JP6770190B2 - 液圧アキュムレータの重量を測定する装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、液圧アキュムレータの重量を液圧アキュムレータの運転中に液圧設備内部で測定する装置であって、加圧下の液体が、ガスを少なくとも部分的に充填された圧力容器内に導入されてガスを圧縮し、そして加圧下の液体が、アキュムレータから出た時に液圧エネルギーが設備に放出されるように貯えられ、液圧アキュムレータの重量が、液圧アキュムレータに作用する計量装置によって検出される、装置に関する。

液空圧アキュムレータ又は液圧アキュムレータにおいて、このような形式のアキュムレータの規定通りの運転のために必要なガスプレロードを所定の時間間隔で制御することが今まで必要であった。それというのも、それぞれの液圧アキュムレータの運転形式に応じてガス損失を大抵の場合に計算に入れなければならないからである。このために、対応する液圧設備を、いわゆる液体側又は油側で完全に無圧にすることができ、いずれの場合にも少なくともそれぞれの液圧アキュムレータが接続されている設備部分を完全に無圧にすることができ、これによりこのような無圧状態で、液圧アキュムレータ内に存在する、大抵の場合には窒素ガスの形態を成すガスのガスプレロード圧を検査し、場合によってはアキュムレータのガス側の不足量を補充することができる。しかしながら、このような動作は多大な時間を費やし、液圧アキュムレータ設備はこのような検査の期間中には運転することができない。

このような欠点に対処するために、ある特許文献では、液空圧アキュムレータ内に収容可能なガスの実際ガスプレロード圧を測定する装置が提案されており（例えば、特許文献１参照。）、この装置の場合、アキュムレータと、アキュムレータ容積の小部分を有する測定チャンバとの間のガス案内接続部が形成されており、このガス案内接続部は遮断装置によって遮断することができ、アキュムレータと遮断装置との間に配置された圧力値センサによって、接続部遮断時にはアキュムレータ内のガス圧を、そして接続部開放後にはこれに伴って生じる圧力変化を測定することができ、これにより、このように得られた圧力値対から実際ガスプレロード圧をコンピュータにより検出できるようになっている。このように、実際プレロード圧は、構造的に単純な手段を用いて、ただ１つの測定動作によって検出することができ、ひいてはアキュムレータの運転状態を告知することができる。測定から検出された実際プレロード圧がつまり目標ガスプレロード圧よりも小さいか又は大きい場合には、アキュムレータは予め規定可能なガス量をそのガス側で、相応の調量装置を介して充填し、もしくはアキュムレータを空にすることによって、液圧アキュムレータの運転安全性を保証することができる。しかしながら、この公知の解決手段の場合、液圧アキュムレータ内の作業ガス又は貯えガスは、接続された測定チャンバ内への測定動作のために流入時には必然的に弛緩するので、貯えガスと被測定ガスとの間に温度差が生じ、このことは測定品質に不都合な影響を及ぼす。

さらに、別の特許文献に基づき公知の、ピストンアキュムレータの形態を成す液圧アキュムレータのための超音波試験装置は、アキュムレータのガス側と液体側との間の分離エレメントとして形成された、アキュムレータハウジング内部で移動可能なピストンの予め規定可能な目標位置を検査するのに役立つ（例えば、特許文献２参照。）。ピストンは、試験装置によって検出可能な少なくとも１つの試験体を有している。試験体には、アキュムレータハウジングの外側に設けられた、ピストンの目標位置を特徴付ける目視可能なマークが対応配置されている。このようなアキュムレータハウジング・マークに関連して、ピストンのそれぞれの試験体のために設けられた超音波試験装置を、アキュムレータハウジング又は圧力容器ハウジング上に載置させることができるので、ただ１つの試験装置によって、このようなマークを有する所定の規模の数多くの種々のアキュムレータを検査することができ、このことは装置技術的な検査の手間を控えめに保つ。

ピストンアキュムレータ内部のピストンの位置は液圧アキュムレータのガス側の所定の予め規定可能な充填量と同一視することができるので、試験装置としてただ１つの手持ち式装置を用いて、多数のアキュムレータを予め規定可能なガス圧目標値の維持に向けて検査することができる。ガス圧目標値は通常、送達又は始動時におけるアキュムレータの元のガス前充填圧に相当する。ガス圧実際値が目標値から逸れている場合、実際値が特に目標値よりも小さい場合には、ピストンアキュムレータの分離ピストンは、液体が増大して流入するのに基づき、このアキュムレータの減少する貯蔵ガスの方向へスライドし、ピストンは予め記されたマークから外れる。このことを超音波試験装置は認識し、こうしてアキュムレータのガス側でピストンを再びその予め規定可能な目標位置、すなわちアキュムレータハウジングのそれぞれのマークを介して特徴付けられる目標位置を占めるまで補充を行うことを可能にし、こうして液圧アキュムレータの全機能性を復活させる。

上記試験装置は手で操作しなければならず、場合によっては数多くの液圧アキュムレータを検査しなければならないので、このことは手による試験の多大な手間を招く。これには相応に高いコストが伴う。

独国特許発明第４３２０３８３号明細書 独国特許出願公開第４２２７６５７号明細書

このような従来技術から出発して、本発明の根底を成す課題は、僅かな手間で、そして測定エラーがない状態で、液圧アキュムレータの機能安全性に関して告知することができる装置並びに方法を提供することである。

このような課題は、全体として請求項１に記載の特徴を有する装置、並びに請求項９及び１０に記載の特徴構成に基づく方法によって解決される。

請求項１の特徴によれば、それぞれの液圧アキュムレータに作用する別個の計量装置によって、液圧アキュムレータの運転中にも、これが接続されている液圧設備の内部で液圧アキュムレータの重量が有利には連続的に検出される。それぞれの液圧アキュムレータに有利には絶え間なく又は永久的に作用する計量装置は、液体、例えば作動液で部分的に充填されていない出発状態において、その空重量を突き止めることができる。所定の大きさクラスのそれぞれの液圧アキュムレータの空重量を検出したならば、測定値又は経験値に基づいて、液圧アキュムレータのガス側で予め規定可能なガス前圧によってプレロードを加えて液圧アキュムレータが運転に関して確実にその機能に従うようにするために、どの程度の量の液体をこのようなアキュムレータが収容し得るかも判る。このような考えにおいて、その機能上の「運転重量（Betriebsgewicht）」が知られている基準（Referenz）−液圧アキュムレータを徹底的に利用することもできる。液圧アキュムレータは、これが接続されている液圧設備の枠内にあるならば、少なくとも長期的に見て、ガス側において、ガス側を液体側から隔離するそれぞれの分離エレメントの側の例えば透過又はその他の非シール性によって、液体側へ向かってガスが失われる。その結果、実際ガスプレロード圧は目標圧を下回り、そして必然的により多くの液体がアキュムレータ内へ達することになる。しかしながらこのことは、液圧アキュムレータに接続された計量装置によって直接に突き止めることができる。ここで予め規定可能な、もはや許容し得ない質量限界値を超えると、それぞれの液圧アキュムレータはすぐにそっくり交換するか、或いはそのガス側においてメンテナンスの枠内で補充することができる。

アキュムレータの重量測定が連続的に可能であることにより、液圧アキュムレータの機能安全性がもはや保証されなくなるのはいつか、その告知を可能にする、傾向の進展（tendenzielle Entwicklungen）を認識することもできる。極端な事例では、通常エラストマーダイヤフラム又はアキュムレータブラダの形態を成す液圧アキュムレータの分離エレメントに裂け目ができることがあり、あるいはピストンアキュムレータの分離ピストンは周面側で非シール性になることもある。その結果、このような故障時には液圧アキュムレータはその全ガス量を液体側へ向かって失い、そして次いでアキュムレータの運転中に液体は完全に圧力容器又はアキュムレータハウジングを満たし始める。このことを計量装置は液体の重みによってアキュムレータの重量が急速に増大したことに基づいて、確実性をもって直接に認識する。特に、原子力発電所にも見られるような機械設備における非常時機能の枠内で使用されている液圧アキュムレータはこのように、より長い運転期間にわたって計量装置によって、その必要とされる機能安全性に向けて検査することもできる。このことは高い安全性利得を示す。

特に正確な測定のために、計量装置は、上方に配置された制御・監視電子装置に接続することができる。この電子装置内には圧力値及び／又は温度値も共に入るので、通常のガス状態方程式から出発して、検出された重量を、それぞれの液圧アキュムレータ内の厳密に導入された液体量及びガス量に逆算することができる。液圧アキュムレータはそれ自体閉じたシステムなので、通常の場合には、アキュムレータの液体側で圧力値及び／又は温度値を取り出すので充分である。それというのも、少なくとも長期にわたる運転時には、アキュムレータのガス側の圧力値及び／又は温度値はその液体側に必然的に適合されるからである。

本発明はさらに、有利には本発明による装置を使用することによって、圧力容器のガス側のそれぞれ存在するガス貯え量を突き止めるために液圧アキュムレータにおける重量測定を行う方法であって、液圧アキュムレータの予め規定可能な運転状態時に圧力容器の液体側で液体量が不所望に増大する場合に、目標値としての基準値から出発して、実際値としてのそれぞれのガス貯え量が突き止められる、方法に関する。

このような重量測定方法によって、ピストンアキュムレータにおいてピストン位置を測定することにより、ピストンの検出された位置を介して間接的にやはり液圧アキュムレータのガス貯え量をその運転中に逆推論することもできる。

図面に示した実施例に基づき、液圧アキュムレータの重量を測定する本発明による装置を以下に詳しく説明する。図面は原理的に示されており、原寸に比例したものではない。

図１は、ピストンアキュムレータもしくはブラダアキュムレータを、それぞれ所属する計量装置と共に示す斜視図である。 図２は、ピストンアキュムレータもしくはブラダアキュムレータを、それぞれ所属する計量装置と共に示す斜視図である。 図３は、図２のブラダアキュムレータのために活用されているような計量装置を示す、斜視図である。 図４は、図２のブラダアキュムレータのために活用されているような計量装置を示す、側面図である。

図１は、ピストンアキュムレータ１２の形態を成す液圧アキュムレータ１０の重量を測定する装置を示している。アキュムレータ１０，１２のそれぞれの実際の重量は、液圧アキュムレータ１０に作用する計量装置１４によって検出される。

このような液圧アキュムレータは専門用語では、ハイドロリック・アキュムレータ（Hydraulikspeicher）、ハイドロニューマチック・アキュムレータ（hydropneumatischer Speicher）とも呼ばれ、或いはアキュムレータ（Akkumulator）とも呼ばれる。基本的には、このような液圧アキュムレータは、アキュムレータ内部に特に作動液の形態を成す加圧された液体を貯える。プレロードをかけられたガスの加圧下でアキュムレータの液体が新たに液圧設備の液圧循環路内へ解放されると、貯えられた液圧エネルギーを放出することができる。このために、それぞれの液圧アキュムレータ１０は、図１及び２において詳細には示されてはいない、通常はアキュムレータの下側に設けられた配管を介して、液圧回路又は液圧設備（図示せず）に接続されている。アキュムレータ内の液体圧力は、液圧アキュムレータ内に収納された、通常は窒素の形態を成すガスを圧縮する。既に述べた体積取り出し時には、アキュムレータガスは膨張し、ガス側の圧力は低減する。液圧アキュムレータ内の貯蔵ガス及び作動液は大抵の場合、分離部材によって有利には媒体密に互いに隔離されている。アキュムレータの構造に応じて、異なる分離部材が使用される。例えばダイヤフラムアキュムレータは分離部材としてダイヤフラムを有し、ブラダアキュムレータはエラストマーブラダを有し、ピストンアキュムレータはピストンを有し、そしてベローズアキュムレータは通常、分離部材又は分離エレメントとして金属ベローズを有している。分離部材又は分離エレメントによって、それぞれの液圧アキュムレータの使用期間がより長くても、液体からのガスの分離を保証しようとしている。基本的には、ガスが分離エレメントを介してアキュムレータの液体側へ逃げるのを回避することはできない。

このように、実際のガス損失は実質的には、分離ダイヤフラム又はアキュムレータブラダの使用されるエラストマー、並びに使用される液体、及びアキュムレータガスの分子サイズに依存する。さらなる影響量は、分離エレメントの材料及び厚さの選択によって予め規定されている。ガス側と液体側との間の液圧アキュムレータの運転中の圧力差、並びに運転中の負荷交番数、及び液圧アキュムレータの使用温度も徹底して重要な役割を有する。ピストンアキュムレータは基本的には、アキュムレータ又は圧力ハウジングの内周面で案内される分離ピストンのシールシステムを介して、ピストンアキュムレータのガス側からその液体側へガスを失うことがある。これに対して、別の種類の液圧アキュムレータとしての上記金属ベローズアキュムレータは実際に気密であり、透過を有しない。それというのも、通常、このために使用されるベローズ状の金属ダイヤフラムは高温においてもガスを通さないからである。故障時のみ、つまり金属ベローズが裂けた時にのみ、同様にアキュムレータの機能不全を引き起こす。このことはダイヤフラムアキュムレータ、ブラダアキュムレータ、並びにピストンアキュムレータのための分離エレメントのそれぞれの故障時にも当てはまる。

それぞれの液圧アキュムレータを設計するために、ガス状態変化の公式が利用される。液圧アキュムレータのためのアキュムレータガスとして、通常は窒素が使用される。計算時及び設計時にはアキュムレータはしばしば理想的なガス状態変化を有するように計算される。圧力が極めて高い時には、これに関して真のガス挙動を含めなければならない。さらに、圧力変化、温度変化、及び体積変化の測定値を含めて反復計算が用いられる。

既に述べたように、それぞれの液圧アキュムレータの機能性は、アキュムレータのガス側における損失により、アキュムレータ１０内の予め規定可能な圧力下にある、アキュムレータが有する貯蔵ガス又はアキュムレータガスが余りにも少ない時に損なわれる。このような事例の場合、液圧アキュムレータ１０の液体側において、液体の取り込み量が必然的に増大する。このことは、容易に液圧アキュムレータ１０のための計量装置１４を介して検出することができる。

このように、例えば計量装置１４によって液圧アキュムレータ１０の始動前にその空重量を検出することができ、そして次いで、既知の機能するアキュムレータの基準値から出発して、液圧アキュムレータ１０内部の理想的な液体充填量を予め規定することができる。液体は計量装置１４によって重量検出され、さらに監視される。これにより、所定の構造形式及び構造サイズの液圧アキュムレータ１０が機能するために運転中にどの程度の重量を有するべきかが極めて正確に判る。アキュムレータの運転中にガス側のガス貯え量が不所望に減少した場合には、相応にサイクルに応じて、液体量が液体側で増大し、そしてこれに関連する質量又は重量の増大が計量装置１４によって検出される。予め規定可能な限界値を上回ると、それぞれの液圧アキュムレータ１０は、機能を損失したもの、又は機能不全であると認識され、その結果、液圧アキュムレータはそのガス側で、予め規定可能な圧力下のガスを補充されるか、或いは新しいアキュムレータにすぐにそっくり交換される。

計量装置１４は液圧アキュムレータ１０に永久的に接続されており、連続的に測定を行うので、詳しくは図示されていない評価・診断ユニットを介して、アキュムレータの機能安全性をなおもどのくらい長く計算に入れることができるか、その傾向を突き止めることもできる。ここではピストンアキュムレータ１２のための分離ピストンの形態を成すそれぞれの分離エレメントが故障すると、このことは計量装置１４によって直接に突き止められる。それというのも、この時には液圧アキュムレータ１０全体が液体を極めて急速に満たされ、著しく上昇する液体取り込み量が計量装置１４、並びに接続された評価電子装置によって、液圧アキュムレータ１０の故障と解釈されるからである。これにより、液圧アキュムレータが例えば発電所領域内に見られるような機械設備、すなわち、計量装置がインシデント（Stoerfall）時にも液圧アキュムレータの機能を保証することにより液圧アキュムレータの安全性を故障時に保証しようとする機械設備に設けられている場合、このような計量装置１４の使用は、このような液圧アキュムレータ１０にとっても特に有意義なものになる。

間接的には、計量装置１４による液体貯え量及びガス貯え量の状態検出を介して、ピストンアキュムレータ１２のアキュムレータハウジング内部のピストン位置に関する告知を行うこともできる。このことはさらに、ピストンがアキュムレータハウジング１６内部で分離エレメントとして所望通りに妨害なしに動いていることに関する告知を可能にする。

アキュムレータ１０の液体側が通常は底部側で接続されている、液圧設備の図示されていない配管は、計量装置１４による重量測定を極めて間接的にしか損なわない。それというのもこのような配管は構造形式に起因して基本的には従動性を有するからである。そしてこのような重量に対する影響は、計量装置１４が接続されている評価電子装置を介して相応に差し引くことができる。液圧アキュムレータ１０のそれぞれの運転状況に関する誤測定はこれにより排除されている。

図１によれば、計量装置１４は円環状の受容体１８を有している。この受容体１８は液圧アキュムレータ１０のハウジング１６を、その底部側２０に当て付けられた状態で取り囲んでいるので、液圧アキュムレータ１０の圧力容器は底部側で載置可能であり、そして受容体１８によって保持されている。受容体１８はつまりピストンアキュムレータ１２を秤量皿の形式で支持している。受容体１８は計量装置１４の部分であり、そして対応配置された測定装置は、曲げビーム２４と曲げビーム２４上に配置された歪みゲージ（図示せず）とを備えたロードセル２２を有している。このようなロードセル２２は一般的なものであり、専門用語ではプラットフォーム・ロードセル（Plattform-Wagezellen）とも呼ばれる。このようなロードセルは例えばドイツ国のHottinger Baldwin Messtechnik GmbH社から商品名PW12C...で入手することができる。それぞれのロードセル２２は、有利には方形断面を有する金属材料、例えばアルミニウムから成る二重曲げビームとして構成されていてもよい。さらに、このように形成された測定装置は、測定結果を視覚化するために、詳細には図示されていない評価電子装置の測定値増幅器に接続されていてよい。適宜な測定増幅器DAD141 .1が例えばSoemer社から入手可能である。

環状の受容体１８は、中実の金属リングから成っており、そして詳細には図示されていない配管が、ピストンアキュムレータ１２の液体側で接続するためにリングを貫通するのを可能にする。さらに、図１によれば、それぞれのロードセル２２の上側に、受容体１８の形態を成すそれぞれの包囲体（Umfassung）が、ピストンアキュムレータ１２を受容体１８内に固定するための、包囲体の対応配置可能な構成部分と共に固定されている。

図２に示された実施形態の場合、一般的な構造形式のブラダアキュムレータ２６のための重量測定が行われる。ブラダアキュムレータ２６に関しては、比較可能なブラダアキュムレータに対応する基準値を参考にしながら、有利には計量装置１４による空重量検出から出発して、アキュムレータのガス側の充填状態に関する告知に達し、これによりブラダアキュムレータ２６の機能性及び機能安全性に関する告知を得ることが初めて可能になる。

このために、ブラダアキュムレータ２６は底部側で、上記受容体１８の一部としての受容リング２８内へ挿入されている。特に図３に示されているように、このような受容リング２８は閉じられた状態で形成されており、スリット付き載置リング３０の上側に載置されている。載置リングも受容部分１８、ひいては計量装置１４の構成部分である。受容リング２８及び載置リング３０に対して同軸的に、これらの両リングの下側に軸線方向の間隔を置いて設置リング３２が延びている。設置リングは載置リング３０に相応してスリットを有している。設置リング３２も全体として計量装置１４に所属しており、そしてこの設置リングによって、計量装置１４は、詳細には図示されていない床又は他の地面上に、ブラダアキュムレータ２６と共に据え付けることができる。設置リング３２の上側円環面上で、設置リング３２に３つのロードセル２２が不動に結合されて配置されている。これらのロードセルはその上側でそれぞれ１つの測定柱３４を支持している。これらの測定柱３４の上側自由端は載置リング３０の下側に作用している。

図２〜４に示された構成に基づくロードセル２２は、ドイツ国のWagetechnik Kohn GmbH社の製品名K2Aで入手することができる。このようなロードセルＫ２Ａは、いわゆる二重曲げビーム型ロードセル（Doppelbiegebalken-Waegezelle）の構造シリーズに所属する。このロードセルのハウジングは方形断面を有するアルミニウムから成っている。前記歪みゲージは上側及び下側に配置されている。測定柱３４はロードセルＫ２Ａの上側歪みゲージＤＭＳと作用結合されている。

こうして、図３及び４に示された構成部分と共に、計量装置１４が測定装置として提供され、この測定装置は、例えば図２に示されているブラダアキュムレータ２６のような液圧アキュムレータ１０のそれぞれの充填状態を、重量乃至は質量から測定技術的に検出するのを可能にする。上記ロードセル２２は、液圧アキュムレータ１０の重力測定を介してそのガス装填状態を間接的に逆推論するのに特に適していることが判っている。これに相当するものは従来技術にはない。

Claims (7)

1. 液圧アキュムレータ（１０）の重量を前記液圧アキュムレータの運転中に液圧設備の内部で測定する装置であって、加圧下の液体が、ガスを少なくとも部分的に充填された圧力容器内に導入されて前記ガスを圧縮し、そして前記加圧下の液体が、前記液圧アキュムレータ（１０）から出た時に液圧エネルギーが前記液圧設備に放出されるように貯えられ、前記液圧アキュムレータ（１０）のそれぞれの実際の重量が、前記液圧アキュムレータ（１０）に作用する計量装置（１４）によって検出され、
   前記計量装置（１４）が受容体（１８）を有しており、前記受容体（１８）が前記液圧アキュムレータ（１０）のハウジング（１６）を少なくとも部分的に取り囲むか、又は前記受容体（１８）上へ前記液圧アキュムレータ（１０）が底部側で載置可能であり、そして前記受容体（１８）が前記液圧アキュムレータ（１０）の重さ検出のための測定装置と協働する、装置において、
   前記測定装置が、曲げビーム（２４）と、前記曲げビーム上に配置された少なくとも１つの歪みゲージとを備えた、少なくとも１つのロードセル（２２）を有していることを特徴とする、装置。
2. 、
   前記測定装置が、前記測定装置の測定結果を視覚化するために測定値増幅器に接続されていることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記少なくとも１つのロードセル（２２）が、有利には方形断面を有する金属材料から成る二重曲げビームとして構成されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の装置。
4. 前記それぞれのロードセル（２２）の上側に包囲体が、前記液圧アキュムレータ（１０）を受容するための前記包囲体の対応配置可能な構成部分と共に配置されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置。
5. 前記受容体（１８）が受容リング（２８）として形成されており、前記受容リングの開口内に、前記液圧アキュムレータ（１０）の底部側が載置されると同時に少なくとも部分的に係合し、前記受容リング（２８）が、互いに間隔を置いて設けられた少なくとも３つの測定柱（３４）上に支持されており、前記測定柱が、それぞれ対応配置可能な３つのロードセル（２２）上に据え付けられており、前記ロードセルが底部側で設置リング（３２）に支持されており、前記設置リングが、前記ロードセル（２２）に不動に結合されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の装置。
6. 液体案内導管が前記液圧アキュムレータ（１０）の圧力容器の液体側に接続され得るように、前記それぞれの受容リング（２８）が貫通孔を有していることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の装置。
7. それぞれ占められるピストン位置を割り出すために重量測定によってピストンアキュムレータ（１２）のピストン位置測定を実施する方法において、
   前記ピストンアキュムレータ（１２）の予め規定可能な運転状態時に前記ピストンアキュムレータ（１２）のガス側でガス量が減少し、且つ前記ピストンアキュムレータ（１２）の液体側で液体量が増大する場合に、予め規定可能なピストン位置の基準値から出発して、前記ピストン位置がどのように変化するかが突き止められる、ピストン位置測定を実施する方法。

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