JP2013032846A - キャビテーション損傷を軽減したスプール弁 - Google Patents

Abstract

【課題】キャビテーション損傷を軽減したスプール弁を提供する。
【解決手段】円周状の制御エッジ部を有する弁スプール２２を備えるスプール弁１０において、断続的または連続的な回転を弁スプール２２に付与する手段５０が設けられ、流体流動を制御するためのポート３２との相互作用に曝される、制御エッジ部の部分が、該制御エッジ部の円周領域に均一に分散されるようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、スプール弁に関し、より具体的には、制御弁またはパイロット弁として使用可能な制御エッジ部を有するスプール弁に関する。

発明の背景

制御弁についてはよく知られており、具体的には、長手方向にスプールを有する型の方向制御弁が広く用いられている。このような弁は、ポンプ、タンク、および消費機器用の複数の接続ポートを有する。これらの複数のポートは、スプールの軸に対して横方向または半径方向にオフセットされて配置される。スプールのランド（軸隙間）の制御エッジ部は、ポートのエッジ部と相互作用して流体流動を制御する。多くの場合、これらの制御弁は、その動作期間の大部分において、その（クローズド）センタ位置付近において、ポートのエッジ部とランドの制御エッジ部との間の流路が比較的狭くなるように保たれているため、非常に大きな流率変化と急激な圧力低下を生じ、キャビテーションを発生させる。制御エッジ部は、このキャビテーションにより頻繁に損傷を受ける。これは、キャビテーションによる浸食に起因し、これによって弁は早くから機能しなくなる。損傷は、弁ハウジングのポート開口部に直接近接するスプール部分に生ずる。

このような背景から、本発明の目的は、上述の欠点を克服するか、または少なくとも軽減することにある。

円周状の制御エッジ部を有する弁スプールを備えるスプール弁であって、断続的または連続的な回転を弁スプールに付与する手段が設けられ、それによって、流体流動を制御するためのポートとの相互作用に曝される前記制御エッジ部の部分が、該制御エッジ部の円周領域に均一に分散されるようにすることによって達成される。

前記弁スプールの頻繁な任意もしくは非任意の回転または連続的な回転を導入することによって、摩耗負荷は、前記スプールの円周域で分散され、これによって、前記スプール弁の全体的な寿命を延ばすことができる。キャビテーション損傷を均一に分散させることは、制御エッジ部の摩耗を制御エッジ部の円周域で分散させるように回転しない弁スプールを有する従来の構造に比べて、局所的なキャビテーション損傷のレベルが、スプール弁の適切な動作のためには超えてはならないレベルに到達するのを遅くすることを意味する。

この回転は、以下のいくつかの方式で実装可能である。

弁スプールは、例えば、専用の電気モータによって連続的に駆動することができる。

弁スプールは、例えば、油圧で連続的に駆動することができる。

弁スプールを、例えば自由に回転することができるようにしておき、スプール自体に加工されるかスプールに取り付けられる翼や羽根が、弁の開放の毎に、又は連続的に、回転力を生むようにしてもよい。

好ましくは、弁スプールの断続的または連続的な回転は、前記少なくとも１つの制御エッジ部の円周の各部分が、前記スプール弁の動作中に、前記１つ以上の高圧ポートとの相互作用に同じように曝されるようにする。

前記回転付与手段は、前記弁スプールに連結される羽根または翼と、その羽根または翼に作用する、流動する油圧流体とを含んでいてもよい。前記羽根または翼は、弁スプールと不可分な構造であってもよく、タンクへの流れによって駆動されることが可能である。

あるいは、前記回転付与手段は、前記弁スプールに連結される羽根車と、前記羽根車に作用する油圧流体の流れとを含んでいてもよい。

また、前記弁スプールは、弁スプールの回転速度を制限するための回転油圧ダンパーをさらに備えてもよい。

スプール弁のスプールにおける円周状の制御エッジ部の円周域の一部がポートと相互作用することにより発生するキャビテーションに起因する、前記制御エッジ部の損傷の影響を軽減する方法であって、前記弁スプールを断続的または連続的に回転させることにより、前記制御エッジ部において前記ポートと相互作用する円周部分の位置が、前記スプール弁の動作中に常に変化するようにすることを含む、方法を提供することによっても達成される。

本発明に従うスプール弁および方法に関するさらなる目的、特徴、利点、および特性は、詳細な説明より明らかになるであろう。

本説明の以下の詳細部分において、図面に示される例示的実施形態を参照して、本発明についてより詳細に説明する
例示的実施形態に従うスプール弁の略断面図である。 図１に示される弁の弁スプールのランドの詳細図である。 図１のスプール弁の第１の断面図である。 図１のスプール弁の第２の断面図である。 別の例示的実施形態に従うスプール弁の略断面図である。 さらに別の例示的実施形態に従うスプール弁の略断面図である。 図６のスプール弁の断面図である。 図６のスプール弁の別の断面図である。

好適な実施形態の詳細な説明

図１から図４は、例示的実施形態に従う油圧スプール弁１０を示す。スプール弁１０は、例示的実施形態において、クローズドセンタ型制御弁である。

スプール弁２０は、高圧流体供給ポート３２および３３を有する弁ハウジング２０を含み、これらのポートは、高圧ポンプ等の適切な供給源（図示せず）から高圧流体を受けるように構成される。

弁ハウジング２０には、軸方向に延在する、スプールを収容するための孔状の空間２４が設けられ、この空間に弁スプール２２が配置される。

弁スプール２２は、孔２４内における回転運動および孔の長手方向軸に沿った軸方向運動が可能又は許されるように取り付けられる。弁スプール２２の軸方向運動は、弁ハウジング２０の一端に取り付けられるソレノイド５０の作用によって得られる。ソレノイド５０には電子制御ユニット５５が連結される。また、弁スプール２２の軸方向位置を判断するための位置センサも設けられる。弦巻バネ３７は、弁スプール２２をソレノイド５０側に付勢する。

弁スプール２２には、２つのランド２５および２６が設けられる。ランド２６には、高圧ポート３３、３４、および３５と相互作用する２つの制御エッジ部２３が設けられる。

高圧ポート３４および３５は、チャネル３１を介して、高圧ポート３３に連結される。制御エッジ部２３は、ランド２６の全周に亘って設けられる。しかしながら、図３から明確に理解できるように、ある瞬間に高圧ポート３３や３４，３５と相互作用するのは、制御エッジ部２３の円周域の一部のみである。この実施形態においては、ランド２６の制御エッジ部２３と相互作用する３つの高圧ポートが存在するため、ある瞬間にポートと相互作用する制御エッジ部２３の円周部分は比較的広い。しかしながら、別の実施形態では、１つの制御エッジ部が、高圧ポート（図３のように２つまたは３つではない）が１つしかなく、高圧ポートと相互作用する制御エッジ部の部分も一箇所しかない。このような実施形態においては、ある瞬間に高圧ポートと相互作用するのは、制御エッジ部２３の円周域のほんの一部だけである。かかる実施形態は、弁スプールの開放ストロークが同じであっても流路面積を小さくすることができるので、少ない流量をより精密に制御することが可能になるという利点を有している。

ランド２５には、ランド２６と全く同じように制御エッジ部が設けられ、ランド２５の制御エッジ部は、ランド２６が３つの高圧ポートと相互作用するのと同様に、３つの高圧ポート（ポート３２および図示されていない他の２つのポート）と相互作用する。

ポート２８は、消費機器（consumer）に連結され、ポート３９および３０はタンクに連結される。

羽根車４０は、弁スプール２２においてランド２５とランド２６との間に取り付けられる。羽根車は、ポート２８に流動する流体によって駆動され、つまり、消費機器への流れによって、羽根車が駆動し、弁シャフト２２が回転する。弁シャフトは、スプール弁２０の開放時のみ回転するため、シャフトの回転は断続的である。

圧力ポート３２、３３、３４、３５と制御エッジ部２３との相互作用により、制御エッジ部２３および制御エッジ部２３に近接する領域でキャビテーション損傷が発生しうる。

動作中、弁スプール２２の位置は、ソレノイド５０によって制御される。ソレノイド５０が作動して弁スプール２２を押出すると（図の左側方向に）、圧力ポート３３はポート３０に連結され、圧力ポート３２はポート２８に連結される。ソレノイド５０が作動して図の右側方向に弁スプール２２を引張すると、圧力ポート３３はポート２８に連結され、圧力ポート３２はポート２９に連結される。種々の型の消費機器をポート２８や２９、３０に連結できるだろう。スプール弁１０は、より大きな油圧（サーボ）弁を制御するためのパイロット弁として使用可能である。弁スプール２２のこのような種類の動作によって、大部分の時間において、そのセンタ位置周辺に保たれており、大きく開放するのは時々である。したがって、スプール弁１０は、この種類の動作において、大部分の時間において小さな流率を制御している。

弁スプール２２の回転によって、制御エッジ部２３の円周の各部分が、高圧ポートとの相互作用に同じように曝されるようになる。弁スプールは、キャビテーション損傷が部分的にでも限度を超えた場合には取り替える必要がある。しかし、制御エッジ部が高圧ポートとの相互作用に曝されることによって生じるキャビテーション損傷を、制御エッジ部の全範囲に分散させることによって、制御エッジ部の各部分のキャビテーション損傷が許容最大レベルを上回るには時間がかかるようになり、弁スプールの寿命が延びる。

図５は、スプール弁１０の別の実施形態を示す。本実施形態は、弁スプール２２の並進運動および回転運動の両方を提供する２つのソレノイド５０および６０によって回転が付与されること以外は、図１から４の実施形態と本質的に同一である。ソレノイド６０には電子制御ユニット６５が連結される。本実施形態において、ソレノイド５０及び６０のうちの１つには、軸方向位置センサが設けられ、また回転位置センサも設けられてもよい。

弁スプール２２がソレノイド５０側に移動しなければならない場合、ソレノイド５０が作動して弁スプール２２を引張し、同時に、所定の角度で一方向に弁スプールを回転させる。同時的な並進および回転は、例えば、傾斜アンカを有するソレノイドを使用することによって実現可能である。弁スプール２２がソレノイド６０側に移動する場合、ソレノイド６０が作動して弁スプール２２を引張し、同時に、所定の角度で同じ一方向に弁スプールを回転させる。このようにして、ソレノイド５０、６０のうちのいずれかの各作動によって、弁スプール２２は、同一方向に所定の角度で回転する。

図６から図８は別の実施形態を示す。これらの実施形態は、孔２２の他の部分から羽根車４０を隔離する役割を果たす追加のランド４２および４３を弁スプール２２が有すること以外は、図１の実施形態と本質的に同一である。羽根車４０は、スプール弁１０の動作中に回転させるために弁スプール２２に取り付けられる。羽根車４０は、圧力ポート３８からの圧力流体によって駆動され、戻し流体は、ポート３９を介してタンクに排出される。圧力ポート３８への圧力および流れは、シャフトの回転に使用される油圧油の量が過剰にならなうように制限される。あるいは、回転は、タンクへの流れによって駆動することができる。

動作中、圧力ポート３８を介して流入する油圧流体は、羽根車４０を駆動し、ポート３９を介して羽根車室を出る。油圧流体の羽根車への流れは、連続的な流動または断続的な流動であることが可能である（ポート３８への流体の流入に依存する）。

ランド４４および４５は、孔２２の他の部分から回転ダンパーを隔離する役割を果たす。回転ダンパーは、弁スプール２２に取り付けられる羽根４７を含む。羽根４７が回転するダンパー室４８には３つのリブ４６が設けられる。圧力ポート４１は、油圧油または他の適切なダンパー流体でダンパー室４８が充填されるように制御する。回転ダンパーは、スプール弁２２の回転速度が悪影響を生じうるほど早くならないように、スプール弁２２の回転速度を抑制する。

図１の実施形態も、必要に応じて、回転ダンバーと組み合わせることが可能である。

別の実施形態によると、弁スプールの回転は、弁スプールに連結される電気モータを使用して得られる。

さらに別の実施形態によると、弁スプールの回転は、弁スプールに連結される任意の油圧モータを使用して得られる。

その他の実施形態には、弁の開放時のみ圧力流体によって駆動される羽根がある。

本書の教示は、多数の利点を有する。異なる実施形態または実装によって、以下の利点のうちの１つ以上がもたらされ得る。これは、包括的なリストではなく、また、本明細書に記載されない他の利点も存在し得ることに留意されたい。

本書の教示の一つの利点には、弁スプールの円周上にポートを１つしか有さないスプール弁を作製できることがある。これによって、同じ開放ストロークでも流路面積を小さくすることができるので、小さな流れを良好に制御することが可能になる。

上述の実施形態は、クローズドセンタ型制御弁を参照して説明された。しかしながら、本発明は、キャビテーションに曝される制御エッジ部を含む任意の他の型のスプール弁に関しても適用可能である。

前述の説明において記載された特徴は、明示的に記載された組み合わせ以外の組み合わせで使用されてもよい。

請求項において使用される用語の「有する」は、他の要素またはステップを除外しない。請求項において使用される単数形の用語は、複数形を除外しない。

請求項において使用される引用符号は、範囲を限定するものとして解釈されないものとする。

上の説明において、特別に重要であると考えられる本書の教示の特徴に留意するよう試みたが、本明細書において参照および／または図示されたいかなる特許可能な特徴または特徴の組み合わせに関しても、それに関して特に強調されたか否かに関わらず、本出願人は保護を主張することを理解されたい。

本発明は、説明目的で詳細に記載されたが、このような詳細は、単にその目的のためのものであって、当業者が、本発明の範囲を逸脱することなくその詳細に変更を加えること可能であることを理解されたい。

Claims (8)

1. 油圧で制御される装置を有する油圧システムにおいて、高圧の油圧油の流れを制御するためのスプール弁（１０）であって、
   前記スプール弁（１０）は、軸方向に延びる孔（２４）であって弁スプール（２２）を受容するための孔（２４）が設けられる弁ハウジング（２０）と、前記スプール弁（１０）の動作中に前記弁スプール（２２）の断続的または連続的な回転を生じさせる回転付与手段（４０、５０、６０）とを備え、
   前記弁スプール（２２）は、前記孔（２４）内における回転運動および前記孔（２４）の長手方向軸に沿った軸方向運動が可能であるように前記孔（２４）に受容され、
   前記弁スプール（２２）には少なくとも２つのランド（２５，２６）が設けられ、前記２つのランドの各々には少なくとも１つの円周状の制御エッジ（２３）が設けられ、該制御エッジ（２３）は、該制御エッジの部分で垂直に接する前記ランドの２つの面によって形成され、
   前記孔（２４）には、少なくとも１つの高圧ポート（３２、３３、３４、３５）が設けられ、該高圧ポートには各々少なくとも１つの制御エッジが設けられ、
   前記少なくとも１つの円周状の制御エッジ（２３）は、その円周沿いの部分で、前記高圧ポートの前記少なくとも１つの制御エッジと相互作用し、
   前記回転付与手段（４０，５０，６０）による前記回転は、前記スプール弁（１０）の動作中に、前記少なくとも１つの円周状の制御エッジ（２３）の周縁領域の個々の部分が前記少なくとも１つの高圧ポート（３２、３３、３４、３５）との相互作用に同じように曝されるようにすることにより、前記少なくとも１つの円周状の制御エッジ部（２３）のキャビテーションによる損傷を該制御エッジ部（２３）の円周域で分散させる、
   スプール弁（１０）。
2. 前記回転付与手段（４０）は、前記弁スプール（２２）に連結される羽根または翼を有する、請求項１に記載のスプール弁（１０）。
3. 前記回転付与手段は、前記弁スプール（２２）に連結される羽根車（４０）、および、前記羽根車（４０）に作用する、流動する油圧流体を有する、請求項１に記載のスプール弁（１０）。
4. 前記弁スプール（２２）の回転速度を制限するための回転ダンパー（４６、４７）をさらに有する、請求項１または３に記載のスプール弁（１０）。
5. 前記回転付与手段は、ソレノイド（５０、６０）、電気モータ、または油圧モータを有する、請求項１に記載のスプール弁（１０）。
6. 前記制御エッジ（２３）と相互作用する少なくとも１つのポート（３２、３３）をさらに備え、前記少なくとも１つのポート（３２、３３）は、任意の瞬間に前記制御エッジ部（２３）の前記円周領域の一部のみと相互作用し、前記弁スプール（２２）の前記断続的または連続的な回転は、前記少なくとも１つのポート（３２、３３）との相互作用へ前記制御エッジ部（２３）の各部分が曝される範囲を前記制御エッジ部（２３）の円周の全域に分散させる、請求項１に記載のスプール弁（１０）。
7. 前記回転付与手段は、タンクへの流れによって駆動される、請求項１に記載のスプール弁（１０）。
8. 油圧で制御される装置を有する油圧システムにおいて、高圧の油圧油の流れを制御するためのスプール弁（１０）の、弁スプール（２２）の円周状の制御エッジ（２３）のキャビテーションによる損傷の影響を減じる方法であって、
   前記弁スプール（２２）には少なくとも２つのランド（２５，２６）が設けられ、前記２つのランドの各々には少なくとも１つの円周状の制御エッジ（２３）が設けられ、該制御エッジ（２３）は、該制御エッジの部分で垂直に接する前記ランドの２つの面によって形成され、
   前記弁スプール（２２）を受容するための孔（２４）には、少なくとも１つの高圧ポート（３２、３３、３４、３５）が設けられ、該高圧ポートには各々少なくとも１つの制御エッジが設けられ、
   前記少なくとも１つの円周状の制御エッジ（２３）は、その円周沿いの部分で、前記高圧ポートの前記少なくとも１つの制御エッジと相互作用し、
   前記キャビテーションは、前記円周状の制御エッジ（２３）の周縁領域が前記高圧ポート（３２、３３、３４、３５）と相互作用することによって生じ、
   前記方法は、前記弁スプールを断続的または連続的に回転させることを含み、該回転によって、前記円周状の制御エッジ（２３）の周縁領域における、前記高圧ポートと相互作用する部分の位置が、前記スプール弁（１０）の動作中に常に変化し、前記変化することによって、前記円周状の制御エッジ（２３）の周縁領域の個々の部分が前記少なくとも１つの高圧ポート（３２、３３、３４、３５）との相互作用に同じように曝されるようにすることにより、前記少なくとも１つの円周状の制御エッジ部（２３）のキャビテーションによる浸食を該制御エッジ部（２３）の円周域で分散させる、
   方法。

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