(57)【要約】【課題】突沸を防止しつつ気化潜熱を利用した効率のよい冷却を実現する。【解決手段】ウォータジャケットとラジエータと電動式ウォータポンプとを備え、冷却水の循環により冷却を行う水冷式冷却装置において、ウォータジャケットの内壁面に、アルミニウム合金母材の陽極酸化膜処理により微細な空孔を備えた凹凸表面構造を設ける。ラジエータキャップの負圧弁に、負圧弁を強制的に開弁するソレノイドを付加し、冷却水温度Ｔｗが低い暖機運転中は、このソレノイドをＯＮとして負圧弁を開くことにより、冷却系内の圧力を低くする。これにより、早期に気泡が発生し、凹凸表面構造の空孔に入る。温度が上昇すると、この空孔内の気泡が核となってサブクール沸騰が促進され、効率のよい冷却がなされる。【選択図】図５
2010196562.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却水が通流するウォータジャケットの内壁面を、微細な空孔を有する凹凸表面構造とするとともに、機関暖機運転中に冷却系内の圧力を低くして、この凹凸表面構造の空孔での気泡発生を促進することを特徴とする内燃機関の冷却装置。
【請求項２】
冷却水が通流するウォータジャケットの内壁面を、微細な空孔を有する凹凸表面構造とするとともに、機関暖機運転中は、冷却水の強制循環を停止することを特徴とする内燃機関の冷却装置。
【請求項３】
冷却水の強制循環を行う電動式ウォータポンプを備え、機関の暖機完了に伴うウォータポンプ起動時に、キャビテーションが生じるようにポンプ回転速度を一時的に高くす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】
冷却水が通流するウォータジャケットの内壁面を、微細な空孔を有する凹凸表面構造とするとともに、ラジエータへの冷却水の循環を温度に応じて調節するサーモスタット弁の設定温度を、機関暖機運転中は高くすることを特徴とする内燃機関の冷却装置。
【請求項５】
冷却水が通流するウォータジャケットの内壁面を、微細な空孔を有する凹凸表面構造とするとともに、冷却水の強制循環を行う電動式ウォータポンプと、冷却系内の圧力を機械的に調圧する加圧弁および負圧弁と、を備え、機関の停止後に、上記負圧弁を所定期間、閉弁状態に維持するとともに、キャビテーションが生じるように電動式ウォータポンプを駆動することを特徴とする内燃機関の冷却装置。
【請求項６】
冷却水が通流するウォータジャケットの内壁面を、微細な空孔を有する凹凸表面構造とするとともに、このウォータジャケットの冷却水中に微細な気泡を供給する気泡供給手段を備えたことを特徴とする内燃機関の冷却装置。
【請求項７】
上記気泡供給手段として、ナノメータレベルの粒径の気泡を冷却水中に混入させるナノバブル発生器を用いることを特徴とする請求項６に記載の内燃機関の冷却装置。
【請求項８】
上記気泡供給手段として、ウォータポンプ下流側の冷却水の流れに空気を混入させることを特徴とする請求項６に記載の内燃機関の冷却装置。
【請求項９】
上記気泡供給手段として、高圧空気タンクからの高圧空気を冷却水中に吹き込むことを特徴とする請求項６に記載の内燃機関の冷却装置。
【請求項１０】
機関の暖機運転中に上記気泡供給手段を作動させることを特徴とする請求項６〜９のいずれかに記載の内燃機関の冷却装置。
【請求項１１】
機関の停止中に上記気泡供給手段を作動させることを特徴とする請求項６〜９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】
この発明は内燃機関の冷却装置、特に、水冷式の冷却装置の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車用エンジンに代表される内燃機関の多くは、冷却水の強制的な循環による水冷式冷却装置を備えている。また、水冷式の冷却装置の一つの形態として、冷却水を沸騰させ、冷却水の気化潜熱を利用して冷却を行う方法も、特許文献１等において既に提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭５９−２１３９１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のような冷却水の気化潜熱を利用する冷却装置においては、例えば熱交換を行う壁面が平滑面であると、大きな蒸気泡が突然多量に生じる突沸が起こり、好ましくない。これに対し、壁面の表面に微細な凹凸を設けると、この凹凸によって微細な気泡が生じ、沸騰現象を促進することができるが、このような効果が持続するためには、気泡の核となるものを表面に持続的に付着させる必要がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この発明に係る内燃機関の冷却装置は、冷却水が通流するウォータジャケットの内壁面を、微細な空孔を有する凹凸表面構造としており、これによって、熱負荷が高いときに、サブクール沸騰（核沸騰）を生じさせ、潜熱を利用した効率的な冷却を実現する。
【０００６】
そして、本発明では、機関暖機運転中に冷却系内の圧力を低くしたり、冷却水の強制循環を停止したり、積極的にキャビテーションを生じさせたりすることで、暖機運転中に早期に空孔内に気泡を抱え込ませるようにする。これにより、暖機が完了して機関の温度が上昇してきたときに、この空孔内の気泡が核となって、比較的低い過熱度からサブクール沸騰が継続的に生じる。
【０００７】
また、第２の発明では、ナノバブル発生器や高圧空気タンクなどの気泡供給手段を備え、これによって、例えば機関の停止中などに、空孔内に微細な気泡を供給する。
【発明の効果】
【０００８】
この発明によれば、突沸が防止されるとともに、持続的なサブクール沸騰の促進が図れ、効率の高い冷却により冷却系をより小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】この発明に係る冷却装置の一実施例を示す構成説明図。
【図２】ウォータジャケット壁面の拡大した平面図（ａ）および断面図（ｂ）。
【図３】ラジエータキャップの半断面図。
【図４】第１実施例のソレノイドの制御フローチャート。
【図５】冷却系内の設定圧力の特性を示す特性図。
【図６】独立した大気開放用の電磁弁を備えた変形例を示す構成説明図。
【図７】電動式ウォータポンプの動作の特性を示す特性図。
【図８】電動式ウォータポンプの起動時に回転速度を高める例のタイムチャート。
【図９】サーモスタット弁の設定温度の特性を示す特性図。
【図１０】電動式ウォータポンプと負圧弁の制御の例を示すタイムチャート。
【図１１】ナノバブル発生器を用いた第２実施例の構成説明図。
【図１２】その変形例を示す構成説明図。
【図１３】高圧空気タンクから空気を導入する第３実施例の構成説明図。
【図１４】その制御を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１は、この発明に係る冷却装置の構成を概略的に示したもので、１は、内燃機関のシリンダブロックやシリンダヘッドの内部に形成されたウォータジャケットを表しており、その冷却水出口が冷却水通路２を介してラジエータ３の入口側に接続され、かつ該ラジエータ３の出口側が冷却水通路４を介してウォータポンプ５の吸込側に接続されている。このウォータポンプ５の吐出側は、ウォータジャケット１の冷却水入口に接続されている。
【００１１】
また、ウォータジャケット１の冷却水出口とウォータポンプ５の吸込側との間に、ラジエータ３をバイパスするためのバイパス通路６が設けられており、冷却水温度に応じてラジエータ３側とバイパス通路６側とに流路を切り換えるサーモスタット弁７を備えている。なお、このサーモスタット弁７の形式や配置としては、公知の種々のものを採用することが可能である。ラジエータ３には、後述するように冷却系内の圧力を機械的に調圧する加圧弁と負圧弁とを備えたラジエータキャップ８が設けられている。また、上記ウォータポンプ５としては、例えば電動モータ９により駆動する電動式ウォータポンプが用いられている。
【００１２】
従って、冷却水は、暖機完了後は、ウォータポンプ５の作動に伴い、ウォータジャケット１とラジエータ３との間で循環する。また暖機運転中は、サーモスタット弁７の作用により、ラジエータ３を通らずに、バイパス通路６を介して冷却水が循環する。
【００１３】
ここで、冷却水が通流するウォータジャケット１の内壁面は、図２に示すような微細な空孔１２を有する凹凸表面構造１１を有している。これは、例えば、アルミニウム合金からなるシリンダブロックやシリンダヘッドの母材自体を陽極酸化膜処理することによって、多数の微細な柱状の空孔１２を備える酸化物被膜を形成することによって得られる。上記空孔１２の大きさとしては、その平均直径が、ナノメータないしミクロンメータのオーダ（典型的には数十ナノメータ）となる。この酸化物皮膜による凹凸表面構造１１の加工は、例えば、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し、外部から直接に機械加工することが困難なウォータジャケット１の内部に容易に凹凸表面構造１１を形成することができる。なお、空孔１２の平均直径や平均深さは、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。
【００１４】
従って、高負荷時などウォータジャケット１壁面の熱負荷が高いときには、微細な空孔１２を有する凹凸表面構造１１によって冷却水の核沸騰（サブクール沸騰）が助長され、潜熱を利用した積極的な冷却が行われる。
【００１５】
図３は、ラジエータ３の冷却水注入口２１に取り付けられたラジエータキャップ８の詳細を示しており、このラジエータキャップ８は、公知のラジエータキャップと同様に、正圧側の所定の圧力（第１設定圧）で開弁して冷却系内の過度の圧力上昇を防止する加圧弁２２と、負圧側の所定の圧力（第２設定圧）で開弁して機関停止後の冷却系内の過度の負圧化を回避する負圧弁２３と、を備えている。そして、この実施例では、負圧弁２３を強制的に開弁させるソレノイド２４が付加されている。なお、冷却水注入口２１の連通孔２５は、大気開放された図外のリザーバタンクに接続されている。
【００１６】
上記のソレノイド２４は、図４に示すフローチャートに従ってＯＮ−ＯＦＦ制御されており、機関の始動後、ステップ１で冷却水温度Ｔｗが設定温度（暖機完了に相当する温度）Ｔｗ１未満であるか判定し、Ｔｗ１未満つまり暖機運転中であれば、ステップ２でソレノイド２４をＯＮとする。これにより、冷却系内の設定圧力は、図５に示すように、暖機運転中であるＴｗ１未満の間、暖機完了後の設定圧力よりも低いものとなる。つまり、負圧弁２３を介して冷却系内が大気開放される。
【００１７】
従って、暖機運転中に、ウォータジャケット１内で比較的早期に気泡が発生し、これが凹凸表面構造１１の空孔１２内に抱え込まれるため、その後、さらに温度が上昇したときに、この空孔１２内の気泡が核となって比較的低い過熱度でサブクール沸騰が生じる。従って、潜熱を利用して熱負荷の高い部位を積極的に冷却でき、冷却系の小型化が可能となる。
【００１８】
図６は、ラジエータキャップ８の負圧弁２３とは別に、独立した大気開放用の電磁弁２６を設けた実施例を示している。この電磁弁２６は、上記実施例のソレノイド２４と同様に冷却水温度Ｔｗに応じてＯＮ−ＯＦＦ制御され、同様に、暖機運転中に冷却系内をほぼ大気圧に維持する。
【００１９】
次に、図７は、上記ウォータポンプ５を暖機運転中に停止するようにした実施例を示しており、図示するように、冷却水温度Ｔｗが設定温度（暖機完了に相当する温度）Ｔｗ１未満であれば、電動式ウォータポンプ５をＯＦＦとし、冷却水温度Ｔｗが設定温度Ｔｗ１以上となったら電動式ウォータポンプ５を起動する。これにより、暖機運転中は、冷却水がウォータジャケット１内で滞留した状態となり、やはり早期に気泡が発生して、空孔１２内でのサブクール沸騰の核となる。なお、電動式ウォータポンプ５を完全に停止させるのではなく、暖機後よりも低い速度で電動式ウォータポンプ５を運転するようにしてもよい。また、前述した冷却系内の圧力を可変とする実施例と組み合わせて適用することも可能である。
【００２０】
次に、図８は、上記実施例の変形例であって、ここでは、上記と同様に、冷却水温度Ｔｗが設定温度Ｔｗ１に達するまでは、電動式ウォータポンプ５をＯＦＦとする。そして、設定温度Ｔｗ１に達したら、電動式ウォータポンプ５を起動するが、この起動時に、ポンプ回転速度を一時的に高くする。特に、ウォータポンプ５によるキャビテーションが発生するレベルにまで回転速度を高くする。これにより、下流のウォータジャケット１内に積極的に気泡が導入され、空孔１２内に入り込んで、その後のサブクール沸騰の核となる。
【００２１】
次に、図９は、冷却水温度に応じてラジエータ３側とバイパス通路６側とに流路を切り換えるサーモスタット弁７の制御温度を、暖機運転中は相対的に高くするようにした実施例を示している。つまり、冷却水温度Ｔｗが設定温度（暖機完了に相当する温度）Ｔｗ１未満であれば、サーモスタット弁７の制御温度を高くし、冷却水温度Ｔｗが設定温度Ｔｗ１以上となったら通常の制御温度に戻す。サーモスタット弁７における制御温度の可変設定は公知の手法を利用でき、例えばサーモスタット弁７が感温ワックスにより機械的に開閉される場合には、バルブないし弁座の位置をソレノイド等で動かすようにしてもよく、あるいは、サーモスタット弁７自体を電気的に開閉制御される形式のものとしてもよい。
【００２２】
このような構成では、暖機運転中にラジエータ３からの放熱がより少なく制限され、やはり早期に気泡が発生して、空孔１２内でのサブクール沸騰の核となる。なお、前述した各実施例の技術と組み合わせて適用することも可能である。
【００２３】
次に、図１０は、負圧弁２３と電動式ウォータポンプ５とを利用して機関停止後に冷却系内に積極的に気泡を生じさせるようにした実施例のタイムチャートを示している。この実施例では、ラジエータキャップ８の負圧弁２３に図３で示したようなソレノイドが付加されているが、特に、ここでは、ソレノイドをＯＮとしたときに、圧力差による負圧弁２３の開弁が阻止される構成となっている。
【００２４】
時刻ｔ１において内燃機関が停止すると、同時に（ｃ）に示すように負圧弁２３のソレノイドがＯＮとなり、該負圧弁２３の開弁が禁止される。ラジエータキャップ８の加圧弁２２は、（ａ）に示す冷却系内の圧力によって動作するので、（ｂ）に示すように、冷却系内の圧力が第１設定圧に低下した時点ｔ２で閉となり、冷却系内が密閉された状態となる。その後、温度低下に伴って冷却系内は負圧化し、ある程度の負圧となる時点ｔ３で電動式ウォータポンプ５が一定時間駆動され、これによって、キャビテーションが発生する。そのため、下流のウォータジャケット１内に積極的に気泡が導入され、空孔１２内に入り込んで、その後のサブクール沸騰の核となる。負圧弁２３のソレノイドは適宜な時期ｔ４にＯＦＦとなり、これに伴って圧力差により負圧弁２３が開弁する。従って、以後は、通常の第２設定圧付近に冷却系内の圧力が維持される。
【００２５】
次に、図１１は、気泡供給手段としてナノメータレベルの粒径の気泡を冷却水中に混入させるナノバブル発生器３１を用いた第２実施例を示している。なお、ウォータジャケット１、ラジエータ３、電動式ウォータポンプ５等を含む基本的な冷却系統の構成は前述した第２実施例と同様である。ナノバブル発生器３１は、モータ３２によって駆動される第２冷却水ポンプ３３と、この第２冷却水ポンプ３３によって加圧された冷却水が通流する収縮・拡張ノズル３４と、この収縮・拡張ノズル３４のスロート部に接続された空気導入通路３５を開閉する電磁弁３６と、を含んで構成されている。このナノバブル発生器３１は、電動式ウォータポンプ５の上流側から冷却水の一部を取り込み、収縮・拡張ノズル３４を高速で通過させるものであり、その際に冷却水の流れに空気が引き込まれることによって、冷却水中に微細な気泡が混入する。例えば、平均粒径が数ナノメータから数百ナノメータ程度の気泡を生成することが可能であるが、凹凸表面構造１１の空孔１２の平均直径よりも小さいことが望ましい。この気泡が混入した冷却水は、電動式ウォータポンプ５の冷却水と合流してウォータジャケット１内に入る。
【００２６】
このようにナノバブル発生器３１を用いることにより、凹凸表面構造１１の空孔１２内に確実に気泡を供給でき、これを核としたサブクール沸騰を促進することができる。
【００２７】
上記ナノバブル発生器３１は、例えば、冷却水Ｔｗが設定温度Ｔｗ１よりも低い暖機運転中に駆動され、暖機完了後は停止される。暖機運転中は冷却系内の圧力が低く、気泡の生成・導入が暖機後よりも容易である。あるいは、機関停止状態でかつ冷却水Ｔｗが設定温度Ｔｗ１よりも低いときに駆動するようにしてもよい。これにより、機関運転中に過度に空気が混入することによる冷却性の悪化を回避できる。
【００２８】
図１２は、電動式ウォータポンプ５を利用してナノバブル発生器３１の収縮・拡張ノズル３４に冷却水を導入するようにし、第２冷却水ポンプ３３の省略を図った変形例を示している。つまり、電動式ウォータポンプ５吐出側の冷却水通路から流路切換弁３８を介して収縮・拡張ノズル３４側へ冷却水が通流する構成となっている。なお、流路切換弁３８としては、文字通りの流路の切換を行う三方電磁弁等でもよく、あるいは通路抵抗の小さい通路を開閉することにより実質的な流路の切換を行う開閉弁であってもよい。また、空気導入通路３５からの空気を混入させる箇所として、上記のような収縮・拡張ノズル３４に限らず、冷却水の流れを旋回させる構成としたり、キャビテーションを利用する形式とすることもできる。
【００２９】
また、図１３は、気泡供給手段として、高圧エアポンプ４１および高圧空気タンク４２を備えた第３実施例を示している。上記高圧エアポンプ４１としては、例えば電動式のポンプあるいは機関出力で駆動される形式のポンプなどを用いることができ、外気を圧縮して高圧空気タンク４２に蓄える。高圧空気タンク４２の高圧空気は、電磁弁４３を介してウォータジャケット１内の冷却水中に直接吹き込まれる。また、ラジエータ３には、ラジエータキャップ８の加圧弁として、系内の圧力を所望の設定圧に維持する圧力可変設定型の第１加圧制御弁４４が設けられている。同様に、ウォータジャケット１のシリンダヘッド側の最上部には、ウォータジャケット１内を所望の設定圧に維持する圧力可変設定型の第２加圧制御弁４５が設けられている。
【００３０】
図１４は、上記第３実施例の制御の一例を示すフローチャートであって、ステップ１では、機関停止状態でかつ冷却水Ｔｗが設定温度Ｔｗ１未満であるか否か判定し、ＹＥＳであれば、第１，第２加圧制御弁４４，４５の設定圧（開弁圧）を高くする。そして、ステップ３において、高圧エアポンプ４１の作動を開始し、かつ高圧空気タンク４２内が所定圧力に達したことを条件として電磁弁４３を開き、高圧空気の導入を行う。ここでは、上記のように第１，第２加圧制御弁４４，４５の設定圧が高く設定されることから、高圧空気の導入を行っても、ウォータジャケット１内からリザーバタンク側に冷却水が過剰に押し出されてしまうようなことがない。所定時間が経過したら、ステップ４において高圧エアポンプ４１をＯＦＦにするとともに電磁弁４３を閉として高圧空気の導入を終了する。そして、ステップ５，６で第１，第２加圧制御弁４４，４５の設定圧を通常の圧力に戻した後、ステップ７で、電動式ウォータポンプ５を一定時間ＯＮとする。これにより、ウォータジャケット１内に導入された高圧空気による気泡が各部に行き渡り、かつ微細化されて空孔１２に取り込まれる。従って、次に機関の運転を行った際に、この空孔１２内の気泡が核となってサブクール沸騰が促進される。また、ウォータジャケット１のシリンダヘッド側に集まった過剰な空気は、第２加圧制御弁４４を通常の設定圧に戻すことによって、該第２加圧制御弁４４を介して外部へ排出され、従って、その後の運転に際して、空気の滞留による冷却性の悪化が回避される。
【符号の説明】
【００３１】
１…ウォータジャケット１
３…ラジエータ
５…電動式ウォータポンプ
７…サーモスタット弁
８…ラジエータキャップ
２２…加圧弁
２３…負圧弁
３１…ナノバブル発生器
４１…高圧エアポンプ
４２…高圧空気タンク
【図１】
2010196562.tif 000003
【図２】
2010196562.tif 000004
【図３】
2010196562.tif 000005
【図４】
2010196562.tif 000006
【図５】
2010196562.tif 000007
【図６】
2010196562.tif 000008
【図７】
2010196562.tif 000009
【図８】
2010196562.tif 000010
【図９】
2010196562.tif 000011
【図１０】
2010196562.tif 000012
【図１１】
2010196562.tif 000013
【図１２】
2010196562.tif 000014
【図１３】
2010196562.tif 000015
【図１４】
2010196562.tif 000016