JP2018179213A - Electric valve - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、低温で用いる発熱の少ない電動バルブに関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a low heat generation electrically operated valve used at low temperature.
磁気測定装置(SQUID)や、核磁気共鳴画像撮影装置(MRI)、核磁気共鳴分光装置(NMR)などでは、測定用に超伝導電磁石を使用する。このため、冷却に高価な液体ヘリウムが用いられる。そこで、液体ヘリウムの使用量を低減するために、ヘリウムの循環利用システムが提案されている(特許文献1参照)。 In magnetic measurement devices (SQUIDs), nuclear magnetic resonance imaging devices (MRI), nuclear magnetic resonance spectroscopy devices (NMR), etc., superconducting electromagnets are used for measurement. For this reason, expensive liquid helium is used for cooling. Then, in order to reduce the usage-amount of liquid helium, the circulation utilization system of helium is proposed (refer patent document 1).
このような循環システムにおいては、流体の流路に各種のバルブを配置することが必要である。特に、液体ヘリウムや、低温のヘリウムガスの流路に設けられるバルブについては、非常に低い温度でも安定して機能することが求められるとともに、発熱が少ないことが求められる。 In such a circulation system, it is necessary to arrange various valves in the fluid flow path. In particular, valves provided in the flow paths of liquid helium and low temperature helium gas are required to function stably even at very low temperatures, and are also required to generate less heat.
なお、自己保持型ソレノイドを利用したバルブは、特許文献2などに示されている。 A valve using a self holding solenoid is shown in Patent Document 2 and the like.
例えば、電動バルブは、通常、開状態または閉状態のいずれか一方の状態を保持するために、ソレノイドに通電する。従って、低温の流体に大きな熱量を与えることになる。従って、電動バルブを利用することが難しかった。また、プランジャやスプリングなどの材質も低温で適切に使用できるものとしなければならない。 For example, the motorized valve normally energizes the solenoid to maintain either the open or closed state. Therefore, a large amount of heat is given to the low temperature fluid. Therefore, it was difficult to use the motorized valve. Also, materials such as plungers and springs should be able to be used properly at low temperatures.
本発明に係る電動バルブは、通電方向によって異なる方向の磁界を発生するソレノイドコイルと、低温での磁性体としての特性の変化が小さな材料で構成され、ソレノイドコイルによって発生される磁界によって駆動されるプランジャであって、一端側への移動と他端側への移動によって電動バルブの流路を開閉するプランジャと、プランジャの一端側に引き寄せる磁石と、低温での弾性係数の変化が小さく、プランジャを他端側に付勢するスプリングと、を含み、一方側の電動バルブ切り換え時にソレノイドコイルへ一方向の通電をしこれによってプランジャを一端側に移動させソレノイドコイルへの通電を停止した後も磁石によってプランジャを一端側に保持させるとともに、他方側の電動バルブ切り換え時にソレノイドコイルへ他方向の通電をしこれによってプランジャを他端側に移動させソレノイドコイルへの通電を停止した後もスプリングによってプランジャを他端側に保持させる。 The motor-operated valve according to the present invention is composed of a solenoid coil that generates a magnetic field in different directions depending on the current flow direction, and a material with a small change in characteristics as a magnetic body at low temperatures, and is driven by the magnetic field generated by the solenoid coil. A plunger which opens and closes a flow path of an electric valve by movement to one end and movement to the other end, a magnet which draws close to one end of the plunger, and a small change in elastic coefficient at low temperature. A spring is provided to urge the other end side. When switching the motorized valve on one side, the solenoid coil is energized in one direction, thereby moving the plunger to one end side and stopping the energization of the solenoid coil. While holding the plunger on one end side, the other direction to the solenoid coil when switching the motorized valve on the other side After stopping the energization to the energization solenoid coil caused thereby moving the plunger to the other side to hold the plunger at the other end by a spring.
スプリングは、インコネルによって構成されているとよい。 The spring may be made of inconel.
プランジャは、パーマロイB、インバー、またはSUS430で構成されているとよい。 The plunger may be made of Permalloy B, Invar, or SUS430.
また、シートは、ポリイミドまたはPTFEで構成されているとよい。 Also, the sheet may be made of polyimide or PTFE.
以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。なお、本発明は、ここに記載される実施形態に限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described based on the drawings. The present invention is not limited to the embodiments described herein.
「構成」
図1,2は、実施形態に係る電動バルブ1の構成を示す図であり、図1が電動バルブ閉状態、図2が電動バルブ開状態を示している。
"Constitution"
1 and 2 show the configuration of the motor-operated
電動バルブ1は、全体として円筒形のバルブボディ10を有する。バルブボディ10の内部には、第1流路12と、第2流路14が形成されている。第1流路12は、バルブボディ10の径方向の外周面に開口12aを有し、ここから中心方向に向かいその後軸方向に曲がって一端側の表面に開口12bを有するくの字状の流路である。一方、第2流路14は、軸方向に伸びる流路であり、一端側に開口14aを有し、他端側に開口14bを有する直線状の流路である。
The motor-operated
バルブボディ10の一端側を覆って円筒容器状のハウジング20の開口側が取り付けられる。すなわち、バルブボディ10の一端側はほぼ平面であり、その周辺部にハウジング20の端部が取り付けられる。バルブボディ10は、例えばステンレス(SUS316L、SUS304など)で形成される。
The open side of the cylindrical container-
ハウジング20のバルブボディ10側の内周側には、円環状のシリンダ22が設置される。シリンダ22の一端側はバルブボディ10の一端側表面に接触し、ここを密封することで、内側に密封空間を形成する。なお、第1及び第2流路12,14の開口12b,14aは、この密封空間に開口する。ハウジング20、シリンダ22も、バルブボディ10と同様のステンレスで構成される。
An
シリンダ22の内周側には円柱状のプランジャ24がその外周面がシリンダ22の内周面に接触するように配置されている。このプランジャ24は、軸方向に移動可能である。また、プランジャ24のバルブボディ10側の端面には、シート26が取り付けられている。従って、密封空間のプランジャ24側には、シート26が位置する。シート26の中央部は山形に凸になっており、一方、バルブボディ10の第2流路14の開口14aはその周囲がテーパ状に凹になっており、両者が合致する形状になっている。従って、プランジャ24がバルブボディ10に押し付けられた状態では、第2流路14が閉じられ、電動バルブ1は閉状態となる。プランジャ24は、磁性体である、パーマロイB、またはインバーなどで構成することが好適である。これらの材料は、強磁性体であるとともに、低温においても磁性体としての特性の変換が小さいため、本実施形態のような低温で使用する装置に好適である。また、鋼材、例えば、SUS430、SUM23なども使用できる。シート26は、例えばPTFE(ポリテトラフルオロエチレン)、ポリイミドなどにより構成される。ポリイミドは低温でも特性が変化しにくく、変形特性を維持でき、封止材としてのシート26として特に好適である。
A
シリンダ22の後方(バルブボディ10と反対側)には、円筒状のソレノイドコイル28が配置される。プランジャ24の後方側は、シリンダ22の後方端より後方に伸びており、ソレノイドコイル28の内部に所定間隔をおいて位置している。
A
プランジャ24の後方には、磁性体の円柱状のベースコア30が配置されている。ベースコア30は、プランジャ24と同様の材料で構成することができる。そして、このベースコア30およびソレノイドコイル28の後方には、円板または円環状の磁石(永久磁石)32が配置されている。なお、ベースコア30および磁石32は、ハウジング20に対し固定されている。磁石32は、例えばネオジウムで形成される。そして、プランジャ24の後方側には、円筒状の凹部が形成され、この凹部の前方側端面とベースコア30の前方側端面の間にスプリング34が配置されている。このスプリング34は、圧縮ばねであり、プランジャ24を前方側に付勢する。スプリング34は、例えばインコネル(インコネル750等)で形成される。インコネルはバネ材として十分な弾力を持つとともに、低温でも弾性係数の変化が小さいため、本実施形態におけるプランジャ24の付勢部材としてのスプリング34として特に適している。
Behind the
「動作」
まず、図1の状態、すなわち電動バルブ1の閉状態では、スプリング34の付勢力によって、プランジャ24、シート26がバルブボディ10に押し付けられている。従って、第1流路12と第2流路14の間での流体の流通が停止されている。なお、磁石32の磁力よってプランジャ24は、磁石32側に引き寄せられるが、スプリング34の付勢力の方が大きく設定されているため、プランジャ24はバルブボディ10に押し付けられた状態で安定している。
"Action"
First, in the state of FIG. 1, that is, in the closed state of the
ここで、ソレノイドコイル28に一方向の電流を流し(一方向の通電方向とする)、ソレノイドコイル28により磁石32と同方向の吸引力をプランジャ24に対し発生させる。これによって、プランジャ24、ベースコア30に磁力線が通り、磁石32の磁力と合わせてプランジャ24は、後方側への力を受ける。この力はスプリング34の付勢力より大きく、従ってプランジャ24は後方側に移動し、ベースコア30に引っ付く。すなわち、ベースコア30の前方側端面およびプランジャ24の後方側端面は軸に垂直な方向の平面であり、両者が全体として接触する。そして、磁力による吸引力は距離の2乗に反比例するため、ベースコア30との距離がゼロになった際の吸引力は大きく、これによってソレノイドコイル28への電流を断った後においても、吸引力がスプリング34の付勢力より大きい。従って、図2に示すように、磁石32の吸引力によってプランジャ24が後方側に位置した状態で安定保持する。すなわち、ソレノイドコイル28への電流を流さない状態で、電動バルブ1は開状態を維持する。
Here, a current in one direction is supplied to the solenoid coil 28 (one-direction current flow direction), and the
次に、ソレノイドコイル28へ上記一方向とは反対方向の電流を流す(通電方向を反対方向にする)。これによって、ベースコア30、プランジャ24に磁力線が通り、プランジャ24に対する磁石32からの磁力を打ち消す方向の磁界が生じる。これによって、磁石32からの磁力よりスプリング34の付勢力が大きくなり、これによって図1の状態に戻る。
Next, current is applied to the
このように、本実施形態によれば、電動バルブ1の閉状態、開状態の切り換えの際にソレノイドコイル28へ所定の方向の電流を流すことによって、電動バルブ1の開閉を切り換えることができる。従って、通電時間はわずかであり、電動バルブ1に対する、ソレノイドコイル28への通電よる発熱の影響を抑制することができる。
As described above, according to the present embodiment, when the
<具体例>
例えば、プランジャ24の外径が20mmφ程度のものを用い、ソレノイドコイル28への通電時の電力を65W程度とする。作動ストロークを1mmとして、スプリング34の付勢力をバルブ開時:60N、バルブ閉時:40Nとし、バルブ閉時の弁推力を30N以上になるように、磁石32による吸引力を設定した。
<Specific example>
For example, the
このような設定によって、バルブ閉時のヘリウムガスのリークを1×10−10Pa・m3/sec以下にすることができた。 By such setting, the leak of helium gas when the valve was closed could be reduced to 1 × 10 −10 Pa · m 3 / sec or less.
<その他の構成>
バルブボディ10と、シリンダ22の接触部には、メタルリングなどのシール材を配置して、シールをすることも好適である。また、シリンダ22の内周面とプランジャ24外周面との間にもメカニカルシールなどを配置してもよいが、ハウジング20内を全体として気密にすることが好適である。
<Other configuration>
A seal material such as a metal ring is preferably disposed at the contact portion between the
シート26をポリイミドによって構成することで、4Kなどの低温においてもヘリウムガスのリークを1×10−10Pa・m3/sec以下とできる好適なシール特性が得られる。
By forming the
また、スプリング34をインコネルのコイルスプリングとすることで、4Kなどの低温においても、バネ力を維持して、10万回以上の耐久性も得られる。
Further, by using the
プランジャ24をパーマロイB、またはインバーで構成することで、4Kなどの低温においても好適に動作する。
By configuring the
ソレノイドコイル28の内部に磁性体のベースコア30を配置して、磁石32の磁力をソレノイドコイル28の磁界を大きく受けるベースコア30を介しプランジャ24に印加することで、ソレノイドコイル28によるプランジャ24の移動をスムーズに行える。また、磁石32への悪影響を抑制することができる。
A
第1流路12、第2流路14は、いずれを流入路、流出路としてもよい。第2流路14については、軸方向流路として開口14aについて凹の中心に位置させ、シート26の中心に設けた凸によって閉塞することが、好適であるが、凹凸は反対でもよい。また、本実施形態では、第1流路12の開口12bをシート26によって閉塞できるような構造としたが、開口12bは必ずしもシート26によって閉塞できなくてもよい。
Either of the
本実施形態の電動バルブ1は、通電時間が数msec〜数secの範囲でよく、特に切り換えの際のみに通電するので、発熱量が小さく、4K−310K程度の広範囲のヘリウムガスの開閉弁として、好適に利用することができる。
The
1 電動バルブ、10 バルブボディ、12 第1流路、14 第2流路、20 ハウジング、22 シリンダ、24 プランジャ、26 シート、28 ソレノイドコイル、30 ベースコア、32 磁石、34 スプリング。
1 motorized valve, 10 valve body, 12 first flow passage, 14 second flow passage, 20 housing, 22 cylinder, 24 plunger, 26 seat, 28 solenoid coil, 30 base core, 32 magnet, 34 spring.
Claims (4)
低温での磁性体としての特性の変化が小さな材料で構成され、ソレノイドコイルによって発生される磁界によって駆動されるプランジャであって、一端側への移動と他端側への移動によって電動バルブの流路を開閉するプランジャと、
プランジャの一端側に引き寄せる磁石と、
低温での弾性係数の変化が小さく、プランジャを他端側に付勢するスプリングと、
を含み、
一方側の電動バルブ切り換え時にソレノイドコイルへ一方向の通電をしこれによってプランジャを一端側に移動させソレノイドコイルへの通電を停止した後も磁石によってプランジャを一端側に保持させるとともに、他方側の電動バルブ切り換え時にソレノイドコイルへ他方向の通電をしこれによってプランジャを他端側に移動させソレノイドコイルへの通電を停止した後もスプリングによってプランジャを他端側に保持させる、
電動バルブ。 A solenoid coil that generates a magnetic field in different directions depending on the direction of energization;
A plunger which is made of a material having a small change in characteristics as a magnetic body at a low temperature, and is driven by a magnetic field generated by a solenoid coil, the flow of the electric valve by movement to one end and movement to the other A plunger for opening and closing the passage,
A magnet that pulls toward one end of the plunger;
A spring that biases the plunger to the other end with a small change in the modulus of elasticity at low temperatures;
Including
When switching the motor valve on one side, the solenoid coil is energized in one direction, thereby moving the plunger to one end side and stopping the energization of the solenoid coil so that the magnet is held by the magnet on one end side and the other side At the time of switching the valve, the solenoid coil is energized in the other direction, thereby moving the plunger to the other end side and holding the plunger on the other end side by the spring even after the energization of the solenoid coil is stopped.
Motorized valve.
スプリングは、インコネルによって構成されている、
電動バルブ。 The electric valve according to claim 1, wherein
The spring is constituted by Inconel,
Motorized valve.
プランジャは、パーマロイB、インバー、またはSUS430で構成されている、
電動バルブ。 It is an electrically operated valve of Claim 1 or 2, Comprising:
The plunger is made of Permalloy B, Invar, or SUS430,
Motorized valve.
シートは、ポリイミドまたはPTFEで構成されている、
電動バルブ。
It is an electrically operated valve as described in any one of Claims 1-3,
The sheet is made of polyimide or PTFE,
Motorized valve.
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