JPH034727B2 - - 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の冷媒の沸騰・
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くとも３個の電磁
弁が必要である。この発明は、リザーバタンク底
部とコンデンサ下部とを連通するように設けられ
ていたキーOFF後の冷媒導入用電磁弁の省略を
図り、一層簡素化した沸騰冷却装置を提供するこ
とを目的とする。

問題点を解決するための手段 この発明に係る内燃機関の沸騰冷却装置は、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貯留されるコ
ンデンサと、上記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とを備え
ており、かつこれらによつて構成される密閉した
冷媒循環系の外部にリザーバタンクが設けられて
いる。補助冷媒通路は、一端が上記冷媒循環通路
に接続され、かつ他端が上記リザーバタンクの下
部に接続されている。上記冷媒循環通路のコンデ
ンサと補助冷媒通路接続部との間には、冷媒供給
ポンプが介装される。この冷媒供給ポンプは正逆
両方向へ送給可能であるとともに、その停止時に
冷媒の自然通流が可能な構成である。また上記接
続部には、冷媒供給ポンプを、励磁状態で上記ウ
オータジヤケツトに連通させ、かつ非励磁状態で
リザーバタンクに連通させる三方電磁弁が設けら
れている。

また上記冷媒循環系の最上部に空気排出通路の
一端が接続され、かつ該通路に常閉型電磁弁が介
装されている。そして、ウオータジヤケツト内の
液相冷媒の液面位置を検出する液面検出手段と、
ウオータジヤケツト内の冷媒温度を直接あるいは
間接に検出する温度検出手段とを有しており、更
に上記冷媒供給ポンプ、三方電磁弁および常閉型
電磁弁を所定のプログラムに従つて制御する制御
装置とを備えている。

作 用 上記のような構成において、通常の運転状態で
は、冷媒循環系が密閉状態に保たれ、その内部で
冷媒の沸騰・凝縮のサイクルが繰り返される。す
なわち、ウオータジヤケツトには適宜なレベルま
で液相冷媒が貯留され、沸騰によつて液面が低下
すると冷媒供給ポンプによつてコンデンサから凝
縮回収した液相冷媒が補給される。

ここでコンデンサの熱交換効率は、コンデンサ
内部が液相冷媒である場合と気相冷媒である場合
とで著しく変化し、上方に気相冷媒が、下方に液
相冷媒が夫々共存する状態では、気相冷媒の領域
のみが実質的な放熱面積となる。従つて、その液
面の高さを制御することにより、放熱能力を任意
に、かつ広範囲に制御することができ、これによ
つてウオータジヤケツト内の冷媒の沸点を高精度
に可変制御できる。上記のコンデンサ液面制御
は、三方電磁弁の切換と冷媒供給ポンプの送給方
向の切換とによつて、リザーバタンクとの間で液
相冷媒を強制的に移動させることにより実現され
る。

一方、上記のように冷媒循環系を密閉状態とし
て運転するには、系内から不凝縮気体である空気
を除去する必要があるが、これは例えば始動時な
どに、系内を液相冷媒で完全に満たし、同時に空
気排出通路を開路して空気を押し出すことによつ
て実現される。系内を液相冷媒で満たすには、や
はり冷媒供給ポンプによつてリザーバタンクから
液相冷媒が強制的に導入される。そして、機関を
停止して制御が終了すると、三方電磁弁および常
閉型電磁弁がOFF状態となるので、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
ら冷媒供給ポンプ内を通してコンデンサ側に液相
冷媒が自然に導入され、最終的には系内が液相冷
媒で略満たされた状態となる。

実施例 第１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、その上部開口を
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、上下方向に沿つた微細なチユ
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１
３の底部に冷媒循環通路１５の一端が接続されて
おり、かつこの冷媒循環通路１５の他端が上記ウ
オータジヤケツト２のシリンダブロツク５側に設
けた冷媒入口２ａに接続されている。そして、上
記冷媒循環通路１５の中間部には、流路切換機構
となる三方電磁弁１６が介装されているととも
に、この三方電磁弁１６とロアタンク１３との間
に冷媒供給ポンプ４が介装されている。

２１は、上記ウオータジヤケツト２やコンデン
サ３を主体とした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と略等しい高
さ位置に設置され、かつその底部に補助冷媒通路
２３が接続されている。この補助冷媒通路２３の
先端は上記三方電磁弁１６を介して冷媒循環通路
１５に接続されている。

上記三方電磁弁１６は、非励磁状態では冷媒循
環通路１５を遮断してリザーバタンク２１とロア
タンク１３との間を連通状態とし（流路Ａ）、励
磁状態では補助冷媒通路２３を遮断して冷媒循環
通路１５を連通状態（流路Ｂ）とする構成となつ
ている。そして、上記冷媒供給ポンプ４として
は、正逆両方向に液相冷媒を圧送できるものが用
いられており、上記の流路Ａの状態で冷媒供給ポ
ンプ４を正方向に駆動すればロアタンク１３から
リザーバタンク２１へ液相冷媒を強制排出でき、
逆方向に駆動すればリザーバタンク２１からロア
タンク１３へ液相冷媒を強制導入でき、更に流路
Ｂの状態で冷媒供給ポンプ４を正方向に駆動すれ
ばロアタンク１３からウオータジヤケツト２へ液
相冷媒を循環供給することができる。また、上記
冷媒供給ポンプ４は、例えばスクリユー式ポンプ
のように、ポンプ停止時に内部を液相冷媒が自然
通流できる構成となつている。

一方、上述した密閉系の最上部となる排出管取
付部８ａには、系内の空気を排出するための空気
排出通路２４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２４の先端部がリザーバタンク２
１内の比較的下部に開口している。そして、上記
空気排出通路２４には、常閉型電磁弁２５が介装
されている。

尚、２６は車室２７内に設けられた暖房用のヒ
ータコア、２８はこのヒータコア２６にウオータ
ジヤケツト２内の液相冷媒を循環させるヒータ用
ポンプであつて、これは図示せぬヒータスイツチ
に連動している。

上記各電磁弁２５，１６と冷媒供給ポンプ４お
よび冷却フアン１４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３１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３２、温度センサ３
３、ロアタンク１３に設けた第２液面センサ３４
および循環系最上部に設けた負圧スイツチ３５の
各種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６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１５の開口よりも上方の高さ位置に
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、通常液相冷媒内に没入する
位置あるいは気相冷媒領域となる位置に設けられ
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循環下における
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、常閉型電
磁弁２５を「開」、三方電磁弁１６を「流路Ａ」
とした状態で冷媒供給ポンプ４を逆方向に一定時
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、常閉型電磁弁２
５を「開」、冷媒供給ポンプ４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。その後、検出温度が目標温度を超えたら、冷
媒供給ポンプ４を正方向に駆動し、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、目標温度が比較的高い場
合には、目標温度に達する前に沸騰が開始するこ
とになり、自然通流可能な冷媒供給ポンプ４を通
して系内の蒸気圧によつて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ときには、三方電
磁弁１６を一時「流路Ｂ」に切換えるとともに冷
媒供給ポンプ４を正方向に駆動して、ロアタンク
１３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、三方電磁弁１６が
「流路Ｂ」の状態となつて冷媒循環系が密閉され、
以後、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時まで継続的に行われる。
すなわち、第１液面センサ３２の検出信号に基づ
いて冷媒供給ポンプ４を正方向へON・OFF制御
することで、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。また、検出温度が
目標温度より高くなつた場合には、三方電磁弁１
６を「流路Ａ」に切換えるとともに、冷媒供給ポ
ンプ４を正方向に駆動し、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。逆
に、検出温度が目標温度より低下した場合には、
三方電磁弁１６を「流路Ａ」として冷媒供給ポン
プ４を逆方向に駆動し、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。これによりコンデン
サ３の放熱能力が抑制されるので、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１４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１４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により常閉型電磁弁
２５が「閉」状態を保つとともに、三方電磁弁１
６が「流路Ａ」となるので、コンデンサ３は自然
通流可能な冷媒供給ポンプ４を通してリザーバタ
ンク２１に連通する。従つて、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２１から系
内に液相冷媒が導入され、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。

以上、この発明の一実施例を詳細に説明した
が、ウオータジヤケツト２の第１液面センサ３２
の設定レベルに対しコンデンサ３が比較的低い位
置に設置されるような場合には、第２図に示すよ
うに、三方電磁弁１６とウオータジヤケツト２と
の間に逆止弁３６を介装しても良い。この逆止弁
３６によつて、ウオータジヤケツト２からロアタ
ンク１３への液相冷媒の逆流が阻止され、冷媒補
給に要する冷媒供給ポンプ４の作動時間を短縮で
きる。

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、機関停止後に冷媒供給ポンプを通
して系内に液相冷媒が自然に導入されるので、別
個の配管や電磁弁を設ける必要がなく、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】

第１図はこの発明の一実施例を示す構成説明
図、第２図はこの発明の異なる実施例を示す要部
のみの構成説明図である。 １……内燃機関、２……ウオータジヤケツト、
３……コンデンサ、４……冷媒供給ポンプ、１３
……ロアタンク、１４……冷却フアン、１５……
冷媒循環通路、１６……三方電磁弁、２１……リ
ザーバタンク、２３……補助冷媒通路、２４……
空気排出通路、２５……常閉型電磁弁、３１……
制御装置、３２……第１液面センサ、３３……温
度センサ、３６……逆止弁。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 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貯留
   されるコンデンサと、上記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
   と、上記ウオータジヤケツト、コンデンサおよび
   冷媒循環通路からなる密閉した冷媒循環系に対
   し、その外部に設けられたリザーバタンクと、一
   端が上記冷媒循環通路に接続され、かつ他端が上
   記リザーバタンクの下部に接続された補助冷媒通
   路と、上記冷媒循環通路のコンデンサと補助冷媒
   通路接続部との間に介装され、かつ正逆両方向へ
   送給可能であるとともに、停止時に冷媒の自然通
   流が可能な冷媒供給ポンプと、上記両通路の接続
   部に配設され、かつ、上記冷媒供給ポンプを、励
   磁状態で上記ウオータジヤケツトに連通するとと
   もに、非励磁状態で上記リザーバタンクに連通さ
   せる三方電磁弁と、上記冷媒循環系の最上部に接
   続した空気排出通路に介装された常閉型電磁弁
   と、上記ウオータジヤケツト内の液相冷媒の液面
   位置を検出する液面検出手段と、上記ウオータジ
   ヤケツト内の冷媒温度を直接あるいは間接に検出
   する温度検出手段と、上記冷媒供給ポンプ、三方
   電磁弁および常閉型電磁弁を所定のプログラムに
   従つて制御する制御装置とを備えてなる内燃機関
   の沸騰冷却装置。