JP5102832B2 - 冷却システム - Google Patents

Description

本発明は、エンジン用の冷却システムに関し、前記冷却システムは内部回路と外部回路に分割される。内部回路は、ラジエータ、冷却ポンプ、サーモスタット・ハウジング、エゼクタ・ポンプ、及びエンジン内部に配置された冷却チャネルを含む。エゼクタ・ポンプは、膨張タンクと、膨張タンクとエゼクタ・ポンプを相互接続する管路系統、及び内部回路と膨張タンクを相互接続する管路系統を含む外部システムから冷却液を吸い込み、その冷却液を内部システムに送るように構成される。

更に、本発明は、内燃機関の冷却システムを加圧するエゼクタ・ポンプに関する。

当業者によって周知のように、エンジンの冷却システムの主な目的は、エンジン内で生成された熱をラジエータに移すことであり、そこで熱は周囲空気に発散される。冷却システムは、その最も単純な形態では、例えば冷却されるエンジンのシリンダ壁上に配列された面積拡張金属フィンを有することがある。このタイプの冷却は一般に空冷と呼ばれ、内燃機関に使用された最初の冷却システムであった。

現代の高性能エンジンでは、空冷はエンジンを冷却するのに十分ではなく、代わりに、冷却液による冷却システムが配置される。冷却液は、通常、不凍液及び耐蝕剤と混合された水であり、管路系統は、冷却液をエンジン内の冷却チャネル（冷却液がエンジンから熱を吸収し、それによりエンジンを冷却する）からラジエータに流すように構成され、ラジエータでは、吸収された熱が周囲空気に発散される。このタイプの冷却は一般に水冷と呼ばれ、空冷よりはるかに効率的である。

冷却が多過ぎたり少な過ぎたりしないように、通常は、冷却液の管路系統にサーモスタットが設けられる。サーモスタットの目的は、冷却液が必要以上に冷却された場合にラジエータを迂回するように冷却液の方向を変えることである。

しかしながら、水冷に関連して解決すべき幾つかの問題がある。

第１に、冷却液温度が高くなりやすく、冷却液温度が高いと最大冷却速度が速くなり（冷却液と周囲空気の温度差が大きくなるため）またエンジンの燃焼室から冷却液への熱移動が少なくなり、これは、エンジン効率にとって有利である。温度が高いほど、プラスチック材料又はゴムでできた冷却システム構成要素上の応力レベルが高くなる。特に、膨張室（当業者によって周知の構成要素）は、高い冷却液温度に耐えなければならない場合にはかなり高価になる構成要素である。

第２に、水冷システムにはキャビテーションの問題がある。キャビテーションとは、減圧によって液体が沸騰し、それにより液体中に気泡が生じることであるが、そのような気泡の寿命はきわめて短く、液体の圧力が通常レベルに戻るとすぐに気泡は液体に消滅する。キャビテーションは、気泡の消滅によって起こる「ミクロショック」のために冷却システム構成要素に有害であり、冷却システムではかなり一般的である。キャビテーションの結果（例えば、冷却システムを構成する金属構成要素中の小さな「穴」）は、例えばポンピング・フィン上に見られることがある。

第３に、水冷システムにはエンジン停止後の沸騰の問題、即ちエンジンの停止後に冷却液が冷却システム内で循環しなくなるという問題がある。例えばシリンダ壁や排気マニホルドからの余熱が冷却液に伝わって冷却液が沸点に達する。当業者によって周知のように、気体の体積は、その気体が出る液体の体積の１００倍以上多くなる。沸騰によって体積が大きくなると、冷却システムから冷却液が押し出される可能性があり、これにより冷却液の消費が多くなる。

第４に、冷却液が常に脱気されない場合に空気吸込みが問題を引き起こす可能性がある（むしろ問題となる）。先行技術システムでは、冷却液の脱気は膨張室内で行われるが、以下で明らかなように、これは将来的にあまり効率のよい解決策ではない。

エンジン停止後のキャビテーションと沸騰に関する問題を軽減する１つの既知の方法は、冷却液の圧力を高めることである。しかしながら、これは、膨張タンクが高圧に耐える容器、即ち、厚い壁を有する容器、でなければならないので、かなり高価である。

特許文献１は、冷却液の循環用のエンジン冷却液ジャケットに接続されたラジエータ、冷却液をラジエータからエンジンに送るポンプ、無圧貯蔵ボトル、又はラジエータと連通し冷却液をポンプ出口からポンプ入口に導くポンプのまわりの再循環管路内のベンチュリ管と連通する補給管路を有する膨張容器、を有する自動車冷却システムについて述べている。ベンチュリ管によって、補給冷却液を貯蔵ボトルから大気圧で追加することができ、それによりボトルを比較的軽量の材料で作成できる。

特許文献１は、冷却システムに圧力をかけることによってキャビテーションの問題をある程度軽減しているが、膨張容器内で冷却液の脱気が行われるため、冷却システムから膨張容器への冷却液の一定の流れが必要となる。低いエンジン速度でエンジンが停止されたとき、冷却システム内の圧力上昇は、あったとしても僅かしかなく、その理由は、ラジエータと膨張容器間に毛細管（３４）が設けられているので、冷却システムと膨張室内の圧力が、低いエンジン速度のとき又はエンジンが停止されたときにすぐに等しくなるからである。従って、特許文献１による設計は、エンジン停止後の沸騰の問題に全く対処していない。

特許文献２は、圧縮空気をターボ・チャージャから膨張容器に送ることによって内圧を高める冷却システムについて述べている。この解決策は、単純でコスト効率がよいが、高価な耐圧膨張容器やエンジン停止後の冷却液沸騰の問題に対処していない。

米国特許第４，３４６，７５７号明細書 米国特許第６，８８６，５０３号明細書

膨張容器を圧縮空気にさらすことに関する１つの問題は、このタイプの容器がしばしば「呼吸」し、入口弁が開かれるたびに冷却液が容器から漏れる可能性があることである。

従って、本発明の目的は、低いエンジン速度でエンジン停止後に圧力が維持される高い圧力を有する冷却システムを提供することである。

以上の目的は、本発明により、膨張タンクと内部冷却回路を相互接続する管路系統内に配置された一方向弁の提供によって解決される。

十分な動作圧力に達するために、一方向弁は、約０．５バールの開口圧力を有することができる。

一方向弁が、約０．５バールの開口圧力を有する場合は、膨張タンクからエゼクタ・ポンプに冷却液を流す第２の一方向弁が提供されることが好ましい。

冷却液を効率的に脱気するために、脱気タンクが、エンジン冷却システム内の高い位置からの管路系統と、冷却液ポンプの入口からの管路系統と、ラジエータの上部からの管路系統と、内部回路と膨張タンクを相互接続する管路系統の接合部して働くことができる。

脱気タンクは、約１〜５リットルの容積を有することができる。

更に、エゼクタ・ポンプは、膨張タンクに接続された入口チャンバと、入口チャンバ内で開き入口チャンバと接続するネック部の方に冷却液の流れを噴射するノズルと、ノズルから噴射された冷却液流の流れ方向に大きくなる直径を有する混合ゾーンとを含む。

十分なポンピング効果を得るために、ノズル直径は約２〜４ｍｍでよく、ネック直径は約５〜１０ｍｍでよい。混合ゾーンの長さは、ネック直径の約４〜１０倍でよく、混合ゾーン１７５は、ネック直径の約２〜３倍大きい直径を有することができる。

本発明による冷却システムの概略図である。 本発明によるエゼクタ・ポンプの概略断面図である。

以下では、本発明は、添付図面と関連して説明される。

図１では、本発明による冷却システム１００が概略的に示される。冷却システム１００は、膨張タンク１１０、ラジエータ１２０、エンジン１３０の冷却システム、冷却液ポンプ１４０、脱気タンク１５０、サーモスタット・ハウジング１６０及びエゼクタ・ポンプ１７０、並びに後述するようにこれらの構成要素を接続する配管、ホース又は管路系統を含む。

膨張タンク１１０は、膨張タンク１１０をエゼクタ・ポンプ１７０のエゼクタ・ポンプ入口１７１に接続する冷却水放出ホース１８０を備える。ホース１８０内の一方向弁１９０は、膨張タンク１１０からエゼクタ・ポンプ１７０へ冷却液を流すが、冷却液が逆方向に流れないようにする。

エゼクタ・ポンプ１７０のエゼクタ・ポンプ出口１７２は、冷却液ポンプ１４０の冷却液注入口１４１に接続される。冷却液ポンプの冷却水出口１４２は、エンジン１３０の内部冷却システムに接続される。更に、エゼクタ・ポンプ１７０の動力接続（power connection）１７３は、冷却液ポンプ出口１４２に接続され、冷却液を冷却水出口１４２からエゼクタ・ポンプ１７０の動力接続に流す。

冷却液ポンプ１４０からエゼクタ・ポンプ１７０に流れない冷却液は、エンジン１３０の内部冷却システムを通り、摩擦と燃焼による熱を収集してサーモスタット・ハウジング１６０の入口に入る。サーモスタット・ハウジングに収容されたサーモスタット（図示せず）は、冷却液の温度によって、ラジエータ１２０の上部１２１か、冷却液注入口１４１か、又は冷却液温度が許容限度内にある場合は上部１２１と冷却液ポンプ入口１４１の両方に冷却液の流れを導く。

ラジエータの下部１２２は、冷却液ポンプ入口１４１に接続される。

脱気タンク１５０は、エンジン１３０の冷却システムの上部、ラジエータ１２０の上部１２１、冷却液ポンプ入口１４１、及び膨張タンク１１０に接続される。脱気タンク１５０と膨張タンク１１０の間の接続部に一方向弁１５１が提供され、この一方向弁は、脱気タンク１５０から膨張タンク１１０への冷却液の流れを許容する。本発明の好ましい実施形態では、一方向弁は、許容方向に約０．５バールの開口圧力を有する。

本発明の１つの特定の実施形態では、圧力ガード２００は、エゼクタ・ポンプ出口１７２での圧力が特定値、例えば、０．６バール、を超えた場合にポンプ出口１４２から動力接続１７３を通る冷却液の流れを制限する。

以上のことから分かるように、冷却システム１００は、エンジン１３０内の冷却チャネル、冷却液ポンプ１４０、サーモスタット・ハウジング１６０、脱気タンク１５０、エゼクタ・ポンプ出口１７２とその動力接続１７３、及びそのような構成要素を接続する管路系統とホースを含む内部回路と、脱気タンク１５０から膨張タンク１１０までのホース間の接続と、膨張タンク１１０自体、エゼクタ・ポンプ入口１７１、及び膨張タンク１１０とエゼクタ・ポンプ入口１７１を接続するホースとを含む外部回路とに分けることができる。エンジンの運転中、内部回路内の冷却液の流量が増え、外部回路内の冷却液の流量は極めて少なくなる。

図２では、エゼクタ・ポンプ１７０の概略図が示される。前述のように、エゼクタ・ポンプ１７０は、エゼクタ・ポンプ入口１７１、エゼクタ・ポンプ出口１７２、及び動力接続１７３を有する。当業者によって周知であるが、エゼクタ・ポンプの機能を以下に簡潔に説明する。

上記の接続の他に、エゼクタ・ポンプ１７０は、動力接続１７３に接続されたノズル１７４、出口１７２と連通する混合ゾーン１７５、及びネック部１７６を有する。ノズル１７４は、入口チャンバ１７７内で開き、入口チャンバ１７７は、入口１７１と連通し且つネック部１７６より大きい直径を有し、ネック部１７６は、入口チャンバと混合ゾーンを接続する。使用する際、任意の液体（但し、この場合は、冷却液が好ましい）の噴流が、ノズル１７４からネック部１７６の方に噴射される。噴流は、入口チャンバ１７７から液体を引き出し、これによりエゼクタ・ポンプ１７０のポンピング操作が行われる。ノズル１７４とネック部１７６のそれぞれの直径の比率は、概してエゼクタ・ポンプのポンピング特性にきわめて重要であり、ノズル径／ネック径の比率が小さい場合、即ち、１に近い場合、エゼクタ・ポンプは、圧力性能が高くなるが、１時間当たりにポンピングされる最大量が制限される。ノズル径／ネック径の比率が大きい場合はこの逆になる。

以下に、冷却システム１００の機能的問題について述べる。

エンジン始動時に、冷却液ポンプ１４０は、エンジン・クランク軸への接続又は電源システムへの電気接続によってエネルギー供給される。エネルギーが供給されると、冷却液ポンプは、冷却液を冷却液注入口１４１から冷却水出口１４２にポンピングし始め、サーモスタット・ハウジングに収容されたサーモスタットが高すぎる冷却液温度を検出した場合は、このポンピングによって、エンジン１３０、サーモスタット・ハウジング１６０及びラジエータ１２０内に冷却液が流される。冷却液温度が低くなると、サーモスタットは、冷却液の流れの少なくとも一部分を直接冷却液注入口１４１に流す。

冷却液ポンプ１４０による冷却液のポンピングによって、冷却液注入口１４１と冷却水出口１４２の間に圧力差が生じ、前に述べたように、動力接続１７３が冷却液注入口１４１と冷却水出口１４２を接続することを理解するであろう。これにより、冷却水出口から冷却液注入口に向かって冷却液が流れることになる。冷却液流は、冷却ポンプ１４１のノズル１７４を通って流れ、これにより図で分かるようにエゼクタ・ポンプ入口１７１に接続された入口チャンバ１７７から冷却液が引き出される。最終的に、これにより、冷却液が、冷却水出口ホース１８０を介して膨張タンク１１０から取り出される。当業者によって理解されるように、冷却液が膨張タンクからエゼクタ・ポンプを通って冷却液注入口１４１の方に流れると、冷却システムの内部回路内の圧力が上昇する。

冷却液を脱気するために、脱気タンク１５０が、エンジン１３０の冷却液システム内の高い箇所と、ラジエータ１２０の上部１２１と、膨張タンク１１０と、冷却液注入口１４１とに接続される。冷却液ポンプ１４０のエネルギー供給中、冷却液は、エンジンの冷却システム内の高い箇所とラジエータ１２０の上部１２１からそれぞれ脱気タンクに流れ、ラジエータ１２０全体の圧力が低下する結果、脱気タンクから冷却液注入口１４１への流れが生じる。

更に、一方向弁１５１を介して脱気タンク１５０から膨張タンク１１０に冷却液（場合によっては気泡と混ざった）が流れる。この流れは、膨張タンク１１０から冷却液注入口１４１へのエゼクタ・ポンプ１７０のポンピングによるものであり、このポンピング操作によって、前述のように、冷却システムの内部回路内の圧力が高まる。

前述のように、一方向弁１５１は、約０．５バールの開口圧力を有してもよく、この場合、これは冷却液システム内の最大圧力になる。

エンジン停止後、冷却システム内の冷却液は、最初、例えばエンジン・オイル、シリンダ壁、排気システムから伝わる熱によって加熱される。その結果、冷却液の量が増える。冷却システム内の圧力が一方向弁１５１の開口圧力より高くなると、一方向弁１５１を通って膨張タンク１１０まで冷却液が流れるようになる。

エンジンが停止した後で、冷却液の温度は周囲温度に順応し、この温度は、通常、運転中のエンジンの冷却液温度よりもかなり低く、これにより冷却液の体積が減少することは明かである。体積の減少によって、冷却液の圧力が膨張タンク１１０内の圧力より低くなると、冷却液は、一方向弁１９０とエゼクタ・ポンプ１７０に吸い込まれる。

以上、本発明による冷却システムの主な構成要素と機能を示した。しかしながら、本発明の範囲内でいくつかの修正が可能である。

そのような１つの修正は、脱気タンク１５０に蓋１５５を提供することである。蓋１５５は、冷却システムの蓋に通常ある弁のない全く単純な蓋であることが好ましく、その唯一の機能は、冷却システムが空のとき、例えば、冷却システムの修理後又は冷却システムを修理するとき、に冷却液の充填を可能にすることである。システム内に冷却液を定期的に充填するために蓋１５５は使用されないことが好ましい。

別の修正は、膨張タンク１１０に蓋１１５を提供することである。この蓋は、複数の弁、例えば、膨張タンク内の圧力が大気圧より低い場合に周囲空気を膨張タンクに入れる真空弁と、膨張タンク内の圧力が例えば０．２バールを超える場合に膨張タンクからガス又は冷却液を開放する１つの安全弁を備えてもよい。

本発明の別の実施形態では、脱気タンク１５０と膨張タンク１１０の間の接続は、最低水位のレベルより下で開き、一方向弁１５１が故障した場合に、接続部のそのような位置決めによって、エンジンが冷えた際に空気がシステム内に吸収されるのを防ぐ。

本発明は、冷却液システム圧力を高めるコスト効率が高く単純で確実な手段を示す。

寸法
重車両用の内燃機関を冷却するために使用されるとき、本発明による冷却システムの脱気タンク１５０は、約１〜５リットルの容積を有することができる。本発明のこの用途では、ノズル１７４は、約２〜４ｍｍの直径を有することができ、ネック部１７６の直径は約５〜１０ｍｍでよい。混合ゾーン１７５の長さは、ネック部（１７６）の直径の約４〜１０倍でよく、混合ゾーン（１７５）は、ネック部１７６の直径の約２〜３倍大きい直径を有することができる。この応用例の冷却液の通常の動作温度は、約８０〜１０７℃でよい。

本発明は、前述の実施形態に限定されると考えられるべきでなく、添付の特許請求項の範囲内で自由に修正することができる。例えば、脱気タンク１５０は、ラジエータ１２０の上部１２１と一体化されてもよい。ラジエータ１２０は、水平の冷却液パイプと垂直の入口及び出口タンクを備えたクロスフロー形ラジエータでよい。

１００ 冷却システム
１１０ 膨張タンク
１２０ ラジエータ
１２１ ラジエータ１２０の上部
１２２ ラジエータ１２０の下部
１３０ エンジン
１４０ 冷却液ポンプ
１４１ 冷却液注入口
１４２ 冷却水出口
１５０ 脱気タンク
１５１ 一方向弁
１５５ 蓋
１６０ サーモスタット・ハウジング
１７０ エゼクタ・ポンプ
１７１ エゼクタ・ポンプ入口
１７２ エゼクタ・ポンプ出口
１７３ 動力接続
１７４ ノズル
１７５ 混合ゾーン
１７６ ネック部
１８０ 冷却水放出ホース
１９０ 一方向弁
２００ 圧力ガード

Claims (9)

1. エンジン（１３０）用の冷却システム（１００）であって、前記冷却システムは、内部回路と外部回路に分割され、前記内部回路が、ラジエータ（１２０）、冷却ポンプ（１４０）、サーモスタット・ハウジング（１６０）、エゼクタ・ポンプ（１７０）、前記エンジン（１３０）内に配置された冷却チャネル、脱気タンク（１５０）、及び前記構成要素を接続する管路系統から成り、前記外部回路が、膨張タンク（１１０）、前記膨張タンクと前記エゼクタ・ポンプの入口（１７１）とを相互接続する管路系統、及び前記内部回路の前記脱気タンク（１５０）と前記膨張タンクを相互接続する管路系統から成る前記エンジン（１３０）用の冷却システム（１００）であり、前記エゼクタ・ポンプは、冷却液を前記外部回路から引き出しその冷却液を前記内部回路に送るように、該エゼクタ・ポンプの動力接続（１７３）が前記冷却ポンプの出口（１４２）に接続され、且つ該エゼクタ・ポンプの出口（１７２）が前記冷却ポンプの入口（１４１）に接続されており、前記膨張タンク（１１０）と前記内部回路の前記脱気タンク（１５０）とを相互接続する管路系統内に一方向弁（１５１）が配置されたことを特徴とする冷却システム。
2. 前記一方向弁（１５１）は、約０．５バールの開口圧力を有する、請求項１に記載の冷却システム（１００）。
3. 前記膨張タンク（１１０）から前記エゼクタ・ポンプに冷却液を流す第２の一方向弁（１９１）を更に備えた、請求項１又は２に記載の冷却システム（１００）。
4. 前記脱気タンク（１５０）は、前記エンジン（１３０）冷却システム内の高い位置からの管路系統、前記冷却液ポンプ（１４０）の入口（１４１）からの管路系統、前記ラジエータ（１２０）の上部（１２１）からの管路系統、及び前記内部回路と前記膨張タンクを相互接続する管路系統の接合部として働く、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の冷却システム（１００）。
5. 前記脱気タンク（１５０）は、約１〜５リットルの容積を有する、請求項４に記載の冷却システム。
6. 前記エゼクタ・ポンプ（１７０）は、前記膨張タンク（１１０）に接続された入口チャンバ（１７７）と、前記入口チャンバ内で開き冷却液流を前記入口チャンバ（１７７）の下流に繋がるネック部（１７６）の方に噴射するためのノズル（１７４）と、前記ノズル（１７４）から噴射された前記冷却液流の流れの方向に大きくなる直径を有する混合ゾーン（１７５）とを有する、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の冷却システム。
7. 前記ノズル（１７４）の直径は、約２〜４ｍｍである、請求項６に記載の冷却システム。
8. 前記ネック部（１７６）の直径は、約５〜１０ｍｍである、請求項６又は７に記載の冷却システム。
9. 前記混合ゾーン（１７５）の長さは、前記ネック部（１７６）の直径の約４〜１０倍であり、前記混合ゾーン（１７５）は、前記ネック部（１７６）の直径の約２〜３倍大きい直径を有する、請求項６乃至８のいずれか１項に記載の冷却システム。

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