JP2019132130A - エクスパンションタンク - Google Patents
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Abstract
【課題】エンジン冷却装置に対する注水の作業性と気液分離性能を両立させることができるエクスパンションタンクを提供する。【解決手段】エンジン冷却装置に接続され、冷却装置を循環する冷却水から空気を分離する密閉型のエクスパンションタンク30において、タンク本体35と、水位基準線43よりも下側に連通穴44を有しタンク本体35の内部を複数の分離室36a〜36fに仕切る複数の隔壁42と、分離室36aに対して水位基準線43よりも下側の位置で接続された流入ポート34と、分離室36a以外の分離室36eに対して水位基準線43よりも下側の位置で接続された流出ポート33と、分離室36a以外の分離室に設けられた注水口31と、分離室36aを区画する隔壁42の連通穴44に設けた逆流防止機構38とを備えたことを特徴とする。【選択図】 図3
Description
本発明は、エンジン冷却装置に接続するエクスパンションタンクに関する。
一般に、油圧ショベル等の建設機械には、エンジン等の原動機を冷却するためにラジエータ等を備えた水冷式の冷却装置が搭載されている。冷却装置には、冷却水の熱膨張による体積変化に対応する空気バネとして内部に空気室を持つ密閉式のエクスパンションタンク(リザーブタンクと称されることもある)が接続される場合がある(特許文献1,2等参照)。
近年、流路長の増加等を理由に冷却装置内に空気が溜まり易くなってきており、冷却効率の低下抑制のために冷却装置のエア抜きの重要性が高まってきている。そこで、冷却装置を流れる冷却水を流入ポートからエクスパンションタンクに導いて冷却水から空気を分離して空気室に収集(気液分離)し、空気を分離した冷却水を流出ポートから冷却装置に戻すシステムが検討されている。エクスパンションタンクには、流入ポートを水位基準線より高位置に配置する方式(気室戻し方式)と水位基準線より低位置に配置する方式(水室戻し方式)がある。
気室戻し方式では、新車組立時や冷却水交換時等、冷却装置に注水する際、流出ポートを介してエクスパンションタンクから冷却装置に冷却水が供給されるのに伴って冷却装置の空気が流入ポートを介してエクスパンションタンクに排出される。流入ポートが空気室に開口しているからである。冷却装置からエクスパンションタンクの空気室に導かれた空気は、注水口を介してエクスパンションタンクから排出される。ただ気室戻し方式の場合、注水が容易である一方で、エンジン稼働中はエクスパンションタンクに流入した冷却水が空気室に噴出した後で水面に落下するので、噴出及び落下の際に冷却水に空気が混入し易く気液分離性能に課題がある。また、エンジンが停止して冷却水の循環が止まると、エクスパンションタンクから一部の空気が冷却装置に逆流し、エンジン停止直後のエンジン冷却効果が低下する場合がある。
他方、流入ポートが水位基準線よりも低位置にある水室戻し方式では、エンジン稼働中に冷却装置を循環する冷却装置はエクスパンションタンクの水面下に導かれるため気液分離性能に優れる。しかしその一方で、冷却装置に注水する際には、流入ポートが冠水してしまうと冷却装置内の空気がエクスパンションタンクに円滑に導かれず、注水作業の効率が低下する課題がある。
本発明は上述した従来技術の課題に鑑みなされたもので、エンジン冷却装置に対する注水の作業性と気液分離性能を両立させることができるエクスパンションタンク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、本発明は、原動機の冷却装置に接続され、前記冷却装置を循環する冷却水から空気を分離する密閉型のエクスパンションタンクにおいて、タンク本体と、前記タンク本体の設定水位である水位基準線よりも下側に連通穴を有すると共に上下に延び、前記タンク本体の内部を複数の分離室に仕切る隔壁と、前記冷却装置から前記タンク本体への冷却水の入口であって、前記複数の分離室のうちの1つである入口分離室に対して前記水位基準線よりも下側の位置で接続された流入ポートと、前記タンク本体から前記冷却装置への冷却水の出口であって、前記複数の分離室のうちの前記入口分離室以外の分離室である出口分離室に対して前記水位基準線よりも下側の位置で接続された流出ポートと、前記複数の分離室のうちの前記入口分離室以外の分離室に設けられた注水口と、前記入口分離室を区画する前記隔壁の前記連通穴又は前記流入ポートに設けられ、前記流入ポートから前記流出ポートに向かう冷却水の流れの逆流を防止する逆流防止機構とを備えたことを特徴とする。
本発明によれば、エンジン冷却装置に対する注水の作業性と気液分離性能を両立させることができる。
以下に図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
(第1実施形態)
1.建設機械
本実施形態では、建設機械としてクローラ式の油圧ショベルに本発明に係るエクスパンションタンクを適用した例を説明する。但し、燃料を燃焼させて動力を発生させる内燃機関であるエンジン等の原動機とその冷却装置を備える建設機械であれば、本発明に係るエクスパンションタンクはクローラ式の油圧ショベル以外にも広く適用できる。例えばクレーン、ホイールローダ、トラクタ等の用途の異なる建設機械、ホイール式等のクローラ式以外の建設機械、或いは原動機の他の例である電動機で油圧ポンプを駆動する電動ショベル等のエンジン駆動式以外の建設機械にも適用可能である。
1.建設機械
本実施形態では、建設機械としてクローラ式の油圧ショベルに本発明に係るエクスパンションタンクを適用した例を説明する。但し、燃料を燃焼させて動力を発生させる内燃機関であるエンジン等の原動機とその冷却装置を備える建設機械であれば、本発明に係るエクスパンションタンクはクローラ式の油圧ショベル以外にも広く適用できる。例えばクレーン、ホイールローダ、トラクタ等の用途の異なる建設機械、ホイール式等のクローラ式以外の建設機械、或いは原動機の他の例である電動機で油圧ポンプを駆動する電動ショベル等のエンジン駆動式以外の建設機械にも適用可能である。
図1は本発明の第1実施形態に係るエクスパンションタンクを適用する建設機械の一例である油圧ショベルの外観を表す側面図である。以降、運転席に着いたオペレータの前側(図1中の左側)、後側(同右側)、左側(同紙面直交方向手前側)、右側(同紙面直交方向奥側)を油圧ショベル1の前、後、左、右とし、それぞれ単に前側、後側、左側、右側と記載する。
図1に示した油圧ショベル1は、走行体2、この走行体2上に旋回可能に搭載された旋回体4、土砂の掘削作業等を行う作業装置5を備えている。
走行体2は、左右のクローラフレーム21、左右のクローラフレーム21にそれぞれ掛け回された無限軌道の左右の履帯22、左右の履帯22をそれぞれ駆動する左右の走行用油圧モータ23を有する。
旋回体4は、旋回フレーム6、キャブ7、カウンタウェイト8等を備えている。旋回フレーム6は旋回体4のベースフレームであり、旋回装置3を介して走行体2上に旋回可能に設けられている。キャブ7は旋回フレーム6の前部左側に設けた運転室であり、オペレータが座る運転席71、各油圧アクチュエータを操作するための操作レバー(図示せず)等を内部に有している。カウンタウェイト8は作業装置5との重量バランスをとるための錘であり、旋回フレーム6の後端部に取り付けられている。旋回フレーム6の後部(キャブ7とカウンタウェイト8の間)には、外装カバー11等で区画された機械室25が配置されている。機械室25には、原動機としてのエンジン9(図2参照)やエンジン冷却装置90(図2参照)の他、図示していないが、エンジン9で駆動される油圧ポンプ、油圧ポンプから各油圧アクチュエータに供給される圧油の流れを制御する制御弁等が備えられている。外装カバー11には縦長の複数の孔からなる流入口13が形成されており、流入口13を介して機械室25に吸気されるようになっている。
作業装置5は、ブーム5A、アーム5B、バケット5C、ブームシリンダ5D、アームシリンダ5E、バケットシリンダ5Fを備えている。ブーム5Aは、旋回フレーム6の前部右側に上下に回動可能に連結されている。アーム5Bはブーム5Aの先端に回動可能に、バケット5Cはアーム5Bの先端に、それぞれ回動可能に取り付けられている。ブームシリンダ5Dの両端はブーム5Aと旋回フレーム6とに連結され、ブームシリンダ5Dの伸縮に伴ってブーム5Aが上下に揺動する。アームシリンダ5Eの両端はアーム5Bとブーム5Aとに連結され、アームシリンダ5Eの伸縮に伴ってアーム5Bが前後に揺動する。バケットシリンダ5Fの両端はバケット5Cに連結されたリンクとアーム5Bとに連結され、バケットシリンダ5Fの伸縮に伴ってバケット5Cが回動する。
2.エンジン冷却装置
図2は図1の油圧ショベルに備えられたエンジン冷却装置の模式図である。エンジン冷却装置90(以下、冷却装置90と記載する)は、ラジエータ80、ウォーターポンプ91、サーモスタット92、ウォータージャケット93、EGRクーラ94等を備えている。図2中で要素間を繋ぐ太線矢印は、冷却水の流路及び流れ方向を示している。
図2は図1の油圧ショベルに備えられたエンジン冷却装置の模式図である。エンジン冷却装置90(以下、冷却装置90と記載する)は、ラジエータ80、ウォーターポンプ91、サーモスタット92、ウォータージャケット93、EGRクーラ94等を備えている。図2中で要素間を繋ぐ太線矢印は、冷却水の流路及び流れ方向を示している。
ラジエータ80は、アッパータンク80A、ラジエータコア80B、ロアータンク80Cを備えている。アッパータンク80Aはアッパーライン50(ホース等)を介してエンジン9に接続され、エンジン9からの冷却水がアッパータンク80Aに流入するようになっている。ラジエータコア80Bはアッパータンク80Aの下側に接続され、図示しない複数の冷却水細管及び放熱フィンを有しており、アッパータンク80Aに流入した冷却水を冷却ファン10で発生させた冷却風と熱交換して冷却する。ロアータンク80Cはラジエータコア80Bの下側に接続されると共にロアーライン51(ホース等)を介してエンジン9に接続され、ロアーライン51を介してラジエータコア80Bで冷却された冷却水をエンジン9に供給する。冷却ファン10は電動機12で駆動される構成であるが、エンジン9で駆動する構成とすることもある。
ウォーターポンプ91は、エンジン9の動力により駆動され、エンジン9に供給される冷却水を吸い込んでウォータージャケット93及びEGRクーラ94に向けて吐出し、冷却装置90の回路内で冷却水を循環させる。
ウォータージャケット93はエンジン9のシリンダ(不図示)の周囲に設けられた水路であり、ウォーターポンプ91から送り出された冷却水は主にここを通過する際にエンジン9と熱交換してエンジン9を冷却する。
EGRクーラ94は、EGR管路(不図示)に設けられ、このEGR配管を通過するエンジン排気の一部(以下、EGRガスという)を冷却水と熱交換させて冷却する。冷却されたEGRガスは、吸入空気と混合されてシリンダ内に導入される。EGRクーラ94及びこれに関連する冷却系は省略可能である。
サーモスタット92はアッパーライン50とロアーライン51を接続するバイパスライン53に設けられた温度式の弁装置であり、エンジン9の温度が所定範囲に収まるように、冷却水温度に応じてバイパスライン53に流す流量を調整する。サーモスタット92は例えば温度計と駆動部を備えており、温度計で計測された冷却水温度が設定温度以上の場合に駆動部により弁開度を下げ、設定温度未満の場合に弁開度を上げる。弁開度が下がればラジエータ80を経由してエンジン9に供給される冷却水量が増え、弁開度が上がればラジエータ80をバイパスしてエンジン9に供給される冷却水量が増える。
3.エクスパンションタンク
エクスパンションタンク30(以下、タンク30と記載する)は気液分離機能と空気バネ機能を有する密閉式のリザーブタンクであり、エア抜き配管52及びメイクアップ配管54を介して冷却装置90にループ状に接続されている。このタンク30の気液分離機能は、冷却装置90を循環する冷却水を取り込んで冷却水から空気を取り除くことに寄与する。空気バネ機能は、内部の空気室を利用したものであり、冷却水の熱膨張による体積変化に伴う冷却装置90の内部圧力の変動を吸収することに寄与する。以降、冷却水の交換又は補充のためにタンク30を介して冷却装置90に冷却水を注ぎ入れることを「注水」、タンク30から冷却装置90に冷却水が供給されることを「給水」と言い分ける。
エクスパンションタンク30(以下、タンク30と記載する)は気液分離機能と空気バネ機能を有する密閉式のリザーブタンクであり、エア抜き配管52及びメイクアップ配管54を介して冷却装置90にループ状に接続されている。このタンク30の気液分離機能は、冷却装置90を循環する冷却水を取り込んで冷却水から空気を取り除くことに寄与する。空気バネ機能は、内部の空気室を利用したものであり、冷却水の熱膨張による体積変化に伴う冷却装置90の内部圧力の変動を吸収することに寄与する。以降、冷却水の交換又は補充のためにタンク30を介して冷却装置90に冷却水を注ぎ入れることを「注水」、タンク30から冷却装置90に冷却水が供給されることを「給水」と言い分ける。
図3はタンク30の側面図、図4は平面図である。図3及び図4に示したように、タンク30は、タンク本体35、隔壁42、流入ポート34、流出ポート33、注水口31、逆流防止機構38を備えている。続いて各要素について説明してゆく。
・タンク本体
タンク本体35は水位が目視確認できるように半透明の樹脂等で形成されたタンク30の外壁であり、形状は特に限定されないが本実施形態では角部をR形状とした直方体状である。タンク本体35は隔壁42を形成するために上側ハウジング35A及び下側ハウジング35Bからなる上下二分割構造が採用されている。上側ハウジング35A及び下側ハウジング35Bは、それぞれ隔壁42と共に一体に成形され、フランジ35Cで互いに繋ぎ合せてある。本実施形態では、上側ハウジング35Aと下側ハウジング35Bの境界部を、油圧ショベル1が水平姿勢であるとき(例えば水平面に接地しているとき)のタンク本体35の設定水位である水位基準線43として設定している。但し、水位基準線43はタンク30の大きさ等によって任意に設定可能であり、必要であれば設定水位である旨の表記と共に表示することもできるし、設定水位の上限及び下限を示す2本のラインを表示する態様としても良い。水位基準線43は保守作業者によるタンク30内の水位の適切な管理に役立ち、タンク30の適切な気液分離機能と空気バネ機能の維持に寄与する。
タンク本体35は水位が目視確認できるように半透明の樹脂等で形成されたタンク30の外壁であり、形状は特に限定されないが本実施形態では角部をR形状とした直方体状である。タンク本体35は隔壁42を形成するために上側ハウジング35A及び下側ハウジング35Bからなる上下二分割構造が採用されている。上側ハウジング35A及び下側ハウジング35Bは、それぞれ隔壁42と共に一体に成形され、フランジ35Cで互いに繋ぎ合せてある。本実施形態では、上側ハウジング35Aと下側ハウジング35Bの境界部を、油圧ショベル1が水平姿勢であるとき(例えば水平面に接地しているとき)のタンク本体35の設定水位である水位基準線43として設定している。但し、水位基準線43はタンク30の大きさ等によって任意に設定可能であり、必要であれば設定水位である旨の表記と共に表示することもできるし、設定水位の上限及び下限を示す2本のラインを表示する態様としても良い。水位基準線43は保守作業者によるタンク30内の水位の適切な管理に役立ち、タンク30の適切な気液分離機能と空気バネ機能の維持に寄与する。
なお、水位基準線43が冷却装置90の最上部(厳密には冷却装置90の内部の冷却水回路の最上部)よりも高くなるように、タンク30は配置してある。
・隔壁
隔壁42は上下に延びる仕切り壁であり、前後左右に隣り合う四角柱状の複数(本実施形態では6個)の分離室36a〜36fにタンク本体35の内部を仕切っている。各隔壁42は、上側ハウジング35Aと一体成型された上半部、及び下側ハウジング35Bと一体成型された下半部からなり、上側ハウジング35Aと下側ハウジング35Bを接合することで上半部と下半部が繋がる構造である。分離室36a,36bを隔てる隔壁42は水位基準線43よりも下側の位置に冷却水用連通穴44を有しており、分離室36a,36bは水位基準線43よりも下側で冷却水用連通穴44によって互いに連通している。分離室36b,36c、分離室36c,36d、分離室36d,36e、分離室36e,36fも同様にそれぞれ水位基準線43よりも下側で冷却水用連通穴44によって互いに連通している。分離室36b,36eを隔てる隔壁42、及び分離室36a,36fを隔てる隔壁42には冷却水用連通穴44は設けられていない。また、分離室36a〜36fは、隔壁42の水位基準線43よりも上側の位置に形成された空気用連通穴45を介して隣り合う少なくとも1つの分離室と連通している。
隔壁42は上下に延びる仕切り壁であり、前後左右に隣り合う四角柱状の複数(本実施形態では6個)の分離室36a〜36fにタンク本体35の内部を仕切っている。各隔壁42は、上側ハウジング35Aと一体成型された上半部、及び下側ハウジング35Bと一体成型された下半部からなり、上側ハウジング35Aと下側ハウジング35Bを接合することで上半部と下半部が繋がる構造である。分離室36a,36bを隔てる隔壁42は水位基準線43よりも下側の位置に冷却水用連通穴44を有しており、分離室36a,36bは水位基準線43よりも下側で冷却水用連通穴44によって互いに連通している。分離室36b,36c、分離室36c,36d、分離室36d,36e、分離室36e,36fも同様にそれぞれ水位基準線43よりも下側で冷却水用連通穴44によって互いに連通している。分離室36b,36eを隔てる隔壁42、及び分離室36a,36fを隔てる隔壁42には冷却水用連通穴44は設けられていない。また、分離室36a〜36fは、隔壁42の水位基準線43よりも上側の位置に形成された空気用連通穴45を介して隣り合う少なくとも1つの分離室と連通している。
本実施形態では、タンク30の内部の冷却水は、分離室36a→分離室36b→分離室36c→分離室36d→分離室36fと移動していく。このようにタンク本体35の内部を複数の分離室36a〜36fに仕切ることで、タンク30の内部の冷却水を分離室36a〜36fに順次緩やかに移動させ、気液分離が促進される。また、各分離室36a〜36fの水位基準線43よりも上側の空間(空気室)が前述した空気バネ機能を果たす。
・流入ポート
流入ポート34は、冷却装置90からタンク本体35への冷却水の入口である。本実施形態ではエア抜き配管52を介してラジエータ80のアッパータンク80Aと流入ポート34とを接続した例を挙げているが、エア抜き配管52でエンジン9又はアッパーライン50と流入ポート34とを接続する構成とすることもある。流入ポート34は、本実施形態ではタンク本体35の側面に接続しており、水位基準線43よりも下側の位置で複数の分離室36a〜36fのうちの1つ、本実施形態では分離室36aに開口している。以降、流入ポート34が接続された分離室36aを「入口分離室36a」と記載する場合がある。
流入ポート34は、冷却装置90からタンク本体35への冷却水の入口である。本実施形態ではエア抜き配管52を介してラジエータ80のアッパータンク80Aと流入ポート34とを接続した例を挙げているが、エア抜き配管52でエンジン9又はアッパーライン50と流入ポート34とを接続する構成とすることもある。流入ポート34は、本実施形態ではタンク本体35の側面に接続しており、水位基準線43よりも下側の位置で複数の分離室36a〜36fのうちの1つ、本実施形態では分離室36aに開口している。以降、流入ポート34が接続された分離室36aを「入口分離室36a」と記載する場合がある。
また、入口分離室36aに対する流入ポート34の設置位置は変更可能であるが、注水後は場面によらず流入ポート34が冠水していることが望ましい。そこで、油圧ショベル1が水平姿勢である場合に水位基準線43に水位が一致する冷却水量がタンク本体35に貯留されているとしたとき、油圧ショベル1がいずれの方向に傾斜しても、油圧ショベル1の傾斜角度が予め設定された最大許容傾斜角を超えない範囲ではタンク本体35内の冷却水の水面より上側に露出しない位置に、流入ポート34を設置することが望ましい。最大許容傾斜角とは、例えばエンジン9のオイルパンからオイルが流出しない範囲で油圧ショベル1に対して予め設定された角度である。
・流出ポート
流出ポート33は、タンク本体35から冷却装置90への冷却水の出口である。本実施形態ではメイクアップ配管54を介してロアーライン51と流入ポート34とを接続した例を挙げているが、メイクアップ配管54でラジエータ80のロアータンク80Cと流出ポート33とを接続する構成とすることもある。流出ポート33は、複数の分離室36a〜36fのうちの1つであって入口分離室36a以外の分離室、本実施形態では分離室36eに水位基準線43よりも下側の位置で開口している。本実施形態では分離室36eの底面に流出ポート33が開口した構成を例示しているが、側面に流出ポート33が開口した構成としても良い。以降、流出ポート33が接続された分離室36eを「出口分離室36e」と記載する場合がある。
流出ポート33は、タンク本体35から冷却装置90への冷却水の出口である。本実施形態ではメイクアップ配管54を介してロアーライン51と流入ポート34とを接続した例を挙げているが、メイクアップ配管54でラジエータ80のロアータンク80Cと流出ポート33とを接続する構成とすることもある。流出ポート33は、複数の分離室36a〜36fのうちの1つであって入口分離室36a以外の分離室、本実施形態では分離室36eに水位基準線43よりも下側の位置で開口している。本実施形態では分離室36eの底面に流出ポート33が開口した構成を例示しているが、側面に流出ポート33が開口した構成としても良い。以降、流出ポート33が接続された分離室36eを「出口分離室36e」と記載する場合がある。
・注水口
注水口31は、タンク30に注水するための開口部であり、分離室36a〜36fのうちの入口分離室36a以外の分離室、本実施形態では出口分離室36eの水位基準線43よりも上側の位置(例えば天面)に設けられている。この注水口31には、タンク30の内部の空気圧を調整可能な圧力弁付きのキャップ32が注水時を除いて取り付けられ、タンク30内の圧力が適切に保たれる構造となっている。注水後にキャップ32を締めることでタンク30が密閉される。圧力弁はキャップ32に代えてタンク30の上部に設けても良い。
注水口31は、タンク30に注水するための開口部であり、分離室36a〜36fのうちの入口分離室36a以外の分離室、本実施形態では出口分離室36eの水位基準線43よりも上側の位置(例えば天面)に設けられている。この注水口31には、タンク30の内部の空気圧を調整可能な圧力弁付きのキャップ32が注水時を除いて取り付けられ、タンク30内の圧力が適切に保たれる構造となっている。注水後にキャップ32を締めることでタンク30が密閉される。圧力弁はキャップ32に代えてタンク30の上部に設けても良い。
・逆流防止機構
逆流防止機構38は入口分離室36aにおいて流入ポート34から流出ポート33に向かう冷却水の流れの逆流を防止する機構であり、代表的には逆止弁を用いることができる。本実施形態では、逆流防止機構38は、入口分離室36aを区画する(分離室36a,36bを隔てる)隔壁42に設けた冷却水用連通穴44に設けられている。この逆流防止機構38を設置したことにより、分離室36a,36b間では、入口分離室36aから分離室36bへの移動のみが許容され、分離室36bから入口分離室36aへの冷却水の移動が妨げられる。
逆流防止機構38は入口分離室36aにおいて流入ポート34から流出ポート33に向かう冷却水の流れの逆流を防止する機構であり、代表的には逆止弁を用いることができる。本実施形態では、逆流防止機構38は、入口分離室36aを区画する(分離室36a,36bを隔てる)隔壁42に設けた冷却水用連通穴44に設けられている。この逆流防止機構38を設置したことにより、分離室36a,36b間では、入口分離室36aから分離室36bへの移動のみが許容され、分離室36bから入口分離室36aへの冷却水の移動が妨げられる。
4.動作
・エンジン稼働時
エンジン9の稼働中、ウォーターポンプ91によりエンジン9のウォータージャケット93等の冷却水回路に冷却水が送り込まれ、エンジン9の冷却水回路内の空気は冷却水と共にアッパーライン50を介してラジエータ80のアッパータンク80Aに排出される。アッパータンク80Aに導入された冷却水は、ラジエータコア80Bで冷却され、ロアータンク80C及びロアーライン51を流通して再びウォーターポンプ91に吸い込まれる。アッパーライン50からラジエータ80に送り込まれる冷却水量の割合は、サーモスタット92によって冷却水温度に応じて調整される。
・エンジン稼働時
エンジン9の稼働中、ウォーターポンプ91によりエンジン9のウォータージャケット93等の冷却水回路に冷却水が送り込まれ、エンジン9の冷却水回路内の空気は冷却水と共にアッパーライン50を介してラジエータ80のアッパータンク80Aに排出される。アッパータンク80Aに導入された冷却水は、ラジエータコア80Bで冷却され、ロアータンク80C及びロアーライン51を流通して再びウォーターポンプ91に吸い込まれる。アッパーライン50からラジエータ80に送り込まれる冷却水量の割合は、サーモスタット92によって冷却水温度に応じて調整される。
このとき、ラジエータ80のアッパータンク80Aに導入された冷却水の一部は、含有する空気と共にエア抜き配管52及び流入ポート34を介してタンク30に常時圧送される。他方、冷却装置90の内部の冷却水の不足分が、流出ポート33及びメイクアップ配管54を介して冷却装置90に供給される。タンク30の内部では、冷却水用連通穴44を介して分離室36a〜36fを冷却水が順次移動する過程で気液分離が進行し、空気と分離された冷却水が流出ポート33を介して冷却装置90に供給される。冷却水から分離された空気は、空気室(分離室36a〜36fの水位基準線43より上側の空間)に収集される。空気用連通穴45を介した分離室36a〜36f間の空気の移動は自由である。
・注水時
油圧ショベル1の組立作業やメンテナンスに際して冷却装置90に注水する場合には、キャップ32を外して注水口31からタンク30に冷却水を注ぎ入れる。注水口31から注がれた冷却水は、流出ポート33を介して冷却装置90に供給される。その他、流出ポート33を介して冷却装置90に供給される流量よりも注水口31から注ぎ入れられる流量が多い場合には、冷却水用連通穴44を介して出口分離室36eから他の分離室36b〜36d,36fにも一部の冷却水が流れてゆく。但し、逆流防止機構38により分離室36bから入口分離室36aには冷却水は流入しないようになっている。
油圧ショベル1の組立作業やメンテナンスに際して冷却装置90に注水する場合には、キャップ32を外して注水口31からタンク30に冷却水を注ぎ入れる。注水口31から注がれた冷却水は、流出ポート33を介して冷却装置90に供給される。その他、流出ポート33を介して冷却装置90に供給される流量よりも注水口31から注ぎ入れられる流量が多い場合には、冷却水用連通穴44を介して出口分離室36eから他の分離室36b〜36d,36fにも一部の冷却水が流れてゆく。但し、逆流防止機構38により分離室36bから入口分離室36aには冷却水は流入しないようになっている。
5.比較例
図5は第1比較例に係るエクスパンションタンクの側面図、図6は第2比較例に係るエクスパンションタンクの側面図である。図5では第1実施形態に係るタンク30から逆流防止機構38を省略した構成のエクスパンションタンクT1(以下、タンクT1と記載する)を第1比較例として例示している。図6では第1比較例に係るタンクT1の流入ポートP1を空気室(水位基準線Lよりも高位置)に移設した構成のエクスパンションタンクT2(以下、タンクT2と記載する)を第2比較例として例示している。第1比較例は水位基準線Lよりも低位置から冷却水を導入するいわゆる水室戻し方式のエクスパンションタンク、第2比較例は水位基準線Lよりも高位置から冷却水を導入するいわゆる気室戻し方式のエクスパンションタンクの例である。
図5は第1比較例に係るエクスパンションタンクの側面図、図6は第2比較例に係るエクスパンションタンクの側面図である。図5では第1実施形態に係るタンク30から逆流防止機構38を省略した構成のエクスパンションタンクT1(以下、タンクT1と記載する)を第1比較例として例示している。図6では第1比較例に係るタンクT1の流入ポートP1を空気室(水位基準線Lよりも高位置)に移設した構成のエクスパンションタンクT2(以下、タンクT2と記載する)を第2比較例として例示している。第1比較例は水位基準線Lよりも低位置から冷却水を導入するいわゆる水室戻し方式のエクスパンションタンク、第2比較例は水位基準線Lよりも高位置から冷却水を導入するいわゆる気室戻し方式のエクスパンションタンクの例である。
図5のタンクT1においては、注水時、流出ポートP2からエンジン冷却装置への給水流量より注水流量が多い場合等に流入ポートP1が冠水すると、エンジン冷却装置からタンクT1への空気の排出が妨げられて給水動作に支障を来す。このため、注水の作業性に配慮して、図6に示したような気室戻り方式のタンクT2が一般に多く採用されている。しかし、気室戻り方式のタンクT2にも以下のような3つの課題がある。
第1の課題は気液分離性能の不足である。エンジン稼働中はエンジン冷却装置からタンクT2に冷却水が圧送されるが、タンクT2においては冷却水がタンクT2内の空気中に噴出し、冷却水に一度空気が混入してしまう。また、空気室を落下した冷却水が水面に落ちる際の貯留水への空気の混入も避けられない。そのため、水室戻し方式のタンクT1に比べて、気室戻し方式のタンクT2は気液分離性能が低下する。
第2の課題はエンジン停止時のエンジン冷却装置への空気の逆流である。エンジン稼働中はウォーターポンプにより流入ポートP1に接続するエア抜き配管が冷却水で満たされ、タンクT2に冷却水が導入される。しかし、エンジンが停止すると冷却水の循環も停止し、ヘッド差によりタンクT2内の空気が流入ポートP1を介してエンジン冷却装置に逆流する。このとき、タンクT2を搭載した車体が傾斜し、エンジンやラジエータの最後部よりもタンクT2の水位基準線Lが低くなっていると、流入ポートP1から逆流した空気は更にラジエータやエンジンにまで逆流し得る。エンジン等の高温部を冷却する冷却水回路においては、逆流した空気で冷却水が置換されることにより冷却が滞り得る。
第3の課題はタンクT2の保護性能の不足である。気室戻り方式のタンクT2では、エンジン冷却装置の内部で高温化した冷却水が流入ポートP1を介して気室に放出されるため、分離室の壁面に高温水が直接当たる場合がある。タンクT2が例えば樹脂製である場合、高温水との直接接触はタンクT2の構造材の劣化を促進させる要因になりかねない。
6.効果
(1)注水作業性と気液分離性能の両立
図3及び図4で説明したように、本実施形態のタンク30では、流入ポート34が入口分離室36aに対して水位基準線43より下側で接続しているので、冷却水が空気室の空気と混合することがなく、水室戻し方式の優れた気液分離性能を確保することができる。
(1)注水作業性と気液分離性能の両立
図3及び図4で説明したように、本実施形態のタンク30では、流入ポート34が入口分離室36aに対して水位基準線43より下側で接続しているので、冷却水が空気室の空気と混合することがなく、水室戻し方式の優れた気液分離性能を確保することができる。
加えて、流出ポート33を設けた出口分離室36eは、流入ポート34を設けた入口分離室36aとは異なる分離室であり、入口分離室36aと隣接する分離室36bとを隔てる隔壁42の冷却水用連通穴44には逆流防止機構38が設けられている。また、注水口31は入口分離室36a以外の分離室(本実施形態では出口分離室36e)に設けてある。従って、エンジン9の稼働中に入口分離室36aに導入された冷却水の分離室36bへの移動ひいては冷却装置90への給水は許容しつつ、注水時には他の分離室36b〜36fから入口分離室36aへの冷却水の逆流が逆流防止機構38により妨げられる。タンク30に注ぎ入れられた冷却水の入口分離室36aへの流入が逆流防止機構38で妨げられるので、流入ポート34の冠水を抑制することができ、注水の作業性も良好である。よって、冷却装置90に対する注水の作業性と気液分離性能を両立させることができる。気液分離性能の向上により冷却装置90の冷却効率が向上し得るので、原動機が大型で多くの熱量が発生する建設機械にあっては特に有意義である。
(2)タンク保護
冷却装置90で冷却水が高温化した場合でも、流入ポート34を介してタンク30に導かれた冷却水は入口分離室36aに滞留する冷却水に混合される。このように高温の冷却水のタンク30の壁面への直接的な接触を抑制できるので、タンク30の構造材の劣化を抑制することができる。
冷却装置90で冷却水が高温化した場合でも、流入ポート34を介してタンク30に導かれた冷却水は入口分離室36aに滞留する冷却水に混合される。このように高温の冷却水のタンク30の壁面への直接的な接触を抑制できるので、タンク30の構造材の劣化を抑制することができる。
(3)高温部材の冷却停滞の抑制
流入ポート34は、水位基準線43を満たす冷却水量があれば油圧ショベル1の傾斜角が最大許容傾斜角を超えない限り空気室に露出しない位置に配置することが好ましい。このような位置に流入ポート34を配置することで、エンジン9を停止した際でも流入ポート34が水面から露出しないため、空気室の空気が冷却装置90に逆流することを抑制できる。従って、エンジン9等の高温部に滞留する冷却水が空気で置換されることを抑制することができ、高温部材の冷却停滞を抑制できる。この点は斜面で稼働する場面がある建設機械にあっては特に有意義である。
流入ポート34は、水位基準線43を満たす冷却水量があれば油圧ショベル1の傾斜角が最大許容傾斜角を超えない限り空気室に露出しない位置に配置することが好ましい。このような位置に流入ポート34を配置することで、エンジン9を停止した際でも流入ポート34が水面から露出しないため、空気室の空気が冷却装置90に逆流することを抑制できる。従って、エンジン9等の高温部に滞留する冷却水が空気で置換されることを抑制することができ、高温部材の冷却停滞を抑制できる。この点は斜面で稼働する場面がある建設機械にあっては特に有意義である。
(4)製作容易化
タンク本体35を上下二分割構造としたことで、タンク本体35の内部の隔壁42や冷却水用連通穴44、空気用連通穴45等が成形し易い。また、逆流防止機構38についても、上側ハウジング35Aと下側ハウジング35Bを接合する前に容易に組み付けることができる。従って、タンク30の製作の容易化をすることができる。
タンク本体35を上下二分割構造としたことで、タンク本体35の内部の隔壁42や冷却水用連通穴44、空気用連通穴45等が成形し易い。また、逆流防止機構38についても、上側ハウジング35Aと下側ハウジング35Bを接合する前に容易に組み付けることができる。従って、タンク30の製作の容易化をすることができる。
(第2実施形態)
図7は本発明の第2実施形態に係るエクスパンションタンクの側面図、図8は平面図であり、図7及び図8はそれぞれ第1実施形態の図3及び図4に対応している。図7及び図8において既出の要素には既出図面と同符号を付して説明を省略する。
図7は本発明の第2実施形態に係るエクスパンションタンクの側面図、図8は平面図であり、図7及び図8はそれぞれ第1実施形態の図3及び図4に対応している。図7及び図8において既出の要素には既出図面と同符号を付して説明を省略する。
図7及び図8に示したエクスパンションタンク30A(以下、タンク30Aと記載する)が第1実施形態に係るタンク30と相違する点は、入口分離室36aの底面に流入ポート34が設けられている(開口している)点である。本実施形態では入口分離室36aの底面の中心に流入ポート34を設けた(例えば入口分離室36aと流入ポート34の中心が一致した)場合を例示しているが、入口分離室36aの中心よりタンク本体35の中心O寄りの位置に流入ポート34を設置しても良い。それ以外のタンク30Aの構成は、冷却装置90との接続態様や配置、適用する建設機械、動作等を含めて第1実施形態のタンク30と同様である。
ここで、一般に流入ポートを流出ポートと共にエクスパンションタンクの底面に配置した場合、流出ポートと流入ポートのヘッド差がないため、流入ポートが冠水すると注水できなくなってしまう。そのため、水室戻し方式であっても注水性能を確保するために流入ポートを流出ポートに対して可能な範囲で高く配置することが多い。
それに対し、本実施形態では逆流防止機構38を設けたことによって注ぎ入れた冷却水による流入ポート34の冠水を抑制することができ、流出ポート33のみならず流入ポート34をもタンク本体35の底面に設けることができる。
本実施形態のようにタンク本体35の底面に流入ポート34を設けた場合、第1実施形態のようにタンク本体35の側面に流入ポート34を設けた構成と比べて、最大傾斜角を超えない条件下で流入ポート34の開口部が冷却水の水面下に維持される構成とし易い。特に入口分離室36aの中心かそれよりもタンク本体35の中心Oに近い位置は条件を満たし易い。よって、高温部材の冷却停滞の抑制効果を得る上でより有利である。
(その他)
以上の実施形態においては、入口分離室36aの冷却水が分離室36bにのみ移動する構成を例示したが、例えば分離室36a,36fを隔てる隔壁42に冷却水用連通穴44を追加し、入口分離室36aから複数の分離室に冷却水が移動する構成ともし得る。この場合、入口分離室36aと隣接する分離室とを繋ぐ複数の冷却水用連通穴44の全てに逆流防止機構38を設置する必要があるため、逆流防止機構38は分離室の連絡構造によっては複数設置され得る。但し、第1及び第2実施形態のように入口分離室36aと冷却水用連通穴44で連絡する分離室を単数に制限した場合には逆流防止機構38が単数で済み、構造の簡素化、低廉化のメリットがある。
以上の実施形態においては、入口分離室36aの冷却水が分離室36bにのみ移動する構成を例示したが、例えば分離室36a,36fを隔てる隔壁42に冷却水用連通穴44を追加し、入口分離室36aから複数の分離室に冷却水が移動する構成ともし得る。この場合、入口分離室36aと隣接する分離室とを繋ぐ複数の冷却水用連通穴44の全てに逆流防止機構38を設置する必要があるため、逆流防止機構38は分離室の連絡構造によっては複数設置され得る。但し、第1及び第2実施形態のように入口分離室36aと冷却水用連通穴44で連絡する分離室を単数に制限した場合には逆流防止機構38が単数で済み、構造の簡素化、低廉化のメリットがある。
また、入口分離室36aを隣の分離室36bと連通する冷却水用連通穴44に逆流防止機構38を設けた構成を例示したが、代わりに流入ポート34に逆流防止機構38を設ける構成としても良い。言うまでもないが、この場合に逆流防止機構38が許容するのは冷却装置90から入口分離室36aに流入する冷却水の流れであり、流入ポート34から冷却装置90への冷却水の流れは遮られる構成である。加えて、タンク30,30A内の分離室の数は制限されず、複数であれば良い。従って、隔壁42の必要枚数は少なくとも1枚である。また、同一方向を向いた冷却水用連絡穴44を図3、図4、図7及び図8に示したように同軸上に設ける必要は必ずしもなく、中心軸をずらして配置する場合もある。空気用連通穴45も同様である。また、冷却水用連絡穴44の大きさを揃える必要は必ずしもなく不揃いにする場合もある。空気用連通穴45も同様である。
また、逆流防止機構38は必ずしも逆止弁に限定されず、フロート弁等を適用することもできる。フロート弁を用いる場合、例えば水位基準線43よりも低く設定した設定水位よりも低水位のとき閉弁して流入ポート34の冠水等を抑制し、設定水位よりも高水位のとき開弁して冷却装置90への給水を許容するように構成することができる。
1…油圧ショベル(建設機械)、9…エンジン(原動機)、30,30A…エクスパンションタンク、31…注水口、33…流出ポート、34…流入ポート、35…タンク本体、36a〜36f…分離室、36a…入口分離室、36e…出口分離室、38…逆流防止機構、42…隔壁、43…水位基準線、44…冷却水用連通穴(連通穴)、90…エンジン冷却装置(冷却装置)、O…タンク本体の中心
Claims (4)
- 原動機の冷却装置に接続され、前記冷却装置を循環する冷却水から空気を分離する密閉型のエクスパンションタンクにおいて、
タンク本体と、
前記タンク本体の設定水位である水位基準線よりも下側に連通穴を有すると共に上下に延び、前記タンク本体の内部を複数の分離室に仕切る隔壁と、
前記冷却装置から前記タンク本体への冷却水の入口であって、前記複数の分離室のうちの1つである入口分離室に対して前記水位基準線よりも下側の位置で接続された流入ポートと、
前記タンク本体から前記冷却装置への冷却水の出口であって、前記複数の分離室のうちの前記入口分離室以外の分離室である出口分離室に対して前記水位基準線よりも下側の位置で接続された流出ポートと、
前記複数の分離室のうちの前記入口分離室以外の分離室に設けられた注水口と、
前記入口分離室を区画する前記隔壁の前記連通穴又は前記流入ポートに設けられ、前記流入ポートから前記流出ポートに向かう冷却水の流れの逆流を防止する逆流防止機構と
を備えたことを特徴とするエクスパンションタンク。 - 前記エクスパンションタンクは建設機械に設けられており、前記建設機械が水平姿勢である場合に前記水位基準線に水位が一致する冷却水量が前記タンク本体に貯留されているとき、前記流入ポートは、予め設定された最大許容傾斜角でいずれの方向に前記建設機械が傾斜しても水面より上側に露出しない位置に設置されていることを特徴とする請求項1に記載のエクスパンションタンク。
- 前記流入ポートは、前記入口分離室の底面の中心かそれよりも前記タンク本体の中心寄りの位置に設置されていることを特徴とする請求項1に記載のエクスパンションタンク。
- 前記タンク本体は、前記隔壁と共に一体に成形され、かつ上下に二分割されていることを特徴とする請求項1に記載のエクスパンションタンク。
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SE539416C2 (en) * | 2014-10-21 | 2017-09-19 | Scania Cv Ab | Expansion tank and cooling system including such an expansion tank |
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