JP5817311B2 - ハイブリッド型油圧装置 - Google Patents

Description

この発明は、例えば、油圧ショベル等の建設機械などに使用されるハイブリッド型油圧装置に関する。

従来、ハイブリッド型油圧装置としては、油圧ポンプと、上記油圧ポンプからの吐出油により駆動する油圧アクチュエータと、上記油圧アクチュエータからの戻り油で回転する回生用油圧モータと、上記回生用油圧モータで駆動される発電機と備えたものがある（特開２００２−２７５９４５号公報：特許文献１参照）。

しかしながら、上記従来のハイブリッド型油圧装置では、上記回生用油圧モータに、上記油圧アクチュエータからの戻り油の全てを、流入していたので、最大の戻り油のエネルギーに合わせて、回生用油圧モータおよび発電機を選定する必要があり、回生用油圧モータおよび発電機が非常に大型になる問題があった。

特開２００２−２７５９４５号公報

そこで、この発明の課題は、回生用油圧モータおよび発電機を小型にできるハイブリッド型油圧装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、この発明のハイブリッド型油圧装置は、
油圧ポンプと、
上記油圧ポンプからの吐出油により駆動する油圧アクチュエータと、
上記油圧ポンプから上記油圧アクチュエータに供給される吐出油の供給量を操作する操作部と、
上記油圧ポンプから上記油圧アクチュエータに供給される吐出油の流れの方向を切り換えて、上記油圧アクチュエータの動作方向の動作方向を切り換えると共に、開度を調整して、上記油圧アクチュエータの速度を調整する主制御弁と、
上記油圧アクチュエータからの戻り油で回転する回生用油圧モータと、
上記回生用油圧モータで駆動される発電機と、
上記油圧アクチュエータと上記回生用油圧モータとを連結する返油ラインに設けられ、上記油圧アクチュエータから上記回生用油圧モータに供給される戻り油の圧力および流量を制御する圧力流量制御弁と、
上記操作部の操作の大きさに基づいて、上記圧力流量制御弁の設定圧力および設定流量を変更する制御装置と
を備え、
上記油圧アクチュエータ、上記主制御弁および上記圧力流量制御弁は、一組ある場合において、または、
上記油圧アクチュエータ、上記主制御弁および上記圧力流量制御弁が、複数組あって、この複数組のうちの一組の上記圧力流量制御弁のみが開いている場合において、
上記油圧アクチュエータと上記回生用油圧モータとを連結する上記返油ラインに、上記圧力流量制御弁よりも下流側に、上記回生用油圧モータに対して並列に、絞りを接続し、
上記絞りの前後の差圧から求めた油の通過流量と、上記回生用油圧モータの回転数から求めた油の通過流量との合計から、上記圧力流量制御弁の下流側に流れた全ての戻り油の流量を求める戻り油流量算出手段を有することを特徴としている。

この発明のハイブリッド型油圧装置によれば、上記制御装置は、上記操作部の操作の大きさに基づいて、上記圧力流量制御弁により制御される設定圧力および設定流量を変更するので、例えば、操作部の操作の大きさが大きい場合は、圧力流量制御弁を流量に対する設定圧力の関係をより低い圧力に設定し、通過圧損を低減させ、それにより従来の制御バルブの特性を維持する。

これによって、従来の制御バルブの特性を維持しながら、下流の回生用油圧モータおよび発電機によって戻り油のエネルギーを回収することができる。このとき、圧力流量制御弁によって所定の圧力に制御するため、下流の回生用油圧モータと発電機によって発生する圧力差を、圧力流量制御弁の設定圧力以下の任意の圧力に、設定することができ、これによって、発電量を任意に設定できる。

したがって、実際の作業条件で頻度の高い戻り油の圧力に合わせて、回生用油圧モータおよび発電機を選定することができ、回生用油圧モータおよび発電機を小型にできる。
また、上記戻り油流量算出手段は、上記絞りの前後の差圧から求めた油の通過流量と、上記回生用油圧モータの回転数から求めた油の通過流量との合計から、上記圧力流量制御弁の下流側に流れた全ての戻り油の流量を求めるので、簡単に全ての戻り油の流量を求めることができる。

また、上記油圧アクチュエータ、上記主制御弁および上記圧力流量制御弁が、複数組ある場合、制御装置によって、各組の圧力流量制御弁の設定圧力および設定流量を変更できるため、従来の制御バルブの特性を維持しつつ、戻り油を合流させて回生用油圧モータと発電機によってエネルギーを回収することか可能となる。

また、一実施形態のハイブリッド型油圧装置では、上記油圧アクチュエータと上記回生用油圧モータとを連結する上記返油ラインに、上記圧力流量制御弁よりも下流側に、上記回生用油圧モータに対して並列に、リリーフ弁を接続している。

この実施形態のハイブリッド型油圧装置によれば、上記リリーフ弁を上記回生用油圧モータに対して並列に接続しているので、回生用油圧モータおよび発電機の能力以上の戻り油が流れてきたとき、リリーフ弁によって戻り油を逃がすことができる。したがって、実際の作業条件で頻度の高い流量に合わせて、回生用油圧モータおよび発電機を選定することができ、回生用油圧モータおよび発電機を小型できる。

また、一実施形態のハイブリッド型油圧装置では、上記油圧アクチュエータと上記回生用油圧モータとを連結する上記返油ラインに、上記圧力流量制御弁よりも下流側で、上記回生用油圧モータよりも上流側に、ストップ弁を接続している。

この実施形態のハイブリッド型油圧装置によれば、上記ストップ弁を上記回生用油圧モータよりも上流側に接続しているので、回生用油圧モータや発電機が故障したとき、ストップ弁によって回生用油圧モータへの戻り油の供給を遮断することができる。

この発明のハイブリッド型油圧装置によれば、上記制御装置は、上記操作部の操作の大きさに基づいて、上記圧力流量制御弁により制御される設定圧力および設定流量を変更するので、従来の制御バルブの特性を維持しながら、回生用油圧モータおよび発電機によって任意の圧力、流量を設定して発電を行うことができ、これによって、回生用油圧モータおよび発電機を小型にできる。

本発明のハイブリッド型油圧装置の一実施形態を示す簡略構成図である。 圧力流量制御弁の圧力流量特性線を示すグラフである。 リリーフ弁の簡略構成図である。 リリーフ弁の圧力流量特性線を示すグラフである。 絞りの簡略構成図である。 絞りの圧力流量特性線を示すグラフである。

以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。

図１は、この発明のハイブリッド型油圧装置の一実施形態である簡略構成図を示している。図１に示すように、このハイブリッド型油圧装置は、例えば、油圧ショベル等の建設機械などに使用され、油圧ポンプ１と、上記油圧ポンプ１からの吐出油により駆動する油圧アクチュエータ８と、上記油圧アクチュエータ８からの戻り油で回転する回生用油圧モータ６２と、上記回生用油圧モータ６２で駆動される発電機６３とを備える。

上記油圧ポンプ１は、ギアポンプ、トロコイドポンプ、ベーンポンプ、ピストンポンプ等の油圧ポンプであり、作動油を油タンク５から吸入して吐出する。油圧ポンプ１は、エンジン４により、駆動される。

上記油圧アクチュエータ８は、例えば、ブームやアームやバケット等を駆動するシリンダであり、このシリンダロッドが、作動油によって、上下方向や左右方向に往復移動される。

上記油圧ポンプ１からの吐出ラインとしての第１ライン５１には、主制御弁２が接続されている。この主制御弁２は、油圧ポンプ１から油圧アクチュエータ８に供給される吐出油の流れの方向を切り換えて、油圧アクチュエータ８の動作方向を切り換える。また、主制御弁２は、開度を調整して、油圧アクチュエータ８の速度を調整する。

上記主制御弁２は、第１ライン５１を介して油圧ポンプ１に接続されている一方、第２，第３ライン５２，５３を介して油圧アクチュエータ８に接続されている。

上記主制御弁２は、第１位置Ｓ１、第２位置Ｓ２および第３位置Ｓ３を有する。上記第１位置Ｓ１では、第１ポートＰ１と第４ポートＰ４が互いに連通し、かつ、第２ポートＰ２、第３ポートＰ３、第５ポートＰ５および第６ポートＰ６が遮断状態になる。このとき、油圧ポンプ１が吐出した作動油は、第１，第４ポートＰ１，Ｐ４を通過した後、第４，第５ライン５４，５５を流れて油タンク５に戻る。

上記第２位置Ｓ２では、第２ポートＰ２と第５ポートＰ５が互いに連通し、かつ、第３ポートＰ３と第６ポートＰ６が互いに連通し、かつ、第１ポートＰ１および第４ポートＰ４が遮断状態になる。このとき、上記油圧ポンプ１が吐出した作動油は、第２，第５ポートＰ２，Ｐ５を通過した後、第２ライン５２を流れて、油圧アクチュエータ８の一方の第１シリンダ室に供給される。

上記第３位置Ｓ３では、第２ポートＰ２と第６ポートＰ６が互いに連通し、かつ、第３ポートＰ３と第５ポートＰ５が互いに連通し、かつ、第１ポートＰ１および第４ポートＰ４が遮断状態になる。このとき、油圧ポンプ１が吐出した作動油は、第２，第６ポートＰ２，Ｐ６を通過した後、第３ライン５３を流れて、油圧アクチュエータ８の他方の第２シリンダ室に供給される。

上記主制御弁２は、操作部３の操作によって、制御される。この操作部３は、例えば操作レバーであり、操作部３の操作が、信号として制御装置６に送られ、制御装置６は、この信号に基づいて、主制御弁２を制御する。

例えば、上記制御装置６は、操作部３の操作方向に基づいて、主制御弁２を第１、第２、第３位置Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３の何れかの位置、または、その中間位置に設定する。すなわち、制御装置６は、操作部３の操作の大きさ（例えばレバーの移動量などの操作幅）に基づいて、主制御弁２の通過方向と開度を制御する。つまり、操作部３は、操作の大きさによって、油圧ポンプ１から油圧アクチュエータ８に供給される吐出油の方向と供給量を操作する。

上記第１ライン５１には、第１チェックバルブ１１が設けられている。この第１チェックバルブ１１と油圧ポンプ１の間には第６ライン５６が接続されている。この第６ライン５６に、リリーフ弁２０を設けて、第１ライン５１内の作動油の圧力が所定値を超えないようにしている。

上記第２ライン５２には、第７，第８ライン５７，５８の一端が接続され、第３ライン５３には、第７，第８ライン５７，５８の他端が接続されている。第７ライン５７は、第８ライン５８よりも、油圧アクチュエータ８側に位置している。

上記第７ライン５７には、第１，第２圧力流量制御弁２１，２２を設けて、第２，第３ライン５２，５３内の作動油の圧力が所定値を超えないようにしている。一方、上記第８ライン５８には、第２，第３チェックバルブ１２，１３を設けて、第２，第３ライン５２，５３内が負圧にならないようにしている。

上記第１圧力流量制御弁２１は、第７ライン５７を介して第２ライン５２に接続される流入口と、この流入口から流入した作動油を吐出する吐出口とを有している。この吐出口から吐出された作動油は、第９ライン５９へ流れる。この吐出口の下流側には、絞り３１が設けられ、この絞り３１の前後の差圧から絞り３１を通過する油の流量を検出する。

上記第２圧力流量制御弁２２は、第７ライン５７を介して第３ライン５３に接続される流入口と、この流入口から流入した作動油を吐出する流出口とを有している。この吐出口から吐出された作動油は、第９ライン５９へ流れる。この吐出口の下流側には、絞り３２が設けられ、この絞り３２の前後の差圧から絞り３２を通過する油の流量を検出する。

上記第９ライン５９には、上記回生用油圧モータ６２が設けられている。つまり、上記第１、上記第２圧力流量制御弁２１，２２は、油圧アクチュエータ８と回生用油圧モータ６２とを連結する返油ラインとしての第７、第９ライン５７，５９に設けられている。

上記圧力流量制御弁２１，２２は、例えば、外部ドレン型電磁比例リリーフ弁であり、油圧アクチュエータ８から回生用油圧モータ６２に供給される戻り油の圧力および流量を制御する。圧力流量制御弁２１，２２のドレンは、油タンク５に連通している。圧力流量制御弁２１，２２の設定圧力および設定流量は、制御装置６によって、変更される。

上記第２ライン５２には、第８ライン５８の接続ポイントと主制御弁２の間に、ストップ弁４１が設けられている。このストップ弁４１は、例えば、電磁弁であり、第２ライン５２を遮断することによって、油圧アクチュエータ８の一方の第１シリンダ室からの戻り油を第７ライン５７側へ流入させる一方、第２ライン５２を連通することによって、油圧アクチュエータ８の一方の第１シリンダ室からの戻り油を主制御弁２側へ流入させる。

上記第３ライン５３には、第８ライン５８の接続ポイントと主制御弁２の間に、ストップ弁４２が設けられている。このストップ弁４２は、例えば、電磁弁であり、第３ライン５３を遮断することによって、油圧アクチュエータ８の他方の第２シリンダ室からの戻り油を第７ライン５７側へ流入させる一方、第３ライン５３を連通することによって、油圧アクチュエータ８の他方の第２シリンダ室からの戻り油を主制御弁２側へ流入させる。

したがって、上記ストップ弁４１，４２の切り換えによって、油圧アクチュエータ８からの戻り油を、回生用油圧モータ６２または主制御弁２の何れか一方側へ流すことを選択することができ、発電機６３のバッテリーが満充電状態になったり、回生用油圧モータ６２や発電機６３に異常が発生した場合でも、ストップ弁４１，４２の切り換えによって、通常通りに作業を続けることができる。

上記第９ライン５９には、回生用油圧モータ６２よりも上流側に、ストップ弁４３を接続している。このストップ弁４３は、例えば、電磁弁であり、第９ライン５９を連通することによって、油圧アクチュエータ８からの戻り油を回生用油圧モータ６２側へ流入させる一方、第９ライン５９を遮断することによって、油圧アクチュエータ８からの戻り油が回生用油圧モータ６２へ流入することを阻止する。したがって、回生用油圧モータ６２や発電機６３が故障したとき、ストップ弁４３によって回生用油圧モータ６２への戻り油の供給を遮断することができる。

上記第９ライン５９には、ストップ弁４３の上流側に、油タンク５に連通する第１０ライン６０が接続されている。第７、第９、第１０ライン５７，５９，６０は、油圧アクチュエータ８と回生用油圧モータ６２とを連結する返油ラインを、構成する。

上記第１０ライン６０には、リリーフ弁２３が設けられている。つまり、リリーフ弁２３は、回生用油圧モータ６２に対して並列に、接続されている。したがって、リリーフ弁２３を回生用油圧モータ６２に対して並列に接続しているので、回生用油圧モータ６２および発電機６３の能力以上の戻り油が流れてきたとき、リリーフ弁２３によって戻り油を、油タンク５に逃がすことができる。

上記第１０ライン６０には、リリーフ弁２３よりも下流側に、絞り３３が設けられている。つまり、絞り３３は、回生用油圧モータ６２に対して並列に、接続されている。絞り３３の上流側に、圧力センサ４５が接続されている。圧力センサ４５および回生用油圧モータ６２に、電気的に、戻り油流量算出手段６６が接続されている。この戻り油流量算出手段６６は、絞り３３の前後の差圧から求めた油の通過流量Ｑ２と、回生用油圧モータ６２の回転数から求めた油の通過流量Ｑ１との合計から、圧力流量制御弁２１，２２の下流側に流れた全ての戻り油の流量Ｑを求める。したがって、簡単に全ての戻り油の流量Ｑを求めることができる。

上記発電機６３には、インバータ６４が接続され、このインバータ６４は、発電機６３に供給する電流の周波数を制御する。この周波数を変更することにより、発電機６３の回転数またはトルクを制御して、発電機６３の発電量を調整することができる。

上記発電機６３には、インバータ６４を介して、蓄電装置６５が接続され、この蓄電装置６５は、発電機６３で発電された電気を蓄える。この電気は図示しない電気装置に使用されて、省エネルギー効果が得られるようになっている。

次に、上記流量制御弁２１，２２の特性について説明する。制御装置６は、操作部３の操作の大きさ（操作幅）に基づいて、圧力流量制御弁２１，２２の設定圧力および設定流量を変更する。

具体的に述べると、操作部３の操作の大きさが大きい場合は、圧力流量制御弁２１，２２を流量に対する設定圧力の関係をより低い圧力に設定し、通過圧損を低減させる。つまり、図２に示すように、操作部３の操作の大きさが大きくなるほど、圧力流量制御弁２１，２２の圧力流量特性線を、Ｌ３、Ｌ２、Ｌ１と変更していく。これにより、従来の制御バルブ、および、リリーフ弁で実現していた圧力と流量の関係を維持する。

これによって、油圧アクチュエータ８から排出される戻り油の排出量が多くなる場合、回生用油圧モータ６２に供給される戻り油の供給量を少なくできる一方、油圧アクチュエータ８から排出される戻り油の排出量が少なくなる場合、回生用油圧モータ６２に供給される戻り油の供給量を多くできる。

言い換えると、上記圧力流量制御弁２１，２２は、図３Ａのリリーフ弁１０１の特性と図４Ａの絞り１０２の特性とを合成した特性と等価な特性を目標として、圧力制御を行うものである。図３Ａのリリーフ弁１０１の圧力流量特性線は、図３Ｂに示すように、圧力が略一定の直線となる。図４Ａの絞り１０２の圧力流量特性線は、図４Ｂに示すように、曲線となる。

上記構成のハイブリッド型油圧装置によれば、上記制御装置６は、上記操作部３の操作の大きさに基づいて、上記圧力流量制御弁２１，２２により制御される設定圧力および設定流量を変更するので、従来の制御バルブの特性を維持しながら、下流の回生用油圧モータ６２および発電機６３によって戻り油のエネルギーを回収することができる。このとき、圧力流量制御弁２１，２２によって所定の圧力に制御するため、下流の回生用油圧モータ６２と発電機６３によって発生する圧力差を、圧力流量制御弁の設定圧力以下の任意の圧力に、設定することができ、これによって、発電量を任意に設定できる。

したがって、実際の作業条件で頻度の高い戻り油の圧力に合わせて、回生用油圧モータ６２および発電機６３を選定することができ、回生用油圧モータ６２および発電機６３を小型にできる。そして、最大の費用対効果が期待できる。

なお、この発明は上述の実施形態に限定されない。例えば、上記油圧アクチュエータ、上記主制御弁および上記圧力流量制御弁（詳しくは、図１の仮想線で囲まれた領域Ｚ）は、上記実施形態では一組であったが、複数組としてもよい。このように、複数組としても、制御装置によって、各組の圧力流量制御弁の設定圧力および設定流量を変更できるため、従来の制御バルブの特性を維持しつつ、戻り油を合流させて回生用油圧モータと発電機によってエネルギーを回収することか可能となる。

また、上記圧力流量制御弁としては、外部ドレン型電磁比例リリーフ弁以外に、油圧アクチュエータから回生用油圧モータに供給される戻り油の圧力および流量を制御するものであり、かつ、この設定圧力および設定流量を変更可能な弁であればどのような弁であってもよい。

また、上記回生用油圧モータに対して並列に接続している上記リリーフ弁を省略してもよく、また、上記回生用油圧モータよりも上流側に接続している上記ストップ弁を省略してもよく、また、上記回生用油圧モータに対して並列に接続している上記絞りや、上記戻り油流量算出手段を省略してもよい。

また、上記油圧アクチュエータ、上記主制御弁および上記圧力流量制御弁が、複数組あって、この複数組のうちの一組の圧力流量制御弁のみが開いている場合において、上記回生用油圧モータに対して並列に接続している上記絞りや、上記戻り油流量算出手段を設けるようにしてもよく、上記戻り油流量算出手段によって、上記絞りの前後の差圧から求めた油の通過流量と、上記回生用油圧モータの回転数から求めた油の通過流量との合計から、上記圧力流量制御弁の下流側に流れた全ての戻り油の流量を求めることができる。これによって、簡単に全ての戻り油の流量を求めることができる。

１ 油圧ポンプ
２ 主制御弁
３ 操作部
４ エンジン
５ 油タンク
６ 制御装置
８ 油圧アクチュエータ
２１，２２ 圧力流量制御弁
２３ リリーフ弁
３３ 絞り
４３ ストップ弁
５７，５９，６０ 返油ライン
６２ 回生用油圧モータ
６３ 発電機
６４ インバータ
６５ 蓄電装置
６６ 戻り油流量算出手段

Claims (3)

1. 油圧ポンプ（１）と、
   上記油圧ポンプ（１）からの吐出油により駆動する油圧アクチュエータ（８）と、
   上記油圧ポンプ（１）から上記油圧アクチュエータ（８）に供給される吐出油の供給量を操作する操作部（３）と、
   上記油圧ポンプ（１）から上記油圧アクチュエータ（８）に供給される吐出油の流れの方向を切り換えて、上記油圧アクチュエータ（８）の動作方向を切り換えると共に、開度を調整して、上記油圧アクチュエータ（８）の速度を調整する主制御弁（２）と、
   上記油圧アクチュエータ（８）からの戻り油で回転する回生用油圧モータ（６２）と、
   上記回生用油圧モータ（６２）で駆動される発電機（６３）と、
   上記油圧アクチュエータ（８）と上記回生用油圧モータ（６２）とを連結する返油ライン（５７，５９，６０）に設けられ、上記油圧アクチュエータ（８）から上記回生用油圧モータ（６２）に供給される戻り油の圧力および流量を制御する圧力流量制御弁（２１，２２）と、
   上記操作部（３）の操作の大きさに基づいて、上記圧力流量制御弁（２１，２２）の設定圧力および設定流量を変更する制御装置（６）と
   を備え、
   上記油圧アクチュエータ（８）、上記主制御弁（２）および上記圧力流量制御弁（２１，２２）が、一組ある場合において、または、
   上記油圧アクチュエータ（８）、上記主制御弁（２）および上記圧力流量制御弁（２１，２２）が、複数組あって、この複数組のうちの一組の上記圧力流量制御弁（２１，２２）のみが開いている場合において、
   上記油圧アクチュエータ（８）と上記回生用油圧モータ（６２）とを連結する上記返油ライン（５７，５９，６０）に、上記圧力流量制御弁（２１，２２）よりも下流側に、上記回生用油圧モータ（６２）に対して並列に、絞り（３３）を接続し、
   上記絞り（３３）の前後の差圧から求めた油の通過流量と、上記回生用油圧モータ（６２）の回転数から求めた油の通過流量との合計から、上記圧力流量制御弁（２１，２２）の下流側に流れた全ての戻り油の流量を求める戻り油流量算出手段（６６）を有することを特徴とするハイブリッド型油圧装置。
2. 請求項１に記載のハイブリッド型油圧装置において、
   上記油圧アクチュエータ（８）と上記回生用油圧モータ（６２）とを連結する上記返油ライン（５７，５９，６０）に、上記圧力流量制御弁（２１，２２）よりも下流側に、上記回生用油圧モータ（６２）に対して並列に、リリーフ弁（２３）を接続していることを特徴とするハイブリッド型油圧装置。
3. 請求項１または２に記載のハイブリッド型油圧装置において、
   上記油圧アクチュエータ（８）と上記回生用油圧モータ（６２）とを連結する上記返油ライン（５７，５９，６０）に、上記圧力流量制御弁（２１，２２）よりも下流側で、上記回生用油圧モータ（６２）よりも上流側に、ストップ弁（４３）を接続していることを特徴とするハイブリッド型油圧装置。

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