JP5331970B2 - ハイブリッド作業機械 - Google Patents

Description

本発明はエンジン動力と電力とを併用するハイブリッド作業機械に関するものである。

ショベルを例にとって背景技術を説明する。

ショベルは、図５に示すように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を備えた作業アタッチメント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。

なお、この明細書において、「前後」「左右」はキャビン１０内に着座したオペレータから見た方向性をいう。

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、左右方向にキャブガード（仕切り壁）１２が設けられ、このキャブガード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６に示す。

エンジン１４に、発電機作用と電動機作用を行う発電電動機１５と油圧ポンプ１６とが接続され、これらがエンジン１４によって駆動される。

油圧ポンプ１６からの吐出油は制御弁(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)１７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に供給され、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１５には、インバータ／コンバータ１８を介して、二次電池等からなる蓄電装置（動力バッテリ）１９が接続される。

インバータ／コンバータ１８は、発電電動機１５の発電機作用と電動機作用の切換えを行う一方、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１５の発電機出力の過不足に応じて蓄電装置１９の充・放電作用を制御する。

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１９の蓄電力により発電電動機１５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１５が発電機作用を行って蓄電装置１９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。

従来、このようなハイブリッド式ショベルに搭載されるハイブリッド機器、すなわち、発電電動機１５、インバータ／コンバータ１８、蓄電装置１９、制御用バッテリ等は、特許文献２に示されるようにエンジンルーム１３等に設置されている。

すなわち、発電電動機１５はエンジン１４の左右一側方におけるエンジンルーム１３と隣接する空間に配置され、インバータ／コンバータ１８及び蓄電装置１９を含む他のハイブリッド機器はエンジンルーム１３におけるエンジン１４の前方に配置されている。

このうち、エンジンルーム１３に配置されるハイブリッド機器のうち発熱を伴うもの（インバータ／コンバータ１８及び蓄電装置１９を例にとって説明する。以下、要冷却機器という場合がある）については、性能維持のため冷却する必要がある。

この場合、冷却方式として、外部から冷却空気を取り込んで要冷却機器間を通過させる空冷方式をとることがコスト、スペース等の点で最も有利である。

特許第３６４９１４７号公報 特開２００７−１０７２３０号公報

ところが、特許文献１，２に記載された公知技術では、要冷却機器を含むハイブリッド機器を同一平面上に並んで配置しているため、次のような問題が生じていた。

Ａ．要冷却機器の冷却効率に関して
（ｉ）冷却空気の通路となる各ハイブリッド機器間の隙間を大きくとることができないため、冷却空気の流れが悪く、冷却空気をすべての要冷却機器に均等かつ十分に行き亘らせることが困難であった。

（ｉｉ）要求風量（必要な冷却度合い）は要冷却機器によって異なるにもかかわらず、各機器が同一空間の同一平面上に並んでいるため同一条件でしか冷却できなかった。

このため、要冷却機器の冷却効率が悪いという問題があった。

なお、特許文献１には、蓄電装置１９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１９の背面に送る技術が開示され、この技術をハイブリッド機器全般に応用することが考えられる。

しかし、この技術では、キャビン１０及び仕切り壁１２にダクトを通す穴を開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。

Ｂ．スペースの利用効率に関して
要冷却機器を含むハイブリッド機器を同一平面上に並べるだけであるため、スペースの利用効率が悪い。このため、限られたスペース内で機器のレイアウトが制限され、あるいはスペースを広げる結果、機械の後端旋回半径が大きくなる等の弊害が生じていた。

Ｃ．メンテナンスに関して
ハイブリッド機器のうち交換を含むメンテナンスを必要とするもの（以下、要メンテナンス機器という場合がある）については、対象機器の位置に応じてパネルを取り外し、またはヒンジにより開いて機械の側方または上方からメンテナンスが行われる。

この場合、メンテナンスの優先度や頻度の高い要メンテナンス機器は、できるだけ外部からアクセスし易い位置（たとえば機械の側面側）に配置される。

しかし、隣接する他の機器が邪魔になって十分なメンテナンス空間が確保できないこと、アクセス側と反対側は手や工具が届かないこと等により、メンテナンス性が悪くなっていた。

そこで本発明は、要冷却機器の冷却効率、スペースの利用効率、メンテナンス性のいずれをも向上させることができるハイブリッド作業機械を提供するものである。

請求項１の発明は、次の(Ａ)〜(Ｅ)の要件をすべて具備するものである。

(Ａ) ハイブリッド機器を収容する機器収容空間に上下複数段の機器室が区画形成されていること。

(Ｂ) 複数のハイブリッド機器が上記各機器室に分散して配置されていること。

(Ｃ) 上記機器収容空間を形成しかつ上記各機器室の室壁となるパネルに、外部から各機器室に冷却空気を取り込む吸気口と、冷却済み空気を外部に排出する排気口とが設けられていること。

(Ｄ) 上記吸気口に、各機器室に向けて外気を吸入するファンとフィルタとが設けられていること。

(Ｅ) 上記吸気口及びフィルタは、上下隣り合う両機器室用の吸気口を兼用するように両機器室に跨って設けられていること。

請求項２の発明は、請求項１の構成において、ハイブリッド機器として、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／コンバータとを備え、上記インバータ／コンバータと蓄電装置とが別々の機器室に配置されたものである。

請求項３の発明は、請求項１または２の構成において、上記ファンが、機器室ごとに外気を吸入するように各機器室に臨んで設けられたものである。

請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれかの構成において、上記吸気口が設けられたパネルが脱着または開閉自在に取付けられ、このパネルにフィルタ及びファンがパネルと一体に脱着または開閉し得る状態で取付けられたものである。

請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれかの構成において、上記各機器室に吸入された冷却空気が、機器室に配置されたハイブリッド機器の空気入口を通って空気出口から出る冷却ルートを流れるように空気の流れを規制する整流板が設けられたものである。

本発明によると、第１に、ハイブリッド機器を上下複数段の機器室に分散して配置するため、各機器室の冷却空気の通路を広げて冷却風の通りを良くし、かつ、機器ごとの要求風量に応じた吸、排気性能を確保することができる。

このため、要冷却機器の冷却効率を格段に向上させることができる。

しかも、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。

第２に、ハイブリッド機器を上下複数段に積層配置することによってスペースの使用効率を上げることができる。

これにより、機器レイアウトが容易となる。あるいは、機器占有スペースを縮小して機械の後端旋回半径を縮小することができる。

第３に、各ハイブリッド機器を互いのメンテナンスの邪魔にならないように配置することが可能となる。また、要メンテナンス機器、なかでもメンテナンスの優先度や頻度が高い機器を外部から最もアクセスし易い機器室（たとえば最上段の機器室）に配置することが可能となる。

これにより、要メンテナンス機器のメンテナンス性を向上させることができる。

また、機器収容空間を形成しかつ各機器室の室壁となるパネル（側パネルまたは上側パネル）に、外部から各機器室に冷却空気を取り込む吸気口と、冷却済み空気を外部に排出する排気口とを設け、かつ、吸気口に、各機器室に向けて外気を吸入するファンとフィルタとを設けたから、外部から低温、かつ、ハイブリッド機器にとって不可欠の、水や粉塵等を含まない清浄空気を要冷却機器に積極的に供給し、冷却効率をさらに上げることができる。

この場合、吸気口及びフィルタを、上下隣り合う両機器室の吸気口を兼用するように両機器室に跨って設けたから、吸気口のための加工及びフィルタのメンテナンスが容易となる。

請求項２の発明によると、ともに要冷却機器で要メンテナンス機器、しかも大型でかつそれぞれ要求風量が異なるインバータ／コンバータと蓄電装置とを別々の機器室に配置するため、冷却効率向上効果及びメンテナンス性向上の効果が高い。

また、請求項３の発明によると、ファンを、機器室ごとに外気を吸入するように各機器室に臨んで設けたから、とくに請求項２の発明のように要求風量が異なるインバータ／コンバータと蓄電装置を別々の機器室に設ける場合に適したものとなる。

請求項４の発明によると、吸気口が設けられたパネルを脱着または開閉自在に取付け、このパネルにフィルタ及びファンをパネルと一体に脱着または開閉し得る状態で取付けたから、要冷却機器でかつ要メンテナンス機器であるハイブリッド機器のメンテナンスがさらに容易となる。

請求項５の発明によると、要冷却機器に空気の入口と出口を設けてその間で冷却空気を流す構成をとる場合に、整流板によって冷却空気を正規の冷却ルートで流通させることができる。

本発明の実施形態を示すハイブリッド機器収容部分の概略平面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。 図２のＩＶ−ＩＶ線断面図である。 本発明の適用対象例であるショベルの概略側面図である。 ハイブリッドショベルのブロック構成図である。

本発明の実施形態を図１〜図４によって説明する。

図１は、図５中の上部旋回体２におけるアッパーフレーム左側の構成を模式的に示す上面図、図２は図１のＩＩ−ＩＩ線断面図（背面図）である。

両図に示すように、上部旋回体２を構成するアッパーフレーム２０のキャビン後方において、前側にキャブガード２１、後側にリアパネル２２、左右両側に側パネル２３，２４がそれぞれ垂直に設けられるとともに、上面に上側パネル２５が水平に設けられることによって、キャビン１０とエンジンルーム１３との間に機器収容空間Ｓが形成され、この機器収容空間Ｓ内にハイブリッド機器が収容されている。

実施形態では、ここに収容されるハイブリッド機器として、図２に示すように要冷却機器でかつ要メンテナンス機器であるインバータ／コンバータ１８及び蓄電装置１９と、要メンテナンス機器である制御用バッテリ２６の三種類（以下、これらをハイブリッド機器と総称する場合がある）のみを例示している。

なお、左側パネル２３は、図１に示すように後端側がヒンジ２３ａによってアッパーフレーム２０に取付けられ、二点鎖線で示すようにこのヒンジ２３ａを中心に同パネル２３を開いた状態でハイブリッド機器のメンテナンスを行い得るようになっている。

機器収容空間Ｓは、上段、下段両支持棚２７，２８とこれを支える複数本の支持脚２９…，３０…とによって上段、中段、下段の三段の機器室３１，３２，３３に区画され、上段機器室３１にインバータ／コンバータ１８、中段機器室３２に蓄電装置１９、下段機器室３３に制御用バッテリ２６がそれぞれ収容されている。

なお、両支持棚２７，２８は、中、下段の機器（蓄電装置１９、制御用バッテリ２６）のメンテナンス時に必要に応じて脱着できるように、それぞれ支持脚２９…，３０に対してボルト止め等によって脱着可能に取付けられている。

一方、左側パネル２３には外部から冷却空気を取り込む吸気口３４、右側パネル２４には冷却済み空気を外部に排出する排気口３５がそれぞれ設けられている。

この吸気口３４及び排気口３５は、それぞれ上、中段両機器室３１，３２に跨って設けられ、外部から取り込まれた冷却空気が上、中段両機器室３１，３２に分配され、冷却済み空気が合流して外部に排出されるように構成されている。

また、吸気口３４には、導入空気を濾過するフィルタ３６が、吸気口３４同様に両機器室３１，３２に跨って設けられている。

この場合、インバータ／コンバータ１８と蓄電装置１９とは要求風量が異なる（インバータ／コンバータ１８の方が蓄電装置１９よりも要求風量が大きい）ため、機器室ごとにそれぞれに適した量の冷却空気を吸入し得るように、フィルタ３６の下流側において両機器室３１，３２に臨んで別々に吸い込みファン（以下、単にファンという）３７，３８が設けられている。

また、フィルタ３６及びファン３７，３８は左側パネル２３に取付けられ、同パネル２３を開いた状態で交換を含むメンテナンスを行い得るようになっている。

なお、異なる吸い込み空気量を実現する手段として、両ファン３７，３８に異なる能力のものを用いてもよいし、たとえば上段機器室３１に２個、中段機器室３２に１個というように設置するファン３７，３８の数を異ならせてもよい。

インバータ／コンバータ１８及び蓄電装置１９は、図３，４に示すようにそれぞれ本体１９ａ，２０ａとこれを覆うケーシング１９ｂ，２０ｂとによって構成され、ケーシング１９ｂ，２０ｂにおける吸気口３４に近い側に空気入口３９，４０、遠い側に空気出口４１，４２がそれぞれ設けられている。図３中、４３はインバータ／コンバータ１８の空気入口３９に設けられたファンである。

これにより、インバータ／コンバータ１８及び蓄電装置１９について、冷却空気を空気入口３９，４０からケーシング１９ｂ，２０ｂ内に取り込んで流通させた後に空気出口４１，４２から出す内部空冷装置が構成されている。

この場合、冷却空気が空気入口３９，４０に入らずに空気出口４１，４２(排気口３５)側に直行したり、空気出口４１，４２から出た冷却済み空気が空気入口４０，４２側に戻ったりしないように、つまり、図３，４中に二重線矢印で示すように空気入口４０，４２からケーシング１９b，２０b内に入って空気出口４１，４２から出る適正な冷却ルートを流れるように空気の流れを規制する整流板４４，４５が両機器室３１，３２内に設けられている。

この整流板４４，４５は、機器ケーシング１９b，２０bと機器室内周面との間の不要な通路を遮断する状態で設けられている。

このように、ハイブリッド機器(インバータ／コンバータ１８、蓄電装置１９、制御用バッテリ２６)を上下３段の機器室３１〜３３に分散して配置するため、次の効果を得ることができる。

冷却効率について
（１）各機器室３１〜３３の冷却空気の通路を広げて冷却風の通りを良くし、機器全面に冷却空気を行き亘らせることができる。

（２）上段、中段両機器室３１，３２ごとの空冷が可能となるため、実施形態のように別々のファン３７，３８によって機器ごとの要求風量に応じた吸、排気性能を確保することができる。

（３）各機器室３１〜３３の室壁となる側パネル２３，２４に、外部から上段及び下段両機器室３１，３２に冷却空気を取り込む吸気口３４と、冷却済み空気を外部に排出する排気口３５とを設け、かつ、吸気口３４に、両機器室３１，３２に向けて外気を吸入するファン３７，３８とフィルタ３６とを設けたから、外部から低温、かつ、ハイブリッド機器にとって不可欠の、水や粉塵等を含まない清浄空気を要冷却機器に積極的に供給し、冷却効率をさらに上げることができる。

（４）機器収容空間Ｓを形成し、かつ、上段及び中段両機器室３１，３２の室壁となる左側パネル２３に、外部から両機器室３１，３２に冷却空気を取り込む吸気口３４と、冷却済み空気を外部に排出する排気口３５とを設け、かつ、吸気口３４に、両機器室３１，３２に向けて外気を吸入するファン３７，３８と、濾過用のフィルタ３６とを設けたから、外部から低温、かつ、ハイブリッド機器にとって不可欠の、水や粉塵等を含まない清浄空気を要冷却機器に積極的に供給し、冷却効率をさらに上げることができる。

以上の点により、要冷却機器であるインバータ／コンバータ１８及び蓄電装置１９の冷却効率を格段に向上させることができる。

しかも、キャビン内の冷気を利用する公知技術の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空間が減殺されるおそれもない。

スペースの使用効率について
ハイブリッド機器１８，１９，２６を上下複数段に積層配置することによってスペースの使用効率を上げることができる。

これにより、機器レイアウトが容易となる。あるいは、機器占有スペースを縮小して機械の後端旋回半径を縮小することができる。

メンテナンス性について
（Ｉ）各ハイブリッド機器１８，１９，２６を互いのメンテナンスの邪魔にならないように配置することが可能となる。

（ＩＩ）要メンテナンス機器、なかでもメンテナンスの優先度や頻度が高い機器(実施形態の機器例ではインバータ／コンバータ１８)を外部から最もアクセスし易い機器室（実施形態では上段機器室３１）に配置することが可能となる。

（ＩＩＩ）機器収容空間Ｓを形成する左側パネル２３を開閉自在に取付けたから、同空間Ｓの左側を簡単に開いてハイブリッド機器１８，１９，２６のメンテナンスを機械左側の外部から行うことができる。

（ＩＶ）この左側パネル２３にフィルタ３６及びファン３７，３８を同パネル２３と一体に開閉し得る状態で取付けたから、これらを外部の開かれた空間でメンテナンスすることができる。

以上の点により、要メンテナンス機器のメンテナンス性を向上させることができる。

他の効果
（イ）実施形態のように、ともに要冷却機器で要メンテナンス機器、しかも大型でかつそれぞれ要求風量が異なるインバータ／コンバータ１８と蓄電装置１９とを別々の機器室３１，３２に配置することにより、冷却効率向上効果及びメンテナンス性向上の効果が一層高くなる。

（ロ）吸気口３４及びフィルタ３６を、上段及び中段両機器室３１，３２に兼用するように両機器室３１，３２に跨って設けたから、吸気口３４を開けるための加工及びフィルタ３６のメンテナンスが容易となる。

（ハ）ファン３７，３８を、機器室３１，３２ごとに外気を吸入するように両機器室３１，３２に臨んで設けたから、とくに実施形態のように要求風量が異なるインバータ／コンバータ１８と蓄電装置１９を別々の機器室３１，３２に設ける場合に適したものとなる。

（ニ）要冷却機器であるインバータ／コンバータ１８及び蓄電装置１９について、空気の入口３９，４０と出口４１，４２を設けてその間で冷却空気を流す内部空冷方式をとるため、ケーシング１９ｂ，２０ｂの外側から本体１９ａ，２０ａを間接的に冷却する外部間接空冷方式をとる場合と比較して冷却効率を上げることができる。

しかも、整流板４４，４５によって冷却空気を正規の冷却ルートで流通させることができるため、さらに冷却効率を向上させることができる。

他の実施形態
（１）機器収容空間Ｓに形成する機器室は、上記実施形態の上下三段に限らず、上下二段、あるいは四段以上に形成してもよい。

（２）機器室３１〜３３に収容するハイブリッド機器は、上記実施形態で例示したインバータ／コンバータ１８、蓄電装置１９、制御用バッテリ２６以外でもよい。

（３）上記実施形態では排気口３５を上段、中段両機器室３１，３２に跨って設けたが、機器室ごとに設けてもよい。

（４）上記実施形態では左側パネル２３を開閉自在に取付けたが、脱着可能に取付けてもよい。また、右側パネル２４または上側パネル２５を開閉または脱着自在に取付けてもよい。

（５）本発明はショベルに限らず、ショベルを転用して構成される破砕機や解体機等、他のハイブリッド作業機械にも適用することができる。

Ｓ 機器収容空間
１８ インバータ／コンバータ
１９ 蓄電装置
２１ 機器収容空間を形成するキャブガード
２２ 同リアパネル
２３ 左側パネル
２３ａ ヒンジ
２４ 右側パネル
２５ 上側パネル
２６ 制御用バッテリ
２７，２８ 機器室を形成する支持棚
２９，３０ 同支持脚
３１ 上段機器室
３２ 中段機器室
３３ 下段機器室
３４ 吸気口
３５ 排気口
３６ フィルタ
３７，３８ ファン
３９，４０ 機器の空気入口
４１，４２ 同空気出口
４４，４５ 整流板

Claims (5)

1. 次の(Ａ)〜(Ｅ)の要件をすべて具備することを特徴とするハイブリッド作業機械。
   (Ａ) ハイブリッド機器を収容する機器収容空間に上下複数段の機器室が区画形成されていること。
   (Ｂ) 複数のハイブリッド機器が上記各機器室に分散して配置されていること。
   (Ｃ) 上記機器収容空間を形成しかつ上記各機器室の室壁となるパネルに、外部から各機器室に冷却空気を取り込む吸気口と、冷却済み空気を外部に排出する排気口とが設けられていること。
   (Ｄ) 上記吸気口に、各機器室に向けて外気を吸入するファンとフィルタとが設けられていること。
   (Ｅ) 上記吸気口及びフィルタは、上下隣り合う両機器室用の吸気口を兼用するように両機器室に跨って設けられていること。
2. ハイブリッド機器として、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／コンバータとを備え、上記インバータ／コンバータと蓄電装置とが別々の機器室に配置されたことを特徴とする請求項１記載のハイブリッド作業機械。
3. 上記ファンが、機器室ごとに外気を吸入するように各機器室に臨んで設けられ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作業機械。
4. 上記吸気口が設けられたパネルが脱着または開閉自在に取付けられ、このパネルにフィルタ及びファンがパネルと一体に脱着または開閉し得る状態で取付けられたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のハイブリッド作業機械。
5. 上記各機器室に吸入された冷却空気が、機器室に配置されたハイブリッド機器の空気入口を通って空気出口から出る冷却ルートを流れるように空気の流れを規制する整流板が設けられたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のハイブリッド作業機械。

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