JP2020020429A5

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Publication number: JP2020020429A5
Application number: JP2018146327A
Authority: JP
Filing date: 2018-08-02
Publication date: 2021-06-17
Anticipated expiration: 2038-08-02

Description

上記課題を解決するため、本発明は、スプール式切換弁におけるシール構造であって、上記切換弁は、軸方向に延びるように形成されて給気流路、出力流路及び排気流路が連通されたスプール孔と、該スプール孔に軸方向に摺動自在に挿入されたスプールと、該スプールを動作させて上記流路間の接続状態を切り換えるための弁駆動部とを有しており、上記スプールは、軸周りの外周に摺動部を有するランド部と、該ランド部よりも外径が小さい環状凹部とを軸方向に沿って交互に有しており、上記スプール孔の軸周りの内周面には、上記給気流路、出力流路及び排気流路にそれぞれ対応させて凹設された環状の流路溝と、上記スプールのランド部がその摺動部を対峙させて摺動する環状の被摺動面とが軸方向に沿って交互に形成されていて、上記流路溝の各々には、それに対応する上記流路の何れかが接続されており、上記ランド部の摺動部には、径方向に開口する環状の凹溝が軸周りに周設されていて、ゴム弾性材から成るパッキンの内周側の基端部が該凹溝内に収容されると共に、該パッキンの外周側の先端部が該凹溝の開口縁から突出しており、上記パッキンの先端部における軸方向の一方の側端部には第１シール部が、他方の側端部には第２シール部が該軸周りに周設されており、上記凹溝に収容された状態のパッキンにおける上記第１及び第２シール部の外径は、上記スプール孔の被摺動面の内径よりも小さく形成されており、上記ランド部の摺動部が上記スプール孔の被摺動面と対峙し、且つ、スプール孔における該ランド部によって区画された一対の空間のうちの一方に、上記給気流路から圧縮流体が供給されている状態において、上記パッキンにおける該圧縮流体が供給されている空間側の側端部が、該圧縮流体の圧力による弾性変形によって径方向に伸長し、それにより、上記第１及び第２シール部のうち該圧縮流体が供給されている空間側のシール部が、上記スプール孔の被摺動面との間に形成された空隙を狭窄するか又は該被摺動面に当接するように構成されていることを特徴としている。

以上のように、本発明においては、ランド部の凹溝に収容された状態のパッキンにおける上記第１及び第２シール部の外径は、スプール孔の被摺動面の内径よりも小さく形成されている。しかしながら、上記ランド部の摺動部が上記スプール孔の被摺動面と対峙し、且つ、スプール孔における該ランド部によって区画された一対の空間のうちの一方に、上記給気流路から圧縮流体が供給されている状態において、上記パッキンにおける該圧縮流体が供給されている空間側の側端部が、該圧縮流体の圧力による弾性変形によって径方向に伸長し、それにより、上記第１及び第２シール部のうち該圧縮流体が供給されている空間側のシール部が、上記スプール孔の被摺動面との間に形成された空隙を狭窄するか又は該被摺動面に当接するように構成されている。

本発明に係るスプール式切換弁１は、軸Ｌ方向に延びるスプール孔７と、該スプール孔７に連通された給気流路８、出力流路９，１０及び排気流路１１，１２と、該スプール孔７内に軸Ｌ方向に摺動自在に挿入された主弁としてのスプール２０と、上記スプール２０を動作させるための弁駆動部５とを有していて、該弁駆動部５によってスプール孔７内でスプール２０を摺動させることにより、上記出力流路９，１０と、上記給気流路８及び排気流路１１，１２との接続状態を切り換えるようになっている。ここで、上記給気流路８は、図示しない流体圧源（例えばコンプレッサ）からの圧縮空気等の圧縮流体をスプール孔７へと供給するためのものであり、上記出力流路９，１０は、そのスプール孔７に供給された圧縮流体を、該圧縮流体で駆動される流体圧アクチュエータ（例えば空気圧シリンダ）等の各種流体圧機器（図示略）に対して出力するためのものであり、上記排気流路１１，１２は、該流体圧機器からの排気を大気等の外部に対して排出するためのものである。

ここで、上記出力ポートＡ，Ｂは、該出力ポートＡ．Ｂよりも流路断面積が小さい出力連通路９ａ，１０ａを通じて上記スプール孔７に連通されており、該出力ポートＡ，Ｂと出力連通路９ａ，１０ａとによって上記出力流路９，１０が形成されている。また、上記給気ポートＰは、該給気ポートＰよりも流路断面積が小さい給気連通路８ａを通じて上記スプール孔７に連通されており、該給気ポートＰと給気連通路８ａとによって上記給気流路８が形成されている。さらに、上記排気ポートＥＡ，ＥＢは、該排気ポートＥＡ，ＥＢよりも流路断面積が小さい排気連通路１１ａ，１２ａを通じて上記スプール孔７に連通されており、該排気ポートＥＡ，ＥＢと排気連通路１１ａ，１２ａとによって上記排気流路１１，１２が形成されている。

上記スプール孔７の内周面は、軸Ｌ方向において、上記第１アダプタ部３が取り付けられた一方の側端面の開口部から、上記第２アダプタ部４が取り付けられた他方の側端面の開口部まで、第１支持部７ａ、第１流路溝７０、第１被摺動面７１、第２流路溝７２、第２被摺動面７３、第３流路溝７４、第３被摺動面７５、第４流路溝７６、第４被摺動面７７、第５流路溝７８、及び第２支持部７ｂが順次設けられることにより構成されており、これらは何れも軸Ｌを中心とした環状に形成されている。すなわち、上記スプール孔７の内周面には、これら被摺動面と流路溝とが軸Ｌに沿って交互に形成されている。

このとき、上記各ランド部２２，２４，２６，２８は、径方向Ｙにおいて、隣接する上記環状凹部に接続された基端から外周端の摺動部に至るまで徐々に軸Ｌ方向の幅が狭くなる略等脚台形状に形成されており、これらランド部は、径方向の中心軸に関して軸Ｌ方向に左右対称を成している。そして、これらランド部２２，２４，２６，２８の外周端には、環状の凹溝１５（図３−図６参照）が開設されている。そして、上記ランド部２２，２４，２６，２８の各外周端に開設された凹溝１５には、後に詳述する環状のパッキン５０がそれぞれ装着されている。

それにより、上記ランド部がスプール孔７の被摺動面の位置に配されて、その外周端の摺動部が該被摺動面と対峙したときに、該ランド部の摺動部とスプール孔７の被摺動面との間に形成された空隙が上記パッキン５０でシールされて、その空隙を通じて圧縮流体が漏出するのを可及的に抑制又は防止することができるようになっている。すなわち、該パッキン５０等のシール部材が無装着の状態において、上記第１及び第２被押圧部２０ａ，２０ｂ並びに第１〜第４ランド部２２，２４，２６，２８の外径Ｄ３は互いに等しく形成されていて、上記第１〜第５環状凹部２１，２３，２５，２７，２９の外径Ｄ４は互いに等しく形成されており、上記外径Ｄ３は、上記被摺動面等の内径Ｄ０よりも若干小さく、かつ上記外径Ｄ４よりも大きく形成されている。

上記第２ピストン４１は、その弁本体部２側に、上記スプール２０と同軸に配された第２押圧部４１ａを一体に有しており、該第２押圧部４１ａは、上記スプール孔７の第２支持部７ｂよりも小径に形成されていて、上記スプール２０の第２被押圧部２０ｂに当接している。また、上記第２シリンダ孔４０の第１室４０ａは、上記スプール２０の中心を軸Ｌ方向に貫通する貫通孔２０ｃを通じて、上記第１シリンダ孔３０の第２室３０ｂに連通されており、大気に常時開放されている。一方、上記第２室４０ｂは、上記パイロット流体供給孔７９に常時連通されていて、パイロット流体によって常時加圧されている。そのため、上記スプール２０は、軸Ｌ方向において、上記第１アダプタ部３側（すなわち、第１ピストン側）に向けて常時押圧されている。

続いて、図１及び図２に基づいて、上記スプール式切換弁１の動作を説明する。まず、図１に示すように、弁駆動部５を構成する電磁式パイロット弁部がＯＦＦの状態においては、第１シリンダ孔３０の第１室３０ａが大気に開放されている。そのため、上記第２ピストン４１が、その押圧力により、上記スプール２０と共に第１ピストン３１を該第１室３０ａ側のストローク端へと移動させ、その結果、該スプール２０が上記第１切換位置に切り換えられた状態となる。そのとき、軸Ｌ方向において、上記スプール２０の第１ランド部２２は上記スプール孔７の第１流路溝７０の位置に配され、第２ランド部２４は第２被摺動面７３の位置に配され、第３ランド部２６は第３流路溝７４の位置に配され、第４ランド部２８は第４被摺動面７７の位置に配されている。

一方、図２に示すように、弁駆動部５を構成する電磁式パイロット弁部がＯＮの状態においては、第１シリンダ孔３０の第１室３０ａに対し該弁駆動部５を通じてパイロット流体が供給される。そのため、上記第１ピストン３１が、その押圧力により、スプール２０と共に第２ピストン４１を、該第２ピストン４１の押圧力に抗して第２シリンダ孔４０の第２室４０ｂ側のストローク端へと移動させ、その結果、該スプール２０が上記第２切換位置に切り換えられた状態となる。そのとき、軸Ｌ方向において、上記スプール２０の第１ランド部２２は上記スプール孔７の第１被摺動面７１の位置に配され、第２ランド部２４は第３流路溝７４の位置に配され、第３ランド部２６は第３被摺動面７５の位置に配され、第４ランド部２８は第５流路溝７８の位置に配されている。

本発明の各実施形態に係るシール構造において、上記スプール２０のランド部２６の上記摺動部としての外周面２６ａは、上記被摺動面７５と実質的に平行を成している。そして、該外周面２６ａの軸Ｌ方向の中央には、径方向Ｙに開口する上記凹溝１５が軸Ｌ周りに周設されていて、該凹溝１５に上記パッキン５０が装着されている。ここで、上記パッキン５０の材料としては、シール機能を発揮するゴム弾性材であれば特に限定されるものではないが、例えばニトリルゴムやフッ素ゴム等を用いることができる。

上記凹溝１５は、軸Ｌ周りに環状に周設されると共に該軸Ｌに沿って平坦に延びた底壁面１５ａと、該底壁面１５ａの軸Ｌ方向の両端から径方向Ｙ（軸Ｌと直交方向）に延びて互いに対向する、上記第１被押圧部２０ａ側の第１側壁面１５ｂ及び上記第２被押圧部２０ｂ側の第２側壁面１５ｃとから構成されている。すなわち、上記外周面２６ａと、互いに平行な平面に形成された一対の側壁面１５ｂ，１５ｃとは、互いに直角に交わっていて、それにより、上記凹溝１５の開口を形成している。そして、上記凹溝１５は、軸Ｌに沿った横断面において、径方向Ｙに延びる中心軸に関して軸Ｌ方向に左右対称な矩形状に形成されている。

ここで、この凹溝１５の底壁面１５ａは直径Ｄ５に形成されており、そのため、上記外周面２６ａから該底壁面１５ａまでの距離（＝（Ｄ３−Ｄ５）／２）が、該凹溝１５の深さＨｇに相当している。そして、該凹溝１５は、ランド部２６の周方向全体に亘って均一な深さＨｇを有している。また、該凹溝１５の軸Ｌに沿った溝幅Ｗｇも、その開口から底壁面１５ａまでの深さ全体に亘って均一に形成されている。ただし、この凹溝１５は、上述の形態のものに限定されず、例えば上記一対の側壁面１５ｂ，１５ｃを、上記底壁面１５ａ及び外周面２６ａと鋭角に交わらせて、溝幅Ｗｇが上記底壁面１５ａから開口に向けて徐々に狭くなる略等脚台形状に形成されていても良い。

以下においては、上記パッキン５０が上記凹溝１５内に装着された状態について説明することとする。
図３に示す第１実施形態のシール構造において、上記パッキン５０は、軸Ｌに沿った横断面において、実質上、径方向Ｙの中心軸に関して軸Ｌ方向に左右対称な中実の矩形状に形成されている。すなわち、このパッキン５０の外形は、該パッキン５０の内周面によって形成され、軸Ｌ周りに環状を成すと共に軸Ｌに沿って平坦に延びた上記基端面５０ａと、該パッキン５０の外周面によって形成され、軸Ｌ周りに環状を成すと共に軸Ｌに沿って平坦に延びた先端面５０ｄと、上記基端面５０ａ及び先端面５０ｄの軸Ｌ方向の一端同士を連結し、上記凹溝１５の第１側壁面１５ｂと対向して径方向Ｙに延びる第１側端面５０ｂと、上記基端面５０ａ及び先端面５０ｄの軸Ｌ方向の他端同士を連結し、上記凹溝１５の第２側壁面１５ｃと対向して径方向Ｙに延びる第２側端面５０ｃとの四面によって形作られている。このように、上記基端面５０ａは、その全面が上記底壁面１５ａに圧接されていると共に、上記先端面５０ｄと平行を成して背向している。また、上記一対の側端面５０ｂ，５０ｃは、共に全体が平面に形成され、互いに平行を成して背向すると共に、上記基端面５０ａ及び先端面５０ｄと直角を成している。

次に、上記弁駆動部５を切り換えると、スプール２０が上記第１切換位置から図２に示す第２切換位置へと移動し、それに伴って、ランド部２６及びそのパッキン５０も、上述した図３（ａ）の位置から、図３（ｂ）の位置へと移動する。このスプールが第２切換位置に切り換えられた状態においては、上記ランド部２６の摺動部２６ａが、上記スプール孔７の被摺動面７５と対峙した状態、すなわち、該ランド部２６に装着されたパッキン５０における上記両シール部５３，５４を含んだ先端面５０ｄの全体が被摺動面７５と対峙した状態となり、該ランド部２６によってスプール孔７内の空間が、給気流路８に接続された第１空間Ｓ１と排気流路１２に接続された第２空間Ｓ２とに区画される。

また、このような第１突条５３ａ及び第２突条５４ａを有するパッキン５０Ａも、軸Ｌに沿った横断面において、径方向Ｙの中心軸に関して軸Ｌ方向に左右対称を成している。そのため、上記先端面５０ｄから上記各突条５３ａ，５４ａの先端までの距離は互いに等しくなっており、上記スプール孔７の被摺動面７５から上記各突条５３ａ，５４ａの先端までの距離δも互いに等しくなっている。そして、軸Ｌからこれら突条５３ａ，５４ａの先端までの距離の２倍が、本第２実施形態におけるパッキン５０Ａの外径Ｄｐとなっている。

図５（ａ）に示すように、この第３実施形態に係るシール構造においては、パッキン５０Ｂの第１側端面５０ｂ及び第２側端面５０ｃに、軸Ｌを中心とした同じ直径を有する環状の第１くびれ溝５５ａ及び第２くびれ溝５５ｂが周設されている。すなわち、これらくびれ溝５５ａ，５５ｂは、該パッキン５０Ｂの横断面において、上記基端面５０ａからの高さが同じ位置に対向配置されており、それにより、該パッキン５０Ｂの幅Ｗｐが狭くなるくびれ部５６を形成している。そして、このパッキン５０Ｂにおいては、これらくびれ溝５５ａ，５５ｂによって、例えば図５（ｂ）に示すように、上記第１空間Ｓ１の流体圧が第１側端面５０ｂに作用した時に、上述のような弾性変形による径方向Ｙへの伸長が促進されるようになっている。なお、他の実施形態と同様に、上記パッキン５０Ｂも、横断面の中心軸に関して軸Ｌ方向に左右対称に形成されている。

以上、本発明に係るスプール式切換弁におけるシール構造について説明してきたが、本発明は上記の各実施形態に限定されることなく、特許請求の範囲の趣旨を逸脱しない範囲で様々な設計変更が可能であることは言うまでもない。
例えば、図３や図４に示す第１及び第２実施形態においても、図５の第３実施形態のようにして、パッキン５０の基端面５０ａと凹溝１５の底壁面１５ａとを、接着等により固定しても良い。スプール２０を動作させる弁駆動部５も、電磁式パイロット弁部によって構成されたものに限定されず、直動式等様々な駆動機構によって構成することが可能である。また、ポートの数やランド部の数を変更したり、第２ピストン４１に替えてコイルバネを使用したりしても良い。さらに、上記シール部５３（５３ａ），５４（５４ａ）は、上述のように、パッキン５０の側端面５０ｂ，５０ｃと直角又は鋭角を成す角部を有していることが望ましいが、必ずしもそれに限定されるものではない。

Claims

スプール式切換弁におけるシール構造であって、
上記切換弁は、軸方向に延びるように形成されて給気流路、出力流路及び排気流路が連通されたスプール孔と、該スプール孔に軸方向に摺動自在に挿入されたスプールと、該スプールを動作させて上記流路間の接続状態を切り換えるための弁駆動部とを有しており、
上記スプールは、軸周りの外周に摺動部を有するランド部と、該ランド部よりも外径が小さい環状凹部とを軸方向に沿って交互に有しており、
上記スプール孔の軸周りの内周面には、上記給気流路、出力流路及び排気流路にそれぞれ対応させて凹設された環状の流路溝と、上記スプールのランド部がその摺動部を対峙させて摺動する環状の被摺動面とが軸方向に沿って交互に形成されていて、上記流路溝の各々には、それに対応する上記流路の何れかが接続されており、
上記ランド部の摺動部には、径方向に開口する環状の凹溝が軸周りに周設されていて、ゴム弾性材から成るパッキンの内周側の基端部が該凹溝内に収容されると共に、該パッキンの外周側の先端部が該凹溝の開口縁から突出しており、
上記パッキンの先端部における軸方向の一方の側端部には第１シール部が、他方の側端部には第２シール部が該軸周りに周設されており、
上記凹溝に収容された状態のパッキンにおける上記第１及び第２シール部の外径は、上記スプール孔の被摺動面の内径よりも小さく形成されており、
上記ランド部の摺動部が上記スプール孔の被摺動面と対峙し、且つ、スプール孔における該ランド部によって区画された一対の空間のうちの一方に、上記給気流路から圧縮流体が供給されている状態において、上記パッキンにおける該圧縮流体が供給されている空間側の側端部が、該圧縮流体の圧力による弾性変形によって径方向に伸長し、それにより、上記第１及び第２シール部のうち該圧縮流体が供給されている空間側のシール部が、上記スプール孔の被摺動面との間に形成された空隙を狭窄するか又は該被摺動面に当接するように構成されている、
ことを特徴とするシール構造。