第9章：フローコントロールバルブ

オリフィス

オリフィスとは、流体の流路における比較的小さな開口部である。オリフィスを通過する流量には、以下の3つの主要な要因が影響を与える。

1. 孔サイズ
2. オリフィス前後の圧力差
3. 液体温

オリフィスサイズが流量に与える影響

オリフィスのサイズは、そこを通過する流量を制御する。日常的な例として、庭園用ホースのノズルが挙げられる。ノズルの開口部が小さいと、水は微細なミストまたはスプレー状で噴出する。開口部が大きくなると、水流はジェット流となる。いずれの場合も、ホースのノズルにおけるオリフィスは水流の方向を制限し、オリフィスを通過する流量はその開口部のサイズによって決定される。

図9-1 回路内の流量制御弁。この弁はシリンダへの流量を絞り込む。過剰なポンプ流量はリリーフ弁を越えて流れ出す。制限された流量は、オリフィスにおいて潜在エネルギー（流速）に変換される。

固定オリフィス

固定絞りは、開口部のサイズを調整できない構造です。油圧技術における最も一般的な例として、パイププラグやチェックバルブに設けられたドリル穴、あるいは工場出荷時から流量が設定されたフローコントロールバルブがあります。

可変絞り

ほとんどの場合、固定絞りよりも可変絞りが必要とされるのは、その適応性が高いためです。ゲートバルブ、ボールバルブ、ニードルバルブはすべて可変絞りの例です。

ゲートバルブ

ゲートバルブは直通流路を有しています。絞りのサイズは、ハンドルを回して流路内にあるゲートを開閉させることで変化します。ゲートバルブは本来流量制御用に設計されていませんが、粗い流量計測システムでは流量制限装置として使用されることがあります。

バルブ

ボールバルブの流路は直通ではなく、90°の方向転換を行います。絞りは、回転流路内のシートおよび円錐形プラグまたはボールプラグで構成されます。絞りの開口部サイズは、ボールプラグの位置を変えることで調整されます。

ニードルバルブ

ニードルバルブを通過する流体は、90°の方向転換を行った後、絞り（オーフィス）を通過します。この絞りは、テーパー形状の先端を持つバルブロッドとバルブシートとの間の隙間で構成されています。絞りの開口面積は、コーン状のバルブ先端とバルブシートとの相対位置を調整することによって変化させます。バルブロッドの調整用ねじは細ピッチであり、かつ先端がテーパー形状であるため、この絞り面積は徐々に変化します。油圧システムでは、ニードルバルブが最も頻繁に使用される可変絞りです。

図9-2　可変絞りの種類。ニードルバルブ（下段）は油圧分野で最も一般的なタイプであり、そのテーパー形状の先端と細ピッチねじにより、非常に精密かつ徐々に流量を調整できます。

回路におけるニードルバルブの応用

この例示回路には、5 gpm（18.95 L/min）の容積式ポンプ、リリーフバルブ、方向制御バルブ、可変絞り（ニードルバルブ）、およびピストン面積が3 in²（19.35 cm²）の油圧シリンダーが使用されています。リリーフバルブの設定圧力を500 psi（34.48 bar）とし、ポンプが5 gpmを供給する場合：

ニードルバルブにより流量が2 GPM（7.58 LPM）に制限されている場合、ロッド速度＝2 × 19.25 ÷ 3 ＝ 13 ft/min（3.96 m/min）となる。リリーフバルブは、残りの3 GPM（11.37 LPM）をタンクへ流すことで、システム圧力を500 psi（34.48 bar）に制限する。

ニードルバルブのオーバーチャージ（開口部）を開く

ニードルバルブを外側に回すと開口部が大きくなり、シリンダーへ流れる流量が増加し、リリーフバルブの圧力制限に達するまでロッド速度が上昇する。

ニードルバルブのオーバーチャージ（開口部）を閉じる

ニードルバルブを内側に回すと開口部が小さくなり、シリンダーへ流入する流量が減少するため、ロッド速度が低下する。

圧力差が流量に及ぼす影響

オーバーチャージを通過する流量は、その両端の圧力差に影響を受ける。油圧システムにおいて圧力は潜在エネルギーであるため、オーバーチャージの両端の圧力差が大きいほど、通過する流量も大きくなる。

日常的な例 — エアマットレス

ビーチやキャンプ場で過ごした後、膨らませたエアマットのプラグを外して空気を自由に放出します。内部と外部の圧力差が小さいため、マットはゆっくりと収縮します。マットを強く押すと、内部圧力が大気圧に対して上昇し、圧力差が大きくなり、空気がより速く排出されます。

歯磨き粉のチューブを優しく絞ると、少量が出てきます。強く絞ると、より多くの歯磨き粉が押し出され、床に落ちることもあります。もし歯磨き粉のチューブを踏まれた場合、手で絞るときよりも内部から大気圧への圧力差が大きくなるため、より多くの歯磨き粉がより速く排出されます。

回路内におけるニードルバルブの流量に対する圧力差の影響

図示の回路において、ニードルバルブは5 gpm（18.95 L/min）のポンプ流量を3 gpm（11.37 L/min）に制限します。リリーフバルブの設定圧力は500 psi（34.48 bar）です。負荷抵抗は200 psi（14 bar）です。ニードルバルブの入口圧力はリリーフバルブの設定圧力と等しく、500 psi（34.48 bar）となります。この500 psi（34.48 bar）のうち、200 psi（14 bar）が負荷抵抗を克服し、残りの300 psi（21 bar）の圧力差がニードルバルブを通過する3 gpm（11.3 L/min）の流量を駆動し、ロッド速度は19.25 ft/min（5.87 m/min）となります。残りの2 gpm（7.58 L/min）はリリーフバルブを経由してタンクへ流れます。

リリーフバルブの設定圧力を上昇させる

負荷圧力およびニードルバルブの設定を変更せずに、リリーフバルブの設定圧力を600 psi（41.38 bar）に上昇させると、ニードルバルブの入口圧力は600 psi（41.38 bar）になります。このうち200 psi（14 bar）が負荷を克服し、残りの400 psi（28 bar）の圧力差により、ニードルバルブを通過する流量は4 gpm（15 L/min）となります。ロッド速度は26 ft/min（7.92 m/min）まで上昇します。

負荷圧力が上昇する

ニードルバルブの設定を変更せずに、リリーフバルブを500 psi（34.48 bar）に再設定します。負荷が増加すると、負荷圧力は400 psi（28 bar）まで上昇します。ニードルバルブの入口圧力は依然として500 psi（34.48 bar）ですが、現在は100 psi（6.9 bar）の差圧のみがニードルバルブを通過する流量を駆動しており、流量は1 gpm（3.79 lpm）のみとなります。ロッド速度は6 ft/min（30 mm/s）まで低下します。残りの4 gpm（15 lpm）はリリーフバルブをオーバーフローします。

これは、ニードルバルブを通過する流量が、オリフィスのいずれか一方の側における圧力変動によっても変化することを示しています。ニードルバルブを介した流量を正確に制御するには、こうした圧力変動をキャンセルまたは補償する必要があります。

速度制御バルブ（圧力補償型フローコントロールバルブ）

上記の例から、絞り部のいずれか一方の圧力変化はニードルバルブの流量に影響を与え、アクチュエータの速度を変化させます。絞り部を通過する流量を圧力変動に関係なく正確に計量するためには、これらの圧力変動を補償する必要があります。ニードルバルブは非補償型の流量制御バルブであり、差圧が一定でニードルが適切に中心に位置している限り、優れた流量計量装置です。より高精度な流量制御を行うには、圧力補償型流量制御バルブ（スピードコントロールバルブ）を使用する必要があります。これは、絞り部の上流および下流における圧力変化を補償する流量制御装置です。

スピードコントロールバルブ（圧力補償型流量制御バルブ）は、インレット側制御型とバイパス型に分類されます。

インレット側制御型スピードコントロールバルブの構造

インレット側制御型圧力補償型流量制御バルブは、入口および出口ポートを備えたバルブ本体、ニードルバルブ、補償スプール、およびバイアススプリングから構成されます。

インレット側制御型の動作原理

メータイン式の動作原理を理解するには、その動作を段階的に分析します。補償スプールが完全にA側にシフトすると、流入する圧力油はすべてニードルバルブの絞り孔に到達します。補償スプールがわずかにB側へ移動すると、流入する圧力油は絞られます。流量通路を開放したままにするため、補償スプールはばねによってA側へ押し付けられています。ニードルバルブの入口圧力は、内部制御通路を通じて補償スプールのA端に検出されます。この圧力がばねのバイアス力よりも高くなると、スプールはB側へシフトします。

ニードルバルブのオリフィスを調整して、ポンプの全流量よりも少ない流量が通過するようにすると、ニードルバルブの入口圧力はリリーフバルブの設定圧まで上昇します。このニードルバルブ入口圧力が補償スプールのスプリング力よりも高くなると、補償スプールはB方向にシフトし、流入流量を絞り込みます。補償スプールのオリフィスを通過する流量がポンプの出力流量と等しくなると、ニードルバルブの入口圧力はスプリングの設定圧で安定します。例えば、スプリングの設定圧が100 psi（6.89 bar）、リリーフ圧が500 psi（34.48 bar）に設定されている場合：入口圧力は500 psi（34.48 bar）であり、補償スプールのオリフィスを油が流れる際に400 psi（28 bar）が熱エネルギーに変換され、ニードルバルブの入口圧力は100 psi（6.89 bar）まで低下します。これは、流量制御バルブの入口圧力がいかなる値であっても、補償スプールの作用により、ニードルバルブの入口圧力が常に100 psi（6.89 bar）に保たれることを意味します。

図9-5 メーター・イン式速度制御弁（圧力補償型）。補償スプールは、入口圧力および出口圧力の変動に関係なく、ニードルバルブにおける圧力損失を一定に保ち、正確かつ一定の流量を供給します。

従来のニードルバルブ回路では、ニードルバルブの絞り部における圧力差だけが問題の半分に過ぎません。ニードルバルブの下流側の圧力も補償する必要があります。言い換えれば、一定の圧力差を維持しなければなりません。これを実現するために、ニードルバルブの下流側圧力も制御通路を通じて補償スプールのバイアススプリング収容室へと導かれます。これにより、補償スプールのA面には2つの力が作用します：スプリング力と下流側油圧です。

ばね力が100 psi（6.89 bar）の場合、ニードル弁の圧力差は、下流側圧力より100 psi（6.89 bar）以上に制限されます。リリーフ弁の設定圧力が十分に高ければ、ニードル弁の開口部における圧力差は常にばね圧力値と等しくなります。このようにすることで、ニードル弁を通過する流体を駆動する圧力差は一定となり、上流側および下流側の圧力変動による影響を受けません。

回路内のメータ・イン式速度制御弁

回路において、メータイン式速度制御バルブは3 gpm（11.37 L/min）に設定されている。リリーフバルブは500 psi（34.48 bar）、負荷圧力は200 psi（13.79 bar）である。補償スプールのばね力は100 psi（6.89 bar）である。ポンプは全5 gpm（18.95 L/min）をニードルバルブを通して駆動しようとするため、ニードルバルブの入口圧力が上昇する。圧力が300 psi（21 bar）に達すると、補償スプールがシフトし、流量を絞って流量制御バルブの入口圧力をリリーフバルブの設定圧力である500 psi（34.48 bar）まで上昇させる。この500 psi（34.48 bar）のうち、200 psi（13.79 bar）は負荷を克服するために使用され、100 psi（6.89 bar）はニードルバルブを通過する流量を駆動するために使用される。残りの200 psi（13.79 bar）は、流量が補償スプールのオーバーフローオリフィスを通過する際に熱に変換される。このときの流量は3 gpm（11.37 L/min）であり、ロッドの速度は19 ft/min（97.83 mm/s）である。

負荷圧力およびリリーフバルブの設定圧力の上昇

負荷圧力が400 psi（27.58 bar）に上昇するか、またはリリーフ圧が600 psi（41.38 bar）に再設定されても、ニードルバルブを通過する駆動流量は依然として100 psi（6.89 bar）分維持されます。補償スプールを動かすのに十分な高さまでリリーフ圧が設定されていれば、シリンダーへの出力流量は一定の3 gpm（11.37 L/min）となります。

バイパス式速度制御バルブの構造

バイパス式速度制御バルブは、入口・出口・リターンポートを備えたバルブ本体、ニードルバルブ、補償スプール、およびバイアススプリングから構成されます。

バイパス式の動作原理

このバルブ内の補償スプールは、タンクへのバイパス通路を開閉します。補償スプールはスプリングにより閉じる方向（下位位置）にバイアスがかかります。スプリングの設定力が100 psi（6.89 bar）の場合、ニードルバルブの入口圧力は100 psi（6.89 bar）に制限されます。バルブの初期状態では、流体はすべてオイルタンクへと完全に送られます。通常の運転時においては、補償スプールはスプリングにより閉位置にバイアスがかかります。

ニードルバルブの入口圧力は、内部制御通路を通じて補償スプールの上部に検出されます。圧力がスプリングのバイアス力（設定力）を超えると、補償スプールはリリーフバルブとして機能し、バイパス通路を開いてニードルバルブ入口圧力を100 psi（6.89 bar）で制限します。ニードルバルブの固定入口圧力は、一定流量を保証するものではありません。下流側圧力が変化すると、ニードルオリフィスの前後圧力差も変化し、結果として流量が変化します。

この現象を補償するために、ニードルバルブの下流側圧力が制御通路を通じて補償スプールのバイアススプリング収容室へ導かれます。これにより、補償スプールのA側には2つのバイアス力（スプリング力および下流側油圧）が作用します。スプリングの設定圧力が100 psi（6.89 bar）の場合、ニードルバルブ入口圧力は下流側圧力より100 psi（6.89 bar）高い値に制限されます。リリーフバルブの設定圧力が十分に高ければ、ニードルオリフィスの前後圧力差は常に100 psi（6.89 bar）となり、一定に保たれます。

回路内のバイパス型速度制御バルブ

バイパス型速度制御バルブは、3 gpm（11.37 L/min）で設定されています。リリーフ圧は500 psi（34.48 bar）、負荷圧は200 psi（13.79 bar）、スプリング圧は100 psi（6.89 bar）です。ポンプは全5 gpm（18.95 L/min）をニードルバルブを通して流そうとします。補償スプールがバイパス通路を開き、ニードルバルブの入口圧力を300 psi（20.68 bar）に制限します。この300 psiのうち、200 psi（13.79 bar）は負荷を克服し、残りの100 psi（6.89 bar）により3 gpm（11.37 L/min）がニードルバルブを通過します。残りの2 gpm（7.58 L/min）は、補償スプールの開口部を通ってタンクへ直接バイパスされます。

図9-8：バイパス型速度制御回路。補償スプールは、過剰なポンプ流量をリリーフバルブを経由せずに直接タンクへバイパスさせます。これは、過剰流量が全システム圧力下を通過しないため、インレット計量型（メータ・イン型）よりもエネルギー効率が優れています。

負荷圧力およびリリーフバルブの設定圧力の上昇

負荷圧力が400 psi（27.58 bar）に上昇するか、またはリリーフ圧が600 psi（41.38 bar）に再設定されても、依然として100 psi（6.89 bar）の圧力がニードルバルブを通過する流量を押し続けます。補償スプールを開くのに十分な高さまでリリーフ圧が設定されていれば、シリンダーへの出力流量は一定の3 gpm（11.37 L/min）となります。

絞り流量への温度影響

本章の冒頭で述べたように、オリフィス流に影響を与える主な要因は3つあります。すなわち、オリフィス径、圧力差、および油温です。油温が変化するとその粘度も変化し、油の粘度が変化するとオリフィス流も変化します。固定オリフィスやニードルバルブでは、オリフィス径および圧力差が一般に粘度の影響に比べて大きいため、温度変化による流量変化は通常、無視できるほど小さいです。ただし、極めて高精度な流量制御を必要とする用途では、温度の影響を考慮する必要があります。メータイン式およびバイパス式の速度制御バルブのいずれも、一般的な産業用油圧装置においては十分に適しています。

温度変化の有無にかかわらず、極めて高精度な流量制御を必要とする用途には、温度補償型流量制御バルブを採用できます。このタイプは、温度変化による影響を補償します。

主要な公式 — 第9章