JP2009505013A - 複動式油圧シリンダの油圧回路 - Google Patents

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Abstract

【課題】管路におけるエネルギー損失及び作動油の加熱を低減することでエネルギー消費を削減可能かつ簡易な油圧回路を提供すること。
【解決手段】第１及び第２のシリンダポートＡ，Ｂを有する切換弁５によって複動式の油圧シリンダ１を制御する油圧回路において、第１のシリンダ室１１を、互いに並列に設けたリリーフ弁２１及び制御可能な油圧保持弁２６と、これらリリーフ弁及び油圧保持弁に対して直列に設けた戻し逆止弁２２とを介して第２のシリンダ室１２に接続した。また、リリーフ弁２１、油圧保持弁２６及び戻し逆止弁２２の連結点と第１のシリンダポートＡとの間に、第１の逆止弁２４及び第１のバイパス逆止弁２８をこれらが互いに逆方向の流れを許容するよう設けた。さらに、第２のシリンダ室１２を、第２の逆止弁３０を介してタンクに接続した。

Description

本発明は、請求項１の上位概念に基づく、複動式の油圧シリンダを制御する油圧回路に関する。
被動体を昇降させる装置として、複動式の油圧シリンダが多く使用されており、このような油圧シリンダにおいては、油圧シリンダにおける一方のシリンダ室に作動油が供給されるともう一方のシリンダ室から作動油が流出する。ここで、両シリンダ室の断面積は互いに大きく異なるように設定されているため、供給される作動油量と流出する作動油量も互いに大きく異なる。すなわち、油圧シリンダ内のピストンが該油圧シリンダの外方へ移動する場合に供給される作動油量が、このときもう一方のシリンダ室から流出する作動油量よりも大きい。なお、これは、油圧シリンダ内のピストンが該油圧シリンダ内部へ移動する場合には逆となる。
ここで、仮に、油圧シリンダにおける作動油の供給及び排出を切換弁のみで行うとすると、例えば一方のシリンダ室へ供給される作動油全体をポンプによって送出する必要がある。そして、もう一方のシリンダ室から流出する作動油は、切換弁を通ってタンクへ送られる。
ところで、非特許文献１には弾性手段で付勢された逆止弁が切換弁と並列に設けられた差動回路が開示されており、これによれば、ポンプによって作動油が切換弁を通ってシリンダ室へ供給されると、切換弁におけるタンクポートが閉鎖されるため、もう一方のシリンダ室から流出する作動油は逆止弁を通って切換弁におけるポンプポートへ流通する。したがって、ポンプは、供給する作動油量と流出する作動油量の差に相当する作動油のみに対して動作するだけでよい。
一方、複動式の油圧シリンダのような動力機械においては、切換弁と油圧シリンダを管路で接続しているが、この管路は、通常、非常に長いものとなっている（例えば８ｍ以上）。しかし、このような長い管路を作動油が流通すると、油圧損失（エネルギー損失）が大きい上、作動油の加熱が生じてしまうことになる。
特許文献１，２には、一方のシリンダ室への作動油供給用管路ともう一方のシリンダ室からの作動油排出用管路の間に逆止弁が設けられた油圧回路が開示されている。これによれば、一方のシリンダ室からもう一方のシリンダ室へ切換弁を通ることなく作動油を流通させることが可能である。そのため、上述のエネルギー損失及び作動油の加熱の問題が緩和される。
このようないわゆる戻しは、ピストンが油圧シリンダの外方へ移動する場合（例えば被動体の上昇に相当）には効果的であるが、ピストンが油圧シリンダの内方へ移動する場合（例えば被動体の下降に相当）にはなされない。そのため、このようにピストンが油圧シリンダの内方へ移動する場合には、油圧シリンダから流出する作動油はすべて切換弁を通ってタンクへ流入することになる上、油圧シリンダへ供給する作動油を、ポンプによって切換弁を通して供給する必要がある。したがって、ピストンが油圧シリンダの内方へ移動する場合には、ポンプを動作させる必要があるとともに、作動油が長い管路を流通する必要もある。
特許文献３には制御可能なアクチュエータ用のフロート回路が開示されており、これによれば、ピストンが油圧シリンダの内方へ移動する場合に、流出側のシリンダ室から流出する作動油を供給側のシリンダ室へ戻すことが可能である。
しかし、このような戻しには、制御手段として、電気制御される逆止弁が必要である。この電気制御される逆止弁は、回路装置と連通することによって制御されている。また、この特許文献３に示された一実施例によれば、圧力比例制御部で制御される逆止弁が更に必要であり、さらに、他の一実施例によれば、第２の圧力比例制御部で制御される更なる排出弁が必要である。
欧州特許第０８３１１８１号明細書 独国特許出願公開第６９７１７０４０号明細書 独国特許出願公開第１９９３２９４８号明細書 Der Hydraulik Trainer, Band 2 -Proportional- und Servoventiltechnik, Mannesmann Rexroth GmbH, 1. Auflage, ISBN 3-8023-0898-0
上記のように、ピストンが油圧シリンダの内方へ移動する場合に、流出側のシリンダ室から流出する作動油を供給側のシリンダ室へ戻すことが基本的に可能であるが、その実現には制御可能な逆止弁及びその制御装置が必要となってしまう。さらに、これら弁及び制御装置によってエネルギー損失が生じ、一定のエネルギーも必要となってしまう。
本発明は上記問題にかんがみてなされたもので、その目的とするところは、管路におけるエネルギー損失及び作動油の加熱を低減することでエネルギー消費を削減可能かつ簡易な油圧回路を提供することにある。
上記目的は、請求項１記載の発明によって達成される。また、好ましい実施形態は従属請求項に記載されている。
本発明によれば、管路におけるエネルギー損失及び作動油の加熱を低減することでエネルギー消費を削減することが可能であるとともに、油圧管路を簡易なものとすることが可能である。
以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
図１には複動式の油圧シリンダ１が示されており、この油圧シリンダ１内に嵌装されたピストン２とこれに連結されたピストンロッド３によって被動体４が往復動（昇降）するようになっている。この油圧シリンダ１は、アクチュエータ６によって切り換えられる切換弁５によって制御される。この切換弁５は、通常、ポンプポートＰ、タンクポートＴ、第１のシリンダポートＡ及び第２のシリンダポートＢを備えて構成されている。
また、第１のアクチュエータ６．１は、通常、ポンプポートＰ及びタンクポートＴがそれぞれ第２のシリンダポートＢ及び第１のシリンダポートＡに連通する位置へ切換弁５を移動させる。一方、第２のアクチュエータ６．２は、ポンプポートＰ及びタンクポートＴがそれぞれ第１のシリンダポートＡ及び第２のシリンダポートＢに連通する位置へ切換弁５を移動させる。なお、アクチュエータ６が動作しない場合は、切換弁５は図示の中立位置に設定される。
しかして、油圧シリンダ１は第１のシリンダ室１１と第２のシリンダ室１２から成っており、第１のシリンダ室１１に作動油を供給すると、同時に第２のシリンダ室１２から作動油が排出されるようになっている。これは、被動体４を上昇させる場合に相当する。一方、第２のシリンダ室１２に作動油を供給すると、同時に第１のシリンダ室１１から作動油が排出されるようになっている。これは、被動体４を下降させる場合に相当する。なお、冒頭で既に述べたとおり、第１のシリンダ室１１と第２のシリンダ室１２の断面積の相違に起因して、第１のシリンダ室１１に供給又はこれから排出される作動油量と第２のシリンダ室１２に供給又はこれから排出される作動油量は等しくない。
本発明によれば、第１のシリンダ室１１に設けられた管路−第１のシリンダ室接続部Ａ11は、共に制御不要のリリーフ弁２１及び戻し逆止弁２２を介して第２のシリンダ室１２の管路−第２のシリンダ室接続部Ａ12に接続されている。これにより、後述する管路−第１のシリンダ接続部Ａ11から管路−第２のシリンダ接続部Ａ12への作動油の流れが達成できる。
ところで、リリーフ弁２１は、第１のシリンダ室１１の圧力を制限するもので、第１のシリンダ室１１内の圧力がリリーフ弁２１における圧力より大きい場合には、ピストンロッド３によってピストン１が油圧シリンダ内へ導入される際に開弁される。したがって、圧力の異常な上昇を防止するよう作動油を逃がすことが可能であるとともに、油圧シリンダを外部の負荷から保護することも可能である。なお、作動油は、作動条件に応じて様々な流路を流通する。
また、戻し逆止弁２２は、管路−第１のシリンダ接続部Ａ11側における圧力が管路−第２のシリンダ接続部Ａ12側の圧力よりも大きくなると自動的に開弁するよう設定されている。そのため、別途制御手段を設けることなく第１のシリンダ室１１から第２のシリンダ室１２への作動油の戻しを行うことが可能である。
なお、既に述べたように、図１には切換弁５の中立位置が示されており、両アクチュエータ６．１，６．２はいずれも作動していない。すなわち、第１のシリンダポートＡ及び第２のシリンダポートＢは共にタンクポートＴに連通している一方、ポンプポートＰは閉鎖されている。
ところで、リリーフ弁２１と戻し逆止弁２２の間には、弾性手段で付勢された第１の逆止弁２４を介して切換弁５に一端が接続され、他端が油圧保持弁２６を介して管路−第１のシリンダ接続部Ａ11に接続された分岐管路が接続されている。なお、この油圧保持弁２６は、調整油圧源Ｘからの調整油圧ｐXによって調整されている。
また、第１の逆止弁２４及び油圧保持弁２６と平行に自動的に開閉する第１のバイパス逆止弁２８が設けられており、この第１のバイパス逆止弁２８によって、第１の逆止弁２４及び油圧保持弁２６による一方向への閉止が回避される。したがって、切換弁５が適切に制御されれば、作動油が第１のシリンダポートＡから管路−第１のシリンダ接続部Ａ11方向へ流通することが可能である。なお、これには別途制御手段を設ける必要はない。
さらに、第２のシリンダポートＢと管路−第２のシリンダ接続部Ａ12の間には、互いに逆方向への流れのみを許容する、弾性手段で付勢された第２の逆止弁３０及び第２のバイパス逆止弁３２の２つの逆止弁が設けられている。ここで、第２の逆止弁３０は、第２のシリンダ室１２とタンクの間で切換弁５によって切り換えられる。
本発明による圧力保持弁２６及び戻し逆止弁２２の管路−第１のシリンダ接続部Ａ11と管路−第２のシリンダ接続部Ａ12の間での直列的な配置によれば、切換弁５が中立位置にあって、ポンプポートＰが閉鎖される一方、第１及び第２のシリンダポートＡ，ＢがタンクポートＴに連通している場合には、圧力保持弁２６を制御することによってピストンロッド３の油圧シリンダ１内への導入が可能である。なお、被動体４の荷重によって、第１のシリンダ室１１内の圧力は第２のシリンダ室１２内の圧力より大きくなる。
また、圧力保持弁２６が調整圧力ｐXによって制御されると、他の制御手段を要することなく該圧力保持弁２６が開弁し、作動油は戻し逆止弁２２を介して第２のシリンダ室１２内へ流入する。
ここで、第１のシリンダ室１１と第２のシリンダ室１２の断面積の大きさの差異によって、ピストン２が摺動すると第２のシリンダ室１２へ流入する作動油量よりも多くの作動油量が第１のシリンダ室１１から流出するので、この差に相当する作動油量は、第１の逆止弁２４及び／又は第２の逆止弁３０を通って（すなわち第１のシリンダポートＡあるいは第２のシリンダポートＢを通って）、タンクポートＴ方向へ流通し、タンクに至る。この場合、被動体４の下降に相当するピストン２の油圧シリンダ１内への導入を、ポンプの動力を要することなく行うことが可能である。また、第１及び第２の逆止弁２４，３０は、上記作動油量の差のみを流通させるよう作用するため、本発明に必須のものとなっている。
図２には図１に示すものと同様のものが示されているが、切換弁５は、ポンプポートＰ及びタンクポートＴがそれぞれ第２のシリンダポートＢ及び第１のシリンダポートＡに連通する位置にある。なお、上述のように、この位置は、調整油圧ｐXが第１のアクチュエータ６．１を動作させることによって達成される。
しかして、ポンプの動作を受けて作動油が流通すれば、この作動油は切換弁５及び第２のバイパス逆止弁３２を通って第２のシリンダ室１２内へ流入する。同時に、第１のシリンダ室１１から流出する作動油は、油圧保持弁２６によって、該油圧保持弁２６及び戻し逆止弁２２を通って第２のシリンダ室１２内へ流入する。ここで、第１のシリンダ室１１と第２のシリンダ室１２の断面積の差異に起因する作動油量の差に相当する分は、第１の逆止弁２４及び第１のシリンダポートＡを通ってタンクポートＴへ流通し、タンクへ至る。
図２に示すものは、図１に示すものよりも迅速に動作する。また、この場合も、第１のシリンダ室１１が油圧保持弁２６及び戻し逆止弁２２を介して第２のシリンダ室１２に直接連通しているため、この迅速な動作には、ポンプを動作させるための僅かなエネルギーで足りる。
ところで、図１及び図２には、油圧シリンダ１が、ピストンロッド３側が高い位置となるように傾斜しているため、被動体４が油圧シリンダ１の上部に位置している。すなわち、ピストンロッド３が油圧シリンダ１から外方へ移動する場合に被動体４は上昇し、ピストンロッド３が油圧シリンダ１内へ移動する場合に被動体４は下降することとなる。
一方、図３においては、油圧シリンダ１が図１及び図２のものとは逆に傾斜している。この場合、油圧シリンダ１が、ピストンロッド３側が低い位置となるように傾斜しているため、被動体４が油圧シリンダ１の下部に位置している。すなわち、ピストンロッド３が油圧シリンダ１から外方へ移動する場合に被動体４は下降し、ピストンロッド３が油圧シリンダ１内へ移動する場合に被動体４は上昇することとなる。
しかし、ここでは、被動体４がピストンロッド３を押圧せず、重力によって逆に下降しようとするため、図１のような油圧保持弁２６の制御のみによって被動体４を上昇させることができない。そのため、この場合、被動体４を上昇させるに足りるエネルギーをポンプによって発生させる必要があるが、本発明によれば、この場合も、他の制御手段を必要とせずとも動作に問題は生じない。
ところで、図３においては、調整油圧ｐXが第１のアクチュエータ６．１を動作させることによって切換弁５が図２と同様の位置を占めている。すなわち、切換弁５は、ポンプポートＰ及びタンクポートＴがそれぞれ第２のシリンダポートＢ及び第１のシリンダポートＡに連通する位置にある。
そして、作動油は、ポンプによって送出され、ポンプポートＰから第２のシリンダポートＢ、第２のバイパス逆止弁３２及び管路−第２のシリンダ室接続部Ａ12を通って第２のシリンダ室１２内へ流入する。これにより、第１のシリンダ室１１内の作動油は、該第１のシリンダ室１１から管路−第１のシリンダ室接続部Ａ11、油圧保持弁２６、第１の逆止弁２４及び第１のシリンダポートＡを通ってタンクポートＴ方向へ流通し、タンクへ至る。
なお、第２のシリンダ室１２内の圧力は第１のシリンダ室１１内の圧力よりも大きいため、戻し逆止弁２２は閉弁されており、第１のシリンダ室１１から第２のシリンダ室１２への作動油の戻しはなされない。
図４には、ピストンロッド３が油圧シリンダ１から外方へ移動する場合が示されている。ここでは、第２のアクチュエータ６．２を作動させることによって、切換弁５は、ポンプポートＰ及びタンクポートＴがそれぞれ第１のシリンダポートＡ及び第２のシリンダポートＢに連通する位置にある。
ここで、ポンプによって送出された作動油は、ポンプポートＰから第１のシリンダポートＡ及び第１のバイパス逆止弁２８を通って第１のシリンダ室１１へ流入する。同時に、第２のシリンダ室１２から作動油が流出し、該作動油は、第２の逆止弁３０及び第２のシリンダポートＢを通ってタンクポートＴ方向へ流通し、タンクへ至る。このとき、油圧保持弁２６は制御されていないとともに、戻し逆止弁２２は閉弁されている。
また、油圧シリンダ１の外方へのピストンロッド３の移動は、この場合、油圧シリンダ１の空間的な位置とは無関係になされる。すなわち、仮に、油圧シリンダ１がこの図４に示すように配置されていれば油圧シリンダ１の外方へのピストンロッド３の移動は被動体４の上昇に相当し、一方、油圧シリンダ１が図３に示すように配置されていれば油圧シリンダ１の外方へのピストンロッド３の移動は被動体４の下降に相当することとなる。もちろん、これら２つの場合において、ポンプで発生させるエネルギーは互いに異なるものである。
ところで、本発明によるリリーフ弁２１は、ピストンロッド３の導入時に、油圧シリンダ１を過度の圧力から保護するという役割を果たしている。第１のシリンダ室１１内の圧力が所定の圧力を超えると、リリーフ弁２１が開弁し、作動油は、戻し逆止弁２２を通って第２のシリンダ室１２へ流入する経路並びに第１の逆止弁２４及び切換弁５を通ってタンクへ流入する経路の少なくともいずれかの経路を経て第１のシリンダ室１１から排出される。なお、これら２つの経路のいずれを経るかは、油圧回路の動作状態に応じて決定される。
なお、リリーフ弁２１、戻し逆止弁２２、第１の逆止弁２４、油圧保持弁２６、第１のバイパス逆止弁２８、第２の逆止弁３０及び第２のバイパス逆止弁３２を１つの弁ブロック４０内に統合して直接油圧シリンダ１に取り付けるのが望ましい。
図５に示すものは基本的に図１に示す油圧回路と同様であるが、ここでは、第２の逆止弁３０及び第２のバイパス逆止弁３２が設けられていない。したがって、第２のシリンダポートＢと第２のシリンダ室１２が直接接続されている。また、本発明による油圧回路の動作に必要な第２のシリンダ室１２における予圧は、タンクポートＴとタンクの間の管路に設けられつつ弾性手段で付勢された第３の逆止弁４５によって得られ、この第３の逆止弁４５は、図１〜図４における第２の逆止弁３０と同様の機能を果たすものである。そのため、本発明による油圧回路の動作状態に変更は生じない。なお、この第３の逆止弁４５を切換弁５にこれと直列に接続することも可能である。
図６には２つの平行に並設された油圧シリンダ１が示されており、これら２つの油圧シリンダ１にはそれぞれ同じ被動体４’が設けられている。このような構成は、被動体４’の重量が非常に大きい場合に用いられる。そして、各油圧シリンダ１は、それぞれ図１に示すものと同様の油圧回路によって制御される。なお、図６における図１と同じ部材には同じ符号を付している。
しかして、両油圧シリンダ１は、それぞれ共通の切換弁５によって制御されるとともに、全く同様に第１のシリンダポートＡ及び第２のシリンダポートＢに接続されている。さらに、両油圧保持弁２６もそれぞれ調整油圧ｐXによって全く同様に制御されている。
このように、２つの油圧シリンダ１を平行に並設するには、両油圧シリンダ１を接続するイコライジングライン４９が必要である。また、各油圧シリンダ１には絞り５０及び第３のバイパス逆止弁５１が接続されており、これら絞り５０及び第３のバイパス逆止弁５１は、イコライジングライン４９に互いに平行となるよう設けられている。このため、両油圧シリンダ１における第１のシリンダ室１１内は共に等圧となっている。
仮に、両第１のシリンダ室１１のいずれかがもう一方よりも大きな圧力となると、作動油が、一方の第１のシリンダ室１１から絞り５０と、もう一方の油圧シリンダ１側の第３の逆止弁５１とを通ってもう一方の第１のシリンダ室１１内へ流入する。
なお、上記弁ブロック４０を更に切換弁５及び第３の逆止弁４５を含んで構成することも可能である。
本発明によれば、第１のシリンダ室１１から第２のシリンダ室１２への作動油の戻しが可能である上、ピストンロッド３の導入時に、通常長い管路を通って案内される高圧の作動油が不要であるとともに、ポンプの運転に使用するエネルギーを削減しつつ油圧シリンダ１の動特性を向上させることも可能である。
複動式の油圧シリンダを制御する油圧回路を示す図である。 図１と異なる動作状態を示す図１と同様な油圧回路を示す図である。 油圧シリンダの異なる配置とした図２と同様な油圧回路を示す図である。 ピストンロッドが油圧シリンダの外方へ移動する場合の油圧回路を示す図である。 油圧回路の別の一形態を示す図である。 ２つの油圧シリンダを平行に並設して示す図である。
符号の説明
１ 油圧シリンダ
２ ピストン
３ ピストンロッド
４，４’ 被動体
５ 切換弁
６ アクチュエータ
６．１ 第１のアクチュエータ
６．２ 第２のアクチュエータ
１１ 第１のシリンダ室
１２ 第２のシリンダ室
２１ リリーフ弁
２２ 戻し逆止弁
２４ 第１の逆止弁
２６ 油圧保持弁
２８ 第１のバイパス逆止弁
３０ 第２の逆止弁
３２ 第２のバイパス逆止弁
４０ 弁ブロック
４５ 第３の逆止弁
４９ イコライジングライン
５０ 絞り
５１ 第３のバイパス逆止弁
Ａ 第１のシリンダポート
Ａ11 管路−第１のシリンダ室接続部
Ａ12 管路−第２のシリンダ室接続部
Ｂ 第２のシリンダポート
Ｐ ポンプポート
Ｔ タンクポート
Ｘ 調整油圧源
ｐX 調整油圧

Claims (5)

  1. 第１及び第２のシリンダポート（Ａ，Ｂ）を有する切換弁（５）によって複動式の油圧シリンダ（１）を制御する油圧回路であって、前記油圧シリンダにおける第１のシリンダ室（１１）に作動油が供給されると前記油圧シリンダにおける第２のシリンダ室（１２）から作動油が流出し、該第２のシリンダ室（１２）に作動油が供給されると前記第１のシリンダ室（１１）から作動油が流出する前記油圧回路において、
    前記第１のシリンダ室（１１）を、互いに並列に設けたリリーフ弁（２１）及び制御可能な油圧保持弁（２６）と、これらリリーフ弁及び油圧保持弁に対して直列に設けた戻し逆止弁（２２）とを介して前記第２のシリンダ室（１２）に接続し、
    前記リリーフ弁（２１）、前記油圧保持弁（２６）及び前記戻し逆止弁（２２）の連結点と前記第１のシリンダポート（Ａ）との間に、第１の逆止弁（２４）及び第１のバイパス逆止弁（２８）をこれらが互いに逆方向の流れを許容するよう設け、
    前記第２のシリンダ室（１２）を、第２の逆止弁（３０，４５）を介してタンクに接続した
    ことを特徴とする油圧回路。
  2. 前記第２の逆止弁（３０）を前記第２のシリンダ室（１２）と前記第２のシリンダポート（Ｂ）の間に設けるとともに、第２のバイパス逆止弁（３２）を、前記第２の逆止弁（３０）と平行に、かつ、該第２の逆止弁が許容する流れの方向と逆方向の流れを許容するよう設けたことを特徴とする請求項１記載の油圧回路。
  3. 前記リリーフ弁（２１）、前記戻し逆止弁（２２）、前記第１の逆止弁（２４）、前記油圧保持弁（２６）、前記第１のバイパス逆止弁（２８）、前記第２の逆止弁（３０）及び前記第２のバイパス逆止弁（３２）を共通の弁ブロック（４０）内に統合し、該弁ブロックを前記油圧シリンダ（１）に直接取り付けたことを特徴とする請求項１又は２記載の油圧回路。
  4. 前記切換弁（５）のタンクポート（Ｔ）とタンクの間に第３の逆止弁（４５）を設けたことを特徴とする請求項１記載の油圧回路。
  5. 前記油圧シリンダ（１）と、その制御要素である前記リリーフ弁（２１）、前記戻し逆止弁（２２）、前記第１の逆止弁（２４）、前記油圧保持弁（２６）、前記第１のバイパス逆止弁（２８）、前記第２の逆止弁（３０）及び前記第２のバイパス逆止弁（３２）とで構成される回路構造を２つ設け、両回路構造を１つの共通の切換弁（５）で制御し、
    両第１のシリンダ室（１１）を互いにイコライジングライン（４９）で接続し、
    該イコライジングライン（４９）において互いに平行に設けた絞り（５０）及び第３のバイパス逆止弁（５１）を前記油圧シリンダ（１）に接続した
    ことを特徴とする請求項３記載の油圧回路。
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