JP2007511712A - 工具の空気圧操作のための方法およびデバイス - Google Patents

Abstract

工具の空気圧操作のためのデバイスが、ほぼ閉じた加圧流体回路（２）と、入口および出口を有し回路内の加圧流体の圧力を上昇させるための少なくとも１つの圧縮機（５）と、回路内の加圧流体によって駆動される工具であって、その工具を通って加圧流体が回路内で圧縮機（５）の出口から入口に移送される工具とを備える。圧縮機によって発生される圧力、および工具（８）によって採用される負荷は、工具（８）の下流側で戻る加圧流体の圧力が周囲の大気圧よりも高くなるようにされる。

Description

本発明は、工具の空気圧操作のための方法に関する。特に、本発明は特許請求項１の前文による方法に関する。
本発明は、また、この方法を実施するためのデバイスに関する。特に、本発明は、独立特許請求項６の前文によるデバイスに関する。

本発明は、空気またはその他の気体により操作される機関および工具などのあらゆる種類の空気圧式デバイスに応用可能である。ここで述べられるような工具は、産業的な用途用車両の空気圧操作用、機関のバルブ用の空気圧作動アクチュエータ用のデバイス、あらゆるタイプの作業用工具（ｗｏｒｋｉｎｇ ｔｏｏｌ）などを含めて広い意味に認識されるべきである。

「ほぼ閉じた」は、可能な限り閉じた回路として参照され、その回路によって、圧縮機の出口から操作される工具を通って圧縮機の入口に至る連続した加圧流体管路が存在する回路である。好ましくは、そうした回路は、加圧流体がそこから周囲の大気に漏出する可能性のある、意図的に配置された通路がない。

空気圧システムは、通常、流体、空気またはその他の気体を圧縮する圧縮機、および圧縮機と連結したタンク、および１つまたは複数のユーザプレース（ｕｓｅｒ ｐｌａｃｅ）へ流体を導く管路を備える。通常、ユーザプレースは、空気作動工具、または空気作動機関などの空気作動部材である。

空気が圧縮されると熱が発生され、現在の空気圧システムでは、その熱は、通常、一般的に空気がユーザプレースに到達する前に既に周囲に伝達されている。３００Ｋの温度と、１ｂａｒ絶対から１０ｂａｒ絶対までの圧力とを有する空気を（周囲（ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ）との熱交換がなく、ここでは、この文脈において一般的なタイプの圧縮機であるピストン圧縮機に関連すると見なされる）いわゆる断熱圧縮に連結することにおいて、最終温度は、約５７９Ｋであることが示されるべきである。ユーザサイト（ｕｓｅｒ ｓｉｔｅ）での工具付近の空気の体積は、ユーザサイトでの温度が３００Ｋに低下した場合、（１−３００／５７９）×１００％＝４８％に従って減少する。一般に、周囲への熱の伝達は、エネルギーの大きな損失になるだけである。場合によっては、圧縮の熱は水の加熱のために利用され、全体の経済性がかなり改善される。しかし、圧縮機の規模であるプラントの規模およびその能力は、同じままである。さらに、空気の貯蔵用に使用されるタンクは、空気管路と同様に、ある程度断熱でき、それは、エネルギー消費の低減にも実効的（ｐｏｓｉｔｉｖｅ）である。圧縮機およびタンクは、ユーザサイトでの空気の必要、および熱損失に関連した規模にされている。

その他の損失も存在するが、損失のはるかに最も大きな原因は、前記の熱損失からなる。熱損失は、エネルギー効率に否定的な影響を与える。たとえば、加圧空気をある出力の工具に供給するために、圧縮機の操作に過大なエネルギー量が必要になる。

本発明の目的は、工具の操作のための加圧流体、空気またはその他の気体の必要を満たし、同時に回路内に発生する熱損失が最低限に抑えられる方法およびデバイスを提供することである。

本発明のさらなる目的は、特定の工具の操作のための、空気エネルギーの消費が低い、比較的小さい容量を有する圧縮機の使用を可能にする方法およびデバイスを提供することである。

本発明の主要な目的は、特許請求項１の特徴をなす部分に定義される特徴を有する最初に定義される方法によって、また特許請求項６の特徴をなす部分に定義される特徴を有する、最初に定義されるようなデバイスを使用して達成される。

本発明は、必要とされる加圧流体が、同時に起こる温度上昇なしに圧縮によって発生される場合、熱損失は、対応する程度にまで低下させることができ、圧縮機は、かなり、より小さく作製されることができ、それは多くの場合、重要な利点になるという結論に基づいている。

本発明によれば、圧縮が周囲の大気圧よりも高い、上昇された圧力から行われ、特定の絶対圧力の上昇に対してかなり小さい熱損失になるので、圧縮機による温度上昇は非常に小さくなる。１つの条件は、管路が加圧流体を圧縮機から工具に伝える環境が、加圧流体が大気圧から必要とされる圧力まで圧縮される際に有するであろう温度よりも低い、ある最高温度を有することである。さらに、管路の長さは、それが通常は加圧流体の温度を周囲の温度に低下させる、熱交換を生じるようにされるべきである。本発明の実現は、圧縮気体の圧縮温度を著しく低下させることになり、熱損失を低下させる可能性および熱の供給を上昇させる可能性を生じることになる。

空気圧操作ツールから有用な仕事を得るためには、高圧源および低圧源が必要になる。今日のシステムでは、低圧源は約１ｂａｒの圧力を有する周囲の大気からなる。大気からの空気が、ある圧力にたとえば以下の例のように１０ｂａｒに圧縮されると高圧源が得られる。空気圧式工具は、高圧源と低圧源の間の差によって、この場合は約９ｂａｒによって駆動される。たとえば、低圧源が１１ｂａｒになり高圧源が２０ｂａｒになる場合、同じ圧力差があることになる。１ｂａｒから１０ｂａｒに圧縮する際の温度上昇は、実質的に１１から２０ｂａｒに圧縮する際よりも大きい。したがって、後者の場合、圧縮の際の温度上昇が著しく低くなるので熱損失の可能性がかなり低い。高圧源と低圧源の間の関係である圧力比は、後者の場合（２０／１１）前者の場合（９／１）と比較して小さい。（３０／２１）、（４０／３１）等、圧力比がより小さくなると、温度上昇がより小さくなる。圧縮後に比較的低い温度のため熱損失の可能性は低くなるが、熱の供給の可能性は高まる。

本発明の目的が達成されるのに貢献する、方法の好ましい実施形態は、従属請求項２から５に定義されている。デバイスが、燃焼機関、もしくは操作の際に周囲の大気の温度よりも高い温度を有する熱を発生させるその他の構成要素のところに、または、その燃焼機関もしくはその構成要素を備えて設けられる場合、熱交換器は、さらに熱損失を低下させるため、またはさらに加圧流体の加熱のため、前記燃焼機関または熱を発生させる構成要素から加圧流体に熱を伝達する目的で圧縮機と工具の間に延びる加圧流体管路の一部分に沿って有利に配置される。

本発明の目的が達成されるのに貢献することができるデバイスの好ましい実施形態は、従属請求項７から１０に定義される。
本発明による方法およびデバイスのさらなる特徴および利点は、以下の詳細な説明に示されている。

上記または以下に単独または別の語の一部として述べられる流体は、気体または混合気体、好ましくは空気である。
工具の操作のための現在の圧縮機装置では、通常、空気は大気から取り込まれ、６から１０ｂａｒ絶対の範囲内の最終圧力に圧縮される。空気が工具の操作のために使用されている場合、空気は大気に戻される。本発明によれば、空気は大気に戻されるべきではないが、代わりに空気は閉鎖系内の圧縮機に戻されるべきである。戻る空気は、大気圧を超える圧力を有するべきであるということが本発明を特徴づけている。その結果として、空気が大気に戻されることによる開放系により、圧縮機の空気は、必要な仕事量を工具によって得るためにある工具を操作するのに必要になるよりも高い圧力に圧縮されるべきである。本発明によれば、閉鎖系からの空気の漏出は、大気またはリザーバからの空気によって補われる。以下に、利点が例によって示される。

本発明の以下の例では、熱損失の可能性をどのように著しい程度まで低下させることができるかが示されている。１ｂａｒ絶対、および３００Ｋの温度の大気を、９ｂａｒの圧力差の１０ｂａｒ絶対の圧力に断熱圧縮することは、約５７９Ｋの最終温度にすることになる。３００Ｋの周囲の温度を有するユーザサイトまでの熱損失の可能性は、５７９−３００で、２７９度である。本発明に従った閉鎖系では、２０ｂａｒ絶対までの断熱圧縮前に空気圧が１１ｂａｒ絶対および温度が３００Ｋの場合、９ｂａｒの圧力差であり、約３５６Ｋの最終温度が得られる。ユーザサイトまでの熱損失の可能性は、３５６−３００で５６度である。前者の場合では、温度は、周囲の温度より２７９度高くなり、後者の場合、５６度高くなる。後者の、本発明の場合は、周囲への熱損失に対する可能性が著しく低下することになる。同時に、熱の供給に関する可能性が高まる。この例によれば、３５６Ｋより高い温度を有する熱源は、２０ｂａｒに圧縮された空気の温度を上昇させる目的で使用することができる。これによって、体積が増加することになり、特定の必要のために２０ｂａｒの空気より少量が生成されれば足りることを意味し、圧縮機の仕事の必要が少なくなる結果となる。

本発明の実装形態によって、ピストン圧縮機は、より小さい、たとえばより優れた流れ容量を有するが適正な水準での効率を維持する目的で低い圧縮比で動作する回転圧縮機に置き換えられてもよい。必要とされる変位は、戻り圧力の上昇に伴って低下し、その結果、摩擦が減少し、伝熱面がより小さくなる。好ましくは、空気が作業用工具に供給される前に、廃熱またはその他の熱源が、空気を加熱するため、または少なくともその冷却を最小限に抑えるために使用される。次いで、流体の圧縮前の冷却も必要とされる。有利なことに、熱は、（圧縮後よりも温度が高く、それが、多くの熱が工具の上流側の熱源から供給された結果であることができる場合に）戻る空気が圧縮される前に最終的に冷却される前に、かつ熱源から熱が供給される前に、戻る空気から取り戻される。この加熱および冷却によって、空気圧エネルギー変成器（ｐｎｅｕｍａｔｉｃ ｅｎｅｒｇｙ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）がもたらされ、たとえば、外部の熱の供給のおかげで、作業用工具またはエキスパンダによって圧縮機によって供給されるよりも多くの仕事が生み出される。閉鎖系では、凝縮器の水を除去する必要が最小限に抑えられる。

本発明のさらなる利点および特徴は、以下の詳細な説明および残りの従属請求項の中に示されている。
以下に、本発明は、添付の図面を参照するとともに例によりより詳細に説明される。

図１は、ほぼ閉じた加圧流体回路２を備えるデバイス１を示し、そのデバイスは、流体を低い圧縮比と高圧によって圧縮し圧送する、少なくとも１つの圧縮機５を備える。流体は、圧縮されると圧縮機５を通ってその入口４からその出口３に移送される。入口４での圧力が周囲の大気圧を超えることから、また現在のデバイスが周囲の大気圧にほぼ一致する入口圧力によって動作することから、出口３での圧力と入口４での圧力との間の関係は、圧縮機内の圧力の一定の絶対圧力の上昇に関して、現在の方法／デバイスに比べて著しく低い。好ましくは、入口圧力は、周囲の大気圧より１．５倍、好ましくは２．０倍より高い。

流体は、圧縮機５から管路６を通って少なくとも１つの流体作動式工具８の入口７に導かれる。工具８は、燃焼機関のバルブを操作するためのピストンエキスパンダ内にあるような、または空気圧作動式アクチュエータ内にあるような往復ピストンを備えていてもよい。一般に、工具８は、機関、作業用工具、またはその他の空気圧作動式のデバイスである。管路６内の圧力は、実質的に、圧縮機の出口３で工具８の入口７と同じである。流体は、工具８を通ってその出口９に導かれる。工具８では、供給された流体は、それが前記部材を通過して出口９に至るとき仕事を発生させる。管路１０を通って、出口９は、圧縮機５の入口４と連結する。仕事は、圧縮機と工具の間の管路６内の流体と、戻り管路１０内の流体との圧力差、および／または入口７を介して管路６から、出口９を介して管路１０に至る流体の膨張によって発生される。管路１０では、圧力は、工具８の出口９で圧縮機５の入力４とほぼ同じである。戻り管路１０を介して、流体は工具の出口９から圧縮機５の入口４に戻される。圧縮機５内の、または戻り管路１０内の、あるいは管路６への、別の入口１１を介して、システムから漏出する流体の補充分として流体が供給される。この入れ替える流体は、大気またはリザーバ１２から取り込まれ、その圧力は、好ましくは周囲の大気よりも高い。

図２は、図１によるデバイスの別の実施形態を示す。第１の圧縮機５の他に、図２によるデバイスは、第２の圧縮機１３も備える。第２の圧縮機１３は、システム、すなわちデバイス１から漏出する流体の量に一致する流体が、戻り管路１０を通って間接的に、または直接、第１の圧縮機に供給されるように利用される。第２の圧縮機１３の入口１４を通って、流体は、周囲の大気からまたはリザーバ１２から吸い込まれ、圧縮機１３を通って、出口１５を介し、後でさらに圧縮するために第１の圧縮機５に導かれる。

図３は、図１および図２の別の実施形態を示す。図３によるデバイスは、少なくとも１つの熱交換器１６を備え、その熱交換器は、周囲の大気の１つよりも高い温度を有し、それによって、管路６内の流体が、加熱され、または少なくとも、加圧流体の充填に伴って周囲の大気だけが管路６を冷却できるようにされたかのように、同じ温度に冷却されるのが防止される。このデバイスは、周囲の大気の１つよりも低い温度を有し、または周囲の大気に関連した上昇された熱伝導率を有する熱交換器１７も備え、その熱交換器によって、戻り管路１０内の流体は、周囲の大気によってのみ行われる場合となるよりもより急速に冷却される。第１の熱交換器１６に供給され、熱交換に使用される熱は、廃熱によって、たとえば燃焼機関、ボイラ、または工業的な過程からの排気ガスによって構成できる。熱は、デバイス１を空気圧エネルギー変成器として操作する目的でその他の熱源から供給されることもできる。

たとえば、第２の熱交換器内の冷却媒体は、戻り管路を囲む大気の空気よりも低い温度および／または高い熱容量を有する水などの液体であってもよい。
図４は、図３の別の実施形態を示し、そこでは、戻り管路１０内の流体から管路６内の流体に熱を回集するための熱交換器１８が配置され、前記熱交換器は、圧縮機５の出口３と工具８の入口７との間の管路６の付近に設けられる。熱交換器１８は、そこで熱供給のための第１の熱交換器１６が配置される管路の付近の場所の上流側の管路６内に配置される。

本発明の特定の好ましい実施形態によれば、デバイスは、燃焼機関と連結されて提供される。工具は、１つまたは複数の空気圧式に、すなわちカムシャフトなしで、機関のシリンダの入力および出力バルブ用に操作されるアクチュエータを備える。第１の圧縮機５は、ピストン圧縮機またはねじ圧縮機である。機関が、燃焼によって燃料とともに使用される空気の圧縮用の圧縮機を備える場合、この圧縮機は、好ましくは、本発明による第２の圧縮機を形成する。第１の熱交換器は、好ましくは、熱交換媒体として高温の排気ガスを使用する目的のために、排気系と連結されている。

本発明によるデバイスの上記の実施形態の複数の代替形態が、説明および添付図面によって裏付けられた添付の（ｅｎｃｌｏｓｅｄ）特許請求項に定義されるので、本発明の保護範囲（ｓｃｏｐｅ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ）から逸脱することなしに当業者には明らかになることが理解されるであろう。

本発明によるデバイスの空気圧回路の概略図である。 本発明によるデバイスの第２の実施形態によるデバイスの空気圧回路の概略図である。 本発明によるデバイスの第３の実施形態によるデバイスの空気圧回路の概略図である。 本発明によるデバイスの第４の実施形態によるデバイスの空気圧回路の概略図である。

Claims (10)

1. ほぼ閉じた加圧流体回路（２）と、
   入口（４）および出口（３）を有する、前記回路内の前記加圧流体の圧力を上昇させるための少なくとも１つの圧縮機（５）と、
   前記回路内の前記加圧流体によって駆動される工具（８）であって、前記工具を通って、前記加圧流体が、前記回路内で前記圧縮機の前記出口（３）から前記入口（４）に移送される工具とを備えた空気圧式デバイス（１）内の加圧流体の流れを制御するための方法において、
   圧力が、前記圧縮機（５）によって発生され、周囲の大気圧を超える前記回路内の戻り圧力が前記工具（８）の下流側で得られるように、前記工具（８）の負荷が、制御されることを特徴とする方法。
2. 加圧流体供給源（１２）からの加圧流体が、前記回路内での加圧流体の損失を補うために前記工具（８）の下流側で前記回路に供給されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記回路が前記圧縮機（５）から前記工具（８）に延びる加圧流体管路（６）を備え、前記管路が、前記加圧流体と周囲の間の熱交換を減少させる目的で断熱されることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記回路が、前記圧縮機（５）から前記工具（８）に延びる加圧流体管路（６）を備え、熱が前記管路内の前記加圧流体の温度を維持し、または上昇させる目的で外部の熱源（１６）から前記管路に供給されることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記回路が戻り管路（１０）を備え、第２の熱交換器（１７）が前記戻り管路内に存在する前記加圧流体を冷却するために使用されることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. ほぼ閉じた加圧流体回路（２）と、
   入口（４）および出口（３）を有する、前記回路内の前記加圧流体の圧力を上昇させるための少なくとも１つの圧縮機（５）と、
   前記回路内の前記加圧流体によって駆動される工具（８）であって、前記工具を通って、前記加圧流体が、前記回路内で前記圧縮機（５）の前記出口（３）から前記入口（４）に移送される工具とを備えた工具の空気圧操作のためのデバイスにおいて
   前記圧縮機（５）によって発生される圧力、および前記工具（８）によって採用される負荷が、前記工具（８）の下流側の前記加圧流体の戻り圧力が周囲の大気圧よりも高くなるようにされることを特徴とするデバイス。
7. 加圧流体供給源（１２）を備え、前記加圧流体供給源を通って、前記加圧流体が、前記圧縮機（５）の入口に導かれ、前記加圧流体供給源（１２）内の圧力が前記戻り管路（１０）内の圧力よりも高いことを特徴とする、請求項６に記載のデバイス。
8. 熱交換器（１６）を備え、前記熱交換器によって、熱が、前記圧縮機（５）の下流側および前記工具（８）の上流側の前記回路内の前記加圧流体と、外部の熱源との間で交換されることを特徴とする、請求項６または７に記載のデバイス。
9. 前記戻り管路（１０）内の前記加圧流体を冷却する目的で前記戻り管路（１０）によって配置される熱交換器を備えることを特徴とする、請求項６から８のいずれか一項に記載のデバイス。
10. 前記デバイスが燃焼機関に設けられ、前記熱源が前記燃焼機関によって加熱された流体または物体を備えることを特徴とする、請求項８に記載のデバイス。

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