特許 7568227 エンジン用冷却部品

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-10-07

(45)【発行日】2024-10-16

(54)【発明の名称】エンジン用冷却部品

(51)【国際特許分類】

   F02M 61/16 20060101AFI20241008BHJP

   F02M 61/14 20060101ALI20241008BHJP

【ＦＩ】

F02M61/16 F

F02M61/16 M

F02M61/14 320P

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2021027601

(22)【出願日】2021-02-24

(65)【公開番号】P2022129057

(43)【公開日】2022-09-05

【審査請求日】2023-12-05

(73)【特許権者】

【識別番号】390021577

【氏名又は名称】東海旅客鉄道株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】393002597

【氏名又は名称】東海交通機械株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】521080484

【氏名又は名称】オオスズ技研株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000578

【氏名又は名称】名古屋国際弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】大原 隆志

(72)【発明者】

【氏名】平松 康平

(72)【発明者】

【氏名】山下 修平

(72)【発明者】

【氏名】寺島 保

(72)【発明者】

【氏名】白石 哲也

(72)【発明者】

【氏名】▲高▼見 宗太郎

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 一▲隆▼

【審査官】上田 真誠

(56)【参考文献】

【文献】実開昭５８－０６６１３１（ＪＰ，Ｕ）

【文献】米国特許第０６１１２７２２（ＵＳ，Ａ）

【文献】特開２００１－１０７８３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６２－０２０６７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－２０５２４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－０６９６７７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０２Ｍ ３９／００－７１／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

エンジンの被冷却部位と冷却液との間で熱交換を行うエンジン用冷却部品であって、
金属製の母材と、
前記母材に重ねて配置された金属溶射部と、
を備え、
前記母材は、燃料インジェクタを被覆するように構成された筒状のスリーブであり、第１端部から第２端部に向かって縮径する円錐筒部を有し、
前記冷却液は、シリンダヘッドの天壁の表面であって、前記シリンダヘッドの外側を向く表面に沿って流れ、
前記円錐筒部は、
前記燃料インジェクタと共に前記天壁を貫通するように配置され、
前記金属溶射部が外周面に配置された熱交換部と、
前記熱交換部よりも前記第２端部に近い位置に前記熱交換部に隣接して配置されると共に、前記金属溶射部が配置されない連結部と、
を有し、
前記金属溶射部は、前記天壁の表面より前記第２端部から離れた位置から、前記天壁の表面より前記第２端部に近い位置にわたって、前記シリンダヘッドとの境界に沿って位置する、エンジン用冷却部品。

【請求項2】

請求項１に記載のエンジン用冷却部品であって、
前記母材は銅を主成分とし、
前記金属溶射部は、ニッケル及びアルミニウムを含有する、エンジン用冷却部品。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、エンジン用冷却部品に関する。

【背景技術】

【0002】

エンジンの燃料供給系統は、例えばシリンダに燃料を噴射するインジェクタ等の、運転時に高温となる部位を含む。このような部位に対しては、冷却液による冷却が一般に行われる（特許文献１参照）。冷却対象となる部位には、機器の熱を冷却液へ伝達するための冷却部品が取り付けられる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特表２０２０－５０１０６３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上述の冷却部品において、冷却液の温度が上昇すると、冷却部品の表面近傍でキャビテーションが発生する。このキャビテーションの発生の繰り返しによって、冷却部品の表面に凹凸が形成される。その結果、冷却部品が損傷し、漏水によりエンジンが停止するおそれがある。

【0005】

本開示の一局面は、冷却液のキャビテーションによる損傷を抑制できるエンジン用冷却部品を提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示の一態様は、エンジンの被冷却部位と冷却液との間で熱交換を行うエンジン用冷却部品である。エンジン用冷却部品は、金属製の母材と、母材に重ねて配置された金属溶射部と、を備える。

【0007】

このような構成によれば、母材を被覆する金属溶射部によって冷却部品の硬度が部分的に高められる。そのため、母材による熱交換効率を維持しつつ、冷却液のキャビテーションによる冷却部品の損傷が抑制される。

【0008】

本開示の一態様では、母材は銅を主成分としてもよい。金属溶射部は、ニッケル及びアルミニウムを含有してもよい。このような構成によれば、母材の熱伝導性及び加工性を高めつつ、金属溶射部による損傷の抑制効果を促進できる。

【0009】

本開示の一態様では、母材は、燃料インジェクタを被覆するように構成された筒状のスリーブであってもよい。このような構成によれば、シリンダからの伝熱によって特に高温になりやすい燃料インジェクタに対して、キャビテーションによる冷却部品の損傷を抑制しつつ、冷却を行うことができる。

【0010】

本開示の一態様では、母材は、第１端部から第２端部に向かって縮径する円錐筒部を有してもよい。円錐筒部は、金属溶射部が外周面に配置された熱交換部と、熱交換部よりも第２端部に近い位置に熱交換部に隣接して配置されると共に、金属溶射部が配置されない連結部と、を有してもよい。このような構成によれば、スリーブの先端部となる連結部の硬度上昇が抑えられるため、連結部を変形させながらシリンダヘッドの貫通孔に密着させることができる。また、シリンダヘッドに連結される連結部に隣接する熱交換部に金属溶射部が設けられることで、シリンダヘッドと冷却部品との隙間でキャビテーションが集中発生する場合にも冷却部品の損傷を抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】図１は、実施形態におけるエンジンの一部を示す模式的な断面図である。

【図2】図２は、図１のエンジン用冷却部品の一部を示す模式的な断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本開示が適用された実施形態について、図面を用いて説明する。
［１．第１実施形態］
［１－１．構成］
図１に示すエンジン用冷却部品１（以下、単に「冷却部品１」ともいう。）は、エンジンの被冷却部位と冷却液との間で熱交換を行う。

【0013】

＜エンジン＞
本実施形態の冷却部品１は、シリンダ１０１と、シリンダヘッド１０２と、ピストン１０３と、燃料インジェクタ１０４とを備えるエンジン１００に用いられる。なお、エンジン１００は、例えば、ディーゼルエンジン又はガソリンエンジンである。

【0014】

シリンダ１０１は、側壁１０１Ａと、燃焼室１０１Ｂとを有する。側壁１０１Ａは、内部にピストン１０３等が配置された円筒状の部材である。燃焼室１０１Ｂは、側壁１０１Ａと、シリンダヘッド１０２の天壁１０２Ａと、ピストン１０３の頂面とによって画定された密閉空間である。

【0015】

シリンダヘッド１０２は、天壁１０２Ａと、冷却液流路１０２Ｂとを有する。天壁１０２Ａは、シリンダ１０１と連結され、シリンダ１０１の側壁１０１Ａの一方の端部を閉塞している。天壁１０２Ａには、燃料インジェクタ１０４が挿通される貫通孔１０２Ｃが設けられている。貫通孔１０２Ｃは、シリンダ１０１の内部に向かって縮径するすり鉢状の形状を有する。

【0016】

冷却液流路１０２Ｂは、燃料インジェクタ１０４を冷却するための冷却液を流通させる空間である。冷却液としては、例えば水が使用される。燃料インジェクタ１０４を冷却した後の冷却液は、熱交換器によって冷却された後、再び燃料インジェクタ１０４に供給される。このような冷却液の循環によって燃料インジェクタ１０４が連続的に冷却される。

【0017】

ピストン１０３は、シリンダ１０１の内部をシリンダ１０１の軸方向に往復運動するように構成されている。ピストン１０３は、側壁１０１Ａに対して摺動する。ピストン１０３は、コンロッド１０５を介してエンジン１００のクランク軸（図示省略）に連結されている。

【0018】

燃料インジェクタ１０４は、シリンダヘッド１０２の内部に配置されると共に、燃焼室１０１Ｂ内に燃料を噴射するように構成されている。燃料インジェクタ１０４は、本体１０４Ａと、ノズル１０４Ｂとを有する。本体１０４Ａは円柱状の部位である。ノズル１０４Ｂは、本体１０４Ａの端部に連結された円錐台状の部位である。

【0019】

ノズル１０４Ｂの少なくとも一部は、シリンダヘッド１０２の貫通孔１０２Ｃ内に配置されている。ノズル１０４Ｂは、燃料の噴射口が設けられた先端部を有する。ノズル１０４Ｂの先端部は、燃焼室１０１Ｂ内に露出している。

【0020】

＜冷却部品＞
冷却部品１は、燃料インジェクタ１０４が内部に挿入された筒体である。冷却部品１は、燃料インジェクタ１０４の熱を冷却液へ拡散させる。図２に示すように、冷却部品１は、金属製の母材２と、金属溶射部３とを備える。

【0021】

（母材）
母材２は、燃料インジェクタ１０４を被覆するように構成された筒状のスリーブである。母材２は、銅を主成分とする。なお、「主成分」とは、最も多く含まれる成分を意味し、例えば９０質量％以上含有される成分である。

【0022】

母材２は、円筒部２１と、円錐筒部２２とを有する。円筒部２１は、軸方向に沿って径が一定である。円筒部２１の内周面は、燃料インジェクタ１０４の本体１０４Ａの外周面と接触している。また、円筒部２１の外周面には冷却液が接触する。

【0023】

円錐筒部２２は、円筒部２１と連続する第１端部から反対側の第２端部に向かって（つまり燃焼室１０１Ｂに向かって）連続的に縮径している。つまり、第２端部における円錐筒部２２の内径及び外径は、第１端部における円錐筒部２２の内径及び外径よりも小さい。円錐筒部２２の内周面は、燃料インジェクタ１０４のノズル１０４Ｂの外周面と接触している。円錐筒部２２は、熱交換部２２Ａと、連結部２２Ｂとを有する。

【0024】

熱交換部２２Ａは、連結部２２Ｂよりも第１端部に近い位置（つまり燃焼室１０１Ｂから離れた位置）に配置されている。熱交換部２２Ａの外周面には、金属溶射部３が配置されている。

【0025】

連結部２２Ｂは、熱交換部２２Ａよりも第２端部に近い位置（つまり燃焼室１０１Ｂに近い位置）に熱交換部２２Ａに隣接して配置されている。連結部２２Ｂには、金属溶射部３は配置されていない。

【0026】

連結部２２Ｂの外周面は、貫通孔１０２Ｃの内周面と密着している。具体的には、連結部２２Ｂは、貫通孔１０２Ｃの内周面に設けられた噛み合い部１０２Ｄにめり込むように変形している。

【0027】

噛み合い部１０２Ｄは、貫通孔１０２Ｃの軸方向に並んで配置された複数の円環状の凸条（つまり複数の段差）で構成されている。連結部２２Ｂは、冷却部品１の交換時にシリンダヘッド１０２から引き抜けるように、脱着可能な状態で噛み合い部１０２Ｄに機械的に連結されている。

【0028】

（金属溶射部）
金属溶射部３は、母材２に重ねて配置されている。具体的には、金属溶射部３は、熱交換部２２Ａの外周面上に、円環状に形成されている。

【0029】

金属溶射部３は、母材２の表面に金属溶射を行うことで形成された被膜である。具体的には、母材２が構成するスリーブの外周面に対し、溶融状態又は溶融状態に近い状態の金属粒子の吹き付けを繰り返すことで金属溶射部３が形成される。

【0030】

つまり、スリーブ状に成形された母材２の熱交換部２２Ａに金属溶射を行うことで、本実施形態の冷却部品１を製造することができる。なお、金属溶射としては、緻密な被膜を短時間に形成できるプラズマ溶射が好適である。

【0031】

金属溶射で形成される膜は、塗装、接着等によって形成された膜に比べて剥がれ等の劣化が小さい。さらに、金属溶射で形成される膜は、熱処理（例えば加熱）といった物理的処理や、析出（例えばメッキ）といった科学的処理に比べて、膜の形成場所を精度よく選択できる。

【0032】

金属溶射では、母材２を構成する金属（本実施形態では銅）よりも、ＪＩＳ Ｚ ２２４４（２００９）に準拠して測定されるビッカース硬さが大きい金属が用いられる。本実施形態では、ニッケルとアルミニウムとの合金が金属溶射の材料として使用される。

【0033】

ニッケルとアルミニウムとの合金を溶射して得られた金属溶射部３は、ニッケル及びアルミニウムを含有し、ビッカース硬さが母材２よりも大きい。また、ニッケル及びアルミニウムを含有する金属溶射部３は、展延性による割れ抑制、銅との高い密着性、銅と熱膨張率が近いことによる亀裂発生抑制、銅とイオン化傾向が近いことによるガルバニック腐食抑制、高温下での軟化及び強度低下の抑制等の利点を有する。

【0034】

金属溶射部３の厚みは、熱交換部２２Ａにおける母材２の厚みよりも小さい。熱交換部２２Ａにおける母材２の厚みに対する、金属溶射部３の厚みの比は、例えば９％以上２４％以下が好ましい。また、熱交換部２２Ａにおける母材２の厚みは、例えば１．０ｍｍ以上２．５ｍｍ以下であり、金属溶射部３の厚みは、例えば、０．２ｍｍ以上０．３ｍｍ以下である。

【0035】

金属溶射部３は、貫通孔１０２Ｃの内周面と離れている。つまり、金属溶射部３と天壁１０２Ａとの間には、冷却液が充填される隙間が存在する。この隙間では、渦、振動等による液圧低下に伴うキャビテーション（つまり気泡）の発生が集中しやすい。しかし、この隙間に面する金属溶射部３は高い硬度を有するため、キャビテーションによる損傷が抑制される。

【0036】

なお、金属溶射部３は、天壁１０２Ａ（例えば貫通孔１０２Ｃの内周面）と接触していてもよい。ただし、金属溶射部３は、母材２に比べて硬度が高いため、天壁１０２Ａに対して、噛み合い等による機械的な連結はされにくい。

【0037】

［１－２．効果］
以上詳述した実施形態によれば、以下の効果が得られる。
（１ａ）母材２を被覆する金属溶射部３によって冷却部品１の硬度が部分的に高められる。そのため、母材２による熱交換効率を維持しつつ、冷却液のキャビテーションによる冷却部品１の損傷が抑制される。

【0038】

（１ｂ）母材２が銅を主成分とし、金属溶射部３がニッケルとアルミニウムとを含有することで、母材２の熱伝導性及び加工性を高めつつ、金属溶射部３による損傷の抑制効果を促進できる。

【0039】

（１ｃ）シリンダ１０１からの伝熱によって特に高温になりやすい燃料インジェクタ１０４に対して、キャビテーションによる冷却部品１の損傷を抑制しつつ、冷却を行うことができる。

【0040】

（１ｄ）スリーブの先端部となる連結部２２Ｂの硬度上昇が抑えられるため、連結部２２Ｂを変形させながらシリンダヘッド１０２の貫通孔１０２Ｃに密着させることができる。また、シリンダヘッド１０２に連結される連結部２２Ｂに隣接する熱交換部２２Ａに金属溶射部３が設けられることで、シリンダヘッド１０２と冷却部品１との隙間でキャビテーションが集中発生する場合にも冷却部品１の損傷を抑制できる。

【0041】

［２．他の実施形態］
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は、上記実施形態に限定されることなく、種々の形態を採り得ることは言うまでもない。

【0042】

（２ａ）上記実施形態のエンジン用冷却部品において、母材の主成分は銅に限定されない。また、金属溶射に用いられる金属は、ビッカース硬度が母材よりも高いものであれば、ニッケルとアルミニウムとの合金に限定されない。

【0043】

（２ｂ）上記実施形態のエンジン用冷却部品の冷却対象は燃料インジェクタに限定されない。本開示のエンジン用冷却部品は、燃料インジェクタ以外の被冷却部位の冷却にも用いることができる。

【0044】

（２ｃ）上記実施形態における１つの構成要素が有する機能を複数の構成要素として分散させたり、複数の構成要素が有する機能を１つの構成要素に統合したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加、置換等してもよい。なお、特許請求の範囲に記載の文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。

【符号の説明】

【0045】

１…エンジン用冷却部品、２…母材、３…金属溶射部、２１…円筒部、
２２…円錐筒部、２２Ａ…熱交換部、２２Ｂ…連結部、１００…エンジン、
１０１…シリンダ、１０１Ａ…側壁、１０１Ｂ…燃焼室、１０２…シリンダヘッド、
１０２Ａ…天壁、１０２Ｂ…冷却液流路、１０２Ｃ…貫通孔、１０２Ｄ…噛み合い部、
１０３…ピストン、１０４…燃料インジェクタ、１０４Ａ…本体、１０４Ｂ…ノズル、
１０５…コンロッド。

【図1】

【図2】