JP2010196671A - 冷却装置および作業機械 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却ファンの回転速度を高めることなく、冷却ファンの風量を十分に大きくすることができる冷却装置および作業機械を提供する。
【解決手段】冷却装置において、ファンシュラウドは、冷却ファン２１の外周側に設けられる。リング部５１は、内周壁部５２と、外周壁部５３と、底部５４とを有し、ファンシュラウドに設けられる。内周壁部５２は、冷却ファン２１の外周側を覆うように設けられ、円管状の形状を有する。外周壁部５３は、内周壁部５２の外周側を囲むように配置され、円管状の形状を有する。底部５４は、外周壁部５３の先端および内周壁部５２の先端よりも冷却ファン２１による空気の流れ方向の上流側に位置しており内周壁部５２と外周壁部５３との間に設けられる。そして、内周壁部５２の外周面と外周壁部５３の内周面との間隔が、底部５４側から内周壁部５２と外周壁部５３との先端側に向けて次第に広がっている。
【選択図】図８

Description

本発明は、冷却装置および作業機械に関する。

従来、建設機械などの作業機械に搭載される冷却システムは、主に、ラジエータおよび冷却ファンから構成されている。ラジエータは、エンジンとの間で冷却媒体を循環させ、冷却媒体を外気によって冷却する。冷却ファンは、ラジエータを通る空気の流れを生成して、ラジエータでの熱交換を促進させる。さらに、ラジエータと冷却ファンとの間には、ラジエータから冷却ファンへの空気の流れを案内するファンシュラウドが設けられる（例えば、特許文献１参照）。

近年は、エンジンの総熱量の増大により、ラジエータの水温が上昇することが問題となっている。その問題を解決するためには、例えば冷却ファンの回転速度を高くすることで、冷却ファンによる空気の流量を多くすることが考えられる。しかし、冷却ファンの回転速度を高めると、騒音が大きくなるという問題がある。

そこで、エンジンの冷却システムの冷却能力を向上させるとしても、冷却ファンの回転速度を大きくすることなく、冷却ファンによる空気の流量を多くすることが必要である。そのため、上述した特許文献１に記載のファンシュラウドでは、ファンシュラウドの先端に２つの筒状部が設けられている。これにより、ファンシュラウドでの空気の逆流が防止され、冷却ファンによる空気の流量を増大させることができる。

特開２００６−１３２３８０号公報

しかし、特許文献１に記載のファンシュラウドの構造だけでは、冷却ファンによる空気の流量の増大に限界があり、さらなる空気の流量の増大が望まれている。

本発明の課題は、冷却ファンの回転速度を高めることなく、冷却ファンによる空気の流量を十分に大きくすることができる冷却装置および作業機械を提供することにある。

第１発明にかかる冷却装置は、冷却ファンと、ファンシュラウドと、リング部とを備える。ファンシュラウドは、冷却ファンの外周側に設けられる。リング部は、内周壁部と、外周壁部と、底部とを有し、ファンシュラウドに設けられる。内周壁部は、冷却ファンの外周側を覆うように設けられ、円管状の形状を有する。外周壁部は、内周壁部の外周側を囲むように配置され、円管状の形状を有する。底部は、外周壁部の先端および内周壁部の先端よりも冷却ファンによる空気の流れ方向の上流側に位置しており内周壁部と外周壁部との間に設けられる。そして、内周壁部の外周面と外周壁部の内周面との間隔が、底部側から内周壁部と外周壁部との先端側に向けて次第に広がっている。

この冷却装置では、リング部の内周壁部と外周壁部との間の空間が、底部側から先端側に向けて次第に広がった形状となる。内周壁部と外周壁部との間に、このような形状の空間が配置されることにより、冷却ファンによる空気の流量を十分に増大させることができる。

第２発明にかかる冷却装置は、第１発明の冷却装置であって、外周壁部の内周面には、先端側ほど内周面が拡径するようにテーパが設けられている。

この冷却装置では、外周壁部の内周面にテーパが設けられることによって、リング部の内周壁部と外周壁部との間の空間が、上記のような形状となる。

第３発明にかかる冷却装置は、第１発明または第２発明の冷却装置であって、内周壁部の外周面には、先端側ほど外周面が縮径するようにテーパが設けられている。

この冷却装置では、内周壁部の外周面にテーパが設けられることによって、リング部の内周壁部と外周壁部との間の空間が、上記のような形状となる。

第４発明にかかる冷却装置は、第３発明の冷却装置であって、内周壁部の内周面には、先端側ほど内周面が縮径するようにテーパが設けられている。

この冷却装置では、内周壁部の内周面に上記のようなテーパが設けられることにより、一対の型を用いてリング部を容易に製造することができる。

第５発明にかかる冷却装置は、第４発明の冷却装置であって、内周壁部の内周面のテーパ角は、内周壁部の外周面のテーパ角よりも小さい。

この冷却装置では、内周壁部の内周面のテーパ角が小さいため、内周壁部の内周面にテーパを設けても、内周壁部の内周面と冷却ファンとの間のチップクリアランスの拡大を抑えることができる。これにより、冷却ファンによる空気の流量の低下を抑えることができる。

第６発明にかかる冷却装置は、第１発明から第５発明のいずれかの冷却装置であって、外周壁部の先端は内周壁部の先端よりも空気の流れ方向の下流側に位置する。また、冷却ファンの外周縁の空気の流れ方向の下流側端部は、内周壁部の先端より空気の流れ方向の下流側に位置している。

この冷却装置では、冷却ファンの外周縁の空気の流れ方向の下流側端部は、内周壁部の先端より空気の流れ方向の下流側、すなわち、内周壁部の外部に配置される。このような冷却ファンと内周壁部との位置関係により、ファンシュラウドおよびリング部による冷却ファンによる空気の流量増大の効果がさらに向上する。

第７発明にかかる作業機械は、エンジンと、エンジンを冷却するための冷却媒体を循環させるラジエータと、ラジエータを通る空気の流れを生成する請求項１から６のいずれかに記載の冷却装置と、を備える。

この作業機械では、リング部の内周壁部と外周壁部との間の空間が、底部側から先端側に向けて次第に広がった形状となる。これにより、冷却ファンによる空気の流量を十分に増大させることができる。

本発明にかかる冷却装置および作業機械では、リング部の内周壁部と外周壁部との間の空間が、底部側から先端側に向けて次第に広がった形状となる。これにより、冷却ファンによる空気の流量を十分に増大させることができる。

本発明の一実施形態に係る油圧ショベルの外観図。 エンジンルームのエンジンフードを開けた状態を示す図。 エンジンフード内の構成を示す平面図。 エンジンフード内の冷却装置の構成を示す平面図。 冷却装置の構成を示す斜視図。 エンジンと冷却装置の位置関係を示す模式図。 冷却装置が備えるリング部の正面図。 図７におけるＩＸ−ＩＸ断面図。 本発明の実施形態に係る冷却装置と従来の冷却装置との性能を比較するグラフ。 リング部の製造に用いられる型の一例を示す断面図。

［全体構成］
本発明にかかる作業機械の一実施形態としての油圧ショベル１を図１に示す。この油圧ショベル１は、下部走行体２と、旋回台３と、作業機４と、カウンタウェイト５と、エンジンルーム６と、機器室９と、キャブ１０と、冷却装置２０（図２参照）とを備えている。

下部走行体２は、覆帯Ｐを回転させることで、油圧ショベル１を走行させる。また、下部走行体２には、旋回台３が旋回可能に載置されている。

旋回台３は、下部走行体２上において、任意の方向に旋回可能である。旋回台３の上面には、作業機４とカウンタウェイト５とエンジンルーム６とキャブ１０とが載置されている。

作業機４は、ブーム１１とアーム１２とバケット１３とを有する。ブーム１１は、旋回台３に回転可能に取り付けられている。アーム１２は、ブーム１１に回転可能に取り付けられている。バケット１３は、アーム１２に回転可能に取り付けられている。これらの部材は、油圧シリンダ１１ａ，１２ａ，１３ａによって駆動され、これにより、掘削などの作業が行われる。

カウンタウェイト５は、例えば鋼板製の箱の中に屑鉄やコンクリート等を入れて固めたものであって、掘削などの作業の際に車体のバランスをとるために設けられている。カウンタウェイト５は、エンジンルーム６の後方に配置されている。

エンジンルーム６は、図２に示すように、カウンタウェイト５に隣接して配置されている。エンジンルーム６は、点検用の上部開口を有しており、上部開口を開閉可能にエンジンフード１４が設けられている。エンジンルーム６には、下部走行体２および作業機４を駆動するための駆動源であるエンジン６ａと、冷却装置２０が収容されている。

機器室９は、作業機４の後方に配置されており、図示しない燃料タンク、作動油タンク、および、操作弁などを収容する。作動油タンクには、油圧シリンダ１１ａ，１２ａ，１３ａなどの油圧アクチュエーターを駆動するための作動油が貯留される。

キャブ１０は、オペレータが作業機４の先端部を見通せるように、旋回台３上における作業機４の側方に配置されている。

冷却装置２０は、エンジンルーム６内においてエンジン６ａに隣接して配置されている。冷却装置２０は、エンジン６ａの冷却水や作動油などを冷却する。以下、冷却装置２０の構成について詳細に説明する。

［冷却装置２０の構成］
冷却装置２０は、エンジン６ａの冷却水や、作動油を冷却する装置である。図３から図６に示すように、冷却装置２０は、冷却ファン２１と、クーリングコア３０と、ファンシュラウド４０とを有している。

冷却ファン２１は、エンジン６ａに直結されており、エンジン６ａによって回転駆動される。図５に示すように、冷却ファン２１は、軸流ファンであり、ボス部２１ｂと、ボス部２１ｂの周りに設けられた複数の羽根部材２１ａとを有する。冷却ファン２１は、回転駆動されることによって、クーリングコア３０を通る空気の流れを生成する。なお、羽根部材２１ａの枚数は、冷却ファン２１の送風量および大きさによって異なるが、一般的には、６枚から１１枚程度とされている。冷却ファン２１が駆動されると、図３および図６において矢印Ｆで示すように、クーリングコア３０から冷却ファン２１に向かう方向への空気の流れが形成される。つまり、冷却ファン２１によって生成される空気の流れの中においては、クーリングコア３０の下流側に冷却ファン２１が配置される。なお、以下の説明において、図３および図６の矢印Ｆの方向を空気流れ方向と呼ぶ。また、図３，４，６，８において左側を上流側、右側を下流側とする。

クーリングコア３０は、冷却媒体としての冷却水を空気との熱交換によって冷却するユニットである。クーリングコア３０は、図４に示すように、ラジエータ３１、オイルクーラ３２、アフタークーラ３３等を含む。

ラジエータ３１は、エンジン６ａを冷却するための冷却水を循環させて、冷却ファン２１によって流れる空気との間で熱交換を行わせることによって冷却水の温度を低下させる。

オイルクーラ３２は、作動油タンクから油圧回路に供給されて温度が上昇した作動油と、冷却ファン２１によって流れる空気との間において熱交換を行わせることで、作動油の温度を低下させる。

アフタークーラ３３は、エンジン６ａのターボチャージャ（図示せず）からの圧縮空気と、冷却ファン２１によって流れる空気との間において熱交換を行わせることによって、圧縮空気を冷却する。圧縮空気は、冷却された後にエンジン６ａの吸気マニホールドへと送られる。

ファンシュラウド４０は、図５および図６に示すように、冷却ファン２１の羽根部材２１ａの外周部分を覆うように取り付けられており、ケース部４１を有している。ケース部４１は、羽根部材２１ａの外周部分に沿って形成された円形の開口を有する箱状の部材である。また、ケース部４１には、リング部５１が取り付けられている。

リング部５１は、冷却ファン２１による空気の流量を増大させるための部材である。リング部５１は、ケース部４１とは別体の単独の部材であり、ケース部４１の開口の内周縁に取り付けられている。リング部５１は、樹脂製であり、射出成形などの公知の成形技術によって製造される。リング部５１は、図６から図８に示すように、内周壁部５２と、外周壁部５３と、底部５４と、フランジ部５５とを有しており、これらの部分が一体的に形成されている。

内周壁部５２は、冷却ファン２１の外周側を覆うように設けられており、円管状の形状を有している。図６に示すように、内周壁部５２は、ケース部４１の開口の縁に位置しており、冷却ファン２１の外周縁に近接している。内周壁部５２の径は、冷却ファン２１の外径よりも大きく、両者の間の隙間（以下、「チップクリアランス」と呼ぶ）Ｇは例えば１５ｍｍである。また、図８に示すように、内周壁部５２の外周面５６には、先端側すなわち空気流れの下流側ほど外周面５６が縮径するようにテーパが設けられている。また、内周壁部５２の内周面５７には、先端側ほど内周面５７が縮径するようにテーパが設けられている。内周壁部５２の内周面５７のテーパ角ｂ２は、内周壁部５２の外周面５６のテーパ角ｂ１よりも小さい。例えば、内周壁部５２の外周面５６のテーパ角ｂ１は１°であり、内周壁部５２の内周面５７のテーパ角ｂ２は０．５°である。なお、内周壁部５２の先端において、外周側の角部６３は曲面でつながれているが、内周側の角部６４は曲面でつながれていないシャープエッジとなっている。また、内周壁部５２の空気流れの上流側端部の角部６７もシャープエッジとなっている。

外周壁部５３は、円管状の形状を有しており、内周壁部５２の外周側を囲むように内周壁部５２と同心に配置されている。外周壁部５３は、内周壁部５２に対して径方向に間隔を隔てて配置されており、外周壁部５３と内周壁部５２との間には環状の空間Ｓが設けられている。外周壁部５３の内周面５８には、先端側ほど内周面５８が拡径するようにテーパが設けられている。また、外周壁部５３の外周面５９には、先端側ほど外周面５９が縮径するようにテーパが設けられている。外周壁部５３の内周面５８のテーパ角ａ２と外周壁部５３の外周面５９のテーパ角ａ１とは同じ大きさであり、例えば、１°である。なお、外周壁部５３の先端において、外周側の角部６１は曲面でつながれているが、内周側の角部６２は曲面でつながれていないシャープエッジとなっている。

内周壁部５２の空気流れ方向長さは、外周壁部５３の空気流れ方向長さより小さい。また、外周壁部５３の空気流れ方向下流側端部は、内周壁部５２の空気流れ方向下流側端部よりも、空気流れ方向の下流側に位置している。冷却ファン２１の外周縁の空気流れ方向の下流側端部は、内周壁部５２の先端より空気流れ方向の下流側に位置している。

底部５４は、内周壁部５２の先端および外周壁部５３の先端よりも空気流れ方向の上流側において内周壁部５２と外周壁部５３との間に設けられており、平坦な形状を有する。具体的には、底部５４は、外周壁部５３の空気流れ方向の上流側端部と、内周壁部５２の空気流れ方向の上流側端部とを連結している。底部５４は、外周壁部５３と内周壁部５２との間の空間Ｓの空気流れ方向の上流側を閉じている。なお、底部５４の空間Ｓ側の表面と、内周壁部５２の外周面５６との間の角部６５は曲面でつながれている。また、底部５４の空間Ｓ側の表面と、外周壁部５３の内周面５８との間の角部６６も曲面でつながれている。

フランジ部５５は、外周壁部５３の外周側に設けられており、平坦な形状を有する。フランジ部５５には、周方向に間隔を隔てて複数の孔６８が設けられており、これらの孔６８には金属製のパイプ部材６９が挿入されている。これらのパイプ部材６９に、リング部５１をケース部４１に固定するためのボルトが挿入される。また、フランジ部５５の外周面７４には、空気流れの下流側ほど外周面７４が縮径するようにテーパが設けられている。このフランジ部５５の外周面７４のテーパ角Ｃは、外周壁部５３の内周面５８のテーパ角ａ２および外周壁部５３の外周面５９のテーパ角ａ１よりも大きく、例えば、１．５°である。
［特徴］
この冷却装置２０では、上記のようなリング部５１が設けられることにより、冷却ファン２１による空気の流量を増大させることができる。特に、リング部５１は、内周壁部５２の外周面５６と外周壁部５３の内周面５８との間隔が、底部５４側から内周壁部５２と外周壁部５３との先端側に向けて次第に広がるような形状となっている。これにより、ファンシュラウド４０によって冷却ファン２１による空気の流量を増大させる効果をより向上させることができる。

図9において、本実施形態の冷却装置２０による空気の流量（風量）と騒音の大きさとの関係をL1で示す。また、比較例として従来の冷却装置による空気の流量と騒音の大きさとの関係をL２で示す。比較例の冷却装置では、内周壁部５２の外周面５６と外周壁部５３の内周面５８との間隔が一定となっている。図９から明らかなように、騒音の大きさが同じ場合、本実施形態による冷却装置２０の方が比較例の冷却装置よりも風量が大きくなっている。

また、内周壁部５２の外周面５６には、先端側すなわち空気流れの下流側ほど外周面５６が縮径するようにテーパが設けられている。そして、内周壁部５２の内周面５７には、先端側ほど内周面５７が縮径するようにテーパが設けられている。このため、例えば図１０に示すような一対の型７１，７２を用いて、リング部５１を容易に製造することができる。すなわち、内周壁部５２の内周面５７に、先端側ほど内周面５７が拡径するようにテーパが設けられている場合には、図１０において、型７１を外す際に（矢印Ａ１参照）、型７１と干渉してしまう。この場合、型７１を分割する必要が生じ、製造装置がより複雑になってしまう。しかし、内周壁部５２を上記のようなテーパ形状とすることにより、リング部５１を容易に製造することができる。

さらに、内周壁部５２の内周面５７のテーパ角ｂ２は、内周壁部５２の外周面５６のテーパ角ｂ１よりも小さい。このため、冷却ファン２１と内周壁部５２の内周面５７との間のチップクリアランスＧ（図６参照）を小さくすることができる。これにより、内周壁部５２に上記のようなテーパが設けられても、冷却ファン２１による空気の流量を低下させる要因となるチップクリアランスの増大を抑えることができる。
［他の実施形態］
（ａ）上記の実施形態では、内周壁部５２の外周面５６と外周壁部５３の内周面５８との両方にテーパが設けられているが、いずれか一方にのみテーパが設けられてもよい。また、内周壁部５２の外周面５６のテーパ角と外周壁部５３の内周面５８のテーパ角とが、異なっていてもよい。

（ｂ）内周壁部５２の内周面５７にテーパが設けられず、空気流れ方向と平行になっていてもよい。また、外周壁部５３の外周面５９にテーパが設けられず、空気流れ方向と平行になっていてもよい。

（ｃ）外周壁部５３、内周壁部５２、底部５４、フランジ部５５が一体に形成されるのではなく、これらの一部または全てが別体に形成されてもよい。

本発明は、冷却ファンの回転速度を高めることなく、冷却ファンによる空気の流量を十分に大きくすることができる効果を有し、冷却装置および作業機械として有用である。

６ａ エンジン
２０ 冷却装置
２１ 冷却ファン
３１ ラジエータ
４０ ファンシュラウド
５１ リング部
５２ 内周壁部
５３ 外周壁部
５４ 底部

Claims (7)

1. 冷却ファンと、
   前記冷却ファンの外周側に設けられるファンシュラウドと、
   前記冷却ファンの外周側を覆うように設けられる円管状の内周壁部と、前記内周壁部の外周側を囲むように配置される円管状の外周壁部と、前記外周壁部の先端および前記内周壁部の先端よりも前記冷却ファンによる空気の流れ方向の上流側に位置しており前記内周壁部と前記外周壁部との間に設けられる底部と、を有し、前記ファンシュラウドに設けられるリング部と、
   を備え、
   前記内周壁部の外周面と前記外周壁部の内周面との間隔が、前記底部側から前記内周壁部と前記外周壁部との先端側に向けて次第に広がっている、
   冷却装置。
2. 前記外周壁部の内周面には、先端側ほど前記内周面が拡径するようにテーパが設けられている、
   請求項１に記載の冷却装置。
3. 前記内周壁部の外周面には、先端側ほど前記外周面が縮径するようにテーパが設けられている、
   請求項１または２に記載の冷却装置。
4. 前記内周壁部の内周面には、先端側ほど前記内周面が縮径するようにテーパが設けられている、
   請求項３に記載の冷却装置。
5. 前記内周壁部の内周面のテーパ角は、前記内周壁部の外周面のテーパ角よりも小さい、
   請求項４に記載の冷却装置。
6. 前記外周壁部の先端は前記内周壁部の先端よりも空気の流れ方向の下流側に位置し、
   前記冷却ファンの外周縁の空気の流れ方向の下流側端部は、前記内周壁部の先端より空気の流れ方向の下流側に位置している、
   請求項１から５のいずれかに記載の冷却装置。
7. エンジンと、
   前記エンジンを冷却するための冷却媒体を循環させるラジエータと、
   前記ラジエータを通る空気の流れを生成する請求項１から６のいずれかに記載の冷却装置と、
   を備える作業機械。

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