JP5259100B2 - 作業機械の冷却風排気構造 - Google Patents

Description

本発明は、油圧ショベル等の作業機械の冷却装置を冷却するための冷却風の排気構造に関するものである。

一般に、油圧ショベル等の作業機械では、ラジエータ，オイルクーラ等の冷却装置のために冷却ファンが搭載されており、冷却ファンは、機外から外気を冷却風として吸気し、冷却装置は、冷却風の通風により冷却されるようになっている。冷却ファンには、風量，設置性，コスト等の面から、一般的な軸流ファンが用いられている。
この軸流式冷却ファンに係る冷却風について、図５を用いて詳述する。

図５に示すように、油圧ショベルの上部旋回体１００の後部には、エンジン１０１と軸流式冷却ファン１０２とラジエータやオイルクーラからなるクーリングパッケージ（冷却装置）１０３とが、機体側方に正面を向けて、機体幅方向に重なり合って並んで配置されている。
冷却風は、図５に白抜き矢印で示すように、クーリングパッケージ１０３の正面上方に開口された吸気口１０４から軸流式冷却ファン１０２によって吸気され、クーリングパッケージ１０３の内部を通過する。クーリングパッケージ１０３を通過した後の冷却風は、軸流式冷却ファン１０２の正面から背面に抜けた後、エンジン１０１の周囲を旋回しながら、エンジンルーム１０５の上面や底面に開口された排気口１０６から排気される。

軸流ファンは、一般的に、冷却風を軸方向から吸い込み軸方向に吐き出す特性を有している。しかしながら、軸流ファンが冷却ファンとして油圧ショベルに搭載された場合（すなわち、図５に示す軸流式冷却ファン１０２の場合）には、軸流式冷却ファン１０２から吐き出された冷却風は、図６，図７に示すように、軸方向よりも遠心方向に偏向して流れていることが確認されている。

ここで、油圧ショベルにおいて、軸流式冷却ファン１０２の背面の冷却風の流れが遠心方向に偏向する理由について説明する。
軸流ファンは、上述のように、冷却風を軸方向から吸い込み軸方向に吐き出す特性を有している。しかしながら、軸流ファンから吐き出された風は、ファン軸から径方向に遠ざかるほど風速が速くなるという特性と、遠心力で径方向に広がろうとする特性とをも有していることが知られている。このとき、図６に示すように、冷却風量が軸流ファンに対して十分多ければ、径方向へ広がりながらも軸方向へ進む。一方、図７に示すように、冷却風量が軸流ファンに対して少なすぎれば、軸方向へ進むよりも径方向へ広がろうとする力が勝り、軸方向よりも遠心方向に偏向して吐き出されてしまう。

油圧ショベルでは、軸流式冷却ファン１０２の正面に、クーリングパッケージ１０３が配設されている。クーリングパッケージ１０３は、油圧ショベルの上部旋回体１００内部の限られたスペースで冷却効率をより高めるべく、大きな厚みをもって形成されている。ところが、同じコアの設計であるクーリングパッケージ１０３では、厚みが大きいほど、その内部を通過する冷却風の抵抗となり、冷却風の圧力損失が生じてしまう。

冷却風の圧力損失が大きいほど、冷却風量は少なくなるので、このため、軸流式冷却ファン１０２の背面の冷却風の流れは、図７に示すように、軸方向の流れ成分よりも、遠心方向の流れ成分が主となっていると考えられる。なお、冷却風は、軸流式冷却ファン１０２の回転によって旋回流れを付与されている。
このように、軸流式冷却ファン１０２の背面の冷却風は、遠心方向に偏向して流れる。そのため、図５に示すような、軸流式冷却ファン１０２から離れた排気口１０６の位置では、冷却風は、遠心方向への流れが主流であるにも関わらず、排気口１０６からの排気のために軸方向への流れを余儀なくされ、これにより圧力損失が生じ、排気効率が低下してしまうという課題がある。

このような課題に対し、例えば排気口１０６の開口面積を大きくすることが考えられる。しかしながら、排気口１０６の開口面積を大きくすると、エンジン騒音が漏れやすいという新たな課題が生じる。
特許文献１には、排気効率を向上させながらエンジン騒音にも配慮した技術が開示されている。

特許文献１の技術について、図８を用いて説明する。
図８に示すように、特許文献１の技術では、エンジン１１１と冷却ファン１１２とクーリングパッケージ１１３とが、エンジンルーム１１５内に収容されている。そして、吸気口（導入開口）１１４が、クーリングパッケージ１１３の正面上方に開口され、一方、排気口（排出開口）１１６が、エンジンルーム１１５を形成する上壁面１１５ａ及び下壁面１１５ｂにおいて冷却ファン１１２の外周位置に開口されている。

また、排気口１１６を覆うようにして、排気口１１６から排出された冷却風を案内して水平に排出するダクト１１７が備えられている。
これにより、冷却ファン１１２から遠心方向に吐き出された冷却風が、冷却ファン１１２の外周に位置する排気口１１６を介して機外へとスムーズに排出されるので、冷却風の排気効率を向上させることができる。

また、冷却風が、ダクト１１７を通って水平方向に排出されるので、大きな騒音となる鉛直上方に伝播する騒音を削減することができる。
さらに、エンジンルーム１１５の天井面が、上壁面１１５ａとダクト１１７との２重構造になっているので、エンジン騒音をより低減することができる。
特開２００４−３５３５４０号公報

しかしながら、冷却ファン１１２から吐き出された冷却風は、遠心方向に偏向しているものの、軸方向成分も有しているので、全てが冷却ファン１１２の外周に開口された排気口１１６から良好に排出されるものではない。つまり、エンジンルーム１１５内部には、排気口１１６から良好に排出されず、旋回流を伴いながら、軸方向へ流れる冷却風も存在する。

したがって、上記のような冷却風により圧力損失が生じ、特許文献１の技術においても、軸方向へ流れる冷却風の十分な排気効率を達成できていないと考えられる。
本発明はこのような課題に鑑み案出されたもので、騒音を低減することができるとともに、冷却風の排気効率を確実に向上させることができるようにした、作業機械の冷却風排気構造を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１記載の本発明の作業機械の冷却風排気構造は、作業機械の動力源であるエンジンと、機外から冷却風を吸気する冷却ファンと、冷却ファンにより吸気された冷却風が通風される冷却装置と、エンジン，冷却ファン及び冷却装置をその内部空間に収容するとともに、その内部空間が冷却風の流路として機能するエンジンルームと、エンジンルームの外郭をなす第一外壁と、冷却装置を通過した後の冷却風をエンジンルーム外に排出すべく、第一外壁における冷却ファンの外周に位置する部分に開口された第一の排気口と、冷却装置を通過した後の冷却風をエンジンルーム外に排出すべく、第一外壁における第一の排気口よりも冷却風流路下流側に開口された第二の排気口と、第一の排気口及び第二の排気口を覆うように第一外壁から膨出して第一外壁に取り付けられ、第一外壁と二重壁構造でエンジンルームの外郭をなすとともに、第一外壁との間に冷却風の流路として機能する流通空間を形成する第二外壁と、第二の排気口の冷却風流路上流側の縁部に、第二外壁に向かって立ち上がるとともに冷却風流路下流側に傾斜した状態で取り付けられ、第二の排気口から排出された冷却風を流通空間内の冷却風流路下流側へ案内する案内部材と、流通空間内の冷却風を機外へ排出すべく、第二外壁の冷却風流路下流側端部に形成された第三の排気口とを備え、該案内部材と該第二外壁とによって該流通空間内に絞り形状が形成され、該絞り形状は該流通空間内を流通する冷却風の流速を増大させて該流通空間内を負圧にすることを特徴としている。

請求項２記載の本発明の作業機械の冷却風排気構造は、請求項１記載の作業機械の冷却風排気構造において、案内部材は、第二外壁側から見て、第二の排気口を完全に覆い隠すように取り付けられていることを特徴としている。

請求項１記載の本発明の作業機械の冷却風排気構造によれば、冷却ファンから吐き出される冷却風の多くを占める、径方向に広がる高速の冷却風に対応する位置に、第一の排気口が開口されているので、冷却風の大部分を第一の排気口を介して良好にエンジンルーム外に排出することができる。
また、第一外壁と第二外壁とがなす流通空間が冷却風流路として機能し、ここに、上述の遠心方向に流れる高速の冷却風が流通するので、上記流通空間は負圧となり、エンジンルーム内を軸方向に流れる残りの冷却風を、第二の排気口を介して上記流通空間内に良好に導入することができる。

したがって、冷却風を上記流通空間を用いてエンジンルーム外に良好に排出し、圧力損失がなく、冷却風の排気効率を確実に向上させることができる。
そして、冷却風は、上記流通空間を流通する過程で、第一外壁や第二外壁の壁面にぶつかり、音のエネルギーが吸収され減衰し、冷却風の排出に係る騒音を低減することができる。また、エンジンルームの外郭の少なくとも一部が二重壁構造になっているので、第一外壁と第二外壁とを透過して伝播する騒音を低減することができる。

また、第一外壁と第二外壁とがエンジンルームの天井壁をなしている場合には、冷却風の排出に係る騒音やエンジン騒音や冷却ファンの風切り音の伝播方向を、上記流通空間によって、鉛直方向から水平方向に偏向することができて、大きな騒音になりがちな鉛直方向への騒音を低減することができる。
また、第二の排気口に案内部材を設けているので、案内部材と第二外壁とにより形成される絞り形状で、上記流通空間の流速はより増大し、第二の排気口を介して比較的低速の冷却風が上記流通空間により導入されやすくなり、排気効率をより向上させることができる。

そして、排気効率が向上したので、排気口の開口面積を最小限に抑えることができ、騒音を低減することができる。
請求項２記載の本発明の作業機械の冷却風排気構造によれば、案内部材は、第二の排気口を第二外壁側から見て完全に覆い隠すようになっているので、第二の排気口を介して第二外壁を透過して伝播する騒音をより低減することができる。

以下、図面により、本発明の実施の形態について説明する。
［一実施形態］
図１〜図４は、本発明の一実施形態に係る作業機械の冷却風排気構造を示すもので、図１は機体前方から見たその模式的な断面図、図２は図１の要部拡大断面図、図３はその斜視図、図４はその冷却風排気構造を有する油圧ショベルの全体像の斜視図である。

＜構成＞
ここでは、作業機械の代表的な例である油圧ショベルについて説明する。
図４に示すように、油圧ショベル１は、下部走行体２と、下部走行体２上に旋回自在に結合された上部旋回体（機体）３と、上部旋回体３から前方へ延出するように取り付けられた作業装置４とから構成されている。

上部旋回体３は、その後端部に、作業装置４との重量バランスをとるためのカウンタウエイト５が配設されている。カウンタウエイト５の前方には、図１に示すように、油圧ショベル１の動力源であるエンジン１１と、エンジン１１によって駆動され作動油を吐出する油圧ポンプ１２と、エンジン冷却水を冷却するラジエータや作動油を冷却するオイルクーラ等からなるクーリングパッケージ（冷却装置）１３と、エンジン１１によって駆動されクーリングパッケージ１３に冷却風を導入する冷却ファン１４とが収容されたエンジンルーム１０が配設されている。ここでは、冷却ファン１４には、一般的な軸流ファンを使用する。

エンジン１１，油圧ポンプ１２，クーリングパッケージ１３及び冷却ファン１４はそれぞれ、機体側方に正面を向けて、機体幅方向に重なり合って並んで配置されている。そして、エンジン１１の熱が油圧ポンプ１２やクーリングパッケージ１３へ漏れないように、隔壁によって隔てられ、エンジンルーム１０は、エンジン１１及び冷却ファン１４を収容するメインエンジンルーム１０Ａと、油圧ポンプ１２を収容するポンプルーム１０Ｂと、クーリングパッケージ１３を収容するクーリングルーム１０Ｃとに区画されている。

クーリングルーム１０Ｃの側壁１０ｓには、冷却風を吸気するための吸気口２１が開口されている。
メインエンジンルーム１０Ａの天井部（天井面）は、内側の天井壁（外郭）をなす第一エンジンデッキ（第一外壁）３１と、第一エンジンデッキ３１から膨出して外側の天井壁をなす第二エンジンデッキ（第二外壁）３２とからなる二重壁構造（ダブルデッキ構造）になっている。

第一エンジンデッキ３１と第二エンジンデッキ３２との間には、適宜の大きさの空間（流通空間）Ｄが形成され、この空間Ｄは、冷却風が流通するダクト（冷却風流路）として機能するようになっている。
第一エンジンデッキ３１の冷却ファン１４の外周に位置する部分には、適宜の大きさの第一の排気口４１が開口されている。詳しくは、第一の排気口４１は、第一エンジンデッキ３１において、冷却ファン１４の翼端から冷却風流路下流側に少しずれた位置に形成されている。

また、第一エンジンデッキ３１には、第一の排気口４１の冷却風流路下流側に、冷却風流路方向に垂直な方向（機体前後方向）に延びるスリット状の第二の排気口４２が、冷却風流路方向（機体幅方向）に複数並んで開口されている。
そして、図２に示すように、第二の排気口４２の冷却風流路上流側の縁部４２ａにはそれぞれ、上方且つ冷却風流路下流側に向かって傾斜した状態で（つまり、第二エンジンデッキ３２に向かって立ち上がるとともに、冷却風流路下流側に傾斜した状態で）、薄板状のルーバー（案内部材）５０が取り付けられている。

ルーバー５０は、ルーバー５０と第二の排気口４２とを直上方から（第二エンジンデッキ３２側から）見たときに、ルーバー５０が第二の排気口４２を覆い隠すように取り付けられている。換言すると、ルーバー５０の幅（冷却風流路方向に垂直方向の大きさ）は、第二の排気口４２の幅と同じ又は略同じ幅を有して形成されている。また、ルーバー５０の長さ（冷却風流路方向の大きさ）は、各ルーバー５０の冷却風流路下流側端部の位置と、各第二の排気口４２の冷却風流路下流側端部の位置とが、冷却風流路方向で同一又は略同一の位置になるように形成されている。

第二エンジンデッキ３２は、図３に示すように、略四角形状の天板３２ａと、天板３２ａの四辺から下方に延びる４枚の側板３２ｂとを有して形成されている。そして、４枚の側板３２ｂのうち冷却風流路下流側の側板（冷却風流路下流側端部）３２ｂには、第三の排気口４３が適宜形成されている。ここでは、第三の排気口４３として、複数の丸穴が形成されている。ただし、第三の排気口４３の形状はこれに限らず、例えばルーバーであっても良い。
また、メインエンジンルーム１０Ａの底壁（底面）の、冷却ファン１４の外周に位置する部分には、第四の排気口４４が開口されている。

＜作用・効果＞
本発明の一実施形態にかかる作業機械の冷却風排気構造は上述のように構成されているので、以下のような作用・効果がある。
冷却風は、冷却ファン１４の回転によって、吸気口２１から吸気され、クーリングルーム１０Ｃ内に入り、クーリングパッケージ１３の内部を通過したのち、冷却ファン１４に軸方向に吸い込まれる。

冷却ファン１４に吸い込まれた冷却風は、図１に示すように、ファン軸中心から径方向に遠ざかるほど風速が速く、かつ、遠心力で径方向に広がるように冷却ファン１４から吐き出されるが、図１中矢印Ｐで示すような比較的高速で風量の大きな冷却風が吐き出される方向に対応して、第一エンジンデッキ３１に第一の排気口４１が形成されるとともに、メインエンジンルーム１０Ａの底面に第四の排気口４４が形成されているので、冷却風の大部分を第一の排気口４１を介してメインエンジンルーム１０ＡからダクトＤに流通させることができるとともに、第四の排気口４４を介して機外に冷却風を排出させることができる。

ここで、ダクトＤ内は、高速で冷却風が流通するために負圧となる。
そのため、図１中矢印Ｑで示すようなファン軸近傍の比較的低速の冷却風は、エンジン１１周りを旋回しながら軸方向に流れるが、このような冷却風も、ダクトＤの負圧により、第二の排気口４２を介してダクトＤ内に吸い込まれる。
したがって、冷却ファン１４背面の冷却風は、第四の排気口４４から機外に排出されるとともに、第一の排気口４１及び第二の排気口４２を介してダクトＤに良好に導入され第三の排気口４３から機外に排出されるので、圧力損失がなく、排気効率を確実に向上させることができる。

また、エンジンルーム１０の天井部から排出される冷却風は、ダクトＤ内部を通過した後に機外に排出されるので、ダクトＤ内部を通過する過程で、ダクトＤの内壁にぶつかり、音のエネルギーが吸収され減衰し、冷却風の排出に係る騒音を低減することができる。また、エンジンルーム１０の底部から排出される冷却風は、地面に向かって排出されるので、冷却風の排出に係る騒音は地面に吸収され、その騒音を低減することができる。

また、冷却風の排出に係る騒音やエンジン騒音や冷却ファン１４の風切り音の伝播方向を、ダクトＤによって、鉛直方向から水平方向に偏向するので、大きな騒音になりがちな鉛直方向への騒音を低減することができる。
また、メインエンジンルーム１０Ａの天井部は、ダブルデッキ構造になっているので、第一エンジンデッキ３１と第二エンジンデッキ３２とを透過して鉛直方向に伝播する騒音をより低減することができる。

さらに、第二の排気口４２には、第二の排気口４２を鉛直方向で完全に覆うルーバー５０を設けているので、第二の排気口４２を介して鉛直方向に伝播する騒音をより低減することができる。
また、第二の排気口４２にルーバー５０を設けているので、図２に示すように、ルーバー５０と第二エンジンデッキ３２とにより形成される絞り形状Ｔで、ダクトＤ内の流速はより増大し、第二の排気口４２を介して比較的低速の冷却風がダクトＤ内に導入されやすくなり、排気効率をより向上させることができる。

そして、排気効率が向上したので、各排気口４１〜４４の開口面積を最小限に抑えることができ、騒音を低減することができる。
また、排気効率が向上したので、全体の排気圧損が下がり、冷却ファン１４の冷却風量が増加し、クーリングパッケージ１３のクーリング能力をよりアップさせることができ、よりコンパクトなクーリングパッケージ１３の設計が可能になる。

［その他］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形することが可能である。
例えば、上記実施形態において、ルーバー５０を、第二の排気口４２を鉛直方向で完全に覆い隠すように構成したが、必ずしも鉛直方向で完全に覆い隠すように構成しなくても良く、例えば、少なくとも、第二の排気口４２からダクトＤに導入された冷却風を冷却風流路下流側に案内するように構成するにとどめても良い。

また、上記実施形態では、冷却ファン１４に軸流ファンを使用したが、例えば遠心ファンを使用しても良い。
また、上記実施形態では、エンジンルーム１０の天井部以外に開口された排気口は、メインエンジンルーム１０Ａの底壁の第四の排気口４４のみであったが、例えば、第四の排気口４４に加え、ポンプルーム１０Ｂに補助的な排気口を開口し、ポンプルーム１０Ｂに漏れた冷却風を機外に良好に排出できるようにしても良い。

また、上記実施形態では、本発明の作業機械の冷却風排気構造を油圧ショベル１に適用した場合について説明したが、本発明の作業機械の冷却風排気構造は、トラクターやブルドーザやクレーン等の他の作業機械にも適用することが可能である。そして、例えばトラクター等に適用した場合には、本発明の冷却風排気構造を、天井壁以外の側壁や底壁といった外郭に形成することができる。

本発明の一実施形態に係る作業機械の冷却風排気構造を示す模式的な断面図である。 本発明の一実施形態に係る作業機械の冷却風排気構造を示す図であって、図１の要部拡大断面図である。 本発明の一実施形態に係る作業機械の冷却風排気構造を示す斜視図である。 本発明の一実施形態に係る作業機械の冷却風排気構造を有する油圧ショベルの斜視図である。 従来技術に係る作業機械の冷却風排気構造を示す模式的な断面図である。 作業機械に搭載された一般的な冷却ファンが導入する冷却風の流れを説明する図であって、圧力損失が小さい場合の模式的な断面図である。 作業機械に搭載された一般的な冷却ファンが導入する冷却風の流れを説明する図であって、圧力損失が大きい場合の模式的な断面図である。 特許文献１に開示された作業機械の冷却風排気構造を示す模式的な断面図である。

符号の説明

１ 油圧ショベル（作業機械）
２ 下部走行体
３ 上部旋回体
４ 作業装置
５ カウンタウエイト
１０ エンジンルーム
１０Ａ メインエンジンルーム
１０Ｂ ポンプルーム
１０Ｃ クーリングルーム
１１ エンジン
１２ 油圧ポンプ
１３ クーリングパッケージ（冷却装置）
１４ 冷却ファン
２１ 吸気口
３１ 第一エンジンデッキ（第一外壁）
３２ 第二エンジンデッキ（第二外壁）
４１ 第一の排気口
４２ 第二の排気口
４３ 第三の排気口
４４ 第四の排気口
５０ ルーバー（案内部材）
１００ 上部旋回体
１０１，１１１ エンジン
１０２，１１２ 冷却ファン
１０３，１１３ クーリングパッケージ（冷却装置）
１０４，１１４ 吸気口
１０５，１１５ エンジンルーム
１０６，１１６ 排気口
１１７ ダクト
Ｄ ダクト（流通空間）

Claims (2)

1. 作業機械の動力源であるエンジンと、
   機外から冷却風を吸気する冷却ファンと、
   該冷却ファンにより吸気された冷却風が通風される冷却装置と、
   該エンジン，該冷却ファン及び該冷却装置をその内部空間に収容するとともに、その内部空間が冷却風の流路として機能するエンジンルームと、
   該エンジンルームの外郭をなす第一外壁と、
   該冷却装置を通過した後の冷却風を該エンジンルーム外に排出すべく、該第一外壁における該冷却ファンの外周に位置する部分に開口された第一の排気口と、
   該冷却装置を通過した後の冷却風を該エンジンルーム外に排出すべく、該第一外壁における該第一の排気口よりも冷却風流路下流側に開口された第二の排気口と、
   該第一の排気口及び該第二の排気口を覆うように該第一外壁から膨出して該第一外壁に取り付けられ、該第一外壁と二重壁構造で該エンジンルームの外郭をなすとともに、該第一外壁との間に冷却風の流路として機能する流通空間を形成する第二外壁と、
   該第二の排気口の冷却風流路上流側の縁部に、該第二外壁に向かって立ち上がるとともに該冷却風流路下流側に傾斜した状態で取り付けられ、該第二の排気口から排出された冷却風を該流通空間内の該冷却風流路下流側へ案内する案内部材と、
   該流通空間内の冷却風を該機外へ排出すべく、該第二外壁の冷却風流路下流側端部に形成された第三の排気口とを備え、
   該案内部材と該第二外壁とによって該流通空間内に絞り形状が形成され、該絞り形状は該流通空間内を流通する冷却風の流速を増大させて該流通空間内を負圧にする
   ことを特徴とする、作業機械の冷却風排気構造。
2. 該案内部材は、該第二外壁側から見て、該第二の排気口を完全に覆い隠すように取り付けられている
   ことを特徴とする、請求項１記載の作業機械の冷却風排気構造。

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