JP2014167262A

JP2014167262A - 作動油の温度制御装置

Info

Publication number: JP2014167262A
Application number: JP2013038652A
Authority: JP
Inventors: Satomi Kondo; 聡美近藤
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2013-02-28
Filing date: 2013-02-28
Publication date: 2014-09-11

Abstract

【課題】、オイルクーラにより戻り油の温度制御を行う際に、戻り油の温度だけでなく、このオイルクーラの通過流量に基づいて冷却ファンの回転数を調整することによって、過冷却や冷却不足がないようにする
【解決手段】戻り油の還流路６にオイルクーラ１０を設け、このオイルクーラ１０には冷却ファン１１により冷却されるものであり、冷却ファン１１の回転数は油温センサ１５からの戻り油の温度に基づいて制御されるが、この油温だけでなく、オイルクーラ１０の上流側及び下流側に設けた第１，第２の圧力センサ１６Ａ，１６Ｂの差圧ΔＰから演算されるオイルクーラ１０の通過流量を検出して、この通過流量により補正されて、目標回転数設定手段１４により冷却ファン１１の目標回転数Ｎが設定される。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば掘削等の作業を行う作業手段を備えた油圧ショベル等の建設機械その他の油圧駆動式産業機械に装着される作動油の温度制御装置に関するものである。

建設機械の油圧回路としては、エンジンまたはバッテリで駆動される可変容量式の油圧ポンプを備えており、この油圧ポンプの吐出油が油圧シリンダや油圧モータからなる油圧アクチュエータに供給されて、これら油圧アクチュエータが駆動される。その結果、車両の走行、旋回及び作業手段による所要の作業がなされる。油圧アクチュエータからの戻り油はコントロールバルブを経て作動油タンクに還流される。従って、作動油タンク及び油圧ポンプを含み、また油圧アクチュエータ等、各種の機器を設け、これら各機器間は高圧または低圧の配管が介装された油圧回路が構成される。

油圧アクチュエータを駆動する際に発生する熱によって、油圧回路内を流れる作動油が加熱される。このために、戻り配管に作動油冷却手段を設けて、作動油タンクへの戻り油を冷却するように構成する。建設機械に設けられる作動油冷却手段は、通常、内部に作動油を流通させる多数の細管にフィンを装着した冷却器からなるオイルクーラで構成され、このオイルクーラには冷却ファンからの冷却風が供給される。

冷却ファンは、エンジンにより駆動される構成としたものが従来から用いられていたが、そうすると、エンジン回転数の変化に応じて冷却ファンの回転数が変動することになって、オイルクーラによる戻り油の冷却率も変動する。そこで、冷却ファンを独立した油圧モータで駆動することによりエンジン回転数の変動に影響を受けない作動油冷却手段を設ける構成としたものが、例えば特許文献１に開示されている。そして、この特許文献１では、冷却ファンを駆動する油圧モータを可変容量式の油圧モータで構成するようになし、作動油温を検出して、この作動油温に応じて油圧モータの回転数を調整することによって、冷却ファンの回転数を制御し、もってオイルクーラを通過する作動油の冷却熱量が目的とする状態となるように制御される。

油圧回路における作動油の温度管理は極めて重要である。油圧ショベル等の建設機械を稼動時に、油圧ポンプから各油圧アクチュエータへのエネルギを効率的に伝達し、無駄に消費されるエネルギロスを最小限に抑制しなければならない。油圧回路において、エネルギの伝達効率を高くするには、油圧ポンプの機械効率及び容積効率を向上させて、コントロールバルブ及び油圧配管等における圧力損失及び漏れ量を抑制する必要がある。作動油の温度と粘度とは概略比例するものであり、作動油の温度が低くなると粘度が高くなって、油圧ポンプの機械効率が低下し、圧力損失が増大する。一方、作動油の温度が高くなればなるほどその粘度が低下することになり、油圧回路内での漏れ量が増大する。

以上のことから、目標とする作動油温を設定して、冷却ファンを回転させて、作動油温が所定の範囲となるように、冷却ファンによるオイルクーラへの供給風量を調整して、このオイルクーラに与えられる冷却熱量を調整することによって、前述した圧力損失及び漏れ量を抑制すると共に、冷却熱量の不足によるオーバーヒートに起因する機器の不具合の発生や、冷却熱量の過多による過冷却での圧力損失、燃費の悪化、騒音の発生、さらには作動油の劣化を抑制することができる。

特開平９−４９４２７号公報

ところで、所定の構成を有するオイルクーラにおいて、冷却熱量は、冷却ファンからオイルクーラに供給される冷却風の風量のみで決定されるのではなく、オイルクーラ内を流れる作動油の流量が変動しても、それに応じて冷却熱量が変化してしまう。

即ち、作動油を目標とする冷却熱量となるように冷却ファンを回転させて、冷却風量を設定した場合であって、冷却熱量が目標値となるためには、オイルクーラを通過する作動油の流量もまたある所定の設定値であることが条件となる。この基準となる所定の作動油流量より実際の流量が多いときには、冷却ファンを設定回転数で作動していると、冷却熱量が目標値より大きくなってしまい過冷却状態となる。一方、基準となる作動油流量より少ないと、冷却熱量が目標値より小さくなって冷却不足状態となってしまう。

本発明は以上の点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、オイルクーラにより戻り油の温度制御を行う際に、戻り油の温度だけでなく、このオイルクーラの通過流量に基づいて冷却ファンの回転数を調整することによって、過冷却や冷却不足がないようにすることにある。

前述した目的を達成するために、本発明は、油圧ポンプと、この油圧ポンプにより駆動される油圧アクチュエータと、油圧アクチュエータからの戻り油が還流する作動油タンクとを備えた油圧回路に設けられる作動油温度制御装置であって、前記戻り油の還流路に設けられ、冷却ファンの回転によりこの戻り油を冷却するオイルクーラと、前記冷却ファンの回転数を制御する回転数制御手段と、前記還流路を流れる戻り油の温度を検出する温度検出手段と、前記オイルクーラを流れる作動油の通過流量を検出する流量検出手段と、前記温度検出手段からの検出温度と前記流量検出手段による前記オイルクーラの作動油の通過流量とに基づいて前記ファン回転数制御手段による前記冷却ファンの回転数を制御する目標回転数設定手段とを有するものであることをその特徴としている。

作動油の温度を制御することは、油圧ポンプを含む油圧回路において、機械効率及び容積効率の観点から極めて重要である。作動油の温度が低下すると、粘度が高くなって、機械効率が悪化する。一方、作動油の温度が必要以上高くなると、油圧回路を構成する各所で作動油の漏れが生じて、容積効率が低下してしまう。従って、作動油温度を制御するために、オイルクーラにより油圧回路を流れる作動油を冷却する。この冷却時において、冷却熱量が不足すると、オーバーヒートに起因する機器の不具合が発生し、また冷却熱量が過多になると、過冷却での燃費の悪化、騒音の発生、さらには作動油の劣化することになる。

オイルクーラは、水冷式のものもあるが、構成の単純化や冷却効率等の観点から、油圧ポンプと油圧アクチュエータを含む建設・産業機械における油圧回路にあっては、空冷式のオイルクーラを用いるのが一般的であり、本発明の作動油温度制御装置においても、オイルクーラは空冷式のものとする。

戻り油の還流路に温度検出手段を装着して、戻り油の温度を検出するが、この戻り油の温度検出は従来から行われている方式を採用することができる。温度検出手段の配設位置は、戻り油の還流路において、オイルクーラの位置より上流側とするが、このオイルクーラにできるだけ近い位置とするのが望ましい。

一方、オイルクーラを流れる作動油の通過流量を検出する流量検出手段は、流量を直接測定することができる。流量を直接検出する場合には、流量センサをオイルクーラの上流側または下流側に設置することになる。戻り油の流量の検出精度を勘案すると、圧力検出を行う方が望ましい場合がある。そして、この圧力に基づいて流量を検出することは、オイルクーラの上流側の圧力と、オイルクーラの下流側との圧力差を検出すれば、圧力（Ｐ）と流量（Ｑ）との関係、即ちＰ‐Ｑ特性から容易に演算することができる。一般に、オイルクーラは作動油の流入側に配置したアッパタンクと、流出側に配置したロアタンクとを備えるものであるから、これらのタンクに圧力センサを装着することができる。そして、これら２つの圧力センサにより検出した圧力の差、つまり差圧を検出することによりオイルクーラの通過流量を求めることができる。

オイルクーラにより作動油を冷却する場合、このオイルクーラに一定の冷却風を供給すると、作動油は所定の温度に維持される。ただし、これはオイルクーラを流れる作動油の流量が一定である場合に限られ、通過流量が変化すると、当然、冷却熱量も変化する。冷却ファンの回転数を設定して、一定の風量の冷却風をオイルクーラに供給している場合において、オイルクーラにおける作動油の通過流量が基準となる流量より大きい場合には、オイルクーラを通過する際の冷却熱量が増大することになる結果、より良く冷却される。一方、オイルクーラの通過流量が基準流量より少ない場合には、冷却熱量が減少することになり、冷却度合いが低くなる。

以上のことから、温度検出手段による作動油の検出温度信号に基づいて、目標回転数として冷却ファンの回転数を設定しておき、流量検出手段により検出されるオイルクーラの作動油の通過流量を補正データとして機能させ、実測した通過流量が基準値より大きくなると、冷却ファンの目標回転数を低下させて、冷却ファンの回転数を減少させるようになし、実測通過流量が基準値より小さくなると、冷却ファンの目標回転数を上昇させるように制御することが望ましい。

従って、温度検出手段からの信号に基づいて冷却ファンの回転数を一次目標回転数となし、作動油の温度が大きく変化しない限りは、この一次目標回転数を維持するようになし、オイルクーラにおける作動油の通過流量の変化に応じて冷却ファンの目標回転数を変化させるように補正する。ただし、通過流量の変化に基づく冷却ファンの回転数の補正を頻繁に行うのではなく、通過流量は、所定の単位時間を設定して、この単位時間当たりの流量の平均値または総流量として、回転数を調整することが、動作の安定性や制御性等の見地から、また冷却ファンの故障の防止及び長寿命化の点からより望ましい。

オイルクーラにより戻り油の温度制御を行う際に、戻り油の温度だけでなく、このオイルクーラの通過流量に基づいて冷却ファンの回転数を調整することによって、過冷却や冷却不足を防止できる。

本発明の第１の実施形態による作動油の温度制御装置を含む油圧回路の概略構成図である。図１の目標回転数設定手段を示す回路構成図である。本発明の第２の実施形態による作動油の温度制御装置を含む油圧回路の概略構成図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。図１に本発明の第１の実施形態による油圧ショベル等の建設機械の油圧駆動式産業機械の油圧回路の概略構成を示す。

図中において、１はエンジン、２はエンジン１により駆動される油圧ポンプ、３は方向制御弁、４は油圧シリンダで代表される油圧アクチュエータ、５は作動油タンクである。エンジン１を作動させることによって、油圧ポンプ２が駆動されて、この油圧ポンプ２から圧油が吐出される。この圧油は方向制御弁３を介して油圧アクチュエータ４に供給され、もって油圧アクチュエータ４が駆動されることになる。なお、図１においては、油圧アクチュエータ４として１個の油圧シリンダを示したが、これは油圧回路を簡略化したものであり、油圧アクチュエータ４としては、油圧シリンダだけでなく、油圧モータも含むものであり、方向制御弁３には、通常、複数の油圧アクチュエータ４が接続され、この方向制御弁３により油圧の流れが制御される。

油圧アクチュエータ４が駆動されると、油圧回路を流れる作動油の温度が上昇することになる。作動油温度が高くなると、油圧ポンプ２の容積効率が低下することになる等の不都合があり、また作動油の劣化や変質を来す等の不都合がある。このために、油圧回路には作動油冷却機構を設けて、作動油の温度管理を行うようにしている。即ち、図１において、方向制御弁３から作動油タンク５への作動油の還流路６の途中にオイルクーラ１０が設けられており、油圧アクチュエータ４からの戻り油がオイルクーラ１０を通る間に冷却されることになる。

オイルクーラ１０による戻り油の冷却は、空冷式で行われるものであり、このために冷却ファン１１が設けられており、この冷却ファン１１を回転駆動することによって、オイルクーラ１０に冷却風が供給される。冷却ファン１１は油圧モータ１２により回転駆動されるものであり、この油圧モータ１２を駆動するために、油圧ポンプ１３が設けられている。

ここで、油圧アクチュエータ４を駆動するための油圧ポンプ２と、冷却ファン１１を駆動するための油圧ポンプ１３とを区別するために、以下の説明においては、油圧ポンプ２をメインポンプ、油圧ポンプ１３を補助ポンプという。補助ポンプ１３は冷却ファン１１を回転駆動する油圧モータ１２を作動させるものであり、この油圧モータ１２により冷却ファン１１を駆動して、オイルクーラ１０を流れる作動油を冷却する冷却風が供給されることになる。

冷却ファン１１の回転数は可変であり、この回転数を制御することによって、オイルクーラ１０に供給される冷却風量が制御されて、オイルクーラ１０による作動油の冷却熱量が調整される。このために、目標回転数設定手段１４が設けられる。目標回転数設定手段１４は、オイルクーラ１０に供給される冷却風量を制御するためのものであり、冷却風量を制御することによって、オイルクーラ１０による作動油の冷却熱量が調整される。その結果、作動油の冷却不足や冷却過多によるオーバーヒートや圧損が生じるのを抑制し、油圧回路における機械効率や容積効率を高い水準に保持する。そこで、この油圧駆動式産業機械の稼働時における作動油の適正温度範囲を設定し、油圧回路を流れる作動油が常にこの温度範囲内に維持するように制御する。

このために、戻り油の還流路６には、そのオイルクーラ１０の配設位置より上流側の位置に油温センサ１５が設けられており、この油温センサ１５によって、還流路６にはオイルクーラ１０の上流側位置での作動油の温度が検出される。このようにして検出した作動油の温度に基づいて、目標回転数設定手段１４により冷却ファン１１の回転数を制御することによって、オイルクーラ１０に対する冷却熱量が制御される。

目標回転数設定手段１４は、図２に示したように、油温センサ１５からの油温Ｔの検出値が取り込まれて、回転数演算部２０により冷却ファン１１の一次目標回転数Ｎｉが演算により求められる。ただし、冷却ファン１１は、この一次目標回転数Ｎｉとなるように回転駆動されるのではなく、オイルクーラ１０の通過流量に基づく補正が行われて、目標回転数Ｎが設定される。

このために、オイルクーラ１０内での戻り油の流量が検出される。オイルクーラ１０の上流側の圧力を検出する第１の圧力センサ１６Ａと、オイルクーラ１０の下流側の圧力を検出する第２の圧力センサ１６Ｂとが設けられており、これら第１，第２の圧力センサ１６Ａ，１６Ｂの検出信号に基づいて差圧検出部２１で差圧ΔＰが検出される。ここで、オイルクーラ１０は、周知のように、戻り油が流入するアッパタンクと、このアッパタンクからの戻り油が流れるフィン付きの細管と、冷却された作動油が流出するロアタンクとを有するものであるから、第１，第２の圧力センサ１６Ａ及び１６Ｂは、例えばこれらアッパタンク，ロアタンクに設けることができる。

以上のように、オイルクーラ１０の上流側と下流側との間の差圧ΔＰに関する信号は目標回転数設定手段１４に取り込まれて、補正演算部２２で一次目標回転数Ｎｉに対する回転数補正値が演算されて、目標回転数Ｎが得られる。このようにして演算された目標回転数Ｎは指令量演算部２３から冷却ファン１１の回転数を制御する回転数制御部２４に出力され、この回転数制御部２４からの信号に基づいて油圧モータ１２の回転数が制御されることになる。

ここで、戻り油が同じ温度であっても、オイルクーラ１０における戻り油の流量が多いと、その分だけオイルクーラ１０による冷却熱量が大きくなる。従って、油温のみに基づいて設定される一次目標回転数Ｎｉより少ない回転数で冷却ファン１１を作動させる。その結果、作動油が過冷却となることはない。一方、オイルクーラ１０における戻り油の流量が少ない場合には、その分だけ冷却熱量が小さくなるので、一次目標回転数Ｎｉより回転数を大きくして、冷却熱量を増大させる。その結果、戻り油の冷却不足が生じることはない。

ここで、メインポンプ２により油圧アクチュエータ４を駆動する場合において、例えば油圧アクチュエータ４としての油圧シリンダはその作動時にボトム室側とロッド室側との体積がロッドの進入分だけ変化する等のことから、油圧シリンダが伸長する時と縮小する時とでは、戻り油の流量が変化することになる。しかも、複数の油圧アクチュエータ４を同時に駆動する際において、これら各油圧アクチュエータ４の負荷が変動する際には、やはり戻り油の流量が変化することになる。

以上のように、油圧回路を流れる作動油の流量は、油圧駆動式産業機械の稼働時に、常に変化すること等から、オイルクーラ１０を通過する戻り油の通過流量が変化することになる。そこで、目標回転数設定手段１４では、戻り油のオイルクーラ１０の通過流量を検出するようにしており、油温センサ１５による戻り油の温度だけでなく、オイルクーラ１０の通過流量を検出して、この通過流量に応じて補助ポンプ１３の容量を変化させて、冷却ファン１１の回転数を変化させることによって、より正確な作動油の温度制御を行うようにしている。その結果、作動油のオーバーヒートや過冷却が生じることがなく、機械効率及び容積効率の点で良好な稼働が可能になる。しかも、油温に基づき設定される一次目標回転数Ｎｉを流量に基づく補正値で補正している結果、この一次目標回転数Ｎｉの範囲を狭いものとして設定できるようになり、このためにより正確な油温制御を行うことができる。

ところで、前述した第１の実施形態においては、冷却ファン１１を回転駆動する油圧モータ１２を可変容量式のもので構成し、この容量を変化させることによって、冷却ファン１１の回転数を変化させる構成としたものを示したが、図３に示したように、固定容量式の油圧モータ１１２を用い、この油圧モータ１１２を駆動するための補助ポンプ１１３を容量可変式のものとして、この補助ポンプ１１３から油圧モータ１１２に供給される作動油量を調整することによっても、目標回転数設定手段１１４から出力される目標回転数Ｎで冷却ファン１１の回転数を制御することもできる。

第１の実施形態を採用するにしろ、また第２の実施形態を採用するにしろ、冷却ファン１１の回転数は作動油温とオイルクーラ１０の通過流量に応じて変化させることになる。作動油温の変化はともかく、オイルクーラ１０の通過流量は刻々変化するものであり、油圧駆動式産業機械の稼働時には、この通過流量は大きく変化することになる。しかしながら、この通過流量の変化に応じて冷却ファン１１の回転数を頻繁に変化させると、油圧モータや補助ポンプ、また冷却ファンに対する負担が大きくなってしまう。そこで、目標回転数設定手段１４から回転数制御部２４に出力される指令値を、オイルクーラ１０の通過流量を積分する等して、任意の時間で平均化した単位時間当たりの流量の平均値または総流量から平均通過流量を算出して、この平均通過流量に基づいて目標回転数を変化させるようにすると、冷却ファン１１の回転数が頻繁に変化するのを防止できる。

１エンジン：２メインポンプ：３方向制御弁：４油圧アクチュエータ：５作動油タンク：６還流路：１０オイルクーラ：１１冷却ファン：１２，１１２油圧モータ：１３，１１３補助ポンプ：１４，１１４目標回転数設定手段：２０回転数演算部：２１差圧検出部：２２補正演算部：２３指令量演算部：２４回転数制御部

Claims

油圧ポンプと、この油圧ポンプにより駆動される油圧アクチュエータと、油圧アクチュエータからの戻り油が還流する作動油タンクとを備えた油圧回路に設けられる作動油温度制御装置であって、
前記戻り油の還流路に設けられ、冷却ファンの回転によりこの戻り油を冷却するオイルクーラと、
前記冷却ファンの回転数を制御するファン回転数制御手段と、
前記還流路を流れる戻り油の温度を検出する温度検出手段と、
前記オイルクーラを流れる作動油の通過流量を検出する流量検出手段と、
前記温度検出手段からの検出温度と前記流量検出手段による前記オイルクーラの作動油の通過流量とに基づいて前記ファン回転数制御手段による前記冷却ファンの回転数を制御する目標回転数設定手段と
を有する作動油温度制御装置。
前記目標回転数設定手段は、前記温度検出手段からの検出温度信号に基づいて、前記冷却ファンの回転数を設定し、この回転数時における前記オイルクーラの作動油の通過流量の計算値を基準として、前記流量検出手段により検出した通過流量の実測値が、計算値より大きいと、前記冷却ファンの回転数を設定値より低下させ、計算値より小さいと、前記冷却ファンの回転数を増加させるように制御するものであることを特徴とする請求項１記載の作動油温度制御装置。
前記オイルクーラの通過流量の検出は、このオイルクーラへの流入側と流出側との圧力差を検出することにより演算する構成としたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の作動油温度制御装置。
前記通過流量は、所定の単位時間を設定して、この単位時間当たりの流量の平均値または総流量とすることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の作動油温度制御装置。