KR20100116664A - 유압 작업 기계용 흐름 관리 시스템 - Google Patents

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데일 밴더란
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Abstract

전기-유체역학식 액추에이션 시스템에서 양방향 펌프를 공급하기 위하여 공통 라인에서 조정가능한 유압 유체 흐름 또는 압력을 제공하고 재순환되는 유압 유체를 조절할 수 있는 흐름 관리 시스템이 제공된다. 본 시스템은 축압기에 대한 필요성을 제거하면서도 여러 액추에이션 시스템 사이에서의 흐름 공유와 요구에 따른 파워의 접근 방식 및/또는 전기 에너지 재생에 의한 에너지 소비의 최소화를 가능하게 한다. 본 시스템은 외부 부하에 대한 작업 출력과 외부에서 인가된 부하로부터의 역으로 회수된 에너지를 제공하기 위하여 일반적으로 폐쇄 회로 내에 연결된 양방향 전기 전동기 구동 펌프 및 불균형 유압 실린더를 포함하는 전기-유체역학식 액추에이션 시스템에 대한 특별한 애플리케이션을 가진다.

Description

유압 작업 기계용 흐름 관리 시스템{Flow Management System for Hydraulic Work Machine}
[관련 출원 데이터]
본 출원은 본 명세서에서 그 전문이 참조로서 편입되는 2008년 2월 12일 출원된 미국 가출원 No. 61/028,004의 우선권을 주장한다.
[기술분야]
본 발명은 일반적으로 리프팅(lifting) 암 및/또는 틸팅(tilting) 암, 붐(boom), 버켓(bucket), 스티어링(steering) 및 튜닝 기능, 이동 수단 등과 같은 하나 이상의 액추에이트된 부품을 갖는, 유압 굴착기, 휠 로더(wheel loader), 로딩 쇼벨(loading shovel), 백호 쇼벨(backhoe shovel), 채굴 장비, 산업 기계 등과 같은 작업 기계에서 적어도 하나의 불균형 유압 실린더를 팽창 및 수축하는 유압 액추에이션 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 상승된 흡입구 유압 유체 압력과 개선된 유압 유체 컨디셔닝을 필요로 하는 패쇄 회로 전기-유체역학식 액추에이션 시스템에 대한 특정 애플리케이션을 갖는다.
일반적인 불균형 (차동) 유압 실린더에서, 피스톤의 헤드측 챔버의 단면적은 피스톤의 로드(rod)측 챔버의 단면적보다 더 크다. 실린더가 팽장될 때, 로드단으로부터 배출되거나 또는 챔버를 수축시키는 것보다 더 많은 유체가 헤드단을 채우거나 또는 실린더 챔버를 팽창하는데 필요하다. 바꾸어 말하면, 실린더가 수축될 때, 헤드단 챔버로부터 방출된 것보다 더 적은 유체가 로드단 챔버를 채우는데 필요하다.
전기-유체역학식 액추에이션(eletro-hydrostatic actuation, EHA) 시스템을 이용하는 현대의 기계에서, 탱크 또는 저장소로부터 원격인 영역에 전기 전동기 구동 펌프 및 유압 액추에이터를 배치하는 것이 유익할 수 있다. 매우 민감한 액추에이터의 요구로부터 기인하는 급격하고 급속한 압력 강하에 유압식 유체가 노출될 때, 그 거리는 공동 현상(cavitation)과, 유압 펌프 및 관련된 제어 밸브에서 발생하는 관련된 피팅(pitting)에 대한 가능성을 증가시킨다. 액추에이션 시스템 펌프의 흡입구측으로 향하는 라인, 펌프 및 밸브에서의 진공 및 관련된 공동 현상을 방지하기 위하여, 탱크 또는 저장소에서 액추에이션 시스템 펌프 흡입구로 향하는 유압식 통로에서 상승된 압력을 제공하고 유지하는 것이 바람직하다. 이것은 종래 기술에서, 패쇄된 유압 회로에서의, EHA 시스템의 각 펌프로 향하는 흡입구 또는 압력 통로와 연통하는 하나 이상의 가압된 축압기(accumulator)의 설치 및 이에 의해 모든 액추에이션 활동 동안에 적합한 유압 유체 압력을 유지함으로써 달성된다. 가압된 축압기는 일반적으로 유압 유체로부터 유연성 있는 막 또는 공기 주머니(bladder)에 의해 분리된 가스 압력 충전식 부피를 갖는 공기 주머니형이거나, 또는 이 대신에 금속 주름 상자(bellow) 또는 스프링이 장착된 피스톤형이다.
EHA 시스템과 폐쇄 회로식으로 연동하는 가압된 축압기의 추가의 결과로서, 여러 가지 문제점이 발생된다. 축압기에서의 유압 유체의 양은 시스템에서의 모든 유압 유체의 부피의 열적 팽창과 수축에 대한 허용 오차, 유압 유체 누설 및 포함된 가스 챔버의 부피만큼 폐쇄 회로에서의 모든 수축된 실린더에 의해 배출되는 것을 초과하여야만 한다. 그 결과, 축압기의 물리적 크기와 무게는 바람직하지 않게 크다. 또한, 축압기 내에 포함된 유압 유체의 일부는 대기에 개방된 탱크 또는 저장소로 그리고 이로부터 순환하지 않기 때문에, 포함된 공기 방울이 축압기로부터 탈출하는 것이 허용되지 않는다. 가스 누설이 축압기의 공기 주머니에 걸쳐 발생하여야만 한다면, 이 문제는 복잡할 수 있다. 또한, 가스가 충전된 축압기는 가스 충전 수단에 대한 필요성 때문에 부가적인 유지 보수를 필요로 한다. 또한, 시스템의 적어도 일부가 항상 압력 하에 있기 때문에, 외부의 해로운 가스의 처리 및 저장 동안의 유압 유체 누설이 있을 수 있다.
불균형 유압 실린더(20)를 제어하는 예시적인 종래 기술의 시스템이 도 1의 21에서 도시된다. 시스템(21)은 2 포트 펌프(23)와 유압 실린더(20) 사이의 흐름 관리를 제공한다. 펌프(23)는 전기 전동기 또는 다른 구동 수단에 의해 한 방향으로 연속으로 구동되는 양방향형이다. 펌프는 라인(27)에 의해 유압 실린더(20)의 팽창 챔버(26)로 연결된 하나의 흡입구/토출구 포트(26)와, 라인(31)에 의해 유압 실린드의 수축 챔버(32)로 연결된 다른 하나의 흡입구/토출구 포트(30)를 갖는다. 펌프의 변위는, 피스톤형 펌프의 경우, 펌프의 흐름 방향과 변위를 제어하는 회전 경사판(swash plate)의 경사를 제어하는 제어 밸브(35)에 의해 제어된다. 제어 밸브(35)의 위치는 차지 펌프(charge pump)(38)의 토출구(37)를, 라인(40)을 통해 제어 밸브의 어느 한 측에 연결하고, 라인(42)을 통해 시스템 탱크 또는 저장소(41)의 반대측에 선택적으로 연결하는 방향성 밸브(36)에 의해 결정된다. 차지 펌프(38)는 펌프(23)와 동일한 속도와 동일합 방향으로 연속으로 구동된다. 차지 펌프의 출력의 대부분은 릴리프 밸브(relief valve)(44)에 걸쳐 덤핑되어, 결과적으로 열이 발생하고 에너지가 손실된다.
불균형 유압 실린더(20)의 흐름 관리를 위하여, 라인(27, 31)은 해당하는 파일럿 동작 체크 밸브(46, 47)에 의해 차지 펌프(38)의 토출구와 축압기(50) 사이에 연결된 공통 라인(48)에 연결된다. 이러한 종류의 펌프에서, 축압기 및 차지 펌프 모두가 공급 압력과 흐름 필요 사항을 지원하는데 필요하다. 펌프의 빠른 가속 동안에 공동 현상을 방지하기 위하여, 높은 축압기 수요 동안에 축압기는 펌프(23)에 대한 흡입구 압력을 상승된 레벨로 유지하도록 차지 펌프를 지원한다. 공통 라인(48)에서의 압력은 축압기에 의해 결정되거나 또는 공통 라인(48)과 탱크(41) 사이에 연결된 조정 가능한 압력 릴리프 밸브(44)에 의해 결정된다. 또한, 조정가능한 압력 릴리프 밸브(44) 또는 축압기(50)는 제어 밸브(35)를 동작시키기 위하여 방향성 밸브(36)에 공급된 압력을 결정한다. 예시된 종래 기술의 시스템은 각각 라인(27, 31)을 공통 라인에 연결하는 조정가능한 압력 릴리프 밸브(52, 53)를 더 포함한다. 압력 릴리프 밸브(52, 53)는 펌프가 라인(27 또는 31)에서 높은 압력의 릴리프를 방지하는 중립 위치에 있을 때 실린더에서 과도한 외부 과부하가 인가되어야만 하는 경우에 과도한 가압의 가능성으로부터 펌프와 실린더를 보호한다.
동작시, 유압 실린더(20)를 팽창시키기 위하여 펌프(23)가 유압 유체를 라인(27)으로 공급하게 하도록 밸브(36)가 제어될 수 있다. 유압 실린더를 떠난 흐름은 펌프로 다시 흐를 것이다. 실린더의 불균형 때문에, 이러한 흐름은 실린더의 팽창측으로 공급되는 흐름의 부피보더 더 작을 것이다. 이것은, 라인(31)에서의 압력을 공통 라인(48)에서의 압력 이하로 강하시키게 할 것이며, 이에 따라, 메이크업 흐름이 축압기(50) 및/또는 탱크(41)로부터 차지 펌프(38)를 통해 제공될 수 있다. 이 때, 파일럿 라인(54)에 의해 라인(27)으로 공급된 압력은 파일럿 동작 체크 밸브(47)가 개방되도록 할 것이다.
펌프(23)가 반대 방향으로 동작될 때, 실린더(20)를 떠난 과도한 부피의 유체가 있을 것이다. 이러한 과도한 흐름은 파일럿 라인(56)을 통해 라인(31)으로부터 공급된 파일럿 압력에 의해 개방될 파일럿 동작 체크 밸브(46)에 의해 공통 라인(48)으로 우회될 것이다.
도 2는 2개의 양방향 펌프(61, 62)와 피스톤형 가변 압력 축압기(63)를 이용한 다른 종래 기술의 시스템(60)을 도시한다. 축압기 압력은 제어의 융통성을 증가시키기 전기 동력 액추에이터(64)에 의해 상승 또는 하강될 수 있다. 상승된 압력은, 예를 들어, 정상적인 전기 유압식 액추에이터(EHA) 동작을 위하여 사용될 수 있다. 하강된 압력은 실린더(66)를 수축시킬 때 사용될 수 있다. 또한, 시스템은 엔진, 전기 전동기 등에 의해 연속으로 구동되는 펌프(68)를 포함한다. 스위칭 밸브(69)는 누설을 보충하고 축압기(63)를 충전하기 위하여 펌프(68)로부터 유압 유체를 공급하거나, 또는 관련된 열 손실을 갖는 탱크(저장소)(71)로 유압 유체를 다시 재순환시킨다. 도 2에 도시된 종류의 예시적인 시스템에 대한 추가적인 상세는 미국 등록 특허 No. 6,962,050을 참조할 수 있다.
도 3은 폐쇄 흐름 관리를 이용한 또 다른 종래 기술의 시스템(90)을 도시한다. 이 시스템(90)은 미국 등록 특허 No. 5,144,801 및 No. 6,912,849에 도시된 것과 같은 통상적으로 3 포트 펌프(91)라 하는 것을 이용한다. 3 포트 펌프는 펌프 내에서의 내부 포팅(porting) 배치가 실린더 헤드단 및 실린더 로드측 고리 면적에 비례하는 흐름의 분할을 제공한다. 실린더(94)가 팽창할 때, 예를 들어, 상승된 압력에서의 실린더 헤드단(95)으로 흐르는 펌프의 부피 출력은 실린더 로드측(96)으로부터 감소된 압력으로 펌프로 취해진 유압 유체와, 저압 축압기(97)에 의해 제공된 메이크업 유압 유체의 합과 동일하다. 반대로, 실린더가 수축할 때, 실린드 헤드단(95)으로부터 그리고 펌프(91)로 흐르는 감소된 압력에서의 펌프의 부피 흐름은 실린더 로드단 측(96)으로 흐르는 증가된 압력에서의 유압 유체와 저압 축압기(97)로 방출된 유압 유체의 잉여량의 합과 같다.
굴착 장치 및 다른 작업 기계에서, 대형의 액체 냉각된 전동기가 기능 실린더에 유압식으로 동력을 공급하는데 사용되는 펌프를 구동하는데 사용되어 왔다. 따라서, 이제까지는 액체 냉각 시스템이 전동기 및 관련된 전자 파워 모듈의 동작 온도를 허용가능한 동작 온도로 유지시키는데 필요하였다. 이제까지, 흐름 관리 및 온도 제어 시스템은 비효율적이고, 고가이며, 그리고/또는 복잡하였다.
본 발명은 종래 기술의 흐름 관리 시스템에 의해 달성할 수 없는 하나 이상의 이점을 제공하는 전기-유압 액추에이터 시스템을 위한 개선된 흐름 관리 시스템을 제공한다.
본 발명은 바람직하게는 작업 기계의 의해 요구되는 모든 동적 활동 하에서 액추에이션 시스템 펌프 흡입구에서 적합하게 상승된 압력을 유지할 수 있는 부스팅된 흡입구 유압 유체 공급을 갖는 불균형 실린더를 구비한 전기-유체역학적 액추에이션을 이용한 작업 기계에 대하여 특별한 애플리케이션을 갖는다. 이러한 방법으로, 진공 또는 급격하고 급속적인 압력 변동에 대한 노출로부터 기인할 수 있는 통기, 공동 현상 및 부품의 관련된 파괴적 피팅(pitting)이 제거되지는 않더라도 실질적으로 감소될 수 있다.
또한, 본 발명은 복수의 불균형 실린더를 이용한 작업 기계에 특별한 애플리케이션을 가질 수 있으며, 예를 들어 단지 하나의 전기 전동기 구동 부스트 펌프를 포함하고 바람직하지 않은 축압기의 사용을 배제하는 최소 개수의 전기-유체역학적 부품을 이용하여 흐름 관리를 가능하게 한다. 본 발명의 일 양태에 따라, 부스트 펌프는 거의 일정한 상승된 압력으로 모든 EHA 시스템에 유압 유체 흐름을 공급하며, 그 시스템은 부스트 시스템 및 저장소로부터 원격으로 배치될 수 있다. 바람직한 배치에서, 유압 유체는 EHA 시스템 중 하나로부터 흐름 관리 시스템으로 복귀되어 예를 들어 저장소로 복귀될 필요가 없이 다른 EHA 시스템에 의해 즉시 사용될 수 있으며, 이에 의해 저장소로의 유압 유체의 복귀와 관련된 손실을 제거한다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 흐름 관리 시스템은 원하는 부스트 시스템 압력을 유지하도록 부스트 펌프 전동기 속도 및/또는 출력 토크를 제어하기 위한 컴퓨터 컨트롤러를 포함한다. 전동기 파워 전자 컨트롤러는 컴퓨터 컨트롤러로부터의 낮은 파워 제어 신호를 높은 파워 전기 전동기 명령으로 증폭하는데 사용될 수 있다.
부스트 시스템 펌프는 작업 출력을 완수하는데 필요할 때에만 간헐적으로 구동될 수 있다. 또한, 부스트 시스템은 여러 개의 액추에이션 시스템을 갖는 애플리케이션에서 사용될 때 낮은 측 실린더의 복귀 흐름은 저장소로 복귀되기 보다는 인접한 시스템으로 규칙적으로 분배되어 인접한 시스템에 의해 사용되도록 구성될 수 있다. 임의의 불필요한 흐름은 열 교환기를 통해 그리고 열 손실을 최소화하기 위한 감소된 압력으로(낮아진 릴리프 밸브 설정) 저장소로 복귀할 수 있다.
가변 압력 릴리프 밸브는 부스트 압력이 컨트롤러에 의해 지시된 바에 따라 감소되거나 증가될 수 있도록 허용하는데 사용될 수 있다. 릴리프 밸브는 흐름이 전기-유체역학적 기능 시스템으로 전달될 때 부스트 압력 레벨을 증가시킬 수 있으며 흐름이 저장소로 복귀될 때 부스트 압력을 감소시킬 수 있다.
일반적으로, 지시된 최대 전동기 토크는 펌프에 의해 전개될 수 있는 최대 부스트 압력 레벨을 제한할 수 있다. 부스트 압력 레벨이 펌프 구동 최대값 이상으로 상승하여야 한다면 부스트 시스템의 유압 부품을 보호하도록 고압 안전 릴리프 밸브로서 작용하기 위하여, 가변 압력 릴리프 밸브 최대값은 펌프 토크에 의해 제한되는 최대 펌프 압력 레벨보다 더 높게 설정될 수 있다.
또한, 체크 밸브는 역류를 방지하고 가능성 있는 고압 라인 서지로부터 펌프를 보호하기 위하여 펌프 토출구에 설치될 수 있다.
컨트롤러에 의해 결정되는 바와 같은 낮은 압력의 릴리프 밸브 설정은 유압 유체가 저장소로 복귀되어야 할 때 사용될 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 덤프 밸브는, 일반적으로, 유압 유체가 저장소로 최소 저항으로 자유롭게 흐를 수 있게 허용하는데 사용될 수 있다. 소정의 동작 조건(장비의 붐 또는 암의 급속한 하강과 같은) 하에서 액추에이터를 가능한 한 신속하게 수축시키는 것이 바람직할 때 덤프 밸브이 개방될 수 있다. 또한, 덤프 밸브는 저장 동안에 가능한 한 낮게 EHA 시스템 압력을 강하시키도록 개방될 수 있어, 이에 의해 장기의 외부 누설의 위협을 제거할 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 흐름이 액추에이션 시스템으로 운반되어야 할 지(양의 순 흐름) 또는 저장소로 복귀되어 할 지(음의 순 흐름)를 결정하기 위한 조건이 형성될 수 있다. 바람직한 구현예에서, 부스트 펌프는, 부스트 흐름 및 압력 수요를 예측하기 위하여 액추에이션 펌프에 앞서서 그리고 액추에이션 펌프보다 더 빠르게 응답하여, 이에 의해 2개의 펌프 사이의 공동 현상을 방지한다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 흐름 관리 시스템은 역으로 구동될 수 있는 부스트 펌프와, 유압 유체가 저장소로 복귀될 때 전기 재생에 의해 에너지를 회수하도록 역으로 구동될 때 발전기 역할을 하는 전동기를 가질 수 있다. 이것은 낭비될 수 있는 추가적인 에너지를 회수하고 커패시터 또는 저장 배터리로 이를 복귀시키는 방법을 제공한다.
다양한 구현예 중 하나 또는 그 이상에서 본 발명은, 특히 폐쇄 시스템에서, 축압기를 이용한 시스템으로 획득하는 것이 불가능하지는 않더라도 어려울 수 있는 하나 또는 그 이상의 기능의 수행을 가능하게 한다. 축압기를 이용한 시스템은 추가된 크기 및 부피, 외부 유압 유체 누설 및 외부와 내부의 가스 누설의 위협, 가스 충전 관리 문제점을 포함하는 상당한 불이익을 가지며, 유압 유체 차지 펌프 및 증가된 제조 및 재고 비용을 필요로 한다. 본 발명의 하나 또는 그 이상의 양태에 의해 가능한 하나 또는 그 이상의 기능은 다음을 포함한다:
a. 부스트 펌프에 의해 공급된 제어된 양의 냉각 유압 유체의 재순환에 의해 EHA 전동기/발전기를 냉각하는 수단과 파워 전자기기를 제공하여, 이 목적으로 추가 펌프에 대한 필요성을 구체적으로 또는 부분적으로 제거한다.
b. 펌프 케이스 드레인 유압 유체를 수용하기 위하여 유압 유체 저장을 위한 가압되지 않은 저장소를 제공하고(축압기와 반대로), 증가된 액추에이터 다이나믹스(빠른 액추에이션 수축과 같은) 및 감소된 에너지 손실에 대한 가장 낮은 가능성 있는 참조를 제공. 낮은 펌프 케이스 압력은 샤프트 씰(seal) 수명을 연장한다. 추가로, 가압되지 않은 저장소는 포함된 공기를 연속적인 방식으로 빠져나가게 허용한다.
c. 저장소로 복귀되는 유압 유체의 필터링을 제공.
또한, 본 발명은 그 다양한 구현예 중 하나 또는 그 이상에서의 본 발명은, 종래 기술에 따른 시스템에서 획득하는 것이 불가능하지는 않더라도 어려울 수 있는 폐쇄 시스템에서의 하나 또는 그 이상의 추가 기능의 수행을 가능하게 한다. 그 기능은 다음을 포함한다:
a. 열 교환기를 통한 제어된 재순환에 의해 유압 유체의 냉각을 제공하고 관리함.
b. 가변 압력 릴리프 밸브에 걸친 재순환에 의해 차가운 환경 내에서의 저장 후에 시동 동안에 유압 유체의 예열을 제공하고 관리함.
따라서, 본 발명은 적어도 하나의 액추에이터 시스템, 적어도 하나의 액추에이터 시스템으로부터의 또는 적어도 하나의 액추에이터 시스템으로의 유체를 공급받거나 공급하는 부스트 시스템, 및 컨트롤러를 포함하는 유압 유체 흐름 관리를 할 수 있는 유압 시스템을 제공한다. 액추에이터 시스템은, 서로 반대 방향으로 유압 유체가 공급되고 복귀하여 액추에이터를 반대 방향으로 동작하도록 하는 유압 액추에이터와, 한 방향으로 액추에이터를 동작시키도록 제1 흡입구/토출구 포트로부터 유압 액추에이터로 가압된 유체를 공급하기 위하여 제1 방향으로 동작가능하며, 제1 방향과 반대인 방향으로 액추에이터를 동작시키도록 제2 흡입구/토출구 포트로부터 유압 액추에이터로 가압된 유체를 공급하기 위하여 제1 방향과 반대인 제2 방향으로 동작가능한 양방향 펌프와, 어느 한 방향으로 양방향 펌프를 구동하기 위한 전기 양방향 펌프 드라이브를 포함한다. 부스트 시스템은, 흡입구/토출구 포트들 중 어느 하나가 유압 액추에이터에 가압된 유체를 공급할 때 양방향 펌프의 흡입구/토출구 포트들 중 다른 하나와 유체식으로 선택적으로 연동하는 유체 메이크업/복귀 라인에 유체를 공급하기 위한 부스트 펌프와, 부스트 펌프를 구동하기 위한 전기 부스트 펌프를 포함한다. 컨트롤러는 전기 양방향 펌프 드라이브 및 부스트 펌프 드라이브의 동작을 제어하기 위한 적어도 하나의 논리 장치를 포함하며, 논리 장치는, (a) 양방향 드라이브가 동작하도록 지시된 속도, (b) 전기 양방향 펌프 드라이브에 작용하는 부하, (c) 액추에이터 시스템에서의 유압 라인 손실, (d) 양방향 드라이브의 지시된 가속도, 및 (e) (a) 내지 (d)의 2 이상의 조합 중 적어도 하나에 따라 부스트 펌프 드라이브의 동작을 제어하도록 구성되어 부스트 펌프 드라이브를 제어한다.
본 발명의 다양한 구현예에서, 논리 회로는, 양방향 펌프 드라이브의 동작을 제어하는 명령으로부터 발생하는 압력 또는 흐름 수요를 예상하여 부스트 범프 드라이브의 동작을 제어하도록 구성될 수 있다.
이 대신에 또는 추가적으로, 부스트 시스템은 메이크업/복귀 라인에서의 압력을 액추에이터에 공급되는 가압된 유체의 압력보다 작게 제한하기 위한 압력 릴리프 밸브를 포함할 수 있다. 압력 릴리프 밸브 또는 덤프 밸브는 메이크업/복귀 라인에서의 압력이 액추에이터 시스템으로부터의 유체를 용이하게 받아들이게 급속하게 감소되게 하기 위하여, 메이크업/복귀 라인을 유압 유체 저장소에 연결하도록 컨트롤러에 의해 선택적으로 동작 가능할 수 있다. 일부 실시예에서, 덤프 밸브는 메이크업/복귀 라인과 가압되지 않을 수 있는 저장소 사이에 압력 릴리프 밸브와 병렬로 연결될 수 있다.
많은 적용예에서, 유압 시스템은 복수의 액추에이터 시스템을 포함할 수 있으며, 메이크업/복귀 라인은 복수의 액추에이터 시스템에 공통이고, 부스트 펌프 드라이브는 복수의 액추에이터 시스템의 순 유압 유체 메이크업 흐름 또는 압력 수요에 기초하여 제어될 수 있다.
또한, 본 시스템은 전기 에너지 저장 장치를 포함할 수 있으며, 부스트 펌프 드라이브는 전기 에너지 저장 장치에서의 저장을 위한 전기 에너지를 생성하도록, 메이크업/복귀 라인으로부터 저장소로 펌프를 통한 흐름에 의해 반대로 구동될 수 있다.
일부 적용예에서, 메이크업/복귀 라인으로부터의 유압 유체는 열 교환기와 펌프 드라이브 중 하나의 적어도 일부를 통해, 특히 컨트롤러에 의해 지시될 때 펌프 전동기로 파워를 공급하는 파워 회로를 통해 순환될 수 있어, 파워 회로를 냉각시킨다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 유압 시스템은, 헤드단 챔버와 로드단 챔버를 구비한 해당하는 불균형 유압 실린더를 팽창 및 수축하는 액추에이터 시스템과, 실린더로부터 차동 흐름을 신뢰성 있게 그리고 자동으로 공급하거나 공급받기 위한 부스트 시스템을 포함한다. 액추에이터 시스템은, 유압 실린더의 헤드단 챔버와 로드단 챔버에 각각 연결가능한 제1 및 제2 유체 흐름 라인과, 밸브 어셈블리를 갖는 양방향 펌프를 포함한다. 양방향 펌프는, 제1 및 제2 유체 흐름 라인에 각각 연결된 제1 및 제2 흡입구/토출구 포트를 갖는 양방향 펌프를 포함하여, 제1 방향에서의 펌프의 동작은 실린더의 로드단으로부터 제2 유체 라인 흐름을 통해 유체를 끌어오는 동안 유압 실린더의 헤드단 챔버로의 운반을 위하여 제1 유체 흐름 라인으로 가압된 유체를 공급하고, 제1 방향과 반대인 제2 방향에서의 펌프의 동작은 실린더의 헤드단으로부터 제1 유체 라인 흐름을 통해 유체를 끌어오는 동안 유압 실린더의 로드단 챔버로의 운반을 위하여 제2 유체 흐름 라인으로 가압된 유체를 공급한다. 밸브 어셈블리는 제1 및 제2 유체 흐름 라인과 제3 흐름 유체 라인 사이에 연결된다. 밸브 어셈블리는 제1 및 제2 흐름 유체 라인 사이에서의 차동 압력에 의해 동작하여, 제1 유체 흐름 라인에서의 압력이 제2 유체 흐름 라인에서의 압력을 미리 정해진 양만큼 초과할 때 제2 유체 흐름 라인을 제3 유체 흐름 라인에 연결하여 메이크업 유체가 제3 유체 흐름 라인을 통해 제2 유체 흐름 라인으로 공급될 수 있게 하고, 제2 유체 흐름 라인에서의 압력이 제1 유체 흐름 라인에서의 압력을 미리 정해진 양만큼 초과할 때 제1 유체 흐름 라인을 제3 유체 흐름 라인에 연결하여 유압 실린더의 헤드단 챔버로부터의 잉여 유체가 제3 유체 흐름 라인에 의해 받아들여질 수 있다. 제3 유체 흐름 라인과 유체를 공급받거나 공급하기 위한 부스트 시스템은, 유체가 양방향 펌프에 의해 제1 및 제2 유체 흐름 라인에 공급되는 압력보다 통상적으로 더 낮은 압력으로 제3 유체 흐름 라인에 가압된 유체를 공급하기 위한 부스트 펌프를 포함한다.
바람직한 실시예에서, 밸브 어셈블리는, 제1 및 제2 유체 흐름 라인에 각각 연결된 파일럿 포트를 구비한 파일럿 동작 3 지점 밸브를 포함한다.
선택적으로 또는 추가적으로, 제1 압력 릴리프 밸브는 제1 유체 흐름 라인 및 부스트 시스템 사이에 연결될 수 있고, 제2 압력 릴리프 밸브는 제1 유체 흐름 라인 및 제3 유체 흐름 라인 사이에 연결된다.
선택적으로 또는 추가적으로, 부스트 펌프는, 양방향 펌프에 의해 제1 및 제2 유체 흐름 라인에 공급되는 압력보다 통상적으로 더 낮은 압력으로 제3 유체 흐름 라인에 가압된 유체를 공급하기 위하여, 저장소로부터 유체를 끌어오기 위한 흡입구와, 제3 유체 흐름 라인에 의해 밸브 어셈블리로 연결된 토출구를 포함할 수 있다.
선택적으로 또는 추가적으로, 양방향 펌프는 전기 구동 시스템에 의해 구동될 수 있고, 부스트 펌프는 냉각 목적으로 전기 구동 시스템의 적어도 일부를 통해 유압 유체를 순환시킬 수 있다.
선택적으로 또는 추가적으로, 유압 유체는 전기 구동 시스템에서 열 교환 경로를 통해 부스트 펌프에 의해 순환될 수 있고, 그리고/또는 압력 릴리프 밸브는 과도한 압력이 열 교환 경로에서 형성되는 것을 방지하도록 열 교환 경로에 걸쳐 연결될 수 있다.
선택적으로 또는 추가적으로, 전기 구동 시스템은, 유압 유체가 순환되는 액체 냉각 전동기를 포함할 수 있다.
선택적으로 또는 추가적으로, 전기 구동 시스템은, 유압 유체가 순환되는 액체 냉각 전자 모듈을 포함할 수 있다.
선택적으로 또는 추가적으로, 부스트 펌프는 유압 유체로부터 열을 제거하기 위한 열 교환기를 통해 유압 유체를 순환시킬 수 있다.
선택적으로 또는 추가적으로, 부스트 펌프는 전기 부스트 펌프 전동기에 의해 구동될 수 있다.
선택적으로 또는 추가적으로, 양방향 펌프는 전기 양방향 펌프 전동기에 의해 구동될 수 있고, 시스템 컨트롤러는 부스트 펌프 및 양방향 펌프 전동기를 제어하도록 제공될 수 있다.
선택적으로 또는 추가적으로, 부스트 펌프 전동기로의 전류는 양방향 펌프의 지시된 속도의 함수로서 제어되어, 양방향 펌프 전동기의 더 높은 동작 속도를 위하여 부스트 시스템 압력을 증가시킬 수 있다.
선택적으로 또는 추가적으로, 유압 실린더에 작용하는 부하가 양방향 펌프와 독립적으로 유체가 유압 실린더로부터 흐르게 하도록 유압 실린더를 역으로 구동할 때, 에너지 회수 목적으로 전기를 재생하기 위하여 해당하는 전기 전동기를 구동하도록 흐름이 양방향 펌프 및 부스트 펌프의 적어도 하나를 통해 향하도록 지시될 수 있다.
선택적으로 또는 추가적으로, 유압 실린더에 작용하는 부하가 양방향 펌프와 독립적으로 유체가 유압 실린더로부터 흐르게 하도록 유압 실린더를 역으로 구동할 때, 흐름은 제3 유체 흐름 라인를 통하여 열 교환기로 향할 수 있다.
유압 시스템은 복수의 액추에이터 시스템을 포함할 수 있으며, 복수의 액추에이터 시스템의 제3 유체 흐름 라인은 서로 연결되고, 복수의 액추에이터 시스템에 의해 공유된 부스트 시스템에 연결되어, 부스트 펌프가 미리 정해진 레벨에서 부스트 압력을 유지하는 동안, 하나의 액추에이터 시스템으로부터의 잉여 유체는 다른 액추에이터 시스템으로 메이크업 유체를 공급하는데 사용될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 전기-유압 시스템은 개선된 성능, 유체 컨디셔닝 및 전자장치 냉각이 제공된다. 이러한 목적으로, 양방향 펌프는 시스템 유체가 부스트 펌프 시스템, 특히 메이크업 유체를 제공하거나 잉여 유체를 받는데 사용되는 부스트 시스템에 의해 순환되는 전기 구동 시스템에 의해 구동된다.
따라서, 본 발명의 이러한 양태에 따른 유압 시스템은, 헤드단 챔버와 로드단 챔버를 구비한 해당하는 불균형 유압 실린더를 팽창 및 수축하는 적어도 하나의 액추에이터 시스템을 포함한다. 액추에이터 시스템은, 유압 실린더의 헤드단 챔버와 로드단 챔버에 각각 연결가능한 제1 및 제2 유체 흐름 라인; 유압 실린더의 헤드단 챔버로의 운반을 위하여 제1 유체 흐름 라인으로 가압된 유체를 공급하도록 제1 방향으로 동작가능하고, 유압 실린더의 로드단 챔버로의 운반을 위하여 제2 유체 흐름 라인으로 가압된 유체를 공급하도록 제1 방향과 반대인 제2 방향으로 동작가능한, 양방향 펌프; 및 양방향 펌프를 구동하기 위한 전기 구동 시스템을 포함한다. 유압 시스템은, 제1 및 제2 유체 흐름 라인과 유체를 공급받거나 공급하기 위한 부스트 시스템을 더 포함한다. 부스트 시스템은, 유체가 양방향 펌프에 의해 제1 및 제2 유체 흐름 라인에 공급되는 압력보다 통상적으로 더 낮은 압력으로 제3 유체 흐름 라인에 가압된 유체를 공급하고 냉각 목적으로 전기 구동 시스템의 적어도 일부를 통해 유압 유체를 순환시키기 위한 부스트 펌프를 포함한다.
선택적으로 또는 추가적으로, 유압 유체는 전기 구동 시스템에서 열 교환 경로를 통해 부스트 펌프에 의해 순환되고, 압력 릴리프 밸브는 과도한 압력이 열 교환 경로에서 형성되는 것을 방지하도록 열 교환 경로에 걸쳐 연결될 수 있다.
선택적으로 또는 추가적으로, 전기 구동 시스템은, 유압 유체가 순환되는 액체 냉각 전동기를 포함할 수 있다.
선택적으로 또는 추가적으로, 전기 구동 시스템은, 유압 유체가 순환되는 액체 냉각 전자 모듈을 포함할 수 있다.
선택적으로 또는 추가적으로, 부스트 펌프는 유압 유체로부터의 열을 제거하기 위하여 열 교환기를 통하여 유압 유체를 순환시킬 수 있다.
선택적으로 또는 추가적으로, 부스트 펌프는 전기 부스트 펌프 전동기에 의해 구동될 수 있다.
선택적으로 또는 추가적으로, 시스템 컨트롤러는 부스트 펌프 및 양방향 펌프 전동기를 제어하도록 제공될 수 있다.
선택적으로 또는 추가적으로, 부스트 펌프 전동기로의 전류는 양방향 펌프의 지시된 속도의 함수로서 제어되어, 양방향 펌프 전동기의 더 높은 동작 속도를 위하여 부스트 시스템 압력을 증가시킬 수 있다.
본 발명의 다른 특징들은 도면과 관련되어 고려될 때 이어지는 상세한 설명으로부터 자명할 것이다.
예시적인 도면에서:
도 1은 연속으로 회전하는 펌프 및 흡입구 축압기를 채용한 불균형 유압 실린더를 위한 예시적인 종래 기술의 개방 회로 유압 흐름 관리 시스템을 개략적으로 도시한다;
도 2는 양방향 회전 펌프 및 흡입구 축압기를 포함하는 예시적인 종래 기술의 폐쇄 회로 전기-유체역학식 액추에이션 시스템을 개략적으로 도시한다;
도 3은 3포트 펌프 및 축압기를 포함하는 예시적인 종래 기술의 유압 흐름 관리 시스템을 개략적으로 도시한다;
도 4는 본 발명에 따른 예시적인 흐름 관리 시스템을 개략적으로 도시한다;
도 5는 에너지 회수를 제공하는데 사용되는 부스트 펌프를 갖는 본 발명에 따른 다른 예시적인 흐름 관리 시스템을 개략적으로 도시한다;
도 6a 내지 6c는 본 발명에 따른 흐름 관리 시스템에게 도움이 될 수 있는 전기-유체역학식 액추에이션 시스템을 개략적으로 도시한다;
도 7은 예시적인 작업 기계, 구체적으로는 휠 로더의 측면도이다;
도 8은 도 8의 휠로더의 경사 및 리프트 실린더를 동작시키는 특정 애플리케이션을 갖는, 본 발명에 따른 예시적인 유압 시스템을 개략적으로 도시한다;
도 9는 액추에이션 시스템의 전기 부품을 냉각시키기 위한 흐름 관리 시스템의 사용을 도시하는 개략도이다;
도 10은 도 9 및 도 10의 유압 시스템의 물리적 구현에 대한 개략도이다;
도 11은 순 차동 흐름의 크기 및 방향이 어떻게 계산될 수 있는지를 설명하는 정보 흐름도를 도시한다;
도 12는 부스트 전동기/펌프 속도 또는 토크의 예시적인 제어를 나타내는 정보 흐름도를 도시한다; 그리고,
도 13은 부스트 시스템과 관련된 유압 밸브의 예시적인 제어를 나타내는 정보 흐름도를 도시한다.
먼저, 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 예시적인 흐름 관리 시스템이 100에서 도시된다. 시스템(100)은 적어도 하나의 액추에이터 시스템(예로써, 2개의 액추에이터 시스템(101, 102)이 도시되지만, 그 개수는 임의의 주어진 애플리케이션에 대하여 가변될 수 있다), 하나 이상의 액추에이터 시스템으로의 또는 그로부터의 유체를 받아들이거나 공급하는 부스트 시스템(103), 및 컨트롤러(104)를 포함한다.
각 액추에이터 시스템(101, 102)은 한 방향으로 액추에이터를 동작시키기 위하여 하나의 흡입구/토출구 포트(108)로부터 유압 액추에이터(미도시)로 가압된 유체를 공급하도록 제1 방향으로 동작가능하며, 제1 방향과 반대인 방향으로 액추에이터를 동작시키기 위하여 다른 하나의 흡입구/토출구 포트(109)로부터 유압 액추에이터로 가압된 유체를 공급하도록 제1 방향과 반대인 제2 방향으로 동작가능한 양방향 펌프(107)를 포함한다. 또한, 각 액추에이터 시스템은 양방형 펌프를 어느 한 방향으로 구동하기 위한 전기 양방향 펌프 드라이브(111)를 포함한다. 펌프 드라이브(111)는, 도시된 바와 같이, 전기 전동기(112)와, 컨트롤러(104)로부터 수신된 명령 신호에 따라 전동기에 공급되는 파워를 제어하는 전기 전동기 파워 컨트롤러(113)를 포함할 수 있다. 각 액추에이터 시스템의 유체 회로(미도시)는 도 8와 관련하여 아래에서 상세히 설명되는 예시적인 회로로 원하는 바에 따라 적합하게 구성될 수 있다.
부스트 시스템(103)은 유체를 유체 메이크업/복귀 라인(116)으로 공급하기 위한 부스트 펌프(115)(또한, 여기에서 차지 펌프(charge pump)라고도 함)를 포함한다. 메이크업/복귀 라인(116)은 하나의 흡입구/토출구 포트가 가압된 유체를 유압 액추에이터로 공급할 때, 양방향 펌프(107)의 다른 하나의 흡입구/토출구 포트와 유체적으로 선택적으로 연통하여, 이에 의해 공동 현상을 방지하기 위하여 원하는 흡입구 압력으로 유압 유체를 공급한다. 또한, 부스트 시스템은 부스트 펌프를 구동하기 위한 전기 부스트 펌프 드라이브(118)를 포함한다. 드라이브(118)는 전동기(119)와 전자 전동기 파워 컨트롤러(120)를 포함할 수 있다.
하이드로-전기-기계 제어 유닛이라고도 할 수 있는 컨트롤러(104)는 양방향 펌프 드라이브(102)와 부스트 펌프 드라이브(118)의 동작을 제어하기 위한 적어도 하나의 논리 장치를 포함한다. 논리 장치 또는 장치들은 프로그래밍된 프로세서, 컴퓨터, 프로그래밍된 논리 컨트롤러 등과 같은 임의의 적합한 종류일 수 있다. 컨트롤러의 기능은 원하는 바에 따라 단일 논리 장치에서 통합될 수 있거나 또는 2 이상의 논리 장치들에 분산될 수 있다. 컨트롤러(104)는 일반적으로 휠 로더의 운전자 칸에서의 제어 레버와 같은 운전자 제어 장치로부터, 예를 들어 명령과 같은 입력을 수신할 것이다. 입력은 대응하는 액추에이터 시스템의 양방향 펌프 전동기(112)의 방향 및 속도를 제어하기 위하여 해석된다. 또한, 하이드로-전기-기계 제어 유닛은 양방향 펌프 전동기의 지시된 속도의 함수로서 부스트 펌프 전동기(119)로의 전류를 제어할 수 있어, 양방향 펌프 전동기의 더 높은 동작 속도를 위하여 부스트 시스템 압력을 증가시키게 하며, 또는 원하는 바에 따라, 부스트 시스템이 도 9를 참조하여 아래에서 설명되는 방법과 같이 시스템 부품의 냉각을 제공하는데 사용될 때, 증가된 냉각 필요 사항을 만족시킬 수 있다.
부스트 펌프(115)는 저장소(124)로부터 유체를 끌어들이기 위한 흡입구와 체크 밸브(125)를 통해 메이크업/복귀 라인(116)에 연결된 토출구를 갖는다. 메이크업/복귀 라인(116)은 바람직하게는 액추에이터 시스템(101, 102) 모두에 서비스를 제공하며, 이에 의해 복귀(잉여) 유체는, 부스트 펌프(115)가 미리 정해진 레벨로 부스트 압력을 유지하는 동안, 하나의 액추에이터 시스템으로부터의 메이크업 유체를 직접(저장소(124)를 통한 경로 없이) 다른 액추에이터 시스템으로 공급하는데 사용될 수 있다. 저장소는, 바람직하게는, 가압되지 않는다. 즉, 저장소는 대기압 또는 공칭(nominal) 압력에서 유지된다.
특정 실시예에서, 부스트 시스템 전동기와 펌프 어셈블리는 저장소에 직접 설치된 습식의 잠수가능한 종류일 수 있어, 전동기와 펌프 사이 및 다른 가능성 있는 누설 지점의 동적 밀봉에 대한 필요성을 제거한다. 이 대신에, 펌프(115)는 단독으로 잠수될 수 있다. 또 다른 대용물로서, 전동기(119) 및 펌프(115)는 전술한 바에 반대로, 저장소와, 저장소와 연통하는 부스트 펌프 흡입구 사이의 공동 현상의 가능성을 제거하기 위하여, 저장소 아래 또는 저장소 옆에 설치될 수 있다.
도 4에서 알 수 있듯이, 조정가능한 압력 릴리프 밸브(127)와 흐름 제어 밸브(128)(여기에서는 덤프(dump) 밸브라고도 한다)는 메이크업/복귀 라인(116)과, 저장소(124)로 향하는 저장소 복귀 라인(129) 사이에 병렬로 연결된다. 저장소 복귀 라인(129)은 각각 유압 유체로부터 열을 추출하고 저장소로의 복귀 전에 유압 유체를 필터링하기 위한 열 교환기(131) 및 필터(132)가 공급될 수 있다. 압력 릴리프 바이패스 체크 밸브(133)는 열 교환기에 걸친 압력 편차가 열 교환기에 손상을 줄 수 있는 레벨을 초과하는 것을 방지하기 위하여 열 교환기에 걸쳐 제공될 수 있다.
조정가능한 압력 릴리프 밸브(127)는 펌프 토출구 포트 및 저장소에 걸친 압력 강하를 조정함으로써 순 흐름(net flow)을 부스트 펌프(115)로부터 액추에이션 시스템(101, 201)으로, 또는 액추에이션 시스템으로부터 저장소(124)로 향하도록 컨트롤러(104)에 의해 제어된다. 일반적으로, 컴퓨터 컨트롤러에 의해 결정된 양의 순 흐름(액추에이션 시스템을 향한)에 대한 제어 목적은 액추에이션 시스템에 필요한 흐름을 제공하기 위하여 경로에 걸쳐 큰 압력 강하를 형성하는 것이다. 컴퓨터 컨트롤러에 의해 결정된 음의 흐름(저장소로 향하는) 하에서, 낮은 압력 강하는 과도한 유체가 낮은 흐름 손실로 저장소로 향하게 되는 것을 허용하는 것이 바람직하다. 따라서, 액추에이션 시스템에 대한 라인(116)에서의 압력은 컴퓨터 컨트롤러에 의해 지시된 바에 따라 조정가능한 릴리프 밸브에 의해 설정될 수 있다.
압력 릴리프 밸브와 병렬로 연결된 덤프 밸브(128)는 릴리프 밸브(127)에 걸친 추가된 스로틀(throttle) 손실 없이 유압 유체 냉각을 위하여 열 교환기를 통해 순환되도록 허용한다. 또한, 개방되었을 때, 소정의 동작 조건(장비의 붐 또는 암의 신속한 하강과 같은) 하에서 가능한 한 빨리 수축하는 것이 바람직할 때, 덤프 밸브는 유압 유체가 저장소(124)로 최소 저항으로 자유롭게 흐르도록 허용한다. 또한, 덤프 밸브는 저장 동안에 가능한 한 낮게 EHA 시스템 압력을 강하시키도록 개방될 수 있어, 이에 의해 장기간의 외부 누설의 위협을 제거할 수 있다.
바람직한 시스템에서, 부스트 펌프 전동기 명령은 액추에이션 시스템 전동기 명령에 선행하여, 이에 의해 액추에이션 펌프가 가속할 때 액추에이션 시스템 펌프 흡입구로의 압력이 적당하게 된다.
바람직하게는, 실린더의 개수에 관계없이 필요 사항을 충족하는데 필요한 바에 따라 유체을 공급하거나 받아들이면서, 부스트 시스템(103)은 메이크업/복귀 라인(116)에서 일정한 압력을 제공하도록 동작된다. 즉, 역시 바람직하게는 아래에서 더 논의되는 파워 소모를 최소화하고 에너지 회수를 최대화하면서, 부스트 시스템은 하나 이상의 액추에이션 시스템(101, 102)에 공통인 메이크업/복귀 라인(116)에 대하여 조정가능한 흐름 및 여전히 일정한 압력원을 운반할 수 있다. 펌프 공동 현상을 제거하지는 않는다 하더라도, 조정가능한 흐름과 일정한 압력은 최소화된다.
아래에서 더욱 상세히 설명되는 바와 같이, 부스트 펌프 드라이브(118)를 제어하는 논리 장치(104)는 (a) 양방향 드라이브가 동작하도록 지시된 속도, (b) 전기 양방형 펌프 드라이브에 작용하는 부하, (c) 액추에이터 시스템에서의 유압 라인 손실, (d) 양방향 드라이브의 지시된 가속도, 및 (e) 상기 (a) 내지 (d)의 2 이상의 조합 중 적어도 하나에 따라 부스트 펌프 드라이브의 동작을 제어하도록 구성될 수 있다.
부스트 범프 드라이브를 제어하는 논리 회로는, 양방향 펌프 드라이브의 동작을 제어하는 명령으로부터 발생하는 압력 또는 흐름 수요를 예상하여 부스트 범프 드라이브의 동작을 제어하도록 구성될 수 있다.
도 5를 참조하면, 수정된 부스트 시스템은 대체로 135로 표시된다. 시스템(135)은 실질적으로 시스템(103)과 동일하며, 유사한 도면 부호가 유사한 구성 요소를 나타내는데 사용된다. 그러나, 부스트 시스템(135)은 전동기/발전기(119)의 역회전과 배터리(137)와 같은 저장 장치로의 전기 파워의 복귀에 의해 전기 에너지 회수를 위하여 수정된다. 이 구현예에서, 2개의 체크 밸브(138, 139)가 도시된 바와 같이 배치된다. 가변 릴리프 밸브(127)는 일반적으로 펌프(115)와 전동기/발전기(119)가 역으로 구동되고 저장소(124)로의 복귀 흐름 경로를 제공하게 하도록 높게 설정될 수 있다.
도 6a 내지 6c는 본 발명에 따른 흐름 관리 시스템의 사용으로부터 도움을 받을 수 있는 3개의 단순화된 EHA 유압 회로(140, 141, 142)를 도시한다. 이 시스템(140, 141, 142)의 각각은 폐쇄 회로에서 하나 또는 두개의 양방향 전기 전동기 구동 펌프로부터 유압 유체가 제공되는 불균형 실린더(143, 144, 145)를 갖는다. 각 시스템은 개방된 탱크 또는 저장소, 상승된 흡입구 압력이나 선호하는 바에 따라 펌프 공급의 부스트된 흡입구 압력을 공급하는 축압기일 수 있는 저압 유압 유체 인터페이스(148, 149, 150), 예를 들어, 축압기에 대한 필요성을 제거할 수 있는 전술한 것과 유사한 부스트 시스템를 가질 수 있다.
외부 부하는 수행되는 작업 또는 제어되는 기계 메카니즘의 무게 때문에 존재할 수 있으며, 그 부하는 팽창 또는 수축 방향 중 어느 하나로 액추에이션 실린더에 인가될 수 있다. 외부 부하 하의 메카니즘이 실린더가 수축 또는 팽창하게 하도록 허용될 때, 펌프 또는 펌프들은 실린더로부터의 유압 유체에 의해 역으로 구동되고, 전기 에너지가 생성되어 저장 배터리 또는 엔진 구동 발전기로 다시 보내어진다. 따라서, 상당한 에너지가 회수되어 저장될 수 있으며, 연료비 및 엔진 공해가 실질적으로 감소된다.
도 6a는 실린더 제어 회로(155)에 의해 실린더(143)와 연통하는 양방향 전동기 구동 펌프(154)를 도시한다. 실린더가 팽창하도록 지시될 때, 라인(159)을 통해 로드 단(158)으로부터 저압 유압 유체를 공급받는 동안, 펌프는 고압 유압 유체를 실리더 헤드 단(157)과 연통하는 라인(156)으로 공급한다. 실린더의 로드측에서 제거된 유압 유체의 부피가 실린더의 헤드측을 채우는데 필요한 유압 유체보다 적기 때문에, 메이크업 실린더 유체가 저압 인터페이스(148)로부터 공급된다. 실린더 제어 회로(155)는 저압 인터페이스와의 유압 유체의 공급을 이동시키는데 필요한 필수 밸브를 포함한다.
도 6b에 도시된 회로(141)에서, 서로 다른 크기의 2개의 양방향 펌프(161, 162)가 실린더(144)로부터의 유압 유체를 공급하고 그리고/또는 공급받기 위하여 전기 전동기(164)에 의해 동일한 속도로 구동된다. 이러한 종류의 구현예는 본 명세서에 참조로서 편입되는 미국 등록 특허 No. 6,962,050에 더욱 상세히 설명된다. 이 구현예에서, 2개의 펌프의 출력 흐름 속도는 일반적으로 압력 하의 실린더 면적에 매칭되어야만 한다.
실린더(144)가 팽창할 때, 양 펌프(161, 162)는 실린더 헤드단(166)으로 상승된 압력으로 유압 유체 부피를 공급한다. 동시에, 상부 펌프(162)의 흡입구 또는 저압측은 실린더 로드측으로부터 흐름을 끌어들이며, 하부 펌프(161)는 저압 인터페이스(149)로부터 흐름을 끌어들인다. 실린더가 수축할 때 그 역으로 된다.
이 구현예에서, 2개의 펌프의 각각의 출력 흐름 속도는 일반적으로 실린더 헤드 영역의 크기와 실린더 피스톤 로드 고리 영역의 크기에 고유하게 매칭되어야 하며, 이는 양쪽 모두가 하나의 전동기에 의해 동일한 속도로 회전되기 때문이다. 이러한 고유한 관계의 결과로, 상당한 제조비 및 재고 불이익이 많은 수의 서로 다른 실린더 크기를 필요로 하는 업계에서 발생한다.
도 6c에 도시된 회로는 "3 포트" 펌프(169)를 이용한다. 이러한 종류의 예시적인 회로에 대한 상세는 미국 등록 특허 No. 5,144,801 및 No. 6,912,849에서 설명되며, 이 둘은 여기에 참조로서 편입된다. 3 포트 펌프는 그 내부 포팅 배치가 실린더 헤드단 및 실린더 로드측 면적에 비례하여 흐름의 분배를 제공한다. 실린더(145)가 팽창할 때, 상승된 압력으로 실린더 헤드단(170)으로 흐르는 펌프(169)의 부피 출력은 실린더 로드측(171)으로부터의 감소된 압력으로 펌프로 들어간 유압 유체와 저압 인터페이스(150)에 의해 제공된 필요한 메이크업 유압 유체의 합과 동일하다. 실린더가 수축할 때 그 역으로 된다.
이 구현예에서, 펌프의 설계는 일반적으로 실린더 헤드 영역의 크기와 실린더 피스톤 로드 고리 영역의 크기에 고유하게 매칭되어야 한다. 다시, 이러한 고유한 관계의 결과로, 상당한 제조비 및 재고 불이익이 많은 수의 서로 다른 실린더 크기를 필요로 하는 업계에서 발생한다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 원리의 예시적인 적용이 대체로 210으로 표시된 휠 로더와 연계하여 도시된다. 휠 로더(210)는 캡(cab)/컴파트먼트(212)를 포함하는 후방 차량 부분(211)과 전방 차량 부분(213)을 포함하며, 두 부분은 각각 프레임 및 해당하는 구동 축(214, 215)를 포함한다. 차량 부분(211, 213)은, 휠 로더의 반태측에 2개의 부분에 연결된 유압 실린더(216, 217)에 의해 수직 축에 대하여 서로에 피봇팅될 수 있는 방식으로 서로 결합된다. 유압 실린더(216, 217)는 휠 로더의 조향(steering) 또는 회전(turning)을 제공한다.
휠 로더(210)는 물체 또는 재료를 다루기 위한 장치(220)를 더 포함한다. 장치(220)는 리프팅 암 유닛(221)과, 리프팅 암 유닛에 장착된 버켓 형태의 도구(222)를 포함한다. 버켓(222)은 재료(223)가 채워진 상태로 도시된다. 리프팅 암 유닛(221)의 일단은 버켓의 상승 운동을 제공하기 위하여 전방 차량 부분(213)에서 회전가능하게 결합된다. 버켓은 버켓의 경사 운동을 제공하기 위하여 리프팅 암 유닛의 반대단에 회전가능하게 결합된다.
리프팅 암 유닛(221)은 리프팅 암 유닛의 반대측에서 2개의 유압 실린더(225)에 의해 차량(210)의 전방 부분(213)에 비하여 상승 또는 하강될 수 있다. 유압 실린더는 각각 일단에서 전방 차량 부분(213)에, 그리고 타단에서 리프팅 암 유닛(221)에 결합된다. 버켓(222)은 일단에서 전방 차량 부분에 그리고 타단에서 링크 암 시스템(228)을 통해 버켓에 결합된 제3 유압 실린더(227)에 의해 리프팅 암 유닛(221)에 비하여 틸팅될 수 있다.
휠 로더(210)는 한정이 아니라 본 발명의 이해를 용이하게 하도록 도시되고 설명된다. 이해되는 바와 같이, 휠 로더는 본 발명으로부터의 이점을 향유하는 작업 기계의 한 예일 뿐이다. 다른 종류의 작업 기계(작업 차량을 포함하여)는, 리프팅 암, 붐, 버켓, 조향 및/또는 회전 기능부 및 이동 수단을 포함하는 여러 가지 액추에이션 기능부를 갖는 굴착기 로더(백호), 굴착 기계, 채굴 장치, 및 산업적 애플리케이션 등을 한정하지 않으면서 포함한다.
도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 예시적인 유압 시스템이 대체로 270으로 표시된다. 시스템에서(270), 2 포트 펌프와 불균형 실린더 사이의 흐름 관리는 펌프에 걸친 압력 차이에 응답하는 셔틀(shuttle) 밸브에 의해 달성된다.
도시된 예시적인 시스템(270)은 대응하는 불균형 유압 실린더를 팽창 및 수축하기 위한 하나 이상의 액추에이터 시스템을 포함할 수 있는 하이브리드 전기-유체역학식 시스템이다. 예로써, 시스템(270)은 예를 들어 휠 로더(210)의 실린더(225, 227)의 리프트 및 틸트를 제어하는데 사용될 수 있는 2개의 이러한 액추에이터 시스템(271, 272)을 가진다. 예시된 실시예에서, 개별 펌프 및 전동기가 각 리프트 실린더에 제공될 수 있지만, 리프트 시스템은 펌프와 전동기를 공유하는 2개의 실린더를 포함한다.
시스템(271, 272)이 특정 애플리케이션 용으로 달라질 수 있지만, 예시된 실시예에서, 2개의 시스템은 기능적으로 동일하다. 따라서, 하나의 시스템(271)이 더 자세히 설명될 것이며, 그러한 설명이 다른 시스템(272)에도 동일하게 적용될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
액추에이터 시스템(271)은 유압 실린더(225)로의 유압 유체 흐름의 속도 및 방향을 제어한다. 이러한 제어는 양방향 펌프(276)를 구동하는데 이용되는 전기 전동기(275)의 속도와 방향을 제어함으로써 획득된다. 펌프(276)는 라인(278)에 의해 유압 실린더(225)의 헤드단 또는 팽창 챔버(279)로 연결된 한 흡입구/토출구 포트(277)와, 라인(281)에 의해 유압 실린더의 로드단 또는 수축 챔버(282)에 연결된 다른 흡입구/토출구 포트(280)를 갖는다. 도시된 바와 같이, 펌프 케이스는 저장소(324)에 연결된 드레인 누설 라인을 가질 수 있다. 유압 유체 필터가 저장소로의 펌프 케이스 경로에 포함될 수 있다. 펌프 케이스는 누설 라인을 통해 자유롭게 드레인할 수 있으며, 낮은 내부 펌프 압력은 펌프 샤프트 씰에 대한 긴 수명을 보장할 수 있다.
펌프(278, 281)는 해당하는 부하 유지 밸브(285, 286)와 압력 릴리프 밸브(287, 288)이 제공될 수 있다. 압력 릴리프 밸브는 라인(278, 281) 및 공통 라인(290) 사이에 연결된다. 압력 릴리프 밸브는, 펌프가 라인(278 또는 281) 내의 고압의 릴리프를 제공하는 중립 위치에 있을 때 실린더에서의 과도한 외부 과부하가 인가되어야만 하는 경우에, 과도하게 가압되는 가능성으로부터 펌프와 실리더를 보호한다. 부하 유지 밸브는 심지어 부하 하에 있을 때 실린더의 위치를 유지하도록 실린드로부터의 흐름을 차단하는데 사용된다. 또한, 체크 밸브가 릴리프 밸브와 병렬로 제공될 수 있다. 체크 밸브는 바람직하게는 항상 부스트 압력으로의 연결성을 보장함으로써 펌프 및 상응하는 부하 유지 밸브 사이의 회로에서 공동 현상의 가능성이 발생하는 것을 방지한다.
달리 표시되지 않는다면, 유체 흐름 라인은 표시된 연결을 제공하는 하나 이상의 유체 경로, 도관 등을 포함할 수 있다.
밸브 어셈블리(291)는 부스트 시스템(303)의 메이크업/복귀 라인(316)에 연결된 공통 라인(290)으로 유압 실린더(225)의 어느 한 측(279, 282)의 연결을 제공한다. 라인(278)에서의 압력이 라인(281)에서의 압력을 미리 설정된 양만큼 초과할 때 공통 라인(290)에 라인(281)을 연결하여 메이크업 유체가 공통 라인을 통해 라인(281)에 공급될 수 있게 하고, 라인(281)에서의 압력이 라인(278)에서의 압력을 미리 설정된 양만큼 초과할 때 공통 라인(290)에 라인(278)을 연결하여 유압 실린더(225)의 헤드단 챔버(279)로부터의 잉여 유체가 공통 라인(290)에 의해 받아들여질 수 있게 하도록, 밸브 어셈블리는 라인(278, 281) 사이의 차동 압력에 의해 동작한다.
바람직하게는, 밸브 어셈블리(291)는 파일럿 동작되는 3 지점 셔틀 밸브(293)를 포함하고, 그 위치는 펌프(276)에 걸친 차동 압력에 의해 결정된다. 밸브(293)는 각각 라인(278, 281)에 연결된 파일럿 포트(295, 296)를 가진다. 펌프가 유압 실린더의 팽창을 위하여 라인(278)에 유체를 공급하도록 전동기(275)에 의해 구동된다면, 셔틀 밸브(293)는 공통 라인(290)으로 라인(281)을 연결하고 랑인(278)으로부터 공통 라인으로의 흐름을 차단하도록 시프트될 것이다. 반대로, 펌프가 유압 실린더를 수축시키기 위하여 반대 방향으로 구동될 때, 펌프에 걸친 압력 차이는 라인(278)을 공통 라인(290)에 연결하고 라인(281)으로부터 공통 라인으로의 흐름을 차단하기 위하여 셔틀 밸브를 시프트시킬 것이다.
이해되는 바와 같이, 셔틀 밸브(291)는, 라인(278, 281) 중 하나가 공통 라인(290)으로부터 끊어질 때, 다른 라인은 연결되는 것을 보장하고, 이에 의해 유압 락업(lock up)의 가능성을 제거하지는 않더라도 감소시킨다.
전술한 바와 같이, 공통 라인(290)은 하나 이상의 액추에이터 시스템(271, 272)의 공통 라인(290)과 유체를 공급받거나 공급할 수 있는 부스트 시스템(303)의 메이크업/복귀 라인에 연결된다. 도시된 부스트 시스템은 통상적으로 양방향 펌프(276)에 의해 라인(278, 281)에 유체가 공급되는 압력보다 낮은 압력으로 가압된 유체를 메이크업/복귀 라인(316)으로 공급하기 위한 부스트 펌프(315)를 포함한다. 부스트 펌프는 예를 들어 기어, 베인(vane) 또는 피스톤 펌프를 포함하는 임의의 적합하고 바람직한 종류일 수 있다.
부스트 펌프(300)는 저장소(324)로부터 유체를 끌어 오기 위한 흡입구(301)와 체크 밸브(325)를 통해 메이크업/복귀 라인(316)에 연결된 토출구(305)를 가진다. 도 8에서 알 수 있는 바와 같이, 복수의 액추에이터 시스템(271, 272)의 공통 라인(290)은 서로 그리고 부스트 시스템(303)의 메이크업/복귀 라인(316)에 연결되어, 이에 의해 부스트 펌프가 미리 정해진 레벨로 부스트 압력을 유지하는 동안 한 액추에이터 시스템으로부터의 잉여 유체가 다른 액추에이터 시스템에 메이크업 유체를 공급하는데 사용될 수 있다.
부스트 펌프(315)는 전기 부스트 펌프 전동기(319)에 의해 구동된다. 부스트 시스템의 부스트 펌프와 전동기는 임의의 적합한 종류일 수 있다. 특정 실시예에서, 부스트 시스템 전동기 및 펌프 어셈블리는 저장소에 직접 설치된 습식의 잠수가능한 타입일 수 있어, 이에 의해 전동기와 펌프 사이 및 다른 가능한 누설 지점에서의 동적 씰에 대한 필요성을 제거한다. 이 대신에, 펌프는 단독으로 잠수될 수 있다. 또 다른 대체물로서, 저장소 및 저장소와 연통하는 부스트 펌프 흡입구 사이의 공동 현상의 가능성을 제거하기 위하여 전동기 및 펌프는 전술한 것과 대조적으로 저장소 아래 또는 옆에 설치될 수 있다.
부스트 펌프(315)로의 파워는, 하나 이상의 액추에이터 시스템(271, 272)의 양방향 펌프 전동기(275)에 대한 파워를 제어하기 위한 파워 제어 유닛(313)을 제어할 수 있는 하이드로-전기기계 제어 유닛(304)에 의해 제어되는 전기 전동기 파워 컨트롤러(320)에 의해 제어된다. 하이드로-전기기계 제어 유닛(304)는 일반적으로 양방향 펌프 전동기(275)의 방향 및 속도를 제어하도록 해석되는 휠로더(210)의 컴파트먼트에 있는 레버와 같은 운전자 제어 장치로부터 입력을 수신한다. 또한, 하이드로-전기기계 제어 유닛(304)은 양방향 펌프 전동기의 더 높은 동작 속도를 위하여 부스트 시스템 압력을 증가시키거나 또는 증가된 냉각 요구사항에 필요한 바에 따라 양방향 펌프 전동기의 지시된 속도의 함수로서 부스트 펌프 전동기(319)에 대한 전류를 제어할 수 있다.
바람직한 시스템에서, 부스트 펌프 전동기 명령은 액추에이션 시스템 전동기 명령에 선행하여, 이에 의해 액추에이션 시스템 펌프 흡입구에 대한 압력이 액추에이션 펌프가 가속할 때 적합하다는 것을 보장한다.
바람직하게는, 부스트 시스템(303)은 도 4에 도시된 부스트 시스템에 관하여 전술한 바와 같이, 즉, 실린더 개수에 관계없이 요구사항은 만족하는데 필요한 바에 따라 유체를 공급하거나 공급받는 동안 메이크업/복귀 라인(316)에 일정한 압력을 제공하도록 동작한다. 즉, 아래에서 더 논의되는 파워 소모를 최소화하고 에너지 회수를 최대화하면서, 부스트 시스템은 하나 이상의 액추에이션 시스템의 공통 라인(290)에 조정가능한 흐름 및 여전히 일정한 압력원을 운반할 수 있다. 조정가능한 흐름과 일정한 압력은 펌프 공동 현상을 제거하지는 않아도 최소화한다.
이해되는 바와 같이, 전동기 및 파워 제어 유닛은 집합적으로 전기 구동 시스템을 형성한다. 또한, 부스트 펌프(315)는 냉각 목적으로 전기 구동 시스템의 적어도 일부를 통해 유압 유체를 순환시키도록 동작될 수 있다. 도 8에서 알 수 있는 바와 같이, 압력 릴리프 밸브(327) 및 흐름 제어 밸브(328)(여기에서는 덤프 밸브라고도 함)는 메이크업/복귀 라인(316)과 저장소(324)를 향하는 저장소 복귀 라인(329) 사이에 병렬로 연결된다. 저장소 복귀 라인(329)은 각각 유압 유체로부터 열을 추출하고 저장소로의 복귀 전에 유체를 필터링하는 열 교환기(331) 및 필터가 각각 제공될 수 있다. 압력 릴리프 밸브(327)는 공통 라인(290)에 일정한 압력을 유지하는 기능을 한다. 흐름 제어 밸브(328)는 메이크업/복귀 라인(316)으로부터 열 교환기 및 필터로의 흐름을 허용하도록 개방될 수 있다.
도 8에서의 조정가능한 압력 릴리프 밸브(327)는 펌프 토출구 포트와 저장소에 걸친 압력 강하를 조정함으로써 부스트 펌프로부터 액추에이션 시스템으로의, 또는 액추에이터 시스템으로부터 저장소로의 순 흐름을 지시하는데 사용된다. 일반적으로, 컴퓨터 컨트롤러에 의해 결정되는 바에 따른 양의 순 흐름(액추에이션 시스템으로 향하는)을 위한 제어 목적은 액추에이션 시스템에 필요한 흐름을 공급하기 위하여 그 경로에 걸친 큰 압력 강하를 생성하는 것이다. 컴퓨터 컨트롤러에 의해 결정되는 바에 따른 음의 순 흐름(저장소로 향하는) 하에서, 낮은 압력 강하는 잉여 유체가 낮은 흐름 손실로 저장소로 향하게 허용하는 것이 필요하다. 따라서, 액추에이션 시스템으로의 라인(290)에서의 압력은 컴퓨터 컨트롤러에 의해 지시된 바에 따라 조정가능한 릴리프 밸브에 의해 설정된다. 덤프 밸브는 릴리프 밸브에 걸친 추가된 스로틀(throttle) 손실 없이 유압 유체 냉각을 위하여 흐름이 열 교환기를 통해 순환되도록 허용한다. 개방되었을 때, 소정의 동작 조건(장비의 붐 또는 암의 신속한 하강과 같은) 하에서 가능한 한 신속하게 액추에이터를 수축시키는 것이 바람직할 때 덤프 밸브도 유압 유체가 저장소로 최소 저항으로 자유롭게 흐르도록 허용한다. 또한, 덤프 밸브는 저장 동안에 가능한 한 낮게 EHA 시스템 압력을 강하시키도록 개방될 수 있어, 이에 의해 장기간의 외부 누설의 위협을 제거할 수 있다.
에너지 회수를 위하여, 유압 실린더(225)를 반대로 구동하도록 작용하는 부하는 양방향 펌프(276)와 독립적으로 유체가 유압 실린더로부터의 흐르게 할 것이다. 팽창 또는 수축 방향 중 어느 한 방향으로 액추에이션 실린더에 적용될 기계 메카니즘의 무게 때문에 또는 수행되는 작업 때문에, 외부 부하가 존재할 수 있다. 외부 부하 하의 메카니즘이 실린더가 수축 또는 팽창하게 하도록 허용될 때, 펌프(276)는 실린더로부터의 유압 유체에 의해 역으로 구동되고, 전기 에너지가 생성되어 저장 배터리, 엔진 구동 발전기 또는 다른 에저지 저장 또는 사용 장치로 다시 보내어진다. 외부 부하가 실린더(225)를 압축하는 방향으로 인가된다면, 라인(278)에서의 유압 유체 압력은 증가할 것이다. 밸브 어셈블리(291)는 라인(278)으로부터 라인(290)으로의 흐름을 차단하고 라인(281)으로부터 잉여 흐름이 라인(290)을 통과하도록 허용하게 될 것이다. 이 흐름은 체크 밸브(325)의 개방에 따라 부스트 펌프(315)를 역으로 구동하는데 사용될 수 있으며, 이는 저장을 위하여 전기 에너지를 생성하거나 또는 작업 기계에서 다른 곳에 사용하기 위하여 부스트 펌프 전동기/발전기를 역으로 구동할 수 있다. 부스트 펌프 및 부스트 펌프 전동기를 이용한 에너지 회수에 대한 다른 체크 밸브 배치에 대하여는 도 5를 참조하다. 이해되는 바와 같이, 상당한 에너지가 절약될 수 있으며, 연료비 및 엔진 공해가 실질적으로 감소될 수 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 부스트 펌프(315)는, 흐름을 공급하고 메이크업/복귀 라인(316)으로부터의 흐름을 공급받으며, 그리고/또는 에너지 회수를 제공하는 것에 더하여, 펌프(276)에서의 매니폴드(manifold)를 통하는 것뿐만 아니라, 양방향 펌프 전동기(275) 및/또는 파워 제어 유닛(313)에서의 열 교환 경로를 통하여 유압 유체의 흐름을 제공하는데 이용될 수 있다. 이 목적으로, 전동기 및/또는 전자 모듈은 액체 냉각형일 수 있다. 전동기 및 전자 모듈로부터의 흐름은 유체의 조절을 위하여 열 교환기(331)와 필터(332)를 통한 흐름을 위한 저장소 복귀 라인(329)로 복귀된다.
동작 동안, 오리피스 제한(orifice restriction) 또는 다른 적합한 수단에 의해 제한될 수 있는 소량의 유압 유체가 부스트 펌프(315)에 의해 공급되고 열 교환기(331)로의 복귀되는 바에 따라 전자기기(electronics) 및 전동기/발전기를 통해 순환하도록 허용될 수 있다.
차가운 환경으로부터의 시동 동안 유체의 예열을 위하여, 부스프 펌프(315)는 가변 압력 릴리프 밸브(327)에 걸쳐 유압 유체를 순환시키도록 동작될 수 있다. 밸브에 걸친 스로틀 압력 강하는 저장소에서의 유체를 예열한다. 추가 밸브가 액추에이션 시스템 회로 내의 유체의 예열을 위하여 사용될 수 있다. 다른 선택 사항은 실린더를 운동시키는 것이고, 이에 의해 유압 유체가 예열 과정을 빠르게 하기 위하여 액추에이션 시스템을 통해 순환될 수 있다.
도 10을 참조하면, 유압 시스템의 예시적인 물리적 구현예가 도시된다. 부스트 펌프(315) 및 부스트 펌프 전동기(329)는 저장소(325)와 함께 339로 패키지화하여 도시된다. 냉매 공급 및 복귀 라인은 추가 회전 액추에이터 시스템(340)뿐만 아니라 부스트 펌프/저장소 및 액추에이터 시스템(271, 272) 사이를 지나간다. 예를 들어 배터리일 수 있는 에너지 저장 장치(337)뿐만 아니라 파워 및 제어 라인도 도시된다. 컴팩트한 통합 패키지(339)는 유압 유체 예열뿐만 아니라 유압 유체 냉각을 위하여 냉각팬(341)과 함께 열 교환기(331)를 수용할 수 있다. 또한, 통합 패키지는 유압 유체 필터링을 위한 필터(332)를 포함할 수 있다. 본 실시예에서, 저장소 유압 유체(324) 내에 잠수된 부스트 펌프(2315)가 도시된다.
도 11 내지 13을 참조하면, 예시적인 시스템 제어의 추가 상세가 설명될 것이다. 차지 펌프 시스템(103(도 4), 또는 303(도 8))과 같은 차지 펌프 시스템의 원하는 기능을 획득하기 위하여, 전기 전동기 속도 또는 실린더 및 밸브 상태와 같은 피드백 신호를 수신할 수 있는 컴퓨터 제어 유닛(104/304)과 같은 컴퓨터 컨트롤러 유닛은 낮은 파워 제어 신호를 높은 파워의 전기 전동기 명령으로 증폭하는 컨트롤러(120/320)와 같은 전동기 파워 전자 컨트롤러로 전송되는 필요한 차지 펌프 전기 전동기 속도 또는 토크를 계산할 수 있다. 도 11 내지 13은 컴퓨터 컨트롤러용의 제어 알고리즘 구현예를 상세히 도시한다.
도 11에 도시된 바와 같이, 차지 펌프 순 흐름의 크기 및 방향은 하나 또는 여러 피드백 신호에 따라 계산된다. 특히 휠 로더와 같은 작업 기계의 리프트 및 틸트 구현 기능을 제어하기 위하여 시스템에 적용가능한 본 발명의 바람직한 실시예에서, 리프트 및 틸트 구현 기능의 파워 전자 컨트롤러(도면 부호 516 및 517로 표시된)는 전기 전동기 속도와 동작(파워 공급 또는 제동) 피드백 신호의 모드를 제공한다. 유압 실린더 치수뿐만 아니라 기능 펌프(107/307)의 변위 상수와 같은 피드백 정보 및 시스템 파라미터에 기초하여, 실린더 로드 속도가 518 및 519에서 다음과 같이 계산된다:
Figure pct00001

이 계산은 펌프, 유압 라인 및 밸브에서의 유체 누설 손실에 관한 항을 더 포함할 수 있다. 시스템 구조와 피드백 장치의 가용성에 따라, 실린더 속도는 차이(522, 523) 때문에 위치 센서(520, 521)로부터 얻어질 수 있다. 실린더에 속도 센서가 직접 장치된다면, 추가의 계산은 이 시점에서 수행될 필요는 없다. 그 다음, 실린더 순 유압 흐름은 실린더 면적(528, 529)을 이용한 실린더 속도의 곱셈(530, 531)에 의해 얻어진다(Regen 밸브가 개방된다면 실린더 고리가 사용되고, 다른 경우에는 로드 면적이 사용된다).
순 흐름 = 실린더 속도·면적
여기에서, 면적 = Regen 밸브가 개방되면 고리 면적, 그 외에는 로드 면적
모든 개별 기능의 순 흐름은 532에서 더해져서 전체 시스템 유압 순 흐름(535)의 크기를 얻는다. 533에서 순 흐름의 부호를 평가함으로써, 다음 계산에서의 사용을 위한 흐름 방향이 얻어질 수 있다. 바람직한 실시예에서, 순 흐름은 차지 펌프가 116/316으로 흐름을 공급한다면 양(+)의 순 흐름으로 정의되고, 차지 펌프가 116/316으로부터 과도한 기능 흐름을 공급받는다면 음(-)의 순 흐름으로 정의된다.
도 12는 본 발명의 제어 목적, 즉, 기능 펌프(107/307) 수요를 만족시키기 위하여 차지 펌프 출력 압력 및 흐름을 제공하는 것에 따라 차지 펌프 전기 전동기(부스트 펌프 전동기(119/319)와 같은)의 토크 및 속도 출력을 생성하는데 사용되는 제어 스킴 알고리즘을 도시한다. 일반적으로, 펌프가 지시된 속도로 부하를 지지하는 실린더를 이동시키기 위하여 흐름을 공급한다면, 획득될 이러한 이동을 위하여 펌프가 공급하는 것이 필요한 원하는 압력이 있다. 이 압력은 지시된 속도, 부하, 유압 라인 손실 및/또는 부하의 가속도에 종속할 것이다. 따라서, 차지 펌프는 바람직하게는 다음의 4가지 인자 중 하나 이상의 함수인 압력을 공급한다.
Figure pct00002

여기에서, Vcom은 지시된 속도이고, fL은 부하이고, HLL은 유압 라인 손실이고, α는 가속도이다. 차지 펌프 시스템은 원하는 출력 흐름 및 전압을 획득하기 위하여 압력 제어 또는 흐름 제어 모드에서 동작될 수 있다. 차지 펌프를 압력 제어 모드에서 동작시키기 위하여, 전기 전동기는 토크 제어 모드로 제어되어야만 하며, 반면, 흐름 제어 모드로 차지 펌프를 동작시키기 위하여 속도 제어 모드로 제어될 수 있다.
도 12를 참조하면, 차지 펌프 전기 전동기(119/319)는 전술한 식에 기재된 여러 가지 인자에 의해 제어될 수 있다. 첫 번째로, 기능 전기 전동기 피드백 속도(616, 617)는 선형 또는 비선형 함수나 룩업 테이블(606, 607)을 이용하여 속도 토크 수요로 대하여 매핑될 수 있다. 또한, 이러한 유압 손실(608, 609)에 기초하여 다른 속도 토크 수요에 의해 보상되어야 하는 유압 손실을 예측하기 위한 매핑은 기능 전동기 피드백 속도에 기초한다. 세 번째로, 지시된 전동기 속도의 변경 속도가 평가된다. 여기에, 지시된 전기 전동기 속도(600, 601)는 조이스틱 또는 다른 입력 장치와 같은 운전자 입력을 통해 얻어질 수 있다. 이러한 지시는 지시된 속도의 변경 속도를 얻기 위하여 시간(602, 603)에 대하여 구별된다. 그 다음 지시 변경 속도는 선형 또는 비선형 함수나 룩업 테이블(610, 611)을 이용하여 가속도 토크 수요로 대하여 매핑될 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 차지 펌프 시스템이 기능 펌프에 입력만을 제공하며, 부하를 조작하는데 직접 기여하지 않기 때문에, 실린더에서의 부하(fL)는 고려될 필요가 없다는 것이 주목되어야 한다. 압력 제어 모드에서 메인 펌프를 동작시켜려 한다면(예를 들어 다른 애플리케이션에 대하여), 메인 펌프 컨트롤러에 압력 피드백을 추가하여야 할 수도 있다.
전체 차지 펌프 속도 또는 토크 수요는 614 및 615에서 각 기능에 대하여 더해질 수 있다. 토크 제어 모드에서 차지 펌프 전기 전동기를 동작시키기를 원한다면, 필요한 차지 펌프 출력 압력을 생성하기 위하여 2개의 독립적인 기능 토크 수요(616) 중 더 큰 것을 충족하기에 충분하다. 스위치(618)와 관련된 모드 선택기(619)는 전동기 파워 전자 컨트롤러(120/322)에 토크 수요(620)를 공급할 수 있다. 속도 제어 모드에서 차지 펌프 전기 전동기를 동작시키기를 원한다면, 전체 차지 펌프 시스템 흐름 수요를 얻기 위하여 개별 기능 수요(614, 615)가 617에서 더해질 수 있다. 이 경우에, 모드 선택기(619)와 스위치(618)는 전동기 파워 전자 컨트롤러(120/320)에 속도 수요(620)를 공급한다.
도 13을 참조하여, 펌프 토출구 포트 및 저장소에 걸친 압력 강하를 조정함으로써, 차지 펌프로부터 기능부로 또는 기능부에서 저장소로 순 흐름을 지시하는데 사용될 수 있는 차지 펌프 릴리프 및 덤프 밸브 제어 스킴이 설명된다. 일반적으로 양(+)의 순 흐름에 대한 제어의 목적은 기능부에 필요한 흐름을 공급하기 위하여 그 경로에 걸쳐 큰 압력 강하를 생성하는 것이다. 음(-)의 순 흐름 하에서, 낮은 압력 강하가 잉여 유체가 낮은 흐름 손실로 저장소로 향하도록 허용하는 것이 바람직하다. 유압 시스템과 그 적용에 따라, 차지 펌프 릴리프 밸브(127/327) 및 덤프 밸브(128/328)가 비례적으로 또는 이산 상태로 제어될 수 있다.
밸브 상태는 여러 가지 인자에 의해 제어될 수 있다. 첫 번째로, 순 흐름 수요의 큰 변경을 예측하는데 사용되는 지시된 전동기 속도의 변경 속도가 700 및 701에서 평가될 수 있다. 두 번째로, 차지 펌프 밸브에 걸친 압력 강하를 언제 최소화하고 최대화할 지를 결정하기 위하여, 순 흐름(535)의 크기가 관측될 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 예를 들어, 매우 큰 음(-)의 순 흐름 하에서, 압력 강하 손실을 최소화하려는 노력으로, 릴리프 밸브(127/327)뿐만 아니라 덤프 밸브(112/312)를 여는 것이 바람직할 수 있다. 유사한 방법으로, 순 흐름(534)의 방향이 밸브 상태를 제어하는데 사용될 수 있다. 또한, 이전에 계산된 차지 펌프 토크 또는 속도 수요(620)는 차지 펌프 밸브의 상태를 제어하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 차지 펌프 전기 전동기가 높은 속도 또는 토크로 지시되고 있다면, 시스템 구현 기능이 원하는 운동을 획득하기 위하여 흐름이 공급되는 것을 필요로 한다는 것을 의미한다. 이러한 경우, 차지 펌프 릴리프 및 덤프 밸브에 걸친 높은 압력 강하는 차지 펌프의 양(+)의 흐름을 차지 펌프로부터 기능 펌프로 지시하는 것이 바람직하다. 원한다면, 덤프 밸브 또는 릴리프 밸브가 사용될 수 있다. 또한, 앞에서 논의된 바와 같은 차지 펌프는 양방향일 수 있으며, 에너지 회수에 사용될 수 있다. 이렇게 하기 위하여, 펌프는 펌프 및 릴리프 밸브를 닫을 때, 음(-)의 순 흐름에 의해 반대로 구동될 수 있다. 전기 전동기에서 제동 토크를 조정함으로써, 기능부로부터 저장소로의 복귀 흐름에 대한 압력 강하를 가변시키는 것이 가능하다.
본 발명이 소정의 바람직한 실시예 또는 실시예들에 대하여 도시되고 설명되었지만, 균등한 대체물 및 수정물이 본 명세서와 첨부된 도면을 읽고 이해함으로써 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 떠오를 수 있다는 것이 명백하다. 특히, 전술한 요소(구성 요소, 어셈블리, 장치, 조성물 등)에 의해 수행되는 다양한 기능에 대하여, 이러한 요소를 설명하는데 사용되는 용어("수단"에 대한 참조를 포함하여)는, 달리 표시되지 않는다면, 여기에서 예시된 본 발명의 예시적인 실시예 또는 실시예들에서 기능을 수행하는 개시된 구조에 구조적으로 균등하지 않는다 하더라도, 설명된 요소의 특정 기능(즉, 기능적으로 균등한)을 수행하는데 필요한 임의의 요소에 대응되는 것으로 의도된다. 또한, 본 발명의 특정 특징이 여러 가지 예시된 실시예 중 하나 또는 그 이상에 대하여 설명될 수 있지만, 임의의 주어진 또는 특정의 실시예에 대하여 바람직하고 유익할 수 있는 바와 같이, 이러한 특징은 다른 실시예들의 하나 이상의 다른 특징과 결합될 수 있다.

Claims (51)

  1. 적어도 하나의 액추에이터 시스템, 상기 적어도 하나의 액추에이터 시스템으로부터 또는 상기 적어도 하나의 액추에이터 시스템으로 유체를 공급받거나 공급하는 부스트 시스템, 및 컨트롤러를 포함하며,
    상기 액추에이터 시스템은,
    서로 반대 방향으로 유압 유체가 공급되고 복귀하여 상기 액추에이터를 반대 방향으로 동작하도록 하는 유압 액추에이터;
    한 방향으로 상기 액추에이터를 동작시키도록 제1 흡입구/토출구 포트로부터 상기 유압 액추에이터로 가압된 유체를 공급하기 위하여 제1 방향으로 동작가능하며, 상기 제1 방향과 반대인 방향으로 상기 액추에이터를 동작시키도록 제2 흡입구/토출구 포트로부터 상기 유압 액추에이터로 가압된 유체를 공급하기 위하여 상기 제1 방향과 반대인 제2 방향으로 동작가능한 양방향 펌프; 및
    어느 한 방향으로 상기 양방향 펌프를 구동하기 위한 전기 양방향 펌프 드라이브
    를 포함하고,
    상기 부스트 시스템은,
    상기 흡입구/토출구 포트들 중 하나가 상기 유압 액추에이터에 가압된 유체를 공급할 때 상기 양방향 펌프의 상기 흡입구/토출구 포트들 중 다른 하나와 유체식으로 선택적으로 연동하는 유체 메이크업/복귀 라인에 유체를 공급하기 위한 부스트 펌프; 및
    상기 부스트 펌프를 구동하기 위한 전기 부스트 펌프
    를 포함하고,
    상기 컨트롤러는 상기 전기 양방향 펌프 드라이브 및 상기 부스트 펌프 드라이브의 동작을 제어하기 위한 적어도 하나의 논리 장치를 포함하며, 상기 논리 장치는, (a) 상기 양방향 드라이브가 동작하도록 지시된 속도, (b) 상기 전기 양방향 펌프 드라이브에 작용하는 부하, (c) 상기 액추에이터 시스템에서의 유압 라인 손실, (d) 상기 양방향 드라이브의 지시된 가속도, 및 (e) 상기 (a) 내지 (d)의 2 이상의 조합 중 적어도 하나에 따라 상기 부스트 펌프 드라이브의 동작을 제어하도록 구성되어 상기 부스트 펌프 드라이브를 제어하는,
    유압 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 부스트 범프 드라이브를 제어하는 상기 논리 회로는, 상기 양방향 펌프 드라이브의 동작을 제어하는 명령으로부터 발생하는 압력 또는 흐름 수요를 예상하여 상기 부스트 범프 드라이브의 동작을 제어하도록 구성된,
    유압 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 부스트 시스템은 상기 메이크업/복귀 라인에서의 압력을 상기 액추에이터에 공급되는 가압된 유체의 압력보다 작게 제한하기 위한 압력 릴리프 밸브를 포함하는,
    유압 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 압력 릴리프 밸브 또는 덤프 밸브는 상기 메이크업/복귀 라인에서의 압력이 상기 액추에이터 시스템으로부터의 유체를 용이하게 받아들이게 급속하게 감소되도록 상기 컨트롤러에 의해 상기 메이크업/복귀 라인을 유압 유체 저장소에 연결하도록 선택적으로 동작 가능한,
    유압 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 메이크업/복귀 라인과 상기 저장소 사이에 상기 압력 릴리프 밸브와 병렬로 연결된 상기 덤프 밸브를 포함하는,
    유압 시스템.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    상기 저장소는 가압되지 않은,
    유압 시스템.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 액추에이터 시스템은,
    반대 방향으로 상기 액추에이터를 동작시키도록 반대 방향으로 유압 유체가 공급되거나 복귀되는 해당하는 유압 액추에이터;
    제1 방향으로 상기 액추에이터를 동작시키기 위하여 상기 유압 액추에이터에 가압된 유체를 공급하도록 상기 제1 방향으로 동작가능하고, 상기 제1 방향과 다른 방향으로 상기 액추에이터를 동작시키기 위하여 상기 유압 액추에이터에 가압된 유체를 공급하도록 상기 제1 방향과 다른 제2 방향으로 동작가능한 양방향 펌프; 및
    상기 양방향 펌프를 구동하기 위한 전기 양방향 펌프 드라이브
    를 각각 포함하는 복수의 액추에이터 시스템을 포함하고,
    상기 메이크업/복귀 라인은 상기 복수의 액추에이터 시스템에 공통이고,
    상기 부스트 펌프 드라이브는 상기 복수의 액추에이터 시스템의 순 유압 유체 메이크업 흐름 또는 압력 수요에 기초하여 제어되는,
    유압 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 부스트 시스템은 상기 복수의 액추에이터로부터 공급된 순 잉여 복귀 유체를 저장소에 덤핑하도록 제어되는,
    유압 시스템.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    전기 에너지 저장 장치를 더 포함하며,
    상기 부스트 펌프 드라이브는 상기 전기 에너지 저장 장치에서의 저장을 위한 전기 에너지를 생성하도록, 상기 메이크업/복귀 라인으로부터 상기 저장소로 상기 펌프를 통한 흐름에 의해 반대로 구동될 수 있는,
    유압 시스템.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 메이크업/복귀 라인으로부터의 유압 유체는 상기 펌프 드라이브 중 하나의 적어도 일부를 통해 순환되는,
    유압 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    각 펌프 드라이브는 전기 전동기, 및 상기 컨트롤러에 의해 지시될 때 상기 펌프 전동기에 파워를 공급하기 위한 파워 회로를 포함하며,
    상기 메이크업/복귀 라안으로부터의 유압 유체는 상기 파워 회로에 유체 교환적으로 관련하여 순환되는,
    유압 시스템.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 컨트롤러는, (a) 상기 양방향 드라이브가 동작하도록 지시된 속도, (b) 상기 전기 양방향 펌프 드라이브에 작용하는 부하, (c) 상기 액추에이터 시스템에서의 유압 라인 손실, (d) 상기 양방향 드라이브의 지시된 가속도, 및 (e) 상기 (a) 내지 (d)의 2 이상의 조합 중 적어도 하나에 따라 상기 부스트 펌프 드라이브의 속도를 제어하는,
    유압 시스템.
  13. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 컨트롤러는, (a) 상기 양방향 드라이브가 동작하도록 지시된 속도, (b) 상기 전기 양방향 펌프 드라이브에 작용하는 부하, (c) 상기 액추에이터 시스템에서의 유압 라인 손실, (d) 상기 양방향 드라이브의 지시된 가속도, 및 (e) 상기 (a) 내지 (d)의 2 이상의 조합 중 적어도 하나에 따라 상기 부스트 펌프 드라이브의 출력 토크를 제어하는,
    유압 시스템.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유압 액추에이터는 헤드단 챔버 및 로드단 챔버를 갖는 불균형 유압 실린더이며,
    상기 액추에이터 시스템은,
    상기 유압 실린더의 상기 헤드단 챔버 및 로드단 챔버와 상기 양방향 펌프의 해당하는 흡입구/토출구 포트의 사이에 각각 연결된 제1 및 제2 유체 흐름 라인 - 제1 방향에서의 상기 펌프의 동작은 상기 실린더의 상기 로드단으로부터 상기 제2 유체 라인 흐름을 통해 유체를 끌어오는 동안 상기 유압 실린더의 상기 헤드단 챔버로의 운반을 위하여 상기 제1 유체 흐름 라인으로 가압된 유체를 공급하고, 상기 제1 방향과 반대인 제2 방향에서의 상기 펌프의 동작은 상기 실린더의 상기 헤드단으로부터 상기 제1 유체 라인 흐름을 통해 유체를 끌어오는 동안 상기 유압 실린더의 상기 로드단 챔버로의 운반을 위하여 상기 제2 유체 흐름 라인으로 가압된 유체를 공급함 -; 및
    상기 제1 및 제2 유체 흐름 라인과 제3 흐름 유체 라인 사이에 연결된 밸브 어셈블리 - 상기 밸브 어셈블리는 상기 제1 및 제2 흐름 유체 라인 사이에서의 차동 압력에 의해 동작하여, 상기 제1 유체 흐름 라인에서의 압력이 상기 제2 유체 흐름 라인에서의 압력을 미리 정해진 양만큼 초과할 때 상기 제2 유체 흐름 라인을 상기 제3 유체 흐름 라인에 연결하여 메이크업 유체가 상기 제3 유체 흐름 라인을 통해 상기 제2 유체 흐름 라인으로 공급될 수 있게 하고, 상기 제2 유체 흐름 라인에서의 압력이 상기 제1 유체 흐름 라인에서의 압력을 미리 정해진 양만큼 초과할 때 상기 제1 유체 흐름 라인을 상기 제3 유체 흐름 라인에 연결하여 상기 유압 실린더의 상기 헤드단 챔버로부터의 잉여 유체가 상기 제3 유체 흐름 라인에 의해 받아들여질 수 있게 함 -
    를 포함하고,
    상기 부스트 시스템의 상기 메이크업/복귀 라인은 상기 제3 유체 흐름 라인에 연결된,
    유압 시스템.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 부스트 펌프는 상기 유압 유체로부터의 열을 제거하기 위한 열 교환기와 오염물을 제거하기 위한 필터 중 적어도 하나를 통하여 유압 유체를 순환시키는,
    유압 시스템.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 열 교환기는 유압 유체를 저장소로 배출하는,
    유압 시스템.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 부스트 펌프 전동기로의 전류는 상기 양방향 펌프의 지시된 속도의 함수로서 제어되어, 상기 양방향 펌프 전동기의 더 높은 동작 속도를 위하여 부스트 시스템 압력을 증가시키는,
    유압 시스템.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유압 액추에이터에 작용하는 부하가 상기 양방향 펌프와 독립적으로 유체가 상기 유압 액추에이터로부터 흐르게 하도록 상기 유압 액추에이터를 역으로 구동할 때, 에너지 회수 목적으로 전기를 재생하기 위하여 해당하는 전기 전동기를 구동하도록 흐름이 상기 양방향 펌프 및 상기 부스트 펌프의 적어도 하나를 통해 향하는,
    유압 시스템.
  19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 액추에이터 시스템은 상기 부스트 시스템을 공유하는 복수의 액추에이터 시스템을 포함하여, 상기 부스트 펌프가 미리 정해진 레벨에서 부스트 압력을 유지하는 동안, 하나의 액추에이터 시스템으로부터의 잉여 유체는 다른 액추에이터 시스템으로 메이크업 유체를 공급하는데 사용될 수 있는,
    유압 시스템.
  20. 헤드단 챔버와 로드단 챔버를 구비한 해당하는 불균형 유압 실린더를 팽창 및 수축하는 적어도 하나의 액추에이터 시스템을 포함하는 유압 시스템에 있어서,
    상기 액추에이터 시스템은,
    상기 유압 실린더의 상기 헤드단 챔버와 상기 로드단 챔버에 각각 연결가능한 제1 및 제2 유체 흐름 라인;
    상기 제1 및 제2 유체 흐름 라인에 각각 연결된 제1 및 제2 흡입구/토출구 포트를 갖는 양방향 펌프 - 제1 방향에서의 상기 펌프의 동작은 상기 실린더의 상기 로드단으로부터 상기 제2 유체 라인 흐름을 통해 유체를 끌어오는 동안 상기 유압 실린더의 상기 헤드단 챔버로의 운반을 위하여 상기 제1 유체 흐름 라인으로 가압된 유체를 공급하고, 상기 제1 방향과 반대인 제2 방향에서의 상기 펌프의 동작은 상기 실린더의 상기 헤드단으로부터 상기 제1 유체 라인 흐름을 통해 유체를 끌어오는 동안 상기 유압 실린더의 상기 로드단 챔버로의 운반을 위하여 상기 제2 유체 흐름 라인으로 가압된 유체를 공급함 -; 및
    상기 제1 및 제2 유체 흐름 라인과 제3 흐름 유체 라인 사이에 연결된 밸브 어셈블리 - 상기 밸브 어셈블리는 상기 제1 및 제2 흐름 유체 라인 사이에서의 차동 압력에 의해 동작하여, 상기 제1 유체 흐름 라인에서의 압력이 상기 제2 유체 흐름 라인에서의 압력을 미리 정해진 양만큼 초과할 때 상기 제2 유체 흐름 라인을 상기 제3 유체 흐름 라인에 연결하여 메이크업 유체가 상기 제3 유체 흐름 라인을 통해 상기 제2 유체 흐름 라인으로 공급될 수 있게 하고, 상기 제2 유체 흐름 라인에서의 압력이 상기 제1 유체 흐름 라인에서의 압력을 미리 정해진 양만큼 초과할 때 상기 제1 유체 흐름 라인을 상기 제3 유체 흐름 라인에 연결하여 상기 유압 실린더의 상기 헤드단 챔버로부터의 잉여 유체가 상기 제3 유체 흐름 라인에 의해 받아들여질 수 있게 함 -
    을 포함하며,
    상기 유압 시스템은 상기 제3 유체 흐름 라인과 유체를 공급받거나 공급하기 위한 부스트 시스템을 포함하며,
    상기 부스트 시스템은, 유체가 상기 양방향 펌프에 의해 상기 제1 및 제2 유체 흐름 라인에 공급되는 압력보다 통상적으로 더 낮은 압력으로 상기 제3 유체 흐름 라인에 가압된 유체를 공급하기 위한 부스트 펌프를 포함하는,
    유압 시스템.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 밸브 어셈블리는, 상기 제1 및 제2 유체 흐름 라인에 각각 연결된 파일럿 포트를 구비한 파일럿 동작 3 지점 밸브를 포함하는,
    유압 시스템.
  22. 제20항 또는 제21항에 있어서,
    제1 압력 릴리프 밸브는 상기 제1 유체 흐름 라인 및 제3 유체 흐름 라인 사이에 연결되고,
    제2 압력 릴리프 밸브는 상기 제2 유체 흐름 라인 및 제3 유체 흐름 라인 사이에 연결되는,
    유압 시스템.
  23. 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 부스트 펌프는, 상기 양방향 펌프에 의해 상기 제1 및 제2 유체 흐름 라인에 공급되는 압력보다 통상적으로 더 낮은 압력으로 상기 제3 유체 흐름 라인에 가압된 유체를 공급하기 위하여, 저장소로부터 유체를 끌어오기 위한 흡입구와 상기 제3 유체 흐름 라인에 의해 상기 밸브 어셈블리에 연결된 토출구를 포함하는,
    유압 시스템.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 양방향 펌프는 전기 구동 시스템에 의해 구동되고, 상기 부스트 펌프는 냉각 목적으로 상기 전기 구동 시스템의 적어도 일부를 통해 유압 유체를 순환시키는,
    유압 시스템.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 유압 유체는 상기 전기 구동 시스템에서 열 교환 경로를 통해 상기 부스트 펌프에 의해 순환되고, 압력 릴리프 밸브는 과도한 압력이 상기 열 교환 경로에서 형성되는 것을 방지하도록 상기 열 교환 경로에 걸쳐 연결되는,
    유압 시스템.
  26. 제24항 또는 제25항에 있어서,
    상기 전기 구동 시스템은, 상기 유압 유체가 순환되는 액체 냉각 전동기를 포함하는,
    유압 시스템.
  27. 제24항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기 구동 시스템은, 상기 유압 유체가 순환되는 액체 냉각 전자 모듈을 포함하는,
    유압 시스템.
  28. 제23항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 부스트 펌프는 상기 유압 유체로부터 열을 제거하기 위한 열 교환기를 통해 유압 유체를 순환시키는,
    유압 시스템.
  29. 제28항에 있어서,
    상기 열 교환기는 유압 유체를 저장소로 배출하는,
    유압 시스템.
  30. 제23항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 부스트 펌프는 전기 부스트 펌프 전동기에 의해 구동되는,
    유압 시스템.
  31. 제30항에 있어서,
    상기 양방향 펌프는 전기 양방향 펌프 전동기에 의해 구동되고,
    시스템 컨트롤러는 상기 부스트 펌프 및 양방향 펌프 전동기를 제어하도록 제공되는,
    유압 시스템.
  32. 제31항에 있어서,
    상기 부스트 펌프 전동기로의 전류는 상기 양방향 펌프의 지시된 속도의 함수로서 제어되어, 상기 양방향 펌프 전동기의 더 높은 동작 속도를 위하여 부스트 시스템 압력을 증가시키는,
    유압 시스템.
  33. 제23항 내지 제32항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유압 실린더에 작용하는 부하가 상기 양방향 펌프와 독립적으로 유체가 상기 유압 실린더로부터 흐르게 하도록 상기 유압 실린더를 역으로 구동할 때, 에너지 회수 목적으로 전기를 재생하기 위하여 발전하는 해당하는 전기 전동기를 구동하도록 흐름이 상기 양방향 펌프 및 상기 부스트 펌프의 적어도 하나를 통해 향하는,
    유압 시스템.
  34. 제23항 내지 제33항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유압 실린더에 작용하는 부하가 상기 양방향 펌프와 독립적으로 유체가 상기 유압 실린더로부터 흐르게 하도록 상기 유압 실린더를 역으로 구동할 때, 상기 제3 유체 흐름 라인를 통하여 열 교환기로 향하는,
    유압 시스템.
  35. 제20항 내지 제34항 중 어느 한 항에 있어서,
    복수의 액추에이터 시스템을 포함하고,
    상기 복수의 액추에이터 시스템의 상기 제3 유체 흐름 라인은 서로 연결되고, 상기 복수의 액추에이터 시스템에 의해 공유된 상기 부스트 시스템에 연결되어, 상기 부스트 펌프가 미리 정해진 레벨에서 부스트 압력을 유지하는 동안, 하나의 액추에이터 시스템으로부터의 잉여 유체는 다른 액추에이터 시스템으로 메이크업 유체를 공급하는데 사용될 수 있는,
    유압 시스템.
  36. 헤드단 챔버와 로드단 챔버를 구비한 해당하는 불균형 유압 실린더를 팽창 및 수축하는 적어도 하나의 액추에이터 시스템을 포함하는 유압 시스템에 있어서,
    상기 액추에이터 시스템은,
    각각 상기 유압 실린더의 상기 헤드단 챔버와 상기 로드단 챔버에 각각 연결가능한 제1 및 제2 유체 흐름 라인;
    상기 유압 실린더의 상기 헤드단 챔버로의 운반을 위하여 상기 제1 유체 흐름 라인으로 가압된 유체를 공급하도록 제1 방향으로 동작가능하고, 상기 유압 실린더의 상기 로드단 챔버로의 운반을 위하여 상기 제2 유체 흐름 라인으로 가압된 유체를 공급하도록 상기 제1 방향과 반대인 제2 방향으로 동작가능한, 양방향 펌프; 및
    상기 양방향 펌프를 구동하기 위한 전기 구동 시스템
    을 포함하고,
    상기 유압 시스템은, 상기 제1 및 제2 유체 흐름 라인과 유체를 공급받거나 공급하기 위한 부스트 시스템을 포함하며,
    상기 부스트 시스템은, 유체가 상기 양방향 펌프에 의해 상기 제1 및 제2 유체 흐름 라인에 공급되는 압력보다 통상적으로 더 낮은 압력으로 상기 제3 유체 흐름 라인에 가압된 유체를 공급하고 냉각 목적으로 상기 전기 구동 시스템의 적어도 일부를 통해 유압 유체를 순환시키기 위한 부스트 펌프를 포함하는,
    유압 시스템.
  37. 제36항에 있어서,
    상기 유압 유체는 상기 전기 구동 시스템에서 열 교환 경로를 통해 상기 부스트 펌프에 의해 순환되고, 압력 릴리프 밸브는 과도한 압력이 상기 열 교환 경로에서 형성되는 것을 방지하도록 상기 열 교환 경로에 걸쳐 연결되는,
    유압 시스템.
  38. 제36항 또는 제37항에 있어서,
    상기 전기 구동 시스템은, 상기 유압 유체가 순환되는 액체 냉각 전동기를 포함하는,
    유압 시스템.
  39. 제36항 내지 제38항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기 구동 시스템은, 상기 유압 유체가 순환되는 액체 냉각 전자 모듈을 포함하는,
    유압 시스템.
  40. 제36항 내지 제39항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 부스트 펌프는 상기 유압 유체로부터의 열을 제거하기 위한 열 교환기와 오염물을 제거하기 위한 필터 중 적어도 하나를 통하여 유압 유체를 순환시키는,
    유압 시스템.
  41. 제40항에 있어서,
    상기 열 교환기는 유압 유체를 저장소로 배출하는,
    유압 시스템.
  42. 제36항 내지 제41항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 부스트 펌프는 전기 부스트 펌프 전동기에 의해 구동되는,
    유압 시스템.
  43. 제42항에 있어서,
    시스템 컨트롤러는 상기 부스트 펌프 및 양방향 펌프 전동기를 제어하도록 제공되는,
    유압 시스템.
  44. 제43항에 있어서,
    상기 부스트 펌프 전동기로의 전류는 상기 양방향 펌프의 지시된 속도의 함수로서 제어되어, 상기 양방향 펌프 전동기의 더 높은 동작 속도를 위하여 부스트 시스템 압력을 증가시키는,
    유압 시스템.
  45. 제36항 내지 제44항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유압 실린더에 작용하는 부하가 상기 양방향 펌프와 독립적으로 유체가 상기 유압 실린더로부터 흐르게 하도록 상기 유압 실린더를 역으로 구동할 때, 에너지 회수 목적으로 전기를 재생하기 위하여 해당하는 전기 전동기를 구동하도록 흐름이 상기 양방향 펌프 및 상기 부스트 펌프의 적어도 하나를 통해 향하는,
    유압 시스템.
  46. 제36항 내지 제45항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유압 실린더에 작용하는 부하가 상기 양방향 펌프와 독립적으로 유체가 상기 유압 실린더로부터 흐르게 하도록 상기 유압 실린더를 역으로 구동할 때, 흐흠이 열 교환기를 통하여향하는,
    유압 시스템.
  47. 제36항 내지 제46항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 부스트 시스템을 공유하는 복수의 액추에이터 시스템을 포함하여, 상기 부스트 펌프가 미리 정해진 레벨에서 부스트 압력을 유지하는 동안, 하나의 액추에이터 시스템으로부터의 잉여 유체는 다른 액추에이터 시스템으로 메이크업 유체를 공급하는데 사용될 수 있는,
    유압 시스템.
  48. 헤드단 챔버와 로드단 챔버를 구비한 해당하는 불균형 유압 실린더를 팽창 및 수축하는 적어도 하나의 액추에이터 시스템을 포함하는 유압 시스템에 있어서,
    상기 액추에이터 시스템은,
    각각 상기 유압 실린더의 상기 헤드단 챔버와 상기 로드단 챔버에 각각 연결가능한 제1 및 제2 유체 흐름 라인;
    상기 유압 실린더의 상기 헤드단 챔버로의 운반을 위하여 상기 제1 유체 흐름 라인으로 가압된 유체를 공급하도록 제1 방향으로 동작가능하고, 상기 유압 실린더의 상기 로드단 챔버로의 운반을 위하여 상기 제2 유체 흐름 라인으로 가압된 유체를 공급하도록 상기 제1 방향과 반대인 제2 방향으로 동작가능한, 양방향 펌프; 및
    상기 양방향 펌프를 구동하기 위한 전기 구동 시스템
    을 포함하고,
    상기 유압 시스템은, 상기 제1 및 제2 유체 흐름 라인과 유체를 공급받거나 공급하기 위한 부스트 시스템을 포함하며,
    상기 부스트 시스템은, 유체가 상기 양방향 펌프에 의해 상기 제1 및 제2 유체 흐름 라인에 공급되는 압력보다 통상적으로 더 낮은 압력으로 상기 제3 유체 흐름 라인에 가압된 유체를 공급하고 유체 예열을 위한 흐름 제한부을 통해 유압 유체를 순환시키기 위한 부스트 펌프를 포함하는,
    유압 시스템.
  49. 제48항에 있어서,
    상기 흐름 제한부는 가변 압력 릴리프 밸브에 의해 형성된,
    유압 시스템.
  50. 헤드단 챔버와 로드단 챔버를 구비한 해당하는 불균형 유압 실린더를 팽창 및 수축하는 적어도 하나의 액추에이터 시스템을 포함하는 유압 시스템에 있어서,
    상기 액추에이터 시스템은,
    각각 상기 유압 실린더의 상기 헤드단 챔버와 상기 로드단 챔버에 각각 연결가능한 제1 및 제2 유체 흐름 라인;
    상기 유압 실린더의 상기 헤드단 챔버로의 운반을 위하여 상기 제1 유체 흐름 라인으로 가압된 유체를 공급하도록 제1 방향으로 동작가능하고, 상기 유압 실린더의 상기 로드단 챔버로의 운반을 위하여 상기 제2 유체 흐름 라인으로 가압된 유체를 공급하도록 상기 제1 방향과 반대인 제2 방향으로 동작가능한, 양방향 펌프; 및
    상기 양방향 펌프를 구동하기 위한 전기 구동 시스템
    을 포함하고,
    상기 유압 시스템은, 상기 제1 및 제2 유체 흐름 라인과 유체를 공급받거나 공급하기 위한 부스트 시스템을 포함하며,
    상기 부스트 시스템은, 유체가 상기 양방향 펌프에 의해 상기 제1 및 제2 유체 흐름 라인에 공급되는 압력보다 통상적으로 더 낮은 압력으로 상기 제3 유체 흐름 라인에 가압된 유체를 공급하기 위한 부스트 펌프를 포함하고, 상기 유압 실린더에 작용하는 부하가 상기 양방향 펌프와 독립적으로 유체가 상기 유압 실린더로부터 흐르게 하도록 상기 유압 실린더를 역으로 구동할 때, 에너지 회수 목적으로 전기를 재생하기 위하여 상기 부스트 펌프에 연결된 전기 전동기를 반대로 구동하도록 흐름이 상기 부스트 펌프를 통해 향하는,
    유압 시스템.
  51. 헤드단 챔버와 로드단 챔버를 구비한 해당하는 불균형 유압 실린더를 팽창 및 수축하는 적어도 하나의 액추에이터 시스템을 포함하는 유압 시스템에 있어서,
    상기 액추에이터 시스템은,
    각각 상기 유압 실린더의 상기 헤드단 챔버와 상기 로드단 챔버에 각각 연결가능한 제1 및 제2 유체 흐름 라인;
    상기 유압 실린더의 상기 헤드단 챔버로의 운반을 위하여 상기 제1 유체 흐름 라인으로 가압된 유체를 공급하도록 제1 방향으로 동작가능하고, 상기 유압 실린더의 상기 로드단 챔버로의 운반을 위하여 상기 제2 유체 흐름 라인으로 가압된 유체를 공급하도록 상기 제1 방향과 반대인 제2 방향으로 동작가능한, 양방향 펌프; 및
    상기 양방향 펌프를 구동하기 위한 전기 구동 시스템
    을 포함하고,
    상기 유압 시스템은, 상기 제1 및 제2 유체 흐름 라인과 유체를 공급받거나 공급하기 위한 부스트 시스템을 포함하며,
    상기 부스트 시스템은, 유체가 상기 양방향 펌프에 의해 상기 제1 및 제2 유체 흐름 라인에 공급되는 압력보다 통상적으로 더 낮은 압력으로 상기 제3 유체 흐름 라인에 가압된 유체를 공급하기 위한 부스트 펌프를 포함하고, 상기 부스트 펌프는 상기 유체를 위한 저장소에 잠수되는 잠수가능한 펌프인,
    유압 시스템.
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