JP2013234739A - 圧油エネルギ回収システム - Google Patents

Abstract

【課題】圧力変換器の故障リスクの軽減化と小型化とを可能とし、且つ効率よくエネルギを回収できる圧油エネルギ回収システムを提供する。
【解決手段】油圧アクチュエータの戻り圧油の流出先を切換える回収弁と、回収弁からその一方のポートに供給される戻り圧油の圧力を変換してその他方のポートに出力すると共に、その他方のポートに供給される圧油の圧力を変換してその一方のポートに出力する回転型の圧力変換装置と、戻り圧油を蓄える第１蓄圧装置と、圧力変換装置の他方のポートに出力する圧油を蓄える第２蓄圧装置と、第２蓄圧装置と圧力変換装置の他方のポートとの連通／遮断を行う第１回生弁と、圧力変換装置の一方のポートと主回路との連通／遮断を行う第２回生弁と、第２蓄圧装置に蓄えた圧油を圧力変換装置の他方のポートに供給し、圧力変換された圧油を主回路へ供給するように制御する制御装置とを備えた。
【選択図】 図１

Description

本発明は、油圧ショベル等の油圧回路に設けられる圧油エネルギ回収システムに関する。

一般に、油圧ショベルは、フロント作業機であるブーム、アーム、及びバケットのそれぞれを駆動する油圧シリンダと、旋回体や走行体のそれぞれを駆動する油圧モータ等からなる複数の油圧アクチュエータを有していて、これらの油圧アクチュエータを適宜操作することにより、土砂の掘削、移動等の作業を行うものである。

このような油圧ショベルにおいて、油圧アクチュエータからの戻り圧油のエネルギで高圧油を貯圧し、その貯圧した高圧油をアクチュエータの作動エネルギとして再利用する圧油回収再利用システムが開示されている（例えば、特許文献１参照）。

この圧油回収再利用システムは、アクチュエータに圧油を供給する主油圧ポンプと、アクチュエータからの戻り圧油が供給される第１回路と、前記第１回路が接続した第１ポンプモータ及びこの第１ポンプモータと機械的に連結されて第２回路に接続した可変容量型の第２ポンプモータを備えた圧力変換器と、前記第１回路と主油圧ポンプの吐出路を連通する第３回路と、前記第２回路に設けた貯圧器と、前記第３回路を、圧油流れを許容する状態と阻止する状態とに切換える再生弁と、前記第２回路を連通、遮断する貯圧弁と、前記第２回路における貯圧弁よりも第２ポンプモータ寄りと主油圧ポンプの吐出路との間に設けたシーケンス弁と、より構成したことを特徴としている。

国際公開第ＷＯ９８／０１３６０３号パンフレット

上述した従来技術によれば、再生弁で第３回路を圧油流れを阻止する状態に切換えることで、戻り圧油によって第１ポンプモータがモータ作用して第２ポンプモータがポンプ作用するから、貯圧器に高圧油を貯圧できる。また、再生弁で第３回路を圧油流れを許容する状態に切換えることで、貯圧された高圧油で第２ポンプモータがモータ作用して第１ポンプモータがポンプ作用するから、第１回路へ圧油が吐出されて第３回路を介して主油圧ポンプの吐出路に供給される。これによって、アクチュエータの戻り圧油のエネルギを他のアクチュエータの作動のためにも再利用することができる。

ところで、上述した圧油回収再利用システムを構成する回転型の圧力変換器の容量は、流入する圧油の最大流量に応じて設定される。このため、例えば、戻り圧油の全流量を回収可能な圧力変換器を実現させようとすると、大容量に対応する大型の圧力変換器が必要となり、製造コストの上昇を招くと共に、建設機械における設置スペースの問題が発生する。

設置スペースの問題に対して、大容量の圧力変換器を単純に小型化させた場合、大量の圧油が流入するので、圧力変換器の過回転による破損のリスクが増大する。このため、圧力変換器が回収しきれない戻り圧油の流量は絞ってタンクに戻す等の対応が必要となり、絞り捨て分の圧油エネルギ回収量が減少するという問題が生じる。

本発明は、上述の事柄に基づいてなされたもので、その目的は、圧力変換器の故障リスクの軽減化と小型化とを可能とし、且つ効率よくエネルギを回収できる圧油エネルギ回収システムを提供するものである。

上記の目的を達成するために、第１の発明は、油圧ポンプと、タンクと、前記油圧ポンプからの圧油により駆動される複数の油圧アクチュエータと、前記油圧ポンプから前記複数の油圧アクチュエータに供給される圧油の流量及び方向を制御する複数の方向切換弁と、前記油圧ポンプからの圧油を前記方向切換弁に供給する主回路とを有し、前記複数の油圧アクチュエータの内の１つの油圧アクチュエータからの戻り圧油を圧油エネルギとして回収する圧油エネルギ回収システムであって、前記１つの油圧アクチュエータからの戻り圧油の流出先を前記タンクあるいは回収管路に切換える回収弁と、前記回収管路に設けられ、前記回収弁からその一方のポートに供給される戻り圧油の圧力を変換してその他方のポートに出力すると共に、その他方のポートに供給される圧油の圧力を変換してその一方のポートに出力する回転型の圧力変換装置と、前記回収弁と前記圧力変換装置の一方のポートとの間に設けられ、前記戻り圧油を蓄える第１蓄圧装置と、前記圧力変換装置の他方のポートに出力する圧力変換された圧油を蓄える第２蓄圧装置と、前記第２蓄圧装置と前記圧力変換装置の他方のポートとの連通／遮断を行う第１回生弁と、前記圧力変換装置の一方のポートと前記主回路との連通／遮断を行う第２回生弁と、前記第２蓄圧装置に蓄えた圧油を前記圧力変換装置の他方のポートに供給し、前記圧力変換装置の一方のポートに出力する圧力変換された圧油を前記主回路へ供給するように前記第１回生弁と前記第２回生弁とを制御する制御装置とを備えたものとする。

また、第２の発明は、第１の発明において、前記１つの油圧アクチュエータを駆動するために前記複数の方向切換弁の内の１つの方向切換弁を制御する１つの操作指令入力装置と、前記１つの操作指令入力装置の入力値に基づいて、前記回収弁の開閉を制御する制御装置とを更に備えたことを特徴とする。

更に、第３の発明は、第２の発明において、前記複数の油圧アクチュエータを駆動するために前記複数の方向切換弁を制御する複数の操作指令入力装置と、前記複数の操作指令入力装置から前記１つの操作指令入力装置を除外した他の操作指令入力装置の入力値に基づいて、前記第１回生弁と前記第２回生弁とを制御する制御装置とを更に備えたことを特徴とする。

また、第４の発明は、第１乃至第３の発明のいずれかにおいて、前記回収管路に設けられ、前記第１蓄圧装置と前記圧力変換装置の一方のポートとの連通／遮断を行う蓄圧弁と、前記圧力変換装置の回転数を検出する速度センサと、前記速度センサが検出した前記圧力変換装置の回転数を取込み、前記圧力変換装置の回転数が予め設定した回転数を超過したときに、前記戻り圧油を前記第１蓄圧装置に一時的に蓄えるように前記蓄圧弁の開閉を制御する制御装置とを更に備えたことを特徴とする。

更に、第５の発明は、第４の発明において、前記圧力変換装置は、前記一方のポートを有する第１ポンプモータと前記他方のポートを有する第２ポンプモータとを備え、前記速度センサは、前記第１ポンプモータと前記第２ポンプモータとを連結する軸の近傍に設けたことを特徴とする。

本発明によれば、圧力変換器の過回転を防止するために油圧アクチュエータからの戻り圧油を一時的に蓄える第１のアキュムレータと、油圧アクチュエータからの戻り圧油と第１のアキュムレータに一時的に蓄えられた圧油とを増圧する圧力変換器と、圧力変換器が増圧した圧油を蓄える第２のアキュムレータとを設けたので、油圧アクチュエータからの戻り圧油が大流量の場合であっても、第１のアキュムレータで戻り圧油を蓄圧しつつ、圧力変換器を駆動して第２のアキュムレータに蓄圧することができる。このことにより、圧力変換器の過回転などの故障リスクを軽減することができる。また、圧力変換器で回収しきれない圧油の流量は、第１のアキュムレータが吸収するので、圧力変換器のサイズを小型化することができる。この結果、製造コストの軽減化とエネルギ回収の効率化が図れる。

本発明の圧油エネルギ回収システムの一実施の形態の構成を示す回路図である。 本発明の圧油エネルギ回収システムの一実施の形態における回収弁の制御フローを示すフローチャート図である。 本発明の圧油エネルギ回収システムの一実施の形態における蓄圧弁の制御フローを示すフローチャート図である。 本発明の圧油エネルギ回収システムの一実施の形態における油圧ポンプと回生弁の制御フローを示すフローチャート図である。 本発明の圧油エネルギ回収システムの一実施の形態におけるポンプ容量指令の特性を示す特性図である。 本発明の圧油エネルギ回収システムの一実施の形態における減トルク制御を説明する特性図である。

以下、本発明の圧油エネルギ回収システムの実施の形態を図面を用いて説明する。
図１は本発明の圧油エネルギ回収システムの一実施の形態の構成を示す回路図である。本実施の形態において、本発明の圧油エネルギ回収システムは油圧ショベルに適用したものである。油圧ショベルは、ブーム，アーム等から構成されるフロント作業機を備えている。図１において、１は動力源であるエンジン、２はエンジン１に駆動される可変容量型の油圧ポンプを示す。この油圧ポンプ２は可変容量機構として例えば斜板を有していて、この斜板の傾転角を容量制御装置２ａで調整することにより油圧ポンプ２の容量（押しのけ容積）を変化させ、圧油の吐出流量を制御している。

油圧ポンプ２から吐出される圧油を旋回モータ３、ブームシリンダ４、アームシリンダ５の各アクチュエータへ供給する主回路Ｌｐには、圧油の方向と流量を制御する方向切換弁６〜８と、油圧ポンプ２の過負荷を防止するために、主回路Ｌｐ内の圧力を制限するリリーフ弁１６と、主回路Ｌｐの圧力を検出する圧力センサ１７とが設けられている。リリーフ弁１６は、油圧配管内の圧力が設定圧力以上に上昇した場合に、主回路Ｌｐの圧油を戻り回路Ｌｔを介してタンク１２へ逃がすものである。圧力センサ１７からの主回路Ｌｐの圧力検出信号は、後述するコントローラ４０に入力されている。

方向切換弁６〜８は、３位置６ポートの切換弁であって、その各パイロット操作部へ供給されるパイロット圧力により、各スプール位置を切り替えられて、油圧ポンプ２からの圧油を各アクチュエータ３〜５に供給する。ここで、旋回用方向切換弁６は旋回モータ３に、ブーム用方向切換弁７はブームシリンダ４に、アーム用方向切換弁８はアームシリンダ５に、それぞれ対応している。また、各方向切換弁６〜８は、油圧ポンプ２からの圧油が供給される入口ポートと、タンク１２に連通する戻り回路Ｌｔに接続される出口ポートと、中立位置のときに連通するセンターポートと、各アクチュエータ３〜５側に接続する接続ポートと、パイロット操作部と、中立復帰用のばねとを有している。

主回路Ｌｐは、これら３つの方向切換弁６〜８と並列に接続されている。具体的には、旋回用方向切換弁６の入口ポートと、ロードチェック弁９を介して接続され、ブーム用方向切換弁７の入口ポートと、ロードチェック弁１０を介して接続されている。また、主回路Ｌｐは、アーム用方向切換弁８の入口ポートと、ロードチェック弁１１を介して接続されている。

旋回用方向切換弁６の出口ポート、ブーム用方向切換弁７の出口ポート、及びアーム用方向切換弁８の出口ポートは、戻り回路Ｌｔにそれぞれ接続されている。これらの出口ポートからの戻り油は、戻り回路Ｌｔを経てタンク１２へ排出される。

これら方向切換弁６〜８のパイロット操作部へ印加されるパイロット圧がゼロの時、方向切換弁６〜８のスプールは中立位置に配置され、各センターポートのみが連通する。このことにより、旋回用方向切換弁６とブーム用方向切換弁７とアーム用方向切換弁８とのセンターポートが直列に配置され、油圧ポンプ２から供給される圧油は、戻り回路Ｌｔへ導かれ、タンク１２へ排出される。

主回路Ｌｐには、回生／蓄圧回路Ｌｚを介して圧力変換器２０（圧力変換装置）を構成する第１ポンプモータ２０ａと第１アキュムレータ（第１蓄圧装置）２２とが接続されている。回生／蓄圧回路Ｌｚは、後述する第２アキュムレータ（第２蓄圧装置）２４に蓄圧された圧油を圧力変換器２０で圧力変換して主回路Ｌｐに供給する回生回路と、後述するブームシリンダ４のボトム側油室からの戻り圧油及び／又は第１アキュムレータ２２で蓄圧した圧油を圧力変換器２０に供給して第２アキュムレータ２４で蓄圧する蓄圧回路との機能を備えた回路である。ここで、第２アキュムレータ２４の設定圧力は、第１アキュムレータ２２の設定圧力より高い上限圧力に設定されている。

回生／蓄圧回路Ｌｚの一端側には、２位置２ポートの電磁切換弁である第２回生弁２５と、この第２回生弁２５から主回路Ｌｐを介して各方向切換弁６〜８の入口側へ圧油の流入を許可する回生チェック弁２６とが接続されている。回生／蓄圧回路Ｌｚの他端側は、２方に分岐されていて、一方の他端には圧力変換器２０を構成する第１ポンプモータ２０ａが接続されている。回生／蓄圧回路Ｌｚの他端側の他方の他端には、２位置２ポートの電磁切換弁である蓄圧弁２１を介して第１蓄圧管路Ｌａ１と、第１アキュムレータ２２とが接続されている。

第２回生弁２５は、一端側にばね２５ｂを有し、コントローラ４０からの電気指令が電磁操作部２５ａに入力されるように構成されている。コントローラ４０から閉指令が出力される場合には、ポートは遮断され、回生／蓄圧回路Ｌｚと主回路Ｌｐとを遮断し、開指令が出力されると、ポートを連通し、回生／蓄圧回路と主回路Ｌｐとを連通状態にして、圧力変換器２０から圧油を主回路Ｌｐに流入させる。

蓄圧弁２１は、一端側にばね２１ｂを有し、コントローラ４０からの電気指令が電磁操作部２１ａに入力されるように構成されている。コントローラ４０から閉指令が出力される場合には、ポートは遮断され、第１蓄圧回路Ｌａ１と回生／蓄圧回路Ｌｚとを遮断し、開指令が出力されると、ポートを連通し、第１蓄圧回路Ｌａ１と回生／蓄圧回路Ｌｚとを連通状態にして、ブームシリンダ４のボトム側油室からの戻り圧油及び／又は第１アキュムレータ２２で蓄圧した圧油を圧力変換器２０に流入させる。

アクチュエータであるブームシリンダ４のボトム側油室とブーム用方向切換弁７の接続ポートとを接続する管路には、ブームシリンダ４のボトム側油室からの戻り圧油の流入先を、回収回路Ｌｘまたはブーム用方向切換弁７のいずれかに切換える２位置３ポートの電磁切換弁である回収弁１８が設けられている。回収回路Ｌｘは、ブームシリンダ４のボトム側油室からの戻り圧油を後述する圧力変換器２０及び第１アキュムレータ２２に供給する回路である。

回収弁１８は、一端側にばね１８ｂを有し、コントローラ４０からの電気指令が電磁操作部１８ａに入力されるように構成されている。コントローラ４０から回収指令が出力されない場合には、ブームシリンダ４のボトム側油室とブーム用方向切換弁７の接続ポートとが連通するポート位置（他方のポート）が選択され、コントローラ４０から回収指令が出力されると、ブームシリンダ４のボトム側油室と回収回路Ｌｘとが連通するポート位置（一方のポート）が選択され、ボトム側油室とブーム用方向切換弁７の接続ポートとは遮断される。

回収回路Ｌｘの一端側は、上述したように回収弁１８の一方のポートに接続されている。回収回路Ｌｘの他端側は、第１蓄圧管路Ｌａ１への圧油の流入を許可するチェック弁１９を介して第１蓄圧管路Ｌａ１が接続されている。

圧力変換器２０は、互いに軸接続された第１ポンプモータ２０ａと第２ポンプモータ２０ｂとから構成されていて、第１容量制御部２０ｃと第２容量制御部２０ｄとが、コントローラ４０からの指令によりそれぞれの容量を制御している。圧力変換器２０は、第１ポンプモータ２０ａからの入力油圧動力（Ｐ１・Ｑ１）を第２ポンプモータ２０ｂの出力油圧動力（Ｐ２・Ｑ２）へ変換するもので、第１ポンプモータ２０ａと第２ポンプモータ２０ｂとは軸接続されているため、入力動力（Ｐ１×Ｑ１）=出力動力（Ｐ２×Ｑ２）が成り立つ（但し、損失分は無視する）。

一方のポートとしての第１ポンプモータ２０ａのポートは、回生／蓄圧回路Ｌｚの他端側に接続されている。他方のポートとしての第２ポンプモータ２０ｂのポートは、２位置２ポートの電磁切換弁である第１の回生弁２３を介して第２蓄圧管路Ｌａ２と第２アキュムレータ２４とに接続されている。

第１回生弁２３は、一端側にばね２３ｂを有し、コントローラ４０からの電気指令が電磁操作部２３ａに入力されるように構成されている。コントローラ４０から閉指令が出力される場合には、第２アキュムレータ２４から第２ポンプモータ２０ｂへの圧油の流れを遮断し、その逆の流れを許容し、開指令が出力されると、第２蓄圧管路Ｌａ２と第２ポンプモータ２０ｂのポートとを連通状態にして、第２アキュムレータ２４から圧力変換器２０への圧油の流入を可能とする。

ここで、第１ポンプモータ２０ａに圧油が供給されると、第１ポンプモータ２０ａがモータ作用により所定の駆動トルクで駆動し、この駆動トルクで軸接続された第２ポンプモータ２０ｂが駆動される。この時、第２容量制御部２０ｄで第２ポンプモータ２０ｂの容量を変えることで、第１ポンプモータ２０ａの一方のポートに供給される圧油の圧力を第２ポンプモータ２０ｂの出口である他方のポートにおいて、所望の圧力に増圧変換でき、この増圧した圧油を第２アキュムレータ２４で蓄圧することができる。

同様に、第２アキュムレータ２４から第２ポンプモータ２０ｂのポート側へ圧油が供給されると、その圧油により駆動トルクが発生し、この駆動トルクにより第１ポンプモータ２０ａが駆動される。このとき、第１容量制御部２０ｃで第１ポンプモータ２０ａの容量を変えることで、第１ポンプモータ２０ａの一方のポートにおける吐出圧を主回路Ｌｐの圧力よりも若干高い圧力とすることができ、この圧油を第２回生弁２５と回生チェック弁２６とを介して主回路Ｌｐへ供給することができる。

各アクチュエータ３〜５への指令入力手段である操作レバーは、旋回レバー１３、ブームレバー１４、及びアームレバー１５で構成されている。各操作レバーは図示しないパイロット弁を有していて、各々が操作量にほぼ比例したパイロット圧力を発生する。旋回レバー１３のパイロット圧力は、操作方向に応じて旋回用方向切換弁６の両操作部に接続された各パイロット回路のいずれかに供給され、同様にブームレバー１４のパイロット圧力は、ブーム用方向切換弁７の操作部に接続された各パイロット回路に供給され、アームレバー１５のパイロット圧力は、アーム用方向切換弁８の操作部に接続された各パイロット回路に供給される。

旋回レバー１３の各パイロット回路には、これらのパイロット圧力を検出する指令圧力センサ１３ａと１３ｂとを設け、ブームレバー１４の各パイロット回路には、これらのパイロット圧力を検出する指令圧力センサ１４ａと１４ｂとを設けている。同様に、アームレバー１５の各パイロット回路には、これらのパイロット圧力を検出する指令圧力センサ１５ａと１５ｂとを設けている。これらの指令圧力センサ１３ａ〜１５ｂからの検出信号は、コントローラ４０に入力されている。

回転速度センサ３０（速度センサ）は、圧力変換器２０の回転速度を検出するために、第１ポンプモータ２０ａと第２ポンプモータ２０ｂとを接続する軸の近傍に設けられている。圧力センサ２７は、ブームシリンダ４のボトム側油室の圧力を検出するために、ブームシリンダ４のボトム側油室の近傍に設けられている。また、圧力センサ２８は、第１アキュムレータ２２の圧力を検出するために、第１蓄圧管路Ｌａ１に設けられている。また、圧力センサ２９は、第２アキュムレータ２４の圧力を検出するために、第２蓄圧管路Ｌａ２に設けられている。

回転速度センサ３０からの圧力変換器２０の回転速度検出信号と、圧力センサ２７からのブームシリンダ４のボトム側油室の圧力検出信号と、圧力センサ２８からの第１アキュムレータ２２の圧力検出信号と、圧力センサ２９からの第２アキュムレータ２４の圧力検出信号とはコントローラ４０に入力されている。

コントローラ（制御装置）４０は、各圧力センサ１３ａ〜１５ｂ，１７，２７，２８，２９と回転速度センサ３０からの検出信号を取込む入力部と、これらの検出信号を基に後述する演算処理を実行する演算部と、油圧ポンプ２の容量制御装置２ａと圧力変換器２０を構成する第１ポンプモータ２０ａの第１容量制御部２０ｃと第２ポンプモータ２０ｂの第２容量制御部２０ｄとに演算部で算出した各容量制御指令を出力すると共に、第１回生弁２３の電磁操作部２３ａと第２回生弁２５の電磁操作部２５ａと蓄圧弁２１の電磁操作部２１ａと回収弁１８の電磁操作部１８ａとに演算部で算出した各指令を出力する出力部とを備えている。

次に、上述した本発明の圧油エネルギ回収システムの第１の実施の形態の制御動作を図２を用いて説明する。図２は本発明の圧油エネルギ回収システムの一実施の形態における回収弁の制御フローを示すフローチャート図である。
まず、スタートの状態としては、例えば、オペレータが油圧ショベルのキースイッチ（図示せず）をＯＮにした状態とする。コントローラ４０は、圧力センサ２８からの第１アキュムレータ２２の圧力Ｐａｃｌのデータを取込む（ステップＳ１０１）。

次に、コントローラ４０は、第１アキュムレータ２２の圧力Ｐａｃｌが、アキュムレータ２２を保護するために予め定めた上限設定圧力Ｐａｃｌ_ｈｉ未満か否かの判断を行う（ステップＳ１０２）。第１アキュムレータ２２の圧力Ｐａｃｌが、上限設定圧力Ｐａｃｌ_ｈｉ以上の場合は、（ステップＳ１０９）に進み、それ以外の場合は、（ステップＳ１０３）へ進む。

コントローラ４０は、圧力センサ２９からの第２アキュムレータ２４の圧力Ｐａｃｈのデータを取込む（ステップＳ１０３）。

次に、コントローラ４０は、第２アキュムレータ２４の圧力Ｐａｃｈが、アキュムレータ２４を保護するために予め定めた上限設定圧力Ｐａｃｈ_ｈｉ未満か否かの判断を行う（ステップＳ１０４）。第２アキュムレータ２４の圧力Ｐａｃｈが、上限設定圧力Ｐａｃｈ_ｈｉ以上の場合は、（ステップＳ１０９）に進み、それ以外の場合は、（ステップＳ１０５）へ進む。

コントローラ４０は、ブームレバー１４の下げ指令圧を検出するために、指令圧力センサ１４ａからのパイロット圧力Ｐｉ_ｂｍｄを取込む（ステップＳ１０５）。

次に、コントローラ４０は、パイロット圧力Ｐｉ_ｂｍｄが、予め定めた下限設定圧力Ｐｉ_ｂｍｄ_ｌｏ超過か否かの判断を行う（ステップＳ１０６）。ここで、パイロット圧力Ｐｉ_ｂｍｄが、予め定めた下限設定圧力Ｐｉ_ｂｍｄ_ｌｏ超過の場合とは、オペレータによりブームレバー１４が所定量以上下げ操作された場合である。パイロット圧力Ｐｉ_ｂｍｄが、下限設定圧力Ｐｉ_ｂｍｄ_ｌｏ超過の場合は、（ステップＳ１０７）に進み、それ以外の場合は、（ステップＳ１０９）へ進む。

コントローラ４０は、圧力センサ２７からのブームシリンダ４のヘッダ側油室の圧力Ｐｂｍｂのデータを取込む（ステップＳ１０８）。

次に、ブームシリンダ４のヘッダ側油室の圧力Ｐｂｍｂが、回収するのに必要な予め定めた下限設定圧力Ｐｂｍｂ_ｌｏ超過か否かの判断を行う（ステップＳ１０８）。ブームシリンダ４のヘッダ側油室の圧力Ｐｂｍｂが、下限設定圧力Ｐｂｍｂ_ｌｏ超過の場合は、（ステップＳ１１０）に進み、それ以外の場合は、（ステップＳ１０９）へ進む。

（ステップＳ１０８）において、ブームシリンダ４のヘッダ側油室の圧力Ｐｂｍｂが、下限設定圧力Ｐｂｍｂ_ｌｏ以下と判断された場合、または、（ステップＳ１０２）において、第１アキュムレータ２２の圧力Ｐａｃｌが、上限設定圧力Ｐａｃｌ_ｈｉ以上と判断された場合、または、（ステップＳ１０４）において、第２アキュムレータ２４の圧力Ｐａｃｈが、上限設定圧力Ｐａｃｈ_ｈｉ以上と判断された場合、または、（ステップＳ１０６）において、パイロット圧力Ｐｉ_ｂｍｄが、予め定めた下限設定圧力Ｐｉ_ｂｍｄ_ｌｏ以下と判断された場合、コントローラ４０は、回収弁１８への回収指令を出力しない（ステップＳ１０９）。ここで、パイロット圧力Ｐｉ_ｂｍｄが、予め定めた下限設定圧力Ｐｉ_ｂｍｄ_ｌｏ以下の場合とは、オペレータによりブームレバー１４が所定量以上下げ操作されなかった場合である。回収弁１８への回収指令を出力しないとは、具体的には、回収弁１８の電磁操作部１８ａへの励磁信号を遮断状態とすることである。このことにより、回収回路Ｌｘとブームシリンダ４のヘッダ側油室とは遮断される。この結果、ブームシリンダ４のボトム側油室からの戻り圧油は、ブーム用方向切換弁７を介してタンク１２へ排出される。

（ステップＳ１０２）と（ステップＳ１０４）とにおいて、第１及び第２アキュムレータ２２，２４の圧力が、第１及び第２アキュムレータ２２，２４を保護するために予め定めた上限設定圧力以上の場合には、これ以上蓄圧させないように回収弁１８を閉止し続ける必要がある。また、（ステップＳ１０８）において、ブームシリンダ４のヘッダ側油室の圧力Ｐｂｍｂが、下限設定圧力Ｐｂｍｂ_ｌｏ以下と判断する場合とは、例えば、油圧ショベルがジャッキアップ状態になっている場合が想定され、このようなときは、回収弁１８を動作させることなく、リターンする。

（ステップＳ１０８）において、ブームシリンダ４のヘッダ側油室の圧力Ｐｂｍｂが、下限設定圧力Ｐｂｍｂ_ｌｏ超過と判断された場合、コントローラ４０は回収弁１８への回収指令を出力する（ステップＳ１１０）。具体的には、回収弁１８の電磁操作部１８ａへの励磁信号を出力する。このことにより、回収弁１８は、ブームシリンダ４のボトム側油室と回収回路Ｌｘとを連通させるポート位置に切り換わり、ブームシリンダ４のボトム側油室からの戻り圧油が回収回路Ｌｘに供給される。

なお、詳細は省略するが、回収弁１８は、ブーム下げパイロット圧に応じた開度に制御することで、ブームシリンダ４のピストンロッドの駆動速度調整も行っている。

次に、蓄圧弁２１の制御について図３を用いて説明する。図３は本発明の圧油エネルギ回収システムの一実施の形態における蓄圧弁の制御フローを示すフローチャート図である。図３において、図１及び図２に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。

上述したように、回収弁１８が開動作すると、ブームシリンダ４のボトム側油室から圧油が流入するので、第１アキュムレータ２２の圧力が上昇し始める。コントローラ４０は、ブームレバー１４の下げ指令圧を検出するために、指令圧力センサ１４ａからのパイロット圧力Ｐｉ_ｂｍｄを取込む（ステップＳ２０１）。

次に、コントローラ４０は、パイロット圧力Ｐｉ_ｂｍｄが、予め定めた下限設定圧力Ｐｉ_ｂｍｄ_ｌｏ超過か否かの判断を行う（ステップＳ２０２）。パイロット圧力Ｐｉ_ｂｍｄが、下限設定圧力Ｐｉ_ｂｍｄ_ｌｏ超過の場合は、（ステップＳ２０３）に進み、それ以外の場合は、（ステップＳ２０６）へ進む。

コントローラ４０は、圧力変換器２０の回転数を検出するために、回転速度センサ３０からの回転数Ｎｔｒを取込む（ステップＳ２０３）。

次に、コントローラ４０は、回転数Ｎｔｒが、予め定めた回転上限値Ｎｔｒ_ｍａｘ未満か否かの判断を行う（ステップＳ２０４）。回転数Ｎｔｒが、回転上限値Ｎｔｒ_ｍａｘ未満の場合は、（ステップＳ２０５）に進み、それ以外の場合は、（ステップＳ２０６）へ進む。

（ステップＳ２０４）において、圧力変換器２０の回転数Ｎｔｒが、回転上限値Ｎｔｒ_ｍａｘ未満と判断された場合、又は、後述する（ステップＳ２０８）において、第１アキュムレータ２２の圧力Ｐａｃｌが、下限設定圧力Ｐａｃｌ_ｌｏ超過と判断された場合、コントローラ４０は蓄圧弁２１への開指令を出力する（ステップＳ２０５）。具体的には、蓄圧弁２１の電磁操作部２１ａへの励磁信号を出力する。このことにより、蓄圧弁２１は、第１蓄圧回路Ｌａ１と回生／蓄圧回路Ｌｚとを連通させるポート位置に切り換わり、ブームシリンダ４のボトム側油室からの戻り圧油及び／又は第１アキュムレータ２２で蓄圧した圧油を圧力変換器２０に流入させる。

（ステップＳ２０４）において、圧力変換器２０の回転数Ｎｔｒが、回転上限値Ｎｔｒ_ｍａｘ未満でないと判断された場合、又は、後述する（ステップＳ２０２）において、パイロット圧力Ｐｉ_ｂｍｄが、下限設定圧力Ｐｉ_ｂｍｄ_ｌｏ超過でないと判断された場合、コントローラ４０は蓄圧弁２１への閉指令を出力する（ステップＳ２０６）。具体的には、蓄圧弁２１の電磁操作部２１ａへの励磁信号を遮断状態とする。このことにより、第１蓄圧回路Ｌａ１と回生／蓄圧回路Ｌｚとは遮断される。この結果、圧力変換器２０の過回転が抑制される。

次に、コントローラ４０は、圧力センサ２８からの第１アキュムレータ２２の圧力Ｐａｃｌのデータを取込む（ステップＳ２０７）。

次に、コントローラ４０は、第１アキュムレータ２２の圧力Ｐａｃｌが、新たな蓄圧を可能とするために定めた下限設定圧力Ｐａｃｌ_ｌｏ超過か否かの判断を行う（ステップＳ２０８）。第１アキュムレータ２２の圧力Ｐａｃｌが、下限設定圧力Ｐａｃｌ_ｌｏ超過の場合は、（ステップＳ２０５）に進み、それ以外の場合は、リターンする。

コントローラ４０が上述したような制御を行うので、例えば、速い速度でブーム下げのレバー操作が行われた場合には、蓄圧弁２１を開動作させて、戻り圧油を圧力変換器２０の第１ポンプモータ２０ａに流入させる。そして、圧力変換器２０の回転数が回転上限値Ｎｔｒ_ｍａｘを超えた場合には、蓄圧弁２１を閉動作させて第１ポンプモータ２０ａへの圧油の流入を減らし、圧力変換器２０の第１ポンプモータ２０ａの回転速度を減速させると共に、ブームシリンダ４からの戻り圧油を一時的に第１アキュムレータ２２に蓄圧する。

この結果、ブームシリンダ７のピストンロッドは、レバー操作通りの駆動速度で動作すると共に、圧力変換器２０の過回転による損傷のリスクを低減することができる。また、一時的に蓄えられた第１アキュムレータ２２の圧油は、レバー操作終了後において、蓄圧弁２１の開動作により、圧力変換器２０を介して第２のアキュムレータ２４へ蓄圧される。

このように、第１アキュムレータ２２の圧力は、予め設定された下限値以下まで低下しているので、第１アキュムレータ２２の蓄圧可能状態が維持されることになる。このため、次にブーム下げ操作がされて、圧力変換器２０が高速で回転する場合であっても、蓄圧弁２１を閉動作させて第１のアキュムレータ２２に蓄圧させることが可能となる。この結果、圧力変換器２０の過回転を回避しながらも圧油エネルギの回収を確実に行うことができる。

次に、第１回生弁２３と第２回生弁２５の制御について図４を用いて説明する。図４は本発明の圧油エネルギ回収システムの一実施の形態における油圧ポンプと回生弁の制御フローを示すフローチャート図である。図４において、図１及び図３に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。

コントローラ４０は、ブームレバー１４の下げ以外の指令圧を検出するために、指令圧力センサ１３ａ，１３ｂ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂからのパイロット圧力を取込み（ステップＳ３０１）、検出した各操作レバーの指令圧の最大値を算出する（ステップＳ３０２）。具体的には、（ステップＳ３０１）で取り込んだ各パイロット圧力データの中から最大値Ｐｉ_ｍａｘを算出する。

コントローラ４０は、パイロット圧力の最大値Ｐｉ_ｍａｘが予め定めた下限設定圧力Ｐｉ_ｌｏ超過か否かの判断を行う（ステップＳ３０３）。ここで、パイロット圧力の最大値Ｐｉ_ｍａｘが予め定めた下限設定圧力Ｐｉ_ｌｏ超過の場合とは、オペレータによりブーム下げ以外の操作レバーが所定量以上操作された場合であり、アクチュエータ３〜５のいずれかにおいて、駆動するための圧油の増流量が要求される場合である。パイロット圧力の最大値Ｐｉ_ｍａｘが下限設定圧力Ｐｉ_ｌｏ超過の場合は、（ステップＳ３０４）に進み、それ以外の場合は、（ステップＳ３０６）へ進む。

コントローラ４０は、圧力センサ２９からの第２アキュムレータ２４の圧力Ｐａｃｈのデータを取込む（ステップＳ３０４）。

次に、コントローラ４０は、第２アキュムレータ２４の圧力Ｐａｃｈが、回生するのに必要な予め定めた下限設定圧力Ｐａｃｈ_ｌｏ超過か否かの判断を行う（ステップＳ３０５）。第２アキュムレータ２４の圧力Ｐａｃｈが、下限設定圧力Ｐａｃｈ_ｌｏ超過の場合は、（ステップＳ３０７）に進み、それ以外の場合は、（ステップＳ３０６）へ進む。

（ステップＳ３０５）において、第２アキュムレータ２４の圧力Ｐａｃｈが、下限設定圧力Ｐａｃｈ_ｌｏ以下と判断された場合、または、（ステップＳ３０３）において、パイロット圧力の最大値Ｐｉ_ｍａｘが下限設定圧力Ｐｉ_ｌｏ以下と判断された場合、コントローラ４０は、第１及び第２回生弁２３，２５へ閉指令を出力する（ステップＳ３０６）。具体的には、第１回生弁２３の電磁操作部２３ａと第２回生弁２５の電磁操作部２５ａとへの励磁信号を遮断する。このことにより、第２蓄圧管路Ｌａ２から圧力変換器２０の第２ポンプモータ２０ｂへの圧油の流入が遮断されると共に、回生／蓄圧回路Ｌｚと主回路Ｌｐとが遮断される。

（ステップＳ３０５）において、第２アキュムレータ２４の圧力Ｐａｃｈが、下限設定圧力Ｐａｃｈ_ｌｏ超過と判断された場合、コントローラ４０は第１及び第２回生弁２３，２５へ開指令を出力する（ステップＳ３０７）。具体的には、第１回生弁２３の電磁操作部２３ａと第２回生弁２５の電磁操作部２５ａとへの励磁信号を出力する。第１回生弁２３が開動作することにより、第２のアキュムレータ２４に蓄えられた圧油エネルギが圧力変換器２０の第２ポンプモータ２０ｂへ導かれる。コントローラ４０は、軸結合された第１ポンプモータ２０ａの吐出圧が、主回路Ｌｐの圧力よりも若干高い圧力になるよう第１容量制御部２０ｃで、第１ポンプモータ２０ａの容量を制御する。

第２回生弁２５が開動作することにより、主回路Ｌｐの圧力よりも若干高い圧力に制御された第１ポンプモータ２０ａから吐出された圧油は、第２回生弁２５と回生チェック弁２６とを介して主回路Ｌｐへ供給される。

次に、コントローラ４０は、油圧ポンプ２のトルク補正制御を実行する（ステップＳ３０８）。具体的には、（ステップＳ３０７）で主回路Ｌｐへ回生された圧油の流量分の減トルク指令値ΔＴを演算し、この減トルク指令値ΔＴに相当する指令値を油圧ポンプ２の容量制御装置２ａに対して出力して、油圧ポンプ２の容量を減少させる。本ステップを実行後リターンする。

ここで、主回路Ｌｐへ回生された圧油の流量Ｑｒは、次の式（１）で表すことができる。
Ｑｒ＝ｑ１・Ｎｔｒ・・・・（１）
上記式（１）において、ｑ１は、圧力変換器２０の第１ポンプモータ２０ａの容量を、Ｎｔｒは、圧力変換器２０の回転数をそれぞれ表す。

式（１）の流量Ｑｒは、次の式（２）により、油圧ポンプ２の吐出圧Ｐ１におけるトルクΔＴに換算することができる。
ΔＴ＝Ｐ１・ｑ１・Ｎｔｒ／（２π・Ｎｅ）・・・・（２）
上記式（２）において、Ｎｅは、油圧ポンプ２の回転速度を表す。

次に、油圧ポンプ２の容量制御装置２ａの容量制御等について図５及び図６を用いて説明する。図５は本発明の圧油エネルギ回収システムの一実施の形態におけるポンプ容量指令の特性を示す特性図、図６は本発明の圧油エネルギ回収システムの一実施の形態における減トルク制御を説明する特性図である。図５及び図６において、図１乃至図４に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。

油圧ポンプ２の容量制御装置２ａへ出力される指令値は、コントローラ４０において、以下のステップで算出されている。
（１）全ての操作レバー１３〜１５の指令圧である各圧力センサ１３ａ，１３ｂ，１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂからの各パイロット圧力のデータをコントローラ４０に取り込む。
（２）これらデータから最高圧力Ｐｉ_ｍａｘを演算する。
（３）算出した最高圧力Ｐｉ_ｍａｘと図５に示す予め設定されているポンプ容量指令特性とに基づき、油圧ポンプ２の指令容量ｑを算出し、この指令容量ｑが実現する指令値を容量制御装置２ａへ出力している。
このように、油圧ポンプ２の吐出容量は、全ての操作レバー１３〜１５の指令圧の最高圧力から決定されている。

一方、油圧ポンプ２は、エンジン１のストールを防止する為に、ポンプ吸収トルクを制限している。図６は、縦軸をポンプ容量ｑ、横軸をポンプ吐出圧力Ｐ（主回路Ｌｐの圧力と等しい）として、ポンプ吐出圧力Ｐに対応したポンプ容量ｑの特性を示している。ここで、ポンプ吐出圧力Ｐの低圧領域においては、ポンプ容量ｑは最大容量ｑｍａｘ出力可能であるが、ポンプ吐出圧力Ｐが高くなるにつれて、設定されたトルクＴを超えないように、ポンプ容量ｑを減少させている。具体的には、ポンプ吸収トルクが設定トルクＴ（Ｔ＝Ｐ・ｑ／２π）以上に上昇しないように、油圧ポンプ２のポンプ容量ｑを制御している。

また、上述した（ステップＳ３０８）で算出された減トルク指令値ΔＴは、図６に示すように、上記設定トルクＴを減トルク指令値ΔＴだけ減少させ、油圧ポンプ２の吸収トルクを少なくする制御である。このように制御することで、トルクを減じた分だけ、油圧ポンプ２の出力トルクを減少させることができる。油圧ショベルの場合、エンジン１の回転数を一定で運転するので、負荷トルクが下がれば、その分だけエンジン１の出力を低減することになり、燃費削減効果を得ることができる。

上述した本発明の圧油エネルギ回収システムの一実施の形態によれば、圧力変換器２０の過回転を防止するために油圧アクチュエータ４からの戻り圧油を一時的に蓄える第１アキュムレータ２２と、油圧アクチュエータ４からの戻り圧油と第１アキュムレータ２２に一時的に蓄えられた圧油とを増圧する圧力変換器２０と、圧力変換器２０が増圧した圧油を蓄える第２アキュムレータ２４とを設けたので、油圧アクチュエータ４からの戻り圧油が大流量の場合であっても、第１アキュムレータ２２で戻り圧油を蓄圧しつつ、圧力変換器２０を駆動して第２アキュムレータ２４に蓄圧することができる。このことにより、圧力変換器２０の過回転などの故障リスクを軽減することができる。また、圧力変換器２０で回収しきれない圧油の流量は、第１アキュムレータ２２が吸収するので、圧力変換器２０のサイズを小型化することができる。この結果、圧油エネルギ回収システムの製造コストの軽減化とエネルギ回収の効率化が図れる。

また、上述した本発明の圧油エネルギ回収システムの一実施の形態によれば、第２アキュムレータ２４に蓄えられた圧油エネルギは適宜、主回路Ｌｐへ回生されると同時に、油圧ポンプ２の吐出量を回生分だけ減らすので、油圧ポンプ２を駆動するエンジン１のトルクを低減することができる。この結果、燃費向上とエネルギ回収の効率化とを図ることができる。

１ エンジン
２ 油圧ポンプ
２ａ 容量制御装置
３ 旋回モータ
４ ブームシリンダ
５ アームシリンダ
６ 旋回用方向切換弁
７ ブーム用方向切換弁
８ アーム用方向切換弁
９ ロードチェック弁
１０ ロードチェック弁
１１ ロードチェック弁
１２ タンク
１３ 旋回レバー（操作指令入力装置）
１４ ブームレバー（操作指令入力装置）
１５ アームレバー（操作指令入力装置）
１６ リリーフ弁
１７ 圧力センサ
１８ 回収弁
１９ チェック弁
２０ 圧力変換器（圧力変換装置）
２０ａ 第１ポンプモータ
２０ｂ 第２ポンプモータ
２０ｃ 第１容量制御部
２０ｄ 第２容量制御部
２１ 蓄圧弁
２２ 第１アキュムレータ（第１蓄圧装置）
２３ 第１回生弁
２４ 第２アキュムレータ（第２蓄圧装置）
２５ 第２回生弁
２６ 回生チェック弁
２７ 圧力センサ
２８ 圧力センサ
２９ 圧力センサ
３０ 回転速度センサ（速度センサ）
４０ コントローラ（制御装置）
Ｌｐ 主回路
Ｌｔ 戻り回路
Ｌｘ 回収回路
Ｌｚ 回生／蓄圧回路

Claims (5)

1. 油圧ポンプと、タンクと、前記油圧ポンプからの圧油により駆動される複数の油圧アクチュエータと、前記油圧ポンプから前記複数の油圧アクチュエータに供給される圧油の流量及び方向を制御する複数の方向切換弁と、前記油圧ポンプからの圧油を前記方向切換弁に供給する主回路とを有し、前記複数の油圧アクチュエータの内の１つの油圧アクチュエータからの戻り圧油を圧油エネルギとして回収する圧油エネルギ回収システムであって、
   前記１つの油圧アクチュエータからの戻り圧油の流出先を前記タンクあるいは回収管路に切換える回収弁と、
   前記回収管路に設けられ、前記回収弁からその一方のポートに供給される戻り圧油の圧力を変換してその他方のポートに出力すると共に、その他方のポートに供給される圧油の圧力を変換してその一方のポートに出力する回転型の圧力変換装置と、
   前記回収弁と前記圧力変換装置の一方のポートとの間に設けられ、前記戻り圧油を蓄える第１蓄圧装置と、
   前記圧力変換装置の他方のポートに出力する圧力変換された圧油を蓄える第２蓄圧装置と、
   前記第２蓄圧装置と前記圧力変換装置の他方のポートとの連通／遮断を行う第１回生弁と、
   前記圧力変換装置の一方のポートと前記主回路との連通／遮断を行う第２回生弁と、
   前記第２蓄圧装置に蓄えた圧油を前記圧力変換装置の他方のポートに供給し、前記圧力変換装置の一方のポートに出力する圧力変換された圧油を前記主回路へ供給するように前記第１回生弁と前記第２回生弁とを制御する制御装置とを備えた
   ことを特徴とする圧油エネルギ回収システム。
2. 請求項１に記載の圧油エネルギ回収システムにおいて、
   前記１つの油圧アクチュエータを駆動するために前記複数の方向切換弁の内の１つの方向切換弁を制御する１つの操作指令入力装置と、
   前記１つの操作指令入力装置の入力値に基づいて、前記回収弁の開閉を制御する制御装置とを更に備えた
   ことを特徴とする圧油エネルギ回収システム。
3. 請求項２に記載の圧油エネルギ回収システムにおいて、
   前記複数の油圧アクチュエータを駆動するために前記複数の方向切換弁を制御する複数の操作指令入力装置と、
   前記複数の操作指令入力装置から前記１つの操作指令入力装置を除外した他の操作指令入力装置の入力値に基づいて、前記第１回生弁と前記第２回生弁とを制御する制御装置とを更に備えた
   ことを特徴とする圧油エネルギ回収システム。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の圧油エネルギ回収システムにおいて、
   前記回収管路に設けられ、前記第１蓄圧装置と前記圧力変換装置の一方のポートとの連通／遮断を行う蓄圧弁と、
   前記圧力変換装置の回転数を検出する速度センサと、
   前記速度センサが検出した前記圧力変換装置の回転数を取込み、前記圧力変換装置の回転数が予め設定した回転数を超過したときに、前記戻り圧油を前記第１蓄圧装置に一時的に蓄えるように前記蓄圧弁の開閉を制御する制御装置とを更に備えた
   ことを特徴とする圧油エネルギ回収システム。
5. 請求項４に記載の圧油エネルギ回収システムにおいて、
   前記圧力変換装置は、前記一方のポートを有する第１ポンプモータと前記他方のポートを有する第２ポンプモータとを備え、
   前記速度センサは、前記第１ポンプモータと前記第２ポンプモータとを連結する軸の近傍に設けた、
   ことを特徴とする圧油エネルギ回収システム。

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