JP5074426B2 - 蓄圧器、特に脈動緩衝器 - Google Patents

Description

本発明は、長手軸を形成し、流体の流入開口部と流出開口部とを有する蓄圧器ハウジングを有する蓄圧器、特に脈動緩衝器であって、２つの作動室、特に作動ガスのためのガス室と流体室が、蓄圧器ハウジングの内部で、ベローズ状の分離部材によって流体を通さないように、特に気体を通さないように互いから分離されており、かつ分離部材の一方の端部がガス室の、ハウジングに取り付けられた終端を形成する蓋に結合され、他方の端部が蓄圧器ハウジング内で軸方向に移動可能なピストン部分に結合されており、そのピストン部分がガス室の移動可能な終端を形成し、その結果、ピストン部分の作動運動が、分離部材に隣接する両作動室の容積を変化させる、蓄圧器に関する。

この種の蓄圧器は公知である（特許文献１参照）。この種の蓄圧器は、油圧システムにおいて、測定装置と制御装置、フィルタ、および、システムに組み込まれている他の構成要素を有害な脈動から保護するために、圧力変動を緩衝するのに用いられている。

好ましい用途は、内燃機関、特に、船舶上の、またはブロック式火力発電所の大型ディーゼルエンジンの噴射システムにおける脈動ダンパーとしての使用である。その場合に、圧力変動は、燃料供給システムでも燃料還流システムでも発生し、その際、脈動の周波数と特性は、システムからの燃料の取出し、圧縮、高圧噴射ポンプによる燃料の噴射、および、システムへの接続部の新たな開放を含む噴射プロセス手順によって決まる。８シリンダ４ストロークエンジンの場合、この周波数は、例えば、回転数が６００回転／分の時に４０Ｈｚである。それぞれシステムの特性、予め定められた燃料給送圧力および高圧ポンプの動作の仕方に応じて、５０バールより大きい圧力ピークが発生することがある。

この種の燃料システム内には、通常、粘度計、温度計などのような測定装置が組み込まれており、それらは圧力変動に敏感なので、圧力変動を除去し、あるいは少なくとも減少させることが、重要である。

独国特許出願公開第１０２００４００４３４１号明細書

これを考慮して、本発明の課題は、コンパクトな構成にもかかわらず、特に良好な緩衝作用を特徴とする蓄圧器を提供することにある。

本発明によれば、この課題は、全体として、特許請求項１の特徴を有する、蓄圧器によって解決される。

請求項１の特徴部分によれば、従来技術に対する本質的な発明的特徴は、両方の流体接続部である流入開口部と流出開口部が単一の軸線上にある、インライン構造が実現されていることにある。蓄圧器ハウジングの一方の端部に流れの方向を転換するブロックが設けられ、このブロックに２つの流体接続部が配置され、このブロックの内部の、方向を転換させる面によって、流入する流体と流出する流体のための流路が形成されている公知の方策に比べて、本発明では、構成の長さがより短くなり、したがって、所望のコンパクトな構造が得られる。インライン構造によれば、より簡単かつ場所をとらない組み込みも可能になる。蓄圧器ハウジングが、例えば、円筒形状を有する場合、組み込まれた後の蓄圧器は、ベースの導管と、直径においてのみ異なる、導管の中間片のようになる。インラインの組み込みの場合には、蓄圧器から導管へ曲げ／捻りモーメントが加えられないので、場合によっては、取り付け部材の数を減らすことができる。

ハウジングの各端部に、開口部が１つだけ設けられているので、流体接続部を特に大きな寸法にすることができ、その結果、従来技術よりもずっと大きな流量を実現することができる。これにより、蓄圧器ハウジングを通る流れが蓄圧器ハウジングの長手方向に生じることと組み合わせて、緩衝作用の望ましい改良が得られる。

分離部材として、互いに重なるように配置された複数の折り部または薄膜対を有する金属ベローズであって、この金属ベローズは、その内部空間に、蓋とピストン部分との間でガス室を形成している金属ベローズが設けられるのが好ましい。この種の金属ベローズを用いた場合、実際的に、ガスの損失は発生しない。適切な金属、例えばステンレス鋼を用いた場合、ディーゼルオイル、重油またはバイオ燃料のような、腐食性の流体による問題は生じない。適切な金属材料は、２００℃を遙かに超える温度に耐えるので、燃料温度の上昇も妨げにならない。金属ベローズは溶接結合されるので、追加のシールなしで、気密に終端が形成される。

好ましい実施態様において、ピストン部分は、その、流体室に隣接する側に、流体室の体積を増大させる中空室を有している。この場合、ピストン部分が円筒状の側壁を備えるカップ形状に形成されており、その側壁が金属ベローズの円柱状の内部空間内へ金属ベローズの折り部の内側に沿って延び、進入深さがピストン部分の作動運動に応じて変化する構成になっている場合に、流体室の容積の増大が、同時に、ガス室の容積の減少を伴う。それに基づいて複数の利点が得られる。一方で、「カップ」の深さの選択によって、流体室に対するガス室の容積比を、それぞれの作動条件に合わせることが可能になる。他方で、ガス室の容積が小さいことが望ましい場合でも、金属ベローズの長さを、金属ベローズが複数の折り部を有するように十分に長く選択することができるという特別な利点が得られる。それによって、交互運動が行われる時に、ベローズの材料応力が耐え得る範囲内になり、その結果、作動の信頼性を低下させること無く、できるだけ大きいストロークを、できるだけ多く繰返すことができることが保証される。

最後に、ピストン部分が金属ベローズの内部空間内へカップ状に延びていることによって、金属ベローズは、内側から案内され支持されるので、角度のつく変位または横方向の変位の可能性が制限され、それによって、金属ベローズが、好ましくない動作状態になるのに対して保護され、最適な運動挙動が保証される。

特に簡単かつ安価な構成では、蓄圧器ハウジングは、円筒状の管状体であり、その中に金属ベローズが、管状体の内壁と金属ベローズの外側との間に環状空間を形成しながら、同軸に支持されており、環状空間が、流入開口部と流出開口部の間の流体の流路の一部を形成している。

この場合、環状空間によって形成される流路の内側の断面が流入開口部および流出開口部の内側の断面と等しいか、それより大きくなる程度に、管状体の内径が金属ベローズの外径よりも大きく選択されれば、顕著な絞りを生じること無く、できるだけ大きい流体流量が実現される。

これを考慮して、金属ベローズの蓋が、支持構造を介して管状体の内壁に取り付けられ、その支持構造の構造部材が、環状空間と、それに隣接する流出開口部との間の流路における絞りを最小限に抑えるように構成されている構成が好ましい。このために、支持構造は、管状体の内壁に取り付けられた保持リングであって、この保持リングに、金属ベローズの蓋が、蓋の側端縁から保持リングへ延びる取り付けロッドを介して結合されている、保持リングを有することができる。保持リングと取り付けリングを相応に細くすれば、わずかな流れ抵抗しか生じない。

例えば、流体のシステムの圧力が生じておらず、ガス室が作動ガスで事前に満たされている場合に、ピストン部分の、金属ベローズを引き延ばす作動運動を制限するために、ピストン部分と協働するストッパ装置が設けられている。

金属ベローズの蓋を取り付ける支持構造と同様に、ストッパ装置も、構造部材が、それによって生じさせられる流路の絞りを最小限に抑えるように選択されている構造によって形成することができる。この場合も、管状体の内壁に取り付けられた保持リングと、保持リングの内側空間に張り渡された少なくとも１つの取り付けロッドを設けることができる。

作動室を事前に充填する作動ガスとしては、例えば、窒素ガス（Ｎ₂）が考えられる。付加的に、ガス室を追加のある量のアルコール、好ましくはエチレングリコールで満たすことができる。それによって、ガス室の容積を、微調節の目的で付加的に減少させることができる。

アルコールの付加的な量が十分である場合、金属ベローズの保護機能が得られ、すなわち、ピストン部分が、例えば流体システムにおける過剰な圧力で、金属ベローズの蓋に衝突する前に、ピストン部分と蓋との間に、保護用の流体クッションが形成される。

以下、図に示す実施形態を用いて、本発明を詳細に説明する。

図に示す、脈動ダンパーとして使用可能な、本発明に基づく蓄圧器の実施形態は、蓄圧器ハウジングとして、長手軸３を有する円筒形の管状体１を備えている。管状体１は、その内壁５に、後述するスナップリングのための座としての、幅の狭い環状溝７を有し、また、その両方の端部領域にそれぞれ内ねじ９を有している。両方の端部において、これらの内ねじ９に、蓄圧器蓋１１がねじ合わされており、これら２つの蓄圧器蓋１１は同一に形成されており、それぞれシール部材１３を介して管状体１に対してシールされている。図の左に位置する蓄圧器蓋１１は、中央に、圧力変動を緩衝すべき流体のための流入開口部１５を有しており、図の右に位置する蓄圧器蓋１１は、この流体のための流出開口部１７を有している。

長手軸３に対して同軸の構成において、管状体１の内部空間内には、図２と３に別々に示す緩衝ユニットが設けられており、これらの緩衝ユニットは、図２と３において全体を符号１９で示されている。緩衝ユニットの主要な構成要素は、円筒形状の折畳みベローズの形態の金属ベローズ２１であり、金属ベローズ２１は、図１では、完全に引き延ばされた状態で示されており、これは、金属ベローズ２１内にあるガス室２３が最大の容積になっているのに相当している。折畳みベローズの代わりに、詳しくは示さない薄膜ベローズを使用することもでき、この薄膜ベローズは、互いに重ねて配置された複数の折り部の代わりに、同様に配置された複数の薄膜対を有している。ガス室２３の、ハウジングに取り付けられる終端を形成するために、金属ベローズ２１の端部２５が蓋２７に溶接されている。金属ベローズ２１は、その他方の端部２９においては、ピストン部分３１に溶接されており、ピストン部分３１はガス室２３の、移動可能な終端を形成し、かつ蓄圧器ハウジング内で軸方向の作動運動を行うことができ、その作動運動によって、ガス室２３、および、緩衝ユニット１９を包囲する流体室３３の容積変化が生じさせられる。

蓋２７は、支持構造を介して管状体１の内壁５に取り付けられている。この支持構造は、既に述べた環状溝７内に取り付けられたスナップリング３７を用いて取り付けられている保持リング３５を有している。また、保持リング３５は、取り付けロッド３９を介して蓋２７の側端縁と結合されている。

図１から明らかなように、ピストン部分３１は、カップの形状を有しており、そのカップの円筒状の側壁４１が、金属ベローズ２１の内部空間内へ突出しており、この際、内部空間への進入深さは、ピストン部分３１の、作動運動におけるピストン位置に左右される。説明したように、ピストン部分３１は、図１の記載では、ガス室２３が最大の容積であるのに相当する終端位置にあり、この時、ピストン部分３１は、そのカップの、開いた端縁が、ストッパ装置の一部を形成するロッド４３に当接している。このストッパ装置は、蓋２７の支持構造として用いられているのと同様な構造によって構成されており、すなわち、保持リング４５は、環状溝７内のスナップリング４７によって取り付けられており、ロッド４３は、保持リング３５上の取り付けロッド３９と同様な仕方で、保持リング４５の内縁から延びている。

蓋２７は、中央の充填接続部４９を有しており、それを介してガス室２３に、作動ガス、すなわちＮ₂と、追加のある量のアルコール、好ましくはエチレングリコールから構成される事前充填物を供給することができる。

２つの蓄圧器蓋１１は、開口部を１つだけ有し、すなわち、流入開口部１５または流出開口部１７のみを有しているので、大きな流量を達成できるように、開口断面を大きくすることができる。大きい体積の流れが、顕著な絞りを生じさせられることなく蓄圧器ハウジングを貫流することができるようにするために、管状体１の内径と金属ベローズ２１の外径は、流体室３３に属する流路の一部として、十分に大きい環状室５１が得られるように選択されている。これを考慮して、蓋２７の支持構造の構成部材も、流路を実質的に妨害しないように選択されており、すなわち、流れが蓋２７の外端縁の周りに比較的妨害されずに生じることができるように、保持リング３５も取り付けロッド３９も、図から明らかなように、細く形成されている。同様なことが、ピストン部分３１のストッパ装置の構成についても当てはまり、ストッパ装置は、細く形成された保持リング４５および細いロッド４３のために、たいした流れ抵抗を生じない。

蓄圧器ハウジングを単純な管状体１によって形成し、ハウジングの末端を、同一に形成された蓄圧器蓋１１によって形成することによって、特に容易かつ安価な製造が可能になる。緩衝ユニット１９を、全体として管状体１内へ挿入してスナップリング３７，４７によって取り付けることができる構成ユニットとして予め形成することができるので、組立てが特に簡単になる。その際、構成ユニットとして予め形成される緩衝ユニットは、特に、本来の金属ベローズ２１と、ピストン部分３１および保持リング３５からなっている。

然るべき事前充填量の時に、金属ベローズ２１の保護機能が得られ、すなわちピストン部分３１の自由端面が、それに対面する、保持リング３５の蓋２７の面に衝突する前に、これらの部分の間に流体層が形成される。それによって、さらに圧力が上昇しても、金属ベローズ２１が径方向に圧縮されるのが回避される。

ガスで予め充填された状態において、ピストン部分３１は、ストッパ装置上に取り付けロッド４３によって支持され、したがって、金属ベローズ２１は最大に延びている。この状態において、金属ベローズは、内部のガス事前充填圧力をどのような状態でも保持するように構成されている。他のすべての駆動状態において、金属ベローズ２１は、ほぼ圧力を均等化された状態にある。金属ベローズは、システムの圧力、および、金属ベローズ内で支配的なガス温度に応じて、流体を取入れまたは流体を排出することによって、極小値と極大値の間で、全ての圧力変動を緩衝し、または解消することができるように構成されている。したがって、このような作動原理は、ダンパーに用いられる旧来の液圧と空気圧を利用した蓄圧器の作動原理に相当している。

取り付けロッド４３を備えるストッパ装置は、金属ベローズ２１、ピストン部分３１、保持リング３５、および（ガス）充填接続部を含む構成要素から形成されている金属ベローズアッセンブリの内部でシステムの圧力が事前充填圧より下がっている限り、ピストン部分３１を支持するのに用いられ、これは、例えば金属ベローズ２１の蓄圧器が窒素で事前充填されている場合に生じることがある。ピストン部分３１の自由端面を支持することによって、システムの圧力が事前充填圧よりも小さくなった場合でも、蓄圧器を通る自由な流れが生じることが可能になる。その際、ピストン部分３１は、どのような場合にも、蓋１１の流体開口部１５を塞ぐことはない。

本発明に基づく蓄圧器の実施形態を示す縦断面図である。 図１の実施形態の蓄圧器ハウジングの内部に設けられた緩衝ユニットのみを、実質的に図１に矢印IIで示す視線方向で示す斜視図である。 図２に相当する、緩衝ユニットの斜視図であるが、実質的に図１に矢印IIIで示す視線方向で示している。

Claims (9)

1. 長手軸（３）を形成し、流体のための流入開口部（１５）と流出開口部（１７）を有する蓄圧器ハウジング（１）を有し、
   ２つの作動室、すなわち、ガス室（２３）と流体室（３３）が、前記蓄圧器ハウジング（１）の内部でベローズ状の分離部材（２１）によって流体を通さないように、互いに分離されており、
   前記分離部材（２１）の一方の端部（２５）が、前記ガス室（２３）の、前記蓄圧器ハウジングに取り付けられた終端を形成する蓋（２７）に結合され、
   前記分離部材（２１）の他方の端部（２９）が、前記蓄圧器ハウジング（１）内で軸方向に移動可能なピストン部分（３１）と結合されており、
   該ピストン部分（３１）が前記ガス室（２３）の移動可能な終端を形成し、前記ピストン部分（３１）の作動運動が、前記分離部材（２１）に隣接する前記両作動室の容積変化を生じさせる、蓄圧器において、
   流体が、前記蓄圧器ハウジング（１）を、該蓄圧器ハウジング（１）の長手方向に、かつ前記ピストン部分（３１）の作動運動の方向に貫流できるように、前記流入開口部（１５）と前記流出開口部（１７）が、前記蓄圧器ハウジング（１）の、軸方向に反対側の端部の一方と他方にそれぞれ設けられており、
   前記蓄圧器ハウジングが、円筒状の管状体（１）であり、該管状体（１）内に前記金属ベローズ（２１）が、前記管状体（１）の内壁（５）と前記金属ベローズ（２１）の外側との間に環状室（５１）を形成しながら同軸に支持されており、前記環状室（５１）が、前記流入開口部（１５）と前記流出開口部（１７）の間の流体の流路の一部を形成しており、
   前記金属ベローズ（２１）の前記蓋（２７）が、支持構造（３５，３９）を介して前記管状体（１）の前記内壁（５）に取り付けられており、 前記支持構造が、前記管状体（１）の前記内壁（５）に取り付けられた保持リング（３５）を有しており、前記金属ベローズ（２１）の前記蓋（２７）が、前記蓋（２７）の側端縁から前記保持リング（３５）へ延びる取り付けロッド（３９）を介して、前記保持リングと結合されている、
   ことを特徴とする蓄圧器。
2. 前記分離部材として、互いに重なるように配置された複数の折り部または薄膜対を有する金属ベローズ（２１）が設けられており、
   該金属ベローズが、その内部空間に、前記蓋（２７）と前記ピストン部分（３１）の間で前記ガス室（２３）を形成している、
   ことを特徴とする、請求項１に記載の蓄圧器。
3. 前記ピストン部分（３１）が、その、前記流体室（３３）に隣接する側に、該流体室の容積を増大させる中空室を有している、
   ことを特徴とする、請求項２に記載の蓄圧器。
4. 前記ピストン部分（３１）が、円筒状の側壁（４１）を備えるカップ形状に形成されており、
   前記側壁が、前記金属ベローズ（２１）の円柱状の内部空間内へ、前記金属ベローズ（２１）の前記折り部の内側に沿って、前記ピストン部分（３１）の作動運動に従って変化させられる進入深さに延びる、
   ことを特徴とする、請求項３に記載の蓄圧器。
5. 前記環状室（５１）によって形成される流路の内側の断面が、前記流入開口部（１５）と前記流出開口部（１７）の内側の断面と等しいか、それより大きくなる程度に、前記管状体（１）の内径が、前記金属ベローズ（２１）の外径よりも大きく選択されている、
   ことを特徴とする、請求項１に記載の蓄圧器。
6. 前記ピストン部分（３１）の、前記ガス室（２３）の容積を増大させる作動運動を制限するストッパ装置（４３，４５）が設けられている、
   ことを特徴とする、請求項１に記載の蓄圧器。
7. 構造部材によって生じさせられる、前記流入開口部（１５）と前記環状室（５１）の間の流路での絞りを最小限に抑えるように前記構造部材が選択されている構造によって前記ストッパ装置（４３，４５）が形成されている、
   ことを特徴とする、請求項６に記載の蓄圧器。
8. 前記ストッパ装置が、前記管状体（１）の前記内壁（５）に取り付けられた保持リング（４５）と、該保持リング（４５）の、互いに実質的に反対側の領域の間を延びる少なくとも１つの取り付けロッド（４３）とによって形成されている、
   ことを特徴とする、請求項７に記載の蓄圧器。
9. 前記ガス室（２３）が、前記作動ガスによる充填に加えて、アルコールによって充填されていることを特徴とする、
   請求項１から８のいずれか１項に記載の蓄圧器。

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