JP2016080098A - 油圧式作業機械の駆動システム - Google Patents

Abstract

【課題】油圧アクチュエータから排出される作動油のエネルギーの回収効率を高める。
【解決手段】油圧式作業機械の駆動システム１は、油圧アクチュエータ３１，４１の動作を制御する油圧アクチュエータ制御回路３，４、タンク２１に貯えられた作動油を吐出するポンプ１４，１５、ポンプを駆動するエンジン１１、ポンプから油圧アクチュエータ制御回路へ作動油を供給する供給ライン３０，４０、ポンプモータ１８、ポンプモータの出力軸と接続された電動発電機２２、電動発電機の動作を制御する電動発電機コントローラ７２、電動発電機コントローラで発電した電気エネルギーを蓄えるキャパシタ２６、油圧アクチュエータ制御回路から排出された作動油をポンプモータへ送る回生ライン８１，８２、及び、回生ラインからポンプモータへ流入しポンプモータから排出された作動油を回収して流体エネルギーとして蓄えるアキュムレータ５１を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、油圧アクチュエータから排出された作動油のエネルギーを回収する機構を備えた油圧式作業機械の駆動システムに関する。

従来、油圧ショベル、クレーン、ホイールローダ、ブルドーザなどの動力機械類（この明細書及び特許請求の範囲では、これらの動力機械類（重機）を総称して「作業機械」という）が知られている。その一例である油圧ショベルは、下部走行体と上部旋回体を備え、この上部旋回体にはエンジン、運転席、バケットが尖端に設けられたアーム、及び、アームに連結されたブームなどが設けられている。そして、運転席に設けられたリモートコントロール弁の操作により、下部走行体に対して上部旋回体が旋回し、アーム、ブーム及びバケットが動作することにより、作業機械で各種作業が行われる。

上記のような作業機械において、上部旋回体の制動時やブームの降下時に、これらの油圧アクチュエータからタンクへ戻される作動油のエネルギーの一部をアキュムレータ（蓄圧器）に蓄えて、アキュムレータに蓄えられた作動油を回生エネルギーとして利用するように構成されたものがある。

例えば、特許文献１には、タンクに蓄えられた作動油をブーム用油圧アクチュエータへ圧送する油圧ポンプと、油圧ポンプを駆動するエンジンと、油圧ポンプを駆動する可変容量形のポンプモータと、圧油を蓄えるアキュムレータと、ブーム用油圧アクチュエータとアキュムレータをポンプモータを介して接続するラインとを備えた、作業機械の動力回生機構が示されている。この動力回生機構では、ブーム下げ時には、ブーム用油圧アクチュエータから排出された作動油の一部が、ポンプモータを通じてからアキュムレータへ送られて、アキュムレータに貯えられる。この間、ブーム下げ速度を調整するために、ポンプモータの斜板角度が変更される。また、ブーム上げ時には、アキュムレータに貯えられた作動油がポンプモータを介してブーム用油圧アクチュエータへ送られる。この間、ブーム上げ速度を調整するために、ポンプモータの斜板角度が変更される。

特開２０１０−８４８８８号公報

上記特許文献１の作業機械の動力回生機構は、ブーム下げ時にアキュムレータの圧力が所定圧力となると、これ以上アキュムレータに蓄圧されないように、油圧アクチュエータから排出された作動油はポンプモータを通じてからタンクへ逃がされる。このとき、ポンプモータはエンジンの動力をアシストするモータとして機能する。ここで、油圧アクチュエータから排出された作動油のエネルギーを全て回収するためには、十分に大きな吐出容量のポンプモータが必要となるが、吐出容量の大きなポンプモータは大型且つ高価となる傾向があり、実機に搭載するには課題がある。そのため、油圧アクチュエータから排出された作動油のエネルギーは一部しか回収されず、残りは熱エネルギーとなって作動油の温度を上昇させる結果となる。

本発明は以上の事情に鑑みてされたものであり、その目的は、油圧アクチュエータから排出された作動油のエネルギーを回収する機構を備えた油圧式作業機械の駆動システムにおいて、油圧アクチュエータから排出される作動油のエネルギーの回収効率を高めることにある。

本発明の一態様に係る油圧式作業機械の駆動システムは、
油圧式作業機械の油圧アクチュエータの動作を制御する少なくとも１つの油圧アクチュエータ制御回路と、
タンクに貯えられた作動油を吐出するポンプと、
前記ポンプを駆動するエンジンと、
前記ポンプから前記少なくとも１つの油圧アクチュエータ制御回路へ作動油を供給する供給ラインと、
前記少なくとも１つの油圧アクチュエータ制御回路から排出された作動油を受けることによりモータ動作を行い、前記少なくとも１つの油圧アクチュエータ制御回路に作動油を供給することによりポンプ動作を行うポンプモータと、
前記ポンプモータの出力軸と接続された電動発電機と、
前記ポンプモータのモータ動作時に発電機として機能し、前記ポンプモータのポンプ動作時に電動機として機能するように、前記電動発電機の動作を制御する電動発電機コントローラと、
前記電動発電機で発電した電気エネルギーを蓄える蓄電器と、
前記少なくとも１つの油圧アクチュエータ制御回路から排出された作動油を前記ポンプモータへ送る回生ラインと、
前記回生ラインから前記ポンプモータへ流入し前記ポンプモータから排出された作動油を回収して流体エネルギーとして蓄える蓄圧器とを、備えていることを特徴としている。

上記油圧式作業機械の駆動システムでは、油圧アクチュエータ制御回路から排出された作動油のエネルギーが、蓄電器に電気エネルギーとして回収されて蓄えられるとともに、蓄圧器に流体エネルギーとして回収されて蓄えられる。このように作動油のエネルギーが電気と圧力とに分散して回収されることによって、蓄電器と蓄圧器のいずれか一方が備えられる場合と比較して、より多くのエネルギーを回収することが可能となる。よって、従来油圧アクチュエータから排出されたのちタンクに廃棄されていたエネルギーの回収効率を高めることができる。

また、モータ動作するポンプモータの二次側に蓄圧器が設けられることによって、ポンプモータの一次側圧力と二次側圧力との差を小さくすることが可能となる。これにより電動発電機に掛かる負荷を小さくすることが可能となり、蓄圧器を備えない場合と比較して、発電能力の小さい電動発電機を採用することができる。

上記油圧式作業機械の駆動システムが、ポンプ動作している前記ポンプモータが吐出した前記蓄圧器に貯えられていた作動油を、前記供給ラインへ送るアシストラインを、更に備えていることが望ましい。

上記構成によれば、蓄圧器に貯えられた常圧よりも高圧の作動油が、ポンプ動作しているポンプモータで更に昇圧されてアシストラインへ吐出される。アシストラインへ吐出された作動油は、昇圧されているので、供給ラインなどの高圧ラインへ送ることが可能である。このようにして、蓄圧器に蓄えられた流体エネルギーと、蓄電器に蓄えられた電気エネルギーで、エンジンの動力をアシストすることができる。

上記油圧式作業機械の駆動システムにおいて、前記電動発電機コントローラが、前記ポンプモータから前記アシストラインへ吐出される作動油の油圧が所定値となるように、前記電動発電機の回転トルクを制御することが望ましい。

上記構成によれば、蓄圧器に貯えられた作動油の量の変動によりポンプ動作しているポンプモータの一次側圧力が変動するが、この一次側圧力の変動を電動発電機の回転トルクを調整することにより相殺することができる。これにより、ポンプモータからアシストラインへ吐出され供給ラインへ送られる作動油の圧力を一定に保持することができ、安定したエンジンアシストを行うことができる。

上記油圧式作業機械の駆動システムにおいて、前記電動発電機コントローラが、モータ動作している前記ポンプモータの作動油の流量を制御するために、前記電動発電機の回転数を制御することが望ましい。この構成によれば、電動発電機の回転数が一定となるように制御することによって、油圧アクチュエータを一定速度で動作させることができる。

上記油圧式作業機械の駆動システムにおいて、前記ポンプモータが可変容量形油圧ポンプモータであり、前記ポンプモータの吐出容量を制御するポンプモータコントローラを、更に備えていることが望ましい。

上記油圧式作業機械の駆動システムにおいて、前記ポンプモータコントローラが、前記ポンプモータの吐出容量をモータ動作時よりもポンプ動作時の方が小さくなるように制御することが望ましい。この構成によれば、ポンプ動作時のポンプモータによる作動油の昇圧の程度を高めることと、モータ動作時のポンプモータに掛かる負荷を小さくすることとを両立させることができる。

上記油圧式作業機械の駆動システムにおいて、前記ポンプモータコントローラが、前記ポンプモータの一次側圧力と二次側圧力との差圧が前記電動発電機の発電能力に応じた所定値以下となるように、前記ポンプモータの吐出容量を制御することが望ましい。ポンプモータの一次側圧力と二次側圧力との差圧は、油圧アクチュエータ制御回路から排出されてくる作動油の圧力や、蓄圧器に貯えられている作動油の圧力によって変化することがあるが、この差圧が電動発電機の発電能力に応じた所定値以下に維持されることによって電動発電機の過負荷を防ぐことができる。また、ポンプモータの一次側圧力と二次側圧力の差圧を電動発電機の発電能力に合わせることができるので、油圧アクチュエータ制御回路から排出される作動油の量や圧力に関係なく、所望の発電能力の電動発電機を駆動システムに採用することができる。

油圧アクチュエータから排出された作動油のエネルギーを回収する機構を備えた油圧式作業機械の駆動システムにおいて、油圧アクチュエータから排出される作動油のエネルギーの回収効率を高めることができる。

本発明の一実施形態に係る作業機械の駆動システムの油圧回路図である。 駆動システムの制御構成を示すブロック図である。 変形例１に係る作業機械の駆動システムの油圧回路図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。ここでは、本発明が適用される油圧式作業機械として油圧ショベルを例に挙げて説明する。油圧ショベルは、下部走行体、下部走行体に対して旋回する上部旋回体、上部旋回体に対して昇降（俯仰）するブーム、ブームの先端に揺動可能に連結されたアーム、アームの先端に揺動可能に連結されたバケットなどを備えている（いずれも図示せず）。

図１は本発明の一実施形態に係る油圧式作業機械の駆動システム１の油圧回路図である。図１に示すように、駆動システム１は、少なくとも１つの油圧アクチュエータ制御回路３，４と、タンク２１に貯留された作動油を油圧アクチュエータ制御回路３，４へ供給する駆動装置１０と、駆動システム１の動作を制御する制御装置７とを備えている。油圧アクチュエータ制御回路３，４は、作業機械が備える油圧アクチュエータの動作を制御するための油圧回路である。本実施形態に係る駆動システム１には、上部旋回体を旋回駆動する油圧アクチュエータである油圧モータ３１の動作を制御するための油圧モータ制御回路３と、ブームを昇降駆動する油圧アクチュエータである油圧シリンダ４１の動作を制御するための油圧シリンダ制御回路４との、２つの油圧アクチュエータ制御回路３，４が含まれている。以下、駆動システム１の各構成要素について詳細に説明する。

［駆動装置１０］
まず、駆動装置１０について説明する。駆動装置１０は、メイン駆動機構１０ａとして、タンク２１に貯えられた作動油を吐出するメインポンプ１４，１５と、メインポンプ１４，１５を駆動するエンジン１１と、メインポンプ１４，１５から油圧アクチュエータ制御回路３，４へ作動油を供給する供給ライン３０，４０とを備えている。本実施形態においては、メインポンプ１４，１５として第１ポンプ１４と第２ポンプ１５との２つの油圧ポンプを備えており、第１ポンプ１４と接続された第１供給ライン３０と第２ポンプ１５と接続された第２供給ライン４０との２つの供給ライン３０，４０が設けられている。エンジン１１の出力軸１２と、メインポンプ１４，１５の駆動軸１６とは、動力伝達機構１３を介して接続されている。

メインポンプ１４，１５は、例えば斜板式油圧ポンプや斜軸式油圧ポンプなどの可変容量形油圧ポンプである。本実施形態においては、各メインポンプ１４，１５は斜板式油圧ポンプであって、斜板の傾転角は制御装置７が出力した制御信号により制御される傾転角操作装置１４ａ，１５ａによって操作される。第１供給ライン３０は油圧モータ制御回路３と接続されており、第１ポンプ１４によってタンク２１に貯留された作動油が油圧モータ制御回路３へ圧送される。また、第２供給ライン４０は油圧シリンダ制御回路４と接続されており、第２ポンプ１５によってタンク２１に貯留された作動油が油圧シリンダ制御回路４へ圧送される。

駆動装置１０は、更に、回生機構１０ｂとして、油圧アクチュエータ制御回路３，４から排出された作動油で回転駆動されるポンプモータ１８と、ポンプモータ１８の吐出容量を制御するポンプモータコントローラ７３と、ポンプモータ１８の出力軸と接続された電動発電機２２と、電動発電機２２に接続されたインバータ７１及び電動発電機コントローラ７２と、インバータ７１と接続されたキャパシタ（蓄電器の一例）２６と、油圧アクチュエータ制御回路３，４から排出された作動油をポンプモータ１８へ送る回生ラインと８１，８２と、モータ動作しているポンプモータ１８から排出された作動油を流体エネルギーとして蓄えるアキュムレータ（蓄圧器の一例）５１とを備えている。この回生機構１０ｂでは、電動発電機２２と結合されたポンプモータ１８と、アキュムレータ５１とが直列的に接続されて成る電油複合的システムが構築されており、油圧アクチュエータ３１，４１から排出された作動油の持つエネルギーが電気エネルギー及び流体エネルギー（流体圧力）として効率的に回収され、この回収されたエネルギーが再利用される。

ポンプモータ１８は、作動油が流れる方向に応じて、モータ動作とポンプ動作とを行うことができる。ポンプモータ１８は、少なくとも１つの油圧アクチュエータ制御回路３，４から排出された作動油を受けることによりモータ動作を行い、少なくとも１つの油圧アクチュエータ制御回路３，４に作動油を供給することによりポンプ動作を行う。ポンプモータ１８は、例えば斜板式油圧ポンプモータや斜軸式油圧ポンプモータなどの可変容量形の油圧ポンプモータであって、モーター動作時は斜板の傾転角に応じた回転数であり且つ供給される作動油の量に応じた動力を出力する。本実施形態に係るポンプモータ１８は斜板式油圧ポンプモータであって、傾転角操作装置１８ａによって斜板の傾転角が操作される。傾転角操作装置１８ａは、例えば、ポンプモータコントローラ７３が出力した制御信号により制御されるレギュレータなどである。

ポンプモータ１８と油圧モータ制御回路３とはモータ側回生ライン８１で接続されており、ポンプモータ１８と油圧シリンダ制御回路４とはシリンダ側回生ライン８２で接続されており、油圧アクチュエータ制御回路３，４からの排油が回生ライン８１，８２を通ってポンプモータ１８へ送られる。モータ動作時のポンプモータ１８は、油圧アクチュエータ制御回路３，４から送られてきた作動油を排出することで、作動油の流体エネルギーから軸の回転運動（即ち、機械エネルギー）を取り出すことができる。ポンプモータ１８の出力軸の回転は、電動発電機２２の入力軸へ伝達されて、電動発電機２２を回転駆動させる。

電動発電機２２は、ポンプモータ１８の回転出力を受けて電力を得る発電機としての機能と、キャパシタ２６から電力の供給を受けて回転運動を出力する電動機としての機能とを有する。電動発電機２２と電気的に接続されたインバータ７１は、回生コンバータを内蔵したインバータであって、発電機として機能する電動発電機２２から電気エネルギーを取り出してキャパシタ２６へ蓄える。また、インバータ７１は、電動機として機能する電動発電機２２へキャパシタ２６に蓄えられていた電気エネルギーを供給する。電動発電機２２とインバータ７１の動作は、電動発電機コントローラ７２によって制御されている。

モータ動作しているポンプモータ１８から排出された作動油は、アキュムレータ５１に蓄えられる。アキュムレータ５１は、作動油を加圧状態で貯えておく容器であって、作動油の液体エネルギーを蓄えておくことと、蓄えた流体エネルギーを放出することとが可能である。モータ動作しているポンプモータ１８の二次側とアキュムレータ５１とはブーストライン８４で直列的に接続されている。ポンプモータ１８を流れて発電に利用された作動油は、ブーストライン８４を通じてアキュムレータ５１へ流入して貯えられる。

ブーストライン８４には、制御装置７の出力信号により制御される開閉弁５２が設けられている。開閉弁５２は、通常時閉の電磁式切替弁であって、通常時はブーストライン８４の作動油の流通が制限されている。開閉弁５２が開放されると、ブーストライン８４の作動油の流通が許容され、アキュムレータ５１に作動油のエネルギーを蓄えるか、アキュムレータ５１からエネルギーを放出することができる状態となる。

ブーストライン８４のポンプモータ１８と開閉弁５２との間には、逆止弁５３を備えたサクションライン５４が接続されている。また、ブーストライン８４の開閉弁５２とアキュムレータ５１との間には、所定圧以上で開放される保護バルブ（安全弁）５５を備えたドレンライン５６が接続されている。更に、ブーストライン８４の開閉弁５２とアキュムレータ５１との間には、ブーストライン８４及びアキュムレータ５１内の作動油の圧力を計測する圧力計５７が設けられている。圧力計５７は、例えば、作動油の圧力を電気量に変換する圧力変換器であって、圧力計５７で計測されたアキュムレータ５１の作動油の圧力を表す信号は、制御装置７へ出力される。

ポンプモータ１８は、アシストライン８３によって第２供給ライン４０と接続されている。なお、本実施形態においては、モータ側回生ライン８１、シリンダ側回生ライン８２、及びアシストライン８３の一部が共用されているが、それぞれ独立した油路として形成されていてもよい。アシストライン８３には、制御装置７の出力信号により制御される回生アシスト切替弁８５が設けられている。回生アシスト切替弁８５は、アシストライン８３が閉止された回生モードと、アシストライン８３が開放されたアシストモードとに切り替えることができる。回生アシスト切替弁８５がアシストモードのときは、アシストライン８３と第２供給ライン４０とが連通されて、アキュムレータ５１に貯えられた作動油が、電動発電機２２により駆動されてポンプ動作を行うポンプモータ１８、及び、アシストライン８３を通じて第２供給ライン４０へ供給される。

［油圧モータ制御回路３］
次に、油圧モータ制御回路３について説明する。油圧モータ制御回路３は、第１ポンプ１４から吐出された作動油によって駆動される上部構造体旋回用の油圧モータ３１と、油圧モータ３１の吸入ポートと排出ポートとに接続された油路３３，３４と、旋回コントロール弁３２とを備えている。各油路３３，３４には、油路３３，３４の作動油の圧力を検出する圧力計３５ａ，３５ｂが設けられている。旋回コントロール弁３２は、油路３３，３４と第１供給ライン３０（３０ａ）との間に設けられ、これらの間の作動油の流通を制御している。なお、油圧モータ３１の吸入ポートと排出ポートとは回転方向によって逆になる。

旋回コントロール弁３２は、スプール式の３位置切替弁である。この旋回コントロール弁３２のスプールの位置を切り替えることで、油圧モータ３１の出力軸を正回転、停止、又は逆回転させることができる。旋回コントロール弁３２は、スプールが中立位置にあるときに第１供給ライン３０と油路（３３又は３４）との間の作動油の流通を制限する。また、旋回コントロール弁３２は、スプールが中立位置から紙面右又は左に移動しているときに、第１供給ライン３０と油路（３３又は３４）との間の作動油の流通を許容する。なお、スプールが紙面右側にあるときは第１供給ライン３０と油路３４とが接続され、スプールが紙面左側にあるときは第１供給ライン３０と油路３３とが接続される。

油圧モータ制御回路３の２つの油路３３，３４の間には、通常使用時の圧力を超えた場合にタンク２１へ作動油を逃すように作動するリリーフ弁３６ａ，３６ｂと、油路３３，３４内での油循環時に油量が減るとタンク２１から油を吸引するチェック弁３７ａ，３７ｂとが設けられている。リリーフ弁３６ａ，３６ｂとチェック弁３７ａ，３７ｂとは、油圧モータ３１の正回転及び逆回転時に作動油が流れる方向が異なるので、油路３３，３４の各々において適切な向きに設けられている。

油圧モータ制御回路３の２つの油路３３，３４の間には、更に、油圧モータ３１の正回転及び逆回転時に応じて戻し側の油路（３３又は３４）を選択的にモータ側回生ライン８１と接続する旋回方向切替弁３８が設けられている。更に、モータ側回生ライン８１には、油圧アクチュエータ制御回路３からの排油を利用した回生と非回生とを切り替える旋回回生切替弁３９が設けられている。旋回方向切替弁３８及び旋回回生切替弁３９は、制御装置７の出力信号により制御されている。

［油圧シリンダ制御回路４］
続いて、油圧シリンダ制御回路４について説明する。油圧シリンダ制御回路４は、第１ポンプ１４及び第２ポンプ１５から吐出される作動油によって駆動されるブーム昇降用の油圧シリンダ４１と、油圧シリンダ４１のボトムポート４１ａと接続された第１油路４３と、油圧シリンダ４１のヘッドポート４１ｂと接続された第２油路４４と、第１油路４３及び第２油路４４と第２供給ライン４０との間に設けられたブームコントロール弁４２とを備えている。

ブームコントロール弁４２は、スプール式の３位置切替弁である。このブームコントロール弁４２のスプールの位置を切り替えることで、第１油路４３及び第２油路４４のうち一方が第２供給ライン４０と接続され他方がタンク２１と接続されるように、油圧シリンダ制御回路４の作動油の流れ方向が切り換えられ、油圧シリンダ４１に内挿されたピストンを当該ピストンの進行方向から見て前進、停止、又は後退させることができる。ブームコントロール弁４２は、スプールが中立位置にあるときに、第２供給ライン４０と油路４３，４４との間の作動油の流通を制限する。また、ブームコントロール弁４２は、スプールが中立位置から紙面右側に移動した位置にあるとき（ブーム上げ時）に、第２供給ライン４０と第１油路４３とを接続し、タンク２１と第２油路４４とを接続する。また、ブームコントロール弁４２は、スプールが中立位置から紙面左側に移動した位置にあるとき（ブーム下げ時）に、第２供給ライン４０と第２油路４４とを接続し、タンク２１と第１油路４３とを接続する。

油圧シリンダ制御回路４は、更に、第１油路４３と接続された補助油路４７と、第１供給ライン３０と補助油路４７との間に設けられた切替弁４８とを備えている。切替弁４８は、通常閉止されており、ブーム上げ時に開放される。これにより、ブーム上げ時には、第１供給ライン３０と補助油路４７とが連通されて、第１ポンプ１４から吐出された作動油が第１供給ライン３０及び補助油路４７を通じて第１油路４３へ供給され、より速やかにブームの上昇が行われる。なお、旋回コントロール弁３２、ブームコントロール弁４２、及び切替弁４８は、リモートコントローラ２５により操作されるコントロールバルブユニット２０を構成している。

油圧シリンダ制御回路４の第１油路４３には、制御装置７が出力した制御信号により制御されるブーム回生切替弁４５が設けられている。ブーム回生切替弁４５は、ブーム下げ時に、油圧シリンダ４１から排出された作動油をブームコントロール弁４２を通じてタンク２１へ流す非回生モードと、油圧シリンダ４１から排出された作動油をシリンダ側回生ライン８２へ流す回生モードとに、第１油路４３の流路を切り替えることができる。ブーム回生切替弁４５は、通常時は非回生モードになっている。第１油路４３の油圧シリンダ４１とブーム回生切替弁４５との間には、第１油路４３の作動油の圧力を検出する圧力計４６が設けられている。圧力計４６は、例えば、作動油の圧力を電気量に変換する圧力変換器であって、圧力計４６で計測された第２油路４４の作動油の圧力を表す信号は、制御装置７へ出力される。

［制御装置７］
続いて、制御装置７について説明する。図２は、駆動システム１の制御構成を示すブロック図である。図２に示すように、制御装置７には、油圧モータ制御回路３の油路３３，３４に設けられた圧力計３５ａ，３５ｂ、油圧シリンダ制御回路４の第１油路４３に設けられた圧力計４６、ブーストライン８４に設けられた圧力計５７、及び、リモートコントローラ２５の操作圧力を電気量に変換する圧力変換器２５ａが電気的に接続されており、これらの計器で検出された圧力信号が入力される。また、制御装置７には、旋回方向切替弁３８、旋回回生切替弁３９、ブーム回生切替弁４５、開閉弁５２、及び、回生アシスト切替弁８５の各弁が電気的に接続されている。制御装置７は、これら各弁の動作を制御する制御信号を出力するように構成されている。更に、制御装置７には、第１ポンプ１４の傾転角操作装置１４ａ、第２ポンプ１５の傾転角操作装置１５ａ、及び、ポンプモータ１８の傾転角操作装置１８ａが電気的に接続されている。制御装置７は、これらの傾転角操作装置を制御するように構成されている。

制御装置７は、いわゆるコンピュータであって、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｆ、Ｉ／Ｏ等を有している（いずれも図示せず）。ＲＯＭには、ＣＰＵが実行するプログラム、各種固定データ等が記憶されている。ＣＰＵが実行するプログラムは、フレキシブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、メモリカード等の各種記憶媒体に保存されており、これらの記憶媒体からＲＯＭにインストールされる。ＲＡＭには、プログラム実行時に必要なデータが一時的に記憶される。Ｉ／Ｆは、外部装置とのデータ送受信を行う。Ｉ／Ｏは、各種センサの検出信号や各種電磁弁などの操作信号の入力／出力を行う。制御装置７では、ＲＯＭに記憶されたプログラム等のソフトウェアとＣＰＵ等のハードウェアとが協働することにより、以下に説明する制御装置７の各機能を実現する処理を行うように構成されている。なお、制御装置７は単一のＣＰＵにより各処理を実行してもよいし、複数のＣＰＵ或いはＣＰＵと特定の処理回路の組み合わせにより各処理を実行してもよい。また、制御装置７は、前述のインバータ７１、電動発電機コントローラ７２、及びポンプモータコントローラ７３を含んで構成されているが、これらのうち少なくとも１つが制御装置７から独立した制御装置として構成されていてもよい。

［駆動システム１の動作］
ここで、上記構成の駆動システム１の動作のうち、特に、回生動作及び力行動作について説明する。なお、特に明示しないが、以下で説明する駆動システム１の動作は制御装置７によって制御されている。

（旋回制動時の回生動作）
駆動システム１は、上部旋回体の旋回制動時に上部旋回体の運動エネルギー（及び慣性エネルギー）を流体エネルギー（流体圧力）としてアキュムレータ５１に回収して蓄えるとともに、電気エネルギーとしてキャパシタ２６に回収して蓄える。

旋回制動時の駆動システム１では、旋回回生切替弁３９が回生モードに切り替えられ、開閉弁５２が開放され、インバータ７１が発電モードに切り替えられる。制御装置７は、リモートコントローラ２５へ入力された操作と、各圧力計で計測された作動油圧力とに基づいて、これらの切り替えを行う。また、旋回角度センサを備える場合は、制御装置７はこの旋回角度センサからの角度信号を利用して回生モードと発電モードとの切り替えを行ってもよい。上部旋回体の旋回制動時に油圧モータ３１から油路３４へ流出した作動油（又は、油圧モータ３１から油路３３へ出した作動油）は、旋回方向切替弁３８からモータ側回生ライン８１を通じてポンプモータ１８へ流入する。ポンプモータ１８へ流入した作動油は、ポンプモータ１８と接続された電動発電機２２を回転させ、この回転エネルギーがインバータ７１によって電気エネルギーとして取り出されてキャパシタ２６に蓄えられる。そして、ポンプモータ１８から排出された作動油は、アキュムレータ５１に貯えられる。

（ブーム下げ時の回生動作）
駆動システム１は、ブーム下げ時にブームの運動エネルギー（及び位置エネルギー）を流体エネルギー（流体圧力）としてアキュムレータ５１に回収して蓄えるとともに、電気エネルギーとしてキャパシタ２６に回収して蓄える。

ブーム下げ時の駆動システム１では、ブーム回生切替弁４５が回生モードに切り替えられ、開閉弁５２が開放され、インバータ７１が発電モードに切り替えられる。制御装置７は、リモートコントローラ２５へ入力された操作と、各圧力計で計測された作動油圧力とに基づいて、これらの切り替えを行う。また、油圧シリンダのストロークを検出するセンサを備える場合は、制御装置７はこのセンサからの信号を利用して回生モードと発電モードとの切り替えを行ってもよい。ブーム下げ時に油圧シリンダ４１から第１油路４３へ流出した作動油は、ブーム回生切替弁４５及びシリンダ側回生ライン８２を通じてポンプモータ１８へ流入する。ポンプモータ１８へ流入した作動油は、ポンプモータ１８と接続された電動発電機２２を回転させ、この回転エネルギーがインバータ７１によって電気エネルギーとして取り出されてキャパシタ２６に蓄えられる。そして、ポンプモータ１８から排出された作動油は、アキュムレータ５１に貯えられる。

上記の回生動作（ブーム下げ時の回生動作及び旋回制動時の回生動作）では、アキュムレータ５１に作動油を流体エネルギーとして蓄えることと、電動発電機２２で発電した電気エネルギーをキャパシタ２６に蓄えることとが同時並行して行われている。但し、これらのうち一方が先に行われ他方が後で行われてもよい。例えば、上部旋回体の旋回制動を開始したとき又はブームの降下を開始したときに、開閉弁５２を解放するとともに旋回回生切替弁３９又はブーム回生切替弁４５を回生モードに切り替えて、電動発電機２２で発電を行わずに、アキュムレータ５１に作動油を貯えることだけを行ってもよい。この場合、圧力計５７で計測されたアキュムレータ５１の圧力が所定圧力を超えると、開閉弁５２が閉止されるととともに電動発電機２２で発電が行われ、発電された電気エネルギーがキャパシタ２６に蓄えられる。

上記の回生動作では、油圧アクチュエータ３１，４１から排出された作動油のエネルギーが、電気エネルギーとしてキャパシタ２６に、流体エネルギーとしてアキュムレータ５１に、それぞれ回収されて蓄えられる。このようにポンプモータ１８で回収できなかった作動油のエネルギーがアキュムレータ５１で蓄えられるので、エネルギーロスを低減することができる。また、駆動システム１は、キャパシタ２６とアキュムレータ５１のいずれか一方を備える場合と比較して、より多くのエネルギーを回収することが可能となる。よって、従来油圧アクチュエータから排出されたのちタンクに廃棄されていたエネルギーの回収効率を高めることができる。

また、モータ動作するポンプモータ１８の二次側（即ち、作動油の流れの下流側）にアキュムレータ５１が設けられているので、上記の回生動作では、ポンプモータ１８の一次側圧力と二次側圧力との差圧を小さくすることが可能となる。つまり、ポンプモータ１８に掛かる圧力差（ポンプモータ１８の一次側圧力と二次側圧力との差圧）は、油圧アクチュエータ制御回路３，４の負荷で発生する圧力からアキュムレータ５１の圧力を減じたものとなる。通常、アキュムレータ５１の圧力はタンク２１の圧力よりも大きい。そのため、ポンプモータ１８から排出された作動油がタンク２１へ送られる場合と比較して、アキュムレータ５１の圧力分だけ、ポンプモータ１８の一次側圧力と二次側圧力との差圧を小さくすることができる。ポンプモータ１８の一次側圧力と二次側圧力との差圧が小さくなれば、ポンプモータ１８を回転させるために使用される流体エネルギーが減少するので、電動発電機２２及びキャパシタ２６といった電気機器の小型化が可能となる。

また、ポンプモータ１８がモータ動作している間の、油圧アクチュエータ３１，４１の動作を制御するために、制御装置７によって電動発電機２２の回転数（即ち、ポンプモータ１８の回転数）が制御される。アキュムレータ５１に貯えられる作動油の増減に伴ってアキュムレータ５１の圧力が変化し、ポンプモータ１８に掛かる差圧が変化するが、上記のように電動発電機２２の回転数が制御されることによって、ポンプモータ１８の作動油の流量が制御される。これにより、油圧アクチュエータ制御回路３，４から排出される作動油の流量、ひいては、上部旋回体の制動速度やブームの降下速度が制御され、例えば、これらの速度を一定速度に保持することが可能となる。このようなポンプモータ１８の流量制御によれば、バルブなどの絞りを流路に設けて作動油の流量を制御する場合と比較して、エネルギー損失を低減することができる。

更に、上記の回生動作では、ポンプモータ１８の一次側圧力と二次側圧力との差圧が電動発電機２２の発電能力に応じた所定値以下となるように、制御装置７によってポンプモータ１８の吐出容量が制御される。具体例を挙げると、ポンプモータ１８に掛かる差圧が、電動発電機２２の発電能力に応じた許容値よりも大きい場合は、許容値よりも小さな値となるように、ポンプモータ１８の斜板の傾転角が変更される。ポンプモータ１８の一次側圧力と二次側圧力の差圧は、油圧アクチュエータ制御回路３，４から排出されてくる作動油の圧力や、アキュムレータ５１に貯えられている作動油の圧力によって変化することがあるが、この差圧が電動発電機２２の発電能力に応じた所定値以下に維持されることによって電動発電機２２の過負荷を防ぐことができる。また、ポンプモータ１８の一次側圧力と二次側圧力の差圧を電動発電機２２の発電能力に合わせることができるので、油圧アクチュエータ制御回路３，４から排出される作動油の量や圧力に関係なく、所望の発電能力の電動発電機２２を駆動システム１に採用することができる。

（ブーム上げ時の力行動作）
駆動システム１は、ブーム上げ時に、アキュムレータ５１に蓄えられている流体エネルギーとキャパシタ２６に蓄えられている電気エネルギーとで、エンジン１１のアシストを行う。

ブーム上げ時には、回生アシスト切替弁８５がアシストモードに切り替えられ、開閉弁５２が開放され、インバータ７１が電動発電機２２へ電気エネルギーを供給する電動機モードに切り替えられる。制御装置７は、リモートコントローラ２５へ入力された操作と、各圧力計で計測された作動油圧力とに基づいて、これらの切り替えを行う。ブーム上げ時には、電動機として機能する電動発電機２２が、キャパシタ２６に蓄えられた電気エネルギーを用いてモータとして動作することによって、ポンプモータ１８にポンプ動作を行わせる。そして、ポンプ動作を行うポンプモータ１８によって、アキュムレータ５１に貯えられた作動油が、ブーストライン８４、ポンプモータ１８、及びアシストライン８３を通じて、第２供給ライン４０へ圧送される。

上記の力行動作では、アキュムレータ５１に貯えられた常圧よりも高圧の作動油が、ポンプ動作しているポンプモータ１８で更に昇圧されてアシストライン８３へ吐出される。アキュムレータ５１に貯えられた作動油はそのままでは高圧ラインへ送ることはできないが、ポンプモータ１８で所望の圧力まで昇圧されるので、第２供給ライン４０といった高圧ライン、又は、直接に油圧シリンダ４１へ送ることが可能である。また、アキュムレータ５１に貯えられた作動油は常圧よりも高圧であることから、アキュムレータ５１に貯えられた作動油を所望の圧力に昇圧するためのエネルギーは、タンク２１の作動油を昇圧させる場合と比較して、アキュムレータ５１の圧力の分だけ少ない。

第２供給ライン４０では、アキュムレータ５１から送られた作動油の分だけ、メインポンプ１５の吐出量を低減することができる。このようにして、アキュムレータ５１に蓄えられた流体エネルギーと、キャパシタ２６に蓄えられた電気エネルギーによって、エンジン１１の動力がアシストされるので、省エネに寄与することができる。

上記の力行動作において、アキュムレータ５１に蓄えられた作動油の量の変動によりポンプ動作しているポンプモータ１８の一次側圧力が変動する。例えば、アキュムレータ５１に蓄えられた作動油が減少すると、ポンプモータ１８の一次側圧力が減少する。そこで、力行動作においては、ポンプモータ１８からアシストライン８３へ吐出される作動油の油圧が所定値となるように、電動発電機２２の回転トルクが制御される。つまり、ポンプモータ１８の一次側圧力の変動が、電動発電機２２の調整された回転トルクにより相殺される。これにより、ポンプモータ１８からアシストライン８３へ吐出されて第２供給ライン４０へ送られる作動油の圧力を一定に保持することができ、安定したエンジンアシストを行うことができる。

上記の力行動作において、ポンプ動作時のポンプモータ１８の吐出容量は、モータ動作時のポンプモータ１８の吐出容量と比較して小さくなるように制御される。傾転角が０のときに吐出量が最小であり、傾転角が大きくなるに従って吐出量が増えるように構成された斜板式可変容量形ポンプモータの場合、ポンプ動作時のポンプモータ１８の斜板の傾転角は、モータ動作時のポンプモータ１８の斜板の傾転角と比較して小さくなるように制御される。そして、ポンプモータ１８の斜板の傾転角を変化させることにより、ポンプモータ１８での作動油の昇圧の程度が調整される。上記のようにポンプモータ１８の傾転角が制御されることにより、ポンプ動作時ではポンプモータ１８による作動油の昇圧の程度を高めることができ、モータ動作時ではポンプモータ１８に掛かる負荷を小さくすることとを両立させることができる。ポンプモータ１８に掛かる負荷が小さくなれば、電動発電機２２に要求される発電能力（出力）を小さくすることができる。つまり、ポンプ動作時のポンプモータ１８の吐出容量を、第２供給ライン４０で要求される作動油の圧力に応じて制御するとともに、モータ動作時のポンプモータ１８の吐出容量を電動発電機２２の発電能力に応じて制御することで、電動発電機２２を発電能力を大きくすることなく、高圧油を生成することができる。

上記のようなポンプモータ１８の吐出容量の制御の具体的な数値例を、以下で説明する。例えば、ブーム下げ時の回生動作において、油圧シリンダ４１のヘッド側の圧力が１０〜１２ＭＰａであり、アキュムレータ５１の圧力が５ＭＰａであると仮定すれば、ポンプモータ１８の一次側圧力と二次側圧力の差圧は５〜７ＭＰａである。ポンプモータ１８として４０００rpmの高速回転油圧モータを採用し、ブーム下げ時の作動油の流量を４００〜４５０Ｌ／minとすれば、ポンプモータ１８は容積１１２cc／revで作動油を受け入れることができる。このように、回転数４０００rpmにて、ポンプモータ１８の容積が１１２cc／rev、差圧が７ＭＰａ、効率が０．９であれば、ポンプモータ１８から取り出せる軸出力は４７ｋＷとなる。ポンプモータ１８に接続される電動発電機２２の効率を０．９とすると、電動発電機２２から取り出せる軸出力は４２ｋWとなる。この発電量は、比較的小容量のキャパシタ２６で全て回収することが可能である。

一方、ブーム上げ時の力行動作において、ポンプ動作時のポンプモータ１８の斜板の傾転角をモータ動作時の斜板の傾転角の１／２として、アキュムレータ５１のブーストされた高圧油を、ポンプモータ１８からアシストライン８３へ吐出する。ポンプモータ１８の斜板の傾転角が１／２となっているので、およそ１０ＭＰａ以上の昇圧が可能である。従って、ポンプモータ１８からアシストライン８３へ吐出される作動油は、アキュムレータ５１のブーストされた圧力と合わせて、２０ＭＰａ以上に昇圧することができる。このように、アキュムレータ５１に蓄えられている作動油が、第２供給ライン４０などの高圧ラインで使用できる程度の高圧に昇圧することが可能である。

以上に本発明の好適な実施の形態を説明したが、上記の構成は例えば以下のように変更することができる。例えば、キャパシタ２６又はアキュムレータ５１の容量に余裕があるときは、油圧アクチュエータ３１，４１の動作が停止している間に、第２供給ライン４０からアシストライン８３を経由してポンプモータ１８へ作動油を送って、この作動油のエネルギーをキャパシタ２６及びアキュムレータ５１の少なくとも一方に蓄えるように駆動システム１が構成されていてもよい。この場合、図３の変形例１に係る油圧回路図に示すように、回生アシスト切替弁８５を、アシストライン８３が開放されているときに双方向流通可能な弁とすることができる。つまり、アシストライン８３を通じて第２供給ライン４０からポンプモータ１８へ作動油を送ることと、アシストライン８３を通じてポンプモータ１８から第２供給ライン４０へ作動油を送ることとが可能となっている。このように、油圧アクチュエータ３１，４１の動作が停止している間にメインポンプ１４，１５から吐出した作動油のエネルギーをキャパシタ２６及びアキュムレータ５１の少なくとも一方に蓄えることによれば、エンジン１１の稼働を効率の良い状態で継続することが可能となり、燃費の向上を図ることができる。

また、例えば、上述の油圧作業機械の駆動システム１では、油圧モータ３１と油圧シリンダ４１の２つの油圧アクチュエータを制御するために２つの油圧アクチュエータ制御回路３，４を備えているが、駆動システム１が備える油圧アクチュエータ制御回路の数はこれに限定されず、１つ又は２つ以上の複数とすることができる。そして、駆動システム１が備えるメインポンプ１４，１５、供給ライン３０，４０、回生ライン８１，８２などの数は、油圧アクチュエータ制御回路の数に応じて増減することができる。

１ 駆動システム
３ 油圧モータ制御回路（油圧アクチュエータ制御回路）
４ 油圧シリンダ制御回路（油圧アクチュエータ制御回路）
７ 制御装置
１０ 駆動装置
１１ エンジン
１４ 第１ポンプ（メインポンプ）
１４ａ 傾転角操作装置
１５ 第２ポンプ（メインポンプ）
１５ａ 傾転角操作装置
１８ ポンプモータ
１８ａ 傾転角操作装置
２０ コントロールバルブユニット
２１ タンク
２２ 電動発電機
２５ リモートコントローラ
２６ キャパシタ
３０ 第１供給ライン（供給ライン）
３１ 油圧モータ（油圧アクチュエータ）
３２ 旋回コントロール弁
３８ 旋回方向切替弁
３９ 旋回回生切替弁
４０ 第２供給ライン（供給ライン）
４１ 油圧シリンダ（油圧アクチュエータ）
４２ ブームコントロール弁
４５ ブーム回生切替弁
４８ 切替弁
５１ アキュムレータ
５２ 開閉弁
７１ インバータ
７２ 電動発電機コントローラ
７３ ポンプモータコントローラ
８１ モータ側回生ライン（回生ライン）
８２ シリンダ側回生ライン（回生ライン）
８３ アシストライン
８４ ブーストライン
８５ 回生アシスト切替弁

Claims (7)

1. 油圧式作業機械の油圧アクチュエータの動作を制御する少なくとも１つの油圧アクチュエータ制御回路と、
   タンクに貯えられた作動油を吐出するポンプと、
   前記ポンプを駆動するエンジンと、
   前記ポンプから前記少なくとも１つの油圧アクチュエータ制御回路へ作動油を供給する供給ラインと、
   前記少なくとも１つの油圧アクチュエータ制御回路から排出された作動油を受けることによりモータ動作を行い、前記少なくとも１つの油圧アクチュエータ制御回路に作動油を供給することによりポンプ動作を行うポンプモータと、
   前記ポンプモータの出力軸と接続された電動発電機と、
   前記ポンプモータのモータ動作時に発電機として機能し、前記ポンプモータのポンプ動作時に電動機として機能するように、前記電動発電機の動作を制御する電動発電機コントローラと、
   前記電動発電機で発電した電気エネルギーを蓄える蓄電器と、
   前記少なくとも１つの油圧アクチュエータ制御回路から排出された作動油を前記ポンプモータへ送る回生ラインと、
   前記回生ラインから前記ポンプモータへ流入し前記ポンプモータから排出された作動油を回収して流体エネルギーとして蓄える蓄圧器とを、備えている
   油圧式作業機械の駆動システム。
2. ポンプ動作している前記ポンプモータが吐出した前記蓄圧器に貯えられていた作動油を、前記供給ラインへ送るアシストラインとを、更に備えている、請求項１に記載の油圧式作業機械の駆動システム。
3. 前記電動発電機コントローラが、前記ポンプモータから前記アシストラインへ吐出される作動油の油圧が所定値となるように、前記電動発電機の回転トルクを制御する、請求項２に記載の油圧式作業機械の駆動システム。
4. 前記電動発電機コントローラが、モータ動作している前記ポンプモータの作動油の流量を制御するために、前記電動発電機の回転数を制御する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の油圧式作業機械の駆動システム。
5. 前記ポンプモータが可変容量形油圧ポンプモータであり、
   前記ポンプモータの吐出容量を制御するポンプモータコントローラを、更に備えている、請求項１〜４のいずれか一項に記載の油圧式作業機械の駆動システム。
6. 前記ポンプモータコントローラが、前記ポンプモータの吐出容量をモータ動作時よりもポンプ動作時の方が小さくなるように制御する、請求項５に記載の油圧式作業機械の駆動システム。
7. 前記ポンプモータコントローラが、前記ポンプモータの一次側圧力と二次側圧力との差圧が前記電動発電機の発電能力に応じた所定値以下となるように、前記ポンプモータの吐出容量を制御する、請求項５又は６に記載の油圧式作業機械の駆動システム。

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