WO2015019594A1

WO2015019594A1 - 建設機械用エネルギ回生装置

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Publication number: WO2015019594A1
Application number: PCT/JP2014/004063
Authority: WO
Inventors: 哲弘近藤; 藤山　和人
Original assignee: 川崎重工業株式会社
Priority date: 2013-08-05
Filing date: 2014-08-04
Publication date: 2015-02-12
Also published as: GB201519561D0; JPWO2015019594A1; CN105164347A; GB2531946A; JP6285935B2; CN105164347B; US20160122980A1

Abstract

　建設機械（１５）に設けられ、上下方向に移動可能な可動ウエイト（１６）と、ブーム（１２）、アーム、若しくはバケットが重力方向に移動するときのエネルギによって、又は旋回体（１３）若しくは走行体（１４）が制動するときのエネルギによって、可動ウエイト（１６）を上方向に移動させ、この可動ウエイトの位置エネルギを、ブーム（１２）やアームを駆動するためのエネルギとして利用する力伝達用液圧回路とを備える建設機械のエネルギ回生装置（１１）。

Description

建設機械用エネルギ回生装置

　本発明は、駆動部によって駆動されるブーム、旋回体、又は走行体を含む作動部を備える建設機械に設けられる建設機械用エネルギ回生装置に関する。

　従来の油圧ショベルの一例として、例えば旋回体の減速時に電動機に回生作用を行わせて回生電力を蓄電器に蓄積して、この蓄電器に蓄積された回生電力を、旋回体の旋回時に、コントローラとインバータとによって電動機を制御し、その電動機のトルクによって油圧モータの回転をアシストするものがある（例えば、特許文献１参照。）。

　このように、蓄電器に蓄積された回生電力を、油圧モータの回転をアシストするために使用することによって、燃料消費量の低減を図ることができる。

特開２００５－２９０８８２号公報

　しかし、上記従来の油圧ショベルでは、回生電力を蓄積して、この蓄積された回生電力を旋回体の旋回時に利用するための設備として、蓄電器及びインバータが必要であるので、その分の費用が嵩むし、故障する可能性が高く、しかも、嵩が大きくなり、重量も増加するという問題がある。更に、旋回体の力学的エネルギを電気エネルギに変換して一旦蓄積した後、再度力学的エネルギに変換するという多くの工程を経るので、全体としてエネルギ回生率があまり高くないという問題もある。また、上記従来の油圧ショベルでは、旋回以外の動作（ブーム下げ、アーム引き、又は、バケット引き）については位置エネルギを回生することができなかった。

　本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、蓄電器及びインバータを不要とすることによって、その分の費用が掛からず低廉であり故障が少なく、しかも、嵩張らず重量の増加を抑制することができる建設機械用エネルギ回生装置及びそれを備える建設機械を提供することを目的としている。

　本発明に係る建設機械のエネルギ回生装置は、ブーム、旋回体、又は走行体を含む第一作動部、及びアーム、バケット、又はエンジンアシスト用油圧モータを含む第二作動部が作動液体によって駆動される建設機械のエネルギ回生装置において、前記建設機械に設けられ、上下方向に移動可能な可動ウエイトと、前記ブーム、アーム、若しくはバケットが重力方向に移動するときのエネルギによって、又は前記旋回体若しくは走行体が制動するときのエネルギによって、前記可動ウエイトを上方向に移動させ、この可動ウエイトの位置エネルギを前記第一作動部又は第二作動部を駆動するためのエネルギとして利用する力伝達用液圧回路とを備えることを特徴とするものである。

　この発明に係る建設機械用エネルギ回生装置によると、ブーム等が重力方向に移動するとき、又は旋回体等が制動されるときのエネルギによって、可動ウエイトを上方向に移動（揺動を含む）させることができる。これによって、ブーム等の位置エネルギや旋回体等の運動エネルギを可動ウエイトの位置エネルギとして蓄積することができる。

　そしてこの可動ウエイトの位置エネルギを利用してブームや旋回体等を駆動することができる。

　このように、ブーム等の位置エネルギや旋回体等の運動エネルギを可動ウエイトの位置エネルギとして蓄積し、これを利用することができるので、建設機械の燃料消費量を従来よりも低減させることが可能である。

　この発明に係る建設機械用エネルギ回生装置において、前記第一作動部又は前記第二作動部の回路と前記可動ウエイトの回路とを互いに連通させる連通路と、前記連通路に設けられ、当該連通路内の作動液体の流れの方向を切り換える切換弁とを有し、前記ブーム、アーム、若しくはバケットが重力方向に移動するとき、又は前記旋回体若しくは走行体が制動するときに、前記切換弁が第一位置側に切り換り、作動液体が前記連通路及び前記切換弁を通って、前記可動ウエイトを上方向に移動させ、更に、前記可動ウエイトが重力方向に移動するときに、前記切換弁が第二位置側に切り換り、作動液体が前記連通路及び前記切換弁を通って、前記第一作動部又は第二作動部を駆動する構成とするとよい。

　この力伝達用液圧回路によると、第一作動部又は第二作動部の回路と可動ウエイトの回路とを互いに連通させる連通路上に、連通路内の作動液体の流れの方向を切り換える切換弁が設けられることによって、第一作動部又は第二作動部の位置エネルギ又は運動エネルギを回生して、第一作動部又は第二作動部を駆動するために利用することができる。

　この発明に係る建設機械用エネルギ回生装置において、前記可動ウエイト及び前記力伝達用液圧回路の一部は、前記建設機械のカウンタウエイトとしての機能を有し、前記可動ウエイト及び前記力伝達用液圧回路の一部の合計質量は、前記建設機械に必要とされるカウンタウエイトの質量と略同一である構成とするとよい。

　このようにすると、エネルギ回生装置を油圧ショベルに設けても、この油圧ショベルの全体の質量が、エネルギ回生装置が設けられていない油圧ショベルの全体の質量よりも増加しないように製作することが可能である。よって、作動部である旋回体又は走行体を作動させるための動力の増加及び燃料消費量の増加を防ぐことができ、その結果、より効果的にエネルギを回生して利用することができる。

　この発明に係る建設機械用エネルギ回生装置において、前記可動ウエイトは、所定の支点部で支持され当該支点部を中心にして液圧シリンダによって上下方向に揺動可能に設けられているとよい。

　この様にすると、以下のような技術的作用効果を奏する。例えば可動ウエイトについて大きな位置エネルギを確保するためには、可動ウエイトの上下方向の移動距離を大きくすることが必要であり、そのためには、液圧シリンダのストロークを大きくする必要がある。しかし、液圧シリンダの構造上、そのストロークは、或る程度小さい方が安定した動作が得られ、望ましいとされている。よって、可動ウエイトを支点部を中心にして上下方向に揺動可能に設け、液圧シリンダが可動ウエイトに連結する連結部と支点部との間の距離が短くなるように適切に設定することによって、可動ウエイトの重心の上下方向の移動距離を比較的大きくすることができ、しかも、可動ウエイトを上下方向に所定の角度だけ揺動させるための液圧シリンダのストロークが比較的小さくなるように設定することができる。

　この発明に係る建設機械用エネルギ回生装置において、前記可動ウエイトは、直線方向に移動可能に設けられているものとするとよい。

　このようにすると、構造が簡単で故障が少なく、低廉な建設機械用エネルギ回生装置を提供することができる。

　この発明に係る建設機械用エネルギ回生装置において、前記可動ウエイトは、所定の支点部で支持され当該支点部を中心にして液圧シリンダによって上下方向に揺動可能に設けられ、前記液圧シリンダは、リフト用シリンダとアシスト用シリンダを有し、前記リフト用シリンダ及びアシスト用シリンダが前記可動ウエイトに連結するそれぞれの連結部と前記支点部との間の距離は、リフト用シリンダの距離の方がアシスト用シリンダの距離よりも大きく設定され、前記力伝達用液圧回路は、前記ブームが重力方向に移動するとき、又は前記旋回体若しくは走行体が制動するときに前記リフト用シリンダを作動させることによって前記可動ウエイトを上方向に揺動させ、且つ、前記可動ウエイトが下方向に揺動するときに前記アシスト用シリンダを作動させることによって前記第一作動部又は第二作動部を駆動するように構成されているとよい。

　この様にすると、以下のような技術的作用効果を奏する。リフト用シリンダとアシスト用シリンダが可動ウエイトに連結するそれぞれの連結部と支点部との間の距離について、リフト用シリンダの距離の方がアシスト用シリンダの距離よりも大きく設定されている。このため、可動ウエイトを上昇させるためにリフト用シリンダへ供給される圧力よりも、可動ウエイトが下降するときのアシスト用シリンダから吐出される圧力の方を高くすることができる。したがって、第一作動部又は第二作動部を駆動するための作動液体の圧力を高くすることができ、可動ウエイトの位置エネルギを利用する圧力範囲を大きくすることができる。

　この発明に係る建設機械用エネルギ回生装置において、前記切換弁のパイロットポートへパイロット圧液を供給する電磁パイロット弁と、前記第一作動部又は前記第二作動部へと供給される作動液体の圧力及び流量を制御するコントロール弁と、前記コントロール弁のパイロットポートへとパイロット圧液を供給するリモートコントロール弁と、前記第一作動部若しくは前記第二作動部における作動液体の供給圧及び排出圧を計測し、又は前記リモートコントロール弁の出力圧を計測し、各圧力信号を生成する圧力センサと、前記各圧力信号が入力される制御装置であって、前記各圧力信号に基づいて前記電磁パイロット弁に指令信号を送信する制御装置と、を備えるように構成されているものとするとよい。

　このように、ブームや旋回体等を操作するためのリモートコントロール弁の操作量及びブームや旋回体等における作動液体の給排圧に基づいて、制御装置が電磁パイロット弁を介して切換弁の開口制御を行うため、ブームや旋回体等の位置エネルギ又は運動エネルギを効率的に可動ウエイトの位置エネルギとして回生できる。

　本発明に係る建設機械用エネルギ回生装置によると、作動部の位置エネルギや慣性力に基づく運動エネルギを回生して、作動部を駆動するために利用することができる構成としたので、建設機械の燃料消費量を従来よりも低減させることができる。

　そして、本発明に係る建設機械用エネルギ回生装置によると、作動部の位置エネルギや慣性力に基づく運動エネルギを回生するための例えば蓄電器及びインバータを不要とすることができるので、その分の費用が掛からず低廉であり故障が少なく、しかも、嵩張らず、建設機械の重量の増加を抑制することができる。

この発明の第１実施形態に係る建設機械用エネルギ回生装置を備える油圧ショベルを示す側面図である。図１に示す建設機械用エネルギ回生装置の可動ウエイトを誇張して示す模式図である。図１に示す油圧ショベルの油圧回路を示す図である。図３に示すウエイト用切換弁の制御回路を示す図である。図３に示す油圧ショベルの油圧回路において、ブームの上げ動作の状態を示す図である。図３に示す油圧ショベルの油圧回路において、ブームの下げ動作時にエネルギを回生する状態を示す図である。図３に示す油圧ショベルの油圧回路において、回生エネルギをアームの押し動作に利用する状態を示す図である。第２実施形態にかかる油圧ショベルの油圧回路を示し、回生エネルギをバケットの押し動作に利用する状態を示す図である。第３実施形態に係る油圧ショベルの油圧回路を示し、回生エネルギをエンジンアシスト用油圧モータの動作に使用して、アームの押し動作に利用する状態を示す図である。第４実施形態に係る油圧ショベルの油圧回路を示し、旋回体の制動時にエネルギを回生する状態を示す図である。図１０に示す油圧ショベルの油圧回路において、回生エネルギをアームの押し動作に利用する状態を示す図である。第５実施形態に係る建設機械用エネルギ回生装置の可動ウエイトを誇張して示す模式図である。第６実施形態に係る建設機械用エネルギ回生装置の可動ウエイトを誇張して示す模式図である。

　以下、本発明に係る建設機械用エネルギ回生装置の第１実施形態を、図１～図１１を参照して説明する。この建設機械用エネルギ回生装置１１は、例えば図１及び図２に示すブーム１２、旋回体１３、及び走行体１４を含む作動部が図３に示す油圧ポンプ２８（駆動部）から吐出される作動液体によって駆動される油圧ショベル１５等の建設機械に設けられ、上下方向に移動可能な可動ウエイト１６と、力伝達用液圧回路１７Ａ（図３参照）とを備えている。

　本明細書では、ブーム１２、旋回体１３、又は走行体１４を第一作動部と言い、アーム１９、バケット２０、又はエンジンアシスト用油圧モータ５２（図９参照）を第二作動部と言う。

　そして、図３に示すこの力伝達用液圧回路１７Ａは、例えばブーム１２、アーム１９、若しくはバケット２０が重力方向に移動するときのエネルギによって、又は旋回体１３若しくは走行体１４が制動するときのエネルギによって、可動ウエイト１６を上方向に移動させ、この可動ウエイト１６の位置エネルギを、ブーム１２等の第一作動部又はアーム１９等の第二作動部を駆動するためのエネルギとして利用する構成としたものである。

　図１に示す油圧ショベル１５は、走行体１４の上に旋回機構１８を介して旋回体１３が旋回自在に載置されている。旋回体１３にはその前方中央部にブーム１２が俯仰可能に取り付けられている。更に、ブーム１２の先端部にアーム１９が鉛直面内で回動自在に取り付けられ、該アーム１９の先端部にバケット２０が鉛直面内で回動自在に取り付けられている。

　図２は、油圧ショベル１５の旋回体１３の後部に設けられている可動ウエイト１６を誇張して示す模式図である。この可動ウエイト１６は、ブーム１２等の重力を位置エネルギとして蓄積することができる機能と、油圧ショベル１５のカウンタウエイトとしての機能を果たすものである。

　つまり、可動ウエイト１６及び力伝達用液圧回路１７Ａの一部は、油圧ショベル１５のカウンタウエイトとしての機能を有し、可動ウエイト１６及び力伝達用液圧回路１７Ａの一部の合計質量は、油圧ショベル１５に必要とされるカウンタウエイトの質量と略同一に設定されている。

　図２に示す可動ウエイト１６は、従来のカウンタウエイトと同等の形状及び材質であり、旋回体１３の後部であって、旋回機構１８を基準にしてブーム１２側と反対側の部分に設けられている。そして、この可動ウエイト１６は、案内部２５に沿って上下直線方向に移動可能に設けられ、この可動ウエイト１６の下部には、ウエイト用油圧シリンダ２１が設けられている。

　ウエイト用油圧シリンダ２１は、可動ウエイト１６を上下直線方向に移動可能に支持するものであり、可動ウエイト１６の下部と、旋回体１３のフレーム部１３ａとの間に設けられている。このウエイト用油圧シリンダ２１は、そのシリンダ部２１ａの基端部が旋回体１３のフレーム部１３ａに固定して取り付けられ、そのピストンロッド２１ｂの先端部が、可動ウエイト１６の下部と連結部２６を介して揺動自在に互いに連結している。

　図３は、油圧ショベル１５の力伝達用液圧回路１７Ａを含む油圧回路２７を示し、この油圧回路２７は、連通路２２（２２ａ、２２ｂ、２２ｃ）と、ウエイト用切換弁２４とを有している。なお、図３では、ブーム１２及びアーム１９以外の回路を省略している。

　連通路２２は、ブーム用連通路５３（５３ａ、５３ｂ）やアーム用連通路５４（５４ａ、５４ｂ）を含む第一作動部及び第二作動部の回路と可動ウエイト用連通路５５（５５ａ、５５ｂ）とを互いに連通させる連通路である。

　ウエイト用切換弁２４は、連通路２２に接続し、当該連通路２２内の作動液体の流れの方向を切り換えるためのものである。

　このウエイト用切換弁２４は、ブーム１２、アーム１９、若しくはバケット２０が重力方向に移動するとき、又は旋回体１３若しくは走行体１４が制動されるときに、このウエイト用切換弁２４が第一位置（ロ）側に切り換り、作動液体が連通路２２及びウエイト用切換弁２４を通って、可動ウエイト１６を上方向に移動させことができる。

　そして、このウエイト用切換弁２４は、可動ウエイト１６が重力方向に移動するときに、このウエイト用切換弁２４が第二位置（ハ）側に切り換り、作動液体が連通路２２及びウエイト用切換弁２４を通って、ブーム１２を含む第一作動部又はアーム１９を含む第二作動部を駆動することができる。

　つまり、例えば図３に示すウエイト用切換弁２４のポートＡ、Ｂは、ウエイト用油圧シリンダ２１のヘッド側ポートとロッド側ポートと可動ウエイト用連通路５５ａ、５５ｂを介して接続している。そして、ウエイト用切換弁２４のポートＢ及びＣは、互いに接続している。また、ウエイト用切換弁２４のポートＴはタンク３２と接続し、ポートＰは、油圧ポンプ２８の吐出口と連通路２２を介して接続している。ポートＤは、連通路２２ａを介してアーム用連通路５４ａに接続している。そして、この連通路２２ａには、逆止弁が設けられている。

　そして、図３に示す油圧回路２７は、ブーム１２を含む第一作動部用のコントロール弁、並びに、アーム１９を含む第二作動部用のコントロール弁を備えている。これらコントロール弁は、第一作動部又は第二作動部へと供給される作動液体の圧力及び流量を制御するためのものである。

　そして、図３には、さらにアーム用コントロール弁５６、及びブーム用コントロール弁５７を示す。

　アーム用コントロール弁５６は、アーム用油圧シリンダ３７へと供給される作動液体の圧力及び流量を制御するためのものである。このアーム用コントロール弁５６のポートＡ、Ｂは、アーム用油圧シリンダ３７の２つの各ポート（ロッド側とヘッド側）とアーム用連通路５４ａ及び５４ｂを介して接続している。そして、アーム用コントロール弁５６のポートＴは、タンク３２とタンク用連通路６０を介して接続し、アーム用コントロール弁５６のポートＰは、油圧ポンプ２８の吐出口とポンプ用連通路６１を介して接続している。

　ブーム用コントロール弁５７は、ブーム用油圧シリンダ３９へと供給される作動液体の圧力及び流量を制御するためのものである。このブーム用コントロール弁５７のポートＡ、Ｂは、ブーム用油圧シリンダ３９の２つの各ポート（ロッド側とヘッド側）とブーム用連通路５３ａ及び５３ｂを介して接続している。そして、ブーム用コントロール弁５７のポートＴは、タンク３２とタンク用連通路６２を介して接続し、ブーム用コントロール弁５７のポートＰは、油圧ポンプ２８の吐出口とポンプ用連通路６３を介して接続している。

　図３に示すリモートコントロール弁（以下、単に「リモコン弁」と言う。）は、上記各コントロール弁のパイロットポートへとパイロット圧液を供給するためのものである。

　ただし、図３には、アーム用リモコン弁６４、及びブーム用リモコン弁６５を示す。

　アーム用リモコン弁６４は、操縦者に操作されて、アーム用コントロール弁５６のパイロットポートＸ、Ｙへとパイロット圧液を連通路６４ｂ、６４ａを介して供給するためのものである。

　ブーム用リモコン弁６５は、操縦者に操作されて、ブーム用コントロール弁５７のパイロットポートＸ、Ｙへとパイロット圧液を連通路６５ｂ、６５ａを介して供給するためのものである。

　第１～第１０圧力センサＰＳ１～ＰＳ１０は、第一作動部若しくは第二作動部における作動液体の供給圧及び排出圧を計測し、更に、リモコン弁の出力圧を計測し、各圧力信号を電気信号として生成するためのものである。ただし、図３には、第１～第６圧力センサＰＳ１～ＰＳ６を示す。

　第１及び第２圧力センサＰＳ１、ＰＳ２は、ブーム用リモコン弁６５の各連通路６５ａ、６５ｂに現れる出力圧を計測し、各圧力信号を電気信号として生成するためのものである。

　第３及び第４圧力センサＰＳ３、ＰＳ４は、アーム用リモコン弁６４の各連通路６４ａ、６４ｂに現れる出力圧を計測し、各圧力信号を電気信号として生成するためのものである。

　第５及び第６圧力センサＰＳ５、ＰＳ６は、ブーム用油圧シリンダ３９に接続するブーム用連通路５３ｂ、５３ａに現れる出力圧を計測し、各圧力信号を電気信号として生成するためのものである。

　更に、図３に示す油圧回路２７は、図４に示す制御回路７０を更に備えている。この図４に示す制御回路７０は、第１及び第２電磁パイロット弁７１、７２、及び制御装置７３を備えている。

　図４に示す第１電磁パイロット弁７１は、図３に示すウエイト用切換弁２４のパイロットポートＰｉａへとパイロット圧液を第１信号線７１ａに流れる電流に応じて供給するためのものである。このパイロット圧液の圧源は、制御用油圧ポンプ７４から吐出された液圧による。

　第２電磁パイロット弁７２は、図３に示すウエイト用切換弁２４のパイロットポートＰｉｂへとパイロット圧液を第２信号線７２ａに流れる電流に応じて供給するためのものである。このパイロット圧液の圧源は、制御用油圧ポンプ７４から吐出された液圧による。

　制御装置７３は、第１～第１０圧力センサＰＳ１～ＰＳ１０が出力する各圧力電気信号が電気的に入力され、各圧力電気信号に基づいて第１及び第２電磁パイロット弁７１、７２に指令電気信号を送信するためのものである。

　次に、図５～図１１を参照して、建設機械用エネルギ回生装置１１の作用を説明する。図５は、図３及び図４に示す油圧ショベル１５の油圧回路２７及び制御回路７０において、ブーム１２の上げ動作の状態を示す図である。操縦者が、ブーム用リモコン弁６５を操作して、ブーム１２の上げ動作を指示すると、ブーム用コントロール弁５７のスプールが位置（ハ）に切り換わり、油圧ポンプ２８から吐出された圧油が、太い実線で示すように、ブーム用油圧シリンダ３９に供給され、ブーム１２を所望の高さに上昇させることができる。

　このとき、油圧ポンプ２８から吐出された圧油は、ウエイト用切換弁２４にも供給されるが、ポートＰが閉じられているので、圧油は、ウエイト用油圧シリンダ２１には供給されず、可動ウエイト１６は、昇降せずに停止したままである。

　図６は、図３及び図４に示す油圧回路２７及び制御回路７０において、ブーム１２の下げ動作時にエネルギを回生する状態を示す図である。操縦者が、ブーム用リモコン弁６５を操作して、ブーム１２の下げ動作を指示すると、ブーム用コントロール弁５７のスプールが位置（ロ）に切り換わり、油圧ポンプ２８から吐出された圧油が、太い実線で示すように、ブーム用油圧シリンダ３９に供給され、ブーム１２を所望の高さに下降させることができる。このとき、ブーム用油圧シリンダ３９から排出された圧油は、ウエイト用切換弁２４に供給される。

　そして、制御装置７３は、第５、第６圧力センサＰＳ５、ＰＳ６が出力する各圧力電気信号が電気的に入力され、各圧力電気信号に基づいて第２電磁パイロット弁７２に指令電気信号を送信する。これによって、ウエイト用切換弁２４のスプールが位置（ロ）に切り換わり、ブーム用油圧シリンダ３９から排出された圧油が、太い一点鎖線で示すように、ウエイト用切換弁２４を通ってウエイト用油圧シリンダ２１に供給され、可動ウエイト１６を上昇させることができる。

　そしてこのとき、ブーム１２を操作するためのブーム用リモコン弁６５の操作量及びブーム１２における作動液体の給排圧（第５、第６圧力センサＰＳ５、ＰＳ６の圧力電気信号）に基づいて、制御装置７３が第２電磁パイロット弁７２を介してウエイト用切換弁２４の開口制御を行うため、ブーム１２の位置エネルギを効率的に可動ウエイト１６の位置エネルギとして回生できる。

　ただし、図６では、ブーム１２の位置エネルギを可動ウエイト１６の位置エネルギとして回生する例を挙げて説明したが、これに代えて、図には示さないが、アーム１９やバケット２０等の位置エネルギを可動ウエイト１６の位置エネルギとして回生することもできる。

　図７は、図３及び図４に示す油圧回路２７及び制御回路７０において、回生エネルギをアーム１９の押し動作に利用する状態を示す図である。操縦者が、アーム用リモコン弁６４を操作して、アーム１９の押し動作を指示すると、アーム用コントロール弁５６のスプールが位置（ロ）に切り換わり、油圧ポンプ２８から吐出された圧油が、太い実線及び太い一点鎖線で示すように、アーム用油圧シリンダ３７に供給され、アーム１９を押し方向に揺動させることができる。

　このとき、制御装置７３は、アーム用油圧シリンダ３７に接続する図示しない圧力センサが出力する各圧力電気信号が電気的に入力され、各圧力電気信号に基づいて第１電磁パイロット弁７１に指令電気信号を送信する。これによって、ウエイト用切換弁２４のスプールが位置（ハ）に切り換わり、ウエイト用油圧シリンダ２１から排出された圧油が、太い一点鎖線で示すように、ウエイト用切換弁２４を通ってアーム用油圧シリンダ３７に供給され、アーム１９を押し方向に揺動させることができる。このようにして、回生エネルギをアーム１９の押し動作に利用することができる。

　つまり、図６に示すように、ブーム１２が重力方向に移動するとき（下げ動作のとき）のエネルギによって、可動ウエイト１６を上方向に移動させることができる。これによって、ブーム１２の位置エネルギを可動ウエイト１６の位置エネルギとして蓄積することができる。

　そして、図７に示すように、この可動ウエイト１６の位置エネルギを利用してアーム１９を押し方向に駆動することができる。

　このように、ブーム１２の位置エネルギを可動ウエイト１６の位置エネルギとして蓄積し、これを利用することができるので、建設機械の燃料消費量を従来よりも低減させることが可能である。

　また、図２に示すように、可動ウエイト１６は、油圧ショベル１５等の建設機械のカウンタウエイトとしての機能を有し、この可動ウエイト１６及び力伝達用液圧回路１７Ａ（後述する第３及び第４実施形態では１７Ｂ，１７Ｃ）の一部の合計質量は、建設機械に必要とされるカウンタウエイトの質量と略同一である構成としている。

　このようにすると、エネルギ回生装置１１を油圧ショベル１５に設けても、この油圧ショベル１５の全体の質量が、エネルギ回生装置１１が設けられていない油圧ショベル１５の全体の質量よりも増加しないように製作することが可能である。よって、作動部である旋回体１３又は走行体１４を作動させるための動力の増加及び燃料消費量の増加を防ぐことができ、その結果、より効果的にエネルギを回生して利用することができる。

　更に、図２に示すように、可動ウエイト１６は、直線方向に移動可能に設けられている。このようにすると、構造が簡単で故障が少なく、低廉な建設機械用エネルギ回生装置１１を提供することができる。

　図８は、本発明の第２実施形態の油圧回路を示し、バケット２０の駆動に回生エネルギを利用する形態である。

　バケット用コントロール弁５８は、バケット用油圧シリンダ３８へと供給される作動液体の圧力及び流量を制御するためのものである。バケット用コントロール弁５８は、上記と同様に、バケット用油圧シリンダ３８、タンク３２、及び油圧ポンプ２８と接続している。

　また、バケット用リモコン弁６６は、バケット用コントロール弁５８のパイロットポートＸ、Ｙに連通路６６ｂ、６６ａを介して接続している。

　さらに、図８に示された第７及び第８圧力センサＰＳ７、ＰＳ８は、バケット用リモコン弁６６の各連通路６６ａ、６６ｂに現れる出力圧を計測し、各圧力信号を電気信号として生成するためのものである。

　図８は、図３及び図４に示す油圧回路２７及び制御回路７０において、回生エネルギをバケット２０の押し動作に利用する状態を示す図である。この図８に示す状態と図７に示す状態とが相違するところは、図７に示す状態では、回生エネルギをアーム１９の押し動作に利用しているのに対して、図８に示す状態では、回生エネルギをバケット２０の押し動作に利用しているところである。

　図８は、操縦者が、バケット用リモコン弁６６を操作して、バケット２０の押し動作を指示すると、バケット用コントロール弁５８のスプールが位置（ロ）に切り換わり、油圧ポンプ２８から吐出された圧油が、太い実線及び太い一点鎖線で示すように、バケット用油圧シリンダ３８に供給され、バケット２０を押し方向に揺動させることができる。

　このとき、制御装置７３は、図７に示す場合と同様に作動して、ウエイト用油圧シリンダ２１から排出された圧油が、太い一点鎖線で示すように、ウエイト用切換弁２４を通ってバケット用油圧シリンダ３８に供給され、バケット２０を押し方向に揺動させることができる。

　このようにして、回生エネルギ（可動ウエイト１６の位置エネルギ）をバケット２０の押し動作に利用することができるので、建設機械の燃料消費量を従来よりも低減させることが可能である。

　図９は、第３の実施形態の油圧回路７５であり、油圧ショベル１５の力伝達用液圧回路１７Ｂを含み、図３に示す油圧回路２７にエンジンアシスト用油圧モータ５２用の連通路２２ａを追加して示したものである。この図９は、回生エネルギによってエンジンアシスト用油圧モータ５２を駆動して、回生エネルギをアーム１９の押し動作に利用する状態を示す図である。

　操縦者が、アーム用リモコン弁６４を操作して、アーム１９の押し動作を指示すると、アーム用コントロール弁５６のスプールが位置（ロ）に切り換わり、油圧ポンプ２８から吐出された圧油が、太い実線で示すように、アーム用油圧シリンダ３７に供給され、アーム１９を押し方向に揺動させることができる。

　このとき、制御装置７３は、アーム用油圧シリンダ３７に接続する図示しない圧力センサが出力する各圧力電気信号が電気的に入力され、各圧力電気信号に基づいて第１電磁パイロット弁７１に指令電気信号を送信する。これによって、ウエイト用切換弁２４のスプールが位置（ハ）に切り換わり、ウエイト用油圧シリンダ２１から排出された圧油が、太い一点鎖線で示すように、ウエイト用切換弁２４及び連通路２２ａを通ってエンジンアシスト用油圧モータ５２に供給される。これによって、このアシスト用油圧モータ５２が回転すると、このアシスト用油圧モータ５２の回転軸と連結する油圧ポンプ２８の駆動をアシストすることができる。

　このようにして、回生エネルギ（可動ウエイト１６の位置エネルギ）をアーム１９の押し動作に利用することができるので、建設機械の燃料消費量を従来よりも低減させることが可能である。

　なお、図９に示すように、ウエイト用切換弁２４のポートＤは、アシスト用油圧モータ５２の油入口と連通路２２ａを介して接続している。

　図１０は、第４の実施形態の油圧回路７６であり、油圧ショベル１５の力伝達用液圧回路１７Ｃを含み、図３に示す油圧回路２７において、ブーム用連通路５３ａ、５３ｂに代えて旋回用連通路６９ａ、６９ｂを追加し、さらに旋回用連通路６９ａ、６９ｂから流出する油を一方向に導くチェック弁７８ａ、７８ｂを追加して示したものであり、旋回用コントロール弁５９を示す。

　旋回体用コントロール弁５９は、旋回体用油圧モータ３６へと供給される作動液体の圧力及び流量を制御するためのものである。旋回体用コントロール弁５９は、上記と同様に、旋回体用油圧モータ３６、タンク３２、及び油圧ポンプ２８と接続している。

　更に、旋回体用リモコン弁６７も、旋回体用コントロール弁５９のパイロットポートＸ、Ｙに連通路６７ｂ、６７ａを介して接続している。

　さらに、図１０に示された第９及び第１０圧力センサＰＳ９、ＰＳ１０は、旋回体用リモコン弁６７の各連通路６７ａ、６７ｂに現れる出力圧を計測し、各圧力信号を電気信号として生成するためのものである。この図１０は、旋回体１３の制動時にエネルギを回生する状態を示す図である。

　操縦者が、旋回体用リモコン弁６７を操作して、例えば逆転方向に回転する旋回体１３に制動の指示をすると、旋回体用コントロール弁５９のスプールが位置（ロ）から（イ）側に切り換わり、旋回体用油圧モータ３６の出口側が旋回体用コントロール弁５９でブロックされる。

　そして、上記動作と並行して、制御装置７３は、第９、１０圧力センサＰＳ９、ＰＳ１０が出力する各圧力電気信号が電気的に入力され、各圧力電気信号に基づいて第２電磁パイロット弁７２に指令電気信号を送信する。これによって、ウエイト用切換弁２４のスプールが位置（ロ）に切り換わり、旋回体用油圧モータ３６から排出された圧油が、太い一点鎖線で示すように、ウエイト用切換弁２４を通ってウエイト用油圧シリンダ２１に供給され、可動ウエイト１６を上昇させることができる。なお、このとき旋回体用油圧モータ３６はタンク３２から圧油を吸い込む。

　このようにして、旋回体１３が制動されるときのエネルギを可動ウエイト１６の位置エネルギとして蓄積することができる。

　そしてこのとき、旋回体１３を操作するための旋回体用リモコン弁６７の操作量や旋回体１３における作動液体の給排圧（第９、第１０圧力センサＰＳ９、ＰＳ１０）に基づいて、制御装置７３が第２電磁パイロット弁７２を介してウエイト用切換弁２４の開口制御を行うため、旋回体１３の運動エネルギを効率的に可動ウエイト１６の位置エネルギとして回生できる。

　ただし、図１０では、旋回体１３の運動エネルギを可動ウエイト１６の位置エネルギとして回生する例を挙げて説明したが、これに代えて、図には示さないが、走行体１４の運動エネルギを可動ウエイト１６の位置エネルギとして回生することもできる。

　なお、図１０に示すように、ウエイト用切換弁２４のポートＰは、旋回体用油圧モータ３６の油の出入口と連通路３６ａを介して接続している。そして、７７は、油圧ポンプ２８の吐出圧を制御するためのリリーフ弁である。

　図１１は、図１０に示す油圧ショベル１５の油圧回路７６において、回生エネルギをアーム１９の押し動作に利用する状態を示す図である。

　操縦者が、アーム用リモコン弁６４を操作して、アーム１９の押し動作を指示すると、アーム用コントロール弁５６のスプールが位置（ロ）に切り換わり、油圧ポンプ２８から吐出された圧油が、太い実線及び一点鎖線で示すように、アーム用油圧シリンダ３７に供給され、アーム１９を押し方向に揺動させることができる。

　このとき、制御装置７３は、アーム用油圧シリンダ３７に接続する図示しない圧力センサが出力する各圧力電気信号が電気的に入力され、各圧力電気信号に基づいて第１電磁パイロット弁７１に指令電気信号を送信する。これによって、ウエイト用切換弁２４のスプールが位置（ハ）に切り換わり、ウエイト用油圧シリンダ２１から排出された圧油が、太い一点鎖線で示すように、ウエイト用切換弁２４及び連通路２２ａ、５４ａを通ってアーム用油圧シリンダ３７に供給される。これによって、このアーム１９を押し方向に揺動させることができ、油圧ポンプ２８の駆動をアシストすることができる。

　このようにして、回生エネルギ（可動ウエイト１６の位置エネルギ）をアーム１９の押し動作に利用することができる。

　つまり、図１０に示すように、旋回体１３が制動されるときの運動エネルギによって、可動ウエイト１６を上方向に移動させることができる。これによって、旋回体１３の運動エネルギを可動ウエイト１６の位置エネルギとして蓄積することができる。

　そしてこの可動ウエイト１６の位置エネルギを利用してアーム１９を駆動することができる。

　このように、旋回体１３の運動エネルギを可動ウエイト１６の位置エネルギとして蓄積し、これを利用することができるので、建設機械の燃料消費量を従来よりも低減させることが可能である。

　次に、本発明に係る建設機械用エネルギ回生装置の第５実施形態を、図１２を参照して説明する。この図１２に示す第２実施形態の建設機械用エネルギ回生装置４３と、図２に示す第１実施形態の建設機械用エネルギ回生装置１１とが相違するところは、図２に示す第１実施形態では、可動ウエイト１６を案内部２５に沿って上下直線方向に移動可能に設けたのに対して、図１２に示す第５実施形態では、可動ウエイト１６を所定の支点部４４で支持し、当該支点部４４を中心にして上下方向に揺動可能に設けたところである。

　この図１２に示す可動ウエイト１６を支持する支点部４４は、旋回体１３のフレーム部１３ａに設けられている。また、可動ウエイト１６の下部には、ウエイト用油圧シリンダ２１が設けられている。

　ウエイト用油圧シリンダ２１は、伸縮動作するときに、可動ウエイト１６が支点部４４を中心にして上下方向に揺動することができるように設けられている。

　このウエイト用油圧シリンダ２１は、可動ウエイト１６の下部と、旋回体１３のフレーム部１３ａとの間に設けられている。そして、そのシリンダ部２１ａの基端部が旋回体１３のフレーム部１３ａに連結部４５を介して揺動自在に互いに連結し、そのピストンロッド２１ｂの先端部が、可動ウエイト１６の下部と連結部２６を介して揺動自在に互いに連結している。

　この図１２に示す第５実施形態の建設機械用エネルギ回生装置４３によると、以下のような技術的作用効果を奏する。例えば可動ウエイト１６について大きな位置エネルギを確保するためには、可動ウエイト１６の上下方向の移動距離を大きくすることが必要であり、そのためには、ウエイト用油圧シリンダ２１のストロークを大きくする必要がある。しかし、ウエイト用油圧シリンダ２１の構造上、そのストロークは、或る程度小さい方が安定した動作が得られ、望ましいとされており、また可動ウエイト１６を上下させるときの油圧をある程度高くすることができる。

　よって、可動ウエイト１６を、支点部４４を中心にして上下方向に揺動可能に設け、ウエイト用油圧シリンダ２１が可動ウエイト１６に連結する連結部２６と支点部４４との間の距離Ｌ１が短くなるように適切に設定することによって、可動ウエイト１６の重心の上下方向の移動距離を比較的大きくすることができ、しかも、可動ウエイト１６を上下方向に所定の角度だけ揺動させるためのウエイト用油圧シリンダ２１のストロークが比較的小さくなるように設定することができ、且つ可動ウエイト１６を上下させるときの油圧をある程度高くなるように設定することができる。

　これ以外は、図２に示す第１実施形態と同等であり、同等部分を同一の図面符号で示し、それらの説明を省略する。

　次に、本発明に係る建設機械用エネルギ回生装置の第６実施形態を、図１３を参照して説明する。この図１３に示す第６実施形態の建設機械用エネルギ回生装置４８と、図１２に示す第５実施形態の建設機械用エネルギ回生装置４３とが相違するところは、図１２に示す第５実施形態では、可動ウエイト１６と旋回体１３のフレーム部１３ａとの間に１つのウエイト用油圧シリンダ２１を設けたのに対して、図１３に示す第６実施形態では、可動ウエイト１６と旋回体１３のフレーム部１３ａとの間にリフト用油圧シリンダ（ウエイト用油圧シリンダ）２１とアシスト用油圧シリンダ４９とを例えば１つずつ合計２つ設けたところである。

　図１３に示す可動ウエイト１６は、図１２に示す第５実施形態と同様に、所定の支点部４４で支持され、当該支点部４４を中心にして上下方向に揺動可能に設けられている。この可動ウエイト１６には、リフト用油圧シリンダ２１及びアシスト用油圧シリンダ４９が２つの各連結部２６、５０を介して連結している。

　これらリフト用及びアシスト用油圧シリンダ２１、４９の各ピストンロッド２１ｂ、４９ｂのそれぞれ先端部には、連結部２６、５０が設けられ、これら各連結部２６、５０が可動ウエイト１６に対して揺動自在に連結している。そして、これら２つの各連結部２６、５０と支点部４４との間のそれぞれの距離Ｌ２、Ｌ３は、リフト用油圧シリンダ２１の距離Ｌ２の方がアシスト用油圧シリンダ４９の距離Ｌ３よりも大きく設定されている。なお、図１３に示すＧは、可動ウエイト１６の重心位置である。

　そして、図には示さないが、力伝達用液圧回路は、可動ウエイト１６を上方向に揺動させるときにウエイト用油圧シリンダ２１に圧油を導いて伸長動作させ、可動ウエイト１６が下方向に揺動するときにアシスト用油圧シリンダ４９から圧油を吐出させて短縮動作するように構成されている。

　また、リフト用及びアシスト用油圧シリンダ２１、４９の各シリンダ部２１ａ、４９ａの各基端部は、それぞれ連結部４５、５１を介して揺動自在に旋回体１３のフレーム部１３ａと連結している。

　このようにリフト用及びアシスト用油圧シリンダ２１、４９の可動ウエイト１６に連結するそれぞれの連結部２６、５０と支点部４４との間の各距離Ｌ２、Ｌ３について、ウエイト用油圧シリンダ２１の距離Ｌ２の方をアシスト用油圧シリンダ４９の距離Ｌ３よりも大きく設定すると、可動ウエイト１６を上昇させるためにリフト用油圧シリンダ２１へ供給される圧油の圧力よりも、可動ウエイト１６が下降するときのアシスト用シリンダ４９から吐出される圧油の圧力の方を高くすることができる。したがって、第一作動部又は第二作動部を駆動するための作動液体の圧力を高くすることができ、可動ウエイトの位置エネルギを有効に利用することができる。

　これ以外は、図２に示す第１実施形態と同等であり、それらの説明を省略する。

　ただし、上記実施形態では、本発明を油圧ショベルに適用したが、これ以外の例えばクレーン等の建設機械に適用することができる。

　そして、上記実施形態では、作動液体として、作動油を例に挙げたが、作動油以外の液体を使用してもよい。

　また、図７、図８、図９及び図１１では、回生したエネルギをアーム１９又はバケット２０の駆動に利用した例を示したが、回生したエネルギを例えばブーム１２の駆動に利用することも可能である。

　以上のように、本発明に係る建設機械用エネルギ回生装置及びそれを備える建設機械は、蓄電器及びインバータを不要とすることによって、その分の費用が掛からず低廉であり故障が少なく、しかも、嵩張らず重量の増加を抑制することができる優れた効果を有し、このような建設機械用エネルギ回生装置及びそれを備える建設機械に適用するのに適している。

　１１　建設機械用エネルギ回生装置
　１２　ブーム
　１３　旋回体
　１３ａ　フレーム部
　１４　走行体
　１５　油圧ショベル（建設機械）
　１６　可動ウエイト
　１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃ　力伝達用液圧回路
　１８　旋回機構
　１９　アーム
　２０　バケット
　２１　ウエイト用油圧シリンダ（リフト用油圧シリンダ）
　２１ａ　シリンダ部
　２１ｂ　ピストン部
　２２、２２ａ、２２ｂ、２２ｃ　連通路
　２４　ウエイト用切換弁
　２５　案内部
　２６　連結部
　２７　油圧回路
　２８　油圧ポンプ
　３２　タンク
　３６　旋回体用油圧モータ
　３６ａ　連通路
　３７　アーム用油圧シリンダ
　３８　バケット用油圧シリンダ
　３９　ブーム用油圧シリンダ
　４３　建設機械用エネルギ回生装置
　４４　支点部
　４５　連結部
　４８　建設機械用エネルギ回生装置
　４９　アシスト用油圧シリンダ
　４９ａ　シリンダ部
　４９ｂ　ピストン部
　５０、５１　連結部
　５２　エンジンアシスト用油圧モータ
　５３、５３ａ、５３ｂ　ブーム用連通路
　５４、５４ａ、５４ｂ　アーム用連通路
　５５、５５ａ、５５ｂ　可動ウエイト用連通路
　５６　アーム用コントロール弁
　５７　ブーム用コントロール弁
　５８　バケット用コントロール弁
　５９　旋回体用コントロール弁
　６０、６２　タンク用連通路
　６１、６３　ポンプ用連通路
　６４　アーム用リモコン弁
　６４ａ、６４ｂ、６５ａ、６５ｂ、６６ａ、６６ｂ、６７ａ、６７ｂ、　連通路
　６５　ブーム用リモコン弁
　６６　バケット用リモコン弁
　６７　旋回体用リモコン弁
　６８ａ、６８ｂ　バケット用連通路
　６９ａ、６９ｂ　旋回体用連通路
　７０　制御回路
　７１　第１電磁パイロット弁
　７１ａ　第１信号線
　７２　第２電磁パイロット弁
　７２ａ　第２信号線
　７３　制御装置
　７４　制御用油圧ポンプ
　７５、７６　油圧回路
　７７　リリーフ弁
　７８ａ、７８ｂ　チェック弁

Claims

　ブーム、旋回体、又は走行体を含む第一作動部、及びアーム、バケット、又はエンジンアシスト用油圧モータを含む第二作動部が作動液体によって駆動される建設機械のエネルギ回生装置において、
　前記建設機械に設けられ、上下方向に移動可能な可動ウエイトと、
　前記ブーム、アーム、若しくはバケットが重力方向に移動するときのエネルギによって、又は前記旋回体若しくは走行体が制動するときのエネルギによって、前記可動ウエイトを上方向に移動させ、この可動ウエイトの位置エネルギを前記第一作動部又は第二作動部を駆動するためのエネルギとして利用する力伝達用液圧回路とを備えることを特徴とする建設機械用エネルギ回生装置。
　前記第一作動部又は前記第二作動部の回路と前記可動ウエイトの回路とを互いに連通させる連通路と、
　前記連通路に設けられ、当該連通路内の作動液体の流れの方向を切り換える切換弁とを有し、
　前記ブーム、アーム、若しくはバケットが重力方向に移動するとき、又は前記旋回体若しくは走行体が制動するときに、前記切換弁が第一位置側に切り換り、作動液体が前記連通路及び前記切換弁を通って、前記可動ウエイトを上方向に移動させ、更に、
　前記可動ウエイトが重力方向に移動するときに、前記切換弁が第二位置側に切り換り、作動液体が前記連通路及び前記切換弁を通って、前記第一作動部又は第二作動部を駆動する請求項１記載の建設機械用エネルギ回生装置。
　前記可動ウエイト及び前記力伝達用液圧回路の一部は、前記建設機械のカウンタウエイトとしての機能を有し、前記可動ウエイト及び前記力伝達用液圧回路の一部の合計質量は、前記建設機械に必要とされるカウンタウエイトの質量と略同一であることを特徴とする請求項１又は２に記載の建設機械用エネルギ回生装置。
　前記可動ウエイトは、所定の支点部で支持され当該支点部を中心にして液圧シリンダによって上下方向に揺動可能に設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の建設機械用エネルギ回生装置。
　前記可動ウエイトは、直線方向に移動可能に設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の建設機械用エネルギ回生装置。
　前記可動ウエイトは、所定の支点部で支持され当該支点部を中心にして液圧シリンダによって上下方向に揺動可能に設けられ、
　前記液圧シリンダは、リフト用シリンダとアシスト用シリンダを有し、
　前記リフト用シリンダ及びアシスト用シリンダが前記可動ウエイトに連結するそれぞれの連結部と前記支点部との間の距離は、リフト用シリンダの距離の方がアシスト用シリンダの距離よりも大きく設定され、
　前記力伝達用液圧回路は、前記ブームが重力方向に移動するとき、又は前記旋回体若しくは走行体が制動するときに前記リフト用シリンダを作動させることによって前記可動ウエイトを上方向に揺動させ、且つ、前記可動ウエイトが下方向に揺動するときに前記アシスト用シリンダを作動させることによって前記第一作動部又は第二作動部を駆動する請求項１乃至４のいずれかに記載の建設機械用エネルギ回生装置。
　前記切換弁のパイロットポートへとパイロット圧液を供給する電磁パイロット弁と、
　前記第一作動部又は前記第二作動部へと供給される作動液体の圧力及び流量を制御するコントロール弁と、
　前記コントロール弁のパイロットポートへとパイロット圧液を供給するリモートコントロール弁と、
　前記第一作動部若しくは前記第二作動部における作動液体の供給圧及び排出圧を計測し、又は前記リモートコントロール弁の出力圧を計測し、各圧力信号を生成する圧力センサと、
　前記各圧力信号が入力される制御装置であって、前記各圧力信号に基づいて前記電磁パイロット弁に指令信号を送信する制御装置と、を備える請求項１乃至６のいずれかに記載の建設機械用エネルギ回生装置。