JP4750263B2 - 熱伝達装置の用途およびエンジン囲いの換気を同時に行うためのファン制御システムおよび方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般に、建設、土工および他の形式の作業機械等の重機械のための空気調和システムおよびエンジン囲い換気システムの分野に関し、詳細には、特定の作業機械に関する空気調和装置の凝縮器の冷却と、エンジン囲いの換気とを同時に行うための単一のファンの配置および制御システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に、建設および掘削機械の他に、種々の他の形式の作業機械もまた、機械の作動を制御するための運転室または運転台を含む。作業機械が使用される環境は様々であるため、運転室の多くには空気調和システムが装備されている。空気調和システムに欠かせない部品として、冷媒からの熱を別の媒体に伝達するために使用される冷媒の凝縮器コアがある。これに関し、凝縮器コアはその熱放出を高め、それによって空調システムの効率を高めるために、一般的に凝縮器を通って送られる強制的な空気流を必要とする。この強制空気流は凝縮器コアからの熱の放出をさらに促進し、空気調和システムの全体的な効率を改善する。
【０００３】
空間が限られているため、空気調和装置の凝縮器を通る強制空気流のための個別のファンは通常設けられていない。その代わりに、凝縮器コアは多くの場合、ハイドロリック、トランスミッションおよびオイル熱交換器と同様、エンジンラジエータといった他の多くの熱交換器と共に一次冷却ファン気流中に配置されており、全ての熱交換器は、空気調和装置の凝縮器コアを通る熱伝達空気流の量を減少させるので、空気調和システムの効率が低下してしまう。また、この先行技術の配置では、全体的な空気調和システムの大きさ、特に一次冷却ファンの大きさと、運転能力とが付加されており、このような種々の冷却システムの部品の物理的配置は、多くの場合、運転室からの運転者の良好な視界を妨げてしまう。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
作業機械の空気調和システムの効率を改善すると同時に、この課題を達成するのに必要な装置の大きさを最小にすることが望ましい。
作業機械において他の重要かつ絶えず増大しているニーズとして、エンジン室を冷却して、内部に取り付けられている種々の部品の限界温度要件より低い温度を維持するためにエンジン囲いを換気することが挙げられる。また、世界的な騒音規制法はエンジン騒音を減少させるために防音性に優れた囲いを要求している。防音性の高いエンジンの囲いは気密性の高い囲いになり、結果として、自然空気流が減少し、エンジン室を通り、熱を発生する部品から熱を取り除くための自然空気循環が減少することになる。その結果、エンジン囲いの換気が減少する。防音性の高いエンジン囲いを達成しつつ囲い内を必要な温度に維持するよう、換気ファンでエンジン囲い内の空気循環を改善することが必要な場合がある。換気ファンは特に、エンジン囲いの換気の問題を回避するために取り付けられるが、これもまた、冷却システム全体の大きさを増すことになる。
【０００５】
このため、エンジン囲いの換気を改善しつつ、同時にこの課題を達成するために必要な冷却システムの大きさを最小にすることが望ましい。
したがって、本発明は前述の問題の１つまたはそれ以上を解決することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の１つの態様において、熱伝達装置を通過する空気流を増加させ、かつ、作業機械のエンジン室を換気する装置を開示する。この装置は、エンジン室の一端部に隣接して配置されるファンと、ファンに隣接してその上流に配置される熱交換装置と、熱伝達装置を通過してエンジン室を通過するようになった、ファンが作り出す空気流とを含む。
【０００７】
本発明の他の態様において、作業機械のファン速度を制御するための方法であって、作業機械は、熱伝達装置とエンジン室とを含み、ファンは、熱伝達装置とエンジン室の一端部との間に配置されている。この方法は、作業機械のエンジン室内の温度を検知する段階と、エンジン室内で検知された温度に基づきファンの速度を決定する段階と、熱伝達装置の作動状態を検知する段階と、熱伝達装置の作動状態に基づきファンの速度を決定する段階と、エンジン室内で検知された温度に基づきファンの速度を決定する段階で決定されたファンの速度を、熱伝達装置の作動に基づきファンの速度を決定する段階で決定されたファンの速度と比較する段階と、ファンの速度を、エンジン室内で検知された温度に基づきファンの速度を決定する段階および熱伝達装置の作動状態に基づきファンの速度を決定する段階で決定された速度の高い方を設定する段階とを含む。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１を参照すると、本発明の原理を組み込んだ１つの実施の形態において、ファン１０が、一般的な作業エンジンに関連するエンジン室２０の一端部１２に隣接して位置され配置されており、２つの別個の仕事、すなわち、一般的な空気調和システムに関連する冷媒凝縮器コア１４等の熱伝達装置の冷却と、エンジン室２０の換気とを行うようになっている。ファン１０はラジアルファンであることが好ましいが、軸流ファンや他の形式のファンも、本発明の精神および範囲から逸脱することなく使用できる。ラジアルファン１０は、図１と図４に最もよく示されるようにファンの前部から空気を吸入し、ファンの半径方向に空気を排出するよう作動する。
【０００９】
エンジン室２０は囲い部材２１により囲まれており、囲い部材２１は部材２１の開口部１８を覆うフード１７を含む。開口部１８と、フード１７下方の空間とにより形成される空間１９は、周囲の空気がエンジン室２０の外側部分からファン１０へ流れる通路をもたらす。この点に関して、ファン１０は、図１に最もよく示されるように空間１９の吸気口に近接し、それに面するように配置され、以下に説明するように空間１９への吸気口および凝縮器コア１４とまっすぐな視線内にあることが好ましい。
【００１０】
図２および図３はファン１０および熱伝達冷媒凝縮器コア１４の特定の装置の配置を示す。さらに詳細には、凝縮器コア１４はファン１０の上流で、実質的にファン１０の前部に隣接して取り付けられることが好ましい。ファン１０が作動すると、空気は凝縮器コア１４を通ってファン１０の中に引き込まれることにより、凝縮器コア１４の熱伝達能力を高める。本発明のファンの用途は、一般的な空気調和システムの熱伝達装置に関する作動について開示されているが、熱伝達装置１４は、エンジンオイル冷却コアまたは制御油冷却コア等の作業機械に用いられる複数の異なる形式の熱交換器であってもよく、本発明のファンの用途が同じように冷却を行うために適応できることが理解され期待されている。
【００１１】
図１および図２に最もよく示されるように、ファン１０はファン１０の速度を制御するよう作動可能に連結されている駆動モータ１３含む。駆動モータ１３はファン１０の後方に、またはモータ１３がファン１０を出入りする空気流を妨げないような他の位置に配置されることが好ましい。
【００１２】
エンジン室２０は、一般的に作業機械のためのエンジンの他に、油圧ポンプ、モータ、他のファンおとび他の熱伝達装置等の、機械の作動に必要な種々の機能部品（図示せず）を含む。また、図４に示すようにエンジン室２０は少なくとも１つ、好ましくは２つの排気ダクト２２を含み、排気ダクト２２はエンジン室２０のファン１０の反対側の端部に隣接して囲い部材２１の上端部分に位置されて配置されている。排気ダクト２２はエンジン室２０の内外の空気連通を可能にし、ファン１０によりエンジン室の中に排出された空気の排気点として作用する。また、エンジン室２０は、ファン１０から半径方向に排出される空気流をエンジン室２０の端から端まで案内する適切な内部ダクト設備（図示せず）を含み、空気が排気ダクト２２を通ってエンジン室２２を出る前に、空気流が内部の必要な機能部品に接触し、同じく冷却するのを助ける。
【００１３】
したがって、ファン１０が作動すれば、ファン１０は吸気口を通して周囲の空気を空間１９に吸い込み、図２および図３に図示する矢印が示すように、空気がまず凝縮器コア１４を通過することを可能にし、これによって凝縮器コア１４からの熱を放散させ、同じく冷却する。同じ空気が次に、ラジアルファン１０により半径方向に排出されて、同じく図２および図３に図示する矢印が示すようにエンジン室２０に入る。ラジアルファン１０の上部をフード１７等で覆い、空気がファンの上部を通って半径方向に流出しないようにすることが好ましい。したがって、フード１７はファン１０の上部から半径方向に排出される空気をフード１７の後方下側の側面に送り、ファン１０の側面および底面から半径方向に排出される空気と合流させる。空気はファン１０から排出されると、エンジン室２０内の適切な空気ダクト手段で排気ダクト２２に案内される。この過程で、空気は、エンジン室２０内でファン１０の下流に配置されている、冷却が必要な場合がある必須の機能部品に接触する状態になり、このようにエンジン室２０を通る空気流はエンジン室を換気して、エンジン室およびその内部に取り付けられている種々の機能部品から熱を放散させることができる。
【００１４】
ファン１０の作動は、以下に説明する信号を受けて出力することができる電子制御モジュール（ＥＣＭ）３０、または、他の制御装置または処理手段により制御される、ＥＣＭ３０等の電子制御装置またはモジュールは、エンジン速度やエンジン負荷等の幅広いエンジン機能を監視して制御することを含む、種々の機能およびタスクを制御し達成するために、一般的に作業機械と関連して用いられている。ＥＣＭ３０等の制御装置および電子モジュールは、典型的には制御弁、ポンプ、アクチュエータ、モータおよび広範な種々の機械部品等の装置に接続されており、電流制御信号を伝達して、その運転を制御するようになっている。この点に関して、ＥＣＭ３０は典型的には、マイクロコントローラまたはマイクロプロセッサのような処理手段、入力／出力回路のような関連電子回路、アナログ電子回路またはプログラム可能論理配列のほか、関連メモリを含む。
【００１５】
また、本発明のファン制御システムは、エンジン室２０内に、好ましくは作業機械ごとに異なるであろう、エンジン室内で最も高温の部品に近接して位置され配置されている温度センサ２４を含む。センサ２４は、少なくともセンサ２４周辺のエンジン室２０の温度を監視し、温度を示す適切な信号をＥＣＭ３０に出力する。しかし、温度センサ２４をエンジン室２０内のどこに配置しても良いよいことは意図され予期されることであり、センサ周囲の温度を監視するために、エンジン室２０内に複数のセンサを配置してもよいことも理解され予想される。図５に示すように、温度センサ２４は、エンジン室２０内のセンサ位置での温度に対応する信号３２をＥＣＭ３０に供給する。
【００１６】
信号３２に応答してＥＣＭ３０は、エンジン室２０内で検知された温度に対応するエンジン温度ファン速度（ＥＴファン速度）を決定する。本発明の１つの実施の形態において、ＥＴファン速度は、図６に示されている、囲い空気温度に対するファン速度、のグラフによって決定される。たとえば、図６に関して、センサ２４で検知された温度が最低閾値温度、たとえば図６に示される摂氏約７５度（華氏１６７度）かそれより低ければ、その温度に対するＥＴファン速度は最低速度であるゼロｒｐｍである。エンジン室２０内で検知された温度が、図６で示される最高閾値温度である摂氏約８５度（華氏１８５度）かそれより高ければ、エンジン室２０内でその温度に対するＥＴファン速度は最高ファン速度である約３０００ｒｐｍである。エンジン室２０内で検知された温度が、最低閾値温度と最高閾値温度との間にあれば、ＥＴファン速度は、図６のグラフに示されるように、最低エンジン囲い温度と最高エンジン囲い温度との間の直線関係に基づいて決定される。この場合、ＥＴファン速度は、図６に示される直線関係に基づいて０ｒｐｍと３０００ｒｐｍとの間の比例速度になる。この手順は、エンジン室温度とファン速度との関係を、図６に示すグラフの形式、参照用テーブルの形式またはファン速度を導く１つまたはそれ以上の方程式の形式でＥＣＭ３０に関連するメモリに格納する等の、当業者には公知の種々の方法の１つを用いて実行できる。同様に、検知されたエンジン囲い温度に基づいてファン速度を決定する他の方法も可能である。
【００１７】
また、凝縮器コア１４を冷却するための望ましいファン速度を示す第２の信号３５も、特定の作業機械に関連する空調制御システム３４を経由してＥＣＭ３０に供給される。信号３５は、作業機械の運転台に配置された空気調和制御装置の位置に基づいて、空気調和制御システム３４により発生され、この制御装置はシステム要求および凝縮器コア１４の熱伝達要求を指図する。空気調和制御装置の設定に基づいて、空気調和制御システム３４は、ファン１０が凝縮器コア１４を冷却するのに必要なファンの速度（ＡＣファン速度）を決定し、このＡＣファン速度を表す適切な信号３５をＥＣＭ３０に出力する。ＥＴおよびＡＣファン速度に基づいて、ＥＣＭ３０はファン１０の速度を制御するためにファン駆動モータ１３に信号３６を出力し、この出力信号３６は最も高速なファン速度、すなわちＥＴファン速度およびＡＣファン速度のうちの高い方を表す。本発明の１つの態様による、適切なファン速度を決定し実行する作動ステップが、図７のフローチャート１００に記載されている。このようなステップは、当業者には公知の技術でＥＣＭ３０の処理手段のプログラムに組み込むことができる。
【００１８】
作動ステップのフローチャート１００（図７）は、イグニッションスイッチがオンになると開始され、この作動ステップは所定の繰り返し間隔または他の基準に基づいて継続的に実行するようにプログラムできる。制御ループ１００がステップ１０２で開始されると、エンジン室２０内の温度が前述のようにステップ１０３で検知される。ステップ１０４で、検知されたエンジン室内の温度が最低閾値温度より低ければ、ＥＴファン速度はステップ１０６でゼロｒｐｍと決定され、ＥＣＭ３０はステップ１１４に進む。一方、検知されたエンジン室内の温度が最低閾値温度より高いか等しければ、ＥＣＭ３０はステップ１０８に進み、検知された温度が最高閾値温度より大きいかどうかが調べられる。検知された温度が実際に最高閾値温度より高い場合は、ＥＣＭ３０はＥＴファン速度をステップ１１０で最高換気ファン速度に決定し、ＥＣＭ３０は再度ステップ１１４に進む。ステップ１０８で、ＥＣＭ３０が、検知されたエンジン室内の温度が最高閾値温度より高くないと判定すれば、ＥＣＭ３０はさらに、この検知された温度が最低閾値温度と最高閾値温度との間にあることを判定し、その後さらに、ＥＴファン速度をステップ１１２で図６に図示する関係に合わせて最低換気速度と最高換気速度との間の比例速度になるように決定する。
【００１９】
ＥＴファン速度を決定すると次に、ＥＣＭ３０はステップ１１４に進み、イグニッションスイッチがオンになっているか否かを判定する。イグニッションスイッチがオンでなければ、ＥＣＭ３０は望ましいファン速度をステップ１２０で先に決定したＥＴファン速度に決定し、ステップ１２４に進んで適切な信号３６をファン駆動モータ１３に出力し、その速度を設定する。一方、ステップ１１４でイグニッションスイッチがオンであれば、次にＥＣＭ３０はステップ１１６に進み、空気調和システムが作動しているか否かを判定する。ステップ１１６で空気調和装置が作動していなければ、ＥＣＭ３０は再度、望ましいファン速度をステップ１２０で先に決定したＥＴファン速度に決定し、ＥＣＭ３０は前述のように再度ステップ１２４に進む。しかし、空気調和システムがステップ１１６で実際に稼働中であれば、ＥＣＭ３０はステップ１１８に進み、（空気調和システム３４から得られた）ＡＣファン速度が先に決定したＥＴファン速度より大きいか否かを判定する。ＡＣファン速度の方が大きければ、ステップ１２２で望ましいファン速度はＡＣファン速度に決定され、ステップ１２４でＥＣＭ３０は適切な信号３６をファン駆動モータ１３に出力し、その速度を設定する。一方、ステップ１１８で、ＡＣファン速度ＥＴがファン速度より小さいか等しい場合には、ステップ１２０で望ましいファン速度はＥＴファン速度に決定され、ＥＣＭ３０は再度ステップ１２４に進み、適切な信号を出力する。このようにして決定された望ましいファン速度に一致する信号３６は、次にステップ１２４でファンモータ１３に送られてファン１０の速度を制御する。
【００２０】
イグニッションスイッチがオフの位置にあってもファン１０が作動可能であることは、フローチャート１００から明白である。この状況は典型的にはエンジン室内２０で検知された温度が最低閾値温度または他の所定の温度より高いときに起こる。フローチャート１００のこの特徴により、ファンの作動が停止される前にエンジン室２０内の部品を冷却する必要がある熱間停止の場合に、イグニッションスイッチが切られた後も換気ファンの速度を維持することで、エンジン室２０を通る空気流を維持することができる。検知された温度が所定の温度閾値を超える場合には、ＥＣＭ３０は最後に決定された望ましいファン速度でファン１０を継続して運転できることが好ましい。その後、検知される温度が第２の所定の閾値温度を下回るまでファン１０を継続運転できる。イグニッションスイッチが切られた後にファン１０を運転するための第１および第２の所定の温度閾値を規定するこのような付加的な作動ステップは、第１および第２の所定の温度が最低閾値温度以外の温度に設定された場合にはフローチャート１００のステップ１１４の後に挿入できる。また、この特徴は随意的なものであり、ステップ１１４は削除してよいことも理解できる。
【００２１】
【産業上の利用可能性】
本明細書に記載したように、本発明の装置、方法およびファン速度制御システムは、特に、エンジン室の換気および熱伝達コアの冷却を必要とするすべての形式の作業機械や他の車両に利用できる。本発明の装置および制御システムは、エンジン室２０内の温度および機械の空気調和システムの作動の両方を監視し、前述の２つのファン速度のうち高い方に基づいて、凝縮器コア１４と、エンジン室２０の換気との両方に有用なファンの速度を制御する。冷却凝縮器コア１４を通る強制空気により、コアの熱伝達能力が高まり、同様にコアの性能および効率が高まる。同じように、エンジン室２０内に配置されている種々の機能部品の中や周囲に空気流を案内すれば、エンジン室を換気して内部に含まれている部品を冷却することができ、これによって同様に部品の寿命および性能を高めることができる。このすべては、単一のファン１０を用いることにより達成される。
【００２２】
この明細書に記載されているファン１０の配置は、他の重要な目的にも役立っている。ファン１０および駆動モータ１３から機械の前面に向かって放出される音波は、熱伝達装置１４およびその流体内容物により減衰され、ファン１０および駆動モータ１３を取り囲むダクト設備は、反対方向に放出される騒音の減衰に役立っている。したがって、このファンの配置はさらに、騒音公害を減少させ、厳格な世界的な騒音規制を満たすのに役立つ。
【００２３】
フローチャート１００に示されている作動ステップは、本発明の精神および範囲から離れることなく変更できることは理解される。特に、ステップを追加したり、削除したりしてもよい。そのような変更はすべて本発明に含まれるものである。
【００２４】
また、制御ループ１００は所定の間隔で、少なくとも作業機械が作動している間またはイグニッションスイッチが切られるまでの間は繰り返されることが好ましい。この所定の間隔は、ある所定の時間、エンジン室内の所定の温度増加、または他のパラメータまたは他の基準に基づくことができる。さらに、ステップ１２４では、ＥＣＭ３０がステップ１０３にループバックしてフローチャート１００が繰り返されているが、ＥＣＭ３０がステップ１２４を終了させ、その後、制御ループが再度、フローチャート１００の作動ステップを開始するために、所定の繰り返し基準に基づいて繰り返されるようにプログラムしてもよい。
本発明の他の態様、目的および有利は、図面、明細書および添付の請求の範囲を検討することにより理解できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】作業機械のエンジン室を表し、さらにエンジン室内に配置された本発明の装置を細い点線で示す、本発明の１つの実施の形態の側面図である。
【図２】図１で細い点線で表されている本発明の装置の側面斜視図であり、一体化された各部品の相互配置を示している。
【図３】図２の装置の正面斜視図である。
【図４】図１のエンジン室の全面斜視図である。
【図５】本発明の電子制御システムの１つの実施の形態を示す概略図である。
【図６】本発明の１つの実施の形態におけるファン速度とエンジン室温度との関係を示すグラフ図である。
【図７】本発明の１つの実施の形態におけるファン速度を設定するステップを示すフローチャートである。
【符号の説明】
１０ ファン
１４ 冷媒凝縮器コア
１７ フード
１８ 開口部
２０ エンジン室
２１ 囲い部材
２２ 排気ダクト

Claims (9)

1. 作業機械のエンジン室を換気するための装置であって、
   作業機械のエンジン室の一端部に設けられ、該エンジン室に連通する空間を内部に形成するフードと、
   前記フードの一端に形成された吸気口に吸い込み側端部が向くように前記フード内に配置されたファンと、
   前記フード内において、前記ファンと前記フードの前記吸気口との間に配置された空気調和装置のための冷媒凝縮器コアと、
   前記空気調和装置に組み合わされ、該空気調和装置の作動に望ましいファン速度を表す空気調和ファン速度信号を発生する信号発信手段と、
   前記エンジン室内の温度を表す温度信号を発生するセンサと、
   前記信号発生手段と、前記センサとに接続され、前記空気調和ファン速度信号と前記温度信号を受ける電子制御装置とを備え、
   前記ファンにより生成される空気流が、前記フードの前記吸気口から前記冷媒凝縮器コアを通って前記ファンに至り、該ファンを通って前記エンジン室に入るように構成され、
   前記電子制御装置は、前記センサからの前記温度信号が表す温度に対応するエンジン温度ファン速度を決定してエンジン温度ファン速度信号を生成し、前記信号発信手段からの前記空気調和ファン速度信号と前記エンジン温度ファン速度信号のうちの、高い方の速度を表す信号に対応する速度で作動するように前記ファンを制御する
   ことを特徴とする装置。
2. 前記電子制御装置は、さらに、エンジンのイグニッションスイッチがオンでない状態で、前記エンジン温度ファン速度信号に対応する速度で前記ファンを作動させ、前記エンジン室の換気を可能にすることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記ファンがラジアルファンであることを特徴とする、請求項１又は２に記載の装置。
4. 前記エンジン室が、エンジン室内外への空気連通を可能にする少なくとも１つの排気ダクトを含むことを特徴とする、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の装置。
5. 前記エンジン室が、前記ファンの下流に配置される少なくとも１つの機能部品を含み、さらに、前記エンジン室内に、空気流を前記ファンから前記少なくとも１つの排気ダクトに案内するダクト手段を含み、前記空気流が前記少なくとも１つの機能部品に接触するように流れてその周囲の換気を行うことを特徴とする、請求項４に記載の装置。
6. 前記センサが、前記エンジン室の最も高温領域に隣接して配置されていることを特徴とする、請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の装置。
7. 前記エンジン室が、前記ファンの下流に配置される少なくとも１つの機能部品を含み、前記センサが前記少なくとも１つの機能部品に隣接して配置されていることを特徴とする、請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の装置。
8. 前記電子制御装置は、前記センサで検知される温度が第１の所定の温度を超えるときに、該第１の所定の温度を超える直前のファン速度で前記ファンの運転を継続させ、センサで検知される温度が前記第１の所定の温度より低い第２の所定の温度を下回るまで前記直前のファン速度での運転を継続させるように制御することを特徴とする、請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の装置。
9. 前記エンジン室内の種々の位置に配置される複数のセンサを含み、
   前記電子制御装置は、前記複数のセンサの各々から、各々のセンサに隣接する前記エンジン室内の温度を表す温度信号を受け、前記エンジン室内で最も高い温度を表すセンサから受ける温度信号に基づいて前記エンジン温度ファン速度を決定する、
   ことを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の装置。

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