JPH0223781Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 産業上の利用分野 この考案は、コンデンサからウオータジヤケツ
ト内に循環供給した液相冷媒をウオータジヤケツ
ト内で沸騰気化させて内燃機関の冷却を行うよう
にした内燃機関の沸騰冷却装置に関する。

従来技術 自動車用機関等に用いられている周知の水冷式
冷却装置にあつては、ラジエータでの熱交換効率
に自から限界があり、大型のラジエータが必要で
あるとともに、ウオータジヤケツトにおいても大
量の冷却水を循環させなければ局部的な過熱を生
じ易いことから装置全体としての小型軽量化が難
しい。しかも相当に多量な冷却水の循環によつて
もウオータジヤケツト内を均一な温度分布とする
ことができない。

このような点から、近年、冷却水の沸騰気化潜
熱を利用した冷却装置が注目されており、例えば
特公昭57−57608号公報や特開昭57−62912号公報
に記載のものが知られている。しかし、前者は冷
媒循環系の上部つまり蒸気空間部分を外部に開放
した構成であるため、継続的な蒸気の流出を生
じ、冷媒の頻繁な補給が必要であり、実用機関に
は到底適用することができない。また後者にあつ
ては、ウオータジヤケツトの発生蒸気を分離タン
クを介してコンデンサに導入するとともに、液化
した冷媒を一旦上記分離タンクにポンプにより圧
送し、該分離タンク内液面と上記ウオータジヤケ
ツト内液面とを自然に等しく保つように構成した
ものであるため、その構成が比較的複雑であると
ともに、ウオータジヤケツト内の液面レベルが過
渡的に不安定化し易いものとなり、燃焼室壁等が
局部的に冷却不良となる惧れがある。

考案の目的 この考案は上記のような従来の問題に鑑みてな
されたもので、その目的とするところは、構成が
簡単でかつ頻繁な冷媒補給を必要とせず、しかも
ウオータジヤケツト内の液面レベルを常に一定に
維持して安定した冷却性能を得ることが可能な内
燃機関の沸騰冷却装置を得ることにある。

考案の概要 この考案に係る内燃機関の沸騰冷却装置は、上
部に蒸気出口を有し、かつ適宜なレベルに第１液
面センサが設けられたウオータジヤケツトと、上
記蒸気出口に接続されるとともに、下部に液化冷
媒を一時貯留する冷媒タンクを備えたコンデンサ
と、上記冷媒タンクの適宜なレベルに設けられた
第２液面センサと、上記冷媒タンクと上記ウオー
タジヤケツト下部とを接続した冷媒循環通路と、
この冷媒循環通路に介装され、かつウオータジヤ
ケツト側へ液相冷媒を送給可能な冷媒供給ポンプ
と、大気に開放され、かつ余剰液相冷媒を貯留す
るリザーバタンクと、一端がこのリザーバタンク
に接続され、かつ他端が上記冷媒循環通路の冷媒
供給ポンプ上流側に接続された補助冷媒通路と、
上記リザーバタンクと上記ウオータジヤケツト下
部とを連通する暖機時冷媒排出用通路と、上記補
助冷媒通路に介装された常開型の電磁弁と、上記
暖機時冷媒排出用通路に介装された常閉型の電磁
弁と、上記コンデンサに臨設された冷却フアン
と、機関始動後ウオータジヤケツト内の液面が上
記第１液面センサの設定レベルに低下するまでの
暖機期間中に、上記暖機時冷媒排出用通路の常閉
型電磁弁を開状態とするとともに補助冷媒通路の
常開型電磁弁を閉状態とする弁制御手段と、上記
第１液面センサの検出信号に基づきウオータジヤ
ケツト内の冷媒液面が設定レベル以下となつたと
きに上記冷媒供給ポンプを駆動するポンプ制御手
段と、上記第２液面センサの検出信号に基づき冷
媒タンク内の冷媒液面が設定レベル以下となつた
ときに上記冷却フアンを駆動するポンプ制御手段
とを備えて構成される。

この構成において、冷媒は基本的にはウオータ
ジヤケツト→コンデンサ→冷媒タンク→冷媒供給
ポンプ→ウオータジヤケツトの経路で沸騰・凝縮
のサイクルを繰り返しつつ循環し、気化潜熱を利
用した効率の良い冷却が行われる。具体的には、
ウオータジヤケツト内に貯留された冷媒は機関の
熱を受けて沸騰し、蒸気となつてコンデンサに流
入する。コンデンサでは、外気による冷却で冷媒
が凝縮され、下部に設けられた冷媒タンクに集め
られる。ここで自然風による凝縮作用が発生蒸気
量に追いつかず、冷媒タンク内の液面が第２液面
センサの設定レベルよりも低下したときには、冷
却フアンが駆動され、その強制冷却風によつて凝
縮が促進される。また、ウオータジヤケツト内で
の沸騰によりウオータジヤケツト内の冷媒液面が
徐々に低下することになるが、これを常に第１液
面センサの設定レベルに保つように冷媒供給ポン
プが駆動される。つまり、ウオータジヤケツト内
の冷媒液面が下がり過ぎて局部的な過熱を生じた
りすることがない。

一方、上述した冷媒の循環系路は全体として外
部のリザーバタンクに接続されており、かつこの
リザーバタンクは大気に開放されているものであ
るから、上記循環系路内は常に略大気圧に保たれ
る。従つて、ウオータジヤケツト内の冷媒の沸点
が常に略一定となり、安定した冷却性能が得られ
る。しかも、発生蒸気は直接にはリザーバタンク
に噴出することがなく、外部に失われる冷媒量は
極めて少ないので、頻繁に冷媒補給を必要としな
い。

尚、上記のウオータジヤケツト等からなる冷媒
循環系路は、初期状態つまり機関冷間始動時には
液相冷媒で満たされている。そして機関始動後ウ
オータジヤケツト内の液面が第１液面センサの設
定レベルに低下するまでの暖機期間中は、暖機時
冷媒排出用通路の常閉型電磁弁が開くとともに、
補助冷媒通路の常開型電磁弁が閉じた状態となる
ので、沸騰発生に伴いウオータジヤケツト内から
液相冷媒が暖機時冷媒排出用通路を通してリザー
バタンクに速やかに押し出される。一旦、液面が
第１液面センサの設定レベルにまで低下すれば、
暖機時冷媒排出用通路の常閉型電磁弁が閉じ、補
助冷媒通路の常開型電磁弁が開いて、上述した冷
媒循環を伴う定常的な運転状態となる。

また機関を停止した後は、補助冷媒通路を介し
て冷媒循環系路とリザーバタンクとの連通状態が
保たれているため、内部の圧力低下に伴つて液相
冷媒が戻り、やがて冷媒循環系路内が液相冷媒で
満たされた初期状態に復帰する。

実施例 第１図はこの考案に係る沸騰冷却装置の一実施
例を示すもので、同図において、１はウオータジ
ヤケツト２を備えてなる内燃機関、３は気相冷媒
を凝縮するためのコンデンサ、４は電動式の冷媒
供給ポンプを夫々示している。

上記ウオータジヤケツト２は、内燃機関１のシ
リンダおよび燃焼室の外周部を包囲するようにシ
リンダブロツク５およびシリンダヘツド６の両者
に亘つて形成されたもので、通常気相空間となる
上部が各気筒で互いに連通しているとともに、そ
の上部の適宜な位置に蒸気出口７が設けられてい
る。この蒸気出口７は、接続管８および蒸気通路
９を介してコンデンサ３の上部入口３ａに連通し
ており、かつ上記接続管８には、冷媒循環系の最
上部となる排出管取付部８ａが上方に立ち上がつ
た形で形成されているとともに、その上端開口を
キヤツプ１０が密閉している。

上記コンデンサ３は、上記入口３ａを有するア
ツパタンク１１と、上下方向の微細なチユーブを
主体としたコア部１２と、このコア部１２で凝縮
された液化冷媒を一時貯留するロアタンク１３
（必ずしもコンデンサ３と一体であることを要し
ない。）とから構成されたもので、例えば車両前
部など車両走行風を受け得る位置に設置され、更
にその前面あるいは背面に、強制冷却用の電動式
冷却フアン１４を備えている。また、上記ロアタ
ンク１３は、その比較的下部に冷媒取出口１３ａ
を有するとともに、この冷媒取出口１３ａに連結
した冷媒循環通路１５を介して上記ウオータジヤ
ケツト２下部の冷媒入口２ａに接続されており、
かつ上記冷媒循環通路１５に冷媒供給ポンプ４が
介装されている。

以上のウオータジヤケツト２→コンデンサ３→
ロアタンク１３→冷媒供給ポンプ４→ウオータジ
ヤケツト２の経路によつて冷媒の循環系が構成さ
れ、通常運転時にはこの循環系内で、例えば水に
若干の添加物を加えた冷媒が沸騰・凝縮を繰り返
しながら循環することになる。

また上記ウオータジヤケツト２およびロアタン
ク１３の夫々適宜なレベルには、第１液面センサ
１６、第２液面センサ１７が設けられており、冷
媒液面がその設定レベルまで達しているか否かを
ON・OFF的に検出している。

次に、２１は上記循環系の系外に設けられて適
宜な量の液相冷媒を貯留したリザーバタンクを示
し、このリザーバタンク２１は通気機能を有する
キヤツプ２２を介して大気に開放されているとと
もに、上記循環系最上端つまり接続管８の排出管
取付部８ａよりも高位置に液面を確保し得るよう
に車両の比較的高所に設置され、かつその底部か
ら補助冷媒通路２３を介して上記冷媒循環通路１
５のロアタンク１３−冷媒供給ポンプ４間に接続
されている。そして、上記補助冷媒通路２３に常
開型の第１電磁弁２４が介装されているととも
に、該第１電磁弁２４開時における液相冷媒の導
入方向を規制するために、上記冷媒循環通路１
５、詳しくは補助冷媒通路２３との合流点１５ａ
とロアタンク１３との間に、常開型の第２電磁弁
２５が介装されている。

更に上記補助冷媒通路２３は、上記第１電磁弁
２４−リザーバタンク２１間において暖機時冷媒
排出用通路となる分岐通路２６を有し、該分岐通
路２６がウオータジヤケツト２の下部に接続され
ているとともに、その通路中に常閉型の第３電磁
弁２７が介装されている。

一方、上述した循環系の最上部である排出管取
付部８ａには、系内の空気を排出するための空気
排出通路28が接続されており、かつ空気排出時に
同時に溢れ出た液相冷媒を回収するために、上記
空気排出通路２８の先端部がリザーバタンク２１
内に挿入され、その比較的上部に開口している。
そして、上記空気排出通路２８には、常閉型の第
４電磁弁２９が介装されている。尚、上記の各電
磁弁２４，２５，２７，２９や冷媒供給ポンプ
４、冷却フアン１４は、各制御手段を構成する例
えばマイクロコンピユータシステムからなるコン
トロールユニツトによつてそれぞれ制御されてい
るが、このコントロールユニツトは図示省略して
ある。

次に上記構成における沸騰冷却装置の作用を第
２図のフローチヤートを参照して説明する。

先ず、運転開始つまりエンジンキーONの際
に、第１電磁弁２４、第４電磁弁２９が「開」、
第２電磁弁２５、第３電磁弁２７が「閉」とな
り、この状態で冷媒供給ポンプ４が一定時間駆動
される。これにより、リザーバタンク２１内の液
相冷媒が循環系内に導入され、系内に残存してい
た空気は系上部に集められた後、空気排出通路２
８を介して系外に押し出される。尚、系内が液相
冷媒で満水となつた後に空気排出通路２８から溢
れ出た冷媒は総てリザーバタンク２１に回収され
る。

以上の空気排出の後、第１電磁弁２４、第４電
磁弁２９が「閉」、第２電磁弁２５、第３電磁弁
２７が「開」となり、暖機の進行を待つ。つまり
機関の運転によりウオータジヤケツト２内で沸騰
が始まると、その蒸気圧によつて系内圧力が高ま
り、第３電磁弁２７を介して系内からリザーバタ
ンク２１側へ余剰の液相冷媒が押し出されて行
く。そして、この冷媒の排出によりウオータジヤ
ケツト２内の液面レベルが第１液面センサ１６の
設定レベルにまで低下したときに、第３電磁弁２
７が「閉」、第１電磁弁２４が「開」となり、以
後キーOFF時まで通常運転制御が継続される。

この通常運転制御は、ウオータジヤケツト２内
の液面レベルに基づく冷媒供給ポンプ４のON・
OFF制御と、ロアタンク１３内の液面レベルに
基づく冷却フアン１４のON・OFF制御とからな
り、上記冷媒供給ポンプ４の制御によつてウオー
タジヤケツト２内の液面レベルは常に第１液面セ
ンサ１６の設定レベルに維持される。また、ロア
タンク１３内の液面レベルは、冷却フアン１４に
よる凝縮促進によつて常に第２液面センサ１７の
設定レベル以上に維持され、エンジン発熱量（蒸
気発生量）が比較的小さい場合には、その発熱量
とコンデンサ３の放熱量とがバランスするように
コンデンサ３の一部にまで液面レベルが高まる。
そして、この間、冷媒循環系内は外部のリザーバ
タンク２１と常に連通状態にあり、系内圧力は略
大気圧に維持される。つまり、ウオータジヤケツ
ト２における冷媒の沸点が略一定（例えば冷媒と
して水を用いた場合には略100℃）に保たれる。

一方、キーOFF時には、遅れて発生する蒸気
の噴出を防止するために、一定時間冷却フアン１
４が駆動され、その後制御が完全に停止される。
尚、この運転停止状態では、第１電磁弁２４、第
２電磁弁２５は「開」に、第３電磁弁２７、第４
電磁弁２９は「閉」になり、系内の温度低下に伴
つてリザーバタンク２１から液相冷媒が吸い込ま
れ、系内が略満水状態となつて次の運転に備える
ことになる。

このように、上記構成によれば、ウオータジヤ
ケツト２内では、冷媒の液面レベルが常に所定レ
ベルに保たれ、燃焼室壁等が局部的に露出して冷
却不良を生じる惧れがないとともに、その沸点が
略一定に維持される結果、極めて安定した冷却性
能が得られる。

また、リザーバタンク２１は通常液相冷媒領域
となる循環系下部において系内と連通されている
ので、蒸気の流出の問題はなく、リザーバタンク
２１に予め十分な液相冷媒を貯留しておけば長期
に亘つて冷媒補給の必要がない。尚、ロアタンク
１３の冷媒取出口１３ａからの蒸気の噴出は、ロ
アタンク１３の容積をある程度十分な大きさと
し、かつ冷媒取出口１３ａと第２液面センサ１７
との高低差を十分に設定することによつて確実に
防止できる。

考案の効果 以上の説明で明らかなように、この考案に係る
内燃機関の沸騰冷却装置においては、ウオータジ
ヤケツト内の冷媒液面レベルを強制的に所定レベ
ルに制御し、かつ冷媒沸点を略一定に確保し得る
ので、安定した冷却性能が得られる。また、その
沸点制御は、リザーバタンクを介して系内を大気
に開放することで実現しているので、構成が極め
て簡素なものとなる。しかも、冷媒の頻繁な補給
を必要とせず、十分に実用に供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの考案に係る沸騰冷却装置の構成説
明図、第２図はその制御の概要を示すフローチヤ
ートである。 １……内燃機関、２……ウオータジヤケツト、
３……コンデンサ、４……冷媒供給ポンプ、７…
…蒸気出口、８……接続管、９……蒸気通路、１
３……ロアタンク、１４……冷却フアン、１５…
…冷媒循環通路、１６……第１液面センサ、１７
……第２液面センサ、２１……リザーバタンク、
２３……補助冷媒通路、２４……第１電磁弁、２
５……第２電磁弁、２７……第３電磁弁、２８…
…空気排出通路、２９……第４電磁弁。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 上部に蒸気出口を有し、かつ適宜なレベルに第
   １液面センサが設けられたウオータジヤケツト
   と、上記蒸気出口に接続されるとともに、下部に
   液化冷媒を一時貯留する冷媒タンクを備えたコン
   デンサと、上記冷媒タンクの適宜なレベルに設け
   られた第２液面センサと、上記冷媒タンクと上記
   ウオータジヤケツト下部とを接続した冷媒循環通
   路と、この冷媒循環通路に介装され、かつウオー
   タジヤケツト側へ液相冷媒を送給可能な冷媒供給
   ポンプと、大気に開放され、かつ余剰液相冷媒を
   貯留するリザーバタンクと、一端がこのリザーバ
   タンクに接続され、かつ他端が上記冷媒循環通路
   の冷媒供給ポンプ上流側に接続された補助冷媒通
   路と、上記リザーバタンクと上記ウオータジヤケ
   ツト下部とを連通する暖機時冷媒排出用通路と、
   上記補助冷媒通路に介装された常開型の電磁弁
   と、上記暖機時冷媒排出用通路に介装された常閉
   型の電磁弁と、上記コンデンサに臨設された冷却
   フアンと、機関始動後ウオータジヤケツト内の液
   面が上記第１液面センサの設定レベルに低下する
   までの暖機期間中に、上記暖機時冷媒排出用通路
   の常閉型電磁弁を開状態とするとともに補助冷媒
   通路の常開型電磁弁を閉状態とする弁制御手段
   と、上記第１液面センサの検出信号に基づきウオ
   ータジヤケツト内の冷媒液面が設定レベル以下と
   なつたときに上記冷媒供給ポンプを駆動するポン
   プ制御手段と、上記第２液面センサの検出信号に
   基づき冷媒タンク内の冷媒液面が設定レベル以下
   となつたときに上記冷却フアンを駆動するポンプ
   制御手段とを備えたことを特徴とする内燃機関の
   沸騰冷却装置。