JP2016506479A - 大きな流量容量のために流体力制御を行う電気油圧式の圧力低減及び解放バルブ - Google Patents

Abstract

内部のスプール及び囲繞するケージを含む油圧式バルブが提供される。ケージには供給ポート及び戻りポートが接続されると共に、ケージの内部は制御ポートと流体連通する。内部スプールは、ソレノイド及びスプリングを使用し、オン位置とオフ位置との間で位置決めされる。オフ位置において、スプール及びケージの夫々のスロットは整列することで、戻りポートをスプールの内部と流体連通させる。逆に、オン位置においては、スプール及びケージの別のスロット同士が整列することで、供給ポートをスプールの内部と流体連通させる。

Description

関連出願に関する相互参照
本出願は、“大きな流量容量のために流体力制御を行う電気油圧式の圧力低減及び解放バルブ”と称されて２０１２年１０月２４日に出願された米国仮出願第６１/７１８,１７２号の利益を主張するものである。前記米国仮出願はここで言及したことによりその全体が本明細書に組み入れられる。

本発明は概ね、改良されたバルブに関する。より詳しくは、本発明は、大きなバルブ容量と、電気油圧式の比例的な圧力低減及び解放能力とを有するバルブに関する。

米国特許第５,８７６,１８５号 米国特許第６,１２５,８８６号

米国特許第５,８７６,１８５号及び第６,１２５,８８６号に示されるような段状のボアを備えたバルブが在る。これらの特許において、押圧力は、段状のボアにより形成された段差領域からのより小さなフィードバック領域により低減される。しかし、これらのバルブの流量及び応答は、バルブを遮断する傾向のある流体力の故に、制限される。より大きな方向制御スプールの動作を監視するポンプ制御から、直接的なシリンダ起動までにも亙る種々の用途において、その用途の規模は、バルブの流量容量により決定される。

本発明の一つ以上の実施例は、内部のスプール及び囲繞するケージを含む油圧式バルブを提供する。前記ケージに対しては供給ポート及び戻りポートが接続されると共に、該ケージの内部は制御ポートと流体連通する。前記内部スプールは、ソレノイド及びスプリングを使用し、オン位置とオフ位置との間で位置決めされる。オフ位置において、前記スプール及びケージの夫々のスロットは整列することで、前記戻りポートを前記スプールの内部と流体連通させる。逆に、オン位置においては、前記スプール及びケージの別のスロット同士が整列することで、前記供給ポートを前記スプールの内部と流体連通させる。

本発明の実施例に係る流体力制御を行う電気油圧式の圧力低減及び解放バルブの分解図である。 例示的な設置の“オフ”位置における図１のバルブの断面図である。 図２に類似するが、例示的な設置の“オン”位置におけるバルブの断面図である。 図１のバルブの回転断面図であって、バルブが“オフ”位置にある断面図である。 図１のバルブの回転断面図であって、バルブが“オフ”位置にある断面図である。 概ね図１のバルブと類似するが、スプール第１スロット偏心孔及びスプール第２スロット偏心孔も含む代替実施例のバルブを示す図である。 概ね図２に示されたバルブと類似するが、スプリング保持器も含む代替実施例のバルブを示す図である。 本発明の実施例に係るバルブの代替実施例を示す図である。 本発明の実施例に係るバルブの代替実施例を示す図である。 図８のバルブをソレノイド・オン位置で示す図である。 図８のバルブをソレノイド・オン位置で示す図である。 本発明の実施例に係るバルブの代替実施例を示す図である。 本発明の実施例に係るバルブの代替実施例を示す図である。 図１０のバルブをソレノイド・オン位置で示す図である。 図１０のバルブをソレノイド・オン位置で示す図である。 本発明の一実施例に係る多重バルブ・システムの代替実施例を示す図である。 本発明の一実施例に係る多重バルブ・システムの代替実施例を示す図である。 本発明の一実施例に係る多重バルブ・システムの代替実施例を示す図である。 本発明の一実施例に係る多重バルブ・システムの代替実施例を示す図である。 本発明の一実施例に係る多重バルブ・システムの代替実施例を示す図である。 全開面積が実際に６０ｍｍ^２であるときに２８ｍｍ^２に閉じているバルブを表す曲線を示す図である。 本発明の実施例の圧力対流量性能を表す曲線であって、より大きな計量領域が開いてより少ない圧力低下及び大きな流量容量という結果になることを示す曲線を示す図である。

図１は、本発明の実施例に係る流体力制御を行う電気油圧式の圧力低減及び解放バルブ１００の分解図を示している。バルブ１００は、スプリング１１０、スプール１２０及びケージ１３０を含む。スプリングは好適には、以下において更に説明されるように、設置中に所定位置へ嵌合するスナップイン式スプリング（snap-in spring）である。

スプール１２０は、スプール第１スロット位置１２１及びスプール第２スロット位置１２３を含む。スプール第１スロット位置１２１及びスプール第２スロット位置１２３においては、スプール１２０の外周部に配置された３つのスロットが在り、各スロットは、スプール１２０の外周部で約９０〜１２０°の角度を包含している。スプール第１スロット位置１２１においては、スプール第１スロット１２２が示される。スプール第２スロット位置１２３においては、スプール第２スロット１２４が示される。スプール第１スロット１２２は第１スロット中心孔１２５を含み、スプール第２スロット１２４は第２スロット中心孔１２７を含む。

ある用途にとって望ましい面積曲線を生成すべく、任意の数の狭いスロット及び孔が形成され得る。たとえば、代替実施例は、スプール及びケージの一方もしくは両方に対し、２個、３個、４個、５個、６個、又はそれ以上のスロットを含み得る。たとえば、２個のスロットは、合計開口面積を増大し得るが、スプールもしくはケージの曲げ強度を低減するかもしれない。３個のスロットを備えるデザインは、開口面積におけるそれほどの減少なしで、最適な曲げ強度を提供し得る。但し、４個のスロットを備えるデザインは、対称的であり得ると共に、製造及び検査が更に容易となるかも知れない。６個及び８個のような他の個数もまた対称的であり得る。

加えて、一つ以上の実施例において、スロットの内部の孔は、精細な調節を促進し得る。たとえば、複数の孔は、製造コストを増大し得るが、孔での計量からスロットの縁部での計量への円滑な移行を行うために使用され得る。望ましい移行は、バルブが設計される用途に依存して変更され得る。たとえば、自動車のクラッチの用途には、３個のスロットの内の１個のスロットに１個の孔を配備することが好適であり得る。逆に、主要バルブ用途の実施方式においては、より精細な制御を行うことがより好適であり得る。故に、孔からスロットへの領域における円滑な移行を可能にするために、各々のスロットにおいては１個の孔を有するが、各々の孔の大きさが異なる直径を有する設計を提供することが好適であり得る。

更に、スプール及びケージは、スプール及び／又は孔の異なる形態を有し得る。同様に、スプール及び／又はケージ上にて、各スロット又は各孔は、異なるサイズであり得る。同様に、一つ以上の孔がスロットから外れてもよい。加えて、夫々のスロットに、異なる個数の孔が存在してよい。更に、孔のサイズは孔毎に変更されてよい。

ケージ１３０は、ケージ第１スロット位置１３１及びケージ第２スロット位置１３３を含む。ケージ第１スロット位置１３１及びケージ第２スロット位置１３３においては、ケージ１３０の外周部に配置された３個のスロットが在り、各スロットは、ケージ１３０の外周部で約９０〜１２０°の角度を包含している。ケージ第１スロット位置１３１においては、ケージ第１スロット１３２が示される。ケージ第２スロット位置１３３においては、ケージ第２スロット１３４が示される。この実施例は、位置１３１における３個のスロット及び位置１３３における３個のスロットを示しているが、任意の数のスロット及び孔が形成され得る。更に、ケージ１３０は、第１シール箇所１５２、第２シール箇所１５４及び第３シール箇所１５６を含んでいる。

シール１４０が、ケージ１３０上の夫々の箇所へ設置され、第１シール１４２が第１シール箇所１５２に位置決めされ、第２シール１４４が第２シール箇所１５４に位置決めされ、第３シール１４６が第３シール箇所１５６に位置決めされる。代替実施例において、各シール及び溝は、ケージと周囲構造との間における継手もしくは間隔の厳密な制御により、置き換えられ得る。ケージはまた、該ケージの外側部の大きな部分が周囲構造と協働してシールを形成する様にコーティングされてもよい。

図２は、例示的な設置における“オフ”位置における図１のバルブ１００の断面図２００を示している。図２に示されたように、スプリング１１０、スプール１２０及びケージ１３０が存在している。更に、スプール第１スロット位置１２１、スプール第２スロット位置１２３、ケージ第１スロット位置１３１、及びケージ第２スロット位置１３３も示される。更に、第１シール１４２、第２シール１４４及び第３シール１４６は、ケージ１３０上のそれらの夫々の箇所へ設置されている。また、スプールの右端部及び内部圧力平衡化領域１８５に至る緩衝オリフィス１８０も示される。

代替実施例では、ケージは、囲繞ケーシング１６０と直接的に一体化されるか、又はその一部として形成される。

バルブ１００は、供給ポート２１０、戻りポート２２０、制御システム・ポート２３０、及び代替制御システム・ポート２４０が配置されたバルブ・ケーシング１６０内に位置決めされている。

また、バルブ・ケーシング１６０は、ケージ連動構造１６６と、連動シール１６８と、ピン１７０とを含む電気機械式ソレノイド・アクチュエータ１６５に接続されている。

図２の“オフ”位置において示されたように、スプール第２スロット１２４及びケージ第２スロット１３４は整列しているが、スプール第１スロット１２２及びケージ第１スロット１３２は整列していない。これは、流体が、戻りポート２２０からスプール第２スロット１２４及びケージ第２スロット１３４を通過すること、及び制御システム２３０からの流体と流体連通することを可能にする。

位置１２３におけるスロットを通る制御圧力は、スプール１２０の内部へ進入する。

この制御圧力は、緩衝オリフィス１８０を通り、スプールの右端部へ、及び公知のソレノイド・アクチュエータ１６５内に存在する内部圧力平衡化領域１８５へ連通する。この実施例はプッシュ型ピン１７０と共に示されるが、プル型ピン及びソレノイドが代替的に採用され得る。

図３は、図２に類似するが、例示的な設置における“オン”位置におけるバルブ１００の断面図３００を示している。図３の断面図は、オリフィス１８０の中心を通る角度にて破断されている。図３は、図２の要素の全てを含むが、図３に示されたように、スプリング１１０は圧縮されている。同様に、スプール第１スロット１２２及びケージ第１スロット１３２が今や整列している一方で、スプール第２スロット１２４及びケージ第２スロット１３４はもはや整列していない。また、スプールの右端部及び内部圧力平衡化領域１８５に至る緩衝オリフィス１８０も示される。

故に、図２において上述された“オフ”位置とは対照的に、図３の“オン”位置において、流体は、供給ポート２１０からスプール第１スロット１２２及び中心孔１２５及びケージ第１スロット１３２を通過すると共に、制御システム２３０からの流体と流体連通する。

図４及び図５は、バルブが“オフ”位置にある、図１のバルブ１００の回転断面図を描いている。

これは、スプール・スロット１２２間のウェブ及びスプール・スロット１２４間のウェブ、及びケージ・スロット１３２間のウェブ及びケージ・スロット１３４間のウェブが、全て整列され得ることを示している。スナップイン式スプリング１１０は、スプール及びケージの夫々のウェブのこの角度的整列を保持すべく使用され得る。ウェブの整列は、所望の開口面積を最大化し、またウェブ整列を維持することは、孔１２５及び１２７からのようなどんな計量領域もウェブにより遮断されないことを確実にする。

図６は、概ね図１のバルブと類似するが、スプール第１スロット偏心孔６１０及びスプール第２スロット偏心孔６２０も含む代替実施例のバルブ６００を示している。偏心孔は、スプールが、ケージ内で回転するが、計量孔の全てを遮断はしないことを可能にする。故に、この代替実施例において、図４及び図５に示されるようなスプール及びケージにおけるスロット間のウェブは、孔領域６１０及び６２０が有効であってウェブにより遮断されないように、角度的に整列される必要はない。

図７は、概ね図２に示されたバルブと類似するが、スプリング保持器７１０も含む代替実施例のバルブ７００を示している。スプリング保持器７１０は好適には、軸受材料から作成される。青銅のような軸受材料は、所定の通常荷重下で、接触する材料の摩擦を減少することが知られている。保持器７１０は、ウェブがバルブ動作中に整列されたままであるか又は実際に再整列される様に、計量領域を通る流体力がケージ内のスプールを回転させるように、大きさを定められる。

図１乃至図７に示された実施例は、ほぼ半径方向の流れに対して形成されたスロットを配備することにより、閉鎖流体力を低減する。これは、殆どの用途に関して、流体力を端部チャンバに伝達する必要性を最小限にすると共に、正味の閉鎖流体力を補償するための追加の拡開要素に対する必要性を最小限にする。

スロットは、流れをほぼ半径方向に導くことから閉鎖流体力を相当に減少させることに加えて、より堅固であるために機械加工コストがより低い。任意の数のスロットが、スプールもしくはケージ、又は本体要素に形成されてよい。

図１乃至図７に示されたように、好適実施例では、３個のスロットがスプールにあり、３個の同様のスロットがケージもしくは本体にある。３個のスロットは、２個のみのスロットを備えた要素と比較して、部品に対して追加の曲げ強度を付与する。この曲げ強度は、部品の取扱い及び組立てに典型的に必要とされる。各位置における４個のスロットのような３個より多いスロットは、各スロット間のウェブ面積を増大させるので、可能な合計開口面積を減少させる。

スロットに対するスロット計量は、ランド対ランドの条件と殆ど同じ面積利得を典型的に有する。この大きな面積利得は典型的には、殆どのバルブ用途における計量要件にとっては大きすぎる。精細な計量を可能にするために、バルブ孔の低面積利得部分が、スロットの内部に形成され得る。孔１２５及び／又は６１０により示されるより低い面積利得は、比例的な圧力低減機能の調節に使用される。孔１２７及び／又は６２０は、解放機能の調節に使用される。

典型的に、スロットの内部に機械加工される孔を機械加工する間に、ドリル要素は屈曲し、孔位置の精度が低下する。これは、ドリル中心をスロット中心に中心合わせすることにより対処される。別の方法は、側部プランジ深さが制御されるように、孔に対して側部切削エンドミルを使用することである。

しかしながら、スロットは機能的な懸念を提示する、と言うのもスプール及びケージ要素は、相互に回転して、バルブの期待された正味の開口面積を変化させることがあるからである。スロットは、それらのスロット間にウェブ部分を有する必要があり、前記ウェブ部分は流れを遮断する。もし、スプール要素が、ケージもしくは本体要素に対して回転すると、正味の開口面積は減少される。

開口面積のこの変化は、
１）(図４及び図５に示されたような)角度的整列を保持するスナップイン式スプリング、
２）(図７に示されたような)流体力が複数のウェブ部分を整列させることを可能にする軸受材料製のスプリング保持器、
３）(図６に示されたような)スロットに関連する孔の構成であって、相対的な角度の向きの変化が在るときに面積変化を低減する孔の構成、
４）相対回転を阻止する、溝内のピン、又は他の公知の方法、及び
５）スプリングは全く使わずに、スプールのウェブとケージのウェブとを整列させる流体力を用いる方法、
を含む、幾つかの方法により防がれる。

好適な方法は、スナップイン式スプリングである。これは、スロット間のウェブ同士が整列される様にスプール及びケージを保持する。スナップイン式スプリングはまた、スプリング保持器を取り除いて、スナップリング保持器の機能を果たす。また、スナップイン式スプリングは、スプリングの両端部が所定位置へ嵌合するまで各部分を軸方向に圧縮することにより迅速に組立てられる。スプリングの非作動コイルは、嵌合機能のために使用される。これにより、有効なスプリングたわみ範囲における相対摩擦が減少される。同様に、摩擦は、有効コイルがケージのボアに接触しない様に、スプリングを中心合わせする嵌合の特徴により減少される。嵌合機能に対して非作動スプリング・コイルのコイルサイズを制御するコストは最小限である、と言うのもこれは、スプリング巻回プログラム中へプログラムされ得ると共に、一切の追加の製造工程を導入しないからである。

好適実施例において、スロットの幅は、半径方向流路とほぼ同一である。これは、ほぼ最大の流量において、流れがほぼ半径方向であることを保証する。流れが半径方向であることから、計量用の縁部及びランドを備えたスプールであって、ほぼ半径方向ではなく、スプールの軸心から５８°のような一定の角度である流路を有するスプールと比較して、正味の閉鎖流体力が劇的に低下する。

この圧力低減及び解放バルブは、供給源から制御部までの面積を制御することにより、圧力上昇を計量する。制御圧力は、スプールの両端部上に在る。ソレノイド端部は、緩衝オリフィスを通して及ぶ制御圧力を有する。このオリフィスは、その用途の応答性及び安定性のために公知の様態で大きさを決められている。

このスプールは軽量であることから、オリフィスは大きく、低温オイルにおいて、円滑な圧力調節曲線を可能にする。この実施例は、１.４ｍｍの緩衝オリフィスを有する９ｍｍの大きいボアを示している。通常、重いスプールでは、緩衝オリフィスは、９ｍｍボアの用途に対して０.８ｍｍである必要がある。これは、低温オイル曲線が、開始圧力に向けて急激で不都合な急上昇のない円滑なものであるように、緩衝オリフィスが３倍大きく且つ短く作成されることを意味する。

ボアは段状に形成され、またスプールもそうである。より大きい左端部におけるケージ・ボアとスプールとの間の隙間嵌めは、図１乃至図７に示されるようなより小径の右端部におけるのと同一の隙間嵌めである必要はない。直径に関する嵌合は、バルブ用途において必要とされるように、両方の漏出を制御すべく且つ摺動摩擦を減少すべく設定され得る。スロットは、スプール上にローブ(lobe)を生成し得る。これらのローブは、スプールの潤滑を助けると共に、円滑な動作を生み出す。ローブから生じる漏れは、隙間嵌めの許容差を制御することにより調節され得る。

左側におけるスプールの正味面積は、右端部(プッシュ型のソレノイドが取付けられた端部)におけるものよりも大きい。故に、制御部内への圧力は、ソレノイドに対するフィードバック力を生成する。これは、圧力が、ソレノイド力の入力に比例して制御されることを可能にする。戻しスプリングは、ソレノイド力の入力が何ら与えられないときに、スプールが所望の排出状態に戻ることを保証する。戻しスプリングはまた、動作を安定化することが知られたバネ定数も提供する。出力制御通路において流れが必要とされたとき、安定化位置は、供給源から制御部までの更なる開口面積を有する。

ソレノイドは、所定のストローク範囲に亙る所定の電流入力に対してほぼ一定の力を有するように設計され得る。これは、大きな流量容量及び平坦な調節曲線をバルブに与える。示された９ｍｍの大きいボアの図示内容は、圧力を低減及び解放する両方の動作モードに対し、３０ｌｐｍにて６バールの圧力低下を有する。

解放モードの動作は、動的なスプール運動の故に、又はバルブから制御ポート内に至る外部の流れ発生源に起因して、制御圧力が必要制御圧力を超過したときに必要とされる。いずれの場合にも、過剰な制御圧力は、スプールをソレノイドの方へ押し戻す。すると、これは、供給圧力を閉じて、位置１２４におけるスロット及び孔１２７及び／又は６２０を通る制御部から戻り部への領域を開放する。

もし、制御圧力が必要圧力を超えたなら、スプールは、戻りのための更なる開口面積に向けて移動し始める。これはそのとき、単一段階の解放バルブの様に作動する。そのとき、ソレノイド力は、制御圧力解放のための圧力を設定する。ソレノイド力は、ストローク範囲に亙り、ほぼ線形であり得る。これは、この単一段階の解放が、平坦な調節曲線を有することを可能にする。クラッチ制御のような典型的な用途に対し、この解放機能は、必要制御圧力の上昇速度が、ほぼ階段関数となること、又は実際に階段関数であることを可能にする。これは、制御圧力が、平坦な応答調節を有するこの解放機能により制限されるからである。

大きな流量容量のバルブを獲得するために、相当に小さいコイル及びソレノイドが必要とされている。これは、段状に形成されたボアのフィードバックにより押圧力が減少されることに加え、計量孔を備えた各スロットからのほぼ半径方向の流れは、大流量状態下で閉鎖流体力を減少するからである。これは、電流駆動器のサイズと、比例ソレノイドの寿命及び性能を典型的に低下させるシステムの発熱とを減少させる。基本的には、スプール及びケージ(又は、ケージが必要とされない用途における本体)のみが在る。スプリングは、特定のソレノイド用途においては除去され得る。ほぼ半径方向である流路の開口面積のコストは、より少ない機械加工工程の故に低コストであり、且つ、(複数の半径方向孔と比較して)スロットを生成するために必要な機械加工時間は短い。

本発明の一つ以上の実施例は、建設機械、自動車、航空及び工業用途、又は比例的であり且つオン・オフされるバルブを使用する他の用途などの、種々の用途において有用である。これらのバルブは、圧力制御もしくは面積制御バルブである。これらのバルブにおいて、流体力は、種々の用途において使用可能な最大流量を制限する。本発明の一つ以上の実施例において示された、流体力を減少する低コストな製造方法は、これらのバルブ用途において有用である。

より詳しくは、建設機械、資材運搬及び自動車用途は、コスト及びサイズが優位なバルブを必要としている。また、電流駆動システムは、コスト、サイズ、及び必要な電流レベルの発熱により制限される。本発明のバルブにより提供されるより大きな流量容量は、より小さいソレノイドを使用することを可能し、その結果ソレノイド及びシステムの電流駆動器のサイズ、熱、及びコストを抑制する。示されたキャビティは、殆どの自動車クラッチ及びポンプの制御用途におけるように構成された、戻り部、供給部、及び制御部から成る典型的なキャビティ構成を有している。これにより、サイズ及びマニフォルド構成の両方が、典型的な自動車用のＥＨ比例バルブに容易に置き換えられる。

建設機械は、容量が更に高くなると、バルブの段階を排除し得る。典型的な高流量容量のＥＨ比例バルブは、監視段階及び主要段階を必要とする。本発明は単一段階であり、これは、応答性を高め、安定性を向上させ、且つサイズ及びコストを抑制するものである。

同様に、実際のポンプ、モータ及びシリンダに関する遠隔制御は、特に資材運搬に対し、回路中に必要とされるマニフォルドを減少させる。より小さいパッケージ・サイズの故に、本発明のＥＨバルブは、(制御弁、ポンプ、モータ及びシリンダのような)実際の油圧機械式ユニットに対して遠隔的に構成され得る。

航空用途もまた、コスト効率的なバルブを必要とする。但し、航空用途は、本発明のバルブにより提供されるより軽い重量の更なる利点を有する。これは、高容量の単一段階に関し、サイズが減少されたソレノイド、及びサイズが減少され且つ個数が減少された部品の両方に由来する。

工業的なバルブ用途は典型的に、本発明のバルブにより提供されるより低い発熱及びより長い寿命により恩恵を受けよう。典型的なクラッチ用途は、低温オイルの遅延なしでクラッチを大流量で満たしてから、精細な圧力調節により、ディスクの過剰な滑りを阻止する必要がある。同様に、円滑な動作及び高速の応答もまた、上述された種々のバルブ用途に対し、且つ、種々の技術分野において知られる他の用途に対し、本発明により提供される利点である。比較的に大きな緩衝オリフィスは、暖かなオイルではより高速の応答、及び低温オイルでは圧力の開始時における急上昇の回避を可能にする。

図８Ａは、本発明の実施例に係るバルブの代替実施例８００を示している。図８Ａは、スリーブ・スプール８１０と、ケージ８２０と、スプリング８３０と、供給ポート８４０と、戻りポート８５０と、制御ポート８６０と、ソレノイド８７０とを有するバルブ８００を示している。ケージ８５０は、ケージ戻りポート箇所におけるケージ戻りポート・スロット及び／又は孔８５２、及びケージ供給ポート箇所におけるケージ供給ポート・スロット及び／又は孔８５４を含む。スリーブ・スプール８１０は、スプール戻りポート箇所におけるスリーブ・スプール戻りポート・スロット及び／又は孔８１２、及びスプール供給ポート箇所におけるスリーブ・スプール供給ポート・スロット及び／又は箇所８１４を含む。本明細書中で用いられる“孔”という用語は、一つ以上のスロット及び／又は孔、及び／又はスロットなしでの複数の孔のみを包含する。同様に図８に示されるのは、オリフィス８８０、左端スプール・チャンバ８９０、右端スプール・チャンバ８８６、及び流体力拡開要素８９５である。

図８Ｂは、供給ポート８４０、戻りポート８５０及び制御ポート８６０の中を見る“オフ”状態のバルブ８００の概観を示している。

図８は、バルブ８００のソレノイド・オフ位置を示している。この位置において、スリーブ・スプール戻りポート孔８１２及びケージ戻りポート孔８５２は少なくとも部分的に重なり合うことで、戻りポート８５０とバルブの内部とが流体接触する様に、スリーブ・スプール戻りポート孔８１２及びケージ戻りポート孔８５２の両方を通る流体移行を可能にする。逆に、スリーブ・スプール供給ポート孔８１４及びケージ供給ポート孔８４２は整列していないことから、バルブの内部と該供給ポートとは流体連通していない。制御圧力は、オリフィス８８０を通り、より大きな面積の左端スプール・チャンバ８９０と連通される。制御流は、流体力拡開要素８９５と接触する。制御圧力は、オリフィス８８５を通り、この実施例では制御ポート圧力８６０と本質的に同一であるスプールのより小面積の右端８８６と連通される。

図９Ａは、ソレノイド・オン位置における図８のバルブ８００を示している。図９Ａに示されたように、ソレノイド８７０はスリーブ・スプール８１０を、ソレノイド変位距離９７２だけ変位させている。前記変位はスプリング８３０を圧縮する。更に、前記変位は、スリーブ・スプール戻りポート孔８１２とケージ戻りポート孔８５２を整列解除する。故に、戻りポート８５０はもはや、バルブの内部と流体連通していない。更に、変位は、スリーブ・スプール供給ポート孔８１４及びケージ供給ポート孔８４２の整列を引き起こす。故に、供給ポート８４０は今や、バルブの内部と流体連通している。供給ポートとの連通により、左端の面積から右端の面積を減じた差が、ソレノイド８７０に対して力をフィードバックするように、制御圧力は増大される。故にソレノイド入力は、供給圧力を、所望の制御圧力まで、比例的に減少し得る。孔８４２及び８５２を通るほぼ半径方向の流れは、高流量を最小限の閉鎖流体力で可能にする。制御圧力を左端領域８９０に連通するオリフィス８８０、右端へのオリフィス８８５、及び流れ拡開要素８９５は、流れが所定の高流量容量限界まで円滑に制御されるように大きさを定められる。

図９Ｂは、供給ポート９４０、戻りポート９５０及び制御ポート９６０の中を見る“オン”状態のバルブ８００の概観を示している。

図１０Ａは、本発明の実施例に係るバルブの代替実施例１０００を示している。図１０Ａは、スリーブ・スプール１０１０と、ケージ１０２０と、スプリング１０３０と、供給ポート１０４０と、戻りポート１０５０と、制御ポート１０６０と、ソレノイド１０７０とを有するバルブ１０００を示している。ケージ１０５０は、ケージ戻りポート箇所におけるケージ戻りポート・スロット及び／又は孔１０５２、ケージ供給ポート箇所におけるケージ供給ポート・スロット及び／又は孔１０５４、及びケージ制御ポート箇所におけるケージ制御ポート・スロット及び／又は孔１０５６を含んでいる。スリーブ・スプール１０１０は、スプール戻りポート箇所におけるスリーブ・スプール戻りポート・スロット及び／又は孔１０１２、スプール供給ポート箇所におけるスリーブ・スプール供給ポート・スロット及び／又は孔１０１４、及びスプール制御ポート箇所におけるスリーブ・スプール制御ポート・スロット及び／又は孔１０１６を含んでいる。図１０はまた、オリフィス１０８０、左端スプール・チャンバ１０９０、流体力拡開要素１０９２及び１０９４、及びスプールの右端部１０８６も示している。

図１０Ｂは、供給ポート１０４０、戻りポート１０５０及び制御ポート１０６０の中を見る“オフ”状態のバルブ１０００の概観を示している。

図１０は、バルブ１０００のソレノイド・オフ位置を示している。この位置において、スリーブ・スプール戻りポート孔１０１２及びケージ戻りポート孔１０５２は少なくとも部分的に重なり合うことで、戻りポート１０５０とバルブの内部とが流体接触する様に、スリーブ・スプール戻りポート孔１０１２及びケージ戻りポート孔１０５２の両方を通る流体移行を可能にする。更に、制御ポート１０６０もまた、スリーブ・スプール制御ポート孔１０１６及びケージ制御ポート孔１０５６を介してバルブの内部と流体接続されている。逆に、スリーブ・スプール供給ポート孔１０１４及びケージ供給ポート孔１０５２は整列していないことから、バルブの内部と該供給ポートとは流体連通していない。制御圧力は、オリフィス１０８０を通り、より大きな面積の左端スプール・チャンバ１０９０と連通される。制御流は、流体力拡開要素１０９２及び１０９４と接触する。制御圧力は、オリフィス１０８５を通り、スプールのより小面積の右端１０８６と連通される。

図１１は、ソレノイド・オン位置における図１０のバルブ１０００を示している。図１１Ａに示されたように、ソレノイド１０７０はスリーブ・スプール１０１０を、ソレノイド変位距離１１７２だけ変位させている。前記変位はスプリング１０３０を圧縮する。更に、変位は、スリーブ・スプール戻りポート孔１０１２とケージ戻りポート孔１０５２を整列解除する。故に、戻りポート１０５０はもはや、バルブの内部と流体連通していない。更に、変位は、スリーブ・スプール供給ポート孔１０１４及びケージ供給ポート孔１０５４の整列を引き起こす。故に、供給ポート１０４０は今や、バルブの内部と流体連通している。同様に、制御ポート１０６０は、スリーブ・スプール制御ポート孔１０１６及びケージ制御ポート孔１０５６を介して、バルブの内部と流体連通したままである。供給ポートとの連通により、左端の面積から右端の面積を減じた差が、ソレノイド１０７０に対して力をフィードバックするように、制御圧力は増大される。故にソレノイド入力は、供給圧力を、所望の制御圧力まで、比例的に減少し得る。孔１０１２及び１０１４を通るほぼ半径方向の流れは、最小限の閉鎖流体力を以て高流量を可能にする。制御圧力を左端領域１０９０に連通するオリフィス１０８０、右端１０９６へのオリフィス１０８５、及び流れ拡開要素１０９２及び１０９４は、流れが所定の高流量容量限界まで円滑に制御されるように、大きさを定められる。

図１１Ｂは、供給ポート１０４０、戻りポート１０５０及び制御ポート１０６０の中を見る“オン”状態のバルブ１０００の概観を示している。

図１２Ａ、図１２Ｂ、図１３Ａ、図１３Ｂ及び図１４は、本発明の一実施例に係る多重バルブ・システムの代替実施例１２００を示している。図１２Ａ及び図１２Ｂに示されたように、多重バルブ・システム１２００は、５個の制御ポート１２１０〜１２１４、戻りポート１２２２及び代替戻りポート１２２０、及び供給ポート１２３０及び代替供給ポート１２３２を含んでいる。

図１３Ａの破断図において容易に理解され得るように、５個の制御ポート１２１０〜１２１４の各々に対しては、それ自身のバルブ１２５０〜１２５４が関連付けられる。各バルブは概ね図１０乃至図１１のバルブと同様であるが、図１２乃至図１４の実施例においては、複数のバルブが直列に位置決めされている。更に、戻りポート１２２２及び代替戻りポート１２２０は、バルブがソレノイド・オフ位置に在るときに、全てのバルブと流体連通される。同様に、供給ポート１２３０及び代替供給ポート１２３２は、バルブがソレノイド・オン位置に在るときに、全てのバルブと流体連通される。

本発明の一つ以上の実施例は、閉鎖流体力を減少してから、これらの流体力を端部チャンバへ伝達し、最終的には流体力を拡開要素により補償して、バルブ容量が相当に増大されることを可能にすることにより、前述の懸念に対処している。現在の段状に形成されたボア・スプール形式の圧力低減バルブに関して試験したところ、調節範囲の後、バルブは固定の面積絞りの様に作用することが示された。この絞りの面積は、バルブの全開面積よりも相当に小さい。

たとえば、図１５は、全開面積が実際に６０ｍｍ^２であるときに２８ｍｍ^２に閉じているバルブを表す曲線を示している。これは、バルブが部分的シフト点を越えて開くことを流体力が妨げることを表している。現在のソレノイドの代わりに、バルブ内にはより大きな力のソレノイドが形成され得るが、これは、過剰なコスト、パッケージ・サイズ、及びコイル発熱を引き起こす。

図１６は、本発明の実施例の圧力対流量性能を表す曲線であって、より大きな計量領域が開いてより少ない圧力低下及び大きな流量容量という結果になることを示す曲線を示している。

本発明の一つ以上の実施例は、この問題に対し、ソレノイド・サイズを減少してバルブの流量容量を増大するために段状に形成されたボアの構成を用いることによって対処している。その場合、バルブの実際の流量容量は、流体力の減少及び打ち消し方法により増大される。第１に、このシステムは、スリーブ型ケージの内側にスリーブ型スプールを形成することにより、流体力を減少する。これは、流れが、バルブ内へ及びバルブ外へ、ほぼ半径方向に導かれることを可能にする。これはそのときに、相当に小さい半径方向孔を使用する。

開口面積のために、典型的に形成されるよりも多数の孔がなければならない。これは、コストとバリのリスクとを追加するものであるが、流体力を減少するために行われる。孔サイズは好適には、実際の流路の幅に近いものである。これは、スプールに伝達される典型的な閉鎖流体力を低下させる、ほぼ純粋に半径方向の流れを生み出す、と言うのも、接触は、スプールに直交し、且つ流体力を生成する大きな角度を有さないからである。次いでスプールがバルブ上の別の位置もしくは領域における流れの出口を有するように、スプールは、該スプールの輪郭の内側で、ほぼ半径方向の流れを軸方向の流れへ変換する。

次に、端部チャンバの一方もしくは両方に制御信号が接続される。この信号通路はそのとき、スプールから固定端部チャンバへの流れ方向の変化に起因する僅かな圧力増大を伝達する。そのときにスプールは、該スプールの輪郭内で生じた流れ方向の変化に起因する前記の僅かな圧力増大を打ち消す、それに等しく且つ逆向きの圧力を有する。最後に、中心アダプタにてスプールに固定された一つ以上の拡開要素は、流れ方向の変化により僅かな圧力増大を引起こし得る。この僅かな圧力増大は次に、全体的なスプール力に加わる。その場合、典型的な閉鎖流体力は、拡開部により生成された力により対抗され得る。

一つ以上の拡開部のサイズ及び位置は、流量容量が前記の方法及びシステムが無いときの流量容量よりも相当に大きい、という点まで、典型的な閉鎖流体力が減少されるように、調整され得る。より大きな流量容量を獲得すると、より小さくよりコスト効率的なバルブ・パッケージが可能にされると共に、より少ないソレノイド電流必要量も可能にされる。すると、これは、電流駆動器サイズを減少させると共に、比例ソレノイドの寿命及び性能を典型的に低下させ得るシステムの発熱を減少させる。このことはまた、回路中に必要なマニフォルドのサイズ及び個数を減少するために、複数のバルブが一緒に積層されること、及び／又は遠隔的に取付けられることを可能にする。

実施方式の例

建設機械、自動車、航空及び工業用途は、全て典型的に、比例的であり且つオン・オフされるバルブを使用する。これらのバルブは、圧力制御又は面積制御されるデバイスであり得る。これらのバルブにおける流体力は、種々の用途において使用可能な最大流量を制限する。

本発明のバルブにおいて示される流体力を減少し且つ打ち消す方法は、これらのバルブ用途において有用である。

建設機械及び自動車用途は、コスト及びサイズが優位であるバルブを必要とする。この点に関し、電流駆動システムは、コスト、サイズ、及び必要な電流レベルの発熱により制限される。本発明のバルブにより提供されるより大きな流量容量は、より小さいソレノイドの使用を可能にする。

建設機械は、容量が更に高くなると、バルブの段階を排除し得る。

同様に、実際のポンプ、モータ及びシリンダに関する遠隔制御は、回路中に必要なマニフォルドを減少させる。

航空用途もまた、コスト効率的なバルブを必要とする。但し、航空用途は、本発明のバルブにより提供されるより軽い重量の更なる利点を有する。

工業的なバルブ用途は典型的に、本発明のバルブにより提供されるより低い発熱及びより長い寿命により恩恵を受けよう。

同様に、円滑な動作及び高速の応答もまた、上述された種々のバルブ用途に対し、及び種々の技術分野において知られる他の用途に対し、本発明により提供される利点である。

一つ以上の実施例において、複数のスプール孔、又はスプールにおける複数の小孔は、バリのリスクの故に機械加工することがより高いコストであるかもしれないが、流体力を減少し得る。たとえば、中心アダプタは、端部チャンバに信号圧力を送ることにより、一定の流体力を打ち消し得る。一実施例において、流体力は、スプールを閉鎖位置へ押圧する油圧的な押圧力であり得る。別実施例において、拡開部は、流体力を微調整すべく付加された要素であり得る。たとえば、流れは、拡開部に衝当し、且つ、引張力又は押圧力を計量スプール要素に伝達し得る。そのとき、拡開部のサイズ及び位置は、用途の応答性及び／又は安定性の要件に依存して、正味の流体力を、ほぼゼロへ微調整するか、又は開放力もしくは閉鎖力の方へ付勢し得る。

一つ以上の実施例において、本発明のバルブは、流体力及び／又は圧力を更に良好に調節すべく、より大きなボア、半径方向孔、端部チャンバに対する信号、及び／又は拡開部を提供する。

更に、一つ以上の実施例において、バルブは、供給源から制御部に対する流れの間において、且つ／又は流れが制御部から戻り部に至る場合の解放モードの間において、流体力の減少及び打ち消し方法を提供すべく動作され得る。

本発明の一つ以上の実施例においては、添付図面に示されたように、更に多数又は少数の半径方向孔が在り得る。たとえば、一実施例において、バルブの供給管路は２４個の孔を採用し得る。他の実施例においては、４個の孔ないし数十個の孔が採用され得る。

加えて、より大きな又はより小さなサイズの孔が採用され得る。更に、各孔は、サイズ、及び／又は半径方向間隔において、不均一であり得る。

同様に、一つ以上の実施例において、各半径方向孔は、利用可能なストロークに対して大きさを定められる。たとえば、ストロークのサイズが、１.５ｍｍのシフト方向を提供し得る３ｍｍであるとき、孔は、シフト方向に利用可能なストロークよりも３０％だけ大きい。別の例において、ストロークは、１.１ｍｍのストロークを有する２.２ｍｍであり、且つ孔は、ストロークのサイズであるか、又は好適実施例によれば３０％又は略々それ以上とされ乍ら、５０％以上までであり得る。更に、ストロークに対する孔のサイズは、同一サイズ、１０％小さい、２０％小さい、３０％小さい、及び４０％小さい、の内のいずれかであるより小さい直径から、１０％大きい、２０％大きい、３０％大きい、４０％、及び５０％大きい、の内のより大きい直径までであり得る。

更に、本発明の一つ以上の実施例は、流体力を減少すると共に打ち消し且つ微調整するこれらの方法が無ければ４５リットル／分の容量を有するより小さい押圧要素を使用して、１２０リットル／分を超える容量を提供し得る。

本発明の特定の要素、実施例及び用途が示され且つ記述されたが、本発明はそれらに限定されないことは理解される、と言うのも、特に上述の教示に鑑みて当業者によって改変が為され得るからである。故に、斯かる改変を網羅すると共に、本発明の精神及び有効範囲内に収まる特徴を包含することが添付の特許請求の範囲によって企図される。

Claims (20)

1. スプール第１スロット位置におけるスプール第１スロットと、スプール第２スロット位置におけるスプール第２スロットとを含むスプールと、
   前記スプールを囲繞するケージであって、ケージ第１スロット位置におけるケージ第１スロットと、ケージ第２スロット位置におけるケージ第２スロットとを含む、ケージと、
   を含む油圧式バルブであって、
   当該バルブがオフ位置に在るとき、前記スプール第１スロット及び前記ケージ第１スロットは、該スプール第１スロット及び該ケージ第１スロットの両方を流体が通過することを可能にするように整列され、
   当該バルブがオン位置に在るとき、前記スプール第２スロット及び前記ケージ第２スロットは、該スプール第２スロット及び該ケージ第２スロットの両方を流体が通過することを可能にするように整列される、
   油圧式バルブ。
2. 前記スプールに力を及ぼすように位置決めされたスプリングを更に含む、請求項１に記載のバルブ。
3. 前記スプール第１スロット位置には複数のスロットが配置される、請求項１に記載のバルブ。
4. 前記ケージ第１スロット位置には複数のスロットが配置される、請求項１に記載のバルブ。
5. 前記スプール第２スロット位置には複数のスロットが配置される、請求項１に記載のバルブ。
6. 前記ケージ第２スロット位置には複数のスロットが配置される、請求項１に記載のバルブ。
7. 前記スプール第１スロットは追加の孔を含む、請求項１に記載のバルブ。
8. 前記孔は前記スロットの中心に配置される、請求項７に記載のバルブ。
9. 前記孔は前記スロットの中心から偏倚される、請求項７に記載のバルブ。
10. 前記スプールは緩衝オリフィスを含む、請求項１に記載のバルブ。
11. 前記ケージは囲繞ケーシングの一部として形成される、請求項１に記載のバルブ。
12. スプール戻りポート箇所における少なくとも一個のスプール戻りポート孔と、スプール供給ポート箇所における少なくとも一個のスプール供給ポート孔とを含むスプールと、
    前記スプールを囲繞するケージであって、ケージ戻りポート箇所における少なくとも一個のケージ戻りポート孔と、ケージ供給ポート箇所における少なくとも一個のケージ供給ポート孔とを含む、ケージと、
    を含む油圧式バルブであって、
    当該バルブがオフ位置に在るとき、前記少なくとも一個のスプール戻りポート孔及び前記少なくとも一個のケージ戻りポート孔は、それらを流体が通過することを可能にするように整列され、
    当該バルブがオン位置に在るとき、前記少なくとも一個のスプール供給ポート孔及び前記少なくとも一個のケージ供給ポート孔は、それらを流体が通過することを可能にするように整列される、
    油圧式バルブ。
13. 前記スプールに力を及ぼすように位置決めされたスプリングを更に含む、請求項１２に記載のバルブ。
14. 前記スプールは少なくとも一個の流体力拡開要素を含む、請求項１２に記載のバルブ。
15. 前記スプールは緩衝オリフィスを含む、請求項１２に記載のバルブ。
16. 前記スプールは、スプール制御ポート箇所における少なくとも一個のスプール制御ポート孔を含む、請求項１２に記載のバルブ。
17. 前記ケージは、ケージ制御ポート箇所における少なくとも一個のケージ制御ポート孔を含む、請求項１６に記載のバルブ。
18. 前記少なくとも一個のスプール制御ポート孔及び前記少なくとも一個のケージ戻りポート孔は、流体がそれらを通過することを可能にするように整列される、請求項１７に記載のバルブ。
19. 前記ケージは囲繞ケーシングの一部として形成される、請求項１２に記載のバルブ。
20. 前記少なくとも一個のスプール戻りポート孔、前記少なくとも一個のスプール供給ポート孔、前記少なくとも一個のケージ戻りポート孔、及び前記少なくとも一個のケージ供給ポート孔の内の少なくとも一つは、複数の孔を含む、請求項１２に記載のバルブ。

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