JP2008039060A - 流体圧機器のシール構造及びカウンターバランス弁 - Google Patents

Abstract

【課題】移動体の両側に圧力差の少ない流体圧が作用するという困難な条件下でも、シール性と低摩擦性を確保できるような流体圧機器のシール構造を提供する。
【解決手段】流体密な筒体１と、この筒体１内で流体圧を受けて摺動する移動体２とからなり、筒体１に形成したシール溝３と、このシール溝３にはめ込んだＯリング４とを備えた流体機器のシール構造１０であって、移動体２の両側に圧力差の少ない流体圧が作用した状態が維持されるような態様で用いられ、シール溝４の溝深さＨをＯリング４に対するシール溝の規格値Ｈ′より大きくし、溝幅Ｗを規格値Ｗ′より小さくした。
【選択図】図１

Description

本発明は、流体密な筒体と、この筒体内で流体圧を受けて摺動する移動体とからなり、前記筒体か前記移動体のいずれか一方に形成したシール溝と、このシール溝にはめ込んだＯリングとを備えた流体圧機器のシール構造、及び、このシール構造を用いたカウンターバランス弁に関する。

カウンターバランス弁は、例えば、特許文献１にも記載されているように、複動流体圧シリンダのロッド側及びボトム側と、流体圧ポンプ及び流体圧タンクとを、４ポート切換弁で連結した流体圧回路において、前記複動流体圧シリンダから前記流体タンクへの戻り側に設けられる。

このカウンターバランス弁は、パイロット回路を備え、負荷の変動に対して背圧を前記流体タンクの戻り側に立てて、これによりスプールを移動させて、複動流体圧シリンダのピストン速度が過剰になるのを押さえるカウンタバランス機能を備えている。

このようなカウンタバランス機能が十全に発揮されるようにするため、このカウンターバランス弁では、シール構造において、移動体であるスプールの移動を良好にする必要ある。このため、シールによる摺動抵抗を小さくするため、シール溝の深さを大きくして、Ｏリングの締め代を小さくしたシール構造が試みられた。

しかし、この流体圧回路では、複動流体圧シリンダに作用する負荷を保持する状態では、切換弁のポートがブロックされることで、流出入ポート（特許文献１の符号２）に圧力がこもり、移動体であるスプールの両側に圧力差の少ない流体圧が作用した状態となることがある。

その場合、上記のようなシール構造では、Ｏリングが軸方向に移動する際に起こると考えられる作動流体の漏れが発生し、シール性能を十分に発揮することができないことが解った。

つまり、特許文献１に示すようなカウンターバランス弁では、移動体であるスプールと、このスプールを移動可能に収容する筒体との間のシールは、この移動体か筒体のどちらか一方に設けたシール溝と、このシール溝に嵌め込まれるＯリングからなるシール構造によって行われているが、上記シール性と、移動体のスムーズな移動、つまり、摩擦抵抗を少なくすることとを両立させることが求められている。

しかしながら、摩擦を少なくするためには、Ｏリングのつぶし代を少なくして、Ｏリングと移動体との接触面積を小さくすればよいが、上記負荷保持時のシール性が低下しまう。つまり、シール性と低摩擦性とは相反するものであり、双方を同時に達成することは一般に困難であると考えられていた。

特許文献１では、そのような解決課題の記載もなく、解決手段も記載はされていなかった。
特開２０００−３５１４７号公報（図１）

本発明は、上記問題を改善しようとするもので、移動体の両側に圧力差の少ない流体圧が作用するという困難な条件下でも、シール性と低摩擦性を確保できるような流体圧機器のシール構造、及び、このシール構造を用いたカウンターバランス弁を提供することを目的としている。

本発明の流体圧機器のシール構造は、流体密な筒体と、この筒体内で流体圧を受けて摺動する移動体とからなり、前記筒体か前記移動体のいずれか一方に形成したシール溝と、このシール溝にはめ込んだＯリングとを備え、
前記移動体の両側に圧力差の少ない流体圧が作用した状態が維持されるような態様で用いられ、前記シール溝の溝深さを、前記Ｏリングに対するシール溝の規格値より大きくし、溝幅を規格値より小さくしたことを特徴とする。

本発明のカウンターバランス弁は、複動流体圧シリンダのロッド側及びボトム側と、流体圧ポンプ及び流体圧タンクとを、切換弁で連結した流体圧回路において、前記複動流体圧シリンダと前記切換弁との間に設けられたカウンターバランス弁であって、
前記複動流体圧シリンダの負荷保持時に、前記カウンターバランス弁の流出入ポートが前記切換弁で閉止される態様で用いられ、前記カウンターバランス弁のスプール（移動体）の前記流出入ポート側と背圧側との間のシールに前記流体圧機器のシール構造を用いたことを特徴とする上記シール構造を用いたことを特徴とする。

本発明の流体圧機器のシール構造は、前記移動体の両側に圧力差の少ない流体圧が作用した状態が維持されるような態様で用いられ、前記シール溝の溝深さを、前記Ｏリングに対するシール溝の規格値より大きくし、溝幅を規格値より小さくしたので、規格通りのシール溝とした場合に比べ、Ｏリングの径方向のつぶし代は小さくなって、Ｏリングが移動体の移動を規制する摩擦力は低減されて低摩擦性が達成される。

一方、上記のような困難な圧力条件下でも、Ｏリングと移動体あるいは筒体との接触面積はあまりかわらないので、シール性は維持される。

結果、本発明の流体圧機器のシール構造は、移動体の両側に圧力差の少ない流体圧が作用するという困難な条件下でも、シール性と低摩擦性を確保できる。

本発明のカウンターバランス弁は、上記シール構造を用いたので、上記シール構造の効果をカウンターバランス弁として発揮する。

以下、本発明の実施の形態（実施例）について、図面を用いて説明する。

図１（ａ）は、本発明の流体圧機器のシール構造の一例を概念的に示す縦断面図、（ｂ）はその横断面図、（ｃ）はその要部説明図、（ｄ）は規格上のシール構造の要部説明図である。

図１（ａ）、（ｂ）に示した流体圧機器のシール構造１０は、流体密な筒体１と、この筒体１内で流体圧を受けて摺動する移動体２とからなり、筒体１か移動体２のいずれか一方（この場合は、筒体１）に形成したシール溝３と、このシール溝３にはめ込んだＯリング４とを備えたものである。

このような構成のシール構造１０は、移動体２の両側に圧力差の少ない流体圧が作用した状態が維持されるような態様、具体的には、図２で後述するような、通常、カウンターバランス回路と称される流体圧回路のカウンタバランス弁の要部として用いられるものであり、産業上重要な役割を果たしている。

この流体圧機器のシール構造１０の特徴は、シール溝３の溝深さをＯリング４に対するシール溝の規格値より大きくし、溝幅を規格値より小さくしたことにあり、以下、詳しく説明する。

一般に、規格によれば、流体圧機器のシール構造８０は、図１（ｄ）のようになっている。この図１（ｄ）のシール構造８０において、流体密な筒体７１、移動体７２、シール溝７３、Ｏリング７４は、それぞれ、本発明のシール構造１０の筒体１、移動体２、シール溝３、Ｏリング４に相当するものである。

ここで、規格によれば、図１（ｄ）に示したように、Ｏリング７４は、自由状態のＯリング７４Ｆ（図中に２点鎖線の想像線で示す。）に対して、シール溝７３（ここでは、筒体７１側のシール溝部分と、そのシール溝への蓋体となる移動体７２の部分とを含めた概念とする。）によって、その径方向（図の上下方向）にのみ拘束され、軸方向（図の左右方向）には拘束されていないことが解る。

シール溝７３側で考えれば、その溝深さＨ′が自由状態のＯリング７４Ｆに対して小さくなり、その溝幅Ｗ′は、自由状態のＯリング７４Ｆに対して十分余裕のある寸法となっている。

しかしながら、このような規格上のシール構造８０では、径方向の拘束のみによってシール性を確保しようとするため、Ｏリング７４による移動体７２の移動を拘束する力、つまり摩擦力が過大となり、移動体７２がスムーズに移動することを要求されるカウンターバランス弁のシール構造としては採用することが適切でないと考えられた。

ここで、シール溝の溝深さを規格より大きくすれば、この摩擦力を小さくすることができるが、それでは、背景技術で説明した通りシール性が低下することとなる。

そこで、本願発明者は、試行錯誤と鋭意探求の結果、図１（ｃ）に示すように、シール溝３の溝深さＨを規格の溝深さＨ′より大きくする一方、その溝幅Ｗを規格の溝幅Ｗ′より小さくすることを着想し、実験の結果、そのようにすることで、シール構造１０の摩擦性を低下させながら、シール性が確保できることを確認したものである。

その科学的根拠について、現時点では、Ｏリング４の径方向（シール溝３については溝深さ方向）の拘束の場合、Ｏリング４の円形断面上の弾性反発力に加えて、Ｏリング４の全体の径方向の弾性反発力が作用するのに対し、その軸方向（シール溝３については溝幅）の拘束の場合、その円形断面上の弾性反発力だけが主に作用するので、Ｏリング４とシール溝３の特に内周部分との接触長さ（図１（ｃ）と（ｄ）を比較されたい。）を同様に確保してシール性を保持しても、この部分での押圧力つまり摩擦力が大きくならない、からではと推察されるが、正しい究明は今後の研究に委ねたい。

こうして、本発明の流体圧機器のシール構造１０によれば、シール溝３の溝深さＨをＯリング４に対するシール溝の規格値Ｈ′より大きくし、溝幅Ｗを規格値Ｗ′より小さくしたことにより、シール性、低摩擦性の双方を、移動体２の両側に圧力差の少ない流体圧が作用するという困難な条件下でも、確保することができる。

なお、上述したように、シール溝は、移動体側に設けるようにしてよいものである。

また、本発明のシール溝の具体的範囲は、その径方向の寸法許容差については、ＪＩＳ Ｂ ２４０１で規定する値とした上で、その径方向のつぶししろ（＝（Ｐ−Ｈ）／Ｐ＊１００。単位：％。但しＰはＯリングの太さ（単位：ミリ）を意味し、Ｈは図１（ｃ）に示す溝深さを意味する。また、「＊」は乗算を意味する。）の上限を１０％程度にするとになるのが特に好ましい。

つまり、ＪＩＳの規定寸法によれば、例えば、運動用ＯリングＰ２２〜Ｐ５０であれば、つぶししろの最大は１６．７％、最小は９，４％であるが、この最大（上限）を本発明においては、その６割程度の約１０％程度として、この径方向のつぶししろによる摩擦力を低減している。なお、つぶし代の最小（下限）は４％程度になる。

また、本発明のシール溝の溝幅の寸法許容差についても、ＪＩＳ Ｂ ２４０１で規定する値とした上で、上記溝深さに対して、その占有率（シール溝の断面積に対する自然状態のＯリングの断面積の占有度合いの百分率）が、最大（上限）９５％となるようにする。

このような占有率は、規定の占有率に比べ、３割弱程度大きくなるが、これにより、上記つぶししろの変化に拘わらず、シール性を確保することができる。また、上限を９５％としたのは、Ｏリングが膨潤する余裕を考慮したものである。なお、占有率の最小（下限）は８０％程度となる。

なお、上記外の呼び番号のＯリングに対しても、同様の発明思想に基づく、つぶししろ、占有率が適用可能である。

図２は、図１（ａ）〜（ｃ）のシール構造を用いたカウンタバランス弁を含んだ流体圧回路の一例を示す図である。これより、既に説明した部分と同じ部分については、同じ符号を付して重複説明を省略する。

この流体圧回路６０は、複動流体圧シリンダ１１のロッド側室１１ａ及びボトム側室１１ｂと、流体圧ポンプ１２及び流体圧タンク１３とを、四ポート切換弁１４で連結した基本構成であって、複動流体圧シリンダ１１から流体タンク１３への戻り側に設けられるカウンターバランス弁５０のスプール（移動体）２４の流体主通路（流出入ポート３３）側と背圧側との間のシールに図１（ａ）〜（ｃ）で説明したシール構造１０と同様のシール構造４３が採用されている。

カウンターバランス弁５０は、弁本体２１に流出入ポート３３およびアクチュエータポート３４を形成している。そして、流出入ポート３３は、切換弁１４の一方のポートａに接続され、アクチュエータポート３４は複動流体圧シリンダ１１のボトム側室１１ｂに接続されている。

切換弁１４の他方のポートｂはシリンダ１１のロッド側室１１ａに接続されている。切換弁１４は図示の中立位置にあるとき、流体圧ポンプ１２が接続されたポンプポートｃおよび流体圧タンク１３が接続されたタンクポートｄとポートａおよびｂとの連通が遮断されるセンタークローズドの構成となっている。

弁本体２１には、スプール孔２１ａを形成するとともに、このスプール孔２１ａの両端をキャップ２２、２３でふさいでいる。このようにした弁本体２１のスプール孔２１ａには、スプール２４を摺動自在に組み込み、その一方の端面を第１圧力室３１に臨ませ、他方の端面を第２圧力室３２に臨ませている。

この第２圧力室３２にはスプリング２５を設け、このスプリング２５のバネ力でスプール２４を図面左方向に押すようにしている。

スプール２４の上記一方の端面には、パイロットピストン２６を固定し、このパイロットピストン２６を、キャップ２２に形成したパイロット室３５に突出させている。そして、このパイロット室３５は、パイロット回路１５によって切換弁１４のポートｂ（シリンダ１１のロッド側室１１ａとも接続されている。）に接続されている。

スプール２４の第１圧力室３１側の受圧面積は、パイロットピストン２６の分だけ、第２圧力室３２側の受圧面積よりも小さくなる。また、スプール２４の外周には、環状凹部２４ａを形成しているが、この環状凹部２４ａはスプール２４の移動位置に係わりなく、アクチュエーターポート３４に常時連通されている。

この環状凹部２４ａに連続してテーパ部が形成されているが、このテーパ部は、弁本体２１のスプール孔２１ａに形成された環状凸部と相まって制御部３７を構成している。

この制御部３７は、スプール２４が図示のノーマル位置にあるとき全閉状態を保ち、このノーマル位置からスプリング２５のバネ力に抗してスプール２４が図の右方向に移動したときに、この制御部３７が徐々に開くようになっている。つまり、スプール２４の移動位置に応じて、この制御部３７の開度が制御されることになる。

また、スプール２４の外周にはポペット部分が形成されているが、このポペット部分は、スプール２４の対応したシート部分と共にポペット弁３８を構成し、このポペット弁３８を構成するポペット部分とシート部分とは、圧接、離間して開閉の機能を持つ。

このポペット弁３８は、スプール２４が図示したノーマル位置にあるとき閉止状態となり、このポペット弁３８が開くと、流出入ポート３３と流路４５とが連通している結果、上記制御部２７と流出入ポート３３とが連通することになる。図中符号２７はチェック弁で、スプール２４に形成した流路４５からアクチュエータポート３４への流通のみを許容するものである。

このような構成のカウンターバランス弁５０において、本発明のシール構造に相当する部分が、第２圧力室３２側のシール構造４４であり、このシール構造４４は、流体密な筒体であるキャップ２３と、移動体であるスプール２４とを備え、このスプール２４との摺動面であってキャップ２３側に形成したシール溝４１にＯリング４２とバックアップリング４３とを組み込んだものである。

このシール構造４４は、第２圧力室３２（背圧側となる。）内の作動流体が、流出入ポート３３（流体主通路側となる。）側に流れないようにするためのものである。

なお、シール構造４４に備えられたバックアップリング４３は、シール構造４４に高い差圧が作用する場合に、Ｏリング４２の変形を少なくするために補助的に用いられるもので、そのような高い差圧が作用しない場合には、必ずしも必要なものではない。

ここで、カウンターバランス弁５０の作用を説明する。今、切換弁１４を図示の中立位置から、右側位置Ｒに切り換えると、ポートａとポンプポートｃとが連通し、ポートｂとタンクポートｄとが連通する。

したがって、流体圧ポンプ１２からの作動流体が、流出入ポート３３からスプール２４に形成した流路４５に流入する。この流路４５に流入した作動流体は、チェック弁２７を押し開いて、アクチュエータポート３４からシリンダ１１のボトム側室１１ｂに供給される。

シリンダ１１のロッド側室１１ａの作動油はポートｂからタンクポートｄを経由して流体圧タンク１３に戻され、負荷ＷＡが上昇する。このように負荷ＷＡを上昇させるために、切換弁１４を右側位置Ｒに切り換えたときには、流体圧ポンプ１２の作動流体がチェック弁２７を経由してボトム側室１１ｂに流れる自由流れの状態になる。

上記の状態から、切換弁１４を再び図示の中立位置にもどすと、負荷ＷＡがその位置を保持する。この時のシリンダ１１の負荷圧は、第１、２圧力室３１、３２のそれぞれに導かれる。

すなわち、上記負荷圧は、アクチュエータポート３４→チェック弁２３に形成した第１連通路２８→ダンパオリフィス２９を経由して第１圧力室３１に導かれる。これと同時に、その負荷圧は、スプール２４に形成した第２連通路３６およびダンパオリフィス３１を経由して第２圧力室３２にも導かれる。

この時に、第２圧力室３２側の受圧面積の方が、第１圧力室３１側の受圧面積よりも大きいので、スプール２４は、そのポペット弁３８の閉止方向の力を受けて、ポペット弁３８が完全に閉止される。このようにポペット弁３８が完全に閉止されれば、ボトム側室１１ｂの作動油がリークすることもなくり、負荷ＷＡは、しっかりと保持される。

この負荷保持時には、流出入ポート３３と切換弁１４のポートａとの間に圧力がこもり、この流出入ポート３３と第２圧力室３２との間の圧力が拮抗した状態、より具体的には、上述したシール構造４４のスプール（移動体）２４の両側に圧力差の少ない流体圧が作用した状態となる。

このときにシール構造４４のシール性が良好でなければ、第２圧力室３２側の作動流体が流出入ポート３３側に漏れ出てしまう。この漏れ出た作動流体の圧力が、切換弁１４に作用すると、この切換弁１４には負荷保持能力がほとんどないので、その作動流体が切換弁１４を経由してタンク１３に戻されてしまう。

このようにして第２圧力室３２の作動流体がタンク１３に戻されると、そのタンク１３に戻された流量分だけ負荷ＷＡが降下してしまう。つまり、このカウンターバランス弁５０の負荷保持能力が極端に落ちてしまう。このような観点から、第２圧力室３２側のシール構造４４のシール性は大変重要となっている。

上記の中立状態から、切換弁１４を左側位置Ｌに切り換えると、ポートＡがタンクポートｄに連通し、ポートｂがポンプポートｃに連通する。したがって、この時には、ポンプ１２から吐出される作動流体がシリンダ１１のロッド側室１１ａに直接供給される。

それとともに、ポンプ１２の吐出圧が、パイロット回路１５を介してパイロット室３５に導かれるので、スプール２４がこのパイロット室３５の圧力作用で、スプリング２５に抗して図面右方向に移動する。

スプール２４が図面右方向に移動すれば、制御部３７がその移動量に応じて開くとともに、ポペット弁３８も開く。また、この時にはポートａがタンクポートｄに連通するので、シリンダ１１のボトム側室１１ｂの作動油は、制御部３７で絞られながら、タンク１３に戻される。

こうして、切換弁１４を左側位置Ｌに切り換えたときには、シリンダ１１の負荷ＷＡが、制御部３７で制御されながら、その速度が過度にならないように調整されながら下降することになる。

このような流体圧回路６０において、複動流体圧シリンダ１１、四ポート切換弁１４と共に用いられるカウンタバランス弁５０のスプール２４のシールに用いられるシール構造４４は、そのカウンタバランス弁５０のカウンターバランス機能故に、負荷ＷＡ保持時には、スプール２４の両側に差圧の少ない流体圧が作用した状態でそのシール性を発揮する必要がある。

ここで、このシール構造４４は、図１（ａ）〜（ｃ）で説明したシール構造１０と同様の構成を備えているので、そのような困難な状況下でも、良好なシール性を発揮し、かつ、スプール２４の円滑な移動を補償する低摩擦性も発揮する。

このようなシール構造４４の効果は、そのシール構造４４を備えたカウンタバランス弁５０においては、カウンターバランス弁として発揮される。

流体圧機器のシール構造及びカウンターバランス弁は、上記の実施例に限定されず、特許請求の範囲に記載された範囲、実施例の範囲で、種々の変形例、組み合わせが可能である。

本発明の流体圧機器のシール構造及びカウンターバランス弁は、移動体の両側に圧力差の少ない流体圧が作用するという困難な条件下でも、シール性と低摩擦性を確保することが要請される産業分野に用いることができる。

（ａ）は、本発明の流体圧機器のシール構造の一例を概念的に示す縦断面図、（ｂ）はその横断面図、（ｃ）はその要部説明図、（ｄ）は規格上のシール構造の要部説明図 図１（ａ）〜（ｃ）のシール構造を用いたカウンタバランス弁を含んだ流体圧回路の一例を示す図

符号の説明

１ 筒体
２ 移動体
３ シール溝
４ Ｏリング
１０ 流体圧機器のシール構造
１１ 複動流体圧シリンダ
１１ａ ロッド側流体室
１１ｂ ボトム側流体室
１２ 流体圧ポンプ
１３ 流体圧タンク
１４ 四ポート切換弁
２３ キャップ（筒体）
２４ スプール（移動体）
４１ シール溝
４２ Ｏリング
４４ 流体圧機器のシール構造
５０ カウンターバランス弁
６０ 流体圧回路

Claims (2)

1. 流体密な筒体と、この筒体内で流体圧を受けて摺動する移動体とからなり、前記筒体か前記移動体のいずれか一方に形成したシール溝と、このシール溝にはめ込んだＯリングとを備えた流体圧機器のシール構造であって、
   前記移動体の両側に圧力差の少ない流体圧が作用した状態が維持されるような態様で用いられ、前記シール溝の溝深さを、前記Ｏリングに対するシール溝の規格値より大きくし、溝幅を規格値より小さくしたことを特徴とする流体圧機器のシール構造。
2. 複動流体圧シリンダのロッド側及びボトム側と、流体圧ポンプ及び流体圧タンクとを、切換弁で連結した流体圧回路において、前記複動流体圧シリンダと前記切換弁との間に設けられたカウンターバランス弁であって、
   前記複動流体圧シリンダの負荷保持時に、前記カウンターバランス弁の流出入ポートが前記切換弁で閉止される態様で用いられ、
   前記カウンターバランス弁のスプール（移動体）の前記流出入ポート側と背圧側との間のシールに請求項１記載の流体圧機器のシール構造を用いたことを特徴とするカウンターバランス弁。

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