作業機械用のエネルギー回生システム
【課題】作業機械用のエネルギー回生システムを提供する。
【解決手段】第１および第２の可変容量形回生油圧モータが、油圧モータの第１および第２の油供給および油吐出ポートからそれぞれ吐出される油用の吐出流路として機能する第３および第４の流量制御ラインに設けられ、ここで、回生油圧モータの押しのけ容積を制御することによって、吐出油の流量ならびに第３および第４の流量制御ラインの圧力を制御することが許容される。第１および第２の回生油圧モータの回転により電力を発生させる第１および第２の発電機がさらに設けられる。
【解決手段】第１および第２の可変容量形回生油圧モータが、油圧モータの第１および第２の油供給および油吐出ポートからそれぞれ吐出される油用の吐出流路として機能する第３および第４の流量制御ラインに設けられ、ここで、回生油圧モータの押しのけ容積を制御することによって、吐出油の流量ならびに第３および第４の流量制御ラインの圧力を制御することが許容される。第１および第２の回生油圧モータの回転により電力を発生させる第１および第２の発電機がさらに設けられる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体圧アクチュエータを備える作業機械用のエネルギー回生システムの技術分野に関し、該システムでは吐出流体のエネルギーが回生される。
【背景技術】
【０００２】
一般に、油圧掘削機などの作業機械には、ポンプからの加圧流体によって作動される種々の流体圧アクチュエータが設けられ、またこの作業機械に関連して、流体圧アクチュエータから吐出された流体のエネルギーを回生するための方法、例えば、それぞれの流体圧アクチュエータから吐出された流体の圧力をアキュムレータに蓄積するように回収する方法が従来知られている。しかし、これらのアキュムレータは、バッテリなどの他のエネルギー蓄積手段と比較してエネルギー蓄積量に関して大きな容量を必要するという問題、さらに、蓄積時間が短くなるという問題を生じさせる。
【０００３】
したがって、流体圧アクチュエータから吐出された流体のエネルギーを電気エネルギーとして回生して蓄積するための方法を改善する必要がある。
【０００４】
一般に、流体圧アクチュエータから吐出された流体の流量が、絞りの大きさに基づいてメータアウト制御を行う制御弁によって制御されるように、油圧掘削機などの作業機械が構成される。既知の一実施例において、（特許文献１）に開示されている方法は、吐出流体の流入によって回転駆動されるタービンをこのような制御弁の下流側に設けている。したがって、タービンが回転してエネルギーを回生する前に、制御弁は、流体圧アクチュエータから吐出流体を除去し、この結果、温度が上昇し、これによりエネルギーが消費されて、エネルギー回生効率が低下するという問題が生じる。
【０００５】
さらに、（特許文献１）では、流体圧アクチュエータが流体圧モータであることに対する考慮がなされていないが、上部回転体および／または油圧駆動モータを回転させるための油圧回転モータなどの種々の流体圧モータを、油圧掘削機などの作業機械内に含むことができる。このような流体圧モータは、一般に、流量を制御するための制御弁と、モータの始動時または停止時に流体供給流路および／または吐出流路の圧力上昇を防止するためのリリーフ弁とを含む。リリーフ弁を通過する流体の温度が上昇すると、エネルギーを消費することがあるので、この場合、リリーフ弁を通過する流体のエネルギーも回生できることが要求される。
【０００６】
【特許文献１】特開第２００２−１９５２１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本開示は、当業者に知られているこの課題および他の課題を解決することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この方法により、流体圧シリンダからの吐出流体の流入によって回転駆動されるタービンが吐出流路に設けられ、この場合、タービンの駆動力により、発電機が電気エネルギーを発生させることが許容される。このようにして、吐出流体のエネルギーを電気エネルギーとして効率的に回生して蓄積することができ、さらに、電気エネルギーをエンジンへの代替動力源として利用できるので、環境に優しい方法となる。
【０００９】
一形態では、本開示は、作業機械用のエネルギー回生システムを提供する。システムは、流体を供給／吐出することによって作動されるように適応された流体圧アクチュエータを含む。さらに、システムは、流体圧アクチュエータから吐出される流体用の吐出流路にある可変容量形回生流体圧モータであって、該回生流体圧モータの押しのけ容積を制御することによって、流体圧アクチュエータからの吐出流体の流量ならびに吐出流路の圧力を制御することが許容される可変容量形回生流体圧モータを含む。その上、システムは、回生流体圧モータを少なくとも部分的に回転させることによって吐出流体のエネルギーを電気エネルギーとして回生するためのエネルギー回生装置を含む。
【００１０】
他の形態では、本開示は、第１および第２の供給／吐出ポートを有する油圧アクチュエータと、前記第１および第２の供給／吐出ポートにそれぞれ接続されている第１および第２の流量制御ラインを含む流量制御回路とを含む作業機械を提供する。さらに、作業機械は、前記流量制御回路内の少なくとも１つの可変容量形油圧モータ、および前記少なくとも１つの可変容量形油圧モータと前記油圧アクチュエータとの間の前記流量制御回路内に配置された少なくとも１つの感圧手段を含む。その上、作業機械は、前記油圧アクチュエータの吐出流体のエネルギーの少なくとも一部を電気エネルギーとして回生するための、可変容量形油圧モータに接続されたエネルギー回生装置を含む。
【００１１】
さらに他の形態では、本開示は、油圧エネルギー回収システムを作動させる方法を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１において、油圧モータ１（例えば油圧掘削機の上部回転体を回転させるための油圧回転モータ）は、油圧掘削機などの作業機械内に設けられ、第１および第２の油供給および油吐出ポート１ａ、１ｂを有する油圧モータ１は、両方向回転型であり、第１の油供給および油吐出ポート１ａに圧油を供給して第２の油供給および油吐出ポート１ｂから油を吐出した場合に一方向に回転するように、また第２の油供給および油吐出ポート１ｂに圧油を供給して第１の油供給および油吐出ポート１ａから油を吐出した場合には反対方向に回転するように配置される。
【００１３】
油圧モータ１は、油圧モータ１への圧油供給源としての油圧ポンプ２を含む。油圧ポンプ２は、主動力源として作業機械に取り付けられたエンジン３２と、補助動力源として以下に記載するモータ３３とを使用して駆動されるように適応され、この場合、油圧ポンプ２と油圧モータ１との間には、油圧回路が設けられ、この油圧回路は、油圧ポンプ２の吐出側に接続された吐出ライン３、吐出ライン３の下流側に接続された流量制御回路４、流量制御回路４と油圧モータ１の第１の油供給および油吐出ポート１ａとを接続するように適応された第１のモータ側ライン５、および流量制御回路４と油圧モータ１の第２の油供給および油吐出ポート１ｂとを接続するように適応された第２のモータ側ライン６を含む。
【００１４】
吐出ライン３の中間部には、分岐するように、油タンク７への戻りライン８が形成される。戻りライン８には、以下に記載する制御装置１０からのコマンドに少なくとも部分的に基づいて作動するように配置されたバイパス弁９がある。さらに、吐出ライン３において、戻りライン８用の分岐点の下流側にはチェック弁１１が配置され、このチェック弁１１により、油圧ポンプ２および戻りライン８への油の逆流が防止される。
【００１５】
流量制御回路４は、以下に説明するような長方形の環状形態に第１、第２、第３および第４の流量制御ライン１２、１３、１４、１５を接続することによって形成される。吐出ライン３は、第１の流量制御ライン１２と第２の流量制御ライン１３との間の接続部Ａに接続される。第１のモータ側ライン５は、第１の流量制御ライン１２と第３の流量制御ライン１４との間の接続部Ｂに接続される。第２のモータ側ラインは、第２の流量制御ライン１３と第４の流量制御ライン１５との間の接続部Ｃに接続される。最後に、油タンク７に至る吐出ライン１６は、第３の流量制御ライン１４と第４の流量制御ライン１５との間の接続部Ｄに接続される。
【００１６】
第１の流量制御ライン１２には、吐出ライン３から第１のモータ側ライン５への供給油の流量を制御するように適応された第１のメータインバルブ１７が配置される。第２の流量制御ライン１３には、吐出ライン３から第２のモータ側ライン６への供給油の流量を制御するように適応された第２のメータインバルブ１８が配置される。第１および第２のメータインバルブ１７、１８は、制御装置１０によって操作可能に制御される。
【００１７】
また、第３の流量制御ライン１４には、第１の可変容量形回生油圧モータ１９が配置される。第１の回生油圧モータ１９の押しのけ容積は、制御装置１０から押しのけ容積制御手段１９ａに出力される制御コマンドに基づいて、ゼロから所定の最大値まで変化し、このことにより、第３の流量制御ライン１４の流量をゼロから所定の最大値まで変更することが許容される。次に、第１の回生油圧モータ１９の押しのけ容積の変化により、第１のモータ側ライン５から吐出ライン１６への吐出油の流量制御（メータアウト制御）と第１のモータ側ライン５の圧力制御とが許容される。さらに、第３の流量制御ライン１４には、第１の回生油圧モータ１９の上流側における第３の流量制御ライン１４の圧力を検出するための第１の圧力センサ２０が配置され、この第１の圧力センサ２０は、検出信号を制御装置１０に出力するために配置される。
【００１８】
第４の流量制御ライン１５には、第３の流量制御ライン１４に配置された第１の回生油圧モータ１９および第１の圧力センサ２０と同様の第２の回生油圧モータ２１および第２の圧力センサ２２が配置される。次に、制御装置１０から第２の回生油圧モータ２１の押しのけ容積制御手段２１ａに出力される制御コマンドに基づいて、第２の回生油圧モータ２１の押しのけ容積が変化することにより、第２のモータ側ライン６から吐出ライン１６への吐出油の流量制御（メータアウト制御）と第２のモータ側ライン６の圧力制御とが許容される。
【００１９】
第１および第２の発電機２３と２４は、第１および第２の回生油圧モータ１９と２１にそれぞれ連動するように接続される。第１および第２の回生油圧モータ１９と２１のトルクにより、第１および第２の発電機２３と２４を駆動させて電力を発生させることができる。
【００２０】
第３および第４の流量制御ライン１４と１５は、第１および第２の回生油圧モータ１９と２１をそれぞれバイパスするためのバイパスライン１４ａと１５ａも含む。バイパスライン１４ａと１５ａには、吐出ライン１６から第１のモータ側ライン５および第２のモータ側ライン６への油の流れを許容するが、反対方向への油の流れを防止するように配置されたチェック弁２５と２６がそれぞれ配置される。このようにして、第１のモータ側ライン５または第２のモータ側ライン６が減圧状態になった場合に油タンク７からの油の補給が行われる。
【００２１】
マイクロコンピュータ等からなる制御装置１０は、油圧モータ１用の制御レバー２７から出力されたコマンド信号と、第１および第２の圧力センサ２０と２２から出力された検出信号とを受信し、次に、入力された信号に基づいて、油圧ポンプ２の押しのけ容積制御手段２ａ、バイパス弁９、第１および第２のメータインバルブ１７と１８、第１および第２の回生油圧モータ１９と２１の押しのけ容積制御手段１９ａと２１ａ等に制御コマンドを出力する。
【００２２】
制御装置１０から出力された制御コマンドに関して、油圧モータ１用の制御レバー２７が停止位置に位置決めされた（すなわち制御レバー２７で操作が行われなかった）場合、制御装置１０は、「弁の開口」という制御コマンドをバイパス弁９に出力し、一方、「弁の閉鎖」を第１および第２のメータインバルブ１７と１８に出力し、さらに、「押しのけ容積ゼロ」という制御コマンドを第１および第２の回生油圧モータ１９と２１の押しのけ容積制御手段１９ａと２１ａに出力する。このようにして、油圧ポンプ２から強制的に送られた油は戻りライン８を通して油タンク７に戻され、ここで、第１〜第４の流量制御ライン１２〜１５は閉鎖状態にあるので、油が油圧モータ１に供給されることもそこから吐出されることもなく、したがって、油圧モータ１は停止する。
【００２３】
他方、油圧モータ１が一方向に回転するように指示した位置に制御レバー２７があった場合、制御装置１０は、「弁の閉鎖」という制御コマンドをバイパス弁９に出力し、一方、「弁の開口」という制御コマンドを第１のメータインバルブ１７に出力し、また「弁の閉鎖」という制御コマンドを第２のメータインバルブ１８に出力する。この場合、制御レバー２７の動作の大きさの増大または減少に従って、第１のメータインバルブ１７の開口の大きさが増大または減少するように制御される。また、制御装置１０は、第１の圧力センサ２０によって検出された第３の流量制御ライン１４の圧力Ｐ１が所定のリリーフ圧ＰＳ以下であった場合、「押しのけ容積ゼロ」という制御コマンドを第１の回生油圧モータ１９の押しのけ容積制御手段１９ａに出力し、一方、圧力Ｐ１が所定のリリーフ圧ＰＳよりも大きかった場合、所定のリリーフ押しのけ容積になるような制御コマンドを前記押しのけ容積制御手段１９ａに出力する。さらに、制御装置１０は、第２の圧力センサ２２によって検出された第４の流量制御ライン１５の圧力Ｐ２が所定のリリーフ圧以下であった場合、制御レバー２７の動作の大きさの増大または減少に従って押しのけ容積が増大または減少されるように制御コマンドを第２の回生油圧モータ２１の押しのけ容積制御手段２１ａに出力し、また圧力Ｐ２が所定のリリーフ圧ＰＳよりも大きかった場合、リリーフ押しのけ容積になるような制御コマンドを前記押しのけ容積制御手段２１ａに出力する。この場合、制御レバー２７の動作の大きさに対応する第２の回生油圧モータ２１の押しのけ容積が、リリーフ押しのけ容積よりも大きかった場合、モータは、第４の流量制御ライン１５の圧力に関係なく、制御レバー２７の動作の大きさに対応する押しのけ容積になるように制御される。
【００２４】
したがって、油圧ポンプ２から強制的に送られた油は、吐出ライン３を通って第１の流量制御ライン１２に流れ、次に、第１のモータ側ライン５を通して油圧モータ１の第１の油供給および油吐出ポート１ａに供給されるように、油の流量が、第１の流量制御ライン１２に配置された第１のメータインバルブ１７によって制御される。他方、第２の油供給および油吐出ポート１ｂからの吐出油は、第２のモータ側ライン６を通って第４の流量制御ライン１５に流れ、次に、吐出ライン１６を通して油タンク７に流入させるように、流量が、第４の流量制御ライン１５に配置された第２の回生油圧モータ２１によって制御され、これにより、油圧モータ１が一方向に回転する。さらに、油圧モータ１が一方向に回転すると、油圧モータ１からの吐出流路における流量を制御する第２の回生油圧モータ２１が少なくとも部分的に回転するので、第２の発電機２４が駆動されて電力を発生させる。
【００２５】
一方、制御レバー２７を停止位置に戻して、上記の一方向の回転状態で作動していた油圧モータ１を停止させた場合、第２の回生油圧モータ２１の押しのけ容積が、制御レバー２７からの操作コマンドに基づきゼロになるように制御されて、第４の流量制御ライン１５が閉状態になり、ここで、油圧モータ１は、慣性負荷が付与されて依然として回転しているので直ちに停止することができず、またこのように回転している油圧モータ１から吐出された油は、第２のモータ側ライン６を通って第４の流量制御ライン１５に流れて、第４の流量制御ライン１５の圧力を上昇させる。第４の流量制御ライン１５の圧力Ｐ２は、第２の圧力センサ２２によって検出され、ここで、第４の流量制御ライン１５の圧力Ｐ２が所定のリリーフ圧ＰＳ以上になった場合、制御装置１０は、上述したように、リリーフ押しのけ容積になるような制御コマンドを第２の回生油圧モータ２１に出力する。このようにして、第４の流量制御ライン１５は油が通過している状態にあり、ここで、第２の回生油圧モータ２１は、所定のリリーフ圧ＰＳを保持する程度の回転抵抗を有し、次に、吐出油が油圧モータ１から油タンク７に流れることが許容される。したがって、第２の回生油圧モータ２１は、モータの停止時にリリーフ制御を行い、またリリーフ制御のために作動されている場合には、第２の回生油圧モータ２１の回転により、第２の発電機２４が駆動されて電力を発生させる。
【００２６】
また、油圧モータ１が一方向に回転すると、第１の流量制御ライン１２および第１のモータ側ライン５は、油圧モータ１への圧油供給流路として機能し、ここで、吐出ライン１６を介して油タンク７に至る第３の流量制御ライン１４は、圧油供給流路の中間部に配置された接続部Ｂに接続される。例えば、油圧モータ１が一方向に回転すると、第３の流量制御ライン１４は、圧油供給流路に接続されたリリーフ流路に対応する。
【００２７】
一方、油圧モータ１が停止状態から回転状態に変化した場合、油圧モータ１に付与された慣性負荷によって始動するモータのタイムラグにより、油圧モータ１への圧油供給流路の圧力が上昇する。上昇した圧力は、第１の圧力センサ２０によって検出されるように、接続部Ｂを通って第３の流量制御ライン１４に流れる。ここで、第３の流量制御ライン１４の圧力Ｐ１が所定のリリーフ圧ＰＳよりも大きくなった場合、第１の回生油圧モータ１９の押しのけ容積は、上述したように、制御装置１０からのコマンドに基づいてリリーフ押しのけ容積になるように制御され、これにより、圧油供給流路の圧油は第３の流量制御ライン１４と吐出ライン１６とを通して油タンク７に逃がされる。このようにして、第１の回生油圧モータ１９は、モータの始動時にリリーフ制御を行うことが可能であり、またこのようにリリーフ制御のために作動されている第１の回生油圧モータ１９の回転により、第１の発電機２３を駆動させて電力を発生させることが可能である。
【００２８】
他方、油圧モータ１が反対方向に回転するように指示した位置に制御レバー２７が操作された場合、制御装置１０は、「弁の閉鎖」という制御コマンドをバイパス弁９に出力し、また「弁の閉鎖」という制御コマンドを第１のメータインバルブ１７に出力し、一方、「弁の開口」という制御コマンドを第２のメータインバルブ１８に出力する。この場合、制御レバー２７の動作の大きさの増大または減少に従って、第２のメータインバルブ１８の開口部の大きさが増大または減少するように制御される。また、制御装置１０は、第１の圧力センサ２０によって検出された第３の流量制御ライン１４の圧力Ｐ１が、所定のリリーフ圧ＰＳ以下であった場合、制御レバー２７の動作の大きさの増大または減少に従って押しのけ容積が増大または減少されるように制御コマンドを第１の回生油圧モータ１９の押しのけ容積制御手段１９ａに出力し、一方、圧力Ｐ１が所定のリリーフ圧ＰＳよりも大きかった場合、リリーフ押しのけ容積になるような制御コマンドを前記押しのけ容積制御手段１９ａに出力する。ここで、制御レバー２７の動作の大きさに対応する第１の回生油圧モータ１９の押しのけ容積が、リリーフ押しのけ容積よりも大きかった場合、モータは、第３の流量制御ライン１４の圧力に関係なく、制御レバー２７の動作の大きさに対応する押しのけ容積になるように制御される。さらに、制御装置１０は、第２の圧力センサ２２によって検出された第４の流量制御ライン１５の圧力Ｐ２が、所定のリリーフ圧ＰＳ以下であった場合、「押しのけ容積ゼロ」という制御コマンドを第２の回生油圧モータ２１の押しのけ容積制御手段２１ａに出力し、一方、圧力Ｐ２が所定のリリーフ圧ＰＳよりも大きかった場合、リリーフ押しのけ容積になるような制御コマンドを前記押しのけ容積制御手段２１ａに出力する。したがって、油圧ポンプ２から強制的に送られた油は吐出ライン３を通って第２の流量制御ライン１３に流れ、次に、第２のモータ側ライン６を通して油圧モータ１の第２の油供給および油吐出ポート１ｂに供給されるように、油の流量が、第２の流量制御ライン１３に配置された第２のメータインバルブ１８によって制御される。他方、一方の側の第１の油供給および油吐出ポート１ａからの吐出油は第１のモータ側ライン５を通って第３の流量制御ライン１４に流れ、次に、吐出ライン１６を通して油タンク７に流入させるように、油の流量が、第３の流量制御ライン１４に配置された第１の回生油圧モータ１９によって制御され、これにより、油圧モータ１が反対方向に回転する。さらに、油圧モータ１が反対方向に回転すると、油圧モータ１からの吐出流路における流量を制御する第１の回生油圧モータ１９が回転するので、第１の発電機２３が駆動されて電力を発生させる。
【００２９】
油圧モータ１の反対方向の回転が停止した場合、上述したような一方向の回転の場合と同様に、吐出流路に配置された第１の回生油圧モータ１９はリリーフ制御を行い、またこのようにリリーフ制御のために作動されている第１の回生油圧モータ１９の回転により、第１の発電機２３が駆動されて電力を発生させる。また、油圧モータ１が反対方向に回転し始めた場合、第４の流量制御ライン１５は、圧油供給流路に接続されたリリーフ流路として機能し、ここで、リリーフ流路に配置された第２の回生油圧モータ２１はリリーフ制御を行い、またこのようにリリーフ制御のために作動されている第２の回生油圧モータ２１の回転により、第２の発電機２４が駆動されて電力を発生させる。
【００３０】
上述したように、油圧モータ１の回転時、始動時および停止時に、第１および第２の回生油圧モータ１９と２１の回転により、第１および第２の発電機２３と２４が駆動されて電力を発生させ、また電力が、キャパシタ２９と蓄電バッテリ３０とに蓄電されるように、ダイオード２８によって整流される。次に、キャパシタ２９と蓄電バッテリ３０とに蓄電されている電力は、直流電力を交流電力に変換するためのおよび電圧を制御するための変換器３１を介して、油圧ポンプ２用の補助動力源として機能するモータ３３に供給される。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
上述したような実施形態では、油圧モータ１の回転時に、圧油は一方の油供給および油吐出ポート１ａ（または他方の油供給および油吐出ポート１ｂ）に供給され、一方、油は他方の油供給および油吐出ポート１ｂ（または一方の油供給および油吐出ポート１ａ）から吐出され、また第２の油供給および油吐出ポート１ｂ（または一方の油供給および油吐出ポート１ａ）からの吐出油は第２のモータ側ライン６（または第１のモータ側ライン５）を通って第４の流量制御ライン１５（または第３の流量制御ライン１４）に流れ、次に、上述したように吐出ライン１６を通して油タンク７に流入させるべく、油の流量が、第４の流量制御ライン１５（または第３の流量制御ライン１４）に配置された第２の可変容量形回生油圧モータ２１（または第１の回生油圧モータ１９）によって制御される（メータアウト制御）。第２の回生油圧モータ２１（または第１の回生油圧モータ１９）の回転により、第２の発電機２４（または第１の発電機２３）が駆動されて電力を発生させる。
【００３２】
また、上述したように、油圧モータ１の始動時または停止時に、第１および第２の回生油圧モータ１９と２１は圧力制御（リリーフ制御）を行い、この圧力制御において、供給流路または吐出流路の圧力が所定のリリーフ圧以上になった場合に、流路の油を油タンク７に導くことによって、圧油供給流路または油吐出流路の圧力上昇が防止され、ここで、圧力制御によって、第１および第２の回生油圧モータ１９および２１が回転することにより、第１および第２の発電機２３と２４も駆動されて電力を発生させる。第１および第２の発電機２３と２４の駆動によって発生した電力は、キャパシタ２９と蓄電バッテリ３０とに蓄電され、また蓄電された電力は、油圧ポンプ用の補助動力源として機能するモータ３３に供給することが可能である。
【００３３】
上述したように、本発明の実施形態では、第１および第２の回生油圧モータ１９と２１は、回転時の油圧モータ１からの吐出油の流入によって回転されるか、あるいは吐出油は、モータの始動時または停止時に逃がされ、また第１および第２の発電機２３と２４は、第１および第２の回生油圧モータ１９と２１の回転駆動によって電力を発生させる。このようにして、吐出油のエネルギーを電気エネルギーとして回生でき、ここで、第１および第２の回生油圧モータ１９と２１は、第１および第２の発電機２３と２４を駆動させるだけでなく、油圧モータ１からの吐出油の流量制御ならびに圧油供給流路および油吐出流路の圧力制御（リリーフ制御）も行う。
【００３４】
したがって、油圧モータ１から油を吐出するための流量制御弁またはリリーフ弁を設ける必要がなくなり、この結果、流量制御弁またはリリーフ弁の通過時におけるエネルギー損失がなくなる。このようにして、吐出油のエネルギーを電気エネルギーとして高効率で回生でき、これにより、エネルギー回生効率の向上を達成することが可能になる。油圧ポンプ２を駆動させるための補助動力源となって機能するモータ３３の動力源として、回生電気エネルギーを用いると、エンジン３２によって消費される化石燃料の低減が許容されるので、省エネルギーに貢献でき、また環境にも優しい。
【００３５】
さらに、吐出油用の流量制御弁もリリーフ弁も不要になり、部品数の低減に貢献できる。油圧モータ１の一方の油供給および油吐出ポート１ａ（または他方の油供給および油吐出ポート１ｂ）への圧油供給流路に接続されたリリーフ流路が、一方の油供給および油吐出ポート１ａ（または他方の油供給および油吐出ポート１ｂ）からの吐出流路として機能するように、回路が構成されるので、油圧モータ１が一方向に（または反対方向に）回転し始めた場合に圧油供給流路の圧力を制御する第１の回生油圧モータ１９（または第２の回生油圧モータ２１）は、モータが反対方向に（または一方向に）回転した場合に吐出流量制御を行い、また反対方向の（または一方向の）回転が停止した場合には吐出流路の圧力制御を行う。したがって、リリーフ流路および吐出流路のために、別々の回生流体圧モータをそれぞれ設ける必要がなくなり、この結果、回生油圧モータの数、およびそれに接続されている発電機の数が低減されて、コスト低減および空間節約に貢献できる。
【００３６】
次に、本発明が上記の実施形態に限定されず、油圧ポンプ２を駆動させるための動力源としてモータ３３が十分である場合にエンジンを使用することなくモータ３３のみによって油圧ポンプ２が駆動される図２に示した第２の実施形態と同様に、本発明を構成することができることが認識される。また、発電機２３と２４によって発生した電力を蓄電するための装置は、キャパシタ２９または蓄電バッテリ３０に限定されず、図３に示した第３の実施形態と同様に構成することができる。この実施形態は、発電機２３と２４によって発生した電力を用いて水を電気分解して水素と酸素を発生させるための電解セル３４と、電解セル３４に発生した水素を吸蔵するための水素貯蔵合金を含む水素貯蔵装置３５と、水素と酸素を燃料等として用いて電力を発生させて、燃料電池装置３７から供給された電力を用いてモータ３３を駆動させるための燃料電池３６とからなる燃料電池装置３７を含む実施例である。第２および第３の実施形態において、第１の実施形態に記載されている構成要素に共通の（それと同一の）構成要素は、それらの説明を省略するために、同じ参照番号で示されていることに留意されたい。
【００３７】
さらに、上記の実施形態について、流体圧アクチュエータとして油圧モータを説明してきたが、上記の実施形態を油圧シリンダに当てはめてもよく、さらに、油圧の分野の加圧流体のみならず、空気圧の分野の加圧流体にも広く適用することが可能である。
【００３８】
最後に、上記の実施形態は、加圧流体を流体圧アクチュエータに供給するように適応されたポンプを駆動させるためのモータ用の動力供給源として、流体圧アクチュエータからの吐出流体のエネルギーを回生することによって得られる電気エネルギーを利用するが、上記の実施形態に限定されず、当然、作業機械に取り付けられた種々の電気機械のために電気エネルギーを利用できることが理解されるであろう。当業者は、包含した請求項、図面、および発明の詳細な説明に基づいて、上記の開示のこれらのおよび他の利点または形態を理解するであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本開示の第１の実施形態によるエネルギー回生システムの図面である。
【図２】同じ要素が図１と同じ番号を有する本開示の第２の実施形態によるエネルギー回生システムの図面である。
【図３】同じ要素が図１と図２と同じ番号を有する本開示の第３の実施形態によるエネルギー回生システムの図面である。
【符号の説明】
【００４０】
１ 油圧モータ
１ａ 第１の油供給および油吐出ポート
１ｂ 第２の油供給および油吐出ポート
２ 油圧ポンプ
２ａ 押しのけ容積制御手段
３ 吐出ライン
４ 流量制御回路
５ 第１のモータ側ライン
６ 第２のモータ側ライン
７ 油タンク
８ 戻りライン
９ バイパスライン
１０ 制御装置
１１ チェック弁
１２ 第１の流量制御ライン
１３ 第２の流量制御ライン
１４ 第３の流量制御ライン
１４ａ バイパスライン
１５ 第４の流量制御ライン
１５ａ バイパスライン
１６ 吐出ライン
１７ 第１のメータインバルブ
１８ 第２のメータインバルブ
１９ 第１の回生モータ
１９ａ 押しのけ容積制御手段
２０ 第１の圧力センサ
２１ 第２の回生モータ
２１ａ 押しのけ容積制御手段
２２ 第２の圧力センサ
２３ 第１の発電機
２４ 第２の発電機
２５ チェック弁
２６ チェック弁
２７ 制御レバー
２８ ダイオード
２９ キャパシタ
３０ 蓄電バッテリ
３１ 変換器
３２ エンジン
３３ モータ
Ａ 接続ポート
Ｂ 接続ポート
Ｃ 接続ポート
Ｄ 接続ポート
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体圧アクチュエータを備える作業機械用のエネルギー回生システムの技術分野に関し、該システムでは吐出流体のエネルギーが回生される。
【背景技術】
【０００２】
一般に、油圧掘削機などの作業機械には、ポンプからの加圧流体によって作動される種々の流体圧アクチュエータが設けられ、またこの作業機械に関連して、流体圧アクチュエータから吐出された流体のエネルギーを回生するための方法、例えば、それぞれの流体圧アクチュエータから吐出された流体の圧力をアキュムレータに蓄積するように回収する方法が従来知られている。しかし、これらのアキュムレータは、バッテリなどの他のエネルギー蓄積手段と比較してエネルギー蓄積量に関して大きな容量を必要するという問題、さらに、蓄積時間が短くなるという問題を生じさせる。
【０００３】
したがって、流体圧アクチュエータから吐出された流体のエネルギーを電気エネルギーとして回生して蓄積するための方法を改善する必要がある。
【０００４】
一般に、流体圧アクチュエータから吐出された流体の流量が、絞りの大きさに基づいてメータアウト制御を行う制御弁によって制御されるように、油圧掘削機などの作業機械が構成される。既知の一実施例において、（特許文献１）に開示されている方法は、吐出流体の流入によって回転駆動されるタービンをこのような制御弁の下流側に設けている。したがって、タービンが回転してエネルギーを回生する前に、制御弁は、流体圧アクチュエータから吐出流体を除去し、この結果、温度が上昇し、これによりエネルギーが消費されて、エネルギー回生効率が低下するという問題が生じる。
【０００５】
さらに、（特許文献１）では、流体圧アクチュエータが流体圧モータであることに対する考慮がなされていないが、上部回転体および／または油圧駆動モータを回転させるための油圧回転モータなどの種々の流体圧モータを、油圧掘削機などの作業機械内に含むことができる。このような流体圧モータは、一般に、流量を制御するための制御弁と、モータの始動時または停止時に流体供給流路および／または吐出流路の圧力上昇を防止するためのリリーフ弁とを含む。リリーフ弁を通過する流体の温度が上昇すると、エネルギーを消費することがあるので、この場合、リリーフ弁を通過する流体のエネルギーも回生できることが要求される。
【０００６】
【特許文献１】特開第２００２−１９５２１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本開示は、当業者に知られているこの課題および他の課題を解決することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この方法により、流体圧シリンダからの吐出流体の流入によって回転駆動されるタービンが吐出流路に設けられ、この場合、タービンの駆動力により、発電機が電気エネルギーを発生させることが許容される。このようにして、吐出流体のエネルギーを電気エネルギーとして効率的に回生して蓄積することができ、さらに、電気エネルギーをエンジンへの代替動力源として利用できるので、環境に優しい方法となる。
【０００９】
一形態では、本開示は、作業機械用のエネルギー回生システムを提供する。システムは、流体を供給／吐出することによって作動されるように適応された流体圧アクチュエータを含む。さらに、システムは、流体圧アクチュエータから吐出される流体用の吐出流路にある可変容量形回生流体圧モータであって、該回生流体圧モータの押しのけ容積を制御することによって、流体圧アクチュエータからの吐出流体の流量ならびに吐出流路の圧力を制御することが許容される可変容量形回生流体圧モータを含む。その上、システムは、回生流体圧モータを少なくとも部分的に回転させることによって吐出流体のエネルギーを電気エネルギーとして回生するためのエネルギー回生装置を含む。
【００１０】
他の形態では、本開示は、第１および第２の供給／吐出ポートを有する油圧アクチュエータと、前記第１および第２の供給／吐出ポートにそれぞれ接続されている第１および第２の流量制御ラインを含む流量制御回路とを含む作業機械を提供する。さらに、作業機械は、前記流量制御回路内の少なくとも１つの可変容量形油圧モータ、および前記少なくとも１つの可変容量形油圧モータと前記油圧アクチュエータとの間の前記流量制御回路内に配置された少なくとも１つの感圧手段を含む。その上、作業機械は、前記油圧アクチュエータの吐出流体のエネルギーの少なくとも一部を電気エネルギーとして回生するための、可変容量形油圧モータに接続されたエネルギー回生装置を含む。
【００１１】
さらに他の形態では、本開示は、油圧エネルギー回収システムを作動させる方法を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１において、油圧モータ１（例えば油圧掘削機の上部回転体を回転させるための油圧回転モータ）は、油圧掘削機などの作業機械内に設けられ、第１および第２の油供給および油吐出ポート１ａ、１ｂを有する油圧モータ１は、両方向回転型であり、第１の油供給および油吐出ポート１ａに圧油を供給して第２の油供給および油吐出ポート１ｂから油を吐出した場合に一方向に回転するように、また第２の油供給および油吐出ポート１ｂに圧油を供給して第１の油供給および油吐出ポート１ａから油を吐出した場合には反対方向に回転するように配置される。
【００１３】
油圧モータ１は、油圧モータ１への圧油供給源としての油圧ポンプ２を含む。油圧ポンプ２は、主動力源として作業機械に取り付けられたエンジン３２と、補助動力源として以下に記載するモータ３３とを使用して駆動されるように適応され、この場合、油圧ポンプ２と油圧モータ１との間には、油圧回路が設けられ、この油圧回路は、油圧ポンプ２の吐出側に接続された吐出ライン３、吐出ライン３の下流側に接続された流量制御回路４、流量制御回路４と油圧モータ１の第１の油供給および油吐出ポート１ａとを接続するように適応された第１のモータ側ライン５、および流量制御回路４と油圧モータ１の第２の油供給および油吐出ポート１ｂとを接続するように適応された第２のモータ側ライン６を含む。
【００１４】
吐出ライン３の中間部には、分岐するように、油タンク７への戻りライン８が形成される。戻りライン８には、以下に記載する制御装置１０からのコマンドに少なくとも部分的に基づいて作動するように配置されたバイパス弁９がある。さらに、吐出ライン３において、戻りライン８用の分岐点の下流側にはチェック弁１１が配置され、このチェック弁１１により、油圧ポンプ２および戻りライン８への油の逆流が防止される。
【００１５】
流量制御回路４は、以下に説明するような長方形の環状形態に第１、第２、第３および第４の流量制御ライン１２、１３、１４、１５を接続することによって形成される。吐出ライン３は、第１の流量制御ライン１２と第２の流量制御ライン１３との間の接続部Ａに接続される。第１のモータ側ライン５は、第１の流量制御ライン１２と第３の流量制御ライン１４との間の接続部Ｂに接続される。第２のモータ側ラインは、第２の流量制御ライン１３と第４の流量制御ライン１５との間の接続部Ｃに接続される。最後に、油タンク７に至る吐出ライン１６は、第３の流量制御ライン１４と第４の流量制御ライン１５との間の接続部Ｄに接続される。
【００１６】
第１の流量制御ライン１２には、吐出ライン３から第１のモータ側ライン５への供給油の流量を制御するように適応された第１のメータインバルブ１７が配置される。第２の流量制御ライン１３には、吐出ライン３から第２のモータ側ライン６への供給油の流量を制御するように適応された第２のメータインバルブ１８が配置される。第１および第２のメータインバルブ１７、１８は、制御装置１０によって操作可能に制御される。
【００１７】
また、第３の流量制御ライン１４には、第１の可変容量形回生油圧モータ１９が配置される。第１の回生油圧モータ１９の押しのけ容積は、制御装置１０から押しのけ容積制御手段１９ａに出力される制御コマンドに基づいて、ゼロから所定の最大値まで変化し、このことにより、第３の流量制御ライン１４の流量をゼロから所定の最大値まで変更することが許容される。次に、第１の回生油圧モータ１９の押しのけ容積の変化により、第１のモータ側ライン５から吐出ライン１６への吐出油の流量制御（メータアウト制御）と第１のモータ側ライン５の圧力制御とが許容される。さらに、第３の流量制御ライン１４には、第１の回生油圧モータ１９の上流側における第３の流量制御ライン１４の圧力を検出するための第１の圧力センサ２０が配置され、この第１の圧力センサ２０は、検出信号を制御装置１０に出力するために配置される。
【００１８】
第４の流量制御ライン１５には、第３の流量制御ライン１４に配置された第１の回生油圧モータ１９および第１の圧力センサ２０と同様の第２の回生油圧モータ２１および第２の圧力センサ２２が配置される。次に、制御装置１０から第２の回生油圧モータ２１の押しのけ容積制御手段２１ａに出力される制御コマンドに基づいて、第２の回生油圧モータ２１の押しのけ容積が変化することにより、第２のモータ側ライン６から吐出ライン１６への吐出油の流量制御（メータアウト制御）と第２のモータ側ライン６の圧力制御とが許容される。
【００１９】
第１および第２の発電機２３と２４は、第１および第２の回生油圧モータ１９と２１にそれぞれ連動するように接続される。第１および第２の回生油圧モータ１９と２１のトルクにより、第１および第２の発電機２３と２４を駆動させて電力を発生させることができる。
【００２０】
第３および第４の流量制御ライン１４と１５は、第１および第２の回生油圧モータ１９と２１をそれぞれバイパスするためのバイパスライン１４ａと１５ａも含む。バイパスライン１４ａと１５ａには、吐出ライン１６から第１のモータ側ライン５および第２のモータ側ライン６への油の流れを許容するが、反対方向への油の流れを防止するように配置されたチェック弁２５と２６がそれぞれ配置される。このようにして、第１のモータ側ライン５または第２のモータ側ライン６が減圧状態になった場合に油タンク７からの油の補給が行われる。
【００２１】
マイクロコンピュータ等からなる制御装置１０は、油圧モータ１用の制御レバー２７から出力されたコマンド信号と、第１および第２の圧力センサ２０と２２から出力された検出信号とを受信し、次に、入力された信号に基づいて、油圧ポンプ２の押しのけ容積制御手段２ａ、バイパス弁９、第１および第２のメータインバルブ１７と１８、第１および第２の回生油圧モータ１９と２１の押しのけ容積制御手段１９ａと２１ａ等に制御コマンドを出力する。
【００２２】
制御装置１０から出力された制御コマンドに関して、油圧モータ１用の制御レバー２７が停止位置に位置決めされた（すなわち制御レバー２７で操作が行われなかった）場合、制御装置１０は、「弁の開口」という制御コマンドをバイパス弁９に出力し、一方、「弁の閉鎖」を第１および第２のメータインバルブ１７と１８に出力し、さらに、「押しのけ容積ゼロ」という制御コマンドを第１および第２の回生油圧モータ１９と２１の押しのけ容積制御手段１９ａと２１ａに出力する。このようにして、油圧ポンプ２から強制的に送られた油は戻りライン８を通して油タンク７に戻され、ここで、第１〜第４の流量制御ライン１２〜１５は閉鎖状態にあるので、油が油圧モータ１に供給されることもそこから吐出されることもなく、したがって、油圧モータ１は停止する。
【００２３】
他方、油圧モータ１が一方向に回転するように指示した位置に制御レバー２７があった場合、制御装置１０は、「弁の閉鎖」という制御コマンドをバイパス弁９に出力し、一方、「弁の開口」という制御コマンドを第１のメータインバルブ１７に出力し、また「弁の閉鎖」という制御コマンドを第２のメータインバルブ１８に出力する。この場合、制御レバー２７の動作の大きさの増大または減少に従って、第１のメータインバルブ１７の開口の大きさが増大または減少するように制御される。また、制御装置１０は、第１の圧力センサ２０によって検出された第３の流量制御ライン１４の圧力Ｐ１が所定のリリーフ圧ＰＳ以下であった場合、「押しのけ容積ゼロ」という制御コマンドを第１の回生油圧モータ１９の押しのけ容積制御手段１９ａに出力し、一方、圧力Ｐ１が所定のリリーフ圧ＰＳよりも大きかった場合、所定のリリーフ押しのけ容積になるような制御コマンドを前記押しのけ容積制御手段１９ａに出力する。さらに、制御装置１０は、第２の圧力センサ２２によって検出された第４の流量制御ライン１５の圧力Ｐ２が所定のリリーフ圧以下であった場合、制御レバー２７の動作の大きさの増大または減少に従って押しのけ容積が増大または減少されるように制御コマンドを第２の回生油圧モータ２１の押しのけ容積制御手段２１ａに出力し、また圧力Ｐ２が所定のリリーフ圧ＰＳよりも大きかった場合、リリーフ押しのけ容積になるような制御コマンドを前記押しのけ容積制御手段２１ａに出力する。この場合、制御レバー２７の動作の大きさに対応する第２の回生油圧モータ２１の押しのけ容積が、リリーフ押しのけ容積よりも大きかった場合、モータは、第４の流量制御ライン１５の圧力に関係なく、制御レバー２７の動作の大きさに対応する押しのけ容積になるように制御される。
【００２４】
したがって、油圧ポンプ２から強制的に送られた油は、吐出ライン３を通って第１の流量制御ライン１２に流れ、次に、第１のモータ側ライン５を通して油圧モータ１の第１の油供給および油吐出ポート１ａに供給されるように、油の流量が、第１の流量制御ライン１２に配置された第１のメータインバルブ１７によって制御される。他方、第２の油供給および油吐出ポート１ｂからの吐出油は、第２のモータ側ライン６を通って第４の流量制御ライン１５に流れ、次に、吐出ライン１６を通して油タンク７に流入させるように、流量が、第４の流量制御ライン１５に配置された第２の回生油圧モータ２１によって制御され、これにより、油圧モータ１が一方向に回転する。さらに、油圧モータ１が一方向に回転すると、油圧モータ１からの吐出流路における流量を制御する第２の回生油圧モータ２１が少なくとも部分的に回転するので、第２の発電機２４が駆動されて電力を発生させる。
【００２５】
一方、制御レバー２７を停止位置に戻して、上記の一方向の回転状態で作動していた油圧モータ１を停止させた場合、第２の回生油圧モータ２１の押しのけ容積が、制御レバー２７からの操作コマンドに基づきゼロになるように制御されて、第４の流量制御ライン１５が閉状態になり、ここで、油圧モータ１は、慣性負荷が付与されて依然として回転しているので直ちに停止することができず、またこのように回転している油圧モータ１から吐出された油は、第２のモータ側ライン６を通って第４の流量制御ライン１５に流れて、第４の流量制御ライン１５の圧力を上昇させる。第４の流量制御ライン１５の圧力Ｐ２は、第２の圧力センサ２２によって検出され、ここで、第４の流量制御ライン１５の圧力Ｐ２が所定のリリーフ圧ＰＳ以上になった場合、制御装置１０は、上述したように、リリーフ押しのけ容積になるような制御コマンドを第２の回生油圧モータ２１に出力する。このようにして、第４の流量制御ライン１５は油が通過している状態にあり、ここで、第２の回生油圧モータ２１は、所定のリリーフ圧ＰＳを保持する程度の回転抵抗を有し、次に、吐出油が油圧モータ１から油タンク７に流れることが許容される。したがって、第２の回生油圧モータ２１は、モータの停止時にリリーフ制御を行い、またリリーフ制御のために作動されている場合には、第２の回生油圧モータ２１の回転により、第２の発電機２４が駆動されて電力を発生させる。
【００２６】
また、油圧モータ１が一方向に回転すると、第１の流量制御ライン１２および第１のモータ側ライン５は、油圧モータ１への圧油供給流路として機能し、ここで、吐出ライン１６を介して油タンク７に至る第３の流量制御ライン１４は、圧油供給流路の中間部に配置された接続部Ｂに接続される。例えば、油圧モータ１が一方向に回転すると、第３の流量制御ライン１４は、圧油供給流路に接続されたリリーフ流路に対応する。
【００２７】
一方、油圧モータ１が停止状態から回転状態に変化した場合、油圧モータ１に付与された慣性負荷によって始動するモータのタイムラグにより、油圧モータ１への圧油供給流路の圧力が上昇する。上昇した圧力は、第１の圧力センサ２０によって検出されるように、接続部Ｂを通って第３の流量制御ライン１４に流れる。ここで、第３の流量制御ライン１４の圧力Ｐ１が所定のリリーフ圧ＰＳよりも大きくなった場合、第１の回生油圧モータ１９の押しのけ容積は、上述したように、制御装置１０からのコマンドに基づいてリリーフ押しのけ容積になるように制御され、これにより、圧油供給流路の圧油は第３の流量制御ライン１４と吐出ライン１６とを通して油タンク７に逃がされる。このようにして、第１の回生油圧モータ１９は、モータの始動時にリリーフ制御を行うことが可能であり、またこのようにリリーフ制御のために作動されている第１の回生油圧モータ１９の回転により、第１の発電機２３を駆動させて電力を発生させることが可能である。
【００２８】
他方、油圧モータ１が反対方向に回転するように指示した位置に制御レバー２７が操作された場合、制御装置１０は、「弁の閉鎖」という制御コマンドをバイパス弁９に出力し、また「弁の閉鎖」という制御コマンドを第１のメータインバルブ１７に出力し、一方、「弁の開口」という制御コマンドを第２のメータインバルブ１８に出力する。この場合、制御レバー２７の動作の大きさの増大または減少に従って、第２のメータインバルブ１８の開口部の大きさが増大または減少するように制御される。また、制御装置１０は、第１の圧力センサ２０によって検出された第３の流量制御ライン１４の圧力Ｐ１が、所定のリリーフ圧ＰＳ以下であった場合、制御レバー２７の動作の大きさの増大または減少に従って押しのけ容積が増大または減少されるように制御コマンドを第１の回生油圧モータ１９の押しのけ容積制御手段１９ａに出力し、一方、圧力Ｐ１が所定のリリーフ圧ＰＳよりも大きかった場合、リリーフ押しのけ容積になるような制御コマンドを前記押しのけ容積制御手段１９ａに出力する。ここで、制御レバー２７の動作の大きさに対応する第１の回生油圧モータ１９の押しのけ容積が、リリーフ押しのけ容積よりも大きかった場合、モータは、第３の流量制御ライン１４の圧力に関係なく、制御レバー２７の動作の大きさに対応する押しのけ容積になるように制御される。さらに、制御装置１０は、第２の圧力センサ２２によって検出された第４の流量制御ライン１５の圧力Ｐ２が、所定のリリーフ圧ＰＳ以下であった場合、「押しのけ容積ゼロ」という制御コマンドを第２の回生油圧モータ２１の押しのけ容積制御手段２１ａに出力し、一方、圧力Ｐ２が所定のリリーフ圧ＰＳよりも大きかった場合、リリーフ押しのけ容積になるような制御コマンドを前記押しのけ容積制御手段２１ａに出力する。したがって、油圧ポンプ２から強制的に送られた油は吐出ライン３を通って第２の流量制御ライン１３に流れ、次に、第２のモータ側ライン６を通して油圧モータ１の第２の油供給および油吐出ポート１ｂに供給されるように、油の流量が、第２の流量制御ライン１３に配置された第２のメータインバルブ１８によって制御される。他方、一方の側の第１の油供給および油吐出ポート１ａからの吐出油は第１のモータ側ライン５を通って第３の流量制御ライン１４に流れ、次に、吐出ライン１６を通して油タンク７に流入させるように、油の流量が、第３の流量制御ライン１４に配置された第１の回生油圧モータ１９によって制御され、これにより、油圧モータ１が反対方向に回転する。さらに、油圧モータ１が反対方向に回転すると、油圧モータ１からの吐出流路における流量を制御する第１の回生油圧モータ１９が回転するので、第１の発電機２３が駆動されて電力を発生させる。
【００２９】
油圧モータ１の反対方向の回転が停止した場合、上述したような一方向の回転の場合と同様に、吐出流路に配置された第１の回生油圧モータ１９はリリーフ制御を行い、またこのようにリリーフ制御のために作動されている第１の回生油圧モータ１９の回転により、第１の発電機２３が駆動されて電力を発生させる。また、油圧モータ１が反対方向に回転し始めた場合、第４の流量制御ライン１５は、圧油供給流路に接続されたリリーフ流路として機能し、ここで、リリーフ流路に配置された第２の回生油圧モータ２１はリリーフ制御を行い、またこのようにリリーフ制御のために作動されている第２の回生油圧モータ２１の回転により、第２の発電機２４が駆動されて電力を発生させる。
【００３０】
上述したように、油圧モータ１の回転時、始動時および停止時に、第１および第２の回生油圧モータ１９と２１の回転により、第１および第２の発電機２３と２４が駆動されて電力を発生させ、また電力が、キャパシタ２９と蓄電バッテリ３０とに蓄電されるように、ダイオード２８によって整流される。次に、キャパシタ２９と蓄電バッテリ３０とに蓄電されている電力は、直流電力を交流電力に変換するためのおよび電圧を制御するための変換器３１を介して、油圧ポンプ２用の補助動力源として機能するモータ３３に供給される。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
上述したような実施形態では、油圧モータ１の回転時に、圧油は一方の油供給および油吐出ポート１ａ（または他方の油供給および油吐出ポート１ｂ）に供給され、一方、油は他方の油供給および油吐出ポート１ｂ（または一方の油供給および油吐出ポート１ａ）から吐出され、また第２の油供給および油吐出ポート１ｂ（または一方の油供給および油吐出ポート１ａ）からの吐出油は第２のモータ側ライン６（または第１のモータ側ライン５）を通って第４の流量制御ライン１５（または第３の流量制御ライン１４）に流れ、次に、上述したように吐出ライン１６を通して油タンク７に流入させるべく、油の流量が、第４の流量制御ライン１５（または第３の流量制御ライン１４）に配置された第２の可変容量形回生油圧モータ２１（または第１の回生油圧モータ１９）によって制御される（メータアウト制御）。第２の回生油圧モータ２１（または第１の回生油圧モータ１９）の回転により、第２の発電機２４（または第１の発電機２３）が駆動されて電力を発生させる。
【００３２】
また、上述したように、油圧モータ１の始動時または停止時に、第１および第２の回生油圧モータ１９と２１は圧力制御（リリーフ制御）を行い、この圧力制御において、供給流路または吐出流路の圧力が所定のリリーフ圧以上になった場合に、流路の油を油タンク７に導くことによって、圧油供給流路または油吐出流路の圧力上昇が防止され、ここで、圧力制御によって、第１および第２の回生油圧モータ１９および２１が回転することにより、第１および第２の発電機２３と２４も駆動されて電力を発生させる。第１および第２の発電機２３と２４の駆動によって発生した電力は、キャパシタ２９と蓄電バッテリ３０とに蓄電され、また蓄電された電力は、油圧ポンプ用の補助動力源として機能するモータ３３に供給することが可能である。
【００３３】
上述したように、本発明の実施形態では、第１および第２の回生油圧モータ１９と２１は、回転時の油圧モータ１からの吐出油の流入によって回転されるか、あるいは吐出油は、モータの始動時または停止時に逃がされ、また第１および第２の発電機２３と２４は、第１および第２の回生油圧モータ１９と２１の回転駆動によって電力を発生させる。このようにして、吐出油のエネルギーを電気エネルギーとして回生でき、ここで、第１および第２の回生油圧モータ１９と２１は、第１および第２の発電機２３と２４を駆動させるだけでなく、油圧モータ１からの吐出油の流量制御ならびに圧油供給流路および油吐出流路の圧力制御（リリーフ制御）も行う。
【００３４】
したがって、油圧モータ１から油を吐出するための流量制御弁またはリリーフ弁を設ける必要がなくなり、この結果、流量制御弁またはリリーフ弁の通過時におけるエネルギー損失がなくなる。このようにして、吐出油のエネルギーを電気エネルギーとして高効率で回生でき、これにより、エネルギー回生効率の向上を達成することが可能になる。油圧ポンプ２を駆動させるための補助動力源となって機能するモータ３３の動力源として、回生電気エネルギーを用いると、エンジン３２によって消費される化石燃料の低減が許容されるので、省エネルギーに貢献でき、また環境にも優しい。
【００３５】
さらに、吐出油用の流量制御弁もリリーフ弁も不要になり、部品数の低減に貢献できる。油圧モータ１の一方の油供給および油吐出ポート１ａ（または他方の油供給および油吐出ポート１ｂ）への圧油供給流路に接続されたリリーフ流路が、一方の油供給および油吐出ポート１ａ（または他方の油供給および油吐出ポート１ｂ）からの吐出流路として機能するように、回路が構成されるので、油圧モータ１が一方向に（または反対方向に）回転し始めた場合に圧油供給流路の圧力を制御する第１の回生油圧モータ１９（または第２の回生油圧モータ２１）は、モータが反対方向に（または一方向に）回転した場合に吐出流量制御を行い、また反対方向の（または一方向の）回転が停止した場合には吐出流路の圧力制御を行う。したがって、リリーフ流路および吐出流路のために、別々の回生流体圧モータをそれぞれ設ける必要がなくなり、この結果、回生油圧モータの数、およびそれに接続されている発電機の数が低減されて、コスト低減および空間節約に貢献できる。
【００３６】
次に、本発明が上記の実施形態に限定されず、油圧ポンプ２を駆動させるための動力源としてモータ３３が十分である場合にエンジンを使用することなくモータ３３のみによって油圧ポンプ２が駆動される図２に示した第２の実施形態と同様に、本発明を構成することができることが認識される。また、発電機２３と２４によって発生した電力を蓄電するための装置は、キャパシタ２９または蓄電バッテリ３０に限定されず、図３に示した第３の実施形態と同様に構成することができる。この実施形態は、発電機２３と２４によって発生した電力を用いて水を電気分解して水素と酸素を発生させるための電解セル３４と、電解セル３４に発生した水素を吸蔵するための水素貯蔵合金を含む水素貯蔵装置３５と、水素と酸素を燃料等として用いて電力を発生させて、燃料電池装置３７から供給された電力を用いてモータ３３を駆動させるための燃料電池３６とからなる燃料電池装置３７を含む実施例である。第２および第３の実施形態において、第１の実施形態に記載されている構成要素に共通の（それと同一の）構成要素は、それらの説明を省略するために、同じ参照番号で示されていることに留意されたい。
【００３７】
さらに、上記の実施形態について、流体圧アクチュエータとして油圧モータを説明してきたが、上記の実施形態を油圧シリンダに当てはめてもよく、さらに、油圧の分野の加圧流体のみならず、空気圧の分野の加圧流体にも広く適用することが可能である。
【００３８】
最後に、上記の実施形態は、加圧流体を流体圧アクチュエータに供給するように適応されたポンプを駆動させるためのモータ用の動力供給源として、流体圧アクチュエータからの吐出流体のエネルギーを回生することによって得られる電気エネルギーを利用するが、上記の実施形態に限定されず、当然、作業機械に取り付けられた種々の電気機械のために電気エネルギーを利用できることが理解されるであろう。当業者は、包含した請求項、図面、および発明の詳細な説明に基づいて、上記の開示のこれらのおよび他の利点または形態を理解するであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本開示の第１の実施形態によるエネルギー回生システムの図面である。
【図２】同じ要素が図１と同じ番号を有する本開示の第２の実施形態によるエネルギー回生システムの図面である。
【図３】同じ要素が図１と図２と同じ番号を有する本開示の第３の実施形態によるエネルギー回生システムの図面である。
【符号の説明】
【００４０】
１ 油圧モータ
１ａ 第１の油供給および油吐出ポート
１ｂ 第２の油供給および油吐出ポート
２ 油圧ポンプ
２ａ 押しのけ容積制御手段
３ 吐出ライン
４ 流量制御回路
５ 第１のモータ側ライン
６ 第２のモータ側ライン
７ 油タンク
８ 戻りライン
９ バイパスライン
１０ 制御装置
１１ チェック弁
１２ 第１の流量制御ライン
１３ 第２の流量制御ライン
１４ 第３の流量制御ライン
１４ａ バイパスライン
１５ 第４の流量制御ライン
１５ａ バイパスライン
１６ 吐出ライン
１７ 第１のメータインバルブ
１８ 第２のメータインバルブ
１９ 第１の回生モータ
１９ａ 押しのけ容積制御手段
２０ 第１の圧力センサ
２１ 第２の回生モータ
２１ａ 押しのけ容積制御手段
２２ 第２の圧力センサ
２３ 第１の発電機
２４ 第２の発電機
２５ チェック弁
２６ チェック弁
２７ 制御レバー
２８ ダイオード
２９ キャパシタ
３０ 蓄電バッテリ
３１ 変換器
３２ エンジン
３３ モータ
Ａ 接続ポート
Ｂ 接続ポート
Ｃ 接続ポート
Ｄ 接続ポート
【特許請求の範囲】
【請求項１】
作業機械用のエネルギー回生システムであって、
流体を供給／吐出することによって作動されるように適応された流体圧アクチュエータと、
流体圧アクチュエータから吐出される流体用の吐出流路にある可変容量形回生流体圧モータであって、該回生流体圧モータの押しのけ容積を制御することによって、流体圧アクチュエータからの吐出流体の流量ならびに吐出流路の圧力を制御することが許容される可変容量形回生流体圧モータと、
回生流体圧モータを少なくとも部分的に回転させることによって吐出流体のエネルギーを電気エネルギーとして回生するためのエネルギー回生装置と
を備える作業機械用のエネルギー回生システム。
【請求項２】
流体圧アクチュエータからの吐出流体の流量がゼロから所定の最大値に変化するように、回生流体圧モータの押しのけ容積が制御される請求項１に記載の作業機械用のエネルギー回生システム。
【請求項３】
供給流路の中間部と流体タンクとの間の流体圧アクチュエータに供給される流体用の供給流路に接続されたリリーフ流路と、
リリーフ流路にある可変容量形回生流体圧モータであって、該回生流体圧モータの押しのけ容積を制御することによって、流体圧アクチュエータへの供給流路の圧力を制御することが許容される可変容量形回生流体圧モータと、
回生流体圧モータを少なくとも部分的に回転させることによって、リリーフ流路の流体のエネルギーを電気エネルギーとして回生するためのエネルギー回生装置と
をさらに備える請求項２に記載の作業機械用のエネルギー回生システム。
【請求項４】
回生流体圧モータによって行われる吐出流路および／または供給流路の圧力制御がリリーフ制御であり、リリーフ制御において、吐出流路および／または供給流路の圧力が所定のリリーフ圧に達した場合に、吐出流路および／または供給流路の流体が逃がされる請求項３に記載の作業機械用のエネルギー回生システム。
【請求項５】
流体圧アクチュエータへの供給流体の流量が、供給流量制御弁によって制御される請求項１に記載の作業機械用のエネルギー回生システム。
【請求項６】
流体圧アクチュエータが、２つの流体供給および吐出ポートを有する両方向回転流体圧モータであり、
回生流体圧モータが、流体供給および吐出ポートのそれぞれから吐出される流体用の吐出流路に設けられた可変容量形流体圧モータである請求項２に記載の作業機械用のエネルギー回生システム。
【請求項７】
リリーフ流路が、供給流路の中間部と流体タンクとの間の両方向回転流体圧モータの流体供給および吐出ポートの一方に供給される流体用の供給流路に接続され、
リリーフ流路が、流体供給および吐出ポートの一方から吐出される流体用の吐出流路として機能するように適応される請求項６に記載の作業機械用のエネルギー回生システム。
【請求項８】
流体圧アクチュエータ操作ツールからの操作信号と、流体圧アクチュエータの吐出流路および／または供給流路の圧力を検出するための圧力検出手段からの検出信号とを受信するように操作可能な制御装置が作業機械に装備され、さらに、前記制御装置が、操作信号と検出信号とに基づいて、制御コマンドを回生流体圧モータ用の押しのけ容積制御手段に出力するように操作可能である請求項７に記載の作業機械用のエネルギー回生システム。
【請求項９】
エネルギー回生装置によって得られた電気エネルギーが、加圧流体を流体圧モータに供給するように適応されたポンプを駆動させるためのモータ用の動力供給源として用いられる請求項１に記載の作業機械用のエネルギー回生システム。
【請求項１０】
モータがポンプ用の補助動力源として使用される請求項９に記載の作業機械用のエネルギー回生システム。
【請求項１】
作業機械用のエネルギー回生システムであって、
流体を供給／吐出することによって作動されるように適応された流体圧アクチュエータと、
流体圧アクチュエータから吐出される流体用の吐出流路にある可変容量形回生流体圧モータであって、該回生流体圧モータの押しのけ容積を制御することによって、流体圧アクチュエータからの吐出流体の流量ならびに吐出流路の圧力を制御することが許容される可変容量形回生流体圧モータと、
回生流体圧モータを少なくとも部分的に回転させることによって吐出流体のエネルギーを電気エネルギーとして回生するためのエネルギー回生装置と
を備える作業機械用のエネルギー回生システム。
【請求項２】
流体圧アクチュエータからの吐出流体の流量がゼロから所定の最大値に変化するように、回生流体圧モータの押しのけ容積が制御される請求項１に記載の作業機械用のエネルギー回生システム。
【請求項３】
供給流路の中間部と流体タンクとの間の流体圧アクチュエータに供給される流体用の供給流路に接続されたリリーフ流路と、
リリーフ流路にある可変容量形回生流体圧モータであって、該回生流体圧モータの押しのけ容積を制御することによって、流体圧アクチュエータへの供給流路の圧力を制御することが許容される可変容量形回生流体圧モータと、
回生流体圧モータを少なくとも部分的に回転させることによって、リリーフ流路の流体のエネルギーを電気エネルギーとして回生するためのエネルギー回生装置と
をさらに備える請求項２に記載の作業機械用のエネルギー回生システム。
【請求項４】
回生流体圧モータによって行われる吐出流路および／または供給流路の圧力制御がリリーフ制御であり、リリーフ制御において、吐出流路および／または供給流路の圧力が所定のリリーフ圧に達した場合に、吐出流路および／または供給流路の流体が逃がされる請求項３に記載の作業機械用のエネルギー回生システム。
【請求項５】
流体圧アクチュエータへの供給流体の流量が、供給流量制御弁によって制御される請求項１に記載の作業機械用のエネルギー回生システム。
【請求項６】
流体圧アクチュエータが、２つの流体供給および吐出ポートを有する両方向回転流体圧モータであり、
回生流体圧モータが、流体供給および吐出ポートのそれぞれから吐出される流体用の吐出流路に設けられた可変容量形流体圧モータである請求項２に記載の作業機械用のエネルギー回生システム。
【請求項７】
リリーフ流路が、供給流路の中間部と流体タンクとの間の両方向回転流体圧モータの流体供給および吐出ポートの一方に供給される流体用の供給流路に接続され、
リリーフ流路が、流体供給および吐出ポートの一方から吐出される流体用の吐出流路として機能するように適応される請求項６に記載の作業機械用のエネルギー回生システム。
【請求項８】
流体圧アクチュエータ操作ツールからの操作信号と、流体圧アクチュエータの吐出流路および／または供給流路の圧力を検出するための圧力検出手段からの検出信号とを受信するように操作可能な制御装置が作業機械に装備され、さらに、前記制御装置が、操作信号と検出信号とに基づいて、制御コマンドを回生流体圧モータ用の押しのけ容積制御手段に出力するように操作可能である請求項７に記載の作業機械用のエネルギー回生システム。
【請求項９】
エネルギー回生装置によって得られた電気エネルギーが、加圧流体を流体圧モータに供給するように適応されたポンプを駆動させるためのモータ用の動力供給源として用いられる請求項１に記載の作業機械用のエネルギー回生システム。
【請求項１０】
モータがポンプ用の補助動力源として使用される請求項９に記載の作業機械用のエネルギー回生システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００７−１６２４５８（Ｐ２００７−１６２４５８Ａ）
【公開日】平成１９年６月２８日（２００７．６．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３３４５３６（Ｐ２００６−３３４５３６）
【出願日】平成１８年１２月１２日（２００６．１２．１２）
【出願人】（３９１０２０１９３）キャタピラー インコーポレイテッド (296)
【氏名又は名称原語表記】ＣＡＴＥＲＰＩＬＬＡＲ ＩＮＣＯＲＰＯＲＡＴＥＤ
【出願人】（０００１９０２９７）新キャタピラー三菱株式会社 (1,189)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年６月２８日（２００７．６．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１２月１２日（２００６．１２．１２）
【出願人】（３９１０２０１９３）キャタピラー インコーポレイテッド (296)
【氏名又は名称原語表記】ＣＡＴＥＲＰＩＬＬＡＲ ＩＮＣＯＲＰＯＲＡＴＥＤ
【出願人】（０００１９０２９７）新キャタピラー三菱株式会社 (1,189)
【Ｆターム（参考）】
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