JP2014524550A - エネルギを回収し、油圧システムにかかる負荷を平準化するためのシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

アキュムレータと油圧トランスフォーマを含んだ油圧システムが開示される。この油圧トランスフォーマは、回転可能なシャフトに取り付けられた第１及び第２可変容量形ポンプ／モータユニットを含む。この回転可能なシャフトは、外部荷重に連結されるように適合された端部を有する。第１可変容量形ポンプ／モータユニットは、ポンプに流体接続した第１側、及び、タンクに流体接続した第２側を含む。第２可変容量形ポンプ／モータユニットは、アキュムレータに流体接続した第１側、及び、タンクに流体接続した第２側を含む。
【選択図】図１

Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、米国を除くすべての指定国の出願人である米国企業のイートンコーポレーション、及び、米国のみの出願人である米国市民のアーロン、ハーツェル、ジャゴダの名義でＰＣＴ国際特許出願として、2012年8月10日に出願されており、かつ、2011年8月12日に出願された米国特許出願第61／523,099号に対する優先権を主張し、その開示内容はその全体を参照として本明細書に組み込む。

移動式の機械装置（例えば掘削機）は、大抵、様々な能動的機械要素（例えば、リンク機構，トラック，回転ジョイントなど）に動力供給するために用いられる油圧駆動の直動及びロータリーアクチュエータを有する油圧システムを含む。概して、直動アクチュエータは油圧シリンダを含み、また、回転アクチュエータは油圧モータを含む。機械制御システムのユーザーインターフェースにアクセスすることにより、機械装置の操作者は、様々な機械要素の動作を制御することができる。

移動式機械装置の典型的な部品は、移動式機械装置用の全体の動力源として機能する原動機（例えば、ディーゼルエンジン，火花点火エンジン，電気モータなど）を含む。一般に、原動機は、機械装置の部品である能動的機械要素を駆動するための加圧された油圧流体を供給する１つ以上の油圧ポンプに動力供給する。原動機は、概して、システムのピークの所要動力を満たすようにサイズ調整することが必要とされている。原動機は、ピークの所要動力を満たすように設計されているため、原動機が、平均的な作動荷重下において最大効率で動作しないことがある。

上述したタイプの能動的油圧要素の動作は、高頻度の加減速（例えば、オーバーランしている油圧荷重）によって特徴付けられる。絞り（throttling）により、減速に付随して相当なエネルギ損失がしばしば起こる。このような減速に付随したエネルギ損失を回収するような改善されたシステムが必要とされている。

本発明における開示の１つの態様は、オーバーランしている油圧荷重からエネルギを回収して有効利用するシステムと方法に関するものである。
本発明における開示のもう１つの態様は、低荷重の間に効果的にエネルギを貯蔵し、そして、貯蔵されたエネルギを高荷重の間に効果的に放出することにより、油圧システムの原動機にかかる負荷を平準化するシステムと方法に関するものであり、これは、原動機がピークの所要動力よりはむしろ平均の所要動力に対してサイズ調整されることを可能にする。このようなシステムと方法は、さらに、原動機の動作効率が最適化されることを可能にする、より安定した動作条件で、原動機が動作することを可能にする。
本発明における開示のさらなる１つの態様は、外部荷重に対して軸仕事を提供することができる油圧トランスフォーマを含んだ油圧システムに関するものである。本発明における特定の実施形態において、クラッチが用いられ、外部荷重に出力シャフトを結合させるか、または、外部荷重から出力シャフトを切り離して、ユニットを、スタンドアローンの油圧トランスフォーマとしてさらに機能させることができる。
様々な追加の複数の態様が、後述において説明される。これらの態様は、個別的特徴であり、また、これらの特徴を組み合わせることが可能なものである。当然のことながら、上記の発明の概要と以下の詳細な説明の両方は、例となるものであり、また、説明のためのものでしかなく、本発明において開示される実施形態に基づいた上位概念を制限するものではない。

図１は、本開示における原理に従った第１油圧システムの回路図である。 図２は、図１の第１油圧システムが動作することができる様々な動作モードを概略的に描写している行列図表である。 図３は、図２の行列図表において示された様々な動作モードで動作している図１の第１油圧システムを示している。 図４は、図２の行列図表において示された様々な動作モードで動作している図１の第１油圧システムを示している。 図５は、図２の行列図表において示された様々な動作モードで動作している図１の第１油圧システムを示している。 図６は、図２の行列図表において示された様々な動作モードで動作している図１の第１油圧システムを示している。 図７は、図２の行列図表において示された様々な動作モードで動作している図１の第１油圧システムを示している。 図８は、図２の行列図表において示された様々な動作モードで動作している図１の第１油圧システムを示している。 図９は、図２の行列図表において示された様々な動作モードで動作している図１の第１油圧システムを示している。 図１０は、図２の行列図表において示された様々な動作モードで動作している図１の第１油圧システムを示している。 図１１は、図２の行列図表において示された様々な動作モードで動作している図１の第１油圧システムを示している。 図１２は、本開示における原理に従った第２油圧システムの回路図である。 図１３は、図２の行列図表において示された様々な動作モードで動作している第２油圧システムを示している。 図１４は、図２の行列図表において示された様々な動作モードで動作している第２油圧システムを示している。 図１５は、図２の行列図表において示された様々な動作モードで動作している第２油圧システムを示している。 図１６は、図２の行列図表において示された様々な動作モードで動作している第２油圧システムを示している。 図１７は、図２の行列図表において示された様々な動作モードで動作している第２油圧システムを示している。 図１８は、図２の行列図表において示された様々な動作モードで動作している第２油圧システムを示している。 図１９は、図２の行列図表において示された様々な動作モードで動作している第２油圧システムを示している。 図２０は、図２の行列図表において示された様々な動作モードで動作している第２油圧システムを示している。 図２１は、図２の行列図表において示された様々な動作モードで動作している第２油圧システムを示している。 図２２は、本開示における原理に従った第３油圧システムの１つの動作構成を示している回路図である。 図２３は、本開示における原理に従った第３油圧システムの１つの動作構成を示している回路図である。 図２４は、本開示における原理に従った油圧システムが用いられている機械装置において、１つの例となる移動式掘削機を示している。 図２５は、本開示における原理に従った油圧システムが用いられている機械装置において、１つの例となる移動式掘削機を示している。 図２６は、本開示における原理に従った第４油圧システムの１つの動作構成を示している回路図である。 図２７は、本開示における原理に従った第４油圧システムの１つの動作構成を示している回路図である。

添付図面に示されている本開示の態様を詳細に参照する。可能な限り、同一の参照番号が、同一または同類の構造を示すように図面全体にわたって用いられている。

図１は、本開示における原理に従ったシステム１０を示している。このシステム１０は、原動機１４（例えば、ディーゼルエンジン，火花点火エンジン，電気モータ，または他の動力源）によって駆動される可変容量形ポンプ１２を含む。この可変容量形ポンプ１２は、タンク１８（つまり低圧力のリザーバ）から低圧力の油圧流体を吸込む入口１６を含む。可変容量形ポンプ１２は、さらに、高圧力の油圧流体が出力される出口２０を含む。出口２０は、好ましくは、複数の異なる作動荷重回路に流体連通する。

例えば、出口２０は、第１荷重回路２２及び第２荷重回路２４に連結されて示されている。この第１荷重回路２２は、第１ポート２８，第２ポート３０，及び第３ポート３２を含んだ油圧トランスフォーマ２６を含む。油圧トランスフォーマ２６の第１ポート２８は、可変容量形ポンプ１２の出口２０に流体連通しており、さらに、第２荷重回路２４に流体連通している。第２ポート３０は、タンク１８に流体連通している。第３ポート３２は、油圧アキュムレータ３４に流体連通している。油圧トランスフォーマ２６は、さらに、外部荷重３８に連結される出力／入力シャフト３６を含む。

クラッチ４０が、出力／入力シャフト３６を選択的に、外部荷重３８に結合し、また、出力／入力シャフト３６を外部荷重３８から切り離すために、用いられる。クラッチ４０が出力／入力シャフト３６を外部荷重３８に結合した場合、トルクが、出力／入力シャフト３６と外部荷重３８との間で伝達される。一方で、クラッチ４０が出力／入力シャフト３６を外部荷重３８から切り離した場合、トルクは、出力／入力シャフト３６と外部荷重３８との間で全く伝達されない。クラッチ４０と外部荷重３８との間に減速ギアを設けてもよい。

システム１０は、さらに、原動機１４，可変容量形ポンプ１２，及び油圧トランスフォーマ２６と接続する電子コントローラ４２を含む。当然のことながら、電子コントローラ４２は、さらに、システム１０の至る所に備えられている様々な他のセンサ及び他のデータソースと接続することができる。例えば、電子コントローラ４２は、アキュムレータ３４内の油圧，可変容量形ポンプ１２によって第１荷重回路２２及び第２荷重回路２４に供給される油圧，油圧トランスフォーマ２６側のポンプ及びタンクの圧力，及び，他の圧力を測定するためにシステム１０に組み込まれている複数の圧力センサと接続することができる。

さらに、コントローラ４２は、出力／入力シャフト３６の回転速度を感知する回転速度センサと接続することができる。またさらに、電子コントローラ４２は、原動機１４にかかる負荷を監視するために用いられ、また、原動機１４によって駆動されるドライブシャフト１３の所与の回転速度に対する、可変容量形ポンプ１２による油圧流体の流量を制御することができる。本発明における１つの実施形態において、可変容量形ポンプ１２の斜板４４の位置を変化させることによって、ドライブシャフト１３の軸１回転あたりの可変容量形ポンプ１２による油圧流体の吐出量を変化させることができる。

コントローラ４２は、さらに、操作者が外部荷重３８に対して油圧トランスフォーマ２６の出力／入力シャフト３６を選択的に結合及び離脱ができるように、クラッチ４０と接続することができる。

電子コントローラ４２は、原動機１４が一定した運転状態（つまり定常的な運転状態）で運転することを可能にする荷重平準化機能を提供するように、油圧トランスフォーマ２６の動作を制御することができ、従って、原動機１４の全体の効率を上げることを促進する。この荷重平準化機能は、原動機１４に低荷重がかかる期間におけるアキュムレータ３４内での効率的なエネルギの貯蔵、及び、原動機１４に高荷重がかかる期間における貯蔵されたエネルギの効果的な解放によって提供される。これは、原動機１４がピークの所要動力よりはむしろ平均の所要動力に対してサイズ調整されることを可能にする。

図２は、システム１０の動作制御において、電子コントローラ４２によって用いられる制御ロジックの概要を概略的に描写している行列図表５０を示している。当然のことながら、行列図表５０は、単純化されたものであり、例えばアキュムレータ３４のチャージ状態などの特定の要素を考慮に入れたものではない。制御ロジック／アーキテクチャの主要目的は、原動機１４にかかる負荷を一般的なレベルに維持することであり、これにより、より効率的な原動機１４の動作を可能にする。

この制御ロジック／アーキテクチャは、さらに、システムのピークの所要動力を減らすことができ、従って、より小型な原動機が用いられることを可能にする。これは、アキュムレータ３４及びトランスフォーマ２６を用いて、原動機１４によって動力供給される第１荷重回路２２からのエネルギを回収し、原動機１４によって動力供給される第２荷重回路２４に動力供給するための補助動力として、この回収されたエネルギを用いることによって実現される。

アキュムレータ３４及びトランスフォーマ２６は、さらに、原動機１４によって生み出されるエネルギをバッファするために用いられる。アキュムレータ３４及びトランスフォーマ２６は、さらに、油圧の絞りを解消することができる方法として、荷重の減速に関連したエネルギを回収するように用いることができる。

図２を参照すると、行列図表５０は、複数の横の行と複数の縦の列を含む。例えば、横の行は、原動機１４の低荷重状態に相当する第１行５２，原動機１４の目標荷重状態に相当する第２行５４，及び，原動機１４の高荷重状態に相当する第３行５６を含む。

縦の列は、第１列５８，第２列６０，及び第３列６２を含む。第１列５８は、トランスフォーマ２６が、クラッチ４０により出力／入力シャフト３６から外部荷重３８へトルクを伝達するモータリング機能を与えている状態を示している。第２列６０は、クラッチ４０により、出力／入力シャフト３６が外部荷重３８から切り離されている状態を示している。第３列６２は、トランスフォーマ２６が、外部荷重３８から出力／入力シャフト３６を遡ってトルクが伝達されるポンピング機能を与えている状態を示している。

行列図表５０のボックス６４は、原動機１４が低荷重下にあり、かつ、油圧トランスフォーマ２６が、出力／入力シャフト３６を通して外部荷重３８へトルクが伝達されるモータリング機能を与える動作モード／状態を示している。出力／入力シャフト３６の回転を通して外部荷重３８を加速させ、あるいは、駆動するように、電子コントローラ４２に指示するオペレータインタフェース４３（例えば、制御パネル，ジョイスティック，トグル，スイッチ，操作レバーなど）からのコマンドを、電子コントローラ４２が受信した場合、システム１０は、このモードで動作する。

このモード／状態において、可変容量形ポンプ１２からの一部の油圧流体圧力が出力／入力シャフト３６を駆動するように用いられ、また、可変容量形ポンプ１２からの油圧流体圧力の残りがアキュムレータ３４をチャージするように用いられるように、コントローラ４２は、油圧トランスフォーマ２６の動作を制御する（図３参照）。

行列図表５０のボックス６６は、原動機１４が低荷重下で動作し、かつ、出力／入力シャフト３６が、外部荷重３８からから切り離される動作モード／状態を示している。このモード／状態において、可変容量形ポンプ１２からの全ての過剰な油圧流体圧力（例えば、第２荷重回路に必要とされない余剰動力）がアキュムレータ３４をチャージするように用いられるスタンドアローンのトランスフォーマとして、トランスフォーマ２６が機能するように、コントローラ４２は、油圧トランスフォーマ２６の動作を制御する（図４参照）。このように、トランスフォーマ２６及びアキュムレータ３４は、さもなくば使用されない原動機１４からのエネルギが、後で用いるために保存されるようなエネルギバッファ機能を提供する。

行列図表５０のボックス６８は、原動機１４が低荷重下にあり、かつ、トランスフォーマ２６が出力／入力シャフト３６を通してトルクが伝達されるポンプとして機能する動作モード／状態を示している。外部荷重３８の回転を減速するように電子コントローラ４２に指示するオペレータインタフェース４３からのコマンドを、電子コントローラ４２が受信した場合、システム１０は、このモードで動作する。

これは、外部荷重３８の動作に相当するエネルギ（例えば内部エネルギ）がトルクに変換され、出力／入力シャフト３６を通してトランスフォーマ２６へ伝達されるオーバーランニング状態を作り出す。この状態において、電子コントローラ４２は、トランスフォーマ２６が、外部荷重３８の内部エネルギから得られるトルクを、アキュムレータ３４をチャージするように用いられる油圧エネルギに変換するポンピング機能を提供するように、油圧トランスフォーマ２６の動作を制御する（図５参照）。

エネルギがアキュムレータ３４に移送されることにより、トランスフォーマ２６は、出力／入力シャフト３６の回転にブレーキをかけるように機能して、所望の減速を実現する。このモード／状態において、電子コントローラ４２は、さらに、可変容量形ポンプ１２からの超過エネルギが、アキュムレータ３４をチャージするために同時に用いられるように、トランスフォーマ２６を制御することができる。

行列図表５０のボックス７０は、原動機１４が目標荷重において動作し、かつ、出力／入力シャフト３６が外部荷重３８を駆動するモータリング機能を、油圧トランスフォーマ２６が与える動作モード／状態を示している。このモード／状態において、電子コントローラ４２は、可変容量形ポンプ１２からのエネルギが、出力／入力シャフト３６を駆動するために用いられ、かつ、エネルギがアキュムレータ３４に全く移送されないように、トランスフォーマ２６を制御する（図６参照）。

ボックス７２は、原動機１４が目標荷重において動作し、かつ、出力／入力シャフト３６が外部荷重３８から切り離される動作モード／状態を示している。このモード／状態において、電子コントローラ４２は、エネルギが油圧トランスフォーマ２６に全く伝達されないように、トランスフォーマ２６を制御する（図７参照）。

行列図表５０のボックス７４は、原動機１４が目標荷重において動作し、かつ、トランスフォーマ２６が出力／入力シャフト３６を通してトルクが伝達されるポンプとして、機能するモード／状態を示したものである。電子コントローラ４２が外部荷重３８の回転を減速するように指示するオペレータインタフェース４３からのコマンドを受信した場合、システム１０は、このモードで動作する。

これは、外部荷重３８の動作に相当するエネルギ（例えば内部エネルギ）がトルクに変換され、出力／入力シャフト３６を通してトランスフォーマ２６へ伝達されるオーバーランニング状態を作り出す。このモード／状態において、電子コントローラ４２は、トランスフォーマ２６が、外部荷重３８の内部エネルギから得られるトルクを、アキュムレータ３４をチャージするように用いられる油圧エネルギに変換するポンピング機能を提供するように、油圧トランスフォーマ２６の動作を制御する（図８参照）。エネルギがアキュムレータ３４に移送されることにより、トランスフォーマ２６は、出力／入力シャフト３６の回転にブレーキをかけるように機能して、所望の減速を実現する。

行列図表５０のボックス７６は、原動機１４が高荷重下にあり、かつ、出力／入力シャフト３６が外部荷重３８を駆動するモータリング機能を与えている動作モード／状態を示している。このモード／状態では、コントローラ４２は、アキュムレータ３４からのエネルギが、外部荷重３８を駆動するための出力／入力シャフト３６を回転させるために用いられるように、トランスフォーマ２６を制御する。さらに、原動機１４にかかる負荷の平準化／減少を促進するために、アキュムレータ３４からの超過エネルギが、可変容量形ポンプ１２及び第２荷重回路２４へ戻る方向に同時に伝達されるように、トランスフォーマ２６はコントローラ４２により制御される（図９参照）。

行列図表５０のボックス７８は、原動機１４が高荷重下にあり、かつ、出力／入力シャフト３６が外部荷重３８から切り離される動作モード／状態を示している。この状態では、電子コントローラ４２は、原動機１４にかかる負荷の平準化／減少を促進するために、アキュムレータ３４からのエネルギが、第２荷重回路２４において使用されるように、油圧トランスフォーマ２６によってポンプ１２及び第２荷重回路２４へ戻る方向に伝達されるように、トランスフォーマ２６を制御する（図１０参照）。当然のことながら、ポンプ１２及び第２荷重回路２４は、油圧システム１０全体のうちの“システム側”とみなすことができる。

行列図表５０のボックス８０は、原動機１４が高荷重下にあり、かつ、出力／入力シャフト３６を通してトランスフォーマ２６にトルクが伝達されるポンプとして、トランスフォーマ２６が機能するモード／状態を示したものである。電子コントローラ４２が、外部荷重３８の回転を減速するように指示するオペレータインタフェース４３からのコマンドを受信した場合、システム１０は、このモード／状態で動作する。

これは、外部荷重３８の動作に相当するエネルギ（例えば内部エネルギ）がトルクに変換され、出力／入力シャフト３６を通してトランスフォーマ２６へ伝達されるオーバーランニング状態を作り出す。このモード／状態では、電子コントローラ４２は、トランスフォーマ２６が、外部荷重３８の内部エネルギから得られるトルクを油圧エネルギに変換し、このエネルギを油圧システム１０のシステム側のほうに伝達して、原動機１４にかかる負荷の平準化／減少を促進するために用いるポンピング機能を提供するように、トランスフォーマ２６を制御する。

エネルギがシステム側に伝達されることにより、トランスフォーマ２６は、出力／入力シャフト３６の回転にブレーキをかけるように機能して、所望の減速を実現する。この状態では、電子コントローラ４２は、さらに、アキュムレータ３４からのエネルギが、第２荷重回路２４において使用されるために、油圧システム１０全体のうちのシステム側及び第２荷重回路２４へ戻る方向に同時に伝達されるように、トランスフォーマ２６を制御することができる（図１１参照）。

図１２は、共通のシャフトによって接続された複数のポンプ／モータユニットを有する油圧トランスフォーマ２６ａが設けられた図１〜１１と同様のシステム１０を示している。例えば、この油圧トランスフォーマ２６ａは、シャフト１０４によって接続された第１及び第２可変容量容積型ポンプ／モータユニット１００，１０２を含む。このシャフト１０４は、第１ポンプ／モータユニット１００を第２ポンプ／モータユニット１０２に接続する第１部分１０６と、出力／入力シャフト３６を形成する第２部分１０８を含む。

第１ポンプ／モータユニット１００は、可変容量形ポンプ１２と流体連通する第１側１００ａと、タンク１８と流体連通する第２側１００ｂを含む。第２ポンプ／モータユニット１０２は、アキュムレータ３４と流体連通する第１側１０２ａと、タンク１８と流体連通する第２側１０２ｂを含む。

本発明における１つの実施形態において、第１及び第２ポンプ／モータユニット１００，１０２の各々は、シャフト１０４と共に回転する回転ユニット（例えば、シリンダブロック及びピストン）と、シャフト１０４の１回転あたりの吐出量を変化させるために、シャフト１０４に対して異なる角度で設置することができる斜板１１０を含む。ポンプ／モータユニット１００，１０２のうちの任意の１つによって吐出されるシャフト１０４の１回転あたりの油圧流体の流量は、その任意のポンプ／モータユニットに対応する斜板１１０の角度を変化させることによって変化させることができる。

斜板１１０の角度を変えることは、さらに、シャフト１０４と任意のポンプ／モータユニットの回転ユニットとの間に伝達されるトルクを変化させる。斜板１１０がシャフト１０４に対して垂直に配置される場合、油圧流体の流れ量は、ポンプ／モータユニット１００，１０２に全く生じない。斜板１１０は、シャフト１０４の双方向の回転を可能にするオーバーセンター（両傾転）の斜板であってもよい。この場合の斜板１１０の角度位置は、システム１０の動作状態に基づいて電子コントローラ４２により個別に制御される。

斜板１１０の位置を制御することによって、コントローラ４２は、図２の行列図表５０に表記された動作モードのうちのいずれか１つにおいてシステム１０を動作させることができる。システム１０がボックス６４のモードで動作する場合、第１ポンプ／モータユニット１００は、ポンプ１２からの動力を用いて、シャフト１０４を回転させて外部荷重３８を駆動し、また、第２ポンプ／モータユニット１０２は、シャフト１０４から動力を取り出し、油圧流体をアキュムレータ３４内に送るための動力として用いる（図１３参照）。

システム１０がボックス６６のモードで動作する場合、第１ポンプ／モータユニット１００は、ポンプ１２からの動力を用いてシャフト１０４を回転させ、また、第２ポンプ／モータユニット１０２は、アキュムレータ３４をチャージするために、シャフト１０４から動力を取り出し、油圧流体をアキュムレータ３４内に送るための動力として用いる（図１４参照）。

システム１０がボックス６８のモードで動作する場合、動作している外部荷重３８からの内部エネルギがシャフト１０４を回転させ、また、第２ポンプ／モータユニット１０２は、アキュムレータ３４をチャージするために、シャフト１０４から動力を取り出し、油圧流体をアキュムレータ３４内に送るための動力として用いる（図１５参照）。ポンプ１２からのエネルギも、アキュムレータ３４をチャージするために同時に用いられてもよい。

システム１０がボックス７０のモードで動作する場合、第１ポンプ／モータユニット１００は、ポンプ１２からの動力を用いてシャフト１０４を回転させ、外部荷重３８を駆動し、また、第２ポンプ／モータユニット１０２は、吐出量ゼロに設定される（図１６参照）。
システム１０がボックス７２のモードで動作する場合、第１及び第２ポンプ／モータユニット１００，１０２の両方は、吐出量ゼロに設定される（図１７参照）。

システム１０がボックス７４のモードで動作する場合、動作している外部荷重３８からの内部エネルギがシャフト１０４を回転させ、また、第２ポンプ／モータユニット１０２は、アキュムレータ３４をチャージするために、シャフト１０４から動力を取り出し、油圧流体をアキュムレータ３４内に送るための動力として用い、さらに、第１ポンプ／モータユニット１００は、吐出量ゼロに設定されている（図１８参照）。

システム１０がボックス７６のモードで動作する場合、第２ポンプ／モータユニット１０２は、チャージされたアキュムレータ３４からの動力を用いてシャフト１０４を回転させ、外部荷重３８を駆動し、また、第１ポンプ／モータユニット１００は、ポンプ１２及び第２荷重回路２４へ戻る方向に油圧流体を送る（図１９参照）。
システム１０がボックス７８のモードで動作する場合、第２ポンプ／モータユニット１０２は、チャージされたアキュムレータ３４からの動力を用いてシャフト１０４を回転させ、また、第１ポンプ／モータユニット１００は、ポンプ１２及び第２荷重回路２４へ戻る方向に油圧流体を送る（図２０参照）。

システム１０がボックス８０のモードで動作する場合、第２ポンプ／モータユニット１０２は、チャージされたアキュムレータ３４からの動力を用いてシャフト１０４を回転させ、また、動作している外部荷重３８からの内部エネルギもシャフト１０４を回転させ、またさらに、第１ポンプ／モータユニット１００は、ポンプ１２及び第２荷重回路２４へ戻る方向に油圧流体を送る（図２１参照）。

ポンプ／モータユニット１００，１０２の吐出量及び吐出方向を制御することによって、特定のレベルにおける流体動力（圧力×流量）は、別のレベルに変換されるか、または、外部荷重３８を駆動するために用いられるシャフトの動力として提供される。外部荷重３８の減速が望まれる場合、油圧トランスフォーマ２６ａは、タンク１８からの低圧力の流体を吸込み、貯蔵のためのアキュムレータ３４か，可変容量形ポンプ１２に接続された第２荷重回路２４か，またはこの２つの組み合わせ（両方），のうちのいずれかに、送るポンプとして動作することができる。

シャフトの働きを外部荷重３８に作用させる必要がない場合、クラッチ４０を用いて出力／入力シャフト３６を外部荷重３８から切り離すことにより、油圧トランスフォーマ２６ａは、スタンドアローンの油圧トランスフォーマ（例えば、従来型の油圧トランスフォーマ）として、機能することができる。これは、他の関連するシステム荷重（例えば、第２荷重回路２４に相当する荷重）によって要求される圧力にかかわらず、システム１０からエネルギを取り出し、現在のアキュムレータ圧力において絞られることなく（without throttling）エネルギを貯蔵することによって実現される。

同様に、絞られないエネルギが、さらに、現在圧力においてアキュムレータ３４から引き出され、所望の動作圧力でシステム１０に供給される。油圧トランスフォーマ２６ａによる供給流量の配分は、ポンプ／モータユニット１００，１０２の斜板１１０の位置を制御することによって、制御される。本発明における特定の実施形態において、本発明で開示される態様が、出力／入力シャフト３６と外部荷重３８との間の連結を切り離すためのクラッチがないシステムにおいて用いられてもよい。

図２２は、本開示の原理に従った、もう１つのシステム２１０を示している。このシステム２１０は、原動機２１４によって駆動される可変容量形ポンプ２１２を含む。この可変容量形ポンプ２１２は、タンク２１８から油圧流体を吸込み、第１荷重回路２２２，第２荷重回路２２４及び第３荷重回路２２６に動力供給するために、加圧された油圧流体を出力する。制御バルブ装置２２７は、可変容量形ポンプ２１２と第２荷重回路２２４と第３荷重回路２２６との間の流体連通を制御する。

第１荷重回路２２２は、共通のシャフト２２９によって接続された３つの回転部を含む油圧トランスフォーマ２６ｂを含む。この共通のシャフト２２９は、出力／入力シャフト２３６を形成する端部を含む。クラッチ２４０が、出力／入力シャフト２３６を外部荷重２３８に結合させるため、また、出力／入力シャフト２３６を外部荷重２３８から切り離すために、選択的に用いられる。

この油圧トランスフォーマ２６ｂの回転部は、第１可変容量形ポンプ／モータユニット２００，第２可変容量形ポンプ／モータユニット２０２，及び，第３可変容量形ポンプ／モータユニット２０３を含む。第１可変容量形ポンプ／モータユニット２００の第１側２７０は、可変容量形ポンプ２１２の出力側に流体接続され、また、第１可変容量形ポンプ／モータユニット２００の第２側２７１は、タンク２１８に流体接続されている。第３可変容量形ポンプ／モータユニット２０３の第１側２７２は、第２荷重回路２２４につながる流路２８１に流体接続されている。

流量制御バルブ２８０は、流路２８１に配置されている。第３可変容量形ポンプ／モータユニット２０３の第２側２７３は、タンク２１８に流体接続されている。第２可変容量形ポンプ／モータユニット２０２の第１側２７４は、油圧アキュムレータ２３４に流体接続され、また、第２可変容量形ポンプ／モータユニット２０２の第２側２７５は、タンク２１８に流体接続されている。ポンプ／モータユニット２００，２０２及び２０３は、前述のポンプ／モータとして同一型の構成を有することができる。

第２荷重回路２２４は、シリンダボディ２９７内に取り付けられたピストン２９６を有する油圧シリンダ２９５を含む。ピストン２９６は、上昇ストローク方向２９８及び戻りストローク方向２９９において移動可能である。ピストン２９６が上昇ストローク方向２９８に移動している場合、油圧シリンダ２９５は、ワーク要素３０１（例えばブーム）を重力に逆らって上昇させる、すなわち、移動させるために用いられる。ピストン２９６が戻りストローク方向２９９に移動している場合、ワーク要素３０１は、重力を利用して移動する。シリンダボディ２９７は、ピストン２９６のピストンヘッド３０４の両側に配置される第１及び第２ポート３０２，３０３を形成する。

上昇ストローク方向２９８にピストン２９６を移動させるために、油圧流体が、ポンプ２１２から制御バルブ装置２２７及び流量制御バルブ２８０を通過し、そして、第１ポート３０２を通過してシリンダボディ２９７内へ加圧される。同時に、上昇ストローク方向２９８へのピストンヘッド３０４の運動は、流体を、第２ポート３０３を通過させてシリンダボディ２９７の外へ押し出す。シリンダボディ２９７から抜け出て、第２ポート３０３を通過する油圧流体は、油圧流体をタンク２１８へ送る制御バルブ装置２２７により、タンク２１８へ流れる。

戻りストローク方向２９９にピストン２９６を移動させるために、油圧流体が、ポンプ２１２から制御バルブ装置２２７を通過し、そして、第２ポート３０３を通過してシリンダボディ２９７内へ加圧される。同時に、戻りストローク方向２９９へのピストンヘッド３０４の運動は、流体を、第１ポート３０２を通過してシリンダボディ２９７の外へ押し出す。戻りストローク方向２９９へのピストンヘッド３０４の運動は、重力によって（例えば、上昇されたワーク要素３０１の重量によって）促進／動力供給され、第１ポート３０２から抜け出るように油圧流体を加圧する。

図２３に示されているように流量制御バルブ２８０をシフトさせることにより、ピストン２９６の戻りストローク間の第１ポート３０２からの油圧流体出力は、流路２８１を通過して第３ポンプ／モータユニット２０３へ送られ、シリンダボディ２９７から抜け出た加圧流体からのエネルギは、共通シャフト２２９を駆動するために用いられる。油圧シリンダ２９５から排出される圧力により共通シャフト２２９が駆動されると、ピストン２９６の戻りストロークに相当するエネルギは、第２ポンプ／モータユニット２０２を通過してアキュムレータ２３４に移送され、かつ／または、出力／入力シャフト２３６を通過して外部荷重２３８に移送される。

さらに、このエネルギは、第１ポンプ／モータユニット２００の第１側２７０から吐出された加圧流体として可変容量形ポンプ２１２へ戻すことも可能である。このようにして、油圧トランスフォーマ２６ｂは、油圧シリンダ２９５の上昇ストローク間に持ち上げられて上昇したワーク要素３０１の重量に相当するポテンシャルエネルギの回収と使用を可能にする。

前述した本発明における実施形態と同様に、油圧トランスフォーマ２６ｂ及びアキュムレータ２３４は、さらに、ポンプ２１２からの超過エネルギがアキュムレータ２３４内に貯蔵されることを可能にし、エネルギバッファ機能を提供する。さらに、前述した本発明における実施形態と同様に、動作している荷重２３８の減速に相当するエネルギが、後で使うためにアキュムレータ２３４に貯蔵され、かつ／または、第２または第３回路２２４，２２６において用いるために、ポンプ２１２に戻るように移送され、荷重平準化機能を提供する。

またさらに、バルブ２８０及び第３ポンプ／モータユニット２０３が、アキュムレータ２３４からか、または、動作している荷重２３８の減速に相当するエネルギが、ピストン２９６を上昇方向２９８に駆動するために用いられることを可能にする。図２において説明したモードと比較すると、動力の取り出し及び動力の供給の両方が可能な他の回路にリンクした第３ポンプ／モータユニット２０３の追加が、動作モード／オプションの追加の設定を可能にする。

本発明における１つの実施例において、上述したタイプの油圧回路構成は、掘削機のような移動式の掘削装置の一部に組み込まれる。例えば、図２４及び２５は、アンダーキャレッジ４１０に支持される上部構造４１２を含む例示的な掘削機４００を描写している。このアンダーキャレッジ４１０は、掘削機４００を移動させるための推進構造を含む。例えば、アンダーキャレッジ４１０は、左右に軌道を含む。上部構造４１２は、アンダーキャレッジ４１０に対して旋回軸４０８（つまりスイング軸）まわりに回動可能である。特定の実施形態において、上述したタイプのトランスフォーマの入力／出力シャフトは、アンダーキャレッジ４１０に対してスイング軸４０８まわりに上部構造４１２を回動させるために用いられる。

上部構造４１２は、機械装置の原動機１４を支持して運ぶことができ、さらに、オペレータインタフェースが備えられている運転室４２５を含むことができる。ブーム４０２は、上部構造４１２によって支持され、また、ブームシリンダ４０２ｃによって上昇位置と下降位置との間で回動される。アーム４０４が、ブーム４０２の先端部に回動可能に接続されている。アームシリンダ４０４ｃは、ブーム４０２に対してアーム４０４を回動させるために用いられる。掘削機４００は、さらに、アーム４０４の先端部に回動可能に接続されているバケット４０６を含む。バケットシリンダ４０６ｃは、アーム４０４に対してバケット４０６を回動させるために用いられる。

特定の実施形態において、ブームシリンダ４０２ｃ，アームシリンダ４０４ｃ，及び，バケットシリンダ４０６ｃは、上述したタイプの荷重回路システムの一部であることができる。例えば、図２２及び２３の実施形態における油圧シリンダ２９５は、ブームシリンダ４０２ｃとして機能することができる。

図２６及び２７は、掘削機４００に適合されて用いられる本開示における原理に従った他のシステム５１０を示している。このシステム５１０は、原動機５１４によって動力供給される可変容量形ポンプ５１２を含む。この可変容量形ポンプ５１２は、シャフトの軸１回転あたりのポンプの吐出量を制御するための斜板５４４を含むことができる。システムのコントローラ５４２は、ネガティブフロー制御オリフィスバルブ５４５を有するネガティブフロー制御回路５４３と接続することができる。このネガティブフロー制御回路５４３は、ネガティブフロー制御（ＮＦＣ）ポンプ制御方式がポンプ５１２の動作を制御するために用いられることを可能にする。

可変容量形ポンプ５１２は、タンク５１８から油圧流体を吸込み、それから、第１荷重回路５２２，第２荷重回路５２４，及び第３荷重回路５２６に動力供給するために、加圧された流体を出力する。第２荷重回路５２４は、アームシリンダ４０４ｃを含み、また、第３荷重回路５２６は、ブームシリンダ４０２ｃを含む。流量方向制御バルブ５２３は、アームシリンダ４０４ｃとポンプ５１２とタンク５１８との間の流れを制御する。流量方向制御バルブ５２５は、ブームシリンダ４０２ｃとポンプ５１２とタンク５１８との間の流れを制御する。

第１荷重回路５２２は、共通のシャフト５２９によって接続されている２つの回転部を含んでいる油圧トランスフォーマ２６ｃを含む。この共通シャフトまたは複数のシャフト５２９は、出力／入力シャフト５３６を形成する端部を含む。クラッチ５４０が、出力／入力シャフト５３６を選択的に、外部荷重５３８に結合し、また、出力／入力シャフト５３６を外部荷重５３８から切り離すために、用いられる。出力／入力シャフト５３６は、望ましくは、アンダーキャレッジ４１０に対して旋回軸４０８まわりに掘削機４００の上部構造４１２を回動（つまり、旋回軸４０８まわりに旋回）させるために用いられる。このように、外部荷重５３８は、旋回軸４０８まわりの上部構造４１２の回動運動を加減速するために用いられる荷重を示す。減速ギア５３９が、クラッチ５４０と上部構造４１２との間に示されている。

油圧トランスフォーマ２６ｃの回転部は、第１可変容量ポンプ／モータユニット５００，及び，第２可変容量ポンプ／モータユニット５０２を含む。第１可変容量ポンプ／モータユニット５００の第１側５７０は、可変容量形ポンプ５１２の出力側に流体接続され、また、第１可変容量形ポンプ／モータユニット５００の第２側５７１は、タンク５１８に流体接続されている。流路５６９は、第１可変容量形ポンプ／モータユニット５００の第２側５７１を、ポンプ５１２の出力側に接続する。第２可変容量ポンプ／モータユニット５０２の第１側５７４は、油圧アキュムレータ５３４に流体接続され、また、第２可変容量形ポンプ／モータユニット５０２の第２側５７５は、タンク５１８に流体接続されている。ポンプ／モータユニット５００，５０２は、前述のポンプ／モータとして同一型の構成を有することができる。

ブームシリンダ４０２ｃは、シリンダ４０５及びピストン４０７を含む。シリンダ４０５は、ピストン４０７のピストンヘッド４１３の両側に第１及び第２ポート４０９，４１１を形成する。

流量制御バルブ５６７（つまりモードバルブ）は、流路５６９に配置されている。流量制御バルブ５６７は、第１位置と第２位置との間で移動可能である。第１位置において、流量制御バルブ５６７は、ポンプ５１２の出力側を、第１ポンプ／モータユニット５００の第１側５７０に流体接続する。（図２７に示されている）第２位置において、流量制御バルブ５６７は、シリンダ４０５の第１ポート４０９を、第１ポンプ／モータユニット５００の第１側５７０に流体接続する。

ブーム４０２を上昇させるための上昇／伸びストロークにおいてピストン４０７を移動させるために、第１ポート４０９が、ポンプ５１２の出力側に流体連通するように配置され、また、第２ポート４１１が、タンク５１８に流体連通するように配置され、かつ／または、第１ポート４０９が、第１ポンプ／モータユニット５００の第１側５７０に流体連通するように配置され、また、第２ポート４１１が、タンク５１８に流体連通するように配置される。

ブーム４０２を下降させるための戻り方向においてピストン４０７を移動させるために、第１ポート４０９が、流量制御バルブ５６７を経由して第１ポンプ／モータユニット５００の第１側５７０に流体連通するように配置される。一方向チェックバルブ５６３は、ブーム４０２がこの構成において下降するとき、第１ポート４０９がタンク５１８に流体連通することを防ぐ。当然のことながら、ブーム４０２が下降するとき、ブーム４０２の重量が、第１ポート４０９から排出されるように油圧流体を加圧する。

このように加圧された油圧流体をトランスフォーマ２６ｃに送ることによって、上昇されたブーム４０２の重量に相当するポテンシャルエネルギは、アキュムレータ５３４において回収されて貯蔵され、かつ／または、出力／入力シャフト５３６を介して外部荷重５３８に伝達される。また、特定の実施形態において、このエネルギは、さらに、第１ポンプ／モータユニット５００の第１側５７０から送り込まれる加圧された油圧流体として可変容量形ポンプ５１２へ戻る方向に同時に移送されてもよい。このようにして、油圧トランスフォーマ２６ｃは、油圧シリンダ４０２ｃの上昇ストローク間に上昇したブーム４０２の重量に相当するポテンシャルエネルギの回収と使用を可能にする。

前述した本発明における実施形態と同様に、油圧トランスフォーマ２６ｃ及びアキュムレータ５３４は、さらに、ポンプ５１２からの超過エネルギがアキュムレータ５３４内に貯蔵されることを可能にし、エネルギバッファ機能を提供する。さらに、前述した本発明における実施形態と同様に、作動している荷重５３８の減速に相当するエネルギが、後で使うためにアキュムレータ５３４に貯蔵され、ブーム４０２ｃへ移送され、かつ／または、第２または第３回路５２４，５２６において用いるために、ポンプ５１２に戻るように移送され、荷重平準化機能を提供する。コントローラ５４２と接続される油圧流体圧力センサ５９０が、システム５１０の至る所に設けられている。

Claims (17)

1. アキュムレータと、
   油圧トランスフォーマと、を含み、
   前記油圧トランスフォーマは、回転可能なシャフトに接続された第１及び第２可変容量形ポンプ／モータユニットを含み、前記回転可能なシャフトは、外部荷重に連結されるように適合されており、前記第１可変容量形ポンプ／モータユニットは、ポンプに流体接続した第１側、及び、タンクに流体接続した第２側を含み、かつ、前記第２可変容量形ポンプ／モータユニットは、前記アキュムレータに流体接続した第１側、及び、前記タンクに流体接続した第２側を含むことを特徴とする油圧システム。
2. 前記第１及び第２可変容量形ポンプ／モータユニットの其々は、前記回転可能なシャフトと斜板に取り付けられる回転部を含むことを特徴とする請求項１に記載の油圧システム。
3. さらに、前記回転可能なシャフトを前記外部荷重に結合し、また、前記回転可能なシャフトを前記外部荷重から切り離すためのクラッチを含むことを特徴とする請求項１に記載の油圧システム。
4. 前記油圧システムは、アンダーキャレッジに対して旋回軸まわりに回動する上部構造を有する掘削機に組み込まれ、前記回転可能なシャフトは、前記旋回軸まわりに前記上部構造を回動させるために用いられることを特徴とする請求項１に記載の油圧システム。
5. 前記上部構造は、ブームシリンダによって上昇下降する掘削機のブームを支えることを特徴とする請求項４に記載の油圧システム。
6. 前記掘削機のブームが、前記ブームシリンダによって下降しているとき、前記第１ポンプ／モータユニットの前記第１側は、前記ブームシリンダの出力ポートに流体連通するように配置されていることを特徴とする請求項５に記載の油圧システム。
7. さらに、前記第１ポンプ／モータユニットの前記第１側が前記ポンプに流体接続される第１位置と、前記第１ポンプ／モータユニットの前記第１側が前記ブームシリンダの前記出力ポートに流体接続される第２位置との間で移動可能なバルブを含むことを特徴とする請求項６に記載の油圧システム。
8. 前記油圧トランスフォーマは、前記回転可能なシャフトに取り付けられた第３ポンプ／モータユニットを含み、前記第３ポンプ／モータユニットは、第１側と第２側を含み、前記第３ポンプ／モータユニットの前記第２側は、前記タンクに流体接続し、かつ、前記第３ポンプ／モータユニットの前記第１側は、前記ブームが前記ブームシリンダによって下降しているとき、前記ブームシリンダの出力ポートに流体連通するように配置されていることを特徴とする請求項５に記載の油圧システム。
9. さらに、ワークアイテムを上昇下降させるための油圧シリンダを含み、前記油圧シリンダは、前記ポンプに流体接続されており、かつ、前記ワークアイテムが、前記油圧シリンダによって下降しているとき、前記第１ポンプ／モータユニットの前記第１側は、前記油圧シリンダの出力ポートに流体連通するように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の油圧システム。
10. 前記ワークアイテムは、ブームであることを特徴とする請求項９に記載の油圧システム。
11. 前記油圧トランスフォーマは、前記回転可能なシャフトに取り付けられた第３ポンプ／モータユニットを含み、前記第３ポンプ／モータユニットは、第１側と第２側を含み、前記第３ポンプ／モータユニットの前記第２側は、前記タンクに流体接続していることを特徴とする請求項１に記載の油圧システム。
12. さらに、ワークアイテムを上昇下降させるための油圧シリンダを含み、前記ワークアイテムが、前記油圧シリンダによって下降しているとき、前記第３ポンプ／モータユニットの前記第１側は、前記油圧シリンダの出力ポートに流体連通するように配置されていることを特徴とする請求項１１に記載の油圧システム。
13. 前記ワークアイテムは、ブームであることを特徴とする請求項１２に記載の油圧システム。
14. 前記油圧トランスフォーマは、前記ポンプによって動力供給される第１荷重回路の一部であり、前記油圧システムは、前記ポンプによって動力供給される第２荷重回路を含み、前記油圧トランスフォーマは、前記外部荷重の減速に相当するエネルギを前記アキュムレータへ移送することができ、かつ、前記油圧トランスフォーマは、さらに、前記外部荷重の減速に相当するエネルギを前記第２荷重回路へ移送することができることを特徴とする請求項１に記載の油圧システム。
15. 原動機と、
    該原動機によって動力供給される油圧ポンプと、
    該油圧ポンプによって動力供給される第１及び第２荷重回路と、を含み、
    前記第１荷重回路は、外部荷重に連結するために適合された出力シャフトを有する油圧トランスフォーマを含み、前記油圧トランスフォーマは、油圧圧力アキュムレータに流体接続されており、前記油圧トランスフォーマは、
    ａ）前記油圧トランスフォーマが、前記出力シャフトから前記外部荷重の減速に相当するエネルギを受け取り、そのエネルギを使用して前記油圧圧力アキュムレータをチャージする第１動作と、
    ｂ）前記油圧トランスフォーマが、前記アキュムレータのエネルギを使用し、前記出力シャフトを経由して前記外部荷重にトルクを伝達するように用いられる第２動作と、
    ｃ）前記油圧トランスフォーマが、前記第２荷重回路で使用するために、前記油圧ポンプへ戻る方向に前記アキュムレータからエネルギを送る第３動作と、
    ｄ）前記油圧トランスフォーマが、前記油圧ポンプから、トルクとして前記外部荷重にエネルギを移送する前記出力シャフトへエネルギを送る第４動作と、
    を含む複数の動作を実行可能にすることを特徴とするシステム。
16. 前記油圧トランスフォーマは、さらに、前記ポンプからのエネルギを用いて、前記アキュムレータをチャージする動作を実行可能にすることを特徴とする請求項１５に記載のシステム。
17. 前記油圧トランスフォーマは、さらに、前記第２荷重回路で使用するために、前記油圧ポンプへ戻る方向に、前記出力シャフトから、前記外部荷重の減速に相当するエネルギを移送する動作を実行可能にすることを特徴とする請求項１５に記載のシステム。

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