JP4813387B2 - 高粘度流体冷却システム - Google Patents

Description

本発明は、エンジン性能試験等において好適に採用される高粘度流体冷却システムに関するものである

試験室内において低温環境下（例えば−４０℃〜−２０℃）でのエンジンの性能を試験する場合には、エンジンに供給されるエンジンオイルや冷却水を冷却するために熱交換器が設置される（例えば、特許文献１参照。）。

上記のように熱交換器を用いてエンジンオイルを冷却する場合には、熱交換器内のオイル流路のうち、冷媒との熱交換面（伝熱面）付近のエンジンオイルがまず冷却され、それから、伝熱面付近のエンジンオイルとそれ以外の部位にあるエンジンオイルとの間で伝熱（伝導、対流）が行われ、全体としてエンジンオイルの温度が低下していく。

ところが、エンジンオイルは、冷却されると粘度が高くなる性質を有しており、特に、ある特定温度よりも低温となった場合には、粘度が急激に高くなる。このため、エンジンオイルを特定温度よりも低温にしようとする場合、まず最初に冷媒によって冷却される伝熱面付近のエンジンオイルの粘度が、それ以外の部位（例えばオイル流路中央部）のエンジンオイルの粘度に比べて格段に高くなってしまうといった事態が発生するおそれがある。このように、伝熱面付近のエンジンオイルの粘度が高くなりすぎてしまうと、伝熱性が悪化し（対流がなくなり）、伝熱面付近と当該伝熱面から離れた部位との間でエンジンオイルの温度差が大きくなってしまう。この場合、エンジンオイルの温度コントロールが困難となり、結果として、エンジン性能試験を正確に行えなくなってしまうおそれがある。

これに対し、図４に示すように、熱交換器８１において、冷媒が流れる冷媒用流路８２の内周側に設けられたオイル用流路８３を貫通し、オイル用流路８３内において複数の油掻き部８４を有する回転軸８５と、回転軸８５を回転させるモータ８６とを備える攪拌機８７を設けることが考えられる。このように、攪拌機８７付きの熱交換器８１を用いることで、オイル用流路８３内のエンジンオイルが攪拌され、熱交換器８１内部のオイル用流路８３のうち伝熱面８９付近のエンジンオイルと内周側のエンジンオイルとの間で粘度差及び温度差が大きくなってしまうといった事態を防止することができる。
特公平２−１６９９０号公報

しかしながら、上記のように、熱交換器に対して攪拌機を設けようとすると、熱交換器にかかるコストが増大したり、熱交換器が大型化したりするおそれがある。さらに、モータの回転に起因して熱が発生するため、冷却効率の悪化を招くおそれがある。加えて、攪拌機を回転させるモータの動力が必要であり、エネルギーを消費してしまう。また、オイル層を回転軸が貫通しているため、貫通部位（シール部分）のメンテナンスを頻繁に行う必要が生じてしまう。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、熱交換器の複雑化等を防止し余分なエネルギー消費もなくメンテナンスフリーを達成しつつ、エンジン性能試験を正確に行うことのできる高粘度流体冷却システムを提供することを主たる目的の一つとする。また、熱交換器において効率のよい熱交換を行うことのできる高粘度流体冷却システムを提供することも目的とする。

手段１．エンジンに送られる高粘度流体と冷媒との間で熱交換を行う熱交換器と、
エンジンと熱交換器とを結ぶ高粘度流体往き通路、及び当該高粘度流体往き通路の途中から分岐して熱交換器へと戻る高粘度流体還り通路と、
前記熱交換器から送出される高粘度流体の温度を計測する高粘度流体温度計測手段と、
前記熱交換器に供給される冷媒の温度を計測する冷媒温度計測手段と、
前記熱交換器に供給される冷媒の温度を調節可能な温度調節手段と、
前記冷媒温度計測手段によって計測された供給冷媒温度を、前記高粘度流体温度計測手段によって計測された高粘度流体温度に基づいて設定した供給冷媒温度設定値と比較し、前記温度調節手段の出力を調節する制御手段とを備え、
前記供給冷媒温度設定値は、前記高粘度流体温度から所定の値だけ減じた値として逐次演算され決定されることを特徴とする高粘度流体冷却システム。

手段１によれば、高粘度流体温度計測手段によって計測された高粘度流体の温度（高粘度流体温度）に基づいて、熱交換器に供給される冷媒の温度の目標値（供給冷媒温度設定値）が逐次設定される。そして、冷媒温度計測手段によって計測された冷媒の温度（供給冷媒温度）と供給冷媒温度設定値とを比較して、熱交換器に供給される冷媒の温度を供給冷媒温度設定値とするべく温度調節手段の出力が調節される。

冷媒温度の調節方法としては、上記のような方法以外にも、例えば、供給冷媒温度設定値を固定値として予め設定しておくとともに、温度調節手段の出力調節を高粘度流体温度と供給冷媒設定温度設定値との比較に基づいて行うような方法が考えられる。ところが、このような構成の場合には、高粘度流体温度と供給冷媒設定温度設定値との差が大きくなると、その差をなくそうとして温度調節手段の出力調節がなされ、熱交換器に対し著しく温度の低い冷媒が供給されることが懸念される。熱交換器に供給される冷媒の温度が熱交換器に供給される高粘度流体の温度に比べてあまりにも低くなってしまうと、冷媒との熱交換面である伝熱面近傍の高粘度流体が高粘度流体自体の伝熱速度よりも早いペースで急激に冷やされてしまうおそれがある。

高粘度流体は温度が低くなると粘度が高くなる性質を有し、さらに、ある「特定温度」よりも低くなると、粘度が温度変化に対して著しく大きく変化するものもある。高粘度流体が特定温度よりも低い温度となるように冷却される場合、上記のように伝熱面近傍の高粘度流体が当該高粘度流体の伝熱速度よりも早いペースで急激に冷やされると、冷却された部位の粘度が局部的に急激に高くなることがある。

これに対し、本手段１によれば、供給冷媒温度設定値を高粘度流体温度に応じて逐次設定し、供給冷媒温度と供給冷媒温度設定値とを比較して（両方の値の差に応じて）温度調節手段の出力調節がなされる。これにより、熱交換器に対し著しく温度の低い冷媒が供給されるといった事態を回避することができ、熱交換器の伝熱面において熱交換される高粘度流体と冷媒との温度差を小さくすることができる。このため、高粘度流体が当該高粘度流体の伝熱速度よりも早いペースで急激に冷やされ、伝熱面付近の高粘度流体の粘度が局部的に高くなってしまうといった事態を防止することができる。これには、エンジンと熱交換器とを結ぶ高粘度流体往き通路の途中から分岐して熱交換器へと戻る高粘度流体還り通路を設け、エンジンを経由させることなく高粘度流体を循環可能とすることにより高粘度流体を徐々に冷却することのできる配管構成（循環させて高粘度流体を何度も熱交換器に流すことで、ある体積の高粘度流体を徐々に冷やしていっても時間をかければ所定の低温にまで冷やすことが可能である。これに対し、一過性の配管系では１回の熱交換器通過時に、高粘度流体を所定の温度まで一気に冷やす必要がある。）であることも寄与している。以上のような構成により、熱交換器において高粘度流体が急激に冷却されて伝熱面近傍の高粘度流体の粘度が格段に高められることに起因して、流路内の伝熱性が悪化してしまうといった事態を防止することができる。従って、流路内における高粘度流体の温度の均一化を図ることができ、これによって、高粘度流体の温度を確実にコントロールできるようになる。結果として、低温環境下におけるエンジン性能試験を正確に行うことができる。

また、高粘度流体の流路のうち伝熱面付近の高粘度流体とそれ以外の部位の高粘度流体との温度の均一化を図るために、熱交換器に対して高粘度流体を攪拌させる攪拌装置等を別途設ける必要がないことから、熱交換器のコストの増大や熱交換器の大型化等を防止することができる。さらに、熱交換器に攪拌装置を設けることに起因して、攪拌装置を駆動させるために余分なエネルギーを消費したり、攪拌に際して熱が発生し冷却損失を招いたり、攪拌装置の回転軸のシール部分に関してメンテナンスが必要になったり、攪拌装置の存在により熱交換器の形状が制約され、伝熱面積を大きく確保することができず冷却効率が悪くなったりする等の不具合を回避することができる。

尚、「前記熱交換器から送出された高粘度流体の温度を計測する温度計測手段」とあるのを「前記熱交換器から送出された直後の（前記熱交換器の送出口付近の）高粘度流体の温度を計測する温度計測手段」としてもよい。

手段２．前記温度調節手段は、
前記熱交換器に供給される冷媒を冷却する冷却手段と、
前記熱交換器において高粘度流体と熱交換された冷媒を前記冷却手段に送る回収路と、
前記冷却手段において冷却された冷媒を前記熱交換器に送る送出路と、
前記回収路と前記送出路とを連通し、前記熱交換器において高粘度流体と熱交換された冷媒を、前記冷却手段を経由させることなく前記送出路に送出可能なバイパス路と、
前記バイパス路における冷媒の流量、及び、前記送出路のうち前記バイパス路との連結部よりも前記冷却装置側における冷媒の流量を調節する流量調節手段とを備えることを特徴とする手段１に記載の高粘度流体冷却システム。

手段２によれば、冷却手段によって冷却されていない冷媒と、冷却手段によって冷却された冷媒との混合比（流量比）を調節することにより、熱交換器に供給される冷媒の温度が調節される。これにより、細かな温度調節を素早く行うことができる。また、流量比は三方弁又は２つの二方弁を用いて調節することができ、この場合、構成の複雑化を防止することができる。さらに、冷却手段が送出する冷媒の温度は一定でもよく、冷却手段において細かな冷媒の温度調節を行うような場合に比べて、冷却手段の構成の複雑化を防止することができる。

手段３．前記温度調節手段は、
前記熱交換器に供給される冷媒を冷却する冷却手段と、
前記熱交換器において高粘度流体と熱交換された冷媒を前記冷却手段に送る回収路と、
前記冷却手段において冷却された冷媒を前記熱交換器に送る送出路とを備え、
前記冷却手段の冷凍出力を調節することで、前記熱交換器に供給される冷媒の温度を調節することを特徴とする手段１に記載の高粘度流体冷却システム。

手段３によれば、冷却手段の冷凍出力を調節することによって、熱交換器に供給される冷媒の温度調節を行っている。このため、上記手段２のように冷媒の流量比を調節するような構成に比べ、熱交換器と冷却手段とを結ぶ配管構成の簡素化を図ることができる。さらに、配管を流れる冷媒流量を調節制御する機構も不要となり、当該機構を設置するためにスペースや費用を要してしまうといった事態を防止することができる。尚、冷却手段の冷凍出力の調節としては、例えば、圧縮機の冷凍サイクルにおける冷媒ガスの圧縮仕事を調節したり、冷媒ガスをバイパスさせたり、吸収式冷凍機の場合、導入するエネルギーを調節して冷媒再生量を調節したりすることが例示される。

手段４．前記高粘度流体還り通路には、循環開閉弁が設けられ、
前記高粘度流体往き通路には、前記高粘度流体還り通路との分岐点よりもエンジン側において供給開閉弁及び流量計測手段が設けられ、
高粘度流体を冷却する際には、前記供給開閉弁を閉止し、かつ、前記循環開閉弁を開放して、高粘度流体を、エンジンを経由させることなく前記熱交換器、前記高粘度流体往き通路、及び前記高粘度流体還り通路で循環させて徐冷し、
高粘度流体をエンジンに供給する際には、前記供給開閉弁を開放し、かつ、前記循環開閉弁を閉止するとともに、前記流量計測手段によりエンジンに導入される高粘度流体の流量を監視して、エンジンに高粘度流体を所定量導入することを特徴とする手段１乃至３のいずれかに記載の高粘度流体冷却システム。

手段４によれば、高粘度流体往き通路と高粘度流体還り通路とにそれぞれ開閉弁を設けることで、エンジンを経由させることなく高粘度流体を循環させることができる。従って、別の条件で試験が行われた後に新たな条件で試験を行う場合、試験室の温度を下げること等によりエンジン自体の温度が十分に冷却される前に、熱交換器等により所定の（目的の）温度まで冷却された高粘度流体が当該エンジンに導入されることに起因して、徒に高粘度流体の温度が上昇してしまうといった事態を回避することができる。そもそもエンジン各部潤滑用経路に対して高粘度流体を不必要な際に通過させて過大な圧力損失を受けたり、エンジンの筐体の温度により熱を奪われたりするおそれがなく、精密な高粘度流体の温度管理ができる。また、試験導入時には、高粘度流体を高粘度流体還り通路経路で循環させることなく、高粘度流体をエンジンに迅速に供給できる。

手段５．前記制御手段は、高粘度流体温度が、高粘度流体の粘度特性に応じて予め設定される設定温度よりも高い場合には、前記供給冷媒温度設定値を演算するために前記高粘度流体温度から減じる前記所定の値として第１の値を設定し、
前記高粘度流体温度が前記設定温度以下の場合には、前記所定の値として、前記第１の値よりも小さい第２の値を設定することを特徴とする手段１乃至４のいずれかに記載の高粘度流体冷却システム。

手段５によれば、高粘度流体の温度が設定温度以下の場合には、高粘度流体の温度が設定温度よりも高い場合よりも、熱交換器において熱交換される冷媒の温度と高粘度流体の温度との温度差が小さくなるように設定される。上記のように、高粘度流体は温度が低くなると粘度が高くなる性質を有し、さらに、ある「特定温度」よりも低くなると、粘度が温度変化に対して著しく大きく変化するものもある。粘度が高くなれば伝熱速度が遅くなり、伝熱速度が遅くなれば温度に偏りが生じやすくなり、温度に偏りが生じれば局所的に粘度が高い部位ができてしまうといった悪循環を招くおそれがある。このため、高粘度流体を同じペースで冷却していくような場合には、高粘度流体の温度が比較的高いうちは何ら支障がなかったとしても、高粘度流体の温度が低くなったとき、特に特定温度よりも低くなったときに、伝熱面付近の高粘度流体の粘度だけが急激に高くなってしまうおそれがある。

そこで、本手段では、高粘度流体が設定温度以下となった場合には、高粘度流体を比較的ゆっくりと冷却している。つまり、高粘度流体が低温になり、粘度が高くなるとその伝熱速度が遅くなるので、伝熱面付近とそれ以外の部位とで高粘度流体の温度に偏りが生じないように冷却スピードを抑制するのである。これにより、上記のような不具合を防止することができる。特に、設定温度を前記特定温度と同じかその付近に設定することで、かかる作用効果がより確実に奏される。

一方、高粘度流体の温度が設定温度よりも高い場合には、高粘度流体は比較的速やかに冷却されることとなる。これにより、高粘度流体が目標温度になるまでの時間を短縮することができ、時間効率の向上を図ることができる。尚、特定温度は高粘度流体の種類毎に異なるため、使用される高粘度流体に応じて設定温度を適宜設定することが望ましい。

手段６．前記熱交換器はスパイラル式熱交換器であることを特徴とする手段１乃至５のいずれかに記載の高粘度流体冷却システム。

手段６によれば、高粘度流体と冷媒との伝熱面積が比較的大きくなり熱交換を効率的に行うことができるとともに、熱交換器のコンパクト化を図ることができる。

以下、一実施形態について、図面を参照しつつ説明する。図１は試験室において低温環境下でのエンジンの性能を試験する際に使用される高粘度流体冷却システムを示すブロック図である。

図１に示すように、高粘度流体冷却システム１は、エンジン２の各摩擦部を潤滑した所定の試験後のエンジンオイルを吸引するバキュームポンプ３、エンジン２から抜き取られたエンジンオイルと冷却水との間で熱交換を行う冷却器４、冷却器４によって冷却されたエンジンオイルを貯留可能なオイルタンク５、及び、オイルタンク５やその前後のエンジンオイルの通路（高粘度流体往き通路及び高粘度流体還り通路）に一旦貯留されたエンジンオイルと冷凍装置８によって冷却された冷却液との間で熱交換を行うスパイラル式熱交換器７を備えている。尚、図１では、便宜上、冷却器４に供給される冷却水の循環回路の図示を省略している。また、本実施形態では、エンジンオイルが高粘度流体を構成し、スパイラル式熱交換器７が熱交換器を構成し、冷凍装置８が冷却手段を構成する。

まず、エンジンオイルの循環回路を中心に説明する。エンジンオイルの通路（流路）としては、エンジン２と冷却器４とを連通する第１流路１１、冷却器４とオイルタンク５とを連通する第２流路１２、オイルタンク５とスパイラル式熱交換器７とを連通する第３流路１３、及び、スパイラル式熱交換器７から延出し、途中から、エンジン２に連通する供給枝路１４ａとオイルタンク５に連通する循環枝路１４ｂとに分岐する第４流路１４が存在する。尚、循環枝路１４ｂは直接オイルタンク５に接続されており、第２流路１２や第３流路１３とは合流していない。本実施形態では、第４流路１４及び供給枝路１４ａが高粘度流体往き通路に相当し、循環枝路１４ｂ及び第３流路１３が高粘度流体還り通路に相当する。

また、第１流路１１を開閉する第１バルブ２１、第２流路１２を開閉する第２バルブ２２、供給枝路１４ａを開閉する供給開閉弁としての第３バルブ２３、及び、循環枝路１４ｂを開閉する循環開閉弁としての第４バルブ２４が設けられている。そして、別な条件でエンジンベンチ試験されたエンジン内のエンジンオイルを抜き取る際には、第１バルブ２１、第２バルブ２２及び第５バルブ２５を閉状態とし、バキュームポンプ３を任意時間運転して第１バルブ２１から第２バルブ２２の間を真空状態とする。その後、第１バルブ２１を開状態とすることで、エンジン２内の暖かいエンジンオイルが抜き取られ、冷却器４に回収される。冷却器４においてエンジンオイルをある程度冷却した後、第２バルブ２２及び第５バルブ２５を開状態とすることで、エンジンオイルは重力流下又はオイルポンプ６の吸引力によって冷却器４からオイルタンク５に移しかえられる。

さらに、エンジンオイルをスパイラル式熱交換器７において冷却する際には、第１バルブ２１、第２バルブ２２、及び第３バルブ２３が閉状態とされ、第４バルブ２４が開状態とされる。これにより、エンジンオイルは、スパイラル式熱交換器７において冷却されながら、第３流路１３、第４流路１４、及び循環枝路１４ｂを循環することとなる。本実施形態では、第３流路１３の途中にオイルポンプ６が設けられており、上記したエンジンオイルの冷却搬送が円滑に行われるようになっている。

一方、エンジン２にエンジンオイルを供給する状態のときには、第３バルブ２３が開状態とされ、第１バルブ２１及び第４バルブ２４が閉状態とされる。これにより、オイルポンプ６の搬送力により循環し、所定の温度にまで冷却されたエンジンオイルは、供給枝路１４ａを通じて順次エンジン２のオイルパンへ送り込まれる。尚、エンジン２に供給されるエンジンオイルの量は、供給枝路１４ａに設けられた流量計測手段としての流量計９によって計測されており、エンジン２に規定量のエンジンオイルが供給されると、第３バルブ２３が閉鎖されるようになっている。

次に、スパイラル式熱交換器７に供給されてエンジンオイルとの間で熱交換が行われる冷却液（冷媒）の循環回路を中心に説明する。冷却液の流路としては、スパイラル式熱交換器７から排出された冷却液を冷凍装置８に送るための回収路３１、冷凍装置８において冷却された冷却液をスパイラル式熱交換器７に送るための送出路３２、回収路３１と送出路３２とを連通し、回収路３１側から送出路３２側に冷却液を送出可能な第１バイパス路３３、及び、回収路３１と送出路３２とを連通し、送出路３２側から回収路３１側に冷却液を送出可能な第２バイパス路３４が備えられている。尚、送出路３２のうち第１バイパス路３３よりも冷凍装置８側で第２バイパス路３４よりもスパイラル式熱交換器７側の部位（各バイパス路３３，３４との連通部間の部位）を調整前送出路３２ａ、第１バイパス路３３よりもスパイラル式熱交換器７側の部位を調整後送出路３２ｂと称することとする。

第１バイパス路３３と送出路３２との連結部には、第１バイパス路３３から調整後送出路３２ｂに流入する冷却液の流量、及び、調整前送出路３２ａから調整後送出路３２ｂに流入する冷却液の流量を調節可能な三方弁４１が設けられている。そして、三方弁４１が調節されることで、第１バイパス路３３及び調整前送出路３２ａを流れる冷却液の流量が調節されることとなり、これによって、調整後送出路３２ｂを通じてスパイラル式熱交換器７に供給される冷却液の温度を調節することができるようになっている。また、第２バイパス路３４には、第２バイパス路３４を流れる冷却液の流量を調節可能な戻し弁４５が設けられている。これら三方弁４１及び戻し弁４５は、コントローラ５１によって制御されるようになっている。

例えば、エンジンオイルの温度を大きく下げたい場合には、コントローラ５１は、第１バイパス路３３及び第２バイパス路３４が不通となり、調整前送出路３２ａに冷凍装置８を通過した冷却液が全量通るように三方弁４１及び戻し弁４５を調節する。これにより、冷却液が回収路３１及び送出路３２を循環するようになり、スパイラル式熱交換器７において熱交換された冷却液は必ず冷凍装置８によって冷却され、冷凍装置８によって冷却された冷却液がそのままスパイラル式熱交換器７に送られる。また、例えば、エンジンオイルの温度を下げたくない場合には、コントローラ５１は、調整前送出路３２ａと調整後送出路３２ｂとの間が不通となり、第１バイパス路３３及び第２バイパス路３４に冷却液がスパイラル式熱交換器７通過量と同等量通るように三方弁４１及び戻し弁４５を調節する。これにより、スパイラル式熱交換器７から排出された冷却液は、回収路３１、第１バイパス路３３、及び調整後送出路３２ｂを介して、冷凍装置８によって冷却されることなくそのままスパイラル式熱交換器７に戻され、冷凍装置８によって冷却された冷却液は、調整前送出路３２ａ、第２バイパス路３４、及び回収路３１を介して、スパイラル式熱交換器７に供給されることなくそのまま冷凍装置８に戻される。尚、ここで紹介した２つの例示は極端なケースのものであり、通常は、三方弁４１において、第１バイパス路３３から流入してきた未冷却の冷却液と、調整前送出路３２ａから流入してきた冷却済みの冷却液とが混合されて温度調節された冷却液がスパイラル式熱交換器７に供給される。尚、本実施形態では、流量調節手段としての三方弁４１及び戻し弁４５と、冷凍装置８と、回収路３１、送出路３２、第１バイパス路３３、及び第２バイパス路３４とにより温度調節手段が構成される。また、コントローラ５１が制御手段を構成する。

加えて、調整前送出路３２ａ及び調整後送出路３２ｂの途中には、冷媒ポンプ４７、４８が設けられており、上記のような冷却液の循環が円滑に行われるようになっている。さらに、調整後送出路３２ｂには冷却液の温度を計測する冷媒温度計測手段としての冷媒温度計測器４９が設けられている。これにより、スパイラル式熱交換器７に供給される冷却液の温度を把握できるようになっている。

さて、本実施形態では、スパイラル式熱交換器７のエンジンオイルの出口付近において、スパイラル式熱交換器７から送出されたエンジンオイルの温度を計測する高粘度流体温度計測手段としてのオイル温度計測器５３が設けられており、当該オイル温度計測器５３によって計測されたエンジンオイルの温度に基づいて、スパイラル式熱交換器７に供給される冷却液の温度が設定されるようになっている。

ここで、エンジンオイルを例えば目標温度たる「−３０℃」に冷却する際に、コントローラ５１が行う冷却液温度設定処理について図２を参照しつつ説明する。
図２はコントローラの行う温度調節処理のフローチャートである。同図に示すように、ステップＳ１０１において目標とするエンジンオイルの温度（目標温度ＴＴ：本例では「−３０℃」）がコントローラ５１の入力部に入力された場合には、ステップＳ１０２に進み、オイル温度計測器５３によって計測されたエンジンオイルの温度（計測温度ＴＲ）が、エンジンオイルの粘度特性に応じて予めコントローラ５１に設定される設定温度（本例では「−２０℃」）よりも低いか否かを判定する。尚、「設定温度」の詳細については後述する。

ステップＳ１０２において否定判定された場合には、ステップＳ１０３において、スパイラル式熱交換器７に送られる冷却液の温度の目標値（供給冷媒温度設定値ＴＣ）を計測温度ＴＲよりも５℃低くなるように設定する。その後、ステップＳ１０５に処理を移行する。

一方、ステップＳ１０２において肯定判定された場合には、ステップＳ１０４において、供給冷媒温度設定値ＴＣを計測温度ＴＲよりも２℃低くなるように設定する。その後、ステップＳ１０５に処理を移行する。

ステップＳ１０３又はステップＳ１０４から移行して、ステップＳ１０５では、計測温度ＴＲが、目標温度ＴＴの±２℃の範囲内であるか否かを判定する。ここで否定判定された場合（計測温度ＴＲが−３２℃以上かつ−２８℃以下ではなかった場合）には、ステップＳ１０２に戻る。一方、ステップＳ１０５で肯定判定された場合には、計測温度ＴＲが目標温度ＴＴにほぼ到達したものとして、ステップＳ１０６において供給冷媒温度設定値ＴＣを目標温度ＴＴよりも２℃低い温度（本例では「−３２℃」）に設定し、冷却液温度設定処理を終了する。

また、コントローラ５１は、ステップＳ１０３、ステップＳ１０４、又はステップＳ１０６において供給冷媒温度設定値ＴＣが設定されると、当該供給冷媒温度設定値ＴＣと、冷媒温度計測器４９によって計測された冷却液の温度とを比較し、冷媒温度計測器４９によって計測される冷却液の温度が供給冷媒温度設定値ＴＣとなるように、三方弁４１及び戻し弁４５を制御することとなる。

ここで上記「設定温度」の概念について説明する。図３は、市販されている２つのエンジンオイル（エンジンオイルＡ及びエンジンオイルＢ）の温度に対する粘度の関係を示すグラフである。同図に示すように、エンジンオイルＡ，Ｂともに冷却されることで徐々に粘度が上昇しはじめ、−２０℃を境に粘度が急激に上昇する。つまり、エンジンオイルＡ，Ｂは、−２０℃よりも低温になると、温度変化に対して粘度が大きく変化する状態となり、−２０℃よりも高温になると、温度変化してもそれ程粘度変化しない状態となるといった粘度特性を有している。このようなグラフ上の変化点に対応する温度を本明細書では「特定温度」と称している。

さて、上記のとおり、本実施形態では、スパイラル式熱交換器７から送出されたエンジンオイルの計測温度ＴＲが−２０℃以下であるか否かの判定を行い（図３：ステップＳ１０２）、計測温度ＴＲが−２０℃よりも低い場合には供給冷媒温度設定値ＴＣを計測温度ＴＲよりも２℃低い温度に設定し（ステップＳ１０３）、計測温度ＴＲが−２０℃以上である場合には供給冷媒温度設定値ＴＣを計測温度ＴＲよりも５℃低い温度に設定することとしている（ステップＳ１０４）。つまり、本実施形態では、ステップＳ１０２の判定（温度判定処理）に際して参照され、冷却液の温度の下げ幅、すなわちエンジンオイルの冷却スピードを変更する切替えポイントとしての「設定温度」を、粘度変化が著しく大きくなる「特定温度」と同じ温度（−２０℃）に設定しているのである。

尚、図３に示したエンジンオイルＡ、Ｂの「特定温度」はたまたま「−２０℃」と互いに等しい値となっているが、基本的に、「特定温度」はエンジンオイルの種類によって相違し得るものであるため、予め設定される「設定温度」としては、使用されるエンジンオイルの種類に応じて適宜設定されることとするのが望ましい。

以上詳述したように、本実施形態では、スパイラル式熱交換器７から送出された直後のエンジンオイルの温度をオイル温度計測器５３によって計測し、計測された計測温度ＴＲ（高粘度流体温度）に基づいて、スパイラル式熱交換器７に供給される冷却液の温度の目標値である供給冷媒温度設定値ＴＣを逐次設定している。そして、冷媒温度計測器４９によって計測された冷却液の温度（供給冷媒温度）と供給冷媒温度設定値ＴＣとを比較して、スパイラル式熱交換器７に供給される冷却液の温度を供給冷媒温度設定値ＴＣとするべく、三方弁４１及び戻し弁４５を調節している。

冷却液の温度の調節方法としては、上記のような方法以外にも、例えば、供給冷媒温度設定値ＴＣを固定値として予め設定しておくとともに、三方弁４１及び戻し弁４５の調節を、計測温度ＴＲと供給冷媒設定温度設定値ＴＣとの比較に基づいて行うような方法が考えられる。ところが、このような構成の場合には、計測温度ＴＲと供給冷媒設定温度設定値ＴＣとの差が大きくなると、その差をなくそうとして三方弁４１及び戻し弁４５の調節がなされ、スパイラル式熱交換器７に対し著しく温度の低い冷却液（例えば−３２℃の冷却液）が供給されてしまうことが懸念される。このように、スパイラル式熱交換器７に供給される冷却液の温度がスパイラル式熱交換器７に供給されるエンジンオイルの温度に比べてあまりにも低くなってしまうと、冷却液との熱交換面である伝熱面近傍のエンジンオイルがエンジンオイル自体の伝熱速度よりも早いペースで急激に冷やされてしまうおそれがある。特に、スパイラル式熱交換器７に供給される冷却液の温度が特定温度以下の場合には、伝熱面付近のエンジンオイルの粘度がそれ以外の部位のエンジンオイルの粘度に比べて著しく高くなってしまうおそれがある。

この点、本実施形態によれば、供給冷媒温度設定値ＴＣを計測温度ＴＲに応じて逐次設定し、冷媒温度計測器４９により計測された冷却液の温度と供給冷媒温度設定値ＴＣとの差に応じて三方弁４１及び戻し弁４５の調節がなされている。これにより、スパイラル式熱交換器７に対し著しく温度の低い冷却液が供給されるといった事態を回避することができ、スパイラル式熱交換器７の伝熱面において熱交換されるエンジンオイルと冷却液との温度差を小さくすることができる。このため、エンジンオイルが当該エンジンオイルの伝熱速度よりも早いペースで急激に冷やされ、伝熱面付近のエンジンオイルの粘度が局部的に急激に高くなってしまうといった事態を防止することができる。

また、本実施形態では、冷却液の温度の下げ幅を「−５℃」から「−２℃」に変更する切替えポイントとなる「設定温度」を、本実施形態において使用されるエンジンオイルの「特定温度」（−２０℃）と同じ温度に設定している。これにより、計測温度ＴＲが設定温度よりも低い場合には、低くない場合よりも、スパイラル式熱交換器７に供給される冷却液の温度と計測温度ＴＲとの温度差が小さくなるように設定される。つまり、計測温度ＴＲが設定温度よりも低く、エンジンオイルの粘度が温度変化に対して大きく変化する状態にある場合には、エンジンオイルが比較的ゆっくりと冷却されることとなる。このため、スパイラル式熱交換器７において冷却されるエンジンオイルの冷却スピードがあまりにも早すぎることに起因して、伝熱面付近のエンジンオイルの粘度が急激に高められてしまうといった事態をより確実に防止することができる。

以上のような構成により、スパイラル式熱交換器７においてエンジンオイルが急激に冷却されて伝熱面近傍のエンジンオイルの粘度が格段に高められることに起因して、流路内の伝熱性が悪化してしまうといった事態を防止することができる。従って、流路内におけるエンジンオイルの温度の均一化を図ることができ、これによって、エンジンオイルの温度を確実にコントロールできるようになる。結果として、低温環境下におけるエンジン性能試験を正確に行うことができる。

一方、計測温度ＴＲが設定温度よりも高く、エンジンオイルの粘度が温度変化に対してさほど変化しない状態にある場合には、エンジンオイルが比較的速やかに冷却されることとなる。これにより、エンジンオイルが目標温度ＴＴ（−３０℃）になるまでの時間を短縮することができ、時間効率の向上が図られる。

また、上記のように、本実施形態では、スパイラル式熱交換器７内のエンジンオイルの流路のうち伝熱面付近のエンジンオイルの粘度がそれ以外の部位（例えば流路中央部）のエンジンオイルの粘度よりも格段に高くなってしまうといった事態が抑止され、エンジンオイルの温度の均一化が図られていることから、例えば、熱交換器内のエンジンオイルを攪拌させる攪拌装置等を別途設ける必要がない。このため、熱交換器のコストの増大や、熱交換器の大型化等を防止することができる。さらに、熱交換器に攪拌装置を設けることに起因して、攪拌装置を駆動させるために余分なエネルギーを消費したり、モータの回転に起因して熱が発生して冷却効率の悪化を招いたり、回転軸が貫通している部位のメンテナンスを頻繁に行う必要が生じたり、攪拌装置の存在により熱交換器の形状が制約され、伝熱面積を大きく確保することができず冷却効率が悪くなったりする等の不具合を回避することができる。

加えて、冷却液の温度調節は、コントローラ５１によって三方弁４１及び戻し弁４５を調節し、冷凍装置８によって冷却されていない冷却液と、冷凍装置８によって冷却された冷却液との混合比（流量比）を調節することによって行われる。これにより、細かな温度調節を素早く行うことができる。また、三方弁４１及び戻し弁４５によって流量比の調節を行うことで、構成の簡素化が図られている。さらに、冷凍装置８が送出する冷却液の温度は一定でもよく、冷凍装置８において細かな冷却液の温度調節を行うような場合に比べて、冷凍装置８の構成の複雑化を防止することができる。

また、供給枝路１４ａ及び循環枝路１４ｂに対してそれぞれ開閉弁としての第３バルブ２３及び第４バルブ２４を設けることで、エンジン２を経由させることなくエンジンオイルを循環させることができる。従って、別の条件で試験が行われた後に新たな条件で試験を行う場合、試験室の温度を下げること等によりエンジン２自体の温度が十分に冷却される前に、スパイラル式熱交換器７等により目標温度ＴＴにまで冷却されたエンジンオイルが当該エンジン２に導入されることに起因して、徒にエンジンオイルの温度が上昇してしまうといった事態を回避することができる。そもそもエンジン２各部潤滑用経路にエンジンオイルを不必要な際に通過させて過大な圧力損失を受けたり、エンジン２の筐体の温度により熱を奪われたりするおそれがなく、精密なエンジンオイルの温度管理ができる。また、試験導入時には、エンジンオイルを循環枝路１４ｂ及び第３流路１３経由で循環させることなく、エンジンオイルをエンジン２に迅速に供給することができる。

また、エンジンオイルを冷却する熱交換器としてスパイラル式熱交換器を採用することで、エンジンオイルと冷却液との熱交換を効率的に行うことができるとともに、熱交換器のコンパクト化を図ることもできる。

尚、上述した実施形態の記載内容に限定されることなく、例えば次のように実施してもよい。

（ａ）上記実施形態において、エンジンオイル又は冷却液を温めるヒータ等を設けてもよい。

（ｂ）上記実施形態において、「設定温度」を「特定温度」と違う温度に設定することは可能であるが、エンジンオイルの急激な粘度上昇を抑制するといった観点からすれば、設定温度を特定温度又はその付近（若干高めの温度）に設定することが望ましい。

また、上記実施形態では、エンジンオイルの冷却スピードの切替えは、エンジンオイルの温度が−２０℃よりも低いときと−２０℃以上のときとで２段階であるが、３段階以上にしてもよい。例えば、計測温度ＴＲが２０℃よりも高いか否かの判定、及び、計測温度ＴＲが−２０℃よりも低いか否かの判定を行い、計測温度ＴＲが２０℃よりも高いときと、計測温度ＴＲが２０℃以下かつ−２０℃以上のときと、計測温度ＴＲが−２０℃よりも低いときとで、エンジンオイルの冷却スピードが３段階に切替えられるよう設定してもよい。

（ｃ）上記実施形態では、第１バイパス路３３から調整後送出路３２ｂに流入する冷却液の流量、及び、調整前送出路３２ａから調整後送出路３２ｂに流入する冷却液の流量を三方弁４１等により調節することで冷却液の温度調節を行っているが、特にこのような構成に限定されるものではない。例えば、冷却手段（冷凍装置８）として冷凍出力を調節可能な冷凍機を採用し、冷凍機の冷凍出力を調節することで、スパイラル式熱交換器７に供給される冷却液の温度を調節してもよい。この場合、上記実施形態のように冷却液の流量比を調節するような構成に比べ、スパイラル式熱交換器７と冷却手段とを結ぶ配管構成の簡素化（第１バイパス路３３及び第２バイパス路３４が不要）を図ることができる。さらに、配管を流れる冷却液の流量を調節制御する機構（三方弁４１及び戻し弁４５）も不要となり、当該機構を設置するためにスペースや費用を要してしまうといった事態を防止することができる。

また、上記実施形態における三方弁４１に代えて、第１バイパス路３３及び調整前送出路３２ａにおいてそれぞれ二方弁を設けてもよい。

高粘度流体冷却システムの概略構成を示す説明図である。 コントローラの冷却液温度設定処理を示すフローチャートである。 所定のエンジンオイルの温度に対する粘度特性を示すグラフである。 従来の熱交換器を示す断面図である。

符号の説明

１…高粘度流体冷却システム、２…エンジン、７…熱交換器としてのスパイラル式熱交換器、８…冷却手段としての冷凍装置、３１…回収路、３２…送出路、３３…第１バイパス路（バイパス路）、４１…温度調節手段を構成する三方弁、４９…冷媒温度計測手段としての冷媒温度計測器、５１…制御手段としてのコントローラ、５３…高粘度流体温度計測手段としてのオイル温度計測器。

Claims (6)

1. エンジンに送られる高粘度流体と冷媒との間で熱交換を行う熱交換器と、
   エンジンと熱交換器とを結ぶ高粘度流体往き通路、及び当該高粘度流体往き通路の途中から分岐して熱交換器へと戻る高粘度流体還り通路と、
   前記熱交換器から送出される高粘度流体の温度を計測する高粘度流体温度計測手段と、
   前記熱交換器に供給される冷媒の温度を計測する冷媒温度計測手段と、
   前記熱交換器に供給される冷媒の温度を調節可能な温度調節手段と、
   前記冷媒温度計測手段によって計測された供給冷媒温度を、前記高粘度流体温度計測手段によって計測された高粘度流体温度に基づいて設定した供給冷媒温度設定値と比較し、前記温度調節手段の出力を調節する制御手段とを備え、
   前記供給冷媒温度設定値は、前記高粘度流体温度から所定の値だけ減じた値として逐次演算され決定されることを特徴とする高粘度流体冷却システム。
2. 前記温度調節手段は、
   前記熱交換器に供給される冷媒を冷却する冷却手段と、
   前記熱交換器において高粘度流体と熱交換された冷媒を前記冷却手段に送る回収路と、
   前記冷却手段において冷却された冷媒を前記熱交換器に送る送出路と、
   前記回収路と前記送出路とを連通し、前記熱交換器において高粘度流体と熱交換された冷媒を、前記冷却手段を経由させることなく前記送出路に送出可能なバイパス路と、
   前記バイパス路における冷媒の流量、及び、前記送出路のうち前記バイパス路との連結部よりも前記冷却装置側における冷媒の流量を調節する流量調節手段とを備えることを特徴とする請求項１に記載の高粘度流体冷却システム。
3. 前記温度調節手段は、
   前記熱交換器に供給される冷媒を冷却する冷却手段と、
   前記熱交換器において高粘度流体と熱交換された冷媒を前記冷却手段に送る回収路と、
   前記冷却手段において冷却された冷媒を前記熱交換器に送る送出路とを備え、
   前記冷却手段の冷凍出力を調節することで、前記熱交換器に供給される冷媒の温度を調節することを特徴とする請求項１に記載の高粘度流体冷却システム。
4. 前記高粘度流体還り通路には、循環開閉弁が設けられ、
   前記高粘度流体往き通路には、前記高粘度流体還り通路との分岐点よりもエンジン側において供給開閉弁及び流量計測手段が設けられ、
   高粘度流体を冷却する際には、前記供給開閉弁を閉止し、かつ、前記循環開閉弁を開放して、高粘度流体を、エンジンを経由させることなく前記熱交換器、前記高粘度流体往き通路、及び前記高粘度流体還り通路で循環させて徐冷し、
   高粘度流体をエンジンに供給する際には、前記供給開閉弁を開放し、かつ、前記循環開閉弁を閉止するとともに、前記流量計測手段によりエンジンに導入される高粘度流体の流量を監視して、エンジンに高粘度流体を所定量導入することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の高粘度流体冷却システム。
5. 前記制御手段は、
   前記高粘度流体温度が、高粘度流体の粘度特性に応じて予め設定される設定温度よりも高い場合には、前記供給冷媒温度設定値を演算するために前記高粘度流体温度から減じる前記所定の値として第１の値を設定し、
   前記高粘度流体温度が前記設定温度以下の場合には、前記所定の値として、前記第１の値よりも小さい第２の値を設定することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の高粘度流体冷却システム。
6. 前記熱交換器はスパイラル式熱交換器であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の高粘度流体冷却システム。

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