JPH02240466A

JPH02240466A - 流量制御弁

Info

Publication number: JPH02240466A
Application number: JP6099989A
Authority: JP
Inventors: Tadahiko Nogami; 忠彦野上; Ichiro Nakamura; 一朗中村; Ichiro Maeno; 一郎前野
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1989-03-15
Filing date: 1989-03-15
Publication date: 1990-09-25

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】【産業上の利用分野〕本発明は流量制御弁に係り、特に、流体力による駆動抵
抗力を低減でき、流体圧サーボ弁の弁部として用いるの
に好適な流量制御弁に関する。

〔従来の技術〕この種の流量制御弁においては、弁が流体の流れを制御
する際の反作用として流体力を受けるが。

この流体力の定常成分は常に弁の開口部を閉じる方向に
作用するため、駆動力に対する抵抗力となってしまう。

従来、この流体力を補償する方法としては、弁室の形状
を工夫して、弁室に流入する流れと流出する流れとのＭ
　ｎｓ　漱の均衡を取るように流れを細工する方法が採
られて来た。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術では、まず、最適な弁室形状を決めるため
に、理論面、実験面で多くの検討を要する。あるいは豊
富な経験の蓄積を必要とするという問題があった。そし
て、最適な弁室形状を実現するためには弁の製作工数が
大輪に増し高価になってしまうという問題があった。

また、この方法は、スプール弁やポペット弁などでは比
較的実現しやすいが、ロータリ弁では製作上の幾何学的
理由から適用が困難であるという問題があった。

本発明の目的は、製作工数の増加がほとんどなく、シか
もロータリ弁にも容易に適用し得る流体力低減方法を備
えた流量制御弁を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するための本発明の第一の特徴は、流量
飽和現象を積極的に利用したことにある。

すなわち、制御絞りのほかに抵抗を設けることによって
、制御絞りの開口面積が増し流量が増加して行くにつれ
て、抵抗の部分での圧力損失が大きくなり、流量ゲイン
が次第に低下して行くように構成したものである。

また１本発明の第二の特徴は、前記抵抗として、流量制
御弁内の流路の流路断面積を小さくしたことにある。

また１本発明の第三の特徴は、前記抵抗を流量制御弁の
内部に設けた絞りとしたことにある。

さらに、本発明の第四の特徴は、前記抵抗を流量制御弁
外部の回路上に設け、これを絞り、あるいは抵抗を有す
る管路としたことにある。

〔作用〕

本発明によれば、制御絞りの開口面積が増し流量が増加
して行くにつれて、抵抗の部分での圧力損失が大きくな
るために制御絞りの前後の圧力差がその分減少し、制御
絞りを通過する流体の流速が減少して行く、このとき、
流量は開口面積と流速の積に比例するが、流体力は流量
と流速の積、すなわち開口面積に流速の２乗を乗じたも
のに比例するから、流量ゲインすなわち開口面積の増加
に対する流量の増加の度合いよりも、開口面積の増加に
対する流体力の増加の度合いの方が流速の減少の影響が
顕著に現れる。

従って、制御絞り以外に抵抗を設けて流量飽和現象を積
極的に利用すれば、流体力を低減することができ、駆動
抵抗力を減らすことができる。

しかも１本発明によれば、弁室の形状を工夫する必要が
ないので、弁の形状が容易に決定でき、また製作工数も
ほとんど増すことがない。

さらに、スプール弁やポペット弁に限らず、ロータリ弁
などあらゆる形式の弁に対して容易に適用することがで
きる。

〔実施例〕

以下１本発明の一実施例を第１図ないし第４図を用いて
説明する０本実施例は、４方向スプール弁の例を示す。

スプール１がスリーブ２に対して軸方向にＸだけ変位す
ると、制御絞り３および４が開口し、流体は供給ボート
５から制御ボート６へ、制御ボート７から排出ボート８
へと流れる。このとき、スプールの直径をｄとすれば、
制御絞りの開口面積Ａは、Ａ＝πｄｘとなるから、流量係数をＣ１流体の密度をｐとすれば、
無負荷の状態、すなわち各制御絞りの前後の状態で各制
御絞りを通過する流体の流ｍＱは。

流速をＵとすれば、となる。

また、このとき、制御絞り３および４における噴流の角
度をそれぞれφｌ、φ２とすると、これらの角度はスプ
ール１の変位ｆｔｘが極めて微小な場合を除けば１両老
ともほぼｃｏｓφ４０．４で一定となることが知られて
いるから、スプール１に作用する定常流体力Ｆは、Ｆ　＝　ｐ　Ｑ　ｕｃｏｓφｔ　＋　ｐ　Ｑ　ｕｃｏｓ
φ２幻２　ｐ　Ｑｕｃｏｓφ ＝２ｐ＋Ａｕ＋ｕ＋ＣＯ８φ ＝　２　ｐ　Ａ　ｕ　”ｃｏｓφ ２Δρ ＝２ｐＩｌπｄｘ　ｌｌ　　　　　＋ＣＯ３φρ ”４ｇｄｃｏｓφ　・　Δｐ’Ｘとなる。

すなわち、圧力差Δρが一定であるならば、流量Ｑおよ
び定常流体力Ｆは、第２図および第３図中の破線で示す
ように、スプール１の変位ｆｉｘに比例するが、流ｋＱ
はＪ丁フに比例し、定常流体力ＦはΔρに比例する。

従って、流量の増加に伴なう制御絞り以外でのｎΔρ０
まで許容したとすると、流ｎＱおよび定常流体力Ｆは、Ｆ＝４ｇａｃｏｓφ　や　（Δ　ｐｏ−Δ　ρ露）　　
・　ｘ＝４πｄｃｏｓφ・（１−ｎ）Δｐｏ”　Ｘとな
り、圧力損失Δρ處による流ｊｔＱの姪下をある程度許
容した場合のＱおよびＦ゛の変化は第２図および第３図
中の実線のようになる。また、このときの制御絞りおよ
び抵抗部での圧力損失は第４図に示すようになる。

ここで、まず第一に重要なのは、Δρ爲が増加した場合
、流ＭＱの減少よりも定常流体力Ｆの減少の方が顕著で
あり、換言すれば、Δｐ、をある程度許容することによ
って定常流体力Ｆを低減することができるという点であ
る。

また１次に重要なのは、Δρ慮をある程度許容しても、
充分制御可能であり、実用上差支えのない流祉特性が得
られるという点である。

そこで、本実施例においては、スリーブ２の内径面９と
スプール１の小径部１０．１１との間に形成される流路
の流路断面積を通常よりも小さくして、この部分でΔρ
處を生じさせるようにしている。

通常の流電制御弁では、Δρ凰を無視できるようにして
流電ゲインをできるだけ一定とするために、弁内の制御
絞り以外の流路の流路断面積を制御絞りの開口面積に比
して充分大きくとるようにしているが、筆者らの実験に
よれば、流路の流路断面積を制御絞りの開口面積の１０
倍以上にとれば流量ゲインはほぼ一定となるが、それ以
下にして行くと流電の増加につれて流祉ゲインが低下し
、定常流体力が低減されるという効果が次第に顕著とな
ることが確認されている。

また、通常の流量制御弁やサーボ弁では、定格決意が、
開口面積に完全に比例する場合の流量の値に対して±１
０％以内に収まるようにしているが、１０％以上低下す
るような決意特性であっても実用上は差支えなく、２０
％程度の低下を許容しても充分な制御性能が得られるこ
とが確認されている。

従って、本実施例のように、流量制御弁内の制御絞り以
外の流路の流路断面積を通常よりも小さくすることによ
って定常流体力を低減することができ、また、スプール
径を小さくすることができるので弁を小形化することも
できる。さらに、本実施例によれば、弁室を特殊な形状
にしたりする必要もないので製作工数を増すことなく流
体力を低減することができ、駆動力を無駄なく利用する
ことができる。

次に、本発明の他の実施例を第５図ないし第１１図を用
いて説明する。本実施例は、３方向ロータリ弁の例を示
す。

弁体１２はケーシング１３および１４によってスペーサ
１５とともに挟まれるように設けられており、スペーサ
１５の厚さは弁体１２の軸方向の厚さよりも所定の厚み
差だけ厚く成形されている。

弁体１２には１回動中心軸１６と平行な円筒穴１７およ
び貫通部１８と１９が設けられている。

一方、ケーシング１３および１４には、弁体１２の円筒
穴１７の内径と同等の外径に成形されたスリーブ２０お
よび２１と、スリーブ２ｏおよび２１によって互いに分
離されるように構成された流路２２，２３および２４．
２５がそれぞれ設けられている。さらに、ケーシング１
３において、スリーブ２０の内径部には制御ポート２６
が、流路２２には供給ポート２７が、また流路２３には
排出ポート２８がそれぞれ接続されており、流路２２と
２４は貫通部１８を介して、流路２３と２５は貫通部１
９を介してそれぞれ互いに連通ずるように構成されてい
る。

さて、弁体１２が反時計回りに角度θだけ回動したとす
ると第７図および第８図に示す状態となる。このとき、
弁体１２の両側に、円筒穴１７の内縁とスリーブ２０お
よび２１の外縁、および流路２２と２４の内外縁によっ
て囲まれる制御絞り２９および３０が開口し、流体は供
給ポート２７から制御ポート２６へと流れる。

このとき、流路２２，２３および２４，２５の内縁の半
径をＲ１、外縁の半径をＲ２とすると、制御絞り１箇所
の開口面積は、 θ Ａ＝　　（Ｒ２”　　Ｒｚ”）となるから、制御絞りを通過する流体の流ｉＱはＱ＝２
　　・　ｃＡｕとなる。

また、このとき、定常流体力は駆動トルクに対抗する抵
抗トルクＴとして作用し、円筒穴１７の中心の位置を半
径Ｒｏとすれば、Ｔ弁２ＩＩＲＯ°ｐＱｕｃｏｓφ ＝２＋ＲＯ＠ρａＡｕ１ｕ０ＣＯ５φ ：２　Ｒｏ　ｐ　Ａ　ｕ　”ｃｏｓφ ＝　２　Ｒｏ（Ｒｚ”−Ｒｚ”）ｃｏｓφ　・Δρ’　
　θとなる。

すなわち、前述のスプール弁の場合と同様に、制御絞り
の前後の圧力差Δρが一定であるならば、流ｋＱおよび
定常流体力による抵抗トルクＴは、第９図および第１０
図中の破線で示すように、弁体１２の角変位量θに比例
するが、流ｆＱは２に比例し、定常流体力による抵抗ト
ルク′ｒはΔρに比例する。

従って、制御絞り以外の部分での圧力損失Δρ。

が増すことによる流量Ｑの低下をある程度許容した場合
の特性は第９図および第１０図中の実線で示すようにな
り、このときの制御絞りおよ・び抵抗部での圧力損失は
第１１図に示すようになる。よつて、スプール弁の場合
と同様に定常流体力による抵抗トルクを低減することが
でき、駆動力を無駄なく活用することができる。

そこで、本実施例においては、流路２２．２３および２
４．２５の深さを浅くして、流路断面積を通常よりも小
さくし、この部分で圧力損失ムρ禽を生じさせるように
している。

こうすることによって、定常流体力による抵抗トルクＴ
を低減できるだけでなく、ケーシング１３および１４の
厚さを薄くできるので、弁を小形化することも可能とな
り、しかも製作工数が増すこともない。

このように、本発明は、従来の技術では製作上の幾何学
的理由から流体力の低減が困難であったロータリ弁につ
いても適用することができる。

尚、以上示した例は３方弁でも４方弁でも良く。

２方弁やさらに多くのボートを有する弁にも同様に適用
可能である。また、ポペット弁についても同様に適用す
ることができる。

さて、以上に示した実施例では、制御絞りのほかに設け
る抵抗を流路断面積の小さい流路としたが、第１２図に
示すように、弁内に他の絞り３１を設けても良く、この
方式でも同様に定常流体力による抵抗力を低減すること
ができる。

また、絞りを設ける位置は他の位置としても良い。

次に、本発明の別の実施例を第１３図および第１４＠を
用いて説明する。

これまでに示した実施例では、制御絞りのほかに設ける
抵抗を流量制御弁の内部に設けていたが。

この抵抗は弁部の回路上に設けても良い。

そこで、第１３図に示す実施例では、流量制御弁３２の
排出ボートに通じる回路上に絞り弁３３を設けている。

また、第１４図に示すように、絞り弁の代わりに曲がり
を用いた抵抗部３４を設けても良く、あるいは内径の小
さい配管などを抵抗として用いても良い。

これらの実施例のように、制御絞りのほかに設ける抵抗
を流量制御弁外部の回路上に設けても、同様に定常流体
力による抵抗力を低減することができる。

尚、回路上に設ける抵抗は他の位置としても良い。

最後に、本発明の流量制御弁を用いたサーボ弁の一実施
例を第１５図ないし第１７図に示す。

本実施例は、第５図ないし第１１図に示した実施例のロ
ータリ弁を弁部に用いて直動形ロータリーサーボ弁を構
成した例である。

すなわち、弁体１２の一端から突出した軸はケーシング
１４およびヨーク３５を貫通した所で円板状の回転子３
６と一体的に結合されている。また、回転子３６を所定
の間隙をもって挾むように磁石３７が設けられており、
磁石３７はヨーク３５とともにケーシング１４に対して
固定されている。さらに、弁体１２および回転子３６は
、磁石３７の背面に設けられた角変位検出器３８の検出
軸と接続されている。

ここで５回転子３６には、角度α毎に円周方向に交互に
巻方向が替わるように構成された複数の巻線３９が設け
られており、また、磁石３７も角度α毎に円周方向に交
互に極性が替わるように構成されている。そして１回転
子３６および磁石３７は、弁部の中立状態において、回
転子３６上の巻線３９の各種の境目と磁石３７の各種の
境目とが互いに角度−だけずれるように構成されている
。

さて、いま、回転子３６上の巻線３９に第１７図中の矢
印の向きの電流を流したとすると、フレミングの左手の
法則によって電磁力が発生するが。

巻線３９の巻方向が角度α毎に交互に替わるように構成
されていることと、磁石３７の極性も角度α毎に交互に
替わるように構成されていること、および弁部の中立状
態において巻線３９の各種の境目と磁石３７の各種の境
目とが互いに角度−だけずれるように構成されているこ
とにより、発生する全ての電磁力は同じ向きに作用し、
回転子３６およびこれと一体的に結合された弁体１２は
反時計回りに回動する。このときの弁部の作用は第７図
および第８図に示したとおりである。

また、回転子３６に発生した電磁力によって弁体１２が
回動すれば角変位検出器３８によって弁体１２の角変位
量が検出される。この角変位信号４０をフィードバック
して制御装置４１内で目標値４２と比較し、その偏差を
増幅して制御指令４３として回転子３６上の巻線３９に
与えるようにして閉ループを構成し追値制御を行う。

さて、本実施例においては、ケーシング１３および１４
に設けた流路２２，２３および２４゜２５の深さを浅く
して、流路断面積を通常よりも小さくし、この部分で圧
力損失を生じさせるようにしているので流ｍＱおよび定
常流体力による抵抗トルクＴは第９図ないし第１１図に
示したようになる。従って、駆動力に対抗する抵抗力が
低減される結果、より小さい駆動力で制御することがで
き、回転子３６および磁石３７を小形化することができ
、さらにまた制御装置４１も小形化することができる。

従って、本実施例によれば、サーボ弁だけでなく制御装
置をも小形化することができる上、応答性が向上する、
弁の駆動部や制御装置からの発熱量が減少するなどの効
果も得られる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明の流量制御弁によれば、製
作工数をほとんど増すことなくして容易に流体力を低減
することができるので、駆動力に対する抵抗力が低減で
き、より小さな駆動力で弁を制御することが可能となる
。

しかも、本発明は、従来の方法では製作上の幾何学的理
由から適用が困難であったロータリ弁についても容易に
適用することができる。

また、特に、制御絞りのほかに設ける抵抗として、流電
制御弁内部の流路の流路断面積を小さくとる方式を採れ
ば、上記の効果が得られるだけでなく、弁自体を小形化
することもできる。

さらに、本発明の流量制御弁を弁部に用いてサーボ弁を
構成した場合、以上の効果が得られるだけでなく、制御
装置も小形化できる上、応答性が向上する。弁の駆動部
や制御装置からの発熱量が減少するなど、制御性能や省
エネルギーの面でも効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の流量制御弁の一実施例をガ、すスプー
ル弁の縦断面図、第２図はその流量特性を示す図、第３
図はその定常流体力の特性を示す図、第４図はその圧力
損失を示す図、第５図は本発明の他の実施例を示すロー
タリ弁の構成を示す斜視図、第６図は第５図を組立てた
状態を示すＡ−Ａ線断面図、第７図は第６図のＢ−Ｂ線
矢視図、第８図は第７図のｃ−ｃｍにおいて展開した断
面展開−、第９図はその流量特性を示す図、第１０図は
その定常流体力による抵抗トルクの特性を示す図、第１
１図はその圧力損失を示す図、第１２図は本発明の別の
実施例を示す縦断面図、第１３図は本発明のさらに別の
実施例を示す回路図、第１４図は本発明のさらに別の実
施例を示す回路図、第１５図は本発明の流量制御弁を弁
部に用いた直動形ロータリーサーボ弁の構成を示す斜視
図、第１６図は第１５図を組立てた状態を示すＤ−Ｄ線
断面図に制御ループの構成を付記した図、第１７図は第
１６図のＥ−Ｅ線矢視図である。１・・・スプール、２・・・スリーブ、３，４，２９゜
３０・・・制御絞り、９・・・スリーブ内径部、１０゜
１１・・・スプール小径部、１２・・・弁体、１３，１
４・・・ケーシング、１５・・・スペーサ、１７・・・
円筒穴、２０．２１・・・スリーブ、２２，２３，２４
，２５・・・流路、３１・・・絞り、３２・・・流量制
御弁、３３・・・絞り弁、３４・・・抵抗部、Ｘ・・・
スプール変位斌、θ・・・弁体角変位社、Δρ・・・制
御絞り前後の圧力差、Δρｅ・・・抵抗による圧力損失
、Ｑ・・・流量、Ｆ・・・定常流体力、Ｔ・・・定常流
体力による抵抗トルク。第固糖囚席目鳴 Σ 埠第図隼囚第記第因第配第Ｏ第圀鳩璃凹第因

Claims

【特許請求の範囲】

１．制御絞りの開口面積を変化させて流体の流量を制御
する流量制御弁において、開口面積が増し流量が増加し
て行くにつれて、前記制御絞り以外での圧力損失が大き
くなり、流量ゲインが次第に低下して行くように構成し
たことを特徴とする流量制御弁。
２．制御絞りの開口面積を変化させて流体の流量を制御
する流量制御弁において、開口面積が増し流量が増加し
て行くにつれて、前記制御絞り以外での圧力損失が大き
くなり、流量ゲインが次第に低下して行くように構成し
たことを特徴とする流体力の低減方法。
３．制御絞りの開口面積を変化させて流体の流量を制御
する流量制御弁において、開口面積が増し流量が増加し
て行くにつれて、流量ゲインが次第に低下し、定格流量
が、開口面積に対して、完全に比例する場合の流量の値
から１０％以上低下するように構成したことを特徴とす
る流量制御弁。
４．制御絞りの開口面積を変化させて流体の流量を制御
する流量制御弁において、前記制御絞りのほかに抵抗を
設けたことを特徴とする流量制御弁。
５．特許請求の範囲第４項記載の流量制御弁において、
前記抵抗を、前記流量制御弁の内部に設けたことを特徴
とする流量制御弁。
６．特許請求の範囲第５項記載の流量制御弁において、
前記流量制御弁の内部に設ける抵抗を、流路断面積の小
さい流路としたことを特徴とする流量制御弁。
７．特許請求の範囲第５項記載の流量制御弁において、
前記流量制御弁の内部に設ける抵抗を絞りとしたことを
特徴とする流量制御弁。
８．特許請求の範囲第４項記載の流量制御弁において、
前記抵抗を、前記流量制御弁の外部の回路上に設けたこ
とを特徴とする流量制御弁。
９．特許請求の範囲第８項記載の流量制御弁において、
前記流量制御弁の外部の回路上に設ける抵抗を絞りとし
たことを特徴とする流量制御弁。
１０．特許請求の範囲第８項記載の流量制御弁において
、前記流量制御弁の外部の回路上に設ける抵抗を管路抵
抗としたことを特徴とする流量制御弁。
１１．制御指令に追従して制御絞りの開口面積を変化さ
せ流体の流量を制御する流体圧サーボ弁において、前記
開口面積が増し流量が増加して行くにつれて、前記制御
絞り以外での圧力損失が大きくなり、流量ゲインが次第
に低下して行くように構成したことを特徴とする流体圧
サーボ弁。