WO1981002615A1 - Gas-flow regulating system - Google Patents

Description

明 細 謇

〔 発明の名称 〕

ガ ス 流量制御方式

C 技術分野 〕

本発明は、 電磁弁によるガス流量制御方式に関し . 度に応じて電^弁の開度を違親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ものである。 〔 背景技術 〕

最近、 石油危機に闋違して、 省エネルギー問題がク ロ —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 スゃ冢庭等における暖房温度の適正化が拳げられ 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、 哮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 ^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 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 な装置で正確に制御できる装置が望まれる。 従来は 電¾弁を用い、 温度変化に応じて電 弁を O N . OF F さ せる温度制飼が行われている。 電磁弁は、 コ ス ト が安い 点です ぐれているが、 Ό N · O F F制 では、 室温は上昇 下降の く り返し となり 、 常時一定温 ¾に維持できな-い。

' ' ί?Ι そこで、 コ ス ト の安い電磁弁によ り、 O N 。 O F F制御で なく弁の開度を違銃的に変化させる違続制御が試みられ ている。

こ の違続制御方式は、 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 一を、 ソ レノイ （励磁コィ -ル ） の励磁電流の大きさで 制御する場合、 プラ ンジャ一が継鉄側に吸着されて接触

_;丈るので、 プラ ンジャ一が移動し始めるときは静摩擦に

— 抗して移勣すること なる。 そのため、 ソレノ ィ ドによ る磁気吸引力がこの静摩擦よ り大きくなつてはじめて暧 間的に動き始めることになる。 これを防止するために、 板パネ等でプラ ンジャ ーを中立位置'に浮かせて、 プラ ン ジャ一と継鉄との間に空間を設けることが提案されてい るカ 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 ーゃ鑛鉄等の 磁気回路を構成する磁性体の磁気ヒ ステリ シスのために、 コ ィ ノレ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：て、 ム一ビングコイ ルを浮力 して設け、 ム一ビングコ イ ルで 弁侔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

Ο'ΛΡΙ — ビン グコイ 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。

〔 発明の開示 〕

本発明は、. 温度制御用の違铳流量制御弁における前述 の問題を一掃し、 磁気ヒステ リ シスおよび静摩擦の問題 が無く、 温度変化に正確に応答し得るよ う にするこ とを 目的とする。 この目的を達^するために本発明は、 2個 の励磁コ イ ルを用いて、 夫々に交互にパルス電流を流す と共に、 一方の励磁コィ ルとも う一方の励磁コィノレと.で は、 磁界の向きが逆になるよ うに逼電し、 しかも一方の 励磁コ イ ルによって生じる磁力とも う一方の励磁コ イ ル ' によって生じる磁力との切替え時の磁力 0点'で ^:、 可動鉄 芯を振動させるよ うにしている。 .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耘 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摩擦が涂去されて可動鉄芯の 動きがス ムーズになる。

C 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図はガス流量の違镜制御弁の縦断 面図、 第 5図と第 5図は励磁電流の波形を示すタ イ ムチ ヤ ー ト 、 第 4図 ( ( )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 ό図は制御回路図であ る 0

■ 図において、 Sは温度センサ、 Gは制御回路、 Βはパ

~^ -ΙΓΟ ーナ、 Vはガス流量の違続制御弁、 1 は開閉弁、 2はガ ス源、 3 はプラ ンジャ ー、 4 ， 8はヨーク、 5 はコィ ル 1 、 5 はコイ ル 2、 όはガイ ドパイ プ、 7はスぺーサ ―、 9は磁気補強スぺ一サ一、 1 0は Ε リ ング、 1 1 は ダイ ヤフ ラ ム押えディ スク、 1 2はダイ ヤフ ラ ム、 1 3 は弁体、 1 4はタ イ マエ C、 · 1 5は底ブタ、 1 0は弁体 及びばねス ト ツ 、 1 7はス プリ ング、 2 3は最低流量 設定つまみ、 2 4は上部カバ一、 2 5はパッキ ン、 D 3 は定電流ダイォ一ドである ό

〔 発明を実施する ための最良の形態 〕

次に 発明による電磁弁を利用したガス流量制御方式 の実施例を説明する。 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配管図である。 Βは パーナであり、 続式のガス流量制御弁 Vおよび開閉弁 1 を介して、 ガス源 2に配管接続されている。 bは種火 ノ ズルであり、 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 0·を介して、 サ一ミ スタ等の温^センサ Sが接続 されている。 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 設量される。 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 Gから流量制御弁 V の励磁コイ ルに加えられるパルスの電流の大きさが制御 され、 それによつて流量制御弁 Vの弁開度が違続的に変 化して、 パーナ Bへのガス供給量が任意に制御され、 室

0;·Λ?Ι 温や給湯温度が一定に維持される。 パーナ 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 ] 3から、 不完全燃焼等が発生しない必要 最少限のガス量が供給される。

第 2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、 弁装置のボデ一 2 2には、 入口 Aと出口 3間に弁孔 Cが形成され、 この弁孔 Cに、 テ―パ状の弁 体 1 3が揷通されている。 ボデー 2 2と上力パー 2 1 と の間には、 ガス通路分離用のダイヤフ ラ ム 1 2が挾持さ れており、 このダイ ヤフラム 1 2に、 弁体 1 3が復帰パ ネ 1 7で押しつけられている。 上力パー 2 1 丄 は、 第 1励磁コ イ ル 5 と第 2励磁コィ ル 5 から成るソ レノ ィ ド、 が搭載されている。 両励磁コィル 5 , 5^ 中には、 両励 ¾ コ イ ルにまたがる 1 本のプラ ンジャ ー （可動鉄芯） 3が 揷通されており、 また両励磁コイル 5， 5'は共通の継鉄 (磁性体フ レーム ） 4に囲まれている。 プラ ンジャ ー 3 は、 ダイヤフ ラ ム 1 2上の主弁座 1 5の頭部に載置され ている。

励磁コイル 5 · 5'の非通電状態においては、 第 2図の よ うに、 復帰パネ 1 7でテ一ハ。状弁体 1 3が押上げられ、 その大径部で弁孔 Cが閉じられる。 しかも、 この閉止用 の復帰パネ 1 7の力で、 プラ ンジャ一 3 も押—上げられて いる。 励磁コイル 5 * 5'に通電されると、 プラ ンジャ ー 3が、 下側に吸引され、 その力が弁侔 1 3に伝わるので、 弁体 1 5は復帰パネ 1 7に抗して押下げられる。 それに よ り、 テ一パ状弁体 1 3の小径部が弁孔0位置に移動す るため、 弁孔 Cが開かれる。 この と きの弁孔 Gの開度は、 コイ ル 5 · 5 への通電電 流の大きさによって決まるが、 次 その模様を、 2つの 励磁コイ ル 5 * 5 でプラ ンジャ ー 3が吸引される理由と 共に説明する。 第 3図 （Αι) (Α2) は、 励 ¾コィルへ通 電される電流の電流波形を示す図であり、 （Ai)は第 1 の励磁コイル 5へ通電される電流波形、 （A2)は第 2の 励磁コ イ ル 5'へ通電される電流波形である。 （Αι) (Α²) いずれの電流波形も矩形のハ。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 5に'パルス電流 が通電されているときはも う一方のコィル 5'は 0 F F と なるよ うに、 コ イ ル 5と 5'にパルス電流が交互に通電さ れる。 第 2に、 コ イ ル 5に （A 1 )の電流が通電されたと きと、 コ イ ル 5'に（A2)の電流が通電されたときとでは、 互いに磁束の向きが逆になるよ うに、 通電される。 この Ai と A2のパルス巾の比は、 1 : 2カ ら 1 : 3が適当で あるが、 このよ うに比較的短い周期 ό ms〜1 0 ms でコ ィ ル 5と 5'に交互に、 しかも磁束の向きが互いに逆にな るよ うにパルス電流が通電される。 このとき、 パルス の 周期が一定である限り、 磁杲の向きが反転しよ う と磁力 の大きさは変化しないので、 プランジャー 5は磁力の大 きさによって決まる一定位量まで吸引されて停止し周波 数は一定としパノレス電流の大きさを、 温度センサの検出

C: ?1 ん-. :.-·ο 信号で制御することもでき、 実施例では第 ό図に示すよ うにこの後者の方式を採っている。

次に、 第 1 のコ イ ル 5が通電されたときと、 第 2のコ ィル 5 が通電されたときとでは、 磁束の向きが逆になる ため、 磁気回路を構成する磁性体であるプラ ンジャ ー 5 と継鉄 4は、 励磁電流の周期に応じて磁化の向きが反耘 をく り返すことになる。 そのため、 第 4図（）のヒ ステリ シス力一ブで示されるよ うに、 同じ大きさの励磁電流で は常に同じ弁開度が得られる。 第 4図の ( は従来の違続 制御用電磁弁の励磁電流 (Α)と弁開度 （S t )との関係を示 す特性曲線、 （ )は本発明による違続制御電磁弁の励磁電 流 (A)と弁開度（S t )との関係を示す特性曲線 ½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（S t )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 の電流 （1 であるにも拘わらず、 弁開度（S t )は、 S t i と S t 2 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 2 0度とすると、 それが低温から 上昇していくときの 2 0度と、 高温から下降してくると きの 2 0度とでは、 同じ 2 0度であっても、 3 1 1と31：2 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 磁電流 Aが増加するときも滅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 らその励磁電流が徐々に増減することになる。 そのため、 電流値（ ) が増大時であろ う と減少時であろ う と、 同 じ電流値である限り、 弁開度 S tは殆ど同じである。

次に、 プラ ンジャーの静摩擦の除去は、 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 ンジャ一 3が周囲の継鉄ゃプラ ンジャ ーガイ ド等に接 して停止している状態において、 少なぐとも、 温度変化 .に.伴なつて励磁電流が変化しプラ ンジャ ー 3が駆動され る際に、 プラ ンジャ ー 3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、 磁気吸引力と復帰パネ 1 7 との力関係のみで, 動でき、 静摩擦による励磁電流と実際の弁開度とのズレが鹩消さ れる。 また、 静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 はスムーズで違続的になる。

実施例においては、 プランジャ一を振動させるために、 第 1 のコイル 5と第 2のコィノレ 5'との通電時間を第 5図 の（c)と（ώ)のよ うに異にし、 両コイル 5 · 5 の 気吸引力 をアンパラ ンスさせる よ う にしている。 これに よれば、 - 吸引力が周期的に大き くなつたり小さ くなつたりするの で、 それに伴なつてプランジャーは振動する。

第 ό図は、 第 5図 ) ( のよ うな励磁電流波 ¾を得ると 共に、 .温度変化に応じて励磁電流の大きさを変える制御 回路の一例であるつ Τ · ¹^は、 直流電源に接^される端

•^Q A ΟΙ ίΗ

IrO 子である。 端子 τ * T 間に印加された直流電圧は、 抵抗

Ri を介してッ ヱナ一ダイ オー Z Dによ.つ-て定電圧化- される。 定電圧化された直流電圧はタイ マ IC 1 4 の電 源供給端子 ： 3 等に印加される。 タイ マ エ G 1 4 の入力 端子 ti ' t2 間には、 ダイ 才一 ド Di と抵抗 R2 が並列 になって接続されている。 端子も ³-。 t l 間には、抵抗 R3 力 端子 t ² ♦ T' 間にはタイ ミ ：/グ用コ ンデンサ C 1 が 夫々接続されている。 タイ マ I G 14 の出力端子 t4は、 抵抗 FUを介して、 スィ ツチング用 ト ラ ンジスタ Tr3の ベースに接続されている。 この ト ラ ンジスタ ΤΓ 3 のコ レクタは、 抵抗 R5を介して、 コ イ ル 5駆動用の ト ラ ン ジスタ T r 1 のベースに接続されている。 こ'の ト ラ ン ': スタ Tri のコ レク タは、 抵抗 R 6 を介して、 コィ ル 5'駆 動用の ト ラ ンジスタ ΤΓ 2 のベース 接銃されている。 コ イ ル 5. 5'の他端は、 夫々 ダイ オー ド D 2 の 力 ソー ド と可変抵抗 V R、 温度検出用サ一ミ スタ Sに接続されて いる。 ダイ ォ一 ド D 2 のアノ ー ド、は、 ト ラ ンジス タ Tr 4 のエ ミ ッ タに、 可変抵抗 V Rとサ一ミ スタ Sの他端は ト ラ ンジスタ ΤΓ 5のベースに、 夫々 接続されている。 卜 ラ ンジスタ T r ⁴ と ト ラ ンジスタ T r 5 とは、 ダ一リ ン ト ン接続されている。 そして、 ト ラ ンジスタ Tr 5 のベース と コ レク タ間には定電流ダイ オー ド'] 3 が接铳されてい る o

以上のよ う な構成において、 ッ ヱナ一ダイ オー ド Z D 両端に生じる直流電圧によって、 タ イ ミ ング用コ ンデン

Ο¾·ΙΡΙ サ Giが抵抗 R 3 とダイオー ド Diを介して充電されると、 タイ ミ ング用コンデンサ C 1両端の電王は、 次第に増加 する。 そして、 タ イ ミ ン グ用コ ンデンサ Ci の充電電圧 力、;、 ある設定レベル以上になると、 タイマ I C 14 の回 路構成によ り、 タイ ミ ン グ用コ ンデンサ C 1 の充電電荷 は、 抵抗 R2、 入力端子 ti、- タイ ェ C 1 4 の GND 端 子 tsのループを経て放電され、 タイ ミ ング用コンデン サ G 1両端の電圧は滅少する。 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 1 の両端に は、 第 5図 (な)に示すよ うな鋸歯状波形の電圧が生じる。

その結杲、 タイ マ I C 1 4の出力端子 t4 には、 第 5図 ( )に示すよ うな矩形ハ。ルスの電圧が周期的に' tii力される。 そして、 ハイ レベルのパルスが出力端子 t4 から出力さ れると、 ト ランジスタ T r ³ カ ONになる。 そのため、 次 の ト ランジスタ Tri のべ一ス電位力 ^下がって、 該ト ラ ンジスタ Triは OFFになるので、 ト ラ ンジスタ ΤΓ2 が〇 Νになって、 第 2のコイル 5'が通電される。 次に、 タィマ I G 14の出力端子 4から出力されるパルスが

0〔V〕になると、 ト ラ ンジスタ Trsは OFFになる。 そ のため、 次の ト ラ ンジスタ Triのベース電圧が上がるの で、 この ト ラ ンジスタ T r が 0 Nになり、 第 1 のコイル 5が通電される。 これによ り、 ト ラ ンジスタ Tr2のべ一 ス電圧は下がるので、 このト ラ ンジスタ Tr ²は 0 F F に なり第 2のコ イ ル 5'は通電されない。 このよ う に、 コィ ル は、 タ イ マ エ G 1 4の出力端子 t 4から出力され ， るパルスの状態によって、 第 5図 のよ う に通電_ . 非 通電状態がく り返される。 第 5図の（c)は第 1 コイル 5·に 加えられる電圧波形、 （ は第 2 コイ ル 5 に加えられる電 圧波形である。 この図で明らかなよ う に、 第 1 コィルへ の通電時間に比べて第 2 コィルへの通電時間が 2倍位長 い。 従って、 第 2図の第 1 コ イ ル 5の磁束に比べて第 2 コイ ル 5 の磁束が大き くな り、 この磁力の強弱の く り返 し と復帰パネの作用で、 プラ ンジャ ー 3が振勳する。

コ イ ル 5 · 5 に供給される励磁電流の大きさは、 サー ミ スタ Sが設置されている場所の温度によって決まるサ 一ミ スタ Sの抵抗値と、 サーミ スタ Sに並列接続されて いる可変抵抗 V Rの調整によって、 ダ一リ ン'ト'ン接銃さ れている ト ラ ンジスタ Τ Γ 5 · Τ Γ 4 のパイ ァス量を変化 させ、 ト ラ ンジスタ ΤΓ 4のコ レク タ電流を制御するこ と で行われる。 このよ う にして、 コイル 5 · 5 に適正な電 流が流れるよ う にセ ッ トすれば、 サ一ミ スタ Sの温度が 上がると、 サ一ミ スタ sには、 温度が上昇すれば抵抗値 が小さ くなる逆特性のサ一ミ スタを使用しているので、 サ一ミ スタ S と可変抵抗 V Rからなる合成抵抗値が小さ くなる。 一方、 定電流ダイ オー ド D 3 を介して、 サ一ミ ス タ S と可変抵抗 V Rに流れる電流は一定であるため、 ト ラ ンジスタ T r ⁴ ' T r ⁵ 間のバイ アス電圧力 下がり / ト ラ ンジスタ T r ⁵ のべ一ス電流が滅少するのでコイ ル 5 · 5 に流れる電流が減少し、 プラ ンジャ ー 5は復帰パ ネ 1 7で閉弁方向に移動される。 逆に、 温度が下がれば r: サ一ミ スタ sの抵抗値が大き くなるため、 サ一ミ スタ s と可変抵抗 V Rから成る合成抵抗値も大き くなり、 ト ラ ンジス タ T r 5 。 T r ⁴ のパイ ァス電圧が _Lがるので、 ト ラ ン ジス タ T r 5 のべ一ス電流が増加し、 コ ィ ル 5 · 5' に流れる電流が増加する。 そのため、 プランジャー 3は、 復帰パネ 1 7に抗して開弁方向に移動される。 このよ う にしてガス流量が、 温度上昇で減少し、 温度 ί氐下で増加 して、 常時一定温度に維持される。

またコイル 5 ' 5 の ト ラ ンジス タ T r 1 · Τ Γ 2側の端子 間ゃコィル 5 。 5'と端子^ ( &N D ) 間が短絡されても、 定電流ダイオー ド D 3 を介して流れるパイ ァス部電流は 一定 、あるので、 サーミ スタ の抵抗値変化以外の要因 でパイァス電圧が変動することは無い。 その結果、 コィ ノレ 5 · 5'には、 サ一 ミ スタの検出温度で決まる一定電流 じか流れず、 給湯器等において水をかぶったり して短絡 が生じても、 過大電流で回路素子が破壊されたりする危 も.無い。

〔 産業上の利用可能性 〕

本発明によれば、 ガス流量を温度変化に応じて連読的 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耘さ せる よ う にしているため、 プラ ンジャーの振勣でプラ ン ジャーの静摩擦が除去され、 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、 弁の開度が温度変化に応 じて正確にかつ円滑に制御される。 また、 励磁コ イ ル は、 サ一ミ スタ等で設定された値以上の大電流は流れな いので、 短絡事故が生じても危険を伴なう恐れが無い。 しかも構成が簡単で、 安価に信賴性の高い流量制御装置 を提供することができ、 調整も電気回路だけで容易にか つ正確に行う ことができる。

Claims

請 求 の 範 囲

(1) 1 つの弁体駆動用可動鉄芯に対して 2つの励磁コ ィ ルを備え、 その励磁電流が温度セ ンサの検出信号で制 御されるものにおいて、 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 ¾コ イ ルとも う一方の励磁 コ イ ルとで、 磁界の向きが逆になるよ うに通電すると共 に、 一方の励磁コ イ ルによって生じる磁力とも う一方の 励磁コィノレによって生じる磁力との切替え時に起る磁力 0点で、 可動鉄芯を振動させること.を特徵とするガス流 量制御方式。

(2) 前記励磁電流制御部は、 励磁コィルと電源間に定 電流回路を備えており、 励磁コ イ ルには、 前'記'温度セン サの検出信号によって規定された一定電流が供給される よ う に構成したことを特徵とする請-求:の範囲第 (i)項記載 のガス流量制御方式。

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