KR920007890B1 - 내연기관 냉각방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

내연기관 냉각방법 및 장치

제1도는 본 발명으로 실시한 냉각시스템으로서 설비된 기관의 사시단면도.

제2도는 본 발명의 실시예의 사시도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

20, 26 : 냉각재 재키트(jacket) 34, 112 : 밸브(valve)

38 : 펌프(pump) 42 : 열 교환기

52 : 항온스위치 54 : 조절밸브

64 : 응축실 68 : 압력 릴리이프 밸브

70 : 회복응축장치 10 : 응축실

본 발명은 내연기관의 냉각방법과, 그 방법을 수행하기 위한 장치에 관한 것이다.

현재 전 세계에서 가동되는 양방향 변의 내연기관의 대다수는, 연소실 둘레에 냉각재키트와 열교환기(방열기)로 구성되는 폐쇄회로 내에 물을 근간으로 하는 냉각재를 펌프함으로써 냉각된다. 대부분의 저마력 엔진이나 일부의 항공기 엔진과 같은 몇몇 엔진들은 공냉시키는데, 그러나 여러 주위조건 하에서 오랜 엔진수명과 좋은 성능을 보장하기 위해서 요구되는 적당하게 안정된 온도를 유지하는 것이 불가능하기 때문에 대형의 고정된 지상용 차량에는 공냉이 아주 적합치 못하다.

실제상으로, 모든 액냉기관은 물을 쓰거나 물속에 에틸렌 글리콜과 같은 부동재를 탄 용액을 사용한다. 냉각재로써의 물의 상용은 많은 장점을 가졌는데, 지구상의 대부분에 많은 양이 자연물로서 존재한다는 것과 가연성이 없고 우수한 열전달 특징이 있다는 점이다. 그 장점들은 부식을 일으키고 불순물의 침전을 남긴다는 그 단점들을 보상하고도 남는데, 그런 단점들은 어느 경우에라도 부동재의 첨가에 의해 크게 극복될수 있다.

지난 20여년간 특히 최근에 기관 냉각 시스템의 운전온도에 약간의 상승이 있었는데, 이것은 열의 폐기율을 낮추고 기관의 효율을 증대시키기 위하여 시스템의 압력을 높히는 것과 더 높은 온도의 항온기의 사용을 가능하게 해준다. 열 싸이클에서 폐기하는 것보다 더 높은 출력을 사용하는 것에 의해서 뿐만 아니라 연소실 벽을 더 뜨겁게 유지하는 것에 의해 불꽃의 사그러짐을 감소시키는 것에 의해 , 더 높은 냉각재 온도는 효율을 상승시킨다. 한편, 냉각계에서 더 높은 온도와 압력은, 호스와 커플링(coupling)의 누출과 파괴와 같은 유지의 문제와 기관의 과열, 기관의 노킹, 바람직하지 않은 오일(oil)의 높은 온도, 질소 산화물 방출의 증가를 허용하는 경향이 더 커지는 운전상의 문제를 일으킨다.

순환하는 액체 냉각의 알려져 있는 효율성에도 불구하고, 또한 단점도 알려져 있다. 이 냉각계는 이 계가 만나는 최고의 열하중을 다룰 수 있을 정도의 충분히 커다란 열 교환기와 많은 양의 냉각재를 공급하는 것이 필요하다. 그렇지 않으면 기관은 때때로 과열되고 심각하게 파손될 수 있다. 이러한 요구들은 이 계에 중량과 경비를 추가시킨다. 냉각재는 이 냉각제 재키트의 상부에서 열교환기로 순환되고 냉각재 재키트의 하부로 되돌아온다 이것은 실린더 벽을 따라 상당히 가파른 온도구배를 낳는 경향이 있으며, 이러한 경향은 실린더 직경이 위에서 아래로 내려오며 변하게 한다. 링들은 신장과 축소되어야 하고 그런 변형은 링과 링이 닿는 피스톤 면의 마모를 낳는다. 실린더 벽의 하부는 자주 수증기의 노점 이하에서 존재한다. 기관 윤활유 안으로 혼합된 수증기 응축물은 윤활유를 오염시키고 산과 찌꺼기의 형성을 낳는다. 액체를 펌프하는 계에서 사용되는 에틸렌 글리코, 아니린(ani line)과 같은 고온 액체 냉각재로 행한 초기 실험의 기술문헌에 몇가지 보고서가 있다.(참조, 깁슨, 에이. 에치., 저 ＂항공기관 효율＂, 왕립항공협회뵈보, NO. 3, 1920; 프랑크, 지이. 떠블유., ＂고온 액체 냉각＂, SAE(미국 자동차 기술자 협회) 저어널, 제25권, 1929년 10월호 329-340페이지; 우드,에치., ＂액체 냉각 항공 기관＂, SAE저어널, 제39권, 1936년 7월호,267-287)페이지. 이 보고서안에 서술된 문제들은 바람직한 수준 이상에서 잘 동작하는 헤드 온도, 뜨거운점, 냉각재의 누설의 실례들을 포함한다.

영(young)은 아래에 635페이지에서 자동차 기관 냉각재 온도를 그당시의 기술수준인 섭씨60도에서 섭씨82도 사이에서 그 이상의 수준으로 상승시키는 것을 검토했다. 압축되지 않은 에틸렌 글리콜이 물의 비등점보다 높은 온도에서 작동할 수 있는 냉각재로써 이용될수 있을 것이라고 조심스럽게 제안했고, 열의 낭비가 줄어들고 불씨가 일반기관에서 또한 기대될수 있다＂는 것을 관찰했다(635페이지). 영은 물과 부동재의 고용액을 사용하는 압축된 액체계의 제안으로서 그의 검토를 결론지었다.

배일리 영국 특허 제480,461(1938)호는, 비정상적으로 높은 부하하에서 발생된 증기를 모아서 응축하고 응축된 것을 저장하는 응축기에 의해 보충되는 항공기 기관을 위한 가압 순환 수냉계를 제시하였다. 밸브계는 기관이 정지되어 냉각될 때까지 응축물의 귀환을 방해한다. 증기는, 펌프된 액체흐름안에 실린 냉각재 재키트를 떠나고, 액체로부터 수증기를 분리하기 위하여 ＂모탱크＂를 필요로 한다.

냉각재 재키트를 떠나는 증기의 출구는 액체 냉각재의 유동율에 의존하기 때문에,냉각재 재키트의 대부분 특히 연소와 배기부분에 가까운 부분은 만일 증기 발생율이 액체 냉각재 흐름율의 실질적인 퍼센트가 된다면 증기로 채워질 것이다. 물과 에틸렌 글리콜이 50대50비율로 구성된 냉각재를 172킬로 파스칼(kpa) 게이지의 고압으로 가압하고 섭씨104도에서 작동하는 온도조절밸브로써 장치된 표준액체 냉각 시스템을 이용하는 현재의 기술에 따르면 개숄린(gasoline)을 연료로 하는 자동차 기관은, 받아들일 수 없는 노크, 기관헤드를 갈라지게 하는 열웅력 그리고 고르지 않고 지나친 기관온도의 다른 역 효과들 없이 견디어 낼수 있는 부피가 큰 냉각재 온도의 상한선에 도달할 것으로 보인다. 사실 바람직스럽지 않은 노크는 연소실 천정에 쌓인 탄소퇴적물이, 조기점화와 폭음을 일으키는 타오르는 불씨를 위한 장소를 제공하기 시작할 때 수천 킬로메타의 주행후에 자주 발생한다.

연료가 연소실로 분사될 때 디젤기관에서는 점화가 일어난다. 따라서 불씨에 의한 조기점화가 개솔린 스파크-점화 기관에서 만큼 중요하지 않다. 그럼에도 불구하고, 디젤기관에서 종래의 액체 냉각계에 의해 냉각되는 기관의 전형적 문제점인 고르지 않은 지나칠 정도의 높은 온도는 기관의 생산이 증가하는데에 비례하여 부품의 파손과 파괴를 일으킨다.

[증기 냉각 시스템]

내연기관의 초기 시절에는 증기 냉각(끓어넘치는 또는 증기의 냉각이라고도 불리웠다.) 이 아주 일반적이었다. 증기냉각 시스템에 있어서 냉각재는 냉각재 재키트안에서 끓토록 허용되었고 약간의 물과 함께 증기상으로 응축장치 안으로 유입되었다. 응축된 증기는 중력 또는 펌프에 의해 기관으로 되돌아 왔다. 증기 냉각시스템은 약1930년 경 자동차의 부품으로 이용되지 않게 되었다. 그것은 아마도 다양한 조건하에서도 적절히 안정된 기관온도를 공급하는 것을 가능하게 해주는 항온기 조절이 액체 냉각 시스템을 대신하기 시작하면서 일 것이다. 더구나, 증기 냉각 시스템은 증기에 의해 과부하를 받으며, 압력 릴리이프 밸브를 통한 냉각재의 손실이 지나쳤다.

지난 50-60년 동안 여러 가지 증기 냉각 시스템들이 발표된 기술문헌, 특허문헌에 제안되었다. 그러나 그 어느것도, 구멍을 파는 산업분야에서 사용되는 기관과 같은 고정위치에서 운전하는 기관을 위한 시스템을 제외하고서는 적적한 상업적인 성공을 이루지 못하였다. 증기 냉각을 이용한 작업은 그럼에도 불구하고 그것이 주는 몇가지 장점 때문에 추구되어 왔다. 그 중요한 장점들은 다음과 같다.

1) 냉각재를 끓이거나 응축하기 위한 열전달 계수가 액체 냉각재의 온도를 높히거나 낮추는 것에 대한 계수보다 더 큰수이다.

2) 비등이 일정온도에서 일어나고(일정압을 가정할 때), 따라서 실린더 벽의 마찰면을 따라 온도가 거의 일정하게 되고, 그것은 링이 안과 밖으로 작업함에 따라 링과 링이 닿는 면의 마모를 감소시킨다.

3) 일반적으로 실린더 벽의 밑에 부분에서의 더 높은 온도 레벨은 더 일정한 온도를 암시하고 그것은 열방출과 불꽃진화, 마찰을 감소시켜 연료의 경제성을 향상시킨다.

4) 증기 시스템에서 냉각재의 양은 액체 시스템에 비해 훨씬 적으며, 이것은 중량을 감소시킨다.

5) 저압 증기 시스템은 더 가볍고 더 싼 호스와 커플링을 가지며, 액체 시스템에 비해 누습과 파괴가 적게 일어난다.

제시된 증기 냉각 시스템의 보기들은 다음에서 찾을 수 있다. 뮈르의 미합중국 특허 제1,658,934호(1928), 뮈르의 미합중국 특허 제1,630,070(1927), 암스트롱의 미합중국 특허 제1,432,518(1922), 바로우의 미합중국 특허 제3,384,304(196 8), 르헤르트의 미합중국 특허 제3,731,660(1973), 에반스(본 발명의 발명자)의 미합중국 특허 제4,367,699(1983), 영 에프.엠.의 ＂고온 냉각 시스템 ＂SAE회보, 제2권, 제4호,1948년 10월호.

본 발명의 발명자가 알고 있는 하나의 예의를 제외하고는 모든 선행기술의 증기냉각 시스템은 냉각재로써, 물을 많이 포함하고 있는 물-부동재 고용액이나 물을 사용하였다. 모든 선행기술의 시스템은 비현실적인 것으로 믿어지는데 그것은 주위의 고온과 기관의 중부하 또는 무부하 하에서 기관에 의해 생성된 증기의 부피는 실제적인 크기의 응축장치에 의해 취급될수 없기 때문이다.

더욱 중요한 것은 주위 조건이나 작동조건이, 많은 양의 증기가 기관에서 발생하고 냉각시스템의 효율이 크게 감소될 정도일때 증기의 많은 양이 기관 냉각재 재키트 안에서 존재하고 기관을 냉각시키기에 유용한 액상 냉각재를 대신한다. 증기 방해와 막비등 현상이 고온부분 특히 연소실 천장부분, 배기부, 연소실과 배기부 사이의 통로를 포함하는 도관에서 발생한다. 막비등과 함께 존재하는 증기 방해는 금속에서 냉각재로의 열전달을 감소시키고, 불씨를 만들어 지독한 노킹이 일어난다. 큰량의 증기가 블록(block)냉각재 재키트로부터 헤드 냉각재 재키트로 들어오고, 헤드안에 증기와 함께 공존하는 액체 냉각재의 양은 감소된다. 기관이 정지되지 않으면 손상을 줄 정도의 과열이 일어난다. 모든 가능성 중에 냉각재의 누출이 시작되기만하면, 상당히 오랜 시간을 계속되고 심지어는 엔진이 정지된 후 까지도 계속되고, 냉각재의 손실이 너무커서 냉각재를 제공급한 후에야 비로서 다시 운전될 수 있다.

냉각 재키트 내에서의 비등은 결코 비등 액체 냉각 시스템에 제한 되지 않는다. 기관연소실 내의 불꽃의 최고 온도는 1090℃(2000℉)이고 전형적인 배기개스 온도는 디젤기관에서는 482℃(900℉)이고 개솔린 기관에서는 760℃(1400℉)이다. 연소실 천정과 배기부에 인접한 냉각재 재키트의 표면온도는, 큰 부피의 냉각재가 냉각재의 포화온도보다 훨씬 낮은 온도에서 유지되는 순환 액체 냉각 시스템에서 조차도 냉각재의 부분적인 비등을 일으킬 정도로 충분히 높다. 어떤 액체내에서의 열전달은, 그렇게 인접한 곳에서 냉각재가 낮은 온도로 유지되는 냉각재의 부분까지 액체를 가로질러 온도구배를 막을 정도로 충분히 좋지 않다. 재키트의 뜨거운 금속벽에 인접한 액체 냉각재는 포화온도에 있고, 증기화되는 과정에 있다.

에반스의 미합중국 특허 제4,367,699에는 디젤 싸이클 기관의 증기상 냉각을 위한 냉각제로서 ＂순수한 에틸렌 글리콜＂을 사용할 것을 제안했다. 본 발명자가 아는 한에서는 고포화 온도, 물을 적게 함유한 냉각재를 증기냉각 시스템에 사용하도록 공표한 것은 그것이 최초이다. 이 정보는 이.피.씨(E.P.C)출원 제0.041,853호의 에반스의 출판을 통하여 1981년 12월16일에 공개적으로 알려졌다. 그러나, 비등하지 않는 냉각재(포화온도가 너무 높아 기관내에서 비등하지 않는 냉각재)가 순환되는 액체냉각 시스템을 갖는 디젤기관에서 적어도 실험적으로 제안되고 사용되었다고 믿어진다. 디젤기관이 고온에서는 개솔린 기관보다 더 적절하고 유리하게 운전된다는 것은 알려져 있다.

앞서 있던 모든 증기냉각 기술에 따라서 에반스 특허는 개솔린 기관에서 전래의 냉각재 온도 부근에서 비등하는 충분한 물에 기초한 냉각재를 추천하고 그렇게 하므로써,(동결, 퇴적물 그리고 부식으로부터 보호하기 위한 부동액으로서) 물이 개솔린기관을 위한 유일하게 사용가능한 냉각재라는 개솔린을 연료로 하는 내연기관의 긴 역사를 통해 얻어지고 오늘날가지도 전세계적으로 사용되는 지식을 진보시켰다.

[냉각시스템내의 증기의 조절]

＂내연기관을 위한 비등 액체냉각 시스템＂이라 명명되고 1983년 11월에 출원된 에반스의 피씨티(PCT)출원 미합중국 제83/01775에는, 일반적으로 섭씨 132도(2 70℉)이상의 포화온도를 갖는 유기 액체 냉각재 물질을 사용하는 비등 액체 냉각시스템이 발표되었다.(＂비등 액체＂는 그 기술에서 ＂증기＂ 또는 ＂끓어넘치는＂또는 ＂증발의＂라고 불리는 시스템에 대해 적절한 단어인 것으로 생각된다) 입구온도는, 블록 냉각재 재키트안의 냉각재가 정상적으로 그 수준이하라는 관찰로부터 수집되었다. 그러므로, 입구위에 포화온도를 갖고있는 냉각재 물질은 블록에서 거의 비등하지 않을 것이며 냉각재 증기의 조금도 블록 냉각재 재키트로부터 헤드 냉각재 재키트로 들어가지 않을 것이다. 헤드 냉각재 재키트는 증기가 블록 냉각재 재키트로부터 응축장치로 흐르기 위한 도관을 그만둔다. 헤드 냉각재 재키트 안에서의 냉각재 증기의 결과적인 감소는 실린더 헤드 재키트 내의 증기에 액체의 비율을 증가시킨다.

고포화온도를 갖는 유기 냉각재 물질의 사용은 또한, 냉각재 재키트의 내면에서 증기방해의 조건을 감소시키는 것에 의해 냉각재 재키트에서 냉각재로 열전달율을 높히는 것에 유익하다. 증기방해는 표면의 온도가 임계과열 또는 임계온도차라 불리는 양만큼 표면과 접촉하는 액체의 포화온도를 초과할 때 일어난다. 우기 액체에 대한 임계온도차는 섭씨50도 또는 물의 임계온도차에 약 두배이다. 더불어, 포화온도가 높아질수록 임계온도차가 도달될 가능성은 적어질 것같다. 증기방해를 통한 뜨거운 표면에서 액체로 열전달에 의한 액체의 비등은 막비등이라 정의 되었다. 막비등의 조건하에서 냉각재 재키트의 표면의 온도는 냉각재의 포화 온도에 가까운 수준으로 제한되지 않는다.

냉각재를 선택하는데에 있어서, 증기의 열 또는 증발된 액체의 그램당에 포함된 열의 양은 증기화의 그램분자의 열 또는 생산된 증기의 각 몰당 포함된 열의 양보다 덜 중요하다. 증기화의 그램 분자당의 열이 높을수록, 어느 주어진 열의 양에 의해 생성되는 증기의 물은 더 적어진다. 물이 다른 유기질의 액체보다 훨씬 더 큰 증기화의 열을 갖더라도 많은 유기 액체들은 물보다 실제적으로 더 높은 수증기의 그램분자당의 열을 보인다. 만일 공기와 물 또는 인화성의 성분이나 불순물이 전적으로 포함되지 않은 고포화온도 냉각재를 사용하는 것이 가능하다며, 냉각재 재키트안에 존재하는 개스는 고온에서 전적으로 응축될 수 있는 증기가 될 것이다. 증기모두가 통과해야 하는 위치에서 냉각재의 포화온도보다 더 낮은 레벨로 냉각재 재키트안의 큰 부피의 냉각재 온도를 유지하는것에 의해 냉각재 재키트 안의 모든 증기는 응축을 위해 냉각재 재키트의 외부에 있는 열교환기로 증기를 이동시킬 필요없이 응축될수 있다. 불행하게도, 이것은 실제적인 가능성이 아니다. 물과 쉽게 고용액이 될 수 있는, 물과 혼합할 수 있는 냉각재는 흡습성이고 냉각재와 접촉하고 있는 주위 공기로부터 직접 물을 흡수한다. 주어진 고용액중의 물의 비율이 중요해 보이지 않지만 적은 양이라도 물의 효과는 그렇지 않다.

예를 들어 무게로 프로피렌 글리콜(propylene glycol)이 97퍼센트인 물과 프로피렌 그릴콜의 고농도의 고용액 일리터는 약30그램의 물 또는 1.67몰의 물을 함유한다. 대기압하에서 증발된 물의 이같은 양은37.4리터의 부피를 차지한다. 수증기가 제이의 물질 증기 혼합물의 성분이라면, 제이 물질의 증가는 증기혼합물의 온도가 그 시스템의 압력에 대한 물의 포화온도 밑으로 떨어질 때까지 완전하게 응축될수 없다. 물과 혼합하는 것으로 일반적으로 고려되는 액체조차도 보통 물의 작은 양만을 포함한다. 단지0.5퍼센트의 양만큼의 물을 포함하는 일리터의 액체는 물의 비등점의 온도 이상에서 응축되지 않는 6.2리터의 증기를 생산할잠재력을 갖고 있다. 냉각재가 포함한 양에 더불어 주위 공기로부터 흡수에 의해 냉각재 안으로 어떤 물이 새롭게 더해졌을 때, 물은 응급상황에서 고의로 또는 가동중에 주위공기로부터 흡수에 의해 냉각재로 들어온 어떤 물이 더해 졌을 때 냉각재가 포함하고 있는 물의 양에 더불어, 물은 응급상황에서 고의로 또는 가동중에 부주의로 인해 냉각시스템에 추가될 수 있다. 물이 냉각시스템에 들어가는 또 다른 방법은 냉각재 재키트 안으로 연소개스가 누출되는 것에 의한 것이다.

섭씨 100도 이상으로 냉각재 온도를 유지하는데에 실제적인 장점이 있다. 구멍에서 더 높은 온도로 작동하는 것에 의해, 기관에서 방출되는 열은 적어지고 기관효율은 높아진다. 일산환탄소(CO)와 탄화수소(HC)의 방출이 연료가 더 완전히 연소하기 때문에 감소된다. 디젤기관에서는 실린더 내의 온도가 높을수록, 특별한 방출은 적어진다. 현재의 액체순환 냉각시스템 기술 수준은 단지 아주 높은 냉각시스템 압력의 사용에 의하여 이런 장점들을 부분적으로 얻을수 있다.

에반스의 피씨티출원의 비등액체 냉각방법은 냉각재로부터 열의 추출을 위하여 전적으로 응축장치에 실제적으로 의존하고 있다. 물론 응축장치는 기관이 처하는 가장 지독한 부하나 주위조건하에서 냉각재 시스템을 통하여 기관으로부터 방출되는 열 모두를 다룰수 있기에 충분한 열 전달 용량을 가져야 한다. 이것은 극단의 조건에 견딜수 있는 크기로 되어야 한다는 뜻이다.

평균적인 조건 하에서는 응축기의 단지 작은 부분만이 이용되고 그때는 사용되지 않는 큰 부분이 있게 된다. 에반스의 피시티출원에 따른 시스템의 응축장치는 소형 자동차 기관, 말하자면 1600CC에서는 쉽게 제조되고 장치될 수 있다. 그러나 더 큰 기관의 냉각요구를 충족시키기 위해서는 응축장치의 크기가 더 커져야 한다. 응축장치의 크기가 대형 기관에 있어서 그 설비를 덜 실용적으로 만든다. 에반스의 피시티출원의 시스템은 또한, 상당한 정도로 냉각재의 포화온도에 의존하는 기관의 주어진 덩어리의 온도를 유재시켜 주는 경향이 있다. 현재 사용되고 있는 실제적인 고포화온도 냉각재에 있어서, 기관성능을 최적화하고 내구성을 향상시키기 위하여 냉각재의 포화온도보다 낮은 레벨 아마도 훨씬 낮은 곳으로 큰 부피의 냉각재 온도를 유지하는 것이 바람직하다.

[본 발명의 요약]

본 발명의 하나의 목적은, 냉각재의 포화온도에 일치하는 수준까지 기관 냉각재 재키트안의 모든 위치에서 온도를 제한해 주는 것이다. 두 번째 목적은, 기관의 마찰부분또는 구멍부분의 냉각재 재키트안에 있는 냉각재 온도가 시스템의 어떤 압력하에서도 물의 포화온도 이상으로 유지되고 냉각재의 포화온도 이하에서 유지되도록 해주는 것이다. 세번째 목적은 연소실 천정과 배기병에 인접한 냉각재 재키트 부분에서 부분적인 비등으로 발생하는 증기의 존재를 극소화하고, 이 부분내의 기관 냉각재 재키트의 주요 부분이 항상 액체상태의 냉각재로 채워져있게 유지하는 것이다. 네 번째 목적은, 냉각재 시스템 열교환기의 크기를 극소화시키며 냉가재 시스템의 온도를 적절히 조절하는 것이다. 또하나의 목적은 시스템으로부터 냉각재의 손실을 극소화시키는 것이다.

비등하는 액체냉각재를 이용하고, 냉각재 재키트내의 냉각재 증기의 응축을 향상시키고, 냉각재 재키트내에 응축되지 않은 개스가 냉각재 재키트로 응축물을 귀환시키는 수단을 갖춘 응축장치로 복사에 의해 이동하도록 방해없는 통로를 제공하고, 열교환기를 통하여 펌프순환에 의해 액상 냉각재로부터 열을 제거하고 온도의 큰 차를 이용하여 액체 냉각재로부터 주위공기로 열전달을 향상시키고 응축장치와 주위공기 사이의 개스의 전달을 방해하고 물의 압력보다 실제적으로 낮은 증기압을 갖는 냉각재로만 주위 공기를 노출시키는 본 발명에 의해 상기의 목적은 달성된다.

더 구체적으로, 본 발명에 따르는 방법은 다음과 같은 단계들을 포함한다. 펌프에 의해 유발된 압력강화의 결과로 냉각재 재키트 바깥의 액체에 증기가 생기지 않고, 연소실 천정과 배기병에 인접한 위치보다 높히 있는 냉각재 헤드부분안의 냉각재 온도가 시스템 압력하에서 냉각재의 포화온도 이하로 유지되도록, 대기압 하에서 약 섭씨 132도 이상의 포화온도를 갖는 비등하는 액체 냉각재가 열교환기를 통하여 기관 냉각재 재키트로부터 열교환기에 열을 방출하기 위해 냉각재 재키트로 되돌아가도록 기계적으로 펌프하는단계.

연소실 천정과 배기병에 인접한 부분의 액체 냉각재의 부분적인 비등에 의해 형성된 증기를 포함하여 재키트에 있는 냉각재내에서 응축되는 개스외의 모든 개스를 냉각재 재키트헤드부분의 최상단에 연결된 적어도 하나의 출구를 통하여 실제적으로 무제한의 대류에 의해 기관 냉각재 재키트(20,26)로부터 제거하여 기관 냉각재 재키트 헤드의 대부분이 항상 액체상태의 냉각재로 채워져 있도록 하는 단계.

출구로부터 응축실을 갖고 있는 응축장치로 개스를 이동하고 응축장치로부터 냉각재 재키트로 응축물을 귀환시키는 단계.

본 발명에서 사용된 냉각재는 유기체이고 그중의 일부는 물과 혼합할 수 있으며 나머지도 실제적으로 물과 혼합할 수있다. 물과 혼합하는 물질의 경우에 본 방법은 약간의 물,10퍼센트 또는 그 이상을 포함하는 냉각재를 사용할 수 있으나, 본 방법의 운전 파라미터(parameter)는 물을 최소한으로 하는것에 의해 향상된다. 물과 혼합할 수 있는 적절하나 물질은 에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 테트라하이드로휴휴릴.알콜(tetrahydrofurfuryl alcohol), 디프로피렌 글리콜(dipropylene glycol )그리고 혼합물 등을 함유한다. 실제상으로 물과 혼합할수 없는 물질의 경우에, 물은 또한 불순물이며 그러나 물은 미소량, 보통 1퍼센트 미만을 제외하고는 냉각재 물질과 용해되지 않을 것이다. 물은 용액 속에 중량으로 일퍼센트 이상 존재해서는 안된다. 실제로 물과 혼합하지 않는 적절한 물질은 2,2,4-트리메틸- 1,3-펜타니 디올(pentanediol) 모노이소부티레이트(monoiso-butyrate), 디브틸 이소프로파노라민 (dibutyl isopropanolamine) 그리고 2-부틸올타놀(2-buty1 octanol)을 함유한다.

이하에서 다룰 이유들 때문에, 냉각재 재키트의 구멍부분에서 액체 냉각재를 순환시키고, 헤드부분으로 귀환하게 하는 것이 바람직하다. 회복 응결장치로 전도된 개스내의 응축되는 물질이 응축되어 주응축장치로 귀환될수 있도록, 응축장치의 가장 높은 곳에 위치한 모든 개스가 배기관을 통해 주응축장치보다 더 낮은 온도록 머무르고 있을 것같은 위치의 보조응결장치로 전도되는 단계를 본 방법은 포함한다. 예를들면, 보조응축장치로부터 나온 응축물은, 중력에 의해 응축장치로 계속적으로 되돌아 오던지, 보조응축장치내의 압력이, 배출구를 통하여 되돌아온 응축물 양의 헤드압력에 주응축장치안의 압력을 더한 값을 초과할 때마다 유도되는 사이펀 (siphoning)또는 중력에 의해 간헐적으로 되돌아 오는데 그 현상은 감소된 열하중의 주기동안 그리고 정지직후에 일어난다. 다른 방법으로, 이단 저압 이완 밸브가 주응축장치와 보조응축장치 사이에 제공될수 있는데, 그 경우에 본 방법은, 주 응축장치 내의 압력이 예정된 양 만큼 보조 응축장치 내의 압력을 초과 할 때를 제외하고는 주응축장치에서 보조응축장치로의 개스의 이동을 막는 단계와 보조응축장치내의 압력이 예정된 양만큼 주응축장치내의 압력을 초과할때를 제외하고는 보조응축장치로부터 주응력장치로 개스의 이동을 막는 단계를 포함한다.

본 발명의 방법에서 더 변화를 주면은, 응축장치의 가장 높은 부분에 있는 모든 개스는 출구를 통해 대기로 배출될수 있고 그 출구는 개스가 기관 냉각재 재키트로부터 응축장치로 들어오는 입구로부터 격리되어 위치하며, 그러나 만일 응축장치내의 압력이 예정된 값만큼의 주위압력을 초과하지 않는다면 개스가 누출되지 않도록 출구가 압력 릴리이프 밸브에 의해 막아진다.

본 발명에서는 내연기관의 냉각을 위하여 다음과 같은 것들 즉 적어도 기관의 연소실과 배기부 각각 둘레에 냉각재 재키트를 구성하고, 대기압 하에서 섭씨132도 이상의 포화온도를 갖는 비등하는 액체 냉각재, 펌프에 의해 유발된 압력강화의 결과로 액체냉각 회로안에 증기가 생기지 않고, 연소실 천정과 배기부에 인접한 위치보다 더 높게 위치해 있는 냉각재 재키트의 헤드부분의 냉각재의 온도가 그 시스템 압력에 대한 냉각재의 포화온도 이하로 유지되도록, 냉각재 재키트로부터 열교환기를 거쳐 열교환기에 열방출을 하기 위해 냉각재 재키트로 되돌아 오도록 냉각재를 순환시키는 기계적인 펌프와 열교환기를 포함하는 액체냉각 회로, 연소실 천정과 배기병에 인접한 지역에 있는 액체 냉각재의 부분적인 비등에 의해 형성된 증기와, 재키트내의 냉각재에 응축되어 연소실 천정과 배기부 둘레의 냉각재키트의 주요부분이 언제나 액상의 냉각재로써 채워져 있는 별개의 개스들을 포함하여 모든 개스들이 실제적으로, 냉각재 재키트로부터 실질적으로 무제한의 전도에 의해 제거되고 방출되도록 고안된 냉각재 재키트의 가장 높은 곳에 위치한 적어도 하나의 출구, 출구를 통하여 냉각재 재키트로부터 제거되고 방출된 개스를 받아들이고 거기서 응축되는 성분을 응축하는 응축장치실, 응축장치로부터 냉각재 재키트로 응축물을 귀환시키기 위한 귀환수단을 포함하고 있는 장치를 제공한다.

본 발명의 장치는 다음과 같은 추가적인 특징이나 변화를 갖을수 있다.

1. 본 발명에서 사용된 냉각재는 냉각방법과 관련하여 상술한 것들이다.

2. 냉각재는 냉각재 재키트의 구멍부분으로부터 회전되고 헤드부분으로 되돌아온다.

3. 응축장치는, 응축물이 중력에 의해 응축장치로부터 냉각재 재키트로 되돌아 올수 있도록 냉각재 재키트에 있는 출구의 높이보다 더 높게 위치한다.

4. 출구를 통하여 냉각재 재키트로부터 응축장치로 제거된 응축장치에서도 응축되지 않는 개스를 취급하는 데에 몇가지 방법이 있다. 전체 냉각시스템은, 극단적인 부하나 주위온도나 고도의 변화 또는 긴급상황하에서만 작동하도록 설계된 압력 릴리이프 밸브를 제외하고는 폐쇄 될 것이며, 보통 개방되지 않는다.

다른 배열에서는, 보조 응축장치가 주응축장치의 온도보다 더 낮은 온도에서 유지될수 있게, 주응축장치와 떨어져서 위치하고 연결되어 있는 보조 응축장치를 장치가 갖고 있다. 보조응축장치는, 응축되지 않은 어떤 개스를 개방출구를 통하여 누출하는 동안 주응축장치로부터 누출된 개스안에 있는 응축될 수 있는 물질을 응축할수 있도록 설계되었다. 보조 응축장치안에 수집된 응축믈은 중력에 의하거나 펌프에 의해 귀환될수 있고, 보조 응축장치내의 압력이 보조응축장치안의 응축물의 헤드압력에 주응축장치안의 압력을 더한것보다 커질때마다 중력도는 사이퍼닝 작용에 의해 간헐적으로 귀환될수 있다. 보조응축장치의 출구는 또한 압력릴리이프 밸브를 포함하며 또는 압력이완밸브는 주응축장치와 보조응축장치 사이에 삽입될수 있다.

본 발명의 방법과 장치는 공동으로 요소들이 있듯이 순환하는액체와 증기냉각 방법과 장치의 혼성으로 간주될수 있다. 액체냉각회로는 냉각재의 포화온도 이하의 온도에서 기관냉각 재키트로 귀환할수 있도록 냉각재로부터 열전달을 공급한다. 기관으로부터 방출되는 열의 대부분의 액체회로 안에 있는 열 교환기에 의해 주위 공기로 전달된다. 이상의 관점에서는 방법과 장치가 전래의 액체냉각 방법과 시스템과 공통점이 있다.

연소실 천장과 배기부 주위의 뜨거운 지역으로부터의 열의 전달에 의해 기관 냉각 재키트 내에 있는 냉각재에서 생성되었고 액체에서 응축되지 못한 증기는 헤드 냉각재 재키트의 가장 높은 곳까지 대류에 의해 상승하고 출구를 통하여 응축장치로 빠져나간다. 증기내의 응축될수 있는 물질은 응축장치내에서 응축되고 냉각 재키트로 되돌아 온다. 이런면에서, 본 발명은 증기 냉각 시스템과 유사하다.

본 발명은 대단히 중요한 점에서 전래의 액체순환 냉시스템과 다른데, 말하자면, 증기와 다른 개스들이 액체 냉각재에 잡혀서 액상냉각재와 함께 순환되지 않고 냉각재 재키트의 가장높은 부분에서 제거된다는 점이다. 종래의 액체 순환시스템에서는, 연소실 천장과 배기부 둘레의 뜨거운 부분에서 발생된 증기는, 액체 냉각재의 순환비가 비교적 낮고, 가까이에 액체 냉각재의 비교적 고속 순환역의 존재로 인해 증기가 대류에 의해 탈출할 기회가 거의 없는 곳에서 잡혀 있을수 있다. 그런 지점들은 증기 주머니 형성 장소이고 그것은 금속과 냉각재 간의 효과적인 열전달에 장벽으로 작용한다. 불씨가 발달되고 기관노킹을 일으키는 장소들이 있다. 중부하 하에서는 냉가재 재키트 안에서 생성된 증기의 양은, 엄청난 증기의 양이 냉각재 안으로 포함되고 액체 냉각재의 이동을 일으키고 일부의 증기가 시스템의 과잉탱크로 이동시킬 정도로 증가한다. 그런 조건하에서 냉각 시스템에 있어서의 증기의 양은, 기관에서 생성된 영을 제거하는 냉각 시스템의 능력이 그것이 가장 필요되는 시간에 실제로 감소되는 점까지 생산될 것이다. 현재의 기술 상태의 액체순환냉각 시스템안에서 증기가 응축되기 위해서는, 증기가 냉각재 재키트로부터 정상적으로 실제적으로 수평인 길을 따라 액체 냉각재 안에 실린 방열기로 이동되도록 하여야 한다. 증기의 속도는 증기가 실린 액체의 이동에 따른다. 액체의 속도는 펌프속도 따라서 기관속도의 함수이다. 증기 산출율이 액체이동율의 중요한 부분이며 증기의 많은 양이 냉각재 재키트를 차지한다.

본 발명은 냉각재 재키트에 있는 가장 높은 지역으로부터 증기의 제한되지 않는 방출을 제공하여, 증기가 냉각재 재키트와 순환시스템에 서 액체 냉각재안에 녹아 있을 정도의 양으로 극소화 한다. 본 발명에서 요구되는 액체 순환율은 종래의 액체 순환시스템에서 요구되는 율보다 적고, 증기를 이동시켜야 하는 필요성의 함수는 아니다. 본발명의 시스템은 냉각재 재키트 내의 모든 표면으로부터 증기의 신속한 방출과 액체냉각재의 이동과 독립하여 냉각재 재키트의 가장높은 지역에 있는 출구로 대류에 의해 제한되지 않은 신속한 유동에 도움이 된다. 액체냉각재의 순환이 없는 경우 조차도 개스는 냉각재 재키트를 떠나는 것이 자유롭다.

냉각재에 있어서의 물의 양은 물과 혼합하는 물질의 경우에는 극소량으로 하는 것이 바람직하고 물과 혼합하지 않는 물질의 경우에는 1퍼센트 이하로 하는 것이 바람직하다. 냉각재가 전혀 물을 포함하지 않을 수 있다는 가정은 실현성이 없고 특히 물과 혼합하는 경우에는 그렇고, 위의 모든 것은 흡습성이 있다. 물과 혼합할수 있는 물질에 있는 물은 비등역을 나타내는 용액을 낳는다. 그 비등역의 최초 비등점은 순수물질의 비등점보다 낮지만은, 비등이 일어나는 극소부분에서의 온도는 최초 비등첨에 의해서라기 보다는 순수 물질의 포화온도에 의해 제한된다. 물과 혼합하는 순수 물질에 물을 소량 첨가하는 것은 최초 비등점을 낮추기는 하지만, 액체의 국부적인 증류와 국부적인 정화에 기인한 고온 플럭스(flux)역에서의 온도를 눈에 띄게 낮추지는 못한다.

물을 함유함으로써 유발되는 폭넓은 비등역의 부정적인 특징은 공동현상이 일어나기 쉽다는 것이다. 포화온도근처에 있는 액체는 압력에 있어서의 약간의 강화에 의해 쉽게 증기화될 수 있다. 기계적인 펌프의 공동현상과 펌프의 입력축을 공급하는 라인(line)내에 냉각재의 증기화는, 펌프가 그 포화온도 가까이에 있는 액체를 흡인할 때 일어난다. 이런 조건하에서, 열 교환기를 통한 액체냉각재의 순환은 중단되고, 냉각시스템은 냉각시스템 열 방출의 모든 것을 응축장치에 전적으로 맡겨야 한다. 물의 첨가는 냉각재의 기포점을 떨어뜨리고, 펌프의 공동 현상을 막기 위하여 액체 냉각재가 유지되어야 하는 온도도 떨어져야 한다. 실제적으로, 냉각재 재키트 내의 대부분 액체 온도가 냉각재의 최초 비등점보다 섭씨10도 낮을 때 펌프 공동현상은 막을수 있다. 합리적인 안전여유를 위한 소망은, 대부분 액체의 온도가 냉각재의 최초 비등점보다 섭씨20도 낮게 유지되도록 설계할 것을 지시한다. 예를 들면 섭씨157도(315℉)이하에서 대부분의 냉각재온도를 유지하는 프로필렌 글리콜의 99퍼센트 용액을 사용하는 비압축 시스템은 펌프의 공동현상을 피할수 있고 반면에 프로필렌 글리콜의 95퍼센트 용액을 사용하는 시스템은 비압축 시스템에서 섭씨129도(264℉)이하로 대부분의 냉각재 온도를 유지시켜야 한다. 낮은 시스템 압력을 유지하는 높은 고도의 비행기에서 시스템의 작동은 냉각재의 최초 대기 비등점보다 섭씨30도 낮게 대부분 액체 온도를 유지할 것을 지시한다.

본 발명에서 사용된 물과 혼합하는 냉각재 물질에 있어서, 냉각재 재키트안에서 응축되지 않고 헤드냉각재 재키트를 통한 냉각재의 온도가 일반적인 압력에서 물의 비등점 이상일때마다 출구를 통하여 응축장치로 제거되는 약간의 증기가 있다는 것을 인식하는 것이 중요하다. 냉각재 재키트의 상부에 있는 액체냉각재의 온도가 낮을수록, 냉각재 재키트에서 응축되는 증기의 양은 많아진다. 그럼에도 불구하고 응축되지 않는 증기가 보통 얼마간 있는데 그것은 냉각재 재키트 안의 온도가 응축을 완수할 수있을 정도로 충분히 낮지 않기 때문이다. 이 잔류 증기는 전래의 펌프로 구동되는 물과 글리콜액체 냉각시스템에서 자주 잡힌다. 본 발명의 중요한 특징은 응축장치로 잔류증기를 계속적으로 제거하는것과, 따라서 냉각재 재키트의 상부의 주요 부분이 액체상태로 냉각재를 함유한다는 것이다. 증기의 제거는 금속과 냉각재간의 열전단을 크게 향상시킨다. 금속으로부터 열을 제거하는 냉각재의 효율은 증기의 덫주머니에 의해 더 이상 감소되지 않는다. 증기를 뜨거운 표면에서 방열기로 이동시키고 차거운 지역으로 전도시키기 위하여 높은 펌프율에 더 이상 의존할 필요가 없다.

물과 혼합하지 못하는 물질을 포함하는 냉각재와 물의 거동은 혼합할수 있는 물질과 물을 포함하는 냉각재와 다르다. 물과 혼합하지 못하는 냉각재 혼합물은 최초 물의 비등점 보다 약간 낮은 온도에서 끓는다. 그리고 물과 혼합하지 못하는 냉각재의 증기압력이 물의 증기압보다 훨씬 적다면, 증기는 거의 물이 된다. 따라서 물은 비등을 멈추고 응축장치로 전도된다. 물이 비등을 멈춘후, 냉각재의 비등점은 그 물질의 비등점이다. 기관 헤드재키트의 뜨거운 부분에서 형성된 물질의 증기는 거의 냉각재 재키트내에 있는 더 차가운 액체로 완전하게 거의확실하게 응축될 것이다. 반면에, 헤드안에 있는 냉각재의 온도가 물의 비등점이상으로 남아있는한, 응축장치로부터 기관으로 되돌아온 물의 응축물은 냉각재 재키트로 되돌아 오자마자 신속하게 비등을 멈춘다. 최초에는 가능한한 적은 물을 포함하는 냉각재로 시스템을 채우는 것이 바람직하다. 채운 후에는 저압 이완 밸브(말하자면 1제곱 인치당 2파운드의 압력)를 통하여 응축장치로 구멍을 내어 시스템에 있는 대부분의 물은 일소될 수 있다. 그에 따라, 시스템에 들어온 물과는 별도로, 주로 증기상태로 기관의 정상적인 시동 동안에 시스템내에 존재하는 적은양의 잔류물과 조합되어 냉각재는 안정할 것이다.

증기의 응축온도가 액체의 비등점과 같으므로, 혼합하지 않는 냉각재 물질은 헤드재키트에 남는 증기를 거의 생산하지 않는다. 액체 냉각재는 계속적으로 액체 냉각 회로에서 순환되고, 기관 냉각재 재키트안에서 냉각재의 대부분의 온도가 비등점 이하에서 유지되도록 열은 열교환기(방열기)로 방출된다. 그러믈, 뜨거운 표면에서 생성된 냉각재 증기는 보통 더 차가운 액체 냉각재에서 응축된다.

특별한 운전 조건하에서 (더운날씨나 중부하)는, 냉각재의 혼합 할수 있는 물질의 증기는 냉각재 재키트안에서 완전하게 응축될수 없으며, 출구를 통하여 재키트를 떠나서 응축장치로 들어가서, 응축되어 기관냉각재 재키트로 응축물로서 되돌아 온다. 이것은 긴 비탈을 오를 때 또는 자동차가 중부하 하에서 달린 후 정지하고 있을 때 일어난다. 후자의 경우에 기관으로 구동되는 펌프는 무부하 하에서 감소된 순환율을 공급하며, 액체 냉각재의 온도는 냉각재 증기를 완전히 응축시킬수 없을 정도의 짧은 시간동안 충분히 높게 상승할수 있다.

유사하게 기관이 정지되었을 때는, 아무 액체도 순환되지 않는 정지 모드(mo de)로 들어간다. 뜨거운 금속은 많은 양의 열을 저장하고 있으며 냉각재로 전달된다. 잠시동안, 약 5분동안, 냉각재 증기는 발생되고 응축장치 안으로 상승하고, 응축되어 응축물로서 기관으로 되돌아 온다. 정지해있는 동안, 냉각재 재키트의 최상단부로 부터의 증기의 자유로운 방출은 액체 냉각재로 채워져있는 뜨거운 금속표면 근처의 냉각재 재키트 지역의 주요부분을 유지하는 것에 의해 기관의 효과적인 냉각을 보장하고, 따라서 헤드 크래킹(cracking)과 열 개스킷(gasket)파괴를 일으키는 큰 열응력을 막는다. 시스템은, 연소실 천정가 배기병의 금속온도에 있어서 갑작스럽고 큰 변화를 일으키는 증기주머니의 주기적인 생성과 방출을 막는다.

본 발명에 실시한 시스템에 있어서 응축장치의 중요한 임무는 차갑거나 뜨거운 조건사이의 옥안으로 보이는 냉각재 부피에 있어서의 변화를 공급하는 것이다. 이 변화는 10내지 15퍼센트이다. 종래의강제 액체냉각 시스템에 있어서, 팽창은 일부는 팽창탱크로의 냉각재의 범람에 의해 그리고 일부는 포획된 개스의 압축에 의 해 달성된다. 본 발명에서는, 팽창은 다음 두가지에 의해 처리된다 (1) 증기 출구 도관으로 설계에 따라서는 응축장치의 하부부분으로 액체냉각재 레벨의상승(2) 증기압이 팽창, 냉각 그리고 응축에 의해 낮게 유지되는 응축장치안으로 액체 냉각재로부터 증기의 제거.

상술한 냉각재 물질 모두는 디젤기관에서 사용될수 있는데, 비등온도가 높은 물질이 바람직하다. 그것은 디젤기관이 높은 실린더 내 온도에서 가장 효율적으로 동작하기 때문이다. 물론, 효율적인 여과 고온 합성윤활재의 사용 그리고 가능하면 유냉과 같은 고온에서의 윤활시스템의 설계에 주의가 기울여 져야한다. 트럭, 버스 그리고 기관차를 위한 중부하 디젤기관은 일반적으로 전문적인 윤활시스템을 따로 필요로한다.

본 발명의 개발과 측정은, 불꽃점화 개솔린 기관에 사용될수 있는 냉각재 물질의 비등점에 상한선이 있다는 것을 강력하게 보여준다. 지금까지, 에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 테트라하이드로허후릴 알콜이 개솔린 기관에 적당한 것으로 확인되었다. 디프로필렌 글리콜과 상기의 세가지 비용해성 냉각재 물질은, 적어도 현재의 지식으로는 불꽃점화 개솔린 기관에서 사용하기에는 너무 높은 비등점을 갖고있다.

물은 본 발명에서 사용되는 냉각재에는 바람직하지 않은 성분으로 간주된다. 물의 양이 많을수록 냉각재 재키트에서 응축기로 이동하는 증기의 양은 많아지고, 증기를 다루는데 요구되는 응축장치의 용량은 더 커질 것이다. 물은 기관 냉각 시스템에 있어서, 특히 알루미늄 기관에 있어 침식과 부식 그리고 퇴적물의 원인이다.

구체적으로 상기한 냉각재 모두는 에틸렌 글리콜을 제외하고는 매우 추운 기후에 적당한 빙점을 갖고, 에틸렌 글리콜은 섭씨영하12.7도(9℉)의 빙점을 갖는다. 에틸렌 글리콜에 적은 양의 물을 첨가하는 액체의 빙점을 낮춘다는 것이 잘 알려져 있다. 물의 첨가를 피하고 에틸렌 글리콜에 프로필렌 글리콜을 첨가하는 것은 같은 목적에 도달하는 더 좋은 방법이다.

본 발명에서 증기 출구와 응축장치 보조시스템의 중요한 임무는, 기관 냉각재 재키트와 액체 냉각 회로 안의 증기의 양이 극소화 되도록 합리적으로 가능한한 자유롭게 기관 냉각재 재키트의 헤드부분의 최상단부를 증기가 떠나도록 하는 것이다. 응축장치는 또한 상기한 대로 냉각재의 팽창을 돕는다. 시스템으로 부터의 냉각재 손실이 최소로 되도록 가능한 한 응축하는 보조시스템내에 존하는 냉각재 증기만큼이 응축된다는 것이 중요하다. 물론 응축장치는 열을 방출하나, 그러나 그 양은 적어서 일반적으로 냉각시스템에서 방출되는 총열의 5퍼센트 정도이다.

본 발명에 있어서 중요한 장점의 하나는, 기관내의 온도가 종래보다 일반적으로더 높은 온도에서 내연기관을 운전할 수 있는 능력이다. 더 높은 온도 레벨상의 연소실에서 동작하는 능력은 첫째로 기관으로부터의 열방출율이 낮아져 연료경제상 향상을 가져오며 그것은 열 싸이클에 있어서의 열의 더 높은 이용을 의미한다. 둘째로는, 불꽃소멸을 줄여주므로서 연료를 더 완전하게 연소시키며 셋째로는, 마찰과 마모를 줄이기 위하여 기관의 천장에서 바닥까지 더 고른 온도 분포를 가져다 주며, 넷째로, 마찰면을 따라서 일정고온을 통하여 더 좋은 윤활을 가져다준다.

본 발명의 또 다른 장점을 개솔린 기관에서 세가지 중요한 방사 모두를 감소시킨다는 것이고 더불어 더완전한 연소와 감소된 폭음에 의하여 디젤기관에서 각별하다.

본 발명에서 사용된 고은비등 냉각재와 주위공기 사이의 온도차가 물 또는 물/글리콜과 공기 사이의 온도차보다 훨씬 크기 때문에, 그리고 더 적은 열이 냉각시스템을 통하여 기관에 의해 방출되기 때문에, 열교환기와 응축장치는 비교적 작다. 본 발명에서 냉각재로 사용된 고포화 온도를 갖고 있는 유기질은 냉각재 재키트, 응축장치, 방열기 또는 냉각 시스템의 다른 어느 부분에도 부식이나 불순물을 낳지 않는다. 따라서, 열교환기나 응축장치는 상대적으로 낮은 가격의 알루미늄으로 만들어질 수 있다. 더군다나, 현 기술의 액체순환 냉각시스템의 알루미늄 기관에서 발생하는 부식과 침식 문제들이 제거되었다.

본 발명에 따르면, 냉각방법과 장치는 주위압력 또는 주위 보다 조금 높은 압력, 일반적으로 7-35kpa(1-5psi)게이지압, 하에서 작동한다. 그러므로 냉각 시스템의 모든 요소들은 현 고압 시스템보다 간단해 질 수 있고 누출과 파괴의 경향이 적다. 열교환기와 응축장치의 작은 크기와 그것에서 열을 제거하는 데에 요구되는 공기양의 감소된 양은, 자동차의 코부분에 아주 가깝게 위치하고 공기동력학적으로 모양을 갖춘 코부분을 제공하는 것을 가능하게 만드는 종래의 펌프순환 액체 냉각시스템의 방열기의 코부분외에 다른 위치에 열교환기와 응축장치 설치하는 것을 가능하게 해준다. 열교환기는 어떤 설계 모습에도 맞도록 심지어 수평으로도 맞도록 설치할 수 있다. 응축장치와 방열기는 하나의 유니트(unit)로 조합될수 있으며 그 경우에 응축장치 부분은 방열기 위에 있으며 높이에 있어서 액체 냉각재 레벨보다 높다. 이 유니트가 전래의 방열기 보다 작고 더 적은 공기유동이 통하는 것을 요구하기 때문에, 유니트는 자동차 코의 뒤에 위치할 수 있으며 분리된 유니트로서 방열기와 응축장치의모습과 같은 공기동역학적인 가능성을 제공한다.

액체 냉각 회로에서 액체 냉각재의 순환율은 전래의 냉각시스템에서 요구되는 것보다 적으며, 이것은 더적은 동력을 쓰는 간단한 저가격의 펌프를 쓸수 있다는 것을뜻한다.

본 발명을 구현하는 냉각시스템은 현 기술수준의 액체 순환 냉각시스템에 요구되는 방열기 크기에 삼분의 일이나 육분의 일 크기의 방열기를 요구한다. 요구되는 냉각재의 양은 각기 방열기크기사이의 차이와 같은 양만큼이 감소되었다. 알루미늄이 방열기와 용축장치의 생산에 사용되었고, 파이프가 단지 저압만을 견딜수 있으며 된다는 사실에 관련하여 고려할 때, 본 발명은 중량과 제조가에 있어서 중요한 절약을 제공해주는 것으로 보인다.

본 발명에 있어서 또 하나의 바람직한 기여는, 현 시스템에서 냉각재를 펌프공복하는 유일한 실제방법의 역방향으로 냉각재가 흐를수 있는 능력이다. 특히, 현재의 기술수준에 따르면 냉각시스템에 있어서 연소실바깥으로 냉각재를 거내 방열기를 거쳐 실린더헤드로 되돌아가게 펌프질하는 것은 효과적이 아니다. 필요에 의한 시스템은 시스템 압력에서 냉각재의 포화온도에 대단히 근접한 대부분의 냉각재 온도를 작동하는 것이 그 이유이다. 냉각재가 연소실 지역을 통해 헤드 재키트에서 출구로 순환될 때, 기관에서 가장 뜨거운 냉각재는 연소실 지역을 통과한다. 물-부동재 냉각재를 이용하는 시스템의 경우에 , 냉각재는 연소실지역에서 떠올라 그비동점에 대단히 근접한 온도의 펌프로 들어간다. 펌프의 흡인에 의한 압력강화는 펌프에 공동현상을 일으키고, 유동은 급격하게 감축되거나 또는 모두 정지할 것이다. 이러한 문제는 펌프로부터 거슬러 오르는 도관 또는 펌프에서 냉각재가 증기화하는것을 방해하기 위하여 냉각재의 비등점보다 훨씬낮게 액체 냉각재의 온도를 유지하는 것에 의해 본 발명에서는 해결되었다. 냉각재의 포화온도가 높을수록, 액체 냉각재 온도를 포화온도 이하로 잡아두는 것이 쉽다.

냉각재 재키트의 블록 부분에서부터 열기 까지 그리고 방열기를 통하여 액체 냉각재를 순환시키는능력과 그것을 냉각재 재키트의 헤드부준으로 귀환시키는 능력에서 나오는 중요한 장점들이 있다. 헤드부분으로 들어온 방열기로부터 의 냉각된 액체는 헤드안에서 증기를 응축하기에 가장 좋은 상태이고, 그리고 기관으로부터 열 방출의 대부분이 거기서 일어나고, 냉각재가 헤드로부터 순환되어 블록으로 되돌아 온다면 되는 바와 같이 냉각재는 블록부분에서 예열되지 않기 때문이다. 더군다나, 더 뜨거운 냉각재가 헤드로부터 블록으로 열을 끌어내릴 것이고, 방열기로부터 냉각된 액체가 블록으로 돌아오는 그반대의 상황과 는 대조적으로 연소실 내는 점점더 가열될 것이다.

본 발명의 이해를 돕기 위하여, 첨부된 도면과 더불어 보기의 실시예의 설명이 주어졌다.

[실시예]

제1도는 실린더 구멍(14)과 함께 구성되어 있는 블록(12)의 기부에 볼트로 장치한 수유기(10)를 갖는 피스톤 타입의 내연기관을 그렸는데, 실린더 구명(14)내에서 피스톤(16)은 크랭크샤프트(crank-shaft)에 의해 전달된 연결봉(18)의 조정에 따라 피스톤(16)은 왕복운동한다. 블록 냉각재 재키트(20)는 실린더(14)를 한정하는 슬리이브를 둘러쌓고 있다. 헤드(22)는 블록에 볼티로 장치되어 있고 헤드 개스킷트 (24)는 재키트내의 냉각재 통과와 기관 외부로부터의 냉각재 통과로부터 연소실을 밀폐하기 위하여 블록과 헤드사이에 설치되었다.

헤드 냉각재 재키트(26)는 헤드내에 구성되어 있다. 밸브 커버(cover)(28)는 헤드의 꼭대기에 장치 되었다. 단순화 시키기 위하여, 밸브와 밸브 관련 부품들 그리고 흡기 배기병은 나타내지 않았다. 블록과 헤드 냉각 재키트는 헤드 재키트내에 있는 수많은 구멍(30)을 통하여 교류한다.

도관(32)은 블록 냉각재 재키트(20)에 있는 블록의 낮은 부분을 통하여 출입구멍으로부터 조화된 항온기밸브(34)로 연결되어 있다. 블록 냉각재 재키트(20)로 부터 제거된 냉각재 온도가 비교적낮을때, 밸브(34)는 펌프(38)의 흡입구로 연결된 우회선(36)으로 냉각재 모두를 전도시킨다. 그패의 펌프(38)는 기관구동펌프 또는 전기펌프가 될 수 있다. 다른방법으로는, 펌프가 도관(32)에 위치할수 있다. 블록 냉각재키트로 부터 순환된 냉각재가 고온일때, 밸브(34)는 냉각재 모두를 도관(40)을 통하여 열교환기(42)로 흐르게 한다. 밸브의 저온값과 고온값 사이에서 밸브는 우회선(30)과 방열기(42)사이 유량을 균형 잡히게 한다. 냉각재 도관(44)을 통하여 방열기(42)를 떠나고, 펌프(38)에 의해 도관(46)을 통하여 헤드 냉각재 재키트(26)으로 되돌아온다. 블록냉각재 재키트(20)의 낮은 부분으로부터 끌어올린 냉각재 예정된 고온상태이고, 자동차 밧데리(50)에 의해 구동된 팬(fna)(48)은 항온스위치 (52)에 의해 조작되어 방열기로부터 대기로 열교환을 증가시킨다. 액체 냉각회로는 또한, 조절밸브(54)와 열 교환기(56)을 포함하는 통과 격실로 요구에 따라 열을 공급해주는 부문을 갖는다.

방열기(42)는 여러개의 평행한 지느러미같은 튜브와 같은 적당한 구조로서 될 수 있다. 튜브들은 비교적 큰 직경이 될 수 있고, 본 발명에서 사용된 냉각재는 알루미늄을 부식시키거나 침식시키지 않기 때문에, 방열기는 알루미늄으로 만들수 있다. 방열기(42)는 개스를 위한 저장소가 아니며, 방열기의 어느부분도 헤드 냉각재 재키트의 최상단보다 더 높이 위치할 것이 요구되지는 않는다. 방열기(42)의 위치는 설계시 선택할 문제이며, 크기가 작기 때문에 예를 들면 자동차의 앞 범퍼 (bumper)뒤에 쉽게 놓을 수 있다. 수평으로 장치될수 있다 공기는 방열기를 통하여 지나갈수 있으며, 자동차의 앞부분은 공기 역학적으로 모양을 갖출수 있고 감소된 드래그(drag)에 대해 폐쇄될수 있다. 방열기(42)는, 히타조절기를 통하여 자동차 주인이 선택하는데에 따라 열교환기로부터 승용차 실내로 또는 대기로 더운 공기를 보낼수 있도록 장치된 도관 조절밸브와 도관을 갖춘 승용차 실내 히타를 위한 열교환기로서 이중으로 사용될수있다.

본 발명에 있어서, 냉각장치는 헤드 재키트의 바깥으로 냉각재 증기를 보내는데에 높은 냉각재회전율에 의존하지 않기 때문에, 임의의 부하나 주위조건하에서 기관내의 바람직한 온도레벨을 유지하기 위해 액체회로내에 열방출을 조절하는데에 여러가지 방법이 있다. 예를들면, 밸브(34)는 방열기(42)를 통한 유동율을 일정하게 하기 위하여 도관(40)이나 우회도관(36)에 위치한 T자형의 항온 교축밸브에 의해 대채될 수 있다.

다른방법으로는, 방열기를 위한 도관에 항온적으로 조절되는 댐퍼에 의하거나, 항온적으로 조절되는 팬에의해 요구될때 격려되고 자동차거동에 의해 유인된 상대적으로 낮은 공기의 회전율에 지배받는 방열기에 의해, 방열기의 열 교환율을 조정하는 것이다. 또하나의 방법은 항온적으로 조절되는 변속펌프를 사용하는 것이다 이 방면에 숙련된 사람은 본 발명을 사용할 수있도록 쉽게 적절한 액체 냉각회로를 고안할 수 있다. 방열기가 크기가 작고 높은 열교환율(적은 증기를 갖고 순환되는 고온의 냉각재와 열방출에 대한 더 적은 요구 때문에)을 제공하는 사실은 전래의 냉각 시스템의 요구에 부수되었던 설계제한 사항중 많은 것들을 제거하였다.

연소실 천정이나 배기병둘레와 같이, 엔진 헤드중 더뜨거운 부분에서는, 시동과정을 제외하고는 기관의 운전중에는 내내 얼마간의 냉각재가 증기화한다. 연소실 천정과 배기병보다 높은 위치에 있는 냉각재의 포화온도 이하로 액체 냉각재가 유지되는 한, 이 뜨거운 표면에서 생성된 증기 대부분은 헤드냉각재 재키트내에 있는 액체 냉각재로 응축될 것이다. 헤드 재키트내에 응축되지 않는 증기의 양은 물론, 얼마만큼의 증기가 생산될수 있는가와 헤드냉각재 재키트안에 앴는 액체 냉각재의 전체적 또는 대부분의 온도, 그리고 헤드재키트안에 있는 증기의 응축특징에 따른다. 만일 냉각재가 물과 혼합할 수 있고, 약간의 물이 냉각재에 용해되어 있다면, 냉각재증기의 대부분은 냉각재의 포화온도보다 낮고 물의 포화온도보다 높은 냉각재 용액안에서 응축될것이다. 그러나 전부가 되는것은 아니다. 물과 혼합하는냉각재는 흡습성이 있고, 얼마간의 물을 포함하고 있다고 가정해야 한다.

물과 혼합할수 있는 냉각재는 흡습성이 없으며, 수증기를 포함하는 있는 주위 공기와 접했을때 물을 흡수하지 않고, 물과 혼합하는 냉각재에 비교하여 훨씬 쉽게 대단히＂건조하게＂유지될수 있다. 물과 혼합할수 없는 냉각재에 있어서, 냉각재의 증기는 헤드 재키트안에서 정상적으로 충분히 능축될것이다. 물과 혼합하지 않는 냉각재에 존재하는 물의 물의 포화온도보다 약간 낮은 온도에서 쉽게 증가가 될 것이다. 각 수증기압의 비율과 동등한 몰비율의 냉각재 증가양을 갖은 수증기는 헤드 재키트안에서 응축되지 않고 증기로 서 응축장치로 들어가 부분적으로 또는 전체적으로 응축되어 헤드 재키트안으로 응축물로서 돌아가고 다시 증기화된다. 이 증기중의 일부가 시스템을 떠나도록 허용하는 것은 냉각재 물질의 단지 적은 양이 누출되는 동안 냉각재에 있는 물의 양을 감소시킬 것이다. 예를들면 2,2,4-트레메틸-1,3-펜타네디올 모노이소부티레이트(pentanediol monoisobutyate)에 있어서 물에 대한 몰비율은 450대 1이다.

헤드 재키트에 있는 액체 냉각재에서 응축되지 않은 증기는 전부헤드 냉각재 재키트의 최상단부나 그 근처도 복사에 의해 상승하고, 그곳에 있는 하나 또는 그 이상의 출구(60)를 통해 재거된다. 냉각재가 출구(60)를 통하여 헤드 냉각재 재키트로부터 쉽게 제거될수 있도록 확실하게 하기 위해서 가능한 수준까지 하나 또는 그이상의 높은 지역에 증기의 이동을 원활하게 하도록 설계될수 있다.

출구도는 출구들을 통하여 헤드로부터 제거된 증기는 도관(62)을 통하여 증기 응축장치(64)까지 전도될 수 있다. 제1도에 예시한 실시예에서, 응축장치로 부터의 응축물이 증기가 응축장치로 전도되게 하는 귀환도관 또 같은 도관(62)을 통하여 중력에 의해 기관으로 귀환될 수 있도로고, 응축장치가 정상적인 사용시 기관의 어느 방향에서도 헤드 냉가재 재키트위에 위치된다. 응축물이 기관 냉각재 재키트에 돌아오는데에 거치는 도관은 제1도에 도시한데로 냉각재가 액체 냉각재 회로에서 기관으로 되돌아오게 하는데에도 사용될 수 있다 다른 방법으로서, 액체 냉각재를 액체 냉각회로에서 기관으로 펌프하기 위한 귀환도관이나 도관들은, 융축물을 기관 냉각재 재키트로 귀환시키기 위한 귀환도관이나 도관들과 분리 될 수 있다.

응축장치(64)의 설계는 상당히 다양할수 있다. 벽과 증기의 접촉을 수월하게 하는 것을 통하여 상대적으로 제한받지 않는 증기의 운동을 허용하는 금속용기에서 좋은 결과가 얻어졌다. 증기이동에 대한 실질적인 제한을 극소화시키려는 소망과 더불어, 더 적은 증기가 헤드 냉각재 재키트안으로 돌아오고 냉각재 재키트떠나는 것이 다소 방해받도록, 도관(62)은 자동차 기관의 경우에 큰 직경, 말하자면 1.5인치를 가져야 한다. 응축물이 중력에 의해 수집장소로 흐르고 그로부터 기관 냉각재 재키트로 거꾸로 이동할수 있도록, 응축장치는 설계되어야 한다. 자동차에 있어서는, 앞에서부터 뒤까지 경사져 있는 기관실의 길이방향의 덮개아래 장치된 길다란 응축장치 용기가 바람직한 배열이다. 응축장치는 덮개 부분처럼 자동차의 차체의 한부분으로서 구성될수 있다.

냉각재 재키트안에서 일어나는 증기응축의 양에 관계없이, 뜨거운 냉각재에 존재하는 어떤 공기의 부피는 그것이 포화될때까지 냉각재 증기를 얻는다. 이 장치에 의해 제거된 증기의 양은 냉각재 증기압과 함수관계이다. 온도가 높을수록 증기압은 높아진다. 응축장치(64)의 비교적 차가운 벽은 비등에 의해 형성된 증기를 응축시킬뿐 아니라 뜨거운 액체 냉각재 표면으로부터 증발된 증기를 응축시키는 일을 한다.

본 발명에서 냉각재로써 사용한 고분자 유기화합물의 증기는 공기보다 무거우며 따라서, 공기중에서 제일 먼저 가라앉으며 공기중으로 확산하기전에 응축장치의 낮은 부분에서 모이는 경향이있다. 이런 성층을 돕기 위하여, 도관(62)으로부터 응축장치로의 입구는 재일 낮은 부분에 위치한다. 응축장치의 벽과 증기의 접촉을 향상시키는 식으로 응축장치안의 증기의 이동을 조절하기 위하여 직접 응축장치안의 높은 위치로 유입되는 증기의 이동을 극소화시키기 위하여 조정막이 응축장치안에 제공된다. 응축이 진해됨에 따라서, 잔류증기안의 수증기의 비율은 증가한다. 대부분의 수증기인 증기는 공기보다 가벼우며, 전도에 의해 응축장치의 상부로 이동한다.

시스템내의 액체의 걷보기 체적은 온도와 비등활동의 양에 따라 변한다. 다시말해서, 액체가 팽창하고, 응축되지 않은 증기가 더큰 부피를 차지하도록 액체를 대신하고, 액체레벨을 올려놓는다. 제1도에서 도시되어 있듯이, 냉각재 재키트가 언제나 채워져 있도록 시스템은 A레벨까지 액체 냉각재로서 최초로 채워진다. 시스템이 가열되었을 때, 냉각재의 팽창은 15퍼센트이고, 제1도에 표시되어 있듯이 냉각재 레벨은 B레벨의 도관(62) 그리고 아마도 응축장치까지 상승할 것이다.

만일 응축장치가 누출되지 않는다면, 액체의 걷보기 체적에 있어서의 증가는 시스템압력의 증가를 낳을 것이다. 더불어 응축장치내의 공기의 가열과 응축되지 않은 냉각재나 수증기의 증가는 압력을 더 이상 증가시킬 것이다. 이러한 요인들에 기초하여 주위 압력에 대해서 측정된 압력의 크기는, 응축장치내의 개스의 평균 온도와 응축장치 부피의 함수이다. 일절 고도에서 압력의 크기는 전형적인 시스템에 대해서 70킬로파스칼이 된다. 고도의 변화는 또한 밀폐된 시스템과 주위와 사이의 압력차에 영향을 준다. 수면에서부터 3,000미터 높이에서 주위압력은 31킬로파스칼이 하강하며, 6,000미터 높이에서는 추가로 26킬로파스칼이 떨어진다.

시스템의 설계에서는 압력에 있어서의 상승과 하강을 고려해야 한다. 몇가지 가능성이 있으며 그중의 하나가 제1도에 도시되었다. 배출파이프(66)는 응축장치내의 상부로부터 열결되며, 개스가 거의 공기와 수증기로 되어있는 증기입구에서 떨어져있다.

상기한대로 냉각재 물질 증기의 대부분은 바닥에 머무르며, 용기의 벽에서 응축한다. 출구파이프에 있는 이단압력 릴러이프밸브(68)는 압력이 예정된 수준(즉,1제공인치당 2파운)으로 증가할때까지 출구 파이프를 통한 응축장치(64)로 부터의 개스의 통과를 막는다. 밸브(68)가 열렸을 때, 응축장치의 꼭대기로부터 나온 개스는, 언제나 차가울듯한 곳에 위치한 작은 용기인 보조 응축장치(70)으로 유입된다. 응축장치(64)가 정상적으로 약간의 뜨거운 냉각채 액체를 포함하는 반면에 응축장치(64)의 가장 적당한 위치가 기관에 가장근접한 곳이기 때문에, 보조 응축장치 (70)의 응축표면은 응축장치(64)의 응축표면보다 상당히 낮은 오도가 될 것이고, 보조응축장치가 응축장치(64)에 응축안되고 남아있는 증기를 응축하는 것을 가능하게 해준다. 파이프(66)는 개방이 용기내의 응축물에 의해 덮히는 보조 응축장치의 바닥에 가깝게 열린다. 출구에서 주위의 정적인 대기압을 실제로 변화시키는 공기유동으로부터 보호될수 있도록 개방출구(72)는 용기의 상부로부터 대기로 연결된다 회복응축장치내로 출구 파이프에 의해 전도된 응축하는 물질은 응축되어 수집된다.

밸브(68)는, 많은 증기가 기관 냉각재 재키트에서 생산되고 응축장치(64)가 최대용량 가까이에서 동작하는 동안만 회복 응축장치로 개스가 흐르도록 허용하여, 응축장치용기내의 개스밸스(68)를 개방하기에 충분한 압력을 증가시키기에 충분히 뜨겁다. 응축장치내의 개스가 냉각되자마자 압력은 강하하고, 개스(대부분 공기와 수증기)들이 응축장치를 떠나고 출구를 통하여 누출되었기 때문에, 응축장치(그리고 냉각시스템)내의 압력은 대기압 이하로 떨어질 것이다. 출구 파이프내로 대체되어 들어온 회복탱크내의 응축물의 헤드에 밸브압을 더한 것이 대기와 냉각 시스템내의 압력과의 압력차이보다 적을 때, 밸브(68)는 입구 압력차에서 개방된다. 냉각시스템에서 압력변화를 다루기 위한 이러한 설계는 전부 또는 거의 모든 응축물의 회복을 제공하고, 기관으로부터 나온 증기를 다루는 응축장치의 용량이 시시각각으로 가까워오고 응축장치의 용량을 증가시키지 않고 시스템내의 압력을 제한하는 것이 요구될 때 바람직하다. 보조응축장치는 작을수 있으며, 고도의 응축능률을 위해 큰 표면적을 갖도록 금속줄이나 회이버(Fiber)로 채워지고 조절벽을 갖도록 설계된다. 출구는 먼지를 제거하도록 공기필터를 갖는다.

밸브(68)를 갖는 제1이 이유는 시스템 내의로 공기의 ＂호흡＂을 줄이고자 하는 거이사. 공기의 교환과 함께 시스템을 떠나는 냉각재 증기의 양은 증기를 응축시키는 보조응축장치(70)과 응축장치(64)의 능력에 따른다. 몇몇 경우에 있어서, 밸브(68)는 인정할 수 없을만큼의 냉각재 손실없이 완전히 생략될 수 있다.

밸브(68)가 있을 때나 없을 때나, 보조 응축장치(70)에서 구멍을 내는 것은 수증기가 시스템을 떠날 때 유익하다. 시스템내에 물의 감소는 더 작은 응축장치 (64)의 사용을 가능하게 한다. 만일 냉각재가 물과 혼합할수 있다면 물의 감소는 냉각재의 포화온도를 상승시킬 것이며, 냉각재와 냉각재 물질의 포화온도차를 좁혀줄것이고, 펌프(38)에서의 공동현상의 가능성을 줄여줄 것이다. 만일 냉각재가 물과 혼합할수 없다면 물의 감소는 헤드 재키트(26)와 응축장치(64) 사이를 순환하는 수증기와 응축물의 양을 감소시킬 것이다.

밸브(68)를 비교적 높게 샛팅하는 것에 의해, 일반적으로 70킬로파스칼(10p si),냉각 시스템은 특별한 중부하 하에서나 고도의 큰 변화시를 제외하고는 효과적으로 폐쇄된다. 또한 너무 휘발성의 타일(tile)인 냉각재의 사용이나 헤드 개스킷 누출처럼 내각시스템의 가압을 일으키는 부품의 파괴에 기인하여 출구는 개방될 것이다. 더 고압하에서 시스템이 작동하기 위해서 조립된 시스템의 부품은 압력을 지탱할수 있어야 한다. 고압하에서 작동하는결과 포화온도가 더 높은 레벨까지 상승할 것이다. 압력에서 70킬로파스칼의 증가는 냉각재의 포화 온도를 약 섭씨20도 상승시킬 것이다.

제2도에 도시한 장치는 보조응축장치가 없는것만 제외하고는 제1도와 같다. 대신에 응축장치(110)가 보조 응축장치의 임무도 그안에 포함하도록 큰 응축용량을 갖게 설계되었다. 저압 투 웨이(two-way)역행 방지밸브(112)에 있어서, 말하자면 35킬로파스칼(5psi),두통로는 출구파이프(114)에 위치하며, 시동과 정지동안에 공기가 추방되어 시스템 안으로 들어오도록 열리게 의도되었다. 시동동안 공기는 액체의 걷보기체적이 증가하는데에 따라서 출구를 통하여 밀러나가고, 응축장치만의 공기는 가열된다. 일반적으로 주위조건하의 정상부하로 시스템이 가열되면, 출구는 폐쇄되고 중부하나 고도의 큰 변화상태를 제외하고는 개방을 기대할 수 없다. 시동하는 동안을 제외하고는 개방되는 순간에, 추방되는 개스의 대부분은 공기가 될 것이다. 포함되어 있는 약간의 증기손실은 오랜 주기를 통해서 보더라도 하찮은 양이고, 아마도 현재 사용중인 과잉탱크에 약간 나타날 것이다. 제2도의 설계는 보조 응축장치가 생략되는 것을 허용하는데, 그러나 응축장치(110)은 제1도의 실시예에서 요구되던 응축장치(110) 보다는 커져야 한다. 제1도와 제2도의 응축장치는 모두, 냉각재의 물 함유량을 감소시키므로서 그 크기를 축소시킬수 있다. 물과 혼합하지 않는 냉각재를 사용하기 위해 설계된 장치는 냉각재를 흡수성을 갖지 않는한 더 작은 응축장치를 가질수 있다.

제2도 시스템의 변형의 하나는, 기관과 냉각 시스템이 뜨거워지기만 하면 밸브(112)가 증가된 압력을 견디고 비상이완을 받도록 항온적으로 조절되는 것이다. 이 형태에 있어서, 운전조건하의 폐쇄 시스템에 시동과 정지를 위한 개방출구를 필수적으로 포함한다. 최대압은 충분히 폐쇄된 시스템보다 낮게 유지될수 있고, 그것은 시동중의 온도와 압력의 증가가 총 온도-압력변화로부터 하중이 최고에 달하도록 공제될수 있기 때문이다.

시스템내의 온도-압력변화를 다루는 다른 형식들은 별개로하고 상술한 실시예들은 아주 똑같은 방법으로 동작한다. 액체 냉각재는 응축장치를 통하여(또는 시동중일때나 추운기후에서 저하중일때의 우회로를 통하여) 냉각재 재키트의 블록부분으로부터 계속 펌프되어, 연소될 천정의 뜨거운 금속 표면을 따라서 그리고 배기병 둘레에서 생상된 증기의 일부가 액체 냉각재에서 응축되도록 냉각재의 포화온도 이하에서 기관 냉각재 재키트의 헤드부분으로 귀환된다. 액체 냉각재 내의 응축되지 않은 증기는 최상단부로부터 제거되고 그것이 응축되는 응축장치로 이동된다. 응축물은 냉각재 재키트로 되돌아온다.

액체 냉각회로부터 재키트로 돌아온 액체 냉각재가 자세하게 상술한대로 비교적 고온에서 가동하는 기관에서 얻을 수 있는 장점을 얻을수 있을 정도의 고온에 있고, 그러나 헤드 냉각재 재키트안의 증기를 응축시키고 펌프의 공동 현상을 막을수 있을 정도로 충분히 펌프로부터 상승하는 액체 순환 흐름부분에 냉각재의 온도를 낮게 유지하기에 충분한 저온에 있도록 시스템은 설계되어야 한다.

도면은 수직으로 운동하는 피스톤기관을 도시한다. 물론 본 발명의 냉각시스템은 수직이나 수평이나 경사지게 운동하는 실린더 축으로 장치된 기관에서도 사용될수 있다. 양경우에 증기는 냉각재 재키트의 가장 높은 부분들을 찾게 되며, 증기 출구들은 거기에 대응하게 위치되어야 한다. 시스템은 완켈(wankel)기관에서도 사용될 수 있다. 헤드 냉각재 재키트에 관한 상기의 논의는 완켈기관의 연소와 배기부분 둘레의 재키트부분과 관계되었고, 반면에 블록 냉각재 재키트의 논의는 완켈 연소실의 마찰둘레의 재키트 부분에 해당하다. 마지막으로, 실린더 벽의 마찰면을 둘러싸고 있는 부분의 일부와 헤드가 액체 냉각재에 의해 냉각되는 기관에서 본 발명은 사용될 수 있다.

도면은 응축물이 중력에 의해 귀환하도록 응축장치가 기관위에 설치된 장치를 도시하는데, 그렇게 하는 것이 바람직하다. 그럼에도 불구하고, 응축장치는, 필요하다면 가장 높은 액체 냉각재 레벨과 기계적으로 펌프되어 기관으로 되돌아오는 응축물이하로 위치될 수 있다. 그러한 시스템의 설계는 액체레벨의 상승을 돕고 응축장치로의 도관내의 증기의 유동제한을 극소화시키기 위하여 헤드위에 증기 배출도관에 공간을 만드는 것에 주의를 기울여야 한다. 응축물을 위하여 저속 저유동을 펌프면 충분하다.

제1도의 실시예세서, 보조 응축장치(70)는 응축장치(64)보다 낮게 설치되었고 응축장치(64)로 응축물이 사이폰식 귀환하도록 배열되었다. 다른 방법으로는 회복 응축장치가 응축물의 중력에 의한 귀환을 가능하게 응축장치(64)보다 높게 장치할수 있다. 증발과 응축의 싸이클은 본 발명의 방법에 장치내에서 기관의 정지후에도 역할을 계속한다. 액체 냉각재와 접촉하고 있는 실린더 헤드내의 일부분의 금속은 냉각재의 포화온도보다 높게 될것이고 금속의 온도가 냉각재의 포화온도에 도달할때까지 비등은 계속될 것이다. 만일 액체순환펌프가 기관에서 구동되거나 또는 기관이 정지하자마자 정지된다면, 헤드 재키트안의 냉각재의 온도는 포화온도까지 상승할 것이다. 더 적은 증기가 액체 냉각재 안에 응축되고, 더 많은 증기가 응축장치로 들어갈 것이다. 냉각재의 포화온도 이상의 온도에 있는 기관내에 저장된 열에너지의 양은 기관운전중에 냉각재에 전달된 열에 비교하여 많지 않으며, 많은 양의 증기는 냉각중에 비등에 의해 발생될 것이다. 응축장치는, 기관의 운전중에 발생된 증기만큼 냉각중에 발생한 증기를 응축시키는 충분한 용량을 갖는 것이 요구된다. 펌프가, 정지되는 동안 냉각재를 순환시킬 능력을 갖는다면, 액체 냉각재 온도는 냉각재의 포화온도 이하로 유지되고, 정지되는 동안 응축장치에 의해 나타나는 증기의 양은 훨씬 감소할 것이다.

Claims (21)

1. 펌프(38)에 의해 유발된 압려강하의 결과로 냉각재 재키트 밖의 액체에 증기가 생기지 않고 연소실 천장과 배기부에 인접한 곳보다 높은 위치에 있는 냉각재 재키트의 헤드부분내의 냉각재의 온도가 시스템압하의 냉각재 포화온도 보다 낮게 유지되도록, 열교환기로 열을 방찰하도록 기관 냉각재 재키트(20,26)에서 열교환기 (42)를 통하여 냉각재 재키트로 대기압에서 섭씨132도 이상의 포화온도를 갖는 비등가능한 액체냉각재를 기계적으로 펌프하는 단계와, 연소실 천정과 배기부에 인접한 부분의 액체 냉각재의 부분적인 비등에 의해 형성된 증기를 포함하여 재키트에 있는 냉각재내에서 응축되는 개스외의 모든 개스를 냉각재 재키트 헤드부분의 최상단부에서 연결된 적어도 하나의 출구를 통하여 실제로 무제한의 대류에 의해 기관 냉각재 재키트(20,26)로부터 제거하여 기관 냉각재 재키트 헤드의 대부분이 항상 액체상태의 냉각재로 채워져 있도록 하는 단계, 출구(60)로부터 응축실 (64또는 110)을 포함한 응축장치로 개스를 전도하는 단계, 응축물을 응축장치로부터 냉각재 재키트로 귀환시키는 단계를 포함하는 내연기관 냉각방법.
2. 제1항에 있어서, 물과 혼합할수 있고 주어진 온도에서 물의 증기압보다 실제로 낮은 증기압을 갖는 적어도 하나의 물질을 냉각재가 필수적으로 포함하는 냉각방법.
3. 제2항에 있어서, 냉각재 물질이 에틸렌글리콜, 프로필렌 글리콜, 테트라하이드로휴어휴릴 알콜, 디프로필렌 글리콜로 구성된 그룹중에서 선택되는 냉각방법.
4. 제1항에 있어서, 물과 혼합하지 않고 주어진 온도하에서 물의 증기압보다 실제로 낮은 증기압을 갖는 적어도 하나의 물질을 냉각재가 필수적으로 구성하는 냉각방법.
5. 제4항에 있어서 2,2,4-트리메틸-1,3-펜타니디올모노이소부티래이트, 디부틸 이소프로파노라민 그리고 2-부틸 옥타놀로 구성된 그룹중에서 냉각재의 물질이 선택되는 냉각방법.
6. 제1항에 있어서, 액체 냉각재가 기관 냉각재 재키트의 구멍부분(20)으로부터 순환되어 냉각재 재키트의 헤드부분(26)으로 귀환되는 냉각방법.
7. 제1항에 있어서, 액체응축물이 중력에 의해 응축실(64)로부터 냉각재 재키트로 끊임없이 귀환되는 냉각방법.
8. 제1항에 있어서, 대기(72)로 출구가 있고 거기서 응축되는 개스의 응축을 위해 응축실의 온도보다 더 차가울 것 같은 위치에 있는 보조응축장치(70)로 응축실 (64)의최상단부에 있는 개스를 전도하는 단계와 보조응축장치에서 응축실로 액체응축물을 귀환하는 단계로 구성되는 냉각방법.
9. 제8항에 있어서, 응축실과 보조응축장치 사이에 위치한 압력 릴리이프 밸브(68)에 의해 응축실내의 압력이 예정된 양만큼 보조응축장치내의 압력을 초과할 때를 제외하고는 응축실로부터 보조응축장치로의 개스의 이동을 막는 단계와, 응축실과 보조응축장치 사이에 위치한 두번째 압력릴리이프밸브(68)에 의해 응축물의 헤드압에 보조응축장치내의 압력을 더한 것이 예정된 양만큼 응축실의 압력을 초과할때를 제외하고는 보조응축장치에서 응축실로의 응축물과 개스이동을 막는 단계로 구성된 냉각방법.
10. 제1항에 있어서, 응축장치내의 압력이 예정된 값만큼 주위의 압력을 초과할때만 출구(114)를 통하여 응축실(110)의 최상단부에 있는 개스를 대기로 전도하는 단계와 주위압력이 예정된 값만큼 응축장치내의 압력을 초과할때만 출구를 통하여 응축장치내로 주위공기를 전도하는 단계로 구성된 냉각방법.
11. 기관의 각각의 배기병과 연소실의 둘레에 냉각재 재키트(20,26)를 포함하고 대기압하에서 섭씨132도 이상의 포화온도를 갖는 비등가능 액체냉각재를 갖는 냉각재 재키트, 펌프에 의해 유발된 압력강화의 결과로 액체 냉각 회로내에 증기가 생기지 않고 연소실 천장과 배기부의 인접부분보다 높게 위치해 있는 냉각재 재키트 헤드 부분내의 냉각재 온도가 시스템압력에 대한 냉각재의 포화온도보다 낮게 유지되도록 열교환기내에서 열방출이 되게 냉각재 재키트에서 열교환기를 통하여 다시 냉각재 재키트로 냉각재가 순환하는 열교환기(42)와 기계적인 펌프수단을 포함하는 액체냉각 회로, 연소실 천정과 배기부 둘레 냉각재 재키트의 대부분이 언제나 액상이 냉각재로 유지되도록 재키트 내에서 냉각재에 응축되는 개스외에는 연소실 천정과 배기부에 인접한 부분의 액체냉각재의 부분적인 비등에 의한 증기를 포함한 모든 개스를 냉각재 재키트로부터 충분히 무제한의 복사에 의해 끊임없이 제거되고 방출되도록 고안된 냉각재 재키트의 최상단에 연결된 적어도 하나의 출구(60), 출구(60)를 통하여 냉각재 재키트로부터 제거되고 방출된 개스를 받기위한 그리고 그곳에서 응축되는 응축성분을 응축하기 위한 응축실(64)을 포함하는 응축장치, 응축장치로부터 냉각재 재키트로 응축물을 귀환시키기 위한 귀환수단으로 구성된 내연기관 냉각장치.
12. 제11항에 있어서, 물과 혼합할수 있고 주어진 온도에서 물보다 충분히 낮은 증기압을 갖는 물질을 적어도 하나 반드시 냉각재가 포함하는 냉각장치.
13. 제12항에 있어서, 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 테트라 하이드로휴어휴릴알콜, 디르포필렌 글리콜로 구성된 그룹중에서 냉각재 물질이 선택되는 냉각장치.
14. 제11항에 있어서, 물과 충분히 혼합하지 않고 주어진 온도에서 물보다 충분히 낮은 증기압을 갖는 물질을 냉각재가 적어도 하나 필수적으로 포함하는 냉각장치.
15. 제14항에 있어서, 2,2,4-트리메틸-1,3-펜타니디올모노이소부티레이트, 디부틸 이소프로파노라민 그리고 2-부틸 옥타놀로 구성된 그룹중에서 냉각재물질이 선택된 냉각장치.
16. 제11항에 있어서, 액체냉각회로가 냉각재 재키트의 블록 부분(20)으로부터 냉각재를 순환시키고 냉각재 재키트의 헤드부분(26)으로 액체냉각재를 귀환시키도록 된 냉각장치.
17. 제11항에있어서, 응축실(64또는110)이 냉각재 재키트 출구의 높이보다 높게 위치하고 귀환수단(62)이 중력에 의해 응축실로부터 냉각재 재키트로 응축물을 귀환시키는 냉각장치.
18. 제9항에 있어서, 응축실이 입구로부터 떨어져 있고 최상단부에 위치해 있는 출구(66또는 114)를 갖는 냉각장치.
19. 제18항에 있어서, 응축실내의 압력이 보조 응축장치안의 압력을 초과할 때, 응축실의 최상단부에 있는 개스가 응축가능한 개스의 응축을 위해 그리고 비응축 개스의 배출을 위해 보조응축장치 안으로 전도될수 있도록, 그리고 보조 응축장치내의 압력이 응축실내 압력에 축구파이프의 응축물 양의 헤드압력을 더한 값보다 커질 때 마다 보조응축장치 내의 응축물과 개스가 보조응축장치로부터 응축실로 전도되도록, 응축실의 온도보다 더 차가운 위치에 장치되고 최상부로부터 대기로 출구가 있는 보조응축장치, 응축장치 용기의 출구와 보조응축장치를 연결해 주며 일반적으로 보조응축장치의 최하단에 개방구가 있는 출구파이프(66), 그리고 보조응축장치를 응축장치가 포함하는 냉각장치.
20. 제19항에 있어서 응축실의 압력이 예정된 값만큼 보조응축장치 내의 압력을 초과할 때를 제외하고는 응축실로부터 보조응축장치로 개스의 통과를 막기 위하여 응축실과 보조응축장치 사이에 위치한 제1압력릴리이프 밸브(68)와, 보조응축장치내의 압력이 응축실내의 압력에 출구 파이프내의 응축물의 압력을 더한 것보다 클때를 제외하고는 보조응축장치에서 응축실로 응축물과 개스의 통과를 막아주는 응축실과 보조응축장치사이의 제2압력 릴리이프 밸브(68)를 포함하는 냉각장치.
21. 제18항에 있어서 응축(110)내의 압력이 예정된 양만큼 주위압력을 초과할때를 제외하고는 응축장치(110)에서 대기로 개스의 통과를 막기 위해 출구(114)에 위치한 출구 압력 릴리이프 밸브수단(112)과, 주위 압력이 예정되 값만큼 응축실내의 압력을 초과할때를 제외하고는 대기로부터 응축실로 주위공기의 통과를 막기위해 출구에 위치한 입구압력 릴리이프 밸브수단(112)을 포함하는 냉각장치.

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