JPH0726531B2 - エンジン用部分沸騰冷却装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 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一つ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
用冷却装置11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を冷却するラジエータ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19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とを通じてラジエータ15と連通するように接続
されており、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11では、ラジエータ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を通じてラジエータ15内
へと排出され、再びラジエータ15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24a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19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16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、ラジエータ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17を通じ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13の上部やバルブ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
ジエータ15内へと排出されて、再びラジエータ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24b
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22の近傍に
上昇して強制対流部24a側の冷却水19により冷却されて
下降して、再びシリンダライナ13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、該シリンダライナの設定上限温度よりも低い温度の
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、該自然対流部内の上端
部空間を残して充填され、該上端部空間内に、該強制対
流部内の冷却水の一部が進入して該冷媒と接触している
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
エ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、再び該ラジエ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加熱して該シリンダライナの
温度が設定上限温度に近づくと、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上昇してい
く。冷媒は、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ているので、該自然対流部内の上
端部で、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］ 以下、図面により本発明の一実施例としてのエンジン用
部分沸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、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
却するラジエータ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２図中の矢印参照）冷
却水19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24は冷却水供給管17と冷
却水排出管18とを通じてラジエータ15と連通するように
接続されている。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、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24b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の設定上限温度よりも低
い温度の沸点を有し、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の設定上限温度とは、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
の上限値であって、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、即ち、設定上限温度とし
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1300〜1400mmHg程度）で、シリンダライナ13
を冷却すべき温度帯の上限、即ち、設定上限温度（110
℃）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
も水よりも大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。

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24b内で連
通孔22よりも一定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32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、
液相レベルは自然対流部24bの上端部よりも余裕をもっ
た位置になっている。すなわち、冷媒32は、自然対流部
24b内の上端部空間24cを残して充填され、この上端部空
間24c内には、強制対流部24a内の冷却水19の一部が進入
して冷媒32と接触するようになっている。

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（ほぼ100℃）よりも低い温度（例えば90℃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、ラジエータ15
内で冷却された冷却水19は、ウォータポンプ16に駆動さ
れてウォータジャケット24の強制対流部24a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
該ラジエータ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19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、ほぼ100℃程度の沸点を有する冷媒32は
シリンダライナ13足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からの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3
2b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3
2の沸点（ほぼ100℃）以下の温度（ほぼ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24b
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24b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℃
以下で100℃程度（冷媒の沸点）までの範囲］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の温度を一定レベル
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］ 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い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、該シリンダライナの設定上限温
度よりも低い温度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、該
自然対流部内の上端部空間を残して充填され、該上端部
空間内に、該強制対流部内の冷却水の一部が進入して該
冷媒と接触してい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ピストンスラップ音の増
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……エンジン、２……シリンダブロック、2a……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……ラジエータ、16……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……連通孔、24……ウォータジャケ
ット、24a……強制対流部、24b……自然対流部、24c…
…自然対流部24b内の上端部空間、31……エンジン用部
分沸騰冷却装置、32……冷媒。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 二之湯 正俊 東京都港区芝５丁目33番８号 三菱自動車 工業株式会社内 (72)発明者 牧川 安之 兵庫県尼崎市塚口本町８丁目１番１号 三 菱電機株式会社応用機器研究所内 (72)発明者 山中 晤郎 兵庫県尼崎市塚口本町８丁目１番１号 三 菱電機株式会社中央研究所内 (72)発明者 藤井 雅雄 兵庫県尼崎市塚口本町８丁目１番１号 三 菱電機株式会社中央研究所内 (56)参考文献 実開 昭61−84123（ＪＰ，Ｕ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項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、該シリンダライナの設定上限温度よ
   りも低い温度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、該自然
   対流部内の上端部空間を残して充填され、 該上端部空間内に、該強制対流部内の冷却水の一部が進
   入して該冷媒と接触していることを特徴とする、エンジ
   ン用部分沸騰冷却装置。