JPH07116939B2 - 内燃機関の沸騰冷却装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は、主に冷媒の沸騰凝縮サイクルによつて機関
各部の冷却を行なうようにした内燃機関の沸騰冷却装置
の改良に関する。

従来の技術 本出願人は、内燃機関のウオータジヤケツトとコンデン
サと冷媒供給ポンプとを主体として閉ループ状の冷媒循
環系を形成し、ウオータジヤケツト内に所定レベルまで
液相冷媒を貯留しておき、その沸騰気化により機関各部
を冷却するとともに、このウオータジヤケツトで発生し
た冷媒蒸気をコンデンサに導いて凝縮させた後、液面セ
ンサの検出に基づく冷媒供給ポンプの間欠的な作動によ
つて再度ウオータジヤケツトへ供給するようにした沸騰
冷却装置を種々提案している（例えば特開昭60−36712
号公報、特開昭60−36715号公報等）。この沸騰冷却装
置においては、ウオータジヤケツト内の液相冷媒に対し
積極的な強制対流は与えられていない。すなわち、沸騰
の形態としては、気泡による流動のみを伴う自然対流沸
騰いわゆるプール沸騰となる。そして、この沸騰を伴う
熱伝達によれば、核沸騰の領域においてシリンダヘツド
等の伝熱面と冷媒との間で非常に高い熱伝達率を確保す
ることができ、均一かつ効果的な冷却を行なうことがで
きるのである。

発明が解決しようとする問題点 ところで液相冷媒が貯留される内燃機関のウオータジヤ
ケツトは、かなり複雑な構造であり、特にシリンダヘツ
ドのバルブシート周辺やポート間あるいはシリンダブロ
ツクのライナ間等では狭い制限空間となる。そしてシリ
ンダブロツクがサイアミーズ構造の場合は、ライナ間の
ウオータジヤケツトとして細いドリル穴が用いられるた
め、非常に狭い空間となる。

このような狭い制限空間における沸騰特性は、広い空間
状態の場合に比較して上昇する気泡の激しい運動により
境界層を薄く保つため、一般に非常に高い熱伝達率を示
す。しかしながら高熱流速域になると、気泡の一層激し
い上昇により伝熱面への液相冷媒の供給が阻害され、伝
熱面が蒸気泡に覆われる時間が長くなつて、逆に広い空
間状態の場合よりも熱伝達率が低下している。すなわ
ち、狭い制限空間における沸騰は、核沸騰の限界が低熱
流速側に移行する傾向を示すのである。したがつて、ウ
オータジヤケツトの拡大が困難な小型高出力機関におい
ては、排気ポート周辺や排気弁周辺などの制限空間でか
つ熱負荷の高い部分の冷却が不良となる恐れがある。

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、ウオータ
ジヤケツト内の液相冷媒をラジエータとの間で強制循環
させて、排気ポート周辺等の高熱負荷部に強制対流を与
えるようにしたものである。

すなわち、この発明に係る内燃機関の沸騰冷却装置は、
液相冷媒が適宜なレベルまで貯留され、かつ上部空間が
気相冷媒領域となるウオータジヤケツトと、このウオー
タジヤケツト上部から取り出された冷媒蒸気を凝縮する
コンデンサと、このコンデンサで凝縮した液相冷媒を上
記ウオータジヤケツトへ供給する冷媒供給手段と、上記
ウォータジャケットの上記液面レベル以下にそれぞれ設
けられた液相冷媒取出口および液相冷媒戻し口と、上記
液相冷媒取出口を介して上記ウオータジヤケツトから取
り出された液相冷媒を冷却するラジエータと、このラジ
エータから上記液相冷媒戻し口へ液相冷媒を送り戻し、
該ラジエータと上記ウオータジヤケツトとの間で常時液
相冷媒を循環させる冷媒循環手段とを備え、上記冷媒循
環手段による液相冷媒流によつてウオータジヤケツト内
の高熱負荷部に強制対流を与えるようにしたことを特徴
とするものである。

作用 ウオータジヤケツト内に存在する液相冷媒は燃焼熱を受
けておおむね飽和温度となり、沸騰を生じて各部を冷却
する。ここで発生した冷媒蒸気はコンデンサで凝縮され
た後、冷媒供給手段によつて再度ウオータジヤケツトへ
戻される。

一方、冷媒循環手段によつてウオータジヤケツトから液
相冷媒取出口を通して取り出された液相冷媒は、ラジエ
ータを通過してサブクール状態となつた後、ウオータジ
ヤケットへ液相冷媒戻し口を通して送り戻されるが、こ
の冷媒の循環によつてウオータジヤケツト内には液相冷
媒の流れが生じ、これによりウオータジヤケツト内の高
熱負荷部に強制対流が与えられる。そのため、高熱負荷
部の伝熱面に確実に液相冷媒が供給され、高熱流束領域
においても核沸騰状態が保たれるのである。

実施例 第１図は、この発明に係る内燃機関の沸騰冷却装置の一
実施例を模式的に示す構成説明図であり、１は内燃機
関、２はこの内燃機関１内部に設けられたウオータジヤ
ケツトを示している。

上記ウオータジヤケツト２は、シリンダや燃焼室の周囲
を覆うようにシリンダブロツク３及びシリンダヘツド４
の両者に亘つて一体に形成されたもので、通常気相冷媒
領域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複数の蒸気出口５が開口形
成されている。この蒸気出口５は、蒸気マニホルド６お
よび蒸気通路７を介してコンデンサ８の上部入口に連通
している。

上記コンデンサ８は、車両前部など車両走行風を受け得
る位置に設置され、かつその前面もしくは背面に強制冷
却用の電動式冷却フアン９を備えている。上記冷却フア
ン９は、コンデンサ８下部のロアタンクに設けた温度セ
ンサ10の検出温度が所定温度以上となつたときに作動し
てコンデンサ８を強制冷却する構成となつている。ま
た、上記コンデンサ８で凝縮した冷媒が集められるコン
デンサ８下部のロアタンクには、リザーバタンク11が接
続されている。このリザーバタンク11は、大気連通路12
を介して上部空間が大気に開放されたもので、その所定
レベルに液相冷媒の有無によつてON,OFF信号を発する液
面センサ13が装着されている。そして、上記リザーバタ
ンク11の下部に冷媒供給通路14の一端が接続されてお
り、かつこの冷媒供給通路14には、上記液面センサ13の
検出信号に連動して開閉動作する第１電磁弁15が介装さ
れている。なお、上記リザーバタンク11の大気連通路12
には、冷媒蒸気の噴出を防止するために常開型の第２電
磁弁16が介装されている。この第２電磁弁16は、コンデ
ンサ８の温度センサ10の検出信号に基づいて開閉制御さ
れるもので、飽和温度付近に設定した設定温度以上とな
つたとき、つまり温度センサ10近傍に冷媒蒸気が達した
ときに閉作動する構成となつている。

一方、上記ウオータジヤケツト２の後端部、詳しくはシ
リンダブロツク３側の後端部に液相冷媒取出口17が設け
られ、またウオータジヤケツト２の前端部、詳しくはシ
リンダヘツド４側の前端部に液相冷媒戻し口18が設けら
れている。上記液相冷媒取出口17はラジエータ入口通路
19を介してラジエータ20の上部入口に連通している。こ
のラジエータ20は、やはり車両前部などに設置されてお
り、かつその背面もしくは前面に冷却フアン28が配設さ
れている。この冷却フアン28としては、例えば機関出力
によつて駆動される形式のものを用いることができる。
なお、上記コンデンサ８と上記ラジエータ20とを重ねて
配置し、冷却フアン９によつて両者を同時に強制冷却す
るように構成してもよい。そして、上記ラジエータ20の
下部出口に接続したラジエータ出口通路21の先端は、上
記液相冷媒戻し口18に連通している。この液相冷媒戻し
口18の上流側には、冷媒循環手段および冷媒供給手段を
兼ねるポンプとして機関出力によつて常時駆動されるイ
ンペラポンプなどからなる循環ポンプ22が配設されてい
る。また上記ラジエータ入口通路19と上記ラジエータ出
口通路21とはバイパス通路23によつて互いに連通されて
おり、このバイパス通路23に公知のサーモスタツト弁24
が配設されている。そして、上記ラジエータ出口通路21
のサーモスタツト弁24上流側に、上記冷媒供給通路14の
先端が接続されている。

また25は車室暖房用のヒータコアであつて、その冷媒入
口に接続されたヒータ入口通路26の先端がウオータジヤ
ケツト２のシリンダヘツド４側の後端部に接続されてい
るとともに、冷媒出口に接続されたヒータ出口通路27の
先端が上記循環ポンプ22上流側に接続されている。

次に、第２図および第３図は上記ウオータジヤケツト２
の具体的な構造を示すもので、それぞれ上方から見た状
態におけるシリンダヘツド４およびシリンダブロツク３
の断面を示している。

この第2,3図に示すようにウオータジヤケツト２のシリ
ンダヘツド４側に設けられた液相冷媒戻し口18は、シリ
ンダブロツク３前端部に形成された通路31を介して循環
ポンプ22下流側に連通している。この液相冷媒戻し口18
に連続したかたちで、シリンダヘツド４の排気ポート34
側に、ウオータギヤラリ32が形成されており、ここから
各気筒に向けて液相冷媒を供給するように供給口35が形
成されている。そしてこのウオータジヤケツト２のシリ
ンダヘツド４側の部分は、複数の連通孔36を介してシリ
ンダブロツク３側の部分に連通している。また、図示せ
ぬ吸気マニホルド下部に設けられたマニホルド内通路37
に、ウオータジヤケツト２のシリンダヘツド４側部分か
ら液相冷媒が導かれるようになつており、かつこのマニ
ホルド内通路37の後端部にシリンダブロツク３側部分に
液相冷媒を導く連通孔38が形成されている。一方、この
ようにシリンダヘツド４側部分を経て液相冷媒が導入さ
れるウオータジヤケツト２のシリンダブロツク３側部分
においては、その吸気ポート33側にウオータギヤラリ39
が形成されており、その後端部からラジエータ20および
ヒータコア25へそれぞれ液相冷媒を取出す構造となつて
いる。

さて上記のように構成された沸騰冷却装置においては、
基本的には冷媒の沸騰凝縮サイクルを利用した冷却が行
なわれる。すなわち、ウオータジヤケツト２内の液相冷
媒は、燃焼熱を受けておおむね飽和温度となり、沸騰を
生じ、その際に機関各部を冷却する。ここで発生した冷
媒蒸気はコンデンサ８に導かれて凝縮し、コンデンサ８
下部ならびにリザーバタンク11に回収される。そして、
リザーバタンク11内に回収された液相冷媒が液面センサ
13の設定レベル以上となると、第１電磁弁15が開作動す
る。そのため、リザーバタンク11が冷媒供給通路14を介
して循環ポンプ22上流側に連通され、機関出力によつて
常時駆動される循環ポンプ22の作用によりリザーバタン
ク11からウオータジヤケツト２内へ液相冷媒が送り戻さ
れる。この結果、ウオータジヤケツト２内には常に適宜
なレベルまで液相冷媒が存在する。

一方、ウオータジヤケツト２内の液相冷媒は、循環ポン
プ22の作用によつて液相のままラジエータ20との間を循
環する。すなわち、シリンダブロツク３後部の液相冷媒
取出口17から取出された飽和温度近い液相冷媒は、ラジ
エータ20に導かれ、ここで放熱して若干のサブクール状
態となり、その後循環ポンプ22を経てシリンダヘツド４
前部の液相冷媒戻し口18からウオータジヤケツト２内へ
戻される。そして、この比較的低温の液相冷媒は、ウオ
ータギヤラリ32から各気筒の排気ポート34周辺へ向かつ
て流れ、かつ連通孔36,38を通してシリンダブロツク３
側へ流れ、更にウオータギヤラリ39から再び液相冷媒取
出口17へ向かつて流れる。

したがつて、このようなウオータジヤケツト２内の液相
冷媒流によつて排気ポート34周辺や各シリンダ間などの
高熱負荷部に積極的な強制対流が与えられることにな
り、これらの伝熱面に発生した蒸気泡を速やかに除去す
ることができる。そのため、高熱流束域においても、ウ
オータジヤケツト２の比較的狭い制限空間内で各沸騰状
態を保つことができ、非常に優れた熱伝達率を確保する
ことができるのである。特に、ラジエータ20でサブクー
ル状態となった液相冷媒が排気ポート34周辺の高熱負荷
部に向けて供給されるので、一層確実な冷却が可能であ
る。なお、機関の未暖機状態、つまりサーモスタツト弁
24の設定温度（例えば90℃程度）以下の状態では、該サ
ーモスタツト弁24が閉じ、これによりバイパス通路23を
通して液相冷媒が循環するとともに、リザーバタンク11
側からの冷媒の導入が停止されるので、暖機特性を損な
うことはなく、シリンダ壁温度等の速やかな上昇を図る
ことができる。また、ヒータコア25へは、やはり循環ポ
ンプ22の作用によりウオータジヤケツト２内の液相冷媒
が循環し、この高温液相冷媒を熱源とした暖房が行なわ
れる。

なお、上記実施例では循環ポンプ22を利用してコンデン
サ８で凝縮した液相冷媒をウオータジヤケツト２へ送り
戻すように構成しているが、この循環ポンプ22とは別に
冷媒供給手段として電動式ポンプなどからなる冷媒供給
ポンプを設けるようにしてもよい。

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
の沸騰冷却装置によれば、沸騰状態にあるウオータジヤ
ケツト内の液相冷媒に、サブクール状態とした液相冷媒
を循環的に導入して高熱負荷部周辺に強制対流を与える
ようにしたので、一般に狭い制限空間となる排気ポート
周辺やライナ間等の高熱負荷部において、確実に核沸騰
状態を保つことができ、優れた熱伝達率による効果的な
冷却を行なうことができる。したがつて、例えばウオー
タジヤケツトの寸法が小さく、かつ熱負荷の高い小型高
出力機関においても、局部的な冷却不良を防止でき、ノ
ツキングを抑制して高圧縮比が可能となる。

【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
はそのシリンダヘツド部分の断面図、第３図はシリンダ
ブロツク部分の断面図である。 １……内燃機関、２……ウオータジヤケツト、８……コ
ンデンサ、13……液面センサ、15……第１電磁弁、20…
…ラジエータ、22……循環ポンプ、24……サーモスタツ
ト弁。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】液相冷媒が適宜なレベルまで貯留され、か
   つ上部空間が気相冷媒領域となるウォータジャケット
   と、このウォータジャケット上部から取り出された冷媒
   蒸気を凝縮するコンデンサと、このコンデンサで凝縮し
   た液相冷媒を上記ウォータジャケットへ供給する冷媒供
   給手段と、上記ウォータジャケットの上記液面レベル以
   下にそれぞれ設けられた液相冷媒取出口および液相冷媒
   戻し口と、上記液相冷媒取出口を介して上記ウォータジ
   ャケットから取り出された液相冷媒を冷却するラジエー
   タと、このラジエータから上記液相冷媒戻し口へ液相冷
   媒を送り戻し、該ラジエータと上記ウォータジャケット
   との間で常時液相冷媒を循環させる冷媒循環手段とを備
   え、上記冷媒循環手段による液相冷媒流によってウォー
   タジャケット内の高熱負荷部に強制対流を与えるように
   したことを特徴とする内燃機関の沸騰冷却装置。