TW202039980A - 高壓處理機的具有飛輪的動力驅動裝置及使用其之高壓處理機 - Google Patents

Abstract

一種高壓處理機的動力驅動裝置包含：一本體；一馬達，安裝於本體上；一飛輪，安裝於馬達的一轉軸上；一減速機構，包含一輸入端及一輸出端，輸入端連接至轉軸，輸出端用於連接至一高壓處理機的一加壓機構，其中馬達的動力以及飛輪的轉動動量經由減速機構輸出至加壓機構；以及一控制器，電連接至馬達，並控制馬達正轉及反轉，配合飛輪的轉動動量，以使加壓機構達到一預定壓力範圍。亦提供上述高壓處理機。

Description

高壓處理機的具有飛輪的動力驅動裝置及使用其之高壓處理機

本發明是有關於一種動力驅動裝置及使用其之高壓處理機，且特別是有關於一種高壓處理機的具有飛輪的動力驅動裝置及使用其之高壓處理機。

建築物漏水是生活中常會碰到的最惱人問題，除了會造成屋內潮濕發霉外，更有可能影響身體健康。傳統的作法，先在產生裂縫的建築物的相對壁面上鑽孔，再植入適當數量的止水針頭，再將液態狀的灌注液，以高壓灌注機將灌注液從止水針頭注入到壁面內部，使灌注液可沿著裂縫四處流竄填補，待其灌注液凝固後，即可達到將建物壁面補強的效果。

傳統的高壓灌注機是用插電電鑽為動力來源，來達成增壓的效果。插電電鑽需要市電來提供電源，所以需要長度足夠的延長線才能進行高壓灌注。若施工地點附近沒有市電插座，只能搭配一台瓦數足夠的發電機，相當不方便。

此外，雖然市電供電的電鑽最大動力足以提供壓力需求，但灌注機施工時多放置於地上，由於視角的關係，施工人員 通常看不到壓力表，很難即時監控高壓灌注機的壓力狀態。即使看到壓力表，使用上多以延長開關直接以最大動力啟動，無變頻變速，不小心就灌注到超過牆面的負荷，反而會破壞牆面結構造成更大裂縫，人為失誤率極高。當裂縫已經充滿灌注液而被打通溢出牆面時，有時是在過壓狀態灌注液從被破壞的牆面裂縫溢出，高壓灌注機若持續運作會使灌注液不斷地從打通的通道流失，造成灌注液的浪費。

有鑑於此，如何提供一種可以不靠市電增壓到與採用傳統插市電電鑽做為動力裝置相近之動力性能，且可穩定自動控制灌注壓力避免破壞牆面結構，並能達到實際工作續航力需求的高壓灌注機的動力驅動裝置，及使用此動力驅動裝置的高壓灌注機，實為本案所欲解決的問題。

因此，本發明的一個目的是提供一種可以不靠市電增壓的高壓處理機的動力驅動裝置及使用此動力驅動裝置的高壓處理機，特別是可以利用電池來驅動及控制的高壓處理機的動力驅動裝置及使用此動力驅動裝置的高壓處理機。

本發明的另一目的在於提供一種動力驅動裝置及使用此動力驅動裝置的高壓處理機，除可自動控制灌注壓力，讓灌注壓力穩定在設定的預定範圍，避免牆面遭到破壞，也可以有效解決建築物的裂縫被打通時造成的灌注原料流失的問題。

為達上述目的，本發明提供一種高壓處理機的動力驅動裝置，包含：一本體；一馬達，安裝於本體上；一飛輪，安裝於馬達的一轉軸上；一減速機構，包含一輸入端及一輸出端，輸入 端連接至轉軸，輸出端用於連接至一高壓處理機的一加壓機構，其中馬達的動力加上飛輪的轉動動量通過減速機構輸出至加壓機構；以及一控制器，電連接至馬達，並控制馬達正轉及反轉，配合馬達的轉軸上之飛輪的轉動動量，以使加壓機構達到一預定壓力範圍。

本發明更提供一種高壓處理機，其為一高壓灌注機，包含：一供料筒，儲存灌注原料作為液體；上述動力驅動裝置及加壓機構，加壓機構連通至供料筒，並將灌注原料加壓達到預定壓力範圍；以及一輸出管路，連通至加壓機構，並將灌注原料輸出。

藉由上述實施例，提供一種可以利用電池來驅動及控制的高壓處理機的動力驅動裝置及使用此動力驅動裝置的高壓處理機，利用馬達的反轉提供足夠的加速行程，使位於馬達的轉軸上的減速驅動齒輪前段未經減速齒輪減速的飛輪以高速轉動來儲存能量，以提供馬達驅動電流產生之額定扭力以外的加壓動力來源。此外，利用閉迴路壓力回授來控制馬達的出力，使高壓處理機的加壓機構維持在預定壓力範圍，再判斷高壓處理機是否達到裂縫打通造成灌注液洩出牆面狀態而作適當處置，有效節省灌注原料，因而可以實現一種更可靠的移動式高壓處理機。

為讓本發明之上述內容能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

BDC‧‧‧下死點

P1、P2、P3‧‧‧壓力

S1‧‧‧順向堵轉點

S2‧‧‧逆向堵轉點

t1至t8‧‧‧時間點

TDC‧‧‧上死點

10‧‧‧本體

20‧‧‧馬達

22‧‧‧轉軸

30‧‧‧飛輪

40‧‧‧減速機構

41‧‧‧驅動齒輪

41A‧‧‧軸孔

42‧‧‧輸入端

43‧‧‧被動齒輪

43A‧‧‧輸出軸

44‧‧‧輸出端

50‧‧‧控制器

60‧‧‧電池

70‧‧‧壓力感測器

80‧‧‧調節器

90‧‧‧啟動開關

100‧‧‧動力驅動裝置

200‧‧‧高壓灌注機

201‧‧‧機體

210‧‧‧加壓機構

211‧‧‧活塞

212‧‧‧曲柄軸

213‧‧‧連桿

220‧‧‧供料筒

230‧‧‧輸出管路

圖1顯示依據本發明較佳實施例的高壓處理機的示意圖。

圖2顯示依據本發明較佳實施例的高壓處理機的動力驅動裝置的結構示意圖。

圖3顯示依據本發明較佳實施例的高壓處理機的動力驅動裝置的方塊示意圖。

圖4A至圖4G顯示加壓機構的一活塞的運動方式示意圖。

圖5A與5B顯示高壓處理機的壓力與時間的兩個例子的關係圖。

圖1顯示依據本發明較佳實施例的高壓處理機200的示意圖。如圖1所示，高壓處理機200是一種高壓灌注機，包含一供料筒220、一動力驅動裝置100、一加壓機構210及一輸出管路230。供料筒220儲存灌注原料或灌注液(液體)，譬如是疏水性裂縫止漏劑、親水性裂縫止漏劑或親水性與疏水性裂縫止漏劑的聚胺酯(Polyurethane，PUR或PU)樹脂，與水或空氣中濕氣作用後迅速發泡。加壓機構210連通至供料筒220，並將灌注原料加壓達到預定壓力範圍。輸出管路230連通至加壓機構210，並將灌注原料輸出。輸出管路230上可以設置有一壓力感測器70，用於感測加壓機構210的輸出壓力。當然，壓力感測器70也可以設置在加壓機構210中，感測加壓機構210的輸出壓力。於一非限制例子中，加壓機構210譬如是將旋轉轉成往復式運動(類似於內燃機的動作轉換)，而往復式運動的動能推動活塞來壓縮液體壓縮缸中的液體(類似於內燃機的壓縮行程)，達成對液體加壓的效果。

圖2與圖3分別顯示依據本發明較佳實施例的高壓處理機的動力驅動裝置的結構示意圖及方塊示意圖。如圖1至圖3所示，高壓處理機200的動力驅動裝置100包含一本體10、一馬達20、一飛輪30、一減速機構40以及一控制器50。

本體10譬如是一個框架，可以安裝於高壓處理機 200的一機體201上。馬達20安裝於本體10上。於本實施例中，馬達20為無刷馬達；於另一實施例中，馬達20為有刷馬達。飛輪30安裝於馬達20的一轉軸22上，用途在於提供一預定的轉動動量。

減速機構40包含一輸入端42及一輸出端44。輸入端42連接至轉軸22，輸出端44用於連接至高壓處理機200的加壓機構210。馬達20的動力通過飛輪30及減速機構40輸出至加壓機構210。在飛輪30被驅動以後，馬達20的動力以及飛輪30之轉動動量經由減速機構40輸出至加壓機構210。於本實施例中，減速機構40更包含：一驅動齒輪41，具有一軸孔41A作為輸入端42並安裝於轉軸22上；以及一被動齒輪43，與驅動齒輪41嚙合，並具有一輸出軸43A做為輸出端44。

控制器50電連接至馬達20，並控制馬達20正轉及反轉，配合飛輪30的轉動動量，以使加壓機構210達到一預定壓力範圍。馬達20正轉是發生在正常操作期間(稱為順轉狀態)，可以推動加壓機構210持續加壓。當預設壓力目標較高而超過馬達20本身扭力輸出極限或電池電力不足(譬如電池老化或快沒電)時，或為延長電池續航力而節省馬達電力消耗，控制器主動以較小耗電流推動馬達時，馬達20無法再繼續順利地推動加壓機構210持續加壓(稱為順向堵轉狀態)，則控制器50控制馬達20反轉一定的圈數以提供下次順向堵轉狀態前之運動行程，再控制馬達20正轉回衝。在動力傳輸方面，飛輪30設置在減速機構40的上游，提供更多的行程讓馬達20提升飛輪30的轉動動量。利用加成飛輪30的轉動動量讓動力驅動裝置100可以持續推動加壓機構210突破先前無法克服的順向堵轉狀態，進入順轉狀態。以下將有更詳細的說明。

此外，動力驅動裝置100可以更包含一電池60、壓力感測器70、一調節器80及一啟動開關90。電池60電連接至馬達20及控制器50，提供電力給馬達20及控制器50。如此一來，施工人員可以不需依靠延長線或發電機來進行高壓灌注工作。壓力感測器70電連接至控制器50，並感測加壓機構210內一液體的一液體壓力而產生一壓力感測信號，控制器50依據壓力感測信號，來控制馬達20以使加壓機構維持在預定壓力範圍內。調節器80電連接至控制器50，供一操作者調節預定壓力範圍。啟動開關90電連接至控制器50，讓施工人員於施工操作時啟動或關閉動力驅動裝置100。

圖4A至圖4G顯示加壓機構的一活塞211的運動方式示意圖。活塞211被轉動的曲柄軸212透過連桿213帶動而於上死點TDC與下死點BDC之間移動。當順向堵轉狀態(譬如無刷馬達的電流大於20A或其他電流閥值，但是轉速為零RPM(每分鐘的轉數)或其他接近於零轉速閥值)發生時，如圖4A與圖3所示，活塞211欲向左移動到上死點TDC，但是因預定壓力值較高，或電力不足時，或為而延長電池續航力而節省馬達電力消耗，控制器主動以較小耗電流推動馬達時，動力驅動裝置已經無法驅動活塞211正常向左移動，此時活塞211位於順向堵轉點S1，但不一定停止於順向堵轉點S1。

因此，控制器50依據驅動馬達20的電流及轉速來判斷馬達20是否發生順向堵轉狀況(順向堵轉狀況代表馬達20無法以一順向正常轉速範圍推動加壓機構)，若是則控制馬達20轉向(譬如從正轉轉向成為反轉)，若否則繼續驅動馬達20。當控制器50 控制馬達20反轉時，如圖4B所示，馬達20將活塞211拉回到下死點BDC，如圖4C所示，反轉行程下，馬達20的負載大幅減少，因此即時是電力不穩或電力不足都是可以輕易達成的。由於減速機構40的一減速比固定，無刷馬達的轉動圈數可由包含霍爾感測器(Hall sensor)的控制器50可以知悉的，或者有刷馬達可以加入編碼器來求得其轉動圈數，或者可以設置感測器來感測活塞的位置，因此，於堵轉狀況下，除了控制器50可依據減速機構40的減速比來控制馬達20反轉的圈數，讓活塞回到靠近下死點BDC的位置，或更進一步帶動曲柄軸212反轉，使得活塞211從順向堵轉點S1移動到到另一方向的逆向堵轉點S2，如圖4D所示，此時的馬達20已經反轉到達逆向堵轉狀況，代表馬達20無法以反轉的正常轉速範圍推動加壓機構。藉由曲柄軸212的機構力學特性，隨著活塞越往加壓方向推移，逆向堵轉點S2也會同步越往後移動，讓飛輪持續獲得更大的加速行程。亦即，逆向堵轉點S2會隨著順向堵轉點S1同步更靠近上死點TDC，馬達多次正轉及反轉後，順向堵轉點會越來越靠近上死點TDC，最後可以讓活塞突破順向堵轉點S1而到達上死點TDC，完成之前所不能完成的加壓行程。但是在一設計例子中，為了節省工作時間及避免加速行程過大致使飛輪的轉動動量過大而超過目標(overshoot)，可以依據離目標壓力(預定壓力範圍)的誤差值決定馬達的迴轉圈數，也就是在需較大加壓出力時再讓馬達反轉到最大迴轉行程，也就是讓活塞211到達逆向堵轉點S2即可。

接著，控制器50控制馬達20正轉，讓活塞211往下死點BDC移動，如圖4E所示，由於在馬達20正轉的阻抗較小的初期，飛輪可以被馬達20加速累積一定的能量。只要控制馬達 持續重複反轉恢復加速行程，再正轉加速衝擊，就可讓活塞211突破順向堵轉狀況的順向堵轉點S1(參見圖4F)而移動到上死點TDC，如圖4G所示，完成一個加壓行程，克服堵轉狀態。當然，馬達的反轉不一定要讓活塞從順向堵轉點移動到逆向堵轉點，亦可以讓活塞從順向堵轉點移動到接近下死點或下死點與逆向堵轉點之間的任何一位置，只要取得足以讓飛輪加速的行程即可。

只要加壓時阻抗壓力大於動力源的動力(可能是預設壓力目標較高、機構老化、電力不足等問題、或為節省馬達電力消耗而延長電池續航力，控制器主動以較小耗電流推動馬達時)，就有可能會發生堵轉狀態，此時，活塞可以位於加壓行程的任一位置。於一例子中，加壓機構使用曲柄軸與止逆閥機構(未顯示)，其特性將導致在堵轉狀態下，讓馬達驅動活塞往相反於活塞的加壓方向的方向帶動，在馬達反轉讓活塞到達下死點BDC前是不會有壓力阻抗的，藉此讓飛輪往下次加壓方向運動時取得足夠的加速行程，提升飛輪轉動動量，讓活塞再次回到原堵轉點時，動力驅動裝置100可不僅輸出馬達本身扭力，還加上飛輪的高速轉動動量，進而讓活塞211產生更大的壓力。

此外，堵轉狀態發生時，馬達的轉速為零或接近零，飛輪能量已釋放完，動力驅動裝置100僅剩馬達本身電流產生之電磁能扭力，若無對堵轉狀態做出斷電或其他處置，持續以電流驅動馬達只是無謂的耗電，降低電池續航力而已。於本實施例中，將馬達的轉軸反向迴轉為飛輪取得足夠的加速行程後，再讓馬達正轉使活塞恢復到加壓行程，即可再將飛輪的加速旋轉動量再次施加到原先已經堵轉之壓力阻抗上，使活塞壓力得以如同”鐵鎚舉起後再敲 擊釘子”一般，讓活塞壓力持續累積上升，解決先天上電池電力輸出動能與穩定性不如市電的問題。與習知技術比較而言，使用本實施例的架構可以獲得比較高的加壓壓力(譬如從3000至4000psi提升到從7000至8000psi)，或者是可以使用較小功率的馬達來達成相同的加壓壓力。

圖5A與5B顯示高壓處理機的壓力與時間的兩個例子的關係圖。如圖5A與圖3所示，調節器80的設定壓力範圍是在壓力P1與P2之間，當高壓處理機開機時，動力驅動裝置100驅動加壓機構210將灌注原料加壓至壓力P1(對應於時間點t1)，然後動力驅動裝置100停止。因為灌注作業進行中，原料慢慢往裂縫處擴散，故灌注原料的壓力會從壓力P1掉到壓力P2(對應於時間點t2)，此時控制器50依據壓力感測器70的感測結果啟動馬達20運轉，繼續將灌注原料加壓至壓力P1(對應於時間點t3)後停止，然後灌注原料的壓力又從壓力P1掉到壓力P2(對應於時間點t4)。依此類推，無論壓力降低的速率為何，都可以使得灌注原料的壓力維持於壓力P1與P2之間。

如圖5B與圖3所示，從時間點t1到t4的情形類似於圖5A。接著，灌注原料的壓力於時間點t4與t5分別是壓力P2與P1。於時間點t6，灌注原料的壓力驟降，此時應該是面臨到所欲灌注的裂縫可能被打通而使原料溢出牆面的狀態。於時間點t7，灌注原料的壓力降至壓力P2，控制器50啟動馬達20即時持續順轉運作，雖然可以使得壓力驟降的速度減緩，但是仍無法將壓力提升至壓力P1。於時間點t8，灌注原料的壓力降低到低於壓力P3時(壓力P3又稱洩壓壓力，可設計為灌注週期的最大實際壓力之一半值 左右)，控制器50根據壓力感測器70的感測結果判斷所欲灌注的裂縫已經被打通，灌注原料已經溢出壁面，為了不繼續浪費灌注原料，控制器50停止馬達20。因此，在液體壓力到達預定壓力範圍以後，控制器50依據壓力感測信號判斷液體壓力是否低於洩壓壓力，或者判斷液體壓力的回掉速率是否高於一洩壓速率，若是則控制馬達20停止，若否則控制馬達20繼續運作。液體壓力的回掉速率對應於圖5的關係曲線的斜率，等於壓降除以時間。洩壓速率可以以時間點t6與t7之間的斜率或時間點t7與t8之間的斜率，譬如1秒鐘內壓力掉一半就判定為裂縫打通狀態，或者判定為其他原因導致的異常洩壓狀態，譬如操作者誤觸洩壓閥門或管路破裂等。

此外，由於控制器50可以知道馬達(特別是無刷馬達)的電流及轉速，所以控制器50也可以依據驅動馬達20的電流及正轉轉速來判斷是否馬達即使順轉運作中仍無法提升液體壓力，若是則控制馬達20停止，若否則控制馬達20繼續運作。

藉由上述實施例，提供一種可以利用電池來驅動及控制的高壓處理機的動力驅動裝置及使用此動力驅動裝置的高壓處理機，利用馬達的反轉再正轉，帶動位於動力源的前段未經減速齒輪減速的飛輪以高速轉動來儲存能量，可以在預設壓力較高或電池電力不足或機構老化時提供額定的加壓壓力，亦可以在不提高電池電力供電狀態或不變更馬達的情況下提供較高的加壓壓力。此外，利用閉迴路壓力回授來控制馬達的出力，使高壓處理機的加壓機構維持在預定壓力範圍，避免過大灌注壓力破壞牆面造成更大裂縫，再判斷高壓處理機是否達到裂縫打通狀態而作適當處置，有效節省灌注原料，因而可以實現一種閉迴路穩壓控制的移動式高壓處理 機。

雖然以上是以高壓灌注機當作高壓處理機的一個例子來作說明，但是本發明並不限於此，也可延伸應用於結構類似的油壓泵、高壓清洗機等，特別有益於應用在採用電池供電的可攜式高壓處理機中。

在較佳實施例之詳細說明中所提出之具體實施例僅用以方便說明本發明之技術內容，而非將本發明狹義地限制於上述實施例，在不超出本發明之精神及以下申請專利範圍之情況，所做之種種變化實施，皆屬於本發明之範圍。

10‧‧‧本體

20‧‧‧馬達

22‧‧‧轉軸

30‧‧‧飛輪

40‧‧‧減速機構

41‧‧‧驅動齒輪

41A‧‧‧軸孔

42‧‧‧輸入端

43‧‧‧被動齒輪

43A‧‧‧輸出軸

44‧‧‧輸出端

50‧‧‧控制器

60‧‧‧電池

100‧‧‧動力驅動裝置

210‧‧‧加壓機構

Claims (10)

1. 一種高壓處理機的動力驅動裝置，包含：一本體；一馬達，安裝於該本體上；一飛輪，安裝於該馬達的一轉軸上；一減速機構，包含一輸入端及一輸出端，該輸入端連接至該轉軸，該輸出端用於連接至該高壓處理機的一加壓機構，其中該馬達的動力以及該飛輪之轉動動量經由該減速機構輸出至該加壓機構；以及一控制器，電連接至該馬達，並控制該馬達正轉及反轉，配合該飛輪的該轉動動量，以使該加壓機構達到一預定壓力範圍。
2. 如請求項1所述的動力驅動裝置，更包含：一電池，電連接至該馬達及該控制器，提供電力給該馬達及該控制器。
3. 如請求項1所述的動力驅動裝置，更包含一壓力感測器，電連接至該控制器，並感測該加壓機構內一液體的一液體壓力而產生一壓力感測信號，該控制器依據該壓力感測信號，來控制該馬達以使該加壓機構維持在該預定壓力範圍內。
4. 如請求項1所述的動力驅動裝置，其中該減速機構更包含：一驅動齒輪，具有一軸孔作為該輸入端並安裝於該轉軸上；以及一被動齒輪，與該驅動齒輪嚙合，並具有一輸出軸做為該輸出端。
5. 如請求項1所述的動力驅動裝置，其中該控制器依據驅動該馬達的電流及轉速來判斷該馬達是否發生一堵轉狀況，若是則控制該馬達轉向，該堵轉狀況代表該馬達無法以一正常轉速範圍推動該加壓機構。
6. 如請求項1所述的動力驅動裝置，其中該控制器依據驅動該馬達的電流及正轉轉速來判斷該馬達是否發生一順向堵轉狀況，若是則控制該馬達反轉，該順向堵轉狀況代表該馬達無法以一正常轉速範圍推動該加壓機構，其中於該順向堵轉狀況發生後，該控制器控制該馬達反轉到達一逆向堵轉狀況，使該加壓機構的一活塞從一順向堵轉點移動到一逆向堵轉點，然後該控制器再控制該馬達正轉以突破該順向堵轉點，其中該順向堵轉點與該逆向堵轉點相對於該活塞的一下死點呈現對稱。
7. 如請求項3所述的動力驅動裝置，其中該控制器依據驅動該馬達的電流及正轉轉速來判斷是否該馬達仍無法提升該液體壓力，若是則控制該馬達停止。
8. 如請求項3所述的動力驅動裝置，其中在該液體壓力到達該預定壓力範圍以後，該控制器依據該壓力感測信號判斷該液體壓力是否低於一洩壓壓力，或者該液體壓力的回掉速率是否低於一洩壓速率，若是則控制該馬達停止。
9. 如請求項1所述的動力驅動裝置，更包含一調節器，電連接至該控制器，供一操作者調節該預定壓力範圍。
10. 一種高壓處理機，係為一高壓灌注機，包含： 如請求項1至9中之任一項所述的該動力驅動裝置及該加壓機構；一供料筒，儲存一灌注原料作為液體，其中該加壓機構連通至該供料筒，並將該灌注原料加壓達到該預定壓力範圍；以及一輸出管路，連通至該加壓機構，並將該灌注原料輸出。

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