KR20010079619A - 유체 제어용 스풀 밸브 - Google Patents

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케이스 이. 글리스맨
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Abstract

본 발명의 스풀 밸브에는 (a) 유체 역학적 형상의 비원통형 만곡면을 가진 하나의 중앙 서포트, 또는 (b) 바람직하기로는 역시 유체 역학적 형상의 내면을 가진 한 쌍의 측벽에 의하여 형성된 유체 통로(56f)를 형성하는 스템부(60f)가 제공된다. 고속/고압의 유체가 밸브에 의하여 제어되어 용이하게 흐르도록 설계된 상기 스템 통로는 각각의 스풀에 고정된 탱(62a)에 지지된 캠-피동 롤러(66a) 및 상기 롤러(66a)를 각각의 캠 부재의 각 내면에 형성된 캠 트랙 그루브의 두 개의 평행인 측면 내에 캡쳐된 두 개의 캠 부재를 포함하는 것이 바람직한 기구에 의하여 밸브 실린더의 포트에 대하여 소정의 배향으로 유지된다.

Description

유체 제어용 스풀 밸브 {SPOOL VALVE FOR FLUID CONTROL}
유압 기술 분야에는 왕복 스풀(reciprocating spools)을 사용하여 유체 흐름을 제어하는 밸브가 공지되어 있다. 예를 들면, 반경방향으로 배열된 스풀 밸브가 유압 펌프/모터 장치의 일부로서 사용된다(예로서, 미합중국 특허 제 5,513,553호로 허여된 발명의 명칭 "기어 장착식 사판을 가진 유압 기계(Hydraulic Machine with Gear-Mounted Swash-Plate)" 참조). 대부분의 공지된 밸브에서는, 각각의 스풀이 밸브 몸체에 형성된 실린더 내에서 축방향으로 왕복 운동한다. 일반적으로, 각각의 실린더에는 제1 및 제2 유체 통로를 형성하는 한 쌍의 포트(port)가 제공되며, 스풀은 스템(stem)에 의하여 분리된 한 쌍의 포트 차단부(port-blocking portion)를 가짐으로써, 스풀이 제1 위치로 축방향으로 움직일 때, 제1 유체 통로가 차단되는 한편 유체는 스템을 지나 제2 유체 통로를 통과할 수 있다. 마찬가지로, 스풀이 제2 위치로 축방향으로 움직일 때, 제2 유체 통로가 차단되는 한편 유체는 스템을 지나 제1 유체 통로를 통과할 수 있다.
일반적으로 상기의 밸브에서는, 밸브 스풀부의 일단이 회전 캠 면(revolving cam surface) 상에서 움직이는 캠 피동차(cam follower)로서 작용하며, 각각의 스풀이 캠 면을 향하여 스프링 바이어스됨으로써 캠이 회전하게 되어 각 밸브 세트 의 스풀 각각의 연속적이고 계속적인 축방향 움직임을 제어한다. 그러나, 상기 스프링-바이어스 스풀 시스템(spring-biased spool system)의 응답 시간 및 일반적인 동작이 먼지 및 역압(counter-pressure) 문제에 의하여 종종 영향을 받는 것으로 알려져 있다. 또한, 상기 공지된 밸브의 스풀 각각이 실린더의 중앙축을 중심으로 종종 회전(비록, 매우 느리지만)하는 것으로 알려져 있다. 따라서, 각각의 스풀의 좁은 스템부(stem section)를 바람직하게 원통 형상(도 3 및 도 4 참조)으로 설계함으로써, 상기 스풀이 회전하는 경우, 스템의 배향이 변하더라도 밸브가 개방될 때 원통형 스템부 둘레에 형성된 유체 통로의 형상이 임의로 변하지 않는다.
밸브가 예를 들면, 고마력을 발생시킬 수 있으며 반드시 4000 rpm 정도의 고속이 달성되고 4000 p.s.i. 정도의 고압에 견딜 수 있어야 하는 자동차 펌프/모터에서 고속 및 고압 상태 하의 유압 유체 흐름을 제어하는데 사용될 때에는 밸브 설계가 특히 중요하다. 상기 상태 하에서 유체가 일관되게 흐르는 것이 중요하다.
본 명세서에 개시된 발명은 주로 상기와 같은 중요한 유체 흐름에 관한 것이다. 본 발명에 따른 밸브는 스프링-바이어스 밸브의 응답 시간 문제를 극복하고 밸브 타이밍의 일관성이 확보될 뿐만 아니라 각 스풀의 스템부를 통과하는 유체 흐름의 효율도 상당히 증가시킨다.
본 발명은 유체 흐름을 제어하는데 사용되는 밸브, 예를 들면 유압 펌프/모터의 구성부로서 결합된 레이디얼 밸브(radial valve)에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 상기 밸브에 사용되는 스풀의 동작을 제어하는 장치 및 스풀 자체의 형상에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 개선된 레이디얼 스풀 밸브가 하우징의 좌측 말단 내에 위치된, 유압 펌프/모터 기계(예를 들면, 미합중국 특허 제 5,513,553호에 개시된 유형)의 선택된 부분의 단면 개략도(중요하지 않은 부분 및 크로스-해치는 명료하게 나타내기 위하여 생략됨).
도 2는 (a) 기계의 9개 펌프 실린더 및 각각의 밸브 개구, (b) 본 발명의 확동 캠 트랙의 절반부, 및 (c) 두 개의 스풀의 단지 탱 및 롤러부를 예시하는, 도 1의 평면 2-2(일부분 제거)를 따라 절취된 레이디얼 스풀 밸브부의 단면 개략도.
도 3은 종래 기술에 따른 스풀의 측면 개략도.
도 4는 도 3의 평면 4-4를 따라 절취된 다른 측면 개략도.
도 5는 쇄선을 사용하여 스풀의 스템부를 통과하는 유체 흐름 방향을 나타내는, 도 4의 평면 5-5를 따라 절취된 단면 개략도.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 개선된 스풀의 측면 개략도.
도 7은 도 6의 평면 7-7을 따라 절취된 다른 측면 개략도.
도 8은 쇄선을 사용하여 스풀의 스템부를 통과하는 유체 흐름 방향을 나타내는, 도 7의 평면 8-8을 따라 절취된 단면 개략도.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 개선된 스풀의 측면 개략도.
도 10은 도 9의 평면 10-10을 따라 절취된 다른 측면 개략도.
도 11은 쇄선을 사용하여 스풀의 스템부를 통과하는 유체 흐름 방향을 나타내는, 도 10의 평면 11-11을 따라 절취된 단면 개략도.
도 12는 본 발명의 제3 실시예에 따른 개선된 스풀의 측면 개략도.
도 13은 도 12의 평면 13-13을 따라 절취된 다른 측면 개략도.
도 14는 쇄선을 사용하여 스풀의 스템부를 통과하는 유체 흐름 방향을 나타내는, 도 13의 평면 14-14를 따라 절취된 단면 개략도.
도 15는 본 발명의 제4 실시예에 따른 개선된 스풀의 측면 개략도.
도 16은 도 15의 평면 16-16을 따라 절취된 다른 측면 개략도.
도 17은 쇄선을 사용하여 스풀의 스템부를 통과하는 유체 흐름 방향을 나타내는, 도 16의 평면 17-17을 따라 절취된 단면 개략도.
도 18은 본 발명의 제5 실시예에 따른 개선된 스풀의 측면 개략도.
도 19는 도 18의 평면 19-19를 따라 절취된 다른 측면 개략도.
도 20은 쇄선을 사용하여 스풀의 스템부를 통과하는 유체 흐름 방향을 나타내는, 도 19의 평면 20-20을 따라 절취된 단면 개략도.
도 21은 본 발명의 제6 실시예에 따른 개선된 스풀의 측면 개략도.
도 22는 도 21의 평면 22-22를 따라 절취된 다른 측면 개략도.
도 23은 쇄선을 사용하여 스풀의 스템부를 통과하는 유체 흐름 방향을 나타내는, 도 22의 평면 23-23을 따라 절취된 단면 개략도.
본 발명에 따른 밸브의 일반적인 형태는 전술한 종래의 공지된 스풀 밸브 배열에 따른다. 즉, 각각의 스풀은 밸브 몸체에 형성된 캐버티(cavity), 바람직하기로는 실린더 내에서 축방향으로 왕복 운동한다. 실린더는 단지 하나의 유체 통로만 형성하는 포트를 포함할 수 있다. 그러나, 유압 펌프/모터(예를 들면, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이)와 함께 사용하도록 설계된 실시예에서는, 각각의 실린더에 제1 및 제2 유체 통로를 형성하는 제1 및 제2 포트가 제공된다. 스풀은 스템에 의하여 분리된 한 쌍의 포트 차단부를 가짐으로써, 스풀이 제1 위치로 축방향으로 움직일 때, 제1 유체 통로가 차단되는 한편 유체는 스템을 지나 제2 유체 통로를 통과할 수 있고, 스풀이 제2 위치로 축방향으로 움직일 때, 제2 유체 통로가 차단되는 한편 유체는 스템을 지나 제1 유체 통로를 통과할 수 있다.
그러나, 종래 기술의 배열과는 반대로 본 발명의 밸브에서는, 각 스풀의 축방향 왕복 운동이 스프링-바이어스 캠 피동차에 의하여 제어되지 않는다. 그 대신에, 구동 샤프트(drive shaft)와 회전하도록 고정된 캠 트랙(cam track) 내에 갇힌 캠 피동차로 스풀이 확실하게 제어된다. 캠 트랙은 캠 피동차가 그 사이에 갇히는 적어도 두 개의 평행인 캠 면을 가진다. 모든 바람직한 실시예에서, 캠 피동차는 롤러(roller)이다.
도 1 및 도 2에 예시된 바람직한 밸브 배열에는, 복수의 각기 다른 밸브가 유압 펌프/모터의 구동 샤프트를 중심으로 반경방향으로 배열되어 있다. 각 밸브 내의 스풀은 스풀 저면으로부터 연장되는 탱(tang)을 포함한다. 탱에는 구멍이 제공되고, 이 구멍을 통해 캠-피동 롤러가 수용되어 롤러와 캠 트랙의 평행 면이 롤링 결합되도록 소정의 배향으로 지지된다. 개시된 실시예에서, 캠 트랙의 평행 면은 캠-피동 롤러의 위치를 제어하도록 균형 확실 전동(balanced positive drive)을 제공하는 두 개의 미러-이미지 부분(mirror-image portion)으로 분할된다. 캠 트랙, 롤러, 및 탱의 결합으로 스풀 각각의 왕복 운동 타이밍이 제어되는 동시에, 스풀이 각각의 실린더 내에서 회전하는 것을 방지하는 배향 기구(orientation mechanism)로서 또한 작용한다.
각 스풀의 스템부는 (a) 유체 역학적 형상의 비원통형 만곡면을 가진 하나의 중앙 서포트(central support), 또는 (b) 단지 한 쌍의 측벽(sidewall)에 의하여 형성된 통로를 형성한다. 측벽의 내면 또한 유체 역학적 형상을 갖는 것이 바람직하다. 중앙 서포트 및 측벽을 유체 역학적 형상으로 각각 설계함으로써 유체 통로를 고속/고압으로 통과하는 흐름이 밸브에 의하여 용이하게 제어된다. 즉, 상기 유체 역학적 형상의 면으로 (i) 스풀을 통과하는 유체의 흐름, 및 (ii) 상기 스템부가 실린더 포트와 정렬될 때 각각의 실린더 포트에 의하여 형성된 유체 통로로 유체의 유입 및 유출 방향이 용이하게 된다.
상기 유체 역학적 스템 면은 상기 스템 및 실린더 통로를 최대량의 유체가 확실하게 통과하도록 밸브 실린더의 포트에 대하여 소정의 배향으로 유지되어야 함은 물론이다. 본 발명의 배향 기구는 스풀이 임의로 축방향으로 회전하는 것을 방지한다. 즉, 상기 기구는 각각의 스풀 상에 장착된 캠 피동차를 포함한다. 전술한 바와 같이, 상기 캠 피동차(롤러가 바람직함)는 회전 캠의 평행 면 사이에 갇힘으로써, 각각의 스풀이 캠 트랙에 의하여 확실하게 구동되는 반면, 자신의 축을 중심으로 회전할 수 없으므로 스풀의 스템 통로를 원하는 배향으로 유지시킨다.
도 1은 샤프트의 우측 말단에 결합된 외부 전원(exterior power source), 예를 들면 자동차 엔진에 의하여 회전가능한 구동 샤프트(12)(샤프트(12)의 우측 말단이나 외부 전원은 도시되어 있지 않음)를 포함하는 유압 펌프(10)의 일부분을 예시하는 도면이다. 펌프(10)는 복수의 펌프 실린더(16)가 구동 샤프트(12)의 축(42)을 중심으로 반경방향으로 배열되며, 각 실린더(16)의 축은 축(42)과 평행으로 정렬되어 있는 실린더 차단부(14)를 가진다. 펌프 피스톤(18)이 각 펌프 실린더(16) 내에 끼워져서 각각의 "도그 본(dog bone)" 피스톤 로드(20)에 의하여 끄덕이며 회전하는 로터(nutating-and-rotating rotor)(26)를 또한 포함하는 끄덕이지만 회전하지 않는 워블러(wobbler)(22)에 연결된다. 당해 기술 분야에 공지된 방식에 있어서, 회전 사판(swash-plate)(24)의 로터(rotor)(26)는 함께 회전하도록 구동 샤프트(12)에 피벗식으로 연결되고, 회전 사판(24)의 구동 샤프트(12)에 대한 각도는 링크(link)(28)를 포함하는 수단에 의하여 제어된다. 워블러(22)는 한 쌍의 구면 기어(spherical gear)의 내부 기어(32) 내에 지지되고, 한 쌍의 구면 기어의 외부 기어(34)는 펌프(10)의 실린더 차단부(14)의 우측 말단에 연결된 회전 사판 하우징부(30)의 내벽에 장착된다.
구동 샤프트(12)의 회전에 응답하여 펌프 피스톤(18)이 왕복 운동함으로써 유체가 오리피스(orifice)(17)를 통하여 펌프 실린더(16) 내로 유입되고 실린더로부터 유출된다. 각각의 피스톤(18)이 우측으로 움직일 때, 저압 유체 유입 오리피스(17)가 피스톤을 따라 가서 각각의 실린더(16)를 채운 다음, 각각의 피스톤(18)이 좌측으로 복귀될 때, 고압 유체가 오리피스(17)를 통하여 각각의 실린더(16)로부터 유출된다. 상기와 같은 저압 및 고압 유체의 고속 흐름은 볼트(38)로 실린더블록(14)의 좌측 말단에 연결된 밸브 블록(36) 내에 지지된 스풀 밸브에 의하여 제어된다.
밸브 블록(36)은 구동 샤프트(12)의 축(42)을 중심으로 배열된 복수의 밸브 실린더(40)로 천공되고, 각 밸브 실린더(40)의 축은 축(42)으로부터 반경방향으로 연장된다. 각각의 밸브 실린더(40) 내에서, 각각의 스풀(44a)은 펌프(10) 하우징의 좌측 말단을 형성하는 말단 캡(end cap)(54)에 형성된 각각의 나선형 매니폴드(spiral manifold)(53)(단지 하나만 보이지 않는 선으로 도시됨) 내의 대응하는 각각의 통로(50, 52)와 연결되는 각각의 고압 및 저압 유체 통로(50, 52)를 형성하는 한 쌍의 포트(46, 48)를 순차적으로 개폐하도록 축방향으로 움직인다.
밸브 블록(36)에 장착된 스풀 밸브의 동작을 먼저 본 발명의 제1 실시예에 따른 스풀을 사용하여 대체적으로 설명한다. [주의: 본 발명의 밸브 스풀 모두는 동일 참조 부호로 표시된 유사한 부재의 기본적인 배열과 동일하며, 각각의 상이한 실시예의 부재는 각 실시예 고유의 문자 접미사(a 내지 f)를 사용하여 구별되어 있다.]
도 2, 도 6, 및 도 7을 참조하면, 각각의 스풀(44a)은 스템(60a)에 의하여 분리된 한 쌍의 포트 차단부(56a, 58a)를 포함하며, 바람직한 실시예에서는, 탱(62a)이 포트 차단부(58a)로부터 연장된다. 탱(62a)은 캠-피동 롤러(66a)를 수용하여 지지하는 안내 구멍(guide hole)(64a)을 가진다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 미러-이미지 캠 부재(mirror-image cam element)(70, 72)가 구동 샤프트(12)의 좌측 말단에 끼워진 상태로 밸브블록(36) 내에 장착된다. 한 쌍의 캠 트랙(74, 76)이 캠 부재(70, 72)의 내면에 그루브로서 기계 가공되어 있고, 각각의 그루브는 트랙(74, 76) 각각의 측벽을 형성하는 적어도 두 개의 평행 면을 가진다. 캠 부재(70, 72)는 구동 샤프트(12)와 회전하도록 고정되며 키(key)(78)에 의하여 제 위치에 지지됨으로써, 캠 트랙(76)이 캠 트랙(74)의 미러-이미지를 형성한다.
조립하기 위하여, 각각의 스풀(44a)을 각각의 밸브 실린더(40) 내에 끼워 넣은 후 캠 부재(72)를 샤프트(12)에 고정시키고, 다음에 각각의 롤러(66a)를 각각의 스풀(44)의 탱(62) 내에 형성된 각각의 안내 구멍(64)을 통해 끼워 넣는다. 다음에, 각각의 캠-피동 롤러(66a)의 일단을 캠 부재(72)의 캠 트랙(76) 내에 위치시킨다. 그 후, 캠 부재(70) 또한 샤프트(12)에 고정시킴으로써 각 롤러(66a)의 타단이 캠 부재(70)의 캠 트랙(74) 내에 수용되어, 캠 부재(70)가 제 위치에 적절하게 로크된다.
전술한 바와 같이, 탱(62a)이 스풀(44a)에 대하여 고정되고 캠-피동 롤러(66a)가 캠 부재(70, 72)의 캠 트랙(74, 76) 내에 갇히기 때문에, 스풀(44a)이 동작 도중에 각각의 밸브 실린더(40)의 축을 중심으로 회전하는 것이 항상 방지된다. 또한, 스템(60a)의 위치 또한 스풀(44a)의 다른 부재에 대하여 고정되기 때문에, 스템부(60a)의 배향 또한 동작 도중에 각각의 밸브 실린더(40)의 축을 중심으로 회전하는 것이 항상 방지된다.
본 발명의 주요한 특징은 각각의 스풀 스템부의 형상 및 배향과, 스템부가 각각의 밸브 실린더(40)의 포트와 정렬될 때, 각각의 스템부에 의하여 형성된 통로를 통과하는 유체의 흐름 및 방향의 용이함에 있다. 이와 관련하여, 각각의 스풀(44a)의 축방향 움직임이 유체를 순차적 및 양방향, 즉 각각의 펌프 실린더(16) 내로 유입되고 펌프 실린더로부터 유출되도록 제어한다는 점을 유념해야 한다.
유체 흐름의 용이함에 대한 중요성은 도 3 및 도 4에 예시된 유형의 종래 기술의 스풀과 비교해 보면 가장 잘 이해될 수 있다. 널리 알려져 있고 광범위하게 사용되는 종래 기술의 스풀(44)에서는, 포트 차단부(56, 58)가 원통형 형태의 스템(60)에 의하여 분리된다. 포트 차단부(58)의 저면에는 종래의 제어 캠의 표면(예를 들면, 도 2의 캠 트랙(74) 내벽의 표면과 유사함) 상에서 움직이도록 설계된 구면(59)이 제공된다. 상기 각각의 종래 기술의 스풀(44)의 구면(59)은 스프링 바이어스(도시되지 않음)에 의하여 제어 캠의 표면과 일반적으로 접촉된 상태로 캠 피동차로서 작용한다.
전술한 바와 같이, 종래 기술의 스풀(44)의 각 스템(60)은 스풀의 축 상에 중심을 두며 원통형 형태를 가진다. 따라서, 스풀(44)이 밸브 동작 도중에 각각의 밸브 실린더 내에서 축방향으로 회전하는 경우, 스풀(44)의 스템부에 의하여 형성된 유체 통로의 상대적인 크기 및 형상이 일정하게 유지된다. 유체 역학 기술에 공지된 바와 같이, 유체가 고속으로 실린더를 통과할 때(예를 들면, 깃대 또는 범선의 마스트를 통과하는 공기의 흐름), 흐르는 유체에 소용돌이(eddy)가 형성되어 잔물결을 일으키는 난류가 생긴다. 스풀(44)의 스템 통로를 통과하는 유체의 움직임으로 인한 난류는, 전술한 바와 같이, 각각의 밸브를 통과하는 유체의 양방향 흐름을 나타내는 유체 흐름 화살표(80)로 도 5에 개략적으로 예시되어 있다. 상기 난류 흐름으로 밸브의 효율, 특히 고속 및 고압에서의 효율이 떨어진다.
본 발명의 목적은 상기의 난류를 감소시킴으로써 고속/고압 유체 펌프/모터의 효율을 증가시키는데 있다.
난류 흐름의 감소
도 6, 도 7, 및 도 8에 예시된 본 발명에 따른 스풀의 제1 실시예를 참조하면, 스풀(44a)의 포트 차단부(56a, 58a)는 스템부(60a)에 의하여 분리되고, 이 스템부 내에는 스템부(60a)가 실린더(40)의 포트(46, 48)와 각각 정렬될 때 두 개의 측벽의 내부(80a)가 유체 흐름용 통로를 형성한다. 중간 스템 부재(예를 들면, 종래 기술의 스풀(44)의 스템(60))가 없기 때문에, 도 8에 유체 흐름 화살표(82a)로 개략적으로 나타낸 바와 같이, 유체는 스풀(44a)의 스템부(60a)를 방해받지 않고 양방향으로 자유롭게 통과한다. 포트(46, 48)에 대한 측벽 내부(80a)의 소정의 위치가 통과하는 유체 흐름의 효율에 결정적이라는 점에 유의하는 것이 중요하고, 측벽 내부(80a)의 배향은 전술한 배향 기구, 즉 스템부(60a)에 대한 탱(62a) 및 롤러(66a)의 소정의 고정된 위치에 의하여 확실하게 불변된다.
도 9, 도 10, 및 도 11은 본 발명에 따른 스풀의 제2 실시예의 도면이다. 스풀(44b)의 포트 차단부(56b, 58b)는 스템부를 형성하는 중앙 서포트(central support)(60b)에 의하여 분리되고, 이 중앙 서포트는 중앙 서포트(60b)가 실린더(40)의 포트(46, 48)와 각각 정렬될 때 유체 흐름용 이중 통로를 형성하는 스템부를 형성한다. 상기 제2 실시예는 본 발명의 추가적인 특징, 즉 중앙서포트(60b)의 표면(80b)이 소정의 유체 역학적 형상으로 되어 표면(80b)을 통과하는 유체의 양방향 흐름을 용이하게 하고 흐르는 유체에 소용돌이가 형성되는 것을 감소시키는 특징을 포함한다. 또한, 포트(46, 48)에 대한 중앙 서포트(60b)의 소정의 위치가 상기 스템부에 의하여 형성된 유체 통로의 효율에 중요하고, 중앙 서포트(60b) 배향은 스템부(60b)에 대한 탱(62a) 및 롤러(66b)의 소정의 고정된 위치에 의하여 확실하게 불변된다.
흐름 방향의 향상
전술한 바와 같이, 스풀 밸브는 펌프 및 모터와 같은 유압 기계에 널리 사용되고 있다. 유압 기술에서 잘 알려진 바와 같이, 펌프는 구동 샤프트의 회전에 응답하는 피스톤을 가지며, 상기 피스톤은 외부 전원에 의하여 구동된다. 피스톤은 저압 유체를 펌프의 실린더 내로 빨아들인 다음 유체를 실린더로부터 고압으로 내뿜는다. 유압 모터에서, 정반대(reverse)로도 실현되며, 예를 들면 고압 유체가 모터의 피스톤을 움직여 모터의 구동 샤프트를 회전시킴으로써 유체가 실린더로부터 저압으로 배출되어 결합된 유압 펌프와 공유된 폐쇄 유압 루프(또는, 어떤 경우는 섬프(sump))로 복귀된다. 고압 유체의 흐름이 모터 등으로 통하는 유압 라인에서 역전될 때 모터의 구동 샤프트의 회전 방향이 역전된다. 어느 경우에나, 유압 유체는 각기 다른 포트를 통하여 펌프/모터의 실린더 내로 유입되고 이 실린더로부터 배출되며, 상기 포트를 통과하는 흐름 방향은 역전될 수 있다.
도 1에 예시된 유압 기계의 좌측 상단부에 도시된 스풀 밸브 배열을 참조하면, 각각의 밸브 실린더(40)는 각각의 펌프 실린더(16)의 좌측 말단과 연결되는 오리피스(17)를 포함한다. 또한, 각각의 밸브 실린더(40)는 펌프(10)의 말단 캡(53)에 형성된 유체 통로(50, 52)와 각각 연결되는 두 개의 각기 다른 별개의 포트(46, 48)를 포함한다. 예시된 특정 배열에 있어서, 포트(46)는 오리피스(17) 레벨 상측에 위치되는 반면, 포트(48)는 오리피스(17) 레벨 하측에 위치된다.
설명을 위하여, 펌프(10)는 결합된 유압 모터를 가진 폐쇄 유체 루프 배열에서 동작되는 것으로 가정한다. 또한, 통로(50) 및 포트(46)와 연결되는 덕트에는 고압 유체가 흐르고, 통로(52) 및 포트(48)와 연결되는 덕트에는 저압 복귀 유체가 흐르는 것으로 가정한다. 도 1은 펌프(10)가 유체를 최대 유량으로 흐르게 하는 최대 경사각 위치의 회전-사판(24)을 도시한다. 회전-사판(24)이 도시된 위치에 도달했을 때, 스풀(44a)은 포트(46, 48) 양자 모두가 차단된 예시된 위치에 도달했다. 펌프 사이클이 계속될 때, 회전-사판(24)이 피스톤(18)을 우측으로 움직이고 캠 부재(70, 72)가 스풀(44a)을 하측으로 이동시켜 유체 복귀 통로(52)가 오리피스(17)와 연결되어 유체가 포트(48)로부터 펌프 실린더(16)의 오리피스(17) 내로 상측으로 흐를 수 있다. 저압의 복귀 유체는 회전-사판(24)의 회전으로 피스톤(18)이 우측으로 완전하게 움직일 때까지 오리피스(17)를 통하여 실린더(16)내로 계속해서 흐른다. 이 때, 스풀(44a)이 상측으로 움직여서 포트(46, 48) 양자 모두가 다시 차단된다. 회전-사판(24)이 피스톤(18)을 좌측으로 구동시키기 시작할 때, 스풀(44a)이 계속해서 상측으로 움직여서 오리피스(17)를 포트(46)와 연결시킴으로써 피스톤(18)이 고압 유체를 오리피스(17)를 통하여 실린더(16)로부터 포트(46) 및 통로(50) 내로 상측으로 빠져 나가게 할 수 있다.
다음 실시예는 본 발명의 스풀의 스템 통로를 통과하는 유체 흐름 방향의 용이함에 관한 것이다.
도 12, 도 13, 및 도 14는 본 발명에 따른 제3 실시예의 스풀(44c)의 도면으로서, 상기 스풀(44c)은 제1 및 제2 실시예의 주요 특징이 결합되어 있다. 즉, 제1 실시예와 유사한 설계에서, 스템부(60c)는 단지 두 개의 측벽에 의하여 형성된 완전-개방된 유체 통로를 포함한다. 그러나, 상기 실시예에서는, 측벽의 내면(80c)이 하나의 포트(예를 들면, 전술한 도 2의 오리피스(17))로부터 상기 하나의 포트 좌,우측으로 각각 개방된 한 쌍의 포트(예를 들면, 도 1의 포트(46, 48))로 유체의 유입 및 유출이 용이하도록 선택된 소정의 유체 역학적 형상으로 되어 있다.
도 15, 도 16, 및 도 17은 제4 실시예의 스풀(44d)의 도면이다. 스템부(60d)는 또한 한 쌍의 측벽을 사용하여 스템 통로를 형성하는 한편, 유체 역학적 면(80d)을 가진 수평 디바이더(divider)(79)가 통로를 분할시켜 유체 흐름 화살표(82d)로 나타낸 바와 같이 유체를 흐르게 한다. 상기 실시예에서, 하나의 포트(예를 들면, 도 2의 오리피스(17))가 도 17의 우측에 위치되는 것으로 가정한다. 상기 실시예는 하나의 포트 상측 및 하측에 각각 위치된 입구 및 출구 포트로 유체가 잘 흐르도록 설계되어 있다.
도 18, 도 19, 및 도 20은 제2 실시예의 변형예인 제5 실시예의 스풀(44e)의 도면이다. 즉, 하나의 중앙 서포트(60e)에는 하나의 포트(예를 들면 도 2의 오리피스(17))의 좌,우측에 각각 위치된 별개의 포트(예를 들면, 도 2의 포트(46, 48))로 유체가 유입되고 이 포트로부터 유체가 배출되도록 설계된 유체 역학적 면(80e)이 형성된다. 상기 유체 흐름 방향을 도 20에 화살표(82e)로 나타낸다.
끝으로, 도 21, 도 22, 및 도 23은 제1 및 제3 실시예(도 7 및 도 13 참조)의 바람직한 변형예인 제6 실시예의 스풀(44f)을 예시하는 도면으로서, 스풀의 스템부는 단지 두 개의 측벽에 의하여 형성된 완전-개방된 유체 통로를 포함한다. 유체가 용이하게 흐를 수 있도록, 상기 측벽의 두께를 감소시키는 것이 바람직할 수 있다. 그러나, 측벽이 점점 얇아지기 시작하면, 스템 개구를 통과하는 고압 유체의 흐름으로 인하여 측벽이 약간 "물러 날(bowing out)"수 있고, 스풀의 외면과 각 실린더의 내면 사이의 간격이 원하지 않게 감소될 수 있다.
상기 제6 실시예에는, 압력-밸런스 채널(pressure-balancing channel)(84)이 스템부(60f)의 외주 전체 둘레에 형성된다(주의: 채널(84)의 깊이는 크게 확대되어 도시되어 있음). 채널(84)(도 21, 도 22, 및 도 23)의 폭이 스템부(60f)의 전체 수직 높이를 따라 연장되는 것으로 도시되어 있지만, 채널(84)의 크기는 측벽의 찌그러짐을 방지하기에 충분한 밸런스 압력(각 측벽의 외부와 스풀(44f)이 장착되어 있는 실린더의 내면 사이)을 도입하는데 필요한 크기보다 더 클 필요가 없기 때문에, 보다 좁은 채널이 충분할 수 있다.
제1 및 제3 실시예와 관련하여 전술한 바와 같이, 스풀(44f)은 중간 스템 부재(예를 들면, 종래 기술 스풀(44)의 스템(60))가 없고, 유체는 도 23에 유체 흐름 화살표(82f)로 개략적으로 나타낸 바와 같이, 스풀(44f)의 스템부(60f)를 지나 방해받지 않고 양방향으로 자유롭게 흐른다. 그러나, 스템부(60f)의 외주 상에 형성된 채널(84)을 통과하는 흐름은, 채널(84)의 깊이(크게 확대되어 도시됨)가 원하는 밸런스 압력을 도입하는데 필요하지만 임의의 유체 흐름이 통과할 수 있을 만큼 크지 않기 때문에, 나타나 있지 않다는 점을 또한 유의해야 한다.
후자의 4가지 실시예에서, 스풀의 스템부을 통과하는 유체 흐름의 배향도 또한 중요하다. 제1 및 제2 실시예와 관련하여 설명한 바와 같이, 상기 중요한 배향은 별개의 스풀(44a-f)이 그들 각각의 밸브 실린더(40)의 축을 중심으로 회전하는 것을 방지하는 기구에 의하여 유지된다. 상기 배향 기구는 키를 사용하는 일종의 키웨이 배열(keyway arrangement) 및 각각의 밸브 실린더와 스풀에 의하여 공유된 슬롯/슬라이드 조합체를 포함할 수 있다. 그러나, 바람직한 배향 기구도 또한 캠 트랙에 갇혀 있고 충분하게 전술한 바와 같이 각 스풀에 대하여 고정된 배향으로 위치된 정방향으로 구동되는 캠 피동차를 포함한다.
전술한 본 발명은 (a) 각 스풀을 정방향으로 구동하고, (b) 각 스풀의 스템부를 통과하는 유체 흐름 방향을 용이하게 하고, (c) 유체 난류를 감소시키도록 스풀 스템 설계를 사용함으로써 펌프 효율을 증가시킨다. 유압 펌프/모터의 밸브 시스템에서 유체 난류를 감소시키게 되면 기계의 효율이 증가될 뿐만 아니라 고속으로 흐르는 유체 흐름으로 인한 기계의 소음을 상당히 감소시킨다.

Claims (18)

  1. 구동 샤프트의 회전에 의하여 순차로 동작되는 각기 다른 복수의 밸브를 가진 스풀 밸브 장치에 있어서, 각각의 스풀 밸브가
    (a) 제1 유체 통로를 형성하는 적어도 제1 포트를 가진 실린더, 및
    (b) 스템부 및 적어도 하나의 포트 차단부를 가지는 스풀
    을 포함하고,
    상기 스풀은 실린더 내에서 제1 위치와 제2 위치 사이로 축방향으로 이동가능하고, 이로써 상기 스풀이 상기 제1 위치일 때 상기 유체는 상기 스템부를 지나 상기 제1 유체 통로를 통과할 수 있고, 상기 스풀이 상기 제2 위치일 때 상기 제1 유체 통로는 차단되고
    상기 스풀 밸브 장치는,
    상기 구동 샤프트에 의하여 회전되며 적어도 두 개의 평행면을 가진 캠 트랙, 및
    복수의 캠 피동차－여기서 각각의 캠 피동차는 상기 스풀 중 각기 하나와 결합되며 상기 스풀 중 각기 하나에 대하여 소정의 위치에 정렬되고, 각각의 캠 피동차는 상대 이동 결합되도록 상기 캠 트랙의 상기 평행면 사이에 함께 캡쳐되어 상기 구동 샤프트의 회전에 응답하여 상기 각각의 스풀의 축방향 동작 및 상기 각각의 스풀 밸브의 상기 순차 동작을 제어함－
    를 포함하고,
    상기 각각의 스풀의 상기 스템부가 (a) 유체 역학적 형상의 비원통형 만곡면을 포함하는 중앙 서포트를 가진 측벽이 없이 형성되거나, (b) 상기 통로가 이들 측벽 사이에 형성된 한 쌍의 측벽으로 형성된, 통로를 형성하고,
    상기 중앙 서포트 및 상기 측벽이 상기 실린더의 상기 각각의 제1 유체 포트에 대하여 소정의 배향으로 위치되어, 상기 스템부가 함께 정렬될 때, 유체가 상기 스템부를 지나 상기 제1 유체 포트를 용이하게 통과하는
    개량 스풀 밸브 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 실린더는 상기 제1 포트로부터 이격되며 제2 유체 통로를 형성하는 제2 포트를 포함하고,
    상기 스풀이 상기 제1 위치에 있을 때 상기 유체가 상기 스템부를 지나 상기 제1 포트를 통과할 수 있고 상기 제2 유체 포트는 차단되며,
    상기 스풀이 상기 제2 위치에 있을 때 상기 제1 유체 포트는 차단되며 유체가 상기 스템부를 지나 상기 제2 유체 포트를 통과할 수 있고,
    상기 중앙 서포트, 및 상기 스템부의 상기 측벽 사이의 상기 통로의 소정의 배향이 유체가 (a) 상기 스템부가 상기 제1 유체 포트와 정렬될 때 상기 스템부를 지나 상기 제1 유체 통로를 용이하게 통과하고, (b) 상기 스템부가 상기 제2 유체 포트와 정렬될 때 상기 스템부를 지나 상기 제2 유체 통로를 용이하게 통과하도록 위치되는
    개량 스풀 밸브 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 스템부의 쌍으로 된 측벽이 그들 측벽 사이에 상기 통로를 형성하는 내면을 가지고, 상기 내면은 각각 유체 역학적 형상으로 되어 유체가 상기 스템부를 용이하게 통과하고, 상기 스템부가 함께 정렬될 때, 유체가 상기 각각의 제1 및 제2 유체 포트로 향하여 흘러 들어가고 이들 포트로부터 흘러 나오는
    개량 스풀 밸브 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    한 쌍의 측벽을 가진 상기 스템부가 상기 측벽 사이에 형성된 한 쌍의 통로를 추가로 포함하고,
    상기 통로 각각이, 상기 스템부가 함께 정렬될 때, 유체가 상기 실린더 포트 중 각기 하나로 흘러 들어가고 이로부터 흘러 나오도록 배향되는
    개량 스풀 밸브 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 비원통형 중앙 서포트가 한 쌍의 통로를 형성하고,
    상기 통로 각각이, 상기 스템부가 함께 정렬될 때, 유체가 상기 실린더 포트 중 각기 하나로 흘러 들어가고 이로부터 흘러 나오도록 배향되는
    개량 스풀 밸브 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 각각의 캠 피동차의 각각의 스풀에 대한 상기 소정의 위치는 상기 롤러가 상기 캠 트랙과 롤링 결합될 때 각각의 스풀이 각각의 실린더 축을 중심으로 회전하는 것을 방지하고, 이로써 상기 중앙 서포트 및 상기 스템부의 상기 측벽의 상기 소정의 배향이 유지되어 상기 유체가 용이하게 흐르는
    개량 스풀 밸브 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 각각의 캠 피동차가 상기 캠 트랙과 롤링 결합되도록 캡쳐된 롤러를 포함하는
    개량 스풀 밸브 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 각각의 스풀이 상기 각각의 롤러가 수용되어 상기 소정의 위치에 지지되는 탱을 가져서 상기 캠 트랙의 상기 평행면과 롤링 결합될 수 있는
    개량 스풀 밸브 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 캠 트랙의 상기 평행면이 두 개의 정렬된 미러-이미지 부분으로 분할되고,
    상기 각각의 롤러가 상기 정렬된 미러-이미지 부분 양자 모두와 항상 롤링 결합되는
    개량 스풀 밸브 장치.
  10. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 실린더가 중앙축으로부터 반경방향으로 연장되는 축을 따라 서로 등거리로 위치되는
    개량 스풀 밸브 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 스템부의 상기 각각의 측벽이 외면을 가지며, 외면 내부에 형성된 압력-밸런스 채널을 추가로 포함하는
    개량 스풀 밸브 장치.
  12. 유체 흐름을 제어하는 밸브용 스풀에 있어서,
    상기 밸브는 상기 스풀을 수용하는 캐버티를 포함하는 몸체를 가지고,
    상기 캐버티는 축, 및 제1 유체 통로를 형성하는 적어도 하나의 포트를 가지며,
    상기 스풀이
    제1 포트 차단부 및 스템
    을 포함하고,
    상기 스풀이 상기 캐버티 내에서 제1 위치와 제2 위치 사이로 축방향으로 이동가능하고, 이로써 상기 스풀이 상기 제1 위치일 때 상기 제1 유체 통로가 상기 제1 포트 차단부에 의하여 차단되며, 상기 스풀이 상기 제2 위치일 때 유체가 상기 스템을 지나 상기 제1 유체 통로를 통과할 수 있고,
    상기 스템이 (a) 유체 역학적 형상의 비원통형 만곡면을 포함하는 중앙 서포트를 가진 측벽이 없이 형성되거나, (b) 상기 스템 통로가 이들 측벽 사이에 형성된 한 쌍의 측벽으로 형성된, 스템 통로를 형성하고, 상기 중앙 서포트 및 상기 측벽이 상기 실린더의 상기 각각의 제1 유체 포트에 대하여 위치되어, 상기 스템부가 함께 정렬될 때, 유체가 상기 스템 통로 및 상기 제1 유체 포트를 용이하게 통과할 수 있는
    스풀.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 측벽 및 상기 중앙 서포트에 의하여 형성된 상기 스템 통로를 상기 제1 유체 통로에 대하여 소정의 배향으로 위치시켜, 상기 스템이 함께 정렬될 때, 상기 유체가 상기 제1 포트를 항상 용이하게 통과할 수 있도록 하는 배향 기구를 추가로 포함하는
    스풀.
  14. 제13항에 있어서,
    유체 흐름을 제어하는 상기 스풀 밸브가 구동 샤프트에 의하여 회전하는 제어 캠 면을 가진 기계에 결합되며, 상기 제어 캠은 적어도 두 개의 평행면을 가지고,
    상기 배향 기구는 상기 스풀에 대하여 소정의 위치에 정렬된 캠 피동차를 포함하고, 상기 캠 피동차는 함께 상대 이동 결합되도록 상기 제어 캠의 상기 평행면 사이에 캡쳐되어 상기 스풀의 축방향 동작을 제어하는
    스풀.
  15. 제14항에 있어서, 상기 캠 피동차가 롤러인 스풀.
  16. 제12항에 있어서, 상기 스템부의 상기 각각의 측벽이 외면을 가지며, 이들 외면 내부에 형성된 압력-밸런스 채널을 추가로 포함하는 스풀.
  17. 제12항에 있어서, 상기 밸브 몸체 내의 상기 캐버티가 제2 유체 통로를 형성하는 다른 포트를 포함하고, 상기 스풀이
    상기 제1 포트 차단부로부터 상기 스템에 의하여 분리된 제2 포트 차단부－ 여기서 상기 스풀이 상기 제1 위치일 때 상기 스풀의 상기 제1 포트 차단부가 상기제1 유체 통로를 차단하는 한편 유체는 상기 스템 통로 및 상기 제2 유체 통로를 통과할 수 있고, 상기 스풀이 상기 제2 위치일 때 상기 스풀의 상기 제2 포트 차단부가 상기 제2 유체 통로를 차단하는 한편 유체는 상기 스템 통로 및 상기 제1 유체 통로를 통과할 수 있음－, 및
    상기 스템 통로를 상기 제1 유체 통로 및 상기 제2 유체 통로 양자 모두에 대하여 소정의 배향으로 위치시킴으로써, 상기 스템이 상기 제1 및 제2 유체 통로와 각각 정렬될 때, 유체가 상기 스템 통로를 항상 용이하게 통과할 수 있도록 하는 배향 기구
    를 추가로 포함하는
    스풀.
  18. 제17항에 있어서, 상기 한 쌍의 측벽이 이들 측벽 사이에 상기 스템 통로를 형성하는 내면을 가지며, 상기 각각의 내면은 유체 역학적 형상으로 되어 유체가 상기 스템 통로를 용이하게 통과하고, 상기 스템부가 함께 정렬될 때, 유체가 상기 각각의 제1 및 제2 유체 포트로 흘러 들어가고 이들 포트로부터 흘러 나오도록 하는
    스풀.
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