JPH0339659Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本考案は、電磁コイルにより弁座に対して直角
方向に駆動される弁体を備えたポペツト型の方向
切換弁に係わり、特に弁座と弁体との間に環状通
路を流れる流体により生じる流体力を補償するた
めの流体力補償機構付きの方向切換弁に関する。

（従来の技術） ポペツト型の方向切換弁においては、弁座と弁
体との間の環状通路を流れる流体により弁体を閉
じる方向に作用する流体力が発生するが、従来こ
の流体力を低減するため種々の流体力補償機構が
提案されている。特開昭58−77984号公報にはそ
の一例が示されており、この実施例においては、
流入通路を弁体の軸線方向に対し傾斜させ、その
流入通路の途中に絞りを設け、この絞りにより上
記流体力と等価で逆方向の流体力を生じさせ、流
体力をバランスさせようとするものである。

（考案が解決しようとする問題点） しかしながらこの従来例においては、流入通路
に設けた絞りでの流速と、弁座での流速とをほぼ
等しくするため、絞りの開口面積も弁座部分の開
口面積にほぼ等しくする必要があり、流入通路に
絞りを設けていない弁に比べて、同じ流量を得る
には約２倍の圧力損失が生じる。

このような圧力損失の増加を防ぐためには、弁
体のストロークを長くするか、弁体の外径を大き
くして弁座部分の開口面積を大きくすればよい。
しかしながら前者の場合はストロークの増加によ
り、後者の場合はポペツト重量が大きくなること
と、ポペツト動作に対する粘性抵抗が大きくなる
ことにより、共に応答性が悪くなるという問題が
ある。また後者の場合には、さらに、径が大きく
なることによりリーク量も増加するという問題も
ある。

また上記従来例の構成においては、絞りにより
発生する流体力の大きさは、絞りを流れる流量、
流速及び流体の流れ込む方向の影響を受ける。こ
のため安定した流体力補償を得るためには、絞り
の径はもちろん、絞りの方向や角度も正確に加工
する必要がある。しかしながらこのような加工
は、絞りの位置を考えると精度良く行うことが極
めて困難であり、また加工が精度良くなされてい
るかどうかを確認することも困難であつた。

従つて本考案の目的は、圧力損失をほとんど生
じることなく流体力補償を行えると共に、構造が
簡単で、加工も容易な流体力補償機構を備えた方
向切換弁を提供することである。

（問題点を解決するための手段） 本考案によれば、上記目的を達成するため、電
磁コイルにより弁座に対して直角方向に駆動され
る弁体を備えた方向切換弁において、弁体頭部の
周囲に、弁座と弁体との間の環状通路を流出した
流体を絞りながら弁体の軸線方向に流す絞り部を
設け、この絞り部の前後に発生する圧力差によ
り、前記環状通路を流れる流体により生じる流体
力を補償するようにしたことを特徴とする方向切
換弁が提供される。

（実施例） 以下図面を参照して本考案の好適実施例を説明
すると、第１図は本考案の流体力補償機構を常時
開で電磁力により閉じるソレノイド作動式のポペ
ツト型方向切換弁に弁に組み込んだ実施例を示
し、この方向切換弁は、従来のものと同様、弁体
すなわちポペツト１とスリーブ２がケーシング３
内に収納され、ケーシング３の一端の電磁コイル
４に電流のON／OFF信号が入力することによ
り、ポペツト１の円錐面５とスリーブ２に設けら
れた弁座６との間の環状通路７の開閉を行うもの
である。

すなわち、電磁コイル４に通電されていないと
きは、ポペツト１はスプリング８により、第１図
で見て軸線方向上方に押し上げられており、圧力
ポート９から入った作動油は、ポペツト円錐面５
と弁座６との間の環状通路７を通り、ポペツト頭
部１０の周囲に位置するカラー１１に形成された
通油ポート１２を通つてタンクポート１３へ抜け
る。

電磁コイル４に通電されると、電磁力によりプ
ランジヤ１４がストツパ１５に吸引され、その変
位がロツド１６を介してポペツト１に伝達され、
ポペツト１を軸線方向下方に押し下げ、これによ
りポペツト円錐面５は弁座６に当たり、環状通路
７が閉じられ作動油の流れを止める。

このようにして電磁コイル４への電流のON／
OFF信号により作動油の流れがOFF／ON制御さ
れる。

ポペツト１及びロツド１５にはそれぞれ通油孔
１７，１８が開けられ、ポペツト１の両端面の圧
力を同じにし、圧力バランスを取るようになつて
いる。

この方向切換弁には、本考案の特徴をなす流体
力補償機構が設けられており、この流体力補償機
構は、ポペツト頭部１０の周囲に、ポペツト円錐
面５と弁座６との間の環状通路７を流出した流体
を絞りながらポペツト１の軸線方向に流す絞り部
２０を設け、この絞り部２０の前後に発生する圧
力差により、環状通路７を流れる流体により生じ
る流体力を補償するようにしたものである。

図示実施例においては、絞り部２０は、カラー
１１の内周面をテーパ２１にすることにより構成
されている。

次に上記絞り部２０からなる流体力補償機構の
原理及び作用について説明する。

まず、前述したように、ポペツト円錐面５と弁
座６との間の環状通路７を作動油が流れるとき、
ポペツト１を閉弁方向に引き下げようとする流体
力F_Lが働くが、この流体力の大きさは、第２図
を参照して、環状通路７から流出する作動油の流
線がポペツト１の軸線方向に大して成す角度を
θ、作動油の比重をρ、そのときの流速をｖ、流
量をＱとすると、次の式で表わされる。

F_L＝ρQv cosθ 流体力補償をしない場合には、この流体力F_L
に負けないだけのスプリング８の強さが必要とな
り、ポペツト１の切換操作のための電磁コイル４
の吸引力はスプリングの強さ以上の大きさにしな
ければならない。観点を変えれば、電磁コイルの
大きさの制限や、要求される応答性の制限から、
スプリングの強さが制限され、その結果として、
流量または圧力ポート９とタンクポート１３間の
差圧が制限されることになる。

本考案の絞り部２０よりなる流体力補償機構配
下の原理及び作用によりこのような流体力F_Lを
軽減する。

第２図に示すように、ポペツト１のスプリング
８側の端面１ａの面積をS_D、ポペツト頭部１０側
の端面１ｂの面積をS_Uとすると、両者の間には ΔS＝S_U−S_D で表される面積差ΔSがある。このようなポペツ
トに作動油の圧力により生じる力を考えると、ポ
ペツト頭部１０側の端面１ｂの面積S_Uにおける
もう一方の端面１ａの面積S_Dに相当する部分に関
しては、前述した通油孔１７，１８により端面１
ａと圧力が等しくなるようにしてあり、圧力のバ
ランスが保たれている。

端面１ｂのΔSの面積部分に関しては、第４図
に示すように、ポペツト円錐面５に同じ大きさの
受圧面積を持つ面積S_Tの部分があり、これら面積
部分は、ポペツト頭部１０の絞り部２０により圧
力が異ならしめられた、圧力P₁と圧力P₂の作動
油にそれぞれさらされており、両者のの圧力差を
ΔPとすると、結局、 Ｆ＝ΔP×ΔS の力がポペツト１を軸線方向上方に押し上げる力
として作用する。

圧力差ΔPは、作動油の比重をρ、比例係数を
Ｃ、流量をＱ、絞りの開口面積をＡとすると、オ
リフイスの式 Ｑ＝CA√ より、 ΔP＝ρQ²／C²A² で表わされる。

従つて上述した流体力F_Lを絞り部２０により
生じる力Ｆにより打ち消すには、F_L＝Ｆとすれ
ばよく、 ρQv cosθ＝ρ（Q²／C²A²）ΔS とすればよい。

ここで環状通路７の開口面積の最大値をSmax
とすると、流速ｖは、 ｖ＝Ｑ／S_nax で与えられるので、この式を上式に代入し、式を
整理すると、 Ａ＝（１／Ｃ）√・_nax となり、絞り部２０の絞りの開口面積Ａをこの式
で得られる値に設定することで、流体圧力補償が
得られることが分かる。

ここでΔS，cosθ，S_nax，Ｃはそれぞれ方向切
換弁の構造により決まる値であるので、最適な絞
りの開口面積Ａも方向切換弁の構造によつて定ま
ることになる。

このような絞り部２０を設けることにより、そ
の前後に生じる圧力差は数Kgf／cm²程度であり、
圧力損失をほとんど生じることなく十分な流体力
補償が得られる。

すなわち、方向切換弁で問題となる流体力の大
きさは、0.5Kgf／cm²〜2Kgf／cm²程度であり、ΔS
を0.5cm²とすればＦ＝ΔP×ΔSであるから、ポペ
ツト頭部の絞り部の差圧、すなわち圧力損失は、
1Kgf／cm²〜4Kgf／cm²でもつて十分に流体力補償
効果を得ることができる。

いまこの圧力損失が小さいことを前述した特開
昭58−77984号公報のものとの比較で見てみると、
この従来例においては、弁座部分と流入通路での
作動油の流れを対称的にすることで、流体力補償
をするものであり、流体力の補償効果は流体力の
式と同様に表わされ、この効果F_Jは、 F_J＝ρQvcosθ ≒ρQ（Ｑ／A_J）cosθ ＝（ρQ²／A_J）cosθ となる。ここでA_Jは流入通路に設けた絞りの開
口面積である。

一方、本考案による流体力の補償効果Ｆは、 Ｆ＝ΔP×ΔS ＝｛ρQ²／（C²A²）｝×ΔS である。ここでＡはポペツト頭部の周囲に設けら
れた絞りの開口面積である。流量係数を１と仮定
し、互いの流体力の補償効果が等しいとすると、 （ρQ²／A_J）cosθ＝ （ρQ²／A²）×ΔS となり、この式よりＡを求めると、 Ａ＝√_J となる。仮に、A_Jが直径２mmの絞りで、ΔSが20
mm²、そしてθを45度とすると、絞りの開口面積
A_Jは3.14mm²であり、 Ａ＝√_J ≒√3.14×200.7 ≒9.5mm² となり、Ａ／A_J≒３倍であるから、従来例に比
較して本考案のものは、絞りの開口面積を３倍に
できることが分かる。

この開口面積の差による差圧の差は、オリフイ
スの式より、 ΔP＝Ｑ／（C²A²） により計算され、圧力損失は1/9に軽減されるこ
とが分かる。

また本考案では、ΔSを自由に変えることがで
きるので、圧力損失が問題となる用途において
は、ΔSを大きくすることで、より一層の圧力損
失の軽減が可能である。

なを絞り部２０は、上記実施例では、カラー１
１の内周面にテーパ２１を形成することにより構
成したが、これは一例であり、その前後に上述し
た圧力差ΔPが生じるならば、他のいかなる構造
であつてもよい。例えば、第５図に示すように、
カラー２３の内周面に段付け２４をすることによ
り絞り部２５を構成してもよいし、第６図に示す
ように、カラー２６の内周面は平坦とし、ポペツ
ト頭部２７の外周面に段付け２８をすることによ
り絞り部２９を構成してもよい。

いずれにしても、上記絞り部２０，２５，２９
の構成は簡単であり、またテーパ２１、段付け２
４，２７の加工はそれらの径が大きいことから比
較的容易に、精度よく行うことができる。

また以上の実施例は、本考案を常時開で電磁力
により閉じる方向切換弁に適用した例を示した
が、これのみに限らず、本考案は常時閉で電磁力
により開く方向切換弁に適用することもできる。
第７図はそのような実施例を示しており、ポペツ
ト３０の頭部３１の周囲に、開弁時、弁座３２と
ポペツト円錐面３３との間の環状通路３４を流出
した流体を絞りながらポペツトの軸線方向に流す
絞り部３５を設けている。この場合も、上述した
実施例の絞り部２０と同様、この絞り部３５の前
後に発生する圧力差により、環状通路３４を流れ
る流体により生じる流体力が補償されることは明
らかであろう。

（考案の効果） 以上明らかな通り、本考案の方向切換弁によれ
ば、弁体頭部の周囲に絞り部を設けることにより
流体力補償をするようにしたので、圧力損失はほ
とんど増加せず、このため弁体のストロークや外
径を増加させなくてもよいので応答性に優れ、ま
た電磁コイルを大きくしたりその消費電力を多く
することなく制御可能な最大流量の増加や高圧化
を図ることができる。またそのような絞り部は、
弁体頭部の周囲の構造物壁面または弁体頭部の外
周面の形状を変えるなどして構成することができ
るので、構造が簡単であり、精度の良い加工を容
易に行うことができる。さらに流体力補償の度合
いも、絞り径を変化させることにより自由に変え
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の一実施例による方向切換弁の
断面図であり、第２図は、第１図の１部を拡大し
て示す、本考案の絞り部の作用を説明するための
拡大断面図であり、第３図は本考案の絞り部の作
用を説明するためのポペツトの斜視図であり、第
４図は同様に本考案の絞り部の作用を説明するた
めの、上下を逆にしたポペツトの一部の斜視図で
あり、第５図及び第６図は絞り部の異なる実施例
を示す拡大断面図であり、第７図は異なる種類の
方向切換弁に本考案を適用した実施例を示す、第
１図と同様な断面図である。 図中、符号１……ポペツト（弁体）、５，３３
……ポペツト円錐面、６，３２……弁座、７，３
４……環状通路、１０，２７，３１……ポペツト
頭部（弁体頭部）、１１，２３，２６……カラー
（周囲構造物）、２０，２５，２９，３５……絞り
部、２１……テーパ（構造物壁面）、２４，２８
……段付き（構造物壁面）。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 (1) 電磁コイルにより弁座に対して直角方向に駆
   動される弁体を備えた方向切換弁において、弁
   体頭部の周囲に、弁座と弁体との間の環状通路
   を流出した流体を絞りながら弁体の軸線方向に
   流す絞り部を設け、この絞り部の前後に発生す
   る圧力差により、前記環状通路を流れる流体に
   より生じる流体力を補償するようにしたことを
   特徴とする方向切換弁。 (2) 前記絞り部は、弁体頭部の周囲に位置する構
   造物壁面をテーパにすることにより構成されて
   いる実用新案登録請求の範囲第１項記載の方向
   切換弁。 (3) 前記絞り部は、弁体頭部の周囲に位置する構
   造物壁面に段付けをすることにより構成されて
   いる実用新案登録請求の範囲第１項記載の方向
   切換弁。 (4) 前記絞り部は、弁体頭部外周面に段付けをす
   ることにより構成されている実用新案登録請求
   の範囲第１項記載の方向切換弁。