JP5165250B2 - 建設機械の冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は油圧ショベル等の建設機械の冷却装置に関するものであり、特に、エンジンとアクチュエータ用の電動機器とを冷却する建設機械の冷却装置に関するものである。

建設機械の１つである油圧ショベルは、下部走行体と、この下部走行体に旋回機構を介して旋回可能に設けた上部旋回体と、この上部旋回体に俯仰動可能に接続されたブーム、アーム、及びバケットを含む多関節型の作業装置とを備えている。これら下部走行体、旋回機構、上部旋回体、及び作業装置は、この油圧ショベルに備えられた駆動装置の被駆動部材を構成している。

この駆動装置は、元来、エンジンと、このエンジンによって駆動する少なくとも１つの油圧ポンプと、この油圧ポンプから吐出された圧油により前記ブーム、アーム、バケットをそれぞれ駆動するブーム用油圧シリンダ、アーム用油圧シリンダ、バケット用油圧シリンダ、前記下部走行体を走行させる走行用油圧モータ、及び前記上部旋回体を下部走行体に対し旋回させる旋回用油圧モータを含む複数の油圧アクチュエータとを有する油圧方式の駆動装置として構成されていた。

一方、自動車の分野では、エンジンで発電機を駆動し、その発電電力の一部で直接走行モータを駆動するとともに残りの電力をバッテリに蓄積し、エンジンのパワーが足りない時にバッテリの電力によりモータを駆動する、いわゆるハイブリッド方式の駆動装置が提唱されている。この方式により、エンジンは常に効率のよい状態で作動することが可能となり、省エネルギ化及び低排気ガス化を図れるようになっている。

そこで近年、油圧ショベル等の建設機械においても、このハイブリッド方式の駆動装置を備えたものが提案されつつあり、その一例としては、特許文献１で知ることができる。特許文献１に記載されたハイブリッド方式の駆動装置は、上部旋回体にエンジン、発電機、第１バッテリ、モータコントローラ、ブーム用電動機、アーム用電動機、バケット用電動機、旋回用電動機、ブーム用油圧ポンプ、アーム用油圧ポンプ、及びバケット用油圧ポンプを配設し、下部走行体に第２バッテリ及び左・右走行用電動機を配設している。

ところで、このようなハイブリッド方式の駆動装置でも、上部旋回体の旋回動作を行う旋回用電動機器や、ブーム，アーム，バケット等を俯仰動させる作業機用電動機器をそれぞれ駆動する電動モータ(以下、「電動機器」と称する)等のアクチュエータは、その駆動時に発熱をするので冷却を必要とし、エンジン内や電動機器内に冷却用の水を循環させて冷却を図っている。

また、エンジン内部の冷却と電動機器の冷却とでは、最高使用温度が異なり、エンジン冷却水系の方が高い。このため、エンジン冷却水系と電動機器用冷却水系は、別系統になっている（例えば、特許文献２参照）。
特開２０００−１３６８０６号公報。 特開２００６−２１７４９号公報。

上述したように、従来のハイブリッド方式の駆動装置における冷却装置は、特許文献２記載のようにエンジン冷却水系と電動機器用冷却水系とが別系統になっている。このため、エンジン冷却水系内で冷却用の水を循環させる水ポンプと電動機器用冷却水系内で水を循環させる水ポンプは、それぞれ頻繁に運転させているので、燃料及び電力等のエネルギーロスが大きく、また水ポンプの寿命等も短い。

さらに、エンジン冷却水系または電動機器用冷却水系の何れか一方の水ポンプが故障をしたような場合、他方の冷却水系で一時的に補って運転をするというような方法も不可能であった。

また、さらにエンジン冷却水系のリザーブタンクと電動機器用冷却水系のリザーブタンクが個々に必要となるので、構造が複雑化してコスト高でもあり、メンテナンス性も悪いという問題があった。

そこで、燃料及び電力等のエネルギーロスを少なくするとともに、水ポンプの寿命の向上と構造の簡略化並びにコストの低減等を図るために解決すべき技術的課題が生じてくるのであり、本発明はこの課題を解決することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するために提案されたものであり、請求項１記載の発明は、エンジン冷却用の水を循環させる第１の水ポンプを設けたエンジン用冷却水系と電動機器冷却用の水を循環させる第２の水ポンプを設けた電動機器用冷却水系とを有してなる建設機械の冷却装置において、
前記エンジン用冷却水系と前記電動機器用冷却水系との間を切り離して各々独立した冷却水系の状態を形成する標準モードと、前記エンジン用冷却水系と前記電動機器用冷却水系と
を互いに連通させて、少なくとも前記第１の水ポンプまたは前記第２の水ポンプの何れか一方の水ポンプの運転で生み出された前記水の流れを前記エンジン用冷却水系内と前記電動機器冷却水系内を通して循環させる省エネモードとに切り換え可能な冷却水系切換手段と、
該冷却水系切換手段による切換動作を制御するコントローラとを設け、
前記コントローラは、前記エンジン用冷却水系内の水温が所定温度以下のときに前記第２の水ポンプの運転を停止する指令と前記冷却水系切換手段が前記省エネモード側に切り換わる指令とを出力し、前記エンジン用冷却水系の水温が設定温度を超えると前記第２の水ポンプの運転を開始させる指令と前記冷却水系切換手段が前記標準モード側に切り換わる指令とを出力する建設機械の冷却装置を提供する。

この構成によれば、冷却水系切換手段により、エンジン用冷却水系と電動機器用冷却水系を各々独立させた標準モードと、エンジン用冷却水系と電動機器用冷却水系とを互いに連通させた省エネモードに切り換えることができる。省エネモードでは、第１または第２の水ポンプの一方を運転し、この一方の水ポンプの運転で生み出された水の流れをエンジン用冷却水系側と電動機器用冷却水系側の両方に流して該両冷却水系を同時に冷却し、もう一方の水ポンプは休ませたままの状態で運転をするので、燃料及び電力等のエネルギーロスやもう一方の水ポンプへの負担を少なくできる。

この構成によれば、エンジン用冷却水系内の水温が所定温度以下のときには、エンジン用冷却水系と電動機器用冷却水系とを互いに連通させるとともに、第２の水ポンプは休ませ、第１の水ポンプだけを運転させた省エネモードに切り換えられる。そして、第１の水ポンプの運転でエンジン用冷却水系内に生み出された水の流れを電動機器用冷却水系側にも流して、エンジン用冷却水系内と電動機器用冷却水系内の熱交換を一緒に行い、第２の水ポンプは休ませておくので、燃料及び電力等のエネルギーロスや第２の水ポンプへの負担を少なくできる。

請求項２記載の発明は、前記第１の水ポンプの駆動源が前記エンジンで、前記第２の水ポンプの駆動源が電動モータである請求項１記載の建設機械の冷却装置を提供する。

この構成によれば、エンジンと電動モータを使用したハイブリッド式の建設機械が実現できる。

請求項３記載の発明は、前記コントローラは、前記エンジンに所定の大きさを超える負荷が要求されたときには、前記第１の水ポンプの運転を停止する指令と前記冷却水系切換手段が前記省エネモード側に切り換わる指令とを出力し、前記負荷の要求がなくなると前記第１のポンプの運転を開始させる指令と前記冷却水系切換手段が前記標準モード側に切り換わる指令とを出力する請求項２記載の建設機械の冷却装置を提供する。

この構成によれば、エンジンに所定の大きさを超える負荷が要求されるときには第１の水ポンプの運転を一時停止し、かつ省エネモードに切り換え、電動機器用冷却水系内に第２の水ポンプの運転で生み出された水の流れをエンジン用冷却水系側にも流して、エンジン用冷却水系内と電動機器用冷却水系内の熱交換を一緒に行うようにして、エンジンへの負荷を一時的に軽くし、該エンジンの高出力を可能にする。

請求項１記載の発明は、省エネモードで運転をすると、エンジン用冷却水系と電動機器用冷却水系とが一つになり、エンジン用冷却水系側の水ポンプまたは電動機器用冷却水系側の水ポンプの片方の水ポンプだけを運転させて、もう片方の水ポンプは休ませておくので、燃料及び電力等のエネルギーロスが少なくなり、省エネ化を図ることができる。また、冷却用の水を溜めておくリザーブタンクも、エンジン用冷却水系と電動機器用冷却水系とで兼用することができるので１つで済み、コストアップが抑えられるとともに、メンテナンス性も向上する。さらに、電動機器用冷却水系の第２の水ポンプ等が故障したような場合には、エンジン用冷却水系側からの流水により最低運転が可能になる。また、冷却用の水の温度が低いときには片方の水ポンプは運転させないので、該片方の水ポンプへの負荷が少なくなり、該水ポンプの寿命が向上するという効果が期待される。

この発明は、エンジン用冷却水系内の水温が所定温度以下のときには、第１の水ポンプだけを運転させ、該第１の水ポンプの運転でエンジン用冷却水系内に生み出された水の流れを電動機器用冷却水系側にも流し、エンジン用冷却水系内と電動機器用冷却水系内の熱交換を一緒に行うようにして、第２の水ポンプは休ませたままの状態で運転をするので、前記効果に加えて、電動機器用冷却水系における第２の水ポンプへの負担が少なくなり、該第２の水ポンプの寿命が向上するという効果が期待される。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明の効果に加えて、エンジンと電動モータを使用したハイブリッド式の建設機械を実現することができる。

請求項３記載の発明は、エンジンに所定の大きさを超える負荷が要求されるときには第１の水ポンプの運転を一時停止し、電動機器用冷却水系内の第２の水ポンプの運転で生み出されている水の流れをエンジン用冷却水系側にも流して、エンジンの負荷を一時的に軽くした状態で運転をすることができるので、請求項２記載の発明の効果に加えて、エンジンの高出力化が可能になるという効果が期待できる。

燃料及び電力等のエネルギーロスを少なくするとともに、水ポンプの寿命の向上と構造の簡略化並びにコストの低減等を図るという目的を達成するために、エンジン冷却用の水を循環させる第１の水ポンプを設けたエンジン用冷却水系と電動機器冷却用の水を循環させる第２の水ポンプを設けた電動機器用冷却水系とを有してなる建設機械の冷却装置において、前記エンジン用冷却水系と前記電動機器用冷却水系との間を切り離して各々独立した冷却水系の状態を形成する標準モードと、前記エンジン用冷却水系と前記電動機器用冷却水系とを互いに連通させて、少なくとも前記第１の水ポンプまたは前記第２の水ポンプの何れか一方の水ポンプの運転で生み出された前記水の流れを前記エンジン用冷却水系内と前記電動機器冷却水系内を通して循環させる省エネモードとに切り換え可能な冷却水系切換手段と、該冷却水系切換手段による切換動作を制御するコントローラとを設けたことにより実現した。

以下、本発明の建設機械の冷却装置について、好適な実施例をあげて説明する。図１は、本発明を適用した油圧ショベルの側面図である。図１において、油圧ショベル１は、自走可能な下部走行体２と、該下部走行体２上に旋回機構３を介して旋回自在に設置された上部旋回体４とよりなる。

下部走行体２は、センターフレーム５と、該センターフレーム５の両側に、互いに平行するように設けられた１対のサイドフレーム６，６よりなるロワーフレーム７を有している。各サイドフレーム６，６の一端側には、アイドラ８が前後移動可能に支承され、他端側には、油圧モータでなる走行モータ９により回転駆動されるスプロケット１０が設けられている。

アイドラ８とスプロケット１０の間には、無端状のトラックシュー１１が捲装され、サイドフレーム６，６の上下部には、複数のトラックローラ１２，１２…が回転自在に支承されている。そして、トラックシュー１１をスプロケット１０で駆動し、トラックローラ１２，１２…でトラックシュー１１の走行を案内することにより、下部走行体２が自走できるようになっている。

前記上部旋回体４は、底部が車体フレーム１３で構成され、この車体フレーム１３の前部中央に作業機１４が装着されている。

作業機１４は、基端が車体フレーム１３に枢着され、ブームシリンダ１５により俯仰自在なブーム１６と、該ブーム１６の先端に基端側が枢着され、アームシリンダ１７により回動可能なアーム１８と、該アーム１８の先端に枢着され、シリンダ１９により回動可能なアタッチメントとしてのバケット２０とより構成されている。なお、バケット２０は、油圧ショベル１の使用目的に応じて現場で取り外し、同じくアタッチメントとしてのブレーカ(図示せず)等と交換できるようになっている。

車体フレーム１３の前部には、作業機１４の左側方に位置し、かつ作業機１４に近接してキャブ２１が設置され、車体フレーム１３の後部には、ボンネットカバー２２により覆われたエンジン室２３が設置されている。該エンジン室２３内には動力用のエンジン２４(図２参照)が収容されており、車体フレーム１３の後端にはカウンタウエイト２５が取り付けられている。

図２は、この実施例における油圧ショベルの冷却装置を示す機能ブロック図である。図２に示す冷却装置２６は、エンジン２４を冷却するエンジン用冷却水系２７と、前記旋回機構３における旋回用の電動機Ａや前記作業機１４におけるアクチュエータ駆動用の電動機Ｂ等を冷却する電機器用冷却水系２８と、エンジン用冷却水系２７と電機器用冷却水系２８とを互いに連通させた状態または切り離した状態の何れか一方の状態に切り換える冷却水系切換手段としての電磁式切換弁２９と、装置全体を制御するためのコントローラ３０と、エンジン用冷却水系２７内の水温を検出し、その検出結果をコントローラ３０に出力する温度センサ３１とを備えている。

前記エンジン用冷却水系２７は、ラジエータ３２と、ラジエータ３２内とエンジン２４内を通って冷却用の水を循環させる管路３３と、管路３３内に冷却用の水を強制循環させるための流れを生み出す水ポンプ３４とを備えている。また、水ポンプ３４は、通常はエンジン２４に接続されていて、エンジン２４の動力で運転されるようになっているが、エンジン２４に所定の大きさを超える負荷が要求されるときには、コントローラ３０からの制御指令信号によりエンジン２４から一時的に切り離されて、エンジン２４への負荷を軽減させることができるようになっている。

前記電機器用冷却水系２８は、ラジエータ３５と、該ラジエータ３５内と電動機Ａ及び電動機Ｂ内を通って冷却用の水を循環させる管路３６と、該管路３６内に冷却用の水を強制循環させるための流れを生み出す水ポンプ３７とを備えている。水ポンプ３７は、図示せぬ駆動用電動機に接続されていて、該駆動用電動機の動力で運転されるようになっているが、コントローラ３０からの制御指令信号により駆動用電動機から一時的に切り離されて休止できるようになっている。なお、水ポンプ３７は、逆止弁３８を介して電磁式切換弁２９及び電動機Ａと接続している。

前記電磁式切換弁２９は、閉位置ａと開位置ｂの２位置を有し、コントローラ３０からの制御指令信号により位置切り換えする。また、閉位置ａに切り換えられているときには、エンジン用冷却水系２７の管路３３と電動機用冷却水系２８の管路３６とを互いに切り離した状態(以下、これを「標準モード」と称する)に保持し、開位置ｂに切り換えられているときには、エンジン用冷却水系２７の管路３３と電動機用冷却水系２８の管路３６とを互いに連通した状態(以下、これを「省エネモード」と称する)に保持する。

次に、冷却装置２６の動作について説明する。温度センサ３１は、エンジン用冷却水系２７内の水温を常に検出していて、その検出された温度の情報をコントローラ３０に出力している。

コントローラ３０は、エンジン用冷却水系２７内の水温が所定の温度を超えていないときには、電磁式切換弁２９を開位置ｂに切り換えてエンジン用冷却水系２７の管路３３と電動機用冷却水系２８の管路３６とを互いに連通させて、１つの管路の状態にしているとともに、水ポンプ３７は休ませ(停止)、エンジン用冷却水系２７の水ポンプ３４だけを運転させる、いわゆる省エネモードに切り換える。

省エネモードでは、水ポンプ３４の運転により管路３３内に冷却用の水を強制循環させるための流れが生み出され、この流水が管路３６側にも流れ、エンジン用冷却水系２７と電動機用冷却水系２８を一つにした共通の循環流水が作られる。そして、水ポンプ３４から吐き出された冷却用の水は、エンジン２４−ラジエータ３２−電磁式切換弁２９−電動機Ａ−電動機Ｂ−電磁式切換弁２９を通り、また途中の前記ラジエータ３２で熱交換されて再び水ポンプ３４に戻る経路で主として流れ、この水の循環によりエンジン２４と電動機Ａ，電動機Ｂをそれぞれ冷却する。

エンジン用冷却水系２７内の水温が所定の温度を超えたときには、電磁式切換弁２９を閉位置ａに切り換え、エンジン用冷却水系２７の管路３３と電動機用冷却水系２８の管路３６との間を切り離して、エンジン用冷却水系２７と電動機用冷却水系２８を各々独立した冷却水系にするとともに、水ポンプ３４と水ポンプ３７の両方をそれぞれ運転させる、いわゆる標準モードに切り換える。

標準モードでは、水ポンプ３４と水ポンプ３７との運転により、管路３３と管路３６内にそれぞれ冷却用の水の流れが強制的に生み出される。すなわち、エンジン用冷却水系２７では、水ポンプ３４から吐き出された冷却用の水が、エンジン２４とラジエータ３２を通り、かつ該ラジエータ３２で熱交換されて再び水ポンプ３４に戻る経路で流れ、この水の循環でエンジン２４を冷却する。一方、電動機用冷却水系２８では、水ポンプ３７から吐き出された冷却用の水が、電動機Ａ−電動機Ｂ−ラジエータ３５を通り、かつ該ラジエータ３５により熱交換されて再び水ポンプ３７に戻る経路で流れ、この水の循環で電動機Ａ，電動機Ｂをそれぞれ冷却する。

また、運転の途中で、エンジン用冷却水系２７内の水温が所定の温度以下になったときには、コントローラ３０は、電磁式切換弁２９を開位置ｂに切り換え、標準モードから省エネモードに切り換えるとともに、水ポンプ３７を停止させる。したがって、省エネモードでは、水ポンプ３４だけを運転させて、水ポンプ３７は休ませるので、燃料及び電力等のエネルギーロスが少なくなり、省エネ化を図ることができる。また、水ポンプ３７の負荷が少なくなり、水ポンプ３７の寿命の向上も図れる。

さらに、コントローラ３０は、エンジン２４に所定の大きさを超える負荷が要求されるときには、コントローラ３０からの制御指令信号によりエンジン２４から水ポンプ３４を一時的に切り離すとともに、電磁式切換弁２９を開位置ｂに切り換えてエンジン用冷却水系２７の管路３３と電動機用冷却水系２８の管路３６とを互いに連通させ、かつ水ポンプ３４は停止状態で、電動機用冷却水系２７の水ポンプ３７だけを運転させるモードに切り換える。これにより、エンジン２４への負荷が一時的に軽くなり、エンジン２４の高出力化が可能になる。

なお、本発明は、本発明の精神を逸脱しない限り種々の改変を為すことができ、そして、本発明が該改変されたものに及ぶことは当然である。

本発明の一実施の形態として示す油圧ショベルの側面図。 同上油圧ショベルの冷却装置を示す機能ブロック図。

符号の説明

２６ 冷却装置
２７ エンジン用冷却水系
２８ 電機機器用冷却水系
２９ 電磁式切換弁(冷却系切換手段)
３０ コントローラ
３１ 温度センサ
３２ ラジエータ
３３ 管路
３４ 水ポンプ
３５ ラジエータ
３６ 管路
３７ 水ポンプ

Claims (3)

1. エンジン冷却用の水を循環させる第１の水ポンプを設けたエンジン用冷却水系と電動機器冷却用の水を循環させる第２の水ポンプを設けた電動機器用冷却水系とを有してなる建設機械の冷却装置において、
   前記エンジン用冷却水系と前記電動機器用冷却水系との間を切り離して各々独立した冷却水系の状態を形成する標準モードと、前記エンジン用冷却水系と前記電動機器用冷却水系と
   を互いに連通させて、少なくとも前記第１の水ポンプまたは前記第２の水ポンプの何れか一方の水ポンプの運転で生み出された前記水の流れを前記エンジン用冷却水系内と前記電動機器冷却水系内を通して循環させる省エネモードとに切り換え可能な冷却水系切換手段と、
   該冷却水系切換手段による切換動作を制御するコントローラとを設け、
   前記コントローラは、前記エンジン用冷却水系内の水温が所定温度以下のときに前記第２の水ポンプの運転を停止する指令と前記冷却水系切換手段が前記省エネモード側に切り換わる指令とを出力し、前記エンジン用冷却水系の水温が設定温度を超えると前記第２の水ポンプの運転を開始させる指令と前記冷却水系切換手段が前記標準モード側に切り換わる指令とを出力することを特徴とする建設機械の冷却装置。
2. 前記第１の水ポンプの駆動源が前記エンジンで、前記第２の水ポンプの駆動源が電動モータであることを特徴とする請求項１記載の建設機械の冷却装置。
3. 前記コントローラは、前記エンジンに所定の大きさを超える負荷が要求されたときには、前記第１の水ポンプの運転を停止する指令と前記冷却水系切換手段が前記省エネモード側に切り換わる指令とを出力し、前記負荷の要求がなくなると前記第１のポンプの運転を開始させる指令と前記冷却水系切換手段が前記標準モード側に切り換わる指令とを出力することを特徴とする請求項２記載の建設機械の冷却装置。

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