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Hydraulic accumulator - Wikipedia

蒸気エンジンを実際に、動力として使用するには問題となることが色々あります。 その 1 つは、時々しか使用しない場合にも常時ボイラーを過熱状態にする必要があります (燃料代の無駄)。 もう一つは、蒸気エンジンは (とりわけシリンダーが一個であれば) 動きが断続的 (pulsive) で、 はずみ車を使うにせよ、滑らかではありません。 そのため、動力を一時的に蓄える仕組みが水圧アキュームレーターです。 基本的には、元々はこれは高所の水槽で、位置エネルギーの形でエネルギーを蓄積し、必要な場合に一気に水を放出して 例えば水圧モーターを回転して動力を得ます。 これはアームストロングの発明で、彼は武器の製造 (アームストロング砲、戦艦) で有名ですが、元々は 水圧エンジニアで、現在の油圧技術の原点にいる人です。(武器の製造にも彼は水圧技術を使用している。)

以下の文章で hydraulic の言葉は「水圧/油圧」あるいはこれ以外 (水や油以外) の動作液の場合も含んでおり、 ややこしいので、一括して「水圧」と訳しています。

水圧アキュームレーターは圧力を保存する貯蔵庫で、 ここに圧縮可能でない水圧作動液 (hydraulic fluid) が圧力をかけて保存され、 これが機械的エネルギーの外部ソース (source) として適用される。 外部ソースになり得るものは： エンジン (engine)、 バネ (spring)、 持ち上げた重り (raised weight)、 あるいは、 圧縮されたガス (compressed gas) である。 アキュームレーターにより、 水圧システム (hydraulic system) が強力でないポンプを使用して極端な需要を処理し、 一時的な需要にもっと素早く応答し、 断続する動作 (pulsations) を滑らかにする。 これはエネルギーの貯蔵装置の一形式である。

圧縮ガス・アキュームレーターは、 水圧-圧縮空気アキュームレーター (hydro-pneumatic accumulators、ハイドロ-ニューマチック・アキュームレーター) とも呼ばれるが、 はるかに最も普通の形式である。

最初のアキュームレーターは、 アームストロングの水圧ドック機械 (hydraulic dock machinery) のためのもので、 単純な給水塔 (water towers) であった。 水は蒸気ポンプによって、これらの塔の頂上のタンクに汲み上げられた。 ドックの機械が水圧動力を必要とした時に、 地表上の水の高さによる落差 (hydraulic head) が必要な圧力を提供した。

これらの単純なアキュームレーターは極めて背が高い。 例えば、1852 年に建設されたグリムズビー・ドック・タワー (Grimsby Dock Tower) は高さ 300 フィート (91 m) である。 大きさの理由から、これらはとても高価で、 又、建設するのに 10 年以内の時間がかかる。 同じ頃、 ジョン・ファウラー (John Fowler) は近くのニュー・ホーランド (New Holland) の フェリーの岸壁の建設に従事していたが、 類似の水圧塔 (hydraulic power) を使用できなかった。 というのは貧弱な地盤の状態により、背の高いアキュームレーター塔の 建設ができなかったからである。 グリムズビー (Grimsby) の開設までに、これはすでに時代遅れであった。 というのはアームストロングは、 もっと複雑であるが、もっと小さな、重り付きアキュームレーター (weighted accumulator) をニュー・ホーランド (New Holland) で使用するために開発したからである。 1892 年に、元々のグリムズビー塔 (Grimsby) の機能は、 ファウラー (Fowler) の助言により、 隣接ドックの上の小さな重り付きアキュームレーターで交換された。 もっとも、塔は今日まで良く知られたランドマークとして残っている。

グリムズビー・ドック・タワー (Grimsby Dock Tower)

別の現存する塔は、イングランド、 バーケンヘッド (Birkenhead) の イースト・フロート (East Float) に隣接している。

持ち上げた重りのアキュームレーター (= 重り付きアキュームレーター) は垂直なシリンダーから構成され、 これは水圧パイプ (hydraulic line) に接続された動作液を含んでいる。 シリンダーはピストンにより閉鎖され、ピストンの上に一連の重りが置かれ、 これがピストンに下向きの力を働かせ、従ってシリンダー内の動作液に圧力をかける。 圧縮ガスとバネに対比すると、この形式はほとんど一定の圧力を提供し、 シリンダー内の動作液の体積に無関係で、これが空になるまで続く。 (圧力はシリンダーが空になるまで少々減少し、 これは残りの動作液の重さが減少するからである。)

この形式のアキュームレーターの動作例はブリストル・ハーバーの 水圧エンジン (hydraulic engine) に見ることができる。 元々の 1887 年のアキュームレーターは塔の中に設置され、 外部アキュームレーターは 1954 年に追加され、 このシステムは 2010 年までに使用され、 カンバーランド・ベイシン (ブリストル) の 水門ゲート (lock gates) に動力を与えた。 水はハーバーからヘッダー・タンク (header tank) に汲み上げられ、 次に重力でポンプに注ぎこまれる。 動作圧力は 750 psi (5.2 MPa あるいは 52 bar) であり、 これはブリストル・ハーバーのクレーン、橋、及び水門に動力を与えるのに使用された。

水圧エンジン棟 (hydraulic engine house), ブリストル・ハーバー

ロンドンのタワーブリッジの元々の動作機構も、 この形式のアキュームレーターを使用した。 最早使用されていないが、6 基のアキュームレーターのうちの 2 基は橋の博物館で、 なお元の位置で見ることができる。

リージェンツ運河ドック (Regent's Canal Dock) は、 現在はライムハウス・ベイシン (Limehouse Basin) と改名され、 1869 年の水圧アキュームレーターの遺物がある。 これはこのような残存する施設では、世界で最古の断片である。 ドックでは 2 番目の施設であり、ポプラ・ドック (Poplar Dock) よりも後に設置され、 元々はロンドン・ブラックウォール鉄道 (London and Blackwall Railway) の信号ボックス (signalbox) と 誤って登録され (listed)、 正しく確認された時に、 今では現存しないロンドン・ドックランズ開発コーポレーション (London Docklands Development Corporation) により、 観光客の呼び物として復元された。 今では、カナル & リバー・トラスト (Canal & River Trust) により所有され、 ドックマスターの事務所に申請すれば、大きなグループには開放され、 毎年 9 月の 3 番目の週末に開催される 「ロンドン・オープン・ハウス週末」 (London Open House Weekend) のどちらの午後にも開放される。

ロンドンは 19 世紀中頃から広範囲な公共の水圧動力システムがあり、 1970 年代についに閉鎖され、 この時、 5 つの水圧動力ステーションがあって、 ロンドン水圧動力会社 (London Hydraulic Power Company) により操業されていた。 鉄道の物資ヤード (goods yard) とドックはしばしば、自身のための分離したシステムがあった。

アキュームレーターの単純な形式は空気を充満した閉鎖された塊 (volume) である。 パイプの垂直な部分は、しばしば大きくした直径があり、 これで十分で、これ自身が空気で充満され、パイプ細工が充満すると閉じ込められる。

このようなアキュームレーターは典型的には十分な動力を貯えるのに十分に有効な容量がない。 これらには前もって高圧ガスをプリチャージ (precharge, 前もって充填) できないからである。 しかし、これらは圧力の変動を吸収するバッファーとして機能できる。 これらはピストン・ポンプからの配送を滑らかにするのに使用された。 別の使用は、 ウォーター・ハンマー (water hammer) を弱めるためのショック・アブソーバー (shock absorber) であり、 この応用は大半のラム・ポンプ (ram pump) の不可欠な部分である。 空気の喪失は有効性の喪失になり、もしも空気が時間と共に失われるのであれば、 このデザインにこれを補充する何らかの方法を含んでいなければならない。

蒸気消防車、垂直な銅製のアキュームレーターが付属

圧縮ガス・アキュームレーターを構成するのはシリンダーと 2 つの隔室で、 これらが、伸び縮みする隔膜 -- 完全に取り囲んだ空気袋 (bladder、魚の浮き袋)、あるいはフローティング・ピストン -- で分離されている。 1 つの隔室が流体を含み、水圧パイプ (hydraulic line) に接続されている。 別の隔室は不活性ガス (典型的には窒素) を含み、通常、圧力がかけられ、動作流体に圧縮力を提供する。 不活性ガスが使用されるのは、酸素とオイルは高圧下で混ぜると、爆発的な混合物になるからである。 圧縮ガスの体積が変化すると、ガスの圧力 (そして、流体の圧力) が逆方向に変化する。

空気袋形式の水圧アキュームレーター 流体は内部のゴム製の空気袋を満たし、これが 拡張すると密閉された殻の中の空気を圧縮する。

低圧水のシステムの使用では、水は通常はタンクの中のゴム製の空気袋を充満し (挿絵)、 タンクとの接触を避ける。こうしないと、タンクは耐腐食 (corrosion resistent) にする必要がある。 水圧システムのような高圧応用にデザインされたユニットは 通常とても高い圧力 (システムの動作圧力に近い) でプリチャージ (pre-charge, 前もって装填) され、 システム圧力が低い時に、内部圧力により、空気袋、あるいは隔膜の被害を防止するようにデザインされている。 空気袋の形式では、これは一般にこれは空気袋がガスで充満されていることが必要となり、 システム圧力が 0 の時に、空気袋は完全に膨張し、ガスの充填でつぶれることがない。 空気袋が装置から押し出されるのを防止するために、 システム圧力が低い時に、典型的には空気袋に取り付けた押し出し防止板 (anti-extrusion plate) があり、 これが押し付けて、進入を密閉するが、あるいは入口にバネを搭載した板があって、空気袋がここを押すと閉鎖する。

アキュームレーターのガス側にガス容器を組み合わせて、アキュームレーターのガス容量を増やすことが可能である。 システム圧力の同じ変動で、これにより、アキュームレーダーの容積の大きな部分が使用される結果となる。 もしも、圧力がとても広い範囲で変動しなければ、 これはコスト削減の方法で、必要となるアキュームレーターの大きさが小さくなる。 アキュームレーターがピストン・タイプでなければ、 空気袋あるいは隔膜は、予期される圧力超過の状態で、被害を受けないようにすることが必要である。 多くの空気袋形式のアキュームレーターは空気袋が圧力でつぶれることを許容できない。

圧縮ガスアキュームレーターはジャン・メルシェ (Jean Mercier) により発明され、 可変ピッチ・プロペラ (variable-pitch propellers) で使用された。

ピストン・アキュームレーター	シトロエン XM のエンジン部分、シトロエンの 2 つの特色ある緑色の球形アキュームレーター が見える。 ハイドロニューマチック・サスペンション (Hydropneumatic suspension) に使用。

スプリング形式のアキュームレーターは、操作上は上記のガス充填アキュームレーターに類似する、 但し、重い 1 つ (複数) のバネが使用されて、圧縮力を提供する。 フックの法則 (Hook) によれば、バネに働いた力の大きさは、長さの変化に線形に比例する。 従って、バネが圧縮されると、これが流体に及ぼす力は線形に増加する。

金属ふいごアキュームレーターは。圧縮ガス形式と類似して機能する。 但し、伸び縮みする隔膜やフローティング・ピストンが、密閉された溶接金属ふいごで交換されている。 流体はふいごの内部、あるいは外部でもよい。 金属ふいご形式の利点に含まれるものは： 例外的にとても低いバネの比率 (spring rate)； ガスの充填にすべての仕事をまかせ、満杯から空までの圧力変化がほとんどない； 長いストローク、 これにより包含容量 (casing volume) の効率的利用が可能となり、 ふいごは多大な圧力過多 (over-pressure) -- 空気袋形式の分離膜 (separator) をつぶす -- に抵抗するように作ることができる。 溶接された金属ふいごアキュームレーターは 例外的に高レベルのアキュームレーターの性能を提供し、 幅広い合金で製造でき、 幅広い流体と両立する。 この形式の他の利点は： 高圧操作での問題に直面することがなく、 とても高い温度、あるいは低い温度、 ないしは、ある種の侵略的化学薬品に抗生を持つように建造することができ、 そしてある条件では随分長く持続する。 金属ふいごは他の一般の形式よりは、製造するのに随分とコストが高い。

現代の、しばしば移動可能な (mobile) 水圧システムでは、 好ましいものはガス充填アキュームレーターであるが、単純なシステムはバネ形式 (spring-loaded) である。 一つのシステムに一つ以上のアキュームレーターがあることがある。 各々の正確な形式と設置は効果と製造コストによる妥協である。

アキュームレーターはポンプのそばに置かれ、 逆止め弁 (non-return valve) がポンプに逆流することを防止している。 ピストン形式ポンプの場合には、このアキュームレーターは複数ピストンのポンプからの エネルギーのパルスを吸収する理想的な場所に置かれる。 これはシステムを 流体ハンマー (fluid hammer) から防ぐ助けもする。 これは、システム部品、とりわけパイプ細工を、共に潜在的に破壊的な力から保護している。

追加の恩恵は、ポンプの需要が低い時に、蓄えることができる追加のエネルギーである。 デザイナーは容量の小さなポンプを使用できる。 例えば、航空機の着陸装置のように、多大な体積の流体を必要とするシステム部品の偏位 (excursion) も 一つ以上のアキュームレーターから恩恵を得られる。 これらは、しばしば需要に近接して設置され、長いパイプ細工の制限と抵抗 (drag) に打ち勝つ助けになる。 アキュームレーターが放出するエネルギーの流出は、大ポンプが生成するよりも、短期間にはずっと大きい。

アキュームレーターはポンプが定期的に ON/OFF しなくても、 わずかな漏れがある期間にシステムの圧力を維持できる。 温度変化が圧力の偏位 (excursion) を引き起こす時に、 アキュームレーターはこれを吸収する助けになる。 この大きさは流体を吸収する助けになり、 こうでなければ、固定された小さなシステムでは、 バルブの配置によっては、拡張の余地がなく、閉じ込められる (locked in)。

アキュームレーターでガスをプリチャージ (precharge) するのは： 分離浮き袋 (bladder)、隔膜 (diaphragm)、あるいはピストンが動作シリンダーのどちらの側にも 接触あるいは打ち付けないようにするためである。 プリチャージ (precharge) のデザインは通常は可動部分が末端をふさいだり、 ブロック流体の通過をふさがないようにする、 プリチャージ (precharge) の貧弱なデザインは動作するアキュームレーターを壊す可能性がある。 適切にデザイン・保守されたアキュームレーターは何年も問題なく動作する。