JP5952721B2

JP5952721B2 - 電磁弁

Info

Publication number: JP5952721B2
Application number: JP2012256020A
Authority: JP
Inventors: 丈司上間
Original assignee: Kuroda Pneumatics Ltd
Current assignee: Kuroda Pneumatics Ltd
Priority date: 2012-11-22
Filing date: 2012-11-22
Publication date: 2016-07-13
Anticipated expiration: 2032-11-22
Also published as: JP2014101982A

Description

本発明は、電磁弁に関し、更に詳細には、弁体が、ソレノイド装置のプランジャをなし、或いはソレノイド装置により駆動されて、弁座面に対して直角方向に移動するポペット式の電磁弁に関する。

ポペット式の電磁弁は、弁体自体がソレノイド装置のプランジャ（可動鉄心）をなすことにより、磁性材料である電磁ステンレス鋼等の金属材料によって構成される場合がある（例えば、特許文献１）。そのような場合には、密閉性を目的として弁体を磁性ゴム材料としたり、弁体にゴム材料を一体成形することが知られている。

実公平３−４２２８５公報

しかし、弁体にゴム部材を利用すると、ゴムの弾性特性や粘着性のために弁の開閉速度に遅れが生じたり、耐久性の問題が生じるため、弁体にゴム部材を利用した電磁弁（電磁ポペット弁）は、高速かつ高頻度動作の電磁弁には適用できないと云う問題があった。

弁体にゴム部材を用いず、金属同士を接触面としたメタルシール方式の弁構造を有した電磁弁も知られている。通常、メタルシール方式の電磁弁の弁体は、弁座面に接触（着座）する表面を研磨等の機械加工によって平滑に仕上げられている。また、弁座面も同様に研磨等の機械加工によって平滑に仕上げられている。なお、メタルシール方式とは、密閉のためにゴムを用いない構造のことを指しており、金属と樹脂の組み合わせもメタルシールとみなせる。いずれにせよ、メタルシール方式の弁構造は、高速かつ高頻度動作の用途では、早期の摩耗が問題となる場合がある。

高速かつ高頻度動作の電磁弁が必要とされるものとしては、色彩選別機の空気圧回路がある。色彩選別機とは、装置内部を高速落下する米や麦といった穀物やプラスチックペレット等の被選別粒状物をカメラにより撮像し、正常粒とは色彩が異なる不良粒を画像処理技術によって選別し、噴射ノズルより圧縮空気を落下過程の不良粒に向けて噴出し、空気圧によって不良粒を正常粒の落下方向とは異なる側方へ弾き飛ばすものである。この種の色彩選別機では、一度に多量の被選別粒状物の処理が必要とされているため、生産性の向上、すなわち選別速度の向上が求められている。

この対策として、カメラの撮像処理速度向上に加えて、噴射ノズルに対する圧縮空気の供給路を開閉する電磁弁の動作頻度及び応答速度の向上は欠かせない。このため、電磁弁の応答速度は１秒間に１０００回程度の動作頻度が要求される。また、電磁弁は高頻度で動作するため、１０億回以上の開閉に耐える耐久性が必要となっている。

早期摩耗の主原因は、フレッティング摩耗であり、これは、弁体が高速で開閉した際に弁体表面と弁座面との間に発生する５〜２０μmの振幅による微振動から生じる繰返し衝突に起因している。従来、空気圧回路に用いられる圧縮空気は、給油式空気圧縮機で圧縮され、冷凍式ドライヤで水分を除去されたものが一般的であった。そのため、圧縮された空気には、多少の油分及び水分が残留し、弁体表面と弁座面との金属接触面の摩耗を防止する効果が期待できた。

しかしながら、水分は、穀物等の処理対象の劣化の原因となる。油分は、空気圧縮機の潤滑用オイルが漏出し、圧縮空気配管に混入したものであり、食用に適さない機械潤滑用のオイルが酸化したものも含まれることから、穀物を取り扱う色彩選別機では許容されない。そこで、穀物を取り扱う色彩選別機では、無給油式圧縮機と吸着式ドライヤの組み合わせが増えてきている。これにより得られる圧縮空気の質は、油分と水分を殆ど含まない清浄なものとなっている。

特に、空気圧縮機設備の違いによる水分含有量の差異は顕著で、これまで一般的に使用されてきた冷凍式ドライヤでは１ｍ^３の圧縮空気中に１３６０ｍｇ程度の水分が含まれるのに対して、昨今、食品機械設備に用いられるようになった吸着式ドライヤが用いられた空気圧縮機設備では、１ｍ^３の圧縮空気中に含まれる水分量は１０ｍｇ程度で極端に少ない。この圧縮空気中の水分量の違いによるメタルシール方式の電磁弁の耐久性の差異は、前者の圧縮空気では１０億回以上の耐久回数が得られるのに対して、後者の圧縮空気では１億回程度で弁体表面及び弁座面の摩耗が進み、使用に耐えなくなることが判明した。このように、色彩選別機におけるフレッティング摩耗と圧縮空気の質との因果関係は、特に水分含有量の差で顕著になることが判明した。

このような従来技術の問題点に鑑み、本発明が達成しようとする課題は、オイルや水分などの潤滑成分を殆ど含まない質の高い圧縮空気環境で用いられる電磁弁のフレッティング摩耗を解消して耐久性の向上を図ることにある。

本発明による電磁弁は、弁室（２２）を画定し、前記弁室（２２）に向けて開口した弁ポート（３２）の周りに形成された弁座面（３０）を有する弁ハウジング（１０）と、前記弁室（２２）内に設けられ、着座面（４２）を有し、当該着座面（４２）が前記弁座面（３０）に着座して前記弁ポート（３２）を閉じる閉弁位置と前記弁座面（３０）より離間して前記弁ポート（３２）を開く開弁位置との間を移動可能な弁体（４０）と、前記弁ハウジング（１０）に取り付けられ、前記弁体（４０）を開閉駆動するソレノイド装置（５０）とを有する電磁弁であって、前記弁座面（３０）と前記着座面（４２）との少なくとも一方にプラスチックフィルム（７０、７４）が被着され、当該プラスチックフィルム（７０、７４）を介して前記着座面（４２）が前記弁座面（３０）に着座する。

この構成によれば、弁座面（３０）及び又は着座面（４２）にプラスチックフィルム（７０、７４）が貼着されているので、繰り返しの開閉動作において弁座面（３０）と着座面（４２）とはプラスチックフィルム（７０、７４）を介して接触することになり、弁座面（３０）と着座面（４２）とが直接に接触することがない。これにより、弁座面（３０）や着座面（４２）がフレッティング摩耗を生じることがなく、弁座面（３０）や着座面（４２）の早期摩耗が回避される。

本発明による電磁弁は、好ましくは、前記着座面（４２）にプラスチックフィルム（７４）が被着され、前記プラスチックフィルム（７４）が、閉弁時に前記弁座面（３０）に当接する部分より内側の部分にて、少なくとも部分的にくり抜かれている。つまり、プラスチックフィルム（７４）は、自身が閉弁時に前記弁座面（３０）に当接する部分より内側の部分の、少なくとも一部にくりぬかれた部分（７８）を有する。

プラスチックフィルムに、くりぬかれた部分を設けなかった場合には、弁座面と着座面との間の繰り返しの衝突により、弁座面との当接部位に隣接するへり部分のプラスチックフィルムが着座面から盛り上がるような変形を生じる虞がある。このような変形が生じると、プラスチックフィルムが着座面から剥離することにより、閉弁の締め切り性が損ねられたり、弁体の高速開閉動作が適切に行われなくなったりするなどの問題が発生し得る。

しかるに、プラスチックフィルム（７４）に、くりぬかれた部分（７８）が設けられていると、弁座面（３０）と着座面（４２）との間の繰り返しの衝突により、弁座面との当接部位に隣接するへり部分のプラスチックフィルムが着座面から盛り上がるような変形を生じようとしても、プラスチックフィルム（７８）が、くりぬかれた部分（７８）に向けて自由に流動あるいは延伸することができるので、そのような問題の発生を回避することができる。

本発明による電磁弁では、好ましくは、前記プラスチックフィルム（７０、７４）は粘着層（７２、７６）によって前記弁座面（３０）と前記着座面（４２）との少なくとも一方に貼着、つまり前記弁座面（３０）及び又は前記着座面（４２）に貼着されている。

この構成によれば、プラスチックフィルム（７０、７４）を弁座面（３０）及び又は着座面（４２）に簡単に作業性よく貼着することができる。

本発明による電磁弁では、好ましくは、前記弁体（４０）が、前記ソレノイド装置（５０）の金属製の磁性材料によって構成されるプランジャの一部をなしている。

この構成によれば、弁体（４０）が金属製であるから、プラスチックフィルム（７０、７４）によって弁座面（３０）と着座面（４２）とが直接に接触することがないことによるフレッティング摩耗の解消が一層効果的なものになる。

本発明による電磁弁によれば、弁座面及び又は着座面にプラスチックフィルムが貼着されているので、繰り返しの開閉動作において弁座面と着座面とはプラスチックフィルムを介して接触することになり、弁座面と着座面とが直接に接触することがない。これにより、弁座面や着座面がフレッティング摩耗を生じることがない。

本発明による電磁弁の一つの実施形態を示す縦断面図。本実施形態による電磁弁に用いられる弁座部材の拡大斜視図。本実施形態による電磁弁に用いられる弁座部材の要部の拡大縦断面図。本実施形態による電磁弁に用いられる弁体の拡大斜視図。本実施形態による電磁弁に用いられる弁体の拡大縦断面図。本発明による電磁弁に用いられる弁体の他の実施形態を示す拡大斜視図。

以下に、本発明による電磁弁の一つの実施形態を、図１〜図４を参照して説明する。なお、説明の便宜上、図１の上側を上方、下側を下方と方向を付けて説明することがある。

電磁弁は、図１に示されているように、弁ハウジング本体１２と弁座部材１４と通路部材１６とポート部材１８と外側ケース２０とによる弁ハウジング組立体１０を有する。弁座部材１４は金属製で、それ以外の弁ハウジング本体１２と弁座部材１４と通路部材１６とポート部材１８と外側ケース２０とはプラスチック成形品によって構成されている。

弁ハウジング本体１２は、後述するソレノイド装置５０のアウタハウジング６０と協働して、閉じられた空間をなす弁室２２を形成している。弁室２２は、弁ハウジング本体１２と通路部材１６とに形成された一次側通路２４、２６を介して、ポート部材１８に形成されている入口ポート２８に連通している。

弁座部材１４は、弁ハウジング本体１２の内部に固定されており、上面に形成された平らな円環形状の弁座面３０と、弁座面３０によって画定された弁ポート３２とを有する。弁ポート３２は、一方の側において弁室２２に向けて開口しており、弁室２２とは反対の側において弁座部材１４と通路部材１６とに形成された二次側通路３４、３６を介して、ポート部材１８に形成されている出口ポート３８に連通している。

弁室２２には平板状の弁体４０が配置されている。弁体４０は、ソレノイド装置５０のプランジャ（可動鉄心）をなすものであって、磁性材料である電磁ステンレス鋼（フェライト系ステンレス鋼）等による金属製のものであり、本実施形態では弁室２２の平面形状が矩形であることにより、その形状に倣って矩形の金属平板によって構成されている（図４参照）。弁体４０の下面は弁座面３０に正対する平らな着座面４２をなしている。

弁座面３０には、図２、図３に示されているように、弁座面３０の平面形状と同一形状、つまり円環形状のプラスチックフィルム７０が粘着層７２によって貼着されている。プラスチックフィルム７０の外径は弁座面３０の外径に略等しく、プラスチックフィルム７０の内径は弁座面３０の内径に略等しくてよい。

着座面４２には、図４、図５に示されているように、着座面４２の外郭寸法より少し小さい外郭寸法の矩形のプラスチックフィルム７４が粘着層７６によって貼着されている。

プラスチックフィルム７０、７４は、耐摩耗性、特に耐フレッティング摩耗に優れたプラスチック材料製であることが好ましく、好ましいプラスチック材料として、ポリエチレンテレフタノール（ＰＥＴ）、フッ素系プラスチック等が挙げられる。プラスチックフィルム７０、７４の厚さは、１０μｍ〜３０μｍ程度あるいはこれ以下であってよい。プラスチックフィルム７０、７４の厚さがこれ以上であると、高速開閉動作に支障を来す可能性があり、過度に薄いと製造及び取り扱いが困難である。このようなプラスチックフィルム７０、７４は、厚さを規定された一般仕様（一般流通）のものを使用することができる。

粘着層７２、７６は、感圧性接着剤とも呼ばれるゴム系、アクリル系あるいはシリコーン系の粘着剤によるものであり、高粘性液体あるいはゲル状固体の何れであってもよく、プラスチックフィルム７０、７４の一方の面に層状に塗布して形成したもの、あるいはプラスチックフィルム７０、７４の一方の面に貼り合わされた両面粘着テープによるものであってよい。ここでは、プラスチックフィルム７０、７４の一方の面に粘着剤を層状に塗布された粘着剤付きのフィルムの使用が好適である。

弁体４０は、着座面４２がプラスチックフィルム７０、７４を介して弁座面３０に着座することにより弁ポート３２を遮蔽して弁ポート３２と弁室２２との連通を遮断する閉弁位置と、弁座面３０より上方に変位することにより着座面４２が弁座面３０より離間して弁ポート３２と弁室２２との連通を確立する開弁位置との間を移動可能になっている。本実施形態では、弁体４０の開閉ストロークは８０μｍ程度の極く小さいものである。

ソレノイド装置５０は、弁ハウジング本体１２の上部に取り付けられており、ボビン５２と、ボビン５２に巻装された巻線による電磁コイル部５４と、ボビン５２の中心部を図１で見て上下方向に延在する固定鉄心５６と、磁路形成部材５８と、これらをモールドするモールド材によるアウタハウジング６０とにより構成されている。

固定鉄心５６と磁路形成部材５８とは、図示されていないが、上端部に互いに連結されており、各々の下端面５６Ａと５８Ａとが互いに同じ高さ位置をもって弁室２２に露呈している。

電磁コイル部５４に通電が行われると、固定鉄心５６と磁路形成部材５８とが磁化し、固定鉄心５６と磁路形成部材５８と弁体４０によって閉ループの磁路が形成される。これにより、弁体４０は、上面４４をもって固定鉄心５６および磁路形成部材５８の下端面５６Ａおよび５８Ａに磁気性に吸着し、弁座面３０より離間した開弁位置に位置する。

電磁コイル部５４に通電が行われていない状態では、つまり、固定鉄心５６と磁路形成部材５８とが消磁すると、弁体４０は、入口ポート２８より弁室２２に供給される圧縮空気によって弁室２２と弁ポート３２との間に圧力差が生じことにより、着座面４２がプラスチックフィルム７０、７４を介して弁座面３０に着座する閉弁位置に位置する。

これにより、繰り返しの弁開閉において弁座面３０と着座面４２とはプラスチックフィルム７０と７４をもって繰り返し接触することになり、ともに金属製である弁座面３０と着座面４２とが直接に接触することがない。

これにより、オイルや水分などの潤滑成分を殆ど含まない質の圧縮空気による空気圧回路での使用でも、弁座面３０や着座面４２がフレッティング摩耗を生じることがなく、弁座面３０や着座面４２の早期摩耗が回避され、耐久性の向上が図れる。

プラスチックフィルム７０、７４は、市販のものであってよく、粘着層７２、７６による貼り付けによって弁座面３０あるいは着座面４２に取り付けられ、粘着層７２、７６は粘着剤の塗布や市販の両面粘着テープによって簡便に設けることができるので、塗布や吹き付けによって弁座面３０あるいは着座面４２を樹脂系被覆材によって被覆するものに比して設備費の削減、作業工程の効率化、容易化が図られる。また、プラスチックフィルム７０、７４は、塗布や吹き付けによるものでないので、良好な耐フレッティング摩耗性を得るために必要な厚さ（層厚）を確実に容易に得ることができる。

繰り返しの弁開閉により、弁座面３０と着座面４２とが、着座面４２側のプラスチックフィルム７４を介して互いに繰り返し衝突すると、同部分に於けるプラスチックフィルム７４が潰れることにより、プラスチックフィルム７４の材料が、弁座面３０と着座面４２との間の衝突領域から半径方向に流動する現象あるいは同等の弾性変形が生じると考えられる。このことにより、プラスチックフィルム７４のうち、弁座面３０との当接部位に隣接するへり部分が、着座面４２から盛り上がるような変形を生じる虞がある。この変形によってプラスチックフィルム７４の一部に剥離が生じ、弁体４０の振動的開閉運動により、それに加えて、プラスチックフィルム７４の表面に沿う高速の空気流により、剥離部分が拡大或いは移動することになる。その結果、剥離部分が弁座面３０と着座面４２との間の当接領域に進展した場合には、弁の開閉動作が適切に行われなく虞がある。このような現象は、着座面４２とプラスチックフィルム７４との間に存在する粘着層７６が、高粘度液体あるいはゲル状固定で、軟質であることにより、粘着層７６の歪みも相まって顕著なものになる。

それに対して、本実施形態では、プラスチックフィルム７４が、閉弁時に弁座面３０に当接する部分より内側の部分にて、少なくとも部分的にくり抜かれることにより、くり抜き部７８が設けられている。くり抜き部７８は、弁座面３０およびプラスチックフィルム７０の内径より少し小さい内径の円形のくり抜きであり、閉弁状態では、弁座面３０と同心の円形となるくり抜きであってよい。つまり、着座面４２が弁座面３０より内側の弁ポート３２と正対する領域は、くり抜き部７８になっていて、プラスチックフィルム７４が存在せず、着座面４２が弁ポート３２に向けて直接露呈している。また、粘着層７６にもくり抜き部７８と同等のくり抜き部８０（図５参照）が形成されている。

くり抜き部７８が設けられていることにより、弁座面３０と着座面４２との間の衝突領域から半径方向に流動した材料は、くり抜き部７８側に逃げることができ、着座面４２から盛り上がるような変形を生じることがない。これにより、盛り上がるような変形を生じた部分のプラスチックフィルム７４の表面が高速の空気流れに曝されて振動することがなく、プラスチックフィルム７４が粘着層７６による簡便な貼り付けであっても、プラスチックフィルム７４が着座面４２から剥離する現象が生じ難くなる。

くり抜き部７８、８０の内径は、弁座面３０の内径に等しくても、弁座面３０の外径より小さい範囲で弁座面３０の内径より大きくてもよいが、繰り返しの使用によって、着座面４２とプラスチックフィルム７４との間より粘着層７６の粘着剤がはみ出し、はみ出した粘着剤が弁座面３０側のプラスチックフィルム７０に付着することによって開弁動作が妨げられることを回避するために、図示の実施形態のように、くり抜き部７８、８０の内径は、弁座面３０の内径より小さいことが好ましい。また、くり抜き部７８、８０は、必ずしも弁座面３０の平面形状と同一形状でなくてもよく、弁座面３０の内径領域内に収まる形状、寸法ならば、四角形等、弁座面３０の平面形状とは異なる形状のくり抜きであってもよい。

また、着座面４２に貼着されるプラスチックフィルム７４は、図６に示されているように、弁座面３０に対応する部位に存在する円環形状であってもよい。この場合、粘着剤のはみ出しの問題が生じないよう、プラスチックフィルム７４は、弁座面３０の内径より少し小さい内径で、且つ弁座面３０の外径より少し大きい外径の円環形状であることが好ましい。

以上、本発明を、その好適な実施形態について説明したが、当業者であれば容易に理解できるように、本発明はこのような実施形態により限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

たとえば、プラスチックフィルムは、必ずしも弁座面３０と着座面４２の双方に設ける必要はなく、弁座面３０と着座面４２の何れか一方のみでもよい。

プラスチックフィルムの弁座面３０あるいは着座面４２に対する被着は、粘着剤付きフィルムを用いることが適しているが、接着剤による接合、ラミネートフィルムによる熱接合でもよい。

本実施形態では、圧力差によって開弁する電磁弁であるが、本発明は弁室内に設けられたばねのばね力によって開弁する型式の電磁弁にも同様に適用することができる。また、弁体４０は必ずしも磁性材料によって構成されてソレノイド装置５０のプランジャをなしているものでなくてもよい。

また、上記実施形態に示した構成要素は必ずしも全てが必須なものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて適宜取捨選択することが可能である。

１０弁ハウジング組立体
１２弁ハウジング本体
１４弁座部材
２２弁室
２８入口ポート
３０弁座面
３２弁ポート
３８出口ポート
４０弁体
４２着座面
５０ソレノイド装置
５４電磁コイル部
５６固定鉄心
５８磁路形成部材
７０プラスチックフィルム
７２粘着層
７４プラスチックフィルム
７６粘着層
７８くり抜き部

Claims

弁室を画定し、前記弁室に向けて開口した弁ポートの周りに形成された弁座面を有する弁ハウジングと、
前記弁室内に設けられ、着座面を有し、当該着座面が前記弁座面に着座して前記弁ポートを閉じる閉弁位置と前記弁座面より離間して前記弁ポートを開く開弁位置との間を移動可能な弁体と、
前記弁ハウジングに取り付けられ、前記弁体を開閉駆動するソレノイド装置と、
を有する電磁弁であって、
前記着座面にプラスチックフィルムが被着され、当該プラスチックフィルムを介して前記着座面が前記弁座面に着座し、前記プラスチックフィルムが、閉弁時に前記弁座面に当接する部分より内側の部分にて、少なくとも部分的にくり抜かれている電磁弁。
前記プラスチックフィルムは、粘着層を介して前記着座面に被着されている請求項１に記載の電磁弁。
前記弁座面に前記プラスチックフィルムとは別のプラスチックフィルムが被着されている請求項１または２に記載の電磁弁。
前記弁体が、前記ソレノイド装置の金属製の磁性材料によって構成されるプランジャの一部をなしている請求項１から３の何れか一項に記載の電磁弁。