JP2012137021A - 冷却対象物の冷却構造 - Google Patents

Abstract

【課題】供給源からの冷却水の供給流量を増大させることなく、冷却性能を高める。
【解決手段】冷却対象物（燃料噴射器）４０を冷却水によって冷却する冷却構造１０であって、収容部１１と冷却水路１４と供給路２１とを備える。収容部１１は、冷却対象物４０を収容する収容空間１２を内側に区画する。冷却水路１４は、収容部１１に形成され、両端に冷却水の流入部１６と流出部１７とを有し、且つ収容部１１の内周面の周囲に沿って少なくともほぼ１周巡回する巡回路１８を有する。供給路２１は、流入部１６に連通し、冷却水路１４に冷却水を供給する。巡回路１８は、供給路２１よりも小さい断面積を有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、冷却水を用いて冷却対象物を冷却する冷却構造に関する。

特開２０１０−１９２３９号公報には、排気浄化装置が記載されている。この装置では、排気管に固定された装着部材の装着孔に、排気管内に還元剤を噴射するインジェクタが装着されている。装着部材には、装着孔の周囲に環状の冷却水路が設けられている。冷却水路には、冷却水を供給するための供給路と冷却水を排出するための排出路とが接続されている。冷却水路と供給路との接続部近傍には、冷却水路の周方向における側壁の一部が突出した突出部によって水路の幅が狭められた狭窄部が設けられている。

また、特開２００９−２４３２７７号公報には、車両用エンジンに備えられたターボチャージャーのタービンハウジング冷却システムが記載されている。このシステムでは、冷却通路における冷却水の流量を増減させる電子制御ユニットが設けられている。電子制御ユニットは、冷却水が高温のときは冷却水の流量を増加させ、低温のときは流量を低減させるようにポンプを制御する。

特開２０１０−１９２３９号公報 特開２００９−２４３２７７号公報

特許文献１に記載の排気浄化装置では、冷却水の供給路の断面積に対して、冷却水路の断面積が大きいことから、供給路から冷却水が冷却水路に流入する際に、冷却水の流速は減速する。また、狭窄部を冷却水路の周方向における側壁の一部にのみ設けているので、冷却水の流速は、狭窄部通過時にはある程度は増速するが、冷却水が狭窄部を通過した後冷却対象物の周囲を周回するうちに減速するので、高い冷却効果が得られない可能性がある。

また、特許文献２に記載の冷却システムでは、冷却水が高温のとき、供給源であるポンプからの冷却水の供給流量を増加させなければならず、供給源からの冷却水の供給流量を増大せずにタービンハウジングの温度上昇を抑制することが難しい。このため、例えば、タービンハウジングの温度が短時間に上昇した場合などには、ポンプからの冷却水の供給流量を急増させなければならず、ポンプに掛かる負荷が増大する。ポンプの負荷の増大は、ポンプの故障の一因となり、耐久性の低下を招く。また、冷却性能を高めるためには、ポンプの大型化や高性能化が必要になる。

そこで、本発明は、供給源からの冷却水の供給流量を増大させることなく、冷却水の流速を増速させ、冷却性能を高めることが可能な冷却構造を提供することを目的とする。

上記目的を達成すべく、本発明は冷却対象物を冷却水で冷却する冷却構造であって、収容部と、冷却水路と、供給路とを備える。

収容部は、内部に冷却対象物を収容する収容空間を区画する。冷却水路は、収容部に形成され、両端に冷却水の流入部と流出部とを有し、且つ流入部から収容部の内周面の周囲に沿って少なくともほぼ１周巡回する巡回路を有する。供給路は、流入部に連通し、冷却水路に冷却水を供給する。巡回路の断面積は、供給路の断面積よりも小さい。

なお、巡回路とは、流入部から流出部へ向かって、冷却水が複数の経路に分かれずに流通する領域である。少なくともほぼ１周巡回する巡回路には、流入部から流出部へ向かって、冷却水が複数の経路に分かれずに１周以上巡回する場合の巡回路を含み、また、冷却水が１周直前で複数の経路に分かれる場合の巡回路を含む。また、供給路の断面積に対する巡回路の断面積の割合は、９０％以下が好適である。

上記構成では、冷却水路を流通する冷却水が収容部を冷却し、収容部が冷却対象物を冷却する。この冷却において、巡回路が流入部から収容部の内周面の周囲に沿って少なくともほぼ１周巡回し、且つ巡回路の断面積が供給路の断面積よりも小さいので、冷却水は、供給路から流入部を介して巡回路に流入する際に増速されて巡回路を円滑に流通する。これによって、供給源からの冷却水の供給流量を増大させることなく、冷却水の流速を増速させ、冷却性能を高めることができる。

また、収容部のうち冷却水路の一端側の方が他端側よりも高温である場合、流入部を冷却水路の一端に設けることが好適である。

上記構成では、冷却対象物の近傍に熱源が存在するなどの理由によって、収容部のうち冷却水路の一端側の方が他端側よりも高温となる場合に、冷却水路の両端のうち高温側である一端から冷却水が流入するので、高温である収容部の一端側を、常時低温の冷却水によって冷却することができ、冷却性能を更に高めることができる。

本発明によれば、供給源からの冷却水の供給流量を増大させることなく、冷却水の流速を増速させ、冷却性能を高めることができる。

本発明の第１の実施形態にかかる冷却構造を備えた排気管を示す外観斜視図である。 燃料噴射機が収容された図１の排気管の要部断面図である。 燃料噴射機が収容された図１の排気管の要部一部断面図である。 燃料噴射機が収容された本発明の第２の実施形態にかかる冷却構造を備えた排気管の要部一部断面図である。 図４の排気管の（ａ）は下室を上方から視た断面図、（ｂ）は上室を上方から視た断面図である。

以下、本発明の第１の実施形態について図１乃至３を参照して詳細に説明する。本実施形態の冷却構造は車両に搭載されるエンジンの排気管に一体的に形成され、排気管内に燃料（軽油）を噴射する燃料噴射器を冷却する。なお、以下の説明中の上下方向は、図１〜図３の上下方向に対応している。

本実施形態の車両は、排気中に含まれる粒子状物質を減少させるシステムとしてＤＰＤ（Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｄｅｆｕｓｅｒ）を採用している。

図１〜３に示すように排気管１は、略円筒状であり、その一端部付近に略Ｌ状に折曲する折曲部を有する。排気管１の内周面は、エンジンから排出された排気が流通する排気通路２を区画形成する。排気管１の一端部には、フランジ３が一体的に形成されており、フランジ３は、排気上流側（エンジン側）に配置される配管の一端部に形成されたフランジ（図示省略）とボルトで固定される。排気管１の他端部には、フランジ４が一体的に形成されており、ＤＰＤを有する配管の一端部に形成されたフランジ（図示省略）とボルトで固定される。排気管１の他端部側の外周面には、冷却構造１０が一体的に形成されている。排気管１の他端部側の内周面には、後述する冷却構造１０の収容空間１２と連通し、収容空間１２に収容される燃料噴射器４０の噴射口４３を露出する露出孔５が設けられている。

冷却構造１０は、排気管１から略直交する方向に突出して延びる略円筒状の収容部１１と、収容部１１の下部の側壁１５からそれぞれ一体的に延びる略円筒状の供給路形成部２０及び排出路形成部３０とを有する。

収容部１１は、燃料噴射器４０を収容する略円柱状の収容空間１２を内側に区画する。収容空間１２には、燃料噴射器４０が上方から進入し収容される。収容空間の上下方向の略中央部から下端部までの領域は、ガイド孔１３を構成する。ガイド孔１３の内径は、収容空間の上下方向の略中央部から上端部までの内径よりも小さく（細く）設定されており、ガイド孔１３の下端部は、露出孔５と連通する。収容部１１の上端面には、燃料噴射器４０をボルトで固定するための４箇所のボルト孔１９が設けられている。

供給路形成部２０は、収容部１１の側壁１５の下端部から斜め上に傾斜するように突出している。供給路形成部２０の略中央部から一端部（下方の端部）までの内側には、断面略円形状の供給路２１が形成されている。供給路形成部２０の略中央部から他端部までの領域は、供給管係合部２２を構成する。供給管係合部２２の断面積は、供給路２１の断面積よりも大きく設定されている。

排出路形成部３０は、ガイド孔１３を挟んで供給路形成部２０と対峙するように側壁１５の略中央部（供給路形成部２０の形成位置よりも上側）から突出している。排出路形成部３０の内部には、断面略円形状の排出路３１が形成されている。排出路形成部３０の一端部には排出管係合部３２が設けられている。排出管係合部３２の断面積は、排出路３１の断面積よりも大きく設定されている。

収容部１１の側壁１５の内部には、冷却水路１４が形成されている。

冷却水路１４は、断面略円形状に形成され、冷却水路１４の一端部には、供給路２１の一端部と連通し、供給路２１から冷却水が流入する流入部１６が設けられている。冷却水路１４の他端部には、排出路３１の一端部と連通し、冷却水路１４から冷却水を流出する流出部１７が設けられている。流入部１６は、収容部１１の下端側に設けられ、流出部１７は、ガイド孔１３を挟んで流入部１６と対峙し、収容部１１の略中央側に設けられている。また、冷却水路１４は、ガイド孔１３を形成する収容部１１の内周面の周囲に沿って、流入部１６から流出部１７に亘って渦巻き状に約１周半巡回する巡回路１８を有している。巡回路１８は、流入部１６から流出部１７まで連続して斜め上方へ傾斜する。巡回路１８は、供給路２１よりも小さい断面積を有し、供給路２１に対する巡回路１８の断面積の割合は、９０％以下の所定の割合に設定されている。以上のように、収容部１１に形成された冷却水路１４は、両端の冷却水の流入部１６及び流出部１７と、流入部１６から収容部１１の内周面の周囲に沿って少なくともほぼ１周巡回する巡回路１８を有する冷却水路を構成する。なお、排出路３１の断面積は、巡回路１８の断面積以上の大きさに設定されている。

供給管（図示省略）は、供給チューブと、供給管連結部とを備える。供給管連結部の一端部の外周面は、供給管係合部２２の内周面に係合する。供給管連結部の他端部は、供給チューブの一端部と連結する。供給チューブの他端部は、図示しないポンプとウォータージャケットとサーモスタットとに接続されている。ウォータージャケットは、エンジン内に配置され、ウォータージャケット内には、ポンプにより加圧された冷却水が流通している。サーモスタットは、ウォータージャケット内を流通する冷却水を分岐し、供給チューブ及び供給管連結部を介して供給路２１へ供給する。

排出管（図示省略）は、排出チューブと排出管連結部とを備える。排出管連結部の一端部の外周面は、排出管係合部３２の内周面に係合する。排出管連結部の他端部は、排出チューブの一端部と連結する。排出チューブの他端部は、ウォータージャケットに接続され、排出路３１から排出された冷却水は、排出チューブによって回収されてウォータージャケットに戻る。

燃料噴射器４０は、インジェクタ４１とインジェクタホルダ（図示省略）とを備えている。インジェクタ４１は下端部に噴射口を有するインジェクタ本体４２と、導体（図示省略）とを備える。インジェクタ本体４２は、その内部に、図示しない先端部付近に設けられた弁部と、弁部に連結されたロッド部と、電磁コイルとを備える。導体は、燃料噴射器４０に電力を供給する。導体は、その基端部が電磁コイルと一体的に連結され、延出端部がバッテリ電源（図示省略）からの電力を供給するプラグに接続され、コントローラによって通電、非通電が制御される。導体が通電されると電磁コイルが励磁し、磁力を発生させる。この磁力によって、ロッド部が移動し、ロッド部に連結された弁部が開き、噴射口４３から燃料が噴射される。

インジェクタホルダは、収容部１１に下端側が収容されたインジェクタ本体４２の上端側と嵌合し、冷却構造１０の収容部の１１の上端面に設けられたボルト孔１９に螺合するボルト（図示省略）によって、冷却構造１０に固定されている。また、インジェクタホルダは、燃料タンク（図示省略）に接続された燃料供給管を有しており、燃料供給管を介して、インジェクタ本体４２に燃料を供給する。

次に、第１の実施形態における冷却構造１０による冷却作用について説明する。

エンジンが始動し、エンジンから排出された排気が排気管１の排気通路２を流通すると、コントローラは燃料噴射器４０を制御し、燃料噴射器４０は噴射口４３から排気通路２内に露出孔５を介して燃料を噴出する。燃料噴射器４０の噴射口４３は、露出孔５から露出しているので、高温の排気ガスに晒される。そのため、噴射口４３が形成された燃料噴射器４０の下端部は、その上端部や中央部に比べて比較的高温となる。したがって、燃料噴射器４０を収容する収容部１１の燃料噴射器４０の下端部に近接する下端側（冷却水路１４の流入部１６が設けられた一端側）は、収容部１１の略中央側（冷却水路１４の流出部１７が設けられた他端側）と比べて高温になる。

サーモスタットはウォータージャケットから冷却水を分岐させ、供給チューブに冷却水を流入する。供給チューブに流入した冷却水は、供給管連結部を介して、供給路２１に流入する。供給路２１に流入した冷却水は、流入部１６を介して、冷却水路１４の巡回路１８に流入する。巡回路１８の断面積は供給路２１の断面積よりも小さく、すわなち、供給路２１の断面積に対する巡回路１８の断面積の割合は９０％以下の所定の割合に設定されているので、冷却水が流入部１６を介して巡回路１８に流入する際、冷却水の流速が増速される。冷却水は、渦巻き状の巡回路１８を下方から上方へ流通して、収容部１１の下端側から略中央側を順次冷却する。収容部１１の冷却によって、収容部１１に収容されている燃料噴射器４０が冷却される。冷却水路１４の巡回路１８内を流通した冷却水は、流出部１７を介して、排出路３１に流出される。排出路３１に流出された冷却水は、排出管連結部を介して、排出チューブの内部に流入する。排出チューブの内部に流入した冷却水は、ウォータージャケットに戻される。

本実施形態の冷却構造１０によれば、冷却水路１４の巡回路１８を流通する冷却水が収容部１１を冷却し、収容部１１が燃料噴射器４０を冷却する。この冷却に際し、巡回路１８の断面積が供給路２１の断面積よりも小さいので、冷却水が供給路２１から流入部１６を介して巡回路１８に流入する際に冷却水の流速は増速され、冷却水は巡回路１８を円滑に流通するので、ポンプからの冷却水の供給流量を増大させることなく冷却性能を高めることができる。

また、冷却水路１４の巡回路１８の断面積は、流入部１６から流出部１７に亘って、供給路２１の断面積よりも小さく設定されており、また、冷却水は流入部１６から流出部１７に亘り、巡回路１８内を同一方向で流通するため、増速された冷却水の流速が減速することを防止し、冷却性能を更に高めることができる。

また、冷却水は、渦巻き状の巡回路１８を下方から上方へ流通することで、収容部１１の下端側から略中央側を順次冷却する。これによって、収容部１１の中央側よりも比較的高温である収容部１１の下端側を、巡回路１８を流通することで昇温してしまう前の低温の冷却水によって常時冷却することができる。そのため、収容部１１の下端側に近接する燃料噴射器４０の比較的高温である下端部を効率的に冷却することができるので、冷却性能を更に高めることができる。

次に、本発明の第２の実施形態を図４及び図５を用いて説明する。以下の説明中の上下方向は、図４の上下方向に対応する。また、図５に示す矢印は、冷却水の流れる方向を示す。なお、第１の実施形態と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。

収容部１１の下部の側壁１５の内部には、上下方向の略中央側に、ガイド孔１３に対して略直交し、収容部１１の下部の側壁１５の内部を上室５０と下室５１とに分割する仕切り板５２が設けられている。下室５１の下側には、仕切り板５２と略平行の下室下面５７が設けられている。また、下室５１には、仕切り板５２と下室仮面５７との間に不連続の環状の下室冷却水路５３が形成されている。下室冷却水路５３の一端部には、供給路２１と連通する流入部１６が設けられている。下室冷却水路５３は、供給路２１よりも小さい断面積を有し、供給路２１に対する下室冷却水路５３の断面積の割合は、９０％以下の所定の割合に設定されている。下室冷却水路５３の他端部には、ガイド壁５４が設けられている。ガイド壁５４は、流入部１６付近の下室下面５７から斜め上方に延びる傾斜部と、傾斜部の端部から折曲し略垂直方向に上方へ延びる垂直部とを備える。上室５０には、環状の上室冷却水路５５が形成されている。上室冷却水路５５の一端部には、排出路３１と連通する流出部１７が設けられている。流出部１７は、ガイド孔１３を挟んで下室５１の流入部１６と対峙する位置に設けられている。仕切り板５２には、上室５０と下室５１とを連通する連通孔５６が形成されている。連通孔５６を区画する縁部の一端部は、ガイド壁５４の垂直部の上端縁部と一体的に形成される。上室冷却水路５５と連通孔５６の断面積は、下室冷却水路５３の断面積に等しい、すなわち供給路２１の断面積に対する上室冷却水路５５の断面積及び連通孔５６の断面積の割合は、９０％以下の所定の割合に設定されている。上室冷却水路５５の他端部と下室冷却水路５３の他端部とは、連通孔５６を介して連通し、冷却水路５８を形成する。冷却水路５８における下室冷却水路５３は、流入部から流出部へ向かって、冷却水が複数の経路に分かれずに流通する領域である巡回路５９を有する。巡回路５９は、流入部１６からガイド壁５４が形成された他端部まで収容部１１の内周面の周囲に沿って少なくともほぼ１周巡回する。以上のように、冷却水路５８は、収容部１１に形成され、両端に冷却水の流入部１６と流出部１７とを有し、且つ流入部１６から収容部１１の内周面の周囲に沿って少なくともほぼ１周巡回する巡回路５９を有する冷却水路を構成する。

次に、第２の実施形態における冷却構造１０による冷却作用について説明する。

供給路２１に流入した冷却水は、流入部１６を介して、冷却水路５８の下室冷却水路５３の巡回路５９に流入する。巡回路５９の断面積は供給路２１の断面積よりも小さく、すわなち、供給路２１の断面積に対する巡回路５９の断面積の割合は９０％以下の所定の割合に設定されているので、冷却水が流入部１６を介して巡回路５９に流入する際、冷却水の流速が増速される。流入した冷却水は、下室冷却水路５３の巡回路５９を周回し、収容部１１の下端側を冷却する。収容部１１の下端側を冷却した冷却水は、ガイド壁５４によって上方へガイドされ、冷却水路５８の上室冷却水路５５に流入する。上室冷却水路５５に流入した冷却水の大部分は、下室５１における冷却水の周回方向と同方向に周回する主流（順流）となる。一方、冷却水の一部は、下室５１における冷却水の周回方向と逆方向に周回する逆流となる。冷却水の主流と逆流は、それぞれ冷却水路５８内を周回し、収容部１１の略中央側を冷却し、流出部１７付近で合流し、流出部１７から排出路３１に流出する。

本実施形態の冷却構造１０によれば、冷却水路５８を流通する冷却水が収容部１１を冷却し、収容部１１が燃料噴射器４０を冷却する。この冷却に際し、冷却水路５８の下室冷却水路５３の巡回路５９の断面積が供給路２１の断面積よりも小さいので、冷却水の流速は供給路２１から流入部１６を介して巡回路５９に流入する際に増速され、冷却水は巡回路５９を円滑に流通するので、ポンプからの冷却水の供給流量を増大させることなく冷却性能を高めることができる。

また、冷却水路５８に流入した冷却水路は、まず下室冷却水路５３の巡回路５９を周回し、その後、ガイド壁５４によって上方へガイドされ、上室冷却水路５５を周回することで、収容部１１の下端側から略中央側を順次冷却する。これによって、収容部１１の中央側よりも比較的高温である収容部１１の下端側を、冷却水路５８を流通することで昇温してしまう前の低温の冷却水によって常時冷却することができる。そのため、収容部１１の下端側に近接する燃料噴射器４０の比較的高温である下端部を効率的に冷却することができるので、冷却性能を更に高めることができる。

また、不連続の環状の下室冷却水路５３が収容部１１の下端側の内周面のほぼ全域を包囲し、また、環状の上室冷却水路５５が収容部１１の中央側の内周面の全域を包囲するため、冷却水路５８を流通する冷却水によって、収容部１１を広い範囲で冷却するので、冷却性能を更に高めることができる。

以上、本発明者によってなされた発明を適用した実施形態について説明したが、本実施形態による発明の開示の一部をなす論述及び図面により本発明は限定されることはない。

例えば、上記第１及び第２の実施形態における排気管１は、その一端部付近に略Ｌ状に折曲する折曲部を有しているが、折曲部を有さない排気管に本発明の冷却構造を用いてもよい。

また、上記第１及び第２の実施形態では、排気中に含まれる粒子状物質を減少させるシステムとしてＤＰＤを採用している車両における排気管１に燃料を噴射する燃料噴射器４０を冷却するための冷却構造について説明したが、排気の浄化システムとして尿素ＳＣＲ（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）システムを採用する車両において、尿素を噴射する尿素噴射機を冷却するために本発明の冷却構造を用いてもよい。

また、巡回路１８，５９の断面積は、冷却水の供給流量、冷却水路１４，５８が形成される場所や形状及び要求される冷却効果などに応じて、供給路２１よりも小さい範囲で任意に設定可能である。

また、排出チューブに温度センサを設け、排出チューブの内部を流れる冷却水の温度に応じてコントローラがポンプの冷却水の吸引力を調整することによって、冷却水の供給流量を増減させ、冷却水路１４，５８の巡回路１８，５９内を流れる冷却水の流速を調整してもよい。例えば、排出チューブの内部を流れる冷却水が所定温度以上の場合に温度センサは高温検出信号をコントローラに送信し、高温検出信号を受信したコントローラは、ポンプの吸引力を高め、供給流量が増大するように制御する。これによって、供給流量が増大し、供給路２１に供給される冷却水の流速が増速される。更に、冷却水は巡回路１８，５９に流入する際に、流速が加速されることから、冷却効果をより一層高めることができる。

また、本発明の冷却構造を、ターボチャージャーのガスタービンを冷却するために、タービンハウジングの側壁内に冷却水路を形成する場合に用いてもよい。

本発明は、冷却水を用いて冷却対象物を冷却する冷却構造に広く適用可能である。

１：排気管
２：排気通路
５：露出孔
１０：冷却構造
１１：収容部
１２：収容空間
１３：ガイド孔
１４，５８：冷却水路
１５：側壁
１６：流入部
１７：流出部
１８，５９：巡回路
２０：供給路形成部
２１：供給路
３０：排出路形成部
３１：排出路
４０：燃料噴射器
４１：インジェクタ
４３：噴射口
５０：上室
５１：下室
５２：仕切り壁
５３：下室冷却水路
５４：ガイド壁
５５：上室冷却水路
５６：連通孔
５７：下室下面

Claims (2)

1. 冷却対象物を冷却水によって冷却する冷却構造であって、
   内側に前記冷却対象物を収容する収容空間を区画する収容部と、
   前記収容部に形成され、両端に冷却水の流入部と流出部とを有し、且つ前記流入部から前記収容部の内周面の周囲に沿って少なくともほぼ１周巡回する巡回路を有する冷却水路と、
   前記流入部に連通し、前記冷却水路に冷却水を供給する供給路と、を備え、
   前記巡回路の断面積は、供給路の断面積よりも小さい
   ことを特徴とする冷却対象物の冷却構造。
2. 請求項１に記載の冷却対象物の冷却構造であって、
   前記収容部は、前記冷却水路の一端側の方が他端側よりも高温であり、
   前記流入部は、前記冷却水路の一端に設けられている
   ことを特徴とする冷却対象物の冷却構造。

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