阅读说明：本技术 一种温控气囊式恒压蓄能器 (Temperature control air bag type constant-pressure energy accumulator ) 是由 马浩钦 高有山 鲍东杰 左旸 秦泽 王恺 于 2020-05-08 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种温控气囊式恒压蓄能器,目的是解决传统气囊式蓄能器在工作过程中无法输出稳定压力、会引起液压系统脉动、影响元器件寿命的技术问题。本发明的蓄能器包括压力容器以及位于压力容器内的气囊,气囊的两个连接端置于上壳体和下壳体的连接处,气囊将压力容器分割为气腔和液腔,气腔内设有温控装置,温控装置的外周设有防烫罩,气腔内还设有温度传感器和压力传感器,气囊的内壁上设有位移传感器,它还包括处理器,所述温控装置、温度传感器、压力传感器和位移传感器均与处理器连接。本发明蓄能器能够在工作过程中输出稳定的压力,有效地改善蓄能器充放特性,提高蓄能器功率密度,可满足现代液压系统经济高效、环保节能、安全可靠的要求。(The invention relates to a temperature control air bag type constant-pressure energy accumulator, and aims to solve the technical problems that a traditional air bag type energy accumulator cannot output stable pressure in the working process, a hydraulic system can pulsate, and the service life of components is influenced. The energy accumulator comprises a pressure container and an air bag positioned in the pressure container, wherein two connecting ends of the air bag are arranged at the connecting part of an upper shell and a lower shell, the air bag divides the pressure container into an air cavity and a liquid cavity, a temperature control device is arranged in the air cavity, an anti-scalding cover is arranged on the periphery of the temperature control device, a temperature sensor and a pressure sensor are also arranged in the air cavity, a displacement sensor is arranged on the inner wall of the air bag, and the temperature control device, the temperature sensor, the pressure sensor and the displacement sensor are all connected with a processor. The energy accumulator can output stable pressure in the working process, effectively improves the charging and discharging characteristics of the energy accumulator, improves the power density of the energy accumulator, and can meet the requirements of modern hydraulic systems on economy, high efficiency, environmental protection, energy conservation, safety and reliability.)

一种温控气囊式恒压蓄能器

技术领域

本发明属于液压传动控制技术与储能技术领域，具体涉及一种温控气囊式恒压蓄能器。

背景技术

传统蓄能器在常规液压系统中的功用可分为三大类：存储能量、减小压力冲击、吸收压力脉动。蓄能器给系统带来的经济节能、安全可靠等效果非常明显。在现代液压系统中得到了普遍使用。但是，随着液压系统研究的发展和新型元器件的研制开发，现有的蓄能器已经不能满足使用要求，并在一定程度上制约了液压系统研究的整体发展。

目前最常用的液压蓄能器为气囊式蓄能器。它以气体波义耳定律为基础，通过压缩气体完成能量转化。气体和油液在蓄能器中由气囊隔开。使用时首先向气囊充入预定压力的气体。当液压系统压力超过蓄能器内部压力时，油液压缩气体，将油液中的压力转化为气体内能；当液压系统压力低于蓄能器内部压力时，蓄能器中的油在高压气体的作用下流向外部系统，释放能量。

根据气体波义耳定律，在定量定温条件下，理想气体的体积和压强呈反比例关系，因此传统气囊式蓄能器在工作过程中无法输出稳定的压力，这可能会引起液压系统的脉动，影响元器件寿命和可靠性。当蓄能器内外压差小时，蓄能器充放特性差，由此导致蓄能器功率密度较低，影响系统整体工作性能。

发明内容

针对以上问题，本发明提供了一种温控气囊式恒压蓄能器，该蓄能器能够在工作过程中输出稳定的压力，有效地改善蓄能器充放特性，提高蓄能器功率密度，可满足现代液压系统经济高效、环保节能、安全可靠的要求。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种温控气囊式恒压蓄能器，它包括压力容器，所述压力容器由上壳体和下壳体组成，所述上壳体的上端设有上端盖，所述上端盖的中间设有气阀底座，所述气阀底座的中间设有通气孔，气阀底座上设有充气阀，所述下壳体的下端设有下端盖，所述下端盖的中间设有油侧接口；

它还包括位于压力容器内的气囊，所述气囊的两个连接端置于上壳体和下壳体的连接处，所述气囊将压力容器分割为气腔和液腔，所述气腔内设有温控装置，所述温控装置的外周设有防烫罩，所述气腔内还设有温度传感器和压力传感器，所述气囊的内壁上设有位移传感器，它还包括处理器，所述温控装置、温度传感器、压力传感器和位移传感器均与处理器连接。

进一步地，所述温控装置为一段螺旋缠绕的加热管，所述加热管由外到内依次为导热绝缘外层、电阻丝、导热绝缘内层和中空管道，所述温控装置的两个连接端穿过上端盖并通过液压阀门与冷却介质连通。所述温控装置的电阻丝通过通断开关与电源连接，通断开关由处理器控制通断状态。

进一步地，所述充气阀与气阀底座之间采用螺纹连接，所述充气阀与气阀底座之间设有金属垫圈。

进一步地，所述上端盖与气阀底座之间采用螺纹连接，并通过止动螺母固定气阀底座的位置，上端盖与气阀底座之间安装有挡圈和O形橡胶密封圈。

进一步地，所述上壳体与上端盖之间采用螺纹环连接，所述上壳体与上端盖之间设有挡圈和O形橡胶密封圈。

进一步地，所述下壳体与下端盖之间采用螺纹环连接，所述下壳体与下端盖之间设有挡圈和O形橡胶密封圈。

进一步地，所述上壳体和下壳体之间通过螺栓连接，且上壳体和下壳体的连接处呈“ⅴ”型。

进一步地，所述气囊采用可折叠伸缩的结构，且气囊的两侧外壁与下壳体的内壁之间留有间隙，所述气囊的底部厚度大于侧壁的厚度。

进一步地，所述防烫罩为筒状镂空结构，防烫罩的上端与上端盖的底部模压为一体。

进一步地，所述下壳体的两外侧通过复合材料层代替。

进一步地，它还包括报警装置，所述报警装置与处理器连接。

本发明的有益效果是：

1.本发明采用气囊结构，并在下壳体的两外侧设有复合材料层，整体结构尺寸小，质量轻，强度高，抗冲击性佳，安装方便，维护容易。气囊惯性小，反应灵敏，工作可靠。

2.本发明可以稳定输出一定范围内任意指定压力值的稳定压力油，减少了系统中的压力冲击和流量脉动。基于理想气体状态方程和气体动理论，本发明通过实时调整工作过程中气囊内气体的温度，与气体体积进行匹配，可以实现气体压力值的恒定，进而保证了蓄能器输出稳定压力的油液。

3.本发明改善了蓄能器充放特性，提高了其工作效率。本发明通过保证气囊内气体压力稳定，解决了传统蓄能器在充放工作后期，因内外压差减小而无法将系统的能量充分吸收或释放，造成能量的浪费这一问题。

4.本发明可以将液压能转换为气体压力能和热能，提高了能量回收效率。

5.本发明可以实时监测蓄能器工作状态并采用了报警装置，提高了设备使用的安全性和便捷性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明温控装置及其剖面细节图；

图3为本发明防烫罩的结构示意图；

图4为本发明蓄能器工作状态简图；

图5为本发明蓄能器的控制流程图；

图6为本发明实施例中液压挖掘机回转机构液压回路原理图；

图中：1-上壳体、2-下壳体、3-上端盖、4-下端盖、5-气阀底座、6-通气孔、7-充气阀、8-油侧接口、9-气囊、10-气腔、11-液腔、12-温控装置、12-1导热绝缘外层、12-2电阻丝、12-3导热绝缘内层、12-4中空管道、13-防烫罩、14-金属垫圈、15-止动螺母、16-挡圈、17-O形橡胶密封圈、18-螺纹环、19-螺钉、20-复合材料层、21-油箱、22-电机、23-单向变量液压泵、24和25-电磁开关阀、26-溢流阀，27和28-电液比例节流阀、29-四配流窗口双向变量液压泵马达、30-三位四通电液比例换向阀。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步地描述。

如图1所示，本实施例所述的一种温控气囊式恒压蓄能器，它包括压力容器，所述压力容器由上壳体1和下壳体2组成，所述上壳体1的上端设有上端盖3，所述上端盖3的中间设有气阀底座5，所述气阀底座5的中间设有通气孔6作为气道，气阀底座5上设有充气阀7，所述下壳体2的下端设有下端盖4，所述下端盖4的中间设有油侧接口8，用于将该蓄能器接入液压系统中。

它还包括位于压力容器内的气囊9，所述气囊9的两个连接端置于上壳体1和下壳体2的连接处，由两个壳体挤压完成气囊9的安装固定和密封。所述气囊9将压力容器分割为气腔10和液腔11，所述气腔10内设有温控装置12，所述温控装置12的外周设有防烫罩13，用于保护气囊9和温控装置12。所述气腔10内还设有温度传感器和压力传感器，所述气囊9的内壁上设有位移传感器，它还包括处理器，所述温控装置12、温度传感器、压力传感器和位移传感器均与处理器连接。

优选地，它还设有报警装置，所述报警装置与处理器连接。通过报警装置可时监测蓄能器工作状态，提高设备使用的安全性和便捷性。

所述充气阀7与气阀底座5之间采用螺纹连接，通过充气阀7为蓄能器的气囊9充入气体。所述充气阀7与气阀底座5之间设有金属垫圈14，可实现充气阀7与气阀底座5之间的静密封。

所述上端盖1与气阀底座5之间采用螺纹连接，并通过止动螺母15固定气阀底座5的位置，上端盖1与气阀底座5之间安装有挡圈16和O形橡胶密封圈17，实现密封功能。

所述上壳体1与上端盖3之间采用螺纹环18连接，螺纹环18内部加工有螺纹，可以通过螺钉19与外部设备连接，实现蓄能器的安装固定。所述上壳体1与上端盖3之间设有挡圈16和O形橡胶密封圈17，实现密封功能。

所述下壳体2与下端盖4之间采用螺纹环18连接，螺纹环18内部加工有螺纹，可以通过螺钉19与外部设备连接，实现蓄能器的安装固定。所述下壳体2与下端盖4之间设有挡圈16和O形橡胶密封圈17，实现密封功能。

所述上壳体1和下壳体2之间通过螺栓连接，在该螺栓的外侧安装有金属垫圈14，用以实现密封和支撑作用。所述上壳体1和下壳体2的连接处呈“ⅴ”型。“ⅴ”型设计的优点在于增加了气囊9的固定面，并且可以达到良好的密封效果。

所述气囊9采用可折叠伸缩的结构，且气囊9的两侧外壁与下壳体2的内壁之间留有间隙，间隙的宽度大小不应阻碍所述气囊9的膨胀与收缩。此设计的优点在于，可以保证气囊9内的气腔10对本发明蓄能器的液腔11在充、放能方向上的有效作用面积为恒定值。这样，进而保证所述气腔10的气体压力为稳定值，即可实现蓄能器输出稳定压力油的目标。所述气囊9的底部厚度大于侧壁的厚度，此设计的优点在于延长了所述气囊9的使用寿命，也可以吸收两者相接触时产生的冲击，减少了冲击对系统的不良影响。优选的，所述气囊9采用高弹性、化学稳定性佳、具备良好耐热性、耐磨性和抗压性的材料。

如图2所示，所述温控装置12为一段螺旋缠绕的加热管，所述加热管由外到内依次为导热绝缘外层12-1、电阻丝12-2、导热绝缘内层12-3和中空管道12-4，所述温控装置12的两个连接端穿过上端盖1并通过液压阀门与冷却介质连通，所述温控装置12的电阻丝12-2通过通断开关与电源连接，通断开关由处理器控制通断状态。此设计的优点在于，螺旋方式可以占据较小的空间，同时使得所述温控装置12与空气的接触面积较大。可通过中空管道12-4向温控装置12中输入冷却介质，来吸收因气体内能增加而产生的热量，降低气腔10内气体的温度和压力。

优选的，所述导热绝缘外层12-1和导热绝缘内层12-3选用结晶氧化镁材料制成，结晶氧化镁具有良好的导热性能和绝缘性能。

优选的，所述电阻丝12-2选用镍铬合金。此设计的优点在于，镍铬合金高温条件下强度高，结构不易改变；塑性好，易修复；其辐射率高，耐腐蚀性强，使用寿命长。

如图3所示，所述防烫罩13为筒状镂空结构，防烫罩13的上端与上端盖1的底部模压为一体。筒状镂空结构不影响温控装置12的工作，还可以保护温控装置12不被挤压，并能保护气囊9不被烫伤。

优选的，所述防烫罩13采用耐热材料制成，如硅化物纤维材料。此设计的优点在于，硅化物纤维具有稳定、无毒、耐高低温、耐腐蚀性佳、保温隔热效果佳、易于装配加工等优点。

所述下壳体2的两外侧通过复合材料层20代替，所述复合材料层选用碳纤维材料或环氧树脂材料。此设计的优点在于，所述复合材料层的使用，减少了本发明蓄能器的质量，实现了轻量化。特别的，所述复合材料层具有强度高、抗压性好、耐磨性佳等优点，提高了本发明蓄能器的工作性能。

如图4和图5所示，本发明蓄能器工作原理如下：

本发明蓄能器充气时，如图4-1所示。所述温控装置12处于非工作状态。充气装置与所述充气阀7配合，通过所述气阀底座5中间的通气孔6为所述气囊9充入气体。充气结束时，关闭所述充气阀7，断开其与充气装置的连接。此时所述气腔10体积达到最大，所述气囊9的外表面与所述下端盖4的内表面贴合。

本发明蓄能器接入系统并蓄能时，如图4-2所示。系统的液压油经过所述油侧接口8进入液腔11并挤压所述气囊9，所述气腔10内的气体体积减小，系统对气体做功，气体内能增加。当所述气囊9被压缩到最小容积时，所述气囊9与所述防烫罩13仍保留有一定距离，以确保所述防烫罩13内部的温控装置12不会被挤压受损或气囊9不被温控装置12烫伤。

在此蓄能过程中，所述温控装置12处于工作状态。位于气囊9内部的位移传感器检测气囊9的位移，温度传感器检测气腔10内气体的温度，压力传感器检测所述气腔10内气体的压力。处理器接收上述三个传感器检测到的信息，依据设计好的程序，检测到本发明蓄能器此时处于储能状态。系统对所述气腔10内的气体做功，气体内能增加，气体压力、温度上升。处理器发出指令给所述温控装置12，使所述中空管道12-4通入冷却介质(例如：水、氨水溶液等)来吸收因气体内能增加而产生的热量，这一部分热能可用于系统其它设备的工作。这属于低温热能回收领域，利用方式分为同级利用和升级利用。同级利用包括预热、伴热、维持温度、采暖等方式。升级利用包括发电、制冷、第二种吸收式热泵等方式。一段时间后，处理器依据接收到的本发明蓄能器状态信号和设定程序，判断蓄能过程结束。这样，系统输入本发明蓄能器的液压能就转换为所述气腔10内气体的压力能和所述温控装置12通入流水后吸收的热能。

特别的，当压力传感器检测到所述气腔10内气体压力达到本发明蓄能器最高工作压力预警区间，或温度传感器检测到所述气腔10内气体温度达到本发明蓄能器最高工作温度预警区间时，处理器发出信号给报警装置，提示工作人员。同时，处理器控制本发明蓄能器与系统之间的换向阀，切断本发明蓄能器与系统的油路连接，本发明蓄能器停止蓄能。

本发明蓄能器接入系统并放能时，如图4-3所示。所述气腔10内的气体压力大于所述液腔11内液压油的压力，所述气囊9膨胀，所述液腔11内的液压油被挤压，经过所述油侧接口8进入系统。当本发明蓄能器放能结束时，根据系统的不同工作要求，所述气囊9与所述下端盖2之间可以留有一定量的液压油，也可以保持贴合。这两种方式，前者的作用在于保证蓄能器仍有能力为系统补偿泄漏，后者的作用在于充分释放蓄能器所储存的能量，提高容积效率。

在此放能过程中，所述温控装置12处于工作状态。位于气囊9内部的位移传感器检测所述气囊9的位移，温度传感器检测所述气腔10内气体的温度，压力传感器检测所述气腔10内气体的压力。处理器接收上述三个传感器检测到的信息，依据设计好的程序，检测到本发明蓄能器此时处于放能状态，所述气腔10内的气体对外做功，内能减小，表现为气体的体积增加，压力和温度下降。处理器根据接收到的本发明蓄能器状态信号，基于给定程序，发出信号给所述温控装置12使电阻丝12-2通电产生热量，提高气腔10内气体的温度，使气腔10内气体的压力保持稳定，实现本发明蓄能器输出稳定压力油的功能。一段时间后，处理器依据接收到的本发明蓄能器状态信号和设定程序，判断放能过程结束。特别的，所述温控装置12可以依据设定程序在一定范围内改变所述气腔10内气体温度与体积的数值关系，由此可以实现本发明蓄能器输出一定范围内的任意所需稳定压力油。

特别的，当压力传感器检测到所述气腔10内气体压力达到本发明蓄能器最高工作压力预警区间，或温度传感器检测到所述气腔10内气体温度达到本发明蓄能器最高工作温度预警区间时，处理器发出信号给报警装置，提示工作人员。同时，处理器发出信号给温控装置，使电阻丝12-2断电，所述中空管道12-4内通入冷却介质吸收热量，降低气腔10内气体的温度和压力。进一步的，处理器控制本发明蓄能器与系统之间的换向阀，切断本发明蓄能器与系统的油路连接，本发明蓄能器停止放能。

本发明温控气囊式恒压蓄能器具有结构尺寸小、质量轻、效率高、抗压性好、反应灵敏、安全可靠、输出压力范围广等优点，可以广泛应用于各种液压工作场合。

如图6所示，以液压挖掘机回转机构双控液压马达驱动及动势能回收系统为例，阐述本发明蓄能器的应用。

四配流窗口双向变量液压泵马达29为液压二次元件，可以将液压能和机械能相互转换。在图6所示系统回路中，所述四配流窗口双向变量液压泵马达29在职能上等同于两个双向变量液压马达，为表述方便，本文作以下定义：所述四配流窗口双向变量液压泵马达29根据工作职能拆分为主控马达和辅控马达，所述四配流窗口双向变量液压泵马达29的A、B配流窗口称为主控马达配流窗口A、B，所述四配流窗口双向变量液压泵马达29的C、D配流窗口称为辅控马达配流窗口C、D。

回转机构驱动原理：在回转机构启动或加速时，主控马达和辅控马达同时处于马达工况联合驱动负载。单向变量液压泵23在电机22的驱动下，从油箱21吸入油液并输出给系统。压力油通过电磁开关阀24(或25)进入主控马达配流窗口B(或A)，做功后从窗口A(或B)进入电液比例节流阀27(或28)后回油箱21；溢流阀26在回路中作过载保护用；本发明蓄能器输出稳定压力油，经过三位四通电液比例换向阀30进入辅控马达配流窗口C(或D)，做功后从窗口D(或C)回油箱21。根据不同工况所需驱动力矩的大小，也可仅由主控马达或辅控马达独立驱动负载，实现回转机构的分级驱动。

动能回收原理：液压挖掘机回转制动时，负载产生的动能拖动所述四配流窗口双向变量液压泵马达29，辅控马达处于泵工况。辅控马达经过三位四通电液比例换向阀30，配流窗口C(或D)由油箱21吸油，将负载的动能转换为液压能后，输出压力油经过配流窗口D(或C)存储在本发明蓄能器中。这样，负载的动能就转换为了本发明蓄能器中存储的压力能和所述温控装置12吸收的热能。当工况需要时，处于马达工况的辅控马达利用存储在本发明蓄能器中的压力能独立或联合主控马达驱动回转机构。本发明蓄能器中回收的热能可基于低温热能回收技术，用于液压挖掘机其他工作设备的使用。

基于本发明温控气囊式恒压蓄能器的液压挖掘机回转机构双控马达驱动及动势能回收系统，回转机构的主控马达和辅控马达的联合驱动，既可高效的回收动能，又消除了常规蓄能器充放特性对作业性能的影响，改善了液压系统工作性能。

以上所揭露的仅为本发明的优选实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。应当理解，以上的描述意图在于说明而非限制。