(57)【要約】【課題】小型でコンパクトな構成で、冷却能力が高く、しかも下流側に向けて流れる冷却風に熱の偏在が生じるのを極力抑制した空冷式熱交換器を提供する。【解決手段】インタークーラ１２は第１の放熱部２０と、第２の放熱部２１とに２分割されて、冷却ファン５による冷却風の流路の前後に配置され、第１の放熱部２０の上部位置には流入側タンク２２が設けられており、過給機１５からの流入配管２３はこの流入側タンク２２に接続され、第１の放熱部２０は第２の放熱部２１より冷却風の下流側に配置されて、それらの下端部は連通タンク２４に接続されている。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被冷却用流体の流入部及び流出部と、冷却風が通過して、内部を通る被冷却流体を冷却させる放熱部とを備えた空冷式熱交換器において、
冷却風の流路と交差するように、この冷却風の流れの下流側に第１の放熱部を、上流側には第２の放熱部を配置し、
前記第１の放熱部の一側には、被冷却流体の流入部が接続され、
前記第２の放熱部の一側には、被冷却流体の流出部が接続され、
またこれら両放熱部間の他側間は連通部により連通させる
構成としたことを特徴とする空冷式熱交換器。
【請求項２】
前記被冷却流体は過給機からエンジンに供給される過給空気であることを特徴とする請求項１記載の空冷式熱交換器。
【請求項３】
前記第１の放熱部と第２の放熱部との間に他の空冷式熱交換器を配置する構成としたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の空冷式熱交換器。
【請求項４】
前記連通部は両放熱部の流路が接続されている連通タンクから構成したことを特徴とする請求項１または請求項２記載の空冷式熱交換器。
【請求項５】
前記第１の放熱部の上部位置に流入配管が接続される流入側タンクを設け、また前記第２の放熱部の上部位置に流出配管が接続される流出配管が接続される流出側タンクを設け、さらに前記第１，第２の放熱部の下端部側間に前記連通タンクを設けるようになし、前記流入側タンクの前記流入配管の接続部とは反対側の端部には、前記流出配管を引き出すための配管逃げ部を形成する構成としたことを特徴とする請求項４記載の空冷式熱交換器。
【請求項６】
前記連通部は第１の放熱部から第２の放熱部への移行流路をＵ字状に曲成することにより形成したことを特徴とする請求項１または請求項２記載の空冷式熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被冷却流体を冷却風によって冷却する空冷式熱交換器に関するものであり、特にディーゼルエンジンに供給する過給空気のように、高温の被冷却流体の温度を大きく低下させる必要のある被冷却流体を冷却するのに好適な空冷式熱交換器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、建設機械として、油圧ショベルは動力源としてディーゼルエンジンを備えており、このエンジンにより油圧ポンプを駆動して、この油圧ポンプからの吐出圧で各種のアクチュエータを作動させるようにしている。このために、エンジン冷却水を冷却し、また油圧回路を循環する作動油を冷却するために、ラジエータ及びオイルクーラが設けられる。さらに、エンジンの出力向上と、排気ガスの清浄化とを図るために、エンジンのシリンダに供給される空気を過給するようにしており、この過給空気を冷却するためにインタークーラが設けられる。
【０００３】
このように、ラジエータはエンジン冷却水を、またオイルクーラは作動油を、さらにインタークーラは過給空気を被冷却流体とする熱交換器である。これらの熱交換器は、エンジンにより駆動される冷却ファンによる冷却風の流路に沿って前後に並ぶように直列配置する構成とするのが一般的である。ここで、これら各熱交換器のうち、最も低い温度にまで冷却しなければならないのは、インタークーラの被冷却流体としての過給空気である。また、ラジエータはエンジン冷却水を被冷却流体とするために、配管の引き回しの容易さ等の観点から、エンジンに最も近い位置に配置するのが望ましい。
【０００４】
そこで、エンジンルームにおけるカバーに外気取り入れ部と排気部とを形成し、外気取り入れ部に近い位置からインタークーラ、オイルクーラ、ラジエータの順に配列して、ラジエータの後方位置にエンジンにより駆動される冷却ファンを設ける構成としたものが従来から知られている（例えば、特許文献１参照。）。従って、外気取り入れ部から取り入れられた外気が冷却ファンによる吸引力でインタークーラ、オイルクーラ及びラジエータの順に冷却されることになる。
【０００５】
【特許文献１】
特開平９−１２５９７２号公報（第２頁、図５）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ディーゼルエンジンの出力向上を図り、かつ排気ガスの清浄化を図るために、エンジンに供給される過給空気は、高圧縮で、低温とする必要がある。過給空気は過給機で圧縮されるが、この高圧縮化の際には断熱圧縮により過給空気が高温化する。従って、インタークーラにおいて、被冷却流体としての過給空気に対する冷却能力の向上を図り、大幅な温度低下を可能にしなければならない。また、インタークーラの流入部近傍では異常に高温になることから、冷却風がインタークーラのこの位置を通過した後における温度が部分的に極めて高い温度になる可能性がある。その結果、後続位置に配置した他の熱交換器であるオイルクーラやラジエータの冷却機能に支障を来たすおそれがあり、またインタークーラの後方に位置する部位にゴムやプラスチック等を含む部材が設けられている場合には、それらが熱によりダメージを受けることがある等といった問題点がある。
【０００７】
特に、近年においては、排気ガスの清浄化の要請が極めて強くなってきており、その規制が強化される傾向にあり、規制をクリアするには、インタークーラに導入される際の過給空気の温度が２００℃乃至それ以上の温度になり、これを８０〜６０℃程度にまで冷却することが必要となる。このためには、インタークーラの放熱部を著しく広くすると共に冷却ファンを大型化することが必要となる。従って、これらの設置スペースの問題も発生する。とりわけ、小旋回型の油圧ショベルのように、インタークーラを含む熱交換器が設置される上部旋回体の大きさが限定される場合には、インタークーラを無闇に大型化することはできない。
【０００８】
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、小型でコンパクトな構成で、冷却能力が高く、しかも下流側に向けて流れる冷却風に熱の偏在が生じるのを極力抑制した空冷式熱交換器を提供することにある。
【０００９】
【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、被冷却用流体の流入部及び流出部と、冷却風が通過して、内部を通る被冷却流体を冷却させる放熱部とを備えた空冷式熱交換器であって、冷却風の流路と交差するように、この冷却風の流れの下流側に第１の放熱部を、上流側には第２の放熱部を配置し、前記第１の放熱部の一側には、被冷却流体の流入部が接続され、前記第２の放熱部の一側には、被冷却流体の流出部が接続され、またこれら両放熱部間の他側間は連通部により連通させる構成としたことをその特徴とするものである。
【００１０】
ここで、熱交換器における被冷却流体としては、液体及び気体のいずれであっても良いが、特に高温状態となっている被冷却流体を大幅に温度低下させる必要のあるもの、例えば過給機からディーゼルエンジンに供給する過給空気を被冷却媒体とするインタークーラ等として好適に用いられる。とりわけ、油圧ショベル等の建設機械に搭載したエンジンからの排気ガスの清浄化を高めるために、高圧縮化されて、２００℃乃至それ以上の温度となった過給空気を、エンジンのシリンダに供給するのに最適な温度、即ち８０〜６０℃に冷却する場合に都合が良い。
【００１１】
空冷式の熱交換器である関係から、冷却風の供給は冷却ファンにより行うのが一般的である。冷却ファンは第１，第２の放熱部を有する本発明の熱交換器に対して専用のものであっても良いが、単一の冷却ファンからの冷却風を本発明の熱交換器と他の空冷式熱交換器とに供給するように構成することもできる。この場合、本発明の熱交換器と他の空冷式熱交換器とは、冷却風の流路に対して左右または上下に配列することもでき、または前後に配列するようにしても良い。要は、それぞれの被冷却媒体の流入温度と低下させなければならない設定温度等を基準として選択される。さらに、第１の放熱部と第２の放熱部との間に他の放熱部を配置する構成とすることもできる。
【００１２】
第１，第２の放熱部においては、被冷却流体を上下方向に流すようにするか、若しくは左右方向に流すようにする。いずれにしろ、第１の熱交換器における流れの方向と第２の熱交換器における流れの方向とは逆になる。両放熱部間の連通部は連通タンクで構成して、各々の放熱部における流路を連通タンクに接続する構成とすることができ、また第１の放熱部から第２の放熱部への移行流路をＵ字状に曲成する等の構成を採用することができる。
【００１３】
【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について説明する。まず、図１乃至図３に本発明の第１の実施の形態を示す。図中において、１は建設機械、例えば油圧ショベルの建屋におけるエンジンルームを示すものであって、このエンジンルーム１の内部にはディーゼルエンジン２が設置されており、エンジン２には油圧ポンプ３が接続して設けられている。４はエンジン２の油圧ポンプ３接続側とは反対側に設置した熱交換装置であって、この熱交換装置４はエンジン２により駆動される冷却ファン５により供給される冷却風によって被冷却流体の冷却を行うようにしている。
【００１４】
エンジンルーム１を構成するカバーには、熱交換装置４の設置部の前方及び斜め前方に外気取り入れ部６が開口されており、またエンジン２の設置部側には排気部７が開口している。従って、冷却ファン５を駆動すると、図１に矢印で示したように、外気取り入れ部６から外気が取り入れられて、熱交換装置４を通り、排気部７によりエンジンルーム１の外部に放出させる冷却風の流路が形成される。なお、図１において、８は冷却ファン５による冷却風の流路を熱交換装置４に向けるようにガイドするシュラウドである。
【００１５】
ここで、熱交換装置４は複数の熱交換器からなり、図２に示した構成では、エンジン冷却水を被冷却流体とするラジエータ１０と、作動油を被冷却流体とするオイルクーラ１１と、エンジン２に供給される過給空気を被冷却流体とするインタークーラ１２とから構成される。そして、冷却ファン５の冷却風の流路において、ラジエータ１０とオイルクーラ１１とが前後に配置され、インタークーラ１２はこれらラジエータ１０及びオイルクーラ１１と左右に並ぶように配置される。
【００１６】
ここで、ラジエータ１０の被冷却流体であるエンジン冷却水及びオイルクーラ１１の被冷却流体である作動油は、流入側と流出側とでは、通常、温度差が数℃乃至十数℃程度である。一方、インタークーラ１２は、エンジン２に供給される過給空気を被冷却流体とするものである。このエンジン２はディーゼルエンジンであり、そのエンジン２のシリンダへの吸い込み空気は、過給機において、エンジン２からマフラ１４に向けて排出される排気の流速により駆動されるタービンで加圧されるようになっている。過給機１５で空気を加圧すると、断熱圧縮により瞬間的に高温になり、しかも高圧縮化すればするほど高温になる。高圧縮の過給空気を供給するのは、エンジン２内での完全燃焼を図り、排気ガスを清浄化するためである。また、排気ガスの清浄化には過給空気のエンジン２への供給温度を低く抑制する必要もある。今後予定されている環境基準を完全に満たすとすれば、過給空気の加圧時に２００℃乃至それ以上の高温状態となり、またエンジン２に供給される際には８０〜６０℃程度にまで温度を下げることが要請される。
【００１７】
以上のように、インタークーラ１２では、その流入温度が極めて高く、流出温度はラジエータ１０及びオイルクーラ１１での被冷却流体よりかなり低いものとなる。つまり、インタークーラ１２ではラジエータ１０やオイルクーラ１１と比較して、高い冷却能力を必要とする。また、２００℃乃至それ以上の温度領域での熱交換効率をあまり高めると、下流側の空気が熱せられて熱風となるので、その後方位置にゴムやプラスチック部品が設けられていると、熱によってダメージを受けるので、下流側に高温の熱風が流れないように、インタークーラ１２内を通る際にはあまり急激な温度低下を起こさないようにする。
【００１８】
以上のことから、図３に示したように、インタークーラ１２における放熱部を、第１の放熱部２０と、第２の放熱部２１とに２分割されている。そして、これら第１，第２の放熱部２０，２１は、冷却ファン５による冷却風の流路の前後に配置されている。第１の放熱部２０の上部位置には流入側タンク２２が設けられており、過給機１５からの流入配管２３はこの流入側タンク２２に接続される。そして、この第１の放熱部２０は冷却風の下流側に配置されている。また、第１の放熱部２０と第２の放熱部２１との下端部は連通部を構成する連通タンク２４に接続されている。さらに、第２の放熱部２５の上端部には流出側タンク２５が接続されており、この流出側タンク２５にはエンジン２のインテークマニホールド１３からの流出配管２６が接続されている。そして、流出側タンク２５から引き出された流出配管２６は、流入側タンク２２の位置を通過することになるが、この流出配管２６と流入側タンク２２とが干渉することがなく、しかも流出配管２６を流出側タンク２５から真直ぐ、流入配管２３とほぼ平行に延在させるために、流入側タンク２２における流入配管２３が接続されている部位と反対側の部位を傾斜構造とする等、配管逃げ部２２ａ（図２）が形成されている。これによって、流入配管２３及び流出配管２６の引き回しがコンパクトになる。
【００１９】
従って、被冷却流体である過給空気は、第１の放熱部２０では上方から下方に向けての下降流を形成する間に冷却されるが、冷却の途中で連通タンク２４内においてミキシングされる。そして、過給空気は、この連通タンク２４から第２の放熱部２１に移行することになるが、この第２の放熱部２１内では上昇流を形成し、この間にさらに冷却される。つまり、冷却風の流れ方向からみて、下流側で過給空気の冷却が始まり、中間で流路が折り返されて、上流側で過給空気エンジン２への供給温度にまで冷却されることになる。
【００２０】
インタークーラ１２をこのように構成することによって、過給機によって高圧縮されて、非常に高い温度となった過給空気は、冷却風の下流側において、流入配管２３から流入側タンク２２内に流入して、第１の放熱部２０内を流れる際に、冷却ファン５による冷却風の作用で徐々に冷却されていく。流入側タンク２２から第１の放熱部２０内に移行した直後の過給空気の温度は最高温度となっているが、この第１の放熱部２０の下端部に至るまでの間にエンジン２に供給できる温度にまで温度降下させる必要はなく、そのほぼ中間の温度状態にまで下降できれば良い。従って、第１の放熱部２０を構成する被冷却流体の流路における単位長さ当りの熱低下率を緩和できる。
【００２１】
被冷却流体である過給空気は、第１の放熱部２０によって流入時と流出時との温度のほぼ中間の温度となって、連通タンク２４内に流入する。このように、連通タンク２４に流入させることによって、第１の放熱部２０における過給空気の流路のうち、冷却風が効率的に作用する部分と、そうでない部分との空気がミキシングされて、全体がほぼ均一な温度となる。連通タンク２４内の過給空気は、さらに第２の放熱部２１に移行して、この第２の放熱部２１内で上昇流を形成する。ここで、連通タンク２４から出た直後の過給空気は流入時と流出時とのほぼ中間の温度であるが、この第２の放熱部２１内で上昇する間に、エンジン２のシリンダに供給するのに必要な温度にまで冷却される。ここで、第２の放熱部２１は冷却風の上流側に位置していることからより低温の冷却風が作用することになる。その結果、全体の放熱部における最も上流側である流出側タンク２５の近傍位置では、エンジン２のインテークマニホールド１３に供給されるのに最適な温度にまで過給空気が冷却される。
【００２２】
以上のように、インタークーラ１２は、単一の冷却ファン５による冷却風の流路を２度使って、つまり流路を往復させる間に、その被冷却流体の冷却を行うようにしているので、冷却ファン５を格別大型化することなく、またインタークーラ１２そのものを冷却風の流路と直交する方向に大きくすることなく、極めて高い温度の被冷却流体の温度を大幅に低下させることができる。しかも、往復する流路は前後方向に重なり合っており、冷却風の上流側に位置する第２の放熱部２１における低い温度となる部位が第１の放熱部２０における高い温度となる部位であり、第２の放熱部２０の低い温度、つまりほぼ中間温度となる部位では第１の放熱部２１でもほぼ中間温度の部位である。従って、全体としてのインタークーラ１２における冷却風の下流側の空気温度は、部分的な熱の偏在が発生することがなく、全体がほぼ均等な温度状態となる。その結果、ゴムやプラスチック等からなる部品等が冷却ファン５における下流側に配置され、インタークーラ１２で熱交換された空気は、それらに直接接触しても、熱によるダメージを与えない程度の温度とすることができる。
【００２３】
ここで、前述した第１の実施の形態では、第１の放熱部２０と第２の放熱部２１とは、連通タンク２４で連結する構成としたが、これら第１，第２の放熱部２０，２１には、被冷却流体である過給空気を流す細い流路を形成する多数のチューブを備えていることから、図４に示したように、第１の放熱部２０側と第２の放熱部２１側とのチューブ３０を一体化したものから構成し、第１の放熱部２０の下端部から概略Ｕ字状に湾曲させて、第２の放熱部２１に移行させるように構成することもできる。この場合には、Ｕ字状の移行部はチューブ３０を補強部材３１内に収納させて設け、この補強部材３１を支持部材３２によってエンジンルーム１の下板に固定することができる。
【００２４】
また、図２においては、インタークーラ１２と、ラジエータ１０及びオイルクーラ１１とのユニットとを左右に並べるように配置したものを示したが、ラジエータ１０及びオイルクーラ１１のユニットにおける縦横比との関係から、横長のものとした場合には、図５に示したインタークーラ４０のように、ラジエータ１０及びオイルクーラ１１からなるユニットの上部位置に配置することもできる。そして、上下に配置したこれら各熱交換器からなる熱交換装置の正面形状は概略正方形となるように設定するのが望ましい。
【００２５】
従って、上部側に配置したインタークーラ４０は横長のものとなる。そこで、このインタークーラ４０を構成し、冷却風の下流側に配置した第１の放熱部４１と、上流側に配置した第２の放熱部４２とは、被冷却流体である過給空気を左右方向に流すようにする。このために、第１，第２の放熱部４１，４２のそれぞれの両側にタンク４３，４４及び４５，４６を接続して、タンク４３には流入配管４７を接続し、タンク４６には流出配管４８を接続すると共に、タンク４４，４５間を連通配管４９により接続する構成とする。
【００２６】
さらに、図６に示したように、インタークーラ５０を構成する第１の放熱部５１と、第２の放熱部５２との間に、ラジエータ１０及びオイルクーラ１１を配置することもできる。つまり、冷却ファン５による冷却風の流れ方向において、インタークーラ５０の第２の放熱部５２を最上流側に配置し、次いでオイルクーラ１１、ラジエータ１０の順に配置し、最下流側、つまり冷却ファン５に最も近い側に第１の放熱部５１を配置する。これによって、最も高い温度の被冷却流体が供給されるインタークーラ５０の第１の放熱部５１が冷却風の最下流側に位置し、最も低い温度にまで被冷却流体を冷却する必要のあるインタークーラ５０の第２の放熱部５２を冷却風の最上流側に配置される。そして、第１の放熱部５１と第２の放熱部５２とは同じ構造であっても良く、またそれぞれ異なる構造とすることもできる。
【００２７】
そして、図６においては、第１の放熱部５１の流入側タンク５３に接続される流入配管５４及び第２の放熱部５２の流出側タンク５５に接続される流出配管５６は、共に上部位置に配置され、第１の放熱部５１の下部タンク５７と、第２の放熱部５２の下部タンク５８との間を連通配管５９で連通させるように構成している。従って、過給空気は第１の放熱部５１内では下降流を、第２の放熱部５２内では上昇流を形成することになる。しかしながら、図７に示したように、インタークーラ６０を構成する第１の放熱部６１と、ラジエータ１０及びオイルクーラ１１を挟むように配置した第２の放熱部６２とは、それぞれ被冷却流体を左右方向に流すように構成することもできる。この場合には、流入配管６３が接続される第１の放熱部６１の端部に設けたタンク６４と、流出配管６５が接続される第２の放熱部６２の端部に設けたタンク６６とは同じ側に配置し、反対側の端部にはそれぞれタンク６７，６８を設けて、これら両タンク６７，６８間を、ラジエータ１０及びオイルクーラ１１を迂回するように設けた連通配管６９により接続する。
【００２８】
以上、図４乃至図７に示した各実施の形態においても、第１の実施の形態と同様、高温の被冷却流体を所望の温度にまで容易に、しかも効率的に冷却することができる。なお、これら各実施の形態において、第１の実施の形態で説明したと同じか、若しくは同等の部材については、同一の符号を付してその説明は省略する。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、空冷式熱交換器を小型でコンパクトな構成で、冷却能力が高く、しかも下流側に向けて流れる冷却風に熱の偏在が生じるのを抑制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の実施の形態における空冷式熱交換器としてインタークーラを組み込んだエンジンルームの内部構成図である。
【図２】図１の熱交換装置の構成を示す斜視図である。
【図３】図１の構成としたインタークーラの作用説明図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態における空冷式熱交換器としてインタークーラを組み込んだエンジンルームの内部構成図である。
【図５】本発明における第３の実施の形態を示す熱交換装置の構成を示す斜視図である。
【図６】本発明における第４の実施の形態における空冷式熱交換器としてインタークーラを組み込んだエンジンルームの内部構成図である。
【図７】本発明における第５の実施の形態を示す熱交換装置の構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
１  エンジンルーム
２  エンジン
４  熱交換装置
５  冷却ファン
６  外気取り入れ部
７  排気部
１０  ラジエータ
１１  オイルクーラ
１２，４０，５０，６０  インタークーラ
２０，４１，５１，６１  第１の放熱部
２１，４２，５２，６２  第２の放熱部
２２，５３  流入側タンク
２２ａ  配管逃げ部
２３，４７，５４，６３  流入配管
２４  連通タンク
２５，５５  流出側タンク
２６，４８，５６，６５  流出配管
３０  チューブ
４３〜４６，６４，６６〜６８  タンク
４９，５９，６９  連結配管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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