JP2015508478A - ピストン蓄圧器内部のピストンの位置を抵抗測定により特定する方法ならびに好適設計のピストン蓄圧器 - Google Patents

Abstract

ここで述べるのは、ピストン蓄圧器（１）の内部のピストン（５）の位置を特定する方法、ならびに、相応に形作られたピストン蓄圧器（１）である。ここで、ハウジング（３）の内部に移動可能なピストン（５）がある。導電性のハウジング（３）に、多数の４点測定電極対（１７）を付けた電極装置（１５）が設けられており、前記ハウジング（３）に沿った位置に応じて外側電極（１９）に電流を加えた時の内側電極（２１）の間の電気抵抗ないしは電位の分布を測定することにより前記ハウジング（３）の内部の前記ピストン（５）の位置を特定すべく形作られている。電位分布の測定に基づき特定されたピストンの位置は、ピストン蓄圧器（１）のチャージ状態の特定又は精査のために使用することができる。【選択図】図１

Description

本発明は、ピストン蓄圧器内部のピストンの位置を特定する方法に関する。本発明は更に、ピストン蓄圧器のチャージ状態についての情報を精査する方法に関する。更に本発明は、好適設計のピストン蓄圧器ならびにピストン蓄圧器を監視するモニタに関する。

ピストン蓄圧器は、エネルギーを機械的に蓄積するために使用される。例えば、液圧式ハイブリッド車の場合、ピストン蓄圧器は、例えば車輪制動時に生じさせられるエネルギーを蓄積し、これを例えば後続の車両加速時に再び役立てるために使用される。

ピストン蓄圧器では、例えば円筒形のハウジングの中に、その内部を移動できるピストンがピストン蓄圧器の２つの体積部を分かつ分離エレメントとして設けられていてよい。体積部の一方に圧縮性フルードを導き入れることができる。他方の体積部には非圧縮性フルードを導き入れることができる。特に非圧縮性フルードは、圧縮性フルードの圧縮によりエネルギーを機械的に蓄積したり再び解放したりするために、好適な弁システムを通して対応する体積部に導き入れたり再びそこから導き出したりすることができる。

特許文献１が１つの従来型ピストン蓄圧器について述べている。

ピストン蓄圧器のチャージ状態（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ， ＳＯＣ）を特定できるようにするため、すなわち、どれだけの量のエネルギーが現実にピストン蓄圧器の中に機械的に蓄積されているか特定できるようにするために、内部エネルギー量を決定する測定変数、例えば、ピストン蓄圧器内部を支配する圧力やそこで支配的な温度を測定することができる。このような圧力測定や温度測定が、単純なセンサを使って可能である。

いずれにしても、特にダイナミックな動作条件のもとでは、例えば温度測定の潜在時間のためにチャージ状態特定時に部分的に大きい誤差の生じ得ることが観察された。

あるいは代わりに、ピストン蓄圧器のチャージ状態を、ピストン蓄圧器のハウジング内部のピストンの現実位置に則して求めることができる。ピストンの位置は、例えばスイッチングロッドを使って、ピストン蓄圧器のハウジング内部の蓄圧器の一端及び／又は他端におけるピストン端位置を検知する端位置スイッチにより検知することができる。あるいは代わりに、ハウジング内部のピストンの道程ないしは位置を、例えばピストンロッド、ケーブル測定システム又は超音波道程測定システムを使って検知することができる。

ピストンの現実位置を特定するこの種のシステムは、しかしながら、構造上、製作にかなりの手間を要する。特に、例えば端位置スイッチ又はピストンロッド等のコンポーネントをピストン蓄圧器のヴォリューム内部に一体化させることが必要であり、ここで、そのようなコンポーネントを外部に向けて機械的及び／又は電気的に結合させることが必要であり得る。

独国特許第１０２０１０００１２００Ａ１号公報

ここで提案する、ピストン蓄圧器内部のピストンの位置を特定する方法、ならびに、相応に形作られたピストン蓄圧器は、ピストン蓄圧器内部のピストンの現実位置を高い精度で、しかも、構造上僅かな手間で特定することを可能にする。

また、こうして特定されたピストン蓄圧器内部のピストンの位置に則してピストン蓄圧器のチャージ状態についての情報を検知し、こうして別の方法で得られたこのチャージ状態についての情報を精査することができる。ピストン蓄圧器のチャージ状態監視は、これでより信頼できるものになり得る。

本発明の第１の態様によれば、好ましくは少なくとも部分域が導電性のハウジングと、このハウジングの内部を移動でき、同じく好ましくは少なくとも部分域が導電性のピストンを具備するピストン蓄圧器において、ピストン蓄圧器内部のピストンの現実位置が、ハウジングに沿った電気抵抗の分布の測定により特定される。

加えて、ハウジング領域内の複数の位置において局部的に電流を誘導し、その上で局部的に生じる電位分布を特定することができる。ここで、電流は、直流電流として２つの電極の間に直流電圧をかけることにより発生させることができる。地球物理学において地下構造を説明するために使用される電気抵抗トモグラフィにおけると同様、例えば２つの更なる電極を使って、誘導電流と両電極間で支配的な電気抵抗に基づき生じる通りの電位の分布を特定することができる。

ピストン蓄圧器ハウジング内部の、少なくとも部分的に導電性のピストンの現実位置は、ハウジングで測定された電気抵抗ないしはそこで生じる電位分布に影響を及ぼすので、この電位分布を特定することにより、このピストン位置についての情報を検知することができる。

この測定原理の更に進んだ一形態によれば、ハウジング領域内の複数の位置において局部的に交流電流を誘導することができる。この交流電流は、ピストン蓄圧器のハウジングにおける電位分布が時間と共に変化することにつながる。結果的に生じる時間依存の電位分布を局部的に測定することにより、電気インピーダンストモグラフィにおけると同様、ピストン蓄圧器ハウジング内部のピストンの現実位置についていっそう厳密な情報を取得することができる。

提案した方法を実行できるようにするため、ピストン蓄圧器はそのハウジングに、ハウジングに沿った電気抵抗の分布を特定し、そこから遡ってハウジング内部のピストンの現実位置を推測できるように設計された電極装置を具備してよい。

提案した位置特定方法ないしは相応に形作られたピストン蓄圧器の利点は、測定センサ又は他のコンポーネントをピストン蓄圧器の蓄圧ヴォリューム内部に配置する必要が無いことの中に見ることができる。測定すべきハウジングに沿った電気抵抗の分布ないしは誘導電流に基づき生じる電位の分布は、ハウジングの外に取り付けられていてもハウジング囲壁に埋め込まれていてもよい電極を使って測定することができる。このような電極の外部配置により、ピストン蓄圧器の蓄圧ヴォリュームの漏れ止めがかなり容易にできることになる。

特に、ピストン蓄圧器のハウジングは、繊維複合材から形作られていてよい。このように形作られたピストン蓄圧器は、比較的僅かな重量で高い機械的安定性を呈することができる。繊維複合材は、例えば、硬化性樹脂で含浸された炭素繊維組織を含んでいてよい。特に炭素繊維複合材（炭素繊維強化プラスチック、ＣＦＫ）の場合、ピストン蓄圧器のハウジングは、炭素繊維の導電率に基づき高い導電率を呈することができる。これで、一方で電極の取り付けにより電流が炭素繊維ハウジング内部で誘導でき、他方で更なる電極の取り付けにより、そこに生じる電位の分布が特定できることになる。ここで、生じる局部電位がハウジング内部のピストンの位置に左右されるのは、ピストン自体の導電率に基づき、また、ピストンがハウジング内部の局所に位置する事実に基づき、ピストンが現実に位置するハウジング内部域における電気抵抗ないしは導電率が著しく変化するからである。ピストンは、ここでも、ハウジングと同様に導電性材料からなってよく、又は、少なくともハウジングの方を向いた表面が同様の導電性材料からなってよい。例えば、ピストンは金属製であってよい。

特に、ピストン蓄圧器のハウジングが繊維複合材で形作られている時、電位分布の測定のために設けられた電極装置は繊維複合材の中に直接一体化していてよい。換言すれば、電極が、蓄圧器本体を包囲するハウジング囲壁の中に一体化していてよい。

例えば炭素繊維複合材を使ってハウジングを製造する場合、相応の電極を、例えばハウジング外部と接触できる金属ワイヤの形でハウジングの中に直接一体化させることができる。このように電極を繊維複合材の中に一体化させることにより、ピストン蓄圧器のハウジングを簡単に製造できるようにも、一体化した電極装置を使って蓄圧器内部のピストンの位置を確実に特定できるようにもなる。

ピストン蓄圧器のハウジングに設けられた電極装置は、１つ又は多数の４点測定電極対を具備してよい。ここでは、４点測定電極対の各々が、電流を誘導する２つの電極と、電極間の電位の分布を測定する２つの電極を具備してよい。この４点測定電極対は、ピストンの運動方向に沿ってハウジングに配置されていてよい。

これで、多数の４点測定電極対を使って、その時々でピストン蓄圧器のハウジングの部分域における電気抵抗ないしは電位の分布をハウジング内部のピストンの運動路に沿って特定することができる。そこで、全部の４点測定電極対における電位を同時的又は連続的に測定することにより、ピストンの現実位置を推定することができる。

ここで好ましくは、ピストンの運動方向に沿って隣接する４点測定電極対の間隔が、この運動方向に平行な方向におけるピストンの長さより小さい。

このように隣接する４点測定電極対の間隔が小さければ、結果として、ピストンが取り得る任意のどの位置にある時でも４点測定電極対の少なくとも１つに隣接することになり得る。隣接する４点測定電極対は各々、ピストン挙動に基づき、４点測定電極対の２電極間の測定された電位の顕著な変化を認識でき、このことから、ピストンが当該位置の近くに存在すると結論づけることができる。

ピストン蓄圧器内部のピストンの位置を特定する先述の方法は、特定されたピストン位置に基づき、ピストン蓄圧器のチャージ状態についての情報を特定し、精査するために有利に使用できる。このような方法は、ピストン蓄圧器を監視するモニタにおいて実行できる。

例えばピストン蓄圧器の通常動作時、そのチャージ状態は、他の測定変数、例えばピストン蓄圧器に蓄積されたフルードの圧力や温度だけを基礎にして特定することができる。このような簡単に検知すべき測定変数に則して、チャージ状態を簡単に、しかもほぼ十分な信頼度で特定することができる。いずれにしても、或る程度の時間間隔で、又は、例えばピストン蓄圧器の特定の動作条件のもとで、補助的にピストン蓄圧器内部のピストンの現実位置についての情報を検知した上で、実行されたチャージ状態測定を監視又は補正することが有利であり得る。こうした補助情報を使って、ピストン蓄圧器のチャージ状態をより厳密に特定したり、他の測定方法で検知されたチャージ状態を再確認したりすることができる。

ここで、本発明の実施形態の実現可能な特徴と利点が、或る部分ではピストン蓄圧器内部のピストンの位置を特定する方法に関して、或る部分ではピストン蓄圧器のチャージ状態についての情報を精査する方法に関して、また、或る部分では相応に形作られたピストン蓄圧器に関して述べられていることを示唆しておく。当業者であれば、本発明の更なる実施形態に到達するために、あるいは相乗効果に到達するために、述べられた特徴を適当な形で互いに組み合わせること、及び／又は、交換することが可能であることに気付くであろう。

以下、本発明の実施形態を添付図面に則して詳細に説明する。説明も図面も、本発明を局限するものでないと解するものとする。

本発明の一実施形態によるピストン蓄圧器の側断面図である。 本発明の一実施形態によるピストン蓄圧器の横断面図である。

図は概略図にすぎず、縮尺通りではない。

図１は、本発明の一実施形態によるピストン蓄圧器１を示す。ピストン蓄圧器１は、大部分が炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＫ）からなる軽量構造のハウジング３を具備する。このＣＦＫは、実質的に導電性炭素繊維と非導電性プラスチックマトリックス（例えば合成樹脂の形の）から構成される。ハウジングは、例えば、直径が例えば１０〜３０ｃｍ、長さが例えば５０〜３００ｃｍの円筒の形状であってよい。

ハウジング３の内部に、同じく例えば金属等の導電性材料、例えばアルミニウムからなるピストン５が配置されている。ピストン５は、ハウジング３内部の２つの体積部７、９の間の分離エレメントとして役立ち、両体積部を互いに封止する。ピストン５は、ここで、ハウジング３の円筒の中心軸に対応する運動方向２３に沿って移動でき、これで、体積部７、９を変えることができる。

第１の体積部７では、例えば弁システム１１を介して非圧縮性フルード、例えば液体、特に油を導き入れたり導き出したりすることができる。他方の体積部９では、弁システム１３を介して圧縮性フルード、例えば気体を導き入れたり導き出したりすることができる。ピストン５は、ここで、体積部７に導き入れられた非圧縮性フルードの量に応じて運動方向２３に沿って移動でき、第２の体積部９の中に入れられた圧縮性フルードにおける圧力の上昇により機械的エネルギーを蓄積できる。

ハウジング３のために使用される材料の導電率に基づき、ハウジング３の限定された箇所で電気抵抗ないしはインピーダンスを特定することにより、密閉されたハウジング３の内部におけるピストン５の位置を特定する方法が実現でき、また、この情報に基づき、ピストン蓄圧器１のチャージ状態を特定又は精査する方法が実現できる。ここでは、ピストン５がその時々の測定位置にあるか否かに応じて電気抵抗ないしは電位がハウジング３に沿って異なることが活用される。

提案した方法は、例えば地球物理学において各電極間の電圧測定を介して地層の性状を説明するために使用されるような電気抵抗トモグラフィないしは電気インピーダンストモグラフィを求める方法に類似する。

そのため、ハウジング３の表面に、ハウジング３に沿った電位の分布の測定を通してピストンの位置を特定できるようにすべく形作られた電極装置１５が設けられている。ピストン蓄圧器のハウジングに沿って生じる電位ないしはそのような電位分布を生じさせる電気抵抗を特定するために、電極装置１５は、ここで１つ又は多数の４点測定電極対１７を具備してよい。

ここで、４点測定電極対１７は各々２つの外側電極１９を具備し、これを介して導電性ハウジング３において強度Ｉの電流を誘導することができる。この電流Ｉに基づき、外側電極１９の間に電位の分布が形作られる。この電位の分布は、ハウジング３自体が、また場合によっては、これと境を接する導電性のピストン５が生じさせるような局部々々で支配的な電気抵抗に左右される。

外側電極１９の間に更なる２つの内側電極２１が設けられており、これを使って電位差ΔＵを測定することができる。

４点測定電極対１７の外側電極１９と内側電極２１は、図１に描かれた通り、ピストン５の運動方向２３に対して横向き、好ましくは垂直に走る直線に沿って配置されていてよい。隣接する４点測定電極対１７の相互間隔ｓは、ここで好ましくは、運動方向２３に平行な方向におけるピストン５の長さＬより小さい、又はこれと同等であるように選択され得る。この場合、ピストン５は、これがハウジング３内部で取り得る位置ごとに、ハウジング３に設けられた４点測定電極対１７の１つと境を接する。これで、ピストン蓄圧器１の動作中、すべての４点測定電極対１７において、その時々で内側電極２１の間に生じる電位差を測定し、そこからハウジング３に沿った電位の分布を特定することができる。ここで、例えばハウジング３の内部の性状に応じて、ピストン５の存否と関係する固有の電位差が生じる。そこで、ハウジング３の長さ全体にわたって分布した多数の４点測定電極対１７を使ってピストン位置を個別的に特定することができる。

図２に描かれた通り、外部モニタ２５が、制御可能な電源２７も電圧測定器２９も具備する。電源２７は、外側電極１９と電気結合している。電圧測定器２９は、内側電極２１と結合している。電源２７から外側電極１９を介してハウジング３にプリセット可能な電流Ｉを加えることにより、ハウジング３の内部に抵抗依存の電位分布が生じる。電圧測定器２９を使って、２つの内側電極２１の間の電位差を特定することができる。

述べた方法を使って得られる、ハウジング３内部のピストン５の現実位置についての情報は、特に、ピストン蓄圧器１の現実のチャージ状態（ＳＯＣ）を測定されたピストン位置から直接特定する、又は、ＳＯＣを測定変数である圧力と温度から算出する計算モデルを初期化したり、動作中に検定し、修正したりするために利用できる。これにより、特にダイナミックな動作条件のもとで明らかにより高い精度でチャージ状態の算出値が獲得できる。

１ ピストン蓄圧器
３ ハウジング
５ ピストン
１１ 弁システム
１３ 弁システム
１５ 電極装置
１７ ４点測定電極対
１９ 外側電極
２１ 内側電極
２３ ピストン運動方向
２５ モニタ
２７ 電源
２９ 電圧測定器

Claims (10)

1. ピストン蓄圧器（１）、詳記するならば、ハウジング（３）と、このハウジング（５）の内部を移動できるピストン（５）を具備するピストン蓄圧器（１）の内部のピストン（５）の位置を特定する方法であって、
   前記ハウジング（３）に沿った電気抵抗の分布を測定することにより前記ピストン（５）の位置を特定するステップを有することを特徴とする方法。
2. 前記ハウジング（３）の領域内の１つ以上の位置において局部的に電流（Ｉ）を誘導し、局部的に生じる電位分布（ΔＵ）を特定する請求項１に記載の方法。
3. 前記ハウジング（３）の領域内の１つ以上の位置において局部的に交流電流を誘導し、局部的に生じる時間依存の電位分布を特定する請求項２に記載の方法。
4. ピストン蓄圧器（１）のチャージ状態についての情報を特定又は精査する方法であって、
   請求項１〜３の１項に記載の方法に従って前記ピストン蓄圧器（１）の内部のピストン（５）の位置を特定するステップ、及び、
   前記ピストン（５）の特定された位置を考慮した上で前記ピストン蓄圧器（１）のチャージ状態についての情報を特定したり精査したりするステップ
   を有することを特徴とする方法。
5. ピストン蓄圧器（１）を監視するモニタ（２５）であって、
   前記モニタ（２５）が、請求項１〜４の１項に記載の方法を実行すべく形作られていることを特徴とするモニタ。
6. ハウジング（３）と、
   このハウジング（３）の内部を移動できるピストン（５）
   を具備するピストン蓄圧器（１）であって、
   前記ハウジング（３）に、前記ハウジング（３）に沿った電気抵抗の分布の測定を通して前記ピストン（５）の位置を特定できるようにすべく形作られた電極装置（１５）が設けられている
   ことを特徴とするピストン蓄圧器。
7. 前記ハウジング（３）が繊維複合材から形作られている請求項６に記載のピストン蓄圧器。
8. 前記電極装置（１５）が前記繊維複合材の中に一体化している請求項７に記載のピストン蓄圧器。
9. 前記電極装置（１５）が、前記ハウジング（３）における前記ピストン（５）の運動方向（２３）に平行な直線に沿って配置された１つ又は多数の４点測定電極対（１７）を具備する請求項６〜８の１項に記載のピストン蓄圧器。
10. 前記ピストン（５）の運動方向（２３）に平行に隣接する４点測定電極対（１７）の相互間隔（ｓ）が、前記運動方向（２３）に平行な方向における前記ピストン（５）の長さ（Ｌ）より小さい請求項９に記載のピストン蓄圧器。

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