JP2014066259A - ハイブリッド型油圧装置 - Google Patents

Abstract

【課題】アクチュエータの動作に寄与していない高圧の戻り油をエネルギーとして回収できるハイブリッド型油圧装置を提供する。
【解決手段】アクチュエータ１，８１Ａ，８１Ｂと、アクチュエータ１，８１Ａ，８１Ｂに作動油を送る油圧ポンプ３と、アクチュエータ１，８１Ａ，８１Ｂから油タンクへ戻すべき作動油が供給される回生用油圧モータ１０２と、回生用油圧モータ１０２で駆動される発電機１０３と、油圧ポンプ３の吐出圧を制御するメインリリーフバルブ２１とを備える。メインリリーフバルブ２１の下流側と回生用油圧モータ１０２の上流側とは、接続されている。
【選択図】図１

Description

この発明は、ハイブリッド型油圧装置に関する。

従来、ハイブリッド型油圧装置としては、特開２０１２−８２９５３号公報（特許文献１）に記載されたものがある。このハイブリッド型油圧装置は、アクチュエータと、上記アクチュエータに作動油を送る油圧ポンプと、上記アクチュエータから油タンクへ戻すべき作動油が供給される回生用油圧モータと、上記回生用油圧モータで駆動される発電機とを備える。

そして、上記アクチュエータから油タンクへ戻すべき作動油を回生用油圧モータに供給し、回生用油圧モータで発電機を駆動して、回生エネルギーを得ることができる。

ところで、上記従来のハイブリッド型油圧装置では、上記油圧ポンプの吐出圧を制御するメインリリーフバルブを、油タンクに接続している。

このため、例えば、固い土の掘削作業等において、この作業に用いられるアクチュエータは、ほとんど動作しておらず、このアクチュエータの動作に寄与していない作動油は、メインリリーフバルブから、油タンクに捨てられていた。

このように、上記従来のハイブリッド型油圧装置では、外部環境の負荷が大きくて、アクチュエータが動作しない場合、多くのエネルギーが、無駄に捨てられているという問題があった。

特開２０１２−８２９５３号公報

そこで、この発明の課題は、アクチュエータの動作に寄与していない高圧の戻り油をエネルギーとして回収できるハイブリッド型油圧装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、この発明のハイブリッド型油圧装置は、
アクチュエータと、
上記アクチュエータに作動油を送る油圧ポンプと、
上記アクチュエータから油タンクへ戻すべき作動油が供給される回生用油圧モータと、
上記回生用油圧モータで駆動される発電機と、
上記油圧ポンプの吐出圧を制御するメインリリーフバルブと
を備え、
上記メインリリーフバルブの下流側と上記回生用油圧モータの上流側とは、接続されていることを特徴としている。

この発明のハイブリッド型油圧装置によれば、上記回生用油圧モータに、アクチュエータから油タンクへ戻すべき作動油が供給される。上記メインリリーフバルブの下流側と上記回生用油圧モータの上流側とは、接続されている。

これにより、上記メインリリーフバルブから流出する作動油を、上記回生用油圧モータに供給し、あるいは、上記アクチュエータから戻ってくる作動油と合流させ、上記回生用油圧モータでエネルギーを回収する。

したがって、上記アクチュエータの動作に寄与していない高圧の戻り油をエネルギーとして回収できる。つまり、作業環境によってアクチュエータが動作しない場合、メインリリーフバルブが作動して、油圧ポンプからの作動油の略全てが、回生用油圧モータに流れるため、短い時間であっても大きなエネルギーを回収できる。例えば、２０トンショベルでは、標準的な掘削旋回操作パターン中１秒のリリーフバルブの開放につき、エンジン負荷に対して１．５％程度のエネルギー削減効果がある。

また、一実施形態のハイブリッド型油圧装置では、
上記回生用油圧モータに並列に接続された回生用リリーフバルブと、
上記発電機に接続されたインバータと、
上記インバータを介して上記発電機の回転数またはトルクを制御する制御装置と
を備える。

この実施形態のハイブリッド型油圧装置によれば、上記回生用油圧モータに回生用リリーフバルブを並列に接続しているので、回生用油圧モータに供給される作動油が過度に流れることを防止でき、発電機などの故障を防止できる。

また、上記制御装置がインバータを介して発電機の回転数またはトルクを制御することによって、発電機の回転数が過大になるのを防ぐことができる。もし、上記発電機の回転数が過大になったなら、発電機の負荷が大きくなり、発熱も大きくなるため、発熱対策が必要となって、製造コストの上昇を招く。したがって、上記発電機の回転数が過大になるのを防ぐことは、製造コストの上昇を抑制できる。

この発明のハイブリッド型油圧装置によれば、上記メインリリーフバルブの下流側と上記回生用油圧モータの上流側とは、接続されているので、上記アクチュエータの動作に寄与していない高圧の戻り油をエネルギーとして回収できる。

本発明の一実施形態のハイブリッド型油圧装置を示す回路図である。 発電機の回転速度と発電機のトルクとの関係を示すグラフである。

以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。

図１は、この発明の一実施形態のハイブリッド型油圧装置を示す回路図である。図１に示すように、上記ハイブリッド型油圧装置は、旋回体８を旋回させる旋回用油圧モータ１と、旋回体８の旋回方向を切り換える６ポート３位置の方向切換バルブ２と、旋回用油圧モータ１に作動油を送る油圧ポンプ３と、油圧ポンプ３を駆動するエンジン４とを備えている。上記旋回用油圧モータ１は、本発明のアクチュエータの一例である。

また、上記ハイブリッド型油圧装置は、複数の油圧シリンダ８１Ａ，８１Ｂを備え、上記油圧ポンプ３は、各油圧シリンダ８１Ａ，８１Ｂに作動油を送る。油圧ポンプ３と各油圧シリンダ８１Ａ，８１Ｂとの間には、油圧シリンダ８１Ａ，８１Ｂへの作動油の流れを切り換える（図示しない）シリンダ用切換バルブが設けられている。複数の油圧シリンダ８１Ａ，８１Ｂは、本発明のアクチュエータの一例である。符号８２Ａ，８２Ｂはシーケンスバルブである。

上記油圧ポンプ３は、ギアポンプ、トロコイドポンプ、ベーンポンプ、ピストンポンプ等の油圧ポンプであり、作動油を油タンク５から吸入して吐出する。

上記方向切換バルブ２は、第１配管５１を介して油圧ポンプ３に接続されていると共に、第２，第３配管５２，５３を介して旋回用油圧モータ１に接続されている。この方向切換バルブ２は第１，第２パイロット圧受部２ａ，２ｂを有し、第１パイロット圧受部２ａが第１パイロット配管６１を介してパイロットバルブ６に接続されている一方、第２パイロット圧受部２ｂが第２パイロット配管６２を介してパイロットバルブ６に接続されている。この第１，第２パイロット圧受部２ａ，２ｂがパイロット圧を受けることによって、方向切換バルブ２の位置は、図中の中立位置から右旋回位置（図中の右側の位置）または左旋回位置（図中の左側の位置）に切り換わるようになっている。また、上記パイロットバルブ６は、図示しないパイロットポンプに接続されている。

上記中立位置では、第１ポートＰ１と第４ポートＰ４が互いに連通し、かつ、第２ポートＰ２、第３ポートＰ３、第５ポートＰ５および第６ポートＰ６が遮断状態になる。このとき、油圧ポンプ３が吐出した作動油は、第１，第４ポートＰ１，Ｐ４を通過した後、第４，第５配管５４，５５を流れて油タンク５に戻る。

上記右旋回位置では、第２ポートＰ２と第６ポートＰ６が互いに連通し、かつ、第３ポートＰ３と第５ポートＰ５が互いに連通し、かつ、第１ポートＰ１および第４ポートＰ４が遮断状態になる。このとき、油圧ポンプ３が吐出した作動油は、第２，第６ポートＰ２，Ｐ６を通過した後、第３配管５３を流れて旋回用油圧モータ１に供給される。

上記左旋回位置では、第２ポートＰ２と第５ポートＰ５が互いに連通し、かつ、第３ポートＰ３と第６ポートＰ６が互いに連通し、かつ、第１ポートＰ１および第４ポートＰ４が遮断状態になる。このとき、上記油圧ポンプ３が吐出した作動油は、第２，第５ポートＰ２，Ｐ５を通過した後、第２配管５２を流れて旋回用油圧モータ１に供給される。

上記第１配管５１には、第１チェックバルブ１１が設けられている。第１配管５１には、第１チェックバルブ１１と油圧ポンプ３の間に、各油圧シリンダ８１Ａ，８１Ｂの作動油の流れを切り換える上記シリンダ用切換バルブが接続されている。

上記第１チェックバルブ１１と上記油圧ポンプ３の間には第６配管５６の一端が接続されている。上記第６配管５６にメインリリーフバルブ２１を設けている。つまり、メインリリーフバルブ２１は、上記方向切換バルブ２および上記シリンダ用切換バルブと油圧ポンプ３との間に、接続される。

上記メインリリーフバルブ２１は、第１配管５１内の作動油の圧力が所定値を超えないようにしている。つまり、メインリリーフバルブ２１は、油圧ポンプ３の吐出圧を制御する。

上記第２配管５２には第７，第８配管５７，５８の一端が接続され、第３配管５３には第７，第８配管５７，５８の他端が接続されている。上記第７配管５７には第１，第２シーケンスバルブ２２，２３を設けて、第２，第３配管５２，５３内の作動油の圧力が所定値（例えば２８ＭＰａ）を超えないようにしている。一方、上記第８配管５８には第２，第３チェックバルブ１２，１３を設けて、第２，第３配管５２，５３内が真空にならないようにしている。

上記第１シーケンスバルブ２２は、第７配管５７を介して第２配管５２に接続される流入口と、この流入口から流入した作動油を吐出する吐出口とを有している。この吐出口から吐出された作動油は第９配管５９へ流れる。

上記第２シーケンスバルブ２３は、第７配管５７を介して第３配管５３に接続される流入口と、この流入口から流入した作動油を吐出する流出口とを有している。この吐出口から吐出された作動油は第９配管５９へ流れる。

また、上記ハイブリッド型油圧装置は、いわゆる油圧分流方式を採用しており、旋回用油圧モータ１から流出した作動油の運動エネルギーを電気エネルギーに変換する油圧エネルギー回生装置７を備えている。この油圧エネルギー回生装置７は、回生用リリーフバルブ１０１、回生用油圧モータ１０２、発電機１０３、インバータ１０４、蓄電装置１０５、回転速度センサ１０６および制御装置１０７を有している。

上記回生用リリーフバルブ１０１は第９配管５９に設けられ、この第９配管５９の一端は第１シーケンスバルブ２２と第２シーケンスバルブ２３との間に接続されている。これにより、上記回生用リリーフバルブ１０１の流入口は、第９配管５９および第７配管５７を介して第１，第２シーケンスバルブ２２，２３の吐出口に接続されている。この回生用リリーフバルブ１０１の圧力設定値は、第１，第２シーケンスバブル２２，２３の圧力設定値よりも低くなるように設定されている。例えば、上記第１，第２シーケンスバブル２２，２３の圧力設定値を２８ＭＰａに設定するなら、回生用リリーフバルブ１０１の圧力設定値は２１ＭＰａに設定する。

上記回生用油圧モータ１０２は、作動油の供給を受けて、発電機１０３を駆動する。この回生用油圧モータ１０２は回生用配管１０８に設けられ、回生用リリーフバルブ１０１に並列に接続されている。つまり、上記回生用油圧モータ１０２は、第１，第２シーケンスバルブ２２，２３の吐出口と回生用リリーフバルブ１０１の流入口との間に接続されている。

上記インバータ１０４は、発電機１０３に接続され、発電機１０３に供給する電流の周波数を制御する。この周波数を変更することにより、発電機１０３の回転数またはトルクを制御して、発電機１０３の発電量を調整することができる。

上記蓄電装置１０５は、インバータ１０４を介して発電機１０３に接続され、発電機１０３で発電された電気を蓄える。この電気は図示しない電気装置に使用されて、省エネルギー効果が得られるようになっている。

上記回転速度センサ１０６は、発電機１０３の回転速度を検出する。また、上記回転速度センサ１０６は、検出した発電機１０３の回転速度を示す信号を、制御装置１０７に送る。

上記制御装置１０７は、インバータ１０４を介して発電機１０３の回転数またはトルクを制御する。より詳しくは、上記制御装置１０７は、回転速度センサ１０６からの信号に基づいて、インバータ１０４に制御信号を送る。

また、上記油圧エネルギー回生装置７では、複数の油圧シリンダ８１Ａ，８１Ｂからの作動油を、回生用油圧モータ１０２よりも上流側の作動油に合流させている。

つまり、上記第９配管５９において回生用配管１０８の一端が接続されている箇所には接続口を設け、この接続口に、シリンダ用配管７１を介して複数の油圧シリンダ８１Ａ，８１Ｂを接続している。

上記メインリリーフバルブ２１の下流側と上記回生用油圧モータ１０２の上流側とは、接続されている。つまり、上記第６配管５６の他端は、シリンダ用配管７１に接続されている。

図２は、上記発電機１０３の回転速度と発電機１０３のトルクとの関係を示すグラフである。

上記制御装置１０７による発電機１０３の回転数またはトルクの制御は、グラフ中の実線が得られるように行われる。より詳しくは、発電機１０３の回転速度が０からＲ１になると、発電機１０３のトルクが略一定になるように、発電機１０３のトルクを調整する。そして、発電機１０３の回転速度がＲ２になると、発電機１０３のトルクを急激に増大させて、発電機１０３の回転速度の増大を抑制する。

また、上記発電機１０３の回転速度がＲ２になったとき、発電機１０３のトルクはＴ２であるが、このＴ２は回生用リリーフバルブ１０１の圧力設定値に対応する。このため、発電機１０３のトルクを急激に増大させるとき、回生用リリーフバルブ１０１が開くことになる。

これによって、上記制御装置１０７がインバータ１０４を介して発電機１０３の回転数を制御することによって、発電機１０３の回転速度が過大になるのを防ぐことができる。

もし、上記発電機１０３の回転速度が過大になったなら、発電機１０３の発熱が大きくなるため、発熱対策が必要となって、製造コストの上昇を招く。

したがって、上記発電機１０３の回転速度が過大になるのを防ぐことは、製造コストの上昇を抑制できる。

また、上記制御装置１０７は、回転速度センサ１０６が検出した発電機１０３の回転速度に基づいて、発電機１０３の回転数またはトルクを制御するので、発電機１０３の発電量を精度良く制御することができる。

また、上記制御装置１０７は、回転速度センサ１０６が検出した発電機１０３の回転速度に基づいて、発電機１０３の回転数またはトルクを制御するので、この制御の応答性は良好である。

上記構成のハイブリッド型油圧装置によれば、上記回生用油圧モータ１０２に、アクチュエータ（上記旋回用油圧モータ１や上記油圧シリンダ８１Ａ，８１Ｂ）から油タンク５へ戻すべき作動油が供給される。上記メインリリーフバルブ２１の下流側と上記回生用油圧モータ１０２の上流側とは、接続されている。

これにより、上記メインリリーフバルブ２１から流出する作動油を、上記回生用油圧モータ１０２に供給し、あるいは、上記アクチュエータ１，８１Ａ，８１Ｂから戻ってくる作動油と合流させ、上記回生用油圧モータ１０２でエネルギーを回収する。

したがって、上記アクチュエータ１，８１Ａ，８１Ｂの動作に寄与していない高圧の戻り油をエネルギーとして回収できる。つまり、作業環境によってアクチュエータ１，８１Ａ，８１Ｂが動作しない場合、メインリリーフバルブ２１が作動して、油圧ポンプからの作動油の略全てが、回生用油圧モータ１０２に流れるため、短い時間であっても大きなエネルギーを回収できる。例えば、２０トンショベルでは、標準的な掘削旋回操作パターン中１秒のリリーフバルブの開放につき、エンジン負荷に対して１．５％程度のエネルギー削減効果がある。

また、上記回生用油圧モータ１０２に回生用リリーフバルブ１０１を並列に接続しているので、回生用油圧モータ１０２に供給される作動油が過度に流れることを防止でき、発電機１０３などの故障を防止できる。

また、上記制御装置１０７がインバータ１０４を介して発電機１０３の回転数またはトルクを制御することによって、発電機１０３の回転数が過大になるのを防ぐことができる。もし、発電機１０３の回転数が過大になったなら、発電機１０３の負荷が大きくなり、発熱も大きくなるため、発熱対策が必要となって、製造コストの上昇を招く。したがって、発電機１０３の回転数が過大になるのを防ぐことは、製造コストの上昇を抑制できる。

なお、その他の構成の作用は、特開２０１２−８２９５３号公報に記載された構成の作用と、同じであるため、その説明を省略する。

なお、この発明は上述の実施形態に限定されず、本発明の要旨を変更しない範囲において、設計変更可能である。

例えば、上記回転速度センサ１０６の代わりに、圧力センサを設けてもよく、この場合、圧力センサは、第１，第２シーケンスバルブ２２，２３の吐出口と回生用リリーフバルブ１０１の流入口との間の作動油の圧力を検出する。そして、制御装置１０７は、圧力センサからの圧力信号に基づいて、インバータ１０４を介して、発電機１０３の回転数またはトルクを制御する。

また、上記回転速度センサ１０６の代わりに、流量センサを設けてもよく、この場合、流量センサは、回生用油圧モータ１０２を通過する作動油の流量を検出する。そして、制御装置１０７は、流量センサが検出した作動油の流量に基づいて、インバータ１０４を介して、発電機１０３の回転数またはトルクを制御する。

また、上記旋回用油圧モータ１や上記油圧シリンダ８１Ａ，８１Ｂのアクチュエータとしては、１つであってもよく、または、複数であってもよい。

１ 旋回用油圧モータ（アクチュエータ）
２ 方向切換バルブ
３ 油圧ポンプ
４ エンジン
５ 油タンク
７ 油圧エネルギー回生装置
８ 旋回体
９ 電動モータ
２１ メインリリーフバルブ
８１Ａ，８１Ｂ 油圧シリンダ（アクチュエータ）
１０１ 回生用リリーフバルブ
１０２ 回生用油圧モータ
１０３ 発電機
１０４ インバータ
１０５ 蓄電装置
１０６ 回転速度センサ
１０７ 制御装置

Claims (2)

1. アクチュエータ（１，８１Ａ，８１Ｂ）と、
   上記アクチュエータ（１，８１Ａ，８１Ｂ）に作動油を送る油圧ポンプ（３）と、
   上記アクチュエータ（１，８１Ａ，８１Ｂ）から油タンクへ戻すべき作動油が供給される回生用油圧モータ（１０２）と、
   上記回生用油圧モータ（１０２）で駆動される発電機（１０３）と、
   上記油圧ポンプ（３）の吐出圧を制御するメインリリーフバルブ（２１）と
   を備え、
   上記メインリリーフバルブ（２１）の下流側と上記回生用油圧モータ（１０２）の上流側とは、接続されていることを特徴とするハイブリッド型油圧装置。
2. 請求項１に記載のハイブリッド型油圧装置において、
   上記回生用油圧モータ（１０２）に並列に接続された回生用リリーフバルブ（１０１）と、
   上記発電機（１０３）に接続されたインバータ（１０４）と、
   上記インバータ（１０４）を介して上記発電機（１０３）の回転数またはトルクを制御する制御装置（１０７）と
   を備えることを特徴とするハイブリッド型油圧装置。

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