ハイブリッド型建設機械
【課題】インバータ回路や直流電圧変換器を効果的に冷却することができるハイブリッド型建設機械を提供する。
【解決手段】リフティングマグネット車両１は、第１の冷却液循環システム６０により冷却されるエンジン１１と、エンジン１１の駆動力により発電を行い、また自身の駆動力によりエンジン１１の駆動力を補助する電動発電機１２と、電動発電機１２に接続されたインバータ回路１８Ａと、インバータ回路１８Ａに昇降圧コンバータ１００を介して接続されたバッテリ１９と、インバータ回路１８Ａにインバータ回路２０を介して接続された旋回用電動機２１と、インバータ回路１８Ａ、２０、および昇降圧コンバータ１００を冷却するために第１の冷却液循環システム６０とは別に設けられた第２の冷却液循環システム７０とを備える。
【解決手段】リフティングマグネット車両１は、第１の冷却液循環システム６０により冷却されるエンジン１１と、エンジン１１の駆動力により発電を行い、また自身の駆動力によりエンジン１１の駆動力を補助する電動発電機１２と、電動発電機１２に接続されたインバータ回路１８Ａと、インバータ回路１８Ａに昇降圧コンバータ１００を介して接続されたバッテリ１９と、インバータ回路１８Ａにインバータ回路２０を介して接続された旋回用電動機２１と、インバータ回路１８Ａ、２０、および昇降圧コンバータ１００を冷却するために第１の冷却液循環システム６０とは別に設けられた第２の冷却液循環システム７０とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ハイブリッド型建設機械に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、駆動機構の一部を電動化したハイブリッド型建設機械が提案されている。このような建設機械は、ブーム、アーム、及びバケット等の可動部を油圧駆動するための油圧ポンプを備えており、この油圧ポンプを駆動するための内燃機関発動機（エンジン）に電動発電機を連結し、該エンジンの駆動力を補助するとともに、発電により得られる電力を蓄電池（バッテリ）に充電している。
【０００３】
また、上部旋回体を旋回させるための動力源として油圧モータに加えて電動機を備え、加速旋回時に電動機で油圧モータの駆動をアシストし、減速旋回時に電動機で回生運転を行い、発電される電力をバッテリに充電している（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平１０−１０３１１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述したハイブリッド型建設機械においては、電動発電機により得られる交流電力を、蓄電池に充電するため直流電力に変換する必要がある。或いは、電動発電機を駆動するために、蓄電池の直流電力を交流電力に変換する必要がある。したがって、電動発電機の後段にはインバータ回路が接続される。また、蓄電池の充放電を制御するためには、このインバータ回路と蓄電池との間に直流電圧変換器（昇降圧コンバータ）を設ける必要がある。更には、旋回用の電動機の力行動作および回生動作を制御するために、この電動機と電動発電機のインバータ回路との間には更に別のインバータ回路が設けられる。
【０００５】
これらのインバータ回路や直流電圧変換器は、大電力用のトランジスタをそれぞれ複数有しているため、その発熱が大きくなる。したがって、これらの回路部品を冷却する必要が生じるが、ヒートシンクを使用した空冷方式では十分な冷却能力を確保することが難しい。また、エンジンの冷却水はエンジンの排熱により高温となっているので、この冷却水を利用して回路部品を冷却することは困難であり、またエンジンが停止するとラジエターのファンが停止するので使用できなくなる。
【０００６】
本発明は、上記した問題点を鑑みてなされたものであり、ハイブリッド型建設機械において、インバータ回路や直流電圧変換器を効果的に冷却することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記した課題を解決するために、本発明によるハイブリッド型建設機械は、内燃機関発動機と、操作者の操作により駆動される作業用電動機とを備えるハイブリッド型建設機械であって、内燃機関発動機を冷却する第１の熱交換機を含む第１の冷却液循環システムと、作業用電動機の端子に一端が接続された第１のインバータ回路と、第１のインバータ回路の他端に直流電圧変換器を介して接続された蓄電池と、第１のインバータ回路および直流電圧変換器を冷却するために第１の冷却液循環システムとは別に設けられた、第２の熱交換機を含む第２の冷却液循環システムとを備えることを特徴とする。
【０００８】
また、ハイブリッド型建設機械は、内燃機関発動機に連結され、内燃機関発動機の駆動力により発電を行う電動発電機と、電動発電機の端子に一端が接続された第２のインバータ回路とを更に備え、第２の冷却液循環システムが、電動発電機および第２のインバータ回路を更に冷却することを特徴としてもよい。
【０００９】
また、ハイブリッド型建設機械は、第２の冷却液循環システムには温度センサが備えられ、温度センサの検出値に基づいて、電動発電機および作業用電動機のうち少なくとも一方の出力を制限する制御部を更に備えることを特徴としてもよい。
【００１０】
また、ハイブリッド型建設機械は、第２の冷却液循環システムが、作業用電動機を更に冷却することを特徴としてもよい。
【００１１】
また、ハイブリッド型建設機械は、第２の冷却液循環システムにおいて、冷却液が、第２の熱交換機から送出されたのち、第１のインバータ回路、第２のインバータ回路、および直流電圧変換器を通過してから電動発電機および作業用電動機を通過することを特徴としてもよい。
【００１２】
また、ハイブリッド型建設機械は、電動発電機および作業用電動機を冷却するために第１及び第２の冷却液循環システムとは別に設けられた、第３の熱交換機を含む第３の冷却液循環システムを更に備えることを特徴としてもよい。
【００１３】
また、ハイブリッド型建設機械は、電動発電機は、自身の駆動力により内燃機関発動機の駆動力を補助することを特徴としてもよい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係るハイブリッド型建設機械によれば、インバータ回路や直流電圧変換器を効果的に冷却できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、添付図面を参照しながら本発明によるハイブリッド型建設機械の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１６】
図１は、本発明に係るハイブリッド型建設機械の一例として、リフティングマグネット車両１の外観を示す斜視図である。図１に示すように、リフティングマグネット車両１は、無限軌道を含む走行機構２と、走行機構２の上部に旋回機構３を介して回動自在に搭載された旋回体４とを備えている。旋回体４には、ブーム５と、ブーム５の先端にリンク接続されたアーム６と、アーム６の先端にリンク接続されたリフティングマグネット７とが取り付けられている。リフティングマグネット７は、鋼材などの吊荷Ｇを磁力により吸着して捕獲するための設備である。ブーム５、アーム６、及びリフティングマグネット７は、それぞれブームシリンダ８、アームシリンダ９、及びバケットシリンダ１０によって油圧駆動される。また、旋回体４には、リフティングマグネット７の位置や励磁動作および釈放動作を操作する操作者を収容するための運転室４ａや、油圧を発生するためのエンジン（内燃機関発動機）１１といった動力源が設けられている。エンジン１１は、例えばディーゼルエンジンで構成される。
【００１７】
図２は、本実施形態のリフティングマグネット車両１の電気系統や油圧系統といった内部構成を示すブロック図である。なお、図２では、機械的に動力を伝達する系統を二重線で、油圧系統を太い実線で、操縦系統を破線で、電気系統を細い実線でそれぞれ示している。
【００１８】
図２に示すように、リフティングマグネット車両１は電動発電機１２および減速機１３を備えており、エンジン１１及び電動発電機１２の回転軸は、共に減速機１３の入力軸に接続されることにより互いに連結されている。エンジン１１の負荷が大きいときには、電動発電機１２が自身の駆動力によりエンジン１１の駆動力を補助（アシスト）し、電動発電機１２の駆動力が減速機１３の出力軸を経てメインポンプ１４に伝達される。一方、エンジン１１の負荷が小さいときには、エンジン１１の駆動力が減速機１３を経て電動発電機１２に伝達されることにより、電動発電機１２が発電を行う。電動発電機１２は、例えば、磁石がロータ内部に埋め込まれたＩＰＭ（Interior Permanent Magnetic）モータによって構成される。電動発電機１２の駆動と発電との切り替えは、リフティングマグネット車両１における電気系統の駆動制御を行うコントローラ３０により、エンジン１１の負荷等に応じて行われる。
【００１９】
減速機１３の出力軸にはメインポンプ１４及びパイロットポンプ１５が接続されており、メインポンプ１４には高圧油圧ライン１６を介してコントロールバルブ１７が接続されている。コントロールバルブ１７は、リフティングマグネット車両１における油圧系の制御を行う装置である。コントロールバルブ１７には、図１に示した走行機構２を駆動するための油圧モータ２ａ及び２ｂの他、ブームシリンダ８、アームシリンダ９、及びバケットシリンダ１０が高圧油圧ラインを介して接続されており、コントロールバルブ１７は、これらに供給する油圧を運転者の操作入力に応じて制御する。
【００２０】
電動発電機１２の電気的な端子には、インバータ回路１８Ａの一端が接続されている。インバータ回路１８Ａは、本発明における第２のインバータ回路の一例である。インバータ回路１８Ａの他端には、蓄電手段１１０が接続されている。インバータ回路１８Ａは、コントローラ３０からの指令に基づき、電動発電機１２の運転制御を行う。すなわち、インバータ回路１８Ａが電動発電機１２を力行運転させる際には、必要な電力を蓄電手段１１０から電動発電機１２に供給する。また、電動発電機１２を回生運転させる際には、電動発電機１２により発電された電力を蓄電手段１１０に充電する。
【００２１】
蓄電手段１１０には、インバータ回路１８Ｂを介してリフティングマグネット７が接続されている。リフティングマグネット７は、金属物を磁気的に吸着させるための磁力を発生する電磁石を含んでおり、インバータ回路１８Ｂを介して蓄電手段１１０から電力が供給される。インバータ回路１８Ｂは、コントローラ３０からの指令に基づき、電磁石をオンにする際には、リフティングマグネット７へ要求された電力を蓄電手段１１０より供給する。また、電磁石をオフにする場合には、回生された電力を蓄電手段１１０に供給する。
【００２２】
更に、蓄電手段１１０には、インバータ回路２０を介して作業用電動機としての旋回用電動機２１が接続されている。旋回用電動機２１は、旋回体４を旋回させる旋回機構３の動力源である。旋回用電動機２１の回転軸２１Ａには、レゾルバ２２、メカニカルブレーキ２３、及び旋回減速機２４が接続される。なお、インバータ回路２０は、本発明における第１のインバータ回路の一例である。
【００２３】
旋回用電動機２１が力行運転を行う際には、旋回用電動機２１の回転駆動力の回転力が旋回減速機２４にて増幅され、旋回体４が加減速制御され回転運動を行う。また、旋回体４の慣性回転により、旋回減速機２４にて回転数が増加されて旋回用電動機２１に伝達され、回生電力を発生させる。旋回用電動機２１は、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御信号によりインバータ回路２０によって交流駆動される。旋回用電動機２１としては、例えば、磁石埋込型のＩＰＭモータが好適である。
【００２４】
レゾルバ２２は、旋回用電動機２１の回転軸２１Ａの回転位置及び回転角度を検出するセンサであり、旋回用電動機２１と機械的に連結することで回転軸２１Ａの回転角度及び回転方向を検出する。レゾルバ２２が回転軸２１Ａの回転角度を検出することにより、旋回機構３の回転角度及び回転方向が導出される。メカニカルブレーキ２３は、機械的な制動力を発生させる制動装置であり、コントローラ３０からの指令によって、旋回用電動機２１の回転軸２１Ａを機械的に停止させる。旋回減速機２４は、旋回用電動機２１の回転軸２１Ａの回転速度を減速して旋回機構３に機械的に伝達する減速機である。
【００２５】
なお、蓄電手段１１０には、インバータ回路１８Ａ、１８Ｂ、及び２０を介して、電動発電機１２、リフティングマグネット７、及び旋回用電動機２１が接続されているので、電動発電機１２で発電された電力がリフティングマグネット７又は旋回用電動機２１に直接的に供給される場合もあり、リフティングマグネット７で回生された電力が電動発電機１２又は旋回用電動機２１に供給される場合もあり、さらに、旋回用電動機２１で回生された電力が電動発電機１２又はリフティングマグネット７に供給される場合もある。
【００２６】
パイロットポンプ１５には、パイロットライン２５を介して操作装置２６が接続されている。操作装置２６は、旋回用電動機２１、走行機構２、ブーム５、アーム６、及びリフティングマグネット７を操作するための操作装置であり、操作者によって操作される。操作装置２６には、油圧ライン２７を介してコントロールバルブ１７が接続され、また、油圧ライン２８を介して圧力センサ２９が接続される。操作装置２６は、パイロットライン２５を通じて供給される油圧（１次側の油圧）を操作者の操作量に応じた油圧（２次側の油圧）に変換して出力する。操作装置２６から出力される２次側の油圧は、油圧ライン２７を通じてコントロールバルブ１７に供給されるとともに、圧力センサ２９によって検出される。ここでは、作業用電動機としての旋回用電動機２１を挙げているが、さらに、走行機構２を作業用電動機として電気駆動させても良い。更にフォークリフトに本願発明を適用する場合には、リフティング装置を作業用電動機として電気駆動させても良い。
【００２７】
圧力センサ２９は、操作装置２６に対して旋回機構３を旋回させるための操作が入力されると、この操作量を油圧ライン２８内の油圧の変化として検出する。圧力センサ２９は、油圧ライン２８内の油圧を表す電気信号を出力する。この電気信号は、コントローラ３０に入力され、旋回用電動機２１の駆動制御に用いられる。
【００２８】
コントローラ３０は、旋回駆動制御部４０及び駆動制御部５０を含み、ＣＰＵ（Central Processing Unit）及び内部メモリを含む演算処理装置によって構成され、内部メモリに格納された駆動制御用のプログラムをＣＰＵが実行することにより実現される。旋回駆動制御部４０は、圧力センサ２９から入力される信号のうち、旋回機構３を旋回させるための操作量を表す信号を速度指令に変換し、旋回用電動機２１の駆動制御を行う。駆動制御部５０は、電動発電機１２の運転制御（アシスト運転及び発電運転の切り替え）、リフティングマグネット７の駆動制御（励磁と消磁の切り替え）、並びに、昇降圧コンバータ１００を駆動制御することによるバッテリ１９の充放電制御を行う。
【００２９】
本実施形態における蓄電手段１１０の構成について更に詳しく説明する。図３は、蓄電手段１１０の回路構成を概略的に示す図である。蓄電手段１１０は、昇降圧コンバータ（直流電圧変換器）１００、ＤＣバス１１１、及びバッテリ１９によって構成されている。
【００３０】
昇降圧コンバータ（直流電圧変換器）１００の一端は、ＤＣバス１１１といった直流配線に接続されている。昇降圧コンバータ１００の他端には、蓄電池としてのバッテリ１９が接続されている。例えば、インバータ回路１８Ａが電動発電機１２を力行運転させる際には、バッテリ１９と昇降圧コンバータ１００からＤＣバス１１１を介して電動発電機１２に必要な電力が供給される。また、電動発電機１２を回生運転させる際には、電動発電機１２により発電された電力がＤＣバス１１１及び昇降圧コンバータ１００を介してバッテリ１９に充電される。なお、昇降圧コンバータ１００の昇圧動作と降圧動作の切替制御は、ＤＣバス電圧値、バッテリ電圧値、及びバッテリ電流値に基づき、コントローラ３０によって行われる。これにより、ＤＣバス１１１は予め定められた一定電圧値に蓄電された状態に維持される。すなわち、ＤＣバス１１１、バッテリ１９、及び昇降圧コンバータ１００により、蓄電手段１１０が構成される。
【００３１】
昇降圧コンバータ１００は、リアクトル１０１、トランジスタ１０２Ａ及び１０２Ｂ、並びに平滑用のコンデンサ１０７を備えている。トランジスタ１０２Ａ及び１０２Ｂは、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）によって構成され、互いに直列に接続されている。具体的には、トランジスタ１０２Ａのコレクタとトランジスタ１０２Ｂのエミッタとが相互に接続され、トランジスタ１０２Ａのエミッタはバッテリ１９の負側端子およびＤＣバス１１１の負側配線に接続され、トランジスタ１０２ＢのコレクタはＤＣバス１１１の正側配線に接続されている。そして、リアクトル１０１は、その一端がトランジスタ１０２Ａのコレクタ及びとトランジスタ１０２Ｂのエミッタに接続されるとともに、他端がバッテリ１９の正側端子に接続されている。トランジスタ１０２Ａ及び１０２Ｂのゲートには、コントローラ３０からＰＷＭ電圧が印加される。なお、トランジスタ１０２Ａのコレクタとエミッタとの間には、整流素子であるダイオード１０２ａが逆方向に接続されている。同様に、トランジスタ１０２Ｂのコレクタとエミッタとの間には、ダイオード１０２ｂが逆方向に接続されている。平滑用のコンデンサ１０７は、トランジスタ１０２Ｂのコレクタとトランジスタ１０２Ａのエミッタとの間に接続され、昇降圧コンバータ１００からの出力電圧を平滑化する。
【００３２】
このような構成を備える昇降圧コンバータ１００において、直流電力をバッテリ１９からＤＣバス１１１へ供給する際には、トランジスタ１０２ＡのゲートにＰＷＭ電圧を印加し、トランジスタ１０２Ａのオン／オフに伴ってリアクトル１０１に発生する誘導起電力をダイオード１０２ｂを介して伝達し、この電力をコンデンサ１０７により平滑化する。また、直流電力をＤＣバス１１１からバッテリ１９へ供給する際には、トランジスタ１０２ＢのゲートにＰＷＭ電圧を印加するとともに、トランジスタ１０２Ｂから出力される電流をリアクトル１０１により平滑化する。
【００３３】
ここで、トランジスタ１０２Ａ及び１０２Ｂは大電力を制御するので、発熱量が極めて大きくなる。また、リアクトル１０１においても発熱量が多大となる。したがって、トランジスタ１０２Ａ及び１０２Ｂ、並びにリアクトル１０１を冷却する必要が生じる。また、インバータ回路１８Ａ，１８Ｂ，及び２０もまた昇降圧コンバータ１００と同様に大電力用のトランジスタを有するので、冷却する必要がある。そこで、本実施形態のリフティングマグネット車両１は、昇降圧コンバータ１００、インバータ回路１８Ａ，１８Ｂ，及び２０を冷却するための冷却液循環システムを備えている。
【００３４】
本実施形態における冷却液循環システムについて、更に詳しく説明する。図２に示すように、リフティングマグネット車両１は、互いに独立した内燃機関発動機用の第１の冷却液循環システム６０と電気系用の第２の冷却液循環システム７０とを備えている。第１の冷却液循環システム６０は、ポンプモータ６１によって駆動され、エンジン１１を冷却する。第２の冷却液循環システム７０は、ポンプモータ７１によって駆動され、昇降圧コンバータ１００、インバータ回路１８Ａ，１８Ｂ，及び２０、並びにコントローラ３０を冷却する。加えて、第２の冷却液循環システム７０は、電動発電機１２、減速機１３、および旋回用電動機２１を冷却する。
【００３５】
図４は、リフティングマグネット車両１における冷却液循環システムについて説明するためのブロック図である。図４（ａ）に示すように、第１の冷却液循環システム６０は、上述したポンプモータ６１によって駆動されるポンプ６２とラジエター６３とを備えており、ポンプ６２によって循環された冷却液がラジエター６３により放熱され、エンジン１１の冷却配管へ供給される。なお、ラジエター６３は本発明における第１の熱交換機の一例である。
【００３６】
また、図４（ｂ）に示すように、第２の冷却液循環システム７０は、上述したポンプモータ７１によって駆動されるポンプ７２と、ラジエター７３と、ドライバユニット７４とを備えている。ポンプ７２によって循環された冷却液はラジエター７３により放熱され、ドライバユニット７４へ送られる。ドライバユニット７４は、昇降圧コンバータ１００、インバータ回路１８Ａ，１８Ｂ，及び２０、並びにコントローラ３０をそれぞれ構成する複数のモジュールを収容するとともに、これらのモジュールを冷却するための配管を有する構造体である。ドライバユニット７４の配管を通過した冷却液は、旋回用電動機２１、電動発電機１２、および減速機１３をこの順に冷却したのち、ポンプ７２からラジエター７３へ戻される。なお、ラジエター７３は本発明における第２の熱交換機の一例である。また、ドライバユニット７４の入口には、冷却液の温度を検出するための温度センサ７７が設けられることが好ましい。更に、検出した温度を表示する表示装置を備えると尚良い。これにより、ラジエター７３が詰まり冷却性能が低下した場合には、検出値に基づいてコントロールボックス内の制御装置は、旋回用電動機２１、若しくは、電動発電機１２の少なくとも一方の出力を制限することができる。その結果、連続的な運転を可能とすることができ、ハイブリッド型建設機械を停止することなく継続的な作業が可能となる。
【００３７】
図５は、ドライバユニット７４の外観を示す斜視図である。ドライバユニット７４は、略直方体状の外観を有しており、コントローラ３０を収容するコントロールボックス８１と、昇降圧コンバータ１００を収容する昇降圧コンバータユニット８２と、インバータ回路１８Ａ、１８Ｂ及び２０を収容するインバータユニット８３〜８５と、リフマグ冷却ファンユニット８６とを備えている。昇降圧コンバータユニット８２、インバータユニット８３〜８５、およびリフマグ冷却ファンユニット８６は、それぞれ奥行き方向に長い直方体状の外観を有しており、金属製の板状台座８７上に横方向に並んで設置されている。そして、これらのユニット８２〜８６の上にコントロールボックス８１が載置されており、更にコントロールボックス８１の上面には空冷のためのヒートシンク８８が取り付けられている。
【００３８】
また、コントロールボックス８１には冷却用配管８１ａが内蔵されている。同様に、昇降圧コンバータユニット８２には冷却用配管８２ａが、インバータユニット８３〜８５には冷却用配管８３ａ〜８５ａが、リフマグ冷却ファンユニット８６には冷却用配管８６ａが、それぞれ内蔵されている。
【００３９】
図６は、第２の冷却液循環システム７０へ各冷却用配管８１ａ〜８６ａを接続した状態を示す斜視図である。図６に示すように、ラジエター７３（図４参照）から延設された配管９０Ａは、三本の配管９０Ｂ〜９０Ｄに分岐される。これらの配管のうち、配管９０Ｂはコントロールボックス８１の冷却用配管８１ａの一端に連結され、冷却用配管８１ａの他端は、更に別の配管９０Ｅを介してインバータユニット８５の冷却用配管８５ａの一端に連結される。また、配管９０Ｃは昇降圧コンバータユニット８２の冷却用配管８２ａの一端に連結され、冷却用配管８２ａの他端は、配管９０Ｆを介してインバータユニット８３の冷却用配管８３ａの一端に連結される。また、配管９０Ｄはリフマグ冷却ファンユニット８６の冷却用配管８６ａの一端に連結され、冷却用配管８６ａの他端は、配管９０Ｇを介してインバータユニット８４の冷却用配管８４ａの一端に連結される。
【００４０】
そして、インバータユニット８３〜８５の冷却用配管８３ａ〜８５ａの他端には、それぞれ配管９０Ｈ、９０Ｉおよび９０Ｊが連結される。配管９０Ｈ、９０Ｉおよび９０Ｊは一本の配管９０Ｋに連結され、配管９０Ｋが旋回用電動機２１へ延設される。
【００４１】
図７（ａ）は、昇降圧コンバータユニット８２の内部構成を示す平面図である。また、図７（ｂ）は、昇降圧コンバータユニット８２の内部構成を示す側面図である。なお、これらの図においては、昇降圧コンバータユニット８２の内部構成がわかるようにケースの天板や側板を外した状態を示している。
【００４２】
昇降圧コンバータユニット８２の内部には、昇降圧コンバータ１００のトランジスタ１０２Ａ及び１０２Ｂを組み込んだインテリジェントパワーモジュール（ＩＰＭ：Intelligent Power Module）１０３と、リアクトル１０１（図３参照）と、冷却用配管８２ａとが内蔵されている。ＩＰＭ１０３は、配線基板１０４上に実装されている。冷却用配管８２ａは、昇降圧コンバータユニット８２の側面に沿って二次元状に配設されている。具体的には、冷却用配管８２ａは、昇降圧コンバータユニット８２の内部でなるべく長く配設されるように幾重にも折れ曲がった状態で矩形断面の金属容器８２ｂに収容されており、またこの金属容器８２ｂの内側面に接している。金属容器８２ｂの外側面には、図７（ａ）に示すようにリアクトル１０１及びＩＰＭ１０３が接触配置されており、金属容器８２ｂはリアクトル１０１及びＩＰＭ１０３からの熱を冷却用配管８２ａへ伝える。これにより、リアクトル１０１及びＩＰＭ１０３が冷却される。なお、リアクトル１０１には、リアクトル１０１の温度を検出するための温度センサ１０７が設けられることが好ましい。
【００４３】
図８（ａ）は、インバータユニット８３の内部構成を示す平面図である。また、図８（ｂ）は、インバータユニット８３の内部構成を示す側面図である。なお、これらの図においては、図７と同様に、インバータユニット８３の内部構成がわかるようにケースの天板や側板を外した状態を示している。また、インバータユニット８４及び８５の内部構成は、内蔵するインバータ回路の構成を除いて、図８に示すインバータユニット８３の内部構成と同様である。
【００４４】
インバータユニット８３の内部には、インバータ回路１８Ａのトランジスタを組み込んだＩＰＭ１０５と、冷却用配管８３ａとが内蔵されている。ＩＰＭ１０５は、配線基板１０６上に実装されている。冷却用配管８３ａは、昇降圧コンバータユニット８２における冷却用配管８２ａと同様の形態で配設されている。冷却用配管８３ａは矩形断面の金属容器８３ｂに収容されており、またこの金属容器８３ｂの内側面に接している。金属容器８３ｂの外側面には、図８（ａ）に示すようにＩＰＭ１０５が接触配置されており、金属容器８３ｂはＩＰＭ１０５からの熱を冷却用配管８３ａへ伝える。
【００４５】
図９は、第２の冷却液循環システム７０による旋回用電動機２１の冷却方式を説明するための図である。なお、電動発電機１２における冷却方式も旋回用電動機２１における方式と同様なので、ここでは旋回用電動機２１についてのみ代表して説明する。
【００４６】
図９に示すように、旋回用電動機２１は、駆動部ケース２０１と、駆動部ケース２０１に取り付けられたステータ２０２と、ステータ２０２の径方向内方において回転自在に配設されたロータ２０３と、ロータ２０３を貫通して延在し、駆動部ケース２０１に対してベアリング２０４、２０５によって回転自在に配設された出力軸２０６とを備えている。駆動部ケース２０１は、側板２０７及び２０８と、側板２０７及び２０８の間に取り付けられ、軸方向に延びる筒状のモータフレーム２０９とによって構成され、ベアリング２０４は側板２０７に、ベアリング２０５は側板２０８に、ステータ２０２はモータフレーム２０９に取り付けられている。
【００４７】
ステータ２０２は図示されないコイルを備えており、該コイルに所定の電流を供給すると、旋回用電動機２１が駆動され、ロータ２０３が電流の大きさに対応する回転速度で回転する。そして、ロータ２０３の回転は、ロータ２０３が取り付けられた出力軸２０６に伝達される。
【００４８】
旋回用電動機２１の駆動に伴って発生した熱を放熱し、旋回用電動機２１を冷却するために、駆動部ケース２０１の外周にはジャケット２１１が取り付けられている。ジャケット２１１は、冷却液が供給される冷却液供給口２１２、旋回用電動機２１を冷却した後の、温度が高くなった冷却液を排出する冷却液排出口２１３、及び冷却液供給口２１２と冷却液排出口２１３とを連結し、螺旋又は蛇行させて延在する一本の冷却液流路２１４を有する。ポンプ７２からラジエター７３及びドライバユニット７４を通過して冷却液供給口２１２へ供給された冷却液は、冷却液流路２１４内を蛇行しながら流れ、その間に旋回用電動機２１を冷却した後、冷却液排出口２１３から排出される。
【００４９】
なお、第２の冷却液循環システム７０には、図９に示すように冷却液を補充するための補助タンク７５が設けられることが好ましい。
【００５０】
以上に説明した本実施形態のリフティングマグネット車両１は、エンジン１１を冷却するための第１の冷却液循環システム６０とは別に、昇降圧コンバータ１００やインバータ回路１８Ａ，１８Ｂ及び２０を冷却するための第２の冷却液循環システム７０を備えている。したがって、空冷方式と比較して十分な冷却性能を確保でき、またエンジン冷却用の冷却液と比較して冷却液を低温にできるので、昇降圧コンバータ１００、インバータ回路１８Ａ，１８Ｂ及び２０を効果的に冷却することができる。また、エンジン１１が停止した場合であっても、ポンプモータ７１およびラジエター７３が動作する限りこれらを冷却し続けることができる。
【００５１】
また、本実施形態においては、第２の冷却液循環システム７０が、昇降圧コンバータ１００、インバータ回路１８Ａ，１８Ｂ及び２０だけでなく、電動発電機１２および旋回用電動機２１を更に冷却している。本発明においてはこのような形態がより好適であり、これによって電動発電機１２および旋回用電動機２１をも効果的に冷却することができる。また、本実施形態では、第２の冷却液循環システム７０において、冷却液が、ラジエター７３から送出されたのち、昇降圧コンバータ１００、インバータ回路１８Ａ，１８Ｂ及び２０を収容するドライバユニット７４を通過してから電動発電機１２および旋回用電動機２１を通過している。このように、比較的低温のドライバユニット７４を先に冷却し、その後に比較的高温の電動発電機１２および旋回用電動機２１を冷却することで、第２の冷却液循環システム７０の冷却効率を更に高めることができる。
（変形例）
【００５２】
図１０は、上記実施形態に係る冷却液循環システムの変形例を示す図である。図１０に示すように、本変形例では、リフティングマグネット車両は図４に示した第１の冷却液循環システム６０に加えて、第２の冷却液循環システム７０Ａおよび第３の冷却液循環システム１２０を備えている。第２の冷却液循環システム７０Ａは、上記実施形態の第２の冷却液循環システム７０から旋回用電動機２１、電動発電機１２、および減速機１３を省いたものであり、上記実施形態と同様の構成を有するポンプ７２、ラジエター７３、およびドライバユニット７４を備えている。
【００５３】
第３の冷却液循環システム１２０は、電動発電機１２および旋回用電動機２１を冷却するために第１及び第２の冷却液循環システム６０及び７０Ａとは別に設けられた冷却液循環システムである。
【００５４】
第３の冷却液循環システム１２０は、図示しないポンプモータによって駆動されるポンプ１２２と、ラジエター１２３とを備えている。ポンプ１２２によって循環された冷却液はラジエター１２３により放熱され、旋回用電動機２１へ送られる。旋回用電動機２１では図９において説明したように冷却液流路２１４を冷却液が流れ、その後、電動発電機１２および減速機１３をこの順に冷却してポンプ１２２へ戻される。なお、ラジエター１２３は、本発明における第３の熱交換機の一例である。
【００５５】
なお、第２及び第３の冷却液循環システム７０Ａ，１２０には、図１０に示すように冷却液を補充するための共通の補助タンク７６が設けられることが好ましい。
【００５６】
本実施例のように、電動発電機１２および旋回用電動機２１を冷却するために、第１及び第２の冷却液循環システム６０及び７０Ａとは別の冷却液循環システム１２０が設けられてもよい。このように、比較的低温のドライバユニット７４と、比較的高温の電動発電機１２および旋回用電動機２１とをそれぞれ独立して冷却することで、冷却効率を更に高めることができる。
【００５７】
本発明によるハイブリッド型建設機械は、上記した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態ではハイブリッド型建設機械としてリフティングマグネット車両の場合を例示して説明したが、他のハイブリッド型建設機械（例えば、ショベルやホイルローダ、クレーン）にも本発明を適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明に係るハイブリッド型建設機械の一例として、リフティングマグネット車両１の外観を示す斜視図である。
【図２】リフティングマグネット車両１の電気系統や油圧系統といった内部構成を示すブロック図である。
【図３】昇降圧コンバータ１００の回路構成を概略的に示す図である。
【図４】リフティングマグネット車両１における冷却液循環システムについて説明するためのブロック図であって、（ａ）第１の冷却液循環システム６０、（ｂ）第２の冷却液循環システム７０をそれぞれ示している。
【図５】ドライバユニット７４の外観を示す斜視図である。
【図６】第２の冷却液循環システム７０へ各冷却用配管８１ａ〜８６ａを接続した状態を示す斜視図である。
【図７】（ａ）昇降圧コンバータユニット８２の内部構成を示す平面図である。（ｂ）昇降圧コンバータユニット８２の内部構成を示す側面図である。
【図８】（ａ）インバータユニット８３の内部構成を示す平面図である。（ｂ）インバータユニット８３の内部構成を示す側面図である。
【図９】第２の冷却液循環システム７０による旋回用電動機２１の冷却方式を説明するための図である。
【図１０】冷却液循環システムの変形例を示す図である。
【符号の説明】
【００５９】
１…リフティングマグネット車両、７…リフティングマグネット、１１…エンジン、１２…電動発電機、１３…減速機、１４…メインポンプ、１６…高圧油圧ライン、１７…コントロールバルブ、１８Ａ，１８Ｂ，２０…インバータ回路、１９…バッテリ、２１…旋回用電動機、３０…コントローラ、４０…旋回駆動制御部、５０…駆動制御部、６０…第１の冷却液循環システム、６１，７１…ポンプモータ、６２，７２，１２２…ポンプ、６３，７３，１２３…ラジエター、７０，７０Ａ…第２の冷却液循環システム、７４…ドライバユニット、７５，７６…補助タンク、８１…コントロールボックス、８１ａ〜８６ａ…冷却用配管、８２…昇降圧コンバータユニット、８２ｂ，８３ｂ…金属容器、８３〜８５…インバータユニット、８６…リフマグ冷却ファンユニット、８７…板状台座、８８…ヒートシンク、９０Ａ〜９０Ｋ…配管、１００…昇降圧コンバータ、１０１…リアクトル、１０３…ＩＰＭ、１１０…蓄電手段、１１１…ＤＣバス、１２０…第３の冷却液循環システム。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ハイブリッド型建設機械に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、駆動機構の一部を電動化したハイブリッド型建設機械が提案されている。このような建設機械は、ブーム、アーム、及びバケット等の可動部を油圧駆動するための油圧ポンプを備えており、この油圧ポンプを駆動するための内燃機関発動機（エンジン）に電動発電機を連結し、該エンジンの駆動力を補助するとともに、発電により得られる電力を蓄電池（バッテリ）に充電している。
【０００３】
また、上部旋回体を旋回させるための動力源として油圧モータに加えて電動機を備え、加速旋回時に電動機で油圧モータの駆動をアシストし、減速旋回時に電動機で回生運転を行い、発電される電力をバッテリに充電している（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平１０−１０３１１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述したハイブリッド型建設機械においては、電動発電機により得られる交流電力を、蓄電池に充電するため直流電力に変換する必要がある。或いは、電動発電機を駆動するために、蓄電池の直流電力を交流電力に変換する必要がある。したがって、電動発電機の後段にはインバータ回路が接続される。また、蓄電池の充放電を制御するためには、このインバータ回路と蓄電池との間に直流電圧変換器（昇降圧コンバータ）を設ける必要がある。更には、旋回用の電動機の力行動作および回生動作を制御するために、この電動機と電動発電機のインバータ回路との間には更に別のインバータ回路が設けられる。
【０００５】
これらのインバータ回路や直流電圧変換器は、大電力用のトランジスタをそれぞれ複数有しているため、その発熱が大きくなる。したがって、これらの回路部品を冷却する必要が生じるが、ヒートシンクを使用した空冷方式では十分な冷却能力を確保することが難しい。また、エンジンの冷却水はエンジンの排熱により高温となっているので、この冷却水を利用して回路部品を冷却することは困難であり、またエンジンが停止するとラジエターのファンが停止するので使用できなくなる。
【０００６】
本発明は、上記した問題点を鑑みてなされたものであり、ハイブリッド型建設機械において、インバータ回路や直流電圧変換器を効果的に冷却することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記した課題を解決するために、本発明によるハイブリッド型建設機械は、内燃機関発動機と、操作者の操作により駆動される作業用電動機とを備えるハイブリッド型建設機械であって、内燃機関発動機を冷却する第１の熱交換機を含む第１の冷却液循環システムと、作業用電動機の端子に一端が接続された第１のインバータ回路と、第１のインバータ回路の他端に直流電圧変換器を介して接続された蓄電池と、第１のインバータ回路および直流電圧変換器を冷却するために第１の冷却液循環システムとは別に設けられた、第２の熱交換機を含む第２の冷却液循環システムとを備えることを特徴とする。
【０００８】
また、ハイブリッド型建設機械は、内燃機関発動機に連結され、内燃機関発動機の駆動力により発電を行う電動発電機と、電動発電機の端子に一端が接続された第２のインバータ回路とを更に備え、第２の冷却液循環システムが、電動発電機および第２のインバータ回路を更に冷却することを特徴としてもよい。
【０００９】
また、ハイブリッド型建設機械は、第２の冷却液循環システムには温度センサが備えられ、温度センサの検出値に基づいて、電動発電機および作業用電動機のうち少なくとも一方の出力を制限する制御部を更に備えることを特徴としてもよい。
【００１０】
また、ハイブリッド型建設機械は、第２の冷却液循環システムが、作業用電動機を更に冷却することを特徴としてもよい。
【００１１】
また、ハイブリッド型建設機械は、第２の冷却液循環システムにおいて、冷却液が、第２の熱交換機から送出されたのち、第１のインバータ回路、第２のインバータ回路、および直流電圧変換器を通過してから電動発電機および作業用電動機を通過することを特徴としてもよい。
【００１２】
また、ハイブリッド型建設機械は、電動発電機および作業用電動機を冷却するために第１及び第２の冷却液循環システムとは別に設けられた、第３の熱交換機を含む第３の冷却液循環システムを更に備えることを特徴としてもよい。
【００１３】
また、ハイブリッド型建設機械は、電動発電機は、自身の駆動力により内燃機関発動機の駆動力を補助することを特徴としてもよい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係るハイブリッド型建設機械によれば、インバータ回路や直流電圧変換器を効果的に冷却できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、添付図面を参照しながら本発明によるハイブリッド型建設機械の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１６】
図１は、本発明に係るハイブリッド型建設機械の一例として、リフティングマグネット車両１の外観を示す斜視図である。図１に示すように、リフティングマグネット車両１は、無限軌道を含む走行機構２と、走行機構２の上部に旋回機構３を介して回動自在に搭載された旋回体４とを備えている。旋回体４には、ブーム５と、ブーム５の先端にリンク接続されたアーム６と、アーム６の先端にリンク接続されたリフティングマグネット７とが取り付けられている。リフティングマグネット７は、鋼材などの吊荷Ｇを磁力により吸着して捕獲するための設備である。ブーム５、アーム６、及びリフティングマグネット７は、それぞれブームシリンダ８、アームシリンダ９、及びバケットシリンダ１０によって油圧駆動される。また、旋回体４には、リフティングマグネット７の位置や励磁動作および釈放動作を操作する操作者を収容するための運転室４ａや、油圧を発生するためのエンジン（内燃機関発動機）１１といった動力源が設けられている。エンジン１１は、例えばディーゼルエンジンで構成される。
【００１７】
図２は、本実施形態のリフティングマグネット車両１の電気系統や油圧系統といった内部構成を示すブロック図である。なお、図２では、機械的に動力を伝達する系統を二重線で、油圧系統を太い実線で、操縦系統を破線で、電気系統を細い実線でそれぞれ示している。
【００１８】
図２に示すように、リフティングマグネット車両１は電動発電機１２および減速機１３を備えており、エンジン１１及び電動発電機１２の回転軸は、共に減速機１３の入力軸に接続されることにより互いに連結されている。エンジン１１の負荷が大きいときには、電動発電機１２が自身の駆動力によりエンジン１１の駆動力を補助（アシスト）し、電動発電機１２の駆動力が減速機１３の出力軸を経てメインポンプ１４に伝達される。一方、エンジン１１の負荷が小さいときには、エンジン１１の駆動力が減速機１３を経て電動発電機１２に伝達されることにより、電動発電機１２が発電を行う。電動発電機１２は、例えば、磁石がロータ内部に埋め込まれたＩＰＭ（Interior Permanent Magnetic）モータによって構成される。電動発電機１２の駆動と発電との切り替えは、リフティングマグネット車両１における電気系統の駆動制御を行うコントローラ３０により、エンジン１１の負荷等に応じて行われる。
【００１９】
減速機１３の出力軸にはメインポンプ１４及びパイロットポンプ１５が接続されており、メインポンプ１４には高圧油圧ライン１６を介してコントロールバルブ１７が接続されている。コントロールバルブ１７は、リフティングマグネット車両１における油圧系の制御を行う装置である。コントロールバルブ１７には、図１に示した走行機構２を駆動するための油圧モータ２ａ及び２ｂの他、ブームシリンダ８、アームシリンダ９、及びバケットシリンダ１０が高圧油圧ラインを介して接続されており、コントロールバルブ１７は、これらに供給する油圧を運転者の操作入力に応じて制御する。
【００２０】
電動発電機１２の電気的な端子には、インバータ回路１８Ａの一端が接続されている。インバータ回路１８Ａは、本発明における第２のインバータ回路の一例である。インバータ回路１８Ａの他端には、蓄電手段１１０が接続されている。インバータ回路１８Ａは、コントローラ３０からの指令に基づき、電動発電機１２の運転制御を行う。すなわち、インバータ回路１８Ａが電動発電機１２を力行運転させる際には、必要な電力を蓄電手段１１０から電動発電機１２に供給する。また、電動発電機１２を回生運転させる際には、電動発電機１２により発電された電力を蓄電手段１１０に充電する。
【００２１】
蓄電手段１１０には、インバータ回路１８Ｂを介してリフティングマグネット７が接続されている。リフティングマグネット７は、金属物を磁気的に吸着させるための磁力を発生する電磁石を含んでおり、インバータ回路１８Ｂを介して蓄電手段１１０から電力が供給される。インバータ回路１８Ｂは、コントローラ３０からの指令に基づき、電磁石をオンにする際には、リフティングマグネット７へ要求された電力を蓄電手段１１０より供給する。また、電磁石をオフにする場合には、回生された電力を蓄電手段１１０に供給する。
【００２２】
更に、蓄電手段１１０には、インバータ回路２０を介して作業用電動機としての旋回用電動機２１が接続されている。旋回用電動機２１は、旋回体４を旋回させる旋回機構３の動力源である。旋回用電動機２１の回転軸２１Ａには、レゾルバ２２、メカニカルブレーキ２３、及び旋回減速機２４が接続される。なお、インバータ回路２０は、本発明における第１のインバータ回路の一例である。
【００２３】
旋回用電動機２１が力行運転を行う際には、旋回用電動機２１の回転駆動力の回転力が旋回減速機２４にて増幅され、旋回体４が加減速制御され回転運動を行う。また、旋回体４の慣性回転により、旋回減速機２４にて回転数が増加されて旋回用電動機２１に伝達され、回生電力を発生させる。旋回用電動機２１は、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御信号によりインバータ回路２０によって交流駆動される。旋回用電動機２１としては、例えば、磁石埋込型のＩＰＭモータが好適である。
【００２４】
レゾルバ２２は、旋回用電動機２１の回転軸２１Ａの回転位置及び回転角度を検出するセンサであり、旋回用電動機２１と機械的に連結することで回転軸２１Ａの回転角度及び回転方向を検出する。レゾルバ２２が回転軸２１Ａの回転角度を検出することにより、旋回機構３の回転角度及び回転方向が導出される。メカニカルブレーキ２３は、機械的な制動力を発生させる制動装置であり、コントローラ３０からの指令によって、旋回用電動機２１の回転軸２１Ａを機械的に停止させる。旋回減速機２４は、旋回用電動機２１の回転軸２１Ａの回転速度を減速して旋回機構３に機械的に伝達する減速機である。
【００２５】
なお、蓄電手段１１０には、インバータ回路１８Ａ、１８Ｂ、及び２０を介して、電動発電機１２、リフティングマグネット７、及び旋回用電動機２１が接続されているので、電動発電機１２で発電された電力がリフティングマグネット７又は旋回用電動機２１に直接的に供給される場合もあり、リフティングマグネット７で回生された電力が電動発電機１２又は旋回用電動機２１に供給される場合もあり、さらに、旋回用電動機２１で回生された電力が電動発電機１２又はリフティングマグネット７に供給される場合もある。
【００２６】
パイロットポンプ１５には、パイロットライン２５を介して操作装置２６が接続されている。操作装置２６は、旋回用電動機２１、走行機構２、ブーム５、アーム６、及びリフティングマグネット７を操作するための操作装置であり、操作者によって操作される。操作装置２６には、油圧ライン２７を介してコントロールバルブ１７が接続され、また、油圧ライン２８を介して圧力センサ２９が接続される。操作装置２６は、パイロットライン２５を通じて供給される油圧（１次側の油圧）を操作者の操作量に応じた油圧（２次側の油圧）に変換して出力する。操作装置２６から出力される２次側の油圧は、油圧ライン２７を通じてコントロールバルブ１７に供給されるとともに、圧力センサ２９によって検出される。ここでは、作業用電動機としての旋回用電動機２１を挙げているが、さらに、走行機構２を作業用電動機として電気駆動させても良い。更にフォークリフトに本願発明を適用する場合には、リフティング装置を作業用電動機として電気駆動させても良い。
【００２７】
圧力センサ２９は、操作装置２６に対して旋回機構３を旋回させるための操作が入力されると、この操作量を油圧ライン２８内の油圧の変化として検出する。圧力センサ２９は、油圧ライン２８内の油圧を表す電気信号を出力する。この電気信号は、コントローラ３０に入力され、旋回用電動機２１の駆動制御に用いられる。
【００２８】
コントローラ３０は、旋回駆動制御部４０及び駆動制御部５０を含み、ＣＰＵ（Central Processing Unit）及び内部メモリを含む演算処理装置によって構成され、内部メモリに格納された駆動制御用のプログラムをＣＰＵが実行することにより実現される。旋回駆動制御部４０は、圧力センサ２９から入力される信号のうち、旋回機構３を旋回させるための操作量を表す信号を速度指令に変換し、旋回用電動機２１の駆動制御を行う。駆動制御部５０は、電動発電機１２の運転制御（アシスト運転及び発電運転の切り替え）、リフティングマグネット７の駆動制御（励磁と消磁の切り替え）、並びに、昇降圧コンバータ１００を駆動制御することによるバッテリ１９の充放電制御を行う。
【００２９】
本実施形態における蓄電手段１１０の構成について更に詳しく説明する。図３は、蓄電手段１１０の回路構成を概略的に示す図である。蓄電手段１１０は、昇降圧コンバータ（直流電圧変換器）１００、ＤＣバス１１１、及びバッテリ１９によって構成されている。
【００３０】
昇降圧コンバータ（直流電圧変換器）１００の一端は、ＤＣバス１１１といった直流配線に接続されている。昇降圧コンバータ１００の他端には、蓄電池としてのバッテリ１９が接続されている。例えば、インバータ回路１８Ａが電動発電機１２を力行運転させる際には、バッテリ１９と昇降圧コンバータ１００からＤＣバス１１１を介して電動発電機１２に必要な電力が供給される。また、電動発電機１２を回生運転させる際には、電動発電機１２により発電された電力がＤＣバス１１１及び昇降圧コンバータ１００を介してバッテリ１９に充電される。なお、昇降圧コンバータ１００の昇圧動作と降圧動作の切替制御は、ＤＣバス電圧値、バッテリ電圧値、及びバッテリ電流値に基づき、コントローラ３０によって行われる。これにより、ＤＣバス１１１は予め定められた一定電圧値に蓄電された状態に維持される。すなわち、ＤＣバス１１１、バッテリ１９、及び昇降圧コンバータ１００により、蓄電手段１１０が構成される。
【００３１】
昇降圧コンバータ１００は、リアクトル１０１、トランジスタ１０２Ａ及び１０２Ｂ、並びに平滑用のコンデンサ１０７を備えている。トランジスタ１０２Ａ及び１０２Ｂは、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）によって構成され、互いに直列に接続されている。具体的には、トランジスタ１０２Ａのコレクタとトランジスタ１０２Ｂのエミッタとが相互に接続され、トランジスタ１０２Ａのエミッタはバッテリ１９の負側端子およびＤＣバス１１１の負側配線に接続され、トランジスタ１０２ＢのコレクタはＤＣバス１１１の正側配線に接続されている。そして、リアクトル１０１は、その一端がトランジスタ１０２Ａのコレクタ及びとトランジスタ１０２Ｂのエミッタに接続されるとともに、他端がバッテリ１９の正側端子に接続されている。トランジスタ１０２Ａ及び１０２Ｂのゲートには、コントローラ３０からＰＷＭ電圧が印加される。なお、トランジスタ１０２Ａのコレクタとエミッタとの間には、整流素子であるダイオード１０２ａが逆方向に接続されている。同様に、トランジスタ１０２Ｂのコレクタとエミッタとの間には、ダイオード１０２ｂが逆方向に接続されている。平滑用のコンデンサ１０７は、トランジスタ１０２Ｂのコレクタとトランジスタ１０２Ａのエミッタとの間に接続され、昇降圧コンバータ１００からの出力電圧を平滑化する。
【００３２】
このような構成を備える昇降圧コンバータ１００において、直流電力をバッテリ１９からＤＣバス１１１へ供給する際には、トランジスタ１０２ＡのゲートにＰＷＭ電圧を印加し、トランジスタ１０２Ａのオン／オフに伴ってリアクトル１０１に発生する誘導起電力をダイオード１０２ｂを介して伝達し、この電力をコンデンサ１０７により平滑化する。また、直流電力をＤＣバス１１１からバッテリ１９へ供給する際には、トランジスタ１０２ＢのゲートにＰＷＭ電圧を印加するとともに、トランジスタ１０２Ｂから出力される電流をリアクトル１０１により平滑化する。
【００３３】
ここで、トランジスタ１０２Ａ及び１０２Ｂは大電力を制御するので、発熱量が極めて大きくなる。また、リアクトル１０１においても発熱量が多大となる。したがって、トランジスタ１０２Ａ及び１０２Ｂ、並びにリアクトル１０１を冷却する必要が生じる。また、インバータ回路１８Ａ，１８Ｂ，及び２０もまた昇降圧コンバータ１００と同様に大電力用のトランジスタを有するので、冷却する必要がある。そこで、本実施形態のリフティングマグネット車両１は、昇降圧コンバータ１００、インバータ回路１８Ａ，１８Ｂ，及び２０を冷却するための冷却液循環システムを備えている。
【００３４】
本実施形態における冷却液循環システムについて、更に詳しく説明する。図２に示すように、リフティングマグネット車両１は、互いに独立した内燃機関発動機用の第１の冷却液循環システム６０と電気系用の第２の冷却液循環システム７０とを備えている。第１の冷却液循環システム６０は、ポンプモータ６１によって駆動され、エンジン１１を冷却する。第２の冷却液循環システム７０は、ポンプモータ７１によって駆動され、昇降圧コンバータ１００、インバータ回路１８Ａ，１８Ｂ，及び２０、並びにコントローラ３０を冷却する。加えて、第２の冷却液循環システム７０は、電動発電機１２、減速機１３、および旋回用電動機２１を冷却する。
【００３５】
図４は、リフティングマグネット車両１における冷却液循環システムについて説明するためのブロック図である。図４（ａ）に示すように、第１の冷却液循環システム６０は、上述したポンプモータ６１によって駆動されるポンプ６２とラジエター６３とを備えており、ポンプ６２によって循環された冷却液がラジエター６３により放熱され、エンジン１１の冷却配管へ供給される。なお、ラジエター６３は本発明における第１の熱交換機の一例である。
【００３６】
また、図４（ｂ）に示すように、第２の冷却液循環システム７０は、上述したポンプモータ７１によって駆動されるポンプ７２と、ラジエター７３と、ドライバユニット７４とを備えている。ポンプ７２によって循環された冷却液はラジエター７３により放熱され、ドライバユニット７４へ送られる。ドライバユニット７４は、昇降圧コンバータ１００、インバータ回路１８Ａ，１８Ｂ，及び２０、並びにコントローラ３０をそれぞれ構成する複数のモジュールを収容するとともに、これらのモジュールを冷却するための配管を有する構造体である。ドライバユニット７４の配管を通過した冷却液は、旋回用電動機２１、電動発電機１２、および減速機１３をこの順に冷却したのち、ポンプ７２からラジエター７３へ戻される。なお、ラジエター７３は本発明における第２の熱交換機の一例である。また、ドライバユニット７４の入口には、冷却液の温度を検出するための温度センサ７７が設けられることが好ましい。更に、検出した温度を表示する表示装置を備えると尚良い。これにより、ラジエター７３が詰まり冷却性能が低下した場合には、検出値に基づいてコントロールボックス内の制御装置は、旋回用電動機２１、若しくは、電動発電機１２の少なくとも一方の出力を制限することができる。その結果、連続的な運転を可能とすることができ、ハイブリッド型建設機械を停止することなく継続的な作業が可能となる。
【００３７】
図５は、ドライバユニット７４の外観を示す斜視図である。ドライバユニット７４は、略直方体状の外観を有しており、コントローラ３０を収容するコントロールボックス８１と、昇降圧コンバータ１００を収容する昇降圧コンバータユニット８２と、インバータ回路１８Ａ、１８Ｂ及び２０を収容するインバータユニット８３〜８５と、リフマグ冷却ファンユニット８６とを備えている。昇降圧コンバータユニット８２、インバータユニット８３〜８５、およびリフマグ冷却ファンユニット８６は、それぞれ奥行き方向に長い直方体状の外観を有しており、金属製の板状台座８７上に横方向に並んで設置されている。そして、これらのユニット８２〜８６の上にコントロールボックス８１が載置されており、更にコントロールボックス８１の上面には空冷のためのヒートシンク８８が取り付けられている。
【００３８】
また、コントロールボックス８１には冷却用配管８１ａが内蔵されている。同様に、昇降圧コンバータユニット８２には冷却用配管８２ａが、インバータユニット８３〜８５には冷却用配管８３ａ〜８５ａが、リフマグ冷却ファンユニット８６には冷却用配管８６ａが、それぞれ内蔵されている。
【００３９】
図６は、第２の冷却液循環システム７０へ各冷却用配管８１ａ〜８６ａを接続した状態を示す斜視図である。図６に示すように、ラジエター７３（図４参照）から延設された配管９０Ａは、三本の配管９０Ｂ〜９０Ｄに分岐される。これらの配管のうち、配管９０Ｂはコントロールボックス８１の冷却用配管８１ａの一端に連結され、冷却用配管８１ａの他端は、更に別の配管９０Ｅを介してインバータユニット８５の冷却用配管８５ａの一端に連結される。また、配管９０Ｃは昇降圧コンバータユニット８２の冷却用配管８２ａの一端に連結され、冷却用配管８２ａの他端は、配管９０Ｆを介してインバータユニット８３の冷却用配管８３ａの一端に連結される。また、配管９０Ｄはリフマグ冷却ファンユニット８６の冷却用配管８６ａの一端に連結され、冷却用配管８６ａの他端は、配管９０Ｇを介してインバータユニット８４の冷却用配管８４ａの一端に連結される。
【００４０】
そして、インバータユニット８３〜８５の冷却用配管８３ａ〜８５ａの他端には、それぞれ配管９０Ｈ、９０Ｉおよび９０Ｊが連結される。配管９０Ｈ、９０Ｉおよび９０Ｊは一本の配管９０Ｋに連結され、配管９０Ｋが旋回用電動機２１へ延設される。
【００４１】
図７（ａ）は、昇降圧コンバータユニット８２の内部構成を示す平面図である。また、図７（ｂ）は、昇降圧コンバータユニット８２の内部構成を示す側面図である。なお、これらの図においては、昇降圧コンバータユニット８２の内部構成がわかるようにケースの天板や側板を外した状態を示している。
【００４２】
昇降圧コンバータユニット８２の内部には、昇降圧コンバータ１００のトランジスタ１０２Ａ及び１０２Ｂを組み込んだインテリジェントパワーモジュール（ＩＰＭ：Intelligent Power Module）１０３と、リアクトル１０１（図３参照）と、冷却用配管８２ａとが内蔵されている。ＩＰＭ１０３は、配線基板１０４上に実装されている。冷却用配管８２ａは、昇降圧コンバータユニット８２の側面に沿って二次元状に配設されている。具体的には、冷却用配管８２ａは、昇降圧コンバータユニット８２の内部でなるべく長く配設されるように幾重にも折れ曲がった状態で矩形断面の金属容器８２ｂに収容されており、またこの金属容器８２ｂの内側面に接している。金属容器８２ｂの外側面には、図７（ａ）に示すようにリアクトル１０１及びＩＰＭ１０３が接触配置されており、金属容器８２ｂはリアクトル１０１及びＩＰＭ１０３からの熱を冷却用配管８２ａへ伝える。これにより、リアクトル１０１及びＩＰＭ１０３が冷却される。なお、リアクトル１０１には、リアクトル１０１の温度を検出するための温度センサ１０７が設けられることが好ましい。
【００４３】
図８（ａ）は、インバータユニット８３の内部構成を示す平面図である。また、図８（ｂ）は、インバータユニット８３の内部構成を示す側面図である。なお、これらの図においては、図７と同様に、インバータユニット８３の内部構成がわかるようにケースの天板や側板を外した状態を示している。また、インバータユニット８４及び８５の内部構成は、内蔵するインバータ回路の構成を除いて、図８に示すインバータユニット８３の内部構成と同様である。
【００４４】
インバータユニット８３の内部には、インバータ回路１８Ａのトランジスタを組み込んだＩＰＭ１０５と、冷却用配管８３ａとが内蔵されている。ＩＰＭ１０５は、配線基板１０６上に実装されている。冷却用配管８３ａは、昇降圧コンバータユニット８２における冷却用配管８２ａと同様の形態で配設されている。冷却用配管８３ａは矩形断面の金属容器８３ｂに収容されており、またこの金属容器８３ｂの内側面に接している。金属容器８３ｂの外側面には、図８（ａ）に示すようにＩＰＭ１０５が接触配置されており、金属容器８３ｂはＩＰＭ１０５からの熱を冷却用配管８３ａへ伝える。
【００４５】
図９は、第２の冷却液循環システム７０による旋回用電動機２１の冷却方式を説明するための図である。なお、電動発電機１２における冷却方式も旋回用電動機２１における方式と同様なので、ここでは旋回用電動機２１についてのみ代表して説明する。
【００４６】
図９に示すように、旋回用電動機２１は、駆動部ケース２０１と、駆動部ケース２０１に取り付けられたステータ２０２と、ステータ２０２の径方向内方において回転自在に配設されたロータ２０３と、ロータ２０３を貫通して延在し、駆動部ケース２０１に対してベアリング２０４、２０５によって回転自在に配設された出力軸２０６とを備えている。駆動部ケース２０１は、側板２０７及び２０８と、側板２０７及び２０８の間に取り付けられ、軸方向に延びる筒状のモータフレーム２０９とによって構成され、ベアリング２０４は側板２０７に、ベアリング２０５は側板２０８に、ステータ２０２はモータフレーム２０９に取り付けられている。
【００４７】
ステータ２０２は図示されないコイルを備えており、該コイルに所定の電流を供給すると、旋回用電動機２１が駆動され、ロータ２０３が電流の大きさに対応する回転速度で回転する。そして、ロータ２０３の回転は、ロータ２０３が取り付けられた出力軸２０６に伝達される。
【００４８】
旋回用電動機２１の駆動に伴って発生した熱を放熱し、旋回用電動機２１を冷却するために、駆動部ケース２０１の外周にはジャケット２１１が取り付けられている。ジャケット２１１は、冷却液が供給される冷却液供給口２１２、旋回用電動機２１を冷却した後の、温度が高くなった冷却液を排出する冷却液排出口２１３、及び冷却液供給口２１２と冷却液排出口２１３とを連結し、螺旋又は蛇行させて延在する一本の冷却液流路２１４を有する。ポンプ７２からラジエター７３及びドライバユニット７４を通過して冷却液供給口２１２へ供給された冷却液は、冷却液流路２１４内を蛇行しながら流れ、その間に旋回用電動機２１を冷却した後、冷却液排出口２１３から排出される。
【００４９】
なお、第２の冷却液循環システム７０には、図９に示すように冷却液を補充するための補助タンク７５が設けられることが好ましい。
【００５０】
以上に説明した本実施形態のリフティングマグネット車両１は、エンジン１１を冷却するための第１の冷却液循環システム６０とは別に、昇降圧コンバータ１００やインバータ回路１８Ａ，１８Ｂ及び２０を冷却するための第２の冷却液循環システム７０を備えている。したがって、空冷方式と比較して十分な冷却性能を確保でき、またエンジン冷却用の冷却液と比較して冷却液を低温にできるので、昇降圧コンバータ１００、インバータ回路１８Ａ，１８Ｂ及び２０を効果的に冷却することができる。また、エンジン１１が停止した場合であっても、ポンプモータ７１およびラジエター７３が動作する限りこれらを冷却し続けることができる。
【００５１】
また、本実施形態においては、第２の冷却液循環システム７０が、昇降圧コンバータ１００、インバータ回路１８Ａ，１８Ｂ及び２０だけでなく、電動発電機１２および旋回用電動機２１を更に冷却している。本発明においてはこのような形態がより好適であり、これによって電動発電機１２および旋回用電動機２１をも効果的に冷却することができる。また、本実施形態では、第２の冷却液循環システム７０において、冷却液が、ラジエター７３から送出されたのち、昇降圧コンバータ１００、インバータ回路１８Ａ，１８Ｂ及び２０を収容するドライバユニット７４を通過してから電動発電機１２および旋回用電動機２１を通過している。このように、比較的低温のドライバユニット７４を先に冷却し、その後に比較的高温の電動発電機１２および旋回用電動機２１を冷却することで、第２の冷却液循環システム７０の冷却効率を更に高めることができる。
（変形例）
【００５２】
図１０は、上記実施形態に係る冷却液循環システムの変形例を示す図である。図１０に示すように、本変形例では、リフティングマグネット車両は図４に示した第１の冷却液循環システム６０に加えて、第２の冷却液循環システム７０Ａおよび第３の冷却液循環システム１２０を備えている。第２の冷却液循環システム７０Ａは、上記実施形態の第２の冷却液循環システム７０から旋回用電動機２１、電動発電機１２、および減速機１３を省いたものであり、上記実施形態と同様の構成を有するポンプ７２、ラジエター７３、およびドライバユニット７４を備えている。
【００５３】
第３の冷却液循環システム１２０は、電動発電機１２および旋回用電動機２１を冷却するために第１及び第２の冷却液循環システム６０及び７０Ａとは別に設けられた冷却液循環システムである。
【００５４】
第３の冷却液循環システム１２０は、図示しないポンプモータによって駆動されるポンプ１２２と、ラジエター１２３とを備えている。ポンプ１２２によって循環された冷却液はラジエター１２３により放熱され、旋回用電動機２１へ送られる。旋回用電動機２１では図９において説明したように冷却液流路２１４を冷却液が流れ、その後、電動発電機１２および減速機１３をこの順に冷却してポンプ１２２へ戻される。なお、ラジエター１２３は、本発明における第３の熱交換機の一例である。
【００５５】
なお、第２及び第３の冷却液循環システム７０Ａ，１２０には、図１０に示すように冷却液を補充するための共通の補助タンク７６が設けられることが好ましい。
【００５６】
本実施例のように、電動発電機１２および旋回用電動機２１を冷却するために、第１及び第２の冷却液循環システム６０及び７０Ａとは別の冷却液循環システム１２０が設けられてもよい。このように、比較的低温のドライバユニット７４と、比較的高温の電動発電機１２および旋回用電動機２１とをそれぞれ独立して冷却することで、冷却効率を更に高めることができる。
【００５７】
本発明によるハイブリッド型建設機械は、上記した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態ではハイブリッド型建設機械としてリフティングマグネット車両の場合を例示して説明したが、他のハイブリッド型建設機械（例えば、ショベルやホイルローダ、クレーン）にも本発明を適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明に係るハイブリッド型建設機械の一例として、リフティングマグネット車両１の外観を示す斜視図である。
【図２】リフティングマグネット車両１の電気系統や油圧系統といった内部構成を示すブロック図である。
【図３】昇降圧コンバータ１００の回路構成を概略的に示す図である。
【図４】リフティングマグネット車両１における冷却液循環システムについて説明するためのブロック図であって、（ａ）第１の冷却液循環システム６０、（ｂ）第２の冷却液循環システム７０をそれぞれ示している。
【図５】ドライバユニット７４の外観を示す斜視図である。
【図６】第２の冷却液循環システム７０へ各冷却用配管８１ａ〜８６ａを接続した状態を示す斜視図である。
【図７】（ａ）昇降圧コンバータユニット８２の内部構成を示す平面図である。（ｂ）昇降圧コンバータユニット８２の内部構成を示す側面図である。
【図８】（ａ）インバータユニット８３の内部構成を示す平面図である。（ｂ）インバータユニット８３の内部構成を示す側面図である。
【図９】第２の冷却液循環システム７０による旋回用電動機２１の冷却方式を説明するための図である。
【図１０】冷却液循環システムの変形例を示す図である。
【符号の説明】
【００５９】
１…リフティングマグネット車両、７…リフティングマグネット、１１…エンジン、１２…電動発電機、１３…減速機、１４…メインポンプ、１６…高圧油圧ライン、１７…コントロールバルブ、１８Ａ，１８Ｂ，２０…インバータ回路、１９…バッテリ、２１…旋回用電動機、３０…コントローラ、４０…旋回駆動制御部、５０…駆動制御部、６０…第１の冷却液循環システム、６１，７１…ポンプモータ、６２，７２，１２２…ポンプ、６３，７３，１２３…ラジエター、７０，７０Ａ…第２の冷却液循環システム、７４…ドライバユニット、７５，７６…補助タンク、８１…コントロールボックス、８１ａ〜８６ａ…冷却用配管、８２…昇降圧コンバータユニット、８２ｂ，８３ｂ…金属容器、８３〜８５…インバータユニット、８６…リフマグ冷却ファンユニット、８７…板状台座、８８…ヒートシンク、９０Ａ〜９０Ｋ…配管、１００…昇降圧コンバータ、１０１…リアクトル、１０３…ＩＰＭ、１１０…蓄電手段、１１１…ＤＣバス、１２０…第３の冷却液循環システム。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関発動機と、操作者の操作により駆動される作業用電動機とを備えるハイブリッド型建設機械であって、
前記内燃機関発動機を冷却する第１の熱交換機を含む第１の冷却液循環システムと、
前記作業用電動機の端子に一端が接続された第１のインバータ回路と、
前記第１のインバータ回路の他端に直流電圧変換器を介して接続された蓄電池と、
前記第１のインバータ回路および前記直流電圧変換器を冷却するために前記第１の冷却液循環システムとは別に設けられた、第２の熱交換機を含む第２の冷却液循環システムと
を備えることを特徴とする、ハイブリッド型建設機械。
【請求項２】
前記内燃機関発動機に連結され、前記内燃機関発動機の駆動力により発電を行う電動発電機と、
前記電動発電機の端子に一端が接続された第２のインバータ回路と
を更に備え、
前記第２の冷却液循環システムが、前記電動発電機および前記第２のインバータ回路を更に冷却することを特徴とする、請求項１に記載のハイブリッド型建設機械。
【請求項３】
前記第２の冷却液循環システムには温度センサが備えられ、
前記温度センサの検出値に基づいて、前記電動発電機および前記作業用電動機のうち少なくとも一方の出力を制限する制御部を更に備えることを特徴とする、請求項１または２に記載のハイブリッド型建設機械。
【請求項４】
前記第２の冷却液循環システムが、前記作業用電動機を更に冷却することを特徴とする、請求項２または３に記載のハイブリッド型建設機械。
【請求項５】
前記第２の冷却液循環システムにおいて、冷却液が、前記第２の熱交換機から送出されたのち、前記第１のインバータ回路、前記第２のインバータ回路、および前記直流電圧変換器を通過してから前記電動発電機および前記作業用電動機を通過することを特徴とする、請求項４に記載のハイブリッド型建設機械。
【請求項６】
前記電動発電機および前記作業用電動機を冷却するために前記第１及び第２の冷却液循環システムとは別に設けられた、第３の熱交換機を含む第３の冷却液循環システムを更に備えることを特徴とする、請求項２または３に記載のハイブリッド型建設機械。
【請求項７】
前記電動発電機は、自身の駆動力により前記内燃機関発動機の駆動力を補助することを特徴とする、請求項２〜６のいずれか一項に記載のハイブリッド型建設機械。
【請求項１】
内燃機関発動機と、操作者の操作により駆動される作業用電動機とを備えるハイブリッド型建設機械であって、
前記内燃機関発動機を冷却する第１の熱交換機を含む第１の冷却液循環システムと、
前記作業用電動機の端子に一端が接続された第１のインバータ回路と、
前記第１のインバータ回路の他端に直流電圧変換器を介して接続された蓄電池と、
前記第１のインバータ回路および前記直流電圧変換器を冷却するために前記第１の冷却液循環システムとは別に設けられた、第２の熱交換機を含む第２の冷却液循環システムと
を備えることを特徴とする、ハイブリッド型建設機械。
【請求項２】
前記内燃機関発動機に連結され、前記内燃機関発動機の駆動力により発電を行う電動発電機と、
前記電動発電機の端子に一端が接続された第２のインバータ回路と
を更に備え、
前記第２の冷却液循環システムが、前記電動発電機および前記第２のインバータ回路を更に冷却することを特徴とする、請求項１に記載のハイブリッド型建設機械。
【請求項３】
前記第２の冷却液循環システムには温度センサが備えられ、
前記温度センサの検出値に基づいて、前記電動発電機および前記作業用電動機のうち少なくとも一方の出力を制限する制御部を更に備えることを特徴とする、請求項１または２に記載のハイブリッド型建設機械。
【請求項４】
前記第２の冷却液循環システムが、前記作業用電動機を更に冷却することを特徴とする、請求項２または３に記載のハイブリッド型建設機械。
【請求項５】
前記第２の冷却液循環システムにおいて、冷却液が、前記第２の熱交換機から送出されたのち、前記第１のインバータ回路、前記第２のインバータ回路、および前記直流電圧変換器を通過してから前記電動発電機および前記作業用電動機を通過することを特徴とする、請求項４に記載のハイブリッド型建設機械。
【請求項６】
前記電動発電機および前記作業用電動機を冷却するために前記第１及び第２の冷却液循環システムとは別に設けられた、第３の熱交換機を含む第３の冷却液循環システムを更に備えることを特徴とする、請求項２または３に記載のハイブリッド型建設機械。
【請求項７】
前記電動発電機は、自身の駆動力により前記内燃機関発動機の駆動力を補助することを特徴とする、請求項２〜６のいずれか一項に記載のハイブリッド型建設機械。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１０−１２０４６７（Ｐ２０１０−１２０４６７Ａ）
【公開日】平成２２年６月３日（２０１０．６．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２９４６６４（Ｐ２００８−２９４６６４）
【出願日】平成２０年１１月１８日（２００８．１１．１８）
【出願人】（０００００２１０７）住友重機械工業株式会社 (2,241)
【出願人】（５０２２４６５２８）住友建機株式会社 (346)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年６月３日（２０１０．６．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１１月１８日（２００８．１１．１８）
【出願人】（０００００２１０７）住友重機械工業株式会社 (2,241)
【出願人】（５０２２４６５２８）住友建機株式会社 (346)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]