JPWO2014006714A1 - マグネットバルブ - Google Patents

Abstract

【課題】閉じ用バルブシート部に対する弁体の密着力を強くする。【解決手段】 閉じ用のバルブシート部１０を備え管状のケーシングＣと、この閉じ用のバルブシート部１０を開閉する磁性体からなる弁体Ｖと、ケーシングＣの外側周囲にあってケーシングＣの軸線方向に移動可能にするとともに軸線方向両端に磁極を有する駆動用永久磁石ｍとを備えている。そして、駆動用永久磁石ｍの移動に追従して上記弁体Ｖが移動して、上記閉じ用のバルブシート部１０を開閉する。さらに、上記閉じ用シート９部側に強磁性体からなる第１ヨーク４を設け、上記駆動用永久磁石ｍ、第１ヨーク４及び弁体Ｖによって磁束経路を形成する構成にている。【選択図】 図１

Description

この発明は、永久磁石の移動に追従させて弁体を開閉動作させるマグネットバルブに関する。

この種のものとして特許文献１に記載されたマグネットバルブが従来から知られている。
この従来のマグネットバルブは、環状のケーシングの外側周囲にリング状の駆動用永久磁石を、ケーシングの中心線に沿って移動可能に設けている。
上記駆動用永久磁石が上記中心線に沿って移動すると、上記ケーシング内に設けた弁体がバルブシート部を開閉する構成にしている。言い換えると、この駆動用永久磁石の移動にともなって、その駆動用永久磁石の磁力の作用で弁体を移動させ、弁体がバルブシート部を閉じるようにしている。

特許第４５６３０８６号公報

上記のようにした従来のマグネットバルブでは、リング状の駆動用永久磁石に対して、弁体は磁気的に安定した位置を保っている。磁気的に安定とは、弁体がボディの内面に接着した状態である。このように磁気的に安定した状態では、バルブシート部を流れる流体の流れ方向に対して、弁体に作用する駆動用永久磁石の磁力の方向がほぼ直交することになる。

上記の状態で駆動用永久磁石が移動すると、弁体はボディの内面に接着しながら、その内面を転がるようにして移動する。
上記のように弁体がボディ内面に接触した状態では、この弁体の中心とバルブシート部の中心とがずれた状態になっている。
弁体の中心とバルブシート部との中心がずれた状態で、弁体がバルブシート部に接触すると、次のような力関係になる。

すなわち、バルブシート部のシート面に弁体が接触したとき、図６に示すように、弁体は駆動用永久磁石の上記移動方向における中心である点Ａ方向に引き付けられる。なぜなら、駆動用永久磁石の上記中心に接着することが磁気的に安定した状態になるからである。
このように弁体が駆動用永久磁石の上記中心に接着している状態では、図６に示したＦ方向の力が作用する。この力Ｆは、シート面の勾配の影響で、弁体のシート面に対する接線方向の分力Ｆ１と、法線方向の分力Ｆ２とに分解できる。そこで駆動用永久磁石を矢印Ｘ方向に大きく移動させなければ、上記Ｆ１の方向を矢印Ｘ方向に反転させることはできない。

上記のように分力Ｆ１を反転させるまで駆動用永久磁石を大きく移動させれば、上記力Ｆの方向をシート方向に傾けることができる。しかしながら、駆動用永久磁石を大きく移動させるということは、この駆動用永久磁石と弁体との距離が大きくなってしまうので、その分、上記力Ｆが距離の２乗に比例して弱くなってしまう。そのために、シート面に対する弁体の閉弁力が弱くなってしまう。閉弁力が弱くなれば、流体の流れ方向の圧力に対して弁体が十分に閉じることができなくなる。

上記の問題を解決するために、駆動用永久磁石の磁力を強くすることも考えられる。しかしながら、駆動用永久磁石の磁力を強くしすぎると、弁体がボディの内面に接触する力が強くなり、その状態で弁体が移動すると、弁体がボディ内面を削るようになり、流体内にコンタミネーションが混入するという別の問題を発生する。
いずれにしても、従来のバルブでは、閉弁力をそれほど大きくできないという問題を解消できなかった。

この発明の目的は、バルブシート部からの漏れを確実に防止できるマグネットバルブを提供することである。

この発明はマグネットバルブに関するもので、次の点に特徴を有する。
このマグネットバルブは、非磁性体からなるケーシングを備えている。このようにしたケーシング内には、バルブシート部と、このバルブシート部を開閉する磁性体からなる弁体と、ケーシングの外側にあってケーシングの中心線に沿って移動可能にした駆動用永久磁石とを備えている。そして、駆動用永久磁石の移動に追従して上記弁体が移動し、上記バルブシート部を開閉する。

上記のようにしたマグネットバルブにおいて、第１の発明は、上記駆動用永久磁石と上記弁体とで形成される磁気回路中であって、上記バルブシート部を境にして弁体とは反対側に、ケーシングの中心線方向において弁体と対向する対向面を備えた、駆動用永久磁石を除く磁性体からなるヨークを設け、上記磁気回路中の磁気抵抗を小さくした点に特徴を有する。

第２の発明は、上記弁体がバルブシート部を閉じた状態で、弁体とバルブシート部との接点と上記駆動用永久磁石の磁極との間に上記ヨークを設けた点に特徴を有する。

第３の発明は、上記ケーシング内にはその中心線方向において互いに対向する一対のバルブシート部を設け、これら両バルブシート部を上記弁体で開閉する構成にするとともに、両バルブシート部を境に上記弁体と反対側にそれぞれ上記ヨークを設けた点に特徴を有する。

第４の発明は、上記バルブシート部を磁性体で構成した点に特徴を有する。
なお、上記バルブシート部を磁性体で構成することによって、バルブシート部とヨークとを兼用させることができる。

第５の発明は、上記弁体の少なくとも一部が駆動用永久磁石である点に特徴を有する。

第６の発明は、上記駆動用永久磁石をハールバッハ配列とし、その配列の両端の磁極を上記弁体側に設けた点に特徴を有する。

第１の発明によれば、駆動用永久磁石、ヨーク及び弁体によって磁気回路を形成するので、磁束がケーシングの中心線にほぼ沿った状態で発生する。このように磁束がケーシングの中心線にほぼ沿った状態で発生するので、弁体はその中心線に沿った方向すなわちヨーク側に引き付けられる。つまり、弁体を中心線方向に沿った力でバルブシート部に押し付けるために、弁体を強い力でバルブシート部に接着させることができる。したがって、バルブシート部からの漏れを確実に防止できる。

第２の発明によれば、上記弁体がバルブシート部を閉じた状態で、弁体とバルブシート部との接点と、上記駆動用永久磁石の磁極との間に上記ヨークを設けたので、上記ヨークが、このヨークを介して、弁体を強い力でバルブシート部に接着させることができ、その分、バルブシート部からの漏れも確実に防止できる。

第３の発明によれば、上記ケーシング内にはその中心線に沿った方向において互いに対向する一対のバルブシート部を設け、これら両バルブシート部を上記弁体で開閉する構成にするとともに、両バルブシート部を境に上記弁体と反対側にそれぞれ上記ヨークを設けたので、両バルブシート部間で、弁体がケーシングの中心線に沿って移動する。言い換えると、弁体の移動過程で、当該弁体がケーシングの内壁に接触しにくくなる。

第４の発明によれば、バルブシート部を磁性体で構成したので、例えば、バルブシート部とヨークとを兼用させることができる。このようにバルブシート部とヨークとを兼用させたときには、バルブシート部を構成する部材の厚さを厚くしても、当該マグネットバルブを大型化させることはない。
そして、上記バルブシート部の厚さを厚くすれば、例えば、高圧仕様のマグネットバルブとして用いることができる。

第５の発明によれば、弁体の少なくとも一部を永久磁石にしたので、バルブシート部に対する弁体の接着力を強くすることができる。

修正
第６の発明によれば、上記駆動用永久磁石をハールバッハ配列としたので、駆動用永久磁石の磁束が駆動用永久磁石の外側には出ず、内側に収束される。したがって、外部への磁気漏れが少なくなり、その分、弁体を通る磁力がより強くなる。

また、駆動用永久磁石の磁気が外部に漏れるのを積極的に防止しようとすれば、磁気シールドを別に設けなければならないが、磁気シールドを別に設ければ、その分、当該マグネットバルブが大型化する。しかし、上記のようにハールバッハ配列の駆動用永久磁石を用いれば、当該マグネットバルブを小型に保ちながら、強い磁力を発生させることができる。

第１実施形態を示すもので、バルブシート部を閉じた状態の断面図である。 第１実施形態を示すもので、バルブシート部を開いた状態の断面図である。 第１実施形態のヨークを用いた場合の磁束密度の分布図である。 ヨークを用いない場合の磁束密度の分布図である。 第２実施形態の概念図である。 従来の構成におけるバルブシート部に対する弁体の押し付け力に関する説明図である。

図１及び図２は第１実施形態を示す断面図で、円筒状のシリンダチューブ１の両端にカバー２，３を装着している。
上記カバー２は、上記シリンダチューブ１内に突出する筒部２ａを形成して、この筒部２ａを上記シリンダチューブ１に固定するとともに、当該カバー２の中心部分には上記筒部２ａに連続する孔２ｂを形成している。

上記一方のカバー２の孔２ｂには、強磁性体からなる筒状の第１ヨーク４を嵌めているが、この第１ヨーク４は、その内側端部を上記筒部２ａ内に突出させるとともに、その突出端は、シリンダチューブ１内に向かって拡径するロート状にし、このロート状にした面を後で説明する対向面４ａとしている。図中符号５は、第１ヨーク４とカバー２との間に設けた止め輪である。
なお、磁性体とは磁場におかれたときに磁化されやすい物質をいい、強磁性体とは磁化されやすさの程度がいっそう強い物質をいう。ただし、上記第１ヨーク４に求められる強磁性体の概念には永久磁石は含まれない。

また、上記他方のカバー３にはその中心部分に孔３ａを形成するとともに、この孔３ａには、第１ヨーク４と物性を同じにした筒状の第２ヨーク６を装着している。第２ヨーク６はその外側にフランジ部６ａを形成するとともに、このフランジ部６ａを上記カバー３に形成した段部３ｂにはめ合わせることによって、第２ヨーク６をシリンダチューブ１内に突出させている。また、この第２ヨーク６は、その内側端部をシリンダチューブ１内に突出させるとともに、その突出端は、シリンダチューブ１内に向かって拡径するロート状にし、このロート状にした面を後で説明する対向面６ｂとしている。

なお、上記第２ヨーク６は、上記対向面６ｂに隣接する第１の外径部６ｃと、この第１の外径部６ｃに対してそれよりも外側に位置する第２の外径部６ｄとを備えるとともに、第１の外径部６ｃに対して第２の外径部６ｄの外径を大きくし、それらの境界部分に停止段部６ｅを形成している。
そして、上記第２ヨーク６は、第１ヨーク４とその中心を一致させるとともに、第１ヨーク４と、第２ヨーク６の第１の外径部６ｃとは、それらの外径を同じにしている。

上記のようにした上記第１，２ヨーク４，６との間に、筒状のケーシングＣをかけ渡し、このケーシングＣの両端側を小径部７、８とするとともに、これら小径部７，８間に、ボール状の弁体Ｖを組み込むための大径部９を形成している。なお、上記ケーシングＣは磁性体であってもよいし、非磁性体であってもよいが、磁性体とは上記したように磁場に置かれたとき磁化されやすい物質をいい、非磁性体とは、磁場の中におかれたときにも磁化され難い物質をいう。
また、上記小径部７，８と大径部９との境界部分を、小径部７，８から大径部９に向かって拡径するバルブシート部１０，１１としているが、上記第１ヨーク４側のバルブシート部１０を閉じ用のバルブシート部とし、バルブシート部１０に対向する反対側のバルブシート部１１を保持用のバルブシート部としている。

上記のようにしたケーシングＣは、その小径部７，８を第１，２ヨーク４，６に形成した貫通孔４ｂ，６ｆからシリンダチューブ１の外方に突出させている。
そして、上記バルブシート部１０，１１の外側面を、第１，２ヨーク４，６の対向面４ａ，６ｂに一致させている。
このようにして、第１，２ヨーク４，６の対向面４ａ，６ｂは、バルブシート部１０，１１と同じ傾斜角を保って、バルブシート部１０，１１の外側面に密着する。

上記のようにしたケーシングＣの大径部９には磁性体からなる上記弁体Ｖを組み込んでいる。この弁体Ｖは、閉じ用のバルブシート部１０に密着することによってそれを閉じ、小径部７側から流入する流体の流れを阻止する。なお、上記弁体Ｖは磁性体であれば、永久磁石であってもよい。

そして、上記第１ヨーク４の対向面４ａは、閉じ用のバルブシート部１０に密着した弁体Ｖの一部分と対向する位置関係を保っている。
なお、上記磁性体とは、磁場のなかにおかれたとき磁性を帯びる性質をもった物質のことで、この磁性体には永久磁石も含まれる概念である。ただし、この実施形態における弁体Ｖは永久磁石ではない。

また、弁体Ｖが保持用のバルブシート部１１は、その周囲に弁体Ｖが当該保持用のバルブシート部１１に密着したときにも流体の流通を許容する複数の凹部１１ａを形成している。
そして、上記第２ヨーク６及び保持用のバルブシート部１１を設けることによって、ボール状の弁体Ｖがバルブシート部１０，１１間を移動する過程で、弁体ＶがケーシングＣの内壁に接着しにくくなる。

上記のようにしたケーシングＣとシリンダチューブ１との間には空間が形成されるが、この空間にピストンＰを摺動自在に組み込むとともに、このピストンＰによって圧力室１２とスプリング室１３とが区画形成される。そして、スプリング室１３には、ピストンＰを圧力室１２側に押し付けるばね力を発揮するスプリング１４を設けている。
なお、図中符号１５は、圧力室１２に圧縮空気を供給したり、その圧縮空気を大気に開放したりするポート、符号１６はスプリング室１３を大気に開放するためのポートである。

上記のようにしたピストンＰには筒状の駆動用永久磁石ｍを保持させ、ピストンＰの移動にともなって駆動用永久磁石ｍが、第１ヨーク４の外径部、ケーシングＣの大径部９及び第２ヨーク６の第１の外径部６ｃ上を摺動する。
そして、上記圧力室１２が大気に開放され、ピストンＰがスプリング１４のばね力の作用で位置保持しているときには、図１に示すように、駆動用永久磁石ｍがカバー２の筒部２ａの底部に近接する構成にしている。
なお、図中符号１７は、カバー２に形成した空気抜き孔で、ピストンＰとカバー２の筒部２ａの底部との間に空気がこもらないようにするためのものである。

上記のようにピストンＰが筒部２ａの底部に近接している位置関係において、上記圧力室１２に圧縮空気が導かれると、ピストンＰは駆動用永久磁石ｍとともに、スプリング１４に抗して移動する。このように駆動用永久磁石ｍが移動すれば、その磁力に引きずられて磁性体からなる弁体ＶもケーシングＣの軸線方向に移動して閉じ用のバルブシート部１０から離れ、図２に示すように、保持用のバルブシート部１１に接触するまで移動する。

上記第１実施形態では、上記弁体Ｖがバルブシート部１０，１１を閉じた状態で、弁体Ｖとバルブシート部１０，１１とが接触したときの接点と、上記駆動用永久磁石ｍの磁極との間に上記第１，２ヨーク４，６を設けている。
そして、弁体Ｖを挟んで、閉じ用のバルブシート部１０側に第１ヨーク４を配置し、保持用のバルブシート部１１側に第２ヨーク６を配置したので、駆動用永久磁石ｍの磁束は、第１ヨーク４、弁体Ｖ及び第２ヨーク６という磁気回路を形成する。このように弁体Ｖに磁気回路が形成されると、当該弁体Ｖの一部の磁束密度が高くなる。

上記のことは、図３の磁束密度の分布図からも明らかである。この図３は、コンピュータによるシミュレーションの結果を示したもので、実線で囲んだ部分がもっとも磁束密度が高く、点線で囲んだ部分がその次に磁束密度が高く、一点鎖線で囲んだ部分の磁束密度が最も低いことを示している。

この図３から、第１ヨーク４の対向面４ａに対向する弁体Ｖの外側の部分に高い磁束密度が現れていることが分かる。このように弁体Ｖが強く磁化されれば、弁体Ｖは、上記磁束の方向すなわちケーシングＣの中心線に沿った矢印１８，１８方向に強く引き付けられる。
このように矢印１８，１８方向に強く引き付けられるので、例えば、従来のように接線方向の分力Ｆ１と法線方向の分力Ｆ２が発生せず、弁体Ｖがバルブシート部１０，１１に対する密着力が強くなる。したがって、駆動用永久磁石ｍの位置保持力が弁体Ｖに強く作用し、流体の漏れを確実に防止することができる。

なお、図４は、第１ヨーク４を備えていないマグネットバルブの磁気密度の分布を示したものであるが、この図４では、弁体Ｖのいずれにも高い磁束密度の分布は現れていない。
このことからも明らかなように、第１ヨーク４の有無によって、弁体Ｖに現れる磁束密度が相違する。
そして、第１ヨーク４を備えた方が、それを備えていないものよりも弁体Ｖに高い磁束密度の分布が現れるので、駆動用永久磁石ｍすなわちピストンＰの位置保持力が弁体Ｖに強く作用する。したがって、閉じ用のバルブシート部１０に対する弁体Ｖの密着力を大きく保てる。

一方、ポート１６から圧縮空気を導けば、ピストンＰがスプリング１４のばね力に抗して移動するとともに、このピストンＰの移動にともなって駆動用永久磁石ｍも、ケーシングＣの大径部９に沿って移動する。このように駆動用永久磁石ｍが移動すれば、その磁力に引っ張られて弁体Ｖも移動し、閉じ用のバルブシート部１０を開くとともに、弁体Ｖは保持用のバルブシート部１１に密着して保持される。

弁体Ｖが保持用のバルブシート部１１に密着している状態では、第２ヨーク６の対向面６ｂが弁体Ｖの外側部分に対向するので、弁体Ｖが閉じ用のバルブシート部１０に密着しているときと同様に、弁体Ｖの外側部分に高い磁束密度分布が現れる。したがって、ピストンＰの位置に応じて弁体Ｖが保持用のバルブシート部１１密着する力も大きくなり、弁体Ｖは保持用のバルブシート部１１に安定的に保持される。
なお、弁体Ｖが保持用のバルブシート部１１に保持された状態では、小径部７から流入した流体が、開いている閉じ用のバルブシート部１０及び凹部１１ａを通って小径部８から流出する。

上記のようにした第１実施形態では、第１，２ヨーク４、６の対向面４ａ，６ｂの間に弁体Ｖが位置するので、駆動用永久磁石ｍから弁体Ｖを通る磁束経路はヨーク４あるいは６により磁気抵抗が下げられ、高い磁束密度分布が形成される。したがって、弁体Ｖは強く磁化されてその位置保持力が強くなる。
特に、弁体Ｖが閉じ用のバルブシート部１０を閉じている状態で、その位置保持力が強くなれば、その分、閉じ用のバルブシート部１０から流体が漏れるのを確実に阻止できる。

さらに、上記第１ヨーク４は、ケーシングＣの外側に設けたので、それを簡単に組み付けることができる。
また、閉じ用のバルブシート部１０と保持用のバルブシート部１１とを対向させ、それらの間で弁体Ｖが移動するようにしたので、弁体Ｖは常に安定した状態に保たれやすい。

なお、上記第１実施形態では、閉じ用のバルブシート部１０と保持用のバルブシート部１１とを対向させて設けたが、保持用のバルブシート部１１を用いず、閉じ用のバルブシート部１０のみを設けるようにしてもよい。この場合に、弁体Ｖは閉じ用のバルブシート部１０に密着したり、あるいはそこから離れたりして、閉じ用のバルブシート部１０を開閉する。

また、第１実施形態では、第１，２ヨーク４，６を設けたが、第２ヨーク６を設けずに、第１ヨーク４のみを用いるようにしてもよい。ただし、この場合に、保持用のバルブシート部１１側における弁体Ｖの位置保持力が、閉じ用のバルブシート部１０側よりも相対的に弱くなる。
また、第２ヨーク６を用いない場合には、弁体Ｖの移動が多少不安定になる。

また、この第１実施形態において、閉じ用のバルブシート部１０は、透磁性の材料で構成すればどのような材料を用いてもよい。ただし、閉じ用のバルブシート部１０を磁性体で構成するとともに、このバルブシート部１０の厚さを十分に厚くすれば、バルブシート部１０を第１ヨーク４と兼用にできる。このように第１ヨーク４と兼用にするためにバルブシート部１０を厚くすれば、当該マグネットバルブを高圧仕様にすることができる。

さらに、弁体Ｖを永久磁石で構成してもよい。このように弁体Ｖを永久磁石で構成すれば、弁体Ｖが閉じ用のバルブシート部１０に強く密着し、弁体Ｖが閉じ用のバルブシート部１０を閉じる力をさらに強く保つことができる。

図５に示した第２実施形態は、駆動用永久磁石ｍをハールバッハ配列としたもので、その他の構成は第１実施形態と同じである。
ハールバッハ配列とした永久磁石とは、その複数の永久磁石をつなぎ合わせたもので、その磁化の方向は図示の矢印先端をＮ極とし、後端をＳ極としたものである。そして、筒状にしたハールバッハ配列の永久磁石は、その磁束が筒内に多く導かれることが知られている。

したがって、駆動用永久磁石ｍとして上記ハールバッハ配列の永久磁石を用いれば、ケーシングＣの大径部９内の磁束密度が高くなり、第１実施形態よりも弁体Ｖがより強く磁化されることになる。
したがって、上記弁体Ｖの閉じ用のバルブシート部１０に対する位置保持力を、第１実施形態の場合よりもさらに大きくすることができる。
なお、上記各実施形態では、駆動用永久磁石ｍを筒状にしたが、棒状磁石をピストンＰの円周方向に複数並べてもよい。

上記のように第２実施形態では、上記駆動用永久磁石ｍをハールバッハ配列としたので、駆動用永久磁石ｍの磁束がケーシングＣの外側には出にくくなり、ケーシングＣの内側に収束されて、磁束が弁体内を通る。したがって、外部への磁気漏れが少なくなり、その分、磁力がより強くなる。

また、駆動用永久磁石Ｍの磁気が外部に漏れるのを積極的に防止しようとすれば、磁気シールドを別に設けなければならないが、磁気シールドを別に設ければ、その分、当該マグネットバルブが大型化する。しかし、上記のようにハールバッハ配列の駆動用永久磁石ｍを用いれば、当該マグネットバルブを小型に保ちながら、強い磁力を発生させることができる。

気密性が強く求められる燃料電池や水素エンジンなどの水素の供給系や、航空宇宙や半導体製造装置の配管システムに用いるのに最適である。

４ 第１ヨーク
４ａ 対向面
６ 第２ヨーク
Ｃ ケーシング
Ｖ 弁体
１０ 閉じ用のバルブシート部
１１ 保持用のバルブシート部
ｍ 駆動用永久磁石

Claims (6)

1. 非磁性体からなるケーシングと、
   このケーシング内に設けたバルブシート部と、
   このバルブシート部を開閉する磁性体からなる弁体と、
   ケーシングの外側にあってケーシングの軸方向に移動可能にした駆動用永久磁石とを備え、
   駆動用永久磁石の移動に追従して上記弁体が移動して、上記バルブシート部を開閉するマグネットバルブであって、
   上記永久磁石と上記弁体とで形成される磁気回路中であって、上記バルブシート部を境にして弁体とは反対側に、ケーシングの軸方向において弁体と対向する対向面を備えた、永久磁石を除く磁性体からなるヨークを設け、
   上記磁気回路中の磁気抵抗を小さくしたマグネットバルブ。
2. 上記弁体がバルブシート部を閉じた状態で、弁体とバルブシート部との接点と上記駆動用永久磁石の磁極との間に上記ヨークを設けた
   請求項１記載のマグネットバルブ。
3. 上記ケーシング内にはその軸方向において互いに対向する一対のバルブシート部を設け、これらバルブシート部を上記弁体で開閉する構成にするとともに、両バルブシート部を境に上記弁体と反対側にそれぞれ上記ヨークを設けた請求項１又は２に記載のマグネットバルブ。
4. 上記バルブシート部を磁性体で構成した請求項１〜４のいずれか１に記載のマグネットバルブ。
5. 上記弁体の少なくとも一部が永久磁石である請求項１〜４のいずれか１に記載のマグネットバルブ。
6. 上記駆動用永久磁石をハールバッハ配列とし、その配列の両端の磁極を上記弁体側に設けた請求項１〜５のいずれか１に記載のマグネットバルブ。

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