(57)【要約】      （修正有）【課題】流入側流路が曲がり流路に形成されたスプール弁において、スプール回転防止用の専用部材をスプール弁に組み込んだりすることなく、スプールの回転を防止できるようにする。【解決手段】曲がり流路７の屈曲箇所よりも上流側を第一流路７ａとし、屈曲箇所よりも下流側を第二流路７ｂとしたとき、スプール４に加わる回転トルクが小さくなるときの第一流路７ａと第二流路７ｂとの面積比をＣＦＤ解析により求め、該ＣＦＤ解析により求められた第一流路７ａと第二流路７ｂとの面積比になるように曲がり流路７を形成する。【選択図】図１
2015052343.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジングに形成されるスプール嵌合孔に軸方向移動自在に挿通されるスプールと、前記スプール嵌合孔の外周側にスプール嵌合孔と連通状に形成される複数の環状溝と、これら環状溝に流路を介して連通する流入口および流出口とを備え、スプールの軸方向の移動に基づいて流入口、流出口間の連通、遮断を行うように構成してなるスプール弁において、
前記流入口から環状溝に至る流路を、中途部でＬ字形状に屈曲した曲がり流路に形成するにあたり、該曲がり流路の屈曲箇所よりも上流側を第一流路とし、屈曲箇所よりも下流側を第二流路としたとき、スプールに加わる回転トルクが小さくなるときの第一流路と第二流路との面積比をＣＦＤ解析により求め、該ＣＦＤ解析により求められた第一流路と第二流路との面積比になるように曲がり流路を形成することを特徴とするスプール弁。
【請求項２】
請求項１において、第一流路を断面円形状の流路とし、第二流路を断面四角形状の流路としたとき、スプールに加わる回転トルクが小さくなるときの第一流路と第二流路との面積比は１：０．６４〜１：２．１であることを特徴とするスプール弁。
【請求項３】
請求項２において、第一流路と第二流路との面積比は、好ましくは１：１．２〜１：１．９であることを特徴とするスプール弁。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スプールの軸方向の移動により流路を開閉するスプール弁の技術分野に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、スプール弁は、方向制御弁や流量制御弁、圧力制御弁として汎用的に用いられており、例えば油圧ショベル等の建設機械では、油圧アクチュエータへの油給排の方向及び流量を制御するためのコントロールバルブとして広く採用されているが、該スプール弁は、一般的に、ハウジングに形成されるスプール嵌合孔に軸方向移動自在に挿通されるスプールと、スプール嵌合孔の外周部に形成される複数の環状溝と、これら環状溝に流路を介して連通する流入口および流出口とを備え、スプールの軸方向の移動に基づいて流入口、流出口間の連通、遮断を行うように構成されている。
ところで、前記建設機械に採用されるコントロールバルブとしてのスプール弁のなかには、油圧シリンダの一方の油室から排出される高圧油を、油タンクに流すことなくそのまま他方の油室に供給するための再生回路が組込まれたものがある。例えば、油圧ショベルに設けられるブームシリンダ用のコントロールバルブのなかには、ブームシリンダのヘッド側油室からの排出油をロッド側油室に流す再生油路が組込まれたものがある（例えば、特許文献１参照。）が、このような再生油路が組込まれたスプール弁は流路が複雑になり、例えば、流入口から環状溝に至る流路を、中途部でＬ字形状に屈曲した曲がり流路に形成する場合がある。このような曲がり流路が設けられているスプール弁においては、屈曲箇所の下流側の流路内で流速が不均一になって旋回流が発生しやすく、そして、該旋回流がスプールのランド部に形成されるノッチ（切欠き）に衝突することで、スプールに該スプールを軸回り方向に回転させる流体力が作用すると考えられる。
しかるに、流体力を受けてスプールが軸回り方向に回転すると、弁の切換性能が不安定になったり、スプールやスプール嵌合孔の摩耗が促進されたり、スプールのランド部からの漏れが多くなったりする惧れがある。
そこで、従来、スプールの回転を防止するための技術として、スプール側に形成した面取り部とハウジング側に設けた回転止め材との係止によりスプールの回転を機械的に防止するようにしたもの（例えば、特許文献２参照。）や、スプールとハウジングとの間に可動ガイド部等からなる回転防止機構を設けたもの（例えば、特許文献３参照。）や、環状溝に流入する流路に流量調整部材を設け、環状溝の周方向の一方向に流れる流量と他方向に流れる流量とが同等になるように調整することでスプールの回転を防止するようにしたもの（例えば、特許文献４参照。）が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−８９３１７号公報
【特許文献２】特開平８−２１９３００号公報
【特許文献３】特開２００８−２６６３号公報
【特許文献４】特開２０１０−１７５０８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前記従来のものは、何れも、回転止め部材、回転防止機構、流量調整部材のようなスプールの回転を防止するための専用部材をスプール弁に組み込まなければならず、その分スプール弁が大型化するうえ、スプール弁の構造が複雑化してコスト高になるという問題があり、ここに本発明の解決すべき課題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上記の如き実情に鑑みこれらの課題を解決することを目的として創作されたものであって、請求項１の発明は、ハウジングに形成されるスプール嵌合孔に軸方向移動自在に挿通されるスプールと、前記スプール嵌合孔の外周側にスプール嵌合孔と連通状に形成される複数の環状溝と、これら環状溝に流路を介して連通する流入口および流出口とを備え、スプールの軸方向の移動に基づいて流入口、流出口間の連通、遮断を行うように構成してなるスプール弁において、
前記流入口から環状溝に至る流路を、中途部でＬ字形状に屈曲した曲がり流路に形成するにあたり、該曲がり流路の屈曲箇所よりも上流側を第一流路とし、屈曲箇所よりも下流側を第二流路としたとき、スプールに加わる回転トルクが小さくなるときの第一流路と第二流路との面積比をＣＦＤ解析により求め、該ＣＦＤ解析により求められた第一流路と第二流路との面積比になるように曲がり流路を形成することを特徴とするスプール弁である。
請求項２の発明は、請求項１において、第一流路を断面円形状の流路とし、第二流路を断面四角形状の流路としたとき、スプールに加わる回転トルクが小さくなるときの第一流路と第二流路との面積比は１：０．６４〜１：２．１であることを特徴とするスプール弁である。
請求項３の発明は、請求項２において、第一流路と第二流路との面積比は、好ましくは１：１．２〜１：１．９であることを特徴とするスプール弁である。
【発明の効果】
【０００６】
請求項１の発明とすることにより、ＣＦＤ解析に基づいて曲がり流路を形成することで、スプール回転防止用の専用部材をスプール弁に組込んだりすることなくスプールの回転防止を図れることになって、スプール弁の小型化、構造の簡略化、コスト低減に寄与できる。
請求項２の発明とすることにより、曲がり流路の第一流路が断面円形状で第二流路が断面四角形状の場合に、スプールの回転を防止することができる。
請求項３の発明とすることにより、曲がり流路の第一流路が断面円形状で第二流路が断面四角形状の場合に、スプールの回転をより確実に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】（Ａ）、（Ｂ）は第一解析モデルの閉位置、開位置のスプール弁を示す図である。
【図２】（Ａ）はハウジングの断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＸ−Ｘ断面図、（Ｃ）は（Ａ）のＹ−Ｙ断面図、（Ｄ）は（Ｂ）のＶ−Ｖ断面図、（Ｅ）は（Ｂ）のＺ−Ｚ断面図である。
【図３】（Ａ）は第一解析モデルのスプールを示す図、（Ｂ）は第二解析モデルのスプールを示す図である。
【図４】ＣＦＤ解析により求めた曲がり流路の第一流路と第二流路の面積比と、スプールに加わるトルクとの関係を示すグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。１は、ＣＦＤ（数値流体力学）解析の第一解析モデルとして用いたスプール弁であって、該スプール弁１は、ハウジング２と、該ハウジング２に形成されるスプール嵌合孔３に軸方向移動自在に挿通されるスプール４とから構成されている。前記ハウジング２の外周部には、流体の流入口５および流出口６が形成されていると共に、スプール嵌合孔３の外周側には、前記流入口５に流入側流路７を介して連通する流入側環状溝８と、流出口６に流出側流路９を介して連通する流出側環状溝１０とが、スプール嵌合孔３に連通し、且つ、スプール嵌合孔３の軸方向に離間する状態で形成されている。一方、前記スプール４の軸方向両側部には、スプール嵌合孔３に摺接する第一、第二ランド部４ａ、４ｂが形成されていると共に、第二ランド部４ｂの軸方向一半側には、周回り方向に複数（本実施の形態では４個）のノッチ（切欠き）４ｃが形成されている。尚、ノッチ４ｃが形成されていない第二ランド部４ｂの軸方向他半側を、以降、ノッチ非形成部４ｄと称する。
【０００９】
そして 、前記スプール弁１は、スプール４が図１（Ａ）に示す閉位置に位置している状態では、第二ランド部４ｂのノッチ非形成部４ｄによって流入側環状溝８と流出側環状溝１０とが遮断された状態になっており、これにより、流入口５から流出口６への流体の流れは遮断されている。一方、スプール４が図１（Ｂ）に示す開位置に位置している状態では、流入側環状溝８と流出側環状溝１０とは、スプール嵌合孔３および第二ランド部４ｂのノッチ４ｃを介して連通しており、これにより、流入口５から流出口６へ流体が流れるように構成されている。
【００１０】
ここで、前記流入側油路７は、中途部でＬ字状に屈曲した曲がり流路に形成されている（以下、流入側流路７を曲がり流路７とも称する）。そして、該曲がり流路７の屈曲箇所よりも上流側を第一流路７ａとし、屈曲箇所よりも下流側を第二流路７ｂとしたとき、第一流路７ａは断面円形状に、第二流路７ｂは四隅部にＲがついた断面四角形状に形成されている。
【００１１】
前記第一解析モデルのスプール弁１は、油圧ショベルの現行機種に用いられているブームシリンダ用のコントロールバルブのうち、ブームシリンダのヘッド側油室からの排出油をロッド側油室に流す再生油路が形成されると共に、スプールの回転が認められたコントロールバルブについて、曲がり流路が形成されている部分を抽出して簡略化したものである。
【００１２】
一方、１１はＣＦＤ解析の第二解析モデルとして用いたスプール弁（図示せず）を構成するスプールであって、該第二解析モデルのスプール１１は、前述した第一解析モデルのスプール４と同様に軸方向両側部に第一、第二ランド部１１ａ、１１ｂが形成されているが、これらランド部１１ａ、１１ｂにノッチは形成されていない（以下、第一解析モデルのスプール４と区別するために、第一解析モデルのスプール４を単にスプール４と称し、第二解析モデルのスプール１１をノッチ無スプール１１と称する）。尚、第二解析モデルのスプール弁のハウジング、および該ハウジングに形成されるスプール嵌合孔、流入口、流出口、流入側流路（曲がり流路）、流入側環状溝、流出側流路、流出側環状溝は、図示しないが、第一解析モデルのものと同構造であるため説明は省略する。
【００１３】
そして、前記第一、第二解析モデルの開位置のスプール弁について、熱流体解析ソフトであるＳＴＡＲ−ＣＣＭ＋（ＣＤ−Ａｄａｐｃｏ社製）を用いてＣＦＤ解析を行なった。該ＣＦＤ解析における離散化手法には有限体積法を採用し、乱流モデルとしてκ−ε乱流モデルを用いた。また、流入口５、流出口６の境界条件はそれぞれ入口流量、出口圧力とし、入口流量は１００Ｌ／ｍｉｎ、出口圧力は０Ｐａとして解析を行なった。使用メッシュはポリヘドラルメッシュとし、メッシュ数は約４００，０００とした。作動流体には４０ｗｔ．％のグリセリン水溶液を用いたが、該グリセリン水溶液の２０℃での物性値は、密度ρが１０９９．３０ｋｇ／ｍ３、粘度μが３．７２×１０−３Ｐａ・ｓ、動粘度νが３．３８×１０−６ｍ２／ｓである。また、スプールに加わるトルクの計測は、スプール表面に作用する剪断応力およびノッチ側面に作用する垂直応力の和により算出した。
【００１４】
まず、スプールの回転原因を把握するため、第一解析モデルのスプール弁１をＣＦＤ解析して、曲がり流路７の断面の速度ベクトル分布を求めたところ、曲がり流路７の屈曲箇所よりも下流側の第二流路７ｂにおいて、屈曲内側となる部分（図２（Ｂ）における第二流路７ｂの上側部分）の速度が屈曲外側となる部分（図２（Ｂ）における第二流路７ｂの下側部分）に比べて大幅に遅くなり、これにより速度の不均一が生じて旋回流が発生していることが判明した。また、第一、第二解析モデルのスプール弁をＣＦＤ解析して、スプール４、ノッチ無スプール１１にかかるトルクを計測したところ、ノッチ無スプール１１にかかるトルクは、ノッチ４ｃが形成されているスプール４にかかるトルクに対して約９７．６％減少しており、これにより、ノッチの有無はスプールにかかるトルクに大きく影響することが判明した。そして、これらの結果より、スプールの回転は、曲がり流路７から環状溝に流入する流体の速度の不均一により発生した旋回流がノッチに衝突することにより生じるものと考察される。
【００１５】
而して、旋回流の発生を抑制する、或いはノッチが形成されていないスプールを採用することで、スプールにかかるトルクを減少させることができることになるが、例えば油圧ショベルのブームシリンダ用コントロールバルブとして用いられるスプール弁は、通過流量が少量の場合でも精度の高い流量制御が要求されるため、ノッチが形成されていないスプールを採用することは現実的ではなく、このため、スプール４にノッチ４ｃが形成されている第一解析モデルのスプール弁１を用いて、旋回流の発生抑制について検討した。
【００１６】
前記旋回流の発生抑制を検討するにあたり、流入口５から流入側環状溝８に至る曲がり流路７の第一流路７ａ（屈曲箇所よりも上流側）と第二流路７ｂ（屈曲箇所よりも下流側）との面積比が旋回流の発生に及ぼす影響を考え、曲がり流路７の第一流路７ａと第二流路７ｂとの面積比を変化させたときにスプール４に加わるトルクの変化をＣＦＤ解析により求めた。
【００１７】
ここで、第一解析モデルのスプール弁１において、第一流路７ａの直径Ｒと第二流路７ｂの幅Ｗ（第一流路７ａの流れ方向と直交する辺の長さ）は同寸法（Ｒ＝Ｗ）に設定されており、また、曲がり流路７の第一流路７ａと第二流路７ｂとの面積比は１：２．８に設定されている。これらは、前述した油圧ショベルの現行機種に用いられているブーム用コントロールバルブを基にして設定されている。そして、第一流路７ａと第二流路７ｂとの面積比を変化させてＣＦＤ解析するにあたり、前記第一流路７ａと第二流路７ｂとの面積比１：２．８を初期条件にすると共に、第一流路７ａの直径Ｒおよび第二流路７ｂの幅Ｗ（第一流路７ａの流れ方向と直交する辺の長さ）は変化させず、第二流路７ｂの高さＨ（第一流路の流れ方向と平行な辺の長さ）を変化させることで、第一流路７ａと第二流路７ｂとの面積比を変化させた。
【００１８】
前記第一流路７ａと第二流路７ｂとの面積比を変化させてＣＦＤ解析することにより得られた、スプール４に加わるトルクの変化を図４に示す。該図４において、第二流路７ｂの高さＨは、前記初期条件（第一流路７ａと第二流路７ｂとの面積比１：２．８）のときの高さＨを１．０（Ｈ＝１．０）として、Ｈ＝０．９（面積比１：２．５）、Ｈ＝０．７５（面積比１：２．１）、Ｈ＝０．６（面積比１：１．７）、Ｈ＝０．５（面積比１：１．４）、Ｈ＝０．４（面積比１：１．１）、Ｈ＝０．２５（面積比１：０．６４）と変化させ、また、トルクは、初期条件のときのトルクＴを１．０（Ｈ＝１．０）として、各値を無次元化した。
【００１９】
前記図４に示すＣＦＤ解析の結果から、曲がり流路７の第一流路７ａと第二流路７ｂとの面積比を１：０．６４〜１：２．１にした場合には、初期条件である面積比１：２．８と比してスプール４に加わるトルクが１０％以下となり、さらに、第一流路７ａと第二流路７ｂとの面積比を１：１．２〜１：１．９にした場合には、スプール４に加わるトルクが５％以下となることが判明した。而して、曲がり流路７の第一流路７ａと第二流路７ｂとの面積比を１：０．６４〜１：２．１、好ましくは１：１．２〜１：１．９にすることによりスプール４に加わるトルクを小さくすることができ、これによりスプール４の軸回り方向の回転を防止できることが判明した。
【００２０】
叙述の如く構成された本形態において、スプール弁１は、ハウジング２に形成されるスプール嵌合孔３に軸方向移動自在に挿通されるスプール４と、スプール嵌合孔３の外周側にスプール嵌合孔３と連通状に形成される流入側、流出側環状溝８、１０と、これら流入側、流出側環状溝８、１０に流入側、流出側流路７、９を介して連通する流入口５および流出口６とを備え、スプール４の軸方向の移動に基づいて流入口５、流出口６間の連通、遮断を行うように構成されているが、このものにおいて、前記流入口５から流入側環状溝８に至る流入側流路７を、中途部でＬ字形状に屈曲した曲がり流路７に形成するにあたり、該曲がり流路７の屈曲箇所よりも上流側を第一流路７ａとし、屈曲箇所よりも下流側を第二流路７ｂとしたとき、スプール４に加わる回転トルクが小さくなるときの第一流路７ａと第二流路７ｂとの面積比をＣＦＤ解析により求め、該ＣＦＤ解析により求められた第一流路７ａと第二流路７ｂとの面積比になるように曲がり流路７を形成することにより、スプール４に加わるトルクを小さくすることができ、これによりスプール４の軸回り方向の回転を防止できることになる。
【００２１】
而して、ＣＥＤ解析に基づいて、スプール４に加わる回転トルクが小さくなるときの第一流路７ａと第二流路７ｂとの面積比になるように曲がり流路７を形成することで、スプール４の軸回り方向の回転を防止できることになり、この結果、スプール回転防止用の専用部材をスプール弁１のスプール４やハウジング２、流入側流路７等に組込んだりすることなく、ＣＦＤ解析によりスプール４の回転防止を図れることになって、スプール弁の小型化、構造の簡略化、コスト低減に寄与できる。
【００２２】
さらにこのものにおいて、曲がり流路７の第一流路７ａを断面円形状の流路とし、第二流路７ｂを断面四角形状の流路としたとき、ＣＤＦ解析により求められたスプール４に加わる回転トルクが小さくなるときの第一流路７ａと第二流路７ｂとの面積比は１：０．６４〜１：２．１、好ましくは１：１．２〜１：１．９であり、該面積比となるように曲がり流路７を形成することによって、スプール４の回転防止を図ることができる。
尚、前述したように、ノッチが形成されていないスプールを用いたスプール弁は、ノッチが形成されたスプールを用いたスプール弁に比してスプールに加わるトルクは大幅に小さいが、ノッチが形成されていないスプールを用いたスプール弁にも本発明を実施できることは勿論である。
【産業上の利用可能性】
【００２３】
本発明は、スプールの軸方向の移動により流路を開閉するスプール弁において、スプールの回転防止を図る場合に利用することができる。
【符号の説明】
【００２４】
１    スプール弁
２    ハウジング
３    スプール嵌合孔
４    スプール
５    流入口
６    流出口
７    曲がり流路（流入側流路）
７ａ  第一流路
７ｂ  第二流路
８    流入側環状溝
９    流出側流路
１０  流出側環状溝
【図１】
2015052343.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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