JP5163593B2

JP5163593B2 - ハイブリッド作業機械

Info

Publication number: JP5163593B2
Application number: JP2009125359A
Authority: JP
Inventors: 啓介下村; 功治米澤; 隆之奥西
Original assignee: Kobelco Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Kobelco Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2009-05-25
Filing date: 2009-05-25
Publication date: 2013-03-13
Anticipated expiration: 2029-05-25
Also published as: EP2256256A2; EP2256256A3; CN101922166B; CN101922166A; US20100297926A1; US8662969B2; JP2010270553A; EP2256256B1

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７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、地面に対して鉛直となる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。

上部旋回体２の後部にはエンジンルーム１２が設けられ、このエンジンルーム１２に動力源としてのエンジン１３が設置される(特許文献１参照)。

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。

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８に示す。

エンジン１３に、発電機作用と電動機作用を行う発電電動機１４と油圧ポンプ１５とが接続され、これらがエンジン１３によって駆動される。

油圧ポンプ１５からの吐出油はコントロールバルブ(弁そのものはアクチュエータごとに設けられているが、ここでは複数の弁の集合体として示す)１６を介して図７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１４には、二次電池等からなる蓄電装置（動力バッテリ）１７がコントローラ１８を介して、また旋回駆動源としての旋回電動機１９がインバータ２０を介してそれぞれ接続される。

コントローラ１８は、発電電動機１４の発電機出力の過不足に応じた蓄電装置１７の充・放電作用等を制御する。

インバータ２０は、発電電動機１４の発電機作用と電動機作用の切換え、及び発電電力あるいは電動機としての電流またはトルクの制御等を行う。

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は特許文献２に示されるようにエンジンルーム１２等に設置されている。

ここで、ハイブリッド機器のうち、自ら発熱し、しかも熱に弱い蓄電装置１７及びコントローラ１８については、本来の性能及び寿命確保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対象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

特許文献１，２に示された公知技術では、蓄電装置１７及びコントローラ１８（以下、両者をまとめて両機器という場合がある）を、他のハイブリッド機器、及び油圧機器である油圧ポンプ１５、コントロールバルブ１６と同じ平面上に並んで配置している。

しかし、ハイブリッド作業機械では、既存の機械の限られたスペースにハイブリッド機器を追加することになるため、機器設置スペースが制限される。

このため、同一平面配置をとる公知技術では、狭いスペースに両機器１７，１８を含めた多くの機器が密集することになり、両機器１７，１８の周囲に、冷却空気の通路となる空間を十分とることができない。

従って、両機器１７，１８に対する冷却空気の流れが悪くなって冷却効率が悪くなる。

また、両機器１７，１８を、本体とこれを覆うケーシングとによって構成した場合、冷却空気がケーシングごしに本体を間接的に冷却することになるため、この点でも冷却効率が悪くなる。

これらの点により、公知技術によると両機器１７，１８の性能、寿命が低下するという問題があった。

そこで本発明は、蓄電装置及びコントローラを効率良く冷却す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、作業アタッチメントを備えた上部旋回体が下部走行体上に旋回自在に搭載され、この上部旋回体に、発電機作用と電動機作用を行う発電電動機の電源となる蓄電装置と、この蓄電装置を制御するコントローラとを含むハイブリッド機器が搭載されるハイブリッド作業機械において、上記蓄電装置及びコントローラは、それぞれ本体と、この本体を覆うケーシングとから成り、この蓄電装置とコントローラとが、互いの間に仕切り板を介在させた状態で上下に重ねて配置され、一方のケーシングに吸気口、他方のケーシングに排気口がそれぞれ設けられるとともに、上記仕切り板に通気口が設けられ、上記吸気口から上記一方のケーシング内に吸入した冷却空気を上記通気口を通して上記他方のケーシングに導入し、排気口から排出するルートで流して蓄電装置及びコントローラを冷却するように構成されたものである。

請求項２の発明は、請求項１の構成において、上記仕切り板を挟んで上記蓄電装置が上側、上記コントローラが下側にそれぞれ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、上記上部旋回体を構成するアッパーフレーム上に、複数本の支柱と天板とを備えた架台が設けられ、この架台の上記天板を上記仕切り板として蓄電装置とコントローラとが設置されたものである。

本発明によると、蓄電装置とコントローラとを仕切り板（請求項３では架台の天板）を介して上下に配置するため、周囲に冷却空気の通路を確保し易くなり、とくに上側機器は障害物がなく風通しがきわめて良くなる。

しかも、両機器のケーシング内に両者専用の冷却空気を導入して本体を直接かつ効果的に冷却することができる。

これらの点により、冷却効率を上げ、両機器の本来の性能及び寿命を確保することができる。

加えて、ケーシング内を冷却空気の通路として利用するため余分な通路設備を追加する必要がないこと、及び両機器を共通の冷却構造で冷却することにより、コスト及びスペースの点で有利となる。

また、両機器を上下配置することにより次の効果を得ることができる。

ｉ）両者は配線で接続され、密接な関連があることから同時に点検されることが多いため近接して配置するのが望ましい。この場合、両機器を同一平面上に並べる公知技術では、両者を近接させるのが難しく、メンテナンス及び配線の点で不利であった。また、あえて近接配置したとしても、両機器間及び他の機器との間に十分な空間をとれないため、メンテナンス及び配線に不利な点は変わらない。

これに対し本発明によると、限られたスペース内で両機器を近接させ、しかも前記のように周囲に十分な空間を確保することができる。さらに、通気口を、両者をつなぐ配線の通し穴として利用することができる。以上の点で、メンテナンス及び配線が容易となる。

ｉｉ）スペースの利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。

一方、請求項２の発明によると、特に熱に弱い蓄電装置を、冷却効率の良い上側に配置しているため、熱に起因する蓄電装置の故障を防止し、寿命を向上させることができる。

本発明の実施形態に係るハイブリッドショベルにおける上部旋回体のアッパーフレームの斜視図である。同平面図である。アッパーフレームに設けられる架台とこれに組み込まれる蓄電装置及びコントローラの分解斜視図である。同架台に蓄電装置及びコントローラを組み込んだ状態の斜視図である。図４のＶ−Ｖ線断面図である。図４の状態の背面図である。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。同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図である。

本発明の実施形態を図１〜図６によって説明する。

実施形態では、図７，８に示すハイブリッドショベルを適用対象としている。

なお、実施形態において、ハイブリッドショベルに装着または搭載される部材や機器について図７，８に示すものと同一のものに同一符号を付して示す。

図１，２において、２１は上部旋回体２を構成するアッパーフレームで、このアッパーフレーム２１の前部ほぼ中央に図７の作業アタッチメント９が装着されるとともに、前部左側にキャビン１０、後部にエンジン１３がそれぞれ搭載され、エンジン１３には発電電動機１４及び油圧ポンプ１５が接続される。図２中、２２はエンジン１３のマフラーである。

アッパーフレーム２１の右サイドデッキの後部（キャビン１０内のオペレータから見て右斜め後）に架台２３が取付けられ、この架台２３に蓄電装置１７、コントローラ１８等のハイブリッド機器を含む複数の機器が組み込まれる。

この点を詳述する。

架台２３は、図３〜図６に詳しく示すように、前後左右計四本（五本以上でもよい）の支柱２４…が梁材（符号省略）で結合されるとともに、この支柱２４…の上端間に天板２５が水平に取付けられた自立式かつ組立式の独立した台として構成されている。

この架台２３は、アッパーフレーム２１に対し、図５，６に示すように天板２５の下方の空間Ｓに油圧ポンプ１５及びコントロールバルブ１６が収容される状態で、各支柱２４…の下端部で着脱自在に取付けられ、天板２５の上面側に蓄電装置１７、下面側にコントローラ１８がそれぞれ設置されている。

すなわち、蓄電装置１７とコントローラ１８が互いの間に仕切り板（天板２５）を介在させた状態で上下に重ねて配置されている。

蓄電装置１７及びコントローラ１８は、それぞれ本体１７ａ，１８ａと、これを覆うケーシング１７ｂ，１８ｂとから成り、本体同士が天板２５を挟んで対向する状態で天板２５に取付けられている。

なお、蓄電装置ケーシング１７ｂは下面が開口した箱状、コントローラケーシング１８ｂは上面が開口した箱状にそれぞれ形成され、蓄電装置ケーシング１７ｂは防振マウント２５ａ…（図５，６参照）を介して天板２５上に設置されている。

蓄電装置１７のケーシング１７ｂには右側面に吸気口２６、コントローラ１８のケーシング１８ｂには左側面に排気口２７がそれぞれ設けられるとともに、天板２５における両者が重なる位置に、ケーシング１７ｂ，１８ｂ同士を連通させる通気口２８が設けられている。

なお、図示しないが吸気口２６及び排気口２７には、異物の侵入を防止するための金網またはフィルタが設けられる。

また、蓄電装置１７のケーシング１７ｂ内に吸い込みファン２９が設けられ、この吸い込みファン２９によって蓄電装置１７（ケーシング１７ｂ）内に導入された外気（冷却空気）が、図１，５中の矢印で示すように通気口２８からコントローラ１８（ケーシング１８ｂ）内に入り、冷却後に排気口２７から排出されるように構成されている。

一方、蓄電装置本体１７ａを外部からの熱に対して防護する手段として、図５に示すように、ケーシング１７ｂの上面内側に太陽熱を遮断するための断熱材３０が設けられるとともに、天板下面に、発熱する油圧機器である油圧ポンプ１５及びコントロールバルブ１６からの熱を遮断する断熱材３１が設けられている。

なお、蓄電装置本体１７ａを太陽熱から防護する手段として、ケーシング１７ｂの上面部を外、内板から成る二重構造として間に空気層を形成するとともに、この空気層にこもった熱を外部に逃がす多数の逃がし穴をケーシング周面に設けてもよい。この場合、断熱材３０は設けなくてもよいし、空気層の下側に設けて二重断熱構造としてもよい。

さらに、架台２３の前後及び左右の各側面（支柱間）に、図示しない遮熱板が油圧機器空間Ｓを周囲から囲う状態で取付けられている。

この遮熱板により、油圧機器（油圧ポンプ１５、コントロールバルブ１６）からの熱が架台外周側に出て天板２５上の蓄電装置１７に回り込んだり、架台２３まわりに設置された蓄電装置１７以外の電気機器（後述するように架台前方に設置されたインバータ２０等）に放射されたりすること、及びマフラー２２からの熱を含むエンジンルーム内の熱が架台２３の空間Ｓに侵入することがそれぞれ防止される。

このうち、左側面の遮熱板はガード部材を兼ねて、排気口２７をも覆う状態で設けられるため、この遮熱板兼ガード部材に、排気口２８から出た排気を外部に逃がす開口が設けられる。

また、架台２３の前面に、通常バッテリを制御するコンバータ３２が取付けられるとともに、架台前方にインバータ２０が図示しない別の架台を介してアッパーフレーム２１上に設置される。

このように、蓄電装置１７とコントローラ１８を仕切り板（天板２５）を介して上下に配置するため、周囲に冷却空気の通路を確保し易くなる。

とくに上側の蓄電装置１７は、他のすべての機器から突出して最も高い位置に配置されるため、まわりに障害物がなくて風通しが良く、効果的に冷却される。

しかも、両者１７，１８のケーシング１７ｂ，１８ｂ内に両者専用の冷却空気を導入して本体を直接冷却すること、及び吸い込みファン２９による強制吸排方式であることにより、両本体１７ａ，１８ｂを効率良く冷却することができる。

これらの点により、冷却効率を上げ、両者１７，１８の本来の性能及び寿命を確保することができる。

とくに、熱に弱い蓄電装置１７の冷却効果が高くなり、熱に起因する故障を防止し、寿命改善効果が顕著となる。

加えて、ケーシング１７ｂ，１８ｂ内を冷却空気の通路として利用するため余分な設備を追加する必要がないこと、及び両者１７，１８を共通の冷却構造で冷却することにより、コスト及びスペースの点で有利となる。

また、両者１７，１８を上下配置することにより次の効果を得ることができる。

ｉ）限られたスペース内で両者１７，１８を近接させ、しかも前記のように周囲に十分な空間を確保することができる。さらに、通気口２８を、両者１７，１８をつなぐ配線の通し穴として利用することができる。以上の点で、メンテナンス及び配線が容易となる。

他の実施形態
（１）吸い込みファン２９を通気口２８またはコントローラケーシング１８ｂの排気口２７近くに設けてもよい。

あるいは、吸い込みファン２９に代えて押し込みファンを用いてもよい。また、このようなファンを設けず、自然対流によって空気を吸排するようにしてもよい。この場合、状況によっては実施形態の吸気口２６が排気口、排気口２７が吸気口として機能する可能性がある。

（２）上記実施形態では、アッパーフレーム２３に対して独立した自立式かつ組立式の架台２３を設置し、この架台２３の天板２５を仕切り板としてその上下に蓄電装置１７とコントローラ１８とを組み込む構成をとったが、アッパーフレーム２１に棚状の仕切り板をアッパーフレーム２１の一部として設け、この仕切り板の上下に両者１７，１８を設置してもよい。

（３）蓄電装置１７及びコントローラ１８は、上記実施形態のようにキャビン１０内からの作業視界の妨げとなるおそれが少ない右側後部に配置するのが望ましいが、レイアウトの都合によっては他の位置に配置してもよい。

１下部走行体
２上部旋回体
９作業アタッチメント
１０キャビン
１３エンジン
１４発電電動機
１５油圧ポンプ
１６コントロールバルブ
１７蓄電装置
１７ａ蓄電装置本体
１７ｂケーシング
１８コントローラ
１８ａコントローラ本体
１８ｂケーシング
２０インバータ
２１アッパーフレーム
２３架台
２４架台の支柱
２５同天板
２６吸気口
２７排気口
２８通気口
２９吸い込みファン

Claims

作業アタッチメントを備えた上部旋回体が下部走行体上に旋回自在に搭載され、この上部旋回体に、発電機作用と電動機作用を行う発電電動機の電源となる蓄電装置と、この蓄電装置を制御するコントローラとを含むハイブリッド機器が搭載されるハイブリッド作業機械において、上記蓄電装置及びコントローラは、それぞれ本体と、この本体を覆うケーシングとから成り、この蓄電装置とコントローラとが、互いの間に仕切り板を介在させた状態で上下に重ねて配置され、一方のケーシングに吸気口、他方のケーシングに排気口がそれぞれ設けられるとともに、上記仕切り板に通気口が設けられ、上記吸気口から上記一方のケーシング内に吸入した冷却空気を上記通気口を通して上記他方のケーシングに導入し、排気口から排出するルートで流して蓄電装置及びコントローラを冷却するように構成されたことを特徴とするハイブリッド作業機械。
上記仕切り板を挟んで上記蓄電装置が上側、上記コントローラが下側にそれぞれ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。
上記上部旋回体を構成するアッパーフレーム上に、複数本の支柱と天板とを備えた架台が設けられ、この架台の上記天板を上記仕切り板として蓄電装置とコントローラとが設置さ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。