方向制御弁は、内部通路を備えた弁本体と、スプールと呼ばれる可動部から構成されます。スプールは内部通路を接続または遮断することができます。ほとんどの標準的な産業用油圧弁では、スプールは円筒形です。このタイプはスプール式方向制御弁、または単にスプール弁と呼ばれます。スプール弁は、産業用油圧において最も広く使用されている方向制御弁です。本章では、スプール弁の種類、構造、動作原理、および制御方法について説明します。

四方方向弁

まず検討すべき方向制御弁は、内部に4つの通路を持つものです。すなわち、圧力通路、戻り（タンク）通路、そして2つの作動通路です。これは4方向方向制御弁と呼ばれ、弁本体に4つの異なる通路があることからその名が付けられています。4方向方向制御弁は、油圧シリンダーや油圧モーターの作動方向を反転させる役割を果たします。

回路における4方向弁の機能

方向制御弁はすべて、弁本体と内部可動スプールで構成されています。スプールには少なくとも2つの位置（2つの終端位置）があります。これらの2つの位置は、方向制御弁のグラフィックシンボルでは2つの別々のボックスで示されます。各ボックスでは、矢印を使用して、スプールがその位置にあるときに弁本体の内部通路がどのように接続されているかを示します。グラフィックシンボルで方向制御弁を示す場合、両方のボックスを接続する必要があります。回路に配置する場合は、回路に正確に1つのボックスを接続する必要があります。こうすることで、アクチュエータが一方向に動くときに、方向制御弁の内部流路が明確に示されます。シンボルのもう一方のボックスでアクチュエータが反対方向に動くことを示す必要がある場合は、もう一方のボックスを回路にスムーズにスライドさせるだけです。

スプール位置が2つしかない方向制御弁は、2位置弁と呼ばれます。

図10-1 4方向方向制御弁。2つのボックスの記号は、2つのスプール位置を表しています。一度に回路に接続されるのは1つのボックスのみです。スプールを移動させると、どちらのボックスがアクティブになるかが切り替わり、シリンダの動作方向が反転します。

四方弁回路機能

スプールが一方の端位置にあるとき、圧力通路は作動通路Aに接続され、戻り通路は作動通路Bに接続されます。スプールがもう一方の端位置に切り替わると、圧力通路は作動通路Bに接続され、戻り通路は作動通路Aに接続されます。スプールの端位置を切り替えることで、油圧シリンダへのオイルの流れ方向が切り替わり、ロッドが伸長または収縮します。

三方方向弁

三方弁は、圧力通路、戻り通路、作動通路の3つの内部通路を備えています。その機能は、スプールが一方の端位置にあるときに作動ポートを加圧し、もう一方の端位置にあるときに作動ポートを減圧することです。つまり、三方弁は単一の作動ポートの加圧と減圧を切り替える役割を果たします。

三方弁回路機能

三方弁は、スプリングリターン式プランジャーシリンダーなどの単動アクチュエータを制御することができます。このような用途では、三方弁が一方の位置にあるとき、シリンダーロッドの自由端に加圧油が供給されます。もう一方の位置に切り替えると、アクチュエータへの油の流れが遮断され、アクチュエータ通路が弁本体内部の戻り通路に接続されるため、シリンダーロッドは重力またはスプリングの力によって後退します。

三方弁が作動通路と戻り通路を接続する位置にあるとき、垂直に取り付けられたプランジャーシリンダーは重力によって後退し、スプリングリターンシリンダーロッドはスプリングの力によって後退する。

産業用油圧機器では、三方弁はほとんど使用されません。三方弁の機能が必要な場合は、通常、作動ポートの一つを塞いだ四方弁が代用されます。

図10-3は、単動式（スプリングリターン式）シリンダを制御する3方向弁です。一方の位置では加圧が行われ、もう一方の位置ではシリンダがタンクに接続され、スプリングの力でロッドが引き戻されます。

双方向方向弁

双方向方向制御弁には2つの通路しかなく、これらの通路はスプールによって接続または切断されます。スプールが一方の端位置にあるときは、弁を通る流路が開いており、もう一方の端位置にあるときは、流路が閉じています。

双方向バルブ回路機能

双方向方向制御弁は、回路におけるオン/オフスイッチとして機能します。この機能は、多くのシステムにおいて安全インターロックとして、あるいはシステム内の様々なコンポーネントを分離・接続するために利用されています。

方向制御弁の定格と仕様

産業用油圧で使用される方向制御弁には、1/4インチ、3/8インチ、1/2インチ、3/4インチ、1-1/4インチ（6.35 mm、9.5 mm、12.7 mm、19.05 mm、31.75 mm）など、いくつかの基本サイズがあります。産業用途では、ポートサイズではなく、平均流量容量で定格が付けられるのが一般的です。たとえば、定格容量は、3～10 gpm（11.37～37.9 lpm）、10～20 gpm（37.9～45.48 lpm）、40 gpm（75.8 lpm）、80 gpm（303.2 lpm）、160 gpm（379 lpm）です。定格流量では、PからAまたはBからTまでの圧力降下は約40 psi（2.76 bar）です。

方向制御バルブスプール

これまで見てきた4方向方向制御弁のスプールは、ランドと呼ばれる3つの大径円筒形部分を持つシャフトです。3つのランドの間隔が等しいことから、これは3ランドスプールと呼ばれます。ほとんどの産業用油圧方向制御弁は、2ランドまたは4ランドのスプールです。流量定格の低い弁は通常2ランドスプールを使用し、流量定格の高い弁では4ランドスプールがより一般的です。

図10-5 方向制御弁のスプール。小型弁では2ランドスプールが一般的で、大型弁では4ランドスプールが一般的です。ランドの数と位置によって、各スプール位置でどの通路が接続または遮断されるかが決まります。

サブプレート取り付け型4方弁

上述の4方向方向弁には4つのポートがあります。通常、圧力ポートと戻りポートは弁本体の片側に配置され、2つの作動ポートは反対側に配置されます。このポート配置は、方向弁の図記号と非常によく似ています。設置の容易さから、ほとんどの産業用油圧方向弁はサブプレート取り付け式を採用しています。弁本体は、システムラインに接続されるサブプレートにボルトで固定されます。サブプレート取り付け式の弁ポートは、弁本体の底面にあります。

方向制御弁オペレーター

方向制御弁のスプールは、片端またはもう一方の端に配置できることがわかった。スプールの移動は、機械的、電気的、油圧的、空気圧的、または手動によって行うことができる。

手動操作

筋肉の力で操作する方向制御弁は、手動弁と呼ばれます。手動操作装置には、レバー、押しボタン、フットペダルなど、さまざまな種類があります。最も一般的な機械式操作機構は、上部にローラーが取り付けられたカムピンです。アクチュエータのカムが下降してローラーに当たると、スプールが別の位置に移動します。手動操作の場合、方向制御弁の動作シーケンスと制御は、操作者の意図によって決定されます。方向制御弁を特定のアクチュエータ位置で切り替える必要がある場合は、機械式方向制御弁を使用できます。

パイロットコントロール

方向制御弁のスプールは、空気圧または油圧によるパイロット圧力を用いて移動させることもできます。4ランド式スプールの場合、パイロット圧力は両端位置のスプールランドに作用します。2ランド式スプールの場合、パイロット圧力は単一のパイロットピストンに作用します。

ソレノイド（電磁）制御

方向制御弁を制御する最も一般的な方法は、ソレノイド（電磁石）を用いることです。ソレノイドは、電気エネルギーを直線的な機械力と運動に変換する電気機械装置です。油圧システムにおける対応するアクチュエータは、油圧シリンダです。

乾式ソレノイド

2種類のソレノイドのうち、ドライタイプは初期の設計です。これは基本的な電磁気原理に基づいており、「T」字型の鉄心、コイル、および「C」字型のフレームで構成されています。鉄心の形状とコイルを囲むフレームの形状から、このタイプは「CT」電磁石と呼ばれることもあります。鉄は優れた磁気伝導体ですが、空気は磁気伝導性が低いです。ドライタイプのソレノイドの動作原理は、磁場が鉄心をコイル内に引き込み、コイル中心のエアギャップによって生じる大きな磁気抵抗を低減することです。鉄心がコイル内に移動するにつれてエアギャップは徐々に減少し、電磁的な押し込み力が増加します。鉄心がコイル内にあるときの電磁力は、コイル外にあるときよりも大きくなります。

湿式ソレノイド

湿式ソレノイドは、産業用油圧分野において比較的新しい設計です。エアギャップ式ソレノイドと比較して、湿式ソレノイドの利点は、放熱性に優れていることと、乾式ソレノイドで漏れの原因となるプッシュロッドシールが不要であるため、信頼性が向上することです。

湿式ソレノイド構造

湿式ソレノイドは、コイル、長方形フレーム、プッシュロッド、アーマチュア（鉄心）、およびガイドチューブで構成されています。コイルは長方形フレーム内に収められており、両者はプラスチックで密閉されています。このアセンブリには、コイルの中心とフレームの両側を貫通する穴があり、この穴はガイドチューブにぴったりとはまります。ガイドチューブにはアーマチュアが収められています。ガイドチューブは方向制御弁本体に圧入され、ガイドチューブ内部の空洞は方向制御弁の戻り通路に接続されているため、アーマチュアはシステムオイルに浸されます。これが「湿式アーマチュア」と呼ばれる所以です。

湿式ソレノイドの動作原理

コイルに電流が流れると、コイルは磁場を発生させ、コイル周囲の長方形の鉄製磁路とコイル中心の電機子によって磁場が強化されます。湿式電機子コイルに電流が流れると、可動電機子はコイルの外側に部分的に位置します。電流によって発生した磁場が電機子を引き込み、バルブスプールに機械的に接続されたプッシュロッドに衝突して方向制御弁を移動させます。スプールが移動すると、電機子は完全にコイル内に入り込み、コイルの磁場は鉄製磁路内に完全に集中します。

鉄は優れた磁気伝導体である一方、電機子と押し棒を囲む油は磁気伝導率が非常に低い。湿式ソレノイドの動作原理は、磁場が電機子を引き込み、コイル中心の大きな空隙を縮小させることである。電機子が内部へ移動するにつれて空隙は徐々に減少し、電磁力による押し込み力は増大する。電機子がコイル内部に完全に収まると、電磁力は外部よりも大きくなる。

図10-9 湿式ソレノイド。アーマチュアが作動油に浸漬されているため（「湿式」と呼ばれる）、プッシュロッドの動的シールが不要となる。乾式に比べて放熱性と信頼性が向上する。

ACハム音

米国では、産業用制御電源は通常交流（AC）です。米国の交流電流は、ゼロから正のピーク値まで、ゼロから負のピーク値まで、そして再びゼロまで、毎秒60サイクル（60Hz）で周期的に変化します。電流が正または負のピーク値にあるとき、磁場と電磁力は最大になります。電流がゼロまで減少すると、磁場と力も減少し、バネでバイアスされたソレノイド負荷（通常はバネでバイアスされたバルブスプール）が鉄心または電機子を押し出します。磁場と力が再び強くなると、鉄心または電機子が引き戻されます。この動きによって、ソレノイドのブザー音、ハム音、または振動音（交流ハム音）が発生します。

短絡リング（遮光コイル）

交流ハムノイズを低減し、ソレノイドの押し込み力を高めるために、短絡リング（シェーディングコイル）による補償が行われます。乾式ソレノイドでは、短絡リングはC字型フレームに取り付けられた銅リングです。湿式ソレノイドでは、ガイドチューブの押し棒側に取り付けられた銅リングです。ソレノイドが作動すると、リングは印加された動作電流よりも遅れた電流を誘導します。このようにして、コイルの主磁場が最小となる時でも、短絡リングの磁場が鉄心または電機子を保持するのに十分な強さとなり、交流ハムノイズを大幅に低減します。

渦電流

脈動する交流磁場は、ソレノイド内に小さな迷走電流（渦電流）を発生させることがあります。渦電流は鉄の磁気経路に沿って小さな回路を流れ、電力を消費して熱を発生させ、ソレノイドの出力押し力を低下させます。渦電流の影響を最小限に抑えるため、乾式ソレノイドのCフレームと鉄心は薄い金属積層板で作られています。金属積層板は酸化膜で互いに絶縁されています。磁場は積層板の通常の磁気経路に沿って容易に通過しますが、絶縁層があるため、積層板間に渦電流が流れることはありません。Cフレームは絶縁された積層板を積み重ねて作られているため、一般に「Cフレームスタック」と呼ばれます。湿式ソレノイドでは、渦電流を最小限に抑えるために長方形フレームに絶縁された鉄積層板が使用されますが、湿式ソレノイドは乾式ソレノイドよりも強力であるため、アーマチュアにはこの方法は適用されません。耐久性の観点から言えば、積層板で電機子を作るのは現実的ではない。湿式ソレノイドでは、電機子は一体型の固体部品である。

ソレノイド突入電流

ソレノイドコイルに交流電流を流すと、方向制御弁のスプールを動かす電磁力が発生しますが、同時に熱も発生し、最終的にはソレノイドコイルが焼損します。ソレノイドコイルに流れる電流が大きいほど、ソレノイドコイルが故障する傾向が高くなります。ソレノイドがエアギャップを閉じるために動かない場合、コイルには非常に大きな電流が流れ、過熱を引き起こします。流量が比較的一定である油圧システムとは異なり、通常の電気システムでは電流は抵抗と関連しています。抵抗が大きいほど電流は小さくなり、発熱も少なくなります。熱はソレノイドの寿命に大きく影響するため、十分なシフト力を発生させながら、できるだけ少ない電流を使用することが目標となります。これは、十分な交流インピーダンス（リアクタンス）を持つコイルを設計することによって実現されます。

インピーダンスには2つの要素があります。1つは導体材料の電子の流れに対する純粋な抵抗（銅はアルミニウムよりも抵抗が低い）であり、もう1つはコイル巻線の周囲の電磁場によって生じるインピーダンス効果です。この磁場はコイルに流入する電流を妨げたり制限したりします。磁場が強いほど、ソレノイドコイル巻線に流れる電流は少なくなります。

ソレノイドに最初に通電すると、可動鉄心（電機子）はコイルの外側に部分的に位置し、コイルの中心に大きな空隙が生じます。この位置では磁場はそれほど強くなく、電流に対する抵抗は主に導体の抵抗によるもので、コイル巻線に大きな突入電流が発生します。鉄心（電機子）が内側に移動するにつれて空隙は徐々に閉じ、電流は減少します。鉄心（電機子）が完全にコイル内に入ると、インピーダンスが最大となり、交流電流は最小になります。

ソレノイドに最初に通電した際の突入電流のピーク値は、完全に着座した際の保持電流の数倍にもなります。機械的な干渉によって鉄心や電機子が完全に着座しない場合、非常に大きな電流がコイルに流れ込み、莫大な熱が発生します。非密閉型の乾式ソレノイドの場合、これによりコイル端のプラスチック部品が溶融します。密閉型の乾式または湿式ソレノイドの場合、プラスチック製のシールが気泡となって浮き上がります。どちらのタイプでも、電線の絶縁体はすぐに燃え尽き、1～2分以内にコイルが短絡します。これは、スプールが詰まってソレノイドが移動できない場合に起こる現象です。

図10-10は、交流ソレノイドの突入電流と保持電流の関係を示しています。通電直後は、大きなエアギャップによって高い突入電流（保持電流の数倍）が発生します。完全に着座すると、インピーダンスが上昇し、電流が低下します。スプールが詰まってギャップが閉じない状態（スプールが固着する）になると、突入電流が持続的に発生し、コイルの焼損が確実に起こります。

連続定格ソレノイド

連続定格ソレノイドは、過熱することなく長時間通電状態を維持できます。ソレノイドの放熱能力は、コイルを流れる小さな保持電流によって発生する熱の大部分を放散するのに十分です。ほとんどの産業用油圧方向制御弁は、連続定格ソレノイドを使用しています。

ソレノイドの制限

ソレノイド制御方向制御弁にはいくつかの制限があります。まず、従来のソレノイドは湿潤環境や爆発性環境では使用できません。次に、方向制御弁の耐用年数が特に長くなければならない場合、電気制御ソレノイドは通常避けられます。ソレノイドの最大の欠点は、発生させることができる切り替え力が限られていることです。実際、大型の方向制御弁では、必要な切り替え力はかなり大きくなります。大型の弁（1/4インチまたは3/8インチ / 6.35 mmまたは9.5 mm）の場合、ソレノイド方向制御弁は通常上部に取り付けられ、切り替え時に、小型弁からの流れが大型弁スプールの対応する側に導入されます。このタイプは、ソレノイド作動パイロット方向制御弁と呼ばれます。

ソレノイドの故障

熱は、直動式方向制御弁のソレノイド故障の主な原因であり、通常はソレノイドの詰まり、周囲温度の上昇、または低電圧（鉄心または電機子を完全に着座させるのに十分な変速力がないこと）によって引き起こされます。

ソレノイドジャミング

スプールが詰まると、鉄心またはアーマチュアが完全に着座できなくなり、ソレノイドコイルに非常に高い突入電流が継続的に流れます。ソレノイドは発生した膨大な熱を放散できず、最終的にコイルが焼損します。バルブを通過する流量が多すぎるとソレノイドが詰まることがありますが、スプールの動きに対する機械的な干渉の方が一般的な詰まりの原因です。スラッジ、金属片、コア砂、PTFEテープなどの汚染物質がスプールを詰まらせることがあり、また、スプールとバルブ本体の間のバリによってスプールが詰まることもあります。オイルの酸化粒子やオイルワニスがスプールに蓄積すると、スプールとバルブ本体の間の隙間がなくなります。溶剤で洗浄するとオイルワニスを除去できます。取り付けプレートの歪みもソレノイドの詰まりの原因となります。取り付けボルトを締め付けると、バルブ本体がわずかに曲がり、スプールの動きが制限されてコイルが焼損することがあります。取付板の平面度要件は、通常0.0003～0.0005インチ（0.00762～0.0127 mm）以内です。

乾式ソレノイドの場合、ソレノイドの鉄芯がコイルに引き込まれる際に、鉄芯とCフレームの間に摩耗が生じます。このタイプのソレノイドを分解する際は、鉄芯を元の位置に戻すことをお勧めします。そうしないと、摩耗した部分が適切に位置合わせされず、鉄芯が完全に収まらず、ソレノイドからブザー音が鳴り、故障が近いことを示します。

二重ソレノイド式方向制御弁では、両方のソレノイドが同時に通電されることがあります。これは、一方の鉄心または電機子が完全に着座しているにもかかわらず、もう一方が固着している状態を意味します。その結果、一方のソレノイドコイルが焼損します。両方のソレノイドが同時に通電される原因は、通常、電気制御装置の故障または配線ミスです。

周囲温度が高い

電流がソレノイドの鉄心または電機子を引き込むと、発生した熱をコイルから放散する必要があります。周囲の空気温度が高すぎると、放熱が困難になり、コイルが焼損する可能性があります。換気が不十分な場合や、機器が熱源の近くで稼働している場合に、このような事態が発生する可能性があります。

低電圧

110V、60Hzのソレノイドの場合、線間電圧が約100Vまで低下すると、発生する電磁力が設計時間内に鉄心または電機子を完全に着座させるのに不十分になります。突入電流の時間が長くなるため、ソレノイドは高温で動作し、最終的に故障します。コイルの焼損の初期兆候として、ブザー音や振動音が現れることがあります。低電圧の問題は、多くの電力使用プラント環境で頻繁に発生します。低電圧が疑われる場合は、電力会社が24時間記録計を設置して実際の状況を確認できます。

3ポジション方向制御弁

これまでの例では、2位置方向制御弁（2つの終端位置を持つ）について説明しました。用途によっては、3位置方向制御弁が使用される場合もあります。3番目の中央位置は、中立位置または遷移位置です。3位置方向制御弁の図式シンボルは3つのボックスで構成され、中央のボックスは、スプールが中央にあるときの中央位置と内部接続部を表します。

スプリングセンタリング式3ポジションバルブ

最も一般的な3位置方向制御弁は、スプリングセンタリング型です。この弁は両端にスプリングが付いており、どちらのソレノイドにも通電されていないときにスプールを中央位置に保持します。

図10-12は、3ポジション式スプリングセンタリング方向制御弁を示しています。両方のソレノイドが非通電状態のとき、スプリングによってスプールは中央位置に保持されます。中央位置は、機械が停止したときにシリンダ負荷がどうなるかを決定します。

中心部の状況

一般的な中央位置構成は4種類存在する。中央状態の選択によって、方向制御弁が中央位置にあるとき（どちらのソレノイドも通電されていないとき）の回路動作が決まる。

図10-13 4つのセンターポジション構成。選択は回路の要件によって決まります。シリンダーが位置を保持するか、自由に浮動するか、バルブが中央にあるときにポンプがアンロードするかによって決まります。

比例方向制御弁

標準的な方向制御弁は、開／閉の2つの位置を切り替えます。一方、比例方向制御弁では、スプールを全開から全閉までの任意の位置に配置でき、電気入力信号とスプールの位置および流量との間に滑らかな関係が成り立ちます。これにより、1つの弁で方向と流量の両方を連続的に可変制御することが可能になります。

パイロット操作式方向制御弁

ソレノイドの力だけではメインスプールを直接動かすのに不十分な大流量用途では、パイロット作動式設計が用いられます。小型のソレノイド作動式パイロットバルブがパイロット圧力をメインスプールに伝達し、より大きなメインスプールを動かします。この2段階設計により、小型ソレノイドで非常に大きな流量を制御することが可能になります。パイロットバルブが切り替えを行い、パイロット圧力がメインスプールを動かす役割を果たします。

図10-14 パイロット操作式方向制御弁。小型のソレノイド作動式パイロット弁（上）は、パイロット圧力を伝達して大型のメインスプール（下）を切り替えます。この設計により、小型ソレノイドで大流量のメイン弁を制御することが可能になります。

比例ソレノイド方向制御弁

制御装置では、反転信号と入力信号が同時に入力されます。この2つの信号の間に発生する「誤差」信号によって、制御装置はソレノイド「A」または「B」のいずれかを比例的に励磁します。ソレノイドが励磁されると、信号は力に変換されます。バルブ本体の中央に配置された比例ソレノイドは、パイロットバルブのバイアススプリングとともに、この制御圧力をパイロットスプールの位置に変換します。位置センサLVDTはメインバルブスプールに直接接続されており、パイロットスプールに自動フィードバックを提供する役割を果たします。

差圧式方向制御弁（トルクモータ制御）

差圧式方向制御弁は3段式で、第1段がパイロット弁、第2段が主弁です。パイロット弁はトルクモーター、スプリング、ジェットパイプ、パイロットエンドキャップとLVDTを備えた調整可能なスプールなど、より複雑な構造をしています。第2段（主弁）は、他のパイロット式方向制御弁と同様の構造です。

第1段パイロットバルブの構造

パイロットバルブは、トルクモーター、ジェットパイプ、左右のスプリングを備えたスプール、および同様の部品で構成されています。ジェットパイプは、制御圧力をスプールの両端に送ります。パイロットバルブは、スプリングセンタリング式方向制御弁と構造が類似しています。

第2段主弁

第2段階（主弁）は他の比例方向制御弁と同様であるため、ここでは繰り返しません。

パイロットバルブの動作

電気制御信号電流は、2つのソレノイド間のトルクモータ巻線を流れます。電気信号の比較と差によって、トルクモータの磁界方向が決定されます。どちらのソレノイドの信号が強いかに応じて、ジェットパイプはパイロットスプールの片端を加圧するように向けられます。同時に、制御装置の出力は、比例値まで方向制御弁スプールの片側への流量を増加させ、比例値に達するまで徐々に流量を増加させます。

主要概念 — 第10章