WO2015141643A1 - 切替弁 - Google Patents

Abstract

常温以外の環境下でも信頼性が高く、耐久性に優れ、小型で消費電力が少ない切替弁を提供する。本発明のポペット式切替弁（１０）は、シリンダ（１２）と、端面ポート（Ｐ１、Ｐ２）と、側壁ポート（ＣＰ）と、摺動芯（２６）と、ポペットシール（２０）と、付勢部材（２２）と、摺動芯内部流路（２７）とを備える。シリンダ（１２）はシリンダ内筒において摺動芯（２６）を摺動可能に案内し、端面ポート（Ｐ１、Ｐ２）に連通する弁座（２４）とを有する。摺動芯（２６）の摺動芯内筒において摺動可能に案内されるポペットシール（２０）は、付勢部材（２２）によりシール係止爪（３０）方向に付勢される。ポペットシール（２０）は付勢部材（２２）による付勢力で弁座（２４）に着座して制御流体の流路を遮断し、弁座（２４）から離れることによって制御流体の流路を連通させる。

Description

切替弁

　本発明は、常温以外の環境下でも信頼性が高く、耐久性に優れ、小型で消費電力が少ない切替弁に関する。

　特開２０００－０１６０９９号公報（特許文献１）には、車両用燃料タンクのフィラーパイプ下端に配置するポペット式のチェックバルブに関する発明が開示されている。特許文献１に開示されているチェックバルブの発明は、テーパ状の内面を有する弁座部と、弁体の外周部に配置したシール部材とを有しており、弁体が弁座部に衝突する際の衝撃を緩和することを目的としている。

　特許文献１に開示されているチェックバルブのシール部材の外周部には、ＮＢＲ（Ｎｉｔｒｉｌｅ　Ｂｕｔａｄｉｅｎｅ　Ｒｕｂｂｅｒ：ニトリルゴム）等の弾性材で形成されるリップ部が配置されており、リップ部を弁座部に着座させる構造を用いている。閉弁時には、移動してきた弁体の衝撃が、シール部材の弾性により緩和されて、弁体と弁座部との叩き摩耗による耐久性の悪化を抑制することができるとしている。

　また、特開平０８－２１９３０２号公報（特許文献２）には、極低温の流体や腐食性を有する流体を制御するボールバルブの発明が開示されている。特許文献２に記載されているボールバルブは、ボール形弁体と、弁座の作用をなす環状シールと、環状シールを押すためのベローズと、カムフォロワーとを備える。

　特許文献２に記載されているバルブでは、ボール形弁体の回動中心線を、ボール形弁体の幾何学的中心から離すことによって、弁閉鎖時にはボールによってシールが押し付けられるので、ベローズにより適正なシール面圧が確保される。一方、ボールの回動に伴いシールが片当り状態となってシール面がボールから離れていき、ボール回動中のシール面圧を下げて、シールの損傷を抑制することができるとしている。

　また、特開平０７－２２４９６１号公報（特許文献３）には、ポペット型の電磁弁において、フッ素系樹脂の弁体に生じるへたりの発生を防止する発明が開示されている。特許文献３に記載されているポペット型の電磁弁は、中空部を有するコイルと、コイルの中空部において摺動可能に嵌合されたプランジャと、流入ポートと流出ポートとの間に配置された弁座と、弁座に対して当接又は離間して流入ポートと流出ポートとの間を遮断又は連通する弁体とを有する。

　特許文献３に記載されている電磁弁では、フッ素系樹脂によって形成される弁体が、プランジャの内部において摺動可能に配置され、付勢部材によって弁座の方向に付勢されている。この構成を用いることによって、閉弁時に弁体に加わる衝撃は付勢部材による付勢力となるので、弁体に加わる衝撃が緩和されて、弁体のへたりの発生を抑制することができるとしている。

特開２０００－０１６０９９号公報 特開平０８－２１９３０２号公報 特開平０７－２２４９６１号公報

　従来、配管中を流れる流体の流路を切り替える切替弁として、スプール弁やポペット弁が用いられている。スプール弁は、外部に貫通する複数のポートを備えたシリンダ内に、外周に環状の溝を開設したスプールを摺動可能に配置して、スプールを軸方向に移動させることによって、スプールの溝を介して各ポートを連通させて流路を切り替えている。スプールの外周には、流体の漏出を防止するために、Ｏリングなどのパッキンが取り付けられている。

　スプール弁も、低温且つ高圧の流体の制御用として用いられているが、液体水素や液体酸素を制御する用途のように、極低温の小さな分子の流体の切り替え制御を行う用途においては、パッキンを介しての制御流体の漏洩が問題となる。パッキンがシリンダ内壁と接触している部位の押圧力は、パッキンの潰し代とパッキンの弾性によって決定される。パッキンのシリンダ内壁に対する押圧力が不足したり硬化したりすると、制御流体が漏れ出る可能性がある。

　パッキンの弾性は、温度環境や膨潤、劣化度合いに応じて変化するために、潰し代を多めに設定すると、これに伴ってスプールの摺動抵抗も増大し、より高出力なソレノイドを用いる必要が生じる。そのため、スプール弁では切替弁が大型となり、消費電力も大きくなる傾向があった。また、スプール弁用のパッキンは使用温度範囲が狭く、耐用年数が短いという問題もあった。

　なお、特許文献３の弁体に用いられているフッ素系樹脂は、耐熱性、耐食性を有するがゴム等のように弾力性がない。

　一方、ポペット弁は、ポートの開孔を弁体で押さえる構造であるために、硬質な素材であっても弁体として採用することができるという特徴がある。しかしながら、弁体を摺動させたときの衝撃力が直接弁座に加わるなど、繰り返しの使用に伴って弁体が塑性変形して、シール性が低下する可能性があった。

　近年、一回の打ち上げで複数の軌道に衛星を投入する商用ロケットが期待されている。そのためには、長秒時のミッションに対応できる、信頼性が高く、耐久性に優れ、消費電力の小さい切替弁が必要となる。また、ロケットエンジンの作動時において生ずる振動によっても切替弁の誤作動を起こりにくくするためには、切替動作時に動く部分を更に軽量化することが有効となる。

　本発明は、常温以外の環境下でも信頼性が高く、耐久性に優れ、小型で消費電力が少ない切替弁を提供することを目的とする。

　本発明による切替弁は、シリンダと、シリンダ内筒と、摺動芯と、摺動芯内筒と、ポペットシールと、シール係止爪と、付勢部材と、弁座と、端面ポートと、摺動芯内部流路と、摺動芯貫通流路と、側壁連通路と、側壁ポートとを具備する。ここで、シリンダ内筒は、シリンダの内側に設けられている。摺動芯は、シリンダ内筒の内壁を摺動して、シリンダ内筒の一方の端部およびシリンダ内筒の他方の端部の間を所定の軸方向に往復する。摺動芯内筒は、摺動芯の内側に設けられている。ポペットシールは、摺動芯内筒の内壁を摺動して軸方向に往復する。シール係止爪は、摺動芯内筒の、シリンダ内筒の一方の端部側に設けられた開口部に突出して、ポペットシールの脱落を防止する。付勢部材は、記摺動芯内筒に設けられて、ポペットシールを前記シール係止爪に向けて付勢する。弁座は、シリンダ内筒の一方の端部に設けられて、ポペットシールが着座する。端面ポートは、シリンダ内筒の一方の端部に設けられて、弁座を貫通してシリンダの外部に連通する。摺動芯内部流路は、摺動芯内筒の内壁に設けられて、開口部に連通する。摺動芯貫通流路は、摺動芯内筒を貫通して設けられて、摺動芯内部流路を摺動芯の外周に連通する。側壁連通路は、シリンダ内筒の内壁に設けられて、摺動芯貫通流路に連通する。側壁ポートは、シリンダの側壁に設けられて、側壁連通路をシリンダの外部に連通する。本発明による切替弁は、第１保持状態と、第２状態とを切り替え可能に有する。ここで、第１保持状態では、ポペットシールが端面ポートに密着して、端面ポートおよび側壁ポートが遮断されている。第２状態では、ポペットシールが端面ポートから離間して、端面ポートおよび側壁ポートが連通している。

　本発明による切替弁は、摺動芯を、第１保持状態においてはシリンダ内筒の一方の端部側に付勢し、第２状態においてはシリンダ内筒の他方の端部側に付勢する摺動芯付勢部材をさらに具備する。

　本発明による切替弁において、摺動芯付勢部材は、反転式の皿バネを具備する。本発明による切替弁は、皿バネの外周部をシリンダ内筒の内壁に接続する外皿バネ受けと、皿バネの内周部を摺動芯に接続する内皿バネ受けとをさらに具備する。

　本発明による切替弁において、摺動芯は、磁性体を具備する。本発明による切替弁は、第１駆動コイルと、第２駆動コイルとをさらに具備する。ここで、第１駆動コイルは、シリンダ内筒の一方の端部側に設けられて、励磁して摺動芯を一方の端部側に誘導する。第２駆動コイルは、シリンダ内筒の他方の端部側に設けられて、励磁して摺動芯を他方の端部側に誘導する。

　本発明による切替弁は、第１ボビンと、第２ボビンと、第１アウターリングと、第２アウターリングとをさらに具備する。ここで、第１ボビンは、シリンダの外壁に設けられて、第１駆動コイルを支持する。第２ボビンは、シリンダの外壁に設けられて、第２駆動コイルを支持する。第１アウターリングは、第１ボビンの外周部に設けられて第１駆動コイルを保護し、第１駆動コイルが励磁すると第１磁気回路の一部として機能する磁性材料で形成されている。第２アウターリングは、第２ボビンの外周部に設けられて第２駆動コイルを保護し、第２駆動コイルが励磁すると第２磁気回路の一部として機能する磁性材料で形成されている。本発明による切替弁において、シリンダは、第１磁気回路および第２磁気回路を磁気的に離間する非磁性材料で形成されている。

　本発明による切替弁において、ポペットシールは、低温下又は高温下で使用可能な耐熱性樹脂又は金属で構成される。

　本発明による切替弁において、付勢部材は、コイルバネを具備する。本発明による切替弁は、コイルバネのプリロードを調整する与圧シムをさらに具備する。

本発明による切替弁は、別の摺動芯内筒と、別のポペットシールと、別の付勢部材と、別のシール係止爪と、別の弁座と、別の端面ポートと、別の摺動芯内部流路とをさらに具備する。ここで、別の摺動芯内筒は、摺動芯の内側に設けられている。別のポペットシールは、別の摺動芯内筒の内壁を摺動して軸方向に往復する。別の付勢部材は、別の摺動芯内筒に設けられて、別の摺動芯内筒の、シリンダ内筒の他方の端部側に設けられた別の開口部に向けて別のポペットシールを付勢する。別のシール係止爪は、別の開口部に突出して、別のポペットシールの脱落を防止する。別の弁座は、シリンダ内筒の他方の端部に設けられて、別のポペットシールが着座する。別の端面ポートは、シリンダ内筒の他方の端部に設けられて、別の弁座を貫通してシリンダの外部に連通する。別の摺動芯内部流路は、別の摺動芯内筒の内壁に設けられて、別の開口部に連通する。摺動芯貫通流路は、別の摺動芯内部流路を摺動芯の外周にさらに連通する。第１保持状態において、別のポペットシールは、別の端面ポートから離間して、別の端面ポートおよび側壁ポートは連通している。第２状態において、別のポペットシールは、別の端面ポートに密着して、別の端面ポートおよび側壁ポートは遮断されている。

　本発明による切替弁において、別のポペットシールは、低温下又は高温下で使用可能な耐熱性樹脂又は金属で構成される。

　本発明による切替弁において、別の付勢部材は、別のコイルバネを具備する。本発明による切替弁は、別のコイルバネのプリロードを調整する別の与圧シムをさらに具備する。

　本発明の切替弁は、常温以外の環境下においても信頼性が高く、耐久性に優れ、小型で消費電力が少ないという利点を有する。

図１は、本発明の切替弁を適用した３ポート双ラッチ式電磁弁の、第１保持状態における構成例を示す断面図である。 図２は、本発明の切替弁に用いられる摺動芯の端面部における外観斜視図である。 図３は、図１に示した切替弁の動作を説明する模式図である。 図４は、本発明の切替弁を適用した３ポート双ラッチ式電磁弁の、第２状態における構成例を示す断面図である。 図５は、図４に示した切替弁の動作を説明する模式図である。

　添付図面を参照して、本発明による切替弁を実施するための形態を、以下に説明する。

　（切替弁１０の構成）
　図１は、本発明の切替弁を適用した３ポート双ラッチ式電磁弁の、第１保持状態における構成例を示す断面図である。図２は、本発明の切替弁に用いられる摺動芯の端面部における外観斜視図である。図１は、図２に示すＡ－Ａ矢視断面図である。

　図１及び図２に示す切替弁１０は、液体酸素や液体水素といった極低温の流体の制御や、２００℃程度までの高温の流体の制御を行うことも可能な３ポートの弁である。これら３つのポートを、以降、第１端面ポートＰ１、第２端面ポートＰ２および側壁ポートＣＰと記す。

　本発明による切替弁１０の構成要素について説明する。

　切替弁１０は、シリンダと、摺動芯と、摺動芯付勢部材とを備える。なお、第１端面ポートＰ１と、第２端面ポートＰ２と、側壁ポートＣＰとは、いずれも、シリンダに設けられている。

　シリンダは、ボディ１５と、第１シリンダ１２Ａと、第２シリンダ１２Ｂと、第１Ｏ（オー）リング３８Ａと、第２Ｏリング３８Ｂと、第１駆動コイル１３Ａと、第２駆動コイル１３Ｂと、第１弁座２４Ａと、第２弁座２４Ｂと、外皿バネ受け１９とを備える。

　摺動芯は、結合ロッド１６と、第１摺動芯２６Ａと、第２摺動芯２６Ｂと、第１ポペットシール２０Ａと、第２ポペットシール２０Ｂと、第１付勢部材２２Ａと、第２付勢部材２２Ｂと、第１与圧シム２３Ａと、第２与圧シム２３Ｂと、内皿バネ受け１７とを備える。

　シリンダの内側には、シリンダ内筒と呼ばれる内部空間が設けられている。第１端面ポートＰ１は、シリンダ内筒の一方の端部に設けられており、シリンダの外部に連通している。同様に、第２端面ポートＰ２は、シリンダ内筒の他方の端部に設けられており、シリンダの外部に連通している。

　シリンダ内筒には、側壁連通路ＣＣと呼ばれる空間が設けられている。側壁ポートＣＰは、シリンダの側壁に設けられており、側壁連通路ＣＣをシリンダの外部に連通している。

　第１摺動芯２６Ａの内側には、第１摺動芯内筒と呼ばれる内部空間が設けられている。第１摺動芯内筒は、第１摺動芯２６Ａの外部に開いた第１開口部を備える。第１開口部には、第１シール係止爪３０が設けられている。

　同様に、第２摺動芯２６Ｂの内側には、第２摺動芯内筒と呼ばれる内部空間が設けられている。第２摺動芯内筒は、第２摺動芯２６Ｂの外部に開いた第２開口部を備える。第２開口部には、第２シール係止爪が設けられている。

　図１および図２に示した各構成要素の接続関係について説明する。

　図１に示す実施形態では、第１シリンダ１２Ａおよび第２シリンダ１２Ｂが、切替弁１０の左右（図１に示す－Ｘ、＋Ｘ方向）に１つずつ配置されている。第１シリンダ１２Ａおよび第２シリンダ１２Ｂは、切替弁１０の中央部に設けられたボディ１５を介して結合されている。第１シリンダ１２Ａおよびボディ１５の接合部には第１Ｏリング３８Ａを配置し、第２シリンダ１２Ｂおよびボディ１５の接合部には第２Ｏリング３８Ｂを配置し、取り扱う流体が切替弁１０の外部に漏洩することを防止している。ボディ１５の中央部には、シリンダ内筒と側壁ポートＣＰとを連通する側壁連通路ＣＣが形成されている。

　シリンダの内部に形成されたシリンダ内筒は、摺動芯を軸方向（図１に示す－Ｘ、＋Ｘ方向）に摺動可能に案内する内壁を備える。摺動芯は、シリンダ内筒の一方の端部と、シリンダ内筒の他方の端部との間を、軸方向に往復する。シリンダ内筒の一部が２つのシリンダ１２Ａ、１２Ｂにも設けられている場合は、外部の側壁ポートＣＰに連通する側壁連通路ＣＣの一部が２つのシリンダ１２Ａ、１２Ｂに形成されている。

　シリンダ内筒の、第１シリンダ１２Ａ側の端部には、外側に第１端面ポートＰ１が形成されており、内側に第１弁座２４Ａが形成されており、第１端面ポートＰ１は第１弁座２４Ａを貫通してシリンダ外部に連通している。

　同様に、シリンダ内筒の、第２シリンダ１２Ｂ側の端部には、外側に第２端面ポートＰ２が形成されており、内側に第２弁座２４Ｂが形成されており、第２端面ポートＰ２は第２弁座２４Ｂを貫通してシリンダ外部に連通している。

　第１シリンダ１２Ａの外周には、第１駆動コイル１３Ａを巻くボビンが形成されている。図１に示す実施形態では、第１シリンダ１２Ａの外周に第１アウターリング１４Ａを配置して、第１駆動コイル１３Ａを被っている。第１アウターリング１４Ａは、第１駆動コイル１３Ａを励磁した際に発生する磁気回路の一部となっている。なお、第１アウターリング１４Ａは、ＳＵＳ４３０等の耐食性を有する磁性材料で構成することによって、耐食用特殊な表面コーティングが不要となる。

　なお、第２シリンダ１２Ｂ、第２駆動コイル１３Ｂおよび第２アウターリング１４Ｂの構成、配置および機能も、それぞれ、第１シリンダ１２Ａ、第１駆動コイル１３Ａおよび第１アウターリング１４Ａの場合と同様であるので、詳細な説明を省略する。

　また、ボディ１５は、非磁性材料で構成することによって、第１駆動コイル１３Ａおよび第２駆動コイル１３Ｂが励磁する際に第１シリンダ１２Ａおよび第２シリンダ１２Ｂに発生する磁気回路を磁気的に離間させることができるので、摺動芯に印加する駆動力を左右独立で出力することができる。

　図１及び図２に示す摺動芯のうち、第１摺動芯２６Ａおよび第２摺動芯２６Ｂは磁性体で形成されている。したがって、第１駆動コイル１３Ａまたは第２駆動コイル１３Ｂのいずれか一方が励磁することによって、シリンダ内筒の内側で摺動芯が軸方向、すなわち図１に示した－Ｘ方向又は＋Ｘ方向に摺動する。

　第１摺動芯２６Ａの内部には、すなわち第１摺動芯内筒の内側には、第１ポペットシール２０Ａ、第１付勢部材２２Ａ及び第１与圧シム２３Ａが配置されている。第１摺動芯内筒の内壁は、第１ポペットシール２０Ａを軸方向に摺動可能に案内する。第１摺動芯内筒の第１開口部においては、第１ポペットシール２０Ａの脱落を防止する第１シール係止爪３０が突出している。図２には、第１摺動芯２６Ａの端面の４箇所において中央部に向けて第１シール係止爪３０が突出している実施形態を示してあるが、第１シール係止爪３０の数量は、４つに限定するものではなく、形状も図２に示す形状に限定するものではない。

　同様に、第２摺動芯２６Ｂの内部には、すなわち第２摺動芯内筒の内側には、第２ポペットシール２０Ｂ、第２付勢部材２２Ｂ及び第２与圧シム２３Ｂが配置されている。第２摺動芯内筒の内壁は、第２ポペットシール２０Ｂを軸方向に摺動可能に案内する。第２摺動芯内筒の第２開口部においては、第２ポペットシール２０Ｂの脱落を防止する第２シール係止爪が突出している。第２シール係止爪の数量および形状の詳細については、図２に示した第１シール係止爪３０の場合と同様であるので、さらなる説明を省略する。

　図１に示した構成例では、第１付勢部材２２Ａは、コイルバネで形成されている。第１与圧シム２３Ａは、第１付勢部材２２Ａのプリロードを調整して、第１シリンダ１２Ａの第１弁座２４Ａに着座した第１ポペットシール２０Ａの押圧力を微調整するための部材である。厚い第１与圧シム２３Ａを用いると、第１付勢部材２２Ａを縮めることによって第１ポペットシール２０Ａの第１弁座２４Ａに対する押圧力を高めて、面圧を高くすることができる。逆に、薄い第１与圧シム２３Ａを用いると、第１ポペットシール２０Ａの第１弁座２４Ａに対する押圧力を低くして、面圧を下げることができる。このように、第１ポペットシール２０Ａの第１弁座２４Ａに対する押圧力は、第１ポペットシール２０Ａの材質や物性、面圧に応じて、適宜設定することができる。

　第２付勢部材２２Ｂ、第２与圧シム２３Ｂおよび第２弁座２４Ｂに係る構成、配置および機能についても、第１付勢部材２２Ａ、第１与圧シム２３Ａおよび第１弁座２４Ａの場合と同様であるので、さらなる詳細な説明を省略する。

　図１に示す実施形態では、第１摺動芯２６Ａおよび第２摺動芯２６Ｂを、その間に配置した結合ロッド１６を介して接続している。例えば、結合ロッド１６と、第１摺動芯２６Ａと、第２摺動芯２６Ｂとを螺子結合するなど分解可能な構造を用いることによって、第１与圧シム２３Ａおよび第２与圧シム２３Ｂの厚さ調整や、第１ポペットシール２０Ａおよび第２ポペットシール２０Ｂの交換等を容易に行うことができる。また、図１に示す実施形態によれば、第１ポペットシール２０Ａおよび第２ポペットシール２０Ｂの、第１弁座２４Ａおよび第２弁座２４Ｂに対するそれぞれの押圧力の調整を、全て摺動芯の内部で行うことが可能である。このことは、切替弁１０の小型化に寄与している。

　図１及び図２に示す実施形態では、第１ポペットシール２０Ａの着座部分は凸テーパ形状に形成してある。第１弁座２４Ａ側では、第１ポペットシール２０Ａの凸テーパ形状に合わせた凹テーパ形状に形成することができる。第１ポペットシール２０Ａと、第１弁座２４Ａとの当たり幅は、第１ポペットシール２０Ａと、第１弁座２４Ａとのそれぞれの素材に応じて適宜設定することができる。また、第１ポペットシール２０Ａ及び第１弁座２４Ａの形状は、テーパ形状に限定するものではないが、第１ポペットシール２０Ａ及び第１弁座２４Ａをテーパ形状にすることによって、制御流体の流れを阻害しにくくすることができるので、制御流体の圧力損失を減少させることができる。なお、第１ポペットシール２０Ａの着座面を平面に形成すると、第１ポペットシール２０Ａと、第１弁座２４Ａとの間を開けた際に、制御流体に衝突噴流が発生して、制御流体の圧力損失が大きくなる可能性がある。この衝突噴流による圧力損失の影響は、特に制御流体の流速が速い場合に顕著となる可能性がある。

　第２ポペットシール２０Ｂおよび第２弁座２４Ｂの構成、配置および機能についても、第１ポペットシール２０Ａおよび第１弁座２４Ａの場合と同様である。

　図１に示す実施形態では、結合ロッド１６の中央部に、制御流体を流すための中央流路と、当該中央流路と摺動芯の摺動芯貫通流路２８とを連通させる貫通流路が開設されている。

　図１及び図２に示すように、第１摺動芯２６Ａの第１摺動芯内筒の内壁には、第１開口部に連通する第１摺動芯内部流路２７Ａとしての溝を開設してある。同様に、第２摺動芯２６Ｂの第２摺動芯内筒の内壁には、第２開口部に連通する第２摺動芯内部流路２７Ｂとしての溝を開設してある。また、摺動芯には、外周から第１摺動芯内部流路２７Ａおよび第２摺動芯内部流路２７Ｂに貫通する摺動芯貫通流路２８が開設されている。これにより、第１摺動芯２６Ａの端面がシリンダ内筒の端部から離間した状態において、第１弁座２４Ａから側壁連通路ＣＣを介して側壁ポートＣＰとの間の流路を連通させることができる。同様に、第２摺動芯２６Ｂの端面がシリンダ内筒の端部から離間した状態において、第２弁座２４Ｂから側壁連通路ＣＣを介して側壁ポートＣＰとの間の流路を連通させることができる。

　摺動芯付勢部材１８は、例えば反転式の皿バネであり、摺動芯を－Ｘ方向（第１端面ポートＰ１側）に付勢し続ける第１保持状態と、＋Ｘ方向（第２端面ポートＰ２側）に付勢し続ける第２の保持状態との双ラッチ動作を生成するための付勢部材（ラッチ機構の一部）である。摺動芯付勢部材１８の外周部は、外皿バネ受け１９を介してシリンダ内筒の内側に固定する。摺動芯付勢部材１８の内周部は、内皿バネ受け１７を介して摺動芯の外側に固定する。

　図１に示す構造では、摺動芯付勢部材１８はシリンダの側壁連通路ＣＣの内部に配置してあるので、制御流体の流動抵抗を低減するために、第１Ｏリング３８Ａおよび第２Ｏリング３８Ｂの内側かつ外皿バネ受け１９の外周の、ボディ１５、第１シリンダ１２Ａおよび第２シリンダ１２Ｂに、－Ｘ方向と＋Ｘ方向とを連通させる開孔を開設してもよい。なお、図１に示す摺動芯付勢部材１８（皿バネ）に代えて、ダイヤフラムスプリング、永久磁石を用いたラッチ機構、手動式のラッチ機構、ボールプランジャを用いたラッチ機構、その他のラッチ機構を用いることができる。

　（切替弁１０の作用）
　次に、切替弁１０の作用について、図１、図３乃至図５を用いて説明する。図３は、図１に示した切替弁１０の動作を説明する模式図である。図４は、本発明の切替弁１０を適用した３ポート双ラッチ式電磁弁の、第２状態における構成例を示す断面図である。図５は、図４に示した切替弁１０の動作を説明する模式図である。

　図３および図５では、第１摺動芯２６Ａと、結合ロッド１６と、第２摺動芯２６Ｂの集合を簡略化して、摺動芯２６として示している。同様に、図３および図５では、第１シリンダ１２Ａと、ボディ１５と、第２シリンダ１２Ｂとの集合を簡略化して、シリンダ１２として示している。

　図３では、図１にも示した、摺動芯２６が第１端面ポートＰ１側、すなわち図示した－Ｘ方向に移動して保持されている第１保持状態を示している。

　図４および図５では、摺動芯２６が第２端面ポートＰ２側、すなわち図示した＋Ｘ方向に移動して保持されている第２保持状態を示している。

　図１及び図３に示すように、摺動芯２６が－Ｘ方向に移動した第１保持状態においては、－Ｘ側（第１端面ポートＰ１側）の第１ポペットシール２０Ａが第１弁座２４Ａに着座することによって、すなわち第１ポペットシール２０Ａが第１端面ポートＰ１に密着することによって、第１端面ポートＰ１と側壁ポートＣＰとの間の流路を遮断する。このとき、＋Ｘ側（第２端面ポートＰ２側）の第２ポペットシール２０Ｂは第２シール係止爪に係止されて第２弁座２４Ｂから離れる。これにより、第２弁座２４Ｂ、第２摺動芯内部流路２７Ｂ、摺動芯貫通流路２８及び側壁連通路ＣＣを介して、第２端面ポートＰ２と側壁ポートＣＰとの間の流路が連通する。

　本実施形態では、摺動芯２６の内部に開設した第２摺動芯内部流路２７Ｂを経由して第２端面ポートＰ２と側壁ポートＣＰとの間の流路を連通させているので、切替弁１０の外径寸法を必要最小限にでき、切替弁１０の小型化と軽量化を図ることができる。また、本発明では、摺動芯２６の両端部に配置されている第１ポペットシール２０Ａおよび第２ポペットシール２０Ｂを用いて制御流体の通過と遮断とを行っているので、摺動芯２６の外周にＯリング等のパッキンを配置しない構成を用いることができる。従って、シリンダ１２のシリンダ内筒と摺動芯２６の外周との間の摩擦力を低減することができるので、摺動芯２６を駆動させる第１駆動コイル１３Ａおよび第２駆動コイル１３Ｂの小型化と消費電力の低減を図ることができる。

　図４及び図５に示すように、摺動芯２６が＋Ｘ方向に移動した第２保持状態においては、＋Ｘ側（第２端面ポートＰ２側）の第２ポペットシール２０Ｂが第２弁座２４Ｂに着座することによって、すなわち第２ポペットシール２０Ｂが第２端面ポートＰ２に密着することによって、第２端面ポートＰ２と側壁ポートＣＰとの間の流路を遮断する。これに対し、－Ｘ側（第１端面ポートＰ１側）の第１ポペットシール２０Ａは第１シール係止爪３０に係止されて第１弁座２４Ａから離れる。これにより、第１弁座２４Ａ、第１摺動芯内部流路２７Ａ、摺動芯貫通流路２８及び側壁連通路ＣＣを介して、第１端面ポートＰ１と側壁ポートＣＰとの間の流路が連通する。なお、図５に示すように、側壁連通路ＣＣを経由せずに、第１摺動芯内部流路２７Ａから第１端面ポートＰ１へ流路を連通させる構造を用いることも可能である。

　（他の実施形態について）
　上記の実施形態では、摺動芯２６を摺動させる際の動力源として、第１駆動コイル１３Ａおよび第２駆動コイル１３Ｂを励磁するソレノイドを用いる実施形態について説明した。このソレノイドを用いる他にも、摺動芯２６を移動させる動力源として気体や液体を用いたオペレートバルブ、パイロットバルブ、又は機械的に摺動芯を移動させる構造を用いたメカニカルバルブにも適用することができる。

　また、上記の実施形態では、シリンダ１２のシリンダ内筒の両端部にそれぞれ、第１弁座２４Ａ及び第２弁座２４Ｂと、第１端面ポートＰ１および第２端面ポートＰ２とを備える３方弁の実施形態を示したが、本発明は３方弁に限定するものではなく、２方弁にも適用することができる。また、双ラッチ動作を有する切替弁に限定するものではなく、コイルバネ等を用いた片ラッチ式の切替弁に適用することができる。また、本発明は、ノーマリーオープンの切替弁、ノーマリークローズの切替弁、オルタネート式、及びモーメンタリ式の切替弁に適用することができる。

　第１ポペットシール２０Ａおよび第２ポペットシール２０Ｂの素材として、全芳香族ポリイミド樹脂等の超耐熱性プラスチック、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）等の芳香族ポリエーテルケトン、ポリクロロトリフルオロエチレン（三フッ化エチレン樹脂：ＰＣＴＦＥ）、ポリテトラフルオロエチレン（四フッ化エチレン樹脂：ＰＴＦＥ）等の低温下又は高温下で使用可能な耐熱性樹脂、ゴム等を用いることができる。また、低温下又は高温下で使用可能な金属など、用途に応じて多種の材料を適用することができる。なお、全芳香族ポリイミド樹脂の一例として、ＶＥＳＰＥＬ（登録商標）を用いることもできる。

　なお、切替弁１０の高温側の耐熱温度は、第１駆動コイル１３Ａおよび第２駆動コイル１３Ｂに含まれる導線の耐熱温度（約２２０℃）により制限を受ける。そのため、例えば第１駆動コイル１３Ａおよび第２駆動コイル１３Ｂをそれぞれ巻回する第１シリンダ１２Ａおよび第２シリンダ１２Ｂに、第１駆動コイル１３Ａおよび第２駆動コイル１３Ｂを冷却する構成を追加することにより、切替弁１０の耐熱温度を更に向上させることができる。

　以上、実施の形態を参照して本発明による切替弁を説明したが、本発明による切替弁は上記実施形態に限定されない。上記実施形態に様々の変更を行うことが可能である。上記実施形態に記載された事項と上記他の実施形態に記載された事項とを組み合わせることが可能である。

　なお、この出願は、２０１４年３月１７日に出願された日本特許出願２０１４－０５３９０３号を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てを引用によりここに組み込む。

Claims (10)

1. 　シリンダと、
   　前記シリンダの内側に設けられたシリンダ内筒と、
   　前記シリンダ内筒の内壁を摺動して、前記シリンダ内筒の一方の端部および前記シリンダ内筒の他方の端部の間を所定の軸方向に往復する摺動芯と、
   　前記摺動芯の内側に設けられた摺動芯内筒と、
   　前記摺動芯内筒の内壁を摺動して前記軸方向に往復するポペットシールと、
   　前記摺動芯内筒の、前記シリンダ内筒の前記一方の端部側に設けられた開口部に突出して、前記ポペットシールの脱落を防止するシール係止爪と、
   　前記摺動芯内筒に設けられて、前記ポペットシールを前記シール係止爪に向けて付勢する付勢部材と、
   　前記シリンダ内筒の前記一方の端部に設けられて、前記ポペットシールが着座する弁座と、
   　前記シリンダ内筒の前記一方の端部に設けられて、前記弁座を貫通して前記シリンダの外部に連通する端面ポートと、
   　前記摺動芯内筒の内壁に設けられて、前記開口部に連通する摺動芯内部流路と、
   　前記摺動芯内筒を貫通して設けられて、前記摺動芯内部流路を前記摺動芯の外周に連通する摺動芯貫通流路と、
   　前記シリンダ内筒の内壁に設けられて、前記摺動芯貫通流路に連通する側壁連通路と、
   　前記シリンダの側壁に設けられて、前記側壁連通路を前記シリンダの外部に連通する側壁ポートと
   を具備し、
   　前記ポペットシールが前記端面ポートに密着して、前記端面ポートおよび前記側壁ポートが遮断されている第１保持状態と、
   　前記ポペットシールが前記端面ポートから離間して、前記端面ポートおよび前記側壁ポートが連通している第２状態と
   を切り替え可能に有する
   　切替弁。
2. 　請求項１に記載の切替弁において、
   　前記摺動芯を、前記第１保持状態においては前記シリンダ内筒の前記一方の端部側に付勢し、前記第２状態においては前記シリンダ内筒の前記他方の端部側に付勢する摺動芯付勢部材
   をさらに具備する
   　切替弁。
3. 　請求項２に記載の切替弁において、
   　前記摺動芯付勢部材は、
   　反転式の皿バネ
   を具備し、
   　前記皿バネの外周部を前記シリンダ内筒の内壁に接続する外皿バネ受けと、
   　前記皿バネの内周部を前記摺動芯に接続する内皿バネ受けと
   をさらに具備する
   　切替弁。
4. 　請求項１～３のいずれか一項に記載の切替弁において、
   　前記摺動芯は、
   　磁性体
   を具備し、
   　前記シリンダ内筒の前記一方の端部側に設けられて、励磁して前記摺動芯を前記一方の端部側に誘導する第１駆動コイルと、
   　前記シリンダ内筒の前記他方の端部側に設けられて、励磁して前記摺動芯を前記他方の端部側に誘導する第２駆動コイルと
   をさらに具備する
   　切替弁。
5. 　請求項４に記載の切替弁において、
   　前記シリンダの外壁に設けられて、前記第１駆動コイルを支持する第１ボビンと、
   　前記シリンダの外壁に設けられて、前記第２駆動コイルを支持する第２ボビンと、
   　前記第１ボビンの外周部に設けられて前記第１駆動コイルを保護し、前記第１駆動コイルが励磁すると第１磁気回路の一部として機能する磁性材料で形成された第１アウターリングと、
   　前記第２ボビンの外周部に設けられて前記第２駆動コイルを保護し、前記第２駆動コイルが励磁すると第２磁気回路の一部として機能する磁性材料で形成された第２アウターリングと
   をさらに具備し、
   　前記シリンダは、前記第１磁気回路および前記第２磁気回路を磁気的に離間する非磁性材料で形成されている
   　切替弁。
6. 　請求項１～５のいずれか一項に記載の切替弁において、
   　前記ポペットシールは、低温下又は高温下で使用可能な耐熱性樹脂又は金属で構成される
   　切替弁。
7. 　請求項１～６のいずれか一項に記載の切替弁において、
   　前記付勢部材は、
   　コイルバネ
   を具備し、
   　前記コイルバネのプリロードを調整する与圧シム
   をさらに具備する
   　切替弁。
8. 　請求項１～７のいずれか一項に記載の切替弁において、
   　前記摺動芯の内側に設けられた別の摺動芯内筒と、
   　前記別の摺動芯内筒の内壁を摺動して前記軸方向に往復する別のポペットシールと、
   　前記別の摺動芯内筒に設けられて、前記別の摺動芯内筒の、前記シリンダ内筒の前記他方の端部側に設けられた別の開口部に向けて前記別のポペットシールを付勢する別の付勢部材と、
   　前記別の開口部に突出して、前記別のポペットシールの脱落を防止する別のシール係止爪と、
   　前記シリンダ内筒の前記他方の端部に設けられて、前記別のポペットシールが着座する別の弁座と、
   　前記シリンダ内筒の前記他方の端部に設けられて、前記別の弁座を貫通して前記シリンダの外部に連通する別の端面ポートと、
   　前記別の摺動芯内筒の内壁に設けられて、前記別の開口部に連通する別の摺動芯内部流路と
   をさらに具備し、
   　前記摺動芯貫通流路は、前記別の摺動芯内部流路を前記摺動芯の外周にさらに連通し、
   　前記第１保持状態において、前記別のポペットシールが前記別の端面ポートから離間して、前記別の端面ポートおよび前記側壁ポートが連通しており、
   　前記第２状態において、前記別のポペットシールが前記別の端面ポートに密着して、前記別の端面ポートおよび前記側壁ポートが遮断されている
   　切替弁。
9. 　請求項８に記載の切替弁において、
   　前記別のポペットシールは、低温下又は高温下で使用可能な耐熱性樹脂又は金属で構成される
   　切替弁。
10. 　請求項８または９に記載の切替弁において、
    　前記別の付勢部材は、
    　別のコイルバネ
    を具備し、
    　前記別のコイルバネのプリロードを調整する別の与圧シム
    をさらに具備する
    　切替弁。
     

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