JP6294318B2 - バルブ、特にパイロット式比例方向切換シートバルブ - Google Patents

Description

本発明は、流体入口と流体出口とを有する弁ハウジングを有しており、流体入口と流体出口との間の流体の流れはメインピストンにより調節可能であり、メインピストンの後側に操作装置によって可動なパイロット閉止部材を備えたパイロット弁室が設けられており、パイロット弁閉止部材によってパイロット弁室と流体出口との間の流体の流れが調節可能であり、流体入口と前記パイロット弁室との間に流入オリフィスが配置されているバルブ、特にパイロット式比例方向切換シートバルブ(Vorgesteuertes Proportional-Wegesitzventil)に関する。

フォークリフトにおける荷重用フォークの比例的荷重下降は、しばしば連続的な開放挙動を有するシートバルブによって誘発される。そのようなシートバルブは直接操作されるか、又はパイロット制御されてもよい。フォークリフト製造者は非常に少量の漏れのみ許容する所謂「リフト密な」荷重挙動が求められるため、シートバルブの使用は特に必要である。油圧回路における漏れを回避することにより、荷重用フォークが荷重の有無にかかわらず独立して降下できないことが確保されており、それは安全上の問題である。

公知の解決において荷重に依存しない最大体積流量制限は、油圧回路の他のコンポーネントと直列に接続された定体積流量レギュレータによって引き受けられる。このようにすることによってその時々の荷重圧力にかわらず荷重用フォークの最大下降速度を超えてはならないという要求が満たされる。従来公知の制御装置の問題点は、空荷時に荷重用フォークが下降する際に、油圧流体を作動シリンダ（プランジャシリンダ）から油圧回路の構成要素であるタンクに還流するために、リフトマストにおいて特に荷重用フォークの形態を取る可動部の自重しか利用できない点である。特定のリフトマストの形態ではシリンダにおける圧力は１ＭＰａ（１０ｂａｒ）より小さい値まで低下する可能性がある。下降時に通過しなければならないコンポーネントが多くなる程、形成される体積流量はより少なくなる。この場合に公知の定体積流量レギュレータは、少なくとも０．７ＭＰａ（７ｂａｒ）の制御圧力差が形成され得るようにその流入オリフィスを小さく選択しなければならないので、非常に大きな障害をなす。制御圧力がこれより小さいと、作動装置の油圧回路において不安定な挙動を招く可能性があり、同様に安全上の理由から甘受できない。更にたとえ制御圧力差が小さくても顕著な下降速度の低下があってはならない。最大体積流量制限の使用は更に、最大体積流量制限から特性曲線に戻る際に不利な反発が生じるという問題点があり、それは荷重用フォークの非連続的な動きとなって気付かれるが、これも別の安全上の問題となり得る。最後に直列に接続された流量レギュレータは少なからぬ圧力損失を有し、それが荷重の降下を著しく遅くする。

加えて、使用者は体積流量レギュレータに対して下降する特性曲線を求める。これにより安全上及び実用上の理由から荷重の増加に伴い下降速度は等しいか、又は減少することが確保される。これが公知の制御装置において定体積流量レギュレータを介して行われると、これは同様に原理的に油圧回路内部の不安定さが増すことにつながる。

直列に接続された最大体積流量レギュレータを用いる解決に対する代替案として、本願の出願人により、油圧回路において比例方向切換シートバルブと圧力計が直列に接続されている制御装置が開示された（例えば、特許文献１参照。）。その後、これらの解決案の使用者の側から更に廉価で設置スペースを節約するバルブに対する更なる要求が出た。

独国特許出願第１０１０２４０９号

それゆえ、本発明の課題は、実質的に漏れがなく、下降速度がその時々の荷重圧力に依存せず、１ＭＰａ（１０ｂａｒ）より小さい圧力差で下降速度が顕著に低下することなく作動し、その上廉価でわずかな設置スペースしか要求しないバルブ、特にパイロット式比例方向切換シートバルブを提示することである。

この課題は、請求項１の特徴を有するバルブ、特にパイロット式比例方向切換シートバルブによって解決される。バルブの有利な実施形態は従属請求項から明らかである。

本発明の核心思想は、流量レギュレータをバルブに統合することである。それゆえ本発明に従い流入オリフィスの開口断面は制御要素によって縮小可能である。流入オリフィス断面が縮小されると、パイロット弁室内の圧力は低下する。この方策により、パイロット弁座における調整に加えてメインピストンの開放行程を能動的に制御することが可能である。流体入口と流体出口との差圧が小さい程、バルブの開放行程はより大きくなるように調整できる。これにより追加の流量調節機能が可能になる。この解決策により追加の直列に接続された定体積流量レギュレータ又は同様に直列に接続された圧力計が節約される点が有利である。このようにすることによって製造コストは減少し、必要な設置スペースははるかに小さくなる。

後段に体積流量レギュレータ又は圧力計が接続された公知の解決策におけるように全流体の流れの代わりに、パイロット弁室を通過する流体のみが体積流量に関して調節されることによって、圧力損失は減少し、ひいては効率が高まる。

従って、メインピストンの開放行程をバルブの差圧に依存させることが可能である。差圧が大きい程、バルブの開放行程をより小さく調整できる。それにより追加の流量制御エッジはなく流入測定オリフィスだけで済む流量調節機能が可能である。定流量レギュレータによって指定されたパイロット流体量が流入測定オリフィスを通過できるように、差圧によってそれぞれ異なる大きさのオリフィス断面が開かれなければならない。荷重に依存して可変な流入測定オリフィスの開口断面は、バルブを通る荷重に依存しない体積流量のための前提である。

制御要素がパイロット弁閉止部材に付属していることが好適である。制御要素は例えばパイロット弁閉止部材に設けた半径方向突出部として形成されてよい。従って、パイロット弁閉止部材を軸方向に動かすか、又は回転運動させることによって流入オリフィスの開口断面を変えることができる。これにより制御要素のために別個の制御装置が設けられなくてよい。

特に有利には、制御要素はパイロット弁閉止部材に設けたカラーとして形成されており、カラーは少なくとも１個の圧力逃し孔を有する。カラーとはパイロット弁閉止部材に設けた環状突出部又はフランジである。この形状設計の利点は、パイロット弁閉止部材がメインピストンに対して追加的にセンタリングされ、パイロット弁閉止部材に設けた突出部が絶えず流入オリフィスに対して位置合わせされていることである。外周に配設された複数の圧力逃し孔が設けられてもよい。

特に有利な実施形態において流入オリフィスは複数のオリフィス孔を有しており、少なくとも１個のオリフィス孔の開口断面は制御要素によって縮小可能である。流入オリフィスを複数のオリフィス孔に分割することにより、流入オリフィスを複数の開口段階で切り替えることが非常に簡単に可能になる。更にオリフィス孔は好ましくは等しい直径を有する。しかしまたオリフィス孔は、バルブの制御挙動をその時々の種々異なる荷重圧力に適合させるために、及び制御に直線性から逸脱した特性を与えるために、種々異なる直径を有することもできる。

オリフィス孔はメインピストン内に軸方向及び／又は周方向で互いにずらして配置されていることが好都合である。オリフィス孔をこのように配置することにより、パイロット弁閉止部材を用いて開口断面を縮小することが更に容易になる。パイロット弁閉止部材をメインピストンに対して相対的に軸方向に変位させることにより、軸方向で相前後して置かれている１以上のオリフィス孔を閉じることができる。更に、オリフィス孔は種々異なる直径のセクションを有するため、オリフィス孔は外周に配設されるとより簡単に形成できる。このようにすると複数の同心的に配置されたオリフィス孔によるオリフィス孔の重なり又はメインピストンの壁の薄肉箇所が回避される。

流体入口と流入オリフィスとの間に隙間オリフィスが設けられていることが好都合であり、隙間オリフィスは好ましくは弁ハウジングとメインバルブピストンとの間の環状隙間の形態で形成されている。隙間オリフィスは濾過機能を有する。これはパイロット弁の下流側にあるユニット内に流体の粒子が侵入するのを防ぐものである。このようなことが起きるとパイロット弁が詰まり、ひいてはバルブ全体が故障することにつながる可能性がある。

特に好適な実施形態において、メインピストンにおいてパイロット弁室と流体出口との間の流出路に最大体積流量レギュレータが設けられている。最大体積流量レギュレータにより流出するパイロット流体の流れは荷重に依存することなく調節できることが有利である。このようにすることによってパイロット弁室内の圧力が高められて、メインピストンの開放行程は荷重圧力に依存して減少される。従って、例えばフォークリフトの荷重用フォークに高い荷重が掛けられて高い荷重圧力が生じると、バルブはより小さく開く。こうして荷重用フォークの下降速度は有利に低下される。最大体積流量レギュレータをメインピストンに統合することにより、事実上追加の設置スペースは必要とされない。従って、調節要素が後段に接続された従来技術の解決策に対して、設置スペースが著しく節約される。

最大体積流量レギュレータは制御ピストンを有することが好ましく、この制御ピストンは前側ではパイロット室から流出する流体の圧力によって付勢され、後側ではばねによって付勢されている。加えて制御ピストンは後側でばね室内の圧力（これは流入オリフィスによって減じられた圧力である）によって付勢されてもよい。この構造は、有利には一方の方向にしか動かない最少の部材で済むという利点を有する。それゆえそのような最大体積流量レギュレータは簡単に製造可能及び調整可能である。

更に制御ピストン内に流体通路が設けられてよく、制御ピストン内の孔とメインピストン内の孔によって最大体積流量レギュレータの制御エッジが形成されることができ、その際に制御エッジによって制限される開口断面は制御ピストンの位置に依存している。従って、最大体積流量レギュレータの絞り機能は特別簡単に提供される。

流体通路は制御ピストンに横方向の流入口を有することが有利である。

制御ピストンはメインピストンの軸方向孔に挿入され、好ましくはエンドキャップによって軸方向孔内に保持されてよい。この配置構成は特に効率的に製造可能であり、設置スペースを節約して実現可能である。

メインピストンはパイロット弁閉止部材を介してばねにより閉止位置に付勢されているようになっていることが有利である。これによりバルブは中立位置でほぼ漏れがなく、そのため例えば長時間停止している間に荷重用フォークが下降しないことが保証される。更にパイロット流体の流れの中断時には制御ピストンの後側に流体入口における荷重圧力が作用し、それによってメインピストンの閉鎖力が強められて流体入口と流体出口との間に非常に良好な封止作用が達成される。

パイロット弁閉止部材は操作装置によってパイロット弁座から引き抜き可能である。この操作装置の引抜き式の構成は上述した安全上の観点からも有利である。
以下に本発明を図示した実施例に基づいて詳細に説明する。図１から図３は本発明によるバルブを３通りの切替え状態で示している。

図１はバルブが閉じた中立位置を示す。 図２は図１のバルブを生じている荷重圧力が低い状態の作動位置において示す。 図３は図１のバルブを生じている荷重圧力が高く、メインピストンの開放行程が調整された、即ち小さくされた状態の作動位置において示す。 図４は、流体入口の領域におけるメインピストンの一部を縦断面図で示す。

図１から図３において、バルブ１はカートリッジ構造のパイロット式比例方向切換バルブとして構成されている。この形態は慣用的な比例方向切換シートバルブから出発し、これに縮小可能な流入オリフィス３及び最大体積流量レギュレータ５が組み込まれた。

バルブ１は詳しく図示されないバルブブロック内に挿入可能である。そのために弁ハウジング７は外周面９上で段状に細くなるように構成されており、個々の段は六角段１１、ねじ山付き段１３及び単純な段１５として構成されていて、環状のリングシーリング１７、１９によって密封されている。弁ハウジング７は横方向の流体入口２１と底部側の流体出口２３を有する。弁ハウジング７の軸方向孔２５にはメインピストン２７が挿入されている。メインピストン２７によって流体入口２１と流体出口２３との間の流体の流れが調節可能である。

メインピストン２７の後側２９にはパイロット弁３１が設けられている。パイロット弁３１は、メインピストン２７内でパイロット弁座３５と協働するパイロット弁閉止部材３３を包含している。

パイロット流体がパイロット弁室３７に流入するのを制限するために、メインピストン２７内に流入オリフィス３が設けられている。流入オリフィス３は複数のオリフィス孔３９、４１を有する。各オリフィス孔３９、４１は２個のセクション４３、４５を有する。半径方向外側のセクション４３ではオリフィス孔３９、４１の直径は、内側のセクション４５におけるより大きい。オリフィス孔３９、４１はメインピストン２７内に軸方向及び周方向でずらして配置されている。すべてのオリフィス孔３９、４１はメインピストン２７の環状の外周溝４７を介して一様にパイロット流体が供給される。流入オリフィス３の開口断面を縮小するために、パイロット弁閉止部材３３に制御要素４９がカラーの形態で設けられており、このカラーによりオリフィス孔３９、４１はパイロット弁閉止部材３３のメインピストン２７に対して相対的な軸方向位置に依存して縮小又は全閉可能である。パイロット弁閉止部材３３がメインピストン２７から大きく引き出される程、流入オリフィス３の開口断面はより小さくなる。カラー４９は外周に配設された圧力逃し孔５１を有する。この形状設計によりカラー４９に基づくパイロット弁閉止部材３３の制御挙動はごくわずかしか変化しない。流入オリフィス３はパイロット弁座３５の近傍に又は軸方向により大きく離して設けられてよい。流入オリフィス３がパイロット弁座３５に十分近く配置されると、パイロット弁３１の制御範囲と流入オリフィス３の開口断面制御の制御範囲が重なる。十分大きく離した場合、パイロット弁閉止部材３３は流入オリフィス３の開口断面が縮小する前に、最初にパイロット弁座３５が完全に開くまでパイロット弁座３５から離れる。

流入オリフィス３には追加的に隙間オリフィス５３が付属している。隙間オリフィス５３は流体入口２１と流入オリフィス３との間にあり、メインピストン２７と弁ハウジング７との間の環状隙間５５によって形成されている。隙間オリフィス５３は濾過機能を有する。これは流体の比較的大きい粒子がパイロット弁３１内に侵入して弁を詰まらせるのを防ぐためである。このようなことが起きるとバルブ１の故障を招くことが避けられない。

パイロット弁閉止部材３３は円錐形先端部５７を有しており、これに適合させてメインピストン２７の軸方向孔６１の端部５９に設けたパイロット弁座３５と協働する。パイロット弁閉止部材３３はディスク６５と止め座金６７とを介してパイロット弁閉止部材３３に支持された剛性ばね６３によって付勢されている。これにより操作装置６９の非作動時においてバルブ１は閉止位置（図１）に予圧されている。

操作装置６９は、通流時にパイロット弁閉止部材３３をパイロット弁座３５から引き抜くために引抜き式操作装置６９として構成されている。

パイロット弁座３５の下流側ではメインピストン２７内に最大体積流量レギュレータ５がある。最大体積流量レギュレータ５はパイロット室３７と流体出口２３との間の流出路７１内に配置されている。最大体積流量レギュレータ５は制御ピストン７３を包含しており、この制御ピストン７３は前側７５ではパイロット流体の流れによって付勢され、後側７７ではばね７９によって反対方向に付勢されている。制御ピストン７３は測定オリフィスとして働く横方向の流入口８３を備えた流路８１を有する。従って、パイロット流体は制御ピストン７３内に進入して、制御ピストン７３とメインピストン２７内で制御オリフィスを形成する半径方向孔８５、８７を通って流体出口２３に流出できる。測定オリフィスは流量調節機能を有する。制御ピストン７３の後側７７は、孔８５、８７によって形成された制御オリフィスの開口位置に応じて制御オリフィスによって低下されたた圧力によって付勢されている。この場合、制御ピストン７３とメインピストン２７内の孔８５、８７は、最大体積流量レギュレータ５の制御エッジを形成し、これらの制御エッジは制御ピストン７３の位置に応じて開口断面を制限する。ばね７９は制御ピストン７３の凹部８９とメインピストン２７内に固定されたエンドキャップ９３の凹部９１との間に位置決めされている。構造を可能な限り単純にするために、制御ピストン７３は軸方向孔６１メインピストン２７内に挿入されている。エンドキャップ９３は軸方向孔６１の雌ねじ９５ねじ込まれているか、又は軸方向孔６１内に締め付けて保持されている。

加えてメインピストン２７の開放行程の調整可能な最大制限が設けられている。操作装置６９における機械的に調整可能な最大行程制限を用いて、バルブ１の最大体積流量を操作装置６９の磁力とは独立に機械的に調整することが可能である。

図４に流体入口２１の領域におけるメインピストン２７の部分が示されている。メインピストン２７は流体出口２３に向う方向で円錐形のメインバルブ面９７に直接当接した状態でＶ字形に形成された環状狭隘部９９を装備されている。

このようにすることによって、開放行程が一方では操作装置６９に依存し、他方では流体入口２に生じている荷重圧力に依存するバルブ１が提供される。高い荷重圧力の結果として、開放行程は小さくなる。荷重圧力が小さくなり過ぎると、流入オリフィス３の拡大により開放行程を大きくすることができる。これにより圧力差が小さい状態でも一様な体積流量を保証してその時々の荷重圧力に依存しない、漏れのないバルブ１に対する要求が満たされる。

本発明による解決案は、体積流量制御機構を統合することにより、慣用的な比例方向切換シートバルブの後段に最大体積流量レギュレータ又は圧力計が接続された公知の解決案に比べて、必要とされる設置スペースが少ない。最後に廉価に製造することも可能である。

Claims (14)

1. バルブ、特にパイロット式比例方向切換シートバルブであって、弁ハウジング（７）と流体入口（２１）と流体出口（２３）とを有しており、該流体入口（２１）と該流体出口（２３）との間の流体の流れはメインピストン（２７）により調節可能であり、該メインピストン（２７）の後側（２９）には操作装置（６９）によって可動なパイロット弁閉止部材（３３）を備えたパイロット弁室（３７）が設けられており、前記パイロット弁閉止部材（３３）によってパイロット弁室（３７）と流体出口（２３）との間の流体の流れが調節可能であり、前記流体入口（２１）と前記パイロット弁室（３７）との間に流入オリフィス（３）が配置されており、
   前記流入オリフィス（３）の開口断面は制御要素（４９）により縮小可能である、バルブにおいて、
   前記流入オリフィス（３）は複数のオリフィス孔（３９、４１）を有しており、少なくとも１個のオリフィス孔（３９、４１）の開口断面は前記制御要素（４９）により縮小可能であり、前記流入オリフィス（３）は、前記流入オリフィス（３）を複数のオリフィス孔に分割することにより、前記流入オリフィス（３）を複数の開口段階で切り替えることができる、ことを特徴とするバルブ、特にパイロット式比例方向切換シートバルブ。
2. 前記制御要素（４９）は前記パイロット弁閉止部材（３３）に付属していることを特徴とする請求項１に記載のバルブ。
3. 前記制御要素（４９）は前記パイロット弁閉止部材（３３）に半径方向突出部として形成されていることを特徴とする請求項１に記載のバルブ。
4. 前記制御要素（４９）は前記パイロット弁閉止部材（３３）にカラーとして形成されており、該カラー（４９）は少なくとも１個の圧力逃し孔（５１）を有することを特徴とする請求項３に記載のバルブ。
5. 前記オリフィス孔（３９、４１）は等しい直径を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のバルブ。
6. オリフィス孔（３９、４１）はメインピストン（２７）内に軸方向及び／又は周方向で互いにずらして配置されていることを特徴とする請求項５に記載のバルブ。
7. 前記流体入口（２１）と前記流入オリフィス（３）との間には隙間オリフィス（５３）が設けられており、該隙間オリフィス（５３）は好ましくは弁ハウジング（７）とメインバルブピストン（２７）との間の環状隙間（５５）の形態で形成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のバルブ。
8. 前記メインピストン（２７）内で前記パイロット弁室（３７）と前記流体出口（２３）との間の流出路内に最大体積流量レギュレータ（５）が設けられていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載のバルブ。
9. 前記最大体積流量レギュレータ（５）は制御ピストン（７３）を有しており、該制御ピストン（７３）は前側（７５）ではパイロット弁室から流出する流体の圧力によって付勢され、後側（７７）ではばね（７９）によって付勢されていることを特徴とする請求項８に記載のバルブ。
10. 前記制御ピストン（７３）内に流体通路（８１）が設けられており、前記最大体積流量レギュレータ（５）の制御エッジは前記制御ピストン（７３）と前記メインピストン（２７）内の孔（８５、８７）によって形成されており、制御エッジによって制限される開口断面の大きさは前記制御ピストン（７３）の位置に依存していることを特徴とする請求項９に記載のバルブ。
11. 前記流体通路（８１）は前記制御ピストン（７３）に横方向の入口開口部（８３）を有することを特徴とする請求項１０に記載のバルブ。
12. 前記制御ピストン（７３）は前記メインピストン（２７）の軸方向孔（６１）内に挿入されており、好ましくはエンドキャップ（９３）によって該軸方向孔（６１）内に保持されていることを特徴とする請求項９〜１１のいずれか一項に記載のバルブ。
13. 前記メインピストン（２７）は前記パイロット弁閉止部材（３３）を介してばね（６３）により閉止位置に付勢されていることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項に記載のバルブ。
14. 前記パイロット弁閉止部材（３３）は前記操作装置（６９）によりパイロット弁座（３５）は引き抜き可能であることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一項に記載のバルブ。

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