JP7647902B2 - スプール弁 - Google Patents

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Description

本開示はスプール弁に関する。
スプール弁は、スリーブと、スリーブ内に収容されたスプールとを有し、スプールの移動によって流路を開閉する弁である。スリーブにはスプールの収容穴が設けられると共に、作動流体の入口ポートと出口ポートが側面に設けられている。スプールは、スリーブの収容穴の直径に略等しい外径を有するランド部(大径部)と、ランド部の外周面よりも径方向内方に窪んだ溝部(小径部)とを有する。溝部は、入口ポートと出口ポートの間を連通させることが可能な幅を有する。スプールの移動による溝部の位置に応じて、スプール弁の開度が調整される。
スプール弁が開状態の場合、作動流体は入口ポートに流入し、溝部を介して出口ポートから排出される。入口ポート近傍と出口ポート近傍のそれぞれの溝部の内面には作動流体の流れによる力が作用する。例えば、入口ポート及び出口ポートの何れかがスプールによって絞られている場合(換言すれば、僅かに開いている場合)、作動流体の噴流が発生する。この噴流による圧力変動によって、上述した入口ポート側と出口ポート側の力の平衡が破れると、スプールには軸方向と径方向のそれぞれに力が発生する。一般的に、これらの力は流体力と呼ばれている。軸方向の流体力は弁を閉じる方向に作用するため、小さい開度で弁が開いているときは作動流体が脈動しやすく、圧力制御が不安定になりやすい。特許文献1は、この脈動の抑制を目的としたスプール式の圧力制御弁を開示している。
特開2015-169212号公報
圧力制御弁及び流量制御弁は、理想的には、作動流体の流量の増減に対して作動流体の圧力を一定に制御できることが望ましい。しかしながら、これらの弁には、作動流体の流量の増加に伴って作動流体の圧力が上昇する所謂オーバーライド特性が存在する。上述の流体力はこのオーバーライド特性にも影響を及ぼす。例えば、流体力が増加すると、作動流体の流量変化に対する作動流体の圧力変化の割合が大きくなり、圧力又は流量の制御が困難になる。
本開示は、オーバーライド特性に対する流体力の影響を抑え、圧力制御弁又は流量制御弁に適用が可能なスプール弁の提供を目的とする。
本開示の一態様に係るスプール弁は、作動流体の流入路に接続する入口ポート及び前記作動流体の出口ポートを含み、軸方向に延伸するスリーブと、前記スリーブ内に、前記軸方向に移動可能に収容されるスプールと、前記スプールの基端部を当該スプールの先端部に向けて押圧する付勢部材を含む付勢装置と、前記スプールの前記先端部に向けて開口する検圧ポートとを備え、前記スプールは、前記軸方向において前記検圧ポートと前記入口ポートの間に位置する第1ランド部と、前記出口ポートを閉塞することが可能な位置に位置する第2ランド部と、前記第1ランド部と前記第2ランド部の間に位置し、前記入口ポートと前記出口ポートとの間を連通可能な幅を有する溝部と、前記第2ランド部の外周面に形成される凹部と、前記第2ランド部内に形成され、前記溝部と前記凹部の間を連通する前記作動流体の連通路とを含み、前記スリーブには、前記スプールの前記凹部に面すると共に、前記流入路又は前記流入路が接続する流路に接続する通孔が形成されている。
本開示によれば、オーバーライド特性に対する流体力の影響を抑え、圧力制御弁又は流量制御弁に適用が可能なスプール弁を提供することができる。
本開示の一実施形態に係るスプール弁の斜視図である。 軸を含むスプール弁の断面図である。 図2に示すスプールの溝部周辺の拡大断面図である。 スプール弁の断面図であり、(a)は図2中のIVA-IVA線に沿った断面図、(b)は図2中のIVB-IVB線に沿った断面図である。 径方向から見た出口ポートの幾つかの例を示す平面展開図であり、(a)は出口ポートの第1例を示す図、(b)は出口ポートの第2例を示す図である。 軸に直交する断面上の、出口ポート近傍の溝部内の静圧分布について、CFDを用いた数値解析結果を示す図であり、(a)は比較例における静圧分布を示す図、(b)は本実施形態における静圧分布を示す図である。 軸を含む断面上の噴流の速度分布について、CFD(Computational Fluid Dynamics)を用いた数値解析結果を示す図であり、(a)は比較例における噴流の速度分布を示す図、(b)は本実施形態における噴流の速度分布を示す図である。
以下、本開示の幾つかの実施形態について説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。本実施形態に係るスプール弁は、例えば航空機の燃料供給系統等の、電気制御が困難な環境における圧力制御弁或いは流量制御弁として適用できる。
本実施形態に係るスプール弁1について説明する。図1はスプール弁1の斜視図、図2は軸2を含むスプール弁1の断面図である。図3は図2に示すスプール20の溝部23周辺の拡大断面図である。図4はスプール弁1の断面図であり、(a)は図2中のIVA-IVA線に沿った断面図、(b)は図2中のIVB-IVB線に沿った断面図である。
説明の便宜上、軸2の延伸方向を軸方向ADと称し、軸2を中心とした周方向及び径方向を、それぞれ周方向CD及び径方向RDと称する。なお、軸2はスリーブ10(後述)及びスプール20(後述)の中心軸である。スプール20がスリーブ10の出口ポート12を開く方向(図2における右方向)を開方向、スプール20がスリーブ10の出口ポート12を閉じる方向(図2における左方向)を閉方向と称する。開方向と閉方向は何れも軸方向ADに平行である。
図1に示すように、本実施形態に係るスプール弁1は、軸方向ADに延伸する略円筒状の外形を有する。スプール弁1は、スリーブ10と、スプール(ピストン)20と、付勢装置30とを備える。図2に示すように、スプール弁1は、例えば、ハウジング40に形成された取付穴43に挿入され、当該ハウジング40に取り付けられる。
まず、スリーブ10について説明する。
スリーブ10は軸方向ADに延伸する中空の円筒部材であり、収容穴13にスプール20を軸方向ADに移動可能に収容する。収容穴13はスリーブ10に形成され、軸2を中心として軸方向ADに延伸している。
スリーブ10の外周面10aには、入口ポート11と出口ポート12が設けられている。入口ポート11は作動流体の流入口であり、ハウジング40に形成された流入路41に連通している。図4(a)に示すように、入口ポート11は軸方向ADに所定の幅を有し、リブ14が設けられる箇所以外の周方向CDの全域に亘って形成される。また、入口ポート11は、常にスプール20の溝部23に連通している。
出口ポート12は、入口ポート11とスプール20の基端部20aとの間に位置する。出口ポート12は作動流体の流出口であり、ハウジング40に形成された流出路42に連通している。図4(b)に示すように、出口ポート12は、周方向CDに間隔を置いて並んだ複数の領域15(図5)に形成されている。各領域15は、出口ポート12の外形を規定する。領域15は、例えば周方向CDに沿って等間隔に(例えば軸2の周りで90°毎に)位置している。
出口ポート12について詳述する。
図5は径方向RDから見た出口ポート12の幾つかの例を示す平面展開図であり、(a)は出口ポート12の第1例を示す図、(b)は出口ポート12の第2例を示す図である。これらの図に示すように、出口ポート12は単一の開口であり、周方向CDに間隔を置いて並んだ複数の領域15に形成されている。また、出口ポート12は第1部分(セグメント)17と第2部分(セグメント)18とに分けられる。第1部分17は第2部分18よりも入口ポート11に近い位置に位置している。第2部分18は第1部分17よりも入口ポート11から離れた位置に位置している。
図5の展開面において、第1部分17の外形は、頂点17aを入口ポート11に向けた二等辺三角形又はそれに類似する形状を有する。即ち、周方向CDに沿った第1部分17の幅は、第2部分18に近づくに従って増加する。周方向CDの幅の増加率は、図5(a)に示すように一定でもよく、図5(b)に示すように指数関数又は指数関数に類似した増加率をもつ関数に従って増加してもよい。後者の場合、第1部分17の外形は、図5(a)に示す三角形状の外形と比べ、頂角を成す二辺17b、17bは第1部分17に向けて(第2部分の内側に向けて)湾曲する。
一方、図5の展開面において、第2部分18の外形は軸方向AD及び周方向CDのそれぞれに延伸する辺をもつ矩形である。即ち、周方向CDに沿った第1部分17の幅は一定である。
なお、説明の都合上、図5に示す出口ポート12の領域15は、出口ポート12の開口が形成された領域よりも外側に拡大している。しかしながら、実際には、出口ポート12の開口は、出口ポート12の領域15と一致する。
また、領域15の形状は上述した略五角形の形状に限られない。即ち、スプール弁1の仕様に応じて、領域15は、第1部分17のみから構成されてもよく、第2部分18のみから構成されてもよい。
スリーブ10の外周面10aには通孔50が形成されている。通孔50は、径方向RDに延伸し、ハウジング40に形成された流路47に連通している。また、通孔50は、収容穴13にも連通している。従って、作動流体は、通孔50を介して第2ランド部22とスリーブ10の間に流入する。また、作動流体は、同様の通孔(図示せず)を介して第1ランド部21とスリーブ10の間にも流入する。作動流体をこれらの隙間に流入させることによって、流入路41から隙間への流体の流入を防ぎ、潜在的なコンタミ(contaminant)の流入によるスプール20の固着を防止する。
なお、流路47は、流入路41又は流入路41が接続する流路(図示せず)に接続する。そして、流路47は、圧損が小さいフィルタを冗長に接続することによって清浄度が保たれている流路である。従って、流路47内の圧力は、流入路41内の圧力に等しい。なお、流路47は、流出路42又は流出路42が接続する流路(図示せず)に接続してもよい。この場合、流路47を流れる流体は、上述のフィルタによって、相対的に流入路41を流れる流体に比べ少ない。そのため、流路47内の圧力は流出路42内の圧力に等しくなる。
図3に示すように、スリーブ10の外周面10aには突部51が設けられている。各突部51は径方向外方に突出し、軸2を中心とする環状に形成される。また、突部51は、径方向RD内方に窪む溝52を有する。溝52にはOリング等のシール部材53(図2参照)が装着される。スプール弁1が取付穴43に挿入されたとき、シール部材53は弾性変形によってハウジング40に形成された取付穴43の内周面43aに圧接する。これにより、スリーブ10とハウジング40の間の空間(隙間)が区切られ、区切られた空間内に流入した作動流体の漏れが防止される。また、シール部材53の圧接によって、取付穴43内のスリーブ10の位置が安定に維持される。
図3に示すように、スリーブ10の先端部10bにはワッシャ(蓋部)55が設けられている。ワッシャ55は収容穴13を覆っている円板であり、その中心には検圧ポート56が形成されている。図1に示すように、検圧ポート56は軸方向ADにワッシャ55を貫通し、検圧流路45と収容穴13との間を連通する。なお、ワッシャ55はスリーブ10と別体に設けられてもよく、スリーブ10の先端面としてスリーブ10と共に、単一の母材から形成されてもよい。なお、検圧流路45は、流入路41又は流入路41が接続する流路(図示せず)に接続する。従って、検圧流路45内の圧力は、流入路41内の圧力に等しい。
次にスプール20について説明する。
スプール20は、基端部20aから先端部20bまで軸方向ADに延伸する断面円形の棒状部材である。図1に示すように、スプール20は、スリーブ10に形成された収容穴13内に、軸方向ADに移動可能(往復可能)に収容される。
スプール20は、第1ランド部(大径部)21と、第2ランド部(大径部)22と、溝部(小径部)23とを含む。第1ランド部21と第2ランド部22は、収容穴13の内径に略等しい(即ち若干小さい)外径を有し、溝部23を間に挟んで軸方向ADに並んでいる。第1ランド部21は、軸方向ADにおいて検圧ポート56(ワッシャ55)と入口ポート11の間に位置する。一方、第2ランド部22は、スリーブ10の移動によって出口ポート12を閉塞することが可能な位置に位置する。なお、第1ランド部21の外周面21a及び第2ランド部22の外周面22aのそれぞれには、作動流体固着(Hydraulic Lock)を防止するための複数の溝(所謂ラビリンス溝)(図示せず)が形成されている。
溝部23は第1ランド部21と第2ランド部22の間に位置すると共に、スプール20の外周面から径方向内方に窪み、周方向CDの全域に亘って延伸する。従って、溝部23は軸2を中心とする環状に形成される。また、溝部23は、入口ポート11と出口ポート12を連通可能な軸方向ADの幅を有し、溝部23内に作動流体の流路を形成する。
溝部(小径部)23の内面は、円筒面(中間部)24と、第1環状面(拡径部)25と、第2環状面(拡径部)26とを含む。円筒面24は一定の直径を有し、軸2を中心として軸方向ADに延伸する。
第1環状面25は、円筒面24から第1ランド部21の外周面21aに向けて湾曲しながら延伸し、外周面21aに接続する。第1環状面25は、入口ポート11から溝部23に流入する作動流体の流れを径方向RDから軸方向ADに徐々に偏向させる。
第2環状面26は、円筒面24から第2ランド部22の外周面22aに向けて湾曲しながら延伸し、外周面22aに接続する。第2環状面26は、溝部23から出口ポート12に流出する作動流体の流れを軸方向ADから径方向RDに徐々に偏向させる。各環状面による連続的な偏向により、溝部23への作動流体の過剰な衝突を抑え、当該衝突によって生じるスプール20への過剰な圧力を低減する。
図3に示すように、第2ランド部22の外周面22aには凹部27が形成されている。凹部27は通孔50に面し、周方向CDの全域に亘って延伸する。従って、凹部27は軸2の中心とする環状に形成されている。また、凹部27は、スプール20の位置に関わりなく通孔50に面した状態を維持する軸方向ADの幅を有する。
第2ランド部22内には複数の連通路28が形成されている。連通路28は、例えば円形の断面を有する孔として凹部27から溝部23まで軸方向ADに沿って延伸し、溝部23と凹部27の間を連通する。連通路28は第2環状面26に開口する。また、図10に示すように、連通路28は周方向CDに等間隔に(例えば軸2の周りで90°毎に)位置している。なお、連通路28の数及び角度間隔は任意に設定できる。また、延伸方向に直交する連通路28の断面積は、スプール弁1が開状態のときに、過剰に遅延することなく、凹部27から溝部23に作動流体を供給できる程度の値を有する。
溝部23はスプール20の移動に伴って、軸方向ADに移動する。溝部23の位置に応じて、入口ポート11と出口ポート12の間が溝部23を介して連通、或いは、その連通が遮断される。また、出口ポート12に対する溝部23の開口面積を変化させることにより、作動流体の流量が調整される。
次に付勢装置30について説明する。
付勢装置30は、スプール20の基端部20aを先端部20bに向けて(即ち、弁の閉方向に向けて)付勢する。図2に示すように、付勢装置30は、付勢部材としてのばね31と、一対のリテーナ32、32と、操作部(ハンドル)33とを有する。ばね31はスプール20の基端部20aをスプールの先端部20bに向けて押圧する。ばね31は所謂圧縮コイルばねであり、所定の範囲の付勢力を生じるばね係数を有する。ばね31は、一対のリテーナ32、32によって軸方向ADの両側から保持された状態で、操作部33に収容される。
操作部33は中空且つ有底の円筒部材であり、スプール20に向けて開口する収容部34を有する。収容部34には、ばね31及び一対のリテーナ32、32が収容される。操作部33の外周面33aにはねじ山35が形成され、ねじ山35は取付穴43の内周面43aに形成されたねじ溝44に螺合する。従って、操作部33は、軸2周りの回転により軸方向ADに移動する。また、操作部33の外周面33aのうち、スプール20に面した操作部33の縁部36とねじ山35との間の部分には、環状の溝37が形成され(図3参照)、この溝37にシール部材53が装着される。操作部33が取付穴43に挿入された際に、シール部材53は取付穴43の内周面43aに向けて押圧され、この弾性変形により操作部33の外周面33aと取付穴43の内周面43aの間からの作動流体の漏れが防止される。
操作部33の位置に関わりなく、操作部33の収容部34はドレン流路46に連通している。ドレン流路46は流出路42又は流出路42に接続する流路(図示せず)にオリフィス(図示せず)を介して接続している。従って、収容部34内の圧力は、流出路42内の圧力と平衡を保つように緩やかに変化する。なお、操作部33の縁部36に溝(ノッチ)38が形成されてもよい。溝38の形成により、操作部33の縁部36がスプール20に接触しても、ドレン流路46と収容部34の間の連通が維持される。
操作部33を回転させることにより、操作部33はスリーブ10に接近又はスリーブ10から離隔する。操作部33をスリーブ10に接近させると、ばね31が収縮し、ばね31の付勢力と操作部33内の圧力が、リテーナ32を介してスプール20に伝達される。従って、操作部33の回転数を調整することで、スプール弁1に対する圧力を調整できる。本実施形態では、操作部33の回転だけの機械的な操作だけで圧力を設定できる。つまり、ソレノイド等を用いた電気制御は不要である。
次に、スプール弁1の動作について説明する。
本実施形態に係るスプール弁1の、圧力制御弁又は流量制御弁としての動作は、スプールを備える従来の圧力制御弁又は流量制御弁の動作と基本的に同一である。即ち、付勢装置30によるスプール20への圧力と検圧ポート56内の作動流体の圧力の差に応じてスプール20の位置が定まり、この位置に応じて出口ポートの開口面積(開度)が定まる。
また、出口ポート12から流出する作動流体の流量が増加すると、ばね31の収縮が高まり、その流量における付勢力も増大する。また、流量の増加に伴って、出口ポート12での噴流による流体力も増大する。従って、スプール弁1が開状態の場合、作動流体の圧力は、流量の増加に従って上昇する(オーバーライド特性)。しかしながら、スプール弁1が圧力制御弁又は流量制御弁として機能する場合、流量の増減に対して作動流体の圧力を一定に制御できることが望ましい。
そこで本実施形態では、第2ランド部22内に溝部23と凹部27の間を連通する複数の連通路28を形成している。通孔50に連通するハウジング40内の流路47(図2参照)は、流入路41又は流入路41が接続する流路(図示せず)に接続する。従って、凹部27内の圧力及び連通路28内の圧力は、何れも流入路41内の圧力に等しくなる。また、溝部23は、入口ポート11を介して常に流入路41に連通している。従って、スプール弁1が閉状態の場合、作動流体の流動は無いため、溝部23内の圧力と連通路28内の圧力は等しくなる。
スプール弁1が開状態の場合、出口ポート12の近傍には作動流体の噴流が発生する。従って、溝部23の第2環状面26の周囲の静圧は低下する。しかしながら、第2環状面26には連通路28が開口している。上述の通り、連通路28内の圧力は流入路41内の圧力に等しい。従って、第2環状面26の周囲の静圧が低下したとき、その領域には連通路28から作動流体が供給され、静圧の低下が抑えられる。
連通路28を介した作動流体の供給によって、静圧の低下が抑えられ、連通路28に面するスプール20表面の静圧による力も減少し、軸方向ADの流体力が減少する。その結果、弁を閉じる方向に作用する軸方向ADの流体力が減少し、オーバーライド特性が改善する。
このオーバーライド特性の改善について説明する。
図6は、軸2に直交する断面上の、出口ポート近傍の溝部23内の静圧分布について、CFDを用いた数値解析結果を示す図である。図6(a)は比較例における静圧分布、図6(b)は本実施形態における静圧分布を示している。何れも、静圧の変化を色の濃淡で表し、暗い(黒が濃い)領域ほど静圧は低いことを示す。図6(a)に示す比較例では、本実施形態の連通路28が形成されていない。この点を除き、両者は同一の構成を想定している。
図6(b)は、図6(a)で示した低圧域62Aをハッチングした領域で示し、第2環状面26に開口した連通路28を点線で示している。二点鎖線で囲まれた領域63に着目すると、図6(b)に示す低圧域62Bの面積が、図6(a)に示す低圧域62Aの面積よりも縮小し、且つ、溝部23と出口ポート12の境界付近に分布する、最も圧力低下が著しい領域(即ち最も暗い領域)が縮小していることが判る。つまり、領域63内で静圧の低下が抑えられている。
ある領域での静圧の低下は、その領域での動圧の増加を意味する。即ち、静圧の低下は、その領域での作動流体の加速を示唆する。このことから、図6(b)に示す低圧域62Bの縮小は、作動流体の噴流60の速度低下、即ち、流体力の減少を示唆する。
図7は、軸2を含む断面上の噴流の速度分布について、CFD(Computational Fluid Dynamics)を用いた数値解析結果を示す図である。図7(a)は比較例における噴流の速度分布、図7(b)は本実施形態における噴流の速度分布を示している。比較例においては、本実施形態の連通路28が形成されていない。ただし、比較例における出口ポート112の外形は、本実施形態の出口ポート12の外形と同様であり、両解析における出口ポートの開口面積は同一の値に設定されている。また、その値は出口ポートが全開の時の開口面積の半分である。
図7(a)及び図7(b)に示すように、何れの解析結果でも作動流体の噴流60は、概ね径方向外方に流れているものの、スプール弁1の開方向(図中の右方)に向けて若干傾いている。また、点線で囲まれた同一位置の領域65に着目すると、図7(b)に示す噴流60は図7(a)に示す噴流60と比べて細い。特に、両図において同一位置に位置する領域65内の速度分布を比較した場合、図7(a)では比較的速度の大きい流れが広範囲に生じているのに対し、図7(b)では同程度の速度の流れが減少し、その分布も縮小している。
溝部23と出口ポート12の境界面近傍は作動流体の噴流の起点である。スプール弁1の開方向に向かう噴流60の速度成分は、スプール弁1の閉方向に作用する軸方向ADの流体力に寄与する。従って、図7(a)に示す比較例の結果と比較して、図7(b)が示す結果は、噴流60の速度成分のうち、軸方向ADの流体力に寄与する速度成分が減少していることを示している。
従って、連通路を設けることにより、軸方向の流体力を低下させることができる。即ち、本実施形態によれば、圧力制御弁又は流量制御弁のオーバーライド特性に対する流体力の影響を抑えることができる。つまり、オーバーライド特性を改善させることが可能となる。
また、軸方向の流体力の低減は、出口ポートに近い溝部内の空間に、連通路を介して作動流体を供給することで達成される。従って、スプールの溝部の内面に対して凹部等の局所的な形状変化を施す必要が無い。従って、溝部への作動流体中の異物の付着を抑制でき、作動流体内に異物が混入しやすい環境においても、スプール弁の本来の性能を長期間維持できる。
なお、本開示は上述の実施形態に限定されず、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含む。

Claims (1)

  1. 作動流体の流入路に接続する入口ポート及び前記作動流体の出口ポートを含み、軸方向に延伸するスリーブと、
    前記スリーブ内に、前記軸方向に移動可能に収容されるスプールと、
    前記スプールの基端部を当該スプールの先端部に向けて押圧する付勢部材を含む付勢装置と、
    前記スプールの前記先端部に向けて開口する検圧ポートと
    を備え、
    前記スプールは、
    前記軸方向において前記検圧ポートと前記入口ポートの間に位置する第1ランド部と、
    前記出口ポートを閉塞することが可能な位置に位置する第2ランド部と、
    前記第1ランド部と前記第2ランド部の間に位置し、前記入口ポートと前記出口ポートとの間を連通可能な幅を有する溝部と、
    前記第2ランド部の外周面に形成される凹部と、
    前記第2ランド部内に形成され、前記溝部と前記凹部の間を連通する前記作動流体の連通路と
    を含み、
    前記スリーブには、前記スプールの前記凹部に面すると共に、前記流入路又は前記流入路が接続する流路に接続する通孔が形成されている、
    スプール弁。
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