JP4296081B2 - 電磁弁 - Google Patents

Description

本発明は、固定鉄心の吸引力と板ばねの復元力とのつり合いによって弁体のストロークを制御する電磁弁であって、特に腐食性ガスを取り扱うマスフローコントローラなどに組み込まれる電磁弁に関する。

従来からマスフローコントローラなどに使用されている電磁弁であって、固定鉄心の吸引力と板ばねの復元力とのつり合いにより弁体のストローク制御を行うものとして、例えば図２に示したノルマルクローズタイプの電磁弁１００を挙げることができる。

この電磁弁１００は、ボディ１０１に対して入口流路１０２と出口流路１０４とが形成されており、その入口流路１０２の上側出口には上方に突設した弁座１０３が形成されている。その弁座１０３に対して当接・離間する弁シート１０５は、プランジャ１０６とともに板バネ１０７によって支持されている。板バネ１０７は、その周縁部がボディ１０１に嵌合した保持部材１０８によって押さえ付けられている。そして、保持部材１０８にはヨークとなるボンネット１１１が上方から嵌合し、そのボンネット１１１内には中心に固定鉄心１１２が固定されている。固定鉄心１１２は、コイル１１３が巻回されたコイルボビン１１５内に配置され、その下端面がプランジャ１０６と間が僅かな隙間になるようにコイルボビン１１５から下方に突き出されている。

通常、この電磁弁１００は、板バネ１０７のバネ力によって弁シート１０５が弁座１０３に押し付けられて閉弁状態になっている。これに対してコイル１１３に電流が流されると、固定鉄心１１２が励磁され、プランジャ１０６が板バネ１０７のバネ力に抗して引き上げられる。従って、弁シート１０５が弁座１０３から離間し、入口流路１０２と出口流路１０４とが連通して制御流体が流れる。
このとき、コイル１１３に供給される電流を変動させることにより磁気吸引力が変化する。そのため、プランジャ１０６のストローク量が変化し、これによって弁座１０３と弁シート１０５との弁開度が調整され、出口流路１０４から二次側に流れる制御流体の流量が制御される。
特開２００２−３５７２８０号公報

しかしながら、従来の電磁弁１００によって大きな流量を流そうとした場合、プランジャ１０６を固定鉄心１１２側に引き上げるためのコイル１１３への通電によって生じる電磁吸引力が十分ではなかった。そこで、十分な吸引力を得る場合、先ずコイル１１３の巻数を増やして電磁弁１００自身のサイズを大きくすることが考えられるが、電磁弁の大型化は集積化する半導体製造装置などへの影響があって好ましいものではない。また、コイル１１３へ供給する電流を上げて起磁力（ＡＴ）を大きくすることも考えられるが、発熱量が大きくなってやはり好ましいものではなかった。
また、電磁弁１００が使用されるマスフローコントローラでは腐食性の高い制御流体が扱われている。従って、透磁率の高い材質で固定鉄心１１２を形成すれば吸引力を向上させることが可能であるが、構造上、固定鉄心１１２には腐食性の高い制御流体が接するようになっているため、吸引力を向上させてなおかつ耐腐食性をもつといった適当な材質がなかった。

そこで本発明は、かかる課題を解決すべく、腐食性を有する制御流体を扱うことができる吸引力を増加させた電磁弁を提供することを目的とする。

本発明の電磁弁は、巻回されたコイル内に配置された固定鉄心が当該コイルの下方に突き出し、その固定鉄心の下には弁シートを保持したプランジャが板バネによって支持され、板バネのバネ力によって弁シートが弁座に対して常時当接し、コイルへの通電によってその板バネのバネ力に抗して弁シートを弁座から離間させる電磁弁において、前記固定鉄心が上方で制御流体と非接触の第１固定鉄心と、下方で前記コイルから下方に突出した第２固定鉄心とに上下に２分割され、前記第１固定鉄心と前記第２固定鉄心とは異なる材質で形成され、前記第１固定鉄心は透磁率の高い材質で形成され、前記第２固定鉄心が前記第１固定鉄心より磁性力が弱く、腐食性の高い制御流体に対応した耐腐食性を備える材質で、中実に形成されたものである、ことを特徴とする。
また、本発明の電磁弁は、前記第１固定鉄心が磁性軟鉄で形成されたものであることを特徴とする。
また、本発明の電磁弁は、前記第２固定鉄心がフェライト系ステンレスで形成されたものであることを特徴とする。

こうした構成を有する本発明の電磁弁は、通常は板バネの復元力（バネ力）によって弁シートが弁座に押し付けられて閉弁状態になっている。そしてコイルに電流が供給されると、磁性軟鉄などで形成された第１固定鉄心が励磁され、プランジャが板バネのバネ力に抗して引き上げられる。なお、第２固定鉄心がフェライト系ステンレスなどのように磁性材の場合には第２固定鉄心も励磁される。
そこで、プランジャが上昇して弁シートが弁座から離間すると、流路が弁の入口側から出口側へと連通して制御流体が流れる。このとき、コイルに供給される電流を変動させることにより磁気吸引力を変化させれば、プランジャのストローク量が変化し、弁座と弁シートとの弁開度が調整され、流れる制御流体の流量が制御される。

本発明によれば、固定鉄心を上下に２分割し、コイル内にあって制御流体と非接触の第１固定鉄心を透磁率の高い材質で形成し、コイルから下方に突出した第２固定鉄心を腐食性の高い制御流体に対応した耐腐食性を備える材質で形成したので、腐食性を有する制御流体を扱うことができる吸引力の大きな電磁弁を提供することが可能となる。
特に、第１固定鉄心を磁性軟鉄で形成することにより、コイルに供給する電流を上げることなく従来よりも大きな吸引力でプランジャを引き上げられるようになる。従って、より大きな流量を扱うことが可能になる。
また、こうした第１固定鉄心は制御流体とは非接触なため耐腐食性が低い磁性軟鉄などでも問題はなく、その代わり第２固定鉄心には耐腐食性に優れた材料が用いられ、特にフェライト系ステンレスであれば、耐腐食性を有するとともに磁束も通す点でも好ましい。

次に、本発明に係る電磁弁の一実施形態について、図面を参照しながら以下に説明する。図１は、本実施形態の電磁弁を示した断面図である。
本実施形態の電磁弁１は、ボディ１１に対して入口流路１２と出口流路１５とが上下方向に貫通して形成されている。入口流路１２と出口流路１５とは、ボディ１１上面側に形成された円形の凹部１４内に形成されており、特に中央に位置する入口流路１２には上方に突設した弁座１３が形成されている。そして電磁弁１には、この弁座１３に対して当接・離間する弁シート１７がプランジャ１６と一体に構成されている。

ボディ１１の凹部１４内にはその形状に合わされた円形の板バネ１８がはめ込まれており、その板バネ１８は、周縁部分が環状のスペーサ２１を間に介し、その上から保持部材２２によって押し付けられて位置決めされている。板バネ１８には、中心部分に上方からプランジャ１６が嵌合し、そのプランジャ１６の底面に埋め込まれた弁シート１７が、板バネ１８の下側から固定された弁シート押え板２３によって支えられている。なお、板バネ１８、プランジャ１６、弁シート１７そして弁シート押え板２３は溶接によって一体に形成されている。そして板バネ１８は、その周縁部分が弁座１３よりも低い位置で押さえ付けられて撓んでいるため、常に弁シート１７を弁座１３に当接させる下向きの復元力が働いている。

次に、ボディ１１には保持部材２２が嵌合し、更にその保持部材２２にはヨークとなるボンネット２５が上方から嵌合している。ボンネット２５内には、その中心に上方から第１固定鉄心２６と第２固定鉄心２７とがボルトによって上下一体となって固定され、第１固定鉄心２６の周りのコイルボビン２８にコイル２９が巻回されている。このときコイルボビン２８内には第１固定鉄心２６が入り込み、下方の第２固定鉄心２７は、そのコイルボビン２８の下端から突き出して保持部材２２にまで延び、プランジャ１６の直上に位置している。

こうした電磁弁１は、例えばマスフローコントローラに組み込まれ、そのマスフローコントローラで質量流量を制御する制御流体として、半導体部品、光部品、磁気記録機器などの産業で用いられている有機金属ガス（例えばＴＭＢ，ＴＥＯＳ）、ハロゲン、水素ハライド、またこれらのキャリアガスである窒素、アルゴン、ヘリウム、また必要により水蒸気や酸素が流れる。従って、電磁弁１には極めて腐食性の高い制御流体が流れるため、制御流体が接する流路部分や弁室などは耐腐食性を有することが必要であった。そのため、従来の電磁弁１００のボディやプランジャ、それに板バネなどの材質にはＳＵＳ３１６Ｌ，３１７ＬやＮｉ合金、Ｆｅ−Ｃｏ合金などが使用されていた。そうした中で、固定鉄心１１２には耐腐食性とともに磁束を通す材料としてフェライト系ステンレスのＳＵＳＸＭ２７が使用されていたが、透磁率が良くないため前記課題でも述べたように磁気吸引力が十分でなかった。

そこで、本実施形態の電磁弁１では、固定鉄心を第１固定鉄心２６と第２固定鉄心２７とに上下２分割することによってその問題の解決を図っている。第１固定鉄心２６は、固定鉄心の大部分を占め、コイルボビン２８内に収められている。一方、コイルボビン２８から下方に突き出した第２固定鉄心２７は、外径方向において保持部材２２と間で嵌合部材２４を挟んで配置され、その第２固定鉄心２７、保持部材２２および嵌合部材２４が溶接によって一体に形成されている。従って、第１固定鉄心２６は、こうした第２固定鉄心２７などによって制御流体と非接触状態になっている。そして、その第１固定鉄心２６は、透磁率が高いＳＵＹ（磁性軟鉄）等で形成され、腐食性の高い制御流体と接する第２固定鉄心２７は、フェライト系ステンレスで形成されている。フェライト系ステンレスには例えば、耐腐食性の高い磁性材料であるＳＵＳ４４４や従来と同様のＳＵＳＸＭ２７が使用される。

こうした構成からなる電磁弁１は、通常は板バネ１８の復元力（バネ力）によって弁シート１７が弁座１３に押し付けられて閉弁状態になっている。そこで、コイル２９に対して電流が供給されると第１固定鉄心２６が励磁され（第２固定鉄心２７が磁性材料の場合には第２固定鉄心２７も励磁される）、プランジャ１６が板バネ１７のバネ力に抗して引き上げられる。そのため、弁シート１７が弁座１３から離間して入口流路１２と出口流路１５とが連通し、制御流体が出力流路１５から二次側へと流れる。このとき、コイル２９に供給される電流を変動させることにより磁気吸引力が変化する。そのため、プランジャ１６のストローク量が変化し、これによって弁座１３と弁シート１７との弁開度が調整されるので、出口流路１５から流出する制御流体の流量を制御することができる。

続いて、こうした図１に示す本実施形態の電磁弁１と、図２に示す従来の電磁弁１００とについて磁気吸引力の比較を行った。先ず、図３に、電磁弁１の第１固定鉄心２６を構成する電磁軟鉄と、従来の電磁弁１００の固定鉄心１１２を構成するステンレスのＢ−Ｈ曲線を示す。この曲線から磁界Ｈ（Ａ／ｍ）に対する磁束密度Ｂ（Ｔ）は、明らかに電磁軟鉄がステンレスに比べて大きいことが分かる。従って、固定鉄心に電磁軟鉄を使用することによりコイルに流す電流を多くすることなく磁束を多くすることができ、プランジャを引き上げるための吸引力を高めるのに有効であると考えられる。

次に図４は、電磁弁１（Ａ）と電磁弁１００（Ｂ）とについて、ストロークと吸引力との関係を、起磁力５００ＡＴの場合（ａ）と起磁力９００ＡＴの場合（ｂ）とで示した図である。また、図５は、電磁弁１（Ａ）と電磁弁１００（Ｂ）とについて、起磁力（ＡＴ）と吸引力との関係を、ストローク０．８ｍｍの場合（ａ）とストローク０．１ｍｍの場合（ｂ）とで示した図である。なお、横軸のストロークは、固定鉄心の下端面からプランジャ上端面までの距離を示している。

先ず、図４に示すように起磁力が５００ＡＴ及び９００ＡＴのいずれの場合でも、実線で示す電磁弁１（Ａ）の方が大きな吸引力を得ることができた。具体的には、電磁弁１（Ａ）の吸引力は電磁弁１００（Ｂ）よりも３０パーセントほど大きくなった。従って、同じ起磁力でも各ストロークにおける吸引力が大きくなったことにより、コイルに流す電流を増やすことなく吸引を上げることができ、消費電力やコイルの発熱を低減させて制御流体を多くの流量を流すことが可能になった。
また、図５に示すように、ストロークが０．８ｍｍ及び０．１ｍｍのいずれの場合でも、実線で示す電磁弁１（Ａ）の方が同じ値の起磁力に対する吸引力が大きかった。従って、ここからも供給電流を抑えて同じ吸引力が得られるので、消費電力やコイルの発熱を低減させることが可能なことが分かる。

このように本実施形態の電磁弁１によれば、従来の電磁弁１００（Ｂ）と同じ起磁力でもより大きな吸引力が得られるため、所定の吸引力を得るために供給電流を抑えることができ、コイルの発熱を低減させることができる。逆に大流量を扱う場合にはこれまでと同じ供給電流によって対応することができる。
ここで図６には、電磁弁１のＣｖ値とリフト量についてオリフィス径との関係を示し、図７には、電磁弁１００について同様にＣｖ値とリフト量についてオリフィス径との関係を示した。そして、これからも分かるように図７に示す電磁弁１００に対し、図６に示す電磁弁１の方がリフト量が大きくなり、Ｃｖ値も上昇した。

次に、このように能力が向上した本実施形態の電磁弁１を小型化させることを考える。すなわち、図１と図２の電磁弁１，１００はともに同じサイズのコイルを使用しているが、電磁弁１のコイル２９の巻数を減らして軸（縦）方向寸法を小さくする。そこで、小型化した電磁弁１（Ａ´）と電磁弁１００（Ｂ）との比較を行う。図８には、ストロークと吸引力との関係のグラフを示した。また、図９には、起磁力と吸引力との関係についてストローク０．８ｍｍの場合（ａ）と、ストローク０．１ｍｍの場合（ｂ）とを示した。

図８では、同じ値の電流を流しているが、小型化した電磁弁１（Ａ´）の方がコイルの巻数がすくないため、起磁力は４４０ＡＴで、電磁弁１００（Ｂ）は５００ＡＴである。この図からは、電流値を同じにして起磁力を一定にした場合に、電磁弁１（Ａ´）は、コイルの巻数を減らして小型化しても従来の電磁弁１００（Ｂ）とほぼ同じ吸引力を得ることができた。従って、図９に示すように、ストロークをそれぞれ一定にしておいて起磁力を変化させた場合、すなわち供給電流を増加させた場合には、図８に表された結果からも分かるように、同じ起磁力で大きな吸引力を得ることが可能である。

以上、本発明に係る電磁弁の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることなくその趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。

本発明に係る電磁弁の一実施形態を示した断面図である。 従来の電磁弁を示した断面図である。 実施形態の電磁弁の第１固定鉄心を構成する電磁軟鉄と、従来の電磁弁の固定鉄心を構成するＳＵＳのＢ−Ｈ曲線を示した図である。 電磁弁１（Ａ）と電磁弁１００（Ｂ）とについて、ストロークと吸引力との関係を、起磁力５００ＡＴの場合（ａ）と起磁力９００ＡＴの場合（ｂ）とで示した図である。 電磁弁１（Ａ）と電磁弁１００（Ｂ）とについて、起磁力（ＡＴ）と吸引力との関係を、ストローク０．８ｍｍの場合（ａ）とストローク０．１ｍｍの場合（ｂ）とで示した図である。 電磁弁１のＣｖ値とリフト量についてオリフィス径との関係を示した図である。 電磁弁１００について同様にＣｖ値とリフト量についてオリフィス径との関係を示した図である。 電磁弁１（Ａ´）と電磁弁１００（Ｂ）のストロークと吸引力との関係のグラフを示した図である。 電磁弁１（Ａ´）と電磁弁１００（Ｂ）とについて、起磁力と吸引力との関係を、ストローク０．８ｍｍの場合（ａ）と、ストローク０．１ｍｍの場合（ｂ）とで示した図である。

符号の説明

１ 電磁弁
１１ ボディ
１３ 弁座
１６ プランジャ
１７ 弁シート
１８ 板バネ
２６ 第１固定鉄心
２７ 第２固定鉄心
２９ コイル

Claims (3)

1. 巻回されたコイル内に配置された固定鉄心が当該コイルの下方に突き出し、その固定鉄心の下には弁シートを保持したプランジャが板バネによって支持され、板バネのバネ力によって弁シートが弁座に対して常時当接し、コイルへの通電によってその板バネのバネ力に抗して弁シートを弁座から離間させる電磁弁において、
   前記固定鉄心が上方で制御流体と非接触の第１固定鉄心と、下方で前記コイルから下方に突出した第２固定鉄心とに上下に２分割され、
   前記第１固定鉄心と前記第２固定鉄心とは異なる材質で形成され、
   前記第１固定鉄心は透磁率の高い材質で形成され、
   前記第２固定鉄心が前記第１固定鉄心より磁性力が弱く、腐食性の高い制御流体に対応した耐腐食性を備える材質で、中実に形成されたものである、
   ことを特徴とする電磁弁。
2. 請求項１に記載する電磁弁において、
   前記第１固定鉄心は、磁性軟鉄で形成されたものであることを特徴とする電磁弁。
3. 請求項１又は請求項２に記載する電磁弁において、
   前記第２固定鉄心は、フェライト系ステンレスで形成されたものであることを特徴とする電磁弁。

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