KR20060090697A - 압력 이송 밸브 - Google Patents

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Abstract

파일럿 제어식 압력 이송 밸브는 메인 스테이지 및 파일럿 제어 스테이지를 포함하며, 메인 스테이지는 폐쇄 위치로 편향되는 피스톤을 포함한다. 피스톤은 보어를 구비하며, 이를 통해 입력 포트가 후방 측 스프링 챔버와 연결된다. 상기 피스톤 보어에는 스로틀 밸브 수단이 연관되어, 압력 이송 밸브의 압력 제한 기능에서는 제어 오일을 위한 유동의 비교적 작은 단면을 제공하고, 안티-캐비테이션 기능에서는 유동의 비교적 큰 단면을 제공한다.
압력 이송 밸브, 파일럿 제어, 유압 회로, 피스톤, 스로틀 밸브, 캐비테이션

Description

압력 이송 밸브 {FEED PRESSURE VALVE}
본 발명은 특허청구범위 제1항의 전제부에 따른 압력 이송 밸브에 관한 것이다.
예를 들어, 기어 드라이브를 가동 및 회전시키는 것과, 개폐식 유압 회로의 실린더와 같은 선형 작용부(linear consumer)를 고정하는 것에는, 유체정역학 드라이브의 작동 밸브와 같은, 동일한 압력 이송 밸브가 채용된다. 기어 드라이브를 가동/회전시키는 경우 이들 밸브가 사용되어, 예를 들어 소정의 시스템 압력이 초과되었을 때 고압 측으로부터 저압 측으로 접속을 개방시킨다. 프로세스에서, 압력 매체는 고압 측으로부터 저압 측을 향해 회전/가동 중인 구동 드라이브의 유압 모터를 지나 이송되어, 고압 측에서의 압력 피크가 방지될 수 있다. 내리막 가동일 때와 같은 안티-캐비테이션(anti-cavitation) 기능에서는, 압력 매체가 저압 측으로부터 고압 측으로 보충되어 캐비테이션이 방지될 수 있다.
DE 101 20 643 A1 및 DE 101 45 975 A1에는 일반적인 파일럿 제어식 압력 이송 밸브가 개시되어 있으며, 메인 스테이지는, 압축스프링에 의해, 단부면 측 압력 포트로부터 반경방향으로 배열된 보어 형태를 가지는 저압 포트(탱크)로의 연결이 폐쇄되어 있는 폐쇄 위치로 편향되는 피스톤에 의해 실행된다.
메인 스테이지의 스프링 챔버는 파일럿 제어 스테이지를 통해 제어 오일 드레인 포트와 연결되어 있다. 파일럿 제어 스테이지는 제어 스프링에 의해 폐쇄 위치로 편향되는 파일럿 제어 밸브 본체를 포함하며, 폐쇄 위치에서는 스프링 챔버와 제어 오일 드레인 포트 사이의 매체 유동 경로가 폐쇄되어 있다.
메인 스테이지의 피스톤은 축방향으로 연장되는 보어를 가지며, 이로 인해 스프링 챔버가 압력 챔버와 연결된다. 압력 챔버는 피스톤의 단부면에 의해 경계지어지고 내부에 시스템 압력이 존재한다. 사전 설정된 시스템 압력이 초과되면, 파일럿 제어 밸브가 제어 스프링의 힘에 대항하여 자신의 파일럿 제어 밸브 시트로부터 상승하여, 제어 오일이 파일럿 제어 스테이지를 통해 스프링 챔버로부터 유출될 수 있다. 이러한 제어 오일의 유동은 피스톤의 축방향 보어 전체에서 압력 강하를 일으켜서, 피스톤 후방 측의 부하가 대응되게 해제되고 단부면 측 압력 포트와 반경방향 저압 포트 사이의 연결이 압축스프링의 힘에 대항하여 개방되도록 제어되며, 조절 피스톤은 시스템 압력이 사전 설정된 최대값으로 한정되는 조절 위치로 가정한다. 파일럿 제어 스테이지 전체의 제어 오일 유동을 최소화하기 위해, 피스톤의 축방향 보어는 가급적 작게 설계되는 것이 바람직하다. 그러나, 피스톤의 이렇게 작은 축방향 보어는, 안티-캐비테이션 기능에 있어서, 제어 오일이 스프링 챔버로부터 축방향 보어를 통해 축방향으로 연장되는 고압 포트로 유동되는 것을 방해하여, 피스톤 후방 측이 압력으로부터 해제되는 것이 비교적 느리고, 보충 처리가 지연되는 단점을 초래한다. 그러나, 이러한 지연은 가동 중인 기어의 높은 동적 교호 부하에 적절하지 않으며, 캐비테이션을 회피하기 위해, 안티-캐비테이션 기능으로 매우 신속하게 절환될 필요가 있다. 또한, 종래의 방식에서는, 스위칭 기능이 느리기 때문에 가동 중인 기어 모터의 역회전 동작에 있어서 기어 모터의 오작동이 일어날 수 있다.
본 발명은, 압력 제한 기능에서 파일럿 제어 오일 유동량이 최소이고, 안티-캐비테이션 기능에서 피스톤 후방 측이 부하로부터 신속하게 해제될 수 있는, 압력 이송 밸브를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적은 특허청구범위 제1항의 특징을 가지는 압력 이송 밸브를 통해 달성된다.
본 발명에 따르면, 압력 이송 밸브는, 압력 제한 기능에서는 피스톤을 통과하는 제어 오일 유동에 대하여 비교적 작은 단면을 가질 수 있으며 안티-캐비테이션 기능에서는 비교적 커다란 단면이 효과적이어서 압력 이송 밸브의 메인 스테이지의 스프링 챔버 상의 부하를 신속하게 경감시키도록 구성된 스로틀 밸브 수단을 구비한다.
특히 바람직한 실시예에서, 스로틀 밸브 수단은 피스톤과 통합된 스로틀 체크 밸브로 형성되어 있다. 스로틀 체크 밸브는 피스톤 보어보다 작은 직경을 가지는 노즐 보어에 의해 관통되는 노즐 플레이트를 포함한다. 노즐 플레이트는 노즐 플레이트 시트와 접촉되어서, 피스톤 보어의 유효 단면이, 보다 작은 노즐 보어의 단면에 의해 결정된다. 안티-캐비테이션 기능에서, 노즐 플레이트는 노즐 플레이트 시트로부터 상승하고 제어 오일 유동에 의해 둘러싸여서, 직경이 작은 노즐 보어가 아니라, 직경이 큰 피스톤 보어가 유동의 단면으로서 유효하게 된다.
본 발명의 바람직한 변형에서, 노즐 보어의 직경이 피스톤 보어의 유효 직경의 절반 이하이면 바람직하다.
노즐 플레이트 주변의 바이패스 유동은 그 둘레에 바이패스 유동의 단면을 정하는 직선부를 제공하는 경우에 최적화된다.
본 발명의 특히 바람직한 변형에서, 노즐 플레이트는 대략 삼각형 베이스의 형태를 가지며, 그 모서리 구역에는 개구부의 방향으로 연장되는 지지 레그가 제공된다. 이들 지지 레그는 안티-캐비테이션 기능에서 피스톤 보어의 스톱 쇼울더에 접촉되어, 매우 커다란 바이패스 유동 단면이 만들어질 수 있으며, 이 유동 단면은 2개의 인접하는 지지 레그, 전술한 직선부, 및 피스톤 보어의 인접하는 외주에 의해 정해진다. 특히 간단한 구조를 가지는 일 방안에서는, 스로틀 체크 밸브가 피스톤 보어의 확장된 부분에 삽입되며, 시트 슬리브(seat sleeve)가 피스톤 보어에 나사 삽입되어 노즐 플레이트 시트를 구성한다.
본 발명에 따른 압력 이송 밸브는, 고정식/가변식 변위 모터 또는 고정식/가변식 변위 펌프를 포함하는, 개방되거나 폐쇄된 유압 회로에 사용될 수 있다.
본 발명의 추가적인 장점은 특허청구범위 종속항에 기재되어 있다. 이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 압력 이송 밸브의 종단면도이다.
도 2 및 도 3은 도 1의 압력 이송 밸브의 상세도이다.
도 4는 도 1의 압력 이송 밸브의 상이한 작동 상태를 나타내는 도면이다.
도 1은 파일럿 제어식 압력 이송 밸브(1)의 종단면도로서, 그 기본 구성은 DE 101 45 975 A1 및 DE 101 20 643 A1에 개시되어 있으므로, 본 명세서에서는 본 발명을 이해하는데 필수적인 구성요소에 대하여만 언급하기로 하며, 나머지 구성요소는 전술한 특허 명세서를 참고하기 바란다.
압력 이송 밸브(1)는 메인 스테이지(2) 및 파일럿 제어 스테이지(4)를 포함하며, 이들은 카트리지형 하우징(6) 내에 형성되어 있다. 하우징(6)은, 예를 들어 가동 중인 기어 드라이브의 고압 측과 연결되는 축방향 포트(P)를 갖는다. 반경방향으로 배열되는 보어에 의해 형성되는 출구 포트(T)는 유압 시스템의 저압 측과 연결된다.
하우징은 축방향 보어(8)에 의해 관통되며, 그 내부에 메인 스테이지의 피스톤(10)이 축방향으로 이동 가능하게 가이드된다. 피스톤(10)은 슬라이딩 시트를 구비하도록 설계되며, 피스톤(10)은 압축스프링(12)을 매개로 하여 축방향 보어의 환형 쇼울더(14)에 대하여 편향된다. 따라서, 피스톤(10)은 폐쇄된 위치와 상이한 표면적을 가지도록 설계되며, 개방되는 방향의 유효 단부면이 폐쇄되는 방향의 유효 단부면보다 작다.
포트(P)로부터 이동된 피스톤(10)의 단부 부분은, 피스톤(10)의 후방 측 스톱 칼라(18)에 대하여 접촉되도록 되어 있는 안티-캐비테이션 링(16)에 의해 둘러싸인다. 안티-캐비테이션 링(16)은 단부면이, 반경방향으로 배열된 보어(20)의 평 행한 보어를 통해 탱크 포트(저압 측)에서 압력을 받도록 되어 있다.
피스톤(10)은 중공 피스톤의 형태를 가지며, 도 1에서 우측을 향해 계단형으로 확장되는 피스톤 보어(22)에 의해 관통된다. 피스톤 보어(22)에는 스로틀 체크 밸브(25)가 제공되며, 그 구성은 후술하기로 한다.
압축스프링(12)은 피스톤 보어(22)의 반경방향으로 확장된 부분에 그 일부분이 삽입되며 스프링 챔버(24)의 단부면 측을 형성하는 리듀싱 부재(23)에 지지된다.
리듀싱 부재(23)의 우측 단부면에는 구형 파일럿 제어 밸브 본체(28)용 파일럿 제어 밸브 시트가 형성된다. 파일럿 제어 밸브 본체(28)는 제어 스프링(30)에 의해 파일럿 제어 밸브 시트(26)에 대하여 폐쇄된 위치로 편향된다. 제어 스프링(30)의 편향은 시스템 압력의 조절을 위해 세트 스크루(32)에 의해 변경될 수 있다.
리듀싱 부재(23)는, 블라인드 보어가 형성되어 있으며 그 개구부가 전술한 밸브 시트(26)를 구성하는 스프링 챔버(24)에 삽입되는 허브(hub) 형상의 돌기를 갖는다. 상기 블라인드 보어 내에서 작은 감쇠 피스톤(34)이 축방향으로 이동 가능하게 가이드되고 파일럿 제어 밸브 본체(28)와 접촉될 수 있다. 블라인드 보어는 반경방향 보어(36)를 통해 스프링 챔버(24)와 연결된다. 작은 감쇠 피스톤(34)의 우측 단부는 반경방향으로 유격을 가지면서 가이드되어, 블라인드 보어의 내주 벽과 작은 감쇠 피스톤(34)의 외주 사이에 환형의 감쇠 갭이 형성되도록 한다. DE 101 45 975 A1에서 상세하게 설명된 바와 같이, 상기 작은 감쇠 피스톤(34)은 반파 형(halfwave-type) 감쇠를 야기하여 파일럿 제어 스테이지(4)의 신속한 개방 및 감쇠 폐쇄를 가능하게 한다.
도 1에서 파일럿 제어 밸브 시트(26) 우측의 압력 챔버는 외부 제어 오일 포트(Y)를 통해 탱크 또는 저압 측과 연결된다. 이러한 외부 포트 대신에, 압력 챔버는 내부적으로 탱크 포트(T)와 연결될 수 있으며, 하우징(6)에는 예를 들어 종방향 보어가 제공된다.
도 2는 메인 스테이지(2)의 피스톤(10)을 상세하게 나타내는 도면이다. 피스톤(10)의 좌측 단부면은 피스톤 보어(22)가 개구된 돌기(38)의 형태를 갖는다. 피스톤 보어는 우측으로 계단 형상으로 확장되며, 이어서 밸브 챔버(40)가 형성되고 그 내부에 스로틀 체크 밸브(25)가 수용된다. 이 밸브 챔버(40)에는 시트 슬리브(42)가 나사 삽입되고, 시트 슬리브의 전방 단부면은 시트면(44)의 형태를 갖는다. 스로틀 체크 밸브(25)의 밸브 부재는 노즐 보어(48)가 관통되는 노즐 플레이트(46)에 의해 형성된다. 노즐 보어(48)는 돌기(38)의 영역에서 개구되는 피스톤 보어(22)보다 실질적으로 작은 직경을 갖는다.
도 3은 도 2의 노즐 플레이트(46)를 좌측에서 본 단부 및 선 B-B를 따르는 단면을 나타낸 것으로, 둥근 모서리 부분(50, 52, 54)을 구비한 대략 삼각형 단부면을 가지며, 상기 둥근 모서리 부분의 곡률반경은 밸브 챔버(40)의 반경과 대응되어서, 이들 모서리 부분이 내주 벽과 슬라이딩 접촉된다. 상기 삼각형 구조의 중심에는 노즐 보어(48)가 형성된다.
모서리 부분(50, 52, 54)에는 밸브 챔버(40)의 좌측 환형 단부면(62) 쪽으로 연장되는 지지 레그(56, 58, 60)가 제공된다. 이하에서 보다 상세하게 설명하겠지만, 이들 지지 레그(56, 58, 60)는, 스로틀 체크 밸브(25)가 개방되었을 때, 환형의 단부면(62)과 접촉하게 되어, 제어 오일이 스프링 챔버(24)로부터 피스톤 보어(22)로 유동하는 경우, 노즐 플레이트(46)는 유동에 의해 둘러싸이고, 이러한 바이패스 유동은 삼각형 구조(측부 에지)(64)를 형성하는 직선부를 따라서, 그리고 각각의 인접하는 레그(54, 56; 56, 52; 52, 54) 사이에서 일어난다.
제어 오일을 위한 유동의 최소 단면은, 스로틀 체크 밸브(25)가 폐쇄되었을 때에는 노즐 보어(48)의 직경으로 결정되고, 스로틀 체크 밸브(25)가 개방되었을 때에는 실질적으로 보다 큰 피스톤 보어(22)의 직경으로 결정된다. 본 실시예에서, 상기 직경은 노즐 보어(48)의 직경의 최소한 2배이어서, 그 스로틀링(조절) 효과가 매우 높다. 반경방향 보어(36)의 유동 단면 또한 노즐 보어(48)의 유동 단면보다 크게 선택된다.
도 1에 나타낸 안티-캐비테이션 밸브(1)의 기본 위치에서, 피스톤(10)은 폐쇄 위치로 편향되어 있으며, 파일럿 제어 스테이지(4)는 폐쇄되고, 스로틀 체크 밸브(25)의 노즐 플레이트(46)는 시트 슬리브(42)의 시트면(44)에 밀봉되게 놓여서, 제어 오일이 단부면 측 포트(P)로부터 노즐 보어(48)를 통해 스프링 챔버(24)로 들어간다. 피스톤(10)의 면적 차이로 인해, 피스톤(10)은 압축스프링(12)의 힘 외에, 유효 압력의 힘에 의해 폐쇄 위치로 편향된다.
포트(P)에서 압력이 증가되는 경우, 스프링 챔버(24)의 압력은 따라서 상승하여, 이 압력 또한 파일럿 제어 밸브 시트(26)에 작용한다. 사전 설정된 시스템 압력이 초과되는 경우, 파일럿 제어 밸브 본체(28)는 제어 스프링(30)의 힘에 저항하여 파일럿 제어 밸브 시트(26)로부터 상승하여, 제어 오일이 스프링 챔버(24)로부터 개방된 파일럿 제어 스테이지(4)를 통해 포트(T) 쪽으로 유출된다. 피스톤(10)의 후방 측이 부하로부터 해제됨으로써, 피스톤(10)은 환형 쇼울더(14)로부터 상승하여, 포트(P)로부터 포트(T)로의 연결이 개방되도록 제어된다. 피스톤(10)은 위치를 조절하는 것으로 가정하며, 포트(P)에서의 시스템 압력은 설정된 최대치로 제한된다. 노즐 플레이트(46)는 시트면(44)에 대하여 가압되어, 제어 오일 유동이, 비교적 작은 노즐 보어(48)의 직경으로 결정된다. 즉, 압력 이송 밸브(1)의 압력 제한 기능에서의 제어 오일 유동량이 매우 적어서, 폐쇄된 회로의 경우에는 단지 이 소량의 제어 오일 및 모터 누출량만이 공급되어야 한다. 이러한 작동 상태를 도 4의 (a)에 나타내었다.
안티-캐비테이션 기능에서, 즉, 포트(P)에서의 압력이 포트(T)에서의 압력 아래로 떨어지는 경우(도 4의 (b) 참조), 안티-캐비테이션 링(16)이 먼저 좌측 단부면에 작용하는 포트(T)에서의 높은 압력에 의해 스톱 칼라(18)와 접촉할 때까지 우측으로 이동되고, 피스톤(10)이 환형 쇼울더(14)로부터 상승하여 리듀싱 부재(23)의 인접하는 단부면과 접촉하며, 이 때 포트(T)로부터 포트(P)로의 연결은 완전히 개방되어, 압력 매체가 보충될 수 있다. 포트(P)에서의 압력이 낮기 때문에, 안티-캐비테이션 기능에서 노즐 플레이트(46)는 시트 슬리브(42)로부터 상승되어, 스프링 챔버(24)의 부하가 피스톤 보어(22)에 의해 매우 신속하게 해제되며, 상승된 노즐 플레이트(46)는 유동에 의해 둘러싸여서, 노즐 보어(48)가 효력을 나 타내지 않는다. 스로틀 체크 밸브(25)가 개방되면, 안티-캐비테이션 기능으로 신속하게 절환되는 것이 보장되어서, 캐비테이션이 신뢰적으로 방지될 수 있다.
압력 상태가 역전되는 경우, 즉 포트(P)에서의 압력이 포트(T)에서의 압력보다 높이 상승되는 경우, 피스톤(10)은 다시 폐쇄 위치로 복귀되며, 이러한 폐쇄 운동은 작은 노즐 보어(48)를 포함하는 노즐 플레이트의 효과에 의해 감쇠된다. 피스톤의 이러한 순간적으로 느린 폐쇄 과정은 유압 모터의 포트 사이에서 소량의 압력 매체 보상을 허용하여 유압 모터가 변형되지 않도록 한다.
서두에 언급한 바와 같이, 본 발명에 따른 압력 이송 밸브(1)는, 예를 들어 회전하는 기어 드라이브용으로 개방된 회로 또는 폐쇄된 회로 내에 배치되며, 각각의 압력 이송 밸브는 각각의 고압 측 및 저압 측과 연관될 수 있다. 이러한 회로는 그 자체가 공지되어 있으므로, 이와 관련한 설명은 필요하지 않다.
이상 설명한 파일럿 제어식 압력 이송 밸브는 메인 스테이지 및 파일럿 제어 스테이지를 포함하며, 메인 스테이지는 폐쇄 위치로 편향되는 피스톤을 포함한다. 피스톤은 보어를 구비하며, 이를 통해 입력 포트가 후방 측 스프링 챔버와 연결된다. 상기 피스톤 보어에는 스로틀 밸브 수단이 연관되어, 압력 이송 밸브의 압력 제한 기능에서는 제어 오일을 위한 유동의 비교적 작은 단면을 제공하고, 안티-캐비테이션 기능에서는 유동의 비교적 큰 단면을 제공한다.
참조부호의 설명
1 압력 이송 밸브 2 메인 스테이지
4 파일럿 제어 스테이지 6 하우징
8 축방향 보어 10 피스톤
12 압축스프링 14 환형 쇼울더
16 안티-캐비테이션 링 18 스톱 칼라
20 반경방향으로 배열된 보어 22 피스톤 보어
23 리듀싱 부재 24 스프링 챔버
25 스로틀 체크 밸브 26 파일럿 제어 밸브 시트
28 파일럿 제어 밸브 본체 30 제어 스프링
32 세트 스크루 34 작은 감쇠 피스톤
36 반경방향 보어 38 돌기
40 밸브 챔버 42 시트 슬리브
44 시트면 46 노즐 플레이트
48 노즐 보어 50 모서리 부분
52 모서리 부분 54 모서리 부분
56 지지 레그 58 지지 레그
60 지지 레그 62 환형 단부면
64 직선부

Claims (7)

  1. 파일럿 제어식 압력 이송 밸브에 있어서,
    메인 스테이지의 피스톤(10)을 구비하여 입력 포트(P)와 출력 포트(T) 사이의 연결이 개방되도록 제어되고, 상기 압력 이송 밸브의 스프링 챔버(24)는 피스톤 보어(22)를 통해 상기 입력 포트(P)와 연결되고 파일럿 제어 스테이지(4)를 통해 제어 오일 드레인(Y)과 연결되어 있으며,
    폐쇄 위치에서 상기 피스톤 보어를 통한 상기 입력 포트(P)로부터 상기 스프링 챔버(24)로의 제어 오일 유동을 조절하고, 상기 제어 오일 유동이 반대 방향인 경우의 안티-캐비테이션(anti-cavitation) 기능에서는 비교적 넓은 유동 단면으로 개방되도록 제어하는 스로틀 밸브 수단(25)을 포함하는
    압력 이송 밸브.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스로틀 밸브 수단은, 상기 피스톤 보어(22)보다 작은 직경을 가지는 노즐 보어(48)가 형성되어 있으며 단부면이 노즐 플레이트 시트면(44)과 접촉될 수 있는 노즐 플레이트(46)를 가지는 스로틀 체크 밸브(25)이고,
    상기 노즐 보어(48)는, 상기 노즐 플레이트(46)가 상기 노즐 플레이트 주위의 유동에 의해 상기 노즐 플레이트 시트면(44)으로부터 상승된 상태에서 개방될 수 있는
    것을 특징으로 하는 압력 이송 밸브.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 노즐 보어(48)의 직경은 상기 피스톤 보어(22)의 직경의 절반 이하인 것을 특징으로 하는 압력 이송 밸브.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 노즐 플레이트(46)는 외주부에 바이패스 유동의 단면을 한정하는 직선부를 가지는 것을 특징으로 하는 압력 이송 밸브.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 노즐 플레이트(46)는 실질적으로 삼각형 형상의 베이스를 가지며, 상기 삼각형 형상의 베이스의 모서리 부분(50, 52, 54)에는 상기 피스톤 보어(22, 40)의 환형 단부면(62)과 접촉될 수 있는 지지 레그(56, 58, 60)가 형성되어 있고, 상기 삼각형 형상의 베이스의 굴곡진 외주면은 상기 피스톤 보어(22)의 확장부(40)의 내주벽에 접촉되어 있는 것을 특징으로 하는 압력 이송 밸브.
  6. 제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스로틀 체크 밸브(25)는 상기 피스톤 보어(22)의 밸브 챔버(40)에 삽입되고, 상기 피스톤 보어(22)에는 상기 노즐 플레이트 시트면(44)을 형성하는 시트 슬리브(42)가 삽입되는 것을 특징으로 하는 압력 이송 밸브.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    고정식/가변식 변위 모터 또는 펌프의 폐쇄되거나 개방된 유압 회로에 사용될 수 있는 것을 특징으로 하는 압력 이송 밸브.
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