JP2010180719A - 熱交換器の冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】リング方式を前提として、通風路に対する空気の吸入、排出双方の流れをスムーズにし、風量、防音両性能を確実に向上させる。
【解決手段】熱交換器を通る冷却風を作るファン４と、このファン４を外周から隙間を置いて囲繞する状態で設けられたファンリング１０とを備え、このファンリング１０は、ファン４を構成する各羽根の外周端を結ぶ円筒面と平行な円筒状部１２の後端側に後広がりのラッパ状の円弧状部１３を一体に設けて構成する。このファンリング１０のファン４に対する配置に関して、冷却風の風上側を前方とした場合の上記円筒状部の前端をファンの羽根幅方向の中央領域に位置させる一方、ファンの羽根幅をＷ、ファン後端から円筒状部の後端までの距離をＸとして、Ｘ／Ｗを０〜２５％に設定した。
【選択図】図２

Description

本発明は油圧ショベル等の建設機械においてラジエータ等の熱交換器を空冷するための冷却装置に関するものである。

油圧ショベルを例にとって背景技術を説明する。

油圧ショベルは、クローラ式の下部走行体上に上部旋回体が旋回自在に搭載され、この上部旋回体に作業アタッチメントが装着されて構成される。

上部旋回体には、作業アタッチメント側と反対側（後端側）に、図８に示すエンジンルーム１が設けられ、このエンジンルーム１にエンジン２のほか、ラジエータ、オイルクーラー、インタークーラー等の熱交換器３、エンジン２により回転駆動されて熱交換器３を通る冷却風を作るファン４その他の機器類が設置される。５は吸気口、６は排気口である。

ファン４は、熱交換器３よりも風下側に配置され、熱交換器３越しに外部空気を吸入する。

熱交換器３の外周には、冷却風を熱交換器３に向けてガイドするシュラウド７が設けられる。

このシュラウド７として、一般的には、図示のように熱交換器３の外周から後方（この明細書において冷却風の風下側を後方、風上側を前方として説明する）に延びてファン４の幅方向中間辺りで内周側に折れ曲がった、所謂ボックス型のシュラウドが用いられている。

このボックス型のシュラウド７では、通過風量、及びファン騒音低減（以下、防音という）の両性能に関して不十分であることは知られている。

一方、上記両性能を高め得るものとして、図９に示すようにシュラウド７の後端側に円筒状のファンリング（ベルマウスと呼ばれる場合もある。以下、単にリングという）８を、ファン７との間に通風路９が形成されるように隙間を置いてファン４を外周から囲繞する状態で配置するリング方式が公知である。

このリング方式では、ファン４に対するリング８の位置関係によっては入口側及び出口側で冷却風の流れが悪化して風量、防音両性能の向上を達成できないため、この位置関係を適正に決定する必要がある。

この場合、公知技術では、ファン４の羽根幅（ブレードのファン軸方向寸法）に対するリング８の重なり代の比率である「かぶせ率」に注目し、このかぶせ率の適正値を求めることとしている。

たとえば特許文献１には、とくに風量性能の観点から、かぶせ率を４１〜７１％に設定した技術が開示されている。

特開平８−２８４６６１号公報

しかし、本発明者の研究によると、かぶせ率のみに依存する公知技術では、通風路９への空気の吸入、及び通風路９からの空気の排出の流れが必ずしもスムーズとならず、風量、防音両性能の向上に限界があることが判明した。

そこで本発明は、リング方式を前提として、通風路に対する空気の吸入及び排出双方の流れをスムーズにし、風量、防音両性能を確実に向上させることができる熱交換器の冷却装置を提供するものである。

請求項１の発明は、熱交換器を通る冷却風を作るファンと、このファンを外周から隙間を置いて囲繞する状態で設けられたファンリングとを備え、このファンリングは、上記ファンを構成する各羽根の外周端を結ぶ円筒面と平行な円筒状部を有する熱交換器の冷却装置において、上記ファンリングの配置に関して、上記冷却風の風上側を前方とした場合の上記円筒状部の前端をファンの羽根幅方向の中央領域に位置させる一方、ファンの羽根幅をＷ、ファン後端から円筒状部の後端までの距離をＸとして、Ｘ／Ｗを０〜２５％に設定したものである。

請求項２の発明は、請求項１の構成において、ファン前端から上記円筒状部の前端までの距離をＹとして、Ｙ／Ｗを４０％〜６０％に設定したものである。

請求項３の発明は、請求項１または２の構成において、上記ファンリングにおける円筒状部の後端側に後広がりの円弧状部を一体に設けたものである。

請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれかの構成において、上記ファンリングにおける円弧状部の前端側に前広がりの円弧状部を一体に設けたものである。

本発明によると、冷却風の風上側を前方とした場合の円筒状部の前端位置及び後端位置の組み合わせとして、請求項１記載の範囲（前端はファンの羽根幅方向の中央領域、後端はＸ／Ｗが０〜２５％）に設定することにより、通風路の吸入側及び排出側双方での空気の流れを改善し、風量及び防音両性能を向上させることができる。

これにより、熱交換器の冷却効率と防音性を上げることが可能となる。

ここで、円筒状部の前端位置を羽根幅方向の中央に設定すると、風量、防音両性能の点で最良の結果が得られるが、この中央から前後に一定の幅を持った中央領域（前端領域及び後端領域を除く領域）内であれば、図８に示すボックス型シュラウドとの比較において風量、防音両性能を改善することができる。

とくに、請求項２記載のようにファン前端から円筒状部の前端までの距離をＹとして、Ｙ／Ｗを４０％〜６０％に設定すれば、実機として望ましい性能を確保することができる。

一方、円筒状部の後端側に円弧状部を一体に設けた請求項３の発明によると、通風路の出口側で冷却風が外周側にガイドされることにより、風の流れの所謂剥離現象が発生しにくくなることによって冷却風の排出側の流れが一層スムーズとなる。このため、風量、防音両性能をさらに向上させることができる。

また、円筒状部の前端側に円弧状部を一体に設けた請求項４の発明によると、通風路の入口側での剥離現象が発生しにくくなって冷却風の流れがさらにスムーズとなる。このため、風量、防音両性能をさらに向上させることができる。

とくに、請求項３，４の発明を組み合わせ、円筒状部の後端側及び前端側の双方に円弧状部を設けることにより、冷却風の吸入から排出までのすべての流れがスムーズとなるため、上記効果が顕著となる。

本発明の実施形態にかかる冷却装置を備えたエンジンルーム内機器配置を示す概略背面図である。 図１のファンとファンリングの拡大図である。 直径が６４０ｍｍと８５０ｍｍの二種類のファンについてＸ比率と風量及び騒音の関係を示すグラフである。 直径が６４０ｍｍと８５０ｍｍの二種類のファンについてＹ比率と風量及び騒音の関係を示すグラフである。 （ａ）は円筒状部の後端側に円弧状部を設けない場合、（ｂ）は円弧状部を設けた場合のそれぞれについて風の流れの状況を示す図である。 （ａ）は円筒状部の前端側に円弧状部を設けない場合、（ｂ）は円弧状部を設けた場合のそれぞれについて風の流れの状況を示す図である。 本発明の他の実施形態として円筒状部のみによってリングを構成した場合の図２相当図である。 従来技術を示す図１相当図である。 リングを設けた公知技術を示す図１相当図である。

以下の実施形態では、背景技術の説明に合わせて油圧ショベルを適用対象としている。

実施形態において、次の基本構成は図９に示す公知技術と同じである。

(Ｉ)図１に示すように上部旋回体の後端側にエンジンルーム１が設けられ、このエンジンルーム１にエンジン２のほか、ラジエータ、オイルクーラー、インタークーラー等の熱交換器３、エンジン２により回転駆動されて熱交換器３を通る冷却風を作るファン４その他の機器類が設置される点。

(ＩＩ) ファン４は熱交換器３よりも風下側に配置され、このファン４の回転によって外部空気が吸気口５から熱交換器３越しに吸入され、排気口６から排出される点。

(ＩＩＩ)シュラウド７の後端側にリング(ファンリング)１０が、ファン７との間に通風路１１が形成するように隙間を置いてファン４を外周から囲繞する状態で設けられる点。

なお、リング１０は、通常、シュラウド７とは別体に形成し、その前端をシュラウド７に溶接等にて結合するが、シュラウド７と一体に成形してもよい。また、リング１０の後端側をエンジン２側に取付け、前端側とシュラウド７との間の隙間をラバーグロメットで塞ぐ方式をとってもよい。

このリング１０は、ファン４の各羽根外周端を結ぶ円筒面と平行な円筒状部１２の後端側に、後広がりのラッパ状をなす円弧状部１３が一体に設けられて成っている。

図２はこのリング１０とファン４の位置関係を示す。

図中、Ｗはファン４の羽根幅、Ｘはファン後端から円筒状部１２の後端Ｐ１までの距離、Ｙはファン前端から円筒状部１２の前端（リング前端）Ｐ２までの距離をそれぞれ示す。

本発明者は、上記構成において、風量、防音両性能に関してファン羽根幅Ｗに対する距離Ｘの比率（Ｘ／Ｗ×１００％。Ｘ比率）、及びファン羽根幅Ｗに対する距離Ｙの比率（Ｙ／Ｗ×１００％。Ｙ比率）の組み合わせの最良点を探った。

具体的には、あるサイズのリング１０を風上側から風下側に逐次移動させて前、後端位置をずらしながら風量、防音両性能について調べた。

その結果を図３，４に示す。

図３はファン直径が６４０ｍｍ（羽根幅１０７ｍｍ）と８５０ｍｍ（羽根幅１３１．７ｍｍ）、円筒状部１２の幅寸法がいずれも６４ｍｍの二つのモデルについてのＸ比率と風量及び騒音の関係、図４は両モデルについてのＹ比率と風量及び騒音の関係をそれぞれ示す。

最良の組み合わせは、Ｘ比率が１０％、Ｙ比率が５０％（円筒状部前端Ｐ２がファン羽根幅方向の中央）のケースで、最悪のケースと比較して風量が約１０％高く、騒音が約４ｄＢ低減する。

また、Ｙ比率５０％においてＸ比率を０〜２５％の範囲に設定すると、風量、騒音が最良値に近い範囲となり、Ｙ比率４０〜６０％、Ｘ比率０〜２５％では最良値に対して風量が１．５％減以内、騒音１ｄＢ増以内と実機として望ましい風量、騒音値が得られる。

なお、Ｙ比率が４０〜６０％（Ｘ比率は０〜２５％）に対して前後に少し超える範囲（通風路１１の吸入側及び排出側での空気の流れが悪化するほど円筒状部前端Ｐ２がファン羽根幅方向の前端側及び後端側に寄らない範囲）でも、風量、騒音がＹ比率４０〜６０％の場合よりは劣るが実機において十分許容できる値を示す。

この結果に基づき、Ｘ比率が０〜２５％で、円筒状部前端Ｐ２をファン羽根幅方向の中央領域（なかでも望ましくはＹ比率４０％〜６０％）で、図８に示す従来技術との比較において、また実機として良好な風量、防音両性能を確保できることが明らかとなった。

一方、図５（ａ）は円筒状部１２の後端側に後広がりの円弧状部１３を設けない場合、（ｂ）は設けた場合（実施形態）の冷却風の流れを模式的に示している。

（ａ）では、リング出口側で冷却風が巻き返す、所謂風の流れの剥離現象が発生するのに対し、（ｂ）によるとこの剥離現象が減少してスムーズな流れとなる。

従って、実施形態のように円筒状部１２の後端側に円弧状部１３を設けるのが望ましい。

他の実施形態
（１）図６（ｂ）に示すように、円筒状部１２の前端側に前広がりのラッパ状をなす円弧状部１４を設けてもよい。

こうすれば、同図（ａ）に示すように同円弧状部１４を設けない場合と比べて、リング入口側での冷却風の流れの剥離現象が減少することにより、さらに風量、防音両性能を高めることが可能となる。

なお、図示のように円筒状部前端側のみに円弧状部１４を設けてもよいが、図１の実施形態のように後端側にも円弧状部１３を設けることにより、冷却風の入口及び出口の双方で流れがスムーズとなり、風量、防音両性能の改善効果が顕著となる。

（２）図７に示すように、リング１０を円筒状部１２のみによって構成してもよい。

この場合でも、Ａ、Ｂ両比率を前記範囲に設定することにより、基本的な風量、防音両性能の改善効果を得ることができる。

（３）本発明は油圧ショベルの熱交換器に限らず、解体機、破砕機等を含めた各種建設機械の熱交換器の冷却装置として広く適用することができる。

３ 熱交換器
４ ファン
１０ ファンリング
１１ 通風路
１２ 円筒状部
１３ 円弧状部
１４ 前側の円弧状部

Claims (4)

1. 熱交換器を通る冷却風を作るファンと、このファンを外周から隙間を置いて囲繞する状態で設けられたファンリングとを備え、このファンリングは、上記ファンを構成する各羽根の外周端を結ぶ円筒面と平行な円筒状部を有する熱交換器の冷却装置において、上記ファンリングの配置に関して、上記冷却風の風上側を前方とした場合の上記円筒状部の前端をファンの羽根幅方向の中央領域に位置させる一方、ファンの羽根幅をＷ、ファン後端から円筒状部の後端までの距離をＸとして、Ｘ／Ｗを０〜２５％に設定したことを特徴とする熱交換器の冷却装置。
2. ファン前端から上記円筒状部の前端までの距離をＹとして、Ｙ／Ｗを４０％〜６０％に設定したことを特徴とする請求項１記載の熱交換器の冷却装置。
3. 上記ファンリングにおける円筒状部の後端側に後広がりの円弧状部を一体に設けたことを特徴とする請求項１または２記載の熱交換器の冷却装置。
4. 上記ファンリングにおける円弧状部の前端側に前広がりの円弧状部を一体に設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱交換器の冷却装置。

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