パイロット操作式ソレノイドバルブと直動式ソレノイドバルブの違い
多くの流体制御システムに不可欠なコンポーネントであるソレノイドバルブは、直動式とパイロット式の2つの主要なタイプに大別されます。どちらも電磁コイルを用いて流体の流れを制御するという基本的な目的を果たしますが、内部機構と動作特性が大きく異なり、様々な用途への適合性に影響を与えます。これら2つのタイプの主な違いについて詳しく見ていきましょう。
メカニズム：動作の核心
根本的な違いは、ソレノイドの磁力がバルブとどのように相互作用して流量を制御するかにあります。
Direct-Acting Solenoid Valves：直動式ソレノイドバルブでは、ソレノイドコイルがバルブの中核部品（通常はプランジャー）に直接接続されています。このプランジャーは、流体が流れる開口部であるオリフィスを直接ブロックしたり、通過させたりします。コイルに通電すると、発生した磁力が反対方向の力（通常は重力、バネ、流体の圧力）を直接克服し、プランジャーを持ち上げてオリフィスを開き、流体の流れを許可します。逆に、コイルへの通電が停止すると、バネの力によってプランジャーが閉じた位置に戻り、オリフィスが効果的にブロックされて流れが止まります。このシンプルな機構により、流体を即座に直接制御できます。
Pilot-Operated Solenoid Valves: パイロット操作式ソレノイドバルブは、より複雑な2段階の機構を採用しています。まず、バルブが配管に接続されると、流体はバルブの下部チャンバーに入ります。次に、この流体はダイヤフラム内のパイロットホールと呼ばれる小さな通路を通って上部チャンバーに流れ込みます。ソレノイドコイルに通電されると、プランジャーが磁力を受けて上方に移動し、パイロットホールが開きます。この開口部によって、上部チャンバーと下部チャンバーの間に圧力差が生じます。パイロットホールは、上部チャンバーに常に流体を供給する別の小さな絞りオリフィスよりも大きいため、パイロットホールが開くと、上部チャンバーから流体が補充される速度よりも速い速度で排出されます。上部チャンバーの急激な圧力低下と、下部チャンバーの高圧がダイヤフラムのより広い表面積に作用することで、ダイヤフラムが押し上げられます。ダイヤフラムが押し上げられると、メインオリフィスが開き、バルブを通過する流体の量が大幅に増加します。コイルへの通電が停止すると、パイロットホールが閉じ、上部チャンバーと下部チャンバーの圧力が均等になり、ダイヤフラムが閉位置に戻り、流れが停止します。
圧力要件：バルブの作動
動作メカニズムにより、バルブの種類ごとに異なる圧力要件が存在します。
直動式ソレノイドバルブ：直動式バルブは、ソレノイドコイルによって発生する磁力のみを利用して、バルブを閉じた状態に保持する力を克服します。そのため、作動に最低限の流体圧力は必要ありません。入口圧力がゼロの場合でも効果的に機能するため、重力供給や真空状態が存在するアプリケーションに適しています。低圧または無圧力で動作できるこの能力は、特定のシステムにおいて大きな利点となります。
パイロット操作式ソレノイドバルブ：これとは対照的に、パイロット操作式バルブは、入口と出口の圧力差を利用してメインバルブを作動させます。パイロット機構が正しく機能するには、最低限の圧力が必要です。通常、この最小動作圧力は約0.5 bar（または設計に応じてそれに近い値）です。この要件は、スプリングの力を克服してメインオリフィスを開くために、ダイヤフラム両端に十分な圧力差を生み出す必要があることに起因します。入口圧力がこの最小閾値を下回ると、バルブは完全に開かないか、全く開かない可能性があります。
消費電力：電力需要
各バルブの作動方法も消費電力に影響します。
直動式ソレノイドバルブ：直動式バルブは、ソレノイドコイルが重力、流体圧力、およびバネ力に逆らってプランジャーを直接持ち上げるのに十分な磁力を発生させる必要があるため、比較的高い電力入力を必要とします。この直接動作にはより強い電磁場が必要となり、特に初期作動時には電流が増加し、消費電力が増加します。一部の直動式バルブは保持電流が低い場合もありますが、初期の電力サージはパイロット操作式バルブに比べて一般的に高くなります。
パイロット操作式ソレノイドバルブ：パイロット操作式バルブは一般的に消費電力が低くなります。これは、ソレノイドコイルが小さなパイロット機構を作動させるだけで済むため、メインバルブのポペットまたはプランジャーを直接持ち上げるよりも力が少なくて済むためです。メインバルブを開くための主な力は、流体自体の圧力差によって生じます。パイロット機構が作動すると、メインバルブを開く作業の大部分は流体圧力によって行われます。この間接作動方式は電気エネルギー消費量を低減し、特にバルブの切り替え頻度が高い用途において、エネルギー効率を高めます。
応答時間：動作速度
それぞれの機構に固有の違いも、これらのバルブが電気信号の変化にどれだけ速く応答できるかに影響します。
直動式ソレノイドバルブ：直動式バルブは応答時間が速いです。ソレノイドがポペットまたはプランジャーの動きを直接制御するため、コイルへの通電または遮断時にバルブはほぼ瞬時に開閉します。パイロット操作バルブのように、圧力差の発生に伴う遅延はありません。この高速応答性により、直動式バルブは、高速サイクルシステムや迅速な遮断が求められるシステムなど、流体の流量を正確かつ迅速に制御する必要があるアプリケーションに最適です。
パイロット操作式ソレノイドバルブ：パイロット操作式バルブは、通常、直動式バルブに比べて応答時間が遅くなります。この遅延は、パイロット穴が開いた後、上部チャンバー内で圧力差が生じるのに必要な時間によって発生します。ダイヤフラムを動かしてメインバルブを開くために必要な圧力不均衡を作り出すには、流体を上部チャンバーから流出させる必要があります。この2段階のプロセスにより、バルブの動作にわずかな遅延が生じます。この遅延は多くのアプリケーションでは無視できるかもしれませんが、迅速な応答が不可欠なシステムでは重要な要素となる可能性があります。
設計の複雑さ：バルブ構造の複雑さ
バルブの基礎となるメカニズムは、当然のことながら、バルブ設計の複雑さにも影響を与えます。
直動式ソレノイドバルブ：直動式ソレノイドバルブの設計は、一般的にシンプルでコンパクトです。主にソレノイドコイル、プランジャーまたはポペット、スプリング、そしてオリフィスを備えたバルブ本体で構成されています。このシンプルな設計は、信頼性とメンテナンスの容易さに貢献しています。可動部品が少ないということは、故障の原因となる箇所も少なくなることを意味します。
パイロット操作式ソレノイドバルブ：パイロット操作式ソレノイドバルブは、パイロット機構、ダイアフラム、そしてパイロット操作に必要な追加の流体通路を備えているため、設計がより複雑になります。この複雑さにより、比較的小型のソレノイドコイルでより高い流量と圧力に対応できますが、同時に部品数も増えるため、製造とメンテナンスの複雑さが増す可能性があります。しかし、適切な用途においては、この複雑さは、流量と電力効率という点で得られるメリットと引き換えに、多くの場合、価値のあるトレードオフとなります。