JP2020007723A - ハイブリッド建設機械 - Google Patents

Abstract

【課題】既存の建設機械をハイブリッド仕様に改装する場合に、蓄電装置及び電動発電機を含む電動モジュールを冷却する冷却装置を、冷却効率を落とすことなく簡易な改装で装着することができるハイブリッド建設機械を提供する。【解決手段】上部旋回体１３の左側部に立設されるキャビン１３１と、キャビン１３１内に配設される運転席１３１ａと、運転席１３１ａの下方に配置されるエンジン２と、エンジン２に接続される電動発電機３及び油圧ポンプ４と、電動発電機３が発電した電力を充電又は放電するバッテリ３２と、エンジン２内を循環する冷却水と油圧ポンプ４から圧送される作動油を冷却する第１冷却装置２ａと、キャビン１３１の後壁下部に配置され、電動発電機３及びバッテリ３２を含む電動モジュールを循環する冷却用媒体を冷却する第２冷却装置３ａと、を備える。【選択図】図３

Description

本発明は、ハイブリッド建設機械に関する。

下記特許文献１には、蓄電装置及び制御機器を冷却するためのラジエータとエンジンを含む油圧ラインにおける冷却機器であるクーリングユニットとが、エンジンルーム内に配置され、冷却ファンで吸引した冷風によりラジエータとクーリングユニットを冷却するハイブリッド作業車両が開示されている。

下記特許文献２には、ハイブリッド作業機械の電動機冷却装置として、油圧アクチュエータを作動させる油圧回路の最下流側を電動機を冷却する冷却回路とする技術が開示されている。

特許第４９８１０５０号公報 特開２０１０−１６８８２５号公報

特許文献１の構成によれば、従来の作業車両の構成とハイブリッド作業車両の構成とを共通化することが可能であるが、小型の建設機械において、既存の建設機械をハイブリッド仕様に改装する場合、エンジンルーム内のスペースが狭いため、新たに追加される蓄電装置及び制御装置を冷却するためのラジエータを設置するスペースがないという問題がある。

特許文献２は、元々装備された油圧回路とその油圧源である油圧ポンプを利用して電動機を冷却するため、大がかりな追加設備が不要となり、小型の建設機械に適用できる可能性がある。しかしながら、作動油全体を冷却媒体として使用する必要があることから、蓄電装置及び制御装置を冷却するためのラジエータに専用の冷却媒体を送るシステムに比べ、大量の冷却媒体を冷却する必要があり、作動油を圧送する油圧ポンプの流量を減少させる制御がなされている状態のときは、十分な冷却効果を得られないという問題がある。

そこで、本発明は上記課題に鑑み、既存の建設機械をハイブリッド仕様に改装する場合に、蓄電装置及び電動発電機を含む電動モジュールを冷却する冷却装置を、冷却効率を落とすことなく簡易な改装で装着することができるハイブリッド建設機械を提供することを目的とする。

本発明のハイブリッド建設機械は、上部旋回体と、
前記上部旋回体を旋回自在に支持する下部走行体と、
前記上部旋回体の左右側部のうち何れか一方の側部に立設されるキャビンと、
前記キャビン内に配設される運転席と、
前記運転席の下方に配置されるエンジンと、
前記エンジンに接続される電動発電機及び油圧ポンプと、
前記電動発電機が発電した電力を充電又は放電する蓄電装置と、
前記エンジン内を循環する冷却水と前記油圧ポンプから圧送される作動油を冷却する第１冷却装置と、
前記キャビンの後壁下部に配置され、前記電動発電機及び前記蓄電装置を含む電動モジュールを循環する冷却用媒体を冷却する第２冷却装置と、を備えるものである。

本発明において、前記第２冷却装置は、前記キャビンの後壁下部に取り付けられた横フレームと、前記キャビンの後壁側部に取り付けられた縦フレームとに装着されるものでもよい。

本発明において、前記上部旋回体の後端部に立設されたカウンタウェイトと、
前記カウンタウェイトの上端部から上方に延びて前記キャビンの後壁下端部に達し、前記カウンタウェイトとともに前記エンジンを覆うボンネットと、をさらに備え、
前記ボンネットは、前記キャビンの後壁下方に設けられた被掛止部に掛止可能な掛止部と、前記カウンタウェイトの上端部に設けられた被係止部に係止可能な係止部とを有するものでもよい。

本発明において、前記第２冷却装置の下端部であって前記上部旋回体の左右中央部に配置されるカメラをさらに備えるものでもよい。

本発明によれば、電動モジュールを冷却するための第２冷却装置をキャビンの後壁下部に配置することにより、既存の建設機械をハイブリッド仕様に改装する場合に、簡易な改装で第２冷却装置を装着することができる。また、第２冷却装置は、エンジン及び油圧ポンプを冷却する第１冷却装置とは別に設けられるため、冷却効率を落とすことなく、安定した冷却効果を得ることができる。

本実施形態に係るバックホーを示す側面図である。 本実施形態に係るバックホーを示す平面図である。 本実施形態に係るバックホーを示す背面図である。 上部旋回体からボンネットを外した状態を示す斜視図である。 ボンネットを裏側から見た斜視図である。 ボンネットの係止部を拡大して示す斜視図である。 係止状態を示す斜視図である。 バックホーに搭載される油圧回路及び冷却回路を示す図である。 上部旋回体から第２冷却装置を外した状態を示す斜視図である。 第２冷却装置を裏側から見た斜視図である。

以下に、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。

まず、図１を参照しながら、ハイブリッド建設機械の一例としてのバックホー１の概略構造について説明する。バックホー１は、下部走行体１１と、作業機１２と、上部旋回体１３とを備える。

下部走行体１１は、上部旋回体１３の内部に収容されるエンジン２からの動力を受けて駆動し、バックホー１を走行させる。下部走行体１１は、左右一対のクローラ１１ａ，１１ａ及び左右一対の走行モータ１１ｂ，１１ｂを備える。油圧モータである左右の走行モータ１１ｂ，１１ｂが左右のクローラ１１ａ，１１ａをそれぞれ駆動することでバックホー１の前後進を可能としている。また、下部走行体１１には、ブレード１１ｃ、及びブレード１１ｃを上下方向に回動させるためのブレードシリンダ１１ｄが設けられている。

作業機１２は、エンジン２からの動力を受けて駆動し、土砂等の掘削作業を行うものである。作業機１２は、ブーム１２ａ、アーム１２ｂ、及びバケット１２ｃを備え、これらを独立して駆動することによって掘削作業を可能としている。ブーム１２ａ、アーム１２ｂ、及びバケット１２ｃは、それぞれ作業部に相当し、バックホー１は、複数の作業部を有する。

ブーム１２ａは、一端部が上部旋回体１３の前部に支持されて、伸縮自在に可動するブームシリンダ１２ｄによって回動される。また、アーム１２ｂは、一端部がブーム１２ａの他端部に支持されて、伸縮自在に可動するアームシリンダ１２ｅによって回動される。そして、バケット１２ｃは、一端部がアーム１２ｂの他端部に支持されて、伸縮自在に可動するバケットシリンダ１２ｆによって回動される。

上部旋回体１３は、下部走行体１１に対して旋回ベアリング（図示しない）を介して旋回可能に構成されている。上部旋回体１３には、キャビン１３１、ボンネット１３２、カウンタウェイト１３３、旋回モータ１３４、エンジン２等が配置されている。旋回モータ１３４の駆動力で上部旋回体１３が旋回ベアリング（図示しない）を介して旋回する。また、上部旋回体１３には、エンジン２により駆動される電動発電機３及び油圧ポンプ４が配設される。油圧ポンプ４が、各油圧モータや各シリンダに作動油を供給する。

キャビン１３１は、上部旋回体１３の左側部に立設されている。キャビン１３１には、運転席１３１ａが配置されている。運転席１３１ａの左右に一対の作業操作レバー（図示していない）、前方に一対の走行レバー１３１ｂ，１３１ｂが配置されている。オペレータは、運転席１３１ａに着座して作業操作レバー、走行レバー１３１ｂ，１３１ｂ等を操作することによって、エンジン２、各油圧モータ、各油圧シリンダ等の制御を行い、走行、旋回、作業等を行うことができる。

上部旋回体１３の後端部には、ボンネット１３２とカウンタウェイト１３３が上下に配設されている。カウンタウェイト１３３は、上部旋回体１３の後端部に立設され、エンジン２を覆う。ボンネット１３２は、カウンタウェイト１３３の上端部から上方へ延びてキャビン１３１の後壁下端部に達し、カウンタウェイト１３３とともにエンジン２を覆っている。上部旋回体１３の後端部は、平面視で円弧状に形成されており、ボンネット１３２とカウンタウェイト１３３は、上部旋回体１３の後端部に沿わせて湾曲して形成されている。本実施形態のバックホー１は、いわゆる後方小旋回型となっている。

ボンネット１３２は、キャビン１３１の後壁下方に設けられた被掛止部６１に掛止可能な掛止部６２を備えている。被掛止部６１は、キャビン１３１の後壁下方に位置する上部旋回体１３の上部横フレーム１３６に設けられている。上部横フレーム１３６には、キャビン１３１の後壁下端部が取り付けられる。被掛止部６１は、左右方向に延びる板状部材であり、上部６１ａが後方に傾斜している。一方、ボンネット１３２の上端部には、下方に突出する掛止部６２が設けられている。掛止部６２は、ボンネット１３２の上端面１３２ａの前部が下方に向かって延出されたものである。被掛止部６１の上部６１ａにボンネット１３２の掛止部６２が掛止される。

また、ボンネット１３２は、カウンタウェイト１３３の上端部に設けられた被係止部６３に係止可能な係止部６４を備えている。被係止部６３は、背面視でＬ字状の板状部材であり、基端部６３ａがカウンタウェイト１３３の上面に固定され、先端部６３ｂが右側に延びている。一方、ボンネット１３２には、係止部６４が設けられている。係止部６４は、側面視で略Ｚ字状の板状部材であり、基端部６４ａがボンネット１３２に回動可能に固定されている。係止部６４は、ボンネット１３２の背面側から回動操作される。係止部６４を回動することで、係止部６４が被係止部６３に当接する係止状態と、係止部６４が被係止部６３に当接しない解除状態とに切り替えることができる。係止状態では、係止部６４の水平部６４ｂが被係止部６３の基端部６３ａ及び先端部６３ｂに当接する。これにより、係止部６４は、上方及び左側方への移動が規制される。

次に、バックホー１に搭載される油圧回路及び冷却回路の構成を説明する。エンジン２は、クランクシャフトが上部旋回体１３の左右方向に配置された、いわゆる横置きのエンジンであり、運転席１３１ａの下方に配置されている。また、エンジン２は、平面視で上部旋回体１３の後部中央に配置されている。エンジン２の一端側には、冷却ファン２１が接続されている。また、エンジン２の他端側には、電動発電機３及び油圧ポンプ４が直列状態に接続されている。

冷却ファン２１は、エンジン２のクランクシャフトの一端側に接続されている。冷却ファン２１は、クランクシャフトの回転により回転し、エンジン２へ向かう冷却風を生じさせる。冷却ファン２１は、右カバー１３５に形成された吸気口１３５ａから冷却用の外気を取り込む。

冷却ファン２１の前面には、エンジン２内を循環する冷却水を冷却するラジエータ２２と、油圧ポンプ４から圧送される作動油を冷却するラジエータ２３とが対向して配置されている。冷却ファン２１、ラジエータ２２、及びラジエータ２３をまとめて第１冷却装置２ａとする。図７では、冷却回路を破線で示している。

電動発電機３は、冷却ファン２１の反対側でエンジン２のクランクシャフトの他端側に接続されている。電動発電機３は、モータジェネレータとも呼ばれ、回生時には発電機として作動し、かつエンジン２の駆動トルクが不足している時には電動機として作動する。

電動発電機３は、インバータ／コンバータ３１を介してバッテリ３２（蓄電装置に相当）に接続されている。バッテリ３２は、電動発電機３で生じた回生エネルギーを蓄電し、かつ電動発電機３へ駆動エネルギーを供給する。バッテリ３２は、図２に示すようにキャビン１３１の右側に配置されている。

インバータ／コンバータ３１は、電動発電機３及びバッテリ３２を制御する。また、インバータ／コンバータ３１には、旋回モータ１３４が接続されており、旋回モータ１３４は、バッテリ３２からの電力によって駆動される。

電動発電機３、インバータ／コンバータ３１、及びバッテリ３２をまとめて電動モジュールと称する。この電動モジュールは、冷却用媒体を介して冷却される。冷却用媒体としては冷却油を用いることができる。電動ポンプ３３から供給された冷却用媒体は、初めにバッテリ３２の周囲に設けられた流路を通過してバッテリ３２を冷却し、次いでインバータ／コンバータ３１の筐体に設けられた流路を通過してインバータ／コンバータ３１を冷却し、次いで電動発電機３に設けられた流路を通過して電動発電機３を冷却する。その後、冷却用媒体は、旋回モータ１３４に設けられた流路を通過して旋回モータ１３４を冷却する。

バッテリ３２、インバータ／コンバータ３１、電動発電機３、旋回モータ１３４を冷却した冷却用媒体は、ラジエータ３４によって冷やされる。ラジエータ３４の前面には、電動ファン３５が対向して配置されている。電動ポンプ３３、ラジエータ３４、及び電動ファン３５をまとめて第２冷却装置３ａとする。

油圧ポンプ４は、電動発電機３に接続されている。油圧ポンプ４は、複数設けられてもよい。油圧ポンプ４には、コントロールバルブ４１が接続されている。コントロールバルブ４１は、油圧ポンプ４から各アクチュエータ４２（走行モータ１１ｂ，１１ｂ、ブームシリンダ１２ｄ、アームシリンダ１２ｅ、バケットシリンダ１２ｆ）へ供給される作動油の向き及び流量を切り換えるものである。

第２冷却装置３ａは、キャビン１３１の後壁下部に配置されている。第２冷却装置３ａは、図３に示すように、右側に電動ファン３５及びラジエータ３４を備え、左側に電動ポンプ３３、リザーバタンク３６を備える。また、第２冷却装置３ａは、リザーバタンク３６用の給油口３６ａ及び検油窓３６ｂを備える。

第２冷却装置３ａは、コの字状に配置された上部フレーム５１、右部フレーム５２、及び下部フレーム５３を備えている。上部フレーム５１、右部フレーム５２、及び下部フレーム５３にはカバー５４が取り付けられ、電動ポンプ３３、ラジエータ３４、電動ファン３５、及びリザーバタンク３６を覆っている。カバー５４の上面及び右側面には吸気口５４ａが形成され、カバー５４の後面には排気口５４ｂが形成されている。

第２冷却装置３ａは、キャビン１３１の後壁下部に取り付けられた横フレーム５５と、キャビン１３１の後壁左側部に取り付けられた縦フレーム５６とに装着される。横フレーム５５は、キャビン１３１の後方下部フレーム１３１ｃに固定される。横フレーム５５は、側面視で略Ｚ字状の板状部材であり、立設される前面５５ａが後方下部フレーム１３１ｃに取り付けられる。第２冷却装置３ａの下部フレーム５３は、横フレーム５５の後面５５ｂに固定される。

縦フレーム５６は、上端部がキャビン１３１のルーフ１３１ｄの後端部に第１ブラケット５７ａを介して固定され、下端部が横フレーム５５の左端部に固定される。第１ブラケット５７ａは、平面視でコの字状をしており、両端部がルール１３１ｄに予め溶接固定される。縦フレーム５６の下端部は、横フレーム５５の水平面５５ｃに固定される。第２冷却装置３ａの上部フレーム５１の左端部が縦フレーム５６の中途部に固定される。また、上部フレーム５１の右端部は、第２ブラケット５７ｂを介してキャビン１３１の後壁右側部に固定される。第２ブラケット５７ｂは、側面視でコの字状をしており、両端部がキャビン１３１の後方右部フレーム１３１ｅに予め溶接固定される。

以上のように、キャビン１３１の後壁に横フレーム５５と縦フレーム５６を取り付けることで、第２冷却装置３ａをキャビン１３１の後壁下部に容易に装着できるようになる。

電動ファン３５は、カバー５４の吸気口５４ａから冷却用の外気を取り込む。また、リザーバタンク３６とキャビン１３１の後壁との間には隙間が設けられており、電動ファン３５は、この隙間を介して第２冷却装置３ａの左側からも外気を取り込むことができる。これにより、電動ファン３５による冷却風は、電動ポンプ３３及びリザーバタンク３６も冷却することができる。電動ファン３５による冷却風は、ラジエータ３４を冷却した後、カバー５４の排気口５４ｂから排出される。

第２冷却装置３ａは、キャビン１３１の後壁下部に配置されるため、オペレータの視界を妨げる範囲を最小限とすることができる。また、第２冷却装置３ａのカバー５４は、上面の後部が下方に向かって傾斜している。これにより、運転席１３１ａからのオペレータの後方視認性を高めている。さらに後方視認性を高めるため、第２冷却装置３ａの下端部には、後方及び下方を撮影するカメラ５８が設けられている。カメラ５８は、上部旋回体１３の左右中央部に配置されている。

以上、本発明の実施形態について図面に基づいて説明したが、具体的な構成は、これらの実施形態に限定されるものでないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明だけではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

１ バックホー
１１ 下部走行体
１３ 上部旋回体
２ エンジン
３ 電動発電機
４ 油圧ポンプ
２ａ 第１冷却装置
２１ 冷却ファン
２２ ラジエータ
２３ ラジエータ
３１ インバータ／コンバータ
３２ バッテリ
３ａ 第２冷却装置
３３ 電動ポンプ
３４ ラジエータ
３５ 電動ファン
３６ リザーバタンク
５５ 横フレーム
５６ 縦フレーム
５８ カメラ
６１ 被掛止部
６２ 掛止部
６３ 被係止部
６４ 係止部
１３１ キャビン
１３１ａ 運転席
１３２ ボンネット
１３３ カウンタウェイト
１３４ 旋回モータ

Claims (4)

1. 上部旋回体と、
   前記上部旋回体を旋回自在に支持する下部走行体と、
   前記上部旋回体の左右側部のうち何れか一方の側部に立設されるキャビンと、
   前記キャビン内に配設される運転席と、
   前記運転席の下方に配置されるエンジンと、
   前記エンジンに接続される電動発電機及び油圧ポンプと、
   前記電動発電機が発電した電力を充電又は放電する蓄電装置と、
   前記エンジン内を循環する冷却水と前記油圧ポンプから圧送される作動油を冷却する第１冷却装置と、
   前記キャビンの後壁下部に配置され、前記電動発電機及び前記蓄電装置を含む電動モジュールを循環する冷却用媒体を冷却する第２冷却装置と、を備える、ハイブリッド建設機械。
2. 前記第２冷却装置は、前記キャビンの後壁下部に取り付けられた横フレームと、前記キャビンの後壁側部に取り付けられた縦フレームとに装着される、請求項１に記載のハイブリッド建設機械。
3. 前記上部旋回体の後端部に立設されたカウンタウェイトと、
   前記カウンタウェイトの上端部から上方に延びて前記キャビンの後壁下端部に達し、前記カウンタウェイトとともに前記エンジンを覆うボンネットと、をさらに備え、
   前記ボンネットは、前記キャビンの後壁下方に設けられた被掛止部に掛止可能な掛止部と、前記カウンタウェイトの上端部に設けられた被係止部に係止可能な係止部とを有する、請求項１又は２に記載のハイブリッド建設機械。
4. 前記第２冷却装置の下端部であって前記上部旋回体の左右中央部に配置されるカメラをさらに備える、請求項１〜３の何れかに記載のハイブリッド建設機械。
   
   
   

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