KR20120085744A - 유체 제어 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유체 시스템(99)에 관한 것으로, 이 유체 시스템은 유압 유체 소비부(103)에 대한 공급을 위한 것으로 압력을 받는 유압 유체 공급원(100) 및 공급원과 유체 소비부 사이에 배치되며 유체가 지나가는 밸브(102)를 포함한다. 상기 공급원(100)과 밸브(102) 사이에는 제 1 유체 컴플라이언스(105)가 배치되며, 상기 밸브(102)를 통과하는 유체의 유동을 위해 이용가능한 단면적을 변화시키기 위한 가변 제한기(110)이 제공되며, 이 제한기는 단면적이 더 크게 되는 제 1 위치(A)와 그 단면적이 더 작게 되는 제 2 위치(B) 사이에서 움직일 수 있다. 편향 수단(117)이 제한기(110)를 상기 제 2 위치쪽으로 편향시키며, 개방 수단(Fa)은 유체가 상기 밸브(102)를 통해 흐를 때 상기 제한기(110)를 편향 수단(117)에 대해 밀어 붙이게 되며, 감쇠 수단(126)은 제 1 및 2 위치 사이에서의 상기 제한기의 운동을 감쇠시키고, 그 제한기(110)의 이동 속도와 더불어 증가하는 저항을 제공한다.

Description

유체 제어 시스템{FLUID CONTROL SYSTEM}

본 발명은 유체 시스템, 특히 또한 비배타적으로, 유압 부하를 구동하기 위한 유체 시스템에 관한 것이다.

이동 차량을 위한 유체 동력 시스템에서, 원동기로 구동되는 가변적인 유동원이 종종 밸브 시스템을 통해 유체를 액츄에이터(유압 모터나 선형 실린와 같은)에 공급하는 것이 보통이다. 가변적인 유동원으로 사용되는 전형적인 정량 펌프에있어서, 유동 출력은 위상 각에 있어서 서로 분리되어 있는 다수의 개별 작동 챔버에서 나오는 유동들의 합이다. 전형적으로 이들 유동은 반정류 사인곡선이고, 7개 이상의 작동 챔버가 사용되지만, 출력 유동에는 어느 정도의 고주파수 맥동이 있다 (여기서, "고주파수"는 원동기 축의 회전 주파수 보다 높은 주파수로 정의됨). 그러나, 이들 기계의 경우, 고주파수 맥동의 양은 평균적인 정상 유동에 비해 적다. 유동원으로부터 나오는 유동이 가변적인 것이 요구된다면, 전형적으로 작동 챔버의 스트로크가 조절된다. 이러면, 작동 챔버에서 나오는 유동이 비례적으로 감소되고, 그래서 유동이 감소됨에 따라 고주파수 유체 맥동이 많이 감소되는 효과가 있게 된다.

그러나, 유동원이 전형적인 가변 스트로크 정량 펌프 보다 상당히 더 많은 고주파수 맥동을 나타내는 새로운 종류의 유체 동력 시스템이 출현하고 있다. 이들 유동원은 전통적인 유동원에 비해 에너지 효율과 제어성을 증가시키므로 발전을 이루고 있다. 이러한 일 유동원이 소위 디지털 용량형 또는 합성 방향 전환식 펌프이다(EP 0361927 B1, EP 0494236 B1 및 EP 1537333 참조). 이는 전자적 요소에 응답할 수 있는 고속 밸브에 의해 각 작동 챔버에서 나오는 유동 출력이 제어기에 의해 스트로크별로 제어되는 정량 유체 펌프이다. 이러한 기계에서, 제어기가 방향 전환 시기 및 출력부에 연결되는 작동 챔버의 시간 평균 비율을 제어함으로써 유동 출력의 제어가 변하게 된다. 이러한 펌프는 전형적인 가변 스트로크 펌프 보다 효율적이고 제어성도 더 좋게 된다. 유사하게 작동하는 펌프가 US 6,651,545 에도 기재되어 있다. 이러한 유동원이 전형적인 유체 동력 시스템에서 사용되는 경우, 고주파수 유동 맥동으로 인해 허용불가능한 소음이나 진동이 발생될 수 있다. 이는 작동자나 기계 근처의 다른 사람에게 불편을 줄 뿐만 아니라, 피팅, 필터 또는 호스 같은 유체 시스템의 구성품들의 수명을 단축시키고 그래서 기계의 안전성을 저하시킬 수 있다.

GB 2160950 에는 맥동성 유동 유압 회로의 복귀 라인에 있는 피팅, 예컨대 광산 작업에서 사용되는 캠 팩커를 위한 유압 감쇠기 밸브가 개시되어 있다. 이러한 밸브 요소는 유동 맥동이 그에 부딪힐 때까지 안착 상태로 유지되고, 유동이 중지된 후에는 안착 위치로 복귀하게 된다. EP 0083403 에는 감쇠식 포펫형 압력 방출 밸브가 개시되어 있는데, 여기서는 감쇠가 갖힌 유체에 의해 제공된다. 그 장치에서는 입구로부터 출구 또는 그 반대 방향으로 연속적인 누출이 일어난다.

예컨대 유공압식 축압기로 시스템 컴플라이언스(compliance)를 증가시켜 유체 맥동을 감쇠시킬 수 있는 것은 잘 알려져 있다. 그러나, 큰 유체 컴플라이언스는 비용과 무게를 증가시키며 또한 시스템의 동적 응답을 느리게 한다.

또한, 유동원과 액츄에이터 사이에 고정 제한기를 삽입하여 유체 맥동을 감쇠시킬 수 있는 것도 잘 알려져 있다. 그러나, 이는 특히 유량이 클 때 제한기에서의 압력 강하로 인해 에너지 손실이 크게 된다는 단점을 갖는다.

그러므로, 본 발명의 목적은 허용불가능한 소음이나 진동의 발생 없이 또한 큰 유체 컴플라이언스의 비용 및 동적 불리함 또는 고정 제한기의 에너지 소모 없이, 전형적인 가변 스트로크 펌프에 대비되는 전술한 유동원의 이점들을 얻는 것이다.

따라서, 본 발명은 압력을 받는 유압 유체 공급원; 유압 유체 소비부; 상기 공급원과 유체 소비부 사이에 배치되며 유체가 지나가는 밸브; 상기 공급원과 밸브 사이에 배치되는 제 1 유체 컴플라이언스; 상기 밸브를 통과하는 유체의 유동을 위해 이용가능한 단면적을 변화시키기 위한 것으로, 상기 단면적이 더 크게 되는 제 1 위치(A)와 그 단면적이 더 작게 되는 제 2 위치(B) 사이에서 움직일 수 있는 가변 제한기; 상기 제한기를 상기 제 2 위치쪽으로 편향시키는 편향 수단; 유체가 상기 밸브를 통해 흐를 때 상기 제한기를 편향 수단에 대해 밀어 붙이는 개방 수단; 및 상기 제 1 및 2 위치 사이에서의 상기 제한기의 운동을 감쇠시키고, 그 제한기의 이동 속도와 더불어 증가하는 저항을 제공하는 감쇠 수단을 포함하는 유체 시스템을 제공한다.

바람직하게는 상기 개방 수단은 제한기의 표면을 포함하고, 이 제한기의 표면은 상기 밸브를 통과하는 유체의 유동내에 또는 그 근처에 배치되거나 또는 아니면 상기 밸브를 통과하는 유체의 압력을 받는다. 그러나, 솔레노이드 작동 밸브나 가변 제어 액츄에이터 또는 그런 유사한 장치와 같은 다른 형태의 개방 수단도 동일한 목적을 위해 채용될 수 있다.

바람직하게는 본 유체 시스템은 상기 공급원을 제어하는 제어기를 포함한다. 바람직하게는 상기 제어기는 전자 제어기이다. 바람직하게는 상기 제어기는 상기 공급원에서 나오는 유동을 제어하도록 작동할 수 있다.

바람직하게는 상기 공급원은 사용시 복수의 국소적인 유동 최대 및 국소적인 유동 최소를 포함하는 가변적인 유동을 생성시키며, 인접한 최대와 최소는 적어도 최소 시간(Ta)으로 분리되어 있고, 감쇠된 제한기 운동의 시정수(Tr)는 상기 Ta 보다 길다. 상기 시정수(Tr)는 상기 밸브를 통과하는 유동에서의 무한히 지속적인 단계 변화 후에 상기 제한기가 그의 출발 위치로부터 최종 위치까지의 거리의 63% 움직이는데 요구되는 시간 또는 유동에서의 동일한 단계 후에 단면적이 상기 출발 위치와 최종 위치 간의 면적차의 63%로 변하는데 요구되는 시간으로 정의될 수 있다.

바람직하게는 상기 국소적인 유동 최소는 일시적으로 인접한 국소적인 유동 최소와는 적어도 최소 시간(Tb)으로 분리되어 있으며, 감쇠된 제한기 운동의 시정수(Tr)는 Tb 보다 길다.

바람직하게는, 상기 공급원은 복수의 작동 챔버를 포함하고, 이들 작동 챔버는 상기 밸브에 연결될 수 있고 또한 그로부터 분리될 수 있어, 상기 공급원이 복수의 국소적인 유동 최대와 국소적인 유동 최소를 포함하는 가변적인 유동을 생성하도록 해준다. 바람직하게 상기 제어기는 시간 간격(Td) 보다 더 빈번하지 않게 상기 밸브에 연결된 일군의 작동 챔버에 작동 챔버를 추가하고 또한 그로부터 삭제하도록, 또는 그 일군의 작동 챔버에 작동 챔버를 추가하거나 또는 그로부터 삭제하도록 작동하며, 감쇠된 제한기 운동의 시정수(Tr)는 상기 Td 보다 길다.

바람직하게는 상기 공급원은 제로가 아닌 최소 시간(Tp)으로 분리되는 유동 맥동을 생성하는 복수의 작동 챔버를 포함하며, 감쇠된 제한기 운동의 시정수(Tr)는 상기 Tp 보다 길다.

바람직하게는 상기 공급원은 유동 맥동들의 합으로 형성되는 복수의 국소적인 유동 최대와 국소적인 유동 최소를 포함하는 가변적인 유동을 생성시키며, 각각의 유동 맥동은 최대 길이(Tc)를 가지며, 감쇠된 제한기 운동의 시정수(Tr)는 상기 Tc 보다 길다.

바람직하게는 상기 공급원은 맥동성 유동 공급원이고, 이 맥동성 유동 공급원은 사용시 복수의 국소적인 유동 최대 및 국소적인 유동 최소를 포함하는 가변적인 유동을 생성하고 또한 사용시 하나 이상의 짧은 반복적인 유동 패턴을 생성하게 되며, 각각의 유동 패턴은 동일한 평균 유동 및 최대 기간(Tf)을 가지며, 바람직하게는, 감쇠된 제한기 운동의 시정수(Tr)는 상기 Tf 보다 길다.

Tr 은 Ta, Tb, Tc, Td 및 Tf 의 두배, 세배 또는 네배일 수도 있다.

바람직하게는 적어도 하나의 국소적인 유동 최소는 적어도 몇몇 작동 조건에 따라서는 실질적으로 제로이다. 상기 공급원이 정량 유체 작동 기계인 경우, 상기 국소적인 유동 최대 유동은 상기 정량 유체 작동 기계의 하나 이상의 작동 챔버에서 나오는 유동의 국소적인 최대일 수 있다. 상기 공급원이 정량 유체 작동 기계인 경우, 상기 기간 Ta, Tb, Tc, Td 및 Tf 중 어느 것이든 작동 챔버 부피의 한 사이클, 두 사이클 또는 세 사이클 보다 짧을 수 있으며, 또한 일부 작동 모드에서는 한 사이클, 두 사이클 또는 세 사이클 보다 길 수 있다. 상기 공급원이 정량 유체 작동 기계인 경우, 적어도 두 국소적인 유동 최소 중의 두 최소는 작동 챔버 통과 기간 보다 긴 시간으로 분리된다.

바람직하게는 상기 공급원은 사용시 시간 평균 출력 유동을 생성하는 가변적인 유동 공급원이고, 상기 시간 평균 출력 유동은 요구 신호를 따르며 또한 1/Ts의 최대 대역폭을 가지며, 감쇠된 제한기 운동의 시정수는 상기 Ts 보다 작다. 상기 공급원은 천이 시간(Ts) 보다 짧지 않는 시간 내에 최소 평균 유동과 최대 평균 유동 사이에서 변하는 천천히 변하는 평균 유동을 생성할 수 있으며, 여기서 Ts 는Tf, Ta, Tb, Tc 또는 Td 보다 실질적으로 길고, 제한기 운동의 시정수(Tr)는 Tf, Ta, Tb, Tc 또는 Td 와 Ts 사이에 있다. Ts 는 Tr의 두배, 세배 또는 네배일 수 있다.

상기 유체 소비부는 하나 이상의 모터나 액츄에이터를 포함할 수 있다.

상기 유체 시스템은 상기 밸브와 유체 소비부 사이에서 제 2 유체 컴플라이언스를 더 포함할 수 있다.

상기 어떤 유체 컴플라이언스도 유압 축압기를 포함할 수 있다.

바람직하게는 상기 제한기는 스풀을 포함하고, 이 스풀은 고정된 단면적을 갖는 제 1 유동 대면 표면 및 제 2 단부에 있는 가변적인 출구 영역을 가지며, 이 가변적인 출구 영역은 밸브 몸체에 대한 스풀의 축방향 위치에 의존하며, 따라서 상기 밸브에서 가변적인 압력 강하가 발생된다. 유동을 위해 이용가능한 상기 단면적은 위치(B)에서 제로로 감소될 수 있으며, 또는 개구가 남아 있을 수 있다. 가변 오리피스의 상류나 하류에서의 압력을 사용하여 제한기를 편향 수단에 대항하여 움직이게 할 수 있다.

바람직하게는, 상기 편향 수단은 스프링을 포함한다. 바람직하게는 상기 편향 수단은 실질적으로 일정한 편향력을 제공한다. 실질적으로 일정한 편향력이라는 것은, 위치(A) 및 (B)에서 편향 수단에 의해 밸브 헤드에 가해지는 힘의 비가 4:1 미만, 3:1 미만, 2:1 미만, 3:2 미만 또는 4:3 미만임을 의미한다. 바람직하게는 상기 편향 수단은 바람직하게는 작동 유체의 유동에 대해 상기 제한기의 반대쪽에서, 상기 밸브를 통과하는 작동 유체의 유동으로부터 떨어져 위치된다.

바람직하게는 상기 감쇠 수단은 상기 스풀과 상기 밸브의 몸체 사이에 갖힌 작동 유체를 포함한다. 상기 제한기가 정지되어 있을 때 바람직하게도 감쇠 수단은 저항을 주지 않으며, 제한기가 움직일 때는 이에 반대되는 저항을 준다. 감쇠 수단은 제한기의 속도에 비례하는 저항, 위치(A)와 위치(B) 사이에서의 제한기 위치에 의존하는 저항, 제한기의 속도에 따라 비선형적으로 변하는 저항, 그리고 압력 및/또는 밸브를 통과하는 유동에 따라 변하는 저항을 제공할 수 있다. 제한기 또는 감쇠 수단에서의 압력차 또는 밸브내 다른 두 유체간의 압력차가 문턱값에 도달하거나 그를 초과하면, 상기 감쇠 수단은 감소하거나 실질적으로 동일하게 유지되는 운동 저항을 줄 수 있다.

상기 편향 수단, 감쇠 수단 또는 개방 수단 중 어느 것이든 솔레노이드/전자기 액츄에이터, 압전형 액츄에이터, 전자 유동적 장치 또는 유압 증대기(hydraulic amplifier)("파일럿 스테이지")와 같은 전자 제어식 액츄에이터를 포함할 수 있다. 이 전자 제어식 액츄에이터는 사용시 상기 제어기에 의해 제어 및 변할 수 있다.

상기 밸브는 이중 모드 밸브이고, 이 이중 모드 밸브는 바람직하게는 전자 제어기(공급원을 제어하는 제어기일 수 있음)의 제어하에서 바람직하게는 가변 제한기에서의 압력 강하를 변화시켜, 어떤 때는 그를 통과하는 유체의 유동을 제어하도록 작동할 수 있다. 또한, 본 유체 시스템은 각기 다른 상기 유압 유체 소비부에 연결되는 복수의 상기 이중 모드 밸브를 포함할 수도 있다.

바람직하게는 상기 복수의 이중 모드 밸브를 통과하는 유체 유동의 합은 상기 유압 유체 공급원에서 나오는 유체 유동과 실질적으로 같다. 바람직하게는 상기 복수의 이중 모드 밸브는 상기 유압 유체 공급원에서 각 유압 소비부로 가는 유동의 비율을 변화시키도록 제어될 수 있다.

바람직하게는 상기 공급원은 부피가 주기적으로 변하는 복수의 작동 챔버를 포함하고, 이들 작동 챔버는, 각각의 작동 챔버와 관련되어 있고 또 밸브에 또는 이 밸브로부터 유체를 제공하는 작동 챔버의 시간 평균 비율을 변화시키도록 제어되는 고속 방향 전환 밸브에 의해 상기 제어기로 스트로크별로 제어된다. 맥동성 유동 공급원은 바람직하게는 정량 유체 펌프 또는 모터이다. 상기 공급원은 상기제어기의 제어를 받는 절환 밸브에 의해 유동 출력이 유동 입력에 연결되고 그로부터 분리되는 것이 번갈아 일어나는 유채 펌프 또는 모터일 수 있다. 이러한 기계에서, 유동 출력의 제어는 출력이 입력에서 분리되는 시간의 비율을 변화시켜 이루어질 수 있다.

이제 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 예시적으로 보다 구체적으로 설명할 것이다.

도 1 은 종래 기술에 알려져 있는 디지털 용량형 펌프의 형태로 된 일 유체 공급원을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2 및 도 3 은 도 1 의 디지털 용량형 펌프에서 나오는 맥동성 출력을 그래프로 나타낸 것이다.
도 4 는 본 발명의 일 양태에 따른 유체 시스템을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 5 는 도 4 에서의 사용에 적합한 주파수 민감성 압력 강하 장치를 나타낸다.
도 6 및 도 7 은 밸브에 다른 유동 특성을 주는데 사용될 수 있는 두개의 대안적인 스풀 프로파일을 도시한다.
도 8 및 도 9 는 도 5 의 화살표 A-A 및 B-B 의 방향으로 취한 단면도이다.
도 10 은 도 5 의 주파수 민감성 압력 강하의 거동을 나타낸 것이다.
도 11 은 별도의 주파수 민감성 압력 강하부와 함께 두 유압 부하를 포함하는 유체 시스템을 도시한다.

이제, 디지털 용량형 펌프(1)를 자세히 도시하는 도 1 을 주목하면, 이 도면에서 보는 바와 같이, 이 펌프는 왕복동 피스톤 펌프 장치를 포함하며, 이 피스톤 펌프 장치는 작동 챔버(13)를 함께 형성하는 하나 이상의 실린더(3) 안에 제공되는 하나 이상의 피스톤(2)을 갖는다. 피스톤(2)은 편심 캠 장치(4)로 구동되며, 이 편심 캠 장치는 축(5)을 통해 엔진과 같은 원동기로 구동된다. 다중 실린더 장치가 사용될 때는 입구 매니폴드(6)가 제공될 수 있으며, 이 매니폴드는 저장부로부터 저압 포트(7)를 통해 저압의 유압 유체를 받는 작용을 한다. 출구측에는 고압 매니폴드(8)가 제공될 수도 있는데, 이 고압 매니폴드는 실린더(3)로부터 가압 유체를 받고 또한 이 유체를 고압 포트(9)에 공급하기 위해 연결되어 있다. 바람직하게, 상기 펌프(1)는 입구 밸브(10)와 출구 밸브(11)에 의해 방향이 전환되는 정 용량식의 디지털 용량형 펌프(DDP)를 포함하며, 이들 밸브는 뒤에서 더 자세히 설명할 유형이며 작동 챔버와 함께 고압 유체의 개별적인 맥동들을 고압 매니폴드(8)와 고압 포트(9)에 제공하게 된다. 도 2, 3 을 참조하여 설명하는 바와 같이, 다양한 입구 밸브(10)와 출구 밸브(11)를 개폐하고 또한 필요한 경우 전 또는 부분 챔버 부피가 나타나거나 챔버 부피가 전혀 나타나지 않도록, 제어기(12), 축(5)의 위치와 속도 및 그래서 작동 챔버(13)의 부피를 측정하기 위한 축 센서(15), 및 제어 신호(14)가 제공된다.

펌프(10)의 각 작동 챔버(13)는 두개의 작동 모드, 즉 펌핑 모드와 아이들링 모드를 갖는다. 펌핑 모드에서 사용될 때, 제어기(12)가 입구 밸브(10)들 폐쇄하여(이러면 유체는 작동 챔버 밖으로 나가 고압 포트(9)에 공급된다) 유체는 펌프(10) 밖으로 확실하게 나가게 된다. 펌프가 아이들링 모드에서 작동할 때는, 입구 밸브가 개방 상태로 유지되고, 작동 챔버내의 유체는 다음번 사용을 위해 입구 매니폴드(6)로 복귀하게 된다. 제어기(12)는 작동 챔버가 펌핑 스트로크 또는 아이들링 스트로크를 수행해야 할지를 스트로크별로 판단하며 따라서 축(5)과 동기적으로 솔레노이드 밸브(10)를 작동시킨다. 기계의 유체 용량 제어는 아이들링 스트로크를 수행하는 작동 챔버와 비교하여 펌핑 스트로크를 수행하는 작동 챔버의 시간 평균 비율을 변화시키고 또한 밸브 작동 시기를 조절하여 이루어질 수 있다.

펌핑 프로파일

도 2 는 디지털 용량형 펌프(1)의 몇몇 가능한 유체 유동 프로파일을 나타낸다. 도 2 에서, 그래프는 작동 챔버(13)가 펌핑 모드에서 사용될 때 발생되는 일련의 유동 맥동(70, 71, 72, 73)을 나타내며, 총 유동과 관련된 국소적인 유동 최소(85)과 최대(86)를 나타낸다. 70 은 하나의 작동 챔버의 프로파일이고 71 은 두개의 작동 챔버의 유동 프로파일이며(이 경우, 각 챔버에서 생긴 유동 맥동들이 중첩되어 더 큰 유동 피크(86)를 생성하게 됨), 72 는 부분 작동 챔버의 유동 프로파일며, 73 은 두개의 작동 챔버의 유동 프로파일이다(이 경우, 각 챔버에서 생긴 유동 맥동들이 중첩되어 제 3 의 유동 피크(86)를 생성하게 됨). 각 국소적인 유동 최소(85) 및 인접한 국소적인 유동 최대(86) 사이의 최단 시간은 시간 Ta 로 나타나 있다. 각 국소적인 유동 최소(85) 및 인접한 다음의 국소적인 유동 최소(85) 사이의 최단 시간은 시간 Tb 로 나타나 있다. 작동 챔버에서 생긴 유동 맥동의 최단 길이는 시간 Tc 로 나타나 있다. 일군의 작용하는 펌핑 작동 챔버에 작동 챔버를 추가하거나 그로부터 삭제하는 사이의 최단 시간은 Td 로 나타나 있다.

이제, 디지털 용량형 펌프의 몇몇 추가적인 가능한 펌핑 프로파일을 도시하는 도 3 을 주목한다. 도 3 의 프로파일에서는 반복적인 패턴(81, 82, 83, 84)을 형성하는 일련의 개별적인 맥동(8)이 생성되며, 각 패턴은 주기 Tf 를 가지며 또한 동일한 평균 유동을 갖는다(일부 패턴은 서로 다르긴 하지만). 각 맥동(80)은 디지털 용량형 펌프(1)의 단일 작동 챔버(13)에 의해 전달되는 유체를 나타내는데, 하지만 작동 챔버가 유체를 전달하지 않는 때가 있으면, 본질적으로 제로일 수 있는 적어도 하나의 국소적인 최소 순간 유동(85)이 있을 수 있다. 언제 든지 디지털 용량형 펌프는 다른 평균 유동을 갖는 다른 반복적인 패턴으로 전환되도록 제어될 수 있다.

물론, Ta, Tb, Tc, Td 및 Tf 는 설계자의 제어를 받는 축(5)의 회전 속도와 유동 패턴에 의존하며, 각각은 축(5)의 회전 주기 보다 크거나 같거나 또는 작을 수 있다.

전술한 구성과 밸브는 대 부분의 작동 요건에 완전히 허용가능한 구성을 제공하지만, 어떤 극단적인 조건에서는, 유체 공급의 맥동화로 인해 하류의 유압 유체 소비부(예컨대, 모터 또는 유압 실린더)의 바람직하지 않은 거동이 야기될 수 있다. 유체 유동이 급격히 변하면, 하류의 제어 밸브가 "떨리게" 되는데, 즉 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 진동하게 되어, 바람직하지 않은 거동을 악화시키게 된다.

본 발명의 시스템

이제, 본 발명을 도시하는 도 4 를 참조하면, 유동원(100)은 전술한 바와 같은 디지털 용량형 펌프 또는 다른 이러한 맥동성 유동원을 포함할 수 있다. 유동원이 무엇이든 간에, 유체는 라인(101)을 지나 후술할 주파수 민감성 압력 강하부(FSPD)(102)(밸브로서 작용함)를 통과하여 공급 라인(104)을 지나 유체 소비부(103)에 제공된다. 유동원(100)과 FSPD(102) 사이에는 제 1 컴플라이언스(compliance)(105)(허용가능한 많은 형태들 중 어떤 것이라도 취할 수 있으며 그의 기능에 대해서는 후술함)가 제공된다. FSPD(102)와 유체 소비부(103) 사이에는 선택적이고 추가적인 제 2 컴플라이언스(106)가 제공될 수 있다.

FSPD

도 5 - 9 는 FSPD(102)의 다양한 부분들을 개략적으로 보여주는 것으로, 전체 시스템의 작동을 설명을 하기 전에 이들 도면을 설명할 것이다. 도 5 를 참조하면, FSPD(102)는 밸브 몸체(112)내의 구멍(111)내에서 축방향으로 변위가능한 스풀(110)(가변 제한기로서 작용함)을 포함하는 스풀 밸브 장치를 포함할 수 있으며, 상기 스풀은 일단부에서 테이퍼형 부분(113)을 갖는데, 이 부분의 단면도는 도 8 및 9 에 나타나 있다. 테이퍼형 단부(113)는 복수의 테이퍼형 홈부(114)를 포함하는데, 이 각각의 홈부는 테이퍼형 개구 또는 컷아웃부를 갖는다(역시 도 8 및 9 참조요). 상기 테이퍼형 부분은 유체 유동로를 제공하며 그 자신과 몸체(116)의 관련된 가장자리 부분 사이에서 오리피스(115)를 형성하며, 이 오리피스의 단면적은 스풀(110) 자체의 축방향 변위에 따라 변하게 된다. 바람직하게는, 가장자리(116)는 예리한 가장자리이며, 따라서 스풀이 적절히 위치되면 유동이 완전히 중지되는데, 하지만 그 가장자리는 필요한 경우 모따기된 가장자리나 둥근 가장자리를 포함할 수도 있다. 스풀(110)의 테이퍼형 단부(113)는 맥동성 유동원으로부터 입구 포트(124)를 통해 들어오는 유입 유체의 압력을 받는 전방 영역(Fa)(개방 수단 및 제 1 유동 대면 표면으로서 작용함)을 제공한다. FSPD(102)에는 예컨대 저 스프링율 스프링(117)의 형태로 된 편향 수단이 더 제공되며, 이 스프링은 스풀을 유입 유체의 방향으로 편향시키는 작용을 한다. 이 스프링은 스풀(110)의 타 단부(113)에 작용하는 인장 스프링(미도시) 또는 압축 스프링(나타나 있는 바와 같은)일 수 있으며, 어느 경우든 밸브 몸체(112)에 대해 작용할 수 있다. 도 5 는 편향 수단(117)이 상기 개방 수단에 대해 스풀(110)의 반대쪽에서, FSPD(102)를 통과하는 유체의 유동 외부에 위치되는 바람직한 구성을 나타낸다. 스풀(110)을 통해 뻗어 있는 핀 인 홀 어셈블리(118)가, 밸브 몸체(112)내의 구멍(111)의 페쇄 단부(120)와 스풀(110)사이에 갖혀 있는 유체(119)와 연통하며, 이들과 함께 감쇠 수단(126)을 형성하게 된다. 슬롯 또는 구멍(121)이 보는 바와 같이 스풀에 제공되어 있어 FSPD의 출구(122)내의 유체가 핀 인 홀 어셈블리(118)에 도달할 수 있게 해주며, 스풀 시일(123)이 제공되어 페쇄 단부 구멍(120)을 시일링할 수 있다. 대안적으로, 핀 인 홀 어셈블리(118)는 FSPD의 입구(124)와 유체 연통할 수 있다.

이러한 구성에서, FSPD(102)를 통과하는 유체는 입구(124)를 통해 스풀(110)을 둘러싸는 플레넘 챔버(125) 안으로 들어가며, 그리고 나서 오리피스(115)를 통과해 출구(122)로 가게 되며, 입구와 출구 사이의 유체 압력이 낮아지게 된다. 그들 사이에서 스프링(117)과 감쇠기(126)는 스풀(110)의 운동을 제어하여, 맥동성 유동원(100)으로부터의 유체의 맥동적 공급으로 인해 상기 전방 영역(Fa)에 작용하는 맥동성 부하로 인해 스풀이 감쇠기가 허용하는 것 보다 더 빨리 움직이게 되는 일이 없도록 하는데, 하지만 맥동성 유동원의 시간 평균 유량이 증가함에 따라 느린 운동이 수용되다.

도 6 및 7 은 스풀(110)에 적용되는 다른 프로파일을 나타낸다. 이들 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 프로파일은 포물형 프로파일(도 6)을 가질 수 있거나 또는 도 7 에서 보는 바와 같은 다른 프로파일을 가질 수 있는데, 이 경우, 상대적으로 완만한 경사 및 이에 따라 완만한 오리피스 개구 속도를 갖는 제 1 부분(P1) 및 주어진 축방향 스풀 운동에 대해 출구 크기가 더 급하게 증가되게 하는 더 가파른 경사를 갖는 제 2 부분(P2)를 갖는다. 당업자라면 이들 프로파일의 변화와 조합을 생각할 수 있을 것이다.

작동

관련 이점을 알 수 있도록 이제 전술한 구성의 작동을 설명하도록 한다. 지금 다시 한번 도 4 를 참조하면, 유동원(100)으로부터 유체가 맥동적으로 보내져 FSPD(102)에 공급되며, 이 FSPD는 유체 소비부(103)로 가는 유체의 유동을 제어하게 된다.

FSPD(102)는 도 10 에 개략적으로 나타나 있는 특성을 갖는다. 정상 유동에서는, FSPD 에서의 유체 압력 손실은 낮게 되며, 선 "g" 으로 나타나 있는 바와 같이 유량의 변화에 따라 단지 작게만 변하게 된다. 예컨대, 유량이 7 l/min 이면, 압력 강하는 11 bar이다(점 "2"). 유량이 천천히 증가하여 15 l/min 으로 되면, 압력은 약간 증가하여 12 bar 로 되며(점 "1"), 스풀(11))이 더 열리게 된다. 그러나, 유량이 갑자기 증가하여 15 l/min 으로 되면, 스풀은 즉각 움직이지 못하는데, 왜냐하면 스풀의 운동이 감쇠기(126)에 의해 감쇠되기 때문이다. 밸브를 통과할 때의 압력 강하는 이제 오리피스 특성 작동 곡선 "b" 으로 결정되며, 압력은 55 bar 로 상승된다. 밸브를 통과하는 유량이 15 l/min 으로 유지되면, 밸브가 최종적으로 점 "1" (여기서 압력 강하는 12 bar 임)에서 작동할 때까지 스풀이 천천히 열리게 되며 압력 강하는 감소하게 된다.

따라서, 점 "2" 에서의 정상 유동에서 시작할 때, 유량의 증가가 순간적인 곡선 "b" 에서 보는 바와 같이 또한 유량의 증가가 천천히 일어나는 곡선 "g" 에서 보는 바와 같이, 그 유량의 증가로 인해 압력이 증가하게 된다. 유량의 증가가 중간 정도이면, 압력의 증가도 이들 값의 중간이 될 것이다. 더 낮은 정상 유량으로부터 갑작스럽게 유량이 증가하면, 압력/유량 특성은 오리피스 특성 곡선 "e", "d" 및 "c" 를 따르게 될 것이다.

제 1 컴플라이언스(105)는 본 발명의 작용에 중요하다. 이 제 1 컴플라이언스(105)가 없으면, FSPD(102)에서의 압력 강하에 상관 없이, 이 FSPD에서 나가는 유량은 FSPD 안으로 들어오는 유량과 같게 될 것이며, 유동 맥동(80)의 감쇠는 없을 것이다. 그러나, 제 1 컴플라이언스(105)가 제공되면, 이 컴플라이언스는 압력 강하의 증가에 따라 연결 라인(101)으로부터 유체를 흡수하여 더 긴 기간에 걸쳐 그 유체를 방출시키도록 작용할 것이다. 감쇠 수단(126)의 감쇠율 및 제 1 유체 컴플라이언스(105)는 함께 제한기(110) 운동의 시정수(즉, 유동의 단계 변화 후에 제한기가 그의 정상 상태 위치로 거리의 63% 움직이는데 걸리는 시간)를 결정하게 된다.

FSPD 는 스풀(110) 또는 밸브 몸체(112)의 내부에 배치되는 볼 및 스프링 압력 방출 밸브를 또한 포함할 수 있다. 이 압력 방출 밸브는 갖힌 유체(119)와 슬롯(121) 사이의 압력차가 한 방향 또는 양 방향으로 어떤 문턱값을 초과할 때 운동에 대한 저항을 줄여주게 되는데, 이는 유체 시스템이 여전히 맥동을 필터링하는 중의 매우 큰 유동 변화 및 작은 유동 변화에 매우 신속히 응답할 수 있게 해준다.

감쇠율과 컴플라이언스의 선택

제한기(110) 운동의 시정수가 인접한 유동 최대(86)와 최소(85)간의 시간(Ta) 또는 인접한 유동 최소(85)간의 시간(Tb) 또는 유동 패턴(81, 82, 83, 84)의 반복 주기(Tf) 보다 길게 되도록, 감쇠율과 제 1 유체 컴플라이언스(105)의 크기를 정확히 선택해야 한다. 제한기(110) 운동의 시정수는 또한 유압 소비부(103)에서의 원하는 최대 제어 대역폭의 역수 보다는 짧아야 한다. 예컨대, 40 Hz(주기 Tf = 25 ms)에서 작동하는 온/오프 밸브로 조절되는 고정 용량형 펌프를 포함하는 맥동성 유동원(100)으로 구동되며 1/Ts = 4 Hz 대역폭(그러므로, Ts = 250 ms)을 필요로 하는 유압식 굴착기의 경우, FSPD 에서 나가는 유동 출력이 평균 유동 요구량을 따르되 하지만 유동 맥동(80)에는 크게 응답하지 않도록, 상기 제한기의 시정수는 25 ms ? 250 ms 이어야 한다, 다른 예에서는, 도 1 에 나타나 있는 디지털 용량형 펌프를 포함하는 맥동성 유동원(100)(1500 RPM 으로 회전하고 도 3 에 나타나 있는 유동 패턴을 생성함)으로 구동되는 동일한 유압 굴차기의 경우, 제한기의 시정수가 40 ms ? 250 ms 가 되고 그래서 FSPD 에서 나가는 유동 출력이 평균 유동 요구량을 따르되 하지만 유동 매동(80)에는 크게 응답하지 않도록, 주기 Tf 는 40 ms 이어야 한다.

유동원(100)의 맥동 기간은 가변적이고 또한 원하는 제어 대역폭은 작업자에 의해 선택되거나 제어기에 검출되는 작동 모드에 따라 가변적이다. 따라서, 제한기의 시정수는 맥동성 유동원의 최저 주파수와 요구되는 최고 제어 대역폭 사이에 있을 수 있다.

유리한 점

제어기(12)는 많은 유리한 점들을 가질 수 있다. 이 제어기는 유동원(1, 100)에 보내지는 지령 신호의 변화율을 젠한하기 위해 사람 또는 기계 작동자의 요구 신호를 필터링할 수 있다. 제어기는 전자 압력 제한기로서 작용할 수 있는데, 이 제한기는 압력을 직접 감지하는 압력 센서를 사용하거나 또는 알려져 있는 유체 시스템의 특성 및 유동원에서 나오는 유체 유동의 시간 이력에 근거하여 유압 소비부(103)에서 측정된 압력 및 FSPD(102)에서의 압력 강하의 추정값으로 부터 압력을 유추하여, 유동원에 의해 발생된 유체 압력을 유체 시스템에 결합되어 있는 방출 밸브의 설정값 밑으로 제한하게 된다. 또는 상기 제어기는 유동원에 보내지는 신호를 수정하여, FSPD 및 컴플라이언스(105, 106)(즉, 선도 제어기)의 알려져 있는 특성을 보상하여 유압 소비부에서의 원하는 압력을 얻을 수 있다.

제어기는 바로 위에서 언급한 방식으로 상기 유리한 점들을 달성하기 위해 유동원을 제어하는 것 뿐만 아니라, 작동 중에 감쇠 수단과 편향 수단을 또한 조절할 수 있다. 이러한 제어는 유동원에 동기화될 수 있는데, 예컨대 디지털 용량형 펌프/모터의 펌핑, 아이들링 또는 모터링 사이클에 동기화될 수 있다.

복수의 밸브를 갖는 시스템

도 11 은 시스템 제어기(203)의 제어하에서 감쇠 및 편향을 조절하는 개별적인 전자 제어 리인(202a, 202b)으로 제어되는 두개의 FSPD(201a, 201b)(이중 모드 밸브로서 작용함)를 포함하는 유체 작동 시스템(200)을 나타낸다. 시스템 제어기는 두개의 작동자 레버(204a, 204b), 부하 감지 압력 변환기(205), 펌프 압력 변환기(206) 및 디지털 용량형 펌프(208)(유압 유체의 공급원으로서 작용함)의 축의 속도와 위치를 나타내는 축 센서 신호 라인(207)으로 부터 입력을 받게 된다. 상기 시스템 제어기는 복수의 밸브 제어 라인(209)을 통해 디지털 용량형 펌프를 제어한다. 이 펌프는 축압기(210)(제 1 유체 컴플라이언스로서 작용함)와 두개의 FSPD 에 유동을 제공한다. FSPD 는 유동을 각각의 유압 모터(211a, 211b)(유압 유체 소비부로서 작용함)에 제공하게 되고, 이들 모터는 유체를 탱크(212)로 복귀시킨다. 부하 감지 체크 밸브(213a, 213b)는 부하 감지 압력 변환기가 각각의 유압 모터에 제공되는 유체 압력의 최대치를 측정할 수 있게 해준다.

어느 한 작동자 레버가 작용될 때, 도 11 에 나타나 있는 시스템은 앞 도면을 참조하여 전술한 바와 동일한 방식으로 작동하게 된다. 관련된 FSPD 가 제어되어, 감쇠된 제한기 거동기를 나타내고 또한 컴플라이언스와 함께 급격한 유동 변화를 막지만 각 모터에 대해 느린 유동 변화는 허용하게 되며, 제어기는 작동자 레버의 위치에 따라 디지털 용량형 펌프를 조절한다. 그러나, 두 작동자 레버가 동시에 작용되면, 제어기는 제어기가 그를 관류하는 유동을 제어하는 추가적인 모드에서 FSPD 중의 하나 또는 둘 모두를 제어하게 된다. 제어기는 디지털 용량형 펌프의 유동을 제어하여, 펌프 압력(펌프 압력 변환기에 의해 감지됨)을 최고 부하 압력(부하 감지 압력 변환기에 의해 감지됨) 보다 어느 정도 높게 유지시키며, FSPD 는 유체 압력을 감소시켜, 제어기의 신호(작동자 레버로부터 결정됨)에 따라 유동을 분배하게 된다. FSPD를 통한 직접 제어는 모터로부터 유동 맥동을 절연시키는데, 하지만 두개의 모터가 필요한 경우, 다른 압력 에너지가 손실되고 또한 시스템은 덜 효율적으로 될 것이다. 따라서, 본 발명의 주파수 선택적 맥동 감쇠 효과는 두개의 모드에서 유지되며, 단지 하나의 작동자 레버가 조작되는 경우에 시스템은 최대 에너지 효율로 작동하게 된다.

또한 방향 제어 밸브에 FSPD 를 결합하는 것은 간단하게 될 것이다. 이 방향 제어 밸브는 유동을 변화시킬 뿐만 아니라, 동일 유압 액츄에이터에 이어진 두 유압 라인 각각을 통과하는 유동의 방향을 변경하는데 일반적으로 사용되는 것이다. 이렇게 해서, 본 발명의 바람직한 맥동 감쇠 효과를 달성하면서, 개별 구성품의 수가 줄어든다.

Claims (20)

1. 유체 시스템(99)으로서,
   압력을 받는 유압 유체 공급원(100);
   유압 유체 소비부(103);
   상기 공급원과 유체 소비부 사이에 배치되며 유체가 지나가는 밸브(102);
   상기 공급원(100)과 밸브(102) 사이에 배치되는 제 1 유체 컴플라이언스(105);
   상기 밸브(102)를 통과하는 유체의 유동을 위해 이용가능한 단면적을 변화시키기 위한 것으로, 상기 단면적이 더 크게 되는 제 1 위치(A)와 그 단면적이 더 작게 되는 제 2 위치(B) 사이에서 움직일 수 있는 가변 제한기(110);
   상기 제한기(110)를 상기 제 2 위치쪽으로 편향시키는 편향 수단(117);
   유체가 상기 밸브(102)를 통해 흐를 때 상기 제한기(110)를 편향 수단(117)에 대해 밀어 붙이는 개방 수단(Fa); 및
   상기 제 1 및 2 위치 사이에서의 상기 제한기의 운동을 감쇠시키고, 그 제한기(110)의 이동 속도와 더불어 증가하는 저항을 제공하는 감쇠 수단(126)을 포함하는 유체 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 공급원(100)을 제어하는 제어기(12)를 더 포함하는 유체 시스템(99).
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 공급원(100)은 사용시 복수의 국소적인 유동 최대(86) 및 국소적인 유동 최소(85)를 포함하는 가변적인 유동(70, 71, 72, 73)을 생성시키며, 인접한 최대와 최소는 적어도 최소 시간(Ta)으로 분리되어 있고, 감쇠된 제한기 운동의 시정수(Tr)는 상기 Ta 보다 긴 유체 시스템(99).
4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
   상기 공급원(100)은 복수의 작동 챔버(13)를 포함하고, 이들 작동 챔버는 상기 밸브(102)에 연결될 수 있고 또한 그로부터 분리될 수 있어, 상기 공급원이 복수의 국소적인 유동 최대와 국소적인 유동 최소를 포함하는 가변적인 유동(70, 71, 72, 73)을 생성하도록 해주며, 상기 제어기(12)는 시간 간격(Td) 보다 더 빈번하지 않게 상기 밸브에 연결된 일군의 작동 챔버에 작동 챔버를 추가하고 또한 그로부터 삭제하도록 작동하며, 감쇠된 제한기 운동의 시정수(Tr)는 상기 Td 보다 긴 유체 시스템(99).
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 공급원(100)은 제로가 아닌 최소 시간(Tp)으로 분리되는 유동 맥동(70)을 생성하는 복수의 작동 챔버(13)를 포함하며, 감쇠된 제한기 운동의 시정수(Tr)는 상기 Tp 보다 긴 유체 시스템(99).
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 공급원(100)은 유동 맥동들의 합으로 형성되는 복수의 국소적인 유동 최대(86)와 국소적인 유동 최소(85)를 포함하는 가변적인 유동(70, 71, 72, 73)을 생성시키며, 각각의 유동 맥동은 최대 길이(Tc)를 가지며, 감쇠된 제한기 운동의 시정수(Tr)는 상기 Tc 보다 긴 유체 시스템(99).
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 공급원(100)은 맥동성 유동 공급원이고, 이 맥동성 유동 공급원은 사용시 복수의 국소적인 유동 최대(86) 및 국소적인 유동 최소(85)를 포함하는 가변적인 유동을 생성하고 또한 사용시 하나 이상의 짧은 반복적인 유동 패턴(81, 82, 83, 84)을 생성하게 되며, 각각의 유동 패턴은 동일한 평균 유동 및 최대 기간(Tf)을 가지며, 감쇠된 제한기 운동의 시정수(Tr)는 상기 Tf 보다 긴 유체 시스템(99).
8. 제 3 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
   적어도 하나의 국소적인 유동 최소(85)는 실질적으로 제로인 유체 시스템(99).
9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 공급원(100)은 사용시 시간 평균 출력 유동을 생성하는 가변적인 유동 공급원이고, 상기 시간 평균 출력 유동은 요구 신호를 따르며 또한 1/Ts의 최대 대역폭을 가지며, 감쇠된 제한기 운동의 시정수는 상기 Ts 보다 작은 유체 시스템(99).
10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유체 소비부(16)는 하나 이상의 모터나 액츄에이터를 포함하는 유체 시스템(99).
11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 밸브(102)와 유체 소비부(103) 사이에서 제 2 유체 컴플라이언스(106)를 더 포함하는 유체 시스템(99).
12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 어떤 유체 컴플라이언스도 축압기를 포함하는 유체 시스템(99).
13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제한기는 스풀(110)을 포함하고, 이 스풀은 고정된 단면적을 갖는 제 1 유동 대면 표면(113) 및 제 2 단부에 있는 가변적인 출구 영역(115)을 가지며, 이 가변적인 출구 영역의 면적은 밸브 몸체(112)에 대한 스풀(110)의 축방향 위치에 의존하며, 따라서 상기 밸브에서 가변적인 압력 강하가 발생되는 유체 시스템(99).
14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 편향 수단(117)은 스프링을 포함하는 유체 시스템(99).
15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 편향 수단(117)은 실질적으로 일정한 편향력을 제공하는 유체 시스템(99).
16. 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 편향 수단(117), 감쇠 수단(126) 또는 개방 수단(113) 중 어느 것이든 전자 제어식 액츄에이터, 솔레노이드/전자기 액츄에이터, 압전형 액츄에이터, 전자 유동적 장치 또는 유압 증대기(hydraulic amplifier)("파일럿 스테이지")를 포함하는 유체 시스템(99).
17. 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 밸브는 이중 모드 밸브이고, 이 이중 모드 밸브는 적어도 어떤 때는 그를 통과하는 유체의 유동을 제어하도록 작동하며, 복수의 이중 모드 밸브 각각은 다른 상기 유압 소비부에 연결되어 있는 유체 시스템(99).
18. 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공급원(100)은 부피가 주기적으로 변하는 복수의 작동 챔버(13)를 포함하고, 이들 작동 챔버는, 각각의 작동 챔버(13)와 관련되어 있고 또 밸브(102)에 또는 이 밸브로부터 유체를 제공하는 작동 챔버의 시간 평균 비율을 변화시키도록 제어되는 고속 방향 전환 밸브(10, 11)에 의해 상기 제어기(12)로 스트로크별로 제어되는 유체 시스템(99).
19. 제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    밸브내 두 유체간의 압력차가 문턱값에 도달하거나 그를 초과하면 상기 저항은 감소하거나 실질적으로 동일하게 유지되는 유체 시스템(99).
20. 제 2 항 내지 제 N 항 중 어느 한 항에 있어서, 제어기를 포함하고, 이 제어기에 압력 측정값을 제공하는 적어도 하나의 압력 변환기(205, 206)를 더 포함하며, 상기 제어기(12)는 상기 밸브(102)에서의 유체 압력 강하의 추정값을 구하고 상기 압력 측정값과 함께 그 추정값을 사용하여 상기 공급원(100)의 출력을 조절하게 되는 유체 시스템(99).

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