JPS597877B2 - 圧力流体制御弁 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は圧力流体制御弁に関し、とくにポート間その他
の望ましくない洩れを防ぐシール機構に関する。

本発明は弁体の中を動いて弁体内のいくつかのポートの
間の連通を制御するプランシャなどの可動部材により特
徴づけられる構造の弁に特に用いられるが、明らかにな
るように、本発明はより普遍的な実用性を有し、次のよ
うな弁体構造に適用可能なものである。

即ち、この弁体構造において、可動部材は弁体内におい
てポート間の連通を制御し、且つ制御圧力流体の望まし
くないポート間の洩れおよび他の洩れは軟質または弾性
のあるシール素子により抑えられ、このシール素子はス
｝ＩＪツプ形状を有し、二重に端部が形成され、または
輪の形に形成され、且つこのシール素子は、シール素子
を通過して望ましくない洩れを引き起し易い流体の差圧
によって、くぼみ、可動部材および弁体の適切な面と係
合するように変形し、可動部材または弁体内のくぼみ中
に収納される。

プランジャすなわちシャットル状可動部材を有する弁に
は２種類の構造がある。

その１つは可動部材にはめ込まれるシール素子を有する
ものと、弁体にとりつけられるシール素子を有するもの
とがそれである。

シール素子が弁体にとりつけられる場合には、可動部材
の形は糸まき状で、その周辺には溝が設けられているた
めに「スプール弁」と呼ばれ、シール素子が可動部材に
とりつけられる構造の弁は「ピストン弁」と総称される
。

ピストン弁の方が構造が簡単であるが、スプール弁の方
が同一寸法で容量が大きく、しかもシール素子がポート
に対して固定され、シール接触とゆるめとを滑らかに行
えるように可動部材を作ることができるからシール素子
の寿命も長い。

この種の弁のシール素子はネオプレンやニトリルゴムの
ような弾力のある材料で作られる。

このシール素子は被制御流体の圧力により変形して、そ
れが接触する表面に圧接してシールを行うような構造と
材料が選ばれる。

動作圧での不適当な変形で洩れが生じたり、過大に変形
してシール面に損傷を与えたりすることを防ぐために、
設計と材料選択にはかなり注意せねばならない。

スプール弁の場合には、スプールが動かされるから、弁
体内の種々のポートの分離と相互連結のために、可動弁
は面取りされたランドを含む。

弁体のポートの間や、適当な形のスペーサにより定めら
れる溝の中に０リングのようなシールが配置される。

それらのスペーサは流体を通すための半径方向の穴を有
し、シールが０ １Ｊング形のときには、スプールが動
く間にシール素子がスプール溝の中に内向きにつぶされ
ることを防ぐために、スペーサーの端部は制限部を構成
するような形に作られる。

しかし、シール素子がつぶれにくい形状のときには、シ
ールを制約するような特殊な形の端部をスペーサに作る
必要はない。

しかし、比較的高圧の弁の場合には、シールがつぶれな
いようにシールを制約することが求められる。

ピストン弁の場合には、シールはポートに対して相対的
に動き、それらのポートの少くとも一部を横切って動く
。

この理由から、シールが横切るポートの中にシールの表
面が入り込む機会をほとんどなくすように、ポートを多
数の小穴で構成するためにポートを弁体の中にはめ込ま
れるプッシュの中に配置することが普通である。

しかしそのような構造にするとコストが高くなるととも
に、多数の小穴は圧力流体の流れを砕いて効率を低下さ
せることになるとともに、この弁を高圧流体の制御に用
いると、ピストンが動く間にシールの面が変形して小穴
の中に入ることをほとんど避けることができず、そのた
めにシールの摩耗がひどくなる。

あまり一般的でないピストン弁の構造は、弁体にとりつ
けられるプッシュまたはプッシュアセンブリの中に、細
い環状スロットの形のポートを含む。

この構造の弁では多数の小穴ポートを有する弁よりも流
体をよく流せるが、それでもピストンの動きによりシー
ルの表面がスロットの中に押し込まれることは解消でき
ない。

一方、この構造では可動部材の移動距離が細いスロット
より成るポートのために非常に短いから、ポートの相互
連結の切換えを可動部材の非常に短い移動で行える利点
を有する。

特許願昭和５２年第１５４２８７号（特開昭５３−７８
４２５号公報）には、基本的なピストン弁の構造と簡単
なピストン弁が開示されている。

すなわち、この特許願には、縁部が面取りされた少くと
も１つの環状ポートが形成される弁体と、ポートに協働
する一対のシールがとりつけられる可動部材とを備え、
この可動部材の１つの位置において一方のシールがポー
トの側のランドに接触し、他方のシールがポートに面し
、可動部材の別の位置では他方のシールがポートの側の
ランドに接触し、前記一方のシールがポートに面するよ
うにシールが配置されるピスメン弁が開示されている。

この種の各ポートは比較的広い口を有し、弁体の中に直
接作り込むことができる。

もつともそのポートはシリンダープッシュすなわちスリ
ーブの中に全面的に、または部分的に作ることもできる
。

したがって、そのポートにシールが面すると流体を流す
ために十分に広い横断面の間隙が得られる。

シールはたとえば０リングその他の形の断面を有するリ
ングで構成できる。

けれども、前記したように、流体の流路の形はスプール
弁の形に類似しており、スプール弁のシールは弁体内に
配置され、可動部材が動いてシールの内面から離れた時
に、流体の圧力で可動部材の中の溝の中にシールが内向
きにつぶれるおそれがあるから、そのようなシールのつ
ぶれを避けるためにシールには設計上の制約が課される
。

しかし、前記特許願に開示されている構造のピストン弁
では、シールは可動部材の上に設けられるから、ポート
の領域内へ動いたために外面が支持されなくなっても、
外側への動、きによりシールがつぶされることはなくな
る。

したがって、希望の性能を達成するためのそのようなピ
ストン弁の設計は容易である。

しかし、そのようなピストン弁のシールは外部から支持
されていない時に高い圧力が加えられると、希望の時に
そのシールを通る流体の流路を開くことができない程度
まで膨張しすぎることがある。

本発明はスプール弁とピストン弁の場合に、弁の中で支
持されない時に高圧が加えられた時につぶれや膨張のし
すぎのような過犬な変形に対して、シール素子を抑制す
る必要をなすか、できるだけ少なくするための弁の封止
機構を提供するものである。

本発明によれば、弁体に対して動いて弁体の中のポート
の間の連通を制御する可動部材と、この可動部材と前記
弁体の一方に設けられているくぼみの中に収めら札可動
部材のポート閉鎖位置において加えられる圧力により変
形されて、前記可動部材と前記弁体のうちの他方のもの
のシール面と前記くぼみの壁に接触して封止を行うよう
になっているシール素子を備える少くとも１つのシール
とを有する圧力流体制御弁であって、前記シール素子に
より制御され、可動部材がそのポート開放位置まで動い
た時にシール素子の過犬な変形に応じて、前記シール素
子に作用する圧力を逃して前記変形を軽減するくぼみ口
を備えることを特徴とする圧力流体制御弁が得られる。

この明細書で用いる「過犬な変形」という用語は、可動
部材のポート閉鎖位置において、シール素子に加えられ
る圧力差の下にシール素子を通じて起る洩れを満足に制
限するのに必要な限度以上の変形を意味するものとする
。

シール素子と、そのシール素子が組込まれる弁との全体
的な形状構造に応じて、くぼみ口は各種の形をとること
ができる。

しかし、一般に、くぼ＾の下流側の壁の、シール素子が
そのシール機能を行う時に、すなわち、可動部材がその
ポート閉鎖位置にあってシール素子が圧力差により歪ま
せられないか、正常なシール歪だけを受けた時に、シー
ル素子により覆われて閉じられる位置にくぼみ口はくほ
み口開口部を含む。

しかし、このくぼみ口開口部は、前記した意味でのシー
ル素子の過犬な歪の結果としてシール素子により覆われ
なくなるような位置に設けられる。

要求に応じて１つまたは複数のくぼみ口開口部を設ける
ことができる。

シール素子の過犬な歪に応じてくぼみの中の圧力を迅速
かつ一様に逃すために、ほとんどの場合にくぼみの前記
下流側の壁の長手方向に沿って一連のくぼみ開口部を一
定の間隔で配置すると好適である。

弁体のくぼみの中に納められるシールリングの形のシー
ル素子を有するスプール弁の場合には、可動部材がその
ポート閉鎖位置にある時にくぼみの下流側すなわち低圧
側である、くぼみの壁の内周縁部に形成される少くとも
１つの開口部または溝によりくぼみ口を構成できる。

前記開口部または溝の深さは、通常はシールリングによ
り覆われているが、可動部材または弁スプールがシール
リングに作用する高い圧力差によりポート開放位置へ向
って動いた結果、シールリングが過犬なひずみを受けて
内側へつぶれ始める時に、シールリングの外径をこえて
延びるような深さである。

あるいは、そのような弁とシールとの形状構造の場合に
は、くぼみ口はシールくぼみの下流側壁の底に少くとも
１つの開口部を備えることができる。

その開口部はシールに関連する出口またはそれと同等の
ポートのような適当な低圧領域へ導かれる。

その開口部は正常なシール条件の下ではシールリングに
より覆われて閉じられるが、シールリングが過犬な変形
を受けると開口部はシールリングにより覆われなくなり
、それによりそのような過犬な変形を起させているシー
ルくぼみの中の圧力を逃がすように構成される。

そのような構造のシールくぼみは弁体の中にとりつけら
れるスペーサリングにより一部構成でき、あるいは要求
によってはシールくぼみを弁体に直接形成できる。

後者の場合には、くぼみ口を弁体の穴の中の縦溝により
形成すると便利である。

たとえば前記特許願昭和５２年第１５４２８７号に開示
されている構造の弁のようなピストン弁の場合には、弁
のピストンのくぼみの中に納められているシールリング
の形のシール素子のためのくぼみ口は、くぼみの下流側
でピストンに１つかそれ以上の開口部または縦溝を設け
て構成すると最も便利である。

そのような開口部または溝の深さは、ピストンがポート
を閉じる位置にあって、変形させられない時すなわちそ
の正常なシール状態にある時に、くぼみに納められてい
るシールリングにより覆われるが、ピストンがそのポー
ト開放位置へ動いてシールリングの外面が支持されなく
なった時に、シールリングがそれにかかる圧力差のため
に膨脹して、開口部または溝がシールリングの内縁部に
より覆われなくなるような深さである。

くぼみ口の開口部はシール素子の上流側壁に設けること
もできる。

前記したように、下流側くぼみ口を構成している１つか
それ以上の開口部または溝により形成されそのような上
流側くぼみ口は、くぼみの中の圧力が下流側くぼみ口の
開口部により逃がされている間にシール素子にかかる圧
力差を制御できる。

そのような圧力差を制御するために、上流側くぼみ口は
下流側くぼみ口により与えられる流体の流れ抵抗とは異
なる流体の流れ抵抗を、たとえばそれぞれのくぼみ口の
横断面の面積を異ならせるζとにより持たせることがで
きる。

即ち、閉鎖状態の弁体のシール素子に流体圧が加わると
、シール素子の一方の側−と他方の側との間に差圧が生
じる。

シール素材が圧力の低い下流側における係合接触面に対
して押圧される時、この流体の圧力はシール部材をある
程度変形させる。

この変形の程度は、シール素材の形、シール素材の原料
の弾性および差圧の程度によって決まる。

弁体を開放する１つの方法は、低圧側の１つ以上の表面
部分との接触からシール素子を解放することである。

この解放の結果、流体が流れ、流動状態となる。

弁体解放時におけるシール素子に存在する差圧の程度に
よるけれども、エネルギの突然の解放のために、シール
素材を破壊するようなひずみがシール素材にかかること
がある。

そこで、本発明の目的は、弁体が完全に閉鎖した状態か
ら弁体が完全に開放した状態に移動する間にシール素材
をバランスさせ、このエネルギを解放させる手段を提供
することである。

このようにして、シール素材をバランスさせることによ
り、ひずみはかなり減少され、また完全に除去される。

以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。

第１，２図は特許願昭和５２年第１ ５４２８７号に開
示されているピストン弁に本発明のシールを用いた例を
示すもので、弁のポートに協動する２つのシールがとり
つけられたピストンの一部のみを示している。

第３図に示すように、弁は環状溝２の形のポートが形成
されている弁体１を有する。

環状溝２は広くて浅、い溝部３に向って開いており、溝
部３は傾斜壁４を有する。

この弁は一対のシールがとりつけられているピストン５
も有する。

各シールはくぼみ６と、０リングの形のシール素子７と
で構成される。

ピストン５はくほみ６よりも浅い外部長手溝８を有する
。

第１図で、寸法Ａはピストンの直径で、弁体１の穴の直
径より少し小さい。

寸法Ｂは溝８のつけ根の直径、寸法Ｃは溝６のベースの
直径である。

寸法Ｄは溝８の幅である。寸法ＢとＣの差は設計とリン
グ７の寸法とに関連し、かつくぼみが連通して圧力の低
下が起る前にリングγが膨張を許される寸法とに関連す
る。

寸法ＢとＤはとくにシールの横断面形状と面積シールの
材料の硬度、シールにより制御されるポートへの流路の
開放中にシールの前後の圧力差を所要量だけ低下させる
ために溝８が通さなければならない流体の流量とにより
決定される。

寸法Ｄは上記要素を考慮に入れて、シールにより制御さ
れるポートへ流体が流れ込むことを阻止する機能をシー
ルが行う時に、溝８の中にシールが変形して入ることが
できる程度により決定される。

したがって、寸法Ｄは動作中にシールが受ける流体の圧
力差を考慮に入れる。

寸法ＢとＤは、圧力を逃す流体流のために利用できる全
横断面積が溝８の数とそれらの寸法により決定されるよ
うに、各溝８の横断面積を決定する。

寸法Ｄは最も微妙で、通常は０．１２７〜１．５７關（
０．００５〜０．０６２インチ）、なるべく０．３８１
〜０．６３５羽（０．０１５〜０．０２５インチ）にす
べきである。

このような幅を有する溝により、通常用いられる硬度の
物質は、所要動作圧力差の下で許容できないほど歪んで
、溝８の中に入るようなことがないことが見出されてい
る。

たとえば、直径が１ ５．８ ８ｍｍ（ ０．６ ２
５インチ）のピストンに前記幅の溝が８本設けられ、シ
ョアー硬さが９０度の弾性材料製の０ １Ｊングシール
がはめ込まれている弁は、１０〜１２気圧で満足に動作
した。

第３図はポートを閉じる位置からポートを開く位置まで
弁ピストン５が動く（第３図で右へ）間の状況を示す。

この場合に、ポート２は、ピストン５が開放位置にある
時に別のポートから流体を受ける排気ポートと仮定する
。

ピストン５がポートを閉じる位置にある時は、左側のシ
ールリング１は弁体の正常な穴の表面上にのり、右側の
シールリングはポートの領域内にある。

ポートを閉じる位置では、左側シールリング７の左側に
かかる圧力のためにシールリングＩは゛そのくぼみ６の
右側へ向って動かされ、そのくぼみ６の下流側（右側）
壁と、弁体１の穴に対してシールスル。

シールリング７のこの正常なシール状態において、溝が
全部シールリング７の平均直径の外側にあり、したがっ
てシールリング１により覆われるように溝８の深さが定
められる。

上記の半ば閉じられた位置から右側へ向って動く間に、
シールリング７は弁体１の正常な穴表面を通り、傾斜し
た溝壁４との接触状態を保つように膨張する。

この膨張はシールのくぼみ６の中の流体圧の結果である
。

その流体圧は以前にはシールリング７を弁体の穴の表面
に十分に強く押しつけ、流体がシールリングを通ってポ
ート２へ向って流れることを阻止するように作用してい
たものである。

しかし、左側シールリング７の膨張によりくぼみ６の下
流（右側）の壁まで動いて、その溝８が露出するように
なり、そのためにくほ゛み６の中の流体が図の矢印で示
す経路を通って逃げるようにする。

このように、シールリング７に作用してそのリングを膨
張させ、溝の壁４に接触させ続ける圧力は、リング７が
溝８をむき出しにするのに十分なほど膨張させられた時
に自動的に逃がされ、そのためにシールリングＴは正常
な歪まない元の形へ戻ることができて、ポート２に対し
て流体の通路を形成する。

即ち、第１図は自己解放溝が設けられている弁ピストン
の断面を示しており、この溝の端縁は０リング型シール
素子に対する垂直な接線の真上にあり、このシール素子
はピストンのくぼみ内に配置されている。

第３図は、弁が閉鎖状態から開放状態への移動時におけ
る図面であり、傾斜開口部を有する弁体に取り付けられ
たピストンの一部断面図を示している。

弁体開放作用によって開放されつつあるシール素子は、
自己開放溝の底部より上方の側面接触線に対して半径方
向外側に変形され、矢印はシール素子をバランスするよ
うにシール素子の下を流れる流体の方向を示している。

この状態の直後、シール素子はくぼみ内に戻り静止状態
となる。

第４，５図は従来のスプール弁の構造と、本発明のシー
ルを用いたスプール弁の構造をそれぞれ示す。

これらの図は共に複合で、第４図の場合には従来のシー
ル拘束の２つの構造を示し、第５図は２つのシールくぼ
み連通構造を示す。

各スプール弁は弁体１０を有し、この弁体１０はポー｝
１１，１２，１３のようなポートを有する。

これらのポートは一部は弁体１０の中に形成され、一部
はスペーサーリングの中に形成される。

スペーサーリングは周辺溝１４とポート開口部１５とを
有し、かつスペーサーリングは中にＯリングの形のシー
ル素子１６を納めるくぼみを形成する。

この弁はスプール１７の形の可動部材も含む。

このスプール部材１７は、第４図ではポート開放位置に
あるのが示されている。

この位置では流体はポート１３からポート１２へ流れる
ことができる。

第５図では、可動部材は、右側のシールリング１６がス
プール１７の大きな直径の部分の上にのっているポート
閉成位置から、ポート開放位置へ向って矢印の向きに動
いている様子を示す。

第４図に示すように、スペーサーリングは、シールリン
グがスプール１７との接触で支持されていない時に、シ
ールリングが半径方向内側につぶれないようにするため
に、シールリングよりも小さい開口部を定めるリップを
有するシールくぼみ１８を形成するように形成される。

第４図の左側のシールリング１６は傾斜リツプ１９を有
するシールくぼみの中に納められている様子が示されて
おり、右側シールリング１６は所要のリップを定めるわ
ん曲した壁部分２０を有するシールくほみ１８の中に納
められている様子が示されている。

第５図に示されている本発明のスプール弁では、そのよ
うなシールリング保持機構は不要である。

その代りに、各シールくぼみ１８にくぼみ穴が設けられ
、左側シールの場合には、くぼみ１８のための穴は、少
くともくぼみの下流側（第５図では右側）のスペーサリ
ング内の長手溝により構成されて、スプール１７との接
触で支持されていないシールリングの内向きのつぶれが
始まろうとした時に、くぼみ１８からポート１２へ向う
流体の流れ経路を構成する。

この構造は、第１〜３図に示されているピストン弁のピ
ストン５の溝８に機能的に等しい。

第５図の右側は、スプール１７がポート開放位置へ向っ
て動くことによりシールリング１６が支持されなくなる
時に、シールくぼみ１８の中の流体の圧力でシールリン
グ１６が変形させられている時に、ポート１３と１２の
間を流体が直接に流れるようにするために、シールくほ
み１８のべ−スでスペーサーリング内のくぼみ開口部を
含む別のくぼみ穴構造を示す。

前記流体の流れは第５図に矢印で示されている。

本発明のシールを有するスプール弁は第４図に示すよう
なシール保持機構は不要であるから、そのシールくぼみ
は、適当な場合に、機械加工、ダイカスト、鋳造などの
技術で弁体内に直接形成して、スペーサーリングの複雑
さを避けることができる。

所要のくぼみ穴構造は、その場合には弁体の穴の中に形
成された１本かそれ以上の長手溝により設けて、第５図
の左側シールのスペーサーリングの溝に等しくさせるこ
とができる。

従って、本発明の作用効果は、シール素子を取り付けた
弁体が完全に閉じた状態から完全に開いた状態に移動す
る間に、シール素子に及ぼす差圧を部分的に、または完
全に解放することである。

ある意味では、本発明は２段階で弁体を開放する手段で
あると考えられる。

即ち、弁体は最初自己放圧溝内において、次にこの溝に
適合する特別な弁体構造本来の弁体制御構造内において
解放される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を利用したピストン弁のピストンの横断
面図、第２図は第１図のピストンの一部を断面で示す側
面図、第３図は第１，２図のピストンを組込んだピスト
ン弁の一部の概略断面図、第４図は従来のシールを有す
るスプール弁の第３図と同様な図、第５図は本発明のシ
ールを組込んだスプール弁の第４図に対応する図である
。 １，１０・・・・・・弁体、２，８，１８・・・・・・
溝、５・・・・・・ピストン、６．１８・・・・・・シ
ールくぼみ、７，１６・・・・・・シールリング、１１
，１２．１３・・・・・・ポート、１７・・・・・・ス
プール。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 弁体に対して動いて弁体のポート間の連通を制御す
   る可動部材と、この可動部材と前記弁体の一方に設けら
   れているくぼみの中に収められ、可動部材のポート閉鎖
   位置において加えられる流体の圧力により変形されて、
   前記可動部材と前記弁体のうちの他方のもののシール面
   と前記くぼみの壁に接触して封止を行うようになってい
   るシール素子を備える少くとも１つのシールとを有する
   圧力流体制御弁であって、可動部材がそのポート閉止位
   置にある時にシール素子の変形によって閉じられ、可動
   部材がそのポート開放位置まで動いた時にシール素子の
   過犬な変形に応じて、前記シール素子に作用する圧力を
   逃して前記変形を軽減するくぼみ口を備えることを特徴
   とする圧力流体制御弁。 ２ 特許請求の範囲第１項に記載の弁において、くぼん
   だ穴はくぼみの下流壁に開口部を有し、シール素子がそ
   の封止機能を行う時にシール素子により覆われ、そのた
   めにシール素子により閉じられるような位置に前記開口
   部は位置させられることを特徴とする弁。 ３ 特許請求の範囲の第２項に記載の弁において、複数
   の前記開口部を備える弁。 ４ 特許請求の範囲の第１項に記載の弁において、弁体
   のくぼみの中に納められるシールリングの形のシール素
   子を有し、前記くぼんだ穴はくぼみの壁の内周縁に形成
   される少くとも１つの開口部を備え、可動部材がそのポ
   ート閉止位置にある時に、前記くぼみ壁の開口部形成位
   置は、くぼみの下流側であり、前記開口部の深さは、通
   常はシールリングにより覆われるが、そのリングが過犬
   な変形を受けた時にリングの外径をこえて延びるような
   深さである弁。 ５ 特許請求の範囲の第４項に記載の弁において、くぼ
   んだ穴は弁体の穴の中に長手溝を備える弁。 ６ 特許請求の範囲の第１項に記載の弁において、弁体
   のくぼみの中に納められるシールリングの形のシール素
   子を有し、前記くぼんだ穴はくぼみ下流壁の底に少くと
   も１つの開口部を備え、その開口部は正常な封止条件の
   下でシールリングにより覆われて閉じられるが、シール
   リングの過犬な変形により覆いが外されるように配置さ
   れる弁。 ７ 特許請求の範囲の第１項に記載の弁において、弁ピ
   ストン内のくぼみの中に納められるシールリングの形の
   シール素子を有し、前記くぼんだ穴はくぼみの下流側の
   ピストンに少くとも１つの開口部を有し、この開口部の
   深さはシールリングがそのシール機能を実行する時にシ
   ールリングにより覆われるような深さである弁。 ８ 特許請求の範囲の第２〜７項のいずれか１項に記載
   の弁において、くぼんだ穴開口部をくぼみの上流側壁に
   含む弁。 ９ 特許請求の範囲の第８項に記載の弁において、前記
   開口部は下流側開口部によるものとは異なる流体流れ抵
   抗を有する弁。