JP4079020B2

JP4079020B2 - 流量スイッチ

Info

Publication number: JP4079020B2
Application number: JP2003080539A
Authority: JP
Inventors: 立己市橋
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2003-03-24
Filing date: 2003-03-24
Publication date: 2008-04-23
Anticipated expiration: 2023-03-24
Also published as: JP2004286656A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、予め定められた流量でスイッチ出力を切り換える流量スイッチに関する。
【０００２】
【従来の技術】
流体回路においては、例えば回路を流れる流体の流量に基づいて、流体回路に関する制御を行うために、流量スイッチが用いられることがある。近年では、エネルギの節約の観点から、流体回路のより細かい制御がますます求められるようになってきており、流量スイッチに対しても、流量変化に対する高い応答性が求められている。このような高い応答性を有した流量スイッチの代表的なものはフロート式の流量スイッチである。
【０００３】
従来のフロート式の流量スイッチでは、例えば図６に示されているように、軸線方向の両端部に入口及び出口を有したハウジング内にフロートが収容され、フロートの外周面とハウジングの内周面との間を流体が流れるようになっている。さらに、ハウジングの内周面は階段状になっており、流量が予め定められた流量まで増加すると、フロートがハウジングの入口側に位置する内部空間の断面が小さい部分からハウジングの出口側に位置する内部空間の広い部分（すなわち、フロートの外周面とハウジングの内周面との間の間隙が広くなった部分）へ移動し、停止又は減速するようになっている。そして、ハウジングの内周面の段差部分付近に設けられた開閉式のリードスイッチの位置までフロートが到達したときに、フロートに埋設された磁石の磁力によって引き付けることでリードスイッチを閉じ、出力を切り換えるようになっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
油圧回路は高圧条件下で用いられることが多いため、油圧回路で上記のようなフロート式流量スイッチを用いる場合には、高い耐圧性が求められる。
【０００５】
ところが、従来のフロート式流量スイッチでは、フロートに設けられた磁石の磁力により開閉式リードスイッチの開閉を行うので、リードスイッチの開閉に十分な磁力が確保されるように、フロートの外周面とリードスイッチとの間の距離を制限する必要があることに加えて、フロートの外周面とハウジングの内周面との間に流体が流れる空間を確保する必要がある。このため、内部空間が広くなった部分では、ハウジングの壁厚が薄くなり、十分な耐圧性を確保できないという問題があった。
【０００６】
さらに、従来のフロート式流量スイッチでは、フロートの外周面とハウジングの内周面との間を流体が流れるため、スイッチ作動流量はハウジングの内周面とフロートの外周面との間隙（すなわち、流体通過可能断面の大きさ）によって固定され、調整できないという問題があった。
【０００７】
本発明の目的は、上記従来技術に存する問題を解消して、流量変化に対する応答性が高く且つ耐圧性に優れた流量スイッチを提供することにある。さらに、本発明の他の目的は、上記特徴に加え、スイッチ作動流量の調整が可能な流量スイッチを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的に鑑み、ハウジングの内部に、摺動可能にフロートを設けると共に中子を支持し、中子の周りに挿入可能な貫通孔をフロートに形成して、中子の外周面とフロートの内周面との間を流体が流れるようにした流量スイッチを提供する。
【０００９】
フロートを用いることで、少流量に対しても高い応答性を確保することが可能となる。
【００１０】
さらに、フロートをハウジング内で摺動可能に配置し、フロートに貫通孔を形成して中子の周りに挿入することで、流体はフロートの外周面とハウジングの内周面との間を流れるのではなく、フロートの貫通孔の内周面と中子の外周面との間を流れるようになる。また、中子が軸線方向に均一な断面を有している場合でも、フロートが中子から完全に外れる位置が従来のフロート式流量スイッチのハウジングの段差部に相当するようになる。したがって、従来のフロート式流量スイッチのようにハウジングの内周面に段差を設ける必要もなくなり、ハウジングの壁厚を軸線に沿って略均一にすることができるようになるので、ハウジングの壁厚が他の部分と比較して薄い部分がなくなり、ハウジング全体としての剛性、すなわち耐圧性が高められる。
【００１１】
さらに、貫通孔の内周面及び中子の外周面がハウジングの入口側から出口側に向かって小径になるテーパ状の相補的形状になっている場合、フロートがハウジング入口側に最も近い位置にあるとき貫通孔の内周面と中子の外周面とはほぼ密着する。したがって、少しでも流体が流れればフロートがハウジングの軸線に沿って移動するようになり、微少流量に対する応答性、検出性が高まる。また、フロートがハウジングの軸線方向に出口へ向かって移動するのに伴って、フロートの貫通孔の内周面と中子の外周面との平行を保ちながらその間隙が広がっていくので、貫通孔を通る流体の流量と中子に対するフロートの移動量との間には１対１の相関関係が成立する。したがって、流量変化をフロートの位置の変化に変換することが可能となるので、流量変化に対する高い応答性を実現することができる。さらに、このことを利用すれば、フロートの到達を感知する感知位置を変更することにより、スイッチ作動流量を容易に変更することが可能となる。
【００１２】
上記のように貫通孔の内周面及び中子の外周面がテーパ状になっている場合、フロートが最もハウジング出口側に位置するときに貫通孔を流れる流体流量が最大となる。したがって、フロートがハウジング内で最も出口側に移動したときにフロートの貫通孔から中子が抜け出るようになっていれば、定められた貫通孔の寸法に対して流量スイッチの適用可能流量を最大限に大きくすることが可能となる。
【００１３】
フロートが予め定められた位置に到達したことをスイッチ要素が非接触で感知すれば、感知要素をハウジング内に設ける必要はなくなり、流体の流れを妨げることもない。また、スイッチ要素がハウジング外部に設けられていれば、スイッチ要素の位置を変更することは容易であり、スイッチ要素の位置を変更することにより、フロートの到達を感知する位置も変更可能となる。特に、フロートの貫通孔の内周面及び中子の外周面がテーパ状の相補的形状になっている場合には、上述したようにフロートの到達を感知する位置を変更することでスイッチ作動流量を変更できるので、無接点式スイッチ要素の位置を調整することにより、スイッチ作動流量を調整することが可能となる。
【００１４】
信号を切り換えるスイッチ要素として無接点タイプのものを用いれば、接点タイプのスイッチと比較して使用可能なスイッチ開閉回数を大幅に増大させることが可能となり、高頻度でのスイッチ動作にも対応することができるようになる。
【００１５】
フロートの位置を非接触で感知する場合、例えば、フロートの外周面に磁石を埋め込み、磁石の磁気を無接点式スイッチ要素で感知すればよい。フロートの外周面に磁石を取り付けることで、スイッチ要素の最大磁気検出可能距離分だけハウジング壁の厚さを確保することができるようになり、流量スイッチの耐圧性を最大限に向上させることが可能となる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
【００１７】
図１から図３を参照すると、本発明の流量スイッチ１０は、軸線１４方向に延びる筒状のハウジング１２と、ハウジング１２内に支持されている中子１６と、ハウジング１２内に摺動可能に収容されているフロート１８と、ハウジング１２の内部でフロート１８が予め定められた位置に到達したことを感知して出力信号を切り換えるスイッチ要素２０とを備えている。
【００１８】
ハウジング１２は、軸線方向に均一な厚さの筒状壁を備えた略円筒形状を有しており、アルミニウム、ステンレス鋼、樹脂などの非磁性材料から作製される。そして、ハウジング１２の下端、上端には、それぞれ、流体のための入口２２、出口２４が形成されており、流体は、ハウジング１２の下端から流入して、ハウジング１２の上端から流出するようになっている。なお、ハウジング１２の筒状壁は均一な厚さとなっていればよく、その形状は、楕円、正方形、長方形、多角形状等とすることも可能である。
【００１９】
さらに、ハウジング１２の内部の入口２２側には、フロート１８が入口２２に密着してこれを閉鎖することを回避させるために、肩部２６が設けられている。一方、ハウジング１２の内部の出口２４側には、このような肩部２６は設けられていない。
【００２０】
ハウジング１２の内部に支持されている中子１６は、ハウジング１２の軸線１４に沿って延びており、ハウジング１２の入口２２から出口２４に向かって徐々に半径が小さくなるテーパ状の外周面を有した切頭円錐形状の本体１６ａと、本体１６ａの下端（すなわち、入口２２側の端部）からハウジング１２の入口２２に向かって延びているスカート部１６ｂとを含んでいる。本体１６ａ及びスカート部１６ｂは、アルミニウム、ステンレス鋼又は樹脂等の非磁性材料から作製されている。
【００２１】
スカート部１６ｂの端部は、ハウジング１２の入口２２を形成する孔の内周面に取り付けられている。また、スカート部１６ｂには、ハウジング１２の入口２２から流入した流体がハウジング１２の内部空間に流入することを可能とさせるために、スカート部１６ｂの周方向に等間隔で開口部２８が形成されている。図１から図３に示されている実施形態では、スカート部１６ｂに９０度間隔で４つの開口部２８が形成されている。
【００２２】
しかしながら、スカート部１６ｂの開口部２８の数を１〜３つ若しくは５つ以上としてもよく、また、不等間隔で設けてもよいことはもちろんである。さらに、スカート部１６ｂの構成は上記構成に限定されるものではなく、スカート部１６ｂが互いに離間して設けられた複数の脚から構成されていてもよい。また、中子１６の本体１６ａは、円錐形状となっていてもよい。
【００２３】
フロート１８は、その外周面がハウジング１２の内周面と摺動可能な程度に接触するようになっており、ハウジング１２の軸線１４と垂直な断面において、ハウジング１２の内周面と相補的形状を有している。したがって、ハウジング１２の内周面とフロート１８の外周面との間を流れる流量は極めて少ない。図１から図３に示されている実施形態では、フロート１８は、その外径がハウジング１２の内径とほぼ等しい概略円柱形状となっている。また、フロート１８は、ウレタンのような樹脂など比重が軽い非磁性材料から作製されており、少流量でもハウジング１２内を摺動可能で、少流量に対して高い応答性を示す。
【００２４】
さらに、フロート１８には、ハウジング１２の軸線１４方向に延びる貫通孔３０が形成されており、この貫通孔３０内を流体が流れ得るようになっていると共に、この貫通孔３０を中子１６の本体１６ａの周りに挿入できるようになっている。この貫通孔３０は、中子１６の本体１６ａと相補的形状を有しており、貫通孔３０の内周面は、ハウジング１２の入口２２側から出口２４側に向かって半径が小さくなるテーパ状になっている。
【００２５】
また、図４に示されているように、フロート１８の外周面には、その他の部分と表面が面一になるように磁石３２が取り付けられている。磁石３２は、フロート１８の全周に環状に配置されていてもよく、複数の磁石３２がフロート１８の外周面に等間隔で互いに離間して配置されていてもよい。また、磁石３２は、フロート１８の外周面の軸線方向の幅全体に配置されていてもよく、幅の一部に配置されていてもよい。なお、磁石はその外周面側に同じ極が向くように配置されるものとする。
【００２６】
スイッチ要素２０は、ハウジング１２内の流体の流れを妨げないように、ハウジング１２の外部に取り付けられており、その取り付け位置が、フロート１８の移動方向に、すなわちハウジング１２の軸線１４方向に、調整可能となっている。このスイッチ要素２０は、フロート１８の外周面に取り付けられた磁石３２の磁気を非接触で感知してスイッチ動作を行う磁気検出タイプのものであり、磁気を感知している間はスイッチ出力をオン又はオフとし、磁気を感知しなくなるとスイッチ出力を逆に切り換える（すなわち、オフ又はオンにする）ように作動する。
【００２７】
このように構成された流量スイッチ１０では、フロート１８が中子１６に対してハウジング１２の出口２４へ向かって移動するのに伴って、中子１６の外周面とフロート１８の貫通孔３０の内周面との平行を保ちながらその間隙が広がっていくので、中子１６の周囲にフロート１８の貫通孔３０の少なくとも一部が挿入されている限りにおいて、貫通孔３０を通る流体の流量が中子１６に対するフロート１８の移動量の増加に伴って増加していく１対１の相関関係が成立する。したがって、流量変化をフロート１８の位置の変化に変換することが可能となり、流量変化に対して高い応答性を示すことができるようになる。また、スイッチ要素２０の取り付け位置を変更して、フロート１８の到達を検出する位置を変更すれば、流量スイッチ１０のオンオフを切り換えるスイッチ作動流量Ｑ_Ｓを調整することが可能となる。
【００２８】
また、フロート１８がハウジング１２内で最も出口２４側に位置しているときに、フロート１８が中子１６から完全に引き抜かれて中子１６がフロート１８の貫通孔３０の外部に位置するようになっていれば、フロート１８の貫通孔３０を通る流量は最大となるので、流量スイッチ１０の適用可能な流量範囲の上限を増加させることが可能となる。この場合、フロート１８の下端部（入口２２側の端部）と中子１６の上端部（出口２４側の端部）との間に十分な間隙が形成されるようになっていることが好ましい。したがって、中子１６の本体１６ａは、円錐形状ではなく、切頭円錐形状とすることが好都合である。
【００２９】
さらに、スイッチ要素２０がフロート１８の外周面に取り付けられた磁石３２を感知することにより流量スイッチ１０のスイッチ出力の切り換えが行われること、並びに、流体がフロート１８の周囲を流れるのではなく貫通孔３０を通って流れるようになっていることから、スイッチ要素２０の最大磁気検出可能距離分だけハウジング１２の壁厚を確保することが可能となり、ハウジング１２の耐圧性を最大限に高めることが可能となる。
【００３０】
次に、油圧回路に使用される油圧ポンプ（図示せず）の省エネルギを図る目的で、保圧時や少流量時にインバータによって油圧ポンプを低回転化させる制御を行うために、油圧回路に上記流量スイッチ１０を用いた場合を例として、本発明の流量スイッチ１０の使用方法及び動作を説明する。
【００３１】
以下の説明においては、説明の簡単化のために、スイッチ要素２０がその中央と対向する位置にある磁石３２の磁気のみを感知できるものとしている。また、図２に示されているフロート１８の位置において、中子１６の外周面とフロート１８の貫通孔３０の内周面との間を流れる作動油の流量がスイッチ作動流量Ｑ_Ｓと等しくなるものとする。
【００３２】
油圧ポンプの省エネルギを図る目的で、保圧時や少流量時にインバータ（図示せず）によって油圧ポンプを低回転化させる制御を行うためには、油圧回路を流れる作動油が予め定められたスイッチ作動流量Ｑ_Ｓ以下のときにインバータ出力周波数を低周波数ｆ_Ｌに設定し、予め定められたスイッチ作動流量Ｑ_Ｓ以上のときにインバータ出力周波数を高周波数ｆ_Ｈに設定する。このような場合、通常はインバータ出力周波数を高周波数ｆ_Ｈに設定し、流量スイッチ１０がオンの間のみインバータ出力周波数を低周波数ｆ_Ｌに設定するようにする方式と、通常はインバータ出力周波数を低周波数ｆ_Ｌに設定し、流量スイッチ１０がオンの間のみインバータ出力周波数を高周波数ｆ_Ｈに設定するようにする方式とが考えられる。しかしながら、流量が多いときに油圧ポンプを低回転で運転することを回避することが重要であることから、ここでは、図５に示されているように前者の方式を採用しているものとする。
【００３３】
スイッチ要素２０の位置は、フロート１８の下端が肩部２６に当接しているときにスイッチ要素２０がフロート１８の外周面に取り付けられた磁石３２の磁気を感知でき、且つ、中子１６の外周面とフロート１８の貫通孔３０の内周面との間を流れる作動油の流量がスイッチ作動流量Ｑ_Ｓに到達したときに、スイッチ要素２０が初めてフロート１８の磁石３２の磁気を感知できなくなるように定められる。具体的には、フロート１８の外周面の幅（すなわち、軸線方向の長さ）全体にわたって環状に磁石が配置されているものとして、フロート１８が図１に示されている位置にあるときに、スイッチ要素２０がハウジング１２の円筒状壁を挟んでフロート１８の磁石３２と対向しており、フロート１８が図２に示されている位置にあるときに、スイッチ要素２０がハウジング１２の円筒状壁を挟んでフロート１８の磁石３２の下縁端と対向するように、スイッチ要素の位置が定められる。このように、スイッチ要素２０の位置は、フロート１８に取り付けられている磁石３２の大きさ、流量スイッチ１０のオンオフのタイミングなどに基づいて様々に設定され得る。
【００３４】
上記のようにスイッチ作動流量Ｑ_Ｓを設定された流量スイッチ１０において、作動油が油圧回路を流れていない状態では、図１に示されているように、フロート１８が、重力の作用で、その下端面をハウジング１２の肩部２６に当接させた状態となっている。このとき、中子１６の外周面とフロート１８の貫通孔３０の内周面とは相補的なテーパ形状をしているので、その間は密着しており、作動油が流れることはできない。また、フロート１８の外周面に取り付けられた磁石３２がハウジング１２の円筒状壁を挟んでスイッチ要素２０と対向しているので、スイッチ要素２０はオンの状態となり、図５に示されているように、インバータで低周波数ｆ_Ｌに設定され、油圧ポンプが低速回転で運転される。
【００３５】
油圧回路を作動油が流れ始めると、例え流量が少なくても、その流体の圧力でフロート１８がハウジング１２の出口２４へ向かって移動を始める。そして、フロート１８は、作動油の流量の増加に伴って、ハウジング１２の軸線１４に沿って中子１６に対してハウジング１２の入口２２から出口２４へ向かって移動していく。この間、フロートの磁石がハウジング１２の円筒状壁を挟んでスイッチ要素２０と対向しているので、スイッチ要素２０はオンの状態を継続し、油圧ポンプも低速回転を継続する。
【００３６】
油圧回路を流れる作動油がスイッチ作動流量Ｑ_Ｓになると、フロート１８は図２に示されている位置に到達し、スイッチ作動流量Ｑ_Ｓを越えると、フロートの磁石がハウジング１２の円筒状壁を挟んでスイッチ要素２０と対向する位置に存在しなくなるので、スイッチ要素２０はオフの状態に切り替わり、図５に示されているように、インバータに高周波数ｆ_Ｈが設定され、油圧ポンプが高速回転で運転されるようになる。
【００３７】
さらに、油圧回路を流れる作動油の流量が増加すれば、フロート１８が中子１６から完全に引き抜かれて中子１６がフロート１８の貫通孔３０の外部に位置するようになり、最大でフロート１８が出口２４に当接する位置まで上昇し得る。なお、ハウジング１２の出口２４側には肩部２６が設けられていないが、たとえフロート１８が出口２４に密着した状態となったとしても、フロート１８の貫通孔３０と出口２４とが連通した状態となるので、出口２４がフロート１８によって閉鎖され、流体の流れが中断されることはなく、問題はない。
【００３８】
油圧回路を流れる作動油の流量が減少し始めると、フロート１８は重力の作用によりハウジング１２の円筒状壁に案内されながら下降し、貫通孔３０が再び中子１６の周りに挿入される。そして、作動油の流量がスイッチ作動流量Ｑ_Ｓを下回ると、スイッチ要素２０は、フロート１８の磁石３２の磁気を再び感知し、スイッチ出力をオンに切り替え、油圧ポンプが再び低速回転で運転されるようになる。
【００３９】
このようなスイッチ出力のオンオフの切り換えが頻繁に行われる場合、耐用寿命の観点から、接点タイプのものより無接点タイプのものが好ましい。
【００４０】
また、出口２４側を上、入口２２側を下に配置すれば、作動油の流量が所定の値以下になると、フロート１８は自重で入口２２側の位置へと復帰する。しかしながら、自重によらずに入口２２側へと復帰させるために、例えばハウジング１２の出口２４側の端部とフロート１８の入口２２側の端部との間にばねを設け、ハウジング１２の入口２２側へフロート１８を付勢するようにしてもよい。この場合、ハウジングの入口と出口とを水平方向に配置することも可能となる効果を奏する。
【００４１】
以上、図示された実施形態を参照して、本発明の流量スイッチ１０を説明したが、本発明の流量スイッチ１０は実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、スイッチ要素２０として非接触タイプのものを使用しているが、フロート１８に直接接触して位置を感知する接触タイプのものを使用することも可能である。さらに、上記実施形態では、フロート１８が樹脂からなる中実体として説明されているが、アルミニウムやステンレス鋼などの非磁性金属を用いてフロート１８を作製してもよい。この場合には、フロート１８を中空体として形成し、軽量とすることが好ましい。また、中子１６は必ずしもテーパ状である必要はなく、円柱状であってもよい。この場合、フロート１８の貫通孔３０の内周面と中子１６の外周面との間に隙間が形成されるように中子１６及び貫通孔３０の寸法が設定される。
【図面の簡単な説明】
【図１】フロートが最下部に位置する状態を示している本発明の流量スイッチの断面図である。
【図２】フロートがスイッチ作動位置にある状態を示している本発明の流量スイッチの断面図である。
【図３】流量が最大となった状態を示している本発明の流量スイッチの断面図である。
【図４】本発明の流量スイッチのフロートの拡大断面図である。
【図５】本発明の流量スイッチを用いてインバータ制御を行う場合の流量とインバータ出力周波数との関係を示している図である。
【図６】従来の流量スイッチの断面図である。
【符号の説明】
１０…流量スイッチ
１２…ハウジング
１４…軸線
１６…中子
１８…フロート
２０…スイッチ要素
２２…入口
２４…出口
３０…貫通孔
３２…磁石

Claims

軸線方向に延びるハウジングと、当該ハウジング内に摺動可能に収容されているフロートと、前記ハウジング内に支持され且つ前記ハウジングの軸線方向に延びている中子とを備え、前記フロートに、その軸線に沿って、前記中子の周りに挿入可能な貫通孔が形成され、前記貫通孔の内周面が前記ハウジングの入口側から出口側に向かって径が小さくなるテーパ状になっていると共に、前記中子の外周面が前記貫通孔の内周面と相補的形状になっており、前記ハウジングの入口から前記中子と前記貫通孔との間を通って出口に向かって流れる流体の作用で前記ハウジング内を摺動する前記フロートの位置に基づいてスイッチング動作を行い、前記フロートが前記ハウジング内で最も出口側に位置するとき、前記中子が前記フロートの貫通孔の外部に位置することを特徴とする流量スイッチ。
スイッチ要素が前記ハウジングの外部に設けられており、該スイッチ要素は、前記ハウジング内部のフロートが予め定められた位置に到達したことを非接触で感知し、スイッチ出力を切り換える、請求項１に記載の流量スイッチ。
前記スイッチ要素の位置が前記ハウジングの軸線方向に調整可能である、請求項２に記載の流量スイッチ。
前記スイッチ要素は無接点タイプのものである、請求項２に記載の流量スイッチ。
磁石が前記フロートの外周面に取り付けられており、前記スイッチ要素が前記磁石の磁気により前記フロートの位置を感知する、請求項２に記載の流量スイッチ。
前記ハウジングの壁厚が軸線に沿って略均一になっている、請求項１に記載の流量スイッチ。