熱交換器的冷卻裝置的製作方法
2023-05-31 09:10:06
專利名稱：熱交換器的冷卻裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及熱交換器的冷卻裝置，更具體來說，涉及一種熱交換器的冷卻裝置，其適用於推土/建築機械如液壓挖土機的發動機。
圖9表示普通的用於熱交換器的冷卻裝置的第一個實例，即一種散熱器的冷卻裝置。這種冷卻裝置公開在JP-A-58-18023(實用新型)中。在圖9中，通常裝在柴油機(未畫出)上的散熱器81用來在柴油機和散熱器81內部流動的冷卻水之間進行熱交換，以便冷卻柴油機。散熱器81具有一個用於產生空氣流82的風扇83和一個用於將空氣流82引至散熱器81的本體的護罩84。風扇83是軸流式風扇，護罩84具有一個用於將空氣從外界引入的圓筒形開口部分84a，一個連接於圓筒形開口部分84a的圓筒/四角形殼體84b，以及一個連接於殼體84b和散熱器81本體的四角現形邊緣部分84c。殼體84b的形狀使得從開口部分84a至邊緣部分84c，其橫截面開口成指數地擴大。因此，圓筒/四角形殼體84b的形狀接近於四角錐形的喇叭形，風扇83設置在護罩84的圓筒形開口部分84a的內部空間中。風扇83由旋轉式驅動裝置(未畫出)83驅動，從而在從外界引入空氣的基礎上產生空氣流82。空氣流82可按照殼體84b的形狀逐漸膨脹，這使空氣流82中產生的紊流減少。殼體84b的形狀使在其內部任一點上的空氣流82的速率接近均勻一致。
在上述散熱器的冷卻裝置中，靠近風扇葉片一端的開口部分84a的形狀呈圓筒形。因此，普通的散熱器冷卻裝置在開口部分84a處具有大的空氣通過阻力。當以普通的轉速轉動風扇83時，大的空氣通過阻力會減小氣流量，因而產生普通冷卻裝置不能有效地冷卻柴油機的問題。
圖10表示普通散熱器冷卻裝置的第二個實例。這種冷卻裝置公開在JP-A-4-269320中。在這種冷卻裝置中，風扇92放置得靠近散熱器91，並由發動機93轉動。護罩94的布置使得風扇92被圍繞和容納在散熱器91和發動機93之間的空間中。風扇92是設有錐形轂部的傾斜軸流式風扇。護罩94的部分94a接近多個葉片92a的尖端並包圍風扇92，該部分具有鐘形開口形狀。在下文中稱該部分為「包圍風扇的部分94a」。包圍風扇的部分94a的鐘形開口形狀使得從左、右端部向中間推進時，其半徑逐漸減小，因此，在規定點上具有一個最小半徑。也就是說，包圍風扇的部分94a就象一個圓筒體，其中部具有一個向其內部凹陷的外表面。
當風扇92的葉片92a的寬度為L1，包圍風扇的部分94a中的最小半徑部分和散熱器側的部分之間的距離為L2時，如圖10所示，L2/L1的比值被定義為「覆蓋率」，它由一個比值或百分數表示。JP-A-4-269320中的散熱器冷卻裝置中的覆蓋率設定40％為最佳值(允許範圍為+10％至-20％)。
在普通散熱器冷卻裝置的第二個實例中，傾斜軸流式風扇用於產生大流量的高壓冷卻空氣，而且其覆蓋率被調至最適當的值，以便獲得傾斜軸流式風扇的最高冷卻能力。按照第二個實例的結構可以解決普通冷卻裝置的第一個實例的問題。
但是，在普通冷卻裝置的第二個實例中，由於風扇92是採用傾斜軸流式風扇，因而產生的問題是，風扇92的制動馬力增大，使發動機93的燃油消耗增加。
另外，在普通冷卻裝置的第二個實例中，為了使風扇92具有足夠的冷卻能力，需要減小風扇92和包圍風扇的部分94a之間的間隙(下文中稱為「尖端間隙(chip clearnce)」。當尖端間隙較小時，護罩94最好裝在設有風扇92的發動機94中，而不是設在散熱器91中，以便適當地保持尖端間隙。因為有關尖端間隙的結構可以清楚地確定風扇92和包包圍風扇的部分94a之間的位置關係，所以，通過將護罩94和風扇安裝在一個共同的構件中，可以適當地實現尖端間隙。換言之，當將護罩固定在散熱器91上時，難於實現適當的尖端間隙，這是由於散熱器91和發動機94的實際安裝可能產生誤差。在第二個實例中，護罩94藉助其伸入發動機93的部分94b而裝在發動機93中。但是，第二實例的這種結構的問題在於，組裝冷卻裝置的工作效率會下降，其生產成本增加。
本發明的主要目的在於提供一種熱交換器冷卻裝置，其中，風扇的制動馬力可適當減小，發動機的燃油消耗可顯著下降。
本發明的另一個目的是提供一種熱交換器冷卻裝置，其中，裝配的工作效率可增加，生產成本可下降。
本發明的另一個目的是提供一種熱交換器冷卻裝置，其中，護罩中包圍風扇的部分是最適當的，而且可以實現最大的冷卻能力。
本發明的另一個目的是提供一種熱交換器冷卻裝置，它具有用作冷卻裝置一部分的護罩，其中，護罩的形狀可以減小發動機的燃油消耗和生產成本，並提高組裝冷卻裝置的工作效率。
按照本發明的熱交換器冷卻裝置具有一個用於產生冷卻熱交換器的空氣流的風扇，一個用於轉動風扇的驅動裝置和一個用於容納風扇的護罩，在這種結構中，風扇是軸流式風扇，護罩具有一個鐘形開口形狀的包圍風扇的部分，另外，與包圍風扇的部分有關，包圍風扇的部分的覆蓋率在41％至70％的範圍內。有關覆蓋率的理想範圍的數據是通過實驗取得的。
冷卻裝置是用於冷卻例如液壓挖土機上的發動機上安裝的熱交換器的。在這種冷卻裝置中，冷卻空氣流是通過轉動風扇而產生的，冷卻氣流穿過熱交換器中形成的氣道，從而使流過熱交換器的傳熱介質得以冷卻。
軸流式風扇的使用減小了風扇的制動馬力和發動機的燃油消耗。
另外，用於容納風扇的，護罩的包圍風扇的部分的鐘形開口形狀即使風扇轉速較低也可產生必要和足夠的冷卻空氣流量。這意味著可以降低風扇轉速，從而也可減小風扇噪音。
另外，使包圍風扇的部分的覆蓋率設定在理想的範圍內，可以使冷卻裝置的與風扇空氣流量和風扇噪音有關冷卻性能最佳化。包圍風扇的部分的覆蓋率的最適當的值為60％。
風扇最好具有所謂Y形葉片。這種風扇可以減小風扇制動馬力和發動機的燃油消耗。
風扇和護罩之間的尖端間隙可設定得較寬。也就是說，護罩的包圍風扇的部分可以製得較廣，因而護罩可以安裝在熱交換器一側。這種結構可以提高組裝冷卻裝置的工作效率。
上述冷卻裝置適用於冷卻鏟土/建築機械上的發動機的熱交換器。鏟土/建築機械的實例最好是液壓挖土機。
從另一方面講，本發明可以理解為一種熱交換器，它帶有護罩，這種護罩具有風扇噪音低、冷卻性能高的上述特徵。這種熱交換器護罩具有設置在發動機輸出軸上的軸流式風扇的特殊組合。軸流式風扇容納在護罩中的鐘形開口形狀的包圍風扇的部分中。
附圖的簡要說明圖1是設有本發明的熱交換器冷卻裝置的液壓挖土機的側視圖；圖2是沿圖1中II-II線的剖視圖；圖3A是表示圖2中標有P部分的放大視圖；圖3B是表示護罩及其周圍結構的立體圖；圖4表示風扇的局部前視圖；圖5是本發明實施例的覆蓋率和風扇噪音之間關係的曲線圖；圖6是表示Y形葉片風扇和傾斜軸流式風扇的制動馬力和風扇轉速之間關係的曲線圖；圖7是表示本發明實施例的裝置和普通裝置的，考慮到尖端間隙時，風扇轉速和冷卻空氣流量之間關係的曲線圖；圖8是表示本發明實施例的護罩和普通護罩的風扇轉速和冷卻空氣流量之間關係的曲線圖；圖9是表示第一個普通實例的部分剖開的側視圖；圖10是表示第二個普通實例的部分剖開的側視圖。
下面對照附圖詳述本發明的實施例。
如圖1所示，本發明的冷卻裝置用於冷卻裝在例如液壓挖土機上的熱交換器。該液壓挖土機設有一個下部行走體11，其上帶有使挖土機行走的液壓馬達；一個帶有轉動液壓馬達的轉動裝置12，其設置在下部行走體11上；以及一個裝在下行走體11上，可由轉動裝置的轉動的上部轉動體13。上部轉動體13用作一工作機。上部轉動體13設有一個作為基本支承結構的轉動框架14，一個位於轉動框架14之前的操縱室15，一個位於轉動框架14之後的配重16，一個工作機構17和一機箱18。
工作機構17包括一個可轉動地設在轉動框架14端部的伸臂17A，一個可轉動地設在伸臂17A端部的臂17B，以及設在臂17B前端的鏟鬥17C。伸臂17A，臂17B和鏟鬥17C分別由伸臂缸17D，臂缸17E和鏟鬥缸17F驅動。
如圖2所示，機箱18呈箱形，帶有底板部分18A，位於底板部分18A兩側的兩個側板部分18B和位於上側的一個頂板部分18C。另外，在機箱18內設有一發動機19，一個固定在發動機19的轉動輸出軸19a上的風扇20，一個熱交換器23如散熱器，以及一個液壓油泵(未畫出)。
在上述液壓挖土機中，位於機箱18中的液壓油泵向下部行走體11的液壓馬達，轉動驅動裝置12的液壓馬達和工作機構17的缸17D，17E和17F中供送液壓油。因此，液壓挖土機可進行轉動，挖掘等各項工作。
當風扇20由發動機19的轉動而轉動時，外界空氣被引入以產生用於冷卻的空氣流21。空氣流21是在將空氣通過頂板部分18C的一側(圖2中的左側)形成的許多開口22a吸入內部空間的基礎上產生的，在熱交換器23中形成的通道內流動，穿過圍繞發動機19的空間，並通過頂板部分18c另一側(圖2中的右側)形成的許多開口22b排出。在空氣流動路線中可設置導流板，將空氣從開口22a引至熱交換器23，進而使空氣流過發動機19周圍而流向開口22b。
熱交換器23設在開口22a附近，開口22a和發動機19之間。熱交換器23包括用於循環發動機冷卻水的循環管和設在循環管上的許多冷卻片。循環管通過供/排管連接於發動機19的水套。空氣流21流過熱交換器23中冷卻片附近形成的通道。高溫的發動機冷卻水在熱交換器23的循環管中流動。高溫的發動機冷卻水可由空氣流21冷卻。低溫的發動機冷卻水返回發動機用於冷卻發動機。
護罩24圍繞風扇20設置以包圍風扇20。護罩24包括帶有鐘形開口形狀的包圍風扇的部分24a和一個固定在熱交換器23上的邊緣部分24b。護罩24安裝在熱交換器23的，風扇20一側的壁上。
下面參閱圖3A，圖3B，圖3C和圖4詳述風扇20和護罩24，圖3A是圖2中標有P的部分的放大視圖，圖3B是圖3A中主要部分的放大圖，圖3C是上部外觀立體圖，圖4是風扇20的前視圖。
如圖4所示，風扇20包括位於其中心的轂部20a和多個設在轂部20a外表面的葉片20b。風扇20是軸流式風扇。葉片20b的數目最好為6個。
另外，風扇20最好設計得具有一個相對於6個葉片20b中任意相鄰兩葉片來說的角度特徵。即，其兩中心線之間的夾角(中心線是沿葉片20b中央部分從轂部中心至徑向的一條直線，如圖4所示)交替地具有兩個不同的值。具體來說，例如當兩個角度值設定為θ1和θ2時，六個葉片20b繞轂部20a的布置使得任意兩相鄰葉片的夾角以其布置的順序分別為θ1，θ2，θ1，θ2，θ1，θ2。包括θ1和θ2的六個角度之後為360°。
圓筒形轂部20a外表面與其軸線平行。如圖4所示，每個葉片20a的形狀最好使迎面看去葉片的寬度按從轂部側至端部的比例逐漸變大。另外，表示葉片轂部側的端部的，在轂部20a的外表面上的線(圖3c中的部分20c)設置得具有相對於轂部20a的軸線成比例的彎曲形狀，如圖3c所示。葉片在線20c上固定於轂部。
葉片20b一般可稱為「Y形葉片」，這是由於迎面看去葉片20b的形狀象英語字母Y，如圖4虛線所示。另外，設有多個上述Y形葉片20b的風扇20一般稱為「Y形風扇」。另外，Y形葉片的確最適用於上述葉片20b，但是葉片20b又不必限制為Y形葉片。
護罩24包括設置得靠近葉片20b端部的包圍風扇的部分24a和固定在熱交換器23上的邊緣部分24b，如圖3A和3C所示。包圍風扇的部分24a和邊緣部分24b與護罩24為一整體。如上所述，包括風扇的部分24a也形成鐘形開口形狀。更嚴格地說，從圖3B所示的包圍風扇的部分24a的下部橫截面可清楚看出，它包括兩個半徑為R的弧部124a和124b及一個在兩弧部之間(長度為L5)的直部124c。兩個弧部124a和124b具有相同的橫截面形狀。對於帶有鐘形開口形狀的包圍風扇的部分24a來說，在其兩端直徑最大，趨向直部124c中部，直徑當其在軸向趨近風扇中心時成比例地逐漸變小。因此，在軸向上，包圍風扇的部分24a的中間部分被拉向其內部。另外，標號24c代表護罩的中心線，直設置得穿過包圍風扇的部分24a中的直部124c的中間位置。另外，邊緣部分24b固定在熱交換器23的風扇側的壁面上，使其覆蓋在該壁面上形成的通氣開口。
與風扇20的葉片20b和圖3A所示護罩24的包圍風扇的部分24a之間的位置關係相關，建立下述具體條件。
在圖3A的側視圖中，葉片端部的寬度標為L3，從熱交換器側的葉片邊緣至護罩中心線24c的距離標為L4，覆蓋率定義為L3/L4(用直接比值或用百分率表示)。與覆蓋率有關，當進行模擬實機工作的風扇噪音模擬試驗時，將覆蓋率從0％改變至100％，試驗結果表示在圖5中。在表示試驗結果的曲線圖中，水平軸線代表護罩的覆蓋率，垂直軸線代表風扇噪音(dB)。圖5所示風扇噪音特性曲線31中，當覆蓋率為大約60％時，風扇噪音最低，因而60％的覆蓋率是最佳的。在點31b的風扇噪音約為100.7dB。另外，當考慮相應於人耳不可分辨的，在點31b的音量2dB以內的風扇噪音範圍的覆蓋率範圍時，包括最佳覆蓋率60％的覆蓋率範圍等於從60％減去19％所得一個低覆蓋率至60％加上10％所得高覆蓋率。也就是說，適於降低風扇20轉動引起的風扇噪音的覆蓋率範圍是41至70％的範圍，相當於圖5中所示的點31a至點31c之間的區段。在點31a和31c的風扇噪音值約為103dB。
最恰當的護罩24的尺寸是，如圖3A所示，當設定包圍風扇的部分24a的寬度為X，包括弧部124a的圓的圓心O1和包括弧部124b的圓的圓心O2之間的距離為Y，上述兩圓的半徑為R，那麼，X＝0.83L3，Y＝0.083X，R＝0.5X。這些最恰當的尺寸對應於具有最佳覆蓋率60％的護罩。鑑於覆蓋率範圍為41-70％，當考慮護罩24的最恰當尺寸時，最好0.67L3≤X≤1.1L3，0≤Y≤0.25X，0.4X≤R≤0.7X。當Y＝0時，在包圍風扇的部分24a中沒有上述直部124c。因此，直部124c並不是總是需要的。
但是，當在包圍風扇的部分24a中形成直部124c時，護罩24具有的優點是，可以產生沒有紊流的順利氣流，這是由於直部124c可以使氣流撥向出口。
另外，本實施例的具有鐘形開口形狀的包圍風扇的部分24a足以產生極好的風扇特性而不致減小風扇20和包圍風扇20的部分24a之間的間隙(即尖端間隙)，這一點與上述普通的第二實例不同。因此，與普通的第二實例相比較，可增大尖端間隙，因而在設計護罩24與熱交換器23的連接時就有了自由度，另外，可將護罩24裝在熱交換器23一側。即使熱交換器23和發動機19的安裝位置有稍許誤差，護罩24在熱交換器23中的安裝也不會引起任何問題，這是因為尖端間隙可較寬的緣故。
下面按照圖6-8，從各種角度來詳述按照本實施例的熱交換器冷卻裝置的優點。
圖6表示在風扇轉速(轉/分)和風扇制動馬力(PS)之間關係方面，Y形風扇(軸流式風扇)和傾斜軸流式風扇之間的比較。在圖6中，水平軸線代表風扇轉速，垂直軸線代表風扇制動馬力。另外，標號41代表Y形風扇性能，標號42代表傾斜軸流式風扇性能。而兩條性能特徵曲線41和42之間的比較可以看出，Y形風扇的風扇制動馬力的減少小於傾斜軸流式風扇的相應值。例如，關於使用Y形風扇時的實際風扇轉速，其風扇制動馬力與使用傾斜軸流式風扇的情況相比較可降低40％。因此，按照本實施例的熱交換器冷卻裝置，由於冷卻裝置使用了Y形風扇20，可降低風扇制動馬力，從而降低發動機的燃油消耗。
圖7表示與按照本實施例的熱交換器冷卻裝置中的尖端間隙有關的優點。該圖表示本實施例和JP-A-269326的技術之間的比較。在圖7中，水平軸線代表風扇轉速(轉/分)，垂直軸線代表冷卻空氣流量(米3/分)，線51指示本實施例的冷卻裝置，其中，尖端間隙(T/C)為5mm，線52指示同一裝置，其中，尖端間隙(T/C)為20mm，線53指示普通冷卻裝置，其中，尖端間隙為7mm。如圖所示，比較尖端間隙為20mm的本實施例冷卻裝置和尖端間隙為7mm的普通冷卻裝置，雖然在實際風扇轉速接近2000轉/分時，普通裝置比本實施例裝置要好大約1％，但兩裝置都具有基本相當的總體冷卻性能。因此，本實施例的冷卻裝置即使尖端間隙較寬也可實現實用的，足夠高的冷卻能力。另外，由於在本實施例冷卻裝置中尖端間隙可加寬，因而如前所述護罩24可設置在熱交換器23一側。這種結構的優點在於，可以提高裝配冷卻裝置的工作效率並降低生產成本。
圖8表示與按照本實施例的帶有鐘形開口形狀的包圍風扇的部分的護罩24的冷卻裝置和帶有JP-A-58-18023(實用新型)的護罩的冷卻裝置有關的，在風扇轉速和冷卻空氣流量之間的關係。在該圖中，標號61指示本實施例的冷卻裝置的性能，標號62指示普通冷卻裝置的性能。從圖中可以看出，在比較實際風扇轉速時兩種性能特徵曲線的值時，例如，本實施例的冷卻裝置可比普通冷卻裝置改善15％。另外，以使用實際需要的空氣流量的標準為基礎比較兩特徵曲線時，本實施例的冷卻裝置的優點在於，為獲得與普通冷卻裝置相同的空氣流量，風扇轉速可減少320轉/分。因此，由於按照本發明可減少風扇轉速，因而可以降低風扇噪音音量。另外，在風扇轉速和風扇噪音音量之間的定量關係可由下式表達M2＝M1+551ogN2/N1，該式類似於軸流式風扇的公式。式中，M2和M1表示兩相似風扇的風扇噪音音量，N2和N1表示兩相的風扇的轉速。根據該式，當減小風扇轉速時，風扇噪音音量也可以減小。
從上述說明可以看出，在用於冷卻例如裝在液壓挖土機的發動機的熱交換器的冷卻裝置中，與通過風扇產生冷卻空氣流，流過熱交換器的氣道來冷卻流過熱交換器的傳熱介質的結構有關，風扇的制動馬力可以同發動機燃油消耗的下降一起被減小，這是由於採用了Y形葉片的軸流式風扇作為風扇的緣故。
即使風扇以較低的轉速轉動，也可以獲得必要和足夠的冷卻空氣流量，這是由於容納風扇的護罩的包圍風扇的部分製成鐘形開口形狀的緣故。這種結構可降低風扇轉速和噪音水平。
另外，由於包圍風扇的部分的覆蓋率被設定為上述理想值，與風扇空氣流量和風扇噪音有關，可使冷卻裝置的冷卻性能最佳化。
與護罩的包圍風扇的部分的結構有關，由於尖端間隙可以較寬，護罩可安裝在熱交換器一側，因而可提高裝配工作效率並降低生產成本。
另外，熱交換器冷卻裝置可以應用在除液壓挖土機以外的其它推土/建築機械中。
這種冷卻裝置應用於裝在推土/建築機械如液壓挖土機等的發動機上的熱交換器中。這種冷卻裝置可以提高冷卻性能，降低發動機的燃油消耗，提高裝配冷卻裝置的工作效率，並降低其生產成本。
權利要求
1.一種熱交換器冷卻裝置，它包括一個用於產生冷卻熱交換器的空氣流的風扇，一個用於轉動風扇的驅動裝置和一個用於容納所述風扇的護罩。其中，所述風扇是軸流式風扇，所述護罩具有一個帶有鐘形開口狀的包圍風扇的部分，所述包圍風扇的部分的覆蓋率在41％至70％的範圍內。
2.如權利要求1所述的熱交換器冷卻裝置，其特徵在於所述包圍風扇的部分的覆蓋率的最佳值為60％。
3.如權利要求1所述的熱交換器冷卻裝置，其特徵在於所述風扇具有Y形葉片。
4.如權利要求1所述的熱交換器冷卻裝置，其特徵在於所述護罩安裝在所述熱交換器中。
5.如權利要求1所述的熱交換器冷卻裝置，其特徵在於在所述風扇和所述護罩之間的尖端間隙設定得較寬。
6.如權利要求1所述的熱交換器冷卻裝置，其特徵在於帶有鐘形開口形狀的所述包圍風扇的部分在其橫截面形狀中具有兩個分別位於所述熱交換器側和所述驅動裝置側的弧部。
7.如權利要求6所述的熱交換器冷卻裝置，其特徵在於所述兩弧部在其橫截面上具有相同的形狀。
8.如權利要求6所述的熱交換器冷卻裝置，其特徵在於在橫截面上所述兩弧部之間具有一直部，在所述直部和所述風扇的葉片之間形成尖端障隙。
9.如權利要求1所述的熱交換器冷卻裝置，其特徵在於所述熱交換器安裝在推土/建築機械的發動機中，所述驅動裝置是所述發動機。
10.如權利要求9所述的熱交換器冷卻裝置，其特徵在於所述推土/建築機械是液壓挖土機。
11一種熱交換器冷卻裝置，它製成熱交換器和軸流式風扇的組合形式，所述熱交換器設有帶鐘形開口形狀的包圍風扇的部分，所述風扇設置在一驅動裝置的輸出軸上，其中，所述軸流式風扇裝在所述包圍風扇的部分中，所述包圍風扇的部分的覆蓋率在41％至70％的範圍內。
12.一種熱交換器，它包括一個護罩，所述護罩具有鐘形開口形狀的包圍風扇的部分，所述包圍風扇的部分與一軸流式風扇組合，使所述包圍風扇的部分容納所述軸流式風扇，當組合所述包圍風扇的部分和所述軸流式風扇時，所述包圍風扇的部分的覆蓋率在41％至70％的範圍內。
全文摘要
一種熱交換器冷卻裝置用於裝在液壓挖土機等上的發動機的熱交換器，這種冷卻裝置具有一個由發動機轉動的風扇和一個容納風扇的護罩。風扇是軸流式風扇，護罩具有鐘形開口形狀的包圍風扇的部分，與所述包圍風扇的部分的形狀有關，在包圍風扇的部分和葉片寬度的相對位置關係的基礎上限定的覆蓋率設定在41-70％的範圍內。
文檔編號F01P5/02GK1150467SQ9619031
公開日1997年5月21日 申請日期1996年4月9日 優先權日1995年4月10日
發明者坂本祜一, 平見一郎, 加藤喜博, 小松原民雄 申請人:日立建機株式會社