KR20110065566A - 압축성 재생기가 구비된 유공압식 어큐뮬레이터 - Google Patents

Abstract

본 발명의 유공압식 어큐뮬레이터는, 가스 및 유체 포트들이 이동식 분리부에 의해 분리된 가변 체적의 가스 및 유체 저장조들과 각각 연결되는, 외피체를 포함한다. 가스 저장조는 가스 저장조에 채우는 압축성 재생기를 포함하여, 가스 저장조 체적을 감소시키는 분리부의 이동이 상기 재생기를 압축시킨다. 재생기는 분리부 이동 방향에 대한 횡 방향으로 위치되고 가스 저장조를 서로 연통하고 가변 깊이들을 가지는 가스 층들로 나누는 박판 부재들로 만들어진다. 재생기는 박판 부재들의 국부적인 굽힘 변형들이 분리부의 어떤 위치에서도 탄성 한계들을 넘지 않는 굽힘 변형 정도의 변화를 가능하게 하기 위해 상호연결된 탄성 금속 박판 부재들로 만들어지는 것이 바람직하다. 유체동력 회복의 효율과 재생기의 내구성이 증가된다.

Description

압축성 재생기가 구비된 유공압식 어큐뮬레이터{HYDROPNEUMATIC ACCUMULATOR WITH A COMPRESSIBLE REGENERATOR}

본 발명은, 기계 공학에 관한 것이며, 유압식 하이브리드 자동차에서, 특히 자유-피스톤 기관들(free-piston engines)을 사용하는 것들에서, 일반적인 압력 레일(pressure rail)을 구비한 시스템들을 포함하는, 높은 수준의 유체 흐름과 압력 맥동(pressure pulsations)을 가지는 유체동력 시스템들 그리고 예를 들어, 몰딩 및 프레스-단조 기기(molding and press-forging equipment)에서, 높은 흐름 증가율(flow rise rate)과 유압 쇼크들(hydraulic shocks)을 가지는 시스템들에서 유체동력 회복(fluid power recuperation)을 위해 사용될 수 있다.

배경 기술의 설명

유공압식 어큐뮬레이터 (이하 - "어큐뮬레이터"라 함)는, 유체 포트(fluid port)를 통해 유체로 채워지는 가변 체적의 유체 저장조와 함께 가스 포트(gas port)를 통해 압축 가스로 채워지는 가변 체적의 가스 저장조를 구비한 외피체(shell)를 포함한다. 이들 가스 및 유체 저장조들은 외피체에 대해 이동가능한 분리부(separator)에 의해 분리된다. 어큐뮬레이터는 3, 4, 5 내지 수십 MPa의 초기 압력까지 질소로 충전되는 것이 일반적이다.

유체동력 회복을 위해, 어큐뮬레이터들은, 피스톤 형태의 단단한(solid) 분리부, 그리고 예를 들어, 금속 벨로우즈(metal bellows)[문헌 2] 형태 뿐 아니라 탄성 폴리머 막 또는 블레이더(elastic polymeric membranes or bladders)[문헌 1] 형태의 탄성 분리부들의 두 가지 분리부들과 함께 사용된다. 경량 폴리머 분리부들(light polymeric separators)을 구비한 어큐뮬레이터들은, 유체동력 시스템에서 맥동들을 잘 가라앉힌다. 그러나, 이들은 폴리머 분리부들의 투과성으로 인해 가스의 재충전이 더 자주 필요하다. [예를 들어, 유체동력 시스템에서 급격한 압력 강하의 경우에] 어큐뮬레이터로부터의 높은 유체 흐름 증가율에서 분리부의 강한 저크(jerk)는, 폴리머 분리부를 파괴시킬 수 있다. 피스톤 어큐뮬레이터들은 가스를 잘 보존하고 높은 흐름 증가율들을 견디어낸다. 그러나, 유체동력 시스템에서 강한 맥동들을 나타내는 경우에, 피스톤 운동의 진동 패턴은 피스톤 씰의 마모(piston seal wear)를 촉진한다. "HydroTrole company"의 피스토프람 어큐뮬레이터들(PistoFram accumulators)[문헌 3]에서, 피스톤은 탄성 막(elastic membrane)에 의해 어큐뮬레이터의 가스 및 유체 저장조들과 각각 연결된 가스 및 유체 파트들로 분리되는 챔버(chamber)를 포함한다. 높은-진동수 맥동들에서, 피스톤 씰들을 보존하는 것은 피스톤이 아니라 진동하는 경량 멤브레인(light membrane)이다.

어큐뮬레이터는 일반적으로 가변 압력의 가스 저장조와 유체 저장조를 포함하고, 두 저장조에 똑같은 가스와 유체 압력을 가진다. [문헌 4]의 어큐뮬레이터는, 가변 체적의 하나의 가스 저장조와 여러 유체 저장조들을 포함한다. 그들의 연통(commutation)은 가스 저장조 내의 가스 압력과 유체동력 시스템 내의 유체 압력 사이의 비율을 변화시킨다.

유체동력 회복을 위해, 어큐뮬레이터는 예비적으로 가스 포트를 통해 동작 가스(working gas)로 채워지고, 유체 포트를 통해 유체동력 시스템에 연결된다. 유체동력 시스템으로부터 어큐뮬레이터로 동력(power)이 전달되면, 유체가 유체동력 시스템으로부터 어큐뮬레이터로 펌핑되어(pumped), 동작 가스의 압력과 온도를 증가시키면서 분리부를 이동시키고 가스 저장조 내의 동작 가스를 압축시킨다. 어큐뮬레이터로부터 유체동력 시스템으로 동력이 회복되면(return), 압축된 가스가 팽창되어 분리부를 이동시킴으로써 유체 저장조의 체적이 감소되고 유체가 유체 저장조로부터 유체동력 시스템으로 밀어넣어진다. 가스 압력과 온도가 감소된다.

가스 저장조 벽들(walls) 사이의 거리가 꽤 크기 때문에(수십 및 수백 밀리미터), 가스의 열 전도성으로 인한 가스와 벽들 사이의 열 교환은 얼마 되지 않는다. 따라서, 가스의 압축 및 팽창 공정들은 가스 저장조 내의 큰 온도 기울기들에 의해 본질적으로 비등온성(non-isothermal)이다. 가스 압력이 2 - 4 배 상승할 때, 가스 온도는 수십 그리고 수백 도(degrees)가 상승하고, 가스 저장조에 대류 흐름들(convective flows)이 일어난다. 이것은 가스 저장조 벽들로의 열 전달을 수십 및 수백 배로 증가시킨다. 압축 동안에 가열된 가스는 낮은 온도로 냉각된다. 이것은 축적된 동력이 어큐뮬레이터에 보존될 때 특히 상당한 양의 축적된 동력의 손실과 가스 압력의 감소를 가져온다. 온도 차가 크면, 열 전달은 비가역적인데, 바꿔 말하면, 압축된 가스로부터 어큐뮬레이터의 벽들에 전달된 열의 대부분이 팽창 동안에 가스로 되돌려 보내질 수 없다. 따라서, 유체동력 시스템은 가스가 압축되는 동안 받은 것 보다 더 적은 유체동력(hydraulic power)을 가스가 팽창되는 동안에 되돌려 받는다.

[4], [5], [6], [7] 문헌들에서 열 손실들을 감소시키기 위해, 가스 저장조에 열 재생기(heat regenerator) 및 절연체(insulator)의 기능을 수행하는 압축성 재생기 [발포 엘라스토머(foamed elastomer)]를 배치하는 것이 제안된다. 본 발명자들이 기본형(prototype)으로 채택한 [문헌 7]에 따른 어큐뮬레이터에서, 어큐뮬레이터는 유체 및 가스 포트들이 외피체에 대해 이동가능한 분리부에 의해 분리되는 가변 체적의 유체 및 가스 저장조들과 각각 연결되어 있는, 외피체를 포함한다. 가변 체적의 가스 저장조는, 가스 저장조에 채우는 개포형 엘라스토머 발포체(open-cell elastomer foam) 형태의 압축성 재생기를 포함하여, 유체가 어큐뮬레이터로 펌핑될 때, 가스 저장조 체적을 감소시키는 분리부 이동이 재생기를 압축시킨다. 유체가 어큐뮬레이터로부터 이동될 때, 재생기가 그 고유의 탄성(elasticity)으로 인해 팽창한다. 재생기는 압축될 때, 가스로부터 약간의 열을 빼앗고 그것의 가열을 감소시키며, 팽창될 때, 열을 가스로 되돌려 보내고 그것의 냉각을 감소시킨다. 재생기 셀들의 작은 (약 1 mm) 크기는 가스와 재생기 사이의 열 교환 동안에 온도 기울기들을 수백 배 감소시키고, 가스가 압축되고 팽창되는 동안에 열 교환의 가역성을 상당히 증가시킨다. 재생기의 다공성 구조(porous structure)는 가스의 가스 저장조 벽들과의 대류 열 교환을 방지하고, 이에 따라 가스 저장조 벽들로의 열 전달과 각각의 동력 손실들을 여러 배로 감소시킨다. 그러므로, 압축 동안에 가스에 의해 재생기에 전달된 실제적인 모든 열이 팽창 동안에 가스로 되돌려 보내짐과 동시에, 회복 효율이 크게 증가된다[문헌 5], [문헌 6].

위에 설명된 해결책의 단점은, 셀 깊이 변화의 진폭들(amplitudes)이 셀들 사이의 웨브들(webs)의 크기에 비례한다는 사실이다. 웨브들의 상대 변형들(relative deformations)은 크며(수십 퍼센트), 이것은 비교적 작은 변형들의 경우 조차도 가소성(plasticity)에 의해 특징지어지는 웨브들의 폴리머 재료의 특수한 특성들에 의해 악화된다. 따라서, 연속적으로 사용하는 경우에, 재생기의 피로 열화(fatigue degradation)가 일어나는데, 이것은 엘라스토머 발포체의 탄성 특성들의 악화를 가져오고 잔류 변형(residual deformation)이 나타나게 한다. 그 결과로서, 재생기는 회복 효율(recuperation efficiency)이 감소되면서 가스 저장조의 전체 체적을 채우고 새로운 모양을 만드는 능력을 상실한다. [문헌 8]의 실험들에서, 축적된 잔류 변형은 재생기의 초기 체적의 4분의 1에 도달하고, 느린 (0,025 Hz) 압축 및 팽창의 36000 사이클들 (400 시간) 내에 이미 피스톤 어큐뮬레이터의 유체동력 손실들이 커지는 것을 관찰할 수 있다. 발포체 열화(foam degradation)는, 일반적인 압력 레일을 구비한 유체동력 시스템들에서 뿐 아니라 강력한 간헐식 프리-피스톤 엔진들[문헌 10]과 위상-제어 유압 트랜스포머들(phase-controlled hydraulic transformers)[문헌 11]을 사용하는 유압식 하이브리드 자동차들[문헌 9]에서 특히 강하게 나타나는, 빈번한 저크에 의한 높은-진동수 맥동들로 인해 분리부가 균일하지 않게 이동하는 실제 유체동력 시스템들에서 크게 촉진된다. 이와 같이 분리부의 저킹(jerking)으로 인해 발생된 그러한 진동 충격에 의해 분리부에 인접한 재생기의 경계 층(boundary layer)은 아주 높은 부하와 파괴에 노출된다. 그것의 탄력성(springiness)은 분리부로부터 재생기의 전체 동체로 가속도(acceleration)를 전달하기에 충분하지 않다. 만약 분리부 저크의 진폭이 셀 크기와 비례하면, 경계 층은 압착되어 파괴되고, 그 다음에 다음 층의 파괴가 이어진다. 유압 쇼크들은 발포체(foam)의 경계 층들에 대해 유사 파괴 효과를 가진다. 자동차 용도들(mobile applications)에 있어 전형적인 상승된 온도들에서의 사용은 발포체 열화의 프로세스들을 또한 촉진한다. 발포 엘라스토머들의 탄성 특성들은 낮은 온도들에서 악화된다는 것을 또한 고려하여야 한다.

그 외에, 동작 가스를 충전하고 방출하는 동안에 상술한 어큐뮬레이터에서는 신뢰성이 보장되지 않는다. 현재의 발포체들의 분열 강도(cleavage stress)는 낮아서, 약 0,1 - 1 MPa 이다. 가스 충전 및 방출의 신속한 프로세스들 동안에, 발포체에서, 특히 가스 흐름 밀도가 가장 높은 가스 포트 근처에서, 상당히 큰 국부 압력 강하들이 일어날 수 있다. 이것이 발포체 파괴를 일으키게 된다. 가스 충전 동안에, 발포체가 손상될 수 있고, 공동들(cavities)이 가스 포트 근처에 만들어질 수 있다. 가스 방출 동안에, 발포체가 가스 흐름에 의해 가스 포트로 유입될 수 있고, 이것은 발포체 손실과 공동 형성 그리고 가스 포트의 체크 밸브들(check valves)과 압력-조절 밸브들(pressure-relief valves)의 고장을 일으킨다. 신속한 가스 교환 프로세스들 동안에 가스 포트에 유입된 발포체의 위험성은 상술한 어큐뮬레이터와 함께 가스 리시버들(gas receivers)의 이용을 제한한다.

발명의 본질

본 발명의 목적은, 가스 리시버들과 함께 사용하기에 적합하고, 증가되거나 감소된 주위 온도들에서 사용하기에 적합할 뿐 아니라, 상당히 높은 진동수 맥동들, 유압의 쇼크들 또는 높은 흐름 증가율들을 가지는 유체동력 시스템들에 사용하기에 적합한, 고도로 효율적인 유체동력 회복을 위해 튼튼하고 신뢰할 수 있는 유공압식 어큐뮬레이터를 제조하는 것이다.

상기 목적을 해결하기 위해, 유체 포트와 연결된 가변 체적의 유체 저장조와 가스 포트와 연결된 가변 체적의 가스 저장조를 구비한 외피체를 포함하는, 유공압식 어큐뮬레이터 (이하 - "어큐뮬레이터"라 함)가 제안된다. 이들 가스 및 유체 저장조들은 외피체에 대해 이동가능한 분리부에 의해 분리된다. 가스 저장조는 가스 저장조에 채우는 하나의 압축성 재생기(compressible regenerator)(이하 - "재생기"라 함)를 포함하여, 가스 저장조 체적을 감소시키는 분리부의 이동이 상기 재생기를 압축시킨다.

상기 목적은 다음에 의해 해결된다:

재생기는 분리부 이동 방향에 대해 횡 방향으로 위치되고 가스 저장조를 서로 연통하고 가변 깊이(variable depth)를 가지는 가스 층들로 나누는 박판 부재들(leaf elements)로 만들어지는데, 여기서 재생기의 박판 부재들은 분리부에 동력학적으로(kinematically) 연결되어, 가스 저장조의 체적이 증가할 때 그들에 의해 분리된 가스 층들의 깊이가 증가되게 하고, 가스 저장조의 체적이 감소할 때 상기 가스 층들의 깊이가 감소되게 한다.

가스 저장조 체적의 얇은 층들로의 분할, 그리고 그에 따른, 열-교환 표면들에 대한 평균 거리들의 감소는, 열 전달 조건들을 개선하고 온도 차이들을 감소시켜서, 가스 저장조 내의 가스 압축 및 팽창 프로세스들의 가역성 그리고 그에 따라 회복 효율을 증가시킨다.

초기 가스 압력과 유체의 펌핑(pumping) 또는 변위(displacement) 동안에 가스 저장조 체적의 변화율이 높을수록 그리고 필요한 온도 차이가 적을수록, 가스 저장조의 최대 체적에서, 가스 층들의 평균 깊이가 더 작게 선택되어야 하는데, 바꿔 말하면, 재생기가 더 많은 박판 부재들을 가져야 한다.

약 10 MPa의 초기 가스 압력들 그리고 수 초에서 수십 초에 이르는 펌핑 및 변위 기간들로 사용하기 위한 광범위한 용도의 어큐뮬레이터들을 위해서는, 최대 가스 저장조 체적으로 가스 층들의 평균 깊이가 10 mm를 넘지 않도록, 박판 부재들의 개수, 형상 및 배열을 선택하는 것이 바람직하다. 이러한 경우에 특히, 즉, 최대 가스 저장조 체적에 대해, 재생기의 열 용량(heat capacity)은 최대 초기 압력에서의 가스 열 용량을 초과하고, 바람직하게는 100 KJ/K/m³를 초과한다.

그들에 의해 분리된 층들의 (mm 단위 이하의) 깊이 변화의 진폭을 상당히 초과하는 (수십 및 수백 mm) 크기를 가지는, 박판 부재들에 의한 층상 구조 형태의 재생기의 실시예는, 넓은 온도 범위에서 우수한 탄성 특성들을 가지는 재료들을, 예를 들면, 금속들 또는 그들의 합금들을 사용하여 분리부의 이동 범위 전반에 걸쳐 재생기 부재들의 작은 상대 변형들(relative deformations)로 동작하게 한다.

박판 부재들의 분리부와의 동력학적 연결은, 다양한 수단에 의해, 예를 들면, 분리부와 연결된 분리된 스프링들 그리고 미리 정해진 간격으로 스프링들에 고정된 박판 부재들을 구비한 외피체를 사용하여 이루어질 수 있다.

벨로우즈 어큐뮬레이터들에서, 박판 부재들은 미리 정해진 간격으로 벨로우즈에 직접 부착될 수 있다.

피스톤 어큐뮬레이터들을 위해서는, 박판 부재들 자체의 탄성 특성들을 사용하고, 그리고 재생기를 박판 또는 컨벡스 스프링(leaf or convex spring)으로서 작동하는 서로 결합된 탄성 금속 박판 부재들로 구성된 다층 스프링 형태로 만드는 것이 바람직하다.

비용 효율이라는 측면에서 바람직한 실시예에서, 재생기는 분리부가 이동할 때 굽힘 변형 정도의 변화가 일어날 수 있게 상호연결된 탄성 박판 부재들로 만들어진다. 내구성을 증가시키기 위해, 박판 부재들의 국부적인 굽힘 변형들이 분리부의 어떤 위치에서도 탄성 변형 한계들을 넘지 않도록, 이웃하는 박판 부재들의 봉합부들(seams)의 개수, 위치 및 형상 뿐 아니라 박판 부재들의 개수가 선택된다.

박판 부재들은 아교 접합(gluing), 용접에 의해 또는 다른 종류의 결합(binding)을 사용하여 부착될 수 있다. 또한 박판 부재들은, 만약 스트레스 부재상태(stressless state)가 최대 가스 저장조 체적의 경우 보다 더 큰 층 깊이에 상응하도록 예비 몰딩되면, 서로 밀어내도록 함께 놓여져서, 압축될 때 동작하는 다층식 박판 스프링을 형성할 수 있다.

변형 폭의 추가적인 감소를 위해, 박판 부재에 대한 스트레스 부재 상태가 가스 저장조 체적이 최대 및 최소 값들 사이의 중간 값과 같을 때, 분리부의 중간 위치에 상응하도록 재생기를 만드는 것이 제안된다. 이러한 목적을 위해, 바람직하게는 최대 가스 저장조 체적에서 가스 층의 평균 깊이의 적어도 0.3의 선택된 두께의 스페이서들에 의해 상호연결된 평탄한 박판 부재들을 처음에 사용하는 것 또는 그들에 대한 스트레스 부재 상태가 상기 분리부의 중간 위치에 상응하도록 [스탬핑(stamping) 또는 연성 몰딩(flexible molding)]에 의해 몰딩된 박판 부재들을 사용하는 것이 제안된다.

축적된 유체동력의 저장 시간이라는 측면에서 바람직한 어큐뮬레이터의 실시예에서, 재생기는 박판 부재들로부터 어큐뮬레이터의 외피체까지의 열 전달을 감소시키는 유연성 있는 다공성 열 절연체를 포함한다.

본 발명은, 상당히 높은 진동수 맥동들, 유압의 쇼크들 및 높은 흐름 증가율들을 가지는 유체동력 시스템들에서의 용도에 바람직하고, 재생기가 분리부 근처에서 높은 탄력성 또는 감소된 가스 투과성을 가지도록 만들어지는, 실시예들을 제공한다. 그것의 가스 투과성이 낮을수록 그리고 재생기 부재들 사이의 가스 층들의 팽창율들 또는 압축율들 사이의 차이가 더 클수록, 가스 투과성이 더 많이 감소되어, 분리된 가스 층들 사이의 압력들의 균형 유지를 방해한다. 분리부 저크들이 더 강해짐에 따라, 이들 층들 사이의 압력 강하의 증가가 재생기 부재들을 가속시키고, 이에 따라 분리부에 인접한 재생기의 경계 요소들(boundary elements)에 대한 부하가 감소되고 그들의 국부적인 변형들이 감소된다. 높은 탄력성은 박판 부재들의 두께를 증가시키고, 그들의 상호연결들의 배치를 변화시키거나 추가적인 탄성 연결 부재들을 도입함으로써 달성될 수 있다. 가스 투과성은 박판 부재들에 있는 구멍들의 개수 또는 크기를 감소시킴으로써 그리고 박판 부재들의 엣지들(edges)과 가스 저장조 벽들 사이의 틈들을 감소시킴으로써 낮출 수 있다.

상당히 높은 진동수 맥동들을 가지는 유체동력 시스템들에 사용하기 위한, 어큐뮬레이터 실시예가 제안된다. 분리부는 챔버 및 그 안에서 챔버를 피스톤에 있는 윈도우들(windows)을 통해 각각 유체 및 가스 저장조들과 연통하는 유체 파트와 가스 파트로 분리하는 벨로우즈를 구비한 피스톤 형태로 만들어진다. 벨로우즈는 피스톤의 이동 방향에 대해 횡 방향으로 위치된 박판 부재들로 만들어져서, 피스톤 내의 챔버의 가스 파트를 가변 깊이를 가지는 연통 가스 층들로 나누고, 챔버의 가스 파트의 체적이 증가할 때 상기 박판 부재들에 의해 분리된 가스 층들의 깊이를 증가시키고 상기 가스 파트의 체적이 감소할 때 상기 가스 층들의 깊이가 감소되게 한다. 유체 흐름 맥동들의 높은 진동수 성분을 수용하여, 피스톤이 진동하는 것을 방지하고 그것의 씰의 마모를 감소시킨다. 10 mm를 넘지 않는 피스톤 내의 챔버의 가스 파트의 최대 체적에서 벨로우즈의 박판 부재들 사이의 가스 층들의 평균 깊이를 가지는 벨로우즈의 실시예는, 그러한 실시예의 어큐뮬레이터의 가스 저장조에서 메인 재생기의 박판 부재들을 보완하는 벨로우즈의 박판 부재들과 가스 사이의 우수한 열 교환을 보장한다.

넓은 용도를 위한 어큐뮬레이터의 실시예들을 위해서는, 박판 부재들의 국부적인 변형들이 어큐뮬레이터에 연결된 유체동력 시스템에서 최대 압력으로부터 대기 압력까지의 순간적인 압력 강하에서 일어날 수 있는, 어큐뮬레이터로부터의 유체 흐름의 최대 가능 증가율에 상응하는 분리부의 최강 저크들(strongest jerks)에서 탄성 변형 한계들을 넘지 않도록, 분리부 근처의 재생기의 가스 투과성 및 탄성을 선택하는 것이 바람직하다.

가스 충전 및 재충전 동안에 재생기 손상을 방지하는 목적은, 가스 포트가 가스 포트를 통과하는 가스 흐름을 제한할 수 있도록 만들어진 흐름 제한 장치(flow restrictor)를 포함하여, 개방된 가스 포트의 경우에 상기 제한 장치에 대한 압력 강하가 재생기의 상이한 공간들 사이의 최대 압력 차이를, 바람직하게는 10 배 이상 넘도록 함으로써 달성된다.

가속된 가스 충전 및 방출이라는 측면에서 바람직하고 리시버들과 함께 사용하는 용도를 위한 어큐뮬레이터의 실시예들에서, 재생기는 가스 포트 근처에서 증가된 가스 투과성을 가지도록 만들어지고, 이것은 가스 충전 및 방출 동안에 가스 포트 근처의 가스 흐름의 증가된 밀도를 보상하고, 재생기 내의 압력 강하들을 감소시킨다.

본 발명의 바람직한 실시예들의 상세한 설명이 다음과 같은 첨부 도면들에 의해 아래에 설명된 예들에 나타나 있으며, 도면들 중에서:
도 1은, 피스톤 형태의 분리부와 다층식 박판 스프링 형태의 재생기를 구비한 어큐뮬레이터의 축 단면도이다.
도 2는, 벨로우즈를 구비한 속이 빈 피스톤 형태의 복합 분리부와 다층식 박판 스프링 형태의 재생기를 구비한 어큐뮬레이터의 축 단면도이다.
도 3은, 그들 사이에 스트립 스페이서들(strip spacers)이 구비된 평탄한 박판 부재들로 만들어진 다층식 박판 스프링 형태의 어큐뮬레이터의 미변형 상태와 변형 상태의 부분 축 단면도이다.
도 4는, 그들 사이에 부채꼴 스페이서들이 구비된 평탄한 박판 부재들로 만들어진 다층식 박판 스프링 형태의 어큐뮬레이터의 부분 사시도이다.
도 5는, 두 개의 어큐뮬레이터들: 참조 어큐뮬레이터(재생기 불포함)(곡선 1)와 재생기를 구비한 어큐뮬레이터 (곡선 2)에서 동력 회복시의 가스 저장조 내의 가스 온도 변화의 실험적 곡선들이다.

도 1 및 도 2의 어큐뮬레이터들은, 유체 포트(3)와 연결된 가변 체적의 유체 저장조(2)와 가스 포트(5)와 연결된 가변 체적의 가스 저장조(4)를 구비한 외피체(1)를 포함하여 구성된다. 상기 가변 체적의 가스 및 유체 저장조들은 피스톤 형태의 분리부(6)에 의해 분리된다. 가스 저장조(4)는 가스 저장조(4)를 채우는 재생기(7)를 포함하여, 가스 저장조(4)의 체적을 감소시키는 분리부(6)의 이동이 재생기(7)를 압축시킨다. 재생기는, 분리부(6)의 이동 방향에 대해 횡 방향으로 위치되고 가스 저장조(4)를 가변 깊이의 서로 연통하는 가스 층들로 나누는 박판 부재들(8)로 구성된다. 박판 부재들(8)은, 한쪽은 분리부(6)에 그리고 다른 한쪽은 외피체(1)에 착설된 외피체 인서트(shell insert)(9)에 부착된 다층식 박판 스프링 형태로 재생기(7)에 조립된다. 따라서, 박판 부재들(8)은 서로 그리고 분리부(6)에 동력학적으로 연결되어, 가스 저장조(4)의 체적이 증가할 때 그들에 의해 분리된 가스 층들의 깊이가 증가되게 하고, 체적이 감소할 때 깊이가 감소되게 한다.

금속 박판 부재들(8)은, 번갈아 나타나는 직경 접합부들(diametrical joint)(10)과 코드 접합부들(chord joints)(11)을 구비한 평행하는 아교 또는 용접 접합부들에 의해 함께 결합된다. 가장 바깥 쪽의 박판 부재들은 직경 접합부들 (용접 또는 아교)에 의해 분리부(6)와 외피체 인서트(9)에 부착된다. 직경 접합부들(10)과 코드 접합부들(11) 사이의 거리는 다층식 박판 스프링의 강성도(stiffness)를 결정한다. 도 1과 도 2의 실시예에서, 이 거리는, 박판 부재들 사이의 가스 층들의 최대 깊이가 상기 거리의 약 0.1 이하이면서 20 - 50 mm의 범위 내에 있도록 선택되며, 이것은 박판 부재들의 작은 상대 굽힘 변형들(relative bending strains)을 보장한다(박판 부재들(8)의 상대 변형들과 그들 사이의 거리가 도면들에 확대되어 있고, 이에 따라 그들의 개수가 감소되었음을 더 잘 설명하기 위한 것임). 박판 부재(8)의 두께는 가스 저장조(4)의 최대 체적에서 그들에 의해 분리된 가스 층의 평균 깊이의 0.1 - 0.2 의 범위 내에서 선택된다. 이러한 경우에 특히, 바꿔 말하면, 가스 저장조(4)의 최대 체적에 대해, 재생기의 열 용량은, 400 - 800 KJ/K/m3 이고, 이것은 10 MPa의 초기 압력에서 가스 (질소)의 열 용량을 4 - 8 배 초과한다.

유체동력 회복을 위해, 가스 포트(5)를 통해 가스로 미리 채워진 어큐뮬레이터 (도 1, 2)는 유체 포트(3)를 통해 유체동력 시스템과 연결된다.

유체동력 시스템으로부터 어큐뮬레이터로 동력을 전달하는 동안에, 유체동력 시스템으로부터의 유체는 어큐뮬레이터의 유체 포트(3)를 통해 그것의 유체 저장조(2)로 펌핑되고, 분리부(6)는 가스 저장조(4)의 체적을 감소시키고 그것의 가스 압력 및 온도를 증가시키도록 이동된다. 이 때, 재생기(7)가 압축되고, 박판 부재들(8) 사이의 가스 층들의 깊이가 감소된다. 재생기(7)의 박판 부재들(8) 사이의 짧은 거리들과 그것의 높은 비열 용량(specific heat capacity)으로 인해, 가스는 열의 일부를 재생기에 효과적으로 전달하고, 이것은 압축 시 가스 가열을 감소시키는데; 박판 부재들과 그들 사이에 있는 가스 사이의 온도 차이들이 작을 때 가스의 박판 부재들과의 열 교환은 가역적이다. 어큐뮬레이터 내에 축적된 유체동력을 저장하는 동안에, 감소된 가스 가열이 가스의 열 전도성으로 인한 외피체의 벽들로의 열 전달을 감소시키기 때문에 열 손실들이 작고, 박판 부재들을 따라서 외피체의 벽들에 대한 열 전달 역시 그들의 작은 두께로 인해 작으며, 재생기의 얇은 층 구조(lamellar structure)로 인해 얇은 가스 층들에서 외피체의 벽들에 대한 대류 열 전달이 크게 감소된다. 축적된 유체동력의 저장 기간을 연장시키기 위해, 재생기는, 예를 들어, 박판 부재들과 외피체의 벽들 사이의 열 전달의 추가적인 감소를 가능하게 하는 발포 엘라스토머로 만들어진, 유연성있는 다공성 열 절연체(12)(도 2)를 포함한다.

동력이 어큐뮬레이터로부터 유체동력 시스템으로 되돌려 보내질 때, 압축된 가스는 팽창하고, 분리부(6)는 유체 저장조(2)의 체적을 감소시키고 유체를 그로부터 유체 포트(3)를 통해 유체동력 시스템으로 이동시키도록 이동된다. 이 때, 분리부(6)와 동력학적으로 연결된 박판 부재들(8)이 이동되고, 그들에 의해 분리된 가스 층들의 깊이가 증가하여, 팽창하는 가스 저장조(4)를 박판 부재들이 균일하게 채우는 것이 보장된다. 가스와 박판 부재들 사이의 거리가 작게 유지되기 때문에, 재생기는 전달받은 열의 일부를 가스로 효율적으로 되돌려 보낸다. 따라서, 어큐뮬레이터는 유체동력 시스템으로부터 받은 유체동력을 여하한 손실 없이 실제로 그것으로 다시 되돌려 보낸다. 분리부의 이동 범위 전반에 걸쳐 탄성 한계들의 범위 내의 박판 부재들의 작은 상대 변형들은, 잔류 변형들의 발현과 재생기의 파괴를 방지하고, 어큐뮬레이터의 신뢰성과 긴 사용 수명을 보장한다.

박판 부재들의 변형들의 폭의 추가적인 감소를 위해, 재생기는 박판 부재에 대한 스트레스가 없는 상태들이 가스 저장조 체적이 최대 값과 최소 값 사이에서 선택된 중간 값과 같을 때의 분리부 위치에 상응하도록 만들어진다. 긴 정지 간격들(shutoff intervals)을 가지는 유체동력 시스템들에서 (예를 들면, 야간에 정지되는 산업 시스템들에서) 작동시키기 위한 어큐뮬레이터들에서는, 최대 값에 가까운 상기 중간 값을 선택하는 것이 바람직하다. 축적된 유체동력의 긴 저장 기간을 가지는 유체동력 시스템들에서 작동시키기 위한 어큐뮬레이터들에서는, 최소 값에 가까운 상기 중간 값을 선택하는 것이 바람직하다.

박판 부재들을 다층식 박판 스프링으로 결합시키는 방법은, 스프링 신축(stretching) 동안에 박판 부재들의 최소 변형들이 달성되게 하는데, 이것은 박판 부재들 접합부들의 신뢰성 그리고, 따라서, 재생기의 긴 사용 수명을 보장한다.

가스 저장조 체적이 최대 동작 체적으로부터 최소 동작 체적까지 변화할 때인 스프링의 박판 부재들에 대한 스트레스가 없는 상태일 때, 최장 사용 수명이 달성되며, 이것은 그들의 교번 변형(alternating strain)을 보장하고, 그들에서 잔류 변형들이 나타나는 것을 방지한다.

가스 저장조(4) 내에 최소 잔류 가스 체적을 보장하는 것이 바람직한, 리시버들을 사용하여 작동시키기 위한 어큐뮬레이터들에서는, 박판 부재들(8)이 플레이트(plates) 또는 파형 시트(wave-like sheets) 형태로 몰딩될 수 있고, 가능한 최소 두께의 용접 또는 아교 접합부들에 의해 연결될 수 있다. 도 3과 도 4에 주어진 리시버 없이 작동시키기 위한 어큐뮬레이터들의 재생기들에서는, 그들 사이에 교대로 배열된 스페이서들(13)을 가지는 평탄한 박판 부재들(8)이 사용된다.

도 3의 실시예에서, 평탄한 원형 박판 부재들(8)은, 서로 평행하는 박판 부재들(8)에 접합된 스트립들 형태의 스페이서들(13)에 의해 다층식 박판 스프링을 형성하도록 함께 고정된다. 스페이서(13)는 박판 부재의 직경을 따라 모든 박판 부재(8)의 한쪽에 접합되는데, 두 개의 스페이서들(13)은 직경 스페이서에 대해 대칭적인 두 개의 코드들(chords)을 따라 이 박판 부재의 다른 쪽에 접합된다. 어큐뮬레이터를 충전시킬 때의 초기 가스 압력은 일반적으로 유체동력 시스템 내의 최소 동작 압력의 0.9를 넘지 않는다. 최대 축적된 동력에 상응하고, 동력 회복을 위해 전형적인 가스 체적 압축의 정도는 약 2 - 3 이다. 따라서, 스페이서들(13)의 두께에 의해 정해지는 가스 저장조의 바람직한 최소 가능 체적은 최대 값의 0.3을 넘지 않아야 한다. 스페이서들(13)은 박판 부재들(8)로 하여금 그들에 대한 스트레스가 없는 상태로부터 양 방향들로 변형되게 하고, 이것은 다층식 박판 스프링의 팽창과 압축 모두를 가능하게 한다. 스페이서들(13)의 반복 배열들의 주기가 2인, 도 3에서, 축 방향으로 가장 가까운 직경 (또는, 각각, 코드) 스페이서들은 박판 부재들(8) 사이의 단일 틈들에 의해 분리되는데, 완전 압축 시의 가스 층의 평균 깊이는 스페이서(13)의 1/2의 두께에 상응한다. 따라서, 3과 같은 정도의 어큐뮬레이터 내의 가스의 체적 압축율을 제공하기 위해서, 바람직한 실시예는 가스 저장조의 최대 체적에서 가스 층의 평균 깊이의 0.6을 넘지 않는 스페이서들(13) 두께를 가져야 한다.

도 4의 실시예에서, 평탄한 원형 박판 부재들(8)은 미리 정해진 각 오프셋(angular offset)으로 박판 부재들(8)에 접합된 스페이서들(13)에 의해 다층식 박판 스프링을 형성하도록 함께 고정된다. 360/6 (일반적인 경우에 360/N) 도(degrees)로 서로에 대해 이동된 6 개의 (일반적인 경우에 N 개의) 스페이서들(13)이 모든 박판 부재(8)의 한쪽에 접합된다. 이 박판 부재의 다른 쪽에는, 또한 서로에 대해 동일한 오프셋을 가지는 6 개의 (일반적인 경우에 N 개의) 스페이서들(13)이 있다. 이 경우에, 한 쪽의 스페이서들(13)의 전체 배열은 다른 쪽의 스페이서들(13)의 배열에 대해 360/24 (일반적인 경우에 360/(N*M)) 도로 이동된다. 따라서, 박판 부재들(8) 사이의 모든 연속 층에서 스페이서들(13)의 배열은 앞의 것에 대해 360/24 도로 회전되는데, 모든 4 개의 층에서 유사한 각 위치가 반복되는 (일반적인 경우에 M 주기의) 배열은 박판 부재들(8) 사이의 (일반적인 경우에 M-1) 3중 틈들에 의해 분리된다. 스페이서들(13)의 각 크기는 360/24 도 보다 크게 작은데, 이것은 박판 부재들의 비교적 작은 굽힘 변형들로 재생기의 압축을 가능하게 한다. 하나의 층의 스페이서들(13)의 개수(N)가 많을수록 그리고 이웃하는 층들의 스페이서들의 엣지들 사이의 각 거리들(angular distances)이 작을수록 (N, M과 스페이서들(13)의 각 크기들이 증가함에 따라 감소함), 재생기의 탄력성이 높아진다. 반복 배열의 주기(M)가 클수록, 평탄한 박판 부재들(8)에 대한 스트레스가 없는 상태에 상응하는 위치에 대한 재생기 압축의 최대 한도가 높아진다. 완전한 압축에서, 층(layer)의 평균 깊이는 스페이서들(13)의 두께의 4분의 1 (일반적인 경우에 1/M)에 상응하는데, 이것은 체적 압축이 3배 정도 필요한 경우에, 접합 경계면들(glue interfaces)에 대한 부하를 감소시키는 최대 가스 저장조 체적에서, 가스 층의 평균 깊이와 같거나 심지어 이를 초과하지 않는 스페이서들(13)의 두께를 선택할 수 있게 한다.

평탄한 박판 부재들(8)에 대한 스트레스가 없는 상태일 때, 가스 층들의 깊이는 스페이서들(13)의 두께와 같다. 유체동력의 회복을 위해 동작 범위의 상기 평가로부터 판단하면, 3을 넘지 않는 체적 압축의 최대 한도를 선택하는 것이 바람직한데, 스페이서들의 최소 두께는, 이에 따라, 최대 가스 저장조 체적에서 가스 층의 평균 깊이의 0.3 이상이어야 한다. 유체동력 시스템에 0(zero) 압력에서 평탄한 박판 부재들(8)에 대한 스트레스가 없는 상태를 만들기 위해, 어큐뮬레이터에 필요한 체적 압축 정도 이상의 반복 배열 주기(M)를 가지는 최대 가스 저장조 체적에서 가스 층의 평균 깊이에 가까운 두께를 가지는 스페이서들(13)이 제공된다.

본 발명의 실시를 설명하기 위해, 도 5는, 2 리터 체적을 가진 "SK350-2/2212A6" 형의 2 개의 Hydac 어큐뮬레이터들을 위한 동력의 회복에서, 가스 저장조 내의 가스 온도 변화의 실험적 곡선들을 보여주는데, 그 하나(곡선 1)는 재생기를 구비하지 않은 어큐뮬레이터의 경우이고, 두 번째(곡선 2)는 도 4에 도시된 바와 같이 그들 사이에 1 mm 두께를 가지는 부채꼴 스페이서들을 구비한 0.4 mm 두께의 120의 평탄한 박판 부재들로 만들어진 다층식 박판 스프링 형태의 재생기를 구비한 어큐뮬레이터의 경우이다. 이 경우에, 평탄한 박판 부재들에 대한 스트레스가 없는 상태는 최대 가스 저장조 체적에 상응한다. 주위 온도는 18℃이다. 양쪽 어큐뮬레이터들에서의 초기 가스 압력은 7 MPa 이다. 모든 사이클은 다음의 4 단계로 구성된다: 20 초 동안 21 MPa의 압력까지 어큐뮬레이터 내로 유체를 펌핑하고, 50 - 60 초 동안 축적된 동력을 저장하고, 어큐뮬레이터로부터 유체를 방출하여 30 초 동안 7 MPa의 초기 압력까지 낮추고, 그리고 50 초 동안 휴지한다. 재생기가 없는 어큐뮬레이터에서는, 가스가 압축될 때 106 ℃까지 가열되고, 저장 시간 동안에 30 - 32 ℃로 낮게 냉각되고, 팽창될 때, -30 ℃까지 낮게 냉각되고, 그리고 휴지 동안에 10 - 12 ℃까지 가열된다. 이와 동시에 어큐뮬레이터에서 재생기로 가스가 압축될 때 25 ℃ 이하까지 가열되고, 팽창하는 동안에 12 ℃ 이하로 낮게 냉각된다. 따라서, 재생기는 압축시 가스 가열과 팽창시 가스 냉각을 수십 배 감소시키고, 이에 따라 저장 동안에 축적된 동력의 손실을 감소시킨다. 압력 변화의 이러한 범위 내의 여하한 가스 압축에서, 박판 부재들의 상대 변형(약 12 mm 길이의 구부러진 섹션을 가지는 1 mm 보다 작은 구부러짐)은 탄성 한계 보다 훨씬 작다.

어큐뮬레이터가 높은 진동 리플(frequency ripple) 또는 높은 흐름 증가율들과 유압 충격들(hydraulic impacts)을 가지는 유체동력 시스템의 일부로서 동작할 때, 분리부(6)는 분리부(6)에 인접한 박판 부재들(8)에 대한 부하를 증가시키는 강한 저크들에 의해 균일하지 않게 이동하고, 이러한 분리부(6)를 통해 재생기(7) 전체가 가속 운동에 포함된다.

도 1과 도 2의 어큐뮬레이터들에서 높은 흐름 증가율, 유압 충격들 및 상당히 높은-진동수 맥동들과 함께 동작하는 분리부 옆의 재생기의 파괴를 방지하고 불필요한 변형들을 방지하기 위해, 분리부(6) 근처의 재생기(7)는 증가된 탄력성 또는 감소된 가스 투과성을 가지도록 만들어진다. 증가된 탄력성은, 분리부의 저크들에서 증가된 부하들을 보상하고, 그리고 용접 접합부들(10 및 11) 사이의 거리의 변화 또는 스페이서들(13) 배열의 변화에 의해서 뿐 아니라 박판 부재들의 더 큰 두께 또는 추가적인 연결 부재들의 도입에 의해 제공될 수 있다.

감소된 가스 투과성은 박판 부재들의 엣지들과 가스 저장조(4)의 벽들 사이의 틈들의 감소에 의해서 뿐 아니라 박판 부재들(8)에 형성된 구멍들의 개수 또는 크기의 감소에 의해 제공된다. 가스 투과성이 낮을수록 그리고 그들 사이의 가스 층들의 팽창율들 또는 압축율들의 차이가 클수록, 재생기(7)의 감소된 가스 투과성이 분리된 가스 층들 사이의 압력들의 균형 유지를 더 크게 방해한다. 분리부(6)의 저크들이 더 강해짐에 따라 이들 층들 사이의 압력 강하 증가가 박판 부재들(8)을 더 가속시키고, 따라서 분리부(6)에 인접한 박판 부재들(8)에 대한 부하를 감소시키고, 그들의 국부적인 변형들을 감소시킨다.

도 2의 어큐뮬레이터에서, 분리부(6)는, 챔버(15)를 구비한 피스톤 그리고 피스톤(14)에 있는 윈도우들(19 및 20)을 통해, 각각, 유체 저장조(2) 및 가스 저장조(4)를 서로 연통하는 유체 파트(17)와 가스 파트(18)로 나누는 그 내부에 있는 벨로우즈를 포함하여 구성된다. 벨로우즈(16)는 피스톤(14)의 이동 방향에 대해 횡 방향에 위치되고, 챔버(15)의 가스 파트(18)를 서로 연통하고 가변 깊이를 가지는 가스 층들로 나누고, 챔버(15)의 가스 파트(18)의 체적이 증가할 때 그들에 의해 분리된 가스 층들의 깊이를 증가시키고 그리고 체적이 감소할 때 깊이를 감소시키는, 금속 박판 부재들(21)로 만들어진다. 높은-진동수 맥동들에서, 피스톤 씰들의 마모를 감소시키는 것은 진동하는 피스톤(14)이 아니라 더 가벼운 벨로우즈(16)이다. 이 경우에, 피스톤(14) 근처의 박판 부재들(8)에 대한 부하 또한 감소되고, 이것은 도 1의 어큐뮬레이터에서 보다 더 높은 가스 투과성을 가지는 재생기(7)의 구현을 가능하게 한다. 벨로우즈(16)는, 벨로우즈(16)의 박판 부재들(21) 사이의 가스 층들의 깊이가 작아서 가스의 박판 부재들과의 우수한 열 교환을 보장하기 때문에, 챔버(15) 내에서 가스가 압축 및 팽창할 때 우수한 열 재생을 제공한다. 박판 부재들(21) 사이의 거리들과 그들의 열 용량은 재생기(7)의 박판 부재들(8)과 동일한 방식으로 선택되는데, 바람직하게는 분리부 내의 챔버의 가스 파트의 최대 체적에서 벨로우즈의 박판 부재들 사이의 가스 층들의 평균 깊이가 10 mm를 넘지 않도록 선택되어야 한다(더 잘 설명하기 위해, 도 2에서는 박판 부재들(21)의 상대 변형들과 그들 사이의 거리가 확대되었고 이에 따라 그들의 개수가 감소됨). 유체동력 시스템의 높은 진동수 맥동들에서 벨로우즈(16)의 진동에 의해 발생된 가스의 강제 마이크로대류(forced microconvection)는 재생기(7)의 박판 부재들(8)과의 가스 열 교환을 더 향상시킨다. 박판 부재들(8)의 주위에 위치된 발포 엘라스토머 형태의 유연성 있는 다공성 열 절연체(12)는, 마이크로대류 흐름들의, 재생기(7)의 박판 부재들(8)과 외피체(1)의 벽들 사이의 틈들로의 전파를 방지하여, 재생기(7)와 외피체(1) 사이의 열 교환을 감소시키고 동력을 저장하는 동안의 손실을 감소시킨다. 발포 엘라스토머는 피스톤(14)과 박판 부재들(8)에 접합되어, 가스 저장조(4) 체적이 증가할 때 그것의 신축을 가능하게 하고, 이것은 발포 엘라스토머의 압축으로 잔류 변형들이 나타나는 것을 방지하고, 그것의 내구성을 보장한다. 내가스성 금속 벨로우즈(gas-proof metal bellows)(16) 역시 가스의 우수한 보존에 기여하고, 이것은 또한 분리부의 씰들의 보존력 향상 및 재생기에 대한 부하 감소와 함께 어큐뮬레이터의 신뢰성과 내구성을 향상시킨다.

분리부(6) 근처의 박판 부재들(8)의 국부적인 변형들이 분리부(6)의 최강 저크들에서 탄성 한계를 넙지 않도록, 그들의 가스 투과성과 탄력성을 선택하는 것이 바람직하다.

분리부(6)의 최대 저크 힘(maximum jerk force)이 동작 조건들에 의해 제한될 수 있다. 예를 들면, 만약 이 어큐뮬레이터가 프리 피스톤 엔진을 구비한 유압식 하이브리드 자동차에 사용되면, 엔진 변위 스트로크들(engine displacement strokes)의 최대 진동수와 동작 체적은 최대 가속도 및 분리부 이동 폭 및 그 저크들의 최대 힘을 결정한다. 어큐뮬레이터가, 여러 리플 소스들(rippling sources)과 부하의 영향을 받으며, 예컨대, 일반적인 압력 레일에서, 작업할 때, 최대 저크 힘은 모든 소스들과 부하들의 합계로서 결정된다.

일반적인 목적을 위한 어큐뮬레이터에 있어서, 분리부의 가속 운동의 가속도와 폭, 그리고 그 최대 저크 힘은, 유체동력 시스템에서의 최대 압력으로부터 대기 압력까지의 순간적인 압력 강하에서 어큐뮬레이터로부터의 유체 흐름의 최대 가능 증가율에 의해 정하는 것이 바람직하다. 어큐뮬레이터로부터의 유체 흐름의 최대 증가율은, 첫 번째로 그 유체 포트(3)의 유체역학적 특성들에 의해 정해진다.

유체 저장조(2) 내의 압력이 급격히 하강하는 경우에, 부착된 박판 부재들(8)을 끌고 가서 재생기(7)의 모든 다른 층들을 잡아당기는 유체 포트(3)를 향해 높은 가속도로 충격을 가하는 분리부(6)의 강한 저크가 발생한다. 도 2의 어큐뮬레이터에서, 벨로우즈(16)가 가장 먼저 압력 강하에 반응하게 된다. 그것은 팽창하여 피스톤(14)을 가속 운동에 포함시키고, 이에 따라 그것에 연결된 박판 부재들(8)과 피스톤(14)의 가속도가 어느 정도 감소된다. 박판 부재들(8)에 형성된 구멍들(22) 그리고 박판 부재들(8)과 외피체(1)의 내부 벽들 사이의 틈들의 가스 역학 저항(gas dynamic resistance)에 의해 조절된 분리부(6) 근처의 재생기(7)의 감소된 가스 투과성으로 인해, 분리부(6)의 저크에서 모든 박판 부재(8)에 대해 압력 강하가 일어나는데, 즉, 분리부(6)를 마주하는 쪽에는 음압(negative pressure)이 발생하는 반면, 그 맞은 편에는 과도한 압력이 발생한다. 압력 강하 증가는 모든 박판 부재(8)를 분리부(6)를 향해 밀어붙이고, 이에 따라 재생기(7)의 전체 길이를 따라 신축을 분산시키는 박판 부재들의 국부적인 굽힘 변형들과 접합부들(10 및 11)에 대한 부하를 감소시킨다. 박판 부재들(8)의 가스 투과성 증가는, 그들이 분리부로부터 멀어짐에 따라 그 가속도들의 완만한 경사를 보장하고, 이것은 그들의 변형의 균일한 분포를 보장하고, 분리부에 가까운 그리고 재생기(7)의 전체 길이를 따라 위치된 박판 부재들의 불필요한 변형들을 방지한다. 이와 유사한 방식으로, 분리부(6)의 역 저크들(reverse jerks)의 경우에, 예를 들면, 유압 충격들로 인해, 압력 강하들은 박판 부재들(8)을 분리부로부터 멀리 밀어붙이고, 이것은 그들의 국부적인 압축 변형들과 접합부들(10 및 11)에 대한 부하를 감소시킨다.

분리부(6) 근처의 박판 부재들의 탄력성의 증가는 또한 재생기(7)의 전체 길이를 따라 위치된 박판 부재들 뿐 아니라 분리부에 인접한 박판 부재들의 불필요한 변형들을 방지하여, 그들의 변형들의 균일한 분포를 보장하고 스페이서들(13)과의 연결부 또는 접합부들(10 및 11)에 대한 부하를 감소시킨다.

피스톤 어큐뮬레이터들은 또한 어큐뮬레이터의 조립 동안에, 그리고 그것이 이동하는 동안에 일어날 수 있는 분리부(6)의 회전에서, 두 경우 모두 재생기(7)의 비틀림(twisting) 방지를 제공한다. 비틀림은, 예를 들면, 외피체(1)에 대해 외피체 인서트(9)의 회전을 가능하게 함으로써 또는 분리부(6)에 대해 회전할 수 있게 착설된 개별적인 버퍼 인서트(buffer insert)(도면들에 도시되지 않음)에 의해 재생기를 분리부(6)에 부착시킴으로써 방지된다.

박판 부재들(8)은 외피체 인서트(9)에 형성된 구멍들(23) 맞은 편에 위치된 구멍들(22)을 가진다. 따라서, 가스 저장조(4)는 구멍들(23)을 통과하여 직접적으로 또는 콜렉터 틈 공간(collector gap clearance)(24)을 통해 가스 포트(5)와 연통한다. 재생기(7)는 가스 포트(5) 근처에서 증가된 가스 투과성을 가지도록 만들어지고, 이 경우에는 많은 구멍들(22)을 가지도록 만들어지는데, 이것은 가스가 충전되고 방출될 때 가스 포트 근처의 가스 흐름의 밀도 증가를 보상하고, 재생기 내의 압력 강하들을 감소시켜서, 리시버와 함께 동작하기에 적합한 어큐뮬레이터를 만든다.

가스가 충전되고 방출될 때 재생기의 손상을 방지하기 위해, 가스 포트는, 개방된 가스 포트를 구비한 그것의 압력 강하가 재생기의 상이한 공간들 사이의 최대 압력 차이의 바람직하게는 10 배 이상을 초과하도록, 가스 포트를 통한 가스 흐름을 제한할 수 있는 스로틀 밸브(throttle valve)(도면들에 도시되지 않음) 형태의 흐름 제한 장치를 포함한다. 어큐뮬레이터가 리시버와 함께 동작될 때, 가스가 충전되고 방출될 때 흐름들을 제한하되 어큐뮬레이터와 리시버 사이의 흐름을 제한하지 않기 위해 흐름 제한 장치가 설치된다.

금속으로 만들어진 박판 부재들(8)은, 특히 용접된 것이라면, 증가되고 감소된 주위 온도들에서 모두 작동할 수 있다.

상술한 실시예들은, 본 명세서에 상세히 설명되지 않은 다양한 다른 실시예들을 또한 의도하는, 본 발명의 주요 사상을 이행하는 예들인데, 예를 들면, 박판 부재들 엣지들이 탄성 분리부를 손상시키지 않도록 만들어진, 블레이더 또는 막 형태의 탄성 분리부를 구비한 어큐뮬레이터들의 실시예들과 하나의 외피체에 가변 체적의 하나의 가스 저장조와 여러 유체 저장조들을 포함하는 어큐뮬레이터들의 실시예들이다.

따라서, 제안된 해결책들은 다음의 특성들을 가지는 유체동력 회복을 위한 유공압식 어큐뮬레이터의 제조를 가능하게 한다:

- 높은 효율의 유체동력 회복;

- 높은 흐름 증가율과 분리부의 강한 저크들을 일으키는 유압의 쇼크들을 가지는 유체동력 시스템의 일부로서 동작하는 신뢰성과 긴 사용 수명;

- 가스 리시버들과 함께 사용할 수 있는 적합성;

- 증가되고 감소된 주위 온도들에서 사용할 수 있는 적합성.

인용 문헌.

1 - L.S. Stolbov, A.D. Petrova, O.V. Lozhkin. "Fundamentals of

hydraulics and hydraulic drive of machines". Moscow,

"Mashinostroenie", 1988, p. 172

2 - 미국 특허 제6405760호

3 - http://www.hvdrotrole.co.uk/

4 - 미국 특허 제5971027호

5 - Otis D. R., "Thermal Losses in Gas-Charged Hydraulic

Accumulators", Proceedings of the Eighth lntersociety Energy

Conversion Engineering Conference, Aug. 1973, pp. 198-201

6 - Pourmovahed A., S.A Baum, F.J. Fronczak, N. H. Beachley

"Experimental Evaluation of Hydraulic Accumulator Efficiency With

and Without Elastomeric Foam", Proceedings of the Twenty-second

lntersociety Energy Conversion Engineering Conference,

Philadelphia, PA, Aug. 10-14, 1987, paper 87-9090

7 - 미국 특허 제7108016호

8 - Pourmovahed A., "Durability Testing of an Elastomeric Foam for

Use in Hydraulic Accumulators", Proceedings of the Twenty-third

lntersociety Energy Conversion Engineering Conference, Denver,

CO, July 31-Aug. 5, 1988. Volume 2 (A89-15176 04-44)

9 - Peter A.J. Achten, "Changing the Paradigm", Proceedings of the

Tenth Scandinavian International Conference on Fluid Power, May

21-23, 2007, Tampere, Finland, Vol. 3, pp. 233-248

10 - Peter A.J. Achten, Joop H. E. Somhorst, Robert F. van Kuilenburg,

Johan P.J. van den Oever, Jeroen Potma "CPR for the hydraulic

industry: The new design of the lnnas Free Piston Engine",

Hydraulikdagarna'99, May 18-19, Linkoeping University, Sweden

11 - Peter A.J. Achten, "Dedicated Design of the Hydraulic

Transformer", Proceedings of the IFK 3, Vol. 2, IFAS Aachen,

pp. 233-248

Claims (15)

1. 유체 포트와 연결된 가변 체적의 유체 저장조 및 가스 포트와 연결된 가변 체적의 가스 저장조를 구비한 외피체(shell)를 포함하여 구성되고,
   상기 가변 체적의 가스 및 유체 저장조는 외피체에 대해 이동가능한 분리부(separator)에 의해 분리되며,
   상기 가스 저장조는 가스 저장조에 채우는 하나의 압축성 재생기를 포함하여, 가스 저장조 체적을 감소시키는 분리부의 이동이 상기 재생기를 압축시키고,
   상기 재생기는 분리부 이동 방향에 대해 횡 방향으로 위치되고 가스 저장조를 서로 연통하고 가변 깊이를 가지는 가스 층들로 나누는 박판 부재들(leaf elements)로 만들어지며,
   상기 재생기의 박판 부재들은 분리부와 동력학적으로(kinematically) 연결되어, 가스 저장조의 체적이 증가할 때 그들에 의해 분리된 가스 층들의 깊이를 증가시키고, 가스 저장조의 체적이 감소할 때 상기 가스 층들의 깊이를 감소시키는 것인, 유공압식 어큐뮬레이터(hydropneumatic accumulator).
2. 제1항에 있어서, 박판 부재들의 개수, 형상 및 배열은, 재생기의 박판 부재들 사이의 가스 층들의 평균 깊이가 가스 저장조의 최대 체적에서 10 mm를 넘지 않도록 선택되는, 유공압식 어큐뮬레이터.
3. 제2항에 있어서, 박판 부재들은 분리부가 이동할 때 굽힘 변형 정도(bending strain degree)의 변화가 가능하도록 탄성적으로 만들어지고 결합되는데(joined), 박판 부재들의 개수 그리고 이웃하는 박판 부재들의 접합부들(joints)의 개수, 위치 및 형상이 박판 부재들의 국부적인 굽힘 변형이 분리부의 어떤 위치에서도 탄성 변형 한계(elastic strain limits)를 넘지 않도록 선택되는, 유공압식 어큐뮬레이터.
4. 제3항에 있어서, 재생기는, 박판 부재들에 대한 스트레스 부재 상태(stressless state)가, 가스 저장조 체적이 최대 값과 최소 값 사이의 중간 값과 동등한 분리부의 중간 위치에 상응하도록 만들어지는, 유공압식 어큐뮬레이터.
5. 제4항에 있어서, 박판 부재들은 처음에 평탄하게(flat) 만들어지고, 최대 가스 저장조 체적에서 바람직하게는 가스 층 평균 깊이의 0.3 보다 작지 않도록 선택된 두께의 스페이서들(spacers)에 의해 상호연결되는, 유공압식 어큐뮬레이터.
6. 제4항에 있어서, 박판 부재들은 그들의 스트레스 부재 상태가 상기 분리부의 중간 위치에 상응하도록 몰딩되는(molded), 유공압식 어큐뮬레이터.
7. 제1항에 있어서, 분리부는 피스톤 형태로 만들어지는 한편, 박판 부재들은 탄성 금속(elastic metal)으로 만들어지며 서로 결합되어 다층 스프링(multilayer spring)을 형성하는, 유공압식 어큐뮬레이터.
8. 제7항에 있어서, 분리부는 챔버, 및 그 안에서 챔버를 피스톤에 있는 윈도우들(windows)을 통해 각각 유체 및 가스 저장조들과 연통하는 유체 파트 및 가스 파트로 분리하는 벨로우즈를 구비한 피스톤 형태로 만들어지는 한편, 상기 벨로우즈는 피스톤의 이동 방향에 대해 횡 방향으로 위치된 박판 부재들로 만들어져서, 피스톤 내의 챔버의 가스 파트를 서로 연통하고 가변 깊이를 가지는 가스 층들로 나누고, 상기 챔버의 가스 파트의 체적이 증가할 때 상기 박판 부재들에 의해 분리된 가스 층들의 깊이를 증가시키고 상기 가스 파트의 체적이 감소할 때 상기 가스 층들의 깊이가 감소되게 하는, 유공압식 어큐뮬레이터.
9. 제8항에 있어서, 벨로우즈의 박판 부재들의 개수, 형상 및 위치는, 벨로우즈의 박판 부재들 사이의 가스 층들의 평균 깊이가 피스톤 내의 챔버의 가스 파트의 최대 체적에서 10 mm를 넘지 않도록 선택되는, 유공압식 어큐뮬레이터.
10. 제1항에 있어서, 상기 재생기가 유연성 있는 다공성 열 절연체를 포함하여 구성되는, 유공압식 어큐뮬레이터.
11. 제1항에 있어서, 재생기가 분리부 근처에서 증가된 강성도(rigidness)를 가지도록 만들어지는, 유공압식 어큐뮬레이터.
12. 제1항에 있어서, 재생기가 분리부 근처에서 감소된 가스 투과성을 가지도록 만들어지는, 유공압식 어큐뮬레이터.
13. 제11항 또는 제12항에 있어서, 분리부 근처의 재생기의 가스 투과성 및 탄성은, 박판 부재들의 국부적인 변형들이 어큐뮬레이터에 연결된 유체동력 시스템에서 최대 압력으로부터 대기 압력까지의 순간적인 압력 강하에서 일어날 수 있는, 어큐뮬레이터로부터의 유체 흐름의 최대 가능 증가율에 상응하는 분리부의 최강 저크들(the strongest jerks)에서 탄성 변형 한계들을 넘지 않도록, 선택되는, 유공압식 어큐뮬레이터.
14. 제1항에 있어서, 가스 포트는, 개방된 가스 포트에서의 그에 대한 압력 강하가 재생기의 상이한 공간들 사이의 최대 압력 차이를 바람직하게는 10 배 이상 넘지 않도록 가스 포트를 통과하는 가스 흐름을 제한할 수 있도록 만들어진 흐름 제한 장치(flow restrictor)를 포함하는, 유공압식 어큐뮬레이터.
15. 제1항에 있어서, 재생기가 가스 포트 근처에서 증가된 가스 투과성을 가지도록 만들어진, 유공압식 어큐뮬레이터.

Images