JP5545766B2 - 作業機械 - Google Patents

Description

本発明は作業機械に係り、特に、電動負荷に電力を供給するための蓄電装置を備えた作業機械に関する。

ハイブリッド型作業機械の一例としてハイブリッド型油圧ショベルがある。ハイブリッド型油圧ショベルでは、一般的に、エンジンの出力で油圧ポンプを駆動して油圧負荷を駆動するとともに、蓄電装置から供給される電力でアシスト用電動機を駆動してエンジンをアシストする。

蓄電装置は、電力を蓄積して必要に応じて供給するために、電力を蓄積する蓄電部（蓄電器あるいは蓄電池）を有する。蓄電部として、例えば電気二重層コンデンサ等のキャパシタを用いる場合がある。このようなキャパシタは、一般的に、長期にわたって使用すると劣化して蓄電量が少なくなるという特性を有している。キャパシタ以外の蓄電器や蓄電池も、同様な劣化特性を有している。

キャパシタの劣化の進み具合（劣化度）は、その温度と電圧に依存することが知られている。キャパシタの温度が高いほど劣化度は大きく、キャパシタは早く劣化する。また、キャパシタの電圧が高いほど劣化度は大きく、キャパシタは早く劣化する。

一般的に、キャパシタは、インバータ及びコンバータを介して充放電を行なう。このため、キャパシタを含む蓄電装置には、インバータ及びコンバータを含む電力制御用制御回路が接続される。電力制御用制御回路はパワートランジスタやＬＳＩ等を含んでおり、パワートランジスタやＬＳＩは発熱するので、冷却する必要がある。そこで、ハイブリッド型作業機械のエンジン冷却系とは別に、電力制御用電子回路（例えば、パワートランジスタやＬＳＩ）を冷却するための水冷系を設け、この水冷系によって蓄電装置の蓄電部（キャパシタ又はバッテリ）も冷却することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−２２２８１５号公報

電力制御用電子回路の水冷系でキャパシタ等の蓄電部も冷却する場合、エンジンの駆動が停止されて作業機械の制御が停止されると、水冷系の作動も停止する。すなわち、エンジンの駆動を停止すると、蓄電部の冷却も停止される。

一般的に、蓄電部が配置されている場所はエンジン等の駆動系に近い場所であり、エンジン停止直後には蓄電部の周囲温度は高い場合が多く、エンジンの余熱の影響で、逆に蓄電部の周囲温度は上昇することもある。このような環境において、エンジン停止後に蓄電部の温度が上昇し、その結果蓄電部の劣化が促進されるおそれがある。

また、作業機械が運転中には蓄電部の充電率はある程度高い状態に維持されるように制御が行なわれており、作業機械の運転が停止してエンジンが停止した後には、蓄電部の充電率は高い状態であることが多い。蓄電率としてキャパシタを用いた場合、充電率はほぼ電圧に比例するので、キャパシタの充電率が高い状態であることは、キャパシタの電圧が高い状態であることを意味する。したがって、エンジンが停止した後にキャパシタの電圧は高い状態に維持されていることが多く、これによりキャパシタの劣化が促進されるおそれがある。

本発明は上述の問題に鑑みなされたものであり、エンジン停止後に蓄電部の温度を低下させ、且つ蓄電部の電圧も低下させることで、蓄電部の劣化を抑制することを目的とする。

本発明によれば、本体部と、該本体部に配置された蓄電部を含む蓄電装置と、該蓄電装置を冷却する冷媒を流通させる配管と、該冷媒を該配管内で循環させるポンプと、該配管と前記本体とに熱的に接続された熱伝導媒体とを有することを特徴とする作業機械が提供される。

上述の作業機械は、エンジンにより駆動される送風機からの空気により熱交換を行なう熱交換器をさらに有し、該熱交換器は前記配管に接続されることが好ましい。また、前記配管は電気部品の近傍を延在し、前回配管を流れる冷媒により前記電気部品も冷却することとしてもよい。前記配管は切替バルブ及びバイパス配管を有し、エンジン停止後に、前記切替バルブにより冷媒の流れを前記バイパス配管に切り替えて、前記電気部品への冷媒の流れを阻止することとしてもよい。また、前記蓄電装置と前記ポンプとの間に、前記熱伝導部材を配置することとしてもよい。また、前記熱伝導媒体はペルチェ素子を含み、記ポンプ及び前記ペルチェ素子は、前記蓄電装置の前記蓄電部からの電力により駆動されることとしてもよい。また、前記蓄電装置の前記蓄電部の電圧が予め定められた電圧値となると、前記ポンプと前記ペルチェ素子の駆動を停止することとしてもよい。

本発明によれば、エンジンの駆動を停止した後に、蓄電部からの電力で冷却媒体を循環させるポンプを駆動して蓄電部を冷却する。これにより、エンジンの駆動を停止した後にも、蓄電部の温度及び電圧を低下させることができ、蓄電部の劣化を抑制することができる。

本発明が適用されるハイブリッド型作業機械の一例であるハイブリッド型ショベルの側面図である。 図１に示すハイブリッド型ショベルの駆動系の構成を示すブロック図である。 蓄電系の構成を示すブロック図である。 蓄電系の回路図である。 キャパシタを冷却するための冷却装置の構成を示す図である。 キャパシタを冷却するための冷却装置が組み込まれた上部旋回体の平面図である。 ショベルの運転を停止したときの冷却装置の制御処理のフローチャートである。 キャパシタの設置位置を変更した場合の配管構成を示す図である。 第２実施形態による冷却装置の構成を示す図である。 第３実施形態による冷却装置の構成を示す図である。 旋回機構を旋回油圧モータで駆動する構成のハイブリッド式ショベルの駆動系の構成を示すブロック図である。 シリーズ方式のハイブリッド式ショベルの駆動系の構成を示すブロック図である。

本発明の実施携帯について図面を参照しながら説明する。

まず、本発明が適用される作業機械の一例であるハイブリッド型ショベルの構成について説明する。

図１は本発明が適用されるハイブリッド型作業機械の一例であるハイブリッド型ショベルの側面図である。本発明が適用される作業機械としては、ハイブリッド型ショベルに限られず、蓄電装置から電気負荷に電力を供給するものであれば、他の作業機械にも適用することができる。

図１に示すハイブリッド型ショベルの下部走行体１には、旋回機構２を介して上部旋回体３が搭載されている。上部旋回体３には、ブーム４が取り付けられている。ブーム４の先端に、アーム５が取り付けられ、アーム５の先端にバケット６が取り付けられている。ブーム４，アーム５及びバケット６は、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９によりそれぞれ油圧駆動される。上部旋回体３には、キャビン１０が設けられ、且つエンジン等の動力源が搭載される。

図２は、図１に示すハイブリッド型ショベルの駆動系の構成を示すブロック図である。図２において、機械的動力系は二重線、高圧油圧ラインは実線、パイロットラインは破線、電気駆動・制御系は実線でそれぞれ示されている。

機械式駆動部としてのエンジン１１と、アシスト駆動部としての電動発電機１２は、変速機１３の２つの入力軸にそれぞれ接続されている。変速機１３の出力軸には、油圧ポンプとしてメインポンプ１４及びパイロットポンプ１５が接続されている。メインポンプ１４には、高圧油圧ライン１６を介してコントロールバルブ１７が接続されている。油圧ポンプ１４は可変容量式油圧ポンプであり、斜板の角度（傾転角）を制御することでピストンのストローク長を調整し、吐出流量を制御することができる。以下、可変容量式油圧ポンプ１４を単に油圧ポンプ１４と称することもある。

コントロールバルブ１７は、ハイブリッド型ショベルにおける油圧系の制御を行う制御装置である。下部走行体１用の油圧モータ１Ａ（右用）及び１Ｂ（左用）、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９は、高圧油圧ラインを介してコントロールバルブ１７に接続される。また、旋回機構２を駆動するための旋回用油圧モータ２Ａもコントロールバルブ１７に接続される。

電動発電機１２には、インバータ１８Ａを介して、蓄電器又は蓄電池等の蓄電部を含む蓄電系（蓄電装置）１２０が接続される。本実施形態では蓄電部としてキャパシタを用いている。また、パイロットポンプ１５には、パイロットライン２５を介して操作装置２６が接続される。操作装置２６は、レバー２６Ａ、レバー２６Ｂ、ペダル２６Ｃを含む。レバー２６Ａ、レバー２６Ｂ、及びペダル２６Ｃは、油圧ライン２７及び２８を介して、コントロールバルブ１７及び圧力センサ２９にそれぞれ接続される。圧力センサ２９は、電気系の駆動制御を行うコントローラ３０に接続されている。

コントローラ３０は、電動発電機１２の運転制御（電動（アシスト）運転又は発電運転の切り替え）を行うとともに、昇降圧制御部としての昇降圧コンバータを駆動制御することによる蓄電部（キャパシタ）の充放電制御を行う。コントローラ３０は、蓄電部の充電状態、電動発電機１２の運転状態（電動（アシスト）運転又は発電運転）に基づいて、昇降圧コンバータの昇圧動作と降圧動作の切替制御を行い、これにより蓄電部（キャパシタ）の充放電制御を行う。

この昇降圧コンバータの昇圧動作と降圧動作の切替制御は、ＤＣバスに設けられたＤＣバス電圧検出部によって検出されるＤＣバス電圧値、蓄電部電圧検出部によって検出される蓄電部電圧値、及び蓄電部電流検出部によって検出される蓄電部電流値に基づいて行われる。

さらに、蓄電部電圧検出部によって検出される蓄電部電圧値に基づいて、蓄電部（キャパシタ）のＳＯＣが算出される。

図２に示すハイブリッド型ショベルは旋回機構を電動にしたもので、旋回機構２を駆動するために旋回用電動機２１が設けられている。電動作業要素としての旋回用電動機２１は、インバータ２０を介して蓄電系１２０に接続されている。旋回用電動機２１の回転軸２１Ａには、レゾルバ２２、メカニカルブレーキ２３、及び旋回変速機２４が接続される。旋回用電動機２１と、インバータ２０と、レゾルバ２２と、メカニカルブレーキ２３と、旋回変速機２４とで負荷駆動系が構成される。

図３は蓄電系（蓄電装置）１２０の構成を示すブロック図である。蓄電系１２０は、蓄電部としてのキャパシタ１９と、昇降圧コンバータとＤＣバス１１０とを含む。ＤＣバス１１０は、キャパシタ１９、電動発電機１２、及び旋回用電動機２１の間での電力の授受を制御する。キャパシタ１９には、キャパシタ電圧値を検出するためのキャパシタ電圧検出部１１２と、キャパシタ電流値を検出するためのキャパシタ電流検出部１１３が設けられている。キャパシタ電圧検出部１１２とキャパシタ電流検出部１１３によって検出されるキャパシタ電圧値とキャパシタ電流値は、コントローラ３０に供給される。

昇降圧コンバータ１００は、電動発電機１２及び旋回用電動機２１の運転状態に応じて、ＤＣバス電圧値を一定の範囲内に収まるように昇圧動作と降圧動作を切り替える制御を行う。ＤＣバス１１０は、インバータ１８Ａ，２０と昇降圧コンバータ１００との間に配設されており、キャパシタ１９、電動発電機１２、及び旋回用電動機２１の間での電力の授受を行う。

図２に戻り、コントローラ３０は、ハイブリッド型ショベルの駆動制御を行う主制御部としての制御装置である。コントローラ３０は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)及び内部メモリを含む演算処理装置で構成され、ＣＰＵが内部メモリに格納された駆動制御用のプログラムを実行することにより実現される装置である。

コントローラ３０は、圧力センサ２９から供給される信号を速度指令に変換し、旋回用電動機２１の駆動制御を行う。圧力センサ２９から供給される信号は、旋回機構２を旋回させるために操作装置２６を操作した場合の操作量を表す信号に相当する。

コントローラ３０は、電動発電機１２の運転制御（電動（アシスト）運転又は発電運転の切り替え）を行うとともに、昇降圧制御部としての昇降圧コンバータ１００を駆動制御することによるキャパシタ １９の充放電制御を行う。コントローラ３０は、キャパシタ１９の充電状態、電動発電機１２の運転状態（電動（アシスト）運転又は発電運転）、及び旋回用電動機２１の運転状態（力行運転又は回生運転）に基づいて、昇降圧コンバータ１００の昇圧動作と降圧動作の切替制御を行い、これによりキャパシタ１９の充放電制御を行う。

この昇降圧コンバータ１００の昇圧動作と降圧動作の切替制御は、ＤＣバス電圧検出部１１１によって検出されるＤＣバス電圧値、キャパシタ電圧検出部１１２によって検出されるキャパシタ電圧値、及びキャパシタ 電流検出部１１３によって検出されるキャパシタ電流値に基づいて行われる。

以上のような構成において、アシストモータである電動発電機１２が発電した電力は、インバータ１８Ａを介して蓄電系１２０のＤＣバス１１０に供給され、昇降圧コンバータ１００を介してキャパシタ１９に供給される。旋回用電動機２１が回生運転して生成した回生電力は、インバータ２０を介して蓄電系１２０のＤＣバス１１０に供給され、昇降圧コンバータ１００を介してキャパシタ１９に供給される。

図４は、蓄電系１２０の回路図である。昇降圧コンバータ１００は、リアクトル１０１、昇圧用ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）１０２Ａ、降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂ、キャパシタ１９を接続するための電源接続端子１０４、インバータ１０５を接続するための出力端子１０６、及び、一対の出力端子１０６に並列に挿入される平滑用のコンデンサ１０７を備える。昇降圧コンバータ１００の出力端子１０６とインバータ１８Ａ，２０との間は、ＤＣバス１１０によって接続される。

リアクトル１０１の一端は昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａ及び降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂの中間点に接続され、他端は電源接続端子１０４に接続される。リアクトル１０１は、昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａのオン／オフに伴って生じる誘導起電力をＤＣバス１１０に供給するために設けられている。

昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａ及び降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂは、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）をゲート部に組み込んだバイポーラトランジスタで構成され、大電力の高速スイッチングが可能な半導体素子（スイッチング素子）である。昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａ及び降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂは、コントローラ３０により、ゲート端子にＰＷＭ電圧が印加されることによって駆動される。昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａ及び降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂには、整流素子であるダイオード１０２ａ及び１０２ｂが並列接続される。

キャパシタ１９は、昇降圧コンバータ１００を介してＤＣバス１１０との間で電力の授受が行えるように、充放電可能な蓄電器であればよい。なお、図４には、蓄電器としてキャパシタ１９を示すが、キャパシタ１９の代わりに、リチウムイオン電池等の充放電可能な二次電池、リチウムイオンキャパシタ、又は、電力の授受が可能なその他の形態の電源を用いてもよい。

電源接続端子１０４及び出力端子１０６は、キャパシタ１９及びインバータ１０５が接続可能な端子であればよい。一対の電源接続端子１０４の間には、キャパシタ電圧を検出するキャパシタ電圧検出部１１２が接続される。一対の出力端子１０６の間には、ＤＣバス電圧を検出するＤＣバス電圧検出部１１１が接続される。

キャパシタ電圧検出部１１２は、キャパシタ１９の電圧値Ｖｃａｐを検出する。ＤＣバス電圧検出部１１１は、ＤＣバス１１０の電圧値Ｖｄｃを検出する。平滑用のコンデンサ１０７は、出力端子１０６の正極端子と負極端子との間に挿入され、ＤＣバス電圧を平滑化するための蓄電素子である。

キャパシタ電流検出部１１３は、キャパシタ１９の正極端子（Ｐ端子）側においてキャパシタ１９に流れる電流の値を検出する検出手段であり、電流検出用の抵抗器を含む。すなわち、キャパシタ電流検出部１１３は、キャパシタ１９の正極端子に流れる電流値Ｉ１を検出する。一方、キャパシタ電流検出部１１７は、キャパシタの負極端子（Ｎ端子）側においてキャパシタ１９に流れる電流の値を検出する検出手段であり、電流検出用の抵抗器を含む。すなわち、キャパシタ電流検出部１１７は、キャパシタ１９の負極端子に流れる電流値Ｉ２を検出する。

昇降圧コンバータ１００において、ＤＣバス１１０を昇圧する際には、昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａのゲート端子にＰＷＭ電圧が印加され、降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂに並列に接続されたダイオード１０２ｂを介して、昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａのオン／オフに伴ってリアクトル１０１に発生する誘導起電力がＤＣバス１１０に供給される。これにより、ＤＣバス１１０が昇圧される。

ＤＣバス１１０を降圧する際には、降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂのゲート端子にＰＷＭ電圧が印加され、降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂ、インバータ１０５を介して供給される回生電力がＤＣバス１１０からキャパシタ １９に供給される。これにより、ＤＣバス１１０に蓄積された電力がキャパシタ１９に充電され、ＤＣバス１１０が降圧される。

なお、実際には、コントローラ３０と昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａ及び降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂとの間には、昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａ及び降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂを駆動するＰＷＭ信号を生成する駆動部が存在するが、図４では省略する。このような駆動部は、電子回路又は演算処理装置のいずれでも実現することができる。

以上のような構成のハイブリッド型ショベルにおいて、本実施形態では、蓄電系１２０のキャパシタ１９を冷却するための冷却装置が設けられる。冷却装置は、冷媒（例えば、冷却水）を循環させる水冷ポンプと、循環している冷媒とハイブリッド型ショベルの本体の一部との間で熱交換を行なうためのペルチェ素子（熱伝達媒体）４００とを有する。水冷ポンプを駆動する冷却水ポンプ用モータ３１０は、インバータ３２０を介して蓄電系１２０に接続される。すなわち、冷却水ポンプ用モータ３１０は、蓄電系１２０からの電力で駆動されて冷却水ポンプ２５０（図５参照）を駆動し、冷却装置内で冷媒を循環させる。ペルチェ素子４００は電子冷却素子であり、コンバータ４１０を介して蓄電系１２０に接続される。すなわち、ペルチェ素子４００は、蓄電系１２０からの電力により駆動され、冷却装置内で循環する冷媒から熱を吸収して冷媒を冷却し、吸収した熱をショベル本体の一部（例えば、カウンタウェイト）に放出する。ここで、冷却水ポンプ用モータ３１０としてＤＣモータを用いることもでき、その場合は、インバータ３２０としてはＤＣ／ＤＣ変換器を用いることもできる。

キャパシタ１９を冷却するための冷却装置について、以下に詳細に説明する。図５はキャパシタ１９を冷却するための冷却装置２００の構成を示す図である。

図５において、冷却装置２００は、循環する冷媒によりキャパシタ１９から熱を吸収し、吸収した熱を熱交換器２１０を介してショベルの本体２２０に放出することで、キャパシタ１９を冷却する。本実施形態では、冷媒として冷却水を用い、熱交換器２１０としてペルチェ素子４００を用いている。また、ショベルの本体２２０とは、ショベルを構成する比較的大きな熱容量を有する部分であり、例えば、ショベルの上部旋回体３を構成するフレームの一部であり、あるいは上部旋回体３に設けられたカウンタウェイト等である。

また、冷却装置２００は、キャパシタ１９以外にも、モータ２３０や電気回路部品２４０を冷却できるように構成されている。モータ２３０は、例えば電動発電機１２や旋回用電動機２１等の電動負荷となって発熱する部品である。電気回路部品２４０は、例えば、電気負荷を駆動するためのコントローラやドライバ等を構成する電気部品の中で、特に動作時の発熱が大きい部品、あるいは、耐熱温度が低い部品である。

キャパシタ１９を冷却した冷却水（冷媒）は、冷却水ポンプ２５０に吸い込まれ、切替バルブ２６０を介して電気回路部品２４０及びモータ２３０に供給され、電気回路部品２４０及びモータ２３０を冷却した後に、電気部品用ラジエータ２７０に流れ込む。電気部品用ラジエータ２７０は、エンジン１１のラジエータ１１ａの近傍に配置され、エンジン１１のラジエータ１１ａと同様な構造を有する放熱器である。電気部品用ラジエータ２７０は、内部を通る冷却水をエンジン１１のファン１１ｂで発生した空気流で冷却する。

電気部品用ラジエータ２７０に入った冷却水は放熱して低温の冷却水となり、冷水配管２８０に流れ込む。冷水配管２８０はキャパシタ１９（キャパシタの内部ではなくキャパシタ１９の外周を包囲するような冷却部）に接続されており、低温の冷却水がキャパシタ１９を流れることで、キャパシタ１９は冷却される。キャパシタ１９を冷却した後の冷却水は再び冷却水ポンプ２５０に吸い込まれてから吐出され、上述の経路を循環する。

ここで、本実施形態では、電気部品用ラジエータ２７０とキャパシタ１９を繋ぐ冷水配管２８０の途中に、本体２２０に接続された熱交換器２１０が設けられている。熱交換器２１０として、上述のようにペルチェ素子４００を用いることで、キャパシタ１９に供給される冷却水をペルチェ素子４００によっても冷却することができる。すなわち、ペルチェ素子４００にキャパシタ１９から電力を供給して駆動することで、ペルチェ素子４００の吸熱部（冷却部）により冷水配管２８０を冷却する。ペルチェ素子４００の発熱部（放熱部）は、ショベルの本体２２０に接続されており、吸熱部（冷却部）で吸収した熱はショベルの本体２２０に放熱される。

ショベルの運転時（エンジン１１が駆動されている間）は、冷却水の冷却は電気部品用ラジエータにより行なわれるため、ペルチェ素子４００を駆動する必要は無い。ただし、キャパシタ１９を強く冷却したい場合には、ペルチェ素子４００を駆動して冷却水をさらに低温にしてもよい。

本実施形態では、ショベルの運転が停止されてエンジン１１の駆動が停止されると、冷却水ポンプ２５０の駆動は維持され、切替バルブ２６０が作動されて冷却水の経路が切り替えられる。すなわち、エンジン１１の駆動が停止されると、切替バルブ２６０は冷却水の通路を、図５に示すように、電気回路部品２４０、モータ２３、及び電気部品用ラジエータを通らずに熱交換器２１０に流れるように切り替える。これと同時に、ペルチェ素子４００よりなる熱交換器２１０に電力が供給され、ペルチェ素子４００が駆動される。

切替バルブ２６０が冷却水の通路を切り替えると、冷却水の循環経路は図５の２点鎖線で囲まれた部分での循環経路となる。この循環経路では、冷却水ポンプ２５０から吐出される冷却水は、切替バルブ２６０を介してバイパス通路２８２に流れ、熱交換器２１０の手前の冷水配管２８０に流れる。そして、冷却水は熱交換器２１０（ペルチェ素子４００）を通過して冷却されてから、キャパシタ１９に流れる。この冷却水によりキャパシタ１９は冷却される。キャパシタ１９を通過した冷却水は冷却水ポンプ２５０に吸い込まれ、再び冷却水ポンプ２５０から吐出されて上述の経路を循環する。

以上のように、エンジン１１の駆動が停止されても、冷却水ポンプ２５０は駆動を続け、且つ冷却水の通路が切り替えられて熱交換器２１０とキャパシタ１９だけを通過する循環経路が形成される。これにより、エンジン１１の駆動が停止された後もキャパシタ１９の冷却は継続され、キャパシタ１９の温度が低減されるため、温度に起因したキャパシタ１９の劣化を抑制することができる。また、冷却水ポンプ２５０はキャパシタ１９からの電力で駆動されるため、冷却水ポンプ２５０を駆動する分だけキャパシタ１９の蓄電量が減少する。これにより、キャパシタ１９の充電率が減少してキャパシタ１９の電圧が低下し、電圧に起因したキャパシタ１９の劣化を抑制することができる。

図６は、上述の冷却装置２００が組み込まれた上部旋回体３の平面図である。図６に示すように、ショベルは、下部走行体１として右側無限軌道１ａ及び左側無限軌道１ｂを備えている。上部旋回体３にはブーム５が取り付けられている。ブーム５の左側には運転室１０ａが設けられており、運転室１０ａ内に操作装置２６及びコントローラ３０が設けられている。操作装置２６は、運転者による運転操作を受け付けて、運転操作内容に基づく制御信号をコントローラ３０に送出する。

ブーム４の右側には、昇降圧コンバータ１００、旋回用電動機を制御するインバータ２０、電動発電機１２を制御するインバータ１８Ａ、冷却水ポンプ用モータ３００を制御するインバータ３１０、及びペルチェ素子４００を制御するコンバータ４１０を含む電気回路部品２４０が配置されている。

運転室１０ａの後側には、エンジン１１、油圧ポンプ１４及び電動発電機１２が配置されている。上部旋回体３の後部にカウンタウェイト３ａが設けられている。エンジン１１のラジエータ１１ａに近接して、電気部品用ラジエータ２７０が配置されており、エンジン１１の回転に伴い回転するファンの風が、電気部品用ラジエータ２７０にも供給される。本実施形態では、電気部品用ラジエータ２７０の近傍にキャパシタ１９が配置され、残りの空間に冷却水ポンプ２５０及びこれを駆動する冷却水ポンプ用モータ３００が配置されている。

以上のような配置構成の冷却装置２００において、ショベルの運転時（すなわち、エンジン１１の駆動時）には、冷却水ポンプ２５０から吐出される冷却水は、切替バルブ２６０に入り、切替バルブ２６０から配管２８４に流れて電気回路部品２４０に入る。冷却水は電気回路部品２４０を冷却してから配管２８６を流れて、電動発電機１２に入る。冷却水は、電動発電機１２を冷却してから配管２８８を流れて、旋回用電動機２１に入る。そして、冷却水は旋回用電動機２１を冷却してから、配管２９０を流れて電気部品用ラジエータ２７０に入る。冷却水は電気部品用ラジエータ２７０を流れる間に冷却され、冷水配管２８０に供給される。電気部品用ラジエータ２７０で冷却されて低温となった冷却水は冷水配管２８０からキャパシタ１９に供給される。

ここで、冷水配管２８０の一部は、上部旋回体３の後部に設けられたカウンタウェイト３ａに沿って延在しており、冷水配管２８０とカウンタウェイト３ａとの間にペルチェ素子４００が配置されている。ペルチェ素子４００の吸熱部が冷水配管２８０に接触して熱的に接続され、放熱部がカウンタウェイト３ａに接触して熱的に接続されている。したがって、ペルチェ素子４００を駆動することで、冷水配管２８０から熱が吸収され、ペルチェ素子４００を伝導してカウンタウェイト３ａに放出される。このように、ペルチェ素子４００は、冷水配管２８０とカウンタウェイト３ａとの間で熱交換を行なう熱交換器２１０として機能する。あるいは、ペルチェ素子４００は、冷水配管２８０の熱をカウンタウェイト３ａに移動させるヒートポンプとして機能すると言うこともできる。したがって、
ペルチェ素子４００の代わりに既知の熱交換器を用いてもよく、熱交換器としてヒートパイプ等を用いることもできる。

ショベルの運転時（すなわち、エンジン１１の駆動時）には、冷却水は電気部品用ラジエータ２７０で冷却されるため、ペルチェ素子４００を駆動して冷却しなくてもよく、必要な場合にだけペルチェ素子４００を駆動すればよい。冷水配管２８０を流れた冷却水は、キャパシタ１９に流れ、キャパシタ１９を冷却してから、配管２９２を流れて冷却水ポンプ２５０に吸い込まれる。そして、冷却水は再び冷却水ポンプ２５０から切替バルブ２６０へと送り出されて、冷却装置２００内で上述の経路に沿って循環する。

以上は、ショベルの運転時（すなわち、エンジン１１の駆動時）での冷却水の流れであるが、ショベルの運転を停止した後（すなわち、エンジン１１の駆動を停止した後）にも、冷却装置２００は運転を停止せず、キャパシタ１９の冷却を継続する。図７は、ショベルの運転を停止したときの冷却装置２００の制御処理のフローチャートである。

まず、ショベルがキーオフされると（ステップＳ１）、エンジン１１の駆動が停止される（ステップＳ２）。続いて、キャパシタ１９の電圧が予め設定されたシステム下限値より高いか否かが判定される（ステップＳ３）。システム下限値は、キャパシタ１９の充電率を一定値以上としてシステム制御（特に電力の供給）を問題なく行えるように設定された電圧値である。なお、キャパシタ１９の電圧は、キャパシタ電圧検出部１１２が検出することができるが、キャパシタ電圧検出部１１２が設けられていない場合には、キャパシタ１９内に電圧検出センサを設けることとしてもよい。

キャパシタ１９の電圧値がシステム下限値以下の場合（ステップＳ３のＮＯ）、キャパシタ１９の電圧は十分に低下しているので、キャパシタ１９を冷却するための電力をキャパシタ１９から供給する必要はないため、処理を終了する。

一方、キャパシタ１９の電圧値がシステム下限値より高い場合（ステップＳ３のＹＥＳ）、処理はステップＳ４に進む。ステップＳ４では、切替バルブ２６０を操作して冷却水の経路を、配管２８４からバイパス配管２８２に切り替える。

続いて、冷却水ポンプ２５０の駆動が開始され（ステップＳ５）、冷却水ポンプ２５０から冷却水が吐出される。したがって、冷却水ポンプ２５０から吐出された冷却水は、切替バルブ２６０を通ってバイパス配管２８２に流れる。

続いて、ペルチェ素子４００の駆動が開始される（ステップＳ６）。すなわち、キャパシタ１９からペルチェ素子４００に電力が供給され、ペルチェ素子４００による冷却が開始される。ステップＳ５の処理によりバイパス配管２８２に流れた冷却水は、冷水配管２８０に流れ、ペルチェ素子４００を通過する際に冷却されて低温の冷却水となり、キャパシタ１９に供給される。したがって、キャパシタ１９は冷却水により冷却される。キャパシタを冷却した冷却水は、冷却水ポンプ２５０に吸い込まれ、再び冷却水ポンプ２５０から吐出されて、以上の経路に沿って循環する。

ステップＳ６の処理が終了すると、処理はステップＳ７に進み、ステップＳ３と同様にキャパシタ１９の電圧がシステム下限値より高いか否かが判定される。キャパシタ１９の電圧がシステム下限値より高い場合は（ステップＳ７のＹＥＳ）、ステップＳ７の判定を繰り返し行なう。キャパシタ１９の電圧がシステム下限値以下となると（ステップＳ７のＮＯ）、処理はステップＳ８に進む。ステップＳ８では、これ以上キャパシタ１９の電圧値がシステム下限値まで下がったためこれ以上キャパシタ１９から放電することはできないとして、冷却水ポンプ２５０の駆動を停止し且つペルチェ素子４００の駆動を停止して、処理を終了する。

以上のように、ショベルの運転を停止した後（すなわち、エンジン１１の駆動を停止した後）にも、キャパシタ１９の電力により冷却装置２００を運転することで、キャパシタ１９を冷却し、且つキャパシタ１９の電圧を低減することができる。これにより、ショベルの運転を停止した後に、キャパシタの温度を低下させ、且つ電圧も降下させることができ、キャパシタ１９の劣化を抑制することができる。

本実施形態によれば、エンジン停止後もキャパシタ１９を冷却するための専用の冷却水ポンプやラジエータを設ける必要がなくなり、ショベルの製造コストを上昇させることはない。また、ショベルの運転を停止した後に、エンジン１１を継続して運転する必要がなく、ファン１１ａを回しておく必要がないため、安全性の点で好ましい。さらに、キャパシタ１９自体のエネルギを使用してキャパシタ１９を冷却するので、効率的な冷却である。また、運転停止後は、冷却が必要なキャパシタ１９のみを冷却するので、効率的な冷却であり、且つキャパシタ１９の冷却能力を大きくとることができる。

なお、図６に示す冷却装置では、キャパシタ１９を電気部品用ラジエータ２７０に近い場所に配置しているが、キャパシタ１９を配置する位置は他の場所でもよい。図８はキャパシタ１９の設置位置を変更した場合の配管構成を示す図である。図８に示す例では、キャパシタ１９を電気部品回路２４の近くに配置している。したがって、冷水配管２８０はペルチェ素子４００を通過した後に電気部品回路２４０の方向に向かって延在し、電気部品回路２４０の横を通過してキャパシタ１９に接続されている。

次に、本発明の第２実施形態による冷却装置について、図９を参照しながら説明する。図９は第２実施形態による冷却装置２００Ａの構成を示す図である。図９において、図５に示す構成部品と同等な部品には同じ符号を付し、その説明は適宜省略する。

ショベルの運転時には、冷却装置２００Ａにおいて、キャパシタ１９を冷却した冷却水（冷媒）は、切替バルブ２６２を通過してから、電気回路部品２４０及びモータ２３０を通過し、電気回路部品２４０及びモータ２３０を冷却する。その後、冷却水はチェックバルブ２６４を通過して冷却水ポンプ２５０に吸い込まれる。冷却水ポンプ２５０から吐出された冷却水は、電気部品用ラジエータ２７０に流れ込む。電気部品用ラジエータ２７０に入った冷却水は放熱して低温の冷却水となり、冷水配管２８０に流れ込む。冷水配管２８０はキャパシタ１９（キャパシタの内部ではなくキャパシタ１９の外周を包囲するような冷却部）に接続されており、低温の冷却水がキャパシタ１９を流れることで、キャパシタ１９は冷却される。キャパシタ１９を冷却した後の冷却水は再び切替バルブ２６２を通過して電気回路部品２４０及びモータ２３０に供給され、上述の経路を循環する。

ここで、本実施形態では、切替バルブ２６２にバイパス配管２９４が接続されている。バイパス配管２９４の他端は、チェックバルブ２６４と冷却水ポンプ２５０との間の配管に接続されている。したがって、ショベルの運転を停止してエンジン１１の駆動を停止した後は、切替バルブ２６２を操作することで、キャパシタ１９を冷却した冷却水をバイパス配管２９４に流してから冷却水ポンプ２５に吸い込ませることができる。

バイパス配管２９４とショベルの本体２２０との間にはペルチェ素子４００が配置されており、キャパシタ１９を冷却した後の冷却水をペルチェ素子４００によっても冷却することができる。すなわち、ペルチェ素子４００にキャパシタ１９から電力を供給して駆動することで、ペルチェ素子４００の吸熱部（冷却部）によりバイパス配管２９４を冷却する。ペルチェ素子４００の発熱部（放熱部）は、ショベルの本体２２０に接続されており、吸熱部（冷却部）で吸収した熱はショベルの本体２２０に放熱される。

本実施形態では、ショベルの運転が停止されてエンジン１１の駆動が停止されると、冷却水ポンプ２５０の駆動が開始され、又は冷却水ポンプ２５０が駆動されていた場合は駆動が維持され、且つ切替バルブ２６２が操作されて冷却水の経路が切り替えられる。すなわち、エンジン１１の駆動が停止されると、切替バルブ２６２は冷却水の通路を、図９に示すように、電気回路部品２４０、モータ２３、及び電気部品用ラジエータを通らずにバイパス配管２９４流れるように切り替える。これと同時に、ペルチェ素子４００に電力が供給され、ペルチェ素子４００が駆動される。

切替バルブ２６２を操作して冷却水の通路を切り替えると、冷却水の循環経路は図９の２点鎖線で囲まれた部分での循環経路となる。この循環経路では、冷却水ポンプ２５０から吐出される冷却水は、電気部品用ラジエータ２７０に供給され、電気用品用ラジエータ２７０で冷却された後に、冷水配管２８０を流れ、キャパシタ１９を冷却する。そして、キャパシタ１９を冷却した冷却水は、切替バルブ２６２を通ってバイパス配管２９４に流れ、ペルチェ素子４００により冷却されてから、冷却水ポンプ２５０に吸い込まれる。

ここで、バイパス配管２９４は冷却水ポンプ２５０とチェックバルブ２６４との間に接続されており、バイパス配管２９４を流れてきた冷却水は、チェックバルブ２６４に流れることができず、冷却水ポンプ２５０の吸入側に流れることとなる。したがって、切替バルブ２６２でバイパス配管２９４に切替えられると、冷却水ポンプ２５０で送り出される冷却水は、電気回路部品２４０及びモータ２３０には流れずに、図９の二点鎖線で囲まれた経路を循環することとなる。

なお、本実施形態では、エンジン１１用のラジエータ１１ａは専用の電動モータファン１１ｂにより冷却されている。電動モータファン１１ｂは、エンジン１１の駆動とは別に電力で駆動されるファンであり、エンジン１１の駆動を停止した後でも、電気部品用ラジエータ２７０に送風することができる。すなわち、電動モータファン１１ｂは、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１ｃを介してキャパシタ１９からの電力を供給することで駆動される。本実施形態ではエンジン１１の駆動を停止した後にも、キャパシタ１９から電動モータファン１１ｂに電力を供給し続けることで、電気部品用ラジエータ２７０により冷却水を冷却することができる。

また、本実施形態では、エンジン１１の駆動を停止した後にキャパシタ１９のみを冷却する際に、冷却水ポンプ２５０を逆転させてもよい。この場合、冷却水ポンプ２５０から吐出される冷却水は、まずバイパス配管２９４を流れ、ペルチェ素子４００により冷却されてから、切替バルブ２６２を通ってキャパシタ１９に流れることとなる。冷却水ポンプ２５０から吐出される冷却水は、チェックバルブ２６４があるために、モータ２３０及び電気回路部品２４０の方向に流れることは無い。したがって、この場合は、切替バルブ２６２を省略することもできる。

次に、本発明の第３実施形態による冷却装置について、図１０を参照しながら説明する。図１０は第３実施形態による冷却装置２００Ｂの構成を示す図である。図１０において、図５及び図９に示す構成部品と同等な部品には同じ符号を付し、その説明は適宜省略する。

ショベルの運転時には、キャパシタ１９を冷却した冷却水（冷媒）は、切替バルブ２６２を通過してから、電気回路部品２４０及びモータ２３０を通過し、電気回路部品２４０及びモータ２３０を冷却する。その後、冷却水はチェックバルブ２６４を通過して冷却水ポンプ２５０に吸い込まれる。冷却水ポンプ２５０から吐出された冷却水は、切替バルブ２６６を通って電気部品用ラジエータ２７０に流れ込む。電気部品用ラジエータ２７０に入った冷却水は放熱して低温の冷却水となり、冷水配管２８０に流れ込む。冷水配管２８０はキャパシタ１９（キャパシタの内部ではなくキャパシタ１９の外周を包囲するような冷却部）に接続されており、低温の冷却水がキャパシタ１９を流れることで、キャパシタ１９は冷却される。キャパシタ１９を冷却した後の冷却水は再び切替バルブ２６２を通過して電気回路部品２４０及びモータ２３０に供給され、上述の経路を循環する。

一方、ショベルの運転が停止されて、エンジン１１の駆動が停止されると、切替バルブ２６２が操作されてバイパス配管２９４に切替えられ、且つ切替バルブ２６６が操作されてバイパス配管２９６に切り替えられる。エンジン１１の駆動が停止されると、エンジン１１で駆動しているファンも停止するので送風が無くなり、電気部品用ラジエータ２７０は放熱器として機能しなくなる。そこで、電気部品用ラジエータ２７０の手前に切替えバルブ２６６とバイパス配管２９６を設けて、冷却水が電気部品用ラジエータ２７０を通らずに、冷水配管２８０に流れるようにしている。冷水配管２８０には、上述の第１実施例と同様にペルチェ素子４００が設けられており、キャパシタ１９に流れる前に冷却水を冷却する。

なお、本実施形態では、上述の第２実施形態と同様に、エンジン１１の駆動を停止した後にキャパシタ１９のみを冷却する際に、冷却水ポンプ２５０を逆転させてもよい。

上述の第１乃至第３実施形態では、ペルチェ素子４００により冷却水を冷却し、その冷却水でキャパシタ１９を冷却するが、ペルチェ素子４００に逆電圧を加えれば、冷却水を加熱することもできる。したがって、ペルチェ素子４００で加熱した冷却水をキャパシタ１９に流すことで、キャパシタを暖機することもできる。

なお、上述の第１乃至第３実施形態では旋回機構２が電動式であったが、旋回機構２が電動ではなく油圧駆動の場合がある。図１１は図２に示すハイブリッド式ショベルの旋回機構を油圧駆動式とした場合の駆動系の構成を示すブロック図である。図１１に示すハイブリッド型ショベルでは、旋回用電動機２１の代わりに、旋回油圧モータ２Ａがコントロールバルブ１７に接続され、旋回機構２は旋回油圧モータ２Ａにより駆動される。このような、ハイブリッド式ショベルであっても、上述の第１乃至第３実施形態による冷却装置を設けることで、ショベルの運転停止後にキャパシタ１９の温度を低下させ且つ電圧を低下させて、キャパシタ１９の劣化を抑制することができる。

また、上述の第１乃至第３実施形態では、エンジン１１と電動発電機１２とを油圧ポンプ１４に接続して油圧ポンプ１４を駆動する、いわゆるパラレル型のハイブリッド式ショベルに本発明を適用した例について説明した。本発明は、図１２に示すようにエンジン１１で電動発電機１２を駆動し、電動発電機１２が生成した電力を蓄電系１２０に蓄積してから蓄積した電力のみによりポンプ用電動機４００を駆動してメインポンプ１４を駆動する、いわゆるシリーズ型のハイブリッド式ショベルにも適用することもできる。この場合、電動発電機１２は、本実施形態ではエンジン１１によって駆動させることによる発電運転のみを行なう発電機としての機能を備えている。

なお、図１２に示すハイブリッド式ショベルでは、ブームシリンダ７からの戻り油圧を利用して油圧回生が行なわれている。すなわち、ブームシリンダ７からの戻り油圧用の油圧配管７Ａにブーム回生油圧モータ５１０が設けられ、ブーム回生油圧モータにより発電機５００を駆動して回生電力を発生する。発電機５００により発生した電力はインバータ１８Ｃを介して蓄電系１２０に供給される。

１ 下部走行体
１Ａ、１Ｂ 油圧モータ
２ 旋回機構
２Ａ 旋回油圧モータ
３ 上部旋回体
４ ブーム
５ アーム
６ バケット
７ ブームシリンダ
７Ａ 油圧配管
８ アームシリンダ
９ バケットシリンダ
１０ キャビン
１０ａ 運転室
１１ エンジン
１１ａ ラジエータ
１１ｂ 電動モータファン
１１ｃ ＤＣ／ＤＣコンバータ
１２ 電動発電機
１３ 変速機
１４ メインポンプ
１５ パイロットポンプ
１６ 高圧油圧ライン
１７ コントロールバルブ
１８Ａ，１８Ｃ，２０ インバータ
１９ キャパシタ
２１ 旋回用電動機
２２ レゾルバ
２３ メカニカルブレーキ
２４ 旋回変速機
２５ パイロットライン
２６ 操作装置
２６Ａ、２６Ｂ レバー
２６Ｃ ペダル
２６Ｄ ボタンスイッチ
２７ 油圧ライン
２８ 油圧ライン
２９ 圧力センサ
３０ コントローラ
１００ 昇降圧コンバータ
１１０ ＤＣバス
１１１ ＤＣバス電圧検出部
１１２ キャパシタ電圧検出部
１１３ キャパシタ電流検出部
１２０ 蓄電系
２００，２００Ａ，２００Ｂ 冷却装置
２１０ 熱交換器
２２０ 本体
２３０ モータ
２４０ 電気回路部品
２５０ 冷却水ポンプ
２６０，２６２，２６６ 切替バルブ
２７０ 電気部品用ラジエータ
２８０ 冷水配管
２８２，２９４，２９６ バイパス配管
３００ 冷却水ポンプ用モータ
３１０ インバータ
４００ ペルチェ素子
４１０ コンバータ
５００ 発電機
５１０ ブーム回生油圧モータ５１０

Claims (7)

1. 本体部と、
   該本体部に配置された蓄電部を含む蓄電装置と、
   前記本体部に配置された電気部品と、
   前記蓄電装置を冷却する冷媒を流通させる配管と、
   該冷媒を該配管内で循環させるポンプと、を備え、
   前記配管が、
   ラジエータによって前記蓄電装置と前記電気部品とのいずれも冷却する第１冷却系と、
   前記蓄電装置は冷却するが前記電気部品は冷却しない第２冷却系と、に切り替えられ、
   該配管と前記本体部とに熱的に接続された熱伝導媒体は、前記第２冷却系の途中に設けられることを特徴とする作業機械。
2. 請求項１記載の作業機械であって、
   エンジンにより駆動される送風機からの空気により熱交換を行なう熱交換器をさらに有し、該熱交換器は前記配管に接続されることを特徴とする作業機械。
3. 請求項１又は２記載の作業機械であって、
   前記配管は前記電気部品の近傍を延在し、前記配管を流れる冷媒により前記電気部品も冷却することを特徴とする作業機械。
4. 請求項３記載の作業機械であって、
   前記配管は切替バルブ及びバイパス配管を有し、エンジン停止後に、前記切替バルブにより冷媒の流れを前記バイパス配管に切り替えて、前記電気部品への冷媒の流れを阻止することを特徴とする作業機械。
5. 請求項１乃至４のうちいずれか一項記載の作業機械であって、
   前記蓄電装置と前記ポンプとの間に、前記熱伝導媒体が配置されたことを特徴とする作業機械。
6. 請求項１乃至５のうちいずれか一項記載の作業機械であって、
   前記熱伝導媒体はペルチェ素子を含み、
   前記ポンプ及び前記ペルチェ素子は、前記蓄電装置の前記蓄電部からの電力により駆動されることを特徴とする作業機械。
7. 請求項６記載の作業機械であって、
   前記蓄電装置の前記蓄電部の電圧が予め定められた電圧値となると、前記ポンプと前記ペルチェ素子の駆動を停止することを特徴とする作業機械。

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