JP6646547B2 - エネルギー回生装置、およびこれを備えた作業機械 - Google Patents

Description

本発明は、アクチュエータから吐出された作動流体のエネルギーを回生させるエネルギー回生装置、およびこれを備えた作業機械に関するものである。

従来、作業機械の油圧回路において作動油の流量を調整する手段として、バルブの絞り効果によって作動油の通過流量を制御する技術が知られている。また、アクチュエータから吐出された作動油の圧力エネルギーを、アキュムレータに回収するエネルギー回生装置が知られている。作動油は高圧側から低圧側に流れるため、アキュムレータの圧力がアクチュエータ側の圧力以上である場合、アキュムレータ側への作動油の回収が困難となる。したがって、アキュムレータに作動油を安定して回収するためには、アキュムレータの圧力をアクチュエータ側よりも低圧に設定しておく必要がある。また、アキュムレータの内圧の変動幅を抑えるためには、アキュムレータの容量を大きくする必要がある。このため、アキュムレータの大型化によって装置の大型化やコストの増大を招く問題があった。

一方、特許文献１には、アクチュエータの排出側に連通される慣性流体容器と、当該慣性流体容器を高圧側容器および低圧側容器に交互に連通させることにより、流体の慣性を利用して作動流体のエネルギーを高圧側容器側に回収する技術が開示されている。

当該エネルギー回生装置では、高圧側開閉器が閉じられるとともに低圧側開閉器が開かれると、作動流体が慣性流体容器から低圧側容器に流入する。この際、作動流体の流れにより、慣性流体容器内に流体の慣性力が発生する。この後、低圧側開閉器が閉じられるとともに高圧側開閉器が開かれると、慣性流体容器に発生した流体の慣性力により、アキュムレータへ作動流体が流入する。この結果、作動流体の圧力をアキュムレータに蓄圧することができる。

特開２０１４−１６３４１９号公報

建設現場などで使用される作業機械では、オペレータによる操作レバーの操作量に応じて、流体式アクチュエータの作動速度が制御される。特許文献１に記載された技術では、作動流体のエネルギー回生を行う場合、流体式アクチュエータの作動速度が目標速度に制御できない。このため、操作レバーの操作量と流体式アクチュエータの作動速度とが対応しないという問題があった。

本発明は、アクチュエータから排出される作動流体の流量を制御しながら、作動流体のエネルギーを回生させることが可能なエネルギー回生装置、およびこれを備えた作業機械を提供することを目的とする。

本発明の一の局面に係るエネルギー回生装置は、作動流体のエネルギーを回生させるエネルギー回生装置であって、シリンダと、前記シリンダ内で往復移動可能なピストンと、を備え、前記シリンダおよび前記ピストンによって画定されるシリンダ流体室の容積が前記ピストンの移動に伴って変化する、アクチュエータと、前記シリンダ流体室に連通する第１内部空間を備え、前記ピストンの移動に伴って前記シリンダ流体室から吐出された前記作動流体を受け入れる慣性流体容器と、前記シリンダ流体室よりも低圧に設定され前記慣性流体容器の前記第１内部空間に連通する第２内部空間を備え、前記慣性流体容器から流出した前記作動流体を受け入れる低圧側容器と、前記低圧側容器の前記第２内部空間よりも高圧に設定され前記慣性流体容器の前記第１内部空間に連通する第３内部空間を備え、前記慣性流体容器から流出した前記作動流体を受け入れる高圧側容器と、前記慣性流体容器と前記低圧側容器との間での前記作動流体の流通を許容する低圧側開口部を形成し、前記低圧側開口部を開閉させるように作動する低圧側開閉器と、前記高圧側容器と前記慣性流体容器との間での前記作動流体の流通を許容する高圧側開口部を形成し、前記高圧側開口部を開閉させるように作動する高圧側開閉器と、前記シリンダ流体室から流出する前記作動流体の流れにおいて前記慣性流体容器よりも上流側における前記作動流体の吐出圧力を取得する第１圧力取得部と、前記シリンダ流体室から流出する前記作動流体の流れにおいて前記高圧側開閉器よりも下流側における前記作動流体の高圧側圧力を取得する第２圧力取得部と、前記ピストンが前記シリンダ流体室の容積を縮小する方向に予め設定された移動速度で移動する場合についての所定の周期内における前記低圧側開口部および前記高圧側開口部の開口時間を制御するためのデューティ比を演算する演算部であって、予め設定された前記高圧側開口部および前記低圧側開口部の開口面積と、前記ピストンの移動速度に応じて設定された、前記シリンダ流体室から吐出される前記作動流体の目標流量と、前記第１圧力取得部が取得した前記吐出圧力と、前記第２圧力取得部が取得した前記高圧側圧力と、に基づいて前記デューティ比を演算する演算部と、前記慣性流体容器の連通先を前記低圧側容器と前記高圧側容器との間で交互に切り替えるように前記デューティ比に応じて前記高圧側開閉器および前記低圧側開閉器の開閉動作を制御することで、前記ピストンを前記移動速度で移動させながら、前記作動流体が前記低圧側容器に向かって流動する際に前記慣性流体容器の前記第１内部空間に発生した慣性力によって前記作動流体を前記高圧側容器に流入させる開閉器制御部と、を備える。

本構成によれば、演算部が演算するデューティ比に応じて、開閉器制御部が高圧側開閉器および低圧側開閉器の開閉動作を制御する。この結果、アクチュエータから排出される作動流体のエネルギーを高圧側容器に回収することができるとともに、アクチュエータの排出流量を制御することが可能となる。

上記の構成において、前記高圧側開口部および前記低圧側開口部の前記開口面積をＡ１、前記第１圧力取得部によって取得される前記作動流体の前記吐出圧力をＰｈ、前記第２圧力取得部によって取得される前記作動流体の前記高圧側圧力をＰａｃｃ、前記作動流体の前記目標流量をＱ１、前記周期内における前記高圧側開口部の開口時間を制御するための高圧側のデューティ比をｄ１、前記周期内における前記低圧側開口部の開口時間を制御するための低圧側のデューティ比を１−ｄ１、前記高圧側開閉器および前記低圧側開閉器に対して予め設定された定数をＣｖとした場合、前記演算部は、以下の関係式に基づいて前記高圧側のデューティ比ｄ１を演算することが望ましい。ｄ１＝（Ｐｈ−（Ｑ１／（Ｃｖ×Ａ１））^２）／Ｐａｃｃ

本構成によれば、高圧側開口部および低圧側開口部の開口面積が同じ面積に設定され、作動流体の流入先が高圧側容器と低圧側容器との間で切り替えられることで、アクチュエータから排出される作動流体の流れを安定して維持することができる。また、作動流体の流入先を高圧側容器と低圧側容器との間で高速で切り替えることで、アクチュエータから排出される作動流体の流れを安定して維持することができる。

上記の構成において、前記高圧側の前記デューティ比に対して予め設定された閾値を記憶する記憶部を備え、前記演算部によって演算された前記高圧側の前記デューティ比が前記閾値以上の場合に、前記開閉器制御部は、前記高圧側開閉器の前記高圧側開口部を閉じるとともに、前記作動流体の前記目標流量に応じて設定された逆流防止用デューティ比に基づいて前記低圧側開口部を開閉させることが望ましい。

本構成によれば、高圧側容器からアクチュエータ側に作動流体が逆流することを抑止することができる。

上記の構成において、前記演算部によって演算された前記高圧側の前記デューティ比が前記閾値以上の場合に、前記演算部は、以下の関係式に基づいて、前記逆流防止用デューティ比を演算し、ｄ２＝Ｑ１／（Ｃｖ×Ａ１×√（Ｐｈ））、前記開閉器制御部は、前記演算された逆流防止用デューティ比に基づいて前記低圧側開口部を開閉させることが望ましい。

本構成によれば、高圧側容器からアクチュエータ側に作動流体が逆流することを抑止することができる。また、逆流を抑止するために高圧側開口部が閉じられた後も、アクチュエータの排出流量を制御しながら作動流体を低圧側容器に流入させることができる。

上記の構成において、前記高圧側容器は、前記作動流体の圧力を蓄圧するアキュムレータであることが望ましい。

本構成によれば、アクチュエータから排出された作動流体のエネルギーをアキュムレータに蓄圧した後、当該エネルギーを他の目的で利用することができる。

本発明の他の局面に係る作業機械は、エンジンと、上記の何れか１に記載のエネルギー回生装置と、前記アクチュエータの前記ピストンに連結された被駆動体と、前記エンジンによって駆動されるともに、前記アクチュエータの前記シリンダ流体室に前記作動流体を供給することによって前記ピストンに連結された前記被駆動体を駆動させるポンプと、前記被駆動体を駆動するための操作を受ける操作レバーと、を備え、前記作動流体の前記目標流量は、前記操作レバーの操作量に応じて設定されている。

本構成によれば、作業者によって操作される操作レバーの操作量に応じて、アクチュエータから排出される作動流体の流量を制御しながら、作動流体のエネルギーを回生させることができる。

本発明によれば、アクチュエータから排出される作動流体の流量を制御しながら、作動流体のエネルギーを回生させることが可能なエネルギー回生装置、およびこれを備えた作業機械が提供される。

本発明の一実施形態に係る作業機械の模式的な側面図である。 図１に示す作業機械のシステム構成の一例を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係る作業機械に備えられるエネルギー回生装置の油圧回路図である。 本発明の一実施形態に係る作業機械のコントローラのブロック図である。 本発明の一実施形態に係るエネルギー回生装置に備えられる開閉器の開口時間と各開閉器の開度との関係を示したグラフである。 本発明の一実施形態に係るエネルギー回生装置に備えられる開閉器の開口面積を制御するデューティ比と作動流体の流量およびエネルギー回生率との関係を示したグラフである。 本発明の一実施形態に係る作業機械の操作レバーの操作量と作動流体の目標流量との関係を示すグラフである。 本発明の一実施形態に係るエネルギー回生装置の回生処理を示すフローチャートである。 本発明の変形実施形態に係るエネルギー回生装置の回生処理を示すフローチャートである。

以下、図面を参照しつつ、本発明の各実施形態について説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る油圧ショベル１０（作業機械）の側面図である。なお、以後、各図には、「上」、「下」、「左」、「右」、「前」および「後」などの方向が示されているが、当該方向は、本実施形態に係る油圧ショベル１０の構造を説明するために便宜上示すものであり、油圧ショベル１０の使用態様などを限定するものではない。

油圧ショベル１０は、下部走行体１１と、下部走行体１１の上に縦軸回りに旋回可能に支持された上部旋回体１２と、を備える。下部走行体１１および上部旋回体１２は、油圧ショベル１０のベースを構成する。上部旋回体１２は、上部フレーム１３と、上部フレーム１３の上に備えられた運転室１４およびカウンタウエイト１５と、を備える。上部フレーム１３は、水平方向に沿って延びる板状部材からなる。運転室１４には、油圧ショベル１０の作業者が操作する操作部などが備えられている。カウンタウエイト１５は、上部フレーム１３の後方部分に備えられ、油圧ショベル１０のバランスを保持する機能を備えている。

更に、上部フレーム１３の前方部分には、作業アタッチメント１６が装着されている。作業アタッチメント１６は、不図示の支持機構によって上部フレーム１３に支持されている。作業アタッチメント１６は、上部旋回体１２に起伏可能に装着されるブーム１７と、このブーム１７の先端に回動可能に連結されるアーム１８と、このアーム１８の先端に回動可能に連結されるバケット１９と、を備える。

作業アタッチメント１６には、ブーム用油圧アクチュエータであるブームシリンダ２０と、アーム用油圧アクチュエータであるアームシリンダ２１と、バケット用油圧アクチュエータであるバケットシリンダ２２と、が装着され、これらのシリンダは伸縮可能な油圧シリンダにより構成される。ブームシリンダ２０は、作動油の供給を受けることにより伸縮してブーム１７を起伏方向に回動させるようにブーム１７と上部旋回体１２との間に介在する。アームシリンダ２１は、作動油の供給を受けることにより伸縮してアーム１８をブーム１７に対して水平軸回りに回動させるようにアーム１８とブーム１７との間に介在する。更に、バケットシリンダ２２は、作動油の供給を受けることにより伸縮してバケット１９をアーム１８に対して水平軸回りに回動させるようにバケット１９とアーム１８との間に介在する。

なお、本発明が適用される作業機械は油圧ショベル１０に限定されない。本発明は、油圧などの流体圧によって駆動される駆動対象物を含む作業機械に広く適用されることが可能である。なお、作業アタッチメントとしては、バケットに加え、破砕機、解体機などが採用できる。

図２は、図１に示す油圧ショベル１０のシステム構成の一例を示すブロック図である。油圧ショベル１０は、エンジン２１０と、エンジン２１０の出力軸に連結された油圧ポンプ２５０と、油圧ポンプ２５０からブームシリンダ２０に対する作動油の給排を制御するコントロールバルブ２６０と、コントローラ１０６と、操作レバー１０７と、を備えている。

油圧ポンプ２５０は、エンジン２１０の動力により作動して、作動油を吐出する。油圧ポンプ２５０から吐出された作動油は、コントロールバルブ２６０によって流量制御された状態で、ブームシリンダ２０の後記のヘッド側油圧室２０３（図３）またはロッド側油圧室２０４に供給される。この結果、ブームシリンダ２０のピストン２０２Ａ（図３）に連結されたブーム１７が駆動される。なお、コントロールバルブ２６０は、コントローラ１０６によって電気的に制御されるものであって、パイロット操作式の油圧切替弁と、電磁比例弁とを備えている。油圧切替弁は、不図示のパイロットポートを備えている。油圧切替弁は、当該パイロットポートに入力されるパイロット圧に応じて開弁動作を行い、ブームシリンダ２０に供給される作動油の流量を変化させる。また、油圧切替弁は、作動油の供給先を、ブームシリンダ２０のヘッド側油圧室２０３（図３）とロッド側油圧室２０４との間で切り替える。電磁比例弁は、油圧切替弁に入力されるパイロット圧を変化させるために、コントローラ１０６から入力される制御信号に応じて油圧切替弁に流入するパイロット用の油の流量を調整する。

コントローラ１０６は、操作レバー１０７の操作量に応じて、上記のコントロールバルブ２６０の電磁比例弁の開度を設定するための制御信号を出力する。操作レバー１０７は、運転室１４の内部に備えられ、作業者によって操作される。操作レバー１０７は、ブーム１７を含む作業アタッチメント１６を操作するための操作を受ける。

ブームシリンダ２０は、作動油の供給を受けて伸縮する。なお、図２では、コントロールバルブ２６０がブームシリンダ２０と油圧ポンプ２５０との間に配置される態様で示しているが、図１のアームシリンダ２１およびバケットシリンダ２２と油圧ポンプ２５０との間にも、それぞれ同様のコントロールバルブ２６０が備えられている。コントローラ１０６の制御信号を受けて、各シリンダは独立して制御可能とされる。

更に、図２に示すように、油圧ショベル１０は、回生装置１００（エネルギー回生装置）を備えている。回生装置１００は、ブームシリンダ２０から吐出された作動油のエネルギーを回生させる機能を備えている。図３は、回生装置１００の油圧回路図である。また、図４は、コントローラ１０６のブロック図である。

回生装置１００は、前述のブームシリンダ２０（アクチュエータ）、コントローラ１０６に加え、慣性流体容器１０２と、低圧側開閉器１０３と、高圧側開閉器１０４と、アキュムレータ１０５（高圧側容器）と、チェック弁１０９と、油タンク１１０（低圧側容器）と、第１圧力計１１１（第１圧力取得部）と、第２圧力計１１２（第２圧力取得部）と、を備える。

前述のブームシリンダ２０は、シリンダ２０１と、ピストン２０２と、ピストンロッド２０２Ａと、を備える。ピストン２０２は、シリンダ２０１内で往復移動可能とされる。シリンダ２０１およびピストン２０２によって、ヘッド側油圧室２０３（シリンダ流体室）と、ロッド側油圧室２０４と、が画定される。ピストン２０２の一方の側面にはピストンロッド２０２Ａが接続されている。ピストンロッド２０２Ａの先端には、ブームシリンダ２０の作動負荷となる前述のブーム１７（被駆動体）が連結されている。

ヘッド側油圧室２０３は、シリンダ２０１の内部に形成され作動油（作動流体）が封入される。ヘッド側油圧室２０３の容積は、ピストン２０２の往復移動に伴って変化する。同様に、ロッド側油圧室２０４は、シリンダ２０１の内部に形成され作動油が封入される。ロッド側油圧室２０４の容積は、ピストン２０２の往復移動に伴って可変とされる。すなわち、図３において、ピストン２０２が上昇する場合、ヘッド側油圧室２０３の容積が増大しロッド側油圧室２０４の容積が縮小する。一方、ピストン２０２が下降する場合、ヘッド側油圧室２０３の容積が縮小しロッド側油圧室２０４の容積が増大する。

慣性流体容器１０２は、ブームシリンダ２０のヘッド側油圧室２０３に連通する内部空間（第１内部空間）を備えている。慣性流体容器１０２は、ピストン２０２の移動に伴ってヘッド側油圧室２０３から吐出された作動油を受け入れる。本実施形態では、慣性流体容器１０２は、所定の内径を備えたパイプからなる。

油タンク１１０は、ブームシリンダ２０のヘッド側油圧室２０３よりも低圧に設定された内部空間（第２内部空間）を備えている。当該油タンク１１０の内部空間は、慣性流体容器１０２の内部空間に連通する。油タンク１１０は、慣性流体容器１０２から流出した作動油を受け入れる。アキュムレータ１０５は、油タンク１１０の内部空間よりも高圧に設定された内部空間（第３内部空間）を備えている。当該アキュムレータ１０５の内部空間は、慣性流体容器１０２の内部空間に連通する。アキュムレータ１０５は、慣性流体容器１０２から流出した作動油を受け入れる。この際、アキュムレータ１０５は、作動油の圧力を蓄圧する。

低圧側開閉器１０３は、慣性流体容器１０２と油タンク１１０との間に配置された開閉弁（電磁切替弁）である。低圧側開閉器１０３は、慣性流体容器１０２と油タンク１１０との間での作動油の流通を許容する不図示の開口部（低圧側開口部）を形成しており、当該開口部を開閉することで、慣性流体容器１０２と油タンク１１０とを連通および遮断する。

同様に、高圧側開閉器１０４は、慣性流体容器１０２とアキュムレータ１０５との間に配置された開閉弁（電磁切替弁）である。慣性流体容器１０２と油タンク１１０との間での作動油の流通を許容する不図示の開口部（高圧側開口部）を形成しており、当該開口部を開閉することで、慣性流体容器１０２と油タンク１１０とを連通および遮断する。なお、低圧側開閉器１０３の低圧側開口部および高圧側開閉器１０４の高圧側開口部の開口面積は、予め所定の開口面積Ａ１に設定されている。

第１圧力計１１１は、慣性流体容器１０２よりもブームシリンダ２０のヘッド側油圧室２０３側における作動油の吐出圧力Ｐｈを検出（取得）する。換言すれば、第１圧力計１１１は、ヘッド側油圧室２０３から流出する作動油の流れにおいて、慣性流体容器１０２よりも上流側における作動油の吐出圧力Ｐｈを検出する。また、第２圧力計１１２は、高圧側開閉器１０４よりもアキュムレータ１０５側における作動油の高圧側圧力Ｐａｃｃ（アキュムレータ圧）を検出（取得）する。換言すれば、第２圧力計１１２は、ヘッド側油圧室２０３から流出する作動油の流れにおいて、高圧側開閉器１０４よりも下流側における作動油の高圧側圧力Ｐａｃｃを検出する。

なお、油圧ショベル１０の内部には、ヘッド側油路Ｌ１とロッド側油路Ｌ２とが、それぞれ配設されている。ヘッド側油路Ｌ１では、作動油が、ブームシリンダ２０のヘッド側油圧室２０３から慣性流体容器１０２を介して低圧側開閉器１０３またはアキュムレータ１０５に至る。ロッド側油路Ｌ２では、作動油が、ロッド側油圧室２０４から油タンク１１０に至る。チェック弁１０９は、ブーム下げ動作時に、ブームシリンダ２０に対して不足流量を油タンク１１０から補う機能（アンチキャビチェック機能）を備えている。

図４を参照して、コントローラ１０６は、油圧ショベル１０を統括的に制御するもので、制御信号の送受先として、操作レバー１０７、第１圧力計１１１、第２圧力計１１２、低圧側開閉器１０３、高圧側開閉器１０４などに電気的に接続されている。コントローラ１０６は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、制御プログラムを記憶するＲＯＭ（Read Only Memory）、ＣＰＵの作業領域として使用されるＲＡＭ（Random Access Memory）等から構成され、ＣＰＵが前記制御プログラムを実行することにより、演算部１５１、記憶部１５２および回生制御部１５３（開閉器制御部）を機能的に有するように動作する。

演算部１５１は、ピストン２０２がブームシリンダ２０のヘッド側油圧室２０３の容積を縮小する方向に移動する場合についての低圧側開閉器１０３および高圧側開閉器１０４の開閉動作を制御するためのデューティ比ｄ１を演算する。このデューティ比ｄ１は、ブームシリンダ２０のヘッド側油圧室２０３から吐出される作動油の目標流量Ｑ１に応じて設定される。記憶部１５２は、操作レバー１０７の操作量に応じた作動油の目標流量Ｑ１の情報を記憶している。また、記憶部１５２は、作動油がアキュムレータ１０５側から慣性流体容器１０２側に逆流することを抑止するために、予め設定されたデューティ比閾値ｄｃ（閾値）を記憶している。これらの情報は、必要に応じて記憶部１５２から出力される。

回生制御部１５３は、慣性流体容器１０２の連通先を油タンク１１０とアキュムレータ１０５との間で交互に切り替えるように、低圧側開閉器１０３および高圧側開閉器１０４の開閉動作を上記のデューティ比ｄ１に基づいて制御する。

次に、図２乃至図４に加え、図５および図６を参照して、回生装置１００のエネルギー回生処理について説明する。図５は、回生装置１００に備えられる低圧側開閉器１０３および高圧側開閉器１０４の開口時間と各開閉器の開度との関係を示したグラフである。図６は、本実施形態に係る回生装置１００に備えられる低圧側開閉器１０３および高圧側開閉器１０４の開口面積を制御するデューティ比と作動油の流量およびエネルギー回生率との関係を示したグラフである。

回生装置１００では、コントローラ１０６が高圧側開閉器１０４の開口部を閉じ、低圧側開閉器１０３の開口部を開くと、慣性流体容器１０２内の作動油が油タンク１１０に流入する。この際、作動油の流れにより慣性流体容器１０２の内部空間に流体の慣性力が発生する。次に、コントローラ１０６が低圧側開閉器１０３の開口部を閉じ、高圧側開閉器１０４の開口部を開くと、上記のように慣性流体容器１０２に発生した流体の慣性力によって、アキュムレータ１０５に作動油を流しこみ、蓄圧することができる。なお、アキュムレータ１０５の圧力が慣性流体容器１０２の圧力以上であっても、慣性流体容器１０２内に流体の慣性力が持続されている間は、作動油をアキュムレータ１０５に流しこみ蓄圧することができる。

なお、慣性流体容器１０２内の流体の慣性力は時間とともに低下する。このため、コントローラ１０６が再び高圧側開閉器１０４を閉じ、低圧側開閉器１０３を開くことで、流体の慣性力を回復させることができる。このため、コントローラ１０６は、低圧側開閉器１０３および高圧側開閉器１０４の開閉周期を所定の周期で交互に切り替える。このような構成によれば、アキュムレータ１０５の圧力がブームシリンダ２０のヘッド側油圧室２０３の圧力以上であっても、アキュムレータ１０５にエネルギーを回生し蓄圧することが可能となる。

図５を参照して、エネルギー回収動作を行う場合は、コントローラ１０６が低圧側開閉器１０３および高圧側開閉器１０４の開放および遮断動作（開閉動作）を交互に高速で切り替える。詳しくは、図４に示すように、コントローラ１０６の回生制御部１５３は、制御電流出力部と、ＰＷＭ変換器と、駆動回路と、を備えている。制御電流出力部は、低圧側開閉器１０３および高圧側開閉器１０４の開閉動作を制御するためのパルス信号を出力する。ここで、パルス信号は所定の矩形波からなり、当該パルス信号のデューティ比ｄによって低圧側開閉器１０３および高圧側開閉器１０４の開閉時間がそれぞれ制御される。図５を参照して、デューティ比ｄは下記の式１によって定義される。ここで、Ｔ１は低圧側開閉器１０３および高圧側開閉器１０４の開閉の１サイクルあたりの時間（周期）であり、Ｔ２は１サイクルにおいて高圧側開閉器１０４が開いている時間である。すなわち、式１で定義されるデューティ比ｄは、周期Ｔ１内における高圧側開口部１０４の開口時間を制御するための高圧側のデューティ比ｄ１に相当する。また、一例として、低圧側開閉器１０３および高圧側開閉器１０４の開閉動作を制御するためのパルス信号の周波数は、１００Ｈｚに設定されている。

なお、低圧側開閉器１０３が開いている時間は、Ｔ１−Ｔ２に相当する。このため、周期Ｔ１内における低圧側開口部１０３の開口時間を制御するための低圧側のデューティ比ｄ２は、１−ｄ１に相当する。このように、作動油の流入先をアキュムレータ１０５と油タンク１１０との間で高速で切り替えることで、ブームシリンダ２０から排出される作動油の流れを安定して維持することができる。

なお、回生装置１００の設計段階において、低圧側開閉器１０３および高圧側開閉器１０４の開口面積Ａ１が設定される。ブームシリンダ２０から吐出される作動油の流量の最大値をＱｍａｘとした場合、低圧側開閉器１０３および高圧側開閉器１０４の開口面積Ａ１は式２によって設計される。

Ｐｈは、第１圧力計１１１（図３）によって測定可能な作動油の吐出圧力であり、式２のＰｈ０は、設計段階でＡ１を決定するための吐出圧力設計値である。なお、油圧ショベル１０の実際の運転時には、吐出圧力Ｐｈは、ブーム１７の加減速時の慣性力あるいはブーム１７にかかる負荷の有無により変動する。このため、回生装置１００の設計段階では、ブームシリンダ２０の標準負荷に相当するブーム１７の質量をＭ、ブームシリンダ２０のヘッド側面積をＡｈとした場合、吐出圧力設計値Ｐｈ０は、下記の式３によって算出される。なお、式３でｇは重力加速度である。

図６では、低圧側開閉器１０３および高圧側開閉器１０４を制御するためのパルス信号のデューティ比ｄを変化させたときの作動油の流量Ｑおよび回生率η（回生効率）を示している。図６のグラフでは、低圧側開閉器１０３および高圧側開閉器１０４の各開口部の面積がいずれもＡ１に設定されている。なお、回生率ηとは、ブームシリンダ２０から吐出された作動油のエネルギーをアキュムレータ１０５側に回収する割合を示しており、下記の式４で定義される。

式４において、Ｑａｃｃは、アキュムレータ１０５に流入する作動油の流量であり、Ｑｈは、ブームシリンダ２０のヘッド側油圧室２０３から流出した作動油の流量である。Ｐａｃｃは、第２圧力計１１２によって計測されるアキュムレータ圧であり、Ｐｈは第１圧力計１１１によって計測される作動油の吐出圧である。

図６を参照して、デューティ比ｄが１．０に近づくと作動油の流量が低下し、０に近づくと作動油の流量が増加する。このため、作動油の流量を高く維持するためにはデューティ比ｄを０に近づける方が好ましい。しかしながら、ディーティ比ｄが０に近づくと図６のように回生率ηが低下する。これは、デューティ比ｄ＝０の条件とは、常に低圧側開閉器１０３側が開かれ、高圧側開閉器１０４側が閉じている状態に相当するためである。このため、望ましい目標デューティ比ｄは、作動油の流量および回生効率ηの両立を図るために０と１の間であって、中央（０．５）に近い領域、特に０．３≦ｄ≦０．７の範囲に設定されることが好ましい。

次に、油圧ショベル１０の運転時に、コントローラ１０６が実行する回生処理動作について説明する。図７は、本実施形態に係る油圧ショベル１０の操作レバー１０７の操作量とシリンダ目標流量Ｑ１との関係を示すグラフである。図７のグラフに対応するデータは、コントローラ１０６の記憶部１５２（図４）に記憶されている。シリンダ目標流量Ｑ１は、操作レバー１０７の操作量に応じてピストン２０２を所定の速度で移動させるために、ブームシリンダ２０から吐出される作動油の流量に相当する。

油圧ショベル１０の作業者がブーム１７を操作するにあたって、操作レバー１０７の操作量に応じてブーム１７の移動速度が設定される。要求されるブーム１７の移動速度に等しくなるようにブームシリンダ２０のピストン２０２の移動速度が設定されることで、作業者の操作性が高く維持される。本実施形態では、ブーム１７（ピストン２０２）の移動速度（作動油の吐出流量）が制御可能とされながら、吐出される作動油のエネルギーをアキュムレータ１０５に回収するために、コントローラ１０６が回生処理動作を実行する。

図８は、本実施形態に係る回生装置１００の回生処理動作を示すフローチャートである。油圧ショベル１０の作業者によって、操作レバー１０７のレバー操作が実行される（図８のステップＳ１）。なお、本実施形態では、作業者がブーム１７を下降させる場合、すなわち、図３において、ピストン２０２が下降しヘッド側油圧室２０３の容積が縮小する際に、コントローラ１０６が回生処理動作を実行する。操作レバー１０７によってブーム１７の下降動作が操作されると、コントローラ１０６は、記憶部１５２に格納された図７の情報（関係式）に基づいて、シリンダ目標流量Ｑ１（作動油の吐出流量）を決定する（図８のステップＳ２）。

次に、コントローラ１０６は、第１圧力計１１１および第２圧力計１１２を制御して、それぞれシリンダ吐出圧Ｐｈおよびアキュムレータ圧Ｐａｃｃを検出する（図８のステップＳ３）。

更に、コントローラ１０６の演算部１５１は、ステップＳ２で決定されたシリンダ目標流量Ｑ１、ステップＳ３で検出されたシリンダ吐出圧Ｐｈおよびアキュムレータ圧Ｐａｃｃに加え、予め設定され記憶部１５２に記憶された低圧側開閉器１０３および高圧側開閉器１０４の開口部の開口面積Ａ１から、式５に基づいて、低圧側開閉器１０３および高圧側開閉器１０４の開閉動作制御するためのデューティ比ｄを演算する（図８のステップＳ４）。なお、式５では、高圧側開閉器１０４の開閉動作を制御するためのデューティ比ｄ１が演算される。前述のように、低圧側開閉器１０３の開閉動作を制御するためのデューティ比は、１−ｄ１に相当する。

なお、式５においても、Ｃｖは低圧側開閉器１０３および高圧側開閉器１０４を構成するバルブの流量係数（定数）である。

次に、コントローラ１０６は、上記で演算されたデューティ比ｄ１に応じて高圧側開閉器および低圧側開閉器の開閉動作を交互に制御する（図８のステップＳ５）。

その後、作業者による操作レバー１０７の操作が継続されている場合（ステップＳ６でＹＥＳ）、コントローラ１０６は操作レバー１０７の操作量に応じた回生処理動作をステップＳ１から繰り返す。一方、操作レバー１０７の操作が終了した場合（ステップＳ６でＮＯ）、コントローラ１０６は回生処理動作を終了する。

以上のように、本実施形態では、コントローラ１０６の演算部１５１は、ブームシリンダ２０のピストン２０２がヘッド側油圧室２０３の容積を縮小する方向に予め設定された移動速度で移動する場合についての所定の周期内における低圧側開閉器１０３および高圧側開閉器１０４の各開口部の開口時間を制御するためのデューティ比を演算する。この際、演算部１５１は、予め設定された低圧側開閉器１０３および高圧側開閉器１０４の各開口部の開口面積Ａ１と、ピストン２０２の移動速度に応じて設定された作動油の目標流量Ｑ１と、第１圧力計１１１が検出した吐出圧力Ｐｈと、第２圧力計１１２が検出した高圧側圧力Ｐａｃｃ（アキュムレータ圧）とに基づいて、上記のデューティ比ｄ１を演算する。そして、コントローラ１０６の回生制御部１５３は、慣性流体容器１０２の連通先を油タンク１１０とアキュムレータ１０５との間で交互に切り替えるようにデューティ比ｄ１に応じて低圧側開閉器１０３および高圧側開閉器１０４の開閉動作を制御する。この結果、回生制御部１５３は、ピストン２０２を所望の移動速度で移動させながら、作動油が油タンク１１０に向かって流動する際に慣性流体容器１０２の内部空間に発生した慣性力によって、作動油をアキュムレータ１０５に流入させる。このような処理によって、ブームシリンダ２０から排出される作動油のエネルギーをアキュムレータ１０５側に回収することが可能となるとともに、ブームシリンダ２０の排出流量を制御することが可能となる。このため、油圧ショベル１０のような作業機械において、作業者による操作レバー１０７の操作量に応じて、ブームシリンダ２０の作動速度を制御することが可能となる。なお、ブームシリンダ２０の吐出圧Ｐｈがアキュムレータ１０５側のアキュムレータ圧Ｐａｃｃよりも高い場合であっても、上記のような回生制御を行うことで、ブームシリンダ２０から排出される作動油のエネルギーをアキュムレータ１０５側に回収することができる。したがって、作動油のエネルギー回収のために作業者による操作レバーの操作性が低下することが抑止される。

また、本実施形態では、低圧側開閉器１０３および高圧側開閉器１０４の開口面積Ａ１が同じ面積に設定されている。この場合、慣性流体容器１０２に連通する作動流体の流入先が低圧側開閉器１０３と高圧側開閉器１０４との間で切り替えられる際に、開口部の断面積が変化しないため、作動油の流れを安定して維持することができる。また、上記のように、低圧側開閉器１０３および高圧側開閉器１０４には、開口面積の調整機能がない単純なオンオフ制御に基づく切替弁を用いることができるため、簡易な構成でエネルギー回生を行うことができる。

更に、本実施形態では、図６に示すように、切替弁を制御するデューティ比ｄが０に近づけられることで、作動油の流量Ｑを増大させることができる。このため、低圧側開閉器１０３および高圧側開閉器１０４に開口面積の調整機能を備えた複雑なメータリング弁などが使用される場合と比較して、作動油の流量Ｑを調整可能としながら回生装置１００をコンパクトに設定することができる。

以上、本発明の一実施形態に係る回生装置１００およびこれを備えた油圧ショベル１０について説明した。このような油圧ショベル１０によれば、作業者によって操作される操作レバー１０７の操作量に応じて、ブームシリンダ２０から排出される作動油の流量を制御しながら、作動油のエネルギーを回生させることができる。

なお、本発明はこれらの形態に限定されるものではない。本発明に係る建設機械として、以下のような変形実施形態が可能である。

（１）上記の実施形態では、図８のステップＳ４において演算部１５１（図４）によってデューティ比ｄ１が演算されると、回生制御部１５３（図４）が低圧側開閉器１０３および高圧側開閉器１０４のデューティ比を上記のｄ１に基づいて設定する態様（図８のステップＳ５）にて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。図９は、本発明の変形実施形態に係る回生装置１００（エネルギー回生装置）の回生処理を示すフローチャートである。なお、本変形実施形態では、先の実施形態と相違する点について説明し、共通する点の説明を省略する。

本変形実施形態は、アキュムレータ１０５から慣性流体容器１０２への作動油の逆流を未然に防止する機能を備える点に特徴を有する。図６に示すように、高圧側開閉器１０４の開口時間を制御するデューティ比ｄ（ｄ１）が１に近づくに従って、回生率ηが低下する。更に、図６では、デューティ比がｄｃ以上（流量ＱがＱｃ以下）に設定された場合、回生率ηが０となり、アキュムレータ１０５（図３）からブームシリンダ２０への逆流が発生する。本実施形態では、この逆流が発生しない限界（条件）である、回生可能限界デューティ比ｄｃ（閾値）が、予め実験あるいは解析で求められており、記憶部１５２（図４）に記憶されている。

図９では、ステップＳ１１からステップＳ１４までは、図８のステップＳ１からステップＳ４に相当する。そして、ステップＳ１５において、回生制御部１５３は、演算部１５１によって演算されたデューティ比ｄ１が、回生可能限界デューティ比ｄｃを下回っている場合（ステップＳ１５でＹＥＳ）、先の実施形態と同様の制御を行う（図９のステップＳ１６、Ｓ１７）。一方、演算されたデューティ比ｄ１が回生可能限界デューティ比ｄｃ以上の場合（ステップＳ１５でＮＯ）、まず、演算部１５１が、以下の式６に基づいて逆流防止用デューティ比ｄ２を演算する（ステップＳ１８）。この逆流防止用デューティ比ｄ２は、低圧側開閉器１０３のみが開口される場合でも、作動油の目標流量Ｑ１が維持されるように設定されている。なお、他の変形実施形態において、逆流防止用デューティ比ｄ２は予め演算され、記憶部１５２に記憶されてもよい。前述のように、Ｃｖは低圧側開閉器１０３の流量係数（定数）であり、Ａ１は低圧側開閉器１０３の開口部の開口面積であり、Ｐｈは第１圧力計１１１によって検出される吐出圧である。

そして、回生制御部１５３は、高圧側開閉器１０４の開口部を閉止するとともに、演算された逆流防止用デューティ比ｄ２に基づいて低圧側開閉器１０３を開閉させる（図９でステップＳ１９）。この結果、作動油の回生は行われないが、作動油の流量が目標値Ｑ１に維持されながら、作動油が油タンク１１０に排出される。その後、先の実施形態と同様に、操作レバー１０７の操作状態に応じて、回生処理動作が繰り返される。

このように、本変形実施形態によれば、作動油の回生が可能な領域（図６の回生可能領域参照）では、ブームシリンダ２０のエネルギーをアキュムレータ１０５に回生させることができる。一方、作動油の回生が困難な条件（図６の逆流領域参照）においては、アキュムレータ１０５からブームシリンダ２０への逆流を防止することができる。この結果、アキュムレータ１０５に蓄えられた圧油のエネルギーが無駄に流出することが抑止され、安定したエネルギー回生効果を得ることができる。なお、アキュムレータ１０５からブームシリンダ２０側に作動油が逆流することを確実に防止するために、高圧側開閉器１０４の上流または下流に、不図示のチェック弁が設けられてもよい。

（２）また、上記の各実施形態では、第１圧力計１１１（図３）がＰｈ（吐出圧）を実際に測定、取得する態様にて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。前述の式３によってＰｈの値が推定され、取得された推定値が、式５に基づく演算時に用いられてもよい。

（３）また、上記の実施形態では、低圧側開閉器１０３および高圧側開閉器１０４の開口面積Ａが同じ面積に設定される態様にて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。図８のステップＳ４において、演算部１５１は、前述の式５に代えて、以下の式７、式８および式９を用いてデューティ比ｄ１を演算することができる。

式７において、Ａｈは、高圧側開閉器１０４の開口面積であり、式８において、Ａｒは低圧側開閉器１０３の開口面積である。また、式９のＱ１はブームシリンダ２０から吐出される作動油の目標流量であり、Ｑ１ｈは、Ｑ１のうち高圧側開閉器１０４を通過する作動油の流量、Ｑ１ｒは、Ｑ１のうち低圧側開閉器１０３を通過する作動油の流量である。その他の定数および変数は前述の実施形態と同様である。この場合、演算部１５１は、式７〜式９を満たすようなｄ１の値を数値解析などによって算出する。この際、デューティ比ｄ１と作動油の目標流量Ｑ１との関係がマップ、テーブルなどの情報として演算部１５１に格納され、以後の制御に当該情報が使用されてもよい。このように、本変形実施形態では、高圧側開閉器１０４および低圧側開閉器１０３の各開口部の開口面積Ａｈ、Ａｒを互いに異なるように設定した場合であっても、ブームシリンダ２０のエネルギーをアキュムレータ１０５に回生させることができる。

（４）また、上記の実施形態では、本発明の高圧側容器としてアキュムレータ１０５を用いて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。高圧側容器として、公知の回生モーターが備えられ、慣性流体容器１０２から流出された作動流体のエネルギーによって、当該回生モーターが回転駆動される態様でもよい。また、図１のアームシリンダ２２が高圧側容器として機能し、慣性流体容器１０２から流出された作動油（作動流体）が、当該アームシリンダ２２に供給される態様でもよい。この場合、供給される作動油によって、アーム押し作業がアシストされる。

１０ 油圧ショベル（作業機械）
１１ 下部走行体
１２ 上部旋回体
１７ ブーム（被駆動体）
２０ ブームシリンダ（アクチュエータ）
１００ 回生装置
１０２ 慣性流体容器
１０３ 低圧側開閉器
１０４ 高圧側開閉器
１０５ アキュムレータ（高圧側容器）
１０６ コントローラ
１０７ 操作レバー
１０９ チェック弁
１１０ 油タンク（低圧側容器）
１１１ 第１圧力計（第１圧力取得部）
１１２ 第２圧力計（第２圧力取得部）
１５１ 演算部
１５２ 記憶部
１５３ 回生制御部（開閉器制御部）
２０１ シリンダ
２０２ ピストン
２０２Ａ ピストンロッド
２０３ ヘッド側油圧室
２０４ ロッド側油圧室
２１０ エンジン
２５０ 油圧ポンプ（ポンプ）
Ｌ１ ヘッド側油路
Ｌ２ ロッド側油路

Claims (6)

1. 作動流体のエネルギーを回生させるエネルギー回生装置であって、
   シリンダと、前記シリンダ内で往復移動可能なピストンと、を備え、前記シリンダおよび前記ピストンによって画定されるシリンダ流体室の容積が前記ピストンの移動に伴って変化する、アクチュエータと、
   前記シリンダ流体室に連通する第１内部空間を備え、前記ピストンの移動に伴って前記シリンダ流体室から吐出された前記作動流体を受け入れる慣性流体容器と、
   前記シリンダ流体室よりも低圧に設定され前記慣性流体容器の前記第１内部空間に連通する第２内部空間を備え、前記慣性流体容器から流出した前記作動流体を受け入れる低圧側容器と、
   前記低圧側容器の前記第２内部空間よりも高圧に設定され前記慣性流体容器の前記第１内部空間に連通する第３内部空間を備え、前記慣性流体容器から流出した前記作動流体を受け入れる高圧側容器と、
   前記慣性流体容器と前記低圧側容器との間での前記作動流体の流通を許容する低圧側開口部を形成し、前記低圧側開口部を開閉させるように作動する低圧側開閉器と、
   前記高圧側容器と前記慣性流体容器との間での前記作動流体の流通を許容する高圧側開口部を形成し、前記高圧側開口部を開閉させるように作動する高圧側開閉器と、
   前記シリンダ流体室から流出する前記作動流体の流れにおいて前記慣性流体容器よりも上流側における前記作動流体の吐出圧力を取得する第１圧力取得部と、
   前記シリンダ流体室から流出する前記作動流体の流れにおいて前記高圧側開閉器よりも下流側における前記作動流体の高圧側圧力を取得する第２圧力取得部と、
   前記ピストンが前記シリンダ流体室の容積を縮小する方向に予め設定された移動速度で移動する場合についての所定の周期内における前記低圧側開口部および前記高圧側開口部の開口時間を制御するためのデューティ比を演算する演算部であって、予め設定された前記高圧側開口部および前記低圧側開口部の開口面積と、前記ピストンの移動速度に応じて設定された、前記シリンダ流体室から吐出される前記作動流体の目標流量と、前記第１圧力取得部が取得した前記吐出圧力と、前記第２圧力取得部が取得した前記高圧側圧力と、に基づいて前記デューティ比を演算する演算部と、
   前記慣性流体容器の連通先を前記低圧側容器と前記高圧側容器との間で交互に切り替えるように前記デューティ比に応じて前記高圧側開閉器および前記低圧側開閉器の開閉動作を制御することで、前記ピストンを前記移動速度で移動させながら、前記作動流体が前記低圧側容器に向かって流動する際に前記慣性流体容器の前記第１内部空間に発生した慣性力によって前記作動流体を前記高圧側容器に流入させる開閉器制御部と、
   を備えるエネルギー回生装置。
2. 前記高圧側開口部および前記低圧側開口部の前記開口面積をＡ１、前記第１圧力取得部によって取得される前記作動流体の前記吐出圧力をＰｈ、前記第２圧力取得部によって取得される前記作動流体の前記高圧側圧力をＰａｃｃ、前記作動流体の前記目標流量をＱ１、前記周期内における前記高圧側開口部の開口時間を制御するための高圧側のデューティ比をｄ１、前記周期内における前記低圧側開口部の開口時間を制御するための低圧側のデューティ比を１−ｄ１、前記高圧側開閉器および前記低圧側開閉器に対して予め設定された定数をＣｖとした場合、前記演算部は、以下の関係式に基づいて前記高圧側のデューティ比ｄ１を演算する請求項１に記載のエネルギー回生装置。
   ｄ１＝（Ｐｈ−（Ｑ１／（Ｃｖ×Ａ１））^２）／Ｐａｃｃ
3. 前記高圧側の前記デューティ比に対して予め設定された閾値を記憶する記憶部を備え、
   前記演算部によって演算された前記高圧側の前記デューティ比が前記閾値以上の場合に、前記開閉器制御部は、前記高圧側開閉器の前記高圧側開口部を閉じるとともに、前記作動流体の前記目標流量に応じて設定された逆流防止用デューティ比に基づいて前記低圧側開口部を開閉させる請求項２に記載のエネルギー回生装置。
4. 前記演算部によって演算された前記高圧側の前記デューティ比が前記閾値以上の場合に、前記演算部は、以下の関係式に基づいて、前記逆流防止用デューティ比を演算し、
   ｄ２＝Ｑ１／（Ｃｖ×Ａ１×√（Ｐｈ））
   前記開閉器制御部は、前記演算された逆流防止用デューティ比に基づいて前記低圧側開口部を開閉させる請求項３に記載のエネルギー回生装置。
5. 前記高圧側容器は、前記作動流体の圧力を蓄圧するアキュムレータである請求項１乃至４の何れか１項に記載のエネルギー回生装置。
6. 作業機械であって、
   エンジンと、
   請求項１乃至５の何れか１項に記載のエネルギー回生装置と、
   前記アクチュエータの前記ピストンに連結された被駆動体と、
   前記エンジンによって駆動されるともに、前記アクチュエータの前記シリンダ流体室に前記作動流体を供給することによって前記ピストンに連結された前記被駆動体を駆動させるポンプと、
   前記被駆動体を駆動するための操作を受ける操作レバーと、
   を備え、
   前記作動流体の前記目標流量は、前記操作レバーの操作量に応じて設定されている作業機械。
   

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