KR20140063398A

KR20140063398A - 파일럿식 전자 밸브

Info

Publication number: KR20140063398A
Application number: KR1020130118430A
Authority: KR
Inventors: 도모유키 우에노; 히로토 요시노야
Original assignee: 가부시키가이샤 사기노미야세이사쿠쇼
Priority date: 2012-11-15
Filing date: 2013-10-04
Publication date: 2014-05-27
Also published as: JP2014098450A; KR101617924B1; JP5648036B2; CN203604779U

Abstract

파일럿식 전자 밸브에 있어서, 피스톤 링 등을 사용하지 않고, 1차측 이음(21)으로부터 피스톤실(31) 내에 배치된 피스톤 밸브(1)의 상부의 피스톤 배후 공간에의 Cv값을 억제하여, 피스톤 밸브(1)의 동작을 안정시킨다.
피스톤실(31)의 내벽(31a)에 대향하는, 피스톤 밸브(1)에 있어서의 피스톤부(11)의 외주에, 링형 홈(11a)을 복수 형성하고, 라비린스 구조(11A)를 마련한다. 라비린스 구조(11A)의 형상 파라미터를 설정한다. 홈 각도(θ), 홈 깊이(D), 홈 간격(P)을, 15°≤θ≤40°, 0.2 ㎜≤D≤0.6 ㎜, 0.2 ㎜≤P≤0.6 ㎜로 한다.

Description

파일럿식 전자 밸브{PILOT-TYPE ELECTROMAGNETIC VALVE}

본 발명은 1차측 이음과 2차측 이음 사이의 주밸브 포트에 대향하여 피스톤실 내에 피스톤 밸브를 배치하며, 피스톤 밸브의 파일럿 포트를 파일럿 밸브로 개폐하고, 피스톤실 내의 피스톤 배후 공간의 압력과 1차측 이음의 압력의 차압을 이용하여 주밸브 포트를 개방하도록 한 파일럿식 전자 밸브에 관한 것이다.

종래, 파일럿식 전자 밸브로서, 예컨대 일본 특허 공개 평성4-231783호 공보(특허문헌 1), 일본 특허 공개 제2005-344875호 공보(특허문헌 2)에 개시된 것이 있다. 또한, 도 11은 종래의 파일럿식 전자 밸브의 일례를 나타내는 도면이고, 도 12는 동일한 파일럿식 전자 밸브의 피스톤 밸브를 나타내는 도면이다. 본체부(2)에는, 1차측 이음(21)과 2차측 이음(22) 사이에 격벽(23)이 형성되고, 격벽(23)의 상단측에는 주밸브 시트(24)가 형성되어 있다. 주밸브 시트(24)에는 원형 개구를 이루는 주밸브 포트(24a)가 형성되어 있다. 본체부(2)에는 실린더 케이스(3)가 나사 결합됨으로써 고착되어 있다.

실린더 케이스(3)의 내측은 원통형의 피스톤실(31)로 되어 있고, 이 피스톤실(31) 내에 대략 원기둥 형상의 피스톤 밸브(4)가 내삽(內揷)되어 있다. 피스톤 밸브(4)는, 금속제의 피스톤부(41)와 그 하단에 배치된 수지제의 시일부(42)를 갖고 있다. 피스톤부(41)의 외주에는 둘레 방향으로 홈(41a)이 절삭 가공에 의해 형성되고, 이 홈(41a) 내에 내측 링(43)과 피스톤 링(44)이 끼워져 있다. 그리고, 피스톤 링(44)은 피스톤실(31)의 내벽(31a)에 미끄럼 접촉된다. 피스톤 밸브(4)의 중심에는 파일럿 포트(4a)와 도통로(4b)가 형성되어 있고, 파일럿 포트(4a)는 도통로(4b)를 통해 2차측 이음(22)에 도통된다.

전자 구동부(5)는 플런저 튜브(51)의 단부에 흡인자(52)를 고착하며, 플런저 튜브(51) 내에 플런저(53)와, 파일럿 밸브체(6)를 내삽하고 있으며, 플런저(53)와 파일럿 밸브체(6)는, 플런저(53)의 보스부(53a)를 파일럿 밸브체의 감합홈(6a)에 유동 감입함으로써 축선(L) 방향으로 약간 여유를 가지고 연결되어 있다. 그리고, 플런저(53)와 파일럿 밸브체(6)는, 플런저 튜브(51) 내에서 축선(L) 방향(상하 방향)으로 미끄럼 이동 가능하게 되어 있다. 파일럿 밸브체(6)와 피스톤 밸브(4) 사이에는 파일럿 밸브 스프링(61)이 압축되어 개재되어 있다. 또한, 플런저(53)와 흡인자(52) 사이에는 플런저 스프링(53b)이 압축되어 개재되어 있다.

전자 구동부(5)의 전자 코일(54)에 통전이 이루어지고 있지 않을 때에는, 파일럿 밸브체(6)의 니들부(6b)가 파일럿 포트(4a)를 폐쇄 상태로 한다. 전자 코일(54)에 통전이 이루어지면, 플런저(53)가 상승하고, 플런저(53)의 보스부(53a)가 파일럿 밸브체(6)의 상단에 접촉하여 걸어 맞춰진다. 이에 의해, 플런저(53)와 파일럿 밸브체(6)가 함께 상승한다. 그 후, 플런저(53)가 흡인자(52)에 접촉하여 플런저(53)가 정지하고, 파일럿 밸브체(6)는 파일럿 밸브 스프링(61)의 스프링력에 의해 더 상승한다.

그리고, 플런저(53)에 접촉하고, 파일럿 밸브체(6)가 정지하여 파일럿 포트(4a)가 완전 개방으로 되면, 피스톤 밸브(4) 상부의 피스톤 배후 공간(피스톤실(31))의 유체가 파일럿 포트(4a)와 도통로(4b)를 통해 2차 이음(22)측으로 유출되며, 피스톤 밸브(4) 상부의 피스톤 배후 공간의 압력이 저하한다. 이에 의해, 피스톤 배후 공간의 압력과 피스톤 밸브(4)의 하부의 압력(1차측 이음(21)의 압력)의 압력차에 의해, 피스톤 밸브(4)가 상승하여, 주밸브 포트(24a)가 완전 개방으로 되고, 1차측 이음(21)로부터 2차측 이음(22)으로 유체가 흐른다.

특허문헌 1: 일본 특허 공개 평성4-231783호 공보 특허문헌 2: 일본 특허 공개 제2005-344875호 공보

상기 종래의 파일럿식 전자 밸브에서는, 1차측으로부터 피스톤 밸브(4)와 피스톤실(31)의 간극을 통해 피스톤 밸브(4)의 상부의 피스톤 배후 공간에 흐르는 유체의 유량(통상 「Cv값」으로 나타냄)을 제어하는 방법으로서, 피스톤 링(44)을 사용하고 있다. 그러나, 피스톤 링(44)을 사용한 경우, 부품비가 증가된다고 하는 문제가 있다. 또한, 1차측과 피스톤 배후 공간의 차압이, 저차압 시(예컨대, 0.2 ㎫ 이하)의 1차측으로부터 피스톤 배후 공간에 흐르는 Cv값의 억제 효과가 작다고 하는 문제가 있다. 이것은, 피스톤 링(44)은 피스톤 밸브(4)의 외주의 홈(41a) 내에 끼워져 있고, 고차압 시에는, 피스톤 링(44)이 피스톤실(31)의 내벽(31a)에 미끄럼 접촉함에 따른 밀봉뿐만 아니라, 고압이 1차측으로부터 피스톤 링(44)에 작용하며, 상기 피스톤 링(44)은 홈(41a)의 측면(41a1)에 압박되어, 홈(41a)과 피스톤 링(44) 사이가 완전하게 밀봉되기 때문에, 1차측으로부터 피스톤 배후 공간에 흐르는 Cv값은 낮아진다. 그러나, 저차압 시에는, 피스톤 링(44)이 홈(41a)의 측면(41a1)에 충분히 압박되지 않기 때문에, 도 13에 화살표로 나타내는 바와 같이 홈(41a)과 피스톤 링(44) 사이의 누설량의 Cv값은 높아진다. 또한, 피스톤 링(44)과 피스톤실(31)의 내벽(31a)의 마찰 저항이 크기 때문에, 특히 저차압 시에, 피스톤 밸브(4)의 작동이 불안정해지거나, 피스톤 밸브(4)가 개방되지 않는 등의 문제가 있다.

또한, 특허문헌 1 및 특허문헌 2에는 피스톤 밸브의 외주에 홈을 형성한 것이 개시되어 있고, 이 홈에 의해 어느 정도, 피스톤 배후 공간에 흐르는 Cv값을 억제할 수 있지만, 홈의 상세한 조건의 구체적인 구성이 없어, 개량의 여지를 남기고 있다.

본 발명은, 전술한 바와 같은 문제점을 해소하기 위해 이루어진 것으로, 파일럿식 전자 밸브에 있어서, 피스톤 링을 사용하지 않고, 1차측으로부터 피스톤 배후 공간에 흐르는 Cv값을 억제하며, 부품 개수를 저감시키는 것을 과제로 한다.

청구항 1의 파일럿식 전자 밸브는, 1차측 이음과 2차측 이음 사이의 주밸브 포트에 대향하여 피스톤실 내에 피스톤 밸브를 배치하며, 피스톤 밸브의 파일럿 포트를 파일럿 밸브로 개폐하고, 피스톤실 내의 피스톤 배후 공간의 압력과 1차측 이음의 압력의 차압을 이용하여 주밸브 포트를 개방하도록 한 파일럿식 전자 밸브에 있어서, 상기 피스톤실의 내벽에 대향하는 피스톤 밸브의 외주에, 축선(L)을 중심으로 하는 링형의 복수 홈을 축선(L) 방향으로 병설한 복수 홈을 포함하는 라비린스(labyrinth) 구조를 마련하고, 상기 링형 홈의 축선 방향의 종단면 형상이 V형으로서, 상기 V형 홈의 내면의 대향 각도인 홈 각도(θ), 상기 복수 홈의 각 홈의 홈 깊이(D), 상기 복수 홈의 축선 방향의 인접하는 홈끼리의 간격인 홈 간격(P)이,

15°≤θ≤40°…(1)

0.2 ㎜≤D≤0.6 ㎜…(2)

0.2 ㎜≤P≤0.6 ㎜…(3)

의 조건을 만족시키는 것을 특징으로 한다.

청구항 1의 파일럿식 전자 밸브에 따르면, 상기 (1)의 조건을 만족시키기 때문에 Cv값이 낮아지고, 상기 (2)의 조건을 만족시키기 때문에 Cv값이 낮아지며, 상기 (3)의 조건을 만족시키기 때문에 Cv값이 낮아져, 전체로서 Cv값을 억제할 수 있다. 따라서, 피스톤 링을 사용하지 않고, 1차측으로부터 피스톤 배후 공간에 흐르는 Cv값을 억제할 수 있고, 동작을 확실하게 할 수 있으며, 부품 개수를 저감시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시형태의 파일럿식 전자 밸브의 비통전 시의 종단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시형태의 파일럿식 전자 밸브의 피스톤 밸브를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시형태에 있어서의 피스톤 밸브의 작용을 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시형태에 있어서의 라비린스 구조의 각 형상 파라미터를 설명하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시형태의 파일럿식 전자 밸브에 있어서의 피스톤 배후 공간에의 Cv값와, 종래의 파일럿식 전자 밸브 및 다른 예에 있어서의 피스톤 배후 공간에의 Cv값을 비교하여 나타내는 압력차-Cv값 특성이다.
도 6은 본 발명의 실시형태에 있어서의 라비린스 구조의 홈 각도의 변화에 대한 Cv값의 측정 결과를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시형태에 있어서의 라비린스 구조의 홈 깊이의 변화에 대한 Cv값의 측정 결과를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시형태에 있어서의 라비린스 구조의 홈 간격의 변화에 대한 Cv값의 측정 결과를 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시형태에 있어서의 라비린스 구조의 홈 수의 변화에 대한 Cv값의 측정 결과를 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시형태에 있어서의 피스톤 밸브의 전체 길이의 변화에 대한 Cv값의 측정 결과를 나타내는 도면이다.
도 11은 종래의 파일럿식 전자 밸브의 일례를 나타내는 종단면도이다.
도 12는 종래의 파일럿식 전자 밸브의 피스톤 밸브를 나타내는 도면이다.
도 13은 종래예에 있어서의 피스톤 밸브의 작용을 설명하는 도면이다.

다음으로, 본 발명의 파일럿식 전자 밸브의 실시형태를 도면을 참조하여 설명한다. 도 1은 실시형태의 파일럿식 전자 밸브의 비통전 시의 종단면도이고, 도 2는 동일한 파일럿식 전자 밸브의 피스톤 밸브를 나타내는 도면이다. 이 실시형태의 파일럿식 전자 밸브와 상기 도 11에 나타내는 종래의 파일럿식 전자 밸브의 차이는, 실시형태에 있어서의 피스톤 밸브(1)의 형상이며, 도 1에 있어서 상기 도 11과 동일한 요소에는 같은 부호를 부기하고 있다. 도 1에 있어서, 피스톤 밸브(1) 이외의 다른 요소의 구조 및 동작은 도 11에 대해서 설명한 전술한 대로이며, 중복되는 상세한 설명은 생략한다.

도 1 및 도 2에 나타내는 바와 같이, 실시형태에 있어서의 피스톤 밸브(1)는, 금속제(예컨대, 놋쇠)의 피스톤부(11)와 그 하단에 배치된 수지제의 시일부(12)를 갖고 있다. 피스톤부(11)의 중심에는 파일럿 포트(1a)와 도통로(1b)가 형성되어 있고, 파일럿 포트(1a)는 도통로(1b)를 통해 2차측 이음(22)에 도통된다.

또한, 피스톤실(31)의 내벽(31a)에 대향하는 피스톤 밸브(1)(피스톤부(11))의 외주에는, 축선(L)을 중심으로 하는 링형 홈(11a)이 복수 형성되어 있고, 이 복수의 링형 홈(11a, 11a, …)을 축선(L) 방향으로 병설함으로써 라비린스(labyrinth) 구조(11A)가 마련되어 있다. 이 복수의 홈(11a, 11a, …)은, 절삭 가공에 의해 형성된 것이며, 그 축선(L) 방향의 종단면 형상이 V형이다.

피스톤 밸브(1)의 직경은 φ 10 ㎜∼φ 40 ㎜이며, 피스톤 밸브(1)와 피스톤실(31)의 내벽(31a)의 간극은 0.01 ㎜∼0.06 ㎜이다. 그리고, 실시형태의 피스톤 밸브(1)에 따르면, 도 3에 나타내는 바와 같이, 1차측으로부터 피스톤 밸브(1)와 피스톤실(31)의 내벽(31a)의 간극을 통하여 피스톤 배후 공간에 유체가 흐르지만, 이때 유체는 링형 홈(11a) 내에서, 홈을 따른 둘레 방향에 통형상이 되는 나선형을 그린다. 이에 의해, 피스톤 배후 공간에의 유체의 흐름이 억제된다.

라비린스 구조(11A)의 형상은, 도 4에 나타내는 각 형상 파라미터에 의해 특정한 것이다. 각 형상 파라미터는, 링형 홈(11a)의 V형 홈의 내면의 대향 각도인 홈 각도(θ), 상기 복수 홈의 각 홈의 홈 깊이(D), 상기 복수 홈의 축선(L) 방향의 인접하는 홈끼리의 간격인 홈 간격(P), 홈의 수인 홈 수(N)이다.

도 5는 실시형태의 파일럿식 전자 밸브에 있어서의 피스톤 배후 공간에의 Cv값(누설 유량)과, 종래의 파일럿식 전자 밸브 및 다른 예에 있어서의 피스톤 배후 공간에의 Cv값을 비교하여 나타내는 압력차-Cv값 특성이다. 또한, 이하의 각 그래프는 요소 샘플링점에서의 계측을 행한 결과를 소프트웨어로 스무딩하여 얻어진 것이다. 또한, 각 측정의 기준값은 이하와 같다.

홈 각도(θ): 30°

홈 깊이(D): 0.4 ㎜

홈 간격(P): 0.3 ㎜

피스톤 직경: φ 30 ㎜

홈 수(N): 10

피스톤 전체 길이: 15 ㎜

도 5의 횡축은 1차측의 압력과 피스톤 배후 공간의 압력과의 압력차, 종축은 Cv값이다. 피스톤 링(종래 형상)의 특성은, 고차압에서는 피스톤 링의 시일 효과가 있기 때문에, Cv값은 낮아지지만, 전술한 바와 같이 시일 효과가 낮은 저차압일 때에 큰 피크가 생겨 버린다. 이 때문에, 특히 저차압 시에 개방할 때의 피스톤 밸브의 동작이 불안정해진다. 실시형태의 복수의 링형 홈(11a)으로 이루어지는 라비린스 구조(11A)를 갖는 경우, 고차압에서의 Cv값은 피스톤 링 타입과 비교하여 높아지지만, 저차압 시의 Cv값은 낮은 값이다. 또한, 라비린스 구조가 없는 경우와 비교하면, 실시형태의 경우는 고차압이어도 Cv값은 낮은 값이다. 피스톤 밸브(1)를 상승시키기 위해 필요한 힘이 발생하기 어려운 것은 저차압 시이며, 이것을 고려하면, 실시형태(본 발명) 쪽이 종래의 것보다 안정된 동작을 얻을 수 있다.

다음으로, 라비린스 구조(11A)의 각 형상 파라미터를 변화시켜 Cv값을 측정한 검증 결과에 대해서 설명한다.

도 6은 홈 각도(θ)를 15°∼120°까지 변화시켰을 때의 Cv값의 측정 결과를 나타내는 도면이다. 홈 각도(θ) 이외의 형상 파라미터는 전술한 측정의 기준값(일정)으로서 측정하고, 종축의 Cv값은 홈 각도 0°(홈 없음)의 Cv값을 1.0으로서 규격화한 값이다. 또한, 15°이하는 절삭 가공이 매우 곤란하기 때문에 예상선이다. 이 측정 결과로부터, 홈 각도(θ)가 15°이상이며 40°이하인 범위에서 Cv값이 낮아져 있어, 이 범위에서 Cv값의 억제 효과가 높은 것이 판명되었다.

도 7은 홈 깊이(D)를 0.0 ㎜∼0.6 ㎜까지 변화시켰을 때의 Cv값의 측정 결과를 나타내는 도면이다. 홈 깊이(D) 이외의 형상 파라미터는 전술한 측정의 기준값(일정)으로서 측정하고, 종축의 Cv값은 홈 깊이 0 ㎜(홈 없음)의 Cv값을 1.0으로서 규격화한 값이다. 이 측정 결과로부터, 홈 깊이(D)는 0.2 ㎜ 이상이며 0.6 ㎜ 이하의 범위에서 Cv값이 낮아져 있어, 이 범위에서 Cv값의 억제 효과가 높은 것이 판명되었다.

도 8은 홈 간격(P)을 0.0 ㎜∼0.7 ㎜까지 변화시켰을 때의 Cv값의 측정 결과를 나타내는 도면이다. 홈 간격(P) 이외의 형상 파라미터는 전술한 측정의 기준값(일정)으로서 측정하고, 종축의 Cv값은 홈 간격 0 ㎜(홈 없음)의 Cv값을 1.0으로서 규격화한 값이다. 이 측정 결과로부터, 홈 간격(P)은 0.2 ㎜ 이상, 0.6 ㎜ 이하의 범위에서 Cv값이 낮아져 있어, 이 범위에서 Cv값의 억제 효과가 높은 것이 판명되었다.

도 9는 홈 수(N)를 0개∼20개까지 변화시켰을 때의 Cv값의 측정 결과를 나타내는 도면이다. 홈 수(N) 이외의 형상 파라미터는 전술한 측정의 기준값(일정)으로서 측정하고, 종축의 Cv값은 홈 수 0개(홈 없음)의 Cv값을 1.0으로서 규격화한 값이다. 이 측정 결과로부터, 홈 수가 많을수록 Cv값이 낮아져, Cv값의 억제 효과가 높아지는 것이 판명되었다. 또한, 10개 이상에서는, 억제 효과가 저감되어 가는 것도 알 수 있다.

도 10은 피스톤 밸브의 전체 길이를 5.0 ㎜∼60.0 ㎜까지 변화시켰을 때의 Cv값의 측정 결과를 나타내는 도면이다. 전체 길이 이외의 형상 파라미터는 전술한 측정의 기준값(일정)으로서 측정하고, 종축의 Cv값은 전체 길이 5.0 ㎜의 Cv값을 1.0으로서 규격화한 값이다. 이 측정 결과로부터, 전체 길이가 길수록 Cv값이 낮아져, Cv값의 억제 효과가 높아지는 것이 판명되었다. 또한, 50.0 ㎜ 이상에서는, 억제 효과가 저감되어 가는 것도 알 수 있다.

이상과 같이, 실시형태의 파일럿식 전자 밸브에 따르면, 상기 조건을 만족시키는 라비린스 구조(11A)에 의해, 피스톤 링을 사용하는 일없이, 1차측으로부터 피스톤 배후 공간에 흐르는 Cv값을 제어할 수 있어, 특히 저차압 시에도 피스톤 밸브가 안정된 동작을 얻을 수 있다.

1 : 피스톤 밸브 1a : 파일럿 포트
1b : 도통로 11 : 피스톤부
11a : 링형 홈 11A : 라비린스 구조
12 : 시일부 2 : 본체부
21 : 1차측 이음 22 : 2차측 이음
24 : 주밸브 시트 24a : 주밸브 포트
3 : 실린더 케이스 31 : 피스톤실
31a : 내벽 5 : 전자 구동부
51 : 플런저 튜브 52 : 흡인자
53 : 플런저 54 : 전자 코일
6 : 파일럿 밸브체 6b : 니들부
L : 축선

Claims

1차측 이음과 2차측 이음 사이의 주밸브 포트에 대향하여 피스톤실 내에 피스톤 밸브를 배치하며, 피스톤 밸브의 파일럿 포트를 파일럿 밸브로 개폐하고, 피스톤실 내의 피스톤 배후 공간의 압력과 1차측 이음의 압력의 차압을 이용하여 주밸브 포트를 개방하도록 한 파일럿식 전자 밸브에 있어서,
상기 피스톤실의 내벽에 대향하는 피스톤 밸브의 외주에, 축선(L)을 중심으로 하는 링형의 복수 홈을 축선(L) 방향으로 병설한 복수 홈을 포함하는 라비린스 구조를 마련하며,
그 링형 홈의 축선 방향의 종단면 형상이 V형으로서, 그 V형 홈의 내면의 대향 각도인 홈 각도(θ), 상기 복수 홈의 각 홈의 홈 깊이(D), 상기 복수 홈의 축선 방향의 인접하는 홈끼리의 간격인 홈 간격(P)이,
15°≤θ≤40°…(1)
0.2 ㎜≤D≤0.6 ㎜…(2)
0.2 ㎜≤P≤0.6 ㎜…(3)
의 조건을 만족시키는 것을 특징으로 하는 파일럿식 전자 밸브.