JP4750263B2 - 熱伝達装置の用途およびエンジン囲いの換気を同時に行うためのファン制御システムおよび方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は一般に、建設、土工および他の形式の作業機械等の重機械のための空気調和システムおよびエンジン囲い換気システムの分野に関し、詳細には、特定の作業機械に関する空気調和装置の凝縮器の冷却と、エンジン囲いの換気とを同時に行うための単一のファンの配置および制御システムに関する。
【0002】
【従来の技術】
一般的に、建設および掘削機械の他に、種々の他の形式の作業機械もまた、機械の作動を制御するための運転室または運転台を含む。作業機械が使用される環境は様々であるため、運転室の多くには空気調和システムが装備されている。空気調和システムに欠かせない部品として、冷媒からの熱を別の媒体に伝達するために使用される冷媒の凝縮器コアがある。これに関し、凝縮器コアはその熱放出を高め、それによって空調システムの効率を高めるために、一般的に凝縮器を通って送られる強制的な空気流を必要とする。この強制空気流は凝縮器コアからの熱の放出をさらに促進し、空気調和システムの全体的な効率を改善する。
【0003】
空間が限られているため、空気調和装置の凝縮器を通る強制空気流のための個別のファンは通常設けられていない。その代わりに、凝縮器コアは多くの場合、ハイドロリック、トランスミッションおよびオイル熱交換器と同様、エンジンラジエータといった他の多くの熱交換器と共に一次冷却ファン気流中に配置されており、全ての熱交換器は、空気調和装置の凝縮器コアを通る熱伝達空気流の量を減少させるので、空気調和システムの効率が低下してしまう。また、この先行技術の配置では、全体的な空気調和システムの大きさ、特に一次冷却ファンの大きさと、運転能力とが付加されており、このような種々の冷却システムの部品の物理的配置は、多くの場合、運転室からの運転者の良好な視界を妨げてしまう。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
作業機械の空気調和システムの効率を改善すると同時に、この課題を達成するのに必要な装置の大きさを最小にすることが望ましい。
作業機械において他の重要かつ絶えず増大しているニーズとして、エンジン室を冷却して、内部に取り付けられている種々の部品の限界温度要件より低い温度を維持するためにエンジン囲いを換気することが挙げられる。また、世界的な騒音規制法はエンジン騒音を減少させるために防音性に優れた囲いを要求している。防音性の高いエンジンの囲いは気密性の高い囲いになり、結果として、自然空気流が減少し、エンジン室を通り、熱を発生する部品から熱を取り除くための自然空気循環が減少することになる。その結果、エンジン囲いの換気が減少する。防音性の高いエンジン囲いを達成しつつ囲い内を必要な温度に維持するよう、換気ファンでエンジン囲い内の空気循環を改善することが必要な場合がある。換気ファンは特に、エンジン囲いの換気の問題を回避するために取り付けられるが、これもまた、冷却システム全体の大きさを増すことになる。
【0005】
このため、エンジン囲いの換気を改善しつつ、同時にこの課題を達成するために必要な冷却システムの大きさを最小にすることが望ましい。
したがって、本発明は前述の問題の1つまたはそれ以上を解決することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明の1つの態様において、熱伝達装置を通過する空気流を増加させ、かつ、作業機械のエンジン室を換気する装置を開示する。この装置は、エンジン室の一端部に隣接して配置されるファンと、ファンに隣接してその上流に配置される熱交換装置と、熱伝達装置を通過してエンジン室を通過するようになった、ファンが作り出す空気流とを含む。
【0007】
本発明の他の態様において、作業機械のファン速度を制御するための方法であって、作業機械は、熱伝達装置とエンジン室とを含み、ファンは、熱伝達装置とエンジン室の一端部との間に配置されている。この方法は、作業機械のエンジン室内の温度を検知する段階と、エンジン室内で検知された温度に基づきファンの速度を決定する段階と、熱伝達装置の作動状態を検知する段階と、熱伝達装置の作動状態に基づきファンの速度を決定する段階と、エンジン室内で検知された温度に基づきファンの速度を決定する段階で決定されたファンの速度を、熱伝達装置の作動に基づきファンの速度を決定する段階で決定されたファンの速度と比較する段階と、ファンの速度を、エンジン室内で検知された温度に基づきファンの速度を決定する段階および熱伝達装置の作動状態に基づきファンの速度を決定する段階で決定された速度の高い方を設定する段階とを含む。
【0008】
【発明の実施の形態】
図1を参照すると、本発明の原理を組み込んだ1つの実施の形態において、ファン10が、一般的な作業エンジンに関連するエンジン室20の一端部12に隣接して位置され配置されており、2つの別個の仕事、すなわち、一般的な空気調和システムに関連する冷媒凝縮器コア14等の熱伝達装置の冷却と、エンジン室20の換気とを行うようになっている。ファン10はラジアルファンであることが好ましいが、軸流ファンや他の形式のファンも、本発明の精神および範囲から逸脱することなく使用できる。ラジアルファン10は、図1と図4に最もよく示されるようにファンの前部から空気を吸入し、ファンの半径方向に空気を排出するよう作動する。
【0009】
エンジン室20は囲い部材21により囲まれており、囲い部材21は部材21の開口部18を覆うフード17を含む。開口部18と、フード17下方の空間とにより形成される空間19は、周囲の空気がエンジン室20の外側部分からファン10へ流れる通路をもたらす。この点に関して、ファン10は、図1に最もよく示されるように空間19の吸気口に近接し、それに面するように配置され、以下に説明するように空間19への吸気口および凝縮器コア14とまっすぐな視線内にあることが好ましい。
【0010】
図2および図3はファン10および熱伝達冷媒凝縮器コア14の特定の装置の配置を示す。さらに詳細には、凝縮器コア14はファン10の上流で、実質的にファン10の前部に隣接して取り付けられることが好ましい。ファン10が作動すると、空気は凝縮器コア14を通ってファン10の中に引き込まれることにより、凝縮器コア14の熱伝達能力を高める。本発明のファンの用途は、一般的な空気調和システムの熱伝達装置に関する作動について開示されているが、熱伝達装置14は、エンジンオイル冷却コアまたは制御油冷却コア等の作業機械に用いられる複数の異なる形式の熱交換器であってもよく、本発明のファンの用途が同じように冷却を行うために適応できることが理解され期待されている。
【0011】
図1および図2に最もよく示されるように、ファン10はファン10の速度を制御するよう作動可能に連結されている駆動モータ13含む。駆動モータ13はファン10の後方に、またはモータ13がファン10を出入りする空気流を妨げないような他の位置に配置されることが好ましい。
【0012】
エンジン室20は、一般的に作業機械のためのエンジンの他に、油圧ポンプ、モータ、他のファンおとび他の熱伝達装置等の、機械の作動に必要な種々の機能部品(図示せず)を含む。また、図4に示すようにエンジン室20は少なくとも1つ、好ましくは2つの排気ダクト22を含み、排気ダクト22はエンジン室20のファン10の反対側の端部に隣接して囲い部材21の上端部分に位置されて配置されている。排気ダクト22はエンジン室20の内外の空気連通を可能にし、ファン10によりエンジン室の中に排出された空気の排気点として作用する。また、エンジン室20は、ファン10から半径方向に排出される空気流をエンジン室20の端から端まで案内する適切な内部ダクト設備(図示せず)を含み、空気が排気ダクト22を通ってエンジン室22を出る前に、空気流が内部の必要な機能部品に接触し、同じく冷却するのを助ける。
【0013】
したがって、ファン10が作動すれば、ファン10は吸気口を通して周囲の空気を空間19に吸い込み、図2および図3に図示する矢印が示すように、空気がまず凝縮器コア14を通過することを可能にし、これによって凝縮器コア14からの熱を放散させ、同じく冷却する。同じ空気が次に、ラジアルファン10により半径方向に排出されて、同じく図2および図3に図示する矢印が示すようにエンジン室20に入る。ラジアルファン10の上部をフード17等で覆い、空気がファンの上部を通って半径方向に流出しないようにすることが好ましい。したがって、フード17はファン10の上部から半径方向に排出される空気をフード17の後方下側の側面に送り、ファン10の側面および底面から半径方向に排出される空気と合流させる。空気はファン10から排出されると、エンジン室20内の適切な空気ダクト手段で排気ダクト22に案内される。この過程で、空気は、エンジン室20内でファン10の下流に配置されている、冷却が必要な場合がある必須の機能部品に接触する状態になり、このようにエンジン室20を通る空気流はエンジン室を換気して、エンジン室およびその内部に取り付けられている種々の機能部品から熱を放散させることができる。
【0014】
ファン10の作動は、以下に説明する信号を受けて出力することができる電子制御モジュール(ECM)30、または、他の制御装置または処理手段により制御される、ECM30等の電子制御装置またはモジュールは、エンジン速度やエンジン負荷等の幅広いエンジン機能を監視して制御することを含む、種々の機能およびタスクを制御し達成するために、一般的に作業機械と関連して用いられている。ECM30等の制御装置および電子モジュールは、典型的には制御弁、ポンプ、アクチュエータ、モータおよび広範な種々の機械部品等の装置に接続されており、電流制御信号を伝達して、その運転を制御するようになっている。この点に関して、ECM30は典型的には、マイクロコントローラまたはマイクロプロセッサのような処理手段、入力/出力回路のような関連電子回路、アナログ電子回路またはプログラム可能論理配列のほか、関連メモリを含む。
【0015】
また、本発明のファン制御システムは、エンジン室20内に、好ましくは作業機械ごとに異なるであろう、エンジン室内で最も高温の部品に近接して位置され配置されている温度センサ24を含む。センサ24は、少なくともセンサ24周辺のエンジン室20の温度を監視し、温度を示す適切な信号をECM30に出力する。しかし、温度センサ24をエンジン室20内のどこに配置しても良いよいことは意図され予期されることであり、センサ周囲の温度を監視するために、エンジン室20内に複数のセンサを配置してもよいことも理解され予想される。図5に示すように、温度センサ24は、エンジン室20内のセンサ位置での温度に対応する信号32をECM30に供給する。
【0016】
信号32に応答してECM30は、エンジン室20内で検知された温度に対応するエンジン温度ファン速度(ETファン速度)を決定する。本発明の1つの実施の形態において、ETファン速度は、図6に示されている、囲い空気温度に対するファン速度、のグラフによって決定される。たとえば、図6に関して、センサ24で検知された温度が最低閾値温度、たとえば図6に示される摂氏約75度(華氏167度)かそれより低ければ、その温度に対するETファン速度は最低速度であるゼロrpmである。エンジン室20内で検知された温度が、図6で示される最高閾値温度である摂氏約85度(華氏185度)かそれより高ければ、エンジン室20内でその温度に対するETファン速度は最高ファン速度である約3000rpmである。エンジン室20内で検知された温度が、最低閾値温度と最高閾値温度との間にあれば、ETファン速度は、図6のグラフに示されるように、最低エンジン囲い温度と最高エンジン囲い温度との間の直線関係に基づいて決定される。この場合、ETファン速度は、図6に示される直線関係に基づいて0rpmと3000rpmとの間の比例速度になる。この手順は、エンジン室温度とファン速度との関係を、図6に示すグラフの形式、参照用テーブルの形式またはファン速度を導く1つまたはそれ以上の方程式の形式でECM30に関連するメモリに格納する等の、当業者には公知の種々の方法の1つを用いて実行できる。同様に、検知されたエンジン囲い温度に基づいてファン速度を決定する他の方法も可能である。
【0017】
また、凝縮器コア14を冷却するための望ましいファン速度を示す第2の信号35も、特定の作業機械に関連する空調制御システム34を経由してECM30に供給される。信号35は、作業機械の運転台に配置された空気調和制御装置の位置に基づいて、空気調和制御システム34により発生され、この制御装置はシステム要求および凝縮器コア14の熱伝達要求を指図する。空気調和制御装置の設定に基づいて、空気調和制御システム34は、ファン10が凝縮器コア14を冷却するのに必要なファンの速度(ACファン速度)を決定し、このACファン速度を表す適切な信号35をECM30に出力する。ETおよびACファン速度に基づいて、ECM30はファン10の速度を制御するためにファン駆動モータ13に信号36を出力し、この出力信号36は最も高速なファン速度、すなわちETファン速度およびACファン速度のうちの高い方を表す。本発明の1つの態様による、適切なファン速度を決定し実行する作動ステップが、図7のフローチャート100に記載されている。このようなステップは、当業者には公知の技術でECM30の処理手段のプログラムに組み込むことができる。
【0018】
作動ステップのフローチャート100(図7)は、イグニッションスイッチがオンになると開始され、この作動ステップは所定の繰り返し間隔または他の基準に基づいて継続的に実行するようにプログラムできる。制御ループ100がステップ102で開始されると、エンジン室20内の温度が前述のようにステップ103で検知される。ステップ104で、検知されたエンジン室内の温度が最低閾値温度より低ければ、ETファン速度はステップ106でゼロrpmと決定され、ECM30はステップ114に進む。一方、検知されたエンジン室内の温度が最低閾値温度より高いか等しければ、ECM30はステップ108に進み、検知された温度が最高閾値温度より大きいかどうかが調べられる。検知された温度が実際に最高閾値温度より高い場合は、ECM30はETファン速度をステップ110で最高換気ファン速度に決定し、ECM30は再度ステップ114に進む。ステップ108で、ECM30が、検知されたエンジン室内の温度が最高閾値温度より高くないと判定すれば、ECM30はさらに、この検知された温度が最低閾値温度と最高閾値温度との間にあることを判定し、その後さらに、ETファン速度をステップ112で図6に図示する関係に合わせて最低換気速度と最高換気速度との間の比例速度になるように決定する。
【0019】
ETファン速度を決定すると次に、ECM30はステップ114に進み、イグニッションスイッチがオンになっているか否かを判定する。イグニッションスイッチがオンでなければ、ECM30は望ましいファン速度をステップ120で先に決定したETファン速度に決定し、ステップ124に進んで適切な信号36をファン駆動モータ13に出力し、その速度を設定する。一方、ステップ114でイグニッションスイッチがオンであれば、次にECM30はステップ116に進み、空気調和システムが作動しているか否かを判定する。ステップ116で空気調和装置が作動していなければ、ECM30は再度、望ましいファン速度をステップ120で先に決定したETファン速度に決定し、ECM30は前述のように再度ステップ124に進む。しかし、空気調和システムがステップ116で実際に稼働中であれば、ECM30はステップ118に進み、(空気調和システム34から得られた)ACファン速度が先に決定したETファン速度より大きいか否かを判定する。ACファン速度の方が大きければ、ステップ122で望ましいファン速度はACファン速度に決定され、ステップ124でECM30は適切な信号36をファン駆動モータ13に出力し、その速度を設定する。一方、ステップ118で、ACファン速度ETがファン速度より小さいか等しい場合には、ステップ120で望ましいファン速度はETファン速度に決定され、ECM30は再度ステップ124に進み、適切な信号を出力する。このようにして決定された望ましいファン速度に一致する信号36は、次にステップ124でファンモータ13に送られてファン10の速度を制御する。
【0020】
イグニッションスイッチがオフの位置にあってもファン10が作動可能であることは、フローチャート100から明白である。この状況は典型的にはエンジン室内20で検知された温度が最低閾値温度または他の所定の温度より高いときに起こる。フローチャート100のこの特徴により、ファンの作動が停止される前にエンジン室20内の部品を冷却する必要がある熱間停止の場合に、イグニッションスイッチが切られた後も換気ファンの速度を維持することで、エンジン室20を通る空気流を維持することができる。検知された温度が所定の温度閾値を超える場合には、ECM30は最後に決定された望ましいファン速度でファン10を継続して運転できることが好ましい。その後、検知される温度が第2の所定の閾値温度を下回るまでファン10を継続運転できる。イグニッションスイッチが切られた後にファン10を運転するための第1および第2の所定の温度閾値を規定するこのような付加的な作動ステップは、第1および第2の所定の温度が最低閾値温度以外の温度に設定された場合にはフローチャート100のステップ114の後に挿入できる。また、この特徴は随意的なものであり、ステップ114は削除してよいことも理解できる。
【0021】
【産業上の利用可能性】
本明細書に記載したように、本発明の装置、方法およびファン速度制御システムは、特に、エンジン室の換気および熱伝達コアの冷却を必要とするすべての形式の作業機械や他の車両に利用できる。本発明の装置および制御システムは、エンジン室20内の温度および機械の空気調和システムの作動の両方を監視し、前述の2つのファン速度のうち高い方に基づいて、凝縮器コア14と、エンジン室20の換気との両方に有用なファンの速度を制御する。冷却凝縮器コア14を通る強制空気により、コアの熱伝達能力が高まり、同様にコアの性能および効率が高まる。同じように、エンジン室20内に配置されている種々の機能部品の中や周囲に空気流を案内すれば、エンジン室を換気して内部に含まれている部品を冷却することができ、これによって同様に部品の寿命および性能を高めることができる。このすべては、単一のファン10を用いることにより達成される。
【0022】
この明細書に記載されているファン10の配置は、他の重要な目的にも役立っている。ファン10および駆動モータ13から機械の前面に向かって放出される音波は、熱伝達装置14およびその流体内容物により減衰され、ファン10および駆動モータ13を取り囲むダクト設備は、反対方向に放出される騒音の減衰に役立っている。したがって、このファンの配置はさらに、騒音公害を減少させ、厳格な世界的な騒音規制を満たすのに役立つ。
【0023】
フローチャート100に示されている作動ステップは、本発明の精神および範囲から離れることなく変更できることは理解される。特に、ステップを追加したり、削除したりしてもよい。そのような変更はすべて本発明に含まれるものである。
【0024】
また、制御ループ100は所定の間隔で、少なくとも作業機械が作動している間またはイグニッションスイッチが切られるまでの間は繰り返されることが好ましい。この所定の間隔は、ある所定の時間、エンジン室内の所定の温度増加、または他のパラメータまたは他の基準に基づくことができる。さらに、ステップ124では、ECM30がステップ103にループバックしてフローチャート100が繰り返されているが、ECM30がステップ124を終了させ、その後、制御ループが再度、フローチャート100の作動ステップを開始するために、所定の繰り返し基準に基づいて繰り返されるようにプログラムしてもよい。
本発明の他の態様、目的および有利は、図面、明細書および添付の請求の範囲を検討することにより理解できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】作業機械のエンジン室を表し、さらにエンジン室内に配置された本発明の装置を細い点線で示す、本発明の1つの実施の形態の側面図である。
【図2】図1で細い点線で表されている本発明の装置の側面斜視図であり、一体化された各部品の相互配置を示している。
【図3】図2の装置の正面斜視図である。
【図4】図1のエンジン室の全面斜視図である。
【図5】本発明の電子制御システムの1つの実施の形態を示す概略図である。
【図6】本発明の1つの実施の形態におけるファン速度とエンジン室温度との関係を示すグラフ図である。
【図7】本発明の1つの実施の形態におけるファン速度を設定するステップを示すフローチャートである。
【符号の説明】
10 ファン
14 冷媒凝縮器コア
17 フード
18 開口部
20 エンジン室
21 囲い部材
22 排気ダクト
Claims (9)
- 作業機械のエンジン室を換気するための装置であって、
作業機械のエンジン室の一端部に設けられ、該エンジン室に連通する空間を内部に形成するフードと、
前記フードの一端に形成された吸気口に吸い込み側端部が向くように前記フード内に配置されたファンと、
前記フード内において、前記ファンと前記フードの前記吸気口との間に配置された空気調和装置のための冷媒凝縮器コアと、
前記空気調和装置に組み合わされ、該空気調和装置の作動に望ましいファン速度を表す空気調和ファン速度信号を発生する信号発信手段と、
前記エンジン室内の温度を表す温度信号を発生するセンサと、
前記信号発生手段と、前記センサとに接続され、前記空気調和ファン速度信号と前記温度信号を受ける電子制御装置とを備え、
前記ファンにより生成される空気流が、前記フードの前記吸気口から前記冷媒凝縮器コアを通って前記ファンに至り、該ファンを通って前記エンジン室に入るように構成され、
前記電子制御装置は、前記センサからの前記温度信号が表す温度に対応するエンジン温度ファン速度を決定してエンジン温度ファン速度信号を生成し、前記信号発信手段からの前記空気調和ファン速度信号と前記エンジン温度ファン速度信号のうちの、高い方の速度を表す信号に対応する速度で作動するように前記ファンを制御する
ことを特徴とする装置。 - 前記電子制御装置は、さらに、エンジンのイグニッションスイッチがオンでない状態で、前記エンジン温度ファン速度信号に対応する速度で前記ファンを作動させ、前記エンジン室の換気を可能にすることを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 前記ファンがラジアルファンであることを特徴とする、請求項1又は2に記載の装置。
- 前記エンジン室が、エンジン室内外への空気連通を可能にする少なくとも1つの排気ダクトを含むことを特徴とする、請求項1から請求項3までのいずれか1項に記載の装置。
- 前記エンジン室が、前記ファンの下流に配置される少なくとも1つの機能部品を含み、さらに、前記エンジン室内に、空気流を前記ファンから前記少なくとも1つの排気ダクトに案内するダクト手段を含み、前記空気流が前記少なくとも1つの機能部品に接触するように流れてその周囲の換気を行うことを特徴とする、請求項4に記載の装置。
- 前記センサが、前記エンジン室の最も高温領域に隣接して配置されていることを特徴とする、請求項1から請求項5までのいずれか1項に記載の装置。
- 前記エンジン室が、前記ファンの下流に配置される少なくとも1つの機能部品を含み、前記センサが前記少なくとも1つの機能部品に隣接して配置されていることを特徴とする、請求項1から請求項4までのいずれか1項に記載の装置。
- 前記電子制御装置は、前記センサで検知される温度が第1の所定の温度を超えるときに、該第1の所定の温度を超える直前のファン速度で前記ファンの運転を継続させ、センサで検知される温度が前記第1の所定の温度より低い第2の所定の温度を下回るまで前記直前のファン速度での運転を継続させるように制御することを特徴とする、請求項1から請求項7までのいずれか1項に記載の装置。
- 前記エンジン室内の種々の位置に配置される複数のセンサを含み、
前記電子制御装置は、前記複数のセンサの各々から、各々のセンサに隣接する前記エンジン室内の温度を表す温度信号を受け、前記エンジン室内で最も高い温度を表すセンサから受ける温度信号に基づいて前記エンジン温度ファン速度を決定する、
ことを特徴とする請求項1から請求項5までのいずれか1項に記載の装置。
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