KR20200008787A

KR20200008787A - 2차적 제어를 이용한 유압 장비 선회에너지 회생시스템

Info

Publication number: KR20200008787A
Application number: KR1020180082892A
Authority: KR
Inventors: 안경관; 이세영; 정은진; 서보문; 임양훈
Original assignee: 울산대학교 산학협력단
Priority date: 2018-07-17
Filing date: 2018-07-17
Publication date: 2020-01-29

Abstract

본 발명은 유압 장비의 상부선회체 회전 및 제동에 따라 손실되는 에너지를 저장 및 회생시키는 회생시스템에 관한 것으로, 엔진에 연결되는 가변용량형 유압펌프, 상기 유압펌프와 제1유로 및 제2유로를 통하여 연결되며 상부선회체를 선회시키는 선회모터, 상기 유압펌프와 상시 선회모터 사이에 구비되며 상기 제1유로 및 제2유로를 상기 유압펌프와 선택적으로 연결시키는 제1제어밸브, 상기 선회모터에 연결되며 상기 선회모터로 회전력을 공급하거나 상기 선회모터로부터 회전력을 제공받는 펌프모터;
상기 펌프모터와 제3유로 및 제4유로를 통해 연결되며 유압에너지를 저장 가능한 어큐뮬레이터 및 상기 펌프모터와 상기 어큐뮬레이터의 사이에 구비되며 상기 제3유로 및 제4유로를 상기 어큐뮬레이터와 선택적으로 연결시키는 제2제어밸브를 포함한다.
상기와 같은 구조를 갖는 본 발명에서는 기존의 유압 시스템을 과도한 설계변경 없이 즉각 설치 가능하며 독립된 유압 구조를 가지므로 안정적이고 유지관리가 용이하다.

Description

2차적 제어를 이용한 유압 장비 선회에너지 회생시스템{Swing Energy Regeneration System using Secondary Control System}

본 발명은 2차적 제어를 이용한 유압 장비 선회에너지 회생시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유압을 이용한 장비의 선회 및 제동 시 선회모터와 연결된 펌프모터를 통하여 어큐뮬레이터에 유압에너지를 저장하거나 어큐뮬레이터에 저장된 유압에너지를 선회모터로 공급하여 에너지를 절감시키는 2차적 제어를 이용한 유압 장비 선회에너지 회생시스템에 관한 것이다.

일반적으로 굴삭기 등의 건설기계는 엔진과 연결된 유압펌프로부터 형성된 작동유의 유압에 따라 건설기계를 구동시키는 유압 구조를 갖는다.

이러한 유압을 이용한 유압 장비는 작동유의 유압을 이용하여 유압 장비를 원하는 방향으로 즉각적으로 구동시키는데 많은 에너지가 열, 진동, 소음 등으로 소모되고, 소모되는 에너지가 많을수록 에너지 효율이 감소하여 엔진의 연비에 많은 영향을 미쳐 유압 장비의 운용비용을 증가시키는 문제로 이어진다.

상기 소모되는 에너지 중 일부는 유압 장비의 상부선회체를 선회모터로 선회시키는 작업에서 발생된다. 엔진을 구동하여 유압펌프에서 토출된 고압의 작동유는 선회모터로 공급되어 상부선회체의 선회시키는데 제동을 위하여 작동유를 차단시키는 경우 선회모터의 토출 포트에서 압력이 급격히 상승되어 제동토크가 발생하고 이에 따라 릴리프밸브 등에서 손실이 발생된다.

상기 문제점을 해결하고자 종래에는 소모되는 에너지의 일부를 회생하여 재활용하는 방법의 연구 및 노력이 진행되고 있다.

대한민국 공개특허공보 제10-2011-0052041호에서는 선회모터에 연결된 제1통로 및 제2통로에 각각 어큐뮬레이터가 연결되어 어큐뮬레이터에 유압에너지를 저장한 후 선회모터로 다시 공급시키는 구조가 개시되어 있다. 또한, 대한민국 등록특허공보 제10-1061194호에서는 제1 내지 제4유량제어밸브와 유압펌프와 연결된 어큐뮬레이터가 개시되어 있다.

그러나 상기 공개특허 및 등록특허는 유압펌프, 선회모터, 어큐뮬레이터가 하나의 회로 내에서 유압에너지를 공급하거나 공급받는 구조이므로 작동유의 이동경로와 방향을 조절하기 위하여 많은 구성이 요구되고, 어느 하나의 구성이 오작동하는 경우 전체 유압 시스템에 영향을 미치는 문제가 있으며, 어큐뮬레이터에 유압에너지를 저장한다고 하더라도 압력차에 따른 수동적 저장과 공급에 불과하여 높은 에너지 효율을 기대하기 어렵다.

(문헌 001) 대한민국 공개특허공보 제10-2011-0052041호(공개일:2011.05.18.) (문헌 002) 대한민국 등록특허공보 제10-1061194호(등록일:2011.08.25.) (문헌 003) 대한민국 공개특허공보 제10-2018-0044266호(공개일:2018.05.02.)

위와 같은 점을 감안하여 발명된 본 발명의 목적은 유압 장비의 상부선회체 회전 시 보다 효율적인 에너지 회생이 가능한 유압에너지 회생 시스템을 제공하는 것이다.

또한, 유압 장비를 구동시키는 유압 시스템과 독립된 루트를 갖는 유압에너지 회생 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 2차적 제어를 이용한 유압 장비 선회에너지 회생시스템은 엔진에 연결되는 가변용량형 유압펌프, 유압펌프와 제1유로 및 제2유로를 통하여 연결되며 상부선회체를 선회시키는 선회모터, 유압펌프와 선회모터 사이에 구비되며 제1유로 및 제2유로를 유압펌프와 선택적으로 연결시키는 제1제어밸브, 선회모터에 연결되며 선회모터로 회전력을 공급하거나 선회모터로부터 회전력을 제공받는 펌프모터, 펌프모터와 제3유로 및 제4유로를 통해 연결되며 유압에너지를 저장 가능한 어큐뮬레이터 및 펌프모터와 어큐뮬레이터의 사이에 구비되며 제3유로 및 제4유로를 어큐뮬레이터와 선택적으로 연결시키는 제2제어밸브를 포함한다.

또한, 펌프모터는 용적이 가변될 수 있다.

또한, 선회모터와 펌프모터를 연결하는 회전축을 더 포함할 수 있다.

또한, 펌프모터의 작동을 제어하는 컨트롤러를 더 포함하고, 컨트롤러는, 유압 장비의 제동 신호를 전달받아 선회모터로부터 회전력을 전달받고 회전력에 의해 유압을 어큐뮬레이터에 저장하는 제동모듈 및 유압 장비의 선회 신호를 전달받아 어큐뮬레이터에 저장된 유압을 회전력으로 변환한 후 선회모터로 회전력을 공급하는 지원모듈을 포함할 수 있다.

또한, 컨트롤러는, 제1유로 또는 제2유로의 압력 값의 변화에 대한 정보 및 제동 조건을 기반으로 펌프모터의 용적을 가변시키는 압력제어모듈을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면 본 발명은 유압 장비의 선회 과정에 있어서, 상부선회체의 선회 가속후 선회 제동시에 릴리프되는 고압 작동유를 어큐뮬레이터에 저장한 후, 선회 가속시에 어큐뮬레이터에 저장된 작동유를 이용하여 에너지 소모를 절감할 수 있는 효과가 있다.

또한, 선회모터와 연결된 펌프모터, 펌프모터와 연결된 제2 제어밸브, 제2 제어밸브와 연결된 어큐뮬레이터는 유압 장비를 구동시키기 위한 유압 시스템과 독립적으로 유지관리가 용이하고 사용 조건에 따라 변경이 자유롭다.

또한, 기존의 유압 시스템에 적용 시 과도한 설계변경을 요구하지 않고 설치비용이 감소된다.

또한, 펌프모터를 통하여 능동적으로 유압에너지의 저장 및 방출이 가능하므로 유압에너지의 회생이 보다 효율적이고 가변적이다.

또한, 펌프모터의 용적을 조절하여 압력을 조절할 수 있어 사용 조건에 따른 제한이 작다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 2차적 제어를 이용한 유압 장비 선회에너지 회생시스템을 나타낸 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 컨트롤러를 나타낸 블록도이다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 선회상태를 나타낸 개략도이다.
도 4은 본 발명의 일 실시예에 따른 제동상태를 나타낸 개략도이다.

본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.

본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 2차적 제어를 이용한 유압 장비 선회에너지 회생시스템을 나타낸 개략도이다.

도 1을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 2차적 제어를 이용한 유압 장비 선회에너지 회생시스템은 엔진(E)에 연결되는 가변용량형 유압펌프(100), 상기 유압펌프(100)와 제1유로(210) 및 제2유로(220)를 통하여 연결되며 상부선회체(M)를 선회시키는 선회모터(300), 상기 유압펌프(100)와 상시 선회모터(300) 사이에 구비되며 상기 제1유로(210) 및 제2유로(220)를 상기 유압펌프(100)와 선택적으로 연결시키는 제1제어밸브(200), 상기 선회모터(300)에 연결되며 상기 선회모터(300)로 회전력을 공급하거나 상기 선회모터(300)로부터 회전력을 제공받는 펌프모터(400), 상기 펌프모터(400)와 제3유로(510) 및 제4유로(520)를 통해 연결되며 유압에너지를 저장 가능한 어큐뮬레이터(600) 및 상기 펌프모터(400)와 상기 어큐뮬레이터(600)의 사이에 구비되며 상기 제3유로(510) 및 제4유로(520)를 상기 어큐뮬레이터(600)와 선택적으로 연결시키는 제2제어밸브(500)를 포함한다.

본 발명의 전체적인 구조를 설명하면, 유압 장비의 엔진(E) 구동에 따라 상기 엔진(E)에 연결된 유압펌프(100)가 작동유를 제1제어밸브(200)로 공급하고, 상기 제1제어밸브(200)에서 선택적으로 작동유를 제1유로(210) 또는 제2유로(220)로 공급한다. 상기 제1유로(210) 또는 제2유로(220)를 통과하는 작동유는 상기 선회모터(300)를 구동시키고 상기 선회모터(300)와 연결된 유압 장비의 상부선회체(M)가 회전한다.

상기 제1제어밸브(200)는 선회모터(300)의 가동, 중단 및 방향전환을 제어한다. 상기 제1제어밸브(200)는 3위치 밸브일 수 있다. 도 1에는 설명의 편의를 위하여 상기 제1제어밸브(200)의 절환위치를 x,y,z로 나타내고 있다. 상기 제1제어밸브(200)가 x위치로 절환되는 경우 상기 유압펌프(100)로부터 공급되는 작동유는 제2유로(220)를 통과하고 z위치로 절환되는 경우 상기 유압펌프(100)로부터 공급되는 작동유는 제1유로(210)를 통과한다. 상기 선회모터(300)는 제1유로(210) 및 제2유로(220)를 통과하는 작동유에 따라 방향성을 달리하며 상기 선회모터(300)와 연결된 상부선회체(M)를 선회시키는 구조이다. 상기 상부선회체(M)의 제동을 위하여 상기 선회모터(300)의 중단 시에는 상기 제1제어밸브(200)가 y위치로 절환되고 상기 유압펌프(100)에서 제1유로(210) 또는 제2유로(220)로 공급되는 작동유는 차단되며, 상기 제1유로(210) 또는 제2유로(220)에 잔존한 작동유의 일부는 릴리프밸브(230)를 통하여 탱크(700)로 배출된다.

상기 탱크(700)로 배출되는 제1유로(210) 또는 제2유로(220)에 잔존한 작동유는 상기 제1제어밸브(200)와 연결될 수 있으며, 이 경우 상기 제1제어밸브(200)는 상기 탱크(700)와 연결될 수 있다. 즉, 상기 제1제어밸브(200)는 일측에서 상기 제1유로(210) 및 제2유로(220)와 연결되고 타측에서 상기 유압펌프(100) 및 탱크(700)와 연결된다.

또한, 상기 유압펌프(100)와 상기 탱크(700)가 서로 연결될 수 있는데, 본 발명의 일 실시예에서 상기 유압펌프(100)와 상기 탱크(700)의 사이에는 무부하 릴리프밸브(110)가 구비되며, 상기 무부하 릴리프밸브(110)는 반복 작업 중 일을 하지 않는 동안 상기 유압펌프(100)에서 나온 작동유를 상기 탱크(700)로 되돌려 보내는 역할을 수행한다. 상기 무부하 릴리프밸브(110)는 작동유의 노화를 방지하고 유압펌프(100)의 가열이나 성능 저하를 방지한다. 상기 무부하 릴리프밸브(110)는 다양한 종류가 이용될 수 있다.

상기 제1유로(210)에는 제1배출라인(211) 및 제1공급라인(212)이 각각 연결되며 상기 제1배출라인(211) 및 제1공급라인(212)에는 서로 방향성을 달리하는 체크밸브(V)가 구비될 수 있다. 상기 제2유로(220)에는 제2배출라인(221) 및 제2공급라인(222)이 각각 연결되며 상기 제2배출라인(221) 및 제2공급라인(222)에는 상기 제1배출라인(211) 및 제1공급라인(212)과 각각 대응되도록 서로 방향성을 달리하는 체크밸브(V)가 구비될 수 있다. 상기 제1배출라인(211) 또는 상기 제2배출라인(221)를 통과하는 작동유는 릴리프밸브(230)의 방향으로 이동하고, 기 설정된 압력 이상에서 상기 작동유는 릴리프밸브(230)를 통과하여 탱크(700)로 배출된다. 상기 릴리프밸브(230)를 통과한 작동유 중 일부는 상기 제1공급라인(212) 및/또는 상기 제2공급라인(222)을 통과하여 상기 제1유로(210) 또는 제2유로(220)로 공급된다.

위와 같은 구성을 갖는 본 발명의 일 실시예에서는 상기 릴리프밸브(230)를 통과한 작동유, 상기 제1유로(210) 또는 제2유로(220)를 통해 상기 제1제어밸브(200)를 통과한 작동유, 상기 유압펌프(100)에서 상기 무부하 릴리프밸브(110)를 통과한 작동유는 상기 탱크(700)로 배출될 수 있다. 본 발명에서 상기 탱크(700)로 배출되는 작동유는 리턴필터(710)를 통과할 수 있는데, 상기 리턴필터(710)는 상기 탱크(100)로 배출되는 작동유의 오염물을 걸러내며 상기 리턴필터(710)가 막히는 경우를 대비하여 상기 리턴필터(710)와 병렬로 연결된 바이패스체크밸브(720)가 구비될 수 있다. 상기 바이패스체크밸브(720)는 상기 리턴필터(710)의 여과성능이 떨어지는 경우 상기 작동유를 우회시킨다.

상술한 제1배출라인(211), 제2배출라인(221), 제1공급라인(212), 제2공급라인(222), 릴리프밸브(230), 무부하 릴리프밸브(110), 리턴필터(710), 바이패스체크밸브(720), 탱크(700) 등의 구조는 본 발명의 목적 범위 내에서 다양하게 변경되거나 생략될 수 있고, 조건에 따라 다양한 센서나 밸브가 추가로 구비될 수 있다.

상기 선회모터(300)는 상기 제1유로(210) 또는 제2유로(220)를 통과하는 작동유로부터 유압에너지를 공급받아 회전력을 발생시키고, 상기 회전력에 따라 상부선회체(M)를 회전시킨다. 상기 선회모터(300)는 모터와 펌프의 역할을 모두 수행할 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이 상기 선회모터(300)는 A포트와 B포트를 갖는데, 상기 A포트로 유입되는 작동유는 B포트로 배출되고, 상기 B포트로 유입되는 작동유는 A포트로 배출된다. 선회모터(300)의 A포트는 제1유로(210)와 연결되고 선회모터(300)의 B포트는 제2유로(220)와 연결될 수 있다.

본 발명의 펌프모터(400)는 상기 선회모터(300)와 연결되는데, 상기 선회모터(300)로부터 회전력을 전달받거나 상기 선회모터(300)로 회전력을 전달하는 구조를 갖는다. 상기 펌프모터(400)는 펌프의 역할뿐만 아니라 모터의 역할도 수행할 수 있다.

본 발명의 도 1에 도시된 바와 같이 상기 펌프모터(400)는 C포트와 D포트를 갖는데, 상기 펌프모터(400)와 연결된 제3유로(510)는 상기 C포트와 연결되고 상기 제4유로(520)는 상기 D포트와 연결될 수 있다. 상기 펌프모터(400)는 상기 C포트 또는 상기 D포트로 각각 작동유의 유입과 배출이 모두 가능한 구조를 갖는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 실시예에서 상기 선회모터(300)와 상기 펌프모터(400)를 연결하는 회전축(310)을 더 포함할 수 있다. 상기 회전축(310)은 일단에 상기 선회모터(300)가 연결되고 타단에 상기 펌프모터(400)가 연결될 수 있다. 상기 선회모터(300)의 회전에 따른 회전력이 상기 펌프모터(400)로 전달되거나 상기 펌프모터(400)의 회전에 따른 회전력이 상기 선회모터(300)로 전달될 수 있다.

상기 제3유로(510) 및 제4유로(520)는 각각 상기 펌프모터(400)에 연결되어 내부에 작동유가 이동된다. 또한, 상기 제3유로(510) 및 제4유로(520)는 제2제어밸브(500)와 연결되며, 상기 제2제어밸브(500)는 어큐뮬레이터(600) 및 탱크(700)와 연결될 수 있다. 즉, 상기 제2제어밸브(500)는 일측에서 상기 제3유로(510) 및 제4유로(520)와 연결되고 타측에서 상기 어큐뮬레이터(600) 및 탱크(700)와 연결된다.

일 실시예로써, 상기 제2제어밸브(500)는 상기 제1제어밸브(200)의 구조와 실질적으로 동일한 구조를 가질 수 있으며, 3위치 밸브로서 상기 작동유의 방향성을 조절할 수 있다. 도 1에서는 설명의 편의를 위하여 상기 제2제어밸브(500)의 절환위치를 x,y,z로 표시하였으며, 상기 제2제어밸브(500)가 x위치로 절환 시 상기 제3유로(510)는 상기 탱크(700)와 연결되고 상기 제4유로(520)는 상기 어큐뮬레이터(600)와 연결된다. 상기 제2제어밸브(500)가 z위치로 절환 시 상기 제3유로(510)는 상기 어큐뮬레이터(600)와 연결되고 상기 제4유로(520)는 상기 탱크(700)와 연결된다. 또한, 상기 제2제어밸브(500)의 y위치로 절환 시 상기 제3유로(510) 및 제4유로(520)는 상기 어큐뮬레이터(600) 및 탱크(700)와 연결이 차단된다.

상기 어큐뮬레이터(600)는 유압에너지를 축적하고 축적된 유압에너지를 방출하는 장치로, 그 구성과 종류는 특별히 제한되지 않는다.

상기 제2제어밸브(500)와 연결된 탱크(700)는 상기 유압펌프(100)와 연결된 탱크(700) 및 상기 제1제어밸브(200)와 연결된 탱크(700)와 별개일 수도 있고, 또는 서로 동일한 객체이거나 서로 연통되어 있을 수 있다.

상기와 같은 구성을 갖는 본 발명에서는 상기 상부선회체(M)를 선회시키는 유압시스템과 독립되는 구조로 상기 선회모터(300)의 작동 또는 제동에 따라 소모되는 유압에너지를 어큐뮬레이터(600)에 축적하여 재사용할 수 있으므로 기존의 유압시스템에 즉각적으로 적용 가능하고 별도의 설계변경을 요구하지 않아 경제적인 장점이 있다.

이하 본 발명의 컨트롤러(800) 및 유압 에너지 회생구조를 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 컨트롤러(800)를 나타낸 블록도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 상부선회체(M)의 선회상태를 나타낸 개략도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 상부선회체(M)의 제동상태를 나타낸 개략도이다.

도 2를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에서 상기 펌프모터(400)의 작동을 제어하는 컨트롤러(800)를 포함할 수 있다. 상기 컨트롤러(800)는 유압 장비의 제동 신호를 전달받아 상기 선회모터(300)로부터 회전력을 전달받고 상기 회전력에 의해 유압을 상기 어큐뮬레이터(600)에 저장하는 제동모듈(810) 및 상기 유압 장비의 선회 신호를 전달받아 상기 어큐뮬레이터(600)에 저장된 유압을 회전력으로 변환한 후 상기 선회모터(300)로 상기 회전력을 공급하는 지원모듈(820)을 포함할 수 있다.

상기 제동모듈(810)은 상부선회체(M)의 제동 시 설정 압력 이상에서 상기 릴리프밸브(230)를 통하여 작동유가 상기 탱크(700)로 배출됨에 따라 유압에너지의 손실이 발생되는 것을 방지하며, 상기 지원모듈(820)은 제동상태의 상부선회체(M)가 재차 선회 시 선회모터(300)의 회전을 보조함에 따라 유압에너지를 회생시킨다. 이를 보다 구체적으로 선회상태 및 제동상태로 나누어 설명한다.

도 3에서는 상부선회체(M)의 선회 시 유압에너지의 흐름이 도시되어 있는데, 도 3을 참고하면, 상기 상부선회체(M)의 선회신호에 따라 상기 제1제어밸브(200)는 x위치(y위치의 경우도 방향성이 달라질 뿐 동일한 원리가 적용된다. 이하 x위치로 절환되는 경우를 설명한다.)로 절환되고 상기 유압펌프(100)와 제2유로(220)를 연결시킨다. 상기 유압펌프(100)를 통해 공급되는 작동유는 상기 제2유로(220)를 통과하여 상기 선회모터(300)의 B포트로 유입되면서 유압에너지를 전달하고 A포트로 빠져나와 릴리프밸브(230), 제1제어밸브(200)를 거쳐 상기 탱크(700)로 배출된다. 이 경우 상기 컨트롤러(800)의 지원모듈(820)이 작동하고, 상기 지원모듈(820)에 의해 상기 펌프모터(400)는 상기 선회모터(300)의 회전방향과 같은 방향으로 회전하면서 상기 선회모터(300)의 회전을 보조할 수 있다.

상기 컨트롤러(800)의 지원모듈(820)에서는 상기 제2제어밸브(500)를 상기 제1제어밸브(200)와 마찬가지로 x위치로 절환시켜 상기 제4유로(520)와 어큐뮬레이터(600)를 연결시킨다. 상기 어큐뮬레이터(600)에 축적된 유압에너지는 상기 제4유로(520)를 통과하는 작동유에 전달되고 상기 펌프모터(400)의 D포트로 유입되는 상기 작동유는 상기 펌프모터(400)를 회전시킨다. 상기 펌프모터(400)의 회전에 따른 회전에너지는 상기 선회모터(300)에 전달되어 상기 선회모터(300)를 통한 상부선회체(M)의 선회를 보조한다. 상기 제4유로(520)를 통과하는 작동유는 상기 제3유로(510)를 거쳐 상기 탱크(700)로 배출된다. 위와 같은 메커니즘을 통하여 상기 어큐뮬레이터(600)에 축적된 유압에너지가 회생될 수 있다. 그 결과, 상기 어큐뮬레이터(600)에서 제공한 에너지 만큼 상기 선회모터(300)에서의 에너지 소모를 절감할 수 있다.

도 4에서는 상기 상부선회체(M)의 제동 시 유압에너지의 흐름이 도시되어 있는데, 도 4를 참고하면 상기 상부선회체(M)의 선회 시 상기 제1유로(210) 및 제2유로(220)에 작동유가 충전되어 있는 상태에서 상기 제1제어밸브(200)를 y위치로 절환시켜 상기 유압펌프(100)를 통한 작동유의 공급을 중단한다. 종래에는 상기 상부선회체(M) 또는 선회모터(300)의 관성에 따라 제1유로(210) 또는 제2유로(220)에서 토출압력이 높아짐에 따라 릴리프밸브(230)를 통하여 유압에너지가 손실되는데, 본 발명의 제동모듈(810)에서 상기 손실되는 에너지를 어큐뮬레이터(600)에 축적시킨다.

상기 제동모듈(810)에서는 상기 상부선회체(M) 또는 선회모터(300)의 관성에 따른 회전력을 상기 펌프모터(400)가 전달받아 회전되고, 상기 제2제어밸브(500)가 z위치로 절환됨에 따라 상기 펌프모터(400)의 회전에 따른 에너지는 상기 제3유로(510)의 작동유에 전달되어 상기 어큐뮬레이터(600)에 저장된다. 위와 같은 메커니즘을 통하여 손실되는 유압에너지는 상기 어큐뮬레이터(600)에 저장될 수 있다.

상기 선회모터(300)의 관성에 따른 회전력을 별도의 상기 펌프모터(400)가 상기 어큐뮬레이터(600)에 전달하게 되므로, 상기 펌프모터(400)의 용적, 속도 등의 제어에 따라 제동 시 손실되는 유압에너지를 상기 어큐뮬레이터(600)에 저장시키는 효율을 100%에 가까울 정도로 극대화가 가능하다.

즉, 상기 제동모듈(810)은 유압 장비의 종류, 상태나 제동 조건 등을 반영하여 상기 펌프모터(400)의 작동 조건(용적, 동작 속도 등)을 제어함으로써, 상기 상부선회체(M)의 제동 시 발생하는 관성에 의한 회전력 및 이로 인해 손실되는 유압에너지를 상기 어큐뮬레이터(600)에 저장하는 효율이 극대화되도록 할 수 있다.

상기 지원모듈(820)과 제동모듈(810)을 비교하면, 상기 지원모듈(820)에서는 상기 유압에너지의 흐름 방향이 어큐뮬레이터(600), 펌프모터(400), 선회모터(300)의 순서로 이루어지고, 상기 제동모듈(810)에서는 역으로 선회모터(300), 펌프모터(400), 어큐뮬레이터(600)의 순서로 이루어진다.

본 발명에서는 상기 지원모듈(820)과 제동모듈(810)을 포함하는 컨트롤러(800)의 제어에 의해 손실되는 유압에너지를 저장 및 회생시키는 동시에 독립된 유압 구조를 구축한 유압시스템을 제공할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서 상기 컨트롤러(800)는 상기 제1유로(210) 또는 제2유로(220)의 압력 값의 변화에 대한 정보 및 제동 조건을 기반으로 상기 펌프모터(400)의 용적을 가변시키는 압력제어모듈(830)을 더 포함할 수 있다. 이를 위하여 상기 펌프모터(400)는 용적이 가변되는 것이 바람직하다.

상기 압력제어모듈(830)은 상기 펌프모터(400)의 용적을 가변시켜 상기 제3유로(510) 또는 제4유로(520)의 압력을 변화시킬 수 있다. 상기 제1유로(210) 또는 제2유로(220)의 압력은 상기 유압 장비의 종류, 상태, 조건 등에 따라 다르며 상기 상부선회체(M)의 제동 조건에 따라 달라지는데, 본 발명의 압력제어모듈(830)은 유압 장비의 종류, 상태나 제동 조건 등을 반영하여 펌프모터(400)의 용적을 가변시키므로 에너지회생 양과 제동속도를 조절시킨다. 예를 들어, 상기 상부선회체(M)의 급제동이 요구되는 경우 상기 펌프모터(400)의 용적을 감소시킬 수 있다. 이 경우 상기 어큐뮬레이터(600)를 통한 유압에너지의 저장량은 다소 감소한다. 또한, 급제동이 요구되지 않는 경우 상기 펌프모터(400)의 용적을 증가시켜 상기 어큐뮬레이터(600)에 저장되는 유압에너지의 양을 증가시킬 수 있다.

상기 펌프모터(400)의 용적과 제3유로(510) 또는 제4유로(520)의 압력과의 관계는 △P×D = T의 식으로 나타낼 수 있다. 여기서 상기 △P는 펌프모터(400) 양단의 압력차를 의미하고 D는 펌프모터(400)의 용적을 의미하며, T는 유압모터(300)의 구동 토크를 의미한다. 상기 상부선회체(M) 또는 선회모터(300)의 제동 시 관성에 따른 토크(T)가 일정하다고 하면, 상기 펌프모터(400)의 용적을 감소시키는 경우 상기 제3유로(510) 또는 제4유로(520)의 압력은 증가된다. 예를 들어, 빠른 제동이 필요한 경우 상기 펌프모터(400)의 용적을 감소시킴에 따라 상기 제3유로(510) 또는 제4유로(520)의 압력차이가 증가되므로 저장되는 상기 회생에너지 양은 감소되고 제동 속도는 높아지는 방식의 메커니즘을 갖는다.

상기 압력제어모듈(830)을 갖는 본 발명에서는 펌프모터(400)의 용적을 상황에 따라 가변시켜 제동 속도와 회생 에너지량을 조절할 수 있어 사용성이 편리하고 사용 조건에 따라 유동적으로 회생 에너지를 저장 및 활용할 수 있으며, 사용환경의 제약이 적어 사용 범위가 넓은 장점이 있다.

본 발명에서는 기술적 특징의 명확화를 위하여 특정 상황을 가정하여 설명하였으나, 본 발명에서 상기 제1제어밸브(200), 제2제어밸브(500)는 상기 선회모터(300) 또는 상기 상부선회체(M)의 회전방향이나 제동 조건에 따라 x,y,z 중 상술한 위치 외에 다른 위치로 절환될 수 있으며, 상기 제1유로(210) 내지 제4유로(520)의 내부를 통과하는 작동유는 상기 선회모터(300) 또는 상기 상부선회체(M)의 회전방향이나 제동 조건, 상기 제1제어밸브(200)나 제2제어밸브(500)의 절환위치에 따라 상술한 방향 외에 다른 방향으로 이동될 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에서는 상부선회체(M)의 선회 및 제동에 따른 에너지를 축적 및 회생시키는 동시에 제동 조건 및 압력의 변화에 따라 펌프모터(400)의 용적을 변화시켜 사용범위가 넓으며, 기존의 유압 시스템에 즉각 설치 가능하며 기존의 유압 시스템과 독립된 구조를 갖게 되어 유지관리가 용이한 장점이 있다.

100 : 유압펌프 110 : 무부하 릴리프밸브
200 : 제1제어밸브
210 : 제1유로 211 : 제1배출라인
212 : 제1공급라인 220 : 제2유로
221 : 제2배출라인 222 : 제2공급라인
230 : 릴리프밸브
300 : 선회모터 310 : 회전축
400 : 펌프모터
500 : 제2제어밸브 510 : 제3유로
520 : 제4유로
600 : 어큐뮬레이터
700 : 탱크 710 : 리턴필터
720 : 바이패스체크밸브
800 : 컨트롤러 810 : 제동모듈
820 : 지원모듈 830 : 압력제어모듈
M : 상부선회체 V : 체크밸브

Claims

엔진에 연결되는 가변용량형 유압펌프;
상기 유압펌프와 제1유로 및 제2유로를 통하여 연결되며 상부선회체를 선회시키는 선회모터;
상기 유압펌프와 상시 선회모터 사이에 구비되며 상기 제1유로 및 제2유로를 상기 유압펌프와 선택적으로 연결시키는 제1제어밸브;
상기 선회모터에 연결되며 상기 선회모터로 회전력을 공급하거나 상기 선회모터로부터 회전력을 제공받는 펌프모터;
상기 펌프모터와 제3유로 및 제4유로를 통해 연결되며 유압에너지를 저장 가능한 어큐뮬레이터; 및
상기 펌프모터와 상기 어큐뮬레이터의 사이에 구비되며 상기 제3유로 및 제4유로를 상기 어큐뮬레이터와 선택적으로 연결시키는 제2제어밸브;를 포함하는 것을 특징으로 하는 2차적 제어를 이용한 유압 장비 선회에너지 회생시스템.
제 1항에 있어서,
상기 펌프모터는 용적이 가변되는 것을 특징으로 하는 2차적 제어를 이용한 유압 장비 선회에너지 회생시스템.
제 2항에 있어서,
상기 선회모터와 상기 펌프모터를 연결하는 회전축을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 2차적 제어를 이용한 유압 장비 선회에너지 회생시스템.
제 2항에 있어서,
상기 펌프모터의 작동을 제어하는 컨트롤러;를 더 포함하고,
상기 컨트롤러는,
유압 장비의 제동 신호를 전달받아 상기 선회모터로부터 회전력을 전달받고 상기 회전력에 의해 유압을 상기 어큐뮬레이터에 저장하는 제동모듈; 및
상기 유압 장비의 선회 신호를 전달받아 상기 어큐뮬레이터에 저장된 유압을 회전력으로 변환한 후 상기 선회모터로 상기 회전력을 공급하는 지원모듈;을 포함하는 것을 특징으로 하는 2차적 제어를 이용한 유압 장비 선회에너지 회생시스템.
제 4항에 있어서,
상기 컨트롤러는,
상기 제1유로 또는 제2유로의 압력 값의 변화에 대한 정보 및 제동 조건을 기반으로 상기 펌프모터의 용적을 가변시키는 압력제어모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 2차적 제어를 이용한 유압 장비 선회에너지 회생시스템.