KR102089757B1 - 건설 중장비용 기계적 에너지 절감장치 - Google Patents

Abstract

불도저, 굴삭기와 같은 건설 중장비의 작동시 작동체에 추가적으로 설치되어 상기 작동체의 작동과 연동하여 발생하게 되는 기계적 에너지를 저장하였다가 필요시 이를 다시 재활용할 수 있으므로 에너지 절감효과를 제공할 수 있는 건설 중장비용 기계적 에너지 절감장치(100)가 개시된다. 기계적 에너지 절감장치(100)의 실린더장치(120)는 상기 작동체에 기계적으로 연결되고, 상기 건설 중장비의 작동시에 상기 작동체에 의해서 전달되는 기계적 에너지를 이용하여 공기를 생성 및 저장한다. 상기 실린더장치(120)에서 생성된 유체인 공기는 에어라인(140)을 통해서 에어탱크(130)에 제공되어 저장된다.

Description

건설 중장비용 기계적 에너지 절감장치 {Mechanical energy saving apparatus for a heavy construction equipment}

본 발명은 건설 중장비용 기계적 에너지 절감장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 불도저, 굴삭기와 같은 건설 중장비의 작동시 작동체에 추가적으로 설치되어 상기 작동체의 작동과 연동하여 발생하게 되는 기계적 에너지를 저장하였다가 필요시 이를 다시 재활용할 수 있으므로 에너지 절감효과를 제공할 수 있는 건설 중장비용 기계적 에너지 절감장치에 관한 것이다.

일반적으로, 건설기계란 건설공사에 사용되는 기계의 총칭으로서, 각종 건설공사 현장이나 토목공사 현장과 같은 건설공사에서 인력으로 하기 어려운 작업을 기계적으로 수행할 수 있도록 개발된 고부하 작업기계이다. 건설기계는 작업의 효율성과 공기단축, 공사비용 절감등의 측면에서 필수적인 공사 장비이다.

건설기계의 종류로는 토목장비로서 불도저, 굴삭기, 스크레이퍼, 로더 등이 있고, 운반장비로서 지게차, 덤프트럭, 콘크리트 믹서트럭 등이 있으며, 포장장비로서 모터 그레이더, 로울러, 아스팔트 피니셔, 아스팔트 살포기, 골재 살포기 등이 있고 기타장비로서 쇄석기, 준설선 등이 있다.

이와 같은 건설기계는 대부분 중장비 차체가 크고 무거우며 물리적 부하를 견디면서 작업을 수행해야 하기 때문에 막대한 동력이 발생되는데, 예를 들어 불도저나 굴삭기 등의 토목장비는 엔진을 동력원으로 하여 유압의 매개체를 통해 최종 부하인 붐, 암 및 버켓을 직선 및 회전운동시키게 되는데, 이때 에너지를 많이 소비하게 된다.

따라서, 건설기계를 이용하여 해당작업 수행 시, 기계장치에 의해서 발휘되는 기계적 에너지를 저장하였다가 필요할 때 이를 활용함으로써, 고유가 시대에 건설기계의 에너지소비를 줄이고 작업효율을 향상시킬 수 있는 에너지 절감장치의 개발 필요성이 대두하고 있다.

대한민국 공개특허공보 제10-2015-0130573호(공개일자: 2015년 11월 24일) 대한민국 공개특허공보 제10-2014-0116109호(공개일자: 2014년 10월 01일)

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 건설 중장비의 작동시 작동체에 추가적으로 설치되어 상기 작동체의 작동과 연동하여 발생하게 되는 기계적 에너지를 저장하였다가 필요시 이를 다시 재활용할 수 있도록 하여 에너지 절감효과를 제공할 수 있는 건설 중장비용 기계적 에너지 절감장치를 제공하려는 것이다.

이를 위해서, 본 발명은, 건설 중장비용 기계적 에너지 절감장치로서,

상기 건설 중장비의 작동체에 기계적으로 연결되고, 상기 건설 중장비의 작동시에 상기 작동체에 의해서 전달되는 기계적 에너지를 이용하여 공기를 생성 및 저장하기 위한 실린더장치;

상기 건설 중장비의 차체나 엔진의 바디에 고정 장착되고, 상기 실린더장치에서 생성된 유체인 공기를 저장하기 위한 에어탱크; 및

상기 실린더장치와 상기 에어탱크 사이에서 연장되어 상기 실린더장치와 상기 에어탱크를 유체 연결하고 상기 에어탱크에 저장된 공기를 외부 수요처로 공급하기 위한 에어라인;을 포함하는 것을 특징으로 하는 건설 중장비용 기계적 에너지 절감장치를 제공한다.

상기 실린더장치는 중공의 실린더 배럴, 상기 실린더 배럴 내에서 종방향으로 왕복운동이 가능하도록 배치되고 일체로 결합된 피스톤 헤드와 피스톤 로드, 상기 실린더 배럴의 양단부에 각각 일부분이 삽입되고 일부분은 노출되도록 고정 장착된 로드커버와 헤드커버를 포함하며, 상기 피스톤 로드의 자유단부는 연결수단에 의해서 상기 작동체에 선회가능하게 장착되는 것을 특징으로 한다.

상기 연결수단은, 상기 작동체의 외부면상에 장착된 링크; 및 상기 자유단부를 상기 링크에 선회가능하게 연결하기 위한 힌지축;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 실린더 배럴의 상단부에 장착된 로드커버에서 외부로 노출된 부위의 일측에는 제1 공기압 공급포트가 형성되고 타측에는 제1 공기압 배기포트가 형성되며, 상기 실린더 배럴의 하단부에 장착된 헤드커버에서 외부로 노출된 부위의 일측에는 제2 공기압 공급포트가 형성되고 타측에는 제2 공기압 배기포트가 형성된 것을 특징으로 한다.

상기 제1 공기압 공급포트에는 제1 체크밸브가 배치되고, 상기 제1 공기압 배기포트에는 제2 체크밸브가 배치되며, 상기 제2 공기압 공급포트에는 제3 체크밸브가 배치되고, 상기 제2 공기압 배기포트에는 제4 체크밸브가 배치된 것을 특징으로 한다.

상기 에어라인은 상기 제2 공기압 배기포트로부터 상기 에어탱크까지 연장되는 제1 유로, 상기 제1 공기압 배기포트로부터 상기 제1 유로의 중간부위에 유체 연결되는 제2 유로, 및 상기 에어탱크로부터 외부의 수요처까지 연장되는 제3 유로를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이상에서 언급한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 건설 중장비의 작동체가 작동할 때 상기 작동체와 연동하여 작동하면서 공기를 생성 및 축적하고 필요에 따라서 수요처로 공급할 수 있으므로, 기존의 중장비에서 필수적으로 수행하게 되는 동작시에 낭비되던 기계적 에너지를 재활용할 수 있도록 함으로써 에너지 절감효과를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 기계적 에너지 절감장치가 장착된 굴삭기의 외부 사시도;
도 2는 도 1에 도시된 기계적 에너지 절감장치의 배치구조를 보여주는 도면으로서, 주변 부품들을 생략하여 나타낸 부분 확대도;
도 3은 도 2에 도시된 기계적 에너지 절감장치의 피스톤 로드가 수축되기전 상태의 유체흐름을 보여주는 부분 확대 종단면도;
도 4는 도 3의 "A"부분의 확대도;
도 5는 도 3의 "B"부분의 확대도;
도 6은 도 2에 도시된 기계적 에너지 절감장치의 피스톤 로드가 수축된 상태의 유체흐름을 보여주는 부분 확대 종단면도;
도 7은 도 6의 "C"부분의 확대도; 및
도 8은 도 6의 "D"부분의 확대도.

본 출원의 도면과 그 상세한 설명은 단지 본 발명의 실시 예에 관한 것이다. 여기에서 발표한 기구 및 방식들의 장점 및 다른 특징들은 본 발명의 대표적인 실시 예를 나타낸 첨부도면들을 참조한 상세한 설명을 통해서 해당 기술분야의 숙련된 당업자에게 보다 명백해질 것이다.

이하, 첨부도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 건설 중장비용 기계적 에너지 절감장치에 대해 상세하게 설명한다.

먼저, 도 1 및 도 2에는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 기계적 에너지 절감장치가 장착된 굴삭기(10)가 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, 건설기계중 토목장비로 분류되는 굴삭기(10)는 기본적으로 엔진(20), 상기 엔진(20)의 일측에 마련되어 엔진(20)과 함께 회전 가능하도록 구성된 운전실(30), 상기 엔진(20)으로부터 동력을 전달받고 운전실(30)에 탑승하는 운전자의 조종에 의해 굴삭작업을 수행하게 되는 작업장치(40), 및 이들을 이동가능하게 지지하기 위한 이동장치(50)를 포함한다.

상기 작업장치(40)는, 운전실(30)의 인근위치에서 차체(12)로부터 외부로 연장되어 전후방향으로 굴절운동이 가능하도록 배치된 붐(42), 일단부는 차체(12)에 장착되고 타단부는 붐(42)의 측면에 장착되어 신축 가능한 상태에서 붐(41)을 지지하기 위한 한쌍의 붐 실린더(41), 상기 붐(42)의 전방단부에 장착되어 붐(42)을 지지대로 삼아 전후 상하방향으로 굴절운동이 가능하도록 배치된 암(44), 상기 암(44)의 상부면을 따라 배치된 암 실린더(43), 상기 암(44)의 자유단부 내측에 설치된 버킷 실린더(45), 상기 버킷 실린더(45)의 동작에 의해 지면과 접촉하여 땅을 파고 흙을 담을 수 있는 버킷(46), 상기 버킷 실린더(45)와 상기 버킷(46) 사이에 배치되어 버킷(46)의 전후방향 굴절운동을 지지하기 위한 가이드 링크(47) 및 푸쉬 링크(48)를 포함한다.

상기 이동장치(50)는 무한궤도로 이루어진 하부 주행체(52) 및 상기 하부 주행체(52)를 지지하기 위한 사이드 프레임(54)을 포함한다.

한편, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 기계적 에너지 절감장치(100)는 바람직하게는 굴삭기(10)의 차체(12) 및 엔진(20)에 걸쳐서 배치된다.

도 2는 도 1에 도시된 기계적 에너지 절감장치(100)의 배치구조를 보여주는 도면이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 기계적 에너지 절감장치(100)의 일부 부품들은 차체(12)에 장착하여 배치되고 다른 부품들은 엔진(20)의 바디(22) 상부면상에 장착하여 배치된다.

기계적 에너지 절감장치(100)는 주로 공압 실린더로 이루어진 실린더장치(120), 상기 실린더장치(120)에서 생성된 유체인 공기를 저장하기 위한 에어탱크(130), 상기 실린더장치(120)와 상기 에어탱크(130) 사이에서 연장되어 이들을 유체 연결하고 상기 에어탱크(130)에 저장된 공기를 외부 수요처로 공급하기 위한 에어라인(140)을 포함한다.

먼저, 실린더장치(120)의 일단부는 운전실(30) 인근 위치에서 차체(12)에 고정 장착되고, 타단부는 상기 붐(42)에 장착된다. 에어탱크(130)는 엔진(20)의 바디(22)상에 고정 장착된다. 에어라인(140)은 상기 실린더장치(120)와 상기 에어탱크(130) 사이에서 연장되어 지나가는 경로에 따라 일부분은 차체(120)에 고정되고 일부분은 엔진(20)의 바디(22)상에 고정된다.

도 3에는 실린더장치(120)의 구조가 상세하게 도시되어 있다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 실린더장치(120)는 중공의 실린더 배럴(121), 상기 실린더 배럴(121) 내에서 종방향으로 왕복운동이 가능하도록 배치되고 일체로 결합된 피스톤 헤드(122)와 피스톤 로드(123), 상기 실린더 배럴(121)의 양단부에 각각 일부분이 삽입되고 일부분은 노출되도록 고정 장착된 로드커버(124)와 헤드커버(125)를 포함한다.

상기 피스톤 로드(123)의 자유단부(123a)는 연결수단, 즉 즉, 링크(49) 및 힌지축(49a)에 의해서 바람직하게는 붐(42)의 하측 외부면상에 선회 가능하도록 연결된다. 상기 자유단부(123a)는 힌지축(49a)을 중심으로 링크(49)에 선회가능하도록 연결된다.

도 3에서 상기 실린더 배럴(121)의 상단부에 장착된 로드커버(124)에서 외부로 노출된 부위의 일측에는 제1 공기압 공급포트(151)가 형성되고 타측에는 제1 공기압 배기포트(153)가 형성된다. 이때, 제1 공기압 공급포트(151)에는 제1 체크밸브(161)가 배치되어 제1 공기압 공급포트(151)를 통해서 도입될 공기의 흐름을 단속하게 된다. 제1 공기압 배기포트(153)에는 제2 체크밸브(162)가 배치되어 제1 공기압 배기포트(153)를 통해서 배기될 공기의 흐름을 단속하게 된다.

도 3에서 상기 실린더 배럴(121)의 하단부에 장착된 헤드커버(125)에서 외부로 노출된 부위의 일측에는 제2 공기압 공급포트(152)가 형성되고 타측에는 제2 공기압 배기포트(154)가 형성된다. 이때, 제2 공기압 공급포트(152)에는 제3 체크밸브(163)가 배치되어 제2 공기압 공급포트(152)를 통해서 도입될 공기의 흐름을 단속하게 된다. 제2 공기압 배기포트(154)에는 제4 체크밸브(164)가 배치되어 제2 공기압 배기포트(152)를 통해서 배기될 공기의 흐름을 단속하게 된다.

한편, 앞서 언급한 에어라인(140)은 헤드커버(125)의 제2 공기압 배기포트(164)로부터 상기 에어탱크(130)까지 연장되는 제1 유로(141), 로드커버(124)의 제1 공기압 배기포트(153)로부터 제1 유로(141)의 중간부위에 유체 연결되는 제2 유로(142), 및 상기 에어탱크(130)로부터 외부의 수요처(도시되지 않음)까지 연장되는 제3 유로(143)(도 1 참조)를 포함한다.

하기에서는 전술한 바와 같이 구성된 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 기계적 에너지 절감장치(100)가 굴삭기(10)를 이용한 굴삭작업시 그에 연동하여 작동하는 과정에 대해 간략하게 설명한다.

굴삭기(10)를 이용하여 굴삭작업을 수행하는 경우, 굴삭기(10) 고유의 작동구조 및 원리에 의해 붐(42), 암(44) 및 버킷(46)은 전후방향으로 수많은 절곡작업을 수행하게 된다. 이러한 절곡작업은 유압을 동력원으로 하여 수행하게 되고 전기에너지가 최초 동력원 및 보조동력원으로 사용된다. 종래에는 붐(42), 암(44) 및 버킷(46)의 전후방향 절곡운동시 이들 구성요소들이 소비하는 에너지에 대해 별다른 절감수단을 고려하지 못하였다.

본 발명에서는 굴삭기(10)에서 붐(42), 암(44) 및 버킷(46)이 굴삭을 위해 필수적으로 수행하게 되는 동작시에 낭비되던 기계적 에너지를 이용하여 공기에너지를 생성 및 저장하고 필요시 이를 활용할 수 있도록 함으로써 에너지 절감효과를 얻을 수 있는 것이다.

본 발명의 바람직한 실시 예에서는 기계적 에너지 절감장치(100)를 붐(42)의 동작에 연동하도록 설치하였다. 붐(42)이 굴삭작업을 수행하기 위해서 전후방향으로 절곡운동을 수행하게 되면, 붐(42)의 외측 하부면상에 링크(49)를 통해서 자유단부(123a)가 선회가능하게 장착된 피스톤 로드(123)는 종방향으로 신축운동을 하게 된다.

앞서 설명한 도 3에는 실린더 장치(120)의 피스톤 로드(123)가 수축되기전 상태가 나타나 있다. 즉, 피스톤 로드(123)의 하부에 있는 피스톤 헤드(122)가 로드커버(124)의 하부 내면과 밀착 접촉하고 있는 상태이다.

이러한 상태에서 붐(42)이 전후방향으로 절곡동작을 수행하게 되고 그 결과로서 피스톤 로드(123)가 수축하게 되면, 피스톤 로드(123)가 로드커버(124)의 하부 내면으로부터 멀어지면서 로드커버(124) 내측에 형성된 제1 공기압 공급포트(151)와 제1 공기압 배기포트(153)가 실린더 배럴(121)의 내부와 연통하게 된다. 이때, 제1 공기압 공급포트(151)의 중간에 설치된 제1 체크밸브(161)를 개방하면, 외부의 공기가 제1 공기압 공급포트(151)를 통해서 실린더 배럴(121)의 내부로 도입된다. 이때, 제1 공기압 배기포트(153)의 중간에 설치된 제2 체크밸브(162)는 폐쇄한다.

피스톤 로드(123)가 실린더 배럴(121)의 내부에서 실린더 배럴(121)의 종방향으로 더욱 하강하게 되면, 제2 공기압 배기포트(154)의 중간에 설치된 제4 체크밸브(164)를 개방하고 제2 공기압 공급포트(152)의 중간에 설치된 제3 체크밸브(163)는 폐쇄한다. 그러면, 가압된 공기는 제2 공기압 배기포트(154) 및 제1 유로(141)를 거쳐서 에어탱크(130)로 공급된다. 이러한 동작은 피스톤 로드(123)가 실린더 배럴(121)의 내부에서 하강하여 헤드커버(125)의 상부 내면과 밀착 접촉할 때까지 이루어진다.

이와는 달리, 만일 붐(42)이 전후방향으로 절곡동작을 수행하게 되고 그 결과로서 피스톤 로드(123)가 신장하게 되면, 피스톤 로드(123)가 헤드커버(125)의 상부 내면으로부터 멀어지면서 헤드커버(125) 내측에 형성된 제2 공기압 공급포트(152)와 제2 공기압 배기포트(154)가 실린더 배럴(121)의 내부와 연통하게 된다. 이때, 제2 공기압 공급포트(152)의 중간에 설치된 제3 체크밸브(163)를 개방하면, 외부의 공기가 제2 공기압 공급포트(152)를 통해 실린더 배럴(121)의 내부로 도입된다. 이때, 제2 공기압 배기포트(154)의 중간에 설치된 제4 체크밸브(164)는 폐쇄한다.

피스톤 로드(123)가 실린더 배럴(121)의 내부에서 실린더 배럴(121)의 종방향으로 더욱 상승하게 되면, 제1 공기압 배기포트(153)의 중간에 설치된 제2 체크밸브(162)를 개방하고 제1 공기압 공급포트(151)의 중간에 설치된 제1 체크밸브(161)는 폐쇄한다. 그러면, 가압된 공기는 제1 공기압 배기포트(162) 및 제2 유로(142)를 지난 후 제1 유로(141)를 거쳐서 에어탱크(130)로 공급된다. 이러한 동작은 피스톤 로드(123)가 실린더 배럴(121)의 내부에서 상승하여 로드커버(124)의 하부 내면과 밀착 접촉할 때까지 이루어진다.

이와 같은 동작에 의해 에어탱크(130)로 공급된 공기는 에어라인(140)을 통해 외부의 수요처(도시되지 않음)로 제공되는 것이다.

10 : 굴삭기 12 : 차체
20 : 엔진 22 : 바디
30 : 운전실 40 : 작업장치
41 : 붐 실린더 42 : 붐
43 : 암 실린더 44 : 암
45 : 버킷 46 : 버킷
49 : 링크 49a : 힌지축
100 : 기계적 에너지 절감장치 120 : 실린더장치
121 : 실린더 배럴 122 : 피스톤 헤드
123 : 피스톤 로드 124 : 로드커버
125 : 헤드커버 130 : 에어탱크
140 : 에어라인 141,142,143 : 유로
151,152 : 공기압 공급포트 153,154 : 공기압 배기포트
161,162,163,164 : 체크밸브

Claims (6)

1. 건설 중장비용 기계적 에너지 절감장치(100)로서,
   상기 건설 중장비의 작동체에 기계적으로 연결되고, 상기 건설 중장비의 작동시에 상기 작동체에 의해서 전달되는 기계적 에너지를 이용하여 공기를 생성 및 저장하기 위한 실린더장치(120);
   상기 건설 중장비의 차체나 엔진의 바디에 고정 장착되고, 상기 실린더장치(120)에서 생성된 유체인 공기를 저장하기 위한 에어탱크(130); 및
   상기 실린더장치(120)와 상기 에어탱크(130) 사이에서 연장되어 상기 실린더장치(120)와 상기 에어탱크(130)를 유체 연결하고 상기 에어탱크(130)에 저장된 공기를 외부 수요처로 공급하기 위한 에어라인(140);을 포함하되,
   상기 실린더장치(120)는 중공의 실린더 배럴(121), 상기 실린더 배럴(121) 내에서 종방향으로 왕복운동이 가능하도록 배치되고 일체로 결합된 피스톤 헤드(122)와 피스톤 로드(123), 상기 실린더 배럴(121)의 양단부에 각각 일부분이 삽입되고 일부분은 노출되도록 고정 장착된 로드커버(124)와 헤드커버(125)를 포함하며, 상기 피스톤 로드(123)의 자유단부(123a)는 연결수단에 의해서 상기 작동체에 선회가능하게 장착되고,
   상기 연결수단은, 상기 작동체의 외부면상에 장착된 링크(49); 및 상기 자유단부(123a)를 상기 링크(49)에 선회가능하게 연결하기 위한 힌지축(49a);을 포함하며,
   상기 실린더 배럴(121)의 상단부에 장착된 로드커버(124)에서 외부로 노출된 부위의 일측에는 제1 공기압 공급포트(151)가 형성되고 타측에는 제1 공기압 배기포트(153)가 형성되며, 상기 실린더 배럴(121)의 하단부에 장착된 헤드커버(125)에서 외부로 노출된 부위의 일측에는 제2 공기압 공급포트(152)가 형성되고 타측에는 제2 공기압 배기포트(154)가 형성되고,
   상기 제1 공기압 공급포트(151)에는 제1 체크밸브(161)가 배치되고, 상기 제1 공기압 배기포트(153)에는 제2 체크밸브(162)가 배치되며, 상기 제2 공기압 공급포트(152)에는 제3 체크밸브(163)가 배치되고, 상기 제2 공기압 배기포트(154)에는 제4 체크밸브(164)가 배치되며,
   상기 에어라인(140)은 상기 제2 공기압 배기포트(154)로부터 상기 에어탱크(130)까지 연장되는 제1 유로(141), 상기 제1 공기압 배기포트(153)로부터 상기 제1 유로(141)의 중간부위에 유체 연결되는 제2 유로(142), 및 상기 에어탱크(130)로부터 외부의 수요처까지 연장되는 제3 유로(143)를 포함하는 것을 특징으로 하는 건설 중장비용 기계적 에너지 절감장치.
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