(57)【要約】【課題】内燃機関の水冷式冷却装置において、冷却性能と通水抵抗低減とを高いレベルで両立させる。【解決手段】冷却水中には界面活性剤が臨界的濃度以上で含まれており、棒状ミセル２１が形成されることで、通水抵抗が低減する。冷却水が接するウォータジャケット壁１２の表面は、凹凸表面構造を有し、第１に、壁面に沿って流れようとする冷却水の流れを物理的に攪拌し、そのせん断力でもって棒状ミセル２１を破壊する。第２には、表面の凹凸によって、冷却水中の溶存空気が空気泡として成長し、かつ離脱し易くなる。同様に、核沸騰による気泡の発生・離脱が助長され、これらの溶存空気やサブクール沸騰による気泡２３によって冷却水が攪拌される結果、棒状ミセル２１が破壊され、球状ミセル２２へと分断される。この棒状ミセル２１の破壊・分断によって熱伝達率が回復する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
棒状ミセルを形成し得る濃度の界面活性剤を含む冷却水を用いるとともに、この冷却水が循環するウォータジャケットの少なくとも一部の内表面が、棒状ミセルを破壊する凹凸表面構造を備えていることを特徴とする内燃機関の冷却装置。
【請求項２】
上記凹凸表面構造として、上記内表面が、多数の微細な柱状凹部を備えていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の冷却装置。
【請求項３】
上記柱状凹部の平均直径ｄが、２５ｎｍ≦ｄ≦１μｍの範囲にあることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の冷却装置。
【請求項４】
上記柱状凹部の平均直径ｄが、４０ｎｍ≦ｄ≦４５０ｎｍの範囲にあることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の冷却装置。
【請求項５】
上記凹凸表面構造が、微細な孔を有する陽極酸化膜からなることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関の冷却装置。
【請求項６】
上記凹凸表面構造の凹凸よりも大きな平均粒径の微細粒子を上記冷却水に混入させたことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の内燃機関の冷却装置。
【請求項７】
ウォータジャケット内を流れる冷却水の主流が、気筒列方向に流れることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の内燃機関の冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、冷却水の強制循環によりシリンダヘッドやシリンダブロックの各部を冷却する内燃機関の冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、車両用内燃機関の冷却装置として、冷却水中の界面活性剤による棒状ミセルが、冷却水の乱流摩擦抵抗を低減し得ることが開示されており、乱流摩擦抵抗の低減によりウォータポンプの動力が低減する一方、ラジエータやヒータコア等の放熱部においては、流れのレイノルズ数が大きいため、棒状ミセルによる乱流摩擦抵抗の低減作用が抑制され、相対的に高い熱交換作用が得られる。
【０００３】
また特許文献２は、配管抵抗低減のために流体中に形成される棒状ミセルを、加熱することによって破壊し、熱伝達率を回復することが開示されている。
【特許文献１】特開平１１−１７３１４６号公報
【特許文献２】特開２００６−３３６９４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１のように、冷却水中に棒状ミセルを形成して冷却水系での通水抵抗を低減するようにした場合、シリンダ周囲や燃焼室周囲のウォータジャケットは、ラジエータ等と比較して流路断面積が大きいため、層流が維持され、熱伝達率が比較的低い。つまり、棒状ミセルによる乱流摩擦抵抗の低減に伴って、ウォータジャケット壁面から冷却水への熱伝達率が低下し、効果的に熱を除去することができない。
【０００５】
また、特許文献２のように加熱することで棒状ミセルを破壊し、熱伝達率を回復する方法は、熱の除去を目的とする冷却装置としては採用できない。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係る内燃機関の冷却装置は、棒状ミセルを形成し得る濃度の界面活性剤を含む冷却水を用い、これによって通水抵抗が低減する。そして、この冷却水が循環するウォータジャケットの少なくとも一部の内表面が、棒状ミセルを破壊する凹凸表面構造を備えている。この凹凸表面構造は、単に表面付近の冷却水の流れを物理的に攪拌して棒状ミセルを破壊するのみならず、溶存空気が空気泡として成長したり核沸騰（サブクール沸騰）により気泡が発生したりすることを助長し、これらの気泡によって棒状ミセルを破壊する作用が得られる。このようにウォータジャケットの内表面付近で棒状ミセルを破壊することで、熱伝達率が回復し、ウォータジャケット内表面から冷却水へ効果的に熱が除去される。
【発明の効果】
【０００７】
この発明によれば、冷却装置全体として棒状ミセルによる通水抵抗の低減が可能であり、例えばウォータポンプにおける消費エネルギを低減できるとともに、ウォータジャケット内表面から冷却水への熱伝達を良好に維持でき、冷却性能と通水抵抗低減とを高いレベルで両立させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
【０００９】
図１は、この発明が適用される内燃機関の冷却装置の基本的な構成の一例を示しており、内燃機関Ｅのシリンダブロック４とシリンダヘッド５の内部には、周知のように冷却水を通流させるためのウォータジャケットが形成されている。この実施例では、ウォータジャケット内を気筒列方向に沿って冷却水が流れるように構成されており、シリンダヘッド５の機関後端部から取り出された冷却水が、ファン６を備えたラジエータ１に案内され、かつラジエータ１で低温となった冷却水がサーモスタット２およびウォータポンプ３を介してシリンダブロック４の機関前端部に戻されるようになっている。
【００１０】
ここで、上記冷却水は、例えばエチレングリコールの水溶液いわゆる不凍液であるが、比較的高濃度の界面活性剤を含み、これにより球状ミセルが結合した棒状ミセルが形成されるようになっている。このような棒状ミセルは、その弾性効果により乱流抑制効果ひいては管摩擦抵抗低減作用が得られ、管摩擦係数として、通常の水がレイノルズ数２０００を越えたあたりで乱流の特性を示すのに対し、棒状ミセルを含む冷却水では、レイノルズ数２００００程度まで層流の摩擦特性を維持する。レイノルズ数が例えば２００００を越えると、流れのせん断力によって棒状ミセルが分断されて乱流特性となるため、ウォータジャケット内のレイノルズ数は基本的に２００００以下となっている。なお、界面活性剤の一例としては、臭化セチルトリメチルアンモニウムが、６０〜７０ｐｐｍ程度の濃度でもって用いられるが、本発明はこれに限定されるものではなく、適宜な界面活性剤がいわゆる臨界的濃度以上の濃度で含まれていればよい。
【００１１】
図２は、本発明におけるウォータジャケット１１および該ウォータジャケット１１を構成するウォータジャケット壁（シリンダブロック４あるいはシリンダヘッド５の一部として鋳造される）１２の拡大断面図（ａ）と、このウォータジャケット１１内を流れる冷却水における棒状ミセルの割合（ｂ）とを対比して示したものであり、本発明では、ウォータジャケット壁１２が、棒状ミセルを破壊する微細な凹凸表面構造を備えている。この凹凸表面構造は、シリンダブロック４およびシリンダヘッド５のウォータジャケットの全体に亘って形成してもよく、あるいは、熱伝達の向上が必要な特定の部分、例えば熱負荷の高い部分のみに部分的に形成してもよい。
【００１２】
ウォータジャケット１１を流れる冷却水に含まれるミセルは、ウォータジャケット１１の壁面（凹凸表面構造）から離れた位置では棒状ミセルであり、流れは層流を維持する。これに対し、凹凸表面構造に近い位置では、流れが攪拌されて棒状ミセルが球状ミセルへと分断され、流れは乱流となる。このため、ウォータジャケット壁１２から冷却水への熱伝達が回復し、良好な冷却が行われる。
【００１３】
図３は、棒状ミセルの破壊・分断のメカニズムを説明する図であって、ウォータジャケット壁１２の凹凸表面構造は、第１に、壁面に沿って流れようとする冷却水の流れを物理的に攪拌し、そのせん断力でもって棒状ミセル２１を破壊する。そして、第２には、表面の凹凸によって、冷却水中の溶存空気が空気泡として成長し、かつ離脱し易くなる。同様に、核沸騰（サブクール沸騰）による気泡の発生・離脱が助長され、これらの溶存空気やサブクール沸騰による気泡２３によって冷却水が攪拌される結果、棒状ミセル２１が破壊され、球状ミセル２２へと分断される。
【００１４】
また本発明では、ウォータジャケット壁１２に凹凸表面構造を設けて、気泡の発生・離脱を助長すること自体によっても熱伝達率が向上する。図４は、ウォータジャケット壁１２近傍の冷却水温度と熱流束との関係を示したものであり、図示するように、特定の温度を境界にして熱流束が急激に増大する特性が得られる。これは、微細な凹凸表面は、冷却水を取り囲む表面積が増大することから、冷却水に溶存していた気体が気泡へと成長しやすく、さらに、その気泡が膜に成長する前に素早く離脱するためである。すなわち、表面近傍の冷却水温度がある温度を超えると、気泡が次々に発生・離脱するようになって、熱伝達率が向上する。また、表面近傍の冷却水温度が局部的に飽和温度を超える核沸騰でも同様の現象が生じる。
【００１５】
図５は、内燃機関が発生する熱負荷とウォータジャケット壁１２近傍の冷却水温度との関係を、機関回転数毎（例えば２０００ｒｐｍ、４０００ｒｐｍ、６０００ｒｐｍ）に示したものである。点線は、各機関回転数での冷却水の飽和温度を示しているが、機関回転数によってウォータジャケット１１内の圧力が定まるので、各機関回転数毎に飽和温度は一定である。これに対し、ウォータジャケット壁１２近傍の冷却水温度は、熱負荷に伴って上昇するが、低速回転数（２０００ｒｐｍ）では、内燃機関が全負荷となってもウォータジャケット壁１２近傍の冷却水温度は飽和温度よりも低く、従って、沸騰は生じない。これに対し、中速回転数（４０００ｒｐｍ）ないし高速回転数（６０００ｒｐｍ）では、内燃機関の高負荷時に、ウォータジャケット壁１２近傍の冷却水温度が飽和温度よりも高くなり、局部的な沸騰が生じる。これにより、潜熱による効果的な冷却が行われるとともに、前述したような棒状ミセルの破壊・分断が促進され、熱伝達率が向上する。
【００１６】
従って、低速低負荷側では過冷却を防止して燃費向上が図れ、高速高負荷側では内燃機関の熱を確実に外部へ移動させることができる。また、実用域では冷却水が局部的な沸騰に至る頻度は少ないので、冷却水の沸騰による劣化は少ない。
【００１７】
また、本発明は、特に、図１に示したように冷却水の主流が気筒列方向に沿って流れる構成において有利となる。図６は、冷却水入口から冷却水出口へと気筒列方向に流れる各部での冷却水温度等の変化を示したものであり、冷却水は、ウォータジャケット１１内を流れるにつれて熱を受け、温度上昇するので、下流ほど冷却水温度は高い。従って、ウォータジャケット壁１２との間での伝熱面温度差ΔＴは下流ほど小さい。一方、熱伝達率αは、従来のものでは、破線に示すように一定であるので、両者の積（α×ΔＴ）で示される熱流束は、従来は、破線に示すように、下流ほど小さくなってしまい、冷却性が悪化する。つまり、冷却水出口に近い機関後端の気筒は熱的に不利となる。
【００１８】
これに対し、本発明では、ウォータジャケット壁１２近傍の棒状ミセルの数（割合）が下流ほど少なくなる。つまり、棒状ミセルの破壊・分断が、流れの下流側では、時間的余裕もあることから上流側よりも相対的に進行し、棒状ミセルが減少する。これに伴い、熱伝達率αは、実線のように、下流ほど高くなる。従って、熱流束は実線のように下流側でも高く維持され、冷却水出口に近い機関後端の気筒を機関前端の気筒と同様に冷却できる。
【００１９】
上記ウォータジャケット壁１２における凹凸表面構造の一例としては、図７（ａ），（ｂ）に示すように、ウォータジャケット壁１２表面に多数の微細な柱状凹部３２を備える酸化物皮膜３１が設けられている。これは、シリンダブロック４ないしシリンダヘッド５の母材自体の陽極酸化膜処理によって形成される。上記柱状凹部３２の大きさとしては、その平均直径ｄが、２５ｎｍ≦ｄ≦１μｍの範囲にあることが望ましい。２５ｎｍよりも小さいと、内部に気泡がない状態でも凹部３２内に冷却水が侵入しにくく、１μｍよりも大きいと、冷却水を局部的に加熱する熱浴としての効果が小さくなる。さらに詳しくは、平均直径ｄが４０ｎｍ≦ｄ≦４５０ｎｍの範囲にあることが望ましい。４０ｎｍよりも小さいと、内部に気泡がある状態では凹部３２内に冷却水が侵入しにくい。また４５０ｎｍよりも大きいと、内部に気泡があっても熱浴としての効果が小さい。
【００２０】
酸化物皮膜３１を表面に形成するシリンダブロック４ないしシリンダヘッド５の母材としては、純アルミニウムあるいはアルミニウム合金が、酸化物皮膜としてアルミナを陽極酸化によって容易に形成できるため、好ましい。酸化物皮膜３１を形成する工程の一例としては、表面の研磨工程、陽極酸化工程およびエッチング工程を有する。
【００２１】
研磨工程においては、シリンダブロック４ないしシリンダヘッド５のウォータージャケット壁１２の表面に、バフ研磨および電解研磨が施され、表面形状が調整される。バフ研磨および電解研磨の一方を、適宜省略することも可能である。
【００２２】
陽極酸化工程においては、表面形状が調整された内壁面が、電解液に浸漬され、電圧が印加されることで陽極酸化膜が形成される。電解液は、例えば、酸系である。印加電圧は、例えば、７０〜８０Ｖである。陽極酸化膜は、アルミナからなる酸化物皮膜であり、微細孔を有する。この微細孔が前述した柱状凹部３２となる。
【００２３】
エッチング工程においては、酸化物皮膜が形成された内壁面が、清浄表面を露出させるために、エッチング液に浸漬される。エッチング液は、例えば、酸系である。浸漬時間は、例えば、１５分である。
【００２４】
これにより、図７（ａ），（ｂ）に示すように、多数の微細な柱状凹部３２を備える酸化物皮膜３１が得られる。このような陽極酸化によれば、広範囲にわたって容易かつ廉価に柱状凹部３２を形成することができ、好ましい。特に、ウォータージャケット１１の内壁のように、外部から直接に機械加工することが困難な箇所において有効である。なお、柱状凹部３２となる微細孔の平均直径および平均深さは、アルミニウム基材の成分組成の選定、電解液の成分組成の選定、陽極酸化条件などを制御することによって、調整可能である。
【００２５】
次に、図８は、棒状ミセル２１が形成される冷却水に、さらに、凹凸表面構造の凹凸よりも大きな平均粒径（例えば数１０μｍから数１００μｍ程度）の微細粒子４１を混入した実施例を示している。この微細粒子４１としては、例えば蓄熱潜熱材を内部に包含したマイクロカプセルなどが用いられ、その大きさからシリンダヘッド壁１２の柱状凹部３２内に入ることなくウォータジャケット１１内を冷却水とともに流れるが、上述したシリンダヘッド壁１２表面での攪拌作用を受けると、この微細粒子４１によって棒状ミセル２１の破壊・分断がより促進される。なお、冷却水が層流となって流れている箇所では、微細粒子４１も棒状ミセル２１とともに円滑に流れるので、棒状ミセル２１を破壊・分断することはない。なお、微細粒子４１としてマイクロカプセル内に蓄熱潜熱材を包含したものでは、その熱容量によって冷却水主流の温度上昇を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】この発明が適用される内燃機関の冷却装置の基本的な構成説明図。
【図２】ウォータジャケットおよびウォータジャケット壁の拡大断面図（ａ）と棒状ミセルの割合（ｂ）とを対比して示した図。
【図３】棒状ミセルの破壊・分断のメカニズムを説明する説明図。
【図４】ウォータジャケット壁近傍の冷却水温度と熱流束との関係を示した特性図。
【図５】内燃機関が発生する熱負荷とウォータジャケット壁近傍の冷却水温度との関係を、機関回転数毎に示した特性図。
【図６】冷却水入口から冷却水出口へと気筒列方向に流れる各部での冷却水温度等の変化を示した特性図。
【図７】ウォータジャケット壁表面部分の拡大した平面図（ａ）および断面図（ｂ）。
【図８】微細粒子を混入した実施例を示す図３と同様の説明図。
【符号の説明】
【００２７】
１１…ウォータジャケット
１２…ウォータジャケット壁
２１…棒状ミセル
２２…球状ミセル
３２…柱状凹部
４１…微細粒子  
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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