Гідропневматичний акумулятор з гнучким пористим наповнювачем

1. Гідропневматичний акумулятор з гнучким пористим наповнювачем, який включає корпус (1) з рідинним резервуаром (2) перемінного об'єму, з'єднаним з рідинним портом (3), і газовим резервуаром (4) перемінного об'єму, з'єднаним з газовим портом (5), причому газовий і рідинний резервуари перемінного об'єму відокремлені один від одного розділювачем (6), виконаним з можливістю переміщення відносно корпуса (1), а газовий резервуар (4) містить гнучкий пористий наповнювач (7), який заповнює газовий резервуар (4) таким чином, що переміщення розділювача (6), яке зменшує об'єм газового резервуара (4), стискає наповнювач (7), який відрізняється тим, що наповнювач (7) з'єднаний з внутрішніми стінками газового резервуара (4) таким чином, що під час переміщення розділювача (6), яке збільшує об'єм газового резервуара (4), наповнювач (7) розтягується, причому наповнювач (7) містить засоби захисту суміжного з розділювачем граничного шару наповнювача, виконані таким чином, щоб зменшувати локальні деформації суміжного з розділювачем (6) граничного шару наповнювача у випадку ривків розділювача (6). 2. Акумулятор за п. 1, який відрізняється тим, що засоби захисту суміжного з розділювачем (6) граничного шару наповнювача виконані таким чином, щоб зменшувати локальні деформації розтягнення наповнювача (7) до значень, що не перевищують межу оборотних деформацій наповнювача (7) при максимальних ривках розділювача (6). 2 (19) 1 3 95592 4 9. Акумулятор за п. 8, який відрізняється тим, що розділювач (6) і еластичний елемент (9) виготовлені з одного й того ж еластичного матеріалу. 10. Акумулятор за п. 8, який відрізняється тим, що розділювач (6) виготовлений у вигляді поршня, а еластичний елемент виготовлений у вигляді металевої пружини (16), з'єднаної з розділювачем (6) і корпусом (1) акумулятора. 11. Акумулятор за п. 8, який відрізняється тим, що зазначений еластичний елемент (9) виготовлений у вигляді сукупності стінок між порами зі збільшеною пружністю поблизу від розділювача (6), яка перевищує середню пружність внутрішніх перегородок між порами наповнювача (7). 12. Акумулятор за п. 1, який відрізняється тим, що газовий порт (5) відокремлений від наповнювача (7) фільтром (18) з можливістю пропускати газ з газового резервуара (4) в газовий порт (5) і відокремлювати матеріал наповнювача. 13. Акумулятор за п. 1, який відрізняється тим, що газовий порт (5) містить обмежувач потоку, який обмежує газовий потік через газовий порт (5) таким чином, що падіння тиску на ньому при відкритому газовому порті (5) перевищує, переважно в 10 і більше разів, максимальну різницю тисків між різними областями наповнювача (7). 14. Акумулятор за п. 1, який відрізняється тим, що наповнювач (7) виконаний із збільшеною газопроникністю поблизу від газового порту (5), яка перевищує середню проникність пористого матеріалу наповнювача (7). 15. Акумулятор за п. 1, який відрізняється тим, що наповнювач (7) виконаний із збільшеною пружністю поблизу від газового порту (5). Винахід відноситься до машинобудування і може бути використаний для рекуперації гідравлічної енергії в гідравлічних системах з високим рівнем пульсацій швидкості потоку і тиску рідини, включаючи системи зі спільною напірною магістраллю, в гідравлічних гібридних автомобілях, зокрема таких, що використовують двигуни з вільним поршнем, а також в системах з високою швидкістю наростання потоку і гідравлічними ударами, наприклад, у формувальному і ковальськоштампувальному устаткуванні. Гідропневматичний акумулятор (надалі - акумулятор) включає корпус, який містить газовий резервуар перемінного об'єму, що заповнюється стисненим газом через газовий порт, а також рідинний резервуар перемінного об'єму, що заповнюється рідиною через рідинний порт. Ці газовий і рідинний резервуари відокремлені один від одного розділювачем, який виконаний з можливістю переміщення відносно корпуса. Акумулятор, як правило, заряджають азотом до початкового тиску від декількох до десятків мегапаскалів. Для рекуперації гідравлічної енергії використовують акумулятори як з твердим розділювачем, виконаним у вигляді поршня, так і з еластичними розділювачами, виконаними наприклад, у вигляді еластичних полімерних мембран або балонів [1], і у вигляді металевих сильфонів [2]. Акумулятори з легкими полімерними розділювачами добре згладжують пульсації в гідравлічній системі. Проте, вони вимагають частішої підзарядки газом внаслідок проникності полімерних розділювачів. Сильний ривок розділювача при високій швидкості наростання потоку рідини з акумулятора (наприклад, у випадку різкого падіння тиску в гідравлічній системі) може привести до руйнування полімерного розділювача. Поршневі акумулятори зберігають газ краще і опираються високим швидкостям наростання потоку. Проте, у випадку інтенсивних пульсацій в гідравлічній системі вібруючий характер руху поршня прискорює знос ущільнень поршня. В акумуляторах PistoFram компанії HydroTrole [3] поршень містить камеру, поділену еластичною мембраною на газову і рідинну частини, які з'єднані відповідно з газовим і рідинним резервуарами акумулятора. При високочастотних пульсаціях вібрує не поршень, а легка мембрана, зберігаючи ущільнення поршня. Акумулятор містить, як правило, один газовий резервуар і один рідинний резервуар перемінного об'єму, в яких тиски газу і рідини рівні. Акумулятор [4] містить один газовий резервуар і декілька рідинних резервуарів перемінного об'єму. Їхня комутація змінює співвідношення між тиском газу в газовому резервуарі і тиском рідини в гідравлічній системі. Для рекуперації гідравлічної енергії акумулятор заздалегідь заповнюють робочим газом через газовий порт і з'єднують через рідинний порт з гідравлічною системою. Коли енергія передається від гідравлічної системи до акумулятора, рідина нагнітається від гідравлічної системи до акумулятора, переміщаючи розділювач і стискаючи робочий газ в газовому резервуарі, при цьому тиск і температура робочого газу підвищуються. Коли енергія повертається до гідравлічної системи від акумулятора, стиснений газ розширюється, переміщуючи розділювач із зменшенням об'єму рідинного резервуара і витисненням рідини з нього в гідравлічну систему. Тиск і температура газу понижуються. Оскільки відстань між стінками газового резервуару є достатньо великою (десятки і сотні міліметрів), теплообмін між газом і стінками внаслідок теплопровідності газу є незначним. Таким чином, процеси стиснення і розширення газу є суттєво неізотермічними з великими температурними градієнтами в газовому резервуарі. Коли тиск газу підвищується в 2-4 рази, температура газу підвищується на десятки і сотні градусів, і в газовому резервуарі виникають конвекційні потоки. Це збільшує передачу тепла на стінки газового резервуару в десятки і сотні разів. Газ, нагрітий під час стиснення, охолоджується. Це приводить до зменшення тиску газу і втратам накопиченої енергії, які є особливо значними, коли накопичена енергія 5 зберігається в акумуляторі. При великих перепадах температур передача тепла є необоротною, тобто більша частина тепла, відданого від стисненого газу стінкам акумулятора, не може бути повернена газу під час розширення. Таким чином, гідравлічна система одержує назад набагато меншу гідравлічну енергію під час розширення газу, ніж її було отримано в процесі стиснення газу. Для зменшення теплових втрат в [4], [5], [6], [7] запропоновано розміщати в газовому резервуарі регенератор, виконаний з можливістю стиснення (спінений еластомер), який виконує функцію теплового регенератора і ізолятора. В акумуляторі у відповідності до [7], узятому нами як прототип, акумулятор містить корпус, в якому рідинний і газовий порти з'єднані відповідно з рідинним і газовим резервуарами перемінного об'єму, відокремленими один від одного розділювачем, виконаним рухомим відносно корпуса. Газовий резервуар перемінного об'єму містить гнучкий пористий наповнювач у вигляді піни з еластомеру з відкритими порами, який заповнює газовий резервуар таким чином, що коли рідина нагнітається в акумулятор, переміщення розділювача, яке зменшує об'єм газового резервуара, стискає наповнювач, а коли рідина витісняється з акумулятора, наповнювач розширяється внаслідок своєї власної пружності. Коли наповнювач стискується, він відбирає деяку частку тепла від газу і зменшує ступінь його нагрівання, а коли наповнювач розширюється, він повертає тепло газу і зменшує його охолодження. Малі (приблизно 1 мм) розміри пор наповнювача зменшують температурні градієнти під час теплообміну між газом і наповнювачем в сотні разів і значно збільшують оборотність теплообміну під час стиснення і розширення газу. Пориста структура наповнювача запобігає конвекційному теплообміну газу із стінками газового резервуара, багатократно зменшуючи, таким чином, передачу тепла стінкам газового резервуара і відповідні втрати енергії. Таким чином, практично все тепло, віддане газом наповнювачу під час стиснення, повертається газу під час розширення, і ефективність рекуперації значно підвищується [5] [6]. Теплоємність піни може бути збільшена [5] за рахунок питомої теплоти плавлення воску (Тплав=30-40 °C), яким просочена піна. Недоліком описаного рішення є втомна деградація спіненого еластомеру у випадку безперервної експлуатації, що приводить до погіршення його еластичних властивостей і розвинення залишкової деформації. В результаті, наповнювач втрачає свою здатність до відновлювання форми і заповнювання повного об'єму газового резервуару, і ефективність рекуперації зменшується. В експериментах [8] накопичена залишкова деформація досягає однієї четверті вихідного об'єму наповнювача, а ріст втрат гідравлічної енергії в поршневому акумуляторі спостерігається вже в межах 36000 циклів (400 годин) повільного (0,025 Гц) стиснення і розширення. Деградація піни значно посилюється в реальних гідравлічних системах, де внаслідок високочастотних пульсацій розділювач рухається нерівномірно, з частими ривками, особливо сильними в гідравлічних гібридних автомобілях [9], що 95592 6 використовують сильно пульсуючі двигуни з вільним поршнем [10] і фазо-регульовані гідротрансформатори [11], і в гідравлічних системах зі спільною напірною магістраллю. При такій вібруючій дії розділювача, що рухається ривками, найбільшого навантаження і руйнування зазнає суміжний з розділювачем граничний шар наповнювача. Його пружність недостатня для того, щоб передати прискорення від розділювача на усю масу наповнювача. Якщо амплітуда вібрації розділювача сумірна з розміром пор, граничний шар мнеться і руйнується, після чого руйнується також й наступний шар. Аналогічну руйнівну дію на граничні шари піни виявляють гідравлічні удари. Експлуатація при підвищених температурах, яка є типовою в мобільних застосуваннях, також прискорює процеси деградації піни. Крім того, в описаному вище акумуляторі не гарантована надійність під час напуску в випуску робочого газу. Напруга розщеплювання існуючих пін є низькою, приблизно 0,1-1 МПа. При швидких процесах напуску і випуску газу в піні можуть виникнути значно більші локальні перепади тиску, особливо поблизу від газового порту, де щільність газового потоку є найвищою. Це викличе руйнування піни. Під час напуску газу піна може бути ушкоджена, і поблизу від газового порту можуть сформуватися порожнини. Під час випуску газу піна може бути втягнута газовим потоком в газовий порт, що приводить як до втрат піни і формування порожнин, так і до відмови запірних і запобіжних клапанів газового порту. Через описані вище недоліки покращення ефективності рекуперації шляхом заповнення газового резервуару піною, яке було запропоновано ще у 1973 р. [5], на даний час все ще не було реалізовано в промисловому виробництві надійних і довговічних акумуляторів. Задачею винаходу є запобігання розвиненню залишкових деформацій гнучкого пористого наповнювача під час багаторазових циклів рекуперації гідравлічної енергії і усунення впливу деградації матеріалу наповнювача на ефективність рекуперації, запобігання руйнуванню наповнювача у випадку нерівномірного переміщення розділювача з сильними ривками, запобігання руйнуванню і втратам матеріалу наповнювача і пошкодженню газового порту акумулятора під час напуску і випуску робочого газу, а також підвищення довговічності при підвищених температурах оточуючого середовища і створення, таким чином, довговічного і надійного гідропневматичного акумулятора для високоефективної рекуперації гідравлічної енергії. Для вирішення цієї задачі запропоновано гідропневматичний акумулятор (надалі - акумулятор), який включає корпус, що містить рідинний резервуар перемінного об'єму, з'єднаний з рідинним портом, і газовий резервуар перемінного об'єму, з'єднаний з газовим портом. Ці газовий і рідинний резервуари відокремлені один від одного розділювачем, виконаним з можливістю переміщення відносно корпуса. Газовий резервуар містить гнучкий пористий наповнювач (надалі - наповнювач), який заповнює газовий резервуар таким 7 чином, що переміщення розділювача, яке зменшує об'єм газового резервуару, стискає наповнювач. Задача запобігання розвиненню залишкових деформацій наповнювача і усунення впливу деградації матеріалу наповнювача на ефективність рекуперації енергії вирішується тим, що наповнювач з'єднаний з внутрішніми стінками газового резервуару з можливістю розтягнення наповнювача, коли розділювач переміщується, збільшуючи об'єм газового резервуару. Таким чином, після стиснення наповнювач примусово відновлює свою форму завдяки використанню пружності стисненого газу, який під час свого розширення переміщає розділювач, при цьому розділювач тягне прикріплений до нього наповнювач і розтягує його. Для запобігання залишковим деформаціям, сприяючим втомному руйнуванню і розривам в суміжному з розділювачем граничному шарі наповнювача, і, таким чином, вирішення задачі запобігання руйнуванню наповнювача у випадку нерівномірного переміщення розділювача з сильними ривками, акумулятор містить засоби захисту граничного шару наповнювача від розриву (надалі засоби захисту), виконані з можливістю зменшення локальних деформацій граничного шару наповнювача при ривках розділювача. Доцільно застосовувати ці засоби захисту з можливістю зменшення локальних деформацій розтягнення наповнювача до значень які не перевищують заздалегідь заданих меж оборотних деформацій при максимальних ривках розділювача. Заздалегідь задана межа оборотних деформацій залежать від вибору пористого матеріалу наповнювача і від попередньої деформації цього матеріалу, яка відповідає максимальному об'єму газового резервуару. Наповнювач виготовлений переважно зі спіненого еластомеру з відкритими порами, наприклад, зі спіненого поліуретану або спіненого латексу. У варіанті виконання, переважному з точки зору довговічності, наповнювач виконаний таким чином, щоб при максимальному об'ємі газового резервуара пористий матеріал наповнювача мав би стиснутися уздовж напряму переміщення розділювача до заздалегідь заданого ступеня попереднього стиснення, який не перевищує 5. В даному випадку межу оборотних деформацій розтягнення встановлюють як таке відносне здовження, при якому відновлюється вихідний розмір пор недеформованого пористого матеріалу. Сила ривка розділювача характеризує динаміку прискореного руху розділювача і визначає навантаження на суміжний з розділювачем граничний шар наповнювача, коли наповнювач втягується розділювачем в прискорений рух. Чим вище прискорення розділювача і амплітуда його переміщення з прискоренням, тим більшою є сила ривка. Максимальна сила ривка розділювача може бути обмежена умовами експлуатації, наприклад, частотою і амплітудою пульсацій в гідравлічній системі. Для варіантів виконання акумулятора, переважних з точки зору широкого застосування, максимальна сила ривків розділювача відповідає мак 95592 8 симально можливій швидкості наростання потоку рідини з акумулятора при миттєвому падінні тиску в гідравлічній системі від максимального значення до атмосферного тиску. Винахід передбачає варіанти пневматичного або еластичного виконання засобів захисту, а також їх комбінації. У варіантах пневматичного виконання засоби захисту включають, щонайменше, один газодинамічний бар'єр, виконаний поблизу від розділювача поперечно напряму ривків розділювача на вибраній від нього відстані, яка перевищує середній розмір пор граничного шару наповнювача, з вибраною газопроникністю уздовж переміщення розділювача, яка менше ніж середня газопроникність пористого матеріалу наповнювача. Газодинамічний бар'єр запобігає вирівнюванню тисків між відокремленими ним шарами: чим нижче газопроникність бар'єру і чим більше різниця між швидкістю розширення або стиснення цих шарів, тим сильнішою є дія зазначеного бар'єру. В міру того, як ривки розділювача стають інтенсивніше, зростаючий перепад тиску на газодинамічному бар'єрі сильніше прискорює бар'єр і суміжні з ним шари наповнювача, знижуючи, таким чином, навантаження на суміжний з розділювачем граничний шар наповнювача і зменшуючи його локальні деформації. Запропонований варіант роздільного виконання газодинамічних бар'єрів у вигляді мембран з отворами. Запропонований також варіант розподільного виконання газодинамічних бар'єрів, виконаних у вигляді сукупності з'єднуючих пори каналів зниженої проникності. Доцільно виконувати наповнювач з нерівномірною за об'ємом проникністю каналів, а саме із зниженою проникністю поблизу від розділювача і підвищеною проникністю поблизу від газового порту. У варіантах еластичного виконання засоби захисту включають, щонайменше, один еластичний елемент, з'єднуючий розділювач з внутрішніми шарами наповнювача, які віддалені від розділювача на вибрану глибину, яка перевищує середній розмір пор граничного шару наповнювача. У варіанті роздільного виконання запропоновані еластичні елементи, виконані у вигляді еластично розтяжних полімерних смуг або металевих пружин. В поршневих акумуляторах такі пружні елементи закріпляються як на розділювачу, так і на корпусі. Запропонований також варіант розподільного виконання еластичних елементів, виконаних у вигляді посилених внутрішніх перегородок між порами в граничному шарі наповнювача, при цьому пружність посилених внутрішніх перегородок є тим більшою, чим ближче вони розташовуються до розділювача. Внутрішні перегородки посилюються, наприклад, шляхом зниження пористості і збільшення щільності пористого матеріалу в граничному шарі або шляхом введення в пори граничного шару більш еластичних полімерних матеріалів. Задачі запобігання втратам матеріалу наповнювача в робочому газі при його випуску, а також підвищення надійності роботи газового порту акумулятора вирішуються шляхом відокремлення 9 газового порту від наповнювача фільтром, виконаним з можливістю пропускати газ в газовий порт і не пропускати матеріал наповнювача в газовий порт з газового резервуару акумулятора, наприклад, у вигляді мембрани, середній розмір пор якої не перевищує середню товщину внутрішніх перегородок між порами наповнювача, при цьому середня відстань між порами мембрани є меншою, ніж середній поперечний розмір каналів між порами наповнювача. Задача запобігання пошкодженню і втратам матеріалу наповнювача під час напуску і випуску газу вирішується тим, що газовий порт містить обмежувач потоку, виконаний з можливістю обмежування проходження газового потоку через газовий порт таким чином, що спадання тиску у випадку відкритого газового порту перевищує, переважно в 10 і більше разів, максимальну різницю тисків між різними областями наповнювача. Запропонований як варіант роздільного виконання з окремим обмежувачем потоку у вигляді дроселя, відокремленого від наповнювача фільтром, так і варіант інтегрального виконання, в якому фільтр виконаний з описаною вище можливістю обмежування газового потоку, наприклад, у вигляді об'ємної твердої пористої структури, яка має підвищений газодинамічний опір. У варіанті виконання акумулятора, переважному з точки зору швидкості напуску і випуску газу, поблизу від газового порту наповнювач виконаний з підвищеною газопроникністю, яка перевищує середню проникність пористого матеріалу наповнювача, що компенсує підвищену щільність потоку газу поблизу від газового порту під час напуску і випуску газу, і зменшує перепади тиску в наповнювачі. Запропоновані як варіанти виконання наповнювача з окремим дренажними каналами в наповнювачі, так і варіанти розподільного виконання з наповнювачем, розташованим поблизу від газового порту і виконаного з пористого матеріалу із збільшеними перерізами каналів між порами. Запропонований також варіант виконання наповнювача з підвищеною пружністю поблизу від газового порту, наприклад, наповнювача, виконаного в цій області з більш щільного пористого матеріалу, але із збільшеними розмірами пор і перерізами каналів між ними. Для підвищення довговічності наповнювача, виконаного зі спіненого еластомеру, при підвищеній температурі оточуючого середовища передбачений варіант виконання, в якому наповнювач містить матеріал, який має фазовий перехід в діапазоні температур між максимальною температурою оточуючого середовища і максимально припустимою температурою використання наповнювача. Наприклад, наповнювач просочений вуглеводнями з температурою плавлення в діапазоні 80-120 °C. Більш детальніше винахід описаний в прикладах, наданих нижче, які ілюструються кресленнями, на яких представлені: Фіг.1 - акумулятор з розділювачем у вигляді поршня і пневматичними засобами захисту; ступінчатий виріз сектора. 95592 10 Фіг.2 - акумулятор з еластичним розділювачем у вигляді балона і комбінованими пневматичними і пружними засобами захисту; осьовий розріз. Фіг.3 - акумулятор з еластичним розділювачем у вигляді мембрани і еластичними засобами захисту; осьовий розріз і розріз в площині, перпендикулярній осі обертання. Фіг.4 - акумулятор з розділювачем у вигляді поршня і комбінованими пневматичними і еластичними засобами захисту; ступінчатий виріз сектора. Гідропневматичний акумулятор у відповідності до Фіг.1-4 включає корпус 1 з рідинним резервуаром 2 перемінного об'єму, який з'єднаний з рідинним портом 3, і газовим резервуаром 4 перемінного об'єму, який з'єднаний з газовим портом 5. Ці газовий і рідинний резервуари перемінного об'єму відокремлені один від одного розділювачем 6. Газовий резервуар 4 містить наповнювач 7, який заповнює газовий резервуар 4 таким чином, що переміщення розділювача 6, яке зменшує об'єм газового резервуару 4, стискає наповнювач 7. Наповнювач 7 з'єднаний з внутрішніми стінками газового резервуару 4, а саме з корпусом 1 і розділювачем 6, з можливістю розтягнення наповнювача 7 під час переміщення розділювача 6, яке збільшує об'єм газового резервуару 4. В поршневих акумуляторах у відповідності до Фіг.1 і Фіг.4 наповнювач приклеєний до буферної вставки 8, встановленої на розділювачі 6. В балонному акумуляторі у відповідності до Фіг.2 і в мембранному акумуляторі у відповідності до Фіг.3 наповнювач приклеєний безпосередньо до еластичного розділювача 6 і з'єднаних з ним еластичних елементів 9. У всіх згаданих вище акумуляторах наповнювач 7 приклеєний до корпусної вставки 10, встановленої на корпусі 1. Для рекуперації гідравлічної енергії акумулятор (Фіг.1-4), заздалегідь заповнений газом через газовий порт 5, з'єднують з гідравлічною системою через рідинний порт 3. Під час передачі енергії акумулятору з гідравлічної системи рідина нагнітається через рідинний порт 3 акумулятора в його рідинний резервуар 2, розділювач 6 переміщується, зменшуючи об'єм газового резервуару 4 і збільшуючи в ньому тиск і температуру газу. Газ віддає частину тепла наповнювачу 7, що знижує ступінь нагрівання газу при стисненні; завдяки малим розмірам пор теплообмін газу з внутрішніми перегородками є оборотним з невеликими різницями температур між внутрішні перегородками пор і газу в них. Під час зберігання гідравлічної енергії, запасеної в акумуляторі, втрати тепла є малими, оскільки зменшений ступінь нагрівання газу зменшує теплопередачу стінкам корпуса за рахунок теплопровідності; а завдяки пористій структурі конвекційна передача тепла в наповнювачі до стінок корпуса відсутня. При поверненні енергії від акумулятора до гідравлічної системи стиснений газ розширяється, і розділювач 6 переміщається, зменшуючи об'єм рідинного резервуару 2 і витісняючи рідину з нього через рідинний порт 3 в гідравлічну систему. Розділювач 6 тягне прикріплений до нього наповнювач 7, забезпечуючи відновлення форми наповнювача і повноту запов 11 нення газового резервуару, що розширяється, пористим матеріалом наповнювача. Оскільки відстані між газом і внутрішніми перегородками пор наповнювача 7 зберігаються малими, наповнювач ефективно повертає газу отриману частину тепла. Таким чином, акумулятор повертає в гідравлічну систему отриману від неї гідравлічну енергію, практично без будь-яких втрат, а відновлення форми наповнювача 7 в кожному циклі рекуперації, незалежно від еластичних властивостей матеріалу і його деградації, здійснюється примусово шляхом використання пружності стисненого газу, який переміщає під час свого розширення розділювач 6, при цьому розділювач 6 тягне прикріплений до нього наповнювач 7 і розтягує його, попереджаючи розвинення залишкових деформацій. Для запобігання надмірним деформаціям, сприяючим втомним руйнуванням і розривам в суміжному з розділювачем граничному шарі наповнювача, і, таким чином, вирішення задачі запобігання руйнуванню наповнювача під час нерівномірного руху розділювача з сильними ривками акумулятор містить засоби захисту, виконані з можливістю зменшення локальних деформацій граничного шару наповнювача при ривках розділювача. Винахід передбачає варіанти пневматичного або еластичного виконання засобів захисту, а також їхні комбінації. Акумулятор у відповідності до Фіг.1 містить пневматичні засоби захисту, акумулятори у відповідності до Фіг.3 містять еластичні засоби захисту, а акумулятори у відповідності до Фіг.2 і Фіг.4 містять комбіновані пневматичні і еластичні засоби захисту. Засоби захисту в поршневому акумуляторі у відповідності до Фіг.1 містять газодинамічні бар'єри, виконані у вигляді мембран 11 з отворами 12, розташованих поперечно напряму руху розділювача 6. Балонний акумулятор у відповідності до Фіг.2 містить комбіновані пневматичні і еластичні засоби захисту. В зоні малих амплітуд переміщення розділювача (тобто поблизу від газового порту 5) зазначені засоби захисту являють собою еластичні елементи 9, причому їхня товщина зменшується з глибиною проникнення в матеріал наповнювача. Еластичні елементи 9 сформовані на розділювачі 6 з того ж еластичного полімерного матеріалу, що й власно розділювач 6. В інших варіантах виконання еластичний елемент може бути виконаний у вигляді внутрішніх перегородок між порами з підвищеною пружністю поблизу від розділювача, яка перевищує середню пружність внутрішніх перегородок між порами наповнювача. В цьому випадку пружність внутрішніх перегородок в граничному шарі збільшується шляхом зниженням пористості і збільшення щільності матеріалу пористого наповнювача або шляхом просочення його еластичним клеєм. В зоні високих амплітуд переміщення розділювача 6 наповнювач 7 забезпечується також пневматичними засобами захисту у вигляді газодинамічних бар'єрів, які виконані як сукупність мембран 11 з отворами 12, розташованих поперечно напряму руху розділювача 6. 95592 12 Проникність мембран 11 на Фіг.1 і Фіг.2 і відстані між ними збільшуються в міру того, як вони віддаляються від розділювача 6. На Фіг.1 суміжні шари пористого матеріалу наповнювача 7 приклеєні до мембран 11, виготовлених з полімерної плівки. На Фіг.2 шари пористого матеріалу наповнювача 7 склеєні один з одним еластичним клеєм, який формує еластичні мембрани 11 між ними. В акумуляторах у відповідності до Фіг.1 і Фіг.2 газодинамічні бар'єри можуть бути виконані розподіленими, а саме, у вигляді сукупності каналів зниженої проникності, які з'єднують пори наповнювача 7. В цьому випадку доцільним є виконання наповнювача 7 з нерівномірною за його об'ємом проникністю каналів, а саме, зниженій поблизу від розділювача 6 і підвищеній поблизу від газового порту 5. В мембранному акумуляторі у відповідності до Фіг.3 засоби захисту містять еластичні елементи 9 у вигляді концентричних гофрованих трубок, виконаних з еластичного полімерного матеріалу таким чином, що в міру того, як вони віддаляються від розділювача, товщина стінок трубок зменшується, кривизна гофри збільшується, що забезпечує повільне зниження пружності. Наповнювач 7 приклеєний до розділювача 6, до еластичних елементів 9 і до корпусної вставки 10, встановленої на корпусі 1 з колекторним зазором 13 між ними. В поршневому акумуляторі у відповідності до Фіг.4 засоби захисту містять сукупність еластичних мембран 14 з отворами 15, розташованих поперечно напряму руху розділювача 6 і об'єднаних у багатошарову листову пружину 16, приєднану з одного боку до розділювача 6, а з другого боку приєднану до корпуса 1 через корпусну вставку 10. Суміжні шари пористого матеріалу наповнювача 7 приклеєні до еластичних мембран 14. Еластичні мембрани 14 виготовлені переважно з металу і виконують функцію одночасно як газодинамічних бар'єрів, так і еластичних елементів. Їхня газопроникність є підвищеною поблизу від газового порту 5 за рахунок збільшення діаметру отворів 15 і їхньої кількості. Коли акумулятор функціонує як частина гідравлічної системи з високочастотною пульсацією або високими швидкостями наростання потоку і гідроударами, розділювач 6 рухається нерівномірно, з сильними ривками, що викликає локальні деформації розтягнення або стиснення наповнювача 7 в суміжному з розділювачем 6 граничному шарі. При високій швидкості наростання потоку рідини з акумулятора, наприклад, внаслідок різкого падіння тиску в гідравлічній системі, розділювач 6 ривком з великим прискоренням рухається у напрямку до рідинного порту (донизу на Фіг.1 і Фіг.4, донизу ї убік на Фіг.2 і Фіг.3), тягнучи за собою прикріплений до нього наповнювач 7. Пневматичні засоби захисту у відповідності до Фіг.1, Фіг.2, Фіг.4 функціонують наступним чином. Внаслідок високого газодинамічного опору мембран 11 або 14 на кожній з них з боку, повернутому до розділювача 6, виникає розрідження, а з протилежного боку виникає надмірний тиск. Падіння тиску, що виникають, штовхають кожну мембрану 11 або 14 у напрямку до розділювача 6, і мембра 13 ни втягують суміжні з ними шари наповнювача 7, знижуючи навантаження на граничний шар наповнювача і його локальні деформації розтягнення, розподіляючи розтягнення в глибину наповнювача. Збільшення проникності і відстані між мембранами в міру того, як вони віддаляються від розділювача, забезпечують повільне зменшення прискорень мембран і зв'язаних з ними шарів пористого матеріалу наповнювача, що забезпечує рівномірний розподіл деформацій і перешкоджає виникненню надмірних деформацій як в граничному шарі, так і в об'ємі наповнювача. Аналогічним чином, коли ривки розділювача мають місце в протилежному напрямі, перепади тиску відштовхують мембрани 11 або 14 від розділювача 6, що зменшує локальні деформації стиснення в граничному шарі. Еластичні засоби захисту у відповідності до Фіг.2-4 функціонують наступним чином. Коли розділювач переміщається нерівномірно, з сильними ривками, еластичні елементи акумулятора втягують суміжні з ними шари пористого матеріалу наповнювача в прискорений рух, розподіляючи прискорення і відповідні інерційні навантаження і деформації на більшу глибину наповнювача, що, таким чином, зменшує локальні деформації його граничного шару. Зменшення пружності еластичних елементів 9 із збільшенням відстані від розділювача, як це показано на Фіг.2, Фіг.3, або з'єднання з корпусом еластичного елемента у вигляді багатошарової листової пружини 16, як це показано на Фіг.4, забезпечує повільне зменшення прискорень зв'язаних з ними шарів пористого матеріалу наповнювача, що забезпечує рівномірний розподіл деформацій і перешкоджає виникненню надмірних деформацій як в граничному шарі, так і в об'ємі наповнювача. У всіх наданих вище варіантах виконання доцільно виконувати засоби захисту з можливістю зниження локальних деформацій розтягнення наповнювача до значень, які не перевищують заздалегідь задані межі оборотних деформацій при максимальних ривках розділювача. Максимальна сила ривка розділювача 6 може бути обмежена умовами експлуатації. Наприклад, якщо акумулятор має використовуватися в гідравлічному гібридному автомобілі з двигуном з вільним поршнем, робочий об'єм і максимальна частота тактів витиснення двигуна визначають максимальне прискорення і амплітуду переміщень розділювача і максимальну силу його ривків. Коли акумулятор функціонує з декількома пульсуючими джерелами і навантаженнями, наприклад, в спільній напірній магістралі, максимальна сила ривка визначається як сумарна величина усіх джерел і навантажень. Для акумулятора широкого застосування доцільно визначати прискорення і амплітуду прискореного переміщення розділювача і максимальну силу його ривка через максимально можливу швидкість наростання потоку рідини з акумулятора при миттєвому падінні тиску в гідравлічній системі від його максимального значення до атмосферного тиску. Максимальна швидкість наростання потоку рідини з акумулятора визначається, в першу чергу, гідродинамічним характеристиками його рідинного 95592 14 порту 3. В акумуляторах у відповідності до Фіг.2 і Фіг.3 рідинний порт 3 містить дисковий клапан 17, який обмежує потік рідини і швидкість його наростання, що зменшує максимальну силу ривка розділювача. В мембранному акумуляторі у відповідності до Фіг.3 рідинний порт 3 з дисковим клапаном 17 виконаний з таким рівнем обмеження потоку рідини, який дозволяє обмежуватися лише еластичними засобами захисту. Заздалегідь задана межа оборотних перетворень залежить від вибору пористого матеріалу наповнювача і від попередньої деформації цього матеріалу, яка відповідає максимальному об'єму газового резервуару. Наповнювач переважно виконаний зі спіненого еластомеру з відкритими порами, наприклад, спіненого поліуретану або спіненого латексу з розмірами пор від десятих часток міліметра до декількох міліметрів. З точки зору довговічності, наповнювач має бути виконаний переважно таким чином, щоб при максимальному об'ємі газового резервуара пористий матеріал наповнювача був стиснений уздовж напряму переміщення розділювача із заданим ступенем попереднього стиснення, що не перевищує 5, а межу оборотних деформацій доцільно встановлювати як таке відносне здовження, при якому відновлюється первісний розмір пор недеформованого пористого матеріалу. Наприклад, якщо ступінь попереднього стиснення для наповнювача з розміром пор 1 мм вибраний дорівнюючим 1,8, тиск напуску газу становить 9 МПа, при мінімальному тиску в гідравлічній системі 10 МПа пори можуть бути розтягнуті у 2 рази (від 0,5 до 1 мм), а при тиску 25 МПа в 5 разів (від 0,2 д 1 мм). Розтягнення стиснених пор до розміру, який не перевищує вихідний розмір, запобігає необоротному циклічному розтягненню, потоншанню і розриву внутрішніх перегородок пор. Виходячи із заздалегідь заданих меж оборотних деформацій і максимальної сили ривків розділювача з відомими значеннями щільності і пружності пористого матеріалу наповнювача, вибирають кількості, форми і розташування газодинамічних бар'єрів або еластичних елементів, а також їхню проникність або пружність відповідно. Більш сильні ривки розділювача і більш малі межі оборотних деформацій вимагають наявність більшої кількості газодинамічних бар'єрів або еластичних елементів з меншою товщиною шарів між ними; за умови, що газодинамічні бар'єри мають більш низьку проникність, а еластичні елементи мають більш високу пружність поблизу від розділювача і більшу глибину проникнення еластичних елементів в наповнювач. Таким чином, при будь-яких ривках розділювача не виникає жодного необоротного локального розтягнення пористого матеріалу наповнювача, що запобігає його руйнуванню. Для запобігання пошкодженню і втратам матеріалу наповнювача під час напуску і випуску газу і збільшення надійності роботи газового порту в акумуляторах у відповідності до Фіг.1-4 між корпусною вставкою 10 і газовим портом 5 встановлений фільтр 18. Фільтр виготовлений з пористого 15 матеріалу з можливістю пропускати газ і затримувати матеріал наповнювача і обмежувати потік газу під час його напуску і випуску таким чином, щоб падіння на ньому тиску при відкритому газовому порту в 10 і більше разів перевищувало максимальну різницю тисків між різними областями наповнювача. Можливо також передбачити варіанти виконання з окремим обмежувачем газового потоку у вигляді дроселя, відокремленого від наповнювача фільтром, виконаним з можливістю пропускати газ і не пропускати матеріал наповнювача в газовий порт з газового резервуара акумулятора, наприклад, у вигляді мембрани, причому середній розмір її пор не перевищує середню товщину внутрішніх перегородок між порами наповнювача, а середня відстань між порами мембрани є меншою ніж середній поперечний розмір каналів між порами наповнювача. Для збільшення газопроникності поблизу від газового порту 5 в наповнювачі 7 виконані дренажні канали 19, причому їхній розріз зменшується в міру їхнього заглиблення в матеріал наповнювача. Через отвори 20, виконані в корпусній вставці 10, дренажні канали з'єднуються з фільтром 18 або безпосередньо, або через колекторний зазор 13. У всіх згаданих вище запропонованих акумуляторах пропонується також варіант розподільного виконання дренажних каналів 19, причому наповнювач 7 поблизу від газового порту 5 виготовлений з пористого матеріалу із збільшеними розрізами каналів між порами. У всіх згаданих вище акумуляторах переважний варіант виконання наповнювача передбачає більш високу пружність поблизу від газового порту 5, а саме: він виготовлений з більш щільного пористого матеріалу, але із збільшеним розміром пор і розрізів каналів між ними. Обмеження потоку газу під час напуску і випуску зменшує сумарний перепад тиску між різними частинами наповнювача, а дренажні канали 19 разом з отворами 20 в корпусній вставці 10 і колекторним зазором 13 між нею і корпусом 1 рівномірно розподіляють внутрішні газові потоки і відповідні градієнти тиску, запобігаючи руйнуванню пористого матеріалу наповнювача поблизу від газового порту. Підвищена пружність матеріалу наповнювача поблизу від газового порту дозволяє здійснювати випуск і напуск з підвищеною швидкістю. Під час випуску газу фільтр 18 затримує пористий матеріал наповнювача, запобігаючи його затягненню в газовий порт і забезпечуючи довговічність наповнювача і надійність газового порту. Акумулятор може мати додатковий газовий порт аварійного скидання. В цьому випадку додатковий газовий порт забезпечений такими ж засобами запобігання пошкодженню і втратам матеріалу наповнювача, як і головний газовий порт. В поршневих акумуляторах (Фіг.1, 4) засоби захисту передбачають також запобігання скручуванню наповнювача 7 як під час зборки акумулятора, так і при поворотах розділювача 6, які можуть мати місце під час його переміщення. Скручування відвертається, наприклад, можливістю обертання буферної вставки 8 або корпусної 95592 16 вставки 10 відносно розділювача 6 або корпуса 1 відповідно. Поршневі акумулятори можуть мати поршень з камерою і мембраною в ній, яка розділяє камеру на рідинну частину і газову частину, сполучені через вікна в поршні з рідинним резервуаром і газовим резервуаром відповідно. В таких варіантах виконання наповнювач має більш високі пружність і проникність поблизу від вікон поршня, що забезпечує цілість матеріалу наповнювача і хороший газообмін між камерою і газовим резервуаром при коливаннях мембрани. Для підвищення довговічності при підвищеній температурі оточуючого середовища будь-який із згаданих акумуляторів доцільно виконувати з наповнювачем, який містить матеріал з фазовим переходом в діапазоні температур між максимальною температурою оточуючого середовища і максимальною припустимою температурою використання наповнювача. Наприклад, наповнювач, просочений вуглеводнями з температурою плавлення від 80 до 120 °C. При високих температурах оточуючого середовища, наприклад, при 40-60 °C, температура газу і наповнювача під час стиснення зростає до тих пір, поки це досягне температури фазового переходу. Після цього, плавлення вуглеводнів поглинає велику кількість теплоти, знижуючи ступінь нагрівання і запобігаючи досягненню температур, небезпечних для матеріалу наповнювача. Таким чином, запропоновані рішення: - запобігають руйнуванню і деградації пористого матеріалу теплоізоляційного наповнювача в процесі роботи гідропневматичного акумулятора в гідравлічній системі з високими швидкостями наростання потоку і гідравлічними ударами, які викликають сильні ривки розділювача; - забезпечують захист матеріалу наповнювача від руйнування і втрат і захист газового порту акумулятора від пошкодження під час напуску і випуску робочого газу; в результаті запропонований акумулятор має високі ефективність, надійність і довговічність навіть при підвищених температурах. Описані вище варіанти виконання являють собою приклади здійснення головної ідеї даного винаходу, який передбачає також численну кількість інших варіантів виконання, які не були описані тут детально, наприклад, варіанти виконання акумуляторів, які містять один газовий резервуар і декілька рідинних резервуарів перемінного об'єму в одному корпусі. Джерела інформації: 1. L.S.Stolbov, A.D.Petrova, O.V.Lozhkin. "Fundamentals of hydraulics and hydraulic drive of machines" (Принципи гідравліки і гідравлічний привід машин). Moscow, "Mashinostroenie", 1988, p. 172. 2. Патент US 6405760. 3. http://www.hydrotrole.co.uk/. 4. Патент US 5971027 5 Otis D.R., "Thermal Losses in Gas-Charged Hydraulic Accumulators" (Теплові втрати в газозарядних гідравлічних акумуляторах), Proceedings of the Eighth Intersociety Energy Conversion Engineering Conference, Aug.1973, pp.198-201. 17 6. Pourmovahed A., S.A Baum, F.J. Fronczak, N.H.Beachley "Experimental Evaluation of Hydraulic Accumulator Efficiency With and Without Elastomeric Foam" (Експериментальна оцінка гідравлічної ефективності акумулятора Beachley з еластомірною піною і без неї), Proceedings of the Twentysecond Intersociety Energy Conversion Engineering Conference, Philadelphia, PA, Aug.10-14, 1987, paper 87-9090. 7. Патент US 7108016. 8. Pourmovahed A., "Durability Testing of an Elastomeric Foam for Use in Hydraulic Accumulators" (Перевірка довговічності еластомірної піни для використання в гідравлічних акумуляторах), Proceedings of the Twenty-third Intersociety Energy Conversion Engineering Conference, Denver, CO, July 31 - Aug.5, 1988. Volume 2 (A89-1517604-44). 95592 18 9. Peter A.J. Achten, "Changing the Paradigm" (Змінюючи парадигму), Proceedings of the Tenth Scandinavian International Conference on Fluid Power, May 21-23, 2007, Tampere, Finland, Vol.3, pp.233-248. 10. Peter A.J. Achten, Joop H.E. Somhorst, Robert F.van Kuilenburg, Johan P.J. van den Oever, Jeroen Potma "CPR for the hydraulic industry: The new design of the Innas Free Piston Engine" (CPR для гідравлічної промисловості: Новий проект двигуна Innas з вільним поршнем), Hydraulikdagarna'99, May 18-19, Linkoping University, Sweden. 11. Peter A.J. Achten, "Dedicated Design of the Hydraulic Transformer" (Спеціалізований проект гідротрансформатора), Proceedings of the IFK 3, Vol.2, IFAS Aachen, pp.233-248. 19 Комп’ютерна верстка М. Ломалова 95592 Підписне 20 Тираж 23 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601