JP5044497B2

JP5044497B2 - 流量制御弁

Info

Publication number: JP5044497B2
Application number: JP2008190658A
Authority: JP
Inventors: 直堀越
Original assignee: Takano Co Ltd
Current assignee: Takano Co Ltd
Priority date: 2008-07-24
Filing date: 2008-07-24
Publication date: 2012-10-10
Anticipated expiration: 2028-07-24
Also published as: JP2010025303A

Description

本発明は、ガス等の流体の流量を連続制御する流量制御弁に関する。

従来、電磁駆動部と弁機構部を組合わせることにより流体の流量を連続制御できるようにした流量制御弁は、既に本出願人が提案した特許文献１で開示される流量制御弁が知られている。

特許文献１で開示される流量制御弁は、ソレノイドの外部に設けたアウタヨーク及び内部に設けたインナヨークを有するとともに、インナヨークの前端面に対して後端面が対向し、かつソレノイドの励磁により変位するプランジャを有する電磁駆動部と、プランジャの前端に設けることにより流路を開閉する弁体及びこの弁体を弾性支持するダイヤフラムを有する弁部とを備える流量制御弁であって、特に、プランジャの他端を少なくとも当該プランジャの可動方向に対して直角方向へ付勢する付勢部材を設けたものである。
特開２００４−１１６６１６号公報

しかし、上述した特許文献１で開示される従来の流量制御弁は、次のような解決すべき課題が存在した。

この種の流量制御弁は、ダイヤフラムのバネ反力とソレノイドの吸引力の力関係により弁部の開度（流量）が決定されるとともに、ソレノイドの吸引力は電流の大きさにより決定されるため、流量の制御は電流（励磁電圧）の大きさを制御することにより行われる。この場合、位置に対して、ダイヤフラムのバネ反力は一次曲線により変化するのに対して、ソレノイドの吸引力は二次曲線により変化する。したがって、インナヨークの前端面（吸着面）にプランジャの後端面が接近した際には、吸引力が急激に大きくなる現象を生じる。図７は、一般的な流量制御弁、即ち、インナヨークの前端面とプランジャの後端面の全体が平坦面の場合の流量制御弁における励磁電圧〔Ｖ〕に対する流量〔リットル／分〕の変化特性Ｐｒを示す。図７から明らかなように、インナヨークの前端面にプランジャの後端面が接近した際には、Ｐｒｓで示すように、励磁電圧を僅かに変化させても流量が急激に変動してしまう現象を生じ、結局、高精度の流量制御、更には安定性及び信頼性の高い制御を行うことができない難点があった。

なお、引用文献１の場合、異なるバネ定数を有する二枚のダイヤフラムを使用し、位置によってダイヤフラムのバネ反力の大きさが異なるように構成している。この構成によれば、ある程度の改善は実現できるものの、吸引力が急激に大きくなる現象を解消するには十分と言えず、更なる改善の余地が残されていた。

本発明は、このような背景技術に存在する課題を解決した流量制御弁の提供を目的とするものである。

本発明に係る流量制御弁１は、上述した課題を解決するため、ソレノイド３の外部に設けたアウタヨーク４及び内部に設けたインナヨーク５を有するとともに、インナヨーク５の前端面５ｆに対して、後端面６ｒが対向し、かつソレノイド３に印加する励磁電圧の大きさ対応して変位するプランジャ６を有する電磁駆動部２と、プランジャ６の前端６ｆに設けることにより流路Ｒを開閉する弁体１２及びこの弁体１２を弾性支持するダイヤフラム１３を有する弁機構部１１とを備える流量制御弁１を構成するに際して、プランジャ６の後端面６ｒをリング状の平坦部６ｘとこの平坦部６ｘの内側に設けたテーパ面６ｙｔを有する凸部（又は凹部）６ｙとの組合わせにより形成することにより、後端面６ｒの平坦部６ｘに、リング状に形成した所定の厚さを有する磁気ギャップを設けるための非磁性材のガイドシート７を固定し、かつ当該ガイドシート７の外径をプランジャ６の外径よりもやや大きく設定することにより、ガイドシート７の外周面を、ソレノイド３に備えるコイルボビン２１の内部に配したガイド筒部２５ｇの内周面に摺接させるとともに、インナヨーク５の前端面５ｆをリング状の平坦部５ｘとこの平坦部５ｘの内側に設けたテーパ面５ｙｔを有する凹部（又は凸部）５ｙとの組合わせにより形成し、後端面６ｒ又は前端面５ｆの直径Ｄｍに対する凸部６ｙ又は凹部５ｙの直径Ｄｙの比率及びテーパ面６ｙｔ，５ｙｔの角度Ｑを所定の大きさに設定してなることを特徴とする。

この場合、発明の好適な態様により、テーパ面６ｙｔ，５ｙｔの角度Ｑ（Ｑｓ）は、４０〜８０〔゜〕に設定することができる。また、後端面６ｒ又は前端面５ｆの直径Ｄｍに対する凸部６ｙ又は凹部５ｙの直径Ｄｙの比率は、３０〜８０〔％〕に設定することができる。一方、弁機構部１１は、内部に流路Ｒを有するブロック本体部２５ｍと、このブロック本体部２５ｍの上端から上方に突出してコイルボビン２１の内部に差し込むガイド筒部２５ｇとを一体に有する弁ブロック２５を備えて構成できる。

このような構成を有する本発明に係る流量制御弁１によれば、次のような顕著な効果を奏する。

（１）プランジャ６の後端面６ｒをリング状の平坦部６ｘとこの平坦部６ｘの内側に設けたテーパ面６ｙｔを有する凸部（又は凹部）６ｙとの組合わせにより形成するとともに、インナヨーク５の前端面５ｆをリング状の平坦部５ｘとこの平坦部５ｘの内側に設けたテーパ面５ｙｔを有する凹部（又は凸部）５ｙとの組合わせにより形成し、後端面６ｒ又は前端面５ｆの直径Ｄｍに対する凸部６ｙ又は凹部５ｙの直径Ｄｙの比率及びテーパ面６ｙｔ，５ｙｔの角度Ｑを所定の大きさに設定してなるため、インナヨーク５にプランジャ６が接近した際に、プランジャ６に対する吸引力が急激に大きくなる現象を解消し、吸引力の変化を緩やかにすることができる。したがって、プランジャ６の全ストロークにおいてリニアリティの高い高精度の流量制御を行うことができるとともに、安定性及び信頼性の高い制御を行うことができる。

（２）後端面６ｒの平坦部６ｘに、所定の厚さを有する非磁性材のガイドシート７を固定したため、インナヨーク５側とプランジャ６側はガイドシート７を介して接触するため、他の部位は非接触になる。この結果、ガイドシート７による磁気ギャップが設けられることになり、前端面５ｆに後端面６ｒが接近した際の最終段階における衝撃を緩和し、より安定性を高めることができる。しかも、ガイドシート７の外径をプランジャ６の外径よりもやや大きく設定することにより、ガイドシート７の外周面を、ソレノイド３に備えるコイルボビン２１の内部に配したガイド筒部２５ｇの内周面に摺接させるようにしたため、プランジャ６のスムースなスライド移動と減耗を回避できる。

（３）好適な態様により、テーパ面６ｙｔ，５ｙｔの角度Ｑ（Ｑｓ）を、４０〜８０〔゜〕に設定すれば、本発明に係わる有効性を十分に確保することができる。

（４）好適な態様により、後端面６ｒ又は前端面５ｆの直径Ｄｍに対する凸部６ｙ又は凹部５ｙの直径Ｄｙの比率を、３０〜８０〔％〕に設定すれば、テーパ面５ｙｔ，６ｙｔの角度Ｑを設定することと併せて、本発明の有効性を確保する観点から、より大きなパフォーマンスを得ることができる。

次に、本発明に係る最良の実施形態を挙げ、図面に基づき詳細に説明する。

まず、本実施形態に係る流量制御弁１の基本的な構成について、図１及び図２を参照して説明する。

例示の流量制御弁１は、ノーマルクローズタイプであり、図１に示すように、基本的な構成として、電磁駆動部２と弁機構部１１を備える。電磁駆動部２は、コイルボビン２１にワイヤを巻回して構成した筒形のソレノイド３を備える。また、ソレノイド３の外部にはアウタヨーク４を配してソレノイド３を覆うとともに、ソレノイド３の内部にはインナヨーク５を配する。アウタヨーク４は全体を磁性材により形成し、筒形のヨーク側面部４ｍと、このヨーク側面部４ｍの両端開口を覆う上ヨーク端面部４ｕ及び下ヨーク端面部４ｄを組付けて構成する。インナヨーク５は磁性材により形成し、全体の長さはヨーク側面部４ｍの軸方向長さの半分程度に選定する。そして、固定ネジ２３により、インナヨーク５の後端面（上端面）５ｒを上ヨーク端面部４ｕの内面に固定し、アウタヨーク４とインナヨーク５を一体化することにより磁気的に接続する。さらに、ソレノイド３の内部には、磁性材により形成したプランジャ６を収容（挿入）する。したがって、プランジャ６の後端面６ｒは、インナヨーク５の前端面５ｆに対向する。なお、５１はソレノイド３から導出したリード線であり、このリード線５１は、図示を省略した制御系に接続する。制御系には、通電部及び制御部を備え、通電部はソレノイド３を励磁（通電）する機能を備えるとともに、制御部は通電部に接続してソレノイド３に印加する励磁電圧を可変する機能を備える。

一方、弁機構部１１は、プランジャ６の前端６ｆに設けることにより流路Ｒを開閉する弁体１２及びこの弁体１２を弾性支持するダイヤフラム１３を備える。また、弁機構部１１は、非磁性材のステンレス材により形成した弁ブロック２５を備え、この弁ブロック２５の内部に流路Ｒを設けるとともに、弁機構部１１を配設する。弁ブロック２５は、ブロック本体部２５ｍと、このブロック本体部２５ｍの上端から上方に突出したガイド筒部２５ｇを一体に有する。このガイド筒部２５ｇは、内周面によりプランジャ６をスライド自在にガイドするとともに、ブロック本体部２５ｍは、内部に流路Ｒを形成する上下に貫通した空間を有し、この空間はガイド筒部２５ｇの内部に連通する。したがって、ガイド筒部２５ｇは、下ヨーク端面部４ｄに形成した開孔部２６を通してコイルボビン２１の内部に差し込み、ブロック本体部２５ｍの上端は下ヨーク端面部４ｄの外面（下面）に固定する。この際、ガイド筒部２５ｇの先端はインナヨーク５の途中まで至るため、インナヨーク５の外周面には、ガイド筒部２５ｇが嵌合する小径部を設ける。

また、弁体１２は、先端部にゴム等で形成した弁部材２７を有し、後端はプランジャ６の前端６ｆにネジ結合等により固定する。弁体１２は水路Ｒに臨み、かつダイヤフラム１３の中心部に弾性支持される。ダイヤフラム１３は、円盤形に形成した二枚のダイヤフラムメンバ（板バネ部材）１３ａ，１３ｂを組合わせて構成する。なお、各ダイヤフラムメンバ１３ａ，１３ｂは、同一のバネ定数であってもよいし、異なるバネ定数であってもよい。さらに、各ダイヤフラムメンバ１３ａ，１３ｂは一緒に変位させてもよいし、特許文献１で示すように、プランジャ６の変位位置に対応して一枚又は二枚が変位するように構成してもよい。他方、ダイヤフラム１３の外周部は、流路Ｒの内面に固定する。この場合、ブロック本体部２５ｍの下端開口に閉塞ブロック２８を螺着し、閉塞ブロック２８の内側に水路Ｒを形成するとともに、閉塞ブロック２８を螺着する際に、閉塞ブロック２８とダイヤフラム１３間に固定筒２９を介在させ、この固定筒２９とブロック本体部２５ｍの内面によりダイヤフラム１３を挟んで固定する。また、閉塞ブロック２８の中心には流入口３１を設け、この流入口３１の内端開口に弁部材２７を圧接させるとともに、閉塞ブロック２８の外周部と流入口３１間には、図２に示すように、二つの流出口３２ａ，３２ｂを設け、この流出口３２ａ，３２ｂの内端開口は流路Ｒに臨ませる。そして、流入口３１の外端開口は、流入側配管３５の接続口になるとともに、流出口３２ａ，３２ｂの外端開口は流出側配管３６ａ，３６ｂの接続口となる。

次に、本実施形態に係る流量制御弁１の要部の構成について、図１〜図４を参照して説明する。

まず、プランジャ６の後端面６ｒは、リング状の平坦部６ｘとこの平坦部６ｘの内側に設けたテーパ面６ｙｔを有する凸部６ｙとの組合わせにより形成する。平坦部６ｘは軸心に対して直角面となる。この場合、図４に示すように、後端面６ｒの直径Ｄｍに対する凸部６ｙの直径Ｄｙの比率は、３０〜８０〔％〕程度に設定することができ、望ましくは、５０〜６０〔％〕に設定する。また、図４に示すように、テーパ面６ｙｔの角度Ｑ（Ｑｓ）は、４０〜８０〔゜〕程度に設定することができ、望ましくは、５０〜７０〔゜〕に設定する。

このように、本実施形態に係る流量制御弁１では、テーパ面６ｙｔの角度Ｑを所定の大きさに設定する。図６は、テーパ面６ｙｔの角度Ｑを異ならせた際の励磁電圧〔Ｖ〕に対する流量〔リットル／分〕の関係を示す。図６中、Ｐａは、テーパ面６ｙｔの角度Ｑを１０〔゜〕に設定した場合であり、図４に角度Ｑａで示すとともに、角度Ｑａの凸部６ｙａを仮想線で示す。また、図６中、Ｐｓは、本実施形態により、テーパ面６ｙｔの角度Ｑを６０〔゜〕に設定した場合であり、図４に角度Ｑｓで示すとともに、角度Ｑｓの凸部６ｙを実線で示す。さらに、図６中、Ｐｂは、テーパ面６ｙｔの角度Ｑを１２０〔゜〕に設定した場合であり、図４に角度Ｑｂで示すとともに、角度Ｑｂの凸部６ｙｂを仮想線で示す。図６から明らかなように、角度Ｑｓを６０〔゜〕に設定したＰｓの特性が最適である。Ｐｓの特性では、前述した従来の流量制御弁で発生する特性Ｐｒのような急激に大きくなる現象は発生せず、励磁電圧〔Ｖ〕の変化に対して流量〔リットル／分〕の変化は、十分なリニアリティを有している。これに対して、Ｐａの特性は、変化が緩やかになり過ぎるため、反って制御性の低下を招くとともに、Ｐｂの特性は、急激に大きくなる現象を十分に解消することができない。したがって、テーパ面６ｙｔの角度Ｑは、４０〜８０〔゜〕程度が実用可能であり、本発明に係わる有効性を十分に確保することができるとともに、５０〜７０〔゜〕の設定が最適である。

さらに、本実施形態に係る流量制御弁１では、後端面６ｒの直径Ｄｍに対する凸部６ｙの直径Ｄｙの比率を所定の大きさに設定する。この場合、後端面６ｒの直径Ｄｍに対する凸部６ｙの直径Ｄｙが３０〔％〕未満、或いは８０〔％〕を超える場合には、十分な効果を得にくく、製造面（加工面）でも不利になる。したがって、直径Ｄｍに対する直径Ｄｙの比率を、３０〜８０〔％〕に設定すれば、上述したテーパ面６ｙｔの角度Ｑを設定することと併せて、本発明の有効性を確保する観点から、より大きなパフォーマンスを得ることができる。このように、直径Ｄｍに対する直径Ｄｙの比率は、３０〜８０〔％〕程度が実用可能であり、特に、５０〜６０〔％〕が最適となる。

一方、インナヨーク５の前端面５ｆは、リング状の平坦部５ｘとこの平坦部５ｘの内側に設けたテーパ面５ｙｔを有する凹部５ｙとの組合わせにより形成する。平坦部５ｘは軸心に対して直角面、即ち、平坦部６ｘに対して平行面となる。この場合、上述した後端面６ｒと同様に、前端面５ｆの直径Ｄｍに対する凹部５ｙの直径Ｄｙの比率は、３０〜８０〔％〕程度に設定することができ、望ましくは、５０〜６０〔％〕に設定するとともに、テーパ面５ｙｔの角度Ｑ（Ｑｓ）は、４０〜８０〔゜〕程度に設定することができ、望ましくは、５０〜７０〔゜〕に設定する。

また、後端面６ｒの平坦部６ｘには、非磁性材（ステンレス材等）によりリング状に形成したガイドシート７を固定する。この場合、ガイドシート７の厚さは０．１〔ｍｍ〕前後に設定することができる。これにより、インナヨーク５側とプランジャ６側はガイドシート７を介して接触するため、他の部位は非接触になる。この結果、ガイドシート７による磁気ギャップが設けられることになり、前端面５ｆに後端面６ｒが接近した際の最終段階における衝撃を緩和し、より安定性を高めることができる。さらに、ガイドシート７の外径はプランジャ６の外径よりもやや大きく設定し、ガイドシート７の外周面をガイド筒部２５ｇの内周面に接触（摺接）させる。これにより、プランジャ６のスムースなスライド移動と減耗が回避される。

次に、本実施形態に係る流量制御弁１の使用方法及び動作について、図１〜図７を参照して説明する。

流量制御弁１を使用する際には、図１に示すように、流入口３１の外端開口に流入側配管３５を接続するとともに、二つの流出口３２ａ，３２ｂの外端開口には流出側配管３６ａ，３６ｂを接続する。また、リード線５１は、前述したように、図示を省略した制御系に接続する。

まず、流量制御弁１に対する非通電時には、ソレノイド３は励磁されないため、弁体１２の位置はダイヤフラム６により規制される。即ち、図１に示すように、ダイヤフラム６の弾力により、弁体１２は最下降位置（閉位置）となり、弁部材２７が流入口３１の内端開口に圧接する。これにより、流入口３１（流路Ｒ）は遮断される。

一方、ソレノイド３に励磁電圧を印加すれば、ソレノイド３が励磁され、プランジャ６に対してインナヨーク５から吸引力が発生する。これにより、プランジャ６はダイヤフラム１３の弾力に抗して上方へ変位するとともに、プランジャ６に一体の弁体１２も上方へ変位する。即ち、図５に示すように、弁部材２７は実線で示すように、上方へ変位し、流入口３１の内端開口から離れる。これにより、流入口３１（流路Ｒ）は開放される。したがって、流入口３１と流出口３２ａ，３２ｂは流路Ｒを介して連通し、流体（ガス）を流入口３１に流入すれば、流体は、流入口３１から流路Ｒを通り、流出口３２ａ，３２ｂから流出する。図５に示す点線矢印Ｆｉは、流入口３１に流入する流体の流通方向を示すとともに、点線矢印Ｆｏ，Ｆｏは、流出口３２ａ，３２ｂから流出する流体の流通方向を示している。また、図３及び図５において、Ｌｓはプランジャ６（弁部材２７）の可動ストロークを示している。

そして、この際、励磁電圧を徐々に大きくすれば、図６に示すように、励磁電圧の大きさに対応（ほぼ比例）して流体の流量も徐々に増加し、プランジャ６の後端面６ｒ（平坦面６ｘ）がインナヨーク５の前端面５ｆ（平坦面５ｘ）に当接すれば、最大流量となる。この場合、本実施形態に係る流量制御弁１では、インナヨーク５にプランジャ６が接近した場合であっても、プランジャ６に対する吸引力が急激に大きくなる現象は発生しない。したがって、プランジャ６の全ストロークにおいてリニアリティの高い高精度の流量制御を行うことができるとともに、安定性及び信頼性の高い制御を行うことができる。

以上、最良の実施形態について詳細に説明したが、本発明は、このような実施形態に限定されるものではなく、細部の構成，形状，材料，数量，数値等において、本発明の要旨を逸脱しない範囲で任意に変更，追加，削除することができる。例えば、プランジャ６の後端面６ｒに凸部６ｙを設け、インナヨーク５の前端面５ｆに凹部５ｙを設けた場合を示したが、プランジャ６の後端面６ｒに凹部を設け、インナヨーク５の前端面５ｆに凸部を設けてもよい。また、平坦部６ｘ及び５ｘは軸心に対して直角面に形成したが、所定の角度を設けた傾斜面、即ち、テーパ面６ｙｔ，５ｙｔの角度Ｑとは異なる角度のテーパ面に形成してもよい。さらに、実施形態では、ノーマルクローズタイプの流量制御弁１を例示したが、ノーマルオープンタイプ（非通電時に全開）にも同様に適用できる。なお、流体としてガスを例示したが、空気や液体等の各種流体に適用することができる。

本発明の最良の実施形態に係る流量制御弁の縦断側面図、同流量制御弁の底面図、同流量制御弁におけるインナヨークの前端面とプランジャの後端面の拡大縦断面図、同流量制御弁の原理説明図、同流量制御弁における弁機構部の拡大縦断面図、同流量制御弁の励磁電圧に対する流量の変化特性図、従来技術に係る流量制御弁の励磁電圧に対する流量の変化特性図、

符号の説明

１：流量制御弁，２：電磁駆動部，３：ソレノイド，４：アウタヨーク，５：インナヨーク，５ｆ：インナヨークの前端面，５ｘ：平坦部，５ｙ：凹部，５ｙｔ：テーパ面，６：プランジャ，６ｒ：プランジャの後端面，６ｆ：プランジャの前端，６ｘ：平坦部，６ｙ：凸部，６ｙｔ：テーパ面，７：ガイドシート，１１：弁機構部，１２：弁体，１３：ダイヤフラム，２１：コイルボビン，２５：弁ブロック，２５ｇ：ガイド筒部，２５ｍ：ブロック本体部，Ｒ：流路，Ｄｍ：後端面又は前端面の直径，Ｄｙ：凸部又は凹部の直径，Ｑｓ：角度

Claims

ソレノイドの外部に設けたアウタヨーク及び内部に設けたインナヨークを有するとともに、前記インナヨークの前端面に対して、後端面が対向し、かつ前記ソレノイドに印加する励磁電圧の大きさに対応して変位するプランジャを有する電磁駆動部と、前記プランジャの前端に設けることにより流路を開閉する弁体及びこの弁体を弾性支持するダイヤフラムを有する弁機構部とを備える流量制御弁において、前記プランジャの後端面をリング状の平坦部とこの平坦部の内側に設けたテーパ面を有する凸部（又は凹部）との組合わせにより形成することにより、前記後端面の平坦部に、リング状に形成した所定の厚さを有する磁気ギャップを設けるための非磁性材のガイドシートを固定し、かつ当該ガイドシートの外径を前記プランジャの外径よりもやや大きく設定することにより、前記ガイドシートの外周面を、前記ソレノイドに備えるコイルボビンの内部に配したガイド筒部の内周面に摺接させるとともに、前記インナヨークの前端面をリング状の平坦部とこの平坦部の内側に設けたテーパ面を有する凹部（又は凸部）との組合わせにより形成し、前記後端面又は前記前端面の直径に対する前記凸部又は前記凹部の直径の比率及び前記テーパ面の角度を所定の大きさに設定してなることを特徴とする流量制御弁。
前記テーパ面の角度は、４０〜８０〔゜〕に設定することを特徴とする請求項１記載の流量制御弁。
前記後端面又は前記前端面の直径に対する前記凸部又は前記凹部の直径の比率は、３０〜８０〔％〕に設定することを特徴とする請求項１又は２記載の流量制御弁。
前記弁機構部は、内部に前記流路を有するブロック本体部と、このブロック本体部の上端から上方に突出して前記コイルボビンの内部に差し込む前記ガイド筒部とを一体に有する弁ブロックを備えることを特徴とする請求項１，２又は３記載の流量制御弁。