JP2009092188A

JP2009092188A - 流体制御弁

Info

Publication number: JP2009092188A
Application number: JP2007265453A
Authority: JP
Inventors: Takashi Murayama; 隆村山
Original assignee: Advics Co Ltd
Current assignee: Advics Co Ltd
Priority date: 2007-10-11
Filing date: 2007-10-11
Publication date: 2009-04-30
Anticipated expiration: 2027-10-11
Also published as: JP5071029B2

Abstract

【課題】流体制御弁の弁部を構成する弁体の作動の安定性を向上させ、その安定化によって圧力振動やそれに起因した騒音などを低減させることを課題としている。
【解決手段】弁ハウジング２に形成された弁室１１に弁体３を配置し、その弁体３と弁座４とで構成される弁部５で弁室１１の導入された流体の流量を制御して弁部５の下流の流路１３に流すように構成された流体制御弁において、流体導入口１２から弁室１１に導入されて弁部５に向う流体を、弁体３を軸にした螺旋の渦流にして弁体の外周に添って流す渦流発生機構１５を設けた。
【選択図】図１

Description

この発明は、ブレーキ液圧の制御などに好適に利用できる流体制御弁に関する。

首記の流体制御弁として、例えば、下記特許文献１に開示されたブレーキ液圧制御用の電磁弁がある。特許文献１が開示しているその電磁弁は、弁部を境にした液圧回路の上流側（マスタシリンダ側）と下流のホイールシリンダ側の接続状態を弁座に対する弁体の接離状態を変化させて切り替える。弁体の駆動は、コイルで発生させた磁力とばねの力を利用して行われる。

なお、特許文献１が開示している電磁弁は、弁部を単に開閉する単純な切換弁であるが、弁体の位置を上記切換弁よりも多段階に制御して弁部の開度を変化させ、その弁部の開度に応じた量の流体を通過させる流体制御弁もある。その種の流体制御弁としては、例えば、コイルへの通電電流を制御して通電電流に比例した量の流体を通過させるいわゆる比例電磁弁や、弁体の位置の制御が流体の圧力差を利用して行われる応圧型の流体制御弁などがある。

この種の流体制御弁の中に、弁体として、スプール弁以外の弁、例えば、ボール弁、ポペット弁、ニードル弁などを採用したものがある。そのタイプの流体制御弁は、弁室の周囲に設けられた通路から前記弁室に流体を出入りさせる構造になっており、弁室に流入した流体は弁室に収容された弁体の表面に接して流れる。
特表２０００−５１７２６４号公報

ボール弁、ポペット弁、ニードル弁などを弁体として採用し、その弁体を弁座の座面（シート面）に接離させて流体の流量を制御する（ここで言う流量制御は、圧力制御のための流量制御も含む）流体制御弁は、上流の弁室から弁部経由で弁部の下流の流路に流体を送り出すときの流れを順方向としてその順方向に流れる流体を制御するときに下記の問題を生じることがある。

すなわち、弁体が表面の各部に作用する流体圧の僅かな差で振動する。例えば、図９に模式的に示すように、弁体の周囲において同弁体の周方向の一部にのみ圧力の高い順方向の流れが生じると、流れに対応する弁体の表面には周方向の一部においてのみ径方向に高圧が作用することとなり、弁体にはこれに起因した振動が生じることになる。そのために、弁座からの浮動量が微小となる位置に弁体が保持されて緻密な流量制御がなされる流体制御弁においては特に、弁体が弁座に当たり、圧力振動を発生させ、これが不快な音を発生させる原因となっていた。

この発明は、上述した流体制御弁について弁体の作動の安定性を向上させ、その安定化によって圧力振動やそれに起因した騒音などを低減させることを課題としている。

上記の課題を解決するため、この発明においては、弁ハウジングと、その弁ハウジングに形成された弁室に配置される弁体と、その弁体と組み合わせて弁部を構成する弁座とを有し、前記弁ハウジングに形成された流体導入口から前記弁室に導入される流体を、前記弁部で流量を制御して下流に設けられた流路に流すように構成された流体制御弁において、
前記流体導入口から前記弁室に導入されて前記弁部に向う流体を、前記弁体を軸にした螺旋の渦流にして弁体の外周に添って流す渦流発生機構を設けた。

この流体制御弁の好ましい形態を以下に列挙する。
（１）前記弁体を、中心の軸を支点にした回転が許容されるように保持し、前記螺旋の渦流でその弁体が回転するようにしたもの。
（２）前記弁体をコイルばねで付勢して初期位置（開弁位置又は閉弁位置）に復帰させる制御弁であって前記（１）の構成を採用しており、なおかつ、前記コイルばねの巻き方向を前記渦流発生機構で発生させる螺旋の渦流の巻き方向と一致させ、このコイルばねの一端であって同コイルばねを構成する線材の先端が弁体の周方向において前記渦流の巻き方向と同じ方向を臨む一端を前記弁体又はその弁体と一体となって回転する部材に当接させたもの。
（３）前記流体導入口を複数設け、その複数の流体導入口を前記弁室の内周面に開口させ、各流体導入口を前記弁体の中心よりも径方向外側に向けてこの複数の流体導入口で前記渦流発生機構を構成したもの。
（４）前記複数の流体導入口を、前記弁体の周囲に、好ましくは弁体から等距離を保って周方向に等間隔で配置したもの。
（５）前記流体導入口の各々を、前記弁室に対して流体が前記弁部のある側に向けて前記弁体の軸に対し斜めに導入される方向に傾けたもの。
（６）前記弁体の前記弁座と向かい合う側とは反対側（後部側）に前記流体導入口を配置し、さらに、前記弁体の外周に添って同弁体の軸に対しねじれた流体ガイドを設け、その流体ガイドで前記渦流発生機構を構成したもの。
（７）前記流体ガイドを、前記弁体の外周、又は前記弁室の内周に設けた螺旋の溝、螺旋の凸条、もしくは、ねじれた羽根で形成したもの。
（８）前記流体ガイドを前記弁体と前記弁室の内周面との間にコイルばねを配置してそのコイルばねで形成したもの。

この発明の流体制御弁は、流体が順方向に流れるとき（弁室から下流の流路に向って流れるとき）に弁体の周囲に螺旋の渦流を発生させるので、弁体の各部に作用するベクトル量のばらつきが小さくなって弁体の各部に働く力のバランスが良くなり、力のバランスの崩れ（圧力差）に起因した弁体の振動が抑制される。例えば、図１０に模式的に示すように、弁体の周囲において圧力の高い流れが生じたとしても、この流れは螺旋状であるため、これに起因して弁体の表面に作用する高い圧力は、従来の順方向の流れに起因するものと比較して、弁体の周方向に亘って広く作用する。そのために、弁体の表面に作用する上記圧力のベクトル和は小さくなり、この圧力に起因した弁体の振動が抑制されることとなる。これにより、弁部が開弁して流体が順方向に流れるときの弁体の位置保持が安定し、弁体が弁座に衝突する事態が回避されて不快な異音が生じ難くなる。なお、特に、上記渦流が弁体の周囲を整数回だけ周回するように構成した場合は、弁体の表面に作用する上記圧力のベクトル和が弁体の周方向において理論上０（ゼロ）となるため、この圧力に起因した弁体の振動を皆無とすることができる。

なお、渦流によって弁体が回転するようにしたものは、弁体の回転によるジャイロ効果も得られ、弁体の保持がさらに安定する。従って、より良い振動の防止効果、異音防止効果が望める。

弁体を回転させる流体制御弁は、弁体を初期位置に復帰させるばねによって弁体の回転が阻害されないようにする必要がある。流体制御弁は、弁体の復帰をコイルばねの力に依存するものが多く、そのコイルばねと弁体との間に摩擦抵抗が発生して弁体の回転に悪影響が出ることが懸念される。その対策として、弁体を回転させる方向（螺旋の渦流の巻き方向）とコイルばねの巻き方向を一致させ、このコイルばねの一端であって同コイルばねを構成する線材の先端が弁体の周方向において前記渦流の巻き方向と同じ方向を臨む一端を弁体や弁体と一体となって回転する部材に当接させるとよい。このようにしたものは、接触相手の弁体などから回転力がコイルばねに伝わったときにこの回転力がコイルばねを巻き締めるように作用し、コイルばねの線材の上記一端が弁体に引っかかることなく滑らかに摺動するようになるため、接触部の摩擦抵抗が軽減されて弁体が回転し易くなる。

なお、複数の流体導入口を設けその流体導入口で渦流発生機構を構成したものは、後述する流体ガイドを用いずに簡単な構造で所望の渦流を発生させることができる。複数の流体導入口を弁体の周囲に周方向に等間隔で配置したものや、流体導入口の各々を、上記（５）で述べた方向に傾けたものは、ムラのない渦流が形成されて振動の抑制、異音防止の効果がより安定する。

弁体の外周に同弁体の軸に対してねじれた流体ガイドを設け、その流体ガイドで渦流発生機構を構成して螺旋の渦流を発生させるようにしたものは、軸方向の広範な領域において安定した渦流を発生させることができ、より良い振動抑制、異音防止の効果が望める。

前記流体ガイドは、螺旋の溝、螺旋の凸条、或いはねじれた羽根で形成されるものが考えられる。これらは弁体の外周や弁室の内周に設けることができる。

前記流体ガイドは、弁体と前記弁室の内周面との間にコイルばねを配置してそのコイルばねで形成することもできる。これは汎用の安価なコイルばねを使用できるので、特殊な形状の流体ガイドを設けるものに比べてコスト面で有利となる。

以下、この発明の流体制御弁の実施の形態を、添付図面の図１〜図８に基づいて説明する。図１は、液圧制御用の電磁弁（これも流体制御弁）にこの発明を適用したものである。

この電磁弁１は、弁ハウジング２と、その弁ハウジング２の内部に組み込んだ弁体３と、その弁体３と組み合わせて弁部５を構成する弁座４と、弁体３を保持した可動子（アーマチュア）６と、その可動子６を閉弁方向に付勢する（ノーマルオープン型の弁ではその付勢方向が図とは逆になる）コイルばね７と、弁ハウジング２の後部に気密封止がなされるように連結した磁性体のコア８と、そのコア８の周囲に配置されるコイル９と、そのコイル９を覆う磁性体のヨーク１０を組み合わせて構成されている。図示の電磁弁１は、コイル９が発生させる磁力を駆動力にして可動子６がコイルばね７の力に抗して図中上方に引き動かされ、弁体３が弁座４から離反して弁部５が開く。

弁ハウジング２には、弁室１１とその弁室１１の内周面に開口した流体導入口１２と、弁部５の下流側（弁室１１のある側とは反対側）に配置する流路１３が形成されており、前記弁室１１に弁体３が配置されている。弁座４は、弁ハウジング２とは別部品に設けて弁ハウジング２に組み付けているが、弁ハウジング２に一体に形成しても構わない。

図１の１４はフィルタである。また、２０は、電磁弁１を組み付ける液圧ユニットのハウジングであり、このハウジング２０に設けられた液圧回路２１から流体導入口１２経由で弁室１１に液体が導入される。その液体は、弁部５が開くとそこを通って流路１３に流れ、ハウジング２０に設けられた液圧回路２２を通ってブレーキアクチュエータなどの液圧アクチュエータ（図示せず）に供給される。

この電磁弁１は、液圧回路２２から液圧回路２１に向って逆流する液体を通すときには、液圧差で弁体３にその弁体３を弁座４から離反させる力が働くため、弁体３が弁座４に当たることはまずない。これに対し、順方向に流れる液体を制御するときには弁室１１内での液体の流れが弁室１１の各部において均一にならないため、弁体３の各部に作用するベクトル量がばらついて弁体３が振動し易くなる。図示の電磁弁１では、弁体３が弁ハウジング２にガイドされる可動子６に保持されているが、ブレーキ液圧制御用の電磁弁などに採用されている可動子６はサイズが極めて小さく、また、その可動子６と弁ハウジング２との間には摺動隙間が存在するため、この種電磁弁などにおいても液体が順方向に流れるときには弁体３が振動することがあり、それが原因で弁座４に対する弁体３の衝突が起こって音が発生する。

その問題の対策として、例示の電磁弁１には、流体導入口１２から弁室１１に導入されて順方向に流れる液体を、弁体３を軸にした螺旋の渦流にして弁体３の外周に添って流す渦流発生機構１５を設けている。

その渦流発生機構１５は、図１、図２に示すものが一つの形態として考えられる。この図１、図２の渦流発生機構１５は、複数の流体導入口（ノズル）１２によって構成されるものである。複数の流体導入口１２を、弁体３の周囲に弁体３から等距離を保って統一された向きにして周方向に等間隔で配置し、各流体導入口１２を弁体３の中心Ｏから外れた位置（好ましくは弁体３の外周面よりも外側）に向けて弁室１１の内周面に開口させており、各流体導入口１２から弁室１１に送り込まれる液体は、弁体３を軸にしてその弁体３の外周で自然に渦を巻く。渦を巻いたその液体は弁部５側に移動し、従って、流体導入口１２に傾きが無くても（弁室１１の軸心と直角な面に対して平行でも）弁室１１に導入された液体は螺旋の渦流となるが、図３に示すように、流体導入口１２の各々を、弁室１１に対して流体が弁部５のある側に向けて弁体３の軸Ｃに対し斜めに導入される方向に傾けると、螺旋の渦流が安定して生成され、弁体の振動抑制に関してより安定した効果が発揮される。先に述べたように、弁体３の周囲に螺旋の渦流が作り出されると、弁体３の表面の各部に作用するベクトル和が小さくなり、弁体３に働く力のバランスが保たれて弁体３が振動し難くなる。螺旋の渦流を安定させることでその効果がより強く発揮される。

流体導入口１２は、図には示していないが、スリーブを弁室１１に挿入し、そのスリーブの外周に液圧回路２１に連通する環状室を形成し、その環状室から弁室１１に貫通する孔をスリーブに設けてその孔で構成すると、加工性良く形成することができる。

なお、弁体３は、中心の軸Ｃを支点にして回転可能に保持してもよく、そのようにした弁体３は、外周に生じる螺旋の渦流から回転力を受けて軸Ｃを中心にして回転する。この構造では、弁体３の回転によるジャイロ効果も得られ、弁体３の浮動位置での保持がより安定する。図１の電磁弁の場合、弁体３を可動子６に固定して可動子６と共に回転させることができ、また、弁体３と可動子６との間にロータリジョイント（図示せず）を介在させて弁体３のみを回転可能となすこともできる。

弁体３を固定した部材（図１のそれは可動子６）にコイルばね７の一端を接触させる場合、或いは、図５のように、弁体３に直接コイルばね７の一端を接触させる場合には、コイルばね７の巻き方向を弁体３の回転方向と一致させてコイルばねの一端であって同コイルばねを構成する線材の先端が弁体の周方向において前記渦流の巻き方向と同じ方向を臨む一端を弁体や弁体と一体となって回転する部材に当接させるとよく、そのようにしたものは、接触相手の弁体などから回転力がコイルばねに伝わったときにこの回転力がコイルばねを巻き締めるように作用し、コイルばねの線材の上記一端が弁体に引っかかることなく滑らかに摺動するようになるため、コイルばね接触部の摩擦抵抗が軽減されて弁体３が回転し易くなる。

図４は、渦流発生機構１５の第２の形態、図５は第３の形態、図６、図７は第４の形態、図８は第５の形態である。この第２〜第５の形態は、流体導入口１２を弁体３の後部側に配置し、さらに、弁体３の外周に添って同弁体の軸Ｃに対しねじれた流体ガイド１６を設け、その流体ガイド１６で渦流発生機構１５を構成しており、この点が共通するものである。

図４の第２の形態の渦流発生機構１５は、弁体３の外周に螺旋の凸条１６ａを設けてそれを流体ガイド１６となしている。螺旋の凸条１６ａに代えて螺旋の溝１６ｂ（図５の第３の形態を参照）を設けてもよい。また、図６、図７に示すように、弁体３の外周に弁体の軸Ｃに対してねじれた羽根１６ｃを設けてその羽根１６ｃを流体ガイド１６となしてもよい（第４の形態）。樹脂などを材料にして弁体３をモールド成形すると、そのような流体ガイド１６を弁体３と一体に成形して簡単に形成することができる。

螺旋の凸条、螺旋の溝、ねじれた羽根などからなる流体ガイド１６は、弁室１１の内周面に設けられていてもよく、モールド成形されたスリーブ（図示せず）を弁ハウジング２に挿入してそのスリーブで弁室１１の内壁を形成すれば、流体ガイド１６をスリーブに一体に成形して弁室１１側に設けることが可能である。

弁体３として例えばボール弁の外周に羽根１６ｃを一体に設けたものを採用すると、螺旋の渦流を安定して発生させるために弁体３をふらつかないように保持することが必要になるが、弁室側に流体ガイド１６を設ける構造にすれば、弁体３の支持は通常なされる方法で行える。

なお、ここで述べたような流体ガイド１６を弁体３に設け、その弁体３を中心の軸Ｃを支点にして回転可能に支持するものも、弁体３の回転に適度の抵抗を付与すれば流体ガイド１６で螺旋の渦流を発生させることができる。渦流なしの状態で弁体３が回転するものも流体と弁体の相対回転が生じるが、流体が渦を巻かずに流れる場合に比べると渦を巻いて流れる場合の方が、弁体３の各部に加わる力のバランスが良くなって振動抑制の効果が高まる。

図８の第５の形態は、弁体３と弁室１１の内周面との間にコイルばね１６ｄを配置し、そのコイルばね１６ｄで流体ガイド１６を形成したものである。コイルばね１６ｄのコイル線材間に形成された螺旋の空間の一部分がコイルばね１６ｄと弁室１１の内周面との間に形成された環状空間１７に面しており、流体導入口１２から環状空間１７経由でコイル線材間の螺旋の空間に入り込んだ流体が螺旋のコイル線材に案内されて螺旋の渦流となって弁部５側に流れるようになっている。ここで使用するコイルばね１６ｄは、断面が丸い線材で形成されたもの、断面が扁平な線材で形成されたものを問わない。

渦流発生機構１５を前述の螺旋の凸条などからなる流体ガイド１６で構成したものは、流体ガイドの設置領域の設定に自由度が生じて軸方向の広範な領域に弁体の全域を包み込む渦流を発生させることができるので、軸方向寸法の大きい弁体を採用した流体制御弁に利用すると特に大きな効果を期待できる。

この発明の流体制御弁の一例(電磁弁)を示す断面図渦流発生機構の図１のＸ−Ｘ線に沿った位置での断面図図１の流体制御弁の流体導入口を軸直角な面に対して傾けた例を示す断面図渦流発生機構の第２の形態を示す断面図渦流発生機構の第３の形態を示す断面図渦流発生機構の第４の形態を示す斜視図図６の渦流発生機構の平面図渦流発生機構の第５の形態を示す断面図従来技術において弁体に作用する圧力を説明する模式図本発明において弁体に作用する圧力を説明する模式図

符号の説明

１電磁弁
２弁ハウジング
３弁体
４弁座
５弁部
６可動子
７コイルばね
８コア
９コイル
１０ヨーク
１１弁室
１２流体導入口
１３流路
１４フィルタ
１５渦流発生機構
１６流体ガイド
１６ａ螺旋の凸条
１６ｂ螺旋の溝
１６ｃねじれた羽根
１６ｄコイルばね
１７環状空間
２０ハウジング
２１，２２液圧回路
Ｃ弁体の中心軸
Ｏ弁体の中心

Claims

弁ハウジング（２）と、その弁ハウジング（２）に形成された弁室（１１）に配置される弁体（３）と、その弁体（３）と組み合わせて弁部（５）を構成する弁座（４）とを有し、前記弁ハウジング（２）に形成された流体導入口（１２）から前記弁室（１１）に導入される流体を、前記弁部（５）で流量を制御して下流の流路（１３）に流すように構成された流体制御弁において、
前記流体導入口（１２）から前記弁室（１１）に導入されて前記弁部（５）に向う流体を、前記弁体（３）を軸にした螺旋の渦流にして弁体（３）の外周に添って流す渦流発生機構（１５）を設けたことを特徴とする流体制御弁。
前記弁体（３）を、中心の軸を支点にした回転が許容されるように保持し、前記螺旋の渦流でその弁体（３）が回転するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の流体制御弁。
前記弁体（３）を初期位置に復帰させるコイルばね（７）を有し、そのコイルばね（７）の巻き方向を前記渦流発生機構（１５）で発生させる螺旋の渦流の巻き方向と一致させ、このコイルばね（７）の一端であって同コイルばね（７）を構成する線材の先端が弁体（３）の周方向において前記渦流の巻き方向と同じ方向を臨む一端を前記弁体（３）又はその弁体（３）と一体となって回転する部材（６）に当接させたことを特徴とする請求項２に記載の流体制御弁。
前記流体導入口（１２）を複数設け、その複数の流体導入口（１２）を前記弁室（１１）の内周面に開口させ、各流体導入口（１２）を前記弁体（３）の中心よりも径方向外側に向けてこの複数の流体導入口（１２）で前記渦流発生機構（１５）を構成したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の流体制御弁。
前記複数の流体導入口（１２）を、前記弁体（３）の周囲に周方向に等間隔で配置したことを特徴とする請求項４に記載の流体制御弁。
前記流体導入口（１２）の各々を、前記弁室（１１）に対して流体が前記弁部（５）のある側に向けて前記弁体（３）の軸に対し斜めに導入される方向に傾けた請求項４又は５に記載の流体制御弁。
前記弁体（３）の前記弁座（４）と向かい合う側とは反対側に前記流体導入口（１２）を配置し、さらに、前記弁体（３）の外周に添って同弁体（３）の軸に対しねじれた流体ガイド（１６）を設け、その流体ガイド（１６）で前記渦流発生機構（１５）を構成したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の流体制御弁。
前記流体ガイド（１６）を、前記弁体（３）の外周、又は前記弁室（１１）の内周に設けた螺旋の凸条（１６ａ）、螺旋の溝（１６ｂ）、もしくは、ねじれた羽根（１６ｃ）で形成したことを特徴とする請求項７に記載の流体制御弁。
前記流体ガイド（１６）を前記弁体（３）と前記弁室（１１）の内周面との間にコイルばね（１６ｄ）を配置してそのコイルばね（１６ｄ）で形成したことを特徴とする請求項７に記載の流体制御弁。