(57)【要約】【課題】  圧縮空気エンジンを動力源とした流体圧作動機械において、上記エンジンの駆動により発生する冷熱をより効率的にりようすること。【解決手段】  圧縮空気エンジン７の出力軸１０に油圧ポンプ２を接続し、上記圧縮空気エンジンで生じた冷熱を、ショベル等の油圧作動機械の作動油の冷却に利用できるようにしたオイルクーラ４を設置した。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮空気エンジンと、この圧縮空気エンジンに作動用高圧空気を供給するエアタンクと、圧縮空気エンジンからの排出冷気を昇温させる熱交換器とを有する圧縮空気エンジンシステムと、
前記圧縮空気エンジンで駆動される流体ポンプと、この流体ポンプからの作動流体により駆動される被駆動体と、作動流体を冷却するクーラと、作動流体タンクを含む流体回路とを備えた流体圧作動機械であって、
上記排出冷気の冷熱を利用して上記作動流体を冷却するようにしたことを特徴とする流体圧作動機械。
【請求項２】
上記クーラを上記熱交換器の近傍に配置したことを特徴とする請求項１記載の流体圧作動機械。
【請求項３】
上記熱交換器の一面と上記クーラの一面とを当接させたことを特徴とする請求項１記載の流体圧作動機械。
【請求項４】
上記熱交換器内に上記作動流体の通路配管を配置したことを特徴とする請求項１記載の流体圧作動機械。
【請求項５】
上記クーラ内に上記圧縮空気エンジンからの排出冷気の給排通路配管を配置したことを特徴とする請求項１に記載の流体圧作動機械。
【請求項６】
上記圧縮空気エンジンシステムにおけるエンジンから大気中へ放気される最終排出冷気を上記クーラに向けて放出する放出管を設けたことを特徴とする請求項１〜３、５のいずれかに記載の流体圧作動機械。
【請求項７】
作動流体が上記クーラをバイパスして上記作動流体タンクに戻るバイパス弁と、上記クーラから上記作動流体タンクに戻る作動流体の温度を検出する温度センサとを設け、上記バイパス弁の弁開度を上記温度センサの検出値に応じて調整するようにしたことを特徴とする請求項１〜３、５のいずれかに記載の流体圧作動機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ショベル、クレーン、ローダ、ドーザ等の作業機械やコンバイン等の農業機械を含む流体圧作動機械に関し、特に圧縮空気エンジンシステムを用いた流体圧作動機械における作動流体を効果的に冷却するようにした流体圧作動機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
上述した流体圧作動機械として例えば、ショベルを例にして説明すると、ブーム、アーム他の被駆動体を駆動する油圧アクチュエータに圧油を供給する油圧ポンプは、ディーゼルエンジンやガソリンエンジンを動力源としている。そして、油圧アクチュエータで各種作業を継続していると負荷状況にもよるが比較的短時間で、その作動油が高温に達して機械性能に悪影響を及ぼすことから、オイルクーラにより一定油温となるように冷却している。このオイルクーラの冷却能力を向上させるために、一般的にはエンジンで駆動される冷却ファンが設けられている。
【０００３】
このような従来の作業機械にあっては、エンジン音やファンの風切り音が騒音問題視され、低騒音化の工夫が各種提案されている。更に、排気ガスの問題もあることから、近年ハイブリッド方式の動力源を用いた作業機械も種々提案されている。
一方、静音で排気ガスを全く発生しない新たなエンジンとして、近年フランスで圧縮空気エンジンが発明され、最近ではバス、乗用車等の車輌用エンジンとして実用化が進められつつある。
【特許文献１】特許出願公表番号第２０００−５１４９０１号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
流体圧作動機械で従来通り、ディーゼルエンジンやガソリンエンジンを動力源として用いる限りにおいては、騒音や排気ガスの問題は解決することができない。そこで、この問題を解決する手段として、上記圧縮空気エンジンシステムの適用を検討したところ、そのシステムにあっては、高圧圧縮空気によるエンジンのピストン運動やラヂエータでの断熱膨張により発生する冷熱を、車両の空調に利用することが開示されているものの、利用できる発生冷熱量に対してそれが未だ十分には活用されていない。具体的にはエンジンからの最終排出冷気も大気中に放気されている。
【０００５】
そこで、本発明者等は上記圧縮空気エンジンの運転に伴う高圧圧縮空気の断熱膨張により発生する冷熱を、流体圧作動機械において高温となる液圧作動流体を冷却するクーラの冷熱源として利用できることに着目し、本発明を創出するに至った。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の流体圧作動機械は、圧縮空気エンジンと、この圧縮空気エンジンに作動用高圧空気を供給するエアタンクと、圧縮空気エンジンからの排出冷気を昇温させる熱交換器とを有する圧縮空気エンジンシステムと、前記圧縮空気エンジンで駆動される流体ポンプと、この流体ポンプからの作動流体により駆動される被駆動体と、作動流体を冷却するクーラと、作動流体タンクを含む流体回路とを備えた流体圧作動機械であって、上記排出冷気の冷熱を利用して上記作動流体を冷却するようにしたことを特徴とする。
【０００７】
請求項2記載の発明のように、上記作動流体を冷却するクーラを上記熱交換器の近傍に配置する構成としてもよい。
【０００８】
請求項３記載の発明のように、上記熱交換器の一面と上記クーラの一面とを当接させて構成してもよい。
【０００９】
請求項４記載の発明のように、上記熱交換器内に上記作動流体の通路配管を配置した構成としてもよい。
【００１０】
請求項５記載の発明のように、上記クーラ内に上記圧縮空気エンジンからの排出冷気の給排通路配管を配置した構成としてもよい。
請求項６記載の発明のように、上記圧縮空気エンジンシステムにおけるエンジンから大気中へ放気される最終排出冷気を上記クーラに向けて放出する放出管を設けるように構成してもよい。
【００１１】
請求項７記載の発明のように、上記作動流体が上記クーラをバイパスして上記作動流体タンクに戻るバイパス弁と、上記クーラから上記作動流体タンクに戻る作動流体の温度を検出する温度センサとを設け、上記バイパス弁の弁開度を上記温度センサの検出値に応じて調整するように構成してもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、圧縮空気エンジンからの排出冷気の冷熱を利用して作動流体を冷却するようにしたので、従来の如き作動流体を冷却するための冷却ファンを設ける必要が無い。しかも冷却ファンの動力も不要となり省エネルギとなり、その分だけエンジン出力を少なくできるためエンジンの小型化が達成でき、冷却ファンの削除と相俟って必要機器の搭載スペースがより広く確保できることから、必要機器の搭載レイアウトの自由度が広がる。更に、圧縮空気エンジンシステムにおける排出冷気の熱交換が、高温となった作動流体との間でも行われるので、より効率的な熱エネルギの回収が果たせる。
【００１３】
請求項2の発明によれば、作動流体を冷却するクーラを熱交換器の近傍に配置する構成としたので、熱交換器内の冷熱と外気との熱交換に伴い熱交換器周囲の外気が冷却され、その冷却外気によりクーラが間接的に冷却される。
【００１４】
請求項3の発明によれば、熱交換器の一面とクーラの一面とを当接させて構成したので、熱交換器内の冷熱がクーラの外表面に直接熱伝達されることでクーラがより効率的に冷却される。
【００１５】
請求項４の発明によれば、熱交換器内に上記作動流体の通路配管を配置した構成としたので、熱交換器がクーラを兼ねるのでクーラ設置スペース分だけ必要機器の搭載スペースが更に広くなる。
【００１６】
請求項５の発明によれば、クーラ内に上記圧縮空気エンジンからの排出冷気の給排配管を配置した構成としたので、クーラが熱交換器を兼ねるので熱交換器設置スペース分だけ必要機器の搭載スペースが広くなる。
【００１７】
請求項６の発明によれば、エンジンから大気中へ放気される最終排出冷気をクーラに向けて放出する放出管を設けたので、これまで放気されていた冷熱エネルギを活用することができる。
【００１８】
請求項７の発明によれば、作動流体が上記クーラをバイパスして作動流体タンクに戻るバイパス弁と、クーラから作動流体タンクに戻る作動流体の温度を検出する温度センサとを設け、バイパス弁の弁開度を温度センサの検出値に応じて調整するように構成したので、作動流体の温度を最適な温度に維持することができ、流体圧作動機械の作動効率が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
（実施形態１）
図1は本発明に係る流体圧作動機械の動力部を示す概念図である。以下、流体圧作動機械として油圧ショベルを例にして説明する。
【００２０】
被駆動体であるブームやアーム等を駆動するアクチュエータである油圧シリンダ１には、負荷に応じた圧力と油量の作動流体である圧油が油圧ポンプ２からコントロールバルブ３を介して供給され、油圧シリンダ１から排出された圧油はオイルクーラ４を経てオイルタンク５に戻され、オイルタンク５内の作動油は油圧ポンプ２で還流される。尚、図中に実線で示すラインが作動油の流れである。
【００２１】
この作動油はショベルのアクチュエータ１が作動されることで、油圧回路でのエネルギ損失が発熱となって徐々に昇温され、冷却しないで放置しておくと直ぐに高温となるので、これを一定温度に維持するために上記オイルクーラ４が設けられている。上述した構成までは従来の公知技術と変わるところは無い。
【００２２】
一方、圧縮空気エンジンシステム６は、詳細な説明は割愛するが原理的には、圧縮空気エンジン７とそのエンジン７に作動用高圧空気を供給するエアタンク８（タンク内圧力は例えば３００ｂａｒ）と、エンジン７からの排出冷気を外気と熱交換して昇温させる熱交換器９とから構成されている。作動空気の流れは図中に点線のラインで示すように、上記高圧空気をエンジン７のピストン室に給排することにより、その圧力エネルギでピストンが駆動されてエンジン７が作動する。
【００２３】
作動圧は最初は３００ｂａｒで複数のピストンを順番に作動しながら減圧され、最終は大気圧相当まで低下する。その際、上記高圧空気のピストン室内での断熱膨張により冷熱が発生し、高圧作動空気が低温（例えば０℃）の圧縮空気となる。
【００２４】
この低温の圧縮空気は熱交換器９に送られ、熱交換器９において外気との熱交換により加熱され、奪われた熱エネルギを大気から回収することによって、作動空気の圧力を増加させるので、この二次圧縮空気を再びエンジン７に戻してその圧力エネルギで第２のピストンが駆動されてエンジン７が作動する。
【００２５】
エアタンク８より供給された高圧作動空気はエンジン７内の複数のピストンを経て、ピストン内での断熱膨張による大きな圧力低下と、熱交換器での熱回収による小さな圧力上昇を圧力エネルギが所定圧力に低下するまで繰り返されることとなる。そして、圧力エネルギが使い果たされた冷温作動空気はマフラー７ａから大気中に放気される。エアタンク８内の高圧空気は所定圧力以下になった際には、エアステーションから高圧空気が充填される。
【００２６】
本発明に係る油圧ショベルでは、上記油圧ポンプ２が上記圧縮空気エンジン７の出力軸１０に接続されており、エンジン７によって駆動される。そして、上記熱交換器９の近傍にはオイルクーラ４が設置されており、エンジン７が駆動されている限り上記熱交換器９において外気との熱交換が行われることにより、熱交換器９の周囲の大気が冷気となり、この冷気によってオイルクーラ４において作動油が冷却される。
【００２７】
この作動油は、高温になると油圧機器からの漏れが増大してエネルギロスとなり、また潤滑性能の低下によって油圧機器の損傷を招く。一方、過冷却されると作動油管路の抵抗が増加してエネルギロスとなり、また油圧機器の作動応答性が低下するので操作性に問題を生じる。
【００２８】
その為、作動油が上記オイルクーラ４をバイパスしてオイルタンク５に戻るバイパス弁１２と、オイルクーラ４からオイルタンク５に戻る作動油の油温を検出する温度センサ１３とを設け、バイパス弁１２の弁開度を油温センサ１３の検出値に応じて調整するように構成することが好ましい。尚、後述するように上記熱交換器９が上記オイルクーラ４を兼ねる構成とした場合や、上記オイルクーラ４が上記熱交換器９を兼ねるように構成した場合でも同様である。
【００２９】
上記熱交換器９とオイルクーラ４とは図２に示すように、熱交換器９の一面９ａとオイルクーラ４の一面４ａとを当接させて構成してもよく、その当接面積を大きくすればより効率的に作動油を冷却することができる。
【００３０】
或いは、図３に示すように、熱交換器９そのものをオイルクーラ４で兼用するように、熱交換器９内に上記作動油の通路配管１１を配置した構成としてもよく、或いはオイルクーラ４で熱交換器９を兼用するようにオイルクーラ４に圧縮空気エンジン７からの排出冷気の給排通路配管を配置した構成としてもよい。
【００３１】
そのように構成した場合にはオイルクーラ４又は熱交換器９のいずれか一方の設置を省略することができ、油圧ショベルの上部旋回体の後部や側部に形成される動力部の空間スペースに余裕ができるので各種機器のレイアウトの自由度が向上する。
【００３２】
（実施形態２）
図４は本発明の第２の実施形態に係る概念図であり、図中実施形態１と同一部材は同じ符号を用いている。
【００３３】
この実施形態は、例えばレイアウトの関係上、どうしても熱交換器９とオイルクーラ４とを近接して配置できないような場合に好適である。即ち、熱交換器９での冷熱を利用するのに変えて、エンジン７からマフラー７ａを経て外部に排出される最終排出冷気を利用するべく、上記マフラー７ａの排気口をオイルクーラ４の表面に臨ませて配置したものである。
【００３４】
尚、この最終排出冷気を利用する形態としては、上記実施例に限定されるものでなく、
実施形態１におけるオイルクーラ４の熱交換器９と対向していない面に、上記マフラー７ａの排気口を臨ませるように追加してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の第１実施形態を示す概念図である。
【図２】本発明の第１実施形態の第１変形例を示す部分概念図である。
【図３】本発明の第１実施形態の第２変形例を示す部分概念図である。
【図４】本発明の第２実施形態を示す概念図である。
【符号の説明】
【００３６】
１    油圧シリンダ（アクチュエータ）
２    油圧ポンプ
３    コントロール弁
４    オイルクーラ
５    オイルタンク
６    圧縮空気エンジンシステム
７    圧縮空気エンジン
８    エアタンク
９    熱交換器
１０    エンジン出力軸
１２    バイパス弁
１３    温度センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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