JP2950553B2 - 内燃機関の冷却装置 - Google Patents

内燃機関の冷却装置

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    • F01P7/00Controlling of coolant flow
    • F01P7/14Controlling of coolant flow the coolant being liquid
    • F01P7/16Controlling of coolant flow the coolant being liquid by thermostatic control

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、特にリザーブタ
ンクを中心とする冷却水の密封循環システムに関するも
のである。
〔従来の技術〕
冷却水のリザーブタンクを、単に冷却水のオーバーフ
ロー分を貯蔵するタンクとして使用するだけではなく、
積極的に冷却水の一部をリザーブタンクへ循環させるこ
とによって、リザーブタンク内で冷却水から空気や蒸気
などを分離、除去して冷却効率をより一層高めようとす
る内燃機関の冷却装置が、たとえば、実開昭52−90654
号公報、実開昭60−15922号公報、実開昭62−88829号公
報、実開昭56−99009号公報、実開昭59−81985号公報等
によって提案されている。
一般にこの種の冷却装置においては、リザーブタンク
と内燃機関本体又はラジエータとを結ぶ独立した往復の
冷却水通路を有するほか、リザーブタンクにはキャップ
などと共にリリーフ弁が設けられており、リザーブタン
ク内の圧力が所定値を越えると、タンク内の上層に溜ま
っている空気や蒸気がリリーフ弁から大気中に放出さ
れ、冷却装置内の圧力が過度に上昇しないようになって
いる。そして、この作用により、注水時等に冷却装置内
に入って残留している空気が比較的早く冷却水から分離
され、リザーブタンクのリリーフ弁から放出されるの
で、冷却効率を低下させる要因となることがない。
〔発明が解決しようとする課題〕
第2図は従来の技術の問題点を示している。この図に
おいて、1は水冷式の内燃機関、2はラジエータ、3は
リザーブタンク、4は内燃機関1の上部の冷却水通路の
出口1aからラジエータ2の上部へ高温の冷却水を送る
管、5はラジエータ2の下部から機関1の比較的下部に
設けられた冷却水通路の入口にある冷却水ポンプ6へ冷
却水を還流させる管、7はサーモスタット、8は機関1
の上部の冷却水出口1aから空気や蒸気を多く含む冷却水
の一部をリザーブタンク3へ送るために設けられる管
で、実際に車両に搭載される機関では、管8は管4や5
に沿わせて第2図図示のように垂れ下がった形の配管と
することが多い。9はラジエータ2の上部から空気や蒸
気をリザーブタンク3へ送るために設けられる管、10は
リザーブタンク3から冷却水を機関1へ戻すための管、
11はリザーブタンク3内で分離された空気や蒸気を、タ
ンク3内が所定の圧力以上となったときに大気中へ放出
するためのリリーフ弁を備えた注水用キャップをそれぞ
れ示している。
このような形の冷却水の配管を有する内燃機関の冷却
装置においては、機関を高負荷運転した直後に停止した
ような所謂デッドソークの状態では、機関1が高温にな
っている上に、冷却水ポンプ6が停止している結果、機
関1内には高温の冷却水が停滞しているために、機関1
内の冷却水通路では冷却水の蒸発が盛んになり、第2図
中に斜線で示したように、上部の冷却水通路には多量の
高圧蒸気が充満するが、管8が管4、5にくらべて細い
上に垂れ下がっているため、冷却水が溜って管8を塞ぐ
ので蒸気の抜けが悪く、水位線Lとして示した位置まで
冷却水の水位を押し下げて、ようやく蒸気がリザーブタ
ンク3へ抜けるような状態となる。
そのため、蒸気がリザーブタンク3へ抜ける前に、蒸
気によって押し下げられて機関1内から排除された冷却
水の方が先に管9、10等からリザーブタンク3へ入り、
収容しきれなくなった量の冷却水がリリーフ弁付きキャ
ップ11から外部へ噴出して失われることになる。
リザーブタンクを用いた密封式の冷却装置は、本来、
冷却水の補給を不要とするために設けられるものである
から、前記のような原因によって多量の冷却水が逸出す
るおそれがあるとすれば、機関冷却装置としての信頼性
を失うばかりでなく、冷却効率の向上の目的も達するこ
とができない。
そこで本発明は、この種の密封式の冷却装置を改良し
て信頼性を高めることを、発明が解決すべき課題とする
ものである。
〔課題を解決するための手段〕
本発明の内燃機関の冷却装置は、前記目的を達成する
ための手段として、機関の冷却水通路と、前記機関の冷
却水通路に管によって接続されるラジエータと、上部に
リリーフ弁を備えたリザーブタンクと、前記リザーブタ
ンクの上部とすくなくとも前記機関の冷却水通路の上部
とを接続する管を含む流入側の通路と、前記リザーブタ
ンクの下部と前記機関の冷却水通路の冷却水ポンプの入
口部付近とを接続する管を含む流出側の通路とを備えて
いることを前提条件とし、これに加えて、前記流入側の
通路及び流出側の通路がいずれも3〜12mmの内径を有す
ると共に、前記流入側の通路の最小断面積が前記流出側
の通路の最小断面積の1.5〜3倍の大きさを有すること
を特徴とするものである。
〔作用〕
本発明は前記のような手段を発明の構成要件とするか
ら、通常の運転状態においては、冷却水は内燃機関の冷
却水通路からラジエータへ循環するほか、その一部は流
入側通路を経てリザーブタンクに入り、そこで気液分離
されて空気又は過剰圧力の蒸気はリリーフ弁から外部へ
放出されると共に、残余の冷却水は流出側の通路から機
関の冷却水通路に戻るという循環をも行ない、効率よく
機関を冷却する。
デッドソーク状態のように、機関の冷却水通路の上部
に高圧の蒸気が溜って冷却水を押し下げることにより、
前記流出側の通路を逆流した冷却水などがリザーブタン
クに大量に注入されて、リリーフ弁から溢流しようとす
るとき、本発明の手段では、リザーブタンクの流入側と
流出側の通路の流れ抵抗に差をもたせてあるので、機関
の冷却水通路の上部の高圧蒸気は、そこに接続されてい
る抵抗の少ない流入側通路を通って円滑にリザーブタン
クに抜けると共に、流出側通路の比較的大きい抵抗によ
って、それを逆流しようとする冷却水の流れを抑制す
る。
〔実施例〕
本発明の実施例を第1図に示す。既に説明した第2図
のものと同じ部分には同じ符号を付して説明を省略す
る。この実施例の特徴は、リザーブタンク3に接続され
る3本の管8,9,10にオリフィスA,B,Cを設け、それらの
内径を相互の関係において規定したことである。
オリフィスA,B,Cの内径をそれぞれa,b,cとすると、そ
れらの値は、冷却水に含まれるゴミや錆等の夾雑物が詰
りにくい最小の大きさとして、3mm以上とする必要があ
るが、その反面、あまり大きくとると、機関1とラジエ
ータ2とを結ぶ主たる流路である管4及び5を通る冷却
水量が減少し、リザーブタンク3を循環する水量が増加
して、ラジエータ2において冷却される冷却水の量が減
少するので、最大でもオリフィスの径a,b,cは12mm以下
とする必要がある。
また、ラジエータ2はその構造上耐圧が比較的小さい
ので、デッドソーク状態においてラジエータ2に高い圧
力がかからないように、キャップ11に付設されたリリー
フ弁のリリーフ圧をラジエータ2の耐圧程度に設定する
必要がある。そして機関1の高熱負荷運転状態において
は、リザーブタンク3内の圧力PAはリリーフ圧に達して
いるが、このような状態でもラジエータ2の上部の圧力
PO′がその耐圧、すなわちキャップ11のリリーフ圧を大
きく越えないようにする必要があるので、リザーブタン
ク3への流入側オリフィスであるA及びBの開口の合計
面積Siを、流出側オリフィスCの開口面積SOの1.5倍以
上にとる必要がある。
しかし、反面それを3倍以上にとると、ラジエータ2
上部の圧力はリリーフ圧程度に抑えることができても、
冷却水ポンプ6の入口部12の圧力が過度に低下してキャ
ビテーションが発生し、ポンプ効率が低下することによ
り、循環水量が減少して冷却性能も低下するので、α=
Si/SOの値は、 1.5<α<3 …(1) したがって、3つのオリフィスA,B,Cの各内径a,b,cに
ついては、 の範囲とするのが妥当である。
なお、前記不等式(1)は次のようにして導びかれて
いる。すなわち、機関1の上部冷却水出口1aの圧力PO
ラジエータ2の上部の圧力PO′とは、太い管4によって
連通されていることによりほぼ等しいから、PO=PO′と
みなすと、リザーブタンク3への流入量QiはKを定数と
して、 であり、リザーブタンク3からの流出量QOは、ポンプ入
口部12の圧力をPiとすると、 であって、冷却装置が密封されているという条件からQi
=QOであるから、 一方、ラジエータ2の耐圧等、冷却装置の耐圧上の制約
から、リザーブタンク3の圧力すなわちリリーフ圧PA
対して、後述のように、 PO=1.1PA〜1.4PA …(6) でなければならないので、前記式(5)から、 PA−Pi=(0.1PA〜0.4PA)α2 したがって、 Pi=PA−(0.1PA〜0.4PA)α2 …(7) キャビテーション防止のためにPi>0とする必要がある
が、高回転域のようなPi→0を想定すると、 となり、 よって2.5<α2<10 となり、前記(1)式と同旨の 1.58<α<3.16 …(8) が得られる。
また、前記式(6)によって示す条件は、前述のよう
にオリフィスA,B,Cの内径a,b,cを3〜12mmの範囲から選
ぶ場合、リザーブタンク3を循環する流量についての実
流量Qと理論流量Q*との比Q/Q*は、差圧PO−PAとリリ
ーフ圧PAとの比(PO−PA)/PAに対して第3図に示すな
ような関係になり、差圧PO−PAの値が少くとも0.1PA
上でないと十分な流量が得られないことと、その反面、
第4図に示すように、経験上、管の継手部分がはずれる
等の冷却装置の破損確率は、(PO−PA)/PAの値が0.4
を越えると急激に高くなるために、差圧PO−PAの値を1.
4PA以下に抑えなければならないことから導かれたもの
である。
なお、リザーブタンク3への流入側の管8,9のどちら
かがない場合は、前記の式(2)においてa又はbの値
を0とすればよい。また、本実施例においては、 とすることにより、耐圧確保とキャビテーションの発生
を防止することができ、更に、a>bでかつa>cとす
ると、冷却水の逆流による逸出を防止できる。また、第
2図に示したものはオリフィスA,B,Cを設けて内径a,b,c
を定めているが、特別にオリフィスを設けなくても、管
8,9,10によりリザーブタンク3への流入・流出通路の各
最小内径をa,b,cとして、前記の式(2)によりa,b,cの
値を決定してもよい。
第1図に示す実施例の場合は、このようにして各管8,
9,10の流路抵抗に特定の相対関係を与えることにより、
デッドソークの状態でも、機関1の冷却水通路の上部に
溜る高圧の蒸気がリザーブタンク3へ抜けやすくなり、
その蒸気が冷却水を押し下げ、リザーブタンク3のキャ
ップ11のリリーフ弁から冷却水を噴出させるようなこと
が防止される。
〔発明の効果〕
本発明の構成により、冷却水をリザーブタンクに循環
させる密封式の冷却装置が有する弱点が克服され、その
信頼性が高められて、冷却水から空気や蒸気を分離して
高い冷却効率を挙げるというこの種の冷却装置本来の機
能を十分に発揮することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の実施例を示す冷却装置の全体構成図、
第2図は従来技術の問題点を示す冷却装置の全体構成
図、第3図及び第4図は本発明の手段を導くために用い
られる冷却装置における冷却水の特性を示す線図であ
る。 1…水冷式内燃機関、1a…冷却水出口、2…ラジエー
タ、3…リザーブタンク、3a,3b,3c…小室、4,5…管、
6…冷却水ポンプ、7…サーモスタット、8,9,10…管、
8a…垂れ下らない管、11…リリーフ弁付きキャップ、12
…ポンプ入口部。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 笹尾 茂夫 愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地 株式 会社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者 池谷 太郎 愛知県豊田市トヨタ町1番地 トヨタ自 動車株式会社内 (72)発明者 千野 善春 愛知県豊田市トヨタ町1番地 トヨタ自 動車株式会社内 (72)発明者 上川 康彰 愛知県豊田市トヨタ町1番地 トヨタ自 動車株式会社内 (56)参考文献 特開 昭59−201918(JP,A) 特開 昭54−39737(JP,A) 実開 昭53−136432(JP,U) 実開 昭60−23211(JP,U) 実開 昭61−84129(JP,U) 実開 昭58−66111(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) F01P 3/22 F01P 11/00

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】機関の冷却水通路と、前記機関の冷却水通
    路に管によって接続されるラジエータと、上部にリリー
    フ弁を備えたリザーブタンクと、前記リザーブタンクの
    上部とすくなくとも前記機関の冷却水通路の上部とを接
    続する管を含む流入側の通路と、前記リザーブタンクの
    下部と前記機関の冷却水通路の冷却水ポンプの入口部付
    近とを接続する管を含む流出側の通路とを備えており、
    前記流入側の通路及び流出側の通路がいずれも3〜12mm
    の内径を有すると共に、前記流入側の通路の最小断面積
    が前記流出側の通路の最小断面積の1.5〜3倍の大きさ
    を有することを特徴とする内燃機関の冷却装置。
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