JP6778252B2 - 迅速切り替え３／２直接運転水力方向コントロールバルブ - Google Patents

Description

液体の流れを支配するためのバルブに関する。

水力方向コントロールバルブは種々のポート間で流れを方向づける弁である。 それらはポートの数とポジションを操作する番号によって定義される。すなわち３/２のバルブとは、３つのポートと２つの作動ポジションを持つ弁を意味する。 水力方向コントロールバルブは、それらが取る作動ポジションに従って流れを方向づける。 例えば、もしバルブが４つのポートを持っているなら、それらの１つが圧力供給に接続し、２つ目はタンクに接続する。そして他の２つは水力アクチュエーター側に接続し、このバルブは限りなく多くの作動ポジションを備えているす。インプットシグナルがないとき、そのすべてのポートが最初のポジションで閉じられている、３つの作動ポジションのバルブを想定すると、アクチュエーターは止まってしまう。もし他がタンクに接続している間に、一つのアクチュエーターサイドが圧力供給ラインに接続している他の一つのポジションへバルブをシフトするインプットシグナルが入れられると、アクチュエーターは一方向で動くだろう。そしてもし方向コントロールバルブを３番目のポジションにシフトするインプットシグナルが入れられると、バルブポートの間の接続は反転させられ、そしてアクチュエーターは他の方向に動くだろう。 もしそれが直接操作されるか、あるいは、パイロットバルブがメインステージを動かすところで操作されるなら、バルブの中央位置から他の作動ポジションまでのシフト時間は、そのドライブタイプにもよるが、１０分の１秒にまでなるかもしれない。 これらのバルブの一般的なタイプは、必要とされる機能性に従って、スプールのランドが種々のポートの間に連結する、または分離するスプールバルブである。

完開に達する前に、それらのスプールが無数のポジションを想定、維持することができるという点で、水力サーボバルブは水力方向コントロールバルブとは異なる。そしてそれにより部分的な接続を提供することができる。 この方法によって、方向制御脇のフローレートと／または圧力の正確な制御を達成することができる。 そのうえ、スプールは１０分の１秒の代わりに１００分の１秒でフルのストロークに達することができる。 この精度と高い応答速度は、同じ大きさの水力方向コントロールバルブの生産コストと同様に、高い生産コストを伴う正確な製造を必要とする。

必要条件を大目に見るサーボバルブと比較して、無数のポジションであるがより低い精度と応答速度を有する３番目のタイプの水力方向コントロールバルブもある。 これらのバルブは水力均衡方向コントロールバルブと呼ばれる。 それらの製造における正確さの必要条件は、サーボバルブのものにはとうてい及ばず、サーボバルブと比較した生産量と運転コストは、かなり少なくおさえられている。 油圧系統の中で均衡方向コントロールバルブは、多くの従来の水力バルブに取って代わることができる。

水力アクチュエーターの動きの迅速かつ正確なコントロールを実現するために、均衡かつ迅速な弁の切り替えサーボのバルビングエレメントの反応速度は、非常に高くある必要がある。 これらのスピードは、弁のインプットシグナルを受信し、バルビングエレメントの機械的転置に変換する、通常は電子機器である、バルブのアクチュエーターの能力によって常に制御されている。 力またはトルクであるアクチュエーターの能力は、バルビングエレメントの動きに抵抗する、摩擦、圧力と流力のような力に打ち勝たなくてはならない。 そのうえ、それを動かすためのバルビングエレメント慣性をしのぐことにおいては、アクチュエーター力またはトルクからの残りを利用する。バルビングエレメントはポートの接続コントローラーであり、そのスピードはバルブの応答速度を決定している。

流力はバルビングエレメント転置に抵抗する力のかなりのパーセンテージを占める。 もし制御されたフローレートが増加すると、しのごうと抵抗している流力も同じく増加し、そして電気アクチュエーターがバルビングエレメントに取って代わることはできないかもしれない。 この場合、ツーステージバルブが使用されるべきで、少しのパイロットステージが、インプットシグナルを受け取り、アクチュエーターをコントロールするメインステージを運転する。 これはバルブ応答速度を低下させる。フローレートのさらなる増加は、バルブ応答速度に悪い影響を及ぼす、バルブのステージ数の増加を必要とする。 バルブのフローレートキャパシティとその応答速度を増加させることは、必要とされるステージの数を減らし、メインまたはパイロットバルブとしての使用時のバルブパフォーマンスを改善する。

既存の３/２バルブは、その２つのポジションの１つで１つのポートを閉じ、他のポジションへの切り替え時に、もう１つのポートを閉じるポペットあるいはスプールを組み込んでいる。 ３番目のポートは、各ポジションにてカバーされていないポートに接続し、ポジションの切り替え時に、接続は反転する。 速い反応を保証するために、ポペットあるいはスプールは、最も少ない容量と慣性を持っているべきであり、短いストローク距離で２つのポジションの間を行き来するべきである。 １つのポジションに向かっての運動はアクチュエーターによって引き起こされ、一方戻りは、圧力またはスプリング力、あるいは、これらの２つの力の両方によって起こる。より高い応答速度が想定される圧電性のアクチュエーターのようであるが、必ずしもそうではない、高い力と短いストロークのアクチュエーターの使用を、短いストローク距離が可能にする。この発明では、ポペットまたはスプールの２つのサイドにおいて高い供給圧力が適用されるが、それは似ているが同等ではない２つのサイドのエリアを伴い、２つのメリットがある。 結果的な圧力は小さいエリアの相違のみに対して起こるので、まずアクチュエーター力あるいはトルクが、高い供給の圧力に打ち勝つために、動きへの抵抗を小さくすることを必要とする。 それはその２つのサイドでの圧力の差の対象ではなく、その厚みを減らすことができるので、２番目のメリットは、ポペットまたはスプールの厚みとその結果的慣性がかなり減少し得ることである。

３ポートバルブの特殊な例として、２つのポートのみが２/２バルブコンフィギュレーションを持つために使われることがある。一方、もし２-作用圧力またはスプリングの利用可能な圧力が、必要とされる迅速なリターンストロークを与えることができなければ、３番目はそれ以上のパイロットポートとして使用されるために高気圧ラインに接続される。
適当な材料がそのデザインで使われれば、既存のバルブは、水力コントロールバルブとして使用されるように、さまざまな工業アプリケーションで空気圧のコントロールバルブあるいはコントロールバルブとして使用できる。

図１は、バルブとその主要部分を示すバルブ設計の例での縦断片を表している。 このデザインは、ハウジング（１）、２つのシートの間で作動するポペット（２）つまりハウジング（１）上の一つとパート（３）上のもう一つから成る。ポペット（２）は、図に示されるように、その容量とその慣性を減少させるために、空洞（９）にもなり得る。ホール（１０）がポペット容量の減少およびいくつかのその部分の結果的な間伐を助けるために、両側に同じ圧力がかかるようになっている。ポペットがハウジング内のそのシートで（あるいはハウジングに添付された中間のシートの上で）休むとき、ポート（６）はポート（５）と接続し、そしてポペットがパート（３）で（あるいはこのパートに添付された中間のシートの上で）休むとき、ポート（６）はホール（１０）を通してポート（４）に接続する。 アクチュエーター（１１）がポイント（１２）でポペット（２）を押す。

液体はアクチュエーターに漏れるべきではないので、ポート（７）が導入されて低プレッシャーでタンクへの漏れを排出するために使われ、そして適切な低プレッシャーシーリングが導入される。

ポペット部とその周辺のズームを図２に示している。 ポート（４）に接続した液体の圧力はエリア（１３）に作用し、アクチュエーターに向かって作用する力を生む。一方で同じ圧力がエリア差（１５マイナス１６）に適用し、そしてアクチュエーター力の同じ方向に作用する力を生成する。 もしエリア（１３）がエリア差（１５マイナス１６）より大きいと、結果的な力はアクチュエーターに向かって作用する。ポート（５）に接続された液体の圧力は、アクチュエーターに向かって作用するエリア差（１３マイナス１４）に力を適用する。 ポート（５）はタンクに接続することも出来、結果的な力はゼロに近づく。ポート（４）は、供給される大きな圧力を伴って、接続されて、そしてポペットは、ポペットをパート （３）のシート上で休むように押すエネルギーがアクチュエーターに与えられるときを除いて、ハウジング（１）のシート上で常に休む。

図３は、供給される大きな圧力の効果の下、ポペットが、ポート（４）を通して接続され、ハウジング（１）のシートで休んでいる様子を示している。このポジションで、矢印（１７）によって表されるように、液体はポート（６）から来て、矢印（１８）によって表されるようにポペット（２）とパート（３）の間のギャップを通過し、矢印（１９）が示すようにポート（５）を通ってタンクに排出される。

図４は、エネルギーがアクチュエーターに与えられる効果の下、ポペットがパート（３）のシートで休む様子を示している。この位置では、矢印（１９）によって表されるように、液体はポート（４）から入って、矢印（２０）によって表されるように、ホール（１０）を通過し、水力の負荷に向かって矢印（２１）によって表されるように、ポペットとハウジング（１）の間のギャップからポート（６）へ出て行く。

もしポート（４）が高圧ラインに接続していないか、あるいは正当に速いスピードでポペット（２）を追い出すのには十分に高くない圧力であるならば、この目標を達成するためにはスプリングを使用する。 このケースの例が図５に示され、そこではらせん形のスプリング（２２）が使われている。
バルブは、ポート（５）をふさぐことによって、ポート（４）と（６）の２つのみで稼働することができる。

図６に示されるように、バルブは２つのみのオペレーティングポートを持つことができる。（２３）によって示されるように、ポペットとハウジング（１）の間の肯定的な重複は、２つの作動ポジションのいずれででも、ポート（４）と（６）の間のいかなる接続をも防ぐ。 この場合、もしそれがスプリングまたは他の手段によって取って代わられるなら、ポート（４）はポペットに取って代わるために高圧ラインに接続されたり、あるいはポペットの動きを容易にするためにタンクに接続されたりする。もしポペットの２つのサイドのエリアであるなら、ポペットの動きに抵抗しないように、ポートをふさぐか、あるいは完全にそれを取り去ることもまた可能である。

図７は、バルブの３ポートを２つのバルブ作動ポジションのうち一つに相互接続するため、（２４）によって示されるようにポペットサイドの１つでのマシン開設の方法を示している。つまり、この場合は、アクチュエーターがエネルギーを与えられていないときである。

液体の通過がポペットの端に形成されるコントロールオリフィスとこれらのエッジの長さが、これらのオリフィスのエリアと結果的なバルブの最大フローレートを決定する。円形の形が最も短い周を有するので、異なった形でポペットを形づくることは周を伸ばす。 その外径を増やさずにコントロールオリフィスエリアを増やすことの例として、図８は、波状のエッジの ポペット（２５）を示している。

図９は、ホール（１０）を通してポペットの２つのサイドを結ぶために、どのように１つ以上を使用するかを示している。
流れがポペットを通過するとき、流れ方向転換に帰せられる反応は動いているパートによってサポートされないことがあるので、この形状は有用である。そしてポペットはより低い力の対象となる。 ホールを通るこれらは、それを通して液体を引き渡し、ポペットの両側に同じ圧力をかけることを可能にする。ポペットの両側に同じ圧力をかけることは、それらのバランスをとろうとして−これは最も重要な基準である−力を減らす。しかし流れを渡すことは、流れがポペットから離れて異なった道を通過することができることほど、重要ではない。

ポペットに代わる選択肢として、図１０に示されるように、スプール（２）が使われる。 スプールはポペットのように作用するが、その直径は、わずかな違いだけで、そのシートと同じである。ポペットがそうであるように、スプールはこの場合固くポートを閉じることができない。しかしそれはすべてが閉鎖するのに合わせて、シートにあたらずに稼働する。

図１は、バルブの主要部分を示した縦断片である。 図２は、ポペットの２つのサイドの異なったエリアとそこにかかる圧力を示し、縦断片でのポペット部とその周辺のズームである。 図３は、アクチュエーターがエネルギーを与えられていないときに、稼働ポジションの１つにおけるポート接続と分離を示している。 図４は、アクチュエーターがエネルギーを与えられたときに、他の稼働ポジションにおけるポート接続と分離を示している。 図５は、ポペットに代わる、または代わってアシストをするスプリングの使い方を示している。 図６は、バルブポートの相互接続のさまざまな可能性の例を示している。 図７は、２つの稼働ポジションのうちの一つにどのようにすべてのポートが接続出来るかを示している。 図８は、ポペットの外径寸法を引き上げずに、どのようにコントロール口エリアを増やすかを示している。 図９は、中央の代わりにポッペトの両側の間の多くのホールの使い方を示している。 図１０は、ポッペトの代わりにどのようにスプールを使うかを示している。

作動ポジションの切り替え応答の速いこれらのバルブは、水力のコントロールシステム、特に高い正確性と高い応答速度を必要としている分野で使用できる。 これらのバルブは、パルス幅変調（PWM）テクニックを使い、デジタル水力アプリケーションやアナログ水力コントロールシステムに適用される。 それらは、方向性、均衡性を操作するパイロットやサーボバルブでのパイロットステージとしての使用にも適している。
アプリケーションは、水力のコントロールシステムに制限されないだけでなく、それらはさまざまな工業アプリケーションで種々の液体制御バルブとしての適用も可能である。

１：ハウジング
２：ポペット
３：パート
４：ポート
５：ポート
６：ポート
７：ポート
９：空洞
１０：ホール
１１：アクチュエーター
１２：ポイント
１３：エリア
１７：矢印
１８：矢印
１９：矢印
２０：矢印
２１：矢印
２２：スプリング
２３：ポペットとハウジング（１）の間の肯定的な重複
２４：ポペットサイドの１つでのマシン開設の方法
２５：波状のエッジの ポペット

Claims (10)

1. 切り替え能をもつ方向コントロールバルブであって、
   第１の稼働ポジションおよび第２の稼働ポジションの２つの稼働ポジションの間で作動するポッペトおよびスプールのいずれか一方であるバルビングエレメントを含み、
   前記バルビングエレメントは、ハウジングと、ハウジング下に配置される固定部との間で作動し、
   前記ハウジングおよび前記固定部は、第１のバルブポート、第２のバルブポートおよび第３のバルブポートである３つのバルブポートを含み、
   前記バルビングエレメントは、空洞が形成された中空状の構造を有し、
   前記空洞によって、作動中に前記３つのバルブポート間の接続が可能となり、
   前記第１の稼働ポジションでは、前記バルビングエレメントは、前記第１のバルブポートおよび前記第２のバルブポートを接続し、
   前記第２の稼働ポジションでは、前記バルビングエレメントは、前記第１のバルブポートおよび前記第３のバルブポートを接続し、
   前記バルビングエレメントは、少なくとも１つの側面を含み、
   前記バルビングエレメントには、前記側面に沿って少なくとも１つの開口部が形成されており、
   前記開口部により、前記第１の稼働ポジションおよび前記第２の稼働ポジションのいずれか一方で全ての３つのバルブポートが相互に連結される、方向コントロールバルブ。
2. 前記バルビングエレメントの前記側面は、いずれかの稼働ポジションで、３つのバルブポートのうちの１つの接続を抑制するように前記ハウジングと重なるように配置される、請求項１に記載の方向コントロールバルブ。
3. 前記バルビングエレメントは、２つのサイドエリアを有し、
   前記バルビングエレメントに形成され、前記２つのサイドエリアを接続する孔を通して、バランスが取れた圧力による力が前記バルビングエレメントに与えられ、
   その結果として、前記バルビングエレメントは、２つの稼働ポジションのいずれか一方に作動する、請求項１または請求項２に記載の方向コントロールバルブ。
4. 前記バルビングエレメントが前記固定部の座部に支えられている際に、前記バルビングエレメントに加えられる圧力は、前記バルビングエレメントの歪みを抑制するように与えられる、請求項３に記載の方向コントロールバルブ。
5. 前記バルビングエレメントには、２つのサイドを接続する前記空洞が内部に形成されている、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の方向コントロールバルブ。
6. 前記バルビングエレメントには、前記バルビングエレメントの容量を減らすために、内部に前記空洞が形成されている、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の方向コントロールバルブ。
7. 前記バルビングエレメントの移動をアシストするために、前記バルビングエレメント下に配置されるスプリングをさらに含む、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の方向コントロールバルブ。
8. 前記ハウジングには、内部の漏れを排出するための排出ポートが形成されている、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の方向コントロールバルブ。
9. 前記排出ポートに低圧シーリングを導入するため、前記排出ポートに挿入されるシーリングをさらに含む、請求項８に記載の方向コントロールバルブ。
10. 前記第１のバルブポート、前記第２のバルブポートおよび前記第３のバルブポートにおける液体の流量が最大となるように、前記第１のバルブポート、前記第２のバルブポートおよび前記第３のバルブポートの少なくもいずれか１つにおける領域を増やすために、前記バルビングエレメントは、円形状の外周を有する波状のエッジを有する、請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の方向コントロールバルブ。