优化液压致动系统效率的系统和方法

专利名称：优化液压致动系统效率的系统和方法
技术领域：
本发明总体上涉及优化液压致动系统能量效率的系统和方法，例如用于采用优化压缩气体储能系统效率的系统和方法来存储能量。
背景技术：
通常，电厂的规模已经被设定为适应峰值能量需求。另外，电厂规模的设置必须考虑其最大功率输出、最小功率输出以及最有效地将燃料转成电的中间功率输出范围。电厂还在如何能够迅速启动和关闭方面受到限制，将电厂完全关闭通常也并不可行。功率输出限制以及启动和关闭限制联合起来限制了电厂最优地满足波动的功率需求的能力。这些限制会导致温室气体排放增大、整体燃料消耗增大和/或操作成本可能更高以及其它缺陷。扩建有储能系统的电厂可以产生出用于将能量存储起来以供备用的容量，这使得电厂能够按照使得上述缺陷最少的方式满足波动的用户需求。储能系统可以改善电厂的整体操作成本、可靠性和/或排放物规模。但是，现有的能量存储技术存在缺点。例如，蓄电池、飞轮、电容器和燃料电池可以提供快速的响应时间并有助于补偿临时断电，但是其能量存储容量有限，实施成本也高。安装其它更大型容量系统例如抽水蓄能系统需要特殊的地理地形，这不是在所有地方都可以找到。间歇式发电场例如一些风电场的容量超过了输电容量。但没有合适的储能系统，这种间歇式发电场不能够以满容量操作。申请人已经意识到，间歇式发电厂可以在发电厂能够以比输电速度更高的速度发电时从用来存储能量的储能系统中获得好处。当间歇式发电场产生的电量低于输电线路容量时，所存储的能量便可以通过输电线路释放。耗电场所——诸如建筑物、乡镇、城市、商业设施、军事设施之类——其耗电量会周期性超过输电容量。没有合适的储能系统，这种耗电用户不能以优选的水平操作。申请人已经意识到，输电受限的耗电场所可以从储能系统中获得好处，该储能系统的规格可以被设定成使得当耗电场所以低于可输电速度的速度消耗能量时存储能量，而那些没有被马上消耗掉的被传输的能量便可以被存储起来。在用户的耗电量高于传输线路容量时，所存储的能量可通过传输线路释放出。压缩空气储能系统(CAES)为另一种仅限用于以压缩空气形式存储能量的已知类型的系统。CAES系统可以用于在电需求较低时(通常在夜间)以压缩空气的形式存储能量，并且在电需求较高时(通常在日间)释放能量。这种系统包括通常以恒定速度操作以对空气进行压缩从而存储能量的压缩机。典型地，利用与压缩机分离的涡轮机使压缩空气发生膨胀来发电。但是，涡轮机通常要求所提供的压缩空气具有相对恒定的压力，例如大约35个大气压。另外地或者备选地，压力高于35个大气压的空气在涡轮机中发生膨胀之前需要被节流，所造成的损耗降低了系统效率和/或降低了储能结构所容纳的能量密度。另外，为了增加经涡轮机发生膨胀的空气每个单位所产生的电能，系统中的压缩空气通常在要发生膨胀之前通过燃烧化石燃料而被预热至更高的温度(例如1000°C )，这既增加了系统能量成本，还产生出与能量存储相关的排放物。已知用于将能量以压缩空气形式储存的CAES型系统具有多阶段(multi-stage)压缩机，其可以包括在各个压缩阶段之间冷却空气的中间冷却器和/或在压缩之后冷却空气的后冷却器。但是在这种系统中，空气在冷却之前在每个压缩阶段期间仍然产生出较高的温度，这会导致系统效率降低。因此，需要让CAES型系统具有更高的效率。CAES系统可以利用由液压部件(例如液压泵)组成的液压驱动系统来实施。因此，还需要使压缩空气储能系统或者用来压缩和/或膨胀气体的其它系统实现高效率输出的 系统和方法，其包括能够调节或改变在操作这种系统时所使用的液压泵内的液压流体的压力和/或流量的控制器和操作模式。

发明内容
本文描述了用于有效地操作液压致动装置/系统的系统和方法。例如，本文披露了用于有效地操作气体压缩和膨胀储能系统的系统和方法。本文提供了用于对液压致动装置/系统(例如气体压缩和/或膨胀储能系统)内使用的液压泵/马达在系统的整个循环期间在泵的最大效率范围内进行控制和操作的系统和方法。在这种系统中，可以根据压缩气体的期望输出气体压力和期望存储压力采用各种不同的操作状况。用来驱动系统内的工作活塞的液压缸可以被选择性地致动和/或可以被致动，以便实现变化的作用力输出，从而针对给定的循环逐渐地增大系统内的气体压力。


图I为根据一个实施例的空气压缩和膨胀能量系统的原理性示意图。图2A为根据一个实施例的空气压缩和膨胀能量系统的原理性示意图，显示出在压缩循环期间的能量流。图2B为根据一个实施例的空气压缩和膨胀能量系统的原理性示意图，显示出在膨胀循环期间的能量流。图3显示出空气压缩和膨胀系统的一个实施例的单个阶段。图4显示出可以用在压力容器中的分隔件的实施例。图5A为空气压缩和膨胀系统的另一个实施例的一部分的原理性示意图。图5B为图5A的空气压缩和膨胀系统的一部分的原理性示意图，显示出系统控制器和液压泵。图6A和图6B分别为图5的空气压缩和膨胀系统的致动器的一部分的原理性示意图。图6C为图5的系统的致动器的一部分的侧视图。图6D为沿图6C中的6D — 6D线获得的剖视图。图6E为沿图6C中的6E — 6E线获得的剖视图。
图6F为沿图6C中的6F — 6F线获得的剖视图。图7 —图14显示出根据一个实施例的、用图5的系统进行的空气压缩过程。图15 —图22显示出根据一个实施例的、用图5的系统进行的空气膨胀过程。图23 —图50分别为示例性图表，显示出与根据各个实施例的压缩和膨胀系统的操作和输出相关联的各种参数。图51A为根据一个实施例的致动器的原理性示意图。图51B和图51C分别包括图51A的致动器的多个原理性示意图，显示出致动器的不同档位(gear)。 图51D为表格，显示出与实施在图51B和图51C中所示出的多个不同档位相关的各种参数。图52A为根据另一个实施例的致动器的原理性示意图。图52B和图52C分别包括图52A的致动器的多个原理性示意图，显示出致动器的不同档位。图53为根据另一个实施例的致动器的原理性示意图。图54A为以第一状态示出的根据另一个实施例的致动器的原理性示意图。图54B为一第二状态示出的、根据另一个实施例的致动器的原理性示意图。图55为根据另一个实施例的致动器的原理性示意图。图56为根据另一个实施例的致动器的原理性示意图。
具体实施例方式本文披露了用于有效地操作气体压缩和/或膨胀系统的系统和方法。该气体压缩和/或膨胀系统可以采用一个或多个液压泵/马达，以便使系统内的气体和液体运动(或被这些气体和液体驱动)，本文还描述了用于在系统的操作循环或行程期间使液压泵/马达在其最有效状况中连续或基本上连续地操作的系统和方法。液压泵可以具有有效的操作范围，这些操作范围可以例如根据流量和压力以及其它参数变化。本文提供了操作液压泵/马达以使其在气体压缩和/或膨胀系统的整个行程或循环上以最优效率作用的系统和方法。如本文所描述地，在一些实施例中，液压泵/马达可以用来驱动气体压缩和/或膨胀系统中的工作活塞(或被它驱动)，其中工作活塞可以作用于被容纳在工作腔室中的气体(或被该气体作用)，以便直接地使气体压缩或膨胀，或者间接地通过设置在工作活塞和工作腔室中的气体之间的液体使气体压缩或膨胀。施加在工作活塞上的液压负荷能够在系统的给定循环期间变化。例如，通过向液压泵/马达内的不同液压活塞和/或活塞的不同表面施加液压流体压力，液压致动器的净工作表面积与工作活塞的作用于工作腔室内的气体的工作表面积的比率能够改变，因此液压流体压力与工作腔室中的气体压力的比率能够在系统的给定循环或行程期间改变。另外，工作活塞/工作腔室和液压缸的数量以及给定循环内的活塞面积比率变化的数量可以改变。如本文所用的一样，术语“活塞”不限于横截面为圆形的活塞，还可以包括横截面为三角形、矩形或其它多边形形状的活塞。如本文所描述的气体压缩和/或膨胀系统可以包括一个或多个压缩和/或膨胀阶段。例如，系统可以包括单阶段压缩/膨胀装置、双阶段压缩/膨胀装置、三阶段压缩/膨胀装置等。如本文所描述的一样，如将在下面参照具体实施例所详细描述的一样，系统还可以包括给定阶段内的“档位切换(gear shift)”或“档位变化(gear change)”。如本文所用的一样，术语“档位切换”或“档位变化”用来描述活动的液压致动器腔室中的液压流体压力与工作腔室中的、由液压致动器致动(或致动液压致动器)的气体压力的比率的变化，所描述的比率实际上为工作活塞的加压表面积与致动工作活塞的液压活塞的加压表面积的净面积(net area)的比率。如本文所用的一样，术语“档位”指的是这样一种状态，其中液压致动器在给定时间段内具有特定的活塞面积比率(例如，液压致动器的净工作面积与工作活塞的作用于工作腔室中的气体或者被该气体作用的工作表面积的比率)。在一些实施例中，如本文所描述的液压致动器可以用于驱动例如水泵/马达内的工作活塞或被该活塞驱动，以便将水(或其它液体)移入和移出用于使被容纳在工作腔室中的气体(例如空气)压缩和/或膨胀的压力容器的工作腔室。如本文所描述地，致动器还可以在致动器的循环或行程期间包括多种“档位变化”(如以上所描述)。在一些实施例中，如本文所描述的致动器可以用来驱动布置在压缩和/或膨胀装置内的工作活塞或者被该活塞驱动。例如，在一些实施例中，可以驱动工作活塞压缩在工作腔室内的一个或多个流体。 如本文所用的一样，“流体”可以指的是液体、气体、蒸汽、悬浮体、气溶胶或其任意组合。虽然本文描述的致动器特定实施例为驱动水泵/马达并且/或者压缩和/或膨胀装置，或者被水泵/马达并且/或者压缩和/或膨胀装置驱动，但是应该理解的是，致动器的各个实施例和结构可以用来驱动水泵、压缩和膨胀装置、压缩装置、膨胀装置、任何其它的利用工作活塞使流体运动的装置并且/或者任何能够将功率施加在其上或能够从其中接收功率的装置内的工作活塞，或者被该活塞驱动。在一些实施例中，本文所描述的装置和方法可以被构造成只是用作压缩机。例如，在一些实施例中，本文所描述的压缩机装置可以用作在天然气管线、天然气存储压缩机和任何其它需要气体压缩的工业应用场合中的压缩机。在另一个实施例中，本文所描述的压缩机装置可以用于压缩二氧化碳。例如，二氧化碳可以在用于增强石油回收的过程中被压缩。在另一个实施例中，本文所描述的压缩机装置可以用于压缩空气。例如，压缩空气可以用在多种应用场合中，这些应用场合可以包括清洁应用场合、功率应用场合、通风应用场合、空气分离应用场合、冷却应用场合等等。在一些实施例中，本文所描述的装置和系统可以构成只是用作膨胀装置。例如，如本文所描述的膨胀装置可以用于发电。在一些实施例中，如本文所描述的膨胀装置可以用在天然气传输和分配系统中。例如，在高压(例如500psi)传输系统和低压(例如50psi)分配系统的相交部分处，能量可以得到释放使压力从高压逐步降低至低压。如本文所描述的膨胀装置能够利用此压降来发电。在一些实施例中，如本文所描述的压缩和/或膨胀装置可用于空气分离装置中。在一个示例性应用场合中，在空气分离机中，压缩和/或膨胀装置可以被用在气体液化过程中。例如，可以将空气压缩直到它液化，并将空气的各种组分根据其不同的沸点分离。在另一个示例性应用场合中，压缩和/或膨胀装置可以用在被共建在炼钢厂的空气分离机中，其中，与空气的其它组分分离的氧气被加入到高炉中以提高燃烧温度。压缩和/或膨胀系统可以具有各种不同的结构，并且可以包括一个或多个用来使得在压缩/膨胀装置内的空气压缩/膨胀的致动器。在一些实施例中，致动器可以包括一个或多个泵/马达系统(诸如例如一个或多个液压泵/马达之类)，其可以用来使系统内的一个或多个流体在各个水泵/马达和压力容器之间运动，或者被该流体驱动。于2009年5月22日提交的美国临时专利申请No. 61/216942以及分别于2010年5月21日提交的、名为“压缩机和/或膨胀机装置(本文统称为“压缩机和/或膨胀机装置申请”)的美国专利申请No. 12/785086、12/785093和12/785100描述了其中可以采用本文所描述的系统和方法的各种能量压缩和/或膨胀系统，这些文献被作为参考全部引入本文中。作为背景技术，图I为储能系统100的实施例的原理性示意图，其中采用了压缩机/膨胀机装置来储能和将之前已存储的能量释放。如图I所示，包括多个风力涡轮机104的风电场102可以用来收获风能并且将它转变成电能以传送给马达/发电机110。要理解的是，系统100可与除风电场之外的、例如与电网(electric power grid)或太阳能电源的电来源一起使用。马达/发电机110将来自风力涡轮机或其它来源的输入电功率转变成机械功率。然后可以利用机械功率来驱动液压泵/马达111。液压泵/马达将输入的机械功率 转变成能用来驱动与压缩机/膨胀机装置120连接的液压致动器112的液压功率。能量可以以压缩气体形式存储在系统100内，该压缩气体可以在随后的时间段发生膨胀以取得之前存储的能量。为了存储由风电场102产生出的能量，液压致动器112可以改变工作腔室的容积(例如通过使得活塞在缸内运动)和/或使液体被引入工作腔室中以减小工作腔室内可用于气体的容积。容积的减小使得气体受到压缩。在该过程期间，可以从气体移除热量。在这个过程期间，气体被传送给压缩机/膨胀机装置120的下游阶段，并且最终以较高的压力传送给压缩气体存储结构122 (本文也称之为“气罐”)。随后，例如在电网对电能的需求相对较高时，或者在电价较高时，可以从存储结构122中放出压缩气体，并且通过压缩机/膨胀机装置120使气体膨胀。压缩气体发生膨胀驱动液压致动器112，液压致动器转而用液压功率驱动液压泵/马达111以产生机械功率，该机械功率又驱动马达/发电机110以产生出用于传送给电网124的电功率。可以给膨胀期间的气体添加处于相对低温度(例如在大约10°C和大约90°C之间)下的热量，从而提高膨胀过程期间每单位气体质量所产生的能量。可以在膨胀期间添加处于温度相对高温度(例如大约90°C以上)下的热量，从而提高在膨胀过程期间每单位质量所产生的能量。图2A为通过在一个示例性操作状态中的、类似于图I的系统100的多阶段系统200的能量流的原理性示意图。气体(在该示例中为空气)正受到压缩以便存储。如上所描述地，例如来自风电场的电功率被用来驱动马达/发电机210以产生机械功率，该机械功率转而驱动液压泵/马达211以产生液压功率，该液压功率又驱动致动器212。致动器212能够减小工作腔室的可用来容纳空气的容积，从而使空气压缩。如图2A所示，多阶段压缩机/膨胀机装置220可以在压缩机/膨胀机装置220的第一阶段接收环境空气。在一些实施例中，可选地，环境空气在被供给压缩机/膨胀机装置220的第一阶段之前可以在预压缩机215中受到处理。热能可以在压缩期间经由多阶段压缩机/膨胀机装置220的工作腔室中的液体除去，以便将受压缩中的空气保持在相对恒定的温度下。热能可以例如通过热交换器从液体和压缩机/膨胀机装置220传递给例如散热器。根据一个实施例，在以大约3000psi的压力传送给存储结构222之前，空气在第一、第二和第三阶段中的每个阶段处可以分别实现例如大约150psi、IOOOpsi和3000psi的压力。在被供给压缩机/膨胀机装置220并且初始地受到压缩和冷却之前，空气的温度保持相对恒定，例如保持在大约5°C、10°C、20°C、30°C或其它所期望的温度下，直到排出给存储结构222。当存储结构222天然处于更高(或更低)温度下时，存储在存储结构220中的空气可以通过传导性和对流性热交换自然地被加热(或冷却)。例如，在一些情况下，存储结构可以为地下结构，例如构建在盐丘中的盐洞。要理解的是，图2A显示出系统的一个实施例的一种操作状态，还存在有其它操作状态，并且还可以考虑系统的其它实施例。图2B为示意图，示出了当空气从存储器放出用来产生能量时通过在一个操作状态下的图2A的系统200的能量流。在一个示例性操作状态中，存储结构222中的空气可以处于大约3000psi的压力，并且可以通过压缩机/膨胀机装置的第三、第二和第一阶段分别膨胀到例如大约1000psi、150psi和Opsi的压力。可以在膨胀之前和/或在膨胀期间分别在第三、第二和第一阶段中的每一个阶段处给空气添加热量，以便在整个膨胀过程期间将空气温度保持在基本上恒定的温度下，例如保持在大约35°C或其它温度下。要理解的是，空气在膨胀期间的总温度变化会受到在压力容器的相对小的容积内膨胀并与相当大的传热 表面接触的相对大量的空气限制。要理解的是，最好如此对空气加热，使得空气温度明显提高至例如高于35°C的温度。压缩机/膨胀机装置220产生出机械功率，该机械功率被液压致动器212转换成液压功率施加给液压泵/马达211，液压泵/马达再将液压功率转换成机械功率。此机械功率被施加给马达/发电机210，马达/发电机再将机械功率转变成电功率。要理解的是，可以备选地采用除了液压致动器之外的致动器。作为另一个发电来源，在膨胀的空气离开压缩机/膨胀机装置220的第一阶段时，空气可以可选地被供给空气涡轮机217，空气涡轮机将空气转换成机械功率。机械功率可以被施加给马达/发电机219，将机械功率转换成电功率。图3显示出压缩空气储能系统300的一部分，它包括压缩机/膨胀机装置320和致动器312。压缩机/膨胀机装置320图示了压缩空气储能系统的单个阶段。压缩机/膨胀机装置320包括第一压力容器324和第二压力容器326。第一和第二压力容器324、326各通过管道或壳体328和330分别与致动器312流体连接。致动器312可以包括具有液压驱动式活塞332的水泵。活塞332布置在壳体或储器340内，并且能够用一个或多个液压泵(图3中未示出)驱动以朝向和远离第一压力容器324的管道328运动，从而交替地减小再增大第一压力容器324的内部空气体积(同样但是相反地，增大再减小第二压力容器326的空气体积)。第一和第二压力容器324、326中的每一个至少部分填充有液体(例如水)，液体受致动器312驱动，以便在压缩模式中操作时交替地压缩和驱动来自第一和第二压力容器324、326中的每一个压力容器的气体体积，或者在膨胀模式中操作时受到被接收于第一和第二压力容器324、326中的任一个压力容器中的压缩空气驱动。每个压力容器324、326可以被设置用于限定用来压缩和/或膨胀气体的工作腔室。工作腔室的容积由压力容器的容积限定。工作腔室可以用一部分容积来容纳气体，并用一部分来容纳液体——容纳气体的那部分容积等于工作腔室的总容积减去容纳液体的那部分容积。操作水泵将液体从泵缸驱策入压力容器中，使得工作腔室的能够容纳气体的那部分容积减小，从而对含在那部分中的气体进行压缩(例如在压缩循环期间)。类似地，操作水泵将液体从压力容器传送给水泵，使得工作腔室的能够容纳气体的那部分容积增大，从而允许气体发生膨胀。可选的是，可以将工作腔室设置成通过压力容器和水泵的与压力容器流体连通(即在工作活塞的一侧上)的那一部分以及连接压力容器和水泵的任何管道或其它容积来限定。如此限定的工作腔室具有可变的容积，此容积能够通过工作活塞的运动而改变。可变体积中的一部分可以由液体(例如水)占据，而剩余部分可以由气体(例如空气)占据。容纳在工作腔室中的气体的压力基本上等于容纳在工作腔室中的任意液体的压力，并且等于作用在工作活塞的相应侧或面上的压力。压缩机/膨胀机装置320还可以包括可以位于第一和第二压力容器324、326内部的翅片、分隔件和/或托盘334。分隔件334可以增大压力容器内与空气直接或间接接触的总面积，从而可以改进热传递。分隔件334可以为受压缩中的空气和受膨胀中的空气提供增大的传热面积(通过空气/液体交界面面积，或者通过空气/分隔件交界面)，同时允许针对其它的考虑因素(例如压力极限值和/或运输尺寸极限值)来优化压力容器的整体形状和尺寸以及外部结构。在该实施例中，分隔件334以层叠体构造布置在第一和第二压力容器324和326内。每个分隔件334可以被构造用来保持气阱。在一个示例性实施例中，每个分隔件334可以包括上壁、向下延伸的侧壁和敞开的底部，其中，所述侧壁在形状上与压力容器内壁一致，并且在尺寸上与压力容器内壁基本一致。在压力容器呈操作取向时，每个分隔件334的 敞开的底部面对着共同的、基本朝下的方向。要理解的是，虽然这些附图显示出尺寸形状与压力容器324、326内部一致并且大体上彼此类似地成形的分隔件，但是也可以考虑和构想其它的构造，包括分隔件在宽度上明显小于压力容器内部并且/或者分割件的形状和尺寸彼此不同的实施例，或者其它的构造。可以采用分隔件的各种其它形状和结构，诸如例如在美国临时申请No. 61/216942以及上文通过参考引入的压缩机和/或膨胀机装置申请中所示和所描述的分隔件之类。图4显示出可以采用的分隔件的另一个备选实施例。要理解的是，分隔件可以包括翅片结构(销或杆的阵列，以及其它多孔结构)，这提高了可用于热交换的面积，并且提高了空气与分隔件的接近度，并且可以构想没有保持气阱的分隔件。在一些实施例中，分隔件可以为支撑着水膜的结构。在一些实施例中，分隔件之间的空间不是空的，可以在分割件之间具有中间结构，例如销或杆的阵列、无定形结构、多孔结构等。如图3所示，歧管336可以在中央延伸穿过分隔件334的层叠体，并将每个分隔件334与压力容器324、326的入口 /出口 338流体连接。在其它实施例中，歧管可以包括多个管子和/或可以周向地围绕分隔件的层叠体定位，或者被定位在其它位置中。空气可以通过端口 338进入和/或离开压力容器324、326，并且可以提供用于在与每个分隔件334相关联的气阱之间进行流体连通的管道。在其它实施例例如其中分隔件没有保持气阱的实施例中，可以不包括歧管。如上所描述地，可以从在压力容器内被液体(例如水)压缩的空气传递出热量，和/或将热量传递给在压力容器内被液体(例如水)膨胀的空气。空气/液体或空气/分隔件界面(例如部分由上述分隔件提供)可以在压力容器中的压缩和/或膨胀过程期间运动和/或改变形状。该运动和/或形状改变可以提供这样一种压缩机/膨胀机装置，这种压缩机/膨胀机装置所具有的热传递表面能够适应在压缩和/或膨胀期间传递热量的压力容器内部面积的变化形状。在一些实施例中，液体可以让压缩后留在压力容器中的那部分空气体积被几乎去除或完全去除(即零余隙容积)。液体(例如水)与气体(例如空气)相比可以具有相对较高的热容，从而从气体到液体的热能传递明显减少了气体的温度上升，却只是引起液体温度的适度增加。这使得能够缓解明显温度变化对系统的影响。在气体和液体之间或在容器自身的多个部件之间传递的热量可以通过与液体或容器的多个部件接触的一个或多个热交换器运动离开或到达压力容器。如在下面更详细说明的一样，为此可以采用的一种热交换器为热管。因此，压力容器内的液体能够被用来传递压缩气体的热量(或将热量传递给膨胀气体)，并且所描述液体还能够与热交换器组合作用以将热量传递给外部环境(或者从外部环境中吸热)。例如，如图3所示，热交换器包括热管342的圆形阵列，这些热管延伸穿过压力容器324和326的壁，并且能够与容器内的液体和外部环境二者接触。热管342仅仅是能被用来传递热量给压力容器液体或者传递压力容器液体热量的这种热交换器的一个示例性实施例。应该理解的是，备选地，可以采用其它类型的热交换器和其它热管构造。例如，可以(备选地或额外地)采用其它热管理装置，例如翅片、销、产生对流的形状和/或产生涡流的形状等。图3的实施例为能够用在气体压缩和存储系统内的压力容器和致动器布置的一个实施例。应该理解的是，也可以构想出其它可能的布置。例如，虽然致动器显示为包括垂直取向的单个双作用活塞，但是其它实施例所包括的壳体带有包括水平取向活塞和/或包括多个并联地操作以使流体在压力容器内运动的液压活塞的致动器。根据一些实施例，致动器可以一起没有活塞，取而代之地，致动器包括让流体移入移出压力容器的泵。根据一些实施例，能够额外地或者备选地并联使用多个泵和/或活塞让流体移入移出压力容器。还有，根据其它实施例，由于系统的实施例不限于在这些附图中所示的那些，例如液压活塞的致动器可以与系统的马达/发电机直接机械连接。图5A —图18显示出双阶段能量压缩和膨胀系统400的示例。图5A为系统400的一部分的原理性示意图。第一阶段包括以流体连通的方式与致动器412连接的一对压力容器424、426。例如，可以采用各种类型管道或壳体(如图5A所示)将致动器412的各个部件与压力容器流体连接。压力容器424、426如以上针对前面实施例所描述地每个都可以包括分隔件或托盘(图5A中未示出)。致动器412包括如下文所描述地由液压致动器或液压缸驱动的水泵。如图5A所示，致动器412包括水泵444A、444B和446。在该实施例中，水泵444A和444B以两个部分构成，以便减小泵送装置的高度，并且在该实施例中水泵444A和444B 一齐用作单个泵。水泵444A、444B和446中的每一个水泵包括用一对液压缸液压地驱动的水活塞或工作活塞。水泵444A与液压缸452和454连接，并由这两个液压缸驱动； 水泵444B与液压缸456和458连接，并由这两个液压缸驱动；并且水泵446与液压缸448和450连接，并由这两个液压缸驱动。共同的驱动杆将水活塞与其相应的液压缸连接。第一阶段的液压缸都能够受图5B所示第一高效液压泵414控制。可以采用诸如例如ArtemisIntelligent Power Ltd.制造的Artemis Digital Displacement液压泵之类的液压泵/马达。能够使用的液压泵的其它示例在名为“数字式流体泵(Digital Fluid Pump)”的美国专利No. 7001158和名为“流体做功机械(Fluid— Working Machine)”的美国专利No. 5259738中得以描述，这些文献的全部内容被作为参考引入本文中。如图5B所示，可以采用系统控制器或液压控制器416来操作和控制液压泵/马达414。液压泵/马达414可以连接至与系统的各个水泵(或工作致动器)相关联的液压缸的每个端部。液压缸的每个端部(即每个液压腔室)与液压泵之间连接有阀门，阀门例如在液压控制器416控制下能够选择性地打开和关闭，以便将液压泵414的输出和每个液压缸的每个液压腔室分别流体地连接或隔离，从而选择性地致动特定的液压缸，并且更具体地致动在特定的液压缸中的液压活塞的特定侧(例如盲侧和/或杆侧，如在下面所更详细描述的一样)。每个阀由在图5B中的418所表不。如图5A所示，系统400的第二阶段包括以与包括水泵466和468的致动器413流体连通的方式连接的一对压力容器462和464。与第一阶段的构造相同，压力容器462和464中的每一个可以包括分隔件，并且也如图5A中所示地，水泵466和468中的每一个包括由的一对液压缸液压地驱动(或者在膨胀模式中驱动这对液压缸)的水活塞。水泵466与液压缸470和472连接并且由它驱动，并且水泵468与液压缸474和476连接，并由这两个液压缸驱动。第二阶段的液压缸都可以按照与第一阶段类似的方式利用同一液压控制器416或者利用第二液压控制器(未示出)通过第二高效液压泵/马达(未示出)驱动或驱动该第二高效液压泵/马达。要理解的是，第二阶段液压缸可以由各种构造的液压泵/马达驱动或者驱动这些液压泵/马达，并且系统400例如可以具有一个、两个、三个、四个或更多个液压泵/马达。第一阶段的第一和第二压力容器424和426中的每一个通过管道与第二阶段的压力容器462和464流体连接，该管道可以包括一个或多个阀门(在图5A中未示出)以选择性地打开和关闭在相应压力容器的容积之间的流体连通。第一阶段的第一压力容器424和第二压力容器426每个都还可以包括阀门(未示出)，该阀门打开以允许接收来自环境(例如在大气压力下)的空气或者已经可选地从大气压力被预压缩至期望压力(例如I 一 3bar)的空气。在第二阶段的压力容器和其中可以存储来自系统的压缩空气的存储结构或洞穴(未示出)之间可以使用额外的阀门。阀门可以连接至并布置在沿着连接各个部件的管道的多个位置处，或者直接与这些部件连接。图6A示意性地显示出了致动器412的一部分的各个部件，包括水泵446及其相应的液压缸448和450 ;并且图6B示意性地显示出液压缸448的各个部件。但是应该理解的是，在系统400的第一阶段和第二阶段中的水泵和液压缸中的每一个可以被类似地构造，并且按照与水泵446和液压缸448相同的方式作用。如图6A所示，水泵446包括能够容纳诸如例如水W之类的液体(也可以用其它工作液体)的圆柱形储水器或水壳体482、水活塞或工作活塞474、以及与活塞474连接的驱动杆476。驱动杆476还分别与液压缸448和450的液压驱动活塞478和480连接。因此，液压缸448和450可以用来操作或驱使活塞474在壳体482内来回运动，对容纳在壳体的水W施压并使之运动。水壳体482分为两个部分，在活塞474的每一侧上各一个。每个部分与诸如上述压力容器之类的压力容器(在图6A中未示出)流体连通。如以上所描述地，工作活塞474的每一侧所承受的压力与容纳在压力容器内的气体的压力相同，由此，工作活塞474的每一侧与压力容器一起界定出含有空气的工作腔室。图6B示意性地显示出液压缸448。如图6B所示,液压缸448包括圆柱形壳体484,其中布置了可移动的液压驱动活塞478。如以上所描述地，驱动活塞478与驱动杆476连接。在液压缸448的壳体484内，液压流体Hf可以如将在下面更详细描述地被泵入和泵出。液压缸448的壳体484所限定的内部容积被驱动活塞或液压活塞478在液压缸的行程期间的任意给定时刻分成两个部分。如图6B所示，壳体484内的、在驱动活塞478上方(或者在活塞478的远离杆476的相对侧上)的那部分内部空间被本文称为“盲侧”或“孔侦『Bs，而壳体484内的、被示为在驱动活塞478下方(或者在与杆476相同的一侧上)的那部分内部空间被本文称为杆侧Rs。为了驱动液压缸，可以从驱动活塞的任一侧(或者两侧)将液压流体Hf泵送到每个液压缸中以实现系统内的变化的压力和流量。例如，在对空气进行压缩以存储能量的过程中的各个步骤处，根据在压缩或膨胀循环的各个步骤处所期望的作用力方向、流量和/或期望输出压力，可以仅从盲侧Bs、或者仅从杆侧Rs、或者从这两侧将加压液压流体Hf泵送到壳体484中。例如，参照水泵446及与其相关联的液压缸448和450，为了使工作活塞474在壳体482内运动以改变由工作活塞部分地界定的工作腔室的容积，可以在给定时间段致动液压缸448和450中的一个或两个以提供使活塞运动的期望作用力。例如，为了使得活塞474向上运动，可以将液压流体泵送至液压缸450的盲侧或者盲侧和杆侧二侧中，或者可以将液压流体泵送至液压缸448的杆侧中，或者以上模式的组合中。为了使活塞474向下运动，可以将液压流体泵送至液压缸448的盲侧中或者液压缸448的盲侧和杆侧二侧中，或者液压缸450的杆侧中，或者这些模式的组合中。这些模式中的每一个使得液压活塞承载液压流体压力的总面积不同，并且因此在工作活塞474上施加不同的作用力。要理解的是，改变 液压流体的压力可以与储器加压的不同组合一齐作用，以便提供大范围的使活塞运动的作用力。系统400可以被构造成在液压泵的期望能量效率范围内操作。液压泵的操作压力范围和水活塞与液压驱动活塞的表面积之比(本文还称之为“活塞比”)可以用来确定压缩过程的最优操作顺序。另外，通过改变被致动的那个(那些)液压缸以便在循环中的特定时刻使水活塞运动，可以进一步改变系统中的压力。泵具有优选的压力和流量范围，在该范围内它能够随着空气活塞行程连续地操作。如例如图6C —图6F中所示地，水活塞474的操作表面490在水活塞的两侧上的表面积SAw (即由水活塞474的外周边和杆476的外周边的外周边界定的环形面积)相同，并且液压驱动活塞478在盲侧上的操作表面492具有表面积SAb (即仅由液压驱动活塞的外周边界定的圆形表面积)，并在杆侧上的操作表面494具有表面积SAJ即由液压驱动活塞的外周边和杆的外周边界定的环形区域)。活塞的操作表面积为其上施加有液压流体压力的作用力的活塞表面积。因此，在将加压液压流体通到盲侧来致动液压缸时，液压活塞的有效表面积大于在将相同压力通到杆侧时的有效表面积(即SAb>S4)。因此，对于给定的液压流体压力而言，与在将液压流体施加至杆侧时相比，在将液压流体压力施加至盲侧时杆476被施加有更大的作用力(但是在不同的方向上)。还可以通过向活塞两侧施加液压流体压力以在给定液压压力下产生不同量的作用力。在这个被称为再生模式的操作模式中，净活塞面积等于盲侧面积SAb和杆侧面积之间的差值。该净面积对应于杆的横截面积，并且被称为 SA (b_r)0在一些实施例中，对与液压驱动活塞478和液压驱动活塞480相关联的表面积的组合加压，以便实现在杆476上的、对应于水W的第二压力的期望输出作用力。然后，被加压用于给定档位的有效或净操作表面积Anet等于与用液压流体加压的液压缸448和450的各个部分相关联的表面积的总和。这些表面积的总和也可以被称为液压活塞的表面积SAh。要理解的是，其它实施例包括其中被通至致动器412中的各个表面积的液压流体压力可以彼此不同的那些实施例。
工作活塞或水活塞SAw的表面积与液压活塞SAh的表面积之比表示在循环中的给定时刻实现期望水压力及因此气体压力所需的液压力。通过改变给定水泵/液压缸组的表面积比率，可以在压缩循环内的不同时刻在相同液压力水平下实现变化的水压力水平。实现特定水压力(和/或空气压力)所需的液压流体的压力可以如下计算出。Fh (液压流体的作用力)=Ph (液压力)XSAh (SAr或SAb或SA (b_r))Fff (施加给水的作用力)=Pw (水压力)XSAwFh=FffPwXSAw=PhXSAh Pff=PhX (SAh/SAw)并且 Ph=PwX (SAw/SAh)可以为每个液压泵确立例如作为操作压力范围的极限值的最大操作压力和最小操作压力，液压泵在上述范围内以期望的能力效率或更高的能力效率操作。该压力范围可以用来确定在压缩循环期间的各个时刻所需的活塞比率(例如(SAh/SAw))，以便接近(approach)或实现在液压泵的最大效率范围内的操作。例如，对于最大有效操作压力为300bar和空气(以及因此水)的期望最大输出压力为30bar的液压泵而言，在水和空气压力达到30bar时,加压循环终点所要求的活塞比率(即(SAw/SAh))为10:1。相应地,如果液压泵的最小有效操作压力为120bar并且空气以3bar的压力进入系统，那么在水和空气压力为3bar时，加压循环起点所要求的活塞比率(即，(SAff/SAh))为40:1。然后可以确定所需的水泵和液压泵的数量以及用于各个水泵/液压泵组的活塞比率(还有液压缸和水泵的相应尺寸)，从而系统可以在整个压缩循环(即，将空气从3bar压缩至30bar)在期望的效率范围内操作。存在各种不同的、能够用来逐步增大系统中的压力并且实现该输出的操作顺序。要理解的是，可以采用其最大操作压力高于或低于300bar而最小操作压力高于或低于120bar的液压泵来实现上述接近。在压缩或膨胀循环期间的给定时刻，致动器412可以被称为处于与那个时刻在致动器内受到加压中的活塞面积比率相关联的特定“状态”或档位中。如以上所描述地，当系统改变液压致动器中的液压流体压力与被液压致动器致动的水泵中的水压力的比率(即水活塞的加压表面积与致动水活塞的液压活塞的净操作加压表面积的比率)时，被称为“档位切换”或者“档位变化”。存在多种可以被合并入系统特定操作顺序中的档位变化(活塞面积比率的变化)的不同组合或顺序。在系统400的实施例中，当每个水泵具有两个相同的、相关联的液压缸来致动水泵时，两个致动器存在十六种可能的状态，即每个加压中或未加压的腔室的每一种组合(四个腔室的两个状态有24种组合)。对于相同的液压缸(即，其中每个缸的盲侧面积相同，并且每个缸的杆侧面积相同)，则存在四种不同的可能档位(其具有相关联的活塞面积比率)，这些档位可以用来沿着每个方向致动每个工作活塞或水活塞。例如，为使得水活塞在一个水泵中向上运动，可以将液压流体泵送进入(I)上液压缸的杆侧(或者上液压缸的杆侧以及两个缸的彼此抵消的盲侧)；(2)下液压缸的盲侧(或者下缸的盲侧以及两个缸的彼此抵消的杆侧)；(3)下液压缸的盲侧和杆侧；或者(4)上液压缸的杆侧以及下液压缸的盲侧。没有腔室受到加压的这个状态不会在工作活塞上产生任何作用力，所有腔室都受到加压的状态也是如此(对于相同的缸而言)。在图5A中所示的实施例中，每个阶段被构造有两个水泵，这些水泵一个接一个致动，并且因为在该实施例中的每个水泵具有四个可能的档位，所以压缩过程具有八个可能的档位。要理解的是，其它实施例包括其中被通至致动器412中的各个表面积的液压流体压力可以彼此不同并且在每个水泵中可以产生出四个以上的可能档位的那些实施例。要理解的是，假设致动器能够实现四个可能的档位，则优选采用少于四个档位的档位，例如三个档位。这种优选设置的原因涉及流体和/或机械部件对档位切换事件的动态响应。相应地，被构造有两个水泵的实施例可以采用八个可能档位中的五个、六个或七个档位来操作。而且，压缩过程也可以根据压缩空气存储容器的当前压力而变化，例如当存储容器处于相对低的压力时，优选的压缩过程可以采用八个可能档位中的一个、两个、三个、四个、五个、六个或七个档位。在其它实施例中，致动器可以被构造成根据例如液压缸的数量、其中可动地设置有液压活塞的液压缸的壳体尺寸(例如直径)、布置在液压缸的壳体中的液压活塞的尺寸(例如直径)、与液压活塞连接的驱动杆的数量和尺寸以及/或者待致动的工作活塞的尺寸而具有不同数量的不同的可能档位和档位变化。下文参照图51A—图51D、图52A—图52C、图53、图54A —图54B、图55和图56对致动器的其它实施例进行描述。因此，液压力时间曲线可以根据需要改变以实现特定的输出空气压力。液压泵系 统的效率范围能够确定对于期望的空气压力范围(输入或起点压力和输出或终点压力之间的差值)所需的档位和档位变化的数量。例如，如果液压泵的效率范围越窄，对于给定的空气压力范围则需要更多的档位。档位的尺寸和数量也取决于系统的特定操作速度(RPM)。图7 —图14显不出一种空气压缩循环，该循环使用了系统400,并在该系统的整个行程或循环上在最大的(或期望的)效率范围内或接近该范围地操作该系统。在该示例中的优化过程利用了这样一种操作方案，即，此操作方案对于过程中的每个阶段包括四个不同的档位以将操作保持在液压系统的最优效率范围内。在该示例中，通过顺序地使用两个水泵来完成四个档位模式，两个水泵中的每一个都使用两个或三个档位。系统400可以例如被构造用于在第一阶段中将空气从3bar压缩至30bar，然后在第二阶段中从30bar压缩至180bar。应该理解的是，这只是可以采用的一个示例性操作顺序。系统中的水压力以及因此空气压力可以在给定循环期间逐渐爬升。在系统运行通过各个档位切换中的每一个时，液压流体的压力从液压系统的最小有效操作压力(例如120bar)增加至液压系统的最大有效操作压力(例如300bar)。当在循环的每个档位模式内到达液压泵/马达的最大期望操作压力时，系统按顺序切换到下一个档位。图7包括与如上文所描述的系统400的各个部件对应的附图标记，并且包括连接着各个水泵和压力容器的管道或壳体。第一阶段的下液压缸450、454、458在图7 —图14中没有被明显地示出，但是这些下液压缸各自被包蔽在支撑壳体内，支撑壳体被做上标记以指示壳体所包住的液压缸。图7显示出压缩循环的起始状况，包括从外面环境(即在大气压下)直接地接收空气或者从预压缩机(例如压力为3bar)接收空气进入第一阶段的第一压力容器424中。图8 —图10和图12 —图14显示出系统压缩循环的第一阶段和第二阶段的液压缸的驱动方向以及水和空气的流动。图11 一图14显示出对被接收于第一阶段的第二压力容器426内的空气进行压缩的整个循环。因此，图11显示出对被最初接收在第一压力容器424中的空气进行压缩的循环的终点，以及包括对被最初接收在第二压力容器426内的空气进行压缩的循环的起点。系统400的一个完整循环(图7 —图11或图11 一图14)可以例如为总共6秒。如在图7的示例中所示一样，压缩循环涉及第一阶段和第二阶段，并且为了说明可以按照下面的状态开始第一阶段的第一压力容器424和第二阶段的第二压力容器462各自填充有水，并且第一阶段的第二压力容器426和第二阶段的第一压力容器464各自填充有空气。压缩行程将从驱动第一阶段的水泵444A和444B并驱动第二阶段的水泵466开始。在第一阶段的第一压力容器424和预压缩机(未示出)之间的阀门(未示出)可以打开，使得被吸入的空气能够进入与压力容器424连接的管道。在第一阶段的第二压力容器426和第二阶段的第二压力容器462之间的阀门(未示出)可以打开，以允许这两个压力容器之间的流体连通。在第二阶段的第一压力容器464和存储洞穴(未示出)之间的阀门(未示出)可以在压缩行程的起点关闭，并且可以在压缩行程的某个时刻例如在压力容器464中的空气压力基本等于存储洞穴(未示出)的空气压力时打开。重要的是要知道该系统一齐操作三个空气操纵过程；一个进气过程和两个压缩过
程。因此，要知道有三个空气体积。在所有压缩行程期间，有一个空气体积以基本上恒定的进气压力被吸入到系统中，并且有两个空气体积以两个不同的压力同时压缩。例如，第一空气体积以例如3bar的基本恒定压力被吸入，同时第二空气体积从例如3bar被压缩至30bar,并且同时第三体积空气从例如30bar被压缩至例如180bar的排出压力(该压力随洞穴压力而变化)。图8显示出通过同时致动水泵444A和444B以及水泵466进行的在大致一半时刻的压缩行程。参照图8，第一空气体积在进气压力下进入压力容器424，第二体积空气开始压缩并且从压力容器426传递给压力容器462，并且第三体积空气开始压缩并且从压力容器464传递给存储洞穴(未示出)。要指出的是，图8显示出这样的示例和状况，其中在压力容器464中的空气压力已经实现与在存储洞穴中的空气压力相等，并且因此在压力容器464和存储洞穴之间的阀门(未示出)已经打开以允许空气从压力容器464传递给存储洞穴。要知道的是，在空气从压力容器464传输给存储洞穴的过程中会发生伴随的空气压缩，空气压力的增大可以由压力容器464和存储洞穴的相对容积来指定。图8和图9显示出压缩循环的起始部分。因为在压缩循环起始部分期间，空气相对于随着空气压缩的继续进行而形成的更高气压而言处于相对低的压力，所以压缩循环起点使用六个档位顺序的“高端”，并继续进行到使用六个档位顺序的“低端”。图8和图9可以包括从第六档位切换到下一个“最低”档位(在此示例中为“第五”档位)的档位切换，还可以包括从第五档位切换到下一个最低档位(在此示例中为“第四”档位)的档位切换。对于图8所示空气、水和活塞运动，在第一阶段中，第六档位可以包括致动液压阀门(未示出)使液压泵/马达(未示出)输出的加压液压流体与上液压缸452的杆侧腔室和盲侧腔室以及下液压缸458的杆侧腔室和盲侧腔室流体连接，并且将加压液压流体泵送入上述腔室中。这样一来，相应的致动器驱使水泵444A中的活塞向下运动，并驱使水泵444B中的活塞向上运动。在第二阶段中，第六档位可以包括致动液压阀门(未示出)使液压泵/马达(未示出)输出的加压液压流体与下液压缸472的杆侧腔室和盲侧腔室流体连接。这样一来，水泵466中的活塞在其致动器的驱使下向上运动。在活塞444A、444B和466到达其行程的终点(如图9所示)之前，可以已经启动了从第六档位到第五档位、从第五档位到第四档位以及从第四档位到第三档位的档位切换(注意图9显示出第四档位的终点和/或第三档位的起点)。如果启动从第六档位到第五档位的档位切换，则用来将加压液压流体从液压泵/马达供给液压缸454、456和470的阀门(未示出)打开。打开这些阀门使得通过来自液压缸454、456和470的活塞杆“拉力”增大了来自液压缸452、458和472的活塞杆“推力”。要理解的是，上述顺序对应于其中SA/SAα — r)的实施例，和其中表面积具有不同的相对尺寸(例如SAr>SA (b_r))的实施例,实现第六档位对第五档位的加压组合可以变化，并且因此优选的加压顺序可以变化。本领域普通技术人员理解并熟悉的是除了允许通过供送加压流体进行流体连通的阀门之外，所有液压缸腔室还可以设有允许与低压液压流体储器(未示出)流体连通的阀门(未示出)；当这些阀门打开时，相关联的液压腔室流体基本上保持液压储器的低压；并且液压流体能够流动，从而能够允许液压活塞运动。为了简化，刻意省略了档位切换说明，包括对与加压液压流体连通的阀门的打开或关闭操作，而详细描述了对连通液压缸腔室和低压液压流体储器之间的阀门的相关联的关闭或打开操作。重要的是要知道，第一阶段压缩期间的档位切换时间安排独立于第二阶段中的档位切换时间安排。档位切换操作的优选方法主要注重选择那些会产生使液压泵操作能量效率最大化的加压液压流体压力的档位。驱使各阶段压缩对抗第一阶段压缩中形成的第一气 压以及对抗第二阶段压缩中形成的第二气压的那些液压流体压力可以不同，并且第一气压与第二气压不同。在一个优选实施例中，驱动第一阶段的加压液压流体的压力与驱动第二阶段的加压液压流体的压力被独立地控制，并且这可以通过为第一阶段和第二阶段中的每一个阶段设置专用的液压泵/马达来实现。要知道的是，在一些实施例中，驱动第一阶段的加压液压流体的压力可以是与驱动第二阶段的加压液压流体的压力相同的压力，并且这可以通过为两个阶段设置单个液压泵/马达来实现。前面的说明和下面的说明都基于被构造为具有六个可用档位的档位系统的压缩过程，其中第六档位具有最大的有效水活塞表面积与有效液压流体表面积的比率；换句话说，在第六档位中，相对小的液压流体体积的流动将产生相对大水体积的流动，并引起可被受压缩中的气体占据的容积的相对大的变化。重要的是要知道，系统的第一阶段被构造有六个传动比的第一组，并且系统的第二阶段被构造有六个传动比的第二组。可以采用两个、三个或更多个水泵来实施这六个档位。还重要的是要知道，第一压缩阶段操作时所处的空气压力范围低于第二压缩阶段操作时所处的空气压力范围。相应地，系统被如此构造，使得组成驱动第一压缩阶段的六个档位范围的档位比率高于被构造用于驱动第二压缩阶段的六个档位范围的档位比率。要理解和预想到的是，这些实施例可以具有更多或更少的档位。要理解并预想到的是，这些实施例可以采用更多的水泵，或者可以采用更少的水泵。参照图7 —图9，在活塞444A、444B和466到达其行程终点(如图9所示)之前，可以已经启动了从第六档位至第五档位、从第五档位到第四档位以及从第四档位到第三档位的档位切换。如果启动从第五档位到第四档位的档位切换，那么关闭将加压液压流体从液压泵/马达供送给液压缸452、458和472的杆侧腔室的阀门(未示出)。关闭这些阀门使得通过仅留下液压缸452、458和472的盲侧腔室与加压液压流体进行流体连通而增大了来自液压缸452、458和472的活塞杆“推力”。增大的活塞杆“推力”与来自液压缸454、456和470的进行中的活塞杆“拉力”结合，从而实现了第四档位活塞杆作用力，此作用力可以大于第五档位活塞杆作用力。第四档位活塞杆作用力必须足够的大以实现图9中所示的水泵位置。
图10显示出第一阶段和第二阶段的第二水泵的动作。关于第二水泵的动作，图9显示了第三档位。在活塞446和468到达其行程终点(如图11所示)之前，可以已经启动了从第三档位到第二档位以及第二档位到第一档位的档位变化。为了在第三档位中配置第二水泵，打开将加压液压流体从液压泵/马达供送给液压缸450和474的杆侧腔室和盲侧腔室的阀门(未示出)，从而对液压缸450和474进行配置以实现再生模式(regenerativemode)中的“推力”。如果启动第三档位到第二档位的档位切换，则打开将加压液压流体从液压泵/马达供送给液压缸448和476的杆侧腔室的阀门(未示出)。打开这些阀门使得通过来自液压缸448和476的活塞杆“拉力”增大了液压缸450和474所施加的活塞杆“推力”。要理解的是，上述顺序对应于其中SA/SA (b — e的实施例以及其中表面积具有不同的相对尺寸(例如SA)SA(b — e)的实施例，实现第六档位对第五档位的加压组合可以变化，并因此优选的加压顺序可以变化。如果启动从第二档位到第一档位的档位切换，则关闭将加压液压流体从液压泵/ 马达供送给液压缸450和474的杆侧腔室的阀门(未示出)。关闭这些阀门使得通过仅留下液压缸450和474的盲侧腔室与加压液压流体进行流体连通而增大了来自从液压缸450和474的活塞杆“推力”。增大的活塞杆“推力”与来自液压缸448和476的进行中的活塞杆“拉力”结合，从而实现了第一档位活塞杆作用力，此作用力可以大于第二档位活塞杆作用力。第一档位活塞杆力必须足够的大以实现图11中所示的水泵位置。如图8 —图9中的水和空气流动箭头所示地，在系统循环通过行程的第一部分时，在第一阶段的第一压力容器424中的水将如由水流箭头所示一样运动并且被吸入到水泵444A和444B中。在水流出压力容器424时，在压力容器424内产生出让空气如由气流箭头所示一样进入的容积。例如，可以在压力容器424中产生出相对负压，这将会把环境空气或预压缩的进入空气吸入到第一压力容器424中，并进入在压力容器424内的每个分隔件中的气阱中。要理解的是，其它实施例可以采用没有包括气阱的分隔件。这产生了空气/液体和空气/分隔件交界面，通过这些交界面可以进行热传递。当在水泵444A和444B中的活塞到达其行程终点(如图9所示)时，如图10所示，行程的第二部分将另外的水从压力容器424吸入到水泵448中，并且将另外的进入空气吸入到压力容器424中。图11显示出从压力容器424中去除水的操作的终点，这也是将空气吸入到压力容器424中的进气行程的终点。如在图8 —图9中水和空气流动箭头所示，在系统循环通过压缩的第一部分时，在第二阶段的第二压力容器462中的水将运动并且被吸入到水泵466中。在水流出压力容器462时，在压力容器462中产生出让空气在可以在压力容器462内产生的相对负压驱策下如图8和图9中的气流箭头所示地从压力容器426进入的容积。当水泵466中的活塞到达其行程终点(如图9所示)时，如图10所示，行程的第二部分将另外的水从压力容器462吸入到水泵468中，并将另外的空气吸入到压力容器462中。图11显示出从压力容器462去除水的操作的终点，这也是将空气吸入到压力容器462的空气压缩和传递行程的终点。如图8 — 9中的水和空气流动箭头所示，在系统循环通过压缩的第一部分时，水泵466的水将运动进入压力容器464。随着水流动进入压力容器464，压力容器464内的容积减小，从而提高了在压力容器464中的空气压力。例如，当在压力容器464内的空气压力基本上等于在空气存储洞穴(未示出)中的空气压力时，阀门(未示出)可以在压力容器464和存储洞穴之间打开，这在压力容器464和存储洞穴之间建立了连通。水可以继续从水泵466运动进入压力容器464，从而可以将空气在可以在压力容器464内产生的相对正压驱策下如图8和9中所示地从压力容器464传递至空气存储洞穴中。当在水泵466中的活塞到达其行程终点(如图9所示)时，如图10所示，行程的第二部分使另外的水从水泵468运动进入压力容器464中，从而使另外的空气运动进入存储洞穴(未示出)中。图11显示出水进入压力容器464中的运动的终点。要理解的是，能够在压力容器464和存储洞穴之间建立连通的阀门可以在水泵466的致动期间或者在水泵468的致动期间视需要情况而打开，例如阀门的打开取决于何时在行程期间压力容器464中的空气压力等于存储洞穴中的空气压力。图12至图14显示出如上文所描述的类似过程，除了进入空气被接收在压力容器426中(第一阶段)之外，空气从压力容器424 (第一阶段)传递给压力容器464 (第二阶段)，并且空气从压力容器462 (第二阶段)传递给存储洞穴(未示出)。这些过程按照如以上所描述的类似方式操作，并且因此不再进行详细说明。 图15 —图22显示出采用系统400的膨胀过程。已经存储在存储结构内的空气可以通过系统400膨胀，并且可以被用来将所存储的能量转变成期望的其它形式，例如它可以用来发电。系统400的各个部件可以按照类似的方式操作，但是沿着相反的方向操作。因此，空气可以通过第二阶段然后通过第一阶段膨胀，在每个阶段中，膨胀中的空气驱动水泵中的活塞，活塞继而驱动液压泵/马达和电马达/发电机发电。空气在压力容器内发生最后膨胀之后，如果它仍然高于环境压力，则可以例如通过将空气传递给另一个能量转换装置(例如风力涡轮机)使空气膨胀，从而产生出额外的能量。在其它实施例中，可以将空气在压力容器内发生最终膨胀之后释放给周围环境，并且可以将空气在基本大气压力下释放。图15显示出用于膨胀循环的起始状况，它包括在第二阶段的第二压力容器464内接收来自存储洞穴的压缩空气。图16 —图18以及图20 —图22显示出在系统膨胀循环的第一阶段和第二阶段的液压缸的驱动方向以及水和空气的流动。与图11类似，图19显示出使被最初接收在第二压力容器464中的空气发生膨胀的循环的终点，以及包括使被最初接收在第二阶段的第一压力容器462内的空气发生膨胀的另一个循环的起点。系统400的一个完整循环(图15 —图19或图19 一图22)可以例如为总共6秒。系统可以按照如上文针对压缩所描述的相同方式但是沿着水和空气流动的相反方向进行循环。图23 —图24为不例性图表,显不出用于系统的一个循环(例如6秒)的液压流体压力和液压流体流量，所述系统例如是被构造成以如以上所描述的四个档位顺序操作并被构造用于将存储洞穴内的压缩空气保持在184bar的系统400。图23显示出系统的第一阶段的液压流体压力和流体流量，而图24显示出系统的第二阶段的液压流体压力和流体流量。所示的压力和流量针对四个档位步骤中的每一个。这时示例性图表显示出在液压流体压力达到360bar时的档位切换。紧接在每次档位切换之后，压力下降至大约200bar。要理解的是，这些压力只是示例，并且可以选择其它的高压和低压数值。根据液压泵/马达414的操作特性来选择高压和低压数值。液压泵当其在由液压泵指定的压力范围内操作时相对有效地操作。为了有效地应用系统和方法，发生档位切换时所处的压力关于液压泵有效操作时所处的压力来选择。通常，液压泵的能量效率对于其输出压力最为敏感，这是系统和方法很注重流体压力的原因，然而，也必须同时对其它的泵特征加以关注；尤其是泵依据单位时间的流体体积的最大流量。应该注意的是，一些液压泵可以具有其它的约束条件，例如最
小流量。应该指出的是，档位变化时刻还会受到其它实施例细节例如液压缸的最大延伸位置限制。还应该理解的是，液压泵的操作特性通常是相互作用的，并且压力变化通常会造成流量变化。图23和图24显示出与最大液压流体流量约为每秒7. 6加仑(gps)的液压泵相对应的液压流体泵送场景的一个示例。在该示例中，采用了六个可能档位中的四个档位。在该实施例中，数个档位切换包括使压力从360bar变化至大约200bar，并且在该示例中，压力变化伴随着基本上同时发生的流体流量下降至大约4. Ogps。液压流体压力和液压流体流量的乘积为功率，并且该示例显示出在泵系统的操作期间保持基本上恒定的功率数值的压力和流量场景。恒定功率是选择输出压力和输出流量之间关系的一个方法。要理解的是，其它实施例可以选择以产生不恒定功率的方式来改变压力和流量。图25 —图26为不例性图表,显不出针对例如系统400的系统的一个循环的液压流体压力和液压流体流量。系统被如此构造，使得第一阶段采用如以上所描述的四个档位 顺序操作。在图26示出的场景中，第二阶段对空气进行压缩，并且当压缩空气的压力基本上等于存储洞穴中的空气压力时，将压缩空气泵送入到当前处于90bar的存储洞穴中。图25显示出系统第一阶段的压力和流体流量，图26显示出系统第二阶段的压力和流体流量，并且绘出了在该场景中优选的档位切换顺序是如何使用六个可能档位中的三个档位的。这些图示出了四个第一阶段档位中的每一个档位的压力和流量，以及三个第二阶段档位中的每一个档位的压力和流量。这些示例性图表显示出在由除了液压泵最大压力之外的约束条件指定的时刻发生的档位切换。例如，图26显示出在小于360bar的最大值的压力下(大约为310bar)发生的档位切换。该档位切换的发生是因为在要求360bar的最大液压流体压力之前第一水泵到达了其行程的终点。另外，第二水泵操作期间的液压流体压力在第二水泵的整个冲程上保持低于大约250bar。这是因为，利用第二水泵中的可用最高档位来操作对抗洞穴当前压力所要求的液压流体压力低于最大液压泵压力。重要的是，液压流体压力保持在液压泵的有效输出压力范围内，此压力范围在本示例中为在120bar和360bar之间。要理解的是，可以采用不同于从120bar至360bar的压力范围来应用该方法。图27和图28为示例性图表，显示出分别以90bar和180bar的压力将空气压缩进入存储洞穴中的系统的第一阶段和第二阶段的液压压力和液压泵体积流量的对比。图29和图30为示例性图表，显示出在系统(例如将空气压缩进入当前在90bar的压力下的存储洞穴中的系统400)中使用的液压泵的功率消耗。图29显示出第一阶段的功率消耗，而图30显示出第二阶段的功率消耗。图31和32为示例性图表，显示出在系统(例如将空气压缩进入当前在ISObar的压力下的存储洞穴中的系统400)中使用的液压泵的功率消耗。图31显示出第一阶段的功率消耗，而图32显示出第二阶段的功率消耗。如上文所描述地，在该示例中，由泵消耗的功率(这与泵所产生的液压功率成正比)在系统操作期间保持在大约恒定的水平。图33 —图36是系统(例如系统400)中的液压泵/马达在各种压力和速度下操作时的效率水平分布图。该图被划分成多个区域，这些区域显示出可用于液压泵的能量效率。操作本文所描述的系统的系统和方法可以被构造成在整个压缩循环上在最高效率区域内操作液压泵。效率根据泵的最大体积排量的百分比(其对于上述示例中所描述的泵而言可以选择性地变化)来确定。例如，图33所示的效率基于流量为7. 6加仑/秒时的100%的排量。图34所示的效率基于80%的排量，其意味着系统以7. 6加仑/秒的80% (即，6. O加仑/秒)的流量操作。类似地，基于在流量为7. 6加仑/秒时的100%的排量来确定图35和图36。图37 —图50为示例性图表，显示出在存储洞穴压力为180bar时操作的系统(例如系统400)的各个参数。图37 —图42显示出与第一阶段相关联的各个参数，而图43 —图47显示出与第二阶段相关联的各个参数。图48和图49示出了在采用不同的液压缸活塞表面积构造时，相关联的压力和流量如何在具有第一阶段和第二阶段的实施例的整个循环上在档位变化期间发生变化的示例。通过将图48 —图49与图23 —图26进行比较可以看出压力和流量变化特性。图50显不出与在图48 —图49中所不压力和流量相对应的系统的液压压力与体积流量的对比。如以上所描述地，可以从在压力容器中受到压缩的空气(或其它气体)传递热量以降低压缩过程所消耗的功。热量可以从空气传递给液体和/或从空气传递给在压缩容器内的分隔件，和/或从液体传递离开压力容器。在一些实施例中，为了提高热传递，系统可以相对慢的速度操作。在一些实施例中，完整的压缩或膨胀循环可以足够慢，从而为空气和液体之间的热传递提供额外的时间。根据一些实施例，可以传递足够的热能以接近等温压缩和/或膨胀过程，从而实现功的减少或功的提取以及与其相关联的效率。另外地或备选地，速度越快可以在膨胀期间等温地或在温度变化的情况下实现更大的功率水平，这在系统操作期间的特定时间是优选的。在压缩和/或膨胀期间采用液体(例如水)作为导热介质能够实现连续的温度缓和过程，并且可以提供使得热量能够移入和/或移出压缩容器的机制。也就是说，在压缩期间，液体可以从受压缩中的空气接收热量，并且在空气正受到压缩时和在空气正由压力容器接收供之后的压缩使用时，液体连续地或分批地将热量传递给外部环境。类似地，在膨胀模式下操作的压缩机/膨胀机装置会在气体发生膨胀期间和在发生膨胀的空气移动离开压力容器时加热。如以上所描述地，压力容器内的液体可以在一个或多个空气/液体交界面和空气/分隔件交界面处与空气接触，热量越过这些交界面从压缩空气传递走和/或传递给膨胀空气。压力容器还可以包括热交换器，例如如以上所描述的一个或多个热管，用来在液体和装置的外部环境之间传递热量。热量可以离开压缩空气和/或被传递给膨胀空气，从而实现等温或近乎等温的压缩和/或膨胀过程。图51A —图51D、图52A —图52C、图53、图54A —图54B、图55和图56各显示出
液压驱动系统或致动器的实施例，它们可以用来选择性地调节液压流体压力与在界定工作腔室的工作活塞上的流体压力的比率。例如，致动器能够用来致动在压缩和/或膨胀装置内的工作活塞，从而对气体(例如空气)进行压缩或使其膨胀。压缩和/或膨胀装置可以包括能够容纳气体、液体和/或气体以及液体的储器或壳体。致动器可以包括如上文针对前面实施例所描述的一个或多个状态或档位，从而控制工作活塞的运动和保持期望的工作腔室中的流体压力和致动器中的液压流体压力之间的关系。在图51A中所示实施例中，致动器包括两个液压缸，每个液压缸的液压活塞的直径和尺寸(例如直径)不同，以便在不同的液压压力下致动工作活塞(或其它从动构件)或被其致动。由于液压活塞的尺寸不同，可用来在工作活塞的任一侧上对液压活塞加压的操作表面积存在各种组合，从而能够增加档位和档位切换的数量(与上文描述的、包括两个直径相同的液压活塞的致动器412相比较)。通过具有更多的档位和档位切换，液压致动器可以在更高程度的压力选择性下操作，并且由此能够对于工作腔室中的给定流体压力范围而言在更有效的液压压力范围内操作泵/马达，或者能够在更宽的工作腔室压力下在相同的液压压力范围内操作，并且/或者在水泵以及/或者压缩和/或膨胀装置或者系统的不同操作阶段更精确地控制期望的输出(或输入)压力、流量和/或作用力方向。图51A示意性地显示出致动器712的一部分的各个部件。如图51A所示，致动器712包括液压缸748和液压缸750。液压缸748包括壳体784和可运动地布置在由壳体784限定的内部区域内的液压活塞778。液压缸750包括壳体785和可运动地布置在壳体785的内部区域内的液压活塞780。液压活塞778将液压缸748的壳体784的内部区域分成两个部分在液压活塞778上方的液压流体腔室Cl和在液压活塞778下方的液压流体腔室C2。类似地，液压活塞790将液压缸750的壳体785的内部区域分成两个部分在液压活塞780上方的液压流体腔室 C3和在液压活塞780下方的液压流体腔室C4。液压流体腔室Cl和C2可以分别被称为液压缸748的盲侧和杆侧，并且流体腔室C3和C4可以分别被称为液压缸750的杆侧和盲侧。液压活塞778具有在液压活塞778的与流体腔室Cl相关联的一侧(盲侧)上的操作表面积Al和在与流体腔室C2相关联的一侧(杆侧)上的操作表面积A2。液压活塞780具有在与流体腔室C3相关联的一侧(杆侧)上的操作表面积A3和在与流体腔室C4相关联的一侧(盲侧)上的操作表面积A4。因此，由于液压活塞的尺寸不同和/或驱动杆Rl和R2的尺寸不同，所以液压活塞778的操作表面积Al和A2与液压活塞780的操作表面积A3和A4不同。例如，液压活塞778的杆侧操作表面积A2可以小于液压活塞780的杆侧操作表面积A3。要理解的是，R2可以做得比Rl更大以至能够使得A2等于A3或者使得A2大于A3。在其中液压活塞778的直径小于液压活塞780的示例中，液压活塞778的盲侧操作表面积Al小于液压活塞780的盲侧操作表面积A4。液压活塞778经由驱动杆Rl与从动构件(在该实施例中为工作活塞)774连接，并且液压活塞780经由驱动杆R2与工作活塞774连接。工作活塞774可运动地设置在具有内部区域的壳体782内，该内部区域由工作活塞774分成两个工作腔室WCl和WC2，每个工作腔室被构造用于容纳流体(例如水和/或空气)。驱动杆Rl和R2可滑动地延伸穿过在壳体782中的相应开口，每个开口可以包括密封件，从而驱动杆Rl和R2能够在开口内运动以致动工作活塞774，但是流体不能分别在工作腔室WC1、WC2和液压流体腔室C2和C3之间通过。在该实施例中，驱动杆Rl的直径小于驱动杆R2的直径，并且液压活塞778的直径小于液压活塞780的直径。如上文针对其它实施例所描述地，通过在致动器712的循环或行程期间改变有效活塞比率(例如，液压活塞的净操作表面积与例如工作活塞的从动构件的表面积的比率)，可以在致动器712的循环期间的任一给定时间段在多个不同档位或状态中的一个档位或状态中操作致动器712。对于给定的液压流体压力，可以通过改变液压活塞的净操作液压加压面积来改变壳体782内的工作流体的压力，为了方便起见，可能的面积变化可以被称为”档位”。相反地，对于给定的工作流体压力而言，可以例如在膨胀循环中改变液压流体压力。可以根据需求改变档位的数量和顺序，从而实现储器内的工作流体压力(与工作腔室中的流体压力基本上相同)和由液压泵/马达提供(或供送给液压泵/马达)的液压流体压力之间的期望的关系。因此，对于液压致动器712的给定行程，可以通过配置最优档位顺序来精细地调节对工作活塞的致动操作(无论驱动气体压缩过程或是被气体膨胀过程驱动)。如之前所描述地，对于给定的致动器，可以基于液压缸的数量、活塞的尺寸、驱动杆的尺寸和工作活塞的尺寸确定可能的档位数量。在该实施例中，因为活塞778和780具有不同的直径并且驱动杆Rl和R2具有不同的直径，所以致动器的16种可能状态(四个腔室中的每一个腔室可以被加压或不被加压)能够为致动器712限定出15种可能的档位(因为其中没有任何腔室受到加压的状态不会产生出任何净液压活塞面积)。如果驱动杆Rl和R2具有相同的直径，则可能档位的数量为14个，因为在所有腔室都受到加压时，所得到的净操作表面积将等于零，如在下文更详细描述的一样。图51B和51C各显示出其中致动器712可以进行操作的、不同的可能档位。为了参照方便，这些档位被标示为Dl - D7和Ul - U7，但是该编号方案不是必然地指明这些状态按照净表面积的顺序。图51B显示出其中工作活塞774能够被致动器712驱动向上(或 者其中工作活塞的向上运动能够驱动致动器)的致动器712的档位，并且图51C显示出其中工作活塞774能够被致动器712驱动向下(或者其中工作活塞的向下运动能够驱动致动器)的致动器712的档位。如图51B和图51C所示，对于致动器712的给定档位(例如Dl — D7，Ul - U7)而言，如果流体腔室(例如Cl、C2、C3、C4)是活动的，即与液压泵/马达的高压侧流体连通(用来接收由用作泵的液压泵/马达提供的加压液压流体并被该流体驱动，或者用来给用作马达的液压泵/马达提供加压液压流体并且驱动该液压泵/马达)，则该流体腔室被显示为没有阴影，而如果流体腔室是不活动的，即与液压泵/马达的高压侧流体地隔离，则对于那个特定档位而言该流体腔室被显示为有阴影(网状线)。图5ID为表格，它包括与在图5IB和5IC中的致动器712的各个档位(例如Dl — D7和Ul — U7)对应的信息。该表格还显示出档位U8 (在图51B和51C中未示出)，其中所有腔室Cl - C4都受到加压(下面更详细描述)。图51D的表格还显示出对于每个档位(Dl -D7，U1 — U8)都处于活动状态(与液压泵/马达的高压侧流体连通)的致动器712的相关腔室(Cl - C4)。具体地说，如在该表中所示一样，对于特定档位而言，P表示腔室(例如Cl、C2、C3、C4)受到加压(活动的)，并且N表示腔室没有受到加压(不活动的)。标记为DIR的那一栏表示由活动的液压流体腔室(例如Cl - C4)将施加作用力的方向。例如，如果仅腔室Cl是活动的(与液压泵/马达的高压侧流体连通)，则在从动构件(例如工作活塞747)上所产生的作用力将沿着向下的方向，而如果仅腔室C2是活动的，则所产生的作用力将沿着向上的方向。要理解的是，“加压”是指相对于称为“未加压”的第二压力而言处于相对高的第一压力。特定档位下的致动器712的净操作表面积Anrt等于与在那个特定档位下处于活动状态的腔室(Cl - C4)相关联的表面积(例如A1、A2、A3、A4)的总和。为了例举说明，在该示例中所采用的符号约定将施加在表面积Al和A3上的作用力表示为沿着正(+ )方向，并且将施加在表面积A2和A4上的作用力表示为沿着负(一)方向。因此，在该示例中，鉴于从动构件为在压缩模式中操作的工作活塞774，如果净操作表面积Anrt是负的，则致动器712将使得工作活塞774沿着向上的方向运动(例如档位Ul - U8)，并且如果净操作表面积为正的，则致动器712将使得工作活塞774沿着向下的方向运动。相反，如果从动构件为在膨胀模式中操作的工作活塞774，则在膨胀气体沿着向上的方向驱动工作活塞774时，档位Ul —U8将如此操作，即，与那些档位相关联的、处于活动状态的液压腔室将对腔室中的液压流体加压，将该流体供送给液压泵/马达，并且在马达模式中驱动该液压泵/马达。通过将致动器712的选定的液压流体腔室(例如Cl、C2、C3和/或C4)在工作液压压力(例如由作为泵操作的液压泵/马达提供，或者由液压流体腔室给作为马达操作的液压泵/马达提供)下布置成与液压流体进行流体连通并将其它的腔室与工作液压压力流体地隔离，能够致动不同的档位。例如，可以将一个或多个阀门与腔室Cl - C4中的每一个腔室连接，这些阀门可以选择性地打开(例如如以上所描述并且如以下参照在图52A中示出的致动器812所描述地通过液压控制器)，以便与液压泵/马达的高压侧建立流体连通和让液压流体能够被泵送到腔室中。相反的，可以控制一个或多个阀门，使得腔室与液压泵/马达的高压侧隔离并与液压流体的低压储器建立流体连通，从而例如可以在相关联的活塞运动以减小腔室的容积时让液压流体从腔室中排出或流出。在致动器712的单个循环或行 程期间，可以致动一个或多个档位以实现在壳体782内的流体的期望输出压力。另外，可以改变档位的顺序。因此，虽然这些档位在这些附图中被标记为Dl - D7和Ul - U8，但是致动器712可以按照各种不同的组合和顺序循环通过一个或多个档位。例如，在一个循环中，致动器712可以被构造成循环通过档位D7、D6、D2和D5，以便在循环期间逐步提高在壳体782内的工作流体的压力。在一个示例中，如图51D的表格中所示并且参照图51C,为了致动档位D7,工作压力下的液压流体被选择性地通向液压缸748的腔室Cl和腔室C2，该液压流体将分别沿着向下和向上的方向在表面积Al和A2上施加液压压力。因为表面积Al大于表面积A2,所以净操作表面积Anrt (Al - A2)将是正的，并且所产生的液压作用力将使得液压活塞778向下运动，继而使得工作活塞774向下运动。在另一个示例中，如图51B所示，为了致动档位U2,工作压力下的液压流体被选择性地通向腔室C2和C4，液压流体将沿着向上的方向在表面积A2和A4上施加液压压力，从而产生负的净操作表面积Anrt (Anrt = — A2+— A4)。因此，液压作用力将使得液压活塞778向上运动，继而使得工作活塞774向上运动。参照在图51D的表格中的档位U8(但是在图51B和51C中未示出)，如果工作压力下的液压流体被选择性地通向所有腔室(Cl - C4)，则液压压力将被沿着向下的(即正的)方向施加在表面积Al和A3上,并且沿着向上的(即负的)方向施加在表面积A2和A4上,所得到的净操作表面积将为Anet=Al — A2+A3 一 A4。由于驱动杆Rl的直径和驱动杆R2的直径在该示例性实施例中不同，因此，所得到的净操作表面积Anrt将不等于零；而是净操作表面积Anet等于两个杆的横截面之差。如果驱动杆Rl的直径和驱动杆R2的直径相等，则所得到的净操作表面积为零，由此，施加在工作活塞上的作用力将为零。图51D的表格的最下面一行显不出在液压活塞778的盲侧和杆侧表面积分别与液压活塞780的盲侧和杆侧表面积相同(即活塞778的直径=活塞780的直径，A4=A1，A2=A3，并且R1=R2)的情况下，与致动器712相关联的可能的档位。这个实施例类似于如以上所描述的致动器412。如在该表中所示并且例如参照在图51C中的档位D1，在这个实施例中，如果工作压力下的液压流体被选择性地通向流体腔室C1、C3和C4，由于活塞778和780在该示例中相等，所以施加在表面积Al和A4上的液压压力将相互抵消，并且所得到的净操作表面积Anrt将等于表面积A3。这将使得液压活塞780向下运动，继而使得水活塞774向下运动。在另一个示例中，如果工作压力下的液压流体被选择性地通向流体腔室C2和C3，如在图51C中的档位D3中所示，由于表面积Al等于表面积A3，因此在该实施例中，在水活塞上产生的作用力将为零。如在该表中所示，在该实施例中(例如其中活塞778=活塞780，并且杆2=杆3 )，档位D6与档位D3相同，档位D2与档位D5相同。因此，可用于这个实施例的不同档位的总数等于8-沿着向上的方向有4个档位并且沿着向下的方向有4个档位。图52A显示出可以用于本文所描述的装置和系统的致动器的另一个实施例。该实施例所示致动器可以包括与工作活塞的一个端部可操作地连接并被构造用于致动工作活塞的多个液压缸。图52A显示出两个尺寸不同的液压缸，每个液压缸的液压活塞的直径不相同。但是，应该理解的是，可以采用三个以上的液压缸，并且/或者还可以将一个或多个液压缸与工作活塞的相对端部可操作地连接。具体地说，图52A示意性地显示出致动器812的一部分的各个部件。如图52A所 示，致动器812包括液压缸848和液压缸850，液压缸848具有限定出内部区域的壳体884和可运动地布置在壳体884的内部区域中的液压活塞878，液压缸850具有壳体885和可运动地布置在壳体885的内部区域中的液压活塞880。驱动杆Rl与液压缸850的液压活塞880以及液压缸848的液压活塞878连接，而驱动杆R2与液压缸850的液压活塞880连接并可以与被构造用于容纳一定的体积流体的壳体882内布置的工作活塞(未示出)连接，如以上针对前面实施例所描述地一样。在该不例性实施例中，液压活塞878的直径小于液压活塞880的直径，并且液压驱动杆Rl的直径小于液压驱动杆R2的直径。但是，应该理解的是，液压活塞878可以备选地具有与液压活塞880相同或者更长的尺寸。类似地，液压驱动杆Rl和R2可以备选地具有相同的尺寸，或者液压驱动杆R2可以大于液压驱动杆R1。液压缸848的壳体884在其内部区域中限定了在液压活塞878上方的流体腔室Cl和在液压活塞878下方的流体腔室C2。类似地，液压缸850的壳体885在其内部区域中限定了在液压活塞880上方的流体腔室C3和在液压活塞880下方的流体腔室C4。在该实施例中，流体腔室Cl和C2可以分别被称为液压缸848的盲侧和杆侧，并且流体腔室C3和C4可以分别被称为液压缸850的第一杆侧和第二杆侧。液压缸848经由管道895与液压泵/马达814 (或其它合适的加压液压流体源)连接，并且液压缸850经由管道896与液压泵/马达814连接。液压泵/马达814与如针对前面实施例所描述地能够用来操作和驱动液压泵/马达814的系统控制器816连接。在液压缸848和850的每个腔室与液压泵/马达814之间连接有阀门898，阀门例如在系统控制器816的控制下能够选择性地打开和关闭，以便使得液压泵/马达814的高压侧分别与各腔室流体地连接或流体地隔离，从而系统或液压控制器816能够按照与上面针对前面实施例所描述的类似方式选择性地致动(供送加压液压流体给)液压缸848和850中的一个或两个液压缸的一个或两个腔室。液压活塞878具有在与流体腔室Cl相关联的一侧(例如盲侧)上的操作表面积Al和在与流体腔室C2相关联的一侧(例如杆侧)上的操作表面积A2。液压活塞880具有在液压活塞880与流体腔室C3相关联的一侧(例如第一杆侧)上的操作表面积A3和在与流体腔室C4相关联的一侧(例如第二杆侧)上的操作表面积A4。
在该示例性实施例中并且如在图52A中所示地，液压活塞878的操作表面积Al和A2与液压活塞880的操作表面积A3和A4不同。例如液压活塞878的操作表面积A2小于液压活塞880的操作表面积A3和A4。液压活塞880的操作表面积A4大于液压活塞880的操作表面积A3，并且两者都大于液压活塞878的操作表面积Al和A2。图52B和图52C各显示出不同的可能状态或档位(标为Dl — D7，Ul 一 U7)，致动器812可以在这些状态或档位中操作。在图52B所示的致动器812的档位中，致动器812能够使与驱动杆R2连接的工作活塞在壳体882内向上运动，并且在图52C所示的档位中，致动器812能够使工作活塞在壳体882内向下运动。如与前面实施例相同，对于图52B和52C中所示的特定档位(例如Dl - D7，U1 — U)，如果流体腔室(例如C1、C2、C3、C4)受到液压流体加压，则它显示为没有阴影，而如果流体腔室没有受到液压流体加压，则它显示为有阴影。通过将工作流体压力下的液压流体源(经由以上所描述的 液压泵/马达814)与致动器812的流体腔室(例如Cl、C2、C3和/或C4)中的一个或多个选择性地流体连接，可以致动不同的档位，如针对前面实施例所描述一样。可以选择性地打开阀门898中选定的一个或多个阀门，从而将液压流体泵送到一个或多个腔室中和/或将液压流体从一个或多个腔室中排出(例如在行程的终点)。在致动器812的给定循环期间可以致动一个或多个档位，以便在壳体882内实现期望的流体输出压力。还可以改变这些档位的顺序。因此，虽然这些档位在图52B和52C中被标记为Dl — D7和Ul — U7，但是致动器812可以如以上针对前面实施例所描述地按照多种不同的组合和顺序循环通过一个或多个档位。特定档位的净操作表面积Anrt等于与针对给定档位受到加压的腔室(例如Cl -C4)相关联的表面积(例如A1、A2、A3、A4)的总和。如以上所描述地，在该示例性实施例中，还可以可选地将一个或多个液压缸连接至工作活塞的相对的端部。在这个实施例中，按照以上针对致动器712所描述的类似方式，特定档位的净操作表面积Anrt还将包括与在工作活塞的相对端部上操作的液压缸的加压腔室相关联的表面积。图53显示出致动器812的一种变型，其中，连接致动器与工作活塞的驱动杆与两个液压活塞中更小的一个液压活塞连接，并且驱动杆具有相同的直径。致动器912包括液压缸948和液压缸950，液压缸948具有限定出内部区域的壳体984和可运动地布置在壳体984的内部区域中的液压活塞978，液压缸950具有限定出内部区域的壳体985和可运动地布置在壳体985的内部区域中的液压活塞980。如以上针对前面实施例所描述地，驱动杆Rl与液压活塞978和液压活塞980连接，驱动杆R2与液压活塞980连接并可以如以上针对前面实施例所描述地与布置在壳体(未示出)内的工作活塞(未示出)连接。在该示例性实施例中，液压活塞978的直径大于液压活塞980的直径，驱动杆Rl的直径等于驱动杆R2的直径。液压缸948的壳体984在其内部区域中限定了在液压活塞978上方的流体腔室Cl和在液压活塞978下方的流体腔室C2。液压缸950的壳体985在其内部区域中限定了在液压活塞980上方的流体腔室C3和在液压活塞980下方的流体腔室C4。液压活塞978具有在与流体腔室Cl相关的一侧上的操作表面积Al和在与流体腔室C2相关联的一侧上的操作表面积A2。液压活塞980具有在液压活塞980与流体腔室C3相关联的一侧上的操作表面积A3和在与流体腔室C4相关联的一侧上的操作表面积A4。
与前面实施例一样，致动器912可以在多个不同档位中操作以使得工作活塞(未示出)在壳体(未示出)内运动。如之前所描述地，特定档位的净操作表面积Anrt等于与针对给定档位受到加压的腔室(例如Cl - C4)相关联的表面积(例如A1、A2、A3、A4)的总和。也可以可选地将一个或多个液压缸连接至工作活塞的相对端部。在这个实施例中，按照与上文针对致动器712所描述的类似方式，特定档位的净操作表面积Anrt还将包括与在工作活塞的相对端部上操作的液压缸的加压腔室相关联的表面积。图54A和图54B显不出可以用于本文所描述的装置和系统的致动器的又一个实施例。在该实施例中，致动器可以从一个档位运动到另一个档位，而不必选择性地打开阀门。致动器1012包括液压缸1048和液压缸1050，液压缸1048具有限定出内部区域的壳体1084和可运动地布置在壳体1084的内部区域中的液压活塞1078，液压缸1050具有限定出内部区域的壳体1085和可运动地布置在壳体1085的内部区域中的液压活塞1080。液压驱动杆Rl与液压缸1050的液压活塞1080和液压缸1048的液压活塞1078连接。如以上针对前面实施例所描述地，驱动杆R2与液压缸1050的液压活塞1080连接并与可动地布置在壳
体1082内的工作活塞1074连接，壳体1082被构造用于在其中容纳一定的流体。在该示例性实施例中，液压缸1048的壳体1084与液压缸1080的壳体1085流体连通，从而液压活塞1078可以在壳体1084的内部区域(如图54B所示)与壳体1085的内部区域(如图54A所示)之间运动。当液压活塞1078布置在壳体1085内时(如图54A所示)，液压流体腔室Cl被壳体1084和壳体1085共同地限定在液压活塞1078上方和液压活塞1080上方，并且液压流体腔室C2被限定在液压活塞1080下方。当液压活塞1078接合壳体1084时(如图54B所示)，液压流体腔室C3由壳体1084限定在液压活塞1078上方，液压流体腔室C2被限定在液压活塞1080下方，并且液压流体腔室C4被限定在液压活塞1080上方和液压活塞1078下方。因此，当液压活塞1078在液压缸1048和1050之间运动时，液压流体腔室可以被重新限定。当液压活塞1078布置在壳体1085内(如图54A所示)时，流体腔室Cl可以被称为液压缸1048和液压缸1050 二者共同的盲侧，并且流体腔室C2可以被称为液压缸1050的杆侧。当液压活塞1078接合壳体1084时，流体腔室C3可以被称为液压缸1048的盲侧，流体腔室C2仍然被称为液压缸1050的杆侧，并且流体腔室C4可以被称为液压缸1048和液压缸1050 二者共同的杆侧。在该实施例中，液压活塞1078的直径小于液压活塞1080的直径，并且液压驱动杆Rl的直径等于液压驱动杆R2的直径。与本文所描述的其它实施例一样，液压活塞1078和1080可以具有相对于彼此的其它尺寸，并且驱动杆Rl和R2可以具有相对于彼此的其它尺寸。例如，液压活塞1078可以大于液压活塞1080。在这个实施例中，可以根据液压活塞的相对尺寸和/或液压活塞相对于工作活塞的位置来改变一组可能的档位。如图54A和图54B所示地，液压活塞1078具有操作表面积Al和操作表面积A2，液压活塞1080具有操作表面积A3和操作表面积A4。如与前面实施例一样，致动器1012可以在多个不同档位中操作以使得工作活塞1074在壳体1082内运动。如之前所描述地，特定档位的净操作表面积Anet等于与针对给定档位受到加压的腔室(例如Cl、C2、C3、C4)相关的表面积(例如Al、A2、A3、A4)的总和。如针对前面实施例所描述地，通过将处于工作压力下的液压流体源(例如经由液压泵)与致动器1012的一个或多个流体腔室(例如C1、C2、C3和/或C4)选择性地连接，可以致动不同的档位。例如，如图54A和图54B所示，可以将管道1095与壳体1084的内部区域连接并且与之流体连通，还可以将管道1096和1097与壳体1085连接并且与之流体连通。管道1095、1096和1097中的每一个管道可以例如与液压泵(未示出)连接以供送加压液压流体。阀门1098可以与管道1095、1096和1097和/或相应的壳体1084、1085连接，并用来选择性地打开与致动器1012的各个流体腔室的流体连通。在该实施例中，当液压活塞1078接合壳体1084时，致动器1012的可能的档位和档位切换的数量也可以变化。因此，在致动器1012的一个循环或行程期间，可能的档位数量将改变。例如，在液压活塞1078布置在壳体1085内时有四个可能的加压状态(两个腔室，每个受到加压或未受到加压)，因此可能档位数量等于三个在液压流体被泵送到流体腔室Cl中时被限定的一个档位；在液压流体被泵送到流体腔室C2中时被限定的一个档位；以及在液压流体被泵送到流体腔室Cl和C2中时被限定的一个档位。在一个示例性档位中，如果流体腔室Cl经由管道1095和1096中的一个或两个管道与工作液压压力下的液压流体源选择性地流体连接，则净操作表面积Anet将等于(A1+A3-A2),并且所产生的作用力将沿着向右的方向。如果流体腔室Cl和流体腔室C2两者都与工作液压压力下的液压流体源选 择性地流体连接，则净操作表面积Anet将等于(A1+A3 — A2 — A4)，并且所产生的作用力还将沿着向右的方向。在液压活塞1078与壳体1084接合和/或布置在该壳体内时(如图54B所示)，因为不同流体腔室的数量增加，所以可能档位的数量也将增加。活塞1078将腔室Cl分成两个腔室一C3和C4。这实现了 8个加压状态(三个腔室，每个受到加压或未受到加压)，因此可能档位的数量将等于七个(每个单独的腔室、两个腔室的每种组合以及全部腔室)。在一个示例性档位中，流体腔室C3可以与工作液压压力下的液压流体源选择性地流体连接，则净操作表面积Anrt将等于Al，并且所产生的作用力将沿着向右的方向。在另一个示例中，流体腔室C3和流体腔室C2两者都可以与工作压力下的液压流体源选择性地流体连接，则净操作表面积Anet将等于(A1+A3 -A2- A4)，并且所产生的作用力还将沿着向右的方向。因此，在该示例中，净操作表面积Anet与在流体腔室Cl (图54A中)如以上所描述地受到液压流体加压时的净操作表面积Anrt相同。可能档位的数量还可以在液压缸与工作活塞1074的另一侧可操作地连接时增加。因此，虽然未在图54A和54B中示出，但是也可以将一个或多个液压缸与工作活塞1074选择性地连接。在这个实施例中，可以按照与针对前面实施例所描述的相同方式来确定净
操作表面积Anert。在图55所示的致动器实施例中，液压缸布置在其中设有工作活塞的储器或壳体内。这个实施例会是期望的，其例如可以减小需要用于待致动的特定装置的空间。致动器1112包括液压缸1148和液压缸1150，每个液压缸与壳体1182连接并布置在壳体1182所限定的内部区域中，在该壳体中，可以对气体进行压缩，并且/或者可以将流体从该壳体排出和/或可以将液体接收到该壳体中。壳体1182被构造用于在其内部区域中容纳一定体积的流体。液压缸1148包括壳体1184和可运动地布置在壳体1184所限定的内部区域中的液压活塞1078。液压缸1150包括壳体1185和可运动地布置在壳体1185的内部区域中的液压活塞1080。工作活塞1174可运动地布置在壳体1182的内部区域内，并且经由单个驱动杆Rl与液压活塞1178和液压活塞1180连接以使得工作活塞1174可以跟随液压活塞1178和液压活塞1180的运动而运动。壳体1084在其内部区域中限定出液压流体腔室Cl和液压流体腔室C2，而壳体1085在其内部区域中限定出液压流体腔室C3和液压流体腔室C4。档位以及与特定档位相关联的净操作表面积的确定可以按照与以上针对前面实施例所描述的相同方式来确定，并且因此不再针对这个实施例进行详细说明。液压活塞1178和1180可以被致动，以便在其相应的壳体1184和1185内运动并使得工作活塞1174在壳体1182内上下运动。在图56所示的致动器实施例中，液压缸的壳体与其中布置有工作活塞的储器或壳体内的工作活塞固定连接，从而液压活塞保持静止不动，而壳体和工作活塞相对于液压活塞运动。致动器1212包括液压缸1248和液压缸1280，每个液压缸都布置在壳体1282的 内部区域中，该壳体被构造用于在其中容纳一定的流体体积。液压缸1248包括壳体1284和可运动地布置在壳体1284的内部区域中的液压活塞1278，液压缸1250包括壳体1285和可运动地布置在壳体1285的内部区域中的液压活塞1280。驱动杆Rl与液压活塞1278和壳体1282连接，驱动杆R2与液压活塞1280和壳体1282连接。工作活塞1274可运动地布置在壳体1282的内部区域中。工作活塞与壳体1284和壳体1285如此连接，使得在启动致动器1212时，工作活塞1274、壳体1284和壳体1285可以相对于液压活塞1278以及液压活塞1280 一起运动。因此，在启动致动器1212时，壳体1284和1285 (与工作活塞一起)将相对于它们各自的活塞1278和1280运动，而不是液压活塞1278和1280分别相对于壳体1284和1285运动。壳体1284在其内部区域中限定有液压流体腔室Cl和液压流体腔室C2，壳体1285在其内部区域中限定有液压流体腔室C3和液压流体腔室C4。档位和与特定档位相关联的净操作表面积的确定可以按照与以上针对前面实施例所描述的相同方式来确定，并且因此不再针对这个实施例进行详细说明。虽然上面已经对本发明的各个实施例进行了说明，但是应该理解的是，它们只是以实施例的方式给出而不是进行限定。在上述的方法和步骤表示按照特定顺序出现的特定事件的情况下，本领域普通技术人员在该公开内容的启示下将知道，某些步骤的顺序可以改变，并且这些变型是依据本发明的变化。另外，可能的话，某些步骤可以在并行过程中同时进行，以及如以上所描述的一样顺序进行。虽然已经显示并且描述了这些实施例，但是要理解的是可以在形式和细节方面作出各种变化。例如，可以改变各个部件的尺寸(例如直径、长度等)来提供所期望的系统输出。虽然图7 —图22显示出各个水泵具有不同的尺寸，但是每个水泵可以被构造成具有相同的尺寸，并且对于系统的给定阶段提供相同的功能和输出。虽然在压缩机/膨胀机装置中的液体在上面描述为包括水，但是另外地或备选地也可以采用其它液体。如可以理解的是，水可以从受系统压缩中的空气冷凝出，并且在这方面可以在没有负面影响的情况下与液体组合。另外，在用在压缩机/膨胀机装置的实施例中时，水在膨胀期间可以蒸发成气体而不会有负面影响。但是，除了水之外或代替水可以采用其它类型的液体。这些液体的一些示例可以包括其组分配置成防止冷冻的添加剂或纯液体例如凝胶、防止蒸发的液体例如甘油和/或防止起泡的液体。同样，虽然在压缩机/膨胀机装置中的气体在上面描述为空气(这是普通的选择，因此可以采用环境空气)，但是另外地或备选地可以采用其它气体。另外，虽然该系统400描述为具有两个阶段，每个阶段具有两个水泵，每个水泵各由两个液压缸(上液压缸和下液压缸)致动，但是在备选实施例中，可以将更多个液压缸连接至水泵的顶部和底部，从而可以提供额外的可能的档位模式。另外，在其它实施例中，系统可以被构造有不同数量的水泵和/或不同数量的阶段，从而可以提供额外的可能的档位模式。另外，本文所描述的系统和方法可以采用用于这些目的的已知计算机系统和控制系统来控制。虽然在上述实施例中，被液压致动器驱动(或驱动液压制动器)的从动构件为向待压缩(或膨胀)的气体直接地或间接地施加压力(或从中接收压力)的活塞，但是在备选实施例中，从动构件可以是任何被驱动以提供机械功率或者接收机械功率并被驱动的期望的构件。所披露的系统和方法的其它应用场合的示例包括液压机械致动器(诸如用在商用飞机的那些致动器之类)和作用力分布面(force profile)变化很大的应用场合(诸如液压或气压式劈木机、闸门和海洋挡坝以及用在轿车和卡车上的减震器之类)。
系统控制器(例如414、418)可以例如包括存储有表示指令的代码的处理器可读介质以使处理器执行过程。处理器可以例如为市售个人计算机或其它专用于执行一项或多项特定任务的计算或处理装置。例如，处理器可以为专用于提供互动图形用户界面(GUI)的终端。根据一个或多个实施例，处理器可以为市售微处理器。备选地，处理器可以为专用集成电路(ASIC)或多个ASIC的组合，它们可以设计用于实现一个或多个特定功能或者启用一个或多个专门装置或应用程序。在又一个实施例中，处理器可以为模拟或数字电路，或者多个电路的组合。处理器可以包括存储部件。存储部件可以包括一种或多种存储器。例如，存储部件可以包括只读存储器(ROM)部件和随机存取存储器(RAM)部件。存储部件还可以包括其它类型的存储器，其适用于存储可以由处理器获取的形式的数据。例如，在存储部件内可以包括电子可编程只读存储器(EPR0M)、可电子擦写可编程只读存储器(EEPR0M)、闪存器、磁盘存储器以及其它合适类型的存储器。要知道的是，这些存储部件中的任一个和全部都可以借助任一种形式的通信网络访问。根据所期望的代码功能，处理器还可以包括各种其它部件，例如协处理器、图形处理器等。处理器可以与存储部件通信，并且可以将数据存储在该存储部件中或者将预先存储在存储部件中的数据提取出。处理器的部件可以被构造成通过输入/输出(I/o)部件与处理器外围装置通信。根据一个或多个实施例，I/o部件可以包括多种合适的通信接口。例如，I/O部件可以例如包括有线连接(wired connections),例如标准串行端口、并行端口、通用串行总线(USB)端口、S —视频端口、局域网(LAN)端口、小型计算机系统接口(SCCI)端口、模拟一数字接口输入装置、数字一模拟接口输出装置等等。另外，1/0部件例如可以包括无线连接(wireless connections),例如红外端口、光学端口、蓝牙<g无线端口、无线LAN端口等。处理器也可以与网络连接，该网络可以为任意形式的互联网络，包括例如局域网或广域网的内联网，或者例如万维网或互联网的外联网。网络可以按照物理方式在无线或有线网络、租用或专用线路(包括虚拟私人网络(VPN))上实施。
权利要求
1.一种设备，包括 工作致动器，该工作致动器具有工作缸和布置用于在所述工作缸内进行往复运动的工作活塞，所述工作活塞在其第一侧和所述工作缸之间至少部分地限定出具有有效工作活塞表面积的工作腔室，所述工作腔室中的工作流体施加在所述有效工作活塞表面积上的工作压力在所述工作活塞的所述第一侧上产生沿着第一方向作用的工作力； 与所述工作活塞连接的液压致动器，所述液压致动器包括液压缸和布置用于在所述液压缸中进行往复运动的液压活塞，所述液压活塞将所述液压缸分成并与所述液压缸一起限定出第一液压腔室和第二液压腔室， 所述第一液压腔室具有第一液压流体端口和第一有效液压活塞表面积，所述第一液压腔室中的液压流体施加在所述第一有效液压活塞表面积上的液压压力在所述液压活塞上产生沿着与所述第一方向相反的第二方向作用的第一液压力， 所述第二液压腔室具有第二液压流体端口和第二有效液压活塞表面积，所述第二液压腔室中的液压流体施加在所述第二有效液压活塞表面积上的液压压力在所述液压活塞上产生沿着所述第一方向作用的第二液压力， 所述第二有效液压活塞面积小于所述第一有效液压活塞面积，并且所述第二液压力小于所述第一液压力；以及 液压控制器，该液压控制器能够与所述第一液压流体端口、所述第二液压流体端口以及与加压液压流体进行流体地连接，所述液压控制器能够在第一操作状态、第二操作状态、第三操作状态以及第四操作状态中操作，在所述第一操作状态中，加压液压流体与所述第一液压流体端口流体地连接但不与所述第二液压流体端口流体地连接，在所述第二操作状态中，加压液压流体与所述第二液压流体端口流体地连接但不与所述第一液压流体端口流体地连接，在所述第三操作状态中，加压液压流体与所述第一液压流体端口和所述第二液压流体端口流体地连接，并且在所述第四操作状态中，加压液压流体与所述第一液压端口和所述第二液压端口流体地隔离， 所述液压控制器能够通过具有液压压力的加压液压流体操作，使得所述液压致动器在所述工作活塞上产生选定的液压致动器作用力a)在所述第一操作状态中，所述液压致动器作用力沿着所述第二方向作用，并且大致等于所述第一液压力，b)在所述第二操作状态中，所述液压致动器作用力沿着所述第一方向作用，并且大致等于所述第二液压力，和c )在所述第三操作状态中，所述液压致动器作用力沿着所述第二方向作用，并且大致等于所述第一液压力和所述第二液压力之间的差值， 由此所述液压控制器用以产生大于所述工作力的、沿着所述第二方向的液压致动器作用力的操作使得所述工作活塞和所述液压活塞沿着所述第二方向运动，并且所述液压控制器用以产生小于所述工作力的、沿着所述第二方向的液压致动器作用力的操作使得所述工作活塞和所述液压活塞沿着所述第一方向运动。
2.如权利要求I所述的设备，还包括压力容器，该压力容器具有内部区域，所述内部区域与所述工作致动器流体地连接，并且与所述工作致动器一起部分地限定所述工作腔室，所述工作活塞沿着所述第二方向的运动使得所述工作腔室的容积减小，并使得容纳在所述工作腔室中的气体压缩，或者所述工作活塞沿着所述第一方向的运动使得所述工作腔室的容积增大，并使得容纳在所述工作腔室中的气体膨胀。
3.如权利要求I所述的设备，其中所述液压致动器通过与所述工作活塞和与所述液压活塞连接的连杆与所述工作活塞连接。
4.如权利要求I所述的设备，其中所述液压缸为第一液压缸，并且所述液压活塞为第一液压活塞，所述设备还包括 与所述工作活塞连接的第二液压致动器，该液压致动器包括第二液压缸和布置用于在所述第二液压缸内进行往复运动的第二液压活塞， 所述第二液压活塞将所述第二液压缸分成并与所述第二液压缸一起限定出第三液压腔室和第四液压腔室， 所述第三液压腔室具有第三液压流体端口和第三有效液压活塞表面积，所述第三液压腔室中的液压流体施加在所述第三有效液压活塞表面积上的液压压力在所述液压活塞上产生沿着所述第二方向作用的第三液压力， 所述液压控制器还能够在第五操作状态、第六操作状态和第七操作状态中操作，在所述第五操作状态中，加压液压流体源与所述第三液压端口流体地连接但不与所述第一液压流体端口或者所述第二液压流体端口流体地连接，在所述第六操作状态中，加压液压流体源与所述第一液压端口和所述第三液压端口连接但不与所述第二液压流体端口连接，在所述第七操作状态中，加压液压流体源与所述第一液压端口、所述第二液压端口和所述第三液压端口流体地连接， 所述液压控制器还能够通过具有液压压力的加压液压流体操作，使得所述液压致动器在所述工作活塞上产生选定的液压致动器作用力d)在所述第五操作状态中，所述液压致动器作用力沿着所述第二方向作用，并且大致等于所述第三液压力，b)在所述第六操作状态中，所述液压致动器作用力沿着所述第二方向作用，并且大致等于所述所述第一液压力和所述第三液压力的总和，和c)在所述第七操作状态中，所述液压致动器作用力沿着所述第二方向作用，并且大致等于所述第一液压力和所述第二液压力之间的差值和所述第三液压力的总和之间的差值。
5.如权利要求4所述的设备，其中所述工作活塞布置在所述第一液压致动器和所述第二液压致动器之间。
6.如权利要求4所述的设备，其中所述第一液压致动器布置在所述第二液压致动器和所述工作活塞之间。
7.如权利要求6所述的设备，其中所述第一液压致动器通过与所述工作活塞和所述第一液压活塞连接的第一活塞杆与所述工作活塞连接，并且所述第二液压活塞通过第二活塞杆与所述第一液压活塞连接。
8.如权利要求I所述的设备，其中加压液压流体与液压泵的高压侧进行流体连通。
9.如权利要求I所述的设备，其中加压液压流体与液压马达的高压侧进行流体连通。
10.一种设备，包括 从动构件； 第一液压致动器，该第一液压致动器与所述从动构件可操作地连接，并且具有第一液压缸和第一液压活塞，所述第一液压活塞可运动地布置在所述第一液压缸中，并且与所述第一液压缸一起限定出在所述第一液压活塞的第一侧上的第一液压腔室以及在所述第一液压活塞的相对的第二侧上的第二液压腔室，所述第一液压腔室限定第一液压活塞面积，施加在所述第一液压活塞面积上的加压液压流体在所述从动构件上产生沿着第一方向作用的作用力，所述第二液压腔室限定比所述第一液压活塞面积更小的第二液压活塞面积，施加在所述第二液压活塞面积上的加压液压流体在所述从动构件上产生沿着第二方向作用的作用力； 第二液压致动器，该第二液压致动器与所述从动构件可操作地连接，并且具有第二液压缸和第二液压活塞，所述第二液压活塞可运动地布置在所述第二液压缸中，并且与所述第二液压缸一起限定出在所述第二液压活塞的第一侧上的第三液压腔室和在所述第二液压活塞的相对的第二侧上的第四液压腔室，所述第三液压腔室限定第三液压活塞面积，施加在所述第三液压活塞面积上的加压液压流体在所述从动构件上产生沿着所述第一方向作用的作用力，所述第四液压腔室限定比所述第三液压活塞面积更大的第四液压活塞面积，施加在所述第四液压活塞面积上的加压液压流体在所述从动构件上产生沿着所述第二方向作用的作用力；以及 液压控制器，该液压控制器与所述第一液压致动器以及所述第二液压致动器连接 ，并且能够与加压液压流体进行流体地连接，所述液压控制器能够操作，以便以至少四种组合选择性地提供或不提供加压液压流体给所述第一液压腔室、所述第二液压腔室、所述第三液压腔室和所述第四液压腔室中的任一个或多个液压腔室，每种组合建立所述液压腔室的加压的状态，第一状态和第二状态各产生净液压活塞面积，施加在所述净液压活塞面积上的液压压力在所述从动构件上产生来自所述第一液压致动器和所述第二液压致动器的沿着所述第一方向作用的净致动器作用力，第三状态和第四状态产生净液压活塞面积，施加在该净液压活塞面积上的液压压力在所述从动构件上产生沿着所述第二方向作用的净致动器作用力，所述第一状态的净液压活塞面积与所述第二状态的净液压活塞面积不同，所述第三状态的净液压活塞面积与所述第四状态的净液压活塞面积不同。
11.如权利要求10所述的设备，其中所述液压控制器能够操作，以便通过顺序地建立所述第一状态和所述第二状态使得所述液压致动器沿着所述第一方向移动所述从动构件。
12.如权利要求11所述的设备，其中所述液压控制器能够进一步操作，以便通过顺序地建立所述第三状态和所述第四状态使得所述液压致动器沿着所述第二方向移动所述从动构件。
13.如权利要求10所述的设备，其中所述液压控制器能够进一步操作，以便以至少六种组合选择性地提供或不提供加压液压流体给所述第一液压腔室、所述第二液压腔室、所述第三液压腔室和所述第四液压腔室中的任一个或多个液压腔室，从而进一步建立第五状态和第六状态，所述第五状态产生沿着所述第一方向作用的净液压活塞面积，所述第六状态产生沿着所述第二方向作用的净液压活塞面积，所述第五状态的净液压活塞面积与所述第一状态和所述第二状态的净液压活塞面积不同，所述第六状态的净液压活塞面积与所述第三状态和所述第四状态的净液压活塞面积不同。
14.如权利要求13所述的设备，其中所述液压控制器能够进一步操作，以便以至少八种组合选择性地提供或不提供加压液压流体给所述第一液压腔室、所述第二液压腔室、所述第三液压腔室和所述第四液压腔室中的任一个或多个液压腔室，从而进一步建立第七状态和第八状态，所述第七状态产生沿着所述第一方向作用的净液压活塞面积，所述第八状态产生沿着所述第二方向作用的净液压活塞面积，所述第七状态的净液压活塞面积与所述第一状态、所述第二状态和所述第五状态的净液压活塞面积不同，所述第八状态的净液压活塞面积与所述第三状态、所述第四状态和所述第六状态的净液压活塞面积不同。
15.如权利要求14所述的设备，其中所述第一液压活塞面积、所述第二液压活塞面积、所述第三液压活塞面积和所述第四液压活塞面积中的每一个液压活塞面积与其它的液压活塞面积不同，所述液压控制器能够进一步操作，以便以至少十种组合选择性地提供或不提供加压液压流体给所述第一液压腔室、所述第二液压腔室、所述第三液压腔室和所述第四液压腔室中的任一个或多个液压腔室，从而进一步建立第九状态和第十状态，所述第九状态产生沿着所述第一方向作用的净液压活塞面积，所述第十状态产生沿着所述第二方向作用的净液压活塞面积，所述第九状态的净液压活塞面积与所述第一状态、所述第二状态、所述第五状态和所述第七状态的净液压活塞面积不同，所述第十状态的净液压活塞面积与所述第三状态、所述第四状态、所述第六状态和所述第八状态的净液压活塞面积不同。
16.如权利要求10所述的设备，其中所述液压控制器能够操作，以便通过顺序地建立所述第一状态、所述第二状态、所述第五状态、所述第七状态和所述第九状态使得所述液压致动器沿着所述第一方向移动所述从动构件。
17.如权利要求16所述的设备，其中所述液压控制器能够进一步操作，以便通过顺序地建立所述第三状态、所述第四状态、所述第六状态、所述第八状态和所述第十状态使得所述液压致动器沿着所述第二方向移动所述从动构件。
18.如权利要求10所述的设备，还包括工作致动器，该工作致动器具有工作缸和布置用于在所述工作缸内进行往复运动的工作活塞，所述工作活塞在所述工作活塞的第一侧和所述工作缸之间至少部分地限定出能够容纳气体的工作腔室，其中所述工作活塞为所述从动构件，并且其中所述液压控制器能够操作，使得所述液压致动器沿着所述第一方向移动所述工作活塞以压缩被容纳在所述工作腔室中的气体。
19.如权利要求10所述的设备，其中所述从动构件布置在所述第一液压致动器和所述第二液压致动器之间。
20.如权利要求10所述的设备，其中所述第一液压致动器布置在所述第二液压致动器和所述从动构件之间。
21.如权利要求10所述的设备，其中加压液压流体与液压泵的高压侧进行流体连通。
22.如权利要求10所述的设备，其中加压液压流体与液压马达的高压侧进行流体连通。
23.一种操作液压驱动系统以驱动从动构件或被该从动构件驱动的方法，所述液压驱动系统包括加压液压流体；液压致动器，该液压致动器具有第一液压缸和第一液压活塞，所述第一液压活塞可运动地布置在所述第一液压缸中，并且与所述第一液压缸一起限定出第一液压腔室和第二液压腔室，所述液压致动器还具有第二液压缸和第二液压活塞，该第二液压活塞可运动地布置在所述第二液压缸中，并且与所述第二液压缸一起限定出第三液压腔室和第四液压腔室，所述液压致动器与所述从动构件连接；以及液压控制器，该液压控制器与加压液压流体以及所述第一液压腔室、所述第二液压腔室、所述第三液压腔室和所述第四液压腔室中的每一个液压腔室流体地连接，所述液压控制器还能够选择性地、单独地操作，以便以所述液压腔室的至少四种连通和隔离组合中的每一种组合将所述液压腔室中的每一个液压腔室与加压液压流体进行流体地连接或流体地隔离，每一种组合限定沿着第一方向和相反的第二方向中的一个方向作用的净液压活塞面积，所述致动器通过施加加压液压流体给一个或者多个所述液压腔室来沿着所述第一方向和相反的所述第二方向中的一个方向驱策所述从动构件，所述液压控制器在所述组合中通过一个或者多个所述液压腔室建立与加压液压流体的流体连通，所述方法包括 对于第一时间段，通过沿着所述第一方向作用的第一净液压活塞面积建立第一组合； 对于第二时间段，通过沿着所述第一方向作用的、比所述第一净液压活塞面积更大的第二净液压活塞面积建立第二组合； 对于第三时间段，通过沿着所述第一方向作用的、比所述第二净液压活塞面积更大的第三净液压活塞面积建立第三组合；并且 对于第四时间段，用沿着所述第一方向作用的、比所述第三净液压活塞面积更大的第四净液压活塞面积建立第四组合。
24.如权利要求23所述的方法，其中所述液压控制器能够选择性地、单独地操作，以便以所述腔室的至少六种连通和隔离组合中的每一种组合将所述液压腔室中的每一个液压腔室与加压液压流体进行流体地连接或流体地隔离，并且所述方法还包括 对于第五时间段，用沿着所述第二方向作用的第五净液压活塞面积建立第五组合；以及 对于第六时间段，用沿着所述第二方向作用的、比所述第五净液压活塞面积更大的第六净液压活塞面积建立第六组合。
25.如权利要求23所述的方法，其中，所述液压控制器能够选择性地、独立的操作，以便以所述腔室的至少六种连通和隔离组合中的每一种组合将所述液压腔室中的每一个液压腔室与加压液压流体进行流体地连接或流体地隔离，并且所述方法还包括 对于第五时间段，用沿着所述第一方向作用的、比所述第四净液压活塞面积更大的第五净液压活塞面积建立第五组合；以及 对于第六时间段，用沿着所述第一方向作用的、比所述第五净液压活塞面积更大的第六净液压活塞面积建立第六组合。
26.如权利要求23所述的方法,其中在所述第一时间段内，第一作用力被施加在由所述第一活塞、所述第二活塞、所述第一驱动杆和所述第二驱动杆中的至少一个共同限定的第一净表面积上，以便被施加给所述工作活塞， 在所述第二时间段内，第二作用力被施加在由所述第一活塞、所述第二活塞、所述第一驱动杆和所述第二驱动杆中的至少一个共同限定的第二净表面积上，以便被施加给所述工作活塞，所述第一作用力与所述第一组合相关联，而所述第二作用力与所述第二组合相关联。
27.如权利要求23所述的方法，其中所述从动构件为工作活塞，该工作活塞布置在工作缸内并与所述工作缸一起至少部分地限定出容纳气体量的工作腔室，并且其中 建立第一组合的操作包括使所述工作活塞沿着所述第一方向运动，以便减小所述工作腔室的容积和将所述气体量从第一压力压缩至高于所述第一压力的第二压力； 建立第二组合的操作包括使所述工作活塞进一步沿着所述第一方向运动，以便进一步减小所述工作腔室的容积和将所述气体量进一步从所述第二压力压缩至高于所述第二压力的第三压力；建立第三组合的操作包括使所述工作活塞进一步沿着所述第一方向运动，以便进一步减小所述工作腔室的容积和将所述气体量进一步从所述第三压力压缩至高于所述第三压力的第四压力；并且 建立第四组合的操作包括使所述工作活塞进一步沿着所述第一方向运动，以便进一步减小所述工作腔室的容积和将所述气体进一步从所述第四压力压缩至高于所述第四压力的第五压力。
28.如权利要求23所述的方法，其中加压液压流体由液压泵的高压侧提供。
29.如权利要求23所述的方法，其中加压液压流体由液压马达的高压侧提供。
30.一种设备,包括 液压泵，该液压泵能够操作，以便在至少液压压力的范围上输送液压流体，该液压压力 的范围包括预定的下压力和大于所述下压力的预定的上压力；以及 包括第一液压活塞和第二液压活塞的液压致动器布置，所述液压活塞中的每一个液压活塞具有第一侧和第二侧， 所述液压致动器布置与所述液压泵操作地连接，使得能够以至少第一组合、第二组合和第三组合从所述液压泵选择性地输送加压液压流体给所述第一液压活塞和所述第二液压活塞中的每一个液压活塞的所述第一侧和所述第二侧中的一侧或两侧， 所述组合中的每一组合为所述液压致动器产生输出作用力，该输出作用力与所述液压泵输送的加压液压流体的压力大致成比例， 所述液压致动器布置能够操作，以便在所述液压压力的范围上从所述液压泵接收加压液压流体，并且产生在与所述第一组合对应的第一作用力范围、与所述第二组合对应的大于所述第一作用力范围的第二作用力范围以及与所述第三组合对应的大于所述第二作用力范围的第三作用力范围中的输出作用力。
31.如权利要求30所述的设备，还包括与所述液压致动器布置可操作地连接的工作致动器，所述工作致动器具有工作缸和布置用于在所述工作缸内进行往复运动的工作活塞，该工作活塞在其第一侧和所述工作缸之间至少地部分限定出被构造用于容纳气体量的工作腔室， 所述液压致动器布置能够与所述液压泵一起操作，以便在所述工作活塞上顺序地产生所述第一作用力范围、所述第二作用力范围和所述第三作用力范围，从而将气体压缩至相应更高的气体压力范围。
32.如权利要求30所述的设备，其中所述液压致动器布置能够进一步操作， 使得能够以至少第四组合和第五组合从所述液压泵选择性地输送加压液压流体给所述第一液压活塞和所述第二液压活塞中的每一个液压活塞的所述第一侧和所述第二侧中的一侧或两侧；和 使得在所述液压压力范围上接收来自所述液压泵的加压液压流体，并产生在与所述第四组合对应的大于所述第三作用力范围的第四作用力范围以及与所述第五组合对应的大于所述第四作用力范围的第五作用力范围中的输出作用力。
33.一种设备,包括 液压马达，该液压马达能够操作，使得由所述液压马达接收的液压流体在至少液压压力的范围上驱动所述液压马达，所述液压压力的范围包括预定的下压力和大于所述下压力的预定的上压力；以及 液压致动器布置，该液压致动器布置包括第一液压活塞和第二液压活塞，所述液压活塞中的每一个液压活塞具有第一侧和第二侧， 所述液压致动器布置与所述液压马达操作地连接，使得能够以至少第一组合、第二组合和第三组合从所述第一液压活塞和所述第二液压活塞中的每一个液压活塞的所述第一侧和所述第二侧中的一侧或两侧选择性地输送加压液压流体给所述液压马达， 所述组合中的每一种组合产生出从所述液压致动器布置输送给所述液压泵的所述加压液压流体的输出压力，该输出压力与施加给所述液压致动器布置的输入作用力大致成比例， 所述液压致动器布置能够操作，以便响应于在与所述第一组合对应的第一作用力范围、与所述第二组合对应的大于所述第一作用力范围的第二作用力范围以及与所述第三组合对应的大于第二作用力范围的第三作用力范围中的输入作用力在所述液压压力的范围上从所述液压致动器输送加压液压流体给所述液压马达。
34.如权利要求33所述的设备，还包括与所述液压致动器布置可操作地连接的工作致动器，所述工作致动器具有工作缸和布置用于在所述工作缸内进行往复运动的工作活塞，该工作活塞在其第一侧和所述工作缸之间至少部分地限定出被构造用于容纳气体量的工作腔室， 所述液压致动器布置能够操作，以便从通过使所述气体量膨胀至相应更低的气体压力范围而被驱动的所述工作活塞顺序地接收所述第三作用力范围、所述第二作用力范围和所述第一作用力范围，并且仅在所述液压压力的范围中提供加压液压流体给所述液压马达。
35.如权利要求33所述的设备，其中所述液压致动器布置能够进一步操作， 使得能够以至少第四组合和第五组合从所述第一液压活塞和所述第二液压活塞中的每一个液压活塞的所述第一侧和所述第二侧中的一侧或两侧选择性地输送加压液压流体给所述液压马达；和 使得响应于在与所述第四组合对应的大于所述第三作用力范围的第四作用力范围和与所述第五组合对应的大于所述第四作用力范围的第五作用力范围中的输入作用力在所述液压压力的范围上从所述液压致动器输送加压液压流体给所述液压马达。
全文摘要
本发明描述了用于使得液压致动装置/系统有效操作的系统和方法。例如，本文披露了用于让气体压缩和膨胀储能系统有效操作的系统和方法。本文提供了用于在液压泵/马达的期望效率范围控制和操纵在例如气体压缩和/或膨胀储能系统的液压致动装置/系统内所用的液压致动器的系统和方法，所述液压泵/马达用于供送加压液压流体给液压致动器或者从液压致动器接收加压液压流体。在这种系统中，能够根据期望输出气体压力和期望的、被存储的压缩气体压力采用各种不同的操作方案。用来驱动在系统内的工作活塞的液压缸可以选择性地致动以实现变化的作用力输出，从而逐步增大针对给定循环的系统内的气体压力。
文档编号F16D31/02GK102822552SQ201080063404
公开日2012年12月12日 申请日期2010年12月23日 优先权日2009年12月24日
发明者M·布莱斯克, J·A·阿博恩, E·D·英格索尔 申请人:通用压缩股份有限公司