JPH0293181A - シート型の流量制御弁 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はシート型の流量制御弁に係わり、特にパイロッ
ト弁の変位に応じてシート型主弁の変位を比例制御する
シート型の流量制御弁に関する。

〔従来の技術〕

油圧ショベル等、動力伝達媒介として液体（油）を用い
た動力伝達装置において、動力の大きさは動作圧力Ｐと
流量Ｑの積で表わされる。同一動力を伝達する場合、動
作圧力Ｐを高くすると、油圧アクチュエータの小形化か
図れ、動作圧力Ｐを高めた割合だけ流量Ｑを小さくでき
るので、動力伝達の際の摩擦損失か小さくなり、動力効
率か改善される。しかしながら動作圧力Ｐを高くすると
、動力伝達装置に用いられる機器の摺動隙間からの漏れ
が増加するため、漏れの少ない機器の開発が望まれてい
た。特許出願公表昭５８−５０１７８１号に記載の流量
制御弁はこのような要求を満たすものであり、以下第４
図を参照してこの流量制御弁の概略を説明する。

第４図において、弁ケース１内にシート弁からなる主弁
２が摺動自在に組込まれ、主弁２は弁入口部ＩＡの側に
受圧面積Ａｓを、弁出口部ＩＢの側に受圧面積Ａａを有
し、主弁２の出口部ＩＢの側にはスリット幅Ｗｌのメー
タリングオリフィス２Ａが設けられている。弁入口部Ｉ
Ａは主弁２に設けられた油通路３により主弁背面側に形
成された弁制御室ＩＣと連通しており、油通路３には弁
ケース１と協働して主弁２の変位に応じて開度を変化さ
せる幅ＷＣの可変絞りＩＤが設けられている。弁制御室
ＩＣは油通路５によりパイロット弁４の入口部と連通し
、パイロット弁４の出口部は油通路６により主弁２の出
口部ＩＢと連通されている。主弁２は弁制御室ＩＣの圧
力により閉弁方向に付勢される受圧面積Ａｃを有してい
る。主弁２の入口部ＩＡと出口＃ｌＢは主弁２のシート
部７と弁座７Ａとの接触により閉弁時は連通が遮断され
、弁制御室ＩＣと主弁出口部ＩＢもパイロット弁４のシ
ート部８と弁Ｊｕ８Ａとの接触により閉弁時は連通か遮
断されている。

今、パイロット弁４を手動操作、液圧又は電気的等を介
して操作し、そのときの操作量（変位）をｙとすると、
パイロット弁４を通過する流量ｑＯは以下の式で与えら
れる。

ｑＤ　＝Ｃｐ　Ｗｐ　ｙｒ丁７７７　　ｃ　−ａ・・・
（１） この式において、ｃｏは流量係数、ＷＤはパイロット弁
４の等価オリフィス幅、ｇは重力加速度、γは液体の比
重、Ｐｃは弁制御室ＩＣの圧力、Ｐａは主弁２の出口圧
力である。一方、このとき主弁２がＸだけ変位したとす
ると、油通路３に設けられた可変オリフィスＩＤを通過
する流量ｑｃは下記の式で与えられる。

ｑｃ　＝Ｃｃ　Ｗｃ　ｘ　Ｊ−Σ１７了−Ｊ　Ｐｓ　−
ＰＣ・・・（２） この式において、ＣＣは流量係数、ＷＣは前述したスリ
ット幅、ＰＳは主弁２の入口圧力である。

主弁２が静定した状態ではｑｐ”ｑｃの関係にあるから
、パイロット弁操作量ｙに対する主弁変位Ｘを求めると
、下記の（３）式となる６ところで、日本機械学界論文
集（Ｂ）５３巻４９０号（昭６２−６）Ｐ１７５０〜１
７５５等によると、第４図に示した流量制御弁において
は、主弁２に働く流体力は非常に小さく、主弁２の油圧
バランスは下記の（４）式で与えられるとしている。

Ａｓ　Ｐｓ　＋Ａａ　Ｐａ　＝Ａｃ　Ｐｃ一方、受圧面
積Ａｓ　、Ａａ　、Ａｃの間には（５）式の関係がある
。

Ａａ　＝Ａｃ　−Ａｓ　　　　　　　　　　−（５）こ
の関係を（４）式に代入し、Ａｓ　／Ａｃ　＝Ｋａｌと
置いて整理すると（６）式を得る。

Ａｓ　Ｐｓ　＋（Ａｃ　−Ａｓ　）　Ｐａ　＝Ａｃ　Ｐ
ｃＫａｌＰＳ　　＋　　（１−Ｋａｌｌ）Ｐａ　　＝＝
Ｐｃ　　　・　（６）この（６）式の関係を用いて（３
）式の（Ｐｃ　−Ｐａ　）及び（Ｐｓ　−Ｐｃ　）を求
めると、下記の（７）及び（８）式を得る。

（Ｐｃ　−Ｐａ　）＝ＫａｌＰｓ　−Ｐａ　）　・−（
７）（Ｐｓ　−Ｐｃ　）　＝　（１−Ｋａｌ）　　（Ｐ
ｓ　−Ｐａ　）・・・（８） この（７）及び（８）式を用いて（３）式を書き替える
と、（１０）式になる。

即ち、主弁２の変位Ｘはパイロット弁４の操作量（変位
）ｙに応じて比例制御される。

この（９）式の変位Ｘを用いて主弁２のメータリングオ
リフィス２Ａを通過する流量ＱＩＢを求めると（１０）
となる。

Ｑｎ　＝Ｃｎ　Ｗｎ　ｘＪ　２　ｇ／ｒＥ「「７下Ｔ４
５四弓７シｐｓ　７下丁ｙ　・・・（１０）なお、流量
制御弁を通過する流量をＱｓとすると、流量ＱｓはＱｓ
　＝ＡＩＩｌ　＋ｑ＋）である。

〔発明か解決しようとする課題〕

以上のように、第４図に示す従来の流量制御弁において
は、パイロット弁４をｙたけ操作すると主弁２は（９）
式で示す変位Ｘに比例制御され、（１０）式で示す流量
Ｑｎ＋が得られる。しかしながら本願発明者か種々実験
を繰返した結果、実際には（９）式で示す変位Ｘが得ら
れず、実際の変位はそれよりも小さくなり、従って（１
１）式で示す流量Ｑｎよりも少ない流量しか得られない
ことが判明した。

従って、パイロット変位ｙに対応した所要の流量ＱＩ１
１を得るためには主弁２のメータリングオリフィス幅Ｗ
ｎ＋を大きくとる必要かあり、サイズの大きな弁か必要
になるという問題があった。

また所要の流量ＱＩＩｌを得るためには、（１０）式を
見るとメータリングオリフィスＷＩｌｌを大きくする代
わりにｃｃｗｃを小さくしても良く、例えば、（ａ）油
通路３にＷＣｘで示される以外の抵抗を入れ、見かけの
流量係数を小さくする、又は （ｂ）可変オリフィスＩＤのスリット幅Ｗｃを小さくす
る 等の方法でも所要の流量Ｑｍが得られるが、この場合は
次の如き弊害がある。

第５図は第４図に示す流量制御弁の動特性を示すブロッ
ク線図である。図中の記号Ｍは主弁２の質量、βｅは油
の体積弾性係数、Ｖｃは弁制御室ＩＣ及び油通路３の容
積、Ｃｆは主弁２に働く粘性抵抗である。

第４図の系において、ωｈは非常に大きく、（Ｓ２／ω
ｈ２＋２η／ωｈｓ）弁Ｏとなり、径の状態は下記の（
１１）式で与えられる。

Δｙ　　　ＡｃＳ＋ＣＣＷＣＦフ１フーｒｓ−ｃ−・・
・（１１） この（１１）式から系の応答性は（１２）式に示す時定
数Ｔの大小で決められる。

・・・（１２） 従ってこの（１２）式から明らかなごとく、ＣｃＷＣを
小さくすることは時定数Ｔを大きくすることを意味し、
応答性が悪くなり、好ましい対策とは言えない。

本発明の目的は、弁サイズを大きくすることなく、かつ
弁の応答性を損なうことなく所要の制御流量を得ること
のできるシート型の流量制御弁を提供することである。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、主弁の出口側端部に先端にフランジ部を倫
えなロッドを取り付けることによって達成される。

また、主弁の出口部に設けられるメータリングオリフィ
スを、主弁の移動方向に直交する方向に開口した細孔群
で構成することによっても達成される。

〔作用〕

日本機械学界論文集（Ｂ）５３巻４９０号（昭６２−６
）Ｐ１７５０〜１７５５等においては、第４図に示す従
来の流量制御弁の靜特牲を解析する場合、主弁に働く流
体力は無視できるものとして前述した（４）式を解析の
基礎に置いている。そしてその結果も（９）式に示すよ
うに、パイロット弁変位ｙに対し主弁変位Ｘが回路圧力
即ち主弁の前後差圧Ｐｓ−Ｐａの大小に係わらず１体１
に対応しており、主弁流量もパイロット弁変位ｙに応じ
て比例制御される。しかしながら、実際には前述したよ
うに（９）式に示す主弁変位Ｘが得られておらず、所要
の流量ＱＩＩｌが得られていなかった。本願発明者は後
述するように、この原因は従来無視できるものとしてい
な主弁に働く流体力にあることをつきとめた。

本発明はこのような背景から生まれたものであり、主弁
の出口側端部に先端にフランジ部を備えたロッドを取り
付けることにより、主弁のメータリングオリフィスを通
過した後、ロッドにより制御されフランジ部から流出し
ていく流れに、メータリングオリフィスを通過する際に
生じる流体力と反対方向の流体力が発生し、両者相殺し
合ってて主弁に働く流体力を軽減する。

また主弁の出口部に設けられるメータリングオリフィス
を、主弁の移動方向に直交する方向に開口した細孔群で
構成することによって流体の流出角が９０度となり、流
体力自体の発生を低減する。

このように主弁に働く流体力を小さくすることにより、
解析通りの所望の流量を得ることができる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図及び第２図により説明
する９図中、第４図に示した部材と同じ部材には同じ符
号を付しである。

第１図において、本実施例の流量制御弁は基本的には第
４図に示した従来の弁と同じ構造を有している。即ち、
弁ケース１内にシート弁からなる主弁２が摺動自在に組
込まれ、主弁２は弁入口部ＩＡの側に受圧面積Ａｓを、
弁出口部ＩＢの側に受圧面積Ａａを有し、主弁２の出口
部ＩＢの側にはスリット幅ＷＦのメータリングオリフィ
ス２Ａが設けられている。弁入口部ＩＡは主弁２に設け
られた油通路３により主弁背面側に形成された弁制御室
ＩＣと連通しており、油通路３には弁ケース１と協働し
て主弁２の変位に応じて開度を変化させる幅Ｗｃの可変
絞りＩＤが設けられている。

弁制御室ＩＣは油通Ｍ＃１５によりパイロット弁４の入
口部と連通し、パイロット弁４の出口部は油通路６によ
り主弁２の出口部ＩＢと連通されている。

主弁２は弁制御室ＩＣの圧力により閉弁方向に付勢され
る受圧面積ＡＣを有している。主弁２の入口部ＩＡと出
口部ＩＢは主弁２のシート部７と弁座７Ａとの接触によ
り閉弁時は連通が遮断され、弁制御室ＩＣと主弁出口部
ＩＢもパイロット弁４のシート部８と弁Ｍ８Ａとの接触
により閉弁時は連通が遮断されている。

このような構成により、主弁２の変位Ｘはパイ０ツト弁
４の操作量（変位）ｙｌこ応じて比例制御され、操作量
ｙに対応した流量Ｑｎが得られると共に、漏れの少ない
高圧化に適した構造を得ることができ、機器のコンパク
ト化、コストの低減が図れる。

そして本実施例の流量制御弁は、従来と異なる点として
主弁２の出口部ＩＤ側の端部にはロッド１０が取り付け
られている。ロッド１０は、主弁２に取り付けるｂじ部
１０Ａと、ねじ部１０Ａからテーパの付いた傾斜部１０
Ｂと、直径ｄの小径部１０Ｃと、小径部１０Ｃの先端に
取り付けられ、小径部１０Ｃよりも大きな直径りを有す
るフランジ部１０Ｄと・からなっている。傾斜部１０Ｂ
と小径部１００の合計長さはしてある。

次に、本実施例の流量制御弁においてロッド１０を取り
付けた理由を説明する。

前述したように、従来は第４図に示す従来の流量制御弁
の静特性を解析する場合、主弁に働く流体力は無視でき
るものとして（４）式を解析の基礎に置いている。そし
てその結果も、（９）式に示すようにパイロット弁変位
ｙに対して主弁変位Ｘが回路圧力即ち主弁の前後差圧Ｐ
ｓ−Ｐａの大小に係わらず１体１に対応している。しか
しながら所要の流量を得るためには実際には流体力は無
視し得ないのである。以下にそのことを説明する。

主弁２には閉弁方向にｆ［の流体力が働くものとして解
析してみると、前述した（４）式は（１３）式となる。

Ａｓ　Ｐｓ　−＋−Ａａ　＋ａ　＝Ａｃ　Ｐｃ　十ｆ　
ｔ　　・（１３）この式を以下のように変形する。

ＫａＩＩＰｓ　＋　（１−Ｋａｌ）　Ｐａ　＝Ｐｃ　＋
ｆＬ　／ＡｃＫａｌｌ（ＰＳ　−Ｐａ）＝　（ＰＣ−Ｐ
ａ）＋ｆＬ　／Ａｃ（Ｐｃ　−Ｐａ　）／　（Ｐｓ　−
Ｐａ　）Ｋａｎ−ｆＬ　／Ａｃ　　（Ｐｓ　−Ｐａ　）
ここで（Ｐｃ　−Ｐａ　）　／　（Ｐｓ　−Ｐａ　）　
＝Ｋｏｎと置くと、（１３）式は最終的に（１４）式と
なる。

Ｋｕ＝Ｋａｎ　−ｆ　Ｌ　／Ａｃ　　（Ｐｓ　−Ｐａ　
）　・（１４）一方、流体力ｆ［は−数的に近似的に下
記の（１５）式で与えられる６ ｆ　Ｌ　＝　ｒ／　ｇ　Ｑｎ　ｖｉｃｏｓθ１ｒ／ｇ　
　（ＣｒｎＷｔａ　　ｘＪ２ｇ／ｒＪＰｓ　　−Ｐａ　
　）×　（Ｆ７コ己７７Ｗ］丁「７７ＦＴ）ｃｏｓ　　
０ｍ２　Ｃｒｎ　　Ｗａｎ　　ｘ　　（Ｐｓ　　−Ｐａ
）ｃｏｓ　　θｍ−（１５）ここで７−は液体の比重、
ｇは重力加速度、Ｑｍは流量、ｖｌｌｌは流速、０ｍは
流出角度である。（１５）式を（１４）式に代入すると
、 Ｋ　　ｐｎ＝　　Ｉぐ　ａｒｎ−２Ｃｎ＋　　　ＷＦ　
　　ｘ　　　（Ｐｓ　　　−Ｐａ）ｃｏｓ　　　θ　ｍ
／ＡＣ（ＰＳ　−Ｐａ　） ＝Ｋａｍ　−２Ｃｒｎ　　ＷＦ　　ｘｃｏｓ　　ａｒｎ
　　／Ａｃ＝　　Ｋ　　ａｔＩｌ−ａ　　ｘ　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　−（
１６）ただし　α＝　２　Ｃｌ　ｗｔａｃｏｓθｌ　／
ＡＣ・・・（１７）また流体力を加味した場合、前述し
た（ＰＣＰａ　　）／　（Ｐｓ　−Ｐａ　　）＝Ｋｐｍ
より、Ｐｃ　　　−Ｐａ　　　＝Ｋｐｍ（Ｐｓ　　　−
Ｐａ　　　）　　　　　　　　・　　（１８）Ｐｓ　−
Ｐｃ　＝　（１−Ｋｐｍ）　　（Ｐｓ　−Ｐａ　）・・
・（１９） の関係が得られ、前述した（９）式は（３）式を（１６
）及び（１７）式を用いて書き替えることにより下記の
（２０）式となる。

（２０）式の両辺をＫｐｍ／　（１−Ｋｐｌｉ）で除し
、その値をＸ゛とすると、（２０）式は（２１）式のよ
うに変形できる。

同様に（９）式の両辺をＫａｌ／　（１−Ｋａｒａ）で
除ずと（９）式は（２２式のように変形できる。

ここで例えば、Ｋａｎ−Ａｓ　／Ａｃ　＝　０　、４９
とし、（１７）式のα＝０．０４３３Ｌ、（１６）式よ
りＫｐｌ＝Ｏ１４９−０，０４３３ｘとして（２１）及
び（２２）式を基にｙ、ｘ’　、ｘの値を計算した結果
を第２図に示す。この図から分かるように、ｙｉのパイ
ロット弁変位に対し、流体力ｆＬ　−〇であれば（９）
式によるＸｌの変位となるが、実際にはｆ［≠０のため
（２１）式によるＸａの変位しか得られない。従って、
流量も（１０）式の所要の流量ＱＩｎを得ることかでき
ない６なお、（２０）式及び第２図から明らかなように
、流体力が作用しても流量制御弁の前後に作用する回路
圧力（Ｐｓ　−Ｐａ　）の大小の影響は受けず、ｙとＸ
は１＃１に対応し、直線的比例関係は確保されている。

以上の説明から明らかなように、所要の流量即ち（９）
式の弁変位を得るためには主弁２に働く流体力は無視す
ることが出来ず、これを軽減する必要かある。

本実施例のロッド１０はこのような目的から付加された
ものである。即ち、開弁時、主弁２を通過する流体は、
まずメータリングオリフィス２Ａを通過し、ロッド１０
の傾斜部１０Ｂに衝突した後、小径部１０ｅに沿って流
れ、フランジ部１０Ｄによって半径方向外方に方向転換
され、その後フランジ部１０Ｄと弁ケース１の内壁との
間より流出する。このような流体の流れの過程において
、主弁２にはメータリングオリフィス２Ａを通過する流
体により閉弁方向に上述したｆ［の流体力が作用する。

これと同時にフランジ部１０Ｄにおいては、半径方向外
方に方向転換され、フランジ部１０Ｄと弁ケース１の内
壁間より流出する流体により、主弁２には開弁方向の流
体力が作用する。

即ち、フランジ部１０Ｄから流出していく流体によりメ
ータリングオリフィスを通過する際に作用する流体力と
は反対方向の流体力が作用する。この流体力の大きさは
、小径部１０Ｃの直径ｄ、フランジ部１０Ｄの直径り及
び傾斜部１０Ｂと小径部１０Ｃの長さしを適宜選択する
ことによって任意に選定することができる。従って、メ
ータリンクオリフィス２Ａでの流体力とほぼ同じ流体力
とすることにより、両者相殺し合って主弁２に働く流体
力が軽減される。

従って本実施例によれば、主弁２に働く流体力の影響が
なくなるので、（１３）式においてｆＬ　＝０となり、
（４）式の関係が得られ、第２図に示す（９）式による
弁変位Ｘ１を得ることができ、弁サイズを大きくするこ
となくかつ弁の応答性を損なうことなく所要の流量を得
ることができる。

本発明の他の実施例を第３図により説明する。

木実論例においては、主弁２の出口部に設けられるメー
タリングオリフィスを、主弁２の移動方向に直交する方
向に開口した細孔群２Ｂ″′Ｃ″構成したものである。

細孔群２Ｂは、弁変位に応じて連続的なメータリング特
性を与えるため、主弁移動方向の各列において隣接する
列の細孔に対して主弁移動方向に少しずつ変位して配列
されている。

本実施例においては、メータリングオリフィスをこのよ
うな細孔群２Ｂ”（″構成することにより、細孔群２Ｂ
より流出する流体の流出角度か９０度となり、流体力そ
のもの発生が抑制される。従って上記実施例と同様、流
体力の影響を排除することかでき、所要の流量を得るこ
とができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、漏れの少ない高圧化に適したシート型
の流量制御弁において、流体力を軽減することにより、
弁サイズを大きくすることなくかつ弁の応答性を損なう
ことなく、所要の流量を得ることかでき、その結果、機
器のコンパクト化及びコストの低減を図ることができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例によるシート型流量制御弁の
概略図であり、第２図は同流量制御弁のパイロット変位
と主弁変位の関係を示す図であり、第３図は本発明の他
の実施例による流量制御弁のよう部拡大図であり、第４
図は従来のシート型流量制御弁の概略図であり、第５図
は同流量制御弁の動特性を示す図である。 符号の説明 １・・・弁ケース　　　　　ＩＡ・・・入口部１Ｂ・・
・出口部　　　　　ＩＣ・・・弁制御室■Ｄ・・・可変
絞り　　　　２・・・主弁２Ａ・・・メータリングオリ
フィス ２Ｂ・・・細孔群　　　　　４・・・パイロット弁５．
６・・・パイロット通路

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）シート型の主弁の背面側に主弁を閉弁方向に付勢
   する制御室を設け、該制御室を主弁の変位に応じて開度
   を変化させる可変絞りを介して主弁入口側に連絡すると
   共に、該制御室を主弁出口側にパイロット通路を介して
   連絡し、該パイロット通路にパイロット弁を配置し、パ
   イロット弁の変位に応じて主弁の変位を比例制御するよ
   うに構成したシート型の流量制御弁において、 前記主弁の出口側端部に先端にフランジ部を備えたロッ
   ドを取り付けたことを特徴とするシート型の流量制御弁
   。
2. （２）シート型の主弁の背面側に主弁を閉弁方向に付勢
   する制御室を設け、該制御室を主弁の変位に応じて開度
   を変化させる可変絞りを介して主弁入口側に連絡すると
   共に、該制御室を主弁出口側にパイロット通路を介して
   連絡し、該パイロット通路にパイロット弁を配置し、パ
   イロット弁の変位に応じて主弁の変位を比例制御するよ
   うに構成したシート型の流量制御弁において、 前記主弁の出口部に設けられるメータリングオリフィス
   を、主弁の移動方向に直交する方向に開口した細孔群で
   構成したことを特徴とするシート型の流量制御弁。