(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関に設けられたウォータジャケットと、ラジエータと、前記ラジエータ及び前記ウォータジャケットの下部同士を互いに連通する冷却液配管と、前記ウォータジャケットの上部を前記ラジエータに連通する蒸気配管とを含む冷却系に於いて、前記ウォータジャケットに於いて沸騰した冷却液を、前記蒸気配管を介して前記ラジエータに戻し、前記ラジエータにて凝縮させ、凝縮した冷却液を、前記冷却液配管を介して前記ウォータジャケットに戻すことにより、冷却液を前記冷却系内にて循環させるようにした沸騰冷却装置であって、
前記ラジエータの実質的大部分が前記ウォータジャケットの上端よりも上方に位置するように、前記冷却系が構成され、
前記ラジエータは、ラジエータコアにて凝縮した冷却液を貯容するために当該ラジエータコアの下端に設けられた下部タンクを有し、
前記下部タンクの上端が、前記ウォータジャケットの上端よりも上方に位置し、
前記ラジエータは、前記下部タンクに対して上側を傾倒させるように設けられ、
前記蒸気配管が、前記下部タンクに接続されていることを特徴とする沸騰冷却装置。
【請求項２】
前記蒸気配管が、前記下部タンクにおいて、前記ラジエータの傾倒により上向きとなる部分に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の沸騰冷却装置。
【請求項３】
前記ラジエータの背面側には冷却ファンが設けられ、
前記ラジエータは前記冷却ファン側に傾倒し、
傾倒状態の前記ラジエータコアの上側部分が、冷却風が最初に当る部分となっていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の沸騰冷却装置。
【請求項４】
前記ラジエータの傾倒角度は、直立を０とした場合に０度より大きく６０度までの範囲であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つの項に記載の沸騰冷却装置。
【請求項５】
前記下部タンクに貯容された冷却液の液面が前記ウォータジャケットの上端よりも上方に位置することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つの項に記載の沸騰冷却装置。
【請求項６】
前記下部タンクは、下方に向けて狭まる形状に形成され、
前記下部タンクの下端に、前記冷却液配管が接続されていることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つの項に記載の沸騰冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、沸騰冷却装置に関し、特に内燃機関に適用される沸騰冷却装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、自動車等のエンジンとしての内燃機関に用いられる冷却装置として、空冷システムや水冷システムが知られている。空冷システムは部品点数が少ないためエンジンを低廉化し得る。それに対して、水冷システムは、ウォータポンプにより、エンジンのウォータジャケットに冷却液を流し、温度上昇した冷却液をラジエータにより冷却すると共に、サーモスタットにより冷却液の温度制御を行うことから、部品点数が多いため空冷システムより高価ではあるが、安定した冷却を行うことができる。
【０００３】
一方、内燃機関に於いて制御自動着火（ＣＡＩ）燃焼方法を用いたＣＡＩ燃焼エンジンが知られている。ＣＡＩ燃焼エンジンでは、冷却液を始動時にできるだけ早く適切な温度まで上昇させると共に、温度が高くなり過ぎることを抑制する必要がある。したがって、ＣＡＩエンジンには、冷却温度の調整が可能な水冷システムを用いることが考えられるが、ＣＡＩ燃焼エンジンに水冷システム用いた場合には、冷間始動時に冷却液の温度が安定するまでに時間がかかるため、暖機完了までの間の燃焼に於いて、燃焼が不安定になる不具合が発生する虞がある。
【０００４】
このようなＣＡＩ燃焼エンジンの冷却装置として、部品点数が比較的少なく、かつ短時間で安定した冷却状態となり得る沸騰冷却装置を用いることが考えられる。沸騰冷却装置をＣＡＩ燃焼エンジンに適用することにより、沸騰冷却による冷媒の沸点が冷却液の温度となることから、サーモスタット等による水温コントロールよりも冷却液温度の変動が小さく、安定した燃焼が得られる。これにより、小型化が要求される汎用エンジンをＣＡＩ燃焼エンジンとすることが考えられるが、汎用エンジンに対する小型化に応えるためには、ＣＡＩ燃焼エンジンと組み合わされる沸騰冷却装置のより一層の小型化が要求される。
【０００５】
沸騰冷却装置として、エンジン及びラジエータの冷却系に気液分離器を配置し、液相冷媒と気相冷媒とを分離し、気相冷媒だけラジエータに導き、液相冷媒をウォータジャケットに送る構造が公知である。それに対して、ラジエータを傾斜させ、コアチューブの冷却風流出側（ラジエータの背面側）が冷却風流入側（ラジエータの前面側）の下方に位置する状態にして、コアチューブ（ラジエータコア）の上部すなわち前面には常に蒸気が存在し凝縮能力が上昇するようにして、ラジエータで冷却液の気液分離を行うことにより、気液分離器を別途設ける必要がなく、沸騰冷却装置を簡素化し得る構造がある（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】実開平５−４７３５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記特許文献１の構造によれば気液分離器を省略することができるため、水冷システムに対して、沸騰冷却装置に於けるサーモスタットの省略と共に気液分離器の省略による部品点数の削減効果が得られる。しかしながら、汎用エンジンに於いてはできるだけ小型化することが望まれるため、特許文献１の構造による冷却装置の小型化では十分とは言えず、より一層の小型化が要求される。
【０００８】
本発明は、以上の背景に鑑み、沸騰冷却装置の小型化を促進し得ることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明は、内燃機関（１）に設けられたウォータジャケット（４）と、ラジエータ（７）と、前記ラジエータ及び前記ウォータジャケットの下部同士を互いに連通する冷却液配管（５）と、前記ウォータジャケットの上部を前記ラジエータに連通する蒸気配管（６）とを含む冷却系に於いて、前記ウォータジャケットに於いて沸騰した冷却液を、前記蒸気配管を介して前記ラジエータに戻し、前記ラジエータにて凝縮させ、凝縮した冷却液を、前記冷却液配管を介して前記ウォータジャケットに戻すことにより、前記冷却液を前記冷却系内にて循環させるようにした沸騰冷却装置であって、前記ラジエータの実質的大部分が前記ウォータジャケットの上端よりも上方に位置するように、前記冷却系が構成されていることを特徴とする。
【００１０】
この構成によれば、ウォータジャケットに於いて沸騰した冷却液をラジエータ内に戻して凝縮させ、凝縮した冷却液がラジエータに貯容され、その冷却液をウォータジャケットに戻すと共に、ラジエータの実質的大部分がウォータジャケットの上端よりも上方に位置することにより、ラジエータに貯容される冷却液を、ウォータポンプを設けることなく、ラジエータ及びウォータジャケットに自然循環させることができ、部品点数の削減により、沸騰冷却装置の小型化を促進し得る。
【００１１】
また、上記の発明において、前記ラジエータに貯容された冷却液の液面が前記ウォータジャケットの上端よりも上方に位置するとよい。
【００１２】
この構成によれば、ウォータジャケットに冷却液が満たされるように、ラジエータから冷却液を戻すことができる。
【００１３】
また、前記ラジエータは、ラジエータコアにて凝縮した冷却液を貯容するために当該ラジエータコア（７ｂ）の下端に設けられた下部タンク（７ｃ）を有し、前記下部タンクの上端が、前記ウォータジャケットの上端よりも上方に位置するとよい。
【００１４】
この構成によれば、下部タンクに貯容された冷却液をウォータジャケットに戻すことができ、ラジエータコアの略全部を用いて蒸気を凝縮させることができる。
【００１６】
また、前記下部タンクに貯容された冷却液の液面が前記ウォータジャケットの上端よりも上方に位置するとよい。
【００１７】
この構成によれば、ラジエータコアの全てを蒸気の凝縮に用いることができる。
【００１８】
また、前記下部タンクは、下方に向けて狭まる形状に形成され、前記下部タンクの下端に、前記冷却液配管が接続されているとよい。
【００１９】
この構成によれば、ラジエータで凝縮された冷却液が下部タンクの下端に向けて集まり易くなり、その下端に冷却液配管が接続されていることから、ラジエータからウォータジャケットへ送る冷却液に於いて冷却液溜まりが発生しないようにすることができる。
【００２０】
また、前記ラジエータは、前記下部タンクに対して上側を傾倒させるように設けられ、
前記蒸気配管が、前記下部タンクの上向きとなる部分に接続されているとよい。
【００２１】
この構成によれば、ウォータジャケットから下部タンクに入った沸騰状態の冷却液は、下部タンクに貯容されている冷却液の中を通過して上昇することにより、蒸気が分離され、分離された蒸気は斜めのラジエータに於ける上側を上昇し、ラジエータに於いて蒸気が凝縮されてなる冷却液は斜めのラジエータの下側を流れ落ちるようになることから、ラジエータの全体に冷却液が存在しないようになるため、ラジエータによる蒸気に対する冷却効率が高まり、蒸気の凝縮を促進することができる。これにより、ラジエータ内の圧力上昇を抑制し、冷却性を向上することができるため、ラジエータの小型化を促進し得る。
【発明の効果】
【００２２】
このように本発明によれば、ウォータポンプを設けることなく、冷却液をラジエータ及びウォータジャケットに自然循環させることができ、部品点数の削減により、沸騰冷却装置の小型化を促進し得る。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明が適用された沸騰冷却装置を示す模式図
【図２】図１のII線の矢印方向に見たラジエータの正面図
【図３】第２実施例を示すラジエータの側面図
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明が適用された沸騰冷却装置を示す模式図である。本実施形態に於ける沸騰冷却装置は、例えば２ストローク単気筒の小型汎用内燃機関としてのエンジン１に適用される。なお、２ストローク単気筒のエンジン１に限定されるものではなく、水冷式の内燃機関であれば複数気筒を含めて本発明の適用対象となる。また、図示例のエンジン１は、シリンダ軸線を上下方向に向けた状態で示されているが、水平方向に向けた状態で運転されるものであってもよい。
【００２５】
エンジン１は、シリンダブロック２とシリンダヘッド３とを備えている。シリンダブロック２にはシリンダ２ａが設けられ、シリンダヘッド３には、シリンダ２ａに対向する燃焼室３ａが設けられている。シリンダブロック２とシリンダヘッド３とは、図示省略のガスケットを介してヘッドボルトにより結合されている。シリンダブロック２には、シリンダ２ａを外囲するように設けられたシリンダ側ウォータジャケット４ａが形成され、シリンダヘッド３には、燃焼室３ａを外囲するように設けられた燃焼室側ウォータジャケット４ｂが形成されている。シリンダ側ウォータジャケット４ａと燃焼室側ウォータジャケット４ｂとは、冷却液Ｗが流通するように連通している。なお、シリンダ側ウォータジャケット４ａと燃焼室側ウォータジャケット４ｂとによりエンジン１に於けるウォータジャケット４が形成されており、以下の説明に於いて特に断らない限りウォータジャケット４を用いて説明する。
【００２６】
ウォータジャケット４は、冷却液配管５と蒸気配管６とを介して、ラジエータ７と接続されている。冷却液Ｗは、沸騰冷却装置に適用し得るものであればよく、所謂ＬＬＣ（ロングライフ冷却液）であってよく、両配管５・６を介してウォータジャケット４及びラジエータ７を循環する。なお、各配管５・６に於けるエンジン１とラジエータ７との間はそれぞれホースにより接続されていてよい。
【００２７】
ラジエータ７は、図示例では起立状態に設けられており、上側から、上部タンク７ａと、ラジエータコア７ｂと、下部タンク７ｃとを一体的に備え、ラジエータコア７ｂを介して上部タンク７ａと下部タンク７ｃとが互いに連通する公知の構造である。また、ラジエータ７の背面側（図における右側）には、主としてラジエータコア７ｂを冷却するための例えば電動の冷却ファン８が図示省略のシュラウドと共に一体的に設けられている。
【００２８】
蒸気配管６は、燃焼室側ウォータジャケット４ｂと上部タンク７ａとを連通するように接続され、冷却液配管５は、下部タンク７ｃとシリンダ側ウォータジャケット４ａとを連通するように接続されている。図示例では、冷却液配管５は、シリンダ側ウォータジャケット４ａの下部となる底部分４ｃに開口し、蒸気配管６は、燃焼室側ウォータジャケット４ｂの上部となるウォータジャケット４の上端４ｄに開口している。なお、冷却液配管５の底部分４ｃへの開口位置は、シリンダ側ウォータジャケット４ａの最も低い底面と同一レベルである必要は無く、略同一レベルになる程度であってよい。また、蒸気配管６の上端４ｄへの開口位置も、ウォータジャケット４の最も高い位置と略同一レベルになる程度であってよい。
【００２９】
ウォータジャケット４内の冷却液Ｗは、燃焼室３ａが高温になることにより燃焼室３ａ側の壁面で沸騰し、その沸騰による潜熱により、沸騰させない水冷システムよりも、燃焼室３ａの周囲の壁から熱を大きく奪うことができる。このようにして高い熱効率による冷却を行うことができる。そして、その沸騰により発生した蒸気Ｓは、蒸気配管６を通ってラジエータ７の上部タンク７ａに流入し得る。
【００３０】
上部タンク７ａに流入した蒸気Ｓは、ラジエータコア７ｂに入り、ラジエータコア７ｂで冷却されることにより凝縮する。ラジエータコア７ｂで凝縮した冷却液Ｗの水滴は、図の矢印Ｗｄに示されるように、ラジエータコア７ｂ内を落下し、下部タンク７ｃに冷却液Ｗとして貯容される。
【００３１】
ラジエータ７に貯容されている冷却液Ｗの液面Ｗａは、図示例では、下部タンク７ｃの上端（ラジエータコア７ｂとの境）であり、ウォータジャケット４の上端４ｄのレベル（図の線Ｌ）よりも、図のｈで示されるように高くなる位置となるようにされているが、下部タンク７ｃの上端（ラジエータコア７ｂとの境）と一致する位置であってもよい。いずれにしても、ラジエータ７の下部に貯容されている冷却液Ｗの液面Ｗａがウォータジャケット４の上端４ｄよりも高い位置になるように、沸騰冷却能力に対応した冷却液Ｗの量と、ウォータジャケット４と、ラジエータ７と、冷却液配管５と、蒸気配管６との配置関係とを考慮した冷却系が構成されているとよい。
【００３２】
これにより、ラジエータの実質的大部分となるラジエータコア７ｂにより蒸気Ｓを凝縮させることができ、蒸気Ｓを凝縮させる効率を高めることができる。また、ラジエータ７の下部に貯容されている冷却液Ｗの液面Ｗａがウォータジャケット４の上端４ｄよりも高い位置に設定されていることから、ラジエータ７内の冷却液Ｗはウォータジャケット４に向けて流れていき、ウォータジャケット４に於ける冷却液Ｗの不足が防止されると共に、冷却液Ｗを、ラジエータ７及びウォータジャケット４に自然循環させることができる。
【００３３】
図２は、図１のII線の矢印方向に見たラジエータ７の正面図である。図に示されるように、ラジエータ７の下部タンク７ｃは、下方に至るにつれて図における左右方向の幅が狭まるテーパ状に形成されている。なお、図示例では、正面視で左右の２辺を斜辺とする三角形の頂点を下側にした形状としているが、図１の側面視で正面及び背面（図１の左右方向の面）が下方に至るにつれて互いに近付くテーパ状に形成される形状であってもよく、それらの組合せであってもよい。
【００３４】
このように下部タンク７ｃが下方に向けて狭まる形状に形成されていることにより、下部タンク７ｃに貯容される冷却液Ｗは下部タンク７ｃの下端７ｄに向けて図の矢印（符号Ｗ）に示されるように集合するようになる。その下端７ｄに冷却液配管５が接続されている。これにより、下部タンク７ｃに貯容されている冷却液Ｗを最も狭まった下端から冷却液配管５に送り出すことができ、冷却液溜まりが発生することなく、冷却液Ｗのウォータジャケット４への安定した供給を確保し得る。
【００３５】
上述した沸騰冷却装置によれば、ウォータポンプを設けることなく、冷却液Ｗを、ラジエータ７及びウォータジャケット４に自然循環させることができ、また気液分離器も設ける必要がない。このように、ウォータポンプ及び気液分離器を設ける必要が無いため、従来のそれらの部品を備えた沸騰冷却装置に対して、部品点数の削減により、沸騰冷却装置の小型化を実現することができ、小型汎用エンジンに適する。
【００３６】
特に、制御自動着火（ＣＡＩ）燃焼方法を用いたＣＡＩ燃焼エンジンに適用する場合に、ＣＡＩ燃焼エンジンでは冷却液を始動時にできるだけ早く適切な温度まで上昇させる必要があるが、沸騰冷却装置を適用することによりその対応が可能である。これにより、冷間始動時に冷却液Ｗの温度が安定するまでの時間が短く、暖機完了までの間の燃焼に於いて、燃焼が不安定になる不具合が発生することを抑制し得る。また、沸騰冷却に於ける冷媒（冷却液Ｗ）の沸点が冷却液Ｗの温度となることから、サーモスタット等による水温コントロールよりも冷却液温度の変動が小さく、安定した燃焼が得られる。
【００３７】
図３は、第２実施例を示すラジエータ７の側面図である。図において、上記第１実施例と同様の部分には同一の符号を付してその詳しい説明を省略する。
【００３８】
この第２実施例では、ラジエータ７は、上部となる上部タンク７ａ側を後傾させている。例えば第１実施例に於けるラジエータ７の起立状態における軸線ＣＶを直立方向とした場合に、その軸線ＣＶに対して、第２実施例におけるラジエータ７は、その背面側（図示省略の冷却ファン８側）を下向きにした角度θで傾けられている。角度θは、直立を０度とした場合に０度より大きく、６０度までの範囲であるとよく、特に３０〜６０度であるとよい。
【００３９】
また、蒸気配管６が下部タンク７ｃに接続され、その下部タンク７ｃへの接続位置がラジエータ７の後傾により上向きとなる部分に位置するようにされている。図示例では下部タンク７ｃの上に向いた面に蒸気配管６が接続され、ラジエータ７を後傾させることにより、蒸気配管６の下部タンク７ｃへの接続口が上を向くようにされている。
【００４０】
このように構成された第２実施例では、蒸気配管６から下部タンク７ｃには蒸気Ｓと高温の冷却液Ｗとが混合した状態で入る。高温の冷却液Ｗは、下部タンク７ｃに貯容されている冷却液Ｗと混合される。蒸気Ｓは、下部タンク７ｃからラジエータコア７ｂに入る。
【００４１】
蒸気Ｓと共にラジエータ７に戻されてきた冷却液Ｗがラジエータコア７ｂに入ると、蒸気Ｓに対する冷却効率が低下し、ラジエータコア７ｂの圧力が上昇する。それに対して、蒸気Ｓと共にラジエータ７に戻されてきた冷却液Ｗを、下部タンク７ｃで蒸気Ｓと分離し、蒸気Ｓのみをラジエータコア７ｂに入れることができるため、ラジエータコア７ｂでは蒸気Ｓを効率的に冷却することができる。これにより、蒸気Ｓの凝縮が促進されるため、ラジエータコア７ｂの圧力上昇が抑制され、沸騰冷却に於けるラジエータ７の冷却性を向上することができる。
【００４２】
また、図の破線の矢印に示されるようにラジエータコア７ｂを上昇する蒸気Ｓは、後傾状態のラジエータコア７ｂの上側部分に集まるようになり、そのラジエータコア７ｂの上側部分はラジエータ７の正面側であり、冷却風が最初に当たる部分となることから、ラジエータコア７ｂ内の蒸気Ｓに対する冷却性を向上し得る。また、蒸気Ｓが冷却されることにより凝縮した液滴Ｗｄは、後傾状態のラジエータコア７ｂの下側部分に落下する。液滴Ｗｄは、後傾状態のラジエータコア７ｂの下側部分を下り坂のようにして、図の実線の矢印に示されるように流下し得る。このように、ラジエータコア７ｂの内部において、蒸気Ｓに対する冷却部分と、液滴Ｗｄを流下させる部分とが明確に分けられるため、蒸気Ｓと液滴Ｗｄとが混在する場合の蒸気Ｓに対する冷却性の低下を抑制し得る。
【００４３】
以上、本発明を、その好適実施形態の実施例について説明したが、当業者であれば容易に理解できるように、本発明はこのような実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。また、上記実施形態に示した構成要素は必ずしも全てが必須なものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて適宜取捨選択することが可能である。例えば、第２実施例では上部タンク７ａを省略してもよく、ラジエータコア７ｂが公知のチューブとフィンとにより形成されている場合には、チューブの上端を閉塞する。この場合でも、チューブ内を上昇した蒸気はラジエータコア７ｂの上側で冷却され、冷却により液化した冷却液Ｗはチューブ内を滴下し得る。
【符号の説明】
【００４４】
１  エンジン（内燃機関）
４  ウォータジャケット
５  冷却液配管
６  蒸気配管
７  ラジエータ
７ｂ  ラジエータコア
７ｃ  下部タンク
【要約】
【課題】沸騰冷却装置の小型化を促進する。
【解決手段】ウォータジャケット４とラジエータ７とを、冷却液配管５及び蒸気配管６により接続してエンジンの冷却系を構成し、ラジエータに貯容されている冷却液の液面Ｗａの高さがウォータジャケットの上端より高くなるように冷却系を構成する。ラジエータに貯容されている冷却液Ｗを自然循環により冷却液配管を介してウォータジャケットに戻し、ウォータジャケット内の冷却液を沸騰させて燃焼室３ａ周りの温度を一定にし、沸騰により発生した蒸気Ｓを、蒸気配管を介してラジエータに戻し、凝縮させて液化する。ウォータポンプを設けることなく、冷却液をラジエータ及びウォータジャケットに自然循環させることができ、部品点数の削減により、沸騰冷却装置の小型化を促進し得る。
【選択図】図１【図１】
0005973019.tif 000002
【図２】
0005973019.tif 000003
【図３】
0005973019.tif 000004