JP2022055018A - 流体機械および流体機械の駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電子制御式可変容量ポンプモータの制御によって、流体圧回転機の駆動と制動とを自在に切り替えることが可能な流体機械および流体機械の駆動方法を提供する。
【解決手段】制御部は、同一のグループに属する所定数のバルブのそれぞれが、第１回転位相検出部により検出されたクランクの回転位相および第２回転位相検出部により検出されたクランクシャフトの回転位相に応じて、同一のグループに属する所定数のピストンシリンダのそれぞれを同一のグループに属する高圧ラインに連通させる連通状態と高圧ラインに連通させない非連通状態と相互に切り替えることで、高圧ラインの圧力を調整する制御を実行する。
【選択図】図４

Description

本開示は、流体機械および流体機械の駆動方法に関する。

従来、斜板タイプや斜軸タイプ、クランク軸やカムを用いたラジアルピストンタイプの油圧モータを直列に接続したＨＳＴ（Hydro Static Transmission）が広く利用されている。ＨＳＴは、建機等の走行に加え、油圧ショベルの旋回動作等に利用されている。例えば、特許文献１には、斜板タイプの油圧モータを直列に接続したＨＳＴが開示されている。

一方、エンジン等の動力源から油圧を発生させるために、図１Ａ，１Ｂに示す電磁ソレノイドの通電／無通電でシリンダポートとの連通先を切り替え可能なバルブを用いた図２に示すような電子制御式可変容量ポンプモータが知られている。このポンプモータはピストンのストロークに同期してバルブの連通先を高圧ポートと低圧ポートとに切り替え、ポンピングやモータリングを行うことができる。

ポンピングもモータリングも行わない場合は、図１Ａに示すように、電磁ソレノイドを無通電状態とすることで、低圧ポートから吸入し再度低圧ポートに排出する無負荷アイドリングが可能である。

このようなポンプモータはオイルの吸入や吐出先の切り替えを、電磁ソレノイドで行い、フリクションや漏れの大きいロータリーバルブで行わないため、容積効率や総合効率が高い。このようなポンプモータでＨＳＴを構成する場合、油圧モータを従動側に用いることが提案されている。この従動側油圧モータは、斜板タイプや斜軸タイプ、クランク軸やカムを用いたラジアルピストンタイプのいずれの形式のものでもよい。

特開２００２－４９９９号公報

ところで、図２に示す電子制御式可変容量ポンプモータは、油圧ポートが元々高圧ポートと低圧ポートに分かれており、バルブがポペット構造のため、低圧ポート側を高圧ポートよりも高圧にすることはできない構造になっている。そのため、図３に示すようにＨＳＴを構成すると、油圧モータを正方向に加速させることはできるが、ブレーキをかけることができない。また、逆転することもできない。これは、油圧ショベルの旋回のように精度の高い位置制御性や正逆転を求められる場合には非常に大きな問題となる。

また、車両走行のような場合にもパワートレインから制動できない（エンジンブレーキが使えない）ことや、リバース走行に特別な機構が必要となり問題となる。

これらの問題に対処するため、起動時と制動時で高圧ラインと低圧ラインとをつなぎ替えるようにバルブを設けることで、制動を実現することもできるがシステムが複雑となる。

その他、車両側の油圧モータにもエンジン側同様に電子制御式可変容量ポンプモータを用いる事で、制動や逆転が可能なＨＳＴを構成できるが、この電子制御式可変容量ポンプモータは、バルブや制御コントローラ等部品点数も多く制御に依存するため、高コストでロバスト性が低く、機能安全規格に対応する場合等も困難となることが予想される。

また、車両側油圧モータに両振りの斜板ポンプ（斜板中立位置から両方に傾けられる斜板ポンプ）を用いることで、駆動と制動を油圧モータ側で切り替えることは可能であるが、効率の面で課題が生じるという問題がある。

本開示の目的は、電子制御式可変容量ポンプモータの制御によって、流体圧回転機の駆動と制動とを自在に切り替えることが可能な流体機械および流体機械の駆動方法を提供することである。

上記の目的を達成するため、本開示における流体機械は、
クランクの回転運動とピストンの並進運動とを相互に変換するクランク機構を有し、前記ピストンの並進運動によって容積が変化するチャンバを構成するシリンダを有する流体圧回転機と、
前記クランクの回転位相を検出する第１回転位相検出部と、
クランクシャフトの周りに作動流体の吸入排出サイクル上の等間隔で配置され、前記シリンダの数の整数倍であるそれぞれ複数のピストンシリンダおよびバルブを有するポンプモータと、
前記クランクシャフトの回転位相を検出する第２回転位相検出部と、
前記作動流体を貯留するタンクと、
前記バルブを制御する制御部と、
を備え、
前記複数のピストンシリンダ、バルブおよび高圧ラインは、前記シリンダの数にグループ分けされ、同一のグループに属する所定数のピストンシリンダおよびバルブは、前記吸入排出サイクル上の等間隔な位置に配置され、
前記同一のグループに属する所定数のピストンシリンダのそれぞれは、前記同一のグループに属する前記バルブおよび高圧ラインを介して前記同一のグループに対応する前記シリンダに接続されるとともに、前記同一のグループに属する前記バルブおよび低圧ラインを介して前記タンクに接続され、
前記制御部は、前記同一のグループに属する所定数のバルブのそれぞれが、前記第１回転位相検出部により検出された前記クランクの回転位相および前記第２回転位相検出部により検出された前記クランクシャフトの回転位相に応じて、前記同一のグループに属する所定数のピストンシリンダのそれぞれを前記同一のグループに属する前記高圧ラインに連通させる連通状態と前記高圧ラインに連通させない非連通状態と相互に切り替えることで、前記高圧ラインの圧力を調整する制御を実行する。

本開示における流体機械の駆動方法は、
クランクの回転運動とピストンの並進運動とを相互に変換するクランク機構を有し、前記ピストンの並進運動によって容積が変化するチャンバを構成するシリンダを有する流体圧回転機と、
クランクシャフトの周りに作動流体の吸入排出サイクル上の等間隔で配置され、前記シリンダの数の整数倍であるそれぞれ複数のピストンシリンダおよびバルブを有するポンプモータと、
前記作動流体を貯留するタンクと、
を備え、
前記複数のピストンシリンダ、バルブおよび高圧ラインは、前記シリンダの数にグループ分けされ、同一のグループに属する所定数のピストンシリンダおよびバルブは、前記吸入排出サイクル上の等間隔な位置に配置され、
前記同一のグループに属する所定数のピストンシリンダのそれぞれは、前記同一のグループに属する前記バルブおよび高圧ラインを介して前記同一のグループに対応する前記シリンダに接続されるとともに、前記同一のグループに属する前記バルブおよび低圧ラインを介して前記タンクに接続される流体機械の駆動方法であって、
前記同一のグループに属する所定数のバルブのそれぞれは、前記クランクの回転位相および前記クランクシャフトの回転位相に応じて、前記同一のグループに属する所定数のピストンシリンダのそれぞれを前記同一のグループに属する前記高圧ラインに連通させる連通状態と前記高圧ラインに連通させない非連通状態とに相互に切り替えることで、前記高圧ラインの圧力を調整する。

本開示によれば、電子制御式可変容量ポンプモータの制御によって、流体圧回転機の駆動と制動とを自在に切り替えることができる。

図１Ａは、バルブの一例を概略的に示す図である。 図１Ｂは、バルブの一例を概略的に示す図である。 図２は、電子制御式可変容量ポンプモータの一例を概略的に示す図である。 図３は、ＨＳＴの一例を概略的に示す図である。 図４は、本開示の実施の形態に係る流体機械１の一例を概略的に示す図である。 図５Ａは、シリンダのピストンストロークを示す図である。 図５Ｂは、ピストンシリンダのオイルの吐出量を示す図である。 図５Ｃは、高圧ラインの圧力および低圧ラインの圧力を示す図である。 図５Ｄは、クランクにかかるトルクを示す図である。 図６Ａは、シリンダのピストンストロークを示す図である。 図６Ｂは、ピストンシリンダのオイルの吐出量を示す図である。 図６Ｃは、高圧ラインの圧力および低圧ラインの圧力を示す図である。 図６Ｄは、クランクにかかるトルクを示す図である。

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
図４は、本開示の実施の形態に係る流体機械の一例を概略的に示す図である。本実施の形態に係る流体機械１は、作動流体を使って、ポンプとモータとの間で動力伝達を行うＨＳＴである。ここで、作動流体は、オイル（作動油）である。

図４に示すように、流体機械１は、流体圧回転機２、電子制御式可変容量型ポンプモータ３、高圧ライン４Ａ，４Ｂ、低圧ライン５、バルブ６１，６２，６３，６４、タンク７、流路８Ａ，８Ｂ、８Ｃ、高圧ポート９Ａ，９Ｂ、低圧ポート９Ｃ、第１回転位相検出部１１０、第２回転位相検出部１２０および制御部２００を備える。

流体圧回転機２は、クランク２２、ピストン２４Ａ，２４Ｂ、シリンダ２６Ａ，２６Ｂ、および、クランク機構２８を有する。後述するように、ピストン２４Ａおよびシリンダ２６Ａは、グループＡに対応する。ピストン２４Ｂおよびシリンダ２６Ｂは、グループＢに対応する。

クランク２２は、回転軸回りに回転可能に配置される。

ピストン２４Ａは、シリンダ２６Ａ内部を並進運動（往復運動）する。ピストン２４Ｂは、シリンダ２６Ｂ内部を並進運動する。ピストン２４Ａ，２４Ｂが並進運動をするとき、ストロークの最上端にある位置を上死点、最下端にある位置を下死点という。

シリンダ２６Ａは、ピストン２４Ａの並進運動によって容積が変化するチャンバを構成する。シリンダ２６Ｂは、ピストン２４Ｂの並進運動によって容積が変化するチャンバを構成する。ピストン２４Ａ，２４Ｂおよびシリンダ２６Ａ，２６Ｂのそれぞれは、ピストン２４Ａが上死点から下死点に運動するとき、ピストン２４Ｂが下死点から上死点に運動し、ピストン２４Ａが下死点から上死点に運動するとき、ピストン２４Ｂが上死点から下死点に運動するように、配置される。

クランク機構２８は、クランク２２の回転運動とピストン２４Ａ，２４Ｂの並進運動とを相互に変換する。クランク機構２８は、流体圧回転機２をモータとして作動させる場合、ピストン２４Ａ，２４Ｂの並進運動をクランク２２の回転運動に変換し、流体圧回転機２をブレーキとして作動させる場合、クランク２２の回転運動をピストン２４Ａ，２４Ｂの並進運動に変換する。

電子制御式可変容量型ポンプモータ３は、複数のピストンシリンダ３１，３２，３３，３４を有している。複数のピストンシリンダ３１，３２，３３，３４は、クランクシャフト３０の周りに等間隔に配置される。ピストンシリンダ３１、３２，３３，３４のぞれぞれは、高圧ポートおよび低圧ポートを有している。

複数のピストンシリンダ３１，３２，３３，３４は、シリンダ２６Ａ，２６Ｂの数（ここでは、２つ）にグループ分けされる。グループＡに属する（シリンダ２６Ａに対応する）ピストンシリンダ３１，３３は、作動流体（オイル）の吸入排出サイクル上の等間隔で配置される。グループＢに属する（シリンダ２６Ｂに対応する）ピストンシリンダ３２，３４は、吸入排出サイクル上の等間隔で配置される。

高圧ライン４Ａは、グループＡに属する。高圧ライン４Ａの一端は、シリンダ２６Ａのシリンダポートに接続される。高圧ライン４Ａの他端は、１本の流路８Ａを介して、グループＡに属する高圧ポート９Ａに接続されている。換言すれば、高圧ポート９Ａは、１本の流路８Ａに束ねられている。

高圧ライン４Ｂは、グループＢに属する。高圧ライン４Ｂの一端は、シリンダ２６Ｂのシリンダポートに接続される。高圧ライン４Ｂの他端は、１本の流路８Ｂを介して、グループＢに属する高圧ポート９Ｂに接続される。換言すれば、高圧ポート９Ｂは、１本の流路８Ｂに束ねられている。

低圧ライン５の一端は、タンク７に接続される。低圧ライン５の他端は、１本の流路８Ｃを介して低圧ポート９Ｃに接続される。換言すれば、低圧ポート９Ｃは、１本の流路８Ｃに束ねられている。

バルブ６１は、グループＡに属するピストンシリンダ３１に対応して配置される。バルブ６２は、グループＢに属するピストンシリンダ３２に対応して配置される。バルブ６３は、グループＡに属するピストンシリンダ３３に対応して配置される。バルブ６４は、グループＢに属するピストンシリンダ３４に対応して配置される。

グループＡに属するバルブ６１，６３は、同じ構造を有している。以下、代表してバルブ６１について説明する。バルブ６１は、図１Ａに示すように、高圧バルブと、低圧バルブと、電磁ソレノイドとを有している。図１Ａおよび図１Ｂに示すように、高圧バルブは、電磁ソレノイドが非通電状態である場合、高圧ポート９Ａを閉じ、電磁ソレノイドが通電状態である場合、高圧ポート９Ａを開く。低圧バルブは、電磁ソレノイドが非通電状態である場合、低圧ポート９Ｃを開き、電磁ソレノイドが通電状態である場合、低圧ポート９Ｃを閉じる。高圧ポート９Ａの開状態では、グループＡに属するピストンシリンダ３１，３３のぞれぞれと高圧ライン４Ａとが連通する連通状態となる。高圧ポート９Ａの閉状態では、例えば、グループＡに属するピストンシリンダ３１，３３のぞれぞれと高圧ライン４Ａとが連通しない非連通状態となる。低圧ポート９Ｃの開状態では、グループＡに属するピストンシリンダ３１，３３のぞれぞれと低圧ライン５とが連通する連通状態となる。低圧ポート９Ｃの閉状態では、例えば、グループＡに属するピストンシリンダ３１，３３のぞれぞれと低圧ライン５とが連通しない非連通状態となる。

グループＢに属するバルブ６２，６４は、同じ構造を有している。以下、代表してバルブ６２について説明する。バルブ６２は、図１Ａに示すように、高圧バルブと、低圧バルブと、電磁ソレノイドとを有している。図１Ａおよび図１Ｂに示すように、高圧バルブは、電磁ソレノイドが非通電状態である場合、高圧ポート９Ｂを閉じ、電磁ソレノイドが通電状態である場合、高圧ポート９Ｂを開く。低圧バルブは、電磁ソレノイドが非通電状態である場合、低圧ポート９Ｃを開き、電磁ソレノイドが通電状態である場合、低圧ポート９Ｃを閉じる。高圧ポート９Ｂの開状態では、グループＢに属するピストンシリンダ３２，３４のぞれぞれと高圧ライン４Ｂとが連通する連通状態となる。高圧ポート９Ｂの閉状態では、例えば、グループＢに属するピストンシリンダ３２，３４のぞれぞれと高圧ライン４Ｂとが連通しない非連通状態となる。低圧ポート９Ｃの開状態では、グループＢに属するピストンシリンダ３２，３４のぞれぞれと低圧ライン５とが連通する連通状態となる。低圧ポート９Ｃの閉状態では、例えば、グループＢに属するピストンシリンダ３２，３４のぞれぞれと低圧ライン５とが連通しない非連通状態となる。

タンク７は、オイル（作動油）を貯留する。タンク７は、低圧ライン５を介して低圧ポート９Ｃに接続されている。

第１回転位相検出部１１０は、クランク２２の回転位相を検出する。また、第２回転位相検出部１２０は、クランクシャフト３０の回転位相を検出する。

本実施の形態に係る流体機械１は、制御部２００を備えている。制御部２００は、例えば、図示しないＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等からなるマイクロコンピュータと入出力装置とを備えるＥＣＵ（Electronic control Unit）である。ＥＣＵ２００の入力回路には、第１回転位相検出部１１０および第２回転位相検出部１２０が接続されている。

ＥＣＵ２００は、例えば、グループＡに属するバルブ６１，６３のそれぞれが、第１回転位相検出部１１０により検出されたクランク２２の回転位相および第２回転位相検出部１２０により検出されたクランクシャフト３０の回転位相に応じて、グループＡに属するピストンシリンダ３１，３３のそれぞれをグループＡに属する高圧ライン４Ａに連通させる連通状態と高圧ライン４Ａに連通させない非連通状態とに切り替わることで、高圧ライン４Ａの圧力を調整する制御を実行する。なお、高圧ライン４Ａの圧力を調整する制御が実行される間、高圧ライン４Ｂの圧力を調整する制御は実行されず、グループＢに属するピストンシリンダ３２，３４のそれぞれは、高圧ライン４Ｂに連通されていない非連通状態であり、低圧ライン５に連通されている状態である。

また、ＥＣＵ２００は、例えば、グループＢに属するバルブ６２，６４のそれぞれが、第１回転位相検出部１１０により検出されたクランク２２の回転位相および第２回転位相検出部１２０により検出されたクランクシャフト３０の回転位相に応じて、グループＢに属するピストンシリンダ３２，３４のそれぞれをグループＢに属する高圧ライン４Ｂに連通させる連通状態と高圧ライン４Ｂに連通させない非連通状態とに切り替わることで、高圧ライン４Ｂの圧力を調整する制御を実行する。なお、高圧ライン４Ｂの圧力を調整する制御が実行される間、高圧ライン４Ａの圧力を調整する制御は実行されず、グループＡに属するピストンシリンダ３１，３２のそれぞれは、高圧ライン４Ａに連通されていない非連通状態であり、低圧ライン５に連通されている状態である。

次に、ＥＣＵ２００について、グループＡに属するバルブ６１，６３を例に挙げて具体的に説明する。なお、例えば、クランク２２が１回転する間にクランクシャフト３０はＮ回転するものとする（Ｎは正の整数）。換言すれば、ピストン２４Ａが上死点から下死点に移動するまでの間にクランクシャフト３０は（Ｎ／２）回転し、さらに、下死点から上死点に移動するまでの間にクランクシャフト３０は（Ｎ／２）回転する。

＜流体圧回転機２をモータとして作動させる場合＞
ＥＣＵ２００は、流体圧回転機２をモータとして作動させる場合、例えば、グループＡに対応するピストン２４Ａが上死点から下死点に向かうタイミングで高圧ライン４Ａの圧力を上げるように、ピストン２４Ａが下死点から上死点に向かうタイミングで高圧ライン４Ａの圧力を下げるように、バルブ６１，６３を制御する。

具体的には、ピストン２４Ａが上死点から下死点に向かうタイミングにおいては、以下のサイクルが（Ｎ／２）回繰り返されるようにバルブ６１，６３が制御される。１つのサイクルにおいては、バルブ６１，６３の低圧バルブにより低圧ポートが閉状態から開状態に切り替えられることで、オイルがタンク７からピストンシリンダ３１，３３に吸入され、バルブ６１，６３の高圧バルブにより高圧ポートが閉状態から開状態に切り替えられることで、吸入されたオイルがピストンシリンダ３１，３３から高圧ライン４Ａへ吐出される。以上のサイクルにおいては、高圧ライン４Ａの圧力が上がる。その結果、クランク２２のトルクが上がるため、クランク２２の回転速度が増速する（流体圧回転機２の駆動）。

また、具体的には、ピストン２４Ａが下死点から上死点に向かうタイミングにおいては、以下のサイクルが（Ｎ／２）回繰り返されるようにバルブ６１，６３が制御される。１つのサイクルにおいては、バルブ６１，６３の高圧バルブにより高圧ポートが閉状態から開状態に切り替えられることで、オイルが高圧ライン４Ａからピストンシリンダ３１，３３に吸入され、バルブ６１，６３の低圧バルブにより低圧ポートが閉状態から開状態に切り替えられることで、吸入されたオイルがピストンシリンダ３１，３３からタンク７へ吐出される。以上のサイクルにおいては、高圧ライン４Ａの圧力が下がる。

＜流体圧回転機２をブレーキとして作動させる場合＞
また、ＥＣＵ２００は、クランク２２を正方向（例えば、時計回り）に回転することにより、流体圧回転機２をブレーキとして作動させる場合、例えば、グループＡに対応するピストン２４Ａが下死点から上死点に向かうタイミングで高圧ライン４Ａの圧力を上げるように、ピストン２４Ａが上死点から下死点に向かうタイミングで高圧ライン４Ａの圧力を下げるように、バルブ６１，６３を制御する。

具体的には、ピストン２４Ａが下死点から上死点に向かうタイミングにおいては、以下のサイクルが（Ｎ／２）回が繰り返されるようにバルブ６１，６３が制御される。１つのサイクルにおいては、バルブ６１，６３の高圧バルブにより高圧ポートを閉状態から開状態に切り替えられることで、オイルが高圧ポートからピストンシリンダ３１，３３に吸入され、バルブ６１，６３の低圧バルブにより低圧ポートが閉状態から開状態に切り替えられることで、吸入されたオイルがピストンシリンダ３１，３３からタンク７へ吐出される。以上のサイクルにおいては、ピストンシリンダ３１，３３のピストンを押し下げるときの反力により、高圧ライン４Ａの圧力が上がる。その結果、クランク２２に逆方向（反時計回り）のトルクがかかるため、クランク２２の正方向（時計回り）の回転速度が減速する（流体圧回転機２の制動）。

また、具体的には、ピストン２４Ａが上死点から下死点に向かうタイミングにおいては、以下のサイクルが（Ｎ／２）回繰り返されるようにバルブ６１，６３が制御される。１つのサイクルにおいては、バルブ６１，６３の低圧バルブにより低圧ポートが閉状態から開状態に切り替えられることで、オイルがタンク７からピストンシリンダ３１，３３に吸入され、バルブ６１，６３の高圧バルブにより高圧ポートが閉状態から開状態に切り替えられることで、吸入されたオイルがピストンシリンダ３１，３３から高圧ライン４Ａに吐出される。以上のサイクルにおいては、高圧ラインに吐出されたオイルは、流体圧回転機２のシリンダ２６Ａに吸入されるため、高圧ライン４Ａの圧力が下がる。

次に、流体装置１の駆動方法の一例について説明する。以下の説明においては、グループＡに対応するシリンダ２６Ａの動作およびグループＢに対応するシリンダ２６Ｂの動作については、代表してシリンダ２６Ａの動作について説明する。また、グループＡに属するピストンシリンダ３１，３３の動作およびグループＢに属するピストンシリンダ３２，３４の動作については、代表してピストンシリンダ３１、３３の動作について説明する。

＜流体圧回転機２をモータとして作動させる場合＞
先ず、流体圧回転機２をモータとして作動させる場合について図５Ａから図５Ｄを参照して説明する。

図５Ａは、シリンダ２６Ａのピストンストロークを示す図である。図５Ａにおいて横軸に時間を示し、縦軸にシリンダ２６Ａの並進運動における位置を示している。図５Ａに示すように、シリンダ２６Ａのピストン２４Ａは、時間経過に応じて上死点と下死点との間をストロークする。

図５Ｂは、ピストンシリンダ３１，３３それぞれのオイルの吐出量示す図である。図５Ｂにおいて、横軸に時間を示し、縦軸にオイルの吐出量を示している。また、図５Ｂでは、ピストンシリンダ３１のオイルの吐出量を実線で示し、ピストンシリンダ３３のオイルの吐出量を破線で示している。また、図５Ｂでは、ピストンシリンダ３１，３３のそれぞれから高圧ライン４Ａへ吐出されるオイルの吐出量を時間軸よりも上側に示し、ピストンシリンダ３１，３３のそれぞれからタンク７へ吐出されるオイルの吐出量を時間軸よりも下側に示している。

図５Ａおよび図５Ｂに示すように、ＥＣＵ２００は、シリンダ２６Ａのピストン２４Ａが上死点から下死点に向かうタイミングで、オイルがピストンシリンダ３１，３３のそれぞれから（Ｎ／２）回ずつ高圧ライン４Ａへ吐出されるようにバルブ６１，６３を制御する。なお、ＥＣＵ２００は、上死点と下死点との間の中間において吐出されるオイルの吐出量が上死点近傍および下死点近傍それぞれにおいて吐出されるオイルの吐出量よりも多くなるように、バルブ６１，６３を制御する。

また、ＥＣＵ２００は、シリンダ２６Ａのピストン２４Ａが下死点から上死点に向かうタイミングで、オイルがピストンシリンダ３１，３３のそれぞれから（Ｎ／２）回ずつタンク７へ吐出されるようにバルブ６１，６３を制御する。なお、ＥＣＵ２００は、下死点と上死点との間の中間において吐出されるオイルの吐出量が下死点近傍および上死点近傍それぞれにおいて吐出されるオイルの吐出量よりも多くなるように、バルブ６１，６３を制御する。

図５Ｃは、高圧ライン４Ａの圧力および低圧ライン５の圧力を示す図である。図５Ｃにおいて横軸は時間、縦軸は圧力を示している。図５Ｃでは、高圧ライン４Ａの圧力を実線で示し、低圧ライン５の圧力を破線で示している。また、図５Ｄは、クランク２２にかかるトルクを示す図である。図５Ｄでは、正方向（時計回り）のトルクの大きさを時間軸から上方向の距離に示し、逆方向（反時計回り）のトルクの大きさを時間軸から下方向の距離で示している。

図５Ｃおよび図５Ｄに示すように、シリンダ２６Ａのピストン２４Ａが上死点から下死点に向かうタイミングでは、ＥＣＵ２００は、ピストンシリンダ３１およびピストンシリンダ３３が交互に高圧ライン（シリンダ２６Ａ）にオイルを吐出するようにバルブ６１，６３を制御する。これにより、図５Ｃに示すように、高圧ラインの圧力は高くなる。その結果、図５Ｄに示すように、シリンダ２６Ａがクランク２２を回転させる正方向のトルクは大きくなる。その結果、クランク２２の回転速度が増速する（流体圧回転機２の駆動）。

これに対して、シリンダ２６Ａのピストン２４Ａが下死点から上死点に向かうタイミングでは、ＥＣＵ２００は、ピストンシリンダ３１およびピストンシリンダ３３が交互に低圧ライン５（タンク７）にオイルを吐出するようにバルブ６１，６３を制御する。これにより、図５Ｃに示すように、高圧ライン４Ａの圧力は低くなる（高圧ライン４Ａの圧力は低圧ライン５の圧力（例えば、大気圧）と同じになる）。

＜流体圧回転機２をブレーキとして作動させる場合＞
次に、流体圧回転機２をブレーキとして作動させる場合について図６Ａから図６Ｄを参照して説明する。

図６Ａは、シリンダ２６Ａのピストンストロークを示す図である。図６Ａにおいて横軸に時間を示し、縦軸にシリンダ２６Ａの並進運動における位置を示している。図６Ａに示すように、シリンダ２６Ａのピストン２４Ａは、時間経過に応じて上死点と下死点との間をストロークする。

図６Ｂは、ピストンシリンダ３１のオイルの吐出量およびピストンシリンダ３３のオイルの吐出量を示す図である。図６Ｂにおいて、横軸に時間を示し、縦軸にオイルの吐出量を示している。また、図６Ｂでは、ピストンシリンダ３１のオイルの吐出量を実線で示し、ピストンシリンダ３３のオイルの吐出量を破線で示している。また、図６Ｂでは、ピストンシリンダ３１，３３のそれぞれから高圧ライン４Ａへ吐出されるオイルの吐出量を時間軸よりも上側に示し、ピストンシリンダ３１，３３のそれぞれからタンク７へ吐出されるオイルの吐出量を時間軸よりも下側に示している。なお、本開示の流体機械１は、シリンダ２６Ａ，２６Ｂからのオイルの吸入吐出によって、高圧ライン４Ａ，４Ｂの圧力を調整可能である。このため、シリンダ２６Ａ，２６Ｂの単位時間当たりの吸入吐出量よりも、電子制御式可変容量型ポンプモータ３のグループＡ，Ｂそれぞれの単位時間当たりの吸入吐出量の方が多い。

図６Ａおよび図６Ｂに示すように、ＥＣＵ２００は、シリンダ２６Ａのピストン２４Ａが上死点から下死点に向かうタイミングで、オイルがピストンシリンダ３１，３３のそれぞれから（Ｎ／２）回ずつ高圧ライン４Ａ吐出されるようにバルブ６１，６３を制御する。なお、ＥＣＵ２００は、上死点と下死点との間の中間において吐出されるオイルの吐出量が上死点近傍および下死点近傍それぞれにおいて吐出されるオイルの吐出量よりも多くなるように、バルブ６１，６３を制御する。

また、ＥＣＵ２００は、シリンダ２６Ａのピストン２４Ａが下死点から上死点に向かうタイミングで、オイルがピストンシリンダ３１，３３のそれぞれから（Ｎ／２）回ずつタンク７へ吐出されるようにバルブ６１，６３を制御する。なお、ＥＣＵ２００は、下死点と上死点との間の中間において吐出されるオイルの吐出量が下死点近傍および上死点近傍それぞれにおいて吐出されるオイルの吐出量よりも多くなるように、バルブ６１，６３を制御する。

図６Ｃは、高圧ライン４Ａの圧力および低圧ライン５の圧力を示す図である。図６Ｃにおいて横軸は時間、縦軸は圧力を示している。図６Ｃでは、高圧ライン４Ａの圧力を実線で示し、低圧ライン５の圧力を破線で示している。また、図６Ｄは、クランク２２にかかるトルクを示す図である。図６Ｄでは、正方向のトルクの大きさを時間軸から上方向の距離に示し、逆方向（反時計回り）のトルクの大きさを時間軸から下方向の距離で示している。

図６Ｃおよび図６Ｄに示すように、シリンダ２６Ａのピストン２４Ａが上死点から下死点に向かうタイミングでは、ＥＣＵ２００は、ピストンシリンダ３１，３３が交互に高圧ライン（シリンダ２６Ａ）にオイルを吐出するようにバルブ６１，６３を制御する。高圧ライン４Ａに吐出されたオイルは、シリンダ２６Ａに吸入される。これにより、図６Ｃに示すように、高圧ラインの圧力は低くなる（高圧ライン４Ａの圧力は低圧ライン５の圧力（例えば、大気圧）と同じになる）。

これに対して、シリンダ２６Ａのピストン２４Ａが下死点から上死点に向かうタイミングでは、ＥＣＵ２００は、ピストンシリンダ３１，３３が交互に低圧ライン５（タンク７）にオイルを吐出するようにバルブ６１，６３を制御する。オイルがシリンダ２６Ａからピストンシリンダ３１，３３に吸入されるとき、ピストンシリンダ３１，３３のピストンを押し下げるため、ピストンを押し下げるときの反力により、高圧ライン４Ａの圧力が上がる。これにより、図６Ｃに示すように、高圧ライン４Ａの圧力は高くなる。その結果、図６Ｄに示すように、クランク２２に逆方向（反時計回り）のトルクがかかるため、クランク２２の回転速度が減速する（流体圧回転機２の制動）。

本実施の形態に係る流体機械１は、クランク２２の回転運動とピストン２４Ａ，２４Ｂの並進運動とを相互に変換するクランク機構２８を有し、ピストン２４Ａ，２４Ｂの並進運動によって容積が変化するチャンバを構成するシリンダ２６Ａ，２６Ｂを有する流体圧回転機２と、クランク２２の回転位相を検出する第１回転位相検出部１１０と、クランクシャフト３０の周りに作動流体の吸入排出サイクル上の等間隔で配置され、シリンダ２６Ａ，２６Ｂの数の整数倍であるそれぞれ複数のピストンシリンダ３１，３２，３３，３４およびバルブ６１，６２，６３．６４を有するポンプモータ３と、クランクシャフト３０の回転位相を検出する第２回転位相検出部１２０と、作動流体を貯留するタンク７と、バルブ６１，６２，６３．６４を制御するＥＣＵ２００と、を備え、複数のピストンシリンダ３１，３２，３３，３４、バルブ６１，６２，６３．６４および高圧ライン４Ａ，４Ｂは、シリンダ２６Ａ，２６Ｂの数にグループ分けされ、同一のグループＡに属する所定数のピストンシリンダ３１，３３およびバルブ６１，６３は、吸入排出サイクル上の等間隔な位置に配置され、同一のグループＡに属する所定数のピストンシリンダ３１，３３のそれぞれは、同一のグループＡに属するバルブ６１，６３および高圧ライン４Ａを介して同一のグループＡに対応するシリンダ２６Ａに接続されるとともに、同一のグループＡに属するバルブ６１，６３および低圧ライン５を介してタンク７に接続され、ＥＣＵ２００は、同一のグループＡに属する所定数のバルブ６１，６３のそれぞれが、第１回転位相検出部１１０により検出されたクランク２２の回転位相および第２回転位相検出部１２０により検出されたクランクシャフト３０の回転位相に応じて、同一のグループＡに属する所定数のピストンシリンダ３１，３３のそれぞれを同一のグループＡに属する高圧ライン４Ａに連通させる連通状態と高圧ライン４Ａに連通させない非連通状態と相互に切り替えることで、高圧ライン４Ａの圧力を調整する制御を実行する。

上記構成により、バルブ６１，６２，６３，６４を制御することで、高圧ライン４Ａ，４Ｂの圧力が調整可能となるため、流体圧回転機２の駆動および制動を自在に切り替えることが可能となる。また、流体圧回転機２の駆動および制動を切り替えるために、高圧ライン４Ａ，４Ｂと低圧ライン５とをつなぎ替える必要がない。これにより、システムの複雑化を防止することが可能となる。また、制御対象であるバルブ６１，６２，６３，６４がピストンシリンダ３１，３２，３３，３４に対応して設けられているため、制御対象である部品数が比較的少ない。そして、比較的少ない部品数を制御すればよいため、低コストを実現することが可能となり、また、ロバスト性を高くすることが可能となる。また、流体圧回転機２側で駆動と制動とを切り替えずに済むとともに、ロータリーバルブが用いられないため、容積効率や総合効率を高く維持することが可能となる。

また、上記実施の形態に係る流体機械１では、ＥＣＵ２００は、流体圧回転機２をモータとして作動させる場合、ピストン２４Ａ，２４Ｂが上死点から下死点に向かうタイミングで高圧ライン４Ａ，４Ｂの圧力を上げるように、ピストン２４Ａ，２４Ｂが下死点から上死点に向かうタイミングで高圧ライン４Ａ，４Ｂの圧力を下げように、バルブ６１，６２，６３，６４を制御する。それにより、バルブ６１，６２，６３，６４を制御することで、圧力の上昇や下降が可能となるため、流体圧回転機２をモータとして容易に作動させることが可能となる。

また、上記実施の形態に係る流体機械１では、ＥＣＵ２００は、流体圧回転機２をブレーキとして作動させる場合、ピストン２４Ａ，２４Ｂが下死点から上死点に向かうタイミングで高圧ライン４Ａ，４Ｂの圧力を上げるように、ピストン２４Ａ，２４Ｂが上死点から下死点に向かうタイミングで高圧ライン４Ａ，４Ｂの圧力を下げるように、バルブ６１，６２，６３，６４を制御する。それにより、バルブ６１，６２，６３，６４を制御することで、圧力の上昇や下降が可能となるため、流体圧回転機２をブレーキとして容易に作動させることが可能となる。

また、上記実施の形態では、高圧ポート９Ａは、１本の流路８Ａに束ねられている。また、高圧ポート９Ｂは、１本の流路８Ｂに束ねられている。これにより、より簡易な構造で、より低コストを実現することができる。

なお、上記実施の形態では、流体圧回転機２をモータとして作動させる場合（モータリング）、および、流体圧回転機２をブレーキとして作動させる場合（ポンピング）における、バルブ６１，６２，６３，６４の制御について説明したが、本開示の流体機械１では、例えば、流体圧回転機２が停止している場合であって、モータリングもポンピングも行わない場合は、電磁ソレノイドを非通電状態とすることで、低圧ポート９Ｃが開いた状態となるため、オイルを低圧ポート９Ｃからピストンシリンダ３１，３２，３３，３４に吸入し、再度低圧ポート９Ｃに排出することで、無負荷アイドリングが可能となる。

また、上記実施の形態では、作動流体を、オイル（作動油）としたが、本開示はこれに限らず、例えば、水であってもよい。

その他、上記実施の形態は、何れも本開示の実施をするにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これらによって本開示の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本開示はその要旨、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

本開示は、電子制御式可変容量ポンプモータの制御によって、流体圧回転機の駆動と制動とを自在に切り替えることが要求される流体機械を備えた建機等に好適に利用される。

１ 流体機械
２ 流体圧回転機
３ 電子制御式可変容量型ポンプモータ
４Ａ，４Ｂ 高圧ライン
５ 低圧ライン
７ タンク
８Ａ，８Ｂ，８Ｃ 流路
９Ａ，９Ｂ 高圧ポート
９Ｃ 低圧ポート
２２ クランク
２４Ａ，２４Ｂ ピストン
２６Ａ，２６Ｂ シリンダ
３１，３２，３３，３４ ピストンシリンダ
６１，６２，６３，６４ バルブ
２８ クランク機構
１１０ 第１回転位相検出部
１２０ 第２回転位相検出部
２００ 制御部

Claims (5)

1. クランクの回転運動とピストンの並進運動とを相互に変換するクランク機構を有し、前記ピストンの並進運動によって容積が変化するチャンバを構成するシリンダを有する流体圧回転機と、
   前記クランクの回転位相を検出する第１回転位相検出部と、
   クランクシャフトの周りに作動流体の吸入排出サイクル上の等間隔で配置され、前記シリンダの数の整数倍であるそれぞれ複数のピストンシリンダおよびバルブを有するポンプモータと、
   前記クランクシャフトの回転位相を検出する第２回転位相検出部と、
   前記作動流体を貯留するタンクと、
   前記バルブを制御する制御部と、
   を備え、
   前記複数のピストンシリンダ、バルブおよび高圧ラインは、前記シリンダの数にグループ分けされ、同一のグループに属する所定数のピストンシリンダおよびバルブは、前記吸入排出サイクル上の等間隔な位置に配置され、
   前記同一のグループに属する所定数のピストンシリンダのそれぞれは、前記同一のグループに属する前記バルブおよび高圧ラインを介して前記同一のグループに対応する前記シリンダに接続されるとともに、前記同一のグループに属する前記バルブおよび低圧ラインを介して前記タンクに接続され、
   前記制御部は、前記同一のグループに属する所定数のバルブのそれぞれが、前記第１回転位相検出部により検出された前記クランクの回転位相および前記第２回転位相検出部により検出された前記クランクシャフトの回転位相に応じて、前記同一のグループに属する所定数のピストンシリンダのそれぞれを前記同一のグループに属する前記高圧ラインに連通させる連通状態と前記高圧ラインに連通させない非連通状態と相互に切り替えることで、前記高圧ラインの圧力を調整する制御を実行する、
   流体機械。
2. 前記制御部は、前記流体圧回転機をモータとして作動させる場合、前記ピストンが上死点から下死点に向かうタイミングで前記高圧ラインの圧力を上げるように、前記ピストンが下死点から上死点に向かうタイミングで前記高圧ラインの圧力を下げように、前記バルブを制御する、
   請求項１に記載の流体機械。
3. 前記制御部は、前記流体圧回転機をブレーキとして作動させる場合、前記ピストンが下死点から上死点に向かうタイミングで前記高圧ラインの圧力を上げるように、前記ピストンが上死点から下死点に向かうタイミングで前記高圧ラインの圧力を下げるように、前記バルブを制御する、
   請求項１または２に記載の流体機械。
4. 前記所定数のピストンシリンダのそれぞれは、前記連通状態と前記非連通状態とに切り替えられるように、前記バルブにより開閉される高圧ポートと、前記低圧ラインに連通する連通状態と連通しない非連通状態とに切り替えられるように、前記バルブにより開閉される低圧ポートと、を有し、
   前記バルブは、電磁ソレノイドと、前記電磁ソレノイドの通電時、前記高圧ポートを閉状態から開状態へ切り替え、前記電磁ソレノイドの非通電時、前記高圧ポートを前記開状態から前記閉状態へ切り替える高圧バルブと、前記電磁ソレノイドの通電時、前記低圧ポートを開状態から閉状態へ切り替え、前記電磁ソレノイドの非通電時、前記低圧ポートを前記閉状態から前記開状態へ切り替える低圧バルブと、を有する、
   請求項１から３のいずれか一項に記載の流体機械。
5. クランクの回転運動とピストンの並進運動とを相互に変換するクランク機構を有し、前記ピストンの並進運動によって容積が変化するチャンバを構成するシリンダを有する流体圧回転機と、
   クランクシャフトの周りに作動流体の吸入排出サイクル上の等間隔で配置され、前記シリンダの数の整数倍であるそれぞれ複数のピストンシリンダおよびバルブを有するポンプモータと、
   前記作動流体を貯留するタンクと、
   を備え、
   前記複数のピストンシリンダ、バルブおよび高圧ラインは、前記シリンダの数にグループ分けされ、同一のグループに属する所定数のピストンシリンダおよびバルブは、前記吸入排出サイクル上の等間隔な位置に配置され、
   前記同一のグループに属する所定数のピストンシリンダのそれぞれは、前記同一のグループに属する前記バルブおよび高圧ラインを介して前記同一のグループに対応する前記シリンダに接続されるとともに、前記同一のグループに属する前記バルブおよび低圧ラインを介して前記タンクに接続される流体機械の駆動方法であって、
   前記同一のグループに属する所定数のバルブのそれぞれは、前記クランクの回転位相および前記クランクシャフトの回転位相に応じて、前記同一のグループに属する所定数のピストンシリンダのそれぞれを前記同一のグループに属する前記高圧ラインに連通させる連通状態と前記高圧ラインに連通させない非連通状態とに相互に切り替えることで、前記高圧ラインの圧力を調整する、流体機械の駆動方法。

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