JP2016530455A - 油圧アキュムレータ及び油圧システムにおいてエネルギーを回収する方法 - Google Patents

Abstract

油圧エネルギー変換装置（４）を油圧システムに連結することができる。この変換装置（４）は、油圧流体の流れを制御するマニホルド装置（１）と、マニホルド装置（１）を制御する制御装置（３）と、マニホルド装置（１）に連結されていて油圧システムによって供給された油圧エネルギーをマニホルド装置（１）経由で貯蔵する少なくとも１つのアキュムレータ（２）とを有する。

Description

本発明は、油圧エネルギー変換装置及び油圧システム（油圧系統）を作動させる方法に関する。

油圧システムでは、油圧駆動装置、例えば回転駆動装置又は直線駆動装置が用いられている。油圧機械のストローク中、油圧エネルギーが負荷を動かすために用いられる。しかしながら、負荷の運動は、或る特定の環境下では、用いられる油圧流体に圧力を及ぼすことを意味している。例えば、回転油圧モータがエレベーターを昇降させる巻上機を駆動する場合、油圧システムは、エレベーターを吊り上げるエネルギーを供給することになる。他方、エレベーターの下向きの運動の場合には油圧モータに作用する重力に起因して油圧システムに追加の応力が必然的に加わる。これは、最終的には、油圧システム内における圧力の上昇を招き、それにより油圧流体、例えば作動油が付勢される。この過剰なエネルギーは、熱の状態に散逸され、かかる熱は、過熱及び最終的な故障を阻止するためにシステムの冷却に関して相当多くの労力を必要とする。

どの点から見ても、先行技術のシステムは、誤動作の危険がある状態でエネルギーを無駄にしている。

したがって、本発明の目的は、一方において油圧システム内におけるエネルギーのむら又は散逸を減少させ、他方において油圧システムを安全に稼働させるのに必要な冷却量を減少させるこの課題に対する解決策を提供することにある。

この目的は、請求項１記載の油圧エネルギー変換装置及び請求項６記載の油圧システムの作動方法によって達成される。好ましい実施形態は、従属形式の請求項に記載されている。

本発明によれば、油圧エネルギー変換装置を事実上任意の油圧システム、特にカウンタバランス弁を採用した油圧システムに連結可能である。本発明の変換装置は、油圧流体の流れを制御するマニホルド装置と、マニホルド装置を制御する制御装置と、マニホルド装置に連結されていて油圧システムによって供給された油圧エネルギーをマニホルド装置経由で貯蔵する少なくとも１つのアキュムレータとを有する。

一般に、変換装置は、油圧流体エネルギーが少なくとも１つのアキュムレータ内に貯蔵されているので、油圧システムからエネルギーをピックアップする。このエネルギーは、流体に作用する機械的エネルギーとして油圧システムの油圧モータによって生じる。油圧モータに連結されている負荷の運動により、流体に対するエネルギーが生じ、このエネルギーは最終的には、油圧システムに供給され、油圧モータは、この場合、発電機として働く。エネルギーが油圧流体に追加されると、力が油圧流体に作用し、それにより流体内の圧力が上昇し、その結果、流体エネルギーが高くなる。この場合も又、その結果として、カウンタバランス弁を通過しているときに速度が増大する。速度が高くなった結果として、圧力降下が生じる。この流体は、運動エネルギーを得る。事実上アキュムレータをロードするために、この運動エネルギーを変換装置によってピックアップする。次に、エネルギーの需要が生じたときにはいつでも、蓄積したエネルギーを油圧システムに再び供給することができる。これは、通常、油圧システムが発電機モードにあるのではなく仕事を行わなければならないときにはいつでも起こる。

マニホルド装置は、アキュムレータへのエネルギー又はアキュムレータからのエネルギーが油圧モータのそれぞれの需要に応じて、油圧システムに差し向けられ又は油圧システムから差し向けられるように制御装置によって制御される。

作動モードに応じて、油圧エネルギー変換装置を２つの互いに異なるモード、即ち、間欠モード及び連続モードで作動させることができる。後者の場合、本発明の変換装置は、マニホルド装置に連結されている２つのアキュムレータを備えるのが良い。これは、特に、油圧流体によって動かされるプランジャを備えたピストンを有する直線駆動装置に動力供給するシステムに当てはまる。プランジャの各運動により、油圧流体が圧縮される。この圧縮エネルギーは、変換装置に供給され、アキュムレータのうちの一方によって貯蔵され、これに対し、他方のアキュムレータは、プランジャを駆動するためにアキュムレータからエネルギーを供給することによって運動を同一方向に支援する。

特定の実施形態では、変換装置は、マニホルド装置に連結されていて油圧流体を油圧システムから受け入れる少なくとも１本の入口ラインを有する。これは、油圧エネルギーを少なくとも１つのアキュムレータ内に貯蔵するために提供されている。加うるに、この供給ラインは、更に、少なくとも１つの油圧アキュムレータ内に貯蔵されたエネルギーにより加圧される油圧流体を油圧システムに供給するようになっている。

さらに、第２のラインが、マニホルド内に集められたエネルギーを油圧システムの油リザーバに放出して戻すため又はエネルギーを油圧システムのポンプからアキュムレータ内に直接導くために好ましくはマニホルド装置に連結される。後者は、漏れ効果、例えば用いられる弁の漏れに起因して、マニホルド内の圧力降下を補償することになっている。

マニホルドは、少なくとも１つのアキュムレータからの流体の流れ及び／又は少なくとも１つのアキュムレータへの流体の流れを可能にする少なくとも１つのスイッチを有する。この場合、制御装置は、１つ又は複数のスイッチにリンクされ、スイッチは、好ましくは、弁である。このように、アキュムレータ内に蓄積されたエネルギーの量又はアキュムレータから放出されるエネルギーの量を正確に制御することができる。

本発明の別の観点によれば、油圧システムを作動させる方法であって、油圧システムが油圧駆動装置を含み、油圧駆動装置が油圧駆動装置への作動の流れ及び油圧駆動装置からの作動の流れを可能にするよう油圧流体流れライン及び油圧ラインによって駆動されるようになっている方法が提供される。油圧システムは、好ましくは、カウンタバランス弁を用いる形式のものであり、流体の流れは、油圧システムの油圧モータ又は駆動装置に至る途中でカウンタバランス弁を通る。本発明の方法では、油圧システムは、好ましくはカウンタバランス弁とインラインで設けられている特に上述した油圧エネルギー変換装置を含む。本発明の方法によれば、変換装置は、油圧駆動装置から流れて戻っている流体の圧力がしきい値を超えた場合、油圧駆動装置から流れて戻っている流体によって生じるエネルギーを少なくとも１つのアキュムレータ内に貯蔵し、この変換装置は、油圧駆動装置がエネルギーを必要とした場合にアキュムレータ内に貯蔵されたエネルギーを油圧駆動装置に供給する。

一実施形態では、変換装置は、２つのアキュムレータを用い、一方のアキュムレータは、油圧駆動装置からエネルギーを受け取り、それと同時に、他方のアキュムレータは、エネルギーを油圧駆動装置に供給する。

本発明は、システムによって用いられた流体エネルギーを回収し、そしてこれを将来の使用のために貯蔵する。本発明は、油圧システムに利用されると、エネルギーコストの著しい減少をもたらすことができる。幾つかの用途では、減少度は、本発明を採用しない状態の同一の機器を作動させるのに必要な動力の５０％の節約レベルを超える。

以下において、添付の図面を参照して本発明について説明する。図及び対応の記載が別々の実施形態を示すと共に説明している場合であっても、一実施形態の特徴を本発明の別の実施形態と組み合わせることができるということは当業者には明らかである。本発明の内容は、図示の正確な構成には限定されず、図示されていない他のコンポーネントを用いることによって実現できる。図面において、同一の参照符号は、他の図の同一又は類似のコンポーネントを示している。

エレベーターを駆動する油圧システム内の本発明の油圧エネルギー変換装置の利用状態を示す図である。 図１の油圧システムの油圧線図である。 油圧エネルギー変換装置を使用しない場合（上側）及び本発明に従ってカウンタバランス弁の後に配置された油圧エネルギー変換装置を用いた場合（下側）の試験結果を示すプロトタイプ油圧システムによって駆動されたエレベーターを含むプロトタイプ油圧システムの試験結果を比較した２つのグラフ図である。 間欠作動向きに構成された実施形態においてカウンタバランス弁の後に本発明の油圧エネルギー変換装置を用いて負荷を吊り上げるための油圧直線アクチュエータの油圧線図である。 連続作動向きに構成された別の実施形態においてカウンタバランス弁の後に本発明の油圧エネルギー変換装置を用いて負荷を吊り上げる油圧直線アクチュエータの油圧線図である。

図１を参照すると、以下単に「変換装置」と呼ぶ油圧エネルギー変換装置４は、油圧システムのライン１０，１１に連結されるようになっている。図示の場合、油圧システムは、油圧流体（以下、単に「流体」と呼ぶ）、例えば作動油等のためのリザーバ６を含む。ポンプ７が流体を油圧駆動装置８、この場合、回転油圧モータにライン１０，１１経由で供給する。油圧モータは、油圧モータ８のシャフトに連結されたドラム５２に巻き付けられたロープによって負荷、特にエレベーター５のかご５１に連結されている。

変換装置４は、基本的には、１つ又は２つ以上のアキュムレータ２及びプログラム可能制御装置３に加えて、特定の用途の油圧作動論理を構成すると共に実現する弁及びセンサを受け入れるよう構成されたマニホルド装置又はブロック１を有する。

線図４及び線図５と同様、図２の油圧線図は、負荷を駆動するために用いられる油圧システムへの変換装置の理由を例示している。図２の場合、負荷は、回転油圧モータ８によって駆動されるエレベーター５である。図４及び図５では、直線油圧モータを駆動する２つの例が与えられている。全ての例は、共通して、流体（油）の流れを逸らしてエネルギーを蓄積し又は供給する弁を用いる技術的思想を含む。油圧アキュムレータ２は、エネルギーを蓄積する。プログラムマブル論理制御装置３は、油圧システムサイクル中に弁を作動させる器具を有すると共にデジタル制御の経時的効率を提供する。

さらに、変換装置４は、油圧システム内に設置されると、高速の流れからエネルギーを吸収し、このエネルギーは、熱として油圧流体中に散逸される。エネルギーは、用途に応じて、１つ又は２つ以上の油圧アクチュエータ８の仕事実行のために必要なシステムエネルギーに戻る。貯蔵されたエネルギーレベルは、油圧アクチュエータ８の寸法及びストロークに関連付けられ、かくして、各油圧用途の寸法との関係が保たれる。

変換装置は、次のように作動する。本発明は、互いに異なる２つの作動モード、即ち、間欠モデル及び連続モデルを提供する。間欠モデルの必要とするアキュムレータは、１つであり、連続モデルの必要とするアキュムレータは、２つである。

図２は、間欠モデルの一例を示している。このタイプは、エレベーターかご５１の下方運動時に流体エネルギーを回収し、かご５１の上方運動の際に流体エネルギーを供給するよう設計されている。

マニホルド１は、油圧エネルギー変換装置４及びカウンタバランス弁９を連続して作動させる油圧論理線図を表している。マニホルド１は、図示の例では、スイッチ、この場合、１つの３／２単一電磁弁２０、１つの２／２単一電磁弁１９及びアキュムレータ２内の圧力を測定するための圧力発信器２５を備えている。３／２単一電磁弁２０は、消勢時、流体エネルギーをカウンタバランス弁９に結合し、電磁弁２０が付勢されると、流体エネルギーをアキュムレータ２に結合する。２／２単一電磁弁１９は、アキュムレータ２を圧力ライン１２に連結し、この弁１９は、流体エネルギーを作動油リザーバ６に差し向けると共に流体エネルギーをポンプ７からアキュムレータ２に加える役割を果たす。

制御ユニット３は、変換装置４を用いて上方及び下方の運動の指令を処理する。

かご５１の運動が下向きである場合、制御ユニット３は、弁２０を付勢し、２６のところで圧力を読み取り、そして制御ユニット３が可能な限り最大の圧力を受け取ると、制御ユニット３は、弁２０を消勢し、流れをカウンタバランス系統９に切り換える。

かご５１の運動が上向きである場合、制御ユニット３は２５のところで圧力をチェックする。この圧力が所与の高しきい値及び低しきい値内に収まっている場合、制御装置は、いつでも弁２０を付勢することができる状態にある。もしそうでなければ、制御装置３は、ポンプ７をターンオンし、弁１９をターンオンし、圧力が２５のところで十分な圧力に達すると、弁１９とポンプ７の両方をターンオフし、これは、単に、かご５１の上向き運動を実施するための必要な不足エネルギーでシステムを満たすことにある。

変換装置４は、カウンタバランス弁９と直列状態で設置されているように示されているので、変換装置４への流れを止めて変換装置４なしでカウンタバランス系統の作動を可能にするよう構成された３つの玉弁２／２，２１，２２，２３が設けられている。

本発明の変換装置を用いると、変換装置が設けられている基準システムと比較して、例えば図１に示されている油圧システムでは多量のエネルギーを節約することができる。

カウンタバランス弁９の後に利用されるプロトタイプを用いて試験を実施した。この試験では、貨物エレベーター５は、全動程が２．５ｍの場合、約３００ポンド（１３６ｋｇ）を吊り下げる能力を備えていた。油圧システムで貨物を取り扱うために従来技術が用いられ、変換装置の設置前後においてＫＷでエネルギーの消費量の比較をこの機器について行った。結果は、変換装置なしで同じ仕事を行う上でエネルギー消費量が電気需要の４０％に近いエネルギー減少レベルを生じたということであった。

この制御装置３を２つの別々の論理でプログラムし、一方の論理は、単一の従来型油圧システムを表し、他方の論理は、変換装置付きの油圧システムを表している。両方は同一のロード条件、自動化及び一定の期間にわたって同じサイクル数を受けた。試験をシステムが以下の作動表に従って作動させたという点で図２に示されているシステムについて実施した。

変換装置がカウンタバランス弁９の後に配置されたシステムについての図３のグラフ図で定性的に理解できるように、２分間の間に８回の上下動が実施されており、電力消費量は、従来型油圧システムについては１４０ワットであり、変換装置４で作動させると８０ワットに減少し、その結果、２．５メートルの距離だけ１９２ｋｇについての同じ上下動を実施する上でエネルギー消費量のうちの４３％が節約された。

上述の上記表から理解できるように、変換装置を例えば図２に示されているように下向き運動の際にカウンタバランス弁９の前に利用すると、その結果は良好であり、システムは、５０％未満の電力需要で作動され、従来型のシステムよりも２％速かった。

作動は、油圧アクチュエータの振動数の時間当たりのサイクルの回数に応じて、連続的又は間欠的として特徴づけられる。この周波数は、問題のシステムの製品の最適性能を得る上での要因である。この分割は、コンポーネントのその相当大きな費用のために必要であることが判明した。かくして、用途に合わせたカスタム化は、市場における可能性を得る上での理想的なツールである。２つの条件の大きな違いは、主として、１つ又は２つ以上の油圧アキュムレータ２が存在するかどうかである。

図１〜図３を参照して説明した実施形態並びに図４の線図に示された実施形態は、間欠モデルに従って働く。エレベーター５の場合、下向きの運動だけが変換装置４の１つのアキュムレータ２を「充填」し、かくして、アキュムレータのロードが間欠的に実施される。

図４の実施形態は、駆動装置又はモータがピストン８１及びピストン内で動くプランジャ８２を備えた油圧直線モータ８０である点で、上述の図に示された実施形態とは異なっている。この場合も又、アキュムレータ２を１つだけ用い、このアキュムレータは、一方向における一ストローク中にのみロードされ、これに対し、このアキュムレータは、逆方向へのプランジャ８２の運動中にアンロードされる。この実施形態の機能は、基本的には、図２を参照して説明した実施形態と同一である。

図５は、連続モードを実施するために改造された図２の実施形態の改造例を示している。この場合、２つのアキュムレータ２，２８が変換装置４内に存在する。このモデルは、交互に働き、一方のアキュムレータ２は、システムが失っているエネルギーを蓄積し、他方のアキュムレータ２８は、エネルギーをシステムに戻す。このように、プランジャ８２の運動は、圧縮をもたらし、かくして流体を一方の側で付勢し、例えばアキュムレータ２をロードし、他方の側が「アンロード中の」アキュムレータ２８によって支援される。逆ストロークの際、プランジャ８２は、「アンロード中の」アキュムレータ２（それ以前にロードされている）によって支持され、流体を圧縮して最終的にアキュムレータ２８をーロードする。これにより、直線油圧モータ８０が実施する全てのストロークからエネルギーを得ることができる。

油圧エネルギー変換装置は、任意の油圧流体システムに利用できる。この油圧エネルギー変換装置は、流体の運動エネルギーを捕捉し、これをピエゾメトリック圧力流体エネルギーに変換し、これを長期間にわたって貯蔵し、そして、システムが追加の油圧エネルギーを必要とした場合にはいつでもこれを流体の運動エネルギーに再変換する。このプロセス全体は、油圧コンポーネント及び大衆消費電子部品、例えば電気油圧方向弁、又は別々の信号比例弁、圧力制御、手動式又は電気式圧力伝送器及び圧力スイッチ、油圧アキュムレータ、プログラマブル論理制御装置信号及び電気によって自動的に実施される。

Claims (7)

1. 油圧システムに連結可能な油圧エネルギー変換装置（４）であって、前記変換装置（４）は、油圧流体の流れを制御するマニホルド装置（１）と、マニホルド装置（１）を制御する制御装置（３）と、前記マニホルド装置（１）に連結されていて前記油圧システムによって供給された油圧エネルギーを前記マニホルド装置（１）経由で貯蔵する少なくとも１つのアキュムレータ（２）とを有する、油圧エネルギー変換装置（４）。
2. 少なくとも２つのアキュムレータ（２，２８）が前記マニホルド装置（１）に連結されている、請求項１記載の油圧エネルギー変換装置（４）。
3. 前記変換装置（４）は、前記マニホルド装置（１）に連結されていて油圧エネルギーを前記少なくとも１つのアキュムレータ（２）に貯蔵するために油圧システムからの油圧流体を受け入れる少なくとも１本の供給ラインを有し、前記少なくとも１本の供給ラインは、更に、前記少なくとも１つの油圧エネルギーアキュムレータ（２）内に貯蔵された前記油圧エネルギーによって加圧された油圧流体を前記油圧システムに供給するようになっている、請求項１又は２記載の油圧エネルギー変換装置（４）。
4. 前記マニホルド装置（１）は、前記少なくとも１つのアキュムレータ（２）からの流体の流れ及び／又は前記少なくとも１つのアキュムレータ（２）への流体の流れを可能にする少なくとも１つのスイッチ（２０）を有する、請求項３記載の油圧エネルギー変換装置（４）。
5. 前記少なくとも１つのスイッチ（２０）は、弁である、請求項４記載の油圧エネルギー変換装置（４）。
6. 油圧システムを作動させる方法であって、前記油圧システムは、油圧駆動装置（８，８０）を含み、前記油圧駆動装置は、特にカウンタバランス弁（９）を介して前記油圧駆動装置（８，８０）への作動の流れ及び前記油圧駆動装置（８，８０）からの作動の流れを可能にするよう油圧流体流れ及び油圧ライン（１０，１１）によって駆動され、特に請求項１〜５のうちいずれか一に記載の油圧エネルギー変換装置（４）が特に前記カウンタバランス弁（９）とインラインで前記油圧システム内に配置され、前記変換装置は、前記油圧駆動装置から流れて戻っている流体の圧力がしきい値を超えた場合、前記油圧駆動装置から流れて戻っている前記流体によって生じるエネルギーを少なくとも１つのアキュムレータ（２，２８）内に貯蔵し、前記変換装置は、前記油圧駆動装置（８，８０）がエネルギーを必要とした場合に前記アキュムレータ（２，２８）内に貯蔵されたエネルギーを前記油圧駆動装置に供給する、方法。
7. 前記変換装置は、２つのアキュムレータ（２，２８）を用い、一方のアキュムレータは、前記油圧駆動装置（８，８０）からエネルギーを受け取り、それと同時に、他方のアキュムレータは、エネルギーを前記油圧駆動装置（８，８０）に供給する、請求項６記載の方法。

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