JP2003314510A - 油圧エネルギー回生システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】油圧エネルギーにより蓄えられた作業機アクチ
ュエータの位置エネルギーを、作業機の自重によるアク
チュエータの戻り工程において取り出して使用すること
のできる油圧エネルギー回生システムを提供する。 【解決手段】ピストン１５の先端に取り付けた作業機が
自重によって下降を開始すると、シリンダー室１６から
出力された戻り油は、戻り油管路１７を通って可変絞り
弁２により減圧されて流量制御弁３に流入され、所定の
油圧流量となって管路２０、２１に流入される。エンジ
ン９により回転駆動されポンプ作用を行っていたポンプ
モータ４は、管路２１内に流入した戻り油の圧力によっ
て駆動され、ポンプ作動からモータ作動を行うことにな
り、アクチュエータ１に蓄えられていた位置エネルギー
の回生が行われる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】油圧エネルギーにより蓄えら
れた作業機アクチュエータの位置エネルギー（作業機を
上昇した位置に持ち上げたことにより作業機の位置エネ
ルギーは高くなる。このとき、作業機アクチュエータに
蓄えられる油圧エネルギーを、作業機の位置エネルギー
が高められたことに対応するエネルギーとして、以下、
位置エネルギーと呼ぶことにする。）を、作業機アクチ
ュエータの戻り工程において回生させる回生システムに
関するものである。

【０００２】

【従来技術】従来から、油圧ポンプから供給された圧油
によって作業機アクチュエータに伸張動作を行わせ、作
業機を上昇させる作業が行われている。上昇した作業機
を作業機の自重により下降させて戻す場合には、アクチ
ュエータからタンクへの戻り油の圧力を一定の割合で減
少させるために、アクチュエータとタンク間に可変絞り
を設けている。同可変絞りの絞り量を調整することによ
って、作業機の下降速度が一定となるようにしていた。

【０００３】従来から用いられていた作業機アクチュエ
ータにおいては、アクチュエータに蓄えられた位置エネ
ルギーは有効に利用されず、作業機の下降工程では作業
機の上昇工程時に蓄えた位置エネルギーはそのまま捨て
られていた。可変絞りを介して戻り油の圧力を減少させ
ることによって、位置エネルギーは熱エネルギー等とな
って放出され、また、熱エネルギーによって油が暖めら
れることによって、油の劣化が促進されるといった悪影
響も出ていた。更に、蓄えた位置エネルギーを熱エネル
ギーとして放出することは、エネルギーロスになるとと
もに、放出した熱エネルギーによって発熱した油を冷却
するためにオイルクーラを大型化する必要があった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明では、上記従来
の問題を解決し、油圧エネルギーにより蓄えられた作業
機アクチュエータの位置エネルギーを、作業機の自重に
よるアクチュエータの戻り工程において取り出して使用
することのできる油圧エネルギー回生システムを提供す
ることにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本願発明の課題は本件請
求項１〜５に記載された各発明により達成される。即
ち、本件請求項１に係る発明は、作業機の自重により縮
小動作を行う作業機アクチュエータと、原動機に接続さ
れたポンプモータと、前記ポンプモータの入口側回路に
配置した逆止め弁と、前記逆止め弁の下流側に接続した
前記作業機アクチュエータの戻り油回路とを備えたこと
を特徴とする油圧エネルギー回生システムにある。

【０００６】この発明では、作業機の自重による縮小動
作時に作業機アクチュエータから戻される油を、戻り油
回路からポンプモータに供給することができる。しか
も、同戻される油が逆止め弁によって入口側回路を経て
タンク等に戻されることがなく、同戻される油の油圧流
量をポンプモータにモータ作用を行わせる動作流体とし
て用いることができる。これによって、作業機アクチュ
エータが伸張時に蓄えた位置エネルギーを有効に回生さ
せることができる。ポンプモータとしては、定容量型の
ポンプモータ又は可変容量型のポンプモータを用いるこ
とができる。

【０００７】請求項２に係わる発明は、請求項１の事項
に加えて、戻り油回路が可変絞り弁及び流量制御弁を有
してなる事項を限定した油圧エネルギー回生システムに
ある。この発明では、アクチュエータからの戻り油回路
に可変絞り弁及び流量制御弁を設けたことにより、アク
チュエータからの戻り流量をエネルギー回生するポンプ
モータの流量となるように最適に調整することができる
とともに、作業機の自重による下降速度を所望の速度と
なるように制御することができる。更に、ポンプモータ
が接続されている原動機の回転数に応じて、ポンプモー
タに供給する戻り油の油圧流量を調整することができ
る。

【０００８】請求項３に係わる発明は、請求項１の構成
に加えて、逆止め弁とポンプモータ間に、圧力制御弁を
配してなる事項を特定した油圧エネルギー回生システム
にある。この発明では、圧力制御弁を設けたことによ
り、ポンプモータに供給する戻り油の圧力をポンプモー
タの定格圧力より高くならないように調整することがで
きる。ポンプモータの入口側における戻り油の圧力がポ
ンプモータの圧力より高くなったときには、圧力調整弁
から戻り油を流出させることでポンプモータの入口側に
おける戻り油の圧力を調整することができる。

【０００９】請求項４に係わる発明は、請求項１の事項
に加えて、ポンプモータが、定容量型である事項を限定
した油圧エネルギー回生システムにある。この発明で
は、ポンプモータが定容量型であることを限定したもの
であり、ポンプモータは原動機による駆動および戻り油
によって駆動されるが、どちらで駆動されても常に一定
量の圧油を出力することができる。このため、常に一定
量の圧油を必要とする各種アクチュエータへの圧油供給
ポンプ、パイロット圧供給ポンプ等として用いることが
できる。

【００１０】請求項５に係わる発明は、請求項３の事項
に加えて、圧力制御弁がセット圧可変型である事項を限
定した油圧エネルギー回生システムにある。この発明で
は、圧力制御弁がセット圧可変型であるため、ポンプモ
ータに供給する戻り油の圧力を調整することができる。
このため、ポンプモータとして別の定格圧力のポンプモ
ータに取り替えたとき、あるいは可変容量型のポンプモ
ータを用いたときに、これらのポンプモータの圧力に対
応した圧力となるように戻り油の圧力を調整することが
できる。

【００１１】

【発明の実施形態】以下、本発明の好適な実施の形態を
添付図面に基づいて具体的に説明する。本発明は、例え
ば、油圧ショベル等の建設機械、ブルドーザー、ホイル
ローダー等の土木機械などにおいて作業機をアクチュエ
ータにより上昇させた後、上昇した作業機が自重にて降
下するときにアクチュエータに蓄えられていた位置エネ
ルギーを回生することのできる回生システムとして効果
的に適用できる。

【００１２】尚、本発明の油圧エネルギー回生システム
にて回生することのできる油圧エネルギーとしては、建
設機械や土木機械において作業機を伸張させたことによ
りアクチュエータに蓄えられた位置エネルギーに限定さ
れず、例えば、油圧昇降装置のアクチュエータに蓄えら
れた油圧エネルギー、伸張動作を行わせる各種アクチュ
エータに蓄えられた油圧エネルギについても包含するも
のである。

【００１３】作業機をアクチュエータにより上昇させた
後、上昇した作業機が自重にて降下する動作について、
図３を用いて、ホイルローダを例に取って説明する。ホ
イルローダ３０には、リフトシリンダ３３により昇降す
るリフトアーム３２が回動自在に取り付けられている。
リフトアーム３２の先端にはバケット３１が回動自在に
取り付けられ、バケットシリンダ３５、ベルクランク３
６、バケットリンク３７によりバケット３１の回動角度
が制御される。図３においては、リフトシリンダ３３に
圧油が供給されてピストンロッド３４が伸張し、バケッ
ト３１が上方の持ち上げられている状態を示している。
この状態では、リフトシリンダ３３には、バケット３１
及びバケット３１内に積載した資材の自重による位置エ
ネルギーが蓄えられている。

【００１４】この状態からバケット３１をバケットシリ
ンダー３５によって図の反時計方向に回動し、資材をダ
ンプカー等に積み込んだ後、バケット３１及びリフトア
ーム３２自身の自重でリフトシリンダー３３を縮小させ
る。このとき、リフトシリンダ３３から戻される油を用
いて、リフトシリンダ３３に蓄えられていた位置エネル
ギーを本願発明の油圧エネルギー回生システムを用いて
回生することができる。

【００１５】図１には、本発明の実施例における油圧回
路図を示しているが、図１では、図３で用いたリフトシ
リンダー、バケット等といった具体的な部材名を用い
ず、アクチュエータ、作業機といった一般名称の部材名
を用いて説明する。

【００１６】図１において、アクチュエータ１のシリン
ダー室１６への圧油供給回路は図示していない。しか
し、シリンダー室１６と接続する圧油供給回路として
は、圧油が供給されるときにはシリンダー室１６と連通
し、ピストン１５の下降に伴なってアクチュエータ１か
らの戻し油が戻る時にはシリンダー室と連通しない圧油
供給回路であれば、どのような圧油供給回路であっても
本発明の実施例に使用することができる。

【００１７】エンジン９の回転は、伝達機構８を介して
可変容量型のメインポンプ６、７、定容量型のポンプモ
ータ４及びトルクコンバータ１１に伝達されている。メ
インポンプ６、７からは、図示せぬ各種作業機のアクチ
ュエータに対して圧油を供給している。また、ポンプモ
ータ４からは、ミッションの冷却装置、パイロット弁装
置等に対して元圧を供給している。ポンプモータ４がポ
ンプ作用を行っているときには、タンク２３内の油を逆
止め弁５を介して管路２１から取り込んでいる。このと
き、図２に示すようにチャージポンプ１２を逆止め弁５
の上流側に設けてもよい。図２に示す回路図は、図１に
おける回路図においてチャージポンプ１２を付加したも
のであり、他の構成はすべて図１の回路図と同じであ
る。

【００１８】なお、ここに挙げたメインポンプの数、メ
インポンプ及びポンプモータから出力された圧油の供給
先は、例示であって、メインポンプ数を変更すること
も、メインポンプ及びポンプモータから出力された圧油
の供給先をどのよにするかは、当業者が容易に適用可能
な技術的な範囲を当然に包含するものである。

【００１９】シリンダー室１６からの戻り油は、戻り油
管路１７、可変絞り２、管路１９、流量制御弁３、管路
２０、管路２１を通って、ポンプモータ４の入口側から
ポンプモータに供給される。圧力制御弁１０により管路
２０及び管路２１内の圧油の圧力をポンプモータ４に供
給する設定圧力となるように調整されている。

【００２０】圧力制御弁１０としてセット圧可変型の圧
力制御弁を用いることによって、エンジン９の回転数に
応じてポンプモータ４へ供給する管路２０、２１内の圧
油の圧力を調整することができる。管路２０，２１内の
圧油の圧力が所定値以上になると、逆止め弁５からの供
給が停止する。また、管路２０，２１内の圧油の圧力が
ポンプモータ４に供給する設定圧力以上になると、圧力
制御弁１０によって減圧され、一部の圧油が圧力制御弁
１０からタンクに戻される。

【００２１】圧力制御弁１０としてセット圧を調整する
ことによって、ポンプモータ４を可変容量型としたとき
や、ポンプモータの定格圧力が異なる他のポンプモータ
に取り替えたとき、あるいはエンジン９の回転数に応じ
てポンプモータ４の回転数が変更されたときに、管路２
０、２１内の圧油の圧力をそれぞれのポンプモータに対
応した圧力となるように調整することができる。

【００２２】次に、図示せぬ作業機の自重によりアクチ
ュエータ１が縮小動作を行ったときの作動を説明する。
図１では、図示せぬ圧油供給回路から供給された圧油に
よってピストン１５が伸張している状態となっている。
シリンダー室１６と戻り油管路１７間に設けた図示せぬ
切換弁が作動してシリンダー室１６と戻り油管路１７と
が連通すると、ピストン１５の先端に取り付けた図示せ
ぬ作業機が自重によって下降を開始する。

【００２３】シリンダー室１６から出力された戻り油
は、戻り油管路１７を通って可変絞り弁２により減圧さ
れて流量制御弁３に流入される。流量制御弁３では、戻
り油管路１７内の圧油の圧力と可変絞り弁２により減圧
された圧油の圧力との差圧及び流量制御弁３のばね圧と
により調整された油圧流量が管路２０に流入される。

【００２４】エンジン９により回転駆動されポンプ作用
を行っていたポンプモータ４は、タンク２３内の油を逆
止め弁５を介して管路２１から吸引している。シリンダ
ー室１６からの戻り油が管路２１内に流入し、戻り油に
よって管路２１内の圧力が所定圧に上昇すると、戻り油
の圧力によって逆止め弁５が閉塞され、タンク２３から
の吸引が停止されると共に、ポンプモータ４の作動をポ
ンプ作動からモータ作動を行わせる。

【００２５】管路２１内における戻り油の圧力がポンプ
モータに供給する設定圧より高くなったときには、圧力
制御弁１０により設定圧となるように制御される。通常
は、管路２１内の圧力をポンプモータの定格圧力よりも
少し高めに設定することが望ましい。これによって、ア
クチュエータ１に蓄えられていた位置エネルギーによっ
て、ポンプモータ４にモータ作動を行わせることがで
き、同位置エネルギーの回生を行うことができる。

【００２６】ポンプモータ４としては定容量型のポンプ
モータを用いた例を説明したが、ポンプモータとして
は、可変容量型を用いることができる。可変容量型ポン
プモータを用いた場合には、可変容量に応じて圧力調整
弁１０のセット圧及び／又は可変絞り弁２の絞り量を調
整して、容量を調整したポンプモータに対応した戻り油
圧力とすることができる。圧力調整弁１０のセット圧及
び／又は可変絞り弁２の絞り量の調整としては、ポンプ
モータの可変容量と連動して調整することも、個別に調
整することもできる。また、圧力調整弁１０のセット圧
及び／又は可変絞り弁２の絞り量の調整は、エンジン９
の回転数を変更したときに、変更後のポンプモータに対
応した戻し油圧力となるように調整することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の油圧エネルギー回生システムの回路図
である。

【図２】本発明のポンプモータへの供給回路の変形例を
示す油圧エネルギー回生システムの回路図である。

【図３】ホイルローダの全体構成を示す概略図である。

【符号の説明】

１ アクチュエータ ２ 可変絞り弁 ３ 流量制御弁 ４ ポンプモータ ５ 逆止め弁 ６、７ メインポンプ ８ 伝達機構 ９ エンジン １０ 圧力制御弁 １１ トルクコンバータ １２ チャージポンプ １５ ピストン １６ シリンダー室 １７ 戻り油管路 １８〜２２ 管路 ３０ ホイルローダ ３１ バケット ３２ リフトアーム ３３ リフトシリンダ ３４ ピストンロッド ３５ バケットシリンダ ３６ ベルクランク ３７ バケットリンク

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 作業機の自重により縮小動作を行う作業
   機アクチュエータと、 原動機に接続されたポンプモータと、 前記ポンプモータの入口側回路に配置した逆止め弁と、 前記逆止め弁の下流側に接続した前記作業機アクチュエ
   ータの戻り油回路とを備えたことを特徴とする油圧エネ
   ルギー回生システム。
2. 【請求項２】 前記戻り油回路が、可変絞り弁及び流量
   制御弁を有してなることを特徴とする請求項1記載の油
   圧エネルギー回生システム。
3. 【請求項３】 前記逆止め弁とポンプモータ間に、圧力
   制御弁を配してなることを特徴とする請求項１記載の油
   圧エネルギー回生システム。
4. 【請求項４】 前記ポンプモータが、定容量型であるこ
   とを特徴とする請求項１記載の油圧エネルギー回生シス
   テム。
5. 【請求項５】 前記圧力制御弁が、セット圧可変型であ
   ることを特徴とする請求項３記載の油圧エネルギー回生
   システム。