JP5986989B2

JP5986989B2 - 環状バルブ

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Publication number: JP5986989B2
Application number: JP2013509772A
Authority: JP
Inventors: ランペン・ウィリアム; シュタイン・ウヴェ
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2012-02-09
Filing date: 2012-02-09
Publication date: 2016-09-06
Anticipated expiration: 2032-02-09
Also published as: KR20130114640A; WO2013118182A1; US20130205986A1; EP2646718B1; EP2646718A1; JP2014533811A

Description

本発明は、内側および外側シーリングリッジ（通常は環状）を有する、バルブ部材またはバルブシートを備えた環状バルブの分野に関する。

従来、直径のみ異なる内側および外側シーリングリッジを有する環状バルブが知られているが、この環状バルブは、高速で閉止し且つ閉止時に高い圧力差に晒されるような用途で用いられる場合、稼働寿命が低下することがある。本発明者らは、例えば、作動室容積が最大３０００サイクル／分の比較的高い周波数で周期的に変化し、且つ作動流体が４００ｂａｒの圧力を有するような油圧ポンプおよび油圧モータでは、内側シーリングリッジにおいて短期間で損傷が発生する可能性があることを見出した。

したがって、本発明によって解決すべき技術的課題は、公知の環状バルブにおける内側シーリングリッジの損傷を回避し、環状バルブの長寿命化および過酷な使用条件下であっても有用な環状バルブを提供することである。

本発明者らは、環状バルブの作動中、内側シーリングリッジに働く力が外側シーリングリッジに働く力より大きいために内側シーリングリッジが損傷してしまうことを見出した。環状バルブが、例えば油圧ポンプや油立モータのように比較的高い圧力が作用する用途に用いられる場合、内側シーリングリッジは、装置のならし運転期間の間、外側シーリングリッジよりも大きく塑性変形する。これは、環状バルブ部材にねじり応力を与えることとなり、内側シールによる密閉性の悪化を招いてしまう。そのため、例えば絞り作用やキャビテーション浸食が引き起こされて、内側シールは比較的早期に損傷してしまうこととなる。

本発明の第１の態様は、流路における流体の流れを許可又は阻止するための環状バルブ部材と、内側および外側バルブシートとを有する環状バルブであって、前記内側バルブシートは、前記流路よりも前記環状バルブ部材の径方向内側に設けられており、前記外側バルブシートは、前記流路よりも前記環状バルブ部材の径方向外側に設けられており、前記環状バルブ部材は前記環状バルブシートに対向するシート対向面を有し、前記環状バルブ部材の前記シート対向面か前記内側バルブシートのいずれかは環状内側シーリングリッジを備え、前記環状バルブ部材の前記シート対向面か前記外側バルブシートのいずれかは環状外側シーリングリッジを備え、前記内側シーリングリッジは前記外側シーリングリッジよりも塑性変形に対する耐性が強いことを特徴とする環状バルブである。

前記内側シーリングリッジの方が前記外側シーリングリッジよりも塑性変形に対する耐性が強いので、そうでない場合と比較して前記内側シーリングリッジの塑性変形が小さく、シーリングリッジのダメージ（例えばキャビテーション浸食）が低減されるので、前記環状バルブの長寿命化が図れる。

前記内側シーリングリッジは、前記外側シーリングリッジを形成する一つ又は複数の材料よりも硬い材料で少なくとも一部が形成されていてもよい。

前記内側シーリングリッジが前記外側シーリングリッジよりも硬い材料で形成され、他の全てが同じであれば、前記内側シーリングリッジは、同等の応力の存在下で前記外側シーリングリッジよりも（軸方向および／または径方向において）変形しにくくなる。したがって、前記外側シーリングリッジよりも大きく前記内側シーリングリッジに作用する力に起因した影響を低減できる。

例えば、前記外側シーリングリッジは、前記環状バルブ部材（この場合、環状バルブ部材は外側シーリングリッジを含む）または前記外側バルブシート（この場合、外側バルブシートは外側シーリングリッジを含む）と同一の材料によって形成されていてもよく、且つ、前記内側シーリングリッジは、より硬い材料で形成されている。このように、前記内側シーリングリッジは、環状バルブ部材よりも硬い材料で形成されていてもよい。

前記外側シーリングリッジは、前記環状バルブ部材（この場合、環状バルブ部材は外側シーリングリッジを含む）または前記外側バルブシート（この場合、外側バルブシートは外側シーリングリッジを含む）よりも軟らかい材料で形成されていてもよい。

前記内側シーリングリッジは、前記外側シーリングリッジを形成する一つ又は複数の材料よりも高い降伏強度を有する材料で少なくとも一部が形成されていてもよい。

前記内側シーリングリッジの少なくとも一部を形成する材料は、例えば、前記外側シーリングリッジを形成する一つ又は複数の材料の１．５倍または２倍の降伏強度を有していてもよい。

好ましくは、前記内側シーリングリッジは前記外側シーリングリッジより厚く形成されている。本構成では、シーリングリッジの径方向の大きさを厚さ（thickness）によって言及している。なお、例えば「厚い（thicker）」等の厚さに関連した用語は、適宜、解釈すべきである。シーリングリッジの軸方向の大きさは、深さ（depth）によって言及している。

前記内側シーリングリッジが前記外側シーリングリッジよりも厚い場合、より大きな力が前記内側シーリングリッジに作用するが、この力は、前記内側シーリングエッジのより大きな接触面領域にて分散される。そのため、前記外側シーリングリッジの軸方向応力に対する前記内側シーリングリッジの軸方向応力の比率は、前記バルブシートから前記外側シーリングリッジに作用する軸方向の力に対する前記バルブシートから前記内側シーリングリッジに作用する軸方向の力の比率より小さい。

前記内側シーリングリッジにおける前記環状バルブ部材の軸に垂直な断面積は、前記リッジ内における軸方向の同等位置において、前記外側シーリングリッジにおける前記環状バルブ部材の前記軸に垂直な断面積よりも、大きいことが好ましい。

前記内側および外側リッジは、それぞれが環状であってもよい。しかしながら、これは本質的な特徴ではない。本明細書および各請求項において、半径とは、適宜、前記軸と前記内側または外側リッジとの間の径方向距離を意味する。これは、前記内側および外側リッジが環状であるときの半径に等しい。

ここでは、前記内側および外側シーリングリッジが同一平面（典型的な形態）にある場合、軸方向が同等位置であるときの同一平面内の位置に関して言及する。しかし、前記内側および外側シーリングリッジの間に軸方向のオフセットが存在する場合（例えば、前記内側および外側バルブシートが軸方向にオフセットされている場合）をも含むものである。

前記内側および外側シーリングリッジが同一厚さを有する場合、前記内側シーリングリッジにおける前記環状バルブ部材の軸に垂直な断面積は、前記外側シーリングリッジの断面積よりも小さく、その比率は、前記内側シーリングリッジの円周長さと前記外側シーリングリッジの円周長さとの比率に一致する。そのため、前記リッジ内における軸方向の同等位置において、前記内側シーリングリッジにおける前記環状バルブ部材の軸に垂直な断面積が、前記外側シーリングリッジにおける前記環状バルブ部材の軸に垂直な断面積よりも大きくなるように、前記内側シーリングリッジが十分な厚さを有していることが好ましい。

典型的に、前記内側シーリングリッジおよび前記外側シーリングリッジの形状は、前記内側および外側シーリングリッジの軸方向の範囲が実質的に同等となるように選択される。

前記内側および外側シーリングリッジにおける前記軸方向の大半の範囲に関して、前記外側シーリングリッジにおける前記環状バルブ部材の軸に垂直な断面積（Ao）に対する、前記内側シーリングリッジにおける前記環状バルブ部材の軸に垂直な断面積（Ai）の比率は、以下の範囲であってもよい。

ここで、Fiは、前記内側バルブシート（もしくは、前記内側シーリングリッジが前記内側バルブシート上に形成される場合は内側バルブ部材）から前記内側シーリングリッジに働く力であり、Foは、前記外側バルブシート（もしくは、前記外側シーリングリッジが前記外側バルブシート上に形成される場合は外側バルブ部材）から前記外側シーリングリッジに働く力である。

前記バルブシートから前記外側シーリングリッジに働く力に対する、前記バルブシートから前記内側シーリングリッジに働く力の比率は、前記環状バルブ部材の圧力差（前後差圧）に起因しており、前記環状バルブシートおよび前記環状バルブ部材の外形、および、前記環状バルブ部材を形成する一または複数の材料のポアソン比に対応している。これらは、環状バルブのための計算、シミュレーションまたは実験によって得られるものである。

Ai／Aoは、以下の範囲内であってもよい。

あるいは、Ai／Aoは、以下の範囲内であってもよい。

前記内側および外側シーリングリッジにおける前記軸方向の大半の範囲に関して、Ai／AoはFi／Foと実質的に等しいかそれよりも大きいことが好ましい。

静的な力（環状バルブ部材の圧力差およびバネの付勢力）に起因して前記内側リッジおよび外側リッジに働く力と同様に、幾つかの実施形態では、前記外側リッジに対する、前記内側リッジに働く力の比率は、前記環状バルブ部材の前記バルブシートへの衝突によって受ける力に起因して増大する。これらの力は、特に、前記バルブシートへの前記環状バルブの衝突速度および前記環状バルブ部材の外形に依存する。

衝突によって受ける力が前記環状バルブの外周側でより大きくなるように前記環状バルブを設計可能ではあるが、典型的には、前記環状バルブ部材は、衝突によって受ける力が前記環状バルブの内側でより大きくなるように構成される。そのため、好ましい実施形態においては、Ai／Aoは、Fi／Foよりも大きい。また、Ai／AoがFi／Fo×1.1よりも大きくなるようにしてもよい。

前記環状バルブは、本体と、前記本体（またはシーリングリッジを含む各バルブシート）から延出した前記シーリングリッジと、を備えていてもよい。前記比率は、少なくとも前記内側および外側シーリングリッジの中間領域、すなわち前記環状バルブ部材の本体とそれぞれの前記リッジの先端部との間の部分的な領域に対して適用される。通常、前記内側および外側シーリングリッジの先端部の厚さは比較的薄く、前記内側および外側シーリングリッジの大部分に比べて小さな比率であり、且つ、前記環状バルブ部材の本体から延出する各シーリングリッジの基部は、通常広がっており、この範囲においては塑性変形し難いので、前記内側および外側シーリングリッジの相対厚さ（および断面）は、それぞれの前記リッジの先端部および基部においてはそれほど重要ではない。

前記内側および外側シーリングリッジは、少なくとも軸方向の大半の範囲が三角形状の断面を有していてもよい。前記内側および外側シーリングリッジは、それぞれの基部および先端部の間の中間領域において、三角形状の断面を有していてもよい。三角形状の領域の外面は、前記環状バルブの軸に対してthetaiとthetaoの間の角度を有している。その場合、tan(thetai)/tan(thetao)の比率は、三角形状の範囲内において外側シーリングリッジの厚さに対する内側シーリングリッジの厚さの比率に等しい。そして、この比率は、稼働時における内側および外側シーリングリッジに作用する力の比率に概ね一致する。

典型的に、前記内側および外側シーリングリッジは前記シート対向面から軸方向に延びながら先細りになっており、前記環状バルブ部材は軸を有し、前記内側および外側シーリングリッジは前記軸に対してtheta_iおよびtheta_oの角度で先細りになっており、

は、以下の範囲内であってもよい。

また、

は、以下の範囲内であってもよい。

あるいは、以下の範囲内であってもよい。

典型的に、前記環状バルブシートへの前記環状バルブの衝突から受ける力は、前記外側シーリングリッジよりも前記内側シーリングリッジにおいて大きくなる。前記環状バルブは、以下の式を満たすように構成されてもよい。

ここで、riは前記内側シーリングリッジの平均半径を意味し、roは前記外側シーリングリッジの平均半径を意味する。

前記内側及び／又は外側シーリングリッジは、各々が、三角形の外形（a triangular profile）、オジーブ状の外形（an ogival profile）、または反曲線状の外形（an ogee-shaped profile）を有していてもよい。

前記内側および外側シーリングリッジの厚さは、前記内側および外側シーリングリッジの軸方向の範囲内において比例していてもよい。

前記内側および外側シーリングリッジの先端は同一平面内にあってもよい。

運転時、前記内側および外側シーリングリッジの先端が実質的に同じ量弾性変形するように、前記内側および外側シーリングリッジを形成する材料（特に材料の弾性）が選択されてもよい。

前記環状バルブは、実質的には、慣らし運転されていなくてもよい。これにより、上述の特性は、例えば新たに製造されたバルブに関連する。

前記環状バルブは、慣らし運転されていてもよい。これにより、上述の特性は、例えば慣らし運転されたバルブに関連する。

慣らし運転（running in）は、実質的に、運転が継続的に行われる状態に到達するまで、新しく形成された環状バルブを運転し、物理的に変化させる手順である。なお、本明細書および特許請求の範囲では、慣らし運転（run in）ともいう。
顕著な物理的変化は、内側および外側シーリングリッジの塑性変形である。これは、慣らし運転の早期の段階において有効である。そして、塑性変形が安定した状態に到達する。しかしながら、例えば、幾つかの材料の除去および他の場所における沈着（例えば、材料が前記リッジから除かれて前記シートへ沈着）のように、他の使用形態も存在する。

典型的に、前記内側および外側バルブシートは、前記シーリングリッジよりも硬い材料で形成される。例えば、前記シートのロックウェルＣスケール硬さは４５以上６０以下の範囲内であり、前記シーリングリッジ（同種の材料によって一体的に形成）のロックウェルＣスケール硬さは２３以上３２以下の範囲内である。これにより、慣らし運転期間の終わりに、前記バルブシートは通常変形していない。また、前記内側および外側バルブシートは、前記環状バルブよりも硬い材料で形成されてもよい。

前記内側および外側バルブシートは鋼製であってもよい。また、前記内側および外側バルブシートはセラミック材料で形成されてもよい。

本発明をさらに油圧機械に適用した第２の態様は、前記油圧機械が、周期的に容積が変化する少なくとも一つの作動室と、流路と、作動室と流路との間における流体のフローを調節する第１の態様に記載された環状バルブと、を有する。

前記環状バルブは、電子的に制御されてもよい。例えば、前記環状バルブ部材は、アーマチャーに連結されていてもよい。アーマチャーと電磁的に接続されたソレノイドは、前記環状バルブを作動するために用いられてもよい。

前記油圧機械は、作動室容積の各周期において電子的に制御されるバルブによって作動流体の押しのけ容積を選択するために、前記環状バルブ（および、選択的に、作動室に関連した一または複数の他の電子制御バルブ）の開放および／または閉止を能動的に制御するコントローラを含んでいてもよい。このタイプの油圧機械の運転は、例えば欧州特許出願公開第０３６１９２７号明細書および欧州特許出願公開第０４９４２３６号明細書に記載されるように、公知である。

前記油圧機械は、作動室容積の周期的な変化が１０００サイクル／分より高い周波数または２０００サイクル／分より高い周波数となるように操作可能であってもよい。前記油圧機械は、作動流体の圧力が１００ｂａｒまたは２００ｂａｒより高くなるように操作可能であってもよい。

本発明の第３の態様は、油圧ポンプと、油圧モータと、前記油圧ポンプの出力側から前記油圧モータの入力側まで延在する高圧流路と、前記油圧モータの出力側から前記油圧ポンプの入力側まで延在する低圧流路と、を有する油圧トランスミッションにおいて、前記油圧ポンプおよび／または前記油圧モータは、前記第２の態様に記載の油圧機械であり、前記油圧ポンプおよび前記油圧モータを制御し、前記高圧流路の圧力を調節することで前記高圧流路と前記低圧流路との最大作動流体圧差を定めるコントローラを前記油圧トランスミッションが有し、前記内側および外側シーリングリッジにおける前記軸方向の大半の範囲に関して、前記外側シーリングリッジにおける前記環状バルブシートの軸に垂直な断面積に対する、前記内側シーリングリッジにおける前記環状バルブシートの軸に垂直な断面積の比率は、所定の運転条件下で前記環状バルブが閉じられたときに、前記環状バルブシートから前記外側シーリングリッジに働く力に対する、前記環状バルブシートから前記内側シーリングリッジに働く力の比率と実質的に同じであることを特徴とする。

予め設定される運転条件は、環状バルブ部材の圧力差（前後差圧）が、予め設定された圧力差（最大作動流体圧差、平均作動流体圧差または中間作動流体圧差であってもよい）に一致する条件を含んでいてもよい。典型的に、高圧流路が最大定格圧力となるように運転している場合、作動圧力差の最大値は、低圧および高圧流路の間の圧力差の最大値と概ね等しい。

予め設定される運転条件は、環状バルブによって流量調節される作動室の容量変化の周期が、予め設定された周波数を有するような条件を含んでいてもよい。予め設定される運転条件は、環状バルブを動作するためのソレノイドを流れる電流の設定値を含んでいてもよい。

油圧トランスミッションの運転時、予め設定された運転条件（例えば、作動室の容積変化の周波数の設定および圧力差の設定）において、前記内側および外側シーリングリッジの軸方向の範囲が実質的に同じ量弾性変形するように、前記内側シーリングリッジおよび前記外側シーリングリッジの外形が選択されてもよい。

本発明の第４の態様は、本発明の第１の態様に対応して、外側シーリングリッジよりも厚い内側シーリングリッジを有する環状バルブの設計方法を提供するものであって、内側および外側シーリングリッジの軸方向の範囲が、予め設定された運転条件下で実質的に常時変化するように、内側および外側シーリングリッジの外形を選択するステップを備える。

本発明の第５の態様は、周期的に容積が変化する作動室と、低圧流路と、高圧流路と、作動室と低圧流路または高圧流路との間に設けられ前記作動室と前記低圧流路または前記高圧流路との間の流体のフローを調節する、発明の第１の側面による環状バルブと、を有する流体作動機械を設けるステップと、前記作動室の容積の所定の周波数で、かつ、所定の低圧および高圧流路圧力で、前記流体作動機械を運転するステップと、を有し、前記内側および外側シーリングリッジにおける前記軸方向の範囲は、実質的に同じ量変形することを特徴とする環状バルブのならし運転の方法を提供する。この方法は、内側および外側シーリングリッジの塑性変形が安定するまで継続されてもよい。

本発明の例示的な実施形態を、次の図面を参照して説明する。
図１は従来の環状バルブにおける主要構成を示す部分断面図である。図２は図１の環状バルブが採用されたときに生じる変形を説明する図である。図３は変形により引き起こされる状態を示す図である。図４は本発明に係る環状バルブの部分断面図である。図５は本発明に係る他の環状バルブの部分断面図である。図６は本発明に係る他の環状バルブの部分断面図である。図７Ａはシーリングリッジの他の部分断面図である。図７Ｂはシーリングリッジの他の部分断面図である。図７Ｃはシーリングリッジの他の部分断面図である。図７Ｄはシーリングリッジの他の部分断面図である。図８は内側シーリングリッジおよび外側シーリングリッジが異なる材料で形成された他の実施形態を示す図である。図９は内側シーリングリッジおよび外側シーリングリッジが異なる材料で形成された他の実施形態を示す図である。図１０は圧力差Pによって環状バルブ部材の内側および外側シーリングリッジのそれぞれに作用する力Fi，Foを示す概念図である。

図１を参照して、周知の環状バルブ１は、軸２に対して回転対称となっている。この環状バルブは、バルブシート対向面６を有する鋼製の環状バルブ部材４を備えている。そして、バルブシート対向面６からバルブシート１２，１４に向けて、内側および外側シーリングリッジ８，１０が軸方向に延在している。環状バルブ部材は、流路１６およびギャラリ１８の間における作動流体（例えば作動液、典型的には作動油）の流れを許可または阻止するためのバルブシートに対して、軸方向に移動可能となっている。前記流路１６および前記ギャラリ１８は、環状バルブの周囲に延在し、マニホールド（不図示）に連通している。なお、前記マニホールドは、高圧流体（例えば５〜１０００ｂａｒの圧力範囲）のための高圧マニホールドであってもよいし、あるいは、典型的には作動流体タンクに連通して比較的低圧（例えば１〜３ｂａｒ）の低圧マニホールドであってもよい。環状バルブが閉じられたとき、環状バルブを挟んで圧力差が発生する。この圧力差は、図１０に示すように、バルブ部材に働く圧力Pに概ね等しい。

実際には、圧力差に起因して内側リッジ（図１０に示すFi）に作用する力は、外側リッジ（Fo）に作用する力よりも大きい。相対的な力の計算について、図２を参照して以下に説明する。内側シーリングリッジは、過酷な条件下で、内側リッジよりも大きな力によって塑性変形する。十分に使用された後、内側シーリングリッジは外側シーリングリッジと同時期に密閉性を失い、図３に示すように作動流体は、経路２０のように内側シーリングリッジを通って流出する。これは、内側シーリングリッジのキャビテーション浸食が引き起こすものである。

図４は本発明に係る環状バルブの部分断面図である。内側シーリングリッジは外側シーリングリッジよりも厚く形成されている。軸の垂直面２２を通る断面において、内側シーリングリッジは外側シーリングリッジよりも断面積が大きい。その結果、内側シーリングリッジに働く力は外側シーリングリッジに働く力よりも大きいものの、互いの応力はバランスする。そのため、同一の材料から形成される内側および外側シーリングリッジの場合、これらの塑性変形は同程度となる。よって、環状バルブの初期使用時（慣らし運転時）、これらは同一の軸の範囲を維持する。

図５は本発明に係る他の環状バルブの部分断面図である。同図に示す他の環状バルブは、環状バルブ部材が円盤形状であり、内側および外側シーリングリッジが、環状バルブ部材の代わりに内側および外側バルブシートに形成された構成となっている。この形態においても、内側シーリングリッジは外側シーリングリッジよりも厚く形成されている。

図６は、環状バルブ（電子制御される環状バルブの一例）を作動するためのソレノイドのより詳細な実施形態を示す断面図である。環状バルブは、基部２６から形成される可動ポート２４を有する。可動ポート２４は、ガイド部材２８によって案内される。基部は、複数の間隙３２を有するアーマチャー３０と一体的に構成されている。この複数の間隙３２を作動流体が流れることで、作動流体が環状バルブ部材の動作を不要に阻害することを回避するようになっている。そして、内側および外側シーリングリッジ８，１０を含む環状バルブ部材４を支持するために、基部から放射状に分岐した複数のアーム３４が外側へ向けて放射状に且つ軸方向に延出している。上述したように、軸２の垂直面において、内側シーリングリッジは外側シーリングリッジよりも厚く形成されている。内側および外側シーリングリッジは、内側および外側バルブシート１２，１４に当接するように構成され、これにより、作動室（例えばピストン型シリンダ）まで延在する通路１６からマニホールドへ連通するギャラリ１８が、環状バルブによって画成される。

この分野における熟練者は、環状バルブ部材および環状バルブシートの構成を考慮し、計算または実験により、内側および外側シーリングリッジの正確な相対的厚さを決定することが可能である。

実験によって正確に相対的な厚さを決定するために、異なる相対厚さの内側および外側シーリングリッジを含む環状バルブを組み立て、例えば作動室の容積の変化が所定の周波数で且つ低圧および高圧マニホールドが所定の圧力であるような所定の運転条件を有する流体作動機械を用いて慣らし運転をしてもよい。このプロセスにおいて最も重要なことは、環状バルブに連通したマニホールドの圧力を調節することである。このマニホールドは、環状バルブの使用目的に応じて選択された、低圧マニホールドまたは高圧マニホールドの一方である。これらの運転条件は、複数の実験において一定とすべきであるが、一つの実験から次に進む際に概ね一定の条件であれば実験によって変化させてもよい。この実験は、内側および外側シーリングリッジが塑性変形に起因して形状変化するまで各環状バルブにおいて継続すべきである。そして、最も適正な内側および外側シーリングリッジを有する環状バルブを決定するために、ならし運転期間後、機械的または光学的な形状測定技術を用いて内側および外側シーリングリッジを検査してもよい。

計算によって適正な相対厚さを決定するためには、特定の条件下（例えば、環状バルブ部材の両面における面圧の差、作動室の容積変化における特定の周波数、環状バルブシートへの環状バルブ部材の特定の衝突速度等を含む）で運転中の内側および外側バルブシートに働く静的な力と衝突力の両方を考慮する必要がある。

環状バルブ部材に作用する圧力差Pに起因した内側および外側シーリングバルブの静的な力は、環状バルブの条件を考慮した上で、例えば有限要素モデル法または第一原理計算法によって計算することができる。環状バルブまたは円板やこれに類似したものは、「Roark's Formulas For Stress and Strain」（Young, W. C.; Roark, R. J. and Budynas, R. G.著，第７版，２００２年，McGraw-Hill発行）によって提供される適切な式によって算出できる。この文献を参照すれば下記内容が記載されている。

単純支持された内側および外側エッジを有する所定厚さの円板に関するRoark's Formulasによれば、pp. 457, 458, 464に記載されるように、外側エッジおよび内側エッジの各単位せん断力（例えば、単位円周長さ当たりの力）であるQa, Qbは以下によって計算できる。ここで、円板の垂直方向の歪み(y_a, y_b) =0となり、且つ、半径方向および接線方向の曲げモーメント(M_rb=0およびM_ra=0)がゼロになると推定できる。

なお、theta_a, theta_bは半径方向の傾斜（ラジアン）、vはポアソン比、qは単位面積当たりの負荷（圧力差Pに起因した負荷）である。
以下の仮定をする。
圧力P=400bar =q, 内側シーリングリッジの直径=21mm（半径ri=10.5mm), 外側シーリングリッジの直径=31mm (半径rio=15.5mm),材料のポアソン比 v=.3
C1＝0.3113; C3=0.0046; C7=0.3634; C9=0.2356; L11=38747×10⁴;andL17=0.0427
したがって、以下のようになる。

上記したようにパラメータを設定することで、外側リッジ（本明細書および請求項におけるFo）に対する内側リッジの力（本明細書および請求項におけるFi）の比率が1.2517となる。そして、適切な条件下であれば、外側リッジの厚さに対する内側リッジの厚さの適正な比率も1.2517となる。

実際には、力はバルブシートへの環状バルブからの衝突にも起因している。図６に示す環状バルブは、中心基部と、軸方向および径方向に延在し、環状バルブ部材の内側エッジを支持するアームと、を含む可動部を備えている。衝突時、全ての可動部のうちの大部分（アーマチャーを含む）を瞬時に減速させるのに十分な力が内側シーリングリッジを介して伝達されることは明白である。こうして、可動部の大部分は、内側シーリングリッジに強固に連結される。しかしながら、これに対応して外側シーリングリッジを介して伝わる力は、アームが外側シーリングリッジに直接延びていないために小さいものとなる。アームと環状バルブ部材には僅かな屈曲部が存在するので、外側シーリングリッジの可動部への連結強さは劣る。このような力は、有限要素モデル法による計算、あるいはテスト装置による測定によって得られる。

この分野の熟練者によれば、有限要素モデル法によって、あるいは、Ansys（米国ペンシルバニアカノンズバーグのAnsys社から入手可能）、CosmosWorks（ドイツ国ローゼンハイムのH Feddersenから入手可能）、またはAdams（米国カリフォルニア州サンタアナのMSC.Software社から入手可能）のようなプログラムを用いて、力に関連した衝突の計算に取り組むことができる。特に、衝突速度、バルブ周囲の流体のフロー、異なる周波数および弾性、および内側シーリングリッジおよび外側シーリングリッジへ大部分が連結される弾性の探索において、これらの方法は有用である。図６に示す実施形態において、外側リッジに対する内側リッジの厚さの比率が、静的な力（上述の例では1.2517）に起因して外側リッジに作用する力に対する内側リッジに作用する力の比率よりも大きいことが好ましい。例えば、外側リッジに対する内側リッジの厚さの比率が、1.3以上1.4以下であってもよい。

図７Ａ乃至図７Ｄは、内側および外側シーリングリッジの実施可能な形状の例を示す図である。図７Ａに示す実施形態において、内側シーリングリッジは、中間領域３６において三角形状となっているが、先端部３８はアール形状を有している。第１の実施形態ではシーリングエッジとしてこういった構造を採用しているが、稼働後に、図７Ｂに示す形状を採用してもよい。図７Ｂに示す実施形態は、塑性変形の結果、先端に肉厚部４０を有している。図７Ｃおよび図７Ｄに示す実施形態は、断面がオジーブ状の外形（ogival）および反曲線状の外形（ogee-shaped）を有している。各実施形態において、内側シーリングエッジは、内側および外側シーリングリッジの軸方向の範囲にわたって厚さが比例している点で、内側および外側シーリングリッジを通る断面のみが異なる。

硬い材料で内側シーリングリッジを形成することによって、外側シーリングリッジとしての同一断面を有する外側シーリングリッジに対応して内側シーリングリッジを変形させてもよい。図８を参照して、環状バルブおよび内側シーリングリッジは、同一材料（例えば同一の鋼種）で一体的に形成され、外側シーリングリッジはより軟らかい材料（例えば軟質の鋼種）で形成される。あるいは、環状バルブ部材よりも硬い材料で形成された内側シーリングリッジを含む環状バルブ部材と同一の材料によって外側シーリングリッジが形成されてもよいし、内側シーリングリッジが外側シーリングリッジよりも硬い材料で形成されるように、内側および外側シーリングリッジの両方が環状バルブ部材とは異なる材料から形成されてもよい。図９を参照して、内側および外側シーリングリッジがバルブシート側に設けられている場合にも同一の原理が適用できる。この場合、内側シーリングリッジがバルブシートと同一の材料から形成され、外側シーリングリッジがより軟らかい材料から形成されてもよい。また、外側シーリングリッジがバルブシートと同一の材料から形成され、内側シーリングリッジがより硬い材料から形成されてもよい。さらに、内側シーリングリッジが外側シーリングリッジよりも硬い材料で形成されれば、内側および外側シーリングリッジの両方がバルブシートとは異なる材料で形成されてもよい。また、第１材料が第２材料よりも硬い材料である場合、内側シーリングリッジおよび内側バルブシートが共に第１材料で形成され、外側シーリングリッジおよび外側バルブシートが共に第２材料から形成されてもよい。

本明細書に開示される発明の範囲において、さらなる変更や変形がなされてもよい。

１環状バルブ
２軸
４環状バルブ部材
６バルブシート当接面
８内側シーリングリッジ
１０外側シーリングリッジ
１２内側バルブシート
１４外側バルブシート
１６流路
１８ギャラリ
２０経路
２２軸の垂直面
２４可動ポート
２６基部
２８ガイド部材
３０アーマチャー（電機子、鉄片、電動子）
３２間隙
３４アーム
３６中間領域
４０肉厚部
P 環状バルブ部材に加わる圧力
Fi 内側シーリングリッジに作用する力
Fo 外側シーリングリッジに作用する力

Claims

流路における流体の流れを許可又は阻止するための環状バルブ部材と、内側および外側バルブシートとを有する環状バルブであって、
前記内側バルブシートは、前記流路よりも前記環状バルブ部材の径方向内側に設けられており、
前記外側バルブシートは、前記流路よりも前記環状バルブ部材の径方向外側に設けられており、
前記環状バルブ部材は環状の前記バルブシートに対向するシート対向面を有し、
前記環状バルブ部材の前記シート対向面か前記内側バルブシートのいずれかは環状内側シーリングリッジを備え、
前記環状バルブ部材の前記シート対向面か前記外側バルブシートのいずれかは環状外側シーリングリッジを備え、
前記内側シーリングリッジは前記外側シーリングリッジよりも塑性変形に対する耐性が強いことを特徴とする環状バルブ。
前記内側シーリングリッジは、前記外側シーリングリッジを形成する一つ又は複数の材料より硬い材料で少なくとも一部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の環状バルブ。
前記内側シーリングリッジは、前記外側シーリングリッジを形成する一つ又は複数の材料より高い降伏強度を有する材料で少なくとも一部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の環状バルブ。
前記内側シーリングリッジは前記外側シーリングリッジより厚いことを特徴とする請求項１に記載の環状バルブ。
前記内側シーリングリッジにおける前記環状バルブ部材の軸に垂直な断面積は、前記リッジ内における軸方向の同等位置において、前記外側シーリングリッジにおける前記環状バルブ部材の前記軸に垂直な断面積よりも、大きいことを特徴とする請求項４に記載の環状バルブ。
前記内側および外側シーリングリッジにおける前記軸方向の大半の範囲に関して、前記外側シーリングリッジにおける前記環状バルブの軸に垂直な断面積（Ａｏ）に対する、前記内側シーリングリッジにおける前記環状バルブ部材の軸に垂直な断面積（Ａｉ）の比率は、以下の範囲であることを特徴とする請求項５に記載の環状バルブ。

ここで、Ｆｉは、前記内側バルブシート（もしくは、前記内側シーリングリッジが前記内側バルブシート上に形成される場合は内側バルブ部材）から前記内側シーリングリッジに働く力であり、Ｆｏは、前記外側バルブシート（もしくは、前記外側シーリングリッジが前記外側バルブシート上に形成される場合は外側バルブ部材）から前記外側シーリングリッジに働く力である。
前記内側および外側シーリングリッジにおける前記軸方向の大半の範囲に関して、Ａｉ／ＡｏはＦｉ／Ｆｏと実質的に等しいかそれよりも大きいことを特徴とする請求項６に記載の環状バルブ。
前記内側および外側シーリングリッジは前記シート対向面から軸方向に延びながら先細りになっており、前記環状バルブ部材は軸を有し、前記内側および外側シーリングリッジは前記軸に対してｔｈｅｔａ_ｉおよびｔｈｅｔａ_ｏの角度で先細りになっており、

は、

の範囲内であることを特徴とする請求項３に記載の環状バルブ。
ここで、ｒｉは前記内側シーリングリッジの平均半径を意味し、ｒｏは前記外側シーリングリッジの平均半径を意味し、Ｆｉは、前記内側バルブシート（もしくは、前記内側シーリングリッジが前記内側バルブシート上に形成される場合は内側バルブ部材）から前記内側シーリングリッジに働く力であり、Ｆｏは、前記外側バルブシート（もしくは、前記外側シーリングリッジが前記外側バルブシート上に形成される場合は外側バルブ部材）から前記外側シーリングリッジに働く力である。
前記内側および外側シーリングリッジは前記シート対向面から軸方向に延びながら先細りになっており、前記環状バルブ部材は軸を有し、前記内側および外側シーリングリッジは前記軸に対してｔｈｅｔａ_ｉおよびｔｈｅｔａ_ｏの角度で先細りになっており、

を満たすことを特徴とする請求項３に記載の環状バルブ。
ここで、ｒｉは前記内側シーリングリッジの平均半径を意味し、ｒｏは前記外側シーリングリッジの平均半径を意味し、Ｆｉは、前記内側バルブシート（もしくは、前記内側シーリングリッジが前記内側バルブシート上に形成される場合は内側バルブ部材）から前記内側シーリングリッジに働く力であり、Ｆｏは、前記外側バルブシート（もしくは、前記外側シーリングリッジが前記外側バルブシート上に形成される場合は外側バルブ部材）から前記外側シーリングリッジに働く力である。
前記内側及び／又は外側シーリングリッジは、各々が、三角形の外形、オジーブ状の外形、または反曲線状の外形を有することを特徴とする請求項１に記載の環状バルブ。
前記内側および外側シーリングリッジの厚みは、前記内側および外側シーリングリッジの軸方向の範囲にわたって比例していることを特徴とする請求項１０に記載の環状バルブ。
前記内側および外側シーリングリッジの先端は同一平面内にあることを特徴とする請求項１に記載の環状バルブ。
前記内側および外側シーリングリッジの弾性は、運転時に前記内側および外側シーリングリッジの先端が実質的に同じ量弾性変形するように選択されることを特徴とする請求項１に記載の環状バルブ。
周期的に容積が変化する少なくとも一つの作動室と、流路と、前記作動室と前記流路との間における流体のフローを調節する請求項１に記載の環状バルブと、を有することを特徴とする油圧機械。
油圧ポンプと、油圧モータと、前記油圧ポンプの出力側から前記油圧モータの入力側まで延在する高圧流路と、前記油圧モータの出力側から前記油圧ポンプの入力側まで延在する低圧流路と、を有する油圧トランスミッションにおいて、
前記油圧ポンプおよび／または前記油圧モータは、請求項１４に記載の油圧機械であり、
前記油圧ポンプおよび前記油圧モータを制御し、前記高圧流路の圧力を調節することで前記高圧流路と前記低圧流路との最大作動流体圧差を定めるコントローラを前記油圧トランスミッションが有し、
前記内側および外側シーリングリッジにおける軸方向の大半の範囲に関して、前記外側シーリングリッジにおける前記環状バルブシートの軸に垂直な断面積に対する、前記内側シーリングリッジにおける前記環状バルブシートの軸に垂直な断面積の比率は、所定の運転条件下で前記環状バルブが閉じられたときに、前記環状バルブシートから前記外側シーリングリッジに働く力に対する、前記環状バルブシートから前記内側シーリングリッジに働く力の比率と実質的に同じであることを特徴とする油圧トランスミッション。
周期的に容積が変化する作動室と、低圧流路と、高圧流路と、前記作動室と前記低圧流路または前記高圧流路との間に設けられ前記作動室と前記低圧流路または前記高圧流路との間の流体のフローを調節する、請求項１に記載の環状バルブと、を有する流体作動機械を設けるステップと、
前記作動室の容積の所定の周波数で、かつ、所定の低圧および高圧流路圧力で、前記流体作動機械を運転するステップと、
を有し、
前記内側および外側シーリングリッジにおける軸方向の範囲は、実質的に同じ量変形することを特徴とする環状バルブのならし運転の方法。