(57)【要約】負荷を駆動するための油圧ポンプを有する駆動回路において用いられる油圧回路構造が開示される。この油圧回路構造は、油圧ポンプから負荷へ供給される油圧流体流量を制御するための流量調節バルブを含む。油圧回路構造は、さらに、流量調節バルブに対して並列に配置される油圧流体アキュムレータを含む。流量調節バルブに対して並列に配置される複数のアキュムレータを有する油圧回路構造がさらに開示される。【選択図】図７【特許請求の範囲】
【請求項１】
負荷を駆動するための油圧ポンプを有する駆動回路において使用するための油圧回路構造であって、該油圧回路構造は、
前記油圧ポンプから前記負荷へ供給される油圧流体の流量を制御するための流量調節バルブと、
前記流量調節バルブに対して並列に配置された油圧流体アキュムレータと、
を含むことを特徴とする油圧回路構造。
【請求項２】
前記流量調節バルブは、比例流量バルブであることを特徴とする請求項１に記載の油圧回路構造。
【請求項３】
前記油圧回路構造は、さらに、前記ポンプにより出力される油圧システムの圧力を制御するための安全バルブを含むことを特徴とする請求項１に記載の油圧回路構造。
【請求項４】
前記安全バルブは比例安全バルブであることを特徴とする請求項３に記載の油圧回路構造。
【請求項５】
前記油圧ポンプは定容量形ポンプであることを特徴とする請求項１に記載の油圧回路構造。
【請求項６】
前記油圧回路構造は、さらに、前記定容量形ポンプを駆動するための定速電気モータを含むことを特徴とする請求項５に記載の油圧回路構造。
【請求項７】
前記油圧回路構造は、さらに、前記ポンプから前記流量調節バルブを経由して前記負荷へ伸びる作業流路を含み、前記油圧回路構造は、前記作業流路に流体連通したアキュムレータサブシステムを含み、該アキュムレータサブシステムは、前記油圧流体アキュムレータをチャージするためのチャージライン、及び、前記油圧流体アキュムレータを開放するための開放ラインを含み、前記開放ラインは、前記流量調節バルブの下流位置で前記作業流路に接続され、かつ、前記チャージラインは前記流量調節バルブの上流位置で前記作業流路に接続される、ことを特徴とする請求項１に記載の油圧回路構造。
【請求項８】
前記油圧回路構造は、さらに、
前記チャージラインを選択的に開閉するためのチャージラインバルブと、
油圧流体が前記作業流路から前記アキュムレータへ前記チャージラインを通って流れることを許容し、かつ、油圧流体が前記アキュムレータから前記作業流路へ前記チャージラインを通って流れることを阻止するチャージライン一方向逆止バルブと、
前記開放ラインを選択的に開閉するための開放ラインバルブと、
油圧流体が前記アキュムレータから前記作業流路へ前記開放ラインを通って流れることを許容し、かつ、油圧流体が前記作業流路から前記アキュムレータへ前記開放ラインを通って流れることを阻止する開放ライン一方向逆止バルブと、
を含むことを特徴とする請求項７に記載の油圧回路構造。
【請求項９】
前記チャージラインバルブ及び前記開放ラインバルブは、開放位置及び閉鎖位置を含む２位置バルブを各々含むことを特徴とする請求項８に記載の油圧回路構造。
【請求項１０】
前記アキュムレータの回路は、前記アキュムレータのチャージ量及び前記アキュムレータの開放量を制御するためのアキュムレータ流量調節バルブを含むことを特徴とする請求項８に記載の油圧回路構造。
【請求項１１】
前記油圧回路構造は、さらに、
前記ポンプにより前記流量調節バルブに供給される油圧システムの圧力を制御するための安全バルブと、
前記負荷に相当するアクチュエータを有効かつ無効にするための第１バルブ配置と、
前記アキュムレータのチャージ及び開放を制御するための第２バルブ配置と、
前記負荷の流量要求が前記油圧ポンプの出力流量より少ない場合、前記油圧アキュムレータはチャージされ、かつ、前記負荷の前記流量要求が前記油圧ポンプの前記出力流量より大きい場合、前記油圧アキュムレータは開放されるように、前記流量調節バルブ、前記安全バルブ、及び、前記第１，２バルブ配置の動作を調整するための電子制御装置と、
を含むことを特徴とする請求項６に記載の油圧回路構造。
【請求項１２】
前記アキュムレータを開放する間、前記油圧システムの圧力は前記アキュムレータの圧力より低いことを特徴とする請求項１１に記載の油圧回路構造。
【請求項１３】
前記アクチュエータは、反復する作業サイクルを有するマシンの部品に動力供給し、前記作業サイクルは、前記作業サイクルの複数の相にわたって変化する圧力プロファイルを含んだ圧力要求、及び、前記作業サイクルの前記複数の相にわたって変化する流量プロファイルを有する流量要求を含むことを特徴とする請求項１１に記載の油圧回路構造。
【請求項１４】
前記マシンは、射出成形機と、クランプに動力供給する第１油圧シリンダ、オーガを軸方向に移動させるための第２油圧シリンダ、及び、前記オーガを回転させるための油圧モータを含む前記アクチュエータと、を含むことを特徴とする請求項１３に記載の油圧回路構造。
【請求項１５】
前記油圧流体アキュムレータは第１油圧流体アキュムレータであり、さらに、第２油圧流体アキュムレータが前記流量調節バルブに対して並列に配置され、かつ、前記第１，２油圧流体アキュムレータは異なるアキュムレータ動作圧力範囲を有することを特徴とする請求項１に記載の油圧回路構造。
【請求項１６】
油圧ポンプを有する駆動回路を備えた負荷を駆動するための方法であって、前記駆動回路は、前記油圧ポンプと前記負荷との間の油圧流体の流量を制御するための流量調節バルブと、該流量調節バルブに対して並列に配置された油圧流体アキュムレータと、を含み、前記負荷は、反復する作業サイクルを有するマシンのアクチュエータに相当し、前記作業サイクルは、前記作業サイクルの複数の相にわたって変化する圧力プロファイルを有する圧力要求、及び、前記作業サイクルの前記複数の相にわたって変化する流量プロファイルを有する流量要求を含んでおり、前記方法は、
前記負荷の前記流量要求が前記作業サイクルの平均システム流量より少ない場合、前記負荷を駆動し、かつ、前記アキュムレータをチャージするために、前記油圧ポンプからの流量を用いること、及び、
前記負荷の前記流量要求が前記作業サイクルの前記平均システム流量より大きい場合、前記負荷を駆動するために、前記油圧ポンプからの流量と前記アキュムレータからの開放流量を用いること、を含み、
前記アキュムレータを開放する間、前記油圧ポンプの出口における油圧システムの圧力は、前記油圧システムの圧力が前記アキュムレータの油圧より小さくなるように、制御されることを特徴とする方法。
【請求項１７】
前記油圧流体アキュムレータは第１油圧流体アキュムレータであり、前記駆動回路は、前記流量調節バルブに対して平行に配置される第２油圧流体アキュムレータを含み、前記第１油圧流体アキュムレータは、前記第２油圧流体アキュムレータのアキュムレータ動作圧力より高いアキュムレータ動作圧力範囲を有し、かつ、前記第１，２油圧流体アキュムレータの一つは、前記アキュムレータ動作圧力範囲が前記負荷の要求圧力にどれだけ密接につり合うかに基づいて、前記開放流量を提供するために選択されることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
負荷に動力を供給するための油圧駆動システムであって、該油圧駆動システムは、
定容量形油圧ポンプと、
該定容量形油圧ポンプを駆動するための定速電気モータと、
システムの圧力である前記定容量形油圧ポンプを制御するための安全バルブと、
前記定容量形油圧ポンプから前記負荷へ供給される油圧流体の流量を制御するための流量調節バルブと、
該流量調節バルブに対して並列に配置された第１油圧流体アキュムレータと、
を含むことを特徴とする油圧駆動システム。
【請求項１９】
前記油圧駆動システムは、さらに、前記流量調節バルブに対して並列に配置された第２油圧流体アキュムレータを含むことを特徴とする請求項１８に記載の油圧駆動システム。
【請求項２０】
前記第１，２油圧流体アキュムレータはアキュムレータ回路を含み、該アキュムレータ回路は、
前記流量調節バルブの上流に位置されるチャージラインと、
前記流量調節バルブの下流に位置される開放ラインと、
前記チャージラインを選択的に開閉するためのチャージラインバルブと、
前記開放ラインを選択的に開閉するための開放ラインバルブと、
を含むことを特徴とする請求項１９に記載の油圧駆動システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、米国を除くすべての国の出願人として指定された米国企業のイートンコーポレーションの名称で、また、米国のみの出願人として指定された中国市民のチンフイ、ユアンのＰＣＴ国際特許出願として、２０１１年１０月１４日に出願されており、かつ、２０１０年１０月１８日に出願された米国特許出願第６１／３９３，９６８号に対する優先権を主張し、その開示内容はその全体を参照として本明細書に組み込む。
【０００２】
本発明の開示は概して油圧駆動回路に関する。より具体的に言えば、本発明の開示は、エネルギ効率を改善するためのアキュムレータを含んだ油圧駆動回路に関する。
【背景技術】
【０００３】
反復する作業サイクルを行う油圧を動力源とした機械は、製造業や重工業において一般的である。このような機械の作業サイクルにおいて、飛躍的に変化するような動力需要がありふれている。このような出力変動は、効率的な油圧駆動システムを設計するための困難を提示するだろう。低コスト、エネルギ効率の解決は、この分野において必要とされている。
【０００４】
図１は、反復する作業サイクルを有するマシン１９（例えば射出成形機）に動力供給するための油圧駆動回路２０を含んでいる従来の油圧システム１８を示す。マシン１９は、油圧駆動回路２０により動力供給されるアクチュエータ２２ａ，２２ｂ，２２ｃを含む。油圧駆動回路２０は、定速電気モータ２６によって駆動される定容量形ポンプ２４を含む。ポンプ２４は注入口２８と出口３０を含む。注入口２８はリザーバ３２（つまりタンク）に接続されており、かつ、出口３０は安全バルブ３４及び流量調節バルブ３６に接続されている。安全バルブ３４は、必要以上の流量をリザーバ３２に通すことによって、ポンプ出口の圧力（つまり油圧システムの圧力）を制御する。流量調節バルブ３６は、アクチュエータ（２２ａ，２２ｂ，２２ｃ）に提供される油圧流体の流量を制御する。バルブ３８ａ，３８ｂ，３８ｃは、アクチュエータ２２ａ，２２ｂ，２２ｃをマシンの作業サイクルにおける個々のフェーズにおいて選択的に駆動／非駆動化するために用いられる。このシステムの動作中、油圧システムの圧力は、負荷圧力を追従するように安全バルブ３４によって制御される。油圧システムの圧力は、流体が流量調節バルブ３６を通り越すことによる圧力損失に一様に対応するための圧力マージンにより、概して、負荷圧力を超える。
【０００５】
図２は、システムの圧力プロファイル４２と油圧システム１８に対する負荷の圧力プロファイル４４を描写している。システムの圧力プロファイル４２は、作業サイクルの期間を通してのポンプ出口の油圧を示している。負荷の圧力プロファイル４４は、作業サイクルの期間を通して負荷によって必要とされている油圧需要を示している。図２に示されているように、システムの圧力プロファイル４２、及び、負荷の圧力プロファイル４４は、作業サイクルの期間全体を通して互いに追従し合う。システムの圧力プロファイル４２、及び、負荷の圧力プロファイル４４は、流体が流量調節バルブ３６を通り越すことによる圧力損失に対応するためにマージン４６だけ離れている。システムの圧力は、作業サイクルの期間中において常に負荷圧力よりも高い。
【０００６】
図３は、システムの流量プロファイル４８と油圧システム１８に対する流量要求プロファイル５０を描写している。システムの流量プロファイル４８は、作業サイクルの期間を通してのポンプ２４からの油圧流体出力を示している。流量要求プロファイル５０は、作業サイクルの期間を通して負荷によって必要とされる流量を示している。ポンプ２４が定速電気モータによって駆動される定容量形ポンプであるため、システムの流量プロファイル４８は水平であり、作業サイクルの継続期間を通してのポンプ２４による一定流量出力を示している。電気モータ２６及びポンプ２４は、ピークの流量供給とピークの流量需要が合うようにサイズ調整される必要がある。故に、ポンプ２４からの流量出力のかなり多くの部分は、作業サイクル全体の過程にわたって全く有効な仕事をしないで安全バルブ３４を経由してリザーバ３２へ通される。ピークの流量供給が全体の作業サイクルのごく一部を占める場合、かなり多くの量のエネルギは使用されない。
【０００７】
図４は、反復する作業サイクルを有する産業機械を駆動するために従来のもう一つのタイプの油圧駆動回路１２０を使用する油圧システム１１８を説明している。油圧駆動回路１２０は、油圧アキュムレータ６０及び一方向逆止バルブ６２の追加を除いて、図１の油圧駆動回路２０と同様の基本構造を有する。油圧アキュムレータ６０は、ポンプ２４と流量調節バルブ３６との間に接続されている。一方向逆止バルブ６２は、アキュムレータ６０とポンプ２４との間に設置されている。一方向逆止バルブ６２は、アキュムレータ６０からポンプ２４への逆流を防止する。ポンプ２４の出口側においてアキュムレータ６０を組み込むことは、圧力リップルを取り除き、かつ、ポンプ２４が小型化されることを許容する。アキュムレータ６０を含むため、ポンプ２４は、作業サイクルにわたり負荷に必要とされる平均流量を供給するようにサイズ調整すればよい。
【０００８】
図５は、油圧システム１１８の作業サイクルに対する負荷の圧力プロファイル６４、アキュムレータの圧力プロファイル６６、及び、システムの圧力プロファイル６８を描写している。図５に示されているように、ポンプの圧力（つまりシステムの圧力）は、作業サイクルの期間全体を通してアキュムレータの圧力より上に維持される。さらに、アキュムレータとポンプの圧力は、作業サイクルの期間全体を通して互いに追従し合う。
【０００９】
図６を参照すると、ポンプの流量プロファイル７０、アキュムレータの流量プロファイル７２、負荷の流量プロファイル７４、及び、全体の流量プロファイル７６が油圧システム１１８の作業サイクルに対して描写されている。全体の流量プロファイル７６は、ポンプ２４と油圧アキュムレータ６０の併用によって供給される全体の流量を描写している。ポンプ２４が定速電気モータによって駆動される定容量形ポンプであるため、ポンプ２４からの流量は一定であり、それにより、ポンプの流量プロファイル７０を水平にさせる。全体の流量プロファイル７６と負荷の流量プロファイル７４は互いに追従し合う。負荷の流量要求がポンプ流量より少ない場合、ポンプ２４からの余分流量は、アキュムレータ６０をチャージするために用いられる。その一方、負荷の流量要求がポンプ流量より大きい場合、油圧流体は、アキュムレータ６０とポンプ２４の複合流量が負荷の流量要求を満たすようにアキュムレータ６０から開放される。
【００１０】
図６に示されているように、作業サイクルは、チャージ相と開放相を交互に切り換ることで区分けされる。例えば、作業サイクルは、４つのチャージ相（Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，及びＣ４）と４つの開放相（Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，及びＤ４）を有する。システムの圧力は、作業サイクルを通してアキュムレータの圧力より高く維持される。さらに、アキュムレータが比例バルブの上流側に位置されているため、アキュムレータからの流量は、負荷に到達させるために比例バルブを通過しなければならない。負荷の圧力要求がシステムやアキュムレータの圧力供給より実質的に低い条件下で、大きなスロットルロスが、流体調節バルブ３６において発生する。
【発明の概要】
【００１１】
本発明の開示における一つの様態は、反復的な工業行程に対応する負荷を駆動するために用いられる駆動回路のパフォーマンスの効率を改善するために適応される油圧回路構成に関するものである。
本発明の開示におけるもう一つの様態は、スロットルロスを減らすために適応される油圧回路構成に関するものである。いくつかの実施形態において、本発明における開示の様態は、反復する作業サイクルを有するマシンまたはシステムの部品を駆動するために用いられる油圧回路において用いられる。
本発明の開示におけるさらにもう一つの様態は、負荷を動作させるために油圧ポンプを有する駆動回路において使用するための油圧回路構成に関するものである。この油圧回路構成は、油圧ポンプから負荷へ供給される油圧流体の流量を制御するための流量調節バルブを含む。この油圧回路構成は、さらに、流量調節バルブに並列に配置された油圧流体アキュムレータを含む。
様々な追加の様態が以下の記述において説明される。これらの様態は、個別的な特徴及び特徴の組み合わせに関するものである。当然のことながら、前述の一般的な説明及び後述の詳細な説明は、例示的なものであり、説明のためだけのものであり、かつ、ここで開示されているこれらの様態が基になった上位概念に制限されない。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、産業機械の部品を駆動する油圧駆動回路を含む従来の油圧システムを示している回路図である。
【図２】図２は、図１のシステムの一つの作業サイクルに対する油圧プロファイルを示しているグラフである。
【図３】図３は、図１のシステムの一つの作業サイクルに対する流量プロファイルを示しているグラフである。
【図４】図４は、産業機械の部品を駆動する油圧駆動回路を含むもう一つの従来の油圧システムを示している回路図である。
【図５】図５は、図４のシステムの一つの作業サイクルに対する油圧プロファイルを示しているグラフである。
【図６】図６は、図４のシステムの一つの作業サイクルに対する油圧流量プロファイルを示しているグラフである。
【図７】図７は、本発明における開示の原理に従った油圧システムの回路図であり、この油圧システムは、反復する作業サイクルを有するマシンの油圧部品を駆動するための油圧駆動回路を含む。
【図８】図８は、図７のシステムの一つの作業サイクルに対する油圧プロファイルを示しているグラフである。
【図９】図９は、図７のシステムの作業サイクルのうちの一つの作業サイクルに対する流量プロファイルを示しているグラフである。
【図１０】図１０は、本発明における開示の原理に従ったもう一つの油圧システムの回路図であり、この油圧システムは、反復する作業サイクルを有するマシンの油圧部品を駆動するための油圧駆動回路を含む。
【図１１】図１１は、図１０のシステムの一つの作業サイクルに対する油圧プロファイルを示しているグラフである。
【図１２】図１２は、図１０のシステムの作業サイクルのうちの一つの作業サイクルに対する流量プロファイルを示しているグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図７は、本発明において開示される原理に従った油圧システム３００を示す。この油圧システム３００は、油圧駆動式のマシン３０３（例えば射出成形機）の部品に相当する負荷３０４を駆動するために構成される油圧駆動回路３０２を含む。ここで描かれている実施形態において、負荷３０４は、油圧駆動のマシン３０３の部品を駆動する複数の油圧アクチュエータ３０６ａ，３０６ｂ，及び３０６ｃに相当する。ここで描かれている実施形態において、油圧アクチュエータ３０６ａは、クランプに動力供給する油圧シリンダであり、油圧アクチュエータ３０６ｂは、オーガをボア内で軸方向に前後に移動させるための油圧シリンダであり、かつ、油圧アクチュエータ３０６ｃは、オーガをボア内で回転させるための油圧モータである。マシン３０３が射出成形機として描かれている一方で、当然のことながら、本発明において開示される様態は、油圧駆動マシンの如何なるタイプにおいても適用することができる。特に、本発明において開示される様態は、作業サイクルにわたってマシンが要求する負荷の油圧及び油圧流量が所定のプロファイルに従って変化する反復作業サイクルを有する油圧マシンに適している。
【００１４】
油圧システム３００は、さらに、一つの制御方法の下で油圧流体流量を駆動回路３０２からマシン３０３の部品へ分配するためのバルブ配置３０７を含む。例えば、バルブ配置３０７は、作業サイクルの過程にわたり部品が反復的な工業行程の動作を実行することを有効にも無効にもする。描写された実施形態において、バルブ配置３０７は、３位置２方向制御バルブ３０８，３１０、及び、２位置バルブ３１２を含む。油圧アクチュエータ３０６ａ，３０６ｂへの流量は、バルブ３０８，３１０によって各々制御される。バルブ３１２は、アクチュエータ３０６ｃへの流体連通を開閉するために用いられる。バルブ３０８，３１０，３１２は、作業サイクルの過程にわたってアクチュエータ３０６ａ，３０６ｂ，３０６ｃを選択的に有効にも無効にもするバルブ配置として機能する。このように、負荷の流量及び圧力の要求は、油圧アクチュエータ３０６ａ，３０６ｂ，３０６ｃが作業サイクルの期間中に一定時間内で有効にされるか、または、無効にされるかによって、作業サイクルの過程にわたって変化する。
【００１５】
様々な詳述がマシン３０３やバルブ配置３０７について与えられているが、当然のことながらこの詳述は、本発明における開示の様態が適用される典型的な環境を単に提供するために記述されている。当然のことながら本発明における開示の様々な様態
は、他のタイプの油圧アクチュエータ、異なる駆動構成のアクチュエータ、及び、このようなアクチュエータを有効にかつ無効にするために用いられる異なるタイプのバルブ構成を有するマシン／負荷を駆動するために用いることができる。
【００１６】
油圧駆動回路３０２は、動力生成と動力消費が効率的に釣り合うことを可能にする構造を有し、それによって、スロットルパワーロスを減らす。図７を参照すると、油圧システム３００の油圧駆動回路３０２は、油圧流体を、作業流路３１６を経由して負荷３０４へ供給する油圧ポンプ３１４を有する回路構成を含む。流量調節バルブ３１８は、油圧ポンプ３１４から負荷３０４へ供給される油圧流体流量を制御するために作業流路３１６に沿って提供される。この油圧回路構造は、さらに、作業流路３１６に流体接続され、かつ、流量調節バルブ３１８に対して並列に位置されるアキュムレータ３２０を含む。アキュムレータ３２０の並列構造は、負荷３０４の与えられた作業サイクルの過程にわたり油圧駆動回路３０２の全体のエネルギ効率を向上させるのに役立つ。ある実施形態において、圧力安全バルブ３２２は、ポンプ３１４の出口の圧力（例えばシステムの圧力）を制御するために提供される。
【００１７】
一つの実施形態において、ポンプ３１４は定速電気モータ３２４によって駆動される定容量形ポンプである。この実施形態において、ポンプ３１４は、作業サイクル全体を通して油圧流体を一定量で出力する。ポンプ３１４は、リザーバ３２８に流体連通した入口３２６、及び、作業流路３１６に流体連通した出口３３０を含む。負荷３０４の流量要求を超えたポンプ３１４からの流量出力は、圧力安全バルブ３２２を経由してリザーバ３２８に放出されるか、アキュムレータ３２０をチャージするために用いられるかのどちらかである。
【００１８】
しかしながら他の実施形態において、ポンプ３１４は、変速電気モータによって駆動される（例えば可変周波数駆動）定容量形ポンプを含むことができる。さらなる他の実施形態において、ポンプ３１４は、可変容量形ポンプを含むことができる。例えば、可変ポンプ装置及びアキュムレータを有する駆動回路の一つの例の開示は、米国同時係属出願、タイトル“工業工程に対するハイブリッド油圧システム”において見られ、この発明は、２０１０年１０月１５日に出願された米国仮出願第６１／３９３，５５６号、タイトル“高効率な工業工程に対するハイブリッド油圧システム”に対する優先権を主張し、この双方の開示内容は参照として本明細書に組み込む。
【００１９】
ある実施形態において、圧力安全バルブ３２２は、ソレノイド駆動される比例安全バルブである。圧力安全バルブ３２２は入口３３２と出口３３４を含む。入口３３２は作業流路３１６に流体連通し、かつ、出口３３４はリザーバ３２８に流体連通している。例えば、流路３３５は、ポンプ３１４の出口３３０と流体調節バルブ３１８との間の位置において入口３３２を流路３１６に流体接続する。さらに、流路３３７は、圧力安全バルブ３２２の出口３３４をリザーバ３２８に流体接続する。圧力安全バルブ３２２は、ポンプ３１４からの出力圧力が圧力安全バルブ３２２によって設定された閾値を超えることを阻止する。電子制御装置（例えば以下に記載されている電子制御装置４５０）は、マシン３０３の作業サイクルの過程にわたり圧力安全バルブ３２２の閾値を調整するために用いられる。
【００２０】
一つの実施形態において、流量調節バルブ３１８は、ソレノイドによって駆動されるスプールを含んでいる比例バルブを含むことができる。流量調節バルブ３１８は入口３３８と出口３４０を含むことができる。流量調節バルブ３１８は圧力安全バルブ３２２の下流に位置されており、かつ、作業流路３１６は流量調節バルブ３１８を通過する。電子制御装置（例えば以下に記載されている電子制御装置４５０）は、バルブ３１８を通過する流量が負荷の流量要求からアキュムレータ３２０の開放流量を引いたものにつり合うように、流量調節バルブ３１８を制御するために用いられる。アキュムレータ３２０が開放していない場合、バルブ３１８は、バルブ３１８を通過している流量が負荷の流量要求につり合うように制御される。
【００２１】
ある実施形態において、アキュムレータ３２０は、作業流路３１６に流体連通しているアキュムレータサブシステム３５０の一部である。アキュムレータサブシステム３５０は、油圧流体をアキュムレータ３２０内にチャージするためのチャージライン３５２、及び、油圧流体をアキュムレータ３２０から開放するための開放ライン３５４を含む。チャージライン３５２は、流量調節バルブ３１８の上流位置における作業流路３１６に接続され、かつ、開放ライン３５４は、流量調節バルブ３１８の下流位置における作業流路３１６に接続されている。
【００２２】
アキュムレータサブシステム３５０は、さらに、このサブシステム３５０を通る油圧流体流量を制御するための様々なバルブ要素（例えばバルブ装置）を含む。例えば、アキュムレータサブシステム３５０は、チャージライン３５２を選択的に開閉するためのチャージラインバルブ３５６を含む。アキュムレータサブシステム３５０は、さらに、油圧流体が作業流路３１６からアキュムレータ３２０へチャージライン３５２を通って流れることを許容するチャージライン一方向逆止バルブ３５８を含み、油圧流体がアキュムレータ３２０から作業流路３１６へチャージライン３５２を通って流れることを阻止する。アキュムレータサブシステム３５０は、さらに、開放ラインバルブ３６０及び開放ライン一方向逆止バルブ３６２を含む。開放ライン一方向逆止バルブ３６２は、油圧流体流量がアキュムレータ３２０から作業流路３１６へ開放ライン３５４を通って流れることを許容するように構成されており、油圧流体が作業流路３１６からアキュムレータ３２０へ開放ライン３５４を通って流れることを阻止する。アキュムレータサブシステム３５０は、さらに、アキュムレータ３２０のチャージ量を制御するため、かつ、アキュムレータ３２０の開放量を制御するためにアキュムレータ流量調節バルブ３６４を含む。
【００２３】
ある実施形態において、チャージラインバルブ３５６及び開放ラインバルブ３６０は、開放位置と閉鎖位置を各々含んでいる２位置バルブである。これらのバルブはソレノイド駆動のスプールを含むことができる。さらに、ある実施形態において、アキュムレータ流量調節バルブ３６４は、比例バルブまたは可変オリフィスである。このようなバルブは、位置がソレノイドによって制御されるスプールを含むことができる。他の実施形態において、バルブ３５６，３６０は、流量をつり合わせるための可変オリフィスの口径サイズを有する開放位置と閉鎖位置を各々有する２位置比例流量バルブであることができる。このタイプの構成は、バルブ３５６，３６０が流量配分機能を提供するため、アキュムレータ流量調節バルブ３６４の必要性を取り除くだろう。
【００２４】
図７を参照すると、流量調節バルブ３１８は、作業流路３１６の一部分を定めているバルブハウジング４００内に位置している。バルブハウジング４００は、ポンプ３１４の出口３３０に流体接続する入口ポート４０２、及び、負荷３０４に流体接続する出口ポート４０４を含むことができる。さらに、ハウジング４００は、アキュムレータチャージポート４０６、及び、アキュムレータ開放ポート４０８を含むことができる。
アキュムレータサブシステム３５０は、アキュムレータハウジング４２０内に備えられている。アキュムレータハウジング４２０は、バルブハウジング４００のアキュムレータチャージポート４０６と接続するアキュムレータチャージポート４２２、及び、バルブハウジング４００のアキュムレータ開放ポート４０８と接続するアキュムレータ開放ポート４２４を定めることができる。
【００２５】
油圧システム３００は、さらに、流量調節バルブ３１８、アキュムレータサブアセンブリ３５０、圧力安全バルブ３２２、方向制御バルブ３０８、方向制御バルブ３１０、及び２位置バルブ３１２の動作を調整するための電子制御装置４５０を含むことができる。上記に示したバルブの各々は、ソレノイドによって駆動されるスプールまたは他の構成を含むことができる。電子制御装置４５０は、各スプールの位置を監視することができ、かつ、バルブを、マシンの作業サイクルにおける特定の段階／相に対応する適切な位置へ移動させるために、ソレノイドを選択的に励磁または非励磁化することができる。様々なセンサが油圧システム３００の至る所に提供されている。これらのセンサは電子制御装置４５０とインターフェースを取ることができる。実施例となるセンサは、アキュムレータ圧力センサ４５２、チャージポート圧力センサ４５４、開放ポート圧力センサ４５６、及び、これらバルブに各々相当する様々なスプールの位置センサを含む。電子制御装置４５０は、さらに、アキュムレータ流量調節バルブ３６４の位置、及び、チャージラインバルブ３５６と開放ラインバルブ３６０の位置を監視し制御する。電子制御装置４５０は、最小限のエネルギを用いることによって、必要とされる負荷の流量と圧力を達成するために油圧システム３００の動作を制御するようにプログラムされている。
【００２６】
この油圧システム３００を設計するために、マシン３０３の作業サイクル間の流量と圧力の要求プロファイルが決定される。アキュムレータ及びポンプの流量と圧力のプロファイルは、流量と圧力の要求プロファイルを満たすように設計され、ポンプとアキュムレータはそれに応じてサイズ調整されている。流量と圧力のプロファイルは、負荷が作業サイクルにわたってマシンの流量と圧力の要求プロファイルと一致する流量と圧力で提供され、電子制御装置４５０が駆動回路を動作させるためにこのアキュムレータ及びポンプの流量と圧力のプロファイルを用いるように、メモリ内に保存され、電子制御装置４５０によってアクセスされる。
【００２７】
図８は、図７のマシンの一つの作業サイクル間の圧力プロファイルを示しているグラフである。圧力プロファイルの線は、ポンプ圧力線４７０、負荷圧力線４７２、及び、アキュムレータ圧力線４７４を含む。ポンプ圧力及びアキュムレータ圧力は、作業サイクル全体を通して負荷圧力より双方とも高い。アキュムレータサブシステム３５０の構成は、システムの圧力が作業サイクル間の所定の相におけるアキュムレータの圧力より低い圧力で設定されることを許容する。これは、システムの圧力が動作効率を高める（例えばスロットルロスを減らすことにより）ために負荷の圧力により密接につり合うことを許容する。
【００２８】
図９は、図７のマシンに対する流量プロファイルを示しているグラフである。この流量プロファイルは、負荷の要求流量４８０、全体流量４８２、ポンプ流量４８４、及びアキュムレータ流量４８６を含む。全体流量４８２は、ポンプ流量４８４とアキュムレータ流量４８６の合計である。図９に示されているように、ポンプ流量４８４は、マシンの作業サイクルの継続期間を通して一定の流量を有する。さらに、全体流量は負荷流量につり合い、かつ、アキュムレータ流量は負荷流量に追従／並行する。
【００２９】
負荷の流量要求がポンプの流量より少ない場合、電子制御装置４５０は、アキュムレータ３２０をチャージするために、チャージライン３５２を開放し、かつ、開放ライン３５４を閉鎖する。従って、このシステムはチャージモードまたはチャージ相において動作する。このチャージ相において、電子制御装置４５０は、システムの圧力をアキュムレータの圧力要求か負荷圧力のどちらか圧力が高いほうに圧力マージンを加えて設定する。チャージの間、電子制御装置４５０は、アキュムレータ３２０が所望のチャージ流量に達するようにアキュムレータ流量調節バルブ３６４を制御する。
【００３０】
負荷の流量要求がポンプの流量より大きい場合、電子制御装置４５０は、ポンプとアキュムレータが負荷の流量要求を満たすために協働するように、チャージライン３５２を閉鎖し、かつ、開放ライン３５４を開放する。従って、このシステムは開放モードまたは開放相において動作する。この開放相において、アキュムレータが単独で負荷の流量要求を満たすことができない場合、電子制御装置４５０は、システムの圧力を負荷圧力に圧力マージンを加えた圧力に設定する。あるいは、アキュムレータが単独で負荷の流量要求を満たすことができる場合、システムの圧力は最小の圧力に設定される。アキュムレータが流体を開放する間、電子制御装置４５０は、アキュムレータ３２０が所望の開放流量に達するようにアキュムレータ流量調節バルブ３６４を制御する。
図８及び図９に示されているように、油圧システム３００は、一つの作業サイクルの過程にわたって４つのチャージ相（Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，及びＣ４）と４つの開放相（Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，及びＤ４）を有する。電子制御装置４５０は、各作業サイクルの間に図８及び図９の圧力と流量のプロファイルを実現するようにシステムの様々なバルブを制御する。
【００３１】
油圧アキュムレータは、アキュムレータ圧力が負荷の圧力に正確かつ密接につり合うようにサイズ調整されている場合、最も効率的に動作する。これは、アキュムレータが広範囲に及ぶ圧力を含む作業サイクルを有する負荷を駆動するために用いられている場合に困難を示す。特に、負荷圧力が飛躍的に変化する工業行程において、アキュムレータ圧力と負荷圧力との間の不つり合いな組み合わせは、著しいスロットルロスを引き起こしうる。この難問に対処するために、本発明において開示される他の様態は、油圧駆動回路の全体の動作効率を改善するためにアキュムレータ配列（つまり複数のアキュムレータ）を用いることに関する。この配列の各々のアキュムレータは、異なる作業圧力範囲で動作するように構成されているかまたは設計されている。
例えば、一つのアキュムレータは高圧力の範囲において動作するが、一方で、もう一つのアキュムレータは低圧力の範囲において動作する。所定の作業サイクルの過程の間、高圧力及び低圧力のアキュムレータは、負荷の圧力につり合うように選択的に駆動されかつ非駆動化される。例えば、負荷が低圧力を必要とする作業サイクルの相にある場合、低圧力のアキュムレータは駆動され、かつ、高圧力のアキュムレータは非駆動化される。その一方、負荷が高圧力を必要とする作業サイクルの相にある場合、高圧力のアキュムレータは駆動され、かつ、低圧力のアキュムレータは非駆動化される。当然のことながら、この配列における２つより多いアキュムレータを用いることによって、油圧駆動回路は、作業サイクルにおいて異なる一定期間／相に対応する負荷圧力につり合うようにより細かく調整することができる。
【００３２】
図１０は、本発明における開示の原理に従ったもう一つの油圧システム５００を示す。油圧システム５００は、単一のアキュムレータと同等であると見なされるようなアキュムレータ配列を含むように図７の油圧システム３００の並列アキュムレータ構造を変更する。油圧システム５００の基本的構成要素は、図７の油圧システムに関して記述されているのと同様であり、それ故に、同様の参照番号が割り当てられている。この設計は、流量調節バルブ３１８に対して双方が並列に配置される第１及び第２アキュムレータサブシステム３５０ａ，３５０ｂを含むように変更されている。アキュムレータサブシステム３５０ａ，３５０ｂはサブシステム３５０と同様の構成を有する。しかしながら、アキュムレータサブシステム３５０ａは、アキュムレータサブシステム３５０ｂのアキュムレータ３２０ｂとは異なる圧力範囲で動作するアキュムレータ３２０ａを有する。一つの実施形態において、アキュムレータ３２０ａは、アキュムレータ３２０ｂのアキュムレータ動作範囲より高いアキュムレータ圧力動作範囲を有する。一つの実施形態において、アキュムレータ３２０ａは高圧力のアキュムレータであり、かつ、アキュムレータ３２０ｂは低圧力のアキュムレータである。
【００３３】
電子制御装置及び様々なセンサは図１０において示されていない。しかしながら、当然のことながら、この電子制御装置は、作業サイクルにわたって負荷の流量及び圧力の要求につり合うように所定の圧力及び流量のプロファイルに従って様々な構成要素を制御するために上述のように用いられる。これらの構成要素は、所定の流量及び圧力のプロファイルによって定められた所定のタイミング及びシークエンシングに基づいて制御される（例えば選択的に駆動及び非駆動化される）か、または、感知された圧力や流量データに基づいてリアルタイム基準で制御される。
【００３４】
このシステムの動作において、電子制御装置は、アキュムレータ３２０ａ，３２０ｂのチャージ及び開放を制御する。望ましくは、アキュムレータ３２０ａ，３２０ｂの一つがチャージしているかまたは開放しているときに、アキュムレータの他方は動作していない。例えば、要求流量がポンプ流量より高く、かつ、負荷圧力が比較的高い作業サイクルの相の期間に、高圧力のアキュムレータ３２０ａは、ポンプが負荷によって要求される流量を満たすのを補助するために開放される。高圧力のアキュムレータ３２０ａが開放している間、低圧力のアキュムレータ３２０ｂは動作していない。要求流量がポンプ流量より高く、かつ、負荷圧力が比較的低い作業サイクルの相の期間に、低圧力のアキュムレータ３２０ｂは、ポンプが負荷によって要求される流量を満たすのを補助するために開放される。低圧力のアキュムレータ３２０ｂが開放している間、高圧力のアキュムレータ３２０ａは動作していない。アキュムレータ３２０ａ，３２０ｂは、負荷の流量要求がポンプ／システム流量より低い作業サイクルの相の期間に、チャージされる。
【００３５】
図１１は、作業サイクルの実施例にわたって図１０の油圧システムの圧力プロファイル線を示しているグラフである。油圧システム５００の駆動回路に相当するアキュムレータとポンプの圧力プロファイル線は、実施例の負荷の圧力要求プロファイル線５０２につり合うように編成されている。アキュムレータとポンプのプロファイル線は、アキュムレータ３２０ａに相当するアキュムレータの圧力プロファイル線５０４、アキュムレータ３２０ｂに相当するアキュムレータの圧力プロファイル線５０６、及び、ポンプ３１４によって生成されるシステムの圧力に相当するポンプの圧力プロファイル線５０８を含む。
【００３６】
図１２は、例となる作業サイクルにわたる図１０の油圧システム５００の流量プロファイル線を示しているグラフである。油圧システム５００の駆動システムに相当するアキュムレータとポンプの流量プロファイル線は、例となる負荷の流量要求プロファイル線５１０につり合うように編成されている。油圧システム５００の油圧駆動の流量プロファイル線は、アキュムレータ３２０ａに相当するアキュムレータの流量プロファイル５１２、アキュムレータ３２０ｂに相当するアキュムレータの流量プロファイル５１４、及び、ポンプ３１４に相当するポンプの流量プロファイル５１６を含む。図１２は、さらに、作業サイクルの継続期間にわたってポンプ３１４とアキュムレータ３２０ａ，３２０ｂによって供給される複合流量を示す全体流量が、負荷の流量プロファイルを密接に追従し、かつ、負荷の流量プロファイルと同一のプロファイル線として示されていることを示す。実際には、全体流量は負荷流量よりも少し多い。
【００３７】
図１１及び図１２を参照すると、作業サイクルの過程にわたって油圧システム５００は、少なくともＣ１―Ｃ４のチャージ相と少なくともＤ１−Ｄ４の開放相を有する。低圧力のアキュムレータ３２０ｂは、相Ｃ１においてチャージされ、かつ、相Ｄ１において開放される。高圧力のアキュムレータ３２０ａも、前述のチャージ相においてチャージされ、かつ、開放相において開放される。チャージ相Ｃ１及び開放相Ｄ１において、負荷によって要求される圧力は比較的低い。これらの相において低圧力のアキュムレータ３２０ｂを用いることによって、負荷の圧力要求により密接につり合うようにポンプ３１４の動作圧力を大きく下げることが可能である（領域５１５参照）。これはスロットルロスの軽減に関する省エネルギを提供する。アキュムレータの並列配置は、システムの圧力が負荷の圧力要求により密接につり合うことを許容するので、省エネルギは、さらに、各々の開放相において提供される（領域５１７参照）。図１２において、ボックス５２０は、高圧力のアキュムレータ３２０ａが動作しており、かつ、低圧力のアキュムレータ３２０ｂが動作していない作業サイクルの部分を表示している。さらに、ボックス５２２は、低圧力のアキュムレータ３２０ｂが動作しており、かつ、高圧力のアキュムレータ３２０ａが動作していない作業サイクルの部分を表示している。
【００３８】
図１０の油圧システム５００を設計するために、マシン３０３の作業サイクルにおいて必要とされる力及び速度が取得される。次に、必要とされる圧力と速度は、作業サイクル間の圧力及び流量要求のプロファイルに変換される（例えばプロファイル線５０２及び５１０）。流量プロファイルと最小のポンプ流量に基づいて、配置されたアキュムレータにおけるアキュムレータのチャージ相と開放相が設定される。一旦チャージ相と開放相が設定されると、作業サイクル間の圧力要求プロファイルは、アキュムレータの動作圧力範囲が２つの相における負荷圧力要求にどれだけ密接につり合うかに基づいて、適切なチャージ相と開放相を適切なアキュムレータに割り当てるために用いられ、評価される。各アキュムレータの実際のチャージ流量及び開放流量は、作業サイクルの終端において供給されるアキュムレータのチャージ状態がそのアキュムレータの初期チャージ状態と同一であるように編成されている。さらに、作業サイクルにわたるシステムの流量は、ポンプ流量とアキュムレータ流量の合計が常に負荷流量より多いように算定される。システムを設計することにおいて、任意の作業サイクルからその次の作業サイクルへの時間的ギャップがあることが好適に想定されている。この時間的ギャップは、必要に応じてアキュムレータをチャージまたは開放することに利用される。この時間的ギャップがこの２つの作業サイクル間にない場合、各相における流量は調整されるため、ポンプ流量の必要性は増大するであろう。
【００３９】
一旦全体を通した流量計画及び流量と圧力のプロファイルが設定されると、アキュムレータのサイズと圧力範囲が決定される。さらに、アキュムレータに必要なプリチャージ値が計算される。好適には、開放間に、アキュムレータ圧力は負荷圧力より高くあるべきである。ポンプ及び電気モータは、決定された流量と圧力のプロファイルに基づいてサイズ調整／構成されている。
【００４０】
アキュムレータの一つがチャージモードの場合、システムは、アキュムレータ圧力より高い圧力、または、負荷圧力に圧力マージンを加えたものに設定され、アキュムレータへのチャージラインは開放され、かつ、流量調節バルブ３１８は流量要求に見合うように制御される。このチャージモードにおいて、流量調整バルブ３１８は、バルブ３１８を通過する流量が、チャージラインとアキュムレータ流量調節バルブ３６４を通ってアキュムレータに向かっている流量を考慮に入れた負荷の流量要求に等しくなるように制御される。アキュムレータの一つが開放モードの場合、システムは、負荷圧力に圧力マージンを加えたものに設定され、流量調節バルブ３１８は全開され、かつ、アキュムレータ流量調節バルブ３６４は、バルブ３１８への流量と組み合わされた開放流量が負荷流量要求に等しくなるように制御される。
【００４１】
当然のことながら、ここで示されている様々なグラフとデータは、コンピュータシミュレーションの産物であり、実験データではない。この情報は、本発明において開示される原理に従っていくらかの一般概念とシステムの動作モードを示すために提供されるが、明確な実験データとして信頼されることを意図していない。
【００４２】
本発明における様々な修正及び変更は、本発明の精神と範囲から離れることなしに当業者に明らかになるであろうし、当然のことながら、本発明の範囲はここに示した例示的な実施形態に過度に限定されない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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