JP3857321B2 - エネルギ蓄積装置 - Google Patents

Description

本発明は、ピストン式アキュムレータを有する流体圧作動の作動装置又は工具シャンクを用いて、エネルギを蓄積する装置に関する。
そのようなエネルギの蓄積及びエネルギの回収装置は、既に国際特許出願第93/11363号（PCT/WO 93/11363）及び独国特許第4438899号（DE 4438899 C1）により公知であり、こえらは、エネルギのリザーバとして従来の液圧−空圧のアキュムレータを使用している。このPCT出願による公知のエネルギ回収装置においては、流体圧作動シリンダのピストン室は、カートリッジ弁を通って流体圧アキュムレータに接続されており、この流体圧アキュムレータは、流体制御装置の部分としての圧力リレーに接続している制御マニホールドと協働している。この流体制御装置は、順に流体圧回路の低圧部にその制御入力で接続しており、作動装置又はそのようなものの形で工作機械の移動可能な部分と協働している。作動装置又はそのようなものの降下と共に、作動シリンダのピストン側の流体容積が、関係する利用可能な位置エネルギと一緒になり、それから流体リザーバ／アキュムレータに圧力下で排出され、そこから作動装置に関係するその後の持ち上げ又は上昇過程のために、正確に定量化されて再利用され、流体圧アキュムレータへと導かれるエネルギの回収をもたらす。良好なエネルギ回収率がこの公知の装置によって達成される。それまでは３つ又はそれ以上の作動シリンダが作動装置を流体圧作動するのに用いられているが、全ての実際の目的に対しては、特に蒸気（スチーム）ショベル又は掘削機又はそのようなもののような流体圧作動機械をもつ場合では、しばしば用いることはない。また作動装置を保持する一方で、カートリッジ弁が振動又はフラッタを起こすまで、負荷の影響でカートリッジ弁が下げられる傾向があり、通常は蒸気ショベルや、掘削機又はクレーンのジブの形での作動装置の望ましくない揺動（ロッキング）を起こす。
独国特許第4438899号（DE 4438899 C1）の教示によれば、そのようなカートリッジ弁をやめること、及び動作される流体圧アキュムレータと流体圧機械との間をつなぐ接続導管に、流体圧で固定可能なチェック弁を配置することが、既に示されており、それは、妥当な費用と機械上も信頼のおけるものである。しかしながら、実際には、流体圧作動の作動シリンダをもち、関連した流体量をもつ回収されたエネルギの放出により、これらのシリンダは負の意味で強く影響され、一連の動きを停止してしまうことが解っている。
流体圧作動の作動シリンダのための操作装置は、米国特許第2,721,446号により公知であり、これは別の方法で、請求項１の開示部分にみられる特徴を組み入れている。流体圧作動シリンダの連続作動の維持が、チェック弁によって保護された流体ポンプで得られ、かつ緊急又は臨時の供給が必要のために、妨害や中断が起きると、２つの長手方向に移動可能なピストンを用い、予圧室の内部の予圧のガス圧で作動するピストン式アキュムレータは、作動シリンダのための更なる流体の供給を確保し、同様の移動を起こしている。予圧室の反対側に配置された公知のピストン式アキュムレータの周囲大気圧室は、換気口を通って周囲の大気へと通じている。流体ポンプに関してチェック弁により保護されている、ピストン式アキュムレータと作動シリンダ間の分岐ラインで案内される供給ラインは、作動シリンダへの緊急／臨時の供給をすることができるが、作動シリンダの作動中の連続したエネルギの蓄積のために、この公知の装置で起こりうるような誤った流体接続ができない。こうして空気が充填された大気圧室での圧縮によって生じた、望ましくない温度上昇が起き、緊急／臨時の作動のために制御される流体容積が、対応した大きさになるように排出し、これはエネルギの蓄積の観点からは望ましくない。
この技術の現状からして、本発明の目的は、前述の欠点がなく、使用範囲が拡がった、流体圧作動装置のエネルギ蓄積装置を開示することである。
請求項１の開示によれば、第３の流体室は、流体圧作動装置及び充填媒体が供給された流体室にもまた接続されており、かつ別の流体室が可逆の流体制御装置を通って流体ポンプに接続されており、予圧室が小さくなるように動かされたときに、ピストン式アキュムレータの連結されたピストンは、内部のガス圧を増加でき、予圧室の容積を増加させるため、ピストンが別の方向に動かされるやいなや、張力を解放するという意味で内部のガス圧が低下する。そのとき予圧室内に閉じ込められたガス量が、機械的なスプリングと匹敵した一種の強制（フォース）アキュムレータを形成し、アキュムレータ内の移動によって導かれた作動エネルギが、可逆の流体制御装置の適切な操作によって、取り戻される。ピストン式アキュムレータの第３の流体室は補助としての流体移送があるので、圧縮過程の結果として生じる望ましくない加熱がこうして避けられ、上昇過程の遂行のために制御される流体の必要量が最小とされ、エネルギの蓄積のために有利である。
エネルギ蓄積装置に使用されるピストン式アキュムレータは、流体圧アキュムレータの一種であり、またバブル式アキュムレータ及びダイヤフラム式／膜式のアキュムレータ又はリザーバに属している。流体圧システムの圧縮流体の容量によっているこれらの流体圧アキュムレータの主目的の１つは、必要な場合に、このシステム内に圧縮流体を受け入れ、かつ戻すことである。こうしてこの公知のピストン式アキュムレータは、ガス密の隔壁要素として役立つピストンをもつ液体部分とガス部分とよりなり、そのうちガス側は窒素で充填される。ピストン式アキュムレータの液体側は、流体圧回路と接続しており、それによりピストン式アキュムレータ内の圧力の上昇で、さらに多くの液体が受け入れられ、ガスはガス側で圧縮される。圧力降下とともに、圧力ガスは膨脹し、それによって貯えられた圧縮液体を流体圧回路に押し出す。ピストン式アキュムレータは、基本的にはガス側を上にした垂直配置が好ましいどんな場所でも用いることができ、それによりピストンのガスケット上への液体からの汚染物質の堆積が避けられる。ダイヤフラム式／膜式及びバブル式アキュムレータと対照的に、ピストン式アキュムレータは、ゴムのダイヤフラム又は発泡ゴムの形をした可撓性の隔壁要素を有しないで、むしろ硬いピストンを有しており、ほとんど摩耗することもなく、本発明の装置によれば、故障することもなく非常に長期間にわたって作動することができる。
エネルギ蓄積装置の部分として前述のピストン式アキュムレータを用いることで、エネルギの点から及びエネルギの蓄積のために、予圧室の高い内部のガス圧力を流体圧作動の作動装置の中間ピストン又はアームの設定と結び付けることが、特に好ましいことが解る。この内部のガス圧力は、アームが負荷の下で上昇する限り、エネルギの放出を伴ってこの中間位置から弱められる。エネルギ蓄積装置は、機械に限られる必要はなく、油圧ブレーキ装置や、キャビン昇降機及び流体圧機関又はそのようなものにも同様に用いることができる。これらの場合、一定の又は弾性的に一定の小さな力を作るために、予圧室内に大きな容積を提供することが良い考えである。これを達成するために、予圧室を、特に緩衝として役立つ窒素リザーバの形態をした別のガス供給装置に接続するための配置が提供されている。
以下にエネルギ蓄積装置の実施の形態が、図面に基づいてより詳細に説明する。図面では、基本的にかつ特別な制限もなく、その概念を示している。
図１は、流体圧作動の作動装置又はそのようなもののエネルギ蓄積装置において、作動シリンダの形でのピストン式アキュムレータの使用を示している基本的な線図である。
図２は、図１に示されるような第１の実施の形態のピストン式アキュムレータの縦断面図である。
図３は、図１に示されるように用いられる第２の実施の形態のピストン式アキュムレータの縦断面図である。
図２に示されるピストン式アキュムレータは、10で全体を示しているハウジングを有している。ハウジング10は、円筒状の形をしているが、他の断面（正方形、長円形）の形をしていてもよい。ハウジング10内には２つの長手方向に移動可能な第１と第２のピストン12，14が配置されており、これらは互いに、堅固な構造の連結棒16の形をした連結部分により結合されている。連結棒16は、ハウジング10の隔壁18を長手方向に移動可能に案内されており、その隔壁はハウジング10の筒状の中間部分に形成され、かつ２つの隣接して対向している第１と第２のピストン12，14とで、第１と第２の２つの流体室20，22を区画形成している。２つの流体室20，22を互いに封鎖するために、隔壁18の周囲は、密封ガスケット24をその回りに一致して組み入れている。ハウジング10は、２つの密封壁26，28によって端部が限定されており、それらがピストン式アキュムレータの閉鎖カバーを形成している。図２の左側にわたって示されている左側の密封壁26と隣接した対面ピストン12との間に、予圧室30が位置され、これらの部品によって限定されており、その中が予め設定可能な内部のガス圧力にされている。
流体室20，22が、直径内で隔壁18からステージの回りの各々の協働ピストン12，14に互いに対応して延びており、その中で連結具が、ピストン12，14間に設けられ、一方の第１の流体室20が小さな容積である場合は、他方の第２の流体室22が対応してより大きな容積になるように比較的に大きくされるようにされている。連結ロッド16は、中実構造とされ、協働ピストン12，14を係合している壁上のねじ32によってその端部で密に接触している。公知の形状のピストン12，14は、その周囲に外面が適当な形をした摺動するガスケットリングを有している。隔壁18は、筒状の中央支持体34の一部であり、その支持体の端部でハウジング10の管状部分34が取り付けられていて、その管状部分は第１と第２のピストン12，14の長手方向の案内として役立っている。長手方向の軸38に対して径方向で、直径方向に対向し、かつ隔壁18によって限定されているのと同様に互いに対面して、２つの連結プラグ40と42が、中央支持体34に打ち込まれ、協働した流体室20又は22のいずれかに開口している。長手方向の軸38に一直線になっていて、図２に断面で示されているＨ形状の中央支持体は、両端で２つのハウジング筒36に入れたガスケットリング44によって密封されるように、順に案内され、流体室20，22が周囲空気から封鎖されている。同様に２つの密封壁26，28の各々は、外周にガスケットリング46を有している。
密封覆い材50は、密封壁26と28の据付けに用い、この覆い材は、図２に示されるそれらの位置で前記密封壁26，28を確実に保持する２つのハウジング筒36の自由端に順にねじ込まれる。関連する連結プラグ40，42が、筒状の横通路52を順に開口し、連結ロッド16が、ピストン12，14の据付けがどうであれ、その通路を通っていて、ピストン式アキュムレータの長手方向の軸38に平行に走行している。予圧室30及び対向する第３の流体室54の拡大に適用するのと同様にねじ32を受け入れるために、２つのピストン12と14の各々は筒状中空の中間切込み部56を有している。
外側から予圧室30を限定しているハウジング10の静止した密封壁26は、図示されていない密封プラグによって密封される連結プラグ58を有している。閉止及び密封プラグの取外しに従い、連結プラグ58を通って予圧室30は、特に窒素リザーバ62の形態をしたガス供給装置（例えば、図１）に接続される。ピストン14と別の密封壁28とによって限定されている、既述の第３の流体室54は、通路64を通って供給ライン66に接続される。更に２つのハウジング筒36をもつハウジング10は、その外周辺部の回りの流体室20，22を限定し、区画形成している。
予圧室30は、通常は窒素の形態である作動ガスで充填され、ある程度の内部ガス圧が許容されている。予圧室を充填するため、あまり詳細に説明されていない閉止プラグが必要であり、かつ予圧室30の方向にガスを通す弁装置68（図１）が設けられているが、チェック弁として作用し、ガスの排出を阻止している。予め設定された内部ガス圧で予圧室30に供給されているガスは、機械的な比較のモデルが、比較のために作り出されるまで、予め決められたスプリングの剛性又は弾性定数をもつガスクッション又は圧力クッションを、結果として形成している。この場合、圧力クッションは、機械的な比較のモデルと比べて、一種の圧縮又は圧力スプリングを形成している。もし２つのピストン12，14が、図２の最も遠い右側に移されると、ピストン12は、中央支持体34の端面に衝突し、ピストン14は、密封壁28と接触するようになる。第３の流体室54が供給ライン66に取り付けられるので、第３の流体室54に貯えられた流体量が、供給ライン66に押し出される。このときに到達する設定端では、予圧室30は、流体室22と同じように最大容積となり、連結プラグ42を通して流体が充填される。好ましくは空気が充填されている第１の流体室20と、周囲の大気に開口している連結プラグ40とは、そのとき最小の容積であり、予圧室30内の内部のガス圧力は、予圧室30内で生じた容積膨脹によって、そのとき減らされており、それは、機械的なモデルにおける圧力スプリングの弱化と共通している。
逆の方向の動きで、第２の流体室22と同様に予圧室30の容積が減らされ、第１の流体室20が最大限可能な容積まで増やされる。予圧室30内のガスは、そのとき圧縮され、初期にまで予圧され、したがってそれは機械的なスプリングの張力状態と同じである。こうして発生したガス又はスプリングのエネルギは、流体圧作動装置又はそのようなものの作動を支援するために、後に更に明確に説明されている反作用を与えることができる。図示されている２つのピストンの配置に加えて、図示されてはいないが、更なる制御手順が必要ならば、更に多くのピストンが用いられてもよく、もし必要なら、予圧室及び他のガス室と同様に、流体室の数を増やすこともできる。多数のピストン式アキュムレータを直列に又は並列に連続して接続することができる。
図１は、２つの油圧シリンダ70の形で流体圧作動装置を使用しているエネルギ蓄積装置をもつ図２のピストン式アキュムレータの使用を示している。２つの流体圧シリンダ70は、ピストンロッド72により、例えばクレーン又は蒸気ショベル或いは掘削機のアームの形での、拡張アーム74に結合して同時に作動する。しかしながら、アーム74は、これらの装置が流体圧シリンダによって移動可能である限りにおいて、昇降台と同様の貨物用エレベータ及び対人用エレベータとして用いられるような持ち上げ台をもまた示している。しかしながら２つの流体圧シリンダの代りに、同様に構成された流体圧機関も、作動の装置を作動するのに使用できる。そのうえ更に、２つの流体圧作動シリンダ70の代りに、唯１つの作動シリンダを拡張アーム74の動きのために提供することもできるが、その場合は前後の動きによって僅かな容積の蓄積しかもたらさない。
ロッド側では、２つの流体圧シリンダ70が接続ライン76で一緒に接続され、これを通って流体制御装置78に流体を移送しており、この流体制御装置は、例えば多方向弁（マルチウェイバルブ）又はそのようなものの形の制御可能な弁装置により形成されている。モータ駆動の流体ポンプ80は、タンク84へと導いているタンク導管82と同様に、流体制御装置78に接続している。排出側で、流体制御装置78は、別の流体移送の接続ライン86を有しており、このラインは第２の接続プラグ42に開口している。図１に示された実施の形態の第１の流体室20の第１の接続プラグ40は、供給ライン66に接続しており、その結果、この供給ライン66を通って第３の流体室54と接続している。そのような場合、第１の流体室20は、空気ではなくて流体圧流体で充填され、供給ライン66と同じく、２つの流体圧流体−移送シリンダ70の形をした流体圧作動装置に分岐ライン66ａで接続されている。流体が充填された第３の流体室54の方向でのピストン12，14の動きとともに、第１の室20は空気中の圧力下になり、したがって望ましくない加熱の状態に達しない。後者の場合にはまた制御される流体量が、減らされ、動力ストロークの遂行が最小とされる。分岐ライン66ａと同様に供給ライン66は、図１によれば、別の流体移送接続ライン88に開口しており、この接続ライン88は流体圧シリンダ70の方向で２つに分けられ、ピストン端部90で流体圧シリンダ70に接続されている。
エネルギ蓄積装置は、予圧室30の平均負荷設定又は拡張アーム74の拡張アーム位置が、最大限の圧力にまで内部ガスの圧力が増加するように設定されており、これは、予めバイアスされた機械的な圧縮スプリングに相当している。もし拡張アーム74が持ち上げられるなら、換言すると図１に示されるように上方に上がるなら、流体ポンプ80は、流体制御装置78を通り、接続ライン86と第２の接続プラグ42とを通って圧力流体を流体室22に送り、これによりピストン12，14が図１で右側に動かされる。そのとき第３の流体室54からの流体と一緒に、ピストン式アキュムレータの流体室20内に貯えられていた流体が、流体圧シリンダ70のピストン側90の別の接続ライン88と同様に分岐ライン66ａ又は接続ライン66を通って排出され、これによって、予圧室30の圧力クッションがこの動きを支援し、予圧室30内に貯えられたエネルギが、拡張アーム74に導く流体移送配置が何であれ、それを通って放出される。作動シリンダ70のピストンロッド側72では、そのような方法で排出された流体量が、流体制御装置78へと導く接続ライン76を通って、更に圧力なしに接続ライン82を通ってタンク84へと圧力を解放する。
予圧室30内の流体圧エネルギを蓄積する蓄積過程は、アーム74の下降とともに起り、それによってピストン側90で貯えられた流体が、第１の流体室20とまた第３の流体室54へと再び戻され、その結果第１と第２のピストン12と14が図１で左側に動き、予圧室30の予圧が増加する。更に特に好ましい上昇過程は、中間点近くでの拡張アーム74の動きで支援される。拡張アーム74が作動機械とともに動いている限り、図示されている窒素アキュムレータの形でのガスの供給装置62をなくすことができる。しかしながら、それが、昇降台の近くで動く拡張アームとともに働かなければならないために、もし力定数又は弾性定数が低下するなら、長い作動行程中均一なエネルギの放出を達成するために、予圧室30の室容積がアキュムレータ62の接続により増加される。そのうえ更に流体制御装置78を切換えることによって、流体圧シリンダ70のロッド側が、流体ポンプ80による圧力の下で充填され、このことは、予圧室30のガス圧の増加と同様にその降下の過程をも単純化している。
図３には、別のピストン式アキュムレータが示されており、これは、図２の実施の形態のピストン式アキュムレータと同様に、このエネルギの蓄積の目的に適しており、これには、図１の線図で示されたエネルギ蓄積装置が用いられている。このように図２と同じピストン式アキュムレータの構成部分は、それらが図２の表示に従って配置されている場合は、100桁の番号で増えているが、同じ参照番号で示されている。図２の実施の形態を参照にしてされた説明は、図３の実施の形態のピストン式アキュムレータと必然的に一致しており、以下では、図２で説明した実施の形態とは本質的に異なっているところのみを説明する。
図３の実施の形態では、密封壁126，128は単体で構成され、ハウジング筒136の内部に共にねじ込まれている。接続プラグ140，142は、一方向に、換言すればハウジング110の内部から図３に示されるように下向きの方向に、開口している。２つの部品の隔壁118が、順に中空で筒状の中央部分134を有して、それらは互いに係合され、それによりねじ接続具192によって、２つの部品の隔壁の中央部分のフランジ状の拡大部で緊密な結合が達成される。更に、第１と第２のピストン112，114の筒状の中央の切込部156が、互いに対面すると同様に長手方向の軸138と共に同軸に配置されている。その結果、第１と第２の室120，122内の流体容積の膨脹が起きる。
図２と図３の両者に示されるように、ピストン式アキュムレータの２つの実施の形態は、中心軸38及び長手方向の軸138に本質的に対称的に配置された偏在した配置を示しており、製造上より安いコストの標準の構成部品を使うことで、多数のピストン式アキュムレータの使用でのコストの節約ができる。

Claims (8)

1. 流体ポンプ（80）とピストン式アキュムレータとをもつ流体圧作動装置（70）のエネルギ蓄積装置であって、
   ハウジング（10；110）を有していて、その中に第１と第２の長手方向に移動可能なピストン（12，14；112，114）が配置されており、
   該第１と第２のピストンが連結部品（16；116）によって、互いに向き合うように結合されていて、該連結部品が、該ハウジングの隔壁（18；118）内を長手方向に移動可能に案内されており、
   第１と第２の対面するピストンと該２つのピストン間に配置された該隔壁とで、第１と第２の流体室（20，22；120，122）を区画形成しており、
   これによって、該第１のピストン（12；112）が、該第１の流体室（20；120）の反対側に、事前設定可能な内部のガス圧をもつ予圧室（30；130）該ハウジング内に区画形成していると共に、該第１の流体室（20；120）は、媒体が充填されていて、流体圧作動装置に接続されており、また該第２のピストン（14；114）がピストン式アキュムレータの第３の流体室（54；154）を該ハウジング内に区画形成している、該エネルギ蓄積装置において、
   該第３の流体室（54；154）が、流体圧作動装置（70）及び媒体が充填された該第１の流体室（20；120）にもまた接続され、かつ該第２の流体室（22；122）が可逆の流体制御装置（78）を通って流体ポンプ（80）に接続されている、
   ことを特徴とするエネルギ蓄積装置。
2. 可動なピストン（12；112）に隣接したピストン式アキュムレータの予圧室（30；130）が、ハウジング（10；110）の固定の密封壁（26；126）によって限定されていて、該密封壁が窒素リザーバの形態をしたガス供給装置への接続プラグ（58；158）を有していることを特徴とする請求項１に記載のエネルギ蓄積装置。
3. ハウジング（10；110）の第１と第２の２つの接続プラグ（40，42；140，142）が順に関連した第１と第２の流体室（20，22；120，122）に開口していることを特徴とする請求項１又は２に記載のエネルギ蓄積装置。
4. 作動装置（70）が少なくとも１つの流体圧作動の作動シリンダを有していて、該作動シリンダが、ロッド側（72）で流体制御装置（78）に接続され、ピストン側（90）で第３の流体室（54；154）に接続されていることを特徴とする請求項１〜３に記載のエネルギ蓄積装置。
5. 作動シリンダ（70）が、ピストン側で第１の流体室（20；120）に接続されていることを特徴とする請求項４に記載のエネルギ蓄積装置。
6. 連結部品（16；116）が連結ロッドから形成され、その端部がしっかりと関連した第１と第２のピストン（12，14；112，114）に結合されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のエネルギ蓄積装置。
7. 連結部品（16；116）が隔壁（18；118）と密封接触していて、該隔壁が、両側でハウジング（10；110）のハウジング筒（36；136）を結合するための結合地点を中央支持体（34；134）として形成しており、該ハウジング筒が第１と第２のピストン（12，14；112，114）の長手方向の案内に役立っていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のエネルギ蓄積装置。
8. 使用されているピストン式アキュムレータが、長手方向の軸（38；138）に垂直な中央の軸と、長手方向の軸（38；138）自身との両者に対称に構成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のエネルギ蓄積装置。

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