JP2007285201A - 気体抜き構造 - Google Patents

Abstract

【課題】気液混合流体に含まれる気体を好適に排出することのできる気体抜き構造を提供する。
【解決手段】空気が混入した冷却水が流通する流出通路３４の鉛直方向上部には空気抜き通路４０の一端が接続されている。この空気抜き通路４０の他端はラジエータ１０の流出タンク１３の鉛直方向上部に接続されている。流出通路３４の内部には、空気抜き通路４０と流出通路３４との接続部位よりも上流側に位置して冷却水の流通方向に延伸する区画部材４１が配設されている。流出通路３４の内部はこの区画部材４１により上部通路と下部通路とに区画されている。
【選択図】図１

Description

本発明は気液混合流体に含まれる気体を排出する気体抜き構造に関する。

内燃機関の冷却水循環系では、ウォーターポンプにより冷却水を循環させ、この冷却水により内燃機関を冷却してその温度が常に適温となるように維持している。具体的には、内燃機関のシリンダブロック及びシリンダヘッドには冷却通路が形成され、この冷却通路の流入ポートは冷水通路を介してウォーターポンプの吐出ポートに接続されている。一方、この冷却通路の流出ポートは熱水通路を介してラジエータの流入ポートに接続されている。更に、このラジエータの流出ポートは回収通路を通じてウォーターポンプの吸入ポートに接続されている。こうした冷却水循環系において、機関運転中には、ウォーターポンプから吐出された低温の冷却水が冷却通路に流入して同冷却水により内燃機関が冷却される。そして内燃機関を冷却して温度上昇した冷却水は、熱水通路を通じてラジエータに流入し、走行風等により冷却されてウォーターポンプの吸入ポートに戻される。

ここで、冷却水循環系には、冷却水の注入口などから空気が混入することがある。このように空気が混入すると冷却水の流動性が低下するため、これがラジエータにおける冷却水の吸・放熱効率を低下させて内燃機関の冷却効果が悪化するおそれがある。また、この冷却水に混入した空気がウォーターポンプに噛み込まれると、ウォーターポンプの吐出能力が低下することも懸念される。

そこで、例えば特許文献１に記載されるように、冷却水に混入した空気を空気抜き通路を介して大気に排出する空気抜き構造を採用することが望ましい。同構造にあっては、熱水通路の途中に、鉛直方向上部に位置して外部と連通可能な空気抜き通路が接続されている。冷却通路から排出された冷却水が熱水通路を流通する際に、冷却水に混入した空気は浮力により鉛直方向に上昇する傾向があるため、熱水通路の上方に位置する冷却水に混入した空気の密度が高くなる。従って、冷却水に混入した空気の一部は、この空気抜き通路に流入して冷却水循環系から排出されるようになる。
特開平１１−１６６４１６号公報

ところで、上述した熱水通路と空気抜き通路とが接続する部位ではその流路形状が大きく変化するため、同接続部位の近傍に位置する冷却水にはその流れに乱れが生じ易くなる。そして、こうした乱れが発生した場合には、熱水通路の上・下部をそれぞれ流れる混合流体が攪拌され、その上方の冷却水に混入される空気の密度が低下してしまうこととなる。そのため、上記従来の冷却水循環系における空気抜き構造にあっては、熱水通路から空気抜き通路に流入して外部に排出される空気の量について自ずと限界があり、この点においてなお改善の余地を残すものとなっていた。

尚、内燃機関の冷却水循環系の空気抜き構造について説明したが、こうした不都合は同構成に限らず、他の液体流動系に設けられる気体抜き構造においても概ね共通して発生し得る。

本発明は、こうした従来の実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、気液混合流体に含まれる気体を好適に排出することのできる気体抜き構造を提供することにある。

以下、上記目的を解決するための手段及びその作用効果について記載する。
請求項１に記載の発明は、気体と液体との混合流体が流通する主通路と、該主通路の鉛直方向上部に接続された気体流出通路とを備え、該気体流出通路を通じて前記主通路の混合流体に含まれる気体を同主通路からその外部に排出する気体抜き構造において、前記主通路は同主通路と前記気体流出通路との接続部位よりも上流側に位置して混合流体の流通方向に延伸する区画部材によりその内部が上部通路と下部通路とに区画されることを特徴とする。

気体はこれに作用する浮力によって鉛直方向上方に上昇する傾向があるため、通常、主通路においてその上部を流れる混合流体に含まれる気体の密度は下部を流れる混合流体に対して相対的に高いものとなる。但し、主通路において気体流出通路の接続部位ではその流路形状が大きく変化するため、同接続部位の近傍に位置する混合流体にはその流れに乱れが生じ易くなる。そして、こうした乱れが発生すると、主通路の上・下部をそれぞれ流れる混合流体が攪拌され、主通路の上部に位置する気体の密度が低下してしまうこととなる。その結果、主通路から気体流出通路に流入して外部に排出される気体の量が減少し、その気体の排出効率が低下するおそれがある。

この点、上記構成では、主通路と気体流出通路との接続部位よりも上流側に位置して混合流体の流通方向に延伸する区画部材を主通路の内部に設け、この区画部材により主通路の内部を上部通路と下部通路とに区画するようにしている。従って、主通路と気体流出通路との接続部位近傍において混合流体の流れに乱れが生じた場合であっても、この区画部材により主通路の上・下部を流れる混合流体が攪拌されて同主通路の上方に位置する混合流体に含まれる気体密度が低下することを抑制することができ、気体流出通路を通じて混合流体に含まれる気体を好適に排出することができるようになる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の気体抜き構造において、前記区画部材はその下流側部分が前記主通路と前記気体流出通路との接続部位側に指向する形状を有してなることを特徴とする。

同構成によれば、主通路において上部通路を流れる気体の密度の高い混合流体が主通路と気体流出通路との接続部位に導かれるようになるため、同気体流出通路から外部に排出される気体の量を増大させることができ、混合流体に含まれる気体を一層効率的に排出することができるようになる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の気体抜き構造において、前記主通路は同主通路と前記気体流出通路との接続部位での流路断面積が同接続部位より上流側の部位での流路断面積よりも大きく設定されることを特徴とする。

同構成によれば、主通路と気体流出通路との接続部位での流路断面積がその上流側の部位での流路断面積よりも大きく設定されるため、混合流体が上流側から接続部位に流入する際には、その混合流体の流速が低下するようになる。その結果、気体はこれに作用する浮力により鉛直方向上方に上昇しやすくなり、混合流体に含まれる気体を排出する際の効率を更に向上させることができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の気体抜き構造において、前記主通路は、上流側から下流側までその延伸方向が鉛直方向下方に向けて変更する屈曲部を有しており、前記気体抜き通路は同屈曲部に接続されることを特徴とする。

気体はこれに作用する浮力によって鉛直方向上方に上昇する傾向があるため、混合流体に含まれる気体はその上流側から下流側まで延伸方向が鉛直方向下方に向けて変更する屈曲部に滞留し易くなる。特に混合流体の流速が低い場合には、大量の気体がその屈曲部に滞留することがある。そして、混合流体の流速が急激に高くなると、屈曲部に滞留した気体が一度に混合流体の動圧によって屈曲部の下流側の通路に流れ出てしまうおそれがある。

この点、上記構成によれば、区画部材によって屈曲部に滞留した気体を主通路の上部に保持することができる。そのため、混合流体が屈曲部を流動する際に、当該混合流体により屈曲部に滞留した気体を屈曲部の下流側の通路、換言すれば鉛直方向下方に向いて延伸する通路に一度に流れ出てしまうことを抑制することができる。そして、主通路の屈曲部に滞留した気体を同屈曲部に接続された気体抜き通路を通じて外部に排出することができる。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか一項に記載の気体抜き構造において、前記主通路及び気体抜き通路を形成する部材と前記区画部材とは一体に形成されることを特徴とする。

同構成によれば、主通路及び気体抜き通路を形成する各部材と区画部材とが一体に形成されているため、それを各別に設けるようにした場合とは異なり、各部材を連結する等の加工を省略することができ、気体抜き構造についてその低コスト化を図ることができるようになる。

請求項６に記載の発明は、請求項１〜５のいずれか一項に記載の気体抜き構造において、前記主通路は内燃機関の冷却水循環系の冷却水通路であり、前記気体は前記冷却水に混入した空気であることを特徴とする。

内燃機関の冷却水循環系においては、冷却水に空気が混入されることにより、冷却水の吸・放熱効率が低下するおそれがある。また、混入した空気が冷却水を循環させるウォーターポンプに噛み込まれると、ウォーターポンプの吐出能力が低下するおそれもある。この点、上記構成によれば、冷却水に混入した空気を冷却水循環系から好適に排出することができ、冷却水の吸・放熱効率の低下を抑制するとともに、ウォーターポンプの吐出能力の低下を抑制することができる。

以下、本発明にかかる実施形態について、図１〜図３を参照して説明する。
ここで、図１は複数の気筒３を有する内燃機関についてその冷却水循環系５０を示すブロック図である。同図１に示されるように、内燃機関２の内部に冷却通路であるウォータージャケット４が形成されている。このウォータージャケット４の上流側には、内燃機関の出力軸（図示略）により駆動されるウォーターポンプ２０が配設されている。このウォーターポンプ２０の吐出ポートは流入通路７を介してウォータージャケット４の冷水入口４ａに接続されている。一方、ウォータージャケット４の下流側には、冷却水循環系５０における冷却水の熱を大気に放出するためのラジエータ１０が配設されている。このラジエータ１０の熱水入口１０ａは流出通路３４を介してウォータージャケット４の熱水出口４ｂに接続されるとともに、同ラジエータ１０の冷水出口１０ｂは回収通路３５を介してウォーターポンプ２０の吸入ポートに接続されている。尚、ラジエータ１０は搭載上の制約のために内燃機関２よりも鉛直方向下方に位置している。このため、同図１に示されるように、流出通路３４の途中には、その流通方向を鉛直方向下方に向けて変更する屈曲部３４ａが形成されている。

また、流出通路３４と回収通路３５とはバイパス通路３３によって接続されており、このバイパス通路３３と回収通路３５との接続部分にはサーモスタットバルブ２１が設けられている。このサーモスタットバルブ２１は、ラジエータ１０の冷水出口１０ｂとウォーターポンプ２０の吸入ポートとの遮断・連通を切り替えることによって、冷却水循環系５０における冷却水の温度を適正な温度に維持するためのものである。即ち、冷却水の温度が所定温度未満であるときには、サーモスタットバルブ２１によってラジエータ１０の冷水出口１０ｂとウォーターポンプ２０の吸入ポートとが遮断される。一方、冷却水の温度が所定温度以上であるときには、サーモスタットバルブ２１によってラジエータ１０の冷水出口１０ｂとウォーターポンプ２０の吸入ポートとが連通される。

次に、ラジエータ１０の構造について説明する。ラジエータ１０の内部には、流入タンク１１、流出タンク１３及び複数の冷却通路１２が形成されている。上述した熱水入口１０ａは流入タンク１１に形成される一方、冷水出口１０ｂは流出タンク１３に形成されている。流入タンク１１と流出タンク１３とは鉛直方向に沿って延伸する一方、冷却通路１２は水平方向に沿って延伸してそれら流入タンク１１及び流出タンク１３を連通している。

また、ラジエータ１０には、冷却水に混入した空気を貯留するセパレーションタンク１５が設けられている。このセパレーションタンク１５は連通管１４を介して流出タンク１３に連通されている。また、セパレーションタンク１５の鉛直方向上方には、ラジエータキャップ１６が設けられている。このラジエータキャップ１６は、冷却水の圧力に基づいて作動するプレッシャーバルブ（図示略）を備えている。冷却水循環系５０はこのプレッシャーバルブを介してその外部に設けられたリザーブタンク（図示略）に接続されている。そして、冷却水循環系５０における冷却水の圧力が所定圧を超えた場合には、プレッシャーバルブが開弁してセパレーションタンク１５とリザーブタンクとが連通される。その結果、セパレーションタンク１５の空気は冷却水とともにリザーブタンクに排出される。

次に、このように構成された冷却水循環系５０について、その冷却水の循環態様について説明する。
ウォーターポンプ２０によって冷却水は、冷水入口４ａを通じてウォータージャケット４に流入し、内燃機関２を冷却した後、熱水出口４ｂを通じてウォータージャケット４から流出する。ここで、冷却水の温度が所定温度未満である場合には、上述したようにサーモスタットバルブ２１によりラジエータ１０の冷水出口１０ｂとウォーターポンプ２０の吸入ポートとが遮断される。従って、ウォータージャケット４から排出された冷却水は全てバイパス通路３３を通じてウォーターポンプ２０に戻される。一方、冷却水の温度が所定温度以上である場合には、サーモスタットバルブ２１によりラジエータ１０の冷水出口１０ｂとウォーターポンプ２０の吸入ポートとが連通される。従って、ウォータージャケット４から排出された高温の冷却水の一部はバイパス通路３３を通じてウォーターポンプ２０に戻されるとともに、他の部分は熱水入口１０ａを通じてラジエータ１０の流入タンク１１に流入する。

この高温の冷却水は流入タンク１１から更に冷却通路１２に流入し、車両の走行風や冷却ファン（図示略）によって冷却されて、その温度が低下するようになる。そして、このように温度低下した冷却水は冷却通路１２から流出タンク１３に流入し、回収通路３５を通じてウォーターポンプ２０の吸入ポートに戻される。

ところで、冷却水循環系５０に混入した空気はこれに作用する浮力によって鉛直方向上方に上昇する傾向があるため、冷却水に含まれる空気は屈曲部３４ａに滞留することがある。特に冷却水の流速が低い場合には、大量の空気がその屈曲部３４ａに滞留する可能性も高くなる。そして、このように大量の空気が屈曲部３４ａに滞留した状態で、内燃機関の出力軸の回転速度が急激に高くなると、ウォーターポンプ２０の吐出量が増大し冷却水の流速が急激に高くなるため、その屈曲部３４ａに滞留した空気が冷却水の動圧によってラジエータ１０内に押し込まれ、冷却水循環系５０の冷却性能が低下するおそれがある。

そこで、この実施形態にかかる冷却水循環系５０では、この屈曲部３４ａに滞留する空気を好適に外部に排出する構造を採用するようにしている。以下、図１〜図３を併せ参照してこの空気抜き構造について説明する。ここで、図２は空気抜き構造、具体的には流出通路３４の屈曲部３４ａを拡大して示す拡大断面図であり、図３はこの図２の３−３線に沿った断面図である。図１に示されるように、上述した流出通路３４とラジエータ１０とは空気抜き通路４０によって接続されている。具体的には、この空気抜き通路４０の一端は屈曲部３４ａの頂部に接続されるとともに、他端はラジエータ１０の流出タンク１３の鉛直方向上部に接続されている。尚、空気抜き通路４０の流路断面積は流出通路３４の流路断面積よりも小さく設定されている。これにより、大量の冷却水がこの空気抜き通路４０に流入することを抑制するようにしている。

また、図２に示されるように、流出通路３４は、屈曲部３４ａよりも上流側に位置して水平方向に延びる上流部分３４ｂと、屈曲部３４ａよりも下流側に位置して斜め下方向に延びる下流部分３４ｃとによって構成されている。また、空気抜き通路４０は、当該空気抜き通路４０と屈曲部３４ａとの接続部位から斜め上方向に所定の傾斜角θを有して延伸している。尚この傾斜角θは、空気抜き通路４０に大量の冷却水が流入するのを抑制しつつ、その冷却水に含まれる空気を同空気抜き通路４０に導入するため、例えば３０°〜６０°の範囲に設定するのが望ましい。

ここで、空気抜き通路４０と流出通路３４との接続部位での流路断面積は、上流部分３４ｂの流路断面積よりも大きく設定されている。
更に、流出通路３４の上流部分３４ｂにおいてその中心部には、冷却水の流通方向に延伸する板状の区画部材４１が配設されており、上流部分３４ｂの内部はこの区画部材４１により上部通路６１と下部通路６２とに区画されている。また、この区画部材４１はその下流側部分が屈曲部３４ａと空気抜き通路４０との接続部位側に指向する形状を有している。また、図２及び図３に示されるように、空気抜き通路４０と流出通路３４との接続部においては、流出通路３４及び空気抜き通路４０を形成する各部材と区画部材４１とは一体に形成されている。

以上説明した実施形態によれば、以下の効果が得られるようになる。
（１）空気はこれに作用する浮力によって鉛直方向上方に上昇する傾向があるため、通常、流出通路３４においてその上部に位置する冷却水に含まれる空気の密度は相対的に高いものとなる。本実施形態では、その流出通路３４の屈曲部３４ａの頂部に空気抜き通路４０を接続し、同空気抜き通路４０を通じてその空気を排出するようにしているため、空気を多く含んだ冷却水がラジエータ１０に流入することを抑制することができる。

加えて、流出通路３４には、空気抜き通路４０との接続部位よりも上流側に位置して冷却水の流通方向に延伸する区画部材４１をその内部に設け、この区画部材４１により流出通路３４の上流部分３４ｂの内部を上部通路６１と下部通路６２とに区画するようにしている。従って、流出通路３４と空気抜き通路４０との接続部位近傍において冷却水の流れに乱れが生じた場合であっても、この区画部材４１により流出通路３４の上部通路６１と下部通路６２とを流れる冷却水が攪拌されることを抑制することができる。その結果、上方に位置する冷却水に含まれる空気密度が低下することを抑制することができ、空気抜き通路４０を通じて冷却水に含まれる空気を好適に排出することができるようになる。

（２）区画部材４１は冷却水の流通方向に延伸し、その下流側部分が屈曲部３４ａと空気抜き通路４０との接続する部位側に指向する形状を有しているため、上部通路６１を流れる空気の密度の高い冷却水が空気抜き通路４０に導かれるようになる。そのため、同空気抜き通路４０から排出される空気の量を増大させることができ、冷却水に含まれる空気を一層効率的に排出することができるようになる。

（３）空気抜き通路４０と流出通路３４との接続部位での流路断面積は、上流部分３４ｂの流路断面積よりも大きく設定されているため、冷却水が上流部分３４ｂから接続部位に流入する際には、その冷却水の流速が低下するようになる。その結果、空気はこれに作用する浮力により鉛直方向上方に上昇しやすくなり、冷却水に含まれる空気を排出する際の効率を更に向上させることができるようになる。

（４）区画部材４１が配設されることにより、屈曲部３４ａに滞留した空気を上部通路６１に保持することができ、冷却水の流量が急激に増大してその滞留した空気が冷却水とともにラジエータ１０に押し込まれることを抑制することができる。また、屈曲部３４ａの頂部に空気抜き通路４０が接続されているため、この屈曲部３４ａに滞留する空気を排出することができ、屈曲部３４ａに空気が滞留することによる冷却水循環系５０の冷却性能の低下を抑制することができる。

（５）空気抜き通路４０と流出通路３４との接続部において、流出通路３４及び空気抜き通路４０を形成する各部材と区画部材４１とは一体に形成されているため、これら各別に形成した場合とは異なり、各部材を連結する等の加工を省略することができ、空気抜き構造についてその低コスト化を図ることができるようになる。

（６）冷却水循環系５０においては、冷却水に混入した空気がウォーターポンプ２０に噛み込まれると、ウォーターポンプ２０の吐出能力及び耐久性が低下するおそれがある。この点、本実施形態では、冷却水に混入した空気を冷却水循環系から好適に排出することができるため、冷却水の吸・放熱効率の低下を抑制するとともに、ウォーターポンプ２０の吐出能力及び耐久性の低下を抑制することができる。

尚、上記実施形態は、これを適宜変更した以下の形態にて実施することもできる。
・上記実施形態では、冷却水の流通方向に延伸し、その下流側部分が屈曲部３４ａと空気抜き通路４０との接続部位側に指向する形状を有する区画部材４１を採用した。これに対して、例えば、図４に示されるように、こうした指向部分を有していない区画部材等、他の形状を有する区画部材を用いることもできる。

・区画部材４１を上流部分３４ｂの中心部に配設したが、図５に示されるように、上流部分３４ｂの中心部よりも鉛直方向上方に偏倚した位置に区画部材１４２を配設してもよい。また、図６に示されるように、屈曲部３４ａと空気抜き通路４０との接続部位側に向けてその全体が傾斜した区画部材１４３を採用することもできる。

・上記実施形態では、空気抜き通路４０と流出通路３４との接続部位での流路断面積が上流部分３４ｂの流路断面積よりも大きく設定されている。これに対して、空気抜き通路４０と流出通路３４との接続部位における流路断面積を上流部分３４ｂの流路断面積と等しく、或いは上流部分３４ｂの流路断面積よりも小さく設定してもよい。こうした構成であっても上記（３）を除く、（１）〜（６）に記載の作用効果を奏することはできる。

・上記実施形態では、空気抜き通路４０は流出通路３４の屈曲部３４ａに接続するようにしたが、その空気抜き通路４０が例えば上流部分３４ｂ等、他の部分においてその鉛直方向上方に接続された構造を採用することもできる。

・上記実施形態では、流出通路３４及び空気抜き通路４０を形成する各部材と区画部材４１とは一体に形成されているが、それらの部材を予め各別に加工してから連結するようにしてもよい。

・上記実施形態では、内燃機関の冷却水循環系５０の空気抜き構造を例示したが、例えば内燃機関の潤滑油循環系等、他の液体に気体が混入される混合流体の流通系の気体抜き構造であっても同様の態様をもって本発明を適用することができる。

内燃機関の冷却水循環系を示すブロック図。 空気抜き構造を示す拡大断面図。 図２の３−３線に沿った断面図。 空気抜き構造について変更例を示す拡大図。 空気抜き構造について他の変更例を示す拡大図。 空気抜き構造について他の変更例を示す拡大図。

符号の説明

２…内燃機関、３…気筒、４…ウォータージャケット、４ａ…冷水入口、４ｂ…熱水出口、７…流入通路、１０…ラジエータ、１０ａ…熱水入口、１０ｂ…冷水出口、１１…流入タンク、１２…冷却通路、１３…流出タンク、１４…連通管、１５…セパレーションタンク、１６…ラジエータキャップ、２０…ウォーターポンプ、２１サーモスタットバルブ、３３…バイパス通路、３４…流出通路、３４ａ…屈曲部、３４ｂ…上流部分、３４ｃ…下流部分、３５…回収通路、４０…空気抜き通路、４１…区画部材、５０…冷却水循環系、６１…上部通路、６２…下部通路、１４２，１４３…区画部材。

Claims (6)

1. 気体と液体との混合流体が流通する主通路と、該主通路の鉛直方向上部に接続された気体流出通路とを備え、該気体流出通路を通じて前記主通路の混合流体に含まれる気体を同主通路からその外部に排出する気体抜き構造において、
   前記主通路は同主通路と前記気体流出通路との接続部位よりも上流側に位置して混合流体の流通方向に延伸する区画部材によりその内部が上部通路と下部通路とに区画される
   ことを特徴とする気体抜き構造。
2. 請求項１に記載の気体抜き構造において、
   前記区画部材はその下流側部分が前記主通路と前記気体流出通路との接続部位側に指向する形状を有してなる
   ことを特徴とする気体抜き構造。
3. 請求項１又は２に記載の気体抜き構造において、
   前記主通路は同主通路と前記気体流出通路との接続部位での流路断面積が同接続部位より上流側の部位での流路断面積よりも大きく設定される
   ことを特徴とする気体抜き構造。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の気体抜き構造において、
   前記主通路は、上流側から下流側までその延伸方向が鉛直方向下方に向けて変更する屈曲部を有しており、前記気体抜き通路は同屈曲部に接続される
   ことを特徴とする気体抜き構造。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の気体抜き構造において、
   前記主通路及び気体抜き通路を形成する部材と前記区画部材とは一体に形成される
   ことを特徴とする気体抜き構造。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の気体抜き構造において、
   前記主通路は内燃機関の冷却水循環系の冷却水通路であり、前記気体は前記冷却水に混入した空気である
   ことを特徴とする気体抜き構造。

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