JP2001124490A - 熱交換器および冷却システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 多品種少量生産の建設機械等の特注熱交換器
の製作を簡単化し、エンジン冷却システムや熱交換器の
品質の維持、短期納入、コストの低減を図る。 【解決手段】 単位熱交換器５を予め準備しておき、必
要熱交換条件や個々の寸法に応じて単位熱交換器５を組
み合わせたり、一つの熱交換器に複数の冷媒系統を設け
ることにより、機種別に特注の熱交換器を設計しなくて
も冷却システムを構築できるようにした。個々の単位熱
交換器５に予め位置決め用の取付部６を設け、必要最小
限数の単位熱交換器５を選択し、サイドプレート７等の
骨組み部材に取付ける。冷媒配管８との間はカプラー９
等の配管継手で接続する。本発明によれば種々の熱交換
条件に応じた熱交換器を容易に製作できるため、上記課
題が解決され、効率的な冷却システムができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は熱交換器および冷却
システムに係り、特に、建設機械、農業機械、発電装置
などのエンジンルームに好適な熱交換器および冷却シス
テムに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、建設機械などのエンジンルームに
設置される冷却システムは、インタークーラ、エアコン
放熱器、オイルクーラ、ラジエータ等の個々の熱交換器
が、機体内の空気の流れに対してほぼ直交する方向に直
列もしくは並列に設置されている。

【０００３】そして、エンジンクランク軸にファンベル
トを介して連結されたプロペラファンにより、冷却風を
上記各熱交換器に管外冷媒として供給する形式のもので
あり、多くの場合、個々の熱交換器は、エンジンの容量
や作業能力の異なる機種ごとに個別に設計されてきた。

【０００４】これらの熱交換器の設計において、熱交換
条件に応じてチューブやフィンを、放熱量を満たすに必
要なだけ重ね合わせ、機種毎に設計されたヘッダと組み
合わせて個別に熱交換器を構成し、管内冷媒入出口を介
して冷媒を供給する方法が一般的である。

【０００５】また、異なる熱交換媒体を同時に熱交換す
る熱交換器は、従来、主として自動車の分野で用いられ
ており、例えば、特開平８−２１９６６２号公報に記載
のように、生産規模が大きいためか、冷媒チューブおよ
び放熱フィン等の熱交換要素は、同一のものを組み合わ
せてはいるが、ケースなどの筐体に構成した熱交換器そ
のものは、一定の機種用のみに限定された構成となって
いる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の冷却システ
ムでは、仮に熱交換器がチューブやフィンなどの単位要
素の組み合わせにより構成されている場合であっても、
熱交換器の全体構成としては、いずれも一定の機種のみ
に固定された構成であった。これは、自動車等、大量生
産される製品で使用するための熱交換器としては好適で
ある。

【０００７】しかし、例えば、建設機械、農業機械、発
電装置等の、比較的多品種少量生産あるいは一品生産
で、かつ、機種ごとに機体建屋寸法や熱交換条件が異な
るような、エンジンルームの冷却システムに利用するた
めには、機種ごとに個別に製作した熱交換器を用いる必
要があり、そのため、設計・製造コストが高くなってし
まうという問題点があった。

【０００８】また、これら特別に製作される熱交換器は
比較的大型であり、多数の伝熱チューブや放熱フィンな
どを、手作業でロウ付け等するため変形が起きやすく、
そのため、精度の高い製品の製作が難しく、製品の歩留
まりが悪いという問題があった。

【０００９】また、これらの機械・装置の熱交換器は、
受注してから熱交換条件に応じて、個別に設計および製
作を行うため、製品納入までに長期間を要し、生産効率
がきわめて悪かった。

【００１０】本発明の課題は、熱交換条件が異なる種々
の熱交換器において、その製作を簡単化することに有
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、予めユニット化した単位熱交換器を準備
しておき、建設機械などの機体ごとの熱交換条件や、発
電装置のエンジンルームを設置する建屋寸法、あるい
は、熱交換容量に応じて上記単位熱交換器を組み合わせ
て熱交換器を構成し、また、複数種類の管内冷媒の系統
に区分して、一つの熱交換器を複数の単位熱交換器で共
有できる構成としたことにより、多品種少量生産の機体
に対応した熱交換器および冷却システムを提供できるよ
うにしたものである。

【００１２】すなわち、本発明の熱交換器は、複数本の
伝熱管の両端にヘッダを備え、前記ヘッダに冷媒配管と
の接続部を有する複数個の単位熱交換器が、連結部材を
介して並設されてなるものである。

【００１３】また、本発明の冷却システムは、複数本の
伝熱管の両端にヘッダを有し、ユニット化された単位熱
交換器を、連結部材を介して並設することにより熱交換
器を構成し、前記熱交換器が、エンジンルームの管外冷
媒の主流方向とほぼ直交する面に配置されてなるもので
ある。

【００１４】本発明によれば、建設機械などの多品種少
量生産で、熱交換条件が個別に異なる種々の熱交換器に
おいて、熱交換条件に応じて単位熱交換器を組み合わせ
るだけで対応できるので、製作がきわめて簡単となる。
そのため、設計・製作コストが低く、製品精度も高精度
に維持でき、短期間で製品納入が可能となる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、図
面を参照して説明する。図１は、本発明における実施の
一形態を示す基本的な図で、管外冷媒（例えば、空気）
の上流側から熱交換器を見た概略図で、図（Ａ）は単位
ユニットとしての単位熱交換器、図（Ｂ）は単位熱交換
器を組み合わせた熱交換器の全体構成の一例を示す図で
ある。

【００１６】図１に示すように、本発明の冷却システム
は、単位熱交換器５を予め準備しておき、それらを複数
個並列に並べて実装することにより、一つの熱交換器を
形成する。個々の単位熱交換器５には、予め位置決め用
の取付部６を設けておく。

【００１７】熱交換器で放熱する熱交換条件が定まった
ら、その熱交換条件を満たすのに必要最小限数だけの単
位熱交換器５を選択し、サイドプレート７等の骨組み部
材に取付部６を介して単位熱交換器５を取り付ける。

【００１８】管内冷媒が熱交換器に供給され、熱交換後
に流出する配管８と単位熱交換器５との間は、カプラー
９等の配管継ぎ手を用いて接続する。配管８側と単位熱
交換器９側のカプラー９間の距離は、管内冷媒の圧力損
失を極端に大きくすることなく接続できる距離であれば
特に制限は設けない。なお、予め骨組み部材７に、個々
の単位熱交換器５に接続する冷媒配管８を組み込んで構
成すると便利である。

【００１９】また、カプラー９の形状としては、取り外
し時に、配管側の管が閉鎖されて冷媒が漏れない形状の
ものが望ましい。このようなカプラー９および配管の末
端形状を用いることにより、メンテナンス時に、冷媒を
外部に一旦抽出しなくても熱交換器のみ自由に取り外し
をすることができる。

【００２０】また、図１では、単位熱交換器５側のカプ
ラー９の位置を、単位熱交換器５の左右の面としたが、
管外冷媒の流れ、およびエンジンルーム内での取り付け
時の不具合を生じない場合は、例えば、図１の正面から
見た面もしくはその裏面に設けても全く問題ない。これ
は、取付部６の位置に関しても同様である。

【００２１】また、一個の熱交換器に対して、単位熱交
換器５は一列になるように図示してあるが、単要素熱交
換器５の図１における左右方向の寸法およびエンジンル
ームの大きさ、および必要とされる熱交換条件によって
は、このような列を左右に並べた構造としてもよい。

【００２２】単位熱交換器５の構造も、図１では、チュ
ーブ１が４本、フィン２が３段の構成で、それを組み合
わせるとチューブ１が単位熱交換器５の接する位置で
は、あたかもフィン２を間に介することなく接するよう
に書かれているが、単位熱交換器の構造は、図１に示し
た例に限らない。

【００２３】したがって、例えば、図１に示したチュー
ブのどちらか一方は、冷媒を流さない構造の部材とした
り、あるいは、両端のチューブ１の断面積を、内側のチ
ューブ１の断面積の約１／２とすることにより、個々の
チューブ１を流れる管内冷媒の流量およびそれに隣接す
るフィン面積を、ほぼ等しくするような構成としてもよ
い。

【００２４】このように、一定の熱交換容量を持つ単位
熱交換器５を予め準備しておき、それを複数個組み合わ
せて一つの熱交換器を構成することにより、熱交換条件
の異なる種々の機体に関して、それぞれ別個に熱交換器
を製作する必要がなくなり、精度の維持された熱交換器
を短期間に納入できる。また、設計および開発コストを
低減できる。

【００２５】図２は、本発明における単位熱交換器を組
み合わせた別の構成例で、管外冷媒流れとほぼ直交する
方向から熱交換器を見た側面図である。図１に示した実
施形態においては、単位熱交換器５は、その左右をそれ
ぞれ一つのサイドプレート７に、取付部６を介してネジ
止め等の手段により固定し、複数個の単位熱交換器を一
括して一つの熱交換器を構成したが、この場合、サイド
プレート７は機種ごとに、つまり、単位熱交換器の数に
応じて別個に設けなければならない。

【００２６】しかし、図２に示した実施形態では、隣接
した単位熱交換器５どうしのみを、プレート７ａを介し
て固定している。つまり、単位熱交換器５に必要に応じ
てそれぞれ骨組み部材１０を用意し、組み立て時には、
それらを単位用のプレート７ａとネジ１１を用いて固定
して熱交換器を構成する。

【００２７】この方式により、プレート７ａや部材１０
などを、それぞれ同一形状のものを使用できるので、一
つの熱交換器を、単位要素の組み合わせで作ることがで
き、コストを低減することができる。なお、剛性を高め
るため、骨組み部材１０は、図２と平行な面方向にも応
力を受ける柱、もしくは壁状構造体を有することが望ま
しいことは言うまでもない。

【００２８】次に、図３を用いて、本発明になる単位熱
交換器５と配管８との接続方法の一例を説明する。図１
に示した実施形態では、単位熱交換器５と配管８とを接
続する配管継ぎ手はカプラー９とし、カプラー取り外し
時には、管内冷媒が漏れないように、配管の末端構造を
加工することを想定していたが、実際の継ぎ手として
は、通常の配管継ぎ手以外は使用できないような場合も
存在する。

【００２９】その場合、図３に示すように、配管８と継
ぎ手１２の間、もしくは継ぎ手１２と単位熱交換器５の
間の少なくとも一方に、締め切り弁１３を設置し、メン
テナンス時など、単位熱交換器５を外部に取り外す際に
は、この締め切り弁１３を閉じ、エンジン冷却時には開
くことで、液漏れを殆ど起こすことなく単位熱交換器を
取り外すことができる。

【００３０】また、単位熱交換器５側に管内冷媒の取り
出し口１４を設けておくことにより、取り外し時の単位
熱交換器５の重量は軽量化し、一方、冷却系全体の冷媒
は締め切り弁１３を閉じることで、外部に漏れることな
く単位熱交換器５またはそれを実装した熱交換器の全体
構成を外部に取り外すことができる。

【００３１】なお、図４に示すように、配管８の管内冷
媒出入り口付近に締め切り弁１３を設置し、配管８の最
下部に、管内冷媒取り出し口１４を設置することによっ
ても、ほぼ同様の効果を得ることができる。

【００３２】次に、図５を用いて、メンテナンス時など
に、熱交換器１５を機体１６の外部への取り出す方法の
一例を説明する。なお、実際の取り出し方法は、必ずし
も図５に示す方法のみに限定されるべきではないことは
言うまでもない。

【００３３】図５に示すように、管外冷媒の主流方向と
ほぼ直交する平面内で移動可能な移動手段として、例え
ば、台車１７上に熱交換器１５を乗せて、それをガイド
レール１８上に実装する。図の方向からは見えないが、
ガイドレール１８はその一部を機体１６の開閉部を通じ
て外部に延長できるような構造とする。

【００３４】メンテナンス時には、配管８の締め切り弁
１３を閉じ、配管継ぎ手１２から台車１７上の熱交換器
１５側の部分を切り離し、台車１７をガイドレール１８
に沿って、機械・装置等の機体１６の外部に取り出すこ
とにより、メンテナンスや清掃を簡単に実施できる。な
お、延長したガイドレール１８の一部からさらに支柱も
しくはフックを取り出し、機体１６に取り付けて熱交換
器１５の重量を支えることができる。

【００３５】図６に、本発明における他の一実施形態を
示す。図１に示した実施形態においては、管内冷媒が一
種類であるかのように説明したが、熱交換器１５を複数
の単位熱交換器５で共有するときに、一つの熱交換器１
５を共有する単位熱交換器５に複数種類の管内冷媒を流
すことができる。

【００３６】図６は、上記のような構成を示したもので
ある。なお、図６では熱交換器１５を共有する管内冷媒
の種類が２種類で、それぞれの管内冷媒に対応する単位
熱交換器５の数が２単位ずつである場合を示している。

【００３７】なお、管内冷媒の種類、および単位熱交換
器５の数は、機械・装置の機体１６の寸法と、熱交換器
１５および単位熱交換器５の寸法、さらに個々の熱交換
条件により決まるものであるから、その数は、図６に示
した数に限る必要は全くない。

【００３８】また、単位熱交換器５のチューブ１の断面
積やフィン２の面積、それぞれのピッチなどの寸法は、
単位熱交換器５として組み立てたときの寸法が揃ってい
れば、管内冷媒の種類に応じて変更することができる。

【００３９】図７は、本発明の冷却システムの適用例を
示し、建設機械のエンジンルームにおける管外冷媒主流
方向の熱交換器の実装位置の一例を示す図である。な
お、エンジンルーム内のファンより下流側の部分は省略
する。

【００４０】図７に示すように、本発明においては、単
位熱交換器５の組み合わせにより、管内冷媒の種類と熱
交換器の種類を必ずしも一対一に対応させなくても冷却
システムを構築することができる。

【００４１】すなわち、インタークーラ１９、エアコン
用コンデンサ２０、オイルクーラ２１、ラジエータ２２
等とともに、本発明になる単位熱交換器５を組み合わせ
た熱交換器１５が、必要に応じて適宜配置されている。

【００４２】この結果、例えば、一つの管内冷媒に対応
した熱交換器の任意の位置に、選択的に隙間を設けて冷
たい冷却風２３を下流側の熱交換器に供給することも可
能となり、冷却システム全体の放熱性能を自由に設計す
ることができる。なお、図７に示した種々の熱交換器の
種別配置はあくまでも一例である。

【００４３】ここで、図８に、上記実装例（図７）の参
考として、建設機械エンジンルームにおける実装位置の
一参考例を示す。建設機械のエンジンルームにおいて
は、個々の管内冷媒の種類に応じて独立して製造した熱
交換器、すなわち、インタークーラ１９、エアコン用コ
ンデンサ２０、オイルクーラ２１、ラジエータ２２等
が、管外冷媒である冷却風２３の流れに対し並列または
直列に実装されている。

【００４４】この参考例では、個々の熱交換器の寸法も
まちまちであるため、個々の熱交換器間や、熱交換器と
機体１６との間に隙間ができ、下流側の熱交換器へ入る
冷却風２３の配分の設計に苦労したり、あるいは本来低
温の冷却風２３が入るべき位置に、上流側の熱交換器と
熱交換して昇温した冷却風２３が流れ込み、熱交換器の
性能が単体性能測定時と比べて著しく低下する恐れがあ
った。

【００４５】また、図９に、熱交換器の参考例として、
建設機械のエンジンルームに据え付ける熱交換器の一例
を示す。図に示すように、チューブ１とフィン２を、放
熱量を満たすに必要なだけ重ね合わせ、機種毎に設計さ
れたヘッダ３と組み合わせて熱交換器を構成し、管内冷
媒入出口４を介して冷媒を供給・排出する。

【００４６】建設機械や、農業機械、あるいは発電装置
などは、種々の機能に対応して機種が多く、しかも、１
機種毎の需要台数が少ない。図９に示した参考例では、
多品種少量生産の機種ごとに、設計・製作、あるいは開
発を行う煩雑さがあり、品質もそのつどバラツキが生じ
る。

【００４７】以上のように、本発明の実施形態によれ
ば、熱交換条件の異なる機種に対して、個別に熱交換器
を設計製作する必要がない。このため、特に多品種少量
生産される建設機械や発電装置等において、熱交換条件
が異なる場合や、また、異なる熱交換器を集積して複合
熱交換器とする場合など、精度の維持された熱交換器を
容易に製作できる。また、納期が短縮でき、新たな設計
・開発も不要となる。

【発明の効果】上述のとおり本発明によれば、ユニット
化した単位熱交換器を工夫することにより、熱交換条件
の異なる種々の機種に対応した熱交換器を簡単に製作で
きる。また、品質も高精度に維持でき、製品納期が短縮
され、設計自由度を高め、コストも低減できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の熱交換器の基本的な一実施形態を示す
正面構成図である。

【図２】本発明の熱交換器の別の実施形態を示す側断面
図である。

【図３】本発明における配管の接続方法の一例を示す正
面構成図である。

【図４】本発明における配管の接続方法の他の例を示す
正面構成図である。

【図５】本発明の熱交換器の機体への実装方法の一例を
示す正面構成図である。

【図６】本発明における一つの熱交換器に複数種類の冷
媒系統が設けられた例を示す構成図である。

【図７】本発明の冷却システムにおいて建設機械のエン
ジンルーム内の熱交換器配置の一例を示す図である。

【図８】建設機械エンジンルーム内の熱交換器配置の参
考例を示す図である。

【図９】熱交換器の一参考例の構成図である。

【符号の説明】

１ チューブ ２ フィン ３ ヘッダ ４ 冷媒入出口 ５ 単位熱交換器 ６ 取付部 ７ サイドプレート ７ａ プレート ８ 配管 ９ カプラー １０ 骨組み部材 １１ ネジ １２ 配管継ぎ手 １３ 締め切り弁 １４ 管内冷媒取り出し口 １５ 熱交換器 １６ 機体 １７ 熱交換器移動手段 １８ ガイドレール １９ インタークーラ ２０ エアコン用コンデンサ ２１ オイルクーラ ２２ ラジエータ ２３ 冷却風 ２４ 隙間 ２５ ファン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中村 和則 茨城県土浦市神立町650番地 日立建機株 式会社土浦工場内 (72)発明者 竹下 清一郎 茨城県土浦市神立町650番地 日立建機株 式会社土浦工場内 (72)発明者 船橋 茂久 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 関口 治 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 Ｆターム(参考） 3L065 FA19

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数本の伝熱管の両端にヘッダを備え、
   前記ヘッダに冷媒配管との接続部を有する複数個の単位
   熱交換器が、連結部材を介して並設されている熱交換
   器。
2. 【請求項２】 前記連結部材は、複数個の単位熱交換器
   を一括して連結するものである請求項１に記載の熱交換
   器。
3. 【請求項３】 前記連結部材は、隣接する単位熱交換器
   同士のみを連結するものである請求項１に記載の熱交換
   器。
4. 【請求項４】 前記連結部材は、前記冷媒配管を具備し
   ている請求項１に記載の熱交換器。
5. 【請求項５】 前記連結部材は、単位熱交換器別の異な
   る種類の冷媒配管を具備している請求項１に記載の熱交
   換器。
6. 【請求項６】 前記ヘッダと前記冷媒配管との接続部に
   は、脱着可能なカプラーを備えている請求項１ないし５
   のうちいずれかに記載の熱交換器。
7. 【請求項７】 前記ヘッダと前記冷媒配管との接続部に
   は、脱着時に管内冷媒の漏出が防止される漏出防止手段
   を備えている請求項１ないし６のうちいずれかに記載の
   熱交換器。
8. 【請求項８】 複数本の伝熱管の両端にヘッダを有し、
   ユニット化された単位熱交換器を、連結部材を介して並
   設することにより熱交換器を構成し、前記熱交換器が、
   エンジンルームの管外冷媒の主流方向とほぼ直交する面
   に配置されてなる冷却システム。
9. 【請求項９】 前記熱交換器は、請求項１ないし７のう
   ちいずれかに記載の熱交換器により構成される請求項８
   に記載の冷却システム。
10. 【請求項１０】 前記熱交換器が、建設機械、農業機
    械、発電装置のうちいずれかのエンジンルームに配置さ
    れる請求項８または９に記載の冷却システム。