JP2011174569A - 電磁弁 - Google Patents

Abstract

【課題】耐久性に優れて長寿命化が図れ、誤動作が少なく、しかも製作が容易な電磁弁を提供する。
【解決手段】互いに対向して摺動する弁箱１の内周面１０ａａと弁体２の外周面２ａの少なくとも一方の摺動面に、ＰＶＤ法またはＣＶＤ法により素材よりも低い摩擦係数を有しかつ耐摩耗性に優れるコーティング膜が形成されている。コーティング膜は、ダイヤモンドライクカーボンからなっている。
【選択図】図１

Description

本発明は電磁弁に関する。

電磁弁は、一般の化学プラント、発電所、核燃料再処理工場等で広く使用されている。この種のプラントでは、耐久性に優れる電磁弁が要求されており、このような要求に応える電磁弁として、下記の特許文献１には、電磁弁を構成する摺動部品の表面に無電解ニッケルめっきを施した電磁弁が提案されている。また、特許文献２には、電磁弁を構成する部品に、防食性、耐摩耗性並びに摺動性を向上させるべく、コバルトを主成分とするステライトを肉盛溶接する硬化処理を行う電磁弁が提案されている。

特開平６−２５４６７８号公報 特開２００６―００９０５２号公報

ところで、前者の摺動部品の表面にニッケルめっきを施した電磁弁にあっては、塩化物、ＳＯｘまたはＮＯｘを含んだ環境ではニッケルめっきが腐食する現象が生じ、使用環境によっては十分な耐久性が得られないという問題があった。また、後者の構成部品にステライトを肉盛溶接処理する電磁弁にあっては、構成部品ごとに溶接を行う必要があり、この場合、溶接自体が手間のかかる作業であること、また、肉盛後に余分な部分を削り落とす機械加工が必要になることから、作業工数がかかりすぎてコスト高を招く欠点があった。
一方、原子力発電所や核燃料再処理工場等の原子力プラント使用される電磁弁にあっては、放射線存在下での使用が余儀なくされ、電磁弁が故障した場合に、その電磁弁に対し人手によって交換したりメインテナンスを行う際に、作業者が外部被爆するおそれがある。このため、原子力プラントで使用される電磁弁にあっては、特に長寿命でかつ誤動作が少ないことが強く要求されていた。

この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、耐久性に優れて長寿命化が図れ、誤動作が少なく、しかも製作が容易であって、特に原子力プラントに使用されて好適な電磁弁を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明は以下の手段を提案している。すなわち、本発明の電磁弁では、内部に流路が形成された弁箱と、該弁箱内に設けられて前記流路を連通または遮断する弁体と、前記弁箱内に往復動可能に配置されて前記弁体を開閉させる磁性体材料からなるプランジャと、前記弁箱に配置されて通電された際に前記プランジャを磁気吸引させて移動させるソレノイドコイルとを備える電磁弁であって、互いに対向する摺動面である前記弁箱の内周面と前記弁体の外周面のうち少なくとも一方の摺動面に、ＰＶＤ法またはＣＶＤ法により素材よりも低い摩擦係数を有しかつ耐摩耗性に優れるコーティング膜が形成されていることを特徴とする。

上記のように構成された電磁弁では、弁箱と弁体との互いに対向する摺動面のうち少なくとも一方の摺動面に、素材よりも低い摩擦係数を有しかつ耐摩耗性に優れるコーティング膜が形成されているため、弁箱と弁体の摺動面どうしの摩擦抵抗を減少させることができ、その分誤動作の発生を少なくできる。
また、弁箱と弁体との摺動面は充分な耐久性を有することとなり、これにより電磁弁の長寿命化が図れる。
加えて、コーティング膜は、ＰＶＤ法またはＣＶＤ法により形成されるため、コーティング膜として種類を選ぶことなくほとんどの材料を使用することができ、塩化物、ＳＯｘまたはＮＯｘを含んだ環境下でも耐腐食性に優れる材料を使用すれば、そのような環境下においても優れた耐久性を持つこととなる。また、肉盛溶接する場合に比べて、一度で多数の部品の表面にコーティング膜を形成することができ、しかもコーティング膜が比較的薄く仕上がり、後工程の機械加工が不要になることもあって、製作が容易になる。

また、本発明の電磁弁では、前記弁体と前記プランジャとの係合部分には前記流路の流出側と連通される開口が前記プランジャの先端部に設けられたパイロット弁によって開閉されるとともに前記流路の流入側と連通されるパイロット室が形成され、前記弁体が開動作する際に、まず前記パイロット弁が開いて前記パイロット室が前記流路の流出側に連通され、続いて弁体が開いて前記流路の流入側と流出側が連通されるパイロット型の電磁弁であって、前記弁体と前記プランジャの互いに対向する摺動面のうち少なくとも一方の摺動面に、ＰＶＤ法またはＣＶＤ法により素材よりも低い摩擦係数を有しかつ耐摩耗性に優れるコーティング膜が形成されていることが好ましい。
この場合、パイロット型の電磁弁において、弁体とプランジャの互いに対向する摺動面どうしの摩擦抵抗を減少させることができ、その分誤動作の発生を少なくできる。 また、弁体とプランジャとの摺動面は充分な耐久性を有することとなり、これにより電磁弁の長寿命化が図れる。

また、本発明の電磁弁では、前記プランジャは、外周面をパックレスによって前記ソレノイドコイルと同軸上となるように支持され、前記プランジャと前記パックレスの互いに対向する摺動面のうち少なくとも一方の摺動面に、ＰＶＤ法またはＣＶＤ法により素材よりも低い摩擦係数を有しかつ耐摩耗性に優れるコーティング膜が形成されていることが好ましい。
この場合、プランジャとパックレスの互いに対向する摺動面どうしの摩擦抵抗を減少させることができ、その分誤動作の発生を少なくできる。また、プランジャとパックレスとの摺動面は充分な耐久性を有することとなり、これにより電磁弁の長寿命化が図れる。

また、本発明の電磁弁では、前記プランジャに軸線に沿って中央孔が形成され、該中央孔には該プランジャを閉弁方向へ付勢するスプリングの一端を受けるスプリング座を有するブッシュピンが嵌挿され、前記プランジャとブッシュピンの互いに対向して摺動する少なくとも一方の面に、ＰＶＤ法またはＣＶＤ法により素材よりも低い摩擦係数を有しかつ耐摩耗性に優れるコーティング膜が形成されていることが好ましい。
この場合、プランジャとブッシュピンの互いに対向して摺動する摺動面どうしの摩擦抵抗を減少させることができ、その分誤動作の発生を少なくできる。また、プランジャとブッシュピンとの摺動面は充分な耐久性を有することとなり、これにより電磁弁の長寿命化が図れる。

また、本発明の電磁弁では、前記コーティング膜はダイヤモンドライクカーボンからなることが好ましい。
この場合、ダイヤモンドライクカーボンは、摩擦係数が０．１〜０．０７程度と非常に低く優れた摺動性をもつため、誤動作の発生をより減少させることができる。また、ダイヤモンドライクカーボンは硬度が高く（ＨＶ１０００〜２５００）、優れた耐摩耗性を有するので、電磁弁に対しより一層の長寿命化を図ることができる。

また、本発明の電磁弁では、前記互いに対向する摺動面の双方にそれぞれダイヤモンドライクカーボンからなるコーティング膜が形成されていることが好ましい。
この場合、摺動面の双方にダイヤモンドライクカーボンからなるコーティング膜を形成しているので、摺動性並びに耐摩耗性をより一層向上させることができる。

本発明によれば、弁箱と弁体との摺動面どうしの摩擦抵抗を減少させることができ、これにより、誤動作の発生を少なくできる。また、弁箱と弁体との摺動面が充分な耐久性をもつこととなり、長寿命化を図ることができる。また、構成部品の表面に肉盛溶接によって膜を形成する場合に比べて、製作が簡単になる。

本発明の実施形態の電磁弁を示す断面図である。 本発明の実施形態の電磁弁の効果を調べるための試験装置を示す概略図である。 同試験装置における電磁弁への機器の接続状態を示す図である。 同試験装置における電磁弁のソレノイドコイルへの通電状態を示すタイムチャート図である。

本発明に係る電磁弁の実施形態について説明する。
図１は本発明の実施形態の電磁弁を示す断面図である。この図において符号１は弁箱を示す。弁箱１は、下部に配置される弁箱基体１０と、この弁箱基体１０の上側にボルト止めされる弁体押さえ１１と、弁体押さえ１１の上側に取り付けられるコイル支持部材１２を有する。

弁箱基体１０には一方の側部に形成された流入口１３ａから他方の側部に形成された流出口１３ｃへ達する流路１３が形成されている。流路１３は、流入口１３ａから延びる一次側流路１３ｂと、流出口１３ｃから延びる二次側流路１３ｄとからなっている。一次側流路１３ｂと二次側流路１３ｄとの間には弁座１４が設けられている。弁座１４は弁箱基体１０の上部中央に形成された凹部１０ａの底面に形成されている。凹部１０ａには弁体２がその下面を弁座１４に対向するように上下動可能に嵌挿されている。弁体２が弁座１４から離間したときに、一次側流路１３ｂと二次側流路１３ｄとが連通され、弁体２が弁座１４に着座したときに、一次側流路１３ｂと二次側流路１３ｄとの連通が断たれるようになっている。つまり、弁体２は、上下動することによって、流路１３を連通または遮断する。

弁体２は、その上方に配置されたプランジャ３によって上下動操作される。プランジャ３の先端（下端）には大径部３１が形成され、この大径部３１は、弁体２に形成された凹部２１に上下動可能に嵌挿されている。凹部２１の上部には抜け止めリング２２が嵌合され、この抜け止めリング２２によって、プランジャの大径部３１は凹部２１からの抜けを防止されている。ブランジャ３と弁体２との係合部、具体的には、大径部３１の下面３１ａと凹部２１の内周面２１ａとの間にはパイロット室４１が画成されている。パイロット室４１は、弁体２に形成されたバイパス通路２３を介して一次側流路１３ｂと常に連通されている。また、パイロット室４１は、弁体２に形成された通路２４を介して二次側流路１３ｄと連通可能とされていて、通路２４は、プランジャ３の大径部の下部に形成された閉塞部（パイロット弁）３２によって開閉される。また、パイロット室４１は大径部３１に形成された貫通孔３１ｂを介して、弁箱１０、弁体２、弁体押さえ１１、及びプランジャ３により区画される隔室４２に連通されている。

コイル支持部材１２の上側にはソレノイドコイル５が配設されている。ソレノイドコイル５の中央には円筒状のパックレス６１が設けられ、パックレス６によってプランジャ３が上下動可能かつソレノイドコイル５と同軸上となるように支持されている。パックレス６の上部には栓部材７が配設されている。

プランジャ３の上部には中央穴３３が軸線に沿って形成されている。中央孔３３には、プランジャ３を下方へ付勢するスプリング８と、このスプリング８の上端を受けるスプリング座９１を有するブッシュピン９が嵌挿されている。ブッシュピン９の上部は中央穴３３から突出しており、この突出する先端は前記栓部材７の下面に当接している。

図１はソレノイドコイルに通電していない状態を示している。このとき、スプリング８の付勢力によってプランジャ３は下方へ付勢され、このプランジャ３の下端の閉塞部３２によって弁体２の通路２４が閉塞されている。また、プランジャ３により弁体２が下方へ押圧されて弁座１４に着座している。この状態において、プランジャの大径部３１の上端と抜け止めリング２２との間にはクリアランスＣ１が形成され、弁体２の上面と弁体押さえ１１の下面との間にはクリアランスＣ２が形成されている。

上記電磁弁において、同電磁弁が正規の動作を行う際に、部品同士が摺動する摺動部分は４箇所ある。すなわち、弁箱を構成する弁箱基体１０の凹部１０ａの内周面１０ａａと弁体２の外周面２ａ、弁体２の凹部２１の内周面２１ａとプランジャの大径部３１の外周面３１ｃ、パックレス６の内周面６ａとプランジャ３の外周面３ａ、並びに、プランジャの中央穴３３の内周面３３ａとブッシュピン９の外周面９ａが、それぞれ互いに対向して摺動する摺動面になっている。これら摺動面の双方には、ダイヤモンドライクカーボンからなるコーティング膜が形成されている。

ダイヤモンドライクカーボンからなるコーティング膜は、ＰＶＤ法またはＣＶＤ法によって形成される。ダイヤモンドライクカーボンは、ダイヤモンドとグラファイトの中間的な結晶構造をもつ。つまり、炭素を主成分としながらも若干の水素を含み、ダイヤモンド結合とグラファイト結合の双方の結合が混在するアモルファス構造となっている。また、結晶粒界をもたないため、窒化チタンなどの他結晶構造の薄膜と比べて非常に平滑な表面になっている。この結果、特徴としては、高硬度（ＨＶ１０００〜３０００）、低摩擦係数（０．０７〜０．１）、耐摩耗性、電気絶縁性、耐薬品性、耐熱性（４００℃）を有する。また、コーティング膜の膜厚は、例えば０．５〜５μｍ程度に設定される。

上記電磁弁の作用について説明する。
図１に示す状態からソレノイドコイル５が通電されて励磁されると、プランジャ３が吸引されて抜け止めリング２２に当接するまで、つまりクリアランスＣ１の分だけ上昇する。このようにプランジャ３が上昇するとき、パックレス６の内周面６ａとプランジャ３の外周面３ａ、プランジャの中央穴３３の内周面３３ａとブッシュピン９の外周面９ａ、並びに、弁体２の凹部２１の内周面２１ａとプランジャの大径部３１の外周面３１ｃのそれぞれの対向する摺動面どうしが擦れ合う。

そして、プランジャ３の上昇に伴い、閉塞部３２による通路２４の閉塞が解かれる。これにより、パイロット室４１と二次側流路１３ｄとが連通し、パイロット室４１内の流体が二次側流路１３ｄに流れる。このため、パイロット室４１及びパイロット室４１に連通する隔室４２の圧力降下が生じる。これに伴い、ソレノイドコイル５によるプランジャ３を介する弁体２への上方への吸引力が、弁体２に働く流体による下方へ押圧力並びにスプリング８による下方への付勢力の合計した力よりも大になり、このため、弁体２はプランジャ３と共に上方へ移動して弁座１４から離間し、弁体押さえ１１に当接する。

また、プランジャ３及び弁体２が一体になって上昇するとき、パックレス６の内周面６ａとプランジャ３の外周面３ａ、プランジャの中央穴３３の内周面３３ａとブッシュピン９の外周面９ａ、並びに弁箱を構成する弁箱基体１０の凹部１０ａの内周面１０ａａと弁体２の外周面２ａのそれぞれの対向する摺動面が擦れ合う。
そして、弁体２の上昇に伴い、電磁弁が開状態になって一次側流路１３ｂと二次側流路１３ｄとが連通する。

一方、開弁状態において、ソレノイドコイル５への通電が断たれると、プランジャ３は自重並びにスプリング８の付勢力によって下方へ移動し、まず、閉塞部３２が通路２４を閉塞し、パイロット室４１並びにそれに連通する隔室４２が一次側流路１３ｂと同圧となる。このときのパイロット室４１及び隔室４２の圧力と二次側流路１３ｄとの差圧、並びにスプリング８の付勢力によって、弁体２が下方へ移動して弁座１４に着座する。つまり、閉弁状態になる。

上述した閉弁動作及び開弁動作の際に、弁箱を構成する弁箱基体１０の凹部１０ａの内周面１０ａａと弁体２の外周面２ａ、弁体２の凹部２１の内周面２１ａとプランジャの大径部３１の外周面３１ｃ、パックレス６の内周面６ａとプランジャ３の外周面３ａ、並びに、プランジャの中央穴３３の内周面３３ａとブッシュピン９の外周面９ａのそれぞれの対向する摺動面どうしが擦れ合うこととなるが、これら摺動面にはダイヤモンドライクカーボンからなるコーティング膜が形成されており、ダイヤモンドライクカーボンからなるコーティング膜は、高硬度、低摩擦係数、耐摩耗性、電気絶縁性、耐薬品性を有するため、それら摺動面どうしの摩擦抵抗は減少し、その分電磁弁の誤動作の発生が少なくなる。また、前記摺動面は充分な耐久性を有することとなり、これにより電磁弁の長寿命化を図れる。
また、摺動面に対し肉盛溶接加工する場合に比べて、ＰＶＤ法またはＣＶＤ法により形成されるダイヤモンドライクカーボンからなるコーティング膜は、一度で多数の部品の表面に形成することができ、しかも比較的薄く仕上がり後工程の機械加工が不要になることから、製作が容易になる利点もある。

上記構成の電磁弁について、図２に示すような試験装置を用いて耐久試験を行った。試験装置について簡単に説明すると、エアータンク１００からは複数の接続管１０１が延びており、これら接続管１０１に上記構成の電磁弁Ｂａと、比較のため摺動面にコーティングが形成されていない従前の電磁弁Ｂｂとを取り付けた。

一次側流路１３ｂの圧力は、閉弁動作への影響をできるだけ少なくするため、０．０１ＭＰａという小さい圧力に設定した。使用流体としては空気を用いた。また、図３に示すように、電磁弁の二次側流路１３ｄに接続される配管に圧力スイッチ１０２を設置し、電磁弁の開閉動作が確実に行われたか否かを調べた。圧力スイッチ１０２による検出結果は、カウンタ１０３によってカウントされるようにした。なお、図３において符号１０４はエアー排出量調整用の弁を示す。

電磁弁Ｂａ（Ｂｂ）に対し、図４に示すように、開動作（ソレノイドコイル通電）０．５秒、閉動作（ソレノイドコイル非通電）１．５秒の１サイクル２秒間間隔の開閉動作を連続して行わせ、その際の、二次側流路１３ｄの圧力変化の回数をカウンタ１０３によりカウントした。ソレノイドコイルへの励磁回数は電磁弁に電気的に接続される制御部１０５に内蔵されたカウンタによってカウントされる。制御部１０５内のカウンタによってカウントされる数（ソレノイドコイルへの励磁回数）とカウンタ１０３によるカウント数（電磁弁の開閉動作の回数）が一致する場合には、電磁弁が正常に動作していると判定でき、制御部１０５のカウンタによってカウントされる数よりもカウンタ１０３によるカウント数が減っている場合には、その減った数だけ電磁弁が正常に動作していないと判定できる。

電磁弁に対し開閉動作を連続して２００万回行わせた。摺動面にコーティングが形成されていない従前の電磁弁Ｂｂは、途中動作不良が生じ、動作回数９６万回の時点で、ソレノイドコイルへの非通電状態においても閉弁されず流体が二次側流路へ流れ続ける現象が２回発生していることがわかった。これに対し、本実施形態の電磁弁では２００万回すべてにおいて動作異常が発生せず、正常に動作していた。つまり、本実施形態の電磁弁の健全性が確認された。

以上、本発明の各実施形態について図面を参照して詳述したが、本発明は、この実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
例えば、前記した実施形態では、電磁弁の構成部品の摺動面に形成するコーティング膜の例としてダイヤモンドライクカーボンを付着した例を挙げたが、これに限られることなく、ＰＶＤ法またはＣＶＤ法により形成される他の材料のコーティング膜を用いてもよい。つまり、構成部品の素材よりも低い摩擦係数を有しかつ耐摩耗性に優れる材料からなるコーティング膜、例えば、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ、ＣｒＮ、ＢＮ等の材料からなるコーティング膜を用いることも可能である。

また、上記実施形態では、弁箱１を構成する弁箱基体１０の凹部１０ａの内周面１０ａａと弁体２の外周面２ａ、弁体２の凹部２１の内周面２１ａとプランジャの大径部３１の外周面３１ｃ、パックレス６の内周面６ａとプランジャ３の外周面３ａ、並びに、プランジャの中央穴３３の内周面３３ａとブッシュピン９の外周面９ａの４箇所の摺動部分の摺動面の双方それぞれにコーティング膜を形成したが、これに限られることなく、一方の摺動面にのみコーティング膜を形成してもよい。
また、上記実施形態では、上記の４箇所の摺動部分の摺動面全てにコーティング膜を形成したが、これに限られることなく、最も精度が要求される、弁箱１を構成する弁箱基体１０の凹部１０ａの内周面１０ａａと弁体２の外周面２ａの一方の摺動面にのみ、あるいはそれら双方の摺動面にのみコーティング膜を形成してもよい。
また、上記実施形態では、パイロット型の電磁弁を例に挙げて説明したが、これに限られることなく、プランジャ３と弁体２が一体となっており、プランジャ３の吸引力によって、弁体２を直接移動させる直動型電磁弁にも本発明は適用可能である。

１弁箱、２弁体、２ａ外周面（摺動面）、２１ａ内周面（摺動面）、３プランジャ、３ａ外周面（摺動面）、５ソレノイドコイル、６パックレス、６ａ内周面（摺動面）、
８スプリング、９ブッシュピン、９ａ外周面（摺動面）１０弁箱基体、１０ａ凹部、１０ａａ内周面（摺動面）、１１弁体押さえ、１３流路、１３ａ流入口、１３ｂ一次側流路、１３ｃ流出口、１３ｄ二次側流路、１４弁座、２１凹部、２３バイパス通路、２４通路（開口）、３１大径部、３１ｃ外周面（摺動面）、３２閉塞部（パイロット弁）、３３中央穴、３３ａ内周面（摺動面）、４１パイロット室、９１スプリング座。

Claims (6)

1. 内部に流路が形成された弁箱と、
   該弁箱内に設けられて前記流路を連通または遮断する弁体と、
   前記弁箱内に往復動可能に配置されて前記弁体を開閉させる磁性体材料からなるプランジャと、
   前記弁箱に配置されて通電された際に前記プランジャを磁気吸引させて移動させるソレノイドコイルとを備える電磁弁であって、
   互いに対向する摺動面である前記弁箱の内周面と前記弁体の外周面のうち少なくとも一方の摺動面に、ＰＶＤ法またはＣＶＤ法により素材よりも低い摩擦係数を有しかつ耐摩耗性に優れるコーティング膜が形成されていることを特徴とする電磁弁。
2. 前記弁体と前記プランジャとの係合部分には前記流路の流出側と連通される開口が前記プランジャの先端部に設けられたパイロット弁によって開閉されるとともに前記流路の流入側と連通されるパイロット室が形成され、
   前記弁体が開動作する際に、まず前記パイロット弁が開いて前記パイロット室が前記流路の流出側に連通され、続いて弁体が開いて前記流路の流入側と流出側が連通されるパイロット型の電磁弁であって、
   前記弁体と前記プランジャの互いに対向する摺動面のうち少なくとも一方の摺動面に、ＰＶＤ法またはＣＶＤ法により素材よりも低い摩擦係数を有しかつ耐摩耗性に優れるコーティング膜が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電磁弁。
3. 前記プランジャは、外周面をパックレスによって前記ソレノイドコイルと同軸上となるように支持され、
   前記プランジャと前記パックレスの互いに対向する摺動面のうち少なくとも一方の摺動面に、ＰＶＤ法またはＣＶＤ法により素材よりも低い摩擦係数を有しかつ耐摩耗性に優れるコーティング膜が形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の電磁弁。
4. 前記プランジャには軸線に沿って中央穴が形成され、該中央孔には該プランジャを閉弁方向へ付勢するスプリングの一端を受けるスプリング座を有するブッシュピンが嵌挿され、
   前記プランジャとブッシュピンの互いに対向する摺動面のうち少なくとも一方の摺動面に、ＰＶＤ法またはＣＶＤ法により素材よりも低い摩擦係数を有しかつ耐摩耗性に優れるコーティング膜が形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電磁弁。
5. 前記コーティング膜は、ダイヤモンドライクカーボンからなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電磁弁。
6. 前記互いに対向する摺動面の双方にそれぞれダイヤモンドライクカーボンからなるコーティング膜が形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電磁弁。

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