JPH0422708A - エンジンの流動沸騰冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、冷却水を循環させながら沸騰させ、冷却水の
蒸発潜熱を利用してエンジンを冷却する流動沸騰冷却装
置に関する。

［従来の技術］ 従来のエンジンの沸騰冷却装置は、例えば実開昭６１−
６２２２９号、特開昭６１−８３４２１号、または特開
昭６１−８３４２９号公報に開示されている。これらの
公報に示された沸騰冷却装置では、プール沸騰方式が採
用されている。このプール沸騰方式は、エンジンのウォ
ータジャケット内に所定の水位まで冷却水を溜め、この
冷却水を蒸発させることにより蒸発潜熱をエンジンから
奪って冷却させるものである。この冷却方式では、冷却
水の循環回路（循環系）内に水を充満させて循環する方
式に比べて蒸発潜熱を利用している点で冷却効率が優れ
ている。

このプール沸騰方式をエンジンに適用する場合は、冷却
水の水位を一定に維持する必要がある。

つまり、冷却水の循環系内で沸騰蒸発した分の冷却水を
系外から補充する必要があり、系内と系外との間で冷却
水のやりとりを行う機構が必要となる。

そこで、従来の沸騰冷却装置では、上記循環系にリザー
バタンクを接続し、系内の供給ポンプを正逆転させるこ
とによりリザーバタンク内の冷却水を系内に出入れ可能
としたり、或いは、外部タンクを循環系に接続し、外部
タンク内の圧力を変化させて冷却水の給排を行っている
。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、自動車の場合、走行中の振動や傾斜によ
り、エンジンのウォータジャケット内の液面水位を一定
に維持するのは困難である。また、系内と系外との間で
冷却水のやりとりを行う場合に、給水ポンプを逆転させ
てエンジン内の冷却水を吸引すると、エンジン内の飽和
温度に近い冷却水がポンプの吸引口付近で圧力が下って
蒸発し、キャビテーションを発生させてポンプ故障の原
因となる。

従って、系内と系外との間で冷却水のやりとりを行うの
に給水ポンプを逆転させるのは好ましくない。また、外
部タンク内の圧力をアクチュエータによって上下させる
には構造が複雑となるという問題がある。

本発明は上述の課題に着目してなされたものであり、そ
の目的は冷却水の供給ポンプを正転のまま系内と系外と
の間の冷却水のやりとりを容易にし、給水ポンプ内でキ
ャビテーションを発生させることのない流動沸騰冷却装
置を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 上述の課題は、以下の手段によって達成される。

すなわち、その手段としてのエンジンの流動沸騰冷却装
置は、エンジンのウォータジャケットに吐出側が接続さ
れた給水ポンプと、この給水ポンプの吸込み側と上記エ
ンジンのウォータジャケットとに接続された凝縮器とを
備えた循環回路が設けられ、上記給水ポンプによって冷
却水を上記回路内に循環させ、上記ウォータジャケット
内で冷却水を沸騰させてエンジンから蒸発潜熱を奪って
冷却するエンジンの流動沸騰冷却装置であって、上記給
水ポンプの吐出側管路と吸込み側管路とに夫々切換え弁
を介して接続された冷却水貯蔵手段と、上記給水ポンプ
の供給圧力により回路内の冷却水を上記冷却水貯蔵手段
内に貯蔵させ、冷却水貯蔵手段の内圧により上記給水ポ
ンプの吸込み側へ冷却水を供給させる制御手段とを具備
したことを特徴としている。

［作用コ 上記流動沸騰冷却装置は、エンジンのウォータジャケッ
ト内における冷却水の液面水位を一定に維持しない気液
二相流の回路を構成し、エンジンが冷えている場合は、
通常の冷却水のみを回路内に循環させ、エンジンの温度
が上昇した時には、冷却水が沸騰して蒸気相が形成され
て回路内の圧力が上昇するので、回路内の冷却水を系外
の冷却水貯蔵手段に逃がし、蒸気によって体積が増えた
分の回路内の空間を確保して圧力を一定に維持する。

［実施例コ 以下図面を参照しながら本発明の一実施例について説明
する。

第１図及び第２図は、本発明の一実施例に係わるエンジ
ンの流動沸騰冷却装置を示している。第１図に示すよう
にエンジン２を冷却するだめのウォータジャケット３内
には出口管路６が接続され、この出口管路６は気液分離
器４に連通している。

そして、気液分離器４は、気液分離器４内の蒸気相５に
連通する管路８を介して蒸気を凝縮するためのコンデン
サ（凝縮器）１０に接続されている。

コンデンサ１０の下部には、コンデンサ１０内で液化さ
れた冷却水を送り出すための管路１２が接続され、この
管路１２は気液分離器４の下側液相７に連通ずる管路１
４と合流し、吸込側管路ユ３を通って給水ポンプ１６に
連通している。

上記給水ポンプ１６と、エンジンのウォータジャケット
３と、気液分離器４と、コンデンサ１０とは冷却水の循
環回路（循環系）１７を構成している。

上記給水ポンプ１６の吐出側管路１８は途中で分岐し、
分岐した一方の管路２０は第１の電磁弁２２を介してエ
ンジン２のウォータジャケット３に連通してる。また、
分岐した他方の管路２４は、第２の電磁弁２６を介して
循環系１７内の冷却水を一時的に貯蔵するためのアキュ
ムレータ２８に連通している。さらに、アキュムレータ
２８の送液管路３０は、第３の電磁弁３２を介して給水
ポンプ１６の吸込側管路１３に接続されている。

第２図に示すように、上記エンジン２の出口管路６にお
けるエンジン出口近傍には、水温センサ３２が取付けら
れている。この水温センサ３２は、流動沸騰冷却装置全
体を制御するコントローラ３１に接続され、エンジン出
口付近の水温を検知し、エンジン内の冷却水の状態を確
認するために用いられる。

また、気液分離器４の蒸気相５とコンデンサ１０とを接
続する管路８には、圧力センサ３４が取付けられている
。この圧力センサ３４はコントローラ３１に接続され、
蒸気相５の圧力を検知し、蒸気相の圧力を一定に維持す
るために用いられる。

この圧力センサ３４によって検知される回路内の圧力に
よって冷却水の沸点を求めることができる。

気液分離器４内には、上限と下限の水位を検出する水位
リミッタ３６が取付けられている。この水位リミッタ３
６は、コントローラ３１に接続され、気液分離器４内の
水位異常を検知するために用いられる。

上記コンデンサ１０の後方にはファン３８が設置され、
このファン３８は、コントローラ３１に接続され、コン
デンサ１０に送風し、コンデンサ内の蒸気を冷却して凝
縮させると共に、コントローラ３１からの出力に応じて
コンデンサ１０の凝縮量を制御し、回路内の圧力を一定
に維持する。

さらに、上記給水ポンプ１６および第１．２．３の電磁
弁２２．２６．３２は、コントローラ３１に接続され、
コントローラ３１からの出力により制御される。

次に、本発明に係わる流動沸騰冷却装置の作動について
説明する。

まず、エンジン２の定常運転時に冷却水を回路（系）内
に循環させている状態で、エンジン２のウォータジャケ
ット３内で沸騰が始まると、発生する蒸気により系内の
圧力が上昇する。その際、系内の圧力を一定に維持する
ために、第１及び第３の電磁弁２２．３２を閉成し、第
２の電磁弁２６を開成して、給水ポンプ１６の作用によ
り冷却水をアキュムレータ２８内にアキュムレータ内の
圧力に抗して供給する。

次に、エンジン２が停止した場合には、エンジン２の冷
却に伴って系内の蒸気が凝縮して圧力が負圧となる。そ
の際、気液分離器４あるいはエンジンのウォータジャケ
ット３内の負圧を圧力センサ３４が検知し、第１及び第
２の電磁弁２２．２６を閉成し、第３の電磁弁３２を開
成することにより、アキュムレータ２８内の冷却水がア
キュムレータ２８内の内部圧力により送出され、気液分
離器４内に供給されて内部の圧力を上げると共に系内に
冷却水を満たすことができる。

また、運転中にコンデンサ１０の負荷が変化し、コンデ
ンサ１０内の圧力が変化するが、その場合、ウォータジ
ャケット３内の圧力も変化し、冷却水の飽和温度が変わ
るので好ましくない。そこで、系内の圧力を一定に維持
するために、コンデンサ１０の凝縮能力を変える必要が
ある。コンデンサ１０の凝縮能力を調整するにはファン
３６の回転数を制御するか、または、コンデンサ１０内
の水位を上下させれば良い。つまり、コンデンサ１０内
の水位を変えると熱交換面積が変わるので凝縮能力を調
整することができる。

本発明では、コンデンサ１０内の水位を上下させるには
、上述の方法によりアキュムレータ内の冷却水を系内に
出し入れすることによって行われる。

なお、上記コンデンサは通常のラジェータが使用される
が、凝縮した冷却水は飽和温度であり、この冷却水をそ
のまま給水ポンプ１６に送るとポンプの入口でキャビテ
ーシヨンが発生する。そこで、キャビテーションの発生
を防止するために所定の温度まで水温を下げる必要があ
り、図示しないがサブコンデンサがコンデンサ１ｏの下
流側に設けられる。

本発明では上述のように、エンジン２のウォータジャケ
ット３内で所定の沸点を得るために系内圧力を制御する
が、この制御はコンデンサ１０での凝縮量の調整によっ
て行われる。コンデンサユＯの凝縮量は、ファン３８の
制御と共にコンデンサ１０内の液面の増減でも調整する
ことができる。そして、コンデンサ１０内における液面
増減は、系内と系外との間の冷却水のやりとりによって
達成される。

上記流動沸騰冷却装置では、定常運転でコンデンサ液面
の増減が必要なとき、第１及び第３の電磁弁２２．３２
を閉成し、第２の電磁弁２６を開成し、冷却水をアキュ
ムレータ２８の内圧に抗して給水ポンプ１６で系外へ排
出し、また、第２の電磁弁２６を閉成し、第１及び第３
の電磁弁２２．３２を開成することにより、アキュムレ
ータ２８内の冷却水をポンプ吸込み側へ内圧で押込供給
することができる。

また、エンジン停止後、系内負圧回避のため、系全体を
冷却水で満水保管するときは、第２の電磁弁２６を閉成
し、第１及び第３の電磁弁２２．３２を開成することに
より、ポンプ吸込み側へ系内負圧生成に応じて冷却水を
供給する。系内の負圧が進むにしたがってポンプ吸込み
側で圧力水頭が下がり、キャビテーションが発生する虞
れがあるが、アキュムレータの内圧を加えることにより
圧力水頭を上げて、キャビテーションの発生を防止する
ことができる。

さらに、エンジンを起動して満水保管時から冷却装置が
定常運転に入るまでの暖機過程でも同様の操作で冷却水
の系外排出を実施することができる。

上記エンジン内の冷却水が沸騰すると蒸発潜熱を奪うた
めに伝熱効率が急激に上昇する。エンジン内で冷却水が
沸騰する際には、壁面過熱度（エンジンの壁面温度から
飽和温度を引いた値）が所定値以上に上ってしまうと膜
沸騰が起こり、伝熱効率が逆に下がる性質がある。従っ
て、適当な壁面過熱度を維持するような水量の供給が必
要である。つまり、エンジン内で適度の沸騰状態を維持
するような流速を、エンジンのアイドリング状態から高
回転状態まで予め計算し、流速を設定してエンジン内の
冷却水の温度を制御すれば膜沸騰を起こすことなく沸騰
状態を維持することができる。

従って、上述の流動沸騰冷却装置では、給水ポンプ１６
の吐出流量をコントローラ３１によって調整し、エンジ
ン内に冷却水を強制的に対流させると共に、コンデンサ
１０内の液面を増減させて系内の圧力を一定に維持し、
冷却水の飽和沸騰状態を維持している。この制御は、系
内圧力の設定値が大気圧以上あるいは以下に設定されて
も実施可能である。

本発明は上述の実施例のみに限定されることなく様々に
変形して実施することができる。

例えば、上記実施例では系外排出時に一時的にエンジン
への供給が止まることになるので、最小限必要な水量を
エンジンに流すために第１の電磁弁２２を迂回するバイ
パス管路を設けると良い。

それにより、エンジンに水を送りながらアキュムレータ
２８内に水を送込むことができる。

また、第１の電磁弁２２と第２の電磁弁２６とを３万電
磁弁にして弁の数を減らしても良い。

また、上記アキュムレータは市販品でよいが、アキュム
レータに代えて外部タンク内にダイアフラムを設け、こ
のダイアフラムをばね等で付勢するものでも良い。

［発明の効果コ 以上のように本発明に係わるエンジンの流動沸騰冷却装
置では、冷却水貯蔵手段の内圧を利用して冷却水を給水
ポンプの吸込側に供給するので、給水ポンプを逆転させ
る必要かなく、システムが簡略化されると共に、給水ポ
ンプにおけるキャビテーションの発生が防止される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係わるエンジンの流動沸騰
冷却装置の流体回路を示す回路図、第２図は同しくエン
ジンの流動沸騰冷却装置の流体回路と制御回路を示す回
路図である。 ２・・・エンジン、３・・・ウォータジャケット、１０
・・・コンデンサ（凝縮器）、１６・・・給水ポンプ、
２６．３２・・・電磁弁（切換弁）、２８・・・アキュ
ムレータ（冷却水貯蔵手段）、３１・・・コントローラ
（制御手段）。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. エンジンのウォータジャケットに吐出側が接続された給
   水ポンプと、この給水ポンプの吸込み側と上記エンジン
   のウォータジャケットとに接続された凝縮器とを備えた
   循環回路が設けられ、上記給水ポンプによって冷却水を
   上記回路内に循環させ、上記ウォータジャケット内で冷
   却水を沸騰させてエンジンから蒸発潜熱を奪って冷却す
   るエンジンの流動沸騰冷却装置において、上記給水ポン
   プの吐出側管路と吸込み側管路とに夫々切換え弁を介し
   て接続された冷却水貯蔵手段と、上記給水ポンプの供給
   圧力により回路内の冷却水を上記冷却水貯蔵手段内に貯
   蔵させ、冷却水貯蔵手段の内圧により上記給水ポンプの
   吸込み側へ冷却水を供給させる制御手段とを具備したこ
   とを特徴とするエンジンの流動沸騰冷却装置。