JP4077190B2 - 二段式水圧用電磁弁 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
駆動システムを作動させるための作動流体（圧力媒体）としては従来、鉱物油等の油が使用されてきたが、近年では、システムの安全性や環境保護に対する要求や規制がより厳しくなる傾向にあり、油漏れによる環境汚染や火災等の危険性を回避すべく、水を作動流体とする水圧システムの開発が望まれている。
【０００２】
水は鉱物油とは物性が大きく異なるため、機器の性能や耐久性に関し解決すべき問題を多々含んでいるが、最新の材料技術や加工技術、設計等の工夫により水圧ポンプ、水圧用アクチュエータ、水圧サーボ弁の如き水圧機器への適用が可能であると考えられており、水圧システムの実用化への取り組みが積極的に進められている。
【０００３】
本発明は、作動流体として水を使用できる二段式水圧用電磁弁に関するものである。
【０００４】
【従来の技術】
作動流体として油を使用する電磁弁としては、低電力化のためにバランスピストンを配置した図７に示すような構成のものが知られている。かかる構造のものは、供給側経路とつながるＰポートと送給側経路につながるＡポートを有する二方向油圧電磁弁であって、高速で作動させることができるとともに内部漏れも非常に少ない利点があり、油圧システムの制御において幅広く使用されている。
【０００５】
ところで、かかる構造になる電磁弁を、作動流体を水とする水圧システムに適用した場合、弁体が閉塞位置にあるにもかかわらず供給圧力が一定の値（２ＭＰａ程度）を超えるとＡポートから相当量の水が漏れ出てしまうのが避けられない不具合があった。
【０００６】
これは、バランスピストンにはシール部材としてのＯリングが配置されておらず、水は油に比較して粘度が低いためであると考えられるが、上記の電磁弁は、このような内部漏れの回避は勿論のこと、高速作動性や錆び、潤滑、キャビテーション壊食などの問題をも考慮することが不可欠であって、従来の電磁弁を単に水圧用として使用することは今のところ不可能であった。
【０００７】
この点に関しては、バランスピストンに換えてポペット式の弁を使用する図８に示すような構造の適用も試みられてはいるものの、この場合、弁のオフ状態（閉塞状態）を維持するためには強力なスプリングが必要であり、同時に大出力のソレノイドが不可欠であって、未だ改善の余地が残されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、作動流体として水を使用する場合であっても内部漏れがなく、しかも、高速作動、省電力化を可能とする二段式水圧用電磁弁を提案するところにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ソレノイド、コア及びヨークとの組み合わせからなる駆動系にて、ボディ内に配置した弁体を作動させてアクチュエータへつながる経路を開閉制御する電磁弁であって、
ボディ内に、作動流体供給経路とアクチュエータへつながる作動流体送給経路とを合流させる第１の空間領域と、この第１の空間領域及び作動流体供給経路につながる通路を備える仕切り壁を介して第２の空間領域をそれぞれ設け、
前記作動流体送給経路と第２の空間領域とをバイパス経路を介して連結し、
前記第１の空間領域に、その内壁面に沿いシール部材で液密状態に保持した弁座、スリーブを配置するとともにスプリングを介して弾性支持され作動流体送給経路を該弁座と協働して閉塞状態に維持する主弁を配置し、
前記第２の空間領域に、スプリングを介して弾性支持され仕切り壁の通路を閉塞状態に維持するが、該通路におけるパイロット流量の制御により前記主弁の胴部とスリーブとの隙間において作動流体としての水に流れを生じさせ、主弁の先端、後端の圧力均衡を崩して該主弁を弁座から浮き上がらせて作動流体送給経路を開放状態とする補助弁を設けたことを特徴とする二段式水圧用電磁弁である。
【００１０】
上記の構成になる二段式水圧用電磁弁において主弁をポペット形式の弁体とし、補助弁をボール形式あるいは主弁と同様のポペット形式の弁体とすることができる。
【００１１】
また、主弁は、主弁の胴部と第１の空間領域壁面との相互間にて隙間を形成して作動流体供給経路と仕切り壁の通路をつなぐ径を有するものがとくに有利に適合する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明をより具体的に説明する。
図１は本発明に従う二段式水圧用電磁弁の構成を示したものである。
【００１３】
図において１は電磁弁のボディである。ボディ１はその内部に作動流体供給経路Ｐとアクチュエータへつながる作動流体送給経路Ａとを合流させる第１の空間領域Ｋ_１と、この第１の空間領域及び作動流体供給経路Ｐにつながる通路ｃを有する仕切り壁（弁座を兼ねる）Ｗを介して第２の空間領域Ｋ_２が設けられている。
【００１４】
第１の空間領域Ｋ_１には、その内壁面に沿いＯリング等のシール部材で液密状態に保持した弁座２、スリーブ３が配置されるとともにスプリングＳ_１を介して弾性支持され作動流体送給経路Ａを弁座２と協働して閉塞状態に維持するポペット型の主弁４が配置される。この主弁４とスリーブ３との間には３０μm 程度の隙間ｒが形成されており、先端（図中下側）と後端（図中上側）の受圧面積はほぼ等しいか後端のほうが少し大きいものとなっている。
【００１５】
また、第２の空間領域Ｋ_２には、その後端領域を第２の空間領域Ｋ_２から突出させた非磁性材からなるスリーブ５とこのスリーブ５にスプリングＳ_２を介して弾性支持され仕切り壁Ｗの通路ｃを閉塞状態に保持する補助弁６が配置されている。
【００１６】
補助弁６は通路ｃにおけるパイロット流量を制御するためボール形式の例で示した弁体（パイロット弁）６ａと、この弁体６ａに一体的に成形されスリーブ５内でスプリングＳ_２の弾性力に抗してスライド可能でその後端領域をスリーブ５とともに第２の空間領域Ｋ_２から突出させたプランジャー６ｂからなっていて、該補助弁６にはその周りに作用する圧力が常に一定になるように貫通孔６ｃが設けられている。
【００１７】
また、７は第２の空間領域Ｋ_２から突出したスリーブ５を取り囲む磁性材からなるスペーサであって、スペーサ７の末端には非磁性材よりなるリング７ａが装着されている。
【００１８】
８はスリーブ５をスペーサ７とともにボディ１に強固にねじ止め保持する固定リング、９はプランジャー６ｂの端面で隙間ｈを隔ててリング７ａに配置されるコア、１０はコア９に連結して磁路を形成するヨーク、１１はコア９とプランジャー６ｂの端面で形成された隙間ｈを取り囲むように巻回されたソレノイド、そして１２は第２の空間領域Ｋ_２と作動流体送給経路Ａをつなぐバイパス経路であり、補助弁６を通過する作動流体はこのバイパス経路１２を通って作動流体送給経路Ａへと送り込まれる。
【００１９】
コア９、ヨーク１０、ソレノイド１１は電磁弁の駆動系を構成するものであって、これによってプランジヤー６ｂを弁体６ａとともにコア９側に適宜に吸引して通路ｃを開閉してパイロット流量の制御を行なう。
【００２０】
駆動系にて補助弁６を作動させると、主弁４とスリーブ３の隙間ｒにおいて図中矢印の如き水の流れが生じ、該隙間ｒを通過する際に水の圧力が降下する。そうすると、主弁４の後端の圧力が先端の圧力に比べて低くなり、これによって主弁４の先端、後端の圧力均衡が崩れ主弁４が弁座２から浮き上がって開放状態となり作動流体としての水がアクチュエータにつながる作動流体送給経路Aへと流れる。
【００２１】
上記の構成になる電磁弁において、パイロット流量を制御する補助弁６は小形のソレノイドを用いて低電力で高速で作動させることができるものであり、主弁４が配置される第１の空間領域Ｋ_１は補助弁６を作動させない限り主弁４が弁座２に確実に合致しているためその部位における漏れは全くない。
【００２２】
図２は上掲図１に示した構成になる電磁弁を使用した水圧回路であって、この水圧回路を用い、駆動系のソレノイド１０に過励磁電圧及び消磁電圧を印加するパルス幅変調方式（ＰＷＭ）になる高速駆動専用電気回路にて流量制御を行い、補助弁６の作動遅れ特性について調査をおこなった。
【００２３】
図３にその結果を示す。この調査は、補助弁６の弁体６ａあるいはプランジャー６ｂが仕切り壁Ｗまたはコア９に接触する瞬間に大きな衝撃が発生することに着目し、かかる衝撃を衝撃センサーを用いて測定したものであり、図３より明らかな如く、オンオフ入力信号から衝撃信号が発生するまでの約１msの時間が弁（補助弁６）の開閉作動遅れ時間となっており、高速で作動させることが可能であることがわかる。
【００２４】
また、図４はデューティー（入力信号におけるON時間の全時間（オンオフの時間）に対する割合）とパイロット流量の関係を示したグラフである。
【００２５】
図４より補助弁６におけるパイロット流量は全般的にデューティーとともに直線的に増加する傾向にある。
【００２６】
図５は、デューティーとメイン流量（主弁４の流量）との関係を調査した結果を示したものである。本発明の電磁弁は二段式の電磁弁であり、パイロット流量に比較しメイン流量は多いが、パイロット流量の特性がそのまま反映され、同じ傾向にあることがわかる。
【００２７】
図６は、図２に示した水圧回路において作動流体送給経路Ａに配置されたバルブの開度を調整して０〜６ＭＰａの範囲で負荷圧力を与えたときの主弁４の流量変動を示したグラフである。全般的に負荷圧力が大きいほど流量は少ないが、負荷圧力が１ＭＰａの場合にはデューティー７０以下では無負荷時より多くなっていて、これは、主弁４の先端（下部）に負荷圧力が働き主弁４がより開くためと想定される。
【００２８】
本発明に従う水圧用電磁弁は、その構成部材は全てステンレス鋼にて構成することができるものであり、とくに主弁４とその弁座２及び補助弁６の弁体６ａとその弁座は熱処理したステンレス鋼を適用するのが好ましいが、めっき等の表面処理を施したものであれば炭素鋼の如き通常の鋼材でも適用可能であり、ステンレス鋼に限定されるものではない。
【００２９】
主弁４の流量は、基本的には補助弁６のパイロット流量を制御することによって制御できるが、主弁４の胴部とスリーブ３との間に形成する隙間（クリアランス）ｒについてはパイロット流量の制御範囲に大きく影響を与えるものであって、電磁弁のサイズや作動流体の送給条件に応じて適宜に変更されるものであり、隙間ｒの代わりに主弁４の胴部にそれ専用の通路を設けるようにしてもよい。
【００３０】
【発明の効果】
本発明によれば、作動流体として水を用いた場合であっても内部漏れが全くなく、しかも高速で作動させることができるので、水圧システムの構築が容易になる。
【００３１】
また、本発明によれば、電気駆動や油圧駆動の電磁弁と異なり耐火性、耐熱性に優れ、とくに油圧駆動式のものにおいて懸念された環境汚染を効果的に回避することが可能であり、食品加工産業、防災産業、半導体産業はもとより、農業機械や水中機械を扱う産業などにおいて幅広く適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に従う二段式水圧用電磁弁の構成を示した図である。
【図２】 本発明に従う電磁弁を適用した水圧回路を模式的に示した図である。
【図３】 作動遅れ特性を調査した結果を示したグラフである。
【図４】 流量とデューティーの関係を示したグラフである。
【図５】 流量とデューティーの関係を示したグラフである。
【図６】 流量とデューティーの関係を示したグラフである。
【図７】 従来形式になる電磁弁の構成を示した図である。
【図８】 ポペット形式の電磁弁の構成を示した図である。
【符号の説明】
１ 電磁弁のボディ
２ 弁座
３ スリーブ
４ 主弁
５ スリーブ
６ 補助弁
６ａ 弁体
６ｂ プランジャー
７ スペーサー
７ａ リング
８ 固定リング
９ コア
10 ヨーク
11 ソレノイド
12 バイパス経路
13 バランスピストン
14 スプリング
15 ソレノイド
16 コア
17 ピポット弁
18 スプリング
19 ソレノイド
20 コア
Ｐ 作動流体供給路
Ａ 作動流体送給路
Ｋ_１ 第１の空間領域
Ｋ_２ 第２の空間領域
Ｗ 仕切り壁
ｃ 通路
ｓ_１ スプリング
ｓ_２ スプリング
ｒ 隙間
ｈ 隙間

Claims (2)

1. ソレノイド、コア及びヨークとの組み合わせからなる駆動系にて、ボディ内に配置した弁体を作動させてアクチュエータへつながる経路を開閉制御する電磁弁であって、
   ボディ内に、作動流体供給経路とアクチュエータへつながる作動流体送給経路とを合流させる第１の空間領域と、この第１の空間領域及び作動流体供給経路につながる通路を備える仕切り壁を介して第２の空間領域をそれぞれ設け、
   前記作動流体送給経路と第２の空間領域とをバイパス経路を介して連結し、
   前記第１の空間領域に、その内壁面に沿いシール部材で液密状態に保持した弁座、スリーブを配置するとともにスプリングを介して弾性支持され作動流体送給経路を該弁座と協働して閉塞状態に維持する主弁を配置し、
   前記第２の空間領域に、スプリングを介して弾性支持され仕切り壁の通路を閉塞状態に維持するが、該通路におけるパイロット流量の制御により前記主弁の胴部とスリーブとの隙間において作動流体としての水に流れを生じさせ、主弁の先端、後端の圧力均衡を崩して該主弁を弁座から浮き上がらせて作動流体送給経路を開放状態とする補助弁を配置したことを特徴とする二段式水圧用電磁弁。
2. 主弁が、主弁の胴部と第１の空間領域壁面との相互間にて隙間を形成して作動流体供給経路と仕切り壁の通路をつなぐ外径を有するものである、請求項１記載の二段式水圧用電磁弁。

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