリング４４がピストン室３１の内壁３１ａに摺接することによる封止だけでなく、高圧が一次側からピストンリング４４に作用し、当該ピストンリング４４は溝４１ａの側面４１ａ１に押しつけられ、溝４１ａとピストンリング４４との間が完全に封止されるので、一次側からピストン背空間へ流れるＣｖ値は低くなる。しかし、低差圧のときは、ピストンリング４４が溝４１ａの側面４１ａ１に十分に押しつけられないため、図１３に矢印で示すように溝４１ａとピストンリング４４との間の漏れ量のＣｖ値は高くなる。また、ピストンリング４４とピストン室３１の内壁３１ａとの摩擦抵抗が大きいため、特に低差圧のときに、ピストン弁４の作動が不安定になったり、ピストン弁４が弁開とならないなどの問題がある。

なお、特許文献１及び特許文献２にはピストン弁の外周に溝を形成したものが開示されており、この溝によりある程度、ピストン背空間へ流れるＣｖ値を抑制することができるが、溝の詳細な条件の具体的な構成はなく、改良の余地を残している。

本発明は、上述の如き問題点を解消するためになされたものであり、パイロット式電磁弁において、ピストンリングを使用することなく、一次側からピストン背空間へ流れるＣｖ値を抑制するとともに、部品点数を低減することを課題とする。

請求項１のパイロット式電磁弁は、一次側継手と二次側継手との間の主弁ポートに対向してピストン室内にピストン弁を配設するとともに、ピストン弁のパイロットポートをパイロット弁で開閉し、ピストン室内のピストン背空間の圧力と一次側継手の圧力の差圧を利用して主弁ポートを弁開とするようにしたパイロット式電磁弁において、前記ピストン室の内壁に対向するピストン弁の外周に、軸線Ｌを中心とするリング状の複数の溝を軸線Ｌ方向に併設した複数溝からなるラビリンス構造を設け、前記リング状溝の軸線方向の縦断面形状がＶ型であって、該Ｖ型溝の内面の対向角度である溝角度θ、前記複数溝の各溝の溝深さＤ、前記複数溝の軸線方向の隣接する溝同士の間隔である溝間隔Ｐが、
１５°≦θ≦４０°…（１）
０．２mm≦Ｄ≦０．６mm…（２）
０．２mm≦Ｐ≦０．６mm…（３）
の条件を満たすことを特徴とする。

請求項１のパイロット式電磁弁によれば、上記（１）の条件を満たすのでＣｖ値が低くなり、上記（２）の条件を満たすのでＣｖ値が低くなり、上記（３）の条件を満たすのでＣｖ値が低くなり、全体としてＣｖ値を抑制できる。したがって、ピストンリングを使用することなく、一次側からピストン背空間へ流れるＣｖ値を抑制でき、動作を確実にすることができるとともに、部品点数を低減することができる。

本発明の実施形態のパイロット式電磁弁の非通電時の縦断面図である。 本発明の実施形態のパイロット式電磁弁のピストン弁を示す図である。 本発明の実施形態におけるピストン弁の作用を説明する図である。 本発明の実施形態におけるラビリンス構造の各形状パラメータを説明する図である。 本発明の実施形態のパイロット式電磁弁におけるピストン背空間へのＣｖ値と、従来のパイロット式電磁弁及び他の例におけるピストン背空間へのＣｖ値とを比較して示す圧力差−Ｃｖ値特性である。 本発明の実施形態におけるラビリンス構造の溝角度の変化に対するＣｖ値の測定結果を示す図である。 本発明の実施形態におけるラビリンス構造の溝深さの変化に対するＣｖ値の測定結果を示す図である。 本発明の実施形態におけるラビリンス構造の溝間隔の変化に対するＣｖ値の測定結果を示す図である。 本発明の実施形態におけるラビリンス構造の溝数の変化に対するＣｖ値の測定結果を示す図である。 本発明の実施形態におけるピストン弁の全長の変化に対するＣｖ値の測定結果を示す図である。 従来のパイロット式電磁弁の一例を示す縦断面図である。 従来のパイロット式電磁弁のピストン弁を示す図である。 従来例におけるピストン弁の作用を説明する図である。

次に、本発明のパイロット式電磁弁の実施形態を図面を参照して説明する。図１は実施形態のパイロット式電磁弁の非通電時の縦断面図、図２は同パイロット式電磁弁のピストン弁を示す図である。この実施形態のパイロット式電磁弁と前記図１１に示す従来のパイロット式電磁弁との違いは、実施形態におけるピストン弁１の形状であり、図１において前記図１１と同じ要素には同符号を付記してある。図１において、ピストン弁１以外の他の要素の構造及び動作は図１１について説明した前述のとおりであり、重複する詳細な説明は省略する。

図１及び図２に示すように、実施形態におけるピストン弁１は、金属製（例えば真鍮）のピストン部１１とその下端に配設された樹脂製のシール部１２とを有している。ピストン部１１の中心にはパイロットポート１ａと導通路１ｂが形成されており、パイロットポート１ａは導通路１ｂを介して二次側継手２２に導通される。

また、ピストン室３１の内壁３１ａに対向するピストン弁１（ピストン部１１）の外周には、軸線Ｌを中心とするリング状溝１１ａが複数形成されており、この複数のリング溝１１ａ，１１ａ，…を軸線Ｌ方向に併設することによりラビリンス構造１１Ａが設けられている。この複数の溝１１ａ，１１ａ，…は、切削加工により形成されたものであり、その軸線Ｌ方向の縦断面形状がＶ型である。

ピストン弁１の径はφ１０mm〜４０mmであり、ピストン弁１とピストン室３１の内壁３１ａとの隙間は０．０１mm〜０．０６mmである。そして、実施形態のピストン弁１によれば、図３に示すように、一次側からピストン弁１とピストン室３１の内壁３１ａとの隙間を通ってピストン背空間に流体が流れるが、このとき流体はリング状溝１１ａ内で、溝に沿った周方向に筒状となる渦を巻く。これにより、ピストン背空間への流体の流れが抑えられる。

ラビリンス構造１１Ａの形状は、図４に示す各形状パラメータにより特定したものである。各形状パラメータは、リング状溝１１ａのＶ型溝の内面の対向角度である溝角度θ、前記複数溝の各溝の溝深さＤ、前記複数溝の軸線Ｌ方向の隣接する溝同士の間隔である溝間隔Ｐ、溝の数である溝数Ｎである。

図５は実施形態のパイロット式電磁弁におけるピストン背空間へのＣｖ値（漏れ流量）と、従来のパイロット式電磁弁及び他の例におけるピストン背空間へのＣｖ値とを比較して示す圧力差−Ｃｖ値特性である。なお、以下の各グラフは要所サンプリング点での計測を行った結果をソフトウエアでスムージングして得られたものである。また、各測定の基準値は以下のとおりである。
溝角度θ：３０°
溝深さＤ：０．４mm
溝間隔Ｐ：０．３mm
ピストン径：φ３０mm
溝数Ｎ：１０
ピストン全長：１５mm

図５の横軸は一次側の圧力とピストン背空間の圧力との圧力差、縦軸はＣｖ値である。ピストンリング（従来形状）の特性は、高差圧ではピストンリングのシール効果が効いている為、Ｃｖ値は低くなるが、前述のようにシール効果の低い低差圧のときに大きなピークができてしまう。このため、特に低差圧時に弁開するときのピストン弁の動作が不安定になる。実施形態の複数のリング状溝１１ａからなるラビリンス構造１１Ａを有する場合、高差圧でのＣｖ値はピストンリングタイプと比較して高くなるが、低差圧時のＣｖ値は低い値である。なお、ラビリンス構造無しの場合に比較すれば、実施形態の場合は高差圧でもＣｖ値は低い値である。ピストン弁１を上昇させるために必要な力が発生し難いのは低差圧の時であり、このことを考慮すると、実施形態（本発明）の方が従来のものよりも安定した動作が得られる。

次にラビリンス構造１１Ａの各形状パラメータを変化させてＣｖ値を測定した検証結果について説明する。

図６は溝角度θを１５°〜１２０°まで変化させたときのＣｖ値の測定結果を示す図である。溝角度θ以外の形状パラメータは前述の測定の基準値（一定）として測定し、縦軸のＣｖ値は溝角度０°（溝無し）のＣｖ値を１．０として規格化した値である。なお、１５°以下は切削加工が極めて困難であるため予想線である。この測定結果から、溝角度θが１５°以上で４０°以下の範囲でＣｖ値が低くなっており、この範囲でＣｖ値の抑制効果が高いことが判明した。

図７は、溝深さＤを０．０mm〜０．６mmまで変化させたときのＣｖ値の測定結果を示す図である。溝深さＤ以外の形状パラメータは前述の測定の基準値（一定）として測定し、縦軸のＣｖ値は溝深さ０mm（溝無し）のＣｖ値を１．０として規格化した値である。この測定結果から、溝深さＤは０．２mm以上で０．６mm以下の範囲でＣｖ値が低くなっており、この範囲でＣｖ値の抑制効果が高いことが判明した。

図８は、溝間隔Ｐを０．０mm〜０．７mmまで変化させたときのＣｖ値の測定結果を示す図である。溝間隔Ｐ以外の形状パラメータは前述の測定の基準値（一定）として測定し、縦軸のＣｖ値は溝間隔０mm（溝無し）のＣｖ値を１．０として規格化した値である。この測定結果から、溝間隔Ｐは０．２mm以上で０．６mm以下の範囲でＣｖ値が低くなっており、この範囲でＣｖ値の抑制効果が高いことが判明した。

図９は、溝数Ｎを０ヶ〜２０ヶまで変化させたときのＣｖ値の測定結果を示す図である。溝数Ｎ以外の形状パラメータは前述の測定の基準値（一定）として測定し、縦軸のＣｖ値は溝数０ヶ（溝無し）のＣｖ値を１．０として規格化した値である。この測定結果から、溝数が多いほどＣｖ値が低くなり、Ｃｖ値の抑制効果が高くなることが判明した。なお、１０ヶ以上では抑制効果は低減してくることも判る。

図１０は、ピストン弁の全長を５．０mm〜６０．０mmまで変化させたときのＣｖ値の測定結果を示す図である。全長以外の形状パラメータは前述の測定の基準値（一定）として測定し、縦軸のＣｖ値は全長５．０mmのＣｖ値を１．０として規格化した値である。この測定結果から、全長が長いほどＣｖ値が低くなり、Ｃｖ値の抑制効果が高くなることが判明した。なお、５０．０mm以上では抑制効果は低減してくることも判る。

以上のように、実施形態のパイロット式電磁弁によれば、前記の条件を満たすラビリンス構造１１Ａにより、ピストンリングを使用することなく、一次側からピストン背空間へ流れるＣｖ値を制御することができ、特に低差圧のときでもピストン弁の安定した動作が得られる。

１ ピストン弁
１ａ パイロットポート１ａ
１ｂ 導通路
１１ ピストン部
１１ａ リング状溝
１１Ａ ラビリンス構造
１２ シール部
２ 本体部
２１ 一次側継手
２２ 二次側継手
２４ 主弁座
２４ａ 主弁ポート
３ シリンダケース
３１ ピストン室
３１ａ 内壁
５ 電磁駆動部
５１ プランジャチューブ
５２ 吸引子
５３ プランジャ
５４ 電磁コイル
６ パイロット弁体
６ｂ ニードル部
Ｌ 軸線

Claims (1)

1. 一次側継手と二次側継手との間の主弁ポートに対向してピストン室内にピストン弁を配設するとともに、ピストン弁のパイロットポートをパイロット弁で開閉し、ピストン室内のピストン背空間の圧力と一次側継手の圧力の差圧を利用して主弁ポートを弁開とするようにしたパイロット式電磁弁において、
   前記ピストン室の内壁に対向するピストン弁の外周に、軸線Ｌを中心とするリング状の複数の溝を軸線Ｌ方向に併設した複数溝からなるラビリンス構造を設け、
   前記リング状溝の軸線方向の縦断面形状がＶ型であって、該Ｖ型溝の内面の対向角度である溝角度θ、前記複数溝の各溝の溝深さＤ、前記複数溝の軸線方向の隣接する溝同士の間隔である溝間隔Ｐが、
   １５°≦θ≦４０°…（１）
   ０．２mm≦Ｄ≦０．６mm…（２）
   ０．２mm≦Ｐ≦０．６mm…（３）
   の条件を満たすことを特徴とするパイロット式電磁弁。

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