空圧流体リサイクリング遅延機能を備える方向制御弁の安全機構

関連出願の相互参照 本願は、2013年3月14日出願の米国特許仮出願第61/783,164号明細書の優先権を主張し、当該出願の内容は、参照により本願に組み込まれる。

技術分野 本開示は、一般に、方向制御弁の分野に関し、より具体的には、流体リサイクリング遅延機能付きの空圧方向制御弁の分野に関する。

背景技術 このセクションは、必ずしも従来技術ではないが、本開示に関連する背景情報を提供する。

方向制御弁は、近代産業において充分に確立されており、システムを通る流体の流れを調節および制御するために使用される。空圧用での途使用のために設計された方向制御弁は、しばしば「空圧弁」と称され、ガス状流体の流れを調節するために利用される。しばしば、これらの空圧弁は、機械装置またはアクチュエータへの高圧ガス状流体の送達を介する機械エネルギーの伝達手段を提供するために利用される。典型的な空圧弁を通る流体の流れの経路を変更することにより、空圧弁と流体連通し、弁の下流にポジショニングされたアクチュエータは、1つのポジションから別のポジションへと移動するようにされ得る。

具体的には、典型的な空圧弁用途において、空圧弁は、しばしば2つの出力ポートAおよびBを有するであろう。出力ポートAをアクチュエータ、例えばエアシリンダの一方側に接続することにより、および、出力ポートBを同じアクチュエータの反対側に接続することにより、アクチュエータは、弁を通る高圧ガス状流体、例えば圧縮空気の経路を単に変更することにより、2つのポジションの間で前後に動くようにされ得る。高圧空気がポートAを通って流れると、アクチュエータのうちのポートAに取り付けられた側が、正の機械力を受け、アクチュエータが、印加された力から離れるように動かされる。一方、高圧空気がポートBを通って流れると、アクチュエータのうちのポートBに取り付けられた側が、正の機械力を受け、アクチュエータがまたも、印加された力から離れるように動かされる。

空圧弁がポジションを変更し、流体の流れの方向を変えるたびに、(空圧弁とアクチュエータとの間で)下流に位置する高圧ガス状流体が排気ポートを通じてベントされ、失われることが主な理由で、空圧弁は従来、非常に非効率的であると考えられてきた。例えば、高圧ガス状流体が出力ポートAと流体連通する下流チャネル内に存在するよう空圧弁が第1のポジションにあるとして、次に、今度は高圧ガス状流体が自由に出力ポートBを通って流れるように空圧弁が第2のポジションに移動すると、弁の内部ポーティング機構は同時に、出力ポートAおよび排気ポート間の流体連通の経路を確立する。出力ポートAおよび排気ポート間の流体連通のこの経路は、ベンティング機構を効果的に提供し、これにより高圧ガス状流体が逃げて失われることを可能とする。このベンティングプロセスは、空圧弁がポジションを変更するたびに、それ自体を繰り返す。

米国特許第8,635,940号明細書に記載のものを含む最近の技術開発により、弁の切り替えプロセスの間に高圧ガス状流体の一部が「リサイクルされる」よう、空圧流体リサイクリング機能を標準的な3ポジション空圧弁内に組み込む手段が確立されてきた。このリサイクリング機構は、弁が従来の第1のポジションおよび従来の第2のポジション間に位置する第3のポジションで一時停止するよう、弁の切り替えプロセスの間の遅延機能を組み込むことにより具体化される。この遅延期間すなわち「ドウェル」において、弁の内部ポーティング構成は、弁の如何なる他のポートからも分離しつつ、弁の2つの出力ポートAおよびBがそれらの間で排他的な流体連通を確立するのを可能とする。このドウェル期間において、ガス状流体は、2つのポート間、従って、弁の下流に位置して2つの側のそれぞれが2つの出力ポートAおよびBの一方と流体連通する、典型的な2サイドアクチュエータの2つの側の間、の平衡を可能とする。このドウェル機構を使用して、高圧ガス状流体、例えば高圧空気のかなりの量が、ベントされるのではなくリサイクルされ得る。

上記のリサイクリング方法論は、かなりのエネルギー節約機会を提供する一方、本開示以前に開発されたリサイクリング方法論は、ある望ましい弁の安全機能を不可能とする。具体的には、3ポジション空圧方向制御弁の現在の工業規格により、電力喪失イベント時の弁の3つの工業規格安全挙動が規定される。これらの規格安全挙動は、通例、「エキゾースト」センター、「プレッシャー」センターおよび「クローズド」センターと称される。3つの安全挙動は全て、現在の市場において容易に入手可能である。

本開示は、リサイクリング方法論の有益性を達成しつつも、弁が所望の工業規格安全挙動のいずれか1つを維持し得るよう、流体リサイクリング機能を備える3ポジション空圧弁内に安全機構を組み込むための新規なアプローチを記述する。

発明の概要 このセクションは、本開示の一般的な概要を提供するものであり、その特徴の完全な範囲または全てを包括的に開示するものではない。

本願は、空気リサイクリング機能を備える3ポジション空圧方向制御弁に使用される安全機構付きの弁システムを記述する。本開示は、少なくとも2つの出力ポート、すなわち第1の出力ポート「A」および第2の出力ポート「B」、少なくとも1つの排気ポート、および、少なくとも1つの供給すなわち「圧力」ポートを有する弁体セクションを有する、方向制御弁を含む。方向制御弁はさらに、弁体セクション内の第1および第2の位置ポジションを維持することが可能な、弁体セクション内に位置するスプール機構を含む。方向制御弁はさらに、第1および第2のポジション間のスプール機構の移動を制御することが可能な、好ましくは電子的な、制御システムを含む。方向制御弁はさらに、スプール機構が第1および第2の位置ポジション間の第3のポジションに位置し、弁に正の電気信号が供給されるときに、第1の出力ポートAおよび第2の出力ポートBが、弁体セクション内で、「A−Bチャネル」と示される流体チャネルを介して排他的に流体連通するよう、第3のポジションにおけるスプール機構の移送において遅延を実行するシステムを含む。スプール機構が第3のポジションに位置し、それにより第1の出力ポートAおよび第2の出力ポートBが排他的に流体連通する期間の間、方向制御弁の2つの出力ポート間で空圧流体がリサイクルされ得、これによりエネルギー節約効果を提供する。

スプール機構が第3のポジションに存在するときの第1の出力ポートAおよび第2の出力ポートB間に生じる排他的な流体連通により、弁が通常動作中、すなわち、弁が正の電気信号を受信中に、空圧流体が2つの出力ポート間でリサイクルされることが可能となる。本開示において、方向制御弁は、弁に正の電気信号が供給されないとき、または、正の電気信号が供給されなくなった後のある禁止期間の後、スプール機構は第3のポジションに残っているが、第1の出力ポートAおよび第2の出力ポートBは排他的に流体連通しないような、安全機構も含む。

現代の方向制御弁産業は、電力喪失が生じたときの3ポジション方向制御弁の第3のポジション(センターポジション)の挙動についての3つの規格挙動を確立している。電力喪失発生時の第1の規格挙動は、しばしば「エキゾースト」センターポジション挙動と称され、方向制御弁に正の電気信号が供給されないとき、または、正の電気信号が供給されなくなった後のある禁止期間の後、第1の出力ポートAおよび第2の出力ポートBは互いに流体連通し、排気ポートとも流体連通している。このように、この「エキゾースト」挙動の好ましい結果として、弁の電力喪失時に、弁の出力ポート内に蓄えられた任意のポテンシャルエネルギーが、排気ポートを介して弁からベントされる。

電力喪失発生時の方向制御弁についての第2の規格挙動は、しばしば「プレッシャー」センターポジション挙動と称され、弁に正の電気信号が供給されないとき、または、正の電気信号が供給されなくなった後のある禁止期間の後、第1の出力ポートAおよび第2の出力ポートBは互いに流体連通し、圧力ポートとも流体連通している。このように、この「プレッシャー」挙動の好ましい結果として、弁の電力喪失時に、弁の両方の出力ポートが、弁の入来圧力ポート内に存在する流体の圧力に相当する圧力で均衡する。

電力喪失発生時の方向制御弁についての第3の規格挙動は、しばしば「クローズド」センターポジション挙動と称され、弁に正の電気信号が供給されないとき、または、正の電気信号が供給されなくなった後のある禁止期間の後、第1の出力ポートAおよび第2の出力ポートBはそれぞれ別個に空圧的に分離され、それぞれ別個に方向制御弁の如何なる他のポートとも流体連通しない。このように、この「クローズド」挙動の好ましい結果として、弁の電力喪失時に、出力ポートのそれぞれが、電力喪失前に出力ポートのそれぞれに存在した圧力を個別に保持する。

これらの規格電力喪失挙動の3つ全てにおいて、本開示の好ましい実施形態は、直接的介入を要求することなく、選択された規格電力喪失安全挙動を生じさせるのを可能とする自動安全機構を含む。好ましい実施形態において、自動安全機構は、弁システムの「安全装置」として示される単純な2方弁を備え、安全装置は、安全装置が(通常の弁動作時に生じるであろう等の)正の電気信号を受信したときに、安全装置が第1のポジションに存在し、安全装置が(電力喪失時に生じるであろう等の)正の電気信号を受信しないときに、安全装置が「活性化」して第2のポジションに移動して存在するよう、第1のポジションおよび第2のポジションを維持する能力を有する。好ましい実施形態において、安全装置は、電子制御機構により提供される電子信号を介して制御される。

規格電力喪失挙動の3つ全てに適用可能な別の好ましい実施形態において、安全装置を制御する電子制御機構は、電力ストレージ手段を含み、それにより、電子制御機構は、正の電気信号が電子制御機構に送達されなくなった後の禁止期間の間、正の電気信号を安全装置に送達し続けることが可能である。この手段により、好ましい結果として、正の電気信号が電子制御機構に送達されなくなった後の禁止期間の間、安全装置の活性化を遅延させることができる。

「エキゾースト」センターポジション挙動オプションの好ましい実施形態において、安全装置は、弁システムの「安全チャネル」と示される流体チャネル内にポジショニングされ、それにより、安全装置が、それが第1のポジションに存在するときに安全チャネルを通じた流体の流れをブロックすることが可能であり、それが第2のポジションに存在するときに安全チャネルを通じた流体の流れを可能とすることができ、安全チャネルは、一端において主弁のA−Bチャネルに隣接してそれに流体連通し、他端において主弁の排気ポートに隣接してそれに流体連通する。例示的実施形態において、安全装置は「ノーマリオープン」直動2方ソレノイド弁であり、それにより、安全装置が正の電気信号を受信したときに、それは安全装置を通じた流体の流れをブロックする第1のポジションに存在し、安全装置が正の電気信号を受信しないときに、それは安全装置を通じた流体の流れを可能とする第2のポジションに存在する。

「プレッシャー」センターポジション挙動オプションの好ましい実施形態において、安全装置は、弁システムの「安全チャネル」と示される流体チャネル内にポジショニングされ、それにより、安全装置が、それが第1のポジションに存在するときに安全チャネルを通じた流体の流れをブロックすることが可能であり、それが第2のポジションに存在するときに安全チャネルを通じた流体の流れを可能とすることができ、安全チャネルは、一端において主弁のA−Bチャネルに隣接してそれに流体連通し、他端において主弁の圧力ポートに隣接してそれに流体連通する。例示的実施形態において、安全装置は「ノーマリオープン」直動2方ソレノイド弁であり、それにより、安全装置が正の電気信号を受信したときに、それは安全装置を通じた流体の流れをブロックする第1のポジションに存在し、安全装置が正の電気信号を受信しないときに、それは安全装置を通じた流体の流れを可能とする第2のポジションに存在する。

「クローズド」センターポジション挙動オプションの好ましい実施形態において、安全装置は、主弁のA−Bチャネル内にポジショニングされ、それにより、安全装置は、安全装置がその第1のポジションに存在するときにA−Bチャネルを通じた流体の流れを可能とすることができ、安全装置がその第2のポジションに存在するときに主弁のA−Bチャネルを通じた流体の流れをブロックすることが可能である。例示的実施形態において、安全装置は「ノーマリクローズド」直動2方ソレノイド弁であり、それにより、安全装置が正の電気信号を受信したときに、それは安全装置を通じた流体の流れを可能とする第1のポジションに存在し、安全装置が正の電気信号を受信しないときに、それは安全装置を通じた流体の流れをブロックする第2のポジションに存在する。

更なる利用可能性の領域が、ここに提供される記述から明らかとなるであろう。この概要における記述および特定の例は、例示目的のみであって、本開示の範囲を制限することを意図したものではない。

本記述の図面は、選択された実施形態の例示目的のみであって、全ての可能な実装ではなく、本開示の範囲を制限することを意図したものではない。

第1のポジションにおける、流体リサイクリング機構付きの3ポジション方向制御弁の主弁体およびスプールアセンブリの例示的実施形態の断面図である。

第2のポジションにおける、流体リサイクリング機構付きの3ポジション方向制御弁の主弁体およびスプールアセンブリの例示的実施形態の断面図である。

第3および中央ポジションにおける、流体リサイクリング機構付きの3ポジション方向制御弁の主弁体およびスプールアセンブリの例示的実施形態の断面図である。

「エキゾースト」センターポジション安全挙動を有する本発明の例示的実施形態の空圧模式図を示す。

「プレッシャー」センターポジション安全挙動を有する本発明の例示的実施形態の空圧模式図を示す。

「クローズド」センターポジション安全挙動を有する本発明の例示的実施形態の空圧模式図を示す。

詳細な説明 例示的実施形態が、添付図面を参照してより完全に以下において記述されるであろう。

添付図面は、空圧流体リサイクリング遅延機能を備えた方向制御弁の安全機構を示す。

ここで図1〜図3を参照すると、本開示の例示的実施形態は、少なくとも2つの出力ポート、すなわち少なくとも第1の出力ポート104および第2の出力ポート105、少なくとも1つの圧力ポート103、排気ポート106、および、さらなる排気ポート107を有する方向制御弁体セクション102と、弁体セクション102内の3つの位置ポジションを維持することが可能な、弁体セクション102内に位置するスプール機構101と、を備える方向制御弁100を備える。

ここで図1を具体的に参照すると、図面は、弁体セクション102内の第1の位置ポジション内のスプール機構101を示している。

ここで図2を具体的に参照すると、図面は、弁体セクション102内の第2の位置ポジション内のスプール機構101を示している。

ここで図3を具体的に参照すると、図面は、第1および第2の位置ポジション間の第3のポジション内のスプール機構101を示しており、スプール機構が第3のポジションに位置するときに、第1の出力ポート104および第2の出力ポート105が、弁体セクション102内で、「A−Bチャネル」と示される流体チャネル113を介して排他的に流体連通する。ある実施形態において、A−Bチャネル113は、例えば、図1〜図3に示した構成を含む、2つ以上のチャネルセグメントを備えてもよい。

再度、図1〜図3を参照すると、図面は、スプール機構101が図1に示された第1のポジションおよび図2に示された第2のポジション間を移動することができるよう、スプール機構101の移動を制御する制御システム200と、スプール機構101の移送において遅延を実行する電子制御機構300とを示す。ある好ましい実施形態において、スプール機構101は、一連の外側ローブ111、一連の外側ローブ111間に位置する一連の溝112、および、弁体セクション102およびスプール機構101間に強固に固定された一連の封止機構110を備える。

ここで図3〜図6を参照すると、本開示の例示的実施形態は、方向制御弁100に正の電気信号が供給されないとき、または、正の電気信号が供給されなくなった後のある禁止期間の後、スプール機構101は図3に示した第3のポジションに残っているが、第1の出力ポート104および第2の出力ポート105は排他的に流体連通しないよう構成された安全機構400を備える。

ここで図3および図4を具体的に参照すると、本開示の例示的実施形態は、方向制御弁100に正の電気信号が供給されないとき、または、正の電気信号が供給されなくなった後のある禁止期間の後、第1の出力ポート104および第2の出力ポート105は互いに流体連通し、排気ポート407とも流体連通しているよう構成された安全機構400を備える。ある実施形態においては、排気ポート407は排気ポート106と流体連通している。他の実施形態においては、排気ポート407は排気ポート107と流体連通している。さらに他の実施形態においては、排気ポート407は排気ポート106および排気ポート107の両方とは別個であり、これらとは異なる。

ここで図4を具体的に参照すると、ある例示的実施形態は、方向制御弁100に正の電気信号が供給されないとき、または、正の電気信号が供給されなくなった後のある禁止期間の後、第1の出力ポート104および第2の出力ポート105ならびに排気ポート407間の流体連通を自動的にもたらす自動安全機構400を備える。

再度、図3および図4を参照すると、自動安全機構400のある例示的実施形態は、弁システムの「安全装置」として示される2方弁401を備え、安全装置401は、安全装置401が正の電気信号を受信したときに、それが第1のポジションに存在し、安全装置が正の電気信号を受信しないときに、それが第2のポジションに存在するよう、第1のポジションおよび第2のポジションを維持する能力を有する。ある例示的実施形態は、電子信号を介して安全装置401の移動を制御することが可能な電子制御機構300の使用を組み込む。

再度、図3および図4を参照すると、ある例示的実施形態において、安全装置401は、2ポジションノーマリオープン空圧ソレノイド弁であり、弁システムの「安全チャネル」と示される流体チャネル406内にポジショニングされ、それにより、安全装置401は、安全装置401が第1のポジションに存在するときに安全チャネル406を通じた流体の流れをブロックすることが可能であり、安全装置401が第2のポジションに存在するときに安全チャネル406を通じた流体の流れを可能とすることができる。ある例示的実施形態において、安全チャネル406は、一端においてA−Bチャネル113に隣接してそれに流体連通し、他端において排気ポート407に隣接してそれに流体連通し、これは、ある実施形態において排気ポート106または排気ポート107と流体連通してもよい。ある例示的実施形態において、電子制御機構300は、電力ストレージ手段を含み、それにより、電子制御機構300は、正の電気信号が電子制御機構300に送達されなくなった後の禁止期間の間、正の電気信号を安全装置401に送達し続けることが可能である。

ここで図3および図5を具体的に参照すると、本開示の別の例示的実施形態は、方向制御弁100に正の電気信号が供給されないとき、または、正の電気信号が供給されなくなった後のある禁止期間の後、第1の出力ポート104および第2の出力ポート105は互いに流体連通し、圧力ポート408とも流体連通しているよう構成された安全機構400を備える。ある実施形態において、圧力ポート408は圧力ポート103と流体連通する。他の実施形態において、圧力ポート408は圧力ポート103とは別個であり、これとは異なる。

ここで図5を具体的に参照すると、ある例示的実施形態は、方向制御弁100に正の電気信号が供給されないとき、または、正の電気信号が供給されなくなった後のある禁止期間の後、第1の出力ポート104および第2の出力ポート105ならびに圧力ポート408間の流体連通を自動的にもたらす自動安全機構400を備える。

再度、図3および図5を参照すると、ある例示的実施形態において、自動安全機構400は、弁システムの「安全装置」として示される2方弁401を備え、安全装置401は、安全装置401が正の電気信号を受信したときに、それが第1のポジションに存在し、安全装置401が正の電気信号を受信しないときに、それが第2のポジションに存在するよう、第1のポジションおよび第2のポジションを維持する能力を有する。ある例示的実施形態は、電子信号を介して安全装置401の移動を制御することが可能な電子制御機構300の使用を組み込む。

再度、図3および図5を参照すると、安全装置401のある例示的実施形態は、2ポジションノーマリオープン空圧ソレノイド弁であり、弁システムの「安全チャネル」と示される流体チャネル406内にポジショニングされ、それにより、安全装置401は、安全装置401が第1のポジションに存在するときに安全チャネル406を通じた流体の流れをブロックすることが可能であり、安全装置401が第2のポジションに存在するときに安全チャネル406を通じた流体の流れを可能とすることができる。ある例示的実施形態において、安全チャネル406は、一端においてA−Bチャネル113に隣接してそれに流体連通し、他端において圧力ポート408に隣接してそれに流体連通し、これは、ある実施形態において圧力ポート103と流体連通してもよい。ある例示的実施形態において、電子制御機構300は、電力ストレージ手段を含み、それにより、電子制御機構300は、正の電気信号が電子制御機構300に送達されなくなった後の禁止期間の間、正の電気信号を安全装置401に送達し続けることが可能である。

ここで図3および図6を具体的に参照すると、本開示の別の例示的実施形態は、方向制御弁100に正の信号が供給されないとき、または、正の電気信号が供給されなくなった後のある禁止期間の後、第1の出力ポート104および第2の出力ポート105はそれぞれ別個に空圧的に分離され、それぞれ別個に方向制御弁100の如何なる他のポートとも流体連通しないよう構成された安全機構400を備える。

ここで図6を具体的に参照すると、ある例示的実施形態は、方向制御弁100に正の電気信号が供給されないとき、または、正の電気信号が供給されなくなった後のある禁止期間の後、第1の出力ポート104および第2の出力ポート105の両方の個別の空圧分離を自動的にもたらす自動安全機構400を備える。

再度、図3および図6を参照すると、自動安全機構400のある例示的実施形態は、弁システムの「安全装置」として示される2方弁401を備え、安全装置401は、安全装置401が正の電気信号を受信したときに、それが第1のポジションに存在し、安全装置401が正の電気信号を受信しないときに、それが第2のポジションに存在するよう、第1のポジションおよび第2のポジションを維持する能力を有する。ある例示的実施形態は、電子信号を介して安全装置401の移動を制御することが可能な電子制御機構300の使用を組み込む。

再度、図3および図6を参照すると、ある例示的実施形態において、安全装置401は、2ポジションノーマリクローズド空圧ソレノイド弁であり、主弁のA−Bチャネル113内にポジショニングされ、それにより、安全装置は、安全装置がその第1のポジションに存在するときにA−Bチャネル113を通じた流体の流れを可能とすることができ、安全装置401がその第2のポジションに存在するときにA−Bチャネルを通じた流体の流れをブロックすることが可能である。ある例示的実施形態において、電子制御機構300は、電力ストレージ手段を含み、それにより、電子制御機構300は、正の電気信号が電子制御機構300に送達されなくなった後の禁止期間の間、正の電気信号を安全装置401に送達し続けることが可能である。

実施形態の前述の記述は、例示および説明目的のために提供された。それは、網羅的なあるいは本発明を制限するものを意図しているのではない。特定の実施形態の個別の要素または特徴は、一般に、その特定の実施形態に制限されるものではないが、適用可能である場合には、たとえ具体的に示されずまたは記述されずとも、交換可能であり、選択された実施形態において使用可能である。それらは多くの方法で変更可能でもあり得る。このような変形は本発明からの逸脱とみなされるべきではなく、全てのこのような修正は本発明の範囲内に含まれると意図される。

参照文献 下記の参照文献は、本願に記載の内容を補完するものとして例示的な手続き的または他の詳細を提供する程度において、参照により本願に具体的に組み込まれる。 米国特許第8635940号明細書