(57)【要約】  【課題】効率的なエネルギ回収、再生を図れる流体圧回路を提供する。  【解決手段】流体圧アクチュエータ17とタンク22との間に設けた戻り流体通路28中に、可変容量型の再生モータ29をインラインで設置する。この再生モータ29の出力軸に、無段変速機31を介して、定容量型の再生ポンプ32の入力軸を接続する。再生ポンプ32の吐出ポートに、逆止弁33を介して制御弁34の供給ポート35を連通させ、制御弁34の一方の出力ポート36は、蓄圧用のアキュムレータ37に接続し、他方の出力ポート38は、メインポンプ24から流体圧アクチュエータ17を含むメイン回路25に接続する。制御弁34は、エネルギチャージポジションＡと、エネルギ放出ポジションＢと、再生ポンプ32からメイン回路25に流体圧エネルギを供給するとともにアキュムレータ37の流体圧エネルギをメイン回路25に放出するエネルギ供給放出ポジションＣと、エネルギ供給ポジションＤとを具備している。  【選択図】図１
2007040393.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体圧アクチュエータからの戻り流体により作動され戻り流体が有する戻り流体エネルギを回転エネルギに変換して回収する再生モータと、
再生モータから入力された回転エネルギにより作動して回転速度を無段変速する無段変速機と、
無段変速機から出力された回転エネルギにより駆動される再生ポンプと、
再生ポンプから出力された流体圧エネルギを蓄えるアキュムレータと、
再生ポンプとアキュムレータと前記流体圧アクチュエータを含むメイン回路との間で流体圧エネルギを方向制御する制御弁と
を具備したことを特徴とする流体圧回路。
【請求項２】
再生モータは、流体圧アクチュエータから回収される戻り流体エネルギの状態に応じてモータ容量を制御可能な可変容量型モータである
ことを特徴とする請求項１記載の流体圧回路。
【請求項３】
再生ポンプは、ポンプ容量を一定にした定容量型ポンプである
ことを特徴とする請求項１または２記載の流体圧回路。
【請求項４】
制御弁は、
再生ポンプから出力された流体圧エネルギをアキュムレータに蓄えるエネルギチャージポジションと、
アキュムレータに蓄えられた流体圧エネルギをメイン回路に放出するエネルギ放出ポジションと、
再生ポンプからメイン回路に流体圧エネルギを供給するとともにアキュムレータに蓄えられた流体圧エネルギをメイン回路に放出するエネルギ供給放出ポジションと、
再生ポンプからメイン回路に流体圧エネルギを供給するエネルギ供給ポジションと
を具備し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回路。
【請求項５】
流体圧アクチュエータは、負荷によって収縮動作される流体圧シリンダであり、
再生モータは、この流体圧シリンダのシリンダ・ヘッド側室からの戻り流体により作動される
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回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体圧アクチュエータからの戻り流体が有するエネルギを回収して再生する流体圧回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
油圧ショベルの作業装置のうち、ブームを上げることにより位置エネルギとして蓄えられたエネルギは、ブーム下げ時にブームシリンダのヘッド側室からのリターン流量がコントロール弁のスプールにて熱エネルギに変換され、オイルクーラにて大気中に放出される。つまり、空バケット状態でブームを上げることによって生じる位置エネルギは全て捨てていることになる。
【０００３】
これに対し、ブーム下げ時の流体圧エネルギを、弁を制御してアキュムレータに蓄圧し、この蓄圧した流体圧エネルギを他の作業装置駆動時に、弁を制御して利用するエネルギ再生システムが存在する。
【０００４】
この従来のエネルギ再生システムは、アキュムレータの蓄圧が設定圧未満の場合は、弁を開いて、より高圧の回路からアキュムレータに余剰エネルギを蓄圧し、またアキュムレータの蓄圧が設定圧以上の場合は、弁を開いて、より低圧の回路に再生エネルギを供給する（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平５−２８７７７４号公報（第１頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
この従来のエネルギ再生システムは、アキュムレータの圧力と回路の圧力との相対的関係のみによってアキュムレータでの余剰エネルギの蓄圧および利用を図るので、条件によっては再利用できない場合も考えられる。これでは、効率的なエネルギ回収、再生は期待できない問題がある。
【０００６】
本発明は、このような点に鑑みなされたもので、効率的なエネルギ回収、再生を図れる流体圧回路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１記載の発明は、流体圧アクチュエータからの戻り流体により作動され戻り流体が有する戻り流体エネルギを回転エネルギに変換して回収する再生モータと、再生モータから入力された回転エネルギにより作動して回転速度を無段変速する無段変速機と、無段変速機から出力された回転エネルギにより駆動される再生ポンプと、再生ポンプから出力された流体圧エネルギを蓄えるアキュムレータと、再生ポンプとアキュムレータと前記流体圧アクチュエータを含むメイン回路との間で流体圧エネルギを方向制御する制御弁とを具備した流体圧回路である。
【０００８】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の流体圧回路における再生モータを、流体圧アクチュエータから回収される戻り流体エネルギの状態に応じてモータ容量を制御可能な可変容量型モータとしたものである。
【０００９】
請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の流体圧回路における再生ポンプを、ポンプ容量を一定にした定容量型ポンプとしたものである。
【００１０】
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回路における制御弁が、再生ポンプから出力された流体圧エネルギをアキュムレータに蓄えるエネルギチャージポジションと、アキュムレータに蓄えられた流体圧エネルギをメイン回路に放出するエネルギ放出ポジションと、再生ポンプからメイン回路に流体圧エネルギを供給するとともにアキュムレータに蓄えられた流体圧エネルギをメイン回路に放出するエネルギ供給放出ポジションと、再生ポンプからメイン回路に流体圧エネルギを供給するエネルギ供給ポジションとを具備したものである。
【００１１】
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回路における流体圧アクチュエータが、負荷によって収縮動作される流体圧シリンダであり、再生モータは、この流体圧シリンダのシリンダ・ヘッド側室からの戻り流体により作動されるものである。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１記載の発明によれば、流体圧アクチュエータからの戻り流体が有する戻り流体エネルギを再生モータが回転エネルギに変換し、この回転エネルギを再生ポンプが流体圧エネルギに変換し、この流体圧エネルギを制御弁により方向制御してアキュムレータに蓄えたりメイン回路で利用するので、従来のエネルギ再生システムほど余剰エネルギの蓄圧および利用が制限されずに、効率的なエネルギ回収、再生を図ることができる。特に、無段変速機により再生ポンプの回転速度を無段階で制御でき、無段変速機を介して再生モータから再生ポンプへ動力伝達される回転速度を制御するため、アキュムレータへのチャージ流量またはメイン回路への供給流量を任意に制御することができ、また、再生モータによる動力を用いて再生ポンプを駆動することで、これらのコンポーネントを任意の機体位置に設置できる。
【００１３】
請求項２記載の発明によれば、再生モータを、回収される戻り流体エネルギの状態に応じてモータ容量を制御可能な可変容量型モータとしたので、例えば戻り流体が小流量の場合は再生モータを小容量に制御するなどして、回収される戻り流体エネルギの圧力・流量に応じて適切な回転エネルギを得ることができる。
【００１４】
請求項３記載の発明によれば、再生モータと再生ポンプとの間に無段変速機を介在させることで、再生ポンプの容量可変制御機能を廃止して、安価な定容量型ポンプとすることができ、コスト低減を図れる。
【００１５】
請求項４記載の発明によれば、エネルギチャージポジション、エネルギ放出ポジション、エネルギ供給放出ポジションおよびエネルギ供給ポジションの４つの位置を持つ制御弁によって、再生されたエネルギを適切にメイン回路に出力できる。特に、この４つの位置を持つ制御弁と無段変速機とを併設したことで、アキュムレータに蓄圧されたエネルギの残りに応じて、かつメイン回路に急激な流量変化を生じさせないように作動流体を供給でき、メイン回路での急激な流量変化による操作性不良を防止できる。
【００１６】
請求項５記載の発明によれば、流体圧シリンダが負荷によって収縮動作されるときに、そのシリンダ・ヘッド側室からの戻り流体により再生モータを作動させることで、負荷が有する位置エネルギを効率良く回収することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明を図１および図２に示された一実施の形態を参照しながら詳細に説明する。
【００１８】
図２は、作業機械としての油圧ショベル11を示し、下部走行体12に対し旋回可能に設けられた上部旋回体13に、エンジンなどの動力装置14およびキャブ15とともにフロント作業装置（以下、単に作業装置という）16が搭載されている。この作業装置16には、ブームシリンダなどの自重落下動作が可能な流体圧アクチュエータ17が設けられている。
【００１９】
図１は、上記油圧ショベル11に搭載された流体圧回路21を示し、タンク22内の作動流体すなわち作動油を、エンジン23により駆動されるメインポンプ24によって、作業装置16を作動するためのメイン回路25に供給する基本回路がある。メイン回路25は、上記流体圧アクチュエータ17を制御する回路と、アームシリンダ、バケットシリンダなどの他のアクチュエータを制御する他のアクチュエータ回路26とを備えている。
【００２０】
ブームシリンダなどの流体圧アクチュエータ17を制御する回路は方向切換弁27を含み、この方向切換弁27によって、メインポンプ24から流体圧アクチュエータ17のシリンダ・ヘッド側室17hまたはシリンダ・ロッド側室17rの一方に作動流体を加圧供給するとともに、他方からの戻り流体をタンク22に導くことで、流体圧アクチュエータ17は、この方向切換弁27により方向制御されて伸縮制御される。
【００２１】
このような基本回路に対して、方向切換弁27のタンクポートとタンク22との間に設けられた戻り流体通路28中に、可変容量型油圧モータなどの容量可変制御機能を有する再生モータ29がインラインで設置されている。
【００２２】
この再生モータ29の出力軸に、無段変速機能を有する無段変速機31を介して、定容量型油圧ポンプなどの再生ポンプ32の入力軸が接続される。
【００２３】
この再生ポンプ32の吐出ポートに、逆止弁33を介して制御弁34の供給ポート35が連通され、この制御弁34の一方の出力ポート36は、蓄圧用のアキュムレータ37に接続され、他方の出力ポート38は、逆止弁39を介して、メインポンプ24から流体圧アクチュエータ17および他のアクチュエータ回路26を含むメイン回路25に接続されている。
【００２４】
再生モータ29は、流体圧アクチュエータ17からの戻り流体により作動され、戻り流体が有する戻り流体エネルギを回転エネルギに変換して回収するもので、回収される戻り流体エネルギの状態に応じて容量可変制御部41により斜板42の傾転角を制御することで、モータ容量を制御可能な可変容量型モータであり、流体圧アクチュエータ17の作動速度すなわち戻り流量などに応じてモータ容量を制御する。
【００２５】
再生モータ29と再生ポンプ32との間に介在された無段変速機31は、外部から、Ｖベルト式無段変速機構、トロイダル型無段変速機構またはコーン型無段変速機構などの変速制御部に入力された変速制御信号により、変速比を無段階に変更可能な動力伝達手段であり、変速比は外部から指示される。
【００２６】
再生ポンプ32は、再生モータ29により回収された回転エネルギを流体圧エネルギに変換する定容量型ポンプであり、ポンプ容量が一定であるため、無段変速機31から入力される回転速度に応じたポンプ吐出流量を出力する。
【００２７】
制御弁34は、再生ポンプ32と、アキュムレータ37と、メイン回路25との間で、流体圧エネルギを方向制御するもので、再生ポンプ32から出力された流体圧エネルギをアキュムレータ37に蓄えるエネルギチャージポジションＡと、アキュムレータ37に蓄えられた流体圧エネルギをメイン回路25に放出するエネルギ放出ポジションＢと、再生ポンプ32からメイン回路25に流体圧エネルギを供給するとともにアキュムレータ37に蓄えられた流体圧エネルギをメイン回路25に放出するエネルギ供給放出ポジションＣと、再生ポンプ32からメイン回路25に流体圧エネルギを供給するエネルギ供給ポジションＤとを具備した可動弁体を備えている。この可動弁体の両端には、位置制御部45，46が設けられている。
【００２８】
アキュムレータ37は、再生ポンプ32から出力された流体圧エネルギを蓄えるとともに、その流体圧エネルギを有する作動流体をこのアキュムレータ37から作業装置作動用のメイン回路25に送込むことができる。
【００２９】
方向切換弁27の切換制御部、再生モータ29の容量可変制御部41、無段変速機31の変速制御部、制御弁34の位置制御部45，46は、コントローラ47に電気的に接続されて、このコントローラ47により制御される。
【００３０】
このように、流体圧アクチュエータ17からタンク22へのリターン流量に対し、可変容量型の再生モータ29がインラインで設置され、この再生モータ29に無段変速機31を介して定容量型油圧ポンプなどの再生ポンプ32が接続され、この再生ポンプ32の吐出ポートに逆止弁33および制御弁34を介してエネルギ蓄圧用のアキュムレータ37が接続され、そして、制御弁34の制御位置により、アキュムレータ37に作動流体を送り込んだり、このアキュムレータ37から作業装置作動用のメイン回路25に作動流体を供給する制御システムである。
【００３１】
次に、この図示された実施の形態の作用を説明する。
【００３２】
方向切換弁27が左室に切換わって、負荷Ｗによる位置エネルギを有する流体圧アクチュエータ17が自重落下運動すると、そのシリンダ・ヘッド側室17hから方向切換弁27を経て戻り流体通路28に押出された戻り流体は、再生モータ29を回動し、この再生モータ29は、無段変速機31を介して再生ポンプ32を駆動し、この再生ポンプ32は、タンク22内の作動流体を逆止弁33を経て制御弁34の供給ポート35に供給する。
【００３３】
コントローラ47により制御弁34がエネルギチャージポジションＡに制御されているときは、再生ポンプ32から出力された流体圧エネルギがアキュムレータ37に蓄圧される。
【００３４】
コントローラ47により制御弁34がエネルギ放出ポジションＢに制御されると、アキュムレータ37に蓄えられた流体圧エネルギが、逆止弁39を介してメイン回路25に放出され、メインポンプ24の吐出流量と合流して他のアクチュエータ回路26に供給される。
【００３５】
コントローラ47により制御弁34がエネルギ供給放出ポジションＣに制御されると、再生ポンプ32から逆止弁39を介してメイン回路25に流体圧エネルギが直接供給されるとともに、アキュムレータ37に蓄えられた流体圧エネルギが、逆止弁39を介してメイン回路25に放出される。
【００３６】
コントローラ47により制御弁34がエネルギ供給ポジションＤに制御されると、再生ポンプ32から逆止弁39を介してメイン回路25に流体圧エネルギが直接供給される。
【００３７】
コントローラ47は、戻り流体通路28での戻り流体の流量および圧力に応じて再生モータ29の容量可変制御部41によりその容量を制御することで、適切な回転速度および出力トルクを得るようにする。例えば、戻り流体の流量が少ないときは、再生モータ29の容量を小さく制御することで、所定の回転速度を確保する。
【００３８】
無段変速機31は、コントローラ47から指示された変速比に制御することで、再生ポンプ32の回転速度を制御してポンプ吐出流量を制御する。
【００３９】
アキュムレータ37の蓄圧完了後も再生ポンプ32を適切に制御して、この再生ポンプ32からアキュムレータ容量以上のエネルギを有する作動流体を作業装置作動用のメイン回路25に送込む。
【００４０】
このように、方向切換弁27により流体圧アクチュエータ17のシリンダ・ヘッド側室17hと再生モータ29との間の戻り流体通路28が開き、負荷Ｗによる流体圧アクチュエータ17の位置エネルギにより再生モータ29が回転する。この再生モータ29の回転速度はその容量可変制御機能によって制御される。この再生モータ29によって発生した動力は、無段変速機31により制御された回転速度で再生ポンプ32を駆動する。この再生ポンプ32から吐出された流量は逆止弁33を介して制御弁34に導かれる。制御弁34は、エネルギチャージポジションＡで、再生ポンプ32とエネルギ蓄圧用のアキュムレータ37との間の回路を開き、エネルギをアキュムレータ37にチャージし、また、エネルギ放出ポジションＢで、アキュムレータ37よりメイン回路25へエネルギを出力し、また、エネルギ供給放出ポジションＣで、再生ポンプ32からメイン回路25に流体圧エネルギを供給するとともに、アキュムレータ37に蓄えられた流体圧エネルギをメイン回路25に放出し、また、エネルギ供給ポジションＤで、再生ポンプ32よりメイン回路25へエネルギを供給する。それらの制御弁34の位置制御は、コントローラ47からの信号によりなされる。
【００４１】
次に、この図１に示された実施の形態の効果を説明する。
【００４２】
流体圧アクチュエータ17からの戻り流体が有する戻り流体エネルギを再生モータ29が回転エネルギに変換し、この回転エネルギを再生ポンプ32が流体圧エネルギに変換し、この流体圧エネルギを制御弁34により方向制御してアキュムレータ37に蓄えたりメイン回路25で利用するので、従来のエネルギ再生システムほど余剰エネルギの蓄圧および利用が制限されずに、効率的なエネルギ回収、再生を図ることができる。
【００４３】
特に、無段変速機31により再生ポンプ32の回転速度を無段階で制御でき、無段変速機31を介して再生モータ29から再生ポンプ32へ動力伝達される回転速度を制御するため、再生ポンプ32をコストの安い定容量式にしても、アキュムレータ37へのチャージ流量またはメイン回路25への供給流量を任意に制御できる。
【００４４】
アキュムレータ37に蓄積されたエネルギを使いきり、または残り少なくなり、かつ再生可能なエネルギが存在する場合、無段変速機31によって再生ポンプ32から供給される作動流体を流量制御しながらメインポンプ24に合流させることができる。
【００４５】
再生モータ29による動力を用いて再生ポンプ32を駆動することで、これらのコンポーネントを機体の任意の位置に設置できる。
【００４６】
再生モータ29を、回収される戻り流体エネルギの状態に応じてモータ容量を制御可能な可変容量型モータとしたので、例えば戻り流体が小流量の場合は再生モータ29を小容量に制御するなどして、回収される戻り流体エネルギの圧力・流量に応じて適切な回転エネルギを得ることができる。
【００４７】
再生モータ29と再生ポンプ32との間に無段変速機31を介在させることで、再生ポンプ32の容量可変制御機能を廃止して、安価な定容量型ポンプとすることができ、コスト低減を図れる。さらに、再生モータ29と再生ポンプ32との間に無段変速機31を介在させることで、再生モータ29の出力が小さい場合でも無段変速機31が減速比により再生ポンプ32への入力を増幅するので、アキュムレータ37の蓄圧に適した回転エネルギに制御することができ、さらに、無段変速機31により、再生ポンプ32の回転速度、入力トルクを適切に制御することができる。
【００４８】
制御弁34は、エネルギチャージポジションＡ、エネルギ放出ポジションＢ、エネルギ供給放出ポジションＣおよびエネルギ供給ポジションＤの４つの位置を持つことで、再生されたエネルギを適切にメイン回路25に出力することができる。
【００４９】
特に、この４つの位置を持つ制御弁34と無段変速機31とを併設したことで、アキュムレータ37に蓄圧されたエネルギの残量に応じて、かつメイン回路25に急激な流量変化を生じさせないように作動流体を供給でき、メイン回路25での急激な流量変化による操作性不良を防止できる。
【００５０】
制御弁34のエネルギ供給放出ポジションＣでは、再生ポンプ32からメイン回路25に流体圧エネルギを供給するとともに、アキュムレータ37に蓄えられた流体圧エネルギをメイン回路25に放出するので、メイン回路25が多量の作動流体流量を必要とする場合に対応できる。
【００５１】
流体圧アクチュエータ17としての流体圧シリンダが負荷Ｗによって収縮動作されるように方向切換弁27を左室に切換えて開いたときは、そのシリンダ・ヘッド側室17hから排出された戻り流体により再生モータ29を作動させることで、負荷Ｗが有する位置エネルギを効率良く回収することができる。
【００５２】
再生モータ29、再生ポンプ32、制御弁34およびアキュムレータ37により、エネルギを電気に変換することなく流体圧のみでエネルギ回収、再生をするので、無駄がなく効率が良い。
【００５３】
なお、本発明は、油圧ショベル以外の他の作業機械、例えばローダ、クレーンなどにも利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明に係る流体圧回路の一実施の形態を示す回路図である。
【図２】同上流体圧回路を搭載した作業機械の側面図である。
【符号の説明】
【００５５】
17    流体圧アクチュエータ
17h   シリンダ・ヘッド側室
25    メイン回路
29    再生モータ
31    無段変速機
32    再生ポンプ
34    制御弁
37    アキュムレータ
Ａ    エネルギチャージポジション
Ｂ    エネルギ放出ポジション
Ｃ    エネルギ供給放出ポジション
Ｄ    エネルギ供給ポジション
【図１】
2007040393.tif 000003
【図２】
2007040393.tif 000004