JP2007263160A

JP2007263160A - エネルギー変換装置

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Publication number: JP2007263160A
Application number: JP2006086003A
Authority: JP
Inventors: Haruhiko Kawasaki; 治彦川崎; Kazuhide Maehata; 一英前畑; Keigo Yasuda; 圭吾安田; Takashi Kaai; 崇河相
Original assignee: Kayaba Industry Co Ltd
Current assignee: KYB Corp
Priority date: 2006-03-27
Filing date: 2006-03-27
Publication date: 2007-10-11
Anticipated expiration: 2026-03-27
Also published as: JP4762022B2

Abstract

【課題】バッテリーがフル充電状態になるか、あるいは発電機構に故障が生じても、オペレータの操作感が変わらないようにする。
【解決手段】コントローラＣは、シリンダ１の慣性エネルギーあるいは位置エネルギーを利用して発電しようとするとき、シリンダ１からの戻り油を、切換制御弁４を介してタンクに導く流量と、パイロット切換弁１４を介して上記発電機用油圧モータに導く流量とに振り分ける機能を発揮する。また、このコントローラには、蓄電センサー２６あるいはフェイルセーフセンサー２７のいずれか一方または双方を接続し、蓄電センサーからのフル充電信号あるいはフェイルセーフセンサーからのフェイル信号がコントローラに入力したとき、上記パイロット切換弁を閉位置に切り換える制御機能と、切換制御弁を通常制御モードに切り換える制御機能とを発揮する。
【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発電機用油圧モータを駆動するとともに、この発電機用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発電機用油圧モータに導かれるようにしている。そして、この発電機用油圧モータには発電機が連結されているので、上記戻り油で発電機用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。また、上記発電機用油圧モータからの戻り油は、そのままタンクに戻される。つまり、アクチュエータからの戻り油は、発電機に連結した発電機用油圧モータを介してタンクに戻されることになる。
特開２００４−１１１６８号

上記のようにした従来の装置では、例えば、発電機に連結したバッテリーがフル充電に近い状態になると、当然のこととして、充電量が少なくなるため、発電機の回転抵抗が小さくなる。したがって、この発電機に連結した発電機用油圧モータの負荷も小さくなり、その回転数が上昇してしまう。このようにして、発電機用油圧モータの回転数が上昇すれば、アクチュエータからの戻り油がタンクに還流するときの流動抵抗も小さくなるので、オペレータの意思とは関係なくアクチュエータの作動スピードも上昇してしまう。また、フル充電になれば、切換弁がオフの位置に切り換わるので、発電機用油圧モータには油が流れなくなる。すると、アクチュエータの戻り流量は絞りを介して戻されることになるので、アクチュエータの戻り速度が極端に遅くなる。
つまり、従来の装置では、バッテリーの充電状況によって、アクチュエータの作動速度が変化し、作業性が悪くなるという問題があった。

また何らかの原因で、発電機用油圧モータや発電機にトラブルが発生し、発電機用油圧モータの回転に影響があっても、切換弁がオフになるので、上記の場合と同じ理由で、アクチュエータの作業性が悪くなるという問題が発生していた。

この発明は、油圧ポンプとシリンダとの間に切換制御弁を設け、この切換制御弁とシリンダとの間には第１，２通路を設け、第１通路はシリンダのロッド側室と接続し、第２通路はシリンダのピストン側室に連通させ、上記切換制御弁には、パイロット操作機構からのパイロット圧を導く第１，２パイロット室を設け、パイロット操作機構の操作方向および操作量に応じて、第１パイロット室にパイロット圧を導いてピストン側室に圧油を供給するか、あるいは第２パイロット室にパイロット圧を導いてロッド側室に圧油を供給する構成にする一方、上記第２通路と発電機用油圧モータとを連通させる通路過程に、その通路を開閉するパイロット切換弁を設け、かつ、このパイロット切換弁に作用させるパイロット圧を制御する比例電磁弁を設けてなるエネルギー変換装置を前提とする。

そして、第１の発明は、第２通路をタンクに導くために切換制御弁を切換位置に保つパイロット室と、上記パイロット操作機構との間に、パイロット室に導くパイロット圧を制御する電磁減圧弁を設ける一方、上記比例電磁弁と電磁減圧弁とをコントローラに電気的に接続してなり、このコントローラは、前記パイロット操作機構からの切換信号を受信したとき、電磁減圧弁および比例電磁弁を制御する一方、このコントローラには、蓄電センサーあるいはフェイルセーフセンサーのいずれか一方または双方を接続し、蓄電センサーからのフル充電信号あるいはフェイルセーフセンサーからのフェイル信号がコントローラに入力したとき、コントローラは、上記パイロット切換弁を閉位置に切り換える制御機能と、切換制御弁を通常制御モードに切り換える制御機能とを発揮する点に特徴を有する。

第２の発明は、上記第２通路をタンクに導くための切換制御弁の切換位置において、上記第２通路を第１通路側に短絡させるための再生流路と、この再生流路内であって上記第２通路側から第１通路側への流通のみを許容するチェック弁と、第２通路の戻り流れに対して上記再生流路よりも下流側に設けた可変絞りとを備えた点に特徴を有する。

第１、第２の発明によれば、フル充電に達したときあるいは故障等が発生したときにも、アクチュエータの作動速度に影響を及ぼしたり、作業の効率を落としたりしない。
また、切換制御弁に絞り機能をもたせたので、上記信号に基づいて絞り機能を発揮する他の制御弁を設ける必要がない。したがって、その分製造コストを低減することができるとともに、設置スペースを小さくすることができる。
しかも、ピストン側室からの戻り流体の一部が、再生流路を介して供給側となる通路に再生供給されるため、ポンプから吐出される圧力流体の供給不足を補うことができる。

図１に示したこの実施形態のシリンダ１は、ロッド３を固定したピストン２によってロッド側室１ａとピストン側室１ｂとに区画される。このようにしたシリンダ１は、ポンプＰに接続するが、その接続過程には、３位置４ポート弁であるクローズドセンタ形のパイロットバルブからなる切換制御弁４を設けている。この切換制御弁４は、そのポンプポート４ａをポンプＰに接続し、タンクポート４ｂ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４ｃ，４ｄのうち、一方のアクチュエータポート４ｃを、第１通路５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４ｄを、第２通路６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４は、図示の中立位置にあるとき、各ポート４ａ〜４ｄのすべてを閉じた状態に保つ。そして、切換制御弁４のパイロット室７にパイロット圧を作用させて、切換制御弁４が図面左側位置に切り換わると、ポンプポート４ａとアクチュエータポート４ｄとが連通し、タンクポート４ｂとアクチュエータポート４ｃとが連通する。また、切換制御弁４のパイロット室８にパイロット圧を作用させて、切換制御弁４を図面右側位置に切り換えると、今度は、ポンプポート４ａとアクチュエータポート４ｃとが連通し、タンクポート４ｂとアクチュエータポート４ｄとが連通する。このように、切換制御弁４のパイロット室７，８にパイロット圧を作用させることによって、ポンプＰから吐出される吐出油を通路５側に導いたり、通路６側に導いたりする。

また、切換制御弁４の上記右側切換位置において、第２通路６に連通するアクチュエータポート４ｄをタンクポート４ｂに連通する流路過程に可変絞り９を設けている。また、上記第２通路６の戻り流れに対して、可変絞り９よりも上流側となる位置から、アクチュエータポート４ｄをアクチュエータポート４ｃに短絡させる再生流路１０を設けるとともに、この再生流路１０には、アクチュエータポート４ｄからアクチュエータポート４ｃへの流通のみを許容するチェック弁１１を設けている。

なお、上記可変絞り９は、切換制御弁４の切換ストロークに応じて、その開度が制御されるもので、切換制御弁４の切換ストロークが大きくなれば、可変絞り９の絞り効果はほとんどなくなる。また、この可変絞りの効果がほとんど発揮されなくなる状況を、この発明では、通常制御モードとしている。
上記のようにしたので、可変絞り９が絞り機能を発揮している限り、アクチュエータポート４ｄからの戻り流量は、再生流路１０を介してアクチュエータポート４ｃに還流されることになる。ただし、このときの還流流量は、ロッド側室１ａにおけるロッド３の体積分に相当する流量を最大とするものである。

そして、上記切換制御弁４に導くパイロット圧を制御するのがパイロット操作機構１２である。このパイロット操作機構１２は、それを操作することによって、切換制御弁４のいずれか一方のパイロット室７、８にパイロット圧を導き、そのパイロット圧で切換制御弁４を切り換えるようにしている。なお、パイロット操作機構１２にはコントローラＣが電気的に接続されており、その操作状況がコントローラＣに電気信号として発信される。さらに、上記パイロット室８とパイロット操作機構１２との間には、電磁減圧弁Ｒを接続するとともに、この電磁減圧弁ＲをコントローラＣに電気的に接続している。そして、この電磁減圧弁Ｒは、コントローラＣからの指令信号に応じて、切換制御弁４のパイロット室８に導くパイロット圧を制御し、切換制御弁4の切換ストロークを制御するようにしている。

また、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。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が、このときにも当該シリンダ１に慣性エネルギーが作用するが、この慣性エネルギーはほとんど無視しうる程度のものである。

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第２通路６は、接続通路１３を介して２位置４ポート弁であるパイロット切換弁１４を接続している。このパイロット切換弁１４は、供給ポート１４ａ，１４ｂと、戻りポート１４ｃ，１４ｄとを備えている。そして、一方の供給ポート１４ａは、接続通路１３を介して前記第２通路６に接続するとともに、他方の供給ポート１４ｂは、発電機用油圧モータＭに対して供給側となる供給流路１５に接続している。なお、発電機用油圧モータＭは発電機Ｇの動力源であり、発電機用油圧モータＭが回転することによって発電機Ｇが発電するとともに、発電機Ｇによって発電された電力が図示していないバッテリーに蓄電される。

また、パイロット切換弁１４の上記一方の戻りポート１４ｃは、戻り通路１６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１４ｄは、上記発電機用油圧モータＭに対して戻り側となる戻り通路１７に接続している。このようにしたパイロット切換弁１４は、その一方の側にスプリング１８を設けるとともに、他方の側にパイロット室１９を設けている。このパイロット室１９には比例電磁弁２０を接続しているが、この比例電磁弁２０は、そ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、比例電磁弁２０は上記励磁電流に応じたパイロット圧を、上記パイロット室１９に導くとともに、このパイロット圧の大きさに応じてパイロット切換弁１４が切り換わることになる。

上記のようにしたパイロット切換弁１４は、パイロット室１９にパイロット圧が作用していないとき、スプリング１８の作用で一方の切り換え位置である図示のノーマル位置を保つ。そして、このノーマル位置においては、上記供給ポート１４ａ，１４ｂが閉じられるとともに、戻りポート１４ｃ，１４ｄ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１９に、上記のようにパイロット圧が導かれて、パイロット切換弁１４が上記ノーマル位置から他方の切り換え位置である連通位置に切り換わると、上記供給ポート１４ａ，１４ｂおよび戻りポート１４ｃ，１４ｄが開くが、そのときの開度は、上記したように比例電磁弁２０の励磁電流に応じて制御される。ただし、この比例電磁弁２０の励磁電流と、前記したパイロット操作機構１２の操作量とが連動するように上記コントローラＣが制御している。

いずれにしても、パイロット切換弁１４が、図示のノーマル位置にあるときには、供給流路１５にピストン側室１ｂからの戻り油は導かれないので、発電機用油圧モータ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、パイロット切換弁１４が連通位置に切り換わると、供給流路１５に上記戻り油が導かれ、戻り通路１７がタンクＴに連通するので、発電機用油圧モータＭが回転するとともに発電機Ｇを回して発電し、このようにして発電された電力が前記バッテリーに蓄電される。

また、上記供給流路１５と戻り通路１７との間には、それら両者を短絡させる短絡通路２１を設けるとともに、この短絡通路２１には、戻り流路１７から供給流路１５への流れのみを許容するチェック弁２２を設けている。さらに、このチェック弁２２と並列にしたリリーフ弁２３を設け、供給流路１５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２３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１５には、補給流路２４を接続し、供給流路１５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２５は、補給流路２４に設けたチェック弁で、タンクＴから供給流路１５への流れのみを許容するものである。

また、上記コントローラＣには、前記バッテリーの蓄電状況を検出する蓄電センサー２６と、発電システムの故障を検出するフェイルセーフセンサー２７とが接続されている。

次に、この実施形態の作用を説明する。今、切換制御弁４を図示の中立位置に保った状態から、パイロット操作機構１２を操作して、切換制御弁４を図面左側位置に切り換えると、パイロット操作機構１２の操作が供給信号としてコントローラＣに送信される。供給信号を受信したコントローラＣは、比例電磁弁２０を非励磁の状態にして、パイロット切換弁１４を図示のノーマル位置に保つ。したがって、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るとともに、ロッド側室１ａの作動油がタンクＴに戻されて、シリンダ１は伸長するが、発電機用油圧モータＭは作動しない。

上記の状態からパイロット操作機構１２を上記とは反対方向に切り換えて、切換制御弁４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、シリンダ１は収縮するが、このときには、シリンダ１に慣性エネルギーあるいは位置エネルギーが作用することになり、ピストン側室１ｂからの戻り油は、次のように制御される。

すなわち、上記のようにシリンダ１が収縮するときには、その戻り油が可変絞り９を介してタンクＴに戻されるが、このときに圧力損失が発生する。しかも、ロッド側室１ａへの供給流量に対して、ピストン側室１ｂからの戻り流量の方が、ロッド３の体積分だけ多くなるので、上記のように可変絞り９で圧力損失を発生させれば、上記戻り流量を再生流路１０と、接続通路１３とに振り分けることができる。そして、上記再生流路１０に振り分けられる流量は、パイロット操作機構１２の操作量に比例したものになるが、それは、コントローラＣが電磁減圧弁Ｒを制御することによって、実質的に制御される。すなわち、コントローラＣは、パイロット操作機構１２の操作量に応じたシリンダ１の作動速度を維持するために必要な供給流量を演算し、その流量に応じて電磁減圧弁Ｒを励磁の状態に制御するとともに、切換制御弁４のパイロット室８に導くパイロット圧を制御する。このようにして制御された上記パイロット圧によって、再生流量とポンプ吐出量とを合計した流量が、上記作動速度を維持するために必要な流量になるように、切換制御弁４の切換ストロークが制御される。

また、上記のようにシリンダ１の作動速度を維持するのに必要な流量以上の流量が、戻り流量となっていれば、その余剰流量が接続通路１３を介して発電機用油圧モータＭに供給されることになる。もちろん、このときには、コントローラＣが比例電磁弁２０を制御して、パイロット切換弁１４を上記連通位置に切り換える。したがって、上記のように余剰流量が確保された段階で、発電機用油圧モータＭが回転して所期の発電機能を発揮することになる。つまり、シリンダ１に作用している負荷によって、シリンダ１の慣性エネルギーあるいは位置エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。

そして、バッテリーに電力が蓄えられた結果、バッテリーがフル充電状態になると、蓄電センサー２６がコントローラＣにフル充電信号を発信する。コントローラＣはフル充電信号を受信すると、比例電磁弁２０を制御して、パイロット切換弁１４を図示のノーマル位置に復帰させる。その結果、接続通路１３と供給流路１５とが遮断されて発電機能が中断される。また、このときには、コントローラＣが、電磁減圧弁Ｒの開度を大きくして、パイロット操作機構１２からのパイロット圧のすべてを切換制御弁４のパイロット室８に導き、その切換ストロークを大きくする。このように切換ストロークが大きくなれば、それに比例して可変絞り９の開度も大きくなるので、発電機用油圧モータＭに供給されていた余剰流量は、上記可変絞り９を介してタンクＴに導かれることになる。したがって、パイロット操作機構１２に対するオペレータの操作感には、何の影響も及ぼすことはない。

また、バッテリーがフル充電状態にない場合であっても、発電機用油圧モータＭや発電機Ｇに異常が生じた場合には、フェイルセーフセンサー２７がフェイル信号を発信するとともに、フェイル信号を受信したコントローラＣが、上記フル充電信号を受信したときと同様に制御するので、オペレータの操作感に影響を及ぼすことはない。

上記実施形態によれば、コントローラＣが、パイロット操作機構からの供給信号、蓄電センサー２６からのフル充電信号、フェイルセーフセンサー２７からのフェイル信号に基づいて、電磁減圧弁Ｒおよび比例電磁弁２０を制御するので、フル充電に達したときあるいは故障等が発生したときにも、シリンダ１の作動速度に影響を及ぼしたり、作業の効率を落としたりしない。

なお、パイロット切換弁１４が、上記ノーマル位置に切り換われば、発電機用油圧モータＭへの戻り油の供給が断たれるので、発電機用油圧モータＭは停止しようとするが、発電機用油圧モータ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。このように発電機用油圧モータＭが慣性エネルギーで回転し続けると、当該発電機用油圧モータＭは、実質的にポンプ作用をする。したがって、供給流路１５側から作動油を吸い込んで、戻り通路１７側に作動油を吐出するが、上記したように、パイロット切換弁１４の供給ポート１４ａ，１４ｂが閉じられるので、発電機用油圧モータＭは、供給流路１５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、発電機用油圧モータＭから戻り通路１７側に吐出された作動油は、短絡通路２１を介して、圧力が低くなっている供給流路１５側に戻される。しかも、補給流路２４からも、タンクＴの作動油が補給されるので、発電機用油圧モータＭの吸い込み側において負圧による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、パイロット切換弁１４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と連結した発電機用油圧モータＭは、一般に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、パイロット切換弁１４がノーマル位置にあるとき、その戻りポート１４ｃ，１４ｄ間に絞りを設けたので、短時間でオンオフを繰り返しても、油圧モータは慣性で回転しつづけながら発電機Ｇの慣性エネルギーを吸収することができるとともに、供給通路１５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、パイロット切換弁１４が、図示のノーマル位置に急に切り換わったとしても、戻りポート１４ｃ，１４ｄは、絞り開度を維持しているので、発電機用油圧モータＭにショックが発生することもない。

この実施形態の回路図である。切換制御弁の記号を拡大して示した図である。

符号の説明

１シリンダ
１ａロッド側室
１ｂピストン側室
４切換制御弁
５第1通路
６第２通路
７，８パイロット室
９可変絞り
１０再生流路
１１チェック弁
１２パイロット操作機構
１４パイロット切換弁
２０比例電磁弁
２６蓄電センサー
２７フェイルセーフセンサー
Ｍ発電機用油圧モータ
Ｔタンク
Ｃコントローラ
Ｒ電磁減圧弁

Claims

油圧ポンプとシリンダとの間に切換制御弁を設け、この切換制御弁とシリンダとの間には第１，２通路を設け、第１通路はシリンダのロッド側室と接続し、第２通路はシリンダのピストン側室に連通させ、上記切換制御弁には、パイロット操作機構からのパイロット圧を導く第１，２パイロット室を設け、パイロット操作機構の操作方向および操作量に応じて、第１パイロット室にパイロット圧を導いてピストン側室に圧油を供給するか、あるいは第２パイロット室にパイロット圧を導いてロッド側室に圧油を供給する構成にする一方、上記第２通路と発電機用油圧モータとを連通させる通路過程に、その通路を開閉するパイロット切換弁を設け、かつ、このパイロット切換弁に作用させるパイロット圧を制御する比例電磁弁を設けてなるエネルギー変換装置において、第２通路をタンクに導くために切換制御弁を切換位置に保つパイロット室と、上記パイロット操作機構との間に、パイロット室に導くパイロット圧を制御する電磁減圧弁を設ける一方、上記比例電磁弁と電磁減圧弁とをコントローラに電気的に接続してなり、このコントローラは、前記パイロット操作機構からの切換信号を受信したとき、電磁減圧弁および比例電磁弁を制御する一方、このコントローラには、蓄電センサーあるいはフェイルセーフセンサーのいずれか一方または双方を接続し、蓄電センサーからのフル充電信号あるいはフェイルセーフセンサーからのフェイル信号がコントローラに入力したとき、コントローラは、上記パイロット切換弁を閉位置に切り換える制御機能と、切換制御弁を通常制御モードに切り換える制御機能とを発揮するエネルギー変換装置。
上記第２通路をタンクに導くための切換制御弁の切換位置において、上記第２通路とタンクとを連通させる流路過程に設けた可変絞りと、第２通路の戻り流れに対して上記可変絞りよりも上流側となる位置にあって、上記第２通路を第１通路側に短絡させるための再生流路と、この再生流路内であって上記第２通路側から第１通路側への流通のみを許容するチェック弁とを備えた請求項１記載のエネルギー変換装置。