KR20090092616A - 유압실린더의 위치에너지 회생용 유압회로 - Google Patents

유압실린더의 위치에너지 회생용 유압회로

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KR20090092616A
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Abstract

개시된 유압실린더의 위치에너지 회생용 유압회로는, 전기모터와, 전기모터 축에 연결되어 전기모터의 구동을 제어하는 제1전자식클러치 및, 제2전자식클러치 및 제1플라이휠이 마련된 상태로 제1전자식클러치에 연결되어 제1전자식클러치의 동작에 따라 전기모터에 대응되게 작동하는 제1가변용량형 펌프/모터로 구성되어 일정한 압력으로 유량을 토출되게 하는 정압력원부; 정압력원부에 연결되어 발생되는 맥동 흡수 및 유량을 저장하는 어큐뮬레이터; 제3전자식클러치 및 제2플라이휠이 마련된 상태로 제1가변용량형 펌프/모터로부터 유량을 유입받아 작동하는 제2가변용량형 펌프/모터와, 제2가변용량형 펌프/모터의 축에 연결되는 제3가변용량형 펌프/모터로 구성되어 제3가변용량형 펌프/모터의 회전에 따라 유압실린더를 상,하로 이송되게 하는 유압트랜스포머; 유압실린더에 마련되어 유압트랜스포머를 통해 토출되는 유량의 유압과 압력을 측정하는 유량/압력 센서; 유압실린더에 마련되어 유압실린더의 위치를 측정하는 위치센서; 유량/압력센서 및 위치센서와 연결되어 신호를 처리하는 A/D변환기; 유압트랜스포머의 용적을 제어하는 배수량제어부; A/D변환기에 입력된 신호를 전달받음과 더불어 배수량제어부를 조절하는 컴퓨터를 포함한다.

Description

유압실린더의 위치에너지 회생용 유압회로{The potential energy recovery apparatus of the hydraulic cylinder}
본 발명은 유압회로에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 유압 실린더가 수직운동을 하는 유압 리프트, 석유 시추 장비, 생산 공정의 프레스, 건설 중장비에서의 굴삭기, 휠로더, 크레인 등과 같은 건설 중장비에 사용할 수 있는 유압기기에 설치되어 유압실린더의 중력위치에너지를 회생시키는 유압회로에 관한 것이다.
일반적으로, 유압 시스템은 단위면적당 출력이 크고, 과부하 방지가 쉽게 되며, 힘 조정이 쉬운 특징 등으로 큰 힘이 요구되는 유압 리프트, 석유 시추 장비, 생산 공정의 프레스, 건설 중장비에서의 굴삭기, 휠로더, 크레인 등과 같은 건설 중장비에 많이 사용되고 있다.
이러한, 유압 시스템에서는 압력 및 유량을 제어하기 위해서 제어 밸브가 많이 사용되어 전기 유압 서보밸브나 비례 전자 밸브 등에 의해 제어성이 개선되어지고 있다.
그러나 제어 밸브에 의한 압력 및 유량의 제어는 관로 때문에 에너지 소비가 커지게 되는 바, 일반적으로 밸브제어 방식은 적은 힘을 필요로 하는 시스템에 적용된다.
따라서 근래에는 에너지 절감 시스템으로서 가변 용량 펌프를 이용한 제어 시스템이 발달되고 있으며, 펌프의 회전수가 일정할 경우 용적을 조정하는 것으로서 토출 유량을 제어하게 된다.
이러한, 가변 용량 펌프를 이용한 제어 방식은 펌프 제어 혹은 용적 제어라고 불리기도 하는데, 비례 전자식 로드 센싱 제어, 비례 전자식 압력·유량 제어 등 여러 가지 구성 방식이 있다.
이같은, 종래의 가변 용량 펌프를 이용한 제어 방식은 유압 굴삭기, 유압 프레스, 유압식 사출 성형기에서는 가변 용량 펌프가 사용되어 에너지 절감효과를 얻고 있기는 하나 그 에너지 절감 및 시스템효율이 낮은 바 손실되는 에너지량이 큰 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로서, 유압실린더의 작동을 위한 에너지 절감 및 시스템 효율을 높일 수 있는 구조를 가지는 유압실린더의 위치에너지 회생용 유압회로를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 유압실린더를 상,하로 수직운동하게 하는 유압회로에 있어서, 전기모터와, 상기 전기모터 축에 연결되어 상기 전기모터의 구동을 제어하는 제1전자식클러치 및, 제2전자식클러치 및 제1플라이휠이 마련된 상태로 상기 제1전자식클러치에 연결되어 상기 제1전자식클러치의 동작에 따라 상기 전기모터에 대응되게 작동하는 제1가변용량형 펌프/모터로 구성되어 일정한 압력으로 유량을 토출되게 하는 정압력원부와; 상기 정압력원부에 연결되어 발생되는 맥동 흡수 및 유량을 저장하는 어큐뮬레이터와; 제3전자식클러치 및 제2플라이휠이 마련된 상태로 상기 제1가변용량형 펌프/모터로부터 유량을 유입받아 작동하는 제2가변용량형 펌프/모터와, 상기 제2가변용량형 펌프/모터의 축에 연결되는 제3가변용량형 펌프/모터로 구성되어 상기 제3가변용량형 펌프/모터의 회전에 따라 유압실린더를 상,하로 이송되게 하는 유압트랜스포머와; 상기 유압실린더에 마련되어 상기 유압트랜스포머를 통해 토출되는 유량의 유압과 압력을 측정하는 유량/압력 센서와; 상기 유압실린더에 마련되어 상기 유압실린더의 위치를 측정하는 위치센서와; 상기 유량/압력센서 및 위치센서와 연결되어 신호를 처리하는 A/D변환기와; 상기 유압트랜스포머의 용적을 제어하는 배수량제어부; 및, 상기 A/D변환기에 입력된 신호를 전달받음과 더불어 상기 배수량제어부를 조절하는 컴퓨터를 포함한다.
여기서, 상기 정압력원부 및 상기 유압트랜스포머에는 유량을 저장하는 유압탱크가 연결 구비되는 것이 바람직하다.
본 발명의 유압실린더의 위치에너지 회생용 유압회로는, 초기 전기모터를 구동한 후 제1플라이휠 및 제2플라이휠에 저장된 회전에너지, 어큐뮬레이터에 저장된 유압에너지를 이용하여 유압실린더를 상,하운동되게 하는 바, 에너지 절감효과가 뛰어남과 더불어 에너지효율을 좋게 하는 효과를 제공한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 유압실린더의 위치에너지 회생용 유압회로를 나타낸 구성도,
도 2는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 유압실린더의 위치에너지 회생용 유압회로의 최초 유압실린더 상승시 작동상태도,
도 3은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 유압실린더의 위치에너지 회생용 유압회로의 유압실린더 하강시 작동상태도,
도 4는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 유압실린더의 위치에너지 회생용 유압회로의 유압실린더 재상승시 작동상태도이다.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적인 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 유압실린더의 위치에너지 회생용 유압회로를 나타낸 구성도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 유압실린더의 위치에너지 회생용 유압회로는, 정압력원부(100), 어큐뮬레이터(200), 유압트랜스포머(300), 유량/압력 센서(400)(500), 위치센서(600), A/D변환기(700), 배수량제어부(800), 컴퓨터(900)를 구비한 상태로 유압탱크(11)가 마련된 유압실린더(10)의 로드를 상,하방향으로 슬라이딩 이동되게 한다.
상기 정압력원부(100)는 일정한 압력으로 유량을 토출되게 하는 부분이다.
이러한, 상기 정압력원부(100)는 전기모터(110), 제1전자식클러치(120), 제1가변용량형 펌프/모터(130)를 포함한다.
상기 전기모터(110)는 에너지공급원으로서 상기 제1전자식클러치(120)를 연결하여 상기 전기모터(110)가 구동이 되면 상기 제1가변용량형 펌프/모터(130)가 동시에 작동되며, 상기 제1가변용량형 펌프/모터(130)는 펌프의 기능으로 유량을 일정한 압력상태로 토출되게 한다.
여기서, 상기 제1전자식클러치(120)는 상기 전기모터(110)에 연결되어 상기 전기모터(110)의 구동을 제어하여 상기 제1가변용량형 펌프/모터(130)의 동작을 조절한다.
즉, 상기 제1가변용량형 펌프/모터(130)는 상기 제1전자식클러치(120)의 동작에 따라 상기 전기모터(110)의 회전력을 전달받아 대응되게 작동하게 된다.
그리고, 상기 제1가변용량형 펌프/모터(130)에는 유압실린더(10)의 로드 하강시에 상기 컴퓨터(900)의 신호에 의해 작동되는 제2전자식클러치(131)를 마련하며, 상기 제2전자식클러치(131)에 연결되어 상기 제2전자식클러치(131)의 작동시 구동하면서 회전에너지를 저장하는 제1플라이휠(132)을 구비한다.
여기서, 상기 제1플라이휠(132)은 유압실린더(10)의 로드를 재상승시키고자 할 경우, 상기 전기모터(110)를 사용하지 않은 상태로 저장된 회전에너지를 이용하여 상기 제1가변용량형 펌프/모터(130)를 작동시켜 다시 정압력으로 유량을 토출되게 한다.
따라서, 상기 전기모터(110)와 상기 제1전자식클러치(120) 및 상기 제1가변용량형 펌프/모터(130)는 이후 설명될 상기 컴퓨터(900)의 신호에 의해 제어되면서 결과적으로 상기 제1가변용량형 펌프/모터(130)의 용적이 상기 컴퓨터(900)를 통해 제어되면서 일정한 압력, 즉, 정압력으로 배관을 통해 유량이 상기 유압트랜스포머(300)의 제2가변용량형 펌프/모터(310)로 공급되게 한다.
또한, 상기 정압력원부(100)에는 상기 제1가변용량형 펌프/모터(130)에서 토출되는 유량을 저장할 수 있는 유압탱크(140)를 구비할 수 있다.
상기 어큐뮬레이터(200)는 상기 정압력원부(100)의 배관에 연결된 상태로 상기 정압력원부(100)에서 발생되는 맥동을 흡수함과 더불어 이후 유압실린더(10)의 하강시에 위치에너지에서 유압에너지로 변환된 유량을 저장한다.
여기서, 상기 어큐뮬레이터(200)에 저장된 유압에너지는 앞서 설명한 상기 제1플라이휠(132)의 회전에너지와 더불어 이후 설명될 상기 유압트랜스포머(300)로 공급되면서 유압실린더(10)의 로드를 상승하는데 사용된다.
상기 유압트랜스포머(300)는 상기 정압력원부(100)에서 공급되는 정압력상태의 유량 유입으로 작동하면서 유압실린더(10)의 로드를 상,하로 움직이게 하는 부분이다.
이러한, 상기 유압트랜스포머(300)는 제2가변용량형 펌프/모터(310), 제3가변용량형 펌프/모터(320)를 포함한다.
여기서, 상기 제2가변용량형 펌프/모터(310)는 상기 정압력원부(100)로부터 공급되는 유량에 의해 동작하며, 상기 제3가변용량형 펌프/모터(320)는 상기 제2가변용량형 펌프/모터(310)에 연결되어 상기 제2가변용량형 펌프/모터(310)의 작동에 대응되게 동작하게 된다.
따라서, 상기 제3가변용량형 펌프/모터(320)는 상기 제2가변용량형 펌프/모터(310)의 작동에 대응되게 동작하면서 유압실린더(10)의 로드를 상,하로 움직이게 한다.
상기 제2가변용량형 펌프/모터(310) 및 제3가변용량형 펌프/모터(320)는 이후 설명될 상기 배수량제어부(800)에 의해 용적을 조절하면서 회전속도를 제어하며, 더불어 회전방향을 변경하여 유압실린더(10)의 상,하 운동방향을 바꿀 수 있게 한다.
여기서, 상기 제2가변용량형 펌프/모터(310)에는 유압실린더(10)의 로드 하강시에 상기 컴퓨터(900)의 신호에 의해 작동되는 제3전자식클러치(311)를 마련하며, 상기 제3전자식클러치(311)에 연결되어 상기 제3전자식클러치(311)의 작동시 구동하면서 회전에너지를 저장하는 제2플라이휠(312)을 구비한다.
여기서, 상기 제2플라이휠(312)은 유압실린더(10)의 로드를 재상승시키고자 할 경우, 저장된 회전에너지를 이용하여 상기 제2가변용량형 펌프/모터(310)를 작동되게 한다.
이러한, 상기 유압트랜스포머(300)에는 앞서 설명한 상기 정압력원부(100)와 마찬가지로 상기 제2가변용량형 펌프/모터(310)에서 토출되는 유량을 저장할 수 있는 유압탱크(330)를 구비할 수 있다.
상기 유량/압력 센서(400)(500)는 상기 유압실린더(10)의 라지 챔버라인에 마련되어 상기 유압트랜스포머(300)를 통해 토출되어 유압실린더(10)로 공급되는 유량과 압력의 상태를 측정하여 유압실린더(10)의 로드 상,하 이송속도 및 상기 유압트랜스포머(300)의 용적상태를 알 수 있게 한다.
이러한, 상기 유량/압력 센서(400)(500)에서 측정되는 출력신호는 이후 설명될 상기 위치센서(600)에서 측정된 신호와 같이 상기 A/D변환기(700)로 전달된다.
상기 위치센서(600)는 유압실린더(10)에 마련된 상태로 로드의 이송위치를 검출받는 센서이다.
이러한, 상기 위치센서(600)에서 검출되는 위치신호는 이후 설명될 상기 A/D변환기(700)로 전달된다.
상기 A/D변환기(700)는 상기 유량/압력 센서(400)(500) 및 상기 위치센서(600)에서 검출된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환한 후 이후 설명될 상기 컴퓨터(900)로 전달한다.
상기 배수량제어부(800)는 상기 A/D변환기(700)에 의해 상기 컴퓨터(900)로 상기 유량/압력 센서(400)(500) 및 상기 위치센서(600)에서 검출된 입력신호에 따라 상기 유압트랜스포머(300)의 용적을 제어한다.
상기 컴퓨터(900)는 상기 A/D변환기(700)에 입력되는 상기 유량/압력 센서(400)(500) 및 상기 위치센서(600)의 검출 신호를 전달받아 상기 배수량제어부(800)를 조절한다.
이와 같이, 구성되는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 유압실린더의 위치에너지 회생용 유압회로의 작동을 도 2 내지 도 4를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, 초기 구동시에는 상기 전기모터(110)가 구동되며, 이때 제1전자식클러치(120)에 의해 상기 제1가변용량형 펌프/모터(130)가 동시에 작동하는데, 여기서 상기 제1가변용량형 펌프/모터(130)는 펌프의 기능으로 유량을 토출하게 된다.
그리고, 상기 제2전자식클러치(131)는 연결상태가 되지 않아 상기 제1플라이휠(132)은 작동하지 않는 상태를 유지한다.
이후, 상기 제1가변용량형 펌프/모터(130)에서 토출되는 유량은 상기 제1가변용량형 펌프/모터(130)의 용적을 상기 컴퓨터(900)와 상기 배수량제어부(800)를 통해 제어하면서 일정한 압력, 즉 정압상태로 배관을 통해 상기 유압트랜스포머(300)의 제2가변용량형 펌프/모터(310)로 공급되게 한다.
그러면, 상기 제2가변용량형 펌프/모터(310)는 작동하게 되는데, 여기서, 상기 유압트랜스포머(300)의 작동원리는 제2가변용량형 펌프/모터(310)의 용적을 조절하여 평형상태에서 양의 방향으로 증가시키면 도 2에 도시한 바와 같이 토크 TA>TB가 되어 토크의 균형이 무너져 축이 회전하게 된다.
이때, 토크 TA와 회전속도 ω는 반시계방향으로 회전할 때 양, 토크 TB는 시계방향으로 회전할 때 양으로 가정한다.
따라서, 상기 유압트랜스포머(300)의 제2가변용량형 펌프/모터(310) 및 제3가변용량형 펌프/모터(320)는 토크와 회전속도가 같은 방향일 때 모터로서 작동을 하고, 방향이 다를 때 펌프로 작동하게 된다.
그리하여, 초기작동에서는 상기 제2가변용량형 펌프/모터(310)는 모터로 작동이 되고, 상기 제2가변용량형 펌프/모터(310)의 용적을 제어함으로서 상승모드에서의 상기 유압트랜스포머(300) 회전속도가 결정된다.
이후, 상기 제2가변용량형 펌프/모터(310)에서 토출되는 유량은 유압탱크(330)로 배출되며, 상기 제2가변용량형 펌프/모터(310)의 회전력에 의해 상기 제3가변용량형 펌프/모터(320)가 동일한 회전속도로 작동이 되는데, 이때 상기 제3가변용량형 펌프/모터(320)는 펌프로 작동되면서 유압실린더(10)의 로드를 상승시키게 된다.
이때, 상기 유압트랜스포머(300)에 설치되어 있는 상기 제3전자식클러치(311)는 연결이 되지 않아 상기 제2플라이휠(312)은 작동되지 않게 되며, 이렇게 상승한 유압실린더(10)의 로드는 상기 제2가변용량형 펌프/모터(310)의 용적제어를 통해 평형상태가 이루어지게 되며 상기 전기모터(110)는 작동하지 않게 된다.
이후, 상승된 유압실린더(10) 로드를 사용자가 하강을 원할 경우에는, 도 3에 도시한 바와 같이 상기 제2가변용량형 펌프/모터(310)의 용적을 평형상태로부터 음의 방향으로 증가시키면 토크 TA<TB가 되어 상기 제3가변용량형 펌프/모터(320)를 모터로 작동되게 하여 유압실린더(10)의 로드는 자체중량에 의한 중력에너지를 통해 하강된다.
이때, 상기 유량/압력 센서(400)(500) 및 상기 위치센서(600)를 통해 측정되는 신호에 의해 상기 제3가변용량형 펌프/모터(320)의 용적제어를 통해 유압실린더(10) 로드의 위치 및 하강속도를 제어하게 되며, 이때 하강모드에서의 상기 유압트랜스포머(300) 회전속도도 결정된다.
이렇게, 유압실린더(10)의 로드 하강시에 상기 제2가변용량형 펌프/모터(310)는 펌프로 작동이 되며, 이때 상기 제3전자식클러치(311)가 연결되어 상기 제2플라이휠(312)도 동시에 작동하게 된다.
이후, 상기 제2가변용량형 펌프/모터(310)에서 토출되는 유량은 상기 어큐뮬레이터(200)에 저장이 되며, 동시에 상기 제1가변용량형 펌프/모터(130)로 유입이 되면서 상기 제1가변용량형 펌프/모터(130)를 모터로 작동되게 한다.
그리고, 상기 제1가변용량형 펌프/모터(130)에 상기 제2전자식클러치(131)가 연결되면서 상기 제1플라이휠(132)을 작동되게 하는데, 여기서, 상기 제1플라이휠(132)은 상기 제1가변용량형 펌프/모터(130)의 회전속도와 동일하게 회전하게 된다.
더불어, 상기 제1전자식클러치(120)는 연결이 되지 않으면서 상기 전기모터(110)가 구동되지 않도록 한다.
이렇게, 유압실린더(10)의 위치에너지는 로드의 하강을 통해 상기 어큐뮬레이터(200)에 저장된 유압에너지와 상기 제1플라이휠(132)에 저장된 회전에너지로 회생을 할 수 있게 된다.
이후, 도 4에 도시한 바와 같이 다시 사용자에 의해 유압실린더(10)의 로드 상승을 원할 경우, 상기 전기모터(110)를 작동시키지 않고, 상기 제2전자식클러치(131)를 연결하여 상기 제1플라이휠(132)에 저장된 회전에너지를 재사용하게 되며, 상기 어큐뮬레이터(200)에 저장된 유압에너지도 동시에 재사용하게 된다.
이때, 저장된 에너지를 사용 후에 부족유량은 상기 제1전자식클러치(120)를 연결하여 상기 전기모터(110)를 구동시켜 보충할 수 있으나 그 사용빈도는 극히 드물게 된다.
이와 같이, 본 발명의 유압실린더의 위치에너지 회생용 유압회로는, 초기에 상기 전기모터(110)를 구동한 후 상기 제1플라이휠(132) 및 제2플라이휠(312)에 저장된 회전에너지, 상기 어큐뮬레이터(200)에 저장된 유압에너지를 이용하여 유압실린더(10)를 상,하운동되게 하는 바, 에너지 절감효과가 뛰어남과 더불어 에너지효율을 좋게 할 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

Claims (2)

  1. 유압실린더를 상,하로 수직운동하게 하는 유압회로에 있어서,
    전기모터와, 상기 전기모터 축에 연결되어 상기 전기모터의 구동을 제어하는 제1전자식클러치 및, 제2전자식클러치 및 제1플라이휠이 마련된 상태로 상기 제1전자식클러치에 연결되어 상기 제1전자식클러치의 동작에 따라 상기 전기모터에 대응되게 작동하는 제1가변용량형 펌프/모터로 구성되어 일정한 압력으로 유량을 토출되게 하는 정압력원부와;
    상기 정압력원부에 연결되어 발생되는 맥동 흡수 및 유량을 저장하는 어큐뮬레이터와;
    제3전자식클러치 및 제2플라이휠이 마련된 상태로 상기 제1가변용량형 펌프/모터로부터 유량을 유입받아 작동하는 제2가변용량형 펌프/모터와, 상기 제2가변용량형 펌프/모터의 축에 연결되는 제3가변용량형 펌프/모터로 구성되어 상기 제3가변용량형 펌프/모터의 회전에 따라 유압실린더를 상,하로 이송되게 하는 유압트랜스포머와;
    상기 유압실린더에 마련되어 상기 유압트랜스포머를 통해 토출되는 유량의 유압과 압력을 측정하는 유량/압력 센서와;
    상기 유압실린더에 마련되어 상기 유압실린더의 위치를 측정하는 위치센서와;
    상기 유량/압력센서 및 위치센서와 연결되어 신호를 처리하는 A/D변환기와;
    상기 유압트랜스포머의 용적을 제어하는 배수량제어부; 및,
    상기 A/D변환기에 입력된 신호를 전달받음과 더불어 상기 배수량제어부를 조절하는 컴퓨터를 포함하는 것을 특징으로 하는 유압실린더의 위치에너지 회생용 유압회로.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 정압력원부 및 상기 유압트랜스포머에는 유량을 저장하는 유압탱크가 연결 구비된 것을 특징으로 하는 유압실린더의 위치에너지 회생용 유압회로.
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