JP2002332842A - 水冷式エンジン冷却装置及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 冷却水を循環させるポンプ動力を抑制しつつ
ファンの無駄な稼働を防止して、燃費向上とヒータ性能
の向上が図れる水冷式エンジンの冷却装置を提供する。 【解決手段】 エンジン２から流出する冷却水をヘッダ
４、５間に配置されたチューブ６に流通させて冷却水の
冷却を行うラジエータ７と、エンジン２に独立して駆動
されてエンジン２とラジエータ７とに冷却水を循環させ
る電動ポンプ８と、エンジン２内の冷却水温度を検出す
る温度センサ９と、温度検出値に基づいて電動ポンプ９
の駆動を制御する制御装置１５とを備える水冷式エンジ
ン冷却装置１であって、制御装置１５は、検出温度が１
０５℃以上のときに、チューブ６内を流通する冷却水の
流動状態が、層流域と乱流域との間の遷移域、及びこの
遷移域に近接する乱流域の範囲に入ると共に、冷却水が
予め定められた流量で循環するように電動ポンプ８の駆
動を制御することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は水冷式エンジン冷却
装置に関し、さらに詳しくは、エンジンに冷却水を循環
させるポンプを電動化した水冷式エンジン冷却装置及び
その制御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、水冷式エンジンの冷却装置として
は、エンジンの回転数に比例してウォータポンプを駆動
させて冷却水をシリンダヘッド及びシリンダブロックに
循環させるようにしたものがある。しかし、このような
方式の冷却装置では、上記したようにエンジンの回転数
に冷却水の流量が比例しているため、例えば冬場におい
て不必要にエンジンに冷却水を循環させ過ぎたり、高速
走行時おいて不必要な流量の冷却水を余分に循環させて
いるという問題点がある。このため、従来のウォータポ
ンプを用いた水冷式エンジン冷却装置では、冷却水の余
分な放熱が生じて暖機が遅れ、動力ロスがかなり大きい
という問題点がある。さらに、エンジンの回転数のみが
冷却水の流量を決めているため、高水温制御などを実施
することができないという問題点がある。

【０００３】このような動力ロスの低減を図った技術と
して、特開２０００−４５７７４号公報に開示された冷
却装置が知られている。この冷却装置では、ウォータポ
ンプを電動化し、エンジンの冷却水出口側の冷却水温度
と冷却水入口側の冷却水温度との差が所定温度差となる
ように制御を行っている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】一般に、冷却装置では
ウォータポンプにより循環水量が変化すると、ラジエー
タのヘッダ間に配置された多数のチューブ内を流通する
冷却水は流速に応じて層流状態や乱流状態となる。例え
ば、チューブ内の冷却水の流速が低下して所定の流速以
下になると、冷却水が層流状態となりラジエータでの冷
却効率が低下して冷やしきれず、ラジエータファンの動
力の増大を余儀なくされるという問題点がある。また、
チューブ内の冷却水の流速が速くなって乱流状態となっ
た場合には、さらに流速が増加しても冷却効率の増加が
見込めず、やはり冷却に必要な動力が増大するという問
題点がある。これらの問題点は、上記した後者の冷却装
置においても同様である。すなわち、この従来の冷却装
置では、ウォータポンプを電動化し、エンジンの冷却水
出口側の冷却水温度と冷却水入口側の冷却水温度との差
が所定温度差となるように制御を行っても、ラジエータ
のチューブ内の冷却水の流速は制御できない。このた
め、冷却水が層流状態となった場合は、ラジエータでの
冷却効率が低下して冷却水を冷やしきれず、ラジエータ
ファンの動力の増大が必要となる。逆に、冷却水の流速
が増加して乱流状態となった場合には、電動ポンプの稼
働を増加させても、稼働増加に見合った冷却効率が得ら
れず、さらに電動ポンプの稼働が過ぎると、チューブの
エロージョンが発生して使用が不可となるという問題点
がある。

【０００５】そこで、本発明が解決しようとする目的
は、冷却水を循環させるポンプ動力を抑制しつつファン
の無駄な稼働を防止するとともに、冷却水の余分な放熱
を防止してエンジンの暖機を早め、燃費向上が図れる水
冷式エンジンの冷却装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
水冷式エンジンから流出する冷却水をヘッダ間に配置さ
れたチューブに流通させて冷却水の冷却を行う熱交換器
と、前記水冷式エンジンに独立して駆動されて前記水冷
式エンジンと前記熱交換器とに冷却水を循環させるポン
プと、前記水冷式エンジン内の冷却水温度を検出する温
度検出手段と、前記温度検出手段による検出値に基づい
て前記ポンプの駆動を制御する制御装置と、を備える水
冷式エンジン冷却装置であって、前記制御装置は、前記
温度検出手段による検出温度が所定目標温度以上のとき
に、前記熱交換器の前記チューブ内を流通する冷却水の
流動状態が、層流域と乱流域との間の遷移域、及びこの
遷移域に近接する前記乱流域の範囲に入ると共に、冷却
水が予め定められた流量で循環するように前記ポンプの
駆動を制御することを特徴とする。

【０００７】請求項２記載の発明は、水冷式エンジンか
ら流出する冷却水をヘッダ間に配置されたチューブに流
通させて冷却水の冷却を行う熱交換器と、前記水冷式エ
ンジンに独立して駆動されて前記水冷式エンジンと前記
熱交換器とに冷却水を循環させるポンプと、前記水冷式
エンジン内の冷却水温度を検出する温度検出手段と、前
記温度検出手段による検出値に基づいて前記ポンプの駆
動を制御する制御装置と、を備える水冷式エンジン冷却
装置であって、前記制御装置は、前記温度検出手段によ
る検出温度が所定目標温度以上のときに、冷却水が予め
定められた流量で循環するように前記ポンプの駆動を制
御すると共に、前記冷却水の予め定められた流量におい
て、前記熱交換器の前記チューブ内を流通する冷却水の
流動状態が、層流域と乱流域との間の遷移域、またはこ
の遷移域に近接する前記乱流域の範囲に入るように、前
記熱交換器が構成されていることを特徴とする。

【０００８】請求項３記載の発明は、水冷式エンジンか
ら流出する冷却水をヘッダ間に配置されたチューブに流
通させて冷却水の冷却を行う熱交換器と、前記水冷式エ
ンジンに独立して駆動されて前記水冷式エンジンと前記
熱交換器とに冷却水を循環させるポンプと、前記水冷式
エンジン内の冷却水温度を検出する温度検出手段と、前
記温度検出手段による検出値に基づいて前記ポンプの駆
動を制御する制御装置と、を備える水冷式エンジン冷却
装置であって、前記制御装置は、前記温度検出手段によ
る検出温度が所定目標温度以上のときに、前記熱交換器
の前記チューブ内を流通する冷却水のレイノルズ数が１
８００〜６０００の範囲に入ると共に、冷却水が予め定
められた流量で循環するように前記ポンプの駆動を制御
することを特徴とする。

【０００９】請求項４記載の発明は、水冷式エンジンか
ら流出する冷却水をヘッダ間に配置されたチューブに流
通させて冷却水の冷却を行う熱交換器と、前記水冷式エ
ンジンに独立して駆動されて前記水冷式エンジンと前記
熱交換器とに冷却水を循環させるポンプと、前記水冷式
エンジン内の冷却水温度を検出する温度検出手段と、前
記温度検出手段による検出値に基づいて前記ポンプの駆
動を制御する制御装置と、を備える水冷式エンジン冷却
装置であって、前記制御装置は、前記温度検出手段によ
る検出温度が所定目標温度以上のときに、冷却水が予め
定められた流量で循環するように前記ポンプの駆動を制
御すると共に、前記冷却水の予め定められた流量におい
て、前記熱交換器の前記チューブ内を流通する冷却水の
レイノルズ数が１８００〜６０００の範囲に入るよう
に、前記熱交換器が構成されていることを特徴とする。

【００１０】請求項５記載の発明は、請求項１乃至請求
項４のいずれかに記載された水冷式エンジン冷却装置で
あって、前記水冷式エンジンは、シリンダヘッドを冷却
するシリンダヘッド側通路と、該シリンダヘッド側通路
と連通する、シリンダブロックを冷却するシリンダブロ
ック側通路とを備え、冷却水が前記シリンダヘッド側通
路から導入されると共に前記シリンダブロック側通路か
ら導出されることを特徴とする。

【００１１】請求項６記載の発明は、請求項１乃至請求
項５のいずれかに記載された水冷式エンジン冷却装置で
あって、前記ポンプは、流量調節可能な電動ポンプであ
ることを特徴とする。

【００１２】請求項７記載の発明は、請求項１乃至請求
項６のいずれかに記載された水冷式エンジン冷却装置で
あって、前記冷却水は、前記シリンダヘッド側通路に８
０〜９５℃の状態で導入され、前記シリンダブロック側
通路から１００〜１１５℃の状態で導出されることを特
徴とする。

【００１３】請求項８記載の発明は、請求項１乃至請求
項７のいずれかに記載された水冷式エンジン冷却装置で
あって、前記水冷式エンジンで暖められた冷却水を空気
調和装置のヒータコアに流通させると共に、前記ヒータ
コアから導出される冷却水を前記ポンプの上流側に合流
させる空調用迂回通路を有することを特徴とする。

【００１４】請求項９記載の発明は、請求項８記載の水
冷式エンジン冷却装置であって、前記ヒータコアの上流
側の前記空調用迂回通路には、冷却水の流通量を制御で
きる可変バルブが設けられていることを特徴とする。

【００１５】請求項１０記載の発明は、水冷式エンジン
から流出する冷却水をヘッダ間に配置されたチューブに
流通させて冷却水の冷却を行う熱交換器と、前記チュー
ブに送風を行う送風機と、前記水冷式エンジンに独立し
て駆動されて前記水冷式エンジンと前記熱交換器とに冷
却水を循環させるポンプと、前記水冷式エンジン内の冷
却水温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段
による検出値に基づいて前記ポンプの駆動を制御する制
御装置と、を備える水冷式エンジン冷却装置の制御方法
であって、前記温度検出手段による検出温度が所定目標
温度以上のときに、前記制御装置が、前記熱交換器の前
記チューブ内を流通する冷却水の流動状態が層流域と乱
流域との間の遷移域、及びこの遷移域に近接する前記乱
流域の範囲に入る、予め定められた流量で冷却水を循環
させるように前記ポンプによる冷却水流量を制御すると
共に、前記温度検出手段により検出された温度に基づい
て予め定められた風量となるように前記送風機の回転を
制御することを特徴とする。

【００１６】請求項１１記載の発明は、水冷式エンジン
から流出する冷却水をヘッダ間に配置されたチューブに
流通させて冷却水の冷却を行う熱交換器と、前記チュー
ブに送風を行う送風機と、前記水冷式エンジンに独立し
て駆動されて前記水冷式エンジンと前記熱交換器とに冷
却水を循環させるポンプと、前記水冷式エンジン内の冷
却水温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段
による検出値に基づいて前記ポンプの駆動を制御する制
御装置と、を備える水冷式エンジン冷却装置の制御方法
であって、前記温度検出手段による検出温度が所定目標
温度以上のときに、前記制御装置が、前記熱交換器の前
記チューブ内を流通する冷却水のレイノルズ数が１８０
０〜６０００の範囲に入る、予め定められた流量で冷却
水を循環させるように前記ポンプによる冷却水流量を制
御すると共に、前記温度検出手段により検出された温度
に基づいて予め定められた風量となるように前記送風機
の回転を制御することを特徴とする。

【００１７】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、水冷式エ
ンジンに冷却水を循環させるポンプが水冷式エンジンに
独立して駆動されるため、エンジンの回転数に比例する
ことなくポンプを駆動させることができ、例えば冬場や
高速走行時などに冷却水を余分に流通させることがな
い。このため、水温コントロールが容易になり、高温水
制御が行えるという効果がある。また、請求項１記載の
発明によれば、所定目標温度以上のときに、冷却水の状
態が層流域と乱流域との間の遷移域、及びこの遷移域に
近接する乱流域の範囲に予め設定された循環流量に制御
されるため、冷却装置の動力ロスを低減でき、燃費を向
上させるという効果がある。

【００１８】請求項２記載の発明によれば、水冷式エン
ジンに冷却水を循環させるポンプが水冷式エンジンに独
立して駆動されるため、エンジンの回転数に比例するこ
となくポンプを駆動させることができ、例えば冬場や高
速走行時などに冷却水を余分に流通させることがない。
このため、水温コントロールが容易になり、高温水制御
が行えるという効果がある。また、請求項２記載の発明
によれば、所定目標温度以上のときに、予め設定された
流量において、熱交換器のチューブ内を流通する冷却水
の状態が、層流域と乱流域との間の遷移域及びこの遷移
域に近接する乱流域のうち少なくともどちらか一方を含
む領域の範囲となるように熱交換器が構成されるため、
冷却装置の動力ロスを低減でき、燃費を向上させるとい
う効果がある。

【００１９】請求項３記載の発明によれば、所定目標温
度以上のときに、冷却水のレイノルズ数が１８００〜６
０００になるように設定されているため、冷却水の状態
が層流域と乱流域との間の遷移域、及びこの遷移域に近
接する乱流域の範囲に入り、冷却装置の動力ロスを低減
でき、燃費を向上させるという効果がある。

【００２０】請求項４記載の発明によれば、所定目標温
度以上のときに、予め設定された流量において、熱交換
器のチューブ内を流通する冷却水のレイノルズ数が１８
００〜６０００となるように熱交換器が構成されている
ため、冷却水の状態が、層流域と乱流域との間の遷移域
及びこの遷移域に近接する乱流域のうち少なくともどち
らか一方を含む領域の範囲に入り、冷却装置の動力ロス
を低減でき、燃費を向上させるという効果がある。

【００２１】請求項５記載の発明によれば、請求項１〜
請求項４に記載された発明の効果に加えて、熱交換器で
冷却された冷却水がシリンダヘッドから導入されてシリ
ンダブロックから導出されるため、シリンダヘッド部分
は水温が低く高負荷時のノッキングを防止できると共
に、シリンダブロック部分はシリンダヘッド部分より水
温が上昇するため、油温を上昇させることができフリク
ションロスを低減させ燃費を良くする効果がある。

【００２２】請求項６記載の発明によれば、ポンプを電
動ポンプとしたことにより、冷却水の流量制御が容易と
なり、応答性の高い制御が可能となる。

【００２３】請求項７記載の発明によれば、シリンダヘ
ッドに導入される冷却水の温度を８０〜９５℃とするこ
とにより、確実にノッキングを防止できるという効果が
ある。また、シリンダブロックから導出される冷却水の
温度を１００〜１１５℃とすることにより、高水温制御
を行うことができ、フリクションロスを低減する効果が
ある。

【００２４】請求項８記載の発明によれば、シリンダブ
ロックから導出される温度安定性を有する高温冷却水を
ヒータコアに循環させることにより、空気調和装置の温
度安定性を高めて、質の高い空気調和を行うことが可能
となる。

【００２５】請求項９記載の発明によれば、ヒータコア
の上流側の空調用迂回通路に可変バルブを設けること
で、ヒータコアでの熱交換量を可変バルブで制御するこ
とが可能となり、空気調和装置の小型化を実現すること
ができる。

【００２６】請求項１０記載の発明によれば、所定目標
温度以上のときに、冷却水の状態が、層流域と乱流域と
の間の遷移域及びこの遷移域に近接する乱流域のうち少
なくともどちらか一方を含む領域の範囲に予め設定され
た循環流量に制御されるため、冷却装置の動力ロスを低
減でき、燃費を向上させるという効果がある。

【００２７】請求項１１記載の発明によれば、所定目標
温度以上のときに、冷却水のレイノルズ数が１８００〜
６０００になるように設定されているため、冷却水の状
態が層流域と乱流域との間の遷移域、またはこの遷移域
に近接する乱流域の範囲に入るように制御できる。この
ため、冷却水を余分に流すことを防止でき、冷却装置の
動力ロスを低減して燃費を向上させるという効果があ
る。

【００２８】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る水冷式エンジ
ン冷却装置の詳細を図面に示す実施の形態に基づいて説
明する。

【００２９】（実施形態１）図１及び図２は、本発明に
係る水冷式エンジンの冷却装置の実施形態１を示す説明
図である。図１及び図２に示すように、本実施形態の冷
却装置１は、水冷式エンジン（以下、単にエンジンとい
う。）２から冷却水回路（冷却水流通管）３を介して流
出する冷却水を冷却水をヘッダ４、５間に配置されたチ
ューブ６に流通させて冷却水の冷却を行う熱交換器とし
てのラジエータ７と、エンジン２に対して独立して駆動
されてこのエンジン２とラジエータ７とに冷却水を循環
させる電動ポンプ８と、エンジン２内の冷却水温度を検
出する温度検出手段としての温度センサ９と、途中に上
記電動ポンプ８が介在されてラジエータ７からエンジン
２へ冷却水を流通させる冷却水回路１０と、ラジエータ
７のチューブ６に送風を行うファン１１を備える回転駆
動モータ１２と、上記冷却水回路３の途中に介在されて
エンジン２からラジエータ６へ向けて送出させる冷却水
量と冷却水温度に応じて電動ポンプ８の吸入側へバイパ
ス回路１３を介して迂回させる冷却水量との配分を電気
制御可能なサーモスタット（バルブ）１４と、温度セン
サ９で検出された検出値に基づいてサーモスタット１４
および電動ポンプ８の駆動出力、回転駆動モータ１２の
回転数を制御する制御装置１５とを備えて大略構成され
ている。

【００３０】本実施形態では、エンジン２におけるシリ
ンダヘッド２１とシリンダブロック２２とに連通する冷
却水流通路２３が形成されている。この冷却水流通路２
３のシリンダヘッド２１側の端部には、上記した冷却水
回路１０が連通するように接続されている。一方、冷却
水流通路２３のシリンダブロック２２側の端部には、上
記した冷却水回路３が連通するように接続されている。
すなわち、本実施形態では、電動ポンプ８により送出さ
れる冷却水は、シリンダヘッド２１側から入ってシリン
ダブロック２２側から出るように設定されている。

【００３１】ラジエータ７は、例えば上下に離間して配
置されるヘッダ４、５とこれらヘッダ４、５間に互いに
平行をなすように配置された多数のチューブ６とを備え
た、所謂縦流れと称される構造のものを用いているが、
所謂横流れと称される構造のラジエータを用いてもよ
い。なお、チューブ６は、熱交換用のプレートフィンや
コルゲーテッドフィンなどを適宜備えている。本実施形
態では、上側のヘッダ４に、シリンダブロック２２側の
冷却水流通路２３の端部に接続された冷却水回路３が接
続されている。本実施形態においては、この冷却水回路
３の途中に介在されたサーモスタット１４で、例えば冷
却水が１００℃以上のときシリンダブロック２２側とヘ
ッダ４とを繋ぐ冷却水回路３を少しずつ開き、１０５℃
以上では、バイパス回路を完全に閉じて冷却水回路３を
全開とする。ように設定され、１００℃未満では冷却水
回路３を閉じ且つバイパス回路１３へ冷却水を流すよう
に設定されている。尚、サーモスタット１４は、ヘッダ
５とエンジン２とを繋ぐ冷却水回路１０の途中に配置さ
れ、例えば冷却水が１００℃以上のときに冷却水回路１
０を開き、１００℃未満のときに、冷却水回路１０閉と
し且つバイパス回路１３から冷却水をエンジン２に導く
ように設定してもよい。

【００３２】また、ラジエータ７のチューブ６に送風を
行うファン１１が取り付けられた回転駆動モータ１２
は、制御装置１５に接続されており、制御装置１５から
の回転数制御信号Ｓｒに基づいてその回転数が制御され
るようになっている。

【００３３】電動ポンプ８は、制御装置１５からの流速
制御信号Ｓｖに基づいて冷却水の流速を変化させ得るよ
うになっている。

【００３４】温度センサ９は、シリンダブロック２２の
冷却水流通路２３における終端部近傍の温度検出を行い
得るように配置されている。なお、本実施形態では、温
度センサ９の検出端部をシリンダブロック２２内に挿入
配置しているが、冷却水流通路２３の出口付近の温度検
出を行うようにしてもよい。

【００３５】本実施形態においては、電動ポンプ８で発
生させる流速、特にラジエータ７の管内流速と、ファン
１１の回転駆動モータ１２の回転数とを制御するもので
あるが、高負荷時のラジエータ７内の管内を流通する冷
却水の特性を特定することにより、動力ロスの低減を図
るものであり、大幅な燃費向上を達成することを可能に
している。

【００３６】ここで、本実施形態の水冷式エンジンの冷
却装置１の制御・動作の説明に先駆けて、ラジエータ７
における水側レイノルズ数とファン風速と冷却に必要な
動力との関係について図３を用いて説明する。

【００３７】図３に示すグラフは、コア部（放熱部）の
横寸法が６９１．５ｍｍ、縦寸法が３６０ｍｍ、奥行き
寸法が１６ｍｍにおいて、一般的な縦流れラジエータに
おける高負荷時（冷却水温度が１００℃に達してラジエ
ータ７に冷却水が流通している状態）の冷却に必要な動
力を示す図である。同図において、横軸がラジエータ７
の水側レイノルズ数とファン風速（ｍ／秒）であり、縦
軸が冷却に必要な動力（Ｗ）を示している。同図に示す
ように、ラジエータ７の水側レイノルズ数が増加する
と、これに伴い電動ポンプ８の動力も増加する。そし
て、ファン風速が増加すると、これに伴いファン動力、
すなわち回転駆動モータ１２の動力は増加する。これら
ポンプ動力とファン動力との和、すなわち冷却に必要な
動力は、同図に示すように水側レイノルズ数が１８００
〜６０００のときに低くなっている。

【００３８】このように冷却に必要な動力が低くなって
いる領域は、ラジエータ７のチューブ６内を流通する冷
却水の流動状態が層流と乱流との遷移域と、この遷移域
寄りの乱流域とに亙っている。このようなラジエータで
は、高負荷時にレイノルズ数が１８００〜６０００領域
にあるように電動ポンプ８を制御し、ファン１１を２．
８〜３．３ｍ／秒に風速領域にあるように制御すること
で、冷却に必要な動力を低く抑えることができ、このと
き最も燃費が良くなることを現している。

【００３９】因に、ラジエータ７の性能においては、チ
ューブ６の外側に形成するフィンの性能改善及び風量の
増加が性能向上のポイントとなるが、冷却水の水側レイ
ノルズ数が低下して乱流でなくなったときに、極端に冷
却水の冷却性能が低下するため、出来るだけ乱流で使用
することが重要となる。

【００４０】ここで、エネルギーの視点から冷却に最適
な設計について説明する。ラジエータによるエンジン冷
却において、冷却水温度、ファン風量などのバランスが
最も適しているかどうかを、冷却に必要なエネルギーを
計算することにより検証する。

【００４１】（ラジエータ単体での水量、風量の寄与
率）ラジエータの放熱量は、下記の式によって求められ
る。

【００４２】

【数１】Ｑ＝κＡ△Ｔ 但し、Ｑ：ラジエータ放熱量（Ｗ）、κ：ラジエータ熱
通過率（Ｗ／ｍｍ２Ｋ） なお、Ｋ値はラジエータ性能を代用して表示しており、
下記要素によって決定される。

【００４３】

【数２】１／κ＝１／（αｗ・Ａｗ／Ａ）＋ｄ／（λｔ
・Ａｗ／Ａ）＋１／αａ・ηａ

【数３】 １／κ＝１１（％）＋０．１（％）＋８８．９（％） なお、図４に示すように、λｔはチューブ伝導率（Ｗ／
ｍＫ）、αａは空気側熱伝達率（Ｗ／ｍ２Ｋ）、αｗは
水側熱伝達率、ηａはフィン総合効率（％）、Ａｗは水
側放熱面積（ｍｍ２）、Ａは空気側放熱面積（ｍｍ
２）、ｄはチューブ板厚（ｍｍ）である。また、数式３
は、数式２における各項の寄与率を表し、算出に当たっ
ては、コア部（放熱部）の横寸法が６９１．５ｍｍ、縦
寸法が３６０ｍｍ、奥行き寸法が１６ｍｍの縦流れラジ
エータで、図８に示すようなチューブを７６本備えたも
のを用い、流量４０リットル／秒（レイノルズ数３５０
０）、風速３ｍ／秒の条件で行った。

【００４４】このようなＫ値と水側レイノルズ数との関
係を図５のグラフに示す。この図５には、水側レイノル
ズ数に伴って変わる冷却水の流動状態を合わせ示してい
る。図５から、上記した図３において冷却に必要な動力
が低くなっている領域、すなわちチューブ内の冷却水の
レイノルズ数が１８００〜６０００の領域は、ラジエー
タ７のチューブ６内を流通する冷却水の流動状態が層流
と乱流との遷移域と、この遷移域寄りの乱流域とに亙っ
ていることが判る。この状態における水と空気側の性能
に対する寄与率は上記数式３のように、水側（１１％）
より空気側（８８．９％）の方が大きい。よって、必要
放熱量が増加した場合は水量は固定して（空気側）ファ
ンの風量を増加させた方が省動力でエンジンを冷却でき
る。このように冷却に必要な動力を最適にする範囲にお
ける冷却水のレイノルズ数が決定されることにより、様
々な形態のラジエータにおける最適な制御が可能とな
る。なお、各種ラジエータにおいて、冷却水は管内を流
通するため、あらゆる形態のラジエータを含む（水冷式
エンジンの）冷却装置に、本発明を適用することが可能
となる。

【００４５】すなわち、レイノルズ数Ｒｅは、管の通水
断面積をねれ縁長さ（内周長）で割った値に４を掛けた
相当直径をＤａ、冷却水の質量速度をＧ、粘性係数をμ
とすれば、ＤａＧ／μ（相当直径×質量速度／粘性係
数）で表され、このレイノルズ数Ｒｅが同じであれば、
流れは力学的に相似になり、熱伝導率が等しくなる。よ
って、各種のラジエータ７を流通する冷却水のレイノル
ズ数が、上記したように１８００〜６０００の範囲に入
るように制御することにより、エンジン２の冷却に必要
な動力（ポンプ動力とファン動力との和）を最も低くす
ることが可能となる。この結果、動力負担を軽減でき、
エンジンの燃費を大幅に向上することが可能となる。

【００４６】（ラジエータ冷却のための最適エネルギー
バランス）次に、上記ラジエータ７と同様に、コア部
（放熱部）の横寸法が６９１．５ｍｍ、縦寸法が３６０
ｍｍ、奥行き寸法が１６ｍｍの構造を有する縦流れラジ
エータを用いて、ラジエータ性能（ラジエータ放熱量
Ｑ）と風量（風速Ｖａ）と冷却水流量（Ｇｗ）との関係
を図６のグラフに示す。縦軸はラジエータ放熱量であ
り、横軸は風速を示している。また、下表１は、同一ラ
ジエータで同一性能（ラジエータ放熱量（Ｑ））を出す
ための、風速（Ｖａ）と、冷却水流量（Ｇｗ）との組み
合わせを示している。このように、同一のラジエータ放
熱流量３．４×１０ ^４Ｗを出すための、風速と冷却水流
量との組み合わせを適宜選択することが可能である。

【００４７】

【表１】 （冷却に必要なエネルギー量）次に、空気側、冷却水側
共に下記式４で表される理論動力を使用して、必要エネ
ルギーの比較をすると、下表２のような結果となる。

【００４８】

【数４】Ｐ＝ρｇＱＨ 但し、Ｐ：動力（Ｗ）、ρ：流体密度（ｋｇ／ｍ３）、
ｇ：重力加速度（ｍ／ｓ２）Ｑ：流量（ｍ３／ｓ）、
Ｈ：圧力差（ｍ）

【表２】 上記表２では、必要動力合計が２８０Ｗで最小となり、
そのときのレイノルズ数２６００は、上記した冷却に必
要な動力を最小にするレイノルズ数の範囲（１８００〜
６０００）に入っていることが確認できる。

【００４９】ところで、ラジエータの性能に対し空気側
の寄与率は大きいが、水側の寄与率は小さい。このた
め、エネルギー量的には、冷却水の流量を少なくして、
風量を大きくした方が、エンジン冷却に必要な動力は少
なくてすむ。ただし、冷却水が層流域まで流量が少なく
なると、水側の性能が極端に悪化して好ましくない。

【００５０】（実施形態１の制御方法）このような構成
の水冷式エンジンの冷却装置１の制御方法・動作を図７
に示すフローチャートを用いて説明する。なお、本実施
形態では、制御装置１５に備えられた図示しないメモリ
部に図３に示す最適な範囲の管内流速に対応した電動ポ
ンプ８の出力データと、ファン風速に対応した回転駆動
モータ１２の出力データとが格納されており、これらの
出力データは、検出温度の変化に伴い随時読み出される
ようになっている。

【００５１】車両のエンジン２が始動すると、電動ポン
プ８が１０Ｌ／分程度の低流量で稼働を開始する。本実
施形態では、冷却水がシリンダヘッド２１、シリンダブ
ロック２２の順で冷却水流通路２３を流れる。これに伴
い温度センサ９は、シリンダブロック２２の冷却水流通
路２３内の温度の検出を開始する（ステップＳ７１）。
サーモスタット１４では、流通する冷却水の温度が１０
５℃に達するまでは、図２に示すように、冷却水をバイ
パス回路１３へ流してラジエータ７を迂回するように循
環させる。

【００５２】エンジン２の稼働に伴い、シリンダブロッ
ク２３から出る冷却水の温度が１００℃まで上昇する
と、サーモスタット１４は、少しずつ開き、１０５℃以
上では、図１に示すように、バイパス回路１３を閉じて
冷却水回路３を開きラジエータ７のヘッダ４側へ冷却水
を流通させる。ヘッダ４から取り入れられた冷却水は、
チューブ６を通ってヘッダ５に達する。

【００５３】このとき、温度センサ９での検出温度が所
定の目標温度である１０５℃に達していない場合は、回
転駆動モータ１２は稼働されておらず、ファン１１は回
転していない状態にあり、チューブ６を通過する冷却水
は走行外気との熱交換を行うのみである。ヘッダ５から
出た冷却水は、電動ポンプ８を経て冷却水回路１０を介
してシリンダヘッド２１の冷却水流通路２３に送出され
る。シリンダヘッド２１から導入された冷却水は、シリ
ンダヘッド２１を冷やした後、シリンダブロック２２を
冷やして冷却水回路３に導出されて、上記経路を循環さ
れる。

【００５４】次に、温度センサ９での検出値に基づい
て、制御装置１５では冷却水温度が１０５℃より高いか
否かの判定を行う（ステップＳ７２）。この結果、冷却
水温度が１０５℃より高いと判定された場合は、ファン
１１が回転駆動されているか判定する（ステップＳ７
３）。ファン１１が回転駆動されている場合、制御装置
１５では、ファン１１の風量を大きくして冷却水温度が
１０５℃になるように、回転駆動モータ１２へ回転数制
御信号Ｓｒを出力する。これに伴って、回転駆動モータ
１２の回転速度は速くなり、ファン１１の風量が適宜増
加する（ステップＳ７４）。その後は、温度センサ９に
て温度検出を続ける（ステップＳ７１）。なお、このと
きシリンダヘッド２１へ供給される冷却水の温度は、例
えば約８５℃となるように設定されている。

【００５５】一方、ファン１１が回転駆動されていない
場合、ラジエータ７のチューブ６の水側レイノルズ数が
２６００であるか判定する（ステップＳ７５）。

【００５６】ステップＳ７５において、水側レイノルズ
数が２６００である場合は、ステップ７４の制御を行
う。また、ステップＳ７５において、水側レイノルズ数
が２６００でない場合、制御装置１５は電動ポンプ８へ
流速制御信号Ｓｖを出力して、水側レイノルズ数が２６
００となるように制御し（ステップＳ７６）、ステップ
Ｓ７１の温度検出を続ける。

【００５７】ところで、ステップＳ７２の温度判定にお
いて、冷却水温度が１０５℃以下であると判定された場
合、ファン１１が回転駆動されているか判定する（ステ
ップＳ７７）。ここで、ファン１１が回転駆動されてい
る場合、制御装置１５は、回転駆動モータ１２へ回転数
制御信号Ｓｒを出力して、冷却水の検出温度が１０５℃
になるように、ファン１１の回転を抑えるように制御し
（ステップＳ７８）、冷却水の温度検出を続ける（ステ
ップＳ７１）。

【００５８】また、ステップＳ７７において、ファン１
１が回転駆動されていないと判定された場合、電動ポン
プ８を１０Ｌ／分の流量を保ったまま稼働を継続し（ス
テップＳ７９）、冷却水温度の検出を継続する。

【００５９】このような制御を行うことにより、温度セ
ンサ９による検出温度が所定目標温度である１０５℃以
上のときに、ラジエータ７のチューブ６内を流通する冷
却水の流動状態が、図５に示すように層流域と乱流域と
の間の遷移域及びこの遷移域に近接する乱流域のうち少
なくともどちらか一方を含む領域の範囲に入る予め定め
られた流量で循環するよう電動ポンプ８の駆動を行うこ
とができる。

【００６０】本実施形態では、エンジンに高負荷がかか
る状態において、電動ポンプ８による低流量化による動
力ロスの低減が図れると共に、この低流量化によるラジ
エータ７の出入口温度差とシリンダヘッド２１から冷却
水を流す流路の改善により、シリンダヘッド２１ではノ
ッキングを防止するために低水温（約８５℃）とし、シ
リンダブロック２２はオイルなどのフリクションロスを
低減するための高水温（約１０５℃）に制御できる。ま
た、電動ポンプ８を用いることにより、冷却水の流量を
最適量に応答性よく制御できるため、動力ロスを低減す
ることができる。

【００６１】このような制御を行う冷却装置１を車両に
適用すると、電動ポンプによる低流量化を図るだけで、
例えば６０ｋｍ／ｈでの定速走行において、軽自動車で
約９％、１．８Ｌクラスの排気量の自動車で約２％の燃
費向上を図ることができる。また、シリンダ部分の高水
温化により、６０ｋｍ／ｈ定速走行において、軽自動車
で約１％、１．８Ｌクラスの排気量の自動車で約３％の
燃費向上を図ることが可能となる。

【００６２】（実施形態２）図９は、本発明に係る水冷
式エンジンの冷却装置の実施形態２を示す説明図であ
る。本実施形態の冷却装置は、シリンダブロックから導
出される温水を空気調和装置のヒータコアに循環させる
構成を有する。なお、本実施形態２の冷却装置におい
て、上記した実施形態１の冷却装置１と同一部分には同
一の符号付して説明する。

【００６３】図９に示すように、本実施形態２の冷却装
置１は、エンジン２から冷却水回路３を介して流出する
冷却水を冷却水をヘッダ４、５間に配置されたチューブ
６に流通させて冷却水の冷却を行う熱交換器としてのラ
ジエータ７と、エンジン２に対して独立して駆動されて
このエンジン２とラジエータ７とに冷却水を循環させる
電動ポンプ８と、エンジン２内の冷却水温度を検出する
温度検出手段としての温度センサ９と、途中に上記電動
ポンプ８が介在されてラジエータ７からエンジン２へ冷
却水を流通させる冷却水回路１０と、ラジエータ７のチ
ューブ６に送風を行うファン１１を備える回転駆動モー
タ１２と、上記冷却水回路３の途中に介在されてエンジ
ン２からラジエータ６へ向けて送出させる冷却水を冷却
水温度に応じて電動ポンプ８の吸入側へバイパス回路１
３へ配分して流して迂回させるサーモスタット（バル
ブ）１４と、温度センサ９で検出された検出値に基づい
て電動ポンプ８の駆動出力及び回転駆動モータ１２の回
転数を制御する制御装置１５とを備えてなり、加えてエ
ンジン２側から導出される温水流通路２４の途中に介在
された空気調和装置２５のヒータコア２６が配置されて
いる構成となっている。

【００６４】本実施形態２では、エンジン２におけるシ
リンダヘッド２１とシリンダブロック２２とに連通する
冷却水流通路２３が形成されている。この冷却水流通路
２３のシリンダヘッド２１側の端部には、上記した冷却
水回路１０が連通するように接続されている。

【００６５】また、シリンダブロック２２に形成された
冷却水流通路２３は、分岐して、電動ポンプ８の上流側
の冷却水回路１０に接続、連通される温水流通路２４が
接続されている。この温水流通路２４の途中には、上記
したようにヒータコア２６が介在されており、ヒータコ
ア２６内を温水（エンジン冷却水）が通過するようにな
っている。そして、ヒータコア２６の上流側の温水流通
路２４には、温水の流量の調節を行う電磁弁２７が介在
されている。この電磁弁２７は、空気調和装置２５の制
御系により、適宜開閉または開度調節されるようになっ
ている。

【００６６】一方、冷却水流通路２３のシリンダブロッ
ク２２側の端部には、上記した冷却水回路３が連通する
ように接続されている。すなわち、本実施形態において
も、電動ポンプ８により送出される冷却水は、シリンダ
ヘッド２１側から入ってシリンダブロック２２側から出
るように設定されている。

【００６７】ラジエータ７は、例えば上下に離間して配
置されるヘッダ４、５とこれらヘッダ４、５間に互いに
平行をなすように配置された多数のチューブ６とを備え
た、所謂縦流れと称される構造のものを用いている。本
実施形態では、上側のヘッダ４に、シリンダブロック２
２側の冷却水流通路２３の端部に接続された冷却水回路
３が接続されている。本実施形態においては、この冷却
水回路３の途中に介在されたサーモスタット１４で例え
ば１００℃以上でシリンダブロック２２側とヘッダ４と
を繋ぐ冷却水回路３を少しずつ開き、１０５℃以上で
は、バイパス回路を完全に閉じて、冷却水回路３を全開
とするように設定され、１００℃未満で冷却水回路３を
閉じ且つバイパス回路１３へ冷却水を流すように設定さ
れている。

【００６８】また、ラジエータ７のチューブ６に送風を
行うファン１１が取り付けられた回転駆動モータ１２
は、制御装置１５に接続されており、制御装置１５から
の回転数制御信号Ｓｒに基づいてその回転数が制御され
るようになっている。なお、制御装置１５では、上記実
施形態１と同様に、シリンダブロック２２から導出され
る冷却水の温度が１０５℃になるように制御を行うよう
に設定されている。

【００６９】電動ポンプ８は、制御装置１５からの流速
制御信号Ｓｖに基づいて冷却水の流速を変化させ得るよ
うになっている。

【００７０】温度センサ９は、シリンダブロック２２の
冷却水流通路２３における終端部近傍の温度検出を行い
得るように配置されている。

【００７１】本実施形態においては、電動ポンプ８で発
生させる流量、特にラジエータ７の水側レイノルズ数
と、ファン１１の回転駆動モータ１２の回転数とを制御
するものであるが、高負荷時のラジエータ７内の管内を
流通する冷却水の状態を規定することにより、動力ロス
の低減を図るものであり、大幅な燃費向上を達成するこ
とを可能にしている。

【００７２】また、本実施形態２においては、シリンダ
ブロック２２の冷却水流通路２３から温水流通路２４を
介して導出された１０５℃の略一定温度に設定された温
水が、空気調和装置２５のヒータコア２６を循環するよ
うに設定されると共に、その循環流量が電磁弁２７によ
り制御できる。空気調整装置２５においては、空気との
熱交換量がヒータコア２６の単位時間当たりの総熱量と
空気風量で決定できるため、温水流量及び風量を制御す
ることにより、空気調節装置２５の吹き出し温度を設定
することが可能となる。さらに、燃費と流体液量の関係
は、ヒーターコアにおいても、ラジエータと同様で、そ
のチューブ内の冷却水流動状態を層流域と乱流域との間
に遷移域及びこの遷移域に近接する乱流域のうち少なく
ともどちらか一方を含む領域の範囲、すなわち、レイノ
ルズ数が１８００〜６０００の範囲、より好ましくはレ
イノルズ数２６００前後となる予め定められた流量にポ
ンプ及び電磁弁を制御することにより、効率的な熱交換
を行うことができる。このため、従来のような冷気と暖
気とを混合調整するためのエアーミックスドアを省略す
ることが可能となり、空気調整装置２５の小型化を図る
ことができる。

【００７３】（実施形態２の制御方法１）このような構
成の水冷式エンジンの冷却装置１の制御方法・動作を図
１０に示すフローチャートを用いて説明する。なお、本
実施形態においても、制御装置１５に備えられた図示し
ないメモリ部に図３に示す最適な範囲の水側レイノルズ
数に対応した電動ポンプ８の出力データと、ファン風速
に対応した回転駆動モータ１２の出力データとが格納さ
れている。

【００７４】本実施形態２では、車両のエンジン２を始
動させたとき、シリンダブロック２２内の冷却水流通路
２３内の冷却水温度が外気温であるときは、アイドリン
グ状態の場合に５分間、走行を始めても３分間は、電磁
ポンプ８を稼働しないようになっている（ステップＳ１
０１）。

【００７５】その後、上記の所定時間（５分間または３
分間）経過後は、電動ポンプ８を１０Ｌ／分の流量で稼
働させる（ステップＳ１０２）。そして、冷却水がシリ
ンダヘッド２１、シリンダブロック２２の順で冷却水流
通路２３を流れる。これに伴い温度センサ９は、シリン
ダブロック２２の冷却水流通路２３内の温度の検出を開
始する（ステップＳ１０３）。サーモスタット１４で
は、流通する冷却水の温度が１００℃に達するまでは、
冷却水をバイパス回路１３へ流してラジエータ７を迂回
するように循環させる。

【００７６】エンジン２の稼働に伴い、シリンダブロッ
ク２３から出る冷却水の温度が１００℃まで上昇する
と、サーモスタット１４は、バイパス回路１３を閉じて
冷却水回路３を開いてラジエータ７のヘッダ４側へ冷却
水を流通させる。ヘッダ４から取り入れられた冷却水
は、チューブ６を通ってヘッダ５に達する。

【００７７】このとき、温度センサ９での検出温度が所
定の目標温度である１０５℃に達していない場合は、回
転駆動モータ１２は稼働されておらず、ファン１１は回
転していない状態にあり、チューブ６を通過する冷却水
は走行外気との熱交換を行うのみである。ヘッダ５から
出た冷却水は、電動ポンプ８を経て冷却水回路１０を介
してシリンダヘッド２１の冷却水流通路２３に送出され
る。なお、このシリンダヘッド２１に到達する冷却水の
温度は、例えば８５℃に設定されている。シリンダヘッ
ド２１から導入された冷却水は、シリンダヘッド２１を
冷やした後、シリンダブロック２２を冷やして冷却水回
路３に導出されて、上記経路を循環される。

【００７８】次に、図示しない外気温度センサで外気温
が１０℃より低いか否かの判定を行う（ステップＳ１０
４）。

【００７９】ここで、外気温が１０℃より低いと判定さ
れた場合は、温度センサ９により検出された温度値が８
０℃より高いか否かの判定を行う（ステップＳ１０
５）。

【００８０】このステップＳ１０５の判定で冷却水温度
が８０℃より高い場合は、さらに１０５℃より高いか否
かの判定を行う（ステップＳ１０６）。

【００８１】一方、ステップＳ１０５において、冷却水
温度が８０℃より高くない場合は、車室内温度が空気調
整装置２５の目標温度より高いか否かの判定を行う（ス
テップＳ１０７）。このステップＳ１０７において、車
室内温度が目標温度より高い場合は、ステップＳ１０６
の判定を行う。そして、ステップＳ１０７において、車
室内温度が目標温度より低い場合は、ヒータコア２６内
を循環する温水量が例えば１０Ｌ／分になるように電動
ポンプ８を稼働させる（ステップＳ１０８）。

【００８２】また、ステップＳ１０６において、冷却水
温度、すなわち温度センサ９の検出温度が１０５℃より
高い場合は、ファン１１が稼働されているか判定する
（ステップＳ１０９）。この判定において、ファン１１
が稼働している場合は、シリンダブロック２２の冷却水
流通路２３内の冷却水が１０５℃になるように、制御装
置１５は、回転数制御信号Ｓｒを回転駆動モータ１２へ
出力して、ファン１１の回転を多くする制御を行う（ス
テップＳ１１０）。

【００８３】そして、ステップＳ１０９においてファン
１１が稼働されていない場合、電動ポンプ８をチューブ
６の水側レイノルズ数２６００であるか否かの判定を行
う（ステップＳ１１１）。

【００８４】このステップＳ１１１において、水側レイ
ノルズ数２６００である場合は、シリンダブロック２２
の冷却水流通路２３内の冷却水温度が１０５℃となるよ
うにファン１１の回転数を多くする（ステップＳ１１
０）。

【００８５】また、ステップＳ１１１において、水側レ
イノルズ数２６００でない場合は、水側レイノルズ数２
６００となるように電動ポンプ８を制御し（ステップＳ
１１２）、温度センサ９での冷却水温度の検出を継続す
る。

【００８６】一方、ステップＳ１０６において、冷却水
温度が１０５℃より低い場合は、ファン１１が稼働して
いるか否かの判定を行う（ステップＳ１１３）。ここ
で、ファン１１が稼働していない場合は、電動ポンプ８
を１０Ｌ／分で駆動して（ステップＳ１１４）、冷却水
温度の検出を継続する。また、ファン１１が稼働してい
る場合は、シリンダブロック２２の冷却水流通路２３内
の冷却水温度が１０５℃になるように、ファン１１の回
転数を少なく制御し（ステップＳ１１５）、冷却水温度
の検出を継続する。

【００８７】一般に、自動車用エンジンでは、冷機始動
時の暖機を早めるために、所定水温までアイドル時の燃
料噴射量を多くする制御が行われているので、この制御
時間が短い程、すなわち、より早く所定水温（例えば、
８０℃）以上とすることにより、燃費が向上する。

【００８８】本実施形態２では、温度センサ９で検出さ
れる冷却水温度が８０℃より低いときに、電動ポンプ８
を少ない流量（１０Ｌ／分）に制御することにより、よ
り速く冷却水の温度を高めることができ、暖房性能を高
めることができるとともに、燃費を高めることができ
る。。

【００８９】このような制御を行うことにより、温度セ
ンサ９による検出温度が所定目標温度である１０５℃以
上のときに、ラジエータ７のチューブ６内を流通する冷
却水の流動状態が、図５に示すように層流域と乱流域と
の間の遷移域、及びこの遷移域に近接する乱流域の範囲
に入ると共に、冷却水が予め定められた流量で循環する
よう電動ポンプ８の駆動を行うことができる。

【００９０】本実施形態においても、エンジンに高負荷
がかかる状態において、電動ポンプ８による低流量化に
よる動力ロスの低減が図れると共に、この低流量化によ
るラジエータ７の出入口温度差とシリンダヘッド２１か
ら冷却水を流す流路の改善により、シリンダヘッド２１
ではノッキングを防止するために低水温（約８５℃）と
し、シリンダブロック２２はオイルなどのフリクション
ロスを低減するための高水温に制御できる。また、電動
ポンプ８を用いることにより、冷却水の流量を最適量に
制御できるため、動力ロスを低減することができる。

【００９１】このような制御を行う冷却装置１を車両に
適用すると、電動ポンプによる低流量化を図るだけで、
例えば６０ｋｍ／ｈでの定速走行において、軽自動車で
約９％、１．８Ｌクラスの自動車で約２％の燃費向上を
図ることができる。また、シリンダ部分の高水温化によ
り、６０ｋｍ／ｈ定速走行において、軽自動車で約１
％、１．８Ｌクラスの自動車で約３％の燃費向上を図る
ことが可能となる。

【００９２】加えて、本実施形態では、シリンダブロッ
ク２２を通過した冷却水（温水）を空気調和装置２５の
ヒータコア２６に循環させることで、エアーミックスド
アを省略可能として、空気調和装置２５の小型化が図れ
ると共に、ヒータコア２６の温度上昇を迅速に行うこと
が可能となる。

【００９３】（実施形態２の制御方法２）次に、本実施
形態の制御方法２について以下する。このような構成の
水冷式エンジンの冷却装置１の制御方法・動作を図１１
に示すフローチャートを用いて説明する。なお、この制
御方法２においても、制御装置１５に備えられた図示し
ないメモリ部に図３に示す最適な範囲の水側レイノルズ
数に対応した電動ポンプ８の出力データと、ファン風速
に対応した回転駆動モータ１２の出力データとが格納さ
れている。

【００９４】まず、イグニッションをＯＮにする（ステ
ップＳ２０１）。

【００９５】その後、電動ポンプ８を１０Ｌ／分の流量
で稼働させる（ステップＳ２０２）。そして、冷却水が
シリンダヘッド２１、シリンダブロック２２の順で冷却
水流通路２３を流れる。これに伴い温度センサ９は、シ
リンダブロック２２の冷却水流通路２３内の温度の検出
を開始する（ステップＳ２０３）。サーモスタット１４
では、流通する冷却水の温度が１００℃に達するまで
は、冷却水をバイパス回路１３へ流してラジエータ７を
迂回するように循環させる。

【００９６】エンジン２の稼働に伴い、シリンダブロッ
ク２２から出る冷却水の温度が１００℃まで上昇する
と、サーモスタット１４は、バイパス回路１３を閉じ始
めて、冷却水回路３を開き、１０５℃以上でバイパス回
路１３を閉じるとともに、冷却水回路３を全開としてラ
ジエータ７のヘッダ４側へ冷却水を流通させる。ヘッダ
４から取り入れられた冷却水は、チューブ６を通ってヘ
ッダ５に達する。

【００９７】このとき、温度センサ９での検出温度が所
定の目標温度である１０５℃に達していない場合は、回
転駆動モータ１２は稼働されておらず、ファン１１は回
転していない状態にあり、チューブ６を通過する冷却水
は走行外気との熱交換を行うのみである。ヘッダ５から
出た冷却水は、電動ポンプ８を経て冷却水回路１０を介
してシリンダヘッド２１の冷却水流通路２３に送出され
る。なお、このシリンダヘッド２１に到達する冷却水の
温度は、例えば８５℃に設定されている。シリンダヘッ
ド２１から導入された冷却水は、シリンダヘッド２１を
冷やした後、シリンダブロック２２を冷やして冷却水回
路３に導出されて、上記経路を循環される。

【００９８】次に、ヒーター使用状態か否かの判定を行
う（ステップＳ２０４）。尚、ヒーター使用状態とは、
オートエアコンの設定室温より実室温が低い状態、また
はマニュアルエアコンのヒータースイッチがＯＮの状態
をいう。

【００９９】ここで、ヒータースイッチがＯＮである場
合は、室温が目標温度より高いか否かの判定を行う（ス
テップＳ２０５）。このステップＳ２０５において、車
室内温度が目標温度より高い場合は、ステップＳ２０６
を行う。このステップＳ２０６において、車室内温度が
目標温度より低い場合は、全体の水流量が１０Ｌ／分に
なるようにポンプ８を稼働させてステップＳ２０８、ス
テップＳ２０９に移る。また、ステップＳ２０５におい
て、車室内温度が目標温度より低いと判定された場合
は、ヒータコア２６内を循環する冷却水のレイノルズ数
が２６００となるように電動ポンプ８を稼働させる（ス
テップＳ２１７）。

【０１００】また、ステップＳ２０９において、冷却水
温度、すなわち温度センサ９の検出温度が１０５℃より
高い場合は、ファン１１が稼働されているか判定する
（ステップＳ２１０）。この判定において、ファン１１
が稼働している場合は、シリンダブロック２２の冷却水
流通路２３内の冷却水が１０５℃になるように、制御装
置１５は、回転数制御信号Ｓｒを回転駆動モータ１２へ
出力して、ファン１１の回転を多くする制御を行う（ス
テップＳ２１１）。

【０１０１】そして、ステップＳ２１０においてファン
１１が稼働されていない場合、電動ポンプ８をチューブ
６の水側レイノルズ数２６００であるか否かの判定を行
う（ステップＳ２１２）。

【０１０２】このステップＳ２１２において、水側レイ
ノルズ数２６００である場合は、シリンダブロック２２
の冷却水流通路２３内の冷却水温度が１０５℃となるよ
うにファン１１の回転数を多くする（ステップＳ２１
１）。

【０１０３】また、ステップＳ２１２において、水側レ
イノルズ数２６００でない場合は、水側レイノルズ数２
６００となるように電動ポンプ８を制御し（ステップＳ
２１３）、温度センサ９での冷却水温度の検出を継続す
る。

【０１０４】一方、ステップＳ２０９において、冷却水
温度が１０５℃より低い場合は、ファン１１が稼働して
いるか否かの判定を行う（ステップＳ２１４）。ここ
で、ファン１１が稼働していない場合は、電動ポンプ８
を１０Ｌ／分で駆動して（ステップＳ２１５）、冷却水
温度の検出を継続する。また、ファン１１が稼働してい
る場合は、シリンダブロック２２の冷却水流通路２３内
の冷却水温度が１０５℃になるように、ファン１１の回
転数を少なく制御し（ステップＳ２１６）、冷却水温度
の検出を継続する。

【０１０５】この制御方法２では、車室内温度が目標温
度より高い場合に、電動ポンプ８を少ない流量（１０Ｌ
／分）に制御することにより、余分な放熱を抑えてより
速く冷却水の温度を高めることができ、燃費性能を高め
ることができる。

【０１０６】このような制御を行うことにより、温度セ
ンサ９による冷却水の検出温度が所定目標温度である１
０５℃より高くファン１１がＯＮでないときに、ラジエ
ータ７のチューブ６内を流通する冷却水の流動状態がレ
イノルズ数２６００となるように電動ポンプ８を稼働す
ることで、図５に示すように層流域と乱流域との間の遷
移域、及びこの遷移域に近接する乱流域の範囲に入ると
共に、冷却水が予め定められた流量で循環するよう電動
ポンプ８の駆動を行うことができる。

【０１０７】この制御方法２においても、エンジンに高
負荷がかかる状態において、電動ポンプ８による低流量
化による動力ロスの低減が図れると共に、この低流量化
によるラジエータ７の出入口温度差とシリンダヘッド２
１から冷却水を流す流路の改善により、シリンダヘッド
２１ではノッキングを防止するために低水温（約８５
℃）とし、シリンダブロック２２はオイルなどのフリク
ションロスを低減するための高水温に制御できる。ま
た、電動ポンプ８を用いることにより、冷却水の流量を
最適量に制御できるため、動力ロスを低減することがで
きる。

【０１０８】このような制御を行う冷却装置１を車両に
適用すると、電動ポンプによる低流量化を図るだけで、
例えば６０ｋｍ／ｈでの定速走行において、軽自動車で
約９％、１．８Ｌクラスの自動車で約２％の燃費向上を
図ることができる。また、シリンダ部分の高水温化によ
り、６０ｋｍ／ｈ定速走行において、軽自動車で約１
％、１．８Ｌクラスの自動車で約３％の燃費向上を図る
ことが可能となる。

【０１０９】加えて、本実施形態では、シリンダブロッ
ク２２を通過した冷却水（温水）を空気調和装置２５の
ヒータコア２６に循環させることで、エアーミックスド
アを省略可能として、空気調和装置２５の小型化が図れ
ると共に、ヒータコア２６の温度上昇を迅速に行うこと
が可能となる。

【０１１０】以上、実施形態１及び実施形態２について
説明したが、本発明はこれらに限定されるものではな
く、構成の要旨に付随する各種の設計変更が可能であ
る。例えば、上記した両実施形態では、電動ポンプ８を
制御してチューブ６の水側レイノルズ数を２６００とな
るように設定したが、チューブ６内を流れる冷却水のレ
イノルズ数が１８００〜６０００の範囲に対応する流量
であればこれに限定されるものではない。

【０１１１】また、上記した両実施形態では、ラジエー
タ７のヘッダ４、５を上下方向に配置する形態（所謂、
縦流れ型）を適用して説明したが、両ヘッダが横方向に
隔てて配置された形態（所謂、横流れ型）のラジエータ
に適用することも勿論可能である。

【０１１２】因に、この横流れ型のラジエータとして、
図８に示すようなチューブを３９本備えたものを用い
て、ラジエータ性能（ラジエータ放熱量Ｑ）と風量（風
速Ｖａ）と冷却水流量（Ｇｗ）との関係を下表３に示
す。この下表３では、同一ラジエータで同一性能（ラジ
エータ放熱量（Ｑ））を出すための、風速（Ｖａ）と、
冷却水流量（Ｇｗ）との組み合わせを示している。この
ように、同一のラジエータ放熱流量３．４×１０４Ｗを
出すためには、風速と冷却水流量との組み合わせを適宜
選択することが可能である。

【０１１３】

【表３】 また、下表４は、この横流れ型のラジエータにおけるフ
ァン、電動ポンプの効率を示す実験値である。

【０１１４】

【表４】 上記表４では、必要動力合計が２３０Ｗで最小となり、
そのときのレイノルズ数が３３００と４０００であり、
上記した冷却に必要な動力の最小にするレイノルズ数の
範囲（１８００〜６０００）に入っていることが確認で
きる。このように横流れ型のラジエータでは、必要動力
合計が最小で２３０Ｗとなり、縦流れ型のラジエータに
も増して低動力化を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る水冷式エンジン冷却装置の実施形
態１を示す概略説明図である。

【図２】実施形態１に係る水冷式エンジン冷却装置のバ
イパス回路に冷却水を流している状態を示す概略説明図
である。

【図３】冷却に必要な動力と、ラジエータ水側レイノル
ズ数と、ファン風速との関係及びファン動力とポンプ動
力との関係を示すグラフである。

【図４】チューブ内を流れる冷却水と伝熱系を示す説明
図である。

【図５】Ｋ値と水側レイノルズ数とファン風速との関係
を示すグラフである。

【図６】ラジエータ放熱量とファン風速との関係を示す
グラフである。

【図７】実施形態１での制御の流れを示すフローチャー
トである。

【図８】チューブ内形状および寸法を示す説明図であ
る。

【図９】本発明に係る水冷式エンジン冷却装置の実施形
態２を示す概略説明図である。

【図１０】実施形態２における制御方法１の流れを示す
フローチャートである。

【図１１】実施形態２における制御方法２の流れを示す
フローチャートである。

【符号の説明】

１ 冷却装置 ２ エンジン ３ 冷却水回路 ４、５ ヘッダ ６ チューブ ７ ラジエータ ８ 電動ポンプ ９ 温度センサ １０ 冷却水回路 １１ ファン １２ 回転駆動モータ １３ バイパス回路 １４ サーモスタット １５ 制御装置 ２１ シリンダヘッド ２２ シリンダブロック ２３ 冷却水流通路 ２４ 温水流通路 ２５ 空気調和装置 ２６ ヒータコア ２７ 電磁バルブ

フロントページの続き (72)発明者 村本 博宣 東京都中野区南台５丁目24番15号 カルソ ニックカンセイ株式会社内 (72)発明者 隅田 倫健 東京都中野区南台５丁目24番15号 カルソ ニックカンセイ株式会社内

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 水冷式エンジン（２）から流出する冷却
   水をヘッダ（４、５）間に配置されたチューブ（６）に
   流通させて冷却水の冷却を行う熱交換器（７）と、 前記水冷式エンジン（２）に独立して駆動されて前記水
   冷式エンジン（２）と前記熱交換器（７）とに冷却水を
   循環させるポンプ（８）と、 前記水冷式エンジン（２）内の冷却水温度を検出する温
   度検出手段（９）と、 前記温度検出手段（９）による検出値に基づいて前記ポ
   ンプ（８）の駆動を制御する制御装置（１５）と、を備
   える水冷式エンジン冷却装置（１）であって、 前記制御装置（１５）は、前記温度検出手段（９）によ
   る検出温度が所定目標温度以上のときに、前記熱交換器
   （７）の前記チューブ（６）内を流通する冷却水の流動
   状態が、層流域と乱流域との間の遷移域、及びこの遷移
   域に近接する前記乱流域の範囲に入ると共に、冷却水が
   予め定められた流量で循環するように前記ポンプ（８）
   の駆動を制御することを特徴とする水冷式エンジン冷却
   装置（１）。
2. 【請求項２】 水冷式エンジン（２）から流出する冷却
   水をヘッダ（４、５）間に配置されたチューブ（６）に
   流通させて冷却水の冷却を行う熱交換器（７）と、 前記水冷式エンジン（２）に独立して駆動されて前記水
   冷式エンジン（２）と前記熱交換器（７）とに冷却水を
   循環させるポンプ（８）と、 前記水冷式エンジン（２）内の冷却水温度を検出する温
   度検出手段（９）と、 前記温度検出手段（９）による検出値に基づいて前記ポ
   ンプ（８）の駆動を制御する制御装置（１５）と、を備
   える水冷式エンジン冷却装置（１）であって、 前記制御装置（１５）は、前記温度検出手段（９）によ
   る検出温度が所定目標温度以上のときに、冷却水が予め
   定められた流量で循環するように前記ポンプ（８）の駆
   動を制御すると共に、 前記冷却水の予め定められた流量において、前記熱交換
   器（７）の前記チューブ（６）内を流通する冷却水の流
   動状態が、層流域と乱流域との間の遷移域、またはこの
   遷移域に近接する前記乱流域のうち少なくともどちらか
   一方を含む領域の範囲に入るように、前記熱交換器
   （７）が構成されていることを特徴とする水冷式エンジ
   ン冷却装置（１）。
3. 【請求項３】 水冷式エンジン（２）から流出する冷却
   水をヘッダ（４、５）間に配置されたチューブ（６）に
   流通させて冷却水の冷却を行う熱交換器（７）と、 前記水冷式エンジン（２）に独立して駆動されて前記水
   冷式エンジン（２）と前記熱交換器（７）とに冷却水を
   循環させるポンプ（８）と、 前記水冷式エンジン（２）内の冷却水温度を検出する温
   度検出手段（９）と、 前記温度検出手段（９）による検出値に基づいて前記ポ
   ンプ（８）の駆動を制御する制御装置（１５）と、を備
   える水冷式エンジン冷却装置（１）であって、 前記制御装置（１５）は、前記温度検出手段（９）によ
   る検出温度が所定目標温度以上のときに、前記熱交換器
   （７）の前記チューブ（６）内を流通する冷却水のレイ
   ノルズ数が１８００〜６０００の範囲に入ると共に、冷
   却水が予め定められた流量で循環するように前記ポンプ
   （８）の駆動を制御することを特徴とする水冷式エンジ
   ン冷却装置（１）。
4. 【請求項４】 水冷式エンジン（２）から流出する冷却
   水をヘッダ（４、５）間に配置されたチューブ（６）に
   流通させて冷却水の冷却を行う熱交換器（７）と、 前記水冷式エンジン（２）に独立して駆動されて前記水
   冷式エンジン（２）と前記熱交換器（７）とに冷却水を
   循環させるポンプ（８）と、 前記水冷式エンジン（２）内の冷却水温度を検出する温
   度検出手段（９）と、 前記温度検出手段（９）による検出値に基づいて前記ポ
   ンプ（８）の駆動を制御する制御装置（１５）と、を備
   える水冷式エンジン冷却装置（１）であって、 前記制御装置（１５）は、前記温度検出手段（９）によ
   る検出温度が所定目標温度以上のときに、冷却水が予め
   定められた流量で循環するように前記ポンプ（８）の駆
   動を制御すると共に、 前記冷却水の予め定められた流量において、前記熱交換
   器（７）の前記チューブ（６）内を流通する冷却水のレ
   イノルズ数が１８００〜６０００の範囲に入るように、
   前記熱交換器（７）が構成されていることを特徴とする
   水冷式エンジン冷却装置（１）。
5. 【請求項５】 請求項１乃至請求項４のいずれかに記載
   された水冷式エンジン冷却装置（１）であって、 前記水冷式エンジン（２）は、シリンダヘッド（２１）
   を冷却するシリンダヘッド側通路（２３）と、該シリン
   ダヘッド側通路（２３）と連通する、シリンダブロック
   （２２）を冷却するシリンダブロック側通路（２３）と
   を備え、冷却水が前記シリンダヘッド側通路（２３）か
   ら導入されると共に前記シリンダブロック側通路（２
   ３）から導出されることを特徴とする水冷式エンジン冷
   却装置（１）。
6. 【請求項６】 請求項１乃至請求項５のいずれかに記載
   された水冷式エンジン冷却装置（１）であって、 前記ポンプ（８）は、流量調節可能な電動ポンプ（８）
   であることを特徴とする水冷式エンジン冷却装置
   （１）。
7. 【請求項７】 請求項１乃至請求項６のいずれかに記載
   された水冷式エンジン冷却装置（１）であって、 前記冷却水は、前記シリンダヘッド側通路（２３）に８
   ０〜９５℃の状態で導入され、前記シリンダブロック側
   通路（２３）から１００〜１１５℃の状態で導出される
   ことを特徴とする水冷式エンジン冷却装置（１）。
8. 【請求項８】 請求項１乃至請求項７のいずれかに記載
   された水冷式エンジン冷却装置（１）であって、 前記水冷式エンジンで暖められた冷却水を空気調和装置
   （２５）のヒータコア（２６）に流通させると共に、前
   記ヒータコアから導出される冷却水を前記ポンプ（８）
   の上流側に合流させる空調用迂回通路（２４）を有する
   ことを特徴とする水冷式エンジン冷却装置（１）
9. 【請求項９】 請求項８記載の水冷式エンジン冷却装置
   （１）であって、前記ヒータコア（２６）の上流側の前
   記空調用迂回通路（２４）には、冷却水の流通量を制御
   できる可変バルブ（２７）が設けられていることを特徴
   とする水冷式エンジン冷却装置（１）。
10. 【請求項１０】 水冷式エンジン（２）から流出する冷
    却水をヘッダ（４、５）間に配置されたチューブ（６）
    に流通させて冷却水の冷却を行う熱交換器（７）と、前
    記チューブ（６）に送風を行う送風機（１１、１２）
    と、前記水冷式エンジン（２）に独立して駆動されて前
    記水冷式エンジン（２）と前記熱交換器（７）とに冷却
    水を循環させるポンプ（８）と、前記水冷式エンジン
    （２）内の冷却水温度を検出する温度検出手段（９）
    と、前記温度検出手段（９）による検出値に基づいて前
    記ポンプ（８）の駆動を制御する制御装置（１５）と、
    を備える水冷式エンジン冷却装置（１）の制御方法であ
    って、 前記温度検出手段（９）による検出温度が所定目標温度
    以上のときに、前記制御装置（１５）が、前記熱交換器
    （７）の前記チューブ（６）内を流通する冷却水の流動
    状態が層流域と乱流域との間の遷移域及びこの遷移域に
    近接する前記乱流域のうち少なくともどちらか一方を含
    む領域の範囲に入る予め定められた流量で冷却水を循環
    させるように前記ポンプ（８）による冷却水流量を制御
    すると共に、前記温度検出手段（９）により検出された
    温度に基づいて予め定められた風量となるように前記送
    風機（１１、１２）の回転を制御することを特徴とする
    水冷式エンジン冷却装置（１）の制御方法。
11. 【請求項１１】 水冷式エンジン（２）から流出する冷
    却水をヘッダ（４、５）間に配置されたチューブ（６）
    に流通させて冷却水の冷却を行う熱交換器（７）と、前
    記チューブ（６）に送風を行う送風機（１１、１２）
    と、前記水冷式エンジン（２）に独立して駆動されて前
    記水冷式エンジン（２）と前記熱交換器（７）とに冷却
    水を循環させるポンプ（８）と、前記水冷式エンジン
    （２）内の冷却水温度を検出する温度検出手段（９）
    と、前記温度検出手段（９）による検出値に基づいて前
    記ポンプ（８）の駆動を制御する制御装置（１５）と、
    を備える水冷式エンジン冷却装置（１）の制御方法であ
    って、 前記温度検出手段（９）による検出温度が所定目標温度
    以上のときに、前記制御装置（１５）が、前記熱交換器
    （７）の前記チューブ（６）内を流通する冷却水のレイ
    ノルズ数が１８００〜６０００の範囲に入る予め定めら
    れた流量で冷却水を循環させるように前記ポンプ（８）
    による冷却水流量を制御すると共に、前記温度検出手段
    （９）により検出された温度に基づいて予め定められた
    風量となるように前記送風機（１１、１２）の回転を制
    御することを特徴とする水冷式エンジン冷却装置（１）
    の制御方法。