JP6077015B2 - 作業機械の圧油エネルギ回収装置 - Google Patents

Description

本発明は、作業機械の圧油エネルギ回収装置に係り、更に詳しくは、液体圧シリンダを有する作業機械の圧油エネルギ回収装置に関する。

油圧ショベル等の建設機械に搭載され、液体圧シリンダの油圧アクチュエータから流出された戻り圧油が流入されることによって駆動される油圧モータと、油圧モータの駆動力が入力されることによって電気エネルギを発生する発電機と、発電機によって発生された電気エネルギを貯蓄するバッテリとを備えた圧油のエネルギ回収装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−１３６８０６号公報

上述した従来技術において、例えば、液体圧シリンダを作業機械のブームを駆動するブームシリンダに適用した場合、ブームの自重落下によりブームシリンダのボトム側油室から排出される戻り圧油は大流量となる。このため、例えば、戻り圧油の回収効率を向上させようとすると、大流量の圧油に対応する大容量／大容積の油圧モータ、発電機が必要となり、エネルギ回収装置が大型化してしまう。この結果、製造コストの上昇を招くと共に、建設機械における設置スペースの問題が発生する。

設置スペースの問題に対して、エネルギ回収装置の容量を単純に小型化させることも考えられるが、この場合、流入する戻り圧油の時間当たりの流量を制限する必要が生じるため、ブーム下げ速度が遅くなる。この結果、エネルギ回収装置を搭載しない標準型の建設機械と比べて、操作性を低下させる虞がある。

一方、ブームシリンダのボトム側油室から排出される戻り圧油の一部のみを、エネルギ回収装置で回収するようにすれば、操作性を確保できるが、この場合、エネルギ回収装置で回収しきれない戻り圧油はタンクにブリードオフさせる必要が生じ、エネルギの回収効率が減少するという問題が生じる。

本発明は、上述の事柄に基づいてなされたもので、エネルギ回収装置を大型化せずに、標準型の建設機械と同等の操作性を確保し、且つエネルギを効率よく回収できる作業機械の圧油エネルギ回収装置を提供するものである。

上記の目的を達成するために、第１の発明は、油圧ポンプと、作業装置を駆動する液体圧シリンダと、前記液体圧シリンダを操作する操作手段と、前記液体圧シリンダの戻り圧油を回収する油圧モータとを備えた作業機械の圧油エネルギ回収装置において、前記液体圧シリンダのボトム側油室とロッド側油室とを連通させるための連通管路と、前記連通管路に設けられ、その開度を調整することで前記連通管路を通過する圧油の圧力及び／または流量を調整可能な連通弁と、前記液体圧シリンダのボトム側油室の圧力信号を検出する第１の圧力検出手段と、前記操作手段の操作量を検出する操作量検出手段と、前記第１の圧力検出手段が検出した前記液体圧シリンダのボトム側油室の圧力信号と，前記操作量検出手段が検出した前記操作手段の操作量とを取込み，前記液体圧シリンダのピストンロッド速度を算出し，前記ピストンロッド速度に応じて前記連通弁を制御する制御装置を備え、前記制御装置は、前記ピストンロッド速度から算出される前記ロッド側油室の体積増加に伴う圧油の吸込み流量より前記液体圧シリンダのボトム側油室からロッド側油室に流入する圧油の流量が多くなるように、前記連通弁を制御することを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、前記液体圧シリンダのロッド側油室の圧力信号を検出する第２の圧力検出手段を更に備え、前記制御装置は、前記第１及び第２の圧力検出手段が検出した前記液体圧シリンダのボトム側油室の圧力と前記液体圧シリンダのロッド側油室の圧力との差圧が予め定めた設定圧力を超過する場合に、前記連通弁の開度を絞り制御し、前記液体圧シリンダのボトム側油室の圧力と前記液体圧シリンダのロッド側油室の圧力との差圧が予め定めた設定圧力以下の場合に、前記連通弁の開度を全開制御することを特徴とする。

更に、第３の発明は、第１の発明において、前記液体圧シリンダの圧油の圧力がそのリリーフ圧力以上まで上昇した場合に、開動作して前記圧油をタンクへ排出する圧力制御弁をさらに備え、前記制御装置は、前記連通弁が閉止している状態において、前記第１の圧力検出手段が検出した前記液体圧シリンダのボトム側油室の圧力と前記圧力制御弁のリリーフ圧力との差圧が、予め定めた設定圧を超えた場合は、前記連通弁の閉止制御を継続することを特徴とする。

また、第４の発明は、第１の発明において、前記液体圧シリンダの圧油の圧力がそのリリーフ圧力以上まで上昇した場合に、開動作して前記圧油をタンクへ排出する圧力制御弁をさらに備え、前記制御装置は、前記連通弁の開制御中において、前記第１の圧力検出手段が検出した前記液体圧シリンダのボトム側油室の圧力と前記圧力制御弁のリリーフ圧力との差圧が、予め定めた設定圧を超えた場合は、前記連通弁を閉止制御することを特徴とする。

更に、第５の発明は、第１乃至第４の発明のいずれかにおいて、前記操作手段によって制御され、前記油圧ポンプからの圧油を前記液体圧シリンダに切換え供給する制御弁と、前記液体圧シリンダと前記制御弁との間に設けられ、前記液体圧シリンダのロッド側油室の圧油をタンクに連通させる排出弁をさらに備えたことを特徴とする。

本発明によれば、液体圧シリンダのピストンロッド速度を制御しつつ、液体圧シリンダから排出される油室における戻り圧油を昇圧させ、圧油エネルギ回収装置に流入する戻り圧油の流量を減少させているので、回収エネルギを減少させることなく、圧油エネルギ回収装置を小型化することができる。この結果、標準型の建設機械と同等の操作性が確保でき、エネルギの回収効率の向上が図れる。

本発明の作業機械の圧油エネルギ回収装置の第１の実施の形態を備えた油圧ショベルを示す斜視図である。 本発明の作業機械の圧油エネルギ回収装置の第１の実施の形態を示す制御システムの概略図である。 本発明の作業機械の圧油エネルギ回収装置の第１の実施の形態の馬力曲線を示す特性図である。 本発明の作業機械の圧油エネルギ回収装置の第１の実施の形態を構成するコントローラのブロック図である。 本発明の作業機械の圧油エネルギ回収装置の第１の実施の形態におけるコントローラの処理内容を示すフローチャート図である。 本発明の作業機械の圧油エネルギ回収装置の第１の実施の形態を構成するコントローラの制御内容を説明する特性図である。 本発明の作業機械の圧油エネルギ回収装置の第２の実施の形態を示す制御システムの概略図である。 本発明の作業機械の圧油エネルギ回収装置の第２の実施の形態を構成するコントローラのブロック図である。

以下、本発明の作業機械の圧油エネルギ回収装置の実施の形態を図面を用いて説明する。

図１は本発明の作業機械の圧油エネルギ回収装置の第１の実施の形態を備えた油圧ショベルを示す斜視図、図２は本発明の作業機械の圧油エネルギ回収装置の第１の実施の形態を示す制御システムの概略図である。
図１において、油圧ショベル１は、ブーム１ａ、アーム１ｂ及びバケット１ｃを有する多関節型の作業装置１Ａと、上部旋回体１ｄ及び下部走行体１ｅを有する車体１Ｂとを備えている。ブーム１ａは、上部旋回体１ｄに回動可能に支持されていて、ブームシリンダ（液体圧シリンダ）３ａにより駆動される。上部旋回体１ｄは下部走行体１ｅ上に旋回可能に設けられている。

アーム１ｂは、ブーム１ａに回動可能に支持されていて、アームシリンダ（液体圧シリンダ）３ｂにより駆動される。バケット１ｃは、アーム１ｂに回動可能に支持されていて、バケットシリンダ（液体圧シリンダ）３ｃにより駆動される。ブームシリンダ３ａ、アームシリンダ３ｂ、及びバケットシリンダ３ｃの駆動は、上部旋回体１ｄの運転室（キャブ）内に設置され油圧信号を出力する操作装置４（図２参照）によって制御されている。

図２に示す実施の形態においては、ブーム１ａを操作するブームシリンダ３ａに関する制御システムのみを示している。この制御システムは、制御弁２と、操作装置４と、パイロットチェック弁８と、連通制御弁９と、回収切換弁１０と、ボトム側油室側管路切換弁１１と、ロッド側油室側管路切換弁１２と、排出切換弁（排出弁）１３と、電磁比例弁１４と、第１〜第４電磁切換弁１５〜１８と、インバータ２２と、チョッパ２３と、蓄電装置２４と、圧力センサ３４〜３６とを備えており、制御装置としてコントローラ１００を備えている。

油圧源装置としては、油圧ポンプ６とパイロット圧油を供給するパイロット油圧ポンプ７とタンク６Ａとを備えている。油圧ポンプ６とパイロット油圧ポンプ７とは駆動軸で連結され、この駆動軸と接続されたエンジン６０によって駆動される。

油圧ポンプ６からの圧油をブームシリンダ３ａへ供給する管路４０には、管路内の圧油の方向と流量を制御する４ポート３位置型の制御弁２が設けられている。制御弁２は、そのパイロット受圧部２ａ，２ｂへのパイロット圧油の供給により、スプール位置を切り換えて、油圧ポンプ６からの圧油をブームシリンダ３ａに供給して、ブーム１ａを駆動している。

油圧ポンプ６からの圧油が供給される制御弁２の入口ポートは、管路４０により油圧ポンプ６と接続されている。制御弁２の出口ポートは、戻り管路４３によりタンク６Ａと接続されている。

制御弁２の一方の接続ポートには、ボトム側油室３ａｘの管路４０ａの一端側が接続されていて、ボトム側油室管路４０ａの他端側はブームシリンダ３ａのボトム側油室３ａｘに接続されている。また、制御弁２の他方の接続ポートには、ロッド側油室３ａｙの管路４０ｂの一端側が接続されていて、ロッド側油室管路４０ｂの他端側はブームシリンダ３ａのロッド側油室３ａｙに接続されている。

ボトム側油室側管路４０ａには、制御弁２側から順に、２ポート２位置の切換弁であるボトム側油室管路切換弁１１と、回収分岐部４０ａ１と、連通分岐部４０ａ２と、リリーフ分岐部４０ａ３と、パイロットチェック弁８と、第１の圧力検出手段である圧力センサ３４とが設けられている。回収分岐部４０ａ１には回収管路４２が、連通分岐部４０ａ２には、ボトム側油室連通管路４１ａがそれぞれ接続されている。

また、リリーフ分岐部４０ａ３には、吸込みのみを許可する第１メイクアップ弁３１の出口側と、ボトム側油室管路４０ａの圧力が設定圧以上の高圧になると作動油をタンク６Ａに逃がす第１オーバーロードリリーフ弁３０の入口側とが接続されていて、第１メイクアップ弁３１の入口側と第１オーバーロードリリーフ弁３０の出口側はタンク６Ａに連通する管路に接続されている。第１メイクアップ弁３１は、ボトム側油室管路４０ａの負圧によるキャビテーションの発生を防止するものである。第１オーバーロードリリーフ弁３０は、ボトム側油室管路４０ａにおける圧油の圧力上昇による配管や機器の損傷を防止するものである。

ボトム側油室管路切換弁１１は、一端側にばね１１ｂを、他端側にパイロット受圧部１１ａを有し、そのパイロット受圧部１１ａへのパイロット圧油の供給の有無により、スプール位置を切り換えて、制御弁２とブームシリンダ３ａのボトム側油室３ａｘとの間における圧油の連通／遮断を制御している。パイロット受圧部１１ａには、パイロット油圧ポンプ７から後述する第２電磁切換弁１６を介してパイロット圧油が供給される。

圧力センサ３４（第１の圧力検出手段）は、ブームシリンダ３ａのボトム側油室の圧油の圧力を検出してその圧力に対応する電気信号に変換する信号変換手段として機能するもので、変換した電気信号をコントローラ１００に出力可能に構成されている。

ロッド側油室管路４０ｂには、制御弁２側から順に、３ポート２位置の切換弁であるロッド側油室管路切換弁１２と、戻り分岐部４０ｂ１と、連通分岐部４０ｂ２と、リリーフ分岐部４０ｂ３と、第２の圧力検出手段である圧力センサ３５とが設けられている。戻り分岐部４０ｂ１には２ポート２位置の切換弁である排出切換弁（排出弁）１３を介してタンク６Ａに連通する管路が、連通分岐部４０ｂ２には、ロッド側油室連通管路４１ｂがそれぞれ接続されている。

また、リリーフ分岐部４０ｂ３には、吸込みのみを許可する第２メイクアップ弁３３の出口側と、ボトム側油室管路４０ｂの圧力が設定圧以上の高圧になると作動油をタンク６Ａに逃がす第２オーバーロードリリーフ弁３２の入口側とが接続されていて、第２メイクアップ弁３３の入口側と第２オーバーロードリリーフ弁３２の出口側はタンク６Ａに連通する管路に接続されている。第２メイクアップ弁３３は、ロッド側油室管路４０ｂの負圧によるキャビテーションの発生を防止するものである。第２オーバーロードリリーフ弁３２は、ロッド側油室管路４０ｂにおける圧油の圧力上昇による配管や機器の損傷を防止するものである。

ロッド側油室管路切換弁１２は、一端側にばね１２ｂを、他端側にパイロット受圧部１２ａを有し、そのパイロット受圧部１２ａへのパイロット圧油の供給の有無により、スプール位置を切り換える。パイロット受圧部１２ａがパイロット圧油の加圧を受けない場合には、油圧ポンプ６が吐出した圧油を制御弁２を介してブームシリンダ３ａのロッド側油室３ａｙへ供給するスプール位置となり、パイロット受圧部１２ａがパイロット圧油の加圧を受けた場合には、油圧ポンプ６が吐出した圧油をタンク６Ａへ排出し、ロッド側油室管路４０ｂの圧油のタンク６Ａへの排出を遮断するスプール位置となる。パイロット受圧部１２ａには、パイロット油圧ポンプ７から後述する第４電磁切換弁１８を介してパイロット圧油が供給される。

排出切換弁１３は、一端側にばね１３ｂを、他端側にパイロット受圧部１３ａを有し、そのパイロット受圧部１３ａへのパイロット圧油の供給の有無により、スプール位置を切り換えて、ロッド側油室管路４０ｂにおける圧油のタンク６Ａへの排出／遮断を制御している。パイロット受圧部１３ａには、パイロット油圧ポンプ７から後述する第３電磁切換弁１７を介してパイロット圧油が供給される。

圧力センサ３５（第２の圧力検出手段）は、ブームシリンダ３ａのロッド側油室３ａｙの圧油の圧力を検出してその圧力に対応する電気信号に変換する信号変換手段として機能するもので、変換した電気信号をコントローラ１００に出力可能に構成されている。

ロッド側油室管路４０ｂのロッド側油室連通管路４１ｂは、一端側を連通分岐部４０ｂ２に接続し、他端側を２ポート２位置の切換制御弁である連通制御弁９の出口ポートに接続している。連通制御弁９の入口ポートは、一端側をボトム側油室管路４０ａの連通分岐部４０ａ２に接続したボトム側油室連通管路４１ａの他端側に接続している。ボトム側油室連通管路４１ａと連通制御弁９とロッド側油室連通管路４１ｂとにより、ブームシリンダ３ａのボトム側油室３ａｘからの戻り圧油をブームシリンダ３ａのロッド側油室３ａｙへ流量制御しながら導入可能とする連通管路４１が構成されている。

連通制御弁９は、一端側にばね９ｂを、他端側にパイロット受圧部９ａを有し、そのパイロット受圧部９ａへのパイロット圧油の供給圧の値により、圧油の通過する開口面積を制御する。このことにより、ブームシリンダ３ａのボトム側油室３ａｘからロッド側油室３ａｙへ流入する戻り圧油の流量を制御できる。

制御弁２のスプール位置は、操作装置４の操作レバー等の操作によって切換え操作される。操作装置４には、パイロット弁５が設けられていて、パイロット弁５は、パイロット油圧ポンプ７からの図示しないパイロット１次側油路を介して供給されるパイロット１次圧油から、操作レバー等の図上ａ方向の傾動操作（ブーム上げ方向操作）の操作量に応じたパイロット圧Ｐｕのパイロット２次圧油を発生させる。このパイロット２次圧油は、パイロット２次側油路５０ａを介して制御弁２のパイロット受圧部２ａに供給され、制御弁２はパイロット圧Ｐｕに応じて切換／制御される。

同様に、パイロット弁５は、操作レバー等の図上ｂ方向の傾動操作（ブーム下げ方向操作）の操作量に応じたパイロット圧Ｐｄのパイロット２次圧油を発生させる。このパイロット２次圧油は、パイロット２次側油路５０ｂを介して制御弁２のパイロット受圧部２ｂに供給され、制御弁２はパイロット圧Ｐｄに応じて切換／制御される。

したがって、制御弁２のスプールは、これら２つのパイロット受圧部２ａ，２ｂに入力されるパイロット圧Ｐｕ、Ｐｄに応じて移動し、油圧ポンプ６からブームシリンダ３ａに供給される圧油の方向及び流量を切り換える。

パイロット圧Ｐｄのパイロット２次圧油は、パイロット２次側油路５０ｂを介してパイロットチェック弁８にも供給される。パイロットチェック弁８は、パイロット圧Ｐｄが加圧されることにより、開動作する。このことにより、ブームシリンダ３ａのボトム側油室３ａｘの圧油が、ボトム側油室管路４０ａに導かれる。パイロットチェック弁８は、ブームシリンダ３ａからボトム側油室管路４０ａへの不用意な圧油流入（ブーム落下）を防止するためのものであって、通常は、回路を遮断していて、パイロット圧油の加圧により回路を開くものである。

パイロット２次側油路５０ｂには、圧力センサ３６（パイロット圧検出手段）が取り付けられている。この圧力センサ３６は、操作装置４のパイロット弁５の下げ側パイロット圧Ｐｄを検出してその圧力に対応する電気信号に変換する信号変換手段として機能するもので、変換した電気信号をコントローラ１００に出力可能に構成されている。

次に、動力回収装置７０について説明する。動力回収装置７０は、図２に示すように、回収管路４２と、連通管路４１と、電磁比例弁１４と、第１〜第４電磁切換弁１５〜１８と、油圧モータ２０と、発電機２１と、インバータ２２と、チョッパ２３と、蓄電装置２４と、コントローラ１００とを備えている。

回収管路４２は、回収切換弁１０と、この回収切換弁１０の下流側に設置され発電機２１が機械的に接続された油圧モータ２０とを備えており、当該油圧モータ２０を介してブームシリンダ３ａのボトム側油室３ａｘからの戻り圧油をタンク６Ａに導いている。ブーム下げ時における戻り圧油を回収管路４２に導入して油圧モータ２０を回転させると、発電機２１が回転して発電し、その電気エネルギはインバータ２２、昇圧をするためのチョッパ２３を介して蓄電装置２４に蓄電される。

回収切換弁１０は、一端側にばね１０ｂを、他端側にパイロット受圧部１０ａを有し、そのパイロット受圧部１０ａへのパイロット圧油の供給の有無により、スプール位置を切り換えて、ブームシリンダ３ａのボトム側油室３ａｘの戻り圧油の油圧モータ２０への流入／遮断を制御している。パイロット受圧部１０ａには、パイロット油圧ポンプ７から後述する第１電磁切換弁１５を介してパイロット圧油が供給される。

また、ブーム下げ操作時における油圧モータ２０及び発電機２１の回転数はインバータ２２によって制御されている。このように油圧モータ２０の回転数をインバータ２２で制御すると油圧モータ２０を通過する圧油の流量を調整できるので、ボトム側油室３ａｘから回収管路４２に流れこむ戻り圧油の流量を調整することができる。すなわち、本実施の形態におけるインバータ２２は、回収管路４２の圧油の流量を制御する流量制御手段として機能している。

連通管路４１は、連通制御弁９を介して、ブームシリンダ３ａのボトム側油室３ａｘからの戻り圧油を流量制御しながらブームシリンダ３ａのロッド側油室３ａｙに導いている。連通制御弁９におけるパイロット受圧部９ａには、パイロット油圧ポンプ７から電磁比例弁１４を介して出力されるパイロット圧油が入力されている。連通制御弁９のスプールは、パイロット受圧部９ａに入力されるパイロット圧油の圧力に応じて移動するので、圧油が通過する開口面積が制御される。このことにより、ブームシリンダ３ａのボトム側油室３ａｘからロッド側油室３ａｙへ流入する戻り圧油の流量を制御できる。

電磁比例弁１４は、コントローラ１００からの指令信号に応じて、パイロット油圧ポンプ７から供給されたパイロット１次圧油を所望の圧力のパイロット２次圧油に変換して連通制御弁９のパイロット受圧部９ａに出力するものである。これにより、ボトム側油室３ａｘから連通制御弁９を通過する戻り油の流量（すなわち、連通管路４１を流れる戻り圧油の流量）を調整している。すなわち、本実施の形態における電磁比例弁１４は、連通管路４１の流量を制御する流量制御手段として機能している。

本実施の形態における電磁比例弁１４の入力ポートには、パイロット油圧ポンプ７から出力される圧油が入力されている。一方電磁比例弁１４の操作部には、コントローラ１００の後述する電磁比例弁出力値演算部１０４（図４参照）から出力される指令値が入力されている。この指令値に応じて電磁比例弁１４のスプール位置が調整され、これにより、パイロット油圧ポンプ７から連通制御弁９のパイロット受圧部９ａに供給されるパイロット圧油の圧力が適宜調整されている。

第１電磁切換弁１５は、コントローラ１００からの指令信号に応じて、パイロット油圧ポンプ７から供給されたパイロット圧油の回収切換弁１０のパイロット操作部１０ａへの供給／遮断を制御するものである。

第２電磁切換弁１６は、コントローラ１００からの指令信号に応じて、パイロット油圧ポンプ７から供給されたパイロット圧油のボトム側油室管路切換弁１１のパイロット操作部１１ａへの供給／遮断を制御するものである。

第３電磁切換弁１７は、コントローラ１００からの指令信号に応じて、パイロット油圧ポンプ７から供給されたパイロット圧油の排出切換弁１３のパイロット操作部１３ａへの供給／遮断を制御するものである。

第４電磁切換弁１８は、コントローラ１００からの指令信号に応じて、パイロット油圧ポンプ７から供給されたパイロット圧油のロッド側油室側管路切換弁１２のパイロット操作部１２ａへの供給／遮断を制御するものである。

第１〜４電磁切換弁１５〜１８の各入力ポートには、パイロット油圧ポンプ７から出力される圧油が入力され、第１〜４電磁切換弁１５〜１８の操作部には、コントローラ１００の後述する切換弁シーケンス制御演算部１０２（図４参照）から出力される指令信号がそれぞれ入力されている。

コントローラ１００は、圧力センサ３４からブームシリンダ３ａのボトム側油室３ａｘの圧力を、圧力センサ３５からブームシリンダ３ａのロッド側油室３ａｙの圧力を、圧力センサ３６から操作装置４のパイロット弁５の下げ側パイロット圧Ｐｄをそれぞれ入力し、これらの入力値に応じた演算を行い、戻り圧油のエネルギ回収実行の有無を判断すると共に、エネルギ回収実行時には、電磁比例弁１４、第１〜４電磁切換弁１５〜１８、及びインバータ２２へ制御指令を出力することで、連通管路４１とを通過するブームシリンダ３ａからの戻り圧油の流量を制御し、回収管路４２へ流入する戻り圧油の圧力を増加させ、流量を減少させる制御を行う。このことにより、ブームシリンダ３ａのピストンロッド速度を制御しつつ、ブームシリンダ３ａのボトム側油室３ａｘから排出される戻り圧油を昇圧させ、油圧モータ２０に流入する戻り圧油の流量を減少させているので、回収エネルギを減少させることなく、圧油エネルギ回収装置を小型化することができる。

次に、操作装置４の操作による各部動作の概要を図２を用いて説明する。
まず、操作装置４の操作レバーをａ方向（ブーム上げ方向）に傾動操作すると、パイロット弁５から生成されるパイロット圧Ｐｕが制御弁２のパイロット受圧部２ａにかかり、制御弁２が切換操作される。これにより、油圧ポンプ６からの圧油がボトム側油室側管路切換弁１１を介してボトム側油室側管路４０ａに導かれ、パイロットチェック弁８を介してブームシリンダ３ａのボトム側油室３ａｘに流入する。この結果、ブームシリンダ３ａは伸長動作する。

これに伴い、ブームシリンダ３ａのロッド側油室３ａｙから排出される戻り圧油は、ロッド側油室管路４０ｂ、ロッド側油室管路切換弁１２、制御弁２を通ってタンク６Ａに導かれる。このとき、連通制御弁９は閉止しているため、連通管路４１に圧油は流れず、回収切換弁１０も閉止しているので、回収管路４２にも圧油は流入しない。

次に、操作装置４の操作レバーをｂ方向（ブーム下げ方向）に傾動操作すると、パイロット弁５から生成されるパイロット圧Ｐｄが圧力センサ３６で検出されコントローラ１００に入力される。また、コントローラ１００は、圧力センサ３４で検出されたブームシリンダ３ａのボトム側油室３ａｘの圧力を基に、戻り圧油のエネルギ回収実行の有無を判断する。

戻り圧油のエネルギ回収を実行しないと判断した場合には、パイロット弁５から生成されるパイロット圧Ｐｄが制御弁２のパイロット受圧部２ｂとパイロットチェック弁８にかかり、制御弁２が切換操作され、パイロットチェック弁８が開動作する。これにより、油圧ポンプ６からの圧油がロッド側油室管路切換弁１１を介してロッド側油室管路４０ｂに導かれ、ブームシリンダ３ａのロッド側油室３ａｙに流入する。この結果、ブームシリンダ３ａは縮小動作する。これに伴い、ブームシリンダ３ａのボトム側油室３ａｘから排出される戻り圧油は、パイロットチェック弁８、ボトム側油室管路４０ａ、ボトム側油室管路切換弁１１、制御弁２を通ってタンク６Ａに導かれる。このとき、連通制御弁９は閉止しているため、連通管路４１に圧油は流れず、回収切換弁１０も閉止しているので、回収管路４２にも圧油は流入しない。

一方、戻り圧油のエネルギ回収を実行すると判断した場合には、コントローラ１００は、圧力センサ３５で検出されたブームシリンダ３ａのロッド側油室３ａｙの圧力をさらに取り込み、演算し、回収切換弁１０を開状態、ボトム側油室管路切換弁１１を閉止状態、ロッド側油室管路切換弁１２を閉止状態にそれぞれ切換える指令を第１，２，４電磁切換弁に出力する。これにより、油圧ポンプ６からの圧油は、タンク６Ａに排出され、ブームシリンダ３ａのボトム側油室３ａｘからの戻り圧油の制御弁２側への流出は遮断される。

コントローラ１００は、入力された各圧力に応じて電磁比例弁１４に制御指令を出力する。この結果、連通制御弁９のパイロット受圧部９ａにパイロット圧が加わり、連通制御弁９の開口面積が制御される。これにより、ブームシリンダ３ａのボトム側油室３ａｘからの戻り圧油が、連通管路４１とロッド側油室管路４０ｂとを介してブームシリンダ３ａのロッド側油室３ａｙに導かれ、ブームシリンダ３ａは縮小動作する。これに伴い、ブームシリンダ３ａのボトム側油室３ａｘから排出される戻り圧油は、増圧される。

このとき、パイロット弁５からパイロット圧Ｐｄがパイロット２次側油路５０ｂを介してパイロットチェック弁８に操作圧として導かれるため、パイロットチェック弁８が開動作する。これにより、ブームシリンダ３ａのボトム側油室３ａｘから排出される戻り圧油の一部が回収切換弁１０を介して油圧モータ２０に導かれ、油圧モータ２０に接続された発電機２１が発電動作を行う。発電された電気エネルギは蓄電装置２４に蓄電される。このとき、ブームシリンダ３ａのボトム側油室３ａｘから排出される戻り圧油の流量は、連通管路４１に流入するものと回収管路４２に流入するものに分かれるので、回収管路４２へ流入する戻り圧油の流量を減少させることができる。

一方、コントローラ１００は、入力されたパイロット圧Ｐｄの信号、ブームシリンダ３ａのボトム側油室３ａｘの圧力信号、及びブームシリンダ３ａのロッド側油室３ａｙの圧力信号から状態を判断し、第１〜４電磁切換弁１５〜１８への指令値、電磁比例弁１４への指令値、および発電機２１の制御装置であるインバータ２２への制御指令値を算出・出力する。この結果、ブーム下げ動作においてブームシリンダ３ａのボトム側油室３ａｘから排出される戻り圧油の流量が、連通制御弁９側（連通管路流量）と回収用の油圧モータ２０側（回収流量）とに導かれるので、操作性を確保しつつ適切な回収動作が行われる。

次に、コントローラ１００の制御の概要について図３及び図４を用いて説明する。図３は本発明の作業機械の圧油エネルギ回収装置の第１の実施の形態の馬力曲線を示す特性図、図４は本発明の作業機械の圧油エネルギ回収装置の第１の実施の形態を構成するコントローラのブロック図である。図３及び図４において、図１及び図２に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。

図３において、横軸は回収装置に流入する戻り圧油の圧力Ｐ、縦軸は回収装置に流入する戻り圧油の流量Ｑとして、回収装置の馬力曲線の特性を特性線ａの実線で示している。ここで、ブームシリンダ３ａのボトム側油室３ａｘから流出する戻り圧油の圧力と流量が、＜１＞の状態（Ｐ１，Ｑ１）の場合、流量Ｑ１が回収装置の最大流量Ｑｍａｘを超えているため、最大流量Ｑｍａｘを超える部分の戻り圧油のエネルギ（斜線で示す部分）を回収することはできない。

一方、ブームシリンダ３ａのボトム側油室３ａｘから連通管路４１を介してブームシリンダ３ａのロッド側油室３ａｙへ戻り圧油を一部供給すれば、＜２＞の状態（Ｐ２，Ｑ２）へ移行することができる。このことにより、例えば、＜１＞の戻り圧油の圧力Ｐ１を略２倍の圧力Ｐ２とし、同様に流量Ｑ１を略半分の流量Ｑ２とすることができる。＜２＞の状態においては、回収装置が戻り圧油のエネルギをすべて回収可能であるので、＜１＞の状態と比べてエネルギ回収量を増加させることができる。

本実施の形態においては、コントローラ１００が、連通管路４１を介してブームシリンダ３ａのロッド側油室３ａｙへ供給する圧油の流量と圧力を連通制御弁９の開口面積を制御し、回収管路４２から油圧モータ２０に流入する圧油の流量を発電機２１とインバータ２２にて制御している。

図４に示すコントローラ１００は、圧力比較演算部１０１と、切換弁シーケンス制御演算部１０２と、連通制御弁開口面積演算部１０３と、電磁比例弁出力値演算部１０４と、回収目標流量演算部１０５と、発電機指令値演算部１０６とを備えている。

圧力比較演算部１０１は、図４に示すように、圧力センサ３４で検出したブームシリンダ３ａのボトム側油室３ａｘの圧力と、圧力センサ３５で検出したブームシリンダ３ａのロッド側油室３ａｙの圧力と、圧力センサ３６で検出した操作装置４のパイロット弁５の下げ側パイロット圧Ｐｄとを入力し、連通制御弁９の開動作の可否を判断する第１演算と、後述する連通制御弁９の制御態様を切換える第２演算と、排出切換弁１３の切換信号を生成する第３演算とを行う。

まず、第１演算について説明する。ブームシリンダ３ａにおけるロッド側油室３ａｙのピストンの面積をＡｒ、ブームシリンダ３ａにおけるボトム側油室３ａｘのピストンの面積をＡｂとすると、ブームが下げ動作して、連通制御弁９が開動作すると、ブームシリンダ３ａのボトム側油室３ａｘの圧力は、最大で、Ａｂ／Ａｒ倍まで昇圧する。通常の油圧ショベルでは、ボトム側油室３ａｘのピストンの面積Ａｂは、ロッド側油室３ａｙのピストンの面積Ａｒの約２倍であるため、ブームシリンダ３ａのボトム側油室３ａｘの圧力はおよそ２倍まで昇圧することになる。このため、元のボトム側油室３ａｘの圧力が高い状態で、連通制御弁９を開動作すると、配管や機器を損傷する虞がある。

そこで、第１演算において、以下の式（１）の演算を行う。
Ｐｂ１・Ａｂ／Ａｒ−Ｐｏｌｒ＞Ｐｓｅｔ１・・・・（１）
ここで、Ｐｂ１は、連通制御弁９開動作前のブームシリンダ３ａのボトム側油室３ａｘの圧力、Ｐｏｌｒは、第１オーバーロードリリーフ弁３０の設定圧力、Ｐｓｅｔ１は、回収許容設定差圧である。

式（１）により、連通制御弁９を開動作させて、昇圧させたブームシリンダ３ａのボトム側油室３ａｘの圧力と、第１オーバーロードリリーフ弁３０の設定圧力との差圧が、回収許容設定差圧Ｐｓｅｔ１超過と判断されれば、昇圧しエネルギ回収を行わないための指令を切換弁シーケンス制御演算部１０２に出力する。一方、この差圧が、回収許容設定差圧Ｐｓｅｔ１以下と判断されれば、回収を行うための指令を切換弁シーケンス制御演算部１０２に出力する。

第２演算は、連通制御弁９を開動作する場合における制御形態の選択に使用されるものである。連通制御弁９の開動作により、ブームシリンダ３ａのボトム側油室３ａｘからロッド側油室３ａｙへ圧油が流入し、ボトム側油室３ａｘの圧力とともにロッド側油室３ａｙの圧力は上昇する。このとき、ボトム側油室３ａｘの圧力とロッド側油室３ａｙの圧力との差圧を監視し、制御形態を選択するために、以下の式（２）の演算を行う。
Ｐｂ２−Ｐｒ２＞Ｐｓｅｔ２・・・・（２）
ここで、Ｐｂ２は、ブームシリンダ３ａのボトム側油室３ａｘの圧力、Ｐｒ２は、ブームシリンダ３ａのロッド側油室３ａｙの圧力、Ｐｓｅｔ２は、調整設定差圧である。

式（２）により、連通制御弁９を開動作させて、昇圧させるブームシリンダ３ａのボトム側油室３ａｘの圧力と、ロッド側油室３ａｙの圧力との差圧が、調整設定差圧Ｐｓｅｔ２超過と判断されれば、開口面積調整制御を行うための指令を連通制御弁開口面積演算部１０３に出力する。一方、この差圧が、調整設定差圧Ｐｓｅｔ２以下と判断されれば、開口全開制御を行うための指令を連通制御弁開口面積演算部１０３に出力する。ブームシリンダ３ａのボトム側油室３ａｘの圧力が昇圧しきって、ロッド側油室３ａｙへ流入する連通管路４１の圧油の流量が一定になったか否かを判断し、圧油の流量が一定になった場合には、圧力損失を最小とするために、開口全開制御を行う。

第３演算は、排出切換弁１３の切換え信号を生成するものである。連通制御弁９開動作により、ボトム側油室３ａｘの圧力とともにロッド側油室３ａｙの圧力は上昇する。この後、例えば、操作装置４の操作レバーが中立に戻されると、連通制御弁９は開状態から閉止状態に移行するが、ロッド側油室管路４０ｂに昇圧された圧油が残留する場合が想定される。そこで、ボトム側油室３ａｘの圧力とロッド側油室３ａｙの圧力との差圧を監視して、残留圧油を排出制御するために、以下の式（３）の演算を行う。
Ｐｒ２−Ｐｂ２＞Ｐｓｅｔ３・・・・（３）
ここで、Ｐｂ２は、ブームシリンダ３ａのボトム側油室３ａｘの圧力、Ｐｒ２は、ブームシリンダ３ａのロッド側油室３ａｙの圧力、Ｐｓｅｔ３は、切換設定差圧である。

式（３）により、圧油のエネルギ回収を行った後に、ブームシリンダ３ａのロッド側油室３ａｙの圧力と、ボトム側油室３ａｘの圧力との差圧が、切換設定差圧Ｐｓｅｔ３超過と判断されれば、ロッド側油室管路４０ｂとタンク６Ａとを連通させるために、排出切換弁１３を切換える指令を切換弁シーケンス制御演算部１０２に出力する。

切換弁シーケンス制御演算部１０２は、圧力比較演算部１０１から出力された指令に基づいて、第１〜４切換電磁弁１５〜１８の制御指令を演算する部分である。
圧力比較演算部１０１からエネルギ回収を行うための指令を入力すると、回収切換弁１０を開状態、ボトム側油室管路切換弁１１を閉止状態、ロッド側油室管路切換弁１２を閉止状態、排出切換弁１３を閉止状態にそれぞれ切換える指令を第１，２，４，３電磁切換弁に出力する。これにより、油圧ポンプ６からの圧油は、タンク６Ａに排出され、ブームシリンダ３ａのボトム側油室３ａｘからの戻り圧油の制御弁２側への流出は遮断される。

一方、圧力比較演算部１０１から回収を行わない指令を入力すると、回収切換弁１０を閉止状態、ボトム側油室管路切換弁１１を開状態、ロッド側油室管路切換弁１２を開状態、排出切換弁１３を閉止状態にそれぞれ切換える指令を第１，２，４，３電磁切換弁に出力する。これにより、ブーム下げ動作によるエネルギ回収は行わずに、ブームシリンダ３ａのボトム側油室３ａｘからの戻り圧油は、制御弁２で流量調整されてタンク６Ａに排出される。

連通制御弁開口面積演算部１０３は、図４に示すように、圧力センサ３４で検出したブームシリンダ３ａのボトム側油室３ａｘの圧力と、圧力センサ３５で検出したブームシリンダ３ａのロッド側油室３ａｙの圧力と、圧力センサ３６で検出した操作装置４のパイロット弁５の下げ側パイロット圧Ｐｄと、圧力比較演算部１０１からの制御形態選択指令とを入力し、連通制御弁９の開口面積制御指令を演算する。

まず、圧力比較演算部１０１から開口面積調整制御指令が入力した場合について説明する。本実施の形態においては、ブームシリンダ３ａのピストンロッドが収縮する場合に、ボトム側油室３ａｘの圧力を昇圧させるために、ピストンロッドの移動により変化するロッド側油室３ａｙの体積に応じて吸込まれる圧油の流量をＱｒ０としたとき、ｋ×Ｑｒ０の流量の圧油をボトム側油室３ａｘからロッド側油室３ａｙへ連通させ得るように、連通制御弁９の開口面積Ａを制御する。ここで、定数ｋは、式（４）で示すように、ロッド側油室３ａｙのピストンの面積Ａｒと、ボトム側油室３ａｘのピストンの面積Ａｂからなる面積比Ａｒ／Ａｂより大きな値となる。
ｋ ＞ Ａｒ／Ａｂ・・・・（４）
すなわち、ブームシリンダ３ａのピストンロッドが収縮方向に動作し、ロッド側油室３ａｙの体積の変化量より、多量の圧油の流量をロッド側油室３ａｙへ供給することにより、ボトム側油室３ａｘの圧油を圧縮し昇圧させることが可能となる。定数ｋの値は、高すぎると圧油をロッド側油室３ａｙに送り込み過ぎることになり、過渡的には必要以上にボトム側油室３ａｘの油圧が上昇する。このため、ピストンロッドの速度を目標通りに制御するのが困難になり、ピストンロッドの挙動が乱れることになる。ピストンロッド速度を目標通りに制御し、良好な挙動を保ちながらロッド側油室３ａｙの油圧、ボトム側油室３ａｘの油圧を昇圧させるためには、係数ｋの値を適切に設定することが必要となる。

次に、連通制御弁９の開口面積Ａの具体的な算出方法について説明する。圧力センサ３６で検出した操作装置４のパイロット弁５の下げ側パイロット圧Ｐｄから定まる、ブームシリンダ３ａのボトム側油室３ａｘからの圧油の流量を目標ボトム流量Ｑｂ０、ピストンロッドの移動により変化するロッド側油室３ａｙの体積に応じて吸込まれる圧油の流量をＱｒ０、連通制御弁９を通過する圧油の流量をＱ、ピストンロッドの速度をＶ、ボトム側油室３ａｘの圧力をＰｂ、ロッド側油室３ａｙの圧力をＰｒ、ブームシリンダ３ａのロッド側油室３ａｙのピストンの面積をＡｒ、ブームシリンダ３ａのボトム側油室３ａｘのピストンの面積をＡｂとすると、以下のように算出できる。
Ｑｂ０＝Ａｂ・Ｖ・・・・（５）
Ｑｒ０＝Ａｒ・Ｖ・・・・（６）
式（５）を式（６）に代入し整理して式（７）を算出する。
Ｑｒ０＝Ａｒ／Ａｂ・Ｑｂ０・・・・（７）
ここで、連通制御弁９の流量Ｑについて、一般的なオリフィスの式を適用して式（８）を算出する。
Ｑ＝ＣＡ√（Ｐｂ−Ｐｒ）・・・・（８）
ここで、Ｃは流量係数である。ロッド側油室３ａｙには、体積が変化したことによる吸い込み流量Ｑｒ０のｋ倍の圧油の流量を、連通制御弁９を介して送り込むため以下のように式（９）で示すことができる。
Ｑ＝ｋ・Ｑｒ０・・・・（９）
式（９）に式（８）、式（７）を代入し、Ａについて整理して式（１０）を算出する。
Ａ＝Ａｒ・ｋ・Ｑｂ０／（Ａｂ・Ｃ√（Ｐｂ−Ｐｒ））・・・・（１０）
以上より、式（１０）に基づいて連通制御弁９の開口面積Ａを制御することにより、ピストンロッド速度を目標通りに制御し、良好な挙動を保ちながらロッド側油室３ａｙの油圧、ボトム側油室３ａｘの油圧を昇圧させることが可能となる。

次に、圧力比較演算部１０１から開口全開制御指令が入力した場合について説明する。上述した開口面積調整制御により、連通制御弁９の開口面積を調整してボトム側油室３ａｘとロッド側油室３ａｙの圧力を昇圧させていくと、連通制御弁９の開口が十分大きい場合、ボトム側油室３ａｘの油圧とロッド側油室３ａｙの油圧とがほぼ同圧になり昇圧が完了する。この状態においては、それ以上昇圧することもなく、またロッド側油室３ａｙへ流入する連通制御弁９の流量Ｑは、目標ボトム流量Ｑｂ０にボトム側油室とロッド側油室の面積比（Ａｒ／Ａｂ）を乗じた値で一定に保たれることになる。

すなわち、ボトム側油室３ａｘの油圧が昇圧完了し、ロッド側油室３ａｙへの連通回路の流量が一定になった場合を、ボトム側油室３ａｘの油圧とロッド側油室３ａｙの油圧の差圧により判断して出力されたものが、圧力比較演算部１０１から出力された開口全開制御指令となる。したがって、連通制御弁開口面積演算部１０３は、上述した連通制御弁９の開口面積指令に代えて、全開指令を出力する。

連通制御弁開口面積演算部１０３は、上述した連通制御弁９の開口面積指令または、全開指令を電磁比例弁出力値演算部１０４及び回収目標流量演算部１０５へ出力する。

電磁比例弁出力値演算部１０４は、連通制御弁開口面積演算部１０３で演算された連通制御弁９の開口面積Ａを実現するために必要な電磁比例弁１４の出力値（すなわち、電磁比例弁１４から連通制御弁９のパイロット受圧部９ａに出力される油圧信号の圧力（パイロット圧））を演算し、当該演算した出力値を電磁比例弁１４から出力させるための指令値を電磁比例弁１４に出力する部分である。電磁比例弁出力値演算部１０４で演算された出力値を入力した電磁比例弁１４は当該出力値に基づいて操作信号を連通制御弁９に出力し、これにより連通管路４１には連通制御弁開口面積演算部１０３で演算した流量の戻り油が流れる。

回収目標流量演算部１０５は、連通制御弁開口面積演算部１０３で演算された連通制御弁９の開口面積指令等を基に、回収装置の目標回収流量を演算する。ここで、開口面積指令が出力された場合、回収側目標流量をＱｋ０とすると、以下のように式（１１）及び式（１２）で算出できる。
Ｑｋ０＝Ｑｂ０−Ｑ・・・・（１１）
式（１１）に式（８）に代入して式（１２）を算出する。
Ｑｋ０＝Ｑｂ０−ＣＡ√（Ｐｂ−Ｐｒ）・・・・（１２）
一方、全開指令が出力された場合は、以下の式（１３）で算出できる。
Ｑｋ０＝Ｑｂ０（１−Ａｒ／Ａｂ）・・・・（１３）
回収目標流量演算部１０５は、上述した回収側目標流量Ｑｋ０を発電機指令値演算部１０６へ出力する。

発電機指令値演算部１０６は、回収目標流量演算部１０５で演算された回収側目標流量Ｑｋ０を回収管路４２の油圧モータ２０で吸い込むために必要な油圧モータ２０の回転数を演算し、油圧モータ２０を当該演算した回転数で回転させるための回転数指令値をインバータ２２に出力する部分である。発電機指令値演算部１０６で演算された回転数指令値を入力したインバータ２２は当該回転数指令値に基づいて油圧モータ２０及び発電機２１を回転させ、これにより回収管路４２には回収目標流量演算部１０５で演算された流量の戻り油が流れる。ここで、発電機２１の目標回転数をＮ０、油圧モータ２０の容積をｑとすると、以下のように式（１４）で算出できる。
Ｎ０＝Ｑｋ０／ｑ・・・・（１４）
発電機指令値演算部１０６は、式（１４）で求めた目標回転数になるように、インバータ２２に速度指令を出力する。

次に、本実施の形態におけるコントローラ１００の処理内容の手順と各部特性について図５と図６とを用いて説明する。図５は、本発明の作業機械の圧油エネルギ回収装置の第１の実施の形態におけるコントローラの処理内容を示すフローチャート図、図６は本発明の作業機械の圧油エネルギ回収装置の第１の実施の形態を構成するコントローラの制御内容を説明する特性図である。図５及び図６において、図１乃至図４に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。

まず、コントローラ１００は、ブーム下げ操作中か否かを判断する（ステップＳ１）。具体的には、圧力センサ３６で検出されたパイロット圧Ｐｄが予め定めた設定圧より高いか否かの判断を行う。パイロット圧Ｐｄが設定圧より高い場合は、ブーム下げ操作中と判断し、（ステップＳ２）に進み、それ以外の場合は、（ステップＳ１）に戻る。

コントローラ１００は、圧油エネルギの回収の可否を決定するために、連通制御弁９開動作前のブームシリンダ３ａのボトム側油室３ａｘの圧力と第１オーバーロードリリーフ弁３０の設定圧力との差圧が予め定めた回収許容設定差圧Ｐｓｅｔ１より高いか否かの判断を行う（ステップＳ２）。算出した差圧が回収許容設定差圧Ｐｓｅｔ１より高い場合は、回収動作せず通常のブーム下げ制御のために（ステップＳ１５）に進み、それ以外の場合は、回収動作制御のために（ステップＳ３）に進む。

先に、（ステップＳ１５）以降の通常のブーム下げ制御を説明する。コントローラ１００は、連通制御弁９の閉止制御を継続し、回収切換弁１０を閉止状態、ボトム側油室管路切換弁１１を開状態、ロッド側油室管路切換弁１２を開状態、排出切換弁１３を閉止状態にそれぞれ切換える指令を第１，２，４，３電磁切換弁１５，１６，１８，１７に出力する（ステップＳ１５）。

コントローラ１００は、通常ブーム下げ制御を行う（ステップＳ１６）。操作装置４のパイロット弁５から生成されるパイロット圧Ｐｄが制御弁２のパイロット受圧部２ｂとパイロットチェック弁８に作用し、制御弁２が切換操作され、パイロットチェック弁８が開動作する。これにより、油圧ポンプ６からの圧油がロッド側油室管路切換弁１１を介してロッド側油室管路４０ｂに導かれ、ブームシリンダ３ａのロッド側油室３ａｙに流入する。この結果、ブームシリンダ３ａは収縮動作する。これに伴い、ブームシリンダ３ａのボトム側油室３ａｘから排出される戻り圧油は、パイロットチェック弁８、ボトム側油室管路４０ａ、ボトム側油室管路切換弁１１、制御弁２を通ってタンク６Ａに導かれる。このとき、連通制御弁９は閉止しているため、連通管路４１に圧油は流れず、回収切換弁１０も閉止しているので、回収管路４２にも圧油は流入しない。本ステップを実行後リターンする。

（ステップＳ２）において、算出した差圧が回収許容設定差圧Ｐｓｅｔ１以下の場合、コントローラ１００は、回収動作制御を行う(ステップＳ３)。具体的には、コントローラ１００が、回収切換弁１０を開状態、ボトム側油室管路切換弁１１を閉止状態、ロッド側油室管路切換弁１２を閉止状態、排出切換弁１３を閉止状態にそれぞれ切換える指令を第１，２，４，３電磁切換弁へ出力する。これにより、ブームシリンダ３ａのボトム側油室３ａｘからの戻り圧油は、制御弁２側に流出せず、回収管路４２に流入開始する。また、油圧ポンプ６からの圧油は、制御弁２とロッド側油室管路切換弁１２とを介してタンク６Ａに排出される。このため、ポンプ動力を削減することができる。

コントローラ１００は、連通制御弁９の制御形態を決定するために、ブームシリンダ３ａのボトム側油室３ａｘの圧力とロッド側油室３ａｙの圧力との差圧が予め定めた調整設定差圧Ｐｓｅｔ２より高いか否かの判断を行う（ステップＳ４）。これは、ブームシリンダ３ａのボトム側油室３ａｘの圧力が昇圧完了し、ロッド側油室３ａｙへ流入する連通管路４１の圧油の流量が一定になったか否かを判断することになる。圧油の流量が一定になった場合には、圧力損失を最小とするために、連通制御弁９を全開とする制御（ステップＳ９）に移行させる。算出した差圧が調整設定差圧Ｐｓｅｔ２より高い場合は、開口面積調整制御のために（ステップＳ５）に進み、それ以外の場合は、開口全開制御のために（ステップＳ９）に進む。

コントローラ１００は、連通制御弁９の開口面積調整制御を行う（ステップＳ５）。具体的には、ブームの下げ動作に伴うロッド側油室３ａｙの体積変化による圧油の吸込み流量をｋ倍した圧油の流量が、ロッド側油室３ａｙへ流入できるように、操作装置４のレバー操作量から求められる目標ボトム流量、ボトム側油室３ａｘの油圧、ロッド側油室３ａｙの油圧に基づいて連通制御弁９の開口面積を算出する。また、コントローラ１００は、この算出した開口面積となるように、電磁比例弁１４に指令信号を出力する。電磁比例弁１４によって生成されたパイロット圧により、連通制御弁９の開口面積が制御され、このことにより、連通管路４１を介してボトム側油室３ａｘからロッド側油室３ａｙへ圧油が流入する。この結果、上記動作により、ピストンロッド速度を目標通りに制御し、良好な挙動を保ちながらロッド側油室３ａｙの油圧、ボトム側油室３ａｘの油圧を昇圧させることが可能になる。

開口面積調整制御における各部の挙動を図６を用いて説明する。図６において、横軸は時間を示していて、縦軸の（ａ）〜（ｄ）は上から順に操作装置４の下げ側パイロット圧Ｐｄ、圧油流量Ｑｂ０，Ｑｒ０、ブームシリンダ圧力Ｐｂ，Ｐｒ、連通制御弁９の開口面積Ａを示している。また、時刻ｔ１から時刻ｔ３までは、開口面積調整制御時の各特性を示し、時刻ｔ３から時刻ｔ４までは、開口全開制御時の各特性を示している。

時刻ｔ１において、オペレータがブーム操作装置４の操作レバーを下げ方向に操作すると、コントローラ１００には、（ａ）で示すパイロット圧Ｐｄが入力され、（ｂ）で示す目標ボトム側油室流量Ｑｂ０が決まり、破線の体積変化分のロッド側油室流量Ｑｒ０が算出できる。この体積変化分のロッド側油室流量Ｑｒ０をｋ倍することで、連通制御弁９を通過する圧油の目標流量が定まり、ｋを最適に設定することにより、連通制御弁９を適度に絞りながら開動作させることができる。この結果、ボトム側油室流量Ｑｂ０を目標値に合致させながら、ボトム側油室圧Ｐｂを昇圧することができる。時刻ｔ２は、このように連通制御弁９の開口面積を制御している場合にロッド側油室３ａｙの圧力Ｐｒが発生した時刻を示す。

時刻ｔ３は、（ステップＳ４）で判断した算出した差圧が調整設定差圧Ｐｓｅｔ２以下となる時刻を示し、時刻ｔ３まで、開口面積調整制御が実行される。

図５に戻り、コントローラ１００は、回収目標流量を算出する（ステップＳ６）。具体的には、目標ボトム側油室流量Ｑｒ０と、連通制御弁９を通過する圧油の目標流量とから、回収目標流量を算出する。

コントローラ１００は、発電機２１の目標回転数制御を行う（ステップＳ７）。具体的には、（ステップＳ６）で算出した回収目標流量から発電機目標回転数を算出する。また、コントローラ１００は、発電機目標回転数指令をインバータ２２に出力する。これによりブームシリンダ３ａのボトム側油室３ａｘの圧油が、流量制御されながら、油圧モータ２０を回転させる。油圧モータ２０と連結された発電機２１は、発電動作を行うので、圧油のエネルギが電気エネルギとして、インバータ２２、チョッパ２３を介して蓄電装置２４に蓄えられる。

コントローラ１００は、ブーム下げ操作中か否かを判断する（ステップＳ８）。具体的には、圧力センサ３６で検出されたパイロット圧Ｐｄが予め定めた設定圧より高いか否かの判断を行う。パイロット圧Ｐｄが設定圧より高い場合は、ブーム下げ操作中と判断し、（ステップＳ２）に進み、それ以外の場合は、（ステップＳ１２）と（ステップ１３）に進む。

（ステップ８）から（ステップ２）に進む場合、ここで、再度圧油エネルギの回収の可否を決定する。昇圧させながらエネルギ回収をしている場合においてもコントローラ１００は、絶えずボトム側油室３ａｘの圧力を計測し、第１オーバーロードリリーフ弁３０の設定圧力に達するかどうかをチェックするためである。そしてボトム側油室３ａｘの圧力と第１オーバーロードリリーフ弁３０の設定圧との差圧が、回収許容設定差圧Ｐｓｅｔ１に達した場合は、（ステップＳ１５）へ移行し、ブーム下げ動作中であっても連通制御弁９を閉止し、エネルギ回収動作を中止する制御を行う。

このような制御を行うことにより、第１オーバーロードリリーフ弁３０が不用意に動作して、シリンダ３ａの挙動が止まらなくなるなどの危険を回避できる。

次に、再度（ステップＳ４）において、コントローラ１００は、ブームシリンダ３ａのボトム側油室３ａｘの圧力とロッド側油室３ａｙの圧力との差圧が予め定めた調整設定差圧Ｐｓｅｔ２より高いか否かの判断を行う。この（ステップＳ４）において、ボトム側油室３ａｘの油圧が昇圧完了し、ロッド側油室３ａｙへの連通管路４１を通過する圧油の流量が一定になったと判断されると、（ステップＳ９）へ進む。

コントローラ１００は、連通制御弁９の開口全開制御を行う（ステップＳ９）。具体的には、連通管路４１を通過する圧油の圧力損失を最小に抑えるために、連通制御弁９を全開とするように、電磁比例弁１４に指令信号を出力する。

開口全開制御における各部の挙動を図６を用いて説明する。

時刻ｔ３においては、（ステップＳ４）で判断したブームシリンダ３ａのボトム側油室３ａｘの圧力とロッド側油室３ａｙの圧力との差圧が調整設定差圧Ｐｓｅｔ以下となっている。そこで、ボトム側油室３ａｘの圧力は最大限まで昇圧されたと判定し、圧損によるエネルギロスを低減するため、連通制御弁９の開口を全開とする。このことにより、（ｂ）で示すように、連通管路４１を通過する圧油の流量は、体積変化分のロッド側油室流量Ｑｒ０に向けて減少し、時刻ｔ４において、収束する。

図５に戻り、コントローラ１００は、回収目標流量を算出する（ステップＳ１０）。具体的には、目標ボトム側油室流量Ｑｒ０と、連通制御弁９を通過する圧油の目標流量とから、回収目標流量を算出する。

コントローラ１００は、発電機２１の目標回転数制御を行う（ステップＳ１１）。具体的には、（ステップＳ１０）で算出した回収目標流量から発電機目標回転数を算出する。また、コントローラ１００は、発電機目標回転数指令をインバータ２２に出力する。これによりブームシリンダ３ａのボトム側油室３ａｘの圧油が、流量制御されながら、油圧モータ２０を回転させる。油圧モータ２０と連結された発電機２１は、発電動作を行うので、圧油のエネルギが電気エネルギとして、インバータ２２、チョッパ２３を介して蓄電装置２４に蓄えられる。

コントローラ１００は、ブーム下げ操作中か否かを判断する（ステップＳ８）。ブーム下げ操作中の場合は、（ステップＳ２）に進み、それ以外の場合は、（ステップＳ１２）と（ステップ１３）に進む。

ここで、ブーム下げ操作中でない場合、コントローラ１００は、連通制御弁９を閉止し、エネルギ回収動作を中止する（ステップＳ１２）。具体的には、回収切換弁１０を閉止状態、ボトム側油室管路切換弁１１を開状態、ロッド側油室管路切換弁１２を開状態、排出切換弁１３を閉止状態にそれぞれ切換える指令を第１，２，４，３電磁切換弁１５，１６，１８，１７に出力する。また、電磁比例弁１４への制御信号とインバータ２２への発電機目標回転数指令を停止状態とする。本ステップを実行後リターンする。

コントローラ１００は、ロッド側油室管路４０ｂに昇圧された圧油が残留しているか否かを判断するために、ブームシリンダ３ａのロッド側油室３ａｙの圧力とボトム側油室３ａｘの圧力との差圧が予め定めた切換設定差圧Ｐｓｅｔ３より高いか否かの判断を行う（ステップＳ１３）。これは、回収操作後の残留圧油を排出制御するために行われる。差圧が設定圧より高い場合は、残留圧油を排出するために、ステップＳ１４に進み、それ以外の場合は、（ステップＳ１３）に戻る。

コントローラ１００は、排出切換弁１３を切換える（ステップＳ１４）。具体的には、第３電磁切換弁１７に切換指令を出力する。このことにより、ロッド側油室管路４０ｂとタンク６Ａとが連通し、残留圧油はタンク６Ａへ排出される。
本ステップを実行後リターンする。

上述した本発明の作業機械の圧油エネルギ回収装置の第１の実施の形態によれば、液体圧シリンダ３ａのピストンロッド速度を制御しつつ、液体圧シリンダ３ａから排出される油室における戻り圧油を昇圧させ、圧油エネルギ回収装置に流入する戻り圧油の流量を減少させているので、回収エネルギを減少させることなく、圧油エネルギ回収装置を小型化することができる。この結果、標準型の建設機械と同等の操作性が確保でき、エネルギの回収効率の向上が図れる。

また、上述した本発明の作業機械の圧油エネルギ回収装置の第１の実施の形態によれば、回収動作時の過渡状態において、必要以上にボトム側油室３ａｘの圧力が上昇するのを防止できると共に、ピストンロッド速度を目標通りに制御できるので、良好な挙動を保ちながらロッド側油室３ａｙの油圧とボトム側油室３ａｘの油圧とを昇圧させることができる。この結果、標準型の建設機械と同等の操作性が確保でき、エネルギの回収効率の向上が図れる。

以下、本発明の作業機械の圧油エネルギ回収装置の第２の実施の形態を図面を用いて説明する。図７は本発明の作業機械の圧油エネルギ回収装置の第２の実施の形態を示す制御システムの概略図、図８は本発明の作業機械の圧油エネルギ回収装置の第２の実施の形態を構成するコントローラのブロック図である。図７及び図８において、図１乃至図６に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。

図７及び図８に示す本発明の作業機械の圧油エネルギ回収装置の第２の実施の形態は、大略第１の実施の形態と同様の油圧源と作業機等とで構成されるが、以下の構成が異なる。本実施の形態においては、ブームシリンダ３ａのロッド側油室３ａｙの圧油を圧力する圧力センサ３５を省略し、コントローラ１００にて、ボトム側油室３ａｘの圧力から、ロッド側油室３ａｙの圧力を算出するロッド側油室圧力演算部１０７を設けている。

図８において、ロッド側油室圧力演算部１０７は、圧力センサ３４で検出したブームシリンダ３ａのボトム側油室３ａｘの圧力を入力し、ロッド側油室圧力を算出する演算を行う。具体的には、ピストンロッドが定常速度で動作している場合にボトム側油室３ａｘの圧力から算出推定するものであって、以下の式（１５）〜式（１７）の演算を行う。
Ｍ＝Ｐｂ’・Ａｂ・・・・（１５）
ここで、Ｍは、フロント作業装置を含めたブームシリンダ３ａの荷重を、Ｐｂ’は、連通制御弁９を閉止しているときのブームシリンダ３ａのボトム側油室３ａｘの圧力を、Ａｂはブームシリンダ３ａのボトム側油室のピストンの面積をそれぞれ示し、連通制御弁９を閉止しているときのブームシリンダ３ａのロッド側油室３ａｙの圧力を０とする。

連通制御弁９を開いている時のロッド側油室の圧力Ｐｒは、式（１６）で算出される。
Ｐｒ＝（Ｐｂ・Ａｂ−Ｍ）／Ａｒ・・・・（１６）
ここで、Ｐｂは、ブームシリンダ３ａのボトム側油室３ａｘの圧力を、Ａｒは、ブームシリンダ３ａのロッド側油室のピストンの面積を示す。

式（１５）を式（１６）に代入し、整理して式（１７）を算出する。
Ｐｒ＝Ａｂ／Ａｒ・（Ｐｂ−Ｐｂ’）・・・・（１７）
式（１７）よりボトム側油室３ａｘの圧力からロッド側油室３ａｙの圧力を算出推定することが可能となる。

ロッド側油室圧力演算部１０７は、上述したロッド側油室３ａｙの圧力をブームシリンダ圧力比較演算部１０１及び連通制御弁開口面積演算部１０３へ出力する。

上述した本発明の作業機械の圧油エネルギ回収装置の第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様な効果を得ることができる。
また、本実施の形態によれば、ブームシリンダ３ａのロッド側油室３ａｙの圧力を検出する圧力センサ３５が省略できるので、コスト低減が図れる。

１ 油圧ショベル
１ａ ブーム
２ 制御弁
２ａ パイロット受圧部
２ｂ パイロット受圧部
３ａ ブームシリンダ
３ａｘ ボトム側油室
３ａｙ ロッド側油室
４ 操作装置
５ コントロールバルブ
６ 油圧ポンプ
６Ａ タンク
７ パイロット油圧ポンプ
８ パイロットチェック弁
９ 連通制御弁
１０ 回収切換弁
１１ ボトム側油室管路切換弁
１２ ロッド側油室管路切換弁
１３ 排出切換弁（排出弁）
１４ 電磁比例弁
１５ 第１電磁切換弁
１６ 第２電磁切換弁
１７ 第３電磁切換弁
１８ 第４電磁切換弁
２０ 油圧モータ
２１ 発電機
２２ インバータ
２３ チョッパ
２４ 蓄電装置
３０ 第１オーバーロードリリーフ弁
３１ 第１メイクアップ弁
３２ 第２オーバーロードリリーフ弁
３３ 第２メイクアップ弁
３４ 圧力センサ（第１の圧力検出手段）
３５ 圧力センサ（第２の圧力検出手段）
３６ 圧力センサ（パイロット圧検出手段）
４０ 管路
４０ａ ボトム側油室管路
４０ｂ ロッド側油室管路
４１ 連通管路
４１ａ ボトム側油室連通管路
４１ｂ ロッド側油室連通管路
４２ 回収管路
４３ 戻り管路
５０ａ パイロット油路
５０ｂ パイロット油路
６０ エンジン
１００ コントローラ

Claims (5)

1. 油圧ポンプと、作業装置を駆動する液体圧シリンダと、前記液体圧シリンダを操作する操作手段と、前記液体圧シリンダの戻り圧油を回収する油圧モータとを備えた作業機械の圧油エネルギ回収装置において、
   前記液体圧シリンダのボトム側油室とロッド側油室とを連通させるための連通管路と、前記連通管路に設けられ、その開度を調整することで前記連通管路を通過する圧油の圧力及び／または流量を調整可能な連通弁と、前記液体圧シリンダのボトム側油室の圧力信号を検出する第１の圧力検出手段と、前記操作手段の操作量を検出する操作量検出手段と、前記第１の圧力検出手段が検出した前記液体圧シリンダのボトム側油室の圧力信号と，前記操作量検出手段が検出した前記操作手段の操作量とを取込み，前記液体圧シリンダのピストンロッド速度を算出し，前記ピストンロッド速度に応じて前記連通弁を制御する制御装置を備え、
   前記制御装置は、前記ピストンロッド速度から算出される前記ロッド側油室の体積増加に伴う圧油の吸込み流量より前記液体圧シリンダのボトム側油室からロッド側油室に流入する圧油の流量が多くなるように、前記連通弁を制御する
   ことを特徴とする作業機械の圧油エネルギ回収装置。
2. 請求項１に記載の作業機械の圧油エネルギ回収装置において、
   前記液体圧シリンダのロッド側油室の圧力信号を検出する第２の圧力検出手段を更に備え、
   前記制御装置は、前記第１及び第２の圧力検出手段が検出した前記液体圧シリンダのボトム側油室の圧力と前記液体圧シリンダのロッド側油室の圧力との差圧が予め定めた設定圧力を超過する場合に、前記連通弁の開度を絞り制御し、
   前記液体圧シリンダのボトム側油室の圧力と前記液体圧シリンダのロッド側油室の圧力との差圧が予め定めた設定圧力以下の場合に、前記連通弁の開度を全開制御する
   ことを特徴とする作業機械の圧油エネルギ回収装置。
3. 請求項１に記載の作業機械の圧油エネルギ回収装置において、
   前記液体圧シリンダの圧油の圧力がそのリリーフ圧力以上まで上昇した場合に、開動作して前記圧油をタンクへ排出する圧力制御弁をさらに備え、
   前記制御装置は、前記連通弁が閉止している状態において、前記第１の圧力検出手段が検出した前記液体圧シリンダのボトム側油室の圧力と前記圧力制御弁のリリーフ圧力との差圧が、予め定めた設定圧を超えた場合は、前記連通弁の閉止制御を継続する
   ことを特徴とする作業機械の圧油エネルギ回収装置。
4. 請求項１に記載の作業機械の圧油エネルギ回収装置において、
   前記液体圧シリンダの圧油の圧力がそのリリーフ圧力以上まで上昇した場合に、開動作して前記圧油をタンクへ排出する圧力制御弁をさらに備え、
   前記制御装置は、前記連通弁の開制御中において、前記第１の圧力検出手段が検出した前記液体圧シリンダのボトム側油室の圧力と前記圧力制御弁のリリーフ圧力との差圧が、予め定めた設定圧を超えた場合は、前記連通弁を閉止制御する
   ことを特徴とする作業機械の圧油エネルギ回収装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の作業機械の圧油エネルギ回収装置において、
   前記操作手段によって制御され、前記油圧ポンプからの圧油を前記液体圧シリンダに切換え供給する制御弁と、前記液体圧シリンダと前記制御弁との間に設けられ、前記液体圧シリンダのロッド側油室の圧油をタンクに連通させる排出弁をさらに備えた
   ことを特徴とする作業機械の圧油エネルギ回収装置。

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