WO2006022043A1

WO2006022043A1 - 流体圧駆動回路

Info

Publication number: WO2006022043A1
Application number: PCT/JP2005/004930
Authority: WO
Inventors: Masatoshi Miki; Hiroshi Sato; Manabu Tamura; Nobuaki Matoba
Original assignee: Caterpillar Mitsubishi Ltd; Shin Caterpillar Mitsubishi Ltd
Current assignee: Caterpillar Japan Ltd; Caterpillar Mitsubishi Ltd
Priority date: 2004-08-26
Filing date: 2005-03-18
Publication date: 2006-03-02
Anticipated expiration: 2007-02-26
Also published as: JP4291759B2; JP2006064071A

Abstract

　エネルギ回収を効率良くできるようにした流体圧駆動回路を提供する。　エンジン21により駆動装置22を介して駆動したポンプ23により作動油を制御弁装置25により制御して、アクチュエータ41に供給するとともにアクチュエータ41から戻した流体をタンク24内に排出する。アクチュエータ41からタンク24に戻す作動油の余剰圧力エネルギを回収して駆動装置22に回生する回生モータ44をポンプ23に直結する。アクチュエータ41の流体戻り側圧力および流体入り側圧力を圧力センサ48，49により検出し、流体戻り側圧力が流体入り側圧力より高圧でかつ設定値より高圧の場合は、コントローラ61により、アクチュエータ41のボトム側41bを回生モータ44に連通し、低圧の場合はアクチュエータ41のボトム側41bをタンク24に連通するように切替弁装置55を切替制御する。

Description

明細書

流体圧駆動回路

技術分野

[0001] 本発明は、エネルギ回生機能を有する流体圧駆動回路に関するものである。

背景技術

[0002] 図 8に示されるように、作業機械としての油圧ショベルは、下部走行体 11に対し上部旋回体 12が旋回可能に設けられ、この上部旋回体 12にキヤブ 13および動力装置 14 とともに作業装置 15が搭載され、この作業装置 15は、上部旋回体 12にブームシリンダ 16cにより上下方向に回動されるブーム 16が軸支され、このブーム 16の先端部にステイツクシリンダ 17cにより回動されるスティック 17が軸支され、このスティック 17の先端部にバケツトシリンダ 18cによりリンケージ 19を介して回動されるパケット 18が軸支されている。

[0003] このような油圧ショベルなどの作業機械においても動力装置 14でのハイブリッドィ匕が進められている。このハイブリッドィ匕により期待される効果として省エネルギ化が上げられる。

[0004] これに関する先行技術として、例えば油圧ショベルのブーム下げ操作時において、ブームシリンダ 16cのボトム側に発生する高圧力のシリンダ戻り油をアキュムレータに回収蓄圧し再利用することにより、更に省エネルギ化を図る圧油回収再利用システムが記載されている (例えば、特許文献 1参照)。

[0005] この特許文献 1に示されたものは、圧力エネルギの貯蔵手段としてアキュムレータを用いて、るため、この貯蔵したエネルギを使わな、ときには短時間でエネルギが減少してしまう欠点がある。またアキュムレータの貯蔵量は、必要量に対しその容積が小さいという問題もあり、大きなエネルギを貯蔵するには大きなアキュムレータを要する問題もある。

[0006] これに対し、油圧エネルギを電気工ネルギに変換してバッテリに貯蔵することにより、大きなエネルギを比較的小さな容積で貯蔵できるようにしたものがある（例えば、特許文献 2、 3、 4、 5参照)。特許文献 1 :特公平 3— 33922号公報 (第 2— 4頁、第 1 2図）

特許文献 2：特開 2000— 136806号公報 (第 8— 9頁、図 1)

特許文献 3：特開 2002— 242234号公報 (第 4 5頁、図 1)

特許文献 4:特開 2002-322682号公報 (第 3-4頁、図 1—2)

特許文献 5 :WO0lZ88381号公報（第 27-31頁、図 4)

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0007] これらの従来技術は、油圧エネルギの回収と再生とを交互に繰返して、無駄なくェネルギの回生を行なおうとするものである力油圧エネルギが回収不可能な場合もあり、このような場合は、逆に、油圧エネルギ回収手段が負荷となってエネルギ損失が発生し、エネルギ回収を効率良くできない。

[0008] 本発明は、このような点に鑑みなされたもので、エネルギ回収を効率良くできるようにした流体圧駆動回路を提供することを目的とするものである。

課題を解決するための手段

[0009] 請求項 1記載の発明は、ポンプを駆動する駆動装置と、ポンプによりタンク内から汲み上げた流体を制御してァクチユエータに供給するとともに、このァクチユエータから戻された流体をタンク内に排出する制御弁装置と、ァクチユエ一タカタンクに戻される流体の余剰圧力エネルギを回収して駆動装置に回生する回生モータと、ァクチュエータの流体戻り側圧力および流体入り側圧力を検出する圧力検出装置と、ァクチユエータの流体戻り側を回生モータおよびタンクのいずれか一方に連通させる切替弁装置と、圧力検出装置により検出されたァクチユエータの流体戻り側圧力が流体入り側圧力より高圧でかつ設定値より高圧の場合はァクチユエータの流体戻り側を回生モータに連通し、流体戻り側圧力が流体入り側圧力より低圧の場合、あるいは所定の設定値より低圧となった場合はァクチユエータの流体戻り側をタンクに連通するように切替弁装置を切替制御するコントローラとを具備した流体圧駆動回路である。

[0010] そして、ァクチユエータの余剰圧力エネルギを回生モータによって回収して駆動装置に回生する際に、圧力検出装置により検出されたァクチユエータの流体戻り側圧力が流体入り側圧力より高圧でかつ設定値より高圧の場合は、コントローラが切替弁装置を制御してァクチユエータの流体戻り側を回生モータに連通させることで、ァクチユエータの流体戻り側力圧力エネルギを回収し、一方、流体戻り側圧力が流体入り側圧力より低圧の場合、あるいは所定の設定値より低圧となった場合で圧力エネルギを取り出すことができな、場合は、切替弁装置によってァクチユエータの流体戻り側を回生モータ力も切り離してタンクに連通させるようにしたので、回生モータが駆動装置にとって負荷となる場合に生じるエネルギ損失を低減することが可能であり、エネルギ回収を効率良くでき、より省エネルギ化を図ることが可能である。

[0011] 請求項 2記載の発明は、請求項 1記載の流体圧駆動回路における駆動装置が、ェンジンに接続された発電機と、この発電機に電気的に接続されるとともにポンプに機械的に接続され電動機および発電機として機能する電動発電機と、発電機および電動発電機にコンバータを介して接続された蓄電器とを具備し、ポンプおよび回生モータは、それぞれ容量可変用の斜板を有し、コントローラは、指令されたァクチユエ一タ速度が得られるように、切替弁装置の開度および電動発電機の回転速度を制御して、回生モータおよびポンプの回転速度を制御するとともに、これらの斜板の傾転角を制御するものである。

[0012] そして、エンジン、発電機および電動発電機がポンプに対し順次接続されたシリーズ方式の駆動装置においては、切替弁装置の開度および電動発電機の回転速度を制御することで、回生モータおよびポンプの回転速度を制御するとともに、これらの斜板の傾転角を制御して、指令されたァクチユエータ速度を得ることが可能である。

[0013] 請求項 3記載の発明は、請求項 1記載の流体圧駆動回路におけるポンプおよび回生モータが、それぞれ容量可変用の斜板を有し、駆動装置は、エンジンとポンプとの間に介在されたギアボックスと、ポンプに対しギアボックスを介してエンジンと並列に接続され電動機および発電機として機能する電動発電機と、電動発電機にコンパ一タを介して接続された蓄電器とを具備し、コントローラは、回生モータおよびポンプの斜板を制御して、指令されたァクチユエータ速度が得られるように回生モータおよびポンプの容量を制御するものである。

[0014] そして、ポンプに対しギアボックスを介してエンジンと電動発電機とが並列に接続されたパラレル方式の駆動装置にお、ては、回生モータおよびポンプの斜板を制御することで、これらの容量を制御して、指令されたァクチユエータ速度を得ることが可能である。

[0015] 請求項 4記載の発明は、請求項 1乃至 3のいずれか記載の流体圧駆動回路における制御弁装置力、複数のァクチユエータを制御するスプール構造の複数のコントロール弁を備え、複数のコントロール弁は、ポンプとタンクとの間でタンデム接続されたセンタバイノス通路をそれぞれ有し、切替弁装置は、下流側のコントロール弁のドレンポートに接続されたものである。

[0016] そして、複数のコントロール弁により制御される複数のァクチユエータに対して、駆動装置および回生モータを共用することが可能であり、また、複数のコントロール弁のセンタバイノス通路をタンデム接続することで、上流側のァクチユエータを優先的に作動させた上で、下流側のァクチユエ一タカ排出される余剰圧力エネルギが十分高い場合は、下流側のコントロール弁のドレンポートに接続された切替弁装置により、その余剰圧力エネルギを回生モータを通じてポンプおよび駆動装置に回生する。

[0017] 請求項 5記載の発明は、請求項 1乃至 4のいずれか記載の流体圧駆動回路における切替弁装置は、電磁比例弁を備えたものであり、そして、ァクチユエータの流体戻り側の切替弁装置が電磁比例弁であるから、負荷が作用するァクチユエータの作動速度を制御するのに適したメータアウト制御機能が得られる。

発明の効果

[0018] 請求項 1記載の発明によれば、ァクチユエータの余剰圧力エネルギを回生モータによって回収して駆動装置に回生する際に、圧力検出装置により検出されたァクチユエータの流体戻り側圧力が流体入り側圧力より高圧でかつ設定値より高圧の場合は、コントローラが切替弁装置を制御してァクチユエータの流体戻り側を回生モータに連通させることで、ァクチユエータの流体戻り側から圧力エネルギを回収し、一方、流体戻り側圧力が流体入り側圧力より低圧の場合、あるいは所定の設定値より低圧となつた場合で圧力エネルギを取り出すことができない場合は、切替弁装置によってァクチユエータの流体戻り側を回生モータ力も切り離してタンクに連通させるようにしたので

、回生モータが駆動装置にとって負荷となる場合に生じるエネルギ損失を低減することができ、エネルギ回収を効率良くでき、より省エネルギ化を図ることができる。 [0019] 請求項 2記載の発明によれば、エンジン、発電機および電動発電機がポンプに対し順次接続されたシリーズ方式の駆動装置においては、切替弁装置の開度および電動発電機の回転速度を制御することで、回生モータおよびポンプの回転速度を制御するとともに、これらの斜板の傾転角を制御して、指令されたァクチユエータ速度を得ることがでさる。

[0020] 請求項 3記載の発明によれば、ポンプに対しギアボックスを介してエンジンと電動発電機とが並列に接続されたパラレル方式の駆動装置においては、回生モータおよびポンプの斜板を制御することで、これらの容量を制御して、指令されたァクチユエータ速度を得ることができる。

[0021] 請求項 4記載の発明によれば、複数のコントロール弁により制御される複数のァクチユエータに対して、駆動装置および回生モータを共用することができ、また、複数のコントロール弁のセンタバイノス通路をタンデム接続することで、上流側のァクチュエータを優先的に作動させた上で、下流側のァクチユエ一タカ排出される余剰圧力エネルギが十分高い場合は、下流側のコントロール弁のドレンポートに接続された切替弁装置により、その余剰圧力エネルギを回生モータを通じてポンプおよび駆動装置に回生できる。

[0022] 請求項 5記載の発明によれば、ァクチユエータの流体戻り側の切替弁装置が電磁比例弁であるから、負荷が作用するァクチユエータの作動速度を制御するのに適したメータアウト制御機能が得ることができる。

図面の簡単な説明

[0023] [図 1]本発明に係る流体圧駆動回路の第 1の実施の形態を示す回路図である。

[図 2]本発明に係る流体圧駆動回路の第 2の実施の形態を示す回路図である。

[図 3]本発明に係る流体圧駆動回路の第 3の実施の形態を示す回路図である。

[図 4]本発明に係る流体圧駆動回路の第 4の実施の形態を示す回路図である。

[図 5]本発明に係る流体圧駆動回路の第 5の実施の形態を示す回路図である。

[図 6]本発明に係る流体圧駆動回路の第 6の実施の形態を示す回路図である。

[図 7]同上流体圧駆動回路の駆動装置の他の例を示す構成図である。

[図 8]油圧ショベルの側面図である。符号の説明

[0024] 21 エンジン

22, 22a 駆動装置

23 ポンプ

24 タンク

25 制御弁装置

26, 45 斜板

31 発電機

32, 92 電動発電機

33, 93 コンバータ

34, 94 蓄電器

38, 39, 56, 57 電磁比例弁

41, 81 ァクチユエータ

44 回生モータ

48, 49 圧力検出装置としての圧力センサ

55 切替弁装置

61 コントローラ

67, 76, 77 電磁比例弁

71, 82 コントロール弁

73 ドレンポート

83, 84 センタバイパス通路

91 ギアボックス

発明を実施するための最良の形態

[0025] 以下、本発明を、図 1に示される第 1の実施の形態、図 2に示される第 2の実施の形態、図 3に示される第 3の実施の形態、図 4に示される第 4の実施の形態、図 5に示される第 5の実施の形態、図 6に示される第 6の実施の形態、図 7に示される駆動装置の変形例を参照して説明する。

[0026] 先ず、図 1に示された第 1の実施の形態を説明する。 [0027] エンジン 21に駆動装置 22を介してポンプ 23が接続され、駆動装置 22は、エンジン 21の回転を受けてポンプ 23を駆動し、タンク 24内の流体としての作動油を制御弁装置 25に加圧供給する。ポンプ 23は、容量可変用の斜板 26を有する油圧ポンプである

[0028] 駆動装置 22は、エンジン 21に発電機 31が接続され、この発電機 31に、ポンプ 23に機械的に直結された電動機および発電機として機能する電動発電機 32が、電気的に接続され、発電機 31および電動発電機 32にコンバータ 33を介して蓄電器 34が接続されたシリーズ型のシステムである。

[0029] ポンプ 23の吐出通路 35には、制御弁装置 25が接続されている。この制御弁装置 25 は、ポンプ 23の吐出通路 35とタンク 24との間で、電気信号に応じて開く開度のみを調整可能な 4つの電磁比例弁 36, 37, 38, 39によりブリッジ回路を形成したものである。

[0030] この制御弁装置 25を構成する 4つの電磁比例弁 36, 37, 38, 39は、ポンプ 23によりタンク 24内から汲み上げた作動油を方向制御および流量制御して、ァクチユエータ 41に供給するとともにこのァクチユエータ 41から戻された作動油をタンク 24内に排出する機能を有する。ァクチユエータ 41は、例えば図 8に示されたブームシリンダ 16cである。

[0031] ポンプ 23の吐出通路 35には、リリーフ弁 42とアンロード弁 43が接続されている。リリーフ弁 42は、圧力設定用の安全弁として作用し、アンロード弁 43は、ァクチユエータ 41が駆動されない場合、ポンプ 23の最低吐出流量により高圧が生じることを防止する圧力解除作用を持つ。

[0032] ポンプ 23には、ァクチユエータ 41力タンク 24に戻される高圧油の余剰圧力エネルギを回収して駆動装置 22に回生する回生モータ 44が直結されている。この回生モータ 44は、最小流量をほとんど 0に設定可能な容量可変用の斜板 45を有する油圧モータである。

[0033] ァクチユエータ 41のボトム側通路 46およびロッド側通路 47には、ァクチユエータ 41の流体戻り側としてのボトム側 41bの圧力すなわち流体戻り側圧力としてのボトム側圧力、およびァクチユエータ 41の流体入り側としてのロッド側 41rの圧力すなわち流体入り側圧力としてのロッド側圧力を検出する圧力検出装置としての圧力センサ 48, 49と、ァクチユエータ圧力設定用のリリーフ弁 51, 52と、メイクアップ用のチェック弁 53, 54とがそれぞれ接続されている。

[0034] ァクチユエータ 41の流体戻り側としてのボトム側 41bを回生モータ 44およびタンク 24 の!、ずれか一方に連通させる切替弁装置 55が設けられて、る。この切替弁装置 55は、回生モータ 44とタンク 24との間で、電気信号に応じて開く開度のみを調整可能な 4 つの電磁比例弁 38, 39, 56, 57によりブリッジ回路を形成したものである。

[0035] そのうちの 2つの電磁比例弁 38, 39は、制御弁装置 25と切替弁装置 55とを兼ね、これらの電磁比例弁 38, 39の出力側はタンク 24に接続されている。他の 2つの電磁比例弁 56, 57の出力側は、合流して回生通路 58により、回生モータ 44と、回生圧力設定用のリリーフ弁 59と、回生通路メイクアップ用のチェック弁 60とに接続されている。

[0036] チェック弁 60があるため、回生通路 58内などに負圧が発生しそうになつた場合、例えば回生モータ 44が回生状態になぐポンプ 23の負荷として回転される場合は、タンク 24内の作動油をチェック弁 60を経て回生通路 58に吸込ませることで、回生通路 58 内などに負圧が発生したり、ポンプ負荷が増大することを防止できる。

[0037] ァクチユエータ 41の流体戻り側圧力および流体入り側圧力を検出する各圧力センサ 48, 49は、コントローラ 61の入力側に接続され、また、このコントローラ 61の出力側は、電磁比例弁 36, 37, 38, 39, 56, 57などのソレノイドに接続されている。

[0038] そして、ァクチユエータ 41に重量や負荷が作用している状態では、ァクチユエータ 41の流体戻り側圧力が流体入り側圧力より高圧となる場合があるので、コントローラ 61は、一方の圧力センサ 48により検出されたァクチユエータ 41のボトム側 41bの流体戻り側圧力が、他方の圧力センサ 49により検出されたァクチユエータ 41のロッド側 41r の流体入り側圧力より高圧であって、かつ所定の設定値より高圧の場合は、ァクチュエータ 41のボトム側 41bを回生モータ 44に連通し、また、一方の圧力センサ 48により検出されたァクチユエータ 41のボトム側圧力力他方の圧力センサ 49により検出されたァクチユエータ 41のロッド側圧力より低圧となる力、あるいは所定の設定値より低圧となった場合は、ァクチユエータ 41のボトム側 41bをタンク 24に連通するように、切替弁装置 55の電磁比例弁 38, 39, 56, 57を切替制御する。

[0039] すなわち、コントローラ 61は、一方の圧力センサ 48により検出されたァクチユエータ 41のボトム側 41bからの流体戻り側圧力力他方の圧力センサ 49により検出されたァクチユエータ 41のロッド側 41rへの流体入り側圧力より高圧であって、かつ所定の設定値圧力より高圧の場合は、ァクチユエータ 41のボトム側 41bからの高圧油を電磁比例弁 56および回生通路 58を通して回生モータ 44に加圧供給することで、高圧油のエネルギを回生モータ 44の回転トルクエネルギに代えて回生させる。回生されたエネルギの一部は回生モータ 44に直結されたポンプ 23で消費され、余剰分は電動発電機 32 の発電作用により電気工ネルギに変換され、蓄電器 34に充電される。

[0040] 一方、ァクチユエータ 41のボトム側 41bからの流体戻り側圧力が、流体入り側圧力より低圧であるカゝ、または、所定の設定値圧力より低圧の場合は、回生モータ 44においてエネルギ回生はできないので、この場合はコントローラ 61が電磁比例弁 38を開け、ァクチユエータ 41のボトム側 41bからの戻り油をタンク 24に流すようにする。

[0041] このように、回生モータ 44でエネルギ回生をするか否かは、左右の圧力センサ 48, 49の値を基にコントローラ 61が判断し、エネルギ回生をしないときはァクチユエータ 41 力の戻り油を回生モータ 44に供給しな、ようにする。

[0042] さらに、このコントローラ 61は、指令されたァクチユエータ速度が得られるように、電動発電機 32の回転速度および切替弁装置 55の電磁比例弁 56の開度などを制御して、ポンプ 23および回生モータ 44の回転速度を制御するとともに、図示されない電磁比例弁により図示されないレギユレータを介してポンプ 23および回生モータ 44の斜板 26 , 45の傾転角を制御するものである。

[0043] なお、図面上は、例えば油圧ショベルのブーム系の電動発電機 32に接続されたポンプ 23と、このポンプ 23に接続された制御弁装置 25、回生モータ 44によりァクチユエータ 41が駆動される力同様に、走行系、旋回系、スティック系またはパケット系の図示しなヽ他の電動発電機に接続された他のポンプと、このポンプに接続された他の制御弁装置、他の回生モータにより他のァクチユエータも駆動され、これらの電動機駆動には、共通の発電機 31および蓄電器 34の電力および回生された電力が供給されるようにする。

[0044] 次に、この第 1の実施の形態の作用効果を説明する。

[0045] ァクチユエータ 41が図 8に示されたブームシリンダ 16cである場合について説明する。このようなァクチユエータ 41では、作業装置 15の重量が作用し、ボトム側 41bに高圧が立っており、ロッド側 41rは低圧になる。

[0046] ブーム下げ動作をさせるとき、ァクチユエータ 41のボトム側 41bの高圧油は、電磁比例弁 56を電磁駆動し開けることにより回生モータ 44に流れ、この高圧油のエネルギにより回生モータ 44に駆動トルクが発生し回転速度が上昇する。つまり高圧油のエネルギが回生されることになる。

[0047] このように回生モータ 44が回生状態に入ると、回生モータ 44に入力された回生動力は、直結された電動発電機 32の発電作用により電気工ネルギに変換され、蓄電器 34 に蓄えられる。

[0048] また、回生モータ 44に直結されているポンプ 23からの吐出流量が増加し、同時に電磁比例弁 37を電磁駆動し開けると、ポンプ吐出圧油はァクチユエータ 41のロッド側 41rに流れる。このとき、電磁比例弁 37, 56を電磁比例駆動することによりモジユレ一シヨン機能を持たせ、起動時のショックを緩和できる。

[0049] さらに、ァクチユエータ 41のボトム側 41bに電磁比例弁 56を接続したので、負荷が作用するァクチユエータ 41の作動速度を制御するのに適したメータアウト制御機能を得ることがでさる。

[0050] 一方、回生動力が十分得られる状態まで電動発電機 32に起動をかける、すなわち電力を供給する方法も採用し得る。回生動力が十分得られる状態では電動発電機 32に発電作用させることになる。

[0051] ァクチユエータ 41はオペレータの操作レバーによる速度指令により駆動される。この速度指令により、上記の回生時に回生モータ 44の回転速度が速度指令に比例するよう制御される。ここで、ポンプ 23および回生モータ 44の斜板 26, 45は調整に使用される。制御される回転速度は、速度指令に対し誤差を生じる場合もあり、流量の微調整が必要になる。なお、本実施形態では回生モータ 44とポンプ 23に流量の微調整用の斜板 45, 26を設けたが、どちらか一方のみを制御することも可能である。

[0052] 一般的にポンプ 23の動力は、回生モータ 44により回生される動力に比べ小さいため余剰動力は電動発電機 32の発電作用により電気工ネルギに回生されコンバータ 33を介して蓄電器 34に充電される。 [0053] ァクチユエータ 41のボトム側 41bにロッド側 41rよりも高圧が立っていることを検出するには、 2つの圧力センサ 48, 49を用いる。ァクチユエータ 41のボトム側 41bに高圧が立つてロッド側 41rが低圧になる状態であって、かつボトム側圧力力予め設定された圧力値よりも大きい場合は、回生可能な状態にあると判断し、回生モータ 44に高圧油を導く。

[0054] よって、その他のスティックシリンダ 17cや、バケツトシリンダ 18cでも、重量や負荷が作用している状態では、ァクチユエータ 41の流体戻り側圧力が流体入り側圧力より高圧でかつ設定値より高圧となる場合があり、ァクチユエータ 41のボトム側 41bの高圧油を回生モータ 44に導く回生作用が適用可能となる。

[0055] 一方、ボトム側 41bがロッド側 41rより低圧となった場合、あるいは所定の設定値より低圧となった場合は、十分な回生動力が得られないため、ァクチユエータ 41のボトム側 41bの低圧油は回生されず、開状態に電磁駆動された電磁比例弁 38を経て、タンク 24に排出される。また、電動発電機 32への速度指令により上記の回生時にポンプ 23の回転速度が速度指令に比例するよう制御される。

[0056] これに相当する作業には、ブームシリンダ 16cではパケット 18を地面に着けた後も、ブームシリンダ 16cを縮め作動して機体を持ち上げることがある。この際、ァクチユエータ 41のボトム側 41bは低圧となり、ロッド側 41rには高圧が必要となる。この状態の検出は圧力センサ 48, 49を使用し、ロッド側 41rの圧力センサ 49が高圧で、ボトム側 41b の圧力センサ 48が低圧であるときと限定できる。

[0057] このように、ァクチユエータ 41の余剰圧力エネルギを回生モータ 44によって回収してポンプ 23や駆動装置 22に回生する際に、圧力センサ 48, 49により検出されたァクチュエータ 41の流体戻り側圧力が流体入り側圧力より高圧でかつ設定値より高圧の場合は、コントローラ 61が切替弁装置 55を制御してァクチユエータ 41のボトム側 41bを回生モータ 44に連通させることで、ァクチユエータ 41のボトム側 41bから圧力エネルギを回収し、一方、流体戻り側圧力が流体入り側圧力より低圧の場合、あるいは所定の設定値より低圧となった場合、すなわち圧力エネルギを取り出すことができない場合は、切替弁装置 55によってァクチユエータ 41のボトム側 41bを回生モータ 44力切り離してタンク 24に連通させるようにしたので、回生モータ 44が駆動装置 22にとつて負荷となる場合に生じるエネルギ損失を低減することができ、エネルギ回収を効率良くでき、より省エネルギ化を図ることができる。

[0058] また、エンジン 21、発電機 31および電動発電機 32がポンプ 23に対し順次接続されたシリーズ方式の駆動装置 22にお、ては、電磁比例弁 56の開度および電動発電機 32の回転速度を制御することで、回生モータ 44およびポンプ 23の回転速度を制御して、指令されたァクチユエータ速度を得ることができる。

[0059] 以上のように回生回路を設け、油圧エネルギを電気工ネルギとして回生し、直接あるいは蓄電器 34に一時充電した後必要に応じて他のァクチユエータの駆動系に供給することにより、省エネルギ化とエンジン 21の小型化による有害排出ガスの削減を図る効果を有する。

[0060] 次に、図 2に示された第 2の実施の形態を説明する。なお、図 1に示された第 1の実施の形態と同様の部分には同一符号を付してその説明を省略し、第 1の実施の形態との相違点のみを説明する。

[0061] 制御弁装置 25は、ポンプ 23とタンク 24との間で、電気信号に応じて開く開度のみを調整可能な 4つの電磁比例弁 36, 37, 38, 39によりブリッジ回路を形成した点は、図 1 に示されたものと同様である力切替弁装置 55は、ブリッジ回路の流体排出部 64に接続された戻り通路 65を、タンク 24へのタンク通路 66から、電気信号に応じて、回生モータ 44に至る回生通路 58へと切替える電磁比例弁 67を備え、図 1に示された電磁比例弁 38, 39, 56, 57に代えて、この電磁比例弁 67を接続する。

[0062] そして、ァクチユエータ 41のボトム側 41bに高圧が発生して、その高圧油を回生する場合、電磁比例弁 38, 67を開いて、高圧油を回生モータ 44に供給する。

[0063] 次に、この第 2の実施の形態の作用効果を説明する。第 1の実施の形態との相違点は以下のとおりである。

[0064] ァクチユエータ 41のボトム側 41bの高圧油は電磁比例弁 38, 67を電磁駆動して開けることにより、回生モータ 44に流れ、この高圧油のエネルギにより回生モータ 44に駆動トルクが発生し回転速度が上昇する。つまり高圧油のエネルギが回生されることになる。

[0065] 一方、ボトム側 41bがロッド側 41rより低圧となった場合、あるいは所定の設定値より低圧となった場合は、十分な回生動力が得られないため、ァクチユエータ 41のボトム側 41bの低圧油は、回生されず、開状態に電磁駆動された電磁比例弁 38を経た後、非励磁の電磁比例弁 67よりタンク 24に排出される。

[0066] 次に、図 3に示された第 3の実施の形態を説明する。なお、図 1に示された第 1の実施の形態と同様の部分には同一符号を付してその説明を省略し、第 1の実施の形態との相違点のみを説明する。

[0067] 制御弁装置 25は、図 1に示された電磁比例弁 36, 37, 38, 39の機能を、少なくとも 4 ポートを有するスプール構造のコントロール弁 71に集約したものである。

[0068] このコントロール弁 71は、スプールが中立位置にあるとき、ポンプ 23から供給された作動油がタンク 24に流れるような内部通路 72を設けることで、図 1に示されたアンロード機能を持つアンロード弁 43を省略できる。

[0069] また、切替弁装置 55は、コントロール弁 71のドレンポート 73に接続された戻り通路 65 を、タンク 24へのタンク通路 66から、電気信号に応じて、回生モータ 44への回生通路

58へと切替える電磁比例弁 67を備え、図 1に示された電磁比例弁 38, 39, 56, 57に代えて、この電磁比例弁 67を接続する。

[0070] この電磁比例弁 67は、ァクチユエータ 41のボトム側 41bの圧力が低いとき、すなわち

、ブーム上げ時および機体持上げ時、戻り油を回生モータ 44に通すと損失が大きくなるため、直接タンク 24へ戻す構造である。

[0071] 次に、この第 3の実施の形態の作用効果を説明する。第 1の実施の形態との相違点は以下のとおりである。

[0072] ァクチユエータ 41のボトム側 41bの高圧油は、コントロール弁 71を電磁駆動して左のポジションに切替え、同時に切替弁装置 55の電磁比例弁 67を電磁駆動して、戻り通路 65をタンク通路 66から回生通路 58に切替えることにより、回生モータ 44に高圧油が流れ込み、この高圧油のエネルギにより回生モータ 44に駆動トルクが発生し、ポンプ 23の回転速度が上昇する。つまり高圧油のエネルギが回生されることになる。

[0073] 制御弁装置 25のポンプ側の吐出通路 35とタンク側の戻り通路 65は、中立時連通する内部通路 72の構造を持ち、中立時、ポンプ 23の圧油はタンク 24に流れるので、中立時のポンプ最低流量により高圧が立たないようになる。 [0074] 一方、ァクチユエータ 41のボトム側 41bがロッド側 41rより低圧となった場合、あるいは所定の設定値より低圧となった場合は、十分な回生動力が得られないため、ボトム側 41bの低圧油は、回生されず、非励磁状態の電磁比例弁 67を通してタンク 24に排出される。

[0075] そして、ァクチユエータ 41のボトム側 41bと連通するコントロール弁 71のドレンポート 73に電磁比例弁 67を接続したので、負荷が作用するァクチユエータ 41の作動速度を制御するのに適したメータアウト制御機能が得られる。

[0076] 次に、図 4に示された第 4の実施の形態を説明する。なお、図 1および図 3に示された実施の形態と同様の部分には同一符号を付してその説明を省略し、それらの実施の形態との相違点のみを説明する。

[0077] 制御弁装置 25としては、図 1に示された電磁比例弁 36, 37, 38, 39に代えて、スプール構造のコントロール弁 71を設け、このコントロール弁 71は、中立時、吐出通路 35 と戻り通路 65とが非連通状態となるので、ポンプ 23からこのコントロール弁 71への吐出通路 35に対して、アンロード機能を有するアンロード弁 43を設けたものである。

[0078] 切替弁装置 55は、図 1に示された電磁比例弁 38, 39, 56, 57に代えて、コントロール弁 71のドレンポート 73に接続された戻り通路 65を、タンク 24へのタンク通路 66から、電気信号に応じて、回生モータ 44への回生通路 58へと切替える電磁比例弁 67を備えている。

[0079] この電磁比例弁 67は、ブーム上げ時および機体持上げ時などのブームシリンダ 16c のように、ァクチユエータ 41のボトム側 41bの圧力が低いときは、このボトム側 41bからの戻り油を回生モータ 44に通すと損失が大きくなるため、直接タンク 24へ戻す構造であり、その際、負荷が作用するァクチユエータ 41の作動速度を制御するのに適したメータアウト制御機能が必要であるため、この電磁比例弁 67を用いる。

[0080] 次に、この第 4の実施の形態の作用効果を説明する。第 1の実施の形態との相違点は以下のとおりである。

[0081] ァクチユエータ 41のボトム側 41bに高圧油が発生した場合は、コントロール弁 71を電磁駆動して左のポジションに切替え、同時に切替弁装置 55を電磁駆動して回生通路 58に切替えることにより、ァクチユエータ 41のボトム側 41bに発生した高圧油は、回生モータ 44に高圧油が流れ込み、この高圧油のエネルギにより回生モータ 44に駆動トルクが発生し回転速度が上昇する。つまり高圧油のエネルギがポンプ 23および駆動装置 22に回生されることになる。

[0082] 一方、ボトム側 41bがロッド側 41rより低圧となった場合、あるいは所定の設定値より低圧となった場合は、十分な回生動力が得られないため、ァクチユエータ 41のボトム側 41bの低圧油は、回生されず、非励磁状態の電磁比例弁 67よりタンク 24に排出される。

[0083] 次に、図 5に示された第 5の実施の形態を説明する。なお、図 1に示された第 1の実施の形態と同様の部分には同一符号を付してその説明を省略し、第 1の実施の形態との相違点のみを説明する。

[0084] 制御弁装置 25は、図 1に示された電磁比例弁 36, 37, 38, 39に代えて、スプール構造のコントロール弁 71を備えて、る。

[0085] また、切替弁装置 55は、図 1に示された電磁比例弁 38, 39, 56, 57に代えて、コントロール弁 71力ァクチユエータ 41へのボトム側通路 46に対して、電気信号に応じて開く開度のみを調整可能な複数の電磁比例弁 76, 77を備えて、る。

[0086] すなわち、切替弁装置 55は、コントロール弁 71とァクチユエータ 41のボトム側 41bとを連通するボトム側通路 46中に介在された一方の電磁比例弁 76と、ボトム側通路 46から分岐して回生モータ 44に連通する回生通路 58中に介在された他方の電磁比例弁 77とを備えたものである。

[0087] 次に、この第 5の実施の形態の作用効果を説明する。第 1の実施の形態との相違点は以下のとおりである。

[0088] ァクチユエータ 41のボトム側 41bに高圧油が発生した場合は、制御弁装置 25を電磁駆動して左のポジションに切替えるとともに、電磁比例弁 77を電磁駆動して開くことで、ァクチユエータ 41のボトム側 41bを回生通路 58に切替えることにより、ボトム側 41bの高圧油が回生モータ 44に流れ込み、この高圧油のエネルギにより回生モータ 44に駆動トルクが発生し回転速度が上昇する。つまり高圧油のエネルギがポンプ 23および駆動装置 22に回生されることになる。このとき、電磁比例弁 76は非励磁の状態で閉じており、制御弁装置 25には高圧油が流れない。 [0089] 一方、ァクチユエータ 41のボトム側 41bがロッド側 41rより低圧となった場合、あるいは所定の設定値より低圧となった場合は、十分な回生動力が得られないため回生せず、制御弁装置 25を左ポジションに電磁駆動すると同時に、電磁比例弁 76を電磁駆動し、この電磁比例弁 76を通して、ァクチユエータ 41のボトム側 41bの低圧油をタンク 24 に排出する。このとき、電磁比例弁 77は非励磁の状態であり、回生モータ 44には高圧油が流れない。

[0090] 次に、図 6に示された第 6の実施の形態を説明する。なお、図 1に示された第 1の実施の形態と同様の部分には同一符号を付してその説明を省略し、第 1の実施の形態との相違点のみを説明する。

[0091] 制御弁装置 25は、図 1に示された電磁比例弁 36, 37, 38, 39に代えて、複数のァクチユエータ 41, 81を制御するスプール構造の複数のコントロール弁 71, 82を備え、これらのコントロール弁 71, 82は、ポンプ 23とタンク 24との間でタンデム接続されたセンタバイパス通路 83, 84をそれぞれ有する。

[0092] また、切替弁装置 55は、下流側に配置されたコントロール弁 71のドレンポート 73に接続され、このドレンポート 73に接続された戻り通路 65を、タンク 24へのタンク通路 66 から、電気信号に応じて回生モータ 44への回生通路 58へと切替える電磁比例弁 67を備えており、図 1に示された電磁比例弁 38, 39, 56, 57に代えて、この電磁比例弁 67 を設置する。

[0093] この電磁比例弁 67は、ブーム上げ時および機体持上げ時などのブームシリンダ 16c のように、ァクチユエータ 41のボトム側 41bの圧力が低いときは、このボトム側 41bからの戻り油を回生モータ 44に通すと損失が大きくなるため、直接タンク 24へ戻す構造であり、その際、負荷が作用するァクチユエータ 41の作動速度を制御するのに適したメータアウト制御機能が必要であるため、この電磁比例弁 67を用いる。

[0094] コントロール弁 82, 71は、ポンプ 23からの圧油がタンク 24に流れるセンタバイパス通路 83, 84を持っているので、これによりアンロード機能のアンロード弁を省略できる。

[0095] また、このコントロール弁 71の上流側に、センタバイパス通路 83を有し他のァクチュエータ 81を駆動する他のコントロール弁 82を設け、ポンプ 23からの高圧油を、このコントロール弁 82のセンタバイパス通路 83を経てコントロール弁 71のポンプポート 85に供給するように接続したタンデム回路である。

[0096] このように、駆動装置 22およびエネルギ回収用の回生モータ 44を、一のァクチユエータ回路と他のァクチユエータ回路 (特に走行系）とで共用する場合は、一のァクチュエータの上流側に他のァクチユエータ回路を配設して、それらのセンタバイパス通路 83, 84を接続連通させる。

[0097] 次に、この第 6の実施の形態の作用効果を説明する。第 1の実施の形態との相違点は以下のとおりである。

[0098] ァクチユエータ 41のボトム側 41bに高圧油が発生した場合は、第 1のコントロール弁 71を電磁駆動して左のポジションに切替え、同時に切替弁装置 55の電磁比例弁 67を電磁駆動して、コントロール弁 71のドレンポート 73に接続された戻り通路 65を、タンク 24へのタンク通路 66から、電気信号に応じて回生通路 58へと切替えることにより、回生モータ 44に高圧油が流れ込み、この高圧油のエネルギにより回生モータ 44に駆動トルクが発生し、ポンプ 23の回転速度が上昇する。つまり高圧油のエネルギが回生されること〖こなる。

[0099] 一方、ァクチユエータ 41のボトム側 41bがロッド側 41rより低圧となった場合、あるいは所定の設定値より低圧となった場合は、十分な回生動力が得られないため、ボトム側 41bの低圧油は回生されず、非励磁状態の電磁比例弁 67よりタンク 24に排出される。

[0100] そして、一のァクチユエータ 41を駆動する一のコントロール弁 71と、他のァクチユエータ 81を駆動する他のコントロール弁 82とを同時操作する場合は、圧油の一部が先ず他のコントロール弁 82より他のァクチユエータ 81に流れ、その他の圧油がコントロール弁 71よりァクチユエータ 41に流れる。

[0101] このとき、他のァクチユエータ 81の速度を増加させる場合は、コントロール弁 82の開度を大きくし、ァクチユエータ 41の速度を増加させる場合は、一のコントロール弁 71の開度を大きくするとともに他のコントロール弁 82の開度を絞る。

[0102] この実施の形態によれば、複数のコントロール弁 71, 82により制御される複数のァクチユエータ 41, 81に対して、駆動装置 22および回生モータ 44を共用することができ、また、複数のコントロール弁 82, 71のセンタバイパス通路 83, 84をタンデム接続することで、上流側のァクチユエータ 81を優先的に作動させた上で、圧力センサ 48, 49からの圧力検出信号より、コントローラが、下流側のァクチユエータ 41から排出される余剰圧力エネルギが十分高、と判断した場合は、下流側のコントロール弁 71のドレンポート 73に接続された切替弁装置 55により、その余剰圧力エネルギを回生モータ 44を通じてポンプ 23および駆動装置 22に回生できる。

[0103] 次に、図 7は、図 1および図 2に示されたシリーズ方式の駆動装置 22に替えて設置するパラレル方式の駆動装置 22aを示す。

[0104] 図 7において、ポンプ 23および回生モータ 44は、それぞれ容量可変用の斜板 26, 45を有し、直結された点は、シリーズ方式と同様である力このパラレル方式の駆動装置 22aは、エンジン 21とポンプ 23との間にギアボックス 91が介在され、ポンプ 23に対し、このギアボックス 91を介して、電動機および発電機として機能する電動発電機 92 力エンジン 21と並列に接続され、電動発電機 92の出力側にはコンバータ 93を介して蓄電器 94が接続されて、る。

[0105] コントローラ（図示せず）は、ポンプ 23および回生モータ 44の斜板 26, 45を傾転作動するレギユレータ 95, 96を電磁比例弁 97, 98により制御して、指令されたァクチユエ一タ速度が得られるようにポンプ 23および回生モータ 44の容量を制御する。

[0106] すなわち、このパラレル方式の駆動装置 22aは、回生モータ 44の回転軸がポンプ軸およびギアボックス軸を介しエンジン 21と機械的に接続されており、これらの軸の回転速度はエンジン 21の出力と負荷とのバランスで決まるため、ァクチユエータ 41の速度を制御するためには回生モータ 44の斜板 45の傾転角を制御する。つまり、低速では低流量を流すため斜板 45を低位置にし、高速では高流量を流すため斜板 45を高位置に制御する。ポンプ 23についても同様に斜板 26の傾転角を制御し流量を調節する。

[0107] このパラレル式の場合、回生モータ 44が回生状態に入ると、回生モータ 44とェンジン 21はギアボックス 91などを介し機械的に接続されているので、ブームシリンダ 16cとは別の系統、例えばスティックシリンダ 17c (図 8)が同時に動力され、かつ要求動力が回生動力以上であるとこのスティック系に消費され、さらに不足あれば蓄電器 94より電動発電機 92を電動作用して動力を供給し、一方、同時に動力されている系統がな Vヽ場合や要求動力が回生動力より小さ!/、場合には、ギアボックス 91に接続されて!ヽる電動発電機 92を発電作用することにより、余剰の回生動力が電気工ネルギに変換され、蓄電器 94に充電される。

[0108] このように、ポンプ 23に対しギアボックス 91を介してエンジン 21と電動発電機 92とが並列に接続されたパラレル方式の駆動装置 22aにおいては、回生モータ 44およびポンプ 23の斜板 45, 26の傾転角を制御することで、これらの容量を制御して、指令されたァクチユエータ速度を得ることができる。

産業上の利用可能性

[0109] 本発明は、油圧ショベル以外の作業機械にも利用できる。

Claims

請求の範囲

[1] ポンプを駆動する駆動装置と、

ポンプによりタンク内から汲み上げた流体を制御してァクチユエータに供給するとともに、このァクチユエ一タカ戻された流体をタンク内に排出する制御弁装置と、ァクチユエ一タカタンクに戻される流体の余剰圧力エネルギを回収して駆動装置に回生する回生モータと、

ァクチユエータの流体戻り側圧力および流体入り側圧力を検出する圧力検出装置と、

ァクチユエータの流体戻り側を回生モータおよびタンクのいずれか一方に連通させる切替弁装置と、

圧力検出装置により検出されたァクチユエータの流体戻り側圧力が流体入り側圧力より高圧でかつ設定値より高圧の場合はァクチユエータの流体戻り側を回生モータに連通し、流体戻り側圧力が流体入り側圧力より低圧の場合、あるいは所定の設定値より低圧となった場合はァクチユエータの流体戻り側をタンクに連通するように切替弁装置を切替制御するコントローラと

を具備したことを特徴とする流体圧駆動回路。

[2] 駆動装置は、

エンジンに接続された発電機と、

この発電機に電気的に接続されるとともにポンプに機械的に接続され電動機および発電機として機能する電動発電機と、

発電機および電動発電機にコンバータを介して接続された蓄電器とを具備し、ポンプおよび回生モータは、それぞれ容量可変用の斜板を有し、

コントローラは、指令されたァクチユエータ速度が得られるように、切替弁装置の開度および電動発電機の回転速度を制御して、回生モータおよびポンプの回転速度を制御するとともに、これらの斜板の傾転角を制御するものである

ことを特徴とする請求項 1記載の流体圧駆動回路。

[3] ポンプおよび回生モータは、それぞれ容量可変用の斜板を有し、

駆動装置は、エンジンとポンプとの間に介在されたギアボックスと、

ポンプに対しギアボックスを介してエンジンと並列に接続され電動機および発電機として機能する電動発電機と、

電動発電機にコンバータを介して接続された蓄電器とを具備し、

コントローラは、回生モータおよびポンプの斜板を制御して、指令されたァクチユエータ速度が得られるように回生モータおよびポンプの容量を制御する

ことを特徴とする請求項 1記載の流体圧駆動回路。

[4] 制御弁装置は、複数のァクチユエータを制御するスプール構造の複数のコントロール弁を備え、

複数のコントロール弁は、ポンプとタンクとの間でタンデム接続されたセンタバイパス通路をそれぞれ有し、

切替弁装置は、下流側のコントロール弁のドレンポートに接続された

ことを特徴とする請求項 1乃至 3のいずれか記載の流体圧駆動回路。

[5] 切替弁装置は、電磁比例弁を備えた

ことを特徴とする請求項 1乃至 4のいずれか記載の流体圧駆動回路。