JP2007516392A - 動力システム及びそれを使用する作業機械 - Google Patents

Abstract

本発明において、動力システム（１４）は、移動可能なプランジャ（１９）によって互いに分離された第１の流体容量（２３）および第２の流体容量（２４）を定める少なくとも１つの油圧シリンダ（１５）を含む。油圧シリンダ（１５）内に生成された液圧パワーは、少なくとも第１の流体容量（２３）に流体接続される流体駆動回転装置（３５）によって機械的パワーに変換される。発電機（３７）は、流体駆動回転装置（３５）に取り付けられ、またバッテリ（４０）およびコンデンサ（３９）の少なくとも１つを含む電力貯蔵システム（３８）に蓄積される電気的パワーを生成する。蓄積された電気的パワーは、油圧ポンプ（２２）を作動させるように作動可能な電動モータ（２１）に供給できる。油圧ポンプ（２２）により、作動油が油圧シリンダ（１５）に供給される。本発明の動力システム（１４）は、望ましくない排出源、騒音源および振動源となることがあるディーゼルエンジンを含む動力システムよりも比較的安価でありかつ有効な代替案である。

Description

本発明は、一般に、動力システム、より具体的には、作業機械内でエネルギを回収できる動力システムに関する。

ディーゼルエンジンは、種々のタイプの作業機械を作動させるために頻繁に使用される。種々の改良が、長年にわたってディーゼルエンジンに行われてきたにもかかわらず、ディーゼルエンジンには、振動源および騒音源のみならず、二酸化炭素（ＣＯ_２）、酸化窒素（ＮＯ_ｘ）、未燃焼の炭化水素およびすすのような望ましくない排出もなお残存する。これらのすべては、地球温暖化および大気汚染の一因となっていることが確認されている。

長年にわたって、騒音および振動と共に、望ましくない排出を減少させるために、エンジニアは、ディーゼルエンジンの使用を減らすように試みてきた。例えば、作動油を油圧シリンダに供給する油圧ポンプを作動させるために、作業機械にはディーゼルエンジンが頻繁に使用される。油圧シリンダ内における錘駆動プランジャの移動により、作業機械のローダ、掘削機等のような器具が移動させられる。プランジャが錘の荷重を受けて後退すると、後退するプランジャの下方のシリンダの減少する容量から押し出される作動油によって生成されるいくらかの液圧パワーが得られ再利用することができる。シリンダから押し出される作動油は、後退するプランジャの上方のシリンダ内の増加する容量に流れることができる。このようにして、後退中に、作動油の流れによって生成されたいくらかのエネルギを回収でき、またポンプからの作動油流量を減少させることができ、これによって、ポンプを作動させるのに必要なディーゼルエンジンの出力も減少させられる。

プランジャと錘とを連結するロッドの範囲により、シリンダ内の後退するプランジャの上方の拡張する容量は、後退するプランジャの下方の減少する容量よりも小さくなることが多い。したがって、プランジャの後退中に、プランジャの下方の減少する容量から押し出される流体は、プランジャの上方の増加する容量を充填するのに必要な流体よりも多くなる。シリンダの減少する容量から作動油タンクに流れる過剰作動油を搾取するために、絞り弁が使用される。このようにして、プランジャの下方の減少する容量から流れる作動油のほぼ半分だけが、プランジャの上方の増加する容量に供給される。動力システムから搾取される高圧作動油の流れはかなりの量になるため、エネルギ回収率は低すぎて効率的でない。さらに、プランジャがシリンダ内で後退する場合にのみ、エネルギ回収が行われ、これによって、エネルギ回収の効率がさらに低減する。

エネルギ回収を高めるために、エンジニアは、プランジャの後退によって生じる加圧された作動油の流れから得られるエネルギを蓄積する方法を発見した。例えば、２００２年７月１０日に公開された（特許文献１）の特許要約書は、後退するプランジャの下方の減少する容量から流体タンクに搾取される作動油の過剰な流れを使用して、発電機を作動させるタービンを作動させることもできることを示している。発電機によって生成された電流は水タンクに供給することができ、この水タンクにおいて、電解により、水が水素と酸素に分離される。水素は、水素吸蔵合金電池に蓄積および貯蔵できる。必要なときに、改質器に生成された水素を水素ガスに補い、その水素ガスを燃料電池に供給することができ、この燃料電池において、水素が酸素と再結合して、加熱水および電流が生成される。電流は、油圧ポンプを作動させる電動モータに供給される。したがって、ディーゼルエンジンは、回収された液圧パワーによって最終的に部分的に駆動される電動モータに置き換えることができ、これによって、なおさらに、望ましくない排出、騒音および振動を低減し、またエネルギ回収の効率を向上させる。

燃料電池によって作動される電動モータは、望ましくない排出、騒音および振動を減少させるが、なお、改善の余地がある。電動モータの使用においても、シリンダの減少する容量から流体タンクへの過剰な作動油の流れは、タービンを作動させる前に、絞り弁によって絞られる。したがって、流れの液圧パワーのいくらかは、発電機を作動させるために使用されるのではなく無駄になる。さらに、燃料電池、水素吸蔵合金電池および改質器は比較的高価であり、問題となり得る。

特開２００２−１９５２１８号公報

本発明は、１つ以上の上述の問題を克服することに関する。

本発明の一形態では、動力システムは、油圧ポンプを作動させるように作動可能な電動モータを含む。少なくとも１つの油圧シリンダは油圧ポンプに流体接続される。油圧シリンダによって定められた第１の流体容量および第２の流体容量は、移動可能なプランジャによって互いに分離される。発電機を作動させるように作動可能な流体駆動回転装置は、少なくとも油圧シリンダの第１の流体容量に流体接続される。発電機および電動モータは、バッテリおよびコンデンサの少なくとも１つを含む電力貯蔵システムと電気連通する。

本発明のさらに他の形態では、動力システムを作動させる方法がある。油圧シリンダ内に生成された液圧パワーは、発電機を作動させるために機械的パワーに変換される。発電機によって生成された電気的パワーは、バッテリおよびコンデンサの少なくとも１つに蓄積される。バッテリおよびコンデンサの少なくとも１つからの電気的パワーは、油圧ポンプを作動させるために、油圧ポンプに結合されている電動モータに供給される。作動油は、油圧ポンプを作動させることによって、少なくとも部分的に、油圧シリンダに供給される。

図１を参照すると、作業機械１０の側面図が示されている。作業機械１０は、器具が取り付けられる作業機械本体１１を含む。作業機械１０はローダ１２として示されているが、本発明は、任意のタイプの流体圧制御式器具を含む作業機械に適用できることを理解すべきである。さらに、本発明は、２つ以上の器具を含む作業機械に適用できる。その上、本発明は、器具以外の装置を作動させるために使用されかつ／または建設作業機械以外の車両内にある動力システムに適用できる。

ローダ１２は、器具制御装置１７によって制御される。作業機械１０は、操作者のシートのアームに取り付けられる器具制御装置１７を含むが、当業者は、操作者の手が届く範囲内にある操作者の制御ステーション内の任意の箇所に器具制御装置１７を位置決めすることができることを理解するであろう。器具制御装置１７は、器具連通ライン１８を介して、作業機械本体１１に取り付けられた動力システム１４と電気連通することが好ましい。動力システム１４は、油圧シリンダ１５へのおよびそこからの作動油の流れを制御する種々の弁（図２に図示）を含む。ローダ１２は、油圧シリンダ１５内においてプランジャ１９（図２に図示）の移動と共に移動するように動作可能に連結されるバケット１６を含む。図示した実施例では、油圧シリンダ１５は、ローダバケット１６を上げ下げするために、ローダ１２の一対のアーム１３を上下に移動させるように作動可能である。１つのみの油圧シリンダ１５のために、作業機械１０について説明してきたが、本発明は、任意の数の油圧シリンダを含む動力システムを意図していることを理解すべきである。例えば、作業機械１０は、水平軸線を中心とするローダバケット１６の移動を制御する第２の油圧シリンダを含み得る。

図２を参照すると、図１の作業機械１０内の動力システム１４の概略図が示されている。動力システム１４は、電動モータ２１によって作動されるように構成される油圧ポンプ２２を含む。動力システム１４は、作動油を油圧ポンプ２２を介して油圧シリンダ１５に供給するための手段５４を含む。油圧シリンダ１５は、油圧ポンプ２２からの作動油を受け入れるように構成される。油圧ポンプ２２は、供給ライン２５を介して、油圧シリンダ１５によって定められた第１の流体容量２３および第２の流体容量２４に流体接続可能である。第１の流体容量２３および第２の流体容量２４も、タンクライン４６を介して作動油タンク３４に流体接続可能である。供給ライン２５およびタンクライン４６は、共通部分４７ａと４７ｂを共有する。第１の流体容量２３および第２の流体容量２４は、供給ライン２５および共通部分４７ａと４７ｂを介して互いに流体接続可能である。

移動可能なプランジャ１９は、第１の流体容量２３と第２の流体容量２４とを分離する。ロッド４５により、プランジャ１９が、油圧シリンダ１５内でプランジャ１９を移動させるように動作可能な錘４４（ローダバケット１６）に連結される。ローダアーム１３を下げるために、プランジャ１９は錘４４を受けて後退し、またローダアーム１３を上げるために、プランジャ１９は錘４４に抗して前進する。当業者は、油圧ポンプ２２によって作動油を第２の容量２４に供給することにより、後退速度を速めることができることを認識するであろう。第１の流体容量２３は、錘４４のプランジャ１９とは反対側に位置決めされ、また第２の流体容量２４は、錘４４のプランジャ１９と同一側に位置決めされる。ロッド４５によってスペースが消費されることにより、プランジャ１９が後退および前進するときに、第１の流体容量２３の断面２３ａは、第２の流体容量２４の断面２４ａよりも大きくなる。

供給ライン２５は、第１、第２および第３の弁２６、２７および２８を含み、またタンクライン４６は第４の弁２９を含む。弁２６、２７、２８および２９は、油圧シリンダ１５へのおよびそこからの流れを制御する。弁２６、２７、２８および２９は、第１、第２、第３および第４の弁連通ライン３０、３１、３２および３３を介して電子制御モジュール２０とそれぞれ電気連通することが好ましい。さらに、器具制御装置１７は、制御連通ライン１８を介して電子制御モジュール２０と連通する。このようにして、ローダバケット１６の所望の位置に対応する器具制御装置１７の位置は、器具連通ライン１８を介して電子制御モジュール２０に伝達できる。次に、電子制御モジュール２０は、ローダバケット１６の所望の移動を達成するのに必要な作動油の流れを生成するために、それぞれの弁２６、２７、２８および２９の位置を判断できる。本発明から逸脱することなく、制御装置を弁に直結することも可能である。

器具制御装置１７が中立位置にあることを電子制御モジュール２０が判断した場合、電子制御モジュール２０は、弁２６が開位置にあることを保証し、作動油の流れが油圧ポンプ２２から流体タンク３４に流れることを許容する。電子制御モジュール２０が、器具制御装置１７の位置によって、操作者がローダバケット１６を上げようとしていることを判断した場合、電子制御モジュール２０は、弁２６が閉位置にあり、また弁２８が開位置に向かって移動されることを保証する。このようにして、作動油は、油圧ポンプ２２から供給ライン２５を介して油圧シリンダ１５の第１の流体容量２３に流れることができる。電子制御モジュール２０は、弁２７が閉位置にあり、また弁２９が開位置にあることも保証し、作動油が第２の流体容量２４から流体タンク３４に流れることを許容する。このようにして、プランジャ１９は、錘４４に抗して前進でき、ローダバケット１６が上方に移動させられる。操作者がローダバケット１６を下げようとしていることを電子制御モジュール２０が判断した場合、電子制御モジュール２０は、弁２６および弁２９が閉位置にあり、また弁２７と２８が開位置に向かって移動されることを保証でき、作動油が、油圧ポンプ２２および第１の流体容量２３の両方から油圧シリンダ１５の第２の流体容量２４に流れることを許容する。さらに、作動油は第２の流体容量２４から弁２９を通って流体タンク３４に流れることもできる。このようにして、プランジャ１９は、錘４４を受けて後退して、供給された液圧パワーを汲み上げることができ、ローダバケット１６が下方に移動させられる。

動力システム１４は、油圧シリンダ１５内に生成された液圧パワーを機械的パワーに変換するための手段５０を含む。手段５０は、好ましくは可変容量形油圧モータ３５を含む流体駆動回転装置５５を含む。可変容量形油圧モータ３５は、油圧シリンダ１５内に生成された液圧パワーによって作動されるように構成される。電子制御モジュール２０は、モータ連通ライン３６を介して可変容量形油圧モータ３５とも連通する。流体駆動回転装置５５は可変容量形油圧モータ３５であることが好ましいが、タービンのような種々の流体駆動回転装置を使用し得ることを理解すべきである。可変容量形油圧モータ３５は、油圧シリンダ１５の第１の流体容量２３とタンクライン４６との間に流体的に配置される。このようにして、プランジャ１９が後退するときに、可変容量形油圧モータ３５を作動させるために、第１の流体容量２３から第２の流体容量２４に向かって流れる加圧された流体の部分を偏向させて使用することができる。電子制御モジュール２０が、器具制御装置１７の位置によって、操作者がローダバケット１６を下げようとしていることを判断した場合、電子制御モジュール２０は、プランジャ１９の所望の後退速度、したがって、ローダ１２のローダバケット１６の所望の下降速度を達成するために、可変容量形油圧モータ３５の押しのけ容積を変化させる。

動力システム１４は、可変容量形油圧モータ３５の機械的パワーを電気的パワーに変換するための手段５１も含む。手段５１は、可変容量形油圧モータ３５によって作動されるようにまた電気的パワーをバッテリ４０および／またはコンデンサ３９に供給するように構成される発電機３７を含む。可変容量形油圧モータ３５は、従来の方法で発電機３７に取り付けられる。可変容量形油圧モータ３５の回転により、電気的パワーを生成する発電機３７が作動される。発電機３７は、貯蔵連通ライン４１を介して電力貯蔵システム３８と電気連通する。動力システム１４は、電気的パワーをバッテリ４０およびコンデンサ３９に蓄積するための手段５２を含む。電力貯蔵システム３８はコンデンサまたはバッテリを含み得るが、電力貯蔵システム３８は、比較的大きな蓄積容量を含むコンデンサ３９、および比較的小さな蓄積容量を含むバッテリ４０の両方を含むことが好ましい。必要なときに、再充電するために、バッテリ４０および／またはコンデンサ３９を外部電源に周期的に接続できる。バッテリ４０およびコンデンサ３９は、蓄積された電気的パワーを電動モータ２１に供給するように構成される。このようにして、動力システム１４は、バッテリ４０およびコンデンサ３９からの電気的パワーを、油圧ポンプ２２に結合されている電動モータ２１に供給するための手段５３を含む。バッテリ４０は、電気供給ライン４２を介して電動モータ２１と電気連通する。手段５３は、バッテリ４０からのＤＣ電流を、電動モータ２１内で用いるためのＡＣ電流に変換するために、電気供給ライン４２内に位置決めされる変換器４３を含むことが好ましい。

図１と図２を参照して、作業機械１０内に含まれる動力システム１４の作動に関して、本発明について説明する。動力システム１４は、油圧作動されるローダ１２を駆動させるが、本発明は、種々の作業機械器具および／または補助システムを駆動させる動力システムを意図していることを理解すべきである。さらに、本発明は、作業機械以外の機械および／または車両における用途を意図している。

動力システム１４を作動させるために、後退するプランジャ１９によって生成される液圧パワーは、発電機３７を駆動させる機械的パワーに変換される。操作者が、ローダバケット１６を下げるために器具制御装置１７を移動させた場合、制御装置１７の移動が、制御連通ライン１８を介して電子制御モジュール２０に伝達される。電子制御モジュール２０は、バケット１６を下げるために、弁２６、２７、２８および２９を適切に配置し、このことは、いくつかの方法で達成できる。例えば、第２の容量２４が、ポンプ２２から供給ライン２５を介して充填されるように、弁２８を閉じて、弁２７を開き得る。ポンプ２２からの過剰流体は弁２６を通ってタンク３４に送り戻すことができる。第２の代替案では、弁２７が閉じられて、容量２４が、タンク３４から、弁２９の近くに配置された逆止弁を通過した負圧によって充填される。第３の代替案は、第１および第２の代替案のある組み合わせであり得る。第４の代替案は、ポンプ２２の出力を低減してゼロにし、また弁２７と２８を開いて、容量２３から容量２４を充填することであり得る。いずれにしろ、第１の流体容量２３は、ローダバケット１６の錘、ローダアーム１３、およびローダバケット１６に存在する任意の荷重によって加圧される。第１の容量２３から押しのけられた流体のすべてまたは少なくとも一部は、そのようにして可変容量形モータ３５を通してタンク３４に送ることができる。可変容量形油圧モータ３５の押しのけ容積を変化させることによって、電子制御モジュール２０は、ローダバケット１６の所望の下降速度を達成するために、プランジャ１９の後退速度を制御する。可変容量形モータを通してタンクライン４６に向かってタンク３４に流れる加圧された作動油は、可変容量形油圧モータ３５を駆動させる。可変容量形油圧モータ３５の回転により、電気的パワーを生成する発電機３７が作動される。パワー回生のすべてを必要としない場合、第２の流体容量２４の充填を補助するために、第１の流体室２３からの流体を弁２８を通って制御可能に偏向させることができることが認識される。さらに、過剰流体が弁２８を通って第２の流体容量２４に供給される場合、第２の流体室２４の加圧を回避するために、弁２９をタンク３４に制御可能に開くことができる。

発電機３７によって生成された電気的パワーを蓄積するために、電流は発電機３７から貯蔵連通ライン４１を介してコンデンサ３９に供給される。コンデンサ３９は、バッテリ４０よりも大きな蓄積容量を有するように設計される。このようにして、コンデンサ３９は、バッテリ４０内に蓄積できない電流を蓄積できる。バッテリ４０内に蓄積された電力が、所定量よりも低下した場合、コンデンサ３９は、バッテリ４０内に電力を補充できる。したがって、パワーを必要とするまで、後退するプランジャ１９によって生成された液圧パワーをバッテリ４０およびコンデンサ３９内に電力として蓄積できる。

油圧ポンプ２２を作動させるために、バッテリ４０内に蓄積された電流は、電流供給ライン４２を介して電動モータ２１に供給される。しかし、電動モータ２１は、一般に、ＡＣ電流で作動し、また発電機３７によって生成される電流は、一般に、ＤＣ電流であるので、変換器４３が、バッテリ４０からのＤＣ電流をＡＣ電流に変換して、電動モータ２１を作動させることが好ましい。本発明は、変換器が不要である動力システムを意図していることを理解すべきである。電動モータ２１に供給される電流により、モータ２１が駆動されて、油圧ポンプ２２が作動される。次に、シリンダ１５内のプランジャ１９が前進する間に、油圧ポンプ２２により、作動油を供給ライン２５を介して第１の流体容量２３に供給できる。プランジャ１９が後退するときに、油圧ポンプ２２により、作動油を供給ライン２５を介して第２の流体容量２４に供給することもできる。プランジャ１９が後退する間、油圧ポンプ２２によって形成されている作動油は、第２の流体容量２４を充填し続け、また流体の残りは弁２６を通ってタンク３４に回避される。後退中に第１の流体容量２３から流体タンク３４に流れる加圧された作動油の過剰部分は、可変容量形油圧モータ３５を駆動させ、エネルギ回収工程がそれ自体を繰り返すことができる。回収されたエネルギは、外部電源からバッテリ４０およびコンデンサ３９に供給するのにまたバッテリ４０およびコンデンサ３９内に蓄積するのに必要なエネルギを補う。このようにして、バッテリ４０および／またはコンデンサ３９の充電時間を短縮することが可能で、外部充電の時間間隔が延長される。

本発明は、バッテリ４０とコンデンサ３９と可変容量形油圧モータ３５とを含む動力システム１４が、比較的安価でディーゼルエンジンに対する有効な代替案であるので有利である。ディーゼルエンジンを動力システムから除外することによって、地球温暖化および大気汚染の主原因であるＣＯ_２およびＮＯ_ｘのような望ましくない排出は、全くなくならないとしても、低減される。さらに、動力システム１４によって発生する騒音および振動も低減される。さらに、可変容量形油圧モータ３５によってプランジャ１９が後退する間に、第１の流体容量２３からの作動油の流れを方向付けることによって、動力システム１４は、可変容量形油圧モータ３５を通過してタンクライン４６に向かう絞られていない作動油の流れで作動させることができる。このようにして、プランジャ１９が後退する間に、第１の流体容量２３のより大きな断面２３ａからの流体の流れを調整する絞り弁を可変容量形モータ３５に置き換えることによって、動力システム１４の効率が向上する。

さらに、動力システム１４は電力貯蔵システム３８を含むので、液圧パワーは、動力システム１４内で延長使用するための電気的パワーとして蓄積できる。蓄積された電気的パワーを用いて、電動モータ２１を駆動させることができ、この結果、油圧ポンプ２２を駆動させることができる。さらに、本発明は、油圧器具システム以外のシステムの一部である追加の電気装置を作動させるために用いられる蓄積エネルギを意図する。例えば、電動モータは、同一の作業機械の冷却液システムの一部である冷却液ポンプを作動させ得る。このようにして、動力システム１４によって蓄積されるエネルギに関する種々の利用が可能となる。さらに、バッテリ４０およびコンデンサ３９は、燃料電池と水素吸蔵合金電池と改質器とを含む電力貯蔵システムと比較して、比較的安価である。

上述の説明は、例示目的のみのために意図され、本発明の範囲を限定するようには決して意図されないことを理解すべきである。したがって、当業者は、図面、開示、および添付された特許請求の範囲を検討すれば、本発明の他の形態、目的および利点を得ることができることを理解するであろう。

本発明による作業機械の実施例の側面図である。 図１の作業機械内に含まれる動力システムの概略図である。

Claims (4)

1. 動力システム（１４）であって、
   油圧ポンプ（２２）を作動させるように作動可能な電動モータ（２１）と、
   油圧ポンプ（２２）に流体接続され、かつ移動可能なプランジャ（１９）によって互いに分離された第１の流体容量（２３）および第２の流体容量（２４）を定める少なくとも１つの油圧シリンダ（１５）と、
   少なくとも油圧シリンダ（１５）によって定められた第１の流体容量（２３）に流体接続され、かつ発電機（３７）を作動させるように作動可能な流体駆動回転装置（２５）と、
   発電機（３７）と電動モータ（２１）とに電気連通するバッテリ（４０）およびコンデンサ（３９）の少なくとも１つを含む電力貯蔵システム（３８）と、
   を備える動力システム（１４）。
2. 動力システム（１４）であって、
   少なくとも１つの油圧シリンダ内に生成された液圧パワーを機械的パワーに変換するための手段（５０）と、
   機械的パワーを電気的パワーに変換するための手段（５１）と、
   電気的パワーをバッテリ（４０）およびコンデンサ（３９）の少なくとも１つに蓄積するための手段（５２）と、
   バッテリ（４０）およびコンデンサ（３９）の少なくとも１つからの電気的パワーを、油圧ポンプ（２２）に結合されている電動モータ（２１）に供給するための手段（５３）と、
   作動油を油圧ポンプ（２２）を介して少なくとも１つの油圧シリンダ（１５）に供給するための手段（５４）と、
   を備える動力システム（１４）。
3. 電気動力システム（１４）を作動させる方法であって、
   油圧シリンダ（１５）内に生成された液圧パワーを機械的パワーに変換することによって、少なくとも部分的に、発電機（３７）を作動させるステップと、
   発電機（３７）によって生成された電気的パワーをバッテリ（４０）およびコンデンサ（３９）の少なくとも１つに蓄積するステップと、
   バッテリ（４０）およびコンデンサ（３９）の少なくとも１つからの電気的パワーを、油圧ポンプ（２２）に結合されている電動モータ（２１）に供給することによって、少なくとも部分的に、油圧ポンプ（２２）を作動させるステップと、
   油圧ポンプ（２２）を作動させることによって、少なくとも部分的に、作動油を油圧シリンダ（１５）に供給するステップと、
   を含む方法。
4. 動力システム（１４）であって、
   蓄積された電気的パワーを電動モータ（２１）に供給するように構成されるバッテリ（４０）およびコンデンサ（３９）の少なくとも１つと、
   電動モータ（２１）によって作動されるように構成される油圧ポンプ（２２）と、
   油圧ポンプ（２２）からの作動油を受け入れるように構成される油圧シリンダ（１５）と、
   油圧シリンダ（１５）内に生成された液圧パワーによって作動されるように構成される流体駆動回転装置（３５）と、
   流体駆動回転装置（３５）によって作動されるようにまた電気的パワーをバッテリ（４０）およびコンデンサ（３９）の少なくとも１つに供給するように構成される発電機（３７）と、
   を備える動力システム（１４）。
   

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