(57)【要約】【課題】頻繁に加速と減速とを繰り返さなければならない、大型クレーンを初めとする重機械類や車輌において、減速、停止の際に使用されていたブレーキを不要にし、その代わりに運動エネルギーを貯蔵して加速時に貯蔵エネルギーを再利用する究極の省エネシステムを実現することに加え、小動力で１０倍程度の高能率作業を可能とすることである。【解決手段】大容量アキュムレータに大ストローク油圧ロッドレスシリンダのような回転駆動アクチュエータを直結する一方、背圧側にはサーボモータ駆動ポンプを設けて、流量制御並びにアキュムレータへのエネルギー貯蔵時の圧力制御をポンプ回転数制御で制御可能とする新規な液圧回路を設けた。【選択図】    図２
2004360885.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄道貨物用大形コンテナの能率的荷役作業に使用される門型の大型クレーンの高速移動高速荷役作業用等や、バス、電車の大型車輌駆動用液圧システムにおいて、大重量の移動負荷を加速するための動力源として高圧大容量アキュムレータを利用し、所定位置に停止するためのブレーキ作動が必要な減速時には大きな運動エネルギーと化した高圧アキュムレータから供給されたエネルギーを再び高圧アキュムレータより僅かに高い略一定圧の作動液エネルギーに還元して高圧アキュムレータ内に押し戻すことを特徴とする省エネ型大出力加減速液圧駆動方法
【請求項２】
鉄道貨物用大形コンテナの能率的荷役作業に使用される門型の大型クレーンの高速移動高速荷役作業用等や、バス、電車の大型車輌駆動用液圧システムにおいて、液圧システムの大出力のパワー源となる大容量高圧アキュムレータと、大気圧よりも僅かに高い圧力の極低圧大容量アキュムレータと、これら一組のアキュムレータのどちらかに排他的に接続される一対の作動室を備えた油圧アクチュエータと、この油圧アクチュエータの低圧側作動室と極低圧アキュムレータとの中間に接続されるサーボモーター駆動油圧ポンプと、この油圧ポンプ回転数を最適変動回転数に制御するサーボモータ駆動装置と、加速運動が必要な前半期と減速運動が必要な後半期で負荷と油圧アクチュエータとの連結方向逆転機構に同期して方向を逆転させる方向制御弁とを組合せた省エネ型大出力加減速液圧回路
【請求項３】
鉄道貨物用大型コンテナの能率的荷役作業に使用される門型の大型クレーンの高速移動高速荷役作業用等や、バス、電車の大型車輌駆動用液圧システムにおいて、液圧システムの大出力動力源となる大容量高圧アキュムレータと、大気圧よりも僅かに高い圧力の極低圧大容量アキュムレータと、これら一組のアキュムレータのどちらかに排他的に接続される一対の作動室を備えた油圧アクチュエータとして使用される油圧ロッドレスシリンダーと、この油圧ロッドレスシリンダーの低圧側作動室と極低圧アキュムレータとの中間に接続されるサーボモーター駆動油圧ポンプと、この油圧ポンプ回転数を最適変動回転数に制御するサーボモーター駆動装置と、加速運動が必要な前半期と減速運動が必要な後半期で油圧ロッドレスシリンダのピストン移動方向を逆転させる方向制御弁とを備えると共に、前半の加速期と後半の減速期との中間期で被駆動機構と油圧ロッドレスシリンダー出力軸との接続を中断するクラッチ機構と、減速度を加える後半期に油圧ロッドレスシリンダー出力軸と被駆動機構との間の回転力伝達方向を反転させる逆転機構とを設けて成る省エネ型大出力加減速液圧装置
【請求項４】
前記油圧ロッドレスシリンダの大容量高圧アキュムレータに接続される作動室には圧力検知手段を備え、特に減速時において、この圧力信号に基づき作動室液圧が高圧大容量アキュムレータ圧力よりも僅かに高い圧力を維持できるフィードバック制御によりサーボモーター駆動油圧ポンプが回転制御されることを特徴とする請求項３に記載の省エネ型大出力加減速液圧装置
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、大形の４０フィートコンテナのような大重量の鉄道貨物を、従来には実現できなかった能率で短時間に荷役作業ができる新しいタイプの荷役機械や、加速と減速とを繰り返すバスや電車の大型車輌や、その他の大規模油圧装置において、従来はブレーキ熱として大気中に放散されていた運動エネルギーを再貯蔵し、顕著な省エネ効果を実現する革新的な液圧技術に関する。別けても省エネに徹し、エネルギー貯蔵手段としてアキュムレータを活用しポンプを流量制御手段とした新規な液圧回路を基本とする省エネ型大出力液圧駆動システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の液圧技術においては、ポンプは液圧の発生手段として専ら使用され、ポンプが接続される液圧回路のポンプの前後の圧力差が極めて高く、ポンプには高い圧力に十分に耐える構造が要求されてきた。更に、液圧回路自体には、ポンプで発生させた高い圧力を圧力制御バルブで一段と低い一定圧力に適度に減圧し、必要となる仕事の大きさや能率の変化に対応するやり方であった。従って、負荷が懸からない時間が長くなっても、ポンプには仕事をさせ続けるという無駄が行われ、作動液はその無駄な仕事に相当する熱によって高温になり、これを冷却するために必要以上に大量の作動液をタンクに蓄えておくことが欠かせなかった。減圧作用を担っている圧力制御バルブも、無駄な熱発生原因の一因を占めていた。このような基本的油圧回路自体は、厳しく省エネ効果が要求される機器では無駄が多すぎて電動機や電磁力駆動装置に太刀打ちできず、工場の生産現場でもＣＯ２削減運動により淘汰される結果、使用されなくなりつつある。即ち、建設機械のような代替技術がない分野以外では、油圧技術自体が時代遅れの過去の技術になってしまった。更に、頻繁に加速と減速とを繰り返すバスや電車の大型車輌では、車輌の運動エネルギーをブレーキにより熱エネルギーに変換して制動力を得る方式なので、エネルギー効率が悪かった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明が解決しようとする課題は、極めて効率が悪い従来の油圧システムを根本的に改良して、徹底的に無駄なエネルギーの使用をなくし、現在利用可能などの方法よりも効率の良い大出力システムとして利用できるように、安全な水圧方式も含め液圧システムを根本的に変革することである。そして、極めて小さな動力で大出力が要求される液圧駆動システムを制御可能とし、その作業能率をも著しく高められる革新的な新技術を提案することである。具体的な一例として、鉄道貨物荷役作業を数倍に効率化できる門型クレーンの実用化を可能とする外、ブレーキを用いず省エネ効果の高い大型車輌駆動方式を実現することである。
【０００４】
本発明が解決しようとする別の課題は、事故発生時等に液漏れによる危険発生が危惧される油圧システムの配管を省略し、安全な水圧方式も含めてシステムの安全性を高めることができる配管の無い大出力液圧駆動装置を容易に実現することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するためには、革新的な液圧システム全体をシステム設計する必要がある。その第一は、基本中の基本である液圧ポンプをどのように扱うべきであるかという根本問題がある。ポンプは、液圧の圧力発生源となる手段として、誰一人疑う者はいなかった。本発明者は、そのポンプを圧力発生手段としてではなく、バルブに代替する流量制御手段として使用できることを考え付いた。特に、極めて重いクレーンのような機械を高速度で移動したり、４０フィートコンテナ２個分を高速で移動させたりする場合に、大きな加速度を比較的長い時間加え続けて移動速度を高め、次いで大きな減速度を加える必要があるので、エネルギーは出たり、入ったりとプラス・マイナスを繰り返す必要がある。従ってこのエネルギー全体を足し算すれば、プラスとマイナスで合計零となる筈であるが、従来はプレーキ発生熱でこのエネルギーを無駄に熱としていた。大型車輌においても同様である。エネルギー蓄積手段を上手に利用できれば、ポンプによる高圧力発生手段の代わりにエネルギー蓄積手段から一時的にエネルギー供給を受け、次いでブレーキが必要になる時には、大きな運動エネルギーをエネルギー蓄積手段に再び貯えるシステムとすれば、大重量の移動機械を加速するエネルギーとブレーキによって熱に変換される運動エネルギーとは加えると零になるので、従来ポンプによって大きな仕事をさせていた事自体が不要になると共に、極めて大きな省エネ効果を見込める。従来から油圧システムにおいて、アキュムレータがエネルギー蓄積手段として利用されてきた。従来の油圧回路におけるアキュムレータの役割は、大負荷が必要となる時間が短く、中間の低負荷駆動時間が長いような場合に、モーター稼動率の不合理を解消するため比較的長い時間の低負荷時に小容量モーターを連続回転させ、アキュムレータが短時間で放出した高圧の作動液を再び圧力容器内に押し戻すことで、エネルギー使用の合理化を図る考え方である。従って、ポンプはあくまでも圧力発生手段に止まっている。本発明が提案するように、従来のポンプが供給していた高圧の作動液を、全量大容量の高圧アキュムレータから供給されるようにすれば、省エネ油圧システムが容易に実現できる。一旦大きな重量の機械類等の運動エネルギーに変換された、元々高圧アキュムレータに蓄えられていた液圧エネルギーを、再び高圧アキュムレータより僅かに高い略一定圧力の高圧作動液エネルギーに還元し元の高圧アキュムレータ内へ押し戻すには、最初に容積が拡大する側の油圧アクチュエータの作動室に高圧アキュムレータが接続されていたのを、容積が縮小する側の作動室に接続することにすれば実現する。同時に作動液の流量も等減速度運動を実現するように正確に変動回転数制御すれば、作動液は望ましい一定圧力とすることができる。但し、この新方式でもエネルギー効率は１００％にはならないから、機械部品の摺動摩擦や作動液の流動摩擦などで熱と成る極一部のエネルギーは、極低圧アキュムレータから高圧アキュムレータに作動液を押し戻す際に、若干余計な量だけ押し戻すようにしても補填ができるし、他の方法も採用できる。本発明の液圧回路は回路切替え手段をできるだけ省略する方式なので、接続口はそのままとし、実質的に作動室を反対側に接続するのと同様の効果を出すために、油圧アクチュエータと大重量の機械類等の被駆動機構との連結部において、回転方向が逆転する機構を活用すればこの問題が簡単に解決できる。これにエネルギーを出し入れするシステムとして、その流量制御手段にサーボモーター駆動油圧ポンプが活用可能であることを、本発明の特許出願人の一人は以前より提案している。本発明における革新的な技術思想は、このサーボモーター駆動液圧ポンプを、背圧側の低圧回路に接続し、損失エネルギーの補填時以外は原則的に圧力が発生しないように使用することがポイントである。こうすれば従来の油圧システムにおけるエネルギー浪費の一因でもあったバルブ類は、機械停止時のためのノンリークバルブと減速時の方向制御弁だけで良く、アキュムレータもエネルギー蓄積効率が高められるように工夫して使用すると、従来の技術では到達できなかったような、高効率エネルギー蓄積・取出し手段が実現可能となる。
【０００６】
サーボモーター駆動液圧ポンプが無駄な圧力を発生させなくても良いようにするには、大重量の機械や車輌を等加速度で加速させ、ブレーキの代わりに減速度を加える際も等減速度で減速できるように、ポンプ回転数をサーボモーターを使って正確に変動制御する必要がある。油圧アクチュエータのストローク検知手段と組み合せて、サーボ制御を行うことで比較的容易にこのような最適制御が実現可能である。加えて、熱が発生しないのでコンパクトで取り付け姿勢が自由に選べるタンクレスシステムも比較的容易に実現可能である。それには発明者の一人が世界で初めて実現した油圧ロッドレスシリンダーを油圧アクチュエータとして使用すれば、ピストンの左右の作動室面積が同一面積なので、最も好ましい選択となる。加えて従来の油圧タンクの代替に大気圧に近い極低圧の大容量アキュームレータを組み合わせれば、作動液の大気中酸素との接触を断った、スラッジ発生が殆ど無くなる信頼性の高い液圧システムが実現可能となる。但し、極低圧アキュムレータの代わりに、完全密閉型の油タンクを用いても同じ効果が得られる。加えて、サーボモーターの代わりに、回転数、回転方向、回転トルクを同時制御できるモーターであれば支障なく使用でき、例えばＶＶＶＦ方式三相誘導モーターや、ＤＣモーター等も含めて広い範囲のモーターがサーボモーターと同様機能を有するので利用可能であり、本発明で記載するサーボモーターとは、サーボアンプを利用できる比較的広い範囲のモーターであって、特定の種類のモーターに限定するものではない。
【０００７】
例えば鉄道貨物用の大型コンテナを高速度で荷役できる大型の門型クレーンの高速駆動システムを構成する場合、大型クレーンの移動に必要な距離は、略貨車の長さに相当する距離の整数倍となる。大略一定の距離の移動には、ロングストロークが簡単に実現できる油圧ロッドレスシリンダーをアクチュエータとすれば、ピストンストロークを貨車の長さに相当する距離にして大トルク回転力出力を取出せ簡単な制御方式となるが、実際の移動距離はその整数倍の距離であるから、加速終了時点で慣性による移動を原則とし、油圧力を利用する駆動力はその定速度移動の中間期間は休んでしまう方式が合理的である。そこで油圧アクチュエータと被駆動機構との間には動力伝達を自由に断続できるクラッチ機構を設け、慣性による移動期間中は高圧アキュムレータとの接続を実質的に遮断できるようにすれば、実用的なシステムを構成できることになる。加えて、自動的な大形クレーン等の移動に備えて、サーボモータ回転数を正確に制御するために油圧アクチュエータにはそのストロークを検知する装置を設けることが望ましい。この加速期間と減速期間との間は、一定速度回転型の三相交流誘導モータで定速度移動に必要な摩擦エネルギーを補填し、長距離移動を可能とすることができる。バスであればモータの代わりにエンジン駆動となり、電車でもＶＶＶＦ方式に代わってクレーンと同様に、加減速制御電源装置を省略した最も単純な誘導モータ駆動システムとする足掛かりとなる。
【０００８】
液圧システム全体の安全性を高める目的で、配管を極力廃した液圧システムを構成するには、タンクレスシステムが基本となろう。前項でも記載したように、大気圧に極めて近い極低圧の大容量アキュムレータを低圧作動液貯蔵手段とすれば、これを油圧アクチュエータに隣接して配置し、高圧大容量アキュムレータとの最適な配置組み合せを工夫することで、容易にタンクと配管とを省略した油圧システムを実現することができる。
【０００９】
【作用】
本発明では、従来のポンプ駆動による高圧力発生を一切取り止めて、その代わりに高圧大容量アキュムレータからの高圧作動液供給を前提としている。ポンプはサーボモーター駆動で主として流量制御手段に活用する新方式である。基本回路では、低圧回路となる背圧側にポンプが設けられることになり、従来の常識とは全く異なる配置である。本発明の大出力液圧システムは、大重量の機械や荷物や大型車輌を高速度で移動させることを目的とするシステムなので、その移動に必要となるエネルギーは、主として加速に必要となるエネルギーである。移動手段としてレールと鋼製車輪が使用される場合は、摩擦損失が極めて少なく、ブレーキを懸ける直前までの移動エネルギー損失は無視できる程度である。大重量の機械や車輌の加速に使用されるエネルギーは略全部機械や車輌の運動エネルギーに変換されており、この運動エネルギーをブレーキによって熱に変えずに、再び作動液の圧力を高めて高圧アキュムレータ内に押し戻すようにすれば、大変に省エネとなる高速移動用液圧システムが実現できる。そのために本発明では、大重量の機械類等の大きな運動エネルギーを再び作動液の圧力を高めることに利用することで高圧アキュムレータ内に作動液を押し戻すことを可能とする。そのために被駆動機構と油圧アクチュエータとの間の連結部に、回転方向を逆転することができる機構を設けている。この逆転機構を介して減速が必要な後半期には、大重量の機械類等の運動エネルギーがピストンを駆動させ、高圧アキュムレータに作動液を押し戻すように作用する。本発明が世界で始めて提案するブレーキを不要にしてしまう新技術の最大ポイントは、正にこの点の、大重量の移動物体の運動エネルギーが直接ピストンを逆送りさせる動力源となる点である。この場合においても、作動液の流量が加速度的に減少するように制御されれば、無駄な圧力の発生を抑え、略高圧アキュムレータの圧力より僅かに高い程度に保つことができる。サーボモータ駆動液圧ポンプの回転数の高低がもたらす基本作用を説明すると、ポンプの回転数が高すぎる場合は作動液流量が多くなり圧力は低下するので、ピストンを高圧アキュムレータに対抗して移動させることはできなくなる。反対にポンプの回転数が低すぎると、減速度が大きくなり作動液流量は少なくて圧力が上昇するので、エネルギー損失が発生することになる。
【００１０】
本発明によれば、低圧となる背圧側にサーボモーター駆動液圧ポンプを接続しているので、サーボモーターが両接続口の作動液圧力差によってポンプに加わる回転力を全部受け止めることができ、完全に停止させるだけの保持力を発揮すると、ポンプ構造の耐圧性を利用して作動液の移動を略完全に停止させることも可能である。そしてサーボモーターが回転すると、その回転数に比例する量の作動液がどちらかの方向に流れることになる。サーボモーターは正逆両方向の回転制御ができるので、作動液が流れる方向を切り替える方向制御弁の役割も担うことも場合により可能である。本発明はこのサーボモーター駆動方式の液圧ポンプを流量制御手段とする新しい活用方法を提案している。高圧の大容量アキュムレータではなく、これと反対側の極低圧大容量アキュムレータに直結した背圧側に組込む回路構成であるが、作動液の非圧縮性によって、高圧側のアキュムレータから回路に流出する作動液の量は、背圧側の作動液の流量によって制限されることとなるので、サーボモーターの回転数制御装置が直接的に本発明の液圧基本回路における流量制御手段に成り得る。
【００１１】
前記の本発明液圧基本回路におけるエネルギーの流れを考慮すると、従来油圧技術で問題となる作動液の発熱作用が予想される要素は殆ど無くなっている。極めて合理的に貯蔵したエネルギーを短時間で取出して大きな作動力に変え、運動エネルギーに形態を変えた後は、これを再び作動液を高圧とするエネルギーにしてアキュムレータ内に押し戻すから、何度でも再利用することが容易である。作動液は高圧側と低圧側のアキュムレータの間を往復することとなる。この場合に省エネ型の液圧駆動システムを実現するに当り、サーボモーター駆動油圧ポンプをどのように回転制御するかを考慮するには、基本的な物理学上の運動力学についても簡単に触れる必要がある。図１に示すのは、最も合理的に機械類等を移動させる場合の加速度と時間（移動距離）の簡単なグラフである。横軸は時間軸であるが、時間の関数である移動距離をも暗示しており、縦軸は加速度の大きさを示している。一般的な運動力学において、最も合理的な物体の移動は等加速度の移動である。交点の零位置から右方向に横軸に沿って物体を移動する際に、加速期間中は等加速度＋αで、即ち、同じ力で加速し続けて図のａ点で目標速度に到達すれば、運動エネルギーを利用した慣性による移動が任意に利用でき、図のｂ点で加速時とは方向が逆の負の一定の加速度−α即ち、等減速度で減速すれば、無駄が無い最短時間での目的地ｃ点までの移動ができる。アキュムレータから高圧の作動液の供給を受ける場合においても、略一定の圧力の作動液が流れると仮定することが省エネ上望ましいと考えられ、アキュムレータは圧力変動の少ない大容量型が前提となる。ニュートン力学の第二法則から、力は質量と加速度の積となり、等加（減）速度運動では力が一定、即ち作動液圧も一定であれば理想的な加減速システムとなることは自明であろう。従って自然現象で身直に観察される重力による自然落下現象と同様に、速度が加速度的に増減するようにサーボモータ駆動油圧ポンプ流量を制御すれば、無駄な圧力が発生しない好ましい液圧システムが構築できることとなる。このようなサーボモータ回転数の最適制御は、サーボモータ駆動技術では簡単に対処可能である。
【００１２】
本発明の応用例として考慮している大形クレーンでは、大重量の機械類の高速移動のための液圧システムとして、加速期間の後に慣性を利用して減速が必要と成る位置迄の移動を想定している。そのために低摩擦力のレールと鋼製車輪を組み合わせる移動手段が前提となり、エネルギーの使用効率が極めて高い液圧駆動システムとなる。この時、高圧アキュムレータからのエネルギー供給も一時的に休止し、サーボモーターとポンプは実質的に停止して無駄なエネルギー使用を取り止めている。だが、この油圧システムの休止期間中はアクチュエータとしての油圧ロッドレスシリンダーは、機械の被駆動機構との連結を解除する必要がある。そのために両者の間にクラッチ機構を設けて一時的に連結解除する機構を採用している。このことで無駄なエネルギー消費が発生せず、移動距離が長くなっても定速回転電動機などを利用でき、大重量の機械類や車輌などはその運動エネルギーが実質的に減殺せず、９割以上のエネルギー保存も極めて容易い。残る問題は、この１０％程度の損失エネルギーをどのようにして補填すればよいかである。大重量移動物の運動エネルギーを再び高圧作動液エネルギーに変換し、圧力容器内部に押し戻す際に、損失エネルギー分は停止位置が理想的な損失無しの場合に比較して手前の位置になってしまうこととなる。最後の不足ストローク分は、ポンプが極低圧アキュムレータからアクチュエータ内部に、高圧アキュムレータの圧力より僅かに高い圧力まで作動液の圧力を高めて送り込むことが、不足エネルギー補填作用となる。この場合に、時間的に連続した全減速期間中にポンプが平均して仕事を行うようにすれば良く、二段階の減速が行われるのではない。本発明においてポンプが本来の圧力発生手段となるのはこの場合である。一定距離の移動であれば、油圧ロッドレスシリンダーをアクチュエータとして利用すれば、ピストンの全ストロークを所定移動距離に設定することで、ピストンをストローク終点まで移動させれば正確な移動距離を自動的に定める作用がある。この方法は移動距離が短い場合に有効な手段の一つであるが、北米大陸の極めて長い貨物列車向けクレーンには、三相誘導モーターでの移動中に動力を若干多めに供給し増速する簡単な方法もある。車輌の場合でも不足エネルギー補填作用は同様である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態は、鉄道貨物の荷役作業の著しい高能率化に役立つ様な、大型門型クレーンの高速移動油圧駆動システムへの応用を考慮した形態である。これのみならず、本発明はバスや電車の大型車輌の加減速駆動液圧システム等にも広く応用し、実施することができる。だが、従来の油圧システムと根本的なシステム設計の相違があり、最も基本的な新規液圧回路を基本技術とし、これを応用した大重量の機械類の高速移動用の加減速液圧装置を実施例として詳述する。
【００１４】
【実施例】
図２は、本発明の根幹となる液圧システムの基本的な省エネ型液圧回路図である。液圧アクチュエータとして油圧ロッドレスシリンダーを使用している。その理由は、第一にピストン２の左右に構成される高圧と低圧の両作動室は断面積が全く変らない同一面積であり、ピストン２の移動方向が変っても作動液の流量が同一であるという利点があるからである。更に大きな理由は、大形のクレーンのような機械類の駆動機構として、強力な回転軸出力が直接利用可能である利便性が替え難い利点となっている。回転力を発生する液圧アクチュエータは、油圧ロッドレスシリンダー以外では強力な摩擦面の摺動機構を介して回転力を得ているが、油圧ロッドレスシリンダーは回転力を得るための摩擦機構がなく、簡潔で経済的な効率の高い機構だからである。この点は、潤滑性に乏しい水を作動液とする場合には、何より重要なポイントとなる。別けても鉄道分野のような厳しい安全性確保が求められる場合には決定的に重要である。しかし、危険物扱いとなる作動油を使用しても間題にならない応用例では、潤滑性に優れた作動油使用による一般的な連続回転型の油圧モーターも、減速機構と組み合せた回転型油圧アクチュエータとして利用可能である。油圧ロッドレスシリンダを油圧アクチュエータとすれば、システム全体の安全性に直結する、液圧配管を無くしてしまう上でも、高低の両作動室に直結する内部チェーン自由端の収納ケースが接近しているので、容易に配管を無くす構造を工夫できる。図２では、液圧回路に接続される油圧ロッドレスシリンダーの内部断面のみを略図として示しているが、実際の油圧ロッドレスシリンダーは、ピストン２と反対側の外部で外部チェーンが強力な張力を張りながら直線力を出力できる構造である。シリンダー１はその内部に摺動するピストン２を内蔵している。ピストン２の左右には高圧側と低圧側に接続される二つの作動室が構成されているが、ピストン２に固定された内部チェーン３は内部スプロケット４に噛み合っている。スプロケット４から離脱する内部チェーン３の自由端７は、リンク同士の屈曲が制限されるようなリンク高さより僅かに大きな寸法を有する、チェーン自由端収納ケース６に収納される構造である。スプロケット４は、回転出力軸ともなる軸８に固定されており、軸８は軸封構造を介してハウジング５に軸止されハウジング５の外部に伸びている。
【００１５】
図２に示した液圧基本回路は、これ以上の簡略化は不可能である単純回路である。１１は液圧回路にエネルギーを供給する大容量高圧アキュムレータである。前記の油圧ロッドレスシリンダーのハウジング５に高圧アキュムレータ１１が直接接続される。もう一方の上側のチェーン収納ケース６には油圧ポンプ１２を介して極低圧大容量アキュムレータ１５が接続されている。この油圧ポンプ１２はサーボモーター１３により駆動されるサーボモーター駆動油圧ポンプであり、その二つの接続口に圧力差が発生したとしても、ポンプ１２の回転軸が回転しないようにしっかりと固定するだけの大きな保持力をサーボモーター１３は有している。このサーボモーター１３はサーボ制御装置１４により駆動され、制御される。更に、このサーボ制御装置１４が電源を遮断する機械停止時に備え、ポンプ１２と上側のチェーン収納ケース６との間に、図示のようにソレノイドに電流が流れていない時は作動液の流路を完全に遮断できるノンリークバルブ１６が設けられている。サーボ制御装置１４に電源が投入されている期間だけはソレノイドにも電流が流れ、ノンリークバルブ１６は流路が解放されるノーマル・クローズ型である。従って電源投入時でも遮断時でも、サーボモーター１３が回転可能な状態にならない限り、大容量高圧アキュムレータ１１の作動液は油圧ロッドレスシリンダー内部に流入できない回路構成である。ポンプ１２が極低圧アキュムレータ１５並びに油圧ロッドレスシリンダへの接続方向を制御するために、ポンプ１２の接続口は３位置４方弁形式の方向制御弁１９に接続されている。この単純な基本液圧回路において、油圧ポンプ１２は耐圧構造であることにより、その回転軸が十分な保持力でしっかりと固定保持されておれば、低圧側のアキュムレータ１５と油圧ロッドレスシリンダーの中間で両者の間の作動液の流動を確実に阻止することができ、ストップバルブの役割も果たしている。更にサーボモーター１３により回転方向を簡単に逆転させることも可能である。これに加えて、サーボモーター制御による回転数制御駆動の結果は、油圧ポンプ１２を高度な流量制御バルブとしても機能させており、一つのポンプに万能性を与えている。
【００１６】
図２に示した基本液圧回路を利用する大出力加減速液圧装置では、液圧回路に発熱原因となる要素が全く無いので、効率良く大きな回転力を大重量の機械類や荷物の移動装置や、大型車輌の加減速駆動装置として利用できる、極めて合理的な構造となる。大容量の高圧アキュームレータ１１から大重量機械類や荷物等の移動に必要となる動力を供給してもらう方式なので、油圧ポンプ１２は低圧側において流量制御手段として機能するだけで良く、従ってモーター容量は仕事の能率の大きさに比較すれば、驚く程小型の容量で済むこととなる。
【００１７】
大重量の機械類として門型の鉄道貨物荷役効率を飛躍的に高めるためのクレーンの油圧駆動装置に想定すると、摩擦抵抗の少ないレールと鋼製車輪とを組み合せた合理的移動手段は、任意の距離の移動を選択できるように、加速と減速の途中で大きな運動エネルギーによる慣性力を活用する方式が望ましく、そのためには液圧駆動システムも途中でポンプ回転を完全に停止する休憩期間を設定可能とすることが必要である。図３に示すのは、このような門型クレーンの油圧駆動装置に本発明を応用した場合の、アキュムレータと油圧ロッドレスシリンダーの配置例を簡単に示した模式図である。そこで大きな慣性力を利用した水平な機械移動を可能とし、この慣性力で高圧アキュムレータ１１に高圧の作動液を送り返してブレーキの代わりとする革新的新技術を詳述する。図３において、油圧ロッドレスシリンダーのシリンダー１を含む本体は、垂直な門型クレーンの支柱に多数の固定手段で強固に固定されるが、門型クレーン自体は図示を省略している。門型クレーンの天井部分は遊休空間となるので、この部分に大容量のアキュームレータを横向きに載置すると、油圧ロッドレスシリンダーのハウジングやチェーン収納ケースに配管無しで直接強固に接続可能となる。極低圧アキュームレータ１５は図２に示すように方向制御弁１９やノンリークバルブ１６、並びにポンプ１２を介して油圧ロッドレスシリンダーと接続されるのだが、図３では極めて小さな部品となるので、これも図示を省いている。垂直なシリンダー１は内部に破線で示すピストン２を摺動させるが、ピストン２は上下方向に移動する。ピストン２の運動は上下一対の軸８に伝えられ、軸８に固定された外部スプロケットに噛み合っている外部チェーン３０は、ピストン２に固定されている内部チェーン３とシリンダ１の内外で互いに補完仕合いながら、弛みの全く無いエンドレス機構を成している。特に下側の軸８は軸の回転方向を逆転させる逆転機構１７と、軸８と門型クレーンの駆動軸２０との間の連結を断続するクラッチ１８とを介して外部に動力を伝達する構造である。従って、静止状態から門型クレーンを移動し始める時は、大容量アキュムレータ１１からシリンダ１に高圧作動液がポンプ１２の回転数に比例した流量となって流入し、ピストン２を下方に移動させることになる。ピストン２に加わる力は略同一の力であるから、門型クレーンは理想的な等加速度運動で加速できる。ポンプ１２の回転数も、加速度的に増加させれば、等加速度運動のための条件を完全に整えることができる。そうすれば、油圧回路内には無駄な圧力が発生することは一切起きないので、最も合理的な損失の無い液圧駆動システムが実現できる。本発明の本領は、次の運動エネルギーを得た大重量機械類を所定位置で停止させるためにブレーキが必要となる際である。従来はブレーキによってこの運動エネルギーを熱に変えていたが、本発明では作動液を高圧アキュムレータ１１内部に押し戻して、再び動力として再利用可能なエネルギーとし、著しい省エネ効果を発揮できるようにすることである。この目的に備え機械類の被駆動機構と液圧駆動装置との連結部には、逆転機構１７やクラッチ１８のような連結制御手段を設けることが必要になってくる。先ずクラッチ１８を切り制御弁１９を中間の待機位置にすると、クレーンは加速後の運動エネルギーでレール上の移動は支障が無く、この間に逆転機構１７を作動させて軸８と駆動軸２０との回転方向が逆転するように準備し、制動開始位置に来た時にクラッチ１８を接続することに加えて制御弁１９を上側の逆転スプール位置にすると、軸８は内部チェーン３を介し門型クレーンの慣性運動を齎している運動エネルギーによりピストン２を上向きに移動させる。同時にポンプ１２は高速回転した状態で極低圧アキュムレータ１５から油圧ロッドレスシリンダに作動液を送り出し、等減速度運動を実現できる回転数制御が行われれば、ピストン２には減速度に比例する力が加わる。ポンプ１２の回転数が高すぎると流量が多くなり、この時のクレーンの減速度が不十分であることになり、その運動エネルギーを作動液の圧力に変換する作用が間に合わずに圧力は低下するので、ピストン２を高圧アキュムレータ１１に抗して上昇させることはできない。反対にポンプ１２の回転数が低すぎると、減速度が大きくなり作動液流量が少なくて圧力は上昇し、エネルギー損失が発生する。この減速度を高圧アキュムレータ１１の圧力よりも僅かに高い圧力になるように作動液流量が正確に制御されれば、この時にも無駄な圧力は全く発生しない。その際に威力を発揮できるのはサーボモーター制御による回転数制御を行う構成を採用している点である。圧力センサーを備え、そのフィードバック制御を利用して正確にポンプ流量を制御すれば、ピストン２に加わる圧力を正確に高圧アキュムレータ１１より僅かに高い圧力に維持することができる。然し乍ら、このような合理的な液圧駆動システムにおいても、エネルギー使用効率は１００％とはならないという問題が残る。そのために、機械部品類の摩擦損失などに由来する損失エネルギー分を補うことが可能なシステムである必要がある。その損失分は機械の駆動力に比較すれば一桁小さくなる程度であるため、例えば慣性による移動中に小さな容量の定回転電動機を駆動させて、損失分を補える構成を付加すれば容易に解決できる問題である。
【００１８】
【発明の効果】
本発明の大出力加減速液圧システムによれば、発熱を伴うような従来型油圧技術の要素を一切使用せずに基本液圧回路を構成しているために、著しい省エネ効果を挙げることができる。そればかりでなく、本発明の根本的な改良技術は、高圧大容量のアキュムレータから一時的に大きな動力を取出して利用し、その後に重量物の巨大な運動エネルギーの形態となった蓄積型エネルギーを、作動液の圧力を高めて元のエネルギー形態に戻し、高圧アキュムレータ内に再び押し戻す合理的な液圧システムである。油圧ポンプは、高圧アキュムレータに接続される側とは逆の背圧側に接続され、圧力発生手段としてではなく、流量制御手段として専ら使用されるという、極めて革新的な技術思想を導入している。この結果、大出力の加減速液圧システムにおいて、仕事の能率の高さに比較して極めて小規模な容量のサーボモーターとポンプとで省エネ効果が著しい仕事を行うことができる。その結果、省エネの観点から使用されなくなりつつある大規模な油圧駆動システムに代わり、電動方式よりも一段とエネルギー効率を高めた合理的な省エネ液圧駆動システムを提案できるようになった。その結果、作動液の温度上昇を著しく抑制できるので、無駄な大量の作動液を使用する必要が無く、輸送用に安全性が極めて重視されるバスや電車のような大型車輌の加減速駆動システムとしても、燃料電池方式やＶＶＶＦ方式に代わり、安全で環境にも優しい水を作動液とする加減速液圧システム実現も容易になる。更に、油圧アクチュエータとして、従来の油圧シリンダーの代わりに油圧ロッドレスシリンダーを使用した場合は、ピストンの左右の両作動室の面積が同一なので、外部タンクを必要とせず、配管をなくす場合でも対応が極めて容易であるばかりか、大きな回転軸出力を必要とする際にも作動液には潤滑性の殆ど無い水を使用可能とする。従って簡単に安全でコンパクトな省エネ油圧／水圧駆動システムを経済的に構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、横軸を時間軸とし、縦軸に加速度を取った、大重量の機械類等の被駆動体の時間（移動距離）と加速度の関係を示す線図である。
【図２】図２は、油圧アクチュエータに油圧ロッドレスシリンダーを使用した、本発明の基本となる液圧回路図である。
【図３】図３は、本発明の液圧駆動システムを門型クレーンの液圧駆動装置に応用した場合の、油圧ロッドレスシリンダーとアキュームレータ及び回転出力軸と逆転機構、クラッチ、駆動軸等の配置例を略図で示す側面図である。
【符号の説明】
ａ  等加速度運動終了時（地）点
ｂ  等減速度運動開始時（地）点
ｃ  目的時（地）点
１  油圧ロッドレスシリンダーのシリンダー
２  ピストン
３  油圧ロッドレスシリンダーの内部チェーン
４  スプロケット
５  ハウジング
６  チェーン収納ケース
７  内部チェーンの自由端
８  油圧ロッドレスシリンダーの軸
１１  大容量高圧アキュムレータ
１２  ポンプ
１３  サーボモーター
１４  サーボ制御装置
１５  大容量極低圧アキュムレータ
１６  ノンリークバルブ
１７  逆転機構
１８  クラッチ
１９  方向制御弁
２０  駆動軸
３０  油圧ロッドレスシリンダーの外部チェーン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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