特許 5917689 ソレノイドバルブ及びソレノイドバルブの監視方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5917689

(24)【登録日】2016年4月15日

(45)【発行日】2016年5月18日

(54)【発明の名称】ソレノイドバルブ及びソレノイドバルブの監視方法

(51)【国際特許分類】

   F16K 31/06 20060101AFI20160428BHJP

   F16K 37/00 20060101ALI20160428BHJP

【ＦＩ】

   F16K31/06 320A

   F16K31/06 305L

   F16K31/06 305J

   F16K31/06 385F

   F16K37/00 F

【請求項の数】20

【全頁数】7

(21)【出願番号】特願2014-515298(P2014-515298)

(86)(22)【出願日】2012年6月13日

(65)【公表番号】特表2014-518360(P2014-518360A)

(43)【公表日】2014年7月28日

(86)【国際出願番号】IB2012001142

(87)【国際公開番号】WO2012172407

(87)【国際公開日】20121220

【審査請求日】2015年6月12日

(31)【優先権主張番号】13/160,583

(32)【優先日】2011年6月15日

(33)【優先権主張国】US

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】390033020

【氏名又は名称】イートン コーポレーション

【氏名又は名称原語表記】ＥＡＴＯＮ ＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ

(74)【代理人】

【識別番号】100068618

【弁理士】

【氏名又は名称】萼 経夫

(74)【代理人】

【識別番号】100104145

【弁理士】

【氏名又は名称】宮崎 嘉夫

(74)【代理人】

【識別番号】100135035

【弁理士】

【氏名又は名称】田上 明夫

(74)【代理人】

【識別番号】100131266

【弁理士】

【氏名又は名称】▲高▼ 昌宏

(72)【発明者】

【氏名】ケラー，ロバート，ディーン

(72)【発明者】

【氏名】アンブローズ，スティーブン，リー

(72)【発明者】

【氏名】バロウズ，エリック，オー．

【審査官】 関 義彦

(56)【参考文献】

【文献】 実開平５−５２４４５（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開２００３−１９４６７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平３−２９３５６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６２−１６７９８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−２０３２０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平５−１１８９５９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ１６Ｋ ３１／０６

Ｆ１６Ｋ ３７／００

Ｆ１６Ｋ １

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

開放位置と閉鎖位置との間を移動可能なアーマチャと、該アーマチャに結合され、バルブシート上に配置されるポペットとを有するソレノイドバルブの動作を監視する方法であって、
前記ソレノイドバルブのコイルを励磁し、前記アーマチャを移動させるために十分な磁力を発生させるとともに、電流の経時変化に対応する電流特性を生成する段階と、
前記電流特性中に、前記アーマチャが開放位置と閉鎖位置のうちの一方から開放位置と閉鎖位置のうちの他方に向かって移動を開始したときに発生し、前記電流特性の傾斜の減少に対応する第１の変曲点を検出する段階と、
前記電流特性中に、前記アーマチャが開放位置と閉鎖位置のうちの他方への移動を完了したときに発生する第２の変曲点を検出する段階と、を含み、
前記第１の変曲点及び前記第２の変曲点は、それぞれ前記ソレノイドバルブが開き始めた時点及び前記ソレノイドバルブが完全に開放された時点に相当し、前記第１の変曲点と前記第２の変曲点との間の時間は、閉鎖位置から開放位置への１回のストローク中の前記アーマチャの移動時間に相当する、ことを特徴とする方法。

【請求項2】

前記第２の変曲点は、前記アーマチャのハードストップに相当することを特徴とする請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記ソレノイドバルブは、常時閉型のバルブであることを特徴とする請求項１に記載の方法。

【請求項4】

前記アーマチャと前記ポペットとの間に空隙が設けられ、前記ポペットは、前記バルブシート上に配置されており、前記第１の変曲点は、前記アーマチャが前記ポペットと結合して、前記アーマチャが開放位置に向かう移動を開始するとともに、前記ポペットを前記バルブシートから上昇させたときに発生することを特徴とする請求項３に記載の方法。

【請求項5】

開動作の経過時間を得るために、前記第１の変曲点と前記第２の変曲点との間の時間差を算出する段階をさらに含むことを特徴とする請求項４に記載の方法。

【請求項6】

動作の経過時間を得るために、前記第１の変曲点と前記第２の変曲点との間の時間差を算出する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。

【請求項7】

算出された開動作の経過時間を、予想される開動作時間と比較する段階を含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。

【請求項8】

前記アーマチャと前記ポペットのうちの少なくとも一方は、前記アーマチャと前記ポペットのうちの他方に対して移動するように構成されることを特徴とする請求項１に記載の方法。

【請求項9】

前記ポペットに対して前記アーマチャを移動させる段階を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。

【請求項10】

前記ソレノイドバルブによって放出される燃料蒸気パルス質量を算出する段階を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。

【請求項11】

コイルと、
前記コイルが非励磁状態のときの閉鎖位置と前記コイルが励磁状態のときの開放位置との間を移動するアーマチャと、
前記アーマチャに直接結合されるとともに、前記アーマチャとの間に空隙が配置されているポペットと、
バルブシートと、を含むソレノイドバルブであって、
前記コイルが励磁状態のときの電流特性を有しており、該電流特性は、前記アーマチャと前記ポペットとの間の空隙によって、前記アーマチャが開放位置に向かう移動を開始して前記ポペットが前記バルブシートから上昇を開始するときに第１の変曲点を有し、
前記電流特性は、前記ソレノイドバルブの完全な開放に相当する第２の変曲点を含み、前記第１の変曲点と前記第２の変曲点との間の時間は、閉鎖位置から開放位置への１回のストローク中の前記アーマチャの移動時間に相当する、ことを特徴とするソレノイドバルブ。

【請求項12】

前記第２の変曲点は、前記アーマチャが開放位置でハードストップに到達したときに相当することを特徴とする請求項１１に記載のソレノイドバルブ。

【請求項13】

前記ポペットを前記バルブシートに対して付勢するばねをさらに含むことを特徴とする請求項１１に記載のソレノイドバルブ。

【請求項14】

前記アーマチャと前記ポペットのうちの少なくとも一方は、前記アーマチャと前記ポペットのうちの他方に対して移動するように構成されることを特徴とする請求項１１に記載のソレノイドバルブ。

【請求項15】

コイルと、
ポペットと、
前記ポペットに直接結合されるとともに前記ポペットに対して移動可能であり、閉鎖位置と開放位置とを有するアーマチャと、
第１の変曲点と第２変曲点とを有し、前記第１の変曲点は、前記ポペットの、開放位置と閉鎖位置のうちの一方から離れる移動の開始に相当し、前記第２の変曲点は、前記ポペットの、開放位置と閉鎖位置のうちの他方への到達に相当する電流特性と、を含んでおり、
前記第１の変曲点と前記第２の変曲点との間の時間は、閉鎖位置から開放位置への１回のストローク中の前記ポペットの移動時間に相当する、ことを特徴とするソレノイドバルブ。

【請求項16】

前記アーマチャは、前記アーマチャの位置の第１の範囲内で前記ポペットに対して移動するように結合され、かつ、前記アーマチャの位置の第２の範囲内で前記ポペットとともに移動するように結合されることを特徴とする請求項１５に記載のソレノイドバルブ。

【請求項17】

前記第１の変曲点は、前記アーマチャが前記第１の範囲から前記第２の範囲に移動したときに相当することを特徴とする請求項１６に記載のソレノイドバルブ。

【請求項18】

前記第２の変曲点は、前記第２の範囲の終了点で前記アーマチャ及び前記ポペットにより前記ソレノイドバルブが完全に開放されたときに相当することを特徴とする請求項１７に記載のソレノイドバルブ。

【請求項19】

前記第１変曲点と前記第２変曲点との間の時間は、開動作の経過時間に相当することを特徴とする請求項１８に記載のソレノイドバルブ。

【請求項20】

常時開型のソレノイドバルブであることを特徴とする請求項１５に記載のソレノイドバルブ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ソレノイドバルブの動作の監視方法、及び、本発明に係る方法を用いた監視を容易に実施できる動作特性を有するバルブ構造に関する。

【背景技術】

【0002】

ソレノイドバルブは、多くの用途で用いられており、その用途には、燃料蒸気の制御が含まれるが、これに限定されるものではない。ソレノイドのコイルに動作電圧を印加してコイルを励磁した際に、アーマチャが開放位置と閉鎖位置との間を移動するときの動作を監視することが望ましい。アーマチャは、通常、コイルの電流が十分なレベルに達した後に移動を開始する。その後、アーマチャは、終端点に到達するまで移動し、そこで、アーマチャの移動は完全に停止して開放位置となる。

【0003】

ソレノイドの動作を監視するため、コイル電流の電流特性の不連続性を検出することによって、バルブが開放状態または閉鎖状態のいずれかになる時点を検出する回路がある。詳しくは、電流特性には、アーマチャが完全な開放位置に到達したときに顕著な不連続性（例えば、電流レベルの急激な低下）が現れ、同様の不連続性は、アーマチャが完全な閉鎖位置に到達したときにも現れる。現在知られている監視方法は、アーマチャの移動経路の終端点（すなわち、ハードストップ）に対応する時刻の間で、実際の電流特性と所定の電流特性とを比較するものである。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

既存の方法によれば、ハードストップ間の経過時間と電流とを測定することによって、バルブが正常に動作しているかどうかを判別することは可能であるものの、バルブが開き始める（すなわち、バルブに「隙間」が開く）時点を検出することはできない。これは、コイルが励磁された時点と、アーマチャがバルブを開き始める時点との間に遅延が生じる可能性があるからである。このような遅延は、例えば、アーマチャを移動させるために十分な電流に達するまでに必要な時間、及び、アーマチャに存在する隙間を吸収するために必要な時間のうちの一方または両方によるものである。言い換えれば、既存の方法は、アーマチャの移動経路におけるハードストップのみを検出するものであって、２つのハードストップの間の微妙な動きを検出するものではない。結果として、アーマチャが実際に移動している期間を正確に判別することはできず、したがって、所定の励磁サイクルの間にバルブが実際に開いている時間を正確に特定することは困難である。

【0005】

例えば、燃料蒸気制御システムの動作を改善するため、または、バルブが動作するシステムの診断機能を向上させるために使用可能な付加的な情報を提供するため、バルブが完全に開放される時点だけでなく、バルブが開き始める時点を正確に検出する方法が要望されている。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の一態様は、アーマチャと、アーマチャに結合され、バルブシート上に配置されるポペットとを有するソレノイドバルブの動作を監視する方法に関する。アーマチャは、開放位置と閉鎖位置との間を移動可能なものである。この方法は、ソレノイドバルブのコイルを励磁し、電流の経時変化に対応する電流特性を生成する段階と、電流特性中に、アーマチャが開放位置と閉鎖位置のうちの一方から開放位置と閉鎖位置のうちの他方に向かって移動を開始したときに発生する第１の変曲点を検出する段階と、電流特性中に、アーマチャが開放位置と閉鎖位置のうちの他方への移動を完了したときに発生する第２の変曲点を検出する段階と、を含む。

【0007】

また、本発明の一態様は、コイルと、コイルが非励磁状態のときの閉鎖位置とコイルが励磁状態のときの開放位置との間を移動するアーマチャと、アーマチャとの間に空隙が配置されるようにアーマチャに結合されるポペットと、バルブシートと、を含むソレノイドバルブに関する。このソレノイドバルブは、コイルが励磁状態のときの電流特性を有しており、電流特性は、アーマチャとポペットとの間の空隙によって、アーマチャが開放位置に向かう移動を開始してポペットがバルブシートから上昇を開始するときに第１の変曲点を有する。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】図１は、本発明の一実施形態におけるバルブを示す断面図である。

【図2】図２は、本発明の一実施形態における方法を示すための、バルブの電流特性である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

図１は、燃料蒸気制御バルブ１１内に配置されたソレノイドバルブ１０の一部を示す図である。図２には、バルブ１０の、動作時におけるソレノイド誘導電流特性１２（縦軸は電流、横軸は時間）が示されている。図１には、バルブ１０が非通電状態で図示されている。バルブ１０は、ソレノイドコイル１４、及び、アーマチャ１６を含むものであってもよい。アーマチャ１６は、閉鎖位置（図１に示す位置）と開放位置との間を移動可能なものである。一実施形態において、アーマチャ１６の一端部には摺動ポペット１８が配置されており、このポペット１８は、アーマチャ１６が閉鎖位置を取るときに、バルブシート２０に密着するものであってもよい。アーマチャ１６とポペット１８との間の空隙２２によって、アーマチャ１６とポペット１８との間に少量の遊びまたは隙間を形成するものであってもよい。加圧条件下でもバルブ１０が閉鎖状態を維持できるように、ポペット１８に対して与圧ばね２３を配置して、ポペット１８をバルブシート２０に対して付勢するものであってもよい。

【0010】

図１に示す実施形態は、常時閉型のバルブ１０であり、コイル１４の非励磁時には、アーマチャ１６は閉鎖位置にあり、ポペット１８はバルブシート２０に密着している。但し、本発明の範囲を逸脱することなく他のバルブ構造を使用できることは、当業者には明らかである。

【0011】

コイル１４に電圧が印加されると、コイル１４は励磁され、図２のＡ部に示すように、コイル１４を通る電流が増大する。この期間中に、コイル１４の電流は、アーマチャ１６を移動させる磁力を発生するために十分な高い電流レベルに到達する。アーマチャ１６は、開放位置に向かって移動し、アーマチャ１６とポペット１８との間の空隙２２が閉じられて、アーマチャ１６がポペット１８の頂部に接触する。この時点で、アーマチャ１６とポペット１８は緊密に結合される。

【0012】

コイル１４を通じて電流が流れ続けると、ポペット１８をアーマチャ１６に緊密に結合しつつ、アーマチャ１６の開放位置に向かう移動が持続する。アーマチャ１６の上方への移動が持続すると、ポペット１８はバルブシート２０から離脱する。この時点で、バルブ１０に「隙間」が開く（すなわち、バルブが開き出す）。電流特性には、バルブのこのような状態変化が、第１の変曲点２６として反映される。第１の変曲点２６は、電流特性１２の傾斜が減少したときに生じる。第１の変曲点２６は、図２に示すように、僅かに現れる場合もある。但し、より高圧の用途では、第１の変曲点２６は、もっと顕著に現れる場合もあり、さらに、印加された蒸気圧の大きさを検出できるほど十分に大きく現れる場合もある。

【0013】

この第１の変曲点２６は、アーマチャ１６とポペット１８とを緩みを持たせて結合したことの結果として生じるものである。詳しくは、このような緩みを持たせた結合によってバルブ１０が開き始めたことの検出が可能となるのは、アーマチャ１６が、ポペット１８とは独立に移動している状態から、ポペット１８とともに移動する状態に移ると、電流特性が変化するからである。典型的なソレノイドバルブでは、アーマチャとポペットとは、かしめまたは圧入によって、あるいは、場合によっては一体の構造物として形成されることによって、緊密に結合されている。このため、アーマチャとポペットとは、本質的に一斉に移動する。本発明に係る構造は、アーマチャ１６とポペット１８とを緩みを持たせて結合することによって、バルブ１０が開き始める時点の検出を容易に実行できる電流特性を生成するものである。また、このような緩みを持たせた結合によって、ポペット１８のシール動作に付加的な自由度が備えられるため、バルブ１０の製造公差の累積に対する余裕も増大する。

【0014】

アーマチャ１６が開放位置に向かう移動を続けると、電流は増大を続け、電流特性には、図２のＢ部に示すように、バルブの上昇時間及び開放応答が反映される。電流特性１２のＢ部は、バルブ１０のソレノイドコイル１４を通じて流れる誘導電流の、バルブ１０が開き始めた時点と完全に開放された時点との間のプロファイルに相当する。電流特性１２の傾斜は、バルブ１０の固有の動作特性に応じて、Ｂ部で増大する。アーマチャ１６が１ストローク分を完全に移動した後、最終的な停止位置に到達してバルブ１０が完全に開放されると、電流特性１２には、第２の変曲点２８が現れる。

【0015】

Ｂ部は、第１の変曲点２６と第２の変曲点２８によって区切られており、第１及び第２の変曲点２６、２８は、それぞれ、バルブ１０が開き始めた時点及びバルブ１０が完全に開放された時点に対応するため、Ｂ部は、アーマチャ１６の閉鎖位置から開放位置への１ストローク間の正確な移動時間（すなわち、開動作の経過時間）に相当する。本発明では、先行技術とは異なり、バルブ１０が開く時点に関する不確実性はない。

【0016】

開動作の経過時間は、多くの用途において使用可能な有益な情報である。例えば、燃料射出システムにおいて、開動作の経過時間は、特定の圧力条件下において、または、バルブの動的圧力降下を併せて考慮した場合に、バルブ１０によって放出される燃料蒸気パルス質量を算出するために使用することができる。開動作の経過時間は、計量を必要とする任意の用途（例えば、燃料射出）で使用することもできる。または、開動作の経過時間を、予想される開動作の経過時間と比較して、適切なバルブ動作の診断に使用することもできる。

【0017】

以上の説明では、常時閉型のバルブを例として用いたが、本発明の概念は、アーマチャの位置変化が開始するときに第１の変曲点が現れ、かつ、アーマチャがその新しい位置でハードストップに到達したときに第２の変曲点が現れるような電流特性を有する限り、本発明の範囲を逸脱することなく、他のタイプのバルブに適用することもできる。２つの変曲点の間の動作の経過時間は、所定の動作サイクルの間にアーマチャが実際に移動している時間についての有益な情報を提供するものである。

【0018】

以上、本発明を実施するための最適な実施形態を詳細に説明したが、添付請求項の範囲内において本発明を実施するために、様々な他の設計及び実施形態が可能なことは、当業者には明らかである。

【図1】

【図2】