JP2005003177A - 安全弁 - Google Patents

Abstract

【課題】クッション室に発生する最高圧を、完全に把握できない場合であっても、クッション室内に生じる高圧を、効率よく防止することのできる安全弁を提供する。
【解決手段】ハウジング１７と、このハウジング１７に形成した収納部１８と、この収納部１８内に設けた弁体１９と、この弁体１９のシート部２１を弁座２２に押しつけるスプリング２０と、上記ハウジング１７に設けるとともに、弁体１９の受圧面に高圧を作用させる高圧エリアＨと、弁体１９の背面側に設けるとともに、低圧側に連通する低圧エリアＬと、弁体１９がリフトしたときに、高圧エリアＨと低圧エリアＬとを連通する通路に設けた絞りＳとを備え、上記絞りＳを通過する流量により、この絞りＳの前後に差圧を発生させることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えばシリンダにクッション機能を発揮させたときに、クッション室に生じる圧力が、高くなりすぎることを防止する安全弁に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図８は、ストロークエンド付近で、いわゆるクッション機能を発揮するシリンダＣを示している。このシリンダＣは、その一端側にクッション室Ｋを設けるとともに、内部に組み込んだピストンＰの一側に凸部ａを設けている。この凸部ａは、ピストンＰが図中左方向に移動して、ストロークエンド付近に達すると、その先端が上記クッション室Ｋに入り込む。このように凸部ａの先端がクッション室Ｋに入り込むと、このクッション室Ｋ内の圧力が上昇し、それによってピストンＰの移動速度が減衰される。つまり、ストロークエンド付近で、ピストンＰの移動速度を減衰することによって、ピストンＰが勢いよくシリンダＣの端部にぶつからないようにしている。
ただし、クッション機能を発揮させたときに、クッション室Ｋ内の圧力があまりにも高くなると、シリンダＣが破損されてしまうので、クッション室Ｋには安全弁Ａを接続している。
【０００３】
上記安全弁Ａは、直動型のものであり、例えば図９に示すように、そのハウジング１を、シリンダ本体２に形成した組み付け孔３に固定している。
また、上記ハウジング１には、収納部４を形成するとともに、この収納部４内に弁体５とスプリング６とを組み込んでいる。そして、上記スプリング６の弾性力を弁体５に付与することによって、この弁体５に形成したシート部７を、ハウジング１に形成した弁座８に押しつけるようにしている。
【０００４】
一方、上記シリンダ本体２には、クッション室Ｋに連通する高圧通路９と、ドレンタンクＴに連通する低圧通路１０とを形成し、これら高圧通路９及び低圧通路１０を、組み付け孔３に連通させている。そして、上記高圧通路９を、ハウジング１に形成した導入孔１１を介して収納部４に連通させる一方で、上記低圧通路１０を、ハウジング１に形成した径方向孔１２を介して収納部４に連通させている。
【０００５】
上記のようにした従来の安全弁は、クッション室Ｋ内に生じる高圧が、高圧通路９→導入孔１１を介して弁体５の受圧面に作用するため、この弁体５には、図中上方向の推力が生じる。この推力が、スプリング６のイニシャル弾性力によって弁体５に与えられている下向きの推力以下であれば、安全弁Ａは図示する閉状態を保つが、スプリング６による推力を上回ると、このスプリング６に抗して弁体５がリフトする。弁体５がリフトすると、そのシート部７が弁座８から離れるので、クッション室Ｋ内の圧油が、高圧通路９→導入路１１→収納部４→径方向孔１２→低圧通路１０を介してタンクＴに排出されるため、クッション室Ｋの圧力が低下する。
【０００６】
【特許文献１】
特開平３−１９９７０２号公報（図１）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の安全弁Ａは、図１０に示すように、クッション室Ｋ内の圧力がクラッキング圧ｐ０に達すると開弁する。
しかし、この従来の安全弁Ａが直動型であるために、そのオーバーライド特性によって、クッション室Ｋから低圧通路１０側に排出される流量が増加すると、それに応じてクッション室Ｋ内の圧力も増加する。そして、この圧力が、シリンダ本体２の強度を超えると、シリンダ本体２が破壊されてしまうという問題があった。
【０００８】
ここで、クッション室Ｋに生じる最高圧が、設計段階で明らかになっていれば、それに見合った強度にすれば、シリンダ本体２の破壊を防止できる。
ところが、上記シリンダＣには、いろいろな種類の装置が装着される可能性があり、このシリンダを設計した後で、新たに開発さた装置がこのシリンダＣに装着されることがある。このような場合には、クッション室Ｋ内に、予想を超える高圧が発生するおそれがあるため、クッション室Ｋに安全弁Ａを設けていても、シリンダ本体２の破損を効果的に防止することができないという問題があった。
【０００９】
なお、直動型の安全弁でも、それを大型化すれば、排出流量の増加に伴う圧力の上昇を低く抑えることができる。しかし、安全弁が大きくなる分、場所を取るし、コストアップもする。また、クッション室Ｋに異常な高圧が発生する頻度がそれほど高くないにもかかわらず、大型の安全弁を用いるということは、経済的ではない。
この発明の目的は、クッション室に発生する最高圧を、完全に把握できない場合であっても、クッション室内に生じる高圧を、効率よく防止することのできる安全弁を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、ハウジングと、このハウジングに形成した収納部と、この収納部内に設けた弁体と、この弁体のシート部を弁座に押しつけるスプリングと、上記ハウジングに設けるとともに、弁体の受圧面に高圧を作用させる高圧エリアと、弁体の背面側に設けるとともに、低圧側に連通する低圧エリアと、弁体がリフトしたときに、高圧エリアと低圧エリアとを連通する通路に設けた絞りとを備え、上記絞りを通過する流量により、この絞りの前後に差圧を発生させることを特徴とする。
【００１１】
第２の発明は、上記第１の発明において、弁体の外周と収納部の内周との隙間によって弁体を構成したことを特徴とする。
【００１２】
第３の発明は、上記第１の発明における絞りを、弁体に形成したことを特徴とする。
【００１３】
第４の発明は、上記第１〜第３の発明において、弁体のシート部及びシート部が接する弁座を、高圧エリアに向かって縮径するテーパ状にするとともに、シート部の角度を、弁座の角度よりも僅かに大きくし、かつ、テーパ状にしたシート部と弁座の対向面積を、弁体がシート部に押しつけられているときに受圧面積よりも大きくしたことを特徴とする
【００１４】
第５の発明は、上記第１〜第４の発明において、弁体のシート部を、高圧エリアに向かって縮径するテーパ状にする一方、弁座には、上記シート部に接する複数の環状当接部を設けたことを特徴とする安全弁。
【００１５】
第６の発明は、上記第１〜第５の発明において、弁体の受圧面側にロッドを設けて、このロッドの周囲を、弁体の受圧面としたことを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１に示す第１実施形態は、シリンダ本体１５に形成した組み付け孔１６に、ハウジング１７を固定している。このハウジング１７には、収納部１８を形成するとともに、この収納部１８に弁体１９とスプリング２０とを組み込んでいる。そして、上記スプリング２０の弾性力を、弁体１９に作用させるによって、弁体１９のシート部２１を、ハウジング１７に形成した弁座２２に押し付けるようにしている。
【００１７】
上記シート部２１及び弁座２２は、図中下側に向かって縮径するテーパ状にそれぞれなっている。しかも、図２に示すように、シート部２１の角度θａを、弁座２２の角度θｂよりも僅かに小さくしている。このようにシート部２１と弁座２２とを微少角度差を持たせて対向させているので、シート部２１は、その下側の環状当接部２１ａが、弁座２２に押しつけられることになる。
また、上記のように、環状当接部２１ａが弁座２２に押しつけられているとき、この弁体１９の受圧面というのは、環状当接部２１ａよりも内側になるが、このときの受圧面積よりも、シート部２１と弁座２２とが対向する部分の面積の方が、十分大きくなるように設定している。
【００１８】
上記弁体１９の外周には、鍔部Ｆを設けている。そして、この鍔部Ｆの外周と、収納部１８の内周１８ａとの間によって、絞りＳを形成している。
また、上記弁体１９の下側には、中空ロッド２３を一体的に設けるとともに、この中空ロッド２３を、上記収納部１８に連続して形成した貫通孔２４に挿入している。
また、上記中空ロッド２３は、外径の小さい小径部２３ａと、外径の大きい大径部２３ｂとによって構成されている。そして、上記大径部２３ｂを貫通孔２４に接触させる一方で、上記小径部２３ａと貫通孔２４との間に形成される空間を、高圧エリアＨとしている。
【００１９】
さらに、上記弁体１９及び中空ロッド２３には、軸方向に貫通させた軸方向孔２５と、この軸方向孔２５に連通する径方向孔２６とを形成している。
なお、上記スプリング２０を設けた弁体１９の背面側を、低圧エリアＬとしている。
【００２０】
一方、上記シリンダ本体１５には、図３に示すように、クッション室Ｋに連通する高圧通路２７と、アクチュエータ通路側に連通する低圧通路２８とを形成し、これら両通路２７，２８を、それぞれ組み付け孔１６に連通させている。また、上記高圧通路２７を、ハウジング１７に形成した通路２９を介して貫通孔２４に連通させ、上記低圧通路２８を、軸方向孔２５を介して収納部１８に連通させている。
なお、図中符号３０は、スプリング２０のイニシャル荷重を調節するための調節ボルトであり、符号３１は、この調節ボルトの回転を規制するためのロックナットである。そして、符号３２は、シール部材である。
【００２１】
次に、この第１実施形態の作用を説明する。
図３に示したピストンＰが図面左方向に移動して、凸部ａの先端がクッション室Ｋ内に挿入されると、このクッション室Ｋ内の圧力が上昇する。そして、このクッション室Ｋ内の圧力は、高圧通路２７→通路２９を介して高圧エリアＨに導かれて、弁体１９の受圧面に作用する。このように弁体１９の受圧面に高圧が作用すると、図中上方向の推力がこの弁体１９に発生する。ただし、この上向きの推力が、スプリング２０によって与えられる図中下向きの推力未満であれば、弁体１９は図示する閉じ状態を保つ。
したがって、クッション室Ｋ内が高圧に維持されることになり、それによってピストンＰの移動速度が減衰されて、クッション効果が発揮されることになる。
【００２２】
一方、上記弁体１９に生じる上向きの推力が、スプリング２０による下向きの推力にうち勝つと、スプリング２０を撓ませながら弁体１９がリフトする。このように弁体１９がリフトすると、そのシート部２１が弁座２２から離れるために、高圧エリアＨと収納部１８とが連通する。したがって、クッション室Ｋ内の圧油が、高圧通路２７→通路２９→高圧エリアＨ→絞りＳ→低圧エリアＬ→径方向孔２６→軸方向孔２５→低圧通路２８を介してアクチュエータ通路に排出される。このようにクッション室Ｋ内の圧油を排出すれば、クッション室Ｋ内の圧力を下げることができる。
【００２３】
また、図２に示すように、弁体１９がリフトする前は、シート部２１下側の環状当接部２１ａより外側は受圧面にならないが、弁座２２から環状当接部２１ａが離れると、この環状当接部２１ａよりも外側も受圧面になる。すなわち、シート部２１及び弁座２２がテーパ状であり、しかも、これら両者の角度差が微少であるために、弁体１９がリフトすると、シート部２１と弁座２２との間に細い流路ができる。この細い流路に粘性流体が導かれると、シート部２１全体に高圧が作用する。このようにシート部２１全体に高圧が作用するということは、弁体１９の受圧面が拡大することになる。しかも、上記シート部２１と弁座２２とが対向する部分の面積を、シート部２１が弁座２２に押しつけられているときの受圧面積よりも十分大きくしているので、弁体１９がリフトすると、この弁体１９の受圧面積が２倍以上に増える。
【００２４】
弁体１９の受圧面積が２倍以上に増えれば、この弁体１９に生じる推力も２倍以上増加する。したがって、いったんリフトした弁体１９は、増加した推力とスプリング２０のバネ力とがバランスする位置まで一気にリフトする。このように弁体１９が一気にリフトすると、図４に示すように、クッション室Ｋ内の圧力が、クラッキング圧Ｐ０からＰ１まで急激に下がる。
つまり、この第１実施形態によれば、クッション室Ｋ内に設定圧以上の圧力が生じたときに、このクッション室Ｋ内の圧力を一気に下げるようにしている。
【００２５】
また、上記のように圧力を下げた後、排出流量が増加してくると、クッション室Ｋ内の圧力は、Ｐ２まで上昇してくる。ただし、排出される作動油は、シート部２１の下流側に設けた絞りＳを通過するため、この絞りＳを通過する流量によって、その前後に差圧が発生する。そして、この差圧が大きくなると、弁体１９に生じる上方向の推力が増大するため、スプリング２０に抗して弁体１９がさらにリフトする。このように弁体１９がさらにリフトすると、クッション室Ｋ内の圧力が再び減少し始める。そして、クッション室Ｋ内の圧力が、Ｐ３まで下がるようにしている。
なお、クッション室Ｋ内の圧力がＰ３まで下がった後のバルブの開度というのは、絞りＳが支配的な固定絞りになるので、排出流量の増加に伴ってクッション室Ｋ内の圧力が増加していく。
【００２６】
以上のように、この第１実施形態によれば、弁体１９がリフトしたときに、受圧面積を拡大することによって、弁体１９を一気にリフトさせるようにしたので、クッション室Ｋ内の圧力を、クラッキング圧Ｐ０からＰ１まで急激に下げることができる。
また、排出流量が増加した場合でも、この排出流量がある程度増えると、絞りＳの機能によってクッション室Ｋ内の圧力がさらにＰ３まで下がるので、排出流量の増加に伴うクッション室Ｋ内の圧力上昇を、前記従来例よりも低く抑えることができる。
したがって、クッション室Ｋに発生する最高圧が、設計段階で明らかになっていない場合であっても、クッション室Ｋ内に生じる異常圧力を、効果的に防止することができる。
【００２７】
なお、クッション室Ｋ内の圧力は、Ｐ１まで下がった後、排出流量の増加にともなって圧力がＰ２まで上昇するが、弁体１９を一気にリフトさせることでクッション室Ｋ内の圧力を急激にＰ１まで下げているので、上記圧力Ｐ２がクラッキング圧Ｐ０を超えることはない。、
【００２８】
一方、上記弁体１９の受圧面というのは、そのシート部２１が着座している弁座２２の内周の面積から、中空ロッド２３の小径部２３ａの外径によって形成される面積を差し引いたドーナツ状の面積となる。つまり、中空ロッド２３の周囲が、弁体の受圧面となるようにしている。このようにしたのは、弁体１９の受圧面積を小さくすることによって、イニシャル荷重の小さいスプリングを用いることを可能にするためである。その詳細な理由を以下に説明する。
【００２９】
通常、弁体１９の受圧面というのは、加工精度を確保するために、ある程度の大きさを必要とする。また、この第１実施形態のように、リフト時に、弁体１９の受圧面を拡大させるためには、弁座２２に対向するシート部２１の面積をある程度確保しておく必要がある。つまり、弁体１９の受圧面というのは、それほど小さくすることができず、特に、この実施形態では、大きくなりやすくなっている。
ところが、弁体１９の受圧面が大きくなると、その受圧面に圧力が作用したときに弁体１９に生じる推力も大きくなる。そのため、クラッキング圧をある程度の大きさに設定する場合には、この推力に耐えうるだけの大きなイニシャル荷重をもったスプリングが必要となる。
【００３０】
しかし、大きいイニシャル荷重をもったスプリングというのは、その直径や巻き径が太くなるので、それを組み込む収納部１８も大きくする必要がある。収納部１８を大きくすると、当然のこととして、ハウジング１７も大きくなるので、安全弁が大型化してしまう。安全弁の大型化を防止するためには、イニシャル荷重の小さいスプリングを用いる必要がある。
そこで、この第１実施形態では、弁体１９の受圧面側に中空ロッド２３を設けることによって、この中空ロッド２３の周囲が受圧面にすることにより、受圧面積が小さくなるようにしている。このようにすれば、圧力によって弁体１９に生じる推力も小さくなるので、イニシャル荷重の小さいスプリングを用いることができる。そして、このようにイニシャル荷重の小さいスプリング２０を用いれば、安全弁の大型化を回避することができる。
【００３１】
上記第１実施形態では、弁体１９に設けた鍔部Ｆと収納部内周１８ａとの間で絞りＳを構成したが、鍔部Ｆを省略して、弁体１９の外周と収納部内周１８ａとの間で絞りＳを構成してもよい。
また、図５に示す第２実施形態のように、絞りＳを弁体１９に設けてもよい。すなわち、この第２実施形態は、弁体１９に設けた鍔部Ｆの外周を、収納部内周１８ａに摺動自在に接触させるとともに、この鍔部Ｆに、絞りＳを形成している。
この第２実施形態によっても、弁体１９がリフトした状態で、絞りＳを流体が通過すると、この絞りＳの前後に差圧が発生するので、弁体１９のリフト量を増加させることができる。したがって、上記第１実施形態と同様に、排出流量の増加に伴って、クッション室Ｋ内の圧力を下げることができる。
【００３２】
また、図５に示した第３実施形態は、弁体１９に設けた鍔部Ｆの外周を、収納部内周１８ａに摺動自在に接触させるとともに、軸方向孔２５に連通する流路３３を弁体１９に形成し、この流路３３に絞りＳを設けている。
この第３実施形態によっても、絞りＳを流体が通過すると、この絞りＳの前後に差圧が発生するので、その差圧によって弁体１９のリフト量を増加させることができる。
以上のように、上記絞りＳを設ける位置というのは、弁体１９がリフトしたときに、高圧エリアＨと低圧エリアＬとを連通する通路であれば、どの部分に設けてもよい。
【００３３】
ただし、上記第１実施形態のように、鍔部Ｆと収納部内周１８ａとの隙間によって構成すれば、弁体１９と収納部１８との摺動抵抗を少なくできるので、弁体１９がリフトするときの応答性を維持することができる。
また、上記第２，３実施形態のように、弁体１９に絞りＳを形成すれば、その絞り開度を正確に設定することができる。
【００３４】
図５に示した第４実施形態は、弁座２２の形状を変更したものである。上記実施形態では、弁座２２をテーパ状にしているが、この第４実施形態では、弁座２２の断面形状を階段状にしている。そして、この弁座２２に形成した２つの環状当接部３４ａ，３４ｂを、弁体１９のシート部２１にそれぞれ押しつけるようにしている。
このようにした第５実施形態によれば、弁体１９がリフトする前は、図中下側の環状当接部３４ａが接触する部分の内側が受圧面となるが、弁体１９がリフトすると、図中上側の環状当接部３４ｂが接触部分の内側が受圧面となり、受圧面が拡大する。このようにリフト時に受圧面が拡大すれば、上記第１実施形態と同様に、弁体１９を一気にリフトさせることができる。
【００３５】
なお、上記第１〜第５実施形態では、シリンダのクッション室に用いる安全弁として説明したが、高圧が発生する部分の破損を防止する目的であれば、この発明の安全弁は、他の機器にも用いることができる。
【００３６】
【発明の効果】
第１の発明によれば、弁体がリフトしたときに、高圧エリアと低圧エリアとを連通する通路に絞りを設けて、この絞りを通過する流量が、絞りの前後に差圧を発生させる構成にしたので、その差圧によって弁体のリフト量を増やすことができる。このように弁体のリフト量を増やすと、高圧エリア側の圧力をさらに下げることができる。
したがって、高圧エリア内の圧力上昇を、効果的に防止することができる。
【００３７】
第２の発明によれば、弁体の外周と収納部の内周との隙間によって絞りを構成したので、弁体がリフトするときに、収納部との間で摺動抵抗が生じない。したがって、弁体がリフトするときの応答性を維持できる。
【００３８】
第３の発明によれば、弁体を絞りに形成したので、その絞り開度を正確に設定することができる。
【００３９】
第４の発明によれば、弁体のシート部及びシート部が接する弁座を、高圧エリアに向かって縮径するテーパ状にするとともに、シート部の角度を、弁座の角度よりも僅かに小さく、かつ、テーパ状にしたシート部と弁座の対向面積を、弁体がシート部に押しつけられているときに受圧面積よりも大きくしたので、弁体がリフトしたときに、その受圧面積を拡大することができる。このように受圧面積が拡大すれば、弁体を一気にリフトさせることができるので、高圧エリア内の圧力を、一気に下げることができる。
【００４０】
第５の発明によれば、弁体のシート部を、高圧エリアに向かって縮径するテーパ状にする一方、弁座には、上記シート部に接する複数の環状当接部を設けたので、弁体がリフトしたときに、その受圧面積を拡大することができる。このように受圧面積が拡大すれば、弁体を一気にリフトさせることができるので、高圧エリア内の圧力を、一気に下げることができる。
【００４１】
第６の発明によれば、弁体の受圧面側に設けたロッドの周囲を、弁体の受圧面としたので、弁体の受圧面積を小さくすることができる。弁体の受圧面積を小さくすれば、クラッキング圧を高めに設定する場合であっても、スプリングのイニシャル荷重が小さくて足りる。したがって、小型のスプリングを用いることができ、それを収納する収納部の容積も小さくて足りるので、弁全体を小型化できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態の断面図である。
【図２】シート部２１及び弁座２２の部分拡大図である。
【図３】第１実施形態の模式図である。
【図４】第１実施形態のクッション室Ｋ内の圧力と排出流量との関係を示すグラフである。
【図５】第２実施形態の断面図である。
【図６】第３実施形態の断面図である。
【図７】第４実施形態の断面図である。
【図８】従来例の模式図である。
【図９】従来例の断面図である。
【図１０】従来例のクッション室Ｋ内の圧力と排出流量との関係を示したグラフである。
【符号の説明】
１７ ハウジング
１８ 収納部
１８ａ 収納部の内周
１９ 弁体
２０ スプリング
２１ シート部
２２ 弁座
Ｈ 高圧エリア
Ｌ 低圧エリア
Ｓ 絞り
３４ａ 環状当接部
３４ｂ 環状当接部
２３ 中空ロッド
θａ シート部の角度
θｂ 弁座の角度

Claims (6)

1. ハウジングと、このハウジングに形成した収納部と、この収納部内に設けた弁体と、この弁体のシート部を弁座に押しつけるスプリングと、上記ハウジングに設けるとともに、弁体の受圧面に高圧を作用させる高圧エリアと、弁体の背面側に設けるとともに、低圧側に連通する低圧エリアと、弁体がリフトしたときに、高圧エリアと低圧エリアとを連通する通路に設けた絞りとを備え、上記絞りを通過する流量により、この絞りの前後に差圧を発生させることを特徴とする安全弁。
2. 弁体の外周と収納部の内周との隙間によって弁体を構成したことを特徴とする請求項１記載の安全弁。
3. 絞りを、弁体に形成したことを特徴とする請求項１記載の安全弁。
4. 弁体のシート部及びシート部が接する弁座を、高圧エリアに向かって縮径するテーパ状にするとともに、シート部の角度を、弁座の角度よりも僅かに小さくし、かつ、テーパ状にしたシート部と弁座の対向面積を、弁体がシート部に押しつけられているときに受圧面積よりも大きくしたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１に記載の安全弁。
5. 弁体のシート部を、高圧エリアに向かって縮径するテーパ状にする一方、弁座には、上記シート部に接する複数の環状当接部を設けたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１に記載の安全弁。
6. 弁体の受圧面側にロッドを設けて、このロッドの周囲を、弁体の受圧面としたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１に記載の安全弁。

Images