JP2640850B2 - 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。

本願出願人は、高い熱交換効率と長い冷却水保持時間
を確保するために、加圧沸騰形式の冷却装置（ラジエー
タ／コンデンサー）を開発し、既に出願している（特願
昭62−175047）。この発明によると冷却水の受熱部（機
関発熱部）における沸騰を利用して高い熱交換効率を維
持でき、かつ蒸気を逃がさないようにして冷却水保持時
間を長くできる。

ところが運転中において、冷却水中の空気や、サブタ
ンクよりの冷却水の吸い戻し中に混入した空気がどうし
ても放熱器内に溜る。上記のように空気が蒸気中に混入
していると、冷却効率悪化の原因になる。

またサブタンクを放熱器とは別置きに配置したり、サ
ブタンクの側方に形成したりしているので、冷却水補給
時には、サブタンクと放熱器に各別にそれぞれ補給作業
を行ったり、あるいはサブタンクと放熱器内のそれぞれ
の水量を調節しながら補給作業を行ったりしなければな
らず、補給作業に手間がかかる。

またサブタンクを放熱器とは別置きに配置している場
合には、コンパクト化に不利である。

（発明の目的） 本発明の目的は、上記加圧沸騰形式の冷却装置（ラジ
エータ／コンデンサー）をさらに工夫改良することによ
り、加圧沸騰形式の利点に加え、空気の混入による熱交
換効率低下の防止と、補給作業の容易化と、より一層の
コンパクト化を図るものである。

（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
周囲に冷却水室を形成し、冷却水室の上側に放熱器を配
置して、冷却水室の上端部と放熱器下端部とを、気泡滞
留部ができないように直接連通し、放熱器の上端部に大
気圧状態のサブタンクを仕切りを介して形成し、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サブタン
ク側に導く圧力弁を介して接続し、前記仕切りには、放
熱器内が大気圧より低い値となった時にその負圧により
開く負圧弁と、冷却水温度が設定温度以上の時には閉じ
設定温度以下になると開いて放熱器内の空気を逃がす温
度調節弁とを設けている。

（第１実施例） 第１図は水平なクランク軸を備えた横軸型内燃機関に
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
ーヘッド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
の割合である。

シリンダーブロック１の上端にはシール35を介して放
熱器８が設けられ、放熱器８の下端開口は気泡が滞留す
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の上端開口に直接連通している。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は図示しな
いがベルト伝動機構等を介して水平なクランク軸に連動
連結している。

放熱器８の上端部にはサブタンク18が一体に形成され
ており、サブタンク18と放熱器８の間には略水平な仕切
り19が設けられている。サブタンク18の上端部には冷却
水補給用の補給口26と、サブタンク18内を大気圧状態に
維持するための大気連通口24が形成され、補給口26は着
脱自在なキャップ25により密封されている。Ｌは冷却水
のレベルを示す。

放熱器８は横には隔壁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の下端口29に連通してい
る。

冷却水通路15の上端部とサブタンク18の下端の間には
圧力弁20が設けられ、圧力弁20は冷却水通路15の圧力が
サブタンク18内の圧力（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
らサブタンク18に冷却水を導くようになっている。

サブタンク18と放熱器８の間の仕切り19には負圧弁21
が設けられており、この負圧弁21は放熱器８内の圧力が
大気圧（サブタンク内の圧力）よりも低くなった時にそ
の圧力差により開いてサブタンク18内から放熱器８内に
冷却水を導くようになっている さらに上記仕切り19には、温度調節弁22が設けられて
おり、この温度調節弁22は放熱器８内の冷却水の温度が
設定温度（例えば60℃）を越えると閉じ、60℃以下の時
には第１図のように開いて放熱器８の上部の滞留空気を
サブタンク18内へと逃すようになっている。

次に作動を説明する。第１図は機関始動前あるいは始
動直後の冷却水温度が低い時の状態を示しており、圧力
弁20及び負圧弁21は閉じており、温度調節弁22は冷却水
温度が設定温度60℃以下なので開いており、放熱器８内
を液相の冷却水によって満たしている。機関が始動され
た直後の暖機運転中には、まだ冷却水は沸騰していない
ので、ラジエータ冷却と同様な冷却状態になる。

第２図は定格負荷運転時の気圧沸騰状態を示してお
り、温度調節弁22は気泡発生する以前に冷却水温度が60
℃を越える時点で閉じており、気泡発生後は放熱器８内
は蒸気と冷却水で満たされている。即ち冷却水は飽和温
度となって受熱部2a、３近傍で沸騰が生じ、それにより
放熱器８の上部に次第に蒸気が溜まり、気相を形成す
る。この蒸気はファン10等の作用により凝縮される。

また負荷に応じて圧力弁20が開いたあるいは負圧弁21
が開いたりして液相上面をコントロールする。例えば気
相が増加して冷却水室６内の圧力が設定圧力以上（大気
圧＋0.9気圧以上）になると冷却水は圧力弁20を押し開
き、冷却水室６内の冷却水は下端口29から冷却水通路15
を通ってサブタンク18へ戻される。

冷却水は上記のように冷却水室６の下端口29から戻さ
れるため、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３図は負荷低下時あるいは停止直後の状態を示して
おり、蒸気の凝縮が進むにつれて気相が減少して放熱器
８内の圧力が下り、負圧弁21が開いて冷却水を放熱器８
内に吸い戻す。冷却吸温度はまだ設定温度60℃より高い
ので閉じている。

第４図は機関停止後、全部の蒸気が凝縮した時の状態
を示しており、冷却水は全て液化しているが、混入した
空気が放熱器８の上部に溜り、空気相Ａ、Ｂを形成して
いる。この時冷却水温度はまだ設定温度60℃より高いの
で、温度調節弁22は閉じている。

第５図は第４図の状態から時間が経って冷却水温度が
60℃以下になった時の状態を示しており、温度調節弁22
が開き、放熱器８内の空気相Ａはサブタンク18内の水と
置換される。なお冷却水通路15の上端部の空気相Ｂは熱
交換部以外の場所であり、また次回運転時に圧力弁20が
開いた時にサブタンク18に排出されるため、熱交換効率
に影響はない。

冷却水を最初に注入する場合には、キャップ25を開け
て補給する。この場合サブタンク18内へ補給することに
より同時に放熱器８内にも満杯に補給できる。

（別の実施例） 第６図から第８図は請求項２記載の発明を適用した例
を示しており、仕切り19の一部を開口し、その開口部30
に、圧力弁20の開弁圧よりも少し高い圧力で撓む弾性体
膜（バースト安全装置）31を設けている。また開口部30
のサブタンク側には、弾性体膜31の最大撓み量を規制す
る部分球面状の網状ストッパー33が設けられている。他
の構造は第１図の構造と同じであり同じ部品に同じ番号
を付している。

基本的な動作は第１図〜第５図の場合と同じであるの
で、弾性体膜31についての動作を説明する。通常運転時
は第７図のように弾性体膜31はあまり撓んでおらず、放
熱器８の容積を略一定に保っている。

運転中、冷却水の一部が急激に沸騰して急激に放熱器
８内の圧力が上る時があり、この時には圧力弁20の冷却
水通路が絞りとなって圧力弁20からだけでは圧力を逃し
きれなくなる場合があるが、この時弾性体膜31は放熱器
内の圧力により第８図のようにサブタンク側へと膨ら
み、圧力の急激な上昇による衝撃を緩和する。従って例
えば放熱器８とシリンダーブロック１の上端面との間の
シール35等から水が漏れるのを防止できる。

なおバースト安全装置として第６図では弾性体膜31を
使用しているが、ピストン係止の構造でもよい。例えば
放熱器内の圧力が上昇した時に、その圧力上昇によりピ
ストンがサブタンク側に移動して実質的に放熱器の容積
を増加させる。

（発明の効果） 以上説明したように本発明によると： （１）沸騰を利用して冷却するようにすると共に、冷却
水室６の下端口29を圧力弁20を介してサブタンク18に接
続しているため、冷却水の蒸気が逃げず、冷却水の減少
を少くでき、冷却水保持時間を長くすることができる。

（２）冷却水室６の上端部に直接放熱器８を接続し、放
熱器８の上端部にサブタンク18を形成しているため、サ
ブタンク分離配置方式に比べて、配置スペースを節約で
き、エンジン全体がコンパクトになる。

（３）加圧沸騰形式であるため、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。

（４）サブタンク18と放熱器８の間の仕切り19に、冷却
水温度が設定温度を越えると閉じ設定温度以下になると
開いて放熱器内の空気を逃がす温度調節弁22を設けてい
るため、機関停止時等冷却水温度が設定温度以下の時に
おいて、放熱器内に滞留している空気を温度調節弁22を
介してサブタンク18内の冷却水と自動的に置換できる。

従って機関始動時には常に放熱器８を液相で満たして
おくことでき、滞留空気による熱交換効率の低下を防
ぐ。

（５）放熱器８の上端にサブタンク18を形成し、上記両
者８、18の間の仕切り19に、設定温度以下の時に開く温
度調節弁22を設けているため、冷却水を補給する時には
サブタンク上端の補給口26から補給するだけで、放熱器
８内を満杯にできると同時にサブタンク18に供給でき、
補給作業が容易になる。

（６）サブタンク18と放熱器８の間の仕切り19に、圧力
弁20の開弁圧よりも高い圧力で作動して放熱器８の容積
を拡張しうるバースト安全装置、例えば弾性体膜31を設
けることにより、放熱器８内の急激な圧力上昇時におけ
る衝撃を緩和でき、シール35部分からの冷却水の漏れを
防止できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は請求項１記載の発明を適用した内燃機関の縦断
面図、第２図は定格負荷運転時の状態を示す第１図と同
じ部分の縦断面図、第３図は負荷軽減時あるいは停止直
後の状態を示す第１図と同じ部分の縦断面図、第４図は
機関停止後全蒸気が凝縮した時の状態を示す第１図と同
じ部分の縦断面図、第５図は機関停止後冷却水温度が設
定温度以下に下った時の状態を示す第１図と同じ部分の
縦断面図、第６図は請求項２記載の発明を適用した内燃
機関の機関停止時の状態を示す縦断面図、第７図は通常
運転時の状態を示す第６図と同じ部分の縦断面図、第８
図は放熱器内の圧力が急激に上昇した時の状態を示す第
６図と同じ部分の縦断面図である。６……冷却水室、８
……放熱器、18……サブタンク、19……仕切り、20……
圧力弁、21……負圧弁、22……温度調節弁

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】機関の発熱部の周囲に冷却水室を形成し、
   冷却水室の上側に放熱器を配置して、冷却水室の上端部
   と放熱器下端部とを、気泡滞留部ができないように直接
   連通し、放熱器の上端部に大気圧状態のサブタンクを仕
   切りを介して形成し、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サブタンク側に導く圧力弁を介して
   接続し、前記仕切りには、放熱器内が大気圧より低い値
   となった時にその負圧により開く負圧弁と、冷却水温度
   が設定温度以上の時には閉じ設定温度以下になると開い
   て放熱器内の空気を逃がす温度調節弁とを設けたことを
   特徴とする水冷式内燃機関の冷却装置。
2. 【請求項２】サブタンクと放熱器の間の仕切りに、圧力
   弁の開弁圧よりも高い圧力で作動して放熱器の容積を拡
   張しうるバースト安全装置を設けた請求項１記載の水冷
   式内燃機関の冷却装置。