JP2008095788A - エネルギー回生システム - Google Patents

Abstract

【課題】油圧アクチュエータからの排出油の有する油圧エネルギーを回転エネルギーに変換する再生用油圧モータと、該再生用油圧モータの回転エネルギーを電気エネルギーに変換して回生する発電機とを備えてなるエネルギー回生システムにおいて、再生用油圧モータおよび発電機の大型化を回避すると共に、効率の良いエネルギー回生を行えるようにする。
【解決手段】再生用油圧モータ１３の上流側のヘッド側排出油路１２に、ブームシリンダ８のヘッド側油室８ａからの排出油を蓄圧するアキュムレータ１７と、再生用油圧モータ１４の回転速度に応じてアキュムレータ１７への油の流入、流出を制御する電磁比例チェック弁１９とを接続した。
【選択図】図２

Description

本発明は、油圧アクチュエータからの排出油の有する油圧エネルギーを電気エネルギーに変換して回生するエネルギー回生システムの技術分野に属するものである。

一般に、油圧ショベルやクレーン等の作業機械は、昇降自在な作業部を備えると共に、該作業部の昇降は、油圧ポンプから圧油供給される油圧シリンダの伸縮作動に基づいて行うように構成されているが、このものにおいて、作業部の重量は、油圧シリンダの重量保持側油室の圧力によって保持されており、而して、作業部の下降時に油圧シリンダの重量保持側油室から排出される油は、大きな油圧エネルギーを有していることになる。そこで、排出油の有する油圧エネルギーを回収して再利用できるように構成したエネルギー回生システムがすでに知られているが、この様なエネルギー回生システムの一つとして、油圧アクチュエータからの排出油により駆動する油圧モータと、該油圧モータの駆動力が入力されることで電気エネルギーを発生する発電機と、該発電機によって発生する電気エネルギーを貯蓄するバッテリとを設けた技術が提唱されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２０００−１３６８０６号公報

ところで、油圧ショベル等の作業機械では、作業部の下降作業における速度変化が大きく、このため、前記特許文献１のように油圧モータと発電機とを用いてエネルギーを回生しようとした場合、最大下降速度時における油圧エネルギーを回生するためには、大型の油圧モータや発電機が必要となる。さらに、作業部の下降速度変化が大きいと、油圧モータおよび発電機の回転速度も大きく変化してしまって、効率の良いエネルギー回生を行えない場合があるという問題があり、ここに本発明が解決しようとする課題がある。

本発明は、上記の如き実情に鑑みこれらの課題を解決することを目的として創作されたものであって、請求項１の発明は、油圧アクチュエータからの排出油の流路に配され、排出油の有する油圧エネルギーを回転エネルギーに変換する再生用油圧モータと、該再生用油圧モータの回転エネルギーを電気エネルギーに変換して回生する発電機とを備えてなるエネルギー回生システムにおいて、前記再生用油圧モータの上流側の排出油流路に、油圧アクチュエータからの排出油を蓄圧するアキュムレータと、再生用油圧モータの回転速度に応じて前記アキュムレータへの油の流入、流出を制御する制御バルブとを接続したことを特徴とするエネルギー回生システムである。
請求項２の発明は、油圧アクチュエータは、作業機械に装着される作業部を上下動せしめる油圧シリンダであり、再生用油圧モータは、作業部の下降時に前記油圧シリンダの重量保持側油室から排出される排出油の流路に配されることを特徴とする請求項１に記載のエネルギー回生システムである。

請求項１の発明とすることにより、油圧アクチュエータからの排出油の流量が多いときには、該排出流量の一部を、再生用油圧モータの上流側に配設のアキュムレータに蓄圧できることになり、而して、再生用油圧モータおよび発電機を、最大排出流量に対応した大型のものにしなくても良くなって、コストダウンに寄与できる。さらに、制御バルブでアキュムレータへの油の流入、流出を制御することによって、油圧アクチュエータからの排出流量の増減に関わらず、再生用油圧モータの回転速度を、最も効率の良い回転速度となるように制御できることになり、而して、発電効率が向上して効率的なエネルギー回生を行えることになり、省エネルギー化に大きく貢献できる。
請求項２の発明とすることにより、作業部の下降時に油圧シリンダの重量保持側油室から排出される排出油の油圧エネルギーを、効率良く回生できる。

次に、本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。図１において、１は作業機械の一例である油圧ショベルであって、該油圧ショベル１は、クローラ式の下部走行体２、該下部走行体２の上方に旋回自在に支持される上部旋回体３、該上部旋回体３のフロントに装着される作業部４等の各部から構成され、さらに該作業部４は、基端部が上部旋回体３に上下揺動自在に支持されるブーム５、該ブーム５の先端部に前後揺動自在に支持されるアーム６、該アーム６の先端部に取付けられるバケット７等から構成されている。

８は前記ブーム５を上下揺動せしめるべく伸縮作動する左右一対のブームシリンダ（本発明の油圧アクチュエータに相当する）であって、該ブームシリンダ８は、ヘッド側油室（本発明の重量保持側油室に相当する）８ａの圧力によって作業部４の重量を保持すると共に、該ヘッド側油室８ａへの圧油供給およびロッド側油室８ｂからの油排出により伸長してブーム５を上昇せしめ、また、ロッド側油室８ｂへの圧油供給およびヘッド側油室８ａからの油排出により縮小してブーム５を下降せしめるように構成されているが、該ブーム５の下降時において、ヘッド側油室８ａからの排出油の有する油圧エネルギーは、後述するエネルギー回生システムによって電気エネルギーに変換されて回生されるように構成されている。

前記エネルギー回生システムについて、図２に基づいて説明すると、９はブームシリンダ８の圧油供給源となる油圧ポンプ（エンジンＥにより駆動）、１０は油タンク、１１はブーム用コントロールバルブであって、該ブーム用コントロールバルブ１１は、図示しないブーム用操作レバーが操作されていない状態では、ブームシリンダ８に対する油給排を行わない中立位置Ｎに位置しているが、ブーム用操作レバーが上昇側に操作されることに基づいて、油圧ポンプ９の吐出油をヘッド側油室８ａに供給する一方、ロッド側油室８ｂからの排出油を油タンク１０に流す上昇側位置Ｘに切換り、また、ブーム用操作レバーが下降側に操作されることに基づいて、油ポンプ９の吐出油をロッド側油室８ｂに供給する一方、ヘッド側油室８ａからの排出油を後述するヘッド側排出油路１２を経由して油タンク１０に流す下降側位置Ｙに切換るように構成されている。

前記ヘッド側排出油路１２は、本発明の油圧アクチュエータからの排出油の流路に相当する油路であるが、該ヘッド側排出油路１２には、ヘッド側油室８ａからの排出油の流入により回転することで、排出油の有する油圧エネルギーを回転エネルギーに変換する再生用油圧モータ１３が配されている。

さらに、前記再生用油圧モータ１３の出力軸には、発電機１４の入力軸がスプライン結合等により一体回転するように結合されている。そして、該発電機１４が再生用油圧モータ１３によって回転せしめられて発電することにより、再生用油圧モータ１３の回転エネルギーが電気エネルギーに変換され、さらに該電気エネルギーは、導線１５を経由してバッテリ等の蓄電装置１６に蓄電されて、該蓄電装置１６を電源とする各種電気機器に供給されるように構成されている。尚、図示しないが、発電機１４で発生した電気エネルギーを、蓄電装置１６を介することなく直接電気機器に供給するように構成することもできる。

一方、前記再生用油圧モータ１３の上流側のヘッド側排出油路１２からは、アキュムレータ１７に至るアキュムレータ油路１８が分岐形成されていると共に、該アキュムレータ油路１８の中途部には、電磁比例チェック弁１９が配されている。

前記電磁比例チェック弁（本発明の制御バルブに相当する）１９は、アキュムレータ１７に対する油の流入、流出制御を行うバルブであって、アキュムレータ油路１８を開閉する弁路１９ａを備えたポペット弁１９Ａと、後述するコントローラ２０から出力される制御信号に基づいてＯＦＦ位置ＮとＯＮ位置Ｘとに切換わる電磁比例切換弁１９Ｂとを用いて構成されている。そして、上記ポペット弁１９Ａは、電磁比例切換弁１９ＢがＯＦＦ位置Ｎに位置している状態では、ヘッド側排出油路１２からアキュムレータ１７への油の流れに対し、ヘッド側排出油路１２の圧力がアキュムレータ１７の圧力よりも設定圧以上高圧であれば弁路１９ａを開くが、アキュムレータ１７からヘッド側排出油路１２への油の流れに対しては常に弁路１９ａを閉じている。一方、電磁比例切換弁１９ＢがＯＮ位置Ｘに位置している状態では、ポペット弁１９Ａは、ヘッド側排出油路１２からアキュムレータ１７への油の流れ、およびアキュムレータ１７からヘッド側排出油路１２への油の流れの両方向の流れに対して弁路１９ａを開くが、該弁路１９ａの開度量は、コントローラ２０から電磁比例切換弁１９Ｂに出力される信号値に応じて増減制御されるようになっている。而して、ヘッド側排出油路１２からアキュムレータ１７への油の流入および流出を、コントローラ２０から電磁比例切換弁１９Ｂに出力される制御信号によって制御できるように構成されている。

一方、２１は前記再生用油圧モータ１３の回転速度を検出する回転速度センサであって、該回転速度センサ１４の検出信号は、前記コントローラ２０に入力される。

前記コントローラ２０は、マイクロコンピュータ等を用いて構成されるものであって、前述したように、再生用油圧モータ１３の回転速度を検出する回転速度センサ２１からの検出信号を入力すると共に、ブーム用操作レバーの操作信号を入力し、これら入力信号に基づいて、ブーム用操作レバーが下降側に操作された場合に再生用油圧モータ１３の回転速度が予め設定される定格回転速度範囲内となるように、アキュムレータ１７への入出力流量を制御するべく前記電磁比例切換弁１９Ｂに制御信号を出力する。

つまり、コントローラ２０は、ブーム用操作レバーが下降側に操作された場合に、再生用油圧モータ１３の回転速度が定格回転速度範囲内、或いは定格回転速度範囲以上であれば、電磁比例切換弁１９ＢにＯＦＦ位置Ｎに位置するよう制御指令を出力する。これにより、アキュムレータ１７からヘッド側排出油路１２への油の流れが阻止される一方、ヘッド側排出油路１２からアキュムレータ１７への流れは許容されることになって、ヘッド側油室８ａからの排出油のうち、再生用油圧モータ１３を定格回転速度範囲内で回転せしめる流量を超過する余剰の流量が、アキュムレータ１７に蓄圧される。一方、再生用油圧モータ１３の回転速度が定格回転速度範囲以下であれば、電磁比例切換弁１９ＢにＯＮ位置Ｘに位置するように制御指令を出力する。この場合、再生用油圧モータ１３の回転速度が遅くなるほどポペット弁１９Ａの弁路１９ａの開度量が大きくなるように、電磁比例切換弁１９Ｂの制御信号値を調節する。これにより、アキュムレータ１７の蓄圧油がヘッド側排出油路１２を経由して再生用油圧モータ１３に供給されて、該再生用油圧モータ１３の回転速度を定格回転速度範囲まで上昇せしめるようになっている。尚、本実施の形態では、ブーム５の下降速度が最大速度のとき、ヘッド側油室８ａからの排出油のうち約半分の流量が再生用油圧モータ１３に供給されて該再生用油圧モータ１３を定格回転速度範囲内で回転せしめる一方、残りの約半分の流量がアキュムレータ１７に蓄圧されるようになっている。

ここで、前記定格回転速度範囲は、再生用油圧モータ１３の最も効率の良い回転速度範囲であって、例えば、図３にモータ回転効率特性の一例を示すが、該図３のモータでは、１４００ｒｐｍ〜２１００ｒｐｍの速度を定格回転速度として設定することができる。

叙述の如く構成された本形態において、ブーム５の下降時にブームシリンダ８のヘッド側油室８ａから排出される油は、大きな油圧エネルギーを有しているが、該油圧エネルギーは、ヘッド側排出油路１２に配された再生用油圧モータ１３によって回転エネルギーに変換され、さらに該回転エネルギーは発電機１４によって電気エネルギーに変換されて回生されることになり、而して、ブームシリンダ８のヘッド側油室８ａからの排出油の有する油圧エネルギーを有効に回収、再利用できることになるが、さらにこのものにおいて、上記再生用油圧モータ１３の上流側のヘッド側排出油路１２には、ヘッド側油室８ａからの排出油を蓄圧するアキュムレータ１７と、再生用油圧モータ１３の回転速度に応じて前記アキュムレータ１７への油の流入、流出を制御する電磁比例チェック弁１９とが接続されている。

この結果、ブーム５の下降速度が速くてヘッド側油室８ａからの排出流量が多い場合には、該排出流量の一部を、再生用油圧モータ１３の上流側に配設のアキュムレータ１７に蓄圧できることになり、而して、再生用油圧モータ１３および発電機１４を、ブーム５の最大下降速度に対応した大型のものにしなくても良くなって、コストダウンに寄与できる。さらに、電磁比例チェック弁１９によってアキュムレータ１７への油の流入、流出を制御することで、ブーム５の下降速度の変化に関わらず、再生用油圧モータ１３の回転速度を、予め設定される定格回転速度範囲、つまり最も効率の良い回転速度範囲となるように制御できることになり、而して、再生用油圧モータ１３の回転で発電する発電機１４も高い発電効率が得られることになって、効率的なエネルギー回生を行えることになり、省エネルギー化に大きく貢献できる。しかもこのものは、再生用油圧モータ１３の回転速度の検出に基づいてアキュムレータ１７への油の流入、流出を電磁比例チェック弁１９で制御するだけの簡単な制御であるから、実用化しやすいという利点がある。

尚、本発明は上記実施の形態に限定されないことは勿論であって、上記実施の形態では、ブーム５の下降時にブームシリンダ８のヘッド側油室からの排出油の油圧エネルギーを回生するエネルギー回生システムを例にとって説明したが、ブームシリンダ８以外の油圧アクチュエータ、例えば上部旋回体を旋回せしめる旋回モータからの排出油の油圧エネルギーを回生するような場合にも適用でき、さらに、油圧ショベル以外の各種作業機械、例えばロ−ダやクレーン等にも実施できることは、勿論である。

油圧ショベルの側面図である。 エネルギー回生システムを示す図である。 モータ回転効率特性の一例を示す図である。

符号の説明

１ 油圧ショベル
３ 上部旋回体
４ 作業部
８ ブームシリンダ
８ａ ヘッド側油室
１２ ヘッド側排出油路
１３ 再生用油圧モータ
１４ 発電機
１７ アキュムレータ
１９ 電磁比例チェック弁
２０ コントローラ
２１ 回転速度センサ

Claims (2)

1. 油圧アクチュエータからの排出油の流路に配され、排出油の有する油圧エネルギーを回転エネルギーに変換する再生用油圧モータと、該再生用油圧モータの回転エネルギーを電気エネルギーに変換して回生する発電機とを備えてなるエネルギー回生システムにおいて、前記再生用油圧モータの上流側の排出油流路に、油圧アクチュエータからの排出油を蓄圧するアキュムレータと、再生用油圧モータの回転速度に応じて前記アキュムレータへの油の流入、流出を制御する制御バルブとを接続したことを特徴とするエネルギー回生システム。
2. 油圧アクチュエータは、作業機械に装着される作業部を上下動せしめる油圧シリンダであり、再生用油圧モータは、作業部の下降時に前記油圧シリンダの重量保持側油室から排出される排出油の流路に配されることを特徴とする請求項１に記載のエネルギー回生システム。

Images