JPH03199787A - 比例弁 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明はガス燃焼システム等に使用され、流体供給源か
ら供給される圧力流体の圧力を最終使用部での使用圧力
に減圧して供給する比例弁に関するものである。

［従来の技術］ 一般に流体が使用される場合、流体供給源から供給され
る高圧の圧力流体をそのまま使用せずに最終使用部にお
ける使用圧力に減圧された状態で使用される。例えば、
ガス燃焼システムではガス供給源と最終使用部であるバ
ーナとの間に、１次圧力が変化しても一定の２次圧力を
得るように、両者の圧力バランスに基づいて機械的に作
動するガバナ、あるいはムービングコイルを使用してム
ービングコイルに加える電流値に比例して２次圧力を制
御できるようにした比例弁が配設されている。

比例弁としては例えば第７図に示すものがある。

この比例弁は弁体４０が流体通路４１の入口４１ａ及び
出口４１ｂとの間に設けられた弁座４２と当接する閉成
位置と、弁座４２から離間する開放位置とに移動可能に
配設されるとともに、ばね４３により弁座４２と当接す
る方向へ押圧付勢され、ムービングコイル４４を使用し
たアクチュエータ４５により弁体４０が作動されるよう
になっている。アクチュエータ４５の操作力はムービン
グコイル４４への通電電流の大きさ及び永久磁石Ｍの磁
界の強さにより決まり、制御部（図示せず）により通電
電流の大きさが制御されて弁体４０の開度が所定の値に
制御される。

［発明が解決しようとする課題］ ところが、２次圧力を制御するためがバナを取付けた場
合には、圧力流体の流量範囲すなわち２次圧力の変更範
囲を広く取るとガバナの特性が変化し、又、低い圧力に
おける制御ができないという問題がある。又、２次圧力
を純機械的にフィードバックしているため、負荷条件に
よっては振動が大きくなって安定性が悪くなり、騒音を
発生するという不都合もあった。

一方、比例弁を設けた場合は２次圧力の変更範囲を広く
取ることができるが、従来の比例弁ではムービングコイ
ル４４に作用させる静磁界発生源として永久磁石Ｍを使
用しているため、静磁界の強さが温度により変動すると
いう不都合がある。

一般に永久磁石は温度変化に対応して磁束が変化し、比
較的安価なバリウムフェライトを材質とした永久磁石の
場合には残留磁気の温度変化率（％／’Ｃ）は−０，１
９で、温度変化率の小さな希土類磁石でもその値は−０
゜０４３である。そして、比例弁の使用時における永久
磁石の周囲温度は、夏、冬、地域による環境温度の変化
及びムービングコイル４４への通電時の発熱による温度
上昇等を考慮すると、５０〜８０℃の温度変化があり、
永久磁石の磁束もバリウムフェライト磁石の場合に約１
０〜１５％、希土類磁石でも約２〜３％変化する。従っ
て、ムービングコイル４４への通電電流の値が同じであ
っても弁体４０に作用する力の大きさの変動量は無視で
きない大きさとなる。

例えば、ガス燃焼システムに温度補償機能のない比例弁
を取り付けた場合、周囲温度が上昇するとムービングコ
イルの弁体に作用する力が低下して２次圧力が低下する
現象が発生し、低燃焼領域の場合吹き消えという事態が
あるため２次圧力の絞り込みがあまりできないという不
都合が生じ、正確な２次圧力制御を行うためには温度補
正が必要となる。

従来、サーミスタ等で温度を検出するとともに基準温度
からのずれを回路構成で補償するようにしていたが、永
久磁石全体の温度変化を正確に測定することが難しく温
度変化に基づくずれを完全に吸収することはできなかっ
た。又、温度補償用の回路構成の分、構造が複雑になる
という問題もある。

永久磁石の温度変化に伴う磁束変化を補償する方法とし
て、アクチュエータを構成する永久磁石Ｍの内側に、温
度上昇に比例して透磁率が低下するいわゆる整磁合金製
のバイパス部材を設けることが考えられる。このように
バイパス部材を設けた場合には、温度上昇に伴いバイパ
ス部材を通過する磁束の量が減少するため、温度上昇に
伴い永久磁石Ｍの磁束が減少してもムービングコイルと
鎖交する磁束の量がさほど・減少せず、永久磁石の温度
変化に伴う磁束変化を補償することができる。

しかし、温度変化に伴う永久磁石の磁束変化と、整磁合
金の透磁率変化の割合は同一ではな０ため、完全な温度
補償を行うことは難しい。

本発明は前記の問題点に鑑みてなされたものであって、
その目的は設定範囲の各種レンジに対応できるとともに
小型化が可能でしかも使用環境の温度変化の影響を受は
難い比例弁を提供することにある。又、第２の目的は前
記の作用効果を発揮するとともに低電流領域すなわち設
定２次圧力値が小さな状態での微調整が可能な比例弁を
提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 前記の目的を達成するため本発明においては、流体通路
を開閉可能な弁体を設けるとともに、前記弁体に対して
２次圧力に対応した力を開放側に作用させるアクチュエ
ータの駆動部にムービングコイルを使用するとともに静
磁界発生源として磁界用コイルを使用した。　又、第２
請求項記載の発明においては、前記磁界用コイルとムー
ビングコイルとを直列に接続した。

［作用］ 本発明においては流体通路を開閉する弁体がム−ピング
コイルを使用したアクチュエータにより作動される。ム
ービングコイルには２次圧力に対応した大きさの電流が
通電され、弁体の開度が制御される。ムービングコイル
への通電により弁体に作用する力は、静磁界の大きさと
通電電流値の大きさとにより決まる。静磁界の発生源と
して磁界用コイルが使用されているため、静磁界の大き
さは温度変化の影響を受けず、ムービングコイルへの通
電電流値に基づいて弁体に作用する力が正確に決まり、
比例弁の出口圧力（２次圧力）が所定圧力に正確に制御
される。

又、磁界用コイルとムービングコイルとを直列接続した
場合には、アクチュエータの力が励磁電流値の二乗に比
例して変化するため、低電流領域すなわち２次圧力値が
小さな状態での微調整が容易となる。

［実施例１］ 以下、本発明を具体化した一実施例を第１〜４図に従っ
て説明する。

比例弁は第１．２図に示すように、２次圧力を制御する
比例弁本体ｌと、比例弁本体ｌへの一次圧力の供給を制
御する制御弁２とから構成されている。制御弁２はその
上部に押出型ソレノイド３が配設され、該ソレノイド３
の中央下部寄りに固定鉄芯４が配設されている。固定鉄
芯４の上方にはプランジャ５が上下方向に摺動可能に配
設され、該プランジャ５には前記固定鉄芯４を貫通する
ロッド６が一体移動可能に固定されている。ロッド６の
下端には弁体７が固定され、弁体７はばね８により弁座
９に当接する閉成位置側に付勢されている。そして、弁
体７は押出型ソレノイド３のコイルｌＯの励消磁に伴い
、弁座９から離間する開放位置と弁座９に当接する閉成
位置とに移動配置されるようになっている。

比例弁本体１は前記制御弁２の出口２ａ側に接続され、
上方が開放されたハウジング１１の上部に該開放部を塞
ぐ状態でダイアフラム１２が配設されている。ダイアフ
ラム１２の中央には流体通路１３の入口１３ａ及び出口
１３ｂとの間に設けられた弁座１４と当接する閉成位置
と、弁座１４から離間する開放位置とにダイアフラム１
２と一体的に直線移動可能に弁体１５が支持されている
。

弁体１５は流体通路■３を１次圧力室Ｒ１と２次圧力室
Ｒ２とに区画し、その底面とハウジング１１の底壁との
間に介装されたばね１６により弁座１４と当接する方向
に付勢されている。ダイアフラム１２に作用する１次圧
力室Ｒ１内の圧力による力と、弁体１５に作用する１次
圧力室Ｒ１内の圧力による力とが等しくなり、結果とし
て１次圧力室Ｒ１内の圧力が弁体１５の移動に影響を与
えないようにダイアフラム１２の有効径及び弁座１４の
口径が決められている。

ハウジング１１の上方には前記弁体１５に対して２次圧
力室Ｒ２の圧力に対応する力（押圧力）を作用させるア
クチュエータ１７が装備されている。アクチュエータ１
７はムービングコイル式の構成をなし、ケーシング１８
の上部に中心部に軸部１９ａを有する継鉄１９が固定さ
れ、該軸部１９ａの外側に磁界用コイル２０が配設され
ている。

磁界用コイル２０の中心には円筒状のコイル巻回部２１
ａにムービングコイル２２が巻装されたプランジャ２１
が継鉄１９の軸部１９ａに沿って移動可能に配置される
とともに、その基端が前記弁体１５の先端に当接する状
態で配設されている。

磁界用コイル２０及びムービングコイル２２はそれぞれ
独立に通電可能に接続されている。アクチュエータ１７
は制御部２３により制御され、制御部２３は所望の２次
圧力値に対応する大きさの電流をムービングコイル２２
に通電するようになっている。なお、２次圧力を０から
設定可能とするため、前記ばね１６のばね定数がムービ
ングコイル２２に通電されていない状態において、弁体
１５及びプランジャ２１等の重量に抗して弁体１５を弁
座１４に当接する閉成位置に保持する大きさに設定され
ている。

次に前記のように構成された比例弁の作用を説明する。

比例弁本体ｌへの圧力流体の供給を制御する制御弁２は
、押出型ソレノイド３のコイルＩＯが消磁状態のとき弁
体７が第１図に示す閉成位置に配置されて比例弁本体１
への圧力流体の供給が停止され、励磁状態のとき弁体７
が第２図に示す開放位置に配置されて比例弁本体ｌへ圧
力流体が供給される。人口１３ａから比例弁本体ｌに導
入された圧力流体は、まず１次圧力室Ｒ１に導かれ、ダ
イアフラム１２及び弁体１５に１次圧力が作用する。し
かし、ダイアフラム１２の有効径及び弁座１４の口径が
ほぼ等しく形成されているため、１次圧力室Ｒ１内の圧
力による力は弁体１５を移動させる働きを持たない。

一方、制御部２３の作用により磁界用コイル２０に定電
流が、ムービングコイル２２に所望の２次圧力に対応し
た大きさの電流が通電されると、プランジャ２１にフレ
ミング左手の法則による力が下方に向かって作用し、プ
ランジャ２１が弁体１５とともに下方に移動される。プ
ランジャ２１に作用する力は軸方向への成分しか有しな
いため、摺動摩擦によるヒステリシスは皆無となる。そ
して、弁体１５はその下面に受ける２次圧力とムービン
グコイル２２の押出力との対抗により、弁体１５の開度
が所望の２次圧力に対応した値となる位置に円滑に移動
されるとともに同位置に保持される。これにより流体通
路１３の入口１３ａから導入された圧力流体は所定の２
次圧力に減圧されて出口１３ｂから排出される。

磁界用コイル２０への通電電流値を一定として、プラン
ジャ２１の押出力とそのストロークとの関係をムービン
グコイル２２への通電電流値を変化させて測定した結果
、ストロークの大きさが変化しても押出力はほぼ一定で
あった。磁界用コイル２０への通電電流値を２００ｍＡ
として、ムービングコイル２２への通電電流値を５０ｍ
Ａ、１００ｍＡ、２００ｍＡ、２５０ｍＡと変化させた
場合の測定結果を第３図に示す。又、ムービングコイル
２２への通電電流値（励磁電流値）とプランジャ２１の
押出力との関係は直線となり、例えばプランジャ２１の
ストロークとを２ｍｍとし、磁界用コイル２０への通電
電流値を３００．ｍＡとした場合の両者の関係は第４図
に示すようになる。

プランジャ２１の押出力は静磁界の大きさが一定の場合
、ムービングコイル２２への通電電流値に比例する。静
磁界の発生源として永久磁石を使用した従来装置では、
温度変化により磁束の変化があり、温度変化にともなう
補正を必要とした。

しかし、本発明の装置では静磁界の発生源として磁界用
コイル２０を使用しているため、磁界用コイル２０に一
定電流を通電すれば温度変化による磁束の変化がなく、
比例弁の設置箇所の環境温度が変化しても温度補償を行
うことなくムービングコイル２２への通電電流値に対応
して所望の２次圧力となる弁開度に調整される。又、所
望の２次圧力を得るためにムービングコイル２２に通電
する電流値は温度変化によらず一定のため、ムービング
コイル２２への通電中にコイルの温度変化による抵抗の
変化で発生磁界が変化することもない。

従って、本発明では低燃焼領域において２次圧力の絞り
込みを大きくしても、吹き消えという事態が確実に防止
され、安全性が向上するとともに燃焼が経済的に行われ
る。

又、設定２次圧力の範囲が大きく異なる場合、従来は永
久磁石の大きさや種類を変えることにより静磁界の強さ
を変えたものを使用する必要があったが、本発明では磁
界用コイル２０への通電電流値を変更することにより静
磁界の強さを簡単に変更でき、構造的な変更なしに設定
２次圧力範囲が大幅に変更できる。

［実施例２］ 次に第２実施例を第５，６図に従って説明する。

この実施例の比例弁はアクチュエータ１７を構成する磁
界用コイル２０とムービングコイル２２とが第５図に示
すように直列に接続されている点が前記実施例の装置と
異なっており、その他の構成は基本的に同じである。両
コイル２０．２２を直列に接続した場合には、通電電流
値とプランジャ２１の押出力との関係は２次曲線となり
、プランジャ２１のストロークを２ｍｍとした場合は第
６図に示すようになる。

第６図から明らかなようにムービングコイル２２への通
電電流値が小さな範囲では、電流値の変化に比較して押
出力の変化が小さくなる。なお、破線で示す直線は両コ
イル２０．２２をそれぞれ独立に通電可能に接続した場
合のムービングコイル２２への通電電流値とプランジャ
２１の押出力との関係である。両コイル２０．２２を直
列に接続した状態で純直流を通電した場合は、磁界用コ
イル２０側に鉄芯を有した磁路があるため、磁気ヒステ
リシスが発生する。プランジャ２１の押出力すなわちム
ービングコイル２２の力はフレミング左手の法則による
力のため、理論的にはヒステリシスが発生しないが、前
記磁界用コイル２０のヒステリシスの影響を受けて第６
図に示すように通電電流値とプランジャ２１の押出力と
の関係は電流増大時（実線）と電流減少時（鎖線）とで
押出力が異なる。従って、純直流を通電しただけでは誤
差が大きくなる。この誤差を解消するするため鉄芯材料
を磁気ヒステリシスの小さい材料（例えば電磁軟鉄、ケ
イ素鉄等）を用い、磁気焼鈍を施したり、ムービングコ
イル２２と磁界用コイル２０の直流電流に１００〜２０
０Ｈｚの交流成分をデイザ電流として駆動用直流電流に
重畳した状態で印加すると、ヒステリシスの影響がなく
なって第６図に示す実線と鎖線の中間の値をとるように
なる。交流成分の周波数はアクチュエータ１７の形状や
可動部の固有振動数等を考慮して定められる。これによ
り、設定すべき２次圧力値が小さな条件で使用する場合
、弁体１５の受圧力に対応するアクチュエータ１７すな
わちプランジャ２１の押出力を調整するための電流値を
比較的大きくとることができる。従って、電流のふらつ
きが生じた場合にも２次圧力が安定するとともに２次圧
力の微調整が容易となる。例えば、ガス燃焼システムに
比例弁を使用した場合、炎の絞り込みの制御をより安定
して行うことが可能になる。

なお、本発明は前記両実施例に限定されるものではなく
、例えば、２次圧力の設定を０から必要としない場合に
ばばね１６としてそのばね定数が弁体１５及びプランジ
ャ２１の自重とバランスする値以外のものを使用したり
、ばね１６を省略してもよい。ただしばね１６を省略す
る場合は、弁体１５あるいはハウジングｌの形状を２次
圧力が弁体１５の２次圧側に常に作用する構造とする必
要がある。又、制御弁２を有しない形式の比例弁に適用
したり、流体通路１３の形状や弁体１５の形状を変更し
てもよい。

［発明の効果］ 以上詳述したように本発明によれば、使用環境の温度変
化に対応して温度補償を行わなくとも正確に２次圧力を
設定でき、２次圧力の設定範囲が広い場合にも小型化が
可能で、しかも２次圧力の大小に対応して磁界用コイル
への通電電流値を変更することにより設定圧力の各種レ
ンジに対応できる。

又、第２請求項記載の発明においては設定２次圧力が小
さな場合でも、アクチュエータの作用力の微調整が容易
となり、正確に２次圧力設定ができるとともに、電流の
ふらつきがある場合も２次圧力の安定性が増し、ガス燃
焼システムに使用した場合、炎の絞り込みの制御をより
安定して行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１〜４図は第１実施例を示すものであって、第１．２
図は比例弁の断面図、第３図は磁界用コイルへの通電電
流値一定でムービングコイルへの通電電流値を変えた場
合のプランジャのストロークと押出力との関係を示す線
図、第４図はムービングコイルへの通電電流値と押出力
との関係を示す線図、第５図は第２実施例の磁界用コイ
ルとムービングコイルとの接続状態を示す図、第６図は
ムービングコイルへの通電電流値と押出力との関係を示
す線図、第７図は従来装置の断面図である。 比例弁本体ｌ、ハウジング１１、流体通路１３、弁体１
５、ばね１６、アクチュエータ１７、磁界用コイル２０
．プランジャ２１、ムービングコイル２２、制御部２３
、■次圧力室Ｒ１，２次圧力室Ｒ２゜

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、流体通路（１３）を開閉可能な弁体（１５）を設け
   るとともに、前記弁体（１５）に対して２次圧力に対応
   した力を開放側に作用させるアクチュエータ（１７）の
   駆動部にムービングコイル（２２）を使用するとともに
   静磁界発生源として磁界用コイル（２０）を使用したこ
   とを特徴とする比例弁。 ２、前記磁界用コイル（２０）とムービングコイル（２
   ２）とを直列に接続した第１請求項記載の比例弁。