JP2007113754A - エネルギー変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 油圧モータＭおよび発電機Ｇに慣性エネルギーが作用したとしても、供給流路９側に負圧が発生しないようにする。
【解決手段】 電磁比例切換弁Ｓの切り換え位置に応じて、シリンダ１からの戻り流れを油圧モータＭに導き、この油圧モータからの戻り流れを、上記比例電磁切換弁を介してタンクＴに還流させる。一方、上記油圧モータＭに発電機Ｇを連結し、油圧モータの回転力で発電機を駆動して発電する。そして、上記比例電磁切換弁Ｓと油圧モータＭとを接続する供給流路９と戻り流路１１との間に短絡流路１５を設け、この短絡流路１５には戻り流路１１から供給流路９への流通のみを許容するチェック弁１６を設け、上記供給流路には作動油を補給するための補給流路１８を接続している。
【選択図】 図１

Description

この発明は、アクチュエータの慣性エネルギーや位置エネルギーを利用して油圧モータを駆動するとともに、この油圧モータの回転力で発電機を回すエネルギー変換装置に関する。

この種の装置として、特許文献１に記載された装置が従来から知られている。この従来の装置は、アクチュエータに慣性エネルギーや位置エネルギーが作用したときに、戻り側となる通路に、オンオフ的に切り換わる切換弁を設けている。そして、この切換弁がノーマル位置にあるとき、慣性エネルギーや位置エネルギーが作用したアクチュエータの戻り油が、この切換弁を経由してタンクに還流する。また、上記切換弁がノーマル位置から切り換え位置に切り換わったときには、上記慣性エネルギーや位置エネルギーが作用したアクチュエータの戻り油が油圧モータに導かれるようにしている。そして、この油圧モータには発電機が連結されているので、上記戻り油で油圧モータが回転すれば、その回転力で発電機が回って発電される。
特開２００４−１１１６８号

上記のようにした従来の装置では、切換弁を上記切り換え位置からノーマル位置に切り換えたとき、言い換えると、切換弁を切り換え位置に保持して、油圧モータを駆動している最中に、切換弁を急遽ノーマル位置に戻して、アクチュエータを通常の制御に戻そうとしたとき、発電機に連結した油圧モータ側で負圧が発生してしまう。なぜなら、切換弁をノーマル位置に切り換えたとしても、油圧モータや発電機の慣性エネルギーが大きいために、それらがすぐに停止しないからである。特に、発電機の慣性エネルギーは大きいので、この発電機に連結した油圧モータが急に停止できずに、その吸い込み側で負圧が発生してしまう。

上記のように油圧モータの吸い込み側が負圧になると、そこにキャビテーションが発生するが、このキャビテーションが原因で、騒音が発生したり、油圧モータの摺動部に損傷が生じたりする。そこで、負圧を発生させないようにするために、例えば、アクチュエータを制御する切換制御弁をゆっくりと切り換えることも考えられるが、これでは、アクチュエータを歯切れよく制御できなくなってしまう。いずれにしても、従来の装置では、キャビテーションが発生しやすいという問題があり、その問題をオペレータの操作能力でカバーしようとすると、今度は歯切れのよい制御ができなくなるという問題があった。

また、油圧モータおよび発電機を止めようとして、切換弁をノーマル位置に切り換えても、上記のように発電機の慣性エネルギーが非常に大きいので、それがなかなか停止しない。油圧モータや発電機が停止するまでに時間がかかりすぎれば、油圧モータの吸い込み側における負圧がさらに大きくなってしまう。したがって、切換弁をノーマル位置に切り換えたときには、油圧モータや発電機を速やかに停止させなければならないが、短時間で上記エネルギーを吸収しようとすると、発電機を大型化しなければならない。なぜなら、上記慣性エネルギーを吸収するために、発電機が、そのエネルギーを電気変換という形で吸収しなければならないので、エネルギーの吸収時間を短くしようとすれば、発電機を大型化せざるを得ないからである。ところが、発電機を大型化すれば、今度は発電機の慣性エネルギーがますます大きくなることになり、慣性エネルギーを短時間で吸収するということと、発電機を小型に保つということとは、二律背反的な関係になってしまい、従来の装置ではそれらを一気に解決することができなかった。

さらに、アクチュエータに慣性エネルギーや位置エネルギーが作用したときに戻り側となる通路を上記のように油圧モータに接続したときと、それを油圧モータに接続せずに直接タンクに戻すときとで、アクチュエータの作動速度が相違することがある。このようにアクチュエータの作動速度が相違すると、オペレータにとっては、それが操作感の違いとして印象づけられてしまい、その違和感が操作性を悪くするという問題もあった。

第１の発明は、切換弁の切り換え位置に応じて、アクチュエータからの戻り流れを油圧モータに導き、この油圧モータからの戻り流れを、上記切換弁を介してタンクに還流させる一方、上記油圧モータに発電機を連結し、油圧モータの回転力で発電機を駆動して発電するエネルギー変換装置において、上記切換弁と油圧モータとを接続する供給流路と戻り流路との間に短絡流路を設け、この短絡流路には戻り流路から供給流路への流通のみを許容するチェック弁を設け、上記供給流路には作動油を補給するための補給流路を接続した点に特徴を有する。

第２の発明は、上記切換弁を、一又は一対の電磁比例切換弁とするとともに、この電磁比例切換弁は、上記供給流路に連通する供給ポートを閉じるとともに、戻り流路に連通する戻りポートが絞り開度を維持する一方の切り換え位置と、上記供給ポートおよび戻りポートを電磁比例的に開く他方の切り換え位置とを備えた点に特徴を有する。

第３の発明は、アクチュエータを制御する切換制御弁を設け、上記アクチュエータに慣性エネルギーや位置エネルギーが作用したときに戻り側となる通路と、上記電磁比例切換弁の供給ポートとを接続する一方、上記切換制御弁を通過してタンクに流れる流量Ｑｔと、上記電磁比例切換弁を通過して油圧モータに流れる流量Ｑｍとの合計流量が、アクチュエータの戻り制御に必要とされる流量Ｑｃに等しくなる関係を保って、上記切換制御弁と電磁比例切換弁の開度とを制御する制御機構を設けた点に特徴を有する。

第４の発明は、上記供給流路と戻り流路との間にリリーフ弁を設け、このリリーフ弁によって、供給流路の最高圧を設定した点に特徴を有する。

第１の発明によれば、切換弁の供給ポートを閉じたとき、油圧モータは短絡流路を介して短絡されるので、自ら排出した作動油を吸い込み側に戻すことができる。しかも、補給流路から不足分をさらに補給できるので、供給ポートが閉じた状態で、油圧モータおよび発電機が慣性エネルギーで回転し続けても、油圧モータの吸い込み側に負圧が発生したりしない。したがって、従来のようにキャビテーションが発生せず、しかも、このキャビテーションが原因となっていた騒音や油圧モータの損傷などという問題も発生しない。

また、上記したように切換弁を中立位置に保っても、油圧モータおよび発電機のそれぞれが、慣性エネルギーで回転しつつづけても問題ないので、目的に応じた大きさの発電機を自由に選択できる。例えば、従来の装置で、大きな慣性エネルギーを短時間で吸収しようとすれば、その分、大きな発電機を用いなければならない。しかし、大きな発電機はさらに慣性エネルギーが大きくなるので、採用できる発電機の大きさには限界があった。しかし、この発明によれば、油圧モータおよび発電機の大きさにかかわりなく慣性エネルギーを吸収できるので、発電機の大きさを選択する設計の自由度が大幅に増すことになる。

第２の発明によれば、励磁電流に応じて切り換え量が制御される電磁比例切換弁を用いたので、必要に応じて油圧モータに供給する油量を自由に制御できる。しかも、この電磁比例切換弁は、その供給ポートが閉じられたとき、戻りポートは絞り開度を維持でき、油圧モータには背圧が作用しない。したがって、この上記絞り開度は、供給ポートが閉じられたときに油圧モータに対してショックレスの機能を果たす。

第３の発明によれば、制御機構によって、アクチュエータに接続した切換制御弁を通過してタンクに流れる流量Ｑｔと、上記電磁比例切換弁を通過して油圧モータに流れる流量Ｑｍとの合計流量が、アクチュエータの戻り制御に必要とされる流量Ｑｃに等しくなるので、油圧モータに流量を供給する必要がない場合のアクチュエータの作動速度に等しくなるように、切換制御弁と電磁比例切換弁の開度を制御することができる。したがって、発電機を駆動しているときにも、オペレータは違和感なくアクチュエータを操作することができる。

第４の発明によれば、油圧モータに供給される圧油の最高圧を制御できるので、発電機が持っている許容トルクの範囲内での操作が可能である。また、このリリーフ弁の設定圧を可変にすることによって、当該装置を、許容トルクが異なるいろいろな発電機に対応させることができる。

図１に示した第１実施形態は、この発明のアクチュエータであるシリンダ１に、３位置４ポート弁である切換制御弁２を接続したもので、そのポンプポート２ａをポンプＰに接続し、タンクポート２ｂをタンクＴに接続している。また、一対のアクチュエータポート２ｃ，２ｄのうち、一方のアクチュエータポート２ｃを、通路３を介してシリンダ１のロッド側室１ａに接続し、他方のアクチュエータポート２ｄを、通路４を介してピストン側室１ｂに接続している。

上記のようにした切換制御弁２は、図示の中立位置にあるとき、各ポート２ａ〜２ｄのすべてを閉じた状態に保つ。そして、切換制御弁２が、図面左側位置に切り換わったとき、ポンプポート２ａとアクチュエータポート２ｄとが連通し、タンクポート２ｂとアクチュエータポート２ｃとが連通する。したがって、ポンプＰの吐出油は、シリンダ１のピストン側室１ｂに供給され、シリンダ１を伸長させるとともに、ロッド側室１ａからの戻り油は、タンクＴに返戻される。また、切換制御弁２を図面右側位置に切り換えると、今度は、上記ピストン側室１ｂがタンクＴに連通し、ロッド側室１ａがポンプＰに連通することになり、シリンダ１を収縮させる。

なお、この実施形態におけるシリンダ１は、そのピストン側室１ｂを下にした状態で設置される。したがって、ピストン側室１ｂをタンクＴに連通して、シリンダ１を収縮させるとき、このシリンダ１に作用している負荷によって、当該シリンダ１に慣性エネルギーや位置エネルギーが作用するとともに、このときには、通路４が戻り側の通路ということになる。また、当然のこととして、ピストン側室１ｂをポンプＰに連通させたときには、シリンダ１はそれに作用している負荷を上昇させることになるので、当該シリンダ１には負荷による慣性エネルギーは作用しない。

上記のようにした切換制御弁２を制御するのが、パイロット制御機構５である。このパイロット制御機構５は、その操作レバー５ａを操作することによって、切換制御弁２のいずれか一方のパイロット室にパイロット圧を導き、そのパイロット圧で切換制御弁２を上記のように切り換えるようにしている。

そして、上記シリンダ１が収縮動作するとき、その負荷に応じた慣性エネルギーや位置エネルギーが作用すること上記の通りであるが、このようにシリンダ１にエネルギーが作用するときに戻り側となる通路４には、２位置４ポート弁である電磁比例切換弁Ｓを接続している。この電磁比例切換弁Ｓは、電気信号に応じてその切り換え量が制御されるものである。すなわち、この電磁比例切換弁Ｓは、供給ポート６ａ，６ｂと、戻りポート７ａ，７ｂとを備えている。そして、一方の供給ポート６ａは、接続通路８を介して前記通路４に接続するとともに、他方の供給ポート６ｂは、発電機Ｇの動力源である油圧モータＭに対して供給側となる供給流路９に接続している。

また、上記一方の戻りポート７ａは、接続通路１０を介してタンクＴに接続するとともに、他方の戻りポート７ｂは、上記油圧モータＭに対して戻り側となる戻り流路１１に接続している。このようにした比例電磁切換弁Ｓは、その一方の側にスプリング１２を設けるとともに、他方の側にパイロット室１３を設けている。このパイロット室１３にはパイロット圧制御弁１４を接続しているが、このパイロット圧制御弁１４は、ソレノイド１４ａの励磁電流に応じてパイロット圧を制御するものである。したがって、パイロット圧制御弁１４は上記ソレノイド１４ａに供給された励磁電流に応じたパイロット圧を、上記パイロット室１３に導くとともに、このパイロット圧の大きさに応じて電磁比例切換弁Ｓが切り換わることになる。

上記のようにした電磁比例切換弁Ｓは、パイロット室１３にパイロット圧が作用していないとき、スプリング１２の作用で図示のノーマル位置である一方の切り換え位置を保つ。そして、この一方の切り換え位置において、上記供給ポート６ａ，６ｂが閉じられるとともに、戻りポート７ａ，７ｂは絞り開度を保った状態に維持される。また、パイロット室１３に、上記のようにパイロット圧が導かれて、電磁比例切換弁Ｓが上記ノーマル位置から他方の切り換え位置に切り換わると、上記供給ポート６ａ，６ｂおよび戻りポート７ａ，７ｂが開くが、そのときの開度は、上記したようにソレノイド１４ａの励磁電流に応じて制御されるものである。ただし、このソレノイド１４ａの励磁電流と、前記したパイロット制御機構５の操作レバー５ａの操作量とが同期するように、図示していない制御機構であるコントローラが制御している。

いずれにしても、電磁比例切換弁Ｓが、図示のノーマル位置である一方の切り換え位置にあるときには、供給流路９に圧油は導かれないので、油圧モータＭは回転せず、当然のこととして発電機Ｇも機能しない。この状態で、電磁比例切換弁Ｓを他方の切り換え位置に切り換えると、供給流路９に圧油が導かれ、戻り流路１１がタンクＴに連通するので、油圧モータＭが回転して発電機Ｇを回して発電する。

また、上記供給流路９と戻り流路１１との間には、それら両者を短絡させる短絡流路１５を設けるとともに、この短絡流路１５には、戻り流路１１から供給流路９への流れのみを許容するチェック弁１６を設けている。さらに、このチェック弁１６と並列にしたリリーフ弁１７を設け、供給流路９側の最高圧を制御するようにしている。なお、このリリーフ弁１７の設定圧を可変にすることによって、当該装置を、許容トルクが異なるいろいろな発電機に対応させることができる。さらにまた、上記供給流路９には、補給流路１８を接続し、供給流路９側における流量不足を、タンクＴから補うようにしている。なお、図中符号１９は、補給流路１８に設けたチェック弁で、タンクＴから供給流路９への流れのみを許容するものである。

次に、この第１実施形態の作用を説明する。今、切換制御弁２を図示の中立位置に保った状態から、パイロット制御機構５の操作レバー５ａを操作して、切換制御弁２を図面左側位置に切り換えたとすると、シリンダ１のピストン側室１ｂにポンプＰの吐出油が供給され、ロッド側室１ａの作動油がタンクＴに戻され、シリンダ１は伸長する。ただし、このときには、前記した図示していない制御機構であるコントローラは、比例電磁切換弁Ｓは図示のノーマル位置である一方の切り換え位置を保つために、ソレノイド１４ａを励磁しない。

上記の状態からパイロット制御機構５の操作レバー５ａを上記とは反対方向に切り換えて、切換制御弁２を図面右側位置に切り換えると、ポンプＰの吐出油がロッド側室１ａに供給されるが、ピストン側室１ｂからの排出油は、タンクＴに戻される。ただし、このときには、切換制御弁２のアクチュエータポート２ｄとタンクポート２ｂとの間には、絞り２０が形成される構成にしているが、この絞り２０の開度は、切換制御弁２の切り換えストロークに応じて変化するようにしている。

また、上記のように切換制御弁２が図面右側位置に切り換わると、上記コントローラは、切換制御弁２の切り換え量、すなわち絞り２０の開度に応じて、ソレノイド１４ａに供給する励磁電流を制御する。したがって、比例電磁切換弁Ｓの切り換え量は、上記絞り２０の開度に応じてその切り換え量が制御されることになるが、その切り換え量は次のようにして制御されるものである。

すなわち、上記切換制御弁２を通過してタンクＴに流れる流量Ｑｔと、上記電磁比例切換弁Ｓを通過して油圧モータＭに供給される流量Ｑｍとの合計流量が、シリンダ１の戻り制御に必要とされる流量Ｑｃに等しくなるようにしている。言い換えると、シリンダ１からの戻り流量の全量Ｑｃが、上記絞り２０を通過する流量Ｑｔと、比例電磁切換弁Ｓを通過する流量Ｑｍとの合計流量になるように制御される。このように流量が制御されることによって、油圧モータＭと発電機Ｇとを主要素にしてなるエネルギー変換装置を設けた場合と、それを設けなかった場合とで、オペレータが感覚するシリンダ１の操作感がほとんど違わなくなるといった効果が期待できる。

上記のようにして電磁比例切換弁Ｓが、図示の一方の切り換え位置から他方の切り換え位置に切り換わると、上記絞り２０の圧力損失分の圧油が、供給流路９に導かれるので、油圧モータＭがその圧力で回転して発電機Ｇを回し、発電機能を発揮させる。このようにして発電された電力は、図示していないバッテリーに蓄電される。そして、上記の状態で、切換制御弁２を図示の中立位置に戻すと、シリンダ１が停止するとともに、図示していない上記コントローラが機能して、電磁比例切換弁Ｓの励磁電流をゼロに設定する。したがって、電磁比例切換弁Ｓは、図示のノーマル位置である一方の切り換え位置に切り換わる。

電磁比例切換弁Ｓが、上記ノーマル位置である一方の切り換え位置に切り換われば、油圧モータＭへの圧油の供給が断たれるので、油圧モータＭは停止しようとするが、油圧モータＭおよび発電機Ｇの慣性エネルギーによって、そのエネルギーが吸収されるまで回転し続ける。このように油圧モータＭが慣性エネルギーで回転し続けると、当該油圧モータＭは、実質的にポンプ作用をする。したがって、供給流路９側から作動油を吸い込んで、戻り流路１１側に作動油を吐出するが、上記したように、電磁比例切換弁Ｓの供給ポート６ａ，６ｂが閉じられるので、油圧モータＭは、供給流路９から十分に作動油を吸い込むことができない。

しかし、このときには、油圧モータＭから戻り流路１１側に吐出された作動油は、短絡通路１５を介して、圧力が低くなっている供給流路９側に返戻される。しかも、補給流路１８からも、タンクＴの作動油が補給されるので、油圧モータＭの吸い込み側において負圧が発生してキャビテーションが発生するという問題は解消されることになる。

また、例えば、シリンダ１を伸長させたりあるいは収縮させたりする動作を、短時間で繰り返すことがあるが、このような動作を短時間で繰り返すと、比例電磁切換弁Ｓも実質的にオンオフ動作を繰り返すことになる。しかし、慣性エネルギーの大きな発電機Ｇと連結した油圧モータＭは、短時間で停止と駆動を繰り返すことができないが、この実施形態では、比例電磁切換弁Ｓが、短時間でオンオフを繰り返しても、発電機Ｇの慣性エネルギーを吸収することができるとともに、供給流路９側に負圧も発生せず、当然のこととしてキャビテーションも発生しない。

しかも、比例電磁切換弁Ｓが、図示の一方の切り換え位置に急に切り換わったとしても、戻りポート７ａ，７ｂは、絞り開度を維持しているので、油圧モータＭにショックが発生することもない。

図２に示した第２実施形態は、比例電磁切換弁Ｓを、供給側切換弁Ｓ１と、戻り側切換弁Ｓ２との２つに分けたもので、その他は、上記第１実施形態と同様である。したがって、ここでは、供給側切換弁Ｓ１および戻り側切換弁Ｓ２の構成のみを説明し、他の構成要素の説明を省略する。

上記供給側切換弁Ｓ１は、その一方にスプリング２１のバネ力を作用させ、他方にはパイロット室２２を設けている。そして、このパイロット室２２にはパイロット圧制御弁２３を接続しているが、このパイロット圧制御弁２３は、ソレノイド２３ａの励磁電流に応じてパイロット圧を制御するものである。したがって、パイロット圧制御弁２３は上記ソレノイド２３ａの励磁電流に応じたパイロット圧を上記パイロット室２２に導くとともに、このパイロット圧の大きさに応じて供給側切換弁Ｓ１が切り換わることになる。このようにした供給側切換弁Ｓ１は、２位置２ポート弁で、その供給ポート２４ａ，２４ｂは、供給側切換弁Ｓ１が図示のノーマル位置である一方の切り換え位置にあるときに閉じるとともに、パイロット室２２にパイロット圧が作用したとき、他方の切り換え位置に切り換わって上記供給ポート２４ａ，２４ｂを開く構成にしている。

また、上記戻り側切換弁Ｓ２は、供給側切換弁１と同様に、スプリング２５と、そのスプリング２５に対向する位置にパイロット室２６を設けるとともに、このパイロット室２６に導くパイロット圧を、パイロット圧制御弁２７のソレノイド２７ａの励磁電流で制御するようにしている。このようにした戻り側切換弁Ｓ２は、２位置２ポート弁で、その戻りポート２８ａ，２８ｂは、戻り側切換弁Ｓ２が図示のノーマル位置である一方の切り換え位置にあるときに絞り開度を維持するとともに、パイロット室２６にパイロット圧が作用したとき、他方の切り換え位置に切り換わって上記戻りポート２８ａ，２８ｂを開く構成にしている。

なお、この第２実施形態においても、供給ポート２４ａ，２４ｂおよび戻りポート２８ａ，２８ｂの開度は、図示していない制御機構であるコントローラによって、第１実施形態と全く同様に制御されるものである。

また、第１，２実施形態のいずれにおいても、アクチュエータがシリンダの場合には、このシリンダに慣性エネルギーと位置エネルギーとが作用するが、アクチュエータが、例えば、回転系の油圧モータの場合には、慣性エネルギーのみが作用する。したがって、シリンダの場合には、慣性エネルギーと位置エネルギーとの両方を吸収しなければならないが、油圧モータの場合には慣性エネルギーのみを吸収すれば足りることになる。

第１実施形態の回路図である。 第２実施形態の回路図である。

符号の説明

１ アクチュエータであるシリンダ
Ｓ 電磁比例切換弁
Ｓ１ 供給側切換弁
Ｓ２ 戻り側切換弁
６ａ，６ｂ 供給ポート
２４ａ，２４ｂ 供給ポート
７ａ，７ｂ 戻りポート
２８ａ，２８ｂ 戻りポート
Ｍ 油圧モータ
Ｇ 発電機
１１ 戻り流路
１５ 短絡流路
１６ チェック弁
１７ リリーフ弁
１８ 補給流路

Claims (4)

1. 切換弁の切り換え位置に応じて、アクチュエータからの戻り流れを油圧モータに導き、この油圧モータからの戻り流れを、上記切換弁を介してタンクに還流させる一方、上記油圧モータに発電機を連結し、油圧モータの回転力で発電機を駆動して発電するエネルギー変換装置において、上記切換弁と油圧モータとを接続する供給流路と戻り流路との間に短絡流路を設け、この短絡流路には戻り流路から供給流路への流通のみを許容するチェック弁を設け、上記供給流路には作動油を補給するための補給流路を接続したことを特徴とするエネルギー変換装置。
2. 上記切換弁を、一又は一対の電磁比例切換弁とするとともに、この電磁比例切換弁は、上記供給流路に連通する供給ポートを閉じるとともに、戻り流路に連通する戻りポートが絞り開度を維持する一方の切り換え位置と、上記供給ポートおよび戻りポートを電磁比例的に開く他方の切り換え位置とを有する請求項１記載のエネルギー変換装置。
3. アクチュエータを制御する切換制御弁を設け、上記アクチュエータに慣性エネルギーや位置エネルギーが作用したときに戻り側となる通路と、上記電磁比例切換弁の供給ポートとを接続する一方、上記切換制御弁を通過してタンクに流れる流量Ｑｔと、上記電磁比例切換弁を通過して油圧モータに流れる流量Ｑｍとの合計流量が、アクチュエータの戻り制御に必要とされる流量Ｑｃに等しくなる関係を保って、上記切換制御弁と電磁比例切換弁の開度とを制御する制御機構を設けた請求項１または２記載のエネルギー変換機構。
4. 上記供給流路と戻り流路との間にリリーフ弁を設け、このリリーフ弁によって、供給流路の最高圧を設定した請求項１〜３のいずれかに記載のエネルギー変換装置。

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