JPH02181016A - エンジン用部分沸騰冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、エンジンを冷却する冷却装置に関し、特に、
冷却水とは異なるもう−っの冷媒による沸騰冷却作用を
冷却の一部に利用したエンジン用部分沸騰冷却装置に関
する。

［従来の技術］ 一般に、エンジンの冷却装置では、水冷式のものが主流
となっており、この水冷式のエンジン用冷却装置として
は、例えば、第４図（エンジンの縦断面図）及び第５図
（エンジンの側面図）に示すようなものがある。

第４，５図において、符号１はエンジン、２はエンジン
１の本体を構成するシリンダブロック、３はエンジン１
の本体を構成するシリンダヘッド、４はシリンダブロッ
ク２の下方のメカ−１一部２ａの下端に設けられたオイ
ルパンであり、シリンダブロック２の内部には、ピスト
ン１２を摺動自在に内挿されるシリンダライナ１３が形
成されており、シリンダヘッド３は、ガスケラ１−２０
を介してこのシリンダライナ１３の上端を覆うように装
備されている。また、符号５はシリンダヘッド３に接続
された吸気管、６はシリンダヘッド３に接続された排気
管であり、７はシリンダヘッド３及び吸気管５の内部に
設けられた吸気通路、８はシリンダヘッド３及び排気管
６の内部に設けられた排気通路、９は吸気通路７に設け
られた吸気バルブ、１０は排気通路８に設けられた排気
バルブである。

そして、このようなエンジン１には、水冷式のエンジン
用冷却装［１１１が装備されている。この冷却装置１１
は、シリンダブロック２及びシリンダヘッド３に内部の
シリンダライナ１３やバルブ９．１０の周りを覆うよう
に設けられたウォータジャケット１４と、ウォータジャ
ケット１４内に蓄えられた冷却水１９を冷却するラジェ
ータ１５と、冷却水１９がウォータジャケット１４内で
強制対流しうるように（第５図中の矢印参照）冷却水１
９を駆動するウォータポンプ１６とから構成されている
。

なお、ウォータジャケット１４は冷却水供給管１７と冷
却水排出管１８とを通じてラジェータ１５と連通ずるよ
うに接続さており、また、ウォータポンプ１６は、冷却
水供給管１７とウォータジャケット１４との間に設けら
れている。

このように構成された冷却装置１］では、ラジェータ１
５で冷却処理された冷却水］９は、ウォータポンプ１６
に駆動されて、冷却水供給管１７を通じてウォータジャ
ケット１４内に流れ込み、第５図中に矢印で示すように
対流しながら、シリンダライナ１３やバルブ９，１０の
周囲の発熱部分を冷却していき、冷却水排出管１８を通
じてラジェータ１５内へと排出され、再びラジェータ１
５で冷却処理される。このように循環する冷却水１９に
よって、エンジンの冷却が行なわれる。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上述の従来のエンジン用冷却装置におけ
るウォータジャケット１４内の冷却水１９の温度分布を
みると、上部のシリンダヘッド３の近傍では高温であり
、下方のシリンダブロック＝３ ２のスカート部２ａに近づくに従って低温となっている
。つまり、シリンダライナ１３の温度分布は冷却水１９
の温度分布に応じて不均一になっており、このようなシ
リンダライナ１３の不均一な温度分布は、シリンダライ
ナ１３の不均一な変形を招き、潤滑油消費の増大やピス
トンの片当たりやピストンスラップ音の増大の原因とな
るので、好ましくない。

また、シリンダライナ１３のスカート部２ａに近い側が
過度に冷却されるのは、ウォータポンプ１６を不必要に
働かせることになり、冷却装置としての効率の悪化を招
く。

そこで、シリンダライナ部分の温度分布を均一にすると
共に、より効率的な冷却を行なえるようにすべく、第６
，７図に示すように構成されたエンジン用冷却装置２１
が提案された。

なお、第６，７図はそれぞれ第４，５図に対応しており
、第６，７図中、第４，５図と同符号のものは同様な部
分を示している。このため、これらの部分については説
明を省略する。

このエンジン用冷却装置２１では、ウォータジャケット
２４が、内部の冷却水１９をウォータポンプ１６で駆動
される強制対流部２４．　ａと、内部の冷却水１９をウ
ォータポンプ１６で駆動されない自然対流部２４ｂとに
分割されている。

つまり、ウォータジャケット２４は、第６図に示すよう
に、そのシリンダライナ１３の外側周囲の上部に設けら
れた連通孔２２を介して、この連通孔２２よりも上方に
位置する部分（強制対流部）２４ａと、連通孔２２より
も下方に位置する部分（自然対流部）２４ｂとに分割さ
れている。このうち、強制対流部２４ａの内部の冷却水
］９は。

第７図に示すように、ウォータポンプ１６に駆動されて
強制対流するが、自然対流部２４ｂはウォータポンプ１
６との間を仕切られており、この自然対流部２４ｂの内
部の冷却水１９は、ウォータポンプ１６に駆動されない
で自然対流するようになっている。

このような構成により、ラジェータ１５で冷却処理され
た冷却水１９は、ウォータポンプ１６に駆動されて、冷
却水供給管コアを通してウォータジャケット２４の強制
対流部２４ａの内部に流れ込んで、第７図中に矢印で示
すように対流しながら、シリンダライナ］３の−に部や
バルブ９，１０の周囲の発熱部分を冷却していき、冷却
水排出管１８を通じてラジェータ内５内へと排出されて
、再びラジェータ１５で冷却処理される。

これに対して、ウォータジャケット２４の自然対流部２
４ｂでは、シリンダライナ１３からの熱を吸収して高温
になった冷却水１９は、自然対流により上方の連通孔２
２の近傍に上昇して強制対流部２４ａ側の冷却水】９し
こより冷却されて下降して、再びシリンダライナ１−３
の冷却を行なう。

この結果、冷却水１９の駆動は、ウォータジャケット２
４の一部（つまり、強制対流部２４ａ）について行なえ
ばよく、冷却水１９の循環水路のトータル断面席が減少
することになり、同一出力のウォータポンプ１６を用い
ても冷却水１９の循環速度が高まり、循環系の強制対流
熱伝達率が向上し、強制対流部２４ａでの冷却能力を高
めることができる。

一方、自然対流部２４ｂは、強制対流部２４ａよりも熱
伝達率が低く、その内部の冷却水１９も高温になり易い
特徴がある。

従って、ウォータジャケット２４内の冷却水１９の温度
は、上部のシリンダヘッド３の近傍では従来に比べ低下
し、下方のシリンダブロック２のスカート部２ａに近い
部分では上昇するようになり、冷却水１９の温度分布が
均一に近くなる。つまり、シリンダライナ１３の温度分
布も均一になり、シリンダライナ１３の変形も均一とな
って、潤滑油消費の増大やピストンの片当たりやピスト
ンスラップ音の増大等の防止を期待できる。

ところが、上述のように単にウォータジャケット２４を
強制対流部２４ａと自然対流部２４ｂとに分割しただけ
では、自然対流部２４ｂにおける熱伝達率の低下が大き
く、却って、シリンダライナ部１３を所望の温度まで冷
却できないおそれがある。

本発明は、このような課題に鑑みて案出されたもので、
シリンダライナ部を所望の温度まで効率良くしかも均一
な温度分布になるよう冷却できるようにした、エンジン
用部分沸騰冷却装置を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ このため、本発明のエンジン用部分沸騰冷却装置は、エ
ンジンのシリンダライナの外側周囲に設けられたウォー
タジャケットと、該ウォータジャケット内の冷却水を強
制対流させうるウォータポンプと、該冷却水を冷却する
ラジェータとをそなえたエンジン用冷却装置において、
該ウォータジャケットが、該シリンダライナ外側周囲の
上部に設けられた連通孔を介して、該連通孔よりも上方
に位置して該ウォータポンプで内部の冷却水を駆動され
て強制対流する強制対流部と、該連通孔よりも下方に位
置して内部の冷却水を該ウォータポンプで駆動されずに
自然対流する自然対流部とに分割され、該自然対流部内
に、該シリンダライナを冷却すべき温度帯域近傍の沸点
を有し該冷却水よりも比重が大きく且つ該冷却水と相分
離する性質をもった冷媒が充填されていることを特徴と
している。

［作　用］ 上述の本発明のエンジン用部分沸騰冷却装置では、ラジ
ェータ内で冷却された冷却水は、ウォータポンプに駆動
されてウォータジャケットの強制対流部内に進入して該
ウォータポンプに駆動されて該強制対流部内で強制対流
しながら、シリンダライナの外側周囲の上方の所要部分
を冷却した後、再び該ラジェータ内に戻るという循環を
繰り返す。

この時、該ウォータジャケットの自然対流部では、該シ
リンダライナが冷却すべき温度帯域まで加熱すると、該
自然対流部の内部に充填された冷媒が、自ら沸騰するこ
とで該シリンダライナの熱を大幅に吸収して、該シリン
ダライナの温度を冷却すべき温度帯域に保持する。そし
て、この沸騰した冷媒は、その浮力によって該自然対流
部内を」二昇していき、連通孔を通じて進入した該冷却
水に接することで、該冷却水に混ざることなく該冷却水
により冷却されて再び液化して、今度は自重により該自
然対流部内を下降する。該自然対流部内の冷媒は、この
ような循環を繰り返して、該自然対流部内から外部へ流
出することなく沸騰冷却作用による効率の高効率の冷却
で、該シリンダライナを冷却する。

［実施例コ 以下、図面により本発明の一実施例としてのエンジン用
部分洟騰冷却装置について説明すると、第１図はこの装
置を装備したエンジンの縦断面図。

第２図はそのエンジンの側面図、第３図はこの装置の作
用を説明するための要部拡大断面図である。

なお、第１，２図において、第４，５図及び第６゜７図
と同符号はほぼ同様なものを示している。

つまり、第１．２図において、符号１はエンジン（ここ
では４気筒エンジン）、２はエンジン１の本体を構成す
るシリンダブロック、３はエンジン１の本体を構成する
シリンダヘッド、４はシリンダブロック２の下方のスカ
ート部２ａの下端に設けられたオイルパンであり、シリ
ンダブロック２の内部には、ピストン１２を摺動自在に
内挿されるシリンダライナ１３が形成されており、シリ
ンダヘッド３は、ガスケット２ｏを介してこのシリンダ
ライナ１３の上端を覆うように装備されている。また、
符号５はシリンダヘッド３に接続された吸気管、６はシ
リンダヘッド３に接続された排気管であり、７はシリン
ダヘッド３及び吸気管５の内部に設けられた吸気通路、
８はシリンダヘッド３及び排気管６の内部に設けられた
排気通路、９は吸気通路７に設けられた吸気バルブ、１
ｏは排気通路８に設けられた排気バルブである。

そして、このようなエンジン１に、エンジン用部分沸騰
冷却装置３１が装備されている。この部分沸騰冷却装置
３１は、第１，２図に示すように、シリンダブロック２
及びシリンダヘッド３に内部のシリンダライナ１３やバ
ルブ９，１０の周りを覆うように設けられたウォータジ
ャケット２４と、ウォータジャケット２４内に蓄えられ
た冷却水１９を冷却するラジェータ１５と、冷却水１９
がウォータジャケラ１−１４内で強制対流しうるように
（第２図中の矢印参照）冷却水１９を駆動するつォータ
ボンプ１６とから構成されている。なお、ウォータジャ
ケット２４は冷却水供給管１７と冷却水排出管１８とを
通じてラジェータ１５と連通ずるように接続さている。

また、ウォータポンプ１６は、冷却水供給管１７とウォ
ータジャケット２４との間に設けられている。

そして、この冷却装置３１のウォータジャケット２４は
、第１図に示すように、シリンダライナ１３の外側周囲
の上部に設けられた連通孔２２を介して、この連通孔２
２よりも上方に位置する部分（強制対流部）２４ａと、
連通孔２２よりも下方に位置する部分（自然対流部）２
４ｂとに分割されている。このうち、上方に位置する強
制対流部２４ａの内部の冷却水１９は、第２図に示すよ
うに、ウォータポンプ１６に駆動されて強制対流するよ
うに接続されているが、下方に位置する自然対流部２４
ｂはウォータポンプ１６との間を仕切られていて、自然
対流部２４ｂの内部の冷却水１９はウォータポンプ１６
に駆動されないで自然対流するようになっている。

このうち、自然対流部２４ｂ内には、冷却水１９とは異
なる物質の冷媒３２が所定のレベルまで充填されている
。この冷媒３２は、■シリンダライナ１３を冷却すべき
温度帯域近傍の沸点を有し、■冷却水１９よりも比重が
大きく、且つ、■冷却水１９と相分離するという各性質
をもち合わせた液体である。

ここで、シリンダライナ１３を冷却すべき温度帯域とは
、エンジン１の作動時に保持したいシリンダライナ１３
の温度範囲であって、ここではシリンダライナ１３の温
度が、例えば１１０℃程度を上限としこれ以下に保持さ
れるように設定している。そして、冷媒３２としては、
通常運転時のウォータジャケット２４の内圧（例えば１
３００−１４００　ｍｍ　Ｈｇ程度）で、シリンダライ
ナ１３を冷却すべき温度帯の上限（１１０’Ｃ）よりも
やや低い沸点（例えば１００℃程度の沸点）を有するも
のを用いる。

このような沸点を有し、冷却水１９よりも比重が大きく
且つ冷却水１９と相分離する性質をもち合わせた液体と
しては、例えばフロンがある。

このフロンには、種々のものがあり、一般に水に溶解し
ないで、水と相分離する性質があり、その比重について
も水よりも太きいものが各種ある。

これらの性質をもったフロンの中に、通常運転時のウォ
ータジャケット２４の内圧でほぼ１００℃の沸点を有す
るものが存在し、このようなフロンを冷媒３２として採
用すればよい７ なお、この冷媒（フロン）３２の充填量は、冷却水１９
との液相面がウォータジャケット２４の自然対流部２４
ｂ内で連通孔２２よりも一部レベル下方に位置するよう
に調整する。このような液相面レベルの設定は、冷媒３
２が常に自然対流部２４ｂ内に保持されるようにするた
めのもので、自然対流部２４ｂの上端部よりも余裕をも
った位置になっている。

そして、ウォータジャケット２４の強制対流部２４ａの
冷却能力は、自然対流部２４ｂ内の上部の冷却水１９が
冷媒３２の沸点（はぼ１００℃）よりも低い温度（例え
ば９０°Ｃ程度）を保持しうるように設定されている。

本発明の一実施例として゛のエンジン用部分沸騰冷却装
置３１は、上述のごとく構成されているので、ラジェー
タ１５内で冷却された冷却水１９は、ウォータポンプ１
６に駆動されてウォータジャケット２４の強制対流部２
４ａ内に進入しウォータポンプ１６の駆動力で、第２図
中に矢印で示すように強制対流しながら、シリンダライ
ナ１３の外側周囲の上部及びその上方のバルブ９，１０
の周囲の発熱部分等の所要部分を冷却する。そして、冷
却水１９は、この後、再び該ラジェータ１５内に戻り冷
却される。このような循環を繰り返しながら、冷却水１
９によるエンジンの冷却が行なわれる一方で、シリンダ
ライナ１３の上部を除いた主要な部分は、以下のように
冷却される。

つまり、第３図に示すように、ウォータジャケット２４
の自然対流部２４ｂの内部に充填された冷媒３２は、シ
リンダライナ１３の熱を大きく吸収して、シリンダライ
ナ１３の冷却設定温度帯域で沸騰する。ここでは、シリ
ンダライナ１３の温度が１１０℃よりもやや低い温度ま
で加熱すると自然対流部２４ｂのシリンダライナ１３側
の内壁面が例えば１０５℃程度になり、はぼ１００℃程
度の沸点を有する冷媒３２はシリンダライナ１３側の内
壁面に接すると自ら沸騰しながら、シリンダライナ１３
から大量の熱を吸収する。

この沸騰したガス状の冷媒３２ａは、その浮力により自
然対流部２４ｂ内を上昇していくが、連通孔２２を通じ
て自然対流部２４ｂ内に進入している冷却水１９に接す
ると（符号３２ｂ参照）、冷媒３２は、この冷却水１９
に混ざることなく、冷却水１９に吸熱されて冷却され再
び液化する。

これは、自然対流部２４ｂ内に進入している冷却水１９
の温度が冷媒３２の沸点（はぼ１００℃）以下の温度（
はぼ９０℃）を保持されているためである。

そして、液化した冷媒３２は、自重により自然対流部２
４ｂ内を下降して、再びシリンダライナ１３の冷却に供
される。

自然対流部２４　ｂ内の冷媒３２は、このような循環を
繰り返して、自然対流部２４ｂ内から外部へ流出するこ
となく、自ら沸騰しながらこれに接触するシリンダライ
ナ１３を冷却するといういわゆる沸騰冷却作用によって
、高い効率で、シリンダライナ１３を、常に設定した温
度帯［１１０°Ｃ以下で１００℃程度（冷媒の沸点）ま
での範囲コに冷却する。

この沸騰冷却作用による熱伝達率は、通常の自然対流の
場合に比べおよそ１００倍程度も高いので、冷却能力の
大幅な向上が期待でき、シリンダライナ１３を確実に所
望の温度まで冷却することができる。

この結果、冷却水の駆動は、ウォータジャケット２４の
一部（つまり、強制対流部）２４ａについて行なえばよ
く冷却水の循環水路のトータル断面席が減少することに
なり、同一出力のウォータポンプ１６を用いても冷却水
の循環速度が高まり、循環系の強制対流熱伝達率が向上
し、強制対流部２４ａの冷却能力が高まるので、強制対
流部２４ａ内の冷却水１９の温度を、その沸点以下の適
当な温度（例えば９０℃程度）に、確実に保持できるよ
うになる。

さらに、強制対流すべき冷却水量が少なくなるため、エ
ンジン始動時の暖気を促進できるようになる効果も得ら
れる。

そして、ウォータジャケット２４内の冷却水１９の温度
分布については、上部のシリンダヘッド３の近傍では従
来に比べ低下し、下方のシリンダブロック２のスカート
部２ａに近い部分では冷却水１９及び冷媒３２の温度を
一部レベル以下で過度な冷却とならないような範囲に調
整できるようになり、冷却水１９及び冷媒３２の温度分
布を均一にすることができる。これにより、シリンダラ
イナ１３の温度分布を均一にでき、シリンダライナ１３
の変形も均一となって、潤滑油消費の増大やピストンの
片当たりやピストンスラップ音の増大等を防止できるよ
うになる。

なお、シリンダライナ１３を冷却すべき温度帯や自然対
流部２４ｂ内の上部の冷却水１９の設定温度は、この実
施例の値に限るものではなく、適宜設定しうるものであ
り、この場合には、冷媒３２の沸点もこれに応じたもの
を採用すれば良い。

また、冷却装置３１を装備するエンジンについても、こ
こで上げたエンジン１に限定されるものではない。

［発明の効果コ 以上詳述したように、本発明のエンジン用部分沸騰冷却
装置によれば、エンジンのシリンダライナの外側周囲に
設けられたウォータジャケットと、該ウォータジャケッ
ト内の冷却水を強制対流させうるウォータポンプと、該
冷却水を冷却するラジェータとをそなえたエンジン用冷
却装置において、該ウォータジャケラ１〜が、該シリン
ダライナ外側周囲の上部に設けられた連通孔を介して、
該連通孔よりも上方に位置して該ウォータポンプで内部
の冷却水を駆動されて強制対流する強制対流部と、該連
通孔よりも下方に位置して内部の冷却水を該ウォータポ
ンプで駆動されずに自然対流する自然対流部とに分割さ
れ、該自然対流部内に、該シリンダライナを冷却すべき
温度帯域近傍の沸点を有し該冷却水よりも比重が大きく
且つ該冷却水と相分離する性質をもった冷媒が充填され
るという構成により、エンジン冷却効率・冷却能力を大
幅に向上できるようになると共に、始動時の暖気促進効
果も得られる。そして、シリンダライナ部を均一に冷却
できるようなるため、エンジン作動時の該シリンダライ
ナの変形も均一となって、潤滑油消費の増大やピストン
の片当たりやビス１〜ンスラツプ音の増大等を防止でき
る利点もある。

【図面の簡単な説明】

第１〜３図は本発明の一実施例としてのエンジン用部分
沸騰冷却装置を示すもので、第１図はこの装置を装備し
たエンジンの縦断面図、第２図はそのエンジンの側面図
、第３図はこの装置の作用を説明するための要部拡大断
面図であり、第４゜５図は従来のエンジン用冷却装置を
示すもので、第４図はこの装置を装備したエンジンの縦
断面図、第５図はそのエンジンの側面図であり、第６，
７図は本発明の案出過程で提案されたエンジン用冷却装
置を示すもので、第６図はこの装置を装備したエンジン
の縦断面図、第７図はそのエンジンの側面図である。 １−一・・エンジン、２−シリンダブロック、２　ａ　
−シリンダブロック２のスカート部、３・・−シリンダ
ヘッド、４−・・オイルパン、５−・−・吸気管、６−
排気管、７・・・吸気通路、８・−・排気通路、９・・
−吸気バルブ、１０・・・・排気バルブ、１２・・・ピ
ストン、１３−・・シリンダライナ、１５・・・ラジェ
ータ、］６−ウォータポンプ、１７・−冷却水供給管、
１８−・冷却水排出管、１９・・・冷却水、２０・・・
ガスケット、２２−・・・連通管、２４・−・ウォータ
ジャケット、２４　ａ　−強制対流部、２４ｂ−・・自
然対流部、３１・・−エンジン用部分沸騰冷却装置、３
２・・・冷媒。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. エンジンのシリンダライナの外側周囲に設けられたウォ
   ータジャケットと、該ウォータジャケット内の冷却水を
   強制対流させうるウォータポンプと、該冷却水を冷却す
   るラジエータとをそなえたエンジン用冷却装置において
   、該ウォータジャケットが、該シリンダライナ外側周囲
   の上部に設けられた連通孔を介して、該連通孔よりも上
   方に位置して該ウォータポンプで内部の冷却水を駆動さ
   れて強制対流する強制対流部と、該連通孔よりも下方に
   位置して内部の冷却水を該ウォータポンプで駆動されず
   に自然対流する自然対流部とに分割され、該自然対流部
   内に、該シリンダライナを冷却すべき温度帯域近傍の沸
   点を有し該冷却水よりも比重が大きく且つ該冷却水と相
   分離する性質をもった冷媒が充填されていることを特徴
   とする、エンジン用部分沸騰冷却装置。