KR20140038437A - 에너지 회수 방법 및 시스템 - Google Patents

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KR20140038437A
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end chamber
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KR1020137031756A
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마르쿠스 뢰스트
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파커 하니핀 매뉴팩쳐링 스웨덴 아베
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Abstract

본 발명의 목적은 유압 실린더(1), 펌프(2), 탱크(3), 공급 도관(4), 복귀 도관(5) 및 유압 축압기(7)를 포함하는 유압 시스템을 위한 에너지 회수 방법을 제공하는 것으로, 본 에너지 회수 방법은 상기 유압 축압기(7)를 충전하는 단계 및 그 유압 축압기(7)에 유체를 저장하는 단계를 포함하고, 또한 상기 에너지 회수 방법은 초과 부하 상태 동안에 상기 유압 축압기(7)에서 나온 유체를 상기 유압 실린더(1)의 팽창 챔버(8, 9) 안으로 보내는 단계를 더 포함한다.

Description

에너지 회수 방법 및 시스템{ENERGY RECOVERY METHOD AND SYSTEM}
본 발명은 유압 실린더, 펌프, 탱크, 공급 도관, 복귀 도관 및 유압 축압기를 포함하는 유압 시스템을 위한 에너지 회수 방법에 관한 것으로, 본 방법은 상기 유압 축압기를 충전하는 단계 및 그 유압 축압기에 유체를 저장하는 단계를 포함한다. 본 발명은 또한 그에 대응하는 시스템에 관한 것이다.
붐(boom), 아암 및 피봇식으로 서로 연결된 버킷을 포함하는 붐 어셈블리를 갖는 굴착기와 같은 건설 기계에 동력을 공급하기 위해 유압 시스템이 자주 사용되고 있다. 상기 붐 어셈블리를 제어하고 작동시키기 위해 유압 실린더 어셈블리가 사용되는데, 이 유압 실린더 어셈블리는 복수의 유압 실린더를 포함하며, 각각의 유압 실린더는 그 안에 피스톤을 갖고 있으며, 이 피스톤은 그 실린더 안에서 두 개의 챔버를 규정하게 된다.
유압 실린더의 동력식 전진 및 후퇴 동안에, 통상적으로 펌프에서 나온 가압된 유체가 밸브 어셈블리에 의해 한 실린더 챔버에 제공되고, 다른 실린더 챔버에서 배출되는 모든 유체는 밸브 어셈블리를 통과하여, 시스템의 탱크까지 이르는 복귀 도관 안으로 유입하게 된다. 어떤 조건에서는, 상기 건설 기계에 작용하는 외부 부하 또는 다른 힘에 의해, 펌프로부터 주어지는 상당한 유체 압력이 없어도 실린더 어셈블리의 전진 또는 후퇴가 가능하게 된다. 이를 종종 초과 부하라고 한다. 예컨대, 굴착기에서, 버컷이 무거운 재료로 채워져 있을 때, 붐은 중력 만으로도 내려갈 수 있다. 에너지를 절감하기 위해서는, 배출 유체의 에너지를 밸브 어셈블리에서 소산시키는 대신에 그 에너지를 회수하는 것이 바람직하다. 어떤 종래의 유압 시스템은 여러 다른 작동 모드에서 작동하는데, 이들 작동 모드들 중의 하나는 예컨대 상기 동력식 전진 및 후퇴이며, 다른 작동 모드는 에너지 회수 모드인데, 이 에너지 회수 모드에서는 유압 액츄에이터에서 나오는 가압된 배출 유체는 축압기에 보내지고, 이 축압기에서 그 유체는 장비에 동력을 공급하는데 나중에 사용되기 위해 압력하에 저장된다. 종래 기술의 문헌 US 2008/0110165 및 US 2007/0074509에는 이러한 축압기를 사용하는 에너지 회수 시스템의 예들이 나타나 있다. 그러나 이들 종래 기술의 시스템은 최적화되어 있지 않고 에너지 절감에 대한 추가 개선이 가능하다.
따라서, 유압 시스템에서 에너지를 회수하여 재사용하기 위한 개선된 에너지 절감 시스템에 대한 필요성이 있다.
본 발명의 목적은 앞에서 언급한 문제를 부분적으로 해결할 수 있는 창의적인 에너지 회수 방법을 제공하는 것이다. 이 목적은 청구항 1 의 특징적 사항으로 달성되는데, 본 에너지 회수 방법은 초과 부하 상태 동안에 상기 유압 축압기에서 나온 유체를 상기 유압 실린더의 팽창 챔버 안으로 보내는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 목적은 앞에서 언급한 문제를 부분적으로 해결할 수 있는 창의적인 유압 시스템을 제공하는 것이다. 이 목적은 청구항 10 의 특징적 사항으로 달성되는데, 본 유압 시스템은 초과 부하 상태 동안에 상기 유압 축압기에서 나온 유체를 상기 유압 실린더의 팽창 챔버 안으로 보내도록 되어 있다.
유압 시스템의 제어는 종종 여러 다른 작동 모드를 포함한다. 제어기에는 각각의 부하에 대해 작동자에 의해 주어지는 속도 기준 신호가 공급된다. 이어서 그 제어기는, 유압 시스템에서 스로틀(throttle) 손실이 최소화되고 또한 최대 레벨의 에너지 회수가 얻어지도록, 어떤 작동 모드를 사용할지 또한 유압 시스템의 어떤 밸브를 사용할지를 결정하게 된다.
작동 모드들 중의 일부는 다음과 같다.
정상 작동 모드는 펌프에서 나온 가압된 유체를 유압 액츄에이터의 팽창 챔버에 공급하는 것을 포함하고, 복귀 오일은 탱크에 공급된다.
부하의 포텐셜 에너지가 유압 시스템의 다른 유압 장치에 의해 회수되어야 하는 초과 부하 동안에는 회복 작동 모드가 적용된다. 부하 자체는 유압 액츄에이터의 운동의 원천이며 유압 액츄에이터의 수축 챔버 안에 있는 유체에 압력을 주게 된다. 유압 액츄에이터를 여기시키는 가압된 유체는 예컨대 시스템의 다른 부하 및/또는 에너지 저장을 위한 축압기 및/또는 유압 시스템의 펌프(임시적으로 유압 모터로서 작동하게 됨)에 보내진다. 유압 액츄에이터가 양의 행정을 수행하거나 또는 음의 행정을 수행하는지는 중요치 않으며, 부하의 포텐셜 에너지가 회수될 것이다.
에너지 중립 작동 모드는 회복 작동 모드와 유사하며, 시스템의 다른 유압 액츄에이터를 작동시키거나 축압기에 에너지를 저장하는데 필요한 수준의 포텐셜 에너지가 없이 초과 부하 동안에 적용된다. 부하 자체는 유압 액츄에이터의 운동의 원천이며 유압 액츄에이터의 수축 챔버 안에 있는 유체에 압력을 주게 된다. 따라서, 유압 액츄에이터의 수축 챔버의 가압된 유체는 단순히 탱크에 보내지게 된다. 그 유압 액츄에이터가 양의 행정을 수행하거나 또는 음의 행정을 수행하는지는 중요치 않다. 그래서, 추가적인 펌프 에너지의 사용이 실질적으로 없이 부하가 하강될 것이다.
재생 작동 모드는 유압 액츄에이터의 미터 인(meter-in) 및 미터 아웃(meter-out)을 연결하는 것을 포함한다. 가압된 유체가 유압 액츄에이터의 서로 연결된 입구 및 출구에 공급되면, 유압 실린더에 있는 피스톤의 로드단측과 캡단측의 단면적의 차이로 인해 피스톤이 전진될 것이다. 로드단 챔버를 여기시키는 유체는 캡단 챔버에 들어가 전진 속도를 증가시키게 된다. 이 모드에서 음의 피스톤 행정과 함께 초과 부하가 일어나면 가압된 유체는 수축 캡단 챔버를 여기시키고 또한 부분적으로 팽창 로드단 챔버로 가는 유동이 생기게 되며, 그리고 가압된 유체의 일 부분은 그의 에너지 회수를 위해 공급 도관 및/또는 복귀 도관에 보내질 수 있다. 예컨대, 상기 유체는 펌프를 유압 모터로서 구동시키기 위해 그 펌프에 보내질 수 있으며, 또는 유체는 시스템의 축압기 또는 다른 유압 부하에 보내질 수 있다.
회복 작동 모드, 에너지 중립 작동 모드 및 재생 작동 모드와 관련한 문제는, 어떤 상황에서는 유압 유체가 유압 액츄에이터의 팽창 챔버를 다시 채우기 위해 그 챔버에 공급되어야 한다는 것이다. 그렇지 않으면, 유압 액츄에이터의 팽창 챔버는 공동화(cavitation) 및 불충분한 유압 액츄에이터 속도를 나타나게 될 것인데, 왜냐하면, 유압 시스템에서 스로틀 손실이 일어나면, 단순히 탱크에서 유체를 끌어내어 상기 팽창 챔버를 다시 채우는 것이 가능하지 않기 때문이다. 이 문제에 대한 일 해결 방안은, 회복 작동 모드, 에너지 중립 작동 모드 및 재생 작동 모드에서 초과 부하 상태 동안에 펌프에서 나온 가압된 유체로 유압 액츄에이터의 팽창 챔버를 다시 채우는 것인데, 하지만 이에는 펌프의 작동이 필요하며 그래서 에너지 절감을 얻지 못한다. 또한, 이 해결 방안에 따르면, 회복 작동 모드에서 펌프를 유압 모터로서 사용하지 못한다. 다른 해결 방안은, 다른 유압 액츄에이터를 여기시키는 가압된 유체를 유압 액츄에이터의 팽창 챔버에 보내는 것이다. 그러나, 이 해결 방안은, 다른 유압 액츄에이터의 동시적인 운동 및 그의 충분한 양의 유체를 필요로 하므로 어떤 특별한 경우에만 적용가능하다.
본 발명에 따른 해결 방안은 저압 축압기를 사용하는데, 초과 부하 상태 동안에 상기 유압 액츄에이터의 팽창 챔버에 가압된 유체를 공급하기 위해 상기 저압 축압기는 제어기 및 적절한 밸브 장치로 제어된다. 이를 저압 리필(refill) 에너지 회수 모드라고 할 수 있다.
본 발명의 해결 방안에 의하면, 다음과 같은 여러 이점을 얻을 수 있는데, 즉, 그렇지 않으면 다시 채우기용 유체가 상실되는 유압 시스템 작동 모드를 이용할 수 있고, 펌프에서 나온 가압된 유체를 사용하는 대신에 축압기에서 나온 유체를 유압 실린더에 공급함으로써 에너지 절감 수준을 증가시킬 수 있으며, 실린더의 공동화를 피할 수 있으며 또한 유압 액츄에이터의 속도를 증가시킬 수 있다.
종속 청구항들 중의 하나 또는 여러 개를 실시하여 다른 이점들을 얻을 수 있다. 상기 유압 실린더는 로드단 챔버와 캡단 챔버를 포함하는 복동 유압 실린더이고, 상기 유압 축압기에서 나온 상기 유체는 상기 초과 부하 상태 동안에 상기 유압 실린더의 팽창 캡단 챔버 안으로 보내질 수 있다.
상기 유압 축압기에서 나온 상기 유체를 상기 유압 실린더의 팽창 챔버 안으로 보내는 상기 단계 동안에 상기 팽창 캡단 챔버 및 상기 로드단 챔버는 서로 유체 연결되어 있을 수 있다.
상기 유압 실린더는 로드단 챔버와 캡단 챔버를 포함하는 복동 유압 실린더이고, 상기 유압 축압기에서 나온 유체는 상기 초과 부하 상태 동안에 상기 유압 실린더의 팽창 로드단 챔버 안으로 보내질 수 있다.
본 발명의 방법은, 상기 초과 부하 상태 동안에 상기 펌프에서 나온 유체를 추가적으로 상기 유압 실린더의 상기 팽창 챔버 안으로 보내는 것을 추가로 포함할 수 있고, 따라서 초과 부하 상태에서 저항적인 부하 상태로의 비교적 원활한 천이가 얻어질 수 있다.
본 발명의 방법은, 상기 초과 부하 상태 동안에 상기 유압 시스템의 다른 유압 액츄에이터에서 나가는 유체를 추가적으로 상기 유압 실린더의 상기 팽창 챔버안으로 보내는 것을 추가로 포함할 수 있다.
상기 유압 실린더에서 나간 상기 유체는 상기 유압 시스탬의 회복 작동을 위해 적어도 부분적으로 상기 펌프에 보내질 수 있다.
상기 유압 축압기를 충전하는 상기 단계는, 초과 부하 상태 동안에 상기 유압 시스템의 상기 유압 실린더 또는 다른 유압 액츄에이터에서 나가는 유체를 상기 유압 축압기 안으로 보내고/보내거나 상기 펌프에서 나온 유체를 상기 유압 축압기 안으로 보내는 것을 포함할 수 있다.
상기 유압 축압기에서 나온 유체를 유압 액츄에이터의 팽창 챔버 안으로 보내는 단계는 그 팽창 챔버내의 검출된 유체 압력에 더 근거할 수 있다. 그리하여, 유압 액츄에이터의 상기 공동화가 감소되거나 회피되며, 상기 펌프에 의해 전달되는 유체의 양은 감소된다.
상기 유압 축압기는 축압기 연결점에서 상기 복귀 도관에 유체 연결되어 있을 수 있고, 상기 유압 축압기의 충전 압력을 조절하기 위한 카운터 압력 밸브가 상기 복귀 도관에서 상기 축압기 연결점과 상기 탱크 사이에 배치될 수 있다.
상기 유압 축압기는 유압 실린더의 탱크측에, 특히 상기 유압 시스템의 유압 실린더 계량 밸브와 탱크 사이에 배치될 수 있다.
상기 유압 시스템은 적어도 상기 펌프와 유압 실린더의 상기 캡단 챔버 사이의 유압 유체 유동을 제어하는 제 1 제어 밸브, 적어도 상기 펌프와 유압 실린더의 상기 로드단 챔버 사이의 유압 유체 유동을 제어하는 제 2 제어 밸브, 적어도 상기 유압 실린더의 상기 캡단 챔버와 상기 탱크 사이의 유압 유체 유동을 제어하는 제 3 제어 밸브, 및 적어도 상기 유압 실린더의 상기 로드단 챔버와 상기 탱크 사이의 유압 유체 유동을 제어하는 제 4 제어 밸브를 더 포함할 수 있다.
상기 유압 시스템은 제어 유닛을 더 포함할 수 있고, 상기 제 1, 2, 3 및 4 제어 밸브 각각은 상기 제어 유닛에 의해 개별적으로 제어될 수 있다.
이제 본 발명을 도면을 참조하여 자세히 설명하도록 한다.
도 1 은 본 발명에 따른 유압 시스템을 나타낸다.
도 2 는 운동을 하고 있는 굴착기를 나타낸다.
도 3 은 다른 유압 액츄에이터를 포함하는 도 1의 본 발명의 유압 시스템을 나타낸다.
유압 시스템을 포함하는 이동 유체 파워 시스템은 보통 굴착기, 휠로더(wheel loader), 산림 벌목 장비 등과 같은 작업 기계에 사용되며, 대개 복수의 유압 액츄에이터, 밸브 장치 및 적어도 하나의 유압 펌프를 포함한다. 유압 펌프는 내연 기관과 같은 동력원으로 구동된다. 유압 액츄에이터는 굴착기의 아암을 작동시키기 위한 유압 피스톤 또는 차량의 추진을 위한 유압 모터일 수 있다. 전자 제어 시스템이 시스템의 작동자로부터 제어 입력을 받으며, 밸브 장치의 복수의 유압 밸브를 제어하게 되며, 그 밸브 장치는 유체를 시스템 구성품들 간에 보낸다. 제어 유닛은 특정 상황, 부하, 작동자의 입력 등에 따라 유압 시스템을 다른 작동 모드로 작동시킨다.
본 발명은 도 1 에 도시되어 있는 바와 같은 이동 유체 파워 시스템을 위한 유압 시스템의 작은 일 부분을 참조하여 자세히 설명될 것이다.
본 발명의 유압 시스템은 가압된 유압 유체를 복동 유압 실린더에 공급하기 위한 유압 펌프(2)를 포함하며, 그 복동 유압 실린더는 로드단 챔버(9)와 캡단 챔버(8)를 포함한다. 슬라이딩 로드(12)가 슬라이딩 피스톤(13)에 부착되어 있으며, 이 슬라이딩 피스톤은 유압 실린더의 하우징을 상기 로드단 챔버(9)와 캡단 챔버(8)로 분할한다. 펌프(2)는 탱크(3)로부터 유체를 끌어 들여 가압된 유체를 공급 도관(4)에 이송한다. 펌프는 내연 기관과 같은 동력원(1)으로 구동된다. 명확성을 위해 하나의 유압 펌프(2)와 유압 실린더(1)만 도시되어 있다.
공급 도관(4)에서 나온 가압된 유체는 제 1 제어 밸브(14)를 통해 상기 캡단 챔버(8)로 가며, 또한 제 2 제어 밸브(15)를 통해 로드단 캠버(9)로 가게 된다. 캡단 챔버(8)를 여기시키는(exciting) 유압 유체는 제 3 제어 밸브(16)를 통해 탱크(3)로 가며, 로드단 챔버(9)를 여기시키는 유압 유체는 제 4 제어 밸브(17)를 통해 탱크(3)로 가게 된다. 상기 제 1 ∼ 4 제어 밸브(14 ∼ 17) 각각은 제어 유닛(18)에 의해 개별적으로 제어되며, 또한 소위 개별적인 계량 시스템을 함께 형성하게 된다. 이 개별적인 계량 시스템의 제어 밸브(14 ∼ 17)는 스풀 밸브 또는 포펫 밸브로 이루어질 수 있으며, 상기 제어 밸브들은 피스톤(13)의 양호한 위치 제어가 가능하도록 바람직하게는 비례적으로 제어된다. 제 1 제어 밸브(14) 및 제 2 제어 밸브(15)는 양 유동 방향으로 비례적으로 작동될 수 있는 양방향 제어 밸브이다. 그리하여, 제 1 제어 밸브(14) 및 제 2 제어 밸브(15)는 피스톤의 운동과 속도를 정확히 제어할 수 있으며, 또한 회복 작동 모드 중에 예컨대 회복 레벨을 제어할 수 있다. 제 3 제어 밸브(16) 및 제 4 제어 밸브(17)는 유압 실린더(1)로부터 탱크(3)로의 유동 방향으로 비례적으로 작동가능한 일방향 제어 밸브이며 또한 반대 유동 방향에 대해서는 역지 밸브로서 작용하게 된다.
유압 축압기(7)는 유압 실린더(1)의 탱크측에 배치되며, 축압기 도관(21)에 의해 축압기 연결점(20)에서 복귀 도관(5)에 유체 연결되어 있다. 유압 축압기(7)로부터 캡단 챔버(8) 또는 로드단 챔버(9)로 흐르는 유체는 축압기 제어 밸브(19)에 의해 비례적으로 제어되며, 그 축압기 제어 밸브는 유압 축압기(7)를 복귀 도관(5)과 연결시켜 주는 축압기 도관(21)에 배치된다. 대안적으로, 축압기는 단순한 온-오프 제어 밸브일 수 있으며 제 3 제어 밸브(16) 및 제 4 제어 밸브(17)는 양 유동 방향으로 비례적으로 작동가능한 양방향 제어 밸브일 수 있다.
에너지 회수 시스템(6)은, 유압 축압기(7)와 축압기 제어 밸브(19) 외에도, 복귀 도관(5)에서 축압기 연결점(20)과 탱크(3) 사이에 배치되는 카운터 압력 밸브(10)를 또한 포함한다. 이 카운터 압력 밸브(10)는 유압 축압기(7)의 충전을 제어한다. 복귀 도관(5)과 축압기 도관(21) 내의 유체 압력을 높히는 상기 카운터 압력 밸브(10)는 탱크(3)의 입구에 배치된다. 카운터 압력 밸브(10)는 바람직하게는 제어 유닛(18)에서 주어지는 전기 신호에 의해 파일럿 작동되며, 그래서 신호가 제어 유닛(18)으로부터 수신될 때에만 카운터 압력을 주게 된다.
통상적으로 상기 제어 유닛(18)는, 펌프(2)로부터 가능한 한 적은 에너지를 사용하면서, 유압 실린더(1)가 시스템의 작동자에 의해 주어지는, 예컨대 조이스틱(22)에 의해 입력되는 기준 속도를 따르도록 유압 시스템의 밸브 장치를 제어하도록 되어 있다. 제어 유닛(18)은 유압 실린더(1)의 위치, 속도 및 가속도 그리고 캡단 챔버(8), 로드단 챔버(9), 공급 도관(4), 복귀 도관(5) 및 유압 축압기(7) 내의 유체 압력에 근거하여, 어떤 작동 모드가 현재의 상황에 가장 적합한지를 결정하게 된다. 상기 시스템 정보는 주로 시스템내의 적절한 위치에 있는 센서(미도시)들에 의해 얻어진다. 제어 유닛(18)은 또한 유압 축압기(7)의 충전을 제어하도록 되어 있다.
유압 축압기(7)의 충전은 기본적으로 가압된 유체를 그 축압기(7) 안으로 보냄으로써 수행되는데, 그렇지 않으면 그 가압된 유체는 탱크(3)로 가게 될 것이다. 따라서 이러한 종류의 충전은 에너지 회수 충전에 속한다. 가압된 유체를 축압기 안으로 보내는 것은 카운터 압력 밸브(10)를 통과하는 유동을 제한함으로써 실현되며, 그래서 축압기 연결점(20)에서의 유체 압력이 증가된다. 축압기 연결점(20)에서의 유체 압력이 축압기(7) 내의 유체 압력을 초과하자 마자, 축압기 제어 밸브의 역지 밸브가 열려 유체가 축압기(7) 안으로 보내지게 된다. 이어서, 유압 실린더(1)가 작동자에 의해 설정된 유압 축압기(1)의 기준 속도를 더 이상 따를 수 없는 위험이 있다는 것을 제어 유닛(18)이 검출하면, 카운터 압력 밸브(10)를 통과하는 유동이 증가될 수 있다. 그러나, 일반적으로 제 1 제어 밸브(14), 제 2 제어 밸브(15), 제 3 제어 밸브(16) 및 제 4 제어 밸브(17)는 펌프(2)와 함께 유압 실린더(1)의 운동을 결정하게 된다. 가압된 유체가 유압 실린더(1)를 여기시키는 것안, 예컨대 초과 부하 상태 또는 관성 부하 상태 동안에 여러 다른 작동 모드 및 실린더 모드에서 일어날 수 있다. 축압기(7)의 충전은, 펌프 용량이 제어 유니(18)에 의해 요구되는 정도로 가변적이지 않을 때에도 일어날 수 있으며, 그렇지 않으면 펌프에서 나온 가압된 유체는 탱크(3)에 보내지게 될 것이다. 도시되어 있지 않은 예컨대 추가적인 펌프, 축압기, 도관이 축압기(7)의 직접적인 충전을 위해 상기 시스템에 포함될 수 있다. 축압기(7)의 충전은 또한 다른 유압 실린더 또는 유압 모터와 같은 유압 시스템의 다른 유압 액츄에이터를 여기시키는 가압된 유체를 축압기(7)에 공급함으로써 이루어질 수도 있다.
아래에서, 몇몇 예시적인 특정의 작동 상황을 참조하여 유압 시스템을 위한 에너지 회수 방법을 자세히 설명하도록 한다. 본 발명에 따른 저압 리필 에너지 회수 모드의 작동은 이하의 3가지 실린더 모드에서 특히 유리하다:
1. 양의 피스톤 행정과 결합한 회복 작동 모드, 이 경우, 팽창 캡단 챔버(8)는 축압기(7)에서 오는 유체로 다시 채워진다.
2. 음의 피스톤 행정과 결합한 회복 작동 모드, 이 경우, 팽창 로드단 챔버(9)는 축압기(7)에서 오는 유체로 다시 채워진다.
3. 양의 피스톤 행정과 결합한 재생 작동 모드, 이 경우, 팽창 캡단 챔버(9)는 축압기(7)에서 오는 유체로 다시 채워진다.
전술한 제 1 실린더 모드에서, 부하 및 움직이는 기계 장비의 포텐셜 에너지가 회수되어 유압 시스템의 다른 유압 소비부에 전달되거나 또는 펌프(2)를 유압 모터로서 작동시키는데 사용된다. 유압 실린더의 팽창 캡단 챔버(8)를 다시 채우기 위해 필요한 유체는 적어도 부분적으로 유압 축압기(7)로부터 취해지며, 따라서 본 실린더 모드는 축압기(7)가 충분히 충전되자 마자 실현될 수 있다. 펌프(2)에서 나오는 가압된 유체는 필요치 않다.
전술한 제 2 실린더 모드는 제 1 실린더 모드와 유사하고, 또한 여기서도 부하 및 움직이는 기계 장비의 포텐셜 에너지가 회수되어 유압 시스템의 다른 유압 소비부에 전달되거나 또는 펌프(1)를 유압 모터로서 작동시키는데 사용된다. 유압 실린더(1)의 팽창 로드단 챔버(9)를 다시 채우기 위해 필요한 유체는 적어도 부분적으로 유압 축압기(7)로부터 취해지며, 따라서 본 실린더 모드는 축압기(7)가 충분히 충전되자 마자 실현될 수 있다. 펌프(2)에서 나오는 가압된 유체는 필요치 않다.
제 3 실린더 모드는 팽창 캡단 챔버(8)를 다시 채우기 위해 적어도 부분적으로 저압 축압기(7)에서 나오는 유체를 사용한다. 유압 실린더(1) 안에 있는 피스톤(13)의 로드단측과 캡단측의 단면적의 차이 때문에 추가적인 다시 채우기용 유체가 이 실린더 모드 동안에 필요하며, 그래서 로드단 챔버(9)에서 나오는 유체의 양은 팽창 캡단 챔버(8)를 완전히 다시 채우는데는 충분하지 않다. 축압기(7)에서 나오는 다시 채우기용 유체가 없으면, 펌프(2) 또는 동시에 움직이고 필요한 다시 채우기용 유체를 제공할 수 있는 유압 시스템의 다른 유압 액츄에이터들과 같은 다른 소스에서 나오는 유체가 필요하게 될 것이다. 펌프(2)에서 나오는 상당량의 가압된 유체는 필요치 않다.
본 발명에 따른 저압 리필 에너지 회수 모드의 작동이 전술한 3가지의 실린더 모드에서 특히 유리하지만, 저압 리필 에너지 회수 모드는 다른 실린더 모드에서도 유리하다. 예컨대, 팽창 챔버를 다시 채우는 것은 중립 작동 모드에서도 마찬가지로 필요하며, 본 발명에 의하면, 상기 다시 채우기는 펌프(2) 또는 신뢰할 수 없는 다른 유체 공급원에서 나오는 유체 대신에 축압기(7)에서 나오는 유체에 의해 달성될 수 있다.
상기 유압 시스템은 다시 채우기 목적으로 유압 유체를 저장하기 위한 유압 축압기(7)를 사용하도록 되어 있다. 축압기(7)의 유체는 유압 실린더의 동력식 전진 및 후퇴를 위한 유일한 또한 보충적인 동력원은 아니기 때문에, 그 축압기 내부에 고압 유체를 저장할 필요는 없다. 따라서, 저압 유체만 축압기(7) 안에 저장될 것이다. 예컨대, 축압기(7)는 일반적으로 0 ∼ 50 bar, 바람직하게는 0 ∼ 30 bar의 유체 압력을 갖는 유압 유체를 저장하도록 되어 있다. 이는 유압 액츄에이터의 펌프측, 즉 유체 고 포텐셜측에 배치되는 유압 축압기에 대한 약 300bar의 유체 압력과 비교될 수 있으며, 이는 유압 축압기의 동력식 전진 및 후퇴에 사용된다.
제어 유닛(18)은 유압 시스템의 작동 동안에 다른 작동 모드들 사이에서 자주 변하게 된다. 예컨대, 도 2 에 도시되어 있는 바와 같이 본 발명이 전형적인 현대의 굴착기에 이용되는 경우, 유압 작동식 붐(boom) 어셈블리는 차량의 하우스(26)에 피봇식으로 부착된 붐(23), 이 붐(23)에 피봇식으로 부착된 스틱(24) 및 이 스틱(24)에 피봇식으로 부착된 버킷(25)을 포함한다. 유압 실린더(1)가 붐 어셈블리의 스틱(24)과 관련되어 있고 그 스틱(24)이 거의 수평인 배향에서부터 움직이고 초과 부하 상태에서 도 2 에 화살표로 나타나 있는 바와 같이 하방으로 회전하여 수직 배향에 이르며 그리고 저항적인 부하 조건에서 계속 움직여 최종 위치에 도달하고 이 최종 위치에서 그 스틱(24)이 다시 경사진 상태로 있게 되는 경우에, 제어 유닛(18)은 예컨대 버킷(25)내의 부하와 스틱(24)의 포텐셜 에너지를 회수하기 위해 그 부하를 하강시키는 동안에 회복 또는 재생 작동 모드에서 처음에 유압 시스템을 작동시키도록 선택할 수 있다. 스틱(24)이 수직 배향에 접근함에 따라 이용가능한 포텐셜 에너지의 레벨이 감소하기 때문에, 제어 유닛(18)은 중립 작동 모드를 선택할 수 있으며, 스틱(24)이 수직 위치를 지나서 굴착기의 하우스(26)에 접근할 때 그 스틱(24)의 속도가 작동자에 의해 설정된 속도 기준 아래로 떨어질 위험이 있으면, 제어 유닛(18)은 필요한 속도를 유지시켜서 부하를 다시 상승시키기 위해 정상 작동 모드를 선택할 것이다. 축압기(7)에서 오는 다시 채우기용 유체가 없고또한 다른 유체 액츄에이터로부터는 다시 채우기용 유체가 이용가능하지 않으면, 회복 및 재생 작동 모드는 가능하지 않을 것이고 펌프(2)에서 나오는 가압된 유체가 다시 채우기 목적으로 필요하게 될 것이다.
수평 배향에서 거의 수직인 배향으로 가는 초기 운동 중에, 축압기(7)에서 나온 유체는 상기 챔버(8)를 다시 채우기 위해 스틱(24)의 운동과 관련된 유압 실린더(1)의 팽창 캡단 챔버(8)로 보내진다. 어떤 때에는 초과 부하 상태에서 저항적인 부하 상태로의 천이가 필요하다. 상기 초과 부하 상태에서 저항 부하 조건으로의 비교적 원활한 변화를 제공하기 위해, 축압기(7)에서 나오는 유체에 추가하여, 어떤 유리한 작동 모드에서는 적은 양의 유체가 초과 부하 상태 중에 이미 상기 펌프(2)로부터 상기 유압 실린더(1)의 상기 팽창 챔버(8) 안으로 들어갈 수 있다. 제 1 제어 밸브(14) 및 제 2 제어 밸브(15)는 비례적으로 제어되므로, 펌프(2)로부터의 유체 공급의 양을 제어하는 것이 용이하다. 그러나, 통상적으로 유압 시스템은 높은 에너지 회수 레벨을 달성하기 위해, 축압기(7)에서 나오는 유체의 대부분과 펌프(2)에서 나오는 단지 작은 부분을 공급하도록 되어 있다.
도 3 은 본 발명의 에너지 회수 방법 및 도 1 의 시스템을 개략적으로 도시하는데, 하지만 여기서는 복동 유압 실린더의 형태로 된 다른 유압 액츄에이터(27)도 포함하고 있으며, 이 유압 액츄에이터는 유압 실린더(1)에 병렬로 연결되어 있다. 상기 유압 시스템은 물론 도시되어 있지 않은 많은 다른 유압 액츄에이터(펌프(2)와 유압 축압기(7)에 유체 연결됨)도 포함할 수 있다. 제어 유닛(18), 조이스틱(22) 및 관련된 제어 라인들은 도 3 에 도시되어 있지 않다. 다른 유압 액츄에이터(27)의 캡단 챔버와 로드단 챔버는 바람직하게는 제 5 제어 밸브(28) 및 제 6 제어 밸브(29)를 통해 펌프(2)에 각각 연결되어 있으며, 상기 다른 유압 액츄에이터(27)의 캡단 챔버와 로드단 챔버는 바람직하게는 제 7 제어 밸브(30) 및 제 8 제어 밸브(31)를 통해 탱크(3)와 유압 축압기(7)에 각각 연결되어 있다. 상기 제 5 제어 밸브(28) 및 제 6 제어 밸브(29)는 제 1 제어 밸브(14) 및 제 2 제어 밸브(15)와 본질적으로 동일하며, 상기 제 7 제어 밸브(30) 및 제 8 제어 밸브(31)는 제 3 제어 밸브(16) 및 제 4 제어 밸브(17)와 본질적으로 동일하다. 도 1 및 3 으로부터 명확히 알 수 있듯이, 유압 축압기(7)를 포함하는 에너지 회수 시스템(6)은 탱크(3) 가까이에서 유압 시스템의 유체 저 포텐셜 측에 배치된다. 따라서, 유압 실린더(1) 또는 다른 유압 액츄에이터(27)를 여기시키는 유체는 상기 축압기(7)를 충전시키기 위해 상기 제 3, 4, 7 또는 8 제어 밸브(16, 17, 30, 31)를 통해 유압 축압기에 갈 수 있고, 다시 채우기 위한 목적으로 유체가 유압 축압기(7)로부터 배출되어 상기 제 3, 4, 7 또는 8 제어 밸브(16, 17, 30, 31)를 통해 유압 실린더(1) 및/또는 다른 유압 액츄에이터(27)에 공급될 수 있다. 따라서 상기 제 3, 4, 7 또는 8 제어 밸브(16, 17, 30 31)는 유압 액츄에이터와 에너지 회수 시스템(6) 사이에 배치된다.
본 명세서에서 사용되는 용어 "다른 유압 액츄에이터"는 일반적으로, 유압 유체 유동을 기계적인 운동으로 변환시키거나 그 반대로 변환시키는 예컨대 실린더-피스톤 장치 또는 회전 모터와 같은 장치를 말한다.
용어 "저항적인 부하"는 액츄에이터의 운동 방향에 반대로 작용하는 부하를 말한다. 부하 반작용의 방향은 액츄에이터의 운동의 방향 또는 운동 방향의 일 성분에 반대가 된다.
가끔 음의 부하라고 하는 용어 "초과 부하"는 액츄에이터의 운동 또는 운동 방향의 일 성분과 동일한 방향을 갖는 부하를 말한다.
용어 "관성 부하"는 액츄에이터에 대한 부하 반작용이 본질적으로 뉴턴의 운동 제 2 법칙으로 특성화되는 부하를 말한다.
청구 범위에 기재되어 있는 참조 번호는 청구 범위에 의해 보호되는 사항의 범위를 한정하는 것으로 이해되어서는 아니 되며, 그의 기능은 청구 범위에 대한 이해를 더 쉽게 하기 위한 것뿐이다. 알 수 있는 바와 같이, 본 발명은 첨부된 청구 범위에서 벗어남이 없이 다양하고 명백하게 수정될 수 있다. 따라서, 도면 및 그에 대한 설명은 본래 실례를 들기 위한 것이고 한정적인 것이 아니다 .
1 유압 실린더
2 펌프
3 탱크
4 공급 도관
5 복귀 도관
6 에너지 회수 시스템
7 유압 축압기
8 캡단 챔버
9 로드단 챔버
10 카운터 압력 밸브
11 동력원
12 슬라이딩 로드
13 피스톤
14 제 1 제어 밸브
15 제 2 제어 밸브
16 제 3 제어 밸브
17 제 4 제어 밸브
18 제어 유닛
19 축압기 제어 밸브
20 축압기 연결점
21 축압기 도관
22 조이스틱
23 붐
24 스틱
25 버킷
26 하우스
27 다른 유압 액츄에이터
28 제 5 제어 밸브
29 제 6 제어 밸브
30 제 7 제어 밸브
31 제 8 제어 밸브

Claims (15)

  1. 유압 실린더(1), 펌프(2), 탱크(3), 공급 도관(4), 복귀 도관(5) 및 유압 축압기(7)를 포함하는 유압 시스템을 위한 에너지 회수 방법으로서,
    상기 에너지 회수 방법은 상기 유압 축압기(7)를 충전하는 단계 및 그 유압 축압기(7)에 유체를 저장하는 단계를 포함하고, 또한 상기 에너지 회수 방법은 초과 부하 상태 동안에 상기 유압 축압기(7)에서 나온 유체를 상기 유압 실린더(1)의 팽창 챔버(8, 9) 안으로 보내는 단계를 더 포함하는, 유압 시스템을 위한 에너지 회수 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 유압 실린더(1)는 로드단 챔버(9)와 캡단 챔버(8)를 포함하는 복동 유압 실린더이고, 상기 유압 축압기(1)에서 나온 상기 유체는 상기 초과 부하 상태 동안에 상기 유압 실린더(1)의 팽창 캡단 챔버(8) 안으로 보내지게 되는 에너지 회수 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 유압 축압기(7)에서 나온 상기 유체를 상기 유압 실린더(1)의 팽창 챔버(7, 8) 안으로 보내는 상기 단계 동안에 상기 팽창 캡단 챔버(8) 및 상기 로드단 챔버(9)는 서로 유체 연결되어 있는 에너지 회수 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 유압 실린더(1)는 로드단 챔버(9)와 캡단 챔버(8)를 포함하는 복동 유압 실린더이고, 상기 유압 축압기(1)에서 나온 유체는 상기 초과 부하 상태 동안에 상기 유압 실린더의 팽창 로드단 챔버(9) 안으로 보내지게 되는 에너지 회수 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 초과 부하 상태 동안에 상기 펌프(2)에서 나온 유체를 추가적으로 상기 유압 실린더(1)의 상기 팽창 챔버(8, 9) 안으로 보내며, 따라서 초과 부하 상태에서 저항적인 부하 상태로의 비교적 원활한 천이가 얻어질 수 있는 에너지 회수 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 초과 부하 상태 동안에 상기 유압 시스템의 다른 유압 액츄에이터(27)에서 나가는 유체를 추가적으로 상기 유압 실린더(1)의 상기 팽창 챔버(8, 9) 안으로 보내는 에너지 회수 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유압 실린더(1)에서 나간 상기 유체는 상기 유압 시스탬의 회복 작동을 위해 적어도 부분적으로 상기 펌프(2)에 보내지는 에너지 회수 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유압 축압기(7)를 충전하는 상기 단계는, 초과 부하 상태 동안에 상기 유압 시스템의 상기 유압 실린더(1) 또는 다른 유압 액츄에이터(27)에서 나가는 유체를 상기 유압 축압기(7) 안으로 보내고/보내거나 상기 펌프(2)에서 나온 유체를 상기 유압 축압기(7) 안으로 보내는 것을 포함하는 에너지 회수 방법
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유압 축압기(7)는 축압기 연결점(20)에서 상기 복귀 도관(5)에 유체 연결되어 있고, 상기 유압 축압기(7)의 충전 압력을 조절하기 위한 카운터 압력 밸브(10)가 상기 복귀 도관(5)에서 상기 축압기 연결점(20)과 상기 탱크(3) 사이에 배치되어 있는 에너지 회수 방법.
  10. 유압 실린더(1), 유체를 적어도 상기 유압 실린더(1)에 공급하도록 되어 있는 펌프(2), 탱크(3), 이 펌프(2)와 상기 유압 실린더(1)를 연결하는 공급 도관(4), 상기 유압 실린더(1)와 탱크(3)를 연결하는 복귀 도관(5) 및 유압 축압기(7)를 포함하는 유압 시스템으로서,
    상기 유압 시스템은 초과 부하 상태 동안에 상기 유압 축압기(7)에서 나온 유체를 상기 유압 실린더(1)의 팽창 챔버(8, 9) 안으로 보내도록 되어 있는 유압 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 유압 실린더(1)는 로드단 챔버(9)와 캡단 챔버(8)를 포함하는 복동 유압 실린더이고, 상기 유압 시스템은 상기 초과 부하 상태 동안에 상기 유압 축압기(1)에서 나온 유체를 상기 유압 실린더(1)의 팽창 캡단 챔버(8) 또는 팽창 로드단 챔버(9) 안으로 보내도록 되어 있는 유압 시스템.
  12. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
    상기 유압 축압기(7)는 유압 실린더(1)의 탱크측에, 특히 상기 유압 시스템의 유압 실린더 계량 밸브(16, 17, 30, 31)와 탱크(3) 사이에 배치되는 유압 시스템.
  13. 제 10 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유압 축압기(7)는 축압기 연결점(20)에서 상기 복귀 도관(5)에 유체 연결되어 있고, 상기 유압 시스템은 상기 유압 축압기(7)의 충전 압력을 조절하기 위해 상기 복귀 도관(5)에서 상기 축압기 연결점(20)과 상기 탱크(3) 사이에 배치되어 있는 카운터 압력 밸브(10)를 더 포함하는 유압 시스템.
  14. 제 10 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유압 시스템은 적어도 상기 펌프(2)와 유압 실린더(1)의 상기 캡단 챔버(8) 사이의 유압 유체 유동을 제어하는 제 1 제어 밸브(14), 적어도 상기 펌프(2)와 유압 실린더(1)의 상기 로드단 챔버(9) 사이의 유압 유체 유동을 제어하는 제 2 제어 밸브(15), 적어도 상기 유압 실린더(1)의 상기 캡단 챔버(8)와 상기 탱크(3) 사이의 유압 유체 유동을 제어하는 제 3 제어 밸브(16), 및 적어도 상기 유압 실린더(1)의 상기 로드단 챔버(9)와 상기 탱크(3) 사이의 유압 유체 유동을 제어하는 제 4 제어 밸브(17)를 더 포함하는 유압 시스템.
  15. 제 10 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유압 시스템은 제어 유닛(18)을 더 포함하고, 상기 제 1, 2, 3 및 4 제어 밸브(14, 15, 16, 17) 각각은 상기 제어 유닛(18)에 의해 개별적으로 제어되는 유압 시스템.
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