JPH09229231A - 比例制御弁 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 出力の安定した温度補正が可能な比例制御弁
を提供することを目的とする。 【解決手段】 本発明の比例制御弁は、環状マグネット
１２内に軸方向に移動可能な円筒形状のコイルホルダ１
５がコイル１６を巻回して配設され、そのコイルホルダ
１５内に固定鉄心１３が固設された制御部と、入力ポー
ト３５に連通する一次室３と出力ポート３６に連通する
二次室４とが弁口２を介して画成された弁本体１内に、
コイルホルダ１５に対して軸方向に当接た弁棒７と弁体
６とが一体固定され一次室３側に配設された弁部と、弁
棒７が嵌着し弁本体１の一次室３側に、制御部と弁部と
を分割するよう配設されたダイアフラム８とを有し、更
に、二次室４内であって、一端が弁体に当接したコイル
スプリング２２の他端に当接するよう配設され、弁体６
側に湾曲した円板型のバイメタル２１を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガス器具への燃料
ガスの供給を制御する給湯器等に使用される比例制御弁
に関し、特に、温度変化による流量や流体圧の変化を防
止した比例制御弁に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、コイル、弁体、及びダイアフ
ラム等の弁に使用される各部材が温度条件の変化に伴っ
て、その寸法や物性等が微妙に変化して制御対象となる
流体の流量や圧力の出力が変化してしまうことが起る。
そこで、そのような温度変化によって不安定となる出力
を安定させるべく様々な弁が提案されている。その一従
来例として、各部材の温度変化、特にコイルの特性変化
に対応した特公昭６１−４０８７５号公報に開示された
ものを示して説明する。図４は、当該公報によって開示
された調圧バルブ装置を示した断面図である。

【０００３】調圧バルブ装置５１は、ケース５２とカバ
ー５３によって気密保持された室５４には、ポート５５
を介してバキュームが、またポート５６を介して大気が
導入されるよう構成されている。バルブ駆動部５７は、
コイル５８が磁性体のコア５９を中心にして巻回され、
そして磁性体のヨーク６０には可動プレート６１が支承
され、その支承位置を支点として傾動するよう構成され
ている。また、可動プレート６１には、その可動プレー
ト６１と一体作動する非磁性体のフラッパ６２が固定さ
れている。そのフラッパ６２には、ポート５５またはポ
ート５６を閉じるためのバルブ６５及びバルブ６６がそ
れぞれ端部に係設されている。一方、コイル５８には、
片持型のバイメタル６４が支承され、そのバイメタル６
４と可動プレート６１及びフラッパ６２との間には、そ
の可動スプリング６１等を反時計方向に傾動付勢するリ
ターンスプリング６３が係設されている。

【０００４】このバイメタル６４は、その端部がコイル
５８が発熱していない低温時には支承位置と水平に延び
ているのであるが、コイル５８が発熱するとその温度上
昇に伴って上方に折れ曲がってリターンスプリング５８
の付勢力を次第に弱めるもので、コイル５８の励磁作用
が弱められてもフラッパ６２はリターンスプリング６３
の付勢力に抗して充分に変位作動でき、バルブ６５，６
６の制御を行なうことができる。

【０００５】そこで、コード６７を介してコイル５８へ
印加される励磁信号によって、コイル５８は励磁及び非
励磁を繰り返し、励磁によるコア５９の吸引作用によっ
て可動プレート６１とフラッパ６２は、リターンスプリ
ング６３の付勢力に抗してヨーク６０を支点として時計
方向に回転してバルブ６５がポート５５から離脱する一
方、バルブ６６はポート５６に当接して室５４は大気と
の連通が遮断され、ポート５５からバキュームが導入さ
れる。また、コイル５８が非励磁の時には、リターンス
プリング６３の付勢力によりバルブ６５がポート５５へ
当接する一方、バルブ６６はポート５６から離脱する。
従って、調圧バルブ装置５１は、励磁信号に応じてポー
ト５５，５６と室５４との連通を制御することにより、
励磁信号に応じた制御電圧が室５４に得られ、室５４に
連通するポートからその制御圧を出力することができ
る。

【０００６】そして、この調圧バルブ装置では、コイル
５８がその通電によって発熱すると抵抗値が増大するた
め、その抵抗値の増大に応じてコイル５８の励磁作用が
弱められる。しかし、そのコイル５８の発熱をバイメタ
ル６４によって検出し、コイル５８の温度上昇に伴って
バイメタル６４が上方に折れ曲がってリターンスプリン
グ５８の付勢力を次第に弱める。そため、プレート６１
及びフラッパ６２は、コイル５８に印加される励磁信号
に適格に応じることができ、温度変化にかかわらずバル
ブの作動時間を同一にして所定の調圧作用を保持する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、当該従来例
の調圧バルブ装置５１は、上述したようにコイル５８の
励磁作用が温度変化によって弱められても同一パターン
の通電に対しバルブの作動時間を一定に保つことで調圧
作用を保持するものである。しかし、このような従来の
ものは、バルブ６５，６６がポート５５，５６に対して
当接または離脱するタイミングを調節する効果は奏する
ものの、弁座に当接する弁体の気密性を考慮したもので
なかった。従って、使用したバイメタル６４は、図示し
たように可動プレート６１及びフラッパ６２に働く付勢
力が均一になるようリターンスプリング６３の一端を支
承した片持型のもので、これでは、弁体にかかる流体圧
力等が考慮されず、閉弁時の気密性や開弁時の弁の開度
を一定に保つことは困難であった。

【０００８】そのため、従来から温度条件によって変化
する物性等の影響による出力変化（流体圧力や流量の変
化）に対しては、回路補正を行なうか、或はそのような
出力変化を容認した上で使用していた。ところが、回路
補正によれば、温度を検知するセンサ及び比較、増幅等
の回路が別途必要となって回路全体が複雑化しコストア
ップの原因となる。また、確実な補正をするためには温
度変化が一定範囲内に収まっている必要があり、有効な
手段とはいえなかった。一方、温度変化を容認したので
は、同一の電流制御に対して流体の出力が温度によって
ばらつくため、給湯器等に使用した場合に出力の安定し
ない製品となってしまう。

【０００９】そこで、本発明は、流体出力の安定した温
度補正が可能な比例制御弁を提供することを目的とす
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の比例制御弁は、
固設された環状マグネット内に配設され、軸方向に移動
可能な円筒形状のコイルホルダと、そのコイルホルダに
巻回されたコイルと、前記コイルホルダ内にあって同軸
上に固設された固定鉄心とを備えた制御部と、入力ポー
トに連通する一次室と出力ポートに連通する二次室とが
弁口を介して画成された弁本体と、前記弁口に当接する
弁体と、その弁体と一体固定され前記コイルホルダに対
して軸方向に当接し前記一次室側に延設された弁棒と、
前記弁体を付勢する前記二次室内に配設されたコイルス
プリングとを備えた弁部と、中心には前記弁棒が嵌着
し、前記弁本体の一次室側に設けられ前記制御部と前記
弁部とを分割するよう配設されたダイアフラムとを有す
るものであって、一端が前記弁体に当接した前記コイル
スプリングの他端に当接するよう配設され、前記弁体側
に湾曲して形成された円板型のバイメタルを有すること
を特徴とする。

【００１１】また、本発明の比例制御弁は、前記弁本体
内へ流体が流入した場合に、下方に作用する前記弁体へ
の一次圧ｆV 、前記コイルホルダにかかる励磁力ＦC 、
及び前記弁軸及び前記弁体の自重Ｗと、上方に作用する
前記ダイアフラムへの一次圧ｆD 、前記コイルスプリン
グによる前記弁体への荷重ＦS 、及び前記弁体への二次
圧ｆE とが、ＦC ＋ｆV ＋Ｗ ＝ ｆD ＋ｆE ＋ＦS の
関係を維持すべく、温度変化による励磁力ＦC の減少に
対応して前記バイメタルが下方へ変位することにより荷
重ＦS を減少させることを特徴とするものであることが
望ましい。また、本発明の比例制御弁は、前記制御部か
ら出力される前記コイルホルダにかかる励磁力ＦC が、
１℃の温度上昇に伴って前記コイルに生じる磁束密度が
約０．１８パーセント低下することに起因することを考
慮して、前記バイメタルの内部応力を設計したものであ
ることが望ましい。

【００１２】そこで、上記構成をなす本発明の比例制御
弁は、コイルへの通電が行なわれると磁界が発生し、環
状マグネットからフレミングの左手の法則に従って発生
する磁界との相互作用により、コイルホルダがスプリン
グの弾性力に抗して弁棒を軸方向に移動させ、同時に弁
口から弁体を離間され入力ポートから弁本体内に流入し
た流体が出力ポートから吐出されることとなる。その
際、コイルの発熱等によって周囲温度が上昇すると、コ
イルの励磁力が低下するため開弁方向に作用する荷重が
小さくなるが、温度上昇にともなって弁体側に湾曲した
円板型のバイメタルが反弁体側へ変位することによって
コイルスプリングのセット長が伸び、閉弁方向に作用す
る荷重も小さくなってバランスが保たれるため、閉弁時
の気密性や開弁時の弁の開度が維持され、常に二次室側
の流体の流量あるいは流体圧が一定となる。

【００１３】

【発明の実施の形態】次に本発明にかかる比例制御弁の
一実施の形態について図面を参照して説明する。図１
は、実施の形態の比例制御弁を示した断面図である。比
例制御弁の本体１には、弁口２が形成され、その入力側
の一次室３は入力ポート３５と連通し、出力側の二次室
４は出力ポート３６と連通している。弁口２中に挿入さ
れている半球面状の弁体６は、その弁軸７を介してダイ
アフラム８に連結されている。一方、半球面状の弁体６
下方には、本発明の特徴をなす温度変化を補正するため
の手段が設けられている。即ち、本体１に一体に固定さ
れた底カバー２０上面に形成された円形段部には、湾曲
した円板型のバイメタル２１が嵌合されている。そし
て、そのバイメタル２１上面と弁体６下面との間には、
コイルスプリング２２が嵌装されている。

【００１４】また、比例制御弁の上部には、本体１に対
してステー９を介して一体に固定された駆動部が構成さ
れている。この駆動部には、磁性円盤１１及びマグネッ
ト１２が取り付けられ、そのマグネット１２はリング状
をなしており、中央の孔に円柱状の固定鉄心１３が挿入
されている。そして、固定鉄心１３、マグネット１２及
び磁性円盤１１は、合成樹脂モールドによって外側が合
成樹脂外皮１４で被覆され、各部品が固定されている。
固定鉄心１３の円柱外周部には筒状のコイルホルダ１５
が配設され、その外周に励磁コイル１６が巻回されてい
る。このコイルホルダ１５は、弁軸７の上端に当接され
ている。そして、この励磁コイル１６に対し通電するた
めの端子１７が接続されている。

【００１５】そこで、このような構成からなる本実施の
形態の比例制御弁によれば次のように作用する。駆動部
のコイルホルダ１５に巻回された励磁コイル１６に制御
電流が通電されていない状態では、励磁コイル１６から
磁界が発生しないので、常時磁界を発しているマグネッ
ト１２が存在していても、励磁コイル１６及びコイルホ
ルダ１５は、何等変化することなく移動しない。一方、
励磁コイル１６に制御電流が通電されると、励磁コイル
１６から磁界が発生し、マグネット１２から発生する磁
界との相互作用により、励磁コイル１６が巻回されてい
るコイルホルダ１５が、コイルスプリング２２の弾性力
に抗して下方に駆動される。駆動力は、励磁コイル１６
に通電される電流の大きさに依存する。

【００１６】そして、コイルホルダ１５が下降すると弁
軸７を介して弁体６が押し下げられて弁口２が開き、入
力ポート３５から一次室３へ流入した流体が、弁口２、
二次室４、そして出力ポート３６から出力され、並設さ
れる不図示の開閉弁の経路を順に通過し、不図示のバー
ナに供給される。このとき、弁体６の上面の受圧面積と
ダイアフラム８の下面の受圧面積がほぼ等しいので、流
入する流体圧が上昇すると二次室４の流体圧も上昇する
ため、弁体６が押し上げられて閉弁方向へ移動し、通過
流量を抑制して出口側の流体圧の上昇を抑えて、常時出
力する流体圧を一定に制御している。励磁コイル１６の
駆動力に対し、二次圧とコイルスプリング２２の弾性力
はバランスしている。また、励磁コイル１６への通電を
変えることで励磁コイル１６とマグネット１２との間で
作用する磁界の大きさを変化し、弁体６の位置を変化さ
せ弁口２の開度を制御し、出力する流体圧を調節するこ
とができる。

【００１７】ところで、励磁コイル１６への通電によっ
て開弁した状態においては、図２の矢印で示すような力
が、弁体６、弁軸７及びダイアフラム８等の一連の部材
に作用することとなる。即ち、弁が開いて流体が弁本体
内へ流入すると、下方には、入力ポート３５から一次室
３内へ流入した流体によって一次圧ｆV が弁体６に作用
し、励磁コイル１６に制御電流の通電によって励磁力Ｆ
C がコイルホルダ１５に作用し、更に弁軸７及び弁体６
の自重Ｗが作用する。一方、上方には、一次室３内へ流
入した流体によって一次圧ｆD がダイアフラム８に作用
し、コイルスプリング２２による荷重ＦS が弁体６に作
用し、更に出力側の二次室４の流体によって二次圧ｆE
が弁体６に作用する。従って、開弁時には（１）式で示
すような状態でバランスがとられている。但し、この場
合、比例制御弁内の温度は２０℃程度の常温である。 ＦC＋ｆV ＋Ｗ ＝ ｆD ＋ｆE ＋ＦS （ｆV ≒ｆD ） …（１）

【００１８】ところで、本実施の形態の比例制御弁は、
給湯器においてガス器具への燃料ガスの供給に使用する
ものであるが、そこでは、励磁コイル１６に３〜２３０
ｍｍＨ₂ ０（二次圧）のガス圧に対応する励磁力を生じ
るものが使用されている。そして、このような励磁コイ
ル１６では、発熱して温度が上昇すると、励磁コイル１
６の磁束密度が温度が１℃上昇するのに伴い約０．１８
パーセントの割合で減少することが確認されている。そ
のため、発熱して温度が上昇すると励磁力ＦC が弱めら
れ、上記（１）式が次の（２）式のような関係となって
バランスが崩れることとなる。 ＦC ＋ｆV ＋Ｗ ＜ ｆD ＋ｆE ＋ＦS …（２） 但し、結果的には二次圧ｆE が小さくなって再びバラン
スする。

【００１９】そこで、従来の回路補正を採用したもので
は、弱められた励磁力ＦC を大きくする方法がとられて
いたが、本実施の形態の比例制御弁では、コイルスプリ
ング２２による荷重ＦS を小さくする方法をとることと
した。具体的には、上述したように底カバー２０に嵌合
されたバイメタル２１は、温度上昇に伴ってコイルスプ
リング２２が当接した中心部が下方に変位する。そのた
め、コイルスプリング２２のセット長が伸びる結果、弁
体６にかかる上方への荷重ＦS が小さくなり、上記
（１）式の右辺及び左辺の値が等しくバランスが保たれ
ることとなる。

【００２０】ここで、バイメタルを使用しない不図示の
従来品と本願に係る発明品との比較を行なった。図３
は、周囲温度の変化に伴う比例制御弁の二次側圧力を測
定した結果を示した線図である。なお、従来品は、圧力
変化を容認した回路補正を行なわないものである。よっ
て、図から分かるように従来の比例制御弁では、温度が
上昇するに従ってコイルの励磁力が徐々に低下するため
弁の開度が小さくなり、その結果二次圧が徐々に低下す
る結果となる。一方、上述した本実施の形態の比例制御
弁では、温度変化に従ってバイメタル２１が変位し、励
磁力ＦC の低下に伴って荷重ＦS も小さくなるため、温
度変化にかかわらず荷重バランスが維持され、弁の開度
が一定量保たれるため、その結果二次圧がほぼ一定に保
たれることとなった。

【００２１】図３では、温度上昇によって多少二次圧が
上昇してしまっているが、バイメタル２１内部に生じる
応力等の設定値を調節することにより、更に安定性を維
持させることも可能である。具体的には、上記したよう
にコイルの磁束密度は、温度が１℃上昇するのに伴う約
０．１８パーセントの減少によって励磁力が低下する。
従って、これに対してバイメタル２１の変位量を示す
（３）式に従ってバイメタル２１を設計する。 Ｌ＝Ｋ・ｄＴ・（Ｄ² −ｄ² ）／４ｔ …（３） Ｌ ：変位量 Ｋ ：湾曲係数（／℃） ｄＴ：温度変位 Ｄ ：バイメタルの外直径 ｄ ：バイメタルの内直径 ｔ ：バイメタルの板厚

【００２２】従って、本実施の形態の比例制御弁によれ
ば、温度上昇に伴って励磁コイル１６の磁束密度の低下
によって生じる励磁力が小さくなっても、それに対応し
てコイルスプリング２２に当接するバイメタル２１を変
位させるようにしたので、そのコイルスプリング２２の
セット長が伸び、その結果、励磁力の低下とのバランス
が保たれるようになった。従って、温度変化による影響
を受けることなく二次室４側の流量及び流体圧力が常に
一定に保たれ、出力が安定することとなった。特に、本
実施の形態の比例制御弁では、弁に作用する荷重バラン
ス、ＦC ＋ｆV ＋Ｗ ＝ ｆD ＋ｆE ＋ＦS の関係に基
づき、またコイルの磁束密度が約０．１８パーセント／
℃の変化を生じることを考慮してバイメタル２１を設計
したことにより、適切なバイメタル得ることができ、よ
り安定した流体の出力が可能となった。

【００２３】なお、本発明は上記実施の形態のものに限
定されるわけではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様
々な変更が可能である。例えば、上記実施の形態では、
温度変化にともなって大きな影響を与える励磁力のみを
考慮したバイメタルの内部応力の設計を示したが、温度
変化はその影響は小さいがダイアフラム８の硬度変化に
も及ぶため、更にその影響も考慮することとすればより
安定性の良いものとなる。

【００２４】

【発明の効果】本発明は、コイルへの通電によって生じ
る励磁力によって、弁体がコイルスプリングの弾性力に
抗して移動して開弁し、弁本体内に画成された一次室へ
流入した流体が二次室に連通する出力ポートから吐出さ
れるが、励磁力、弾性力、或はダイアフラムに作用する
一次圧等の温度変化を調整し安定した流体出力を得るべ
く、一端が弁体に当接したコイルスプリングの他端に当
接するよう配設され、弁体側に湾曲して形成された円板
型のバイメタルを有するので、流体出力の安定した温度
補正が可能な比例制御弁を提供することが可能となっ
た。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る比例制御弁の一実施の形態を示し
た断面図である。

【図２】比例制御弁に作用する力の関係を示した断面図
である。

【図３】周囲温度の変化に伴う比例制御弁の二次側圧力
を測定した結果を示した線図である。

【図４】従来の調圧バルブ装置を示した断面図である。

【符号の説明】

３ 一次室 ４ 二次室 ６ 弁体 ７ 弁軸 ８ ダイアフラム １２ マグネット １３ 固定鉄心 １５ コイルホルダ １６ 励磁コイル ２１ バイメタル ２２ コイルスプリング

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 固設された環状マグネット内に配設さ
   れ、軸方向に移動可能な円筒形状のコイルホルダと、そ
   のコイルホルダに巻回されたコイルと、前記コイルホル
   ダ内にあって同軸上に固設された固定鉄心とを備えた制
   御部と、 入力ポートに連通する一次室と出力ポートに連通する二
   次室とが弁口を介して画成された弁本体と、前記弁口に
   当接する弁体と、その弁体と一体固定され前記コイルホ
   ルダに対して軸方向に当接し前記一次室側に延設された
   弁棒と、前記弁体を付勢する前記二次室内に配設された
   コイルスプリングとを備えた弁部と、 中心には前記弁棒が嵌着し、前記弁本体の一次室側に設
   けられ前記制御部と前記弁部とを分割するよう配設され
   たダイアフラムとを有する比例制御弁において、 一端が前記弁体に当接した前記コイルスプリングの他端
   に当接するよう配設され、前記弁体側に湾曲して形成さ
   れた円板型のバイメタルを有することを特徴とする比例
   制御弁。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の比例制御弁において、 前記弁本体内へ流体が流入した場合に、 下方に作用する前記弁体への一次圧ｆV 、前記コイルホ
   ルダにかかる励磁力ＦC 、及び前記弁軸及び前記弁体の
   自重Ｗと、 上方に作用する前記ダイアフラムへの一次圧ｆD 、前記
   コイルスプリングによる前記弁体への荷重ＦS 、及び前
   記弁体への二次圧ｆE とが、 ＦC ＋ｆV ＋Ｗ ＝ ｆD ＋ｆE ＋ＦS の関係を維持すべく、温度変化による励磁力ＦC の減少
   に対応して前記バイメタルが下方へ変位することにより
   荷重ＦS を減少させることを特徴とする比例制御弁。
3. 【請求項３】 請求項１または請求項２に記載の比例制
   御弁において、 前記制御部から出力される前記コイルホルダにかかる励
   磁力ＦC が、１℃の温度上昇に伴って前記コイルに生じ
   る磁束密度が約０．１８パーセント低下することに起因
   することを考慮して、前記バイメタルの内部応力を設計
   したことを特徴とする比例制御弁。