JP2007064481A - スプリング付勢アキュムレータを有する電気流体圧式アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】フェイルセール内蔵の電気流体圧式アクチュエータを提供する。
【解決手段】複数のアキュムレータをアクチュエータと一体化させて、信頼性および冗長性を向上させる。１つ以上のアキュムレータが故障すると、残りのアキュムレータは、アクチュエータをそのフェイルセーフ状態まで移動させるのに十分なエネルギーを提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は一般的に電気流体圧式アクチュエータに関し、より詳細には、アキュムレータを有する電気流体圧式アクチュエータに関する。

アキュムレータは、圧力下における流体の形でエネルギーを蓄積する装置である。アキュムレータは、過剰エネルギーを蓄積し、必要に応じてそれを放出する能力があることから、高効率流体圧システムを開発する上で有用なツールである。アキュムレータを用いて、流体圧システムに各種機能を設けることができる。これら機能には、リーク補償、脈動および衝撃吸収、消音、ならびに負荷平衡を含む。

従来の電気流体圧式アクチュエータ用アキュムレータは、窒素ガス式である。これらアキュムレータは一般的に、窒素を充填した弾性膜からなり、位置エネルギーを流体圧流体に提供してアクチュエータを作動させるものと考えられている。弾性膜は経時劣化するので、窒素は流体圧流体に漏入してしまう。典型的には、弾性膜が経時劣化すると、窒素が緩やかに漏れ、その漏洩を検出する方法もない。アキュムレータの故障を知ることができないのでは、流体圧システムの動作に対する信頼性が損なわれる。

またアキュムレータは、流体圧システムの設計において補足的に後付けされることが多く、流体圧システム周りへ、成功する程度は異なってもスペースさえあれば無計画に取り付けられている。

本発明は、上記課題を解決するフェイルセーフ電気流体圧式アクチュエータを提供する。本発明におけるそれらの利点および他の利点については、他の本発明の特徴と共に、本明細書における発明の詳細な説明から明らかとなろう。

一態様において、本発明は、複数のアキュムレータをアクチュエータに内蔵してフェイルセーフ機能性を備えるアクチュエータシステムを提供する。アキュムレータを一体化することで、試験および実証が十分になされ、冗長性をもつフェイルセーフアクチュエータが得られる。

別の態様において、本発明は、弾性膜および窒素充填ベースのアキュムレータに代えて、スプリング負荷式ピストンアキュムレータを用いる。アクチュエータに内蔵される複数のアキュムレータを使用することで、いずれかのアキュムレータが必要に応じて適宜に機能することを停止でき、残りのアキュムレータが、アクチュエータ／弁を、そのフェイルセーフ状態までに十分なストロークを動かすことになる。

本発明の他の態様および利点は、付帯の図面と共に用いると以下の詳細な説明より明らかになるであろう。

本発明を特定の好適な実施の形態と関連付けて説明するが、これらの実施の形態に限定する意図はない。逆に、付帯する請求項により明確にされるように、本発明の精神および範囲内に含まれるように、全ての代替、改変、および均等物を包含することを意図する。

本発明は、複数のアキュムレータをアクチュエータに一体化させてフェイルセーフ機能性を備えたフェイルセーフ電気流体圧式アクチュエータを提供することで、従来のアキュムレータの持つ多くの問題を克服する。アキュムレータの一体化により、試験および実証が十分になされ、冗長性をもつフェイルセーフアクチュエータが得られる。典型的なアキュムレータの弾性膜および充填窒素は、スプリング負荷式ピストンアキュムレータに置き換えられる。アクチュエータに内蔵される複数のアキュムレータを用いることで、いずれかのアキュムレータが必要に応じて適宜に機能することを停止でき、残りのアキュムレータが、アクチュエータ／弁をそのフェイルセーフ状態までに十分なストロークを動かすことになる。

ここで図面を参照すると、図中の類似符号は類似要素を指し、本発明が適切な運転環境で実施されているものとして図示されている。必須ではないが、本発明を、電気流体圧式アクチュエータの通常の状況にて説明する。当業者は本発明を、アキュムレータを用いる別の構成でも実施できることが分かるであろう。

ここで各図を参照すると、流体圧アクチュエータ１００が図示されている。アクチュエータ１００は複動アクチュエータである。当業者は本発明を、例えば単動アクチュエータなど、別のタイプのアクチュエータで実施できることが分かるであろう。流体圧アクチュエータ１００は、適切な動作環境の一実施例にすぎず、そして本発明の使用または機能性の範囲について何らの制限も示唆しないものとする。アクチュエータ１００は、例示のアクチュエータ１００で示すいかなる１つの構成要素または組合せに関し、従属性も要件のいずれかを持っているものと解釈してはならない。

流体圧マニホルド１０２は、制御流体を流体圧ピストン１０４およびアキュムレータ１０６に供給する。ピストン１０４を出力ロッド１０８に接続し、このピストンを用い、出力軸クレビス１１０を弁（図示せず）の弁軸に接続して弁を制御するのに用いてもよい。ＬＶＤＴ（線形電圧差動変圧器［線形可変差動変圧器としても知られる］）１１２は、ピストンの位置情報を電気接続箱１１４に提供する。単体のＬＶＤＴを用いてもよいが、冗長性をもたせてシステムの信頼性を高めるためには複数のＬＶＤＴを用いる。アクチュエータの動作は公知であり、本明細書中で詳細に説明する必要はない。明確に示すため、図に必ずしもすべての接続や配管を示してはいない。

各アキュムレータ１０６は、モジュール構造１１６、１１８を介してアクチュエータ１００に接続される。モジュール構造１１６は、回収ブロック１２０を介してアキュムレータ１０６をマニホルド１０２に接続する。モジュール構造１１８は、アキュムレータの底部をアクチュエータ１００および支持軸１２２に接続する。モジュール構造１１６、１１８は、これら構造を別の構造へ装着するためのボルト孔付連結フランジを有する。回収ブロック１２０は通路を有して、マニホルド１０２内の流体をアキュムレータ１０６に連通させる。支持軸１２２はアクチュエータ１００に剛性を与える。代替として、回収ブロック１２０とともにモジュール構造１１６および１１８を、アキュムレータ１０６を流体圧マニホルド１０２に直接接続する流体圧配管に置き換えてもよい。

アキュムレータ１０６は、典型的なアキュムレータの窒素に代えて、コイルスプリング１４０を用いる。コイルスプリング１４０は筒状ハウジング１４２内で入れ子にされて、スプリング座１４４とスプリング底板１４６との間に着座する。スプリング底板１４６は、アキュムレータ１０６の底面を形成する。入れ子式コイルスプリング１４０およびスプリング座１４４は、筒状ハウジング１４２に装着されたスプリング上板１４８を介して、筒状ハウジング１４２内で保持される。アキュムレータ１０６は、典型的なアキュムレータのブラダに代えて、ピストン１５０を用いている。ピストン１５０は経時劣化しない。

本明細書で後述するように、ピストン１５０をスリーブ１５２内に配置し、スリーブ１５２はピストン１５０と共に流体圧流体の収容キャビティを形成する。ピストン１５０は、側壁１５６に装着されるベース１５４を有する。側壁１５６はスプリング座１４４にも接続される。シール１５８は、アキュムレータ１０６中の、スプリング１４０を配置する領域へ流体が漏れないようにする。動作中、アクチュエータ流体圧マニホルド１０２は、流体供給圧によってピストン１５０を押し込むことで、アキュムレータにエネルギーを蓄積し、それによって流体（およびデフォルト状態からコイルスプリング１４０）を圧縮する。逆止弁（図示せず）は、供給圧が抜けて供給系へ戻らないようにする。通常動作中、圧縮された流体はアキュムレータ１０６に留まる。流体圧アクチュエータ１００を、そのフェイルセーフ状態（すなわち、ピストン１０４がそのオープン状態またはクローズ状態にある）まで移動させる必要があるとき、マニホルドは蓄積エネルギーをアキュムレータ１０６から放出する。圧縮されたスプリング１４０がそのデフォルト状態に戻ることで、圧縮された流体（すなわち蓄積エネルギー）をアキュムレータ１０６から放出して押し出し、アクチュエータ１００をその安全状態まで移動させる。

複数のアキュムレータ１０６を用いて、故障許容性（すなわち冗長性）を与える。１つのアキュムレータが故障した場合（例えば、スプリングの故障、ピストンが動かなくなる等）、残りのアキュムレータが、アクチュエータ１００をその安全状態まで移動させるのに十分なエネルギーを提供する。一実施の形態において、アキュムレータに蓄えられたエネルギー量は、１つのアキュムレータが故障した場合、残りのアキュムレータが、アクチュエータをそのフェイルセーフ状態まで移動させるのに十分な蓄積エネルギーを持つような大きさとされる。別の実施の形態では、アキュムレータは、そのうちの複数のアキュムレータが故障した場合に、アクチュエータをそのフェイルセーフ状態まで移動できるような大きさとされる。

スプリング１４０が故障する可能性もある。一実施の形態では、目視表示器を筒状ハウジング１４２に設けることで、アキュムレータの蓄積状態（すなわち、スプリング座１４４の位置）の確認だけでなく、スプリング１４０の点検も可能にする。また目視表示器によって、ピストン１５０がアキュムレータ１０６内で動かなくなったり、または他の状態で固着したりしていないかを判定できる。

先に示したように、アキュムレータ１０６はアクチュエータをそのフェイルセーフ状態まで移動させる。フェイルセーフ状態は、開位置（すなわちフェイルオープン）または閉位置（すなわちフェイルクローズ）のいずれであってもよい。一実施の形態では、マニホルド１０２に配置したプラグ１６０〜１６６の配置をセットすることにより、現場で容易にアクチュエータをフェイルオープンまたはフェイルクローズのいずれにも変更できる。プラグ１６０、１６２を差し込むと、アクチュエータ１００はフェイルクローズモードになる。プラグ１６４、１６６を差し込むと、アクチュエータ１００はフェイルオープンモードになる。プラグを用いることで、フェイルオープンおよびフェイルクローズの両動作モードで同一のマニホルドを使用できる。

上記から、フェイルセーフ内蔵の高負荷アクチュエータについて説明したことがわかる。本発明は多くの状況で使用可能である。例えば、本発明を、蒸気タービンの蒸気弁として用いることができる。複数のアキュムレータをアクチュエータと一体化させることで、更なる信頼性が得られる。１つ以上のアキュムレータが故障すると、残りのアキュムレータは、アクチュエータをそのフェイルセーフ状態まで移動させるのに十分なエネルギーを提供する。

本発明を説明する文脈において（特に以下の請求項の文脈において）用いられる名詞及び同様な指示語の使用は、本明細書中で特に指摘したり、明らかに文脈と矛盾したりしない限り、単数および複数の両方に及ぶものと解釈される。語句「備える」、「有する」、「含む」および「包含する」は、特に断りのない限り、オープンエンドターム（すなわち「〜を含むが限定しない」という意味）として解釈される。本明細書中の数値範囲の具陳は、本明細書中で特に指摘しない限り、単にその範囲内に該当する各値を個々に言及するための略記法としての役割を果たすことだけを意図しており、各値は、本明細書中で個々に列挙されるかのように、明細書に組み込まれる。本明細書中で説明されるすべての方法は、本明細書中で特に指摘したり、明らかに文脈と矛盾したりしない限り、あらゆる適切な順番で行うことができる。本明細書中で使用するあらゆる例または例示的な言い回し（例えば「など」）は、特に主張しない限り、単に本発明をよりよく説明することだけを意図し、本発明の範囲に対する制限を設けるものではない。明細書中の如何なる言い回しも、本発明の実施に不可欠である、請求項に記載されていない要素を示すものとは解釈されないものとする。

本明細書中では、発明を実施するため本発明者が知っている最良の形態を含め、本発明の好ましい実施の形態について説明している。当業者にとっては、上記説明を読んだ上で、これらの好ましい実施の形態の変形が明らかとなろう。本発明者は、熟練者が適宜このような変形を適用することを期待しており、本明細書中で具体的に説明される以外の方法で発明が実施されることを予定している。従って本発明は、準拠法で許されているように、本明細書に添付された請求項に記載の内容の修正および均等物をすべて含む。さらに、本明細書中で特に指摘したり、明らかに文脈と矛盾したりしない限り、考えられるすべての変形における上記要素のいずれの組合せも本発明に包含される。

本明細書に組み込まれ、その一部を形成する付帯の図面は、本発明の幾つかの態様を説明するとともに、説明と併せて本発明の原理を説明するのに役立つ。各図面は以下の通り。
図１は、本発明の教示に従う流体圧システムの実施の形態の一例を示す概略図である。 図２は、図１の流体圧システムの等角断面図である。 図３は、冗長性をもつアキュムレータを示す図１の流体圧システムの部分等角図である。 図４は、本発明の教示に従うアキュムレータの断面図である。 図５は、フェイルオープンまたはフェイルクローズシステムとして動作する能力を有する、本発明の教示に従う流体圧システムの系統線図である。

符号の説明

１００ 流体圧アクチュエータ
１０２ 流体圧マニホルド
１０４ 流体圧ピストン
１０６ アキュムレータ
１０８ 出力ロッド
１１０ 出力軸クレビス
１１２ ＬＶＤＴ
１１４ 電気接続箱
１１６、１１８ モジュール構造
１２０ 回収ブロック
１２２ 支持軸
１４０ コイルスプリング
１４２ 筒状ハウジング
１４４ スプリング座
１４６ スプリング底板
１４８ スプリング上板
１５０ ピストン
１５２ スリーブ
１５４ ベース
１５６ 側壁
１５８ シール
１６０〜１６６ プラグ

Claims (19)

1. 流体圧マニホルドと；
   前記流体圧マニホルドに流体連通し、ピストンハウジングを有する流体圧ピストンと；
   それぞれ前記流体圧マニホルドおよび前記流体圧ピストンに流体連通し、それぞれ上部構造および下部構造に接続される、複数のアキュムレータとを備え；
   前記ピストンハウジングおよび前記流体圧マニホルドは、前記上部構造に接続され；
   前記複数のアキュムレータは、前記複数のアキュムレータのうちの少なくとも１つが必要に応じて適宜に機能しなくてもよく、前記複数のアキュムレータの残りが前記流体圧ピストンをフェイルセーフ状態まで動かせるような大きさとされる；
   電気流体圧式アクチュエータ。
2. 前記上部構造は複数のモジュール構造を備え；
   それぞれのアキュムレータは前記複数のモジュール構造のうちの１つに接続される；
   請求項１に記載の電気流体圧式アクチュエータ。
3. 前記複数のモジュール構造のうちの１つは、前記アキュムレータを前記流体圧マニホルドに接続する通路を有する；
   請求項２に記載の電気流体圧式アクチュエータ。
4. 前記複数のモジュール構造はそれぞれ、連結フランジを有する；
   請求項２に記載の電気流体圧式アクチュエータ。
5. 前記アキュムレータが：
   上板と底板とを有するアキュムレータハウジングと；
   前記底板上に着座する第１端部とスプリング座に着座する第２端部とを有する少なくとも１つの入れ子式スプリングと；
   前記スプリング座に装着され、前記流体圧マニホルドに流体連通するアキュムレータピストンアセンブリとを備える；
   請求項１に記載の電気流体圧式アクチュエータ。
6. 前記アキュムレータピストンアセンブリは：
   上面と底面とを有するアキュムレータピストンと；
   前記底面と前記スプリング座とに装着され、前記アキュムレータピストンを囲む壁部とを備える；
   請求項５に記載の電気流体圧式アクチュエータ。
7. 前記アキュムレータピストンを囲み、前記壁部と前記アキュムレータピストンとの間に配置されたスリーブを更に備え；
   前記スリーブは、前記少なくとも１つの入れ子式スプリングが圧縮されるときに前記マニホルドから供給される流体を保持する；
   請求項６に記載の電気流体圧式アクチュエータ。
8. 前記スリーブの上部は、前記上板と略同一平面に位置する；
   請求項７に記載の電気流体圧式アクチュエータ。
9. 前記スリーブおよび前記アキュムレータピストンの上部は、前記少なくとも１つのスプリングが圧縮されるときに前記マニホルドから供給される流体を保持するキャビティを形成する；
   請求項７に記載の電気流体圧式アクチュエータ。
10. 前記下部構造は複数のモジュール構造を備え；
    前記底板は前記複数のモジュール構造のうちの１つに装着される；
    請求項５に記載の電気流体圧式アクチュエータ。
11. 前記複数のモジュール構造はそれぞれ連結フランジを有する；
    請求項１０に記載の電気流体圧式アクチュエータ。
12. 流体圧マニホルドと；
    前記流体圧マニホルドに流体連通し、ピストンハウジングを有する流体圧ピストンと；
    それぞれ前記流体圧マニホルドおよび前記流体圧ピストンに流体連通し、それぞれモジュール上部構造およびモジュール下部構造に接続される、複数のアキュムレータとを備え；
    前記ピストンハウジングおよび前記流体圧マニホルドは、少なくとも１つのモジュール上部構造に接続され；
    前記複数のアキュムレータは、前記複数のアキュムレータの少なくとも１つが、必要に応じて適宜に機能しなくてもよく、前記複数のアキュムレータの残りが、前記流体圧ピストンをフェイルセーフ状態まで動かせるような大きさとされる；
    電気流体圧式アクチュエータ。
13. 各モジュール上部構造は、前記複数のアキュムレータのうちの１つを前記流体圧マニホルドに接続する通路を有する；
    請求項１２に記載の電気流体圧式アクチュエータ。
14. 前記複数のモジュール構造はそれぞれ、連結フランジを有する；
    請求項１２に記載の電気流体圧式アクチュエータ。
15. 前記アキュムレータは：
    上板と底板とを有するアキュムレータハウジングと；
    前記底板上に着座する第１端部とスプリング座に着座する第２端部とを有する少なくとも１つの入れ子式スプリングと；
    前記スプリング座に装着され、前記流体圧マニホルドに流体連通するアキュムレータピストンアセンブリとを備える；
    請求項１２に記載の電気流体圧式アクチュエータ。
16. 前記アキュムレータピストンアセンブリは：
    上面と底面とを有するアキュムレータピストンと；
    前記底面と前記スプリング座とに装着され、前記アキュムレータピストンを囲む壁部とを備える；
    請求項１５に記載の電気流体圧式アクチュエータ。
17. 前記アキュムレータピストンを囲むスリーブを更に備え；
    前記スリーブは前記壁部と前記アキュムレータピストンとの間に配置され；
    前記スリーブは、前記少なくとも１つの入れ子式スプリングが圧縮されるときに前記マニホルドから供給される流体を保持する；
    請求項１６に記載の電気流体圧式アクチュエータ。
18. 前記スリーブの上部は、前記上板と略同一平面に位置する；
    請求項１７に記載の電気流体圧式アクチュエータ。
19. 前記スリーブおよび前記アキュムレータピストンの上部は、前記少なくとも１つのスプリングが圧縮されるときに前記マニホルドから供給される流体を保持するキャビティを形成する；
    請求項１７に記載の電気流体圧式アクチュエータ。

Images