JPS6025676B2 - 電磁弁によるガス流量制御方式 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、電磁弁によるガス流量制御方式に関し、温度
に応じて電磁弁の開度を連続的にかつ正確に制御するこ
とにより、温度制御の信頼性向上を図ると共に、装置の
コストダウンを実現するものである。

最近、石油危機に関連して、省エネルギー問題がクロー
ズアップしており、省エネルギー対策の一環として、オ
フィスや家庭等における暖房温度の適正化が挙げられて
いる。

即ち、従来オフィスやデパート等では必要以上に暖房し
ており、そのためにガス等のエネルギーが無駄に消費さ
れている。そこで、暖房温度を低目に抑制し維持するこ
とによって、エネルギーの無駄を省こうというものであ
る。そのためには常時室温を監視しながら、室温が一定
となるようにガスの供給量を正確に制御することが必要
であるが、そのための制御装置があまり高価になると、
設置者の負担が大きく、普及が困難になる。

従って、より安価な装置で正確に制御できることが望ま
れる。従来は、電磁弁を用い、温度変化に応じて電磁弁
をＯＮ・ＯＦＦさせることにより、温度制御が行われて
いる。電磁弁は、コストが安い点ですぐれているが、Ｏ
Ｎ・ＯＦＦ制御では上昇下降のくり返しとなるので、オ
ーバシュートを招き易く、常時一定温度に維持できない
。そこで、コストの安い電磁弁により、ＯＮ・ＯＦＦ制
御でなく弁の開度を連続的に変化させる連続制御が試み
られている。この連続制御方式は、今のところ電磁弁自
体に改良を施したものが多い。

例えば、弁体を駆動するプランジャーを、ソレノイド（
励磁コイル）の励磁電流の大きさで制御する場合、プラ
ンジャーが継鉄側に吸着されて接触するので、プランジ
ャーが移動し始めるときは静摩擦に抗して移動すること
になる。そのため、ソレノィド‘こよる磁気吸引力がこ
の静摩擦より大きくなってはじめて瞬間的に動き始める
ことになる。これを防止するために、特開昭５４−３０
５４２号公報の第２図に記載の電磁弁のように、板バネ
等でプランジャーを中立位置に浮かせて、プランジャー
と総鉄との間に空間を設けることが提案されているが、
逆に欠点として、この空間によって磁気抵抗が増大する
ので、ソレノィドを大形にし、励磁電流も大きくしなけ
ればならない。しかも、プランジャーや継鉄等の磁気回
路を礎成る磁性体の磁気ヒステリシスのために、コイル
に開弁方向に通電した場合と閉弁方向に通電した場合と
では、電流の大きさが等しいにも拘わらず弁の開度が異
なってくる。従って、実際の温度と弁の開度との間にズ
レが生じ、ズレ量も一定しない。これを解消するために
、リング状の永久磁石の中に、ムービングコィルを浮か
して設け、ムービングコィルで弁体を駆動することが提
案されているが、永久磁石は衝撃によって特性が大きく
変化すること、可動体であるムービングコィルにリード
線を設けなければならず、複雑でコスト高になる、等の
欠点がある。

実公昭５５−５７６３号公報に記載の考案のように脈流
で励磁するものもあるが、脈流では磁化の方向が完全に
反転しないので磁気ヒステリシスは完全には除去できず
、所期の目的を充分達成できない。本発明の目的は、衝
撃によって特性の変わる永久磁石を使用することないこ
、磁気ヒステリシスの問題を解消し、温度変化に正確に
応答し得る電磁弁を実現することにある。

この目的を達成するために講じた本発明による技術的手
段は、２つ励磁コイルを重ねて配設し、両励磁コイル中
において両励磁コイルにまたがって１つの弁体駆動用可
動鉄芯を配設し、該可動鉄芯で開閉動作する弁体が配設
されており、両励磁コイルに交互にパルス電流を通電し
、しかも一方の励磁コイルと他方の励磁コイルとで、磁
界の向きが逆になるように通電して可動鉄芯を振動させ
る電磁弁において、一方の励磁コイルへ通電されるパル
スの幅に対する他方の励磁コイルへ通電されるパルスの
幅の比を変化させることで、弁体の位置を制御する方式
を探っている。これによれば、磁気回路の磁束の向きが
、パルス電流の周期に応じて常時反転されるので、常時
磁気ヒステリシスが打消されると共に、可動鉄芯の振動
によって静止摩擦が除去されて可動鉄芯の動きがスムー
ズになる。その結果、温度の上昇時であろうと、下降時
であろうと、同一温度に対しては常に同じ弁開度が得ら
れ、正確な温度制御が可能となる。また、温度変化に対
して励磁電流のパルス幅を変えるだけで弁関度を連続可
変できるので、制御トランジスタの容量が小さくてすみ
、制御装置の価格が安くなる。次に本発明による電磁弁
を利用したガス流量制御方式を説明する。

第１図は、本発明によるガス流量制御方式を実施した燃
焼システムの流量制御弁Ｖと開閉弁１との間に配管接続
されている。流量制御弁Ｖの（励磁）コイルには、制御
回路Ｃ。を介して、サーミスタ等の温度センサが綾続て
いる。温度センサＳは、室温制御装置であれば、部屋の
温度検出位置に、給湯器であれば、給湯出口側に設置さ
れる。本発明の場合、この温度センサＳで検出された温
度の変化に応じて、制御回路Ｃｏから流量制御弁Ｖの２
個の励磁コイルに加えられるパルスの少なくとも一方の
パルスの時間幅が制御され、それによって流量制御弁Ｖ
の弁開度が連続的に変化して、バーナＢへのガス供給量
が任意に制御され、室温や給湯温度が一定に維持される
。バーナＢへのガス供給量が少なすぎると、不完全燃焼
したり立消える等の恐れがあるので、流量制御弁Ｖが全
閉状態になったとしても、種火ノズルｂから、不完全燃
焼等が発生しない必要量が供給される。第２図、第３図
は、第１図の流量制御弁Ｖの具体構造を示す縦断面図で
あり、第２図は全閉状態、第３図は関弁状態である。

弁装置のボデー３には、入口４と出口５間に弁孔６が形
成され、この弁孔６に、テーパ状の弁体７が挿通されて
いる。ボデー３と上カバー８との間には、ガス通路分離
用のダイヤフラム９が挟持されており、このダイヤフラ
ム９に、弁体７が復帰バネ１０で押しつけられている。
上カバー８上には、第１励磁コイルＬ，と第２励磁コイ
ルＬ２から成るソレノィドが搭載されている。両励磁コ
イルＬ，Ｌ２中には、両励磁コイルにまたがる１本のプ
ランジャー（可動鉄芯）１１が挿通されており、また両
励磁コイルＬ，しは共通の継鉄（磁性体フレーム）１２
に囲まれている。そして、非励磁状態においてプランジ
ャー１１の下端と継鉄１２の下端間に磁気的なギャップ
Ｇができるように、プランジャー１１は、ロッド１３を
介してダイヤフラム９上に戦遣されている。ナーパ状の
弁体７が復帰バネ１０で押上げられて第２図のように弁
体７の大径部が弁孔６に当綾すると、弁孔は全閉状態と
なり、プランジャー１１が励磁コイルＬ・Ｌ２によって
下降されると、プランジャー１１が弁体７を押下げ、第
３図のように弁孔６が開かれる。

弁孔の開閉および弁関度の制御は、２つの励磁コイルＬ
，と−を次のようにして励磁することにより行なわれる
。第４図Ａ，，んは、励磁コイルに通電される電流の電
圧波形を示す図であり、Ａ，は第１の励磁コイルＬ，へ
通電される電圧波形、んは第２の励磁コイルＬへ通電さ
れる電圧波形である。Ａ，，Ａ２いずれの電圧波形も矩
形のパルスであり、周期的に発生している。そして第１
に、一方のコイルＬ，にパルス電流が通電されていると
きはもう一方のコイルＬ２はＯＦＦとなるように、コイ
ルＬ，とＬ２にパルス電流が交互に通電される。第２に
、コイルＬ，にＡ，のパルスが通電されたときと、コイ
ルＬにふのパルスが通電されたときとでは、第３図の実
線矢印と破線矢印の如く、互いに磁束の向きが逆になる
ように通電される。そのため、コイルＬ又はＬ２がパル
ス電流で励磁されている間は、継鉄１２とプランジャー
１１による磁気回路が形成されて、ギャップＧが小さく
なるようにプランジャー１ １が継鉄下端に吸引される
。ところが、一方のコイルから他方のコイルへ通電が切
換わる際は、瞬間的にコイルＬ，Ｌ２が非通電状態にな
ると共に、磁化の方向が反転するので、その際に吸引力
が一瞬ゼロとなり復帰バネ１０で押上げられる。そのた
め、プランジャー１１は、パルス電流の周期に応じて垂
直方向に微振動することになるが、第４図のパルス波形
の右側波形の右側の波形のように、コイルＬ，に通電さ
れるパルスの幅Ｔ，とコイルＬ２に通電されるパルス幅
Ｔ２とが等しくかつパルス幅が狭いときは、高速で交番
磁界が打消し合って、プランジャー１１を下降させるほ
どの吸引力は発生せず、プランジャー１１は上昇状態に
おいて微振動するだけである。そのため、弁体７は復帰
バネ１０で押上げられ、弁孔６は閉じた状態となる。と
ころが、第４図の左側のパルス波形のように、一方のコ
イルＬ，に通電されるパルスの幅Ｔ，に比べて、他方の
コイルＬに通電されるパルスの幅Ｔ２が広い場合は、コ
イルＬによる磁力が強くなってプランジャー１１を充分
吸引可能となり、ギャップＧを閉じるようにプランジャ
ー１１が吸引される。そして、吸引力と復帰バネ１０の
反発力とがつり合った位置でプランジャ−１１および弁
体７は停止する。このように、一方のコイルＬへ通電さ
れるパルスの幅に比べて他方のコイルＬ２へ通電される
パルスの幅を広くすることにより、プランジャー１１が
継鉄下端に吸引され、弁体７が押下げられてその小径部
で開弁が行われる。弁孔６の開度則ちプランジャー１１
の上下方向位置の制御は、コイル−への通電パルスの幅
Ｔ２を変えることにより行われる。即ち吸引作用を司る
パルス幅の広い方のパルスの幅Ｌを充分広くすると、吸
引力が増大するので、プランジャー１１が充分下降して
弁孔６の関度が大きくなり、パルス幅Ｔ２を狭くすると
、吸引力が小さくなるので、プランジャー１１の下降量
が小さく、弁孔６の開度が小さくなる。なお、パルス幅
Ｔ２は、温度変化を検出することにより、温度に応じて
制御されるが、それは後述する第７図の制御回路で行わ
れる。次に、第１のコイルＬが通電されたときと、第２
のコイルＬが通電されたときとでは、磁束の向きが逆に
なるため、磁気回路を成する磁性体であるプランジャー
１１と継鉄１２は、励磁パルスの周期に応じて磁化の向
きが反転をくり返すことになり、ヒステリシスが高速で
打消される。

そのため、第５図口のヒステリシスカーブで示されるよ
うに、パルス幅の等しい励磁電流では常に同じ弁開度が
得られる。第５図のイは従来の連続制御用電磁弁の励磁
電流Ａと弁開度Ｓｔとの関係を示す特性曲線、口は本発
明による連続制御電磁弁の励磁電流Ａと弁開度Ｓｔとの
関係を示す特性曲線である。従来の電磁弁においては、
磁気のヒステリシスが避けられないため、弁開度Ｓｔに
もヒステリシスが生じ、励磁電流が増大するときと減少
するときとでは、同じ大きさの雷続８′であるにも拘わ
らず、弁開度Ｓｔは、ＳＬとＳらというように大きく相
違する。つまり、あるときの温度が例えば２０度とする
と、それが低温から上昇していくときの２０度と、高温
から下降してくるときの２０度とでは、同じ２０度であ
っても、Ｓｔ，とＳｔ２で示されるように、制御弁の開
度が全く異なり、温度制御には適用できない。これに対
し、本発明によれば、励磁電力Ａが増加するときも減少
するときも常に磁気回路の磁化の向きが高速で反転をく
り返すことにより、ヒステリシスが消去されるので、ヒ
ステリシスを消去しながらそのパルス時間幅Ｔが増減す
ることになる。そのため、パルス時間幅Ｔが増大時であ
ろうと減少時であろうと、同じパルス時間幅でである限
り、弁開度Ｓｔは殆ど同じである。次に、プランジャー
の静止摩擦の除去は、プランジャーを積極的に振動させ
ることにより行っている。即ち、プランジャー１１が周
囲の継鉄やプランジャーガイド等に接して停止している
状態において、少なくとも、温度変化に伴って励磁電流
のパルス幅が変化しプランジャー１１が駆動される際に
、プランジャー１１をその軸方向に振動させるのである
。このような振動状態のプランジャーは、継鉄等と接触
し静止している場合に比べて摩擦の影響を受けずに、磁
気吸引力と復帰バネ１０との力関係のみで駆動でき、静
止摩擦による励磁電流と実際の弁関度とのズレも解消さ
れる。また、静止摩擦があるとプランジャーの動きは、
間欠的かつ衝撃的であるのに対し、本発明によれば、動
きはスムーズで連続的になる。第７図は、第６図ハ，二
のような励磁電流波形を得ると共に、温度変化に応じて
励磁電流のパルス幅を変える制御回路の一例である。

Ｔ，Ｔ′は、直流電源に接続される端子である。

端子Ｔ，Ｔ′間に印加された直流電圧は、抵抗Ｒ，を介
してッヱナーダィオードａＤによって定電圧化される。
定電圧化された直流電圧はタイマＩＣ１４の電源供給端
子ら等に印加される。タイマＩＣ１４の入力端子ｔ，・
ｔ２間には、ダイオードＤ，と抵抗Ｒ２および温度セン
サ（サーミスタ）Ｓが並列になって接続されている。端
子ｔ３，ｔ，間には、抵抗Ｒ３が、端子ら，Ｔ′間には
タイミング用コンデンサＣ，が夫々接続されている。タ
イマＩＣ１４の出力端子しは、抵抗Ｒ４を介して、スイ
ッチング用トランジスタＴｒ，のベースに接続されてい
る。このトランジスタＴｒ，のコレク外ま、抵抗Ｒ５を
介して、コイルＬ２駆動用のトランジスタＴｒ２のベー
スに接続されている。以上のような構成において、ツェ
ナーダィオ−ドＺＤ両端に生ずる直流電圧によって、タ
イミング用コンデンサＣ，が抵抗Ｒ３とダイオードＤ，
を介して充電されると、タイミング用コンデンサＣ，両
端の電圧は、次第に増大する。

そして、タイミング用コンデンサＣ，の充電電圧が、あ
る設定レベル以上になると、タイマＩＣ１４の回路構成
により、タイミング用コンデンサＣ，の充電電荷は、抵
抗Ｒ２、サーミスタＳ、入力端子ｔ，、タイマＩＣ１４
のＧＮＤ端子ｔ５のルーを経て放電され、タイミング用
コンデンサＣ，両端の電圧は低下する。このような充・
放電が繰り返されるため、タイミング用コンデンサＣ，
の両端には、第６図イに示すような鏡歯状波形の電圧が
生じる。その結果、タイマＩＣ１４の出力端子Ｌ‘こは
、第６図口に示すような矩形パルスの電圧が周期的に出
力される。そして、ハイレベルのパルスが出力端子しか
ら出力されると、トランジスタＴｒ，がＯＮになる。そ
のため、次のトランジスタＴｒ２のベース電位が下って
、該トランジスタＴｒ２はＯＦＨこなるので、トランジ
スタＴｒ，のＯＮ‘こよって、第１のコイルＬ，が通電
される。次に、タイマＩＣ１４の出力端子ｔ４から出力
されるパルスが０〔Ｖ〕になると、トランジスタＴｒ，
はＯＦＦになる。そのため、次のトランジスタＴｒ２の
ベース電圧が上るので、このトランジスタＴｒ２がＯＮ
‘こなり、第２のコイルＬ２が通電される。これにより
、トランジスタＴｒ２のベース電圧は下がるので、トラ
ンジスタＴｒ，はＯＦＦになり第１のコイルＬは通電さ
れない。このように、コイルＬ・Ｌ２はタイマーＣＩ４
の出力端子ｔ４から出力されるパルスの状態によって、
第６図ハ，二のように通電・非通電状態がくり返される
。第６図のハは第１コイルＬ，に加えられるパルスの電
圧波形、二は第２コイルＬ２に加えられるパルスの電圧
波形である。前述のように、タイミングコンデンサＣ，
への通電は、抵抗Ｒ３とダイオードＤ，を通して行われ
るので、充電時間は常に一定であり、その結果コイルＬ
，に印加されるパルス時間幅Ｔ，も一定になる。これに
対し、タイミングコンデンサＣ，の放電は、抵抗Ｒ２、
温度検出用のサ−ミスタＳ、タイマＩＣ１４を通して行
われるが、サーミスタＳの抵抗値が周囲温度によって変
化するので、それによって放電時間も変化する。いま、
サーミスタＳの特性が、温度低下によって抵抗値が増大
する負特性であると、温度が低下すれば放電時間が長く
なってコイル−へ印加されるパルス時間幅Ｔ２も長くな
り、弁孔６の開度を大きくする方向にプランジャー１１
が駆動される。逆に温度が上昇すると、サーミスタＳの
抵抗値が減少するので、タイミングコンデンサＣ，の放
電時間が鎧かくなり、コイル−へ印加されるパルスの時
間幅が短か〈なって、磁気吸引力弱くなり、弁孔６を閉
じる方向にプランジャー１１が移動する。以上の図示実
施例からも明らかなように本発明によれば、ガス流量を
温度変化に応じて連続的に制御する方式において、弁体
駆動用のプランジャーを振動させると共に、磁気回路の
磁化の向きを常時反転させるようにしているため、プラ
ンジャーの振動でプランジャーの静止摩擦が除去され、
磁化の反転で磁気ヒステリシスの問題が解消されるので
、弁の関度が温度変化に応じて正確にかつ円滑に制御さ
れる。

また、従来の電流制御方式に比べると、パルス幅で制御
出来るので制御トランジスタの容量が小さくて済み、制
御装置の価格が格段に安くなる。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の実施例を示すもので、第１図は燃焼シス
テムの配管図、第２図、第３図はガス流量の連続制御弁
の閉弁状態と開弁状態の縦断面図、第４図と第６図は励
磁電流の波形を示すタイムチャート、第５図イ，口は従
来方式と本発明方式によるヒステリシス特性の違いを示
す図、第７図は制御回路図である。 図において、Ｓは温度センサ、Ｃｏは制御回路、Ｂはバ
ーナ、Ｖはガス流量の連続制御弁、Ｌは第１の（励磁）
コイル、６は弁孔、７は弁体、１１はプランジャー（可
動鉄芯）、１２は継鉄（ヨーク）、１４はタイマＩＣ、
Ｃ，はタイミングコンデンサである。 第１図 第６図 第２図 第３図 第４図 第５図 第７図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ ２つの励磁コイルを重ねて配設し、両励磁コイル中
   において両励磁コイルにまたがつて１つの弁体駆動用可
   動鉄芯を配設し、該可動鉄芯で開閉動作する弁体が配設
   されており、両励磁コイルに交互にパルス電流を通電し
   、しかも一方の励磁コイルと他方の励磁コイルとで、磁
   界の向きが逆になるように通電して可動鉄芯を振動させ
   る電磁弁において、一方の励磁コイルへ通電されるパル
   スの幅に対する他方の励磁コイルへ通電されるパルスの
   幅の比を変化させることで、弁体の位置を制御すること
   を特徴とする電磁弁によるガス流量制御方式。