JPH0765505B2 - 水冷式内燃機関の冷却装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は水冷式内燃機関の冷却装置に関する。

（従来技術） 一般に水冷式内燃機関の冷却装置にはコンデンサー形式
あるいはラジエータ形式等がある。コンデンサー形式の
冷却装置は冷却水の沸騰を利用しているので冷却効率は
良いが、従来より加熱による圧力増加を抜くためにコン
デンサーの上端部が大気に開放している。そのため標準
大気圧下で飽和温度が100℃と低く、気水温度差が取れ
なく、コンデンサー放熱部の必要容量が大きくなる。し
かも冷却水の一部が蒸気となって大気に放出されるた
め、冷却水の減少が早い。即ち冷却水保持時間が短く、
冷却水の補充頻度が多くなり、メンテナンスに手間がか
かる。

一方ラジエータ形式の場合は冷却水保持時間は長くなる
が、放熱器の上下で温度差があることと、沸騰させない
ようにするために上部の温度を飽和温度以下にする必要
性があることから、圧力弁を設けても平均気水差が取れ
ず、同じ気水差のコンデンサー形式のものに比べて熱交
換効率が低い。

（発明の目的） 本発明の目的は、冷却水の受熱部（機関発熱部）におけ
る加圧沸騰を利用して高い熱交換効率を得ることと、蒸
気を逃がさないようにして冷却水保持時間を長くするこ
との両方を同時に達成できる冷却装置を提供することで
ある。

（目的を達成するための技術的手段） 上記目的を達成するために本発明は、機関の発熱部の周
囲に形成された冷却水室と、冷却水室の上方に配置され
た放熱器と、略大気圧状態のサブタンクとを備え、冷却
水室の上端部を、気泡滞留部ができないように放熱器下
端部に直接連通し、冷却水室の下端部とサブタンクの下
端部とを、冷却水室が設定圧力以上の時にその圧力によ
り開いて冷却水を冷却水室下端部からサブタンク下端部
へと導く圧力弁を介して接続し、さらに冷却水室とサブ
タンク下端部とを、冷却水室が大気圧以上の時には閉じ
ており冷却水室内が大気圧より低い設定圧値以下となっ
た時にその負圧により開いてサブタンクから冷却水室に
水を導く負圧弁を介して接続している。

（第１実施例） 第１図は水平軸を備えた横形内燃機関に本発明を適用し
た例であり、この第１図において、１はシリンダーブロ
ック、２はシリンダーヘッド、３はシリンダーライナー
であり、シリンダーヘッド２の燃料室頭壁部2a及びシリ
ンダーライナー３が発熱部（冷却水の受熱部）となって
いる。該発熱部2a、３の周囲に冷却水室６が形成されて
いる。冷却水の受熱量としてはシリンダヘッド２内の冷
却水室６部分が全体の75％位であり、シリンダーブロッ
ク１の冷却水室６部分が全体の25％位の割合でである。
シリンダーブロック１の上側には放熱器８が設けられ、
放熱器８の上には上部タンク部９が一体形成されてい
る。また放熱器８の前側には冷却ファン10が配置され、
冷却ファン10はベルト伝動機構12を介して水平なクラン
ク軸11に連動連結している。放熱器８の下端部は気泡が
滞留するような凹部や邪魔になる壁等が存在しないよう
に冷却水室６の上端部に直接連通している。

放熱器８の横には隔壁９により隔離された冷却水通路15
が形成され、該冷却水通路15の下端部15aはシリンダー
ブロック１内の冷却水室６の下端部に連通している。上
部タンク部９の上側及び冷却水通路15の上側には中間室
16が形成され、中間室16には冷却水管27が接続され、冷
却水管27はサブタンク18に上側から挿入されてサブタン
ク下端部迄至っている。即ち中間室16はサブタンク18の
下端部に常時連通している。中間室16の上壁にはキャッ
プ25が着脱自在に螺合している。サブタンク18の上端部
は空気孔24を介して大気に開放している。

第１図のＶ部分の拡大詳細図を示す第５図において、冷
却水通路15の上端部と中間室16の間には圧力弁孔30が形
成され、該弁孔30の中間室側に圧力弁20が配置されてい
る。圧力弁20はこれと弁ケース32との間に縮設された弁
ばね31により弁孔30部分に着座している。弁ケース32内
は複数の窓孔を介して常時中間室16に連通している。圧
力弁20は例えば冷却水通路15の圧力が中間室16の圧力
（略大気圧）よりも0.9気圧程度高くなった時にその圧
力差により開いて冷却水通路15から中間室16に冷却水を
導くようになっている。

上部タンク部９と中間室16の間には負圧弁孔33が形成さ
れ、該弁孔33の上部タンク部９側に負圧弁21が配置され
ている。負圧弁21はこれと弁ケース36との間に縮設され
た弁ばね35により弁孔33部分に着座しており、弁ケース
36内は複数の窓孔を介して常時上部タンク部９内に連通
している。負圧弁21は例えば上部タンク部９内の圧力
（即ち放熱器８内の圧力）が大気圧よりも低い設定圧力
以下になった時にその圧力差により開いて中間室15側か
ら上部タンク部９内に冷却水を導くようになっている。

また上部タンク部９の上端部には空気孔23が形成されて
おり、該空気孔23はキャップ25を閉めることにより閉塞
されるようになっている。

次に作動を説明する。第１図は機関始動時及び暖機運転
中の状態を示しており、冷却水室６の冷却水は未だ沸騰
しておらず、中間室16、放熱器８及び上部タンク部９内
は液相の冷却水によって満たされている。即ち沸騰を利
用しないラジエータ冷却と同様な冷却状態になってい
る。

第２図は定格負荷運転開始後の状態を示しており、冷却
水温度は飽和温度となって受熱部2a、３近傍で沸騰が生
じ、それにより上部タンク部９内及び放熱器８の上部に
次第に蒸気が溜まり、気相を形成する。それと同時に冷
却水室６内の圧力上昇により冷却水は圧力弁20を押し開
け、冷却水室６内の冷却水はその下端部から冷却水通路
15、圧力弁孔30、中間室16及び冷却水管27を通ってサブ
タンク18の下端部へと流れる。第２図の状態ではいわゆ
るラジエータとコンデンサーとの両方式を混ぜた冷却状
態となっている。しかも冷却水室６の下端部から冷却水
をサブタンク18に流すので、蒸気が外部に逃げることは
なく、蒸気（即ち冷却水）の流亡は防止される。第２図
のL2は液相と気相の境界線を示している。

第３図は定格運転中の平衡状態を示しており、受熱部2
a、３で沸騰して気泡を盛んに発生し、放熱器８でファ
ン10等の作用により蒸気が凝縮される。受熱部2a、３の
加圧沸騰と放熱器８での蒸気の凝縮とが平衡しており、
サブタンク18への冷却水の流れは止まっている。L3は液
相と気相の境界線を示している。

第４図は機関停止後の状態を示しており、機関停止後冷
却水が冷え、気相の割合が減少するに従いサブタンク18
の冷却水が負圧弁21を押し開けて上部タンク部９、放熱
器８及び冷却水室６に戻る。即ち放熱器８及び上部タン
ク部９は液相の冷却水で満たされる。

（第２実施例） 第６図の実施例は、第１図と同様の水平軸を有する横形
内燃機関であるが、冷却水通路15と放熱器８の間に断熱
材40を設け、しかも第７図に詳しく示すようにキャプ25
内に圧力弁20及び負圧弁21を一体的に組み込み、冷却水
管27を圧力弁20及び負圧弁21を介して冷却水通路15に接
続した例である。即ちキャップ25に圧力弁孔30を形成す
ると共に該弁孔30部分に圧力弁20をばね31により着座さ
せ、圧力弁20に負圧弁孔33を形成して、ばね35により負
圧弁孔33部分に負圧弁21を着座させている。負圧弁21の
ロッド部には冷却水溝が形成されている。第６図の冷却
水通路下端部15aは冷却水室６の下端部に連通してい
る。なお第１図と同じ部品には第１図と同じ番号を付し
ている。

この実施例によると、冷却水室６からサブタンク18に冷
却水を流す時には圧力弁20は圧力差によりばね32に抗し
て押し上げられ、冷却水室６の冷却水はその下端部から
冷却水通路15、圧力弁孔30及び冷却水管27を通ってサブ
タンク18の下端部に流れる。一方機関停止後にサブタン
ク18から冷却水が戻る時には、負圧弁21が圧力差により
ばね35に抗して押し下げられ、冷却水は冷却水管27、負
圧弁孔33及び冷却水通路15を通って冷却水通路６の下端
部に戻される。即ち冷却水がサブタンク側に流れる時も
サブタンク側から戻される時も冷却水通路15を通る。

（第３実施例） 第８図は立て形内燃機関に適用した例であり、シリンダ
ーを垂直方向に対して少し傾けて形成することによりク
ランクケース上方に空きスペースを確保し、そこにサブ
タンク18を配置し、サブタンクの上側に放熱器８を配置
している。放熱器８の下端部はシリンダヘッド側の冷却
水室６の上端部に直接連通している。サブタンク18の下
端部と冷却水室６の下端部との間は圧力弁20及び負圧弁
21を有する弁機構を介して接続されている。圧力弁20及
び負圧弁21の構造は第７図のキャップの弁構造と同様で
ある。なお第１図と同じ部品には第１図と同じ番号を付
している。

（第４実施例） 第９図はサブタンク18を冷却水室６よりも下側に配置し
た例であり、サブタンク18の下端部を管42、第10図の圧
力弁20、負圧弁21及び冷却水管44を介して第９図の冷却
水室６の下端部に接続している。第10図の圧力弁20及び
負圧弁21の構造及び機能は第７図のキャップの弁構造と
同様である。43はサブタンクキャップであり、窓孔を有
している。この構造であると、第５図の空気孔23のよう
な空気抜きを設ける必要がなくなる。なお第１図と同じ
部品には第１図と同じ番号を付している。

（第５実施例） 第11図〜第16図に示す実施例は、冷却水室をシリンダー
ヘッド側冷却水室6aとシリンダーブロック側冷却水室6b
とに隔壁し、両冷却水室6a、6bの下端部間に第12図に示
すような圧力弁20と負圧弁21を配置した例である。第11
図のシリンダーヘッド側冷却水室6aの上にこれに直通す
る放熱器８を接続し、シリンダーブロック側の冷却水室
6bの上にこれに直通するサブタンク18を接続している。

放熱器８とサブタンク18とは一体に形成されているが、
隔壁47により分離され、サブタンク18の容積は放熱器８
の容積よりも大きく形成されている。サブタンク18の上
端部には放熱器８の上部迄のびる上部タンク室45が形成
され、上部タンク室41の上壁にはキャップ25が設けられ
ている。キャップ25は放熱器８の上部蓋46と一体的に形
成されている。またキャップ25には第13図に示すような
空気抜き弁50及び吸い戻し弁51が設けられており、上部
タンク室45の上端部と外部とを両弁50、51を介して開閉
自在に接続している。空気抜き弁50の設定圧は圧力弁20
の設定圧と同じかあるいは少し低くなっている。

この実施例の作動を説明すると、冷態時に冷却水はキャ
ップ25から供給され、冷却水室6a、6b及び放熱器８内は
第11図のように液相の冷却水で満たされる。サブタンク
18内は放熱器８と略同じ高さL1迄冷却水が入っている。
負荷が加わるとシリンダヘッド側冷却水室6a内で沸騰
し、シリンダヘッド側冷却水室6a内の圧力が上がり、第
14図のように圧力弁20を開いて冷却水の一部はシリンダ
ーブロック側の冷却水室6bに入る。この時シリンダーブ
ロック側の冷却水は未だ沸点まで達していないので、上
部タンク室45の空気をキャップ25内の圧力弁50を介して
外部に排出する。

第15図は最大負荷運転時の平衡状態を示している。即し
シリンダヘッド側冷却水室6a内で沸騰し、放熱器８で蒸
気を凝縮する、またサブタンク18内では、サブタンク18
及び上部タンク室45の容積が大きいことと、シリンダヘ
ッド側冷却水室6aの受熱量が全体の75％であるのに対し
てシリンダーブロック側冷却室6bの受熱量が全体の25％
程度であることにより、気泡は殆んど発生せず、従って
冷却水がサブタンク18内で蒸気となって外部に流出する
ことはない。

第16図ように機関を停止すると、機関が冷えるに従って
シリンダーブロック側冷却水室6bから負圧弁21を通って
シリンダヘッド側冷却水室6aに冷却水が戻され、またサ
ブタンク18内にはキャップ25の吸い戻し弁51を介して外
部の空気が流入する。

（発明の効果） 以上説明したように本発明は、機関の発熱部の周囲に形
成された冷却水室６と、冷却水室６の上方に配置された
放熱器８と、略大気圧状態のサブタンク18とを備え、冷
却水室６上端部を、気泡滞留部ができないように放熱器
下端部に直接連通し、冷却水室６の下端部とサブタンク
18の下端部とを、冷却水室６が設定圧力以上の時にその
圧力により開いて冷却水室下端部からサブタンク下端部
に導く圧力弁20を介して接続し、さらに冷却水室６とサ
ブタンク18の下端部とを、冷却水室６が大気圧以上の時
には閉じており冷却水室６内が大気圧より低い設定圧値
以下となった時にその負圧により開いてサブタンク18か
ら冷却水室６に冷却水を導く負圧弁21を介して接続して
いるので、次のような利点がある。

（１）加圧沸騰を利用して冷却すると共に、冷却水の蒸
気が逃げないので、放熱器８を小形化できると同時に冷
却水保持時間を長くすることができる。即ち小形化及び
メンテナンスの容易化が同時に達成できる。

（２）機関発熱部（受熱部）が沸騰冷却されるので、ヒ
ートスポットの熱負荷が低減され、機関の性能が向上す
る。

（３）沸騰冷却でしかも蒸気を逃がさないので、放熱器
８の容量を小さくでき、冷却水容量がラジエータタイプ
に比し小さくすることができ、暖機時間が短くなる。

なお本発明では圧力弁を利用して加圧沸騰させている
が、圧力弁を備えないで単なる沸騰を利用する場合で
も、冷却水室の下端部とサブタンクの下端部同志を連通
することにより、蒸気の逃げを防いで冷却水保持時間を
延ばすことができる等の効果を期待できるが、冷却性能
を維持するために放熱器の容量が大きくなり、大形化す
る必要がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の縦断面図、第２図は暖機
運転中の状態を示す第１図と同じ部分の縦断面図、第３
図は最大負荷運転中の状態を示す第１図と同じ部分の縦
断面図、第４図は機関停止後の状態を示す第１図と同じ
部分の縦断面図、第５図は第１図のＶ部分の拡大詳細
図、第６図は第２実施例の縦断面図、第７図は第６図の
VII部分の拡大詳細図、第８図は第３実施例の縦断面
図、第９図は第４実施例の縦断面図、第10図は第９図の
Ｘ部分の拡大断面図、第11図は第５実施例の縦断面図、
第12図は第11図のXII部分の断面拡大図、第13図は第11
図のXIII部分の断面拡大図、第14図は暖機運転中の状態
を示す第11図と同じ部分の縦断面図、第15図は最大負荷
運転中の状態を示す第11図と同じ部分の縦断面図、第16
図は機関停止後の状態を示す第11図と同じ部分の縦断面
図である。６……冷却水室、８……放熱機、18……サブ
タンク、20……圧力弁、21……負圧弁

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】機関の発熱部の周囲に形成された冷却水室
   と、冷却水室の上方に配置された放熱器と、略大気圧状
   態のサブタンクとを備え、冷却水室の上端部を、気泡滞
   留部ができないように放熱器下端部に直接連通し、冷却
   水室の下端部とサブタンクの下端部とを、冷却水室が設
   定圧力以上の時にその圧力により開いて冷却水を冷却水
   室下端部からサブタンク下端部へと導く圧力弁を介して
   接続し、さらに冷却水室とサブタンク下端部とを、冷却
   水室が大気圧以上の時には閉じており冷却水室内が大気
   圧より低い設定圧値以下となった時にその負圧により開
   いてサブタンクから冷却水室に水を導く負圧弁を介して
   接続したことを特徴とする水冷式内燃機関の冷却装置。