(57)【要約】【課題】直動型リリーフ弁において、複数の設定圧力で動作することができ、機能性に富み多様な仕様に対応することができるようにする。【解決手段】スリーブ１２の拡径孔１２ｂとポペット弁体２０との間には圧力室２２が形成されて、該圧力室２２とスリーブ１２のタンク連通路１２ｃとの間には環状隙間２４が形成されている。圧力導入路１２ａの圧力が第１設定圧力に達したときに、弁体部２０ａが弁シート部１２ｄから離れて開弁するとともに、弁体部２０ａが開弁して前記圧力室２２に圧力が導入されると、スリーブ１２の圧力導入路１２ａの圧力が前記第１設定圧力よりも低い第２設定圧力で開弁状態を維持する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体システムの圧力が導入される縮径の圧力導入路と、圧力導入路に連なる拡径の拡径孔と、拡径孔とタンクとを連通するタンク連通路と、圧力導入路と拡径孔との間に設けられた弁シート部と、を有する本体と、
前記弁シート部に接離可能な弁体部と、弁体部よりも大径の大径部と、を有し、前記拡径孔内を摺動可能となった弁体と、
弁体を弁シート部に着座する方向へ常時付勢するスプリングと、を備えた直動型リリーフ弁において、
前記拡径孔と前記弁体との間には圧力室が形成されて、該圧力室と前記タンク連通路との間には絞りが形成されており、
前記圧力導入路の圧力が第１設定圧力に達したときに、前記弁体部が弁シート部から離れて開弁するとともに、弁体部が開弁して前記圧力室に圧力が導入されると、前記圧力導入路の圧力が前記第１設定圧力よりも低い第２設定圧力で開弁状態を維持することを特徴とする直動型リリーフ弁。
【請求項２】
前記圧力室に圧力が導入された状態で弁体部が閉弁するときに、前記圧力導入路の圧力が前記第１設定圧力よりも低い第３設定圧力で閉弁することを特徴とする請求項１記載の直動型リリーフ弁。
【請求項３】
前記絞りは、前記大径部と前記拡径孔との間に形成される環状隙間であることを特徴とする請求項１または２記載の直動型リリーフ弁。
【請求項４】
前記絞りは、前記弁体内に設けられて一端が圧力室に連通され、他端がタンク連通路に連通されるチョークであることを特徴とする請求項１または２記載の直動型リリーフ弁。
【請求項５】
前記弁体には、弁体部と反対側の受圧面を有し、該受圧面と前記圧力導入路とを連通する流路が形成されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の直動型リリーフ弁。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の設定圧力で動作可能な直動型リリーフ弁に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の直動型リリーフ弁は、ポペットまたはボールをスプリングでバルブシートに押し付けて構成されており、流体の設定圧力以下では、ポペットまたはボールが弁シート部に押し付けられることで弁は閉じており、流体がスプリングによって決まる設定圧力以上となると、ポペットまたはボールが弁シート部から離れて弁が開き、設定圧力（クラッキング圧力）に圧力オーバライドが加算された開弁圧力に流体の圧力を保持するようになっている。このような直動型リリーフ弁は、例えば流体システムの圧力が開弁圧力を超えないように保持する安全弁として利用されている。
【０００３】
従来の直動型リリーフ弁としては、特許文献１に記載されたものを例示することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−６１７６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、従来の直動型リリーフ弁では、一つの設定圧力しか持つことができないために、その機能性に乏しいという問題がある。
【０００６】
例えば、流体システムに何らかの異常があり圧力が上昇した場合には、直動型リリーフ弁が流体システムの圧力を開弁圧力に保持するために、それ以上の圧力の上昇は防げるものの、流体システムが異常発生時の圧力よりわずかに高い圧力で保持されることになり、異常を助長することになりかねないという問題がある。
【０００７】
本発明はかかる課題に鑑みなされたもので、直動型リリーフ弁において、複数の設定圧力で動作することができ、機能性に富み多様な仕様に対応することができる新規な直動型リリーフ弁を提供することをその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明は、流体システムの圧力が導入される縮径の圧力導入路と、圧力導入路に連なる拡径の拡径孔と、拡径孔とタンクとを連通するタンク連通路と、圧力導入路と拡径孔との間に設けられた弁シート部と、を有する本体と、
前記弁シート部に接離可能な弁体部と、弁体部よりも大径の大径部と、を有し、前記拡径孔内を摺動可能となった弁体と、
弁体を弁シート部に着座する方向へ常時付勢するスプリングと、を備えた直動型リリーフ弁において、
前記拡径孔と前記弁体との間には圧力室が形成されて、該圧力室と前記タンク連通路との間には絞りが形成されており、
前記圧力導入路の圧力が第１設定圧力に達したときに、前記弁体部が弁シート部から離れて開弁するとともに、弁体部が開弁して前記圧力室に圧力が導入されると、前記圧力導入路の圧力が前記第１設定圧力よりも低い第２設定圧力で開弁状態を維持することを特徴とする。
【０００９】
請求項２記載の発明は、請求項１記載のものにおいて、前記圧力室に圧力が導入された状態で弁体部が閉弁するときに、前記圧力導入路の圧力が前記第１設定圧力よりも低い第３設定圧力で閉弁することを特徴とする。
【００１０】
請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の前記絞りが、前記大径部と前記拡径孔との間に形成される環状隙間であることを特徴とする。
【００１１】
請求項４記載の発明は、請求項１または２記載の前記絞りが、前記弁体内に設けられて一端が圧力室に連通され、他端がタンク連通路に連通されるチョークであることを特徴とする。
【００１２】
請求項５記載の発明は、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の前記弁体に、弁体部と反対側の受圧面を有し、該受圧面と前記圧力導入路とを連通する流路が形成されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、弁体部が弁シート部から離れて開弁して圧力導入路から圧力室、タンク連通路へと流れが発生すると、絞りによって圧力室に圧力が導入され、圧力室の圧力とスプリングのスプリング力との間で弁体の平衡が保たれるので、第２設定圧力を第１設定圧力よりも低い圧力に設定することができる。このように、本発明の直動型リリーフ弁では、圧力導入路の圧力が第１設定圧力に達すると開弁され、開弁後は、第１設定圧力よりも低い第２設定圧力で開弁状態が維持されるために、複数の設定圧力で動作することができ、機能性に富み、多様な仕様に対応することができるようになる。特に、流体システムに異常がありその圧力が上昇して第１設定圧力に達すると、第１設定圧力よりも低い第２設定圧力で開弁状態が維持されることになるので、より安全な状態で流体システムの稼働を継続することができる。従来の技術でこのような仕様を実現しようとすれば、電気的な機器を含めて複数の機器を組み合わせる必要があり複雑な構成となるが、本発明によれば、１つの直動型リリーフ弁で実現することができるため、部品点数が少なくてすみ、低コスト、信頼性の向上、小型化、軽量化を図ることができる。
【００１４】
また、開弁後、圧力導入路の圧力が低下して第３設定圧力に達すると閉弁し、第１設定圧力で開弁する元の状態に戻ることができる。
【００１５】
圧力室と前記タンク連通路との間の絞りを環状隙間とすると、弁体の大径部が本体の拡径孔を摺動するときに環状隙間の長さが変化するために、第２設定圧力の流量依存度を緩和させることができる。
【００１６】
また、弁体に、弁体部と反対側の受圧面を設け、該受圧面と前記圧力導入路とを連通する流路を形成することで、スプリングによる付勢力を受圧面に作用する圧力導入路からの圧力で助勢することができ、スプリングを小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１実施形態による直動リリーフ弁の閉弁時の断面図である。
【図２】第１実施形態における寸法を表す説明断面図である。
【図３】第１実施形態における開弁が維持された状態の断面図である。
【図４】第１実施形態と従来の直動リリーフ弁を用いた流体システムの圧力と流量の時間変化を表すグラフである。
【図５】本発明の第２実施形態による直動リリーフ弁の閉弁時の断面図である。
【図６】本発明の第３実施形態による直動リリーフ弁の閉弁時の断面図である。
【図７】本発明の第４実施形態による直動リリーフ弁の閉弁時の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１９】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態による直動型リリーフ弁を表している。図に示すように、直動型リリーフ弁１０は、円筒状のスリーブ１２と、スリーブ１２に対してシール１３を介して液密性を持って隣接するボディ１４と、からなる本体を有する。
【００２０】
スリーブ１２の内部には、流体システムの圧力が導入される縮径の圧力導入路１２ａと、圧力導入路１２ａに同軸状に連なる拡径の拡径孔１２ｂと、拡径孔１２ｂから径方向に延びてタンクへと連通するタンク連通路１２ｃとが形成されており、圧力導入路１２ａと拡径孔１２ｂとの間に弁シート部１２ｄが形成されている。
【００２１】
以下、圧力導入路１２ａ側を前方、タンク連通路１２ｃ側を後方と便宜上称する。
【００２２】
スリーブ１２内には、ポペット弁体２０が配設される。ポペット弁体２０は、その前端が円錐形状をなし、前記弁シート部１２ｄに対して接離可能となった弁体部２０ａと、弁体部２０ａの後方に同軸状に連設された小径部２０ｂと、小径部２０ｂに同軸状に連設された大径部２０ｃと、を有している。小径部２０ｂと大径部２０ｃと拡径孔１２ｂとによって圧力室２２が画成され、大径部２０ｃと拡径部１２ｂとの間には僅かな絞りとしての環状隙間２４が画成され、環状隙間２４は、圧力室２２とタンク連通路１２ｃとの間を連通している。
【００２３】
ボディ１４は後端が閉塞されてその内部にスプリング室１４ａを画成しており、その外周面にはネジ部１４ｂが形成され、リリーフ弁が組み込まれるブロック１にねじ込まれる。
【００２４】
ボディ１４内には一対のスプリングガイド２６，２６が配設される。一方のスプリングガイド２６は、ポペット弁体２０の大径部２０ｃに当接し、他方のスプリングガイド２６は、スプリング室１４ａの後端部に当接しており、一対のスプリングガイド２６，２６間にはスプリング２８が介挿され、スプリング２８は、ポペット弁体２０を着座する方向へと常時付勢している。
【００２５】
以上のように構成される直動型リリーフ弁１０の作用を説明する。
【００２６】
ポペット弁体２０は、スプリング２８のスプリング力によって前方に付勢されており、平常時は弁シート部１２ｄに着座して、閉弁状態となっている。
【００２７】
流体システムの圧力が上昇し、ポペット弁体２０に作用する圧力導入路１２ａ側からの圧力がスプリング２８のスプリング力に打ち勝つと、ポペット弁体２０が後方に動き、弁体部２０ａが弁シート部１２ｄから離れて開弁する。この開弁する瞬間の弁体部２０ａに作用する力の平衡は次式で表される。
【００２８】
【数１】
2011021708.tif 000003
【００２９】
ここで、図２に示したように、Ｐ1：流体システムの圧力，ｄ：シート径，ｋ：ばね定数，ｘ0：組立時におけるスプリング２８の初期たわみである。尚、説明を簡略化するために、タンク圧力Ｐ3は０とする。
【００３０】
以上の式（１）は開弁時のクラッキング圧力を表しており、式（１）を満足するＰ1を第１設定圧力ＰS1とする。
【００３１】
図３に示すように開弁し、弁シート部１２ｄと弁体部２０ａとの間に形成されるオリフィス３０を通過して圧力室２２に流入した流体は、環状隙間２４の抵抗により圧力Ｐ2となる。このとき、オリフィス３０を通過する流体の流量Ｑ1と、環状隙間２４を通過する流体の流量Ｑ2は、以下の関係式で表される。
【００３２】
【数２】
2011021708.tif 000004
【００３３】
ここで、Ｃ：オリフィス３０の流量係数，Ａ：オリフィス３０の開口面積，Ｐ2：圧力室２２の圧力，ρ：流体密度，Ｄ：大径部２０ｃの外径，δ：環状隙間２４の半径隙間，μ：流体粘性係数，ａ：閉弁時の環状隙間２４の長さ，ｘ：ポペット弁体２０の変位であり、簡単のためにタンク圧力Ｐ3＝０としている。
【００３４】
開弁時の平衡状態では式（２）と式（３）の流量は一致するのでＱ1＝Ｑ2≡Ｑとおくことができ、式（２）と式（３）から次式を得る。
【００３５】
【数３】
2011021708.tif 000005
【００３６】
一方、開弁後の平衡状態におけるポペット弁体２０に作用する力の平衡から次式を得る。
【数４】
2011021708.tif 000006
【００３７】
式（５）および式（６）からｘを消去して次式を得る。
【数５】
2011021708.tif 000007
【００３８】
式（７）を式（４）に代入して次式を得る。
【数６】
2011021708.tif 000008
【００３９】
式（６）〜式（８）から、流量Ｑが決まるとＰ1、Ｐ2、ｘが決まることになる。式（８）は開弁後の平衡状態での流体システムの圧力を表しており、式（８）を満足するＰ1を第２設定圧力ＰS2とする。
【００４０】
次に、開弁後の平衡状態で、ポンプからの流体の供給が止まり、流体システムから流体が流出するのは当該直動型リリーフ弁１０のみであり、流体システムの圧力が低下したとする。過渡状態は無視すると、静的には次の条件でポペット弁体２０が閉弁することになる。
【００４１】
【数７】
2011021708.tif 000009
【００４２】
式（９）は閉弁時の流体システムの圧力を表しており、式（９）を満足するＰ2を第３設定圧力ＰS3とする。
【００４３】
以上の第１〜第３設定圧力は、各寸法等のパラメータを適宜設定することで、所定の流量の範囲でＰS1＞ＰS2＞ＰS3を成り立たせることができ、これによって、複数の設定圧力で動作する直動型リリーフ弁１０とすることができる。
【００４４】
例えば、以下の諸元で流量をＱ＝11 LPM（1.83×10-4 m3/s）とした場合に、各設定圧力ＰS1、ＰS2、ＰS3を次の値に設定することができる。
【００４５】
【数８】
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【００４６】
【数９】
2011021708.tif 000011
【００４７】
図４は、上記具体的数値の三段階の設定圧力を持つ直動型リリーフ弁１０を用いた場合の流体システムの圧力と流量の時間変化を表す。今、流体システムに異常が発生し、その圧力が増加したとする（図４の（ア）の領域）。圧力が第１設定圧力に到達すると開弁するので（図４の（イ）の時点）、第２設定圧力で平衡状態となり、流体システムを第２設定圧力に保持することができる（図４の（ウ）の領域）。第２設定圧力は流量に依存するが、一定の流量があれば、一定の圧力で流体システムを稼働できることになる。流量が減少していくと（図４（エ）の領域）、第３設定圧力で閉弁し、第１設定圧力で開弁する元の状態に復帰する。こうして、第１設定圧力よりも低い第２設定圧力を保持し、第３設定圧力で元の状態に復帰することで、より安全な圧力下で流体システムの稼働を維持することができる。
【００４８】
これに対して、従来の直動型リリーフ弁は、図４の仮想線で示したように、流体システムの圧力が増加すると、第１設定圧力よりも圧力オーバライド分だけ高い圧力で保持するので、流体システムは異常な状態で稼働を維持することになり好ましくない。
【００４９】
尚、図４から明らかなように、第２設定圧力ＰS2は流量に依存するが、環状隙間の流路長さがポペット弁体２０の変位ｘに依存するために（式（５）参照）、式（８）の右辺の第２項の分母の第２項が現れ、この項によってその流量依存度を緩和することができる。
（第２実施形態）
次に、図５は、本発明の第２実施形態による直動型リリーフ弁を表している。図において、第１実施形態と同一または同様の部材、部分は同一の符号を付し、その詳細説明を省略する。
【００５０】
第１実施形態では、絞りとしての環状隙間の流路長さがポペット本体２０の変位ｘによって変化したが、この第２実施形態では、絞りの流路長さを一定とした例である。より具体的には、ポペット本体２０の内部にチョーク２５を設けている。
【００５１】
以上のように構成される直動型リリーフ弁においては、開弁するときの力の平衡を表す上記式（１）はそのまま適用できるから、第１設定圧力ＰS1は第１実施形態と同じに設定される。
【００５２】
開弁後の平衡状態では、式（４）は変わらないが、上記式（５）の環状隙間内の流れの代わりに円管内の流れとなり、以下の式となる。
【００５３】
【数１０】
2011021708.tif 000012
ここで、ｄ1：流路内径，ａ：流路長さである。
【００５４】
式（５−１）から流量Ｑが決まると、次式のとおりＰ2が決まる。
【数１１】
2011021708.tif 000013
【００５５】
式（１３）を式（６）に代入すると、このときのポペット弁体２０の変位ｘは次式で得られる。
【００５６】
【数１２】
2011021708.tif 000014
【００５７】
式（１４）のポペット変位ｘは正でなければならないので次式を得る。
【数１３】
2011021708.tif 000015
【００５８】
式（１５）の右辺に上記諸元を代入すると、次式のｄ1とａの関係式を得る。
【数１４】
2011021708.tif 000016
【００５９】
式（１６）を満足する例として、次の諸元を考える。
【数１５】
2011021708.tif 000017
【００６０】
式（４）に式（１３）を代入して次式を得る。
【数１６】
2011021708.tif 000018
【００６１】
式（１７）に上記諸元を代入して第２設定圧力ＰS2として次式を得ることができる。
【数１７】
2011021708.tif 000019
【００６２】
閉弁するときの力の平衡を表す上記式（９）は第１実施形態と同じであるので、第３設定圧力は同じに設定することができる。
【００６３】
以上のようにして、第１実施形態と同様に、各寸法等のパラメータを適宜設定することで、所定の流量の範囲でＰS1＞ＰS2＞ＰS3を成り立たせることができる各設定圧力ＰS1、ＰS2、ＰS3を設定することができる。
【００６４】
尚、開弁後の平衡状態におけるポペット弁体２０の変位ｘは、式（１４）に上記諸元を代入して、次のようになる。
【００６５】
【数１８】
2011021708.tif 000020
【００６６】
（第３実施形態）  
次に、図６は、本発明の第３実施形態による直動型リリーフ弁を表している。図において、第１実施形態と同一または同様の部材、部分は同一の符号を付し、その詳細説明を省略する。
【００６７】
第３実施形態は、ポペット弁体２０を弁シート部１２ｄに着座する方向に付勢するスプリング２８によるスプリング力を、流体システムの圧力によって助勢した例である。具体的には、ポペット弁体２０には、前端から後端にかけて貫通する流路２０ｆが形成されており、流路２０ｆは途中で拡径されて受圧面２０ｇが形成されている。この流路２０ｆを介して、流体システムの圧力がスプリング室１４ａ側に導入されて、受圧面２０ｇによってポペット弁体２０を弁シート部１２ｄに着座させる方向の力を発生することができる。
【００６８】
以上のように構成される直動型リリーフ弁においては、上記式（１）の式の代わりに以下の式となる。
【００６９】
【数１９】
2011021708.tif 000021
【００７０】
ここで、ｄ1：受圧面２０ｇの径である。スプリング２８のばね定数ｋを前実施形態よりも小さく設定し、ばね定数ｋ、スプリング２８の初期たわみｘ0、受圧面２０ｇの径ｄ1をそれぞれ、
【００７１】
【数２０】
2011021708.tif 000022
とすると、式（２０）から次式のように第１設定圧力は前実施形態と同じに設定することができる。
【００７２】
【数２１】
2011021708.tif 000023
【００７３】
開弁後の流量に関する関係式は式（４），式（５）と同じであるが、開弁後の平衡状態でのポペット弁体２０に作用する力の平衡は、式（６）の代わりに次式となる。
【００７４】
【数２２】
2011021708.tif 000024
【００７５】
式（６−１），式（４），式（５）から次式を得る。
【数２３】
2011021708.tif 000025
【００７６】
式（２２）に上記諸元を代入して第２設定圧力ＰS2は次のようになる。
【数２４】
2011021708.tif 000026
【００７７】
閉弁するときの力の平衡を表す式は、式（２０）から近似的に次式となる。
【数２５】
2011021708.tif 000027
【００７８】
式（２４）に上記諸元を代入して第３設定圧力は次のようになる。
【数２６】
2011021708.tif 000028
【００７９】
これにより、前実施形態と同様に、各寸法等のパラメータを適宜設定することで、所定の流量の範囲でＰS1＞ＰS2＞ＰS3を成り立たせることができる各設定圧力ＰS1、ＰS2、ＰS3を設定することができる。また、受圧面２０ｇを設けることによってスプリング２８を小型化することができる。
【００８０】
尚、開弁後の平衡状態におけるポペット弁体２０の変位ｘは、式（２４）および式（２５）を式（６−１）に代入して次のように得られる。
【００８１】
【数２７】
2011021708.tif 000029
【００８２】
(第４実施形態)
図７は、本発明の第４実施形態を表す図である。この実施形態では、ポペット本体２０の先端の弁体部２０ａを図示のように球形状にしている。このような球形状にすることによって、弁シート部１２ｄに対して調芯機能を持たせることができる。また、弁体部２０ａは、必ずしも、ポペット本体２０の他の部分と一体とする必要はなく、別体で構成することも可能である。
【００８３】
（まとめ）
以上のように本発明による直動型リリーフ弁によれば、複数の設定圧力で動作することができるので、機能性に富み多様な仕様に対応することができるようになる。従来の技術で同じ機能を実現しようとすれば、機械的な組み合わせでは不可能であり、圧力センサとサーボバルブを使い、閉ループで制御するといった複雑な構成とならざるを得ない。これは、部品点数が増加し、電源を必要とするため、高コストとなり、信頼性も低く、寸法・質量が大きく、電源が得られない場所または条件では機能しないという問題がある。本発明では、単一の弁でその機能を実現させることができるために、低コスト、信頼性の向上、小型化、軽量化を図ることができる。また、本発明の直動型リリーフ弁は超高圧で動作させることができるので、例えば、コモンレールの安全弁として使用することが可能である。
【符号の説明】
【００８４】
１０  直動型リリーフ弁
１２  スリーブ（本体）
１２ａ  圧力導入路
１２ｂ  拡径孔
１２ｃ  タンク連通路
１２ｄ  弁シート部
１４  ボディ（本体）
２０  ポペット弁体（弁体）
２０ａ  弁体部
２０ｃ  大径部
２０ｆ  流路
２０ｇ  受圧面
２２  圧力室
２４  環状隙間（絞り）
２５  チョーク（絞り）
２８  スプリング
ＰS1  第１設定圧力
ＰS2  第２設定圧力
ＰS3  第３設定圧力
【図１】
2011021708.tif 000030
【図２】
2011021708.tif 000031
【図３】
2011021708.tif 000032
【図４】
2011021708.tif 000033
【図５】
2011021708.tif 000034
【図６】
2011021708.tif 000035
【図７】
2011021708.tif 000036