JPH034726B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は、ウオータジヤケツト内の所定レベ
ルまで液相冷媒を貯留しておき、その沸騰気化に
より内燃機関各部の冷却を行うとともに、発生し
た冷媒蒸気をコンデンサにより凝縮して再利用す
るようにした内燃機関の沸騰冷却装置に関する。

従来の技術 内燃機関の冷却装置として、従前の水冷式冷却
装置に代えて、冷媒（冷却水）の沸騰・凝縮のサ
イクルを利用した沸騰冷却装置が特公昭57−
57608号公報等において提案されているが、本出
願人はこれを更に発展させたものとして、コンデ
ンサの放熱量を可変制御することで密閉した系内
の冷媒沸点を高精度に制御し得るようにした沸騰
冷却装置を先に提案している（特願昭59−140378
号（特開昭61−19919号公報参照）等）。これは、
液相冷媒が所定レベルまで貯留されるウオータジ
ヤケツトと、ここで発生した冷媒蒸気を凝縮する
コンデンサと、このコンデンサの下部から上記ウ
オータジヤケツトに液相冷媒を循環供給する冷媒
供給ポンプとを主体として密閉した冷媒循環系を
形成するとともに、その系外にリザーバタンクを
設けたものであつて、上記冷媒供給ポンプとして
正逆両方向に送給可能な電動ポンプを用い、流路
切換用の三方電磁弁と組み合せて、コンデンサと
リザーバタンクとの間で液相冷媒を両方向に強制
的に移動できるように構成してある。そして、系
内温度が目標温度より低いときには、リザーバタ
ンクからコンデンサ内に液相冷媒を強制導入して
コンデンサ内液面位置を高め、また目標温度より
高いときには、コンデンサからリザーバタンクに
液相冷媒を強制排出してコンデンサ内液面位置を
下げ、実質的な放熱面積となる気相領域の縮小、
拡大を図つて、機関発熱量とコンデンサ放熱量と
を平衡させるようにしているのである。

また上記のように密閉した系内で冷媒の沸騰・
凝縮サイクルを行わせるためには、系内から不凝
縮気体である空気を除去する必要があるので、上
記沸騰冷却装置では、系最上部に電磁弁を備えた
空気排出通路を設け、始動時に上記冷媒供給ポン
プを用いてリザーバタンクから系内に液相冷媒を
送り込み、上記空気排出通路を通して系外へ空気
を押し出すようにしているとともに、リザーバタ
ンク底部とコンデンサ下部とを、常開型電磁弁を
備えた冷媒通路にて接続し、キーOFF後の圧力
低下に伴い系内に自然に液相冷媒を吸引させ、系
全体が液相冷媒で満たされた状態を保つように構
成してある。

発明が解決しようとする問題点 上記構成において、冷媒供給ポンプは上記のコ
ンデンサ内液面制御のほかコンデンサからウオー
タジヤケツトへ液相冷媒を補給するという本来的
な機能を果している訳であるが、この場合に揚
程、流量ともに比較的大きく確保する必要があ
り、系内の飽和温度近い冷媒を圧送する際にポン
プ吸入側でキヤビテーシヨンが発生し易い。特
に、正逆両方向に圧送可能なポンプとしてカスケ
ード型ポンプ等のキヤビテーシヨンの面で不利な
形式が用いられることになり、かつその流路中に
流路切換用の電磁弁が介在するので通路抵抗が増
大し、キヤビテーシヨンが一層発生し易い。

また上記の構成では、空気排出通路中の電磁弁
と、キーOFF後の冷媒導入用の電磁弁と、ポン
プの流路切換用の三方電磁弁との少なくとも３個
の電磁弁が必要であり、異物の混入などによる作
動不良の確率がそれだけ高くなつてしまい、信頼
性の確保が難しい。

問題点を解決するための手段 この発明は、上記の問題点を解決するために、
コンデンサの下部とウオータジヤケツトとを連通
した冷媒循環通路と、コンデンサの下部とリザー
バタンクとを連通した補助冷媒通路とを、夫々別
個に設けるとともに、夫々に独立した冷媒循環ポ
ンプと温度制御用ポンプを配設したものであつ
て、その流路中に流路切換用等の電磁弁は設けら
れていない。また、系最上部に一端が接続された
空気排出通路の他端をリザーバタンクの底部に接
続し、かつここに介装される電磁弁を機関停止時
に開弁するように構成することによつて、機関停
止後の冷媒導入用の電磁弁ならびにその通路を省
略している。

作 用 ウオータジヤケツトとコンデンサと冷媒循環ポ
ンプからなる冷媒循環系は基本的に密閉状態に保
たれており、ウオータジヤケツト内で液相冷媒が
沸騰気化し、かつ発生蒸気がコンデンサで凝縮す
ることにより、気化潜熱を利用した冷却作用が行
われる。ここで系内の冷媒温度が目標温度を上廻
つているときには温度制御用ポンプによつてコン
デンサ内からリザーバタンクへ液相冷媒が強制排
出される。これによりコンデンサの実質的放熱面
積となる気相冷媒領域が拡大する。逆に目標温度
を下廻つているときには温度制御用ポンプの逆方
向への駆動によつてリザーバタンクからコンデン
サ内へ液相冷媒が強制導入される。これによりコ
ンデンサの実質的放熱面積となる気相冷媒領域が
縮小する。この結果、系内圧力が直ちに変動し、
ウオータジヤケツト内の冷媒沸点が応答性良く変
化する。またウオータジヤケツト内の冷媒液面が
所定レベル以下となつたときには、独立した冷媒
循環ポンプによつてコンデンサからウオータジヤ
ケツトへ液相冷媒が補給され、常にその液面位置
が略一定に保たれる。

一方、機関の始動直後には、上記温度制御用ポ
ンプによつてリザーバタンクから系内へ液相冷媒
が強制導入され、同時に空気排出通路の電磁弁が
開かれて系内から空気が押し出される。

また機関の停止後は、空気排出通路の電磁弁が
開かれるので、系内の温度低下つまり圧力低下に
伴つてリザーバタンクから系内に液相冷媒が導入
され、最終的に系内が液相冷媒で満たされた状態
となつて空気の侵入が防止される。

実施例 図はこの発明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を備えた内燃機関、３は上記ウオータジヤ
ケツト２で発生した冷媒蒸気を凝縮するためのコ
ンデンサである。

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４およびシリンダヘツド５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６が設けられてい
る。この蒸気出口６は、接続管７および蒸気通路
８を介してコンデンサ３の上部入口３ａに連通し
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１０と、上下方向に沿つた微細なチユ
ーブを主体としたコア部１１と、このコア部１１
で凝縮された液化冷媒を一時貯留するロアタンク
１２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１３を備えている。また、上記ロアタンク
１２は、冷媒循環通路１４を介して上記ウオータ
ジヤケツト２の冷媒入口２ａに接続されており、
かつその通路中に、ロアタンク１２からウオータ
ジヤケツト２へ液相冷媒を圧送する冷媒循環ポン
プ１５が介装されている。尚、この冷媒循環ポン
プ１５としては、揚程よりも流量を重視し、かつ
キヤビテーシヨンを生じにくい形式のものが使用
される。以上のウオータジヤケツト２とコンデン
サ３と冷媒循環ポンプ１５とによつて、通常密閉
状態とされる冷媒循環系が構成されている。

２１は、上記冷媒循環系の外部に設けられたリ
ザーバタンクであつて、これ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、上記ウオータジヤケツト２に対し比較的高
所に設置され、かつその底部から補助冷媒通路２
３と空気排出通路２４とが導出されている。上記
補助冷媒通路２３は、先端が上記ロアタンク１２
の下部に接続されており、かつその通路中に温度
制御用ポンプ２５が介装されている。この温度制
御用ポンプ２５は、揚程を重視し、かつ正逆両方
向（図のＡ方向およびＢ方向）に液相冷媒を圧送
できる形式のもの、例えばギヤポンプ、トロコイ
ドポンプ、カスケードポンプ等が用いられてい
る。また、上記空気排出通路２４は、先端が冷媒
循環系の最上部となる接続管７の上壁面に接続さ
れており、かつその通路中に常開型電磁弁２６が
介装されている。

上記冷媒循環ポンプ１５、温度制御用ポンプ２
５、電磁弁２６および冷却フアン１３は、所謂マ
イクロコンピユータシステムを用いた制御装置３
１によつて駆動制御されるもので、具体的には、
ウオータジヤケツト２に設けた第１液面センサ３
２、温度センサ３３と、ロアタンク１２に設けた
第２液面センサ３４と、循環系最上部に設けた負
圧スイツチ３５の各検出信号に基づいて後述する
制御が行われる。

ここで上記第１、第２液面センサ３２，３４は
例えばリードスイツチを利用したフロート式セン
サ等が用いられ、冷媒液面が設定レベルに達して
いるか否かをオン・オフ的に検出するものであつ
て、第１液面センサ３２はその検出レベルがシリ
ンダヘツド５の略中間程度の高さ位置に設定さ
れ、かつ第２液面センサ３４はその検出レベルが
冷媒循環通路１４および補助冷媒通路２３の開口
よりも僅かに上方の高さ位置に設定されている。
また温度センサ３３は例えばサーミスタ等からな
り、ウオータジヤケツト２内の適宜な位置に設け
られて、ウオータジヤケツト２内の冷媒温度を検
出している。また負圧スイツチ３５は、大気圧と
系内圧力との差圧に応動するダイヤフラムを用い
たもので、高地、低地等に拘らず使用環境下にお
ける大気圧に対し系内が負圧であるか否かを検出
しており、具体的には−30mmHg〜−50mmHg程度
に作動圧を設定してある。

尚、その他機関運転条件を検出するための各種
センサについては図示していない。

次に上記沸騰冷却装置の制御について説明す
る。

先ず機関が始動すると、系内を一旦液相冷媒
（例えば水と不凍液の混合液）で満たして不凝縮
気体である空気を排出する。すなわち、電磁弁２
６を「開」とした状態で温度制御用ポンプ２５を
「Ｂ方向」に一定時間駆動し、系外のリザーバタ
ンク２１から系内に液相冷媒を強制的に導入す
る。この結果、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２４を介して系外
に排出される。

系内が液相冷媒で満たされるに十分な時間（例
えば数10秒程度）が経過したら、電磁弁２６を
「閉」、温度制御用ポンプ２５をOFFとして、そ
のまま待機する。ウオータジヤケツト２内の液相
冷媒は滞留状態にあるので、速やかに温度上昇す
る。尚、温度センサ３３による検出温度が50℃程
度に上昇するまで上記電磁弁２６を「開」状態と
しておいても良い。その後、検出温度が目標温度
を超えたら、温度制御用ポンプ２５を「Ａ方向」
に駆動し、コンデンサ３からリザーバタンク２１
へ液相冷媒を排出する。これによりウオータジヤ
ケツト２内で減圧沸騰が生じ、ウオータジヤケツ
ト２上部およびコンデンサ３上部に徐々に気相冷
媒領域が拡大する。上記目標温度は、機関の負荷
や回転数などの運転条件に応じて、例えば80〜
110℃程度の範囲内で逐次最適に設定される。尚、
目標温度が相当に高い場合には、目標温度に達す
る前に沸騰が開始し、蒸気圧によつて温度制御用
ポンプ２５を通して若干の液相冷媒がリザーバタ
ンク２１に押し出される。また、沸騰の結果、ウ
オータジヤケツト２内の冷媒液面が第１液面セン
サ３２の設定レベルを下廻つたら、冷媒循環ポン
プ１５をONとし、ロアタンク１２からウオータ
ジヤケツト２へ液相冷媒を補給する。

以上のように暖機制御がなされて検出温度が一
旦目標温度まで上昇した後は、冷媒循環ポンプ１
５のON・OFFによるウオータジヤケツト２内の
冷媒液面の維持と、コンデンサ３内の冷媒液面の
上下動による温度制御とがキーOFF時まで繰り
返し行われる。すなわち、冷媒供給ポンプ１５を
第１液面センサ３２の検出信号に基づいてON・
OFF制御し、ウオータジヤケツト２内の冷媒液
面を常に設定レベルに維持する。一方、検出温度
が目標温度より高い場合には、温度制御用ポンプ
２５を「Ａ方向」に駆動し、コンデンサ３からリ
ザーバタンク２１へ液相冷媒を排出してコンデン
サ３内の冷媒液面を低下させる。これにより、系
内圧力が直接に低下するとともに、コンデンサ３
の放熱能力が増大するので、直ちに沸点の低下を
来して系内温度が速やかに低下する。また逆に検
出温度が目標温度より低い場合には、温度制御用
ポンプ２５を「Ｂ方向」に駆動し、リザーバタン
ク２１からコンデンサ３へ液相冷媒を導入してコ
ンデンサ３内の冷媒液面を上昇させる。これによ
り、系内圧力の加圧ならびにコンデンサ３の放熱
能力の抑制が行われ、系内温度は速やかに上昇す
る。このコンデンサ３内の冷媒液面の上昇・下降
の繰り返しによつて、任意の沸点つまり目標温度
の下で、コンデンサ３の放熱能力と機関発熱量と
を平衡させることができ、高精度な温度制御が実
現できる。尚、コンデンサ３の冷媒液面が第２液
面センサ３４の設定レベルまで低下した場合に
は、蒸気の流出を防止するために液相冷媒の排出
を停止し、かつ冷却フアン１３をONとして、強
制冷却風により凝縮の促進を行う。

また機関停止後は、一定時間冷却フアン１３を
駆動して強制冷却し、負圧スイツチ３５により系
内が実際に負圧になつたことを検出した段階で電
源がOFFとなる。電源OFFにより常開型の電磁
弁２６が「開」となるので、温度低下つまり圧力
低下に伴つてリザーバタンク２１から空気排出通
路２４を通して系内に液相冷媒が導入される。最
終的には系内が略完全に液相冷媒で満たされた状
態となつて停止中の空気侵入が防止される。

発明の効果 以上の説明で明らかなように、この発明に係る
内燃機関の沸騰冷却装置においては、コンデンサ
内の冷媒液面を強制的に上昇・下降させることに
よつて高精度かつ応答性の良い温度制御が実現で
きる。そして、ウオータジヤケツトへの冷媒補給
を行う冷媒循環ポンプとコンデンサへの冷媒導
入・排出を行う温度制御用ポンプとを夫々別個に
設けたので、夫々の特性に合つた形式のポンプを
選択でき、キヤビテーシヨンの対策が容易になる
とともに、夫々の流路中に電磁弁が全く介在しな
いので、その流路抵抗に起因したキヤビテーシヨ
ンの発生を防止できる。また、装置全体における
アクチユエータ類が、冷媒循環ポンプと温度制御
用ポンプと１個の電磁弁のみとなるので、構成が
簡素でかつ信頼性の高いものとなる。

【図面の簡単な説明】

図はこの発明の一実施例を示す構成説明図であ
る。 １……内燃機関、２……ウオータジヤケツト、
３……コンデンサ、１２……ロアタンク、１３…
…冷却フアン、１４……冷媒循環通路、１５……
冷媒循環ポンプ、２１……リザーバタンク、２３
……補助冷媒通路、２４……空気排出通路、２５
……温度制御用ポンプ、２６……電磁弁、３１…
…制御装置、３２……第１液面センサ、３３……
温度センサ、３４……第２液面センサ、３５……
負圧スイツチ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 液面センサにて規定される所定レベルまで液
   相冷媒が貯留されるウオータジヤケツトと、この
   ウオータジヤケツトで発生した冷媒蒸気が導入さ
   れ、かつ下部に凝縮した液相冷媒が集められるコ
   ンデンサと、このコンデンサの下部と上記ウオー
   タジヤケツトとを連通した冷媒循環通路に介装さ
   れ、かつ上記液面センサの検出に基づいてコンデ
   ンサからウオータジヤケツトへ液相冷媒を補給す
   る冷媒循環ポンプと、上記ウオータジヤケツトと
   コンデンサと冷媒循環ポンプとを主体とした密閉
   された冷媒循環系に対し、その外部に設けられた
   リザーバタンクと、上記ウオータジヤケツト内の
   冷媒温度を直接もしくは間接に検出する温度検出
   手段と、上記コンデンサの下部と上記リザーバタ
   ンクの底部とを連通した補助冷媒通路に介装さ
   れ、かつ検出温度と目標温度との比較に基づきコ
   ンデンサ内の液面位置を上昇・下降させるべく液
   相冷媒を導入・排出する温度制御用ポンプと、上
   記冷媒循環系の最上部と上記リザーバタンクの底
   部とを連通した空気排出通路に介装され、かつ上
   記温度制御用ポンプを用いた空気排出時ならびに
   機関停止時に開弁される電磁弁とを備えてなる内
   燃機関の沸騰冷却装置。