JPH0324825Y2 - - 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
却を行な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
イクルで冷却を行な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なうことは
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液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、このような沸騰冷却装置にあつて
は、冷却閉回路とで液相冷媒を出し入れするリザ
ーバタンクを設けているが、このリザーバタンク
に貯溜された冷媒は、エンジンの運転中であつて
も外気温が低いときは、液温がかなり低下するよ
うになる。

また、この冷媒はエンジン停止時等のほかに、
エンジン温度がある程度低くなつたときにも系内
に導入され、コンデンサの蒸気の放熱面積を減ら
すことで、運転中エンジンの過冷却を防止するよ
うになつている。

しかしながら、この冷媒はエンジン温度が高く
ウオータジヤケツト内の冷媒が盛んに沸騰してい
るときには、系内に導入されることがなく、エン
ジンの冷却に直接寄与するものではない。

さらには、前述したように系内への導入時にリ
ザーバタンクの冷媒液温がかなり低い状態だと、
径内の温度のバランスが狂い、かえつてエンジン
を冷却しすぎるという心配がある。

この考案は、リザーバタンク内の冷媒を有効に
利用して、上記問題点の解決と、冷却性能の一層
の向上を図ることを目的としている。

（問題点を解決するための手段） 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閉回
路を形成し、コンデンサに強制冷却風を供給する
冷却フアンを設けると共に、液相冷媒を貯溜した
リザーバタンクを弁手段を介して前記閉回路に接
続した内燃機関の沸騰冷却装置において、前記蒸
気通路の途中をバイパスして前記リザーバタンク
の液相冷媒中を通る熱交換通路を形成し、この熱
交換通路に前記ウオータジヤケツトからの冷媒蒸
気を選択的に導入する切換弁を設ける。

（作用） エンジンの温度が高く、ウオータジヤケツト内
で冷媒が盛んに沸騰しているときには、切換弁に
より熱交換通路が開かれ、ウオータジヤケツトか
らの冷媒蒸気が流入する。したがつて、この冷媒
蒸気はリザーバタンク内の冷媒により予冷却さ
れ、リザーバタンク内の冷媒は加熱されるように
なる。これにより、リザーバタンク内の冷媒は所
定高温に保たれ、その一方冷媒蒸気の冷却、凝縮
が促進されるのである。

（実施例） 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に連通し、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に補強する。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、この冷却系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
を周知のセンサ類を介し検出してエンジンの運転
状態を判別し、前記実温度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値との関係は、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
車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なうことに
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、遂
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を開くと、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
内の液相冷媒は補助通路１５及びリザーバタンク
１３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
１６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、この装置では、もし系内に空気が侵入し
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、エンジン始動直後等に三方電
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。

したがつて、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おいて、上
記蒸気通路７を途中から分岐してリザーバタンク
１３内の液相冷媒中を通る熱交換通路２１が形成
される。

この熱交換通路２１は、リザーバタンク１３の
側壁を貫通してリザーバタンク１３内で略らせん
状に形成されると共に、その下流側がリザーバタ
ンク１３の側壁を貫通し、蒸気通路７と同様、コ
ンデンサ３の上部に接続される。

そして、この熱交換通路２１の入口部つまり蒸
気通路７との分岐部に、両通路７，２１を選択的
に開閉する切換弁２２が設置される。また通路２
１のコンデンサ３接続部に電磁弁２３が設置され
る。

この切換弁２２と電磁弁２３は、制御回路１０
により駆動制御され、ウオータジヤケツト２の温
度センサ１２からの検出信号に基づき、ジヤケツ
ト２内の冷媒温度が設定値以上の高温になると、
熱交換通路２１を開くようになつている。

他方、供給ポンプ５とウオータジヤケツト２と
の間の冷媒通路８にオイルクーラ２４が設置さ
れ、供給ポンプ５からウオータジヤケツト２に戻
される冷媒と、オイルポンプ２５からエンジン各
部に供給される潤滑オイルとで熱交換を行なうよ
うにしている。

このような構成により、ウオータジヤケツト２
内で沸騰した冷媒蒸気は、蒸気通路７からコンデ
ンサ３へと流入するが、ジヤケツト２内の冷媒温
度が設定値以上になると、切換弁２２及び電磁弁
２３により熱交換通路２１が開かれ、冷媒蒸気が
熱交換通路２１を流れるようになる。

この熱交換通路２１を通る際、冷媒蒸気はリザ
ーバタンク１３内の液相冷媒によつてある程度冷
却され、その後コンデンサ３へと流入するのであ
る。

したがつて、コンデンサ３での放熱能力が高め
られ、冷媒蒸気の冷却、凝縮を充分に促進するこ
とができる。

そして、この一方冷媒蒸気によりリザーバタン
ク１３内の液相冷媒が加熱されるため、この冷媒
温度は所定の高温に保たれ、例えば外気温がかな
り低いときでも、低温下するようなことはない。

したがつて、エンジン温度が低くウオータジヤ
ケツト２内の冷媒があまり沸騰していないときに
は、リザーバタンク１３内の液相冷媒がコンデン
サ３等に導入されるのであるが、これによつて系
内の温度状態が急激に変わるようなことはなく、
安定した状態を保ちながらコンデンサ３の放熱面
積を減らして、エンジンの過冷却を的確に防止す
ることができる。

このようにして、リザーバタンク１３内の液相
冷媒が有効に利用され、沸騰冷却装置としての機
能ならびに性能の一層の向上を図ることができ
る。

なお、コンデンサ３で液化された冷媒の温度は
比較的低いが、冷媒通路８の途中にオイルクーラ
２４を設けたため、潤滑オイルを効率良く冷却で
きると共に、ウオータジヤケツト２内での冷媒温
度とそれほど差のない温度状態で戻すことがで
き、ジヤケツト２内での沸騰作用がより良好に維
持される。

また、上記実施例では熱交換通路２１への冷媒
蒸気の導入及び遮断を入口側の切換弁２２と出口
側の電磁弁２３という２個の弁を設けて制御する
ようにしているが、何れか一方でも閉じれば熱交
換通路２１への冷媒蒸気の導入は阻止できるの
で、熱交換通路２１を開閉する弁としては入口側
の切換弁２２のみが有れば良い。ただし、このよ
うに２つの弁を設けると、熱交換通路２１への冷
媒蒸気の導入切換をより確実に制御できるほか、
次のような制御を行うことが可能になる。即ち、
例えば切換弁２２が熱交換通路２１を開く方向に
切り換わつたときに電磁弁２３を介して熱交換通
路２１の出口側を徐々に開くような制御を行う。
このようにすると、熱交換通路２１が冷却系閉回
路に開放されることに伴う圧力衝撃波の作用を緩
和できるという利点が得られる。

（考案の効果） 以上のように本考案は、ウオータジヤケツトか
らの冷媒蒸気とリザーバタンク内の液相冷媒とで
熱交換を行なうことにより、リザーバタンクから
の冷媒導入時に系内の温度状態に悪影響を及ぼす
ことがなくなうと共に、コンデンサの能力が高め
られ、冷却性能の一層の向上が図れる。

【図面の簡単な説明】

図は本考案の実施例を示す構成断面図である。 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、１２……温度センサ、１３……リザーバタン
ク、１４，１８，２０……電磁弁、２１……熱交
換通路、２２……切換弁、２３……電磁弁。

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閉回路を形成し、
   コンデンサに強制冷却風を供給する冷却フアンを
   設けると共に、液相冷媒を貯溜したリザーバタン
   クを弁手段を介して前記閉回路に接続した内燃機
   関の沸騰冷却装置において、前記蒸気通路の途中
   をバイパスして前記リザーバタンクの液相冷媒中
   を通る熱交換通路を形成し、この熱交換通路に前
   記ウオータジヤケツトからの冷媒蒸気を選択的に
   導入する切換弁を設けたことを特徴とする内燃機
   関の沸騰冷却装置。