JP2019143655A - 調圧弁および油圧ダンパ - Google Patents

Abstract

【課題】 簡易な構造で、変位速度が大きくなった際に発生する荷重が大きく上昇する性能を有する調圧弁および油圧ダンパを提供する。【解決手段】 調圧弁１１は、スリーブ１５、弁体押さえ部１８、弁体１９、ばね２１等から構成される。スリーブ１５の内部であって、ばね押さえ２３と弁体押さえ部１８の間には、ばね２１および弁体１９が設けられる。弁体１９は、基部側（スリーブ１５の後端側）に設けられる第１弁部２５と、先端側に設けられる第２弁部２７とを有する。第１弁部２５は、ポペット弁タイプの弁形状を有する。第２弁部２７は、孔１７ａよりも外径の大きな円板状である。第１弁部２５と第２弁部２７とは棒状の連結部２９を介して互いに離間して設けられる。連結部２９は、弁体押さえ部１８の孔１７ａを貫通する。したがって、弁体押さえ部１８は、第１弁部２５と第２弁部２７との間に配置される。【選択図】図２

Description

本発明は調圧弁およびこれを用いた油圧ダンパに関する。

従来、地震や風等による建築物の揺れを低減させるために、ブレース等に油圧ダンパが用いられていた。油圧ダンパは、油の流体抵抗を利用して、建築物の揺れに対する抵抗力（減衰力）を発生させ、建築物の揺れを吸収して耐震性、居住性を向上させる。

このような油圧ダンパとしては、例えば、作動油が充填されたシリンダと、シリンダを２つの油圧室に区分するピストンからなり、シリンダ内のピストンがいずれの方向に移動しても減衰力が発生するように、両油圧室をつなぐ流路に調圧弁を装備したものがある（例えば特許文献１）。

特開２００６−３４９０２１号公報

通常、油圧ダンパは、ピストンの変位速度と、発生する減衰力との関係である減衰係数が線形であることが望ましい。このため、線形性に優れた調圧弁を使用する必要がある。

一方、油圧ダンパが用いられている免震構造物においては、想定外の地震が発生した際に、変位が想定以上に大きくなり、構造物が損傷するおそれがある。このため、変位速度が所定以上大きくなった際には、減衰力を急激に増加させることが求められる。しかし、従来の油圧ダンパにおいて、２段階の減衰特性を持たせようとすると、複数の調圧弁を組み合わせるなど、構造が複雑化するという問題があった。

本発明は、前述した問題点に鑑みてなされたもので、簡易な構造で、変位速度が所定以上大きくなった際に、発生する荷重が大きく上昇する性能を有する調圧弁および油圧ダンパを提供することを目的とする。

前述した目的を達するために第１の発明は、弁体と、前記弁体が貫通する孔を有する弁体押さえ部と、前記弁体を前記弁体押さえ部に押し付けるばねと、を具備し、前記弁体には、基部側に設けられる第１弁部と、先端側に設けられる第２弁部とが、互いに離間して設けられ、前記弁体押さえ部は、前記第１弁部と前記第２弁部との間に配置され、前記ばねに抗して前記弁体が移動すると、移動量の増加に伴い、前記孔と前記第１弁部との間の流入断面積が増加し、さらに前記ばねに抗して前記弁体が移動すると、移動量の増加に伴い、前記孔と前記第１弁部との間の流入断面積よりも、前記孔と前記第２弁部との間の流入断面積が小さくなることを特徴とする調圧弁である。

前記第１弁部は、ポペット弁タイプの弁であってもよく、前記第１弁部は、スプール弁タイプの弁であってもよい。

第１の発明によれば、弁体に第１弁部と第２弁部を一体で形成し、移動量の増加に伴い、第１弁部における流入断面積が増加し、さらに弁体が移動すると、移動量の増加に伴い、第２弁部における流入断面積が減少する。このため、一つの調圧弁によって、２段階の減衰力を発揮させることができる。

この場合、第１弁部の構造は、従来の調圧弁に用いられているポペット弁タイプの弁形状や、スプール弁タイプの弁形状を適用することができる。

第２の発明は、第１の発明に係る調圧弁と、シリンダと、前記シリンダを各油圧室に区分し、前記シリンダ内に移動可能に設けられたピストンと、を具備し、前記調圧弁は、前記各油圧室をつなぐ流路に設けられることを特徴とする油圧ダンパである。

第２の発明によれば、変位速度が大きくなり、第１弁部が所定以上開いていくと、第２弁部が閉じていくため、変位速度が所定上となると、減衰力を急激に増加させることが可能な油圧ダンパを得ることができる。

本発明によれば、簡易な構造で、変位速度が所定以上大きくなった際に、発生する荷重が大きく上昇する性能を有する調圧弁および油圧ダンパを提供することができる。

油圧ダンパ１の構造を示す図。 調圧弁１１を示す断面図。 （ａ）、（ｂ）は、調圧弁１１の動作を示す図。 （ａ）は、調圧弁１１ａを示す断面図、（ｂ）は（ａ）のＫ矢視図。 （ａ）は、調圧弁１１ｂを示す断面図、（ｂ）は（ａ）のＬ矢視図。 （ａ）は、調圧弁１１ｃを示す断面図、（ｂ）は（ａ）のＭ−Ｍ線断面図。 （ａ）は、調圧弁１１ｄを示す断面図、（ｂ）は、調圧弁１１ｅを示す断面図。

以下、図面を参照しながら、本発明の油圧ダンパについて詳細に説明する。図１は、油圧ダンパ１の構造を示す図である。油圧ダンパ１は、主に、シリンダ３、ピストン５、ピストンロッド７ａ、７ｂ、調圧弁１１等から構成される。なお、油圧ダンパの構造は、図示した例には限られない。また、アキュムレータ等の構造は図示を省略する。

円筒状のシリンダ３内には、ピストン５が移動可能に設けられる。ピストン５の両側には、円柱状のピストンロッド７ａ、７ｂが設けられる。ピストンロッド７ｂにはジョイント１３ａが連結される。また、シリンダ３にはジョイント１３ｂが連結される。ジョイント１３ａ、１３ｂは、建築物のブレースや基台に固定される。

シリンダ３内は、ピストン５によって油圧室９ａと油圧室９ｂとに区分される。油圧室９ａと、油圧室９ｂには作動油が充填される。ピストン５には、油圧室９ａと油圧室９ｂとをつなぐ一対の流路が設けられる。それぞれの流路には、調圧弁１１が互いに逆向きになるように配置される。各油圧室の圧力差に応じて、調圧弁の１１の開度が変化する。なお、調圧弁１１の構造については、詳細を後述する。

次に、図１を用いて、油圧ダンパ１の動作について詳細に説明する。図１は、建築物に地震・風などの力が働き、ピストン５に外力が働く場合を示す。ピストン５がＡ方向に移動すると、油圧室９ａに充填された作動油が圧縮される。油圧室９ａで圧縮された作動油は、一方（図中上方）の調圧弁１１に流入する（図中矢印Ｃ）。

所定圧力以上の作動油が調圧弁１１に流入すると、調圧弁１１が開き、作動油は調圧弁１１を介して油圧室９ｂへ流入する（図中矢印Ｄ）。このように、ピストン５が、Ａ方向に移動する速度に対し、調圧弁１１に設けられるばね等を調整することで、ピストン５にはＡ方向の力を打ち消す方向に、減衰力が発生する。

次に、建築物に働く地震や風などの力の方向が、反転した場合について説明する。ピストン５がＢ方向に移動すると、油圧室９ｂに充填された作動油が圧縮される。油圧室９ｂで圧縮された作動油は、他方（図中下方）の調圧弁１１に流入する（図中矢印Ｅ）。

所定圧力以上の作動油が調圧弁１１に流入すると、調圧弁１１が開き、作動油は調圧弁１１を介して油圧室９ａへ流入する（図中矢印Ｆ）。このように、ピストン５が、Ｂ方向に移動する速度に対し、調圧弁１１に設けられるばね等を調整することで、ピストン５にはＢ方向の力を打ち消す方向に、減衰力が発生する。

次に、調圧弁１１について詳細に説明する。図２は、調圧弁１１の構造を示す断面図である。調圧弁１１は、スリーブ１５、弁体押さえ部１８、弁体１９、ばね２１等から構成される。筒状のスリーブ１５の後端側（図中左側）にはばね押さえ２３が配置され、前端側（図中右側）には弁体押さえ部１８が配置される。

弁体押さえ部１８とばね押さえ２３には、それぞれ作動油が流れる孔１７ａ、１７ｂが設けられる。また、スリーブ１５の内部であって、ばね押さえ２３と弁体押さえ部１８の間には、ばね２１および弁体１９が設けられる。

弁体１９は、基部側（スリーブ１５の後端側）に設けられる第１弁部２５と、先端側に設けられる第２弁部２７とを有する。第１弁部２５は、ポペット弁タイプの弁形状を有する。第２弁部２７は、孔１７ａよりも外径の大きな円板状である。第１弁部２５と第２弁部２７とは棒状の連結部２９を介して互いに離間して設けられる。連結部２９は、弁体押さえ部１８の孔１７ａを貫通する。したがって、弁体押さえ部１８は、第１弁部２５と第２弁部２７との間に配置される。

弁体１９は、ばね２１によって、前方の弁体押さえ部１８の方向に押し付けられる。ばね２１によって第１弁部２５が弁体押さえ部１８に押し付けられた状態では、第１弁部２５によって孔１７ａが塞がれる。すなわち、孔１７ａから作動油がスリーブ１５内へ流入することがない。

次に、調圧弁１１の動作について説明する。図３（ａ）は、通常の状態から、弁体１９が、作動油の圧力によってばね２１による力に対抗して後方（図中左方向）に移動した状態を示す図である。ばね２１に抗して弁体１９が後方に移動すると、第１弁部２５と弁体押さえ部１８との間に隙間が形成される。したがって、作動油が孔１７ａを通って、スリーブ１５内へ流れ込む（図中矢印Ｉ方向）。この際、ピストンの変位速度が増加すると、弁体１９の移動量が増加し、移動量の増加に伴い、孔１７ａと第１弁部２５との間の流入断面積（流体の流れる断面積）が増加する。

ここで、連結部２９の長さは、弁体押さえ部１８の長さに対して十分に長い。このため、第２弁部２７と弁体押さえ部１８との間には十分に間隔がある。したがって、ばね２１に抗して弁体１９が移動を開始した初期においては、第１弁部２５における流入断面積（図中Ｇ部）に対して、第２弁部２７における流入断面積（図中Ｈ部）は十分に大きい。このため、減衰力は、第１弁部２５と弁体押さえ部１８（孔１７ａ）との間を流れる作動油の抵抗（図中Ｉ）によって決定される。この際、ピストン５の変位速度（作動油の流量）と減衰力は線形となる。

図３（ｂ）に示すように、ピストン５の変位速度さらに増加し、ばね２１に抗して弁体１９が後方に移動すると、移動量の増加に伴い、孔１７ａと第２弁部との間の流入断面積が減少する。弁体１９が所定以上移動すると、弁体押さえ部１８（孔１７ａ）と第１弁部２５との間の流入断面積（図中Ｇ部）よりも、弁体押さえ部１８（孔１７ａ）と第２弁部２７との間の流入断面積（図中Ｈ部）が小さくなる。このため、減衰力は、第２弁部２７と弁体押さえ部１８（孔１７ａ）との間を流れる作動油の抵抗（図中Ｊ）によって決定される。

すなわち、変位速度が所定以下であれば、減衰力が、第１弁部２５と弁体押さえ部１８（孔１７ａ）との間を流れる作動油の抵抗（図中Ｉ）によって決定され、変位速度が所定以上となると、第２弁部２７と弁体押さえ部１８（孔１７ａ）との間を流れる作動油の抵抗（図中Ｊ）によって決定される。この際、第２弁部２７と弁体押さえ部１８（孔１７ａ）との間の流入断面積は、変位速度が大きくなり、弁体１９の移動量が増加するにつれて、小さくなる。このため、変位側がが所定値を超えると、急激に減衰力を大きくすることができる。

以上のように、本実施形態によれば、弁体押さえ部１８（孔１７ａ）と第１弁部２５との間の流入断面積が、弁体押さえ部１８（孔１７ａ）と第２弁部２７との間の流入断面積よりも小さい場合には、弁体１９の移動量の増加に伴って、流入断面積が増加するが、弁体押さえ部１８（孔１７ａ）と第１弁部２５との間の流入断面積よりも、弁体押さえ部１８（孔１７ａ）と第２弁部２７との間の流入断面積が小さくなると、弁体１９の移動量の増加に伴って、流入断路面積が減少する。

すなわち、一つの調圧弁１１によって、ピストン５の変位速度（作動油の流量）が所定以下においては、変位速度（作動油の流量）の増加に対して減衰力を線形で増加させ、ピストン５の変位速度（作動油の流量）が所定以上となると、急激に減衰力を増加させることができる。このため、簡易な構造の油圧ダンパによって、想定外の地震が発生した場合でも、変位が想定以上に大きくなることが抑制され、構造物が損傷することを防止することができる。

次に、第２の実施形態について説明する。図４（ａ）は、調圧弁１１ａの断面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）のＫ矢視図である。なお、以下の説明において、調圧弁１１と同一の機能を奏する構成については、図２と同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

調圧弁１１ａは調圧弁１１とほぼ同様の構成であるが、弁体１９の第２弁部２７の構造が異なる。本実施形態では、第２弁部２７には複数の孔３１が形成される。第２弁部２７の外周面は、流路の内面によってガイドされる。作動油は、孔３１によって第２弁部２７を通過して、孔１７ａへ流入する。

図４（ｂ）に示すように、第２弁部２７の径方向における孔３１の中心位置は、孔１７ａよりも外側に配置される。図に示す例では、Ｋ矢視図において、孔３１と孔１７ａとは重ならないが、孔３１の一部が、孔１７ａと重なっていてもよい。弁体１９が移動して、第２弁部２７と弁体押さえ部１８との距離が短くなると、孔３１と弁体押さえ部１８との端面との距離が近くなり、流入断面積が減少する。このため、ピストン５の変位速度（作動油の流量）が所定以上となると、急激に減衰力を増加させることができる。

第２の実施形態の調圧弁１１ａによれば、調圧弁１１と同一の効果を得ることができる。また、第２弁部２７を流路の内壁に沿って移動させることで、第２弁部２７をガイドすることができる。

次に、第３の実施形態について説明する。図５（ａ）は、調圧弁１１ｂの断面図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）のＬ矢視図である。調圧弁１１ｂは調圧弁１１ａとほぼ同様の構成であるが、弁体１９の第２弁部２７の構造が異なる。本実施形態では、第２弁部２７には、複数の溝３３が形成される。図に示す例では、Ｌ矢視図において、溝３３と孔１７ａとは重ならないが、溝３３の一部が、孔１７ａと重なっていてもよい。第２弁部２７の外周面は、流路の内面によってガイドされる。作動油は、溝３３によって第２弁部２７を通過して、孔１７ａへ流入する。

第３の実施の形態によれば、第２の実施の形態と同様の効果を得ることができる。このように、第２弁部２７の形態は、弁体１９の移動量が大きくなるにつれて、流入断面積が小さくなれば、いずれの形態であってもよい。

次に、第４の実施形態について説明する。図６（ａ）は、調圧弁１１ｃの断面図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）のＭ−Ｍ線断面図である。調圧弁１１ｃは調圧弁１１とほぼ同様の構成であるが、弁体１９の第１弁部２５の構造が異なる。本実施形態では、第１弁部２５は、スプール弁タイプの弁形状である。

第１弁部２５の先端部は、弁体押さえ部１８の孔１７ａに挿入される。また、孔１７ａに挿入された第１弁部２５の先端には連結部２９が設けられ、連結部２９の先端に第２弁部２７が配置される。孔１７ａ内の第１弁部２５の先端部には、切欠き状の溝３５が設けられる。溝３５は、作動油の流路となる。溝３５は、先端側から基部側に向かって徐々に深さが深くなる。

弁体１９が移動すると、第１弁部２５の先端が孔１７ａに沿って移動する。この際、作動油が溝３５と孔１７ａの隙間を通って、スリーブ１５内へ流れ込む。弁体１９の移動量が大きくなると、弁体押さえ部１８（孔１７ａ）の端部と溝３５の隙間が大きくなるため、作動油の流入断面積が大きくなる。一方、弁体１９の移動量が所定以上となると、第２弁部２７と弁体押さえ部１８との間の流入断面積が小さくなる。このため、ピストン５の変位速度（作動油の流量）が所定以上となると、急激に減衰力を増加させることができる。

なお、第２弁部２７の形状は、図６（ａ）に示す例には限られない。例えば、図７（ａ）に示す調圧弁１１ｄのように、第２弁部２７の背面（連結部２９側）を、連結部２９側に行くにつれて縮径する直線状のテーパ形状としてもよい。また、図７（ｂ）に示す調圧弁１１ｅのように、第２弁部２７の背面を、連結部２９側に行くにつれて縮径する曲線状のテーパ形状としてもよい。

第４の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。このように、第１弁部２５の形態は、弁体１９の移動量が大きくなるにつれて、流入断面積が大きくなれば、いずれの形態であってもよい。

以上、添付図面を参照しながら、本発明に係る油圧ダンパ等の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、本願で開示した技術的思想の範疇内において、各種の変更例又は修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、各実施形態における第１弁部２５と第２弁部２７の形態は、互いに組み合わせることができる。

１……油圧ダンパ
３………シリンダ
５………ピストン
７ａ、７ｂ………ピストンロッド
９ａ、９ｂ………油圧室
１１、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅ………調圧弁
１３ａ、１３ｂ………ジョイント
１５………スリーブ
１７ａ、１７ｂ………孔
１８………弁体押さえ部
１９………弁体
２１………ばね
２３………ばね押さえ
２５………第１弁部
２７………第２弁部
２９………連結部
３１………孔
３３、３５………溝

Claims (4)

1. 弁体と、
   前記弁体が貫通する孔を有する弁体押さえ部と、
   前記弁体を前記弁体押さえ部に押し付けるばねと、
   を具備し、
   前記弁体には、基部側に設けられる第１弁部と、先端側に設けられる第２弁部とが、互いに離間して設けられ、前記弁体押さえ部は、前記第１弁部と前記第２弁部との間に配置され、
   前記ばねに抗して前記弁体が移動すると、移動量の増加に伴い、前記孔と前記第１弁部との間の流入断面積が増加し、
   さらに前記ばねに抗して前記弁体が移動すると、移動量の増加に伴い、前記孔と前記第１弁部との間の流入断面積よりも、前記孔と前記第２弁部との間の流入断面積が小さくなることを特徴とする調圧弁。
2. 前記第１弁部は、ポペット弁タイプの弁であることを特徴とする請求項１記載の調圧弁。
3. 前記第１弁部は、スプール弁タイプの弁であることを特徴とする請求項１記載の調圧弁。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の調圧弁と、
   シリンダと、
   前記シリンダを各油圧室に区分し、前記シリンダ内に移動可能に設けられたピストンと、
   を具備し、
   前記調圧弁は、前記各油圧室をつなぐ流路に設けられることを特徴とする油圧ダンパ。

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