特許 6286282 油圧回生装置及びこれを備えた建設機械

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6286282

(24)【登録日】2018年2月9日

(45)【発行日】2018年2月28日

(54)【発明の名称】油圧回生装置及びこれを備えた建設機械

(51)【国際特許分類】

   F15B 21/14 20060101AFI20180215BHJP

   E02F 9/22 20060101ALI20180215BHJP

【ＦＩ】

   F15B21/14 B

   E02F9/22 M

【請求項の数】7

【全頁数】18

(21)【出願番号】特願2014-106352(P2014-106352)

(22)【出願日】2014年5月22日

(65)【公開番号】特開2015-222099(P2015-222099A)

(43)【公開日】2015年12月10日

【審査請求日】2016年12月20日

(73)【特許権者】

【識別番号】000001199

【氏名又は名称】株式会社神戸製鋼所

(73)【特許権者】

【識別番号】000246273

【氏名又は名称】コベルコ建機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100067828

【弁理士】

【氏名又は名称】小谷 悦司

(74)【代理人】

【識別番号】100115381

【弁理士】

【氏名又は名称】小谷 昌崇

(74)【代理人】

【識別番号】100168321

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 敦

(72)【発明者】

【氏名】前田 健吾

(72)【発明者】

【氏名】今西 悦二郎

(72)【発明者】

【氏名】廣澤 允紀

【審査官】 正木 裕也

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００８−０８９０２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−０５２７１８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ１５Ｂ ２１／１４

Ｅ０２Ｆ ９／２２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

油圧回生装置であって、
エンジンと、
前記エンジンにより駆動される油圧ポンプと、
前記油圧ポンプからの作動油により作動する油圧アクチュエータと、
前記油圧アクチュエータから導出される戻り油が供給されることにより駆動可能であり、かつ、この駆動によって前記エンジンの動力をアシストするように前記エンジンの出力軸に接続された可変容量型の回生モータと、
前記油圧アクチュエータからの戻り油により蓄圧可能なアキュムレータとを備え、
前記回生モータ及び前記アキュムレータは、前記戻り油が導出される前記油圧アクチュエータのポートに対して互いに並列に接続され、
前記油圧回生装置は、前記回生モータ及び前記アキュムレータに分配される前記戻り油の比率を調整可能な分配調整手段と、前記戻り油の持つエネルギーを回生するための条件として予め設定された回生条件が成立した場合に、前記アキュムレータよりも前記回生モータに対して優先的に前記戻り油が供給されるように前記分配調整手段を制御するコントローラと、を備え、
前記コントローラは、予め設定された設定容量に調整された前記回生モータにより吸収可能な吸収可能流量を超える流量の戻り油が前記油圧アクチュエータから導出された場合、前記吸収可能流量の戻り油が前記回生モータに供給され、かつ、前記吸収可能流量を超える戻り油の少なくとも一部が前記アキュムレータに供給されるように前記分配調整手段を制御する、油圧回生装置。

【請求項2】

前記油圧回生装置は、前記戻り油が導出される前記油圧アクチュエータのポートに対して前記回生モータ及び前記アキュムレータと並列に接続されたタンクをさらに備え、
前記分配調整手段は、前記回生モータ、前記アキュムレータ、及び前記タンクに分配される戻り油の比率を調整可能であり、
前記コントローラは、前記戻り油のうち前記回生モータ及び前記アキュムレータに供給された戻り油以外の戻り油を前記タンクに供給するように前記分配調整手段を制御する、請求項１に記載の油圧回生装置。

【請求項3】

前記コントローラは、前記戻り油が供給されることによる前記回生モータの駆動によって前記エンジンの速度が増加する場合、前記エンジンの速度の増加を防止するように前記回生モータに分配される戻り油の比率を下げる、請求項１又は２に記載の油圧回生装置。

【請求項4】

前記コントローラは、前記回生モータの駆動による駆動トルクが前記油圧ポンプの駆動によるポンプトルクを超えた場合に、前記駆動トルクが前記ポンプトルク以下となるように前記回生モータに分配される戻り油の比率を下げる、請求項３に記載の油圧回生装置。

【請求項5】

油圧回生装置であって、
エンジンと、
前記エンジンにより駆動される油圧ポンプと、
前記油圧ポンプからの作動油により作動する油圧アクチュエータと、
前記油圧アクチュエータから導出される戻り油が供給されることにより駆動可能であり、かつ、この駆動によって前記エンジンの動力をアシストするように前記エンジンの出力軸に接続された可変容量型の回生モータと、
前記油圧アクチュエータからの戻り油により蓄圧可能なアキュムレータとを備え、
前記回生モータ及び前記アキュムレータは、前記戻り油が導出される前記油圧アクチュエータのポートに対して互いに並列に接続され、
前記油圧回生装置は、前記回生モータ及び前記アキュムレータに分配される前記戻り油の比率を調整可能な分配調整手段と、前記戻り油の持つエネルギーを回生するための条件として予め設定された回生条件が成立した場合に、前記アキュムレータよりも前記回生モータに対して優先的に前記戻り油が供給されるように前記分配調整手段を制御するコントローラと、前記回生モータの駆動に応じて発電可能となるように当該回生モータに接続された発電機と、をさらに備え、
前記コントローラは、前記戻り油が供給されることによる前記回生モータの駆動によって前記エンジンの速度が増加する場合、当該エンジンの速度の増加を防止可能な発電トルクで発電が行われるように前記発電機を制御可能である、油圧回生装置。

【請求項6】

前記コントローラは、前記回生モータの駆動による駆動トルクが前記油圧ポンプの駆動によるポンプトルクを超えた場合に、前記駆動トルクから前記ポンプトルクを減じたトルク以上の前記発電トルクで発電が行われるように前記発電機を制御する、請求項５に記載の油圧回生装置。

【請求項7】

建設機械であって、
機体と、
上げ動作及び下げ動作が可能となるように前記機体に取り付けられたブームと、
請求項１〜６の何れか１項に記載の油圧回生装置とを備え、
前記油圧アクチュエータは、前記上げ動作及び下げ動作のための動力を前記ブームに与えるものであり、
前記分配調整手段は、前記ブームの下げ動作時に前記回生モータ及び前記アキュムレータに分配される戻り油の比率を調整可能である、建設機械。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、油圧アクチュエータから導出される戻り油の持つエネルギーを回生するための油圧回生装置及びこれを備えた建設機械に関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来から、エンジンにより駆動される油圧ポンプと、油圧ポンプからの作動油により作動する油圧アクチュエータと、油圧アクチュエータから導出される作動油の持つエネルギーを回生するための回生モータ及びアキュムレータとを備えた建設機械が知られている。

【0003】

回生モータは、エンジンの出力軸に接続されている。戻り油が回生モータに供給されて当該回生モータが駆動することによって、エンジンの動力（油圧ポンプを駆動するための動力）をアシストすることができる。

【0004】

また、アキュムレータは、戻り油によって蓄圧され、必要に応じてその圧力を放出することにより油圧アクチュエータを駆動する。

【0005】

例えば、特許文献１に記載の作業機械は、ブームシリンダ（油圧アクチュエータ）のヘッド側油路に接続されたポンプモータ（回生モータ）と、ポンプモータを介してヘッド側油路に接続されたアキュムレータとを備えている。

【0006】

この作業機械によれば、ブーム下げ動作時にブームシリンダから導出される作動油がポンプモータを介してアキュムレータに導かれ、ポンプモータにより増圧された作動油によってアキュムレータが蓄圧される。

【0007】

一方、ブーム下げ動作時であってアキュムレータの蓄圧が困難な場合、ブームシリンダから導出される作動油によりポンプモータがモータとして作動することにより、エンジンの動力がアシストされる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特開２０１０−８４８８８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

しかしながら、特許文献１に記載の作業機械では、ブームシリンダのヘッド側油路に対してポンプモータ及びアキュムレータが直列に接続されているため、ブームシリンダからアキュムレータに導かれる作動油の全てがポンプモータを経由する。

【0010】

したがって、ブームシリンダから導出される比較的大きな戻り油の流量を想定して、ポンプモータの容量を大きく設定せざるを得ない。

【0011】

これにより、ポンプモータが大型化するとともに、戻り油が供給されていない状態においてポンプモータがエンジンにより駆動されることによる損失（以下、連れ回り損失という）が大きくなる、という問題がある。

【0012】

本発明の目的は、回生モータの大型化の抑制及び連れ回り損失の低減を図ることができる油圧回生装置及びこれを備えた建設機械を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0013】

上記課題を解決するために、本発明は、油圧回生装置であって、エンジンと、前記エンジンにより駆動される油圧ポンプと、前記油圧ポンプからの作動油により作動する油圧アクチュエータと、前記油圧アクチュエータから導出される戻り油が供給されることにより駆動可能であり、かつ、この駆動によって前記エンジンの動力をアシストするように前記エンジンの出力軸に接続された可変容量型の回生モータと、前記油圧アクチュエータからの戻り油により蓄圧可能なアキュムレータとを備え、前記回生モータ及び前記アキュムレータは、前記戻り油が導出される前記油圧アクチュエータのポートに対して互いに並列に接続され、前記油圧回生装置は、前記回生モータ及び前記アキュムレータに分配される前記戻り油の比率を調整可能な分配調整手段と、前記戻り油の持つエネルギーを回生するための条件として予め設定された回生条件が成立した場合に、前記アキュムレータよりも前記回生モータに対して優先的に前記戻り油が供給されるように前記分配調整手段を制御するコントローラと、を備え、前記コントローラは、予め設定された設定容量に調整された前記回生モータにより吸収可能な吸収可能流量を超える流量の戻り油が前記油圧アクチュエータから導出された場合、前記吸収可能流量の戻り油が前記回生モータに供給され、かつ、前記吸収可能流量を超える戻り油の少なくとも一部が前記アキュムレータに供給されるように前記分配調整手段を制御する、油圧回生装置を提供する。

【0014】

本発明によれば、多量の戻り油が存在する場合にアキュムレータに分配される戻り油の比率を上げることにより、相対的に回生モータに供給される戻り油を減らすことができる。

【0015】

したがって、アキュムレータに対して供給される戻り油の全てが回生モータを経由する従来技術と異なり、回生モータの最大容量を小さく抑えることができ、これにより、回生モータの大型化の抑制及び連れ回り損失の低減を図ることができる。

【0016】

ここで、戻り油の持つエネルギーを回生するための条件として予め設定された回生条件が成立した場合に、回生モータ及びアキュムレータに対してどのような比率で戻り油を分配するかは分配調整手段の制御次第であるが、回生モータよりもアキュムレータに優先的に戻り油を供給した場合には回生効率が低下するおそれがある。

【0017】

具体的に、戻り油によりアキュムレータが蓄圧される場合、蓄圧時におけるアキュムレータのエネルギー損失だけでなく、その後にアキュムレータから放出された圧力により駆動される油圧アクチュエータのエネルギー損失も生じる。

【0018】

そこで、本発明は、前記回生条件が成立した場合に、前記油圧回生装置は、前記アキュムレータよりも前記回生モータに対して優先的に前記戻り油が供給されるように前記分配調整手段を制御するコントローラをさらに備えている。

【0019】

本発明によれば、油圧アクチュエータから導出された戻り油により優先的に回生モータが駆動されるため、上述したアキュムレータによる回生時のエネルギー損失を相対的に低減することができ、これにより、回生効率の低下を抑えることができる。

【0020】

具体的に、前記コントローラは、予め設定された設定容量に調整された前記回生モータにより吸収可能な吸収可能流量を超える流量の戻り油が前記油圧アクチュエータから導出された場合、前記吸収可能流量の戻り油が前記回生モータに供給され、かつ、前記吸収可能流量を超える戻り油の少なくとも一部が前記アキュムレータに供給されるように前記分配調整手段を制御する。

【0021】

ここで、回生モータの駆動効率が予め設定された効率以上となるように『設定容量』が設定されていれば、回生モータにより高効率で回生しながら、残りの戻り油の持つエネルギーをアキュムレータによって回生することができる。

【0022】

一方、『設定容量』が回生モータの最大容量に設定されていれば、上述したアキュムレータによる回生時のエネルギー損失を可及的に低減することができる。

【0023】

つまり、『設定容量』は、回生効率を考慮して適宜設定することが可能である。

【0024】

前記油圧回生装置において、前記油圧回生装置は、前記戻り油が導出される前記油圧アクチュエータのポートに対して前記回生モータ及び前記アキュムレータと並列に接続されたタンクをさらに備え、前記分配調整手段は、前記回生モータ、前記アキュムレータ、及び前記タンクに分配される戻り油の比率を調整可能であり、前記コントローラは、前記戻り油のうち前記回生モータ及び前記アキュムレータに供給された戻り油以外の戻り油を前記タンクに供給するように前記分配調整手段を制御することが好ましい。

【0025】

この態様によれば、戻り油のうち回生モータ及びアキュムレータに導かれたもの以外の部分をタンクに回収することができる。

【0026】

ここで、戻り油が供給されることによる回生モータの駆動によってエンジンの速度が増加する場合があり、この場合には、エンジンの駆動効率が低下するおそれがある。

【0027】

そこで、前記コントローラは、前記戻り油が供給されることによる前記回生モータの駆動によって前記エンジンの速度が増加する場合、前記エンジンの速度の増加を防止するように前記回生モータに分配される戻り油の比率を下げることが好ましい。

【0028】

この態様によれば、回生モータに分配される戻り油の比率を下げることにより、エンジンの駆動効率の低下を防止しながら、戻り油の持つエネルギーを回生することができる。

【0029】

具体的に、エンジンに対してその負荷として油圧ポンプのみが設けられている場合、エンジンのトルクは主に油圧ポンプの駆動によるポンプトルクにより決定されるため、前記回生モータの駆動による駆動トルクがポンプトルクを超えた場合にエンジンの速度が増加すると考えることができる。

【0030】

そこで、前記コントローラは、前記回生モータの駆動による駆動トルクが前記油圧ポンプの駆動によるポンプトルクを超えた場合に、前記駆動トルクが前記ポンプトルク以下となるように前記回生モータに分配される戻り油の比率を下げることができる。

【0031】

この態様によれば、実際のエンジンの速度を検出することなくポンプトルクと駆動トルクとを用いることによってエンジンの速度の増加を防止することができる。

【0032】

なお、エンジンに複数の負荷が設けられている場合には、これら負荷の駆動によるトルクの合計よりも回生モータの駆動トルクが小さくなるように回生モータに分配される戻り油の比率を下げることにより、エンジンの速度の増加を防止することができる。

【0033】

また、本発明は、油圧回生装置であって、エンジンと、前記エンジンにより駆動される油圧ポンプと、前記油圧ポンプからの作動油により作動する油圧アクチュエータと、前記油圧アクチュエータから導出される戻り油が供給されることにより駆動可能であり、かつ、この駆動によって前記エンジンの動力をアシストするように前記エンジンの出力軸に接続された可変容量型の回生モータと、前記油圧アクチュエータからの戻り油により蓄圧可能なアキュムレータとを備え、前記回生モータ及び前記アキュムレータは、前記戻り油が導出される前記油圧アクチュエータのポートに対して互いに並列に接続され、前記油圧回生装置は、前記回生モータ及び前記アキュムレータに分配される前記戻り油の比率を調整可能な分配調整手段と、前記戻り油の持つエネルギーを回生するための条件として予め設定された回生条件が成立した場合に、前記アキュムレータよりも前記回生モータに対して優先的に前記戻り油が供給されるように前記分配調整手段を制御するコントローラと、前記回生モータの駆動に応じて発電可能となるように当該回生モータに接続された発電機と、をさらに備え、前記コントローラは、前記戻り油が供給されることによる前記回生モータの駆動によって前記エンジンの速度が増加する場合、当該エンジンの速度の増加を防止可能な発電トルクで発電が行われるように前記発電機を制御可能である、油圧回生装置を提供する。

【0034】

本発明によれば、多量の戻り油が存在する場合にアキュムレータに分配される戻り油の比率を上げることにより、相対的に回生モータに供給される戻り油を減らすことができる。

【0035】

したがって、アキュムレータに対して供給される戻り油の全てが回生モータを経由する従来技術と異なり、回生モータの最大容量を小さく抑えることができ、これにより、回生モータの大型化の抑制及び連れ回り損失の低減を図ることができる。

【0036】

この態様によれば、油圧アクチュエータから導出された戻り油により優先的に回生モータが駆動されるため、上述したアキュムレータによる回生時のエネルギー損失を相対的に低減することができ、これにより、回生効率の低下を抑えることができる。

【0037】

さらに、本発明によれば、回生モータに供給される戻り油の流量を吸収可能流量に維持することにより回生モータの高い回生効率を確保しながら、エンジンの駆動効率の低下を防止することができる。

【0038】

したがって、本発明によれば、戻り油の持つエネルギーをより有効に回生することができる。

【0039】

具体的に、前記コントローラは、前記回生モータの駆動による駆動トルクが前記油圧ポンプの駆動によるポンプトルクを超えた場合に、前記駆動トルクから前記ポンプトルクを減じたトルク以上の前記発電トルクで発電が行われるように前記発電機を制御することができる。

【0040】

この態様によれば、実際のエンジンの速度を検出することなくポンプトルクと駆動トルクとを用いることによってエンジンの速度の増加を防止することができる。

【0041】

また、本発明は、建設機械であって、建設機械であって、機体と、上げ動作及び下げ動作が可能となるように前記機体に取り付けられたブームと、前記油圧回生装置とを備え、前記油圧アクチュエータは、前記上げ動作及び下げ動作のための動力を前記ブームに与えるものであり、前記分配調整手段は、前記ブームの下げ動作時に前記回生モータ及び前記アキュムレータに分配される戻り油の比率を調整可能である、建設機械を提供する。

【0042】

本発明によれば、ブーム下げ動作時においてブームが持つ位置エネルギーを回生モータ及びアキュムレータによって有効に回生することができる。

【発明の効果】

【0043】

本発明によれば、回生モータの大型化及び連れ回り損失を低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【0044】

【図1】本発明の第１実施形態に係る油圧ショベルの全体構成を示す側面図である。

【図2】本発明の第１実施形態に係る油圧回生装置を示す回路図である。

【図3】図２に示すコントローラにより実行される処理を示すフローチャートの前半部分である。

【図4】図２に示すコントローラにより実行される処理を示すフローチャートの後半部分である。

【図5】本発明の第２実施形態に係る油圧回生装置を示す回路図である。

【図6】図５に示すコントローラにより実行される処理を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0045】

以下添付図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。なお、以下の実施の形態は、本発明を具体化した一例であって、本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。

【0046】

＜第１実施形態（図１〜図４）＞
図１を参照して、本発明の第１実施形態に係る建設機械の一例としての油圧ショベル１は、クローラ２ａを有する下部走行体２と、下部走行体２上に旋回可能に設けられた上部旋回体３と、上部旋回体３に対して変位可能に取り付けられた作業アタッチメント４と、図２に示す油圧回生装置５とを備えている。下部走行体２及び上部旋回体３は、後述するブーム６が取り付けられた機体に相当する。

【0047】

作業アタッチメント４は、上部旋回体３に上げ動作及び下げ動作可能に取り付けられたブーム６と、ブーム６の先端部に回転可能に取り付けられたアーム７と、アーム７の先端部に回転可能に取り付けられたバケット８とを備えている。

【0048】

また、作業アタッチメント４は、ブーム６に対して上げ動作及び下げ動作のための動力を与えるブームシリンダ９と、アーム７を回転駆動するためのアームシリンダ１０と、バケット８を回転駆動するためのバケットシリンダ１１とを備えている。

【0049】

図２を参照して、油圧回生装置５は、ブーム６の下げ動作時にブームシリンダ９（油圧アクチュエータの一例）から導出される戻り油の持つエネルギーを回生するためのものである。

【0050】

具体的に、油圧回生装置５は、エンジン１４と、エンジン１４により駆動される可変容量式の油圧ポンプ１５と、油圧ポンプ１５からの作動油により作動するブームシリンダ９及びアームシリンダ１０と、ブームシリンダ９の駆動を制御するためのブーム側回路１６と、アームシリンダ１０の駆動を制御するためのアーム側回路１７と、ブーム側回路１６における戻り油の回生を制御するコントローラ１８とを備えている。

【0051】

油圧ポンプ１５は、エンジン１４の出力軸に接続されている。

【0052】

アーム側回路１７は、アームシリンダ１０に対する作動油の給排を制御するためのコントロールバルブ１７ａと、コントロールバルブ１７ａを操作するための操作手段１７ｂと、操作手段１７ｂの非操作時にアームシリンダ１０が縮小するのをロックするロック弁１７ｃとを備えている。

【0053】

ブーム側回路１６は、油圧ポンプ１５に対してアーム側回路１７と並列に接続されている。

【0054】

また、ブーム側回路１６は、ブームシリンダ９に対する作動油の給排を制御するためのコントロールバルブ１９と、コントロールバルブ１９を操作するための操作手段２０と、操作手段２０の非操作時にブームシリンダ９が縮小するのをロックするロック弁２１と、ブームシリンダ９のヘッド側ポート（符号省略）に対して並列に接続された回生モータ２２、アキュムレータ２３、及びタンク２４と、これらに対する作動油の供給量を制御するためのモータ用制御弁２５、蓄圧用制御弁２６、及び排出用制御弁２８と、アキュムレータ２３から放出される作動油の流量を制御するための放出用制御弁２７とを備えている。

【0055】

コントロールバルブ１９は、図示の中立位置と、ブーム６による上げ動作を実行するためのブーム上げ位置（図の左側の位置）と、ブーム６による下げ動作を実行するためのブーム下げ位置（図の右側の位置）との間で切換可能である。

【0056】

コントロールバルブ１９がブーム上げ位置に切り換えられると、油圧ポンプ１５とブームシリンダ９のヘッド側油路Ｒ２とが接続されるとともにブームシリンダ９のロッド側油路Ｒ１とタンクとが接続される。一方、コントロールバルブ１９がブーム下げ位置に切り換えられると、油圧ポンプ１５とロッド側油路Ｒ１とが接続されるとともにヘッド側油路Ｒ２が閉じられる。

【0057】

操作手段２０は、コントロールバルブ１９に対してパイロット圧を供給するためのリモコン弁と、リモコン弁を操作するための操作レバーとを備えている。

【0058】

回生モータ２２は、ブームシリンダ９から導出される戻り油が供給されることにより駆動可能であり、かつ、この駆動によってエンジン１４の動力をアシストするようにエンジン１４の出力軸に接続されている。具体的に、回生モータ２２は、可変容量式の油圧モータであり、容量を調整するためのレギュレータ２２ａを有している。後述するコントローラ１８からの指令がレギュレータ２２ａに入力されることにより、回生モータ２２の容量を調整することができる。

【0059】

また、回生モータ２２は、ブームシリンダ９のヘッド側油路Ｒ２に接続されたモータ油路Ｒ３に設けられている。このモータ油路Ｒ３における回生モータ２２の上流側にモータ用制御弁２５が設けられている。モータ用制御弁２５は、後述するコントローラ１８からの指令に応じて回生モータ２２に供給される作動油の流量を制御可能な電磁式の流量制御弁である。なお、モータ用制御弁２５は、モータ油路Ｒ３を開閉可能な電磁式の開閉弁でもよい。

【0060】

アキュムレータ２３は、ブームシリンダ９からの戻り油により蓄圧可能である。

【0061】

また、アキュムレータ２３は、ブームシリンダ９のヘッド側油路Ｒ２に対してモータ油路Ｒ３と並列に接続されたアキュムレータ油路Ｒ４に設けられている。このアキュムレータ油路Ｒ４におけるアキュムレータ２３の上流側に蓄圧用制御弁２６が設けられている一方、アキュムレータ２３の下流側に放出用制御弁２７が設けられている。蓄圧用制御弁２６は、コントローラ１８からの指令に応じてアキュムレータ２３に供給される作動油の流量を制御可能な電磁式の流量制御弁である。放出用制御弁２７は、コントローラ１８からの指令に応じてアキュムレータ２３から放出される作動油の流量を制御可能な電磁式の流量制御弁である。アキュムレータ油路Ｒ４の下流側の端部は、モータ油路Ｒ３におけるモータ用制御弁２５と回生モータ２２との間の位置に接続されているため放出用制御弁２７が開くことにより回生モータ２２が駆動する。

【0062】

タンク２４は、ブームシリンダ９からの戻り油のうち回生モータ２２及びアキュムレータ２３に供給される部分以外の余剰の戻り油を回収するためのものである。

【0063】

また、タンク２４は、ブームシリンダ９のヘッド側油路Ｒ２に対してモータ油路Ｒ３及びアキュムレータ油路Ｒ４と並列に接続されたタンク油路Ｒ５に設けられている。このタンク油路Ｒ５におけるタンク２４の上流側に排出用制御弁２８が設けられている。排出用制御弁２８は、コントローラ１８からの指令に応じてタンク２４に導かれる作動油の流量を制御可能な電磁式の流量制御弁である。

【0064】

なお、タンク油路Ｒ５におけるタンク２４と排出用制御弁２８との間の位置にはブーストチェック弁２９が設けられている。ブーストチェック弁２９は、ブーム下げ動作時に補給油路Ｒ６を通じてロッド側油路Ｒ１に作動油を補給するために背圧を立てるためのものである。補給油路Ｒ６は、タンク油路Ｒ５における排出用制御弁２８とブーストチェック弁２９との間の位置とロッド側油路Ｒ１とを接続する。この補給油路Ｒ６に設けられたチェック弁３０は、ブーム上げ動作時にヘッド側油路Ｒ２からタンク油路Ｒ５へ向けた作動油の流れを規制するためのものである。

【0065】

モータ用制御弁２５、蓄圧用制御弁２６、及び排出用制御弁２８は、回生モータ２２、アキュムレータ２３、及びタンク２４に分配される戻り油の比率を調整可能な分配調整手段に相当する。なお、回生モータ２２の容量の調整によって回生モータ２２に供給される戻り油の流量を調整することができるため、分配調整手段においてモータ用制御弁２５を省略することもできる。この場合、モータ用制御弁２５の閉鎖機能は、回生モータ２２の容量を最小にすることによって実現することができる。

【0066】

また、油圧回生装置５は、油圧ポンプ１５の吐出圧を検出可能な吐出圧センサＤ１と、ブームシリンダ９からの戻り油の圧力を検出可能なヘッド圧センサＤ２と、アキュムレータ２３に蓄圧された作動油の圧力を検出可能な蓄圧センサＤ３と、操作手段１７ｂの操作量及び操作方向を検出可能な操作量センサＤ４と、操作手段２０の操作量及び操作方向を検出可能な操作量センサＤ５と、エンジン１４の回転数を検出可能な回転数検出器Ｄ６とを備えている。

【0067】

ヘッド圧センサＤ２は、ヘッド側油路Ｒ２に設けられている。

【0068】

蓄圧センサＤ３は、アキュムレータ油路Ｒ４における蓄圧用制御弁２６とアキュムレータ２３との間の位置に設けられている。

【0069】

操作量センサＤ４は、操作手段１７ｂの操作レバーの操作量及び操作方向を検出可能なエンコーダ等により構成されている。同様に、操作量センサＤ５は、操作手段２０の操作レバーの操作量及び操作方向を検出可能なエンコーダ等により構成されている。なお、操作量センサＤ４、Ｄ５は、コントロールバルブ１７ａ、１９の両ポートに対するパイロット圧の大きさとして操作手段１７ｂ、２０の操作量及び操作方向を検出するものでもよい。

【0070】

上述したセンサＤ１〜Ｄ６による検出値は、電気信号としてコントローラ１８に入力される。

【0071】

コントローラ１８は、センサＤ１〜Ｄ６から入力された検出値に基づいて、制御弁２５、２６、２８、及び回生モータ２２のレギュレータ２２ａに指令を出力する。

【0072】

また、コントローラ１８は、予め設定された回生条件が成立した場合に、ブームシリンダ９から導出される戻り油の持つエネルギーが少なくとも回生モータ２２によって回生されるように、ブーム側回路１６を制御する。つまり、コントローラ１８は、回生条件が成立した場合に、アキュムレータ２３よりも回生モータ２２に対して優先的にブームシリンダ９からの戻り油が供給されるようにブーム側回路１６を制御する。

【0073】

ここで、回生条件は、ブーム６がその自重で下げ動作している場合、つまり、ブーム６の位置エネルギーを回生することができる場合に成立するものとして設定されている。

【0074】

以下、図２〜図４を参照して、コントローラ１８により実行される処理を説明する。

【0075】

コントローラ１８による処理が開始されると、まず、操作量センサＤ５からの検出値に基づいて操作手段２０によるブーム６を下げるためのレバー操作が行われたか否かが判定される（ステップＳ１）。

【0076】

ステップＳ１においてブーム６を下げるためのレバー操作が行われたと判定されると、回生条件が成立したか否かが判定される（ステップＳ２）。具体的に、ステップＳ２では、（Ｐｒ×Ａｒ）＜（Ｐｈ×Ａｈ）の条件が成立し、かつ、ブームシリンダ９のヘッド側室内の圧力が予め設定された圧力を超えている場合に、回生条件が成立したと判定される。ここで、Ｐｒは、ブームシリンダ９のロッド側室内の圧力であり、吐出圧センサＤ１により検出されるものである。Ａｒは、ブームシリンダ９のロッド側室の断面積であり、予め記憶されたものである。Ｐｈは、ブームシリンダ９のヘッド側室内の圧力であり、ヘッド圧センサＤ２により検出されるものである。Ａｈは、ブームシリンダ９のヘッド側室の断面積であり、予め記憶されたものである。なお、『予め設定された圧力』は、回生モータ２２を回転するために必要な圧力として予め設定されたものである。

【0077】

ステップＳ２において回生条件が成立していると判定されると、以下の式（１）を用いて、ブーム下げ目標流量が算出される（ステップＳ３）。ブーム下げ目標流量とは、操作手段２０の操作量に応じてブームシリンダ９から導出されるべき戻り油の流量である。

【0078】

Ｑ＝Ｃｖ×Ａ×√（Ｐ）・・・（１）
ステップＳ３では、式（１）に対し、操作手段２０の操作量との関係で予め設定された仮想開口をＡ（ｍｍ^２）として代入し、ブームシリンダ９のヘッド側油路Ｒ２の圧力をＰ（ＭＰａ）として代入することにより、ブーム下げ目標流量としてのＱ［ｌ／ｍｉｎ］を算出する。なお、Ｃｖは、予め設定された係数である。以下、ブーム下げ目標流量をＱ＿ＭＯ＿ｔａｒｇｅｔと記す。

【0079】

次いで、ブーム下げ目標流量が回生モータ２２の吸収可能流量よりも大きいか否かが判定される（ステップＳ４）。ここで、吸収可能流量は、予め設定された回生モータ２２の設定容量（本実施形態では最大容量）とエンジン１４の回転数とによって定まるものである。

【0080】

ステップＳ４においてブーム下げ目標流量が吸収可能流量よりも大きいと判定される場合、つまり、回生モータ２２にとって余剰の戻り油が存在する場合には、回生モータ２２の容量を仮に設定容量に設定する（ステップＳ５：ステップＳ６においてこの容量をモータ仮想容量という）。

【0081】

次いで、油圧ポンプ１５の駆動によるポンプトルクが、回生モータ２２の容量がモータ仮想容量に設定された場合における当該回生モータ２２の駆動によるモータ仮想トルク（駆動トルク）よりも大きいか否かが判定される（ステップＳ６）。ここで、油圧ポンプ１５のポンプトルクは、油圧ポンプ１５の容量と吐出圧とによって定まるものであり、油圧ポンプ１５の容量は、操作手段１７ｂ、２０の操作量との関係で予め設定されている。

【0082】

ステップＳ６において油圧ポンプ１５のポンプトルクがモータ仮想トルクよりも大きいと判定された場合、つまり、モータ仮想トルクに設定してもエンジン１４の速度の増加を避けることができると判定された場合、回生モータ２２の指令容量を設定容量に設定する（ステップＳ７）。なお、ステップＳ７では、モータ用制御弁２５の指令開口面積を全開に設定する。

【0083】

一方、前記ステップＳ４においてブーム下げ目標流量が吸収可能流量以下であると判定される場合、つまり、回生モータ２２に対して戻り油の全てを供給することができる場合には、回生モータ２２の容量を仮にブーム基準容量に設定する（ステップＳ８：ステップＳ９においてこの容量をモータ仮想容量という）。ここで、ブーム基準容量は、ブーム下げ目標流量を流すための回生モータ２２の容量であり、ブーム下げ流量とエンジン回転数とによって定まるものである。

【0084】

次いで、油圧ポンプ１５の駆動によるポンプトルクが、回生モータ２２の容量がモータ仮想容量に設定された場合における当該回生モータ２２の駆動によるモータ仮想トルク（駆動トルク）よりも大きいか否かが判定される（ステップＳ９）。

【0085】

ステップＳ９において油圧ポンプ１５のポンプトルクがモータ仮想トルクよりも大きいと判定された場合、つまり、モータ仮想トルクに設定してもエンジン１４の速度の増加を避けることができると判定された場合、回生モータ２２の指令容量を前記ブーム基準容量に設定する（ステップＳ１０）。なお、ステップＳ１０では、モータ用制御弁２５の指令開口面積を全開に設定する。

【0086】

一方、ステップＳ６及びステップＳ９において油圧ポンプ１５のポンプトルクがモータ仮想トルク以下であると判定されると、回生モータ２２の指令容量をトルク基準容量に設定する（ステップＳ１１）。ここで、トルク基準容量は、油圧ポンプ１５のポンプトルクの範囲内で戻り油を回生するための回生モータ２２の容量であり、油圧ポンプ１５のポンプトルクをブームシリンダ９のヘッド側油路Ｒ２内の圧力によって除することにより得られるものである。アキュムレータ２３の蓄圧容量に余裕がある場合には、回生モータ２２の指令容量をトルク基準容量以下に設定することもできる。なお、ステップＳ１１では、モータ用制御弁２５の指令開口面積を全開に設定する。

【0087】

ステップＳ７において回生モータ２２の指令容量を設定容量に設定した場合、及びステップＳ１１において回生モータ２２に供給される戻り油の流量を制限した場合には、回生モータ２２に対する余剰の戻り油が存在する。そのため、余剰の戻り油をアキュムレータ２３により回生するために、ステップＳ１２では、回生モータ２２に供給された戻り油以外の残りの戻り油の流量、及びアキュムレータ２３の回生可能な流量（以下、回生可能流量という）を算出する。

【0088】

具体的に、残りの戻り油の流量は、ステップＳ３で算出されたブーム下げ目標流量から回生モータ２２の流量を減じることにより得ることができる。また、前記式（１）に対し、蓄圧用制御弁２６の最大開口面積をＡとして代入し、ヘッド側油路Ｒ２内の圧力からアキュムレータ２３の圧力を減じた差圧をＰとして代入することにより、回生可能流量Ｑを算出することができる。

【0089】

次いで、回生可能流量が０よりも大きいか否か、つまり、アキュムレータ２３によって回生可能であるか否かが判定される（ステップＳ１３）。ここで、ヘッド側油路Ｒ２内の圧力よりもアキュムレータ２３の圧力が高い場合、回生可能ではないと判定され、この場合には、蓄圧用制御弁２６の指令開口面積が０（つまり、全閉）に設定される（ステップＳ１４）。

【0090】

一方、ステップＳ１３において回生可能であると判定されると、残りの戻り油の流量が回生可能流量よりも大きいか否かが判定される（ステップＳ１５）。ここで、残りの戻り油の流量が回生可能流量よりも大きいと判定されると、回生可能流量の戻り油をアキュムレータ２３に供給するために蓄圧用制御弁２６の指令開口面積を最大（全開）に設定する（ステップＳ１６）。

【0091】

ステップＳ１４においてアキュムレータ２３による回生を行わない場合、及びステップＳ１６において回生可能流量の戻り油をアキュムレータ２３に供給する場合には、回生モータ２２及びアキュムレータ２３に対して余剰の戻り油が存在する。そこで、ステップＳ１７では、余剰の戻り油をタンク２４に回収するための排出用制御弁２８の指令開口面積を設定する。具体的に、前記式（１）に対し、残りの戻り油の流量から回生可能流量を減じた流量をＱとして代入し、ヘッド側油路Ｒ２内の圧力をＰとして代入することにより、排出用制御弁２８の開口面積Ａを算出することができる。

【0092】

一方、ステップＳ１５において残りの戻り油の流量が回生可能流量以下であると判定されると、残りの戻り油の流量の全てをアキュムレータ２３により回生するために蓄圧用制御弁２６の指令開口面積を設定する（ステップＳ１８）。具体的に、前記式（１）に対し、ヘッド側油路Ｒ２内の圧力からアキュムレータ２３の圧力を減じた差圧をＰとして代入し、残りの戻り油の流量をＱとして代入することにより、蓄圧用制御弁２６の指令開口面積Ａを算出することができる。

【0093】

また、前記のステップＳ１０において回生モータ２２の指令容量をブーム基準容量に設定した場合、戻り油の全てが回生モータ２２に供給されて残りの戻り油が存在しないため、ステップＳ１９では蓄圧用制御弁２６の指令開口面積を０（全閉）に設定する。

【0094】

ステップＳ１８において残りの戻り油の流量の全てをアキュムレータ２３に供給した場合、及びステップＳ１９において蓄圧用制御弁２６を全閉にする場合には、タンク２４に回収すべき余剰の戻り油は存在しない。そこで、ステップＳ２０では、排出用制御弁２８の指令開口面積を０（全閉）に設定する。

【0095】

なお、前記のステップＳ１においてブーム６を下げるためのレバー操作が行われていないと判定された場合、コントロールバルブ１９が中立位置又はブーム上げ位置に切り換えられており、ブーム６を現在位置に保持する、又はブーム６の上げ動作を許容するための回路状態に切り換える必要がある。そのため、ステップＳ２１では、回生モータ２２の指令容量を最小とし、蓄圧用制御弁２６の指令開口面積を０（全閉）に設定し、排出用制御弁２８の指令開口面積を０（全閉）に設定する。なお、このステップＳ２１では、モータ用制御弁２５の指令開口面積も０（全閉）に設定している。

【0096】

また、前記のステップＳ１でブーム６を下げるためのレバー操作が行われていると判定され、かつ、ステップＳ２において回生条件が成立していないと判定された場合、ブーム６の下げ動作が行われているものの回生モータ２２及びアキュムレータ２３に導くべき戻り油が存在しない。そのため、ステップＳ２２では、ブーム６の下げ動作を許容するために、回生モータ２２の指令容量を最小とし、蓄圧用制御弁２６の指令開口面積を０（全閉）に設定し、排出用制御弁２８の指令開口面積を全開に設定する。なお、このステップＳ２２では、モータ用制御弁２５の指令開口面積も０（全閉）に設定している。

【0097】

そして、ステップＳ１７、Ｓ２０、Ｓ２１及びＳ２２の後、回生モータ２２、制御弁２５、２６、２８に対して設定された指令値を出力して（ステップＳ２３）、当該処理はリターンする。

【0098】

なお、図２に示す油圧回生装置５において、ブーム６の下げ動作であってブーム６が負荷作業を行う場合（掘削作業を行う場合等）、ブームシリンダ９のヘッド側油路Ｒ２に導出される戻り油は、排出用制御弁２８を通じてタンク２４に回収される。

【0099】

以上説明したように、油圧回生装置５では、回生モータ２２とアキュムレータ２３とがブームシリンダ９に対して並列に接続されているとともに制御弁２５、２６、２８が設けられている。そのため、多量の戻り油が存在する場合にアキュムレータ２３に分配される戻り油の比率を上げることにより、相対的に回生モータ２２に供給される戻り油を減らすことができる。

【0100】

したがって、アキュムレータ２３に対して供給される戻り油の全てが回生モータ２２を経由する従来技術と異なり、回生モータ２２の最大容量を小さく抑えることができ、これにより、回生モータ２２の大型化の抑制及び連れ回り損失の低減を図ることができる。

【0101】

また、第１実施形態によれば、以下の効果を奏することができる。

【0102】

戻り油によりアキュムレータ２３が蓄圧される場合、蓄圧時におけるアキュムレータ２３のエネルギー損失だけでなく、その後にアキュムレータ２３から放出された圧力により駆動される回生モータ２２のエネルギー損失も生じる。これに対し、第１実施形態によれば、アキュムレータ２３よりも回生モータ２２に対して優先的に戻り油が供給されるため、上述のアキュムレータ２３による回生時のエネルギー損失を相対的に低減することができ、これにより、回生効率の低下を抑えることができる。

【0103】

第１実施形態によれば、戻り油のうち回生モータ２２及びアキュムレータ２３に導かれたもの以外の部分をタンク２４に回収することができる。

【0104】

第１実施形態によれば、回生モータ２２の駆動トルクが油圧ポンプ１５のモータ仮想トルク（ポンプトルク）を超える場合に、回生モータに分配される戻り油の比率を下げることにより、エンジンの駆動効率の低下を防止しながら、戻り油の持つエネルギーを回生することができる。

【0105】

第１実施形態によれば、実際のエンジン１４の速度を検出することなく油圧ポンプ１５のモータ仮想トルクと回生モータ２２の駆動トルクとを用いることによってエンジン１４の速度の増加を防止することができる。

【0106】

＜第２実施形態（図５及び図６）＞
第１実施形態では、図３に示すステップＳ１１のように、回生モータ２２のモータ仮想トルク（駆動トルク）が油圧ポンプ１５のポンプトルクを超える場合に、回生モータ２２に対して供給（分配）される戻り油の流量を制限している。

【0107】

これに対し、第２実施形態では、このような戻り油の流量制限を行うことなく戻り油を回生することができる。以下、第２実施形態における第１実施形態と相違する部分について主に説明する。

【0108】

図５に示すように、第２実施形態に係る油圧回生装置５は、回生モータ２２の駆動に応じて発電可能となるように当該回生モータ２２（エンジン１４の出力軸）に接続された発電電動機（発電機）３１と、発電電動機３１を制御するためのインバータ３２と、発電電動機３１により発電された電力を充電可能なバッテリ３３とを備えている。

【0109】

発電電動機３１は、エンジン１４及び回生モータ２２の少なくとも一方の動力により発電機として作動する機能と、バッテリ３３の電力により電動機として作動してエンジン１４の動力をアシストする機能とを有する。

【0110】

インバータ３２は、コントローラ１８からの指令に応じて発電電動機３１の駆動トルク（発電量）及びバッテリ３３から発電電動機３１に対する供給電力を制御可能である。つまり、コントローラ１８は、インバータ３２を介して発電電動機３１を制御可能である。

【0111】

次に、図６を参照して第２実施形態に係るコントローラ１８により実行される処理を説明する。

【0112】

上述したステップＳ４においてブーム下げ目標流量が回生モータ２２の吸収可能流量よりも大きいと判定されると、第１実施形態とは異なりエンジン１４の要求トルク（油圧ポンプ１５のトルク）との関係を考慮することなく回生モータ２２の指令容量が設定容量に設定される（ステップＳ４１）。つまり、ステップＳ４１が行われた状態においては、回生モータ２２の駆動トルクが油圧ポンプ１５のポンプトルクを超えている場合も含まれている。

【0113】

そこで、ステップＳ５１では、回生モータ２２の駆動トルクが油圧ポンプ１５のポンプトルクを超える場合に、駆動トルクからポンプトルクを減じた差分トルクを発電電動機３１の指令トルク（発電トルク）として設定する。なお、エンジン１４の駆動によるトルクが油圧ポンプ１５の駆動トルクに対して十分余裕がある場合には、発電電動機３１の指令トルクは、差分トルク以上に設定することもできる。一方、ステップＳ５１において駆動トルクがポンプトルク以下である場合には、発電電動機３１の指令トルクを０に設定する。

【0114】

次いで、上述したステップＳ１２が実行される。

【0115】

一方、ステップＳ４においてブーム下げ目標流量が回生モータ２２の吸収可能流量以下であると判定されると、第１実施形態とは異なり油圧ポンプ１５のポンプトルクとの関係を考慮することなく回生モータ２２の指令容量がブーム基準容量に設定される（ステップＳ７１）。つまり、ステップＳ７１が行われた状態においては、回生モータ２２の駆動トルクが油圧ポンプ１５のポンプトルクを超えている場合も含まれている。

【0116】

そこで、ステップＳ８１では、回生モータ２２の駆動トルクが油圧ポンプ１５のポンプトルクを超える場合に、駆動トルクからポンプトルクを減じた差分トルクを発電電動機３１の指令トルク（発電トルク）として設定する。ステップＳ５１と同様に、エンジン１４の駆動によるトルクが油圧ポンプ１５の駆動トルクに対して余裕がある場合には、発電電動機３１の指令トルクを差分トルク以上に設定することもできる。一方、ステップＳ８１において駆動トルクがポンプトルク以下である場合には発電電動機３１の指令トルクを０に設定する。

【0117】

次いで、上述したステップＳ１９が実行される。

【0118】

なお、第２実施形態においては、上述したステップＳ２（図３参照）において回生条件が成立していないと判定されると、ステップＳ２２（図４参照）において、発電電動機３１の指令トルクを０に設定する。

【0119】

以上説明したように、回生モータ２２に供給される戻り油の流量を吸収可能流量に維持することにより回生モータ２２の高い回生効率を確保しながら、エンジン１４の駆動効率の低下を防止することができる。

【0120】

したがって、第２実施形態によれば、戻り油の持つエネルギーをより有効に回生することができる。

【0121】

また、第２実施形態によれば、実際のエンジン１４の速度を検出することなく油圧ポンプ１５のポンプトルクと回生モータ２２の駆動トルクとを用いることによってエンジン１４の速度の増加を防止することができる。

【0122】

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されない。例えば、本発明は、以下の態様ととることも可能である。

【0123】

回生モータ２２の設定容量は、回生効率を考慮して適宜設定することが可能である。油圧モータは、一般に、最大容量に設定された状態で比較的高い駆動効率が得られることが知られている。そのため、前記実施形態のように回生モータ２２の設定容量を最大容量に設定すれば、回生モータ２２の高い駆動効率を確保しつつ上述したアキュムレータ２３による回生時のエネルギー損失を可及的に低減することができる。

【0124】

エンジン１４に複数の負荷が設けられている場合には、これら負荷の駆動によるトルクの合計よりも回生モータ２２の駆動トルクが小さくなるように回生モータ２２に分配される戻り油の比率を下げることにより、エンジン１４の速度の増加を防止することができる。

【0125】

制御弁２５〜２８としてパイロット式のものを採用して、コントローラ１８からの指令に応じて制御弁に対してパイロット圧を生じさせる手段を設けてもよい。

【0126】

アキュムレータ２３から放出される作動油は、回生モータ２２ではなく他のアクチュエータに供給することもできる。

【0127】

油圧回生装置５は、ブーム６の下げ動作時における戻り油の持つエネルギーを回生するものに限定されず、他の油圧アクチュエータから導出される戻り油の持つ位置エネルギー又は慣性エネルギーを回生することができる。例えば、アーム７及びバケット８の少なくとも一方が自重によって回転する際にシリンダ１０、１１から導出される戻り油の持つエネルギー、及び上部旋回体３を旋回駆動するための油圧モータから旋回減速時に導出される戻り油の持つエネルギーを油圧回生装置５によって回生することができる。

【符号の説明】

【0128】

１ 油圧ショベル（建設機械の一例）
２ 下部走行体（機体の一例）
３ 上部旋回体（機体の一例）
５ 油圧回生装置
６ ブーム
９ ブームシリンダ（油圧アクチュエータの一例）
１４ エンジン
１５ 油圧ポンプ
１８ コントローラ
２２ 回生モータ
２３ アキュムレータ
２４ タンク
２５ モータ用制御弁
２６ 蓄圧用制御弁
２７ 放出用制御弁
３１ 発電電動機（発電機の一例）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】