JP6136778B2

JP6136778B2 - 建設機械の冷却装置

Info

Publication number: JP6136778B2
Application number: JP2013180999A
Authority: JP
Inventors: 允紀廣澤; 洋一郎山崎
Original assignee: Kobelco Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Kobelco Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2013-09-02
Filing date: 2013-09-02
Publication date: 2017-05-31
Anticipated expiration: 2033-09-02
Also published as: JP2015048774A

Description

本発明は油圧ショベル等の建設機械において、ラジエータやインタークーラー等の冷却器をファンによって空冷する冷却装置に関するものである。

従来、この種の冷却装置におけるファン駆動方式として、エンジンでオルタネータ等の発電機を駆動して蓄電装置に充電し、この蓄電装置からの電力によりファンモータ(電動機)を駆動するファン電動方式が公知である(特許文献１参照)。

このファン電動方式によると、エンジンのファン連れ回りロスを無くすることができるため、エンジンでファンを駆動するエンジン駆動方式と比較して省エネルギーとなる。

実開昭６４−４１６２２号公報

特許文献１記載のものを含めてファン電動方式をとる公知技術によると、結局はエンジン動力のみによって冷却する構成であって、
(ｉ) エンジン排熱は一切利用せずに捨てるだけであること、
(ｉｉ) エンジン排熱が多くなれば、それを冷却するためのエンジン動力も大きくなるとともに、捨てるエンジン排熱量、つまりエネルギーロスが多くなること
から、基本的にエネルギー効率が悪いものとなっていた。

なお、特許文献１に記載された公知技術においては、冷却水温度をセンサで検出し、検出された冷却水温度に応じてファンの回転／停止を制御することにより、エネルギーの節減を図っているが、上記エンジン排熱の有効利用の思想がないため根本的な解決にはならない。

そこで本発明は、エンジン排熱を冷却に有効利用してエネルギー効率を改善することができる建設機械の冷却装置を提供するものである。

上記課題を解決する手段として、本発明においては、動力源としてのエンジンと、エンジン冷却用の冷却器と、この冷却器に送風するファンと、このファンを駆動するファンモータと、上記エンジンにより駆動されて発電する発電機と、上記ファンモータの電源であって上記発電機からの電力によって充電される蓄電装置と、上記エンジンの排熱を吸収する吸熱作用とエンジン排熱によって発電する発電作用を行う熱電変換装置と、上記ファンモータを制御する制御手段と、上記熱電変換装置の発電量を検出する発電量検出部と、を具備し、上記制御手段は、予め、エンジン排熱量に対応する上記熱電変換装置の発電量と、エンジン排熱量に応じた冷却性能を発揮させるために必要な上記ファンの回転数の関係である発電量／必要ファン回転数の特性を設定・記憶しておき、この特性に基づき上記発電量検出部で検出された上記熱電変換装置の上記発電量に応じた上記ファンモータの必要回転数を決定し、上記ファンモータの回転数を制御するように構成したものである。

この構成によれば、熱電変換装置の吸熱作用によってエンジン排熱を吸収できるため、冷却に要するエンジン動力を低減してエネルギー効率を上げることができる。

また、エンジン排熱量を熱電変換装置によって電力に変換し、この発電量に応じてファン回転数を制御するため、エンジン排熱量に見合った冷却性能を発揮させることができる。このため、冷却不足や過剰冷却がなく、適正な冷却機能を確保することができる。

しかも、熱電変換装置がエンジン排熱量を検出するためのセンサの役割を果たすため、温度センサ等の専用センサが不要となり、コスト面で有利となる。

以上により、エンジン排熱を自らの冷却に有効利用し、低コストで高い冷却機能と省エネ効果を得ることができる。

本発明において、上記熱電変換装置で発生した電力を上記蓄電装置に送って充電するように構成するのが望ましい(請求項２〜４)。

この構成によれば、熱電変換装置で発生した電力を捨てるのではなく、蓄電装置に充電するため、電動ファン方式によって蓄電装置の放電量が増える分の一部を熱電変換装置の発電力で補い、発電機の負担を軽減することができる。

この場合、上記制御手段は、上記ファンを上記必要ファン回転数で回転させるための上記ファンモータの消費電力をＡ、上記熱電変換装置の発電量をＢ、上記発電機の必要発電量をＣとして、
Ｃ＝Ａ−Ｂ
によって発電機の必要発電量Ｃを求め、この必要発電量を上記発電機に指令するように構成するのが望ましい(請求項３)。

こうすれば、Ａ＝Ｂ＋Ｃ、つまり、熱電変換装置と発電機の発電量Ｂ，Ｃの和が消費電力Ａと等しくなるように発電機を制御するため、熱電変換装置の発電量の増減変化に関係なく必要ファン回転数と蓄電装置の適正充電量を確保することができる。

また、上記熱電変換装置として、上記冷却器の熱を吸収して電力を発生する第１熱電変換装置と、上記エンジンのマフラー熱を吸収して電力を発生する第２熱電変換装置を備え、上記第１及び第２両熱電変換装置に発生した電力を上記蓄電装置に送って充電するように構成するのが望ましい(請求項４)
こうすれば、熱電変換装置による吸熱量と発電量を増やして、冷却性能とエネルギー効率を高めることができる。

本発明によると、エンジン排熱を冷却に有効利用してエネルギー効率を改善することができる。

本発明の第１実施形態に係る冷却装置のシステム構成図である。同装置における熱電変換装置の発電量と冷却に必要なファン回転数の関係を示す特性図である。同、冷却に必要なファン回転数とファン駆動に必要な電力量の関係を示す特性図である。同装置の作用を説明するためのフローチャートである。本発明の第２実施形態に係る冷却装置のシステム構成図である。

第１実施形態(図１〜図４参照)
図１は油圧ショベルにおける駆動系と冷却装置のシステム構成を示す。

図１において、電力系のつながり(駆動、充電)を実線、制御系のつながり(信号のやり取り)を破線でそれぞれ示す。

同図に示すように、エンジン１によって油圧アクチュエータの油圧源としての油圧ポンプ２及び発電機(オルタネータ)３が駆動され、発電機３で発生した電力によって蓄電装置４が充電される。

エンジン１を冷却するための冷却装置は、基本的には、ラジエータ、インタークーラー等の冷却器５と、この冷却器５に向けて送風するファン６と、蓄電装置４を電源としてファン６を駆動するファンモータ(電動機)７によって構成される。

また、この冷却装置においては、ゼーベック効果によって熱エネルギーを電気エネルギーに変換する発電作用と、トムソン効果によって電気エネルギーを熱エネルギーに変換する吸熱作用を行う熱電変換装置８が設けられ、この熱電変換装置８により、冷却水熱による発電作用と、冷却水熱を吸収する吸熱作用(冷却作用)を行うように構成されている。

以下、冷却水熱を「エンジン排熱」といい、その熱量を「エンジン排熱量」という。

この熱電変換装置８にエンジン排熱を加えるための具体的な手段として、冷却器５から管路で取り出した冷却水の熱を熱電変換素子に加える構成をとってもよいし、熱電変換素子を直接冷却器５に貼り付けてもよい。

一方、エンジン排熱に対応する熱電変換装置８の発電量を検出する発電量検出部９が設けられ、検出された発電量がファンモータ７を制御する制御手段としてのコントローラ１０に送られる。

ここで、熱電変換装置８の発電量はエンジン排熱量に比例する。つまり、エンジン排熱量が多くなる(冷却水温度が高くなる)ほど発電量が多くなる。

また、エンジン排熱量と、冷却に必要なファン回転数(送風量)も比例関係にある。

そして、冷却に必要なファン回転数と、このファン回転数を得るためにファン駆動に必要な電力量も一定の関係にある。

そこで、コントローラ１０には、予め、熱電変換装置８の発電量と、冷却に必要なファン回転数の関係である発電量／必要ファン回転数の特性(図２)が設定・記憶されている。

なお、図２の発電量／必要ファン回転数の特性において、必要なファン回転数が上限値に達する発電量の値Ｂ１と、上限値から減少に転じる発電量Ｂ２の値とに差(ヒステリシス)を持たせている。これにより、エンジン排熱低下時のファン回転数のハンチングを防止してファン運転の安定を図っている。

また、コントローラ１０には、冷却に必要なファン回転数と、このファン回転数でファン６を駆動するのに要するファンモータ７の電力量(消費電力量)の関係である必要ファン回転数／必要電力量の特性(図３)が設定・記憶されている。

コントローラ１０は、検出される熱電変換装置８の発電量と、図２，３の特性とに基づいてファンモータ７を制御する。

この点の作用を図４のフローチャートによって説明する。

運転開始後、ステップＳ１で、検出された熱電変換装置発電量が取り込まれ、ステップＳ２，３において、図２の特性及び図３の特性に基づいて必要ファン回転数と必要電力量が決定される。

続くステップＳ４では、ファン６を必要回転数で駆動するためのファンモータ７の必要電力量をＡ、熱電変換装置８の発電量をＢ、発電機３の必要発電量をＣとして、
Ｃ＝Ａ−Ｂ
によって発電機必要発電量Ｃが算出され、これが発電機３に発電量指令として出力される。

そして、ステップＳ５で、ファンモータ７に対しファン６を必要回転数で駆動する指令が出された後、ステップＳ１に戻る。

この制御により、エンジン排熱量に応じた冷却作用が行われる。

一方、熱電変換装置８の吸熱作用によってエンジン排熱が吸収されるとともに、同装置８の発電作用によって発生した電力が蓄電装置４に送られて充電される。

この冷却装置によると次の効果を得ることができる。

(Ｉ) 熱電変換装置８の吸熱作用によってエンジン排熱を吸収できるため、冷却に要するエンジン動力を低減してエネルギー効率を上げることができる。

(ＩＩ) エンジン排熱量を熱電変換装置８によって電力に変換し、この発電量に応じてファン回転数を制御するため、エンジン排熱量に見合った冷却性能を発揮させることができる。このため、冷却不足や過剰冷却がなく、適正な冷却機能を確保することができる。

(ＩＩＩ) 熱電変換装置８がエンジン排熱量を検出するためのセンサの役割を果たすため、温度センサ等の専用センサが不要となり、コスト面で有利となる。

以上、(Ｉ)〜(ＩＩＩ)により、エンジン排熱を自らの冷却に有効利用し、低コストで高い冷却機能と省エネ効果を得ることができる。

一方、熱電変換装置８で発生した電力を捨てるのではなく、蓄電装置４に充電するため、電動ファン方式によって蓄電装置４の放電量が増える分の一部を熱電変換装置８の発電力で補い、発電機の負担を軽減することができる。

また、Ａ＝Ｂ＋Ｃ、つまり、熱電変換装置８と発電機３の発電量Ｂ，Ｃの和が消費電力Ａと等しくなるように発電機３を制御するため、熱電変換装置８の発電量の増減変化に関係なく必要ファン回転数と蓄電装置４の適正充電量を確保することができる。

第２実施形態(図５参照)
第１実施形態との相違点のみを説明する。

第２実施形態においては、第１実施形態の熱電変換装置８を第１熱電変換装置として、これに加えて、エンジン排気系のマフラー１１の熱によって発電作用を行う第２熱電変換装置１２が設けられ、この第２熱電変換装置１２で発生した電力をも蓄電装置４に送って充電するように構成されている。

この構成よると、熱電変換装置(第１及び第２両熱電変換装置８，１２)による吸熱量と発電量を増やして、冷却性能とエネルギー効率を一層高めることができる。

ところで、上記両実施形態では、熱電変換装置８，１２で発生させた電力を蓄電装置４に送って充電する構成をとったが、この充電作用を行わせない構成をとることもできる。

１エンジン
３発電機
４蓄電装置
５冷却器
６ファン
７ファンモータ
８熱電変換装置
９発電量検出部
１０コントローラ(制御手段)
１１マフラー
１２熱電変換装置

Claims

動力源としてのエンジンと、エンジン冷却用の冷却器と、この冷却器に送風するファンと、このファンを駆動するファンモータと、上記エンジンにより駆動されて発電する発電機と、上記ファンモータの電源であって上記発電機からの電力によって充電される蓄電装置と、上記エンジンの排熱を吸収する吸熱作用とエンジン排熱によって発電する発電作用を行う熱電変換装置と、上記ファンモータを制御する制御手段と、上記熱電変換装置の発電量を検出する発電量検出部と、を具備し、
上記制御手段は、予め、エンジン排熱量に対応する上記熱電変換装置の発電量と、エンジン排熱量に応じた冷却性能を発揮させるために必要な上記ファンの回転数の関係である発電量／必要ファン回転数の特性を設定・記憶しておき、この特性に基づき上記発電量検出部で検出された上記熱電変換装置の発電量に応じた上記ファンモータの必要回転数を決定し、上記ファンモータの回転数を制御するように構成したことを特徴とする建設機械の冷却装置。
上記熱電変換装置で発生した電力を上記蓄電装置に送って充電するように構成したことを特徴とする請求項１記載の建設機械の冷却装置。
上記制御手段は、上記ファンを上記必要ファン回転数で回転させるための上記ファンモータの必要電力をＡ、上記熱電変換装置の発電量をＢ、上記発電機の必要発電量をＣとして、
Ｃ＝Ａ−Ｂ
によって発電機の必要発電量Ｃを求め、この必要発電量を上記発電機に指令するように構成したことを特徴とする請求項２記載の建設機械の冷却装置。
上記熱電変換装置として、上記冷却器の熱を吸収して電力を発生する第１熱電変換装置と、上記エンジンのマフラー熱を吸収して電力を発生する第２熱電変換装置を備え、上記第１及び第２両熱電変換装置に発生した電力を上記蓄電装置に送って充電するように構成したことを特徴とする請求項２または３記載の建設機械の冷却装置。