JP2007278516A - 圧力脈動吸収装置 - Google Patents

Abstract

【課題】材料劣化による脈動吸収機能の低下を抑えて耐久性を向上させながら、高い脈動吸収効果を得る。
【解決手段】液圧回路におけるＬ字形に屈曲した主配管２の屈曲部分に、主配管２よりも断面積が大きい拡張室１５を、拡張室１５の一端部が主配管２の流路の一部を構成する状態で設け、この拡張室１５内に、連続した隙間での粘性抵抗によって圧力脈動を減衰させる多孔質材料を設けて脈動吸収体１７を構成した。
【選択図】図１３

Description

本発明は油圧回路等の液圧回路に発生する圧力脈動を吸収する圧力脈動吸収装置に関するものである。

油圧回路を例にとって説明する。

油圧ショベル等の油圧式建設機械に用いられている油圧回路においては、油圧ポンプの機械的構造に起因する圧力の脈動や、バルブの切換、衝撃荷重の作用等によるサージ圧（広義では圧力の脈動であり、この明細書において「圧力の脈動」に含む）が発生し、この脈動によって発生する音が機械から外部に放射されて騒音問題となっている。

従来の油圧回路では、この圧力脈動を吸収する手段として、アキュムレータやサイドブランチが一般に用いられている。

しかし、アキュムレータは、高価であるうえに、内封されたガスの管理等のメンテナンスに手間がかかる等の問題があった。

また、後者のサイドブランチでは、脈動吸収効果が得られる周波数の帯域幅が限定されるため、脈動周波数が１００Ｈｚから数ＫＨｚの広い範囲で存在する建設機械の油圧回路ではカバーし切れず、とくに、人間の聴力の感度が高い１ＫＨｚ前後の高周波数域の脈動が吸収され難い。

一方、これらの難点を克服するために、特許文献１、２に示されているように、独立気泡を含む弾性体（ゴム）の圧縮・膨張運動を利用して脈動を減衰させる技術が提案されている。
特開２０００−２３９３号公報 特開２０００−５５２５０号公報

ところが、この公知技術によると、建設機械の油圧回路のように高圧下で使用される場合に弾性体の耐久性が問題となる。

とくに、高周波数帯域での減衰性能を得るためには、必然的に柔らかい弾性体を用いざるを得ず、この柔らかい弾性体が、高圧・高温下で、脈動によって圧縮・膨張を繰り返すことによって激しく疲労し、経時劣化による圧力脈動吸収性能の低下が著しいという問題がある。

そこで本発明は、高い脈動吸収効果を確保しながら、材料の経時劣化による脈動吸収性能の低下を抑え、耐久性を向上させることができる圧力脈動吸収装置を提供するものである。

本発明は、液圧回路におけるＬ字形に屈曲した主配管の屈曲部分に、主配管よりも断面積が大きい拡張室を、拡張室の一端部が主配管の流路の一部を構成する状態で設け、この拡張室内に、連続した隙間での粘性抵抗によって圧力脈動を減衰させる多孔質材料を設けて脈動吸収体を構成したものである。

本発明によると、基本的な効果として、連続した隙間を備えた多孔質の脈動吸収体を液体が通過するときの粘性抵抗によって圧力脈動を減衰させるため、材料（ゴム）そのものの圧縮・膨張運動によって脈動減衰作用を得る公知の技術と比較して、高い脈動吸収効果を確保しながら、材料の経時劣化が遙かに低く、所期の脈動吸収性能を長期に亘って維持することができる。すなわち、装置の耐久性を格段に向上させることができる。

また、脈動吸収効果に関して、第１に、主配管よりも断面積が大きい拡張室内に多孔質材料を設けて脈動吸収体を構成したから、脈動吸収体の表面積、すなわち圧力液体との接触面積を大きくして脈動減衰作用が行われる範囲を広くとることができる。

第２に、拡張室をＬ字形の屈曲部分に、拡張室の一端部が主配管の流路の一部を構成する状態で設けたから、サイドブランチ方式をとりながら、主配管内を直進してきた圧力波が脈動吸収体に正面から確実に当たることにより、効率良く脈動を吸収することができる。

この二点により、装置全体として脈動減衰効果を一段と高めることができる。

本発明の実施形態の説明に先立って、実施形態の理解を容易にするための参考形態を図１〜図１２によって説明する。

以下の参考形態及び実施形態では適用対象として油圧回路を例にとっている。

第１参考形態（図１〜図４参照）
図１において、１は油圧ポンプ、２はこの油圧ポンプ１に接続された主配管２で、この主配管２がコントロールバルブ３を介して図示しない油圧シリンダ、油圧モータ等の油圧アクチュエータに接続されている。

主配管２の途中には、先端が閉じたサイドブランチ４が直角方向に分岐して設けられている。

サイドブランチ４の長さ（入口から先端内面までの距離）Ｌは、基本的には、吸収しようとする圧力脈動の波長λの１／４に設定され、公知のように油圧ポンプ１の運転、バルブ３の切換、衝撃負荷等によって主配管２内に発生した圧力脈動がサイドブランチ４内に進入してその先端面で反射し、位相が反転した状態でサイドブランチ４の入口部分に戻って主配管２内の脈動と干渉し合うことで減衰作用が発揮される。

この圧力脈動吸収装置においては、サイドブランチ４内全体に、連続した多数の隙間を備えた多孔質材料５が充填されて脈動吸収体６が構成されている。

多孔質材料５は、たとえば油圧回路における作動油濾過用のオイルフィルタの濾紙として使用されているセルロース繊維やガラス繊維等を円板状に加工した紙を多層に重ねて構成される。あるいは、これら濾紙材料となる繊維や金属製の多孔質材料（たとえばスチールウール）を絡み合わせて層状に形成したものをサイドブランチ４内に充填してもよいし、これら多孔質材料を円板状や層状に加工せずに、単にサイドブランチ４内に詰め込むだけでもよい。

この構成において、主配管２からサイドブランチ４内に進入した圧力脈動は、サイドブランチ先端に向かって多孔質材料５中の多数の隙間を通過し、その際に粘性抵抗を受けることによって減衰する。

このように、連続した隙間を通過するときの粘性抵抗によって圧力脈動を減衰させるため、材料（ゴム）そのものの弾性運動によって脈動減衰作用を得る公知の技術と比較して、材料の経時劣化が遙かに低くなる。このため、一定の脈動吸収性能を長期に亘って維持することができる。

しかも、この脈動吸収体６によると、サイドブランチ４による脈動の干渉減衰作用と、多孔質材料５の粘性抵抗による減衰作用の双方が同時に働くため、主配管中に弾性体を設けただけの公知技術よりも高い脈動吸収効果を得ることができる。

たとえば、油圧ポンプ１の運転によって発生した圧力脈動が主配管２内を伝播する際、主配管２内で生じる気柱共鳴現象によって定在波が発生し、図２の実線で示すように特定の周波数域で圧力脈動が増幅される場合があるが、脈動吸収体６を設けることにより、同図の破線で示すように高次の共鳴成分を低減することができる。

また、この装置による脈動吸収作用を確認するために発明者が行った実験の結果を次に示す。

実験１
セルロース繊維からなる多孔質の紙材を円板状に加工し、これを多層に重ねて、長さ３００ｍｍのサイドブランチ４内に充填して脈動吸収体６を構成し、この場合の垂直入射吸音率（脈動吸収率）を測定した。

その結果、図３に示すように５００Ｈｚ以上の周波数域で脈動低減効果が得られた。

実験２
上記実験１と同じ構成の脈動吸収体６について、図１中に破線で示すように脈動吸収体６の前後の伝達関数（Ｐ２／Ｐ１）を圧力センサ７，８によって測定した。油圧ポンプ１は９本ピストンのものを用い、回転数は１０００ｒｐｍ、圧力は１５ＭＰａとした。

その結果、図４に示すように、脈動吸収体６を設けない場合（破線）では、９００Ｈｚ、１８００Ｈｚ、２３００Ｈｚの周波数付近に定在波による共振ピークが発生していたのに対し、脈動吸収体６を設けた場合（実線）では、この各共振ピークが５〜１０ｄＢ程度減衰した。また、とくに高周波域での卓越ピークが低減するため、聴覚上耳障りな騒音を低減することができる。

第２参考形態（図５〜７参照）
図５，６に示すように、主配管２から分岐したサイドブランチ４（たとえば内径１９ｍｍ、長さ１５０ｍｍ）に、複数本（同３８本）の細管９…（同内寸１ｍｍ、外寸３ｍｍ、長さ１５０ｍｍ）が挿入されることにより、全体として多孔質となった脈動吸収体１０が構成されている。

この構成によると、脈動が、多孔質材料を構成する各細管９…内を通過する際に、管壁から受ける粘性抵抗によって減衰効果を得ることができる。

上記括弧内の設定で脈動吸収率を測定した結果、図７に示すように周波数が高くなるほど高い脈動減衰効果が得られた。

第３参考形態（図８〜図１０参照）
図８，９に示すように、主配管２から分岐して設けられたサイドブランチ４の入口部分に、多数の小孔１１…を有する多孔板１２が設置されることにより多孔質の脈動吸収体１３が構成されている。

具体例を挙げると、厚さ０．５ｍｍのアルミニウム板に直径０．５ｍの小孔１１…が設けられて多孔板１２が形成され、この多孔板１２が、内径１９ｍｍ、長さ１５０ｍｍのサイドブランチ４の入口部分に設置されている。

この構成によると、脈動が多孔板１２の小孔１１…を通過する際に粘性抵抗を受けることによって減衰される。

上記具体例での脈動吸収率の測定結果を図１０に示す。ここでは、小孔数を９個（○印）、１７個（※印）、２５個（□印）とした場合の測定結果を示している。

第４参考形態（図１１，１２参照）
第４参考形態においては、第３参考形態を発展させた構成として、図１１に示すように、サイドブランチ４内の長さ方向複数個所（たとえば図示のように入口部分、中間部分、先端部分の３個所。この例で説明する）に多孔板１２ａ，１２ｂ，１２ｃが、互いの間及びサイドブランチ端面との間に空間Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３が形成されるように間隔を置いて設けられることによって脈動吸収体１４が構成されている。

この構成によると、限られた空間（サイドブランチ４）内で、各多孔板１２ａ，１２ｂ，１２ｃによる３段階の脈動減衰作用が働くため、より高い脈動吸収性能を得ることができる。

また、この実施形態においては、図１２（イ）（ロ）（ハ）に示すように、各多孔板１２ａ，１２ｂ，１２ｃの小孔１１…の直径は同一で、個数がサイドブランチ先端に向かって漸減する設定とされている。

こうすれば、多孔板１２ａ，１２ｂ，１２Ｃでの液体の通過抵抗が、サイドブランチ先端に向かうに従って漸次大きくなるため、脈動がサイドブランチ４の先端まで到達し易く、脈動吸収作用を効率良く働かせることができる。

なお、これと同様の効果を得る他の手段として、多孔板１２ａ，１２ａ，１２ｃの小孔１１の個数は同一とし、孔径をサイドブランチ先端に向かうに従って小さくしてもよい。

本発明の実施形態を図１３によって説明する。

主配管２の途中に、主配管２よりも内径及び外径（断面積）が大きい拡張室１５が設けられ、この拡張室１５内に、第１参考形態の多孔質材料５と同様の多孔質材料１６が挿入されて脈動吸収体１７が構成されている。

ここで、拡張室１５は、主配管２のＬ字形の屈曲部分に、一端部１５ａが主配管２の流路の一部を構成する状態で設けられ、この一端部１５ａ以外の部分に多孔質材料１６が設けられている。

この実施形態によると、主配管２よりも断面積が大きい拡張室１５内に多孔質材料１６を設けて脈動吸収体１７を構成したから、脈動吸収体１７の表面積、すなわち圧力液体との接触面積が大きくなり、脈動減衰作用が行われる範囲を広くとることができる。

また、拡張室をＬ字形の屈曲部分に、拡張室の一端部が主配管の流路の一部を構成する状態で設けたから、サイドブランチ方式をとりながら、主配管内を直進してきた圧力波が脈動吸収体に正面から確実に当たることにより、効率良く脈動を吸収することができる。

この二点により、脈動吸収効果を一段と高めることができる。

なお、この実施形態の変形形態として、拡張室１５内に第２参考形態（図５，６）の複数本の細管９…、または第３、第４参考形態（図８，９，１１，１２）の多孔板１２、１２ａ，１２ｂ，１２ｃを設けて脈動吸収体を構成してもよい。

また、本発明は油圧回路に限らず、水圧回路にも適用することができる。

本発明の第１参考形態にかかる圧力脈動吸収装置の構成を示す図である。 同装置による定在波の低減効果を示す図である。 同装置による脈動吸収率を示す図である。 同装置による脈動吸収効果（主配管内の圧力の伝達関数）を、同装置が無い場合と比較して示す図である。 本発明の第２参考形態にかかる圧力脈動吸収装置の構成を示す図である。 図５のＶＩ−ＶＩ線拡大断面図である。 同装置による脈動吸収率を示す図である。 本発明の第３参考形態にかかる圧力脈動吸収装置の構成を示す図である。 図８のＩＸ−ＩＸ線拡大断面図である。 同装置による脈動吸収率を示す図である。 本発明の第４参考形態にかかる圧力脈動吸収装置の構成を示す図である。 （イ）（ロ）（ハ）は同装置における３枚の多孔板の拡大断面図である。 本発明の実施形態にかかる圧力脈動吸収装置の構成を示す図である。

符号の説明

１ 油圧回路の油圧ポンプ
２ 同主配管
１５ 拡張室
１６ 多孔質材料
１７ 脈動吸収体

Claims (1)

1. 液圧回路におけるＬ字形に屈曲した主配管の屈曲部分に、主配管よりも断面積が大きい拡張室を、拡張室の一端部が主配管の流路の一部を構成する状態で設け、この拡張室内に、連続した隙間での粘性抵抗によって圧力脈動を減衰させる多孔質材料を設けて脈動吸収体を構成したことを特徴とする圧力脈動吸収装置。

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