JPH08284661A - 熱交換器の冷却装置 - Google Patents
熱交換器の冷却装置Info
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Abstract
を低くしてエンジン燃料消費率を高め、組立て作業性を
高め、低コストで製作でき、冷却性能を最大限に引き出
す。 【構成】 熱交換器23に対し冷却用空気流21を与えるフ
ァン20、ファンを回転するエンジン19、ファンを内部空
間に収容するほぼ筒形状のシュラウド24を備え、ファン
には軸流ファンが用いられ、シュラウドはファン周囲部
24a を有し、このファン周囲部の形状がベルマウス形状
であって、ファン周囲部の形状に関してファンのブレー
ド20b の幅との相対的位置関係に基づいて定義されるか
ぶせ率の値を41〜70パーセントの範囲に含まれるよ
うに設定した。このかぶせ率は60パーセントが最適で
あり、またファンはY型ブレードを備える軸流ファンで
あることが好ましい。
Description
し、特に、油圧ショベル等のエンジンに使用される熱交
換器の冷却装置に関する。
としてのラジエータの冷却装置を示す(実開昭58−1
8023号公報)。ラジエータ81はディーゼルエンジ
ン等に付設され、熱交換の機能を有する。ラジエータ8
1は、冷却用の空気流82を発生しラジエータ81に供
給するファン83と、ファン83で生じた空気流82を
ラジエータ81へ導くシュラウド84を備える。ファン
83は軸流ファンである。シュラウド84は、空気を導
入するための筒状の開口部84aと、開口部84aに連
結されるハウジング部84bと、ハウジング部84bに
連結されかつラジエータ81に取り付けられる縁部84
cとから構成される。ハウジング部84bは、その断面
積において開口部84aから縁部84cへ行くに従って
指数関数的に拡大するほぼ四角錐のホーン形状を有す
る。上記ファン83はシュラウド84の開口部84a内
に配置され、図示しない回転駆動装置によって回転され
ることによって、外部より空気を取り込み冷却用空気流
82を発生する。空気流82は、ハウジング部84bの
形状に従って次第に拡大されるので、乱流の発生が少な
くなる。ハウジング部84bの形状を前述のホーン状と
することにより、冷却用空気流82の速度が各部分でほ
ぼ均一になる。
ード先端形状を筒状にしているが、このため、通気抵抗
が増大し、従来と同様な回転では風量が低減し、有効な
冷却を行えないという不具合がある。
例を示す(特開平4−269320号公報)。この冷却
装置ではラジエータ91にファン92を近付けて配置
し、ファン92をエンジン93によって回転する。ラジ
エータ91とエンジン93との間にはファン92を内部
に収容するシュラウド94が設けられる。ファン92は
テーパハブを有する斜軸流ファンである。またシュラウ
ド94において、複数のブレード92aの先端に近いフ
ァン92の周囲部分94a(以下ファン周囲部という)
はベルマウス形状で形成される。ファン周囲部94aの
ベルマウス形状は、両端部から中間部へ行くに従って両
端部の径に比較して中間部の径が次第に小さくなり、或
る箇所で最小径となるような形状である。その結果、フ
ァン周囲部94aは、中間部が絞られ、内方へ凹んだ曲
面を有するほぼ円筒体の形状を有する。そしてファン9
2のブレード92aの幅をL1 、ファン周囲部92aに
おけるラジエータ側端部から最小径部までの幅をL2 と
したとき、L2 /L1 (比率または×100により%で
表される)で定義されるかぶせ率において40%(+1
0〜−20%の許容範囲を有する)を最適かぶせ率とし
て設定している。
ンを使用して高圧かつ高風量の冷却風を生成し、かつ上
記かぶせ率を最適に設定してファン特性を最大限に引き
出すことにより、前述の第1の従来例の問題を解決して
いる。
ジエータ冷却装置では、斜軸流ファンを使用しているた
めファン軸馬力が大きくなり、エンジン93の燃料消費
率を低減するという問題を提起する。またファン特性を
十分に引き出すためにファン92とシュラウド94のフ
ァン周囲部94aとの隙間(以下「チップクリアラン
ス」という)を小さくする必要がある。このため、シュ
ラウド94においてエンジン93の側に延設する部分9
4bを設け、シュラウド94をエンジン93に取り付け
るという構造を採用している。しかし、このことが組立
て作業性を悪くし、製作コストを高くするという問題を
提起する。
低くし、エンジン燃料消費率を高めた熱交換器の冷却装
置を提供することにある。
め、低コストで製作できる熱交換器の冷却装置を提供す
ることにある。
ファン周囲部の形状を最適なものとし、冷却性能を最大
限に引き出すことができる熱交換器の冷却装置を提供す
ることにある。
冷却装置は、熱交換器に対して冷却用空気流を与えるフ
ァンと、ファンを回転し空気流を生じさせる駆動装置
と、前記ファンを内部空間に収容するほぼ筒形状のシュ
ラウドを備えるものであり、ファンには軸流ファンが用
いられ、シュラウドはファン周囲部を有し、このファン
周囲部の形状がベルマウス形状であって、かつファン周
囲部の形状に関してファンのブレードの幅との相対的位
置関係に基づいて定義されるかぶせ率の値を41〜70
パーセントの範囲に含まれるように設定したことを特徴
とする。
パーセントが最適である。
であることが好ましい。
る。
ンスは相対的に広く設定することができる。
ジンに付設された熱交換器を冷却するための装置におい
て、ファンを回転させて冷却用の空気流を発生させ、こ
の空気流を熱交換器に設けられた空気流通路に通し、熱
交換器を流れる熱伝導媒体を冷却するにあたり、ファン
として好ましくはY型ブレードを備えたファンを使用す
ることでファン軸馬力を低減し、エンジン燃料消費率を
高める。またかかるファンを内部スペースに収容するシ
ュラウドを配置するにあたって、シュラウドのファン周
囲部をベルマウス形状とすることで、相対的に低い回転
数であっても冷却用空気流の量を必要十分なものとし、
また見方を変えると、ファン回転数を低くすることでフ
ァン騒音を低減する。さらにシュラウドのファン周囲部
の形態に関して、チップクリアランスを相対的に広くで
き、熱交換器の側に取り付けることが可能となる。これ
により、組立て作業性が良くなる。またファン周囲部の
かぶせ率を実験的に得られた望ましい値に設定すること
により、風量およびファン騒音の観点で冷却性能を最大
限に引き出すことが可能である。
て説明する。
ば図1に示されるような油圧ショベルのエンジンに付設
された熱交換器に使用される。油圧ショベルは、図示し
ない走行用油圧モータ等が設けられた下部走行体11
と、この下部走行体11に設けられ、旋回用油圧モータ
(図示せず)等により構成された旋回装置12と、この
旋回装置12によって下部走行体11上に旋回可能に搭
載された作業機本体としての上部旋回体13を備える。
さらに上部旋回体13は、骨組み構造なす旋回フレーム
14と、旋回フレーム14の前部側に設けられた運転室
15と、運転室15の後部側に位置して旋回フレーム1
4上に設けられたカウンタウェイト16と、作業装置1
7および機械室18とから構成されている。
に回動可能に設けられたブーム17Aと、ブーム17A
の先端側に回動可能に設けられたアーム17Bと、アー
ム17Bの先端側に設けられたバケット17Cとから構
成され、これらはそれぞれブームシリンダ17D、アー
ムシリンダ17E、バケットシリンダ17Fによって駆
動される。
に位置する底板部18Aと、底板部18Aの両側に立設
した側板部18B,18Bと、上部に設けられた天板部
18Cとによってボックス状に形成される。ボックス状
機械室18の内部には、エンジン19と、エンジン19
の回転出力軸19aに取り付けられた冷却用のファン2
0と、ラジエータ等の熱交換器23と、油圧ポンプ(図
示せず)等が設けられる。
ンプから下部走行体11の走行用油圧モータ、旋回装置
12の旋回用油圧モータ、および作業装置の各シリンダ
17D,17E,17Fに圧油を供給することにより、
走行、旋回、掘削等の動作や各種作業が行われる。
ン20が回転すると、外気が導入され、冷却用の空気流
21が生じる。空気の流れ21は、天板部18Cの一方
の側に形成された複数の流入口22aから外気を取り込
み、熱交換器23に形成された通路を流れ、エンジン1
9の周囲空間を通過して天板部18Cの他方の側に形成
された流出口22bから外へ排出されるように生じる。
なお流入口22aから取り込んだ空気を熱交換器23に
導くため、およびエンジン19の周囲空間を通過した空
気を流出口22bへ導くために、整流板(図示せず)が
配置される。
エンジン19との間に配置された熱交換器23は冷却水
が循環する流通管と流通管に設けられた多数の冷却フィ
ン等とで構成され、流通管は給排配管を介してエンジン
19のウォータジァケットと接続される。上記冷却用空
気流21は、熱交換器23において冷却フィンの近傍に
形成された通路を通過する。熱交換器23は、流通管内
の高温状態にある冷却水を流通させつつ、この冷却水
を、ファン20の回転動作で生じた冷却用空気流21に
よって冷却し、冷却した冷却水をエンジン19に戻して
エンジン19の冷却を行う。
周囲部を囲む形状を持つシュラウド24が配置される。
このシュラウド24は、ベルマウス形状をしたファン周
囲部24aと、熱交換器23に固定される縁部24bと
から構成される。シュラウド24は、熱交換器23のフ
ァン20側の壁面に取り付けられている。
(A),(B)と、ファン20の一部正面図を示す図4
を参照して、シュラウド24とファン20について詳述
する。
線に対して平行である軸流ファンであって、そのブレー
ド20bは、好ましくは図4に示されるようにハブ側端
部から先端部へ行くに従って幅が広くなる形状を有す
る。ブレード20bの形状が正面から見てアルファベッ
トの「Y」の字に似ていることから、ブレード20bは
Y型ブレードと呼ばれ、またかかるブレード20bを複
数備えるファン20はY型ファンと呼ばれる。ブレード
20bはY型ブレードが最適であるが、必ずしもこれに
限定されるものではない。
うに、ファン20のブレード20bの先端部に近い箇所
に位置するファン周囲部24aと熱交換器23に固定さ
れる縁部24bとを含み、ファン周囲部24aと縁部2
4bは一体的に形成される。ファン周囲部24aはベル
マウス形状に形成され、より厳密には、図3の(B)の
拡大図に示した断面形状で明らかなように、両端部側に
位置する半径Rの2つの円弧形状の断面を有する円弧部
124a,124bと、2つの円弧部124a,124
bの中間に位置する直線的形状の断面を有する直線部1
24cとによって形成される。2つの円弧部124a,
124bは同形の円弧断面を有する。ファン周囲部24
aでは、両端部の直径が最も大きく、中間部である直線
部124cへ行くに従って直径が絞られ、小さくなる。
直線部124cの直径が最も小さいなるように設計され
る。なお24cはシュラウド中心線であり、ファン周囲
部24aの直線部124cの中央位置を通るように定め
られる。また縁部24bは、熱交換器23のファン側の
壁面に形成された空気通路口を被うような状態で、当該
壁面に取り付けられる。
bとシュラウド24のファン周囲部24aとの間におい
て、次の条件を満たす位置関係が設定されている。
ド先端部の幅をL3 、熱交換器側のブレード端部からシ
ュラウド中心線24cの位置までの幅をL4 とする場合
に、かぶせ率がL4 /L3 (比率または×100でパー
セント(%)で表される)として定義される。このかぶ
せ率に関し、かぶせ率を0〜100%の範囲で変化させ
たときのファン騒音の状態について実車相当のシュミレ
ータ試験を行うことによって、図5に示す試験結果が得
られた。この試験結果を示すグラフは、横軸がシュラウ
ドのかぶせ率を示し、縦軸がファン騒音(dB)を示し
ている。図5で示されたファン騒音特性31では、ファ
ン騒音としてはかぶせ率がほぼ60%のときが最も低い
ファン騒音となり、60%が最適なかぶせ率となってい
る。この最適なかぶせ率に対して、さらに、人間の耳で
識別できない騒音変化量である2dB以内のファン騒音
に対応するかぶせ率の範囲をとってみると、最適かぶせ
率60%を中心に+10%〜−19%の範囲、すなわち
かぶせ率41〜70%の範囲にあることが分かる。
は、図3に示すように、ファン周囲部24aの幅をx、
円弧部124aを含む円の中心と円弧部124bの含む
円の中心との距離をy、当該円の半径をRとするとき、
x=0.83L3 、y=0.083x、R=0.5xで
ある。この最適値は、最適かぶせ率60%に対応するも
のである。またかぶせ率41〜70%に考慮すると、
x,y,Rは、それぞれ、0.6L3 ≦x≦1.1
L3 、0≦y≦0.25x、0.4x≦R≦0.7xの
範囲で定められることが望ましい。
周囲部24aとの隙間、すなわち前述のチップクリアラ
ンスについては特別に小さくする必要はない。従って、
前述した通り、シュラウド24を熱交換器23の側に取
り付けることができる。
有する本実施例による熱交換器の冷却装置の利点をいく
つかの局面から説明する。
軸馬力(Ps)の関係についてのY型ファン(軸流ファ
ン)と斜軸流ファンの比較を示し、横軸がファン回転
数、縦軸がファン軸馬力を示す。41がY型ファンの特
性、42が斜軸流ファンの特性を示す。特性41,42
の比較で明らかなように、Y型ファンの方が斜軸流ファ
ンよりもファン軸馬力を低減できることが分かる。例え
ば、実車ファン回転数において、ファン軸馬力を40%
も低減できる。このように、本実施例による熱交換器の
冷却装置において、冷却用ファンにY型ファン(または
軸流ファン)20を使用することによって、ファン軸馬
力を低減できるので、エンジン燃料消費率を悪くすると
いう不具合を解消できる。
のチップクリアランスに関する利点を示す図であり、特
開平4−269326号の開示技術との比較が示され
る。図7において、横軸はファン回転数(rpm)、縦
軸は冷却風量(m3 /min )を示す。また、特性51は
本実施例による冷却装置でチップクリアランス(T/
C)が5mmの場合、特性52は本実施例による冷却装
置でチップクリアランス(T/C)が20mmの場合、
特性53は従来技術でチップクリアランスが7mmの場
合をそれぞれ示している。この図で明らかなように、本
実施例によるチップクリアランス20mmの冷却装置
と、従来技術によるチップクリアランス7mmの冷却装
置とを比較すると、1%程度従来技術の方が優るが、ほ
ぼ同等の冷却性能を有することが分かる。このように、
本実施例による熱交換器の冷却装置によれば、チップク
リアランスを比較的に十分に広くとった場合でも、実用
性のある十分に高い冷却性能を発揮することが可能であ
る。またチップクリアランスを広くとることができるた
め、前述の通り、シュラウド24を熱交換器23の側に
取り付けることができる。これによって、組立て作業性
が向上し、製作コストを低減できるという利点を有す
る。
4aを有するシュラウド24を備えた本実施例による冷
却装置と、実開昭58−18023号に開示された筒状
シュラウドを備えた冷却装置の各々について、ファン回
転数と冷却風量との関係を示す。図において、特性61
は本実施例による冷却装置の特性を示し、特性62は従
来の冷却装置の特性を示す。図で明らかなように、例え
ば実車回転数を基準に両特性を比較すると、本実施例に
よる冷却装置は従来の装置に比較して冷却風量を15%
向上することができる。また実車必要風量を基準にして
両特性を比較すると、本実施例の冷却装置によれば、必
要な分の風量を得るためにはファンの回転数を320回
転低減することができるという利点を有する。従って、
ファン回転数の低減によって、ファン騒音を低減するこ
とができる。なお、ファン回転数とファン騒音の関係
は、軸流ファンの相似則の式、M2 =M1 +55log N
2 /N1 によって表される。この式でM1 ,M2 は2基
の相似のファンにおけるファン騒音、N1 ,N2 は2基
の相似のファンにおけるファン回転数を示す。上記式に
従うと、ファン回転数を下げれば、ファン騒音を下げる
ことができる。
よれば、油圧ショベル等に搭載されるエンジンに付設さ
れた熱交換器を冷却するための装置において、ファンを
回転させて冷却用の空気流を発生させ、この空気流を熱
交換器に設けられた空気流通路に通し、熱交換器を流れ
る熱伝導媒体を冷却することに関し、当該ファンに好ま
しくはY型ブレードを備えたファンを使用するようにし
たため、ファン軸馬力を低減し、エンジン燃料消費率を
高めることができる。またファンを収容するシュラウド
のファン周囲部をベルマウス形状にしたため、相対的に
低い回転数であっても冷却用空気流の量を必要十分なも
のとすることができ、またこれによってファン回転数を
低くできるので、ファン騒音を低減できる。またファン
周囲部のかぶせ率を望ましい値に設定したため、風量お
よびファン騒音の観点で冷却性能を最大限に引き出すこ
とができる。さらにシュラウドのファン周囲部の形態に
関して、チップクリアランスを相対的に広くでき、熱交
換器の側に取り付けることが可能となり、これにより組
立て作業性が良くなると共に、製作コストを低減でき
る。
油圧ショベルの側面図である。
はシュラウドのファン周囲部の拡大断面図である。
を示すグラフである。
とファン回転数の関係を示すグラフである。
チップクリアランスを基準としてファン回転数と冷却風
量の関係を示すグラフである。
ュラウドに関し、ファン回転数と冷却風量の関係を示す
グラフである。
Claims (5)
- 【請求項1】 熱交換器に冷却用空気流を与えるファン
と、前記ファンを回転させる駆動装置と、前記ファンを
内部空間に収容するシュラウドを備えた冷却装置におい
て、 前記ファンは軸流ファンであり、前記シュラウドはファ
ン周囲部を有し、前記ファン周囲部の形状はベルマウス
形状であって、前記ファン周囲部のかぶせ率を41〜7
0パーセントの範囲に含まれる値に設定したことを特徴
とする熱交換器の冷却装置。 - 【請求項2】 前記ファン周囲部のかぶせ率の最適値を
60パーセントと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。 - 【請求項3】 前記ファンはY型ブレードを備える軸流
ファンである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。 - 【請求項4】 前記シュラウドは前記熱交換器に取り付
けられる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。 - 【請求項5】 前記ファンと前記シュラウドのチップク
リアランスを相対的に広く設定したことを特徴とする請
求項4記載の熱交換器の冷却装置。
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