JPH0768967B2

JPH0768967B2 - 液圧装置

Info

Publication number: JPH0768967B2
Application number: JP61194180A
Authority: JP
Inventors: 章堀口; 茂男平井; 実千葉
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1986-08-20
Filing date: 1986-08-20
Publication date: 1995-07-26
Anticipated expiration: 2010-07-26
Also published as: JPS6353306A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、液圧装置に係り、特に熱膨脹流体の温度を制
御することにより高圧を発生させ、高出力を得るのに好
適な液圧装置に関する。

〔従来の技術〕

従来、液圧装置で高速，大ストローク，低荷重が必要な
ときと、低速，小ストローク，高荷重が必要なときとが
ある液圧回路においては、設備費，省エネルギーの観点
から、低圧大流量ポンプと高圧小流量ポンプとの一組の
ポンプを設けていた（例えば、本願出願人の出願に係る
実願昭60−21985号）。

第12図は、上記出願に係る液圧装置の概略システム図を
示したもので、液圧回路は、低圧大流量作動流体供給源
30（以下低圧ポンプという）、高圧小流量作動流体供給
源31（以下高圧ポンプという）、方向切換弁32,絞り弁3
3,34,パイロツトチエツク弁35,36、シリンダ38、ワーク
39および液圧流路から構成されている。

動作順序として、まずシリンダ38に摺動可能に嵌挿され
ているピストン40のピスオンロツド40Aがワーク39に作
用していない状態のとき、低圧ポンプ30から流出した作
動流体は、チエツク弁41を通り作動流体供給流路（以下
流路という）43に流れ、同時に高圧ポンプ31から流出し
た作動流体は、高圧流体供給通路（以下通路という）45
を通り流路43に流れる。ここで、方向切換弁32がポジシ
ヨンａにある場合、流路43からの作動流体は、ヘツド側
流路（以下流路という）46へ導かれ、絞り弁33,パイロ
ツトチエツク弁35,ツド側流路（以下流路という）48を
通つてヘツド側液圧室49に流入する。

この場合、ピストン40には外力が作用していないので、
ピストン40は右方向に移動する。すると、ロツド側液圧
室50中の作動流体は押し出され、ロツド側流路（以下流
路という）51,パイロツトチエツク弁36,絞り弁34,ロツ
ド側流路（以下流路という）52,方向切換弁32,戻り流路
53を通り、タンク55内に流入する。ここで、ピストン40
には負荷が作用していないため、ピストン40のスピード
は速く、そのため、供給しなければならない作動流体の
量は多く、従つて各流路の圧力は、低圧ポンプ30の能力
に支配される。

その後、ピストンロツド40Aがワーク39に作用すると、
ピストン40は停止し、流路中の作動流体の流れも停止す
る。従つて、供給しなければならない作動流体の量は小
さくなり、流路45,43,46,48およびヘツド側液圧室49の
圧力は、高圧ポンプ31の能力に支配される。このように
して、ワーク39を固定するときは、高圧で強力に固定す
ることができ，ワーク39に作用するまでは、高速で動作
可能となる。更に、この状態で方向切換弁32を中立のポ
ジシヨンにすると、ワーク39を強力に押し付けたまま保
持できる。

また、方向切換弁32をポジシヨンｂにすることにより、
作動流体は、流路43から流路52,絞り弁34,パイロツトチ
エツク弁36,流路51を通り、ロツド側液圧室50に流入す
る。すると、ピストン40が左方向に移動し、ヘツド側液
圧室49中の作動流体を押し出す。押し出された作動流体
は、流路48,パイロツトチエツク弁35,絞り弁33,流路46,
方向切換弁32,戻り流路53を通り、タンク55内に流入す
る。このようにして、ワーク39の固定は解除される。

上述の液圧回路は、ワーク39を固定するまでの荷重が殆
ど零状態の例をとつて説明したが、これは基本的な問題
ではなく、一般に、高速，大ストローク，低荷重が必要
なときと、低速，小ストローク，高荷重が必要なときと
が同時に起きない場合の液圧回路に有効であると理解す
べきである。

なお、第12図において、56はシール部材、58はシリンダ
固定壁、59は固定壁である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術の液圧回路の問題点について、以下詳述す
る。

第12図において、高圧ポンプ31から送り出された作動流
体を方向切換弁32の入口まで導くための流路45が必要と
なり、またワーク39を固定後、高圧になる流路および制
御弁は、すべて高圧に耐える部品とする必要がある。従
つて構造が複雑になると共にコスト高になるという問題
があつた。

また方向切換弁32は、スプールタイプが一般的であり、
内部リークが発生する。この内部リークによるエネルギ
ーロスＨ（kcal/hr）は、Ｈ＝K₁・Ｐ・Ｑで表わされる。ただし、 K₁:定数（＝1.4） P:内部リークするときの圧力（kg/cm²） Q:内部リーク量（/min）である。また内部リーク量Ｑは、Ｑ＝K₂・Ｐで表わされる。ただし、K₂は定数である。

以上２つの式よりＨ＝K₁・K₂・P² となる。すなわち高圧の場合、その圧力の二乗に比例し
てエネルギーロスが多くなり、従来の液圧回路ではエネ
ルギーロスが急激に多くなるという問題がある。

制御性について述べると、従来技術では、動作方向の決
定を方向切換弁32で行ない、位置保持機能をパイロツト
チエツク弁35,36で行なつている。このような回路で
は、シリンダ38のストロークを途中で止める場合に、方
向切換弁32の作動時間を考慮して弁の切換えを行なう必
要があり、精密な位置制御は望めないという問題があ
る。

また、精密な位置制御を行なうために、方向切換弁32の
代わりにサーボ弁を用いることも考えられるが、高圧で
使用できるサーボ弁自体は少なく、また内部リーク量が
より多くなるため、エネルギーロスが増大するという問
題がある。

更に、一般に高圧ポンプ31は、機械的運動を流体の運動
に変換しているが、高圧になればなるほど容積効率が悪
く寿命が短かく、また振動，騒音が大きくなるという問
題があつた。

本発明の目的は、作動流体の温度を制御することにより
高圧を発生させ、高出力が得られるようにした液圧装置
を提供することである。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的を達成するため、本発明な、出力荷重，液圧又
は変位を制御する液圧アクチユエータと、該液圧アクチ
ユエータを制御する作動流体が密封された液圧回路とを
備えた液圧装置において、前記液圧回路は方向切換弁を
介して作動流体供給源に連通されて成り、温度変化に伴
う体積変化特性をもつ熱膨脹流体が収容され、該熱膨脹
流体の加熱機能および冷却機能の少なくともいずれか一
方の機能を有する温度制御装置と、該温度制御装置内の
前記熱膨脹流体の温度を直接的又は間接的に制御する制
御装置とを設け、前記熱膨脹流体が前記液圧アクチユエ
ータに直接的又は間接的に作用して出力荷重，液圧又は
変化、又は液圧と変位の両方を制御するものである。

〔作用〕

上述の構成によれば、液圧回路は方向切換弁を介して作
動流体供給源に連通されてので、変位を制御する液圧ア
クチュエータにおける該変位量、すなわちピストン等の
制御ストロークを大きくすることも小さくもすることが
可能であり、しかも制御装置により熱膨脹流体の温度が
制御され、この熱膨脹流体の圧力変化に応じて液圧アク
チユエータが直接又は作動流体を介して作動するもの
で、液圧アクチユエータがワークに作用していないとき
は、低圧の作動流体が液圧回路内を流れ、液圧アクチユ
エータがワークに作用するときは、高圧の熱膨脹流体に
より直接又は作動流体を介して間接にワークが強力に固
定される。すなわち、本発明によれば、液圧アクチュエ
ータにおけるピストン等の制御ストロークの制御とワー
クに対する圧力制御を独立して行えるので、ピストン等
を任意の位置で高出力にすることが簡単にできる。

〔実施例〕

以下、本発明を図面に示す実施例に基づいて説明する。

第１図は本発明の第１実施例に係り、第12図に示す従来
の液圧装置と同一のものに、同一の符号を付して説明す
る。

液圧装置１は、低圧ポンプ30,方向切換弁32,絞り弁33,3
4、ハイロツトチエツク弁35,36、液圧アクチユエータで
あるシリンダー38と、温度制御装置２、制御装置３、圧
力検出器５、温度検出器６および流路より構成されてい
る。

方向切換弁32は、低圧ポンプ30にのみ連通しているの
で、低圧専用のものでよい。温度制御装置２は、温度制
御液室７を備えており、該温度制御液室７は、パイロツ
トチエツク弁35とヘツド側液圧室49とを連通する流路48
に配置されている。また温度制御液室７内には、制御装
置３により制御される加熱機能である加熱部８および冷
却機能である冷却器９が収容されている。圧力検出器５
および温度検出器６は、温度制御液室７に装着されてお
り、制御装置３にそれぞれ接続されている。

つぎに、本考案の第１実施例の作用を説明する。

液圧装置１の液圧回路の動作順序を説明すると、ピスト
ンロツド40Aがワーク39に作用していない状態のとき、
低圧ポンプ30から流出した作動流体は、流路43に流れ、
方向切換弁32がポジシヨンａのとき、流路46、絞り弁3
3、パイロツトチエツク弁35、温度制御液室２、流路48
を通り、ヘツド側の液圧室49に流入する。この場合、ピ
ストン40には外力が作用していないので、ピストン40は
右方向に移動する。すると、ロツド側液圧室50中の作動
流体は押し出され、流路51、パイロツトチエツク弁36、
絞り弁34、流路52、方向切換弁32、戻り流路53を通り、
タンク55内に流入する。ピストンロツド40Aがワーク39
に作用するとピストン40は停止し、流路中の作動流体の
流れも停止し、ヘツド側液圧室49の圧力は、低圧ポンプ
30の能力に支配される。従つて、この状態ではワーク39
に対する押付け力は弱いものである。

つぎに、入力信号10として加圧命令が制御装置３に入力
されると、加熱部８が加熱され、作動流体11の温度を上
昇させる。すると、作動流体は膨脹し、圧力が上昇す
る。これにより、ワーク39を強力に押し付けることがで
きる。この場合、圧力検出器５および温度検出器６から
圧力および温度を、制御装置３にフイードバツクするこ
とにより、任意の入力信号10と同じ値にシリンダ出力を
制御することができる。更に、温度制御液室７内の冷却
部９により、作動流体11の温度を急速に下げることが可
能であり、これによりワーク39の押付け力を小さくする
こともできる。このように、作動流体11の圧力制御が容
易となる。

つぎに、ワーク39の押付け力を完全に解除する場合は、
方向切換弁32をポジシヨンｂにする。すると、低圧の作
動流体は、流路43、方向切換弁32、流路52、絞り弁34、
パイロツトチエツク弁36、流路51を通り、ロツド側液圧
室50に流入し、ピストン40を左方向に移動させる。同時
に、ヘツド側液圧室49の作動流体は押し出され、流路4
8、温度制御液室２、パイロツトチエツク弁35、絞り弁3
3、流路４、方向切換弁32、戻り流路53を通りタンク55
内に流入する。このようにして、ワーク39の押付け力は
完全に解除されるもので、作動流体は、熱膨脹流体、す
なわち、温度変化に伴う体積変化特性を有する流体の機
能を有している。

ここで、作動流体が密封された状態で、作動流体の温度
を変化させたとき、圧力がどのように変化するかを定量
的に説明する。

温度変化に伴う作動流体の体積変化量ΔＶ（ｌ）は、 ΔＶ＝α・V₀・ΔＴで表わされる。ここに、 α：熱膨脹係数（1/℃） V₀:初期作動流体の体積（ｌ） ΔT:温度変化（℃）である。

かりに、作動流体が完全に密封され、作動流体を密封し
ている流路、液室の容積変化は十分小さく無視できるも
のとし、体積変化量がすべて圧力上昇になるとすると、
体積変化に伴う圧力変化ΔＰ（kg/cm²）は、で表わされる。ただし、βは作動流体の圧縮率（cm²/k
g）である。

以上２つの式より次式が得られる。

具体的な例として、一般鉱物作動油の場合を示す。

α＝９×10^-4（1/℃） β＝６×10^-5（cm²/kg）このとき、 ΔＰ＝15ΔＴとなる。これは、温度が10℃変化すると圧力は150kg/cm
²変化することを示す。このように、作動流体の温度を
変化させることにより圧力を制御することができる。

また、上記実施例は、作動流体の体積が変化しない場
合、すなわちアクチユエータがシリンダ38のとき、ピス
トン40が動かないよう外部より固定された場合である
が、ピストン40は、作動流体の圧力変化に応じて動くの
で、作動流体の膨脹量をピストン40のストローク量に変
化させ、位置決め制御を行なうことができる。

以上の如く本実施例によれば、パイロツトチエツク弁3
5,36より上流のシリンダ38側の流路のみ高圧が作用する
ので、この部分のみ高圧用部品を使用し、絞り弁33,3
4、方向切換弁32および流路43,46,62は低圧用部品を使
用することができる。

また、液圧回路においては、内部リークの発生する箇所
がないので、内部リークによるエネルギーロスがなくな
る。更に、制御性についても、圧力（荷重）制御，位置
制御が共に高精度で行なうことができる。また、高圧発
生部には、機械的部品がないので、効率が高くなると共
に、寿命が長くなり、かつ振動，騒音が発生しない。

第２図は、本発明の第２実施例に係り、第１図に示す第
１実施例と異なるところは、温度制御装置２を流路48か
ら分岐した流路48Aに配置した点である。

これによると、ピストン40を高速で移動させるとき、作
動流体の流れに影響を及ぼさない。また、流路48から離
れて温度制御液室７を設けることができる。その他の構
成および作用は、第１実施例に示すものと同一であり、
以下の実施例においても同様である。

第３図は、本発明の第３実施例に係り、第２図に示す第
２実施例と異なるところは、温度制御液室７内に作動流
体11を急速に排出するための排出弁15を設けた点であ
る。

これによると、例えば、一旦温度を変化させた作動流体
11を外部に排出し、新しい作動流体を温度制御液室７内
に導くことができ、作動流体温度の迅速なリセツトが可
能となる。

第４図は、本発明の第４実施例に係り、第２図に示す第
２実施例と異なるところは、温度制御液室７内で作動流
体11と熱膨脹流体16との間に、パツキン18によりシール
された隔離壁19を設け、両流体を完全に分離した点であ
り、両流体の体積の変化が伝達される構造となつてい
る。

これによると、作動流体11と熱膨脹流体16の流体の種類
を変えるときに利用することができ、最適な作動流体特
性を有する作動流体11と、最適な熱膨脹流体特性を有す
る熱膨脹流体16（例えばアルコール）を選ぶことが可能
となり、液圧装置１の性能が向上する。

なお、隔離壁19は、ゴム膜からなるベローズに代えるこ
とができる。また第３実施例のように排出弁15を設けて
もよい。

第５図は、本発明の第５実施例に係り、第４図に示す第
４実施例と異なるところは、隔離壁19が大径部19Aと小
径部19Bとからなり、小径部19B側の温度制御液室７に外
気と連通する吸気孔20を設けた点であり、熱膨脹流体16
の体積変化量と、作動流体11が受ける体積変化量を変え
るようにしたものである。ここでは、熱膨脹流体16、隔
離壁19、作動流体11の三層構造の場合を示しているが、
これは基本的な問題ではない。要するに、熱膨脹流体16
の体積変化量と作動流体11の受ける体積変化量を変える
構造のものであればよい。

これによると、熱膨脹流体16の作用する面積と、作動流
体11の作用する面積を任意の比に選ぶことにより、最適
の荷重出力条件を選ぶことができる。

第６図は、本発明の第６実施例に係り、第１実施例に示
す温度制御液室７を廃止し、代つて流路48,51に加熱部1
0を設けたもので、流路48,51内の作動流体11は、熱膨脹
流体として機能し、流路48,51内の作動流体11をそれぞ
れ任意の温度に設定することができる。

これによると、流路48,51は、温度制御液室７を兼ねる
ことになり、構造を簡略化することができる。

第７図は、本発明の第７実施例に係り、加熱部８を収容
した温度制御液室２にシリンダ38の一端部を、パツキン
18を介して摺動可能に嵌挿したもので、熱膨脹流体16に
よりシリンダ38が直接移動するようになつている。な
お、第７図において、21はシリンダ抜け止め部材であ
る。

第８図は、本発明の第８実施例に係り、第１実施例に示
す温度制御液室７を廃止し、代つてシリンダ38の外周面
に加熱部８を接着したもので、これによりシリンダ38が
温度制御液室７となり、シリンダ38外部より作動流体11
の温度が制御される。

この場合、ヘツド側液圧室49とロツド側液圧室50との作
動流体の温度は、ほぼ同じであり、昇圧も同程度とな
る。しかし、ピストン40のヘツド側とロツド側との面積
が異なるため、両者の面積差に圧力変化を乗じた分の荷
重出力を変えることができる。

第９図は、本発明の第９実施例に係り、シリンダ38を温
度制御液室７にし、シリンダ38内部に加熱部８を設け、
かつピストン40の位置を検出する位置検出器22を設け、
制御装置３にその値をフイードバツクし、位置制御を行
うようにしたものである。

第10図は、本発明の第10実施例に係り、第９実施例と異
なるところは、加熱部８を隔離壁19に収容し、作動流体
11と熱膨脹流体16とを分離した点であり、隔離壁19は、
熱膨脹流体16の体積変化と同じ量を作動流体11に与える
ものである。

第11図は、本発明の第11実施例に係り、第８実施例と異
なるところは、シリンダ38のストローク方向に温度制御
装置２の複数の加熱部8A,8B,8C,……を設けた点であ
り、ピストンロツド40の任意の位置で、ヘツド側液圧室
49、ロツド側液圧室50又はその両方の液圧室の温度を任
意に制御することができる。

これによると、第８実施例では面積差分の荷重変化しか
得られないのに対し、かりにロツド側液圧室50の温度を
一定にして、ヘツド側液圧室49の温度のみ上げると、第
８実施例の場合と比較して、より大きな荷重変化が得ら
れる。

上記第１から第11実施例においては、シリンダヘツド側
および加熱部８のみに限定して説明したが、これは基本
的な問題でなく、シリンダ38のヘツド側，ロツド側の任
意の位置に適用することができる。また加熱部８は冷却
部９に置換してもよく、又は両方の機能を有するように
してもよい。またアクチユエータであるシリンダ38の代
りに電動式アクチユエータを使用してもよい。

〔発明の効果〕

本発明によれば、方向切換弁により液圧アクチュエータ
におけるピストン等の制御ストロークを大きくすること
も小さくもすることが可能であり、温度制御装置により
前記ピストン等のワークに対する圧力制御を行える。す
なわち、制御ストロークの大小の制御とワークに対する
圧力制御を独立して行えるので、ピストン等を任意の位
置で高出力にすることが簡単にできる。そして上述のと
おり、本発明は、高圧を発生する箇所が液圧回路の一部
であり、その他の箇所は低圧が作用しているだけである
が、低圧部品を使用することができ、コストを低減させ
ることができる。また内部リークが発生する箇所がない
ので、内部リークによるエネルギーロスはない。更に高
圧においても、圧力（荷重）制御，位置制御が高精度に
行なうことができる。また高圧発生部は、機械的部品が
ないので、効率が高く、寿命が長く、振動，騒音が発生
しないという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図から第11図は本発明に係る液圧装置の実施例に係
り、第１図は第１実施例のシステム図、第２図は第２実
施例のシステム図、第３図は第３実施例のシステム図、
第４図は第４実施例のシステム図、第５図は第５実施例
のシステム図、第６図は第６実施例のシステム図、第７
図は第７実施例のシステム図、第８図は第８実施例のシ
ステム図、第９図は第９実施例の部分システム図、第10
図は第10実施例の部分システム図、第11図は第11実施例
の部分システム図、第12図は従来例に係る液圧装置のシ
ステム図である。１……液圧装置、２……温度制御装置、３……制御装
置、７……温度制御液室、８……加熱機能である加熱
部、９……冷却機能である冷却器、11……作動流体、15
……排出弁、16……熱膨脹流体、19……隔離壁、38……
液圧アクチユエータの一例たるシリンダ、49……ヘツド
側液圧室、50……ロツド側液圧室。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭53−70281（ＪＰ，Ａ) 特開昭53−86979（ＪＰ，Ａ) 特開昭58−149407（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−234108（ＪＰ，Ａ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】出力荷重、液圧又は変位を制御する液圧ア
クチュエータと、該液圧アクチュエータを制御する作動
流体が密封された液圧回路とを備えた液圧装置におい
て、前記液圧回路は方向切換弁を介して作動流体供給源
に連通されて成り、温度変化に伴う体積変化特性をもつ
熱膨脹流体が収容され、加熱機能および冷却機能の少な
くともいずれか一方の機能を有する温度制御装置と、該
温度制御装置内の前記熱膨脹流体の温度を直接的又は間
接的に制御する制御装置とを設け、前記熱膨脹流体が前
記液圧アクチュエータに直接的又は間接的に作用して出
力荷重、液圧又は変化、又は液圧と変位の両方を制御す
る液圧装置。
【請求項２】前記熱膨脹流体に作動流体を使用する特許
請求の範囲第１項記載の液圧装置。
【請求項３】前記液圧アクチュエータから分岐する液圧
流路を設け、該液圧流路の全長にわたって又は途中位置
又は端の位置で、該液圧流路中又は更に分岐した流路に
温度制御液室を設け、該温度制御液室には熱膨脹流体を
有する特許請求の範囲第１項再の液圧装置。
【請求項４】前記作動流体と熱膨脹流体とを分離し、該
熱膨脹流体の体積変化量を前記作動流体に伝える隔離壁
を設けた特許請求の範囲第１項記載の液圧装置。
【請求項５】前記隔離室において、前記熱膨脹流体の体
積変化量に対し、前記作動流体が受ける変化量を小さく
又は大きくすることができる特許請求の範囲第４項記載
の液圧装置。
【請求項６】前記液圧アクチュエータ内部に前記熱膨脹
流体を収容した特許請求の範囲第１項記載の液圧装置。
【請求項７】前記液圧アクチュエータの動作方向に、複
数の温度制御装置を設置し、前記液圧アクチュエータの
任意の動作位置で、動作方向液圧室および反動作方向液
室の熱膨脹流体の温度を制御する特許請求の範囲第６項
記載の液圧装置。
【請求項８】前記液圧アクチュエータを制御するに際し
て、前記熱膨脹流体又は作動流体、又は液圧アクチュエ
ータの温度，圧力，変位，速度，加速度の任意の状態量
をフィードバックし、前記熱膨脹流体の温度を制御する
特許請求の範囲第１項記載の液圧装置。
【請求項９】前記温度制御装置に、前記熱膨脹流体を排
出する排出弁、又は新しく熱膨脹流体を補充する補充
弁、又はその両方の弁を設けた特許請求の範囲第１項記
載の液圧装置。
【請求項１０】前記液圧アクチュエータが、シリンダで
ある特許請求の範囲第１項記載の液圧装置。
【請求項１１】前記液圧アクチュエータが、電動式アク
チュエータである特許請求の範囲第１項記載の液圧装
置。
【請求項１２】前記液圧アクチュエータ内に前記温度制
御装置を内蔵する特許請求の範囲第１項記載の液圧装
置。