JPH0571508A

JPH0571508A - ガス圧サーボシステム

Info

Publication number: JPH0571508A
Application number: JP6717492A
Authority: JP
Inventors: Koji Takeshita; 興二竹下; Akio Tanaka; 昭夫田中; Tetsuo Akamatsu; 哲郎赤松; Yoichi Ieda; 容一家田; Kenji Kobayashi; 賢治小林
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1991-03-29
Filing date: 1992-03-25
Publication date: 1993-03-23

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、消費動力が少なく、且つ動特性の
良好なガス圧サーボシステムを提供することを目的とす
るものである。【構成】少なくとも１個のサーボ弁とガス圧シリンダ
を有するガス圧サーボシステムに於て、ガス圧シリンダ
０７に連結されたガス圧サーボ弁０６の給気側ポートＰ
に高圧チャンバー０３を、排気側ポートＲに低圧チャン
バー９を設け、また前記低圧チャンバー９のガスを昇圧
し高圧チャンバーに送る高圧圧縮機１６と、低圧を保持
する低圧圧縮機１０又は圧力ガス供給装置１１，１４，
１５とを設け、更に前記高圧チャンバー０３と低圧チャ
ンバー９の両方に、圧力を一定にするリリーフ弁０４，
１３を設けたガス圧サーボシステム。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、空気（ガス）圧力を利
用したシミュレータの開発等に使用するガス圧サーボシ
ステムに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来型ガス圧サーボシステムを図４につ
いて説明する。駆動用高圧ガス源を作るためのガス圧縮
機０１は、大気圧のガスを吸入し昇圧され、チェック弁
０２を経て圧力チャンバー０３に蓄圧される。所定圧以
上となった場合はリリーフ弁０４より噴出し調圧する。

【０００３】負荷０５を作動させるときは、サーボ弁０
６に電気信号を送り、サーボ弁０６の作用により、給気
ポートＰのガスを、例えば、図４で負荷０５を上方に移
動させるときは、負荷ポートＢに送る。ガス圧シリンダ
０７のガスは負荷ポートＡを経てサーボ弁０６の排気ポ
ートＲより管外０８へ放出される。また、負荷０５を、
下方に移動させるときは、サーボ弁０６の作用により、
負荷ポートＡと負荷ポートＢを逆になるように、ガスの
給気、排気を行なうことによって、その目的を達成する
ことができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】油圧サーボシステム
は、パワーが大きく動特性が良好と云う利点があるが、
油漏れによる汚染を生じ、また油タンクが不可欠であ
り、その容量によっては防災上いろいろの制約がある。
前述のガス圧サーボシステムは、上記の欠点はなく、防
災上制約のある場所での制御機器に利用されているが、
動特性が油圧サーボシステムより劣り、また駆動用高圧
ガス源を作るための圧縮機の仕事が大きく、消費動力が
大きいと云う問題点がある。

【０００５】従って、動特性を改善するために、駆動用
の圧力を高くすると共に、サーボ弁のスプールのオーバ
ラップを大きくし、ガス圧シリンダの低圧側の圧力も高
くすることが行われているが、低圧側の圧力を高く設定
しすぎると、有効差圧が小さくなり、ますます消費動力
が大きくなる傾向にある。また、高圧側の圧力が高く、
スプールの排気側の絞りでは臨界圧力を越えるため、音
速流となり、流動抵抗が大きくなり、スプール弁開度と
流量の関係の非線性が増大し、制御性が悪くなるという
問題点がある。

【０００６】これに対し、駆動用の圧力を高くすると共
に、排気側にも圧力チャンバーを設けて排気側の圧力を
高くし、両者の圧力比を２〜４程度に小さくすることに
よって、圧縮動力を大幅に低減する技術が提案されてい
る。ところが、ガス圧シリンダで使用するガス量の変化
による供給圧力の変化は、供給圧力に比例し、高圧チャ
ンバーの容積に反比例するので、供給圧力が高くなる
と、ガス使用量の変化に対する供給圧力の変化幅が大き
くなる。ガス圧シリンダの作用力は差圧によって決まる
ため、供給圧力の変化はサーボ系の外乱となる。これの
防止法としては、高圧チャンバーおよび低圧チャンバー
の容積を大きくすることが考えられる。しかし、これら
チャンバーの容積を大きくすることは設置スペースが大
きくなるばかりでなく、配管やチャンバーに蓄積される
エネルギーも大きくなるため、これが破損したときなど
を想定すると危険性も増加することになる。事実、法的
にもチャンバーの容積には規制がある。

【０００７】本発明は、上記の従来技術における問題点
を排除し、消費動力が少なく、且つ動特性の良好なガス
圧サーボシステムを提供することを目的とするものであ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】

（１）少なくとも１個のサーボ弁とガス圧シリンダを有
するガス圧サーボシステムに於て、ガス圧シリンダに連
結されたガス圧サーボ弁の給気側ポートには高圧チャン
バーを設け、排気側には低圧チャンバーを設ける。低圧チャンバーのガスを昇圧し、高圧チャンバーに送る
ガス圧縮機又はガスボンベなどに蓄圧された高圧ガスな
どを用いる圧力ガス供給装置を設け、また低圧チャンバ
ーに高圧チャンバー圧力の少なくとも１／４以上の圧力
を保持するためのガス圧縮機又は圧力ガス供給装置を設
ける。更に、高圧チャンバーと低圧チャンバーの両方に
圧力を一定にするようなリリーフ弁または、圧縮機のア
ンローダなどの圧力一定保持装置を設置する。（２）上記（１）項のガス圧サーボシステムにおいて、
高圧チャンバーにガスを送る圧縮機の吐出側圧力を検出
する圧力変換器を設け、この信号によって同圧縮機の回
転数を可変とし得るインバータおよび電動機を設ける。

【０００９】

【作用】ガス圧シリンダの動特性を良くするためには、
図４において、ガス圧シリンダ０７のバネ定数を大きく
し、固有振動数を大きくする必要がある。ガス圧シリン
ダ０７のバネ定数は、ガス圧力に比例するので、高圧
側、低圧側いずれの圧力とも高くする方が良いことにな
る。従って高圧源圧力を高くする一方、低圧側圧力も高
くした方がバネ定数は大きくなり好結果が得られる。

【００１０】このためには、ガスの供給圧力を高くする
と良いが、供給圧力を高くすると、負荷のガス圧シリン
ダ０７の背圧も高くなり、これを制御するサーボ弁０６
の排気側で音速流となる。これを具体的に説明する。音
速流となる条件は、圧力比が約２（正確には空気の場
合、１．９）であり、従来の使用条件では、供給圧力を
１０ｋｇｆ／ｃｍ²Ｇとすると、ガス圧シリンダ０７の
バランス圧力は、供給圧力と排気圧力（大気圧）の平均
値近くになるので５〜６ｋｇｆ／ｃｍ²Ｇとなり、排気
側の圧力比は５〜６となる。供給圧力を１０ｋｇｆ／ｃ
ｍ²Ｇ以上にすると、バランス圧力も高くなるためこの
圧力はますます大きくなる。

【００１１】これに対し、前記手段に述べたサーボシス
テムでは、図１において、供給圧力すなわち高圧チャン
バー０３の圧力に対し、約１／２の圧力となるような低
圧チャンバー０９を設けることにより、例えば高圧チャ
ンバー０３の圧力を２０ｋｇｆ／ｃｍ²Ｇとし、低圧チ
ャンバー０９の圧力を１０ｋｇｆ／ｃｍ²Ｇとすると、
ガス圧シリンダ０７のバランス圧力は平均約１５ｋｇｆ
／ｃｍ²Ｇとなり、排気側での圧力比は、せいぜい１．
５程度となり、音速流となることはない。

【００１２】また、ガスの圧縮動力は、断熱圧縮の場合
は圧力比に比例して増大する。従来のサーボシステムで
は、高圧化する圧力比の大きいガス圧縮をすることとな
り、中間冷却器を入れて、ガス温度を上がらないように
圧縮するが、圧縮機の構造上、２０〜５０ｋｇｆ／ｃｍ
²Ｇの高圧圧縮機でも、２〜３段圧縮で１〜２個の中間
冷却器を入れても、大きなガス圧縮動力となる。

【００１３】前記手段に述べた本願のサーボシステムで
は、主系統の高圧ガス圧縮機の圧力比は小さく、上記の
例では、圧力比はほぼ２（正確には、（２０＋１）／
（１０＋１）＝１．９０）である。したがって、主に動
力を必要とする系統の動力が大幅に小さくなるので、全
体として効率のよいシステムとすることができる。な
お、低圧圧縮機も、動力を必要とするが、ここのガス量
は、ガス圧シリンダからのもれ量を補填する程度のもの
であり、全体としてみると、小さな動力である。

【００１４】供給圧力を高くし、同時に排気圧力も高く
し、圧力比を小さくすることは、前述のように、省エネ
ルギー，動特性向上には重要である。しかし、ガス圧シ
リンダのガス使用量の急激な変化による供給圧力の変化
幅は圧力に比例し、チャンバーの容積に反比例するた
め、高圧用のガス圧システムでは変化幅が大きくなる。
これに対し、供給圧力を検出し、これが一定になるよう
にこの圧力信号に基ずいて高圧圧縮機の回転数をインバ
ータ，電動機で制御することによって、ガスの使用量に
応じて、高圧圧縮機の吐出量を制御する。インバータや
電動機の回転数制御では、サーボ弁とガス圧シリンダの
ような高応答性はないが、高圧チャンバーが容積を持っ
ており、これを併用することにより高い周波数の脈流を
防止し、平均的なガス量の変化を高圧圧縮機の回転数制
御により補償する。

【００１５】

【実施例】本発明の第１実施例を図１について説明す
る。前述の従来技術（図４）と同一部分については詳細
な説明を省略する。高圧チャンバー０３とは別に、中間
圧力を保持する低圧チャンバー９を設け、高圧圧縮機１
６により低圧チャンバー９のガスを圧縮して高圧チャン
バー０３に送り、このガス圧力により、サーボ弁０６を
介して負荷０５を作動させる。ガス圧シリンダ０７の排
気はサーボ弁０６を介し、低圧チャンバー９に返す。し
たがって、負荷０５を駆動するための圧力ガスは、高圧
圧縮機１６によって作られる。なお、高圧チャンバー０
３，低圧チャンバー９と共に所定圧に調圧するためのリ
リーフ弁０４，１３を設けている。また図示していない
が高圧圧縮機１６や低圧圧縮機１０には、それぞれの圧
縮機の吐出圧力により、圧縮機の運転をＯＮ，ＯＦＦす
るアンローダなどの吐出圧力を一定にする圧力保持装置
などが設けられている。ガス圧シリンダ０７などのもれ
などにより、低下する低圧チャンバー９の圧力を保持す
るため、低圧圧縮機１０を設けている。

【００１６】本発明の第２実施例を図２について説明す
る。ガス圧シリンダ０７に連結されたサーボ弁０６の給
気側ポートＰは高圧チャンバー０３と連通し、排気側ポ
ートＲは低圧チャンバー９と連通する。また低圧チャン
バー９のガスを昇圧し高圧チャンバー０３に送気する高
圧圧縮機１６及び低圧を保持するためのガス供給装置を
備える。このガス供給装置は、ガス容器１４と、これに
連結し、供給圧を調整する２次圧調整弁１５、逆流を防
止する逆止弁１１から構成される。

【００１７】主系統、すなわち高圧圧縮機０１，高圧チ
ャンバー０３，サーボ弁０６，ガス圧シリンダ０７，低
圧チャンバー９から、高圧圧縮機１６に戻る閉ループか
らのもれ量の分だけ、ガスを供給する必要がある。主
に、ガス圧シリンダ０７のロッドパッキンからのもれ
が、大きなもれ要因となるが、この量は、主系統の循環
量に比べたら少ないので、比較的、少容量のガス供給装
置によって、本発明のサーボシステムを構成することが
できる。

【００１８】本発明の第３実施例を図３について説明す
る。高圧チャンバー０３とは別に、中間圧力を保持する
低圧チャンバー９を設け、高圧圧縮機１６により低圧チ
ャンバー９のガスを圧縮して高圧チャンバー０３に送
り、このガス圧力により、サーボ弁０６を介して負荷０
５を作動させる。ガス圧シリンダ０７の排気はサーボ弁
６を介し、低圧チャンバー９に返す。したがって、負荷
０５を駆動するための圧力ガスは、高圧圧縮機１６によ
って作られる。

【００１９】低圧チャンバー９には、所定圧力以上にな
らないようにリリーフ弁１３が設けられ、低圧圧縮機１
０には吐出圧力によってＯＮ−ＯＦＦ制御するアンロー
ダ装置が取付けられている。一方、高圧チャンバー０３
には所定の圧力以上にならないようにリリーフ弁０４が
もうけられていると共に、高圧圧縮機１６の吐出ライン
に圧力変換器１９を設けこの信号によりインバータ１８
の周波数を加減し、電動機１７の回転数を制御するよう
にする。Ｓはこれ等の電気機器の電源である。

【００２０】高圧圧縮機１６の圧力が低いときは、回転
数を下げ、また圧力が高くなれば回転数を高くする。制
御定数を大きくすれば回転数の変化幅に大きくなり、吐
出圧力の変化は小さくなるが、高圧圧縮機１６の耐久性
上好ましくないので、ガス圧シリンダ０７の稼動率や高
圧チャンバー０３の容積などを勘案し、できるだけ制御
定数を小さく設定する。リリーフ弁０４は基本的には作
動させないように運用し、ここからのガスの放出による
エネルギーの損失を防止するようにする。しかしガス圧
シリンダ０７が多量のガスを使用し続けた後、急に停止
した場合など、高圧圧縮機１６の回転低下が遅れたとき
など、高圧チャンバー０３などの機器の安全保全のため
作動する。

【００２１】上記実施例は、高圧圧縮機１６の回転数の
制御を、吐出ラインの圧力変換器１９の信号に基ずき、
インバータ１８のより電動機１７の電源周波数を加減す
ることにより行う例を示した。しかし、高圧圧縮機１６
の回転数の制御はこれに限定されるものでなく、電動機
１７の代りに直流電動機を用いて、圧力変換器１９の信
号により電圧制御することも可能である。

【００２２】また、高圧圧縮機１６と電動機１７の間に
無段変速機を入れ、圧力変換器１９の信号により速度制
御するなどの方法も考えられる。

【００２３】

【発明の効果】本発明によるガス圧サーボシステムは、
少なくとも１個のサーボ弁とガス圧シリンダを有するガ
ス圧サーボシステムにおいて、ガス圧シリンダに連結さ
れたサーボ弁の給気側ポートに高圧チャンバーを、排気
側に低圧チャンバーを設置し、また前記低圧チャンバー
のガスを高圧チャンバー圧力の１／４以上に昇圧し高圧
チャンバーに送気する高圧圧縮機と、低圧を保持するた
めの低圧圧縮機又は圧力ガス供給装置とを設けることに
より、ガス圧シリンダの高圧側圧力を高くしても、サー
ボ弁内スプールよりの背圧が高く、給気側との圧力差が
小さく、音速流とはならない。従って流動抵抗は少な
く、流量特性及び制御性が大いに改良される。

【００２４】また、ガス圧シリンダを駆動する主な圧力
ガスは、高圧圧縮機によって作られるが、この高圧圧縮
機の圧力比は小さく、圧縮動力を小さくすることができ
る。更に、上記のガス圧サーボシステムにおいて、高圧
圧縮機の回転数制御を行ない、同圧縮機のガス吐出量を
使用ガス量に応じた吐出量とすることにより、高圧チャ
ンバーの容積を大きくせずに供給圧力の変動を小さく
し、ガス圧シリンダへの作動の外乱を少なくすることが
できる。従って、設置スペースを大きくしなくて済み、
高圧チャンバー０３の容積を法規制以下とし、安全性お
よび経済性を高めることが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明ガス圧サーボシステムの第１実施例の系
統図である。

【図２】本発明の第２実施例の系統図である。

【図３】本発明の第３実施例の系統図である。

【図４】従圧のガス圧サーボシステムの系統図である。

【符号の説明】

０３高圧チャンバー０４リリーフ弁０５負荷０６サーボ弁０７ガス圧シリンダ９低圧チャンバー１０低圧圧縮機１３リリーフ弁１６高圧圧縮機Ａ負荷ポートＢ負荷ポートＰ給気ポートＲ排気ポート

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者家田容一兵庫県神戸市兵庫区和田崎町一丁目１番１号三菱重工業株式会社神戸造船所内 (72)発明者小林賢治兵庫県神戸市兵庫区和田崎町一丁目１番１号三菱重工業株式会社神戸造船所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも１個のサーボ弁とガス圧シリ
ンダを有するガス圧サーボシステムに於て、ガス圧シリ
ンダに連結されたガス圧サーボ弁の給気側ポートに高圧
チャンバーを、排気側ポートに低圧チャンバーを設け、
また前記低圧チャンバーのガスを高圧チャンバー圧力の
１／４以上に昇圧し高圧チャンバーに送る高圧圧縮機
と、低圧を保持する低圧圧縮機又は圧力ガス供給装置と
を設け、更に前記高圧チャンバーと低圧チャンバーの両
方に、圧力を一定にする圧力一定保持装置を設けたこと
を特徴とするガス圧サーボシステム。
【請求項２】高圧圧縮機の吐出量を同高圧圧縮機の吐
出圧力に応じて制御する圧力検出器及び回転制御機構を
設けた請求項１記載のガス圧サーボシステム。