圧力制御弁の種類について記事にしました（記事はこちら）その中で、今回はリリーフ弁について記載します。
油圧回路に欠かせない「リリーフ弁」。その役割は回路内の圧力を適切に制御し、トラブルを未然に防ぐことです。この記事では、リリーフ弁の中でも代表的な「直動型」と「パイロット作動型」の仕組みと構造の違いについて図解つきでわかりやすく解説します。
リリーフ弁の役割と種類
リリーフ弁は油圧回路において、過剰な圧力を逃がすための圧力制御弁です。主に以下のようなタイプがあります。
- 直動型リリーフ弁
- パイロット作動型リリーフ弁
- 電磁切替式リリーフ弁
- 比例式リリーフ弁
今回はこの中でも基本となる、直動型リリーフ弁とパイロット作動型リリーフ弁について説明します。
直動型リリーフ弁の構造と特徴
図1：直動型リリーフ弁
用途
- 過剰な圧を逃がす。（サージ圧などのような過剰な圧を逃がす）
- 安全弁（回路や機器の破壊を防ぐ弁のこと）
- 他の弁（減圧弁・カウンターバランス弁など）のパイロット部として
構造の概要
図2：直動型リリーフ弁の構造部品名称
ポペットとスプリングから構成され、通常時はスプリングの力で油の流れを遮断。設定圧力を超えるとポペットが開き、油をOUT側へ逃がす仕組みです。
ポペットが移動する圧力（設定圧力）は、調整ハンドルを回しスプリングを縮ませることで任意に変更することが出来ます。
図3：IN側に設定圧力以上の圧力が発生した図
特徴
- 応答性が高い
- 圧力オーバーライド（流量が高くなると圧が大きくなる）が低い
- チャタリングが起きやすい
という特徴があります。
特に応答性が良いという特徴により、その他各弁（減圧弁やカウンターバランス弁など）のパイロット部に使用されます。
ここで言うパイロットとは「操作」を意味します。
例えば減圧弁であれば（〇〇MPaになったら減圧する）という役割ですが、この「〇〇MPaになったら」の条件を拾う部分に直動型リリーフ弁を使用し、主弁の減圧弁部をパイロット（操作）してあげる。
という構造になっています。よってパイロット部の応答性が悪いと主弁の反応も遅くなるため応答性が良い直動型リリーフ弁が使用されます。
逆に応答性が良いことでチャタリングが発生するというデメリットも存在します。チャタリングとは高速でON・OFFを繰り返す現象です。
次に、圧力オーバーライドについて説明します。
圧力オーバーライドは圧力ー流量特性ともいいます。クラッキング圧を設定したものの、流量を上げると圧力が上がってしまう現象です。
例えば回路を7MPa以下にしたいため、10L/minで7MPaでリリーフするように設定していたが、流量をあげたら8MPaまで上昇してしまった・・・という状態です。
これは流量により圧力が変化しますので、一般的にグラフで表されています。これを圧力オーバーライド曲線と呼びます。
パイロット作動型リリーフ弁の構造と特徴
用途
- 過剰な油を逃がす（リリーフ回路に使用する）
- アンロード回路に使用する（ポンプの流量をタンクにかえす）
構造
図4：パイロット操作型リリーフ弁の構造図と各部名称
パイロット部には前述の直動型リリーフ弁を使用します。パイロット部とは操作を意味します。今回のリリーフ弁で言えばパイロット部にて設定した圧力以上になった際に主弁が動作することになります。
一次側とは油が入ってくる場所。タンクとはタンクに接続しているポート。またベントポートは外部操作用なので基本はポートを塞いで使用します。外部操作については後述します。
図5：パイロット操作型リリーフ弁 通常時
一次側の圧力は「チョーク」を通過しパイロット部のポペット部を押しますが、スプリングの圧力に勝てず動作しません。
主弁の裏と表には同一の圧力がかかり、力は均衡するためメインスプリングの力で主弁はシート（図中緑部品）に押し付けられ、タンク側への油の流入は「0」になります。
図6：一次側圧力が上昇した図
次第に圧力が強くなりポペットを押す力が強くなります。
図7：パイロット部の開放
設定圧力より強くなるとポペットが移動をします。
主弁の上部はポペットから油が流出するため圧力が下がります。主弁下部（一次側）からチョークを通じて油が主弁上部に流入しますが、穴が細いため主弁の上部と下部で圧力差が発生します
図8：主弁の開放
圧力差がメインスプリングの力を超えることで主弁全体が動作し、一次側からタンク側へのポートが開通します。解放後はポペットの設定圧力を守るように開閉量が変化します。
特徴
- 圧力オーバーライド特性が良い
- ベントポートを制御することで、外部からの操作が可能。
イメージは「設定圧以上になったら、余分な油を往（い）なす」
パイロット作動型リリーフ弁の用途は主に、「固定ポンプ」用の圧力制御に使用されます。固定ポンプとはポンプが回転している限り油を吐出するポンプです。
油圧回路ではシリンダーが動作している時は油を必要としますが、シリンダーが動作終わった後は回路側が「油はもういらない！！！」という状態になります。しかし固定ポンプさんはシリンダーが動作端なのか知る由もなくどんどん油を送り出してしまうため、そのままではどこかで破裂し噴水状態になります。
そこで使用されるのがパイロット作動型リリーフ弁です。回路側が欲しい圧にて設定しておき、設定以上の油が来たら全部タンクに返してしまいます。
最近の機械では、油圧に使用するポンプは可変ポンプが多いので、リリーフ弁は不要です。
が固定ポンプを使用する場合は注意が必要です。
またベントポートを外部で制御することで、外部から設定圧力を制御することができます。
今回の図解ではベントポートを塞いでいますが、ベントポートから外部に違うリリーフ弁を設けることで違う圧力に設定することができます。またベントポートの先に電磁弁を接続し、さらにそれぞれの先に二つのリリーフ弁に接続することで、２段階圧力を任意のタイミングでリリーフすることが可能です。
まとめ
油圧バルブにおいて構造を知っておくのは、問題発生時に早期原因判明に対しとても重要です。例えばリリーフ弁の場合、タンクポートに何かしらの圧力が立っていたらどうでしょうか。パイロット部のポペットに圧が立ち正常に動作しないように思えます。
使用していると様々な問題が発生するのが油圧です。自分は設備メーカーの設計部門なので新品の状態を見ることが多いですが、それでも問題は発生します。
設計が悪いのか、初期不良なのか判断するのに構造が頭に入っているか、いないかは重要です。
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