JPS6044539B2 - 電磁弁によるガス流量制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、電磁弁によるガス流量制御装置に関し、温
度に応じて電磁弁の開度を連続的にかつ正確に制御する
ことにより、温度制御の信頼性向上を図るものである。

最近、石油危機に関連して、省エネルギー問題がクロ
ーズアップしており、省エネルギー対策の一環として、
オフィスや家庭等における暖房温度の適正化が挙げられ
ている。即ち、従来オフィスやデパート等では必要以上
に暖房しており、その めにガス等のエネルギーが無駄
に消費されている。そこで、暖房温度を低目に抑制し維
持することによつて、エネルギーの無駄を省こうという
ものである。 そのためには常時室温を監視しながら、
室温が一定となるようにガスの供給量を正確に制御する
ことが必要であるが、そのための制御装置があまり高価
になると、設置者の負担が大きく、普及が困難になる。

従つて、より安価な装置て正確に制’御できる装置が望
まれる。従来は、電磁弁を用い、温度変化に応じて電磁
弁をＯＮ−ＯＦＦさせる温度制御が行われている。電磁
弁は、コストが安い点ですぐれているが、ＯＮ−ＯＦＦ
制御では、室温は上昇下降のくり返しとなり、常時一定
温度に維持できない。そこで、コストの安い電磁弁によ
り、ＯＮ−ＯＦＦ制御でなく弁の開度を連続的に変化さ
せる連続制御が試みられている。 この連続制御方式は
、今のところ電磁弁自体に改良を施したものが多い。

例えば、弁体を駆動するフランシャーを、ソレノイド（
励磁コイル）の励磁電流の大きさで制御する場合、フラ
ンシャーが継鉄に吸着されるので、フランシャーが移動
し、始めるときは静摩擦に抗して移動することになる。
そのため、ソレノイドによる磁気吸引力がこの静摩擦よ
り大きくなつてはじめて瞬間的に動き始めることになる
。これを防止するために、板バネ等でプランジャーを中
立位置に浮かせて、プランジャーと継鉄との間に空間を
設けることが提案されているが、逆に欠点として、この
空間によって磁気抵抗が増大するので、ソレノイドを大
形にし、励磁電流も大きくしなければならない。特に大
きな問題として、プランジャーや継鉄等の磁気回路を構
成する磁性体の磁気ヒステリシスのために、コイルに開
弁方向に通電した場合と閉弁方向に通電した場合とでは
、電流の大きさが等しいにも拘わらず弁の開度が異なつ
てくる。従つて、実際の温度と弁の開度との間にズレが
生じ、ズレ量も一定しない。これを解消するために、リ
ング状の永久磁石の中に、ムービングコイルを浮かして
設け、ムービングコイルで弁体を駆動することが提案さ
れているが、永久磁石は衝撃によつて特性が大きく変化
すること、可動体であるムービングコイルにリード線を
設けなければならず、複雑でコスト高になる、等の欠点
がある。

本発明は、温度制御用の連続制御電磁弁におけるこのよ
うな問題を一掃し、磁気ヒステリシスの問題が無く、温
度変化に正確に応答し得るようにすることを目的とする
。

この目的を達成するために本発明は、２個の励磁コイル
を用いて、夫々に交互にパルス電流を流すと共に、一方
の励磁コイルともう一方の励磁コイルとでは、磁界の向
きが逆になるように通電し、このときのパルス電流の周
期を温度変化に応じて変化させるようにしている。これ
によれば、磁気回路の磁束の向きが、パルス電流の周期
に応じて常時反転されるので、常時磁気ヒステリシスが
打消されながら、プランジャーが駆動されることになる
。次に本発明による電磁弁を利用した温度制御装置の実
施例を説明する。

第１図は、本発明による温度制御装置を実施した燃焼シ
ステムの配管図で．ある。Ｂはバーナであり、連続式の
ガス流量制御弁ｖおよび開閉弁１を介して、ガス源２に
配管接続されている。ｂは種火ノズルであり、流量制御
弁■と開閉弁１との間に配管接続されている。流量制御
弁■の（励磁）コイルには、制御回路Ｇを．介して、サ
ーミスタ等の温度センサＳが接続されている。温度セン
サＳは、室温制御装置であれば、部屋の温度検出位置１
と、給湯器であれば、給湯出口側に設置される。本発明
の場合、この温度センサＳで検出された温度の変化に応
じて、制御回路Ｇから流量制御弁Ｖの励磁コイルに加え
られるパルスの周期が連続的に変化し、それによつて流
量制御弁■の弁開度が連続的に変化して、バーナＢへの
ガ又供給量が任意に制御され、室温や給湯温度が一定に
維持される。バーナＢへのガス供給量が少なすぎると、
不完全燃焼したり立消える等の恐れがあるので、流量制
御弁■が全閉状態になつたとしても、種火ノズルｂから
、不完全燃焼等が発生しない必要最少限のガス量が供給
される。第２図、第３図は、第１図の流量制御弁■の具
体構造を示す縦断面図てあり、第２図は全閉状態、第３
図は開弁状態である。

弁装置のボデー３には、入口４と出口５間に弁孔６が形
成され、この弁孔６に、テーパ状の弁体７が挿通されて
いる。ボデー３と上カバー８との間には、ガス通路分離
用のダイヤフラム９が挾持されており、このダイヤフラ
ム９に、弁体７が復帰バネ１０で押しつけられている。
上カバー８上には、第１励磁コイルＣ１と第２励磁コイ
ルＣ２から成るソレノイドが搭載されている。両励磁コ
イルＣ１・Ｃ２中には、両励磁コイルにまたがる１本の
プランジャー（可動鉄芯）１１が挿通されており、また
両励磁コイルＣ１・Ｃ２は共通の継鉄（磁性体フレーム
）１２に囲まれている。そして、非励磁状態においてプ
ランジャー１１の下端と継鉄１２の下端間に磁気的なギ
ャップＤができるように、プランジャー１１は、ロッド
１３を介してダイヤフラム９上に載置されている。励磁
コイルＣ１・Ｃ２の非通電状態においては、第２図のよ
うに、復帰バネ１０でテーパ状弁体７が押上げられ、そ
の大径部で弁孔６が閉じられる。

しかも、この閉止用の復帰バネ１０の力で、プランジャ
ー１１も押上げられ、ギャップＤが形成されている。励
磁コイルＣ１・Ｃ２に通電されると、プランジャー１１
が、ギャップＤが小さくなる方向即ち下側に吸引され、
その力をロッド１３およびダイヤフラム９を介して弁体
７に伝わるので、弁体７は復帰バネ１０に抗して押下げ
られる。それにより、テーパ状弁体７の小径部が弁孔６
位置に移動するため、弁孔６が開かれる。このときの弁
孔６の開度は、コイルＣ１・Ｃ２への通電電流の大きさ
によつて決まるが、次にその模様を、２つの励磁コイル
Ｃ１●Ｃ２でプランジャー１１が吸引される理由と共に
説明する。第４図Ａｌ，，Ａ２は、励磁コイルへ通電さ
れる電流の電圧波形を示す図であり、Ａ１は第１の励磁
コイルＣ１へ通電される電圧波形、〜は第２の励磁コイ
ルＣ２へ通電される電圧波形である。Ａｌ，Ａ２いずれ
の電圧波形も矩形のパルスであり、周期的に発生してい
る。そして第１に、一方のコイルＣ１にパルス電流が通
電されているときはもう一方のコイルＣ２には０ＦＦと
なるように、コイルＣ１とＣ２にパルス電流が交互に通
電される。第２に、コイルＣ１にＡ１の流が通電された
ときと、コイルＣ２にＡ２の電流が通電されたときとで
は、互いに磁束の向きが逆になるように、通電される。
第４図において、パルス周期の長い領域Ｌでも、数百Ｈ
ｚ程度以上であるが、このように比較的短い周期でコイ
ルＣ１とＣ２に交互に、しかも磁束の向きが互いに逆に
なるようにパルス電流が通される。このとき、パルスの
周期が一定である限り、磁束の向きが反転しようと磁力
の大きさは変化しないので、プランジャー１１は磁力の
大きさによつて決まる一定位置まで吸引されて停止する
。ところがパルスの周期が変化すると、電流の大きさが
変わる。つまり、電流１は、Ｉ＝Ｅ／ＶＲ２＋（２πＦ
Ｌ）２の式で現わされるので、パルスの周波数ｆがＨの
領域のように高くなると、励磁電流は小さくなつて磁気
吸引力は減少し、周波数ｆがＬの領域のように低くなる
と、励磁電流は大きくなつて磁気吸引力が増大する。従
つて、パルスの周波数を、例えば第６図のような制御回
路によつて、温度変化と共に連続的に変化させれば、励
磁電流の周波数によつて、プランジャー１１の位置を制
御し、弁孔６の開度を任意に制御することができる。そ
して、周波数がある値以上になると全閉状態、ある値以
下になると全開状態となる。また、第１のコイルＣ１が
通電されたときと、第２のコイルＣ２が通電されたとき
とでは、磁束の向きが逆になるため、磁気回路を構成す
る磁性体であるプランジャー１１と継鉄１２は、励磁電
流の周期に応じて磁化の向きが反転をくり返すことにな
る。

このため、第５図口のヒステリシスカーブで示されるよ
うに、同じ大きさの励磁電流では常に同じ弁開度が得ら
れる。第５図イは従来の連続制御用電磁弁の励磁電流Ａ
と弁開度Ｓｔとの関係を示す特性曲線、口は本発明によ
る連続制御電磁弁の励磁電流Ａと弁開度Ｓｔとの関係を
示す特性曲線である。従来の電磁弁においては、磁気の
ヒステリシスが避けられないため、弁開度Ｓｔにもヒス
テリシスが生じ、励磁電流が増大するとき減少するとき
とでは、同じ大きさの電流１″であるにも拘わらず、弁
開度Ｓｔは、ＳｔｌとＳｔ２というように大きく相違す
る。つまり、あるときの温度が例えば２０度とすると、
それが低温から上昇していくときの２０度と、高温から
下降してくるときの２０度とでは、同じ２０度であつて
も、ＳｔｌとＳｔ２で示されるように、制御弁の開度が
全く異なり、温度制御には適用できない。これに対し、
本発明によれば、励磁電流Ａが増加するときも減少する
ときも常に磁気回路の磁化の向きが高速で反転をくり返
すことにより、ヒステリシスが消去されるので、ヒステ
リシスを消去しながらその励磁電流が徐々に増減するこ
とになる。そのため、電流値１″が増大時であろうと減
少時であろうと、同じ電流値である限り、弁開度Ｓｔは
殆んど同じであり、実用上も同じ弁開度が得られる。従
つて、ある温度が上昇時であろうと下降時であろうと、
磁気ヒステリシスの影響を受けないで一定のガス流量を
得ることができ、温度制御の信頼性が保証される。パル
ス電流の周波数を温度によつて連続制御するには、例え
ば第６図のような制御回路が有効である。

この図において、Ｔ−Ｔ″は直流電源に接続される端子
である。端子Ｔ・丁間に印加された直流電圧は、抵抗Ｒ
１を介してツェナーダイオードＺＤによつて定電圧化さ
れる。また、端子Ｔ●Ｔ″間には、前記の励磁用のコイ
ルＣ１・Ｃ２が、コイル駆動用のトランジスタＴｒｌ◆
Ｔｒ２と直列になつて接続されている。トランジスタＴ
ｒｌ・Ｔｒ２のベースは、夫々抵払只。・Ｒ３を介して
、制御用のトランジスタＴｒ３●Ｔｒ４のコレクタに接
続されている。制御用トランジスタＴｒ３●Ｔｒ４のベ
ースは、夫々Ｔ型フリップフロップＦのＱ出力、０出力
に接続されている。１４は、ＰＵＴ （ＰｒＯｇｒａｍｍａｂｌｅＵｎｉｊＬｌｎＣｔｉＯｎ
ＴｒａｎｓｉｓｔＯｒ）で、゛ＰＵＴｌ４のアノードは
、抵抗Ｒ４を介してＴ型フリップフロップＦのトリガー
入力端子Ｔｉｎに接続され、カソードは、抵抗Ｒ５を介
してサーミスタＳと可変抵抗ＶＲに接続され、ＰＵＴｌ
４と並列にタイミングコンデンサ１５が接続されている
。

ゲ−トは、抵抗Ｒ６を介して抵抗Ｒ７・Ｒ８間に接続さ
れている。つまり、ＰＵＴｌ４のゲートには、ツェナー
ダイオードＺＤ両端に生じる定電圧を抵抗Ｒ７・Ｒ８に
よつて分圧した電圧が、抵抗Ｒ６を介して印加されてい
る。そのため、ＰＵＴｌ４は、サーミスタＳ１可変抵抗
ＶＲｌ抵抗Ｒ５を介してタイミング用コンデンサ１５を
充電する充電電圧が、ゲート電圧を越えたときに導通す
る。ＰＵＴｌ４の導通によつて、タイミング用コンデン
サ１５が放電し、充電電圧がＰＵＴｌ４のゲート電圧以
下になると、ＰＵＴｌ４は非導通となる。このように、
ＰＵＴｌ４は、タイミング用コンデンサ１５の充・放電
の周期によつて、導通・非導通状態がくり返される。そ
して、ＰＵＴｌ４が導通したときに、アノード側に発生
するパルスが、抵抗Ｒ４を介して、Ｔ型フリップフロッ
プＦのトリガー入力端子Ｔｉｎに送出される。この結果
、Ｔ型フリップフロップＦ（７）Ｑ出力とＯ出力の状態
が、トリガー入力端子Ｔｉｎにパルスが入力されるたび
に反転する。例えば、トリガー入力端子Ｔｉｎにパルス
が入力して、Ｑ出力がハイレベルの゜“１゛で、−６出
力がローレベルの″０′―こなれば、トランジスタＴｒ
３は０ＦＦになり、次のトランジスタＴｒｌも０ＦＦと
なるので、第１のコイルＣ１は通電されない。一方、ト
ランジスタＴｒ４は０Ｎになり、次のトランジスタＴｒ
２も０Ｎとなるので、第２のコイルＣ２は通電される。
続いて、次のパルスが入力すると、Ｔ型フリップフロッ
プＦ（７）Ｑ出力、Ｏ出力の状態が反転して、Ｑ出力が
“０゛η出力が゜゜１゛になる。

その結果、前記の場合と逆に、トランジスタＴｒ３が０
Ｎになつて次のトランジスタＴｒｌを０Ｎにさせ、第１
のコイルＣ１が通電状態となる。一方、トランジスタＴ
ｒ４は０ＦＦになるため、次のトランジスタＴｒ２も０
ＦＦになり、第２のコイルＣ２は通電されなくなる。こ
のように、タイミング用コンデンサ１５の充・放電の周
期に応じてＰＵＴｌ４から出力されるパルスによつて、
２つの励磁コイルＣ１・Ｃ２が交互に通電・非通電状態
をくり返す。また、サーミスタＳは、温度上昇と共に抵
抗値が減少する逆特性サーミスタである。

そのため、サーミスタＳが設置されている場所の温度が
上昇すると、サーミスタＳの抵抗値が小さくなるので、
タイミング用コンデンサ１５が充電される時定数も小さ
くなる。逆に、周囲温度が下がればサーミスタＳの抵抗
値が大きくなるので、タイミング用コンデンサ１４が充
電される時定数も大きくなる。そのため、ＰＵＴｌ４か
ら出力されるパルス幅は、第４図と同様な関係になる。
すなわち、サーミスタＳの検出温度が下がれば、ＰＵＴ
ｌ４から出力されるパルス幅は広くなり、逆に、サーミ
スタＳの検出温度が上がれば、ＰＵＴｌ４から出力され
るパルス幅は狭くなる。この結果、コイルＣ１●Ｃ２に
流れるパルス電流の周期も、ＰＵＴｌ４から出力される
パルスの周期に応じて変化する。つまり、サーミスタＳ
の検出温度が下がつて、パルス幅が広くなると、励磁電
流の周波数が下がるため、コイルＣ１・Ｃ２に流れる電
流は前記数式に従つて増加し、制御弁が開く方向に作用
する。逆に、サーミスタＳの温度が上がつて、パルス幅
が狭くなると、励磁電流の周波数が上がるため、コイル
Ｃ１・Ｃ２に流れる電流は減少し、制御弁が復帰バネ１
０によつて閉じられる方向に作用する。そして、励磁電
流の周期で決まる磁気吸引力と復帰バネ１０とのバラン
ス点に弁体７が保持される。励磁電流の周波数は、温度
変化に伴なつて連続的に変化するが、それに追随して弁
体も上上記バランス点へ移動し、連続的に弁の開度が制
御される。以上のように本発明によれば、常時磁気回路
の磁束の向きをパルス的に反転させながら、弁体の位置
を制御する構成になつているので、磁気回路を構成する
磁性体の磁気ヒステリシスが消去され、温度の上昇時と
下降時とて弁の開度にズレが生じるという問題が解消さ
れ、高精度の温度制御が可能になる。

特にムービングコイル方式と違つて、特性が変化し易い
永久磁石を用いないで済むので信頼性が高く、構成が簡
単で安価に提供することができる。また、励磁コイルに
はパルス電流を供給し、その周期で弁の開度を制御する
パルス制御方式のため、励磁コイルへの出力トランジス
タの消費電力が、従来のアナログ制御方式に比べて小さ
くなり、トランジスタも容量の小さいものを利用できる
ので、制御回路としてもランニングコストおよび製造コ
ストが安くなり、総合的な省エネルギーが実現される。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の実施例を示すもので、第１図は燃焼シス
テムの配管図、第２図、第３図はガス流量の連続制御弁
の閉弁状態と開弁状態の縦断面図、第４図は励磁電流の
波形を示すタイムチャート、第５図イ，Ｃ］！ま従来装
置と本発明装置によるヒステリシス特性の違いを示す図
、第６図は制御回路図である。 図において、Ｓは温度センサ、Ｇは制御回路、Ｂはバー
ナ、Ｖは連続式の流量制御弁、Ｃェは第１の（励磁）コ
イル、Ｃ２は第２の（励磁）コイル、６は弁孔、７は弁
体、１１はプランジャー（可動鉄芯）、１２は継鉄（ヨ
ーク）である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ ２つの励磁コイルを重ねて配設し、両励磁コイル中
   において両励磁コイルにまたがつて１つの弁体駆動用可
   動鉄芯を配置し、該可動鉄芯で開閉制御される弁体を配
   設したこと、両励磁コイルに交互に、かつ少なくとも弁
   体が全開位置と全閉位置との間の中間位置で滞空できる
   程度の高い周波数のパルス電流を周期的に通電し、しか
   も一方の励磁コイルと他方の励磁コイルとで、磁界の向
   きが逆になるように通電して可動鉄芯を滞空状態で微振
   動させる制御回路を、前記両励磁コイルに接続したこと
   、該制御回路は温度変化などに応じて励磁コイルに通電
   するパルス電流の周期を制御する機能を有していること
   、を特徴とする電磁弁によるガス流量制御装置。