JPH06137301A - アキュムレータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】この発明の主要な目的は、封入ガスがガス体積
調整液に溶け込むことによる不具合を極力低減させ、か
つ、気室内にガス体積調整液を容易に供給することがで
きるようにすることにある。 【構成】圧力容器１５の内部に仕切部材２０が収容され
ている。仕切部材２０は金属製ダイヤフラムベローズ２
１を備えており、圧力容器１５の内部を気室３０と油室
４５とに仕切っている。金属ベローズ２１の内部にガス
体積調整液３５と調整部材３６が収容されている。調整
部材３６には軸線方向に貫通する縦孔４０が設けられて
いる。この縦孔４０は、ガス体積調整液３５を気室３０
に注入する際に使用されるものであり、圧力容器１５に
設けられた注入口３１と気室３０とに通じている。調整
部材３６の注入口３１側の端部４１に、縦孔４０と直交
する方向の横孔４２が設けられている。この横孔４２
は、注入口３１と気室３０に通じている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、各種油圧機器等のよう
な油圧を利用する設備において、圧力を蓄えたり油圧の
脈動を吸収する用途などに好適なアキュムレータに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来の油圧回路において、油圧ポンプ等
の駆動によって発生する油圧脈動を吸収する手段とし
て、図５に示されるようなアキュムレータ100 が使われ
ることがある。このアキュムレータ100 は、外筒部材10
1 などを備えた圧力容器102 の内部に、油室103 と、圧
縮ガスが封入される気室104 と、これら両室103,104 を
仕切る仕切部材105 などを備えている。仕切部材105
は、ベローズ106 とベローズキャップ107 などからな
る。ベローズ106 は、図６に示されるような断面Ｕ字形
のひだ壁108 を有する金属製の成形ベローズ（以下、Ｕ
字形ベローズと称する）である。また、アキュムレータ
100 に高い圧力が作用した場合にべローズ106 が密着長
以下に押し潰されることを防ぐ目的で、気室104 にガス
体積調整液110 が収容されている。アキュムレータ100
の諸元の一例は下記の通りである。なお、ガス体積調整
液には、通常、鉱物油系が用いられている。封入される
ガスの例は窒素である。

【０００３】

【表１】

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、金属
ベローズを用いたアキュムレータにおいて、気室の内部
に所定圧力のガスと所定量のガス体積調整液が収容され
る場合、ガスの一部がガス体積調整液に溶け込むことに
よって、以下に述べるような問題を生じる。

【０００５】ガス体積調整液に溶け込むガスの量は圧力
によって変化するが、その溶解量はガス体積調整液に対
する体積換算として示すことができる。例えば、ある種
の油では、２０℃の時に油の体積の７．６％が窒素ガス
の溶け込む体積として示される。この場合、前記アキュ
ムレータ諸元（表１）に示されるようにガス体積調整液
の量が３８．６cm³ であれば、２．９cm³ が窒素ガスの
溶け込む量となる。

【０００６】前記表１は、定常状態でのアキュムレータ
諸元を示している。この場合、見かけ上、気体として存
在する窒素ガスは１０．４cm³ であるが、実際にはガス
体積調整液に２．９cm³ の窒素ガスが溶解しているか
ら、気室に封入されているガスの総量は１３．３cm³ で
ある。従ってこの場合、窒素ガスを封入する際の圧力は
０．５kgｆ／cm² では足りず、ガスの溶解分を考慮して
０．９３kgｆ／cm² でガスを封入する必要がある。この
圧力で封入された窒素ガスは、時間の経過に伴ってガス
体積調整液に溶解してゆき、最終的に０．５kgｆ／cm²
で定常となり、これ以上の圧力変化はない。これが「定
常状態」の意味である。

【０００７】アキュムレータが作動する時にも上記と同
様の現象が生じる。すなわち、アキュムレータ内の油室
に導入された油の圧力によって気室が更に圧縮される場
合、封入ガスの作用が熱力学的に断熱変化であれば、ガ
ス体積調整液への封入ガスの溶解量は実質的に変化しな
いと考えてよい。ところが熱力学的に等温変化として考
えられるような長時間にわたる圧力変化の場合には、ガ
スの溶解量は圧力に応じて変化する。

【０００８】例えば、前記表１に示されたアキュムレー
タに１０．０kgｆ／cm² の圧力が付加された場合を考え
てみる。この場合、断熱変化で上記圧力が急激に付加さ
れれば、ガスの溶解量に変化がないため、気体として存
在する見かけの窒素ガス体積は、ポリトロープ指数を
１．４として、２．５４cm³ となる。しかしこの圧力が
長時間保持された場合には、断熱変化により上昇したガ
ス温度が周囲の温度まで低下するとともに、ガス体積調
整液へのガス溶解が更に進行するため、気体で存在する
見かけのガス体積は減少してゆく。

【０００９】前記の例では、定常状態で１３．３cm³ の
ガスが、気室に０．５kgｆ／cm² の圧力で封入されてい
たが、圧力が１０．０kgｆ／cm² に上昇した場合には、
ガスの体積は充分時間が経過した後に１．８５cm³ とな
る。一方、３８．６cm³ のガス体積調整液に溶解するこ
とのできる窒素ガスの量は前記の通り２．９cm³ であ
る。従ってこの場合には、窒素ガスの全てがガス体積調
整液に溶解してしまい、気体として存在する窒素ガスが
消滅する。このため、アキュムレータとしての機能を喪
失する。

【００１０】また、高い圧力のもとでガス体積調整液に
溶解した窒素は、再度圧力が低下しても、ガス体積調整
液から気泡となって分離する速度がきわめて遅い。特
に、前述したアキュムレータ（表１）のようにガス封入
圧力が低い場合にはなおさらである。このため、通常は
低圧で使用されるが、ある条件下では高圧で長時間保持
される可能性のあるアキュムレータの場合に、高圧から
低圧に戻った時に、ガス体積調整液からガスが分離する
まではアキュムレータが正常に作動できないといった問
題を生じる。

【００１１】従って本発明の目的は、気室に封入された
ガスが、ガス体積調整液に溶け込むことによって発生す
る不具合を極力低減できるようなアキュムレータを提供
することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を果たすために
開発された本発明は、圧力容器と、この圧力容器の内部
に収容されて圧力容器の内部空間を油室と気室とに仕切
る仕切部材とを有し、上記仕切部材に圧力容器の軸線方
向に伸縮自在な金属ベローズを用いたアキュムレータに
おいて、上記ベローズの内部に、ベローズが密着長まで
押し潰されることを防ぐためのガス体積調整液と調整部
材とを収容し、上記調整部材には、この部材の軸線方向
に貫通しかつ上記圧力容器に設けられた注入口と上記気
室とに通じる縦孔と、上記調整部材の上記注入口側の端
部において上記縦孔と交差する方向に貫通していて上記
注入口と上記気室とに通じる横孔とを設けたことを特徴
とするものである。

【００１３】

【作用】本発明のアキュムレータにおいて、気室にガス
体積調整液を供給する場合、注入口を上に向けた姿勢で
圧力容器を保持し、注入口に挿入されたノズルによって
調整部材の縦孔にガス体積調整液を注入する。縦孔を通
じて気室内に供給されたガス体積調整液は、仕切部材の
底から溜まってゆき、液面の上昇に伴って気室内の空気
が調整部材の横孔を通じて外部に排出される。注入口を
上に向けた姿勢で圧力容器が保持されている場合、横孔
は調整部材の最上部において縦孔と連通しているから、
ガス体積調整液の液面が気室の上部ぎりぎりのところま
で上昇しても、気室内の空気をほぼ完全に排出すること
ができる。このため、気室内の空気とガス体積調整液と
の置換がなされる。こうして気室内に所定量のガス体積
調整液が供給されたのちに、所定圧力のガスが気室に供
給される。

【００１４】油室には作動油が満たされ、この油室は油
圧回路に接続される。ポンプ等の油圧機器によって油圧
回路に生じた油圧力はアキュムレータの油室に作用し、
油圧力に応じて気室が圧縮される。油圧力が大きくなる
ほど、ベローズが圧縮されるが、気室の内部にガス体積
調整液と調整部材が収容されているため、ベローズが許
容密着長まで縮む前に、気室内のガスが最大圧力に達す
るようになり、ベローズが密着長以下に押し潰されるこ
とが回避される。

【００１５】ガス体積調整液は液体であるから、圧力の
大きさに応じてガスの一部が溶け込むが、調整部材は固
体であるから実質的にガスが溶け込むことはない。この
ため本発明のアキュムレータは、調整部材の体積分だけ
ガス体積調整液の量を減らすことができ、ガス体積調整
液に溶け込むガスの量が少なくなる。このため、高い圧
力で長時間保持されても、封入ガスの一部が気体のまま
気室内に残存できるようになり、アキュムレータとして
の機能を発揮できる。

【００１６】なお、上記仕切部材にダイヤフラム状ひだ
壁をもつ金属ベローズ（ダイヤフラムベローズ）を採用
した場合には、Ｕ字形ベローズに比べて密着長がきわめ
て短くなるため、ガス体積調整液の使用量がＵ字形べロ
ーズに比べて少なくてすむ。このため、ダイヤフラムベ
ローズを使用したアキュムレータは、ガス体積調整液に
溶け込むガスの量を更に少なくすることができる。

【００１７】

【実施例】以下に本発明の一実施例について、図１ない
し図４を参照して説明する。図１に示された本実施例の
アキュムレータ１０は、図２に示されるように、油圧回
路１１に接続された状態で作動するようになっている。
このアキュムレータ１０は、油圧回路１１に発生する油
圧脈動を吸収したり圧力を蓄えるために使用される。油
圧回路１１は、油圧機器１２，１３や管路１４などを有
する各種設備である。

【００１８】アキュムレータ１０の圧力容器１５は、金
属製の円筒状外筒部材１６と、この外筒部材１６の一端
側（底部側）に溶接された金属製の第１の端部材１７
と、外筒部材１６の他端側に溶接された金属製の第２の
端部材１８などによって構成されている。圧力容器１５
は、このアキュムレータ１０に作用する油圧回路１１の
使用圧力に耐えられる剛性をもっている。

【００１９】圧力容器１５の内部に仕切部材２０が設け
られている。仕切部材２０は金属製のベローズ２１を備
えている。ベローズ２１の固定側端部２２は、第１の端
部材１７のベローズ固定部２３に溶接によって気密に接
合されている。ベローズ２１の他端側に、ベローズキャ
ップ２５とベローズガイド２６が設けられている。ベロ
ーズガイド２６は、摩擦係数の小さい合成樹脂などから
なる。ベローズガイド２６の外周部は外筒部材１６の内
周面に摺接し、外筒部材１６の軸線方向にベローズ２１
が円滑に伸縮できるようにしている。

【００２０】仕切部材２０の内側の空間は気室３０とし
て使用される。この気室３０に、不活性ガスの一例とし
てヘリウムガスあるいは窒素ガスが、大気圧よりも高い
圧力で封入される。上記封入ガスは、第１の端部材１７
に設けられた注入口３１を通じて気室３０に供給され
る。注入口３１は、ガスが供給された後に、ボルト等を
用いた栓３２によって気密に塞がれる。

【００２１】気室３０の内部に、ベローズ２１が許容密
着長まで押し潰されることを防止する目的で、ガス体積
調整液３５と、調整部材３６が収容されている。ガス体
積調整液３５の一例は鉱物油である。図示例の調整部材
３６は、端部材１７と一体に成形された円柱状の金属で
あるが、場合によっては端部材１７とは別に作られたも
のを適宜の固定手段によって端部材１７に固定してもよ
い。

【００２２】調整部材３６の中心部分に縦孔４０が設け
られている。この縦孔４０は、調整部材３６の軸線方向
に貫通しており、縦孔４０の一端側は注入口３１に連通
し、縦孔４０の他端側は気室３０に連通している。ま
た、調整部材３６の注入口３１側の端部４１に横孔４２
が設けられている。横孔４２は、調整部材３６の径方向
に放射状に複数設けられており、それぞれが縦孔４０に
対して直交している。各横孔４２の一端側はそれぞれ注
入口３１に連通している。各横孔４２の他端側は気室３
０に連通している。

【００２３】仕切部材２０の外周面と外筒部材１６の内
周面と端部材１８とで囲まれる空間が油室４５として使
われる。この油室４５は、端部材１８に設けられた導入
ポート４６を介して油圧回路１１（図２参照）に連通さ
せられ、油圧回路１１を流れる油の一部を油室４５に導
入できるようになっている。

【００２４】ベローズキャップ２５の油室４５側の面
に、エラストマ等のゴム状弾性体からなるシール部材５
０が設けられている。このシール部材５０は、自己シー
ル機構５１を構成するものであって、気室３０にガスが
供給される際に、ガスの圧力によって仕切部材２０が伸
びてシール部材５０が端部材１８に突き当たることによ
り、シール部材５０が導入ポート４６を液密に塞ぐよう
にしている。こうすることによって、ベローズ２１の外
周面と外筒部材１６の内周面との間に、予め注入してお
いたバックアップ用の油が閉じ込められ、このバックア
ップ油によってベローズ２１の外面が支持される。

【００２５】図４に示されるように、ベローズ２１は、
その周方向各部の断面が波形をなす多数のダイヤフラム
状のひだ壁５５を、ベローズ２１の軸線方向に形成した
ものであり、各ひだ壁５５はこのベローズ２１が密着長
まで圧縮された時に、互いに重なり合うことができるよ
うな形状をなしている。ダイヤフラムベローズ２１は溶
接によって製作されるものではなく、図示しない１本の
金属素管から液圧バルジ成形等によって上記ひだ壁５５
を成形したものである。

【００２６】ダイヤフラムベローズ２１の密着ピッチは
きわめて小さく、従来のＵ字形ベローズ106 （図６参
照）に比べて、同一の山数（同一のひだ壁数）であれば
密着長が大幅に短くなる。例えば従来のＵ字形ベローズ
106 の密着ピッチが1.23mmであるのに対し、ダイヤフラ
ムベローズ２１の密着ピッチは0.5mm である。前述した
ガス体積調整液３５は、ベローズの密着長が長くなるほ
ど、液の必要量が多くなるから、この実施例のダイヤフ
ラムベローズ２１のように密着長が極端に短いものは、
ガス体積調整液３５の使用量を減らす上できわめて効果
的である。

【００２７】ガス体積調整液３５を気室３０に注入する
場合、図３に示されるように、注入口３１を上に向けた
姿勢で圧力容器１５を保持する。そして注入口３１にノ
ズル６０を挿入し、このノズル６０によってガス体積調
整液３５を縦孔４０に注入する。気室３０内に注入され
たガス体積調整液３５は仕切部材２０の底から溜まって
ゆき、液面が上昇するため、気室３０内の空気は横孔４
２と注入口３１を通って外部に排出される。

【００２８】上記のように注入口３１を上に向けた姿勢
で圧力容器１５が保持されている場合、横孔４２は調整
部材３６の最上部において注入口３１に連通しているか
ら、ガス体積調整液３５の液面が気室３０の上部ぎりぎ
りのところまで上昇しても、気室３０内の空気を完全に
排出することができる。このため、気室３０内において
空気とガス体積調整液３５との置換が確実になされる。
また、何らかの理由によって気室３０内のガス体積調整
液３５を全て排出する必要が生じた時には、注入口３１
が下を向くように圧力容器１５を逆さまにすれば、横孔
４２が気室３０の最も低い位置に連通するため、横孔４
２と注入口３１を通じて気室３０内のガス体積調整液３
５を完全に排出することができる。

【００２９】なお、縦孔４０のみを設けた場合には、ガ
ス体積調整液３５を注入する際に、調整部材３６の外周
面とベローズ２１の内面との間に残留する空気を追い出
すことができず、空気とガス体積調整液３５との置換が
困難となる。一方、横孔４２のみを設けた場合には、ノ
ズル６０によって高速でガス体積調整液３５を注入する
際に、ノズル６０から噴出するガス体積調整液３５がベ
ローズ２１の内面に当たってノズル６０側に跳ね返り、
注入口３１から漏れることがあるため、注入量がばらつ
く原因になる。しかして本実施例では、前記縦孔４０と
横孔４２を組合わせることによって上述の不具合を回避
でき、所定量のガス体積調整液３５を気室３０に迅速に
注入することができる。

【００３０】上記工程によって気室３０内に所定量のガ
ス体積調整液３５が収容されたのちに、所定圧力のガス
が注入口３１を通じて気室３０に供給される。気室３０
にガスが供給される際に、ガスの圧力によって、シール
部材５０が端部材１８に突き当たるまで仕切部材２０が
伸長するため、導入ポート４６が塞がれる。このことに
よって、ベローズ２１の外周面と外筒部材１６の内周面
との間に、予め注入しておいたバックアップ用の油が封
じ込められ、ベローズ２１の外面が支持されるため、ガ
ス圧によってベローズ２１が過度に変形することが防止
される。

【００３１】上記構成のアキュムレータ１０は、図２に
示されるように導入ポート４６に接続された油圧回路１
１の使用油圧が油室４５に作用する。そしてこの油圧力
が気室３０の圧力よりも大きくなると、ベローズ２１が
縮み側に撓むとともに、気室３０の容積が減少し、ガス
の圧力が上昇する。また、油室４５に作用する油圧が気
室３０のガス圧よりも下がれば、ベローズ２１が伸び側
に撓む。このガスばね作用により、圧力が蓄えられると
ともに、油圧の脈動成分が平滑化される。

【００３２】上記アキュムレータ１０において、気室３
０の内部にガス体積調整液３５のみを収容し、調整部材
３６を用いないと仮定し、気室３０に封入されるガスの
体積を前記表１のアキュムレータと同様に１０．４cm³
とすると、密着長の小さい本実施例のダイヤフラムベロ
ーズ２１を用いることによって、ガス体積調整液３５の
量が２２．５cm³ となり、表１のアキュムレータに比べ
て５８％に減少する。従ってこの場合、封入ガスが窒素
であれば、ガス体積調整液３５に溶け込むガスの量は、
体積換算を行うと１．７１cm³ となる。

【００３３】前記実施例では、ガスが溶け込まない金属
製調整部材３６を気室３０に収容しており、その分だけ
ガス体積調整液３５の量を減らすことができるので、ガ
ス体積調整液３５に溶け込むガスの量が少なくてすむ。
例えば体積が１３．２cm³ の調整部材３６を用いた場合
には、ガス体積調整液３５の使用量が９．３cm³ です
み、表１に示されているアキュムレータの２４％まで減
少する。この場合、封入ガスが窒素であれば、ガス体積
調整液３５に溶解するガスの量は、体積換算を行うと
０．７１cm³ となる。

【００３４】更に、封入ガスを窒素の代りにヘリウムを
用いることにより、ガス体積調整液３５に溶解するガス
の量を更に少なくすることができる。ガスの溶解度を示
すオストワルト係数で比較すると、０℃の場合には窒素
ガスが０．０６９であるのに対し、ヘリウムガスは０．
０１２であるから、約１７％の溶解量である。そのた
め、ガス体積調整液３５の量が同一の場合には、ヘリウ
ムガスを用いることによって、溶解するガスの量が約１
／６となり、ガス体積調整液３５に封入ガスが溶け込む
ことによる影響を低減できる。例えば９．３cm³ のガス
体積調整液３５に溶解するヘリウムガスの量は、体積換
算で０．１２cm³ となり、表１のアキュムレータの４％
となり、ガスの溶解がアキュムレータ特性に与える影響
を大幅に低減することができる。

【００３５】前記表１のアキュムレータと同様にガス封
入圧力が０．５kgｆ／cm² 、ガス封入体積が１０．４cm
³ となるようにヘリウムガスを封入したアキュムレータ
に、１０kgｆ／cm² の圧力が加わった場合の変化を求め
ると、以下のようになる。ヘリウムガスの場合、ポリト
ロープ指数は１．６７であるから、１０kgｆ／cm² の圧
力で圧縮された場合の断熱変化時の体積は３．１９cm³
となる。時間が経過するに従ってガス体積調整液３５へ
のヘリウムガスの溶解が進行するため、最終的に１．４
６cm³ のガス体積となり、気体として存在するヘリウム
ガスは１．３４cm³ 、溶解した量は０．１２cm³ とな
る。すなわち１０．０kgｆ／cm² の圧力が加わってもヘ
リウムガスが完全に溶解することはなく、アキュムレー
タとしての機能を維持することが可能となる。

【００３６】上述した理由により、気室３０に封入する
ガスはヘリウムが適しているが、ガス体積調整液３５と
の組合わせを適宜に選定することにより、窒素ガスを用
いることもできる。例えば、ガス体積調整液３５に水グ
リコール系作動油を用いた場合には、窒素ガスの溶解量
が鉱物油の約４０％まで減少するから、窒素ガスを用い
てもガス溶解による不具合を低減する上で効果がある。
また、調整部材３６は金属に限ることはなく、要するに
ガス体積調整液３５に侵されずかつ実質的にガスが浸透
しない物性をもつ固体であればよいから、例えば合成樹
脂のブロックであってもよいし、エラストマが採用され
てもよい。

【００３７】

【発明の効果】本発明によれば、ガス体積調整液に溶け
込むガスの量が少ないため、ガスの溶解によってアキュ
ムレータ特性が受ける影響を低減することができる。ま
た、高圧で長時間保持されても、封入ガスの一部が気体
として存在することができるため、アキュムレータとし
ての機能を喪失することがない。そして調整部材に設け
られた縦孔と横孔を利用することによって、ガス体積調
整液を気室内に容易にかつ問題なく注入することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示すアキュムレータの縦断
面図。

【図２】図１に示されたアキュムレータの使用態様を示
す断面図。

【図３】図１に示されたアキュムレータにガス体積調整
液を注入している様子を示す断面図。

【図４】図１に示されたアキュムレータに使われるベロ
ーズの一部の断面図。

【図５】従来のアキュムレータを示す縦断面図。

【図６】図５に示されたアキュムレータに使われるＵ字
形ベローズの一部の断面図。

【符号の説明】

１０…アキュムレータ、１５…圧力容器、２０…仕切部
材、２１…金属ベローズ、３０…気室、３１…注入口、
３５…ガス体積調整液、３６…ガス体積調整部材、４０
…縦孔、４２…横孔、４５…油室。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧力容器と、この圧力容器の内部に収容さ
   れて圧力容器の内部空間を油室と気室とに仕切る仕切部
   材とを有し、上記仕切部材に圧力容器の軸線方向に伸縮
   自在な金属ベローズを用いたアキュムレータにおいて、 上記ベローズの内部に、ベローズが密着長まで押し潰さ
   れることを防ぐためのガス体積調整液と調整部材とを収
   容し、上記調整部材には、この部材の軸線方向に貫通し
   かつ上記圧力容器に設けられた注入口と上記気室とに通
   じる縦孔と、上記調整部材の上記注入口側の端部におい
   て上記縦孔と交差する方向に貫通していて上記注入口と
   上記気室とに通じる横孔とを設けたことを特徴とするア
   キュムレータ。
2. 【請求項２】上記ベローズは、密着状態まで圧縮された
   時に互いに重なり合うことができるような波形の断面を
   もつ複数のダイヤフラム状ひだ壁を金属素管から一体に
   成形したダイヤフラムベローズである請求項１記載のア
   キュムレータ。