JP4042779B2 - ハイブリッド式建設機械 - Google Patents

Description

本発明はエンジン動力と電力を併用するハイブリッド式建設機械に関するものである。

図４は本発明の好適例であるショベルを示す。

このショベルは、クローラ式の下部走行体１上に上部旋回体２が縦軸まわりに旋回自在に搭載され、この上部旋回体２の前部に、ブーム３、アーム４、バケット５、及びこれらを作動させるブーム、アーム、バケット各シリンダ６,７,８を備えた掘削装置９が取付けられて構成される。

上部旋回体２には、前部左側にキャビン１０が搭載されるとともに、後端部にカウンタウェイト１１が装着される。

キャビン１０の後方でかつカウンタウェイト１１の前方には、左右方向に仕切り壁１２が設けられ、この仕切り壁１２とカウンタウェイト１１との間に形成されたエンジンルーム１３に動力源としてのエンジン１４が設置される(特許文献１参照)。

このショベルをハイブリッド式として構成した場合の駆動系及び制御系のブロック構成を図５に示す。

エンジン１４に動力分配装置(パワーデバイダ。ＰＴＯと呼ぶ場合もある)１５を介して、可変容量型の油圧ポンプ１６と、１台で発電機作用と電動機作用を行う発電電動機１７とがパラレルに接続され、これらがエンジン１４によって同時に駆動される。

油圧ポンプ１６には、制御弁(アクチュエータごとに設けられているが、ここでは複数の制御弁の集合体として示す)１８を介して図４に示すブーム、アーム、バケット各シリンダ６〜８、及び図示しない左、右両走行用油圧モータ等の油圧アクチュエータが接続され、油圧ポンプ１６から供給される圧油によってこれら油圧アクチュエータが駆動される。

一方、発電電動機１７には、インバータ／コンバータ１９を介して、二次電池等からなる蓄電装置２０が接続される。

インバータ／コンバータ１９は、発電電動機１７の発電機作用と電動機作用の切換えを行う一方、コントローラ２１からの指令に基づいて発電電力あるいは電動機としての電流またはトルクを制御し、かつ、発電電動機１７の発電機出力の過不足に応じて蓄電装置２０の充・放電作用を制御する。

コントローラ２１は、蓄電装置２０の充電量、発電電動機１７の回転数等に基づいてエンジン回転数、油圧ポンプ１６のポンプ容量、発電電動機１７のトルク指令等を出力する。

この構成において、油圧ポンプ１６の必要動力が大きい場合には、蓄電装置２０の蓄電力により発電電動機１７が電動機作用を行ってエンジン出力を補い、必要動力が小さい場合は発電電動機１７が発電機作用を行って蓄電装置２０に蓄電する。こうして、ハイブリッド方式本来の省エネルギー運転が行われる。

このようなハイブリッド式ショベルにおいて、ハイブリッド機器の一つであるインバータ／コンバータ１９は、キャビン１０外に配置された他のハイブリッド機器(発電電動機１７等)との電気的接続を容易にし、かつ、キャビン１０内のスペースを確保する観点から、エンジンルーム１３に設置するのが望ましい。

しかし、こうするとエンジンルーム１３の熱気によって高温化し易く、高温化による作動障害のおそれがある。

この点の対策として、特許文献２に示されているように、インバータ／コンバータ１９をエンジンルーム１３の吸気室に配置し、この吸気室に設けられた、ラジエータやオイルクーラーを空冷するための冷却ファンの吸い込み空気を利用して冷却する技術が公知である。

一方、特許文献１には、蓄電装置２０をキャビン１０の後方に設置し、キャビン１０内の空調用の冷気を、仕切り壁１２を貫通して設けたダクトで蓄電装置２０の背面に送る技術が開示され、この技術をインバータ／コンバータ１９に転用することが考えられる。
特許第３６４９１４７号公報 特開２００４−１６９４６５号公報

インバータ／コンバータ１９は、通常、本体を箱状のケーシング内に収容して構成されている。

従って、冷却ファンの吸い込み空気を利用する前者の技術では、冷却空気をケーシングの外面に接触させ、このケーシングを介して本体を間接的に冷却することになるため、本体の冷却効果が十分ではなく、とくに夏場には本体の高温化は避けられない。

一方、キャビン内の冷気を利用する後者の技術では、キャビン１０及び仕切り壁１２にダクトを通す穴をあける必要があるため、加工が面倒でコストアップとなる上に、ダクトの配管スペース等によってエンジンルームの空間が減殺され、他の機器類の配置に支障を来たすおそれがある。

そこで本発明は、インバータ／コンバータをエンジンルームに設置しながら、外気によって本体を効果的に冷却することができるハイブリッド式建設機械を提供するものである。

請求項１の発明は、下部走行体上に上部旋回体を搭載し、この上部旋回体の後部に仕切り壁で区画形成したエンジンルームにエンジンを設置し、かつ、このエンジンによって駆動される発電電動機と、この発電電動機の出力によって充電される蓄電装置と、上記発電電動機及び蓄電装置の作用を制御するインバータ／コンバータとを含むハイブリッド機器を具備するハイブリッド式建設機械において、上記インバータ／コンバータを、本体とこの本体を覆うケーシングとにより構成してエンジンルームにおけるエンジンの前方に配置し、上記ケーシングに、エンジンルーム外の空気をケーシング前面側からケーシング内に取り込む空気取り入れ口と、冷却済み空気をケーシング後面側から吐き出す空気吐出し口と、少なくとも一つのファンとを設けることにより、エンジンルーム外の空気をインバータ／コンバータ専用の冷却空気としてケーシング内に取り込んで流通させた後にエンジンルーム内に排出する内部空冷装置を構成したものである。

請求項２の発明は、請求項１の構成において、インバータ／コンバータのケーシングの前面下部に空気取り入れ口、後面上部に空気吐出し口をそれぞれ設けたものである。

請求項３の発明は、請求項１または２の構成において、インバータ／コンバータのケーシングを、エンジンルームを形成する仕切り壁の一部として構成したものである。

本発明によると、エンジンルームにおけるエンジンの前方に設置したインバータ／コンバータのケーシング内にエンジンルーム外の空気を吸入して本体を冷却する構成、いいかえればケーシングをダクトとして、本体を新鮮かつインバータ／コンバータ専用の外気で直接冷却する内部直接空冷方式をとっているため、吸気室に元々設けられた冷却ファンの吸い込み空気を利用してケーシングの外側から本体を間接的に冷却する外部間接空冷方式をとる公知技術と比較して、本体の冷却効果を格段に高めることができる。

しかも、エンジンと反対側（エンジンの前方でケーシングの前面側）から外気を取り込むため、エンジンルーム熱の影響を受けないより新鮮で低温の外気を取り込むことができる。

また、キャビン内の冷気を利用する場合のようにキャビン等にダクト穴をあける必要も、ダクトの配管スペース等によってエンジンルームの空間が減殺されるおそれもない。

すなわち、インバータ／コンバータをエンジンルームに設置しながら、夏場でもその性能を維持するための十分な冷却効果が得られ、しかもコスト面及びスペース面で有利となる。

請求項２の発明によると、空気取り入れ口をケーシングの前面下部、空気吐出し口を後面上部にそれぞれ設けたから、取り込んだ空気をケーシング内全域に行きわたらせ易い。このため、本体の冷却効率を高めることができる。

請求項３の発明によると、インバータ／コンバータのケーシングを、エンジンルームを形成する仕切り壁の一部として構成したから、専用の仕切り壁に空気取り入れ用の穴をあける等の余分な加工が不要となり、よりコストダウンすることができる。

本発明の実施形態を図１〜図３によって説明する。

実施形態において、図４,５に示す部分と同一部分には同一符号を付して示し、その重複説明を省略する。

図１は上部旋回体２における機器配置を上から見た図である。

上部旋回体２の後部にエンジン１４が設置され、このエンジン１４の前方でかつキャビン１０の後方において左側(キャビン１０内に着座したオペレータから見た左側。以下にいう左右及び前後の方向性について同じ)に蓄電装置２０、右側にインバータ／コンバータ１９がほぼ隙間なく並設されている。

一方、エンジン１４の右側に、エンジン動力を油圧ポンプ１６と発電電動機１７とに分配する動力分配装置１５が設けられている。

この動力分配装置１５は、後端部がカウンタウェイト１１の内面に近接し、前端部がインバータ／コンバータ１９の右側面に当接または近接する状態で配置されている。

この動力分配装置１５とインバータ／コンバータ１９と蓄電装置２０の各ケーシング(いずれもほぼ直方形の箱体。図１ではとくに符号は付していない)によって平面視Ｌ字形の仕切り壁Ｗが構成され、エンジンルーム１３がこの仕切り壁Ｗとカウンタウェイト１１とに囲まれた空間として上部旋回体２の後部に区画形成されている。

この構成とすれば、従来のように専用の仕切り壁を設ける場合と比較して、仕切り壁とそのまわりの無駄なスペースを無くし、上部旋回体２の機器類設置スペースを有効利用することができる。すなわち、多くの機器類を限られたスペースに効率良く収めることができる。

このエンジンルーム１３の右側を含む上部旋回体２の右側全域には機器室２２が形成され、この機器室２２の後部において油圧ポンプ１６と発電電動機１７が動力分配装置１５にパラレルに接続されている。

また、機器室２２には、前から順に補機蓄電装置２３、燃料タンク２４、ＤＣ／ＤＣコンバータ２５、制御弁１８、作動油タンク２６が配置されている。

この機器配置とすれば、油圧ポンプ１６、発電電動機１７、燃料タンク２４、作動油タンク２６、制御弁１８等の機器類をエンジン１４に対し動力分配装置１５によって熱的に遮断し、エンジン熱による悪影響を抑えることができる。

この機器室２２の右側面、及びエンジンルーム１３の左側面はそれぞれ図１中に二点鎖線で示すガード部材２７ａ,２７ｂによって覆われている。

エンジン１４の左側には、エンジンルーム１３の一部としての吸気室２８が設けられ、この吸気室２８に、図１中に破線矢印で示すように外気を吸い込む冷却ファン２９と、吸い込まれた外気よって冷却されるラジエータ３０及びオイルクーラー３１が設けられている。

図１中、３２はエンジンルーム１３におけるエンジン１４の後方に配置された圧縮機、３３はエンジンマフラである。

なお、蓄電装置２０は、吸気室２８に臨んで、かつ、図示のように左側、すなわち、外気に接する旋回体側面に近い側(低温側)に配置されている。こうすれば、蓄電装置２０を外気によって空冷することができる。しかも、右側に配置した場合よりも冷却効果を高めることができる。

また、図２に示すように、蓄電装置２０の上方にコントローラ２１(図１では簡略化のために図示を省略している)が重ねて配置されている。こうすれば、このコントローラ２１をキャビン１０内に設置した場合と比較して、コントローラ２１と蓄電装置２０、発電電動機１７等とをキャビン１０外で電気的に接続することができる。このため、この接続作業が容易となる。

図２中、３４はコントローラ２１を覆うケーシング、３５は蓄電装置２０を覆うケーシングである。

次に、インバータ／コンバータ１９を冷却するための構成を説明する。

インバータ／コンバータ１９は、図２,３に示すように本体３６とこれを覆う直方形の箱体であるケーシング３７とによって構成されている。

このケーシング３７の前面下部の左右方向中央部に空気取り入れ口３８、これと反対側である後面上部の左右方向中央部に空気吐出し口３９がそれぞれケーシング外部に開口して設けられるとともに、空気取り入れ口３８に吸気ファン４０、空気吐出し口３９に排気ファン４１がそれぞれ設けられている。

こうして、ケーシング３７、空気取り入れ口３８、空気吐出し口３９、吸気及び排気両ファン４０,４１により、ケーシング３７をダクトとして外気を取り込み、この外気を本体３６に直接接触させて冷却する内部空冷装置Ａが構成されている。

この構成において、吸気、排気両ファン４０,４１を回転させると、冷却ファン２９による吸い込み空気とは全く別に、図１,３中に矢印で示すようにエンジンルーム外の外気が前面側から空気取り入れ口３８に取り込まれ、ケーシング３７内(ケーシング周壁と本体３６との隙間)を上向きに流通した後、空気吐出し口３９からエンジンルーム１３側に排出される。

このように、本体を新鮮かつインバータ／コンバータ１９専用の外気で直接冷却する内部直接空冷方式をとっているため、吸気室２８に元々設けられた冷却ファン２９の吸い込み空気を利用してケーシング３７の外側から本体３６を間接的に冷却する外部間接冷却方式をとる場合と比較して、冷却効果を格段に高めることができる。

また、キャビン１０内の冷気を利用する場合のようにキャビン１０等にダクト穴をあける必要も、ダクトの配管スペース等によってエンジンルームの空間が減殺されるおそれもない。

すなわち、インバータ／コンバータ１９をエンジンルームに設置しながら、夏場でもその性能を維持するための十分な冷却効果が得られ、しかもコスト面及びスペース面で有利となる。

また、エンジン１４と反対側から外気を取り込むため、エンジンルーム熱の影響を受けないより新鮮で低温の外気を取り込むことができる。

加えて、空気取り入れ口３８と上下反対側でかつ前後反対側(後面上部)に空気吐出し口３９を設けたから、取り込んだ空気をケーシング内全域に行きわたらせ易い。このため、本体３６の冷却効率を高めることができる。

さらに、インバータ／コンバータ１９のケーシング３７を、エンジンルーム１３を形成する仕切り壁Ｗの一部として構成したから、専用の仕切り壁に空気取り入れ用の穴をあける等の余分な加工が不要となり、よりコストダウンすることができる。

他の実施形態
(１) 空気取り入れ口３８をケーシング前面の左右片側、空気吐出し口３９をケーシング後面における空気取り入れ口３８と左右反対側にそれぞれ設けてもよい。

(２) 上記実施形態では吸気、排気両ファン４０,４１を設けたが、いずれか一方のファンを省略してもよい。

(３) 上記実施形態では、インバータ／コンバータ１９のケーシング３７を、エンジンルーム１３を区画形成する仕切り壁Ｗの一部として構成したが、本発明は専用の仕切り壁によってエンジンルーム１３を区画形成する場合にも適用することができる。この構成において、仕切り壁が空気取り入れ側（前面側）に位置することから、仕切り壁に空気取り入れ用の穴を設ける必要がある。

(４) 本発明は、ショベルの変形としてクラムセル式のバケットを取付けた場合や、ショベルの転用例としてバケット５に代えて掴み式や振動式の破砕装置を取付けた機械、さらに伸縮式のアームを用いた機械にも適用することができる。

本発明の実施形態にかかるショベルにおける上部旋回体の機器配置を示す平面図である。 同部分拡大背面図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。 ショベルの一般的構成を示す側面図である。 ショベルをハイブリッド式として構成する場合の駆動系及び制御系のブロック構成図である。

符号の説明

１ 下部走行体
２ 上部旋回体
１３ エンジンルーム
１４ エンジン
１７ 発電電動機
１９ インバータ／コンバータ
２０ 蓄電装置
Ｗ 仕切り壁
Ａ インバータ／コンバータの内部空冷装置
３６ インバータ／コンバータの本体
３７ 同ケーシング
３８ 空気取り入れ口
３９ 空気吐出し口
４０ 吸気ファン
４１ 排気ファン

Claims (3)

1. 下部走行体上に上部旋回体を搭載し、この上部旋回体の後部に仕切り壁で区画形成したエンジンルームにエンジンを設置し、かつ、このエンジンによって駆動される発電電動機と、この発電電動機の出力によって充電される蓄電装置と、上記発電電動機及び蓄電装置の作用を制御するインバータ／コンバータとを含むハイブリッド機器を具備するハイブリッド式建設機械において、上記インバータ／コンバータを、本体とこの本体を覆うケーシングとにより構成してエンジンルームにおけるエンジンの前方に配置し、上記ケーシングに、エンジンルーム外の空気をケーシング前面側からケーシング内に取り込む空気取り入れ口と、冷却済み空気をケーシング後面側から吐き出す空気吐出し口と、少なくとも一つのファンとを設けることにより、エンジンルーム外の空気をインバータ／コンバータ専用の冷却空気としてケーシング内に取り込んで流通させた後にエンジンルーム内に排出する内部空冷装置を構成したことを特徴とするハイブリッド式建設機械。
2. インバータ／コンバータのケーシングの前面下部に空気取り入れ口、後面上部に空気吐出し口をそれぞれ設けたことを特徴とする請求項１記載のハイブリッド式建設機械。
3. インバータ／コンバータのケーシングを、エンジンルームを形成する仕切り壁の一部として構成したことを特徴とする請求項１または２記載のハイブリッド式建設機械。

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