JPH02190683A - パイロット弁装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、液圧を用いた電力用遮断器の操作機構に用い
られるパイロット弁装置に関する。

（従来の技術） 送変電系統の大容量化および超高電圧化などにより、こ
れらの回路に設置される遮断器の性能向上は著しく、ま
た、その性能向上に対する要求も増大している。このた
め、最近においては、ＳＦ８ガス絶縁の遮断器が数多く
実用化され、その操作機構として液圧操作方式が主に用
いられている。液圧操作装置は、空気圧を利用するもの
に比べて高圧化が容品であるため、その小形化が可能で
あり、かつ、遮断操作時に生ずる騒音も著しく軽減され
、さらに操作流体が非圧縮性であるため応答性が優れて
いるなどの利点がある。さらに、電力系統保護の見地か
ら、電力系統の故障除去時間が短いほどその安全性が向
上するため、遮断器の動作が高速度であることが必須要
件となっている。このため、遮断器を動作させる液圧操
作装置に用いるピストンに作用する液圧を制御する弁の
動作応答性が問題となっていた。

ところで、従来の遮断器の液圧操作装置の液圧系統は、
第４図の液圧系統図に示すように構成されている。すな
わち、遮断器ＣＢを開閉するピストンＰとＳとからなる
操作部Ｍは、パイロット弁Ｐｖで開閉制御される主弁Ｍ
Ｖにより駆動されるようになっている。また、パイロッ
ト弁Ｐｖは、投入用と遮断用の２つのパイロット弁ｐｖ
１゜Ｐｖ２からなり、それぞれに付設した電磁ソレノイ
ドＣＣ，ＤＣを附勢させることにより、主弁ＭＶ内へ配
管系に設けたアキュムレータＡＣＣとポンプＰＦから圧
油を給排させ操作部Ｍを制御するようになっている。な
お、主弁ＭＶの応答性を良くするために、パイロット弁
ＰＶ　　Ｐｖ２と１’ アキュムレータＡＣＣとをつなぐ流路間にはそれぞれ絞
りＤが設けられている。

また、ソレノイドによるパイロット弁などの流体制御弁
の駆動は、コイルのアンペアターンで決まるので、高出
力を得るためにコイルの巻数あるいは電流値を増やす必
要がある。しかし、この場合には、インダクタンスの増
加による応答性の低下やジュール熱によるコイルの焼損
などの問題が生じる。そのため、ソレノイド駆動方式を
用いて高速動作弁を得ようとすると、必然的に巻数の少
ないコイルに大電流を流すことになるが、その実用上多
くの制約条件があるので弁の応答速度を速くすることは
自ずと限度がある。この欠点を解消するために、従来、
圧電効果によって圧電素子体の伸縮動作を行う応答性の
良いパイロット弁装置が用いられていた。

すなわち、第５図に示すように、パイロット弁装置本体
１に形成した弁室２内には、弁３がバネ４により弾性保
持され、弁室２の弁座のシート面６に着座している。弁
３には細径のロッド１０を介してその上端部に小径ピス
トン１１が連結されていて、高圧室５に摺動自在に収容
され小径ピストン１１の上下動により弁３が弁室２のシ
ート面６を開閉するようになっている。また、パイロッ
ト弁装置本体１には、流体供給源に連通した流体導入孔
７と流出排出孔８が形成されていて、流体導入孔７から
高圧室５に流入した流体は、流体排出孔８から本体１の
外部に流出されるようになっている。高圧室５の上部の
本体１には圧縮室９が形成され、この圧縮室９内には大
径ピストン１２が摺動自在に収容されている。小径ピス
トン１１はこの大径ピストン１２により作動流体を介し
て上下動される。さらに、大径ピストン１２の上面背部
には、適当枚数積層されたセラミッーク材料からなる圧
電素子体１３が固設されていて、この圧電素子体１３の
圧電効果による伸縮動作によって、大径ピストン１２が
圧縮室９内を上下動するようになっている。なお、この
圧電素子体１３は本体１の上端部に固定されたカバー１
４に取付けられている。また、高圧室５と圧縮室９とは
連通孔１５によって連絡され、この連通孔１５の途中に
はチェック弁１６が設けられている。このチェック弁１
６は、チェック弁体１６ａとバネ１６ｂとからなり、高
圧室から圧縮室９へのみ流体の通過１２と小径ピストン
１１の摺動部には、それぞれパツキン１８ａ、１８ｂが
嵌入されていて、圧縮室９内の流体が本体１の外部へ漏
れないようにしである。なお、圧電素子１３には、その
電極に電圧を印加するためのリード線１７ａ、１７ｂが
連結されている。

このようにして構成された従来のパイロット弁装置では
、まず、弁３が弁室２のシート面６を閉止した状態では
、高圧室９内は高圧状態に保持されている。ここで圧電
素子体１３に電圧が印加されると、その圧電効果によっ
て圧電素子体１３が伸び、これに応じて大径ピストン１
２が下方へ変位する。大径ピストン１２の変位は、増幅
されて小径ピストン１１に伝わり、ついで、小径ビスト
ン１１の変位はロッド１０を介して弁３に伝わり、これ
によりシート面６を開いて高圧室５内の流体が本体１の
外部に排出されるようになる。圧電素子体１３への電圧
印加が解除されると、圧電素子体１３は縮んで元の状態
に復元し、弁３はバネ４によってシート面を再び閉止す
ることになる。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、このような従来の圧電素子体を用いたパ
イロット弁装置では、弁３の閉止時には、圧縮室９内は
弁３によって制御される高圧室５内の圧力と等しい圧力
を有する流体により満される。

さらに、従来のパイロット弁装置が高圧システムとして
用いられる場合には、圧縮室９内も高圧状態に保持され
、大径ピストン１２を介して圧電素子体１３に大きな圧
縮力が作用することになる。

この圧縮力は大径ピストン１２の受圧面積に比例して増
大し、ときには、圧電素子体１３の圧縮破壊荷重を越え
ることもある。また、この圧縮力が静的にこの破壊荷重
以下であっても、圧電素子体１３の動作時に、圧縮室９
内で瞬間的に振動圧力が発生するなど動的に高い圧縮力
を受けることもある。そのため弁装置を連続操作すると
圧電素子体の破壊を招くことになる。さらに、圧電素子
体１３が大径ピストン１２の背面に接着剤などにより一
様に固設されていても、大径ピストン１２に均一に圧力
がかからず、大径ピストン１２自体が僅かに傾くことが
ある。このとき、圧電素子体１３は、偏心した高い集中
荷重を受けることとなり、結局、圧電素子体１３が曲げ
荷重などにより破壊することもあり得る。このように、
従来のパイロット弁装置では、圧電素子体１３の機械的
強度およびその耐久性などの点で数多くの問題点があり
、そのため、高い動作信頼性を得ることが困難であった
。

一方、このような問題点を回避するためには、従来のパ
イロット弁装置は低圧システムにしか利用できず、その
ためパイロット弁装置の適用範囲が限定されてしまうと
する問題点があった。

本発明は、このような問題点を解決するためになされた
もので、高速度切換が可能であり、かつ、耐久性などの
動作信頼性が高く、さらに適用されるシステムの圧力が
限定されない圧電素子体を用いたパイロット弁装置を提
供することを目的としている。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 本発明は、バネにより弁室のシート面に弾性保持された
弁の開閉動作により弁室内の液圧を制御するパイロット
弁装置において、弁に連結された小径ピストンと、この
小径ピストンを流体圧を介して駆動する小径突起を立設
した大径ピストンと、小径突起に連結されかつ圧電効果
により伸縮動作して大径ピストンを駆動する圧電素子体
と、弁と小径ピストンとの間に形成された高圧室と、大
径ピストンと小径ピストンとの間に形成されかつ流体を
封入上た圧縮室と、大径ピストンと圧電素子体との間に
形成された隔壁と、この隔壁と大径ピストンとの間に形
成された背室とからなり、高圧室と圧縮室とをチェック
弁を介して連通して高圧室から圧縮室・・のみ流体の流
入を許容するとともに、背室を連通ポートを介して流体
供給源に連通したことを特徴とするパイ、ロット弁装置
に関する。

（作　用） 上記のように構成された本発明のパイロット弁装置では
、圧電素子体に電圧を印加すると、その圧電効果によっ
て圧電素子体が伸び、これに応じて大径ピストンが下方
へ駆動され、大径ピストンの下方への変位が圧縮室内の
増幅作用によりさらに増幅されて小径ピストンに伝わり
、弁をシート面より開放して高圧室内の制御された流体
を外部へ排出する。このとき、背室内は、静止持のシス
テム圧力に保持されるため、大径ピストンを介して電圧
素子体に作用する圧縮荷重は、背室内の圧力により一部
打ち消されることになる。

（実施例） 本発明のパイロット弁装置の実施例を第１図について説
明する。

第１図に示すように、パイロット弁装置本体１に形成し
た弁室２内には、弁３がバネ４により弾性保持され、弁
室２の弁座のシート面６に着座している。弁３には細径
のロッド１０を介してその上端部に小径ピストン１１が
連結されていて、高圧室５に摺動自在に収容され小径ピ
ストン１１の上下動（駆動）により弁３が弁室２シ一ト
面６を開閉するようになっている。また、パイロット弁
装置本体１には、それぞれ流体導入孔７と流出排出孔８
が形成されていて、流体導入孔７から高圧室５に流入し
た流体は、流体排出孔８から本体ｌの外部に流出するよ
うになっている。高圧室５の上部の本体１には圧縮室９
が形成され、この圧縮室９内には大径ピストン１２が摺
動自在に収容されている。

また、大径ピストン１２の上部には小径突起１２ａが立
設され、この小径突起１２ａを本体１に形成した隔壁１
９の貫通孔にパツキン１８ごを介して摺動自在に挿入し
である。これにより、大径ピストン１２の背面との間に
背室２０が形成され、この背室２０に連通した連通ポー
ト２１によって流体が供給され、背室２０内が一定圧に
保たれるようになる。さらに、連通ポート２１は、例え
ば流体導入孔７あるいはアキュムレータＡＣＣやポンプ
ＰＦなどに連通するようになっている。

さらに、大径ピストン１２の小径突起１２ａの上面背部
には、適当枚数積層されたセラミック材料からなる電圧
素子体１３が固設されていて、１この圧電素子体１３の
圧電効果による伸縮動作によって、大径ピストン１２が
圧縮室９内を上下動（駆動）するようになっている。な
お、この圧電素子体１３は本体１の上端部に固定された
カバー１４に取付けられている。また、高圧室５と圧縮
室９とは連通孔１５によって連絡され、この連通孔１５
の途中にはチェック弁１６が設けられている。このチェ
ック弁１６は、チェック弁体１６ａとバネ１６ｂとから
なり、高圧室５から圧縮室９へのみ流体の通過を許す逆
止弁の役目をしている。

大径ピストン１２と小径ピストン１１の摺動部には、そ
れぞれパツキン１８ａ、１８ｂが嵌入されていて、圧縮
室９内の流体が本体１の外部へ漏れないようにしである
。なお、圧電素子体１３には、その電極に電圧を印加す
るためのリード線１７ａ。

１７ｂが連結されている。

このように構成された本発明の実施例のパイロット弁装
置では、弁３が弁室２のシート面６を閉止した状態では
、圧縮室９と背室２０内の圧力は等圧力に保持されてい
る。そのため、背室２０の圧力が大径ピストン１２の背
面の受圧面積に作用して生じる荷重は、圧縮室９内の圧
力が大径ピストン１２の前面の受圧面積に作用して生ず
る荷重が大径ピストン１２とその小径突起１２ａを介し
て電圧素子体１３に作用する荷重の一部を打ち消すよう
に働くことになる。

さらに、圧電素子体１３に加わる圧縮荷重は、先の圧力
と小径突起１２，１１の断面積との積に相当するから、
従来のパイロット弁装置より圧縮荷重を小さくすること
が可能となる。ここで、圧電素子体１３に電圧が印加さ
れると、その圧電効果によって圧電素子体１３が伸び、
これに応じて小径突起１２ａを介して大径ピストン１２
が下方へ変位（駆動）する。大径ピストン１２の変位は
、圧縮室９内の変位増幅作用により増幅されて小径ピス
トン１１に伝わり、小径ピストン１１の変位はロッド１
０を介して弁３に伝わり、これによりシート面６を開い
て高圧室５内の制御された流体が本体１の外部に排出さ
れることになる。このとき、背室２０内は、静止時のシ
ステム圧力に保持されるため、大径ピストン１２を介し
て圧電素子体１３に作用する圧縮荷重としては、圧縮室
９内に過渡的に生じる圧力上昇分が新たな荷重として加
わることになる。なお、この圧力上昇は、弁の移動時の
抵抗力に起因する時間遅れなどによって生じる。また、
本発明の実施例では、背室２０を設けたことにより圧縮
室９内の変位増幅作用の低下など弁の動特性に影響を与
えない。むしろ、静止時における圧電素子体１３に対す
る負荷荷重が低減されるため、圧電素子体１３の変位量
を従来のものより大きくすることが可能となる。すなわ
ち、第２図に示すように、圧電素子体の変位量ｐは、初
期負荷荷重が一定に保たれた場合には、負荷荷重がある
程度加わっても無負荷時と等しい変位量が得られる。し
かし、過度に大きな荷重が加わると、その変位量が低下
する性質を有する。したがって、第２図に示すように静
止時における圧電素子体の初期負荷荷重（Ｆ　ｏ）を小
さくすると、従来のパイロット弁装置のように破壊荷重
に近い値（Ｆｏ’）で使用する場合よりも圧電素子体１
３の変位量（Ｎ）を大きくできＣＤ　：ｌ　’　）　、
そのため、弁３の変位量が大となり全体として弁の動特
性が向上する。

また、本発明の他の実施例としては、第３図に示すよう
に、背室２０内を外部圧力（大気圧）に保持し、背室２
０の内部に隔壁１９の接するように皿バネ２２を配設し
て、常に、この皿バネ２２により大径ピストン１２を下
方に押圧して圧電素子体１３にかかる圧縮荷重を低減す
ることも可能である。この実施例では、大径ピストン１
２の駆動時（下方に変位する時）には、この皿バネ２２
は、開放される方向にある。しかし、その変位量は、圧
電素子体１３の微小変位量（数１０ａｍ）に相当する程
度であるので、皿バネ２２の押圧荷重の低下はない。

〔発明の効果〕

本発明によれば、圧電効果によって微小伸縮動作を行う
圧電体素子の変位を小径突起を介して大径ピストンに伝
達して、大径ピストンの変位を圧縮室内で増幅して小径
ピストンに伝え、弁を移動させてシート面を開（際、小
径突起により形成された大径ピストンと圧電素子体との
間に形成された背室内をパイロット弁装置に用いるシス
テム圧力に保持するようにした。このため、圧電素子体
にかかる圧縮荷重が大幅に低減でき、その結果、圧電素
子体の機械的強度と耐久性が向上し、かつ、圧電素子体
の変位量を従来のものよりも大きくとれるので、パイロ
ット弁装置の性能が大幅に向上し、このパイロット弁装
置を適用するシステムの圧力範囲が限定されることがな
い。全体として高性能・高信頼性をもつパイロット弁装
置が得られる。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の実施例を示し、第１図は本発明の実施例
のパイロ・ソト弁装置の縦断面図、第２図は圧電体変位
量と負荷荷重の関係を示す線図、第３図は本発明の他の
実施例のパイロット弁装置の縦断面図、第４図はパイロ
ット弁装置を適用する遮断器液圧装置の液圧系統図、第
５図は従来のパイロット弁装置の縦断面図を示す。 １・・・パイロット弁装置本体、２・・・弁室、３・・
・弁、４・・・バネ、５・・・高圧室、９・・・圧縮室
、１１・・・小径ピストン、１２・・・大径ピストン、
１３・・・圧電素子、１４・・・カバー、１５・・・連
通孔、１６・・・チェック弁、１９・・・隔壁、２０・
・・背室、２１・・・連通ポート。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　バネにより弁室のシート面に弾性保持された弁の開閉
   動作により弁室内の液圧を制御するパイロット弁装置に
   おいて、前記弁に連結された小径ピストンと、この小径
   ピストンを流体圧を介して駆動する小径突起を立設した
   大径ピストンと、前記小径突起に連結されかつ圧電効果
   により伸縮動作して前記大径ピストンを駆動する圧電素
   子体と、前記弁と小径ピストンとの間に形成された高圧
   室と、前記大径ピストンと小径ピストンとの間に形成さ
   れかつ流体を封入した圧縮室と、前記大径ピストンと圧
   電素子体との間に形成された隔壁と、この隔壁と前記大
   径ピストンとの間に形成された背室とからなり、前記高
   圧室と圧縮室とをチェック弁を介して連通して前記高圧
   室から圧縮室へのみ流体の流入を許容するとともに、前
   記背室を連通ポートを介して流体供給源に連通したこと
   を特徴とするパイロット弁装置。