JP2021124806A

JP2021124806A - 減圧弁および油圧システム

Info

Publication number: JP2021124806A
Application number: JP2020016012A
Authority: JP
Inventors: 正志山口; Masashi Yamaguchi
Original assignee: Nachi Fujikoshi Corp
Current assignee: Nachi Fujikoshi Corp
Priority date: 2020-02-03
Filing date: 2020-02-03
Publication date: 2021-08-30

Abstract

【課題】ノンリーク切換弁を使用した油圧システムでも、二次圧を確実に設定圧力に保つことができる減圧弁を提供する。
【解決手段】ハウジング１００の内部に形成された一次圧力室１１０および二次圧力室１１２の境界部に設けられたシート部１１６と、ハウジング１００の内部に摺動自在に配置され、シート部１１６に当接することにより一次圧力室１１０および二次圧力室１１２を遮断可能なポペット弁体１０２と、ポペット弁体１０２を開弁方向に付勢する弾性体１０４と、ポペット弁体１０２に設けられ、ポペット弁体１０２を閉弁方向に摺動させる流体圧力を受ける閉弁受圧部１２０ａと、二次圧力室１１２側に形成され、二次圧力室１１２の流体を常時排出することにより二次圧力室１１２の流体圧力を低下させるドレン口１２２と、を有する減圧弁１０。
【選択図】図１

Description

本発明は、供給された一次圧力室の流体圧力（以下、一次圧という）を減圧して、二次圧力室へ出力する流体圧力（以下、二次圧という）を一次圧より低い設定圧力に制御する減圧弁に関し、特に、一次圧力室と二次圧力室とをポペット弁体によって遮断する減圧弁に関する。

従来の減圧弁には、特許文献１のように、一次圧力室から二次圧力室への漏れを防ぐために、一次圧力室と二次圧力室とをポペット弁体によって遮断する構造のいわゆるノンリーク減圧弁があった。また、このようなノンリーク減圧弁を、油圧供給源とノンリーク切換弁とを有する油圧システムに組み込むことによって、減圧弁の漏れによるエネルギー損失を低減したコンパクトな油圧システムがあった。

特開２０１５−６０５２３号公報

ノンリーク減圧弁において一次圧力室から二次圧力室への漏れをゼロにするためには、ポペット弁体やシート部などの部品を高い精度で加工する必要があるため、加工精度およびコストから漏れをゼロにすることは非常に困難であった。このような理由から、一般的に使われているノンリーク減圧弁では、実際には0.1ｃｍ^３／ｍｉｎ程度の僅かな漏れがあった。

そのため、ノンリーク減圧弁の下流にノンリーク切換弁を配置した従来の油圧システムにおいて、ノンリーク減圧弁の一次圧力室と二次圧力室とが遮断された減圧制御中に漏れが生じ、ノンリーク減圧弁の漏れがノンリーク切換弁の漏れより多い場合には、二次圧が設定圧力よりも高くなり、使用機器の異常や故障を招くおそれがあった。

本発明は上記の問題点を解決するためになされたものであり、二次圧を確実に設定圧力に保つことができる減圧弁を提供することを課題とする。

本発明に係る減圧弁は、ハウジングの内部に形成された一次圧力室および二次圧力室の境界部に設けられたシート部と、
前記ハウジングの内部に摺動自在に配置され、前記シート部に当接することにより前記一次圧力室および前記二次圧力室を遮断可能なポペット弁体と、
前記ポペット弁体を開弁方向に付勢する弾性体と、
前記ポペット弁体に設けられ、前記ポペット弁体を閉弁方向に摺動させる流体圧力を受ける閉弁受圧部と、
前記二次圧力室側に形成され、前記二次圧力室の流体を常時排出することにより前記二次圧力室の流体圧力を低下させるドレン口と、を有することを特徴とする。

本発明の減圧弁によれば、ドレン口から適切な量を排出することにより、二次圧を確実に設定圧力に維持することができる。

本発明の実施形態に係る減圧弁を示す断面図である。同減圧弁を示す他の断面図である。同減圧弁を用いた油圧システムを示す回路図である。

本発明の実施形態に係る減圧弁について、図面を用いて説明する。図１に示すように、減圧弁１０は、複数の部品から形成されたハウジング１００と、このハウジング１００の内部に摺動自在に嵌挿されたポペット弁体１０２と、このポペット弁体を付勢する弾性体としてのスプリング１０４，１０６とを有する。

ハウジング１００の内部には流体入口１０８から順に一次圧力室１１０および二次圧力室１１２を通り流体出口１１４に続く流体の通路が連続的に形成され、一次圧力室１１０および二次圧力室１１２の境界部にはテーパ形状のシート部１１６が設けられている。また、ハウジング１００の二次圧力室１１２側には、スプリング１０４，１０６を収容する空間が形成されている。

ポペット弁体１０２は、シート部１１６の開口を貫通して摺動自在に配置されている。ポペット弁体１０２は、一次圧力室１１０に、シート部１１６に当接することにより一次圧力室１１０と二次圧力室１１２とを遮断可能なテーパ形状のテーパ部１１８を有する。また、ポペット弁体１０２に設けられた段差部分には、ポペット弁体１０２を閉弁方向に押圧する一次圧を受ける側面である閉弁受圧部１２０ａが形成されている。閉弁受圧部１２０ａは、ポペット弁体１０２の摺動方向に対して垂直な平面に形成されている。閉弁受圧部ａの面積は、閉弁時に一次圧力室１１０に露出するテーパ部１１８の面積と等しく設定されている。

二次圧力室１１２には、流体を図示しないタンクへ還流して二次圧力室１１２の圧力を下げるドレン口１２２が常時開放されている。ドレン口１２２は、減圧弁１０と、減圧弁１０が組み込まれるシステムのケーシング（図示せず）との間に形成されてもよい。シート部１１６からドレン口１２２までの間には、ハウジング１００内に装着された円筒形状のスリーブ１２４が設けられている。ポペット弁体１０２は、スリーブ１２４内を摺動する円柱形状のスライド部１２６を有している。スライド部１２６とスリーブ１２４との間には流体の通路となる所定のクリアランス１２８が形成される。

スライド部１２６に設けられた段差部分には、ポペット弁体１０２を開弁方向に摺動させる二次圧を受ける側面である開弁受圧部１２０ｂが形成されている。開弁受圧部１２０ｂは、ポペット弁体１０２の摺動方向に対して垂直な平面に形成されている。開弁受圧部１２０ｂの面積は、閉弁受圧部１２０ａの面積よりも小さく設定されている。

スプリング１０４，１０６は、ポペット弁体１０２より一次圧力室１１０側に配置され、ポペット弁体１０２を二次圧力室１１２側、すなわち開弁方向に付勢している。スプリング１０４，１０６の一端は、スプリング受け１３０を介して圧力調整ねじ１３２に支持されている。圧力調整ねじ１３２は、ハウジング１００の一端に螺着するとともにハウジング１００を貫通しており、スプリング１０４，１０６の弾性力を調整することができる。スプリング１０４，１０６の他端は、プッシュロッド１３４を介してポペット弁体１０２を付勢している。

以下、減圧弁１０の動作について説明する。圧力調整ねじ１３２を締めると、スプリング１０４，１０６が圧縮され、プッシュロッド１３４を介してポペット弁体１０２を付勢する力が大きくなるため、減圧弁１０の設定圧力を調整することができる。

流体入口１０８から流体が供給されると、ポペット弁体１０２を開弁方向に押す力は、
スプリング１０４，１０６の付勢力＋（二次圧×開弁受圧部１２０ｂの面積）
となり、ポペット弁体１０２を閉弁方向に押す力は、
一次圧×閉弁受圧部１２０ａの面積
となる。減圧弁１０が開弁であるとき、一次圧は二次圧とほぼ等しいので、
スプリング１０４，１０６の付勢力＝二次圧×（閉弁受圧部１２０ａの面積−開弁受圧部１２０ｂの面積）
となる圧力が、減圧弁１０の設定圧力となる。なお、テーパ部１１８にかかる開弁方向の圧力と閉弁方向の圧力とはつり合っているため、ポペット弁体１０２を摺動させる力を発生させない。

二次圧が設定圧力よりも低い場合、スプリング１０４，１０６の付勢力によってテーパ部１１８とシート部１１６とが開弁しているため、流体が一次圧力室１１０から二次圧力室１１２へ自由に流れる。二次圧が設定圧力に達すると、閉弁受圧部１２０ａが受ける一次圧によってポペット１０２が閉弁方向に摺動し、テーパ部１１８がシート部１１６に当接して一次圧力室１１０と二次圧力室１１２とを遮断する。これにより、二次圧の上昇が防止され、一次圧よりも低く制御される。

図２のように、閉弁時すなわち減圧制御時には、一次圧力室１１０と二次圧力室１１２とが遮断され、流体が二次圧力室１１２からスライド部１２６のクリアランス１２８を通じて常時ドレン口１２２へと排出されるので、二次圧は徐々に低下していく。二次圧が設定圧力を下回ると、テーパ部１１８とシート部１１６とが開弁し、一次圧力室１１０から二次圧力室１１２へ流体が供給されて二次圧を設定圧力まで上昇させる。

ドレン口１２２から排出される流体の量は、スライド部１２６とスリーブ１２４とのクリアランス１２８の断面積および両者がオーバーラップする長さによって決まる流路抵抗によって調整されるため、想定される一次圧力室への供給圧におけるシート部１１６の漏れ量を測定し、二次圧が設定圧力である場合のドレン口１２２からの排出量が当該漏れ量と等しくなるように設定することが好ましい。

本実施形態の減圧弁１０によれば、減圧制御中に一次圧力室１１０から二次圧力室１１２へ流体のわずかな漏れがあっても、ドレン口１２２から適切な量を排出することにより二次圧を低下させるため、二次圧を設定圧力に維持することができる。

また、従来のノンリーク減圧弁では、ポペット弁体の受圧部にかかる流体圧力に対抗して開弁方向に付勢するスプリングの荷重を調整することにより設定圧力を決めていた。一方、バルブの圧力損失を低減したり、バルブの開閉時の応答時間を早めるためには、シート部およびポペット弁体の径を大きくする必要がある。このため、設定圧力を高圧まで調整できるノンリーク減圧弁を作るためには、シート部の径の２乗に比例してスプリング荷重を大きくする必要があり、スプリングが大型化しコスト高となる問題があった。

本実施形態の減圧弁１０によれば、開弁受圧部１２０ｂで受ける開弁方向の二次圧の分だけ、設定圧力に対してスプリング１０４，１０６の所要付勢力を小さく抑えることができるため、スプリング１０４，１０６のコストを低下させるとともに小型化することができる。

減圧弁１０は、油圧システムなどに一体に組み込まれた内蔵タイプに形成してもよく、減圧弁のみを機器に着脱可能に組み込めるカートリッジタイプに形成してもよい。

減圧弁１０の変形例として、スライド部１２６にリング溝を形成し、シールリングを着脱可能に装着できるようにしてもよい。設定圧力を超える圧力で使用しても問題ない使用機器に用いる場合には、シールリングによってクリアランス１２８を封止することにより、ドレン口１２２からの排出を無くし、回路のエネルギー効率を高めることもできる。

図３は、減圧弁１０を用いた油圧システム１２を示している。油圧システム１２は、上流側から順に、油圧供給源と、減圧弁１０と、を有している。減圧弁１０に作動油を供給する油圧供給源としては、電動機２２によって駆動され、タンク２４からの作動油に圧力を付加して吐出するポンプ２０が設けられている。また、もう一つの油圧供給源として、ポンプ２０と減圧弁１０との間に配置され、油路の圧力が高まることで作動油を蓄積し、油路の圧力が低下すると作動油を放出するアキュムレータ２６が設けられている。ポンプ２０からアキュムレータ２６までの間には、作動油の逆流を防ぐチェック弁２８、油路の圧力が過剰に高くなった際に開弁して作動油をタンクへ戻す安全弁３０、およびラインフィルタ３２が設けられている。アキュムレータ２６から減圧弁１０までの間には、油路の圧力を監視し、圧力が低下すると電動機２２を駆動させてポンプ２０の吐出を行わせる圧力スイッチ３４が設けられている。

減圧弁１０の下流で油路は分岐し、それぞれにノンリーク切換弁４０，４２，４４が設けられている。ノンリーク切換弁４０，４２，４４は、それぞれ図示しないアクチュエータに作動油を供給する。４ポート２位置方向制御弁であるノンリーク切換弁４０は、作動油導入用のＰポート、アクチュエータの２つのポートに接続されるＡポートとＢポート、および作動油をタンクへ戻すＴポートを有し、ソレノイドの励磁により、Ａポートに作動油を供給する正位置とＢポートに作動油を供給する逆位置との２位置を切り換えることができる。４ポート３位置方向制御弁であるノンリーク切換弁４２，４４は、Ｐポート、Ａポート、Ｂポート、およびＴポートを有し、ソレノイドの励磁により、正位置、逆位置および作動油の供給を行わない遮断位置を切り換えることができる。これらのノンリーク切換弁４０，４２，４４は、複数のポペット弁を組み合わせてなり、油路を遮断した際の漏れをごく僅かに抑えている。減圧弁１０からノンリーク切換弁４０，４２，４４までの間には、圧抜き用のストップバルブ３６と、油路の圧力を監視する圧力計３８とが設けられている。また、一部のアクチュエータにさらに減圧した作動油を供給する必要がある場合、減圧弁１０からノンリーク切換弁４０までの間に減圧弁５０を設けてもよい。

この油圧システム１２は、一例としてマシニングセンタのツールのクランプ／アンクランプの油圧源などに使用できる。ポンプ２０の吐出油量は、主にクランプ／アンクランプ用のシリンダを動かすときに必要となり、把持中には小さくてよい。油圧システム１２では、アキュムレータ２６にチャージされた油量がシリンダを駆動させたり回路内の漏れを補充するために消費され、アキュムレータ２６のチャージ圧が所定値以下に低下した場合にのみ、電動機２２を駆動させてポンプ２０から作動油を吐出する。ポンプ２０またはアキュムレータ２６から供給された作動油は、減圧弁１０にて設定圧力に減圧され、ノンリーク切換弁４０，４２，４４およびシリンダなどのアクチュエータに供給される。

油圧システム１２では、減圧弁１０を用いたことにより、減圧弁１０のシート部１１６の漏れがノンリーク切換弁４０，４２，４４の漏れより多い場合であっても、ドレン口１２２から適切な量を排出することにより二次圧を低下させるため、減圧弁１０の下流の油路の圧力を設定圧力に維持することができる。

また、スライド部１２６とスリーブ１２４とのクリアランス１２８の断面積および両者がオーバーラップする長さを調整することによって、アキュムレータ２６のチャージ頻度を調整することができる。

油圧システム１２の変形例として、さらにノンリーク切換弁４０，４２，４４を含む油圧システム１４を構成してもよい。

１０減圧弁１２，１４油圧システム
２０ポンプ２２電動機
２４タンク２６アキュムレータ
２８チェック弁３０安全弁
３２ラインフィルタ３４圧力スイッチ
３６ストップバルブ３８圧力計
４０，４２，４４ノンリーク切換弁５０減圧弁
１００ハウジング１０２ポペット弁体
１０４，１０６スプリング１０８流体入口
１１０一次圧力室１１２二次圧力室
１１４流体出口１１６シート部
１１８テーパ部１２０ａ閉弁受圧部
１２０ｂ開弁受圧部１２２ドレン口
１２４スリーブ１２６スライド部
１２８クリアランス１３０スプリング受け
１３２圧力調整ねじ１３４プッシュロッド

Claims

ハウジングの内部に形成された一次圧力室および二次圧力室の境界部に設けられたシート部と、
前記ハウジングの内部に摺動自在に配置され、前記シート部に当接することにより前記一次圧力室および前記二次圧力室を遮断可能なポペット弁体と、
前記ポペット弁体を開弁方向に付勢する弾性体と、
前記ポペット弁体に設けられ、前記ポペット弁体を閉弁方向に摺動させる流体圧力を受ける閉弁受圧部と、
前記二次圧力室側に形成され、前記二次圧力室の流体を常時排出することにより前記二次圧力室の流体圧力を低下させるドレン口と、を有することを特徴とする減圧弁。
前記ポペット弁体に、前記ポペット弁体を開弁方向に摺動させる前記二次圧力室の流体圧力を受ける開弁受圧部を設けたことを特徴とする請求項１記載の減圧弁。
請求項１記載の減圧弁と、
前記減圧弁に作動油を供給する油圧供給源と、を有することを特徴とする油圧システム。