JP5848678B2 - 圧力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、流体圧制御装置に用いられる圧力変換装置に関する。

従来より、油圧制御装置に備えられる圧力変換装置として、シリンダとピストンを用いた増圧装置が知られている（特許文献１参照）。図５を参照して、従来例に係る増圧装置について説明する。図５は、従来例に係る増圧装置を備えた油圧制御装置（流体圧制御装置）の油圧回路図である。

増圧装置５は、ケース（シリンダ）５−３内に油室５−１、５−２、５−５が画定されるように、ピストン５−４がケース５−３に内封されている。ケース５−３は、小径部と大径部を有し、ピストン５−４は、ケース５−３の小径部の内周壁と摺動する小径部と、ケース５−３の大径部の内周壁と摺動する大径部と、を有している。ピストン５−４がケース５−３内を往復動すると、所謂パスカルの定理により、油室５−１内の負荷圧力の大きさ、大径部・小径部の断面積の比の割合などに応じて、油室５−５内の流体圧が増圧される構成となっている。

図５に示す回路において、方向切換弁３が中立位置にあると、油圧ポンプ２から吐出された圧油が、管路１１、方向切換弁３、管路１２を通って増圧装置５のポートＰｈから油室５−１に供給される。このとき、油室５−２内の油は、ポートＰｒから流出して管路１５、方向切換弁３、管路１６を通って油圧タンク６に排出される。この作動油の流れにより、ピストン５−３は、油室５−５の容積を縮小する方向に移動する。これにより、油室５−５内の油が増圧され、その増圧された油はポートＰａより管路１７、逆止弁９、管路１８を通って油圧被供給回路８へそのまま供給されるか、あるいは管路１８から分岐した管路１９を通ってアキュムレータ７に蓄圧される。油圧被供給回路８からアキュムレータ７への高圧油の逆流は逆止弁２１によって防止される。

アキュムレータ７は、所謂ピストン型アキュムレータであり、シリンダ７−１内に内封されたピストン７−２がシリンダ７−１内を摺動する構成となっている。気体室７−３には、ピストン７−２がストッパ７−５に到達して容積が最も大きくなった時点で所定の圧力となるように窒素ガスのような気体が封入されている。気体室７−３は、バルブを内蔵するヘッドカバー７−６により閉止されており、必要に応じて排気できるように構成されている。また、気体室７−３内にはスプリング７−７が内封されており、気体室７−３に気体がない場合でも所定の付勢力にて常にピストン７−２を押し下げるようになっている。

特開２０１１−１８５４１７号公報

上述のように、従来の油圧制御装置では、増圧装置、アキュムレータ、逆止弁、配管などの各構成要素が、それぞれ別体で構成され、個々に設置スペースが必要となる。したがって、構成要素の数が多くなると、その分の設置スペースが必要となるとともに、コスト増大の要因となる。

また、別体の各構成要素間をつなぐ配管が長くなると、継手も多く必要となり、管路の圧力損失が多くなることから、所謂、エネルギーのロスが大きいものとなる。

さらに、増圧装置や蓄圧装置におけるピストンとシリンダの摺動部は、リーマ加工やホーニング加工などの高精度の加工が要求されるが、それぞれ、閉塞穴を加工する場合には、その先端部に加工ツールの逃げ代（段差部）を設ける必要があり、通し穴の場合に比べ、同じピストンのストロークを確保するために、より多くの長手方向の寸法が必要になるため、より多くのスペースが必要となる。

本発明の目的は、流体圧制御回路の回路構成の簡素化を図ることができるとともに、摺動部の加工性の向上を図ることができる圧力変換装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明における圧力変換装置は、
流体圧を増圧するとともに増圧した流体圧を蓄圧可能な圧力変換装置であって、
流体圧供給部から流体圧が供給される吸込口と、増圧した流体圧を外部へ供給するための吐出口と、を有するシリンダと、
前記シリンダ内に前記吸込口が開口する受圧室を画定するように前記シリンダ内を仕切る大径部と、前記大径部よりも小径で前記大径部に対して前記受圧室とは反対側に向かって突出する小径部と、を有し、前記シリンダ内を摺動可能な第１ピストンと、
前記シリンダ内を、前記第１ピストンが配置され前記吸込口が開口する第１空間と、前記吐出口が開口する第２空間と、に仕切る仕切部材であって、摺動自在に挿入される前記小径部との間で増圧室を画定する凹部と、前記流体圧供給部と前記増圧室とをつなぐ第１流路と、前記第１流路に設けられた前記増圧室から前記流体供給部への流体圧の流れを防ぐ第１逆止弁と、前記増圧室と前記第２空間とをつなぐ第２流路と、前記第２流路に設けられた前記第２空間から前記増圧室への流体圧の流れを防ぐ第２逆止弁と、を有する仕切部材と、
前記シリンダ内の前記第２空間側に摺動可能に設けられ、付勢部材によって前記仕切部材に向かう方向に付勢されるとともに、前記仕切部材との間に容積可変の蓄圧室を画定する第２ピストンと、
を備えることを特徴とする。

また、第１ピストンによる増圧機構と、第２ピストンによる蓄圧機構とが一体の構成となっていることにより、省スペース化を図ることができるとともに、増圧装置と蓄圧装置をそれぞれ独立して設ける場合と比べてそれらを繋ぐ配管や継ぎ手を省くことが可能となり、省スペース化や低コスト化を図れると共に、圧力損失の低減を図ることができる。

前記シリンダにおける前記第１ピストンの前記大径部との摺動面と前記第２ピストンとの摺動面は、単一の周面で構成されるとよい。

これにより、二種類の摺動面を一度の工程により高い精度で加工することができる。したがって、製造コストの低減を図ることができる。

本発明によれば、流体圧制御回路の回路構成の簡素化を図ることができるとともに、摺動部の加工性の向上を図ることができる。

本発明の実施例における流体圧制御装置の回路図 本発明の実施例に係る圧力変換装置の構成の一例を示す模式図 仕切部材の構成を示す模式的断面図 本発明の実施例に係る圧力変換装置の構成の他の例を示す模式図 従来例に係る増圧装置を備えた流体圧制御装置の回路図

以下に図面を参照して、この発明を実施するための形態を、実施例に基づいて例示的に詳しく説明する。ただし、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

（実施例）
＜流体圧制御装置の構成＞
図１は、本実施例に係る圧力変換装置を備えた油圧制御装置（流体圧制御装置）の油圧回路図である。

本実施例における油圧制御装置は、例えば、普通乗用車や、トラック、油圧ショベル、フォークリフト、クレーン、ごみ収集車等におけるブレーキ、ステアリング、トランスミッション等の油圧装置に適用可能である。なお、図１に示す油圧回路構成は、あくまで１例であり、図１の構成に限定されるものではない。

図１に示すように、本実施例における油圧制御装置は、概略、駆動機構１と、油圧ポンプ２と、方向切換弁３と、リリーフ弁４と、圧力変換装置３０と、油圧タンク６と、油圧被供給回路（流体圧被供給回路）８と、を備える。

油圧ポンプ２は、駆動機構１からの動力によって回転し、油圧タンク６から作動油（作動流体）を吸い上げ、管路１１を介して方向切換弁３に圧油を供給する（流体圧供給部）。駆動機構１としては、エンジンや電動モータなどの動力源が挙げられ、車両における他の機構の動力源も兼ねた構成でもよいし、専用の動力源としてもよい。

方向切換弁３は、レバーの操作によって弁位置が切り換わり、中立位置では、管路１１と管路１２、管路１５と管路１６をそれぞれつなぐ状態となり、切換位置では、管路１１と管路１５、管路１２と管路１６をつなぐ状態となる。なお、本実施例では、方向切換弁３として手動式の切換弁を用いているが、電磁弁式やパイロット式など他の方式の切換弁を用いてもよい。

方向切換弁３が中立位置にあるとき、油圧ポンプ２から吐出された圧油は管路１１、方向切換弁３、管路１２を通って圧力変換装置３０に供給される。本実施例に係る圧力変換装置３０は、増圧装置と蓄圧装置（アキュムレータ）の両方の機能を有しており、増圧した油を管路３１を介して油圧被供給回路８に供給可能な状態となる。

また、リリーフ弁４は、油圧ポンプ２からの吐出油の閉じ込みを防ぎ、回路を保護するために設けられている。すなわち、圧力変換装置３０のピストン３０−２が可動限界位置、すなわち、ピストン３０−２の端部３０−２ａが仕切部材３０−５の端部３０−５ａに当たるまで移動した際における油圧ポンプ２からのさらなる吐出油は、管路１３を通ってリリーフ弁４から管路１４を通って油圧タンク６に排出されるようになっている。

＜圧力変換装置＞
図２及び図３を参照して、本発明の実施例に係る圧力変換装置について説明する。図２は、本実施例に係る圧力変換装置の構成の一例を示す模式的断面図であり、図２（Ａ）は、圧力変換装置の全体構成を示す図、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）のＳ部を拡大した図であ
る。図３は、本実施例における仕切部材の構成の一例を示す模式的断面図である。

図２に示すように、圧力変換装置３０は、概略、ケース３０−１（シリンダ）と、ピストン３０−２（第１ピストン）と、仕切部材３０−５と、ピストン３０−１７（第２ピストン）と、を備える。

＜＜ケース（シリンダ）＞＞
ケース３０−１は、略円筒形状の部材であり、作動油の流出入口としてポートＰｈ´、Ｐａ´、Ｐｂ´を有している。ケース３０−１の内周面は、単一の周面で構成されており、各ピストン３０−２、３０−１７との摺動面を含む。ケース３０−１の内周面は、少なくとも摺動部における表面粗さを極力小さくするために、例えばホーニング加工などによって高精度に仕上げられる。また、ケース３０−１の内周面には、環状凹部３０−２３ａ、３０−２４ａが設けられており、仕切部材３０−５外周面との間に環状の内部流路３０−２３、３０−２４が形成されている。

図２（Ａ）に示すように、ケース３０−１の筒状部に形成されるポートＰａ´、Ｐｂ´は、環状凹部３０−２３、３０−２４で開口する。また、図２（Ｂ）に示すように、環状凹部３０−２３ａ、３０−２３ｂの開口縁は、仕切部材３０−５とケース３０−１との間に介装されたシール部材が仕切部材３０−５をケース３０−１に組み込む際に切損等を生じるのを防止するため、テーパ面部３０−２３ａ、３０−２３ｂで構成されている。また、環状凹部３０−２４も環状凹部３０−２３と同様にテーパ面部が形成されている。このテーパ面部により、内部流路３０−２３、３０−２４は十分な断面積を有することができる。

ケース３０−１は、仕切部材３０−５が嵌合されることにより、内部空間が概略二分される。ケース３０−１内部空間が二分されて形成される空間の一方は、吸込口としてのポートＰｈ´がケース３０−１の端部で開口し、ピストン３０−２が配置される空間（第１空間）である。この空間内には、ピストン３０−２と仕切部材３０−５によって油室３０−３、３０−４、３０−２１が画定される。他方の空間は、吐出口としてのＰａ´が開口し、ピストン３０−１７が配置される空間（第２空間）であり、ピストン３０−１７と、仕切部材３０−５によって油室３０−２２と、気体室３０−１６が画定される。

＜＜第１ピストン＞＞
ピストン３０−２は、大径部３０−２ｄと小径部３０−２ｆとを有し、ケース３０−１内を摺動可能に組み付けられる。大径部３０−２ｄは、ケース３０−１の内径と略同径の外周面がケース３０−１の内周面に対して摺動するとともに、ポートＰｈ´が開口する受圧室としての油室３０−３を画定する受圧面３０−２ｂを有する。小径部３０−２ｆは、大径部３０−２ｄよりも小径に構成され、大径部３０−２ｄの受圧面３０−２ｂとは反対側の面から油室３０−３とは反対側に向かって突出している。

＜＜仕切部材＞＞
仕切部材３０−５は、ケース３０−１の内径と略同径の円柱状部材であり、ケース３０−１内周面に取り付けられたストッパ３０−６、３０−７により位置決め固定される。仕切部材３０−５の外周面には環状溝が設けられており、該環状溝に装着されたＯリングなどのシール部材３０−１３〜３０−１５が、仕切部材３０−５外周面とケース３０−１内周面との間を密封する。

仕切部材３０−５は、ピストン３０−２との対向部に、ピストン３０−２の小径部３０−２ｆと同心同径の凹部３０−５ｂが設けられている。凹部３０−５ｂは、小径部３０−２ｆが摺動自在に挿入されるとともに、小径部３０−２ｆの先端面３０−２ｃとの間に増
圧室としての油室３０−４を画定する。また、仕切部材３０−５は、流路３０−８〜３０−１０、逆止弁３０−１１、３０−１２、３０−２５が穿設されている。

流路３０−８（第１流路）は、仕切部材３０−５に油室３０−４と内部流路３０−２４（ポートＰｂ´）とをつなぐ流路を形成し、凹部３０−５ｂ周面と、ケース３０−１の環状凹部３０−２４ａとの対向面（本実施例では、環状凹部３０−８ａが設けられている。）と、にそれぞれ開口する。逆止弁３０−１１（第１逆止弁）は、流路３０−８の途中に設けられ、油室３０−４内の流体圧がタンク６へ逆流するのを防ぐとともに、油室３０−４内の流体圧がタンク圧よりも小さくなったときに、ポートＰｂ´側から油室３０−４へのタンク圧の流入を許容する構成となっている。

流路３０−９（第２流路）は、仕切部材３０−５に油室３０−４と油室３０−２２とをつなぐ流路を形成し、凹部３０−５ｂ底面と、ピストン３０−１７との対向面とにそれぞれ開口する。逆止弁３０−１２（第２逆止弁）は、流路３０−９の途中に設けられ、油室３０−２２から油室３０−４への流体圧の逆流を防止し、また、油室３０−４から油室３０−２２への増圧された流体圧の流入を許容する構成となっている。

逆止弁３０−１１、３０−１２、３０−２５の具体的な構成は特に限定されるものではないが、例えば、図３に示すような従来周知の構成を仕切部材３０−５に一体的に設けてよい。すなわち、鋼球３０−１１ａ、３０−１２ａ、３０−２５ａ、シート３０−１１ｂ、３０−１２ｂ、３０−２５ｂ、ストッパ３０−１１ｃ、３０−１２ｃ、３０−２５ｃからなる構成である。

流路３０−１０は、仕切部材３０−５に油室３０−２２と内部流路３０−２３（ポートＰａ´）とをつなぐ流路を形成し、ピストン３０−１７との対向面と外周面とにそれぞれ開口する。

＜＜第２ピストン＞＞
ピストン３０−１７は、ケース３０−１の内径と略同径の外周面を有し、ケース３０−１内を摺動可能に組み付けられる。ピストン３０−１７は、仕切部材３０−５との間に蓄圧室としての油室３０−２２を画定する。ピストン３０−１７は、気体室３０−１６に設けられたスプリング３０−２０によって、仕切部材３０−５に向かう方向（蓄圧室の体積を縮小する方向）に付勢されるとともに、ケース３０−１内周面に取り付けられたストッパ３０−１８によって、仕切部材３０−５に向かう移動が所定位置で規制される。

気体室３０−１６には、ピストン３０−１７がストッパ３０−１８に到達して容積が最も大きくなった時点で所定の圧力となるように窒素ガスのような気体が封入されている。気体室３０−１６は、バルブを内蔵するヘッドカバー３０−１９により閉止され、必要に応じて排気できるようにもなっている。ピストン３０−１７は、スプリング３０−２０により、気体室３０−１６に気体がない場合でも所定の付勢力で常に付勢されている。

＜＜圧力変換装置の動作＞＞
方向切換弁３が中立位置とされ、油圧ポンプ２から吐出された圧油がポートＰｈ´から油室３０−３に供給されると、タンク圧よりも昇圧された圧油の流体圧を受圧面３０−２ｂで受けてピストン３０−２がケース３０−１内を摺動する。ピストン３０−２は、大径部３０−２ｄの小径部３０−２ｆを囲む環状の端面３０−２ａが、仕切部材３０−５の凹部３０−５ｂの開口部を囲む環状の端面３０−５ａと当接するまで移動する。このとき、油室３０−２１内の油はポートＰｒ´から管路１５、方向切換弁３、管路１６を通ってタンク６に排出される。このピストン３０−２の移動により油室３０−４の容積が減少し、油室３０−４内の油圧が増圧される。油室３０−４内の油圧がどの程度増圧されるかは、
所謂パスカルの定理により、油室３０−３内の負荷圧力の大きさや、ピストン３０−２の大径部３０−２ｄと小径部３０−２ｆの断面積の比の割合などにより決まる。

油室３０−４内で増圧された圧油は、管路３０−９、逆止弁３０−１２を通って油室３０−２２に蓄圧される。油室３０−２２に蓄圧された圧油は管路３０−１０、逆止弁３０−２５、内部流路３０−２３を通ってポートＰａ´より流出し、管路３１を通って油圧被供給回路８へ供給される。油圧被供給回路８への増圧作動油の供給は、油圧被供給回路８側により操作される。すなわち、油室３０−２２に供給された増圧作動油は、そのまま油圧被供給回路８へ供給されるか、一旦、油室３０−２２に蓄積されてから所望のタイミングで油圧被供給回路８へ供給される。

尚、逆止弁３０−２５が回路構成上、省かれる場合は、管路３０−１０、内部流路３０−２３及びシール部材３０−１５を廃し、ポートＰａ´を油室３０−２２へ直接開口させてもよい。

方向切換弁３が切換位置に切り換わると、油圧ポンプ２から吐出された圧油は管路１５を通ってポートＰｒ´から油室３０−２１に供給されると同時に、油室３０−３内の油はポートＰｈ´から流出し、管路１２、方向切換弁３、管路１６を通ってタンク６へ排出される。これにより、ピストン３０−２が油室３０−４の容積を拡大する方向に移動して油室３０−４内が負圧気味となり、油がタンク６より管路２０、ポートＰｂ´から内部流路３０−２４を通り、さらに管路３０−８と逆止弁３０−１１を通って油室３０−４内に吸い込まれる。

油室３０−４から管路３０−９、逆止弁３０−１２を通って圧油が油室３０−２２に流入し、油圧力が作用すると、ピストン３０−１７が移動して気体室３０−１６の容積を圧縮させる。これにより、気体室３０−１６内の圧力が上昇し、油室３０−２２側からピストン３０−１７を押し上げる力と、気体室３０−１６側からピストン３０−１７を押し下げる力と、がバランスする位置まで、ピストン３０−１７が移動する。つまり、ピストン３０−１７の断面積をＡ、ピストン３０−１７に作用する油室３０−２２側の圧力をＰｐ、気体室３０−１６側の圧力をＰｇ、バランスしたときのスプリング３０−２０の付勢力をＦとすると、下記式（１）が成り立つ。
Ｐｐ×Ａ＝Ｐｇ×Ａ＋Ｆ … 式（１）

＜圧力変換装置の他の例＞
図４は、本実施例に係る圧力変換装置の構成の他の例を示す模式的断面図であり、図４（Ａ）は、圧力変換装置の全体構成を示す図、図４（Ｂ）は、仕切部材の構成を示す図である。

図４に示す構成と図２及び図３に示す構成との違いは、仕切部材のケースへの固定手段が異なる点である。その他の基本的な構成や機能は、実施例１と同様であり説明は省略する。

図２及び図３に示す構成では、仕切部材３０−５がケース３０−１にストッパ３０−６、３０−７により固定されているのに対し、図４の構成では、仕切部材３０−５´がケース３０−１´に仕切部材３０−５´のねじ部Ｂにて螺合されている。すなわち、仕切部材３０−５と仕切部材３０−５´の違いは、ねじ部Ｂ（おねじ部）、つば部Ｃの有無、ケース３０−１とケース３０−１´との違いは、めねじ部の有無、及び後者の方がめねじ部を有する分、外径が大きくなっている。また、ピストン３０−２とピストン３０−２´の違いは、後者の方が外径が大きくなっている。油室３０−３と油室３０−３´、油室３０−２１と油室３０−２１´との違いも、後者の方が容積が大きくなっている。いずれも設計
的要因が異なるだけで、基本的な機能は同じである。

＜本実施例の優れた点＞
本実施例によれば、ピストン３０−２による増圧機構と、ピストン３０−１７による蓄圧機構を一つのケース３０−１により一体的に構成することで、流体圧制御装置の回路構成の簡素化、省スペース化、配管や継手等の削減などを図ることができる。また、従来では増圧装置のケースとピストン形アキュムレータのシリンダについてそれぞれ別々に加工していたものを、共通のケースを用いて一体に構成することにより、一度の加工で製造することが可能となる。すなわち、ケース３０−１におけるピストン３０−２の大径部３０−２ｄとの摺動面とピストン３０−１７との摺動面を、略単一の周面で構成することで、この二種類の摺動面を一度の工程により高い精度で加工することが可能となる。したがって、段取り時間等も含め、加工時間、製造コストの低減を図ることができる。

また、従来は別体で構成されていた逆止弁や管路を、仕切部材に一体的に構成することで、各構成要素をつなぐ配管や継手を省くことが可能となり、省スペース化、低コスト化を図ることができる。また、配管や継手を省くことにより圧力損失を低減することができる。

ケース内周面に大きな段差を設けない構成であるため、ケース内周面全体を摺動部として用いることが可能となる。この構成により、先行構成と比べて、段差部による逃がし部分をなくすことができるので、より長いピストンストロークを確保することが可能となり、コンパクトに装置を形成することが可能となる。あるいは、同サイズの装置でも各機構に使用できる容積をより大きく確保することが可能となる。

なお、ケース３０−１の内周面は、単一の周面であることが好ましいが、例えば、ホーニング加工等の表面仕上げの加工において、一工程での加工に影響を与えない範囲であれば、多少の段差部を設けてもよい。

また、本実施例では、作動流体として油を用いた油圧制御装置を例に挙げて説明したが、油以外の液体（流体）を用いる流体圧制御装置においても本発明が適用できることは言うまでもない。

１ 駆動機構
２ 油圧ポンプ
３ 方向切換弁
４ リリーフ弁
６ 油圧タンク
８ 油圧被供給回路
３０ 圧力変換装置
３０−１ ケース（シリンダ）
３０−２ ピストン（第１ピストン）
３０−５ 仕切部材
３０−１７ ピストン（第２ピストン）

Claims (2)

1. 流体圧を増圧するとともに増圧した流体圧を蓄圧可能な圧力変換装置であって、
   流体圧供給部から流体圧が供給される吸込口と、増圧した流体圧を外部へ供給するための吐出口と、を有するシリンダと、
   前記シリンダ内に前記吸込口が開口する受圧室を画定するように前記シリンダ内を仕切る大径部と、前記大径部よりも小径で前記大径部に対して前記受圧室とは反対側に向かって突出する小径部と、を有し、前記シリンダ内を摺動可能な第１ピストンと、
   前記シリンダ内を、前記第１ピストンが配置され前記吸込口が開口する第１空間と、前記吐出口が開口する第２空間と、に仕切る仕切部材であって、摺動自在に挿入される前記小径部との間で増圧室を画定する凹部と、前記流体圧供給部と前記増圧室とをつなぐ第１流路と、前記第１流路に設けられた前記増圧室から前記流体供給部への流体圧の流れを防ぐ第１逆止弁と、前記増圧室と前記第２空間とをつなぐ第２流路と、前記第２流路に設けられた前記第２空間から前記増圧室への流体圧の流れを防ぐ第２逆止弁と、を有する仕切部材と、
   前記シリンダ内の前記第２空間側に摺動可能に設けられ、付勢部材によって前記仕切部材に向かう方向に付勢されるとともに、前記仕切部材との間に容積可変の蓄圧室を画定する第２ピストンと、
   を備えることを特徴とする圧力変換装置。
2. 前記シリンダにおける前記第１ピストンの前記大径部との摺動面と前記第２ピストンとの摺動面は、単一の周面で構成されることを特徴とする請求項１に記載の圧力変換装置。

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