JP5790016B2 - ハイブリッド建設機械 - Google Patents

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Description

本発明はハイブリッド機器である蓄電器及び制御器のレイアウトを改良したハイブリッドショベル等のハイブリッド建設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６〜図８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軸の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油圧シリンダ（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が装着されて構成される。
上部旋回体２は基台としてのアッパーフレーム１０を有し、このアッパーフレーム１０の左右方向の中間部に左右の縦板１１，１２が間隔を置いてかつ前後方向のほぼ全長に亘って設けられている。
この縦板１１，１２は前部が山形に突出する形状に形成され、この縦板前部にブーム３の下端部が縦板１１，１２を左右方向に水平に貫通するブームフットピン１３によって回動可能に取付けられ、ブーム３(作業アタッチメント９全体)がこのブームフットピン１３を中心として起伏作動する。
また、アッパーフレーム１０の後部に、メンテナンス用のボンネット１４によって上面が開閉されるエンジンルーム１５が設けられ、図７に示すようにこのエンジンルーム１５に動力源としてのエンジン１６と、エンジンまわりの機器類(ラジエータ１７、冷却ファン１８、油圧ポンプ１９等)が設置される。
一方、エンジンルーム１５よりも前方において両縦板１１，１２を挟んだ左右一側(一般的には左側、以下、この場合で説明する)にキャビン２０が設置されるとともに、反対側に燃料、作動油両タンク２１，２２が前後に並んで設置され、燃料タンク２１の前方(アッパーフレーム右側前部)に、メンテナンス作業員がボンネット１４(エンジンルーム１５内の機器類)に向けて昇降するための後上がりの階段状でかつ中空状の昇降ステップ２３が設けられている。
なお、この明細書において「前後」「左右」は、キャビン２０内に着座したオペレータから見た方向性をいう。
また、図７，８は作業アタッチメント９を取外して示す。
このショベルをハイブリッド方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９に示す。
ハイブリッドショベルにおいては、上記ショベルの基本構成に加えて、ハイブリッド機器、すなわち、発電機作用と電動機作用を行う発電電動機２４と、旋回駆動源としての旋回電動機２５と、二次電池等の蓄電器２６と、これらを制御する制御器２７が設けられる。
発電電動機２４は、図７に示すように油圧ポンプ１９と並んでエンジン１６に接続され、エンジン１６によって駆動される。
油圧ポンプ１９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)２８を介して図６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(一括符号「２９」を付している)に供給され、この油圧アクチュエータ２９が駆動される。
旋回電動機２５は、図６に示す旋回軸受３０に臨んで設けられ(図７参照)、図示しない旋回歯車を駆動して上部旋回体２を旋回させる。
発電電動機２４及び旋回電動機２５は、太線で示す電力ケーブル３１…によって蓄電器２６に接続される。
また、発電電動機２４、旋回電動機２５、蓄電器２６は、破線で示す信号ケーブル３２によりインバータ３３を介して、あるいは直接、ハイブリッドコントローラ３４に接続される。
すなわち、インバータ３３とハイブリッドコントローラ３４とによってハイブリッド用の制御器２７が構成され、この制御器２７により、発電電動機２４の発電機作用と電動機作用の切換えや、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、発電電動機２４の発電機出力の過不足に応じた蓄電器２６の充放電制御、旋回電動機２５の駆動／停止制御等、ハイブリッドショベルとして必要な各種制御が行われる。
なお、他の制御器として、図示しない操作レバーの操作等に応じて、かつ、ハイブリッドコントローラ３４と連携して制御弁２８を制御するメカトロコントローラ３５が設けられる。
この構成において、油圧ポンプ１９の必要動力が大きい場合には、蓄電器２６の蓄電力により発電電動機２４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２４が発電機作用を行って蓄電器２６に蓄電する等、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のうち蓄電器２６及び制御器２７(インバータ３３、ハイブリッドコントローラ３４)は、多くの場合、エンジンルーム１５に配置されている(特許文献１，２参照)。あるいは、空きスペースを利用してアッパーフレーム各部に分散して配置する場合もある。
特開２００７−１０７２３０ ＷＯ２００８／０１５７９８
しかし、元々、ショベルは小型化の要請が強いことからスペースに余裕がないため、通常ショベルと同等の車格で、ショベルの基本構成要素に加えてハイブリッド機器を設置することは、集中配置するにしろ分散配置するにしろきわめて困難であった。
また、エンジンルーム１５等に無理やり集中配置するとラジエータ１７に対する通風を阻害したり、蓄電器２６及び制御器２７の発熱が激しくなったりし、分散配置すると機械の組立やメンテナンスが面倒となる等の弊害が生じていた。
そこで本発明は、通常ショベルと同等の車格で蓄電器及び制御器を、通風を阻害する等の弊害を招かずに効率良く設置することができるハイブリッド建設機械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、下部走行体上に上部旋回体が旋回自在に搭載され、この上部旋回体の基台となるアッパーフレームの後部にエンジンルームが設けられるとともに、左右方向の中間部に前後方向に延びる左右の縦板が設けられ、この両縦板を挟んだ左右一側にキャビン、反対側にメンテナンスのための後上がりの昇降ステップがそれぞれ設けられる一方、両縦板の前部に作業アタッチメントのブームの下端部がブームフットピンによって取付けられ、かつ、ハイブリッド機器として、エンジンを駆動源として発電機作用と電動機作用とを行う発電電動機と、この発電電動機に電動機作用を行わせる電源となるとともに発電電動機の発電機作用等によって充電される蓄電器と、この蓄電器を電源として上記上部旋回体を旋回駆動する旋回電動機と、上記発電電動機、旋回電動機、蓄電器の動作を制御する制御器とを備えたハイブリッド建設機械において、上記蓄電器及び制御器を、階段状に形成した機器ケース内に格納し、この機器ケースを上記昇降ステップとして上記アッパーフレーム前部のキャビンと反対側に設置し、上記機器ケース内の蓄電器及び制御器を冷却するための冷却水入口及び冷却水出口を、上記機器ケースにおける上記縦板と対面する側面であって側面から見て縦板から外れた位置で機器ケースに設けたものである。
本発明によると、昇降ステップは比較的大きなスペースを占めながら有効利用されていない(工具類の収納程度しか利用されていない)点に着目し、上記のようにハイブリッド機器のうち蓄電器及び制御器を、階段状に形成した機器ケースに集中格納し、この機器ケースをメンテナンス用の昇降ステップとしてアッパーフレーム前部のキャビンと反対側に設置したから、通常ショベルと同等の車格で蓄電器及び制御器を効率良く配置することができる。
しかも、蓄電器及び制御器をエンジンルーム等に配置した場合のようにラジエータに対する通風を阻害したり機器自身の発熱が激しくなったりするおそれがないとともに、集中格納することで組立が容易となり、かつ、外部からアクセスし易いためメンテナンスも容易となる。
また、蓄電器と制御器を一つの機器ケース内に集中格納するため、これらの機器同士を最短距離で容易に、かつ、外部に露出しない隠蔽配線によって接続することができる。
加えて、蓄電器及び制御器の防塵、防水処理を一つの機器ケースに対して一括して簡単に低コストで行うことができる。
蓄電器及び制御器は発熱するため、通常、性能維持のため水冷方式によって冷却される。
この場合、冷却水入口及び出口を縦板と対面する側面であって側面から見て縦板から外れた位置で機器ケースに設けることにより、冷却水入口及び出口配管の配管作業及びメンテナンス作業を縦板に邪魔されずに容易に行うことができる。
本発明において、上記制御器として、発電電動機及び旋回電動機の作動を制御するインバータと、このインバータ及び上記蓄電器の充放電指令等の制御指令を出すハイブリッドコントローラとを備え、上記蓄電器、インバータ、ハイブリッドコントローラを、蓄電器が最下層となる状態で上記機器ケースに対応する階段状に積層して同ケース内に格納するのが望ましい(請求項２)。
この構成によれば、蓄電器及び制御器(インバータ、ハイブリッドコントローラ)を機器ケースに対応する階段状に積層したから、昇降ステップ(機器ケース)のスペースを最大限に利用できるとともに、最も重くて大きい蓄電器を最下層に配置することで、機器ケース内でのこれらのレイアウトが容易となるとともに重心的にも安定したものとなる。
また本発明においては、上記機器ケースを、上記ブームフットピンを同ピン軸方向に抜き差しするのに十分なピン挿脱空間が上記キャビンと反対側に確保される階段状に形成するのが望ましい(請求項３)。
上部旋回体の組立後にブームを取付ける場合、あるいは出荷後にメンテナンス等のためにブームを取外す場合、ブームフットピンの左側にはキャビンがあるため、同ピンの抜き差しは右側、つまり昇降ステップ側からしか行えない。
この場合、機器ケースの階段形状を、ブームフットピンの挿脱空間を確保するものとしたことにより、たとえば同ピンの挿脱時に機器ケースを内部の機器ごと分解する等の厄介な作業が不要となり、ブームフットピン挿脱作業、ひいてはブームの着脱作業が容易となる。
さらに本発明においては、上記発電電動機及び旋回電動機と蓄電器とを接続する電力ケーブルを、上記機器ケースと、この機器ケースが配置された側の縦板との間の空間を通る経路で配線するのが望ましい(請求項４，５)。
この構成によれば、発電電動機及び旋回電動機と蓄電器とを接続する電力ケーブルの配線経路として、縦板と機器ケースの間の隙間というデッドスペースを利用するため、配線経路を新たに確保するためのアッパーフレームの改造や加工が不要ないしは最小限ですむとともに、縦板と機器ケースをガイドとして容易に、しかも外部から隠蔽して配線することができる。
この場合、機器ケースにおける上記電力ケーブルの接続位置を上記縦板の上端よりも上方に設定するのが望ましい(請求項５)。
こうすれば、電力ケーブルの接続時に縦板が邪魔にならず、配線がさらに容易となる。
本発明において、上記冷却水入口及び出口を縦板の前部と後部に分けて、かつ、冷却水出口が冷却水入口よりも高位に位置する状態で機器ケースに設けるのが望ましい(請求項６)。
こうすれば、冷却水入口及び出口に対して入口、出口両配管を互いに干渉せずに簡単に接続できるとともに、出口を入口よりも高位に位置させることでエア抜き性能を確保することができる。
本発明によると、通常ショベルと同等の車格で蓄電器及び制御器を効率良く、通風を阻害する等の弊害を招かずに設置することができる
本発明の実施形態に係るショベルの概略平面図である。 (ａ)は図１の矢印Ａから見た側面図、(ｂ)は同矢印Ｂから見た側面図である。 実施形態に係るショベルの概略斜視図である。 実施形態に係るショベルに設置される昇降ステップの組立斜視図である。 同分解斜視図である。 背景技術を説明するためのショベルの概略側面図である。 従来ショベルの概略平面図である。 従来ショベルの概略斜視図である。 ハイブリッドショベルのシステム構成を示すブロック図である。
実施形態はハイブリッドショベルを適用対象としている。
実施形態において、図６〜図９に示す従来技術と同一部分には同一符号を付して示し、背景技術の説明を援用するものとしてその重複説明を省略する。
蓄電器２６と、制御器２７(インバータ３３及びハイブリッドコントローラ３４)は一つの機器ケース３６に集中格納され、この機器ケース３６がアッパーフレーム１０の前部右側、すなわち、燃料タンク２１の前方に、メンテナンス作業員がボンネット１４(エンジンルーム１５内の機器類)に向けて昇降するための昇降ステップとして設置されている。
機器ケース３６は、パネル材によって図示のような後上がりの階段状、詳しくは最下段の第１段ステップ面３６ａと、この第１段ステップ面３６ａから後方及び左側に段差を持って連続する第２段ステップ面３６ｂと、この第２段ステップ面３６ｂから後方に段差を持って連続する最上段の第３段ステップ面３６ｃとを備えた三段構成の箱体として構成されている。
なお、図１及び図２(ｂ)において、図面の複雑化を避けるために各ステップ面３６ａ，３６ｂ，３６ｃの符号を省略している。
蓄電器２６、インバータ３３及びハイブリッドコントローラ３４は、この機器ケース３６に対応する階段状の配置で同ケース３６内に配置されている。
すなわち、最も大きくて重い蓄電器２６が最下層として機器ケース３６内の下部に同ケース内ほぼ全域に亘って設置され、この蓄電器上面の前部左側にハイブリッドコントローラ３４、後部に、第２段及び第３段両ステップ面３６ｂ，３６ｃに対応する側面視Ｌ字形のインバータ３３がそれぞれ積層されている。
なお、インバータ３３及びハイブリッドコントローラ３４について、図では分かり易くするために輪郭の明らかな箱状に表しているが、実際にはそれぞれ明確な輪郭のない部品の集合体として構成され、機器ケース３６を共通のケーシングとしてこれに格納されている。
ここで、従来機におけるメンテナンス用の昇降ステップは、比較的大きなスペースを占めながら、工具類を収納する程度で有効利用されていない。
そこでこの点に着目し、ハイブリッド機器のうち蓄電器２６と、制御器であるインバータ３３及びハイブリッドコントローラ３４(以下、両者を「制御器」の一括名称で表記す
る場合がある)を、階段状に形成した一つの機器ケース３６に集中格納したから、通常ショベルと同等の車格で蓄電器２６及び制御器３３，３４を効率良く、すなわち、他の機器類の設置スペースやメンテナンススペースを犠牲にすることなく簡単に設置することができる。
しかも、蓄電器２６及び制御器３３，３４をエンジンルーム１５に配置した場合のようにラジエータ１７に対する通風を阻害したり機器自身の発熱が激しくなったりするおそれがないとともに、外部からアクセスし易い昇降ステップ内に集中配置するためメンテナンスも容易となる。
このメンテナンスの容易性を確保するために、機器ケース３６の右側面や上面にメンテナンス口とこれを開閉する扉を設けてもよい。
また、蓄電器２６及び制御器３３，３４を一つの機器ケース３６内に集中格納するため、機器同士を最短距離で容易に、かつ、外部に露出しない隠蔽配線によって接続することができる。
加えて、蓄電器２６及び制御器３３，３４の防塵、防水処理を一つの機器ケース３６に対して一括して簡単に低コストで行うことができる。
ところで、上部旋回体２の組立後にブーム３を取付ける場合、あるいは出荷後にメンテナンス等のためにブーム３を取外す場合、ブームフットピン１３の左側にはキャビン２０が位置するため、ブームフットピン１３の挿脱は右側からしか行えない。
ところが、ブームフットピン１３の右側には機器ケース３６が位置し、同ケース３６がブームフットピン１３の抜き差しの邪魔になるおそれが生じる。
そこで機器ケース３６は、図２(ａ)(ｂ)に示すようにブームフットピン１３を同ピン軸方向に抜き差しするのに十分なピン挿脱空間が右側に確保される階段状に形成されている。
具体的には、側面から見てブームフットピン１３が機器ケース３６の第２段ステップ面３６ｂの上方に位置し、同ステップ面上方にピン挿脱空間が確保されるように機器ケース３６の階段形状が設定されている。
これにより、たとえばブームフットピン１３の挿脱時に機器ケース３６を内部の機器ごと分解する等の厄介な作業が不要となり、ブームフットピン挿脱作業、ひいてはブーム３の着脱作業が容易となる。
一方、発電電動機２４はアッパーフレーム後部の右側、旋回電動機２５は平面視で両縦板１１，１２間にそれぞれ配置され、この両者と機器ケース３６内の蓄電器２６とは、図９に示す電力ケーブル３１…によって接続される。
この実施形態において電力ケーブル３１…は、図１，２に示すように機器ケース３６の左側面と右縦板１２との間に形成された隙間状の空間Ｓ(図１に符号を付している)を通る経路で配線され、機器ケース３６内の電力ケーブル(図示省略)と接続されている。
この電力ケーブル３１…の接続位置は、図２(ａ)(ｂ)に示すように右縦板１２の上端よりも上方位置(第３段ステップ面３６ｃの少し下方)でケース左側面に設定されている。
このように、電力ケーブル３１…の配線経路として、右縦板１２と機器ケース３６の間の隙間状の空間Ｓというデッドスペースを利用するため、配線経路を新たに確保するためのアッパーフレーム１０の改造や加工が不要ないしは最小限ですむ。
また、右縦板１２と機器ケース３６をガイドとして容易に、しかも外部から隠蔽して配線することができる。
しかも、機器ケース３６におけるケーブル接続位置を縦板１２の上端よりも上方に設定しているため、電力ケーブル３１…の接続時に縦板１２が邪魔にならず、配線がさらに容易となる。
また、この実施形態においては、機器ケース３６内の蓄電器２６及び制御器３３，３４の発熱を抑えるために水冷方式によって冷却する構成がとられている。
詳しくは、エンジンルーム１５内に冷却水ポンプとハイブリッド機器用ラジエータ(いずれも図示省略)が設けられ、冷却水ポンプから出た冷却水を冷却水入口配管で機器ケース３６内に導入し、冷却済みの冷却水を冷却水出口配管により同ケース３６からラジエータ経由で冷却水ポンプに戻す構成がとられている。
機器ケース３６には、図２(ａ)(ｂ)に示すようにこの冷却のための冷却水入口３７と冷却水出口３８とが設けられている。
この場合、図示のように冷却水入口３７は機器ケース３６の左側面の前部において、冷却水出口３８は左側面の後部において、いずれも側面から見て右縦板１２から外れた位置に、そして冷却水出口３８が冷却水入口３７よりも高位に位置する状態で設けられている。
このレイアウトとすれば、冷却水入口及び出口配管の配管作業及びメンテナンス作業を右縦板１２に邪魔されずに容易に行うことができる。
また、冷却水入口３７及び出口３８を前後に分けているため、これらに対して入口、出口両配管を互いに干渉せずに簡単に接続できるとともに、出口３８が入口３７よりも高位にあることでエア抜き性能を確保することができる。
なお、冷却水配管は、電力ケーブル３１…と同様に右縦板１２と機器ケース３６との間の隙間を通る経路でレイアウトしてもよいし、他のルートを通してもよい。
ところで、実施形態では機器ケース３６に格納する制御器としてインバータ３３とハイブリッドコントローラ３４を挙げたが、図９中のメカトロコントローラ３５をも機器ケース３６に格納してもよい。
また、上記実施形態では、キャビン２０が前部左側に配置される一般的なレイアウトをとるショベルを適用対象としたが、本発明はキャビン２０が前部右側に配置される場合にも適用することができる。
この場合、前部左側に昇降ステップを兼ねる機器ケース３６を配置することになる。
さらに、本発明はショベルに限らず、たとえばショベルを母体として構成される解体機や破砕機等、他のハイブリッド建設機械にも適用することができる。
１ 下部走行体
２ 上部旋回体
３ ブーム
９ 作業アタッチメント
１０ アッパーフレーム
１１ 左縦板
１２ 右縦板
１３ ブームフットピン
１４ ボンネット
１５ エンジンルーム
１６ エンジン
２０ キャビン
２４ 発電電動機
２５ 旋回電動機
２６ 蓄電器
２７ 制御器
３１ 電力ケーブル
３３ インバータ
３４ ハイブリッドコントローラ
３６ 昇降ステップとしての機器ケース
Ｓ 右縦板と機器ケースとの間の空間
３７ 冷却水入口
３８ 冷却水出口

Claims (6)

  1. 下部走行体上に上部旋回体が旋回自在に搭載され、この上部旋回体の基台となるアッパーフレームの後部にエンジンルームが設けられるとともに、左右方向の中間部に前後方向に延びる左右の縦板が設けられ、この両縦板を挟んだ左右一側にキャビン、反対側にメンテナンスのための後上がりの昇降ステップがそれぞれ設けられる一方、両縦板の前部に作業アタッチメントのブームの下端部がブームフットピンによって取付けられ、かつ、ハイブリッド機器として、エンジンを駆動源として発電機作用と電動機作用とを行う発電電動機と、この発電電動機に電動機作用を行わせる電源となるとともに発電電動機の発電機作用等によって充電される蓄電器と、この蓄電器を電源として上記上部旋回体を旋回駆動する旋回電動機と、上記発電電動機、旋回電動機、蓄電器の動作を制御する制御器とを備えたハイブリッド建設機械において、上記蓄電器及び制御器を、階段状に形成した機器ケース内に格納し、この機器ケースを上記昇降ステップとして上記アッパーフレーム前部のキャビンと反対側に設置し、
    上記機器ケース内の蓄電器及び制御器を冷却するための冷却水入口及び冷却水出口を、上記機器ケースにおける上記縦板と対面する側面であって側面から見て縦板から外れた位置で機器ケースに設けたことを特徴とするハイブリッド建設機械。
  2. 上記制御器として、発電電動機及び旋回電動機の作動を制御するインバータと、このインバータ及び上記蓄電器の充放電指令等の制御指令を出すハイブリッドコントローラとを備え、上記蓄電器、インバータ、ハイブリッドコントローラを、蓄電器が最下層となる状態で上記機器ケースに対応する階段状に積層して同ケース内に格納したことを特徴とする請求項１記載のハイブリッド建設機械。
  3. 上記機器ケースを、上記ブームフットピンを同ピン軸方向に抜き差しするのに十分なピン挿脱空間が上記キャビンと反対側に確保される階段状に形成し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建設機械。
  4. 上記発電電動機及び旋回電動機と蓄電器とを接続する電力ケーブルを、上記機器ケースと、この機器ケースが配置された側の縦板との間の空間を通る経路で配線し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建設機械。
  5. 機器ケースにおける上記電力ケーブルの接続位置を上記縦板の上端よりも上方に設定したことを特徴とする請求項４記載のハイブリッド建設機械。
  6. 上記冷却水入口及び出口を縦板の前部と後部に分けて、かつ、冷却水出口が冷却水入口よりも高位に位置する状態で機器ケースに設けたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のハイブリッド建設機械。
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