JP4995809B2 - 流体作動機械 - Google Patents

Description

本発明は、周期的に容積を変化させる作動チャンバーと、各チャンバーの低圧マニホールド及び高圧マニホールドへの接続を制御する弁手段とを有する、流体で駆動されるモーター及び／又は流体を駆動するポンプ（本明細書において、このモーター又はポンプを「流体作動機械」と呼ぶ）に関する。本発明はまた、この機械の運転方法にも関する。

本発明は、特に非圧縮性流体に関するが、本発明を気体に使用することを除外しない。本発明は、特に、少なくとも１つの作動チャンバーがシリンダーを備え、ピストンがシリンダー内で往復運動するように配置された機械に関するが、本発明をフレキシブルなダイヤフラム又は回転ピストンによって構成される少なくとも１つのチャンバーに使用することを除外しない。

特許文献１には、複数のシリンダーを有する流体作動機械が記載されている。電磁式に作動する面シート式ポペット弁が、出力動力を変化させるために異なった数のシリンダーを選択するのに利用される。

流体作動機械が、幅広い運転速度範囲が要求される用途の可変速駆動を形成するように組み合わせて使用される場合には、低速で最大トルクの運転をするために、流体動力モーターに十分な変位容積を与えることは、困難である。従来は、この問題は、３つの方法のうちの１つが採用されてきた。すなわち、有効な変位量を増加させるために、非常に大きな可変容量のモーターが使用され、駆動トレーンのモーターと被動機との間に二速のギヤボックスが挿入されるか、又は、更なる流体動力機械が組み込まれるか、又は、更なる流体動力機械が使用されてきた。

これらのアプローチは、それぞれ不利益と限界を有している。非常に大きな可変容量のモーターは、その作動時間の多くを、最大容量のごく一部でしか使用せず、この部分では運転効率が悪い。ギヤボックスは、主要構成要素の追加となり、かなりの重量の追加となり、バックラッシュの問題も持ち込まれる。ギヤボックスはまた、減速比を変えるために、負荷遮断をする必要がある。更なる水力ユニットを追加することは、切替え弁の追加を伴い、かなり複雑な流体回路を必要とする。追加ユニットはまた、追加モーターが使用されない場合に付随するアイドリング損失を除去するため、追加モーターを切り離すクラッチを使用することによって複雑になる。

WO 91/05163

従って、本発明の課題は、これらの公知のアプローチの不利益に対応する機械を提供することである。

本発明は、流体作動機械であって、周期的に容積を変える、少なくとも１つの第１の作動チャンバーと、少なくとも１つの第１の作動チャンバーの、低圧マニホールド及び高圧マニホールドへの接続を制御する第１の弁とを備え、周期的に容積を変える、少なくとも１つの第２の作動チャンバーと、第２のチャンバーが作動している状態で第２のチャンバーを第１のチャンバーに連通させ、第２のチャンバーがアイドリングの状態で第２のチャンバーを第１のチャンバーから切り離す、第２の弁と、によって特徴づけられる、流体作動機械を提供する。

少なくとも１つの第２の作動チャンバーは、少なくとも１つの第１のチャンバーにのみ接続されることが好ましい。第１と第２のチャンバーが連通されている場合に、作動チャンバーの作動容積は増加し、低い軸速度で変位とトルクは増加する。第１のチャンバー各々に対して、１つずつの第２の作動チャンバーを有することができる。或は、第１のチャンバー各々に対して、１つずつよりも少ない第２のチャンバーを有することもでき、また、第１のチャンバーと直列に又は並列に、弁を介して第２のチャンバーと接続された、第３、或は第４等のチャンバーを有することもできる。

第１と第２のチャンバーは、シリンダーを備えることができ、シリンダーは、クランクシャフトの周りに半径方向に配置され、クランクシャフトを回転させるためにクランクシャフトに接続されたピストンを有する。

第２の弁は、電磁式、油圧式、空気圧式、又は電気機械式のアクチュエーターによって、制御することができる。

第２の弁を閉状態に付勢するために、ばねのような第２の弁の付勢手段を備えることができ、第２の弁の閉状態で第１と第２のチャンバーは互いに切り離される。第２の弁は、第２のチャンバーを通って延びることができるロッドを介して制御することができる。力の伝達要素は、第２の弁の弁部（ロッドは弁部の一部を形成することができる）を、エネルギー貯蔵装置、例えばばね、を介して動かすように配置することができる。もし力の伝達要素が、第１のチャンバーの圧力が高いサイクルにおけるある点で駆動されるようなことが発生したら、この構成は有益である。本発明の機械の一実施例では、１つの力の伝達要素が、複数の第２の弁の弁部を駆動するように配置される。この力の伝達要素は、機械の周りに延びるリングを備えることができる。

本発明の機械の、特定の実施例では、第１の弁は、特許文献１に記載のポペット弁のような面シート式弁を備える。或は、整流ポート弁が使用できる可能性がある。

第１と第２のチャンバーの間の接続及び切り離しに加えて、第１の弁は、特許文献１に記載されているように、機械の所要出力に応じて、第１のチャンバー各々を選択するように操作することができる。

本発明をより容易に理解することができるように、添付図面を、例示としてのみであるが、参照する。

図１は、複数のシリンダーを備える機械を示し、４つのシリンダーが図示されている。このタイプの機械では、シリンダーは、クランクシャフト１の偏心の周りに半径方向に配置されるが、本発明は、このような機械に限定するものではない。

第１のシリンダー４は、以下のように配置される。各シリンダー４の側壁には、高圧マニホールド９と連通する第１のポペット弁（断面位置にないので図示せず）があり、各シリンダー４の端部壁には、低圧マニホールド１０と連通する更なる第１のポペット弁７がある。ポペット弁は、マイクロプロセッサーコントローラーによって電気的に制御される能動型電磁弁である。

ピストン２は、クランクシャフト１の上で作動する。コントローラーは、シャフトエンコーダー、圧力変換器、及び所望の出力速度を指令する信号から入力を受け取る。

第１のポペット弁は、環状の弁体と環状の弁座との係合によって、各第１のシリンダー４を、各マニホールド９、１０からシールし、ソレノイドが、ポペット弁上の強磁性体の材料と作用して各弁体を弁座に対して磁気で動かし、各ポペット弁は、ステムと拡大ヘッドを有し、環状の弁体は、ヘッド上に備えられ、強磁性体の材料は、ステム上に備えられる。

第２のシリンダー５は、第２のシリンダー各々が関連する第１のシリンダー４に隣接し、略同一面に配置される。各第２のシリンダー５の作動容積は、通路１１を介して第１のシリンダーの作動容積に接続される。

図２に、より明瞭に示すように、ボール１２の形態の弁体を備える第２の弁は、通路１１に配置される。第２の弁のばね２０は、ボール１２を通路のテーパー２１に向って押付ける。ボール１２は、ロッド１３に接続され、ロッド１３は、凹部２２まで通路１１に沿って延び、通路は、この凹部に開口する。シール１６は、ロッドの周りに、第２のシリンダー５と凹部２２との間に備えられ、加圧された第２のチャンバー５を隔離する。ロッド１３の端部は、凹部に配置された駆動ばね１５の一端部と接続される。駆動ばね１５は、第２の弁のばね２０よりも剛性が高い。駆動ばね１５のもう一方の端部は、作動リング２３に当接し、作動リング２３は、機械の周りに延び、強磁性材料を備える。コイル１４はまた、リング２３の軸方向位置とは異なる軸方向位置で、機械の周りに延びる。

この機械は、シリンダー４、５の各対に対して第２の弁を備える１つの通路１１を有し、各駆動ばね１５は、作動リング２３に接続される。

第２の弁が閉じられる場合には、第１のシリンダー４のみが作動する。低速において、クランクシャフト１で高トルクを発生するために、コイル１４に電流が流される。この電流は、リング２３をコイル１４の方向に動かし、コイル１４は、駆動ばね１５を第２の弁の方向に押付ける。所定の第１のシリンダー４内の圧力が十分低いならば、第２の弁は、第２の弁のばね２０の作用に逆らって開き、第１と第２のシリンダーを接続し、両者は、今度は、加圧された流体によって駆動される。これに対して、第１のシリンダー４が圧力の高いサイクル位置にあるなら、第２の弁は開くことができず、ボール１２及びロッド１３は、図２に示す位置より右の位置にとどまり、駆動ばね１５は、圧縮される。十分低い圧力点になるやいなや、駆動ばね１５は第２の弁を図２に示す位置に開く。

図２の位置では、ボール１２上の流体流れの力と組み合わされた第２の弁のばね２０の力は、駆動ばね１５を圧縮するのに不十分である。したがって、第２の弁は、コイル１４に流れる電流が止まるまで開いたままであり、コイル１４に流れる電流が止まると、第２の弁のばね２０は第２の弁を閉じる。この構成は、機械を、より少ない流体移動でより高速で運転することを可能にする。

第２の弁は、コイル１４とリング２３を備えるソレノイドの代わりに、空気圧又は油圧アクチュエーターによって駆動することができる。この点に関して、単一の通路を全ての凹部２２と連通させることができ、必要なときに、弁の開閉のために加圧することができる。

本明細書で使用された動詞「備える」は全て、動詞「から成る」及び／又は「含む」を表わすものとして理解されるべきである。

本発明による水力モーターの、概略構成を説明する断面図である。 図１の機械の第２の弁及び関連部品の、概略構成を説明する拡大断面図である。

Claims (16)

1. 流体作動機械であって、
   周期的に容積を変える、少なくとも１つの第１の作動チャンバーと、
   前記少なくとも１つの第１の作動チャンバーの、低圧マニホールド及び高圧マニホールドへの接続を制御する第１の弁と、
   周期的に容積を変える、少なくとも１つの第２の作動チャンバーと、
   前記第２の作動チャンバーが作動している状態で前記第２の作動チャンバーを前記第１の作動チャンバーに直接連通させ、前記第２の作動チャンバーがアイドリングの状態で前記第２の作動チャンバーを前記第１の作動チャンバーから直接切り離す、第２の弁と、を備え、
   前記第２の作動チャンバーが、前記第１の作動チャンバーとのみ連通する、
   流体作動機械。
2. 第１の作動チャンバー各々に対して１つずつの第２の作動チャンバーを備える、請求項１に記載の機械。
3. 前記第２の作動チャンバーと直列に又は並列に、弁を介して前記第１の作動チャンバーと接続された、第３の、或は第４等の作動チャンバーを備える、請求項１又は２に記載の機械。
4. 前記第１と第２の作動チャンバーがシリンダーを備え、前記シリンダーが、クランクシャフトの周りに半径方向に配置され、クランクシャフトを回転させるためにクランクシャフトに接続されたピストンを有する、請求項１、２、又は３に記載の機械。
5. 前記少なくとも１つの第２の弁を閉状態に付勢する、第２の弁の付勢手段を備え、第２の弁の閉状態で前記第１と第２の作動チャンバーが互いに切り離される、請求項１から４のいずれか１項に記載の機械。
6. 前記少なくとも１つの第２の弁が、前記第２の作動チャンバーを通って延びるロッドを介して制御される、請求項１から５のいずれか１項に記載の機械。
7. 力の伝達要素が、前記少なくとも１つの第２の弁の弁部を、エネルギーを貯蔵する装置を介して動かすように配置された、請求項１から６のいずれか１項に記載の機械。
8. 前記エネルギーを貯蔵する装置が、ばねである、請求項７に記載の機械。
9. １つの力の伝達要素が、複数の第２の弁各々の弁部を駆動するように配置された、請求項１から８のいずれか１項に記載の機械。
10. 前記力の伝達要素が、前記機械の周りに延びるリングを備える、請求項９に記載の機械。
11. 前記少なくとも１つの第２の弁を駆動する、電磁式、油圧式、空気圧式、又は電気機械式のアクチュエーターを備える、請求項１から１０のいずれか１項に記載の機械。
12. 前記アクチュエーターが、強磁性体材料の力の伝達要素と、前記機械の周りに延びるコイルとを備える、請求項１０又は１１に記載の機械。
13. 前記少なくとも１つの第２の弁を駆動する、流体アクチュエーターを備える、請求項１から１０のいずれか１項に記載の機械。
14. 前記第１の弁が、面シート式の弁を備える、請求項１から１３のいずれか１項に記載の機械。
15. 前記第１の弁が、機械の所要出力に応じて、第１の作動チャンバー各々を選択するように操作することができる、請求項１から１４のいずれか１項に記載の機械。
16. 前記流体作動機械が、流体で駆動されるモーターである、請求項１から１５のいずれか１項に記載の機械。

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