JP6626386B2 - 回生システム - Google Patents

Description

本発明は、建設機械のアタッチメントにおいて、無負荷の作動状態でアクチュエータから戻される油を利用して発電する回生システムに関する。

特許文献１は、建設機械のアタッチメントにおいて、アクチュエータ（油圧アクチュエータ）を作動させるシリンダへ送る油（作動油）及び前記シリンダから戻る油（作動油）を利用して発電する回生システムを開示する（特許文献１・［請求項１］）。特許文献１が開示する回生システムは、油が流れる筒体（キャビティ）に前記油を受けて回転する永久磁石を内蔵し、前記筒体の外側にコイルを巻き付けた油圧発電機を構成する（特許文献１・［請求項５］）。永久磁石のみを内蔵した油圧発電機は、流れる油の圧力の掛かる対象が永久磁石のみであるため、壊れにくい利点がある（特許文献１・［0019］）。

また、特許文献１が開示する回生システムは、油圧発電機に対して、バイパス流路調節手段を備えたバイパス流路を設け、アクチュエータから戻る油で油圧発電機が発電する際に、アクチェータ側の圧力が一定以上に上昇することを阻止している（特許文献１・［請求項２］）。バイパス流路は、シリンダへ送る油及び前記シリンダから戻る油が流れる作動油給排出配管に油圧発電機を設けると、前記油圧発電機が抵抗となってアクチュエータに背圧が掛かることによる不具合の発生を防止する働きがある（特許文献１・［0013］）。

特開2014-040742号公報

回生システムで発電された電気は、バッテリ（蓄電池）に充電され、必要に応じて電気機器等へバッテリから給電される。このため、回生システムが常時発電する必要はない。この点、特許文献１が開示する回生システムは、アクチュエータへ送る油及びアクチュエータから戻る油両方を利用して発電するとしている。しかし、前述の通り、回生システムが発電する電気はバッテリに貯めてから利用されるため、アクチュエータへ送る油及びアクチュエータから戻る油両方を利用する必要性は薄く、次の問題がある。

アクチュエータがシリンダの場合、外部に仕事をするシリンダは、ヘッド側室へポンプから油を送り、ロッド側室から油をタンクに戻してロッドを伸ばす。このとき、油圧発電機がヘッド側室へ油を送るアクチュエータ配管に設けられていると、発電する油圧発電機にエネルギーが奪われ、ロッドを伸ばす圧力が低下して、シリンダが十分な仕事をできない。

また、ロッドを伸ばしたシリンダは、ロッド側室へポンプから油を送り、ヘッド側室から油をタンクに戻してロッドを縮める。このとき、油圧発電機がロッド側室へ油を送るアクチュエータ配管に設けられていると、発電する油圧発電機にエネルギーが奪われ、ロッドを縮める圧力が低下するので、ロッドの縮みが遅くなる。このように、アクチュエータへ送る油を利用する回生システムは、アクチュエータの仕事を損なったり、作動速度を低下させる観点から好ましくない。

これから、アクチュエータに対する回生システムは、アクチュエータから戻る油の利用が望ましい。この場合でも、ロッドを伸ばすシリンダのロッド側室から油を戻すアクチュエータ配管に油圧発電機を設けると、前記油圧発電機が流れる油の抵抗となり、ロッド側室から円滑な油の排出ができず、やはりロッドを伸ばす仕事を損なう可能性がある。そこで、最も好ましい回生システムは、アクチュエータの無負荷の作動状態（外部からの負荷がなく、アクチュエータが動いている状態）で、前記アクチュエータから油を戻すアクチュエータ配管に油圧発電機を設ける構成である。

無負荷の作動状態でアクチュエータから油をタンクに戻すアクチュエータ配管に油圧発電機を設けるとした場合、次の点が検討される。油圧発電機は、無負荷の作動状態でアクチュエータから油をタンクに戻すときのみ油を流す専用のアクチュエータ配管に設けることも考えられる。しかし、アクチュエータに延びるアクチュエータ配管は、アクチュエータの負荷（例えばロッドを伸ばす）又は無負荷（例えばロッドを縮める）に応じて油の送り又は戻りが切り換わる。これから、無負荷の作動状態でアクチュエータから油をタンクに戻すアクチュエータ配管に油圧発電機を設けながら、前記アクチュエータ配管が負荷の作動状態でアクチュエータへ油をポンプから送る場合に油圧発電機を作動させないことが必要となる。

アクチュエータ配管に流れる油をすべて油圧発電機に流して発電すると、無駄なくエネルギーを回収できる。しかし、油圧発電機に対する負荷が増えて前記油圧発電機を破損させたり、アクチュエータに対する背圧を発生させたりする可能性が出てくる。特許文献１は、アクチュエータに対する背圧回避手段を開示するが、油圧発電機に流れる油の流量制限手段を開示しない。そこで、無負荷の作動状態でアクチュエータから油をタンクに戻すアクチュエータ配管に対して油圧発電機を設ける回生システムであって、アクチュエータ配管が負荷の作動状態でアクチュエータへ油をポンプから送る場合に油圧発電機を作動させず、また油圧発電機に流れる油の流量制限手段を設けて、アクチュエータに対する背圧の発生を防止することを目的に検討した。

検討の結果開発したものが、無負荷の作動状態でアクチュエータから油をタンクに戻すアクチュエータ配管から分岐するアクチュエータ側迂回配管と前記アクチュエータ配管に合流するタンク側迂回配管とを設け、バッテリを充電する油圧発電機に前記アクチュエータ側迂回配管及びタンク側迂回配管を接続して構成され、無負荷の作動状態でアクチュエータから油をタンクに戻すアクチュエータ配管は、前記アクチュエータ側迂回配管及びタンク側迂回配管に挟まれた部分に、アクチュエータに油が送られる方向に開く戻り側チェックバルブを設け、タンク側迂回配管は、油圧発電機から油が流れ出す方向に開くタンク側チェックバルブを設け、アクチュエータ側迂回配管は、油圧発電機から油が流れ出す方向に開き、無負荷の作動状態でアクチュエータへ油をポンプから送るアクチュエータ配管に接続されたパイロットラインに油圧が発生すれば開くパイロットチェックバルブを設けた回生システムである。

本発明の回生システムは、戻り側チェックバルブにより油圧発電機に流れる油を選択させる。無負荷の作動状態（例えばロッドを縮める）でアクチュエータから油をタンクに戻すアクチュエータ配管は、負荷の作動状態（外部からの負荷を受けながらアクチュエータが作動する状態、例えばロッドを伸ばす）でアクチュエータへ油をポンプから送るアクチュエータ配管となる。戻り側チェックバルブは、負荷の作動状態でそのまま油をポンプからアクチュエータへ送り、逆に無負荷の作動状態で油をアクチュエータ側迂回配管及びタンク側迂回配管に迂回させる。

パイロットチェックバルブ及びタンク側チェックバルブは、油圧発電機への油の流れ込みを原則禁止しながら、パイロットラインから油圧を受けたときのみ、前記パイロットチェックバルブを開いて油圧発電機に油を流す。油圧発電機への油の流れ込みを原則禁止するパイロットチェックバルブ及びタンク側チェックバルブは、不具合で油圧発電機に流れ込もうとする油から前記油圧発電機を保護する。そして、パイロットチェックバルブは、無負荷の作動状態でアクチュエータへ油をポンプから送るアクチュエータ配管に油が通るときのみ開き、アクチュエータ側迂回配管に流れ込む油を油圧発電機に流し込む。

油圧発電機は、特許文献１が開示する構成でもよいし、油圧モータと従来の直流発電機又は交流発電機を接続する構成でもよい。油圧発電機で発電された電気は、バッテリに充電され、前記バッテリから各種電子機器や電磁バルブ等に給電される。本発明の回生システムは、アタッチメントのアクチュエータから戻される油を利用し、前記アタッチメントに内蔵される構成を基本とする。本発明の回生システムは、アタッチメントのアクチュエータから戻される油を利用しながら、アタッチメント外（例えばアタッチメント直近のアーム）に設けてもよい。また、本発明の回生システムは、アーム又はブームを動かすアクチュエータから戻る油を利用する回生システムに適用することもできる。

アクチュエータ側迂回配管は、タンク側迂回配管に余剰排出管路を接続したプライオリティバルブを、パイロットチェックバルブから、無負荷の作動状態でアクチュエータから油をタンクに戻すアクチュエータ配管寄りに設けると、アクチュエータ側迂回配管に流れ込む油は、プライオリティバルブに設定された流量を超えた余剰が油圧発電機に流れず、タンク側迂回配管から、無負荷の作動状態でアクチュエータから油をタンクに戻すアクチュエータ配管に戻り、発電に寄与することなくタンクに戻すことができる。アクチュエータへ送る油は、戻り側チェックバルブを通じてアクチュエータへ流れるので、プライオリティバルブに流れ込むことはない。これから、プライオリティバルブは、アクチュエータ側から油圧発電機に向けて油が流れる方向に開いていればよい。

本発明の回生システムは、無負荷の作動状態でアクチュエータから油をタンクに戻すアクチュエータ配管に設けられながら、前記アクチュエータ配管が負荷の作動状態でアクチュエータへ油をポンプから送る場合に油圧発電機を作動させず、また油圧発電機に流れる油の流量をプライオリティバルブで制限することにより、過剰な圧力の発生を防いでアクチュエータに対する背圧の発生を防止する。これにより、本発明の回生システムは、アクチュエータの無負荷の作動状態でのみ発電し、また無理のない発電により油圧発電機及びアクチュエータを破損させる事態を防止する効果を得ている。

戻り側チェックバルブは、無負荷の作動状態でアクチュエータから油をタンクに戻す場合のみ、アクチュエータ側迂回配管に油を流し込めるようにする。また、タンク側チェックバルブ及びパイロットチェックバルブは、アクチュエータ側迂回配管又はタンク側迂回配管のいずれかに油が流れ込んだ場合でも、無負荷の作動状態でアクチュエータへ油をポンプから送るアクチュエータ配管に油が流れない限り、油圧発電機に油が流れ込まないようにする。こうして、本発明の回生システムは、アクチュエータの無負荷の作動状態でのみ発電する効果を得ている。

プライオリティバルブは、油圧発電機へ油を流し込める場合でも、前記油圧発電機へ流し込める油の量を制限することにより、油圧発電機を保護する。また、プライオリティバルブは、油圧発電機へ流れ込まない油の余剰をタンク側迂回配管に戻し、そのままタンクへ返すから、アクチュエータに対する背圧の発生も防止できる。こうして、本発明の回生システムは、無理のない発電により油圧発電機及びアクチュエータを破損させる事態を防止する効果を得ている。

本発明の回生システムを適用したアタッチメントの一例において、負荷の作動状態を表すブロック図である。 本例のアタッチメントにおいて、無負荷の作動状態を表すブロック図である。 本例のアタッチメントにおいて、無負荷の非作動状態を表すブロック図である。

以下、本発明を実施するための形態について図を参照しながら説明する。本発明の回生システム３は、図１及び図２に見られるように、例えばロッド23を伸ばす負荷の作動状態と、前記ロッド23を縮める無負荷の作動状態とを選択するシリンダ２をアクチュエータとするアタッチメント１に適用される。本例の回生システム３は、シリンダ２のヘッド側室22から延びるヘッド側アクチュエータ配管221に対して設けられる。

シリンダ２は、ピストン24によって、ロッド23が突出する側のロッド側室21と、ロッド側室21と対になるヘッド側室22に区切られる。シリンダ２は、ロッド側室21からロッド側アクチュエータ配管211が、ヘッド側22からヘッド側アクチュエータ配管221がそれぞれ延びている。ロッド側アクチュエータ配管211及びヘッド側アクチュエータ配管221は、切換バルブでポンプ及びタンク（それぞれ図示略）との接続が切り換わる。

シリンダ２は、ロッド23を伸ばす負荷の作動状態で、ヘッド側アクチュエータ配管221をポンプに接続してヘッド側室22に油を送り込み、ロッド側アクチュエータ配管211をタンクに接続してロッド側室21から油を排出する。また、シリンダ２は、ロッド23を縮める無負荷の作動状態で、ロッド側アクチュエータ配管211をポンプに接続してロッド側室21に油を送り込み、ヘッド側アクチュエータ配管221をタンクに接続してヘッド側室22から油を排出する。

回生システム２は、油圧発電機を構成する油圧モータ34へ油を流すアクチュエータ側迂回配管31及びタンク側迂回配管32をヘッド側アクチュエータ配管221に接続する。ヘッド側アクチュエータ配管221は、アクチュエータ側迂回配管31及びタンク側迂回配管32に挟まれた部分に、ヘッド側室22に油が送られる方向に開く戻り側チェックバルブ222を設けている。タンク側迂回配管32は、油圧モータ34から油が流れ出す方向に開くタンク側チェックバルブ321を設けている。

アクチュエータ側迂回配管31は、油圧モータ34から油が流れ出す方向に開き、無負荷の作動状態でシリンダ２のロッド室21へ油をポンプから送るロッド側アクチュエータ配管211に接続されたパイロットライン312に油圧が発生すれば開くパイロットチェックバルブ311を設けている。また、アクチュエータ側迂回配管31は、タンク側迂回配管32に余剰排出管路351を接続したプライオリティバルブ35を、パイロットチェックバルブ311からヘッド側アクチュエータ配管221寄りに設けている。

油圧発電機は、油圧モータ34と、前記油圧モータ34の回転軸が接続された直流発電機341とから構成される。直流発電機341は、発電された電気を、接続されたバッテリ33に逐次充電する。バッテリ33は、例えばアタッチメント１の作動状況（負荷の大きさやシリンダ２の伸縮による可動顎の開度等）を外部に通信する通信機器36に給電する。バッテリ33は、このほかアタッチメント１に内蔵された電動切換バルブにも給電させることができる。

アタッチメント１がシリンダ２のロッド23を伸ばす負荷の作動状態は、図１に見られるように、ヘッド側アクチュエータ配管221がポンプに、ロッド側アクチュエータ配管211がタンクに接続される。ヘッド側アクチュエータ配管221を流れる油は、戻り側チェックバルブ222が開き、かつタンク側迂回配管32がタンク側チェックバルブ321やプライオリティバルブ35が抵抗となるため、油圧モータ34に送られることなく、そのままヘッド側室22に送られ、前記ヘッド側室22を広げる。

狭まるロッド側室21から排出される油は、ロッド側アクチュエータ配管211を通してタンクに戻される。この場合、ロッド側アクチュエータ配管211を流れる油の圧力が高まることがなく、パイロットチェックバルブ311は開かない。アクチュエータ側迂回配管に設けたパイロットチェックバルブ311やタンク側迂回配管32に設けたタンク側チェックバルブ321は、いずれも油圧モータ34から油が流れ出す方向にしか開かない。これにより、アタッチメント１がシリンダ２のロッド23を伸ばす負荷の作動状態で、本例の回生システム３は、油圧モータ34に油が流れ込むことがなく、発電しない。

アタッチメント１がシリンダ２のロッド23を縮める無負荷の作動状態は、図２に見られるように、ロッド側アクチュエータ配管211がポンプに、ヘッド側アクチュエータ配管221がタンクに接続される。ロッド側アクチュエータ配管211を流れる油は、ポンプによって圧力が高くなっており、パイロットライン312を通じてパイロットチェックバルブ311を開く。そして、ロッド側アクチュエータ配管211を流れる油は、ロッド側室21へ送られ、ピストン24を押してロッド23を縮める。

狭まるヘッド側室22から排出される油は、戻り側チェックバルブ222が閉じているため、アクチュエータ側迂回配管31に流れ込む。アクチュエータ側迂回配管31に流れ込んだ油は、プライオリティバルブ35を通じて設定された量だけがパイロットチェックバルブ311に流れ、残余がタンク側迂回配管32に分流される。プライオリティバルブ35は、油圧モータ34に過剰な油を流さない働きと、油圧モータ34を油が流れる際の負荷により、シリンダ２のヘッド側室22から排出される油の排出速度が低下したり、シリンダ２に対する背圧が発生しないように、タンク側迂回配管32へ残余の油を円滑に排出する働きを有する。

パイロットチェックバルブ311は、パイロットライン312から与えられる油圧により開いている。このため、プライオリティバルブ35からパイロットチェックバルブ311を通じて送られて来た油は、油圧モータ34に流れ込み、直流発電機341を回して発電させる。油圧モータ34を通過した油は、プライオリティバルブ35から分流して来た余剰の油と共に、タンク側迂回配管32からヘッド側アクチュエータ配管221に戻され、タンクへと戻される。

アクチュエータ１に内蔵された通信機器36は、回生システム３による発電の有無に関係なく、バッテリ33に充電された電気を利用して、随時作動する。これに対して、回生システム３は、シリンダ２のロッド23が縮む作動状態、すなわち無負荷の作動状態の時のみ発電する。これは、アタッチメント１における負荷の作動状態を阻害せず、外部に対して仕事をしない無負荷の作動状態のみを発電に利用することを意味する。バッテリ33は、回生システム３の断続的な発電でも、継続的に通信機器36に給電できるようにするバッファの働きを有する。

本例の回生システム３は、無負荷の作動状態でシリンダ２のヘッド側室22から油が流れ出したのでなければ、発電しない。例えば図３に見られるように、ロッド側アクチュエータ配管211にポンプから油が送り込まれていないのに、何らかの原因でロッド23が縮み、ヘッド側室22から油が排出されても、油はアクチュエータ側配管に流れ込む。しかし、ロッド側アクチュエータ配管211にポンプから油が送り込まれていないと、パイロットライン312の油圧が立たず、パイロットチェックバルブ311が開かない。

このため、アクチュエータ側迂回配管31に流れ込んだ油は、プライオリティバルブ35により全てタンク側迂回配管32に送られ、油圧モータ34に流れ込むことがない。これは、正常な作動状態でない場合、油が油圧モータ34へ不用意に送り込まれないようにして前記油圧モータ34を保護するほか、ヘッド室22から排出される油を抵抗なくタンクに戻し、シリンダ２に対する背圧を発生させない働きを有する。

１ アタッチメント
２ シリンダ
21 ロッド側室
211 ロッド側アクチュエータ配管
22 ヘッド側室
221 ヘッド側アクチュエータ配管
222 戻り側チェックバルブ
23 ロッド
24 ピストン
３ 回生システム
31 アクチュエータ側迂回配管
311 パイロットチェックバルブ
312 パイロットライン
32 タンク側迂回配管
321 タンク側チェックバルブ
33 バッテリ
34 油圧モータ
341 直流発電機
35 プライオリティバルブ
351 余剰排出管路
36 通信機器

Claims (2)

1. 無負荷の作動状態でアクチュエータから油をタンクに戻すアクチュエータ配管から分岐するアクチュエータ側迂回配管と前記アクチュエータ配管に合流するタンク側迂回配管とを設け、バッテリを充電する油圧発電機に前記アクチュエータ側迂回配管及びタンク側迂回配管を接続して構成され、
   無負荷の作動状態でアクチュエータから油をタンクに戻すアクチュエータ配管は、前記アクチュエータ側迂回配管及びタンク側迂回配管に挟まれた部分に、アクチュエータに油が送られる方向に開く戻り側チェックバルブを設け、
   タンク側迂回配管は、油圧発電機から油が流れ出す方向に開くタンク側チェックバルブを設け、
   アクチュエータ側迂回配管は、油圧発電機から油が流れ出す方向に開き、無負荷の作動状態でアクチュエータへ油をポンプから送るアクチュエータ配管に接続されたパイロットラインに油圧が発生すれば開くパイロットチェックバルブを設けた回生システム。
2. アクチュエータ側迂回配管は、タンク側迂回配管に余剰排出管路を接続したプライオリティバルブを、パイロットチェックバルブから、無負荷の作動状態でアクチュエータから油をタンクに戻すアクチュエータ配管寄りに設けた請求項１記載の回生システム。

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