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3級舶用機関整備士指導書

 事業名 舶用機関整備士の資格検定事業
 団体名 日本舶用機関整備協会 注目度注目度5


2.5 冷却装置
 シリンダヘッドや、シリンダライナ、ピストンなど燃焼ガスに接する部分は高温となる他、主要運動部や摺動部等も摩擦によって発熱する。従って燃焼ガスにより非常に高温になる部分や、摩擦により発熱する部分は冷却しなければ膨張して焼き付き、運転が出来なくなる。
 摩擦により発熱する部分の冷却は、潤滑油で行っていることは前項で述べたとおりであるが、燃焼ガスにより高温となる部分の冷却は、小形機関の一部に空冷式のものもあるが、殆どが水冷却方式が採用されている。
 水冷却方式としては、以前は海水による直接冷却(海水冷却)が主であったが、最近では殆どが海水間接冷却(清水冷却)を採用している。装置としては、船底弁(キングストンコック)海水コシキ、冷却水ポンプ、清水冷却器、清水タンク、温度調整弁、水量加減弁等により構成されている。
 
1)海水冷却と清水冷却の比較
(1)海水冷却
 海水でエンジンを直接冷却する方式で、海水の流れる経路の一例を2・98図に示す。海水は船底にあるキングストンコックより冷却水ポンプにより汲み上げられ、潤滑油冷却器を通り冷却水分配管よりシリンダ下部に入り、エンジン本体、シリンダヘッドを冷却して船外に排出される。
 図では経路の途中に温度調整弁(サーモスタット)が追加してあり、サーモスタットの働きにより冷却水を設定した一定の温度になるまでは船外に出さず内部を循環させ、水温を設定温度に保つようにしたものである。これにより過冷却によるエンジンのトラブルを軽減することが出来る。
 なお、温水戻し管の途中に水量調節弁を入れ手動により温度調節を行っているものもある。海水は55℃を越えるとカルシウム分が折出し冷却が悪くなるので、それ以上にならないよう注意が必要である。
 
2・98図 海水冷却経路の一例
 
(2)清水冷却
 清水冷却方式は2・99図に示す如く、シリンダ本体、シリンダヘッド、排気集合管、等については予め注入した清水と、清水タンクに貯えた清水を循環して冷却し、熱くなった清水は熱交換器(清水冷却器)を使用して海水により冷却し、海水側に熱交換を行う。清水の温度は自動温度調整弁により清水冷却器を流れる清水の量を調整して機関出口で常時85℃前後に保っている。
 海水は海水ポンプでキングストンコックより吸い込み、海水コシキ、海水ポンプ、清水冷却器、潤滑油冷却器、空気冷却器、を経て船外へ排出される。なお、空気冷却器には清水で冷却したものもある。
 清水冷却方式は海水冷却方式に比べると、構造が複雑になる他清水系統のメンテナンスが必要となるが、
(1)恒高温冷却のため冷却損失が減少して熱効率が向上する。
(2)燃料中の硫黄に起因する硫酸腐食が少なくなり、特にライナ内面の摩耗が少なくなり耐久性が格段に向上する。
(3)恒高温で運転が継続できるため熱変形、熱歪が少なくピストンとライナの隙間を少なくする事ができ性能向上が図られる。
(4)海水による腐食などのトラブルが少なくなる。
等の長所がある。
 また清水には防錆や、凍結防止のためロングライフクーラント(LLC)の使用が推奨されている。
 
(拡大画面:40KB)
2・99図 清水冷却経路の一例
 
2)構成部品
(1)冷却水ポンプ
 機関の冷却水ポンプは予備ポンプを除き、すべて機関直結で駆動され一般には回転式や往復動式ポンプが用いられている。回転式ポンプには渦巻ポンプやヤブスコポンプがあり、又往復動式ポンプにはプランジャポンプが用いられている。いずれにしても舶用機関においては非常に重要な装置であり、冷却水ポンプの故障は機関の過熱焼付きなど運転不能の重大事故となる。
(1)渦巻きポンプ
 渦巻きポンプは2・100図に示すように砲金製の羽根車の外周に砲金又は鋳鉄製の渦巻形のケースを有するもので、中心部より冷却水を吸い込み羽根車(インペラ)の遠心力により接線方向へ圧送するポンプである。
 渦巻きポンプは構造が簡単で特殊材料を用いない場合は安価であるが、自吸性が無いため、一般には清水冷却機関の清水循環ポンプとして使用されているほか、大型機関の海水冷却水ポンプとして用いられているが、中小形機関の海水用冷却水ポンプとしては殆ど使用されていない。
 インペラは2・101図のような形状をしており又、ケーシングはクランクケースの一部として形成され、プーリで駆動されることが多い。
(点検と整備について)
(イ)ポンプ軸の曲がりやスラストスキマを計測し異常があれば修正する。スラストスキマはインペラとケーシングが干渉しない範囲内で極力少なくする事が望ましい。
(ロ)インペラのキャビテーションエロージョンの有無を調べ異常があれば修正又は交換する。
 
(拡大画面:57KB)
2・100図 渦巻きポンプ
 
2・101図 渦巻きポンプのインペラ
 
(2)ヤブスコポンプ
 ヤブスコポンプは、2・102図に示す如くケーシング内に収められた数枚のゴム製インペラを回転させて冷却水を圧送するポンプである。インペラはケースと絶えず擦れ合って回転しているため、インペラの寿命が短く消耗品扱いとなる欠点はあるが構造が簡単で自吸性があり低速から高速回転まで確実に冷却水を圧送出来るため、中小形機関の冷却水ポンプとして広く用いられている。特に清水冷却機関の海水ポンプとして多く用いられている。
 構造としてはケーシング内の一部にカムが設けてあり、このカムの部分ではインペラ間の空間が小さくなるが、カム部を過ぎた位置にある吸い込み口付近ではインペラ間の空間が拡大し負圧となるため冷却水が吸入されるようになっている。又出口付近ではカムによりインペラ間の空間が小さくなるので冷却水が吐出される。従ってカムが摩耗すればインペラ間で形成される空間の差が少なくなるので吐出量が少くなる。
 このポンプの最大の欠点は水なしの空運転はインペラを短時間で損耗してしまうため絶対に空運転が出来ないことである。又逆転するとインペラが反対に曲げられ、これを繰り返すと早期に折損するほか、砂や泥水等を吸い込むとインペラが早期に摩耗するなどの問題点がある。
 インペラ軸の軸受けはグリースを封入したシール付ボールベアリングで支持されており、この部分へ冷却水が洩れないようにメカニカルシールなどの軸封装置が取り付けられている。
 又泥水や砂が、水と共にインペラと軸の間にはいると軸が摩耗して使用出来なくなるので、インペラの軸穴端面にシールキャップなどを設けて異物の浸入を防止している。
 ポンプ本体及びケーシングには一般に砲金鋳物を用い海水による耐食性を高めている。又軸はステンレス鋼製のものが多く使用され、歯車による駆動もあるが殆どはVプーリによるベルト駆動が採用されている。
(点検と整備について)
(イ)ゴムインペラやカムの摩耗及び損傷状況を調査し異常があれば交換する。
(ロ)軸とインペラの篏合を点検しガタの大きいときは軸も交換する。
 
2・102図 ヤブスコポンプ
 
(3)プランジャポンプ
 2・103図に示す如くポンプ本体内にプランジャを挿入しカム軸に設けられた偏心環の回転により、プランジャがそのストロークに応じて往復運動する。シリンダの先端部は弁室に通じており、プランジャが右方向に移動するとシリンダ内は負圧となり、吸入弁が開いて冷却水を吸入する。
 プランジャが左に動くと吸入した冷却水を圧縮するため吐出弁が開いて冷却水は押し出される。この動作の繰り返しで冷却水を吐出させるものである。吐出弁出口には空気室が設けてあり、水は空気を圧縮しながら吐出するのでプランジャが吸入行程の時でもその圧縮された空気により水を押し出すので冷却水は吸入、吐出行程に関係なく連続して吐出され、圧力の変動が少なくなるように造られている。
 吸入弁及び吐出弁は2・104図に示すように一本の弁軸に下から吸入用の弁座、弁、間隔筒、弁バネ、次ぎに吐出用の弁座、弁、弁バネ、の順に組み立てられ弁室部へ挿入されている。
 弁座の弁室嵌入部分には気密保持のためOリングが用いられ、弁は弁軸上をガイドに沿って上下に動き弁の開閉を行うようになっている。
 プランジャポンプは海水による耐食性を向上するため一般には砲金(青銅鋳物)が用いられているが、最近では弁及び弁シートに耐摩耗性の大きな特殊樹脂やプラスチックなどを用いたものもある。なお、一般にはプランジャの前後両端部に弁室を設けて複動式とし吐出量の増大と脈動の減少を図ったものが使われている。
 プランジャ式ポンプの吐出量は基本的にはプランジャ断面積、ストローク、回転数の相乗積で表されるが、弁リフトや弁の慣性などの影響を受け、回転数がある一定回転以上になると急激にポンプ効率が低下して吐出量が増加せず頭打ちとなる特性があるため高速機関には殆ど使用されていない。又この方式のポンプは間欠的に水を押し出すため圧力が脈動し、特に出口側通路の抵抗が大きいとき、又は吐出量が増大すると大きな圧力波を生じウォータハンマ現象を起こしポンプ効率が大幅に低下すると共に、水通路の弱い箇所に亀裂を生じることがある。このため一般には空気室(エアベッセル)を設けて脈動圧力波を緩衝させているほか、水圧調整用の安全弁を設けて、瞬間的に高い圧力を逃がしたり、ペット弁を取り付けて空気室に空気を吸い込ませて脈動の低減を図っている。
(点検と整備について)
(イ)プランジャの外径とシリンダの内径を計測し、スキマが使用限度を超える場合はスリーブを作成して挿入する。
(ロ)弁及び弁座の当たりを点検し異常があれば修正又は交換する。
(ハ)弁と弁案内の摩耗、及び弁バネの損耗、へたり、折損などを点検し異常があれば交換する。
 
(拡大画面:48KB)
2・103図 プランジャ式ポンプ
 
2・104図 同左ポンプの弁室部







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