JP6654644B2 - 弁構造並びにこれを有する油圧機器及び流体機械並びに機械 - Google Patents

Description

本発明は、弁構造並びにこれを有する油圧機器及び流体機械並びに機械に関するものである。

油圧を利用する油圧ショベルやホイールローダなどの建設機械は、様々な仕事を行うために、複数の油圧アクチュエータを使用している。これらのアクチュエータは、加圧された流体をアクチュエータ内のチャンバ内に供給するポンプと連結されている。基本的に、油圧制御弁は、ポンプとアクチュエータとの間に設置されており、ポンプから供給される液体の流量や流れ方向の制御を行う。

複数のアクチュエータを共通のポンプによって制御されている油圧回路では、アクチュエータの動作中に、回路内で想定外の圧力変動が生じる可能性がある。この圧力変動は、アクチュエータの動作効率低下を引き起こす可能性があるだけではなく、想定以上の圧力が油圧回路内に生じた際に、油圧回路を構成する部品の故障を引き起こす可能性がある。

油圧回路内で生じる想定外の圧力変動の低減を担う部品として、圧力制御弁が設けられている。この圧力制御弁の代表例としてポペット弁がある。ポペット弁は構成部品が少ない、圧力応答性が良い等の利点があるが、振動が生じやすいという課題がある。そのため、ポペット弁の振動を抑制する油圧回路や弁形状の工夫が行われている。

従来は、特許文献１のように、弁座の下流側面に半球状の凹み、あるいは突起を設けることにより、弁座表面に沿う壁面近傍の流れを乱流に促進する効果を大きくし、壁面近くの境界層を薄くすることで、弁座表面から流れが剥離するのを防止し、弁体の振動などを抑えている。

特開平９−１７０６６８号公報

特許文献１に記載の形状の場合、弁座の下流壁面近傍で生じる渦が原因で、渦騒音や、凹凸が設けられている領域において発生しやすいキャビテーションの発生・消滅による騒音が発生し、効果が不十分である。

この種の弁には、構成部品が少ない、圧力応答性が良い等の利点があるが、弁体の振動が生じやすいという課題がある。

本発明は、弁体の振動を抑制することができる弁構造を提供することを目的とする。

本発明の弁構造は、弁体と、開閉される流体の流路を有する弁座と、を含み、弁体と弁座との接触部よりも下流側の流路壁面には、溝が流路の中心軸を取り囲むように設けられている。

本発明によれば、渦の発生量を低減し、弁体に作用する流体力の変動を抑制することができる。結果、弁の振動現象を抑制し、弁体と弁座とが衝突する時に発生する力やキャビテーションの発生頻度も低減することができ、弁の破損を防止することができ、信頼性の高い弁を提供することができる。

実施例１の弁構造を示す模式縦断面図である。 図１Ａの弁構造における流体の流線の一部を示す模式縦断面図である。 渦度及び流体力の周波数分析結果の例を示すグラフである。 弁体の振動の低減効果を示すグラフである。 実施例２の弁構造を示す模式縦断面図である。 実施例３の弁構造を示す模式縦断面図である。 本発明の弁構造を有するアクチュエータを備えた油圧ショベルを示す概略側面図である。 図６の油圧ショベルのブームシリンダの駆動部を示す概略構成図である。 従来の弁構造を示す模式縦断面図である。

以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。

図１Ａは、実施例１の弁構造を模式的に示す縦断面図である。

本図において、弁構造の主要構成要素は、弁体１、弁座２及びばね５である。弁座２には、流路３が設けられている。弁体１と弁座２とは、弁が閉じた状態では接触部６で接触するようになっている。本図は、弁が開いた状態を示している。接触部６の下流側の流路壁３５には、全周に亘って溝１０が設けられている。本実施例の場合、流路３は、断面形状が円形の穴であり、溝１０は、円環状に形成されている。溝１０の断面形状は、本図においては矩形状である。溝１０の壁面は、溝下面１０ａ、溝上面１０ｂ及び溝側面１０ｃからなっている。流線１０１は、圧力差により流路３を経て溝１０に流れ込む流体を表したものである。

なお、流路３の断面形状は、円形状に限定されるものではなく、楕円形状、矩形状、多角形状等であってもよい。また、溝１０の断面形状は、矩形状に限定されるものではなく、半円形状、三角形状等であってもよい。さらに、溝１０は、連続していることが望ましいが、途切れ途切れの破線状に形成されていてもよい。この場合は、破線状の溝１０の経路のうち連続する部分の長さが経路全体の８０％以上であることが望ましい。また、溝１０の途切れた部分の個数は、特に限定されるものではなく、途切れた部分の長さが短いほど望ましい。

弁体１の挙動は、ばね５が弁体１を弁座２に押し付ける方向に作用するばね力２１と、流入する液体が弁体１を開く方向に作用する流体力２２との釣り合いによって決まる。入口から流体が流入し、弁体１に作用する流体力２２がばね力２１より大きくなると、弁体１が開く方に動き、弁体１に作用する流体力２２がばね力２１より小さくなると、弁体１が閉じる方向に動く。弁体１及び接触部６は、スロート部を形成するため、接触部６の出口で渦が発生しやすい。

このため、弁体１と流路３の接触部６が繰り返し衝突すると、接触部６の下流で渦の発生・消滅が繰り返し生じる。

溝１０の壁面のうち、溝下面１０ａは、渦を溝１０に誘導し、閉じ込めるために設けてある。溝上面１０ｂは、渦が逆流し、弁体１の挙動に影響を与えるのを防ぐために設けられている。接触部６の下流側では、渦の発生・消滅が原因で圧力の変動が大きくなる。そこで、溝側面１０ｃは、その圧力の変動を低減させるために設けられている。

溝１０を設けたことにより、接触部６の下流側で発生する渦の量が減少し、弁体１に作用する流体力２２が安定する。

図１Ｂは、図１Ａの弁構造における流体の流線の一部を示したものである。図中の一点鎖線は、流路３の中心線（中心軸）を表している。

図１Ｂに示すように、流体の流入により、溝１０の内部には、渦２０２が発生する。これにより、流路３における層流の流線２０１は、流路壁３５の近傍に接近する。言い換えると、流路３における層流域の流路断面積が拡大される。

図８は、従来の弁構造における流体の流線の一部を示したものである。

本図においては、流路壁３５には、溝が設けられていない。このため、流路壁３５の近傍に渦３０２が発生し、層流の流線３０１が流路３の中心部に寄っている。このように、渦３０２が発生する領域が大きくなり、渦３０２の量も多くなるため、流路３における圧力の変動が大きくなる傾向がある。すなわち、流路３における層流域の流路断面積は、小さくなり、流れや圧力が不安定となる。

図２は、溝を設けていない場合に、弁体に作用する流体力、及び弁体と弁座との接触部の下流側で生じる渦について、周波数分析をした結果を示したものである。横軸に周波数、縦軸に振幅をとっている。

本図より、弁体に作用する流体力の変動成分と、渦の発生・消滅の変動成分とが一致していることがわかる。このことから、弁体の振動を増加させる原因の一つは、接触部より下流側で生じる渦であると考えられる。

図３は、弁体の振動の低減効果を示すグラフである。横軸に時間、縦軸に弁の移動量をとっている。

本図において、溝を有しない従来例の場合、弁の移動量の極大値が高くなっている。一方、溝を有する実施例１の場合、弁の移動量の極大値が低くなっている。このことは、従来例に比べて実施例１においては、弁体の振動が小さくなっていることを示している。

なお、本発明の溝１０の環状構造は、流路の中心軸と直交する平面に対して平行であることが望ましいが、所定の角度をなすものであってもよい。その角度は、４５°以下が望ましく、３０°以下が更に望ましい。特に望ましい角度は１５°以下である。

図４は、実施例２の弁構造を示したものである。

本実施例の基本構成は、実施例１と同じであり、実施例１と異なる点は、接触部６の下流側の流路壁３５に全周に亘って２つ以上の溝１０を設けていることである。

このような構造により、上流側の溝１０で処理しきれない渦を下流側の溝１０に誘導することができる。

図５は、実施例３の弁構造を示したものである。

本実施例の基本構成は、実施例１と同じであり、実施例１と異なる点は、接触部６の下流側の流路壁３５に全周に亘って螺旋状の溝１０を設けていることである。

本図においては、溝１０が螺旋状であることを明瞭にするため、流路壁３５の溝１０をデフォルメして部分的に斜視図のように表現している。

このような螺旋状の溝１０においても、流体に対する作用は、実施例１及び２と同様に、溝１０の内部に渦を誘導するものであり、渦による振動の発生を抑制することができる。

なお、本発明の溝１０の螺旋状構造は、流路の中心軸と直交する平面に対して平行であることが望ましいが、所定の角度をなすものであってもよい。その角度（螺旋角）は、４５°以下が望ましく、３０°以下が更に望ましい。特に望ましい角度は１５°以下である。

実施例１〜３に共通する特徴は、溝１０が流路の中心軸を取り囲むように設けられていることである。

以下、上述の弁構造を有する油圧機器及びこれを備えた機械について説明する。

図６は、本発明の弁構造を有するアクチュエータを備えた油圧ショベル（建設機械）を示したものである。

本図において、油圧ショベル６０１は、車体６１０と、作業機６２０と、クローラ６１１と、を備えている。車体６１０は、車体本体６１２と、運転室６１４と、を含む。車体本体６１２は、動力室６１５と、カウンタウェイト６１６と、を含む。

作業機６２０は、被駆動部であるブーム６２１ａと、アーム６２１ｂと、バケット６２１ｃと、を含む。また、ブーム６２１ａ、アーム６２１ｂ及びバケット６２１ｃはそれぞれ、アクチュエータであるブームシリンダ６２２ａ、アームシリンダ６２２ｂ及びバケットシリンダ６２２ｃにより駆動されるようになっている。

クローラ６１１は、クローラベルト６１３と、走行モータ６１７と、を含む。走行モータ６１７の回転によりクローラベルト６１３を動かして、走行するようになっている。

図７は、図６の油圧ショベルのアクチュエータの一つであるブームシリンダの駆動部を示したものである。

図７において、ブームシリンダ６２２ａには、油圧を伝達するための管路６３６、６３８が接続されている。油圧の調整は、原動機６３１、油圧ポンプ６３２、コントロールバルブ６３４、リリーフ弁６５０等により行われるようになっている。コントロールバルブ６３４には、２つのバルブ６３４ａ、６３４ｂ（弁）が設けられている。原動機６３１により駆動される油圧ポンプ６３２から吐出する油（非圧縮性流体）の圧力が管路６３６を介してブームシリンダ６２２ａに伝達される。リリーフ弁６５０を開とすると、管路６３７に油が流れ、管路６３６から管路６３８に油が流出する。流出した油は、タンク６３３に貯留される。

以上のように、本発明の弁構造は、油圧機器（アクチュエータ）に適用され、アクチュエータの動力を利用する機械から発生する騒音の低減に寄与する。

なお、本発明の弁構造の適用分野は、油圧機器に限定されるものではなく、流体を輸送するポンプその他の流体機械にも適用される。また、このような流体機械を有し、流体を燃料とする自動車その他の機械にも適用される。

弁構造を有する油圧機器により動力を発生する機械としては、油圧ショベル、ブルドーザその他の建設機械、ロボット等が挙げられる。

弁構造を有する流体機械としては、自動車用燃料ポンプ等が挙げられる。

弁構造を有するポンプ等、流体を輸送する機能を有する流体機械を備えた機械としては、自動車等が挙げられる。

なお、本明細書においては、油圧機器とは、液体である油を介して圧力を伝達する装置をいう。また、流体を輸送する機能を有する流体機械とは、エンジン等で使用する燃料等の流体を下流側に移動する装置をいう。また、単に「機械」という場合、油圧機器、流体機械等のデバイスを組み込んだ装置を意味する。

上述の図６及び７の説明においては、油圧機器を備えた機械である油圧ショベル（建設機械）を例として挙げたが、本発明の機械は、これに限定されるものではない。また、建設機械等の移動式の機械は、油圧機器だけではなく、液体燃料であるガソリン、軽油、重油等を輸送する機能を有する流体機械である燃料ポンプを備えている。よって、本発明の機械には、弁構造を有する複数種類のデバイスを備えたものも含まれ、それぞれのデバイスには、適切な弁構造が適用される。

１：弁体、２：弁座、３：流路、５：ばね、６：接触部、１０：溝、１０ａ：溝下面、１０ｂ：溝上面、１０ｃ：溝側面、３５：流路壁、１０１、２０１、３０１：流線、２０２、３０２：渦。

Claims (8)

1. 弁体と、開閉される液体の流路を有する弁座と、ばねと、を含み、
   前記ばねは、前記弁体を前記弁座に押し付けるものであり、
   前記弁体と前記弁座との接触部よりも下流側の流路壁面には、溝が前記流路の中心軸を取り囲むように設けられ、
   前記弁体は、実質的に前記接触部よりも前記下流側に進入しない形状を有する、弁構造。
2. 前記溝は、環状又は螺旋状に形成されている、請求項１記載の弁構造。
3. 前記溝は、連続した構造を有する、請求項１又は２に記載の弁構造。
4. 前記溝は、複数設けられている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の弁構造。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の弁構造を有する、油圧機器。
6. 請求項５記載の油圧機器を有し、動力を発生する、機械。
7. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の弁構造を有し、前記液体を輸送する、流体機械。
8. 請求項７記載の流体機械を有し、前記液体を燃料とする、機械。

Images