(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
下部走行体上に旋回自在に配置された上部旋回体上に、エンジンと、エンジンにより駆動する発電機と、発電機による発電電力を充電するバッテリと、バッテリの電力により駆動する電動機と、電動機の駆動を制御するインバータと、運転室とを備えたハイブリッド式建設機械において、
運転室下方の上部旋回体のフレーム内に、運転室に連通する冷却風入口と、冷却風出口と、を備えたバッテリ収納室を設け、バッテリをバッテリ収納室に収納したことを特徴とするハイブリッド式建設機械。
【請求項２】
請求項１記載のハイブリッド式建設機械において、
エンジンと発電機と燃料タンクとを上部旋回体後部の機械室に配置し、
作動油タンクと操作弁とを上部旋回体の前部右側に配置したことを特徴とするハイブリッド式建設機械。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のハイブリッド式建設機械において、
上部旋回体後部の機械室は、ラジエータに連通する吸気室を備えると共に、
インバータを吸気室に収納したことを特徴とするハイブリッド式建設機械。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載のハイブリッド式建設機械において、
運転室は、後部にインバータ収納室を備えると共に、
インバータをインバータ収納室に収納したことを特徴とするハイブリッド式建設機械。
【請求項５】
請求項１記載のハイブリッド式建設機械において、
インバータをバッテリ収納室に収納したことを特徴とするハイブリッド式建設機械。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ハイブリッド式建設機械に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、都市部での建設作業の増加に伴い、建設機械の排ガスや騒音といった作業環境を改善する技術が種々提案されている。例えば、特開２０００−２２６１８３号公報にハイブリッド式の作業車両に関する技術が開示されている。
【０００３】
すなわち、図７に示すように、エンジン５１を動力源として駆動される発電機５２により生成される電力をバッテリチャージャ５３を介してバッテリ５４に充電し、充電された電力によりインバータ５５を介して電動機５６を駆動して、作業機駆動用の油圧ポンプ５７を駆動するように構成している。また、エンジン５１によりクラッチ５８を介して駆動される油圧ポンプ５９も備えている。そして、作業機駆動モードを切換えることにより、油圧ポンプ５７，５９の駆動を、「バッテリ駆動」、「エンジン駆動」、「エンジン駆動とバッテリによるアシスト駆動」に切換えて、作業内容や作業現場に応じた騒音低減を実現している。
【０００４】
また、都市部での作業を行うために、建設機械はコンパクトな外形とする必要があり、このため、搭載される各機器も小型化が要求されている。従来大きな体積を必要としていたハイブリッド式建設機械用の大容量バッテリとして、小型で入出力特性の優れたバッテリ（例えば、リチウムイオン電池やニッケル水素電池等）を採用することが考えられる。この種のバッテリは温度の影響を受け易いため、その性能を発揮するためにバッテリの温度管理は非常に厳しく、バッテリに付属するバッテリコントローラが、バッテリの電圧、電流、温度等を常に監視して、充放電を制御している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のハイブリッド式建設機械においては、エンジンや油圧機器等の発熱体の近くにバッテリが設置されており、バッテリの温度管理を行う設置方法や設置場所に配慮が為されていないため、バッテリの性能を十分に発揮できる構成となっていない。
【０００６】
本発明は、上記の問題に着目してなされたものであり、合理的な機器配置を行うと共に、バッテリの温度管理を行い、バッテリの性能を十分に発揮できるハイブリッド式建設機械を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段、作用及び効果】
上記の目的を達成するために、下部走行体上に旋回自在に配置された上部旋回体上に、エンジンと、エンジンにより駆動する発電機と、発電機による発電電力を充電するバッテリと、バッテリの電力により駆動する電動機と、電動機の駆動を制御するインバータと、運転室とを備えたハイブリッド式建設機械において、運転室下方の上部旋回体のフレーム内に、運転室に連通する冷却風入口と、冷却風出口と、を備えたバッテリ収納室を設け、バッテリをバッテリ収納室に収納した構成としている。
【０００８】
即ち、エンジン等の発熱体から隔離してバッテリを配置しているので、バッテリが高温になりにくい。これにより、バッテリの高温化によるバッテリの性能や寿命の低下を防止でき、バッテリの性能を十分に発揮できる。
【０００９】
また、エンジン等の発熱体から隔離した場所である運転室下方の上部旋回体フレーム内にバッテリ収納室を設け、さらに、このバッテリ収納室は運転室に連通する冷却風入口と、冷却風出口と、を備えているので、冷却風を送風してバッテリが高温になることを防止できる。さらに、エアコンの冷却風の導入により、バッテリを適温に温度管理することも可能となり、これによると、バッテリの性能をさらに十分に発揮できる。
【００１０】
また、エンジンと発電機と燃料タンクとを上部旋回体後部の機械室に配置し、作動油タンクと操作弁とを上部旋回体の前部右側に配置した構成としている。
【００１１】
即ち、燃料タンクをエンジンの近傍に配置し、作動油タンクを操作弁の近傍に配置しているので、燃料配管及びドレン配管を短くでき、組み立ての容易化・システムの小型化が可能となる。
【００１２】
さらに、インバータを、「ラジエータに連通する吸気室」又は、「運転室の後部に設けたインバータ収納室」又は、「バッテリ収納室」に収納した構成としている。
【００１３】
即ち、バッテリと同様に高温に弱いインバータを、エンジン等の発熱体から隔離した「吸気室」又は、「インバータ収納室」又は、「バッテリ収納室」に収納しているので、インバータが高温になりにくい。また、それぞれ、「エンジン冷却空気」、「運転室冷気」、「バッテリ冷却風」によりインバータを冷却することが可能で、よって、インバータを適温に維持でき、インバータの性能を十分に発揮できる。
【００１４】
また、運転室回りにバッテリとインバータとを配置しているので、互いを結ぶ配線が短くなり、組み立てが容易となる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して実施形態について詳細に説明する。
【００１６】
まず、第１実施形態を、図１から図３を参照しながら説明する。図１は、第１実施形態における油圧ショベルのハイブリッドシステムの要部ブロック図である。エンジン１とエンジン１により駆動される可変容量式の油圧ポンプ２との間には、フライホイールと一体となった発電機３が連結されている。電動機としても作動する発電機３は、インバータ４を介してリチウムイオンバッテリ５（以後、バッテリ５と呼ぶ）に接続されている。また、バッテリ５はインバータ６を介して旋回用の電動機７に接続されている。
【００１７】
作業時エンジン１は、定格回転にて駆動しており、油圧ポンプ２を駆動する。油圧ポンプ２から吐出する圧油は、操作弁２４（図２参照）を含む油圧回路（図示せず）を介して油圧ショベルの作業機を駆動する油圧アクチュエータ（図示せず）に供給され、作業機を駆動する。作業機にかかる負荷が小さく油圧ポンプ２の吸収トルクがエンジン１の出力トルクよりも小さい場合には、インバータ４はエンジン１の余剰トルクにより発電機３を駆動制御して電力を発生しバッテリ５を充電する。そして、インバータ６は充電された電力により旋回用の電動機７を駆動制御する。
【００１８】
また、作業機にかかる負荷が大きくなり油圧ポンプ２の吸収トルクがエンジン１の出力トルクよりも大きくなると、インバータ４は発電機４をバッテリ５から電力の供給を受け電動機として駆動制御し、不足分のトルクを発生してエンジン１をアシストする。
【００１９】
さらに、インバータ６は、旋回ブレーキ時に上部旋回体の運動エネルギにより電動機７を回転駆動して電力を発生させバッテリ５を充電する（旋回ブレーキ時のエネルギ回生）。
【００２０】
図２及び図３を用いて、各機器の配置について説明する。油圧ショベルの下部走行体上に旋回自在に配置された上部旋回体１０の下部には、上部旋回体フレーム１１（以後、レボフレーム１１と呼ぶ）が設けられている。そして、このレボフレーム１１上には、前部の左寄り（図２の下側）に運転室１２を搭載し、後部はエンジンフード１３とカウンタウェイト１４とに囲まれた機械室１５を備えている。
【００２１】
機械室１５には左側から、ラジエータ２０、冷却ファン２１、エンジン１、発電機３及び油圧ポンプ２がこの順に配置されている。ラジエータ２０に沿って延設された隔壁１８により、ラジエータ２０より左側の機械室１５には吸気室１５ａが設けられている。エンジン１が駆動すると、冷却ファン２１の回転により、吸気室１５ａのエンジンフード１３に設けられた吸気口１３ａから吸気室１５ａに吸い込まれた冷却空気は、ラジエータ２０にて熱交換しながらラジエータ２０を通過し、エンジン１、発電機３及び油圧ポンプ２を冷却して、機械室１５のエンジンフード１３に設けられた排気口１３ｂから排出される。
【００２２】
上部旋回体１０の前部右側には、作動油タンク２２、燃料タンク２３及び操作弁２４が配置され、上部旋回体１０の中央部には、旋回用の電動機７が装着されている。
【００２３】
図３に示すように、所定高さを有するレボフレーム１１のブラケット１１ａにゴムマウント２５を介してフロアフレーム２６が装着され、このフロアフレーム２６上に運転室１２が固定されている。運転室１２の下方のレボフレーム１１内には、バッテリ収納室３０が設けられており、この中にバッテリ５が収納されている。バッテリ収納室３０の一側には、冷却風入口３０ａが設けられ、運転室１２の後部に設けられたバッテリ温度管理用のエアコン２７と連通しており、バッテリ収納室３０の他側には冷却風出口３０ｂが設けられている。バッテリ５は、充放電の制御やエアコン２７に対する冷却指令制御を行うバッテリコントローラ５ａを備えている。２８は、運転室１２用のエアコンである。
【００２４】
また、吸気室１５ａにはインバータ４，６が設置されている。
【００２５】
エンジン１、発電機３、電動機７、油圧ポンプ２等の発熱体から隔離した場所である運転室１２下方のレボフレーム１１内にバッテリ収納室３０を設け、この中に熱に弱いバッテリ５を収納しているので、バッテリ５が高温になりにくい。そして、バッテリ５が高温になった場合には、これをバッテリコントローラ５ａが検出してエアコン２７に冷却指令を出力し、冷却風入口３０ａから冷気をバッテリ収納室３０内に導入しバッテリ５を冷却できる。このため、バッテリ５を適温に維持でき、バッテリ５の性能を十分に発揮することが可能となる。
【００２６】
バッテリ５と同様に、インバータ４，６も熱に弱く、高温になると素子の破壊を防止するために出力を止めてしまうが、インバータ４，６を吸気室１５ａに設置しているので冷却空気により冷却され高温となることが防止される。これによりインバータ４，６による、旋回用の電動機７の駆動や、発電機３のアシスト駆動を確実に制御できる。
【００２７】
また、運転室回りにバッテリ５とインバータ４，６とを配置しているので、互いを結ぶ配線が短くなると共に、運転室内に装着される車両制御装置との配線も短くなり、組み立てが容易となる。
【００２８】
次に、第２実施形態を図４及び図５を参照しながら説明する。なお、第１実施形態と同一要素には同一符号を付し、重複説明は省略する。
【００２９】
図４は、第２実施形態における油圧ショベルのハイブリッドシステムの要部ブロック図である。エンジン１に連結された発電機３Ａは、インバータ４を介してバッテリ５に接続されている。また、バッテリ５は、第１実施形態と同様にインバータ６を介して旋回用の電動機７に接続されると共に、インバータ６Ａ，６Ｂ，・・・を介して電動油圧ユニット８Ａ，８Ｂ，・・・に接続されている。電動油圧ユニット８Ａ，８Ｂ，・・・は、操作弁を含む油圧回路、電動機及び電動機に連結された油圧ポンプを備えており、油圧ショベルの作業機を駆動する油圧アクチュエータ毎に対応して設けられ、対応する油圧アクチュエータを駆動する。
【００３０】
作業時エンジン１は、定格回転にて駆動しており、発電機３Ａを駆動して電力を発生し、インバータ４を介してバッテリ５に充電する。そして、インバータ６，６Ａ，６Ｂ，・・・は充電された電力により旋回用の電動機７や電動油圧ユニット８Ａ，８Ｂ，・・・を駆動制御し、作業を行う。
【００３１】
第１実施形態での「旋回ブレーキ時のエネルギ回生」に加え、例えば作業機のブーム下げ時に、インバータ６Ａは、油圧アクチュエータ（ブームシリンダ）からの戻り油により、電動油圧ユニット８Ａの油圧ポンプ（このとき、油圧モータとして作動）を介して電動油圧ユニット８Ａの電動機を駆動して発電し、バッテリ５に充電する（ブーム下げ時のエネルギ回生）。
【００３２】
図５に示すように、機械室１５には左側から、ラジエータ２０、冷却ファン２１、エンジン１、及び発電機３Ａがこの順に配置されている。上部旋回体１０の前部右側には、作動油タンク２２、インバータ６Ａ，６Ｂ，・・・及び電動油圧ユニット８Ａ，８Ｂ，・・・が配置され、上部旋回体１０の中央部には、旋回用の電動機７が装着されている。また吸気室１５ａには燃料タンク２３が配置されている。
【００３３】
運転室１２の下方のレボフレーム１１内には、第１実施形態と同様に冷却風入口３０ａと冷却風出口３０ｂとが設けられたバッテリ収納室３０が設けられており、この中にバッテリ５及びインバータ４，６が収納されている。
【００３４】
発熱体であるエンジン１、発電機３Ａ、電動機７等から隔離し、エアコン２７により冷却自在なバッテリ収納室３０に、熱に弱いバッテリ５及びインバータ４，６を収納しているので、上記各機器を適温に維持できる。これにより、上記各機器の性能を十分に発揮することが可能となる。
【００３５】
また、燃料タンク２３をエンジン１に近い吸気室１５ａに配置しているので、燃料配管を短くでき、組み立ても容易となる。そして、エンジン関連機器類を機械室１５に機械室のモジュール化に対応できる。
【００３６】
同様に、作動油タンク２２を操作弁（本実施形態では電動油圧ユニット８Ａ，８Ｂ，・・・に含まれている）に近い上部旋回体１０の前部右側に配置しているので、ドレン配管を短くでき、組み立ても容易となる。本実施形態においては、電動油圧ユニット８Ａ，８Ｂ，・・・が油圧ポンプを備えているので、サクション配管を短くでき、組み立ても容易となる。そして、油圧関連機器類を集めて配置しているので、油圧関連機器類のモジュール化に対応できる。
【００３７】
上述した機能別のモジュール化により、モジュール毎の組み立て及び検査が可能となり、仕様の異なるモジュールを組み合わせることにより、建設機械の多数の仕様に対応可能となる。
【００３８】
なお、本実施形態は上記実施形態に限定するものではなく、本発明の範囲内において変更や修正を加えても構わない。
【００３９】
例えば、バッテリ温度管理用のエアコン２７の代わりにファンのみにより、運転室１２の冷気をバッテリ収納室３０に送風するように構成してもよい。
【００４０】
バッテリ５は一つの例にて説明したが、車両の仕様及びバッテリの容量により複数個用いてもよい。
【００４１】
また、第１実施形態において、吸気室１５ａに配置するインバータ４，６は、冷却空気にて空冷する例にて説明したが、インバータをウォータジャケットで覆い強制水冷を行い、これに流す冷却水の冷却にラジエータ２０を利用するように構成してもよい。この場合、インバータは機械室１５に配置しても構わない。
【００４２】
図６に示すように、運転室１２の後部にインバータ収納室３１を設けて、この中にインバータ４，６を収納してもよい。この場合、同図に示すように、冷却風入口３１ａ、冷却風出口３１ｂ及びファン３２を設けておくのが望ましい。
【００４３】
さらに、建設機械のハイブリッドシステムとして、図１及び図４に示すシステムを例に挙げたが、エンジンと、エンジンにより駆動する発電機と、これによる発電電力を充電するバッテリと、バッテリの電力により駆動する電動機と、電動機の駆動を制御するインバータとを備えた他の形式のハイブリッド式建設機械に、本発明を適用できるのは言うまでもない。
【００４４】
以上説明したように、本発明によれば、燃料タンクをエンジンの近傍に、作動油タンクを操作弁の近傍にそれぞれ配置した合理的な配置としているので、配管類を短くでき組み立てが容易となると共に、機能別のモジュール化に対応可能となる。
【００４５】
また、エンジン等の発熱体から隔離した場所である運転室下方のレボフレーム内にバッテリ収納室を設け、この中に高温に弱く温度管理の必要なバッテリを収納して、エアコンにより冷却自在としているので、バッテリを適温に維持できる。これにより、バッテリの性能を十分に発揮することが可能となる。
【００４６】
また、バッテリと同様に高温に弱いインバータを、エンジン等の発熱体から隔離して、冷却空気により冷却できる場所に配置しているので、インバータを適温に維持できる。これにより、インバータの性能を十分に発揮することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  第１実施形態に係わる油圧ショベルのハイブリッドシステムの要部ブロック図である。
【図２】  第１実施形態に係わる油圧ショベルの機器配置を示す平面図である。
【図３】  第１実施形態に係わる油圧ショベルの機器配置を示す側面図である。
【図４】  第２実施形態に係わる油圧ショベルのハイブリッドシステムの要部ブロック図である。
【図５】  第２実施形態に係わる油圧ショベルの機器配置を示す平面図である。
【図６】  別態様に係わる油圧ショベルの機器配置を示す側面図である。
【図７】  従来技術の作業機械のブロック図である。
【符号の説明】
１・・エンジン、２・・油圧ポンプ、３，３Ａ・・発電機、４，６，６Ａ，６Ｂ・・インバータ、５・・バッテリ、７・・電動機、８・・電動油圧ユニット、１０・・上部旋回体、１１・・レボフレーム、１２・・運転室、１５・・機械室、１５ａ・・吸気室、２０・・ラジエータ、２６・・フロアフレーム、２７・・エアコン、３０・・バッテリ収納室、３０ａ・・冷却風入口、３０ｂ・・冷却風出口、３１・・インバータ収納室、３２・・ファン。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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