JPH0248664Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この考案は、冷媒の気化潜熱を利用した内燃機
関の沸騰冷却装置に関する。

（従来の技術） エンジンウオータジヤケツトとラジエータとの
間で冷却水を循環させる水冷冷却装置は、ラジエ
ータの能率及び寸法上の制限並びに水の熱容量の
関係上、要求放熱量を満足させるためには大量の
冷却水を循環させる必要があり、このためにウオ
ータポンプが大きな駆動損失になつており、また
エンジン運転条件に応じて冷却水を適温に可変制
御するのは困難である。

一方、実開昭57−18714号等により、水の気化
潜熱を利用して少量の冷却水循環量でエンジン冷
却を行えるようにした冷却装置が提案されてい
る。これは、ウオータジヤケツトに貯溜した冷却
水をエンジン発生熱で沸騰させ、発生蒸気を放熱
器で液化してウオータジヤケツトに戻すというサ
イクルで冷却を行うようにしたものであるが、冷
却水蒸気が流通する経路を大気に連通して圧力変
動を避ける構造をとつているため、冷却水の沸点
を変化させることができず、やはりエンジン運転
条件に応じて可変的な温度制御を行うことは難し
かつた。

そこで、液相冷媒（冷却水）を貯溜したウオー
タジヤケツトと、このウオータジヤケツトにて生
じた冷媒蒸気を冷却化するコンデンサとを、外部
に対して密閉的に接続して冷却閉回路を構成し、
ウオータジヤケツト内の圧力を可変制御すること
により液相冷媒の沸点を任意かつ速やかに変化さ
せ、運転条件に応じた応答性の良い温度制御を実
現した沸騰冷却装置が考えられている（特願昭58
−145467号等）。

（考案が解決しようとする問題点） ところで、このような冷却装置にあつては冷寒
時等に不凍液（エチレングリコール＋水）を使用
した場合、ウオータジヤケツト内の液相冷媒はエ
ンジンの燃焼熱を受けて不凍液中の水分が先に蒸
発気化するために、次第に不凍液濃度が高まつて
沸点が上昇し、その結果ウオータジヤケツト内の
液相冷媒温度がかなり高温となつてしまうという
問題点があつた。

この考案は不凍液を使用しないで、冷却系内の
液相冷媒の凍結を防止するようにした内燃機関の
沸騰冷却装置の提供を目的とする。

（問題点を解決するための手段） そのため、この考案は、大部分を液相冷媒で満
たしたエンジンウオータジヤケツトと内部を気相
状に保つたコンデンサとを、上部の冷媒蒸気を流
す蒸気通路とコンデンサからの液化冷媒を供給ポ
ンプを介して戻す冷媒通路とで連通して冷媒が循
環する冷却系回路を形成し、コンデンサに強制冷
却風を供給する冷却フアンを設けた内燃機関の沸
騰冷却装置において、上記冷却系回路に電磁弁及
び電動ポンプを介して連通する保温タンクを設け
る一方、エンジン停止時に冷却系回路内の液相冷
媒温度が設定値以下となるとその全部を保温タン
クに回収するように電磁弁及び電動ポンプの駆動
をそれぞれ制御する手段を設ける。

（作用） 従つて、エンジン停止時に冷却回路内の液相冷
媒はこれが凍結する恐れのあるときに、電磁弁及
び電動ポンプを介して、保温タンクにすべて抜き
とられて貯溜されるため、冷寒時に不凍液を使用
しなくとも、液相冷媒の凍結は防止される。

（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、まず基本的構造を説明すると、
１はエンジン（本体）、２は大部分が水等の液相
冷媒で満たされるウオータジヤケツト、３はウオ
ータジヤケツト２からの冷媒蒸気を冷却液化する
コンデンサ、４はコンデンサ３からの液化冷媒を
貯溜するロワタンク、５はロワタンク４の貯溜冷
媒をウオータジヤケツト２へと戻す供給ポンプ、
６はコンデンサ３に強制冷却風を供給する冷却フ
アンである。

ウオータジヤケツト２はエンジン１のシリンダ
及び燃焼室を包囲するようにシリンダブロツク１
ａ及びシリンダヘツド１ｂにかけて形成され、そ
の内部には所定量の液相冷媒が封入されている。
ウオータジヤケツト２の上方部分は冷媒蒸気が充
満する気相空間になつており、多気筒エンジンで
は前記気相空間は各気筒部間で相互に連通され
る。

ウオータジヤケツト２は、その気相空間に面し
て接続した蒸気通路７を介してコンデンサ入口部
に連通している。

コンデンサ３のロワタンク４は、冷媒通路８を
介してウオータジヤケツト２とコンデンサ３との
間で冷媒が循環する閉回路を形成する。

コンデンサ３は自動車の場合走行風が流通する
位置に設けられ、冷却フアン６はその前面または
背面側に位置してコンデンサ３に強制冷却風を供
給する。供給ポンプ５は冷媒通路８の途中に位置
し、後述する制御系統からの指令に基づいてロワ
タンク４に溜つた液相冷媒をウオータジヤケツト
２へと圧送する。なお、冷却フアン６と供給ポン
プ５は、共に電動式である。

１０は上記供給ポンプ５並びに冷却フアン６の
作動を司る制御回路であり、シリンダヘツド１ｂ
に設けられた液面センサ１１と蒸気通路７に設け
られた温度センサ１２と同じく差圧センサ９及び
エンジン運転状態を検出するその他の手段（図示
せず）とともに制御系統を形成している。

液面センサ１１は、その検出部に対する冷媒液
面の位置に応じてオンオフ的に出力が変化する一
種のスイツチである。制御回路１０はこの出力の
変化に基づいて、冷媒液面が液面センサ１１の位
置に応じた所定値よりも低下した場合には供給ポ
ンプ５を駆動して再び所定液面レベルに達するま
でロワタンク４の貯溜冷媒をウオータジヤケツト
２に補給する。このため、ウオータジヤケツト２
には常に所定量以上の冷媒液が確保される。な
お、この冷却案内に封入される液相冷媒の量（標
準量）は、ウオータジヤケツト２に前述のように
して所定液面レベルにまで冷媒が確保された状態
でコンデンサ３の内部が気相状態になる程度に設
定されている。

温度センサ１２は、冷媒の温度または圧力から
エンジン温度を検出し、エンジン温度に応じた出
力を実温度信号として制御回路１０に付与する。

制御回路１０はこの温度センサ１２からの実温
度の検出値とともにエンジン回転、燃料供給量等
の周知のセンサ類を介して検出してエンジンの運
転状態を判別し、前記実施例との比較に基づいて
そのときの運転状態に応じた所定のエンジン温度
になるように冷却フアン６の作動または停止を制
御する。

エンジン運転状態と制御温度との関係は、これ
をエンジンの仕様や目的、用途に応じて自由に設
定できることは言うまでもないが、一般に自動用
エンジンでは市街地走行時のように負荷または回
転速度が低い運転域では比較的高温に保ち、高速
高負荷域では温度が低下するように図る。

上記構成に基づく冷却系統としての基本的な作
用について説明すると、ウオータジヤケツト２内
の液相冷媒は、エンジン燃焼熱をうけて加熱され
ると、そのときの系内の圧力に応じた沸点に達し
たところで沸騰を開始し、気化潜熱を奪つて蒸発
気化する。

このとき、冷媒はエンジン１の高温部ほど盛ん
に沸騰して気化潜熱相当分の冷却を行うことにな
るので、燃焼室やシリンダ壁はほぼ均一の温度に
保たれる。このことから、異常燃焼等の不都合を
生じない限界温度の近くにまで燃焼室全体の温度
を高めることが可能になる。

上記沸騰冷却作用の結果発生した冷媒蒸気は蒸
気通路７を介してウオータジヤケツト２の気相空
間からコンデンサ３へと流れ、コンデンサ３での
外気との熱交換により冷却されて凝縮液化し、逐
次ロワタンク４に貯溜される。

この場合、既述したようにコンデンサ３の内部
は気相になつており、高温の冷媒蒸気がコンデン
サ３を構成する金属面との間の良好な熱伝達状態
の下に温度差の大きい外気で冷やされることにな
るため、液相で放熱する場合よりも大幅に放熱効
率が高められる。因みに、このことからコンデン
サ３並びに冷却フアン６は著しく小型のものを使
用できる。

コンデンサ３で液化しロワタンク４に貯溜され
た冷媒は、ウオータジヤケツト２での冷媒液面レ
ベルの低下に伴う供給ポンプ５の作動により再び
ウオータジヤケツト２へと戻されるのであり、以
上の繰り返しにより沸騰冷却が続けられる。

このようにして、エンジンの運転状態に応じて
速やかに放熱量を制御でき、したがつてエンジン
を常に最適な温度条件で運転できるので、燃費の
向上や出力の増強が図れる。

ところで、このような閉回路状の沸騰冷却装置
では、エンジン停止時には系内が必ず負圧化す
る。そこでこの負圧化対策として、外部に設けた
リザーバタンク１３の液相冷媒で系内の気相空間
を置き換えるようにしてある。

リザーバタンク１３には少なくとも気相空間と
同程度の容量の液相冷媒が貯溜され、その内部は
通気機能を有するキヤツプ１３ａを介して大気圧
が導入される。

このリザーバタンク１３は、途中に電磁弁１４
を介装した補助通路１５を介してロワタンク４に
連通する。

エンジン停止後に前記差圧センサ９の検出に基
づいて電磁弁１４と開くと、温度低下に伴う圧力
の減少に応じてリザーバタンク１３の貯溜冷媒が
系内へと導入され、やがて系内の空間部分は大部
分が液相冷媒で置換されることになる。

これにより、エンジン停止時に冷却系内に有害
な空気が侵入するのを確実に防止できる。

そして、上記状態からエンジンを始動すると、
燃焼熱をうけて沸騰気化した冷媒蒸気の圧力で系
内の液相冷媒補助通路１５及びリザーバタンク１
３へと押し戻される。ウオータジヤケツト２の冷
媒液量は供給ポンプ５の補給作動により所定値に
維持されるので、ほぼコンデンサ３の液量のみが
減少してその液面レベルが低下していく。やがて
コンデンサ３の内部が気相になると、ロワタンク
４の液面レベルからこれを検知した液面センサ１
６からの信号に基づいて電磁弁１４が閉じ、以後
は既述した沸騰冷却を行なう。

また、この装置でも、もし系内に空気部侵入し
た場合にはこれを排除するために、リザーバタン
ク１３と冷媒通路８とを第２の補助通路１７を介
して連通可能とし、エンジン始特直後等に三方電
磁弁１８を介して供給ポンプ５の吸込側をロワタ
ンク４側から補助通路１７へと切り換えるととも
に供給ポンプ５を駆動してリザーバタンク１３の
冷媒をウオータジヤケツト２へと圧送する。この
とき、冷却系回路の最頂部をリザーバタンク１３
の内部（大気圧）に連通する通路１９の電磁弁２
０を開いて、侵入空気を排出する。

一方、冷却運転中、走行風による冷却効果が大
きく冷却フアン６が停止しているにもかかわらず
エンジン温度が設定温度に達しない場合、補助通
路１５の電磁弁１４を開いてリザーバタンク１３
の貯溜冷媒をコンデンサ３に導入し、コンデンサ
３の放熱面積を減少する。

これにより、エンジンの過冷却を防止すると共
に、運転中、系内の負圧化による空気の侵入も防
止する。

さらに、この装置では、何らかの原因で系内の
温度が異常高温となつた場合、電磁弁１４を開い
て系内を大気圧下に開放する。

従つて、高圧の蒸気が若干の液相冷媒とともに
ロワタンク４からリザーバタンク１３に排出され
ることにより、系内の圧力が低下しこれに伴つて
温度が低下される。なお、排出された蒸気はリザ
ーバタンク１３の液相冷媒中に放出されるので、
大気中に失われる量は極めて少ない。

そして、このような沸騰冷却装置には、リザー
バタンク１３を含む冷却系内の液相冷媒が凍結す
る恐れのある時に、系内の液相冷媒の全部を抜き
とつて貯溜するための保温タンク３０が設けられ
る。

保温タンク３０は周囲を断熱材４０で被覆した
もので、途中に電磁弁３１及び電動ポンプ３２を
介装した冷媒回収通路３３を介しウオータジヤケ
ツト２に、同じく途中に電磁弁３４を介装した冷
媒回収通路３５を介しロワタンク４に、さらに冷
媒回収通路３３の電磁弁３１及び電動ポンプ３の
上流に接続した冷媒回収通路３６を介しリザーバ
タンク１３にそれぞれ連通される。

この場合、補助通路１５，１７を含む冷却系回
路及び冷媒回収通路３３，３５，３６には、後述
する冷媒抜取り時に系内の液相冷媒が自重で保温
タンク３０へと流れ落ちるように、所定の高低差
が設定される。３７は保温タンク３０を大気圧下
に開放する通路である。

一方、制御系統には、既述の各種センサのほか
に、シリンダ壁温を検出する温度センサ３８（壁
温センサ）と、ウオータジヤケツト２内の冷媒温
度を検出する温度センサ３９（水温センサ）が設
けられる。

そして、制御回路１０は、エンジン停止直後に
電磁弁１４を開いて、既述のように冷却系内の温
度低下に伴う圧力の減少により系内の気相空間を
リザーバタンク１３の液相冷媒を置換する。

この状態で第２図のフローチャートで示すよう
に、さらに系内の温度が低下して水温センサ３９
で検出されるウオータジヤケツト２内の冷媒温度
が設定値、例えば４℃以下になると、電磁弁２０
を開いて冷却系内を大気圧下に開放すると同時に
補助通路１５，１７の電磁弁１８，１４及び冷媒
回収通路３３，３５の電磁弁３１，３４を開いて
系内の液相冷媒をロワタンク４、ウオータジヤケ
ツト２及びリザーバタンク１３から冷媒回収通路
３３，３５，３６を介して保温タンク３０へと流
下させる。そして、所定の時間、例えば30秒間を
経過して系内の液相冷媒の全量が保温タンク３０
に回収されると、電磁弁２０，３１，３４を閉じ
る。一方、エンジン始動時に保温タンク３０内の
貯溜冷媒を冷却系に戻す時には第３図のフローチ
ヤートで示すように、壁温センサ３８で検出され
るシリンダ壁温が設定値、例えば80℃以上になる
と、電磁弁２０と３１を開くと共に電動ポンプ３
２を駆動して、保温タンク３０内の貯溜冷媒をウ
オータジヤケツト２及びリザーバタンク１３にく
み上げる。

その際、制御回路１０は第４図ａ，ｂで示すよ
うに水温センサ３９の検出値から演算した水温上
昇度（dθ／dt）に応じて電動ポンプ３２の送水量
（ポンプ回転数）を制御する。

そして、ウオータジヤケツト２内の液面レベル
が所定レベルに達する（保温タンク３０内の回収
冷媒の全部が冷却系に戻される）と、液面センサ
１１の検出に基づいて、電動ポンプ３２を停止し
て、電磁弁３１を閉じ、ついで既述のように補助
通路１７の電磁弁１８を開き、供給ポンプ５を駆
動してリザーバタンク１３内の冷媒をウオータジ
ヤケツト２へと圧送することにより、系内の空気
を電磁弁２０を介して排除し、以後、通常の沸騰
冷却制御へと移行する。

ところで、この実施例によれば、冷却系内の液
相冷が凍結する恐れのあるときに、冷媒の全部を
保温タンク３０に抜きとつて貯溜するようにした
ので、冷媒の凍結防止のために不凍液を使用しな
くてすむ。つまり、冷寒時にも液相冷媒として普
通の水が使えるため、沸騰冷却に伴つて冷媒濃度
が変化することもなく、安定かつ良好な冷却性能
が得られる。

しかも、寒冷始動時にはシリンダ壁面が設定値
以上になるまで冷却水を抜いたままにし、暖機後
に保温タンク３０の貯溜冷媒を戻し始めるように
したので、暖機性能の向上と白煙の低減も図れ
る。

尚、保温タンク３０には貯溜冷媒の凍結防止を
さらに図るために、ヒータ等を組み込むと良い。

（考案の効果） 以上要するにこの考案によれば、冷却系内の液
相冷媒が凍結する恐れのあるときに、その全量を
回収して貯溜するための保温タンク設けたので、
冷寒時にも不凍液を使用しなくてすんむため、沸
騰冷却装置としての安定かつ良好な機能が確保で
きるという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の実施例を示す構成断面図、第
２図は冷媒抜取り時の制御動作を示すフローチヤ
ート、第３図は冷媒戻し時の制御動作を示すフロ
ーチヤート、第４図ａ，ｂは電動ポンプの制御特
性説明図である。 ２……ウオータジヤケツト、３……コンデン
サ、５……供給ポンプ、６……冷却フアン、７…
…蒸気通路、８……冷媒通路、１０……制御回
路、３１，３４……電磁弁、３２……電動ポン
プ、３３，３５，３６……冷媒回収通路。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 大部分を液相冷媒で満たしたエンジンウオータ
   ジヤケツトと内部を気相状に保つたコンデンサと
   を、上部の冷媒蒸気を流す蒸気通路とコンデンサ
   からの液化冷媒を供給ポンプを介して戻す冷媒通
   路とで連通して冷媒が循環する冷却系回路を形成
   し、コンデンサに強制冷却風を供給する冷却フア
   ンを設けた内燃機関の沸騰冷却装置において、上
   記冷却系回路に電磁弁及び電動ポンプを介して連
   通する保温タンクを設ける一方、エンジン停止時
   に冷却系回路内の液相冷媒温度が設定値以下とな
   るとその全部を保温タンクに回収するように電磁
   弁及び電動ポンプの駆動をそれぞれ制御する手段
   を設けたことを特徴とする内燃機関の沸騰冷却装
   置。