JP3890806B2

JP3890806B2 - 建設機械の熱交換装置

Info

Publication number: JP3890806B2
Application number: JP11061299A
Authority: JP
Inventors: 和則中村; 浩二川崎
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 1999-04-19
Filing date: 1999-04-19
Publication date: 2007-03-07
Anticipated expiration: 2019-04-19
Also published as: JP2000301956A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば油圧ショベル等の建設機械において、エンジンと作動油とを冷却するための熱交換装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
建設機械の一例としての油圧ショベルは、下部走行体に上部旋回体を旋回可能に設置することにより大略構成されるものであり、下部走行体には左右一対からなる履帯式走行手段が設けられており、また上部旋回体には作業機として土砂の掘削手段を備えている。そして、下部走行体を構成する履帯式走行手段による走行、上部旋回体の旋回は油圧モータにより行われるものであり、また掘削手段の駆動は油圧シリンダで行われる。従って、これら油圧モータ及び油圧シリンダからなる油圧アクチュエータに圧油を供給するために、油圧ショベルには油圧ポンプが搭載されており、この油圧ポンプからの圧油が各油圧アクチュエータに供給される。また、油圧ポンプはエンジンにより駆動される。
【０００３】
エンジンにはラジエータが付設され、このラジエータからエンジンに冷却水を循環することによりオーバーヒートしないように冷却する。また、作動油タンクからの作動油を油圧ポンプで吸い込んで、この油圧ポンプにより加圧して各油圧アクチュエータに供給され、また油圧アクチュエータからの戻り油は作動油タンクに還流する。この間には作動油の温度が上昇することになるので、作動油の温度が異常に上昇しないように冷却するために、オイルクーラが設けられる。以上のラジエータ及びオイルクーラは熱交換器であって、これらの２つの熱交換器はユニット化されて、エンジンまたは油圧ポンプにより駆動される冷却ファンから供給される冷却風により各熱交換器を冷却する。そして、ラジエータ内を流れるエンジン冷却水の温度と、オイルクーラ内を流れる作動油の温度とは概略同じ状態にするのが一般的である。
【０００４】
さらに、エンジンには過給機を備えたものもあり、この過給機によって燃料に混合される空気を過給状態にされる。このためにコンプレッサが設けられるが、このコンプレッサと吸気マニホールドとの間の配管の途中に、その内部を流れる空気を冷却するためのインタクーラが介装される。そして、このインタクーラも前述した冷却ファンにより冷却されることになる。従って、この場合には、熱交換器ユニットとしては、前述したラジエータ及びオイルクーラに加えて、さらにインタクーラからなる３つの熱交換器をユニット化したもので構成される。ただし、インタクーラにおいては外気をコンプレッサにおける圧縮熱による温度上昇を抑制するためのものであり、エンジン冷却水や作動油程は高温にならないことから、これらラジエータやオイルクーラと比較して放熱面積は小さくて良いが、過給用の空気はエンジン冷却水及び作動油より低い温度を必要とするために、冷却風の流れの最上流側に配置するのが一般的である。
【０００５】
以上のことから、ラジエータ，オイルクーラ及びインタクーラからなる熱交換器ユニットとしては、例えば特開平８−３０３２４１号公報に示されているように、冷却ファンによる冷却風の流れの上流側から順にインタクーラ，オイルクーラ，ラジエータの順に配列され、かつこれら各熱交換器のうち、オイルクーラとラジエータとはほぼ同じ放熱面積となし、インタクーラはこれらより小さい放熱面積を有するものとするのが一般的である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ラジエータとオイルクーラとの２つの熱交換器をユニット化したものと、それらにインタクーラを加えた３つの熱交換器をユニット化したものと比較すると、ラジエータ及びオイルクーラの放熱面積を変えないとすれば、インタクーラを設置した方が冷却効率が低くなる。つまり、インタクーラが冷却風の上流側に配置されている分だけ、オイルクーラ及びラジエータにおけるインタクーラと対面する位置での冷却風の流通量が減少して冷却効率が低下する。従って、これらオイルクーラ及びラジエータの冷却効率を所定のレベルとなるように維持するには、それらの放熱面積をより大きくする必要がある。放熱面積を大きくするには、放熱フィンの面積を大きくすることが考えられるが、そうすると、各熱交換器における通風量を十分得ることができなくなる。従って、オイルクーラ及びラジエータの通風部の面積を広くし、かつ冷却ファンによる送風量も大きくしなければならず、従って熱交換装置の全体構成が大型化することになる。
【０００７】
ところで、ラジエータはエンジン冷却水を冷却してエンジンに供給するものであり、またインタクーラにより冷却した空気もエンジンに供給される。従って、インタクーラから供給される過給用の空気によってもエンジンは冷却される。つまり、インタクーラを設けることによって、エンジン冷却水による水冷だけでなく、インタクーラから供給される低温の過給空気がエンジンを冷却する空冷機能を発揮するから、全体としてエンジンの冷却効率は向上することになる。この点を考慮すれば、ラジエータの放熱面積は必ずしも大きくする必要はなく、むしろ放熱面積を少なくしても良いということになる。本発明は以上の点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、オイルクーラを格別大型化することなく、また冷却ファンによる冷却風量を格別増大させることなく、エンジン及び作動油を必要な程度で有効に冷却できるようにすることにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前述した目的を達成するために、本発明は、冷却ファンによる冷却風の流路に、上流側から順にインタクーラ，オイルクーラ及びラジエータを配列した熱交換器ユニットを備えた建設機械の熱交換装置であって、前記熱交換器ユニットを構成する３個の熱交換器のうち、前記インタクーラの通風部の面積を最小となし、前記冷却風の流路に直列に配列した前記オイルクーラと前記ラジエータとでは、冷却風の流路に前記ラジエータの通風部の欠落箇所を設け、前記ラジエータを前記オイルクーラより通風部の面積が小さくなる構成としたことをその特徴とするものである。
【０００９】
ここで、インタクーラは冷却ファンによる冷却風の流れにおいて、オイルクーラの前面部に配置されておれば、どの位置であっても良く、このインタークーラからの配管を引き回す上等で便利な位置に設ければ良いが、ラジエータがオイルクーラと重なり合わない位置に配置すると、オイルクーラにおける通風部の全体にほぼ均一な風量が得られる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。まず、図１に本発明の第１の実施の形態を示すものであって、同図において、１はエンジンルームであって、このエンジンルーム１は周囲をカバー部材１ａにより覆われた空間となっており、内部にはエンジン２が設けられており、このエンジン２には冷却ファン３が取り付けられており、この冷却ファン３の周囲にはラジエータシュラウド４が設けられている。また、エンジンルーム１を構成するカバー部材１ａのうち、上面部において、冷却ファン３の前方位置には外気の取り入れ口５が開口している。冷却ファン３はエンジン２により回転駆動されて、同図に矢印で示した方向に冷却風を流通させるようにしている。
【００１１】
以上の冷却風の流通路には、３つの熱交換器が相互に所定の間隔を置いた状態で連結することにより熱交換器ユニット１０を構成している。ここで、熱交換器ユニット１０は、冷却風の上流側から順に、インタクーラ１１，オイルクーラ１２及びラジエータ１３が配列されている。エンジン２が起動すると、これと同時に冷却ファン３が回転して、図１に矢印で示したように、外気取り入れ口５から外気がエンジンルーム１内に取り込まれ、インタクーラ１１，オイルクーラ１２及びラジエータ１３を順次通過する間に、過給用の空気，作動油及びエンジン冷却水からなる被冷却用流体が冷却される。そして、これら被冷却用流体と熱交換して加熱状態になった空気がエンジンルーム１内で熱交換器ユニット１０の前部側に循環するのを防止するために、サーキュレーション防止壁６がエンジンルーム１のカバー部材１ａの上部壁の内面とラジエータシュラウド４の上部との間に設けられている。
【００１２】
ここで、これらインタクーラ１１，オイルクーラ１２及びラジエータ１３からなる熱交換器は、いずれも流入及び流出用の配管やタンク等からなる機構部と、それぞれの被冷却流体を流通させる間に冷却風と熱交換させる放熱部とから構成される。機構部はそれぞれの熱交換器に応じて異なる構成となるが、放熱部は被冷却流体の種類等により実質的に差異はない。
【００１３】
従って、熱交換器における放熱部としては、通常、図２に示したように構成される。即ち、所定の幅を有する方形の支持枠体２０内に、被冷却流体を流通させる細管２１が上下方向に多数設けられており、これらの細管２１には放熱フィン２２が細管２１と直交する方向に多数設けられている。放熱フィン２２は熱伝達率の高い銅やアルミニウム等からなる金属薄板で構成されるのが一般的である。従って、この支持枠体２０の内部が通風部であり、この通風部に冷却風を流通させることによって、細管２１内を流れる被冷却流体を冷却する。
【００１４】
熱交換器を構成する放熱部による熱交換効率は、放熱フィン２２の材質が同じであれば、この放熱フィン２２の全表面積、即ち放熱面積と、この放熱フィン２２を通過する冷却風の風量とによって実質的に定まるものである。しかも、放熱フィン２２による放熱面積と冷却風量とは相互依存性がある。つまり、通風部の面積を同じであって、放熱フィン２２の放熱面積のみを大きくした場合には、この通風部における冷却風の流通が阻害されることになるから、必ずしも被冷却流体に対する熱交換効率が向上する訳ではない。以上のことから、インタクーラ１１，オイルクーラ１２及びラジエータ１３という３つの熱交換器が冷却風の流れに対して直列に配列する構成とした場合には、インタクーラ１１を設けないものと比較して、当然、これら各熱交換器における通風部に流通する冷却風量が減少して、それらの被冷却流体の冷却効率が低下する。とりわけ、オイルクーラ１２及びラジエータ１３の通風部におけるインタクーラ１１が設置されている部分の後方位置での流通風量が低下する。
【００１５】
ところで、インタクーラ１１は、エンジン２に供給される過給用の空気を冷却するものであり、この過給用の空気によりエンジン２は空冷されることになる。従って、ラジエータ１３から供給されるエンジン冷却水のみならず、インタクーラ１１からの空気もエンジン２を冷却する際における冷媒として作用する。この結果、インタクーラ１１を設けることによって、エンジン冷却水の温度上昇が抑制されることになって、このようにインタクーラ１１によりエンジン２の冷却効率が向上する分だけラジエータ１３による冷却効率の負担を軽減させることができる。
【００１６】
以上のことから、まずインタクーラ１１には、過給用の空気を所定の温度にまで冷却するという機能を発揮させるために必要な通風部の面積と放熱フィンによる放熱面積を持たせる。また、オイルクーラ１２において、油圧アクチュエータから還流する作動油の温度を設定温度にまで低下させる冷却能力を持つように、その通風部の面積と放熱面積とを持たせる。一方、ラジエータ１３においては、インタクーラ１１によるエンジン２の冷却効率の向上が図られる分だけ通風部の面積を縮小して小型化を図るようにする。従って、ラジエータ１３を小型化した分だけオイルクーラ１２の通風部を通過する冷却風の風量が増大する。
【００１７】
要するに、冷却風の通路に直列に配置される３個の熱交換器のうち、最上流側に位置するインタクーラ１１の通風部の面積が最も小さくし、オイルクーラ１２における通風部の面積を最も大きくし、ラジエータ１３の通風部の面積はオイルクーラ１２より小さくする。このように、ラジエータ１３の通風部の面積を小さくしたことによって、オイルクーラ１２の通風部の面積を大きくしたり、冷却ファン３による冷却風量を増量させたりしなくても、エンジン２及び作動油を有効に冷却できるようになり、全体としての熱交換装置の構成を小型化、コンパクト化することができる。
【００１８】
而して、図１に示した実施の形態においては、インタクーラ１１を配置した後方の位置にはラジエータ１３が位置していない。つまり、同図にＡで示した部分がオイルクーラ１２の投影部におけるラジエータ１３の欠落箇所となっている。このように構成すれば、通風部の点からは、冷却ファン３による冷却風の通路には、２個の熱交換器を配置したとほぼ同様の構成となる。これによって、３個の熱交換器を設けているにも拘らず、各熱交換器の通風部の面積及び冷却ファン３による冷却風の風量は、オイルクーラとラジエータとの２個の熱交換器を設けたものとほぼ同じ程度とすることができる。ただし、必ずしもラジエータの欠落箇所と対応する位置にインタクーラを配置する必要はなく、例えば図３に示したような構成や、また図４乃至図６に示した構成を採用することもできる。
【００１９】
図３に示した熱交換器ユニット１１０の構成では、ラジエータ１１３の欠落箇所がＢとなっており、上部側から、インタクーラ１１１，オイルクーラ１１２及びラジエータ１１３の３個の熱交換器が重なり合う領域と、オイルクーラ１１２とラジエータ１１３が重なり合う領域と、オイルクーラ１１２が単独で位置する領域とが形成されている。このように構成すると、オイルクーラ１１２が単独で位置する領域の通風量が最も大きくなるので、オイルクーラ１１２における熱交換効率が向上する。ここで、いずれの熱交換器においても、被冷却用流体の流入用配管と流出用配管（共に図示せず）とを接続するが、これらの配管接続部は上部側で行うのが一般的である。従って、インタクーラ１１１，オイルクーラ１１２及びラジエータ１１３の３個の熱交換器の上端部がほぼ同じ位置となっていると、配管の接続及び引き回しが容易になる。
【００２０】
さらに、図４乃至図６に示した熱交換ユニット２１０では、配管の接続及び引き回しに便宜となるように、インタクーラ２１１，オイルクーラ２１２及びラジエータ２１３の３個の熱交換器の上端部がほぼ同じ位置とした上で、ラジエータ２１３のみの幅寸法を短くしている。従って、オイルクーラ２１２の投影部におけるラジエータ２１３の欠落箇所は、図５にＣで示した部分となる。このように構成することによっても、オイルクーラ２１２における通風部を通過する冷却風量を最も多くすることができるようになる。
【００２１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、熱交換器ユニットを構成する３個の熱交換器における通風部の面積は、オイルクーラが最も広く、次いでラジエータ、さらにインタクーラの順に小さくなるように設定したので、オイルクーラを格別大型化することなく、また冷却ファンによる冷却風量を格別増大させることなく、エンジン及び作動油を必要な程度で有効に冷却できる等の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示す熱交換器ユニットの構成説明図である。
【図２】熱交換器における通風部の構成説明図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態を示す熱交換器ユニットの構成説明図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態を示す熱交換器ユニットの構成説明図である。
【図５】図４の熱交換ユニットの平面図である。
【図６】図５の正面図である。
【符号の説明】
１エンジンルーム
２エンジン
３冷却ファン
１０，１１０，２１０熱交換器ユニット
１１，１１１，２１１インタクーラ
１２，１１２，２１２オイルクーラ
１３，１１３，２１３ラジエータ
２０支持枠体
２１細管
２２放熱フィン

Claims

冷却ファンによる冷却風の流路に、上流側から順にインタクーラ，オイルクーラ及びラジエータを配列した熱交換器ユニットを備えた建設機械の熱交換装置において、前記熱交換器ユニットを構成する３個の熱交換器のうち、前記インタクーラの通風部の面積を最小となし、前記冷却風の流路に直列に配列した前記オイルクーラと前記ラジエータとでは、冷却風の流路に前記ラジエータの通風部の欠落箇所を設け、前記ラジエータを前記オイルクーラより通風部の面積が小さくなる構成としたことを特徴とする建設機械の熱交換装置。
前記インタクーラは前記ラジエータが前記オイルクーラと重なり合わない位置に配置する構成としたことを特徴とする請求項１記載の建設機械の熱交換装置。
前記インタクーラと前記ラジエータとによるエンジンの合計放熱量は前記オイルクーラによる放熱量とほぼ一致させるようにしたことを特徴とする請求項１記載の建設機械の熱交換装置。