JP2011085226A - ソーラ式アクチュエータ設備 - Google Patents

Abstract

【課題】小型の設備で大きい駆動力を得る。
【解決手段】ソーラパネル７１により得られた電力により電動モータ８１を駆動して液圧ポンプ８２を作動させ、液圧ポンプ８２から吐出される加圧水を、大径ピストン１２を有する加圧シリンダ１１と小径のピストン２２を有する増圧シリンダ２１とをピストンロッド２０Ａ，２０Ｂを介して連結して構成された増圧装置８３に供給して増圧した後、これをアキュムレータで蓄圧し、このアキュムレータから供給される高圧水により駆動シリンダ９２を駆動する。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽光発電を利用して、ドアやシャッター、樋門などの扉体の開閉駆動や可動体の移動などを行うソーラ式アクチュエータ設備に関する。

油圧式シリンダの油漏れにより降下する扉体を検出すると、太陽光発電により発電された電力により油ポンプ駆動用の電動機を駆動し、油ポンプにより駆動される油圧式シリンダを作動して、水路に設置された扉体を上昇させることにより、油圧式シリンダの油漏れにより扉体が自然降下して水路を閉鎖するのを防止するものが特許文献１に開示されている。

また本発明者は、特許文献２において、ソーラパネルとその蓄電池から得られた電力により、コンプレッサを駆動して圧縮空気を蓄圧器に蓄圧し、蓄圧器から供給される圧縮空気により、回転されるナットとねじ軸とにより、直線駆動力を取り出すソーラ式アクチュエータを提案している。

実公平３−５２２５２号 特開２００５−３１８７４９号

特許文献１および２の構成では、太陽電池により発電された電力を蓄電してポンプ駆動用の電動機を駆動するものであるが、重量のある扉体などを大きいストロークで昇降、移動するには、十分な電力が必要で、大きい駆動力を得るためには、かなり面積が大きい高能力の太陽電池や、容量の大きい蓄電池を必要とし、また圧縮空気では、大きい駆動力が得られないという問題があった。

本発明は上記問題点を解決して、小型の設備で大きい駆動力を得ることができるソーラ式アクチュエータ設備を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、
太陽光を電気エネルギに変換するソーラパネルと、当該ソーラパネルにより得られた電力を蓄える蓄電池と、当該蓄電池の電力により駆動される電動モータと、当該電動モータにより駆動される液圧ポンプと、当該液圧ポンプから吐出される加圧水を増圧する増圧装置と、当該増圧装置により加圧された高圧水を溜める蓄圧タンクと、当該蓄圧タンクから供給される高圧水により駆動される駆動シリンダとを具備し、
前記増圧装置は、複動式の加圧シリンダと、当該加圧シリンダのピストンより小径のピストンを有し当該加圧シリンダにピストンロッドを介して連結された複動式の増圧シリンダと、前記液圧ポンプから加圧水を前記加圧シリンダの伸展側の水室に導入するとともに、当該加圧シリンダの収縮側の水室の水を大気側に排出する加圧側切換弁と、前記液圧ポンプから加圧水を前記増圧シリンダの伸展側の水室に導入するとともに、当該増圧シリンダの収縮側の水室から排出される高圧水を蓄圧タンクに導入する増圧側切換弁と、前記加圧シリンダまたは前記増圧シリンダのピストン位置を検出する位置検出器と、当該位置検出器の検出信号に基づき、前記加圧側切換弁および前記増圧側切換弁を操作して前記加圧シリンダおよび前記増圧シリンダを往復駆動する増圧コントローラとを有するものである。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の構成において、
加圧シリンダのシリンダチューブの周囲に、当該加圧シリンダを中心として対称位置に互いに平行な複数の増圧シリンダのシリンダチューブを配置し、
前記加圧シリンダのピストンロッドと前記各増圧シリンダのピストンロッドとを連結部材により連結したものである。

請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の構成において、
液圧ポンプの吸入口に接続された給水管と、加圧シリンダの収縮側の水室に接続される加圧側給排水管と、増圧シリンダの収縮側の水室に接続される増圧側給排水管と、駆動シリンダの収縮側の水室に接続される駆動側排水管とがそれぞれ接続された大気側開放の循環水タンクを設け、
使用する水を、前記循環水タンク、前記給水管、前記液圧ポンプ、前記加圧シリンダ、前記加圧側給排水管、前記循環水タンクの順に循環させるとともに、前記循環水タンク、前記給水管、前記液圧ポンプ、前記増圧シリンダ、前記増圧側給排水管、前記循環水タンクの順に循環させるように構成したものである。

請求項４記載の発明は、請求項１または２記載の構成において、
液圧ポンプの吸入口に、水道水圧により水道水が供給される水道管を接続し、
加圧シリンダの収縮側の水室に接続される加圧側給排水管と、増圧シリンダの収縮側の水室に接続される増圧側給排水管と、駆動シリンダの収縮側の水室に接続される駆動側排水管とがそれぞれ接続された大気側開放の二次利用水タンクを設けたものである。

請求項１記載の発明によれば、ソーラパネルにより蓄電した電力により液圧ポンプを駆動し、その加圧水を増圧装置で加圧する。増圧装置では、加圧シリンダのピストンと増圧シリンダのピストンの受圧面積比で増圧シリンダの収縮側の水室を加圧して高圧水とし、増圧シリンダの伸展側の水室に導入した加圧水圧を利用して、収縮側の水室の高圧水を蓄圧タンクに供給して蓄圧することができる。このように増圧された高圧水を蓄圧タンクに蓄えることにより、複数の駆動シリンダやストロークの長い駆動シリンダを大きい出力で駆動することができ、小型の設備でドアやシャッター、樋門などの扉体の開閉や可動体の移動などが可能となる。

請求項２記載の発明によれば、増圧装置では、加圧シリンダを中心として対称位置に増圧シリンダを配置し、ピストンロッドを連結部材で互いに連結することにより、全体をコンパクトに構成して、長いストロークの加圧シリンダ、増圧シリンダを使用することができる。また加圧シリンダの駆動力を、連結部材により均等に分離して増圧シリンダに伝達することができ、安定して作動させることができる。

請求項３記載の発明によれば、使用する水を循環水タンクを介して循環させることで、無駄な排水をなくして省資源化を図ることができる。
請求項４記載の発明によれば、水道水圧を有する水を、液圧ポンプの吸入口に供給することにより、液圧ポンプから吐出される加圧水の圧力を高めることができ、より高圧の高圧水を蓄圧タンクに蓄圧することができる。

本発明に係るソーラ式アクチュエータ設備の実施例を示す構成図である。 （ａ）および（ｂ）は増圧装置の動作説明図で、（ａ）は伸展時、（ｂ）は収縮時を示す。 （ａ）および（ｂ）は実施例の具体例を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は図３（ａ）に示すＡ−Ａ断面図である。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
［実施例］
ソーラ式アクチュエータ設備の実施例を図１〜図３を参照して説明する。

図１はソーラ式アクチュエータ設備を示す構成図である。このソーラ式アクチュエータ設備は、太陽光を電気エネルギに変換して蓄える太陽光発電装置７０と、太陽光発電装置７０から得られた電気エネルギを圧縮流体エネルギに変換して蓄圧するエネルギ変換装置８０と、蓄圧された圧縮流体エネルギを動力に変換する出力部９０とを具備している。

太陽光発電装置７０は、ソーラパネル７１と蓄電用コントローラ７２と蓄電池７３とを備え、当該ソーラパネルにより得られた電気エネルギを、蓄電用コントローラ７２を介して蓄電池７３に蓄える。

エネルギ変換装置８０は、蓄電池７３の電力により駆動される電動モータ８１と、電動モータ８１により駆動される液圧ポンプ８２と、液圧ポンプ８２から吐出される加圧水を増圧する増圧装置８３と、この増圧装置８３により加圧された高圧水を溜めるアキュムレータ（蓄圧タンク）８４とを備え、大気側開放の循環水タンク１９に貯留された循環水を液圧ポンプ８２により加圧して加圧水とし、増圧装置８３によりこの加圧水をさらに増圧して高圧水としアキュムレータ８４に蓄圧する。

出力部９０は、アキュムレータ８４と単数（または複数）の駆動シリンダ９２の伸展側の水室とを駆動給水管９３により接続するとともに、駆動シリンダ９２の収縮側の水室と循環水タンク１９とを駆動排水管９４により接続し、操作器３８により、駆動給水管９３および駆動排水管９４に介在された駆動切換弁９１を操作して、駆動シリンダ９２を往復駆動してドアやシャッター、樋門などの扉体の開閉や可動体の移動などを行うように構成される。

次に増圧装置８３を説明する。
図１において、１１は液圧ポンプ８２により発生した加圧水により往復駆動される複動式の加圧シリンダで、大径のピストン１２を有し、後水室（水室）１３および前水室（水室）１４とに加圧給排水管１５Ａ，１５Ｂと、液圧ポンプ８２に接続された給水管１７および循環水タンク１９に接続されて大気側に開放された排水管１８との間に、増圧コントローラ３１により伸展側の水室に給水し、収縮側の水室から排水するように切り換えられる加圧側切換弁（電磁式４ポート３位置切換弁）１６が介在されている。

２１は、加圧シリンダ１１のピストン１２より小径のピストン２２を有する複動式の増圧シリンダで、加圧シリンダ１１と同一ストロークに形成されて加圧シリンダ１１に並設されている。そして、増圧シリンダ２１のピストンロッド２０Ｂと加圧シリンダ１１のピストンロッド２０Ａとが先端部で連結部材３６を介して互いに連結されている。この増圧シリンダ２１の後水室（水室）２３と前水室（水室）２４とにそれぞれ接続された増圧給排水管２５Ａ，２５Ｂと、液圧ポンプ８２に接続された給水管２７およびアキュムレータ８４に接続されたチェック弁２９付きの高圧水吐出管２８との間に、増圧コントローラ３１により伸展側の水室に給水し、収縮側の水室から排水するように切り換えられる増圧側切換弁（電磁式４ポート３位置切換弁）２６が介在されている。

さらに、増圧側切換弁２６から高圧水をアキュムレータ８４に送る高圧水吐出管１８に、増圧コントローラ３１によって水圧を調整可能な外部パイロット式の圧力制御弁３３が介在されており、この圧力制御弁３３の出口と入口の間の高圧水吐出管２８にバイパス管３４が接続され、このバイパス管３４には、増圧シリンダ２１への流入のみを許容するチェック弁３５が介在されている。

さらにまた、加圧シリンダ１１（または増圧シリンダ２１）のシリンダチューブには、ピストン１２の移動限位置を検出する非接触式の位置検出器（たとえば磁気センサ）３２がそれぞれ設けられており、位置検出器３２の検出信号に基づいて増圧コントローラ３１により、加圧シリンダ１１と増圧シリンダ２１の往復動作が同期して切り替えられる。増圧コントローラ３１は、操作器３８によりデータ入力されて操作されるとともに、位置検出器３２の検出信号に基づいて加圧側切換弁１６および増圧側切換弁２６を操作し、加圧シリンダ１１と増圧シリンダ２１を往復駆動して液圧ポンプ８２の加圧水を増圧し、高圧水としてアキュムレータ８４に供給する。また操作器３８により駆動切換弁９１を操作して駆動シリンダ９２が駆動される。

したがって、増圧コントローラ３１では、位置検出器３２により検出されたピストン１２の移動限位置の検出信号に基づいて、加圧側切換弁１６と増圧側切換弁２６とをそれぞれＩ−III位置の間で操作することにより、加圧シリンダ１１および増圧シリンダ２１を往復駆動し、増圧シリンダ２１から排出される高圧水をアキュムレータ８４に供給し蓄圧することができる。

図２（ａ）に示すように、液圧ポンプ８２の吐出圧Ｐｉ、加圧シリンダ１１のピストン１２の受圧面積をＡ１とすると、加圧シリンダ１１の後水室１３に液圧ポンプ８２の吐出圧Ｐｉを供給した時にピストン２０Ａに発生する駆動力Ｆ１ａは、
Ｆ１ａ＝Ｐｉ×Ａ１…（１）式である。
増圧シリンダ２１のピストン１２の受圧面積をＡ２とすると、増圧シリンダ２１の後水室２３に液圧ポンプ８２の吐出圧Ｐｉを供給した時にピストン２０Ｂに発生する駆動力Ｆ２ａは、
Ｆ２ａ＝Ｐｉ×Ａ２…（２）式である。
したがって、増圧シリンダ２１のピストン２２に加わる駆動力Ｆａは、
Ｆａ＝Ｐ１ａ＋Ｐ２ａ＝Ｐｉ×（Ａ１＋Ａ２）…（３）式となり、
増圧シリンダ２１の前水室２４で加圧される高圧水の圧力Ｐａは、
Ｐａ＝Ｆａ／Ａ２＝［Ｐｉ×（Ａ１＋Ａ２）］／Ａ２…（４）式となる。
これにより、増圧シリンダ２１の前水室２４を加圧することができる。

図２（ｂ）に示すように、加圧シリンダ１１のピストンロッド２０Ａの断面積をｓ１とすると、液圧ポンプ８２の吐出圧Ｐｉを加圧シリンダ１１の前水室１４に供給した時にピストン２０Ａに発生する駆動力Ｆ１ｂは、
Ｆ１ｂ＝Ｐｉ×（Ａ１−ｓ１）…（５）式であり、
また増圧シリンダ２１のピストンロッド２０Ｂの断面積をｓ２とすると、増圧シリンダ２１の前水室２４に水道水圧Ｐｉを供給した時にピストン２０Ｂに発生する駆動力Ｆ２ｂは、
Ｆ２ｂ＝Ｐｉ×（Ａ２−ｓ２）…（６）式である。
したがって、増圧シリンダ２１のピストン２２に加わる駆動力Ｆｂは、
Ｆｂ＝Ｐ１ｂ＋Ｐ２ｂ
＝Ｐｉ×（Ａ１−ｓ１）＋Ｐｉ×（Ａ２−ｓ２）…（７）式となり、
増圧シリンダ２１の前水室２４で加圧される高圧水の圧力Ｐｂは、
Ｐｂ＝Ｆｂ／（Ａ２−ｓ２）
＝Ｐｉ×（Ａ１−ｓ１）＋Ｐｉ×（Ａ２−ｓ２）／（Ａ２−ｓ２）
＝Ｐｉ×（Ａ１−ｓ１）／（Ａ２−ｓ２）＋Ｐｉ…（８）式となる。これにより、増圧シリンダ２１の前水室２４を加圧することができる。

図３は、１本の加圧シリンダ１１と２本の増圧シリンダ２１とを具備した増圧装置８３を示し、その配管装置が省略されている。
すなわち、基台４３にアキュムレータ８４が設置され、その上部のシリンダ保持フレーム４４で中央部に、加圧シリンダ１１のシリンダチューブが固定され、加圧シリンダ１１のシリンダチューブの左右両側で対称位置（または上部および下部の対称位置でもよい）に増圧シリンダ２１のシリンダチューブが互いに平行に並設固定されている。またその上部に増圧コントローラ３１が配置されている。

また、加圧シリンダ１１のピストンロッド２０Ａと増圧シリンダ２１のピストンロッド２０Ｂとが連結部材３６を介して互いに連結されており、連結部材３６の中央部に加圧シリンダ１１のピストンロッド２０Ａが連結固定され、連結部材３６の両端部で長さ方向に形成された長穴に、増圧シリンダ２１のピストンロッド２０Ｂがピン３７を介して連結されて、加圧シリンダ１１と増圧シリンダ２１との設置誤差や伸縮誤差などを吸収している。

ここで、増圧シリンダ２１が２本使用されることで、増圧シリンダ２１のピストンの受圧面積は２倍となり、（５）式〜（８）式における増圧シリンダ２１の後水室２３の受圧面積は２×Ａ２、前水室２４の受圧面積は×（Ａ２−ａ２）となる。

ここで、循環水タンク１９から液圧ポンプ８２を介して加圧シリンダ１１に送られた高圧水は、循環水タンク１９に戻され、また液圧ポンプ８２を介して加圧シリンダ１１に送られた高圧水は、増圧されてアキュムレータ８４に送られ、さらにアキュムレータ８４から駆動シリンダ９２に供給された高圧水は、圧縮された流体エネルギが回収されて循環水タンク１９に戻され循環される。したがって、循環系に使用される水量が増加されることがなく、省資源化を図ることができる。なお、循環系での漏水を補充するために、水道管８５が補充弁を介して接続されている。

上記実施例によれば、ソーラパネル７１により蓄電した電力により液圧ポンプ８２を駆動し、その加圧水を増圧装置８３で加圧する。そして増圧された高圧水をアキュムレータ８４に蓄えることにより、複数の駆動シリンダ９２やストロークの長い駆動シリンダ９２を大きい出力で駆動することができ、小型の設備でドアやシャッター、樋門などの扉体の開閉や可動体の移動が可能となる。

増圧装置８３では、加圧シリンダ１１と増圧シリンダ２１のピストン１２，２２の受圧面積の差により、増圧シリンダ２１の収縮側の水室２３または２４を加圧して高圧水を形成し、増圧シリンダ２１の伸展側の水室に導入した水道水圧を利用して増圧シリンダ２１の収縮側の水室２３または２４から高圧水をアキュムレータ８４に排出することで、水道水を増圧して効果的に蓄圧することができる。また高圧水をアキュムレータ８４に蓄えることにより、複数のシリンダやストロークの長いシリンダを駆動することができる。

また増圧装置８３では、加圧シリンダ１１のピストン１２と増圧シリンダ２１のピストン２２の受圧面積比で増圧シリンダ２１の収縮側の水室を加圧して高圧水とし、液圧ポンプ８２から増圧シリンダ２１の伸展側の水室に導入した加圧水圧を利用して、収縮側の水室で加圧された高圧水をアキュムレータ８４に供給することで、循環水を効果的に増圧して蓄圧することができる。

さらに、増圧装置８３において、加圧シリンダ１１を中心として対称位置に増圧シリンダ２１を配置し、ピストンロッド２０Ａ，２０Ｂを連結部材３６で互いに連結することにより、全体をコンパクトに構成してストロークの長い加圧シリンダ１１および増圧シリンダ２１を採用することができる。また加圧シリンダ１１の駆動力を、連結部材３６を介して均等に分離し増圧シリンダ２１に伝達することができ、安定して作動させることができる。

さらにまた、使用する水を循環水タンク１９を介して循環させることで、無駄な排水をなくして省資源化を図ることができる。
なお、上記実施例では、高圧水として加圧使用する水を循環使用したが、循環系としないで、仮想線で示すように、水道管８５を直接、液圧ポンプ８２の吸入口に接続し、循環水タンク１９を二次利用水タンク８６として使用することもできる。この場合、水道管から供給される水道水の水圧を利用して、液圧ポンプ８２の吐出口から送り出される高圧水の圧力を高めることができ、効率よく高圧水をアキュムレータ８４に蓄圧することができる。

また、加圧シリンダ１１と増圧シリンダ２１と互いに平行に配置してピストンロッド２０Ａ，２０Ｂを連結部材３６で連結したが、加圧シリンダ１１と増圧シリンダ２１とを対向して配置しピストンロッドを直結してもよい。

１１ 加圧シリンダ
１２ ピストン
１３ 後水室（水室）
１４ 前水室（水室）
１５Ａ，１５Ｂ 加圧給排水管
１６ 加圧側切換弁
１７ 給水管
１８ 排水管
１９ 循環水タンク
２０Ａ，２０Ｂ ピストンロッド
２１ 増圧シリンダ
２２ ピストン
２３ 後水室（水室）
２４ 前水室（水室）
２５Ａ，２５Ｂ 増圧給排水管
２６ 増圧側切換弁
２７ 給水管
２８ 高圧水吐出管
３１ 増圧コントローラ
３６ 連結部材
３８ 操作器
７０ 太陽光発電装置
７１ ソーラパネル
７２ 蓄電用コントローラ
７３ 蓄電池
８０ エネルギ変換装置
８１ 電動モータ
８２ 液圧ポンプ
８３ 増圧装置
８４ アキュムレータ（蓄圧タンク）
８５ 水道管
９０ 出力部
９１ 駆動切換弁
９２ 駆動シリンダ
９３ 駆動給水管
９４ 駆動排水管

Claims (4)

1. 太陽光を電気エネルギに変換するソーラパネルと、当該ソーラパネルにより得られた電力を蓄える蓄電池と、当該蓄電池の電力により駆動される電動モータと、当該電動モータにより駆動される液圧ポンプと、当該液圧ポンプから吐出される加圧水を増圧する増圧装置と、当該増圧装置により加圧された高圧水を溜める蓄圧タンクと、当該蓄圧タンクから供給される高圧水により駆動される駆動シリンダとを具備し、
   前記増圧装置は、複動式の加圧シリンダと、当該加圧シリンダのピストンより小径のピストンを有し当該加圧シリンダにピストンロッドを介して連結された複動式の増圧シリンダと、前記液圧ポンプから加圧水を前記加圧シリンダの伸展側の水室に導入するとともに、当該加圧シリンダの収縮側の水室の水を大気側に排出する加圧側切換弁と、前記液圧ポンプから加圧水を前記増圧シリンダの伸展側の水室に導入するとともに、当該増圧シリンダの収縮側の水室から排出される高圧水を蓄圧タンクに導入する増圧側切換弁と、前記加圧シリンダまたは前記増圧シリンダのピストン位置を検出する位置検出器と、当該位置検出器の検出信号に基づき、前記加圧側切換弁および前記増圧側切換弁を操作して前記加圧シリンダおよび前記増圧シリンダを往復駆動する増圧コントローラとを有する
   ことを特徴とするソーラ式アクチュエータ設備。
2. 加圧シリンダのシリンダチューブの周囲に、当該加圧シリンダを中心として対称位置に互いに平行な複数の増圧シリンダのシリンダチューブを配置し、
   前記加圧シリンダのピストンロッドと前記各増圧シリンダのピストンロッドとを連結部材により連結した
   ことを特徴とする請求項１記載のソーラ式アクチュエータ設備。
3. 液圧ポンプの吸入口に接続された給水管と、加圧シリンダの収縮側の水室に接続される加圧側給排水管と、増圧シリンダの収縮側の水室に接続される増圧側給排水管と、駆動シリンダの収縮側の水室に接続される駆動側排水管とがそれぞれ接続された大気側開放の循環水タンクを設け、
   使用する水を、前記循環水タンク、前記給水管、前記液圧ポンプ、前記加圧シリンダ、前記加圧側給排水管、前記循環水タンクの順に循環させるとともに、前記循環水タンク、前記給水管、前記液圧ポンプ、前記増圧シリンダ、前記増圧側給排水管、前記循環水タンクの順に循環させるように構成した
   ことを特徴とする請求項１または２記載のソーラ式アクチュエータ設備。
4. 液圧ポンプの吸入口に、水道水圧により水道水が供給される水道管を接続し、
   加圧シリンダの収縮側の水室に接続される加圧側給排水管と、増圧シリンダの収縮側の水室に接続される増圧側給排水管と、駆動シリンダの収縮側の水室に接続される駆動側排水管とがそれぞれ接続された大気側開放の二次利用水タンクを設けた
   ことを特徴とする請求項１または２記載のソーラ式アクチュエータ設備。
   

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