JP2841705B2 - エンジンの流動沸騰冷却装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、冷却水を循環させながら沸騰させ、冷却水
の蒸発潜熱を利用してエンジンを冷却する流動沸騰冷却
装置に関する。

［従来の技術］ 従来のエンジンの沸騰冷却装置は、例えば実開昭61−
62229号、特開昭61−83421号、または特開昭61−83429
号公報に開示されている。これらの公報に示された沸騰
冷却装置では、プール沸騰方式が採用されている。この
プール沸騰方式は、エンジンのウォータジャケット内に
所定の推移まで冷却水を溜め、この冷却水を蒸発させる
ことにより蒸発潜熱をエンジンから奪って冷却させるも
のである。この冷却方式では、冷却水の循環回路（循環
系）内に水を充満させて循環する方式に比べて蒸発潜熱
を利用している点で冷却効率が優れている。

このプール沸騰方式をエンジンに適用する場合は、冷
却水の水位を一定に維持する必要がある。つまり、冷却
水の循環系内で沸騰蒸発した分の冷却水を系外から補充
する必要があり、系内と系外との間で冷却水のやりとり
を行う機構が必要となる。

そこで、従来の沸騰冷却装置では、上記循環系にリザ
ーバタンクを接続し、系内の供給ポンプを正逆転させる
ことによりリザーバタンク内の冷却水を系内に出入れ可
能としたり、或いは、外部タンクを循環系に接続し、外
部タンク内の圧力を変化させて冷却水の給排を行ってい
る。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、自動車の場合、走行中の振動や傾斜に
より、エンジンのウォータジャケット内の液面水位を一
定に維持するのは困難である。また、系内と系外との間
で冷却水のやりとりを行う場合に、給水ポンプを逆転さ
せてエンジン内の冷却水を吸引すると、エンジン内の飽
和温度が近い冷却水がポンプの吸引口付近で圧力が下っ
て蒸発し、キャビテーションを発生させてポンプ故障の
原因となる。

従って、系内と系外との間で冷却水のやりとりを行う
のに給水ポンプを逆転させるのは好ましくない。また、
外部タンク内の圧力をアクチュエータによって上下させ
るには構造が複雑となるという問題がある。

本発明は上述の課題に着目してなされたものであり、
その目的は冷却水の供給ポンプを正転のまま系内と系外
との間の冷却水のやりとりを容易にし、給水ポンプ内で
キャビテーションを発生させることのない流動沸騰冷却
装置を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 上述の課題は、以下の手段によって達成される。すな
わち、その手段としてのエンジンの流動沸騰冷却装置
は、エンジンのウォータジャケットに吐出側が接続され
た給水ポンプと、この給水ポンプの吸込み側と上記エン
ジンのウォータジャケットとに接続された凝縮器とを備
えた循環回路が設けられ、上記給水ポンプによって冷却
水を上記回路内に循環させ、上記ウォータジャケット内
で冷却水を沸騰させてエンジンから蒸発潜熱を奪って冷
却するエンジンの流動沸騰冷却装置において、大気に対
して密閉され上記給水ポンプの吐出側管路と吸込み側管
路とに夫々切換え弁を介して接続された冷却水貯蔵手段
と、上記切換え弁を制御して、上記給水ポンプの給水圧
力により回路内の冷却水を上記冷却水貯蔵手段内に大気
圧とは独立した圧力状態で貯蔵させると共に、冷却貯蔵
手段の内圧により上記給水ポンプの吸込み側へ冷却水を
供給させる制御手段と具備したことを特徴としている。

［作用］ 上記流動沸騰冷却装置は、エンジンのウォータジャケ
ット内における冷却水の液面水位を一定に維持しない気
液二相流の回路を構成し、エンジンが冷えている場合
は、通常の冷却水のみを回路内に循環させ、エンジンの
温度が上昇した時には、冷却水が沸騰して蒸気相が形成
されて回路内の圧力が上昇するので、回路内の冷却水を
系外の冷却水貯蔵手段に逃がし、蒸気によって体積が増
えた分の回路内の空間を確保して圧力を一定に維持す
る。

［実施例］ 以下図面を参照しながら本発明の一実施例について説
明する。

第１図及び第２図は、本発明の一実施例に係わるエン
ジンの流動沸騰冷却装置を示している。第１図に示すよ
うにエンジン２を冷却するためのウォータジャケット３
内には出口管路６が接続され、この出口管路６は気液分
離器４に連通している。そして、気液分離器４は、気液
分離器４内の蒸気相５に連通する管路８を介して蒸気を
凝縮するためのコンデンサ（凝縮器）10に接続されてい
る。コンデンサ10の下部には、コンデンサ10内で液化さ
れた冷却水を送り出すための管路12が接続され、この管
路12は気液分離器４の下側液相７に連通する管路14と合
流し、吸込側管路13を通って給水ポンプ16に連通してい
る。

上記給水ポンプ16と、エンジンのウォータジャケット
３と、気液分離器４と、コンデンサ10は冷却水の循環回
路（循環系）17を構成している。

上記給水ポンプ16の吐出側管路18は途中で分岐し、分
岐した一方の管路20は第１の電磁弁22を介してエンジン
２のウォータジャケット３に連通している。また、分岐
した他方の管路24は、第２の電磁弁26を介して循環系17
内の冷却水を一時的に大気圧とは独立した圧力状態で貯
蔵するためのアキュムレータ28に連通している。さら
に、アキュムレータ28の送液管路30は、第３の電磁弁32
を介して給水ポンプ16の吸込側管路13に接続されてい
る。

第２図に示すように、上記エンジン２の出口管路６に
おけるエンジン出口近傍には、水温センサ32が取付けら
れている。この水温センサ32は、流動沸騰冷却装置全体
を制御するコントローラ31に接続され、エンジン出口付
近の水温を検知し、エンジン内の冷却水の状態を確認す
るために用いられる。

また、気液分離器４の蒸気相５とコンデンサ10とを接
続する管路８には、圧力センサ34が取付けられている。
この圧力センサ34はコントローラ31に接続され、蒸気相
５の圧力を検知し、蒸気相の圧力を一定に維持するため
に用いられる。この圧力センサ34によって検知される回
路内の圧力によって冷却水の沸点を求めることができ
る。

気液分離器４内には、上限と下限の水位を検出する水
位リミッタ36が取付けられている。この水位リミッタ36
は、コントローラ31に接続され、気液分離器４内の水位
異常を検知するために用いられる。

上記コンデンサ10の後方にはファン38が設置され、こ
のファン38は、コントローラ31に接続され、コンデンサ
10に送風し、コンデンサ内の蒸気を冷却して凝縮させる
と共に、コントローラ31からの出力に応じてコンデンサ
10の凝縮量を制御し、回路内の圧力を一定に維持する。

さらに、上記給水ポンプ16および第１、２、３の電磁
弁22、26、32は、コントローラ31に接続され、コントロ
ーラ31からの出力により制御される。

次に、本発明に係わる流動沸騰冷却装置の作動につい
て説明する。

まず、エンジン２の定常運転時に冷却水を回路（系）
内に循環させている状態で、エンジン２のウォータジャ
ケット３内で沸騰が始まると、発生する蒸気ににより系
内の圧力が上昇する。その際、系内の圧力を一定に維持
するために、第１及び第３の電磁弁22、32を閉成し、第
２の電磁弁26を開成して、給水ポンプ16の作用により冷
却水をアキュムレータ28内にアキュムレータ内の圧力に
抗して供給する。

次に、エンジン２が停止した場合には、エンジン２の
冷却に伴って系内の蒸気が凝縮して圧力が負圧となる。
その際、気液分離器４あるいはエンジンのウォータジャ
ケット３内の負圧を圧力センサ34が検知し、第１及び第
２の電磁弁22、26を閉成し、第３の電磁弁32を開成する
ことにより、アキュムレータ28内の冷却水がアキュムレ
ータ28内の内部圧力により送出され、気液分離器４内に
供給されて内部の圧力を上げると共に系内に冷却水を満
たすことができる。

また、運転中にコンデンサ10の負荷が変化し、コンデ
ンサ10内の圧力が変化するが、その場合、ウォータジャ
ケット３内の圧力も変化し、冷却水の飽和温度が変わる
ので好ましくない。そこで、系内の圧力を一定に維持す
るために、コンデンサ10の凝縮能力を変える必要があ
る。コンデンサ10の凝縮能力を調整するにはファン36の
回転数を制御するか、または、コンデンサ10内の水位を
上下させれば良い。つまり、コンデンサ10内の水位を変
えると熱交換面積が変わるので凝縮能力を調整すること
ができる。

本発明では、コンデンサ10内の水位を上下させるに
は、上述の方法によりアキュムレータ内の冷却水を系内
に出し入れすることによって行われる。

なお、上記コンデンサは通常のラジエータが使用され
るが、凝縮した冷却水は飽和温度であり、この冷却水を
そのまま給水ポンプ16に送るとポンプの入口でキャビテ
ーションが発生する。そこで、キャビテーションの発生
を防止するために所定の温度まで水温を下げる必要があ
り、図示しないがサブコンデンサがコンデンサ10の下流
側に設けられる。

本発明では上述のように、エンジン２のウォータジャ
ケット３内で所定の沸点を得るために系内圧力を制御す
るが、この制御はコンデンサ10での凝縮量の調整によっ
て行われる。コンデンサ10の凝縮量は、ファン38の制御
と共にコンデンサ10内の液面の増減でも調整することが
できる。そして、コンデンサ10内における液面増減は、
系内と系外との間の冷却水のやりとりによって達成され
る。

上記流動沸騰冷却装置では、定常運転でコンデンサ液
面の増減が必要なとき、第１及び第３の電磁弁22、32を
閉成し、第２の電磁弁26を開成し、冷却水をアキュムレ
ータ28の内圧に抗して給水ポンプ16で系外へ排出し、ま
た、第２の電磁弁26を閉成し、第１及び第３の電磁弁2
2、32を開成することにより、アキュムレータ28内の冷
却水をポンプ吸込み側へ内圧で押込供給することができ
る。

また、エンジン停止後、系内負圧回避のため、系全体
を冷却水で満水保管するときは、第２の電磁弁26を閉成
し、第１及び第３の電磁弁22、32を開成することによ
り、ポンプ吸込み側へ系内負圧生成に応じて冷却水を供
給する。系内の負圧が進むにしたがってポンプ吸込み側
で圧力水頭が下がり、キャビテーションが発生する虞れ
があるが、アキュムレータの内圧を加えることにより圧
力水頭を上げて、キャビテーションの発生を防止するこ
とができる。

さらに、エンジンを起動して満水保管時から冷却装置
が定常運転に入るまでの暖機過程でも同様の操作で冷却
水の系外排出を実施することができる。

上記エンジン内の冷却水が沸騰すると蒸発潜熱を奪う
ために伝熱効率が急激に上昇する。エンジン内で冷却水
が沸騰する際には、壁面過熱度（エンジンの壁面温度か
ら飽和温度を引いた値）が所定値以上に上ってしまうと
膜沸騰が起こり、伝熱効率が逆に下がる性質がある。従
って、適当な壁面過熱度を維持するような水量の供給が
必要である。つまり、エンジン内で適度の沸騰状態を維
持するような流速を、エンジンのアイドリング状態から
高回転状態まで予め計算し、流速を決定してエンジン内
の冷却水の温度を制御すれば膜沸騰を起こすことなく沸
騰状態を維持することができる。

従って、上述の流動沸騰冷却装置では、給水ポンプ16
の吐出流量をコントローラ31によって調整し、エンジン
内に冷却水を強制的に対流させると共に、コンデンサ10
内の液面を増減させて系内の圧力を一定に維持し、冷却
水の飽和沸騰状態を維持している。この制御は、系内圧
力の設定値が大気圧以上あるいは以下に設定されても実
施可能である。

本発明は上述の実施例のみに限定されることなく様々
に変形して実施することができる。

例えば、上記実施例では系外排出時に一時的にエンジ
ンへの供給が止まることになるので、最小限必要な水量
をエンジンに流すために第１の電磁弁22を迂回するバイ
パス管路を設けると良い。それにより、エンジンに水を
送りながらアキュムレータ28内に水を送込むことができ
る。

また、第１の電磁弁22と第２の電磁弁26とを３方電磁
弁にして弁の数を減らしても良い。

また、上記アキュムレータは市販品でよいが、アキュ
ムレータに代えて外部タンク内にダイアフラムを設け、
このダイアフラムをばね等で付勢するものでも良い。

［発明の効果］ 以上のように本発明に係わるエンジンの流動沸騰冷却
装置では、冷却水貯蔵手段の内圧を利用して冷却水を給
水ポンプの吸込側に供給するので、給水ポンプを逆転さ
せなくともウォータジャケット内の冷媒を外部に移動さ
せて内圧を一定に保つことが可能となり、システムが簡
略化されると共に、給水ポンプにおけるキャビテーショ
ンの発生が防止される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係わるエンジンの流動沸騰
冷却装置の流体回路を示す回路図、第２図は同じくエン
ジンの流動沸騰冷却装置の流体回路と制御回路を示す回
路図である。 ２……エンジン、３……ウォータジャケット、10……コ
ンデンサ（凝縮器）、16……給水ポンプ、26,32……電
磁弁（切換弁）、28……アキュムレータ（冷却水貯蔵手
段）、31……コントローラ（制御手段）。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】エンジンのウォータジャケットに吐出側が
   接続された給水ポンプと、この給水ポンプの吸込み側と
   上記エンジンのウォータジャケットとに接続された凝縮
   器とを備えた循環回路が設けられ、上記給水ポンプによ
   って冷却水を上記回路内に循環させ、上記ウォータジャ
   ケット内で冷却水を沸騰させてエンジンから蒸発潜熱を
   奪って冷却するエンジンの流動沸騰冷却装置において、 大気に対して密閉され上記給水ポンプの吐出側管路と吸
   込み側管路とに夫々切換え弁を介して接続された冷却水
   貯蔵手段と、 上記切換え弁を制御して、上記給水ポンプの給水圧力に
   より回路内の冷却水を上記冷却水貯蔵手段内に大気圧と
   は独立した圧力状態で貯蔵させると共に、冷却貯蔵手段
   の内圧により上記給水ポンプの吸込み側へ冷却水を供給
   させる制御手段と を具備したことを特徴とするエンジンの流動沸騰冷却装
   置。