JP2013087905A - 流量調整器 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で、ヒステリシスを抑制することができる電磁駆動の流量調整器を得ること。
【解決手段】流体の入口ポート１１、出口ポート１２及び両ポートを連通させる連通路１３に位置する弁座１４ｃを有するハウジング１０、プランジャガイド筒２０、先端部に弁体３２を有し、プランジャ３０、弁体３２が弁座１４ｃに当接する方向に付勢するばね手段、及びこのばね手段に抗してプランジャを開弁方向に移動させる電磁手段２７を備えた流量調整器において、プランジャ３０とプランジャガイド筒２０の間には、両者の軸線が一致した状態で両者を完全に非接触とし摺動抵抗をゼロとするに十分な隙間が存在し、弁体３２は球からなり、弁体３２と弁座１４ｃの一方は剛体、他方は弾性材料からなり、ばね手段は、プランジ３０ャと同心の圧縮コイルばね３４からなり、プランジャガイド筒２０の固定部分と、プランジャ３０側の可動部分との間に張設されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、電磁力により流量を調整する流量調整器に関する。

この種の流量調整器として、弁体（プランジャ）を弁座にばね付勢して常時は流路を閉じ、弁体を電磁力で吸引移動させることで、開弁する流量調整器が知られている。弁体の開弁方向への移動量は、電磁力（電流）の大小で調整することができる。

ＥＰ０５６５２９２Ａ１号公報 特開２０１１-９９５６３号公報 特開２００７-１０７４５１号公報 特開平８-２７０８２４号公報

この種の電磁駆動の流量調整器（弁）では、弁体を開弁方向へ移動させるとき（電流を増加させていくとき）と、閉弁方向へ移動させるとき（電流を減少させるとき）とで、同じ電流値でありながら、弁開度が異なってしまうヒステリシスが問題となっている。例えば特許文献１では、先端部に弁体を有するプランジャをプランジャガイド内に非接触で挿入する一方、プランジャの外周一部とプランジャガイド内壁との間に弾性リング部材を介在させている。しかし、この弾性リング部材は明らかにヒステリシスの原因となる。また、特許文献１では、プランジャ先端の弁体の弁座に対するセンタリング（調心性）が保証されず、これが閉弁時の僅かな弁漏れの原因となっている。

本発明は、簡単な構成で、ヒステリシスを抑制することができる電磁駆動の流量調整器を得ることを目的とする。また本発明は、ヒステリシスを抑制しながら、閉弁時の弁漏れも最小限にすることができる流量調整器を得ることを目的とする。

本発明は、ヒステリシスを抑制するために、プランジャとプランジャガイドは非接触とする（プランジャとプランジャガイドに、その軸線が一致しているとき両者の間に環状の隙間が形成されるに十分な径の差を与える）一方、プランジャ（弁体）と弁座との調心性は、コイルばねと、球状弁体と環状弁座とによって確保するという着眼に基づいてなされたものである。

本発明は、流体の入口ポート、出口ポート及び両ポートを連通させる連通路に位置する弁座を有するハウジング；このハウジングに結合されたプランジャガイド筒；先端部に上記弁座に接離する弁体を有し、上記プランジャガイド筒に軸方向移動自在に挿入されたプランジャ；上記プランジャを弁体が弁座に当接する方向に付勢するばね手段；及びこのばね手段に抗して上記プランジャを開弁方向に移動させる電磁手段；を備えた流量調整器において、上記プランジャの外周面とプランジャガイド筒の内周面との間には、両者の軸線が一致した状態で両者を完全に非接触とし摺動抵抗をゼロとするに十分な隙間が存在すること；上記弁体は球からなり、該弁体と弁座の一方は剛体、他方は弾性材料からなること；及び上記ばね手段は、プランジャと同心の圧縮コイルばねからなり、プランジャガイド筒の固定部分と、プランジャ側の可動部分との間に張設されていること；を特徴としている。

プランジャの先端部には、該プランジャとは別部材からなる弁体ホルダを結合し、この弁体ホルダに、上記球からなる弁体の先端一部を弁座側に突出させる内面テーパ孔を形成し、上記弁体をこの内面テーパ孔から突出させる方向に付勢する、上記圧縮コイルばねと同心の主弁圧縮コイルばねを設けることができる。

弁座は、ハウジングに軸方向の位置調節を自在に結合した弁座ノズルの弁体側端部に設けることで、不感帯の微調整ができる。

プランジャの外周面とプランジャガイド筒の内周面との間の隙間は、具体的には、プランジャ外径を３．３〜３．７mm、プランジャガイド筒内径を４．１〜４．５mmとしたとき、０．２〜０．６mmとする。

本発明によれば、簡単な構成で、ヒステリシスを抑制することができ、かつ閉弁時の弁漏れも最小限とすることができる電磁駆動の流量調整器が得られる。

本発明による流量調整器の一実施形態を示す縦断面図である。 図１のII-II線に沿う断面図である。 本発明による流量調整器と比較例のヒステリシス線図である。

図１、図２は、本発明による流量調整器（弁）の一実施形態を示している。ブロック状のハウジング１０には、流体の入口ポート１１、出口ポート１２及び両ポートを連通させる連通路１３が形成されている。連通路１３は、軸線１３Ｘを有する断面円形の孔であって図の下部に雌ねじ部１３ｆを有している。この連通路１３には、その軸線を軸線１３Ｘに一致させた円柱状の弁座ノズル１４が挿入されており、この弁座ノズル１４の図の下端の雄ねじ１４ｍがハウジング１０の雌ねじ部１３ｆと螺合している。弁座ノズル１４は、雌ねじ部１３ｆに対する螺合位置の調整により連通路１３内の軸方向位置の調整ができ、ロックナット（六角ナット）１５により、調整後の位置に固定できる。

金属（剛体）からなる弁座ノズル１４には、その軸線の軸通路１４ａと、この軸通路１４ａに連通する径通路１４ｂが形成されていて、軸通路１４ａは、弁座ノズル１４の軸方向位置に拘わらず、入口ポート１１に連通し、径通路１４ｂは出口ポート１２に連通している。軸通路１４ａの先端部は環状弁座１４ｃを構成している。符号１６は、入口ポート１１から軸通路１４ａ、径通路１４ｂを経て出口ポート１２に至る流体以外の流体の漏れを防ぐＯリングである。

ハウジング１０上には、ストッパリング２１を介してプランジャガイド筒２０が固定されている。プランジャガイド筒２０の軸線２０Ｘは、弁座ノズル１４の軸線１４Ｘと一致しており、その下端部の大径筒状部２０ａは、ハウジング１０の上端部の段付円形段部１０ａ内に挿入されており、ストッパリング２１はハウジング１０にねじ結合されていて、そのフランジ２１ｆが大径筒状部２０ａを段付円形段部１０ａに押し込み固定する。符号２２は、大径筒状部２０ａと段付円形段部１０ａの間をシールするＯリングである。

プランジャガイド筒２０の上部は、大径筒状部２０ａと同心の小径筒状部２０ｂを構成しており、この小径筒状部２０ｂの上部に形成した雌ねじ部２０ｆに、強磁性材からなるプランジャ受けロッド２３の雄ねじ２３ｍが螺合固定されている。プランジャ受けロッド２３の軸方向の位置は雌ねじ部２０ｆに対する雄ねじ２３ｍの螺合位置を変化させることで調整できる。符号２４はその螺合部からの流体漏れを防ぐＯリングである。プランジャ受けロッド２３の外周には、コイルハウジング（ヨーク）２５とコイル２６からなるソレノイド（電磁手段）２７が位置しており、ホルダ２８によってその位置が固定されている。符号２９は、プランジャ受けロッド２３の軸方向位置を調整後固定するロックナット（六角ナット）である。

プランジャガイド筒２０の小径筒状部２０ｂ内には、強磁性材からなるプランジャ３０が位置している。図２に強調したように、プランジャ３０の外径と小径筒状部２０ｂの内径とは、プランジャ３０の軸線と小径筒状部２０ｂの軸線とが一致した状態で、該プランジャ３０の外周面と小径筒状部２０ｂの内周面とを完全に非接触とし摺動抵抗をゼロとするに十分な隙間ｃが存在するように設定されている。具体的に、例えば、プランジャ３０の外径ｄを３．３〜３．７mmとし、小径筒状部２０ｂの内径Ｄを４．１〜４．５mmとしたとき、隙間ｃは０．２〜０．６mm（（Ｄ-ｄ）／２）である。より好ましくは、外径ｄを３．４〜３．６mm、内径Ｄを４．２〜４．４mmとしたとき、隙間ｃは０．３〜０．５mmである。

プランジャ３０の先端部（図１の下端部）に形成した雄ねじ部３０ｍには、弁体ホルダ３１に形成した雌ねじ部３１ｆが同心に螺合固定されている。弁体ホルダ３１は、雌ねじ部３１ｆを有する筒状部の図の下端に、軸線直交平面部３１ｐを有しており、この軸線直交平面部３１ｐの中心部（軸線２０Ｘ上）に内面テーパ孔３１ｔが形成されている。この内面テーパ孔３１ｔは、中心に行くに従って軸線直交平面部３１ｐの肉厚を減ずる回転対称形状をなし、その中心部には球状弁体３２を突出させる孔が形成されている。また、弁体ホルダ３１には、球状弁体３２の背面に流体圧を及ぼす（球状弁体３２の表裏に圧力差を発生させない）ための空気孔３１ｈが穿設されている。球状弁体３２は、この実施形態ではゴム（例えば、シリコーンゴム、ニトリルゴム、フッ素ゴム）からなっており、プランジャ３０と球状弁体３２の間には、球状弁体３２を内面テーパ孔３１ｔから突出させる方向に付勢する主弁圧縮コイルばね３３が挿入されている。またプランジャガイド筒２０の大径筒状部２０ａ（プランジャガイド筒の固定部分）と、弁体ホルダ３１の軸線直交平面部３１ｐ（プランジャ側の可動部分）との間には、プランジャ３０を環状弁座１４ｃ側に移動付勢する、プランジャ３０（主弁圧縮コイルばね３３）と同心の圧縮コイルばね３４が挿入されている。

上記構成の本流量制御器は、次のように作動する。ソレノイド２７（コイル２６）への非通電状態では、主弁圧縮コイルばね３３と圧縮コイルばね３４の力により、球状弁体３２は環状弁座１４ｃに着座し、入口ポート１１と出口ポート１２の間の連通を断っている。球状弁体３２と環状弁座１４ｃによる閉弁構造は、球状弁体３２の球形による求心（調心）作用が存在し、かつ、主弁圧縮コイルばね３３と圧縮コイルばね３４にも求心（調心）作用が存在するため、閉弁状態でプランジャ３０の外周面と小径筒状部２０ｂの内周面とが接触する（プランジャ３０が動くときに摺動抵抗が発生する）可能性は極めて低い。また、球状弁体３２と環状弁座１４ｃのいずれか一方（この実施形態では球状弁体３２）を弾性材料から構成することで、閉弁時の流体漏れを最少にすることができる。

この閉弁状態において、コイル２６への通電を開始すると、プランジャ３０に対して吸引上昇力が作用し始める。図３において、時点ｘは、この吸引上昇力が主弁圧縮コイルばね３３と圧縮コイルばね３４の力に打ち勝って、開弁が始まる時点である。コイル２６への通電量を増やすと、流量が通電量にほぼ比例して増加し、逆に通電量を減らすと、流量が減少する。この通電量増加時と通電量減少時の同一電流値における流量の差がヒステリシスであり、この差が小さい程、流量制御器として好ましい。図３のＡは、本実施形態によるヒステリシスの例であり、同Ｂは、プランジャ３０と小径筒状部２０ｂとの間に摺動抵抗が存在する場合のヒステリシスの例である。本実施形態の流量制御器は、ヒステリシスが小さいことが確認された。

図３において、電流を流し始めてから開弁が開始される時点ｘ迄の弁が開かない電流の範囲ｙは「不感帯」と称されている。この電流の範囲ｙは、球状弁体３２を環状弁座１４ｃに押し付けるばね力の初期設定によって調整可能である。本実施形態では、弁座ノズル１４の軸方向の位置を調整することで、球状弁体３２の環状弁座１４ｃに対するばね押付力の大小をさらに調節することができるので、電流の範囲ｙを微調整することができる。

さらに、本実施形態では、球状弁体３２が直接的には主弁圧縮コイルばね３３によって、環状弁座１４ｃに押し付けられ、さらに圧縮コイルばね３４によって環状弁座１４ｃに押し付けられる二重の付勢構造となっている。

この二重の付勢構造によると、次の作用を得ることができる。
１）主弁圧縮コイルばね３３の力により、球状弁体３２を環状弁座１４ｃに係合させて求心（プランジャ３０の軸線を小径筒状部２０ｂの軸線に一致させる作用）する。
２）圧縮コイルばね３４の力により弁体ホルダ３１（プランジャ３０）の軸線を軸線２０Ｘに一致させて求心する。
３）圧縮コイルばね３４の力で、図３の電流と流量のグラフの傾きを調整し、かつコイル２６への非通電状態で、球状弁体３２を僅かに環状弁座１４ｃに接触（当接）させる（必ずしも閉弁させる必要はない）。
４）圧縮コイルばね３４の力より弱い力の主弁コイルばね３３により、球状弁体３２を環状弁座１４ｃに着座させ（閉弁し）、感度を向上させる。つまり、図３の不感帯の長さｙを小さくすることができる。

弁体ホルダ３１と主弁圧縮コイルばね３３は設けることが好ましいが、省略することも可能である（プランジャ３０の先端に直接球状弁体３２を設けて圧縮コイルばね３４のみで球状弁体３２（及びプランジャ３０）を移動付勢しても、一定の求心作用を得ることができる）。

また、プランジャ受けロッド２３の図１の下端部と、プランジャ３０の上端部との間のギャップｇの大きさは、ソレノイド２７によるプランジャ３０の吸引力の大きさに関係する。このギャップｇの大きさは、小径筒状部２０ｂの雌ねじ部２０ｆに対するプランジャ受けロッド２３の雄ねじ２３ｍの螺合量及びロックナット２９によって調整することができる。

以上の実施形態では、球状弁体３２をゴム製とし、弁座１４ｃ（弁座ノズル１４）を金属（剛体）としたが、弁体を鋼球とし、弁座をゴム製としても同様の作用を得ることができる。

１０ ハウジング
１１ 入口ポート
１２ 出口ポート
１３ 連通路
１４ 弁座ノズル
１４ｃ 環状弁座（弁座）
１５ ロックナット
１６ Ｏリング
２０ プランジャガイド筒
２１ ストッパリング
２２ Ｏリング
２３ プランジャ受けロッド
２５ コイルハウジング
２６ コイル
２７ ソレノイド
２９ ロックナット
３０ プランジャ
３１ 弁体ホルダ
３１ｔ 内面テーパ孔
３２ 球状弁体（弁体）
３３ 主弁圧縮コイルばね
３４ 圧縮コイルばね（ばね手段、コイルばね）

Claims (4)

1. 流体の入口ポート、出口ポート及び両ポートを連通させる連通路に位置する弁座を有するハウジング；
   このハウジングに結合されたプランジャガイド筒；
   先端部に上記弁座に接離する弁体を有し、上記プランジャガイド筒に軸方向移動自在に挿入されたプランジャ；
   上記プランジャを弁体が弁座に当接する方向に付勢するばね手段；及び
   このばね手段に抗して上記プランジャを開弁方向に移動させる電磁手段；
   を備えた流量調整器において、
   上記プランジャの外周面とプランジャガイド筒の内周面との間には、両者の軸線が一致した状態で両者を完全に非接触とし摺動抵抗をゼロとするに十分な隙間が存在すること；
   上記弁体は球からなり、該弁体と弁座の一方は剛体、他方は弾性材料からなること；及び
   上記ばね手段は、プランジャと同心の圧縮コイルばねからなり、プランジャガイド筒の固定部分と、プランジャ側の可動部分との間に張設されていること；
   を特徴とする流量調整器。
2. 請求項１記載の流量調整器において、上記プランジャの先端部には、該プランジャとは別部材からなる弁体ホルダが結合されており、この弁体ホルダは、上記球からなる弁体の先端一部を弁座側に突出させる内面テーパ孔を有し、上記弁体をこの内面テーパ孔から突出させる方向に付勢する、上記圧縮コイルばねと同心の主弁圧縮コイルばねがさらに設けられている流量調整器。
3. 請求項１または２記載の流量調整器において、上記弁座は、ハウジングに軸方向の位置調節を自在に結合した弁座ノズルの弁体側端部に設けられている流量調整器。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項記載の流量調整器において、上記プランジャの外周面とプランジャガイド筒の内周面との間の隙間は、プランジャ外径を３．３〜３．７mm、プランジャガイド筒内径を４．１〜４．５mmとしたとき、０．２〜０．６mmである流量調整器。

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