JP4796350B2 - 回生機能付き流体圧制御回路 - Google Patents

Description

本発明は、負荷に与えたエネルギーを回収できるようにした回生機能付き流体圧制御回路に関する。

フォークリフトなどでは、重力に抗して負荷を持ち上げるのに油圧が用いられるが、持ち上げた負荷を下降させる際には、油圧タンクに戻される作動油に蓄えられたエネルギーを回収することが可能であり、例えば、特許文献１では、そのためのエネルギー回収装置、つまり、回生機能付き流体圧制御回路が提案されている。

この特許文献１では、エネルギー回収装置において使用可能なエネルギー貯蓄手段として、ａ．アキュムレータ、ｂ．フライホイール、ｃ．バッテリーを上げ、結果的にバッテリーを採用したエネルギー回収装置を提案している。

しかしながら、バッテリーを用いる場合には、運動エネルギーを発電機によって一旦電気エネルギーに変換してバッテリーに貯蔵し、その後また、電動モータによって運動エネルギーに変換する、という多重の変換工程が必要であり、その間、エネルギー損失が大きく、また、装置も制御も複雑になる、という欠点があり、簡素化には不向きな点があった。

また、バッテリーを用いる場合、この特許文献１にも記載されている通り、応答性が低く、特に、荷役装置などで生じる大きなエネルギーを瞬時に回収するのが困難であるという問題もあった。
特開２０００−１３６８０６号公報（図１、図６）

本発明は、上記問題を改善しようとするもので、よりエネルギー損失が少なく簡素化が可能で、応答性の良い回生機能付き流体圧制御回路を提供することを目的としている。

本発明の回生機能付き流体圧制御回路は、負荷を受ける流体圧アクチュエータとモータと流体圧ポンプモータと作動流体を貯留する流体圧タンクとを備え、前記流体圧アクチュエータの被駆動エネルギーを回生する回生機能付き流体圧制御回路であって、
前記流体圧ポンプモータを可変容量流体圧ポンプモータとし、該流体圧ポンプモータと前記モータとの間にフライホイールを介在させ、
前記可変容量流体圧ポンプモータの傾転角を前記フライホールの回転数と該ポンプモータに要請される吐出量に基づいて制御する制御手段を備え、この制御手段は、
負荷保持のときは傾点角を最小にして流体圧ポンプから作動流体を前記流体圧タンクに吐出させるように制御し、
負荷を上昇させるときは、所望の負荷上昇速度になるように傾点角を制御して前記流体圧ポンプモータから作動流体を前記アクチュエータに吐出させるように制御し、
負荷を下降させるときは、前記アクチュエータからの作動流体を、所定の負荷下降速度になるように傾点角を制御して前記流体圧ポンプモータへ流入させて、前記流体圧タンクに吐出させるように制御することを特徴とする。

ここで、流体圧制御回路とは、作動流体として、一般に油圧回路に用いられる作動油だけでなく、水や高分子化合物流体を含むものであり、このような流体の圧力を用いて種々の制御を行う回路を意味するものである。

また、流体圧アクチュエータの被駆動エネルギーとは、この流体圧アクチュエータが駆動させた負荷によって、逆に駆動される場合に受けるエネルギーを意味する。

具体例としては、油圧フォークリフトにおいて、油圧で持ち上げた負荷が重力によって下降する場合に、この油圧フォークリフトの油圧シリンダから油圧タンクへ還流される作動油に含まれるエネルギーのことをいう。

本発明の流体圧制御回路は、エネルギー貯蓄手段としてフライホイールを用いるものであるが、このフライホイールと、可変容量流体圧ポンプモータと、前記機能を持つ制御手段との組み合わせで、負荷を駆動する場合には、フライホイールのエネルギーを用いて、可変容量流体圧ポンプモータの傾転角を制御して、必要な量の流体を流体圧アクチュエータに供給し、負荷から駆動される場合には、流体圧アクチュエータからの流体を所定の量で還流させて、フライホイールにその被駆動エネルギーを貯蓄する。

したがって、この流体圧制御回路によれば、従来の流体圧ポンプモータを可変容量タイプにし、モータとの間にフライホイールを設け、所定の制御をする制御手段（これは、スペースを要しない。）を設けるだけで、回生機能が達成され、従来例のような多重のエネルギー変換がないので、エネルギー損失が少なく、回路が簡単な構成となり、簡素化が可能となり、応答性も良い。

また、このフライホイール、可変容量流体圧ポンプモータ、制御手段の組み合わせでは、流体圧アクチュエータの駆動時だけでなく、流体圧アクチュエータから被駆動される場合も、可変容量流体圧ポンプモータの吐出量を所望のものに制御できるので、従来のような還流スピードを規制するようなカウンターバランス弁、絞り弁を不要としつつメーターアウト制御が可能となる。

以下に、本発明の実施の形態（実施例）について、図面を用いて説明する。

図１は、本発明の回生機能付き流体圧制御回路の一例を示す回路図（負荷保持時）、図２は、図１の流体圧制御回路の負荷上昇時の回路図、図３は、図１の流体圧制御回路の負荷下降時の回路図である。

この回生機能付き流体圧制御回路１０は、その基本機能を説明するために例示されるものであり、流体圧アクチュエータである流体圧シリンダ１によって、重力に逆らって、負荷Ｗを上昇させるフォークリフトのような流体圧機器に組み込まれたものである。

この流体圧制御回路１０は、前記流体圧シリンダ１、フライホイール４と可変容量流体圧ポンプモータ３とを所定回転数範囲内で回転駆動するモータ２、流体圧シリンダ１を駆動する際にはポンプとして、流体圧シリンダ１から被駆動される際にはモータとして機能する前記流体圧ポンプモータ３、この回路１０においてエネルギー貯蓄手段として機能するフライホイール４、該流体圧ポンプモータ３の傾転角などを制御する制御手段５、この回路で用いられる作動流体を貯留する流体タンク６を備えている。

作動流体の回路は、流体タンク６から第１の逆止弁ＣＶ１を介して流体圧ポンプモータ３に入り、流体圧ポンプモータ３から第２の逆止弁ＣＶ２を介して流体圧シリンダ１に至る主回路１０ａと、この主回路１０ａにバイパスされた還流回路１０ｂと、流体圧ポンプモータ３から吐出される作動流体を流体圧タンク６に戻す戻し回路１０ｃとを備えている。

主回路１０ａに設置された２つの逆止弁ＣＶ１、逆止弁ＣＶ２は、流体圧タンク６から流体圧ポンプモータ３への方向、流体圧ポンプモータ３から流体圧シリンダ１への方向の作動流体の流れは許容するが、逆方向への流れを阻止するものである。

還流回路１０ｂは、主回路１０ａの第１の逆止弁ＣＶ１と流体圧ポンプモータ３との間と、第２の逆止弁ＣＶ２と流体圧シリンダ１との間をバイパスするもので、その回路中に開閉電磁弁５ｄを備えている。この開閉電磁弁５ｄは、電源オン時には、流体圧シリンダ１から流体圧ポンプモータ３への還流を許可し、電源オフ時には、流れを阻止するものである。

戻し回路１０ｃは、主回路１０ａの流体圧ポンプモータ３と第２の逆止弁ＣＶ２との間から分岐して、流体圧タンク６に達するもので、その回路中に開閉電磁弁５ｅを備えている。この開閉電磁弁５ｅは、電源オフ時には、流体圧ポンプモータ３から流体圧タンク６への還流を許可し、電源オン時には、流れを阻止するものである。

制御手段５は、手動の操作レバー５ｂ、制御部５ａ、フライホイール４の回転数を計測する回転数センサ５ｃを備え、上述の開閉電磁弁５ｄ、開閉電磁弁５ｅのオン・オフ制御を行うと共に、可変容量流体圧ポンプモータ３の傾転角をフライホール４の回転数と該ポンプモータ３に要請される吐出量、つまり、負荷Ｗに要請される速度に基づいて制御することを特徴とする。

なお、回転数センサは、流体圧ポンプモータ３の回転数を計測するものであってもよい。

このような構成の回生機能付き流体圧制御回路１０の作動態様について、負荷保持時の状態を示す図１、負荷上昇時の状態を示す図２、流体圧制御回路の負荷下降時の状態を示す図３を順に用いて説明する。

図１の負荷保持の状態では、操作レバー５ｂは中立の状態であり、還流回路１０ｂの開閉電磁弁５ｄは電源オフであり、流体圧シリンダ１から流体圧ポンプモータ３への還流は阻止されている。戻し回路１０ｃの開閉電磁弁５ｅは電源オフとされ、流体圧ポンプモータ３から流体圧タンク６への作動流体の流れが許容されている。

こうして、負荷Ｗの現在状態が保持され、作動流体は、流体圧ポンプモータ３と流体圧タンク６との間を循環する。

この流体圧制御回路１０の運転開始時では、通常、負荷Ｗのない保持状態であって、まず、モータ２がフライホイール４と可変容量流体圧ポンプモータ３とを回転駆動し始める。

この際、モータ２は、無負荷状態の可変容量流体圧ポンプモータ３とフライホイール４とを関連する抵抗力に抗して回転させるのに必要なトルクを有するものであればよい。なぜなら、負荷Ｗを駆動させるためのエネルギーは、フライホイール４から供給されるようになっているからである。

したがって、直接流体圧ポンプモータ３を駆動する場合に比べて、モータ２の容量を格段に小さいものとすることができ、回路１０の小型化、コンパクト化、コストダウンを図ることができる。

モータ２は、回転数センサ５ｃから得られる回転数によって、フライホイール４が所定回転数範囲内で回転を保持するように、制御手段５によって、オンオフ制御されている。回路１０の運転開始時では、モータ２は、フライホイール４の回転数が所定回転数に達するまでは、回転駆動を続ける。

こうして、この負荷保持状態では、モータ２は、作動流体が流体圧ポンプモータ３と流体圧タンク６との間を循環するのを保持する程度に、フライホイール４の回転数を保持するだけなので、消費するエネルギーを極力抑えることができる。

また、この際、可変容量流体圧ポンプモータ３は、その駆動抵抗を少なくするため、最小傾転角となるように制御手段５によって制御され、循環する作動流体の量が小さくなっているので、なおさら、消費エネルギーを少なくすることができる。

操作レバー５ｂを負荷Ｗ上昇になるように操作すると、図２に示すように、還流回路１０ｂの開閉電磁弁５ｄは電源オフとされ、流体圧シリンダ１から流体圧ポンプモータ３への還流は阻止される。戻し回路１０ｃの開閉電磁弁５ｅは電源オンとされ、流体圧ポンプモータ３から流体圧タンク６への作動流体の流れは阻止される。

したがって、フライホイール４によって駆動される可変容量流体圧ポンプモータ３によって、タンク６からシリンダ１に作動流体が供給され、負荷Ｗは上昇する。

この際、フライホイール４回転数を監視している制御手段５によって、可変容量流体圧ポンプモータ３の傾転角制御が行われ、その作動流体の吐出量によって負荷Ｗの上昇速度を制御することができる。

なお、フライホイール４は、その回転エネルギーの使用に伴って回転数が減少していくが、負荷Ｗの大きさや、その揚高、揚程速度に合わせて、フライホイール４の慣性モーメントと回転速度によって決定される回転エネルギーを適当なものに設定しておけば、問題はない。

操作レバー５ｂを負荷Ｗ下降になるように操作すると、図３に示すように、還流回路１０ｂの開閉電磁弁５ｄは電源オンとされ、流体圧シリンダ１から流体圧ポンプモータ３への還流が許可される。戻し回路１０ｃの開閉電磁弁５ｅも電源オフとされ、流体圧ポンプモータ３から流体圧タンク６への作動流体の流れも許可される。

したがって、流体シリンダ１から排出される作動流体は、還流回路１０ｂ、主回路１０ａを通って、可変容量流体圧ポンプモータ３に流入し、この可変容量流体圧ポンプモータ３をモータとして駆動し、その駆動エネルギーが直接、フライホイール４の回転数を増加させ、このフライホイール４の回転エネルギーとして保存、貯蓄される。

この際、負荷Ｗは急降下ではなく、一定の速度で下降させる必要があるが、そのための可変容量流体圧ポンプモータ３への作動流体の流入量＝吐出量の制御は、フライホイール４の回転数、要請される吐出量との関係から、制御手段５によって、可変容量流体圧ポンプモータ３の傾転角を制御することによって行われる。

従って、この回生機能付き流体圧制御回路１０によれば、このような回生機能を持たない、例えば油圧フォークリフトのような従来の流体圧制御回路では必要であったカウンターバランス弁、絞り弁等を必要としないで、メーターアウト制御が可能となる上、このような弁などによって熱エネルギーとして失われていた被駆動エネルギーを回生、つまり、再利用することができるのである。

こうして、この回生機能付き流体圧制御回路１０によれば、従来の流体圧ポンプモータを可変容量タイプにし、モータとの間にフライホイールを設け、所定の制御をする制御手段（これは、スペースを要しない。）を設けるだけで、回生機能が達成されるので、従来例のような多重のエネルギー変換がないので、エネルギー損失が少なく、回路が簡単な構成となり、簡素化が可能となる上、応答性も良く、既述の種々の効果が発揮される。

また、作動中の回生機能付き流体圧制御回路１０においては、フライホイール４にエネルギーが貯蓄されているので、非常時であって電源が遮断された場合にも、消費電力の小さいコントローラと開閉電磁弁の電源さえ確保できれば、一定時間、負荷Ｗの操作が可能なようにすることができ、災害時対策としても有効である。

また、開閉電磁弁５ｄ、５ｅの組み合わせは、電源オフ時に、負荷Ｗ保持の状態となっているので、万一の電源遮断の場合にも安全である。

また、従来例である特許文献１においては、ポンプモータが双方向回転のため、上昇後すぐに下降させてエネルギー回収するのには応答性が良くないといった問題があったが、本発明の回生機能付き流体圧制御回路１０で用いるポンプモータ３においては、ポンプとして作動する場合も、モータとして作動する場合も同じ方向の回転であるため、応答性が良い。

図４は、本発明の回生機能付き流体圧制御回路の他例を示す回路図である。これより、既に説明した部分と同じ部分については、同じ符号を付して重複説明を省略する。

この回生機能付き流体圧制御回路１０Ａは、図１から図３の回生機能付き流体圧制御回路１０に比べ、流体圧アクチュエータとして流体圧による駆動力をトルクとして出力する流体圧ロータリアクチュエータ１Ａを用い、負荷Ｗ１、Ｗ２がカウンタウエイトを設けたエレベータのようなものである点が異なっている。

つまり、本発明の回生機能付き流体圧制御回路は、フォークリフトのようなものだけに限定されず、負荷に与えたエネルギーが被駆動エネルギーとして、回路側に還流されるような駆動系については、どのような駆動系であっても適用可能であり、ここでは、その一例としてエレベータような上下昇降荷役作業機器に適用した回生機能付き流体圧制御回路１０Ａを示したものである。

この回生機能付き流体圧制御回路１０Ａは、このような回転トルクによって上下する負荷Ｗ１、Ｗ２に対しても、図１から図３の回生機能付き流体圧制御回路１０と同様の効果を発揮する。

なお、本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明およびその均等の範囲が含まれるものである。

また、可変容量流体圧ポンプモータ３とフライホイール４との間に回転力の伝達を断接するクラッチを設けて、不必要な場合には、流体圧ポンプモータ３の回転負荷がフライホイール４に伝達されないようにして、フライホイール４の回転エネルギーの損失をより少なくするようにしてもよい。

本発明の回生機能付き流体圧制御回路は、流体圧アクチュエータの被駆動エネルギーの回収が可能であって、回路の簡素化、応答性が要請されるあらゆる産業分野に用いることができる。

本発明の回生機能付き流体圧制御回路の一例を示す回路図（負荷保持時） 図１の流体圧制御回路の負荷上昇時の回路図 図１の流体圧制御回路の負荷下降時の回路図 本発明の回生機能付き流体圧制御回路の他例を示す回路図

符号の説明

１、１Ａ 流体圧アクチュエータ
２ モータ
３ 流体圧ポンプモータ（可変容量流体圧ポンプモータ）
４ フライホイール
５ 制御手段
１０、１０Ａ 回生機能付き流体圧制御回路
Ｗ、Ｗ１、Ｗ２ 負荷

Claims (2)

1. 負荷を受ける流体圧アクチュエータとモータと流体圧ポンプモータと作動流体を貯留する流体圧タンクとを備え、前記流体圧アクチュエータの被駆動エネルギーを回生する回生機能付き流体圧制御回路であって、
   前記流体圧ポンプモータを可変容量流体圧ポンプモータとし、該流体圧ポンプモータと前記モータとの間にフライホイールを介在させ、
   前記可変容量流体圧ポンプモータの傾転角を前記フライホールの回転数と該ポンプモータに要請される吐出量に基づいて制御する制御手段を備え、この制御手段は、
   負荷保持のときは傾点角を最小にして流体圧ポンプから作動流体を前記流体圧タンクに吐出させるように制御し、
   負荷を上昇させるときは、所望の負荷上昇速度になるように傾点角を制御して前記流体圧ポンプモータから作動流体を前記アクチュエータに吐出させるように制御し、
   負荷を下降させるときは、前記アクチュエータからの作動流体を、所定の負荷下降速度になるように傾点角を制御して前記流体圧ポンプモータへ流入させて、前記流体圧タンクに吐出させるように制御することを特徴とする回生機能付き流体圧制御回路。
2. 負荷を受ける流体圧アクチュエータと、エネルギー貯蓄手段として機能するフライホイールと、可変容量流体圧ポンプモータと、これらのフライホイールと可変容量流体圧ポンプモータとを所定回転数範囲内で回転駆動するモータと、該可変容量流体圧ポンプモータの傾転角などを制御する制御手段と、この回路で用いられる作動流体を貯留する流体圧タンクとを備えた流体圧制御回路であって、
   前記可変容量流体圧ポンプモータは、前記流体圧アクチュエータを駆動する際にはポンプとして、前記流体圧アクチュエータから被駆動される際にはモータとして機能し、
   前記流体圧タンクから第１の逆止弁を介して前記可変容量流体圧ポンプモータに入り、前記可変容量流体圧ポンプモータから第２の逆止弁を介して前記流体圧アクチュエータに至る主回路と、この主回路にバイパスされた還流回路と、前記可変容量流体圧ポンプモータから吐出される作動流体を前記流体圧タンクに戻す戻し回路とを備え、
   前記還流回路は、前記主回路の第１の逆止弁と前記流可変容量体圧ポンプモータとの間と、前記第２の逆止弁と前記流体圧アクチュエータの間をバイパスするもので、その回路中に還流回路を開閉する開閉電磁弁を備え、前記戻し回路は、前記主回路の前記可変容量流体圧ポンプモータと前記第２の逆止弁との間から分岐して、前記流体圧タンクに達するもので、その回路中に戻し回路を開閉する開閉電磁弁を備え、
   前記制御手段は、制御部と、前記フライホイールの回転数を計測する回転数センサとを備え、上述の二つの開閉電磁弁のオン・オフ制御を行うと共に、前記可変容量流体圧ポンプモータの傾転角を前記フライホールの回転数と前記可変容量流体圧ポンプモータに要請される吐出量に基づいて制御することを特徴とする回生機能付き流体圧制御回路。

Images