JP6749246B2 - 電磁弁 - Google Patents

Description

本発明は、第１のポートと、第２のポートと、前記第１のポートと前記第２のポートとの間に配設された弁要素および弁座と、コイルと、ヨーク装置とを備え、前記コイルが前記ヨーク装置に磁気結合され、前記ヨーク装置が可動アーマチャを有する、電磁弁に関する。電磁弁において、前記弁要素が、前記弁要素の第１の側の第１の圧力と前記弁要素の第２の側の第２の圧力との圧力差により制御され、前記第１の圧力および前記第２の圧力の少なくとも一方が、前記アーマチャによって制御され、前記アーマチャが、第１の端部における第１の前面と、前記第１の端部とは反対側の第２の端部における第２の前面とを備え、前記第１の前面および前記第２の前面が第１の流路により接続される、電磁弁に関する。
このような弁は、２つのポートを備えた電磁膜サーボ弁を明示している国際公開第２０１０／０９０６０６号パンフレットから公知である。膜の形態の弁要素は、２つのポートの間に配設された弁座と協働する。この弁は、コイルと、ヨーク装置とを備え、コイルがヨーク装置と磁気結合される。このヨーク装置は、可動アーマチャを形成するプランジャを備える。弁要素は、弁要素の下方側の第１の圧力と弁要素の上方側の第２の圧力との圧力差により制御される。第２の圧力は、アーマチャによって制御される。このアーマチャは、第１の前面と、第２の前面とを備える。両前面が、プランジャと、プランジャが配設された管との間の隙間により形成された流路により接続される。

このような電磁弁は、例えば、米国特許第５４６０３４９Ａ号明細書または米国特許第６７８３１１０Ｂ２号明細書または独国実用新案第２０２００５０１３２３３Ｕ１号明細書で知られている。

かかる電磁弁を、例えば、冷却または空調システム内の膨張弁として使用することができる。しかしながら、他の用途も可能である。

弁要素および弁座は一緒になって、一方のポートから他方のポートに流れる流体に対する可変流動抵抗を形成する。弁座に対する弁要素の位置は、ヨーク装置およびコイルにより制御される。コイルに電流が供給されると、可動アーマチャの位置が変化する。

かかる電磁弁は、多くの場合、作動時に一定の騒音を出す。このような騒音は、「カチッという音」の形態でありかつ「ウォータハンマ」の形態であり得る。
独国特許発明第１１６８７２５号明細書には、電磁サーボ弁を有する磁気弁が記載されている。この弁は、２つのポートと、前記２つのポートの間に配設された弁要素および弁座と、コイルとヨーク装置とを備える。このヨーク装置が２つの可動アーマチャを有し、その一方が、コイルに対する電流供給により発生する磁力により制御される弁要素の機能を有する。
独国特許出願公開第１０２０１０３８９００号明細書には、２つのポートと、前記２つのポートの間に配設された弁要素および弁座とを備える電磁弁が示されている。この弁は、コイルと、前記コイルに磁気結合され可動アーマチャを有するヨーク装置とを備える。この弁要素は、可動アーマチャにより制御される。この目的のために、可動アーマチャは、弁要素の段部に係合する一種のケージに接続される。可動アーマチャが磁力により持ち上げられると、弁要素が弁座から離れる方向に移動する。
独国特許出願公開第１０２０１０００３９５８号明細書には、基本的に同じ弁の着想が示されている。
独国特許出願公開第１９９５４６１７号明細書には、２つのポートと、前記２つのポートの間に配設された弁要素および弁座とを有するさらなる電磁弁が示されている。さらにまた、この弁は、コイルと、ヨーク装置とを備え、前記コイルがヨーク装置に磁気結合される。このヨーク装置は、可動アーマチャを有する。この弁座は、ピストンに位置する。このピストンは、ピストン下方の圧力が所定レベルを超えて上がると、弁要素の方向に移動する。このようにして、この常開弁が閉弁される。

本発明の基礎となる目的は、騒音を低く抑えることである。

この目的は、前記弁要素が、前記弁要素の第１の側の第１の圧力と前記弁要素の第２の側の第２の圧力との圧力差により制御され、前記第１の圧力および前記第２の圧力の少なくとも一方が、前記アーマチャによって制御され、前記アーマチャが、第１の端部における第１の前面と、前記第１の端部とは反対側の第２の端部における第２の前面とを備え、前記第１の前面および前記第２の前面が第１の流路により接続され、前記第１の流路が、前記第１の流路を通って流れる流体の流量を低く抑える第１の絞り手段を有する、冒頭で説明した電磁弁で解決される。

アーマチャを移動させると、アーマチャの第１の前面における室の容積が増減する。そのため、この室内または室外に一定体積の流体を移動させなければならない。この流体は、第１の流路を通して移動させる。絞り手段は、流体の流れを小さく抑えることができるように、その移動に対する抵抗を形成する。アーマチャが圧力のみを制御しかつアーマチャが低速でのみ移動するため、弁要素は、同様の低速で移動する。速度が小さいほど騒音が低くなる。弁要素が圧力制御されるため、一般に、弁要素の移動速度を磁力による作動での移動速度よりも小さく抑えることができる。このことにより、弁要素またはアーマチャをその端部位置で停止させたときの「カチッという音」の騒音が低減される。この弁では、アーマチャが弁要素の移動を制御する。アーマチャがゆっくりと移動するため、弁要素の移動も遅い。そのため、いわゆるウォータハンマにより生じる騒音も低減することができる。

好ましくは、第２の流路は、前記弁要素の前記第１の側と前記第２の側とを接続し、前記第２の流路が、前記第２の流路を通って流れる流体の低流量を維持する第２の絞り手段を有する。弁要素にわたる圧力差の制御下で弁要素を移動させる場合、一定量の流体が第２の流路を通って流れなければならない。流量が小さく抑えられるように第２の流路を通る流体のその移動が制限されると、結果として、弁要素自体の移動も遅くなる。弁要素がよりゆっくりと移動することにより、騒音が低減される。

好ましくは、前記第１の流路は、
前記アーマチャと前記アーマチャを取り囲むハウジングの壁との間に配設され、かつ／または第２の流路は、前記弁要素と前記弁要素を取り囲むハウジングの壁との間に配設される。好ましい実施形態において、前記弁要素および前記アーマチャは、筒状ハウジング内に前後に配設される。第１の流路および／または第２の流路は、アーマチャ要素内または弁内に、孔、チャネル、ダクトなどを必要としない。第１の流路および／または第２の流路は、ハウジングとアーマチャまたは弁要素との間にそれぞれ容易に形成することができる。

好ましい実施形態において、ハウジングは、前記アーマチャおよび前記弁要素に対して同じ直径を有する筒として形成される。このような筒は製造が簡単である。

好ましい実施形態において、前記第１の絞り手段および／または前記第２の絞り手段は、前記流路の壁に表面構造を備える。これは、流路を通過する流体に対する制限部を形成する簡単な方法である。表面構造は流れに乱流を生じさせ、それにより、流路を通る流れの平均速度を低減する。表面構造は、製造コストを増加させ得る小さい公差を使用する必要なしに流動抵抗を増加させる。

特定の好ましい実施形態において、前記表面構造は、鋸歯状外形である。このような鋸歯状外形は、アーマチャとハウジングの壁との間および／または弁要素とハウジングの壁との間に多くの小さい制限部を形成する。

好ましくは、前記鋸歯状外形は、前記弁要素の周囲に周方向にまたはねじ状に延在する溝を備える。これは、前記鋸歯状外形を形成する簡単な方法である。

好ましくは、前記弁要素は貫通チャネルを備え、パイロット弁は前記アーマチャに面する前記チャネルの端部に配設され、前記アーマチャは前記パイロット弁に作用する。アーマチャが弁要素に向かって移動してパイロット弁に閉方向に作用すると、弁要素の第１の側の圧力が増加し弁要素を弁座に向かう方向に移動させる。アーマチャが弁要素から離れる方向に移動してパイロット弁に開方向に作用すると、弁要素の第１の側における圧力が低下し、弁要素の第２の側における圧力が弁要素を弁座から離れる方向に移動させる。換言すれば、アーマチャは、パイロット弁のみを制御すればよく、弁要素を直接移動させる必要はない。弁要素は、アーマチャの移動に追従する。弁要素とアーマチャとの間の距離は、ほぼ一定のままである。

好ましくは、前記パイロット弁はパイロット弁要素を備え、前記アーマチャは前記パイロット弁要素を保持する。パイロット弁が開状態でありかつパイロット弁要素が弁要素の第１の側におけるチャネルの開口から持ち上げられたとしても、パイロット弁要素はアーマチャにより保持される。好ましい例において、アーマチャは、パイロット弁要素が収容されるリング状壁を備える。

好ましい実施形態において、前記弁要素は、前記弁座近傍の端部に絞りコーンを備え、前記コーンは、前記弁座に取り囲まれた開口に挿入可能である。このようなコーンは、弁の徐々に行われる開弁を可能にする。

好ましくは、前記弁要素は、前記弁座の内径の少なくとも５０％、好ましくは少なくとも７５％に相当するストロークを有する。このストロークはかなり大きい。通常、ストロークは、弁座の内径の約２５％に相当する。より大きいストロークにより、結果として、弁要素が第１の端部位置から第２の端部位置に進むのにより多くの時間が必要となる。これは、電磁弁により生じる騒音を小さく抑える更なる可能性である。

好ましい実施形態において、前記弁要素および／または前記アーマチャには、耐圧性のプラスチック材料、特にＰＴＦＥで作製された閉塞部材が設けられる。このような閉塞部材がその相手部材（例えば、対応する弁座）に接触したときに、基本的に接触音が生じない。ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）は、閉塞部材がその相手部材に固着するのを防ぐ。

好ましくは、前記弁要素には、ストローク制限手段が設けられる。これは、騒音の発生を防ぐかまたは少なくとも低減する更なる機構である。ストローク制限手段は、弁要素が完全開位置に達するときに弁要素が可動アーマチャに接触するのを防止する。特に、プラスチック材料の閉塞部材に関連して、閉塞部材の摩耗を低減するかまたは最適な場合では防ぐことができる更なる利点がある。

好ましくは、前記ストローク制限手段は、ハウジング部と協働する肩部の形態である。このような肩部は、基本的に、弁要素の全周に周方向に延在できるまたは遮断できる弁要素の増加した直径である。かかる肩部は、弁要素が完全開状態にあるときに、ハウジング部、例えば、弁要素を取り囲むハウジングの上述の壁に接触することができる。

図面を参照しながら本発明の好ましい例をより詳細に説明する。

閉状態にある電磁弁を示す。 開弁中の電磁弁を示す。 完全開状態にある電磁弁を示す。 部分開状態にある弁の絞りコーンの拡大図である。 完全開状態にある絞りコーンを示す。 アーマチャの拡大図を示す。 図６の細部ＶＩＩを示す。 開状態にあるパイロット弁を示す。 閉状態にあるパイロット弁を示す。 開状態にある電磁弁の更なる実施形態を示す。

電磁弁１は、第１のポート２と第２のポート３とを備える。弁１の２つのポート２、３を、例えば、冷媒が循環する回路に接続することができる。この場合、弁１は、膨張弁として使用することができる。

弁１は、弁座５と協働する弁要素４を備える。弁要素４は、第１の側６と第２の側７とを有する。更に、弁要素４は、第１の側６と第２の側７とを接続する貫通チャネル８を備える。図８および図９に関連してより詳細に説明するパイロット弁９は、第１の側６におけるチャネル８の端部に配設される。

弁要素４は、筒状ハウジング１０内に配設される。弁要素４は、ハウジング１０の長手方向軸線１１に沿ってハウジング１０内を移動可能である。

ハウジング１０は、電気接続部１３を介して電気エネルギーを供給できるコイル１２に取り囲まれる。コイル１２は、磁気回路の一部である。磁気回路は更に、ハウジング１０を取り囲む第１のヨーク部１４と、ハウジング１０内に位置決めされた固定された第２のヨーク部１５と、同じくハウジング１０内に配設された可動アーマチャ１６とを有するヨーク装置を備える。ばね１７は、第２のヨーク部１５とアーマチャ１６との間に位置決めされ、かつアーマチャ１６を第２のヨーク部１５から離れる方向に押しやる。ハウジング１０は、弁要素４およびアーマチャ１６に対して同じ直径を有する筒の形態である。

コイル１２が電流で通電されると、ヨーク装置が磁化され、第２のヨーク部１５が、ばね１７の力に抗して可動アーマチャ１６を磁気吸引する。

アーマチャ１６は、第１の前面１８と第２の前面１９とを有する。

第１の流路２１は、ハウジング１０とアーマチャ１６との間に配設される。第２の流路２０は、弁要素４とハウジング１０との間に配設される。

第１の圧力空間２２は、弁要素４とアーマチャ１６との間に配設される。第２の圧力空間２３は、アーマチャ１６と第２のヨーク部１５との間に配設される。

弁要素４の更なる細部が図４および図５に示されている。弁要素４は、第２の側７、すなわち弁座５に面する側に絞りコーン２４を備える。図４は、部分開状態にある弁要素４を示している。この状態では、絞りコーン２４は、弁座５に取り囲まれる開口２５に部分的に挿入される。

絞りコーン２４を開口２５内に移動させると、絞りコーン２４と弁座５との間の隙間２６を通しての流動抵抗が徐々に低下する。

図８および図９は、パイロット弁９の更なる細部を示している。パイロット弁９は、ボールの形態のパイロット弁要素２７と、コーンの形態のパイロット弁座２８とを備える。パイロット弁要素２７の直径は、パイロット弁座２８の最大直径よりも大きい。

アーマチャ１６は、その第２の前面１９において、パイロット弁要素２７を収容する空間３０を取り囲むリング状壁２９を備える。リング状壁２９を、アーマチャ１６の第２の前面１９から弁要素４に向かう方向に延びる少なくとも３つの突起に置き換えることができる。

図９は、閉状態にあるパイロット弁９を示している。パイロット弁要素２７は、アーマチャ１６によってパイロット弁座２８に押し当てられる。

図６は、アーマチャ１６の拡大図を示している。図７は、図６の細部ＶＩＩを示している。アーマチャ１６がその外周に鋸歯状外形３１を有することが分かる。鋸歯状外形３１は、多くの山３２および谷３３を備える。ハウジング１０と一緒になって、各山３２は、第１の流路２１を通過する流体に対する制限部を形成する。更に、一連の山３２および谷３３が流れに乱流を生じさせ、これにより、第１の流路２１を通過する流れの最大可能速度を低減する。鋸歯状外形３１により形成された表面構造は、製造コストを増加させ得る小さい公差を使用する必要なしに流動抵抗または流体抵抗を増加させる。

同じ表面構造が弁要素４の外周に設けられる。

図１に示す状態では、弁１が閉弁される。すなわち、第１のポート２と第２のポート３との接続が遮断される。弁要素４が弁座５に接触し、かつコーン２４が開口２５に完全に挿入される。

この状態において、第１のポート２を介して弁に流入する流体は、第２の流路２０を通過し、この流体はパイロット弁９を通り抜けることができないため、第１の圧力空間２２内の圧力を増加させる。パイロット弁９は、アーマチャ１６により閉弁される。

弁要素４の両側６、７の圧力は同じであるが、第１の圧力空間２２内の圧力が弁要素の第２の側７における圧力よりも広い領域に作用するため、弁要素４が弁座５に押し当てられる。第２の側７において、弁座５は、圧力領域の一部を覆い、かつこの圧力領域をより低い圧力に接続する。

しかしながら、コイル１２が通電され、アーマチャ１６がばね１７の力に抗してヨーク装置の第２のヨーク部１５に吸引される場合、アーマチャ１６を弁要素４から離れる方向に少しだけ移動させる。この場合、パイロット弁要素２７がパイロット弁座２８から持ち上げられ、かつ第１の圧力空間２２内の流体がチャネル８を通り抜けることができ、これにより、第１の圧力空間２２内の圧力を低下させる。第２の側７と第１の側６との圧力差は、パイロット弁９を閉方向に移動させるまで弁要素４をアーマチャ１６に追従するように移動させる。この移動は、弁要素４の外周における表面構造が第２の流路２０を通る流れを絞るため、かなり遅い。第２の圧力空間２３内の流体が、上で説明したように一定の流動抵抗を有する第１の流路２１のみを通り抜けることができるため、アーマチャ１６の移動も遅い。弁要素４の移動は、アーマチャ１６の移動により制御される。アーマチャ１６が低速でのみ移動できるため、弁要素の速度も制限される。そのため、「カチッという音」により生じる騒音だけでなく、ウォータハンマにより生じる騒音も低減することができる。

図２は、開弁または閉弁中の弁１を示している。

図３に示す完全開状態では、アーマチャ１６を第２のヨーク部１５に接触するように移動させている。絞りコーン２４を完全に開口２５の外に移動させている。

弁要素４は、弁座５の内径の、すなわち、主オリフィスと呼ぶこともできる開口２５の直径の少なくとも５０％に相当するストロークを有する。ストロークは、図１に示す完全閉状態と図３に示す完全開状態との間で弁要素４が移動する距離である。ストロークは、ハウジング１０の軸線１１に平行な、第２の圧力空間２３の広がりに相当する。

図１０は、開状態にある弁の更なる実施形態を示している。図１〜図９に示す実施形態に関連して説明した要素は、同じ参照符号で示されている。

弁１を通る冷媒と一緒に流れる他の部分の汚れを除去するために、ストレーナまたはメッシュ３４が追加されている。

弁要素４には、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）のようなプラスチック材料で作製された閉塞部材３５が弁要素４の下側７に設けられる。この閉塞部材３５は、弁要素４を閉位置に移動させると、弁座５に接触する。更に、アーマチャ１６には、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）のようなプラスチック材料で作製された閉塞部材３６が設けられる。この閉塞部材３６は、図１〜図９のパイロット弁９の代わりとなる。

弁要素４には、径方向肩部の形態のストローク制限手段３７が設けられる。このストローク制限手段３７は、図１０に示すように、弁要素４が完全開状態にあるときに、ハウジング１０に接触する。ストローク制限手段３７は、図１０に示す開状態では、弁要素４がアーマチャ１６の閉塞部材３６に接触しないように、弁要素４のストロークを制限する。そのため、弁要素４が圧力差により閉塞部材３６に押し付けられるときに、アーマチャ１６の閉塞部材３６の損傷を防ぐことができる。

Claims (12)

1. 第１のポート（２）と、第２のポート（３）と、前記第１のポート（２）と前記第２のポート（３）との間に配設された弁要素（４）および弁座（５）と、コイル（１２）と、ヨーク装置（１４〜１６）とを備え、前記コイル（１２）が前記ヨーク装置（１４〜１６）に磁気結合され、前記ヨーク装置（１４〜１６）が可動アーマチャ（１６）を有する、電磁弁（１）において、
   前記弁要素（４）が、前記弁要素（４）の第１の側（６）の第１の圧力と前記弁要素（４）の第２の側（７）の第２の圧力との圧力差により制御され、前記第１の圧力および前記第２の圧力の少なくとも一方が、前記アーマチャ（１６）によって制御され、
   前記アーマチャ（１６）が、第１の端部における第１の前面（１８）と、前記第１の端部とは反対側の第２の端部における第２の前面（１９）とを備え、前記第１の前面（１８）および前記第２の前面（１９）が第１の流路（２１）により接続され、
   前記第１の流路（２１）が、前記第１の流路を通って流れる流体の流量を低く抑える第１の絞り手段を有し、さらに、
   第２の流路（２０）が、前記弁要素（４）の前記第１の側（６）と前記第２の側（７）とを接続し、前記第２の流路（２０）が、前記第２の流路（２０）を通って流れる流体の低流量を維持する第２の絞り手段を有し、
   前記第２の流路（２０）が、前記弁要素（４）と前記弁要素（４）を取り囲むハウジング（１０）の壁との間に配設され、かつ前記第１の流路（２１）が、前記アーマチャ（１６）と前記アーマチャ（１６）を取り囲む前記ハウジング（１０）の壁との間に配設され、
   前記弁要素（４）とアーマチャ（１６）は前記ハウジング（１０）内に前後に配置され、前記第１の絞り手段により前記アーマチュア（１６）の移動速度が低減され、前記第２の絞り手段により前記弁要素（４）の移動速度が低減されて前記電磁弁（１）の騒音を低減することを特徴とする、請求項１に記載の電磁弁。
2. 前記ハウジング（１０）が、前記アーマチャ（１６）および前記弁要素（４）に対して同じ直径を有する筒として形成されることを特徴とする、請求項１に記載の電磁弁。
3. 前記第１の絞り手段および／または前記第２の絞り手段が、前記流路の壁に表面構造を備えることを特徴とする、請求項１〜２のいずれか一項に記載の電磁弁。
4. 前記表面構造が、鋸歯状外形（３１）であることを特徴とする、請求項３に記載の電磁弁。
5. 前記鋸歯状外形（３１）が、前記弁要素（４）および／または前記アーマチャ（１６）の周囲に周方向にまたはねじ状に延在する溝（３３）を備えることを特徴とする、請求項４に記載の電磁弁。
6. 前記弁要素（４）が貫通チャネル（８）を備え、パイロット弁（９）が前記アーマチャ（１６）に面する前記チャネル（８）の端部に配設され、前記アーマチャ（１６）が前記パイロット弁（９）に作用することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の電磁弁。
7. 前記パイロット弁（９）がパイロット弁要素（２７）を備え、前記アーマチャ（１６）が前記パイロット弁要素（２７）を保持することを特徴とする、請求項６に記載の電磁弁。
8. 前記弁要素（４）が、前記弁座（５）近傍の端部に絞りコーン（２４）を備え、前記コーン（２４）が、前記弁座（５）に取り囲まれた開口（２５）に挿入可能であることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の電磁弁。
9. 前記弁要素（４）が、前記弁座（５）の内径の少なくとも５０％に相当するストロークを有することを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の電磁弁。
10. 前記弁要素（４）および／または前記アーマチャ（１６）には、耐圧性のプラスチック材料で作製された閉塞部材（３５、３６）が設けられることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の電磁弁。
11. 前記弁要素（４）には、ストローク制限手段（３７）が設けられることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の電磁弁。
12. 前記ストローク制限手段が、ハウジング部と協働する肩部の形態であることを特徴とする、請求項１１に記載の電磁弁。

Images